KR101897933B1 - 하이브리드식 작업 기계 - Google Patents

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KR101897933B1
KR101897933B1 KR1020177004629A KR20177004629A KR101897933B1 KR 101897933 B1 KR101897933 B1 KR 101897933B1 KR 1020177004629 A KR1020177004629 A KR 1020177004629A KR 20177004629 A KR20177004629 A KR 20177004629A KR 101897933 B1 KR101897933 B1 KR 101897933B1
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engine
torque
control
speed
hydraulic pump
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하지메 요시다
슈헤이 노구치
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가부시키가이샤 히다치 겡키 티에라
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2058—Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2062—Control of propulsion units
    • E02F9/2075—Control of propulsion units of the hybrid type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
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    • B60W30/1888—Control of power take off [PTO]
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    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2058—Electric or electro-mechanical or mechanical control devices of vehicle sub-units
    • E02F9/2091—Control of energy storage means for electrical energy, e.g. battery or capacitors
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/22—Hydraulic or pneumatic drives
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
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Abstract

하이브리드 방식을 채용하여 엔진을 소형화함으로써 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감을 도모함과 함께, 축전 장치의 충전량이 매우 불충분한 경우에 유압 펌프의 출력 저하를 억제하면서 축전 장치의 급속 충전을 행하는 것이 가능한 하이브리드식 작업 기계를 제공한다. 차체 컨트롤러(46)는, 배터리(33)의 충전율이 최소 충전율 이하로 저하된 경우에, 엔진(11)의 목표 회전수를 저하시키는 엔진 회전수 저하 제어와 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크를 저하시키는 감소 토크 제어를 행함으로써 상기 엔진에 강제적으로 잉여 토크를 발생시키고, 이 잉여 토크를 사용하여 발전·전동기(31)를 발전기로서 작동시켜 배터리의 급속 충전을 행한다.

Description

하이브리드식 작업 기계{HYBRID WORK MACHINE}
본 발명은 하이브리드식 작업 기계에 관한 것으로, 특히 소형의 유압 셔블 등의 하이브리드식 작업 기계에 관한 것이다.
최근들어 유압 셔블 등의 작업 기계에 있어서는, 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감 등의 관점에서, 엔진(디젤 엔진)과 전동기를 병용하는 하이브리드식 작업 기계가 개발되어, 일부 실용화되고 있다. 이러한 하이브리드식 건설 기계로서 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 것이 있다.
특허문헌 1에 기재된 하이브리드식 건설 기계에서는, 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프의 보조 동력원으로서 발전·전동기를 설치하고, 유압 펌프의 요구 토크가 엔진 출력 토크보다 큰 경우는, 배터리의 전력으로 발전·전동기를 전동기로서 작동시켜 엔진 출력 토크의 부족분을 보충하고, 배터리의 충전량이 불충분해진 경우에는, 유압 펌프의 감소 토크 제어에 의해 엔진에 강제적으로 잉여 토크를 발생시키고, 발전·전동기를 발전기로서 작동시켜 배터리의 급속 충전을 행하고 있다.
일본 특허 공개 제2011-149226
특허문헌 1에 기재된 하이브리드식 건설 기계에 의하면, 배터리의 충전량이 불충분한 경우에, 유압 펌프의 감소 토크 제어를 행함으로써 엔진에 강제적으로 잉여 토크를 발생시키고, 발전·전동기를 발전기로서 작동시켜 배터리의 급속 충전을 행할 수 있다.
그러나, 급속 충전 중에는 유압 펌프의 출력이 저하되기 때문에, 예를 들어 굴삭 작업 등의 고부하 토크가 요구되는 작업에 지장을 초래할 우려가 있다.
본 발명은 상기한 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 하이브리드 방식을 채용하여 엔진을 소형화함으로써 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감을 도모함과 함께, 축전 장치의 충전량이 매우 불충분한 경우에 유압 펌프의 출력 저하를 억제하면서 축전 장치의 급속 충전을 행하는 것이 가능한 하이브리드식 작업 기계를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 엔진과, 이 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 이 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 복수의 유압 액추에이터와, 상기 엔진의 목표 회전수를 지시하는 엔진 회전수 지시 장치와, 상기 엔진의 실회전수를 검출하는 엔진 회전수 검출 장치와, 상기 엔진의 부하 토크가 증가됨에 따라 상기 엔진의 출력 토크가 증가되도록 연료 분사량을 제어하는 거버너 장치와, 상기 엔진에 연결된 발전·전동기와, 상기 발전·전동기와의 사이에서 전력을 수수하는 축전 장치와, 상기 축전 장치로부터의 전력을 상기 발전·전동기에 공급함으로써 상기 발전·전동기를 전동기로서 작동시켜 출력 어시스트를 행하고, 상기 엔진에 의해 상기 발전·전동기를 회전 구동함으로써 상기 발전·전동기를 발전기로서 작동시켜 상기 축전 장치를 충전하는 제어 장치를 구비하고, 상기 엔진은, 상기 거버너 장치의 연료 분사량이 최대일 때의 전부하 특성과, 상기 거버너 장치의 연료 분사량이 최대로 증가될 때까지의 레귤레이션 특성을 포함하는 출력 토크 특성을 갖고, 상기 전부하 특성은, 상기 엔진 회전수 검출 장치에 의해 검출된 엔진 회전수가 정격 회전수로부터 소정 회전수로 저하됨에 따라 상기 엔진의 출력 토크가 증가되고, 상기 소정 회전수로 상기 엔진의 출력 토크가 최대가 되는 제1 특성 부분과, 상기 엔진 회전수가 상기 소정 회전수로부터 저하됨에 따라 상기 엔진의 출력 토크가 감소되는 제2 특성 부분을 갖고, 상기 제어 장치는, 상기 축전 장치의 충전율이 상기 발전·전동기의 어시스트 구동에 의한 작업의 계속이 불능이 되는 최소 충전율 이하로 저하된 경우에, 상기 엔진의 목표 회전수를 저하시키는 엔진 회전수 저하 제어와 상기 유압 펌프의 최대 흡수 토크를 저하시키는 감소 토크 제어를 행하고, 이 엔진 회전수 저하 제어와 감소 토크 제어에 의해 상기 엔진에 발생한 잉여 토크를 사용하여 상기 발전·전동기를 발전기로서 작동시켜 상기 축전 장치를 충전하는 충전 제어를 행하는 것으로 한다.
이와 같이 구성한 본 발명에 있어서는, 출력 어시스트에 의해 엔진의 요구 토크를 억제함으로써 엔진의 소형화가 가능해지고, 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 배터리의 충전율이 최소 충전율 이하로 저하된 경우(즉 배터리의 충전량이 매우 불충분한 경우)에, 엔진 회전수를 저하시키는 엔진 회전수 저하 제어를 행함으로써, 엔진 전부하 특성의 제1 특성 부분상의 최대 마력 회전수에 있어서의 엔진 출력 토크가 증가된다. 이에 의해 감소 토크 제어만을 행하여 잉여 토크를 발생시키는 경우와 비교하여 감소 토크 제어에 의한 유압 펌프의 최대 흡수 토크의 저하량이 억제되어, 유압 펌프의 출력 저하를 억제하면서 축전 장치의 급속 충전을 행하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따르면, 하이브리드 방식을 채용하여 엔진을 소형화함으로써 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감을 실현함과 함께, 배터리의 충전량이 매우 불충분한 경우에 유압 펌프의 출력 저하를 억제하면서 배터리의 급속 충전을 행하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 하이브리드식 작업 기계인 소형의 유압 셔블의 외관을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 유압 셔블의 구동 시스템을 도시하는 도면이다.
도 3은 엔진 컨트롤러가 연료 분사량을 연산할 때에 사용하는 연료 분사량 특성을 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시한 바와 같이 연료 분사량이 제어되었을 때의 엔진의 출력 토크 특성을 도시하는 도면이다.
도 5는 펌프 레귤레이터의 구성의 상세를 도시하는 도면이다.
도 6은 펌프 레귤레이터의 토크 제어부의 기능을 나타내는 펌프 토크 특성도이다.
도 7은 유압계의 컨트롤 밸브와 복수의 유압 액추에이터 중 좌우의 주행용 유압 모터에 관한 유압 회로 부분을 도시하는 도면이다.
도 8a는 종래의 일반적인 미니 셔블의 유압 펌프의 PQ 특성(마력 특성)과 대표적인 출력 사용 범위의 관계를 도시하는 도면이다.
도 8b는 종래의 일반적인 미니 셔블의 엔진 출력 마력 특성과 대표적인 출력 사용 범위의 관계를 도시하는 도면이다.
도 8c는 종래의 일반적인 미니 셔블의 엔진의 출력 토크 특성을 도시하는 도면이다.
도 9a는 본 발명의 실시 형태에 관한 미니 셔블의 유압 펌프의 PQ 특성(마력 특성)과 대표적인 출력 사용 범위의 관계를 도시하는 도면이다.
도 9b는 본 발명의 실시 형태에 관한 미니 셔블의 엔진 출력 마력 특성과 대표적인 출력 사용 범위의 관계를 도시하는 도면이다.
도 9c는 본 발명의 실시 형태에 관한 미니 셔블의 엔진과 발전·전동기를 조합한 하이브리드 구동 시스템의 출력 토크 특성을 도시하는 도면이다.
도 10은 차체 컨트롤러에 의한 제어를 도시하는 블록도이다.
도 11은 차체 컨트롤러에 의한 제어를 나타내는 흐름도이다.
도 12는 목표 회전수와 엔진 출력 마력 및 최대 마력 회전수의 관계를 도시하는 도면이다.
도 13a는 어시스트 제어에 의한 시스템 출력 토크의 변화를 도시하는 도면이다.
도 13b는 배터리 충전 제어에 의한 시스템 출력 토크의 변화를 도시하는 도면이다.
도 14a는 어시스트 제어에 의한 시스템 출력 마력의 변화를 도시하는 도면이다.
도 14b는 배터리 충전 제어에 의한 시스템 출력 토크의 변화를 도시하는 도면이다.
도 15a는 비교예로서, 펌프 감소 토크 제어만으로 급속 충전 제어를 행한 경우의 유압 펌프의 최대 흡수 토크의 변화(감소 토크량)를 도시하는 도면이다.
도 15b는 펌프 감소 토크 제어만으로 급속 충전 제어를 행하는 경우의 감소 토크량과, 그때의 배터리의 급속 충전의 발전 토크로서 사용되는 엔진의 잉여 토크와 작업에 사용 가능한 최대 토크의 배분을 도시하는 도면이다.
도 16a는 본 실시 형태에 있어서 엔진 회전수 저하 제어와 펌프 감소 토크 제어에 의해 급속 충전 제어를 행하는 경우의 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크의 변화(감소 토크량)를 도시하는 도면이다.
도 16b는 본 실시 형태에 있어서 필요해지는 감소 토크량과, 그때의 엔진 잉여 토크와 작업에 사용 가능한 최대 토크의 배분을 도시하는 도면이다.
도 17a는 아이소크로노스 제어를 채용한 경우의 엔진 회전수와 엔진 출력 토크의 관계를 도시하는 도면이다.
도 17b는 아이소크로노스 제어를 채용한 경우의 엔진 회전수와 엔진 출력 마력의 관계를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다.
~ 구성 ~
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 하이브리드식 작업 기계인 소형의 유압 셔블의 외관을 도시하는 도면이다. 본 명세서에 있어서, 소형의 유압 셔블이란 미니 셔블을 포함하는 8톤 클래스 이하의 유압 셔블을 의미한다.
유압 셔블은 하부 주행체(101)와, 이 하부 주행체(101) 상에 선회 가능하게 탑재된 상부 선회체(102)와, 이 상부 선회체(102)의 선단 부분에 스윙 포스트(103)를 개재하여 상하 및 좌우 방향으로 회동 가능하게 연결된 프론트 작업기(104)를 구비하고 있다. 하부 주행체(101)는 크롤러 방식이며, 트랙 프레임(105)의 전방측에 상하 이동 가능한 배토용 블레이드(106)가 설치되어 있다. 상부 선회체(102)는 기초 하부 구조를 이루는 선회대(107)와, 선회대(107) 상에 설치된 캐빈(운전실)(108)을 구비하고 있다. 프론트 작업기(104)는 붐(111)과, 아암(112)과, 버킷(113)을 구비하고, 붐(111)의 기단부는 스윙 포스트(103)에 핀 결합되고, 붐(111)의 선단은 아암(112)의 기단부에 핀 결합되고, 아암(112)의 선단은 버킷(113)에 핀 결합되어 있다.
상부 선회체(102)는 하부 주행체(101)에 대하여 도시하지 않은 선회 모터에 의해 선회 구동되고, 스윙 포스트(103) 및 프론트 작업기(104)는 선회대(107)에 대하여 스윙 실린더(24g)에 의해 좌우로 회동 구동되고, 붐(111), 아암(112), 버킷(113)은, 각각 붐 실린더(24c), 아암 실린더(24d), 버킷 실린더(24e)를 신축함으로써 상하로 회동 구동된다. 하부 주행체(101)는 좌우의 주행 모터(24a, 24b)에 의해 회전 구동되고, 블레이드(106)는 블레이드 실린더(24h)에 의해 상하로 구동된다.
도 2는, 도 1에 도시한 유압 셔블의 하이브리드 구동 시스템을 도시하는 도면이다. 도 2에 있어서, 하이브리드 구동 시스템은 엔진계(1)와, 유압계(2)와, 발전 전동계(3)와, 제어계(4)를 구비하고 있다.
엔진계(1)는 디젤 엔진(11)과, 엔진 컨트롤 다이얼(12)과, 엔진 컨트롤러(13)와, 전자 거버너(14)와, 엔진 회전수 검출 장치(15)를 구비하고 있다. 디젤 엔진(11)은, 후술하는 바와 같이 종래의 것보다도 다운사이징된(엔진 출력이 작은) 엔진이다.
엔진 컨트롤 다이얼(12)은 오퍼레이터의 조작에 의해 엔진(11)의 목표 회전수를 지시하는 것이다. 목표 회전수란, 엔진(11)에 부하가 투입되어 있지 않을 때의 엔진 회전수이다. 엔진 컨트롤러(13)는, 엔진 컨트롤 다이얼(12)로부터의 목표 회전수 신호를 입력하고, 소정의 연산 처리를 행하여 목표 연료 분사량을 구하고, 전자 거버너(14)를 제어함으로써 엔진의 각 기통에 분사되는 연료 분사량을 제어하고, 엔진 출력 토크와 엔진 회전수를 제어한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 전자 거버너(14)의 제어에, 엔진 부하의 증가에 따라 엔진 회전수를 저하시키면서 연료 분사량을 증가시키는 드룹 제어를 채용한 경우를 예로 들어 설명한다. 엔진 회전수 검출 장치(15)는, 엔진(11)의 실회전수(엔진 회전수)를 검출하는 것이다. 엔진 회전수 검출 장치(15)에 의해 검출된 엔진 회전수는, 엔진 컨트롤러(13)를 통하여 차체 컨트롤러(46)(후술)에 입력된다.
도 3은 엔진 컨트롤러(13)가 연료 분사량을 연산할 때에 사용하는 연료 분사량 특성을 도시하는 도면이다. 도면 중 횡축은 엔진 컨트롤 다이얼(12)이 지시하는 목표 회전수와 엔진 회전수 검출 장치(15)에 의해 검출된 엔진(11)의 실회전수의 편차 ΔN이며, 종축은 연료 분사량 F이다. 이 연료 분사량 특성은, 회전수 편차 ΔN이 제로일 때, 연료 분사량 F는 최소 Fmin이며, 회전수 편차 ΔN이 증대됨에 따라 연료 분사량 F는 비스듬한 직선 F1의 특성을 따라 직선 비례적으로 증대되도록 설정되어 있다. 또한, 회전수 편차 ΔN이 어느 소정의 값 ΔNa에 도달하면, 연료 분사량 F는 최대 Fmax가 되고, 그 이상 회전수 편차 ΔN이 증대되었을 때는, 연료 분사량 F는 최대 Fmax의 일정값으로 유지된다. 통상의 엔진 제어에서는, 목표 회전수마다 연료 분사량 특성을 기억해 두고, 엔진 컨트롤 다이얼(12)이 지시하는 목표 회전수에 따라 대응하는 연료 분사량 특성을 선택하고, 그때 연산한 회전수 편차 ΔN을 연료 분사량 특성에 참조하여 대응하는 연료 분사량을 구하고, 그 연료 분사량을 목표값으로서 전자 거버너(14)에 부여하여, 엔진(11)의 각 기통에 분사되는 연료 분사량을 제어한다.
도 4는 그와 같이 연료 분사량이 제어되었을 때의 엔진(11)의 출력 토크 특성을 도시하는 도면이며, 엔진 컨트롤 다이얼(12)이 지시하는 목표 회전수가 최대일 때의 것이다. 도면 중 횡축은 엔진 회전수이며, 종축은 엔진 출력 토크이다. 엔진(11)의 출력 토크 특성은, 연료 분사량이 최대일 때의 전부하 특성 Tf와, 도 3에 도시한 연료 분사 특성에 기초하여 연료 분사량이 조정되는 레귤레이션 특성 Tgmax를 포함하고 있다. 전부하 특성 Tf는 엔진(11)의 특성에 의해 정해지는 것이며, 엔진 회전수가 저하됨에 따라 엔진(11)의 출력 토크가 최대 TEmaxe까지 증가되는 좌측 상승의 특성 부분 Tf1과, 엔진 회전수가 더욱 저하됨에 따라 엔진(11)의 출력 토크가 감소되는 좌측 하강의 특성 부분 Tf2를 포함하고 있다. 레귤레이션 특성 Tgmax는, 도 3에 도시한 연료 분사 특성에 대응하여, 엔진 회전수가 저하됨에 따라 엔진(11)의 출력 토크가 증대된 드룹 제어의 특성으로 되어 있다.
즉, 엔진(11)에 부하가 투입되어 있지 않을 때는 연료 분사량은 최소 Fmin이며, 이때의 엔진 회전수는 레귤레이션 특성 Tgmax의 직선과 횡축의 교점의 NTmax이다. 엔진(11)의 부하 토크(유압 펌프(21)의 흡수 토크)가 증대되고, 목표 회전수 NTmax와 실회전수의 편차 ΔN이 증대됨에 따라 연료 분사량이 증대되고, 그것에 수반하여 엔진(11)의 출력 토크는 레귤레이션 특성 Tgmax의 비스듬한 직선을 따라 직선 비례적으로 증대된다. 엔진(11)의 부하 토크가 더욱 증대되어, 회전수 편차 ΔN이 소정의 값 ΔNa에 도달하면 연료 분사량은 최대가 된다(도 3). 레귤레이션 특성 Tgmax의 직선과 전부하 특성 Tf의 교점은 연료 분사량이 최대 Fmax가 되고, 엔진(11)의 출력 마력이 최대가 되는 점(후술)이며, 이때의 회전수(최대 마력 회전수) NRmax가 정격 회전수이며, 엔진(11)의 출력 토크 Topt가 정격 토크이다.
엔진 컨트롤 다이얼(12)이 최대 목표 회전수 NTmax보다도 낮은 목표 회전수 NTx1, NTx2를 지시할 때, 엔진 컨트롤러(13)는 목표 회전수 NTx1, NTx2 각각에 대응한 연료 분사 특성을 선택하여 연료 분사량을 제어하고, 거기에 대응하여 레귤레이션 특성은 파선 Tg1, Tg2로 변화한다. 그 결과, 최대 마력 회전수는 NR1, NR2로 저하된다(후술).
본 실시 형태에서는, 엔진 컨트롤 다이얼(12)이 지시하는 목표 회전수가 엔진(11)에 부하가 투입되어 있지 않을 때의 회전수 NTmax, NTx1, NTx2라고 정의했지만, 목표 회전수는 최대 마력 회전수(엔진 컨트롤 다이얼(12)이 지시하는 목표 회전수가 최대일 때는 정격 회전수) NRmax, NR1, NR2라고 정의해도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 레귤레이션 특성이 드룹 제어의 특성인 경우에 대하여 설명했지만, 레귤레이션 특성은, 엔진 부하의 증가와 상관없이 엔진 회전수가 일정하게 유지되도록 연료 분사량을 조정하는 아이소크로노스 제어의 특성이어도 된다(후술).
엔진(11)의 출력축은 대직경 기어(6a)와 소직경 기어(6b)로 구성되는 동력 분배기(6)를 개재하여 유압계(2)와 발전 전동계(3)에 연결되어 있다.
유압계(2)는 유압 펌프(21) 및 파일럿 펌프(22)와, 컨트롤 밸브(23)와, 복수의 유압 액추에이터(24a 내지 24h)와, 복수의 조작 장치(25, 26)를 구비하고 있다.
유압 펌프(21) 및 파일럿 펌프(22)는 엔진(11)의 출력축에 동력 분배기(6)를 개재하여 연결되고, 엔진(11)에 의해 구동된다. 유압 펌프(21)로부터 토출된 압유는 컨트롤 밸브(23)를 통하여 복수의 유압 액추에이터(24a 내지 24h)에 공급되어, 각각의 피구동체를 구동한다. 유압 펌프(21)는 가변 용량형이며, 배기 용적 가변 기구(예를 들어 경사판)(21a)와, 배기 용적 가변 기구(21a)의 틸팅 위치를 조정하고, 유압 펌프의 용량을 제어하는 펌프 레귤레이터(27)를 구비하고 있다.
복수의 유압 액추에이터(24a 내지 24h)는, 좌우의 주행용 유압 모터와, 그 이외의 유압 액추에이터를 포함하고, 그 이외의 유압 액추에이터는, 예를 들어 붐용 유압 실린더, 아암용 유압 실린더, 버킷용 유압 실린더, 스윙용 유압 실린더, 블레이드용 유압 실린더를 포함한다.
컨트롤 밸브(23)는 복수의 유압 액추에이터(24a 내지 24h)에 대응하는 복수의 메인스풀을 내장하고, 이들 메인스풀은 조작 장치(25, 26)로부터 출력되는 유압 신호에 의해 전환 조작된다. 조작 장치(25)는 좌우의 주행용 조작 장치를 대표한 것이며, 조작 장치(26)는 주행 이외의 조작 장치를 대표한 것이다.
발전 전동계(3)는, 발전·전동기(31)와, 인버터(32)와, 배터리(축전 장치) (33)와, 배터리 컨트롤러(34)와, 조작 패널(35)을 구비하고 있다.
발전·전동기(31)는 엔진(11)의 출력축에 동력 분배기(6)를 개재하여 연결되어, 엔진(11)에 잉여 토크가 있을 때는 그 잉여 토크에 의해 구동되어 발전기로서 작동한다. 발전·전동기(31)가 발생한 전기 에너지는 인버터(32)를 통하여 배터리(33)에 축전된다. 또한, 발전·전동기(31)는 배터리(33)의 용량에 대한 축전량의 비율(이하, 충전율이라고 함)이 어시스트 구동에 필요한 최소 충전율(예를 들어 30％) 이상이면서 또한 유압 펌프(21)를 어시스트 구동할 필요가 있을 때는 인버터(32)를 통하여 배터리(33)의 전기 에너지가 공급되어, 전동기로서 작동한다. 배터리 컨트롤러(34)는 배터리(33)의 축전량을 감시하고, 조작 패널(35)은 그 축전량에 관한 정보(축전 정보)를 표시한다.
제어계(4)는 주행 속도 전환 스위치(41)와, 토크 제어 전자기 밸브(44)와, 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)와, 제어 장치로서의 차체 컨트롤러(46)를 구비하고, 차체 컨트롤러(46)는 주행 속도 전환 스위치(41), 토크 제어 전자기 밸브(44) 및 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)와 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 차체 컨트롤러(46)는, 인버터(32), 배터리 컨트롤러(34), 조작 패널(35) 및 엔진 컨트롤러(13)와도 전기적으로 접속되어 있다. 차체 컨트롤러(46)는 주행 속도 전환 스위치(41)의 지시 신호, 엔진 컨트롤러(13)의 엔진 회전수 정보(목표 회전수 및 검출한 실회전수), 조작 패널(35)의 조작 신호 및 배터리 컨트롤러(34)의 축전 정보(충전율)를 입력하고, 소정의 연산 처리를 행하여, 인버터(32), 토크 제어 전자기 밸브(44) 및 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)에 제어 신호를 출력한다.
도 5는 펌프 레귤레이터(27)의 구성의 상세를 도시하는 도면이다.
펌프 레귤레이터(27)는 복수의 조작 장치(25, 26)의 조작량에 기초하는 요구 유량에 따른 유량을 토출하도록 유압 펌프(21)의 배기 용적 가변 기구(21a)의 틸팅 위치를 제어하는(따라서 유압 펌프 용량을 제어하는) LS 제어부 등의 요구 유량 응답 제어부와, 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크를 미리 정해진 값을 초과하지 않도록 유압 펌프(21)의 배기 용적 가변 기구(21a)의 최대 틸팅 위치를 제어하는(따라서 유압 펌프의 최대 용량을 제어하는) 토크 제어부를 갖고 있다. 도 5는 도시의 간략화를 위하여, 토크 제어부만 도시하고 있다. 또한, 동력 분배기(6)는 도시를 생략하고 있다.
도 5에 있어서, 펌프 레귤레이터(27)는 유압 펌프(21)의 배기 용적 가변 기구(21a)에 작동적으로 연결된 제어 스풀(27a)과, 이 제어 스풀(27a)에 대하여 유압 펌프(21)의 용량 증가 방향으로 작용하는 제1 및 제2의 2개의 스프링(27b, 27c)과, 제어 스풀(27a)에 대하여 유압 펌프(21)의 용량 감소 방향으로 작용하는 제1 및 제2 수압부(27d, 27e)를 갖고 있다. 제1 수압부(27d)에는 유압 펌프(21)의 토출 압력이 파일럿 라인(27f)을 통하여 도입된다. 제1 및 제2 스프링(27b, 27c)은 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크를 설정하는 것이다. 제1 스프링(27b)은 제2 스프링(27c)보다도 길고, 제어 스풀(27a)이 도시된 초기 위치에 있을 때는 제1 스프링(27b)만이 제어 스풀(27a)에 접촉하여, 제어 스풀(27a)을 도시 우측 방향으로 가압한다. 제어 스풀(27a)이 도시 좌측 방향으로 어느 정도 이동하면 제2 스프링(27c)도 제어 스풀(27a)에 접촉하여, 제1 및 제2 스프링(27b, 27c) 양쪽이 제어 스풀(27a)을 도시 우측 방향으로 가압한다.
토크 제어 전자기 밸브(44)는, 차체 컨트롤러(46)로부터 제어 신호가 출력되어 있지 않을 때는 도시한 OFF 위치에 있고, 펌프 레귤레이터(27)의 제2 수압부(27e)를 탱크에 연통시킨다. 차체 컨트롤러(46)로부터 제어 신호가 출력되면, 토크 제어 전자기 밸브(44)는 ON 위치로 전환되어, 제2 수압부(27e)에 제어 압력으로서 파일럿 펌프(22)의 토출 압력이 유도된다. 파일럿 펌프(22)의 토출 압력은 파일럿 릴리프 밸브(28)에 의해 일정한 값(예를 들어 4Mpa)으로 유지되고 있다.
도 6은 펌프 레귤레이터(27)의 토크 제어부의 기능을 나타내는 펌프 토크 특성도이며, 횡축은 유압 펌프(21)의 토출 압력을 나타내고, 종축은 유압 펌프(21)의 용량을 나타내고 있다.
또한, 도 6에 있어서, 부호 TP1 및 TP2로 나타내는 2개의 직선(실선)으로 이루어지는 절곡선은 제1 및 제2 스프링(27b, 27c)에 의해 설정되는 최대 흡수 토크 특성이다. 직선 TP1, TP2에 접하는 부호 TPLc로 나타내는 곡선은 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크이며, 이것은 토크 제어의 제한 토크라고 할 수도 있다. 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크(제한 토크) TPLc는 엔진(11)의 정격 토크 Topt에 발전·전동기(31)의 최대 토크 TMmax를 가산한 정격 시스템 토크 Toptc(후술)보다도 소정의 여유분만큼 작아지도록 설정되어 있다. 또한, 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크 TPLc는 엔진(11)의 정격 토크 Topt보다 크고, 본 실시 형태에 있어서는 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크 TPLc는 최대 토크 TEmaxe(후술)보다도 더 크다.
이러한 유압 펌프(21)의 흡수 토크와 엔진(11)의 출력 토크의 관계로부터 알 수 있는 바와 같이, 엔진(11)은 정격 토크 Topt가 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크 TPLc보다도 작아, 엔진(11)의 출력 토크만으로는 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크 TPLc를 조달할 수 없는 크기로 다운사이징(소형화)되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 엔진(11)은, 정격 토크 Topt뿐만 아니라 최대 토크 TEmaxe도 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크 TPLc보다도 작은 크기로 더 다운사이징되어 있다. 또한, 도면 중 A는 주행 고속 시의 대표적인 출력 사용 범위, B는 주행 저속 시의 대표적인 출력 사용 범위, C는 통상 작업 시의 대표적인 출력 사용 범위를 나타내고 있으며, 이들에 대해서는 후술한다.
펌프 레귤레이터(27)의 토크 제어부는, 유압 펌프(21)의 토출 압력에 따라 유압 펌프(21)의 배기 용적 가변 기구(21a)의 최대 틸팅 위치(따라서 유압 펌프(21)의 최대 용량)를 제한함으로써 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크를 제한하는 것이다. 유압 펌프(21)의 토출 압력의 상승 시에 토출 압력이 제1 값 P1을 초과하기 전에는, 유압 펌프(21)의 토출 압력이 유도되는 제1 수압부(27d)의 유압력은 제1 스프링(27b)의 가압력보다 작아, 유압 펌프(21)의 최대 용량은 qmax로 유지된다. 즉, 유압 펌프(21)의 용량은 요구 유량 응답 제어부의 제어에 의해 qmax까지 상승시킬 수 있다. 유압 펌프(21)의 토출 압력이 더욱 상승하여 제1 값 P1을 초과하면, 제1 수압부(27d)의 유압력은 제1 스프링(27b)의 가압력보다 커져, 제어 스풀(27a)은 도시 좌측 방향으로 이동하여, 유압 펌프(21)의 최대 용량은 절곡선의 직선 TP1을 따라 감소한다. 이에 의해 요구 유량 응답 제어부에 의해 제어되는 유압 펌프(21)의 용량은 직선 TP1이 규정하는 최대 용량 이하로 제한되고, 유압 펌프(21)의 흡수 토크(펌프 토출 압력과 용량의 곱)는 제한 토크 TPLc를 초과하지 않도록 제어된다.
유압 펌프(21)의 토출 압력이 더욱 상승하여 제2 값 P2를 초과하면, 제어 스풀(27a)은 제2 스프링(27c)에 접촉하고, 유압 펌프(21)의 토출 압력의 상승량에 대한 제어 스풀(27a)의 이동량의 비율(유압 펌프(21)의 용량 감소 비율)은 감소하여, 유압 펌프(21)의 최대 용량은 직선 TP1보다도 기울기가 작은 직선 TP2를 따라 감소한다. 이 경우도, 유압 펌프(21)의 흡수 토크는 제한 토크 TPLc를 초과하지 않도록 제어된다. 유압 펌프(21)의 토출 압력이 메인 릴리프 밸브(29)의 설정 압력에 도달하면, 그 이상 유압 펌프(21)의 토출 압력의 상승은 저지된다.
토크 제어 전자기 밸브(44)가 ON 위치로 전환되면, 제2 수압부(27e)로 제어 압력이 유도되어, 제어 스풀(27a)에는 제2 수압부(27e)의 유압력이 제1 및 제2 스프링(27b, 27c)의 가압력에 대향하여 작용한다. 이에 의해 제1 및 제2 스프링(27b, 27c)에 의한 최대 흡수 토크의 설정은, 제2 수압부(27e)의 유압력의 분만큼 감소하도록 조정되고, 최대 흡수 토크 특성은, 화살표로 나타낸 바와 같이 실선의 직선 TP1, TP2로 이루어지는 절곡선으로부터 일점쇄선의 직선 TP3, TP4로 이루어지는 절곡선으로 시프트한다(감소 토크량 ΔTPd1). 그 결과, 유압 펌프(21)의 토출 압력의 상승 시, 유압 펌프(21)의 최대 용량은 절곡선의 일점쇄선의 직선 TP3, TP4를 따라 감소한다. 이때의 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크(펌프 토출 압력과 최대 용량의 곱)는 직선 TP1, TP2의 최대 흡수 토크 TPLc로부터 직선 TP3, TP4에 접하는 곡선의 TPLd1로 작아져, 엔진(11)에 잉여 토크 TG(후술)가 강제적으로 만들어진다. 본원 명세서에서는, 이 제어를 감소 토크 제어라고 한다.
도 7은 유압계의 컨트롤 밸브와 복수의 유압 액추에이터 중 좌우의 주행용 유압 모터에 관한 유압 회로 부분을 도시하는 도면이다. 도면 중 좌우의 주행용 메인스풀을 부호 23a, 23b로 나타내고, 좌우의 주행용 유압 모터, 즉 주행 모터를 부호 24a, 24b로 나타내고 있다. 좌우의 주행 모터(24a, 24b)는 메인스풀(23a, 23b)을 개재하여 유압 펌프(21)에 접속되어 있다.
좌우의 주행 모터(24a, 24b)는 각각 가변 용량형이며, 배기 용적 가변 기구(경사판)(24a1, 24b1)와, 배기 용적 가변 기구(24a1, 24b1)를 각각 구동하는 제어 피스톤(24a2, 24b2)을 구비하고 있다. 제어 피스톤(24a2, 24b2)의 일측에는 수압부(24a3, 24b3)가 형성되고, 그 반대측에는 스프링(24a4, 24b4)이 배치되어 있다.
주행 속도 전환 전자기 밸브(45)가 도시된 OFF 위치에 있을 때, 제어 피스톤(24a2, 24b2)의 수압부(24a3, 24b3)는 탱크에 연통되어 있고, 제어 피스톤(24a2, 24b2)은 스프링(24a4, 24b4)의 힘으로 눌려 도시된 위치에 있고, 배기 용적 가변 기구(24a1, 24b1)는 대틸팅 위치(대용량 위치)로 유지되고 있다. 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)가 ON 위치로 전환되면, 제어 피스톤(24a2, 24b2)의 수압부(24a3, 24b3)로 제어 압력으로서 파일럿 펌프(22)의 토출 압력이 유도되고, 이에 의해 제어 피스톤(24a2, 24b2)이 작동하여, 배기 용적 가변 기구(24a1, 24b1)는 대틸팅 위치(대용량 위치)로부터 소틸팅 위치(소용량 위치)로 전환된다. 대틸팅 위치에서는 주행 모터(24a, 24b)는 저속 회전이 가능하여, 주행 저속에 적합한 상태가 되고(저속 대용량 모드), 소틸팅 위치에서는 주행 모터(24a, 24b)는 고속 회전이 가능하여, 주행 고속에 적합한 상태가 된다(고속 소용량 모드). 차체 컨트롤러(46)는 주행 속도 전환 스위치(41)의 지시 신호를 입력하고, 주행 속도 전환 스위치(41)가 주행 저속을 지시하고 있을 때는 아무것도 하지 않고, 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)를 OFF 위치로 유지하며, 주행 속도 전환 스위치(41)가 주행 고속을 지시하고 있을 때는 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)에 제어 신호를 출력하여, 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)를 ON 위치로 전환한다.
이어서, 본 발명의 동작 원리에 대하여 설명한다.
도 8a는 종래의 일반적인 미니 셔블의 유압 펌프의 PQ 특성(마력 특성)과 대표적인 출력 사용 범위의 관계를 도시하는 도면이며, 횡축은 유압 펌프의 토출 압력을 나타내고, 종축은 유압 펌프의 토출 유량을 나타내고 있다. 도 8b는 동일 미니 셔블의 엔진 출력 마력 특성과 대표적인 출력 사용 범위의 관계를 도시하는 도면이며, 횡축은 엔진 회전수를 나타내고, 종축은 엔진의 출력 마력을 나타내고 있다. 도 8c는 동일 미니 셔블의 엔진의 출력 토크 특성을 도시하는 도면이며, 횡축은 엔진 회전수를 나타내고, 종축은 엔진의 출력 토크를 나타내고 있다. 도 8a, 도 8b 및 도 8c는 도 4와 마찬가지로, 엔진 컨트롤 다이얼이 지시하는 목표 회전수가 최대 NTmax일 때의 것이다.
먼저, 유압 펌프의 PQ 특성에 대하여 설명한다. 유압 펌프의 PQ 특성이란, 어떤 최대 흡수 토크 특성을 갖는 유압 펌프를 엔진으로 구동하여 회전시켜, 작업을 행했을 때에 얻어지는 유압 펌프의 출력 마력 특성이다. 도 8a의 유압 펌프의 PQ 특성은, 일례로서, 도 6에 도시한 최대 흡수 토크 특성을 갖는 유압 펌프(21)의 경우의 것이면서, 또한 엔진 회전수가 정격 회전수 NRmaxd에 있는 경우의 것이다. 정격 회전수 NRmaxd란, 도 8c의 레귤레이션 특성 Tgmaxd와 전부하 특성 Tfd의 교점에 있어서의 엔진 회전수이며, 도 8b에 도시한 바와 같이, 최대 목표 회전수 NTmax에 기초하여 제어되고 있는 엔진의 출력 마력이 최대가 될 때의 엔진 회전수이다.
일반적인 미니 셔블의 작업 상태로서, 주행 고속 시와 주행 저속 시와 통상 작업 시를 생각한다. 도 8a 및 도 8b 중, A는 주행 고속 시의 대표적인 출력 사용 범위, B는 주행 저속 시의 대표적인 출력 사용 범위, C는 통상 작업 시의 대표적인 출력 사용 범위를 나타내고 있다. 주행 고속이란, 주행 모터(24a, 24b)가 고속 소용량 모드에 있으면서 또한 주행용 조작 장치(25)가 조작되어 주행하고 있는 상태를 의미하고, 주행 저속이란, 주행 모터(24a, 24b)가 저속 대용량 모드에 있으면서 또한 주행용 조작 장치(25)가 조작되어 주행하고 있는 상태를 의미한다. 통상 작업이란, 주행 이외의 조작 장치(26)(특히 프론트 작업기(104)에 관한 유압 액추에이터(24c, 24d, 24e) 및 선회 모터 중 어느 하나에 관한 조작 장치)가 조작되어 작업을 행하고 있는 상태를 의미한다.
일반적인 미니 셔블(소형 셔블)에 있어서는, 주행 고속 시 A는 스피드(대유량)가 필요하고, 도 8a 및 도 8b에 도시하는 바와 같이 주행 고속 시 A에 있어서의 유압 펌프(21)의 출력은 가장 커진다. 주행 저속 시 B 및 통상 작업 시 C에 있어서 유압 펌프(21)의 출력은 주행 고속 시 A보다도 작다. 이것은, 통상 작업 시에 유압 펌프의 출력이 가장 커지는 중형, 대형의 유압 셔블의 경우와 큰 차이이다.
종래의 미니 셔블에서는, 도 6에 도시한 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크(토크 제어의 제한 토크) TPLc는, 도 8c에 도시한 바와 같이 엔진의 정격 토크 Toptd보다도 소정의 여유분만큼 작게 설정되어 있다. 도 8a의 부호 HPLc는 도 6 및 도 8c에 도시한 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크 TPLc에 대응하는 유압 펌프(21)의 최대 흡수 마력을 나타내고 있으며, 이 유압 펌프(21)의 최대 흡수 마력 HPLc도 엔진의 최대 마력(정격 마력) HEoptd보다도 소정의 여유분만큼 작아지도록 설정되어 있다. 또한, 주행 고속 시는 유압 펌프(21)의 출력은 가장 커지기 때문에, 유압 펌프(21)의 최대 흡수 마력 HPLc는, 주행 고속 시 A의 운전 상태에서 유압 펌프(21)에 요구되는 유압 마력을 조달할 수 있는 크기로 설정되어 있다.
한편, 펌프 레귤레이터(27)의 최대 흡수 토크 특성(도 6)은, 제1 및 제2의 2개의 스프링(27b, 27c)에 의해 실선의 직선 TP1, TP2로 이루어지는 절곡선과 같이 설정되기 때문에, 유압 펌프(21)의 PQ 특성도 마찬가지로 부호 HP로 나타낸 바와 같이 절곡선 형상으로 되고, 통상 작업 시에서는 엔진의 최대 마력(정격 마력) HEoptd에 대하여 유압 펌프(21)의 출력 사용 범위 C가 PQ 특성의 절곡선의 교점에 있어서의 오목 부분 Xa분만큼 X와 크게 이격되어, 여유가 지나치게 있는 상태가 된다. 이것은, 엔진 출력 마력을 유효하게 사용하고 있지 않은 것을 의미한다.
도 9a는 본 실시 형태에 의한 미니 셔블의 유압 펌프의 PQ 특성(마력 특성)과 대표적인 출력 사용 범위의 관계를 도시하는 도면이며, 도 9b는 동일 미니 셔블의 엔진 출력 마력 특성과 대표적인 출력 사용 범위의 관계를 도시하는 도면이다. 도 9c는 엔진(11)과 발전·전동기(31)를 조합한 하이브리드 구동 시스템의 출력 토크 특성을 도시하는 도면이다. 도 9a, 도 9b 및 도 9c는 도 4와 마찬가지로, 엔진 컨트롤 다이얼이 지시하는 목표 회전수가 최대로 NTmax 있을 때의 것이다.
본 실시 형태에서는, 엔진(11)의 최대 마력(정격 마력) HEopt를 도 8b에 도시한 종래의 최대 마력(정격 마력) HEoptd보다도 작게 하여, 유압 펌프(21)의 마력 특성 HP에 있어서의 최대 흡수 마력 HPLc를 하회하는 설정으로 한다. 더욱 상세히 설명하면, 본 실시 형태에서는, 엔진(11)의 최대 마력(정격 마력) HEopt를, 주행 고속 시 A 이외(주행 저속 시 B 및 통상 작업 시 C)의 운전 상태에서 유압 펌프(21)에 요구되는 유압 마력의 대부분을 제공할 수 있어, 주행 고속 시 A의 운전 상태에서 유압 펌프(21)에 요구되는 유압 마력을 조달할 수 없는 크기로 설정한다. 이것을 엔진(11)의 출력 토크로 바꾸어 말하면, 엔진(11)의 정격 토크 Topt는, 도 6에 도시한 바와 같이, 주행 고속 시 A 이외(주행 저속 시 B 및 통상 작업 시 C)의 운전 상태에서 유압 펌프(21)에 요구되는 유압 토크의 대부분을 제공할 수 있어, 주행 고속 시 A의 운전 상태에서 유압 펌프(21)에 요구되는 유압 토크를 조달할 수 없는 크기로 설정되어 있다.
본 실시 형태에서는, 이와 같이 다운사이징된 엔진(11)을 사용하여, 엔진 회전수가 정격 회전수 NRmax 이하로 저하되었을 때에 엔진 회전수가 정격 회전수 NRx로 유지되도록 발전·전동기(31)를 전동기로서 작동시켜 출력 어시스트 제어를 행하고, 엔진 회전수가 정격 회전수 NRx보다 클(엔진(11)에 잉여 토크가 있을) 때에 발전·전동기(31)를 발전기로서 작동시키는 충전 제어(제1 충전 제어)를 행하는 것이다.
예를 들어, 주행 고속 시 A에 있어서, 유압 펌프(21)의 흡수 토크가 최대 흡수 토크 TPLc까지 증가하고, 엔진(11)의 회전수가 정격 회전수 NRmax를 하회하는 경우에는, 배터리(33)에 의해 발전·전동기(31)를 전동기로서 작동시켜 출력 어시스트를 행한다. 도 9c의 Toptc는 도 8c에 도시하는 종래 기술의 정격 토크 Toptd에 대응하는 것이며(예를 들어 Toptc=Toptd), 발전·전동기(31)의 최대 어시스트 시의 정격 시스템 토크 Toptc(엔진 정격 토크 Topt와 전동기의 최대 토크 TMmax의 합계 토크)이다. 도 9a의 HEmaxc는, 발전·전동기(31)의 최대 어시스트 시의 시스템 출력 마력, 즉 정격 시스템 마력(엔진 정격 마력 HEopt와 전동기의 최대 마력 HMmax의 합계 출력)이다.
통상 작업 시 C에 있어서는, 유압 펌프(21)의 출력을 엔진(11)의 정격 토크 Topt의 출력으로 조달하지 못하는 경우만, 배터리(33)에 의해 발전·전동기(31)를 전동기로서 작동시켜 출력 어시스트를 행하고, 그 이외의 경우에는 엔진(11)의 출력만으로 유압 펌프(21)를 구동한다. 또한, 배터리(33)의 충전 잔량이 적을 때는 충전 제어(제1 충전 제어)에 의해 배터리(33)에 전력을 충전한다.
이와 같이 엔진(11)의 출력 토크를 종래보다도 작게 하여, 정격 토크 Topt 혹은 최대 토크 TEmaxe가 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크 TPLc를 하회하는 크기로 했기 때문에, 엔진(11)의 출력 토크를 끝까지 사용할 수 있게 됨과 함께, 엔진(11)을 다운사이징(소형화)하는 것이 가능해진다. 엔진(11)을 다운사이징함으로써 저연비화, 엔진(11)으로부터 배출되는 유해한 가스의 양의 저감 및 소음의 저감이 가능해진다. 또한, 배출 가스 후처리 장치의 소형화 혹은 간략화가 가능해지고, 엔진(11)의 다운사이징화에 의한 비용 저감과 더불어 엔진의 제작 비용을 저감시킬 수 있어, 기계 전체의 가격을 내릴 수 있다. 또한, 엔진(11)의 최대 토크 TEmaxe가 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크 TPLc보다도 작은 크기까지 엔진(11)을 다운사이징했기 때문에, 미니 셔블과 같은 소형의 작업 기계에 하이브리드 방식을 채용하는 경우의 레이아웃면의 곤란성을 회피하고, 배터리(33)의 설치 스페이스를 확보할 수 있어, 하이브리드 방식의 채용이 용이해진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 작업 기계가 통상 작업 시 C의 유압 펌프(21)의 출력이 주행 고속 시 A보다도 작은 미니 셔블과 같은 소형의 유압 셔블이기 때문에, 엔진(11)이 다운사이징되어 있어도, 통상 작업 시 C의 유압 펌프(21)의 출력을 엔진(11)의 정격 토크 Topt 이하의 출력으로 조달할 수 있는 경우가 많다. 이러한 소형의 작업 기계에 있어서, 엔진 회전수가 정격 회전수 NRmax 이하로 저하되었을 때에 출력 어시스트 제어를 행하고, 엔진 회전수가 정격 회전수 NRx보다 클 때에 충전 제어(제1 충전 제어)를 행함으로써, 출력 어시스트 제어의 빈도가 적어져, 배터리(33)의 소비 전력이 억제된다. 또한, 배터리(33)의 충전 제어 빈도를 증가시켜, 배터리(33)의 충전량을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 붐 하강 시 혹은 선회 제동 시의 회생 에너지에 의해 배터리의 소비 전력을 회수할 수 없는 미니 셔블과 같은 소형의 건설 기계에 있어서, 선회 프레임 상의 좁은 스페이스에 탑재 가능한 사이즈로 배터리(33)가 소형화되어 있어도, 배터리(33)의 충전 잔량의 조기 감소가 억제되어, 배터리(33)의 충전을 위하여 작업을 중단하는 빈도를 저감시킬 수 있어, 기체의 가동률을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제1 출력 어시스트 제어와 제1 충전 제어의 전환을 행하기 위하여, 작업 기계가 미니 셔블과 같은 소형의 작업 기계이면서 또한 배터리(33)가 소형화되어 있어도 배터리(33)의 충전 잔량의 조기 감소가 억제된다. 그러나, 소형의 유압 셔블에서는, 선회 전동 모터를 사용한 경우의 선회 제동 시의 회생 에너지에 의해 배터리(33)의 소비 전력을 회수하는 것이 곤란하기 때문에, 상기한 바와 같이 효율적으로 배터리(33)의 충전 제어를 행했다고 해도, 배터리의 충전량이 최소 충전율 이하로 저하하는 사태가 발생하는 것은 피할 수 없어, 그 경우의 대책을 고려할 필요가 있다.
본 실시 형태에서는, 배터리의 충전량이 최소 충전율 이하로 저하된 경우는, 엔진 회전수 저하 제어와 펌프 감소 토크 제어를 병용하여 제2 충전 제어를 행한다. 이에 의해 후술하는 바와 같이, 유압 셔블의 작업량의 저하를 억제하면서 배터리(33)의 급속 충전을 행하는 것이 가능해진다. 그 결과, 엔진(11)의 소형화로 배터리(33)의 충전량이 최소 충전율 이하로 저하된 경우에도, 배터리(33)의 충전 중에 어느 정도의 작업을 행할 수 있어, 배터리 충전 중의 기체의 가동 효율의 저하를 억제할 수 있다.
~ 제어 ~
이어서, 도 10을 사용하여 상술한 본 발명의 동작 원리를 실현하는 차체 컨트롤러(46)의 제어 기능에 대하여 설명한다.
도 10은 차체 컨트롤러(46)에 의한 제어를 도시하는 블록도이다. 차체 컨트롤러의 제어는, 주행 제어부(46a)와, 상태 판정 제어부(46b)와, 펌프/엔진 제어부(46c)(제1 제어부)와, 발전·전동기/배터리 제어부(46d)(제2 제어부)로 구성되어 있다.
주행 제어부(46a)는, 주행 속도 전환 스위치(41)로부터의 입력 신호에 따라 주행 속도 전환 전자기 밸브(45)의 ON/OFF 전환 신호를 출력한다. 상태 판정 제어부(46b)는, 엔진 컨트롤러(13)로부터 입력되는 엔진의 목표 회전수와 실회전수 및 배터리 컨트롤러(34)로부터 입력되는 배터리(33)의 충전율에 기초하여 상태 판정을 행한다. 펌프/엔진 제어부(46c)는, 상태 판정 제어부(46b)에 의한 판정 결과에 따라, 토크 제어 전자기 밸브(44)에 대하여 ON/OFF 전환 신호를 출력하고, 엔진 컨트롤러(13)에 대해서는 엔진 회전수의 저하 지시를 출력한다. 발전·전동기/배터리 제어부(46d)는, 상태 판정 제어부(46b)에 의한 판정 결과에 따라, 인버터(32)에 대해서는 제어 신호를 출력하고, 배터리 컨트롤러(34)에 대해서는 충전 지시를 출력한다.
도 11은 차체 컨트롤러(46)의 제어부(46b 내지 46d)(도 10)에 의한 제어를 나타내는 흐름도이다. 도 11에 있어서, 플로우를 구성하는 각 스텝에는, 각각을 실행하는 제어부의 부호를 괄호 넣기로 부여하고 있다. 이하, 각 스텝에 대하여 순서대로 설명한다.
먼저, 배터리 컨트롤러(34)로부터의 축전 정보로부터 취득한 배터리(33)의 충전율이 최소 충전율(SOC)보다도 큰지 여부를 판정한다(스텝 S90). 최소 충전율이란, 발전·전동기(31)의 어시스트 구동에 의한 작업의 계속이 불능이 되는 충전율(예를 들어 30％)이다. 스텝 S90에서 "예"(배터리 충전율>30％)라고 판정된 경우는, 배터리 충전율이 제1 역치보다 작은지 여부를 판정한다(스텝 S100). 제1 역치란, 배터리의 충전량이 발전·전동기(31)의 구동은 가능하지만, 배터리 충전 제어에 의해 충전을 행하는 것이 필요한 상태인지 여부를 판정하기 위한 역치이며, 작업의 계속이 불능이 되는 최소 충전율(예를 들어 30％)보다도 높은 값(예를 들어 50％)으로 설정되어 있다. 스텝 S100에서 "예"(배터리 충전율<50％)라고 판정된 경우는, 엔진 컨트롤러(13)로부터의 엔진 회전수 정보로부터 취득한 현재의 엔진 회전수(실회전수)가 최대 마력 회전수 NRx보다 작은지 여부를 판정한다(스텝 S110). 전술한 바와 같이, 엔진 컨트롤 다이얼(12)이 지시하는 목표 회전수가 최대 NTmax일 때, 최대 마력 회전수는 정격 회전수 NRmax이다.
여기서, 최대 마력 회전수에 대하여, 도 12를 사용하여 상세하게 설명한다. 도 12는 목표 회전수와 엔진 출력 마력 및 최대 마력 회전수의 관계를 도시하는 도면이다. 도면 중의 실선 Emax, E1, E2 및 파선 Smax, S1, S2는, 각각 목표 회전수를 NTmax, NT1, NT2로 설정한 경우의 엔진 마력 특성 및 시스템 마력 특성을 나타내고 있다. 목표 회전수 NTmax, NT1, NT2(이하, NTx라고 함)에 기초하여 제어되고 있는 엔진(11)의 출력 마력은, 각각 엔진 회전수가 최대 마력 회전수 NRmax, NR1, NR1(이하, NRx라고 함)일 때에 최대가 된다. 또한, 최대 목표 회전수 NTmax에 대응하는 최대 마력 회전수 NRmax는 엔진(11)의 정격 회전수와 일치한다. 도 12에 도시한 목표 회전수 NTx와 최대 마력 회전수 NRx의 대응 관계를 차체 컨트롤러(46)의 기억 장치에 미리 기억시켜 둠으로써, 엔진 컨트롤 다이얼(12)에 의한 목표 회전수의 설정에 따라 최대 마력 회전수를 변경하는 것이 가능해진다.
도 11로 되돌아가, 스텝 S110에서 "예"(엔진 회전수<최대 마력 회전수 NRx)라고 판정된 경우는, 발전·전동기(31)를 전동기로서 작동시키고(스텝 S140A), 스텝 S90로 되돌아가, 스텝 S90 이후의 처리를 반복하여 실행한다. 스텝 S140A에서 행하여지는 출력 어시스트 제어에 의해, 엔진 회전수는 상승하여 최대 마력 회전수 NRx로 되돌려져, 최대 마력 회전수 NRx로 유지된다. 또한, 하이브리드 구동 시스템의 출력 토크는 종래와 동일한 TPLc까지 증가되고(도 9c 참조), 시스템 출력 마력은 종래와 동일한 HPLc까지 증가된다. 발전·전동기(31)를 전동기로서 작동시키는 제어 방법으로서는, 예를 들어 최대 마력 회전수로부터 엔진 회전수(실회전수)를 차감한 회전수 편차 ΔNd를 구하고, 이 회전수 편차 ΔNd가 커짐에 따라 구동 토크가 증가되도록 발전·전동기(31)를 제어하면 된다.
스텝 S110에서 "아니오"(엔진 회전수≥최대 마력 회전수 NRx)라고 판정된 경우는, 엔진(11)의 부하 토크(유압 펌프(21)의 흡수 토크)가 엔진(11)의 정격 토크 Topt보다도 작아, 엔진(11)에 여유가 있는 경우이며, 이 경우는 엔진(11)의 잉여 토크에 의해 발전·전동기(31)를 구동하여 발전·전동기(31)를 발전기로서 작동시켜(스텝 S120), 배터리 충전 제어를 행한다(스텝 S130). 이에 의해 엔진(11)의 출력 토크는 정격 토크 Topt까지 증가되고, 엔진 회전수는 최대 마력 회전수 NRx까지 저하되고, 엔진 출력 마력은 최대 마력까지 증가된다. 또한, 엔진(11)의 잉여 토크에 의해 발전기(31)가 구동되어, 발전기(31)로 발전한 전력이 인버터(32)를 통하여 배터리(33)에 축전된다. 발전·전동기(31)를 발전기로서 작동시키는 제어 방법으로서는, 예를 들어 엔진 회전수(실회전수)로부터 최대 마력 회전수를 차감한 회전수 편차 ΔNc를 구하고, 이 회전수 편차 ΔNc가 커짐에 따라 발전 토크가 증가되도록 발전·전동기(31)를 제어하면 된다.
스텝 S130에 이어, 배터리 충전율이 제2 역치보다 큰지 여부를 판정한다(스텝 S150). 제2 역치란, 배터리의 충전이 불필요한지 여부를 판정하기 위한 역치이며, 제1 역치보다도 높은 값(예를 들어 70％)으로 설정되어 있다. 스텝 S150에서 "예"(배터리 충전율>70％)라고 판정된 경우는, 처리를 종료한다. 한편, 스텝 S150에서 "아니오"(배터리 충전율≤70％)라고 판정된 경우는, 스텝 S100으로 되돌아가, 스텝 S100 이후의 처리를 반복하여 실행한다.
스텝 S100에서 "아니오"(배터리 충전율≤50％)라고 판정된 경우는, 배터리(33)의 충전이 불필요하다고 간주할 수 있는 경우이며, 이 경우는 스텝 S110과 마찬가지로 엔진 회전수가 최대 마력 회전수 NRx보다 낮은지 여부를 판정한다(스텝 S160). 스텝 S160에서 "예"(엔진 회전수<최대 마력 회전수 NRx)라고 판정된 경우는, 발전·전동기(31)를 전동기로서 작동시키고(스텝 S140B), 스텝 S100으로 되돌아가, 스텝 S100 이후의 처리를 반복하여 실행한다. 이에 의해, 엔진 회전수는 최대 마력 회전수 NRx로 유지됨과 함께, 시스템 출력 토크는 종래와 동일한 TPLc까지 증가되고(도 9c 참조), 시스템 출력 마력은 종래와 동일한 HPLc까지 증가된다. 한편, 스텝 S160에서 "아니오"(엔진 회전수≥최대 마력 회전수 NRx)라고 판정된 경우는, 처리를 종료한다.
스텝 S90에 있어서, 배터리(33)의 충전율이 최소 충전율(예를 들어 30％) 이하가 되면, 스텝 S210으로 이행한다.
스텝 S210 이하는 급속 충전 제어의 처리 수순이며, 엔진 회전수 저하 제어(스텝 S210)와 펌프 감소 토크 제어(스텝 S220)를 행한 후, 배터리(33)의 충전 제어(제2 충전 제어)(스텝 S230, S240)를 행한다.
스텝 S210의 엔진 회전수 저하 제어에서는, 엔진(11)의 최대 목표 회전수를 NTmax로부터 Ntc로 저하시키는 제어를 행한다. 이 제어를 위해 차체 컨트롤러(46)는 엔진 회전수 저하 제어용 목표 회전수 NTc를 미리 기억해 두고, 이 목표 회전수 NTc를 엔진 컨트롤러(13)에 출력한다. 엔진 컨트롤러(13)는, 엔진 컨트롤 다이얼(12)이 지시하는 목표 회전수 NTx와 그 목표 회전수 NTc가 작은 쪽을 선택하여 연료 분사 제어의 목표 회전수로서 설정하고, 이 목표 회전수에 기초하여 연료 분사량을 산출하여, 전자 거버너(14)를 제어한다. 이에 의해 엔진(11)의 최대 목표 회전수는 NTmax로부터 Ntc로 저하되고, 엔진(11)의 최대 마력 회전수에 있어서의 출력 토크는 Topt로부터 Topt1로 증가된다(도 16b). 또한, 엔진 컨트롤 다이얼(12)이 지시하는 목표 회전수 NTx를 차체 컨트롤러(46)측에서 입력하여, 최대 목표 회전수의 변경을 차체 컨트롤러(46)로 행해도 된다.
스텝 S220의 펌프 감소 토크 제어에서는, 차체 컨트롤러(46)는 토크 제어 전자기 밸브(44)에 제어 신호를 출력하여 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크를 TPLc로부터 TPLd1로 감소시키는 제어를 행한다(도 6 및 도 16a).
스텝 S230, S240의 충전 제어에서는, 이상의 엔진 회전수 저하 제어와 펌프 감소 토크 제어에 의해 강제적으로 만들어 낸 엔진(11)의 잉여 토크를 사용하여 발전·전동기(31)를 발전기로서 작동시켜, 배터리(33)의 급속 충전을 행한다.
이와 같이 스텝 S210 내지 S240에 있어서, 배터리(33)(축전 장치)의 충전율이 발전·전동기(31)의 어시스트 구동에 의한 작업의 계속이 불능이 되는 최소 충전율 이하로 저하된 경우는, 엔진(11)의 목표 회전수를 저하시키는 엔진 회전수 저하 제어와 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크를 저하시키는 감소 토크 제어를 행함으로써 엔진(11)에 강제적으로 잉여 토크를 생성하고, 이 잉여 토크를 사용하여 발전·전동기(31)를 발전기로서 작동시켜 배터리(33)를 충전하는 제2 충전 제어를 행한다.
스텝 S240에 이어, 배터리(33)의 충전율이 미리 설정한 제3 역치보다 큰지 여부를 판정한다(스텝 S250). 여기서 제3 역치란, 배터리(33)의 충전량이 매우 불충분한 상태를 탈출한 것을 나타내는 충전율이며, 최소 충전율(예를 들어 30％)보다 높은 값(예를 들어 40％)으로 설정되어 있다. 스텝 S250에서 "아니오"(배터리 충전율≤제3 역치(40％))라고 판정된 경우는, 배터리 충전율이 제3 역치 이상이 될 때까지 스텝 S210 내지 S240의 처리를 반복하여 실행한다. 스텝 S210 내지 S250은, 배터리(33)의 충전량이 매우 불충분한 경우에 실행되는 강제적인 배터리 충전 제어(급속 충전 제어)이다.
스텝 S250에서 "예"(배터리 충전율>제3 역치(40％))라고 판정된 경우 스텝 S100으로 이행하여, 상술한 출력 어시스트 제어(스텝 S140A, S130B) 혹은 충전 제어(스텝 S120, S130)를 행한다.
~ 동작 ~
본 실시 형태에 관한 구동 시스템의 동작을, 도 13a, 도 13b, 도 14a 및 도 14b를 사용하여 설명한다. 도 13a는 어시스트 제어에 의한 시스템 출력 토크의 변화를 도시하는 도면이며, 횡축은 엔진 회전수를 나타내고, 종축은 출력 토크를 나타내고 있다. 도 14a는 어시스트 제어에 의한 시스템 출력 마력의 변화를 도시하는 도면이며, 횡축은 엔진 회전수를 나타내고, 종축은 출력 마력을 나타내고 있다. 도 13b는 배터리 충전 제어에 의한 시스템 출력 토크의 변화를 도시하는 도면이며, 횡축은 엔진 회전수를 나타내고, 종축은 시스템 출력 토크를 나타내고 있다. 도 14b는 배터리 충전 제어에 의한 엔진 출력 마력의 변화를 도시하는 도면이며, 횡축은 엔진 회전수를 나타내고, 종축은 엔진 출력 마력을 나타내고 있다.
도 13a에 있어서, 부호 X1은, 배터리 충전율이 50％ 이상(스텝 S100의 판정이 "아니오")에서 충전 제어를 행하고 있지 않으면서 또한 엔진 회전수가 정격 회전수 NRmax(NRx) 이상에서 유압 펌프(21)의 흡수 토크(부하 토크)를 엔진(11)의 출력 토크만으로 조달하는(스텝 S160의 판정이 "아니오") 경우의 엔진(11)의 동작점을 나타내고 있다. 이 상태로부터 유압 펌프(21)의 흡수 토크가 최대 흡수 토크 TPLc까지 증가될 때, 엔진(11)과 발전·전동기(31)를 조합한 하이브리드 구동 시스템의 동작점은 X1→X2→X3→X4로 변화한다.
먼저, 엔진(11)의 부하 토크가 증가되어 엔진 회전수가 정격 회전수 NRmax까지 저하되면, 연료 분사량은 최대 Fmax(도 3)가 되고, 엔진(11)의 출력 토크는 정격 토크 Topt까지 증가된다(동작점 X2). 또한 엔진(11)의 회전수가 저하되면 발전·전동기(31)가 전동기로서 작동하여(스텝 S160의 판정이 "예"→스텝 S140), 엔진 회전수가 정격 회전수 NRmax로 유지되도록 제어된다. 또한, 시스템 출력 토크는 엔진(11)의 정격 토크 Topt와 발전·전동기(31)의 출력 토크 TM의 합계가 된다. 이때, 어시스트 제어의 지연 때문에, 엔진(11)의 회전수는 정격 회전수 NRmax보다도 일단 저하되고(동작점 X3), 발전·전동기(31)가 작동하기 시작하면, 엔진(11)의 회전수는 상승하여, 정격 회전수 NRmax로 되돌아간다(동작점 X4).
도 14a에 있어서, 상술한 출력 토크의 변화에 대응하여 엔진 출력 마력과 시스템 출력 마력의 동작점도 X1→X2→X3→X4로 변화한다. 부호 HE1, HS1은, 동작점 X1에 있어서의 엔진 출력 마력 및 시스템 출력 마력을 나타내고 있으며, 양자는 일치하고 있다. 한편, 부호 HE2, HS2는, 각각 동작점 X2, X4에 있어서의 엔진 출력 마력 및 시스템 출력 마력을 나타내고 있다. 동작점 X4에서는, 엔진 출력 마력 HE2는 최대 마력이 되고, 시스템 출력 마력 HS2는, 엔진 출력 마력 HE2(최대 마력)와 전동기(31)의 출력 마력 HM의 합계 출력이 된다.
도 13b에 있어서, 부호 Y1은 도 13a의 동작점 X1과 마찬가지로, 배터리 충전율이 50％ 이상(스텝 S100의 판정이 "아니오")에서 충전 제어를 행하고 있지 않으면서 또한 엔진 회전수가 정격 회전수 NRmax(NRx) 이상에서 유압 펌프(21)의 흡수 토크(부하 토크)를 엔진(11)의 출력 토크만으로 조달하고 있는(스텝 S160의 판정이 "아니오") 경우의 엔진(11)의 동작점을 나타내고 있다. 이 상태로부터 배터리 충전율이 50％보다도 작아지면(스텝 S100의 판정이 "예"), 엔진(11)의 동작점은 Y1→Y2로 변화한다. 즉, 이때는 엔진 회전수가 정격 회전수 NRmax(NRx) 이상에서 잉여 토크 TGn이 있기 때문에, 이 엔진(11)의 잉여 토크 TGn에 의해 발전·전동기(31)를 발전기로서 작동시켜, 배터리(33)를 충전하는 충전 제어를 행한다(동작점 Y2).
도 14b에 있어서, 부호 HE3은, 동작점 Y1에서의 엔진 출력 마력을 나타내고 있다. 한편, 부호 HE4는, 동작점 Y2에서 배터리 충전 제어를 행한 경우의 엔진 출력 마력을 나타내고 있다. 이때, 엔진 출력 마력 HE4는 최대 마력이 되고, HE3과 HE4의 차분 HGn이 충전 마력이 된다.
배터리(33)의 충전율이 최소 충전율(SOC) 이하로 저하된 경우의 제2 충전 제어 시의 동작을, 도 15a 내지 도 16b를 사용하여 설명한다.
도 15a는 비교예로서, 펌프 감소 토크 제어만으로 급속 충전 제어를 행한 경우의 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크의 변화(감소 토크량)를 도시하는 도면이며, 도 15b는 펌프 감소 토크 제어만으로 급속 충전 제어를 행하는 경우의 감소 토크량과, 그때의 배터리(33)의 급속 충전의 발전 토크로서 사용되는 엔진(11)의 잉여 토크와 작업에 사용 가능한 최대 토크의 배분을 도시하는 도면이다.
도 15a에 있어서, 토크 제어 전자기 밸브(44)에 제어 신호를 출력함으로써 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크가 TPLc로부터 TPLd2로 감소되고, 이때의 감소 토크량은 굵은 선 화살표의 ΔTPd2이다.
도 15b에 있어서, TG는 배터리(33)의 급속 충전의 발전 토크로서 사용되는 엔진(11)의 잉여 토크를 나타내고, TPa는 엔진 회전수 저하 제어를 행하지 않은 경우의 작업에 사용 가능한 최대 토크량을 나타내고 있다.
비교예에서는, 엔진 회전수 저하 제어를 행하지 않기 때문에 최대 목표 회전수는 NRmax인 상태이다. 이 경우, 엔진(11)의 최대 마력 회전수(정격 회전수)는 NRmax이며, 그때의 엔진(11)의 출력 토크는 Topt가 된다. 감소 토크 제어 후의 최대 흡수 토크 TPLd2는 엔진(11)의 출력 토크 Topt로부터 발전 토크로서 사용되는 잉여 토크 TG를 차감한 토크량에 맞출 필요가 있고, 그 최대 흡수 토크 TPLd2(Topt로부터 TG를 차감한 TPa)가 작업에 사용 가능한 최대 토크량이 된다.
도 16a는 본 실시 형태에 있어서 엔진 회전수 저하 제어와 펌프 감소 토크 제어에 의해 급속 충전 제어를 행하는 경우의 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크의 변화(감소 토크량)를 도시하는 도면이며, 도 6에 엔진(11)의 엔진 회전수 저하 제어 후의 최대 마력 회전수에 있어서의 출력 토크 Topt1을 추가 기록한 도면이다. 도 16b는 본 실시 형태에 있어서 필요해지는 감소 토크량과, 그때의 엔진(11)의 잉여 토크와 작업에 사용 가능한 최대 토크의 배분을 도시하는 도면이다.
본 실시 형태에서는, 엔진 회전수 저하 제어를 행하기 때문에, 최대 목표 회전수는 NTc로 저하되고, 엔진(11)의 최대 마력 회전수에 있어서의 출력 토크는 Topt로부터 Topt1로 증가된다. 이때, 감소 토크 제어 후의 최대 흡수 토크 TPLd1은 엔진(11)의 증가된 출력 토크 Topt1로부터 발전 토크로서 사용되는 잉여 토크 TG를 차감한 토크량에 맞추면 되고, 그 최대 흡수 토크 TPLd1(Topt1로부터 TG를 차감한 TPb)이 작업에 사용 가능한 최대 토크량이 된다. 이 최대 작업 토크량 TPb(감소 토크 제어 후의 최대 흡수 토크 TPLd1)는 엔진(11)의 최대 마력 회전수에 있어서의 출력 토크가 Topt로부터 Topt1로 증가한 분만큼 많아진다.
이와 같이 펌프 감소 토크 제어만으로 급속 충전 제어를 행하는 비교예에서는, 최대 흡수 토크의 저하량인 감소 토크량 ΔTPd2가 커지기 때문에, 급속 충전 중에는 유압 펌프의 출력이 크게 저하되어, 예를 들어 굴삭 작업 등의 고부하 토크를 요하는 작업에 지장을 초래할 우려가 있다. 이에 반하여, 본 실시 형태에서는, 엔진 회전수 저하 제어에 의해 엔진 출력 토크가 Topt로부터 Topt1로 증가하고, 그만큼 감소 토크량 ΔTPd1이 적어지기 때문에, 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크의 저하량이 비교예보다도 적어지고, 최대 작업 토크량 TPb가 비교예보다도 커져, 급속 충전 중에 작업을 행하는 경우의 작업량의 저하를 억제할 수 있다.
~ 효과 ~
이상과 같이 본 실시 형태에 있어서는, 출력 어시스트에 의해 엔진(11)의 요구 토크를 억제함으로써 엔진(11)의 소형화가 가능해져, 연비의 향상, 배기 가스 특성의 개선 및 소음의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 배터리(33)의 충전율이 최소 충전율 이하로 저하된 경우에, 엔진 회전수를 저하시키는 엔진 회전수 저하 제어를 행함으로써, 엔진(11)의 전부하 특성 부분 Tf1 상의 최대 마력 회전수 NRc에 있어서의 엔진 출력 토크 Topt1이 증가된다. 이에 의해 감소 토크 제어만을 행하여 잉여 토크를 발생시키는 경우와 비교하여 감소 토크 제어에 의한 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크의 저하량이 억제되어, 유압 펌프(21)의 출력 저하(유압 셔블의 작업량의 저하)를 억제하면서 배터리(33)의 급속 충전을 행하는 것이 가능해진다. 이에 의해 배터리(33)의 충전 중에도 어느 정도의 작업을 행하는 것을 가능해져, 기체의 가동 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 미니 셔블과 같은 소형의 유압 셔블에 있어서는, 통상 작업 시 C의 유압 펌프(21)의 출력이 주행 고속 시 A보다도 작기 때문에, 정격 토크 Topt 혹은 최대 토크 TEmaxe가 유압 펌프(21)의 최대 흡수 토크 TPLc를 하회하는 크기로 다운사이징된 엔진(11)이어도, 통상 작업 시 C의 유압 펌프(21)의 출력을 엔진(11)의 정격 토크 Topt 이하의 출력으로 조달할 수 있는 경우가 많다. 이러한 소형의 유압 셔블에 있어서, 엔진 회전수가 최대 마력 회전수인 정격 회전수 NRmax 이하로 저하되었을 때에 출력 어시스트 제어를 행하고, 엔진 회전수가 최대 마력 회전수인 정격 회전수 NRx보다 클(엔진(11)에 잉여 토크가 있을) 때에 충전 제어를 행함으로써, 출력 어시스트 제어의 빈도가 적어져, 배터리(33)의 소비 전력이 억제된다. 또한, 작업 효율을 저하시키지 않고 배터리(33)의 충전 제어 빈도를 증가시켜, 배터리(33)의 충전량을 증가시킬 수 있다. 이에 의해 붐 하강 시 혹은 선회 제동 시의 회생 에너지에 의해 배터리의 소비 전력을 회수할 수 없는 미니 셔블과 같은 소형의 건설 기계에 있어서, 선회 프레임 상의 좁은 스페이스에 탑재 가능한 사이즈로 배터리(33)가 소형화되어 있어도, 배터리(33)의 충전 잔량의 조기 감소가 억제되어, 배터리(33)의 충전율이 최소 충전율 이하로 저하하는 빈도, 즉 급속 충전을 행하는 빈도를 저감시킬 수 있다. 이에 의해 배터리(33)의 충전을 위하여 작업을 중단하는 빈도를 저감하여 작업 효율의 저하를 억제하여, 기체의 가동률을 향상시킬 수 있다.
~ 변형예 ~
본 실시 형태에서는, 엔진 회전수와 최대 마력 회전수 NRx(목표 회전수가 최대 NTmax인 경우에는 정격 회전수 NRmax)의 대소 판정 결과에 기초하여 어시스트 제어와 배터리 충전 제어를 전환하는 것으로 했지만, 판정에 사용하는 최대 마력 회전수 NRx에는 마진을 갖게 해도 된다. 즉, 엔진 회전수의 헌팅 등을 고려한 소정의 마진 ΔN을 설정하고, 엔진 회전수가 최대 마력 회전수 NRx+ΔN보다 커졌을 때에 배터리 충전 제어를 행하고, 엔진 회전수가 최대 마력 회전수 NRx-ΔN보다 작아졌을 때에 어시스트 제어를 행해도 된다. 이에 의해, 엔진 회전수가 최대 마력 회전수 NRx 부근에 있을 때의 발전·전동기(31)의 제어를 안정화시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 전자 거버너(14)의 제어에 엔진 부하의 증가에 따라 엔진 회전수를 저하시키면서 연료 분사량을 증가시키는 드룹 제어를 채용한 경우를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 엔진 부하의 증가와 상관없이 엔진 회전수가 일정하게 유지되도록 연료 분사량을 조정하는 아이소크로노스 제어를 채용하는 것도 가능하다.
도 17a는 아이소크로노스 제어를 채용한 경우의 엔진 회전수와 엔진 출력 토크의 관계를 도시하는 도면이며, 도 17b는 아이소크로노스 제어를 채용한 경우의 엔진 회전수와 엔진 출력 마력의 관계를 도시하는 도면이다.
도 17a에 있어서, 출력 토크가 정격 토크 Topt보다 작을(엔진(11)에 잉여 토크가 있을) 때는, 부호 TEa로 나타낸 바와 같이 엔진 회전수는 목표 회전수 NTx(=최대 마력 회전수 NRx)로 유지되도록 제어된다. 회전수 편차 출력 토크가 정격 토크 Topt보다 커지면, 부호 TEb로 나타낸 바와 같이 출력 엔진 회전수는 최대 마력 회전수 NRx보다 작아진다. 한편, 도 17b에 있어서는, 출력 토크가 정격 토크 Topt보다 작을(엔진(11)에 잉여 토크가 있을) 때는, 부호 HEa로 나타낸 바와 같이 엔진 회전수는 최대 마력 회전수 NRx로 유지되고, 출력 토크가 정격 토크 Topt보다 커지면, 부호 HEb로 나타낸 바와 같이 엔진 회전수는 최대 마력 회전수 NRx보다 작아져, 출력 마력은 최대 마력보다 작아진다. 엔진 회전수를 목표 회전수 NTx(=최대 마력 회전수 NRx)로 유지하는 제어(아이소크로노스 제어)는, 예를 들어 실회전수>NRx이면 연료 분사를 정지하고, 실회전수<NRx이면 연료 분사를 행하는 식으로, 최대 마력 회전수 NRx를 기준으로 하여 연료 분사를 ON, OFF 제어함으로써 실현할 수 있다.
이와 같이, 아이소크로노스 제어에서는, 엔진(11)에 잉여 토크가 있을 때의 엔진 회전수의 변화가 드룹 제어와 상위하기는 하지만, 엔진 회전수가 최대 마력 회전수 NRx보다 작은지 여부에 따라 출력 어시스트의 필요 여부가 판정 가능하다. 따라서, 아이소크로노스 제어를 채용한 경우도 본 발명은 적용 가능하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 유압 펌프(21) 및 파일럿 펌프(22)와 발전·전동기(31)를 동력 분배기(6)를 개재하여 엔진(11)의 출력축에 연결하는 구성으로 했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 엔진(11)의 출력축에 연결하는 구성이어도 된다.
1: 엔진계
2: 유압계
3: 발전 전동계
4: 제어계
6: 동력 분배기
11: 엔진
12: 엔진 컨트롤 다이얼
13: 엔진 컨트롤러
14: 전자 거버너(거버너 장치)
15: 엔진 회전수 검출 장치
21: 유압 펌프
21a: 배기 용적 가변 기구
22: 파일럿 펌프
23: 컨트롤 밸브
23a, 23b: 주행용 메인스풀
24a, 24b: 주행용 유압 모터
24c 내지 24h: 그 밖의 유압 액추에이터
24a1, 24b1: 배기 용적 가변 기구(경사판)
24a2, 24b2: 제어 피스톤
24a3, 24b3: 수압부
24a4, 24b4: 스프링
25: 주행용 조작 장치
26: 주행 이외의 조작 장치
27: 펌프 레귤레이터
27a: 제어 스풀
27b, 27c: 제1 스프링 및 제2 스프링
27d, 27e: 제1 수압부 및 제2 수압부
27f: 파일럿 라인
27g: 제어 유로
29: 메인 릴리프 밸브
31: 발전·전동기
32: 인버터
33: 배터리(축전 장치)
34: 배터리 컨트롤러
35: 조작 패널
41: 주행 속도 전환 스위치
42: 주행의 조작 파일럿압 센서
43: 주행 이외의 조작 파일럿압 센서
44: 토크 제어 전자기 밸브
45: 주행 속도 전환 전자기 밸브
46: 차체 컨트롤러
46a: 주행 제어부
46b: 상태 판정 제어부
46c: 펌프/엔진 제어부(제1 제어부)
46d: 발전·전동기/배터리 제어부(제2 제어부)
101: 하부 주행체
102: 상부 선회체
103: 스윙 포스트
104: 프론트 작업기
105: 트랙 프레임
106: 배토용 블레이드
107: 선회대
108: 캐빈(운전실)
111: 붐
112: 아암
113: 버킷

Claims (3)

  1. 엔진과,
    이 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와,
    이 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 복수의 유압 액추에이터와,
    상기 엔진의 목표 회전수를 지시하는 엔진 회전수 지시 장치와,
    상기 엔진의 실회전수를 검출하는 엔진 회전수 검출 장치와,
    상기 엔진의 부하 토크가 증가됨에 따라 상기 엔진의 출력 토크가 증가되도록 연료 분사량을 제어하는 거버너 장치와,
    상기 엔진에 연결된 발전·전동기와,
    상기 발전·전동기와의 사이에서 전력을 수수하는 축전 장치와,
    상기 축전 장치로부터의 전력을 상기 발전·전동기에 공급하고, 상기 발전·전동기를 전동기로서 작동시켜 출력 어시스트를 행하고, 상기 엔진에 의해 상기 발전·전동기를 회전 구동하고 상기 발전·전동기를 발전기로서 작동시키고, 전력을 상기 축전 장치에 공급하여 상기 축전 장치를 축전시키는 제어를 행하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 축전 장치의 충전율이 소정 값 이하로 된 경우에, 상기 유압 펌프의 최대 흡수 토크를 저하시키는 감소 토크 제어를 행하여 상기 엔진에 잉여 토크를 발생시키고, 상기 발전·전동기를 발전기로 작동시키고, 전력을 상기 축전 장치에 공급하여 상기 축전 장치를 축전시키는 제어를 행하는 하이브리드식 작업 기계에 있어서,
    상기 엔진은, 상기 거버너 장치의 연료 분사량이 최대일 때의 전부하 특성과, 상기 거버너 장치의 연료 분사량이 최대로 증가될 때까지의 레귤레이션 특성을 포함하는 출력 토크 특성을 갖고, 상기 전부하 특성은, 상기 엔진 회전수 검출 장치에 의해 검출된 엔진 회전수가 정격 회전수로부터 소정 회전수로 저하됨에 따라 상기 엔진의 출력 토크가 증가되고, 상기 소정 회전수로 상기 엔진의 출력 토크가 최대가 되는 제1 특성 부분과, 상기 엔진 회전수가 상기 소정 회전수로부터 저하됨에 따라 상기 엔진의 출력 토크가 감소되는 제2 특성 부분을 갖고,
    상기 제어 장치는, 상기 축전 장치의 충전율이 소정 값 이하로 된 경우에, 상기 감소 토크 제어에 더하여, 상기 엔진의 목표 회전수를 저하시켜 상기 엔진의 출력 토크를 증가시키는 엔진 회전수 저하 제어를 행하고, 상기 엔진에 발생한 잉여 토크를 사용하여 상기 발전·전동기를 발전기로서 작동시키고, 전력을 상기 축전 장치에 공급하여 상기 축전 장치를 충전하는 충전 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 작업 기계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 엔진의 출력 토크 특성은, 상기 엔진 회전수가 정격 회전수에 있을 때의 출력 토크인 상기 엔진의 정격 토크가 상기 유압 펌프의 최대 흡수 토크보다도 작아, 상기 엔진의 출력 토크만으로는 상기 유압 펌프의 최대 흡수 토크를 조달할 수 없는 크기로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 작업 기계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 엔진의 출력 토크 특성은, 상기 엔진의 최대 토크가 상기 유압 펌프의 최대 흡수 토크보다도 작아, 상기 엔진의 출력 토크만으로는 상기 유압 펌프의 최대 흡수 토크를 조달할 수 없는 크기로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 작업 기계.
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