JPWO2010147121A1 - ハイブリッド型建設機械及びハイブリッド型建設機械の制御方法 - Google Patents

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Abstract

ハイブリッド型建設機械は、エンジン（３０）の回転数を制御するコントローラ（４２）と、エンジン（３０）により駆動される油圧ポンプ（２１）と、エンジン（３０）をアシストする電動発電機（３４）と、油圧ポンプ（２１）から吐出された作動油を油圧負荷に供給する油圧回路とを有する。コントローラ（４２）は、油圧回路が余剰出力状態であると判断すると、エンジン（３０）の回転数を通常の回転数より低い低回転数に低減させ、該回転数を低減させている間に、電動発電機（３４）を発電させる。

Description

本発明はエンジンにより油圧ポンプを駆動して油圧負荷を駆動するハイブリッド型建設機械に関する。
ハイブリッド型建設機械は、一般的にエンジン（内燃機関）の出力で油圧ポンプを駆動し、発生した油圧により作業を行なう。そして、電動モータでエンジンをアシストすることでエンジンを効率的に運転する。電動モータは主にバッテリからの電力により駆動される。バッテリは充放電式であり、エンジンをアシストするときは放電して電動モータに電力を供給する。一方、エンジンをアシストしないときには、エンジンで駆動される発電機からの電力や油圧負荷からの回生電力により充電される。これにより、バッテリが常にある程度充電された状態に維持して電動モータをアシストできるようにする。
このようにハイブリッド型建設機械では、エンジンを電動モータでアシストすることができるため、エンジンの最大出力を小さくして小型のエンジンとすることができる。エンジンの最大出力より大きな出力が油圧ポンプに要求された場合には、電動モータでアシストしてその要求に応えることができる。
ハイブリッド型建設機械では、油圧負荷の要求に応じて発生する油圧を変化させることができるように、可変容量式油圧ポンプが用いられることが多い（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１０３１１２号公報
可変容量式油圧ポンプを用いた油圧駆動システムでは、油圧負荷が油圧を要求していない場合や軽負荷であるときに、可変容量式油圧ポンプの傾転角を下げてポンプ吐出流量を低減するネガティブコントロール（ネガコン制御と称する）を行なうことが多い。ハイブリッド型建設機械の油圧駆動システムでは、エンジンを常に一定回転で駆動しており、油圧負荷に油圧を供給する必要がないときでも油圧ポンプも常に駆動されている。
したがって、油圧負荷に油圧を供給する必要がないときに油圧ポンプから吐出された作動油は、油圧負荷には供給されずに直ちにタンクに戻される。このときの油圧ポンプから吐出される作動油の流量は少ないほうがよく、上述のネガコン制御を行なうことで可変容量式油圧ポンプの傾転角を下げてポンプ吐出流量を低減し、油圧ポンプが消費する無駄なエネルギを抑制している。
このようにネガコン制御で傾転角を下げてポンプ吐出流量を低減しても、油圧ポンプはエンジンの一定回転数に比例した回転数で駆動されているため、油圧ポンプは依然として無駄なエネルギを消費している。
また、エンジンで油圧ポンプを駆動して発生した油圧を油圧負荷に供給して作業を行なう場合、エンジンを常時一定速度で駆動しておくことが一般的である。油圧シリンダ等の油圧負荷を駆動する際には、油圧負荷が要求する油圧を発生させるためにエンジントルクを増大して油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプから油圧を油圧負荷に供給する。この際、油圧ポンプからの油圧が上昇し過ぎると、油圧配管等が破裂するおそれがある。このため、油圧の上限値（リリーフ圧）を設定しておき、油圧が上限値を超えたら油圧ポンプから吐出される作動油を直ちにタンクに戻すというリリーフ機能が油圧回路に設けられる。具体的には、油圧ポンプの吐出口と油圧制御弁との間にリリーフ弁を設けておくことで、油圧ポンプから吐出された高圧の作動油をリリーフ弁を介してタンクに戻すように制御する。
例えば油圧負荷としての油圧シリンダに高圧の作動油を供給して作業を行なう際に、油圧シリンダに大きな負荷がかかって油圧シリンダが動けなくなったような場合でも、油圧ポンプは作動油を吐出し続けるので、油圧配管内の油圧は急激に上昇する。このような場合に油圧が上限値を超えたら、リリーフ弁が作動して油圧ポンプから吐出された高圧の作動油を直ちにタンクに戻して油圧配管内の圧力が異常に上昇しないように制御する。
以上のようにリリーフ機能が働いているときにも、エンジンは一定速度で油圧ポンプを駆動するため、油圧ポンプから高圧の作動油が吐出され続けることとなる。リリーフ機能が働いてリリーフ弁からタンクに戻される作動油は何の仕事もしないので、油圧ポンプは不必要に作動油を加圧して吐出し続けることとなり、エネルギを不必要に消費してしまう。
本発明の一実施態様によれば、エンジンの回転数を制御するコントローラと、該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該エンジンをアシストする電動発電機と、該油圧ポンプから吐出された作動油を油圧負荷に供給する油圧回路とを有するハイブリッド型建設機械であって、該コントローラは、該油圧回路が余剰出力状態であると判断すると、該エンジンの回転数を通常の回転数より低い低回転数に低減させ、該回転数を低減させている間に、該電動発電機を発電させることを特徴とするハイブリッド型建設機械が提供される。
上述のハイブリッド型建設機械は、該油圧ポンプから吐出された作動油の圧力を検出する第１の圧力センサと、該油圧回路中に設けられ、該油圧負荷への作動油の流れを制御するコントロールバルブと、該コントロールバルブとタンクとの間に設けられたネガコン絞りと、該コントロールバルブと該ネガコン絞りとの間に設けられ、ネガコン圧を検出する第２の圧力センサとを更に有し、該コントローラは、該第１の圧力センサの検出値から求められた該油圧ポンプの第１の吐出量と、該第２の圧力センサの検出値から求められた該油圧ポンプの第２の吐出量とを比較し、比較結果に応じて該エンジンの回転数を通常の回転数より低い低回転数に低減させ、該回転数を低減させている間に、該電動発電機を発電させることが好ましい。
また、上述のハイブリッド型建設機械は、該油圧回路内の圧力が予め設定された圧力を超えたときに、該油圧ポンプから吐出された作動油をタンクに戻すリリーフ弁を更に有し、該コントローラは、該リリーフ弁を介して作動油がタンクに戻されているときに、該エンジンの回転数を通常回転数より低い低回転数に低減させ、該回転数を低減させている間に、該電動発電機を発電させることとしてもよい。また、上述のハイブリッド型建設機械は、該油圧回路内の圧力を示す値を検出する検出手段を更に有し、該検出手段の検出値に基づいて該エンジンの回転数を増減することとしてもよい。さらに、該検出手段は該リリーフ弁からタンクに戻される作動油の流量を検出する流量計を含み、該流量計の検出値に基づいて該エンジンの回転数を変化させることとしてもよい。
上述のハイブリッド型建設機械において、該コントローラは、該エンジンの回転数を増大させる場合には該電動発電機を電動運転させることとしてもよい。また、該コントローラは、該電動発電機の回転数を一定に維持する場合は該電動発電機をトルク制御することとしてもよい。さらに、該コントローラは、該電動発電機の回転数を増減する場合は該電動発電機を回転数制御することとしてもよい。また、該コントローラは、油圧負荷の作業状態に対して該油圧回路が余剰出力状態であると判断することとしてもよい。
本発明の他の実施態様によれば、エンジンにより駆動される油圧ポンプと、該エンジンをアシストする電動発電機と、該油圧ポンプから吐出された作動油を油圧負荷に供給する油圧回路とを有するハイブリッド型建設機械の制御方法であって、該油圧回路が余剰出力状態であるか否かを判断し、該油圧回路が余剰出力状態であると判断すると、該電動発電機を発電運転させることで、該エンジンの回転数を通常の回転数より低い低回転数に低減させることを特徴とするハイブリッド型建設機械の制御方法が提供される。
上述のハイブリッド型建設機械の制御方法において、該エンジンの回転数を増大させる場合には該電動発電機を電動運転させることが好ましい。また、該電動発電機の回転数を一定に維持する場合は該電動発電機をトルク制御することとしてもよい。さらに、該電動発電機の回転数を増減する場合は該電動発電機を回転数制御することとしてもよい。また、油圧負荷の作業状態に対して該油圧回路が余剰出力状態であると判断することとしてもよい。
上述の発明によれば、油圧回路が例えばネガコン制御が実行されている状態や油圧回路のリリーフ弁が開いた状態のような余剰出力状態になると、エンジンの回転数を低減することで油圧ポンプの作動油吐出量が低減される。これにより、油圧ポンプから油圧回路に供給する作動油の量が低減されて不必要なエネルギの消費が抑制される。余剰出力状態ではなくなると、エンジンの回転数は増大されて通常モード回転数に戻され、これにより油圧ポンプは通常に油圧を供給できるようになる。この際、エンジンの回転数の増減を電動発電機の回転数制御により行なうため、エンジンの回転数制御のみで行なうよりも迅速にエンジンの回転数を増減することができる。
ハイブリッド型油圧ショベルの側面図である。 ハイブリッド型油圧ショベルの駆動系のブロック図である。 ハイブリッド型油圧ショベルの油圧回路図である。 ネガコン制御が行なわれているときにエンジンの回転数を低減する本発明の第１実施形態による制御のフローチャートである。 図４に示す制御を行なっている際のエンジンの回転数を示すグラフである。 ネガコン制御の判定方法を示す機能ブロック図である。 掘削・積込み動作を説明するための図である。 掘削・積込み作業中における油圧回路の入出力エネルギの変化を示すグラフである。 ネガコン制御が行なわれているときにエンジンの回転数を低減する本発明の第２実施形態による制御のフローチャートである。 本発明の第３実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 リリーフ弁が開いたときにエンジンの回転数を低減する制御のフローチャートである。 図１１に示す制御を行なっている際のエンジンの回転数を示すグラフである。 本発明の第４実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 リリーフ弁が開いたときにエンジンの回転数を低減する制御のフローチャートである。 旋回機構の動力源として旋回油圧モータを用いた場合の、ハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。
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。
先ず、本発明が適用されるハイブリッド型建設機械の一例としてハイブリッド型油圧ショベルについて簡単に説明する。図１はハイブリッド型油圧ショベルの側面図である。なお、本発明が適用されるハイブリッド型作業機械は、油圧ショベルに限定されない。
パワー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。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。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は本発明の第１実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルの駆動系のブロック図である。内燃機関からなるエンジン３０と電動発電機３４とは、動力分配機であるスプリッタ３２に接続される。可変容量式油圧ポンプ２１はスプリッタ３２に接続され、スプリッタ３２からの出力により駆動されて高圧の作動油を吐出する。
油圧ポンプ２１から吐出された作動油は、切換弁を含むコントロールバルブ２２に送られ、コントロールバルブ２２から油圧シリンダや油圧モータ等の油圧負荷に供給される。油圧ポンプ２１には油圧出力を検出して制御するためのパイロット・ギアポンプ２１Ａが接続される。
電動発電機３４はインバータ（ＩＮＶ）３６を介して蓄電器（バッテリ）を含む蓄電部３８に接続されている。電動発電機３４は蓄電部３８から電力の供給を受けて駆動され、電動機として機能してエンジン３０をアシストする。また、電動発電機３４はエンジンの動力をスプリッタ３２を介して受けることで、発電機として機能して蓄電部３８を充電する。電動モータや電動アクチュエータ等の電気負荷は、インバータ（ＩＮＶ）４０を介して蓄電部３８に接続され、蓄電部３８から電力の供給を受けて作動する。
図２に示すシステムにおいて、エンジン３０，電動発電機３４及び油圧ポンプ２１の作動は、コントローラ４２により制御される。特に、コントローラ４２は、油圧ポンプ２１の出力（すなわち、油圧負荷に相当）を精確に算出して電動発電機３４の出力（アシスト量）を制御する。これにより、エンジン３０の出力を常に適切な値に維持し、エンジンの作動が異常とならないように制御する。
ここで、図３に示すハイブリッド型油圧ショベルの油圧制御回路の構成について説明する。図２に示すエンジン３０と電動発電機３４とスプリッタ３２とで構成されるエンジンモータ２０によって駆動される可変容量式油圧ポンプ（以下、単に油圧ポンプと称する）２１の油路には、それぞれ、切換弁２２ａ，２２ｂ，２２ｃが接続されている。この切換弁２２ａ、２２ｂ、２２ｃの切換えによって、作動油が図示しないブーム、アームや走行部の各シリンダ部に供給され、各油圧負荷における作業が実行される。そして、切換弁２２ａの上流側の油路には、ポンプ吐出圧センサ２３が接続されている。ポンプ吐出圧センサ２３は、油圧ポンプ２１の吐出圧を検出する。さらに、切換弁２２ｃの下流側の油路は、ネガティブコントロール絞り弁（ 以下、ネガコン絞り弁と称する）２４を介してタンク２５に接続されている。
可変容量式油圧ポンプ２１は、例えば可変斜板式油圧ポンプであり、斜板２１ａの角度（傾転角）を変更することでポンプ出力を変更することができる。具体的には、ポンプ吐出圧センサ２３における吐出圧力Ｐが所定の値より大きくなると、作動油が油路Ｌ１を通ってレギュレータ２７に供給され油圧ポンプ２１の斜板２１ａを起てる方向に作用する。これにより、油圧ポンプ２１の吐出流量Ｑは減少する。
切換弁２２ｃとタンク２５との間には、ネガコン絞り弁２４が設けられ、タンク２５へ戻る作動油の流量を制限するようにしている。ネガコン絞り弁２４の上流側には、ネガティブコントロールセンサ（以下、ネガコンセンサと称する）２６が接続されている。ネガコンセンサ２６はコントローラ２に結線され、それぞれのタンク２５への油圧流路の油圧をネガティブコントロール圧Ｐｎとして検出し、ネガティブコントロール圧Ｐｎをコントローラ２へ入力する。
ネガコン絞り弁２４、ネガコンセンサ２６及びコントローラ１２からなるネガティブコントローラ（以下、ネガコンと称する）は、タンク２５に戻る油圧ポンプ２１の吐出流量の損失を低減するための制御システムである。具体的には、油圧負荷が作業状態にない場合、つまり、油圧負荷を構成する各シリンダへの作動油の供給がない場合には、多量の作動油が作業の実行に使用されないまま、タンク２５へ回収されることとなる。この場合、ネガコン絞り弁２４によって油路が絞られているため、ネガコンセンサ２６におけるネガコン圧Ｐｎが高くなってしまう。ネガコン圧Ｐｎが所定の値より高くなると、作動油が油路Ｌ２を通ってレギュレータ２７に供給され、油圧ポンプ２１の斜板２１ａを起てる方向に作用する。これにより、油圧負荷が作業状態にない場合には、油圧ポンプ２１の吐出流量Ｑを減少させることで、無駄な作動油の循環を抑制することができる。
コントローラ１２には、重掘削モード（Ｈモード）、標準掘削モード（Ｓモード）、仕上げ掘削モード（Ｌモード）などの各作業モードに切り換えるためのモード切換器１３、及びエンジン回転数を設定するためのスロットルボリューム１４が接続されている。コントローラ１２には、電磁比例弁１５と吐出圧センサ２３が接続されている。電磁比例弁１５は油路L３を介してレギュレータ２７に接続され、レギュレータ２７が油圧ポンプ２１の吐出流量Ｑを制御する。なお、油圧ポンプ２１の斜板２１ａの角度（傾転角）を調整するためのポンプ制御電流Ｉは電磁比例弁１５により検出される。
通常、油圧ショベルには、重掘削モード（Ｈモード）、標準掘削モード（Ｓモード）、仕上げ掘削モード（Ｌモード）などの各作業モードに切り換えるための切換機構が装備されている。すなわち、モード切換器１３の切り換え操作によってコントローラ１２が各作業モードに適宜切り換えている。このような制御回路の切換機構によって、油圧ショベルの馬力が一定となるようにレギュレータ２７によって油圧ポンプ２１の吐出流量Ｑを制御している。さらに、電磁比例弁１５ によって油圧ポンプ２１の入力馬力を変化させると共に、コントローラ１２によってエンジンモータ２０の回転数を変化させて上記の各作業モードを切り換える。
なお、コントローラ１２は図２に示すコントローラ４２の一部であってもよく、あるいは、コントローラ４２とは別に設けられてもよい。
次に、本発明の第１実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルで行なわれるエンジン回転数制御について説明する。このエンジン回転数制御は、油圧負荷が軽負荷作業中であるか作業を行なっておらず、油圧回路の状態が要求出力に対して過剰に油圧を出力している状態、すなわち余剰出力状態であると判断される場合に、エンジン３０の回転数を低減して油圧ポンプ２１でのエネルギ消費量を低減するために行なわれる制御である。油圧負荷が軽負荷作業中であるか作業を行なっていないかの判断は、ネガコン制御が実行中であるか否かを判定することにより行なわれる。すなわち、油圧負荷が軽負荷作業中であるか作業を行なっていない場合にはネガコン制御が行なわれるので、ネガコン制御が実行中であるか否かを判定することで、油圧負荷が軽負荷作業中であるか作業を行なっていないかを判断することができる。
図４はネガコン制御が行なわれているときにエンジン３０の回転数を低減する制御のフローチャートである。図５は図４に示す制御を行なっている際のエンジン３０の回転数を示すグラフである。
まず、ステップＳ１において、エンジン３０は回転数制御により一定の回転数を維持するように運転されている。この状態を通常モードと称し、エンジン３０の一定の回転数を通常モード回転数と称する。通常モードにおいて、エンジン３０の出力制御は回転数制御（速度制御）であり、電動発電機３４の出力制御はトルク制御である。ここで、通常モードとは、作業中であって、油圧負荷に入力エネルギが必要となる作業状態である。
ステップＳ２において、油圧ポンプ２１をネガコン制御しているか否かが判定される。ネガコン制御の判定は、具体的には、油圧ポンプ２１の吐出圧力Ｐから得られる馬力制御吐出量Ｖｐと、ネガコン圧Ｐｎから得られるネガコン制御吐出量Ｖｎとを比較することにより行なわれる。ネガコン制御を行なっている場合、排出エネルギが油圧負荷から放出されている。
図６はネガコン制御の判定方法を示す機能ブロック図である。まず、予め求められている油圧ポンプ２１のＰＱ線図を用いて、ポンプ吐出圧センサ２３で検出した油圧ポンプ２１の吐出圧力Ｐと油圧ポンプ２１の傾転角を制御するポンプ制御電流Ｉとから、馬力制御吐出量Ｖｐを求める。馬力制御吐出量Ｖｐは、油圧ポンプ２１が油圧負荷に油圧を供給しているときの吐出量に相当する。ここで、予め定められている油圧ポンプ２１のＰＱ線図によって、ポンプ吐出圧力が高くなると吐出量Ｖｐが小さくなるように算出される。
また、ネガコンセンサ２６で検出したネガコン圧Ｐｎから、予め求められているネガコン圧とポンプ吐出量の特性線図を用いて、検出したネガコン圧Ｐｎからネガコン制御吐出量Ｖｎを求める。ネガコン制御吐出量Ｖｎは、ネガコン制御が行なわれているときに油圧ポンプ２１が吐出する作動油の吐出量に相当する。ここで、予め定められている特性線図によって、ネガコン圧Ｐｎが高くなるとネガコン制御吐出量Ｖｎが小さくなるように算出される。
そして、求められた馬力制御吐出量Ｖｐとネガコン制御吐出量Ｖｎとを比較する。ネガコン制御吐出量Ｖｎのほうが馬力制御吐出量Ｖｐより小さい場合、ネガコン制御が実行されていて、油圧ポンプ２１の傾転角がネガコン圧の特性に応じた傾転角になるように制御されており、油圧ポンプ２１の吐出量が低減されていると判断できる。すなわち、ネガコン制御吐出量Ｖｎのほうが馬力制御吐出量Ｖｐより小さければ、ネガコン制御実行中であると判定できる。
一方、ネガコン制御吐出量Ｖｎのほうが馬力制御吐出量Ｖｐより大きい場合、油圧負荷に油圧が供給されていて、油圧ポンプ２１の傾転角がメイン圧力の特性に応じた傾転角になるように等馬力制御されており、油圧ポンプ２１の吐出量が低減されている判断できる。すなわち、ネガコン制御吐出量Ｖｎのほうが馬力制御吐出量Ｖｐより大きければ、ネガコン制御実行中ではなく、等馬力制御実行中であると判定できる。このようにして、算出された吐出量ＶｐとＶｎとを比較することで、ネガコン制御状態であるかどうかを判定することができる。
ステップＳ２では以上のような方法により、ネガコン制御実行中か否かを判定している。ステップＳ２においてネガコン制御中ではないと判定されると、処理はステップＳ１に戻り通常モードのままエンジン３０の回転数は通常モード回転数に維持される。一方、ステップＳ２においてネガコン制御中である、つまり油圧回路の状態が余剰な出力状態であると判断される場合には、処理はステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、エンジン３０の回転数制御が低下モードに設定される。低下モードでは、エンジン３０の目標回転数を通常モード回転数より低い回転数に設定する。このとき、エンジン３０は回転数制御により回転数を低減するが、エンジン３０の制御による回転数の制御は応答性が悪く、エンジン３０の回転数を迅速に低減することができない。そこで、本実施形態では、エンジン３０よりも回転数の制御の立ち上がり応答性が良い電動発電機３４を用いて、回転数の制御を行うことでエンジン３０の回転数を迅速に低減する。電動発電機３４をトルク制御から回転数制御（速度制御）に切り替え、回転数を低減する際には、電動発電機３４はエンジン３０の動力によって発電運転となる。すなわち、エンジン３０の目標回転数に比例した回転数となるように、電動発電機３４の回転数の制御を行うと同時に、エンジン３０よりも応答性良く回転数を低減させることで、エンジン３０の負荷として発電運転が行なわれる。
ステップＳ３において低下モードが設定されると、続いて、ステップＳ４においてネガコン制御が依然として実行中であるか否かが判定される。ステップＳ４においてネガコン制御が依然として実行中であると判定された場合、処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５において、エンジン３０の回転数が予め設定された下限モード回転数より大きいか否かが判定される。下限モード回転数は、エンジン３０の通常モード回転数より低い回転数であり、例えば、エンジン３０の駆動を維持するためにそれ以下にできない回転数として設定することが好ましい。
ステップＳ５においてエンジン３０の回転数が下限モード回転数より大きいと判定されると、処理はステップＳ４に戻る。すなわち、エンジン３０の回転数が下限モード回転数まで低減されていない場合は、低下モードに維持されたままステップＳ４の判定が行なわれる。低下モードに維持されているため、エンジン３０の回転数は引き続き低減される。ここで、図４に示すように、低下モードにおける目標回転数は、予め定められた傾斜パターンに沿って設定される。これにより、電動発電機３４をなめらかに制御することができ、さらに低下モードから加減モードや復帰モードへの切り替えの際に、オーバーシュートを防止することができる。また、電動発電機３４の回転数制御により回転数を低減させ、エンジン３０に負荷をかけることで、電動発電機３４で発電運転を行うことができる。これにより、電動発電機３４で発電した電力を蓄電部３８に充電できるので、より一層効率の良い省エネルギ運転を実現することができる。
一方、ステップＳ５においてエンジン３０の回転数が下限モード回転数以下であると判定されると、処理はステップＳ６に進み、下限モードが設定される。下限モードでは、エンジン３０の回転数を下限モード回転数に維持するように制御が行なわれる。低下モードのままでエンジン３０の回転数を下げ続けると、エンジン３０が負荷に負けてストールしてしまうので、下限モード回転数を設定してそれ以上回転数を下げないようにする。ステップＳ６における下限モードではエンジン３０の制御は回転数制御であり、電動発電機３４は蓄電部３８への電力補償が容易なトルク制御へ戻る。
ステップＳ６で下限モードが設定された後も、ステップＳ４の判定が行なわれる。すなわち、ステップＳ６で下限モードを設定してからステップＳ４に戻り、ポンプ圧力が閾値以下か否かが判定される。すなわち、下限モードが維持されている間も、ネガコン制御が実行中であるか否かが判定される。
ステップＳ４で、油圧回路の状態が余剰な出力状態ではなくなり、ネガコン制御が実行中ではない（油圧ポンプ２１が等馬力制御中である）と判定されると、処理はステップＳ７に進み、下限モードが解除されて復帰モードが設定される。復帰モードでは、エンジン３０の回転数を上げるように制御が行なわれる。すなわち、ネガコン制御が実行されていないということは、油圧負荷に油圧を供給するために等馬力制御が実行されていると判断できる。従って、エンジン３０の回転数を増大して通常モード回転数に戻して油圧ポンプ２１を駆動するための制御が行なわれる。
本実施形態における復帰モードでは、エンジン３０よりも回転数制御の立ち上がり応答性が良い電動発電機３４を用いて、回転数の制御を行うことで、エンジン３０の回転数を迅速に増大させる。電動発電機３４の制御を、トルク制御から回転数制御（速度制御）に切り替えて回転数を増大する際には、電動発電機３４はエンジン３０をアシストする電動運転となる。すなわち、エンジン３０の目標回転数に比例した回転数となるように、電動発電機３４の回転数の制御を行うと同時に、エンジン３０よりも応答性良く回転数を増大させることで、エンジン３０をアシストする電動運転が行なわれる。また、エンジン出力に制限が加わっても、電動発電機３４で回転数制御が実行されることにより、なめらかにエンジン３０の回転数を復帰させることができる。
ステップＳ７において復帰モードが設定されると、続いてステップＳ８においてエンジン３０の回転数が通常モード回転数より低いか否かが判定される。すなわち、ステップＳ８において、エンジン３０の回転数が通常モード回転数に戻ったか否かが判定される。ステップＳ８においてエンジン３０の回転数が通常モード回転数より低いと判定された場合、エンジン３０の回転数は通常モード回転数に戻っていないため、復帰モードが維持される。ここで、図４に示すように復帰モードにおける目標回転数は、低下モードと同様に、予め定められた傾斜パターンに沿って設定される。これにより、電動発電機３４をなめらかに制御することができ、さらに、復帰モードから下限モードや低下モードへの切り替えの際に、オーバーシュートを防止することができる。
一方、ステップＳ８においてエンジン３０の回転数が通常モード回転数以上であると判定された場合、エンジン３０の回転数は通常モード回転数に戻っているため、ステップＳ１に戻り通常モードが設定される。
なお、上述の制御の実行中に、エンジン３０の回転数を低減しているときに電気負荷（例えば、旋回モータ１８）から発電要求がなされることがある。そのような場合でも、エンジン３０の回転数が低い状態において電動発電機３４を発電運転して発電することで、電気負荷からの発電要求に応えることができる。
以上のように、本実施形態では、ネガコン制御が実行されている状態になるとエンジン３０の回転数を低減して油圧ポンプ２１の作動油吐出量を低減する。これにより、油圧ポンプ２１から油圧回路に供給する作動油の量を低減して不必要なエネルギの消費を抑制することができる。そして、ネガコン制御が実行されていない状態となるとエンジン３０の回転数を増大して通常モード回転数に戻し、油圧ポンプ２１が通常に油圧を供給できるようにする。この際、エンジン３０の回転数の増減を電動発電機３４の回転数制御により行なうため、エンジン３０の回転数制御で行なうよりも迅速にエンジン３０の回転数を増減することができる。
本実施形態では、ステップＳ２及びＳ４において、特性線図から求めた油圧ポンプ２１の吐出量Ｖｐ及びＶｎに基づいてネガコン制御実行中か否かを判断しているが、油圧ポンプ２１の吐出流量、又は油圧ポンプ２１の傾転角に基づいてネガコン制御実行中であるか否かを判定することもできる。油圧ポンプ２１の吐出流量は吐出量に回転数を掛けたものであるから、比較する際には吐出量と同じとみなすことができる。また、ネガコン制御が行なわれるときには傾転角は常に最大の状態（すなわち斜板２１ａが最も起きた状態）で油圧ポンプ２１からの流量は最小の状態となっているはずであるから、傾転角が最大に設定されているときにはネガコン制御が実行中であると判断することができる。傾転角はポンプ制御電流Ｉによって設定されるから、ポンプ制限電流の値に基づいてネガコン制御が実行中か否かを判定することができる。なお、本実施形態において、通常モードではエンジン回転数を一定の回転数を維持するように運転する事例を説明したが、通常モードにおいて、エンジンを可変に制御してもよい。
上述の実施形態ではネガコン制御が実行中であるか否かを判定することにより、油圧回路が余剰出力状態であるか否かを判定している。ここで、油圧回路の余剰出力状態についてさらに詳細に説明する。
まず、ハイブリッド型油圧ショベルを用いて行なう作業の一例について説明する。油圧ショベルを用いて行なう動作の代表的なものとして、掘削・積込み動作がある。掘削・積込み動作は、掘削動作と積込み動作を含む一連の動作であり、バケットで土を掘ってすくい上げ、ダンプカーの荷台等の所定の場所に排土する作業である。
掘削・積込み動作について、図７を参照しながらさらに詳しく説明する。まず、図７（ａ）に示すように、上部旋回体３を旋回してバケット６が掘削位置の上方に位置している状態で、且つ、アーム５が開きバケット６も開いた状態で、オペレータはブーム４を下げ、バケット６の先端が目標の掘削深さＤとなるようにバケット６を下降させる。通常、旋回及びブーム下げは、オペレータが操作し、目視でバケット６の位置を確認する。また、上部旋回体３の旋回と、ブーム４の下げは同時に行なうことが一般的である。以上の動作をブーム下げ旋回動作と称し、この動作区間をブーム下げ旋回動作区間と称する。
オペレータがバケット６の先端が目標の掘削深さＤに到達したと判断したら、次に、図７（ｂ）に示すように水平引き動作に移る。水平引き動作では、バケット６の先端がほぼ水平に移動するように、アーム５が地面に対して垂直になるまでアーム５を閉じる。この水平引き動作により、所定の深さの土が掘削されバケット６でかき寄せられる。水平引き動作が完了したら、次に、図７（ｃ）に示すように、アーム５に対して９０度になるまでバケット６を閉じる。すなわち、バケット６の上縁が水平となるまでバケット６を閉じ、かき集めた土をバケット６内に収容する。以上の動作を掘削動作と称し、この動作区間を掘削動作区間と称する。
オペレータは、バケット６が９０度になるまで閉じたと判断したら、次に、図７（ｄ）に示すように、バケット６を閉じたままバケット６の底部が所定の高さＨとなるまでブーム４を上げる。これに続いて、あるいは同時に、上部旋回体３を旋回して排土する位置までバケット６を旋回移動する。以上の動作をブーム上げ旋回動作と称し、この動作区間をブーム上げ旋回動作区間と称する。
オペレータは、ブーム上げ旋回動作が完了したと判断したら、次に、図７（ｅ）に示すようにアーム５及びバケット６を開いて、バケット６内の土を排出する。この動作をダンプ動作と称し、この動作区間をダンプ動作区間と称する。ダンプ動作では、バケット６のみを開いて排土してもよい。
オペレータは、ダンプ動作が完了したと判断したら、次に、図７（ｆ）に示すように、上部旋回体３を旋回してバケット６を掘削位置の真上に移動させる。このとき、旋回と同時にブーム４を下げてバケット６を掘削開始位置まで下降させる。この動作は図３（ａ）にて説明したブーム下げ旋回動作の一部である。オペレータは、図７（ａ）に示すようにバケット６を掘削開始位置から目標の掘削深さＤまで下降させ、再び図７（ｂ）に示す掘削動作を行なう。
以上の「ブーム下げ旋回動作」、「掘削動作」、「ブーム上げ旋回動作」、「ダンプ動作」、「ブーム下げ旋回動作」を一サイクルとしてこのサイクルを繰り返し行いながら、掘削・積込みを進めていく。
以上のような掘削・積込み作業の中で、図７（ｆ）に示すブーム下げ旋回動作区間が、油圧負荷が小さい動作区間であり、この区間において油圧ポンプ２１のネガコン制御が行なわれる場合が多い。すなわち、ブーム下げ旋回動作区間において油圧回路が余剰出力状態となる場合が多い。
図８は掘削・積込み作業中における油圧回路の入出力エネルギの変化を示すグラフである。図８において、ブームシリンダ７に関する入力・排出エネルギが荒い点線で示され、アームシリンダ８に関する入力・排出エネルギが一点鎖線で示され、バケットシリンダ９に関する入力・排出エネルギが二点鎖線で示されている。また、エンジンの出力エネルギと油圧ポンプの出力エネルギとが実線で示されている。
ただし、上述の実施形態によるエンジン回転数制御を行なった場合のエンジンの出力エネルギと油圧ポンプの出力エネルギとは、ブーム下げ旋回動作区間において細かい点線で示されている。すなわち、上述の実施形態によるエンジン回転数制御を行なわない場合は、ブーム下げ旋回動作区間においてエンジンの出力エネルギと油圧ポンプの出力エネルギとは実線に示すように大きくなりる。一方、エンジン回転数制御を行なった場合のエンジンの出力エネルギと油圧ポンプの出力エネルギとは、ブーム下げ旋回動作区間において細かい点線で示されるように非常に小さくなる。
ブーム下げ旋回動作区間では、アーム５及びバケット６は駆動されず、ブーム４のみが下げられる。ブーム４を下げる場合には、ブーム４、アーム５及びバケット６の重量によりブーム４は下がるため、ブーム４、アーム５及びバケット６の重量を支持するのに必要なだけの油圧をブームシリンダ７に供給しておけばよい。したがって、ブーム下げ旋回動作区間では、油圧回路に入力するエネルギは非常に小さくなり、むしろブームシリンダ７から作動油が排出されるため、排出エネルギが大きくなる。このような状態において、エンジン３０を一定回転で回転し続けると、油圧ポンプ２１も一定回転で回転して油圧を出力することとなる。この場合、油圧負荷を駆動するために必要な油圧は非常に小さくなっているため、油圧ポンプ２１の出力のほうが油圧負荷を駆動するために必要な油圧より大きくなり、ブーム下げ旋回動作区間において余剰出力状態となる。すなわち、作業中であっても、実作業において、要求される油圧ポンプ２１の出力に対し、油圧負荷が必要とする油圧のほうがが小さくなる場合がある。この場合、油圧ポンプ２１の出力が余剰状態となる。
上述の実施形態では、油圧回路がこのような余剰出力状態となった時に、エンジン３０の回転数を低減することで、油圧ポンプ２１の回転数を低減して油圧出力を低減し、無駄なエネルギの消費を抑制している。
次に、本発明の第２実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルで行なわれるエンジン回転数制御について説明する。
図９はネガコン制御が行なわれているときにエンジンの回転数を低減する本発明の第２実施形態による制御のフローチャートである。図９に示す処理において、図４に示すステップと同等なステップには同じステップ番号を付し、その説明は省略する。
本実施形態では、通常モードに設定するステップＳ１の次に、ステップＳ１１の処理が行なわれる。ステップＳ１１では、ネガコンセンサ２６で検出したネガコン圧Ｐｎが予め設定された閾値より大きいか否かが判定される。予め定められた閾値は、ネガコン制御を開始するときのネガコン圧として予め設定された値である。したがって、ステップＳ１１における判定は、図４のステップＳ２における判定と同じであるとみなすことができる。
したがって、Ｓ１１において検出されたネガコン圧Ｐｎが閾値より大きいと判定されたら、油圧回路の状態が余剰な出力状態となりネガコン制御実行中であると判定し、処理はステップＳ３に進み、低下モードが設定される。続いて、本実施形態ではステップＳ４の代りにステップ１２の処理が行なわれる。ステップＳ１２では、ネガコンセンサ２６で検出したネガコン圧Ｐｎが予め設定された閾値より大きいか否かが判定される。Ｓ１２においてネガコン圧Ｐｎが閾値より大きいと判定されたら、ネガコン制御実行中であると判定することができる。したがって、ステップＳ１２における判定は図４のステップＳ４の判定と同じであるとみなすことができる。このようにして、ネガコン圧Ｐｎに対して閾値を設定することでＰＱ線図などのポンプ特性をデータとして入力することが不要となり、簡単な方法によりネガコン制御状態であるかどうかを判定することができる。
ステップＳ５以降の処理は上述の第１実施形態における処理と同じであり、その説明は省略する。
以上のように、本実施形態においても、ネガコン制御が実行されている状態となると、エンジン３０の回転数を低減して油圧ポンプ２１作動油の吐出量を低減する。これにより、油圧ポンプ２１から油圧回路に供給する作動油の量を低減して不必要なエネルギの消費を抑制することができる。そして、ネガコン制御が実行されていない状態となるとエンジン３０の回転数を増大して通常モード回転数に戻し、油圧ポンプ２１が通常に油圧を供給できるようにする。この際、エンジン３０の回転数の増減を電動発電機３４の回転数制御により行なうため、エンジン３０の回転数制御で行なうよりも迅速にエンジン３０の回転数を増減することができる。
なお、上述の第１及び第２実施形態では油圧ポンプ２１が１台設けられているが、本発明は１台の油圧ポンプに限られず、２台の油圧ポンプを用いた油圧回路にも適用することができる。
また、以上の説明では、油圧ポンプ２１の駆動をネガティブコントロール（略して、ネガコン制御）に基づいて制御しているが、油圧ポンプ２１の駆動制御方法には、ネガコン制御の他に、ポジティブコントロール（略して、ポジコン制御）及びロードセンシング制御という駆動制御方法がある。本発明による制御は、油圧ポンプ２１をネガコン制御している場合、あるいはポジコン制御している場合にも適用することができる。
次に、本発明の第３実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルについて説明する。図１０は本発明の第３実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。
本発明の第３実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルは、動力源としてのエンジン３０とエンジン３０をアシストする電動発電機３４とを有している。電動発電機３４の出力軸はスプリッタ（変速機）３２を介してエンジン３０の出力軸に接続されている。したがって、電動発電機３４の回転数（すなわち速度）はエンジン３０の回転数（すなわち速度）に比例する。油圧を発生する油圧ポンプ２１も、スプリッタ３２を介してエンジン３０の出力軸に接続されている。したがって、油圧ポンプ２１は、エンジン３０及び／又は電動発電機３４により駆動されて作動油を加圧して吐出する。本実施形態では、油圧ポンプ２１は可変斜板ポンプ等の可変容量式ポンプであるが、可変容量式ポンプに限定されない。
電動発電機３４はインバータ３６を介して蓄電部３８に接続されている。蓄電部３８はバッテリを含む電源供給部であり、インバータ３６を介して電動発電機３４に電力を供給して電動発電機３４を電動運転（アシスト運転）する。電動発電機３４が発電運転を行なう場合は、発電された電力はインバータ３６を介して蓄電部３８に供給され蓄電される。
本実施形態では、上部旋回体３を旋回するための旋回機構２は旋回モータ（電動モータ）１８により駆動される。旋回モータ１８はインバータ４０を介して蓄電部３８に接続され、蓄電部３８から供給される電力により駆動される。また、旋回モータ１８は発電可能な電動モータであり、旋回モータ１８が発電した電力はインバータ４０を介して蓄電部３８に蓄電される。
油圧ポンプ２１の吐出口には油圧回路５０が接続されている。油圧回路５０は油圧制御弁５２を含んでおり、油圧制御弁５２に油圧シリンダであるブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が接続される。図１０においては油圧負荷としてブームシリンダ７のみが示されている。油圧ポンプ２１から吐出される加圧された作動油は、油圧回路５０を通り、油圧制御弁５４からブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９及び走行モータ（図示せず）に供給される。
油圧ポンプ２１の吐出口と油圧制御弁５２との間の油圧配管５４の途中には、リリーフ弁５６が接続されている。したがって、油圧配管５４から作動油がリリーフ弁５６に供給される。リリーフ弁５６は油圧配管５４から供給される作動油の圧力が予め設定された所定の圧力以上になると自動的に開き、油圧配管５４からの作動油はリリーフ弁５６を流れてタンク２５に戻る。油圧配管５４の途中には圧力検出器として圧力センサ６０が設けられている。圧力センサ６０は油圧配管２４内の作動油の圧力を検出し、圧力検出値をコントローラ４２に供給する。コントローラ４２はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等よりなるコンピュータにより構成され、ハイブリッド型油圧ショベル全体の制御を行なう制御部である。
図１０において、ブームシリンダ７を駆動して作業を行なっているときに、例えばバケットが地面に押し付けられてブームが動かなくなるような状態に陥ることがある。このような場合、ブームシリンダ７に油圧が供給され続けるとブームシリンダ７までの油圧回路５０の油圧が過度に上昇することになる。そこで、油圧回路５０における油圧配管５４の油圧が所定のリリーフ圧になると、リリーフ弁５６が自動的に開いて油圧を逃がす（高圧の作動油をタンク２５に戻す）ことにより、油圧回路５０の部品や油圧配管の破裂を防止している。
リリーフ弁５６を介して作動油をタンク２５に戻すことは、タンク２５から吸い上げて一旦高圧にした作動油を使用せずにタンク２５に戻すことであり、油圧ポンプ２１を不必要に駆動していることとなる。これは、エンジン３０を一定回転数（通常モード回転数）に維持するために、エンジン３０に直結されている油圧ポンプ２１もエンジン３０の通常モード回転数に比例した回転数で駆動されてしまうために生じる問題である。
そこで、本実施形態では、上述のようにリリーフ弁５６が開いているのに油圧ポンプ３０が不必要に駆動される状態、すなわち油圧回路５０が余剰出力状態となったときに、エンジン３０の回転数を低減することにより油圧ポンプ２１の回転数も低減し、油圧ポンプ２１から吐出される不必要な作動油の量を低減する。すなわち、リリーフ弁５６が開いている間はエンジン３０の回転数を通常モード回転数より低い回転数に低減することで油圧ポンプ２１の回転数を低減して不必要な作動油の吐出量をなるべく少なくしている。
図１１はリリーフ弁５６が開いたときにエンジン３０の回転数を低減する制御のフローチャートである。図１２は図１１に示す制御を行なっている際のエンジン３０の回転数を示すグラフである。
まず、ステップＳ２１において、油圧回路５０は通常に作動しており、リリーフ弁５６は閉じており、エンジン３０は一定の回転数を維持するように運転されている。この状態を通常モードと称し、エンジン３０の一定の回転数を通常モード回転数と称する。通常モードにおいて、エンジン３０の出力制御は回転数制御（速度制御）であり、電動発電機３４の出力制御はトルク制御である。ここで、通常モードとは、作業中であって、油圧負荷に入力エネルギが必要となる作業状態である。
ステップＳ２２において、油圧ポンプ２１から吐出される作動油の圧力（ポンプ圧力）が予め定められた閾値を超えているか否かが判定される。この際、ポンプ圧力として圧力センサ６０の検出値が用いられる。また、予め定められた閾値は、リリーフ弁５６が開くときの圧力値、すなわちリリーフ圧である。ステップＳ２２においてポンプ圧力が閾値を超えていないと判定されると、処理はステップＳ２１に戻り通常モードのままエンジン３０の回転数は通常モード回転数に維持される。一方、ステップＳ２２においてポンプ圧力が閾値を超えたと判定されると、処理はステップＳ２３に進む。ポンプ圧が閾値を超えている場合、排出エネルギが油圧負荷からは放出されている。
ステップＳ２３では、エンジン３０の回転数制御が低下モードに設定される。低下モードでは、エンジン３０の目標回転数を通常モード回転数より低い回転数に設定する。このとき、エンジン３０は回転数制御により回転数を低減するが、エンジン３０の制御による回転数の制御は応答性が悪く、エンジン３０の回転数を迅速に低減することができない。そこで、本実施形態では、エンジン３０よりも回転数の制御の立ち上がり応答性が良い電動発電機３４を用いて、回転数制の制御を行なうことで、エンジン３０の回転数を迅速に低減する。電動発電機３４をトルク制御から回転数制御（速度制御）に切り替え、回転数を低減する際には、電動発電機３４はエンジン３０の動力によって発電運転となる。すなわち、エンジン３０の目標回転数に比例した回転数となるように、電動発電機３４の回転数の制御を行うと同時に、エンジン３０よりも応答性良く回転数を低減させることで、エンジン３０の負荷として発電運転が行なわれる。
ステップＳ２３において低下モードが設定されると、続いて、ステップＳ２４においてポンプ圧力が閾値以下となったか否かが判定される。すなわち、油圧回路５０内の油圧がリリーフ圧以下となってリリーフ弁５６が閉じたか否かが判定される。ステップＳ２４においてポンプ圧力が閾値以下では無いと判定された場合、リリーフ弁５６は開いた状態であり油圧ポンプ２１から吐出される作動油は依然としてタンク２５に戻されている。続いて、ステップＳ２５において、エンジン３０の回転数が予め設定された下限モード回転数より大きいか否かが判定される。下限モード回転数は、エンジン３０の通常モード回転数より低い回転数であり、例えば、エンジン３０の駆動を維持するためにそれ以下にできない回転数として設定することが好ましい。
ステップＳ２５においてエンジン３０の回転数が下限モード回転数より大きいと判定されると、処理はステップＳ２４に戻る。すなわち、エンジン３０の回転数が下限モード回転数まで低減されていない場合は、低下モードに維持されたままステップＳ２４の判定が行なわれる。低下モードに維持されているため、エンジン３０の回転数は引き続き低減される。ここで、図１０に示すように低下モードにおける目標回転数は、予め定められた傾斜パターンに沿って設定される。これにより、電動発電機３４をなめらかに制御することができ、さらに、低下モードから加減モードや復帰モードへの切り替えの際に、オーバーシュートを防止することができる。また、電動発電機３４の回転数制御により回転数を低減させ、エンジン３０に負荷をかけることで、電動発電機３４で発電運転を行なうことができる。これにより、電動発電機３４で発電した電力を蓄電部３８に充電できるので、より一層効率の良い省エネルギ運転を実現することができる。
一方、ステップＳ２５においてエンジン３０の回転数が下限モード回転数以下であると判定されると、処理はステップＳ２６に進み、下限モードが設定される。下限モードでは、エンジン３０の回転数を下限モード回転数に維持するように制御が行なわれる。低下モードのままでエンジン３０の回転数を下げ続けると、エンジン３０が負荷に負けてストールしてしまうので、下限モード回転数を設定してそれ以上回転数を下げないようにする。ステップＳ２６における下限モードではエンジンの制御は回転数制御であり、電動発電機３４は蓄電部３８への電力補償が容易なトルク制御へ戻る。
ステップＳ２６で下限モードが設定された後も、ステップＳ２４の判定が行なわれる。すなわち、ステップＳ２６で下限モードを設定してからステップＳ２４に戻り、ポンプ圧力が閾値以下か否かが判定される。すなわち、下限モードが維持されている間も、リリーフ弁５６が開いて作動油をタンクに戻しているか否かが判定される。
ステップＳ２４でポンプ圧力が閾値以下となったと判定されると、処理はステップＳ２７に進み、下限モードが解除されて復帰モードが設定される。復帰モードでは、エンジン３０の回転数を上げるように制御が行なわれる。すなわち、ポンプ圧力が閾値以下となるとリリーフ弁５６は閉じて作動油がタンクに戻されない状態となる。このような状態となるのは、ブームシリンダ７が動けるようになり再び油圧を要求しているためである蓋然性が高いため、エンジン３０の回転数を増大して通常モード回転数に戻して油圧ポンプ２１を駆動するための制御が行なわれる。
本実施形態における復帰モードでは、エンジン３０よりも回転数制御の立ち上がり応答性が良い電動発電機３４を用いて、回転数の制御を行うことで、エンジン３０の回転数を迅速に増大させる。電動発電機３４の制御を、トルク制御から回転数制御（速度制御）に切り替えて回転数を増大する際には、電動発電機３４はエンジン３０をアシストする電動運転となる。すなわち、エンジン３０の目標回転数に比例した回転数となるように、電動発電機３４の回転数の制御を行うと同時に、エンジン３０よりも応答性良く回転数を増大させることで、エンジン３０をアシストする電動運転が行なわれる。また、エンジン出力に制限が加わっても、電動発電機３４で回転数制御が実行されることにより、なめらかにエンジン３０の回転数を復帰させることができる。
ステップＳ２７において復帰モードが設定されると、続いてステップＳ２８においてエンジン３０の回転数が通常モード回転数より低いか否かが判定される。すなわち、ステップＳ３８において、エンジン３０の回転数が通常モード回転数に戻ったか否かが判定される。ステップＳ２８においてエンジン３０の回転数が通常モード回転数より低いと判定された場合、エンジン３０の回転数は通常モード回転数に戻っていないため、復帰モードが維持される。ここで、図５に示すように復帰モードにおける目標回転数は、低下モードと同様に、予め定められた傾斜パターンに沿って設定される。これにより、電動発電機３４をなめらかに制御することができ、さらに、復帰モードから下限モードや低下モードへの切り替えの際に、オーバーシュートを防止することができる。
一方、ステップＳ２８においてエンジン３０の回転数が通常モード回転数以上であると判定された場合、エンジン３０の回転数は通常モード回転数に戻っているため、ステップＳ２１に戻り通常モードが設定される。
なお、上述の制御の実行中に、エンジン３０の回転数を低減しているときに電気負荷（例えば、旋回モータ１８）から発電要求がなされることがある。そのような場合でも、エンジン３０の回転数が低い状態において電動発電機３４を発電運転して発電することで、電気負荷からの発電要求に応えることができる。
以上のように、本実施形態では、リリーフ弁５６が開いた状態になるとエンジン３０の回転数を低減して油圧ポンプ２１作動油の吐出量を低減する。これにより、油圧ポンプ２１から油圧回路に供給する作動油の量を低減して不必要なエネルギの消費を抑制することができる。そして、リリーフ弁５６が閉じた状態となるとエンジン３０の回転数を増大して通常モード回転数に戻し、油圧ポンプ２１が通常に油圧を供給できるようにする。この際、エンジン３０の回転数の増減を電動発電機３４の回転数制御により行なうため、エンジン３０の回転数制御で行なうよりも迅速にエンジン３０の回転数を増減することができる。なお、本実施形態において、通常モードではエンジン回転数を一定の回転数に維持するように運転する事例を説明したが、通常モードにおいて、エンジン回転数を可変に制御してもよい。
次に、本発明の第４実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルについて説明する。図１３は本発明の第４実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図１３において、図１０に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
本発明の第４実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルは、図１０に示す第３実施形態によるハイブリッド型油圧ショベルと同様な構成であるが、ポンプ圧力が閾値より大きいか否かを判定するための構成が異なる。本実施形態では、ポンプ圧力を圧力センサ６０により検出するのではなく、リリーフ弁５６からタンク２５に作動油が戻っているか否かを検出することでポンプ圧力が閾値より大きいか否かを判定している。このため、圧力センサ６０を油圧配管５４に設ける代りに、リリーフ弁５６の下流側に流量計６２を設けて、リリーフ弁５６からタンク２５に流れる作動油の流量を測定する。
本実施形態では、ポンプ圧力が閾値（リリーフ圧）より大きくなると、リリーフ弁５６が開き、作動油がリリーフ弁５６から流量計６２を通ってタンク２５に流れる。リリーフ弁５６が閉じている間は流量計６２に作動油は流れない。したがって、流量計６２で流量が測定されることは、リリーフ弁５６が開いたことを示しており、すなわち、ポンプ圧が閾値より大きくなったことを示している。流量計６２の測定値はコントローラ４２に送られ、コントローラ４２は流量計６２の測定値に基づいて、エンジン３０の回転数を制御する。流量計６２で測定する流量は、リリーフ弁５６を通過してきた作動油の流量であり、リリーフ流量と称する。
図１４はリリーフ弁５６が開いたときにエンジン３０の回転数を低減する制御のフローチャートである。図１４に示す処理において、図１１に示すステップと同等なステップには同じステップ番号を付し、その説明は省略する。
本実施形態では、通常モードに設定するステップＳ２１の次に、ステップＳ３１の処理が行なわれる。ステップＳ３１では、流量計６２で測定したリリーフ流量が予め定められた閾値より大きいか否かが判定される。予め定められた閾値はゼロであるか、流量計６２で測定できる最小の流量である。リリーフ流量が閾値より大きければ、リリーフ弁５６が開いて作動油が流量計６２まで流れてきていることを意味し、すなわち、ポンプ圧力が閾値（リリーフ圧）より高いことを意味する。したがって、ステップＳ３１における判定は、図１１のステップＳ２２における判定と同じであるとみなすことができる。
したがって、Ｓ３１においてリリーフ流量が閾値より大きいと判定されたら、処理はステップＳ２３に進み、低下モードが設定される。続いて、本実施形態ではステップＳ２４の代りにステップ３２の処理が行なわれる。ステップＳ３２では、リリーフ流量が閾値以下であるか否かが判定される。リリーフ流量が閾値以下であることは、リリーフ弁５６が閉じて作動油が流量計６２に流れていないことを示す。リリーフ弁が５６閉じていることは、ポンプ圧がリリーフ圧以下であることを意味し、ステップＳ３２における判定は図１１のステップＳ２４の判定と同じであるとみなすことができる。
ステップＳ３２以降の処理は上述の第３実施形態における処理と同じであり、その説明は省略する。
以上のように、本実施形態においても、リリーフ弁５６が開いた状態になるとエンジン３０の回転数を低減して油圧ポンプ２１の作動油の吐出量を低減する。これにより、油圧ポンプ２１から油圧回路に供給する作動油の量を低減して不必要なエネルギの消費を抑制することができる。そして、リリーフ弁５６が閉じた状態となるとエンジン３０の回転数を増大して通常モード回転数に戻し、油圧ポンプ２１が通常に油圧を供給できるようにする。この際、エンジン３０の回転数の増減を電動発電機３４の回転数制御により行なうため、エンジン３０の回転数制御で行なうよりも迅速にエンジン３０の回転数を増減することができる。
なお、上述の第３及び第４実施形態では油圧ポンプ２１が一台設けられているが、本発明は一台の油圧ポンプに限られず、２台の油圧ポンプを用いた油圧回路にも適用することができる。
また、上述の第１乃至第４実施形態では上部旋回体３を旋回駆動するための駆動機構２の動力源として電動モータである旋回モータ１８を用いているが、旋回モータ１８を油圧モータとしてもよい。図１５は、旋回機構２の動力源として旋回油圧モータ１９を用いた場合の、ハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図１５に示す構成では、旋回駆動用のモータは電動モータ（電気負荷）ではなく油圧モータ（油圧負荷）である。なお、本実施形態において、通常モードではエンジン回転数を一定の回転数に維持するように運転する事例を説明したが、通常モードにおいて、エンジン回転数を可変に制御してもよい。
また、実施形態ではハイブリッド型作業機械としてハイブリッド型ショベルを用いたが、例えば、ハイブリッド型ホイルローダやハイブリッド型クレーンであってもよい。
本発明は上述の具体的に開示された実施例に限られず、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形例、改良例がなされるであろう。
本出願は２００９年６月１９日出願の優先権主張日本特許出願２００９−１４６５５３号及び２００９年６月１９日出願の優先権主張日本特許出願２００９−１４６５５４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、発電機でエンジンをアシストするハイブリッド型建設機械に適用可能である。
１ 下部走行体

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

１２ コントローラ

１３ モード切換器

１４ スロットルボリューム

１５ 電磁比例弁

１８ 旋回モータ

１９ 旋回油圧モータ

２０ エンジンモータ

２０ａ 斜板

２１ 油圧ポンプ

２１Ａ パイロット・ギアポンプ

２２ コントロールバルブ

２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 切換弁

２３ ポンプ吐出圧センサ

２４ ネガティブコントロール絞り弁（ネガコン絞り弁）

２５ タンク

２６ ネガティブコントロールセンサ（ネガコンセンサ）

２７ レギュレータ

３０ エンジン

３２ スプリッタ

３４ 電動発電機

３６，４０ インバータ

３８ 蓄電部

４２ コントローラ

５０ 油圧回路

５２ 油圧制御弁

５４ 油圧配管

５６ リリーフ弁

６０ 圧力センサ

６２ 流量計

Claims (14)


  1. エンジンの回転数を制御するコントローラと、

    該エンジンにより駆動される油圧ポンプと、

    前記エンジンをアシストする電動発電機と、

    該油圧ポンプから吐出された作動油を油圧負荷に供給する油圧回路と

    を有するハイブリッド型建設機械であって、

    前記コントローラは、該油圧回路が余剰出力状態であると判断すると、前記エンジンの回転数を通常の回転数より低い低回転数に低減させ、該回転数を低減させている間に、前記電動発電機を発電させることを特徴とするハイブリッド型建設機械。

  2. 請求項１記載のハイブリッド型建設機械であって、

    前記油圧ポンプから吐出された作動油の圧力を検出する第１の圧力センサと、

    前記油圧回路中に設けられ、前記油圧負荷への作動油の流れを制御するコントロールバルブと、

    前記コントロールバルブとタンクとの間に設けられたネガコン絞りと、

    前記コントロールバルブと前記ネガコン絞りとの間に設けられ、ネガコン圧を検出する第２の圧力センサと

    を更に有し、

    前記コントローラは、前記第１の圧力センサの検出値から求められた前記油圧ポンプの第１の吐出量と、前記第２の圧力センサの検出値から求められた前記油圧ポンプの第２の吐出量とを比較し、比較結果に応じて前記エンジンの回転数を通常の回転数より低い低回転数に低減させ、該回転数を低減させている間に、前記電動発電機を発電させることを特徴とするハイブリッド型建設機械。

  3. 請求項１記載のハイブリッド型建設機械であって、

    該油圧回路内の圧力が予め設定された圧力を超えたときに、前記油圧ポンプから吐出された作動油をタンクに戻すリリーフ弁を更に有し、

    前記コントローラは、前記リリーフ弁を介して作動油がタンクに戻されているときに、前記エンジンの回転数を通常回転数より低い低回転数に低減させ、該回転数を低減させている間に、前記電動発電機を発電させることを特徴とするハイブリッド型建設機械。

  4. 請求項３記載のハイブリッド型建設機械であって、

    前記油圧回路内の圧力を示す値を検出する検出手段を更に有し、該検出手段の検出値に基づいて前記エンジンの回転数を増減することを特徴とするハイブリッド型建設機械。

  5. 請求項４項記載のハイブリッド型建設機械であって、

    前記検出手段は前記リリーフ弁からタンクに戻される作動油の流量を検出する流量計を含み、該流量計の検出値に基づいて前記エンジンの回転数を変化させることを特徴とするハイブリッド型建設機械。

  6. 請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のハイブリッド型建設機械であって、

    前記コントローラは、前記エンジンの回転数を増大させる場合には前記電動発電機を電動運転させることを特徴とするハイブリッド型建設機械。

  7. 請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のハイブリッド型建設機械であって、

    前記コントローラは、前記電動発電機の回転数を一定に維持する場合は前記電動発電機をトルク制御することを特徴とするハイブリッド型建設機械。

  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型建設機械であって、

    前記コントローラは、前記電動発電機の回転数を増減する場合は前記電動発電機を回転数制御することを特徴とするハイブリッド型建設機械。

  9. 請求項１乃至８のうちいずれか一項記載のハイブリッド型建設機械であって、

    前記コントローラは、油圧負荷の作業状態に対して前記油圧回路が余剰出力状態であると判断することを特徴とするハイブリッド型建設機械。

  10. エンジンにより駆動される油圧ポンプと、前記エンジンをアシストする電動発電機と、前記油圧ポンプから吐出された作動油を油圧負荷に供給する油圧回路とを有するハイブリッド型建設機械の制御方法であって、

    前記油圧回路が余剰出力状態であるか否かを判断し、

    前記油圧回路が余剰出力状態であると判断すると、前記電動発電機を発電運転させることで、前記エンジンの回転数を通常の回転数より低い低回転数に低減させる

    ことを特徴とするハイブリッド型建設機械の制御方法。

  11. 請求項１０記載のハイブリッド型建設機械の制御方法であって、

    前記エンジンの回転数を増大させる場合には前記電動発電機を電動運転させることを特徴とするハイブリッド型建設機械の制御方法。

  12. 請求項１０又は１１記載のハイブリッド型建設機械の制御方法であって、

    前記電動発電機の回転数を一定に維持する場合は前記電動発電機をトルク制御することを特徴とするハイブリッド型建設機械の制御方法。

  13. 請求項１０乃至１２のうちいずれか一項記載のハイブリッド型建設機械の制御方法であって、

    前記電動発電機の回転数を増減する場合は前記電動発電機を回転数制御することを特徴とするハイブリッド型建設機械の制御方法。

  14. 請求項１０乃至１３のうちいずれか一項記載のハイブリッド型建設機械の制御方法であって、

    油圧負荷の作業状態に対して前記油圧回路が余剰出力状態であると判断することを特徴とするハイブリッド型建設機械の制御方法。
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