JP4509874B2 - 作業機械のハイブリッドシステム - Google Patents

Description

本発明は、エネルギ回生機能を有する作業機械のハイブリッドシステムに関する。

ハイブリッド式作業機械の従来技術として、ブームシリンダを制御するブームシリンダ回路は、電動・発電機と油圧ポンプ２台を用いて閉回路を構成し、また、エンジンで駆動されるアーム・左走行用油圧ポンプおよびバケット・右走行用ポンプをそれぞれ設け、一方のポンプからアームシリンダおよび左走行用モータに作動油を供給するとともに、他方のポンプからバケットシリンダおよび右走行用モータに作動油を供給するものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、電動ショベルの左走行装置、右走行装置、旋回装置、ブーム、アームおよびバケットの各アクチュエータに電動機および駆動力伝達装置をそれぞれ設け、これらをエンジンで駆動される発電機または蓄電部より供給された電力により作動させる電動建設機械がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−３２２６８２号公報（第３−４頁、図１） 特開２００３−８２７０７号公報（第４頁、図１）

一般的な油圧ショベルのシステムでは、ブームシリンダ伸び側は最大でメインポンプ２台、下げ側はメインポンプ１台で駆動し、また、アームシリンダは最大でメインポンプ２台、走行モータおよび旋回モータはメインポンプ１台で駆動する。したがって、特許文献１記載のショベルでは、ブームシリンダを駆動するため、メインポンプ２台分に相当する大容量の油圧ポンプと、それを高速で駆動する大型の電動・発電機が必要になる。

また、特許文献１記載のショベルのように、アーム・左走行用油圧ポンプとバケット・右走行用ポンプとに分けると、アームシリンダが１ポンプで駆動されることになり、従来の油圧ショベルのシステムと同等のアーム作動速度が確保できない場合がある。

一方、特許文献２記載のショベルのように、アクチュエータごとに電動機と駆動力伝達装置を設置すると、システムが複雑でかつ電動機や駆動力伝達装置の個数が多いので、実機に搭載することが難しく、かつシステムが高価になる。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、従来のハイブリッドシステムと比較して電動・発電機およびポンプの個数や容量を増やすことなく必要な作動速度を確保でき、かつ実機に搭載が容易で実用的な作業機械のハイブリッドシステムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、エンジンに接続され発電機および電動機として機能する発電・電動機と、発電・電動機に接続され充電および放電をする蓄電装置と、発電・電動機および蓄電装置からの電力で機体を旋回駆動するとともに機体の旋回エネルギを電力に変換して回生する旋回用電動・発電機と、エンジンおよび発電・電動機により駆動されタンク内の流体を少なくとも第１アクチュエータを制御する第１アクチュエータ回路および第２アクチュエータを制御する第２アクチュエータ回路にそれぞれ供給する第１ポンプおよび第２ポンプと、蓄電装置に接続され電動機および発電機として機能するポンプ用電動・発電機と、ポンプ用電動・発電機で駆動されタンク内の流体を少なくとも第３アクチュエータを制御する第３アクチュエータ回路に供給する流体圧モータ機能を有する第３ポンプと、第１アクチュエータ回路からの戻り流体を第３ポンプの吸込ポートに供給する戻り流体供給回路と、第３ポンプの吐出ポートから第１アクチュエータ回路および第２アクチュエータ回路に圧力流体を補給する圧力流体補給回路と、第１ポンプの吐出通路と第２ポンプの吐出通路との間に設けられ第１ポンプの吐出流量と第２ポンプの吐出流量とを合流可能な合流用流量制御バルブとを具備した作業機械のハイブリッドシステムである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の作業機械のハイブリッドシステムにおいて、第１アクチュエータはブームシリンダであり、第１アクチュエータ回路はブームシリンダを制御するブームシリンダ回路であり、第２アクチュエータはアームシリンダであり、第２アクチュエータ回路はアームシリンダを制御するアームシリンダ回路であり、第３アクチュエータはバケットシリンダであり、第３アクチュエータ回路はバケットシリンダを制御するバケットシリンダ回路であり、左走行モータおよび右走行モータにより走行可能で旋回用電動・発電機により旋回可能な機体に、ブームシリンダ、アームシリンダおよびバケットシリンダにより駆動される作業装置を備え、第１ポンプの吐出ポートは、ブームシリンダを制御するブームシリンダ回路および左走行モータを制御する左走行モータ回路に接続され、第２ポンプの吐出ポートは、アームシリンダを制御するアームシリンダ回路および右走行モータを制御する右走行モータ回路に接続され、第３ポンプの吐出ポートは、バケットシリンダを制御するバケットシリンダ回路に接続されたものである。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の作業機械のハイブリッドシステムにおける戻り流体供給回路が、ブーム下げ時にブームシリンダ回路からの戻り流体を第３ポンプの吸込ポートに再生する再生通路と、再生通路から分岐されてタンクに連通されたタンク通路中に設けられブームシリンダ回路からタンクに戻される流量を制御するタンク流量制御バルブとを具備したものである。

請求項４記載の発明は、請求項２または３記載の作業機械のハイブリッドシステムにおける圧力流体補給回路が、第３ポンプの吐出ポートからブームシリンダ回路およびアームシリンダ回路に補給される圧力流体を流量制御する補給流量制御バルブを具備したものである。

請求項１記載の発明によれば、戻り流体供給回路と、圧力流体補給回路と、合流用流量制御バルブとによって、第１ポンプ、第２ポンプおよび第３ポンプの各ポンプ間、または第１アクチュエータ、第２アクチュエータおよび第３アクチュエータの各アクチュエータ間で発生する余剰流体エネルギを相互に有効利用するので、従来の作業機械に搭載されたハイブリッドシステムに比較して、大容量の電動機やポンプが必要なく、かつ各アクチュエータに電動機および駆動力伝達装置をそれぞれ個別に設置するシステムと比較して電動機やポンプの個数が少なくなるので、実機に容易に搭載でき、低コストなシステムを構築できる。さらに、第１アクチュエータ、第２アクチュエータおよび第３アクチュエータの各アクチュエータを連動操作すると、これらの各アクチュエータに第１ポンプ、第２ポンプおよび第３ポンプの各ポンプが割り当てられるので、これらの各アクチュエータ間の流体圧の負荷干渉がなく、エネルギロスを軽減でき、かつ操作性を向上できる。また、旋回用電動・発電機の制動エネルギを回生して第３ポンプの駆動に利用できるとともに、圧力流体補給回路を介して第１アクチュエータおよび第２アクチュエータの駆動にも利用できる。

請求項２記載の発明によれば、戻り流体供給回路によりブーム下げ時の戻り流体エネルギを第３ポンプを介してポンプ用電動・発電機で蓄電装置に回生できるとともに、旋回用電動・発電機の制動エネルギを蓄電装置に回生でき、これらの回生エネルギをバケットシリンダの駆動に効率良く利用できるとともに、圧力流体補給回路を介してブームシリンダおよびアームシリンダの駆動に効率良く利用でき、また、ブームシリンダ回路が十分な流量を必要とする場合は、合流用流量制御バルブを開くことで、第１ポンプだけでなく第２ポンプからもブームシリンダ回路に十分な圧力流体を供給して、ブームシリンダの要求速度を満たすことができるので、従来の油圧ショベルに搭載されている発電・電動機やメインポンプと同程度の出力の発電・電動機やポンプでシステムを構成できる。また、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダの各アクチュエータを連動操作すると、これらの各アクチュエータに第１ポンプ、第２ポンプおよび第３ポンプの各ポンプが割り当てられるので、これらの各アクチュエータ間の流体圧の負荷干渉がなく、エネルギロスを軽減でき、かつ操作性を向上できる。さらに、従来の油圧ショベルと同様に、左走行モータと、右走行モータと、ブームシリンダと、アームシリンダと、バケットシリンダの連動操作を容易にできる。

請求項３記載の発明によれば、戻り流体供給回路のタンク流量制御バルブにより再生通路での再生流量を制御することで、ブーム下げ時の戻り流体エネルギを第３ポンプを介してポンプ用電動・発電機で適切に回生でき、その回生エネルギをバケットシリンダなどの駆動に利用できる。

請求項４記載の発明によれば、補給流量制御バルブの流量制御によって、第３ポンプからバケットシリンダ回路に供給される圧力流体流量とのバランスを保ちつつ、第３ポンプから吐出された圧力流体をブームシリンダ回路およびアームシリンダ回路にも補給できる。

以下、本発明を図１および図２に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。なお、作動流体は油を用い、流体圧は油圧とする。

図２は、本発明に係る作業機械としてのハイブリッド式油圧ショベルＡを示し、この油圧ショベルＡは、機体Ｂ上に、キャブＣおよび動力装置Ｄとともに作業装置Ｅが搭載されている。機体Ｂには、下部走行体に対し上部旋回体を旋回駆動する旋回用電動・発電機７が設けられ、作業装置Ｅには、機体Ｂに軸連結されたブームbmを上下方向に回動する第１アクチュエータとしてのブームシリンダ８、ブームbmの先端に軸連結されたアームamを回動する第２アクチュエータとしてのアームシリンダ９、アームamの先端に軸連結されたバケットbkを回動する第３アクチュエータとしてのバケットシリンダ10が設けられ、また機体Ｂの下部走行体には履帯駆動用の左走行モータ11および右走行モータ12が設けられている。

図１において、１は動力装置Ｄに内蔵されたエンジンであり、このエンジン１に発電機および電動機として機能する発電・電動機２が直結され、この発電・電動機２の回転軸に可変容量型の第１ポンプ３および第２ポンプ４の回転軸が直列に連結されている。これらの第１ポンプ３および第２ポンプ４に対し、ポンプ用電動・発電機５によって駆動される可変容量型の第３ポンプ６が別に設置されている。これらの可変容量型の各ポンプ３，４，６は、外部から入力された電気信号により斜板の傾転角を制御する斜板制御器3c，4c，6cを備えている。

第３ポンプ６は、流体圧ポンプおよび流体圧モータとして機能とするもので、流体の流れ方向はポンプ作用時もモータ作用時も同一の一方向である。この第３ポンプ６を介して前後の通路には差圧を検出するための圧力検出器6a，6bが設置されている。

そして、これらの第１ポンプ３、第２ポンプ４および第３ポンプ６から、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、左走行モータ11および右走行モータ12に供給される作動流体を制御する流体圧回路が設置されている。

第１ポンプ３および第２ポンプ４をエンジン１と共に駆動する発電・電動機２には、この発電・電動機２を制御する制御器2cが接続され、この制御器2cには、充電および放電をするバッテリまたはキャパシタなどの蓄電装置14が、この蓄電装置14を制御する制御器14cを介して接続されている。

同様に、第３ポンプ６を駆動するポンプ用電動・発電機５には、このポンプ用電動・発電機５を制御する制御器5cが接続され、また、旋回用電動・発電機７には、この旋回用電動・発電機７を制御する制御器7cが接続され、これらの制御器5c，7cは、制御器14cを介して蓄電装置14に接続されている。

第１ポンプ３、第２ポンプ４および第３ポンプ６の吸込口は、それぞれタンク16に接続されている。このタンク16は、油などの作動流体を収容し、そのタンク内部は、大気圧に、または大気圧以上に予圧されている。

ブームシリンダ８を方向制御および流量制御する制御バルブブロック17は、ブリッジ回路を構成する複数の流量制御バルブ17a，17b，17c，17dにより形成されている。

アームシリンダ９を方向制御および流量制御する制御バルブブロック18は、ブリッジ回路を構成する複数の流量制御バルブ18a，18b，18c，18dにより形成されている。なお、この制御バルブブロック18には、アームシリンダ９のロッド室からヘッド室へ再生される再生流量を制御する流量制御バルブ18eが設けられている。

バケットシリンダ10を方向制御および流量制御する制御バルブブロック19は、ブリッジ回路を構成する複数の流量制御バルブ19a，19b，19c，19dにより形成されている。なお、この制御バルブブロック19には、第３ポンプ６から吐出された後、タンク16に戻されるバイパス流量を制御するバイパス流量制御バルブ19eが設けられている。

左走行モータ11の回転方向および回転速度は左走行制御用の制御バルブ20により制御し、右走行モータ12の回転方向および回転速度は右走行制御用の制御バルブ21により制御する。これらの左右走行モータ11，12と制御バルブ20，21との間には、それぞれ制動用のブレーキバルブ22，23が設けられている。

第１ポンプ３の吐出通路には、タンク16に戻されるバイパス流量を制御するバイパス流量制御バルブ24が設けられ、第２ポンプ４の吐出通路にも、同様のバイパス流量制御バルブ25が設けられ、また、第１ポンプ３の吐出通路と第２ポンプ４の吐出通路との間には、これらの通路を繋ぐことで第１ポンプ３の吐出流量と第２ポンプ４の吐出流量とを合流可能な合流用流量制御バルブ26が設置されている。

第３ポンプ６の吐出通路には、この第３ポンプ６からブームシリンダ８およびアームシリンダ９に供給される圧力流体の流量を制御するための補給流量制御バルブ27が設けられている。また、ブームシリンダ８の制御バルブブロック17から第３ポンプ６の吸込側への戻り通路には、ブームシリンダ回路からの戻り流体をタンク16に逃がすためのタンク流量制御バルブ28が設けられている。

第１ポンプ３の吐出通路にはチェックバルブ29が設けられ、第２ポンプ４の吐出通路にはチェックバルブ30が設けられ、また、第３ポンプ６の吸込通路には、タンク16から第３ポンプ６に作動流体を補給するためのチェックバルブ31が設けられ、また、第３ポンプ６から補給流量制御バルブ27を経た通路は２つに分岐され、それらの各通路には、チェックバルブ32，33を介して、ブームシリンダ８およびアームシリンダ９に圧力流体を供給する回路が接続されている。

すなわち、第１ポンプ３からの吐出通路のチェックバルブ29と、第３ポンプ６からの吐出通路のチェックバルブ32との間から、第１ポンプ３からの吐出流量と第３ポンプ６からの吐出流量とを合流させてブームシリンダ８へ供給するための合流回路が引出され、また、第２ポンプ４からの吐出通路のチェックバルブ30と第３ポンプ６からの吐出通路のチェックバルブ33との間から、第２ポンプ４からの吐出流量と第３ポンプ６からの吐出流量とを合流させてアームシリンダ９へ供給するための合流回路が引出されている。

以上のように、この作業機械のハイブリッドシステムは、エンジン１に接続されエンジン１をパワーアシストする発電機および電動機として機能する発電・電動機２と、この発電・電動機２に接続され充電および放電をする蓄電装置14と、発電・電動機２および蓄電装置14からの電力で機体Ｂを旋回駆動するとともに機体Ｂの旋回エネルギを電力に変換して回生する旋回用電動・発電機７と、エンジン１および発電・電動機２により駆動されタンク16内の流体を少なくともブームシリンダ８を制御する第１アクチュエータ回路としてのブームシリンダ回路51およびアームシリンダ９を制御する第２アクチュエータ回路としてのアームシリンダ回路52にそれぞれ供給する第１ポンプ３および第２ポンプ４と、蓄電装置14に接続され電動機および発電機として機能するポンプ用電動・発電機５と、このポンプ用電動・発電機５で駆動されタンク16内の流体を少なくともバケットシリンダ10を制御する第３アクチュエータ回路としてのバケットシリンダ回路59に供給する流体圧モータ機能を有する第３ポンプ６とを備えている。

ブームシリンダ回路51は、制御バルブブロック17を中心に構成され、アームシリンダ回路52は、制御バルブブロック18を中心に構成され、バケットシリンダ回路59は、制御バルブブロック19を中心に構成されている。

ブームシリンダ回路51からの戻り流体を第３ポンプ６の吸込ポートに供給する戻り流体供給回路55と、第３ポンプ６の吐出ポートからブームシリンダ回路51およびアームシリンダ回路52に圧力流体を補給する圧力流体補給回路56とが設けられ、また、第１ポンプ３の吐出通路と第２ポンプ４の吐出通路との間には、第１ポンプ３の吐出流量と第２ポンプ４の吐出流量とを合流可能な合流用流量制御バルブ26が設けられている。

また、左走行モータ11および右走行モータ12により走行可能で旋回用電動・発電機７により旋回可能な機体Ｂに、ブームシリンダ８、アームシリンダ９およびバケットシリンダ10により駆動される作業装置Ｅを備え、第１ポンプ３の吐出ポートは、ブームシリンダ８を制御するブームシリンダ回路51および左走行モータ11を制御する左走行モータ回路57に接続され、第２ポンプ４の吐出ポートは、アームシリンダ９を制御するアームシリンダ回路52および右走行モータ12を制御する右走行モータ回路58に接続され、第３ポンプ６の吐出ポートは、バケットシリンダ10を制御するバケットシリンダ回路59に接続されている。

戻り流体供給回路55は、ブームシリンダ回路51からの戻り流体を第３ポンプ６の吸込ポートに供給する回路であり、ブーム下げ時にブームシリンダ回路51からの戻り流体を第３ポンプ６の吸込ポートに再生する再生通路55aと、この再生通路55aから分岐されてタンク16に連通されたタンク通路55b中に設けられブームシリンダ回路51からタンク16に戻される流量を制御するタンク流量制御バルブ28とを具備している。

圧力流体補給回路56は、第３ポンプ６の吐出ポートからブームシリンダ回路51およびアームシリンダ回路52に補給される圧力流体を流量制御する補給流量制御バルブ27と、逆流防止用のチェックバルブ32，33とを備えている。

左走行モータ回路57は、制御バルブ20およびブレーキバルブ22により構成され、右走行モータ回路58は、制御バルブ21およびブレーキバルブ23により構成され、バケットシリンダ回路59は、第３ポンプ６から圧力流体の供給を受ける制御バルブブロック19を中心に構成されている。

また、キャブＣ内に運転席とともに設置された走行用操作ペダルおよび作業用操作レバーなどの操作用電気信号入力器（図示せず）、回路中の圧力検出器6a，6bなどは、これらから入力された信号を演算処理するコントローラ（図示せず）の入力部に接続され、このコントローラの出力部には、各ポンプ３，４，６の斜板制御器3c，4c，6c、および各種バルブ17a，17b，17c，17d，18a，18b，18c，18d，18e，19a，19b，19c，19d，19e，20，21，24，25，26，27，28のソレノイドなどが接続され、これらの駆動および停止が制御される。

ここで、各ポンプ３，４，６の駆動とは、斜板を吐出流量出力位置に制御することであり、各ポンプ３，４，６の停止とは、斜板を吐出流量を出力しない中立位置に制御することである。また、各種バルブの駆動とは、ソレノイドへの通電状態であり、各種バルブの停止とは、ソレノイドへの非通電状態（スプリングリターン状態）である。

次に、図１に示された実施の形態の作用を、アクチュエータの作動とポンプおよびバルブの作動の関係を示す下記の表１を参照しながら説明する。なお、この表１において、○印は駆動、×印は停止、△印は○印の駆動後に駆動されることを示している。

(1) ブーム上げ
操作レバーによりブームbmを上方に回動するブーム上げ操作をすると、コントローラ（図示せず）により、第１ポンプ３の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、ブームシリンダ８の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17a，17dおよびタンク流量制御バルブ28が開口する。

ブーム用のレバー操作量が大きくなると、第２ポンプ４（表１の△印）の斜板が立上がり、同時に、バイパス流量制御バルブ25（表１の△印）が閉まり、合流用流量制御バルブ26（表１の△印）が開き、第２ポンプ４からもブームシリンダ回路に圧力流体が供給される。

第１ポンプ３および第２ポンプ４から吐出された圧力流体は、流量制御バルブ17aからブームシリンダ８のヘッド室に供給される。一方、ブームシリンダ８のロッド室から押出された戻り流体は、流量制御バルブ17dからタンク流量制御バルブ28を経てタンク16に戻される。

上記のように、ブームシリンダ８のレバー操作では、第１ポンプ３と第２ポンプ４を同時に立上げず、レバー操作量に応じて第１ポンプ３から第２ポンプ４の順に立ち上げる。一方、後述するアームシリンダ９のレバー操作では、レバー操作量に応じて第２ポンプ４から第１ポンプ３の順に立ち上げる。このように制御することにより、ブーム、アームを連動操作したときの、ポンプの流量配分を滑らかにする。

(2) ブーム下げ
操作レバーによりブームbmを下方に回動するブーム下げ操作をすると、コントローラ（図示せず）により、第１ポンプ３の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、ブームシリンダ８の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17b，17cが開口する。第１ポンプ３から吐出された圧力流体は、流量制御バルブ17bからブームシリンダ８のロッド室に供給される。

一方、タンク流量制御バルブ28は閉じたままに保たれるから、ブームシリンダ８のヘッド室から押出された戻り流体は、流量制御バルブ17cから第３ポンプ６の吸込ポートに導かれ、第３ポンプ６は、ブームシリンダ８の可変負荷として機能するので、第３ポンプ６の斜板を制御して、ブームシリンダ８の下げ速度を調整する。

このとき、第３ポンプ６はモータ作用によりポンプ用電動・発電機５を駆動して発電し、発電された電力は、制御器5cから制御器14cを介して蓄電装置14に充電される。

(3) アーム上げ／下げ
操作レバーによりアームamを上方または下方に回動するアーム上げ／下げ操作をすると、コントローラ（図示せず）により、第２ポンプ４の斜板が制御され、この第２ポンプ４から圧力流体が吐出され、同時に、バイパス流量制御バルブ25が閉まり、アームシリンダ９の制御バルブブロック18に圧力流体が供給される。

アーム上げ操作の場合は、アームシリンダ９を収縮動作させるので、流量制御バルブ18b，18cが開口する。アーム下げ操作の場合は、アームシリンダ９を伸長動作させるので、流量制御バルブ18a，18d，18eが開口する。流量制御バルブ18eは再生用のバルブで、アームシリンダ９に負荷が加わると閉じる。

アーム用のレバー操作量が大きくなると、第１ポンプ３（表１の△印）の斜板が立上がり、同時に、バイパス流量制御バルブ24（表１の△印）が閉まり、合流用流量制御バルブ26（表１の△印）が開き、第１ポンプ３からもアームシリンダ回路に圧力流体が供給される。

(4) バケット掘削／排土
操作レバーによりバケットbkを掘削方向および排土方向に回動するバケット掘削または排土操作をすると、コントローラ（図示せず）により、ポンプ用電動・発電機５によって駆動される第３ポンプ６の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ19eが閉まり、制御バルブブロック19の流量制御バルブ19a〜19dにより方向制御および流量制御された圧力流体がバケットシリンダ10に供給される。バケット掘削操作の場合は、流量制御バルブ19a，19dが開口し、バケット排土操作の場合は、流量制御バルブ19b，19cが開口する。

(5) 右走行
操作ペダルまたはレバーにより下部走行体の右側履帯を駆動させる右走行操作をすると、コントローラ（図示せず）により、第２ポンプ４の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ25が閉まるとともに、走行右の制御バルブ21が制御されて右走行モータ12に圧力流体が供給される。

(6) 左走行
操作ペダルまたはレバーにより下部走行体の左側履帯を駆動させる左走行操作をすると、コントローラ（図示せず）により、第１ポンプ３の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まるとともに、走行左の制御バルブ20が制御されて、左走行モータ11に圧力流体が供給される。

(7) ブーム上げとアームの連動操作
操作レバーによりブーム上げとアームの連動操作をすると、コントローラ（図示せず）により、第１ポンプ３の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、ブームシリンダ８の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17a，17dおよびタンク流量制御バルブ28が開口する。

また、第２ポンプ４の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ25が閉まり、アームシリンダ９の制御バルブブロック18に圧力流体が供給される。

なお、ブームシリンダ速度を速くしたい場合は、ポンプ用電動・発電機５により駆動される第３ポンプ６の斜板を制御し、かつバイパス流量制御バルブ19eを閉じるとともに補給流量制御バルブ27を開くように制御して、第３ポンプ６から補給流量制御バルブ27、チェックバルブ32を介してブームシリンダ８の制御バルブブロック17に圧力流体を供給することもできる。

(8) ブーム下げとアームの連動操作
操作レバーによりブーム下げとアームの連動操作をすると、コントローラ（図示せず）により、第１ポンプ３の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、ブームシリンダ８の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17b，17cが開口する。第１ポンプ３から供給された圧力流体は、流量制御バルブ17bからブームシリンダ８のロッド室に供給される。

一方、タンク流量制御バルブ28は閉じたままに保たれるから、ブームシリンダ８のヘッド室から押出された戻り流体は、流量制御バルブ17cから第３ポンプ６の吸込ポートに導かれ、この第３ポンプ６を流体圧モータとして駆動する。このとき、ブームシリンダ８の可変負荷として機能する第３ポンプ６の斜板を制御してブームシリンダ８の速度を調整する。

第３ポンプ６は、モータ作用によりポンプ用電動・発電機５を駆動する。ポンプ用電動・発電機５は発電作用し、発電された電力は、制御器5cから制御器14cを経て蓄電装置14に充電される。

また、第２ポンプ４の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ25が閉まり、アームシリンダ９の制御バルブブロック18に圧力流体が供給され、制御バルブブロック18によりアームシリンダ９の作動方向および作動速度が制御される。

さらに、バイパス流量制御バルブ19eを閉じるとともに補給流量制御バルブ27を開いて、モータ作用の第３ポンプ６を経た圧力流体を、補給流量制御バルブ27からアームシリンダ９の制御バルブブロック18に供給することで、ブームシリンダ回路からの戻り流体をアームシリンダ９の駆動に利用して、作業速度を上げることもできる。

(9) ブーム上げとバケットの連動操作
操作レバーによりブーム上げとバケットの連動操作をすると、コントローラ（図示せず）により、第１ポンプ３の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、ブームシリンダ８の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17a，17dおよびタンク流量制御バルブ28が開口する。

また、ポンプ用電動・発電機５によって駆動される第３ポンプ６の斜板が制御され、同時に、制御バルブブロック19のバイパス流量制御バルブ19eが閉まり、制御バルブブロック19の流量制御バルブ19a〜19dにより方向制御および流量制御された圧力流体がバケットシリンダ10に供給される。

ブーム用のレバー操作量が大きくなると、第２ポンプ４（表１の△印）の斜板が立上がり、同時に、バイパス流量制御バルブ25（表１の△印）が閉まり、合流用流量制御バルブ26（表１の△印）が開き、第２ポンプ４からもブームシリンダ回路に圧力流体が供給される。

(10) ブーム下げとバケットの連動操作
操作レバーによりブーム下げとバケットの連動操作をすると、コントローラ（図示せず）により、第１ポンプ３の斜板が制御され、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、同時に、ブームシリンダ８の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17b，17cが開口する。そして、第１ポンプ３から供給される圧力流体は、流量制御バルブ17bからブームシリンダ８のロッド室に供給される。一方、タンク流量制御バルブ28は閉じたままに保たれるから、ブームシリンダ８のヘッド室から押出された戻り流体は、流量制御バルブ17cから第３ポンプ６の吸込ポートに導かれる。

同時に、第３ポンプ６のバイパス流量制御バルブ19eが閉まり、第３ポンプ６から吐出された圧力流体が、制御バルブブロック19の流量制御バルブ19a〜19dにより方向制御および流量制御されて、バケットシリンダ10に供給される。

このとき、第３ポンプ６の斜板は、ブームシリンダ８から第３ポンプ６の吸込ポートへの戻り流量と、バケットシリンダ10の必要流量とを比較して、大きい方の流量で制御される。

すなわち、バケットシリンダ10の必要流量が大きい場合は、第３ポンプ６はポンプ作用により、バケット用の制御バルブブロック19に圧力流体を供給する。このとき、ブームシリンダ８の下げ速度は、流量制御バルブ17cで制御する。

一方、ブームシリンダ８からの戻り流量が大きい場合は、第３ポンプ６はモータ作用し、ポンプ用電動・発電機５を駆動して発電し、発電された電力は、制御器5cから制御器14cを介して蓄電装置14に充電される。このとき、ブームシリンダ８の可変負荷として機能する第３ポンプ６の斜板を制御してブームシリンダ８の下げ速度を調整し、かつモータ作用の第３ポンプ６を経た圧力流体は、バケット用の制御バルブブロック19に供給される。

なお、第３ポンプ６をポンプ作用させるかモータ作用させるかは、第３ポンプ６の入出力の差圧を検出する圧力検出器6a，6b、または第３ポンプ６の軸トルクを検出する手段からの検出信号により、コントローラが判断し、制御器5cを制御して、ポンプ用電動・発電機５を駆動状態か発電状態に切換える。

(ll) ブーム上げとアームとバケットの連動操作
操作レバーによりブーム上げとアームとバケットの連動操作をすると、コントローラ（図示せず）により、各ポンプ３，４，６の斜板が制御され、第１ポンプ３はブームシリンダ８の制御バルブブロック17に、第２ポンプ４はアームシリンダ９の制御バルブブロック18に、第３ポンプ６はバケットシリンダ10の制御バルブブロック19に圧力流体を供給し、各アクチュエータを駆動する。

(12) ブーム下げとアームとバケットの連動操作
操作レバーによりブーム下げとアームとバケットの連動操作をすると、コントローラ（図示せず）により、各ポンプ３，４，６の斜板が制御され、第１ポンプ３はブームシリンダ８の制御バルブブロック17に圧力流体を供給し、第２ポンプ４はアームシリンダ９の制御バルブブロック18に圧力流体を供給し、第３ポンプ６はバケットシリンダ10の制御バルブブロック19に圧力流体を供給し、各アクチュエータを駆動する。

第３ポンプ６の斜板は、ブームシリンダ８からの戻り流量と、バケットシリンダ10の必要流量とを比較して、大きい方の流量で制御される。

すなわち、バケットシリンダ10の必要流量が大きい場合は、第３ポンプ６はポンプ作用になり、バケット用の制御バルブブロック19に圧力流体を供給する。このとき、ブームシリンダ８の下げ速度は、流量制御バルブ17cで制御する。

一方、ブームシリンダ８から第３ポンプ６への戻り流量が大きい場合は、第３ポンプ６はモータ作用し、ポンプ用電動・発電機５を駆動して発電し、発電された電力は、制御器5cから制御器14cを介して蓄電装置14に充電される。このとき、ブームシリンダ８の可変負荷として機能する第３ポンプ６の斜板制御によりブームシリンダ８の下げ速度が調整され、かつモータ作用の第３ポンプ６を経た圧力流体は、バケットシリンダ10の制御バルブブロック19に供給される。

なお、第３ポンプ６をポンプ作用させるかモータ作用させるかは、第３ポンプ６の入出力の差圧を検出する圧力検出器6a，6b、または第３ポンプ６の軸トルクを検出する手段からの検出信号により、コントローラが判断し、制御器5cを制御して、ポンプ用電動・発電機５を駆動状態か発電状態に切換える。

(13) 走行とブームとアームとバケットの連動操作
操作ペダルまたはレバーにより走行とブームとアームとバケットの連動操作をすると、コントローラ（図示せず）により、各ポンプ３，４，６の斜板が制御され、第１ポンプ３は、制御バルブブロック17を経てブームシリンダ８に圧力流体を供給するとともに、左走行用の制御バルブ20を経て左走行モータ11に圧力流体を供給し、第２ポンプ４は、制御バルブブロック18を経てアームシリンダ９に圧力流体を供給するとともに、右走行用の制御バルブ21を経て右走行モータ12に圧力流体を供給する。

第３ポンプ６は、制御バルブブロック19を経てバケットシリンダ10に圧力流体を供給するとともに、補給流量制御バルブ27からチェックバルブ32および制御バルブブロック17を経てブームシリンダ８に圧力流体を供給し、補給流量制御バルブ27からチェックバルブ33および制御バルブブロック18を経てアームシリンダ９に圧力流体を供給することで、左右走行モータ11，12と、ブームシリンダ８と、アームシリンダ９と、バケットシリンダ10の連動作動を実現する。

次に、図１に示された実施の形態の効果を説明する。

戻り流体供給回路55と、圧力流体補給回路56と、合流用流量制御バルブ26とによって、第１ポンプ３、第２ポンプ４および第３ポンプ６の各ポンプ間またはブームシリンダ８、アームシリンダ９およびバケットシリンダ10の各アクチュエータ間で発生する余剰流体エネルギを相互に有効利用するので、従来の作業機械に搭載されたハイブリッドシステムに比較して、大容量の電動機やポンプが必要なく、かつ各アクチュエータに電動機および駆動力伝達装置をそれぞれ個別に設置する従来システムと比較して電動機やポンプの個数が少なくなるので、実機に容易に搭載でき、低コストなシステムを構築できる。

さらに、ブームシリンダ８、アームシリンダ９およびバケットシリンダ10の各アクチュエータを連動操作すると、これらの各アクチュエータに第１ポンプ３、第２ポンプ４および第３ポンプ６の各ポンプが割り当てられるので、これらの各アクチュエータ間の流体圧の負荷干渉がなく、エネルギロスを軽減でき、かつ操作性を向上できる。また、旋回用電動・発電機７の制動エネルギを回生して第３ポンプ６の駆動に利用できるとともに、圧力流体補給回路56を介してブームシリンダ８およびアームシリンダ９の駆動にも利用できる。

従来の油圧ショベルと同様に、左走行モータ11と、右走行モータ12と、ブームシリンダ８と、アームシリンダ９と、バケットシリンダ10の連動操作を容易にできる。

戻り流体供給回路55により、ブーム下げ時の戻り流体エネルギを第３ポンプ６を介してポンプ用電動・発電機５で蓄電装置14に回生できるとともに、旋回用電動・発電機７の制動エネルギを蓄電装置14に回生でき、これらの回生エネルギをバケットシリンダ10の駆動に効率良く利用できるとともに、圧力流体補給回路56を介してブームシリンダ８およびアームシリンダ９の駆動に効率良く利用でき、また、ブームシリンダ回路51が十分な流量を必要とする場合は、合流用流量制御バルブ26を開くことで、第１ポンプ３だけでなく第２ポンプ４からもブームシリンダ回路51に十分な圧力流体を供給して、ブームシリンダ８の要求速度を満たすことができるので、従来の油圧ショベルに搭載されている発電・電動機やメインポンプと同程度の出力の発電・電動機２およびポンプ３，４，６でシステムを構成できる。

戻り流体供給回路55のタンク流量制御バルブ28により再生通路55aでの再生流量を制御することで、ブーム下げ時の戻り流体エネルギを第３ポンプ６を介してポンプ用電動・発電機５で適切に回生でき、その回生エネルギをバケットシリンダ10などの駆動に利用できる。

補給流量制御バルブ27の流量制御によって、第３ポンプ６からバケットシリンダ10に供給される圧力流体流量とのバランスを保ちつつ、第３ポンプ６から吐出された圧力流体をブームシリンダ回路51およびアームシリンダ回路52にも補給でき、ブームシリンダ８およびアームシリンダ９を要求される速度で作動できる。

なお、本発明は、油圧ショベル以外の作業機械、例えば破砕仕様機、解体仕様機などにも利用可能である。

本発明に関する作業機械のハイブリッドシステムの一実施の形態を示す回路図である。 同上ハイブリッドシステムを備えた作業機械の側面図である。

符号の説明

Ｂ 機体
Ｅ 作業装置
１ エンジン
２ 発電・電動機
３ 第１ポンプ
４ 第２ポンプ
５ ポンプ用電動・発電機
６ 第３ポンプ
７ 旋回用電動・発電機
８ 第１アクチュエータとしてのブームシリンダ
９ 第２アクチュエータとしてのアームシリンダ
10 第３アクチュエータとしてのバケットシリンダ
11 左走行モータ
12 右走行モータ
14 蓄電装置
16 タンク
26 合流用流量制御バルブ
27 補給流量制御バルブ
28 タンク流量制御バルブ
51 第１アクチュエータ回路としてのブームシリンダ回路
52 第２アクチュエータ回路としてのアームシリンダ回路
55 戻り流体供給回路
55a 再生通路
55b タンク通路
56 圧力流体補給回路
57 左走行モータ回路
58 右走行モータ回路
59 第３アクチュエータ回路としてのバケットシリンダ回路

Claims (4)

1. エンジンに接続され発電機および電動機として機能する発電・電動機と、
   発電・電動機に接続され充電および放電をする蓄電装置と、
   発電・電動機および蓄電装置からの電力で機体を旋回駆動するとともに機体の旋回エネルギを電力に変換して回生する旋回用電動・発電機と、
   エンジンおよび発電・電動機により駆動されタンク内の流体を少なくとも第１アクチュエータを制御する第１アクチュエータ回路および第２アクチュエータを制御する第２アクチュエータ回路にそれぞれ供給する第１ポンプおよび第２ポンプと、
   蓄電装置に接続され電動機および発電機として機能するポンプ用電動・発電機と、
   ポンプ用電動・発電機で駆動されタンク内の流体を少なくとも第３アクチュエータを制御する第３アクチュエータ回路に供給する流体圧モータ機能を有する第３ポンプと、
   第１アクチュエータ回路からの戻り流体を第３ポンプの吸込ポートに供給する戻り流体供給回路と、
   第３ポンプの吐出ポートから第１アクチュエータ回路および第２アクチュエータ回路に圧力流体を補給する圧力流体補給回路と、
   第１ポンプの吐出通路と第２ポンプの吐出通路との間に設けられ第１ポンプの吐出流量と第２ポンプの吐出流量とを合流可能な合流用流量制御バルブと
   を具備したことを特徴とする作業機械のハイブリッドシステム。
2. 第１アクチュエータはブームシリンダであり、第１アクチュエータ回路はブームシリンダを制御するブームシリンダ回路であり、
   第２アクチュエータはアームシリンダであり、第２アクチュエータ回路はアームシリンダを制御するアームシリンダ回路であり、
   第３アクチュエータはバケットシリンダであり、第３アクチュエータ回路はバケットシリンダを制御するバケットシリンダ回路であり、
   左走行モータおよび右走行モータにより走行可能で旋回用電動・発電機により旋回可能な機体に、ブームシリンダ、アームシリンダおよびバケットシリンダにより駆動される作業装置を備え、
   第１ポンプの吐出ポートは、ブームシリンダを制御するブームシリンダ回路および左走行モータを制御する左走行モータ回路に接続され、
   第２ポンプの吐出ポートは、アームシリンダを制御するアームシリンダ回路および右走行モータを制御する右走行モータ回路に接続され、
   第３ポンプの吐出ポートは、バケットシリンダを制御するバケットシリンダ回路に接続された
   ことを特徴とする請求項１記載の作業機械のハイブリッドシステム。
3. 戻り流体供給回路は、
   ブーム下げ時にブームシリンダ回路からの戻り流体を第３ポンプの吸込ポートに再生する再生通路と、
   再生通路から分岐されてタンクに連通されたタンク通路中に設けられブームシリンダ回路からタンクに戻される流量を制御するタンク流量制御バルブと
   を具備したことを特徴とする請求項２記載の作業機械のハイブリッドシステム。
4. 圧力流体補給回路は、
   第３ポンプの吐出ポートからブームシリンダ回路およびアームシリンダ回路に補給される圧力流体を流量制御する補給流量制御バルブ
   を具備したことを特徴とする請求項２または３記載の作業機械のハイブリッドシステム。

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