JPWO2013103133A1 - 建設機械の制御装置 - Google Patents

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Abstract

エンジン（１）の要求動力を発生可能なエンジン回転数及びエンジントルクの組合せを複数算出し、当該各組合せにおけるシステム効率を油圧ポンプ（３）の吐出圧に応じて算出するシステム動作点演算部（２８）と、システム動作点演算部で算出したエンジン回転数、エンジントルク及びシステム効率からなる複数の組合せの中で所望のシステム効率が含まれるものにおけるエンジン回転数をエンジンの目標回転数として算出する回転数演算部（３３）と、回転数演算部で算出された目標回転数と油圧ポンプの要求流量に基づいて、油圧ポンプの目標容量を算出する容量演算部（２９）とを備える。これにより、システム全体の効率が良好な動作点でエンジン及び油圧ポンプを制御できる。

Description

本発明はエンジン及びこれに機械的に連結された油圧ポンプを備える建設機械の制御装置に関する。
従来、油圧アクチュエータを駆動するための油圧システムを備える油圧ショベルやホイールローダ等の建設機械では、軽負荷から重負荷までの全ての作業に対応できるように、最大負荷時の作業を見込んで選定した大型のエンジンを備えていた。しかし、建設機械の作業全体において重負荷になる作業はあくまでも一部であるため軽負荷時や中負荷時にエンジンの能力を持て余すことになり、大型エンジンは燃費の観点からすると好ましくない。
これに対して、燃費向上のためにエンジンを小型化すると同時に、当該エンジンの小型化に伴う出力低下を補填するための電動・発電機を備えるハイブリッドシステムを構成し、出力応答が速い電動・発電機による出力アシストをすることで、エンジンの回転数を可変制御して高効率点で運転することによって燃料消費量を抑える技術がある（特開平１１−２１４４号公報）。
また、油圧システムを備える建設機械では、投入された燃料に対して油圧アクチュエータがどれだけ作業ができるかの指標となる「作業量燃費」を改善することが重要になる。そして、作業量燃費を改善するためには、エンジンのみを高効率点で動かせばよいのではなく、油圧ポンプも併せて建設機械全体での効率が良くなる動作点で運転しなくてはならない。
このような問題の解決を図った技術が特許文献２にて提案されている。特開２００９−７４４０５号公報では、油圧アクチュエータを操作するためのレバー操作に応じて油圧ポンプの目標流量を演算する目標流量演算部と、これに応じて演算されるエンジンの目標回転数（第１の目標回転数）と、油圧ポンプの負荷圧とレバー入力から演算される目標回転数（第４の目標回転数）とを比較し、いずれか低い方の回転数を最終的な目標回転数とすることによって高負荷時のポンプ効率及びエンジン効率を高めている。
また、特開２００４−８４４７０号公報ではエンジンと油圧ポンプの間に無段変速機（Continuously Variable Transmission：ＣＶＴ）を備えることで、エンジン及び油圧ポンプをそれぞれ効率の良い動作点で運転している。
特開平１１−２１４４号公報 特開２００９−７４４０５号公報 特開２００４−８４４７０号公報
特開２００４−８４４７０号公報の技術では、エンジンと、電動・発電機及び油圧ポンプと間にそれぞれ無段変速機を備えるため、パワートレイン（動力駆動系）が複雑になることはもちろんのこと、パワートレイン全体の容積が増加することが避けられず、建設機械全体として大型なものにならざるを得ない。また、パワートレインの要素間に無段変速機を備えたことにより機械損失が増加するため、結果としてシステム全体の効率が低下する可能性が生じる。
特開２００９−７４４０５号公報の技術では、可変容量型の油圧ポンプのポンプ容積を大きく取ることによってポンプの高効率化を行った上で、エンジン効率が向上する動作点を目標回転数としているが、ポンプ効率はポンプ容積によって一意に決定されるものではない。図１９に、ポンプ容積を一定とした場合の回転数に対するポンプ効率の変化の様子を示した。図１９からわかるように、ポンプの回転数が増加すると、摩擦などがこれに伴って増加するため機械効率が減少し、ポンプの全効率（機械効率と容積効率の積）が低下してしまう。特開２００９−７４４０５号公報の技術では、このような回転数の増加に伴う油圧ポンプの全効率の低下を考慮しておらず、油圧ポンプを最大容積で動作させた際にポンプ目標回転数と出流量が確保できるという制約のもとでエンジン単独での高効率点を定めていることに等しい。さらに、燃費低減のためにエンジンを大幅に小型化した場合、ある一定の出力を確保するためには、図１９のような従来のエンジンよりも高い回転数でエンジンを制御しなくてはならない可能性が生じる。このことは、前述のポンプ効率の低減を招くことに繋がってしまう。
本発明の目的は、簡易な構成で、効率の高い動作点でエンジン及び油圧ポンプを制御可能な建設機械の制御装置を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために、エンジンと、当該エンジンによって駆動される可変容量型油圧ポンプを備えた建設機械の制御装置において、前記エンジンのエネルギ効率に前記油圧ポンプのエネルギ効率を乗じて得られるものをシステム効率としたとき、前記エンジンの要求動力を発生可能なエンジン回転数及びエンジントルクの組合せを複数算出し、当該各組合せにおける前記システム効率を前記油圧ポンプの吐出圧に応じて算出する第１動作点演算部と、前記第１動作点演算部で算出した前記エンジン回転数、前記エンジントルク及び前記システム効率からなる複数の組合せの中で所望のシステム効率が含まれるものにおけるエンジン回転数を前記エンジンの目標回転数として算出する回転数演算部と、前記回転数演算部で算出された目標回転数と前記油圧ポンプの要求流量に基づいて、前記油圧ポンプの目標容量を算出する容量演算部とを備えるものとする。
本発明によれば、簡易な構成で、システム全体の効率が良好な動作点でエンジン及び油圧ポンプを制御することができる。
本発明の第１の実施の形態に係るハイブリッド式油圧ショベルにおける油圧駆動制御装置の概略構成図。 本発明の各実施の形態に係るレギュレータのポンプ容積−ポンプ吐出圧力特性図。 本発明の第１の実施の形態に係るコントローラ８の概略構成図。 ポンプ要求流量演算部２１の構成の一例を示す図。 ポンプ要求流量演算部２１の構成の一例を示す図。 制御時における蓄電残量と目標蓄電残量との差に基づいて電動・発電機の動作の判断を行う場合の説明図。 第２動作点演算部２７で生成されたポンプ効率マップを示す図。 本発明の第１の実施の形態に係る第１動作点演算部２８で生成されたシステム効率マップを示す図。 本発明と先行技術におけるエンジンの目標回転数の差異を示した図。 本発明の第１の実施の形態に係る第１動作点演算部２８で生成されたシステム効率マップを示す他の図。 目標蓄電量に対する蓄電残量の変化の一例を示す図。 エンジンの目標回転数を所定の領域で指定する場合の説明図。 本発明の第２の実施の形態に係るコントローラの概略構成図。 本発明の第２の実施の形態に係る第１動作点演算部２８で生成されたシステム効率マップを示す図。 本発明の第３の実施の形態に係るコントローラの概略構成図。 本発明の第３の実施の形態に係る第１動作点演算部２８で生成されたシステム効率マップを示す図。 本発明の第４の実施の形態に係るコントローラの概略構成図。 本発明の第４の実施の形態に係る第１動作点演算部２８で生成されたシステム効率マップを示す図。 ポンプ容積を一定とした場合の回転数に対するポンプ効率の変化の様子を示す図。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るハイブリッド式油圧ショベルにおける油圧駆動制御装置の概略構成図である。この図に示す油圧駆動制御装置は、エンジン１と、エンジン１の燃料噴射量を調整するガバナ７と、エンジン１の実回転数を検出する回転数センサ（実回転数検出手段）６と、エンジン１と機械的に連結されエンジン１により駆動される可変容量型油圧ポンプ３（以下、単に「油圧ポンプ３」と称することがある）と、油圧ポンプ３から吐出される圧油によって駆動される油圧アクチュエータ５と、エンジン１により駆動されるパイロットポンプ３２と、パイロットポンプ３２から吐出される圧油を減圧してバルブ装置４に出力することで油圧アクチュエータ５を制御するための操作レバー（操作装置）１６と、エンジン１の駆動軸上に配置され、エンジン１による油圧ポンプ３の駆動のアシスト又はエンジン１に駆動されて発電する電動・発電機２と、電動・発電機２を駆動するための電力を蓄えるための蓄電装置（蓄電手段）１０と、油圧ポンプ３の容量を調節するポンプ容量調節装置（ポンプ容量調節手段）に含まれるレギュレータ１４と、電動・発電機２の制御とともに、電動・発電機２と蓄電装置１０間での電力の授受を制御するインバータ（電力変換装置）９と、ガバナ７を制御し燃料噴射量を調整してエンジン回転数を制御するとともに、インバータ９を制御し電動・発電機２のトルクを制御するコントローラ（制御装置）８と、エンジン１の目標回転数を指示するためのエンジンコントロールダイヤル（エンジン回転数指示装置）１７と、油圧ショベルの動作モード（例えば、燃費よりも作業性を優先させるパワーモードや、作業性よりも燃費を優先させる省エネモード）を切り換えるための動作モード切替スイッチ（動作モード切換装置）１９とを備えている。
図１に示す油圧駆動制御装置は、油圧ポンプ３で吐出した圧油をまず複数のコントロールバルブを備えるバルブ装置４に供給し、当該バルブ装置４で圧油の流量・方向・圧力を適宜変更した後に各油圧アクチュエータ５に供給することで各油圧アクチュエータ５の駆動を制御している。バルブ装置４におけるコントロールバルブは、パイロットポンプ３２から吐出され、操作レバー１６の操作量に応じて減圧された圧油によって制御される。操作レバー１６の操作量は、パイロットポンプ３２からバルブ装置４（コントロールバルブ）に出力される圧油の圧力を圧力センサ１８ａ，１８ｂ（図１参照）等の圧力検出手段で検出することで検出できる。また、本実施の形態に係る油圧ショベルに設置される油圧アクチュエータ５としては、上部旋回体の前方に取り付けられた多関節型のフロント作業装置を駆動するための油圧シリンダ（ブームシリンダ、アームシリンダ及びバケットシリンダ等）や、上部旋回体を旋回させるための油圧モータ（旋回モータ）や、上部旋回体の下部に取り付けられた下部走行体を走行させるための油圧モータ（走行モータ）等があるが、図１ではこれらをまとめて油圧アクチュエータ５と表記している。
エンジン１は、ガバナ７によって燃料噴射量を制御することで調速される。油圧ポンプ３には、油圧ポンプ３の負荷を演算するために必要な情報を検出する手段（ポンプ情報検出手段２１）として、油圧ポンプ３から吐出される圧油の圧力を計測する圧力センサ２２（圧力検出手段）と、当該圧油の流量を計測する流量センサ（流量検出手段）と、油圧ポンプ３の傾転角を計測する角度センサ（角度検出手段）とが設置されており、これら圧力センサ１９、流量センサ及び角度センサは、検出したセンサ値をコントローラ８に出力している。
レギュレータ１４と電磁比例弁１５は、コントローラ８から出力される操作信号に基づいて油圧ポンプ３の容量を調節するポンプ容量調節装置である。レギュレータ１４は油圧ポンプ３に備えられており、レギュレータ１４によって油圧ポンプ３の斜板もしくは斜軸の傾転角を操作すると、油圧ポンプ３の容量（押しのけ容積）が変更されて油圧ポンプ３の吸収トルク（入力トルク）を制御することができる（ポンプ吸収トルク制御）。本実施の形態におけるレギュレータ１４は、電磁比例弁１５が発生する制御圧によって制御されている。電磁比例弁１５は、コントローラ８から出力される指令値に基づいて作動する。
本実施の形態に係るレギュレータ１４は、例えば、図２に示した制御特性図に従って油圧ポンプ３の容量を制御している。図２は本発明の実施の形態に係るレギュレータ１４によるポンプ吸収トルクの制御特性図である。この図に示す折れ線３１Ａは、油圧ポンプ３の吐出圧に対して設定される油圧ポンプ３の容量の特性を示しており、エンジン１と電動・発電機２の合計出力の最大値（図２中の破線で示した双曲線（一定トルク線図））を超えない範囲で油圧ポンプ３のトルク（ポンプ容量とポンプ吐出圧力の積）がほぼ一定になるように設定されている。すなわち、その時々のポンプ吐出圧力に応じて折れ線３１Ａを利用して油圧ポンプ３の容量を設定すれば、エンジン１と電動・発電機２による最大出力を超えないように油圧ポンプ３のトルクを制御できる。ポンプ吐出圧力がＰ１以下である時にはポンプ吸収トルク制御は実施されず、ポンプ容量はバルブ装置４の各コントロールバルブを操作するための操作レバーの操作量によって決定される（例えば、いずれかの操作レバーの操作量が最大の時にｑ１になる）。一方、ポンプ吐出圧力がＰ１〜Ｐ２になると、レギュレータ１４によるポンプ吸収トルク制御が実施され、ポンプ吐出圧の増加に伴って折れ線３１Ａに沿ってポンプ容量が減少するようにレギュレータ１４によってポンプ傾転角が操作される。これにより、ポンプ吸収トルクは、折れ線３１Ａで規定したトルク以下になるように制御される。なお、Ｐ２はポンプ吐出圧力の最大値であり、バルブ装置４において油圧ポンプ３側の回路に接続されるリリーフ弁の設定圧力に等しく、ポンプ吐出圧力はこの値以上に上昇しない。なお、ここでは、油圧ポンプの吸収トルクの制御特性図として、２つの直線を組み合わせた折れ線３１Ａを使用したが、図２中の一定トルク線図（双曲線）を超えない範囲で設定すれば他の制御特性図を利用しても良い。
コントローラ８は、油圧ポンプ３の吸収トルクに基づいて生成した操作信号（電気信号）を電磁比例弁１５に出力し、電磁比例弁１５は当該操作信号に応じた制御圧力を生成することでレギュレータ１４を駆動する。これによりレギュレータ１４によって油圧ポンプ３の容量が変更され、油圧ポンプ３の吸収トルクはエンジンストールが発生しない範囲に調整される。
バッテリ又はキャパシタ等で構成される蓄電装置１０には、蓄電装置１０の蓄電量を演算するために必要な情報を検出する手段（蓄電情報検出手段）として、電流センサ１１、電圧センサ１２及び温度センサ１３が取り付けられている。コントローラ８は、これらセンサ１１，１２，１３によって検出された電流、電圧及び温度等の情報に基づいて蓄電残量演算部２５（後述）において蓄電装置１０の蓄電残量を演算し、蓄電装置１０の蓄電量を管理している。
図３は本発明の第１の実施の形態に係るコントローラ８の概略構成図である。なお、先の図に示した部分と同じ部分には同じ符号を付して説明は適宜省略することがある（後の図についても同じ）。
この図に示すコントローラ８は、エンジン１、電動・発電機２及び油圧ポンプ３に対する指令値の演算を行うもので、ポンプ要求流量演算部２１と、ポンプ動力演算部２３と、アシスト動力演算部２４と、蓄電残量演算部２５と、エンジン要求動力演算部２６と、システム動作点演算部（第１動作点演算部）２８と、ポンプ動作点演算部（第２動作点演算部）２７と、容量演算部２９と、回転数演算部３３と、アシスト動力補正部３４を備えている。また、コントローラ８は、ハードウェア構成として、本発明に係る各種処理プログラムを実行するための演算処理装置（例えば、ＣＰＵ）、当該制御プログラムをはじめ各種データを記憶するための記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ）等を備えている（いずれも図示せず）。
本実施の形態では、エンジン１と油圧ポンプ３を制御して、その回転数を適切な動作点で運転することによって、エンジン１で消費される燃料量に対して、アクチュエータ５が行う作業量までのシステム効率の向上を狙っている。
エンジン１で消費される燃料量（エンジン効率）は、動作時の回転数とトルクによって変化し、一方、油圧ポンプ３の効率（ポンプ効率）は、動作時の回転数、ポンプ容積、ポンプ吐出圧によって変化する。エンジン効率が良い回転数と油圧ポンプ３の効率が良い回転数が一致するとは限らないため、エンジン１と油圧ポンプ３のどちらか一方の効率が最良となる回転数を目標動作点（目標回転数）としても、システム効率が最良となるとは限らない。また、油圧ショベルなどの建設機械では短時間のうちに大きくポンプ吐出圧が変化するが、油圧ポンプ３の効率は吐出圧に応じて大きく変化するため、最良な動作点は逐次変化することになる。
そのため、本実施の形態におけるコントローラ８では、システム効率に影響を与えるトルク（動力）、ポンプ容積、ポンプ吐出圧に応じて適切な回転数の目標値を逐次演算し、これに基づいてエンジン１と油圧ポンプ３の制御を実施している。
ポンプ要求流量演算部２１は、オペレータが所望する油圧アクチュエータの動作を確保するために必要な油圧ポンプの流量（要求流量）を算出する処理を実行する部分である。
図４，５はポンプ要求流量演算部２１の構成の一例を示す図である。これらの図に示すポンプ要求流量演算部２１は、ポンプ要求動力演算部２３Ａで算出される油圧ポンプ３の要求動力と、圧力センサ２２で検出される油圧ポンプ３の吐出圧とに基づいて油圧ポンプ３の要求流量を算出している。図４はポンプ要求動力演算部２３Ａで算出されたポンプ要求動力４５ｂが制限値４５ａ（図２における折れ線３１Ａに相当する）以下の場合を示し、図５はポンプ要求動力４５ｃが制限値４５ａを超える場合を示している。なお、図中のレギュレータ特性は図２で示したようにトルクを制限するものであるが、流量（＝容積×回転数）の次元で制御を行うため、次元を揃えるために図４ではポンプ動力（＝トルク×回転数）で示している。
ポンプ要求動力演算部２３Ａには、エンジンコントロールダイヤル１７を介して指定されるエンジン１の目標回転数と、動作モード切替スイッチ１９を介して指定される動作モードの種類と、操作レバー１６の操作量（レバー操作量）が入力されている。本実施の形態では、圧力センサ１８ａ，１８ｂの検出値からレバー操作量を求めている。ポンプ要求動力演算部２３Ａは、オペレータが設定したエンジン回転数及び動作モードからどの程度の負荷の作業をオペレータが想定しているのかを判断し、これとレバー操作量からこれから必要となるだろうポンプ動力（ポンプ要求動力）を事前に設定する。この時、エンジンコントロールダイヤル１７の目盛が相対的に大きく設定され、かつ、動作モードがパワーモードであり、さらにレバー操作量が相対的に大きいほどポンプ要求動力は大きく演算される。一方、エンジンコントロールダイヤル１７の目盛が相対的に小さく設定され、かつ、動作モードが省エネモードであり、さらにレバー操作量が相対的に小さいほどポンプ要求動力は小さく演算される。
ポンプ要求流量演算部２１は、ポンプ要求動力演算部２３Ａで演算された要求動力と、油圧ポンプ３のレギュレータ特性に基づいて定められる動力制限値４５ａとの大小を比較し、要求動力が制限値４５ａ以下の場合には当該要求動力を圧力センサ２２で検出される吐出圧で除することで要求流量を算出する。一方、要求動力が制限値４５ａを超える場合には制限値４５ａを吐出圧で除することで要求流量を算出する。つまり、図４の場合には、等動力線４５ｂで示されているポンプ要求動力と、圧力センサ２２で計測されたポンプ吐出圧Ｐｄ１との交点が要求流量Ｑ１となる。一方、図５の場合には、等動力線４５ｃで示されるポンプ要求動力が制限値４５ａを上回るので、制限値４５ａとポンプ吐出圧Ｐｄ２との交点が要求流量Ｑ２となる。図５の場合には、油圧アクチュエータ５に十分な動力が供給されないため、油圧アクチュエータ５の動作が緩慢になるが、エンジン負荷が過剰になることが防げるため、ラグダウンやエンジンストールを防止できる。なお、図４，５に示したポンプ要求流量の演算手段はあくまで一例であり、ポンプ要求流量を計算する方法はこれに限られるものではない。
図３に戻り、ポンプ動力演算部２３は、油圧ポンプ３が出力している実際のポンプ動力を演算する処理を実行する部分である。実際のポンプ動力を算出する方法としては、例えば、圧力センサ２２を介して検出されるポンプ吐出圧と、流量センサを介して検出されるポンプ吐出流量とを乗じるものがある。なお、実際のポンプ動力の代わりに、図４，５に示したポンプ要求動力演算部２３Ａの算出値（要求ポンプ動力）を利用しても良い。このように要求ポンプ動力を利用した場合には、制御がフィードフォワードで行われることになり、所望の動作を素早く実現できる可能性が増すので、操作性を向上できる。
アシスト動力演算部２４は、電動・発電機２が実際に出力する動力の演算する処理を実行する部分である。この演算方法としては、電動・発電機２の回転数とその時点のトルクの積からアシスト動力を演算するものがある。また、ポンプ動力演算部２３と同様に、電動・発電機２の目標回転数とトルクの目標値の積からアシスト要求動力を求め、これを代わりに利用してもよい。なお、後続の処理のため、電動・発電機２が電動機として動作する場合のアシスト動力の符号は正とし、電動・発電機２が発電機として動作する場合のアシスト動力の符号は負とする。
また、電動・発電機２を電動機又は発電機として動作させるかの判断及びこれによる発生動力の大きさは、蓄電残量演算部２５において算出される蓄電装置１０の蓄電残量に基づいて行われる。当該判断は、制御時における蓄電残量の多少に基づいて行っても良いし、制御時における蓄電残量と目標蓄電残量との差分に基づいて行っても良い。
図６は制御時における蓄電残量と目標蓄電残量との差に基づいて電動・発電機２の動作（電動動作／発電動作）の判断を行う場合の説明図である。図６では１日の作業時間を事前に設定し、これを想定作業時間とする。この想定作業時間において蓄電装置１０の電圧が終止電圧になるまで電力を使い切ることを前提としている。ある時刻の目標蓄電残量に対して、その時刻の実際の蓄電残量が低ければ優先的に発電を行い、逆に、実際の蓄電残量が高ければ優先的に電動アシストを行うものとする。なお、このように作業時間を想定した目標蓄電残量に従う蓄電残量の管理は、蓄電装置１０にバッテリを備えており、かつ、プラグインハイブリッド方式のように作業開始前に蓄電量を最大まで蓄えておける構成を備える建設機械において特に有効である。
蓄電残量演算部２５は、蓄電装置１０の蓄電残量を演算する処理を実行する部分である。蓄電残量を演算する方法としては、センサ１１，１２，１３によって検出された電流、電圧及び温度等の情報に基づいて蓄電残量を算出するものがある。
システム動作点演算部（第１動作点演算部）２８は、エンジン１の要求動力を発生可能なエンジン回転数及びエンジントルクの組合せ（動作点）を複数算出し、さらに、当該各組合せにおけるシステム効率を油圧ポンプ３の吐出圧に基づいて算出する処理を実行する部分である。なお、ここにおける「システム効率」とは、エンジン１のエネルギ効率に油圧ポンプ３のエネルギ効率を乗じて得られるシステム全体のエネルギ効率のことを示す。また、エンジン１の要求動力は、エンジン１から見た負荷動力であり、後述するように油圧ポンプ３の要求動力等に基づいて決定される。
本実施の形態では、まず、油圧ポンプ３の要求流量及び吐出圧に応じた油圧ポンプ３の効率をポンプ動作点演算部（第２動作点演算部）２７で算出し、その後、当該算出した油圧ポンプ３の効率とエンジン１の効率に基づいてエンジン回転数とエンジントルクの各組合せにおけるシステム効率をシステム動作点演算部２８で算出している。このように所定の吐出圧におけるポンプ効率を算出してからシステム効率を算出すると、コントローラ８の演算負荷を軽減することができ、コントローラ８のハードウェア構成に要求される性能を抑制できる。なお、コントローラ８のハードウェア構成の性能に制限が無い場合には、ポンプ動作点演算部２７による演算を省略し、エンジン要求動力からエンジン回転数、エンジントルク及びシステム効率の組合せをシステム動作点演算部２８のみで算出しても良い。
次に本実施の形態におけるポンプ動作点演算部２７とシステム動作点演算部２８における演算の流れを説明する。まず、ポンプ動作点演算部２７では、油圧ポンプ３の要求流量を発生可能なポンプ回転数及びポンプ容積の組合せ（動作点）を複数算出し、さらに、当該各組合せにおける油圧ポンプ３のエネルギ効率を油圧ポンプ３の吐出圧に基づいて算出する処理を行う。
図７はポンプ動作点演算部２７で生成されたポンプ効率マップを示す図である。この図に示すポンプ効率マップは、ポンプ回転数とポンプ容積を軸に持ち、各回転数と容積の組合せに係るポンプ効率を等高線５１で示している。このポンプ効率マップはポンプ吐出圧に基づいて生成されるものであり、ポンプ効率の等高線の形はポンプ吐出圧に応じて変化する。これは、油圧ポンプ３の効率はポンプ吐出圧に応じて変化するためである。
ポンプ要求流量演算部２１で算出されたポンプ要求流量は、ポンプ効率マップ上に等流量線として表される。すなわち、ポンプ流量は回転数とポンプ容積の積であるため、図７に示したようにポンプ要求流量はポンプ効率マップ上に反比例の曲線５２で示される。そのため、油圧ポンプ３の要求流量に対応する等流量線をポンプ効率マップ上に示せば、当該曲線上の点の座標が、油圧ポンプ３の要求流量を発生可能なポンプ回転数及びポンプ容積の組合せを示すことになる。例えば、ポンプ要求流量が２００L/minであり、目標回転数を２５０rpm刻みで探索する場合において、最小回転数を１０００rpmとし、最大回転数を２０００とすると、回転数とポンプ容積の組合せは、（１０００rpm，２００cc/rev）、（１２５０rpm，１６０cc/rev），…，（２０００rpm，１１１cc/rev）の５組であり、それぞれの動作点におけるポンプ効率は効率マップからηp１〜ηp５と算出できる。
エンジン要求動力演算部２６は、エンジン１の要求動力を演算する処理を実行する部分であり、本実施の形態におけるエンジン要求動力は、ポンプ動力演算部２３の出力（ポンプ動力）からアシスト動力演算部２４の出力（アシスト動力）を減じることで求められる（すなわち、「エンジン要求動力＝ポンプ動力−アシスト動力」）。なお、電動・発電機２が電動アシストしているときにはアシスト動力演算部２４の出力を正値で表し、逆に発電を行っているときにはアシスト動力演算部２４の出力を負値で表すものとする。
システム動作点演算部２８は、ポンプ動作点演算部２７で求めた「ポンプ回転数、ポンプ容積、ポンプ効率」から成る複数の組合せと、エンジン要求動力演算部２６で求めたエンジン要求動力と、蓄電残量演算部２５で求めた蓄電残量に基づいて、ポンプ要求流量演算部２１で演算されたポンプ要求流量が実現可能な「エンジン回転数、エンジントルク、システム効率」の組合せを複数算出する。
図８はシステム動作点演算部２８で生成されたシステム効率マップを示す図である。この図に示すシステム効率マップは、エンジン回転数とエンジントルクを軸に持ち、各回転数とトルクの組合せに係るシステム効率を等高線７１で示している。この図に示したシステム効率は、ポンプ動作点演算部２７で算出された各回転数におけるポンプ効率に対して、コントローラ８の記憶装置等に予め記憶されたエンジン１の効率マップ（又は等燃費マップ）から得られるエンジン効率を乗じることで算出される。先述のようにポンプ吐出圧が変化すればポンプ効率が変化するので、図８におけるシステム効率もポンプ吐出圧に応じて変化する（すなわち、吐出圧に応じてマップ中の目玉の位置（最も効率の良い等高線が示す領域）が移動する）。
ところで、動力は回転数とトルクの積であるため、ポンプ動力演算部２３で算出されたポンプ動力と、アシスト動力演算部２４で算出されたアシスト動力と、エンジン要求動力演算部２６で算出されたエンジン要求動力は、それぞれ等動力線としてシステム効率マップ上に表すことができる。そこで、図８において、ポンプ動作点演算部２７と同様に目標回転数を２５０rpm刻みで探索し、電動・発電機２がアシスト動力を発生している状況を前提とし、ポンプ動力を８０kW、アシスト動力を２０kW、エンジン要求動力を前者２つの差（８０kW−２０kW）である６０kWとすると、ポンプ動力（８０kW）は点線の曲線７２で示すことができ、エンジン要求動力（６０kW）は実線の曲線７３ａで示すことができる。したがって、エンジン要求動力を示した曲線７３ａ上の各点の座標（エンジン回転数、エンジントルク）と、当該各点に係るシステム効率との組合せの中に、最終的に求める組合せが存在することになる。
回転数演算部３３は、システム動作点演算部２８で算出したエンジン回転数、エンジントルク及びシステム効率からなる複数の組合せの中から、所望のシステム効率が含まれる組合せにおけるエンジン回転数をエンジン１の目標回転数として算出する処理を実行する部分である。すなわち、回転数演算部３３は、図８の曲線７３ａ上の点から所望のシステム効率が含まれるものを１つ選択する処理を実行する。したがって、図８の例において、最もシステム効率が良い点を選択する場合には、効率マップ中の目玉に最も近い点が示す「１５００rpm」が目標回転数となる。これによりコントローラ８は、１５００rpmを目標回転数としてエンジン１を制御する。
容量演算部２９は、回転数演算部３３で算出された目標回転数と、ポンプ要求流量演算部２１で算出された油圧ポンプ１の要求流量とに基づいて、油圧ポンプ１の目標容量を算出する処理を実行する部分である。図７に戻り、目標回転数が１５００rpmのとき、ポンプ容量は１３３cc/revを示すので、目標容量は「１３３cc/rev」となる。これによりコントローラ８は、ポンプ容量が１３３cc/revになるようにレギュレータ１４（電磁比例弁１５）を制御する。
上記のように構成された本実施の形態に係る建設機械の制御装置によれば、所定の吐出圧におけるポンプ効率とエンジン効率から算出されるシステム効率特性図（図７の効率マップ）に基づいてエンジン目標回転数を決定することができるので、システム全体の効率が良好な動作点でエンジン及び油圧ポンプを制御することができる。したがって、特開２００９−７４４０５号公報に記載された技術のように、エンジン効率のみを考慮して目標回転数を演算していた場合よりもシステム全体としての効率を向上させることができる。つまり、エンジンの動作特性のみに従って目標動作点を定めている先行技術では実現できなかった、油圧アクチュエータによって行われる作業量（仕事量）に対してエンジンが消費する燃料量（作業量燃費）を最小化することができる。これは、燃料消費削減のためにエンジンの小型化を進め、エンジンを従来よりも高回転で運転し、その結果としてエンジンが高効率となる動作点とポンプが高効率となる動作点が大きくずれる場合に効果的である。また、特開２００４−８４４７０号公報に記載された技術のように、パワートレインが複雑になったり、パワートレイン全体の容積が増加したりすることも無い。さらに、本実施の形態では、必要なポンプ流量（要求ポンプ流量）を保持したままシステム効率が最良となる動作点を求めているので、本発明に係る制御装置を搭載していない建設機械と操作感が変わらず、オペレータに違和感を与えない効率の良い運転を行うことができる。また、先行技術同様にエンジンでの燃焼動作点を最適化することで排気ガス中に含まれる窒素酸化物や粒子状物質を減少させることも可能である。
また、本実施の形態では、電動・発電機２のアシスト動力と油圧ポンプ３の動力に基づいてエンジン１の要求動力を演算し、これに基づいて動作点を算出しているので、合計出力が過剰になることで生じるオーバレブ（エンジンが過回転になる現象）や、合計出力が不足することで生じるエンジンストールを回避することができる。また、電動・発電機２を利用することでエンジン出力が急激に増加させる際に生じ得る過渡燃焼を抑制することができるため、排ガスの状態が悪化することを防ぐことが可能である。
さて、本発明と先行技術におけるエンジンの目標回転数の差異を図９に示した。図中の曲線８１はある一定動力におけるポンプの全効率（ポンプ容積は最大とする）を示し、曲線８２はその一定動力時におけるエンジン１の最良燃費点を基準としたエンジン効率を示し、それぞれの最大値を１として正規化して図示している。また、曲線８３はこれらの積であるシステム効率を示している。
これは、例えば、ポンプ動力が８０kWで最大効率が９０%のポンプであれば、９０%は１と表され、８０%は０．８９と表される。一方、エンジンの効率線では８０kWで最良の燃費点での燃料消費率が毎時１５リットルであったとすると、燃料消費率が毎時１５リットルの動作点は効率１と表され、毎時２０リットルの動作点は０．７５（最良値との割り算で定義）と表すことができる。
上記の実施の形態では、コントローラ８の働きによって、動作点におけるポンプ効率を判断した上でエンジン効率マップ（エンジン燃費マップ）に従って目標回転数を決定するので、図９におけるＮ３を目標回転数とすることができる。この時のシステム効率は、ポンプ効率とエンジン効率の積からη1と求まり、エンジンとポンプを同一回転数で運転するという条件の下でシステム効率が最良となる。
一方、特開２００４−８４４７０号公報（特許文献３）に記載の技術では、無段変速機を用いて、ポンプとエンジンをそれぞれの最大効率点であるＮ１、Ｎ２で動作させることができるので、システム効率は変速機の効率η3（図示せず）と等しくなる。ここで、変速機の効率η3が低い場合には、本実施の形態で得られるシステム効率η1の方が高くなることもあり得る。
また、特開２００９−７４４０５号公報（特許文献２）に記載の技術では、ポンプ容積が最大である時はエンジンの最適燃費点であるＮ２が目標回転数となる。この時のシステム効率η2はポンプの効率を考慮していないので、本実施の形態のシステム効率η1よりも常に低い値になる。なお、ポンプ効率とエンジン効率のピークが一致する時のみ特許文献２の技術のシステム効率η2は本発明のシステム効率η1と等しい値（η１=η2=１）になる。さらに、この時には特許文献３で得られるシステム効率η3が最低となる。
なお、図９の例ではポンプの最高効率点とエンジンの最高効率点が比較的近い場合を図示しているが、これらの最高効率点が大きく異なる場合には、エンジン１と油圧ポンプ３間にギア比が固定の変速機を設けて両者の最高効率点を近づけることが好ましい。ただし、変速機を用いない場合の本実施の形態の効率η１と、変速機を用いた場合の本発明の効率η１’と変速機ηgの積との間に「η１＜η１’× ηg」が成立していないならば、最高効率が低下してしまうため、変速機を用いない方が良い。
ところで、次に示すアシスト動力補正部３４において、蓄電装置１０の蓄電残量に応じてアシスト動力を補正してエンジン要求動力を変更すれば、システム効率をさらに向上させることができる。すなわち、能動的にシステム効率の最適化が実現できる。
アシスト動力補正部３４は、システム動作点演算部２８で算出されるエンジン回転数、エンジントルク及びシステム効率から成る複数の組合せの中に、所望のシステム効率（例えば、効率マップ上における最良のシステム効率）が含まれるように、電動・発電機２が発生する動力（アシスト動力）を補正する処理を実行する部分である。ここでは、所望のシステム効率として、効率が最良になる点Ｐｂ（図１０参照）が含まれるようにする場合について図９を用いて説明する。
図１０はシステム動作点演算部２８で生成されたシステム効率マップを示す他の図である。この図において、システム効率の最適点Ｐｂ（目玉の中心部）に最も近いのは回転数が１５００rpmの動作点であると判断される。そこで、アシスト動力補正部３４は、エンジン要求動力の等動力線が点Ｐｂを通過する曲線７３ｂになるようにアシスト動力を補正する。このとき、アシスト動力補正部３４による補正後のアシスト動力は、当初のアシスト動力（アシスト動力演算部２４の出力（２０kW））に図１０中の矢印分（５kW）を加えたものになる。アシスト動力補正部３４は、補正後のアシスト動力をアシストトルク指令としてインバータ９に出力する。これにより、コントローラ８は、補正後のアシスト動力でもって電動・発電機２を制御する。なお、この例では、アシスト動力補正部３４は、アシストトルク指令として１６０Nm（１５００rpmで２５kW相当）を出力する。なお、アシストトルク指令は現時点での回転数から求めてもよい。つまり、「25kW÷当該時刻における回転数rad/s」で演算してもよい。
このようにアシスト動力補正部３４で電動・発電機２のアシスト動力を補正すると、動力源がエンジン単独であるときと比較して、システム効率がより高い動作点で運転することができる。
なお、上記の説明では、ポンプ要求動力の等動力線７２の下方に所望のシステム効率が存在する場合であって、電動・発電機２を電動機として動作させてエンジン要求動力を低下させるときについて説明したが、所望のシステム効率が当該等動力線７２の上方に位置する場合には、電動・発電機２を発電機として動作させエンジン要求動力を上昇させることで所望のシステム効率に達するようにアシスト動力を補正すれば良いことは言うまでもない。
また、上記のようにアシスト動力補正部３４でアシスト動力を補正する場合には、蓄電残量演算部２５で算出される蓄電装置１０の蓄電残量を考慮して、蓄電装置１０の過充電・過放電の防止が可能な範囲でアシスト出力を補正することが好ましい。建設機械の動作状況の情報である電動・発電機２の動力と蓄電装置１０の残量に即して動作点を演算できるので、所望のシステム効率を達成するための動作点により近い点でパワートレインを駆動することができるからである。図１０においてハッチングを付した領域は、蓄電残量演算部２５によって判断される電動・発電機２の動作可能領域を示し、制御時（図１１における時刻ｔ１）における蓄電装置１０の蓄電残量によって決定されている。
図１１は目標蓄電量に対する蓄電残量の変化の一例を示す図である。この図における時刻ｔ１では、目標蓄電量に対して蓄電残量が高いため、電動・発電機２でアシストを行うことで蓄電装置１０から電力を放電する必要があると判断される。このとき、十分な時間をかけて蓄電残量を徐々に目標蓄電量に近づける場合には、時間当たりに出力されるアシスト動力が相対的に小さくなるため、例えば曲線７１ａのように電力が消費される。これは、図１０中の曲線７１ｂに相当する放電計画である。一方、急速な放電を行って目標蓄電量に近づける場合には、時間当たりに出力されるアシスト動力が相対的に大きくなるため、例えば曲線７２ａのように電力が消費される。これは、図１０中の曲線７２ｂに相当する放電計画となる。
このように電動・発電機２のアシスト動力を算出／補正すると、電動・発電機２のアシストトルク指令の上下限を蓄電装置１０の蓄電残量に応じて与えることができるので、蓄電装置１０を適切な使用範囲で利用することができ、過充電・過放電を防止できる。
ところで、上記では、回転数演算部３３による目標回転数の算出は、図８に示したように１点で与えることと説明したが、所定の幅を持たせた領域（目標回転数領域）で目標回転数を指定しても良い。
図１２はエンジンの目標回転数を所定の領域で指定する場合の説明図である。この図に示した場合には、システム効率が所定の値以上である領域（等高線の高さがある一定値以上である領域）、つまり、エンジン回転数がＮ１２ａからＮ１２ｂの間にあれば良いという回転数制御を行うことになる。このような目標回転数領域を採用した場合には、容量演算部２９における容積指令の演算は、前述のアシストトルク指令の演算と同様に、その時の回転数を利用して「目標ポンプ流量÷現時点での回転数」で演算することになる。例えば、目標回転数領域が１４５０rpmから１６００rpmで設定されている場合において、実際の回転数が１５５０rpmであったとすると、ポンプ要求流量が２００L/minのとき、これを実現するための容積指令は「２００L/min=２００×１０００cc/min÷１５５０rpm」より１２９cc/revと決定すれば良い。
また、等高線の傾斜が緩やかな、つまり、システム効率が回転数に対して大きく変化しない領域であるのならば、最適回転数に対してある一定の余裕を与える方法を取っても良く、例えば、図１２における最適回転数１５００rpmに対して、実回転数が±１００rpm内、つまり、１４００〜１６００rpmの間でエンジン回転数を制御すれば良いことになる。
ところで、上記の実施の形態では、コントローラ８に多くの機能を盛り込む構成としたが、コントローラ８のハードウェア構成による制約（例えば、記憶装置の容量（メモリ容量等）やＣＰＵの処理速度等）、各種センサの有無や建設機械の構成に応じて、他の構成を採用しても本発明は実現することができる。以下において、その構成例を示す。なお、以下の各実施の形態では、図８に示した例と同様に目標回転数を１点で与えているが、図１２に示した例と同様に目標回転数を領域の形式で与える構成としても良い。
図１３は本発明の第２の実施の形態に係るコントローラの概略構成図である。この図に示すコントローラは、電動・発電機２及び蓄電装置１０を備えない通常の油圧ショベルに係るものである。したがって、図３に示した構成から、アシスト動力演算部２４、蓄電残量演算部２５、エンジン要求動力演算部２６及びアシスト動力補正部３４は省略されている。本実施の形態では、システム動作点演算部２８で算出したシステム効率マップ上に、ポンプ動力演算部２３から出力されるポンプ動力の等動力線７２（図１４参照）を描くことで所望のシステム効率となる動作点を算出することになる。図１４はシステム動作点演算部２８で生成されたシステム効率マップを示す図である。この図の場合、最もシステム効率の良い動作点は点９２であり、エンジン１の目標回転数は１７５０rpmであると算出することができる。
図１５は本発明の第３の実施の形態に係るコントローラの概略構成図である。この図に示すコントローラは、電動・発電機２を備えたハイブリッド式油圧ショベルに係るものであり、図３に示した構成から蓄電残量演算部２５及びアシスト動力補正部３４を省略したものに相当する。本実施の形態では、エンジン要求動力演算部２６において、ポンプ動力からアシスト動力を減ずることでエンジン要求動力を算出し、当該エンジン要求動力の等動力線７３をシステム効率マップ上に描くことで動作点を算出することができる。図１６はシステム動作点演算部２８で生成されたシステム効率マップを示す図である。この図の場合、最もシステム効率の良い動作点は点９３であり、エンジン１の目標回転数は１５００rpmであると算出することができる。
なお、本実施の形態に係る構成は、例えば、油圧ショベルにおける上部旋回体を旋回するための旋回モータを電動化する等して、油圧アクチュエータと電動アクチュエータをともに備える建設機械において有効である。つまり、例えば、電動モータの回生動力をエンジン軸上の電動・発電機２のアシスト動力として利用する場合に適している。また、動力不足によるエンジンストールを避けるために、電動・発電機２のアシスト動力を別系統の制御で優先的に求める構成を備える建設機械への適用も好ましい。
図１７は本発明の第４の実施の形態に係るコントローラの概略構成図である。この図に示すコントローラは、電動・発電機２及び蓄電装置１０を備えたハイブリッド式油圧ショベルに係るものであり、図３に示した構成からアシスト動力演算部２４及びエンジン要求動力演算部２６を省略したものに相当する。本実施の形態では、ポンプ動力演算部２３で算出されたポンプ動力の等動力線７２をシステム効率マップ上に描き、当該等動力線７２と蓄電残量演算部２５で算出される蓄電残量とに基づいて電動・発電機２の動作可能領域（ハッチング領域）９８を規定し、当該ハッチング領域９８内の動作点の中から所望のシステム効率の動作点を選択するものとする。図１８はシステム動作点演算部２８で生成されたシステム効率マップを示す図である。この図の場合、ハッチング領域９８内において最もシステム効率の良い動作点は点９４であり、エンジン１の目標回転数は１５００rpmであると算出することができる。さらに、その場合に電動・発電機２で発生すべきアシスト動力の大きさ（アシストトルク指令）は、動作点９４を通過する等動力線９９とポンプ動力の等動力線７２との差分から求めることができる。なお、本実施の形態は、アシスト動力演算部２４を備えないので、フィードフォワード制御によって電動・発電機２のトルク制御が行われることになる。
ところで、上記の各実施の形態では、エンジン回転数、エンジントルク及びシステム効率等の組合せをテーブルの形式で算出する場合について説明したが、上記の処理を関数化して当該関数に基づいてこれらの組合せを算出しても良い。また、上記の各実施の形態に係る演算処理については、主に動力（すなわち、回転数とトルクの積）を利用したものを説明したが、これらの演算処理はトルクを利用した演算に基づいて行っても良い。
１ エンジン
２ 電動・発電機
３ 油圧ポンプ
５ 油圧アクチュエータ
９ インバータ
１０ 蓄電装置
１４ レギュレータ
１５ 電磁比例弁
１６ 操作レバー
１７ エンジンコントロールダイヤル
１８ａ，１８ｂ 圧力センサ
２１ ポンプ要求流量演算部
２２ 圧力センサ
２３ ポンプ動力演算部
２３Ａ ポンプ要求動力演算部
２４ アシスト動力演算部
２５ 蓄電残量演算部
２６ エンジン要求動力演算部
２７ ポンプ動作点演算部（第２動作点演算部）
２８ システム動作点演算部（第１動作点演算部）
２９ 容量演算部
３２ パイロットポンプ
３３ 回転数演算部
３４ アシスト動力補正部

Claims (8)

  1. エンジンと、当該エンジンによって駆動される可変容量型油圧ポンプを備えた建設機械の制御装置において、
    前記エンジンのエネルギ効率に前記油圧ポンプのエネルギ効率を乗じて得られるものをシステム効率としたとき、
    前記エンジンの要求動力を発生可能なエンジン回転数及びエンジントルクの組合せを複数算出し、当該各組合せにおける前記システム効率を前記油圧ポンプの吐出圧に応じて算出する第１動作点演算部と、
    前記第１動作点演算部で算出した前記エンジン回転数、前記エンジントルク及び前記システム効率からなる複数の組合せの中で所望のシステム効率が含まれるものにおけるエンジン回転数を前記エンジンの目標回転数として算出する回転数演算部と、
    前記回転数演算部で算出された目標回転数と前記油圧ポンプの要求流量に基づいて、前記油圧ポンプの目標容量を算出する容量演算部とを備えることを特徴とする建設機械の制御装置。
  2. 請求項１に記載の建設機械の制御装置において、
    前記油圧ポンプの要求流量を発生可能なポンプ回転数及びポンプ容積の組合せを複数算出し、当該各組合せにおける前記油圧ポンプのエネルギ効率を前記油圧ポンプの吐出圧に応じて算出する第２動作点演算部をさらに備え、
    前記第１動作点演算部は、前記第２動作点演算部で算出した前記油圧ポンプのエネルギ効率と、前記エンジンのエネルギ効率とに基づいて前記各組合せにおける前記システム効率を算出することを特徴とする建設機械の制御装置。
  3. 請求項１又は２に記載の建設機械の制御装置において、
    前記建設機械は、前記エンジンによる前記油圧ポンプの駆動をアシストし又は前記エンジンに駆動されて発電する電動・発電機をさらに備え、
    前記第１動作点演算部は、前記エンジンの要求動力として、前記油圧ポンプの要求動力から前記電動・発電機の発生動力を減じた動力を利用して、前記エンジン回転数、前記エンジントルク及び前記システム効率からなる複数の組合せを算出することを特徴とする建設機械の制御装置。
  4. 請求項３に記載の建設機械の制御装置において、
    前記建設機械は、前記電動・発電機を駆動するための電力を蓄えるための蓄電装置をさらに備え、
    前記蓄電装置の蓄電残量に基づいて前記電動・発電機の発生動力を算出するアシスト動力演算部をさらに備えることを特徴とする建設機械の制御装置。
  5. 請求項３又は４に記載の建設機械の制御装置において、
    所望のシステム効率が含まれる組合せが前記第１動作点演算部で算出されるように、前記電動・発電機の発生動力を補正するアシスト動力補正部をさらに備えることを特徴とする建設機械の制御装置。
  6. 請求項４に記載の建設機械の制御装置において、
    前記アシスト動力演算部は、前記蓄電残量のみに基づいて前記電動・発電機の発生動力を算出する処理、又は前記蓄電残量と目標蓄電残量との差分に基づいて前記電動・発電機の発生動力を算出する処理を実行することを特徴とする建設機械の制御装置。
  7. 請求項１から６のいずれかに記載の建設機械の制御装置において、
    前記油圧ポンプの吐出圧と要求流量に基づいて前記油圧ポンプの要求動力を算出するポンプ動力演算部をさらに備えることを特徴とする建設機械の制御装置。
  8. 請求項２に記載の建設機械の制御装置において、
    操作レバーの操作量、エンジン回転数指示装置による目標回転数、及び選択されている動作モードの種類に基づいて前記油圧ポンプの要求流量を算出するポンプ要求流量演算部をさらに備えることを特徴とする建設機械の制御装置。
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