JP5078748B2 - ハイブリッド建設機械の制御装置 - Google Patents
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Description
この発明の目的は、旋回モータのブレーキ時のエネルギーを回収するときに、当該旋回モータの逸走を防止しつつ、エネルギーの回収を効率的にできるハイブリッド建設機械の制御装置を提供することである。
そして、上記コントローラは、中立状況検出手段の検出信号に基づいて上記回路系統のすべての操作弁が中立位置にあると認識し、かつ、ブレーキ圧検出用の圧力センサーの圧力信号があらかじめ設定された圧力に達したとき、通路抵抗制御手段を介して安全弁による通路抵抗を少なくする機能と、上記傾角制御器を介して流体モータの傾転角を制御する機能と、通路抵抗制御手段を制御して保った通路抵抗と流体モータの傾転角との両者を相対的に制御して旋回モータのブレーキ圧を維持する機能とを備えている。
したがって、安全弁の通路抵抗および流体モータの回転負荷を制御しながら、旋回モータのブレーキ時のエネルギーを回収できるので、当該旋回モータの逸走を防止しつつ、ブレーキ時のエネルギーを効率よく回収でき、二律背反的な目的を同時に達成できる。
また、ブレーキ圧検出用の圧力センサーの圧力信号があらかじめ設定された圧力に達したとき、通路抵抗制御手段を介して安全弁による通路抵抗を少なくできるので、通路抵抗を少なくした分だけエネルギー効率が向上する。
上記第1回路系統には、その上流側から順に、旋回モータRMを制御する旋回モータ用の操作弁1、図示していないアームシリンダを制御するアーム1速用の操作弁2、ブームシリンダBCを制御するブーム2速用の操作弁3、図示していない予備用アタッチメントを制御する予備用の操作弁4および図示していない左走行用である第1走行用モータを制御する第1走行モータ用操作弁5を接続している。
上記中立流路6であって、第1走行モータ用操作弁5の下流側にはパイロット圧生成機構8を設けている。このパイロット圧生成機構8はそこを流れる流量が多ければ高いパイロット圧を生成し、その流量が少なければ低いパイロット圧を生成するものである。
また、上記中立流路6は、上記操作弁1〜5のすべてが中立位置もしくは中立位置近傍にあるとき、第1メインポンプMP1から吐出された流体の全部または一部をタンクに導くが、このときにはパイロット圧生成機構8を通過する流量も多くなるので、上記したように高いパイロット圧が生成される。
ただし、操作弁1〜5の操作量によっては、ポンプ吐出量の一部がアクチュエータに導かれ、一部が中立流路6からタンクに導かれることになるので、パイロット圧生成機構8は、中立流路6に流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。言い換えると、パイロット圧生成機構8は、操作弁1〜5の操作量に応じたパイロット圧を生成することになる。
なお、上記各操作弁1〜5を操作するための操作レバーを備えた操作手段にセンサーを設け、このセンサーを介して各操作弁の操作レバーが中立位置を保っている状況を検出するようにしてもよい。この場合には、上記センサーがこの発明の中立状況検出手段を構成することになる。
上記中立流路16であって、アーム2速用の操作弁15の下流側にはパイロット圧生成機構18を設けているが、このパイロット圧生成機構18は、先に説明したパイロット圧生成機構8と全く同様に機能するものである。
上記のようにしたパイロット流路19にはパイロット圧検出用の第2圧力センサー21を接続するとともに、この第2圧力センサー21で検出した圧力信号をコントローラCに入力するようにしている。そして、パイロット流路19のパイロット圧は、操作弁の操作量に応じて変化するので、第2圧力センサー21が検出する圧力信号は、第2回路系統の要求流量に比例することになる。
なお、上記各操作弁12〜15を操作するための操作レバーを備えた操作手段にセンサーを設け、このセンサーを介して各操作弁の操作レバーが中立位置を保っている状況を検出するようにしてもよい。この場合には、上記センサーがこの発明の中立状況検出手段を構成することになる。
なお、上記バッテリーチャージャー23は、通常の家庭用の電源25に接続した場合にも、バッテリー24に電力を充電できるようにしている。つまり、このバッテリーチャージャー23は、当該装置とは別の独立系電源にも接続可能にしたものである。
上記の状態から旋回モータ用の操作弁1を例えば図面右側位置に切り換えると、一方の通路26が第1メインポンプMP1に接続され、他方の通路27がタンクに連通する。したがって、通路26から圧力流体が供給されて旋回モータRMが回転するとともに、旋回モータRMからの戻り流体が通路27を介してタンクに戻される。
旋回モータ用の操作弁1を上記とは逆に左側位置に切り換えると、今度は、通路27にポンプ吐出流体が供給され、通路26がタンクに連通し、旋回モータRMは逆転することになる。
反対に、ブーム1速用の操作弁14を図面左側位置に切り換えると、第2メインポンプMP2からの圧力流体は、通路33を経由してブームシリンダBCのロッド側室32に供給されるとともに、そのピストン側室31からの戻り流体は通路30を経由してタンクに戻され、ブームシリンダBCは収縮することになる。なお、ブーム2速用の操作弁3は、上記ブーム1速用の操作弁14と連動して切り換るものである。
上記のようにしたブームシリンダBCのピストン側室31とブーム1速用の操作弁14とを結ぶ通路30には、コントローラCで開度が制御される比例電磁弁34を設けている。なお、この比例電磁弁34はそのノーマル状態で全開位置を保つようにしている。
上記可変容量型のサブポンプSPは、発電機兼用の電動モータMGの駆動力で回転するが、この電動モータMGの駆動力によって、可変容量型の流体モータHMも同軸回転する構成にしている。そして、上記電動モータMGにはインバータIを接続するとともに、このインバータIをコントローラCに接続して、このコントローラCで電動モータMGの回転数等を制御できるようにしている。
また、上記のようにしたサブポンプSPおよび流体モータHMの傾転角は傾角制御器35,36で制御されるが、この傾角制御器35,36は、コントローラCの出力信号で制御されるものである。
なお、図中符号42,43は上記第1,2合流通路38,39に設けたチェック弁で、サブポンプSPから第1,2メインポンプMP1,MP2への流通のみを許容するものである。
なお、上記接続用通路44と導入通路45とが相まって、この発明の流体モータ系通路を構成するものである。
さらに、上記安全弁50に対して並列にして比例電磁絞り弁51を設けているが、この比例電磁絞り弁51はコントローラCの制御信号に応じてその開度が制御されるものである。
そして、上記比例電磁絞り弁51の開度が大きくなればなるほど導入通路45から接続用通路44に流れる流体に対する通路抵抗が小さくなる。このようにした比例電磁絞り弁51はこの発明の通路抵抗制御手段を構成するものである。
上記流体モータHMの出力は、1回転当たりの押しのけ容積Q1とそのときの圧力P1の積で決まる。また、サブポンプSPの出力は1回転当たりの押しのけ容積Q2と吐出圧P2の積で決まる。そして、この実施形態では、流体モータHMとサブポンプSPとが同軸回転するので、Q1×P1=Q2×P2が成立しなければならない。そこで、例えば、流体モータHMの上記押しのけ容積Q1を上記サブポンプSPの押しのけ容積Q2の3倍すなわちQ1=3Q2にしたとすれば、上記等式が3Q2×P1=Q2×P2となる。この式から両辺をQ2で割れば、3P1=P2が成り立つ。
例えば、操作弁1〜5,12〜15のすべてを中立位置に保っているときには、第1,2メインポンプMP1,MP2の全吐出流体は、中立流路6,16およびパイロット圧生成機構8,18を経由してタンクに導かれる。したがって、このときには、パイロット圧生成機構8,18で生成されるパイロット圧が最高になるとともに、このパイロット圧はパイロット流路9,19を経由してレギュレータ10,20に導かれる。そして、この高いパイロット圧を受けたレギュレータ10,20は、第1,2メインポンプMP1,MP2の吐出量をスタンバイ流量に保つ。
したがって、パイロット圧生成機構8,18は、中立流路6,16を流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。このときのパイロット圧は、すべての操作弁1〜5,12〜15を中立位置に保っているときよりも、中立流路6,16を流れる流量が少ない分だけ低くなる。このようにパイロット圧が低くなった分だけ第1,2メインポンプMP1,MP2の吐出量が多くなる。
なお、操作弁1〜5,12〜15をフルストロークさせれば、中立流路6,16が当該操作弁で遮断されるので、パイロット圧生成機構8,18には流体が流れない。したがって、パイロット圧生成機構8,18で生成されるパイロット圧はゼロになるとともに、第1,2メインポンプMP1,MP2の吐出量が最大に確保される。
特に、後で説明するように、流体モータHMが、ブームシリンダBCの戻り流体、あるいは旋回モータRMの作動流体等で回転しているときには、その回転力を利用しながら、最も効率的にサブポンプSPのアシスト力を発揮させるように、コントローラCが判断できるようにその制御ソフトを設定している。
先ず、操作弁1を図示の中立位置に保っているときには、アクチュエータポートが閉じられて旋回モータRMは停止状態を維持する。
上記の状態から旋回モータ用の操作弁1を例えば図面右側位置に切り換えると、一方の通路26が第1メインポンプMP1に接続され、他方の通路27がタンクに連通する。したがって、通路26から圧力流体が供給されて旋回モータRMが回転するとともに、旋回モータRMからの戻り流体が通路27を介してタンクに戻される。
旋回モータ用の操作弁1を上記とは逆に左側位置に切り換えると、今度は、通路27にポンプ吐出流体が供給され、通路26がタンクに連通し、旋回モータRMは逆転することになる。
以上のように制御することによって、旋回モータRMの制動時の戻り流体が、導入通路45および接続用通路44を経由して流体モータHMに供給され、当該流体モータHMを回転させるとともに、この流体モータHMの回転力で電動モータMGを発電機として回転させることができる。
なお、図中符号54,55は、タンクから通路26,27への流通のみを許容するチェック弁で、旋回モータRMの制動時に、流体モータHMへの供給流量が不足した場合には、このチェック弁54,55を介してタンクの流体を吸い上げる。
すなわち、比例電磁絞り弁51の開度を小さくすれば、その通路抵抗を大きくでき、その分、導入通路45側の圧力を上げることができる。また、流体モータHMの傾転角を小さくすれば、当該流体モータRMの負荷圧を大きくすることができ、結果的に導入通路45の圧力を高く維持することができる。なお、コントローラCの制御ソフトは、比例電磁絞り弁51の開度と流体モータHMの傾転角とを相対的に制御して、最も効率的な制御ができるように設定されている。
いずれにしても、コントローラCは、ブレーキ圧検出用の圧力センサー49からの圧力信号を監視しながら、比例電磁絞り弁51の開度と、流体モータHMの傾転角とを制御して流体モータHMを回転させ、電動モータMGを発電機として機能させることができる。
しかも、上記したように旋回モータRMのブレーキ時の戻り流体を利用して電動モータMGを発電機として利用するときには、安全弁50と並列にした比例電磁絞り弁51を介して流体を流せるので、安全弁50による圧力損失はほとんどなくなる。
すなわち、上記第1回路系統に接続した旋回モータRMを駆動するために、旋回モータ用の操作弁1を左右いずれか、例えば図面右側位置に切り換えると、一方の通路26が第1メインポンプMP1に連通し、他方の通路27がタンクに連通して、旋回モータRMを回転させるが、このときの旋回圧はブレーキ弁28の設定圧に保たれる。また、上記操作弁1を図面左方向に切り換えれば、上記他方の通路27が第1メインポンプMP1に連通し、上記一方の通路26がタンクに連通して、旋回モータRMを回転させるが、このときの旋回圧もブレーキ弁29の設定圧に保たれる。
また、旋回モータRMが旋回している最中に旋回モータ用の操作弁1を中立位置に切り換えると、前記したように通路26,27間で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁28あるいは29が当該閉回路のブレーキ圧を維持して、慣性エネルギーを熱エネルギーに変換する。
このときコントローラCは、圧力センサー49からの圧力信号に応じて、前記したと同様に比例電磁絞り弁51の開度および流体モータHMの傾転角を制御する。
また、上記流体モータHMの回転力でサブポンプSPの回転力をアシストすることもできるが、このときには、流体モータHMとサブポンプSPとが相まって圧力変換機能を発揮させる。
したがって、旋回モータRMからの流体圧を増圧してサブポンプSPから吐出させることができる。
なお、上記通路44,45系統の圧力が何らかの原因で、旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなったときには、圧力センサー49からの圧力信号に基づいてコントローラCは、電磁切換弁48を閉じて、旋回モータRMに影響を及ぼさないようにする。
また、接続用通路44に流体の漏れが生じたときには、コントローラCは、比例電磁絞り弁51を閉じて安全弁50を機能させ、通路26,27の圧力が必要以上に低くならないようにして、旋回モータRMの逸走を防止する。
ブームシリンダBCを作動させるために、ブーム1速用の操作弁14およびそれに連動する操作弁3を切り換えると、その切換状況を検出する図示していないセンサーによって、上記操作弁14の操作方向とその操作量が検出されるとともに、その操作信号がコントローラCに入力される。
上記のように比例電磁弁34を閉じて電磁開閉弁53を開位置に切り換えれば、ブームシリンダBCの戻り流体の全量が流体モータHMに供給される。しかし、流体モータHMで消費する流量が、オペレータが求めた下降速度を維持するために必要な流量よりも少なければ、ブームシリンダBCはオペレータが求めた下降速度を維持できない。このようなときには、コントローラCは、上記操作弁14の操作量、流体モータHMの傾転角や電動モータMGの回転数などをもとにして、流体モータHMが消費する流量以上の流量をタンクに戻すように比例電磁弁34の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダBCの下降速度を維持する。
一方、電動モータMGに対して電力を供給せず、上記流体モータHMの回転力だけで、サブポンプSPを回転させることもできるが、このときには、流体モータHMおよびサブポンプSPが、上記したと同様にして圧力変換機能を発揮する。
上記のように旋回モータRMを旋回させながら、ブームシリンダBCを下降させるときには、旋回モータRMからの流体と、ブームシリンダBCからの戻り流体とが、接続用通路44で合流して流体モータHMに供給される。
このとき、接続用通路44の圧力が上昇すれば、それにともなって導入通路45側の圧力も上昇するが、その圧力が旋回モータRMの旋回圧あるいはブレーキ圧よりも高くなったとしても、チェック弁46,47があるので、旋回モータRMには影響を及ぼさない。
また、前記したように導入通路45側の圧力が旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなれば、コントローラCは、圧力センサー49からの圧力信号に基づいて電磁切換弁48を閉じる。
いずれにしても、流体モータHMの出力で、サブポンプSPの出力をアシストできるとともに、サブポンプSPから吐出された流量を、第1,2比例電磁絞り弁40,41で按分して、第1,2回路系統に供給することができる。
また、この実施形態では、エンジンEの出力を利用してジェネレータ22で発電したり、流体モータHMを利用して電動モータMGに発電させたりすることができる。そして、このように発電した電力をバッテリー24に蓄電するが、この実施形態では家庭用の電源25を利用してバッテリー24に蓄電できるようにしているので、電動モータMGの電力を多岐にわたって調達することができる。
したがって、電磁開閉弁63が図示の閉位置にあるときには、サブパイロット圧室60の作用力とスプリング61のばね力とを合計した力が、メインパイロット圧室59の作用力と対向するので、安全弁50の設定圧は高くなる。
これに対して電磁開閉弁63が開いたときには、スプリング61のばね力のみが、メインパイロット圧室59の作用力と対向するので、安全弁50の設定圧は低くなる。したがって、そのときの通路抵抗も小さくなる。
MP2 第2メインポンプ
RM 旋回モータ
1 旋回モータ用の操作弁
2 アーム1速用の操作弁
3 ブーム2速用の操作弁
4 予備用の操作弁
5 第1走行モータ用の操作弁
6 中立流路
8 パイロット圧生成機構
9 パイロット流路
10 レギュレータ
11 パイロット圧検出用の第1圧力センサー
C コントローラ
12 第2走行モータ用の操作弁
13 バケット用の操作弁
14 ブーム1速用の操作弁
15 アーム2速用の操作弁
16 中立流路
17 パラレル通路
18 パイロット圧生成機構
19 パイロット流路
20 レギュレータ
SP サブポンプ
35,36 傾角制御器
HM 流体モータ
MG 発電機兼用の電動モータ
44 接続用通路
45 導入通路
51 比例電磁絞り弁
56 メインパイロット圧室
57 サブパイロット圧室
58 スプリング
59 メインパイロット圧室
60 サブパイロット圧室
61 スプリング
63 電磁開閉弁
Claims (6)
- 可変容量型のメインポンプと、このメインポンプに接続するとともに旋回モータを含めた複数のアクチュエータを制御するための複数の操作弁を設けた回路系統と、この回路系統に設けたすべての操作弁が中立位置にあるか否かを検出する中立状況検出手段とを備えたハイブリッド建設機械の制御装置において、傾角制御器で傾転角が制御される可変容量型の流体モータと、流体モータに連係した発電機と、旋回モータに接続した一対の通路に接続した流体モータ系通路と、この流体モータ系通路に設け、旋回モータのブレーキ圧を検出するブレーキ圧検出用の圧力センサーと、上記流体モータ系通路に設けた安全弁と、この安全弁による通路抵抗を低くするための制御をする通路抵抗制御手段と、上記傾角制御器、上記中立状況検出手段、ブレーキ圧検出用の圧力センサーおよび通路抵抗制御手段のそれぞれに接続したコントローラとを備え、コントローラは、中立状況検出手段の検出信号に基づいて上記回路系統のすべての操作弁が中立位置にあると認識し、かつ、ブレーキ圧検出用の圧力センサーの圧力信号があらかじめ設定された圧力に達したとき、通路抵抗制御手段を介して安全弁による通路抵抗を少なくする機能と、上記傾角制御器を介して流体モータの傾転角を制御する機能と、通路抵抗制御手段を制御して保った通路抵抗と流体モータの傾転角との両者を相対的に制御して旋回モータのブレーキ圧を維持する機能とを備えたハイブリッド建設機械の制御装置。
- 上記中立状況検出手段は、上記回路系統の中立流路に設けるとともに当該回路系統に設けたすべての操作弁が中立位置にあって上記中立流路に流れる流量が最大のとき最高圧を生成するパイロット圧生成機構と、このパイロット圧生成機構の圧力を、メインポンプに設けたレギュレータに導くパイロット流路と、このパイロット流路に設けるとともに検出信号をコントローラに入力するパイロット圧検出用の圧力センサーとを備え、コントローラは、パイロット圧検出用の上記圧力センサーからの検出信号に基づき、当該回路系統に設けたすべての操作弁が中立位置にあると判定する機能を備えた請求項1記載の建設機械の制御装置。
- 流体モータと同軸回転するとともにコントローラからの制御信号によって自由回転状態を維持したり動力を出力したりする発電機兼用の電動モータと、上記流体モータと同軸回転する可変容量型のサブポンプと、コントローラからの信号に応じてサブポンプの傾転角を制御する傾角制御器と、このサブポンプの吐出流体を上記メインポンプの吐出側に導く合流通路とを備え、コントローラは、中立状況検出手段の検出信号に基づいて上記回路系統のすべての操作弁が中立位置にあると認識したとき、上記傾角制御器を介してサブポンプの傾転角をゼロに設定する機能を備えた請求項1または2記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
- 上記通路抵抗制御手段は、安全弁と並列に設けた比例電磁絞り弁からなり、この比例電磁絞り弁はコントローラの制御信号に応じて開度が制御される構成にした請求項1〜3のいずれかに記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
- 上記通路抵抗制御手段は、安全弁を主要素にしてなり、この安全弁は、その一方の側に当該安全弁の上流側の圧力を導くメインパイロット圧室を設けるとともにコントローラで制御されるパイロット圧を導くサブパイロット圧室を設け、さらに上記両パイロット圧室におけるパイロット圧の作用力に対向する他方の側にスプリングを設けた請求項1〜3のいずれかに記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
- 上記通路抵抗制御手段は、安全弁とコントローラの制御信号に応じて開閉する電磁開閉弁とからなり、上記安全弁は、その一方の側に当該安全弁の上流側の圧力を導くメインパイロット圧室を設け、このメインパイロット圧室のパイロット圧の作用力に対向する他方の側にスプリングを設けるとともに、絞りを経由して上記安全弁の上流側の圧力を導くサブパイロット圧室とを設ける一方、上記電磁開閉弁は閉位置においてサブパイロット圧室とタンクとの連通を遮断し、開位置においてサブパイロット圧室をタンクに連通させる構成にした請求項1〜3のいずれかに記載のハイブリッド建設機械の制御装置。
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