JP3613236B2 - 作業機械 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエンジンで発電機を駆動し、その発電電力と蓄電装置の蓄電力を適宜併用しながら電動機を駆動して作業装置及び走行装置を作動させる所謂ハイブリッド式の作業機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド式の作業機械においては、必要な動力源出力のうち、発電機が平均的な出力を分担し、発電機出力が不足する場合にその不足分を蓄電装置の蓄電力でカバーする一方、発電機出力が余る場合に余剰電力を蓄電装置に蓄える（充電する）構成がとられる。
【０００３】
従って、蓄電装置は、負荷変動に応じて入・出力が変化し充・放電を繰り返す。
【０００４】
図６は、ハイブリッド式でない従来の油圧ショベルにおける一般的な動力変動状況（実機データから作成した時間と動力の変化の関係）を示すもので、負荷変動の激しい油圧ショベルの特性として、アクチュエータの合計出力も、アクチュエータの動力源である油圧ポンプの出力も短時間で急激に変動する。
【０００５】
一方、図７は、このショベルをハイブリッド式とした場合における各種均し作業時の動力の変化状況（シミュレーション）を示している。
【０００６】
ハイブリッド式ショベルの場合、図中、実線で示す必要な動力源出力のうち、発電機（同一点鎖線）が平均的な出力を分担し、発電機出力が不足する場合に蓄電装置から出力して不足分をカバーする一方、発電機出力が余る場合は余剰電力を蓄電装置に蓄える構成がとられる。
【０００７】
その結果、蓄電装置の出力は、図中、破線で示すように急激かつ頻繁に変動し、図の０ｋｗより上の入力（充電）と、下の出力（放電）を短時間中に繰り返すこととなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ショベルは、クローラ式の下部走行体上に上部旋回体が搭載されるとともに、この上部旋回体に主たる作業装置である掘削装置が取付けられて構成され、掘削装置によって通常の作業（掘削、均しその他）を行うとともに、下部走行体のクローラ式走行装置によって現場内を自走して移動する。
【０００９】
この移動は、普通は短い距離であるためエンジン出力のみで賄うことが可能であるが、ときにはかなりの長距離を高速で自走する必要が生じる場合があり、このときには蓄電装置の助けが必要となる。
【００１０】
この場合、蓄電装置は、長時間の出力に耐えるように大容量のものが必要となるため、バッテリ（鉛蓄電池やニッケル水素蓄電池のような二次電池）が好適となる。
【００１１】
その反面、このバッテリは、電極と電解液との間の化学変化を利用するものであるため、ショベルのような負荷変動が激しくて充・放電を頻繁に繰り返す作業機械に使用すると寿命が非常に短くなる。従って、高頻度のバッテリ交換が必要となるため、コスト高となり、バッテリの廃棄による環境問題も生じるというデメリットがある。
【００１２】
これに対し、キャパシタ（電気二重層コンデンサ）を用いると、物理的に電気を蓄えるため、充・放電の頻繁な繰り返しによっても長寿命が得られる利点を有する反面、容量が小さいため、上記のような長距離・高速走行時に容量がすぐに空になり、以後、エンジン出力のみに頼らざるを得なくなる結果、走行速度が低くなり、移動に時間がかかるという問題が生じる。
【００１３】
なお、特開２０００−２９５７１７号に示されるように、バッテリとキャパシタの二種類の蓄電装置を用い、これらを作業条件に応じて使い分けるように構成すれば上記の問題は解決できるが、蓄電装置のコストがきわめて高くなるとともに、制御が複雑になるため、実用に適さない。
【００１４】
そこで本発明は、蓄電装置は一種類のみを用いることを前提として、掘削や短距離／低速走行のような、高出力状態が長時間連続しない通常作業時は、エンジン出力と蓄電装置出力を併用するハイブリッド方式によって省エネルギー運転を行い、しかも、長距離・高速走行のような高出力運転も可能な作業機械を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、すべての作業装置及び走行装置が電動機を駆動源とし、この電動機が、エンジンによって駆動される発電機と、この発電機の出力の余剰分を蓄える蓄電装置とを電源とする自走式の作業機械において、運転モードを、上記エンジンを効率の高い高効率範囲で運転しながら上記発電機と蓄電装置の電力を併用する通常運転モードと、エンジンを上記通常運転モードよりも出力が高い高出力範囲で運転して発電機出力を上記通常運転モードより大きくする高出力運転モードとの間で切換え得るように構成されたものである。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、高速走行時に高出力運転モードが実行されるように構成されたものである。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項２の構成において、走行モードを低速走行モードと高速走行モードの間で切換える走行切換手段を備え、この走行切換手段によって高速走行モードが選択され、かつ、走行操作されたときに高出力運転モードに切換えられるように構成されたものである。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、蓄電装置としてキャパシタが用いられたものである。
【００１９】
上記構成によると、運転モードを、エンジンを高効率範囲で運転しながら蓄電装置の電力を併用する通常運転モードと、エンジンを高出力範囲で運転する高出力運転モードの間で切換えることができるため、通常作業時には通常運転モードでハイブリッド方式本来の省エネルギー運転を行い、高出力運転モードに切換えることにより、長距離・高速走行（請求項２，３）のような高出力を要する運転も可能となる。
【００２０】
このため、蓄電装置として請求項４のようにキャパシタを用いることが可能となり、キャパシタの特性として蓄電装置の寿命が長く、かつ、バッテリのような頻繁な交換が不要となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１〜図５によって説明する。
【００２２】
この実施形態では適用対象としてハイブリッド式のショベルを例にとっている。
【００２３】
第１実施形態（図１〜図４参照）
ショベルは、図１に示すように、クローラ式の走行装置１を備えた下部走行体２上に上部旋回体３が搭載され、この上部旋回体３に、主たる作業装置である掘削装置４が取付けられて構成されている。
【００２４】
掘削装置４は、起伏自在なブーム５の先端にアーム６、このアーム６の先端にバックホー式のバケット７がそれぞれ取付けられて成り、ブーム５、アーム６、バケット７がそれぞれブームシリンダ８、アームシリンダ９、バケットシリンダ１０によって駆動される。
【００２５】
なお、ショベルの変形として、バケット７としてクラムセル式のバケットが取付けられる場合や、バケット７に代えて掴み式や振動式の破砕装置が取付けられる場合、さらにアーム６として伸縮式のアームが用いられる場合等がある。
【００２６】
上部旋回体３には、図２に示す動力源としてのエンジン１１と、このエンジン１１によって駆動される発電機１２と、蓄電装置としてのキャパシタ１３と、ブーム用、アーム用、バケット用、左及び右走行用、旋回用の各電動機１４，１５，１６，１７，１８，１９と、ブーム用電動機１４により駆動されてブームシリンダ８に圧油を供給するブームポンプ２０と、アーム用電動機１５により駆動されてアームシリンダ９に圧油を供給するアームポンプ２１と、バケット用電動機１６により駆動されてバケットシリンダ１０に圧油を供給するバケットポンプ２２と、左右の走行用及び旋回用各電動機１７，１８，１９の回転力を減速して走行装置１及び旋回機構（旋回歯車。図示しない）に伝える減速機２３，２４，２５が設置されている。
【００２７】
図２はこのショベルの駆動系及び制御系のブロック構成を示し、発電機１２と、各電動機１４〜１９及びキャパシタ１３との間に発電機制御器２６が設けられ、この発電機制御器２６により、発電機１２で作られた交流電力が直流に変換されるとともに、この直流電圧が一定となるように制御される。
【００２８】
また、発電機制御器２６とキャパシタ１３との間に、図７に示すように発電機出力の過不足に応じてキャパシタ１３の充・放電を制御するキャパシタ制御器２７が設けられるとともに、発電機制御器２６と各電動機１４〜１９との間に、電動機１４〜１９の入力電流を制御する電動機制御器２８〜３３が設けられている。
【００２９】
エンジン１１の速度はガバナ（メカニカルガバナまたは電子ガバナ）３４によって制御され、このガバナ３４がガバナ制御器３５によって制御される。
【００３０】
ガバナ制御器３５には、走行速度を低速走行と高速走行のうちから選択する走行切換手段としての切換スイッチ３６と、走行操作時に信号を発する走行操作部３７がコントローラ３８を介して接続され、切換スイッチ３６によって高速走行モードが選択され、かつ、走行操作されたときにエンジン１１が高出力範囲で運転される。
【００３１】
すなわち、このショベルは、運転モードとして、エンジン１１を相対的に出力が低くて効率の高い範囲で運転しながら発電機１２とキャパシタ１３の電力を併用する通常運転モードと、エンジン１１を相対的に高出力範囲で運転する高出力運転モードとの間で切換え得るように構成され、上部旋回体３の旋回機能と掘削装置４の掘削機能、それに低速走行機能を用いた通常作業時には通常運転モード、長距離・高速走行時には高出力運転モードにそれぞれセットされる。
【００３２】
さらに詳述すると、図３はエンジンの出力と効率の関係の一例を示し、エンジン出力が２２ｋｗで最もエンジン効率が高くなる。
【００３３】
一方、図４はこのショベルにおけるエンジン速度とエンジン出力の関係を示し、通常運転モードでは、図中実線で示す高効率範囲（たとえばエンジン速度１６００ｍｉｎ−１でエンジン出力２２ＫＷの点）でエンジン１１が運転され、必要に応じてキャパシタ１３の蓄電力が発電機出力と併用されてハイブリッド方式本来の省エネルギー運転が行われる。
【００３４】
しかも、蓄電装置としてキャパシタ１３を用いているため、図７に示すような急激な入・出力の変化や頻繁な充・放電の繰り返しが行われても、バッテリと比較して遙かに寿命が長く、ショベルの寿命と同程度またはそれ以上の期間で交換する必要がない。また、バッテリと比較して動力密度が高いため、各電動機１４〜１９からの回生電力を無駄無く吸収することができる。
【００３５】
そして、現場内等を長距離・高速で走行する場合は、切換スイッチ３６が高速走行モード位置に切換えられ、この切換信号と、走行操作部３７からの走行操作信号がコントローラ３８経由でガバナ制御器３５に送られて、エンジン１１の速度が図４破線の高速範囲（たとえば２４００ｍｉｎ−１）に設定され、エンジン出力も上がる（たとえば３３ｋｗ）。
【００３６】
エンジン出力が上がると、発電機１２の出力はたとえば２９ｋｗ（通常運転モードでは必要電力に応じてたとえば１０〜１９ｋｗの範囲で変化する）に上がる。
【００３７】
これにより、容量の小さいキャパシタ１３が短時間で放電し終わっても、以後、エンジン出力のみによって長距離・高速走行を行うことができる。
【００３８】
第２実施形態（図５参照）
第１実施形態との相違点のみを説明する。
【００３９】
第２実施形態においては、発電機１２及びキャパシタ１３を電源とする一つの電動機３９（電動機制御器４０によって制御される）によって油圧ポンプ４１を駆動し、この油圧ポンプ４１からの圧油を制御弁（各油圧アクチュエータごとに設けられるがここでは一括して図示している）４２を介してブーム、アーム、バケット各シリンダ８，９，１０と、左右の走行用及び旋回用各油圧モータ４３，４４，４５に供給する構成をとっている。
【００４０】
この第２実施形態においても、ガバナ制御器３５に切換スイッチ３６と走行操作部３７がコントローラ３８を介して接続され、この切換スイッチ３６からの切換信号と走行操作信号により、エンジン出力が図４実線の高効率範囲と同破線の高出力範囲の間で切換えられて運転モードが通常運転モードと高出力運転モードの間で切換えられるように構成されている。
【００４１】
この実施形態の場合、高出力運転モードで電動機３９の出力が上がり、油圧ポンプ４１の最高出力と吐出量が上がって左右の走行用油圧モータ４３，４４の回転速度が増加することによって高速走行が行われる。
【００４２】
他の実施形態
（１）キャパシタ１３に、電圧一定制御のためのキャパシタ制御器２７を用いず、キャパシタ１３の充放電による電圧変動に応じて発電機制御器２６によってキャパシタ１３の充放電電流を制御し、あるいは電動機制御器４０によって電動機３９の電流制御を行うことも可能である。
【００４３】
（２）上記第１実施形態では各アクチュエータごとに電動機１４〜１９を設け、第２実施形態では全アクチュエータに共通の一つの電動機３９を設けたが、２組の電動機と油圧ポンプを組み合わせて、制御弁で各アクチュエータへの流量を配分制御してもよい。あるいは、旋回だけを電動機駆動として、他のアクチュエータを、電動機と油圧ポンプ１組または２組の吐出量を制御弁で流量配分制御して使用してもよい。すなわち、アクチュエータ駆動用の電動機の組み合わせは種々変更することができる。
【００４４】
（３）蓄電装置としては、上記両実施形態のように高寿命のキャパシタ１３を用いるのが最も望ましいが、大きな蓄電容量を必要とする場合等にはバッテリ（二次電池）を用いてもよい。大容量のバッテリを使用することにより、バッテリ容量に対する充放電電力の比率を小さくすることができるため、バッテリ寿命を長くすることが可能となる。
【００４５】
（４）上記実施形態では、切換スイッチ３６が高速走行モード位置に切換えられ、かつ、走行操作されたときに運転モードを通常運転モードから高出力運転モードに切換えるように構成したが、切換スイッチ３６が高速走行モード位置に切換えられ、かつ、走行操作量が設定値を超えたとき（高速走行操作時。走行操作部３７からの信号によって判別できる）に高出力運転モードに切換わるようにしてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
上記のように本発明によると、運転モードとして、エンジンを出力が低くて効率の高い範囲で運転しながら蓄電装置の電力を併用する通常運転モードと、エンジンを出力が高い範囲で運転する高出力運転モードの二種類を有し、この二つの運転モードの間で切換え得るように構成したから、通常作業時には通常運転モードでハイブリッド方式本来の省エネルギーの運転を行い、高出力運転モードに切換えることにより、長距離・高速走行（請求項２，３）のような高出力を要する運転も行うことができる。
【００４７】
このため、蓄電装置として請求項４のようにキャパシタを用いることが可能となり、キャパシタの特性として蓄電装置の寿命が長く、かつ、バッテリのような頻繁な交換が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるショベルの全体概略側面図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかるショベルの駆動系及び制御系のブロック構成図である。
【図３】エンジンの出力と効率の関係を示す図である。
【図４】第１実施形態によるエンジン速度の切換作用とそのときのエンジン出力の状態を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかるショベルの駆動系及び制御系のブロック構成図である。
【図６】油圧ショベルの一般的な動力変動状況を示す図である。
【図７】ハイブリッド式ショベルにおける各種均し作業時の動力の変動状況を示す図である。
【符号の説明】
１ 走行装置
４ 作業装置としての掘削装置
５ 掘削装置を構成するブーム
６ 同アーム
７ 同バケット
１１ エンジン
１２ 発電機
１３ 蓄電装置としてのキャパシタ
１４〜１９，３７ 電動機
３４ エンジンのガバナ
３５ ガバナ制御器
３６ 走行切換手段としての切換スイッチ
３７ 走行操作部
３８ ガバナ制御器を制御するコントローラ

Claims (4)

  1. すべての作業装置及び走行装置が電動機を駆動源とし、この電動機が、エンジンによって駆動される発電機と、この発電機の出力の余剰分を蓄える蓄電装置とを電源とする自走式の作業機械において、運転モードを、上記エンジンを効率の高い高効率範囲で運転しながら上記発電機と蓄電装置の電力を併用する通常運転モードと、エンジンを上記通常運転モードよりも出力が高い高出力範囲で運転して発電機出力を上記通常運転モードより大きくする高出力運転モードとの間で切換え得るように構成されたことを特徴とする作業機械。
  2. 高速走行時に高出力運転モードが実行されるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の作業機械。
  3. 走行モードを低速走行モードと高速走行モードの間で切換える走行切換手段を備え、この走行切換手段によって高速走行モードが選択され、かつ、走行操作されたときに高出力運転モードに切換えられるように構成されたことを特徴とする請求項２記載の作業機械。
  4. 蓄電装置としてキャパシタが用いられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の作業機械。
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