JPWO2014136834A1

JPWO2014136834A1 - 建設機械

Info

Publication number: JPWO2014136834A1
Application number: JP2015504358A
Authority: JP
Inventors: 坂本　博史; 博史坂本; 星野　雅俊; 雅俊星野; 新士石原
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: JP5997361B2; EP2966283A1; KR101714948B1; EP2966283B1; KR20150108388A; EP2966283A4; US9822510B2; CN104995386B; CN104995386A; US20150354171A1; WO2014136834A1

Abstract

作業モード毎にエンジン出力の大きさを好適に設定することができる建設機械を提供する。本発明に係る建設機械は、エンジン（２２）と、前記エンジンによって発電可能な発電機モータ（２３）と、前記エンジンおよび前記発電機モータによって駆動可能な油圧ポンプ（４１）と、前記油圧ポンプの動力で作業機（３０）を駆動操作する油圧アクチュエータ（３２，３４，３６）と、前記発電機モータを駆動する電力の供給および前記発電機モータで生成した電力の充電を行うための蓄電デバイス（２４）と、運転者の操作に応じて作業モードを選択する作業モード選択装置（４５，４６）と、前記作業モード選択装置により選択された作業モードに応じて前記エンジンの出力の大きさを設定するエンジン出力設定部（４０３，４０５，４０７）と、を備える。

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に関する。

油圧ショベル等の建設機械は、従来、エンジンで油圧ポンプを駆動し、この油圧ポンプの動力により作業機を駆動操作する油圧アクチュエータを備えたものが主流であった。しかし、近年では、エンジンの燃費向上、騒音レベルの低減および排ガス量の低減などを図るため、エンジンによって発電可能な油圧ポンプアシスト用の発電機モータを備え、発電機モータを駆動する電力の供給、および、発電機モータで生成した電力の充電を行う蓄電デバイス（キャパシタ、バッテリ）を有するハイブリッド式の建設機械が開発され、実用化されている。

例えば、特許文献１では、油圧ポンプと、油圧ポンプへ動力を伝達可能に接続されたエンジンと、エンジンから独立して油圧ポンプを駆動可能に接続された電動機と、バッテリを備えたハイブリッド作業機械において、該ハイブリッド作業機械の出力状態に対応する変数を検出し、予め設定された所定時間の間に該変数の平均値を算出し、算出された平均値に応じてエンジンの出力の大きさを設定する方式が記載されている。この方式では、ハイブリッド作業機械の出力状態を平均化したパラメータに応じてエンジン出力が制御されるため、エンジン出力を緩やかに変動させることができ、エンジンの運転状態を安定化することができる。

特開２００７−２６２９７８号公報

近年では、世界的な環境対応への動きにともない、油圧ショベル等の建設機械においても燃費低減に対する取組みが進んでいる。このような背景から、従来の標準モードに対して燃費重視モードをさらに備えた建設機械が増加しており、上述のハイブリッド式の建設機械ではその傾向がとくに顕著である。

これらのモード（以下、作業モードと称する）は運転室内に設けられたスイッチやタッチパネルにより運転者が手動で設定する方式が主流であり、均し作業のような負荷の軽い作業を行う場合は燃費重視モードを選択し、それ以外の作業を行う場合は従来の標準モードを選択するのが通例である。燃費重視モードでは、燃費を重視して油圧アクチュエータの出力（以下、作業出力と称する）をある程度抑える仕様になっており、標準モードでは作業出力を最大限に活用できる仕様になっている場合が多い。

特許文献１に記載のハイブリッド作業機械では、予め設定された所定時間の間に作業出力の平均値を算出してエンジン出力の大きさに反映しているため、平均値を算出したときの作業モードとエンジン出力の大きさを反映するときの作業モードが同じ場合には有効である。ところが、これらの作業モードが異なる場合、例えば、燃費重視モードで算出した平均値を標準モードのエンジン出力の大きさに反映した場合には、作業の違いにより作業出力とエンジン出力の間に過不足が生じ、この過不足を補うために電動機の出力が大きくなる。その結果、バッテリ充電量の変化が大きくなり、バッテリ充電量が所定の使用範囲を超えそうになると、電動機の出力を制限する必要が生じるために、所望の作業出力を発生できない可能性が高まる。

この課題について、図７を用いて詳しく説明する。図７は、作業モード、ポンプ出力、およびバッテリ充電量の動作を示すタイムチャートである。図７において、横軸は時間を示しており、縦軸は上から順に運転者の操作に応じて選択される作業モード、油圧ポンプの出力、バッテリの充電量を示している。また、油圧ポンプの出力を示すチャートには、エンジンの出力を点線で重ねて示しており、これらの出力はエンジンの最大出力を１００％として正規化した値で示している。

まず、時刻ｔ０において、運転者が燃費重視モードを選択して作業を開始すると、油圧ポンプの出力が発生する。ここで、エンジンの出力を９０％程度に設定し、燃料重視モードにおける油圧ポンプの平均出力が９０％より小さい場合について考える。図７に示すように、エンジンの出力に対して油圧ポンプの出力が小さい場合には発電機モータによる発電を行い、エンジンの出力に対して油圧ポンプの出力が大きい場合には発電機モータによるパワーアシストを行う。運転者によって燃費重視モードが選択されている時刻ｔ０から時刻ｔ１においては、油圧ポンプの出力がエンジンの出力よりも小さい状態が多いため、発電機モータの発電電力によってバッテリの充電量が増加していく。

次に、時刻ｔ１以降において、運転者が標準モードを選択して作業を行うとき、時刻ｔ１までの油圧ポンプの出力の平均値を時刻ｔ１以降のエンジンの出力に反映した場合について考える。前述のように時刻ｔ１までは油圧ポンプの出力がエンジンの出力よりも小さい状態が多いため、エンジンの出力は９０％よりも小さく設定される。

ところが、時刻ｔ１以降は運転者によって標準モードが選択されているため、油圧ポンプの出力が時刻ｔ１以前に比べて高くなっている。この状態では、油圧ポンプの出力がエンジンの出力よりも大きい状態が多いため、発電機モータの力行電力によってバッテリの充電量が急激に減少していく。その後、運転者がこの作業を継続して時刻ｔ２になると、バッテリの充電量が下限値に到達して使用可能範囲を超えるため、バッテリの充電量低下を抑制するために発電機モータの力行出力が制限されてパワーアシスト不可の状態になる。したがって、時刻ｔ２以降は、図の実線で示すような油圧ポンプの出力とすることができなくなる。

このように、燃料重視モードで算出した油圧ポンプの出力の平均値を標準モードのエンジンの出力の大きさに反映した場合には、運転者によって設定する作業モードとその作業の違いにより油圧ポンプの出力とエンジンの出力の間に過不足が生じ、この過不足を補うために発電機モータの出力が大きくなる。その結果、バッテリの充電量の変化が大きくなり、バッテリの充電量が所定の使用範囲を超えそうになると、発電機モータの出力を制限する必要が生じるために、油圧ポンプの出力を制限することになる。

本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、作業モード毎にエンジン出力の大きさを好適に設定することができる建設機械を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る建設機械は、エンジンと、前記エンジンによって発電可能な発電機モータと、前記エンジンおよび前記発電機モータによって駆動可能な油圧ポンプと、前記油圧ポンプの動力で作業機を駆動操作する油圧アクチュエータと、前記発電機モータを駆動する電力の供給および前記発電機モータで生成した電力の充電を行うための蓄電デバイスと、運転者の操作に応じて複数の作業モードの中から何れかの作業モードを選択する作業モード選択装置と、前記作業モード選択装置により選択された作業モードに応じて前記エンジンの出力の大きさを設定するエンジン出力設定部と、を備え、過去に出力された作業出力の大きさの履歴を前記作業モード毎に記憶し、前記エンジン出力設定部は、今回選択された前記作業モードと同じ作業モードに対する前記過去の作業出力の大きさの履歴を反映させて、今回選択された前記作業モードにおける前記エンジン出力の大きさを設定することを特徴とする。

本発明は、上記構成を備えることにより、運転者の操作に応じて選択される作業モード毎にエンジン出力の大きさを好適に設定することができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。図１に示す油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。図２に示すコントロール・ユニット（ＨＣＵ１００）の電気的構成を示すブロック図である。図２に示すコントロール・ユニット（ＨＣＵ１００）の処理内容を示す制御フローチャートである。図１に示す油圧ショベルにおいて、作業モード、ポンプ出力、およびバッテリ充電量の動作を示すタイムチャートである。図１に示す油圧ショベルにおいて、運転者の操作に応じて選択される作業モードの判定方法とその実施例を示すチャートである。従来技術に係る油圧ショベルにおいて、作業モード、ポンプ出力、およびバッテリ充電量の動作を示すタイムチャートである。

以下、本発明に係る建設機械の一実施形態について、図を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。図１に示す油圧ショベルは、主に、下部走行体１０、下部走行体１０に旋回可能に設けられる上部旋回体２０、運転室５、上部旋回体２０に設けられ、各種作業を行う作業機３０、および作業機３０を駆動する油圧アクチュエータを備えて構成される。

下部走行体１０は、一対のクローラ１１およびクローラフレーム１２、各クローラ１１を独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータと減速機構等（図示しない）で構成されている。

上部旋回体２０は、旋回フレーム２１、旋回フレーム２１上に設けられたエンジン２２、エンジン２２によって発電可能な発電機モータ２３、旋回用油圧モータ（以下、旋回モータと称する）２５、発電機モータ２３と電気的に接続されたバッテリ（蓄電デバイス）２４、旋回モータ２５の回転を減速する減速機構（図示せず）、旋回モータ２５の駆動力により下部走行体１０に対して上部旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させるための旋回機構２６等で構成されている。

作業機３０は、主に、ブーム３１、ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３、アーム３３の先端部近傍に回転可能に軸支されたバケット３５を備えて構成される。作業機３０は、油圧アクチュエータによって駆動される。具体的には、ブームシリンダ３２によってブーム３１が駆動され、アームシリンダ３４によってアーム３３が駆動され、バケットシリンダ３６によってバケット３５が駆動される。

また、上部旋回体２０の旋回フレーム２１上には、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６、旋回モータ２５、および走行用油圧モータ（図示しない）等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧を発生する油圧ポンプ４１、および各油圧アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブ４２を含む油圧システム４０が搭載されている。油圧源となる油圧ポンプ４１は、エンジン２２および発電機モータ２３によって駆動される。

運転室５には、ブーム３１、アーム３３、バケット３５等を操作するレバーや、作業モードを選択する作業モード選択装置としてのスイッチ（ＰＷＲモードスイッチ４５、ＥＣＯモードスイッチ４６）などの運転者が操作する各種操作装置が設けられている（図３参照）。

図２は、本発明の一実施形態である油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図である。エンジン２２の動力は発電機モータ２３を介して油圧ポンプ４１に伝達される。また、コントロールバルブ４２は、運転者によって操作されるレバー２０１からの指令に応じて、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３４、バケットシリンダ３６、旋回モータ２５、および走行用油圧モータ１３、１４への作動油の吐出量および吐出方向を制御する。

バッテリ２４からの直流電力はパワー・コントロール・ユニット５５（以下、ＰＣＵと称する）内の図示しないチョッパ等によって所定の直流電圧に昇圧され、発電機モータ２３を駆動するためにＰＣＵ５５内の図示しないインバータ等に入力される。また、発電機モータ２３の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、バッテリ２４は充放電されることになる。

ハイブリッド・コントロール・ユニット１００（以下、ＨＣＵと称する）は、ＰＣＵ５５やエンジン・コントロール・ユニット５７（以下、ＥＣＵと称する）、マシン・コントロール・ユニット８０（以下、ＭＣＵと称する）で検出した回転速度信号、レバー信号、圧力信号等に基づいて、ＰＣＵ５５、ＥＣＵ５７、ＭＣＵ８０に対して指令を行い、エンジン２２、発電機モータ２３、油圧ポンプ４１、およびコントロールバルブ４２を統括的に制御する。

例えば、運転者がレバー２０１を操作してブーム上げ動作を行う場合には、ＭＣＵ８０が電磁比例弁７５を制御し、コントロールバルブ４２によって油圧ポンプ４１の動力をブームシリンダ３２に伝達する。ここで、電磁比例弁７５は、ＭＣＵ８０からの電気信号を油圧信号に変換するデバイスである。このとき、ＨＣＵ１００は、ＭＣＵ８０で検出したレバー信号と油圧ポンプ４１の圧力信号等に基づいて油圧ポンプ４１に必要な動力を推定し、ＰＣＵ５５で検出したバッテリ２４の電圧値に基づいてバッテリ２４の蓄電残量（以下、ＳＯＣと称する）を推定する。

ＨＣＵ１００は、油圧ポンプ４１に必要な動力をエンジン２２と発電機モータ２３で適切に配分するため、推定した油圧ポンプ４１の動力とバッテリ２４のＳＯＣに基づいてエンジン回転速度指令および発電機モータ出力指令を演算し、それぞれＥＣＵ５７とＰＣＵ５５に対して指令を行う。

また、ＨＣＵ１００は、油圧シリンダや油圧モータの負荷が大きくなり、油圧ポンプ４１が過負荷状態になった場合には、エンジン２２のストールを防止するためにエンジン２４の回転速度に応じて油圧ポンプ４１の動力を制限する指令をＭＣＵ８０に出力する。ＭＣＵ８０は、ＨＣＵ１００からの指令に応じて電磁比例弁７５を制御し、油圧ポンプ４１の動力を制限する。

次に、図３と図４を用いて、本発明の一実施形態である油圧ショベルに搭載されたＨＣＵ１００の処理内容について説明する。図３は、ＨＣＵ１００の電気的構成を示すブロック図である。なお、以下に示す処理の内容は、ＨＣＵ１００にプログラミングされ、あらかじめ定められた周期で繰り返し実行される。また、以降の説明において、発電機モータ２３の出力は力行側を正の値、回生側（発電側）を負の値として定義し、バッテリ２４の出力は放電側を正の値、充電側を負の値として定義する。

図３に示すように、ＨＣＵ１００は、主に、作業モードを判定する作業モード判定部４０１、作業モード毎に出力の平均値を算出する平均値算出部（作業出力演算部）４０２，４０４，４０６、および各平均値算出部４０２，４０４，４０６の算出値に応じてエンジンの出力の大きさを設定するエンジン出力設定部４０３，４０５，４０７を備えて構成される。

ＨＣＵ１００は、運転者によるモードスイッチ４５，４６の操作やレバー操作量に相当する信号を検出し、作業モード判定部４０１により標準モード（以下、ＰＷＲモードと称する）や燃費重視モード（以下、ＥＣＯモードと称する）等の作業モードを判定する。また、ＨＣＵ１００は、油圧ポンプ４１の吐出圧を検出し、運転者のレバー操作量に応じて推定した油圧ポンプ４１の吐出流量を用いて油圧ポンプ４１の出力を算出する。さらに、ＨＣＵ１００はエンジン２２の回転数とトルクを検出し、エンジン２２の出力を算出する。

次に、平均値算出部４０２では、油圧ポンプ４１の出力に応じてＰＷＲモードにおける出力の平均値を算出する。エンジン出力設定部４０３では、平均値算出部４０２で算出したＰＷＲモードにおける出力の平均値（演算値）に応じてエンジン２２の出力（本実施形態では回転数）を設定し、油圧ポンプ４１の出力に応じて発電機モータ２３の目標出力を設定する。そして、設定した発電機モータ２３の目標出力とエンジン２２の回転数に応じて発電機モータ２３の目標トルクを算出し、作業モード判定部４０１により判定された作業モードがＰＷＲモードの場合に、発電機モータ２３の目標トルクをＰＣＵ５５に送信する。

同様に、平均値算出部４０４では、油圧ポンプ４１の出力に応じてＥＣＯモードにおける出力の平均値（演算値）を算出する。エンジン出力設定部４０５では、平均値算出部４０４で算出したＥＣＯモードにおける出力の平均値に応じてエンジン２２の出力（本実施形態では回転数）を設定し、油圧ポンプ４１の出力に応じて発電機モータ２３の目標出力を設定する。そして、設定した発電機モータ２３の目標出力とエンジン２２の回転数に応じて発電機モータ２３の目標トルクを算出し、作業モード判定部４０１により判定された作業モードがＥＣＯモードの場合に、発電機モータ２３の目標トルクをＰＣＵ５５に送信する。

なお、本実施形態では、エンジン２２の目標出力として回転数を設定するようにしているが、回転数の代わりにトルクを設定するようにしても良い。

また、運転者の操作に応じて判定される作業モードが他に存在する場合には、平均値算出部４０６、エンジン出力設定部４０７にて、平均値算出部４０２，４０４、エンジン出力設定部４０３，４０５と同様の処理を実行する。

図４は、ＨＣＵ１００の処理内容を示す制御フローチャートである。図４では、作業モードとしてＥＣＯモードとＰＷＲモードの２つが存在する場合について説明している。

最初に、図４（ａ）を用いて、作業モード判定部４０１、平均値算出部４０２，４０４、およびエンジン出力設定部４０３，４０５の処理内容について説明する。まず、ステップ５０１において、現在の作業モードがＥＣＯモードか否かの判定が作業モード判定部４０１によって行われ、当該判定がＥＣＯモードの場合はステップ５０２に進み、ＥＣＯモード以外（ＰＷＲモード）の場合はステップ５１２に進む。

ステップ５０２において、前回の作業モードがＰＷＲモードであったか否かの判定が作業モード判定部４０１によって行われ、ＰＷＲモードの場合はＥＣＯモード開始時であると判定してステップ５０３に進み、ＰＷＲモード以外（ＥＣＯモード）の場合はＥＣＯモード実行中であると判定してステップ５０５に進む。ステップ５０５では、ＥＣＯモードでの作業時間を計測するためのタイマをインクリメントする処理が行われる。次いで、ステップ５０６に進み、ステップ５０６では油圧ポンプ４１の出力を積分する処理が実行される。

その後、ステップ５０７において、油圧ポンプ４１の出力の平均値が平均値算出部４０４によって算出される。具体的には、平均値算出部４０４は、ステップ５０６で算出した積分値をステップ５０５で算出したタイマ（ＥＣＯモードでの作業時間に相当）で除算する処理を実行する。このステップ５０７で演算された油圧ポンプ４１の出力の平均値の履歴は、ＨＣＵ１００の図示しない記憶領域（例えばＲＡＭ）に記憶される。なお、ステップ５０３では、ＥＣＯモード開始時にＥＣＯモードでの作業時間を計測するためのタイマや油圧ポンプ４１の出力を積分した値をクリアするための初期化処理が実行される。また、ステップ５０４は、前回までの作業モードにおける出力の平均値を更新する処理であり、詳細については後述する。

一方、ステップ５１２に進んだ場合、このステップ５１２において、前回の作業モードがＥＣＯモードか否かの判定が作業モード判定部４０１によって行われる。ＥＣＯモードの場合はＰＷＲモード開始時であると判定してステップ５１３に進み、ＥＣＯモード以外（ＰＷＲモード）の場合はＰＷＲモード実行中であると判定してステップ５１５に進む。ステップ５１５では、ＰＷＲモードでの作業時間を計測するためのタイマをインクリメントする処理が行われる。次いで、ステップ５１６に進み、ステップ５１６では油圧ポンプ４１の出力を積分する処理が実行される。その後、ステップ５１７において、油圧ポンプ４１の出力の平均値が平均値算出部４０２によって算出される。具体的には、平均値算出部４０２は、ステップ５１６で算出した積分値をステップ５１５で算出したタイマ（ＰＷＲモードでの作業時間に相当）で除算する処理を実行する。

なお、ステップ５１３では、ＰＷＲモード開始時にＰＷＲモードでの作業時間を計測するためのタイマや油圧ポンプ４１の出力を積分した値をクリアするための初期化処理が実行される。また、ステップ５１４は、前回までの作業モードにおける出力の平均値を更新する処理であり、詳細については後述する。

次に、ステップ５０４およびステップ５１４にて行われる処理の詳細について説明する。ステップ５０４は、前回のＥＣＯモードの状態（第１の作業モードを選択している第１の状態）からＰＷＲモードの状態（第２の作業モードを選択する第２の状態）に遷移した後、今回のＥＣＯモードの状態（第２の状態から第１の作業モードを選択する第３の状態）に遷移したタイミングで行う処理であるため、まず、エンジン出力設定部４０５は、前回のＥＣＯモードの状態（第１の状態）における油圧ポンプ４１の出力の平均値を読み出し、その平均値を、今回の処理に用いるための値として設定する。

即ち、ＰＷＲモードからＥＣＯモードに切り替わった際には、エンジン出力設定部４０５は、ステップ５０４において、過去のステップ５０４の処理において設定された古い平均値から、直近のＥＣＯモードの状態において算出された新しい平均値に更新する処理を実行する。

さらに、ステップ５０４において、エンジン出力設定部４０５は、更新された平均値に応じて、今回のＥＣＯモードにおけるエンジン２２の目標出力を設定する処理を行う。即ち、ステップ５０７で算出したＥＣＯモードにおける油圧ポンプ４１の出力の平均値（Pave_eco）を、ＥＣＯモードにおけるエンジン２２の目標出力（Pe_eco）に反映する処理を実行する。具体的には、式（１）によりエンジン２２の目標出力（Pe_eco）を更新する。

Pe_eco ＝ Pave_eco × β ＋ Pe_eco_old ×（１−β）・・・（１）

ここで、Pe_eco_oldは更新前のエンジン２２の目標出力であり、β（０≦β≦１）は出力の平均値（Pave_eco）をエンジン２２の目標出力（Pe_eco）にどれだけ反映させるかを決定するパラメータである。

一方、ステップ５１４は、前回のＰＷＲモードの状態（第１の作業モードを選択している第１の状態）からＥＣＯモードの状態（第２の作業モードを選択する第２の状態）に遷移した後、今回のＰＷＲモードの状態（第２の状態から第１の作業モードを選択する第３の状態）に遷移したタイミングで行う処理であるため、まず、エンジン出力設定部４０３は、前回のＰＷＲモードの状態（第１の状態）における油圧ポンプ４１の出力の平均値を読み出し、その平均値を、今回の処理に用いるための値として設定する。

即ち、ＥＣＯモードからＰＷＲモードに切り替わった際には、エンジン出力設定部４０３は、ステップ５１４において、過去のステップ５１４の処理において設定された古い平均値から、直近のＰＷＲモードの状態において算出された新しい平均値に更新する処理を実行する。

さらに、ステップ５１４において、エンジン出力設定部４０３は、更新された平均値に応じて、今回のＰＷＲモードにおけるエンジン２２の目標出力を設定する処理を行う。即ち、ステップ５１４では、ステップ５１７で算出したＰＷＲモードにおける油圧ポンプ４１の出力の平均値（Pave_pwr）を、ＰＷＲモードにおけるエンジン２２の目標出力（Pe_pwr）に反映する処理を実行する。具体的には、式（２）によりエンジン２２の目標出力（Pe_pwr）を更新する。

Pe_pwr ＝ Pave_pwr × α ＋ Pe_pwr_old ×（１−α）・・・（２）

ここで、Pe_pwr_oldは更新前のエンジン２２の目標出力であり、α（０≦α≦１）は出力の平均値（Pave_pwr）をエンジン２２の目標出力（Pe_pwr）にどれだけ反映させるかを決定するパラメータである。

このように、図４（ａ）で示した処理を実行することにより、運転者の操作に応じた作業モード毎に作業出力に相当するパラメータ（例えば、油圧ポンプ４１の出力）の平均値を算出し、作業モード毎に各々の平均値に応じてエンジン２２の出力を設定することが可能となる。

次に、図４（ｂ）を用いて発電機モータ２３の目標トルクの算出方法について説明する。最初に、ステップ５２１において、ＨＣＵ１００で検出したレバー操作量に応じて油圧ポンプ４１から吐出される作動油の吐出流量（Q）が算出され、さらにステップ５２２では、ＨＣＵ１００で検出した油圧ポンプ４１の吐出圧（P）とステップ５２１で算出された吐出流量（Q）に基づいて、油圧ポンプ４１の出力（Pp）が式（３）に従って算出される。

Pp ＝ Q × P ・・・（３）

次に、ステップ５２３では、モータ目標出力算出部４１０が、ステップ５２２で算出された油圧ポンプ４１の出力（Pp）とエンジン出力設定部４０３，４０５で設定されたエンジン目標出力（Pe_ref）とに応じて、発電機モータの目標出力（Pa_ref）を式（４）に従って算出する。なお、式（４）において、作業モード判定部４０１によりＰＷＲモードと判定されている場合にはPe_ref＝Pe_pwrであり、作業モード判定部４０１によりＥＣＯモードと判定されている場合にはPe_ref＝Pe_ecoとなる。

Pa_ref ＝ Pp − Pe_ref ・・・（４）

そして、ステップ５２４では、ＨＣＵ１００で検出したエンジン２２の回転数に応じて算出した発電機モータ２３の回転数（Na）とステップ５２３で算出された発電機モータ目標出力（Pa_ref）とに基づいて、モータ目標トルク算出部４１１が、発電機モータ目標トルク（Ta_ref）を算出する。そして、ステップ５２４で算出された発電機モータ目標トルク（Ta_ref）に基づいて発電機モータ２３の駆動を制御すれば、作業モードに応じてエンジン２２の出力を平準化させることができる。

次に、図５を用いて、本発明の実施形態に係る油圧ショベルの効果について説明する。図５は、作業モード、ポンプ出力、およびバッテリ充電量の動作を示すタイムチャートである。図の横軸は時間を示しており、縦軸は上から順に運転者の操作に応じて選択される作業モード、油圧ポンプ４１の出力、バッテリ２４の充電量を示している。また、油圧ポンプ４１の出力を示すチャートには、エンジン２２の出力を点線で重ねて示しており、これらの出力はエンジン２２の最大出力を１００％として正規化した値で示している。

まず、時刻ｔ０において、運転者がＥＣＯモードを選択して作業を開始すると、油圧ポンプ４１の出力が発生する。ここで、エンジン２２の出力を９０％程度に設定し、ＥＣＯモードにおける油圧ポンプ４１の平均出力が９０％より小さい場合について考える。

図５に示すように、エンジン２２の出力に対して油圧ポンプ４１の出力が小さい場合には発電機モータ２３による発電を行い、エンジン２２の出力に対して油圧ポンプ４１の出力が大きい場合には発電機モータ２３によるパワーアシストを行う。運転者によってＥＣＯモードが選択されている時刻ｔ０から時刻ｔ１においては、油圧ポンプ４１の出力がエンジン２２の出力よりも小さい状態が多いため、発電機モータ２３の発電電力によってバッテリ２４の充電量が増加していく。

次に、時刻ｔ１からｔ３までの間において、運転者がＰＷＲモードを選択して作業を行う場合について考える。時刻ｔ１からｔ３までは運転者によってＰＷＲモードが選択されているため、油圧ポンプ４１の出力が時刻ｔ１以前に比べて高くなっているが、本実施形態では、時刻ｔ１までのＥＣＯモードにおける油圧ポンプ４１の出力の平均値は時刻ｔ１からｔ３までのＰＷＲモードにおけるエンジン２２の出力には反映されないため、エンジン２２の出力は時刻ｔ１までと同様に９０％程度に設定される。

このとき、従来技術のＥＣＯモード（図７中の燃費重視モード）からＰＷＲモード（図７中の標準モード）の遷移を示す図７のように、時刻ｔ１においてエンジン２２の出力を下げていないため、油圧ポンプ４１の出力がエンジン２２の出力よりも大きい状態が少なくなり、発電機モータ２３の力行電力によるバッテリ２４の充電量変化が抑制される。したがって、バッテリ２４の充電量が下限値に到達して使用可能範囲を超えることを未然に防止できる。その後、時刻ｔ３以降で、運転者が再びＥＣＯモードを選択して作業を行うときは、時刻ｔ１までのＥＣＯモード（直近のＥＣＯモード）における油圧ポンプ４１の出力の平均値がエンジン２２の出力に反映されるため、エンジン２２の出力が９０％から若干下がることになる。

このように、ＥＣＯモードで算出した油圧ポンプ４１の出力の平均値をＰＷＲモードのエンジン２２の出力の大きさに反映しないことによって、運転者が選択する作業モードに応じた作業の違いを考慮することになり、油圧ポンプ４１の出力とエンジン２２の出力の間の過不足を低減することができる。その結果、発電機モータ２３の出力を抑制することが可能となり、バッテリ２４の充電量の変化を抑えることができる。したがって、バッテリ２４の充電量が所定の使用範囲を超えて発電機モータ２３の出力を制限するような機会が少なくなり、所望の作業出力を発生することができる。

なお、上記実施形態においては、作業出力に相当するパラメータの平均値として油圧ポンプ４１の出力の平均値を一例として挙げているが、バッテリ２４の充放電傾向に応じてエンジン２２の出力を設定する方式も考えられる。例えば、運転者の操作によりＥＣＯモードからＰＷＲモードに切り替わる時刻ｔ１のバッテリ２４の充電量（Ebfn）とＥＣＯモードでの作業が開始される時刻ｔ０のバッテリ２４の充電量（Ebst）の差分（Ebfn−Ebst）に応じてバッテリ２４の充放電傾向を判定することにより、このＥＣＯモードにおけるエンジン２２の出力設定の妥当性を判定することができる。

例えば、Ebfn−Ebstの値が正のときは、バッテリ２４は充電傾向にあるため、エンジン２２の出力は油圧ポンプ４１の出力に対して平均的に大きいことになる。したがって、時刻ｔ０から時刻ｔ１までのエンジン２２の出力に対して時刻ｔ３以降のエンジン２２の出力を小さくすることが望ましい。一方、Ebfn−Ebstの値が負のときは、バッテリ２４は放電傾向にあるため、エンジン２２の出力は油圧ポンプ４１の出力に対して平均的に小さいことになる。したがって、時刻ｔ０から時刻ｔ１までのエンジン２２の出力に対して時刻ｔ３以降のエンジン２２の出力を大きくすることが望ましい。

そこで、エンジン出力設定部４０５は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までのＥＣＯモードの状態（第１の作業モードを選択している第１の状態）から、時刻ｔ１から時刻ｔ３までのＰＷＲモードの状態（第２の作業モードを選択する第２の状態）に遷移した後、時刻ｔ３以降のＥＣＯモードの状態（第２の状態から第１の作業モードを選択する第３の状態）に遷移したタイミングで行うステップ５０４（図４参照）の処理において、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間の油圧ポンプ４１の出力の平均値だけでなく、その間のバッテリ２４の充放電傾向の判定結果をも反映させて、ｔ３以降のＥＣＯモードにおけるエンジン２２の目標出力を設定するようにする。こうすることで、ｔ３以降に行われるＥＣＯモードにおいて、エンジン２２の出力がより一層平準化されるという効果がある。

勿論、ＰＷＲモードからＥＣＯモードに切り替えられた後、再びＰＷＲモードに切り替えられた場合においても、ステップ５１４において、同様に油圧ポンプ４１の出力の平均値だけでなく、バッテリ２４の充放電傾向の判定結果をも反映させて今回のＰＷＲモードにおけるエンジン２２の目標設定をすれば良い。

次に、図６を用いて、運転者の操作に応じて選択される作業モードについて説明する。図６は、運転者の操作に応じて選択される作業モードの判定方法とその実施例を示すチャートである。

まず、図６（ａ）を用いて作業モードの判定方法とその実施例について説明する。運転者の操作によりモードスイッチがＰＷＲモードとなっているときは、作業モード判定部４０１は、ＰＷＲモード判定を行う。作業モード判定部４０１は、このＰＷＲモード判定において、作業の違いによる油圧ポンプ４１の出力の変動を考慮して掘削または非掘削の状態を判定することにより、より細分化された作業モードを判定する。

例えば、掘削状態のときは油圧ポンプ４１の出力が高くなることが予想されるため、作業モード判定部４０１は作業モードを「Ａ」と判定する。この判定に基づいて、ＨＣＵ１００は、エンジン２２の出力基準値を１００％に設定する。また、非掘削状態のときは油圧ポンプ４１の出力が掘削状態に比べて若干低くなることが予想されるため、作業モード判定部４０１は作業モードを「Ｂ」と判定する。この判定に基づいて、ＨＣＵ１００は、エンジン２２の出力基準値を８０％に設定する。

また、運転者の操作によりモードスイッチがＥＣＯモードとなっているときは、作業モード判定部４０１は、ＥＣＯモード判定を行う。作業モード判定部４０１は、このＥＣＯモード判定において、ＰＷＲモード判定と同様に作業の違いによる油圧ポンプ４１の出力の変動を考慮して掘削または非掘削の状態を判定することにより、より細分化された作業モードを判定する。

例えば、掘削状態のときは油圧ポンプ４１の出力が高くなることが予想されるため、作業モード判定部４０１は作業モードを「Ｃ」と判定する。この判定に基づいて、ＨＣＵ１００は、エンジン２２の出力基準値を９０％に設定する。また、非掘削状態のときは油圧ポンプ４１の出力が掘削状態に比べて若干低くなることが予想されるため、作業モード判定部４０１は作業モードを「Ｄ」と判定する。この判定に基づいて、ＨＣＵ１００は、エンジン２２の出力基準値を７０％に設定する。

次に、図６（ｂ）を用いて、図６（ａ）の掘削または非掘削状態を判定する方法について説明する。条件Ｎｏ．１は、前回の非掘削判定フラグがオン、すなわち非掘削状態の場合を示している。Ｎｏ．１において、ポンプ吐出圧が所定値以上、かつ、アームクラウド（アーム引き）操作量が所定値以上で、ブーム上げ操作量とバケットクラウド（バケット引き）操作量の何れかが所定値以上の場合に、ＨＣＵ１００は、非掘削判定フラグをオフ、すなわち掘削状態であると判定し、それ以外の場合は非掘削状態の判定を継続する。

条件Ｎｏ．２は、前回の非掘削判定フラグがオフ、すなわち掘削状態の場合を示している。Ｎｏ．２において、ポンプ吐出圧が所定値以上、かつ、アームクラウド（アーム引き）操作量が所定値以上の場合は、ＨＣＵ１００は、非掘削判定フラグをオフ、すなわち掘削状態の判定を継続し、それ以外の場合は非掘削判定フラグをオンして非掘削状態であると判定する。

これにより、非掘削状態のときは、作業負荷およびアームクラウド（アーム引き）とブーム上げ・バケットクラウド（バケット引き）との複合操作で状態を判定し、掘削状態のときは、作業負荷およびアームクラウド（アーム引き）の単独操作で状態を判定することにより、掘削／非掘削の状態を精度良く判定することが可能となる。

そして、図６で示したように、運転者によるモードスイッチの操作だけでなく、レバー操作量や油圧ポンプ４１の負荷などを考慮して作業モードを細分化し、作業モード毎にエンジン２２の出力基準値を設けることにより、作業の違いによるエンジン２２と油圧ポンプ４１の出力の過不足をより一層低減することができる。

なお、上記した実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。

例えば、上記の実施形態では、作業モード毎に油圧ポンプ４１の出力の平均値を算出する構成としたが、この構成に代えて、油圧ポンプ４１の出力値の中で頻度の一番高い値、即ち、最頻値（本発明の演算値に相当する）を作業モード毎に算出する構成としても良い。

また、上記の実施形態では、エンジン出力設定部が、油圧ポンプ４１の出力の平均値にバッテリ２４の充放電傾向の判定結果を反映させてエンジン２２の目標出力を設定する構成を説明したが、エンジン出力設定部は、バッテリ２４の充放電傾向の判定結果のみに応じてエンジン２２の目標出力を設定しても良い。勿論、この構成によっても、作業モード毎にエンジン２２の出力を平準化できる。

なお、本発明は、エンジンで油圧ポンプを駆動し、エンジンの駆動をモータでアシストする構成の建設機械であれば、あらゆる種類の建設機械に対して適応できる。例えば、ホイールローダやクレーンに本発明を適用しても良い。

２２…エンジン
２３…発電機モータ
２４…バッテリ（蓄電デバイス）
３０…作業機
３２…ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３４…アームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３６…バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）
４１…油圧ポンプ
４５…ＰＷＲモードスイッチ（作業モード選択装置）
４６…ＥＣＯモードスイッチ（作業モード選択装置）
１００…ハイブリッド・コントロール・ユニット（ＨＣＵ）
４０１…作業モード判定部
４０２，４０４，４０６…平均値算出部（作業出力演算部）
４０３，４０５，４０７…エンジン出力設定部

上記目的を達成するため、本発明に係る建設機械は、エンジンと、前記エンジンによって発電可能な発電機モータと、前記エンジンおよび前記発電機モータによって駆動可能な油圧ポンプと、前記油圧ポンプの動力で作業機を駆動操作する油圧アクチュエータと、前記発電機モータを駆動する電力の供給および前記発電機モータで生成した電力の充電を行うための蓄電デバイスと、運転者の操作に応じて複数の作業モードの中から何れかの作業モードを選択する作業モード選択装置と、前記作業モード選択装置により選択された作業モードに応じて前記エンジンの目標出力を設定するエンジン出力設定部と、を備え、過去に出力された前記油圧ポンプの作業出力を前記作業モード毎に記憶し、前記エンジン出力設定部は、今回選択された前記作業モードと同じ作業モードに対する前記過去の前記油圧ポンプの作業出力に応じて、今回選択された前記作業モードにおける前記エンジンの目標出力を設定することを特徴とする。

Claims

エンジンと、
前記エンジンによって発電可能な発電機モータと、
前記エンジンおよび前記発電機モータによって駆動可能な油圧ポンプと、
前記油圧ポンプの動力で作業機を駆動操作する油圧アクチュエータと、
前記発電機モータを駆動する電力の供給および前記発電機モータで生成した電力の充電を行うための蓄電デバイスと、
運転者の操作に応じて複数の作業モードの中から何れかの作業モードを選択する作業モード選択装置と、
前記作業モード選択装置により選択された作業モードに応じて前記エンジンの出力の大きさを設定するエンジン出力設定部と、
を備え、
過去に出力された作業出力の大きさの履歴を前記作業モード毎に記憶し、
前記エンジン出力設定部は、今回選択された前記作業モードと同じ作業モードに対する前記過去の作業出力の大きさの履歴を反映させて、今回選択された前記作業モードにおける前記エンジン出力の大きさを設定することを特徴とする建設機械。
請求項１において、
前記作業モード毎の作業出力に相当するパラメータに基づいて、作業出力の演算を行う作業出力演算部をさらに備え、
前記エンジン出力設定部は、前記作業出力演算部で求めた演算値に応じて、前記作業モード毎に前記エンジンの出力の大きさを設定する
ことを特徴とする建設機械。
請求項１または２において、
前記エンジン出力設定部は、前記作業モード毎に前記蓄電デバイスの充放電傾向を判定し、その判定結果に応じて前記エンジンの出力の大きさを設定する
ことを特徴とする建設機械。
請求項２において、
前記エンジン出力設定部は、第１の作業モードを選択している第１の状態から第２の作業モードを選択する第２の状態に遷移した後、前記第２の状態から第１の作業モードを選択する第３の状態に遷移する際に、前記第１の状態における前記演算値に応じて前記第３の状態における前記エンジンの出力の大きさを設定する
ことを特徴とする建設機械。
請求項３において、
前記エンジン出力設定部は、第１の作業モードを選択している第１の状態から第２の作業モードを選択する第２の状態に遷移した後、前記第２の状態から第１の作業モードを選択する第３の状態に遷移する際に、前記第１の状態における前記蓄電デバイスの充放電傾向の判定結果に応じて前記第３の状態における前記エンジンの出力を設定する
ことを特徴とする建設機械。
請求項１において、
前記複数の作業モード毎に、さらに掘削作業または非掘削作業の状態の判定結果に基づいて前記エンジンの出力基準値をそれぞれ設定し、
前記エンジン出力設定部は、今回選択された前記作業モードと前記掘削作業または非掘削作業の状態の判定結果に基づいて設定した前記エンジンの出力基準値に、前記過去の作業出力の大きさの履歴を反映させて前記エンジン出力の大きさを設定することを特徴とする建設機械。