JP2012246631A5 - - Google Patents

Description

特許文献１及び特許文献２の図６に提案の油圧作業機械においては、いずれも、油圧ポンプの要求トルク（ポンプ吸収トルク）がエンジンの出力トルクを超えたエンジン出力トルクの不足時に電動機を力行制御してトルクを補うことで、エンジン負荷トルクが急激に増大しないようにしている。しかし、エンジンの目標回転数や目標出力トルクと粒子状物質ＰＭや窒素酸化物ＮＯｘなどの大気汚染物質の排出量を低減する領域とを関連付けした制御を行っていないため、燃料消費量の低減には効果はあるものの、粒子状物質ＰＭや窒素酸化物ＮＯｘなどの大気汚染物質の排出量の低減を適切に行うことはできなかった。

（１）上記目的を達成するため、本発明は、エンジンと、前記エンジンにより回転駆動される油圧ポンプと、前記エンジンと前記油圧ポンプに連結されたアシスト電動機と、前記油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される複数のアクチュエータと、操作部材を有し、この操作部材の操作に応じた操作信号を出力して前記複数のアクチュエータを動作させる複数の操作装置とを備えたハイブリッド駆動式の油圧作業機械において、前記エンジンの排気ガスに含まれる大気汚染物質の排出量の低減に適した前記エンジンの特定の回転速度を記憶した記憶装置と、前記記憶装置に記憶した前記特定の回転速度を前記エンジンの目標回転速度として設定するエンジン回転速度設定装置と、前記エンジンの目標回転速度に基づいて前記エンジンの回転速度を制御するエンジン回転速度制御装置と、前記油圧ポンプの吸収トルクと前記エンジンの目標出力トルクとの差分トルクを演算し、この差分トルクに応じて前記アシスト電動機を力行制御及び発電制御する電動機制御装置とを備えるものとする。

これにおり汎用性の高い操作信号検出装置を用いてポンプ吸収トルクを取得することができるため、システムを安価に構成することができる。
（１０）また，上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、前記エンジンにより回転駆動される油圧ポンプと、前記エンジンと前記油圧ポンプに連結されたアシスト電動機と、前記油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される複数のアクチュエータと、操作部材を有し、この操作部材の操作に応じた操作信号を出力して前記複数のアクチュエータを動作させる複数の操作装置とを備えたハイブリッド駆動式の油圧作業機械において、前記エンジンの排気ガスに含まれる大気汚染物質の排出量の低減に適した前記エンジンの特定の回転速度と特定の出力トルクを記憶した記憶装置と、前記記憶装置に記憶した前記特定の回転速度を前記エンジンの目標回転速度として設定するエンジン回転速度設定装置と、前記エンジンの目標回転速度に基づいて前記エンジンの回転速度を制御するエンジン回転速度制御装置と、前記油圧ポンプの吸収トルクと前記記憶装置に記憶した前記特定の出力トルクとの偏差を演算し、この偏差に応じて前記アシスト電動機を力行制御及び発電制御する電動機制御装置とを備えるものとする。

更に、アシスト電動機の力行制御及び発電制御でエンジンにかかる負荷変動が低減するため、エンジンの寿命が延長され、エンジンの信頼性を高めることができる。

本発明の第１の実施の形態に係わる油圧ショベル（油圧作業機械）の外観図である。 油圧ショベルに搭載されるアクチュエータ駆動制御システムの構成図である。 アシスト電動機を備えず、エンジンのみで油圧ポンプを駆動する従来のアクチュエータ駆動制御システムにおける、油圧ポンプにかかる負荷トルク変動の一例を示す図である。 アシスト電動機により大きなポンプ吸収トルク変動を抑制する考えを示した説明図である。 車体コントローラが行う速度制御及びトルク変動抑制制御の処理内容を示す機能ブロック図である。 ハイパスフィルタ処理部の処理概念を示す図である。 目標アシストトルク変換処理部の処理概念を示す図である。 アシスト電動機力行／発電演算部の処理概念を示す図である。 目標アシストトルク演算部とアシスト電動機力行／発電演算部の処理概念をまとめて示す図である。 エンジンの回転速度と出力トルクの相関で表した、エンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質ＰＭと窒素酸化物ＮＯｘの排出量のそれぞれのマップを示す線図である。 本発明の第２の実施の形態における車体コントローラが行う速度制御及びトルク変動抑制制御の処理内容を示す機能ブロック図である。 エンジン出力トルク演算部の処理概念を示す図である。 目標アシストトルク補正部の処理概念を示す図である。 アシスト電動機力行／発電演算部の処理概念を示す図である。 エンジンの回転速度と出力トルクの相関で表した、エンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質ＰＭの排出量とエンジンの燃料消費量のそれぞれのマップを示す線図である。 エンジンの回転速度と出力トルクの相関で表した、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物ＮＯｘの排出量とエンジンの燃料消費量のそれぞれのマップを示す線図である。 エンジンの回転速度と出力トルクの相関で表した、エンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質ＰＭ及び窒素酸化物ＮＯｘの排出量とエンジンの燃料消費量のそれぞれのマップを示す線図である。 本発明の第３の実施の形態における車体コントローラが行う速度制御及びトルク変動抑制制御の処理内容を示す機能ブロック図である。 本発明の第４の実施の形態における油圧ショベルに搭載されるアクチュエータ駆動制御システムの構成図である。 車体コントローラが行う速度制御及びトルク変動抑制制御の処理内容を示す機能ブロック図である。 エンジン回転数偏差演算部とポンプ吸収トルク推定部の処理概念を示す図である。 本発明に第５の実施の形態におけるアクチュエータ駆動制御システムの構成図である。 車体コントローラが行う速度制御及びトルク変動抑制制御の処理内容を示す機能ブロック図である。 比例微分処理部とゲイン処理部の処理概念を示す図である。 本発明の第６の実施の形態における油圧ショベルに搭載されるアクチュエータ駆動制御システムの構成図である。 車体コントローラが行う速度制御及びトルク変動抑制制御の処理内容を示す機能ブロック図である。 エンジンの回転速度と出力トルクの相関で表した、エンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質ＰＭのマップを示す線図である。

なお、油圧ポンプ６のレギュレータ６ａは、レギュレータ６ａに入力される信号圧力が低下するにしたがって油圧ポンプ６の傾転角（容量）を増大させるネガティブ制御方式であってもよい。この場合は、方向切換弁５ａ〜５ｃ，５ｅ，５ｆを通過し、タンク９に至るセンターバイパスラインの最下流部分に絞りを設け、その絞りの入側の圧力を信号圧力としてレギュレータ６ａに導く。センターバイパスラインの最下流部分に絞りを設けた場合、その絞りの入側の圧力は、操作レバー装置４ａ，４ｂ及び操作ペダル装置の操作部材である操作レバー及びペダルの操作量（要求流量）が増加し、方向切換弁５ａ〜５ｃ，５ｅ，５ｆのセンタバイパス絞りの通過流量が減少するにしたがって低下する。したがって、絞りの入側の圧力を信号圧力としてレギュレータ６ａに入力し、その信号圧力が低下するにしたがって油圧ポンプ６の傾転角（容量）を増大させることによって、操作部材の操作量が増加するにしたがって油圧ポンプ６の吐出流量を増加させることができる。

エンジンコントロールダイヤル２０は、オペレータにより操作され、オペレータの意図でエンジン７の基本回転速度を指令するものであり、車体コントローラ１１はエンジンコントロールダイヤル２０の指令信号を入力し、その指令信号に基づいて目標回転速度を演算し、エンジンコントローラ２１に出力する。エンジンコントローラ２１は、車体コントローラ１１からの目標回転速度と、回転センサ２３が検出するエンジン７の実回転速度の偏差を演算し、この回転速度偏差に基づいて目標燃料噴射量を演算し、対応する制御信号をエンジン７に備えられる電子ガバナ７ａに出力する。電子ガバナ７ａはその制御信号により作動して目標燃料噴射量相当の燃料を噴射しエンジン７に供給する。これによりエンジン７は目標回転速度が維持されるよう制御される。

（１）旋回電動機１６の駆動制御
圧力センサ１７，１８は操作レバー装置４ｂが生成する油圧操作信号のうち左右方向の旋回操作を指示する油圧操作信号を導くパイロット油路に接続され、その油圧操作信号を検出する。車体コントローラ１１は、圧力センサ１７，１８の検出信号（電気信号）を入力し、検出した油圧操作信号に応じて旋回電動機１６の駆動制御を行う。具体的には、左方向の旋回操作を指示する油圧操作信号を検出したときは、その油圧操作信号に基づいてインバータ１２を制御してアシスト電動機１０を発電機として動作させる発電制御を行うとともに、インバータ１３を制御して旋回電動機１６を駆動する力行制御を行い、油圧操作信号に対応した速度で上部旋回体１ｄが左旋回するように旋回電動機１６を作動させる。右方向の旋回操作を指示する油圧操作信号を検出したときは、その油圧操作信号に基づいてインバータ１２を制御してアシスト電動機１０を発電機として動作させる発電制御を行うとともに、インバータ１３を制御して旋回電動機１６を駆動する力行制御を行い、油圧操作信号に対応した速度で上部旋回体１ｄが右旋回するように旋回電動機１６を作動させる。

記憶装置１１ｆは、エンジン７の排気ガスに含まれる粒子状物質ＰＭと窒素酸化物ＮＯｘの排出量の低減に適した特定のエンジン回転速度として、エンジン回転速度Ｎea（図１０参照）を記憶している。

図９は、目標アシストトルク演算部１１ｃとアシスト電動機力行／発電演算部１１ｄの処理概念をまとめて示す図である。

本実施の形態では、記憶装置１１ｆにそのエンジン回転速度Ｎeaを記憶しておく。そして、目標回転速度演算部１１ａにおいて、エンジン回転速度Ｎeaをエンジン７の目標回転速度として設定し、エンジン回転速度をＰＭとＮＯｘのトータルの排出量が最も少なくなる領域の回転速度Ｎeaに維持する制御を行う。また、そのようなエンジン回転速度の制御を行いつつ、目標アシストトルク演算部１１ｃにおいて、油圧ポンプ６にかかる大きな負荷変動が緩やかな負荷トルク変動となるようにアシスト電動機１０を力行／発電制御し、トルク変動抑制制御を行い、エンジン７の出力トルクがＰＭとＮＯｘのトータルの排出量が最も少なくなる領域の出力トルク範囲Ｔea〜Ｔebの付近の値に維持されるように制御する。

本実施の形態では、上記のように油圧ポンプ６の負荷トルクとこの負荷トルクのトレンド成分（エンジンの目標出力トルク）との差分トルクである油圧ポンプ６の負荷トルクの高周波成分の正負に応じてアシスト電動機１０を力行制御及び発電制御することで、粒子状物質ＰＭと窒素酸化物ＮＯｘの排出量を抑制できるため、ＤＰＦの容量や尿素ＳＣＲシステムのタンクを小型化することができ、更には、状況に応じて排気ガス後処理装置を不要にすることができる。

更に、アシスト電動機１０を力行制御及び発電制御することでエンジン７にかかる負荷変動が低減するため、エンジン７の寿命が延長され、エンジンの信頼性が高まるという効果もある。
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図１１〜図１４を用いて説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態と同様のトルク変動抑制制御を行うとともに、エンジン７の回転速度とエンジン出力トルク範囲を、エンジン７の排気ガスに含まれる大気汚染物質である粒子状物質ＰＭと窒素酸化物ＮＯｘの排出量の低減に適した領域に設定することによって、ＰＭ、ＮＯｘ排出量を更に効果的に抑制するようにしたものである。

記憶装置１１ｆＡは、エンジン７の排気ガスに含まれる粒子状物質ＰＭと窒素酸化物ＮＯｘの排出量の低減に適した特定のエンジン回転速度と特定のエンジン出力トルク範囲として、図１０に示したエンジン回転速度Ｎeaと出力トルク範囲Ｔea〜Ｔebを記憶している。

以上は、第２の実施の形態のバリエーションとして、図１１に示した車体コントローラ１１Ａの記憶装置１１ｆＡに第２の実施の形態と異なる特定の回転速度と特定の出力トルクを記憶し、エンジンの回転速度制御を電動機のアシストトルク制御を行った場合を説明したが、第１の実施の形態のバリエーションとして、図５に示した車体コントローラ１１の記憶装置１１ｆに同様の回転速度を記憶し、エンジン回転速度の制御と電動機のアシストトルク制御を行ってもよい。
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態を図１８を用いて説明する。第２の実施の形態及びそのバリエーションでは、ＰＭとＮＯｘのトータルの排出量、ＰＭの排出量と燃料消費量の組み合わせ、ＮＯｘの排出量と燃料消費量の組み合わせ、ＰＭとＮＯｘのトータルの排出量と燃料消費量の組み合わせ、ＰＭの排出量のみ、ＮＯｘの排出量のみのいずれかを最も少なくするエンジン回転速度と出力トルク範囲を記憶装置１１ｆＡに記憶してエンジンの回転速度制御と電動機のアシストトルク制御を行った。本実施の形態は、それらの全てのエンジン回転速度と出力トルク範囲を記憶装置１１ｆＢに記憶し、それらのいずれかを選択できるようにしたものである。

ポンプ吸収トルク演算部１１ｂ及び目標アシストトルク演算部１１ｃの処理内容及びトルク配分補正部１１ｅＢのエンジン出力トルク演算部１１ｅ１の処理内容は第１及び第２の実施の形態のものと同じであるので、説明を省略する。

なお、第３の実施の形態では、第２の実施の形態のようにトルク配分補正部１１ｅＢを備える車体コントローラ１１Ｂにモード切換スイッチ２２を設け、エンジン回転速度と出力トルク範囲を選択できるようにしたが、図５に示した第１の実施の形態のようにトルク配分補正部を備えない車体コントローラ１１にモード切換スイッチ２２を設け、エンジン回転速度を選択できるようにしてもよい。このようにした場合も、油圧ショベルの作業環境や稼動エリアの規制に応じて最適のファクタを選択し、作業環境や稼動エリアの規制に応じた最適なエンジンの回転速度制御を行うことができるとともに、ポンプ吸収トルクのハイパスフィルタ処理による電動機のアシストトルク制御を行うことができる。
＜第４の実施の形態＞
本発明の第４の実施の形態を図１９〜図２１を用いて説明する。本実施の形態は、ポンプ吸収トルクの他の演算方法を示すものである。

油圧ポンプ６の制御装置であるレギュレータ６ａにポジティブ制御方式或いはネガティブ制御方式を用いている場合、操作レバー装置４ａ，４ｂ或いは操作ペダル装置の操作部材の操作量が増加すると油圧ポンプ６の吐出流量が増加し、そのときの被駆動部材の負荷（フロント装置１Ａの負荷或いは下部走行体１ｅの負荷）に応じて油圧ポンプ６の負荷トルクであるポンプ吸収トルクが増加する。その被駆動部材の負荷の大きさは被駆動部材の慣性の影響を受ける。したがって、操作レバー装置４ａ，４ｂ或いは操作ペダル装置が生成する油圧操作信号に微分成分を足し込んで補正することにより、概ね、ポンプ吸収トルクに比例した値を予測することができる。

なお、第６の実施の形態では、エンジン７の目標回転速度と出力トルクをＰＭ排出量の最も少ない領域にあるエンジン回転速度Ｎepと出力トルクＴepに設定したが、前述した第２の実施の形態のバリエーションのように、ＰＭとＮＯｘのトータルの排出量、ＰＭの排出量とエンジン７の燃料消費量の組み合わせ、ＮＯｘの排出量と燃料消費量の組み合わせ、ＰＭとＮＯｘのトータルの排出量と燃料消費量の組み合わせ、ＮＯｘの排出量のいずれかを最も少なくする領域のエンジン回転速度と出力トルクを設定してもよい。また，前述した第３の実施の形態のように、それらのエンジン回転速度と出力トルクの全てを記憶装置に記憶しかつモード切換スイッチを設け、最適のエンジン回転速度と出力トルク範囲を適宜選択できるようにしてもよい。
＜その他＞
なお、本発明は上記実施例１〜６に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、車体の旋回体を駆動するアクチュエータについては電動機による旋回システムとしたが、油圧による通常の旋回モータを用いたシステムでもよい。目標のエンジン回転速度は１つに設定したが、油圧作業機械の作業内容や作業条件、ユーザ設定等により目標のエンジン回転速度を複数設定し、適宜目標を切り替えて制御する構成としてもよい。操作レバー装置は油圧操作信号を出力するものとしたが、電気信号を出力するものであってもよい。電動機はエンジンと油圧ポンプの中間に直列に連結される方式としたが、歯車機構を介してエンジンに対して油圧ポンプと電動機を並列に連結してもよい。油圧ポンプの負荷トルク（ポンプ吸収トルク）に対してハイパスフィルタ処理を行ったが、ローパスフィルタ処理を行い、フィルタ処理後の値（トレンド成分）をポンプ吸収トルクから差し引くことで高周波成分を求めてもよい。油圧ポンプの負荷トルクのトレンド成分や高周波成分を演算する際、演算周期の何サイクルか前の演算値に対して微分等の処理を行うことにより、今後の値を予測してフィードフォワード制御を組み合わせてもよい。更に、本発明は油圧ショベルに限らず、ホイールローダ、走行クレーン、ブルドーザ等その他の油圧作業機械にも同様に適用可能である。

３ａ ブームシリンダ
３ｂ アームシリンダ
３ｃ バケットシリンダ
３ｅ，３ｆ 左右の走行モータ
４ａ，４ｂ 操作レバー装置
５ａ〜５ｃ，５ｅ，５ｆ 方向切換弁
６ 油圧ポンプ
６ａ レギュレータ
７ エンジン
７ａ 電子ガバナ
８ リリーフ弁
９ タンク
１０ アシスト電動機
１１ 車体コントローラ
１１ａ 目標回転速度演算部
１１ｂ ポンプ吸収トルク演算部
１１ｃ 目標アシストトルク演算部
１１ｃ１ ハイパスフィルタ処理部
１１ｃ２ 目標アシストトルク変換処理部
１１ｄ アシスト電動機力行／発電演算部
１１ｆ 記憶装置
１１Ａ 車体コントローラ
１１ｅ トルク配分補正部
１１ｅ１ エンジン出力トルク演算部
１１ｅ２ 目標アシストトルク補正部
１１ｆＡ 記憶装置
１１Ｂ 車体コントローラ
１１ａＢ 目標回転速度演算部
１１ｆＢ 記憶装置
１１ｅＢ トルク配分補正部
１１ｅ２Ｂ 目標アシストトルク補正部
１１Ｃ 車体コントローラ
１１ｂＣ ポンプ吸収トルク演算部
１１ｂＣ１ エンジン回転速度偏差演算部
１１ｂＣ２ ポンプ吸収トルク推定部
１１Ｄ 車体コントローラ
１１ｂＤ ポンプ吸収トルク予測部
１１ｂＤ１ 比例微分処理部
１１ｂＤ２ ゲイン処理部
１１Ｅ 車体コントローラ
１１ｆＥ 記憶装置
１１ｇ エンジントルク演算部
１１ｈ 目標アシストトルク演算部
１１ｈ１ トルク偏差演算部
１１ｈ２ 目標アシストトルク変換処理部
１２，１３ インバータ
１４ チョッパ
１５ バッテリ
１６ 旋回電動機
１７，１８ 圧力センサ
１９ トルクセンサ
２０ エンジンコントロールダイヤル
２１ エンジンコントローラ
２２ モード切換スイッチ
２３ 回転センサ
２６ 圧力センサ

Claims (4)

1. エンジンと、
   前記エンジンにより回転駆動される油圧ポンプと、
   前記エンジンと前記油圧ポンプに連結されたアシスト電動機と、
   前記油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される複数のアクチュエータと、
   操作部材を有し、この操作部材の操作に応じた操作信号を出力して前記複数のアクチュエータを動作させる複数の操作装置とを備えたハイブリッド駆動式の油圧作業機械において、
   前記エンジンの排気ガスに含まれる大気汚染物質の排出量の低減に適した前記エンジンの特定の回転速度を記憶した記憶装置と、
   前記記憶装置に記憶した前記特定の回転速度を前記エンジンの目標回転速度として設定するエンジン回転速度設定装置と、
   前記エンジンの目標回転速度に基づいて前記エンジンの回転速度を制御するエンジン回転速度制御装置と、
   前記油圧ポンプの吸収トルクと前記エンジンの目標出力トルクとの差分トルクを演算し、この差分トルクに応じて前記アシスト電動機を力行制御及び発電制御する電動機制御装置とを備えることを特徴とするハイブリッド駆動式の油圧作業機械。
2. 請求項２記載のハイブリッド駆動式の油圧作業機械において、
   前記記憶装置は、前記エンジンの排気ガスに含まれる大気汚染物質の排出量の低減に適した前記エンジンの特定の回転速度と特定の出力トルク範囲を記憶しており、
   前記電動機制御装置は、前記エンジンの目標出力トルクが前記記憶装置に記憶した前記特定の出力トルク範囲を超えないよう前記アシスト電動機の目標トルクを補正するトルク配分補正装置を更に有し、
   前記電動機制御装置は、前記トルク配分補正装置で補正した前記アシスト電動機の目標トルクに基づいて前記アシスト電動機を力行制御及び発電制御することを特徴とするハイブリッド駆動式の油圧作業機械。
3. 請求項４記載のハイブリッド駆動式の油圧作業機械において、
   前記記憶装置は、前記エンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質ＰＭの排出量、窒素酸化物ＮＯｘ、粒子状物質ＰＭと窒素酸化物ＮＯｘのトータルの排出量、粒子状物質ＰＭの排出量と燃料消費量の組み合わせ、窒素酸化物ＮＯｘの排出量と燃料消費量の組み合わせ、粒子状物質ＰＭと窒素酸化物ＮＯｘのトータルの排出量と燃料消費量の組み合わせを含む複数のファクタのうちの少なくとも２つのファクタのそれぞれの低減に適した前記エンジンの特定の回転速度と特定の出力トルク範囲の複数の組み合わせを記憶しており、
   前記エンジンの特定の回転速度と特定の出力トルク範囲の複数の組み合わせのうちのいずれを用いるかを選択する切換装置を更に備え、
   前記エンジン回転速度設定装置は、前記切換装置によって選択された組み合わせの前記特定の回転速度を前記エンジンの目標回転速度として設定し、
   前記トルク配分補正装置は、前記切換装置によって選択された組み合わせの前記特定の出力トルク範囲を超えないよう前記アシスト電動機の目標トルクを補正することを特徴とするハイブリッド駆動式の油圧作業機械。
4. エンジンと、
   前記エンジンにより回転駆動される油圧ポンプと、
   前記エンジンと前記油圧ポンプに連結されたアシスト電動機と、
   前記油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される複数のアクチュエータと、
   操作部材を有し、この操作部材の操作に応じた操作信号を出力して前記複数のアクチュエータを動作させる複数の操作装置とを備えたハイブリッド駆動式の油圧作業機械において、
   前記エンジンの排気ガスに含まれる大気汚染物質の排出量の低減に適した前記エンジンの特定の回転速度と特定の出力トルクを記憶した記憶装置と、
   前記記憶装置に記憶した前記特定の回転速度を前記エンジンの目標回転速度として設定するエンジン回転速度設定装置と、
   前記エンジンの目標回転速度に基づいて前記エンジンの回転速度を制御するエンジン回転速度制御装置と、
   前記油圧ポンプの吸収トルクと前記記憶装置に記憶した前記特定の出力トルクとの偏差を演算し、この偏差に応じて前記アシスト電動機を力行制御及び発電制御する電動機制御装置とを備えることを特徴とするハイブリッド駆動式の油圧作業機械。