JP6232007B2 - ハイブリッド式作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド式作業機械に係わり、特に小型の油圧ショベル等のハイブリッド式作業機械に関する。

近年、油圧ショベル等の作業機械においては、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減等の観点から、エンジン(ディーゼルエンジン）と電動機を併用するハイブリッド式作業機械が開発され、一部実用化されている。このようなハイブリッド式建設機械として例えば特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載のハイブリッド式建設機械では、エンジンによって駆動される油圧ポンプの補助動力源として発電・電動機を設け、油圧ポンプの要求トルクがエンジン出力トルクより大きい場合は、バッテリの電力で発電・電動機を電動機として作動させてエンジン出力トルクの不足分を補い、バッテリの充電量が不十分となった場合は、油圧ポンプの減トルク制御によってエンジンに強制的に余剰トルクを発生させ、発電・電動機を発電機として作動させてバッテリの急速充電を行っている。

特開２０１１−１４９２２６

特許文献１に記載のハイブリッド式建設機械によれば、バッテリの充電量が不十分な場合に、油圧ポンプの減トルク制御を行うことによりエンジンに強制的に余剰トルクを発生させ、発電・電動機を発電機として作動させてバッテリの急速充電を行うことができる。

しかし、急速充電中は油圧ポンプの出力が低下するため、例えば掘削作業などの高負荷トルクが要求される作業に支障を来たす恐れがある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ハイブリッド方式を採用してエンジンを小型化することにより燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減を図るとともに、蓄電装置の充電量が極めて不十分な場合に油圧ポンプの出力低下を抑えつつ蓄電装置の急速充電を行うことが可能なハイブリッド式作業機械を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、このエンジンによって駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記エンジンの目標回転数を指示するエンジン回転数指示装置と、前記エンジンの実回転数を検出するエンジン回転数検出装置と、前記エンジンの負荷トルクが増加するにしたがって前記エンジンの出力トルクが増加するよう燃料噴射量を制御するガバナ装置と、前記エンジンに連結された発電・電動機と、前記発電・電動機との間で電力を授受する蓄電装置と、前記蓄電装置からの電力を前記発電・電動機に供給することで前記発電・電動機を電動機として作動させて出力アシストを行い、前記エンジンにより前記発電・電動機を回転駆動することで前記発電・電動機を発電機として作動させて前記蓄電装置を充電する制御装置とを備え、前記エンジンは、前記ガバナ装置の燃料噴射量が最大であるときの全負荷特性と、前記ガバナ装置の燃料噴射量が最大に増加するまでのレギュレーション特性とを含む出力トルク特性を有し、前記全負荷特性は、前記エンジン回転数が定格回転数から所定回転数に低下するにしたがって前記エンジンの出力トルクが増加し、前記所定回転数で前記エンジンの出力トルクが最大となる第１特性部分と、前記エンジン回転数が前記所定回転数から低回するにしたがって前記エンジン出力トルクが減少する第２特性部分とを有し、前記制御装置は、前記蓄電装置の充電率が前記発電・電動機のアシスト駆動による作業の継続が不能となる最小充電率以下に低下した場合に、前記エンジンの目標回転数を低下させるエンジン回転数低下制御と前記油圧ポンプの最大吸収トルクを低下させる減トルク制御とを行い、このエンジン回転数低下制御と減トルク制御によって前記エンジンに生じた余剰トルクを用いて前記発電・電動機を発電機として作動させて前記蓄電装置を充電する充電制御を行うものとする。

このように構成した本発明においては、出力アシストによってエンジンの要求トルクを抑えることでエンジンの小型化が可能となり、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減を図ることができる。

また、バッテリの充電率が最小充電率以下に低下した場合（すなわちバッテリの充電量が極めて不十分な場合）に、エンジン回転数を低下させるエンジン回転数低下制御を行うことにより、エンジン全負荷特性の第１特性部分上の最大馬力回転数におけるエンジン出力トルクが増加する。これにより減トルク制御のみを行って余剰トルクを発生させる場合と比較して減トルク制御による油圧ポンプの最大吸収トルクの低下量が抑えられ、油圧ポンプの出力低下を抑えつつ蓄電装置の急速充電を行うことが可能となる。

本発明によれば、ハイブリッド方式を採用してエンジンを小型化することにより燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減を実現するとともに、バッテリの充電量が極めて不十分な場合に油圧ポンプの出力低下を抑えつつバッテリの急速充電を行うことが可能となる。

本発明の一実施の形態に係るハイブリッド式作業機械である小型の油圧ショベルの外観を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る油圧ショベルの駆動システムを示す図である。 エンジンコントローラが燃料噴射量を演算するときに用いる燃料噴射量特性を示す図である。 図３に示すように燃料噴射量が制御されたときのエンジンの出力トルク特性を示す図である。 ポンプレギュレータの構成の詳細を示す図である。 ポンプレギュレータのトルク制御部の機能を示すポンプトルク特性図である。 油圧系のコントロールバルブと複数の油圧アクチュエータのうち、左右の走行用油圧モータに係わる油圧回路部分を示す図である。 従来の一般的なミニショベルの油圧ポンプのＰＱ特性（馬力特性）と代表的な出力使用範囲との関係を示す図である。 従来の一般的なミニショベルのエンジン出力馬力特性と代表的な出力使用範囲との関係を示す図である。 従来の一般的なミニショベルのエンジンの出力トルク特性を示す図である。 本発明の実施の形態に係るミニショベルの油圧ポンプのＰＱ特性（馬力特性）と代表的な出力使用範囲との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係るミニショベルのエンジン出力馬力特性と代表的な出力使用範囲との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係るミニショベルのエンジンと発電・電動機とを組み合わせたハイブリッド駆動システムの出力トルク特性を示す図である。 車体コントローラによる制御を示すブロック図である。 車体コントローラによる制御を示すフロー図である。 目標回転数とエンジン出力馬力及び最大馬力回転数の関係を示す図である。 アシスト制御によるシステム出力トルクの変化を示す図である。 バッテリ充電制御によるシステム出力トルクの変化を示す図である。 アシスト制御によるシステム出力馬力の変化を示す図である。 バッテリ充電制御によるシステム出力トルクの変化を示す図である。 比較例として、ポンプ減トルク制御だけで急速充電制御を行った場合の油圧ポンプの最大吸収トルクの変化（減トルク量）を示す図である。 ポンプ減トルク制御だけで急速充電制御を行う場合の減トルク量と、そのときのバッテリ３３の急速充電の発電トルクとして使用されるエンジン１１の余剰トルクと作業に使用可能な最大トルクの配分を示す図である。 本実施の形態においてエンジン回転数低下制御とポンプ減トルク制御によって急速充電制御を行う場合の油圧ポンプ２１の最大吸収トルクの変化（減トルク量）を示す図である。 本実施の形態において必要となる減トルク量と、そのときのエンジン１１の余剰トルクと作業に使用可能な最大トルクの配分を示す図である。 アイソクロナス制御を採用した場合のエンジン回転数とエンジン出力トルクとの関係を示す図である。 アイソクロナス制御を採用した場合のエンジン回転数とエンジン出力馬力との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

〜構成〜
図１は、本発明の一実施の形態に係るハイブリッド式作業機械である小型の油圧ショベルの外観を示す図である。本明細書において、小型の油圧ショベルとはミニショベルを含む８トンクラス以下の油圧ショベルを意味する。

油圧ショベルは、下部走行体１０１と、この下部走行体１０１上に旋回可能に搭載された上部旋回体１０２と、この上部旋回体１０２の先端部分にスイングポスト１０３を介して上下及び左右方向に回動可能に連結されたフロント作業機１０４とを備えている。下部走行体１０１はクローラ方式であり、トラックフレーム１０５の前方側に上下動可能な排土用のブレード１０６が設けられている。上部旋回体１０２は基礎下部構造をなす旋回台１０７と、旋回台１０７上に設けられたキャビン（運転室）１０８とを備えている。フロント作業機１０４はブーム１１１と、アーム１１２と、バケット１１３とを備え、ブーム１１１の基端はスイングポスト１０３にピン結合され、ブーム１１１の先端はアーム１１２の基端にピン結合され、アーム１１２の先端はバケット１１３にピン結合されている。

上部旋回体１０２は下部走行体１０１に対して図示しない旋回モータにより旋回駆動され、スイングポスト１０３及びフロント作業機１０４は旋回台１０７に対してスイングシリンダ２４ｇにより左右に回動駆動され、ブーム１１１、アーム１１２、バケット１１３は、それぞれ、ブームシリンダ２４ｃ、アームシリンダ２４ｄ、バケットシリンダ２４ｅを伸縮することにより上下に回動駆動される。下部走行体１０１は左右の走行モータ２４ａ，２４ｂにより回転駆動され、ブレード１０６はブレードシリンダ２４ｈにより上下に駆動される。

図２は、図１に示した油圧ショベルのハイブリッド駆動システムを示す図である。図２において、ハイブリッド駆動システムは、エンジン系１と、油圧系２と、発電電動系３と、制御系４とを備えている。

エンジン系１は、ディーゼルエンジン１１と、エンジンコントロールダイヤル１２と、エンジンコントローラ１３と、電子ガバナ１４と、エンジン回転数検出装置１５とを備えている。ディーゼルエンジン１１は、後述する如く、従来のものよりもダウンサイジングした（エンジン出力の小さい）エンジンである。

エンジンコントロールダイヤル１２は、オペレータの操作によりエンジン１１の目標回転数を指示するものである。目標回転数とは、エンジン１１に負荷が投入されていないときのエンジン回転数である。エンジンコントローラ１３は、エンジンコントロールダイヤル１２からの目標回転数信号を入力し、所定の演算処理を行って目標燃料噴射量を求め、電子ガバナ１４を制御することによりエンジンの各気筒に噴射される燃料噴射量を制御し、エンジン出力トルクとエンジン回転数を制御する。なお、本実施の形態では、電子ガバナ１４の制御に、エンジン負荷の増加に応じてエンジン回転数を低下させつつ燃料噴射量を増加させるドループ制御を採用した場合を例に説明する。エンジン回転数検出装置１５は、エンジン１１の実回転数を検出するものである。エンジン回転数検出装置１５によって検出されたエンジン回転数は、エンジンコントローラ１３を介して車体コントローラ４６（後述）に入力される。

図３は、エンジンコントローラ１３が燃料噴射量を演算するときに用いる燃料噴射量特性を示す図である。図中、横軸はエンジンコントロールダイヤル１２が指示する目標回転数とエンジン回転数検出装置１５によって検出されたエンジン１１の実回転数との偏差ΔＮであり、縦軸は燃料噴射量Ｆである。この燃料噴射量特性は、回転数偏差ΔＮがゼロであるとき、燃料噴射量Ｆは最小Ｆｍｉｎであり、回転数偏差ΔＮが増大するにしたがって燃料噴射量Ｆは斜めの直線Ｆ１の特性に沿って直線比例的に増大するよう設定されている。また、回転数偏差ΔＮがある所定の値ΔＮａに達すると、燃料噴射量Ｆは最大Ｆｍａｘとなり、それ以上回転数偏差ΔＮが増大したときは、燃料噴射量Ｆは最大Ｆｍａｘの一定値に保持される。通常のエンジン制御では、目標回転数毎に燃料噴射量特性を記憶しておき、エンジンコントロールダイヤル１２が指示する目標回転数に応じて対応する燃料噴射量特性を選択し、そのとき演算した回転数偏差ΔＮを燃料噴射量特性に参照して対応する燃料噴射量を求め、その燃料噴射量を目標値として電子ガバナ１４に与え、エンジン１１の各気筒に噴射される燃料噴射量を制御する。

図４は、そのように燃料噴射量が制御されたときのエンジン１１の出力トルク特性を示す図であり、エンジンコントロールダイヤル１２が指示する目標回転数が最大であるときのものである。図中、横軸はエンジン回転数であり、縦軸はエンジン出力トルクである。エンジン１１の出力トルク特性は、燃料噴射量が最大であるときの全負荷特性Ｔｆと、図３に示した燃料噴射特性に基づいて燃料噴射量が調整されるレギュレーション特性Ｔｇｍａｘとからなっている。全負荷特性Ｔｆはエンジン１１の特性によって定まるものであり、エンジン回転数が低下するにしたがってエンジン１１の出力トルクが最大ＴＥｍａｘｅまで増加する左上がりの特性部分Ｔｆ１と、エンジン回転数が更に低下するにしたがってエンジン１１の出力トルクが減少する左下がりの特性部分Ｔｆ２とからなっている。レギュレーション特性Ｔｇｍａｘは、図３に示した燃料噴射特性に対応して、エンジン回転数が低下するにしたがってエンジン１１の出力トルクが増大するドループ制御の特性となっている。

すなわち、エンジン１１に負荷が投入されていないときは燃料噴射量は最小Ｆｍｉｎであり、このときのエンジン回転数はレギュレーション特性Ｔｇｍａｘの直線と横軸との交点のＮＴｍａｘである。エンジン１１の負荷トルク（油圧ポンプ２１の吸収トルク）が増大し、目標回転数ＮＴｍａｘと実回転数との偏差ΔＮが増大するにしたがって燃料噴射量が増大し、それに伴ってエンジン１１の出力トルクはレギュレーション特性Ｔｇｍａｘの斜めの直線に沿って直線比例的に増大する。エンジン１１の負荷トルクが更に増大し、回転数偏差ΔＮが所定の値ΔＮａに達すると燃料噴射量は最大となる（図３）。レギュレーション特性Ｔｇｍａｘの直線と全負荷特性Ｔｆとの交点は燃料噴射量が最大Ｆｍａｘとなり、エンジン１１の出力馬力が最大となる点（後述）であり、このときの回転数（最大馬力回転数）ＮＲｍａｘが定格回転数であり、エンジン１１の出力トルクＴｏｐｔが定格トルクである。

エンジンコントロールダイヤル１２が最大目標回転数ＮＴｍａｘよりも低い目標回転数ＮＴｘ１，ＮＴｘ２を指示するとき、エンジンコントローラ１３は目標回転数ＮＴｘ１，ＮＴｘ２のそれぞれに対応した燃料噴射特性を選択して燃料噴射量を制御し、それに対応してレギュレーション特性は破線Ｔｇ１，Ｔｇ２と変化する。その結果、最大馬力回転数はＮＲ１，ＮＲ２と低下する（後述）。

本実施の形態では、エンジンコントロールダイヤル１２が指示する目標回転数がエンジン１１に負荷が投入されていないときの回転数ＮＴｍａｘ，ＮＴｘ１，ＮＴｘ２であると定義したが、目標回転数は最大馬力回転数（エンジンコントロールダイヤル１２が指示する目標回転数が最大であるときは定格回転数）ＮＲｍａｘ，ＮＲ１，ＮＲ２であると定義してもよい。また、本実施の形態では、レギュレーション特性がドループ制御の特性である場合について説明したが、レギュレーション特性は、エンジン負荷の増加によらずエンジン回転数が一定に保たれるように燃料噴射量を調整するアイソクロナス制御の特性であってもよい（後述）。

エンジン１の出力軸は大径ギヤ６ａと小径ギヤ６ｂからなる動力分配器６を介して油圧系２と発電電動系３に連結されている。

油圧系２は、油圧ポンプ２１及びパイロットポンプ２２と、コントロールバルブ２３と、複数の油圧アクチュエータ２４ａ〜２４ｈと、複数の操作装置２５，２６とを備えている。

油圧ポンプ２１及びパイロットポンプ２２はエンジン１１の出力軸に動力分配器６を介して連結され、エンジン１１により駆動される。油圧ポンプ２１から吐出された圧油はコントロールバルブ２３を介して複数の油圧アクチュエータ２４ａ〜２４ｈに供給され、それぞれの被駆動体を駆動する。油圧ポンプ２１は可変容量型であり、押しのけ容積可変機構（例えば斜板）２１ａと、押しのけ容積可変機構２１ａの傾転位置を調整し、油圧ポンプの容量を制御するポンプレギュレータ２７を備えている。

複数の油圧アクチュエータ２４ａ〜２４ｈは、左右の走行用油圧モータと、それ以外の油圧アクチュエータを含み、それ以外の油圧アクチュエータは、例えば、ブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダ、スイング用油圧シリンダ、ブレード用油圧シリンダを含む。

コントロールバルブ２３は複数の油圧アクチュエータ２４ａ〜２４ｈに対応する複数のメインスプールを内蔵し、これらメインスプールは操作装置２５，２６から出力される油圧信号により切換操作される。操作装置２５は左右の走行用の操作装置を代表したものであり、操作装置２６は走行以外の操作装置を代表したものである。

発電電動系３は、発電・電動機３１と、インバータ３２と、バッテリ（蓄電装置）３３と、バッテリコントローラ３４と、操作パネル３５とを備えている。

発電・電動機３１はエンジン１１の出力軸に動力分配器６を介して連結され、エンジン１１に余剰トルクがあるときは、その余剰トルクによって駆動されて発電機として作動する。発電・電動機３１が発生した電気エネルギーはインバータ３２を介してバッテリ３３に蓄電される。また、発電・電動機３１は、バッテリ３３の容量に対する蓄電量の比率（以下、充電率という）がアシスト駆動に必要な最小充電率（例えば３０％）以上でありかつ油圧ポンプ２１をアシスト駆動する必要があるときは、インバータ３２を介してバッテリ３３の電気エネルギーが供給され、電動機として作動する。バッテリコントローラ３４はバッテリ３３の蓄電量を監視し、操作パネル３５はその蓄電量に係わる情報（蓄電情報）を表示する。

制御系４は、走行速度切換スイッチ４１と、トルク制御電磁弁４４と、走行速度切替電磁弁４５と、制御装置としての車体コントローラ４６とを備え、車体コントローラ４６は、走行速度切換スイッチ４１、トルク制御電磁弁４４及び走行速度切替電磁弁４５と電気的に接続されている。また、車体コントローラ４６は、インバータ３２、バッテリコントローラ３４、操作パネル３５及びエンジンコントローラ１３とも電気的に接続されている。車体コントローラ４６は、走行速度切換スイッチ４１の指示信号、エンジンコントローラ１３のエンジン回転数情報（目標回転数及び検出した実回転数）、操作パネル３５の操作信号及びバッテリコントローラ３４の蓄電情報（充電率）を入力し、所定の演算処理を行い、インバータ３２、トルク制御電磁弁４４及び走行速度切替電磁弁４５に制御信号を出力する。

図５は、ポンプレギュレータ２７の構成の詳細を示す図である。

ポンプレギュレータ２７は、複数の操作装置２５，２６の操作量に基づく要求流量に応じた流量を吐出するよう油圧ポンプ２１の押しのけ容積可変機構２１ａの傾転位置を制御する（したがって油圧ポンプ容量を制御する）ＬＳ制御部等の要求流量応答制御部と、油圧ポンプ２１の最大吸収トルクを予め定められた値を超えないように油圧ポンプ２１の押しのけ容積可変機構２１ａの最大傾転位置を制御する（したがって油圧ポンプの最大容量を制御する）トルク制御部とを有している。図５は、図示の簡略化のため、トルク制御部のみ図示している。また、動力分配器６は図示を省略している。

図５において、ポンプレギュレータ２７は、油圧ポンプ２１の押しのけ容積可変機構２１ａに作動的に連結された制御スプール２７ａと、この制御スプール２７ａに対して油圧ポンプ２１の容量増加方向に作用する第１及び第の２つのバネ２７ｂ，２７ｃと、スプール２７ａに対して油圧ポンプ２１の容量減少方向に作用する第１及び第２受圧部２７ｄ，２７ｅとを有している。第１受圧部２７ｄには油圧ポンプ２１の吐出圧力がパイロットライン２７ｆを介して導入される。第１及び第２バネ２７ｂ，２７ｃは油圧ポンプ２１の最大吸収トルクを設定するものである。第１バネ２７ｂは第２バネ２７ｃよりも長く、制御スプール２７ａが図示の初期位置にあるときは第１バネ２７ｂのみが制御スプール２７ａに接触して、制御スプール２７ａを図示右方向に付勢する。制御スプール２７ａが図示左方向にある程度移動すると第２バネ２７ｃも制御スプール２７ａに接触して、第１及び第２バネ２７ｂ，２７ｃの両方が制御スプール２７ａを図示右方向に付勢する。

トルク制御電磁弁４４は、車体コントローラ４６から制御信号が出力されていないときは図示のＯＦＦ位置にあり、ポンプレギュレータ２７の第２受圧部２７ｅをタンクに連通させる。車体コントローラ４６から制御信号が出力されると、トルク制御電磁弁４４はＯＮ位置に切り換えられ、第２受圧部２７ｅに制御圧力としてパイロットポンプ２２の吐出圧力が導かれる。パイロットポンプ２２の吐出圧力はパイロットリリーフ弁２８により一定の値（例えば４Ｍｐａ）に保たれている。

図６は、ポンプレギュレータ２７のトルク制御部の機能を示すポンプトルク特性図であり、横軸は油圧ポンプ２１の吐出圧力を示し、縦軸は油圧ポンプ２１の容量を示している。

また、図６において、符号ＴＰ１及びＴＰ２で示される２つの直線（実線）からなる折れ曲がり線は第１及び第２バネ２７ｂ，２７ｃにより設定される最大吸収トルク特性である。直線ＴＰ１，ＴＰ２に接する符号ＴＰＬｃで示される曲線は油圧ポンプ２１の最大吸収トルクであり、これはトルク制御の制限トルクということもできる。油圧ポンプ２１の最大吸収トルク（制限トルク）ＴＰＬｃはエンジン１１の定格トルクＴｏｐｔに発電・電動機３１の最大トルクＴＭｍａｘを加算した定格システムトルクＴｏｐｔｃ（後述）よりも所定の余裕分だけ小さくなるように設定されている。また、油圧ポンプ２１の最大吸収トルクＴＰＬｃはエンジン１１の定格トルクＴｏｐｔより大きく、本実施の形態においては油圧ポンプ２１の最大吸収トルクＴＰＬｃは更に最大トルクＴＥｍａｘｅ（後述）よりも大きい。

このような油圧ポンプ２１の吸収トルクとエンジン１１の出力トルクとの関係から分かるように、エンジン１１は、定格トルクＴｏｐｔが油圧ポンプ２１の最大吸収トルクＴＰＬｃよりも小さく、エンジン１１の出力トルクだけでは油圧ポンプ２１の最大吸収トルクＴＰＬｃを賄えない大きさにダウンサイジング（小型化）されている。また、本実施の形態においては、更にエンジン１１は、定格トルクＴｏｐｔだけでなく最大トルクＴＥｍａｘｅも油圧ポンプ２１の最大吸収トルクＴＰＬｃよりも小さい大きさにダウンサイジングされている。なお、図中、Ａは走行高速時の代表的な出力使用範囲、Ｂは走行低速時の代表的な出力使用範囲、Ｃは通常作業時の代表的な出力使用範囲を示しており、これらについては後述する。

ポンプレギュレータ２７のトルク制御部は、油圧ポンプ２１の吐出圧力に応じて油圧ポンプ２１の押しのけ容積可変機構２１ａの最大傾転位置（したがって油圧ポンプ２１の最大容量）を制限することで油圧ポンプ２１の最大吸収トルクを制限するものである。油圧ポンプ２１の吐出圧力の上昇時に吐出圧力が第１の値Ｐ１を超える前は、油圧ポンプ２１の吐出圧力が導かれる受圧部２７ｄの油圧力は第１バネ２７ｂの付勢力より小さく、油圧ポンプ２１の最大容量はｑｍａｘに維持される。すなわち、油圧ポンプ２１の容量は要求流量応答制御部の制御によりｑｍａｘまで上昇させることができる。油圧ポンプ２１の吐出圧力が更に上昇して第１の値Ｐ１を超えると、受圧部２７ｄの油圧力は第１バネ２７ｂの付勢力より大きくなり、制御スプール２７ａは図示左方向に移動して、油圧ポンプ２１の最大容量は折れ曲げ線の直線ＴＰ１に沿って減少する。これにより要求流量応答制御部により制御される油圧ポンプ２１の容量は直線ＴＰ１が規定する最大容量以下に制限され、油圧ポンプ２１の吸収トルク（ポンプ吐出圧力と容量の積）は制限トルクＴＰＬｃを超えないように制御される。

油圧ポンプ２１の吐出圧力が更に上昇して第２の値Ｐ２を超えると、制御スプール２７ａは第２バネ２７ｃに接触して、油圧ポンプ２１の吐出圧力の上昇量に対する制御スプール２７ａの移動量の割合（油圧ポンプ２１の容量の減少割合）は減少し、油圧ポンプ２１の最大容量は直線ＴＰ１よりも傾きの小さい直線ＴＰ２に沿って減少する。この場合も、油圧ポンプ２１の吸収トルクは制限トルクＴＰＬｃを超えないように制御される。油圧ポンプ２１の吐出圧力がメインリリーフ弁２９の設定圧力に達すると、それ以上油圧ポンプ２１の吐出圧力の上昇は阻止される。

トルク制御電磁弁４４がＯＮ位置に切り換わると、第２受圧部２７ｅに制御圧力が導かれ、制御スプール２７ａには第２受圧部２７ｅの油圧力が第１及び第２バネ２７ｂ，２７ｃの付勢力に対向して作用する。これにより第１及び第２バネ２７ｂ，２７ｃによる最大吸収トルクの設定は、第２受圧部２７ｅの油圧力の分だけ減少するよう調整され、最大吸収トルク特性は、矢印で示すように、実線の直線ＴＰ１，ＴＰ２からなる折れ曲げ線から一点鎖線の直線ＴＰ３，ＴＰ４からなる折れ曲げ線へとシフトする（減トルク量ΔＴＰｄ１）。その結果、油圧ポンプ２１の吐出圧力の上昇時、油圧ポンプ２１の最大容量は折れ曲げ線の一点鎖線の直線ＴＰ３，ＴＰ４に沿って減少する。このときの油圧ポンプ２１の最大吸収トルク（ポンプ吐出圧力と最大容量の積）は直線ＴＰ１，ＴＰ２の最大吸収トルクＴＰＬｃから直線ＴＰ３，ＴＰ４に接する曲線のＴＰＬｄ１へと小さくなり、エンジン１１に余剰トルクＴＧ（後述）が強制的に作り出される。本願明細書では、この制御を減トルク制御という。

図７は、油圧系のコントロールバルブと複数の油圧アクチュエータのうち、左右の走行用油圧モータに係わる油圧回路部分を示す図である。図中、左右の走行用のメインスプールを符号２３ａ，２３ｂで示し、左右の走行用油圧モータを符号２４ａ，２４ｂで示している。左右の油圧モータ２４ａ，２４ｂはメインスプール２３ａ，２３ｂを介して油圧ポンプ２１に接続されている。

左右の油圧モータ２４ａ，２４ｂはそれぞれ可変容量型であり、押しのけ容積可変機構（斜板）２４ａ１，２４ｂ１と、押しのけ容積可変機構２４ａ１，２４ｂ１をそれぞれ駆動する制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２とを備えている。制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２の一側には受圧部２４ａ３，２４ｂ３が形成され、その反対側にはバネ２４ａ４，２４ｂ４が配置されている。

走行速度切替電磁弁４５が図示のＯＦＦ位置にあるとき、制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２の受圧部２４ａ３，２４ｂ３はタンクに連通しており、制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２はバネ２４ａ４，２４ｂ４の力で押されて図示の位置にあって、押しのけ容積可変機構２４ａ１，２４ｂ１は大傾転位置（大容量位置）に保持されている。走行速度切替電磁弁４５がＯＮ位置に切り換えられると、制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２の受圧部２４ａ３，２４ｂ３に制御圧力としてパイロットポンプ２２の吐出圧力が導かれ、これにより制御ピストン２４ａ２，２４ｂ２が作動して、押しのけ容積可変機構２４ａ１，２４ｂ１は大傾転位置（大容量位置）から小傾転位置（小容量位置）へと切り換えられる。大傾転位置では油圧モータ２４ａ，２４ｂは低速回転が可能であり、走行低速に適した状態となり（低速大容量モード）、小傾転位置では油圧モータ２４ａ，２４ｂは高速回転が可能であり、走行高速に適した状態となる（高速小容量モード）。車体コントローラ４６は走行速度切換スイッチ４１の指示信号を入力し、走行速度切換スイッチ４１が走行低速を指示しているときは何もせず、走行速度切替電磁弁４５をＯＦＦ位置に保持し、走行速度切換スイッチ４１が走行高速を指示しているときは走行速度切替電磁弁４５に制御信号を出力し、走行速度切替電磁弁４５をＯＮ位置に切り換える。

次に、本発明の動作原理について説明する。

図８Ａは、従来の一般的なミニショベルの油圧ポンプのＰＱ特性（馬力特性）と代表的な出力使用範囲との関係を示す図であり、横軸は油圧ポンプの吐出圧力を示し、縦軸は油圧ポンプの吐出流量を示している。図８Ｂは、同ミニショベルのエンジン出力馬力特性と代表的な出力使用範囲との関係を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジンの出力馬力を示している。図８Ｃは、同ミニショベルのエンジンの出力トルク特性を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジンの出力トルクを示している。図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、図４と同様、エンジンコントロールダイヤルが指示する目標回転数が最大ＮＴｍａｘであるときのものである。

まず、油圧ポンプのＰＱ特性について説明する。油圧ポンプのＰＱ特性とは、ある最大吸収トルク特性を持つ油圧ポンプをエンジンで駆動して回転させ、作業を行ったときに得られる油圧ポンプの出力馬力特性である。図８Ａの油圧ポンプのＰＱ特性は、一例として、図６に示した最大吸収トルク特性を持つ油圧ポンプ２１の場合のものであり、かつエンジン回転数が定格回転数ＮＲｍａｘｄにある場合のものである。定格回転数ＮＲｍａｘｄとは、図８Ｃのレギュレーション特性Ｔｇｍａｘｄと全負荷特性Ｔｆｄの交点におけるエンジン回転数であり、図８Ｂに示すように、最大目標回転数ＮＴｍａｘに基づいて制御されているエンジンの出力馬力が最大となるときのエンジン回転数である。

一般的なミニショベルの作業状態として、走行高速時と走行低速時と通常作業時とを考える。図８Ａ及び図８Ｂ中、Ａは走行高速時の代表的な出力使用範囲、Ｂは走行低速時の代表的な出力使用範囲、Ｃは通常作業時の代表的な出力使用範囲を示している。走行高速とは、走行用の油圧モータ２４ａ，２４ｂが高速小容量モードにありかつ走行用の操作装置２５が操作されて走行している状態をいい、走行低速とは、走行用の油圧モータ２４ａ，２４ｂが低速大容量モードにありかつ走行用の操作装置２５が操作されて走行している状態をいう。通常作業とは、走行以外の操作装置２６（特にフロント作業機１０４に係わる油圧アクチュエータ２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ及び旋回モータのいずれかに係わる操作装置）が操作されて作業を行っている状態をいう。

一般的なミニショベル（小型ショベル）においては、走行高速時Ａはスピード（大流量）が必要であり、図８Ａ及び図８Ｂに示すように走行高速時Ａにおける油圧ポンプ２１の出力は最も大きくなる。走行低速時Ｂ及び通常作業時Ｃにおいて油圧ポンプ２１の出力は走行高速時Ａよりも小さい。このことは、通常作業時に油圧ポンプの出力が最も大きくなる中型、大型の油圧ショベルの場合と大きな相違である。

従来のミニショベルでは、図６に示した油圧ポンプ２１の最大吸収トルク（トルク制御の制限トルク）ＴＰＬｃは、図８Ｃに示すように、エンジンの定格トルクＴｏｐｔｄよりも所定の余裕分だけ小さく設定されている。図８Ａの符号ＨＰＬｃは図６及び図８Ｃに示した油圧ポンプ２１の最大吸収トルクＴＰＬｃに対応する油圧ポンプ２１の最大吸収馬力を示しており、この油圧ポンプ２１の最大吸収馬力ＨＰＬｃもエンジンの最大馬力（定格馬力）ＨＥｏｐｔｄよりも所定の余裕分だけ小さくなるように設定されている。また、走行高速時は油圧ポンプ２１の出力は最も大きくなるため、油圧ポンプ２１の最大吸収馬力ＨＰＬｃは、走行高速時Ａの運転状態で油圧ポンプ２１に要求される油圧馬力を賄うことができる大きさに設定されている。

一方、ポンプレギュレータ２７の最大吸収トルク特性（図６）は、第１及び第２の２つのバネ２７ｂ，２７ｃによって実線の直線ＴＰ１，ＴＰ２からなる折れ曲げ線のように設定されるため、油圧ポンプ２１のＰＱ特性も同様に符号ＨＰで示すように折れ曲げ線形状となり、通常作業時ではエンジンの最大馬力（定格馬力）ＨＥｏｐｔｄに対して油圧ポンプ２１の出力使用範囲ＣがＰＱ特性の折れ曲げ線の交点における凹み分Ｘａ分だけＸと大きく離れて、余裕がありすぎる状態となる。これは、エンジン出力馬力を有効に使用していないことを意味する。

図９Ａは、本実施の形態によるミニショベルの油圧ポンプのＰＱ特性（馬力特性）と代表的な出力使用範囲との関係を示す図であり、図９Ｂは、同ミニショベルのエンジン出力馬力特性と代表的な出力使用範囲との関係を示す図である。図９Ｃは、エンジン１１と発電・電動機３１とを組み合わせたハイブリッド駆動システムの出力トルク特性を示す図である。図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃは、図４と同様、エンジンコントロールダイヤルが指示する目標回転数が最大でＮＴｍａｘあるときのものである。

本実施の形態では、エンジン１１の最大馬力（定格馬力）ＨＥｏｐｔを図８Ｂに示した従来の最大馬力（定格馬力）ＨＥｏｐｔｄよりも小さくし、油圧ポンプ２１の馬力特性ＨＰにおける最大吸収馬力ＨＰＬｃを下回る設定とする。更に言えば、本実施の形態では、エンジン１１の最大馬力（定格馬力）ＨＥｏｐｔを、走行高速時Ａ以外（走行低速時Ｂ及び通常作業時Ｃ）の運転状態で油圧ポンプ２１に要求される油圧馬力の大部分を賄うことができ、走行高速時Ａの運転状態で油圧ポンプ２１に要求される油圧馬力を賄うことができない大きさに設定する。このことをエンジン１１の出力トルクで言い換えると、エンジン１１の定格トルクＴｏｐｔは、図６に示すように、走行高速時Ａ以外（走行低速時Ｂ及び通常作業時Ｃ）の運転状態で油圧ポンプ２１に要求される油圧トルクの大部分を賄うことができ、走行高速時Ａの運転状態で油圧ポンプ２１に要求される油圧トルクを賄うことができない大きさに設定されている。

本実施の形態では、このようにダウンサイジングしたエンジン１１を用い、エンジン回転数が定格回転数ＮＲｍａｘ以下に低下したときにエンジン回転数が定格回転数ＮＲｘに維持されるよう発電・電動機３１を電動機として作動させ出力アシスト制御を行い、エンジン回転数が定格回転数ＮＲｘより大きい（エンジン１１に余剰トルクがある）ときに発電・電動機３１を発電機として作動させる充電制御（第１充電制御）を行うものである。

例えば、走行高速時Ａにおいて、油圧ポンプ２１の吸収トルクが最大吸収トルクＴＰＬｃまで増加し、エンジン１１の回転数が定格回転数ＮＲｍａｘを下回る場合には、バッテリ３３により発電・電動機３１を電動機として作動させ出力アシストを行う。図９ＣのＴｏｐｔｃは図８Ｃに示す従来技術の定格トルクＴｏｐｔｄに対応するものであり（例えばＴｏｐｔｃ＝Ｔｏｐｔｄ）、発電・電動機３１の最大アシスト時の定格システムトルクＴｏｐｔｃ（エンジン定格トルクＴｏｐｔと電動機の最大トルクＴＭｍａｘの合計トルク）である。図９ＡのＨＥｍａｘｃは、発電・電動機３１の最大アシスト時のシステム出力馬力、すなわち定格システム馬力（エンジン定格馬力ＨＥｏｐｔと電動機の最大馬力ＨＭｍａｘの合計出力）である。

通常作業時Ｃにおいては、油圧ポンプ２１の出力をエンジン１１の定格トルクＴｏｐｔの出力で賄えない場合のみ、バッテリ３３により発電・電動機３１を電動機として作動させ出力アシストを行い、それ以外の場合はエンジン１１の出力のみで油圧ポンプ２１を駆動する。また、バッテリ３３の充電残量が少ないときは充電制御（第１充電制御）によりバッテリ３３に電力を充電する。

このようにエンジン１１の出力トルクを従来よりも小さくし、定格トルクＴｏｐｔ或いは最大トルクＴＥｍａｘｅが油圧ポンプ２１の最大吸収トルクＴＰＬｃを下回る大きさにしたため、エンジン１１の出力トルクをフルに使用できるようになるとともに、エンジン１１をダウンサイジング（小型化）することが可能となる。エンジン１１をダウンサイジングすることにより低燃費化、エンジン１１から排出される有害なガスの量の低減、及び騒音の低減が可能となる。また、排出ガス後処理装置の小型化或いは簡略化が可能となり、エンジン１１のダウンサイジング化によるコスト低減と相まってエンジンの製作コストを低減することができ、機械全体の価格を下げることができる。また、エンジン１１の最大トルクＴＥｍａｘｅが油圧ポンプ２１の最大吸収トルクＴＰＬｃよりも小さい大きさにまでエンジン１１をダウンサイジングしたため、ミニショベルのような小型の作業機械にハイブリッド方式を採用する場合のレイアウト面の困難性を回避し、バッテリ３３の設置スペースを確保することができ、ハイブリッド方式の採用が容易となる。

また、本実施の形態では、作業機械が通常作業時Ｃの油圧ポンプ２１の出力が走行高速時Ａよりも小さいミニショベルのような小型の油圧ショベルであるため、エンジン１１がダウンサイジングされていても、通常作業時Ｃの油圧ポンプ２１の出力をエンジン１１の定格トルクＴｏｐｔ以下の出力で賄える場合が多い。このような小型の作業機械において、エンジン回転数が定格回転数ＮＲｍａｘ以下に低下したときに出力アシスト制御を行い、エンジン回転数が定格回転数ＮＲｘより大きいときに充電制御（第１充電制御）を行うことにより、出力アシスト制御の頻度が少なくなり、バッテリ３３の消費電力が抑えられる。また、バッテリ３３の充電制御の頻度を増加させ、バッテリ３３の充電量を増加させることができる。その結果、ブーム下げ時或いは旋回制動時の回生エネルギーによってバッテリの消費電力を回収することができないミニショベルのような小型の建設機械において、旋回フレーム上の狭いスペースに搭載可能なサイズにバッテリ３３が小型化されていても、バッテリ３３の充電残量の早期の減少が抑えられ、バッテリ３３の充電のために作業を中断する頻度を低減することができ、機体の稼動率を向上できる。

また、本実施の形態では、第１出力アシスト制御と第１充電制御の切り換えを行うため、作業機械がミニショベルのような小型の作業機械でありかつバッテリ３３が小型化されていてもバッテリ３３の充電残量の早期の減少が抑えられる。しかし、小型の油圧ショベルでは、旋回電動モータを用いた場合の旋回制動時の回生エネルギーによってバッテリ３３の消費電力を回収することが困難であるため、上記のように効率的にバッテリ３３の充電制御を行ったとしても、バッテリの充電量が最小充電率以下に低下する事態が発生することは避けられず、その場合の対策を考慮する必要がある。

本実施の形態では、バッテリの充電量が最小充電率以下に低下した場合は、エンジン回転数低下制御とポンプ減トルク制御を併用して第２充電制御を行う。これにより後述する如く、油圧ショベルの作業量の低下を抑えつつバッテリ３３の急速充電を行うことが可能となる。その結果、エンジン１１の小型化でバッテリ３３の充電量が最小充電率以下に低下した場合でも、バッテリ３３の充電中にある程度の作業を行うことができ、バッテリ充電中の機体の稼動効率の低下を抑えることができる。

〜制御〜
次に、図１０を用いて上述した本発明の動作原理を実現する車体コントローラ４６の制御機能について説明する。

図１０は、車体コントローラ４６による制御を示すブロック図である。車体コントローラの制御は、走行制御部４６ａと、状態判定制御部４６ｂと、ポンプ／エンジン制御部４６ｃ（第１制御部）と、発電・電動機／バッテリ制御部４６ｄ（第２制御部）とで構成されている。

走行制御部４６ａは、走行速度切換スイッチ４１からの入力信号に応じて走行速度切替電磁弁４５のＯＮ／ＯＦＦ切換信号を出力する。状態判定制御部４６ｂは、エンジンコントローラ１３から入力されるエンジンの目標回転数と実回転数、及びバッテリコントローラ３４から入力されるバッテリ３３の充電率に基づいて状態判定を行う。ポンプ／エンジン制御部４６ｃは、状態判定制御部４６ｂによる判定結果に応じて、トルク制御電磁弁４４に対してＯＮ／ＯＦＦ切換信号を出力し、エンジンコントローラ１３に対してはエンジン回転数の低下指示を出力する。発電・電動機／バッテリ制御部４６ｄは、状態判定制御部４６ｂによる判定結果に応じて、インバータ３２に対して制御信号を出力し、バッテリコントローラ３４に対しては充電指示を出力する。

図１１は、車体コントローラ４６の制御部４６ｂ〜４６ｄ（図１０）による制御を示すフロー図である。図１１において、フローを構成する各ステップには、それぞれを実行する制御部の符号を括弧書で付している。以下、各ステップについて順に説明する。

まず、バッテリコントローラ３４からの蓄電情報から取得したバッテリ３３の充電率が最小充電率（ＳＯＣ）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ９０）。最小充電率とは発電・電動機３１のアシスト駆動による作業の継続が不能となる充電率（例えば３０％）である。ステップ９０でＹＥＳ（バッテリ充電率＞３０％）と判定された場合は、バッテリ充電率が第１閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ１００）。第１閾値とは、バッテリの充電量が発電・電動機３１の駆動は可能であるが、バッテリ充電制御により充電を行うことが必要な状態であるか否かを判定するための閾値であり、作業の継続が不能となる最小充電率（例えば３０％）よりも高い値（例えば５０％）に設定されている。ステップＳ１００でＹＥＳ（バッテリ充電率＜５０％）と判定された場合は、エンジンコントローラ１３からのエンジン回転数情報から取得した現在のエンジン回転数（実回転数）が最大馬力回転数ＮＲｘより小さいか否かを判定する（ステップＳ１１０）。前述したように、エンジンコントロールダイヤル１２が指示する目標回転数が最大ＮＴｍａｘであるとき、最大馬力回転数は定格回転数ＮＲｍａｘある。

ここで、最大馬力回転数について、図１２を用いて詳しく説明する。図１２は、目標回転数とエンジン出力馬力及び最大馬力回転数の関係を示す図である。図中の実線Ｅｍａｘ，Ｅ１，Ｅ２及び破線Ｓｍａｘ，Ｓ１，Ｓ２は、それぞれ目標回転数をＮＴｍａｘ，ＮＴ１，ＮＴ２に設定した場合のエンジン馬力特性及びシステム馬力特性を示している。目標回転数ＮＴｍａｘ，ＮＴ１，ＮＴ２（以下、ＮＴｘという）に基づいて制御されているエンジン１１の出力馬力は、それぞれ、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｍａｘ，ＮＲ１，ＮＲ１（以下、ＮＲｘという）のときに最大となる。なお、最大目標回転数ＮＴｍａｘに対応する最大馬力回転数ＮＲｍａｘは、エンジン１１の定格回転数と一致する。図１２に示した目標回転数ＮＴｘと最大馬力回転数ＮＲｘとの対応関係を車体コントローラ４６の記憶装置に予め記憶させておくことにより、エンジンコントロールダイヤル１２による目標回転数の設定に応じて最大馬力回転数を変更することが可能となる。

図１１に戻り、ステップＳ１１０でＹＥＳ（エンジン回転数＜最大馬力回転数ＮＲｘ）と判定された場合は、発電・電動機３１を電動機として作動させ（ステップＳ１４０Ａ）、ステップＳ９０に戻り、ステップＳ９０以降の処理を繰り返し実行する。ステップＳ１４０Ａで行われる出力アシスト制御によって、エンジン回転数は上昇して最大馬力回転数ＮＲｘに戻され、最大馬力回転数ＮＲｘに維持される。また、ハイブリッド駆動システムの出力トルクは従来と同じＴＰＬｃまで増加し（図９Ｃ参照）、システム出力馬力は従来と同じＨＰＬｃまで増加する。発電・電動機３１を電動機として作動させる制御方法としては、例えば最大馬力回転数からエンジン回転数（実回転数）を差し引いた回転数偏差ΔＮｄを求め、この回転数偏差ΔＮｄが大きくなるにしたがって駆動トルクが増加するよう発電・電動機３１を制御すればよい。

ステップＳ１１０でＮＯ（エンジン回転数≧最大馬力回転数ＮＲｘ）と判定された場合は、エンジン１１の負荷トルク（油圧ポンプ２１の吸収トルク）がエンジン１１の定格トルクＴｏｐｔよりも小さく、エンジン１１に余裕がある場合であり、この場合はエンジン１１の余剰トルクによって発電・電動機３１を駆動して発電・電動機３１を発電機として作動させ（ステップＳ１２０）、バッテリ充電制御を行う（ステップＳ１３０）。これによりエンジン１１の出力トルクは定格トルクＴｏｐｔまで増加し、エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘまで低下し、エンジン出力馬力は最大馬力まで増加する。さらに、エンジン１１の余剰トルクによって発電機３１が駆動され、発電機３１で発電した電力がインバータ３２を介してバッテリ３３に蓄電される。発電・電動機３１を発電機として作動させる制御方法としては、例えばエンジン回転数（実回転数）から最大馬力回転数を差し引いた回転数偏差ΔＮｃを求め、この回転数偏差ΔＮｃが大きくなるにしたがって発電トルクが増加するよう発電・電動機３１を制御すればよい。

ステップＳ１３０に続いて、バッテリ充電率が第２閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１５０）。第２閾値とは、バッテリの充電が不要か否かを判定するための閾値であり、第１閾値よりも高い値（例えば７０％）に設定されている。ステップＳ１５０でＹＥＳ（バッテリ充電率＞７０％）と判定された場合は、処理を終了する。一方、ステップＳ１５０でＮＯ（バッテリ充電率≦７０％）と判定された場合は、ステップＳ１００に戻り、ステップＳ１００以降の処理を繰り返し実行する。

ステップＳ１００でＮＯ（バッテリ充電率≦５０％）と判定された場合は、バッテリ３３の充電が不要であるとみなせる場合であり、この場合は、ステップＳ１１０と同様にエンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより低いか否かを判定する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０でＹＥＳ（エンジン回転数＜最大馬力回転数ＮＲｘ）と判定された場合は、発電・電動機３１を電動機として作動させ（ステップＳ１４０Ｂ）、ステップＳ１００に戻り、ステップＳ１００以降の処理を繰り返し実行する。これにより、エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘに維持されるとともに、システム出力トルクは従来と同じＴＰＬｃまで増加し（図９Ｃ参照）、システム出力馬力は従来と同じＨＰＬｃまで増加する。一方、ステップＳ１６０でＮＯ（エンジン回転数≧最大馬力回転数ＮＲｘ）と判定された場合は、処理を終了する。

ステップＳ９０において、バッテリ３３の充電率が最小充電率（例えば３０％）以下になると、ステップＳ２１０に移行する。

ステップＳ２１０以下は急速充電制御の処理手順であり、エンジン回転数低下制御（ステップＳ２１０）とポンプ減トルク制御（ステップＳ２２０）を行った後、バッテリ３３の充電制御（第２充電制御）（ステップＳ２３０，Ｓ２４０）を行う。

ステップＳ２１０のエンジン回転数低下制御では、エンジン１１の最大目標回転数をＮＴｍａｘからＮｔｃに低下させる制御を行う。この制御のため車体コントローラ４６はエンジン回転数低下制御用の目標回転数ＮＴｃを予め記憶しておき、この目標回転数ＮＴｃをエンジンコントローラ１３に出力する。エンジンコントローラ１３は、エンジンコントロールダイヤル１２が指示する目標回転数ＮＴｘとその目標回転数ＮＴｃの小さい方を選択して燃料噴射制御の目標回転数として設定し、この目標回転数に基づいて燃料噴射量を算出し、電子ガバナ１４を制御する。これによりエンジン１１の最大目標回転数はＮＴｍａｘからＮｔｃに低下し、エンジン１１の最大馬力回転数における出力トルクはＴｏｐｔからＴｏｐｔ１に増加する（図１６Ｂ）。なお、エンジンコントロールダイヤル１２が指示する目標回転数ＮＴｘを車体コントローラ４６側で入力し、最大目標回転数の変更を車体コントローラ４６で行ってもよい。

ステップＳ２２０のポンプ減トルク制御では、車体コントローラ４６は電磁弁４４に制御信号を出力して油圧ポンプ２１の最大吸収トルクをＴＰＬｃからＴＰＬｄ１に減少させる制御を行う（図６及び図１６Ａ）。

ステップＳ２３０，Ｓ２４０の充電制御では、以上のエンジン回転数低下制御とポンプ減トルク制御により強制的に作り出したエンジン１１の余剰トルクを用いて発電・電動機３１を発電機として作動させ、バッテリ１１の急速充電を行う。

このようにステップＳ２１０〜Ｓ２４０において、バッテリ３３（蓄電装置）の充電率が発電・電動機３１のアシスト駆動による作業の継続が不能となる最小充電率以下に低下した場合は、エンジン１１の目標回転数を低下させるエンジン回転数低下制御と油圧ポンプ２１の最大吸収トルクを低下させる減トルク制御とを行うことによりエンジン１１に強制的に余剰トルクを生成し、この余剰トルクを用いて発電・電動機３１を発電機として作動させてバッテリ３３を充電する第２充電制御を行う。

ステップＳ２４０に続き、バッテリ３３の充電率が予め設定した第３閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ２５０）。ここで第３閾値とは、バッテリ３３の充電量が極めて不十分な状態を脱したことを示す充電率であり、最小充電率（例えば３０％）より高い値（例えば４０％）に設定されている。ステップＳ２５０でＮＯ（バッテリ充電率≦第３閾値（４０％））と判定された場合は、バッテリ充電率が第３閾値以上になるまでステップＳ２１０〜Ｓ２４０の処理を繰り返し実行する。ステップＳ２１０〜Ｓ２５０は、バッテリ３３の充電量が極めて不十分な場合に実行される強制的なバッテリ充電制御（急速充電制御）である。

ステップＳ２５０でＹＥＳ（バッテリ充電率＞第３閾値（４０％））と判定された場合ステップＳ１００に移行し、上述した上述した出力アシスト制御（ステップＳ１４０Ａ，Ｓ１３０Ｂ）或いは充電制御（ステップＳ１２０，Ｓ１３０ ）を行う。

〜動作〜
本実施の形態に係る駆動システムの動作を、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１４Ａ及び図１４Ｂを用いて説明する。図１３Ａは、アシスト制御によるシステム出力トルクの変化を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸は出力トルクを示している。図１４Ａは、アシスト制御によるシステム出力馬力の変化を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸は出力馬力を示している。図１３Ｂは、バッテリ充電制御によるシステム出力トルクの変化を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はシステム出力トルクを示している。図１４Ｂは、バッテリ充電制御によるエンジン出力馬力の変化を示す図であり、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジン出力馬力を示している。

図１３Ａにおいて、符号Ｘ１は、バッテリ充電率が５０％以上（ステップＳ１００の判定がＮＯ）で充電制御を行っておらずかつエンジン回転数が定格回転数ＮＲｍａｘ（ＮＲｘ）以上で油圧ポンプ２１の吸収トルク（負荷トルク）をエンジン１１の出力トルクだけで賄っている（ステップＳ１６０の判定がＮＯ）場合のエンジン１１の動作点を示している。この状態から油圧ポンプ２１の吸収トルクが最大吸収トルクＴＰＬｃまで増加するとき、エンジン１１と発電・電動機３１を組み合わせたハイブリッド駆動システムの動作点はＸ１→Ｘ２→Ｘ３→Ｘ４と変化する。

まず、エンジン１１の負荷トルクが増加してエンジン回転数が定格回転数ＮＲｍａｘまで低下すると、燃料噴射量は最大Ｆｍａｘ（図３）となり、エンジン１１の出力トルクは定格トルクＴｏｐｔまで増加する（動作点Ｘ２）。更にエンジン１１の回転数が低下すると発電・電動機３１が電動機として作動し（ステップＳ１６０の判定がＹＥＳ→ステップＳ１４０）、エンジン回転数が定格回転数ＮＲｍａｘに維持されるよう制御される。また、システム出力トルクはエンジン１１の定格トルクＴｏｐｔと発電・電動機３１の出力トルクＴＭとの合計となる。このとき、アシスト制御の遅れのため、エンジン１１の回転数は定格回転数ＮＲｍａｘよりも一旦低下し（動作点Ｘ３）、発電・電動機３１が作動し始めると、エンジン１１の回転数は上昇し、定格回転数ＮＲｍａｘへと戻される（動作点Ｘ４）。

図１４Ａにおいて、上述した出力トルクの変化に対応してエンジン出力馬力とシステム出力馬力の動作点もＸ１→Ｘ２→Ｘ３→Ｘ４と変化する。符号ＨＥ１，ＨＳ１は、動作点Ｘ１におけるエンジン出力馬力及びシステム出力馬力を示しており、両者は一致している。一方、符号ＨＥ２，ＨＳ２は、それぞれ動作点Ｘ２，Ｘ４におけるエンジン出力馬力及びシステム出力馬力を示している。動作点Ｘ４では、エンジン出力馬力ＨＥ２は最大馬力となり、システム出力馬力ＨＳ２は、エンジン出力馬力ＨＥ２（最大馬力）と電動機３１の出力馬力ＨＭとの合計出力となる。

図１３Ｂにおいて、符号Ｙ１は、図１３Ａの動作点Ｘ１と同様、バッテリ充電率が５０％以上（ステップＳ１００の判定がＮＯ）で充電制御を行っておらずかつエンジン回転数が定格回転数ＮＲｍａｘ（ＮＲｘ）以上で油圧ポンプ２１の吸収トルク（負荷トルク）をエンジン１１の出力トルクだけで賄っている（ステップＳ１６０の判定がＮＯ）場合のエンジン１１の動作点を示している。この状態からバッテリ充電率が５０％よりも小さくなると（ステップＳ１００の判定がＹＥＳ）、エンジン１１の動作点はＹ１→Ｙ２と変化する。すなわち、このときはエンジン回転数が定格回転数ＮＲｍａｘ（ＮＲｘ）以上で余剰トルクＴＧｎがあるため、このエンジン１１の余剰トルクＴＧｎによって発電・電動機３１を発電機として作動させ、バッテリ３３を充電する充電制御を行う（動作点Ｙ２）。

図１４Ｂにおいて、符号ＨＥ３は、動作点Ｙ１でのエンジン出力馬力を示している。一方、符号ＨＥ４は、動作点Ｙ２でバッテリ充電制御を行った場合のエンジン出力馬力を示している。このとき、エンジン出力馬力ＨＥ４は最大馬力となり、ＨＥ３とＨＥ４との差分ＨＧｎが充電馬力となる。

バッテリ３３の充電率が最小充電率（ＳＯＣ）以下に低下した場合の第２充電制御時の動作を、図１５Ａ〜図１６Ｂを用いて説明する。

図１５Ａは、比較例として、ポンプ減トルク制御だけで急速充電制御を行った場合の油圧ポンプ２１の最大吸収トルクの変化（減トルク量）を示す図であり、図１５Ｂはポンプ減トルク制御だけで急速充電制御を行う場合の減トルク量と、そのときのバッテリ３３の急速充電の発電トルクとして使用されるエンジン１１の余剰トルクと作業に使用可能な最大トルクの配分を示す図である。

図１５Ａにおいて、電磁弁４４に制御信号を出力することで油圧ポンプ２１の最大吸収トルクがＴＰＬｃからＴＰＬｄ２に減少し、このときの減トルク量は太線矢印のΔＴＰｄ２である。

図１５Ｂにおいて、ＴＧはバッテリ３３の急速充電の発電トルクとして使用されるエンジン１１の余剰トルクを示し、ＴＰａはエンジン回転数低下制御を行わなかった場合の作業に使用可能な最大トルク量を示している。

比較例では、エンジン回転数低下制御を行わないため最大目標回転数はＮＲｍａｘのままである。この場合、エンジン１１の最大馬力回転数（定格回転数）はＮＲｍａｘであり、そのときのエンジン１１の出力トルクはＴｏｐｔとなる。減トルク制御後の最大吸収トルクＴＰＬｄ２はエンジン１１の出力トルクＴｏｐｔから発電トルクとして使用される余剰トルクＴＧを差し引いたトルク量に合わせる必要があり、その最大吸収トルクＴＰＬｄ２（ＴｏｐｔからＴＧを差し引いたＴＰａ）が作業に使用可能な最大トルク量となる。

図１６Ａは、本実施の形態においてエンジン回転数低下制御とポンプ減トルク制御によって急速充電制御を行う場合の油圧ポンプ２１の最大吸収トルクの変化（減トルク量）を示す図であり、図６にエンジン１１のエンジン回転数低下制御後の最大馬力回転数における出力トルクＴｏｐｔ１を追記した図である。図１６Ｂは、本実施の形態において必要となる減トルク量と、そのときのエンジン１１の余剰トルクと作業に使用可能な最大トルクの配分を示す図である。

本実施の形態では、エンジン回転数低下制御を行うため、最大目標回転数はＮＴｃへと低下し、エンジン１１の最大馬力回転数における出力トルクはＴｏｐｔからＴｏｐｔ１に増加する。このとき、減トルク制御後の最大吸収トルクＴＰＬｄ１はエンジン１１の増加した出力トルクＴｏｐｔ１から発電トルクとして使用される余剰トルクＴＧを差し引いたトルク量に合わせればよく、その最大吸収トルクＴＰＬｄ１（Ｔｏｐｔ１からＴＧを差し引いたＴＰｂ）が作業に使用可能な最大トルク量となる。この最大作業トルク量ＴＰｂ（減トルク制御後の最大吸収トルクＴＰＬｄ１）はエンジン１１の最大馬力回転数における出力トルクがＴｏｐｔからＴｏｐｔ１に増加した分だけ多くなる。

このようにポンプ減トルク制御だけで急速充電制御を行う比較例では、最大吸収トルクの低下量である減トルク量ΔＴＰｄ２が大きくなるため、急速充電中は、油圧ポンプの出力が大きく低下し、例えば掘削作業などの高負荷トルクを要する作業に支障を来たす恐れがある。これに対し、本実施の形態では、エンジン回転数低下制御によってエンジン出力トルクがＴｏｐｔからＴｏｐｔ１に増加し、その分減トルク量ΔＴＰｄ１が少なくなるため、油圧ポンプ２２の最大吸収トルクの低下量が比較例よりも少なくなり、最大作業トルク量ＴＰｂが比較例よりも大きくなり、急速充電中に作業を行う場合の作業量の低下を抑えることができる。

〜効果〜
以上のように本実施の形態においては、出力アシストによってエンジン１１の要求トルクを抑えることでエンジン１１の小型化が可能となり、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒音の低減を図ることができる。

また、バッテリ３３の充電率が最小充電率以下に低下した場合に、エンジン回転数を低下させるエンジン回転数低下制御を行うことにより、エンジン１１の全負荷特性部分Ｔｆ１上の最大馬力回転数ＮＲｃにおけるエンジン出力トルクＴｏｐｔ１が増加する。これにより減トルク制御のみを行って余剰トルクを発生させる場合と比較して減トルク制御による油圧ポンプ２１の最大吸収トルクの低下量が抑えられ、油圧ポンプ２１の出力低下（油圧ショベルの作業量の低下）を抑えつつバッテリ３３の急速充電を行うことが可能となる。これによりバッテリ３３の充電中にもある程度の作業を行うことを可能とし、機体の稼動効率の低下を抑えることができる。

また、上述したように、ミニショベルのような小型の油圧ショベルにおいては、通常作業時Ｃの油圧ポンプ２１の出力が走行高速時Ａよりも小さいため、定格トルクＴｏｐｔ或いは最大トルクＴＥｍａｘｅが油圧ポンプ２１の最大吸収トルクＴＰＬｃを下回る大きさにダウンサイジングしたエンジン１１であっても、通常作業時Ｃの油圧ポンプ２１の出力をエンジン１１の定格トルクＴｏｐｔ以下の出力で賄える場合が多い。このような小型の油圧ショベルにおいて、エンジン回転数が最大馬力回転数である定格回転数ＮＲｍａｘ以下に低下したときに出力アシスト制御を行い、エンジン回転数が最大馬力回転数である定格回転数ＮＲｘより大きい（エンジン１１に余剰トルクがある）ときに充電制御を行うことにより、出力アシスト制御の頻度が少なくなり、バッテリ３３の消費電力が抑えられる。また、作業効率を低下させることなくバッテリ３３の充電制御の頻度を増加させ、バッテリ３３の充電量を増加させることができる。これによりブーム下げ時或いは旋回制動時の回生エネルギーによってバッテリの消費電力を回収することができないミニショベルのような小型の建設機械において、旋回フレーム上の狭いスペースに搭載可能なサイズにバッテリ３３が小型化されていても、バッテリ３３の充電残量の早期の減少が抑えられ、バッテリ３３の充電率が最小充電率以下に低下する頻度、すなわち急速充電を行う頻度を低減できる。これによりバッテリ３３の充電のために作業を中断する頻度を低減し作業効率の低下を抑え、機体の稼動率を向上させることができる。

〜変形例〜
本実施の形態では、エンジン回転数と最大馬力回転数ＮＲｘ（目標回転数が最大ＮＴｍａｘの場合は定格回転数ＮＲｍａｘ）との大小判定結果に基づいてアシスト制御とバッテリ充電制御とを切り替えることとしたが、判定に用いる最大馬力回転数ＮＲｘにはマージンを持たせても良い。すなわち、エンジン回転数のハンチング等を考慮した所定のマージンΔＮを設定し、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘ＋ΔＮより大きくなったときにバッテリ充電制御を行い、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘ−ΔＮより小さくなったときにアシスト制御を行っても良い。これにより、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘ付近にあるときの発電・電動機３１の制御を安定化させることができる。

また、本実施の形態では、電子ガバナ１４の制御にエンジン負荷の増加に応じてエンジン回転数を低下させつつ燃料噴射量を増加させるドループ制御を採用した場合を例に説明したが、本発明はこれに限られず、エンジン負荷の増加によらずエンジン回転数が一定に保たれるように燃料噴射量を調整するアイソクロナス制御を採用することも可能である。

図１７Ａは、アイソクロナス制御を採用した場合のエンジン回転数とエンジン出力トルクとの関係を示す図であり、図１７Ｂは、アイソクロナス制御を採用した場合のエンジン回転数とエンジン出力馬力との関係を示す図である。

図１７Ａにおいて、出力トルクが定格トルクＴｏｐｔより小さい（エンジン１１に余剰トルクがある）ときは、符号ＴＥａで示すようにエンジン回転数は目標回転数ＮＴｘ（＝最大馬力回転数ＮＲｘ）に保たれるように制御される。回転数偏差出力トルクが定格トルクＴｏｐｔより大きくなると、符号ＴＥｂで示すように出力エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘより小さくなる。一方、図１７Ｂにおいては、出力トルクが定格トルクＴｏｐｔより小さい（エンジン１１に余剰トルクがある）ときは、符号ＨＥａで示すようにエンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘに保たれ、出力トルクが定格トルクＴｏｐｔより大きくなると、符号ＨＥｂに示すようにエンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘより小さくなり、出力馬力は最大馬力より小さくなる。エンジン回転数を目標回転数ＮＴｘ（＝最大馬力回転数ＮＲｘ）に保つ制御（アイソクロナス制御）は、例えば実回転数＞ＮＲｘであれば燃料噴射を停止し、実回転数＜ＮＲｘであれば燃料噴射を行うというように、最大馬力回転数ＮＲｘを基準として燃料噴射をＯＮ，ＯＦＦ制御することにより実現することができる。

このように、アイソクロナス制御では、エンジン１１に余剰トルクがあるときのエンジン回転数の変化がドループ制御と相違するものの、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘより小さいか否かによって出力アシストの要否が判定可能である。従って、アイソクロナス制御を採用した場合も本発明は適用可能である。

また、本実施の形態では、油圧ポンプ２１及びパイロットポンプ２２と発電・電動機３１とを動力分配器６を介してエンジン１１の出力軸に連結する構成としたが、本発明はこれに限られず、例えばエンジン１１の出力軸に直列に連結する構成であっても良い。

１ エンジン系
２ 油圧系
３ 発電電動系
４ 制御系
６ 動力分配器
１１ エンジン
１２ エンジンコントロールダイヤル
１３ エンジンコントローラ
１４ 電子ガバナ
１５ エンジン回転数検出装置
２１ 油圧ポンプ
２１ａ 押しのけ容積可変機構
２２ パイロットポンプ
２３ コントロールバルブ
２３ａ，２３ｂ 走行用のメインスプール
２４ａ，２４ｂ 走行用の油圧モータ
２４ｃ〜２４ｈ その他の油圧アクチュエータ
２４ａ１，２４ｂ１ 押しのけ容積可変機構（斜板）
２４ａ２，２４ｂ２ 制御ピストン
２４ａ３，２４ｂ３ 受圧部
２４ａ４，２４ｂ４ バネ
２５ 走行用の操作装置
２６ 走行以外の操作装置
２７ ポンプレギュレータ
２７ａ 制御スプール
２７ｂ，２７ｃ 第１バネ及び第２バネ
２７ｄ，２７ｅ 第１受圧部及び第２受圧部
２７ｆ パイロットライン
２７ｇ 制御油路
２９ メインリリーフ弁
３１ 発電・電動機
３２ インバータ
３３ バッテリ（蓄電装置）
３４ バッテリコントローラ
３５ 操作パネル
４１ 走行速度切換スイッチ
４２ 走行の操作パイロット圧センサ
４３ 走行以外の操作パイロット圧センサ
４４ トルク制御電磁弁
４５ 走行速度切替電磁弁
４６ 車体コントローラ
４６ａ 走行制御部
４６ｂ 状態判定制御部
４６ｃ ポンプ／エンジン制御部（第１制御部）
４６ｄ 発電・電動機／バッテリ制御部（第２制御部）
１０１ 下部走行体
１０２ 上部旋回体
１０３ スイングポスト
１０４ フロント作業機
１０５ トラックフレーム
１０６ 排土用のブレード
１０７ 旋回台
１０８ キャビン（運転室）
１１１ ブーム
１１２ アーム
１１３ バケット

Claims (3)

1. エンジンと、
   このエンジンによって駆動される油圧ポンプと、
   この油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される複数の油圧アクチュエータと、
   前記エンジンの目標回転数を指示するエンジン回転数指示装置と、
   前記エンジンの実回転数を検出するエンジン回転数検出装置と、
   前記エンジンの負荷トルクが増加するにしたがって前記エンジンの出力トルクが増加するよう燃料噴射量を制御するガバナ装置と、
   前記エンジンに連結された発電・電動機と、
   前記発電・電動機との間で電力を授受する蓄電装置と、
   前記蓄電装置からの電力を前記発電・電動機に供給することで前記発電・電動機を電動機として作動させて出力アシストを行い、前記エンジンにより前記発電・電動機を回転駆動することで前記発電・電動機を発電機として作動させて前記蓄電装置を充電する制御装置とを備え、
   前記エンジンは、前記ガバナ装置の燃料噴射量が最大であるときの全負荷特性と、前記ガバナ装置の燃料噴射量が最大に増加するまでのレギュレーション特性とを含む出力トルク特性を有し、前記全負荷特性は、前記エンジン回転数が定格回転数から所定回転数に低下するにしたがって前記エンジンの出力トルクが増加し、前記所定回転数で前記エンジンの出力トルクが最大となる第１特性部分と、前記エンジン回転数が前記所定回転数から低回するにしたがって前記エンジン出力トルクが減少する第２特性部分とを有し、
   前記制御装置は、前記蓄電装置の充電率が前記発電・電動機のアシスト駆動による作業の継続が不能となる最小充電率以下に低下した場合に、前記エンジンの目標回転数を低下させるエンジン回転数低下制御と前記油圧ポンプの最大吸収トルクを低下させる減トルク制御とを行い、このエンジン回転数低下制御と減トルク制御によって前記エンジンに生じた余剰トルクを用いて前記発電・電動機を発電機として作動させて前記蓄電装置を充電する充電制御を行うことを特徴とするハイブリッド式作業機械。
2. 請求項１に記載のハイブリッド式作業機械において、
   前記エンジンは、前記エンジン回転数が定格回転数にあるときのエンジン出力トルクである前記エンジンの定格トルクが前記油圧ポンプの最大吸収トルクよりも小さく、前記エンジンの出力トルクだけでは前記油圧ポンプの最大吸収トルクを賄えない大きさにダウンサイジングされていることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
3. 請求項１に記載のハイブリッド式作業機械において、
   前記エンジンは、前記エンジンの最大トルクが前記油圧ポンプの最大吸収トルクよりも小さく、前記エンジンの出力トルクだけでは前記油圧ポンプの最大吸収トルクを賄えない大きさにダウンサイジングされていることを特徴とするハイブリッド式作業機械。

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