JP5085734B2 - ハイブリッド式建設機械 - Google Patents

Description

本発明は建設機械に係り、特にエンジンの駆動を電動機によりアシストするハイブリッド式建設機械に関する。

建設機械は油圧駆動のものが多い。油圧駆動式建設機械の一例として、油圧ショベルがある。油圧ショベルでは、一般的に、ショベルの駆動、上部旋回体の旋回、及び下部走行体の走行を、油圧アクチュエータ（油圧シリンダ、油圧モータ）を用いて行っている。一般的に、油圧アクチュエータに供給する油圧は、エンジンを駆動源とする油圧ポンプにより発生することが多い。この場合、油圧アクチュエータの出力はエンジンの出力によって決まる。

油圧ショベルの作業は、エンジンの能力に対して常に１００％の能力を必要とする作業ばかりではなく、例えば、９０％、８０％の能力を出せば済むような作業が多い。そこで、油圧ショベルの動作モードを作業負荷によって変えることにより、異なる作業負荷の各々において最適なエンジン出力制御を行ない、エンジンを効率的に駆動して燃費を向上することが行なわれている。

例えば、エンジンの最大出力に相当する負荷作業を行う「高負荷モード」と、通常の負荷作業を行う「通常負荷モード」と、軽負荷作業を行う「低負荷モード」というように異なる作業モードを設定可能にする。そして、各作業モードにおいて、油圧アクチュエータを駆動するために油圧ポンプが必要とする駆動トルクがエンジンの出力トルクに等しくなるように等馬力制御を行い、エンジンの出力を有効に活用して燃費の向上を図る。

近年、エンジンの燃料消費量を低減させるという要望がある。単純にエンジンを小型化すれば、「高負荷モード」での運転時に十分な油圧出力を得ることができない。そこで、エンジンと、エンジンにより駆動する発電機と、発電機により充電されるバッテリと、バッテリの電力により駆動する電動機とを備えたいわゆるハイブリッド式油圧ショベルが開発されている。

一般的なハイブリット式油圧ショベルでは、エンジンの回転数が常に一定となるようにエンジンの駆動を制御している。アームやバケット等を揺動駆動する際の低負荷モード（低負荷状態）での運転中はエンジントルクは小さいので、低負荷モードでは、エンジン回転数を一定にしたままでエンジントルクを上昇させて余剰トルクを発生し、余剰トルクで発電機を駆動して発電し、バッテリを充電する。

一方、油圧ポンプにおいて必要な駆動トルクがエンジンの定格出力点よりも大きい高負荷モード（高負荷状態）では、エンジン回転数を一定にしたままでエンジントルクを上昇させ、且つバッテリからの電力で電動機を駆動してエンジンの出力に電動機の出力を加える（アシストする）ことにより対応している。

また、低負荷モード時（エンジンの必要馬力の等馬力線とガバナ特性線との交点がこのエンジンの定格出力よりも小さいエンジントルクとなるモード時）にエンジントルクを上昇させて燃料消費率の向上を図り、その余剰トルクにより発電機を駆動してバッテリに充電する建設機械が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

以上のような円状のエンジン燃料消費率特性は、エンジン回転数に依存して噴射圧が決定している。また、エンジンの駆動制御において、低負荷モード時における燃料消費率は、低負荷モード時の回転数が最も良い円の中心付近に設定しているため、僅かに向上することが見込めるが、高負荷モード時には、燃料消費率が高い領域で運転することになり、向上が見込めない。

特開２００４−１００６２１号公報

上述のように、油圧負荷の要求がエンジン出力上限値を超える高負荷時においては、アシストで発電にてエンジン出力の不足分を補っている。この場合、エンジンに対する過剰負荷を補うため、バッテリの放電時における電気的エネルギー損失、図示されないインバータによる電気的エネルギー損失、発電機における損失、更には、ギアにおける機械的なエネルギー損失が積み重なり、建設機械全体としてのエネルギー損失が大きくなってしまう。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、エンジンの負荷状況によってエンジン回転数を可変してエンジンを効率的に駆動し、低負荷時でも高負荷時でも燃料消費率を向上す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を目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプからの油圧により駆動される油圧アクチュエータと、該エンジンの駆動をアシストする電動機と、該エンジンにより駆動されて発電する発電機とを有するハイブリッド式建設機械であって、該エンジンへの負荷の大きさに応じて、該エンジンの回転数を可変し、該エンジンへの要求負荷が低減すると、該発電機により発電を行なうことで該エンジンを減速し、該エンジンへの要求負荷が増大すると、該電動機を駆動して該エンジンをアシストすることにより該エンジンを加速し、該エンジンの回転数が予め定められた低回転数又は予め定められた高回転数に達するまでは、該発電機又は該電動機を駆動し、該エンジンの回転数が該予め定められた低回転数又は該予め定められた高回転数に達した後は、該発電機又は該電動機の加減速分の出力を停止することを特徴とするハイブリッド式建設機械が提供される。

また、エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプからの油圧により駆動される油圧アクチュエータと、前記エンジンの駆動をアシストする電動機と、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機とを有するハイブリッド式建設機械であって、前記エンジンへの負荷の大きさに応じて、前記エンジンの回転数を可変し、前記エンジンへの要求負荷が低減すると、前記発電機により発電を行なうことで前記エンジンを減速し、前記エンジンへの要求負荷が増大すると、前記電動機を駆動して前記エンジンをアシストすることにより前記エンジンを加速し、前記エンジンの最大定格出力を、前記油圧ポンプの要求負荷が越えないように設定したことを特徴とするハイブリッド式建設機械が提供される。

さらに、エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプからの油圧により駆動される油圧アクチュエータと、前記エンジンの駆動をアシストする電動機と、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機とを有するハイブリッド式建設機械であって、前記エンジンへの負荷の大きさに応じて、前記エンジンの回転数を可変し、前記エンジンへの要求負荷が低減すると、前記発電機により発電を行なうことで前記エンジンを減速し、前記エンジンへの要求負荷が増大すると、前記電動機を駆動して前記エンジンをアシストすることにより前記エンジンを加速し、前記エンジンの最大定格出力を、電気負荷と油圧負荷の合計が越えないように設定したことを特徴とするハイブリッド式建設機械が提供される。

さらに、エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプからの油圧により駆動される油圧アクチュエータと、前記エンジンの駆動をアシストする電動機と、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機とを有するハイブリッド式建設機械であって、前記エンジンへの負荷の大きさに応じて、前記エンジンの回転数を可変し、前記エンジンへの要求負荷が低減すると、前記発電機により発電を行なうことで前記エンジンを減速し、前記エンジンへの要求負荷が増大すると、前記電動機を駆動して前記エンジンをアシストすることにより前記エンジンを加速し、前記電動機に電力を供給し、且つ電気負荷に電力を供給する蓄電器をさらに有し、前記油圧アクチュエータに供給すべき出力と前記電気負荷に供給すべき出力とを合算して得られる総合出力が所定の閾値以下の場合に、前記電動機の出力を主動力として前記油圧ポンプを駆動し、該総合出力が該所定の閾値より大きい場合は、前記エンジンの出力を主動力として前記油圧ポンプを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械が提供される。

本発明の一実施形態によれば、コモンシール方式のような低回転数時でも高回転数時でも燃料消費率の低い燃料消費率マップを有するエンジンにおいて、エンジンの負荷状況によってエンジン回転数を可変してエンジンを効率的に駆動し、低負荷時でも高負荷時でも燃料消費率の向上を図ることができる。

また、本発明の他の実施態様によれば、燃料消費率の良い高負荷時にはエンジンを駆動してエンジンの出力を用い、低負荷時にはエンジンの出力を使用せずに電動発電機の出力のみを用いて油圧ポンプを駆動することができる。したがって、エンジンを燃料消費率の良い高負荷で駆動し、燃料消費率の悪い低負荷時には、エンジンには回転数を維持するためにだけ燃料が供給され、燃料消費を抑制することができる。これにより、既存のエンジン制御を大きく変更することなく、エンジンの燃料消費率を向上させることができる。

ハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。 図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの駆動系の構成を表すブロック図である。 図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの動力系をモデル化して示す図である。 第１の実施形態によるエンジンの駆動制御処理のフローチャートである。 第１の実施形態によるエンジンの駆動制御処理を行なう際のエンジンの状態を示す等燃費線図である。 第２の実施形態によるエンジンの駆動制御処理を行なう際のエンジンの状態を示す等燃費線図である。 回転数を基準トルク線に沿って変化させる際の制御処理を説明するための図である。 第２の実施形態によるエンジンの駆動制御処理のフローチャートである。 第３の実施形態によるエンジンの駆動制御処理のフローチャートである。 第３の実施形態によるエンジンの駆動制御の概念を示す図である。 油圧負荷出力要求と電気負荷出力要求とそれらを合算した総合出力要求の時間変化を示すグラフである。 図１１における総合出力のグラフ中に閾値を示すグラフである。 油圧負荷出力要求、モータ負荷出力要求、バッテリ出力要求、及びそれらを合算した総合出力要求の時間的変化を示すグラフである。 総合出力要求が閾値以下の場合において、電動発電機の出力、バッテリの出力、及びエンジンの出力状態を示す表である。 総合出力要求が閾値より大きい場合において、電動発電機の出力、バッテリの出力、及びエンジンの出力状態を示す表である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明が適用されるハイブリッド式建設機械の一例としてハイブリッド式油圧ショベルについて説明する。

図１はハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。ハイブリッド式油圧ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３からブーム４が延在し、ブーム４の先端にアーム５が接続される。さらに、アーム５の先端にバケット６が接続される。ブーム４、アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３には、キャビン１０及び動力源（図示せず）が搭載される。

図２は、図１に示すハイブリッド式油圧ショベルの駆動系の構成を表すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は一点鎖線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、ともに増力機としての減速機１３の入力軸に接続されている。減速機１３の出力軸には、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。ここで、減速機を用いず、エンジン１１と電動発電機１２とを直接接続するようにしてもよい。

コントロールバルブ１７は、油圧系の制御を行う制御装置である。コントロールバルブ１７には、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８を介して蓄電器としてのバッテリ１９が接続されている。バッテリ１９には、インバータ２０を介して旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１はハイブリッド式油圧ショベルにおける電気負荷である。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４が接続される。パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。操作装置２６には、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及びレバー操作検出部としての圧力センサ２９がそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

以上の構成を有するハイブリッド式油圧ショベルは、エンジン１１、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１を動力源とするハイブリッド型の建設機械である。これらの動力源は、図１に示す上部旋回体３に搭載される。以下、各部について説明する。

エンジン１１は、例えば、ディーゼルエンジンで構成される内燃機関であり、その出力軸は減速機１３の一方の入力軸に接続される。エンジン１１は、建設機械の運転中は常時運転される。

電動発電機１２は、力行運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよい。ここでは、電動発電機１２として、インバータ１８によって駆動される電動発電機を示す。この電動発電機１２は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたＩＰＭ(Interior Permanent Magnetic)モータで構成することができる。電動発電機１２の回転軸は減速機１３の他方の入力軸に接続される。なお、本実施形態では力行運転及び発電運転の双方が可能な電動発電機１２を用いているが、力行運転を行なう電動機と発電運転を行なう発電機とを減速機を介してエンジン１１に接続することとしてもよい。また、電動発電機１２をエンジン１１に直接接続してもよい。

減速機１３は、２つの入力軸と１つの出力軸を有する。２つの入力軸には、エンジン１１の駆動軸と電動発電機１２の駆動軸がそれぞれ接続される。また、出力軸にはメインポンプ１４の駆動軸が接続される。電動発電機１２の力行運転と発電運転の切り替えは、コントローラ３０により、エンジン１１の負荷等に応じて行われる。また、メインポンプ１４は電動発電機１２に直接接続してもよい。

メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７に供給するための油圧を発生する油圧ポンプである。メインポンプ１４で発生した油圧は、コントロールバルブ１７を介して油圧負荷である油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々を駆動するために供給される。パイロットポンプ１５は、油圧操作系に必要なパイロット圧を発生するポンプである。

コントロールバルブ１７は、高圧油圧ラインを介して接続される下部走行体１用の油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９の各々に供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御することにより、これらを油圧駆動制御する油圧制御装置である。

インバータ１８は、上述の如く電動発電機１２とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、電動発電機１２の運転制御を行う。これにより、インバータ１８が電動発電機１２の電動運転を運転制御している際には、必要な電力をバッテリ１９から電動発電機１２に供給する。また、電動発電機１２の発電運転を制御している際には、電動発電機１２により発電された電力をバッテリ１９に充電する。

蓄電器であるバッテリ１９は、インバータ１８とインバータ２０との間に配設されている。これにより、電動発電機１２と旋回用電動機２１の少なくともどちらか一方が力行運転を行っている際には、力行運転に必要な電力を供給するとともに、また、少なくともどちらか一方が発電運転又は回生運転を行っている際には、発電運転又は回生運転によって発生した電力を電気エネルギーとして蓄積するための電源である。バッテリ１９としてキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を用いることができるが、キャパシタに限定されず、繰り返し充放電可能な電池であればどのような電池であってもよい。

インバータ２０は、上述の如く旋回用電動機２１とバッテリ１９との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、旋回用電動機２１が力行運転している際には、必要な電力がバッテリ１９から旋回用電動機２１に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力がバッテリ１９に充電される。ここで、図２では電動機を旋回用電動機２１として使用しているが、旋回用以外にも使用することが可能であり、さらに、バッテリ１９に複数の電動機を接続して制御することも可能である。また、インバータ１８，インバータ２０とバッテリ１９との間に、バッテリ１９の電圧を安定させるためにＤＣ−ＤＣコンバータが設けられてもよい。

旋回用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力の回転力が減速機２４にて増幅され、上部旋回体３は加減速制御されながら回転運動を行う。また、上部旋回体３の慣性回転により、減速機２４にて回転数が増大されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１として、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機を示す。この旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。

操作装置２６は、ハイブリッド式油圧ショベルの運転者が、旋回用電動機２１、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための入力装置であり、レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａは、旋回用電動機２１及びアーム５を操作するためのレバーであり、上部旋回体３の運転席近傍に設けられる。レバー２６Ｂは、ブーム４及びバケット６を操作するためのレバーであり、運転席近傍に設けられる。また、ペダル２６Ｃは、下部走行体１を操作するための一対のペダルであり、運転席の足下に設けられる。

操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。

レバー２６Ａ及び２６Ｂとペダル２６Ｃの各々が操作されると、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７が駆動され、これにより、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９内の油圧が制御されることによって、下部走行体１、ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される。

なお、油圧ライン２７は、油圧モータ１Ａ及び１Ｂを操作するために２本ずつ（すなわち合計４本）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９をそれぞれ操作するために２本ずつ（すなわち合計６本）設けられるため、実際には全部で８本あるが、説明の便宜上、１本の油圧ラインとして示されている。

レバー操作検出部としての圧力センサ２９では、レバー２６Ａの旋回操作による、油圧ライン２８内の油圧の変化が圧力センサ２９で検出される。圧力センサ２９は、油圧ライン２８内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ３０に入力される。これにより、レバー２６Ａの旋回操作量を的確に把握することができる。また、本実施の形態では、レバー操作検出部として圧力センサを用いたが、レバー２６Ａの旋回操作量をそのまま電気信号で読み取るセンサを用いてもよい。

コントローラ３０は、ハイブリッド式油圧ショベルの駆動制御を行う制御装置であり、エンジン制御部３２，及び駆動制御装置４０を含む。エンジン制御部３２はエンジン運転時の目標回転数の設定や、回転数を維持するための燃料噴射量の制御を行なう。

駆動制御装置４０は圧力センサ２９，インバータ１８，２０及びレゾルバ２８等からの信号に基づいて旋回用電動機２１、電動発電機１２及びメインポンプ１４の出力制御を行なう。また、メインポンプ１４による負荷と電気負荷の掲載を行なう。

次に、本発明の第１の実施形態によるハイブリッド式建設機械の駆動制御について、上述のハイブリッド式油圧ショベルの駆動制御を例にとって説明する。

図３は上述のハイブリッド式油圧ショベルの動力系をモデル化して示す図である。図３のモデル図において、油圧負荷５４は油圧により駆動される構成部品に相当し、上述のブームシリンダ７、アームシリンダ８、パケットシリンダ９、油圧モータ１Ａ，１Ｂを含む。ただし、油圧を発生させるための負荷として考えた場合、油圧負荷５４は、油圧を発生させる油圧ポンプとしてのメインポンプ１４に相当する。電気負荷５６は電動モータや電動アクチュエータ等のように電力で駆動される構成部品に相当し、上述の旋回用電動機２１を含む。本実施形態ではバッテリ１９としてキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を用いることとする。

ここで、エンジン１１は、低回転数から高回転数までの全領域において噴射圧を一様な高い噴射圧とできるような噴射可能領域を有しているエンジンである。そのような噴射可能領域において、低回転数時にも例えば高回転数時と同様な高噴射圧とすることにより、低回転数から高回転数までの回転数領域において、限界トルク線Ｍに沿った高トルク領域で燃料消費率を低く維持できる燃料消費特性を得ることができる。ここで、限界トルク線Ｍとは、エンジン１１が出し得る性能を示す最大トルクである。

油圧負荷５４には、油圧を発生する油圧ポンプ（上述のメインポンプ１４）で発生した油圧が供給される。エンジン１１はこの油圧ポンプに動力を供給して駆動する。すなわち、エンジン１１が発生した動力は油圧ポンプにより油圧に変換されて油圧負荷５４に供給される。

電気負荷５６にはバッテリ１９から電力が供給され駆動される。電気負荷５６が駆動されている場合を力行運転と称する。電気負荷５６は、例えば電動機兼発電機のように回生電力を発生することができるもので、発生した回生電力はバッテリ１９に供給されて蓄積されるか、あるいはアシストモータ１２に供給されてアシストモータ１２を駆動する電力となる。

バッテリ１９は、上述のように電気負荷５６からの回生電力により充電される。また、アシストモータ１２がエンジン１１からの動力を受けて発電機として機能した場合、アシストモータ１２が発生した電力をバッテリ１９に供給して充電することもできる。

本発明の第１の実施形態によるエンジンの駆動制御によれば、エンジン１１への負荷の大きさに応じてエンジン１１の回転数が可変される。低負荷時にエンジン１１の回転数を低減する際には、電動発電機１２（アシストモータ）を発電運転して発電を行なうことでエンジン１１を減速する。すなわち、低負荷時にエンジン１１の回転数を下げるときの減速に必要なトルクは、電動発電機１２を発電運転することで発生させる。一方、高負荷時にエンジン１１の回転数を増大する際には、電動発電機１２を力行運転してエンジン１１をアシストすることによりエンジン１１を加速する。すなわち、高負荷時にエンジン１１の回転数を上げるときの加速に必要なトルクは、電動発電機１２を力行運転することで発生させる。

図４は本発明の第１の実施形態によるエンジンの駆動制御処理のフローチャートである。

まず、エンジン１１の現在の回転数に対する負荷の具合を算出し、ステップＳ１において、低負荷かどうか、高負荷が加わっているかどうかを判定する。具体的にはアイドリング時、旋回駆動部の回生運動時、及びブーム下げ運動時が低負荷である場合に相当する。また、複数の駆動部に同時に負荷が加わる場合に高負荷となり、単一の駆動部に負荷が加わっている場合には中負荷と判定される。

通常の負荷（中負荷）であるか、低負荷であるか、高負荷であるかの判断の基準はハイブリッド式油圧ショベルの設計事項に基づいて任意に決定しておくことができる。ハイブリッド式油圧ショベルの運転状況や作業環境に応じて随時変更することとしてもよい。

ステップＳ１においてエンジン１１の負荷が通常の負荷であると判定された場合は、処理はステップＳ２に進み、エンジン１１の回転数をそのまま維持する。本実施形態では通常の負荷の際にエンジン１１の回転数を所定の通常回転数に維持するようにエンジン１１が制御されている。通常の負荷の範囲内でエンジン１１への負荷が変動しても、この通常の回転数を一定に維持するようにエンジン１１の出力トルクが調整される。

ステップＳ１においてエンジン１１の負荷が低負荷であると判定された場合は、処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、エンジン１１の回転数が減少するようにエンジン１１の駆動を制御する。ここで、エンジン１１の出力はエンジン回転数とエンジントルクとで決定される。したがって、エンジン回転数を減少させることで、エンジン出力を小さくし、エンジン負荷を減少させることができる。このため、本実施形態では、電動発電機１２を発電運転してエンジン１１の出力トルクを発電に使用することで、回転数を減少させている。電動発電機１２の発電運転により発生した電力はバッテリ１９に供給されてバッテリ１９の充電に用いられるが、旋回用電動機２１等の他の電気負荷に供給されて消費されてもよい。

次に、ステップＳ４において、エンジン１１の回転数が所定の低回転数まで下がったか否かが判定される。エンジン１１の回転が所定の低回転数に下がっていないと判定された場合は、処理はステップＳ３に戻ってエンジンの回転数を下げる処理を続ける。この所定の低回転数は、エンジン１１の特性に基づいて任意の値に設定することができる。所定の低回転数は、予め設定した固定の回転数でもよく、ハイブリッド式油圧ショベルの運転状況や作業環境に応じて随時変更することとしてもよい。所定の低回転数は、エンジン１１を燃料消費率が高い条件で運転できるような回転数であればよい。

ステップＳ４においてエンジン１１の回転数が所定の低回転数まで下がったと判定された場合、処理はステップＳ５に進み、電動発電機１２の発電運転を停止する。以上の制御処理により、同じエンジン出力（低出力状態）を維持しながら、エンジン１１の回転数を予め定められた低回転数まで下げることができる。

一方、ステップＳ１においてエンジン１１の負荷が高負荷であると判定された場合は、処理はステップＳ６に進む。ステップＳ６では、エンジン１１の回転数が上昇するようにエンジン１１の駆動を制御する。ここで、エンジン１１の出力はエンジン回転数とエンジントルクとで決定される。したがって、エンジン回転数を増大させることで、エンジン出力を大きくし、エンジン負荷を増大させることができる。このため、本実施形態では、電動発電機１２を力行運転してエンジン１１をアシストすることでエンジン１１の回転数を増大させている。電動発電機１２の力行運転に必要な電力はバッテリ１９から供給されるが、旋回用電動機２１等の他の電気負荷からの回生電力を用いてもよい。

次に、ステップＳ７において、エンジン１１の回転数が所定の高い回転数まで上がったか否かが判定される。エンジン１１の回転が所定の高い回転数に上がっていないと判定された場合は、処理はステップＳ６に戻ってエンジンの回転数を上げる処理を続ける。この所定の高い回転数は、エンジン１１の特性に基づいて任意の値に設定することができる。所定の高回転数は、予め設定した固定の回転数でもよく、ハイブリッド式油圧ショベルの運転状況や作業環境に応じて随時変更することとしてもよい。所定の高回転数は、エンジン１１を燃料消費率が高い条件で運転できるような回転数であればよい。

ステップＳ７においてエンジン１１の回転数が所定の高回転数まで上がったと判定された場合、処理はステップＳ８に進み、電動発電機１２の力行運転を停止する。以上の制御処理により、同じエンジン出力（高出力状態）を維持しながら、エンジン１１の回転数を予め定められた高回転数まで上げることができる。

上述のエンジン駆動制御処理について、図５の等燃費線図を参照しながらさらに説明する。

図５の等燃費線図において、エンジン１１の通常の負荷時に維持される回転数が回転数Ｎとして示されている。また、高負荷時の所定の高回転数が回転数Ｈとして示され、低負荷時の所定の低回転数が回転数Ｌとして示されている。図５の等燃費線図の縦軸はエンジントルクを表しており、等出力線が点線で示されている。等燃費線は太い実線で示されている。さらに、エンジン１１が出し得る性能を示す最大トルク線はＭとして示されている。

ここで、図５の等燃費線図は、低回転数から高回転数までの回転数領域において、限界トルク線Ｍに沿った高トルク領域で燃料消費率を低く維持できる燃料消費特性を示す図である。図５には、回転数の影響を受けない帯状の燃料消費特性が示されている。

上述のエンジン駆動制御処理において、高負荷時にエンジン１１の回転数を増大する処理（ステップＳ６〜Ｓ８）では、例えば、通常の負荷から高負荷に移行したときの回転数の増大及びエンジントルクの減少が、点Ａから点Ｂに移行することで表されている。点Ａでのエンジン１１の運転状況は、通常の回転数Ｎで運転していたところに、例えば急激に油圧負荷が増大してエンジン１１への負荷が増大し、通常の出力範囲を大きく超えてしまったという状況である。このときにエンジン１１の回転数を一定（回転数Ｎ）に維持する場合は、エンジン１１の出力上限を超える要求に対して、エンジン１１の出力の不足分を電動発電機１２がアシストして点Ｘ（１３０ｋＷ）の出力状態を維持する。しかし、この場合には、エンジン１１の燃料消費率は悪化してしまう。また、高い出力要求が連続する場合には、いずれバッテリ電力が不足することになる。そこで、本実施形態では、エンジン１１の回転数を一定に維持することを解除し、電動発電機１２でアシストしながらエンジン１１の回転数が回転数Ｈとなるまで増大させる。すなわち、電動発電機１２（アシストモータ）を力行運転することにより、エンジン１１を加速するためのトルクを供給する。この処理が上述のステップＳ６〜Ｓ８の処理となる。

エンジン１１の回転数が回転数Ｈとなったら、回転数を一定に維持する制御を再開し、回転数を一定（回転数Ｈ）に維持する。エンジン１１の出力はエンジントルクにエンジン回転数を掛け合わせた値で表されるから、点Ｂにおいては、点Ａより回転数が高くなった分だけエンジントルクは減少する。これにより、エンジン１１の運転状況は点Ａ（１２０ｋＷ）から点Ｂ（１３０ｋＷ）に移行し、出力を上げつつ燃料消費率を向上させる。

一方、上述のエンジン駆動制御処理において、低負荷時にエンジン１１の回転数を減少する処理（ステップＳ３〜Ｓ５）では、例えば、高負荷から低負荷に移行したときの回転数の減少及びエンジントルクの増大が、点Ｃから点Ｄに移行することで表されている。点Ｃでのエンジン１１の運転状況は、高負荷時の回転数Ｈで運転していたところに、例えば急激に油圧負荷が減少してエンジン１１への負荷が減少してしまったという状況である。このときにエンジン１１の回転数を一定（回転数Ｈ）に維持する場合は、エンジン１１の出力の余剰分を電動発電機１２が発電運転して消費することで点Ｙ（７３ｋＷ）の出力状態を維持する。しかし、この場合には、エンジン１１の消費効率は出力低下しているのにもかかわらず悪化してしまう。そこで、本実施形態では、エンジン１１の回転数を一定に維持することを解除し、電動発電機１２で発電運転しながらエンジン１１の回転数が回転数Ｌとなるまで減少させる。すなわち、電動発電機１２（アシストモータ）を発電運転することにより、エンジン１１を減速するためのトルクを吸収する。この処理が上述のステップＳ３〜Ｓ５の処理となる。

エンジン１１の回転数が回転数Ｌとなったら、回転数を一定に維持する制御を再開し、回転数を一定（回転数Ｌ）に維持する。エンジン１１の出力はエンジントルクにエンジン回転数を掛け合わせた値で表されるから、点Ｄにおいては、点Ｃより回転数が低くなった分だけエンジン出力は減少する。これにより、エンジン１１の燃料消費率は点Ｃ（８０ｋＷ）から点Ｄ（７０ｋＷ）に移行し、出力を下げつつ燃料消費率が向上させる。

以上のように、上述の実施形態では、エンジン１１への負荷の大きさに応じてエンジン１１の回転数を可変する。低負荷となった時にエンジン１１の回転数を低減する際には、電動発電機１２を発電運転して発電を行なうことでエンジン１１を減速する。一方、高負荷になった時にエンジン１１の回転数を増大する際には、電動発電機１２を力行運転してエンジン１１をアシストすることによりエンジン１１を加速する。これにより、低負荷時においても高負荷時においても、エンジン１１の燃料消費率を向上することができる。さらに、限界トルク線を越えないように最大油圧負荷を設定しているため、エンジン１１の出力を超えた油圧負荷が加わることがなく、過剰負荷を電動発電機１２で補う必要がなくなる。このため、エンジン１１からメインポンプ１４（油圧ポンプ）へ動力を伝達するだけで、油圧負荷の要求に対応することができる。さらに、電動発電機１２はエンジン回転数を増大させる分だけのアシスト運転を行うだけでよい。したがって、電動発電機１２がアシスト運転する際の電気的エネルギー損失や、ギアにおける機械的なエネルギー損失を低減することができる。

また、エンジン回転数の低回転と高回転を切り替える際の応答性やエンジン出力が安定する。さらに、高負荷がかかった際には、加速分をアシストすることによって、エンジン回転数を安定して増加させることが可能になり、負荷分は主にエンジン１１から出力することで、電動発電機１２を駆動するためのバッテリの小容量化、省スペース化を図ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態によるハイブリッド式建設機械の駆動制御について、上述のハイブリッド式油圧ショベルの駆動制御を例にとって説明する。

本発明の第２の実施形態によるエンジンの駆動制御では、上述の第１の実施形態と同様に、エンジン１１への負荷の大きさに応じてエンジン１１の回転数が可変される。また、等燃費特性についても同様に、限界トルク線Ｍに沿った高トルク領域で燃料消費率を低く維持することができる燃料消費特性を有する。低負荷時にエンジン１１の回転数を低減する際には、電動発電機１２（アシストモータ）を発電運転して発電を行なうことでエンジン１１を減速する。すなわち、低負荷時にエンジン１１の回転数を下げるときの減速に必要なトルクは、電動発電機１２を発電運転することで発生させる。一方、高負荷時にエンジン１１の回転数を増大する際には、電動発電機１２を力行運転してエンジン１１をアシストすることによりエンジン１１を加速する。すなわち、高負荷時にエンジン１１の回転数を上げるときの加速に必要なトルクは、電動発電機１２を力行運転することで発生させる。

本発明の第２の実施形態によるエンジンの駆動制御では、エンジン１１の回転数の可変範囲が決められており、エンジン１１の回転数は可変範囲内で随時適切な回転数に設定される。可変範囲は所定の下限値と所定の上限値との間の範囲であり、可変範囲内では、エンジン１１の回転数は基準トルク線に沿った値に設定される。基準トルク線とは、等燃費線図において、同じトルクを発生する際にエンジン１１の燃料消費率がなるべく良くなるようなエンジン回転数を結んだ線である。

ここで、基準トルク線について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６の等燃費線図において、エンジン１１の回転数の下限値が回転数Ｌとして示され、上限値が回転数Ｈとして示されている。エンジン１１の回転数は、回転数Ｌと回転数Ｈの間で任意の適切な値となるように制御される。図６の等燃費線図の縦軸はエンジントルクを表しており、等出力線が点線で示されている。等燃費線は太い実線で示されている。また、基準トルク線Ｔｒは太い一点鎖線で示されている。

基準トルク線Ｔｒは、図６の等燃費線図において、トルクが最大値に近い領域において燃料消費率がなるべく良くなるような点を結んだ連続線として定義される。言い換えれば、基準トルク線Ｔｒは、回転数が変化した際に、その回転数でのトルクの最大値に近い領域において良好な燃料消費率が得られる点を結んだ線であり、低燃費領域に基づいて設定される。

エンジン１１のトルクが小さいとき、すなわち、図６の等燃費線図において、基準トルク線Ｔｒより小さいトルクを出力するときには、回転数は下限値である回転数Ｌに設定されており、エンジン１１が出力すべきトルクが上昇しても回転数は一定（回転数Ｌ）に維持される。すなわち、エンジン１１の運転状態は図６の矢印Ｘに沿って変化する。エンジン１１が出力すべきトルクが上昇して基準トルク線Ｔｒを越えると、回転数を可変にしてエンジン１１の運転が制御される。具体的には、回転数が基準トルク線Ｔｒに沿って矢印Ｙの方向に変化するようにエンジン１１の運転が制御される。

図７は回転数を基準トルク線Ｔｒに沿って変化させる際の制御処理を説明するための図であり、図６の等燃費線図の一部を示している。基準トルク線Ｔｒを中心としてトルクの大きい側に上限トルク線Ｔｍａｘが設定され、小さい側に下限トルク線Ｔｍｉｎが設定される。上限トルク線Ｔｍａｘより上の領域ではエンジン１１への負荷は高負荷であり、下限トルク線Ｔｍｉｎより下の領域ではエンジン１１への負荷は低負荷であると判断できる。基準トルク線Ｔｒにおける回転数及びトルクで運転していたエンジン１１に（図７における点Ａの状態）、より大きなトルクの出力が要求された場合（エンジン負荷が増大した場合）、まずその時の回転数を維持しながら出力トルクが増大するようにエンジン１１の制御が行なわれる。このとき、図７における等燃費線図において、エンジン１１の運転状態は、回転数が一定でトルクが上昇する方向に変化する。すなわち、図７において点Ａから上方に向かって矢印ａの方向に運転状態が変化する。

回転数一定でトルクを上昇していき、トルクがΔｔ１だけ上昇して上限トルク線Ｔｍａｘに達すると（図７における点Ｂの状態となる）、それまで一定に維持してきた回転数を増大する制御が行なわれる。このとき回転数は所定の回転数Δｒだけ増大させる。この回転数の増大は図７において矢印ｂで示される。このときの回転数の増大は、回転数Δｒに相当する分だけ電動発電機１２（アシストモータ）を力行運転してエンジン１１をアシストすることで行なわれる。

エンジン１１の回転数をΔｒだけ増大させると、それに伴い出力も増大し、エンジン１１の運転状態は点Ｃに移る。ここで、現在エンジン１１に要求されているトルクは点Ｂにおけるトルクであり、点Ｃにおける回転数にすることにより、点Ｃにおけるトルクを低減し、点Ｂにおける出力と等しくなるように制御が行なわれる。すなわち、点Ｃの状態から矢印ｃで示すようにエンジンにかかるトルクがΔｔ２だけ小さくすることができる。この制御の結果、エンジン１１の運転状態は点Ｃから点Ｄに変化する。点Ｂと点Ｄは同じ出力の点であり、点Ｄは点Ｂから等出力線に沿って移動した点となる。したがって、点Ｄは点Ｂを通る等出力線と基準トルク線Ｔｒとの交点である。

点Ｂ（すなわち点Ｄ）における出力が要求される出力であれば、エンジン１１の回転数は点Ａでの回転数からΔｒだけ増大した回転数、すなわち点Ｄにおける回転数で維持される。より大きなトルクが要求されると、点Ｄから始めて、上述の点Ａ〜点Ｄまでの制御と同じように運転状態が制御され、エンジン１１の回転数はより高い回転数になるように制御される。

以上のように、エンジン１１に高負荷がかかって出力トルクを増大する際には、基準トルク線Ｔｒからのトルク偏差分Δｔに相当するエンジン回転数の増大分Δｒを求め、エンジン１１の目標回転数を現在の回転数ＲにΔｒを加えた値（Ｒ＋Δｒ）に更新する。そして、エンジン１１の回転数が更新した目標回転数（Ｒ＋Δｒ）になるように、電動発電機１２（アシストモータ）に力行運転指令を出す。これにより、エンジン１１の回転数を増大させて出力を増大させながら、基準トルク線Ｔｒに沿った燃料消費率を達成することができる。

エンジン１１の負荷が下がった場合には、上述の制御と逆の制御を行なえばよい。すなわち、エンジン１１の負荷が高負荷から下がった場合には、まず、現在の回転数を維持しながらトルクが低減し、トルクがΔｔ１だけ小さくなって下限トルク線Ｔｍｉｎに達すると（図７における点Ｆの状態となる）、それまで一定に維持してきた回転数を低減する制御が行なわれる。このとき回転数は所定の回転数Δｒだけ低減させる。この回転数の低減は図７において矢印ｆで示される。このときの回転数の低減は、回転数Δｒに相当する分だけ電動発電機１２（アシストモータ）を発電運転してエンジン１１に負荷を与えることで行なわれる。

エンジン１１の回転数をΔｒだけ低減させると、それに伴い出力も低減し、エンジン１１の運転状態は点Ｇに移る。ここで、現在エンジン１１に要求されている出力は点Ｆにおける出力であり、点Ｇにおけるトルクでは小さ過ぎる。そこで、点Ｇにおける回転数を維持したままトルクを増大して点Ｆにおける出力に等しくなるようにエンジン１１の制御が行なわれる。すなわち、点Ｇの状態から矢印ｇで示すようにトルクがΔｔ２だけ大きくなるようにエンジン１１の制御が行なわれる。この制御の結果、エンジン１１の運転状態は点Ｇから点Ｄに変化する。点Ｆと点Ｄは同じ出力の点であり、点Ｄは点Ｆから等出力線に沿って移動した点となる。したがって、点Ｄは点Ｆを通る等出力線と基準トルク線Ｔｒとの交点である。

点Ｆ（すなわち点Ｄ）におけるトルクが要求されるトルクであれば、エンジン１１の回転数は点Ｆでの回転数からΔｒだけ低減した回転数、すなわち点Ｄにおける回転数で維持される。より小さなトルクが要求されると、点Ｄから始めて、上述の点Ｅ〜点Ｄまでの制御と同じように運転状態が制御され、エンジン１１の回転数はより低い回転数になるように制御される。

以上のように、エンジン１１への負荷が減少して出力トルクを低減する際には、基準トルク線Ｔｒからのトルク偏差分Δｔに相当するエンジン回転数の低減分Δｒを求め、エンジン１１の目標回転数を現在の回転数ＲからΔｒを減じた値（Ｒ−Δｒ）に更新する。そして、エンジン１１の回転数が更新した目標回転数（Ｒ−Δｒ）になるように、電動発電機１２（アシストモータ）に発電運転指令を出す。これにより、エンジン１１の回転数を低減させてトルクを低減させながら、基準トルク線Ｔｒに沿った燃料消費率を達成することができる。さらに、限界トルク線Ｍを超えないように最大油圧負荷を設定しているため、エンジン１１の出力を超えた油圧負荷が加わることがなく、過剰負荷を電動発電機１２で補う必要がなくなる。このため、エンジン１１からメインポンプ１４（油圧ポンプ）へ動力を伝達するだけで、油圧負荷の要求に対応することができる。さらに、電動発電機１２はエンジン回転数を増大させる分だけのアシスト運転を行なうだけでよい。したがって、電動発電機１２がアシスト運転する際の電気的エネルギ損失や、ギアにおける機械的なエネルギー損失を低減することができる。

図８は本発明の第２の実施形態によるエンジンの駆動制御処理のフローチャートである。

まず、ステップＳ１１において、要求される負荷を算出し、現在のエンジン回転数における出力すべきトルクを求める。次に、ステップＳ１２において、現在のエンジン回転数におけるトルクと、出力すべきトルクとの偏差Δｔを算出する。ここで、現在の出力トルクは基準トルク線Ｔｒ上のトルクである。

続いて、処理はステップＳ１３に進み、ステップＳ１１で算出した負荷が低負荷であるか、中負荷であるか、高負荷であるかを判定する。低負荷とは、ステップＳ１２で算出したΔｔが、基準トルク線Ｔｒと下限トルク線Ｔｍｉｎとの差に等しいかそれより大きい場合のことである。中負荷とは、ステップＳ１２で算出したΔｔが、基準トルク線Ｔｒと下限トルク線Ｔｍｉｎとの差より小さいか、基準トルク線Ｔｒと上限トルク線Ｔｍａｘとの差より小さい場合のことである。高負荷とは、ステップＳ１２で算出したΔｔが、基準トルク線Ｔｒと上限トルク線Ｔｍａｘとの差に等しいかそれより大きい場合のことである。

ステップＳ１３において、低負荷であると判定されると、処理はステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、トルク偏差Δｔに基づいて低減すべきエンジン１１の回転数Δｒを算出する。そして、ステップＳ１５において、エンジン１１の目標回転数を、現在の回転数Ｒから回転数Δｒを減じた値（Ｒ−Δｒ）に変更する。続いて、ステップＳ１６において、メインポンプ１４（油圧ポンプ）の出力を補正する。すなわち、回転数を低減するためにメインポンプ１４の出力が小さくなる分だけメインポンプの出力を補正して、メインポンプ１４の出力が一定となるようにポンプ馬力を設定する。次に、ステップＳ１７において、電動発電機１２（アシストモータ）を発電運転させるためのアシストモータトルク指令を電動発電機１２に出力し、処理を終了する。このアシストモータトルク指令により、電動発電機１２（アシストモータ）が発電運転を行なうことで、エンジン１１に負荷を与え、これによりエンジン１１の回転数が目標値（Ｒ−Δｒ）となる。

ステップＳ１３において、中負荷であると判定されると、処理はステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、エンジン１１の回転数を現在の回転数に維持する制御が行なわれる。すなわち、トルクの変化分がトルク偏差Δｔ以内であるので、回転数を一定に維持したまま出力トルクを低減あるいは増大する。

一方、ステップＳ１３において、高負荷であると判定されると、処理はステップＳ１９に進む。ステップＳ１９では、トルク偏差Δｔに基づいて増大すべきエンジン１１の回転数Δｒを算出する。そして、ステップＳ２０において、エンジン１１の目標回転数を、現在の回転数Ｒに回転数Δｒを加えた値（Ｒ＋Δｒ）に変更する。続いて、ステップＳ２１において、メインポンプ１４（油圧ポンプ）の出力を補正する。すなわち、回転数を増大するためにメインポンプ１４の出力が大きくなる分だけメインポンプ１４の出力を補正して、メインポンプ１４の出力が一定となるようにポンプ馬力を設定する。次に、ステップＳ２２において、電動発電機１２（アシストモータ）を力行運転させるためのアシストモータトルク指令を電動発電機１２に出力し、処理を終了する。このアシストモータトルク指令により、電動発電機１２（アシストモータ）が力行運転を行なうことで、エンジン１１をアシストし、これによりエンジン１１の回転数が目標値（Ｒ＋Δｒ）となる。

以上のように、本実施形態によれば、エンジン１１の回転数を所定の範囲内で基準トルク線Ｔｒに沿って任意の回転数に制御しながら、燃料消費率がなるべく高くなる条件でエンジン１１を運転することができる。また、トルクが基準トルク線を中心にした所定の範囲を越えたときに回転数を可変制御して、燃料消費率がなるべく高くなる条件でエンジン１１を運転することができる。

次に、本発明の第３の実施形態によるハイブリッド式建設機械の駆動制御について、上述のハイブリッド式油圧ショベルの駆動制御を例にとって説明する。

本発明の第３の実施形態によるエンジンの駆動制御は、エンジン１１への負荷が中負荷及び高負荷の際には、上述の第２の実施形態により駆動制御と同じであるが、エンジン１１への負荷が非常に小さい場合に電動発電機１２の出力だけでエンジン１１を駆動する点が異なる。以下、第３の実施形態によるハイブリッド式建設機械の駆動制御について、上述の第２の実施形態によるハイブリッド式建設機械の駆動制御と相違する部分を中心にして説明する。

図９は本発明の第３の実施形態によるエンジンの駆動制御処理のフローチャートである。図９において、図８に示すステップと同じステップには同じステップ番号を付し、その説明は適宜省略する。

図９において、負荷推定から負荷判定までは図８のステップＳ１１〜Ｓ１３の処理と同じである。そして、ステップＳ１３で中負荷と判定された場合は、ステップＳ１８に進んでエンジンの回転数を現在の回転数に維持する制御を行なう。また、ステップＳ１３で高負荷と判定された場合も、ステップＳ１９〜ステップＳ２２までの処理を行ない、電動発電機１２を力行運転させるためのアシストモータトルク指令（加速分のトルク指令）を電動発電機１２に出力する。以上の処理は図８に示す第２の実施形態による駆動制御と同様である。

一方、ステップＳ１３において、低負荷であると判定された場合、本実施形態では、ステップＳ３０に進む。ステップＳ３０では、エンジン１１への負荷が所定の閾値以下であるか否かが判定される。エンジン１１への負荷は、油圧負荷出力用要求と電気負荷出力要求を合算した負荷であり、以下の説明では総合出力要求とも称する。

総合負荷が所定の閾値より大きい場合（すなわち所定の閾値以下ではない場合）は、処理はステップＳ１４に進み、図８に示すステップＳ１４〜ステップＳ１７までの処理が行なわれる。一方、ステップＳ１３において総合出力要求が所定の閾値以下であると判定された場合は、処理はステップＳ３１に進む。ステップＳ３１では、電動発電機１２（アシストモータ）の出力のみで総合出力要求をまかなうように制御を行なう。すなわち、ステップＳ１３において総合出力要求が所定の閾値以下であると判定された場合は、総合出力要求が非常に小さいため（極低負荷）、エンジン１１の出力を用いずに、電動発電機１２の出力のみ（すなわち、バッテリ１９の出力のみ）を用いる。

以下、ステップＳ３０〜ステップＳ３１での制御について詳細に説明する。図１０は本実施形態による駆動制御の概念を示す図である。

まず、制御に用いられるパラメータとして、バッテリ情報、電気負荷出力要求、及び油圧負荷出力要求がある。バッテリ情報は、バッテリ１９の現在の状態を表す情報であり、目標充電率（ＳＯＣ）、現在の充電率（ＳＯＣ）充電時間・放電時間、最大及び最小充電率（ＳＯＣ）等の情報が含まれる。電気負荷出力要求は、電気負荷５６が必要としている電力であり、具体的には本実施形態では旋回用電動機２１を力行運転するための電力である。油圧負荷出力要求は、油圧負荷５４が必要としている出力であり、油圧ポンプであるメインポンプ１４を駆動するために必要とする動力に相当する。

まず、上述の油圧負荷出力要求と電気負荷出力要求は全てエンジン１１からの出力でまかなうものと仮定し、エンジン１１が出力すべき動力を求める。すなわち、油圧負荷出力要求と電気負荷出力要求とを合算して総合出力要求を求める。油圧負荷出力要求と電気負荷出力要求は、建設機械の運転状況によって時間と共に変化する。

図１１は油圧負荷出力要求と電気負荷出力要求とそれらを合算した総合出力要求の時間変化を示すグラフである。図１１において、油圧負荷出力要求は一点鎖線で示され、電気負荷出力要求は点線で示されている。また、油圧負荷出力要求と電気負荷出力要求とそれらを合算した総合出力要求は実線で示されている。

ここで、総合出力要求をエンジン１１の出力でまかなうこととするが、総合出力要求に対する閾値を設定しておき、エンジン１１が出力すべき総合出力要求がこの閾値以下の場合は、エンジン１１の出力を用いずにバッテリ１９の出力でまかなうこととする。すなわち、総合出力要求が閾値以下の場合は、エンジン１１は一定の回転数を維持するためだけに運転される。そして、総合出力要求が閾値以下の場合は、電動発電機１２を力行運転することで油圧ポンプ１４を駆動して油圧負荷出力要求を満たし、且つバッテリ１９からの電力を供給することで電気負荷出力要求を満たすこととする。総合出力要求が閾値以下の場合は、エンジン１１が出力すべき動力が小さいためエンジン１１の燃料消費率が悪い条件であると判断し、あえてエンジン１１の回転数を維持するための運転として、油圧負荷が必要とする出力は全て電動発電機１２の力行運転でまかなうように制御する。

一方、エンジン１１が出力すべき総合出力要求が閾値より大きい場合は、エンジン１１が出すべき出力は十分に大きく、エンジン１１を燃料消費率の良い条件で運転することができると判断し、総合出力要求をすべてエンジン１１からの出力でまかなうこととする。具体的には、油圧負荷出力要求はエンジン１１の出力により油圧ポンプ１１を駆動してまかない、電気負荷要求出力はエンジン１１の出力により電動発電機１２を発電運転することでまかなう。

図１２は上述の閾値を、図１１における総合出力のグラフに書き込んだグラフである。総合出力要求が閾値以下の部分に斜線が施されており、この斜線の部分ではバッテリ１９からの電力により総合出力要求がまかなわれ、総合出力要求が閾値より大きい部分ではエンジン１１の出力で総合出力要求がまかなわれている。

上述の制御は、バッテリ１９に対する充電を考慮していないが、バッテリ１９に充電を行なう場合は、バッテリ１９は電気負荷として作用する。そこで、バッテリ１９への充電も考慮した駆動制御について以下に説明する。

まず、上述の総合出力要求を算出する際に、油圧負荷出力要求と電気負荷出力要求に加えてバッテリ出力要求も合算するものとする。電気負荷には、旋回用電動機２１とバッテリ１９とが含まれるので、旋回用電動機２１が要求する電力をモータ負荷出力要求と称し、バッテリ１９が要求する充電電力をバッテリ出力要求と称する。

図１３は、油圧負荷出力要求、モータ負荷出力要求、バッテリ出力要求、及びそれらを合算した総合出力要求の時間的変化を示すグラフである。建設機械の運転中に刻々と条件が変化する。図１３に示す条件Ａ１〜Ａ７は、総合出力要求が閾値以下の場合であり、条件Ｂ１〜Ｂ７では、総合出力要求が閾値より大きくなっている。

図１４は、条件Ａ１〜Ａ７において、油圧負荷出力要求、モータ負荷出力要求、バッテリ出力要求の状態を示し、且つそのときの電動発電機１２の出力（アシスト出力）、バッテリ１９の出力（バッテリ出力）、エンジン１１の出力状態も示す表である。図１４において○印は出力の要求がある、あるいは出力があることを表し、×印は出力の要求が無い、あるいは出力が無いことを表している。また、アシスト出力の欄における「アシスト」は電動発電機１２が力行運転されてエンジン１１をアシストしていることを表し、「空回り」は電動発電機１２が力行運転も発電運転もしておらず、空回りしていることを表している。

同様に、図１５は、条件Ｂ１〜Ｂ７において、油圧負荷出力要求、モータ負荷出力要求、バッテリ出力要求の状態を示し、且つそのときの電動発電機１２の出力（アシスト出力）、バッテリ１９の出力（バッテリ出力）、エンジン１１の出力状態も示す表である。図１５において○印は出力の要求がある、あるいは出力があることを表し、×印は出力の要求が無い、あるいは出力が無いことを表している。また、アシスト出力の欄における「発電」は電動発電機１２がエンジン１１の出力により発電運転されて電力を発生していることを表し、「空回り」は電動発電機１２が力行運転も発電運転もしておらず、空回りしていることを表している。

例えば、図１３に示す時間ｔ１では条件Ａ３となっており、図１４の条件Ａ３の欄に示すように、油圧負荷出力要求及びモータ負荷出力要求は無く、バッテリ出力要求のみがある。したがって、総合出力要求はバッテリ出力要求に等しい。そして、時間ｔ１では、総合出力要求は閾値以下となっている。このため、エンジン１１は動力を出力せずに一定回転数を維持して運転するように制御され、電動発電機１２は空回りするように制御される。したがってバッテリ出力要求はあるものの、エンジン１１の出力が停止されているので、バッテリへの充電は行なわれず、バッテリ出力要求は無視される。

時間ｔ１に続く時間ｔ２では条件Ｂ３となっており、図１５の条件Ｂ３の欄に示すように、バッテリ出力要求のみからなる総合出力要求が閾値を越えため、エンジン１１の出力が許容され、エンジン１１の出力により電動発電機１２が発電運転される。電動発電機１２により発電された電力はバッテリ１９に供給され、バッテリ１９は充電される。

続いて、時間ｔ３の間は条件Ｂ７となっており、図１５のＢ７の欄に示すように、バッテリ出力要求に加えてモータ負荷出力要求が発生し、バッテリ出力要求とモータ負荷出力要求を合算した総合出力要求が閾値を超えている。したがって、エンジン１１の出力が許容され、エンジン１１の出力により電動発電機１２が発電運転される。電動発電機１２により発電された電力はバッテリ１９に供給されると共に、モータ負荷出力要求を出している旋回用電動機２１にも供給される。

続いて、時間ｔ４では条件Ａ２となっており、図１３に示すようにバッテリ出力要求とモータ負荷出力要求とが減少し、バッテリ出力要求とモータ負荷出力要求とを合算した総合出力要求が閾値以下となっている。したがって、図１４の条件Ａ２の欄に示すように、エンジン１１は一定の回転数を維持するだけで動力を出力しないように制御され、電動発電機１２も空回りするように制御される。したがってバッテリ出力要求はあるものの、エンジン１１の出力が停止されているので、バッテリ１９への充電は行なわれず、バッテリ出力要求は無視される。ただし、モータ負荷出力要求があるので、バッテリ１９から電力が電気負荷である旋回用電動機２１に供給され、旋回用電動機２１は要求したように力行運転される。

続いて、時間ｔ５の間は条件Ａ６となっており、図１３に示すように油圧負荷出力要求が発生し、総合出力要求はバッテリ出力要求と油圧負荷出力要求とを合算したものとなる。ただし、時間ｔ５では、総合出力要求は閾値以下であるため、図１４の条件Ａ６の欄に示すように、エンジン１１は一定の回転数を維持するだけで動力を出力しないように制御される。ただし、油圧負荷出力要求があるので、バッテリ１９から電力が電動発電機１２に供給され、電動発電機１２が力行運転されて油圧モータ１４が駆動される。したがって、油圧モータ１４から油圧が油圧負荷に供給される。すなわち、油圧モータ１４はエンジン１１の出力ではなくバッテリ１９の出力（電力）により駆動される。なお、この場合も、バッテリ出力要求はあるものの、エンジン１１の出力が停止されているので、バッテリ１９への充電は行なわれず、バッテリ出力要求は無視される。

続いて、時間ｔ６の間は条件Ｂ６となっており、油圧負荷出力要求が増大したため総合出力要求が閾値を超えている。したがって、エンジン１１の出力が許容され、エンジン１１の出力により用圧モータ１４が駆動されると共に電動発電機１２が発電運転される。電動発電機１２により発電された電力はバッテリ１９に供給される、バッテリ１９は充電される。

なお、図１３において、ハッチングが施された部分は、エンジン１１からの出力により油圧負荷、あるいは電気負荷の出力要求がまかなわれ、あるいはバッテリ１９に電力が供給されている部分である。一方、クロスハッチングが施された部分は、バッテリ１９の出力により油圧負荷あるいは電気負荷の出力要求がまかなわれている部分である。

なお、本実施の形態では１つの閾値を設けて、エンジン１１のみの出力で総合出力要求に対応させる場合と、電動発電機１２のみの出力で総合出力要求に対応させる場合だけを説明した。しかしながら、複数の閾値を設けて、エンジン１１と電動発電機１２との出力比率を徐々に変えるようにしてもよい。この場合、総合出力要求が小さい場合には電動発電機１２のみの出力で対応する。そして、徐々に総合出力要求が大きくなり第１の閾値に到達すると、電動発電機１２の出力にエンジン１１からの出力を加えていく。その後、総合出力要求が大きくなるにつれて、電動発電機１２に対するエンジン１１の出力の割合を増加させる。そして、電動発電機１２の出力よりもエンジン１１の出力の割合が大きくなり、さらに総合出力要求が増加すると、電動発電機１２からの出力を停止させ、エンジン１１の出力のみで対応するようにしてもよい。このように、エンジン１１若しくは電動発電機１２のみで駆動させるだけでなく、いずれかを主として用いるようにしてもよい。

以上のように、本実施形態では、油圧負荷出力要求、モータ負荷出力要求、及びバッテリ出力要求の有無、及びそれらを合算した総合出力要求と閾値との比較に基づいて、時間の経過により刻々と変わる建設機械の運転状況を判断しながら、燃料消費率の良い高負荷時だけエンジン１１の出力を利用している。これにより、バッテリ１９の充電率を良好な状態に維持しながら、エンジン１１の駆動を制御してエンジン１１の燃料消費率を向上させることができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態のハイブリッド型作業機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

本出願は２００８年６月２７日出願の優先権主張日本特許出願２００８−１６９４７２号、２００８年９月８日出願の優先権主張日本特許出願２００８−２３００００号、及び２００８年９月１８日出願の優先権主張日本特許出願２００８−２３９８５１号に基づくものであり、その全内容はここに援用される。

本発明は、エンジンの駆動を電動機によりアシストするハイブリッド式建設機械に適用可能である。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 走行機構
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ 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 キャビン
１１ エンジン
１２ 電動発電機
１３ 減速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８ インバータ
１９ バッテリ
２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回減速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
３２ エンジン制御部
４０ 駆動制御装置
５４ 油圧負荷
５６ 電気負荷

Claims (17)

1. エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプからの油圧により駆動される油圧アクチュエータと、前記エンジンの駆動をアシストする電動機と、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機とを有するハイブリッド式建設機械であって、
   前記エンジンへの負荷の大きさに応じて、前記エンジンの回転数を可変し、
   前記エンジンへの要求負荷が低減すると、前記発電機により発電を行なうことで前記エンジンを減速し、
   前記エンジンへの要求負荷が増大すると、前記電動機を駆動して前記エンジンをアシストすることにより前記エンジンを加速し、
   前記エンジンの回転数が予め定められた低回転数又は予め定められた高回転数に達するまでは、前記発電機又は前記電動機を駆動し、
   前記エンジンの回転数が前記予め定められた低回転数又は前記予め定められた高回転数に達した後は、前記発電機又は前記電動機の加減速分の出力を停止する
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
2. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械であって、
   前記エンジンの最大定格出力を、前記油圧ポンプの要求負荷が越えないように設定したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
3. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械であって、
   前記エンジンの最大定格出力を、電気負荷と油圧負荷の合計が越えないように設定したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
4. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械であって、
   前記エンジンの等燃費線図における低燃費領域に基づいて基準トルク線を設定し、前記エンジンの回転数が該基準トルク線に対応して変化するように前記エンジンの運転状態を制御することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
5. 請求項４記載のハイブリッド式建設機械であって、
   前記基準トルク線は、燃料消費率が良好な値となるように設定されることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
6. 請求項１記載のハイブリッド式建設機械であって、
   前記エンジンの等燃費線図において燃料消費率が所定の良好な値となるような基準トルク線を設定し、前記エンジンの回転数が該基準トルク線に沿って変化するように前記エンジンの運転状態を制御することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
7. 請求項６記載のハイブリッド式建設機械であって、
   前記エンジンに要求されるトルクが、前記基準トルク線を中心とした所定のトルク範囲を越えたときに、前記エンジンの回転数を可変制御することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
8. 請求項１乃至７のうちいずれか一項記載のハイブリッド式建設機械であって、
   前記電動機及び前記発電機を、一台の電動発電機で共用することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
9. エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプからの油圧により駆動される油圧アクチュエータと、前記エンジンの駆動をアシストする電動機と、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機とを有するハイブリッド式建設機械であって、
   前記エンジンへの負荷の大きさに応じて、前記エンジンの回転数を可変し、
   前記エンジンへの要求負荷が低減すると、前記発電機により発電を行なうことで前記エンジンを減速し、
   前記エンジンへの要求負荷が増大すると、前記電動機を駆動して前記エンジンをアシストすることにより前記エンジンを加速し、
   前記エンジンの最大定格出力を、前記油圧ポンプの要求負荷が越えないように設定したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
10. エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプからの油圧により駆動される油圧アクチュエータと、前記エンジンの駆動をアシストする電動機と、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機とを有するハイブリッド式建設機械であって、
    前記エンジンへの負荷の大きさに応じて、前記エンジンの回転数を可変し、
    前記エンジンへの要求負荷が低減すると、前記発電機により発電を行なうことで前記エンジンを減速し、
    前記エンジンへの要求負荷が増大すると、前記電動機を駆動して前記エンジンをアシストすることにより前記エンジンを加速し、
    前記エンジンの最大定格出力を、電気負荷と油圧負荷の合計が越えないように設定したことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
11. エンジンと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプからの油圧により駆動される油圧アクチュエータと、前記エンジンの駆動をアシストする電動機と、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機とを有するハイブリッド式建設機械であって、
    前記エンジンへの負荷の大きさに応じて、前記エンジンの回転数を可変し、
    前記エンジンへの要求負荷が低減すると、前記発電機により発電を行なうことで前記エンジンを減速し、
    前記エンジンへの要求負荷が増大すると、前記電動機を駆動して前記エンジンをアシストすることにより前記エンジンを加速し、
    前記電動機に電力を供給し、且つ電気負荷に電力を供給する蓄電器をさらに有し、
    前記油圧アクチュエータに供給すべき出力と前記電気負荷に供給すべき出力とを合算して得られる総合出力が所定の閾値以下の場合に、前記電動機の出力を主動力として前記油圧ポンプを駆動し、該総合出力が該所定の閾値より大きい場合は、前記エンジンの出力を主動力として前記油圧ポンプを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
12. 請求項１１記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記油圧アクチュエータに供給すべき出力と前記電気負荷に供給すべき出力とを合算して得られる前記総合出力が前記所定の閾値以下の場合に、前記電動機の出力のみを動力として前記油圧ポンプを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
13. 請求項１１又は１２記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記油圧アクチュエータに供給すべき出力と前記電気負荷に供給すべき出力とを合算して得られる前記総合出力が前記所定の閾値より大きい場合は、前記エンジンの出力のみを動力として前記油圧ポンプを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
14. 請求項１１記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記所定の閾値は、前記エンジンの所定の特性に基づいて設定されることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
15. 請求項１４記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記所定の特性として、エンジン回転数とエンジントルクとの関係により表される特性を用いることを特徴とするハイブリッド式建設機械。
16. 請求項１１乃至１５のうちいずれか一項記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記総合出力が前記電気負荷に供給すべき出力だけであり、且つ前記所定の閾値以下であるときに、前記蓄電器から前記電気負荷に電力を供給することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
17. 請求項１１乃至１６のうちいずれか一項記載のハイブリッド式建設機械であって、
    前記総合出力が前記油圧アクチュエータに供給すべき出力だけであり、且つ前記所定の閾値以下であるときに、前記蓄電器から前記電動機に電力を供給して前記電動機の出力だけで前記油圧ポンプを駆動することを特徴とするハイブリッド式建設機械。

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