以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システムについて説明する。以下の実施形態では、ハイブリッド建設機械が油圧ショベルである場合について説明する。
<第1実施形態>
図1を参照して、本発明の第1実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システム100について説明する。
油圧ショベルは、エンジン73で駆動する流体圧ポンプとしての第1,第2メインポンプ71,72を備える。第1,第2メインポンプ71,72は、傾転角が調整可能な可変容量型ポンプであり、同軸回転する。
第1メインポンプ71から吐出される作動油(作動流体)は、上流側から順に、旋回モータ76を制御する操作弁1、アームシリンダ(図示せず)を制御するアーム1速用の操作弁2、ブームシリンダ77を制御するブーム2速用の操作弁3、予備用アタッチメント(図示せず)を制御する操作弁4、及び左走行用の第1走行用モータ(図示せず)を制御する操作弁5に供給される。各操作弁1〜5は、第1メインポンプ71から各アクチュエータへ導かれる作動油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。各操作弁1〜5は、油圧ショベルのオペレータが操作レバーを手動操作することに伴って供給されるパイロット圧によって操作される。
各操作弁1〜5は、互いに並列な中立流路6とパラレル流路7とを通じて第1メインポンプ71に接続されている。中立流路6における操作弁5の下流側には、パイロット圧を生成するためのパイロット圧生成機構8が設けられる。パイロット圧生成機構8は、通過する流量が多ければ上流側に高いパイロット圧を生成し、通過する流量が少なければ上流側に低いパイロット圧を生成するものである。
中立流路6は、操作弁1〜5の全てが中立位置又は中立位置近傍にあるときには、第1メインポンプ71から吐出された作動油の全部又は一部をタンクに導く。このとき、パイロット圧生成機構8を通過する流量が多くなるため、高いパイロット圧が生成される。
一方、操作弁1〜5がフルストロークに切り換えられると、中立流路6が閉ざされて作動油の流通がなくなる。この場合には、パイロット圧生成機構8を通過する流量がほとんどなくなり、パイロット圧はゼロを保つことになる。ただし、操作弁1〜5の操作量によっては、第1メインポンプ71から吐出された作動油の一部がアクチュエータに導かれ、残りが中立流路6からタンクに導かれることになるため、パイロット圧生成機構8は、中立流路6の作動油の流量に応じたパイロット圧を生成する。つまり、パイロット圧生成機構8は、操作弁1〜5の操作量に応じたパイロット圧を生成する。
パイロット圧生成機構8にはパイロット流路9が接続され、パイロット流路9にはパイロット圧生成機構8にて生成されたパイロット圧が導かれる。パイロット流路9は、第1メインポンプ71の傾転角を制御するレギュレータ10に接続される。レギュレータ10は、パイロット流路9のパイロット圧と逆比例して第1メインポンプ71の傾転角を制御して、第1メインポンプ71の1回転当たりの押し除け量を制御する。したがって、操作弁1〜5がフルストロークに切り換えられて中立流路6の流れがなくなり、パイロット流路9のパイロット圧がゼロになれば、第1メインポンプ71の傾転角が最大になり、1回転当たりの押し除け量が最大になる。
パイロット流路9には、パイロット流路9の圧力を検出する第1圧力センサ11が設けられる。
第2メインポンプ72から吐出される作動油は、上流側から順に、右走行用の第2走行用モータ(図示せず)を制御する操作弁12、バケットシリンダ(図示せず)を制御する操作弁13、ブームシリンダ77を制御するブーム1速用の操作弁14、及びアームシリンダ(図示せず)を制御するアーム2速用の操作弁15に供給される。各操作弁12〜15は、第2メインポンプ72から各アクチュエータへ導かれる作動油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。各操作弁12〜15は、油圧ショベルのオペレータが操作レバーを手動操作することに伴って供給されるパイロット圧によって操作される。
各操作弁12〜15は、中立流路16を通じて第2メインポンプ72に接続されている。また、操作弁13及び操作弁14は、中立流路16と並列なパラレル通路17を通じて第2メインポンプ72に接続されている。中立流路16における操作弁15の下流側には、パイロット圧を生成するためのパイロット圧生成機構18が設けられる。パイロット圧生成機構18は、第1メインポンプ71側のパイロット圧生成機構8と同じ機能を有するものである。
パイロット圧生成機構18にはパイロット流路19が接続され、パイロット流路19にはパイロット圧生成機構18にて生成されたパイロット圧が導かれる。パイロット流路19は、第2メインポンプ72の傾転角を制御するレギュレータ20に接続される。レギュレータ20は、パイロット流路19のパイロット圧と逆比例して第2メインポンプ72の傾転角を制御して、第2メインポンプ72の1回転当たりの押し除け量を制御する。したがって、操作弁12〜15がフルストロークに切り換えられて中立流路16の流れがなくなり、パイロット流路19のパイロット圧がゼロになれば、第2メインポンプ72の傾転角が最大になり、1回転当たりの押し除け量が最大になる。
パイロット流路19には、パイロット流路19の圧力を検出する第2圧力センサ21が設けられる。
エンジン73には、エンジン73の余力を利用して発電する発電機22が設けられる。発電機22で発電された電力はバッテリチャージャー23を介してバッテリ24に充電される。バッテリチャージャー23は、通常の家庭用の電源25に接続した場合にも、バッテリ24に電力を充電できるようにしている。
次に、旋回モータ76について説明する。
旋回モータ76は、旋回モータ76を駆動するための旋回回路75に設けられる。旋回回路75は、第1メインポンプ71と旋回モータ76を接続し、操作弁1が介装される一対の給排通路26,27と、給排通路26,27のそれぞれに接続され、設定圧力で開弁するリリーフ弁28,29と、を備える。
操作弁1が中立位置(図1に示す状態)である場合には、操作弁1のアクチュエータポートが閉じられるため、旋回モータ76に対する作動油の給排が遮断され、旋回モータ76は停止状態を保つ。
操作弁1が図1中右側位置に切り換わると、給排通路26が第1メインポンプ71に接続され、給排通路27がタンクに連通する。これにより、給排通路26を通じて作動油が供給されて旋回モータ76が旋回すると共に、旋回モータ76からの戻り作動油が給排通路27を通じてタンクに排出される。一方、操作弁1が図1中左側位置に切り換わると、給排通路27が第1メインポンプ71に接続され、給排通路26がタンクに連通し、旋回モータ76は逆向きに旋回する。
旋回モータ76の旋回動作時に、給排通路26,27の旋回圧力がリリーフ弁28,29の設定圧力に達した場合には、リリーフ弁28,29が開弁して高圧側の余剰流量が低圧側に導かれる。
旋回モータ76の旋回動作中に、操作弁1が中立位置に切り換わると、操作弁1のアクチュエータポートが閉じられ、給排通路26,27、旋回モータ76、及びリリーフ弁28,29にて閉回路が構成される。このように操作弁1のアクチュエータポートが閉じられても、旋回モータ76は慣性エネルギで回転し続けてポンプ作用を発揮する。これにより、旋回動作時には低圧であった給排通路26,27の一方が高圧、旋回動作時には高圧であった給排通路26,27の他方が低圧となり、旋回モータ76にブレーキ力が作用しブレーキ動作が行われる。この際、給排通路26,27のブレーキ圧力がリリーフ弁28,29の設定圧力に達した場合には、リリーフ弁28,29が開弁して高圧側のブレーキ流量が低圧側に導かれる。
旋回モータ76のブレーキ動作時に、旋回モータ76の吸込流量が不足した場合には、タンクから給排通路26,27への作動油の流れのみを許容するチェック弁54,55を通じてタンクの作動油が吸い込まれる。
次に、ブームシリンダ77について説明する。
ブームシリンダ77の動作を制御する操作弁14は、油圧ショベルのオペレータが操作レバー93を手動操作することに伴ってパイロットポンプ94からパイロット弁95を通じてパイロット室96a,96bに供給されるパイロット圧によって操作される。ブーム2速用の操作弁3は、操作弁14と連動して切り換わる。
パイロット室96aにパイロット圧が供給された場合には、操作弁14は図1中右側位置に切り換わり、第2メインポンプ72から吐出された作動油が給排通路30を通じてブームシリンダ77のピストン側室31に供給されると共に、ロッド側室32からの戻り作動油が給排通路33を通じてタンクに排出され、ブームシリンダ77は伸長する。一方、パイロット室96bにパイロット圧が供給された場合には、操作弁14は図1中左側位置に切り換わり、第2メインポンプ72から吐出された作動油が給排通路33を通じてブームシリンダ77のロッド側室32に供給されると共に、ピストン側室31からの戻り作動油が給排通路30を通じてタンクに排出され、ブームシリンダ77は収縮する。パイロット室96a,96bにパイロット圧が供給されない場合には、操作弁14は中立位置(図1に示す状態)に切り換わり、ブームシリンダ77に対する作動油の給排が遮断され、ブームは停止した状態を保つ。
操作弁14を中立位置に切り換えブームの動きを止めた場合、バケット、アーム、及びブーム等の自重によって、ブームシリンダ77には収縮する方向の力が作用する。このように、ブームシリンダ77は、操作弁14が中立位置の場合にはピストン側室31によって負荷を保持するものであり、ピストン側室31が負荷側圧力室となる。
ハイブリッド建設機械の制御システム100は、旋回回路75及びブームシリンダ77からの作動油のエネルギを回収してエネルギ回生を行う回生装置を備える。以下では、その回生装置について説明する。
回生装置による回生制御は、コントローラ90によって行われる。コントローラ90は、回生制御を実行するCPUと、CPUの処理動作に必要な制御プログラムや設定値等が記憶されたROMと、各種センサが検出した情報を一時的に記憶するRAMと、を備える。
まず、旋回回路75からの作動油を利用してエネルギ回生を行う旋回回生装置について説明する。
旋回モータ76に接続される給排通路26,27には、それぞれ分岐通路57,58が接続される。分岐通路57,58は合流して、旋回回路75からの作動油を回生用の回生モータ88に導くための旋回回生通路45に接続される。分岐通路57,58のそれぞれには、給排通路26,27から旋回回生通路45への作動油の流れのみを許容するチェック弁46,47が設けられる。旋回回生通路45は、合流回生通路44を通じて回生モータ88に接続される。
回生モータ88は、傾転角が調整可能な可変容量型モータであり、発電機兼用の回転電機としての電動モータ91と同軸回転するように連結されている。電動モータ91が発電機として機能した場合には、電動モータ91で発電された電力はインバータ92を介してバッテリ24に充電される。回生モータ88と電動モータ91とは、直接連結してもよいし、減速機を介して連結してもよい。
旋回回生通路45には、コントローラ90から出力される信号にて切換制御される旋回回生用切換弁としての切換弁48が設けられる。また、切換弁48とチェック弁46,47の間には、旋回モータ76の旋回動作時の旋回圧力又はブレーキ動作時のブレーキ圧力を検出する圧力検出器としての圧力センサ49が設けられる。圧力センサ49にて検出された圧力信号は、コントローラ90に出力される。
切換弁48は、ソレノイドが非励磁のときに閉位置(図1に示す状態)に設定され旋回回生通路45を遮断し、ソレノイドが励磁したときに開位置に設定され旋回回生通路45を開通する。コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が予め設定された旋回回生開始圧力に達したと判定した場合には、切換弁48を開位置に切り換える。これにより、旋回回路75からの作動油が回生モータ88に導かれ、旋回回生が行われる。このように、切換弁48は旋回回生を行うためのものである。
旋回回路75から回生モータ88への作動油の経路について説明する。例えば、給排通路26を通じて供給される作動油によって旋回モータ76が旋回する旋回動作時には、給排通路26の余剰油が分岐通路57及びチェック弁46を通じて旋回回生通路45に流入し、回生モータ88に導かれる。また、給排通路26を通じて供給される作動油によって旋回モータ76が旋回している際に操作弁1が中立位置に切り換えられるブレーキ動作時には、旋回モータ76のポンプ作用によって吐出された作動油が分岐通路58及びチェック弁47を通じて旋回回生通路45に流入し、回生モータ88に導かれる。
旋回回生通路45における切換弁48の下流側には、減圧弁50が設けられる。減圧弁50は、入口と出口の差圧が一定値となるように動作する差圧一定型の弁である。
旋回回生通路45には、減圧弁50をバイパスするバイパス通路56が接続される。バイパス通路56には、遮断位置と連通位置を有するバイパス弁51が設けられる。バイパス弁51は、パイロット操作型の切換弁である。バイパス弁51は、パイロット室51aにパイロット圧が供給されないノーマル状態では連通位置(図1に示す状態)となり、操作弁14のパイロット室96bにパイロット圧が供給されたときに、同時に同じ圧力のパイロット圧がパイロット室51aに供給されて遮断位置に設定される。つまり、バイパス弁51は、ブームシリンダ77のピストン側室31が収縮する方向に操作弁14を操作するパイロット圧によって遮断位置に設定されるものであり、ブームシリンダ77の収縮動作に連動して切り換わる。
リリーフ弁28,29には、リリーフ弁28,29の設定圧力を調整可能な調整器60が設けられる。リリーフ弁28,29は、給排通路26,27の圧力が付勢部材としてのコイルスプリング62の付勢力よりも大きくなった場合に開弁するものであり、リリーフ弁28,29の設定圧力は、コイルスプリング62の付勢力によって決まる。
調整器60は、パイロット室61に導かれるパイロット圧にてコイルスプリング62の付勢力を大きくすることによって、リリーフ弁28,29の設定圧力を上昇させる。パイロット室61には、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達した場合にはパイロット圧が導かれ、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力未満になった場合にはパイロット圧が導かれない。具体的には、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達した場合には、コントローラ90から図示しない電磁切換弁に信号が出力されて電磁切換弁が開弁することによって、パイロット室61にパイロット圧が導かれる。一方、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力未満になった場合には、コントローラ90から電磁切換弁に信号が出力されず電磁切換弁が閉弁するため、パイロット室61にパイロット圧が導かれない。このように、調整器60は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達した場合には、リリーフ弁28,29の設定圧力を初期設定圧力から上昇させ、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力未満になった場合には、リリーフ弁28,29の設定圧力を初期設定圧力に戻すように動作する。
旋回回生開始圧力は、リリーフ弁28,29の初期設定圧力、つまり、パイロット圧によって昇圧されていない場合のリリーフ弁28,29の設定圧力と同じ圧力に設定される。
以下では、旋回回生の回生制御について説明する。
コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達したと判定した場合には、切換弁48に開弁指令を出力すると共に、調整器60にリリーフ弁28,29の昇圧指令を出力する。これにより、切換弁48が開位置に切り換わって旋回回生が開始されると共に、リリーフ弁28,29の設定圧力が初期設定圧力から上昇する。このように、切換弁48が開位置に切り換わって旋回回生が開始されるのと同時にリリーフ弁28,29の設定圧力が初期設定圧力から上昇するため、旋回回路75の作動油はリリーフ弁28,29に流れ難く、切換弁48を通じて回生モータ88に導かれる。したがって、回生量の低下が抑制される。
従来は、切換弁48が開位置に切り換る旋回回生時に旋回回路75の作動油がリリーフ弁28,29に流れ難くするために、切換弁48を開弁させるための旋回回生開始圧力をリリーフ弁28,29の初期設定圧力よりも低い圧力に設定する必要があった。つまり、回生量の低下を抑制するために、リリーフ弁28,29よりも切換弁48が早く開弁するように設定する必要があった。その場合には、旋回モータ76はリリーフ弁28,29の初期設定圧力よりも低い圧力で旋回動作及びブレーキ動作することになるため、旋回モータ76の加減速性能が悪かった。
しかし、本実施形態では、旋回回生時にリリーフ弁28,29が昇圧されて旋回回路75の作動油がリリーフ弁28,29に流れ難いため、切換弁48を開弁させるための旋回回生開始圧力をリリーフ弁28,29の初期設定圧力よりも低い圧力に設定する必要がなく、リリーフ弁28,29の初期設定圧力と同じ圧力に設定することが可能となった。したがって、旋回回生時であっても、旋回モータ76はリリーフ弁28,29の設定圧力で旋回動作及びブレーキ動作するため、旋回モータ76の加減速性能が悪くなることがない。
以上のように、本実施形態では、旋回回生時の旋回モータ76の加減速性能を向上させることができると共に、回生量の低下を抑制することができる。
ここで、旋回回生時の旋回モータ76の加減速性能を向上させると共に、回生量の低下を抑制する方法として、リリーフ弁28,29の設定圧力を通常の設定圧力よりも予め高く設定すると共に、切換弁48を開弁させるための旋回回生開始圧力をリリーフ弁28,29の設定圧力よりも低い圧力に設定することが考えられる。しかし、この方法では、電気機器の故障等が発生し、旋回回生が行えない状況になった場合には、旋回モータ76の旋回動作時の旋回圧力及びブレーキ動作時のブレーキ圧力が大きくなってしまうため、過度の加減速特性になってしまう。これに対して、本実施形態では、そのような状況になった場合でも、旋回モータ76は昇圧されていないリリーフ弁28,29の初期設定圧力で旋回動作及びブレーキ動作するため、通常の加減速特性で作業を行うことができる。このように、本実施形態では、旋回回生が行えない状況になった場合でも、通常のフィーリングで建設機械を操作することができる。
コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力未満になったと判定した場合には、切換弁48への開弁指令を停止すると共に、調整器60へのリリーフ弁28,29の昇圧指令を停止する。これにより、切換弁48が閉位置に切り換わって旋回回生が停止すると共に、調整器60によるリリーフ弁28,20の昇圧が解除され、リリーフ弁28,29の設定圧力が初期設定圧力に戻る。
次に、ブームシリンダ77からの作動油を利用してエネルギ回生を行うブーム回生装置について説明する。
ブームシリンダ77のピストン側室31と操作弁14とを接続する給排通路30には、コントローラ90の出力信号によって開度が制御される電磁比例絞り弁34が設けられる。電磁比例絞り弁34はノーマル状態で全開位置を保つ。
給排通路30には、ピストン側室31と電磁比例絞り弁34との間から分岐するシリンダ回生通路としてのブーム回生通路52が接続される。ブーム回生通路52は、ピストン側室31からの戻り作動油を回生モータ88に導くための通路である。旋回回生通路45とブーム回生通路52は合流して合流回生通路44に接続される。
ブーム回生通路52には、コントローラ90から出力される信号にて切換制御されるシリンダ回生用切換弁としての切換弁53が設けられる。切換弁53は、ソレノイドが非励磁のときに閉位置(図1に示す状態)に設定されブーム回生通路52を遮断し、ソレノイドが励磁したときに開位置に設定されブーム回生通路52を開通する。切換弁48と切換弁53は並列に設けられる。
操作弁14には、操作弁14の操作方向とその操作量を検出するセンサ97が設けられる。センサ97にて検出された圧力信号はコントローラ90に出力される。操作弁14の操作方向とその操作量を検出することは、ブームシリンダ77の伸縮方向とその伸縮量を検出することと同等である。したがって、センサ97は、ブームシリンダ77の動作状態を検出する動作状態検出器として機能する。なお、動作状態検出器として、センサ97に代わり、ブームシリンダ77にピストンロッドの移動方向とその移動量を検出するセンサを設けるようにしてもよいし、又は、操作レバー93に操作レバー93の操作方向とその操作量を検出するセンサを設けるようにしてもよい。
コントローラ90は、センサ97の検出結果に基づいて、オペレータがブームシリンダ77を伸長させようとしているのか、又は収縮させようとしているのかを判定する。コントローラ90は、ブームシリンダ77の伸長動作を判定すれば、電磁比例絞り弁34をノーマル状態である全開位置に保つと共に、切換弁53を閉位置に保つ。一方、コントローラ90は、ブームシリンダ77の収縮動作を判定すれば、操作弁14の操作量に応じてオペレータが求めているブームシリンダ77の収縮速度を演算すると共に、電磁比例絞り弁34を閉じて切換弁53を開位置に切り換える。これにより、ブームシリンダ77からの戻り作動油の全量が回生モータ88に導かれ、ブーム回生が行われる。しかし、回生モータ88で消費する流量が、オペレータが求めたブームシリンダ77の収縮速度を維持するために必要な流量よりも少なければ、ブームシリンダ77はオペレータが求めた収縮速度を維持できない。このようなときには、コントローラ90は、操作弁14の操作量、回生モータ88の傾転角、及び電動モータ91の回転数等を基にして、回生モータ88が消費する流量以上の流量をタンクに戻すように電磁比例絞り弁34の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダ77の収縮速度を維持する。
次に、バイパス弁51の動作について説明する。まず、旋回回生のみが行われる場合について説明する。
コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達したと判定した場合には、切換弁48を開位置に切り換える。これにより、旋回回路75からの作動油は回生モータ88に導かれ、旋回回生が行われる。一方、コントローラ90は、センサ97の検出結果に基づいて、ブームシリンダ77が伸長動作中又は停止中であると判定すれば、切換弁53を閉位置に設定する。これにより、ブームシリンダ77からの戻り作動油は回生モータ88に導かれず、ブーム回生は行われない。ここで、ブームシリンダ77の伸長動作時及び停止時には、操作弁14のパイロット室96bにパイロット圧が供給されないため、バイパス弁51のパイロット室51aにもパイロット圧が供給されず、バイパス弁51は連通位置となる。これにより、旋回回路75からの作動油は、減圧弁50をバイパスしバイパス弁51を通じて回生モータ88に導かれる。
このように、旋回回生のみが行われる場合には、バイパス弁51は連通位置に設定され、旋回回路75からの作動油は減圧弁50にて減圧されずに回生モータ88に導かれる。したがって、効率的な回生が行われる。
ここで、旋回回生のみが行われる場合には、旋回回路75からの作動油は減圧弁50にて減圧されずに回生モータ88に導かれるため、旋回回路75の圧力が低下し易くなる。旋回回路75の圧力が旋回回生開始圧力よりも低下した場合には、切換弁48が閉位置に切換わって旋回回生が停止し、その後、旋回モータ76が旋回動作中であると、再び旋回回路75の圧力が上昇して旋回回生開始圧力に達すれば切換弁48が開位置に切換わって旋回回生が再開するというように、切換弁48が開閉を繰り返すおそれがある。このような事態が発生した場合には、切換弁48の開閉による圧力変動によって振動が発生するおそれがある。
そこで、コントローラ90は、旋回回生のみが行われる場合には、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力よりも低下しないように、回生モータ88の傾転角及び回転数を制御して回生モータ88に導かれる回生流量を制御する。具体的には、コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力から理論旋回回生流量を演算し、回生モータ88に導かれる回生流量が理論旋回回生流量を超えないように回生モータ88の傾転角及び回転数を制御する。理論旋回回生流量は、圧力センサ49の検出圧力とリリーフ弁28,29に流れるリリーフ流量との関係を規定したマップを用いて演算される。つまり、コントローラ90は、マップを参照することによって圧力センサ49の検出圧力からリリーフ弁28,29に流れるリリーフ流量(理論旋回回生流量)を演算し、そのリリーフ流量を超えないように回生モータ88に導かれる回生流量を制御する。これにより、旋回回生のみが行われ、旋回回路75からの作動油が減圧弁50にて減圧されずに回生モータ88に導かれる場合であっても、旋回回路75の圧力を、旋回モータ76の旋回動作あるいはブレーキ動作に影響を及ぼさない圧力に保つことができる。
次に、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合について説明する。
コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達したと判定した場合には、切換弁48を開位置に切り換える。これにより、旋回回路75からの作動油は回生モータ88に導かれ、旋回回生が行われる。一方、コントローラ90は、センサ97の検出結果に基づいて、ブームシリンダ77が収縮動作中であると判定すれば、切換弁53を開位置に切り換える。これにより、ブームシリンダ77からの戻り作動油は回生モータ88に導かれ、ブーム回生が行われる。ここで、ブームシリンダ77の収縮動作時には、操作弁14のパイロット室96bにパイロット圧が供給されるのと同時に、バイパス弁51のパイロット室51aにもパイロット圧が供給されるため、バイパス弁51は遮断位置に設定される。これにより旋回回路75からの作動油は、減圧弁50を通じて回生モータ88に導かれる。
このように、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、バイパス弁51は遮断位置に設定され、旋回回路75からの作動油は減圧弁50にて減圧されて回生モータ88に導かれる。したがって、旋回回路75からの作動油は減圧されてブームシリンダ77からの戻り作動油と合流し、回生モータ88に導かれる。
ブームシリンダ77からの戻り作動油の圧力は、旋回回路75からの作動油の圧力と比較して小さい。減圧弁50は、ブームシリンダ77からの戻り作動油と旋回回路75からの作動油との差圧を埋める働きをする。つまり、旋回回路75からの作動油が減圧弁50にて減圧されることによって、旋回回路75からの作動油とブームシリンダ77からの戻り作動油とが合流回生通路44にて安定的に合流することになる。
また、上述したように、旋回回生時には、切換弁48の開閉による圧力変動によって振動が発生するおそれがある。しかし、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、旋回回路75からの作動油が減圧弁50にて減圧されるため、旋回回路75の圧力は回生モータ88の圧力に減圧弁50の圧力損失が加えられた圧力となる。したがって、旋回回路75の圧力低下が防止され、旋回回路75の圧力低下に起因する振動の発生を防止することができる。
以上のように、旋回回生のみが行われる場合には、旋回回路75からの作動油が減圧弁50にて減圧されずに回生モータ88に導かれ、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、旋回回路75からの作動油が減圧弁50にて減圧されて回生モータ88に導かれるように、バイパス弁51は制御される。このように、簡単な回生制御で効率的な回生が行うことができる。
以上の実施形態ではバイパス弁51がパイロット操作型の切換弁である場合について説明した。これに代わり、バイパス弁51を電磁弁にて構成するようにしてもよい。この場合には、バイパス弁51は、センサ97の検出結果に基づいてコントローラ90から出力される信号によって遮断位置に設定される。具体的には、コントローラ90は、センサ97の検出結果に基づいてブームシリンダ77が収縮動作中であると判定した場合には、バイパス弁51を遮断位置に切り換える。
また、以上の実施形態では、流体圧シリンダからの戻り作動油を利用して回生を行う例として、ブームシリンダ77からの戻り作動油を利用する場合について説明した。しかし、ブームシリンダ77に代わり、アーム駆動用のアームシリンダ又はバケット駆動用のバケットシリンダからの戻り作動油を利用して回生を行うようにしてもよい。アームシリンダ及びバケットシリンダは、操作弁2,13が中立位置の場合にはロッド側室によって負荷を保持する状態が多いため、ロッド側室を負荷側圧力室としてもよい。
次に、第1,第2メインポンプ71,72の出力をアシストするサブポンプ89について説明する。サブポンプ89は、傾転角が調整可能な可変容量型ポンプであり、回生モータ88と同軸回転するように連結されている。サブポンプ89は電動モータ91の駆動力で回転する。電動モータ91の回転数は、インバータ92を通じてコントローラ90によって制御される。サブポンプ89及び回生モータ88の傾転角は傾角制御器35,36を通じてコントローラ90によって制御される。
サブポンプ89には吐出通路37が接続される。吐出通路37は、第1メインポンプ71の吐出側に合流する第1アシスト流路38と、第2メインポンプ72の吐出側に合流する第2アシスト流路39とに分岐して形成される。第1,2アシスト流路38,39のそれぞれには、コントローラ90の出力信号にて開度が制御される第1,2電磁比例絞り弁40,41が設けられる。また、第1,2アシスト流路38,39のそれぞれには、第1,2電磁比例絞り弁40,41の下流に、サブポンプ89から第1,第2メインポンプ71,72への作動油の流れのみを許容するチェック弁42,43が設けられる。
電動モータ91の駆動力でサブポンプ89が回転すれば、サブポンプ89は第1,第2メインポンプ71,72の出力をアシストする。コントローラ90は、第1,2圧力センサ11,21からの圧力信号に応じて、第1,2電磁比例絞り弁40,41の開度を制御し、サブポンプ89から吐出された作動油を案分して第1,第2メインポンプ71,72の吐出側に供給する。
合流回生通路44を通じて回生モータ88に作動油が供給され、回生モータ88が回転すれば、回生モータ88の回転力は同軸回転する電動モータ91に対するアシスト力として作用する。したがって、回生モータ88の回転力の分だけ、電動モータ91の消費電力を少なくすることができる。
回生モータ88を駆動源として電動モータ91を発電機として使用するときには、サブポンプ89は傾転角がゼロに設定されほぼ無負荷状態となる。
以上の第1実施形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。
切換弁48が開弁して旋回回生が行われる場合には、リリーフ弁28,29の設定圧力は初期設定圧力から上昇するため、旋回回路75の作動油はリリーフ弁28,29に流れ難く、回生モータ88に導かれる。したがって、回生量の低下が抑制される。また、旋回回生が行われる場合に旋回回路75の作動油がリリーフ弁28,29に流れ難い結果として、切換弁48を開弁させるための旋回回生開始圧力をリリーフ弁28,29の初期設定圧力よりも低い圧力に設定する必要がない。したがって、旋回回生が行われる場合であっても、旋回モータ76の加減速性能が悪くなることがない。よって、旋回回生時の旋回モータ76の加減速性能を向上させることができると共に、回生量の低下を抑制することができる。
以下に、本実施形態の変形例を示す。
上記実施形態では、リリーフ弁28,29が給排通路26,27のそれぞれに接続される構成であった。これに代わり、図2に示すように、分岐通路57,58に設けられるチェック弁46,47と切換弁48との間に、単一のリリーフ弁65を設けるようにしてもよい。
このように構成しても、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。また、上記実施形態と比較してリリーフ弁を1つ減らすことができるため、コストを低減することができる。
<第2実施形態>
図3を参照して、本発明の第2実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システム200について説明する。以下では、上記第1実施形態と異なる点を中心に説明し、第1実施形態と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して説明を省略する。
ハイブリッド建設機械の制御システム200では、旋回回生通路45に、上記第1実施形態の切換弁48及びバイパス弁51の機能を有する旋回回生用切換弁としての切換弁201が設けられる。
切換弁201は、遮断位置A、第1連通位置B、及び第2連通位置Cの3ポジションを有し、コントローラ90の出力信号によってポジションが切り換えられる電磁弁である。また、切換弁201は、旋回回路75の圧力が導かれる入口ポート201a、減圧弁50に連通する出口ポート201b、及びバイパス通路56に連通するバイパスポート201cの3ポートを有する。バイパス通路56は、切換弁201のバイパスポート201cと旋回回生通路45における減圧弁50の下流側とを接続する。
切換弁201の遮断位置Aでは、入口ポート201aに対する出口ポート201b及びバイパスポート201cの連通が遮断される。第1連通位置Bでは、入口ポート201aに対して出口ポート201b及びバイパスポート201cが連通する。第2連通位置Cでは、入口ポート201aに対して出口ポート201bが連通し、入口ポート201aに対するバイパスポート201cの連通が遮断される。
コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力未満であると判定した場合には、切換弁201を遮断位置Aに設定する。遮断位置Aでは、旋回回路75からの作動油が回生モータ88に導かれず、旋回回生は行われない。
また、コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつセンサ97の検出結果に基づいてブームシリンダ77が伸長動作中又は停止中であると判定した場合には、切換弁201を第1連通位置Bに設定すると共に、切換弁53を閉位置に設定する。つまり、切換弁201は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつ切換弁53が閉位置の場合には、第1連通位置Bに設定される。これにより、旋回回路75からの作動油のみが回生モータ88に導かれ、旋回回生のみが行われる。この際、切換弁201にてバイパス通路56が開通するため、旋回回路75からの作動油は、減圧弁50をバイパスして回生モータ88に導かれる。このように、旋回回生のみが行われる場合には、旋回回路75からの作動油は減圧弁50にて減圧されずに回生モータ88に導かれる。
また、コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつセンサ97の検出結果に基づいてブームシリンダ77が収縮動作中であると判定した場合には、切換弁201を第2連通位置Cに設定すると共に、切換弁53を開位置に設定する。つまり、切換弁201は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつ切換弁53が開位置の場合には、第2連通位置Cに設定される。これにより、旋回回路75からの作動油及びブームシリンダ77からの戻り作動油が回生モータ88に導かれ、旋回回生とブーム回生が同時に行われる。この際、切換弁201にて旋回回生通路45が開通する一方、バイパス通路56は遮断されるため、旋回回路75からの作動油は、減圧弁50を通じて回生モータ88に導かれる。このように、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、旋回回路75からの作動油は減圧弁50にて減圧されて回生モータ88に導かれる。
以上の第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の作用効果を奏すると共に、第1実施形態では必要であったバイパス弁51が不要となるため、コストを低減することができる。
<第3実施形態>
図4を参照して、本発明の第3実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御システム300について説明する。以下では、上記第1実施形態と異なる点を中心に説明し、第1実施形態と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して説明を省略する。
ハイブリッド建設機械の制御システム300では、旋回回生通路45に、上記第1実施形態の切換弁48、減圧弁50、及びバイパス弁51の機能を有する旋回回生用切換弁としての切換弁301が設けられる。
切換弁301は、遮断位置A、第1連通位置B、及び第2連通位置Cの3ポジションを有し、コントローラ90の出力信号によってポジションが切り換えられる電磁弁である。切換弁301は、遮断位置Aでは旋回回生通路45を遮断し、第1連通位置Bでは旋回回路75からの作動油を減圧せずに回生モータ88に導き、第2連通位置Cでは旋回回路75からの作動油を絞りによって減圧して回生モータ88に導く。
コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力未満であると判定した場合には、切換弁301を遮断位置Aに設定する。遮断位置Aでは、旋回回路75からの作動油が回生モータ88に導かれず、旋回回生は行われない。
また、コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつセンサ97の検出結果に基づいてブームシリンダ77が伸長動作中又は停止中であると判定した場合には、切換弁301を第1連通位置Bに設定すると共に、切換弁53を閉位置に設定する。つまり、切換弁301は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつ切換弁53が閉位置の場合には、第1連通位置Bに設定される。これにより、旋回回路75からの作動油のみが回生モータ88に導かれ、旋回回生のみが行われる。この際、旋回回路75からの作動油は、切換弁301にて減圧されずに回生モータ88に導かれる。このように、旋回回生のみが行われる場合には、旋回回路75からの作動油は減圧されずに回生モータ88に導かれる。
また、コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつセンサ97の検出結果に基づいてブームシリンダ77が収縮動作中であると判定した場合には、切換弁301を第2連通位置Cに設定すると共に、切換弁53を開位置に設定する。つまり、切換弁301は、圧力センサ49の検出圧力が旋回回生開始圧力に達しかつ切換弁53が開位置の場合には、第2連通位置Cに設定される。これにより、旋回回路75からの作動油及びブームシリンダ77からの戻り作動油が回生モータ88に導かれ、旋回回生とブーム回生が同時に行われる。この際、旋回回路75からの作動油は、切換弁301にて絞られて回生モータ88に導かれる。このように、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、旋回回路75からの作動油は絞りによって減圧されて回生モータ88に導かれる。
以上の第3実施形態によれば、第1実施形態と同様の作用効果を奏すると共に、第1実施形態では必要であった減圧弁50、バイパス通路56、及びバイパス弁51が不要となるため、コストを低減することができる。
以下に、第3実施形態の変形例を示す。
切換弁301を、コントローラ90の出力信号によって開度が制御される電磁比例絞り弁にて構成するようにしてもよい。この場合には、コントローラ90は、旋回回生のみが行われる場合には、切換弁301の絞りの開口面積を最大に設定する。一方、旋回回生とブーム回生が同時に行われる場合には、切換弁301の入口と出口の差圧が通過する流量によらず一定となるように、切換弁301の絞りの開口面積を調整する。具体的には、コントローラ90は、圧力センサ49の検出圧力から理論旋回回生流量を演算し、その理論旋回回生流量に応じて絞りの開口面積を調整する。なお、切換弁301をこのように構成する場合には、コントローラ90の出力信号によってパイロット圧を制御し、そのパイロット圧にて絞りの開口面積を制御するようにしてもよい。
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
本発明において、バイパス通路56及びバイパス弁51は必須の構成ではなく、省略してもよい。