JP6531225B2 - 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、バッテリの充電量が予め設定した充電率以下に低下した場合に、エンジン目標回転数を低下させてエンジンが定格回転数で動作するときの出力トルクを増加させかつ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っている。

特開２０１５−２０６１９３

上記のように特許文献１に記載のハイブリッド式作業機械では、エンジン目標回転数を低下させることで定格回転時のエンジン出力トルクを増加させかつ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を行うことで、作業機械の稼働中にバッテリの急速充電を行うことを可能としている。しかしながら、この制御では、油圧ポンプの減トルク制御により油圧ポンプの出力トルクが制限され、機体性能が制限されるため、作業機械の使い勝手或いは操作性が低下するおそれがある。また、作業機械の稼働中の充電であるため、エンジン出力トルク＝油圧ポンプ消費トルク＋発電機トルクとなり、発電機によるバッテリの充電量も制限される。このためバッテリへの充電が適切に行われない場合がある。

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及び騒音の低減を図るとともに、バッテリの充電量が極めて不十分な場合に、安全で確実にバッテリを充電することができる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、運転室内に設けられ、前記複数の油圧アクチュエータの動作を指令する複数の操作装置と、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、前記エンジンの目標回転数に応じて前記エンジンの回転数を変化させかつ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前記エンジンの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第１制御装置とを備えたハイブリッド式作業機械において、前記運転室内に設けられ、前記複数の操作装置による前記複数の油圧アクチュエータの動作を不能とするロック位置と前記複数の操作装置による前記複数の油圧アクチュエータの動作を可能とするロック解除位置とに選択的に操作されるゲートロックレバーと、強制充電スイッチと、前記蓄電装置の充電率が予め設定した限界充電率よりも低下したことをオペレータに知らせる作業機械モニタと、前記ゲートロックレバーが前記ロック位置に操作され、前記エンジン回転数指示装置によりローアイドル回転数が指示され、かつ前記強制充電スイッチが操作されたときに、前記エンジンの目標回転数を前記ローアイドル回転数から強制充電に適した回転数に増加させ、この状態で前記発電・電動機を発電機として作動させて前記蓄電装置の強制充電を行う第２制御装置とを備えるものとする。

このように本発明は第１制御装置を備えることにより、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及び騒音の低減を図ることができる。

また、本発明は第２制御装置を備えることにより、バッテリの充電量が極めて不十分な場合に、安全で確実にバッテリを充電することができる。

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及び騒音の低減を図るとともに、バッテリの充電量が極めて不十分な場合に、安全で確実にバッテリを充電することができる。

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。 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。 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。 車体コントローラの充電制御機能を示すブロック図である。 出力アシスト制御／充電制御部（第１制御装置）の制御機能を示すフローチャートである。 強制充電制御部の制御機能を示すフローチャートである（フラグ設定制御）。 強制充電制御部の制御機能を示すフローチャートである（強制充電制御）。 エンジン回転数低下制御のときのエンジン回転数とエンジン出力トルクの変化を示す図である。 エンジンのトルク線図に等燃費曲線を重ね合わせて示す図である。

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言う。

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、発電電動系３を備えていない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。

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２５ａ〜２５ｈと、ポンプレギュレータ２７とを備えている。また、油圧系２はゲートロックレバー２６と、ゲートロック弁２９とを備えている。ゲートロック弁２９は電磁弁である。

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とを備えている。

制御系４は、ゲートロック検出装置２８と、強制充電スイッチ４１と、減トルク制御電磁弁４２と、作業機械モニタ４３と、車体コントローラ４６とを備えている。

エンジン系１において、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と定義する。エンジンコントローラ１３は、車体コントローラ４６を介してエンジンコントロールダイヤル１２が指示した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。

エンジン１１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の油圧ポンプ２１及びパイロットポンプ２２と発電電動系３の発電・電動機３１に連結されている。

油圧系２において、油圧ポンプ２１及びパイロットポンプ２２はエンジン１１と、電動機として動作右するときの発電・電動機３１とによって駆動される。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を備えている。押しのけ容積可変機構２１ａの傾転位置はポンプレギュレータ２７により調整され、油圧ポンプの容量が制御される。

複数の油圧アクチュエータ２４ａ〜２４ｈは前述した左右の走行モータ２４ａ，２４ｂ、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、ブレードシリンダ２４ｈ、スイングシリンダ２４ｇや図示しない旋回モータを含んでいる。

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２５ａ〜２５ｈから出力される油圧信号（操作パイロット圧）により切換操作される。

発電電動系３において、発電・電動機３１はエンジン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）が発電・電動機３１のアシスト駆動に必要な充電率（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、その蓄電量に係わる充電率などの情報（蓄電情報）を車体コントローラに送る。

制御系４において、車体コントローラ４６は、ゲートロック検出装置２８、強制充電スイッチ４１と、減トルク制御電磁弁４２と、作業機械モニタ４３とに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、エンジンコントロールダイヤル１２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、エンジンコントロールダイヤル１２の指示信号（エンジン１１の目標回転数）、エンジンコントローラ１３からのエンジン回転数情報（エンジン回転数検出装置１５によって検出したエンジン１１の実回転数）、ゲートロック検出装置２８からの検出信号（ゲートロックレバー２６のＯＮ／ＯＦＦ信号）、バッテリコントローラ３４の蓄電情報（充電率）及び強制充電スイッチ４１の操作信号を入力し、所定の演算処理を行い、エンジンコントローラ１３、ゲートロック弁２９、インバータ３２、バッテリコントローラ３４、減トルク制御電磁弁４２、作業機械モニタ４３に制御信号を出力する。

図３は、ポンプレギュレータ２７の構成の詳細を示す図である。図３ではトルク制御部の構成のみ示し、操作装置２５ａ〜２５ｈの操作量に応じて油圧ポンプ２１の押しのけ容積可変機構２１ａの傾転位置を制御する部分の構成は、図示を省略している。

図３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長さの異なる２つのバネ２７ｂ，２７ｃと、制御スプール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。

減トルク制御電磁弁４２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、減トルク制御電磁弁４２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５１により一定の値（例えば４Ｍｐａ）に保たれている。

図４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４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、減トルク制御電磁弁４２がＯＦＦ位置にあるときにバネ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（制限トルク）である。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。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５２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。

減トルク制御電磁弁４２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の油圧力がバネ２７ｂ，２７ｃの付勢力に対向して作用する。これによりバネ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ＴＰＬｄへと小さくなり（減トルク量ΔＴ）、エンジン１１に余剰トルク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。

〜ゲートロックレバー２６〜
油圧ショベルのキャビン１０８内には運転席１０８ａが設置され、運転席１０８ａの前側左側部（キャビン１０８の入り口側）にゲートロックレバー２６が設けられている。ゲートロックレバー２６は運転席１０８ａの入り口を開放する上げ位置（ロック位置）Ｄと運転席１０８ａの制限する下げ位置（ロック解除位置）Ｅとに選択的に操作可能である。ゲートロックレバー２６が上げ位置（ロック位置）Ｄにあるとき、ゲートロック検出装置２８の出力信号はＯＦＦであり、車体コントローラ４６はゲートロック弁２９の励磁を解除してゲートロック弁２９を図示の位置に切り換える。このとき、パイロットポンプ２２と操作装置２５ａ〜２５ｈのそれぞれに内蔵されているリモコン弁との連通を遮断し、操作装置２５ａ〜２５ｈによる操作パイロット圧の生成が不能となるため、コントロールバルブ２３の操作が不能となり、アクチュエータ２４ａ〜２４ｈの動作が不能となる。ゲートロックレバー２６が下げ位置（ロック解除位置）Ｅに下げ操作されると、ゲートロック検出装置２８はＯＮ信号を出力し、車体コントローラ４６はゲートロック弁２９を励磁してゲートロック弁２９を図示の位置から切り換える。このとき、パイロットポンプ２２の圧力が操作装置２５ａ〜２５ｈのそれぞれに内蔵されているリモコン弁に導かれ、操作装置２５ａ〜２５ｈによる操作パイロット圧の生成が可能となるため、コントロールバルブ２３の操作が可能となり、アクチュエータ２４ａ〜２４ｈの動作が可能となる。

〜車体コントローラ４６の充電制御〜
次に、図５〜図９を用いて車体コントローラ４６の充電制御を説明する。

図５は、車体コントローラ４６の充電制御機能を示すブロック図である。車体コントローラは、出力アシスト制御／充電制御部４６ａ（第１制御装置）と強制充電制御部４６ｂ（第２制御装置）とを有している。出力アシスト制御／充電制御部４６ａは応急充電制御の機能を含み、この応急充電制御ではある程度の作業を継続可能としながら応急的にバッテリの充電制御を行う。強制充電制御部４６ｂはオペレータの意志で作業を中止或いは終了させ、バッテリの充電制御に専念させるものである。

図６は、出力アシスト制御／充電制御部４６ａ（第１制御装置）の制御機能を示すフローチャートである。

まず、出力アシスト制御／充電制御部４６ａはバッテリコントローラ３４の蓄電情報から取得したバッテリ３３の充電率が予め設定した限界充電率（ＳＯＣ）よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ９０）。限界充電率とは、発電・電動機３１のアシスト駆動による作業の継続が困難となるような極めて低い充電率であり、例えば３０％である。ステップ９０でＮＯ（バッテリ充電率≧３０％）と判定された場合は、バッテリ充電率が作業継続可能な第１閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ１００）。作業継続可能な第１閾値とは、バッテリの充電量が発電・電動機３１のアシスト駆動による作業の継続は可能であるが、バッテリ充電制御により充電を行うことが好ましい充電率であり、ステップＳ９０の判定で用いる限界充電率（例えば３０％）よりも高い充電率（例えば５０％）である。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）。ここで、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である。

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、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定格トルクのＴｏｐｔｃまで増加し（図４参照）、システム出力馬力も増加する。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を制御してもよい。

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・電動機３１が駆動され、発電・電動機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、バッテリ充電率が作業継続可能な第２閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１５０）。作業継続可能な第２閾値とは、バッテリの充電が不要となる充電率であり、第１閾値よりも高い充電率（例えば７０％）である。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し（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定格トルクのＴｏｐｔｃまで増加し（図４参照）、システム出力馬力も増加する。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の充電率が予め設定された限界充電率（例えば３０％）以下になると、ステップ２００に移行する。ステップ２００では、ゲートロック検出装置２８の出力信号に基づいてゲートロックレバー２６がロック位置Ｄに操作されたかどうかを判定する（ステップＳ２００）。ゲートロックレバー２６がロック位置Ｄに操作されたと判定されると、ステップＳ２１０に移行する。

ステップＳ２１０以下は応急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（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。図８は、エンジン回転数低下制御のときのエンジン回転数とエンジン出力トルクの変化を示す図である。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、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（図示の例では最大回転数）に代えてその目標回転数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はその目標回転数ＮＴｃ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の最大馬力回転数における出力トルクは定格トルク点ＴＥ１のＴｏｐｔから点ＴＥ２のＴｏｐｔ１に増加する。

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は減トルク制御電磁弁４２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ＴＰＬｄに減少させる制御を行う（図４）。

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、ある程度の作業の継続を可能としながらバッテリ３３の応急充電を行う。

ステップＳ２４０に続き、バッテリ３３の充電率が予め設定した作業継続可能な第３閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ２５０）。ここで作業継続可能な第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、ステップＳ９０の判定で用いる限界充電率（例えば３０％）より高い充電率（例えば４０％）である。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、バッテリ充電率が作業継続可能な第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。

一方、ステップＳ２００において、ゲートロックレバー２６がロック解除位置Ｅに操作され、ゲートロック検出装置２８がＯＮ信号を出力すると、応急充電制御を解除する（ステップＳ２０５）。

このように出力アシスト制御／充電制御部４６ａ（第１制御装置）は、バッテリ（蓄電装置）３３からの電力を発電・電動機３１に供給することで発電・電動機３１を電動機として作動させて出力アシストを行い、エンジン１１により発電・電動機３１を回転駆動することで発電・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。また、出力アシスト制御／充電制御部４６ａ（第１制御装置）は応急充電制御を行う機能を含み、応急充電制御では、バッテリ３３の充電率が限界充電率よりも低下した場合に、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エンジン１１に生じた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３３を充電する。また、ゲートロックレバー２６がロック位置Ｄに操作されたとき、応急充電制御を解除する。

図７Ａ及び図７Ｂは強制充電制御部４６ｂ（第２制御装置）の制御機能を示すフローチャートである。強制充電制御部４６ｂは図７Ａに示すフラグ設定制御と図７Ｂに示す強制充電制御の組み合わせで構成されている。

まず、強制充電制御部４６ｂは、図７Ａに示すように、バッテリコントローラ３４の蓄電情報から取得したバッテリ３３の充電率が予め設定した限界充電率（ＳＯＣ）よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３００）。限界充電率は図６に示す応急充電制御のステップＳ９０の判定で用いた限界充電率と同じであり、発電・電動機３１のアシスト駆動による作業の継続が困難となるような極めて低い充電率（例えば３０％）を言う。ステップＳ３００でＹＥＳ（バッテリ充電率＜３０％）と判定された場合は、バッテリ３３の充電率が著しく低下していることをオペレータに知らせるため、作業機械モニタ４３に強制充電要ランプを点灯させる（ステップＳ３１０）。このとき合わせて作業機械モニタ４３に強制充電の作手順を表示してもよい。或いは、作業機械モニタ４３にスピーカを設け、強制充電要の警告音を発生させてもよいし、そのことを音声で知らせてもよい。また、ステップＳ３１０において点灯させた強制充電要ランプは、所定時間経過後に消灯させてもよい。ステップＳ３００でＮＯ（バッテリ充電率≧３０％）と判定された場合は、ステップＳ３００の判定を繰り返す。

次いで、強制充電制御部４６ｂは、ゲートロック検出装置２８の出力信号に基づいてゲートロックレバー２６がロック位置Ｄに操作されたかどうか（ステップＳ３２０）と、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ローアイドル回転数であるかどうか（ステップＳ３３０）と、発電・電動機３１の回転数は、発電・電動機３１が発電機として動作可能な最低回転数である５００min-1以上であるかどうか（ステップＳ３４０）を順次判定し、いずれもＹＥＳと判定されと強制充電制御可能フラグをＯＮに設定し（ステップＳ３５０）、強制充電制御停止フラフをＯＦＦに設定する（ステップＳ３６０）。ステップＳ３２０，Ｓ３３０，Ｓ３４０のいずれかでＮＯと判定されると、ステップＳ３２０，Ｓ３３０，Ｓ３４０の判定を繰り返す。また、前述したように図６のステップＳ２００では、ゲートロックレバー２６がロック位置Ｄに操作されると、応急充電制御を解除する（図６のステップＳ２０５）。

次いで、強制充電制御部４６ｂは、再び、ゲートロック検出装置２８の出力信号に基づいてゲートロックレバー２６がロック位置Ｄに操作されたかどうか（ステップＳ３７０）と、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ローアイドル回転数であるかどうか（ステップＳ３８０）と、発電・電動機３１の回転数は５００min-1以上であるかどうか（ステップＳ３９０）を順次判定し、いずれかでＮＯと判定されると強制充電制御停止フラフをＯＮに設定し（ステップＳ４００）、強制充電制御可能フラグをＯＦＦに設定する（ステップＳ４１０）。ステップＳ３７０，Ｓ３８０，Ｓ３９０のいずれもＹＥＳと判定されと、ステップＳ３７０，Ｓ３８０，Ｓ３９０の判定を繰り返す。

また、強制充電制御部４６ｂは、図７Ｂに示すように、強制充電制御可能フラグがＯＮであるかどうか（ステップＳ５００）と、強制充電スイッチ４１がＯＮであるか（ステップＳ５１０）を順次判定し、いずれもＹＥＳと判定されとエンジン１１の目標回転数をアイドル回転数から強制充電に適した回転数、例えば最も燃費の良い領域の低燃費回転数に変更し（ステップＳ５１５）、強制充電制御を開始する（ステップＳ５２０）。ステップＳ５００，Ｓ５１０のいずれもＮＯと判定されと、ステップＳ５００，Ｓ５１０の判定を繰り返す。

ステップＳ５２０の強制充電制御では、強制充電制御部４６ｂは発電・電動機３１を発電機として作動させてバッテリ３３の強制充電を行う。このとき、エンジン１１の目標回転数はローアイドル回転数から低燃費回転数に増加しており、強制充電制御部４６ｂはその増加した低燃費回転数で強制充電制御を行う。

図９は、エンジン１１のトルク線図に等燃費曲線を重ね合わせた図である。図中、Ｎ０がローアイドル回転数であり、Ｎ１が低燃費回転数である。また、Ｔｍが発電・電動機３１を駆動して行う強制充電時のエンジン１１の負荷トルクである。Ｚ１〜Ｚ４が等燃費曲線を示しており、外側から内側に向かうにしたがって燃費が良くなり、等燃費曲線Ｚ１の内側領域が最も燃費の良い領域である。なお、燃費とは燃料消費率の略称であり、エンジン１１の時間あたりの燃料消費量（ｇ／ｈ）を発電・電動機３１の発電量（ｋＷ）で除した値である。

本実施の形態の強制充電制御において、強制充電制御可能フラグのＯＮ後、強制充電スイッチ４１が押される前はエンジン１１の目標回転数はローアイドル回転数Ｎ０にある。その後、強制充電制御可能フラグがＯＮで強制充電スイッチ４１が押されると、エンジン１１の回転数は低燃費回転数Ｎ１に上昇し、この状態で強制充電が開始される。このときエンジン１１の負荷トルクはＴｍに増加する。

ここで、もし、エンジン１１の目標回転数がローアイドル回転数Ｎ０のまま強制充電を行うと、エンジン等燃費曲線の燃費の悪いポイントＸ０で充電することになり、高燃費となってしまう。これに対し、エンジン１１の目標回転数を低燃費回転数Ｎ１に上昇させることにより、エンジン等燃費曲線の最小燃費付近のポイントＸ１で強制充電を行うことになり、より低燃費で充電を行うことができる。なお、エンジン１１の目標回転数を一旦ローアイドル回転数Ｎ０に低下させるのは安全かつスムーズに強制充電制御へ移行させるためである。

次いで、強制充電制御部４６ｂは、バッテリ充電率が予め設定した適正充電率より大きいか否か（ステップＳ５３０）と、強制充電制御停止フラグがＯＮであるか（ステップＳ５４０）を順次判定し、いずれもＮＯと判定されるとステップＳ５３０，Ｓ５４０の判定を繰り返し、強制充電制御を継続する。ステップＳ５３０，Ｓ５１４のいずれかがＹＥＳと判定されると、強制充電制御を停止させる（ステップＳ５５０）。ここで、ステップＳ５３０の判定で用いる適正充電率はバッテリ３３の充電量が連続作業に支障のない充電率であり、例えば図６に示す応急充電制御のステップＳ１５０の判定で用いた作業継続可能な第２閾値と同じ７０％である。

このように強制充電制御部４６ｂ（第２制御装置）は、ゲートロックレバー２６がロック位置Ｄに操作され、エンジンコントロールダイヤル１２（エンジン回転数指示装置）によりローアイドル回転数が指示され、かつ強制充電スイッチ４１が操作されたときに、エンジン１１の目標回転数をローアイドル回転数Ｎ０から強制充電に適した回転数（低燃費回転数Ｎ１）に増加させ、この状態で発電・電動機３１を発電機として作動させてバッテリ３３の強制充電を行う。

また、強制充電制御部４６ｂは、バッテリ３３の充電量が連続作業に支障のない予め設定した適正充電率まで増加したとき、発電・電動機３１の発電機としての作動を停止させ、強制充電制御を終了し、エンジン１１の目標回転数を低燃費回転数Ｎ１からローアイドル回転数Ｎ０に低下させる。

また、強制充電制御停止フラグがＯＮであるとき、すなわちバッテリ３３の強制充電を行っているときにゲートロックレバー２６がロック解除位置Ｅに操作されたとき、或いはエンジンコントロールダイヤル１２が操作されエンジン１１の目標回転数が変更されたとき、発電・電動機３１の発電機としての作動を停止させ、強制充電制御を終了し、エンジン１１の目標回転数を低燃費回転数Ｎ１からローアイドル回転数Ｎ０に低下させる。

〜動作〜
本実施の形態に係るハイブリッド作業機械の動作を、バッテリ充電率が作業継続可能な第１閾値の５０％以上である場合と、バッテリ充電率が第１閾値の５０％を下回った場合と、バッテリ充電率が限界充電率の３０％を下回った場合とに分けて説明する。

＜バッテリ充電率が５０％以上である場合＞
バッテリ充電率が５０％以上である場合、エンジン１１の負荷が増大し、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘ以下に低下すると、発電・電動機３１は電動機として作動し（ステップＳ１４０Ｂ）、エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘに維持されるよう制御される。これによりシステム出力トルクは定格トルクのＴｏｐｔｃまで増加し（図４参照）、エンジン１１を小型化しても油圧ショベルとしての通常作業を行うことができる。また、エンジン１１の小型化するため、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。

＜バッテリ充電率が５０％を下回った場合＞
バッテリ充電率が５０％を下回った場合、エンジン１１の負荷が増大し、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘ以下に低下すると、バッテリ充電率が５０％以上である場合と同様、発電・電動機３１は電動機として作動し（ステップＳ１４０Ａ）、エンジン回転数は最大馬力回転数ＮＲｘに維持されるよう制御される。また、エンジン１１の負荷が軽く、エンジン回転数が最大馬力回転数ＮＲｘ以上である場合は、エンジン１１の余剰トルクによって発電・電動機３１を発電機として作動させ、バッテリ３３を充電する。これにより油圧ショベルとしての通常作業を行いながら、バッテリ３３を充電することができる。＜バッテリ充電率が３０％を下回った場合１（応急充電制御）＞
バッテリ３３の充電率が限界充電率（ＳＯＣ）の３０％を下回った場合、作業機械モニタ４３に強制充電要ランプが点灯し、オペレータはそのことを知ることができる。この場合、オペレータは作業状況によって作業の継続を望む場合がある。その場合、オペレータが強制充電制御ではなく応急充電制御を選択し、ゲートロックレバーをロック解除位置Ｅのままとする。この応急充電制御では、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）によりエンジン１１の余剰トルクが強制的に作り出され、この余剰トルクによって発電・電動機３１を発電機として作動させ、バッテリ３３を急速充電する。また、減トルク制御により油圧ポンプ２１の最大吸収トルクは図４のＴＰＬｄと小さくなるが、エンジン回転数低下制御により確保した増トルク分、油圧ポンプ２１の最大吸収トルクの低下量は抑制できる。このため急速充電中の油圧ショベルの作業量の低下を抑えることができる。
＜バッテリ充電率が３０％を下回った場合２（強制充電制御）＞
バッテリ３３の充電率が限界充電率（ＳＯＣ）を下回った場合、オペレータは作業状況によって強制充電制御を選択する場合がある。その場合、オペレータはゲートロックレバーをロック位置Ｄに操作し、エンジンコントロールダイヤル１２を操作して目標回転数をローアイドル回転数に設定し（ステップＳ３３０）、強制充電スイッチ４１をＯＮ操作する。これにより応急充電制御が解除され（ステップＳ２００）、強制充電制御が開始される（ステップＳ５００〜Ｓ５２０）。また、このとき、一旦ローアイドル回転数Ｎ０に低下したエンジン１１の目標回転数が低燃費回転数Ｎ１に上昇し（ステップＳ２１５）、この状態で強制充電制御が行われる。このため安全かつ確実に、低燃費で充電を行うことができる。

〜効果〜
以上のように本実施の形態によれば、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の充電率が限界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出力トルクがＴｏｐｔ１へと増加する。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の応急的な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。

更に、そのような応急充電制御では、油圧ポンプ２１の減トルク制御により油圧ポンプ２１の出力トルクが制限され、機体性能が制限されるため、作業機械の使い勝手或いは操作性が低下するおそれがある。また、作業機械の稼働中の充電であるため、エンジン出力トルク＝油圧ポンプ消費トルク＋発電機トルクとなり、発電.電動機３１によるバッテリ３３の充電量も制限される。このためバッテリ３３への充電が適切に行われない場合がある。

本実施の形態では、そのような場合、作業機械モニタ４３に強制充電要ランプが点灯することで、オペレータはバッテリ３３の充電率が限界充電率（ＳＯＣ）を下回ったことを知り、オペレータはゲートロックレバーをロック位置Ｄに操作し、エンジンコントロールダイヤル１２を操作して目標回転数をローアイドル回転数に設定し、強制充電スイッチ４１をＯＮ操作する。これにより強制充電制御が開始され（ステップＳ５００〜Ｓ５２０）、バッテリ３３を適正充電率（７０％）まで確実に充電することができる。また、このとき、エンジン１１の目標回転数が一旦ローアイドル回転数Ｎ０に低下し、その後強制充電に適した回転数である低燃費回転数に上昇するため、安全かつスムーズに強制充電制御に移行しかつ確実にバッテリ３３を充電することができる。更に、強制充電制御が始まると一旦ローアイドル回転数Ｎ０に低下したエンジン１１の目標回転数は低燃費回転数Ｎ１に上昇するため、低燃費で充電を行うことができる。

更に、本実施の形態では、ゲートロックレバー２６がロック解除位置Ｅに戻すか、エンジンコントロールダイヤル１２を操作してエンジン１１の所望の目標回転数を設定することで強制充電制御は停止する。したがって、オペレータはいつでも強制充電制御を終了させ、作業を再開することができる。

〜変形例〜
本実施の形態では、車体コントローラの出力アシスト制御／充電制御部４６ａに応急充電制御の機能を含ませ、バッテリ３３の充電率が限界充電率（ＳＯＣ）の３０％を下回った場合に応急充電制御か強制充電制御の一方を選択できるようにしたが、出力アシスト制御／充電制御部４６ａに応急充電制御の機能を持たせず、強制充電制御だけを行えるようにしてもよい。

また、上記の実施の形態では、強制充電制御の開始時にゲートロックレバー２６がロック位置Ｄに操作されたときに応急充電制御を解除するようにしたが、エンジンコントロールダイヤル１２によりローアイドル回転数が指示されたときに応急充電制御を解除してもよいし、ゲートロックレバー２６がロック位置Ｄに操作されかつエンジンコントロールダイヤル１２によりローアイドル回転数が指示されたときに応急充電制御を解除してもよい。

また、上記実施の形態では、強制充電制御開始時に、一旦ローアイドル回転数Ｎ０に低下したエンジン１１の目標回転数を低燃費回転数Ｎ１に上昇させたが、それ以外の強制充電に適した目標回転数に上昇させてもよい。例えば、エンジン１１の目標回転数を低燃費回転数Ｎ１よりもエンジンの出力トルクが大きい回転数、例えば定格回転数まで上昇させてもよく、これにより、より短時間でバッテリ３３を充電することができる。

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よい。

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
２４ａ〜２４ｈ 油圧アクチュエータ
２５ａ〜２５ｈ 操作装置
２６ ゲートロックレバー
２７ ポンプレギュレータ
２８ ゲートロック検出装置
２９ ゲートロック弁
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
４１ 強制充電スイッチ
４２ 減トルク制御電磁弁
４３ 作業機械モニタ
４６ 車体コントローラ
４６ａ 出力アシスト制御／充電制御部（第１制御装置）
４６ｂ 強制充電制御部（第２制御装置）
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 (5)

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、
   運転室内に設けられ、前記複数の油圧アクチュエータの動作を指令する複数の操作装置と、
   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、
   前記エンジンの目標回転数に応じて前記エンジンの回転数を変化させかつ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前記エンジンの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第１制御装置とを備えたハイブリッド式作業機械において、
   前記運転室内に設けられ、前記複数の操作装置による前記複数の油圧アクチュエータの動作を不能とするロック位置と前記複数の操作装置による前記複数の油圧アクチュエータの動作を可能とするロック解除位置とに選択的に操作されるゲートロックレバーと、
   強制充電スイッチと、
   前記蓄電装置の充電率が予め設定した限界充電率よりも低下したことをオペレータに知らせる作業機械モニタと、
   前記ゲートロックレバーが前記ロック位置に操作され、前記エンジン回転数指示装置によりローアイドル回転数が指示され、かつ前記強制充電スイッチが操作されたときに、前記エンジンの目標回転数を前記ローアイドル回転数から強制充電に適した回転数に増加させ、この状態で前記発電・電動機を発電機として作動させて前記蓄電装置の強制充電を行う第２制御装置とを備えることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
2. 請求項１記載のハイブリッド式作業機械において、
   前記第２制御装置は、前記強制充電に適した回転数として低燃費回転数を設定することを特徴とするハイブリッド式作業機械。
3. 請求項２記載のハイブリッド式作業機械において、
   前記第２制御装置は、前記蓄電装置の充電量が連続作業に支障のない予め設定した適正充電率まで増加したとき前記発電・電動機の発電機としての作動を停止させ、前記蓄電装置の強制充電を終了し、前記エンジンの目標回転数を低燃費回転数から前記ローアイドル回転数に低下させることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
4. 請求項２記載のハイブリッド式作業機械において、
   前記第２制御装置は、前記強制充電を行っているときに前記ゲートロックレバーが前記ロック解除位置に操作されたとき、或いは前記エンジン回転数指示装置が操作され前記エンジンの目標回転数が変更されたとき、前記発電・電動機の発電機としての作動を停止させ、前記蓄電装置の強制充電を終了し、前記エンジンの目標回転数を低燃費回転数から前記ローアイドル回転数に低下させることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
5. 請求項１記載のハイブリッド式作業機械において、
   前記第１制御装置は、前記蓄電装置の充電率が前記限界充電率よりも低下した場合に、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前記蓄電装置を充電する応急充電制御を行い、
   前記第１制御装置は、前記ゲートロックレバーが前記ロック位置に操作されたとき、或いは前記エンジン回転数指示装置によりローアイドル回転数が指示されたとき、或いはその両方が行われたとき、前記応急充電制御を解除することを特徴とするハイブリッド式作業機械。

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