JP2021073128A - ハイブリッドドライブトレイン - Google Patents
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Abstract
Description
イブトレインに関する。
74頁によって知られている。その際、電気機械は内燃機関と液圧ポンプに連結されてい
る。
ーク時に最大システム出力を供することができるようにするために、内燃機関の高い一定
定格回転数で運転される。さらに、大抵の場合モータ制御装置でPグレードが生じる。こ
のPグレードは、内燃機関の最大負荷に達しないや否や、作業回転数をさらに上昇させる
。負荷が内燃機関の最大負荷よりも高く、それによって内燃機関が抑圧されるかまたはエ
ンストしそうになると、一般的には限界負荷制御が介入する。この限界負荷制御は、建設
土木機械の果たすべき作業を犠牲にして、定格回転数を一定に保持できる程度に内燃機関
の負荷を低減する。
回転数は実際は負荷ピークの際にのみ必要である。残りの範囲では、ちょうど必要な出力
を供するために、内燃機関のより低い定格回転数で十分である。定格回転数の低下は内燃
機関の燃料消費、ひいては二酸化炭素エミッションの低減(温室効果の縮小、より小さな
環境負荷)に大きな影響を及ぼす。
荷位相の場合にのみ必要な程度だけ上昇すると、持続的に高い定格回転数の場合のように
、同じ程度の要求出力が供され得るほどダイナミックに定格回転数を高めることは内燃機
関単独ではしばしば達成されない。
機関の実際に生じる負荷は加速を妨害し、回転数を上昇させる代わりに低下させることに
なる。なぜなら、内燃機関が必要なトルクを十分に迅速に発生することができないからで
ある。
のトルクを高める方法を開発することである。この方法によって、ダイナミックな負荷ピ
ークの際の損害をこうむることなく、建設土木機械における定格回転数を作業相の間ダイ
ナミックに制御することができる。そのために、非常にダイナミックな負荷要求の場合に
もシステムは低い定格回転数から高い定格回転数へ高ダイナミックに加速できなければな
らない。それによって、建設土木機械において定格回転数を広い範囲にわたって、できる
だけ低くかつ燃料消費に関して効率的な回転数に保つことができる。
る。
。
− 内燃機関の平均負荷率の拡大による燃料節約、低い回転数でのより大きなトルク
− ドライブのダイナミック特性の改善。
る、内燃機関のトルク補助は、高いトルクが短時間(<1秒)供されるように行われる。
内燃機関と液圧式ドライブユニットからなる、移動式作業機械の慣用のドライブトレイ
ンは、空間的にフライホイールの代わりに平行に配置された電気機械だけ拡張される。電
気機械は電気的エネルギー蓄積器からパワーエレクトロニクスを経て給電され、四象限す
べてにおいて運転可能である。
ち、運転者の希望は目標回転数として解釈される。この運転方式は特に移動式作業機械の
分野において実証されている。その際、ディーゼル−電気−ハイブリッドは、負荷が変化
する場合にも、ディーゼル−電気−ハイブリッドによって発生したトルクを適切に適合さ
せることにより、できるだけ機器操作人に所望される回転数に調節する。負荷は作業液圧
装置、ドライブ負荷および他の被駆動部によって生じる。
ではなく、電気機械を介して直接的に行われる。公知のドライブトレインとは異なり、内
燃機関は、約200ミリ秒の範囲内または200ミリ秒以下の非常に短い時間内に騒動さ
せることが可能である。これにより、内燃機関は自動的な始動/停止運転で運転可能であ
る。
関が所定の時間の間低いアイドリング回転をしていると、内燃機関はシステムの希望に基
づいて停止させられる。
ほとんど遅れを感じない。操作要素は例えばアクセルペダル、操作装置、作業用液圧装置
またはジョイスティックである。
になる。
れる。
リズムによって演算され、パワーエレクトロニクスによって変換される。その際、システ
ムは、例えばエネルギー蓄積器のチャージ状態、個々の構成要素の温度等のような、シス
テム内の重要なすべての状態を考慮する。
機械によって作業させられる相、すなわち内燃機関が負荷される相である。建設土木機械
によって作業をしない相では、定格回転数はほとんど低いアイドリング回転にセットされ
る。
する。操作人によって要求される出力は同じ出ある。回転数が低下させられ、その代わり
に内燃機関のトルクが上昇する。
出力=トルク×回転数
るので、必要な/希望されるピーク出力に合わせて内燃機関をもはや設計する必要はない
。この場合、高い定格回転数で(例えば2000回/分)要求されるピーク出力はできる
だけ内燃機関によって提供しなければならない。これに、加速相の間に発生する付加的な
出力ピークだけが加わる。
なぜなら、回転数が低すぎ、そして内燃機関だけによってトルクを迅速かつ十分に調達す
ることができないからである。
インのダイナミクスの上昇のために利用することができる。
て制限されるときに、この制限が十分な過給圧によってもはや必要でなくなるまで、ダイ
ナミクスを上昇させるために電気機械のモータ出力が維持される。
によって行われる。その際、発生したトルクはエネルギー蓄積器のチャージ状態、内燃機
関の負荷率およびいろいろなシステム条件に依存する。トルクはコントローラの操作量と
してまたは制御して提供可能である。
理解される。
の引きずり運転によっておよび液圧負荷の適切な切換えによって得られる。
切換えによって得られる。これにより、一方では高いエンジン回転数が回避され、他方で
は制動エネルギーが電気機械とパワーエレクトロニクスを経て電気的なエネルギー蓄積器
に供給される。
械、電気的エネルギー蓄積器および液圧式走行駆動装置と作業駆動装置からなる移動式作
業機械のハイブリッドドライブトレインの場合、CO2エミッションと燃料消費を低減す
るために特に負荷点移動の機能が使用される。
めに、内燃機関の特性曲線内のその都度の動作点(回転数の関数としてのトルク)が一定
の出力の曲線(出力双曲線)に沿って移動させられる。
ルク、電気機械の実際のトルク、エネルギー蓄積器のチャージ状態および内燃機関と電気
機械の実際の回転数に依存して、ハイブリッド制御装置にインストールされた運転方策に
よって、最適な目標回転数を求め、そして目標値として後続配置の回転数コントローラに
伝送する。
報に基づいて求められる。その際、例えばエネルギー蓄積器のチャージ状態は重要ではな
い。
、すなわち目標回転数はハイブリッド制御装置で求められる。
ドライブトレインと比べて、次の利点が生じる。
荷変動に基づいて、内燃機関の運転の際に、負荷変動に適切に対応できるようにするため
に、高い出力リザーブが保たれている。特に過給式内燃機関の場合、過給圧上昇の時間を
低減するために、この出力リザーブは必要である。ハイブリッドドライブトレインの場合
、内燃機関のこの出力リザーブを大幅に低減することができる。ダイナミックな負荷変動
の際、内燃機関が単独で要求出力を調達することができる動作点に位置するまで、電気機
械のモータ出力が調達される。特に電気機械のトルクを急速に調節できることにより、こ
の方策が促進される。
で、内燃機関が最大トルクを調達する内燃機関の回転数まで可能である。これは、最大ト
ルクの回転数より低い回転数の場合、負荷変動が迅速に内燃機関のエンストをもたらすこ
とになり得るかまたはもたらすことに基づいている。ハイブリッドドライブトレインの場
合ここでも、内燃機関が単独で出力を調達することができる動作点に内燃機関を移動させ
るために、電気機械のモータ出力が利用される。
明では、図示に示した本発明の実施の形態が説明されている。
接連結されている。この電気機械は内燃機関1のフライホイールの代わりにクランク軸に
連結されている。その際、この電気機械2のステータはクランクケースに連結され、ロー
タはクランク軸に連結されている。ロータはさらに、歯車ポンプ3に、そしてさらにアキ
シャルピストンポンプ4に連結されている。歯車ポンプ3の出力部は比例弁5を介して(
例えば)作動シリンダ6、持上げシリンダ7および操舵シリンダ8に接続されている。歯
車ポンプ3とアキシャルピストンポンプ4は液圧式作業機械である。
る。さらに、ハイブリッド制御装置21が設けられている。このハイブリッド制御装置に
よって、構成要素、特にドライブトレインと蓄積器トレインのすべての単一制御装置を組
み合わせることができる。
性曲線には、内燃機関によって得られる最大トルクMdmaxが屋根形曲線として記入さ
れている。この屋根形曲線の下方において、一定の(燃料)消費率の線が貝形曲線として
示してある。この場合、bemin線から出発して、他の線が段階的に増大する消費を表
している。最後に、内燃機関の一定出力Pkonstの曲線(出力双曲線)が記入されて
いる。基本的には、点P1において一定出力Pkonstで運転される内燃機関は、点P
2において同じ一定出力Pkonstで運転される。この場合しかし、点P2はbemi
n領域内にある。この調節により、同じ出力の場合に内燃機関の消費低減が達成される。
に示すように、これが常に、達成可能な最大トルクの屋根形曲線に対する近接を伴うとい
う問題がある。図3に示すように、調節の際に出力点P2で屋根形曲線に近接すると、内
燃機関は小さな負荷変動の際に既に出力リザーブをもはや有しておらず、内燃機関は点4
で示すようにエンストする。電気機械で補助されないダイナミックな回転数低下が生じる
。本発明に係る構成により、電気機械によって調達することができる出力が付加的に供さ
れる。すなわち、換言すると、負荷変動時に内燃機関のエンストを恐れることなく、消費
を低減するためにMdmax曲線の方まで出力調節を迷わずに行うことができる。なぜな
ら、この場合のために、電気機械の付加的な出力が供されるからである。
に相当する。
めの負荷がダイナミックに高められる。
る。
い経過に相当する。
当する。
設土木機械の内燃機関の定格回転数をどのようにして高ダイナミックに速くすることがで
きるかを示している。そのために、内燃機関はマイルドハイブリッドシステムに拡張され
る。この拡張はエネルギー蓄積器13と電気機械2からなっている。この電気機械はクラ
ンク軸とPTO(動力取り出し部)に直接接続可能である。その際、電気機械2は付属の
エネルギー蓄積器13と共に、電気的におよび液圧的に形成可能である。
ックに作動する。内燃機関1はその作動相の間できるだけ低い回転数で作動する。内燃機
関1のより高い回転数を必要とする負荷要求の際、内燃機関1は加速過程の間、例えば電
気機械2のモータ運転中に、電気機械2のより高い目標回転数まで平行に高ダイナミック
に補助される。そのために必要な電気機械2のエネルギーはエネルギー蓄積器13から来
る。小さな負荷要求の相では、電気機械2によってエネルギー蓄積器13が再びチャージ
される。これは例えば電気機械2のジェネレータ運転によって行われる。その際、加速相
において内燃機関1を電気機械2によってきわめて迅速に補助することができるようにす
るために、負荷要求をできるだけ早く認識しなければならない。これは、例えば機械の運
転者によって操作されるジョイスティック20のようなHMIインターフェース20の信
号の評価によって迅速に行われる。
。この回転数は内燃機関22の制御装置を介して生じる。内燃機関1が新しい定格回転数
への加速を既に自発的に試みている間は、内燃機関は電気機械2によって高ダイナミック
なトルク上昇によって補助される。電気機械2の目標トルクは定格回転数と実際回転数の
差から求められる。
建設土木機械の内燃機関1のダイナミックな回転数低下の有効利用が電気機械2によって
行われる。マイルドハイブリッドドライブの電気機械2は、所望なより高い定格回転数へ
の加速相の間、内燃機関1を高ダイナミックに補助する。電気機械2はクランク軸または
PTOに直接接続されている。
めに、バッテリおよび/またはコンデンサおよび/または液体蓄圧器が使用される。
て、作動相の間高い回転数で一時的に運転される建設土木機械のすべてに適している。特
殊な用途は例えば産業ショベルで行われる。
される。伝送速度は約10msecまたはそれ以下の範囲にある。
Nを経て、−100%から+100%までの値範囲を有する信号として伝送される。
て読み取られる。
1のための目標回転数が演算される。評価は特性曲線と各HMI信号のための重みづけ係
数を介して行われる。
a)類似の小さな固有ダイナミクスに基づいて目標回転数に迅速に十分に追従できないか
らであり、
b)HMI信号の急速な変化は内燃機関1の急速な負荷上昇を意味し、この負荷上昇は目
標回転数への実際回転数の急速な適合を妨害する。
大きくなる。実際回転数が目標回転数よりも大きい場合には、電気機械2からトルクが代
償として要求されない。
2 電気機械
3 歯車ポンプ
4 アキシャルピストンポンプ
5 比例弁
6 作動シリンダ
7 持上げシリンダ
8 操舵シリンダ
9 アキシャルピストンモータ
10 伝動装置段
11 駆動輪
12 四象限整流器
13 エネルギー蓄積器
20 ヒューマンマシンインターフェース(HMI)−インターフェース、ジョイステ
ィック
21 ハイブリッド制御装置(ECU)
22 内燃機関の制御装置(ECU)
Claims (11)
- 電気機械による補助によって、建設機械の内燃機関の回転数をダイナミックに低下させるための方法であって、
内燃機関の負荷の増加を引き起こす全てのHMIインターフェース信号を読み出すことによって内燃機関の定格回転数を求めるステップと、
建設機械において、電気機械による補助によって、内燃機関のダイナミックな回転数低下を用いるステップであって、電気機械が、低い回転数から高い回転数への内燃機関の加速相を補助し、内燃機関は回転数を制御され、電気機械はトルクを制御され、トルクは内燃機関の実際の回転数が内燃機関の定格回転数より低い場合にのみ電気機械から要求される、ステップと、
を含む方法。 - 請求項1に記載の方法に用いられる車両のためのハイブリッドドライブトレインであって、前記ハイブリッドドライブトレインは、前記内燃機関(1)及び前記電気機械(2)を有する移動式作業機械を使用し、及び/又は前記ハイブリッドドライブトレインは、液圧式作業機械をさらに含む、ハイブリッドドライブトレイン。
- 作業機械が、アキシャルピストンポンプを備えており、前記アキシャルピストンポンプ(4)は内燃機関(1)又は電気機械(2)の出力を要求するように構成されていることを特徴とする、請求項2に記載のハイブリッドドライブトレイン。
- 液圧エンジンが作業機械に接続されている、請求項2又は3に記載のハイブリッドドライブトレイン。
- 液圧エンジンはアキシャルピストンエンジン(9)である、請求項4に記載のハイブリッドドライブトレイン。
- 少なくとも1個の液圧式制御要素、持上げシリンダ(7)、および/または操舵シリンダ(8)が、制御される態様で作業機械に接続される、請求項2又は3に記載のハイブリッドドライブトレイン。
- 少なくとも1つの液圧式制御要素は少なくとも1つの作動シリンダ(6)である、請求項6に記載のハイブリッドドライブトレイン。
- 少なくとも1個の液圧式制御要素、持上げシリンダ(7)、及び/又は操舵シリンダ(8)が、制御される態様で1個又は複数の比例弁(5)を介して作業機械に接続されている、請求項6に記載のハイブリッドドライブトレイン。
- 前記ハイブリッドドライブトレインが、前記内燃機関で負荷点移動を調節できるような形で制御可能であることを特徴とする、請求項2又は3に記載のハイブリッドドライブトレイン。
- 負荷点移動が内燃機関の最大トルクの達成範囲内で行われることと、電気機械(2)がモータで運転されることを特徴とする、請求項2又は3に記載のハイブリッドドライブトレイン。
- 電気機械(2)がマイルドハイブリッドドライブであることを特徴とする、請求項2又は3に記載のハイブリッドドライブトレイン。
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