JP6204866B2 - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンと、エンジンに機械的に連結されてエンジンの動力アシストを行う電動・発電機と、を備えたハイブリッド建設機械に関する。

一般に、建設機械はターボチャージャ型の過給機を備えたターボ式エンジンを搭載している。ターボ式エンジンを備えた従来の建設機械においては、油圧ポンプによる急峻な負荷変動が発生すると、エンジン回転数が一時的に落ち込むラグダウンという現象が発生していた。ラグダウンが発生すると、エンジン回転数の低下に対し、ガバナは燃料噴射量を増やすことで、実際の回転数を目標回転数に復帰させようとすることから、急激な燃料噴射による黒煙発生や燃費の悪化を招くことがある。

上記の現象は、ターボ式エンジンにおいて、過給圧が上がるまでに時間がかかるためにエンジン出力の立ち上がりが遅れ、急増した油圧負荷がエンジン出力を上回ってしまうことで起こるものである。このような状況においては、油圧ポンプに供給すべき動力が不足するため、建設機械の動作が緩慢になり、操作者に違和感を与えるおそれがある。

なお、ターボチャージャは、過給を開始してから十分に機能果たすまでに時間遅れが発生することが一般に知られており、この応答遅れのことをターボラグという。ターボラグの発生は、ターボチャージャの機構そのものに起因するため解消することは困難である。

そこで、エンジン出力の不足を補うために、エンジンに加えて電動・発電機を動力源として備えたハイブリッドシステムを利用した技術が公知である。例えば、特許文献１には、「コントローラ９において、設定回転数Ｎ０の最適トルクに対応したエンジン回転数Ｎｒを目標回転数として求め、エンジン１の負荷トルクが大きくエンジン回転数Ｎが目標回転数Ｎｒよりも低いときは、偏差ΔＮｒに応じて電動・発電機６を電動機として作動させトルクアシストを行い、エンジン１の負荷トルクが小さくエンジン回転数Ｎが目標回転数Ｎｒよりも高いときは、偏差ΔＮｒに応じて電動・発電機６を発電機として作動させ、発電させてバッテリ７に蓄電を行うことにより、エンジン１を最適運転状態に近づくように制御する。」という技術が開示されている（要約参照）。

特開２００３−２８０７１号公報

特許文献１に係る従来技術（以下、単に「従来技術」と言う）において、エンジンは、負荷の増加によりエンジン回転数が減少するような所定の傾きを持ったガバナ特性（以下、この特性を適宜、「ドループ特性」という）で制御されている。そして、従来技術では、エンジンのドループ特性が固定され、エンジンの目標トルクが変化すると、エンジンの回転数がドループ特性に従って変化する構成となっている。即ち、従来技術は、エンジンのドループ特性は固定、モータの回転数指令が可変となるよう制御されている。

そして、無負荷時における最大エンジン回転数はドループ特性で決まってしまうから、従来技術では、エンジンの最大回転数を低く抑えることが難しい。その結果、例えば、エンジンで駆動される油圧ポンプの引きずり等による損失が発生してしまうという課題がある。

この課題について、図１８〜図２０を用いて詳しく説明する。図１８は、従来技術におけるエンジンのドループ特性と目標回転数と目標エンジントルクとの関係を示す回転数−トルク特性線図である。図１８（ａ）に示すように、従来技術では、まず、無負荷回転数Ｄに対応するドループ特性線を回転数−トルク特性線図上に引く。次に、目標エンジントルクＡが与えられたとすると、回転数−トルク特性線図上において、目標エンジントルクＡの等トルク線（横線）を引く。すると、図１８（ｂ）に示した通り２つの直線の交点が交点ＡＤの一点で決定される。最後に、図１８（ｃ）に示したように、交点ＡＤから回転数軸へ垂線を引くことで目標回転数ＮＡを一意に決定することができる。

次に、従来技術において目標エンジントルクが変化する場合のエンジンの動作について、図１９を用いて説明する。図１９は、目標エンジントルクが変化した場合の目標回転数の変化を示す回転数−トルク特性線図である。図１９に示すように、無負荷回転数Ｄと目標エンジントルクＡ、Ｂ、Ｃが決定されると、それぞれのエンジントルクの目標値に対応する等トルク線と無負荷回転数Ｄに対応するドループ特性線Ｄとの交点ＡＤ、ＢＤ、ＣＤから回転数軸へ垂線を引くことで目標回転数ＮＡ、ＮＢ、ＮＣが一意に決定される。

図２０に、図１９の目標エンジントルクＡ、Ｂ、Ｃと無負荷回転数の関係を時系列で示す。図２０に示すように、従来技術では、無負荷回転数Ｄに対するドループ特性が定められると、エンジンの回転数は、そのドループ特性に従って変化するため、無負荷回転数Ｄの値は常に同じとなる。その結果、無負荷時のエンジン回転数はＤより低くなることはない。そのため、従来技術では、例えば、油圧ポンプの引きずり等による損失が発生する、エンジンの騒音を低減できない、エンジン回転数が目標トルクに応じて変化するため油圧ポンプの流量制御が複雑になる、などの改善すべき課題がまだ残されている。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたもので、その目的は、ドループ特性でエンジンを制御する形式のハイブリッド建設機械において、無負荷時のエンジンの最大回転数を低く抑えることにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るハイブリッド建設機械は、エンジンと、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧作業部と、前記エンジンとの間で出力の伝達を行う電動・発電機と、前記電動・発電機に電力を供給する蓄電装置と、前記エンジンを、負荷と回転数との関係が、負荷の増加に従って回転数が減少するような所定の傾きを持ったガバナ特性で制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記エンジンの目標出力を算出する目標エンジン出力演算部と、前記電動・発電機の目標回転数指令を設定する目標回転数設定部と、回転数−トルク特性線図上にて、前記目標エンジン出力演算部で算出された前記エンジンの目標出力の値をとる一定出力線と、前記電動・発電機の目標回転指令をとる一定回転数線の交点を求め、この回転数−トルク特性線図上の交点を通るように前記エンジンのガバナ特性を決定する目標ドループ演算部と、前記目標ドループ演算部で求めたガバナ特性に従って、前記エンジンのガバナ特性を変更するガバナ特性変更部と、前記目標回転数設定部により設定された目標回転数指令値に従って前記電動・発電機を制御する電動・発電機制御部と、を含むことを特徴としている。

本発明は、回転数−トルク特性線図上において、エンジンの目標出力の値をとる一定出力線と、電動・発電機の目標回転指令をとる一定回転数線の交点を通るエンジンのガバナ特性（ドループ特性）に変更する構成としたので、無負荷時におけるエンジンの最大回転数を低く抑えることができる。

より詳しく説明すると、従来技術のようにドループ特性が固定されている場合、無負荷時の最大エンジン回転数は予め決められた値を取る（図１９参照）が、本発明によれば、エンジンの目標出力が小さくなれば、それに応じてドループ特性を変更することにより、エンジンの目標出力が大きい場合と比べて、無負荷時の最大エンジン回転数を低く抑えることができる（図９参照）。

そのため、本発明によれば、油圧ポンプの引きずり等による損失を防止することができ、低燃費化を図ることができる。また、エンジンの回転数を低く抑えることができるため、エンジンの低騒音化を図ることができる。

また、本発明では、電動・発電機は目標回転数指令値に従って回転しており、ドループ特性はエンジンの目標出力に応じて変更されるため、エンジンを任意の目標動作点（目標回転数、目標出力）で保つことが可能になる。これは、エンジンを定常状態に近い適正な運転状態で動作させることになるということを意味する。そのため、本発明によれば、エンジンは定常状態において燃焼が安定するため、省エネルギ化と、環境負荷を有する排気ガスの抑制が実現される。さらに、エンジンの目標出力が変化しても、電動・発電機は目標回転数指令値に従って回転するよう制御されているため、油圧ポンプの流量制御も簡単である。

そして、本発明では、エンジンを任意の目標動作点に保つことができることから、エンジンの動作点を等燃費マップの最高燃費点に固定することにより、省エネルギ化の効果を更に高めることが出来る。同様に、環境負荷を有する排気ガスの抑制可能な動作点でエンジンを運転すれば、環境負荷を有する排気ガスの排出を効果的に抑制することが出来る。

また、本発明は、上記構成において、前記目標エンジン出力演算部は、第１の目標エンジン出力を演算すると共に、前記第１の目標エンジン出力が所定の切替え基準以下のときには前記第１の目標エンジン出力を前記エンジンの目標出力として出力する一方、前記第１の目標エンジン出力が前記所定の切替え基準を超えたときには、前記第１の目標エンジン出力に対して目標出力の増加速度に制限を加えた第２の目標エンジン出力を演算し、前記第２の目標エンジン出力を前記エンジンの目標出力として出力することを特徴としている。

本発明によれば、第１の目標エンジン出力が所定の切替え基準を超えた場合において、エンジンの目標出力を第１の目標エンジン出力から、第１の目標エンジン出力に対して目標出力の増加速度に制限を加えた第２の目標エンジン出力へと変更できるから、エンジン出力の急激な上昇を抑えることができる。これにより、エンジン出力を急激に上げるために消費される燃料を抑えることが出来る。また、エンジン出力の増加速度を抑制することは、エンジンを定常状態に近い適正な運転状態で動作させることになる。そのため、更なる省エネルギ化と、環境負荷を有する排気ガスの抑制とに貢献できる。また、エンジンを重負荷状態で使う頻度を抑えることで、エンジンのオーバーヒート防止にもつながる。

また、本発明は、上記構成において、前記コントローラは、前記エンジンの軸上の負荷を演算する負荷演算部と、前記蓄電装置の残量を演算する蓄電残量演算部と、前記蓄電残量演算部の出力に基づいて前記蓄電装置の電力を適切な範囲に保つために必要な充電／放電要求を演算する充放電要求演算部と、さらに含み、前記目標エンジン出力演算部は、前記充放電要求演算部による演算結果と前記負荷演算部による演算結果とに基づいて前記エンジンの目標出力を算出することを特徴としている。

本発明によれば、エンジン軸上の負荷および蓄電装置の充電／放電要求に基づいてエンジンの目標出力を演算できるから、目標エンジン出力を負荷に対して低く設定し続けることを回避できる。よって、電動・発電機による力行頻度を抑制し、蓄電装置の電力消費を抑えることができる。これは、蓄電残量不足に陥ってアシスト不能になって、エンストするような事態を回避することにつながる。また、本発明は、目標エンジン出力を負荷に対して、高く設定し続けることも回避できるので、電動・発電機による回生頻度を抑制し、蓄電装置への過充電も抑えることができる。

また、本発明は、上記構成において、前記目標エンジン出力演算部は、前記第２の目標エンジン出力を演算する際の目標出力の増加速度を前記エンジンの運転状態に応じて逐次変更することを特徴としている。

本発明によれば、各時刻でエンジンの状況に応じた目標エンジン出力を生成することが可能になる。よって、更なる省エネルギ化と、環境負荷を有する排気ガスの抑制とに貢献できる。

また、本発明は、上記構成において、前記エンジンは、ターボチャージャ式の過給機および前記エンジンの過給圧を測定する過給圧センサを備え、前記目標エンジン出力演算部は、前記第２の目標エンジン出力を演算する際の目標出力の増加速度を、前記過給圧センサからの出力値の増減に応じて増減することを特徴としている。

本発明によれば、油圧負荷が急増して、ターボラグが生じ得る状況下では、エンジン目標出力は低く演算され、電動・発電機によるトルクアシストが増大するように制御が可能である。よって、エンジンで急激な燃料噴射をしなければならない状況を回避できるため、ターボラグが発生時の空気濃度が低い条件での不完全燃焼を防止し、黒煙の発生を抑制することが出来る。

また、本発明は、上記構成において、前記エンジンは、ターボチャージャ式の過給機を備え、自然吸気状態で出力可能なエンジン出力の値を前記所定の切替え基準として設定したことを特徴としている。

本発明によれば、エンジン出力の立ち上がりが早い自然吸気の領域では、目標エンジンエンジンを素早く立ち上げることになる。これにより、電動・発電機のアシスト量を減らすことができ、蓄電装置からの電力消費量を抑制することが可能になる。

また、本発明は、上記構成において、前記所定の切替え基準を前記エンジンの動作回転数に応じて変化させることを特徴としている。

本発明によれば、目標エンジン出力演算部における所定の出力を、エンジンの動作回転数に応じて変化させるため、エンジンの最大出力線、電動・発電機の最大出力線を考慮して、目標エンジン出力を設計することが可能になる。

本発明によれば、ドループ特性でエンジンを制御する形式のハイブリッド建設機械において、無負荷時のエンジンの最大回転数を低く抑えることができる。その結果、本発明は、例えば、油圧ポンプの引きずり等による損失を抑えることができ、低燃費化を図ることができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係るハイブリッドショベルの側面図である。 図１に示すハイブリッドショベルの油圧駆動装置を示す図である。 図２に示すコントローラの制御ブロック図である。 図３に示す負荷トルク演算部の制御ブロック図である。 図４に示す負荷トルク演算部の異なる構成例を示す制御ブロック図である。 図３に示す目標エンジントルク演算部において、各エンジン回転数の自然吸気状態におけるエンジントルクを計測したマップを利用して切替え基準トルクを設定する例を説明するための図である。 図３に示す目標トルク決定部の出力を時系列で示した図である。 本発明の第１実施形態においてドループ特性を決定する手順を説明するための図である。 目標エンジントルクが変化する場合のドループ特性の変化を示す回転数−トルク特性線図である。 図９の目標エンジントルクＡ、Ｂ、Ｃと各ドループ特性Ａａ、Ｂａ、Ｃａの無負荷回転数Ａａ、Ｂａ、Ｃａの関係を時系列で示した図である。 一定値の目標エンジントルクＡに対して、目標回転数Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃが与えられた場合のドループ特性の変化を示す回転数−トルク特性線図である。 本発明の第２実施形態に係るハイブリッドショベルのコントローラの制御ブロック図である。 図１２の目標エンジントルク演算部による第２の目標エンジントルクの演算内容を説明するための図である。 本発明の第２実施形態で用いられるコントローラの演算手順を示すアクティビティ図である。 本発明の第２実施形態に係るコントローラが動力で制御を実施する場合の制御ブロック図である。 本発明の第２実施形態において目標エンジン動力が与えられた場合のドループ特性を決定する手順を説明するための図である。 （ａ）はドループ特性をもつエンジン単体の動作、（ｂ）はドループ特性をもつエンジンと目標回転数指令に従って制御される電動・発電機とを組み合わせた場合のエンジンの動作をそれぞれ説明するための回転数−トルク特性線図である。 従来技術におけるエンジンのドループ特性と目標回転数と目標エンジントルクとの関係を示す回転数−トルク特性線図である。 従来技術において目標エンジントルクが変化した場合の目標回転数の変化を示す回転数−トルク特性線図である。 図１９の目標エンジントルクＡ、Ｂ、Ｃと無負荷回転数の関係を時系列で示す図である。

「第１実施形態」
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態であるハイブリッドショベルの全体構成を示す側面図である。図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るハイブリッドショベル（ハイブリッド建設機械）は、走行体１６−１および旋回体１６−２を有する。走行体１６−１は、左右の油圧モータ１６−１０、１６−１１によりハイブリッドショベルを走行させる機能を備える。なお、図示しない走行用油圧モータ１６−１１は車体右側に搭載されている。

旋回体１６−２は、旋回機構１６−１３により走行体１６−１に対して回転し、旋回体１６−２の前部他方の片側（たとえば前方を向いて右側）には、掘削作業を行うブーム１６−３、アーム１６−４、およびバケット１６−５を備える。これらブーム１６−３、アーム１６−４、およびバケット１６−５でフロント作業機が構成される。ブーム１６−３、アーム１６−４、およびバケット１６−５は、それぞれ油圧シリンダ１６−９、油圧シリンダ１６−８、および油圧シリンダ１６−７により駆動される。また、旋回体１６−２はキャブ１６−６を備え、操作者は、キャブ１６−６に搭乗し、ハイブリッドショベルを操作する。

次に、本実施形態に係るハイブリッドショベルの油圧駆動装置について説明する。図２は、本実施形態に係るハイブリッドショベルの油圧駆動装置の全体構成を示す図である。図２に示すように、本実施形態にて用いられる油圧駆動装置は、ハイブリッドショベルの油圧作業部であるフロント作業機（１６−３，４，５）、旋回体１６−２、および走行体１６−１の駆動に用いられるものであり、エンジン１−１と、エンジン回転数を検出する回転数センサ１−６と、エンジン１−１の燃料噴射量を調整するガバナ１−７と、エンジン１−１により駆動される可変容量型油圧ポンプ（以下、単に「油圧ポンプ」という）１−３と、エンジン駆動軸上に配置された電動・発電機１−２と、蓄電装置１−２０と、電動・発電機１−２を制御して必要に応じて蓄電装置１−２０と電力の授受を行う電動・発電機制御部２−９（図３参照）としてのインバータ１−９と、ガバナ１−７を制御し、燃料噴射量を調整してエンジン回転数を制御するとともに、インバータ１−９を介して電動・発電機１−２を制御するコントローラ１−８とを備えている。

エンジン１−１はターボチャージャ式の過給機１−１８を備えており、過給機１−１８には過給圧を計測する過給圧センサ１−１９が取り付けられている。

油圧ポンプ１−３から吐出された圧油はバルブ装置１−４を介し、油圧アクチュエータ１−５（油圧シリンダ１６−７，８，９など）に供給される。この油圧アクチュエータ１−５によってハイブリッドショベルの各種の油圧作業部が駆動される。また、油圧ポンプ１−３には吐出された圧油の圧力を計測する吐出圧センサ１−１６、流量を計測する流量センサ１−１７、ポンプ傾転を計測する傾転角センサ１−２１などの各種センサを備えており、このセンサ値をもとにコントローラ１−８でポンプ負荷の演算を実施することが可能である。この構成は本発明の「負荷演算部」に利用することが出来る。

レギュレータ１−１４および電磁比例弁１−１５は、油圧ポンプ１−３の容量（押しのけ容積）を調整するためのものである。レギュレータ１−１４は、油圧ポンプ１−３の斜板の傾転角を操作することにより、油圧ポンプ１−３の吸収動力を制御する。電磁比例弁１−１５は、コントローラ１−８にて演算された駆動信号によってレギュレータ１−１４の作動量を制御する。

蓄電装置１−２０は、バッテリやキャパシタから成る蓄電器１−１０と、この蓄電器１−１０に付設された電流センサ１−１１、電圧センサ１−１２、温度センサ１−１３などから構成されており、これらセンサによって検出された電流、電圧、温度等の情報からコントローラ１−８にて、蓄電量の管理を行う。以上の構成は、本発明における「蓄電残量演算部」および「充放電要求演算部」で利用される。

本実施形態に係るエンジン１−１は負荷トルクの増加に従って回転数が減少するような所定の傾きを持ったガバナ特性（即ち、ドループ特性）で制御され、また、本実施形態に係る電動・発電機１−２は目標回転数指令に従って制御されるものである。

ここで、ドループ特性で制御されるエンジン１−１と、目標回転数指令に従って制御される電動・発電機１−２を組み合せることで、エンジン１−１の回転数とトルクを自在に制御できることについて説明する。

まず、ドループ特性をもつエンジン単体での動作を図１７（ａ）に従って説明する。図１７（ａ）では、ドループ特性は無負荷時に回転数Ｎ０、最大動力時に回転数Ｎ１で与えられるものとしている。ドループ特性を持つエンジン１−１のトルクはこの直線上で決定されるため、負荷トルクが高くなるほど回転数が低くなる特徴がある。例えば、エンジン１−１に対する負荷が負荷トルクＡの時にはエンジン回転数はＮｅ１になり、エンジン１−１に対する負荷が負荷トルクＢの時にはエンジン回転数はＮｅ２になるように調速される。

次に、目標回転数指令に従って制御される電動・発電機１−２を組み合せた場合のドループ特性で制御されるエンジン１−１の動作を図１７（ｂ）で説明する。電動・発電機１−２への目標回転数をＮ＊で与えると、電動・発電機１−２と機械的に接続されたエンジン１−１は電動・発電機１−２と同じ回転数のＮ＊で動作することになる。すると、エンジン１−１はドループ特性に従って、回転数Ｎ＊に対応するトルクＴ＊を出力する。この時、実際の負荷トルクとエンジントルクとのトルク差は電動・発電機１−２の回転数制御によって、自動的に解消されている。

また、図１７（ｂ）の状況から油圧ポンプ１−３の負荷トルクが急峻に変動した場合でも、電動・発電機１−２はエンジン１−１よりも出力応答が速いため、負荷変動によって僅かに生じる回転数偏差を電動・発電機１−２が即座に解消するため、エンジントルクはＴ＊に固定されたままになる。

これによって、油圧負荷の急峻な増加が発生しても、エンジン１−１と電動・発電機１−２の合計で負荷トルクを即座に確保できるため、ラグダウンを回避することが出来る。さらに、油圧ポンプ１−３やエンジン補機などの負荷トルクを正確に知ることが出来ない場合であっても、電動・発電機１−２には目標回転数Ｎ＊を指令していれば、エンジン動力をＴ＊に固定し続けられるため、エンジン１−１のトルクをロバストに制御することできる。

以上より、本実施形態の構成において、電動・発電機１−２の目標回転数Ｎ＊を制御することで、実際のエンジントルクを任意のエンジントルクＴ＊で動作させることが可能なことが分かる。

次に、本実施形態に係るコントローラ１−８について説明する。図３は、コントローラ１−８の制御ブロック図である。なお、エンジン１−１、油圧系、各種電装品なども、コントローラ１−８にて何らかの制御が実施されているが、本発明とは直接の関連がないため、図３中において図示は省略している。

コントローラ１−８は、負荷トルク演算部（負荷演算部）２−１、蓄電残量演算部２−２、充放電要求演算部２−３、目標エンジントルク演算部（目標エンジン出力演算部）２−４、目標ドループ演算部２−８、ガバナ特性変更部２−１０、目標回転数設定部２−７、および電動・発電機制御部２−９、を備える。蓄電残量演算部２−２は、蓄電残量の演算結果を充放電要求演算部２−３に出力する。目標エンジントルク演算部２−４は、負荷トルク演算部２−１および充放電要求演算部２−３による演算結果を入力としてエンジン１−１の目標トルクを演算し、その演算結果を目標ドループ演算部２−８に出力する。

目標ドループ演算部２−８は、目標エンジントルク演算部２−４からの演算結果および目標回転数設定部２−７からの目標回転数を入力としてガバナ１−７の特性変更指令（目標ドループ特性）を演算する。ガバナ特性変更部２−１０は、目標ドループ演算部２−８からの演算結果を入力としてドループ特性を変更する。また、電動・発電機制御部２−９は、目標回転数設定部２−７からの目標回転数指令を入力として電動・発電機１−２の回転数を制御する。

以下、各演算部による制御の詳細について説明する。図４は、負荷トルク演算部２−１の制御ブロック図である。図４に示すように、負荷トルク演算部２−１は、エンジン１−１と電動・発電機１−２のトルクの和から負荷トルクの算出を行う構成となっている。この構成をとると、エンジン１−１の軸トルクを計算に含めているため、補機類（例えばエアコンなど）の負荷を含めて負荷トルクを求めることが出来る。また、エンジン１−１の加減速による慣性体（主にフライホイール）からのエネルギ授受も考慮することが可能になる。これらは、油圧ポンプ１−３に設けられたセンサ群から負荷トルクを算出する場合は、計算することが難しい値である。

エンジントルク検出部３−１はエンジン１−１にトルクメータをつけて直接的にトルクを計測しても良いし、燃料噴射量などから間接的に演算しても良い。同様に、電動発電機トルク検出部３−２もトルクメータを使っても良いが、電動・発電機１−２もしくはインバータ１−９の電流値から間接的に演算する方法をとっても良い。

また、負荷トルク演算部２−１は図４と異なる構成を採用することも可能である。図５は、負荷トルク演算部２−１の異なる構成例を示す制御ブロック図である。図５に示す負荷トルク演算部２−１は、図４の負荷トルク算出方法に加えて、ポンプ圧力検出部４−１とポンプ容積検出部４−２を使って油圧ポンプ１−３の出力を求めることで負荷トルクの計算を行う。

ポンプ容積検出部４−２は、傾転角センサ１−２１を使って油圧ポンプ１−３の傾転角を直接検出して容積換算しても良いし、レバー操作量やポンプ指令圧などの制御指令値から油圧ポンプ１−３の傾転角を推定して、ポンプ容積を間接的に計算する構成としても良い。トルク変換４−３で算出される油圧ポンプ１−３が吐出するポンプトルクに対して、ポンプ効率４−４で除算することで油圧ポンプ１−３の吸収トルクを算出する。これによって、エンジン軸上の負荷トルクを算出することが出来る。

図５では、油圧ポンプ１−３のセンサを基にして求まる第１の負荷トルクと、エンジン１−１と電動・発電機１−２のトルクの和から求まる第２の負荷トルクの内、大きい方を最終的な出力とする方法をとっている。この方法をとることによって、負荷を常に多めに見積もるため、トルク不足によるエンストや操作感の悪化を回避することが出来る。

蓄電残量演算部２−２は、蓄電器１−１０に付設された電流センサ１−１１、電圧センサ１−１２、温度センサ１−１３の値を利用して蓄電装置１−２０の蓄電残量を算出する。充放電要求演算部２−３は、蓄電器１−１０の電力を適切な範囲に保つために電動・発電機１−２に対する力行／回生要求を演算する。具体的には、蓄電残量演算部２−２で演算された蓄電残量を、充放電要求演算部２−３が内部で演算している目標蓄電残量に追従させるように力行／回生要求を算出する。これは、例えば、蓄電残量が目標蓄電残量よりも高ければ力行要求を、一方、蓄電残量が目標蓄電残量よりも低ければ回生要求を出すことで実現できる。

また、充放電要求演算部２−３は、エンジン１−１に機械的に接続された電動・発電機１−２以外にも電動・発電機（例えば、旋回装置用の電動・発電機）を備えたハイブリッド建設機械においては、このエンジン１−１に接続されていない電動・発電機の力行／回生動作に応じて、エンジン１−１に機械的に接続された電動・発電機１−２に対する力行／回生要求を算出する機能も有している。

目標エンジントルク演算部２−４は、エンジン１−１に出力させたいトルクの目標値を算出する機能を果たす。図３に示す目標エンジントルク演算部２−４は、負荷トルク演算部２−１および充放電要求演算部２−３の出力に応じて、目標エンジントルクを算出する。以下、目標エンジントルク演算部２−４における演算内容を順に説明する。

まず、目標エンジントルク演算部２−４は、負荷トルク演算部２−１で算出されたエンジン軸上の負荷に充放電要求演算部２−３で算出された電動・発電機１−２への力行／回生要求を合算することで、第１の目標エンジントルクを計算する。つまり、第１の目標エンジントルクは「目標エンジントルク＝負荷トルク−電動・発電機トルク（力行を正値、回生を負値とする）」という計算式に従って算出される。

例えば、負荷トルク演算部２−１にて負荷動力が３００Ｎｍと算出され、蓄電残量が高いために、充放電要求演算部２−３で算出された電動・発電機１−２への力行要求が１００Ｎｍであったのならば、第１の目標エンジントルクは２００Ｎｍになる。また、負荷トルクが同じでも、蓄電残量が低く、充放電要求演算部２−３で電動・発電機１−２への回生要求が１００Ｎｍ（上式では−１００Ｎｍになる）と算出されたならば、第１の目標エンジン動力は４００Ｎｍになる。このように、第１の目標エンジントルクは、負荷トルクと蓄電残量に応じて決定される。

次に、エンジントルク演算部２−６で第２の目標エンジントルクの演算が行われる。図３では、エンジントルク演算部２−６の入力として、第１の目標エンジントルクを利用する例を示している。第２の目標エンジントルクは、所定の増加速度以下で目標トルクが増加することを特徴としているので、例えば、第１の目標エンジントルクに対してレートリミッタを施した信号を第２の目標エンジントルクとして利用する方法がある。

なお、上記のレートリミッタの増加速度（Ｎｍ／s）は一定値に限られるものでは無く、増加速度を逐次変更する可変式のレートリミッタを採用しても良い。また、同様の方法として、第１の目標エンジントルクにローパスフィルタをかけた信号を利用しても良いし、第１の目標エンジントルクの移動平均値を利用しても良い。

目標トルク決定部２−５では、上述の方法で演算された第１の目標エンジントルクと第２の目標エンジントルクから、目標エンジントルク演算部２−４の最終的な出力値の決定を行う。ここで、第１、２の目標エンジントルクのどちらを選択するかは、第１の目標エンジントルクが所定のトルクを超えたことを切替えの判断基準とする。

この切替え判断のための所定のトルクには、例えば「定格エンジントルクの５０%とする」といったように一定値を利用しても良いし、「各回転数における最大エンジントルクの５０%とする」といったようにエンジン回転数に応じて変化させても良い。また、図６に示すように、各エンジン回転数における自然吸気状態におけるエンジントルクを計測したマップ５−２を利用して切替えのための所定トルクを設定しても良い。

この構成を採ることで、第１の目標エンジントルクが自然吸気状態におけるエンジントルクを超える、つまり、過給が必要になると判断された同時に、エンジン１−１の目標トルクの増加速度を抑制できる。よって、ターボラグが発生時にエンジン１−１が過大なトルクと発生しないように燃料噴射量を抑えられ、ひいては、環境負荷のある排気ガスの排出量を抑制することが可能になる。また、エンジン回転数に応じてエンジントルクを計測したマップ５−２を利用することにより、エンジンの目標トルクをより適した設定とすることができる。

さらに、上記の所定のトルクを「０」とした場合は第２の目標エンジントルクが常に選択されるようになる。この制御を実施した場合は、エンジントルクはいつも徐変するため、燃焼状態が安定し、環境負荷のある排気ガスの排出量を抑制することができる。ただし、本制御を実施すると、エンジントルクが低い状態が続き、電動・発電機１−２によるトルクアシストの時間が増える。このため、所定のトルクを「０」とする構成は、蓄電器１−１０の蓄電残量が十分にある場合にのみ利用するのが好ましい。

図７は目標トルク決定部２−５の出力を時系列で示した一例である。なお、図７（ａ）は第２の目標エンジントルクの増加速度が一定の場合、同図（ｂ）は第２の目標エンジントルクの増加速度が逐次変更される場合の例を示している。

図７（ａ）に示すように、時刻ｔ１から第１の目標エンジントルクが負荷トルクの増加に応じて立ち上がる。その後、時刻ｔ２になると、第１の目標エンジントルクが切替え基準トルクに到達する。時刻ｔ２以降は、目標トルク決定部２−５の出力は、増加速度が制限された第２の目標エンジントルクへと切り替わる。このため、目標トルク決定部２−５の出力は図７（ａ）中の太線のように、トルクの増加速度が途中で切りかわる波形になる。第２の目標エンジントルクは第１の目標エンジントルクの増加速度を制限して生成しているため、定常状態になる時刻ｔ３以降は目標トルク値が一致する。

また、図７（ｂ）に示すように、第２の目標エンジントルクにおける目標トルクの増加速度を時間の経過に伴って逐次変更するようにしても良い。この場合、目標トルクの増加速度の変化を事前に規定したテーブルを利用しても良いし、後述するようにエンジン１−１の運転状態（動力、回転数、過給圧など）に応じて増加速度をコントローラ１−８の計算周期に合わせて更新しても良い。

目標回転数設定部２−７は、電動・発電機１−２の目標回転数を設定するものであり、コントローラ１−８は、ここで定まった設定値を電動・発電機制御部２−９へと指令する。目標回転数の設定値はエンジンコントロールダイヤルの目盛に合わせて一定値を取り続けるものでも良いし、各時刻で設定値が変化するものであっても良い。各時刻で目標回転数を変更する場合は、たとえば、エンジン１−１の等燃費マップを参照して、目標トルク決定部２−５で求まった目標エンジントルクの等トルク線線上で最も燃費が良くなる回転数を設定値にすると更なる燃費改善が期待できる。

次に、目標ドループ演算部２−８の動作について説明する。目標ドループ演算部２−８は目標トルク決定部２−５で求まった目標エンジントルクと、目標回転数設定部２−７から与えられる目標回転数指令値に基づいて、エンジン１−１の制御に利用されるドループ特性の決定を行う。

目標ドループ演算部２−８の演算内容を、目標回転数Ｎａが与えられた場合を例にとって、図８を用いて説明する。図８はドループ特性を決定する手順を説明するための図である。まず、図８（ａ）に示した通り、回転数−トルク特性線図上に、目標回転数Ｎａの等回転数線（一定回転数線、縦線）を引く。次に、目標トルク決定部２−５で目標エンジントルクＡが与えられたとすると、回転数−トルク特性線図上に、目標エンジントルクＡの等トルク線（一定出力線、横線）を引く。すると、図８（ｂ）に示した通り２つの直線の交点が交点Ａａの一点で決定される。最後に、図８（ｃ）に示したように、交点Ａａを通るドループ特性Ａａが一本決定される。

上記の処理を実装するに当たっては、目標トルクと目標回転数の２入力をもつマップを参照する形にしても良いし、等トルク線と等回転数線の交点を通過するドループ線を代数的に計算しても良い。代数的に計算する場合は、２つの直線の交点の座標と、無負荷回転数の座標の２点を通る直線ｙ＝ａｘ＋ｂを計算すれば良い。

次に、目標エンジントルクが変化する場合の目標ドループ演算部２−８の演算内容について説明する。図９は、目標エンジントルクが変化する場合のドループ特性の変化を示す回転数−トルク特性線図である。先の図８で説明した通りの処理を行えば、目標回転数Ｎａと目標エンジントルクＡ、Ｂ、Ｃが決定されると、それぞれの目標値に対応する等トルク線と等回転数線との交点Ａａ、Ｂａ、Ｃａを通るドループ特性Ａａ、Ｂａ、Ｃａが一意に定まる。

このように、本実施形態では、エンジン１−１の実回転数は常に目標回転数Ｎａ上にあるが、エンジントルクは目標トルクに応じて変化するため、エンジン１−１はあたかもアイソクロナス制御で動作しているように見える。

しかし、現実にアイソクロナス制御が実施されているエンジンでは、エンジントルクは実際の負荷トルクに応じて変化するものである。よって、エンジン１−１を負荷トルクの大きさに依らず任意の目標トルクで動作させることは困難である。この点が、本実施形態に係るエンジンの動作とアイソクロナス制御がなされたエンジンの動作との大きな差異となる。

図１０に、図９の目標エンジントルクＡ、Ｂ、Ｃと各ドループ特性Ａａ、Ｂａ、Ｃａの無負荷回転数Ａａ、Ｂａ、Ｃａの関係を時系列で示した。図１０では、時刻ｔ１から目標エンジントルクＣから徐々に増加し、時刻ｔ２で目標エンジントルクＡに到達し、時刻ｔ３から目標エンジントルクが減少するパターンとなっている。なお、無負荷回転数Ａａの値は、従来技術における無負荷回転数Ｄに相当する（図２０（ｂ）参照）。この図から、本実施形態では、無負荷時の最大エンジン回転数を、時間ｔ１〜ｔ２、時間ｔ３〜ｔ４の間、従来技術と比べて小さくすることができることが分かる。このことから、本実施形態では、油圧ポンプ１−３の引きずり等による損失を防止することができる。また、エンジンの回転数を抑えることができるため、エンジンの低騒音化を図ることができる。また、目標エンジントルクが変化しても、モータの目標回転数を一定に制御しているため、油圧ポンプ１−３の流量制御も簡単である。

なお、図９は図を簡易化するため、目標エンジントルクをＡ、Ｂ、Ｃと離散的に表示しているが、実際にコントローラに実装するにあたっては、図１０に示した通り、目標エンジントルクの変化に応じてドループ特性（図１０の無負荷回転数）を連続的に変化するように制御を実施することが好ましい。

図８、９では、目標回転数設定部２−７から与えられる目標回転数指令値が一定値Ｎａの場合の例を示した。しかし、本発明の目標回転数は、上述の通り一定値に限られるものではないので、目標回転数が逐次変更された場合の制御例を、図１１を用いて説明する。図１１は、一定値の目標エンジントルクＡに対して、目標回転数Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃで与えられた場合のドループ特性の変化を示す回転数−トルク特性線図である。

図１１に示す通り、目標ドループ演算部２−８は、目標回転数Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃと目標エンジントルクＡが決定されると、それぞれの目標値に対応する等トルク線と等回転数線との交点Ａａ、Ａｂ、Ａｃを通るドループ特性Ａａ、Ａｂ、Ａｃを一意に定めることができる。よって、電動・発電機１−２の目標回転数を一定にして、エンジン１−１の目標エンジントルクを可変にした図９と、電動・発電機１−２の目標回転数を可変にして、エンジン１−１の目標エンジントルクを一定にした図１１とを組み合せると、回転数−トルク特性線図上でエンジン１−１の動作点（回転数とトルクの組）を任意の場所に制御することが可能になる。

エンジン１−１の動作点は燃費や、環境負荷を有する排出ガスの排出特性に大きな影響があるため、本実施形態にようにエンジン１−１の動作点を制御することで、更なる燃費向上や、排ガス抑制が実現できるようになる。

「第２実施形態」
次に、本発明の第２実施形態に係るハイブリッドショベルについて図１２を用いて説明する。なお、第２実施形態は第１実施形態とコントローラ１−８の内部構成の一部が異なる以外は互いに同じ構成である。よって、以下において、第１実施形態と共通する構成についての説明は省略する。

図１２は、本発明の第２実施形態に係るハイブリッドショベルのコントローラの制御ブロック図である。図１２に示すように、第２実施形態では、過給圧検出部１１−１の構成が追加されている。この過給圧検出部１１−１は、過給圧センサ１−１９（図２参照）から送られてくる過給圧の測定データをエンジントルク演算部２−６に出力する機能を有する。エンジントルク演算部２−６は、過給圧検出部１１−１の出力に応じて第２の目標エンジントルクを演算する。この演算内容の概要を図１３に示す。

図１３（ａ）は過給圧の立ち上がり方を示している。まず、時刻ｔ１から自然吸気の吸気圧に一致する時刻ｔ２まで、過給圧は素早く立ち上がる。時刻ｔ２より過給機１−１８が動作を始め、時刻ｔ３まで過給圧は徐々に増加する。この時刻ｔ２−ｔ３間の過給圧の立ち上がりの応答遅れがターボラグである。時刻ｔ３以降は、過給圧が定常状態に落ち着く。

以上の過給圧の応答に基づいて、エンジントルク演算部２−６は、過給圧の応答波形に沿うように第２の目標エジントルクを図１３（ｂ）のように算出する。図１３（ｂ）に示す第２の目標エンジントルクは、第１の目標エンジントルクに対して増加速度を過給圧に応じて逐次変更したレートリミッタを通して計算することもできるし、過給圧と目標エンジントルクの対応を記録したテーブルを参照することでも計算可能である。

このように第２の目標エンジントルクを計算した上で、目標トルク決定部２−５における第１の目標エンジントルクと第２の目標トルクの切り替えの基準トルクを自然吸気状態におけるエンジントルク（図１３（ｂ）のＮ／Ａトルク）とすれば、ターボラグが起きている最中にエンジン１−１が出し得るトルク以上の目標値を取らなくなる。この制御を実施することによって、エンジン１−１の過大な燃料噴射を抑制できるため、更なる省エネルギ化を実現できる。

なお、ターボラグが発生している状況で燃料を過剰に噴射すると、空気量が不足しているために不完全燃焼を起こし黒煙が発生することが知られているが、第２実施形態によれば、ターボラグが発生している間の目標エンジントルクを過給圧に応じた第２のエンジン目標トルクに設定しているため、過剰な燃料噴射が抑制されるため、黒煙の発生も抑制可能になる。また、この基準トルクをエンジン１−１の動作回転数に応じて変化させるようにすることもできる。この場合、より一層過剰な燃料噴射や黒煙の発生が抑制される。

次に、第２実施形態に係るコントローラ１−８の演算手順の詳細について、図１４を用いて説明する。図１４は、コントローラ１−８の演算手順を示すアクティビティ図である。図１４に示すように、コントローラ１−８は、まず、負荷トルク演算１３−１、蓄電残量演算１３−２、充放電要求演算１３−３、過給圧検出１３−４の各処理を行う。ここで、負荷トルク演算部２−１の演算内容が負荷トルク演算１３−１に該当し、蓄電残量演算部２−２と充放電要求演算部２−３の演算内容がそれぞれ蓄電残量演算１３−２、充放電要求演算１３−３に該当し、過給圧検出部１１−１による過給圧センサ１−１９からのセンサデータの検出が過給圧検出１３−４に該当する。

以上の演算結果に基づいて、コントローラ１−８は、目標エンジントルク演算部２−４を利用して、エンジン１−１の目標トルクを算出する。これが図１４中の目標エンジントルク演算に該当する。この演算では、第１の目標エンジントルク演算１３−５と第２の目標エンジントルク演算１３−６とが並行して行われた後に、目標トルク決定１３−７で最終的な目標エンジントルクが決定される。

続いて、上記の演算結果に基づいて、目標ドループ演算１３−８にてエンジン１−１に指令するドループ特性が演算される。この演算には、前述の目標ドループ演算部２−８が利用されている。そして、目標ドループ演算１３−８の演算結果に従って、ガバナ特性変更１３−９にてエンジン１−１の制御内容の変更が実施される。

また、電動・発電機１−２に関する処理として、目標回転数設定部２−７で設定された目標回転数指令を電動・発電機制御部２−９に出力する処理が行われる。この処理は、図１４中の目標回転数設定１３−１０、電動・発電機制御１３−１１である。以上の演算がコントローラ１−８の演算周期ごと（例えば１０ミリ秒ごと）に実行される。

なお、図１４において過給圧検出１３−４を削除すると、第１実施形態に係るコントローラ１−８の演出手順を示すアクティビティ図となることは言うまでもない。

ここまでは、エンジン１−１の目標出力として「目標トルク」を用いた実施形態の例を説明したが、本発明は目標トルクの替わりに「目標動力（トルクと回転数の積）」を用いて実施しても良い。この場合、電力の単位はＷ（ワット）で決まるため、トルク（Ｎｍ）で制御量を決定するよりも、動力（Ｗ）で制御を実施した方が、蓄電装置への充放電量の管理が容易であるというメリットがある。

動力で制御を実施する場合のコントローラ１−８の一例を図１５に示す。図１５は、トルクで制御を行う図１２の構成において、トルクを動力に変換したものである。この変換は「動力＝トルク×回転数」の関係で容易に変更が出来る。そして、目標動力決定部１４−４で目標エンジン動力が決定された後の目標ドループ演算部２−８における演算内容が図８から図１６のように変更される。

目標回転数がＮａで与えられた時の、演算内容を図１６に従って説明する。まず、図１６（ａ）に示した通り、回転数−トルク特性線図上において、目標回転数Ｎａの等回転数線（縦線）を引く。次に、目標動力決定部１４−４で目標エンジン動力がＡと決まったとすると、回転数−トルク特性線図上において、目標エンジン動力Ａの等動力線（曲線）を引く。すると、図１６（ｂ）に示した通り２つの直線の交点がＡａの一点で決定される。最後に、図１６（ｃ）に示したように、交点Ａａを通るドループ特性Ａａが一本決定される。以降の演算はトルクの単位を使った場合と同様である。

以上説明したように、上記の各実施形態によれば、発電・電動機１−２の目標回転数とエンジン１−１の目標トルクが与えられると、回転数−トルク特性線図上において、エンジン１−１の目標トルクの値をとる等トルク線（一定出力線）と、電動・発電機１−２の目標回転指令をとる等回転数線（一定回転数線）の交点を通るドループ特性を決定し、その決定に係るドループ特性でエンジン１−１を制御することができるから、エンジンの目標トルクの値に応じた無負荷時の最大エンジン回転数とすることができる。即ち、エンジンの目標トルクが小さいにもかかわらず、無負荷時の最大エンジン回転数を大きい状態となることを防止できる。これにより、油圧ポンプ１−３の引きずり等による損失を防止できる。さらに、各実施形態によれば、上記したように、エンジンの低騒音化、省エネ化、低燃費化、排気ガスの抑制など、様々な優れた効果を発揮する。

なお、上述の実施形態は、本発明を実施するために好適なものであるが、その実施形式はこれらに限定されるものでなく、本発明の要旨を変更しない範囲内において種々変形することが可能である。例えば、本発明に係るハイブリッド建設機械を、ホイールローダなどの油圧ショベル以外の建設機械に対して適用しても良い。

１−１ エンジン
１−２ 電動・発電機
１−３ 油圧ポンプ
１−８ コントローラ
１−１８ 過給機
１−１９ 過給圧センサ
１−２０ 蓄電装置
２−１ 負荷トルク演算部（負荷演算部）
２−２ 蓄電残量演算部
２−３ 充放電要求演算部
２−４ 目標エンジントルク演算部（目標エンジン出力演算部）
２−７ 目標回転数設定部
２−８ 目標ドループ演算部
２−９ 電動・発電機制御部
２−１０ ガバナ特性変更部
１６−３ ブーム（油圧作業部）
１６−４ アーム（油圧作業部）
１６−５ バケット（油圧作業部）
Ａａ、Ａｂ，Ａｃ，Ｂａ，Ｃａ 交点

Claims (7)

1. エンジンと、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧作業部と、前記エンジンとの間で出力の伝達を行う電動・発電機と、前記電動・発電機に電力を供給する蓄電装置と、前記エンジンを、負荷と回転数との関係が、負荷の増加に従って回転数が減少するような所定の傾きを持ったガバナ特性で制御するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、
   前記エンジンの目標出力を算出する目標エンジン出力演算部と、
   前記電動・発電機の目標回転数指令を設定する目標回転数設定部と、
   回転数−トルク特性線図上にて、前記目標エンジン出力演算部で算出された前記エンジンの目標出力の値をとる一定出力線と、前記電動・発電機の目標回転指令をとる一定回転数線の交点を求め、この回転数−トルク特性線図上の交点を通るように前記エンジンのガバナ特性を決定する目標ドループ演算部と、
   前記目標ドループ演算部で求めたガバナ特性に従って、前記エンジンのガバナ特性を変更するガバナ特性変更部と、
   前記目標回転数設定部により設定された目標回転数指令値に従って前記電動・発電機を制御する電動・発電機制御部と、を含むことを特徴とするハイブリッド建設機械。
2. 請求項１において、
   前記目標エンジン出力演算部は、第１の目標エンジン出力を演算すると共に、前記第１の目標エンジン出力が所定の切替え基準以下のときには前記第１の目標エンジン出力を前記エンジンの目標出力として出力する一方、前記第１の目標エンジン出力が前記所定の切替え基準を超えたときには、前記第１の目標エンジン出力に対して目標出力の増加速度に制限を加えた第２の目標エンジン出力を演算し、前記第２の目標エンジン出力を前記エンジンの目標出力として出力することを特徴とするハイブリッド建設機械。
3. 請求項１または２において、
   前記コントローラは、前記エンジンの軸上の負荷を演算する負荷演算部と、前記蓄電装置の残量を演算する蓄電残量演算部と、前記蓄電残量演算部の出力に基づいて前記蓄電装置の電力を適切な範囲に保つために必要な充電／放電要求を演算する充放電要求演算部と、さらに含み、
   前記目標エンジン出力演算部は、前記充放電要求演算部による演算結果と前記負荷演算部による演算結果とに基づいて前記エンジンの目標出力を算出することを特徴とするハイブリッド建設機械。
4. 請求項２において、
   前記目標エンジン出力演算部は、前記第２の目標エンジン出力を演算する際の目標出力の増加速度を前記エンジンの運転状態に応じて逐次変更することを特徴とするハイブリッド建設機械。
5. 請求項２において、
   前記エンジンは、ターボチャージャ式の過給機および前記エンジンの過給圧を測定する過給圧センサを備え、
   前記目標エンジン出力演算部は、前記第２の目標エンジン出力を演算する際の目標出力の増加速度を、前記過給圧センサからの出力値の増減に応じて増減することを特徴とするハイブリッド建設機械。
6. 請求項２において、
   前記エンジンは、ターボチャージャ式の過給機を備え、
   自然吸気状態で出力可能なエンジン出力の値を前記所定の切替え基準として設定したことを特徴とするハイブリッド建設機械。
7. 請求項２において、
   前記所定の切替え基準を前記エンジンの動作回転数に応じて変化させることを特徴とするハイブリッド建設機械。