JP3998025B2 - Hybrid construction machine - Google Patents
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Description
本発明はエンジン動力と電力を併用するハイブリッド式建設機械に関するものである。 The present invention relates to a hybrid construction machine that uses both engine power and electric power.
図4は本発明の好適例であるショベルを示す。 FIG. 4 shows an excavator which is a preferred embodiment of the present invention.
このショベルは、クローラ式の下部走行体1上に上部旋回体2が縦軸まわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体2の前部に、ブーム3、アーム4、バケット5、及びこれらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ6,7,8を備えた掘削装置9が取付けられて構成される。
In this excavator, an
上部旋回体2には、前部左側にキャビン10が搭載されるとともに、後端部にカウンタウェイト11が装着される。
The
キャビン10の後方には、左右方向に仕切り壁12が設けられ、この仕切り壁12とカウンタウェイト11との間に形成されたエンジンルーム13に動力源としてのエンジン14が設置される(特許文献1参照)。
A
このショベルをハイブリッド式として構成した場合の駆動系及び制御系のブロック構成を図5に示す。 FIG. 5 shows a block configuration of a drive system and a control system when this excavator is configured as a hybrid type.
エンジン14に動力分配装置(パワーデバイダ。PTOと呼ぶ場合もある)15を介して、可変容量型の油圧ポンプ16と、1台で発電機作用と電動機作用を行う発電電動機17とがパラレルに接続され、これらがエンジン14によって同時に駆動される。
A variable displacement
油圧ポンプ16には、制御弁(アクチュエータごとに設けられているが、ここでは複数の制御弁の集合体として示す)18を介して図4に示すブーム、アーム、バケット各シリンダ6〜8、及び図示しない左、右両走行用油圧モータ等の油圧アクチュエータが接続され、油圧ポンプ16から供給される圧油によってこれら油圧アクチュエータが駆動される。
The
一方、発電電動機17には、インバータ/コンバータ19を介して、二次電池等からなる蓄電装置20が接続される。
On the other hand, a
インバータ/コンバータ19は、発電電動機17の発電機作用と電動機作用の切換えを行う一方、コントローラ21からの指令に基づいて発電電力あるいは電動機としての電流またはトルクを制御し、かつ、発電電動機17の発電機出力の過不足に応じて蓄電装置20の充・放電作用を制御する。
The inverter /
コントローラ21は、蓄電装置20の充電量、発電電動機17の回転数等に基づいてエンジン回転数指令、油圧ポンプ16のポンプ容量指令、発電電動機17のトルク指令等を出力する。
The
この構成において、油圧ポンプ16の必要動力が大きい場合には、蓄電装置20の蓄電力により発電電動機17が電動機作用を行ってエンジン出力を補い、必要動力が小さい場合は発電電動機17が発電機作用を行って蓄電装置20に蓄電する。こうして、ハイブリッド方式本来の省エネルギー運転が行われる。
In this configuration, when the required power of the
なお、ハイブリッド式ショベルにおける機器類の配置については特許文献2に示されている。
ハイブリッド式ショベルの場合、一般的な油圧ショベルと同じ広さの空間に、エンジン関連及び油圧系の機器類(油圧ポンプ16、制御弁18のほか図示しない燃料タンク、作動油タンク、冷却ファン、ラジエータ、オイルクーラー等)に加えて、上記発電電動機17、インバータ/コンバータ19、蓄電装置20、コントローラ21等のハイブリッド機器類を設置する必要がある。
In the case of a hybrid excavator, an engine-related and hydraulic system equipment (
すなわち、限られたスペースにより多くの機器類を詰め込まなければならない。 That is, many devices must be packed in a limited space.
この場合、従来のショベルにおいては、図4及び特許文献1に示されているように上部旋回体2の後部に仕切り壁12を設け、この仕切り壁12によって上部旋回体2の後部にエンジンルーム13を区間形成している。
In this case, in the conventional excavator, as shown in FIG. 4 and
なお、エンジンルーム13の右側には、主として油圧機器が設置される機器室が形成されるが、この機器室とエンジンルーム13も同様に専用の仕切り壁で仕切る構成がとられている。
Note that an equipment room in which hydraulic equipment is mainly installed is formed on the right side of the
このため、従来のハイブリッドショベルによると、専用の仕切り壁とそのまわりのスペースが無駄となり、この無駄分が、ただでさえ狭い機器類設置スペースの有効容積を縮めて機器類の配置をより困難としていた。 For this reason, according to the conventional hybrid excavator, the dedicated partition wall and the space around it are wasted, and this waste makes it difficult to arrange the equipment by reducing the effective volume of the narrow equipment installation space. It was.
そこで本発明は、機器類設置スペースを無駄なく有効利用して機器類を効率良く配置することができるハイブリッド式建設機械を提供するものである。 Therefore, the present invention provides a hybrid construction machine that can efficiently arrange equipment by effectively utilizing equipment installation space without waste.
請求項1の発明は、下部走行体上に上部旋回体を搭載し、この上部旋回体の前部左右片側にキャビン、後端部にカウンタウェイトをそれぞれ設けるとともに、キャビンの後方でカウンタウェイトの前方にエンジンを、その出力軸が左右方向を向く状態で収容し、かつ、発電機作用と電動機作用を行う発電電動機と、この発電電動機の出力によって充電される蓄電装置と、発電電動機及び蓄電装置の作用を制御するインバータ/コンバータとを含むハイブリッド機器を具備するハイブリッド式建設機械において、上記エンジンの左右片側に、エンジン動力を油圧ポンプと発電電動機とに分配する動力分配装置を配置するとともに、上記蓄電装置とインバータ/コンバータを、上記キャビンの後方でかつエンジンの前方に左右に並んで配置し、この蓄電装置、インバータ/コンバータ、及び動力分配装置の各ケーシングによって、エンジンルームを区画する平面視L字形の仕切り壁を構成したものである。 According to the first aspect of the present invention, an upper swing body is mounted on the lower traveling body, a cabin is provided on each of the front left and right sides of the upper swing body, and a counterweight is provided on the rear end portion. A generator motor that houses the engine with its output shaft facing in the left-right direction and that performs a generator action and a motor action, a power storage device that is charged by the output of the generator motor, a generator motor and a power storage device In a hybrid construction machine including a hybrid device including an inverter / converter that controls an operation, a power distribution device that distributes engine power to a hydraulic pump and a generator motor is disposed on each of left and right sides of the engine, and the power storage The device and the inverter / converter are arranged side by side behind the cabin and in front of the engine. Power storage device, an inverter / converter, and the respective casings of the power distribution device, which is constituted of the partition wall in plan view L-shape defining the engine room.
請求項2の発明は、請求項1の構成において、油圧ポンプ及び発電電動機を、エンジンルーム外で動力分配装置にパラレルに接続したものである。 According to a second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, the hydraulic pump and the generator motor are connected in parallel to the power distribution device outside the engine room.
請求項3の発明は、請求項1または2の構成において、エンジンルーム外に、燃料タンク、作動油タンク、制御弁等の油圧機器類を配置したものである。 According to a third aspect of the present invention, in the configuration of the first or second aspect, hydraulic equipment such as a fuel tank, a hydraulic oil tank, and a control valve is disposed outside the engine room.
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、エンジンルームにおける動力分配装置と反対側に、冷却ファンによって外気を吸入する吸気室を形成し、蓄電装置をこの吸気室に臨んで配置したものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the configuration according to any one of the first to third aspects, an intake chamber that sucks outside air by a cooling fan is formed on the opposite side of the power distribution device in the engine room, and the power storage device is placed in the intake chamber. It is arranged in the face.
請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれかの構成において、蓄電装置を、左右のうち上部旋回体の側面に近い側に設置したものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the configuration according to any one of the first to fourth aspects, the power storage device is installed on the side closer to the side surface of the upper swing body among the left and right.
請求項6の発明は、請求項1乃至5のいずれかの構成において、キャビン内と蓄電装置のケーシング内とをダクトで接続し、キャビン内の空気を冷却または暖房用として蓄電装置に導くように構成したものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the configuration of any one of the first to fifth aspects, the cabin and the casing of the power storage device are connected by a duct, and the air in the cabin is led to the power storage device for cooling or heating. It is composed.
請求項7の発明は、請求項1乃至6のいずれかの構成において、ハイブリッド機器等を制御するコントローラを、蓄電装置の上に重ねて配置したものである。 A seventh aspect of the invention is the configuration according to any one of the first to sixth aspects, in which a controller that controls a hybrid device or the like is disposed on the power storage device.
本発明によると、蓄電装置とインバータ/コンバータをキャビンの後方でかつエンジンの前方に左右に並設し、この両者と動力分配装置の各ケーシングによりL字形の仕切り壁を構成してエンジンルームを区画形成したから、従来のように専用の仕切り壁を設ける場合と比較して、上部旋回体の機器類設置スペースを無駄なく利用して機器類を狭いスペースに効率良く収めることができる。 According to the present invention, the power storage device and the inverter / converter are juxtaposed on the left and right in the rear of the cabin and in front of the engine, and an L-shaped partition wall is formed by both of them and each casing of the power distribution device to partition the engine room. Since it forms, compared with the case where a partition wall for exclusive use is provided conventionally, the apparatus installation space of an upper revolving body can be efficiently utilized and the apparatus can be efficiently stored in a narrow space.
また、蓄電装置とインバータ/コンバータを左右に並べたことにより、両者間の配線を最短にできるため、配線作業が簡単となるとともに、配線に要する空間を縮小して機器類のレイアウトの自由度を高めることができる。 In addition, by arranging the power storage device and the inverter / converter on the left and right, the wiring between the two can be minimized, so that the wiring work is simplified and the space required for wiring is reduced, and the degree of freedom of layout of the equipment is reduced. Can be increased.
この場合、請求項2の発明では油圧ポンプ及び発電電動機をエンジンルーム外で動力分配装置にパラレルに接続し、請求項3の発明ではエンジンルーム外に燃料タンク、作動油タンク、制御弁等の油圧機器類を配置したから、油圧ポンプ及び発電電動機、または油圧機器類をエンジンに対し動力分配装置によって熱的に遮断し、エンジン熱による悪影響を抑えることができる。
In this case, in the invention of
一方、請求項4,5の発明によると、エンジンルームにおける動力分配装置と反対側に、冷却ファンによって外気を吸入する吸気室を形成し、蓄電装置をこの吸気室に臨んで配置したから、熱影響を受ける蓄電装置を外気によって空冷することができる。 On the other hand, according to the fourth and fifth aspects of the present invention, the intake chamber for sucking outside air is formed by the cooling fan on the opposite side of the power distribution device in the engine room, and the power storage device is arranged facing the intake chamber. The affected power storage device can be air-cooled by the outside air.
この場合、請求項5の発明によると、蓄電装置を外気に接する旋回体側面に近い側(低温側)に配置したから、冷却効果を一層高めることができる。また、上部旋回体の側面における蓄電装置の位置にメンテナンス口を設けることにより、蓄電装置のメンテナンス、交換作業が容易となる。
In this case, according to the invention of
請求項6の発明によると、キャビン内と蓄電装置のケーシング内とをダクトで接続し、キャビン内の空気を冷却または暖房用として蓄電装置に導くように構成したから、蓄電装置をキャビン内の冷気または暖気によってキャビン内と同等に冷暖房することができる。このため、蓄電装置の熱による性能低下をより確実に防止することができる。 According to the invention of claim 6, since the interior of the cabin and the inside of the casing of the power storage device are connected by the duct and the air in the cabin is guided to the power storage device for cooling or heating, the power storage device is cooled in the cabin. Or, it can be heated and cooled by the warm air as in the cabin. For this reason, the performance degradation due to the heat of the power storage device can be more reliably prevented.
ところで、図5に示すコントローラ21は、従来、スペース不足からキャビン内に配置されていた。このため、このコントローラ21とキャビン外の蓄電装置20及び発電電動機17等との電気的接続が面倒となっていた。
Incidentally, the
これに対し、請求項7の発明によると、コントローラを、キャビン外において蓄電装置の上に重ねて配置したから、コントローラと蓄電装置、発電電動機等との電気的接続が容易となる。
On the other hand, according to the invention of
本発明の実施形態を図1〜図3によって説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
実施形態において、図4,5に示す部分と同一部分には同一符号を付して示し、その重複説明を省略する。 In the embodiment, the same parts as those shown in FIGS. 4 and 5 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
図1は上部旋回体2における機器配置を上から見た図である。
FIG. 1 is a view of the equipment arrangement in the
上部旋回体2の後部にエンジン14が設置され、このエンジン14の前方でかつキャビン10の後方において左側(キャビン10内に着座したオペレータから見た左側。以下にいう左右及び前後の方向性について同じ)に蓄電装置20、右側にインバータ/コンバータ19がほぼ隙間なく並設されている。
An
一方、エンジン14の右側に、エンジン動力を油圧ポンプ16と発電電動機17とに分配する動力分配装置15が設けられている。
On the other hand, a
この動力分配装置15は、後端部がカウンタウェイト11の内面に近接し、前端部がインバータ/コンバータ19の右側面に当接または近接する状態で配置されている。
The
この動力分配装置15とインバータ/コンバータ19と蓄電装置20の各ケーシング(いずれもほぼ直方形の箱体。図1ではとくに符号は付していない)によってL字形の仕切り壁Wが構成され、エンジンルーム13がこの仕切り壁Wとカウンタウェイト11とに囲まれた空間として上部旋回体2の後部に区画形成されている。
An L-shaped partition wall W is formed by the casings of the
このエンジンルーム13の右側を含む上部旋回体2の右側全域には機器室22が形成され、この機器室22の後部において油圧ポンプ16と発電電動機17が動力分配装置15にパラレルに接続されている。
A
機器室22には、前から順に補機蓄電装置23、燃料タンク24、DC/DCコンバータ25、作動油タンク26、コントロールバルブ18が配置されている。
In the
なお、この機器室22の右側面、及びエンジンルーム13の左側面はそれぞれ図1中に二点鎖線で示すガード部材27a,27bによって覆われている。
Note that the right side surface of the
また、エンジン14の左側には、エンジンルーム13の一部としての吸気室28が設けられ、この吸気室28に、図1中に矢印で示すように外気を吸い込む冷却ファン29と、吸い込まれた外気よって冷却されるラジエータ30及びオイルクーラー31が設けられている。
Further, an
図1中、32はエンジンルーム13におけるエンジン14の後方に配置された圧縮機、33はエンジンマフラである。
In FIG. 1, 32 is a compressor disposed behind the
一方、図2,3に示すように、蓄電装置20の上方にコントローラ21(図1では簡略化のために図示を省略している)が配置されている。
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 3, a controller 21 (not shown in FIG. 1 for simplification) is arranged above the
このコントローラ21は、全高寸法を小さくするために図示のように後倒れの傾斜姿勢でケーシング34に収容され、蓄電装置20のケーシング35上に重ねて配置されている。
The
なお、コントローラ21は、正確には図2に示すようにハイブリッド系の制御部分21aと油圧系の制御部分21bとから成り、これらが前後重ね合わせ状態でケーシング34に収容されている。
As shown in FIG. 2, the
また、図2に示すようにキャビン10の背面下部に前側に凹む凹部36が形成され、蓄電装置20及びコントローラ21はそれぞれのケーシング35,34の一部がこの凹部36に嵌まり込む状態でキャビン後方に配置されている。
Further, as shown in FIG. 2, a recessed
このように、インバータ/コンバータ19と蓄電装置20をキャビン10の後方でかつエンジン14の前方に左右に並んで配置し、この両者と動力分配装置15の各ケーシングによりL字形の仕切り壁Wを構成してエンジンルーム13を区画形成したから、従来のように専用の仕切り壁を設ける場合と比較して、仕切り壁とそのまわりのスペースの無駄遣いを無くし、上部旋回体2の機器類設置スペースを有効利用することができる。すなわち、多くの機器類を限られたスペースに効率良く収めることができる。
In this manner, the inverter /
また、蓄電装置20とインバータ/コンバータ19を左右に並べたことにより、両者間の配線を最短にできるため、配線作業が簡単となるとともに、配線に要する空間を縮小して機器類のレイアウトの自由度を高めることができる。
In addition, since the
一方、油圧ポンプ16及び発電電動機17をエンジンルーム13外である機器室22で動力分配装置15にパラレルに接続するとともに、機器室22に燃料タンク24、作動油タンク25、制御弁18等の油圧機器類を配置したから、これら機器類をエンジン14に対し動力分配装置15によって熱的に遮断し、エンジン熱による悪影響を抑えることができる。
On the other hand, the
さらに、蓄電装置20を吸気室28に臨んで配置したから、熱によって性能が低下する蓄電装置20を外気によって空冷することができる。
Furthermore, since the
この場合、図示のように蓄電装置20を左側、すなわち、外気に接する旋回体側面に近い側(低温側)に配置したから、冷却効果を一層高めることができる。また、左側ガード部材26bにおける蓄電装置20に臨む位置にメンテナンス口を設けることにより、蓄電装置20のメンテナンス、交換作業が容易となる。
In this case, as shown in the figure, since the
また、コントローラ21を、キャビン10外において蓄電装置20の上に重ねて配置したから、従来のようにこのコントローラ21をキャビン10内に設置した場合と比較して、コントローラ21と蓄電装置20、発電電動機17等とをキャビン10外で電気的に接続することができる。このため、この接続作業が容易となる。
Further, since the
蓄電装置20は、上記のように吸気室28に臨んで配置されていることによって空冷されるが、この実施形態ではより高い空調効果を得ることを目的として、キャビン10内の冷暖房用の空気を利用する構成がとられている。
The
図2,3によって説明すると、キャビン10の背面外側(凹部36)に吸い込み及び吐出し両ダクト37,38が設けられている。
Referring to FIGS. 2 and 3, both suction and
吸い込みダクト37はキャビン10の右側で、吐出しダクト38は左側で、それぞれ一端部がキャビン10内に、他端部が蓄電装置20のケーシング35内にそれぞれ連通する状態で配置され、この両ダクト37,38のキャビン側端部に吸い込み、吐出し両ファン(図示しない)が設けられている。
The
こうして、キャビン10内の冷気または暖気が吸い込みダクト37から蓄電装置20のケーシング35内に導入され、このケーシング35内を右端から左端までくまなく通った後、左端から吐出しダクト38を経てキャビン10内に戻るように構成されている。
Thus, cool air or warm air in the
この強制空調システムにより、蓄電装置20をキャビン10内と同等の温度条件に保ち、とくに夏場の過熱や冬場の過冷による性能低下を防止することができる。
With this forced air conditioning system, the
なお、両ダクト37,38に開閉弁を設け、蓄電装置20の冷暖房作用が不要な場合はキャビン10内との空気の流通を遮断するように構成してもよい。
In addition, you may comprise so that both the
ところで、本発明は、ショベルの変形としてクラムセル式のバケットを取付けた場合や、ショベルの転用例としてバケット5に代えて掴み式や振動式の破砕装置を取付けた機械、さらに伸縮式のアームを用いた機械にも適用することができる。
By the way, the present invention uses a clam cell type bucket as a modification of the shovel, a machine having a gripping type or a vibration type crushing device instead of the
1 下部走行体
2 上部旋回体
10 キャビン
11 カウンタウェイト
13 エンジンルーム
14 エンジン
15 動力分配装置
16 油圧ポンプ
17 発電電動機
18 制御弁
19 インバータ/コンバータ
20 蓄電装置
21 コントローラ
24 燃料タンク
25 作動油タンク
28 吸気室
29 冷却ファン
34 コントローラのケーシング
35 蓄電装置のケーシング
W 仕切り壁
37 吸い込みダクト
38 吐出しダクト
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