JP2013024166A - Hybrid shovel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、駆動源としてディーゼルエンジンを使用し、ディーゼルエンジンをアシストする電動発電機を駆動して得られた電力を蓄電装置に供給するハイブリッド型ショベルに関する。 The present invention relates to a hybrid excavator that uses a diesel engine as a drive source and supplies electric power obtained by driving a motor generator that assists the diesel engine to a power storage device.
エンジンをアシストする電動発電機（アシストモータ）を有するハイブリッド型ショベルには、電動発電機を駆動して得られた電力を蓄電するための蓄電器等を含む蓄電装置が設けられる（例えば、特許文献１参照。）。アシストモータは蓄電装置からの電力で駆動されてエンジンをアシストする。また、アシストモータはエンジンの動力で駆動されて発電を行ない、発電した電力は蓄電装置に蓄電される。 A hybrid excavator having a motor generator (assist motor) for assisting an engine is provided with a power storage device including a power storage unit for storing electric power obtained by driving the motor generator (for example, Patent Document 1). reference.). The assist motor is driven by power from the power storage device to assist the engine. The assist motor is driven by engine power to generate power, and the generated power is stored in the power storage device.
ハイブリッド型ショベルでは、油圧ポンプの駆動源であるエンジンとしてディーゼルエンジンが用いられることが多い。ディーゼルエンジンの排気ガスには微細な粒子状物質が多く含まれることが知られている。そこで、ディーゼルエンジンの排気ガスを浄化するために、排気ガス中の粒子状物質をフィルタで取り除いてから大気に放出することが行なわれている。このような粒子状物質はＰＭ（Particle Matter）と称され、粒子状物質ＰＭを除去するためのフィルタはＤＰＦ（Diesel Particle Filter）と称される。 In a hybrid excavator, a diesel engine is often used as an engine that is a drive source of a hydraulic pump. It is known that exhaust gas from a diesel engine contains a lot of fine particulate matter. Therefore, in order to purify exhaust gas from a diesel engine, particulate matter in the exhaust gas is removed by a filter and then released to the atmosphere. Such particulate matter is called PM (Particle Matter), and a filter for removing the particulate matter PM is called DPF (Diesel Particle Filter).
ＤＰＦが大量のＰＭを捕集すると目詰まりを起こすので、ＰＭがある程度ＤＰＦに溜まると、ＤＰＦを高温にしてＰＭを燃焼させて除去することでＤＰＦを再生する処理が行なわれる。ＤＰＦ再生処理は、ＤＰＦに流す排気ガスの温度を高くしてＤＰＦを高温にすることで、触媒作用のもとでＰＭを酸化させる処理である。排気ガスの温度を高くする手段として、エンジンの負荷を増大させる方法がある。
例えば、ディーゼルエンジンにより駆動される油圧ポンプの負荷を増大させてディーゼルエンジンでの発熱量を大きくし、高温の排気ガスをＤＰＦに流してＤＰＦ再生処理を行なうことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、例えばアイドリング運転中であって油圧負荷が使用されていないときに、油圧ポンプの負荷を強制的に増大させる。これにより、ディーゼルエンジンにかかる負荷を一時的に増大してディーゼルエンジンの出力を増大させることで、高温の排気ガスを発生させ、この高温の排気ガスでＤＰＦに捕集されているＰＭを燃焼させて除去する。
When the DPF collects a large amount of PM, clogging occurs. Therefore, when the PM is accumulated in the DPF to some extent, the DPF is heated to a high temperature, and the DPF is burned and removed to regenerate the DPF. The DPF regeneration process is a process for oxidizing PM under catalytic action by increasing the temperature of exhaust gas flowing through the DPF to raise the temperature of the DPF. As a means for increasing the temperature of the exhaust gas, there is a method of increasing the engine load.
For example, it has been proposed to increase the amount of heat generated by a diesel engine by increasing the load of a hydraulic pump driven by the diesel engine, and to perform a DPF regeneration process by flowing high-temperature exhaust gas through the DPF (for example, patents). Reference 1). In this technique, for example, when the idling operation is being performed and the hydraulic load is not used, the load of the hydraulic pump is forcibly increased. As a result, the load on the diesel engine is temporarily increased to increase the output of the diesel engine, thereby generating high-temperature exhaust gas and burning the PM collected in the DPF with this high-temperature exhaust gas. To remove.
また、ディーゼルエンジンにおいてポスト噴射を行なうことで、ＤＰＦ装置内で燃料を燃焼させ、ＤＰＦの温度を上昇させることでＤＰＦ再生処理を行なう技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。ポスト噴射とは、ディーゼルエンジンの排気弁が閉止する直前に燃料を噴射することである。これにより、未燃焼の燃料が排気ガス中に含まれることとなり、この燃料がＤＰＦを通過するときに燃焼することでＤＰＦの温度を上昇させ、ＰＭを燃焼させて除去する。 Further, a technique for performing DPF regeneration processing by burning fuel in the DPF device by performing post injection in a diesel engine and increasing the temperature of the DPF has been proposed (see, for example, Patent Document 2). Post-injection is the injection of fuel just before the exhaust valve of a diesel engine is closed. As a result, unburned fuel is contained in the exhaust gas, and when this fuel passes through the DPF, the temperature of the DPF is raised, and PM is burned and removed.
特許文献１に開示された技術では、油圧ポンプによる油圧負荷を増大させてディーゼルエンジンに負荷を加えて、エンジンの出力を増大する。この際、ディーゼルエンジンに多量の燃料を供給することで出力を増大させるが、このディーゼルエンジンの出力はショベルの作業に用いられることはなく、単に排気ガス温度を上昇させるためだけのものである。このディーゼルエンジンがショベルの負荷を駆動するためのエンジンであることを考慮すると、ＤＰＦ再生処理のために増大するエンジン出力は、ショベルの作業要素を駆動するために使用されておらず、ショベルのエネルギ効率を低下させていることとなる。 In the technique disclosed in Patent Document 1, the hydraulic load by the hydraulic pump is increased to apply a load to the diesel engine, and the output of the engine is increased. At this time, the output is increased by supplying a large amount of fuel to the diesel engine, but the output of the diesel engine is not used for the operation of the excavator, but merely for raising the exhaust gas temperature. Considering that this diesel engine is an engine for driving the load of the shovel, the increased engine power due to the DPF regeneration process is not used to drive the excavator work element, and the excavator energy The efficiency is reduced.
また、特許文献１に開示された技術では、ＤＰＦ再生処理のためだけに通常より多い量の燃料をディーゼルエンジンに供給することとなり、やはりショベルのエネルギ効率を低下させていることとなる。 Moreover, in the technique disclosed in Patent Document 1, a larger amount of fuel than usual is supplied to the diesel engine only for the DPF regeneration process, which also reduces the energy efficiency of the shovel.
そこで、ＤＰＦ再生処理を行なう際にもエンジン出力を有効に利用することで、ショベルのエネルギ効率を向上させる技術の開発が望まれている。 Therefore, it is desired to develop a technique for improving the energy efficiency of the excavator by effectively using the engine output even when performing the DPF regeneration process.
本発明によれば、ＤＰＦ再生処理装置を有するディーゼルエンジンと、前記ディーゼルエンジンからの駆動力で駆動される油圧ポンプと、前記ディーゼルエンジンからの駆動力で発電を行なう発電機と、該発電機が発電した電力を蓄積する蓄電部と、前記油圧ポンプの動作と前記発電機の動作を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が閾値より小さい場合には、前記油圧ポンプにより前記ディーゼルエンジンに加わる負荷よりも前記発電機により前記ディーゼルエンジンに加わる負荷を大きくした状態で、前記ＤＰＦ再生処理装置においてＤＰＦ再生処理を行なうことを特徴とするハイブリッド型ショベルが提供される。 According to the present invention, a diesel engine having a DPF regeneration processing device, a hydraulic pump driven by the driving force from the diesel engine, a generator for generating electric power by the driving force from the diesel engine, and the generator A power storage unit that stores the generated power, and a control unit that controls the operation of the hydraulic pump and the operation of the generator, the control unit, when the storage amount of the power storage unit is smaller than a threshold, A hybrid excavator is provided in which DPF regeneration processing is performed in the DPF regeneration processing device in a state where the load applied to the diesel engine by the generator is larger than the load applied to the diesel engine by the hydraulic pump. The
上述のハイブリッド型ショベルにおいて、前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が前記閾値以上の場合には、前記発電機により前記ディーゼルエンジンに加わる負荷よりも前記油圧ポンプにより前記ディーゼルエンジンに加わる負荷を大きくした状態で、前記ＤＰＦ再生処理を行なうこととしてもよい。また、前記ＤＰＦ再生処理中に前記発電機により発電した電力を前記蓄電部に蓄積することとしてもよい。 In the hybrid excavator described above, the control unit applies a load applied to the diesel engine by the hydraulic pump rather than a load applied to the diesel engine by the generator when the amount of power stored in the power storage unit is equal to or greater than the threshold. The DPF regeneration process may be performed in the enlarged state. Further, the power generated by the generator during the DPF regeneration process may be stored in the power storage unit.
上述の発明によれば、ＰＤＦ再生処理中のエンジン出力で発電機を発電運転して得られた電力を、ショベルの作業要素の駆動に用いることができるため、ショベルのエネルギ効率を向上させることができる。 According to the above-described invention, since the electric power obtained by generating the generator with the engine output during the PDF regeneration process can be used for driving the work element of the excavator, the energy efficiency of the excavator can be improved. it can.
次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。 Next, embodiments will be described with reference to the drawings.
図１は本発明が適用されるショベルの一例であるハイブリッド型ショベルの側面図である。 FIG. 1 is a side view of a hybrid excavator as an example of an excavator to which the present invention is applied.
図１に示すハイブリッド型ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４，アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。
An
図２は、図１に示すハイブリッド型ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。 FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the drive system of the hybrid excavator shown in FIG. In FIG. 2, the mechanical power system is indicated by a double line, the high-pressure hydraulic line is indicated by a solid line, the pilot line is indicated by a broken line, and the electric drive / control system is indicated by a solid line.
機械式駆動部としてのディーゼルエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。油圧ポンプ１４は可変容量式油圧ポンプであり、斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量を制御することができる。
A
コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。
The
電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器を含む蓄電系１２０が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。
The
図２に示すハイブリッド型ショベルは旋回機構を電動にしたもので、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられている。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。
The hybrid excavator shown in FIG. 2 is an electric swing mechanism, and is provided with a turning electric motor 21 for driving the
コントローラ３０は、ハイブリッド型ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。
The
コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。
The
コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００（図３参照）を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。また、コントローラ３０は、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値に基づいて、蓄電器（キャパシタ）の充電率ＳＯＣを算出する。
The
ディーゼルエンジン１１には冷却水の温度を検出する水温計１１ａが設けられており、水温計１１ａの検出値（水温値）がコントローラ３０に供給される。コントローラ３０は、水温計１１ａの検出値を常時監視し、後述のように水温計１１ａの検出値に基づいて電動発電機１２の駆動を制御する。
また、本実施形態におけるディーゼルエンジン１１はＰＤＦ再生処理装置１１ｂを有している。ＰＤＦ再生処理装置１１ｂは、ディーゼルエンジン１１の排気ガスから粒子状物質（ＰＭ）を除去するためのフィルタ（ＰＤＦ）で捕集したＰＭを高温排気ガスで燃焼させて除去し、ＰＤＦを再生する装置である。
The
Further, the
図３は、蓄電系１２０の回路図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータとＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ 電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。
FIG. 3 is a circuit diagram of the
昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ、及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、発電機３００、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。
The step-up / step-down
昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。
Switching control between the step-up / step-down operation of the buck-
以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。
In the configuration as described above, the electric power generated by the
昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１０５を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８Ａ，２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。
The step-up / down
リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４に接続される。リアクトル１０１は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。
One end of the
昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子（スイッチング素子）である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０により、ゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。
The step-up
キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。
Capacitor 19 may be a chargeable / dischargeable capacitor so that power can be exchanged with
電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ１９及びインバータ１８Ａ，２０が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、キャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。
The
キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９の電圧値Ｖｃａｐを検出する。ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧値Ｖｄｃを検出する。平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化するための蓄電素子である。この平滑用のコンデンサ１０７によって、ＤＣバス１１０の電圧は予め定められた電圧に維持されている。
The
キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子（Ｐ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子に流れる電流値Ｉ１を検出する。一方、キャパシタ電流検出部１１７は、キャパシタの負極端子（Ｎ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１７は、キャパシタ１９の負極端子に流れる電流値Ｉ２を検出する。
The capacitor
昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がＤＣバス１１０に供給される。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。
In the buck-
ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、インバータ１０５を介して供給される回生電力がＤＣバス１１０からキャパシタ １９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がキャパシタ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。
When stepping down the
本実施形態では、キャパシタ１９の正極端子を昇降圧コンバータ１００の電源接続端子１０４に接続する電源ライン１１４に、当該電源ライン１１４を遮断することのできる遮断器としてリレー１３０−１，１３０−２が設けられる。リレー１３０−１は、電源ライン１１４へのキャパシタ電圧検出部１１２の接続点１１５とキャパシタ１９の正極端子の間に配置されている。リレー１３０−１はコントローラ３０からの信号により作動し、キャパシタ１９からの電源ライン１１４を遮断することで、キャパシタ１９を昇降圧コンバータ１００から切り離すことができる。
In this embodiment, relays 130-1 and 130-2 are connected to the
また、キャパシタ１９の負極端子を昇降圧コンバータ１００の電源接続端子１０４に接続する電源ライン１１７に、当該電源ライン１１７を遮断することのできる遮断器としてリレー１３０−２が設けられる。リレー１３０−２は、電源ライン１１７へのキャパシタ電圧検出部１１２の接続点１１８とキャパシタ１９の負極端子の間に配置されている。リレー１３０−２はコントローラ３０からの信号により作動し、キャパシタ１９からの電源ライン１１７を遮断することで、キャパシタ１９を昇降圧コンバータ１００から切り離すことができる。なお、リレー１３０−１とリレー１３０−２を一つのリレーとして正極端子側の電源ライン１１４と負極端子側の電源ライン１１７の両方を同時に遮断してキャパシタを切り離すこととしてもよい。
In addition, a relay 130-2 is provided as a circuit breaker capable of interrupting the
なお、実際には、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図３では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。
In practice, a drive unit that generates a PWM signal for driving the boosting
本実施形態では、上述のような構成のハイブリッド型ショベルにおいて、ディーゼルエンジン１１のＤＰＦ再生処理中のエンジン出力を利用して電動発電機１２を発電運転させ、得られた電力を蓄電系１２０の蓄電器であるキャパシタ１９に蓄積しておく。キャパシタ１９に蓄積された電力は、ハイブリッド型ショベルの運転時に使用されるので、ＤＰＦ再生処理を行なうために用いられるエネルギを電力として回収することで、ハイブリッド型ショベルのエネルギ効率を向上させることができる。
In the present embodiment, in the hybrid excavator having the above-described configuration, the
ここで、本実施形態におけるディーゼルエンジン１１（以下、単にエンジン１１とも称する）のＤＰＨ再生処理装置１１ｂにおいてＤＰＦ再生処理を行なう際の、エンジン１１、電動発電機１２及び油圧ポンプ１４の制御について以下に説明する。
Here, the control of the
図４は、ＤＰＦ再生処理を行なう際のエンジン１１、電動発電機１２及び油圧ポンプ１４の制御状態を示すタイミングチャートである。
FIG. 4 is a timing chart showing control states of the
図４（ａ）はＤＰＦ指令の変化を示すグラフである。ＤＰＦ指令は、エンジン１１のコントローラ（エンジンコントロールユニット：ＥＣＵ）から出力される指令である。ＤＰＦ指令は、例えばエンジン１１のアイドリング運転時のようにショベルの作業要素を駆動していないときに、ショベルの運転者等がＤＰＦ再生処理を行なうためのスイッチを操作することで、ＯＮとなる。
FIG. 4A is a graph showing changes in the DPF command. The DPF command is a command output from a controller (engine control unit: ECU) of the
図４（ｂ）はエンジン１１の回転数の変化を示すグラフである。図４に示す例では、エンジン１１のアイドリング時の回転数は１０００ｒｐｍであり、暖機運転時にはエンジン１１の回転数は１１００ｒｐｍとなるようにエンジン１１が制御される。また、ショベルの負荷を駆動する際には、エンジン１１は回転数が例えば１８００ｒｐｍを維持するように定回転制御が行なわれる。
FIG. 4B is a graph showing changes in the rotational speed of the
図４（ｃ）は電動発電機１２の発電出力（発電電力）の変化を示すグラフである。コントローラ３０からの発電指令により電動発電機１２は発電運転を行い、電動発電機１２で発電した電力はインバータ１８Ａを介して蓄電系１２０に供給される。
FIG. 4C is a graph showing changes in the power generation output (generated power) of the
図４（ｄ）は、油圧ポンプ１４によりエンジン１１に加わる負荷の変化を示すグラフである。油圧ポンプ１４の負荷として油圧ポンプ１４が発生する圧力の値が用いられている。
FIG. 4D is a graph showing a change in load applied to the
図４（ｅ）は、蓄電系１２０に設けられたキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）の変化を示すグラフである。キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）は、システム制御下限値とシステム制御上限値（ＳＯＣｍａｘ）の間となるようにコントローラ３０により制御されている。
FIG. 4E is a graph showing a change in the charging rate (SOC) of the capacitor 19 provided in the
図４に示す例では、まずＤＰＦ再生処理を開始するためにＤＰＦ指令がＯＮとなる。図４（ａ）に示すように時刻ｔ１においてＤＰＦ指令がＯＮとなると、エンジン１１の回転数をアイドリング回転数（１０００ｒｐｍ）より高い回転数（１１００ｒｐｍ）に維持するように制御が行なわれる。これにより、図４（ｂ）に示すようにエンジン１１の回転数はアイドリング回転数から上昇して１１００ｒｐｍに維持されるようになる。ここで、ＤＰＦ再生処理中のエンジンの回転数は１１００ｒｐｍに限定されず、例えば１５００ｒｐｍでもよい。ＤＰＦ処理中のエンジンの回転数は、アイドリング回転数より１００〜６００ｒｐｍ程度高い回転数とすることができる。
In the example shown in FIG. 4, first, the DPF command is turned ON to start the DPF regeneration process. As shown in FIG. 4A, when the DPF command is turned on at time t1, control is performed so as to maintain the rotational speed of the
時刻ｔ１においてＤＰＦ再生処理が開始された後、時刻ｔ２において電動発電機１２を発電運転する指令がコントローラ３０から出される。これにより、時刻ｔ２から電動発電機１２が発電運転を行い、図４（ｄ）に示すように電動発電機１２から電力が出力される。電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０に供給される。このとき、電動発電機１２を駆動する分だけエンジン１１にかかる負荷が大きくなるため、エンジン１１の発熱量が多くなり、エンジン１１からの排気ガスの温度が上昇する。
After the DPF regeneration process is started at time t <b> 1, a command for generating power from the
エンジン１１から排出される高温の排気ガスは、ＤＰＦ再生処理装置１１ｂに供給され、ＤＰＦ再生処理装置１１ｂ内のＤＰＦが高温となってＰＭが燃焼することでＤＰＦ再生処理が行なわれる。ここで、高温の排気ガスとは、ＤＰＦ再生処理を行なうことのできる程度の温度の排気ガスを意味する。
The high-temperature exhaust gas discharged from the
ＤＰＦ再生処理中はショベルでの作業運転はまだ開始されていないので、蓄電系１２０に供給された電力はキャパシタ１９に蓄積される。したがって、キャパシタの充電率（ＳＯＣ）は、図４（ｅ）に示すように時刻ｔ２から上昇し始める。本例では、図４（ｅ）に示すように時刻ｔ３においてキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）がシステム制御上限値（ＳＯＣｍａｘ）まで上昇している。したがって、時刻ｔ３以降はキャパシタ１９に電力を蓄積することはできないので、図４（ｃ）に示すように、時刻ｔ３において電動発電機１２の発電運転は停止され、電動発電機１２からの出力（電力）ゼロとなる。
During the DPF regeneration process, the operation operation with the shovel has not started yet, so the power supplied to the
時刻ｔ３において電動発電機１２の発電運転が停止された時点では、ＤＰＦ再生処理は終了しておらず、ＤＰＦ指令はＯＮのままである。したがって、ＤＰＦ再生処理を継続するために、電動発電機１２の負荷の代わりにエンジン１１に他の負荷を加える必要がある。本実施形態では、電動発電機１２による負荷の代わりに、油圧ポンプ１４による負荷を用いてエンジン１１に負荷を加える。
At the time when the power generation operation of the
すなわち、時刻ｔ３において電動発電機１２の発電運転が停止されると同時に、油圧ポンプ１４を駆動することでエンジン１１への負荷を増大させる。エンジン１１の動力で油圧ポンプ１４を駆動することになるので、エンジン１１への負荷は増大した状態に維持される。これにより、エンジン１１からの排気ガスの温度はＤＰＦ再生処理を行なうことができる温度に保たれる。
That is, at the time t3, the power generation operation of the
ＤＰＦ再生処理が継続して実行され、時刻ｔ４になると、ＤＰＦ再生処理を終了するためにＤＰＦ指令はＯＦＦとなる。ＤＰＦ再生処理は開始から所定の時間だけ実行され、所定の時間が経過するとＤＰＦ指令がＯＦＦとなるように設定されている。あるいは、運転者がスイッチを操作することで、ＤＰＦ再生処理を終了することとしてもよい。あるいは、ＤＰＦ再生処理装置にセンサを設けておき、センサでＤＰＦの目詰まり具合を検出し、目詰まりが無くなったらＤＰＦ指令をＯＦＦとしてＤＰＦ再生処理を自動的に終了してもよい。 The DPF regeneration process is continuously executed, and when time t4 is reached, the DPF command is turned OFF in order to end the DPF regeneration process. The DPF regeneration process is executed for a predetermined time from the start, and the DPF command is set to be OFF when the predetermined time has elapsed. Alternatively, the DPF regeneration process may be ended by the driver operating the switch. Alternatively, a sensor may be provided in the DPF regeneration processing device, the degree of clogging of the DPF may be detected by the sensor, and when the clogging is eliminated, the DPF command is turned off and the DPF regeneration processing is automatically terminated.
時刻ｔ４においてＤＰＦ指令がＯＦＦとなると、油圧ポンプ１４の駆動も停止され、油圧ポンプ負荷は、図４（ｄ）に示すようにゼロに戻る。そして、時刻ｔ５においてエンジン１１の回転数がアイドリング回転数に低減されてＤＰＦ再生処理は終了する。
When the DPF command is turned OFF at time t4, the driving of the
以上のように、図４に示すＤＰＦ再生処理では、電動発電機１２による負荷をエンジン１１に加えながら排気ガス温度を上昇させ、キャパシタ１９の充電率が上限まで到達した後は電動発電機１２に代えて油圧ポンプ１４による負荷をエンジン１１に加えて排気ガス温度を上昇させる。電動発電機１２による負荷をエンジン１１に加えているときには、発電電力はキャパシタ１９に蓄積されるので、エンジン１１の出力が電気エネルギとして回収され、その後ショベルの運転に使用されるので、ショベルのエネルギ効率を向上させることができる。
As described above, in the DPF regeneration process shown in FIG. 4, the exhaust gas temperature is raised while applying the load from the
なお、上述の実施形態ではキャパシタ１９の充電率が上限まで到達した後は電動発電機１２に代えて油圧ポンプ１４による負荷をエンジン１１に加えて排気ガス温度を上昇させているが、油圧ポンプ１４による負荷をエンジン１１に加える代わりに、エンジン１１をリタード運転することで排気ガス温度を上昇させることとしてもよい。リタード運転とは、点火タイミングを通常のタイミングより遅らせることで、エンジンの燃焼効率を変えることのできる制御である。エンジン１１をリタード運転すると、燃焼が完全に終了する前に排気バルブが開き、排気ガス中でも燃焼が継続することとなるため、排気ガスの温度が上昇する。
In the above-described embodiment, after the charging rate of the capacitor 19 reaches the upper limit, a load from the
次に、ＤＰＦ再生処理の他の例について図５を参照しながら説明する。図５は、ＤＰＦ再生処理中にキャパシタ１９の充電率がシステム上限値（ＳＯＣｍａｘ）まで到達しない場合の例である。図５（ａ）〜（ｅ）のグラフは、図４（ａ）〜（ｅ）のグラフにそれぞれ対応する。 Next, another example of the DPF regeneration process will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows an example in which the charging rate of the capacitor 19 does not reach the system upper limit value (SOCmax) during the DPF regeneration process. The graphs of FIGS. 5A to 5E correspond to the graphs of FIGS. 4A to 4E, respectively.
図５に示す例では、まずＤＰＦ再生処理を開始するためにＤＰＦ指令がＯＮとなる。図５（ａ）に示すように時刻ｔ１においてＤＰＦ指令がＯＮとなると、エンジン１１の回転数をアイドリング回転数（１０００ｒｐｍ）より高い回転数（１１００ｒｐｍ）に維持するように制御が行なわれる。これにより、図５（ｂ）に示すようにエンジン１１の回転数はアイドリング回転数から上昇して１１００ｒｐｍに維持されるようになる。ここで、ＤＰＦ再生処理中のエンジンの回転数は１１００ｒｐｍに限定されず、例えば１５００ｒｐｍでもよい。ＤＰＦ処理中のエンジンの回転数は、アイドリング回転数より１００〜６００ｒｐｍ程度高い回転数とすることができる。
In the example shown in FIG. 5, first, the DPF command is turned ON to start the DPF regeneration process. As shown in FIG. 5A, when the DPF command is turned on at time t1, control is performed so as to maintain the rotational speed of the
時刻ｔ１においてＤＰＦ再生処理が開始された後、時刻ｔ２において電動発電機１２を発電運転する指令がコントローラ３０から出される。これにより、時刻ｔ２から電動発電機１２が発電運転を行い、図５（ｃ）に示すように電動発電機１２から電力が出力される。電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０に供給される。このとき、電動発電機１２を駆動する分だけエンジン１１にかかる負荷が大きくなるため、エンジン１１の発熱量が多くなり、エンジン１１からの排気ガスの温度が上昇する。
After the DPF regeneration process is started at time t <b> 1, a command for generating power from the
エンジン１１から排出される高温の排気ガスは、ＤＰＦ再生処理装置１１ｂに供給され、ＤＰＦ再生処理装置１１ｂ内のＤＰＦが高温となってＰＭが燃焼することでＤＰＦ再生処理が行なわれる。ここで、高温の排気ガスとは、ＤＰＦ再生処理を行なうことのできる程度の温度の排気ガスを意味する。
The high-temperature exhaust gas discharged from the
ＤＰＦ再生処理中はショベルでの作業運転はまだ開始されていないので、蓄電系１２０に供給された電力はキャパシタ１９に蓄積される。したがって、キャパシタの充電率（ＳＯＣ）は、図５（ｅ）に示すように時刻ｔ２から上昇し始める。本例では、図５（ｅ）に示すように、充電率（ＳＯＣ）の上昇率は小さく、ＤＰＦ指令がＯＦＦとなる時刻ｔ４においても、充電率（ＳＯＣ）はシステム制御上限値（ＳＯＣｍａｘ）まで到達しない。したがって、電動発電機１２は、図５（ｃ）に示すように時刻ｔ４まで発電運転を行なう。
During the DPF regeneration process, the operation operation with the shovel has not started yet, so the power supplied to the
時刻ｔ４においてＤＰＦ指令がＯＦＦとなると、電動発電機１２の駆動は停止され、電動発電機１２の発電電力は、図５（ｃ）に示すようにゼロに戻る。これにより、キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）は、時刻ｔ４以降は上昇せず、システム制御上限値（ＳＯＣｍａｘ）以下に保たれる。そして、時刻ｔ５においてエンジン１１の回転数がアイドリング回転数に低減されてＤＰＦ再生処理は終了する。
When the DPF command is turned OFF at time t4, the driving of the
なお、図５に示す例では、ＤＰＦ再生処理のために油圧ポンプ１４の負荷を使用しないので、油圧ポンプ１４の負荷（圧力）は図５（ｄ）に示すようにＤＰＦ再生処理の間はゼロのままである。
In the example shown in FIG. 5, since the load of the
以上のように、図５に示すＤＰＦ再生処理では、電動発電機１２による負荷をエンジン１１に加えながら排気ガス温度を上昇させることで、ＤＰＦ再生処理を行なう。電動発電機１２による負荷をエンジン１１に加えているときには、発電電力はキャパシタ１９に蓄積されるので、エンジン１１の出力が電気エネルギとして回収され、その後ショベルの運転に使用されるので、ショベルのエネルギ効率を向上させることができる。
As described above, in the DPF regeneration process shown in FIG. 5, the DPF regeneration process is performed by increasing the exhaust gas temperature while applying a load from the
上述の実施形態では旋回機構２が電動式であったが、旋回機構２が電動ではなく油圧駆動の場合がある。図６は図２に示すハイブリッド型ショベルの旋回機構を油圧駆動式とした場合の駆動系の構成を示すブロック図である。図６に示すハイブリッド型ショベルでは、旋回用電動機２１の代わりに、旋回油圧モータ２Ａがコントロールバルブ１７に接続され、旋回機構２は旋回油圧モータ２Ａにより駆動される。このような、ハイブリッド型ショベルであっても、上述の実施形態のようにして、エンジン１１の暖機運転中のエンジン出力で電動発電機１２を発電運転し、得られた電力をキャパシタ１９に蓄積しておくことができる。
In the above-described embodiment, the
１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
２Ａ 旋回油圧モータ
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
７Ａ 油圧配管
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ エンジン
１１ａ 水温計
１１ｂ ＤＰＦ再生処理装置
１２ 電動発電機
１３ 変速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８Ａ，２０ インバータ
１９ キャパシタ
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回変速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２６Ｄ ボタンスイッチ
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
１００ 昇降圧コンバータ
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電圧検出部
１１２ キャパシタ電圧検出部
１１３，１１６ キャパシタ電流検出部
１１４，１１７ 電源ライン
１１５，１１８ 接続点
１２０ 蓄電系
１２０Ａ コンバータ
１３０−１，１３０−２ リレー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Electric motor for turning 22
Claims (3)
前記ディーゼルエンジンからの駆動力で駆動される油圧ポンプと、
前記ディーゼルエンジンからの駆動力で発電を行なう発電機と、
該発電機が発電した電力を蓄積する蓄電部と、
前記油圧ポンプの動作と前記発電機の動作を制御する制御部と
を有し、
前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が閾値より小さい場合には、前記油圧ポンプにより前記ディーゼルエンジンに加わる負荷よりも前記発電機により前記ディーゼルエンジンに加わる負荷を大きくした状態で、前記ＤＰＦ再生処理装置においてＤＰＦ再生処理を行なうことを特徴とするハイブリッド型ショベル。 A diesel engine having a DPF regeneration processing device;
A hydraulic pump driven by a driving force from the diesel engine;
A generator for generating electric power with a driving force from the diesel engine;
A power storage unit for storing the power generated by the generator;
A controller that controls the operation of the hydraulic pump and the operation of the generator;
When the amount of electricity stored in the electricity storage unit is smaller than a threshold value, the control unit regenerates the DPF while the load applied to the diesel engine by the generator is larger than the load applied to the diesel engine by the hydraulic pump. A hybrid excavator, wherein a DPF regeneration process is performed in a processing apparatus.
前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が前記閾値以上の場合には、前記発電機により前記ディーゼルエンジンに加わる負荷よりも前記油圧ポンプにより前記ディーゼルエンジンに加わる負荷を大きくした状態で、前記ＤＰＦ処理を行なうことを特徴とするハイブリッド型ショベル。 The hybrid excavator according to claim 1,
When the amount of power stored in the power storage unit is equal to or greater than the threshold, the control unit increases the load applied to the diesel engine by the hydraulic pump from the load applied to the diesel engine by the generator. A hybrid excavator characterized by processing.
前記ＤＰＦ再生処理中に前記発電機により発電した電力を前記蓄電部に蓄積することを特徴とするハイブリッド型ショベル。 A hybrid excavator according to claim 1 or 2,
A hybrid excavator, wherein the electric power generated by the generator during the DPF regeneration process is stored in the power storage unit.
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