KR102005128B1 - 건설 기계의 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

엔진(1)의 요구 동력을 발생 가능한 엔진 회전수 및 엔진 토크의 조합을 복수 산출하고, 당해 각 조합에 있어서의 시스템 효율을 유압 펌프(3)의 토출압에 따라 산출하는 시스템 동작점 연산부(28)와, 시스템 동작점 연산부에 의해 산출된 엔진 회전수, 엔진 토크 및 시스템 효율을 포함하는 복수의 조합 중에서 원하는 시스템 효율이 포함되는 것에 있어서의 엔진 회전수를 엔진의 목표 회전수로서 산출하는 회전수 연산부(33)와, 회전수 연산부에 의해 산출된 목표 회전수와 유압 펌프의 요구 유량에 기초하여, 유압 펌프의 목표 용량을 산출하는 용량 연산부(29)를 구비한다. 이에 의해, 시스템 전체의 효율이 양호한 동작점에서 엔진 및 유압 펌프를 제어할 수 있다.

Description

건설 기계의 제어 장치{DEVICE FOR CONTROLLING CONSTRUCTION MACHINERY}
본 발명은 엔진 및 이것에 기계적으로 연결된 유압 펌프를 구비하는 건설 기계의 제어 장치에 관한 것이다.
종래, 유압 액추에이터를 구동하기 위한 유압 시스템을 구비하는 유압 셔블이나 휠 로더 등의 건설 기계에서는, 경부하부터 중부하까지의 모든 작업에 대응할 수 있도록 최대 부하 시의 작업을 예상하여 선정한 대형의 엔진을 구비하고 있었다. 그러나, 건설 기계의 작업 전체에 있어서 중부하가 되는 작업은 어디까지나 일부이기 때문에 경부하 시나 중부하 시에 엔진의 능력을 주체 못하게 되어, 대형 엔진은 연비의 관점에서 보면 바람직하지 않다.
이에 대하여, 연비 향상을 위하여 엔진을 소형화하는 동시에, 당해 엔진의 소형화에 수반하는 출력 저하를 보충하기 위한 전동·발전기를 구비하는 하이브리드 시스템을 구성하고, 출력 응답이 빠른 전동·발전기에 의한 출력 어시스트를 함으로써, 엔진의 회전수를 가변 제어하여 고효율점에서 운전함으로써 연료 소비량을 억제하는 기술이 있다(일본 특허 공개(평) 제11-2144호 공보).
또한, 유압 시스템을 구비하는 건설 기계에서는, 투입된 연료에 대하여 유압 액추에이터가 얼마나 작업할 수 있는지의 지표가 되는 「작업량 연비」를 개선하는 것이 중요해진다. 그리고, 작업량 연비를 개선하기 위해서는, 엔진만을 고효율점에서 움직이게 하면 되는 것은 아니며, 유압 펌프도 아울러 건설 기계 전체적인 효율이 좋아지는 동작점에서 운전해야 한다.
이러한 문제의 해결을 도모한 기술이 특허문헌 2에 제안되어 있다. 일본 특허 공개 제2009-74405호 공보에서는 유압 액추에이터를 조작하기 위한 레버 조작에 따라 유압 펌프의 목표 유량을 연산하는 목표 유량 연산부와, 이것에 따라 연산되는 엔진의 목표 회전수(제1 목표 회전수)와, 유압 펌프의 부하압과 레버 입력으로부터 연산되는 목표 회전수(제4 목표 회전수)를 비교하여, 임의의 낮은 쪽의 회전수를 최종적인 목표 회전수로 함으로써 고부하 시의 펌프 효율 및 엔진 효율을 높이고 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2004-84470호 공보에서는 엔진과 유압 펌프 사이에 무단 변속기(Continuously Variable Transmission: CVT)를 구비함으로써, 엔진 및 유압 펌프를 각각 효율적인 동작점에서 운전하고 있다.
일본 특허 공개(평) 제11-2144호 공보 일본 특허 공개 제2009-74405호 공보 일본 특허 공개 제2004-84470호 공보
일본 특허 공개 제2004-84470호 공보의 기술에서는, 엔진과, 전동·발전기 및 유압 펌프 사이에 각각 무단 변속기를 구비하기 때문에, 파워 트레인(동력 구동계)이 복잡해지는 것은 물론, 파워 트레인 전체의 용량이 증가되는 것을 피할 수 없어, 건설 기계 전체적으로 대형으로 될 수밖에 없다. 또한, 파워 트레인의 요소간에 무단 변속기를 구비한 것에 의해 기계 손실이 증가되기 때문에, 결과적으로 시스템 전체의 효율이 저하될 가능성이 발생한다.
일본 특허 공개 제2009-74405호 공보의 기술에서는, 가변 용량형의 유압 펌프의 펌프 용량을 크게 취함으로써 펌프의 고효율화를 행하는 데 있어서, 엔진 효율이 향상되는 동작점을 목표 회전수로 하고 있지만, 펌프 효율은 펌프 용량에 의해 일의적으로 결정되는 것이 아니다. 도 19에 펌프 용량을 일정하게 한 경우의 회전수에 대한 펌프 효율의 변화 모습을 도시했다. 도 19로부터 알 수 있는 바와 같이, 펌프의 회전수가 증가되면, 마찰 등이 이에 수반하여 증가되기 때문에 기계 효율이 감소되어, 펌프의 전체 효율(기계 효율과 용량 효율의 곱)이 저하되어 버린다. 일본 특허 공개 제2009-74405호 공보의 기술에서는, 이러한 회전수의 증가에 수반하는 유압 펌프의 전체 효율의 저하를 고려하고 있지 않아, 유압 펌프를 최대 용량에서 동작시켰을 때에 펌프 목표 회전수와 출류량을 확보할 수 있다는 제약을 기초로 엔진 단독에 의한 고효율점을 정하고 있는 것과 다름없다. 또한, 연비 저감을 위하여 엔진을 대폭 소형화한 경우, 어떤 일정한 출력을 확보하기 위해서는, 도 19와 같은 종래의 엔진보다도 높은 회전수로 엔진을 제어해야 할 가능성이 발생한다. 이것은, 전술한 펌프 효율의 저감을 초래하는 것으로 연결되어 버린다.
본 발명의 목적은, 간이한 구성으로, 효율이 높은 동작점에서 엔진 및 유압 펌프를 제어 가능한 건설 기계의 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여, 엔진과, 당해 엔진에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프를 구비한 건설 기계의 제어 장치에 있어서, 상기 엔진의 에너지 효율에 상기 유압 펌프의 에너지 효율을 곱하여 얻어지는 것을 시스템 효율로 했을 때, 상기 엔진의 요구 동력을 발생 가능한 엔진 회전수 및 엔진 토크의 조합을 복수 산출하여, 당해 각 조합에 있어서의 상기 시스템 효율을 상기 유압 펌프의 토출압에 따라 산출하는 제1 동작점 연산부와, 상기 제1 동작점 연산부에 의해 산출된 상기 엔진 회전수, 상기 엔진 토크 및 상기 시스템 효율을 포함하는 복수의 조합 중에서 원하는 시스템 효율이 포함되는 데 있어서의 엔진 회전수를 상기 엔진의 목표 회전수로서 산출하는 회전수 연산부와, 상기 회전수 연산부에 의해 산출된 목표 회전수와 상기 유압 펌프의 요구 유량에 기초하여, 상기 유압 펌프의 목표 용량을 산출하는 용량 연산부를 구비하는 것으로 한다.
본 발명에 따르면, 간이한 구성으로, 시스템 전체의 효율이 양호한 동작점에서 엔진 및 유압 펌프를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 하이브리드식 유압 셔블에 있어서의 유압 구동 제어 장치의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 각 실시 형태에 관한 레귤레이터의 펌프 용량-펌프 토출 압력 특성도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 컨트롤러(8)의 개략 구성도.
도 4는 펌프 요구 유량 연산부(21)의 구성 일례를 나타내는 도면.
도 5는 펌프 요구 유량 연산부(21)의 구성 일례를 나타내는 도면.
도 6은 제어 시에 있어서의 축전 잔량과 목표 축전 잔량의 차에 기초하여 전동·발전기의 동작 판단을 행하는 경우의 설명도.
도 7은 제2 동작점 연산부(27)에 의해 생성된 펌프 효율 맵을 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제1 동작점 연산부(28)에 의해 생성된 시스템 효율 맵을 도시하는 도면.
도 9는 본 발명과 선행 기술에 있어서의 엔진의 목표 회전수의 차이를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 제1 동작점 연산부(28)에 의해 생성된 시스템 효율 맵을 도시하는 다른 도면.
도 11은 목표 축전량에 대한 축전 잔량의 변화 일례를 나타내는 도면.
도 12는 엔진의 목표 회전수를 소정의 영역에서 지정하는 경우의 설명도.
도 13은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 컨트롤러의 개략 구성도.
도 14는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 제1 동작점 연산부(28)에 의해 생성된 시스템 효율 맵을 도시하는 도면.
도 15는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 컨트롤러의 개략 구성도.
도 16은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 제1 동작점 연산부(28)에 의해 생성된 시스템 효율 맵을 도시하는 도면.
도 17은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 컨트롤러의 개략 구성도.
도 18은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 제1 동작점 연산부(28)에 의해 생성된 시스템 효율 맵을 도시하는 도면.
도 19는 펌프 용량을 일정하게 한 경우의 회전수에 대한 펌프 효율의 변화 모습을 도시하는 도면.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 하이브리드식 유압 셔블에 있어서의 유압 구동 제어 장치의 개략 구성도이다. 상기 도면에 도시된 유압 구동 제어 장치는, 엔진(1)과, 엔진(1)의 연료 분사량을 조정하는 거버너(7)와, 엔진(1)의 실제 회전수를 검출하는 회전수 센서(실제로 회전수 검출 수단)(6)와, 엔진(1)과 기계적으로 연결되어 엔진(1)에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프(3)(이하, 간단히 「유압 펌프(3)」라고 칭하는 경우가 있다)와, 유압 펌프(3)로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 유압 액추에이터(5)와, 엔진(1)에 의해 구동되는 파일럿 펌프(32)와, 파일럿 펌프(32)로부터 토출되는 압유를 감압하여 밸브 장치(4)에 출력함으로써 유압 액추에이터(5)를 제어하기 위한 조작 레버(조작 장치)(16)와, 엔진(1)의 구동축 상에 배치되고, 엔진(1)에 의한 유압 펌프(3)의 구동 어시스트 또는 엔진(1)에 구동되어 발전하는 전동·발전기(2)와, 전동·발전기(2)를 구동하기 위한 전력을 축적하기 위한 축전 장치(축전 수단)(10)와, 유압 펌프(3)의 용량을 조절하는 펌프 용량 조절 장치(펌프 용량 조절 수단)에 포함되는 레귤레이터(14)와, 전동·발전기(2)의 제어와 함께, 전동·발전기(2)와 축전 장치(10) 사이에서의 전력의 수수를 제어하는 인버터(전력 변환 장치)(9)와, 거버너(7)를 제어하여 연료 분사량을 조정하여 엔진 회전수를 제어함과 함께, 인버터(9)를 제어하여 전동·발전기(2)의 토크를 제어하는 컨트롤러(제어 장치)(8)와, 엔진(1)의 목표 회전수를 지시하기 위한 엔진 컨트롤 다이얼(엔진 회전수 지시 장치)(17)과, 유압 셔블의 동작 모드(예를 들어, 연비보다도 작업성을 우선시키는 파워 모드나, 작업성보다도 연비를 우선시키는 에너지 절약 모드)를 전환하기 위한 동작 모드 전환 스위치(동작 모드 전환 장치)(19)를 구비하고 있다.
도 1에 도시하는 유압 구동 제어 장치는, 유압 펌프(3)에 의해 토출한 압유를 먼저 복수의 컨트롤 밸브를 구비하는 밸브 장치(4)에 공급하고, 당해 밸브 장치(4)에 의해 압유의 유량·방향·압력을 적절히 변경한 후에 각 유압 액추에이터(5)에 공급함으로써 각 유압 액추에이터(5)의 구동을 제어하고 있다. 밸브 장치(4)에 있어서의 컨트롤 밸브는, 파일럿 펌프(32)로부터 토출되어, 조작 레버(16)의 조작량에 따라 감압된 압유에 의해 제어된다. 조작 레버(16)의 조작량은, 파일럿 펌프(32)로부터 밸브 장치(4)(컨트롤 밸브)에 출력되는 압유의 압력을 압력 센서(18a, 18b)(도 1 참조) 등의 압력 검출 수단에 의해 검출함으로써 검출할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 관한 유압 셔블에 설치되는 유압 액추에이터(5)로서는, 상부 선회체의 전방에 설치된 다관절형의 프론트 작업 장치를 구동하기 위한 유압 실린더(붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더 등)나, 상부 선회체를 선회시키기 위한 유압 모터(선회 모터)나, 상부 선회체의 하부에 설치된 하부 주행체를 주행시키기 위한 유압 모터(주행 모터) 등이 있지만, 도 1에서는 이들을 통합하여 유압 액추에이터(5)라고 표기하고 있다.
엔진(1)은 거버너(7)에 의해 연료 분사량을 제어함으로써 조속된다. 유압 펌프(3)에는, 유압 펌프(3)의 부하를 연산하기 위하여 필요한 정보를 검출하는 수단(펌프 정보 검출 수단(21))으로서, 유압 펌프(3)로부터 토출되는 압유의 압력을 계측하는 압력 센서(22)(압력 검출 수단)와, 당해 압유의 유량을 계측하는 유량 센서(유량 검출 수단)와, 유압 펌프(3)의 틸팅각을 계측하는 각도 센서(각도 검출 수단)가 설치되어 있고, 이들 압력 센서(19), 유량 센서 및 각도 센서는, 검출한 센서값을 컨트롤러(8)에 출력하고 있다.
레귤레이터(14)와 전자 비례 밸브(15)는 컨트롤러(8)로부터 출력되는 조작 신호에 기초하여 유압 펌프(3)의 용량을 조절하는 펌프 용량 조절 장치이다. 레귤레이터(14)는 유압 펌프(3)에 구비되어 있고, 레귤레이터(14)에 의해 유압 펌프(3)의 경사판 혹은 경사축의 틸팅각을 조작하면, 유압 펌프(3)의 용량(밀어내기 용량)이 변경되어 유압 펌프(3)의 흡수 토크(입력 토크)를 제어할 수 있다(펌프 흡수 토크 제어). 본 실시 형태에 있어서의 레귤레이터(14)는 전자 비례 밸브(15)가 발생하는 제어압에 의해 제어되고 있다. 전자 비례 밸브(15)는 컨트롤러(8)로부터 출력되는 명령값에 기초하여 작동한다.
본 실시 형태에 관한 레귤레이터(14)는 예를 들어 도 2에 도시한 제어 특성도에 따라 유압 펌프(3)의 용량을 제어하고 있다. 도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 레귤레이터(14)에 의한 펌프 흡수 토크의 제어 특성도이다. 상기 도면에 도시된 꺾은선(31A)은, 유압 펌프(3)의 토출압에 대하여 설정되는 유압 펌프(3)의 용량 특성을 나타내고 있으며, 엔진(1)과 전동·발전기(2)의 합계 출력의 최댓값(도 2 중 파선으로 나타낸 쌍곡선(일정 토크선도))을 초과하지 않는 범위에서 유압 펌프(3)의 토크(펌프 용량과 펌프 토출 압력의 곱)가 거의 일정해지도록 설정되어 있다. 즉, 그 때마다의 펌프 토출 압력에 따라 꺾은선(31A)을 이용하여 유압 펌프(3)의 용량을 설정하면, 엔진(1)과 전동·발전기(2)에 의한 최대 출력을 초과하지 않도록 유압 펌프(3)의 토크를 제어할 수 있다. 펌프 토출 압력이 P1 이하일 때에는 펌프 흡수 토크 제어는 실시되지 않고, 펌프 용량은 밸브 장치(4)의 각 컨트롤 밸브를 조작하기 위한 조작 레버의 조작량에 의해 결정된다(예를 들어, 어느 한 쪽의 조작 레버의 조작량이 최대일 때에 q1로 된다). 한편, 펌프 토출 압력이 P1 내지 P2로 되면, 레귤레이터(14)에 의한 펌프 흡수 토크 제어가 실시되어, 펌프 토출압의 증가에 수반하여 꺾은선(31A)을 따라 펌프 용량이 감소되도록 레귤레이터(14)에 의해 펌프 틸팅각이 조작된다. 이에 의해, 펌프 흡수 토크는, 꺾은선(31A)으로 규정한 토크 이하로 되도록 제어된다. 또한, P2는 펌프 토출 압력의 최댓값이며, 밸브 장치(4)에 있어서 유압 펌프(3)측의 회로에 접속되는 릴리프 밸브의 설정 압력과 동등하고, 펌프 토출 압력은 이 값 이상으로 상승하지 않는다. 또한, 여기에서는 유압 펌프의 흡수 토크의 제어 특성도로서, 2개의 직선을 조합한 꺾은선(31A)을 사용했지만, 도 2 중의 일정 토크선도(쌍곡선)를 초과하지 않는 범위에서 설정하면 다른 제어 특성도를 이용해도 좋다.
컨트롤러(8)는 유압 펌프(3)의 흡수 토크에 기초하여 생성한 조작 신호(전기 신호)를 전자 비례 밸브(15)에 출력하고, 전자 비례 밸브(15)는 당해 조작 신호에 따른 제어 압력을 생성함으로써 레귤레이터(14)를 구동한다. 이에 의해 레귤레이터(14)에 의해 유압 펌프(3)의 용량이 변경되어, 유압 펌프(3)의 흡수 토크는 엔진 스톨이 발생하지 않는 범위로 조정된다.
배터리 또는 캐패시터 등으로 구성되는 축전 장치(10)에는, 축전 장치(10)의 축전량을 연산하기 위하여 필요한 정보를 검출하는 수단(축전 정보 검출 수단)으로서, 전류 센서(11), 전압 센서(12) 및 온도 센서(13)가 설치되어 있다. 컨트롤러(8)는 이들 센서(11, 12, 13)에 의해 검출된 전류, 전압 및 온도 등의 정보에 기초하여 축전 잔량 연산부(25)(후술)에 있어서 축전 장치(10)의 축전 잔량을 연산하여, 축전 장치(10)의 축전량을 관리하고 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 컨트롤러(8)의 개략 구성도이다. 또한, 앞서 설명한 도면에 도시된 부분과 동일 부분에는 동일한 부호를 부여하고 설명은 적절하게 생략하는 경우가 있다(후술하는 도면에 대해서도 동일하다).
도 3에 도시된 컨트롤러(8)는 엔진(1), 전동·발전기(2) 및 유압 펌프(3)에 대한 명령값의 연산을 행함으로써, 펌프 요구 유량 연산부(21)와, 펌프 동력 연산부(23)와, 어시스트 동력 연산부(24)와, 축전 잔량 연산부(25)와, 엔진 요구 동력 연산부(26)와, 시스템 동작점 연산부(제1 동작점 연산부)(28)와, 펌프 동작점 연산부(제2 동작점 연산부)(27)와, 용량 연산부(29)와, 회전수 연산부(33)와, 어시스트 동력 보정부(34)를 구비하고 있다. 또한, 컨트롤러(8)는 하드웨어 구성으로서, 본 발명에 관한 각종 처리 프로그램을 실행하기 위한 연산 처리 장치(예를 들어, CPU), 당해 제어 프로그램을 비롯하여 각종 데이터를 기억하기 위한 기억 장치(예를 들어, ROM, RAM) 등을 구비하고 있다(모두 도시하지 않음).
본 실시 형태에서는, 엔진(1)과 유압 펌프(3)를 제어하여, 그 회전수를 적절한 동작점에서 운전함으로써 엔진(1)에서 소비되는 연료량에 대하여 액추에이터(5)가 행하는 작업량까지의 시스템 효율의 향상을 목표로 하고 있다.
엔진(1)에서 소비되는 연료량(엔진 효율)은, 동작 시의 회전수와 토크에 따라 변화하며, 한편, 유압 펌프(3)의 효율(펌프 효율)은, 동작 시의 회전수, 펌프 용량, 펌프 토출압에 따라 변화한다. 엔진 효율이 좋은 회전수와 유압 펌프(3)의 효율이 좋은 회전수가 일치한다고는 할 수 없기 때문에, 엔진(1)과 유압 펌프(3) 중 어느 한쪽의 효율이 최량으로 되는 회전수를 목표 동작점(목표 회전수)으로 해도, 시스템 효율이 최량이라고는 할 수 없다. 또한, 유압 셔블 등의 건설 기계에서는 단시간 내에 크게 펌프 토출압이 변화하지만, 유압 펌프(3)의 효율은 토출압에 따라 크게 변화하기 때문에, 최량의 동작점은 차차 변화하게 된다.
그로 인해, 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러(8)에서는, 시스템 효율에 영향을 주는 토크(동력), 펌프 용량, 펌프 토출압에 따라 적절한 회전수의 목표값을 차차 연산하고, 이것에 기초하여 엔진(1)과 유압 펌프(3)의 제어를 실시하고 있다.
펌프 요구 유량 연산부(21)는 오퍼레이터가 원하는 유압 액추에이터의 동작을 확보하기 위하여 필요한 유압 펌프의 유량(요구 유량)을 산출하는 처리를 실행하는 부분이다.
도 4, 도 5는 펌프 요구 유량 연산부(21)의 구성 일례를 나타내는 도면이다. 이들 도면에 도시된 펌프 요구 유량 연산부(21)는 펌프 요구 동력 연산부(23A)에 의해 산출되는 유압 펌프(3)의 요구 동력과, 압력 센서(22)에 의해 검출되는 유압 펌프(3)의 토출압에 기초하여 유압 펌프(3)의 요구 유량을 산출하고 있다. 도 4는 펌프 요구 동력 연산부(23A)에 의해 산출된 펌프 요구 동력(45b)이 제한값(45a)(도 2에 있어서의 꺾은선(31A)에 상당한다) 이하인 경우를 나타내고, 도 5는 펌프 요구 동력(45c)이 제한값(45a)을 초과하는 경우를 나타내고 있다. 또한, 도면 중의 레귤레이터 특성은 도 2에 도시한 바와 같이 토크를 제한하는 것이지만, 유량(=용량×회전수)의 차원에서 제어를 행하기 때문에, 차원을 맞추기 위하여 도 4에서는 펌프 동력(=토크×회전수)으로 나타내고 있다.
펌프 요구 동력 연산부(23A)에는 엔진 컨트롤 다이얼(17)을 통하여 지정되는 엔진(1)의 목표 회전수와, 동작 모드 전환 스위치(19)를 통하여 지정되는 동작 모드의 종류와, 조작 레버(16)의 조작량(레버 조작량)이 입력되어 있다. 본 실시 형태에서는, 압력 센서(18a, 18b)의 검출값으로부터 레버 조작량을 구하고 있다. 펌프 요구 동력 연산부(23A)는, 오퍼레이터가 설정한 엔진 회전수 및 동작 모드로부터 어느 정도의 부하 작업을 오퍼레이터가 상정하고 있는지를 판단하여, 이것과 레버 조작량으로부터 이들로부터 필요해질 펌프 동력(펌프 요구 동력)을 사전에 설정한다. 이때, 엔진 컨트롤 다이얼(17)의 눈금이 상대적으로 크게 설정되면서, 또한 동작 모드가 파워 모드이며, 레버 조작량이 상대적으로 클수록 펌프 요구 동력은 더 크게 연산된다. 한편, 엔진 컨트롤 다이얼(17)의 눈금이 상대적으로 작게 설정되면서, 또한 동작 모드가 에너지 절약 모드이며, 레버 조작량이 상대적으로 작을수록 펌프 요구 동력은 더 작게 연산된다.
펌프 요구 유량 연산부(21)는 펌프 요구 동력 연산부(23A)에 의해 연산된 요구 동력과, 유압 펌프(3)의 레귤레이터 특성에 기초하여 정해지는 동력 제한값(45a)의 대소를 비교하여, 요구 동력이 제한값(45a) 이하인 경우에는 당해 요구 동력을 압력 센서(22)에 의해 검출되는 토출압으로 제산함으로써 요구 유량을 산출한다. 한편, 요구 동력이 제한값(45a)을 초과하는 경우에는 제한값(45a)을 토출압으로 제산함으로써 요구 유량을 산출한다. 즉, 도 4의 경우에는 등동력선(45b)으로 나타내고 있는 펌프 요구 동력과, 압력 센서(22)에 의해 계측된 펌프 토출압 Pd1의 교점이 요구 유량 Q1로 된다. 한편, 도 5의 경우에는, 등동력선(45c)으로 나타내는 펌프 요구 동력이 제한값(45a)을 상회하므로, 제한값(45a)과 펌프 토출압 Pd2의 교점이 요구 유량 Q2로 된다. 도 5의 경우에는 유압 액추에이터(5)에 충분한 동력이 공급되지 않기 때문에, 유압 액추에이터(5)의 동작이 완만해지지만, 엔진 부하가 과잉이 되는 것을 막을 수 있기 때문에, 러그 다운이나 엔진 스톨을 방지할 수 있다. 또한, 도 4, 도 5에 도시된 펌프 요구 유량의 연산 수단은 어디까지나 일례이며, 펌프 요구 유량을 계산하는 방법은 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 3으로 되돌아가, 펌프 동력 연산부(23)는 유압 펌프(3)가 출력하고 있는 실제의 펌프 동력을 연산하는 처리를 실행하는 부분이다. 실제의 펌프 동력을 산출하는 방법으로서는, 예를 들어 압력 센서(22)를 통하여 검출되는 펌프 토출압과, 유량 센서를 통하여 검출되는 펌프 토출 유량을 곱하는 것이 있다. 또한, 실제의 펌프 동력 대신에 도 4, 도 5에 도시된 펌프 요구 동력 연산부(23A)의 산출값(요구 펌프 동력)을 이용해도 좋다. 이렇게 요구 펌프 동력을 이용한 경우에는 제어가 피드 포워드로 행해지게 되어, 원하는 동작을 빠르게 실현할 수 있을 가능성이 증가되므로, 조작성을 향상시킬 수 있다.
어시스트 동력 연산부(24)는 전동·발전기(2)가 실제로 출력하는 동력을 연산하는 처리를 실행하는 부분이다. 이 연산 방법으로서는 전동·발전기(2)의 회전수와 그 시점의 토크의 곱으로부터 어시스트 동력을 연산하는 것이 있다. 또한, 펌프 동력 연산부(23)와 마찬가지로, 전동·발전기(2)의 목표 회전수와 토크의 목표값의 곱으로부터 어시스트 요구 동력을 구하여, 이것을 대신 이용해도 좋다. 또한, 후속 처리를 위하여, 전동·발전기(2)가 전동기로서 동작하는 경우의 어시스트 동력의 부호는 정(正)으로 하고, 전동·발전기(2)가 발전기로서 동작하는 경우의 어시스트 동력의 부호는 부(負)로 한다.
또한, 전동·발전기(2)를 전동기 또는 발전기로서 동작시킬지의 판단 및 이것에 의한 발생 동력의 크기는, 축전 잔량 연산부(25)에 있어서 산출되는 축전 장치(10)의 축전 잔량에 기초하여 행하여진다. 당해 판단은, 제어 시에 있어서의 축전 잔량의 다소에 기초하여 행해도 좋고, 제어 시에 있어서의 축전 잔량과 목표 축전 잔량의 차분에 기초하여 행해도 좋다.
도 6은 제어 시에 있어서의 축전 잔량과 목표 축전 잔량의 차에 기초하여 전동·발전기(2)의 동작(전동 동작/발전 동작)의 판단을 행하는 경우의 설명도이다. 도 6에서는 1일의 작업 시간을 사전에 설정하고, 이것을 상정 작업 시간으로 한다. 이 상정 작업 시간에 있어서 축전 장치(10)의 전압이 종지 전압으로 될 때까지 전력을 완전히 사용하는 것을 전제로 하고 있다. 어느 한 시각의 목표 축전 잔량에 대하여, 그 시각의 실제 축전 잔량이 낮으면 우선적으로 발전을 행하고, 반대로, 실제의 축전 잔량이 높으면 우선적으로 전동 어시스트를 행하는 것으로 한다. 또한, 이렇게 작업 시간을 상정한 목표 축전 잔량에 따르는 축전 잔량의 관리는, 축전 장치(10)에 배터리를 구비하고 있으며, 또한 플러그인 하이브리드 방식과 같이 작업 개시 전에 축전량을 최대까지 축적해 둘 수 있는 구성을 구비하는 건설 기계에 있어서 특히 유효하다.
축전 잔량 연산부(25)는 축전 장치(10)의 축전 잔량을 연산하는 처리를 실행하는 부분이다. 축전 잔량을 연산하는 방법으로서는, 센서(11, 12, 13)에 의해 검출된 전류, 전압 및 온도 등의 정보에 기초하여 축전 잔량을 산출하는 것이 있다.
시스템 동작점 연산부(제1 동작점 연산부)(28)는 엔진(1)의 요구 동력을 발생 가능한 엔진 회전수 및 엔진 토크의 조합(동작점)을 복수 산출하고, 또한 당해 각 조합에 있어서의 시스템 효율을 유압 펌프(3)의 토출압에 기초하여 산출하는 처리를 실행하는 부분이다. 또한, 여기에 있어서의 「시스템 효율」이란, 엔진(1)의 에너지 효율에 유압 펌프(3)의 에너지 효율을 곱하여 얻어지는 시스템 전체의 에너지 효율을 나타낸다. 또한, 엔진(1)의 요구 동력은, 엔진(1)으로부터 본 부하 동력이며, 후술하는 바와 같이 유압 펌프(3)의 요구 동력 등에 기초하여 결정된다.
본 실시 형태에서는, 먼저, 유압 펌프(3)의 요구 유량 및 토출압에 따른 유압 펌프(3)의 효율을 펌프 동작점 연산부(제2 동작점 연산부)(27)에 의해 산출하고, 그 후, 당해 산출된 유압 펌프(3)의 효율과 엔진(1)의 효율에 기초하여 엔진 회전수와 엔진 토크의 각 조합에 있어서의 시스템 효율을 시스템 동작점 연산부(28)에 의해 산출하고 있다. 이렇게 소정의 토출압에 있어서의 펌프 효율을 산출하고 나서 시스템 효율을 산출하면, 컨트롤러(8)의 연산 부하를 경감시킬 수 있고, 컨트롤러(8)의 하드웨어 구성에 요구되는 성능을 억제할 수 있다. 또한, 컨트롤러(8)의 하드웨어 구성의 성능에 제한이 없는 경우에는 펌프 동작점 연산부(27)에 의한 연산을 생략하고, 엔진 요구 동력으로부터 엔진 회전수, 엔진 토크 및 시스템 효율의 조합을 시스템 동작점 연산부(28)에 의해서만 산출해도 좋다.
계속해서 본 실시 형태에 있어서의 펌프 동작점 연산부(27)와 시스템 동작점 연산부(28)에 있어서의 연산의 흐름을 설명한다. 먼저, 펌프 동작점 연산부(27)에서는, 유압 펌프(3)의 요구 유량을 발생 가능한 펌프 회전수 및 펌프 용량의 조합(동작점)을 복수 산출하고, 또한 당해 각 조합에 있어서의 유압 펌프(3)의 에너지 효율을 유압 펌프(3)의 토출압에 기초하여 산출하는 처리를 행한다.
도 7은 펌프 동작점 연산부(27)에 의해 생성된 펌프 효율 맵을 도시하는 도면이다. 상기 도면에 도시된 펌프 효율 맵은, 펌프 회전수와 펌프 용량을 축으로 갖고, 각 회전수와 용량의 조합에 관한 펌프 효율을 등고선(51)으로 나타내고 있다. 이 펌프 효율 맵은 펌프 토출압에 기초하여 생성되는 것이며, 펌프 효율의 등고선 형태는 펌프 토출압에 따라 변화한다. 이것은, 유압 펌프(3)의 효율은 펌프 토출압에 따라 변화하기 때문이다.
펌프 요구 유량 연산부(21)에 의해 산출된 펌프 요구 유량은, 펌프 효율 맵 상에 등류량선으로서 표현된다. 즉, 펌프 유량은 회전수와 펌프 용량의 곱이기 때문에, 도 7에 도시한 바와 같이 펌프 요구 유량은 펌프 효율 맵 상에 반비례의 곡선(52)으로 나타낸다. 그로 인해, 유압 펌프(3)의 요구 유량에 대응하는 등류량선을 펌프 효율 맵 상에 나타내면, 당해 곡선 상의 점의 좌표가, 유압 펌프(3)의 요구 유량을 발생 가능한 펌프 회전수 및 펌프 용량의 조합을 나타내게 된다. 예를 들어 펌프 요구 유량이 200L/min이며, 목표 회전수를 250rpm 간격으로 탐색하는 경우에 있어서, 최소 회전수를 1000rpm으로 하고, 최대 회전수를 2000으로 하면, 회전수와 펌프 용량의 조합은 (1000rpm, 200cc/rev), (1250rpm, 160cc/rev), ..., (2000rpm, 111cc/rev)의 5세트이며, 각각의 동작점에 있어서의 펌프 효율은 효율 맵으로부터 ηp1 내지 ηp5로 산출할 수 있다.
엔진 요구 동력 연산부(26)는 엔진(1)의 요구 동력을 연산하는 처리를 실행하는 부분이며, 본 실시 형태에 있어서의 엔진 요구 동력은, 펌프 동력 연산부(23)의 출력(펌프 동력)으로부터 어시스트 동력 연산부(24)의 출력(어시스트 동력)을 감함으로써 구해진다(즉, 「엔진 요구 동력=펌프 동력-어시스트 동력」). 또한, 전동·발전기(2)가 전동 어시스트하고 있을 때에는 어시스트 동력 연산부(24)의 출력을 정의 값으로 나타내고, 반대로 발전을 행하고 있을 때에는 어시스트 동력 연산부(24)의 출력을 부의 값으로 나타내는 것으로 한다.
시스템 동작점 연산부(28)는 펌프 동작점 연산부(27)에 의해 구한 「펌프 회전수, 펌프 용량, 펌프 효율」을 포함하는 복수의 조합과, 엔진 요구 동력 연산부(26)에 의해 구한 엔진 요구 동력과, 축전 잔량 연산부(25)에 의해 구한 축전 잔량에 기초하여, 펌프 요구 유량 연산부(21)에 의해 연산된 펌프 요구 유량이 실현 가능한 「엔진 회전수, 엔진 토크, 시스템 효율」의 조합을 복수 산출한다.
도 8은 시스템 동작점 연산부(28)에 의해 생성된 시스템 효율 맵을 도시하는 도면이다. 상기 도면에 도시된 시스템 효율 맵은, 엔진 회전수와 엔진 토크를 축으로 갖고, 각 회전수와 토크의 조합에 관한 시스템 효율을 등고선(71)으로 나타내고 있다. 상기 도면에 도시한 시스템 효율은, 펌프 동작점 연산부(27)에 의해 산출된 각 회전수에 있어서의 펌프 효율에 대하여, 컨트롤러(8)의 기억 장치 등에 미리 기억된 엔진(1)의 효율 맵(또는 등연비 맵)으로부터 얻어지는 엔진 효율을 곱함으로써 산출된다. 상술한 바와 같이 펌프 토출압이 변화하면 펌프 효율이 변화하므로, 도 8에 있어서의 시스템 효율도 펌프 토출압에 따라 변화한다(즉, 토출압에 따라 맵 중의 핵심부의 위치(가장 효율적인 등고선이 나타내는 영역)가 이동한다).
그런데, 동력은 회전수와 토크의 곱이기 때문에, 펌프 동력 연산부(23)에 의해 산출된 펌프 동력과, 어시스트 동력 연산부(24)에 의해 산출된 어시스트 동력과, 엔진 요구 동력 연산부(26)에 의해 산출된 엔진 요구 동력은, 각각 등동력선으로서 시스템 효율 맵 상에 나타낼 수 있다. 따라서, 도 8에 있어서, 펌프 동작점 연산부(27)와 마찬가지로 목표 회전수를 250rpm 간격으로 탐색하여, 전동·발전기(2)가 어시스트 동력을 발생하고 있는 상황을 전제로 하여, 펌프 동력을 80kW, 어시스트 동력을 20kW, 엔진 요구 동력을 전자 2개의 차(80kW-20kW)인 60kW로 하면, 펌프 동력(80kW)은 점선의 곡선(72)으로 나타낼 수 있고, 엔진 요구 동력(60kW)은 실선의 곡선(73a)으로 나타낼 수 있다. 따라서, 엔진 요구 동력을 나타낸 곡선(73a) 상의 각 점의 좌표(엔진 회전수, 엔진 토크)와, 당해 각 점에 관한 시스템 효율의 조합 중에 최종적으로 구하는 조합이 존재하게 된다.
회전수 연산부(33)는 시스템 동작점 연산부(28)에 의해 산출된 엔진 회전수, 엔진 토크 및 시스템 효율을 포함하는 복수의 조합 중에서, 원하는 시스템 효율이 포함되는 조합에 있어서의 엔진 회전수를 엔진(1)의 목표 회전수로서 산출하는 처리를 실행하는 부분이다. 즉, 회전수 연산부(33)는 도 8의 곡선(73a) 상의 점으로부터 원하는 시스템 효율이 포함되는 것을 1개 선택하는 처리를 실행한다. 따라서, 도 8의 예에 있어서, 가장 시스템 효율이 좋은 점을 선택하는 경우에는, 효율 맵 중의 핵심부에 가장 가까운 점이 나타내는 「1500rpm」이 목표 회전수로 된다. 이에 의해 컨트롤러(8)는 1500rpm을 목표 회전수로 하여 엔진(1)을 제어한다.
용량 연산부(29)는 회전수 연산부(33)에 의해 산출된 목표 회전수와, 펌프 요구 유량 연산부(21)에 의해 산출된 유압 펌프(1)의 요구 유량에 기초하여, 유압 펌프(1)의 목표 용량을 산출하는 처리를 실행하는 부분이다. 도 7로 되돌아가, 목표 회전수가 1500rpm일 때 펌프 용량은 133cc/rev를 나타내므로, 목표 용량은 「133cc/rev」로 된다. 이에 의해 컨트롤러(8)는 펌프 용량이 133cc/rev로 되도록 레귤레이터(14)(전자 비례 밸브(15))를 제어한다.
상기와 같이 구성된 본 실시 형태에 관한 건설 기계의 제어 장치에 의하면, 소정의 토출압에 있어서의 펌프 효율과 엔진 효율로부터 산출되는 시스템 효율 특성도(도 7의 효율 맵)에 기초하여 엔진 목표 회전수를 결정할 수 있으므로, 시스템 전체의 효율이 양호한 동작점에서 엔진 및 유압 펌프를 제어할 수 있다. 따라서, 일본 특허 공개 제2009-74405호 공보에 기재된 기술과 같이, 엔진 효율만을 고려하여 목표 회전수를 연산하고 있는 경우보다도 시스템 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 엔진의 동작 특성만을 따라 목표 동작점을 결정짓고 있는 선행 기술에서는 실현할 수 없었던, 유압 액추에이터에 의해 행하여지는 작업량(일량)에 대하여 엔진이 소비하는 연료량(작업량 연비)을 최소화할 수 있다. 이것은, 연료 소비 삭감을 위하여 엔진의 소형화를 진행시켜, 엔진을 종래보다도 고속 회전으로 운전하고, 그 결과로서 엔진이 고효율로 되는 동작점과 펌프가 고효율로 되는 동작점이 크게 어긋나는 경우에 효과적이다. 또한, 일본 특허 공개 제2004-84470호 공보에 기재된 기술과 같이, 파워 트레인이 복잡해지거나, 파워 트레인 전체의 용량이 증가되거나 하지도 않는다. 또한, 본 실시 형태에서는, 필요한 펌프 유량(요구 펌프 유량)을 유지한 채 시스템 효율이 최량으로 되는 동작점을 구하고 있으므로, 본 발명에 관한 제어 장치를 탑재하고 있지 않은 건설 기계와 조작감이 바뀌지 않아, 오퍼레이터에 위화감을 주지 않는 효율적인 운전을 행할 수 있다. 또한, 선행 기술과 마찬가지로 엔진에서의 연소 동작점을 최적화함으로써 배기 가스 중에 포함되는 질소 산화물이나 입자상 물질을 감소시키는 것도 가능하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 전동·발전기(2)의 어시스트 동력과 유압 펌프(3)의 동력에 기초하여 엔진(1)의 요구 동력을 연산하고, 이것에 기초하여 동작점을 산출하고 있으므로, 합계 출력이 과잉으로 됨으로써 발생하는 오퍼레이터 오버 레브(엔진이 과회전되는 현상)나, 합계 출력이 부족함으로써 발생하는 엔진 스톨을 피할 수 있다. 또한, 전동·발전기(2)를 이용함으로써 엔진 출력이 급격하게 증가시킬 때 발생할 수 있는 과도 연소를 억제할 수 있기 때문에, 배기 가스의 상태가 악화되는 것을 방지하는 것이 가능하다.
그런데, 본 발명과 선행 기술에 있어서의 엔진의 목표 회전수의 차이를 도 9에 도시했다. 도면 중의 곡선(81)은 어느 일정 동력에 있어서의 펌프의 전체 효율(펌프 용량은 최대로 한다)을 나타내고, 곡선(82)은 그 일정 동력 시에 있어서의 엔진(1)의 최량 연비점을 기준으로 한 엔진 효율을 나타내고, 각각의 최댓값을 1로서 정규화하여 도시하고 있다. 또한, 곡선(83)은 이들의 곱인 시스템 효율을 나타내고 있다.
이것은, 예를 들어 펌프 동력이 80kW이고 최대 효율이 90％인 펌프이면, 90％는 1로 표현되고, 80％는 0.89로 표현된다. 한편, 엔진의 효율선에서는 80kW이고 최량의 연비점에서의 연비 소비율이 매시 15리터이었다고 하면, 연비 소비율이 매시 15리터인 동작점은 효율 1로 표현되고, 매시 20리터인 동작점은 0.75(최량값과의 제산으로 정의)로 표현될 수 있다.
상기한 실시 형태에서는, 컨트롤러(8)의 작용에 의해, 동작점에 있어서의 펌프 효율을 판단하는 데 있어서 엔진 효율 맵(엔진 연비맵)에 따라 목표 회전수를 결정하므로, 도 9에 있어서의 N3을 목표 회전수로 할 수 있다. 이때의 시스템 효율은, 펌프 효율과 엔진 효율의 곱으로부터 η1로 구해지고, 엔진과 펌프를 동일 회전수로 운전한다는 조건 하에서 시스템 효율이 최량으로 된다.
한편, 일본 특허 공개 제2004-84470호 공보(특허문헌 3)에 기재된 기술에서는, 무단 변속기를 사용하여, 펌프와 엔진을 각각의 최대 효율점인 N1, N2에서 동작시킬 수 있으므로, 시스템 효율은 변속기의 효율 η3(도시하지 않음)과 동등해진다. 여기서, 변속기의 효율 η3이 낮은 경우에는, 본 실시 형태에서 얻어지는 시스템 효율 η1이 더 높아질 수도 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2009-74405호 공보(특허문헌 2)에 기재된 기술에서는, 펌프 용량이 최대일 때는 엔진의 최적 연비점인 N2가 목표 회전수로 된다. 이때의 시스템 효율 η2는 펌프의 효율을 고려하지 않고 있으므로, 본 실시 형태의 시스템 효율 η1보다도 항상 낮은 값으로 된다. 또한, 펌프 효율과 엔진 효율의 피크가 일치할 때만 특허문헌 2의 기술 시스템 효율 η2는 본 발명의 시스템 효율 η1과 동등한 값(η1=η2=1)으로 된다. 또한, 이 때에는 특허문헌 3에서 얻어지는 시스템 효율 η3이 최저로 된다.
또한, 도 9의 예에서는 펌프의 최고 효율점과 엔진의 최고 효율점이 비교적 가까운 경우를 도시하고 있지만, 이 최고 효율점이 크게 상이한 경우에는, 엔진(1)과 유압 펌프(3) 사이에 기어비가 고정의 변속기를 설치하여 양자의 최고 효율점을 접근시키는 것이 바람직하다. 단, 변속기를 사용하지 않는 경우의 본 실시 형태의 효율 η1과, 변속기를 사용한 경우의 본 발명 효율 η1'와 변속기의 효율 ηg의 곱 사이에 「η1<η1'×ηg」가 성립하지 않으면, 최고 효율이 저하되어 버리기 때문에, 변속기를 사용하지 않는 편이 좋다.
그런데, 다음에 기재하는 어시스트 동력 보정부(34)에 있어서, 축전 장치(10)의 축전 잔량에 따라 어시스트 동력을 보정하여 엔진 요구 동력을 변경하면, 시스템 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 능동적으로 시스템 효율의 최적화를 실현할 수 있다.
어시스트 동력 보정부(34)는 시스템 동작점 연산부(28)에 의해 산출되는 엔진 회전수, 엔진 토크 및 시스템 효율을 포함하는 복수의 조합 중에, 원하는 시스템 효율(예를 들어, 효율 맵 상에 있어서의 최량의 시스템 효율)이 포함되도록, 전동·발전기(2)가 발생하는 동력(어시스트 동력)을 보정하는 처리를 실행하는 부분이다. 여기에서는, 원하는 시스템 효율로서, 효율이 최량으로 되는 점 Pb(도 10 참조)가 포함되도록 하는 경우에 대하여 도 9를 사용하여 설명한다.
도 10은 시스템 동작점 연산부(28)에 의해 생성된 시스템 효율 맵을 도시하는 다른 도면이다. 상기 도면에 있어서, 시스템 효율의 최적점 Pb(핵심부의 중심부)에 가장 가까운 것은 회전수가 1500rpm인 동작점이라고 판단된다. 따라서, 어시스트 동력 보정부(34)는 엔진 요구 동력의 등동력선이 점 Pb를 통과하는 곡선(73b)으로 되도록 어시스트 동력을 보정한다. 이때, 어시스트 동력 보정부(34)에 의한 보정 후의 어시스트 동력은, 당초의 어시스트 동력(어시스트 동력 연산부(24)의 출력(20kW))에 도 10 중의 화살표분(5kW)을 더한 것이 된다. 어시스트 동력 보정부(34)는 보정 후의 어시스트 동력을 어시스트 토크 명령으로 하여 인버터(9)에 출력한다. 이에 의해, 컨트롤러(8)는 보정 후의 어시스트 동력을 갖고 전동·발전기(2)를 제어한다. 또한, 이 예에서는, 어시스트 동력 보정부(34)는 어시스트 토크 명령으로서 160Nm(1500rpm으로 25kW 상당)을 출력한다. 또한, 어시스트 토크 명령은 현시점에서의 회전수로부터 구해도 좋다. 즉, 「25kW÷당해 시각에 있어서의 회전수 rad/s」로 연산해도 좋다.
이렇게 어시스트 동력 보정부(34)에 의해 전동·발전기(2)의 어시스트 동력을 보정하면, 동력원이 엔진 단독일 때와 비교하여, 시스템 효율이 보다 높은 동작점에서 운전할 수 있다.
또한, 상기한 설명에서는 펌프 요구 동력의 등동력선(72)의 하방에 원하는 시스템 효율이 존재하는 경우이며, 전동·발전기(2)를 전동기로서 동작시켜 엔진 요구 동력을 저하시킬 때에 대하여 설명했지만, 원하는 시스템 효율이 당해 등동력선(72)의 상방에 위치하는 경우에는 전동·발전기(2)를 발전기로서 동작시켜 엔진 요구 동력을 상승시킴으로써 원하는 시스템 효율에 도달하도록 어시스트 동력을 보정하면 되는 것은 물론이다.
또한, 상기와 같이 어시스트 동력 보정부(34)에 의해 어시스트 동력을 보정하는 경우에는 축전 잔량 연산부(25)에 의해 산출되는 축전 장치(10)의 축전 잔량을 고려하여, 축전 장치(10)의 과충전·과방전의 방지가 가능한 범위에서 어시스트 출력을 보정하는 것이 바람직하다. 건설 기계의 동작 상황의 정보인 전동·발전기(2)의 동력과 축전 장치(10)의 잔량에 입각하여 동작점을 연산할 수 있으므로, 원하는 시스템 효율을 달성하기 위한 동작점에 더 가까운 점에서 파워 트레인을 구동할 수 있기 때문이다. 도 10에 있어서 해칭 표시한 영역은, 축전 잔량 연산부(25)에 의해 판단되는 전동·발전기(2)의 동작 가능 영역을 나타내고, 제어 시(도 11에 있어서의 시각 t1)에 있어서의 축전 장치(10)의 축전 잔량에 의해 결정되고 있다.
도 11은 목표 축전량에 대한 축전 잔량의 변화 일례를 나타내는 도면이다. 상기 도면에 있어서의 시각 t1에서는 목표 축전량에 대하여 축전 잔량이 높기 때문에, 전동·발전기(2)에 의해 어시스트를 행함으로써 축전 장치(10)로부터 전력을 방전할 필요가 있다고 판단된다. 이때, 충분한 시간을 들여 축전 잔량을 서서히 목표 축전량에 접근시키는 경우에는 시간당 출력되는 어시스트 동력이 상대적으로 작아지기 때문에, 예를 들어 곡선(71a)과 같이 전력이 소비된다. 이것은, 도 10 중의 곡선(71b)에 상당하는 방전 계획이다. 한편, 급속한 방전을 행하여 목표 축전량에 접근시키는 경우에는 시간당 출력되는 어시스트 동력이 상대적으로 커지기 때문에, 예를 들어 곡선(72a)과 같이 전력이 소비된다. 이것은, 도 10 중의 곡선(72b)에 상당하는 방전 계획이 된다.
이렇게 전동·발전기(2)의 어시스트 동력을 산출/보정하면, 전동·발전기(2)의 어시스트 토크 명령 상하한을 축전 장치(10)의 축전 잔량에 따라 부여할 수 있으므로, 축전 장치(10)를 적절한 사용 범위에서 이용할 수 있어, 과충전·과방전을 방지할 수 있다.
그런데, 상기에서는 회전수 연산부(33)에 의한 목표 회전수의 산출은, 도 8에 도시한 바와 같이 1점에서 부여하는 것으로 설명했지만, 소정의 여유를 갖게 한 영역(목표 회전수 영역)에서 목표 회전수를 지정해도 좋다.
도 12는 엔진의 목표 회전수를 소정의 영역에서 지정하는 경우의 설명도이다. 상기 도면에 도시한 경우에는 시스템 효율이 소정의 값 이상인 영역(등고선의 높이가 어느 일정값 이상인 영역), 즉 엔진 회전수가 N12a부터 N12b 사이에 있으면 된다는 회전수 제어를 행하게 된다. 이러한 목표 회전수 영역을 채용한 경우에는 용량 연산부(29)에 있어서의 용량 명령의 연산은, 전술한 어시스트 토크 명령의 연산과 마찬가지로, 그때의 회전수를 이용하여 「목표 펌프 유량÷현시점에서의 회전수」로 연산하게 된다. 예를 들어, 목표 회전수 영역이 1450rpm으로부터 1600rpm으로 설정되어 있는 경우에 있어서, 실제의 회전수가 1550rpm이었다로 하면, 펌프 요구 유량이 200L/min일 때, 이것을 실현하기 위한 용량 명령은 「200L/min=200×1000cc/min÷1550rpm」으로부터 129cc/rev로 결정하면 된다.
또한, 등고선의 경사가 완만한, 즉 시스템 효율이 회전수에 대하여 크게 변화하지 않는 영역인 것이면, 최적 회전수에 대해 어느 일정한 여유를 부여하는 방법을 취해도 좋고, 예를 들어 도 12에 있어서의 최적 회전수 1500rpm에 대하여, 실제로 회전수가 ±100rpm 내, 즉 1400 내지 1600rpm 사이에서 엔진 회전수를 제어하면 된다.
그런데, 상기한 실시 형태에서는 컨트롤러(8)에 많은 기능을 담는 구성으로 했지만, 컨트롤러(8)의 하드웨어 구성에 의한 제약(예를 들어, 기억 장치의 용량(메모리 용량 등)이나 CPU의 처리 속도 등), 각종 센서의 유무나 건설 기계의 구성에 따라, 다른 구성을 채용해도 본 발명은 실현할 수 있다. 이하에 있어서, 그 구성예를 나타낸다. 또한, 이하의 각 실시 형태에서는, 도 8에 도시한 예와 마찬가지로 목표 회전수를 1점에서 부여하고 있지만, 도 12에 도시한 예와 마찬가지로 목표 회전수를 영역의 형식으로 부여하는 구성으로 해도 좋다.
도 13은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 컨트롤러의 개략 구성도이다. 상기 도면에 도시된 컨트롤러는, 전동·발전기(2) 및 축전 장치(10)를 구비하지 않는 통상의 유압 셔블에 관한 것이다. 따라서, 도 3에 도시한 구성으로부터, 어시스트 동력 연산부(24), 축전 잔량 연산부(25), 엔진 요구 동력 연산부(26) 및 어시스트 동력 보정부(34)는 생략되어 있다. 본 실시 형태에서는, 시스템 동작점 연산부(28)에 의해 산출된 시스템 효율 맵 상에 펌프 동력 연산부(23)로부터 출력되는 펌프 동력의 등동력선(72)(도 14 참조)을 그림으로써 원하는 시스템 효율이 되는 동작점을 산출하게 된다. 도 14는 시스템 동작점 연산부(28)에 의해 생성된 시스템 효율 맵을 도시하는 도면이다. 상기 도면의 경우, 가장 시스템의 효율이 좋은 동작점은 점(92)이며, 엔진(1)의 목표 회전수는 1750rpm이라고 산출할 수 있다.
도 15는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 컨트롤러의 개략 구성도이다. 상기 도면에 도시된 컨트롤러는, 전동·발전기(2)를 구비한 하이브리드식 유압 셔블에 관한 것이며, 도 3에 도시한 구성으로부터 축전 잔량 연산부(25) 및 어시스트 동력 보정부(34)를 생략한 것에 상당한다. 본 실시 형태에서는, 엔진 요구 동력 연산부(26)에 있어서, 펌프 동력으로부터 어시스트 동력을 감함으로써 엔진 요구 동력을 산출하고, 당해 엔진 요구 동력의 등동력선(73)을 시스템 효율 맵 상에 그림으로써 동작점을 산출할 수 있다. 도 16은 시스템 동작점 연산부(28)에 의해 생성된 시스템 효율 맵을 도시하는 도면이다. 상기 도면의 경우, 가장 시스템의 효율이 좋은 동작점은 점(93)이며, 엔진(1)의 목표 회전수는 1500rpm이라고 산출할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 구성은, 예를 들어 유압 셔블에 있어서의 상부 선회체를 선회하기 위한 선회 모터를 전동화하거나 하여, 유압 액추에이터와 전동 액추에이터를 모두 구비하는 건설 기계에 있어서 유효하다. 즉, 예를 들어 전동 모터의 회생 동력을 엔진축 상의 전동·발전기(2)의 어시스트 동력으로서 이용하는 경우에 적합하다. 또한, 동력 부족에 의한 엔진 스톨을 피하기 위하여, 전동·발전기(2)의 어시스트 동력을 별도 계통의 제어에 의해 우선적으로 구하는 구성을 구비하는 건설 기계에의 적용도 바람직하다.
도 17은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 컨트롤러의 개략 구성도이다. 상기 도면에 도시된 컨트롤러는, 전동·발전기(2) 및 축전 장치(10)를 구비한 하이브리드식 유압 셔블에 관한 것이며, 도 3에 도시한 구성으로부터 어시스트 동력 연산부(24) 및 엔진 요구 동력 연산부(26)를 생략한 것에 상당한다. 본 실시 형태에서는, 펌프 동력 연산부(23)에 의해 산출된 펌프 동력의 등동력선(72)을 시스템 효율 맵 상에 그리고, 당해 등동력선(72)과 축전 잔량 연산부(25)에 의해 산출되는 축전 잔량에 기초하여 전동·발전기(2)의 동작 가능 영역(해칭 영역)(98)을 규정하고, 당해 해칭 영역(98) 내의 동작점 내에서 원하는 시스템 효율의 동작점을 선택하는 것으로 한다. 도 18은 시스템 동작점 연산부(28)에 의해 생성된 시스템 효율 맵을 도시하는 도면이다. 상기 도면의 경우, 해칭 영역(98) 내에서 가장 시스템의 효율이 좋은 동작점은 점(94)이며, 엔진(1)의 목표 회전수는 1500rpm이라고 산출할 수 있다. 또한, 그 경우에 전동·발전기(2)에서 발생해야 할 어시스트 동력의 크기(어시스트 토크 명령)는, 동작점(94)을 통과하는 등동력선(99)과 펌프 동력의 등동력선(72)의 차분으로부터 구할 수 있다. 또한, 본 실시 형태는, 어시스트 동력 연산부(24)를 구비하지 않으므로, 피드 포워드 제어에 의해 전동·발전기(2)의 토크 제어가 행해지게 된다.
그런데, 상기한 각 실시 형태에서는, 엔진 회전수, 엔진 토크 및 시스템 효율 등의 조합을 테이블의 형식으로 산출하는 경우에 대하여 설명했지만, 상기한 처리를 함수화하여 당해 함수에 기초하여 이들의 조합을 산출해도 좋다. 또한, 상기한 각 실시 형태에 관한 연산 처리에 대해서는, 주로 동력(즉, 회전수와 토크의 곱)을 이용한 것을 설명했지만, 이 연산 처리는 토크를 이용한 연산에 기초하여 행해도 좋다.
1 엔진
2 전동·발전기
3 유압 펌프
5 유압 액추에이터
9 인버터
10 축전 장치
14 레귤레이터
15 전자 비례 밸브
16 조작 레버
17 엔진 컨트롤 다이얼
18a, 18b 압력 센서
21 펌프 요구 유량 연산부
22 압력 센서
23 펌프 동력 연산부
23A 펌프 요구 동력 연산부
24 어시스트 동력 연산부
25 축전 잔량 연산부
26 엔진 요구 동력 연산부
27 펌프 동작점 연산부(제2 동작점 연산부)
28 시스템 동작점 연산부(제1 동작점 연산부)
29 용량 연산부
32 파일럿 펌프
33 회전수 연산부
34 어시스트 동력 보정부

Claims (8)

  1. 엔진과, 당해 엔진에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프를 구비한 건설 기계의 제어 장치에 있어서,
    상기 엔진의 에너지 효율에 상기 유압 펌프의 에너지 효율을 곱하여 얻어지는 것을 시스템 효율로 했을 때,
    상기 엔진의 요구 동력을 발생 가능한 엔진 회전수 및 엔진 토크의 조합을 복수 산출하고, 당해 각 조합에 있어서의 상기 시스템 효율을 상기 유압 펌프의 토출압에 따라 산출하는 제1 동작점 연산부와,
    상기 제1 동작점 연산부에 의해 산출된 상기 엔진 회전수, 상기 엔진 토크 및 상기 시스템 효율을 포함하는 복수의 조합 중에서 원하는 시스템 효율이 포함되는 것에 있어서의 엔진 회전수를 상기 엔진의 목표 회전수로서 산출하는 회전수 연산부와,
    상기 회전수 연산부에 의해 산출된 목표 회전수와 상기 유압 펌프의 요구 유량에 기초하여, 상기 유압 펌프의 목표 용량을 산출하는 용량 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유압 펌프의 요구 유량을 발생 가능한 펌프 회전수 및 펌프 용량의 조합을 복수 산출하고, 당해 각 조합에 있어서의 상기 유압 펌프의 에너지 효율을 상기 유압 펌프의 토출압에 따라 산출하는 제2 동작점 연산부를 더 구비하고,
    상기 제1 동작점 연산부는, 상기 제2 동작점 연산부에 의해 산출된 상기 유압 펌프의 에너지 효율과, 상기 엔진의 에너지 효율에 기초하여 상기 각 조합에 있어서의 상기 시스템 효율을 산출하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 건설 기계는, 상기 엔진에 의한 상기 유압 펌프의 구동을 어시스트하거나 또는 상기 엔진에 구동되어 발전하는 전동·발전기를 더 구비하고,
    상기 제1 동작점 연산부는, 상기 엔진의 요구 동력으로서, 상기 유압 펌프의 요구 동력으로부터 상기 전동·발전기의 발생 동력을 감한 동력을 이용하여, 상기 엔진 회전수, 상기 엔진 토크 및 상기 시스템 효율을 포함하는 복수의 조합을 산출하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 건설 기계는, 상기 전동·발전기를 구동하기 위한 전력을 축적하기 위한 축전 장치를 더 구비하고,
    상기 축전 장치의 축전 잔량에 기초하여 상기 전동·발전기의 발생 동력을 산출하는 어시스트 동력 연산부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서, 원하는 시스템 효율이 포함되는 조합이 상기 제1 동작점 연산부에 의해 산출되도록, 상기 전동·발전기의 발생 동력을 보정하는 어시스트 동력 보정부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 제어 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 어시스트 동력 연산부는, 상기 축전 잔량에만 기초하여 상기 전동·발전기의 발생 동력을 산출하는 처리, 또는 상기 축전 잔량과 목표 축전 잔량의 차분에 기초하여 상기 전동·발전기의 발생 동력을 산출하는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 제어 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유압 펌프의 토출압과 요구 유량에 기초하여 상기 유압 펌프의 요구 동력을 산출하는 펌프 동력 연산부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 제어 장치.
  8. 제2항에 있어서, 조작 레버의 조작량, 엔진 회전수 지시 장치에 의한 목표 회전수 및 선택되어 있는 동작 모드의 종류에 기초하여 상기 유압 펌프의 요구 유량을 산출하는 펌프 요구 유량 연산부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 제어 장치.
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