JP2015161181A - 建設機械のエンジン制御装置 - Google Patents

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允紀 廣澤
土井　隆行
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Abstract

【課題】負荷トルクを正確に反映してエンジン回転数を適正に制御し、しかも補機動力によるエネルギーロスを低減するとともに、エンジン及び発電電動機を効率良く運転する。
【解決手段】予め、エンジン回転数を第１目標回転数Ｎ１と定格回転数Ｎ０の間で負荷トルクに応じて変化させるレギュレーションラインＬａを設定するとともに、負荷トルクが設定値Ｔｓ未満の負荷トルク領域でエンジン回転数を負荷トルクの変動にかかわらず第１目標回転数Ｎ１よりも低い第２目標回転数Ｎ２に維持するアイソクロナスラインＬｂをレギュレーションラインＬａから分岐して設定し、ポンプ負荷トルクと発電電動機による負荷トルクの和である総負荷トルクＴに応じてレギュレーション制御とアイソクロナス制御を切換えるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明はハイブリッド建設機械のエンジン回転数を制御するエンジン制御装置に関するものである。
ハイブリッドショベルを例にとって背景技術を説明する。
ハイブリッドショベルにおいては、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機がエンジンに接続され、発電電動機の発電機作用によって蓄電装置が充電される一方、適時、この蓄電装置の蓄電力により発電電動機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用によりエンジンをアシストするように構成される。
一方、ハイブリッドショベルか通常の油圧ショベルかを問わず、従来、エンジン回転数の制御として、エンジン回転数を負荷トルクに応じて変化させるレギュレーション制御が一般に用いられる(特許文献１，２参照)。
このレギュレーション制御では、エンジンの負荷トルクに対してエンジン回転数を制御すべき制御ラインとして、エンジンの出力特性ラインの内側に、一定角度で右下がりに傾斜したレギュレーションラインを設定し、このレギュレーションラインに沿ってエンジン回転数を目標回転数と定格回転数の間で変化させるように燃料噴射量が調節される。
特開２０１２−３１７６３号 ＷＯ２００４／０９９５９３号
ハイブリッドショベルにおいては、油圧ポンプによる負荷だけでなく発電電動機も発電時にはエンジン負荷となる。
すなわち、ポンプの負荷トルクに発電電動機の負荷トルクを足した総負荷トルクに基づいてエンジン回転数を制御する必要がある。
従って、ポンプ負荷のみをエンジン負荷とする上記公知技術をそのままハイブリッドショベルに転用すると、負荷が正確に反映されず、基本的に適正なエンジン回転数制御ができないという問題がある。
また、公知技術では、負荷トルクの減少に連れてエンジン回転数が増加するため、低負荷トルク領域でファン等の補機動力が大きくなってエネルギーロスとなる。
この点の対策として、レギュレーション特性の目標回転数を低く設定する(レギュレーションラインを低回転数側にシフトする)ことが考えられる。
ところが、こうすると、負荷トルクが増加するとエンジン回転数が下がるレギュレーション特性において、発電電動機の発電時に負荷トルクの増加によってエンジン回転数がさらに下がり、エンジンの燃費効率及び発電電動機の発電効率の悪い領域を使うことになるため、エネルギー効率が悪くなる。
そこで本発明は、総負荷トルクに基づいてエンジン回転数を適正に制御でき、しかも補機動力によるエネルギーロスを低減できるとともに、エンジン及び発電電動機を効率良く運転することができるハイブリッド建設機械のエンジン制御装置を提供するものである。
上記課題を解決する手段として、本発明においては、油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機と、上記油圧ポンプ及び発電電動機の動力源としてのエンジンと、蓄電装置と、上記エンジンの回転数を制御する制御手段を備え、上記発電電動機の発電機作用によって上記蓄電装置が充電される一方、この蓄電装置の蓄電力により発電電動機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用によりエンジンをアシストするように構成されたハイブリッド建設機械のエンジン制御装置において、上記制御手段は、
(Ｉ) エンジンの負荷トルクに対してエンジン回転数を制御すべき制御ラインとして、エンジン回転数を第１目標回転数Ｎ１と定格回転数の間で負荷トルクに応じて変化させるレギュレーションラインを設定するとともに、負荷トルクが設定値未満の負荷トルク領域でエンジン回転数を負荷トルクの変動にかかわらず上記第１目標回転数よりも低い第２目標回転数Ｎ２に維持するアイソクロナスラインを上記レギュレーションラインから分岐して設定し、
(ＩＩ) 上記油圧ポンプの負荷トルクと上記発電電動機の負荷トルクを検出してこれらの和である総負荷トルクを求め、
(ＩＩＩ) 上記総負荷トルクに基づいて、エンジン回転数の制御を、上記レギュレーションラインに沿ったレギュレーション制御と、上記アイソクロナスラインに沿ったアイソクロナス制御の間で切換える
ように構成したものである。
この構成によれば、ポンプトルクと発電電動機トルクの和である総負荷トルクに基づいてエンジン回転数を制御するため、基本的な効果として負荷を正確に反映した適正なエンジン回転数制御を行うことができる。
また、総負荷トルクが設定値未満の低負荷トルク領域でレギュレーション制御からアイソクロナス制御に切換え、エンジン回転数を第１目標回転数Ｎ１よりも低い第２目標回転数Ｎ２に維持するため、ファン６等の補機動力によるエネルギーロスを低減することができるとともに、この第２目標回転数を、エンジン及び発電電動機の運転効率の良い回転数範囲に設定することにより、両者をエネルギー効率の良い状態で運転することができる。
すなわち、レギュレーション特性の目標回転数を低く設定した場合のように発電電動機の発電時にエンジン回転数が下がってエンジンの燃費効率及び発電電動機の発電効率の悪い領域を使うことになるという弊害が生じない。
本発明において、上記制御手段は、上記レギュレーション制御とアイソクロナス制御の切換えの過渡期に、総負荷トルクの変化に応じて制御のゲインを漸次変化させる移行制御を行うように構成するのが望ましい(請求項２)。
この構成によれば、レギュレーション制御とアイソクロナス制御の間の移行を緩やかに行わせることができる。これにより、制御のハンチングを抑えることができるとともに、エンジン回転数の急変によってオペレータに操作の違和感を与えるおそれがなくなる。
本発明によると、総負荷トルクに基づいてエンジン回転数を適正に制御でき、しかも補機動力によるエネルギーロスを低減できるとともに、エンジン及び発電電動機を効率良く運転することができる。
本発明の実施形態に係るエンジン制御装置のシステム構成図である。 同装置の作用を説明するためのフローチャートである。 同装置による総負荷トルクとエンジン回転数の基本的な関係を示す図である。 移行制御を行うための総負荷トルクと制御の比例ゲインの関係を示す図である。 移行制御の結果としての総負荷トルクとエンジン回転数の関係を示す図である。 図５の丸囲い部分イの拡大図である。
実施形態はハイブリッドショベルを適用対象としている。但し、本発明はショベル以外の他のハイブリッド建設機械にも以下同様に実施することができる。
図１は実施形態に係るエンジン制御装置を備えたハイブリッドショベルのシステム構成を示す。
ハイブリッドショベルの一般的構成として、図示のように動力源としてのエンジン１に、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機２と、油圧アクチュエータの油圧源としての可変容量型の油圧ポンプ３が接続され、これらがエンジン１によって駆動される。
油圧ポンプ３には、コントロールバルブ４を介して作業アタッチメント用の各油圧シリンダを含む複数の油圧アクチュエータ（一括符号「５」を付している）が接続され、油圧ポンプ３から供給される圧油によって油圧アクチュエータ５が駆動される。
図１中、６はエンジン１によって駆動される冷却用のファンである。
発電電動機２は、エンジン１で駆動されて発電機作用を行い、発生した電力がインバータ７を通じて蓄電装置８に送られて充電(蓄電)される一方、適時、この蓄電装置８の電力により発電電動機２が電動機作用を行ってエンジン１をアシストする。
インバータ７は、コントローラ９からの指令に基づいて蓄電装置８の充放電、発電電動機２の運転等を制御する。
また、コントローラ９は、エンジン制御部(ＥＣＵ)１０にエンジン回転数(燃料噴射量)の指令を出し、この指令に基づいてエンジン回転数が制御される。
一方、検出手段として、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ１１と、油圧ポンプ３の圧力を検出するポンプ圧力センサ１２と、ポンプ傾転を検出する傾転センサ１３が設けられ、これら各センサ１１〜１３からの信号がコントローラ９に入力される。
また、コントローラ９には発電電動機２から発電電動機トルクの信号が入力される。
すなわち、コントローラ９とエンジン制御部１０と各センサ１１〜１３によって、エンジン回転数を制御する制御手段(特許請求の範囲の「制御手段」に対応)が構成されている。
コントローラ９は、ポンプ圧力とポンプ傾転とエンジン回転数からポンプ負荷トルクを求めるとともに、このポンプ負荷トルクに発電電動機トルクを加えて総負荷トルクを求め、この総負荷トルクに基づいてエンジン回転数を制御する。
ここで、コントローラ９には、エンジン１の負荷トルクに対してエンジン回転数を制御すべき制御ラインとして、図３に示すように、エンジン１の出力特性ラインＡの内側においてレギュレーションラインＬａとアイソクロナスラインＬｂが設定されている。
レギュレーションラインＬａは、公知のように一定角度をもった右下がりの傾斜ラインとして設定され、基本的には、エンジン回転数が負荷トルクに応じてレギュレーションラインＬａに沿って第１目標回転数(無負荷回転数)Ｎ１と定格回転数Ｎ０(図３，５中のＶは定格点)の間で変化する。
アイソクロナスラインＬｂは、予め設定された負荷トルク(設定値)Ｔｓ未満の負荷トルク領域(以下、低負荷トルク領域という)に、レギュレーションラインＬａから分岐する鉛直なラインとして設定され、低負荷トルク領域においてエンジン回転数が負荷トルク(総負荷トルク)Ｔの変動にかかわらずこのアイソクロナスラインＬｂで規定された一定回転数Ｎ２に維持される。
いいかえれば、総負荷トルクＴが設定値Ｔｓ以上の高負荷トルク領域ではレギュレーション制御によってエンジン回転数Ｎが負荷トルクに応じて変化し、設定値Ｔｓ未満の低負荷トルク領域に入るとレギュレーション制御に切換わってエンジン回転数が一定(第２目標回転数Ｎ２)に維持される。
但し、これだけでは、レギュレーション制御からアイソクロナス制御(またはその逆)への転換時にエンジン回転数の変化量が大きくなるため、制御ハンチングが発生し易くなる。また、エンジン回転数の急変によってオペレータに操作の違和感を与える。
そこで、制御の切換えの過渡期に、総負荷トルクＴの変化に応じて制御の比例ゲインＫｐを漸次変化させる移行制御が行われる。
図４は総負荷トルクＴと制御の比例ゲインＫｐの関係を示す。
図示のように、総負荷トルクＴの設定値として、設定値Ｔｓよりも小さい設定値Ｔ１が設定され、この設定値Ｔ１，Ｔｓの間で比例ゲインＫｐをＫｐ１〜Ｋｐ２の間で漸次変化させる。
この結果、図５，６中の破線で示す、レギュレーション制御とアイソクロナス制御をつなぐ制御の過渡期Ｓにエンジン回転数が緩やかに変化し、両制御の切換えによって制御ハンチングが発生したりオペレータに違和感を与えたりするおそれがなくなる。
以上の内容を備えた制御の流れを図２のフローチャートによって説明する。
制御開始後、ステップＳ１でポンプトルクと発電電動機トルクの和である総負荷トルクＴが演算される。
続くステップＳ２で、演算された総負荷トルクＴが設定値Ｔｓ以上か否かが判断される。
ここでＹＥＳ(Ｔ≧Ｔｓ)の場合は、高負荷トルク領域にあるとしてレギュレーション制御が行われる。すなわち、レギュレーション制御による、総負荷トルクＴに応じたエンジン回転数の指令値が演算され、エンジン制御部１０経由でエンジン１(ガバナ装置)に向けて出力される。
これにより、総負荷トルクＴに応じてエンジン回転数Ｎが変化するレギュレーション制御が行われる。
ステップＳ２でＮＯの場合、つまり、演算された総負荷トルクＴが設定値Ｔｓ未満の場合は、さらにステップＳ４で総負荷トルクＴが設定値Ｔ１以上か否かが判断される。
ここでＹＥＳ(Ｔ≧Ｔ１)の場合は、総負荷トルクＴが設定値Ｔｓ，Ｔ１の間にあるとして、過渡期Ｓのための移行制御が実行され、移行制御によるエンジン回転数の指令値が演算、出力される。
これにより、エンジン回転数が総負荷トルクＴの変化に応じて、かつ、レギュレーション制御の場合よりも緩やかに変化する。
ステップＳ４でＮＯの場合、つまり、総負荷トルクＴが設定値Ｔ１未満の場合は、過渡期Ｓを抜けたとしてアイソクロナス制御に切換えられ、アイソクロナス制御によるエンジン回転数の指令値が演算、出力される。
このアイソクロナス制御により、総負荷トルクＴの変動にかかわらずエンジン回転数が第２目標回転数Ｎ２で一定に維持される。
なお、具体的な処理としては、総負荷トルクＴの変化に応じて燃料噴射量を調節し、フィードバック制御を加えてエンジン回転数Ｎを一定に保つ処理が行われる。
以後、上記各ステップが繰り返されて、総負荷トルクＴに応じたレギュレーション制御またはアイソクロナス制御が移行制御を挟んで行われる。
このエンジン制御装置によると、ポンプトルクと発電電動機トルクの和である総負荷トルクに基づいてエンジン回転数を制御するため、基本的な効果として負荷を正確に反映した適正な回転数制御を行うことができる。
また、総負荷トルクＴが設定値Ｔｓ未満の低負荷トルク領域でレギュレーション制御からアイソクロナス制御に切換え、エンジン回転数Ｎを第１目標回転数Ｎ１よりも低い第２目標回転数Ｎ２に維持するため、ファン６等の補機動力によるエネルギーロスを低減することができるとともに、この第２目標回転数Ｎ２をエンジン１及び発電電動機２の運転効率の良い回転数範囲に設定することにより、両者をエネルギー効率の良い状態で運転することができる。
さらに、レギュレーション制御とアイソクロナス制御の切換えの過渡期Ｓに、総負荷トルクＴの変化に応じて制御のゲインＫｐを漸次変化させる移行制御を行うため、レギュレーション制御とアイソクロナス制御の間の移行を緩やかに行わせることができる。これにより、制御のハンチングを抑えることができるとともに、エンジン回転数Ｎの急変によってオペレータに操作の違和感を与えるおそれがなくなる。
ところで、上記実施形態のように過渡期Ｓで移行制御を行うのが望ましいが、この移行制御を省略し、レギュレーション、アイソクロナス両制御を直接切換えるようにしてもよい。
この場合でも、総負荷トルクＴに基づいてエンジン回転数を適正に制御でき、しかも補機動力によるエネルギーロスを低減できるとともに、エンジン１及び発電電動機２を効率良く運転することができるという本発明の基本的な目的は達成することができる。
１ エンジン
２ 発電電動機
３ 油圧ポンプ
５ 油圧アクチュエータ
７ インバータ
８ 蓄電装置
９ 制御手段を構成するコントローラ
１０ 同、エンジン制御部
１１ 同、エンジン回転数センサ
１２ 同、ポンプ圧力センサ
１３ 同、傾転センサ
Ａ 出力特性ライン
Ｋｐ 制御の比例ゲイン
Ｌａ レギュレーションライン
Ｌｂ アイソクロナスライン
Ｎ エンジン回転数
Ｎ１ 第１目標回転数
Ｎ２ 第２目標回転数
Ｓ 過渡期
Ｔ 総負荷トルク
Ｔ１ 設定値
Ｔｓ 設定値

Claims (2)

  1. 油圧アクチュエータを駆動する油圧ポンプと、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機と、上記油圧ポンプ及び発電電動機の動力源としてのエンジンと、蓄電装置と、上記エンジンの回転数を制御する制御手段を備え、上記発電電動機の発電機作用によって上記蓄電装置が充電される一方、この蓄電装置の蓄電力により発電電動機が駆動されて電動機作用を行い、この電動機作用によりエンジンをアシストするように構成されたハイブリッド建設機械のエンジン制御装置において、上記制御手段は、
    (Ｉ) エンジンの負荷トルクに対してエンジン回転数を制御すべき制御ラインとして、エンジン回転数を第１目標回転数Ｎ１と定格回転数の間で負荷トルクに応じて変化させるレギュレーションラインを設定するとともに、負荷トルクが設定値未満の負荷トルク領域でエンジン回転数を負荷トルクの変動にかかわらず上記第１目標回転数よりも低い第２目標回転数Ｎ２に維持するアイソクロナスラインを上記レギュレーションラインから分岐して設定し、
    (ＩＩ) 上記油圧ポンプの負荷トルクと上記発電電動機の負荷トルクを検出してこれらの和である総負荷トルクを求め、
    (ＩＩＩ) 上記総負荷トルクに基づいて、エンジン回転数の制御を、上記レギュレーションラインに沿ったレギュレーション制御と、上記アイソクロナスラインに沿ったアイソクロナス制御の間で切換える
    ように構成したことを特徴とするハイブリッド建設機械のエンジン制御装置。
  2. 上記制御手段は、上記レギュレーション制御とアイソクロナス制御の切換えの過渡期に、総負荷トルクの変化に応じて制御のゲインを漸次変化させる移行制御を行うように構成したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設機械のエンジン制御装置。
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