JP4705927B2 - Hybrid construction machine - Google Patents

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  • Operation Control Of Excavators (AREA)

Description

本発明は、動力ユニットとしてエンジンと、油圧ポンプと、電動機と、蓄電装置を含むハイブリッド式油圧ショベル等のハイブリッド式建設機械に関する。   The present invention relates to a hybrid construction machine such as a hybrid hydraulic excavator including an engine, a hydraulic pump, an electric motor, and a power storage device as a power unit.

建設機械の作業負荷は、一般に大きく変化しやすく、また作業時間も一定ではない。このため良好なエンジン効率を確保することが難しい。このようなことから、従来、特許文献1、及び特許文献2に示されるように、エンジンと、蓄電装置すなわちバッテリとを並用させて、エンジン負荷の平均化を図るハイブリッド式建設機械が提案されている。   In general, the work load of a construction machine is likely to change greatly, and the working time is not constant. For this reason, it is difficult to ensure good engine efficiency. For this reason, conventionally, as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, a hybrid construction machine has been proposed in which an engine and a power storage device, that is, a battery are used in parallel to average the engine load. Yes.

特許文献1に示される従来技術は、エンジンの回転軸を、電動機の回転軸と油圧ポンプの回転軸の双方に接続し、エンジンがこれらの電動機と油圧ポンプを同時に駆動する構成になっている。負荷が軽いときには、エンジンの動力で発電機を回し、エンジンの動力を電力として蓄電装置に蓄積し、負荷が重い場合には、蓄電装置から電力を引き出して、エンジンの駆動を支援するようになっている。また、特許文献2に示される従来技術では、エンジンと発電機とが接続され、エンジンの動力の全部を発電機に供給して発電させ、その電力によって電動機を回し、さらにその電動機によって油圧ポンプを回す構成になっている。そして、ポンプ負荷が軽いか、または無負荷のときには電力がバッテリに蓄電され、ポンプ負荷が重いときには、電力がバッテリから引き出されるようになっている。上述した従来技術では、このようにして負荷の平均化を図り、エンジンの効率を向上させるようにしている。
特開2001−16704公報 特開2000−283107公報
The prior art disclosed in Patent Document 1 has a configuration in which the rotating shaft of the engine is connected to both the rotating shaft of the electric motor and the rotating shaft of the hydraulic pump, and the engine drives these electric motor and hydraulic pump at the same time. When the load is light, the generator is rotated by the power of the engine, and the engine power is stored in the power storage device as electric power. When the load is heavy, power is drawn from the power storage device to support driving of the engine. ing. In the prior art disclosed in Patent Document 2, an engine and a generator are connected, and all of the engine power is supplied to the generator to generate electric power. The electric motor is rotated by the electric power, and the hydraulic pump is further driven by the electric motor. It is configured to turn. When the pump load is light or no load, electric power is stored in the battery, and when the pump load is heavy, the electric power is drawn from the battery. In the prior art described above, the load is averaged in this way, and the efficiency of the engine is improved.
JP 2001-16704 A JP 2000-283107 A

ところで上述した従来技術のうちの特許文献1に示される従来技術では、エンジンと発電機と油圧ポンプとが同じ回転軸に接続されていることから、エンジンと発電機と油圧ポンプとが常時一緒に駆動される。これによりエンジン、発電機、油圧ポンプの3者の互いの動力の配分と支援が可能な利点がある。しかしながら、例えば油圧操作が行われないときには本来油圧ポンプの存在は邪魔であり、エンジンは電動機だけを駆動すればよいところが、油圧ポンプも連れ回され、不要なポンプの引きずり損失が発生する。また、エンジンの燃費を向上させる有効な手段の一つとして、無操作時にエンジンを停止させることが考えられる。しかし、この従来技術にあっては、エンジンが停止している状態で、操作者が操作レバーを動かし、エンジンを再起動してアクチュエータを作動させようとすると、エンジンの慣性モーメントが大きいために、かなりの応答時間が必要になり、このハイブリッド式建設機械の操作性が低下してしまう。すなわち、この従来技術は、起動速度が速い電動機の利点を十分に発揮することができない問題もある。   By the way, in the prior art shown by patent document 1 among the prior art mentioned above, since an engine, a generator, and a hydraulic pump are connected to the same rotating shaft, an engine, a generator, and a hydraulic pump are always together. Driven. As a result, there is an advantage that the power, distribution, and support of each other can be distributed among the engine, generator, and hydraulic pump. However, for example, when the hydraulic operation is not performed, the existence of the hydraulic pump is obstructive, and the engine only needs to drive the electric motor. However, the hydraulic pump is also driven, and unnecessary dragging of the pump occurs. Further, as one effective means for improving the fuel consumption of the engine, it is conceivable to stop the engine when no operation is performed. However, in this prior art, when the operator stops the engine and moves the operation lever to restart the engine and operate the actuator, the moment of inertia of the engine is large. A considerable response time is required, and the operability of the hybrid construction machine is lowered. That is, this prior art also has a problem that the advantages of a motor with a fast startup speed cannot be fully exhibited.

なお、特許文献2に示される従来技術では、エンジンと発電機と油圧ポンプの3者が同じ回転軸で接続されていないので、特許文献1に示される従来技術におけるように、エンジン、発電機、油圧ポンプの3者を駆動可能にした状態にあって、これらの3者の動力を互いに有効に活用することが困難な問題がある。   In the prior art shown in Patent Document 2, the engine, the generator, and the hydraulic pump are not connected by the same rotating shaft. Therefore, as in the prior art shown in Patent Document 1, the engine, the generator, There is a problem that it is difficult to effectively utilize the power of these three parties in a state where the three of the hydraulic pumps can be driven.

本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、エンジン、発電機、油圧ポンプの3者を駆動可能にした状態にあっては、これらの3者の動力を互いに有効に活用させることができるとともに、エンジン、発電機、油圧ポンプのいずれかが、他の2者の駆動に際して不要な場合には、その不要となるものを停止させることができるハイブリッド式建設機械を提供することにある。   The present invention has been made from the actual situation in the above-described prior art. The purpose of the present invention is to enable the power of these three parties to be mutually effective when the engine, generator, and hydraulic pump can be driven. Providing a hybrid construction machine that can be used when the engine, generator, or hydraulic pump is unnecessary for driving the other two parties. There is to do.

この目的を達成するために、本発明は、回転軸を有するエンジンと、回転軸を有する油圧ポンプと、回転軸を有し、発電機を兼ねた電動機と、この電動機の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、上記電動機を駆動する電力を供給可能な蓄電装置とを含む動力ユニットと、この動力ユニットによって駆動される電動アクチュエータ及び油圧アクチュエータと、これらのアクチュエータを操作する操作機構とを有するハイブリッド式建設機械において、上記エンジンの回転軸と、上記油圧ポンプの回転軸と、上記電動機の回転軸の3つの回転軸を互いに独立して設け、上記3つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段を備え、上記動力配分手段が、遊星歯車機構から成り、上記3つの回転軸のそれぞれを、上記遊星歯車機構に含まれる外輪ギヤ、上記遊星歯車機構に含まれる遊星キャリア、上記遊星歯車機構に含まれる太陽ギヤのいずれか該当するものに接続するとともに、上記3つの回転軸を個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段を備え、上記操作機構が非操作状態で、且つ上記蓄電装置に所定量より大きい電力が蓄積されている場合に上記エンジンを停止させる制御を行ない、上記操作機構が操作再開されたときに上記電動機によって上記油圧ポンプを駆動させ、上記蓄電装置に蓄積された電力が所定量より小さい場合に上記エンジンを再起動させる制御を行なうコントローラを備えたことを特徴としている。 In order to achieve this object, the present invention relates to an engine having a rotating shaft, a hydraulic pump having a rotating shaft, an electric motor having a rotating shaft and also serving as a generator, and electric power generated by driving the electric motor. The power unit includes a power storage device capable of storing and capable of supplying electric power for driving the electric motor, an electric actuator and a hydraulic actuator driven by the power unit, and an operation mechanism for operating these actuators. selected in a hybrid construction machine, the rotation axis of the engine, a rotation shaft of the hydraulic pump, only set independently of each other the three axes of rotation of the electric motor, the power transmission between said three rotational axes comprising a feasible power distribution unit, said power distribution means comprises a planetary gear mechanism, each of the three axes of rotation, said Yu The outer ring gear included in the gear mechanism, the planet carrier included in the planetary gear mechanism, and the sun gear included in the planetary gear mechanism are connected to the corresponding ones, and the three rotation shafts are individually brought into a rotation stopped state. A stop holding means capable of holding, and controlling the engine to stop when the operating mechanism is in a non-operating state and the power storage device stores a larger amount of power, and the operating mechanism resumes operation And a controller that controls the engine to restart when the hydraulic pump is driven by the electric motor when the electric power stored in the power storage device is smaller than a predetermined amount .

このように構成した本発明は、動力分配手段によってエンジン、発電機を兼ねた電動機、油圧ポンプの3者の回転軸間の動力伝達を可能な状態にすれば、これらの3者を駆動した際に、これらの3者の動力を互いに有効に活用させることができる。また例えば、電動機を停止させた状態において、動力配分手段を介してエンジンによって油圧ポンプだけを駆動させることができる。また、油圧システムの負荷が無いときには、油圧ポンプを停止させ、エンジンによって電動機だけを駆動して発電させることができる。これによって、ポンプの引きずり損失を無くすことができる。また、電動機で油圧ポンプを起動させる場合に、動力配分手段によってエンジンを停止させた状態において、電動機によって油圧ポンプだけを駆動することができる。これにより、エンジンの慣性と摩擦の影響を除いて、電動機による油圧ポンプの高速起動を実現させることができる。   In the present invention configured as described above, when the power distribution means enables the power transmission between the three rotating shafts of the engine, the electric motor that also serves as the generator, and the hydraulic pump, the three members are driven. In addition, the powers of these three parties can be used effectively. Further, for example, in a state where the electric motor is stopped, only the hydraulic pump can be driven by the engine via the power distribution means. Further, when there is no load on the hydraulic system, the hydraulic pump is stopped, and only the electric motor can be driven by the engine to generate electric power. Thereby, the drag loss of the pump can be eliminated. Further, when the hydraulic pump is activated by the electric motor, only the hydraulic pump can be driven by the electric motor in a state where the engine is stopped by the power distribution means. As a result, the hydraulic pump can be started at high speed by the electric motor, excluding the influence of the inertia and friction of the engine.

また例えば、動力配分手段を介して、エンジンの動力と電動機の動力とを合わせて、油圧ポンプを駆動することができる。さらに例えば、動力配分手段を介して、エンジンの動力を、油圧ポンプの駆動として活用させるとともに、電動機の駆動として伝え、発生した電力を蓄電装置に蓄積させることができる。   Further, for example, the hydraulic pump can be driven by combining the power of the engine and the power of the electric motor via the power distribution means. Further, for example, the power of the engine can be utilized as the drive of the hydraulic pump and transmitted as the drive of the electric motor via the power distribution means, and the generated electric power can be accumulated in the power storage device.

このように本発明は、動力配分手段によってエンジン、電動機、油圧ポンプの3者の駆動を可能にした状態にあっては、これらの3者の間に互いの動力の配分と支援を実現できるとともに、エンジン、発電機、油圧ポンプのいずれかが、他の2者の駆動に際して不要な場合には、その不要となるものを停止させることができる。したがって、エンジンの動力を最大限に活用することができ、電動機の高速応答性能も十分に生かすことができる。これにより、作業性を向上させることができ、同時にエネルギ消費量を低減させることができる。   As described above, the present invention can realize the distribution and support of each other's power among the three parties when the engine, the electric motor, and the hydraulic pump can be driven by the power distribution means. When any one of the engine, the generator, and the hydraulic pump is unnecessary for driving the other two, the unnecessary one can be stopped. Therefore, the power of the engine can be utilized to the maximum and the high-speed response performance of the electric motor can be fully utilized. Thereby, workability | operativity can be improved and energy consumption can be reduced simultaneously.

また、本発明は、回転軸を有するエンジンと、回転軸を有する油圧ポンプと、回転軸を有し、発電機を兼ねた電動機と、この電動機の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、上記電動機を駆動する電力を供給可能な蓄電装置とを含む動力ユニットと、この動力ユニットによって駆動される電動アクチュエータ及び油圧アクチュエータと、これらのアクチュエータを操作する操作機構とを有するハイブリッド式建設機械において、
上記エンジンの回転軸と、上記油圧ポンプの回転軸と、上記電動機の回転軸の3つの回転軸を互いに独立して設け、上記3つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段を備え、上記動力配分手段が、遊星歯車機構から成り、上記3つの回転軸のそれぞれを、上記遊星歯車機構に含まれる外輪ギヤ、上記遊星歯車機構に含まれる遊星キャリア、上記遊星歯車機構に含まれる太陽ギヤのいずれか該当するものに接続するとともに、上記3つの回転軸を個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段を備え、上記油圧ポンプの目標押しのけ容積をエンジントルクとポンプ要求圧力とから求め、求められた目標押しのけ容積とポンプ要求流量とからポンプ回転速度を求め、エンジン回転速度と上記求められたポンプ回転速度とから上記電動機の目標回転速度を求める演算を行なうコントローラを備えたことを特徴としている。
In addition, the present invention is capable of accumulating electric power generated by driving an engine having a rotating shaft, a hydraulic pump having a rotating shaft, an electric motor having a rotating shaft and also serving as a generator, In a hybrid construction machine having a power unit including a power storage device capable of supplying electric power for driving the electric motor, an electric actuator and a hydraulic actuator driven by the power unit, and an operation mechanism for operating these actuators.
A power distribution capable of selectively performing power transmission between the three rotation shafts by independently providing three rotation shafts of the engine rotation shaft, the hydraulic pump rotation shaft, and the electric motor rotation shaft. And the power distribution means comprises a planetary gear mechanism, and each of the three rotating shafts is connected to an outer ring gear included in the planetary gear mechanism, a planet carrier included in the planetary gear mechanism, and the planetary gear mechanism. A stop holding means that can be connected to any one of the included sun gears and that can hold the three rotary shafts individually in a rotation stop state, and the target displacement of the hydraulic pump is determined by the engine torque and the pump required pressure. The pump rotation speed is determined from the determined target displacement volume and the pump required flow rate, and the engine rotation speed and the pump rotation speed determined above are used to determine the pump rotation speed. It is characterized by comprising a controller for performing operation for obtaining a target rotational speed of the motive.

また、本発明は、回転軸を有するエンジンと、回転軸を有する油圧ポンプと、回転軸を有し、発電機を兼ねた電動機と、この電動機の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、上記電動機を駆動する電力を供給可能な蓄電装置とを含む動力ユニットと、この動力ユニットによって駆動される電動アクチュエータ及び油圧アクチュエータと、これらのアクチュエータを操作する操作機構とを有するハイブリッド式建設機械において、上記エンジンの回転軸と、上記油圧ポンプの回転軸と、上記電動機の回転軸の3つの回転軸を互いに独立して設け、上記3つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段を備え、上記動力配分手段が、遊星歯車機構から成り、上記3つの回転軸のそれぞれを、上記遊星歯車機構に含まれる外輪ギヤ、上記遊星歯車機構に含まれる遊星キャリア、上記遊星歯車機構に含まれる太陽ギヤのいずれか該当するものに接続するとともに、上記3つの回転軸を個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段を備え、上記操作機構が非操作状態で、且つ上記蓄電装置に所定量より大きい電力が蓄積されている場合に上記エンジンを停止させる制御を行ない、上記操作機構が操作再開されたときに上記電動機によって上記油圧ポンプを駆動させ、上記蓄電装置に蓄積された電力が所定量より小さい場合に上記エンジンを再起動させる制御を行なうとともに、上記油圧ポンプの目標押しのけ容積をエンジントルクとポンプ要求圧力とから求め、求められた目標押しのけ容積とポンプ要求流量とからポンプ回転速度を求め、エンジン回転速度と上記求められたポンプ回転速度とから上記電動機の目標回転速度を求める演算を行なうコントローラを備えたことを特徴としている。 In addition, the present invention is capable of accumulating electric power generated by driving an engine having a rotating shaft, a hydraulic pump having a rotating shaft, an electric motor having a rotating shaft and also serving as a generator, In a hybrid construction machine having a power unit including a power storage device capable of supplying electric power for driving the electric motor, an electric actuator and a hydraulic actuator driven by the power unit, and an operation mechanism for operating these actuators. A power distribution capable of selectively performing power transmission between the three rotation shafts by independently providing three rotation shafts of the engine rotation shaft, the hydraulic pump rotation shaft, and the electric motor rotation shaft. And the power distribution means comprises a planetary gear mechanism, and each of the three rotation shafts is included in the planetary gear mechanism. Stop holding that can be connected to any one of a ring gear, a planet carrier included in the planetary gear mechanism, and a sun gear included in the planetary gear mechanism, and can individually hold the three rotation shafts in a rotation stop state. Means for controlling the engine to stop when the operating mechanism is in a non-operating state and electric power greater than a predetermined amount is stored in the power storage device. The hydraulic pump is driven by an electric motor, and when the electric power stored in the power storage device is smaller than a predetermined amount, the engine is restarted, and the target displacement of the hydraulic pump is determined by the engine torque, the pump required pressure, From the obtained target displacement volume and the required pump flow rate, and determine the pump rotation speed. And a fit was pump rotational speed is characterized by comprising a controller for performing operation for obtaining a target rotational speed of the electric motor.

本発明は、エンジンの回転軸と、油圧ポンプの回転軸と、電動機の回転軸の3つの回転軸を互いに独立して設けるとともに、3つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段を備えた構成にしてあることから、動力配分手段を介してエンジン、発電機を兼ねた電動機、油圧ポンプの3者を駆動可能にした状態にあっては、これらの3者の動力を互いに有効に活用させることができるとともに、エンジン、電動機、油圧ポンプのいずれかが、他の2者の駆動に際して不要な場合には、その不要となるものを停止させることができ、2軸間の動力伝達損失を低減させ、また電動機の高速応答性を生かすことができる。これにより、従来よりも燃料効率を向上させることができるとともに、優れた作業性を確保することができる。   The present invention provides three rotary shafts, that is, a rotary shaft of an engine, a rotary shaft of a hydraulic pump, and a rotary shaft of an electric motor, independently of each other, and power that can selectively implement power transmission between the three rotary shafts. Since the power distribution means is provided, the power of these three parties can be driven in the state where the engine, the electric motor also serving as a generator, and the hydraulic pump can be driven via the power distribution means. In addition to being able to make effective use of each other, if any of the engine, electric motor, or hydraulic pump is not necessary for the driving of the other two, the unnecessary ones can be stopped, and between the two axes The power transmission loss can be reduced, and the high-speed response of the electric motor can be utilized. As a result, the fuel efficiency can be improved as compared with the prior art, and excellent workability can be ensured.

以下,本発明に係るハイブリッド式建設機械を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。   The best mode for carrying out the hybrid construction machine according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

[第1実施形態の構成]
図1は本発明に係るハイブリッド式建設機械の第1実施形態であるハイブリッド式油圧ショベルの要部を構成する回路図である。
[Configuration of First Embodiment]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a main part of a hybrid hydraulic excavator which is a first embodiment of a hybrid construction machine according to the present invention.

この第1実施形態は、例えばハイブリッド式油圧ショベルであり、図1に示すように、回転軸1aを有するエンジン1と、回転軸14aを有する油圧ポンプ14と、回転軸13aを有し、発電機を兼ねた電動機13と、この電動機13の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、電動機13を駆動する電力を供給可能な蓄電装置、すなわちバッテリ11とを含む動力ユニットを備えている。また、この動力ユニットによって駆動される電動アクチュエータ、例えば旋回体8を駆動する発電機を兼ねた電動機9、及び油圧アクチュエータ、例えばブームシリンダ、アームシリンダ等の油圧シリンダ6,7と、これらのアクチュエータを操作する操作レバー10a、操作レバー5a,5bを含む操作機構を備えている。   The first embodiment is, for example, a hybrid hydraulic excavator. As shown in FIG. 1, the engine 1 has a rotating shaft 1a, the hydraulic pump 14 has a rotating shaft 14a, and the rotating shaft 13a. And a power unit including a battery 11 that can store electric power generated by driving the electric motor 13 and can supply electric power for driving the electric motor 13. In addition, an electric actuator driven by the power unit, for example, an electric motor 9 also serving as a generator for driving the revolving body 8, a hydraulic actuator, for example, hydraulic cylinders 6 and 7 such as a boom cylinder and an arm cylinder, and these actuators An operation mechanism including an operation lever 10a to be operated and operation levers 5a and 5b is provided.

特に、この第1実施形態は同図1に示すように、エンジン1の回転軸1aと、油圧ポンプ14の回転軸14aと、電動機13の回転軸13aを互いに独立して設けてあり、これらの3つの回転軸を個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段、例えばブレーキング装置20,18,15を備えている。また、3つの回転軸1a,14a,13aの間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段、例えば遊星歯車機構を備えている。上述した3つの回転軸1a,14a,13aのそれぞれは、遊星歯車機構に含まれる外輪ギヤ3、遊星キャリア19、太陽ギヤ2のいずれか該当するものに接続されるようになっている。   In particular, as shown in FIG. 1, in the first embodiment, the rotating shaft 1a of the engine 1, the rotating shaft 14a of the hydraulic pump 14, and the rotating shaft 13a of the electric motor 13 are provided independently of each other. Stop holding means, for example, braking devices 20, 18 and 15, capable of individually holding the three rotary shafts in a rotation stop state are provided. Further, power distribution means, for example, a planetary gear mechanism, capable of selectively performing power transmission between the three rotary shafts 1a, 14a, 13a is provided. Each of the three rotary shafts 1a, 14a, 13a described above is connected to any one of the outer ring gear 3, the planet carrier 19, and the sun gear 2 included in the planetary gear mechanism.

例えば、エンジン1の回転軸1aは遊星歯車機構の外輪ギヤ3に接続してあり、電動機13の回転軸13aは遊星歯車機構の太陽ギヤ2に接続してあり、油圧ポンプ14の回転軸14aは、ギヤ16,17を介して遊星キャリア19に接続してある。上述したブレーキング装置20は、外輪ギヤ3を介してエンジン1の回転軸1aを回転停止可能に配置してあり、ブレーキング装置18は、遊星キャリア19及びギヤ17,16を介して油圧ポンプ14の回転軸14aを回転停止可能に配置してあり、ブレーキング装置15は、電動機13の回転軸13aを停止可能に配置してある。   For example, the rotating shaft 1a of the engine 1 is connected to the outer ring gear 3 of the planetary gear mechanism, the rotating shaft 13a of the electric motor 13 is connected to the sun gear 2 of the planetary gear mechanism, and the rotating shaft 14a of the hydraulic pump 14 is Are connected to the planet carrier 19 through gears 16 and 17. The braking device 20 described above is arranged so that the rotation shaft 1a of the engine 1 can be stopped via the outer ring gear 3, and the braking device 18 is connected to the hydraulic pump 14 via the planetary carrier 19 and the gears 17, 16. The rotating shaft 14a is arranged so as to be able to stop rotating, and the braking device 15 is arranged so that the rotating shaft 13a of the electric motor 13 can be stopped.

油圧ポンプ14から吐出した圧油は、コントロールバルブ5を介して油圧シリンダ6,7に供給される。コントロールバルブ5は、上述した操作レバー5a,5bの操作信号y5a,y5bに応じて開口量が制御され、油圧シリンダ6,7の作動速度を制御する。   The pressure oil discharged from the hydraulic pump 14 is supplied to the hydraulic cylinders 6 and 7 through the control valve 5. The opening amount of the control valve 5 is controlled according to the operation signals y5a and y5b of the operation levers 5a and 5b described above, and the operation speed of the hydraulic cylinders 6 and 7 is controlled.

電動機13の回転軸13aが遊星歯車機構の太陽ギヤ2を介して回された場合には、この電動機13が発電機として働き、コンバータ・インバータ12の制御によってバッテリ11に蓄電するか、またはコンバータ・インバータ10を供電して旋回体8用の電動機9を駆動する。また逆に、電動機13が遊星歯車機構から動力を要求された場合には、バッテリ11から電力を吸収してモータとして働き、回転軸13aを回転させる。   When the rotating shaft 13a of the electric motor 13 is rotated via the sun gear 2 of the planetary gear mechanism, the electric motor 13 functions as a generator and is stored in the battery 11 by the control of the converter / inverter 12, or Power is supplied to the inverter 10 to drive the electric motor 9 for the revolving structure 8. Conversely, when the electric motor 13 is requested for power from the planetary gear mechanism, it absorbs electric power from the battery 11 and functions as a motor to rotate the rotating shaft 13a.

なお、操作レバー10aの操作信号y10aがコンバータ・インバータ10に与えられることにより、電動機9の回転速度が制御され、旋回体8が駆動する。   In addition, when the operation signal y10a of the operation lever 10a is given to the converter / inverter 10, the rotational speed of the electric motor 9 is controlled and the revolving structure 8 is driven.

エンジン回転速度センサ101の信号、ポンプ回転速度センサ102の信号、電動機回転速度センサ104の信号、油圧ポンプ14の吐出量を決める押し退け容積を計測する押しのけ容積計測センサ103の信号、油圧ポンプ14の吐出圧を検出する圧力センサ111の信号、電動機13を制御するコンバータ・インバータ12の電流信号105及び電圧信号106、バッテリ11の電圧信号107、コンバータ・インバータ10の電流信号108及び電圧信号109、操作レバー5a,5b,10a等の操作信号は、コントローラ4に送信されるようになっている。   The signal of the engine speed sensor 101, the signal of the pump speed sensor 102, the signal of the motor speed sensor 104, the signal of the displacement measuring sensor 103 that measures the displacement volume that determines the discharge amount of the hydraulic pump 14, the discharge of the hydraulic pump 14 Signal of pressure sensor 111 for detecting pressure, current signal 105 and voltage signal 106 of converter / inverter 12 for controlling electric motor 13, voltage signal 107 of battery 11, current signal 108 and voltage signal 109 of converter / inverter 10, control lever Operation signals such as 5a, 5b, and 10a are transmitted to the controller 4.

コントローラ4は、例えば操作機構に含まれる操作レバー5a,5b,10a等が全て非操作状態で、且つバッテリ11に所定量Vhiより大きい電力が蓄積されている場合にエンジン1を停止させる制御を行ない、操作機構に含まれる操作レバー5a,5b,10a等が操作再開されたときに電動機13によって油圧ポンプ14を駆動させ、バッテリ11に蓄積された電力が所定量Vlowより小さい場合にエンジン1を再起動させる制御を行なう処理手段を含んでいる。   For example, the controller 4 performs control to stop the engine 1 when the operation levers 5a, 5b, 10a, etc. included in the operation mechanism are all in a non-operating state and the battery 11 stores a power larger than a predetermined amount Vhi. When the operation levers 5a, 5b, 10a, etc. included in the operation mechanism are resumed, the hydraulic pump 14 is driven by the electric motor 13, and the engine 1 is restarted when the electric power stored in the battery 11 is smaller than the predetermined amount Vlow. It includes processing means for performing control to be activated.

また、このコントローラ4は、例えば油圧ポンプ14の目標押しのけ容積qdispをエンジントルクTpとポンプ要求圧力psとから求め、求められた目標押しのけ容積qdispとポンプ要求流量Qsとからポンプ回転速度Npを求め、エンジン回転速度Neと上記求められたポンプ回転速度Npとから電動機13の目標回転速度Ngを求める演算を行なう処理手段も含んでいる。   The controller 4 obtains the target displacement volume qdisp of the hydraulic pump 14, for example, from the engine torque Tp and the pump required pressure ps, obtains the pump rotation speed Np from the obtained target displacement volume qdisp and the pump requested flow rate Qs, Processing means for calculating the target rotational speed Ng of the electric motor 13 from the engine rotational speed Ne and the pump rotational speed Np determined above is also included.

[第1実施形態の動作]
(A) このように構成した第1実施形態では、操作レバー5a,5bが非操作の場合には、ブレーキ装置18によって、遊星キャリア19、ギヤ17,16を介して油圧ポンプ14の回転軸14aが停止保持され、エンジン1の出力を電動機13に与えて全て発電に用いることができる。それによって、油圧ポンプ14の引きずり損失を生じなくさせることができる。この場合、エンジン1の動力が回転軸1aを介して遊星歯車機構の外輪ギヤ3に与えられ、さらに太陽ギヤ2を介して回転軸13aに与えられ、電動機13が駆動する。このときの電動機13の回転速度Ngは、
Ng=(Go/Gs)×Ne (1)
となる。ここで、Ng:電動機13の回転速度、Ne:エンジン1の回転速度、Go:外輪ギヤ3の歯数、Gs:太陽ギヤ2の歯数を示す。
[Operation of First Embodiment]
(A) In the first embodiment configured as described above, when the operation levers 5a and 5b are not operated, the rotating shaft 14a of the hydraulic pump 14 is operated by the brake device 18 via the planetary carrier 19 and the gears 17 and 16. Is stopped and held, and the output of the engine 1 can be applied to the electric motor 13 and used for power generation. Thereby, the drag loss of the hydraulic pump 14 can be prevented from occurring. In this case, the power of the engine 1 is given to the outer ring gear 3 of the planetary gear mechanism via the rotating shaft 1a, and further given to the rotating shaft 13a via the sun gear 2, and the electric motor 13 is driven. The rotational speed Ng of the electric motor 13 at this time is
Ng = (Go / Gs) x Ne (1)
It becomes. Here, Ng: rotational speed of the electric motor 13, Ne: rotational speed of the engine 1, Go: number of teeth of the outer ring gear 3, and Gs: number of teeth of the sun gear 2 are shown.

遊星歯車機構にあっては、外輪ギヤ3の歯数は、太陽ギヤ2の歯数より大きいので、式(1)による電動機13の回転速度Ngは、エンジン1の回転速度Neよりも大きくなる。電動機13は高回転速度の場合に効率が良くなり、エンジン1と電動機13との間に、変速機を要することはない。   In the planetary gear mechanism, since the number of teeth of the outer ring gear 3 is larger than the number of teeth of the sun gear 2, the rotational speed Ng of the electric motor 13 according to the equation (1) is larger than the rotational speed Ne of the engine 1. The electric motor 13 is more efficient at high rotational speeds, and no transmission is required between the engine 1 and the electric motor 13.

(B) また、この第1実施形態では、エンジン1の回転軸1aをブレーキング装置20によって、遊星歯車機構の外輪ギヤ3を介して停止させた状態にして、電動機13で油圧ポンプ14を起動させることができる。このときの油圧ポンプ14の回転速度Npは、
Np={Gs/(Go+Gs)}×(G17/G16)×Ng (2)
となる。この機能によって第1実施形態は、当該ハイブリッド式油圧ショベルの作業の休止期間であっても、操作者に支障を与えることなくエンジン1を停止させることができ、燃費を低減できる。
(B) In the first embodiment, the rotating shaft 1a of the engine 1 is stopped by the braking device 20 via the outer ring gear 3 of the planetary gear mechanism, and the hydraulic pump 14 is started by the electric motor 13. Can be made. The rotational speed Np of the hydraulic pump 14 at this time is
Np = {Gs / (Go + Gs)} × (G17 / G16) × Ng (2)
It becomes. With this function, the first embodiment can stop the engine 1 without hindering the operator even during the suspension period of work of the hybrid hydraulic excavator, and can reduce fuel consumption.

この第1実施形態では、エンジン1の停止後に再操作が実施される際に、上述のように電動機13によって油圧ポンプ14を起動させることができるので、電動機13の速い応答性を生かして、操作者にエンジン1の停止を気付かせることなくスムースに作業を開始させることができる。   In the first embodiment, when the re-operation is performed after the engine 1 is stopped, the hydraulic pump 14 can be started by the electric motor 13 as described above. The operation can be started smoothly without making the user notice the stop of the engine 1.

図2は図1に示す回路に備えられるコントローラ等で実施される処理手順の第1の例を示すフローチャートである。この図2には、エンジン1の停止から再起動までの手順を示してある。   FIG. 2 is a flowchart showing a first example of a processing procedure executed by a controller or the like provided in the circuit shown in FIG. FIG. 2 shows a procedure from stop to restart of the engine 1.

手順s1に示すようにエンジン1を起動すると、手順s2に示すように操作レバー5a,5b,10aから操作信号が入力されているかどうか判断される。この判断がイエスであればエンジン1をそのまま駆動し、ノーであれば手順s3に移る。手順s3では、バッテリ11の電圧が所定量Vhiより大きいかどうか判断される。この判断がノーであればエンジン1の運転を続け、電動機13で発電してバッテリ11に電力を蓄積することが行われる。上述の判断がイエスであれば手順s4に移る。この手順s4では、エンジン1、電動機13、及び油圧ポンプ14を停止させる制御がなされる。これにより作業は休止する。   When the engine 1 is started as shown in the procedure s1, it is determined whether or not an operation signal is input from the operation levers 5a, 5b, and 10a as shown in the procedure s2. If this determination is yes, the engine 1 is driven as it is, and if no, the process proceeds to step s3. In step s3, it is determined whether the voltage of the battery 11 is greater than a predetermined amount Vhi. If this determination is no, the operation of the engine 1 is continued, and electric power is generated by the electric motor 13 to be stored in the battery 11. If the above determination is yes, the process proceeds to step s4. In this procedure s4, control for stopping the engine 1, the electric motor 13, and the hydraulic pump 14 is performed. This pauses the work.

次に手順s5に移り、操作レバー5a,5b,10aから操作信号が入力されているかどうか、すなわち作業が再開されたかどうか判断される。この判断がノーであれば手順s6に移る。この手順s6では、バッテリ11の電圧が所定量Vlowよりも小さいかどうか判断される。イエスであれば手順s1に戻ってエンジン1が起動し、電動機13の発電によってバッテリ11への蓄電がなされる。手順s6の判断がノーならば、手順s5に戻り、バッテリ11の電圧の確認が繰り返される。また、上述した手順s5の判断がイエスであれば作業再開となり、手順s7に移り、電動機13による油圧ポンプ14の起動が実施される。   Next, the procedure proceeds to step s5, and it is determined whether or not an operation signal is input from the operation levers 5a, 5b, and 10a, that is, whether or not the operation is resumed. If this determination is NO, the procedure moves to step s6. In step s6, it is determined whether the voltage of the battery 11 is smaller than a predetermined amount Vlow. If yes, the procedure returns to step s1, the engine 1 is started, and the battery 11 is charged by the electric power generated by the electric motor 13. If the determination in step s6 is no, the process returns to step s5, and the confirmation of the voltage of the battery 11 is repeated. If the determination in step s5 described above is yes, the operation is resumed, and the procedure moves to step s7, where the hydraulic pump 14 is activated by the electric motor 13.

次に手順s8に移り、バッテリ11の電圧が所定量Vlowよりも小さいかどうか判断される。この判断がイエスならば手順s1に戻ってエンジン1の起動がなされる。この判断がノーならば手順s9に移り、操作レバー5a,5b,10aから操作信号が入力されているかどうか判断される。この判断がイエスならば、手順s8に戻り、バッテリ11の電圧の確認が繰り返される。手順s9の判断がノーならば、電動機13及び油圧ポンプ14の停止制御がなされる。   Next, proceeding to step s8, it is determined whether or not the voltage of the battery 11 is smaller than a predetermined amount Vlow. If this determination is YES, the process returns to step s1 and the engine 1 is started. If this determination is NO, the process moves to step s9, and it is determined whether or not an operation signal is input from the operation levers 5a, 5b, and 10a. If this determination is yes, the process returns to step s8, and the confirmation of the voltage of the battery 11 is repeated. If the determination in step s9 is no, stop control of the electric motor 13 and the hydraulic pump 14 is performed.

このように、この第1実施形態では、作業効率に悪影響を及ぼすことなく、エンジン1を短い作業停止期間であっても停止させることができる。   Thus, in the first embodiment, the engine 1 can be stopped even in a short work stop period without adversely affecting the work efficiency.

(C) また、この第1実施形態では、エンジン1の駆動が電動機13によって支援可能であることに伴ってエンジン1を比較的小さな形状にすることができ、しかもエンジン1を最適な燃料効率状態で駆動することができる。 (C) Moreover, in this 1st Embodiment, the drive of the engine 1 can be supported by the electric motor 13, and the engine 1 can be made into a comparatively small shape, and the engine 1 is in an optimal fuel efficiency state. Can be driven by.

一般的には、エンジン1が一定の回転速度とトルクが維持されている状態で駆動する場合に、燃焼効率が良いと言われている。しかし、当該ハイブリッド式油圧ショベルのような建設機械の場合、負荷が常に変動しているため、エンジン1を同じ状態で駆動することができない。この第1実施形態では、電動機13の速度制御を実施することにより、エンジン1を一定の負荷で駆動することが可能となる。   In general, it is said that combustion efficiency is good when the engine 1 is driven in a state where a constant rotational speed and torque are maintained. However, in the case of a construction machine such as the hybrid hydraulic excavator, since the load is constantly fluctuating, the engine 1 cannot be driven in the same state. In the first embodiment, it is possible to drive the engine 1 with a constant load by performing speed control of the electric motor 13.

エンジン1と、電動機13と、油圧ポンプ14の3者の駆動を可能にした状態にあっては、エンジン1と、油圧ポンプ14と、電動機13それぞれの回転速度、トルクの関係は、以下の式で与えられる。すなわち、
Ng={(1+α)/α}×(G16/G17)×Npー(1/α)×Ne (3)
Np=[{α/(1+α)}×Ng+{1/(1+α)}×Ne]×(G17/G16) (4)
ここで、α=G2/G3
Tg={α/(1+α)}×(G16/G17)×Tp (5)
Te={1/(1+α)}×(G16/G17)×Tp (6)
ここで、Np:油圧ポンプ14の回転速度、Ne:エンジン1の回転速度、G17:ギヤ17の歯数、G16:ギヤ16の歯数、G2:太陽ギヤ2の歯数、G3:外輪ギヤ3の歯数、Tg:電動機13のトルク、Te:エンジン1のトルク、Tp:油圧ポンプ14のトルクを示す。
In the state in which the driving of the engine 1, the electric motor 13, and the hydraulic pump 14 is enabled, the relationship between the rotational speed and torque of the engine 1, the hydraulic pump 14, and the electric motor 13 is expressed by the following equation. Given in. That is,
Ng = {(1 + α) / α} × (G16 / G17) × Np− (1 / α) × Ne (3)
Np = [{α / (1 + α)} × Ng + {1 / (1 + α)} × Ne] × (G17 / G16) (4)
Where α = G2 / G3
Tg = {α / (1 + α)} × (G16 / G17) × Tp (5)
Te = {1 / (1 + α)} × (G16 / G17) × Tp (6)
Here, Np: rotational speed of hydraulic pump 14, Ne: rotational speed of engine 1, G17: number of teeth of gear 17, G16: number of teeth of gear 16, G2: number of teeth of sun gear 2, G3: outer ring gear 3 , Tg: torque of the electric motor 13, Te: torque of the engine 1, and Tp: torque of the hydraulic pump 14.

図3は図1に示す回路に備えられるコントローラ等で実施される処理手順の第2の例を示すフローチャートである。手順s20に示すように、エンジン1が最適な回転速度NeopとトルクTeopを維持し駆動されている状態において、手順s21に示すように、操作レバー5a,5b,10aの操作量に相応する信号y5a,y5b,y10aが検出されると、手順s22に示すように、信号y10aに応じて旋回体8の回転速度Nsが算出され、電動機9が回転速度Nsになるように、コンバータ・インバータ10に指令が出力される。そのとき同時に、手順s23に示すように、y5a,y5bの信号に応じて油圧ポンプ14の要求流量Qsが算出される。また、手順s24に示すように、押し退け容積計測センサ103からの信号qdispoが入力される。次に手順s25に示すように、油圧ポンプ14の要求流量Qsと、押し退け容積qdispoとから油圧ポンプ14の目標回転速度Npoが算出され、式(3)の電動機13の回転速度Ngと、エンジン1の回転速度Neと、油圧ポンプ14の回転速度Npの関係に基づいて電動機13の目標回転速度Ngoが算出され、その値がコンバータ・インバータ12に指令として出力される。また、手順s26に示すように、油圧ポンプ14の吐出油の圧力が圧力センサ111で検出され、手順s27に示すように、そのときの負荷に必要なパワー、すなわち動力Epが、
Ep=Qs×Ps (7)
によって求められる。
FIG. 3 is a flowchart showing a second example of a processing procedure executed by a controller or the like provided in the circuit shown in FIG. As shown in step s20, in a state where the engine 1 is driven while maintaining the optimum rotational speed Neop and torque Teop, as shown in step s21, a signal y5a corresponding to the operation amount of the operation levers 5a, 5b, 10a. , Y5b, y10a are detected, as shown in step s22, the rotational speed Ns of the swing body 8 is calculated according to the signal y10a, and the converter / inverter 10 is commanded so that the motor 9 has the rotational speed Ns. Is output. At the same time, as shown in step s23, the required flow rate Qs of the hydraulic pump 14 is calculated according to the signals y5a and y5b. Further, as shown in step s24, a signal qdispo from the displacement volume measuring sensor 103 is input. Next, as shown in step s25, the target rotational speed Npo of the hydraulic pump 14 is calculated from the required flow rate Qs of the hydraulic pump 14 and the displacement volume qdispo, and the rotational speed Ng of the electric motor 13 in the equation (3) and the engine 1 The target rotational speed Ngo of the electric motor 13 is calculated based on the relationship between the rotational speed Ne of the hydraulic pump 14 and the rotational speed Np of the hydraulic pump 14, and the value is output to the converter / inverter 12 as a command. Further, as shown in step s26, the pressure of the oil discharged from the hydraulic pump 14 is detected by the pressure sensor 111, and as shown in step s27, the power required for the load at that time, that is, the power Ep,
Ep = Qs × Ps (7)
Sought by.

上述の式(6)から明らかなように、エンジン1のトルクTeと油圧ポンプ14のトルクTpは比例関係となっており、エンジン1のトルクTeを最適なトルクTeopにするための油圧ポンプ14のトルクTpは、
Tp=(1+α)×(G17/G16)×Teop (8)
から求められる(手順s28)。
As is clear from the above equation (6), the torque Te of the engine 1 and the torque Tp of the hydraulic pump 14 are in a proportional relationship, and the hydraulic pump 14 for making the torque Te of the engine 1 the optimum torque Teop. Torque Tp is
Tp = (1 + α) × (G17 / G16) × Teop (8)
(Procedure s28).

次に手順s29に示すように、油圧ポンプ14から吐出された圧油の圧力Psと、油圧ポンプ14のトルクTpと、押し退け容積qdispとの関係
Ps=Tp/qdisp (9)
から、目標押し退け容積qdispが求められ、この目標押し退け容積qdispとなるように油圧ポンプ14が制御される。
Next, as shown in step s29, the relationship between the pressure Ps of the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 14, the torque Tp of the hydraulic pump 14, and the displacement volume qdisp.
Ps = Tp / qdisp (9)
Therefore, the target displacement volume qdisp is obtained, and the hydraulic pump 14 is controlled so as to be the target displacement volume qdisp.

次に、手順s30に示すように、油圧ポンプ14の目標押し退け容積qdispと、油圧ポンプ14の要求流量Qsと、油圧ポンプ14の回転速度Npとの関係
Np=Qs/qdisp (10)
から、油圧ポンプ14の回転速度Npが求められ、この回転速度Npと、式(3)とから、電動機13の回転速度Ngが求められ、この値に相応する信号がコンバータ・インバータ12に出力される。このような演算処理によって、エンジン1の最適燃費状態での駆動と、油圧ポンプ14の必要動力の提供の双方を同時に満足させることができる。
Next, as shown in step s30, the relationship between the target displacement volume qdisp of the hydraulic pump 14, the required flow rate Qs of the hydraulic pump 14, and the rotational speed Np of the hydraulic pump 14 is shown.
Np = Qs / qdisp (10)
Thus, the rotational speed Np of the hydraulic pump 14 is obtained, and the rotational speed Ng of the electric motor 13 is obtained from the rotational speed Np and the equation (3), and a signal corresponding to this value is output to the converter / inverter 12. The By such arithmetic processing, both driving of the engine 1 in the optimum fuel consumption state and provision of necessary power of the hydraulic pump 14 can be satisfied simultaneously.

なお、電動機13の回転速度Ngが0のとき、または、電動機13の回転軸13aがブレーキング装置15で止められているときには、エンジン1の動力の全てを油圧ポンプ14の駆動のために活用させることができる。   When the rotational speed Ng of the electric motor 13 is 0 or when the rotating shaft 13a of the electric motor 13 is stopped by the braking device 15, all of the power of the engine 1 is utilized for driving the hydraulic pump 14. be able to.

図4は第1実施形態で得られる特性を示す図である。上述した(A)〜(C)で述べた動作、及び機能によって、この第1実施形態は、図4に示すエンジン1の特性を確保することができる。   FIG. 4 is a diagram showing the characteristics obtained in the first embodiment. According to the operations and functions described in (A) to (C) described above, the first embodiment can ensure the characteristics of the engine 1 shown in FIG.

図4の(a)図は、各操作レバー5a,5b,10aを選択的に最大操作量まで操作したときの経時的な特性を示している。作業に応じて不規則な特性が断続的に生じていることが示されている。   FIG. 4A shows the characteristics over time when the operation levers 5a, 5b, and 10a are selectively operated to the maximum operation amount. It is shown that irregular characteristics occur intermittently depending on the work.

このような操作レバー5a,5b,10aの操作に伴って、図4の(b)図の破線で示すように、負荷が変化する。従来の建設機械では、このような状況において当該建設機械がいつ起動し、いつ休止するか予想できないために、エンジン1の運転を常時継続させる必要があった。同図4の(b)図の細線Bは、この従来のエンジンパワーを示している。   As the operation levers 5a, 5b, and 10a are operated, the load changes as shown by the broken line in FIG. In the conventional construction machine, since it is impossible to predict when the construction machine starts and stops in such a situation, it is necessary to continuously operate the engine 1. A thin line B in FIG. 4B shows the conventional engine power.

これに対して、この第1実施形態では、同図4の(b)図の太線Aで示すように、エンジン1をON−OFF的に駆動することが可能になる。エンジン1を最適な状態で駆動している状態がON状態であり、エンジン1を停止させている状態がOFF状態となる。ON状態において、エンジンパワーが負荷パワーよりも大きいときには、図4の(c)図のt1−t2、あるいはt3−t4に示すように、その超えた分のエネルギをバッテリ11に蓄積することができ、エンジンパワーが負荷パワーよりも小さいときには、図4の(c)図のt0−t1に示すように、バッテリ11からエネルギを引き出すことができる。エンジン1の一回のOFF時間をできるだけ長くするために、操作レバー5a,5b,10aによる操作が終了しても、図4の(c)図のt1−t2に示すように、エンジン1をしばらく停止させず、バッテリ11に蓄電させることが行われる。これにより、エンジン1のOFF時に多少の操作が行われても、必要なパワーをバッテリ11だけによって供給でき、その間、エンジン1を起動させなくて済む。   On the other hand, in the first embodiment, the engine 1 can be driven on and off as indicated by the thick line A in FIG. The state where the engine 1 is being driven in an optimal state is the ON state, and the state where the engine 1 is stopped is the OFF state. When the engine power is larger than the load power in the ON state, the excess energy can be stored in the battery 11 as shown at t1-t2 or t3-t4 in FIG. When the engine power is smaller than the load power, energy can be extracted from the battery 11 as indicated by t0-t1 in FIG. In order to make the one OFF time of the engine 1 as long as possible, even if the operation with the operation levers 5a, 5b, and 10a is finished, the engine 1 is kept for a while as shown at t1-t2 in FIG. The battery 11 is charged without stopping. Thereby, even if some operations are performed when the engine 1 is OFF, the necessary power can be supplied only by the battery 11, and the engine 1 does not have to be started during that time.

(D) また、この第1実施形態では、エンジン1が一定の回転速度で駆動されていても、電動機13の速度制御によって油圧ポンプ14の回転速度Np、及び油圧ポンプ14から吐出される流量を調整することができる。 (D) In the first embodiment, even when the engine 1 is driven at a constant rotational speed, the rotational speed Np of the hydraulic pump 14 and the flow rate discharged from the hydraulic pump 14 are controlled by the speed control of the electric motor 13. Can be adjusted.

油圧ポンプ14の流量Qsは、
Qs=Np×qdisp
(上述したように、qdispは油圧ポンプ14の押し退け容積)
で求められるが、一般に押し退け容積qdispの可変範囲は構造上制限を受ける。このために、油圧ポンプ14から吐出される流量Qsを速やかに、しかも大幅に変化させることは困難となっていた。
The flow rate Qs of the hydraulic pump 14 is
Qs = Np × qdisp
(As mentioned above, qdisp is the displacement volume of the hydraulic pump 14)
In general, the variable range of the displacement volume qdisp is limited by the structure. For this reason, it has been difficult to change the flow rate Qs discharged from the hydraulic pump 14 quickly and significantly.

これに対し、第1実施形態では、油圧ポンプ14の回転速度Npは、上述した(4)式、すなわち
Np=[{α/(1+α)}×Ng+{1/(1+α)}×Ne]×(G17/G16)
から明らかなように、エンジン1の回転速度Neと、電動機13の回転速度Ngとによって決められるので、エンジン1の回転速度Neを変えなくても、電動機13の回転速度Ngを制御するだけで、油圧ポンプ14の回転速度Npを変えることができる。しかも、電動機13の応答速度は速いので、負荷の要求に速やかに対応でき、油圧ポンプ14から吐出される流量Qsを速やかに変化させることができる。
On the other hand, in the first embodiment, the rotational speed Np of the hydraulic pump 14 is the above-described equation (4), that is,
Np = [{α / (1 + α)} × Ng + {1 / (1 + α)} × Ne] × (G17 / G16)
As is apparent from the above, since it is determined by the rotational speed Ne of the engine 1 and the rotational speed Ng of the electric motor 13, it is possible to control the rotational speed Ng of the electric motor 13 without changing the rotational speed Ne of the engine 1. The rotational speed Np of the hydraulic pump 14 can be changed. In addition, since the response speed of the electric motor 13 is fast, it is possible to respond quickly to load demands and to quickly change the flow rate Qs discharged from the hydraulic pump 14.

(E) また、この第1実施形態では、電動機13による油圧ポンプ14の駆動から、エンジン1による油圧ポンプ14の駆動への変化をスムースに行わせることができる。すなわち、上述の(4)式に示すように、油圧ポンプ14の回転速度Npは、エンジン1の回転速度Neと、電動機13の回転速度Ngの関数である。したがって、電動機13によって油圧ポンプ14が駆動されている状態から、エンジン1を起動させてこのエンジン1による油圧ポンプ14の駆動に移行させようとするとき、電動機13の回転速度Ngをエンジン1の回転速度Neの上昇に応じて下げるように制御することにより、油圧ポンプ14の回転速度Npをほとんど変化させずに、この油圧ポンプ14から吐出される流量Qsが変化しないように制御することができる。つまり、当該ハイブリット式油圧ショベルの性能を、動力源の変化に影響されることなく良好に保つことができる。 (E) Moreover, in this 1st Embodiment, the change from the drive of the hydraulic pump 14 by the electric motor 13 to the drive of the hydraulic pump 14 by the engine 1 can be performed smoothly. That is, as shown in the above equation (4), the rotational speed Np of the hydraulic pump 14 is a function of the rotational speed Ne of the engine 1 and the rotational speed Ng of the electric motor 13. Therefore, when the engine 1 is started from the state where the hydraulic pump 14 is driven by the electric motor 13 and the hydraulic pump 14 is driven by the engine 1, the rotational speed Ng of the electric motor 13 is set to the rotation of the engine 1. By controlling so as to decrease in accordance with the increase in the speed Ne, the flow rate Qs discharged from the hydraulic pump 14 can be controlled so as not to change without substantially changing the rotational speed Np of the hydraulic pump 14. That is, the performance of the hybrid hydraulic excavator can be kept good without being affected by changes in the power source.

[第1実施形態の効果]
以上のように構成した第1実施形態によれば、ブレーキング装置15,18,20のそれぞれによる回転軸13a,14a,1aの回転停止保持を解除させることによって、エンジン1、電動機13、及び油圧ポンプ14の3者を駆動可能にした状態にあっては、これらの3者の互いの動力を有効に活用させることができる。また、ブレーキング装置15によって電動機13の回転軸13aを回転停止保持させた状態において、遊星歯車機構を介してエンジン1によって油圧ポンプ14を駆動させることができる。また、ブレーキング装置18によって油圧ポンプ14の回転軸14aを回転停止保持させた状態において、遊星歯車機構を介してエンジン1によって電動機13を駆動し、この電動機13で発生させた電力をバッテリ11に蓄積させることができる。また、ブレーキング装置20によってエンジン1の回転軸1aを回転停止保持させた状態において、遊星歯車機構を介してバッテリ11からの電力によって電動機13を駆動し、この電動機13によって油圧ポンプ14を駆動することができる。
[Effect of the first embodiment]
According to the first embodiment configured as described above, the engine 1, the electric motor 13, and the hydraulic pressure are released by releasing the rotation stop holding of the rotating shafts 13a, 14a, 1a by the braking devices 15, 18, 20 respectively. In a state where the three of the pumps 14 can be driven, the powers of these three parties can be effectively utilized. In addition, the hydraulic pump 14 can be driven by the engine 1 via the planetary gear mechanism in a state where the rotation shaft 13a of the electric motor 13 is stopped and held by the braking device 15. Further, in a state where the rotating shaft 14 a of the hydraulic pump 14 is stopped and held by the braking device 18, the electric motor 13 is driven by the engine 1 through the planetary gear mechanism, and the electric power generated by the electric motor 13 is supplied to the battery 11. Can be accumulated. Further, in a state where the rotation shaft 1 a of the engine 1 is stopped and held by the braking device 20, the electric motor 13 is driven by the electric power from the battery 11 through the planetary gear mechanism, and the hydraulic pump 14 is driven by the electric motor 13. be able to.

また例えば遊星歯車機構を介して、エンジン1の動力すなわちエンジンパワーと、電動機13の動力とを合わせて油圧ポンプ14を駆動することができる。さらに例えば、遊星歯車機構を介して、エンジン1の動力を、油圧ポンプ14の駆動として活用させることができるとともに、電動機13の駆動として伝え、発生した電力をバッテリ11に蓄積することもできる。   For example, the hydraulic pump 14 can be driven by combining the power of the engine 1, that is, the engine power and the power of the electric motor 13 through a planetary gear mechanism. Further, for example, the power of the engine 1 can be utilized as the drive of the hydraulic pump 14 via the planetary gear mechanism, and can be transmitted as the drive of the electric motor 13, and the generated electric power can be stored in the battery 11.

このように、この第1実施形態は、エンジン1、電動機13、油圧ポンプ14の3者を駆動可能にした状態にあっては、これらの3者の互いの動力を有効に活用させることができるとともに、エンジン1、電動機13、油圧ポンプ14のいずれかが他の2者の駆動に際して不要なものである場合には、その不要なものを停止させることができ、2軸間の動力伝達損失を低減させることができる。また、電動機13の速い応答性を生かすことができ、当該ハイブリッド式油圧ショベルの操作性を低下させることなく、エンジン1を小刻みに停止させることができる。これらのことから、燃料効率を向上させることができるとともに、優れた操作性を確保することができる。   As described above, in the first embodiment, in a state where the three of the engine 1, the electric motor 13, and the hydraulic pump 14 can be driven, the power of each of the three can be effectively utilized. At the same time, when any of the engine 1, the electric motor 13, and the hydraulic pump 14 is unnecessary for driving the other two, the unnecessary one can be stopped, and the power transmission loss between the two shafts can be reduced. Can be reduced. Further, the quick response of the electric motor 13 can be utilized, and the engine 1 can be stopped in small increments without deteriorating the operability of the hybrid hydraulic excavator. As a result, fuel efficiency can be improved and excellent operability can be ensured.

さらに、バッテリ11の蓄電機能を利用して、図4の(b)図の太線Aで示すようにエンジン1の負荷の集中化と均等化を実現でき、エンジン1の駆動に際して、最高効率状態で駆動でき、駆動させる必要のないときには直ちに停止させることができる。これによって、エンジン1の合計駆動時間を少なくすることができ、燃費を向上させることができる。   Further, by using the power storage function of the battery 11, it is possible to achieve load concentration and equalization of the engine 1 as shown by the thick line A in FIG. It can be driven and can be stopped immediately when it is not necessary to drive it. As a result, the total drive time of the engine 1 can be reduced, and fuel consumption can be improved.

また、電動機13の広い範囲の速度調整特性によって、油圧ポンプ14から吐出される流量Qsの範囲を拡大させることが可能となり、これに伴って当該ハイブリッド式油圧ショベルにおける作業速度の調整範囲を広げることができ、機能を向上させることができる。また、電動機13の動力によってエンジン1を支援でき、エンジン1の最大パワーを超える負荷にも対応が可能である。   In addition, the range of the flow rate Qs discharged from the hydraulic pump 14 can be expanded by the wide range of speed adjustment characteristics of the electric motor 13, and accordingly, the adjustment range of the working speed in the hybrid hydraulic excavator is expanded. Can improve the function. Further, the engine 1 can be supported by the power of the electric motor 13, and a load exceeding the maximum power of the engine 1 can be dealt with.

また、遊星歯車機構、及びブレーキング装置20,18,15等の機械的な動力伝達機構によって動力分配機能を実現させたことから、高い効率を確保できるとともに、安定した構造を実現できる。また、エンジン1の動力の大部分を油圧ポンプ14の駆動に活用させることができ、比較的少ない量の動力を電動機13を介して電気エネルギとして蓄えることができるので、効率の良いエネルギ配分を実現させることができる。   Further, since the power distribution function is realized by the planetary gear mechanism and the mechanical power transmission mechanism such as the braking devices 20, 18, 15 and the like, high efficiency can be secured and a stable structure can be realized. In addition, most of the power of the engine 1 can be utilized for driving the hydraulic pump 14, and a relatively small amount of power can be stored as electric energy via the motor 13, thus realizing efficient energy distribution. Can be made.

図5は油圧ポンプの回転軸を回転停止状態に保持可能な停止保持手段の別の例を示す油圧回路図である。上述した第1実施形態では、油圧ポンプ14の回転軸14aを回転停止保持可能な停止保持手段として、回転軸14aが接続される遊星歯車機構の遊星キャリア19を停止させるブレーキング装置18を設けた構成にしてあるが、この油圧ポンプ14の回転軸14aを回転停止保持可能な停止保持手段を、図5に示すような開閉弁302によって構成することもできる。   FIG. 5 is a hydraulic circuit diagram showing another example of the stop holding means that can hold the rotary shaft of the hydraulic pump in the rotation stop state. In the first embodiment described above, the braking device 18 that stops the planetary carrier 19 of the planetary gear mechanism to which the rotary shaft 14a is connected is provided as a stop-holding means capable of stopping and holding the rotary shaft 14a of the hydraulic pump 14. Although configured, stop holding means capable of stopping and holding the rotating shaft 14a of the hydraulic pump 14 can be configured by an on-off valve 302 as shown in FIG.

この図5に示すように、例えば操作レバー5aが非操作となって、コントロールバルブ301が中立位置に戻された際、開閉弁302を同時に閉じるように制御することによって、油圧ポンプ14の吐出口がブロックされ、これによって油圧ポンプ14は回転不能になり、上述した第1実施形態におけるブレーキング装置18と同等の状態を形成することができる。   As shown in FIG. 5, for example, when the operation lever 5a is not operated and the control valve 301 is returned to the neutral position, the discharge port of the hydraulic pump 14 is controlled by simultaneously closing the on-off valve 302. As a result, the hydraulic pump 14 cannot rotate, and a state equivalent to the braking device 18 in the first embodiment described above can be formed.

本発明に係るハイブリッド式建設機械の第1実施形態であるハイブリッド式油圧ショベルの要部を構成する回路図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a circuit diagram constituting a main part of a hybrid hydraulic excavator that is a first embodiment of a hybrid construction machine according to the present invention. 図1に示す回路に備えられるコントローラ等で実施される処理手順の第1の例を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a first example of a processing procedure performed by a controller or the like provided in the circuit shown in FIG. 1. 図1に示す回路に備えられるコントローラ等で実施される処理手順の第2の例を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating a second example of a processing procedure performed by a controller or the like provided in the circuit illustrated in FIG. 1. 第1実施形態で得られる特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic acquired by 1st Embodiment. 油圧ポンプの回転軸を回転停止状態に保持可能な停止保持手段の別の例を示す油圧回路図であ Ru hydraulic circuit view showing another example of a holding can stop holding means rotation stop state the rotation axis of the hydraulic pump.

符号の説明Explanation of symbols

1 エンジン(動力ユニット)
1a 回転軸
2 太陽ギヤ(動力配分手段)
3 外輪ギヤ(動力配分手段)
4 コントローラ
5 コントロールバルブ
5a 操作レバー(操作機構)
5b 操作レバー(操作機構)
6 油圧シリンダ(油圧アクチュエータ)
7 油圧シリンダ(油圧アクチュエータ)
8 旋回体
9 電動機(電動アクチュエータ)
10 コンバータ・インバータ
10a 操作レバー(操作機構)
11 バッテリ(蓄電装置)〔動力ユニット〕
12 コンバータ・インバータ
13 電動機(動力ユニット)
13a 回転軸
14 油圧ポンプ(動力ユニット)
14a 回転軸
15 ブレーキング装置(停止保持手段)
16 ギヤ(動力配分手段)
17 ギヤ(動力配分手段)
18 ブレーキング装置(停止保持手段)
19 遊星キャリア(動力配分手段)
20 ブレーキング装置(停止保持手段)
21 遊星ギヤ(動力配分手段)
01 ギヤ(動力配分手段)
04 ギヤ(動力配分手段)
301 コントロールバルブ
302 開閉弁(停止保持手段)
1 Engine (Power unit)
1a Rotating shaft 2 Sun gear (power distribution means)
3 Outer ring gear (power distribution means)
4 Controller 5 Control valve 5a Operation lever (operation mechanism)
5b Operation lever (operation mechanism)
6 Hydraulic cylinder (hydraulic actuator)
7 Hydraulic cylinder (hydraulic actuator)
8 Revolving body 9 Electric motor (electric actuator)
10 Converter / Inverter 10a Operation lever (operation mechanism)
11 Battery (power storage device) [Power unit]
12 Converter / Inverter 13 Electric motor (Power unit)
13a Rotating shaft 14 Hydraulic pump (Power unit)
14a Rotating shaft 15 Breaking device (stop holding means)
16 gear (power distribution means)
17 Gear (Power distribution means)
18 Braking device (stop holding means)
19 Planetary carrier (power distribution means)
20 Braking device (stop holding means)
21 planetary gear (power distribution hand stage)
2 01 gear (power distribution hand stage)
2 04 Gear (Power distribution means)
301 Control valve 302 On-off valve (stop holding means)

Claims (3)

回転軸を有するエンジンと、回転軸を有する油圧ポンプと、回転軸を有し、発電機を兼ねた電動機と、この電動機の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、上記電動機を駆動する電力を供給可能な蓄電装置とを含む動力ユニットと、この動力ユニットによって駆動される電動アクチュエータ及び油圧アクチュエータと、これらのアクチュエータを操作する操作機構とを有するハイブリッド式建設機械において、
上記エンジンの回転軸と、上記油圧ポンプの回転軸と、上記電動機の回転軸の3つの回転軸を互いに独立して設け、
上記3つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段を備え
上記動力配分手段が、遊星歯車機構から成り、
上記3つの回転軸のそれぞれを、上記遊星歯車機構に含まれる外輪ギヤ、上記遊星歯車機構に含まれる遊星キャリア、上記遊星歯車機構に含まれる太陽ギヤのいずれか該当するものに接続するとともに、
上記3つの回転軸を個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段を備え、
上記操作機構が非操作状態で、且つ上記蓄電装置に所定量より大きい電力が蓄積されている場合に上記エンジンを停止させる制御を行ない、上記操作機構が操作再開されたときに上記電動機によって上記油圧ポンプを駆動させ、上記蓄電装置に蓄積された電力が所定量より小さい場合に上記エンジンを再起動させる制御を行なうコントローラを備えたことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
An engine having a rotating shaft, a hydraulic pump having a rotating shaft, an electric motor having a rotating shaft and also serving as a generator, and electric power generated by driving the electric motor can be stored, and electric power for driving the electric motor In a hybrid construction machine having a power unit including a power storage device capable of supplying power, an electric actuator and a hydraulic actuator driven by the power unit, and an operation mechanism for operating these actuators,
A rotating shaft of the engine, a rotation shaft of the hydraulic pump, set independently of each other the three axes of rotation of the electric motor,
Power distribution means capable of selectively performing power transmission between the three rotating shafts ;
The power distribution means comprises a planetary gear mechanism,
Each of the three rotating shafts is connected to an outer ring gear included in the planetary gear mechanism, a planet carrier included in the planetary gear mechanism, or a sun gear included in the planetary gear mechanism,
Stop holding means capable of individually holding the three rotation shafts in a rotation stop state,
Control is performed to stop the engine when the operating mechanism is in a non-operating state and electric power larger than a predetermined amount is stored in the power storage device. When the operating mechanism is restarted, the motor performs the hydraulic pressure control. A hybrid construction machine comprising a controller for driving a pump and restarting the engine when electric power stored in the power storage device is smaller than a predetermined amount .
回転軸を有するエンジンと、回転軸を有する油圧ポンプと、回転軸を有し、発電機を兼ねた電動機と、この電動機の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、上記電動機を駆動する電力を供給可能な蓄電装置とを含む動力ユニットと、この動力ユニットによって駆動される電動アクチュエータ及び油圧アクチュエータと、これらのアクチュエータを操作する操作機構とを有するハイブリッド式建設機械において、
上記エンジンの回転軸と、上記油圧ポンプの回転軸と、上記電動機の回転軸の3つの回転軸を互いに独立して設け、
上記3つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段を備え、
上記動力配分手段が、遊星歯車機構から成り、
上記3つの回転軸のそれぞれを、上記遊星歯車機構に含まれる外輪ギヤ、上記遊星歯車機構に含まれる遊星キャリア、上記遊星歯車機構に含まれる太陽ギヤのいずれか該当するものに接続するとともに、
上記3つの回転軸を個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段を備え、
上記油圧ポンプの目標押しのけ容積をエンジントルクとポンプ要求圧力とから求め、求められた目標押しのけ容積とポンプ要求流量とからポンプ回転速度を求め、エンジン回転速度と上記求められたポンプ回転速度とから上記電動機の目標回転速度を求める演算を行なうコントローラを備えたことを特徴とするハイブリット式建設機械。
An engine having a rotating shaft, a hydraulic pump having a rotating shaft, an electric motor having a rotating shaft and also serving as a generator, and electric power generated by driving the electric motor can be stored, and electric power for driving the electric motor In a hybrid construction machine having a power unit including a power storage device capable of supplying power, an electric actuator and a hydraulic actuator driven by the power unit, and an operation mechanism for operating these actuators,
Three rotating shafts, the rotating shaft of the engine, the rotating shaft of the hydraulic pump, and the rotating shaft of the electric motor, are provided independently of each other,
Power distribution means capable of selectively performing power transmission between the three rotating shafts;
The power distribution means comprises a planetary gear mechanism,
Each of the three rotating shafts is connected to an outer ring gear included in the planetary gear mechanism, a planet carrier included in the planetary gear mechanism, or a sun gear included in the planetary gear mechanism,
Stop holding means capable of individually holding the three rotation shafts in a rotation stop state,
The target displacement volume of the hydraulic pump is determined from the engine torque and the required pump pressure, the pump rotation speed is determined from the determined target displacement volume and the required pump flow rate, and the above described pump rotation speed is calculated from the engine rotation speed and the determined pump rotation speed. A hybrid construction machine comprising a controller for calculating a target rotational speed of an electric motor .
回転軸を有するエンジンと、回転軸を有する油圧ポンプと、回転軸を有し、発電機を兼ねた電動機と、この電動機の駆動によって生じた電力を蓄積可能であるとともに、上記電動機を駆動する電力を供給可能な蓄電装置とを含む動力ユニットと、この動力ユニットによって駆動される電動アクチュエータ及び油圧アクチュエータと、これらのアクチュエータを操作する操作機構とを有するハイブリッド式建設機械において、
上記エンジンの回転軸と、上記油圧ポンプの回転軸と、上記電動機の回転軸の3つの回転軸を互いに独立して設け、
上記3つの回転軸間の動力伝達を選択的に実施可能な動力配分手段を備え、
上記動力配分手段が、遊星歯車機構から成り、
上記3つの回転軸のそれぞれを、上記遊星歯車機構に含まれる外輪ギヤ、上記遊星歯車機構に含まれる遊星キャリア、上記遊星歯車機構に含まれる太陽ギヤのいずれか該当するものに接続するとともに、
上記3つの回転軸を個別に回転停止状態に保持可能な停止保持手段を備え、
上記操作機構が非操作状態で、且つ上記蓄電装置に所定量より大きい電力が蓄積されている場合に上記エンジンを停止させる制御を行ない、上記操作機構が操作再開されたときに上記電動機によって上記油圧ポンプを駆動させ、上記蓄電装置に蓄積された電力が所定量より小さい場合に上記エンジンを再起動させる制御を行なうとともに、上記油圧ポンプの目標押しのけ容積をエンジントルクとポンプ要求圧力とから求め、求められた目標押しのけ容積とポンプ要求流量とからポンプ回転速度を求め、エンジン回転速度と上記求められたポンプ回転速度とから上記電動機の目標回転速度を求める演算を行なうコントローラを備えたことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
An engine having a rotating shaft, a hydraulic pump having a rotating shaft, an electric motor having a rotating shaft and also serving as a generator, and electric power generated by driving the electric motor can be stored, and electric power for driving the electric motor In a hybrid construction machine having a power unit including a power storage device capable of supplying power, an electric actuator and a hydraulic actuator driven by the power unit, and an operation mechanism for operating these actuators,
Three rotating shafts, the rotating shaft of the engine, the rotating shaft of the hydraulic pump, and the rotating shaft of the electric motor, are provided independently of each other,
Power distribution means capable of selectively performing power transmission between the three rotating shafts;
The power distribution means comprises a planetary gear mechanism,
Each of the three rotating shafts is connected to an outer ring gear included in the planetary gear mechanism, a planet carrier included in the planetary gear mechanism, or a sun gear included in the planetary gear mechanism,
Stop holding means capable of individually holding the three rotation shafts in a rotation stop state,
Control is performed to stop the engine when the operating mechanism is in a non-operating state and electric power larger than a predetermined amount is stored in the power storage device. When the operating mechanism is restarted, the motor performs the hydraulic pressure control. When the pump is driven and the electric power stored in the power storage device is smaller than a predetermined amount, the engine is restarted, and the target displacement of the hydraulic pump is obtained from the engine torque and the pump required pressure. And a controller for calculating a pump rotational speed from the obtained target displacement volume and a requested pump flow rate and calculating a target rotational speed of the electric motor from the engine rotational speed and the obtained pump rotational speed. Hybrid construction machine.
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