JP4865739B2

JP4865739B2 - ハイブリッド建設機械の出力トルクアシストシステム

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Publication number: JP4865739B2
Application number: JP2008015070A
Authority: JP
Inventors: 浩之塚本
Original assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: JP2009174447A

Description

本発明は、可変容量油圧ポンプの入力トルクが内燃機関の出力トルクを上回りその内燃機関の動きを不安定にする過負荷状態の発生を未然に防止する建設機械用出力トルクアシストシステムに関し、特に、内燃機関と電動モータとを併用するハイブリッド建設機械の出力トルクアシストシステムに関する。

従来、油圧ショベル等の建設機械においてブーム又はアーム等を急操作することで可変容量油圧ポンプの吐出圧が急上昇したときのエンジン回転数の落ち込みを抑制するエンジンラグダウン抑制装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このエンジンラグダウン抑制装置は、可変容量油圧ポンプの吐出圧が急上昇したときに、その可変容量油圧ポンプにおける入力トルク（吐出量）を低めに抑えることで、エンジン回転数の落ち込みを抑制し、従来通りエンジン回転数が落ち込んでいたならばそのエンジン回転数を元に戻すために増大させる必要があった燃料噴射量のその増大を抑制して建設機械の燃費を向上させるようにする。
特開２００５−７６６７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のエンジンラグダウン抑制装置は、その可変容量油圧ポンプにおける入力トルク（吐出量）を低めに抑えることで過負荷状態の発生（エンジン回転数の落ち込み）を抑制するので、ブーム又はアーム等の各種油圧装置の操作性への悪影響が不可避であるという問題がある。

上述の点に鑑み、本発明は、可変容量油圧ポンプが吐出する圧油によって制御される各種油圧装置の操作性への悪影響を回避しながらも、過負荷状態の発生を未然に防止するハイブリッド建設機械の出力トルクアシストシステムを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、第一の発明に係る出力トルクアシストシステムは、エンジンによる出力トルクによって駆動される油圧ポンプと、吐出圧の増大に応じて吐出量を減少させながら前記油圧ポンプの入力トルクを制御するレギュレータと、前記出力トルクにアシストトルクを付加するアシストトルク付加手段と、前記入力トルクが前記出力トルクを上回る過負荷状態の発生を予測する過負荷状態予測手段と、を備え、前記アシストトルク付加手段は、過負荷状態の発生が予測された場合に、アシストトルクを付加することを特徴とする。

また、第二の発明は、第一の発明に係る出力トルクアシストシステムであって、アシストトルクを発生させる電動機に電力を供給するバッテリの残量を検出するバッテリ残容量検出手段を更に備え、前記アシストトルク付加手段は、バッテリ残量が所定レベル以上であり、かつ、過負荷状態が予測された場合に、アシストトルクを付加することを特徴とする。

また、第三の発明は、第一又は第二の発明に係る出力トルクアシストシステムであって、前記アシストトルク付加手段は、前記エンジンによって駆動される発電機を電動機として機能させることでアシストトルクを付加することを特徴とする。

また、第四の発明は、第一乃至第三の何れかの発明に係る出力トルクアシストシステムであって、過負荷状態が解消したか否かを判定する過負荷状態解消判定手段を更に備え、前記アシストトルク付加手段は、過負荷状態が解消したと判定された場合に、アシストトルクの付加を中止することを特徴とする。

上述の手段により、本発明は、可変容量油圧ポンプが吐出する圧油によって制御される各種装置の操作性への悪影響を回避しながら、過負荷状態の発生を未然に防止するハイブリッド建設機械の出力トルクアシストシステムを提供することを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る出力トルクアシストシステムが搭載されたハイブリッド油圧ショベルの構成例を示す図である。図１において、油圧ショベル１０は、クローラ式の下部走行体１１の上に配置された、旋回用電動機２８によって旋回させられる旋回機構１２を介して、上部旋回体１３を旋回中心Ｘ周りに旋回自在に搭載している。

また、上部旋回体１３は、その前方側部にキャブ１４を備え、かつ、前方中央部に、ブーム１５、アーム１６及びバケット１７、並びに、これらを油圧ポンプ２７が吐出する圧油によってそれぞれ駆動するアクチュエータ（ブームシリンダ１８、アームシリンダ１９及びバケットシリンダ２０）から構成される掘削アタッチメントＥを備える。

図２は、本発明に係る出力トルクアシストシステムの第一実施例１００のブロック図であり、出力トルクアシストシステム１００は、エンジン２１、変速機２２、発電電動機２３、インバータ２４、バッテリ２５、メインコントローラ２６、油圧ポンプ２７、旋回用電動機２８、コントロールバルブ２９、ブーム操作レバー３０、旋回操作レバー３１、レギュレータ３２及びポテンショメータ３３を含む。

エンジン２１は、所定のエンジン回転数で回転しながら変速機２２を介して発電電動機２３及び油圧ポンプ２７を駆動する内燃機関であり、例えば、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等がある。

変速機２２は、所定の減速比でエンジン２１の回転を発電電動機２３及び油圧ポンプ２７に伝達するための装置である。

また、変速機２２は、発電電動機２３が電動機として機能する場合には、発電電動機２３の回転力を油圧ポンプ２７に伝達する。

発電電動機２３は、機械エネルギーを電磁作用により電気エネルギーに変換して電力を産出し、一方で、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して回転力を産出するための装置である。

発電電動機２３は、例えば、エンジン２１によって駆動されることで発電した電気エネルギーを電力供給先（旋回用電動機２８を含む。）にインバータ２４を介して供給し、或いは、発電した電気エネルギーをバッテリ２５にインバータ２４を介して充電する交流発電機として機能し、一方で、インバータ２４を介してバッテリ２５に蓄えられた電気エネルギーを利用しながら油圧ポンプ２７にアシストトルクを提供する電動機として機能する。なお、発電電動機２３は、直流発電機であってもよい。

インバータ２４は、交流電力と直流電力とを変換するための装置であり、例えば、発電電動機２３が産出した交流電力を直流電力に変換してバッテリ２５に充電したり旋回用電動機２８に供給したりし、或いは、メインコントローラ２６が出力する制御信号に基づいてバッテリ２５の直流電力を交流電力に変換して発電電動機２３又は旋回用電動機２８に供給したりする。なお、インバータ２４は、メインコントローラ２６に一体化されていてもよい。

バッテリ２５は、放電だけでなく、充電を行うことにより元の放電前の状態を回復できる装置であり、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ等がある。

メインコントローラ２６は、発電機として機能する発電電動機２３又はバッテリ２５からの電気エネルギーの各種電動機への供給を制御するための装置であり、例えば、インバータ２４を介して、旋回用電動機２８が要求する電気エネルギーに関する情報と発電電動機２３が発電する電気エネルギーに関する情報とを取得し、発電機として機能する発電電動機２３又はバッテリ２５のそれぞれから旋回用電動機２８に供給すべき電気エネルギーを演算し、その演算結果に基づいてインバータ２４を制御しながら発電機として機能する発電電動機２３又はバッテリ２５の電気エネルギーを旋回用電動機２８に供給する。

また、メインコントローラ２６は、バッテリ２５から電動機として機能する発電電動機２３に供給すべき電気エネルギーを演算し、その演算結果に基づいてインバータ２４を制御しながらバッテリ２５の電気エネルギーを発電電動機２３に供給する。

なお、メインコントローラ２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えたコンピュータを含み、例えば、アシストトルク付加手段２６０、過負荷状態予測手段２６１及び過負荷状態解消判定手段２６２のそれぞれに対応するプログラムをＲＯＭに記憶しながら、各手段に対応する演算処理をＣＰＵに実行させる。

油圧ポンプ２７は、圧油を吐出するためのポンプであり、エンジン２１又は発電電動機２３によって駆動され、必要に応じて吐出量Ｑを変化させながらブームシリンダ１８、アームシリンダ１９又はバケットシリンダ２０等を含む油圧アクチュエータに圧油を供給する。

旋回用電動機２８は、旋回機構１２を旋回させるための電動機であり、例えば、メインコントローラ２６による制御の下、インバータ２４を介して発電機として機能する発電電動機２３又はバッテリ２５から供給される電気エネルギーを利用しながら、旋回操作レバー３１の操作量に応じて旋回機構１２を旋回させる。

また、旋回用電動機２８は、交流電動機であってもよく、直流電動機であってもよい。なお、旋回用電動機２８は、油圧ショベル１０における電動機の単なる代表例であり、例えば、掘削アタッチメントＥの駆動源が電動機で構成される場合には、それら電動機であってもよい。

コントロールバルブ２９は、油圧アクチュエータを制御するためのバルブであり、例えば、ブーム操作レバー３０からの制御圧に応じて油圧ポンプ２７とブームシリンダ１８との間の油路を切り換えてブームシリンダ１８を伸縮させる。

なお、本実施例において、コントロールバルブ２９は、各種油圧装置の代表例であるブームシリンダ１８を制御するよう説明されるが、アームシリンダ１９、バケットシリンダ２０又は走行モータ等の他の油圧装置を制御するものであってもよい。

ブーム操作レバー３０は、ブーム１５を操作するための操作装置であり、例えば、レバーの傾倒操作に応じてリモコン弁（図示せず。）を切り換え、補助ポンプ（図示せず。）が吐出する圧油によって生ずる制御圧をレバー操作量としながら制御圧管路Ｌ１を介してコントロールバルブ２９のパイロットポートに伝える。

旋回操作レバー３１は、上部旋回体１３の旋回を操作するための操作装置であり、例えば、レバーの傾倒操作に連動するポテンショメータが検出した値をレバー操作量として旋回用電動機２８に伝達する。

レギュレータ３２は、油圧ポンプ２７の吐出圧Ｐに応じて油圧ポンプ２７の吐出量Ｑを制御するための装置であり、例えば、制御圧管路Ｌ２を介して検出する油圧ポンプ２７の吐出圧Ｐに応じてその吐出量Ｑを制御する機構を備える。

レギュレータ３２は、吐出圧Ｐが所定圧を上回った場合、吐出圧Ｐが増大するにつれて吐出量Ｑを減少させるようにして、油圧ポンプ２７の実効入力トルクＴｒがエンジン出力トルクＴｅを超えないようにする。

実効入力トルクＴｒがエンジン出力トルクＴｅを超え過負荷状態となると、エンジン２１の回転数が落ち込み、エンジン出力トルクＴｅが更に減少して、エンジン２１の燃費を悪化させ、かつ、ブーム１５、アーム１６、バケット１７等の操作性に更なる悪影響を与えてしまうからである。

レギュレータ３２は、例えば、吐出量操作レバーに接続されたピストンを挟んでスプリング及びシリンダ室が配置された油圧装置であり、そのスプリングによる力と制御圧管路Ｌ２を介してそのシリンダ室に導入されるセンターバイパス油路Ｃ１における吐出圧Ｐとによりそのピストンを摺動させながら、油圧ポンプ２７の吐出圧Ｐに応じて油圧ポンプ２７の吐出量Ｑをフィードバック制御する。

ブーム１５が操作された場合（他の油圧装置は未操作であるものとする。）、油圧ポンプ２７が吐出する圧油は、センターバイパス油路Ｃ１を通ってそのままオイルタンクに流れていた状態からブームシリンダ１８に流れ込む状態となり、吐出圧Ｐが増大する。

レギュレータ３２は、その吐出圧Ｐの増大によりそのスプリングを縮めるようにして吐出量操作レバーに接続されたピストンを摺動させ、油圧ポンプ２７の吐出量を増大させるようにする。

一方、ブーム１５の操作を中断した場合（他の油圧装置は未操作のままであるものとする。）、油圧ポンプ２７が吐出する圧油は、センターバイパス油路Ｃ１を通ってそのままオイルタンクに流れる状態となり、吐出圧Ｐが低下する。

レギュレータ３２は、その吐出圧Ｐの低下によりそのスプリングの伸張を許容するように吐出量操作レバーに接続されたピストンを摺動させ、油圧ポンプ２７の吐出量を減少させるようにする。

ポテンショメータ３３は、ブーム操作レバー３０の操作量を検出するための装置であり、例えば、ブーム操作レバー３０の傾斜角度を検出するロータリポテンショメータであって、検出した傾斜角度を含む制御信号（以下、「レバー操作角度信号ＳＧ１」とする。）をメインコントローラ２６に出力する。

次に、メインコントローラ２６が有する各種制御部について説明する。

アシストトルク付加手段２６０は、油圧ポンプ２７を駆動するためのエンジン２１によるエンジン出力トルクＴｅをアシストするアシストトルクＴａを発生させるための手段であり、例えば、発電機として機能していた発電電動機２３にバッテリ２５から電気エネルギーを供給し電動機として機能させることで、エンジン２１におけるエンジン回転数Ｎが落ち込む前に、発電電動機２３によりアシストトルクＴａを発生させてエンジン２１によるエンジン出力トルクＴｅをアシストさせるようにする。

アシストトルク付加手段２６０は、後述の過負荷状態予測手段２６１により、油圧ポンプ２７の実効入力トルクＴｒがエンジン２１によるエンジン出力トルクＴｅを上回る過負荷状態が発生すると予測された場合に、インバータ２４に制御信号（以下、「アシストトルク付加信号ＳＧ２」とする。）を出力することでバッテリ２５から発電電動機２３に電気エネルギーを供給させ、発電電動機２３を電動機として機能させながらアシストトルクＴａを発生させ、油圧ポンプ２７の実効入力トルクＴｒを上回る合計出力トルクＴｔ（Ｔｅ＋Ｔａ）を発生させてエンジン回転数Ｎの落ち込みを未然に防止するようにする。

実効入力トルクＴｒがエンジン出力トルクＴｅを上回る過負荷状態が発生すると、エンジン２１は、その実効入力トルクＴｒに屈してエンジン回転数Ｎを低下させ、エンジン出力トルクＴｅを更に落ち込ませてしまうからである。

また、アシストトルク付加手段２６０は、一定の大きさのアシストトルクＴａを所定時間（以下、「アシスト時間」とする。）に亘って発電電動機２３で発生させるようにするが、アシスト開始直後に最大のアシストトルクＴａを発生させ、その後、徐々に減少させながらアシスト時間経過後にアシストトルクＴａをゼロとするようにしてもよい。

ブーム１５の急操作により吐出圧Ｐが急増したにもかかわらず吐出量Ｑが目標通り迅速に減少されないことに起因する過負荷状態は、発生直後に最も顕著でその後徐々に緩和されていくからであり、アシストトルクＴａを発生させるために消費される電気エネルギーをできるだけ少なくするためである。

なお、アシストトルク付加手段２６０は、バッテリ２５の残容量を測定する容量センサ（図示せず。）の出力に応じてアシスト時間を決定するようにしてもよい。バッテリ２５に蓄積された電気エネルギーを有効に活用するためである。

過負荷状態予測手段２６１は、過負荷状態の発生を予測するための手段であり、例えば、ブーム操作レバー３０の操作量を検出するポテンショメータ３３が出力するレバー操作角度信号ＳＧ１を受信し、レバー操作角度Ａの角速度（度／秒）が閾値Ａｐ１を上回った場合に、過負荷状態が発生することを予測し、その予測結果をアシストトルク付加手段２６０に出力する。

過負荷状態解消判定手段２６２は、過負荷状態予測手段２６１により発生が予測され、エンジン回転数Ｎの落ち込みとして認識されることはなかったが実際には発生した過負荷状態が、解消したか否かを判定するための手段であり、例えば、ブーム操作レバー３０のレバー操作角度Ａが閾値Ａｐ２未満となった場合に、過負荷状態が解消したものと判定する。

また、過負荷状態解消判定手段２６２は、過負荷状態判定手段２６１の場合と同様に、ディーゼルエンジンにおける単位時間当たりの燃料噴射回数やガソリンエンジンにおける単位時間当たりの点火回数等に基づいて過負荷状態の解消の有無を判定するようにしてもよい。

また、過負荷状態解消判定手段２６２は、流量センサ等により油圧ポンプ２７の吐出量Ｑを測定し、吐出量Ｑが所定値未満となった場合に過負荷状態が解消したものと判定してもよく、圧力センサ等により油圧ポンプ２７の吐出圧Ｐをも測定し、実効入力馬力（吐出圧Ｐと吐出量Ｑとの積）が所定値未満と成った場合に過負荷状態が解消したものと判定してもよい。

次に、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら、過負荷状態発生時における、油圧ポンプ２７の吐出圧Ｐとポンプ吐出量Ｑ、トルクＴ（入力トルク及び出力トルクを含む。）、及び、エンジン回転数Ｎとの関係について説明する。

図３（Ａ）は、ポンプ吐出圧Ｐとポンプ吐出量Ｑとの間の関係を示すグラフであり、破線で示すカーブは、油圧ポンプ２７の実効入力馬力を一定に維持するために油圧ポンプ２７が制御目標として用いる馬力曲線（以下、「目標馬力曲線Ｃｉ」とする。）を示し、一点鎖線で示すカーブは、エンジン２１が出力可能な馬力の馬力曲線（以下、「エンジン馬力曲線Ｃｅ」とする。）を示し、二点鎖線で示すカーブは、エンジン出力トルクＴｅにアシストトルクＴａを付加することによって実現可能な合計馬力の馬力曲線（以下、「合計馬力曲線Ｃｔ」とする。）を示す。

また、実線で示すカーブは、ブーム１５が急操作された場合における油圧ポンプ２７の吐出圧Ｐ及び吐出量Ｑの実際の推移（実効入力馬力Ｃｒの推移）を示し、理想的には目標馬力曲線Ｃｉに沿って推移すべきところ、吐出圧Ｐが急激に上昇したために吐出量Ｑの減少が遅れて目標馬力曲線Ｃｉに追随できず、一時的にエンジン馬力曲線Ｃｅを超過する過負荷状態が発生することを示す。

なお、斜線で示す領域Ｒ１は、実効入力馬力Ｃｒがエンジン馬力曲線Ｃｅを上回った状態、すなわち、過負荷状態における馬力超過分を示し、エンジン馬力曲線Ｃｅ又は合計馬力曲線Ｃｔに沿った太線は、各時点における許容出力馬力の推移を示す。

図３（Ａ）に示すように、出力トルクアシストシステム１００は、実効入力馬力Ｃｒがエンジン馬力曲線Ｃｅを上回る前に、許容出力馬力をエンジン馬力曲線Ｃｅから合計馬力曲線Ｃｔのレベルに切り換えており、許容出力馬力が実効入力馬力を下回ることを未然に防止する。

図３（Ｂ）は、ポンプ吐出圧ＰとトルクＴとの間の関係を示すグラフであり、破線で示す線分は、実効入力馬力（吐出圧Ｐと吐出量Ｑとの積）を一定に維持するために油圧ポンプ２７が制御目標として用いる入力トルク（以下、「目標入力トルクＴｉ」とする。）を示し、一点鎖線で示す線分は、エンジン２１が出力可能なエンジン出力トルクＴｅを示し、二点鎖線で示す線分は、アシストトルクＴａを付加することによって実現可能な合計トルク（以下、「合計出力トルクＴｔ」とする。）を示す。

また、実線で示すカーブは、ブーム１５が急操作された場合における油圧ポンプ２７の実効入力トルクＴｒの推移を示し、理想的には目標入力トルクＴｉに制限されるべきところ、吐出圧Ｐが急激に上昇したために吐出量Ｑの減少が遅れ、その目標入力トルクＴｉに追随できず、一時的にエンジン出力トルクＴｅを超過する過負荷状態が発生することを示す。

なお、斜線で示す領域Ｒ２は、実効入力トルクＴｒがエンジン出力トルクＴｅを上回った状態、すなわち、過負荷状態におけるトルク超過分を示し、エンジン出力トルクＴｅ又は合計出力トルクＴｔに沿った太線は、各時点における許容出力トルクの推移を示す。

図３（Ｂ）に示すように、出力トルクアシストシステム１００は、実効入力トルクＴｒがエンジン出力トルクＴｅを上回る前に、許容出力トルクをエンジン出力トルクＴｅから合計出力トルクＴｔに切り換えており、許容出力トルクが実効入力トルクを下回ることを未然に防止する。

図３（Ｃ）は、ポンプ吐出圧Ｐとエンジン回転数Ｎとの間の関係を示すグラフであり、実線で示すカーブは、アシストトルクＴａが付加された場合におけるエンジン回転数Ｎの推移Ｎｅを示し、また、一点鎖線で示すカーブは、アシストトルクＴａが付加されなかった場合におけるエンジン回転数Ｎの推移Ｎｓを示す。

図３（Ｃ）に示すように、過負荷状態予測手段２６１は、ポテンショメータ３３が出力するレバー操作角度信号ＳＧ１を監視しながら、レバー操作角度Ａが閾値Ａｐ１を上回った場合に、過負荷状態が発生するものと予測し、その予測結果をアシストトルク付加手段２６０に出力する。

アシストトルク付加手段２６０は、過負荷状態予測手段２６１により過負荷状態の発生が予測されると直ちにインバータ２４にアシストトルク付加信号ＳＧ２を出力し、発電電動機２３で一定のアシストトルクＴａを発生させてエンジン出力トルクＴｅに付加することで、図３（Ａ）の太線で示すように、許容出力馬力を合計馬力曲線Ｃｔまで増大させ、また、図３（Ｂ）の太線で示すように、許容出力トルクを合計出力トルクＴｔまで増大させる。

なお、アシストトルク付加手段２６０は、レバー操作角度Ａの角速度に応じて、発生させるアシストトルクＴａの大きさを決定するようにしてもよく、例えば、角速度が大きいほどアシストトルクＴａを増大させるようにしてもよい。

これにより、アシストトルク付加手段２６０は、図３（Ｃ）に示すように、アシストトルクＴａを付加しなかった場合と異なり、過負荷状態の発生によるエンジン回転数Ｎの落ち込みを未然に防止することができる。

また、過負荷状態解消判定手段２６２は、ポテンショメータ３３が出力するレバー操作角度信号ＳＧ１を監視しながら、ブーム操作レバー３０のレバー操作角度Ａが所定の閾値Ａｐ２を下回った場合に、過負荷状態が解消したものと判定し、その判定結果をアシストトルク付加手段２６０に出力する。

アシストトルク付加手段２６０は、過負荷状態解消判定手段２６２により過負荷状態が解消したと判定されるとアシスト時間経過前であってもインバータ２４にアシストトルク中止信号ＳＧ３を出力し、電動機として機能する発電電動機２３を停止させることで、図３（Ａ）の太線で示すように、許容出力馬力をエンジン馬力曲線Ｃｅまで低減させ、また、図３（Ｂ）の太線で示すように、許容出力トルクをエンジン出力トルクＴｅまで低減させるようにする。アシストトルクＴａを発生させるために消費される電気エネルギーをできるだけ少なくするためである。

このように、出力トルクアシストシステム１００は、過負荷状態の発生が予測されると直ちにアシストトルクＴａを発生させ、許容出力馬力の落ち込み、圧油吐出量Ｑの急減によるブーム１５の操作性の悪化を防止しながら、エンジン回転数Ｎの落ち込みを未然に防止することにより、アイソクロナス制御（エンジン回転数Ｎが落ち込んだときに燃料噴射量を増大させてエンジン回転数Ｎを一定の目標エンジン回転数Ｎｅに保とうとする処理である。）を実行するエンジン２１の燃費を向上させることができる。

また、出力トルクアシストシステム１００は、ブーム操作レバー３０のレバー操作角度Ａに基づいて過負荷状態の発生を予測するので、簡易かつ迅速に、ブーム１５の操作性が悪化するのを防止しながら、燃費を向上させることができる。

図４は、本発明に係る出力トルクアシストシステムの第二実施例２００のブロック図であり、出力トルクアシストシステム２００は、ポテンショメータ３３の代わりに圧力センサ３４及び容量センサ３５を備え、また、メインコントローラ２６にバッテリ残容量検出手段２６３を備える点で、出力トルクアシストシステム１００と相違するが、他の点においては共通する。

従って、共通する構成要素については同じ参照番号を用いながら、相違点を中心に説明する。

圧力センサ３４は、油圧ポンプ２７の吐出圧Ｐを測定するためのセンサであり、例えば、制御圧管路Ｌ３を介して油圧ポンプ２７の吐出口付近におけるセンターバイパス油路Ｃ１の圧油の圧力を測定する歪みゲージセンサであって、吐出圧Ｐの値を含む制御信号（以下、「吐出圧信号ＳＧ４」とする。）をメインコントローラ２６に出力する。

容量センサ３５は、バッテリ２５の容量を判定するためのセンサであり、例えば、バッテリの温度、電流、電圧を測定してバッテリ２５の容量を間接的に判定するセンサであり、バッテリ２５の容量の値を含む制御信号（以下、「バッテリ容量信号ＳＧ５」とする。）をメインコントローラ２６に出力する。

バッテリ残容量検出手段２６３は、バッテリ２５の残容量を検出するための手段であり、例えば、容量センサ３５が出力するバッテリ容量信号ＳＧ５に基づいてバッテリ２５の残容量を検出し、検出した値をアシストトルク付加手段２６０に出力する。

なお、バッテリ残容量検出手段２６３は、バッテリ２５の残容量のレベルを複数段階（例えば、「高」、「中」、「低」の三段階である。）で判定し、判定したレベルをアシストトルク付加手段２６０に出力するようにしてもよい。

過負荷状態予測手段２６１は、吐出圧Ｐを検出する圧力センサ３４が出力する吐出圧信号ＳＧ４を受信し、吐出圧Ｐの増大速度（ＭＰａ／秒）が閾値Ｐｐ１を上回った場合に、過負荷状態が発生することを予測し、その予測結果をアシストトルク付加手段２６０に出力する。

一方、過負荷状態解消判定手段２６２は、吐出圧Ｐの増大速度（ＭＰａ／秒）が閾値Ｐｐ２を下回ったときに、過負荷状態予測手段２６１により発生が予測され、エンジン回転数Ｎの落ち込みとして認識されることはなかったが実際には発生した過負荷状態が、解消したものと判定する。

アシストトルク付加手段２６０は、過負荷状態予測手段２６１により過負荷状態の発生が予測された場合、バッテリ残容量検出手段２６３が出力する値又はレベルを取得し、バッテリ残容量の値が閾値以上のときに、或いは、バッテリ残容量のレベルが「中」又は「高」のときに、インバータ２４にアシストトルク付加信号ＳＧ２を出力して、発電電動機２３で一定のアシストトルクＴａを発生させるようにする。

また、アシストトルク付加手段２６０は、バッテリ２５の残容量の値やレベルに応じて、発生させるアシストトルクＴａの大きさやアシスト時間を変更するようにしてもよい。バッテリ２５に蓄積された電気エネルギーを有効に活用するためである。

また、アシストトルク付加手段２６０は、バッテリ残容量の値が閾値未満のとき、或いは、バッテリ残容量のレベルが「低」のときには、実際に過負荷状態が発生した場合に限り（例えば、エンジン回転数が所定回転数以上落ち込んだ場合に過負荷状態が発生したものと判断する。）、アシストトルクＴａを発生させるようにしてもよい。

過負荷状態予測手段２６１により過負荷状態の発生が予測された場合であっても、実際には過負荷状態が発生しない場合があり、そのような場合にアシストトルクＴａを発生させると電気エネルギーを無駄に消費してしまうからであり、実際に過負荷状態が発生した場合に限ってアシストトルクＴａを発生させることで、限られた電気エネルギーをできるだけ有効に活用できるようにするためである。

このように、出力トルクアシストシステム２００は、過負荷状態の発生が予測された場合、バッテリ２５の残容量が閾値以上のときに限り、或いは、所定レベルのときに限りアシストトルクＴａを発生させ、エンジン回転数Ｎの落ち込みを未然に防止することにより、ブーム１５、アーム１６及びバケット１７等の各種油圧装置の操作性を悪化させることなく、アイソクロナス制御を実行するエンジン２１の燃費を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の実施例において、出力トルクアシストシステム１００、２００は、発電電動機２３を電動機として機能させながらアシストトルクＴａを発生させるようにするが、発電電動機２３とは別個独立の電動機を利用してアシストトルクＴａを発生させるようにしてもよい。

また、上述の実施例において、出力トルクアシストシステム１００、２００は、単一設定のエンジン回転数Ｎで作動する油圧ショベル１０における過負荷状態の発生を予測しながらアシストトルクＴaを付加するが、ＨＩＧＨ（高回転）モード、ＳＴＡＮＤＡＲＤ（標準回転）モード又はＬＯＷ（低回転）モード等の切換可能な複数のモードにおける複数のエンジン回転数Ｎで作動する油圧ショベル１０における過負荷状態の発生を予測しながらアシストトルクＴaを付加するようにしてもよい。

また、上述の実施例において、アシストトルク付加手段２６０は、時間的に一定のアシストトルクＴａを付加するが、時間的に変化するアシストトルクＴａを付加するようにしてもよい。

また、上述の実施例において、油圧ショベル１０は、ブーム１５、アーム１６及びバケット１７から構成される掘削アタッチメントＥを備えるが、バケット１７の代わりに、マグネット、グラップル、クランプアーム、フォーク等を備えた他のアタッチメントを備えるようにしてもよい。

本発明に係る出力トルクアシストシステムが搭載されたハイブリッド油圧ショベルの第一実施例を示す図である。本発明に係る出力トルクアシストシステムのブロック図である。過負荷状態発生時における、吐出圧と、ポンプ吐出量、トルク及びエンジン回転数との間の関係を示す図である。本発明に係る出力トルクアシストシステムが搭載されたハイブリッド油圧ショベルの第二実施例を示す図である。

符号の説明

１０・・・油圧ショベル、１１・・・下部走行体、１２・・・旋回機構、１３・・・上部旋回体、１４・・・キャブ、１５・・・ブーム、１６・・・アーム、１７・・・バケット、１８・・・ブームシリンダ、１９・・・アームシリンダ、２０・・・バケットシリンダ、２１・・・エンジン、２２・・・変速機、２３・・・発電電動機、２４・・・インバータ、２５・・・バッテリ、２６・・・メインコントローラ、２７・・・油圧ポンプ、２８・・・旋回用電動機、２９・・・コントロールバルブ、３０・・・ブーム操作レバー、３１・・・旋回操作レバー、３２・・・レギュレータ、３３・・・ポテンショメータ、３４・・・圧力センサ、３５・・・容量センサ、１００、２００・・・出力トルクアシストシステム、２６０・・・アシストトルク付加手段、２６１・・・過負荷状態予測手段、２６２・・・過負荷状態解消判定手段、２６３・・・バッテリ残容量検出手段、Ｃｅ・・・エンジン馬力曲線、Ｃｉ・・・目標馬力曲線、Ｃｒ・・・実行入力馬力、Ｃｔ・・・合計馬力曲線、Ｅ・・・掘削アタッチメント、Ｌ１〜Ｌ３・・・制御圧管路、Ｐ・・・ポンプ吐出圧、Ｑ・・・ポンプ吐出量、Ｔａ・・・アシストトルク、Ｔｅ・・・エンジン出力トルク、Ｔｉ・・・目標入力トルク、Ｔｔ・・・合計出力トルク、Ｘ・・・旋回中心

Claims

エンジンによる出力トルクによって駆動される油圧ポンプと、
吐出圧の増大に応じて吐出量を減少させながら前記油圧ポンプの入力トルクを制御するレギュレータと、
前記出力トルクにアシストトルクを付加するアシストトルク付加手段と、
前記入力トルクが前記出力トルクを上回る過負荷状態の発生を予測する過負荷状態予測手段と、を備え、
前記アシストトルク付加手段は、過負荷状態の発生が予測された場合に、アシストトルクを付加する、
ことを特徴とする出力トルクアシストシステム。
アシストトルクを発生させる電動機に電力を供給するバッテリの残容量を検出するバッテリ残容量検出手段を更に備え、
前記アシストトルク付加手段は、バッテリ残容量が所定レベル以上であり、かつ、過負荷状態が予測された場合に、アシストトルクを付加する、
ことを特徴とする請求項１に記載の出力トルクアシストシステム。
前記アシストトルク付加手段は、前記エンジンによって駆動される発電機を電動機として機能させることでアシストトルクを付加する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の出力トルクアシストシステム。
過負荷状態が解消したか否かを判定する過負荷状態解消判定手段を更に備え、
前記アシストトルク付加手段は、過負荷状態が解消したと判定された場合に、アシストトルクの付加を中止する、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の出力トルクアシストシステム。