JPWO2013005809A1 - ショベル及びショベルの制御方法 - Google Patents

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Abstract

本発明の実施例に係るショベルは、ブームシリンダ７及びアームシリンダ８を備えるショベルであって、ブームシリンダ７から流出する作動油により駆動される油圧モータ３１０と、ブームシリンダ７から流出する作動油を油圧モータ３１０に供給するための回生用油路Ｃ４と、ブームシリンダ７から流出する作動油をアームシリンダ８へ供給する再生用油路Ｃ３と、再生用油路Ｃ３を流れる作動油の流量を制御する再生用流量制御弁３２１とを備える。【選択図】図５

Description

本発明は、ブーム回生用油圧モータを備えたショベル及びそのショベルの制御方法に関する。
従来、ブーム下げ時にブーム回生用油圧モータによって回転駆動されるブーム用電動発電機と、エンジンにより回転駆動されるエンジン用電動発電機と、回生運転及び力行運転が可能な旋回用電動発電機とを備えたハイブリッド式ショベルが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このハイブリッド式ショベルは、ブーム用電動発電機又は旋回用電動発電機の回生運転時にエンジン用電動発電機を力行運転に移行させることによって、回生した電力をバッテリに充電することなくエンジン用電動発電機の駆動に利用し、回生電力をより効率的に利用できるようにする。
特開２０１０−２８１１８３号公報
しかしながら、特許文献１のハイブリッド式ショベルは、ブームシリンダから流出する作動油をブーム回生用油圧モータの駆動に利用した後はその作動油を油タンクに排出するのみであるため、エネルギの有効利用を図る上で改善の余地がある。
上述の点に鑑み、本発明は、ブーム下げ時にブームシリンダから流出する作動油をより効率的に利用するショベル及びそのショベルの制御方法を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係るショベルは、ブームシリンダを含む油圧アクチュエータを備えるショベルであって、前記ブームシリンダから流出する作動油により駆動される油圧モータと、前記ブームシリンダから流出する作動油を前記油圧モータに供給するための回生用油路と、前記ブームシリンダから流出する作動油を別の油圧アクチュエータへ供給する再生用油路と、前記再生用油路を流れる作動油の流量を制御する再生用流量制御弁と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の実施例に係るショベルの制御方法は、ブームシリンダを含む油圧アクチュエータを備えるショベルの制御方法であって、前記ブームシリンダから流出する作動油により油圧モータを駆動するステップと、前記ブームシリンダから流出する作動油を前記油圧モータに供給するステップと、再生用油路を通じて前記ブームシリンダから流出する作動油を別の油圧アクチュエータへ供給するステップと、再生用流量制御弁により前記再生用油路を流れる作動油の流量を制御するステップと、を有する。
上述の手段により、本発明は、ブーム下げ時にブームシリンダから流出する作動油をより効率的に利用するショベル及びそのショベルの制御方法を提供することができる。
第一実施例に係るハイブリッド式ショベルの側面図である。 第一実施例に係るハイブリッド式ショベルの動作状態の推移を示す図である。 第一実施例に係るハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。 第一実施例に係るハイブリッド式ショベルの蓄電系の構成例を示すブロック図である。 第一実施例に係るハイブリッド式ショベルにおける連通回路の構成例を示す図である。 連通回路駆動処理の流れを示すフローチャートである。 アーム駆動アシスト処理の際の連通回路の状態を示す図である。 ブーム回生発電処理の際の連通回路の状態を示す図である。 ダンプ動作区間においてコントローラがアーム駆動アシスト処理又はブーム回生発電処理を実行する際の各種物理量の時間的推移を示す図である。 第二実施例に係るショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。
図１は、本発明が適用されるハイブリッド式ショベルを示す側面図である。
ハイブリッド式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が搭載される。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられる。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられる。ブーム４、アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。
次に、図２を参照しながらハイブリッド式ショベルの動作の一例である掘削・積込み動作について説明する。まず、状態ＣＤ１で示すように、操作者は、上部旋回体３を旋回させ、バケット６を掘削位置の上方に位置させ、アーム５を開き、かつ、バケット６を開く。その状態で、操作者は、ブーム４を下降させ、バケット６の先端が掘削対象から所望の高さとなるようにバケット６を下降させる。通常、上部旋回体３を旋回させる際、及び、ブーム４を下降させる際、操作者は、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、及び、ブーム４の下降は同時に行われる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。
操作者は、バケット６の先端が所望の高さに到達したと判断した場合、状態ＣＤ２で示すように、アーム５が地面に対して略垂直になるまでアーム５を閉じる。これにより、所定の深さの土が掘削され、アーム５が地表面に対して略垂直になるまでバケット６でかき寄せられる。次に、操作者は、状態ＣＤ３で示すように、アーム５及びバケット６を更に閉じ、状態ＣＤ４で示すように、バケット６がアーム５に対して略垂直になるまでバケット６を閉じる。すなわち、バケット６の上縁が略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。
次に、操作者は、バケット６がアーム５に対して略垂直になるまで閉じたと判断した場合、状態ＣＤ５で示すように、バケット６を閉じたままバケット６の底部が地面から所望の高さとなるまでブーム４を上げる。この動作をブーム上げ動作と称し、この動作区間をブーム上げ動作区間と称する。この動作に続いて、あるいは同時に、操作者は、上部旋回体３を旋回させ、矢印ＡＲ１で示すようにバケット６を排土位置まで旋回移動する。ブーム上げ動作を含むこ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。
なお、バケット６の底部が所望の高さとなるまでブーム４を上げるのは、例えば、ダンプカーの荷台に排土する際にはバケット６を荷台の高さより高く持ち上げないとバケット６が荷台にぶつかってしまうためである。
次に、操作者は、ブーム上げ旋回動作が完了したと判断した場合、状態ＣＤ６で示すように、ブーム４を下げながらアーム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。
次に、操作者は、ダンプ動作が完了したと判断した場合、状態ＣＤ７で示すように、矢印ＡＲ２の方向に上部旋回体３を旋回させ、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を掘削対象から所望の高さのところまで下降させる。この動作は状態ＣＤ１にて説明したブーム下げ旋回動作の一部である。その後、操作者は、状態ＣＤ１で示すようにバケット６を所望の高さまで下降させ、再び掘削動作以降の動作を行うようにする。
操作者は、上述の「ブーム下げ旋回動作」、「掘削動作」、「ブーム上げ旋回動作」、及び「ダンプ動作」を一サイクルとしてこのサイクルを繰り返しながら掘削・積込みを進めていく。
図３は、本発明の第一実施例に係るハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図３は、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線（太線）、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を実線（細線）でそれぞれ示す。
機械式駆動部としてのエンジン１１、及び、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続される。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてのメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続される。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続される。
レギュレータ１４Ａは、メインポンプ１４の吐出量を制御するための装置であり、例えば、メインポンプ１４の吐出圧、コントローラ３０からの制御信号等に応じてメインポンプ１４の斜板傾転角を調節することによって、メインポンプ１４の吐出量を制御する。
コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８並びにバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。なお、以下では、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８並びにバケットシリンダ９を総称して油圧アクチュエータとする。
電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系１２０が接続される。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続される。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。旋回用電動機２１、インバータ２０、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３及び旋回変速機２４で第一の負荷駆動系が構成される。
操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、油圧アクチュエータのそれぞれの作動状態を検出する作動状態検出部として機能し、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続される。
また、本実施例では、ブーム回生電力を得るためのブーム回生用発電機３００がインバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０に接続される。発電機３００は、ブームシリンダ７から流出する作動油により駆動される油圧モータ３１０によって駆動される。発電機３００は、ブーム４が自重で下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油の圧力を利用して、ブーム４の位置エネルギ（ブームシリンダ７から流出する作動油の油圧エネルギ）を電気エネルギに変換する。なお、図３において、説明の便宜上、油圧モータ３１０と発電機３００は離れた位置に示されるが、実際には、発電機３００の回転軸は油圧モータ３１０の回転軸に機械的に接続される。すなわち、油圧モータ３１０は、ブーム４が下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油によって回転するように構成され、ブーム４が自重で下降するときの作動油の油圧エネルギを回転力に変換するために設けられる。
発電機３００で発電された電力は、回生電力としてインバータ１８Ｃを経て蓄電系１２０に供給される。発電機３００とインバータ１８Ｃとで第二の負荷駆動系が構成される。
なお、本実施例では、ブームシリンダ７のボトム側油室における作動油の圧力を検出するためのブームシリンダ圧センサＳ１がブームシリンダ７に取り付けられ、アームシリンダ８のロッド側油室における作動油の圧力を検出するためのアームシリンダ圧センサＳ２がアームシリンダ８に取り付けられる。ブームシリンダ圧センサＳ１及びアームシリンダ圧センサＳ２のそれぞれは、油圧アクチュエータ圧検出部の一例であり、検出した圧力値をコントローラ３０に対して出力する。
連通回路３２０は、ブームシリンダ７から流出する作動油の供給先を制御するための油圧回路であり、例えば、コントローラ３０からの制御信号に応じてブームシリンダ７から流出する作動油の全部又は一部をアームシリンダ８に供給する。また、連通回路３２０は、ブームシリンダ７から流出する作動油の全部を油圧モータ３１０に供給するようにしてもよく、ブームシリンダ７から流出する作動油の一部をアームシリンダ８に供給しながら、残りの部分を油圧モータ３１０に供給してもよい。なお、連通回路３２０の動作については後述する。
図４は蓄電系１２０の構成例を示すブロック図である。蓄電系１２０は、キャパシタ１９、昇降圧コンバータ１００及びＤＣバス１１０を含む。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。
昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、旋回用電動機２１及び発電機３００の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ、１８Ｃ及び２０、並びに、昇降圧コンバータ１００の間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、旋回用電動機２１及び発電機３００の間で電力の授受を行う。
ここで再び図３を参照してコントローラ３０の詳細について説明する。コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行する。
コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を旋回速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。この場合、圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６（旋回操作レバー）を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。
また、コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。具体的には、コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）、及び、発電機３００の運転状態に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り替え制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。
この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り替え制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。
以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。また、ブーム回生用の発電機３００が発電した電力は、インバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。なお、電動発電機１２又は発電機３００が発電した電力は、インバータ２０を介して旋回用電動機２１に直接的に供給されてもよい。また、旋回用電動機２１又は発電機３００が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して電動発電機１２に直接的に供給されてもよい。
キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。
上述のような機能に加え、コントローラ３０はさらに、油圧アクチュエータの作動状態、及び、油圧アクチュエータにおける作動油の圧力状態に応じて連通回路３２０の駆動制御を行う。
ここで、図５を参照しながら、連通回路３２０の詳細について説明する。なお、図５は、連通回路３２０の構成例を示す図である。本実施例において、連通回路３２０は、ブームシリンダ７のボトム側油室と、アームシリンダ８のロッド側油室と、コントロールバルブ１７と、油圧モータ３１０とを接続するように配置される。
連通回路３２０は、再生用流量制御弁３２１、回生用流量制御弁３２２、電磁弁３２３及び逆止弁３２４で構成される。
再生用流量制御弁３２１は、ブームシリンダボトム側油路Ｃ１（太線で強調して表示）とアームシリンダロッド側油路Ｃ２（同じく太線で強調して表示）とを接続する再生用油路Ｃ３を流れる作動油の流量を制御する。本実施例では、再生用流量制御弁３２１は、例えば、３ポート２位置の電磁スプール弁である。なお、ブームシリンダボトム側油路Ｃ１は、ブームシリンダ７のボトム側油室とコントロールバルブ１７のブーム用流量制御弁１７Ｂとを接続する油路である。また、アームシリンダロッド側油路Ｃ２は、アームシリンダ８のロッド側油室とコントロールバルブ１７のアーム用流量制御弁１７Ａとを接続する油路である。
第一実施例において、再生用油路Ｃ３は、その一端がアームシリンダロッド側油路Ｃ２に接続される。なお、再生用油路Ｃ３は、アームシリンダ８のボトム側油室とコントロールバルブ１７のアーム用流量制御弁１７Ａとを接続する油路に接続されてもよい。この場合、ブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油は、アームシリンダ８のボトム側油室に流入可能となり、アーム閉じ動作のために利用可能となる。また、再生用油路Ｃ３は、メインポンプ１４Ｌ、１４Ｒとコントロールバルブ１７とを接続する油路、すなわち、コントロールバルブ１７の上流に接続されてもよい。この場合、ブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油は、アームシリンダ８以外の他の油圧アクチュエータでも利用可能となる。
回生用流量制御弁３２２は、ブームシリンダボトム側油路Ｃ１と油圧モータ３１０とを接続する回生用油路Ｃ４を流れる作動油の流量を制御する。本実施例では、回生用流量制御弁３２２は、例えば、３ポート２位置のスプール弁である。
電磁弁３２３は、回生用流量制御弁３２２を制御する。本実施例では、電磁弁３２３は、例えば、パイロットポンプが発生させる制御圧を回生用流量制御弁３２２のパイロットポートに選択的に作用させる。
逆止弁３２４は、再生用油路Ｃ３に設置され、アームシリンダロッド側油路Ｃ２からブームシリンダボトム側油路Ｃ１に作動油が流れるのを防止する。
ここで、図６を参照しながら、コントローラ３０が連通回路３２０における作動油の流れを制御する処理（以下、「連通回路駆動処理」とする。）について説明する。なお、図６は、連通回路駆動処理の流れを示すフローチャートであり、コントローラ３０は、ショベル運転中、所定の制御周期で繰り返しこの連通回路駆動処理を実行する。
最初に、コントローラ３０は、圧力センサ２９の出力に基づいてブーム操作レバー及びアーム操作レバーの操作量を検出し、ダンプ動作区間であるか否か、すなわち、ブーム下げとアーム開きが同時に行われているか否かを判定する（ステップＳＴ１）。なお、コントローラ３０は、ダンプ動作区間であるか否かを判定するために、ブーム下げと、アーム開きと、バケット開きとが同時に行われているか否かを判定するようにしてもよい。また、コントローラ３０は、角度センサ（図示せず。）又は変位センサ（図示せず。）の出力に基づいてダンプ動作区間であるか否かを判定するようにしてもよい。なお、角度センサは、ブーム４、アーム５、バケット６のそれぞれの回動角度を検出し、変位センサは、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９のそれぞれの変位を検出する。
ダンプ動作区間でない、すなわち、ブーム下げとアーム開きが同時に行われていないと判定した場合（ステップＳＴ１のＮＯ）、コントローラ３０は、ダンプ動作区間であると判定するまで、圧力センサ２９の出力の監視を継続する。
ダンプ動作区間である、すなわち、ブーム下げとアーム開きが同時に行われていると判定した場合（ステップＳＴ１のＹＥＳ）、コントローラ３０は、ブームシリンダ圧センサＳ１の検出圧Ｐ１とアームシリンダ圧センサＳ２の検出圧Ｐ２とを比較する（ステップＳＴ２）。
検出圧Ｐ１が検出圧Ｐ２より大きい場合、すなわち、ブームシリンダ７のボトム側油室における作動油の圧力がアームシリンダ８のロッド側油室における作動油の圧力よりも大きい場合（ステップＳＴ２のＹＥＳ）、コントローラ３０は、アーム駆動アシスト処理を実行する（ステップＳＴ３）。
具体的には、コントローラ３０は、連通回路３２０における再生用流量制御弁３２１及び電磁弁３２３に対して所定の制御信号を出力する。そして、コントローラ３０は、ブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油をアームシリンダ８のロッド側油室に流入させるようにする。
また、コントローラ３０は、レギュレータ１４ＲＡに対して所定の制御信号を出力してメインポンプ１４Ｒの吐出量を制御する。そして、コントローラ３０は、ブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油とメインポンプ１４Ｒが吐出する作動油とにより、アームシリンダ８のロッド側油室に所望の流量で作動油が供給されるようにする。具体的には、コントローラ３０は、ブームシリンダ圧センサＳ１の検出圧Ｐ１とアームシリンダ圧センサＳ２の検出圧Ｐ２とに基づいて、メインポンプ１４Ｒが吐出すべき作動油の流量を決定する。
これにより、コントローラ３０は、ダンプ動作区間においてブームシリンダ７から流出する作動油の油圧エネルギを電気エネルギに変換することなくアーム開き動作のために利用できるようにする。その結果、コントローラ３０は、これまでのように油圧モータ３１０を回転させた後で油タンクに排出していた作動油のより効率的な利用を図ることができる。
一方、検出圧Ｐ１が検出圧Ｐ２以下である場合、すなわち、ブームシリンダ７のボトム側油室における作動油の圧力がアームシリンダ８のロッド側油室における作動油の圧力以下である場合（ステップＳＴ２のＮＯ）、コントローラ３０は、ブーム回生発電処理を実行する（ステップＳＴ４）。
具体的には、コントローラ３０は、連通回路３２０における再生用流量制御弁３２１及び電磁弁３２３に対して所定の制御信号を出力する。そして、コントローラ３０は、ブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油を油圧モータ３１０に流入させ、発電機３００による発電を実行させるようにする。
アームシリンダ８のロッド側油室における作動油の圧力がブームシリンダ７のボトム側油室における作動油の圧力よりも高いため、ブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油をアームシリンダ８のロッド側油室に流入させることができないためである。
なお、コントローラ３０は、ブームシリンダ７から流出する作動油の一部をアームシリンダ８に供給しながら、ブームシリンダ７から流出する作動油の残りの部分を油圧モータ３１０に流入させてもよい。アーム駆動アシスト処理において、ブームシリンダ７から流出する作動油の流量が、アーム開き動作で必要とされる作動油の流量より大きい場合であっても、ブームシリンダ７から流出する作動油の油圧エネルギを最大限利用できるようにするためである。
また、コントローラ３０は、ブーム下げとアーム開き又はバケット開きとが同時に行われていない場合であっても、ブーム下げが行われている場合には、ブーム回生発電処理を実行する。ブームシリンダ７から流出する作動油の油圧エネルギを最大限利用できるようにするためである。
また、本実施例において、コントローラ３０は、ブームシリンダ７から流出する作動油がアーム開き動作のために利用されるようにするが、アーム閉じ動作、バケット閉じ動作、バケット開き動作、或いは、下部走行体１の走行のために利用されるようにしてもよい。
ここで、図７及び図８を参照しながら、アーム駆動アシスト処理及びブーム回生発電処理の際の連通回路３２０の動作を詳細に説明する。なお、図７は、アーム駆動アシスト処理の際の連通回路３２０の状態を示し、図８は、ブーム回生発電処理の際の連通回路３２０の状態を示す。また、図７及び図８における太い実線は、作動油の流れが生じていることを表す。
図７は、メインポンプ１４Ｌが吐出する作動油がブームシリンダ７のロッド側油室に流入し、メインポンプ１４Ｒが吐出する作動油がアームシリンダ８のロッド側油室に流入し、ブーム下げとアーム開きが同時に実行されている状態を示す。なお、図７では、ブームシリンダ圧センサＳ１の検出圧Ｐ１は、アームシリンダ圧センサＳ２の検出圧Ｐ２よりも大きい。
このような状態において、再生用流量制御弁３２１は、コントローラ３０からの制御信号に応じてその弁位置を第一弁位置３２１Ａに切り替える。その結果、ブームシリンダ７からコントロールバルブ１７への作動油の流れが遮断される。ブームシリンダ７から流出する作動油は、再生用油路Ｃ３を通じてアームシリンダロッド側油路Ｃ２に至り、メインポンプ１４Ｒが吐出する作動油に合流して、アームシリンダ８のロッド側油室に流入する。
また、電磁弁３２３は、コントローラ３０からの制御信号に応じて回生用流量制御弁３２２の弁位置を第一弁位置３２２Ａに切り替える。その結果、ブームシリンダ７から油圧モータ３１０への作動油の流れが遮断され、ブームシリンダ７から流出する作動油の全部がアームシリンダ８のロッド側油室に流入する。
また、コントローラ３０は、レギュレータ１４ＲＡに対し制御信号を出力し、メインポンプ１４Ｒの吐出量を低減させ、メインポンプ１４Ｒからアームシリンダ８のロッド側油室に向かう作動油の流量を低減させるようにする。また、コントローラ３０は、アーム用流量制御弁１７Ａを制御してメインポンプ１４Ｒからアームシリンダ８のロッド側油室に向かう作動油の流量を低減させ或いは消滅させるようにしてもよい。なお、メインポンプ１４Ｒからアームシリンダ８のロッド側油室に向かう作動油の流量を消滅させた場合には、ブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油のみがアームシリンダ８のロッド側油室に供給される。
このようにして、連通回路３２０は、ブーム下げとアーム開きが同時に実行され、かつ、検出圧Ｐ１が検出圧Ｐ２よりも大きい場合に、ブームシリンダ７から流出する作動油の全部をアームシリンダ８のロッド側油室に流入させるようにする。
また、図８は、メインポンプ１４Ｌが吐出する作動油がブームシリンダ７のロッド側油室に流入し、ブーム下げのみが実行されている状態を示す。
このような状態において、再生用流量制御弁３２１は、コントローラ３０からの制御信号に応じてその弁位置を第二弁位置３２１Ｂに切り替える。その結果、ブームシリンダ７からアームシリンダ８への作動油の流れが遮断される。ブームシリンダ７から流出する作動油の一部は、ブームシリンダボトム側油路Ｃ１を通じてコントロールバルブ１７に至り、コントロールバルブ１７を通じて油タンクに排出される。
また、電磁弁３２３は、コントローラ３０からの制御信号に応じて回生用流量制御弁３２２の弁位置を第二弁位置３２２Ｂに切り替える。その結果、ブームシリンダ７から流出する作動油の残りの部分は、油圧モータ３１０に流入し、油圧モータ３１０及び発電機３００を回転させた上で油タンクに排出される。
このようにして、連通回路３２０は、ブーム下げのみが実行されている場合に、ブームシリンダ７から流出する作動油の一部を油圧モータ３１０に流入させ、発電機３００による発電を実行させるようにする。なお、コントローラ３０は、ブームシリンダ７から流出する作動油の全部を油圧モータ３１０に流入させるようにしてもよい。
次に、図９を参照しながら、ダンプ動作区間においてコントローラ３０がアーム駆動アシスト処理又はブーム回生発電処理を実行する際のパイロット圧（図９上段参照。）、シリンダ変位（図９中段参照。）、及びシリンダ圧力（図９下段参照。）のそれぞれの時間的推移について説明する。なお、図９上段、図９中段、及び図９下段のそれぞれにおいて実線で表される推移は、ブーム操作レバーのパイロット圧、ブームシリンダ７の変位、及び、ブームシリンダ７のボトム側油室における作動油の圧力（ブームシリンダ圧センサＳ１の検出圧Ｐ１）をそれぞれ示す。また、図９上段、図９中段、及び図９下段のそれぞれにおいて破線で表される推移は、アーム操作レバーのパイロット圧、アームシリンダ８の変位、及び、アームシリンダ８のロッド側油室における作動油の圧力（アームシリンダ圧センサＳ２の検出圧Ｐ２）をそれぞれ示す。
時刻ｔ０においてブーム操作レバーが下げ方向に操作され、ブーム操作レバーの下げ方向のパイロット圧が上昇すると、コントローラ３０は、ブーム回生発電処理を実行し、連通回路３２０を図８の状態にする。ブーム下げによりブームシリンダ７から流出する作動油の油圧エネルギが利用可能となるためであり、また、検出圧Ｐ１が検出圧Ｐ２以下となっておりアーム駆動アシスト処理を実行できないためである。なお、アーム操作レバーは既に開き方向に操作されており、アーム操作レバーの開き方向のパイロット圧は既に所定レベル以上となっている。
上述の操作により、ブームシリンダ７は、緩やかに収縮側に変位してブーム４を下げるように作動し、アームシリンダ８は、収縮側に変位してアーム５を開くように作動する。なお、コントローラ３０は、ブームシリンダ７及びアームシリンダ８のこのような変位に基づいてアーム駆動アシスト処理又はブーム回生発電処理の開始タイミングを判断するようにしてもよい。
その後、時刻ｔ１において検出圧Ｐ１が検出圧Ｐ２を上回ると、コントローラ３０は、ブーム回生発電処理の実行を中止した上で、アーム駆動アシスト処理を実行し、連通回路３２０を図７の状態にする。検出圧Ｐ１が検出圧Ｐ２を上回り、ブームシリンダ７から流出する作動油をアームシリンダ８に流入させることが可能となったためである。
なお、コントローラ３０は、アーム駆動アシスト処理を実行する場合であっても、ブームシリンダ７から流出する作動油の一部を利用して、ブーム回生発電処理の実行を継続させるようにしてもよい。その場合、再生用流量制御弁３２１が第一弁位置３２１Ａに設定され、回生用流量制御弁３２２が第二弁位置３２２Ｂに設定される。
その後、時刻ｔ２において検出圧Ｐ１が再び検出圧Ｐ２未満になると、コントローラ３０は、アーム駆動アシスト処理の実行を中止した上で、ブーム回生発電処理を実行し、連通回路３２０を再び図８の状態にする。検出圧Ｐ１が検出圧Ｐ２以下となりアーム駆動アシスト処理を実行できないためである。
以上の構成により、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルは、ブーム下げ時にブームシリンダ７から流出する作動油の油圧エネルギを電気エネルギに変換することなく他の油圧アクチュエータの動作のために利用できる。そのため、ブーム下げ時にブームシリンダ７から流出する作動油をより効率的に利用できる。
また、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルは、ブームシリンダ７における作動油の圧力が、その作動油の供給候補である他の油圧アクチュエータにおける作動油の圧力よりも大きいことを確認する。その上で、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルは、ブームシリンダ７から流出する作動油をその供給候補である他の油圧アクチュエータに流入させる。一方で、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルは、ブームシリンダ７における作動油の圧力が、その作動油の供給候補である他の油圧アクチュエータにおける作動油の圧力よりも小さい場合には、ブームシリンダ７とその供給候補である他の油圧アクチュエータとの間の油路を遮断する。そのため、ブームシリンダ７から流出する作動油を確実にその供給候補である他の油圧アクチュエータに流入させることができる。
また、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルは、ブームシリンダ７から流出する作動油の供給候補である他の油圧アクチュエータが作動中であることを確認する。その上で、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルは、ブームシリンダ７から流出する作動油をその供給候補である他の油圧アクチュエータに流入させる。一方で、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルは、その供給候補である他の油圧アクチュエータが作動中でない場合には、ブームシリンダ７から流出する作動油を油圧モータ３１０に流入させ、発電機３００による発電を実行させる。そのため、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルは、その供給候補である他の油圧アクチュエータの作動状態に応じて、ブームシリンダ７から流出する作動油を効率的にかつ確実に利用できる。
次に、図１０を参照しながら、本発明の第二実施例に係るショベルについて説明する。
図１０は、本発明の第二実施例に係るショベルの駆動系の構成例を示すブロック図であり、図３と同様、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線（太線）、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を実線（細線）でそれぞれ示す。
第二実施例に係るショベルは、電動旋回機構である第一の負荷駆動系の代わりに旋回用油圧モータ４０を備える点において、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルと相違し、その他の点において共通する。この構成により、第二実施例に係るショベルは、第一実施例に係るハイブリッド式ショベルと同様の効果を実現させることができる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上述の実施例において、再生用流量制御弁３２１及び回生用流量制御弁３２２は、別個独立した二つのスプール弁として構成されるが、一つのスプール弁で構成されてもよい。
また、本願は、２０１１年７月６日に出願した日本国特許出願２０１１−１５０３７２号に基づく優先権を主張するものでありその日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
１・・・下部走行体 １Ａ、１Ｂ・・・走行用油圧モータ 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 １１・・・エンジン １２・・・電動発電機 １３・・・変速機 １４、１４Ｌ、１４Ｒ・・・メインポンプ １４Ａ、１４ＬＡ、１４ＲＡ・・・レギュレータ １５・・・パイロットポンプ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ １７Ａ・・・アーム用流量制御弁 １７Ｂ・・・ブーム用流量制御弁 １８Ａ、１８Ｃ・・・インバータ １９・・・キャパシタ ２０・・・インバータ ２１・・・旋回用電動機 ２２・・・レゾルバ ２３・・・メカニカルブレーキ ２４・・・旋回変速機 ２５・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２６Ａ、２６Ｂ・・・レバー ２６Ｃ・・・ペダル ２７、２８・・・油圧ライン ２９・・・圧力センサ ３０・・・コントローラ ４０・・・旋回用油圧モータ １００・・・昇降圧コンバータ １１０・・・ＤＣバス １１１・・・ＤＣバス電圧検出部 １１２・・・キャパシタ電圧検出部 １１３・・・キャパシタ電流検出部 １２０・・・蓄電系 ３００・・・発電機 ３１０・・・油圧モータ ３２０・・・連通回路 ３２１・・・再生用流量制御弁 ３２２・・・回生用流量制御弁 ３２３・・・電磁弁 ３２４・・・逆止弁
回生用流量制御弁３２２は、ブームシリンダボトム側油路Ｃ１と油圧モータ３１０とを接続する回生用油路Ｃ４を流れる作動油の流量を制御する。本実施例では、回生用流量制御弁３２２は、例えば、２ポート２位置のスプール弁である。

Claims (12)

  1. ブームシリンダを含む油圧アクチュエータを備えるショベルであって、
    前記ブームシリンダから流出する作動油により駆動される油圧モータと、
    前記ブームシリンダから流出する作動油を前記油圧モータに供給するための回生用油路と、
    前記ブームシリンダから流出する作動油を別の油圧アクチュエータへ供給する再生用油路と、
    前記再生用油路を流れる作動油の流量を制御する再生用流量制御弁と、
    を備えるショベル。
  2. 前記ブームシリンダにおける作動油の圧力を検出するブームシリンダ圧センサと、
    前記別の油圧アクチュエータにおける作動油の圧力を検出する油圧アクチュエータ圧検出部と、をさらに備え、
    前記再生用流量制御弁は、前記再生用油路の連通・遮断を切り替える切り替え弁であり、前記ブームシリンダにおける作動油の圧力が前記別の油圧アクチュエータにおける作動油の圧力より高い場合に、前記再生用油路を連通させる、
    請求項１に記載のショベル。
  3. 前記ブームシリンダにおける作動油の圧力を検出するブームシリンダ圧センサと、
    前記別の油圧アクチュエータにおける作動油の圧力を検出する油圧アクチュエータ圧検出部と、をさらに備え、
    前記再生用流量制御弁は、前記ブームシリンダにおける作動油の圧力が前記別の油圧アクチュエータにおける作動油の圧力より低い場合に、前記再生用油路を遮断する、
    請求項１に記載のショベル。
  4. 前記別の油圧アクチュエータの作動状態を検出する作動状態検出部をさらに備え、
    前記再生用流量制御弁は、前記別の油圧アクチュエータが作動中である場合に、前記再生用油路を連通させる、
    請求項１に記載のショベル。
  5. 前記別の油圧アクチュエータの作動状態を検出する作動状態検出部と、
    前記油圧モータに接続される回生用発電機と、をさらに備え、
    前記回生用発電機は、前記別の油圧アクチュエータが作動中でない場合に、発電する、
    請求項１に記載のショベル。
  6. 前記別の油圧アクチュエータは、アームシリンダである、
    請求項１に記載のショベル。
  7. ブームシリンダを含む油圧アクチュエータを備えるショベルの制御方法であって、
    前記ブームシリンダから流出する作動油により油圧モータを駆動するステップと、
    前記ブームシリンダから流出する作動油を前記油圧モータに供給するステップと、
    再生用油路を通じて前記ブームシリンダから流出する作動油を別の油圧アクチュエータへ供給するステップと、
    再生用流量制御弁により前記再生用油路を流れる作動油の流量を制御するステップと、
    を有するショベルの制御方法。
  8. 前記ブームシリンダにおける作動油の圧力を検出するステップと、
    前記別の油圧アクチュエータにおける作動油の圧力を検出するステップと、をさらに有し、
    前記再生用流量制御弁は、前記再生用油路の連通・遮断を切り替える切り替え弁であり、前記ブームシリンダにおける作動油の圧力が前記別の油圧アクチュエータにおける作動油の圧力より高い場合に、前記再生用油路を連通させる、
    請求項７に記載のショベルの制御方法。
  9. 前記ブームシリンダにおける作動油の圧力を検出するステップと、
    前記別の油圧アクチュエータにおける作動油の圧力を検出するステップと、をさらに有し、
    前記再生用流量制御弁は、前記ブームシリンダにおける作動油の圧力が前記別の油圧アクチュエータにおける作動油の圧力より低い場合に、前記再生用油路を遮断する、
    請求項７に記載のショベルの制御方法。
  10. 前記別の油圧アクチュエータの作動状態を検出するステップをさらに有し、
    前記再生用流量制御弁は、前記別の油圧アクチュエータが作動中である場合に、前記再生用油路を連通させる、
    請求項７に記載のショベルの制御方法。
  11. 前記別の油圧アクチュエータの作動状態を検出するステップと、
    前記別の油圧アクチュエータが作動中でない場合に、前記油圧モータに接続される回生用発電機により発電するステップと、をさらに有する、
    請求項７に記載のショベルの制御方法。
  12. 前記別の油圧アクチュエータは、アームシリンダである、
    請求項７に記載のショベルの制御方法。
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