JP6081222B2 - ショベル及びショベルの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンで駆動される油圧ポンプで発生した油圧を油圧作業要素に供給して作業を行なうショベルに関する。

ショベルの運転時に油圧作業要素として例えばブームの駆動が開始されると、油圧負荷が急激に増大し、油圧ポンプを駆動するためのエンジンへの負荷が急激に増大する。そこで、油圧負荷が急激に増大したときでも、エンジンへの負荷の急激な増大を抑制するために、油圧負荷が増大し始めてから所定の時間だけ油圧ポンプの出力を抑制することが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１５４８０３号公報

上記油圧ポンプの出力の抑制では、油圧ポンプの急激な負荷の増大を抑制している（すなわち、油圧ポンプの出力制限を大きくする）。ところが、油圧ポンプの負荷を低減した直後から、エンジントルクは急激に上昇して回復する。これに伴い、一旦低下したエンジン回転数も直ちに上昇して回復する。このため、定回転数制御が行なわれているエンジンでは、エンジンの出力制御が働き、再びエンジントルクは低下する。このとき、油圧ポンプの出力制限は未だ通常の出力制限まで戻っておらず大きく出力制限された状態であるため、エンジンへの負荷は小さいままである。このため、エンジンへの燃料噴射量を増大させる制御は行なわれず、油圧ポンプの出力を増大させると、エンジン回転数は大幅に低下してしまう。

そこで、油圧負荷が急激に増大した場合でも、エンジン回転数の大幅な低下を抑制しながらエンジントルクを増大させることのできる技術の開発が望まれている。

本発明の一実施態様によれば、回転数が一定に制御される内燃機関と、該内燃機関に接続された油圧ポンプと、前記内燃機関に接続された発電機と、該発電機を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記油圧ポンプの負荷が増大しているときに、前記発電機を発電運転させることを特徴とするショベルが提供される。
また、本発明の他の実施態様によれば、回転数が一定に制御される内燃機関と、該内燃機関に接続された油圧ポンプと、前記内燃機関に接続された発電機と、該発電機を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記油圧ポンプの負荷が増大しているときに、前記内燃機関の目標回転数より小さい目標回転数で前記発電機を回転数制御することにより、前記発電機を発電運転させることを特徴とするショベルが提供される。

また、本発明の更に他の実施態様によれば、回転数が一定に制御される内燃機関と、該内燃機関に接続された油圧ポンプと、前記内燃機関に接続された発電機とを有するショベルの制御方法であって、前記油圧ポンプの負荷が増大しているときに、前記発電機を発電運転させることを特徴とするショベルの制御方法が提供される。
また、本発明の更に他の実施態様によれば、回転数が一定に制御される内燃機関と、該内燃機関に接続された油圧ポンプと、前記内燃機関に接続された発電機とを有するショベルの制御方法であって、前記油圧ポンプの負荷が増大しているときに、前記内燃機関の目標回転数より小さい目標回転数で前記発電機を回転数制御することにより、前記発電機を発電運転させることを特徴とするショベルの制御方法が提供される。

上述の発明によれば、油圧負荷が急激に増大した場合でも、エンジン回転数の大幅な低下を抑制することができ、エンジン出力を滑らかに上昇させることができる。

ショベルの側面図である。 一実施形態によるショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の回路図である。 油圧負荷が増大した際に生じるエンジン回転数の落ち込みを説明するためのタイムチャートである。 ポンプ負荷が上昇しているときに電動発電機を発電運転させたときの、エンジン回転数の変化を説明するためのタイムチャートである。 エンジン回転数制御処理の一例のフローチャートである。 油圧負荷が増大した際に生じるエンジン回転数の落ち込みを説明するためのタイムチャートである。 ポンプ出力制限が小さくなるように制御されているときに電動発電機を発電運転させたときの、エンジン回転数の変化を説明するためのタイムチャートである。 エンジン回転数制御処理の他の例のフローチャートである。 旋回機構を旋回油圧モータで駆動するショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明が適用されるショベルの側面図である。本発明が適用されるショベルとしては、図１に示される構成のショベル５０に限られず、エンジンにより駆動されてエンジンに負荷を加えることのできる駆動要素（例えば、発電機）を有するものであれば、他の構成のショベルにも適用することができる。

図１に示す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には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。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。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は、図１に示すショベルの駆動系の構成を示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、高圧油圧ラインは太い実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細い実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、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ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。

コントロールバルブ１７は、ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。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は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器を含む蓄電系１２０が接続される。電動発電機１２には、その回転速度（回転数）を検出する回転検出器１２Ａが設けられている。回転検出器１２Ａが検出した電動発電機１２の回転数はコントローラ３０に供給される。

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は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及びパイロット圧センサ（以下、圧力センサという）２９に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。また、操作装置２６が電気式の場合には、圧力センサ２９から出力されている信号の代わりに、操作装置２６から出力される電気信号を操作状態検出部の検出値として用いるようにしてもよい。

図２に示すショベルは、旋回機構２を電動にしたもので、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられている。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続されている。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、及び旋回変速機２４が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００（図３参照）を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。また、コントローラ３０は、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値に基づいて、蓄電器（キャパシタ）の充電率ＳＯＣを算出する。

図３は、蓄電系１２０の回路図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータ１００とＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、駆動制御部としてのインバータ１８Ａ及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。

昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。

以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図３には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。

以上のような構成のショベルにおいて、メインポンプ１４の出力を増大しているときに、電動発電機１２を発電運転させることで、エンジン１１に負荷を加えることができる。これにより、油圧負荷が急激に増大した際に生じるエンジン回転数の落ち込みを抑制し、エンジントルクを滑らかに上昇させることができる。以下、そのようなショベルの制御方法について説明する。

図４は従来技術における油圧負荷が増大した際に生じるエンジン回転数の落ち込みを説明するためのタイムチャートである。図４（ａ）はポンプ負荷の変化を示すグラフであり、図４（ｂ）はエンジントルクの変化を示すグラフであり、図４（ｃ）はエンジン回転数の変化を示すグラフである。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１においてポンプ負荷が上昇し始めている。ポンプ負荷とは、油圧ポンプであるメインポンプ１４を駆動するためにエンジン１１に加わる負荷である。ポンプ負荷が上昇するのは、例えばブーム４、アーム５、バケット６などの油圧作業要素を操作する際に、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９などに対して高圧の作動油を供給するためにメインポンプ１４を駆動するためである。

時刻ｔ１においてポンプ負荷が上昇し始めると、図４（ｂ）に示すように、メインポンプ１４を駆動するためにエンジントルクが急激に上昇する。これに伴い、図４（ｃ）に示すように、エンジン回転数を設定回転数Ｒ１に維持することができず、エンジン回転数は落ち込む。しかし、エンジントルクがある程度上昇するとエンジン回転数も上昇し、時刻ｔ２においてエンジン回転数は設定回転数Ｒ１に復帰する。なお、エンジン１１の回転数は定回転数制御により制御されており、ショベルの運転中は常に設定回転数Ｒ１に維持されるように燃料噴射量が制御されている。

時刻ｔ１までは油圧ポンプが駆動されていないため、エンジン１１はアイドリング状態であり、エンジントルクは無負荷時トルクτ１となっている。時刻ｔ１以降にポンプ負荷が上昇するので、エンジントルクも上昇するようにエンジン１１への燃料噴射量が増大される。時刻ｔ１以降のエンジントルクの上昇は、ポンプ負荷の上昇より急激なので、エンジントルクは短時間である程度のレベルまで上昇する。したがって、ポンプ負荷に対して十分なエンジントルクが出力された状態となり、この状態でエンジン回転数が設定回転数Ｒ１に復帰する。すると、ポンプ負荷に対してエンジントルクが十分大きい状態となっているため、時刻ｔ１以降増大していたエンジン１１への燃料噴射量が抑制（低減）されてしまう。これにより、時刻ｔ２以降は図４（ｂ）に示すようにエンジントルクが急激に低下することとなる。

ところが、時刻ｔ２以降もポンプ負荷は引き続き上昇しており、エンジントルクがポンプ負荷に負けてエンジン回転数は再び低下する。このとき、エンジン１１では、低下したエンジントルクを再び上昇させようとして燃料噴射量を増大させるが、直ちにはポンプ負荷の上昇に追従できない。このため、エンジントルクがポンプ負荷に対して十分では無い状態がしばらくの間続き、エンジン回転数の低下を食い止められずに図４（ｃ）に示すようにエンジン回転数は大幅に低下してしまう。

以上説明したようなポンプ負荷の上昇に伴うエンジン回転数の大幅な低下は、エンジン回転数を復帰させるための燃料噴射量の過度の増大を招き、エンジン１１の燃費を悪化させる要因となる。そこで、本実施形態では、ポンプ負荷が上昇しているときに、電動発電機１２を発電運転させてエンジン１１への負荷を調節することで、エンジン回転数の大幅な低下を抑制している。

図５は、本実施形態におけるポンプ負荷が上昇しているときに電動発電機１２を発電運転させたときの、エンジン回転数の変化を説明するためのタイムチャートである。図５（ａ）はポンプ負荷の変化を示すグラフであり、図５（ｂ）はエンジントルクの変化を示すグラフであり、図５（ｃ）はエンジン回転数の変化を示すグラフである。また、図５（ｄ）は電動発電機１２の出力の変化を示すグラフである。図５（ｄ）の縦軸において、マイナス側（ゼロより下側）が発電出力を表し、プラス側が力行出力を表している。図５（ａ）に示すポンプ負荷の上昇は、図４（ａ）に示すポンプ負荷の上昇と同じである。

図５（ａ）及び図５（ｄ）に示すように、本実施形態では、時刻ｔ３においてポンプ負荷が所定の大きさの設定負荷Ｌ１に到達すると、ポンプ負荷が上昇中であるのにもかかわらず、電動発電機１２を発電運転させる。電動発電機１２の発電運転は、エンジン１１の出力を駆動源としているので、電動発電機１２の発電運転による負荷がエンジン１１に加わり、エンジン１１への負荷は時刻ｔ３以降も適度に増大する。したがって、エンジン１１においては、時刻ｔ３以降も負荷に対応すべく燃料噴射量が増大され、これにより、エンジントルクは図５（ｂ）に示すように時刻ｔ３以降も上昇を続ける。

時刻ｔ３以降もエンジントルクが上昇し続けるため、エンジン１１がポンプ負荷に負けることなく、図５（ｃ）に示すように、エンジン回転数は時刻ｔ３以降も設定回転数Ｒ１に向けて復帰するように上昇する。そして、エンジン回転数が設定回転数Ｒ１に復帰した後も、そのまま設定回転数Ｒ１に維持される。このように、時刻ｔ３以降において、エンジン回転数は低下することなく、設定回転数Ｒ１に維持されており、上述のようなエンジン回転数の大幅な低下が抑制されている。

なお、電動発電機１２を発電運転させる時刻ｔ３は、ポンプ負荷が所定の設定負荷Ｌ１まで上昇したときの時刻であり、エンジン回転数が設定回転数Ｒ１まで復帰する時刻（図４（ｃ）における時刻ｔ２）より前の時刻である。

本実施形態では、後述のように電動発電機１２を速度制御（あるいは、回転数制御）とし、且つ電動発電機１２の目標回転数をエンジン１１の設定回転数Ｒ１に相当する回転数よりも僅かに低い値に設定することで、電動発電機１２を発電運転させるようになっている。

時刻ｔ３以降、エンジントルクは上昇を続け、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ４においてエンジントルクは設定トルクτ２に到達する。設定トルクτ２は、ポンプ負荷を最大に設定したときにエンジン１１が出力することのできるトルクより所定の値だけ低いトルク値に設定されている。具体的には、設定トルクτ２は、エンジントルクがそのトルク値まで到達していればその後はエンジン１１の回転数制御のみでエンジントルクを確実に上昇させることができる、というトルク値に設定される。

時刻ｔ４においてエンジントルクが設定トルクτ２に到達したら、図５（ｄ）に示すように電動発電機１２の発電運転は解除され、電動発電機１２の発電運転は停止される。時刻ｔ４より前にエンジン回転数はすでに設定回転数Ｒ１に到達しており、時刻ｔ４以降も設定回転数Ｒ１に維持される。

図６は上述した制御方法によるエンジン回転数制御処理のフローチャートである。図６に示すエンジン回転数制御処理は、主にコントローラ３０により行なわれる。

エンジン回転数制御処理が開始されると、まず、ステップＳ１において、エンジントルクが設定トルクτ２より小さいか否かが判定される。エンジントルクが設定トルクτ２に等しいか大きい場合は（ステップＳ１のＮＯ）、エンジン回転数制御処理を行なわず終了する。エンジントルクが設定トルクτ２より小さい場合は（ステップＳ１のＹＥＳ）、処理はステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、ポンプ負荷が設定負荷Ｌ１以上であるか否かが判定される。ポンプ負荷が設定負荷Ｌ１より小さい場合（ステップＳ２のＮＯ）、処理はステップＳ２を繰り返し行い、ポンプ負荷が設定負荷Ｌ１以上となるのを待つ。ステップＳ２においてポンプ負荷が設定負荷Ｌ１以上であると判定されると（ステップＳ２のＹＥＳ）、処理はステップＳ３に進む。図５（ａ）に示す例では、時刻ｔ３において、ポンプ負荷が設定負荷Ｌ１以上であると判定される。ここで、ポンプ負荷はメインポンプの吐出圧と電流、若しくは、吐出圧と作動油流量等に基づき推定して求めてもよい。

ステップＳ３では、電動発電機１２の目標回転数を、エンジン１１の設定回転数Ｒ１に相当する回転数よりも僅かに低い値に設定する。具体的には、エンジン１１の設定回転数Ｒ１に相当する回転数よりも僅かに低い値を予め設定しておき、エンジン１１の設定回転数Ｒ１に相当する回転数からこの設定値を減算することで、電動発電機１２の目標回転数を設定する。ここで、電動発電機１２は例えば時刻ｔ１において予め速度制御に切り替えられている。したがって、電動発電機１２は目標回転数より高い回転数で回転している状態になり、回転を抑制して目標回転数に近づけるように、エンジン１１に負荷をかけるために発電運転を行なうこととなる。図５（ｄ）で示す例では、時刻ｔ３において電動発電機１２は発電運転を開始している。

続いて、ステップＳ４において、電動発電機１２は速度制御により制御され、発電出力は増大する。エンジン回転数は時刻ｔ３以降も上昇して設定回転数Ｒ１に近づくため、電動発電機１２の回転数も目標回転数に近づき、電動発電機１２による発電量は小さくなる。

そして、ステップＳ５において、エンジントルクが設定トルクτ２以上となったか否かが判定される。エンジントルクが設定トルクτ２に到達していない場合は（ステップＳ５のＮＯ）、処理はステップＳ４に戻り、電動発電機１２の速度制御が継続される。すなわち、電動発電機１２の発電運転が継続される。

一方、エンジントルクが設定トルクτ２に到達したと判定された場合は（ステップＳ５のＹＥＳ）、電動発電機１２が発電運転を停止するように、電動発電機１２の速度制御を解除する。図５（ｄ）に示す例では、エンジントルクが設定トルクτ２に到達する時刻ｔ４において発電量はほぼゼロとなる。そこで、本実施形態では、エンジントルクが設定トルクτ２に到達する時刻ｔ４において、電動発電機１２の制御を通常のトルク制御に切り替えることで、電動発電機１２の発電運転を停止させている。上述のように時刻ｔ４以降は、エンジン１１の定回転数制御によりエンジントルクを上昇させることができる。

以上の制御方法によりエンジン１１の回転数を制御することで、ポンプ負荷が急激に上昇しているときのエンジン回転数の大幅な低下を抑制することができ、エンジン回転数の大幅な低下に起因して生じる問題を解消することができる。

なお、上述のステップＳ２においてポンプ負荷が設定負荷Ｌ１以上となったことを判定して、電動発電機１２を発電運転させることとしているが、電動発電機１２の発電運転を開始するタイミングは、他の方法でも決定することができる。他の方法として、例えば、メインポンプ１４の馬力（流量×圧力）を負荷としてモニタしておき、馬力が所定値に到達した時点で、電動発電機１２を発電運転させることとしてもよい。あるいは、メインポンプ１４の吐出圧力を負荷としてモニタしておき、吐出圧力が所定の値に到達した時点で、電動発電機１２を発電運転させることとしてもよい。また、メインポンプ１４の負荷に基づいて発電運転開始時期を判断するのではなく、エンジン回転数が設定回転数Ｒ１付近の所定の回転数まで復帰した時点において、電動発電機１２の発電運転を開始することとしてもよい。

次に、メインポンプ１４として可変容量式油圧ポンプを用いた場合の実施形態について説明する。

本実施形態では、メインポンプ１４は可変容量式油圧ポンプであり、斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量を制御することができる。また、本実施形態では、エンジン１１に過給器１１ａが設けられている。過給器１１ａは、エンジン１１からの排気を利用して吸気圧を上昇させる（過給圧を発生させる）ことで、エンジン１１の出力を上昇させることができる。

可変容量式油圧ポンプは、ポンプ電流を制御して斜板の傾転角を変化させることで、ポンプの出力制限を変更することができる油圧ポンプである。ポンプの出力はポンプ負荷に相当するので、ポンプの出力制限（すなわち、ポンプ電流）をモニタすることで、電動発電機１２の発電運転の開始タイミングと停止タイミングを決定することができる。

図７は油圧負荷が増大した際に生じるエンジン回転数の落ち込みを説明するためのタイムチャートである。図７（ａ）はポンプ吐出圧の変化を示すグラフであり、図７（ｂ）はポンプ電流（ポンプ出力制限）の変化を示すグラフである。また、図７（ｃ）はエンジントルクの変化を示すグラフであり、図７（ｄ）はエンジン回転数の変化を示すグラフである。

図７（ａ）に示すように、時刻ｔ１においてポンプ吐出圧が上昇し始めている。ポンプ吐出圧が上昇するのは、例えばブーム４、アーム５、バケット６などの油圧作業要素を操作する際に、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９などに対して高圧の作動油を供給するためにメインポンプ１４を駆動するためである。

時刻ｔ１において大きな油圧負荷が加わり、メインポンプ１４のポンプ負荷が上昇し、図７（ａ）に示すようにポンプ吐出圧が上昇すると、図７（ｂ）に示すようにポンプ電流が低減されてポンプ出力制限が小さくされる。時刻ｔ１以前のポンプ出力制限は最大の制限であり、時刻ｔ１以降は急激に低減される。ポンプ出力制限の最大を１００％とすると、例えば、時刻ｔ１以降はポンプ出力制限が例えば５０％まで低減される。ポンプ出力制限が小さくなるということは、ポンプがより大きな出力を出せるようになることである。

時刻ｔ１以降にポンプ出力制限が小さくなってメインポンプ１４が大きな出力を出すように駆動されると、図７（ｃ）に示すように、メインポンプ１４を駆動するためにエンジントルクが急激に上昇する。これに伴い、図７（ｄ）に示すように、エンジン回転数を一定に維持することができず、エンジン回転数は落ち込むが、エンジントルクがある程度上昇すると、時刻ｔ２においてエンジン回転数は設定回転数Ｒ１に復帰する。なお、エンジン１１の回転数は定回転数制御により制御されており、ショベルの運転中は常に設定回転数Ｒ１に維持されるように燃料噴射量が制御されている。

時刻ｔ１までは油圧作業要素が駆動されていないため、メインポンプ１４はスタンバイ状態となっている。したがって、エンジン１１はアイドリング状態であり、エンジントルクは無負荷時トルクτ１となっている。時刻ｔ１以降にポンプ負荷が上昇するので、エンジントルクも上昇するようにエンジン１１への燃料噴射量が増大される。時刻ｔ１以降のエンジントルクの上昇は急激であり、エンジントルクは短時間である程度のレベルまで上昇する。したがって、ポンプ出力に対して十分なエンジントルクが出力された状態となり、この状態でエンジン回転数が設定回転数Ｒ１に復帰する。すると、ポンプ出力に対してエンジントルクが十分大きい状態となり、時刻ｔ１以降増大していたエンジン１１への燃料噴射量が抑制（低減）されてしまう。これにより、時刻ｔ２以降は図７（ｃ）に示すようにエンジントルクが急激に低下することとなる。

ところが、時刻ｔ２以降もポンプ負荷は引き続き上昇しており、エンジントルクがポンプ出力に負けてエンジン回転数は再び低下する。このとき、エンジン１１では、低下したエンジントルクを再び上昇させようとして燃料噴射量を増大させるが、直ちにはポンプ出力の上昇に追従できない。このため、エンジントルクがポンプ出力に対して十分では無い状態がしばらくの間続き、エンジン回転数の低下を食い止められずに図７（ｄ）に示すようにエンジン回転数は大幅に低下してしまう。

以上説明したような、ポンプ負荷の上昇に伴うエンジン回転数の大幅な低下は、エンジン回転数を復帰させるための燃料噴射量の過度の増大を招き、エンジン１１の燃費を悪化させる要因となる。そこで、本実施形態では、油圧ポンプの出力制限が一旦小さくなってから大きくなっていくときに、電動発電機１２を発電運転させることでエンジン１１に適度な負荷を加えることで、エンジン回転数の大幅な低下を抑制している。

図８は、ポンプ出力制限が小さくなるように制御されているときに電動発電機１２を発電運転させたときの、エンジン回転数の変化を説明するためのタイムチャートである。図８（ａ）はポンプ吐出圧の変化を示すグラフであり、図８（ｂ）はポンプ電流（ポンプ出力制限）の変化を示すグラフである。図８（ｃ）はエンジントルクの変化を示すグラフであり、図８（ｄ）はエンジン回転数の変化を示すグラフである。また、図８（ｅ）は電動発電機１２の出力の変化を示すグラフである。図８（ｅ）の縦軸において、マイナス側（ゼロより下側）が発電出力を表し、プラス側が力行出力を表している。図８（ａ）に示すポンプ吐出圧の上昇及び図８（ｂ）に示すポンプ電流の低下は、図７（ａ）に示すポンプ負荷の上昇及び図７（ｂ）に示すポンプ電流の低下と同じである。

図８（ａ）及び図８（ｅ）に示すように、本実施形態では、時刻ｔ３においてポンプ吐出圧が所定の設定圧力Ｐ１に到達すると、図８（ｂ）に示すようにポンプ出力制限が解除中（出力制限が小さくなっている状態）であるのにもかかわらず、電動発電機１２を発電運転させる。電動発電機１２の発電運転は、エンジン１１の出力を駆動源としているので、電動発電機１２の発電運転による負荷が加わり、エンジン１１への負荷は時刻ｔ３以降も適度に増大する。したがって、エンジン１１においては、時刻ｔ３以降も負荷に対応すべく燃料噴射量が増大される。これにより、エンジントルクは図８（ｃ）に示すように時刻ｔ３以降も上昇を続ける。

時刻ｔ３以降もエンジントルクが上昇し続けるため、エンジン１１がポンプ負荷に負けることなく、図８（ｄ）に示すように、エンジン回転数は時刻ｔ３以降も設定回転数Ｒ１に向けて復帰するように上昇する。そして、エンジン回転数が設定回転数Ｒ１に復帰した後も、そのまま設定回転数Ｒ１に維持される。このように、時刻ｔ３以降において、エンジン回転数は低下することなく、設定回転数Ｒ１に維持されており、上述のようなエンジン回転数の大幅な低下が抑制されている。

なお、電動発電機１２を発電運転させる時刻ｔ３は、ポンプ吐出圧が所定の設定圧力Ｐ１まで上昇したときの時刻であり、エンジン回転数が設定回転数Ｒ１まで復帰する時刻（図７（ｄ）における時刻ｔ２）より前の時刻である。

本実施形態では、後述のように電動発電機１２を速度制御とし、且つ電動発電機１２の目標回転数をエンジン１１の設定回転数Ｒ１に相当する回転数よりも僅かに低い値に設定することで、電動発電機１２を発電運転させるようになっている。

時刻ｔ３以降、エンジントルクは上昇を続け、図８（ｃ）に示すように、時刻ｔ４においてエンジントルクは設定トルクτ２に到達する。設定トルクτ２は、ポンプ出力制限を最大に設定したときにエンジン１１が出力するトルクより僅かに低いトルク値に設定されている。具体的には、設定トルクτ２は、エンジントルクがそのトルク値まで到達していればその後はエンジン１１の回転数制御のみでエンジントルクを確実に上昇させることができる、というトルク値に設定される。

時刻ｔ４においてエンジントルクが設定トルクτ２に到達したら、図８（ｅ）に示すように電動発電機１２の発電運転は解除され、電動発電機１２の発電運転は停止される。時刻ｔ４より前にエンジン回転数はすでに設定回転数Ｒ１に到達しており、時刻ｔ４以降も設定回転数Ｒ１に維持される。

図９は上述の制御方法によるエンジン回転数制御処理のフローチャートである。図９に示すエンジン回転数制御処理は、主にコントローラ３０により行なわれる。

エンジン回転数制御処理が開始されると、まず、ステップＳ１１において、エンジントルクが設定トルクτ２より小さいか否かが判定される。エンジントルクが設定トルクτ２に等しいか大きい場合は（ステップＳ１１のＮＯ）、制御処理を行なわず終了する。エンジントルクが設定トルクτ２より小さい場合は（ステップＳ１１のＹＥＳ）、処理はステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、ポンプ吐出圧が設定圧力Ｐ１以上であるか否かが判定される。ポンプ吐出圧が設定圧力Ｐ１より小さい場合（ステップＳ１２のＮＯ）、処理はステップＳ１２を繰り返し行い、ポンプ吐出圧が設定圧力Ｐ１以上となるのを待つ。ステップＳ１２においてポンプ吐出圧が設定圧力Ｐ１以上であると判定されると（ステップＳ１２のＹＥＳ）、処理はステップＳ１３に進む。図８（ａ）に示す例では、時刻ｔ３において、ポンプ吐出圧が設定圧力Ｐ１以上であると判定される。

ステップＳ１３では、電動発電機１２の目標回転数を、エンジン１１の設定回転数Ｒ１に相当する回転数よりも僅かに低い値に設定する。具体的には、エンジン１１の設定回転数Ｒ１に相当する回転数よりも僅かに低い値を予め設定しておき、エンジン１１の設定回転数Ｒ１に相当する回転数からこの設定値を減算することで、電動発電機１２の目標回転数を設定する。ここで、電動発電機１２は例えば時刻ｔ１において予め速度制御（回転数制御）に切り替えられている。したがって、電動発電機１２は目標回転数より高い回転数で回転している状態になり、回転を抑制して目標回転数に近づけるように、エンジン１１に負荷をかけるために発電運転を行なうこととなる。図８（ｅ）で示す例では、時刻ｔ３において電動発電機１２は発電運転を開始している。

続いて、ステップＳ１４において、電動発電機１２は速度制御により制御され、発電出力は増大する。エンジン回転数は時刻ｔ３以降も上昇して設定回転数Ｒ１に近づくため、電動発電機１２の回転数も目標回転数に近づき、電動発電機１２による発電量は小さくなる。

そして、ステップＳ１５において、ポンプ電流が最大制限電流に到達したか否かが判定される。ポンプ電流が最大制限電流に到達していない場合は（ステップＳ１５のＮＯ）、処理はステップＳ１４に戻り、電動発電機１２の速度制御が継続される。すなわち、電動発電機１２の発電運転が継続される。

一方、ポンプ電流が最大制限電流に到達したと判定された場合は（ステップＳ１５のＹＥＳ）、電動発電機１２が発電運転を停止するように、電動発電機１２の速度制御（回転数制御）を解除する。図８（ｅ）に示す例では、ポンプ電流が最大制限電流に到達した時刻ｔ４において発電量はほぼゼロとなる。そこで、本実施形態では、ポンプ電流が最大制限電流に到達する時刻ｔ４において、電動発電機１２の制御を通常のトルク制御に切り替えることで、電動発電機１２の発電運転を停止させている。上述のように時刻ｔ４以降は、エンジン１１の定回転数制御によりエンジントルクを上昇させることができる。

以上の制御方法によりエンジン１１の回転数を制御することで、ポンプ出力制限が大きくなっているときのエンジン回転数の大幅な低下を抑制することができ、エンジン回転数の大幅な低下に起因して生じる問題を解消することができる。

なお、上述のステップＳ１２においてポンプ吐出圧が設定圧力Ｐ１以上となったことを判定して、電動発電機１２を発電運転させることとしているが、電動発電機１２の発電運転を開始するタイミングは、他の方法でも決定することができる。他の方法として、例えば、ポンプ電流が一旦低下してから上昇し始めたて所定のポンプ電流値（図８（ｂ）の時刻ｔ３におけるポンプ電流値）になった時点で、電動発電機１２を発電運転させることとしてもよい。あるいは、メインポンプ１４の吐出圧力を負荷としてモニタしておき、吐出圧力が所定の値に到達した時点で、電動発電機１２を発電運転させることとしてもよい。また、メインポンプ１４の負荷に基づいて発電運転開始時期を判断するのではなく、エンジン回転数が設定回転数Ｒ１付近の所定の回転数まで復帰した時点において、電動発電機１２の発電運転を開始することとしてもよい。

また、電動発電機１２の発電運転を停止するタイミングとしては、図６のステップＳ５で説明したように、エンジントルクが設定トルクτ２に到達した時点で、電動発電機１２が発電運転を停止するように、電動発電機１２の速度制御を解除することとしてもよい。

なお、上述の実施形態では旋回機構２が電動式であったが、旋回機構２が電動ではなく油圧駆動の場合がある。図１０は図２に示すショベルの旋回機構を油圧駆動式とした場合の駆動系の構成を示すブロック図である。図１０に示すショベルでは、旋回用電動機２１の代わりに、旋回油圧モータ２Ａがコントロールバルブ１７に接続され、旋回機構２は旋回油圧モータ２Ａにより駆動される。このような構成のショベルであっても、上述の実施形態のようにして、電動発電機１２を発電運転させてエンジン１１に負荷を加えることで、エンジン回転数の落ち込みを抑制し、燃料消費量の増大を抑制することができる。

また、上述の実施形態では、エンジン１１と電動発電機１２とを油圧ポンプであるメインポンプ１４に接続してメインポンプ１４を駆動する方式のショベルに本発明を適用した例について説明した。本発明は、このような方式のショベル以外に、図１１に示すようにエンジン１１でメインポンプ１４を駆動するショベルにも適用することもできる。この場合、電動発電機１２が無いので、エンジン１１に負荷を加えるための発電機２００を設けておく。発電機２００が発電運転を行なって得られた電力は、電圧レギュレータやインバータ等の発電機用の駆動制御部２１０を介して蓄電系２２０に供給され、蓄積される。蓄電系２２０は、例えばエアコン等の電装品を駆動するために設けられているものでよい。

図１１に示す構成のショベルにおいて、発電機２００は、上述の実施形態における電動発電機１２の役目を果たす。すなわち、メインポンプ１４の出力を増大しているときに、発電機２００を発電運転させることで、エンジン１１に負荷を加えることができる。これにより、エンジン回転数の落ち込みを抑制し、エンジントルクを滑らかに上昇させることができる。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
２Ａ 旋回油圧モータ
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
１１ａ 過給器
１２ 電動発電機
１２Ａ 回転検出器
１３ 変速機
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
１８Ａ，２０ インバータ
１９ キャパシタ
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回変速機
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
１００ 昇降圧コンバータ
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電圧検出部
１１２ キャパシタ電圧検出部
１１３ キャパシタ電流検出部
１２０ 蓄電系
２００ 発電機
２１０ 駆動制御部
２２０ 蓄電系

Claims (11)

1. 回転数が一定に制御される内燃機関と、
   該内燃機関に接続された油圧ポンプと、
   前記内燃機関に接続された発電機と、
   該発電機を制御する制御部と
   を有し、
   前記制御部は、前記油圧ポンプの負荷が増大しているときに、前記発電機を発電運転させることを特徴とする、
   ショベル。
2. 回転数が一定に制御される内燃機関と、
   該内燃機関に接続された油圧ポンプと、
   前記内燃機関に接続された発電機と、
   該発電機を制御する制御部と
   を有し、
   前記制御部は、前記油圧ポンプの負荷が増大しているときに、前記内燃機関の目標回転数より小さい目標回転数で前記発電機を回転数制御することにより、前記発電機を発電運転させることを特徴とする、
   ショベル。
3. 請求項１又は２記載のショベルであって、
   前記制御部は、前記油圧ポンプの負荷が増大し、前記内燃機関の回転数が前記内燃機関の目標回転数より低下しているときに、前記発電機の前記発電運転を開始させることを特徴とする、
   ショベル。
4. 請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
   前記制御部は、前記油圧ポンプの負荷が所定値以上となると、前記発電機の前記発電運転を開始させることを特徴とする、
   ショベル。
5. 請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
   前記制御部は、前記内燃機関の回転数が所定の回転数まで回復すると、前記発電機の前記発電運転を開始させることを特徴とする、
   ショベル。
6. 請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のショベルであって、
   前記制御部は、前記油圧ポンプの出力制限が所定値まで回復すると、前記発電機の前記発電運転を開始させることを特徴とする、
   ショベル。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のショベルであって、
   前記制御部は、前記内燃機関の出力トルクが所定値まで回復すると、前記発電機の前記発電運転を停止させることを特徴とする、
   ショベル。
8. 請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のショベルであって、
   前記制御部は、前記油圧ポンプの出力制限が最大値まで回復すると、前記発電機の前記発電運転を停止させることを特徴とする、
   ショベル。
9. 請求項１又は２記載のショベルであって、
   前記制御部は、前記内燃機関の回転数が前記内燃機関の目標回転数より低下した後であって、該目標回転数に到達する前に前記発電機の前記発電運転を開始させ、前記発電運転によって前記内燃機関に負荷をかけることを特徴とする、
   ショベル。
10. 回転数が一定に制御される内燃機関と、
    該内燃機関に接続された油圧ポンプと、
    前記内燃機関に接続された発電機と
    を有するショベルの制御方法であって、
    前記油圧ポンプの負荷が増大しているときに、前記発電機を発電運転させることを特徴とする、
    ショベルの制御方法。
11. 回転数が一定に制御される内燃機関と、
    該内燃機関に接続された油圧ポンプと、
    前記内燃機関に接続された発電機と
    を有するショベルの制御方法であって、
    前記油圧ポンプの負荷が増大しているときに、前記内燃機関の設定回転数より小さい設定回転数で前記発電機を回転数制御することにより、前記発電機を発電運転させることを特徴とする、
    ショベルの制御方法。

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