WO2011004880A1

WO2011004880A1 - ハイブリッド建設機械

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Publication number: WO2011004880A1
Application number: PCT/JP2010/061649
Authority: WO
Inventors: 治彦川崎; 祐弘江川
Original assignee: カヤバ工業株式会社
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2011-01-13
Also published as: KR20110093934A; JP5489563B2; DE112010002886T5; KR101272978B1; DE112010002886B4; CN102388226B; US8806860B2; CN102388226A; US20110271669A1; JP2011017428A

Abstract

アクチュエータと回生用の油圧モータとを接続する流路に設けられパイロット室に導かれるパイロット圧の作用で開度が制御される制御弁と、制御弁の上流側の圧力をパイロット圧として制御弁のパイロット室に導く電磁パイロット制御弁とを備え、前記制御弁は、パイロット室のパイロット圧が作用するメインスプールの受圧面積が、パイロット室のパイロット圧に抗してメインスプールを移動させる方向の流出ポートの圧力が作用するメインスプールの受圧面積から付勢部材の付勢力に抗してメインスプールを移動させる方向の流出ポートの圧力が作用するメインスプールの受圧面積を減算したものに等しい。

Description

ハイブリッド建設機械

　本発明は、アクチュエータから排出される作動油を利用してバッテリをチャージするハイブリッド建設機械に関するものである。

　パワーショベル等の建設機械におけるハイブリッド構造は、例えば、エンジンの余剰出力で発電機を回転させて発電し、その電力をバッテリに蓄電するとともに、そのバッテリの電力で電動モータを駆動してアクチュエータを作動させるようにしている。また、アクチュエータの排出エネルギーで油圧モータを駆動して発電機を回転させて発電し、同じくその電力をバッテリに蓄電するとともに、そのバッテリの電力で電動モータを駆動してアクチュエータを作動させるようにしている（ＪＰ２００２−２７５９４５Ａ参照）。

　上記した従来のハイブリッド構造では、アクチュエータと油圧モータの間の流路に破損等が発生した場合には、アクチュエータが制御不能になり逸走するおそれがある。
　本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、安全性を高めたハイブリッド建設機械の制御装置を提供することを目的とする。
　本発明は、アクチュエータから排出される作動油を利用して回生を行うハイブリッド建設機械であって、前記アクチュエータから排出される作動油の供給を受けて回転する回生用の油圧モータと、前記油圧モータに接続された発電機と、前記アクチュエータと前記油圧モータとを接続する流路に設けられ、パイロット室に導かれるパイロット圧の作用で開度が制御される制御弁と、前記制御弁の上流側の圧力をパイロット圧として前記制御弁の前記パイロット室に導く電磁パイロット制御弁と、を備え、前記制御弁は、一端が前記パイロット室に臨んでバルブ本体に摺動自在に組み込まれ、流入ポートと流出ポートの連通と遮断を切り換えるメインスプールと、前記メインスプールの他端が臨むスプリング室に収装され、前記メインスプールを前記パイロット室のパイロット圧に抗して付勢する付勢部材と、を備え、前記パイロット室のパイロット圧が作用する前記メインスプールの受圧面積は、前記パイロット室のパイロット圧に抗して前記メインスプールを移動させる方向の前記流出ポートの圧力が作用する前記メインスプールの受圧面積から前記付勢部材の付勢力に抗して前記メインスプールを移動させる方向の前記流出ポートの圧力が作用する前記メインスプールの受圧面積を減算したものに等しい。
　本発明によれば、制御弁の上流側と下流側の差圧は常に一定に保たれるため、制御弁を通過する作動油の流量は一定となる。したがって、制御弁の下流側の流路に破損等が発生しても、アクチュエータが制御不能になるような事態を防止でき、安全性を高めることができる。

　図１は、本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械の制御装置の回路図である。
　図２は、圧力制御弁と電磁パイロット制御弁とが組み込まれたバルブ本体の断面図である。
　図３は、圧力制御弁と電磁パイロット制御弁とが組み込まれたバルブ本体の断面図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るハイブリッド建設機械について説明する。以下の実施形態では、ハイブリッド建設機械がパワーショベルである場合について説明する。
　図１に示すように、パワーショベルには、原動機としてのエンジン７３で駆動する可変容量型の第１，２メインポンプ７１，７２が設けられる。第１，２メインポンプ７１，７２は同軸回転する。エンジン７３には、エンジン７３の余力を利用して発電機能を発揮するジェネレータ１が設けられる。また、エンジン７３には、エンジン７３の回転数を検出する回転数検出器としての回転数センサ７４が設けられる。
　第１メインポンプ７１から吐出される作動油は第１回路系統７５に供給される。第１回路系統７５は、上流側から順に、旋回モータ７６を制御する操作弁２と、アームシリンダ（図示せず）を制御する操作弁３と、ブームシリンダ７７を制御するブーム２速用の操作弁４と、予備用アタッチメント（図示せず）を制御する操作弁５と、左走行用の第１走行用モータ（図示せず）を制御する操作弁６とを有する。各操作弁２~６は、第１メインポンプ７１から各アクチュエータへ導かれる吐出油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。
　各操作弁２~６と第１メインポンプ７１とは、中立流路７及び中立流路７と並列なパラレル流路８を通じて接続されている。中立流路７における操作弁２~６の下流側には、パイロット圧を生成するための絞り９が設けられる。絞り９は、通過する流量が多ければ上流側に高いパイロット圧を生成し、通過する流量が少なければ上流側に低いパイロット圧を生成するものである。
　中立流路７は、操作弁２~６の全てが中立位置又は中立位置近傍にあるときには、第１メインポンプ７１から吐出された作動油の全部又は一部を、絞り９を介してタンク９４に導く。このとき、絞り９を通過する流量は多くなるため、高いパイロット圧が生成される。
　一方、操作弁２~６がフルストロークの状態に切り換えられると、中立流路７が閉ざされて流体の流通がなくなる。この場合には、絞り９を通過する流量がほとんどなくなり、パイロット圧はゼロを保つことになる。ただし、操作弁２~６の操作量によっては、第１メインポンプ７１から吐出された作動油の一部がアクチュエータに導かれ、残りが中立流路７からタンクに導かれることになるため、絞り９は、中立流路７の作動油の流量に応じたパイロット圧を生成する。つまり、絞り９は、操作弁２~６の操作量に応じたパイロット圧を生成する。
　中立流路７における最下流の操作弁６と絞り９との間には、中立流路切換電磁弁１０が設けられる。中立流路切換電磁弁１０は、そのソレノイドがコントローラ９０に接続される。中立流路切換電磁弁１０は、ソレノイドが非励磁のときにはスプリングのばね力の作用で図示のノーマル位置である開位置に設定され、ソレノイドが励磁のときにはスプリングのばね力に抗して閉位置に設定される。
　中立流路７における操作弁６と中立流路切換電磁弁１０との間にはパイロット流路１１が接続される。パイロット流路１１には、絞り９の上流側に発生する圧力がパイロット圧として導かれる。パイロット流路１１は、第１メインポンプ７１の傾転角を制御する傾転角制御器としてのレギュレータ１２に接続される。レギュレータ１２は、パイロット流路１１のパイロット圧と逆比例して第１メインポンプ７１の傾転角を制御して、第１メインポンプ７１の１回転当たりの押し除け量を制御する。したがって、操作弁２~６をフルストロークして中立流路７の流れがなくなり、パイロット流路１１のパイロット圧がゼロになれば、第１メインポンプ７１の傾転角が最大になり、１回転当たりの押し除け量が最大になる。
　パイロット流路１１には、パイロット流路１１の圧力を検出する圧力検出器としての第１圧力センサ１３が設けられる。第１圧力センサ１３にて検出された圧力信号はコントローラ９０に出力される。パイロット流路１１のパイロット圧は、操作弁２~６の操作量に応じて変化するため、第１圧力センサ１３が検出する圧力信号は、第１回路系統７５の要求流量に応じて変化することになる。
　コントローラ９０には、操作弁２~６が略中立位置にあるときの絞り９の上流に発生する圧力が設定圧力として予め記憶されている。コントローラ９０は、第１圧力センサ１３の圧力信号が設定圧力に達した場合には、操作弁２~６が略中立位置にあって操作弁２~６に接続されたアクチュエータが非作業の状態にあると判定し、中立流路切換電磁弁１０を励磁して閉位置に切り換える。中立流路切換電磁弁１０が閉位置に切り換った後は、レギュレータ１２は、パイロット流路１１のパイロット圧の作用を受けて第１メインポンプ７１の傾転角を制御する。これにより、第１メインポンプ７１はスタンバイ流量を吐出する。そして、操作弁２~６が中立位置から切り換えられ、第１圧力センサ１３の圧力信号が設定圧力よりも低下した場合には、コントローラ９０は中立流路切換電磁弁１０を非励磁にして開位置に切り換える。
　第２メインポンプ７２は第２回路系統７８に接続している。第２回路系統７８は、その上流側から順に、右走行用の第２走行用モータ（図示せず）を制御する操作弁１４と、バケットシリンダ（図示せず）を制御する操作弁１５と、ブームシリンダ７７を制御する操作弁１６と、アームシリンダ（図示せず）を制御するアーム２速用の操作弁１７とを有する。操作弁１６には、操作方向及び操作量を検出するセンサが設けられ、このセンサの検出信号はコントローラ９０に出力される。各操作弁１４~１７は、第２メインポンプ７２から各アクチュエータへ導かれる吐出油の流量を制御して、各アクチュエータの動作を制御する。
　各操作弁１４~１７と第２メインポンプ７２とは、中立流路１８及び中立流路１８と並列なパラレル流路１９を通じて接続されている。中立流路１８における操作弁１４~１７の下流側には、パイロット圧を生成するための絞り２０が設けられる。絞り２０は、第１メインポンプ７１側の絞り９と同じ機能を有するものである。
　中立流路１８における最下流の操作弁１７と絞り２０との間には、中立流路切換電磁弁２１が設けられる。中立流路切換電磁弁２１は、第１メインポンプ７１側の中立流路切換電磁弁１０と同じ構成である。
　中立流路１８における操作弁１７と中立流路切換電磁弁２１との間にはパイロット流路２２が接続される。パイロット流路２２には、絞り２０の上流側に発生する圧力がパイロット圧として導かれる。パイロット流路２２は、第２メインポンプ７２の傾転角を制御する傾転角制御器としてのレギュレータ２３に接続される。レギュレータ２３は、第１メインポンプ７１のレギュレータ１２と同様に、パイロット流路２２のパイロット圧と逆比例して第２メインポンプ７２の傾転角を制御して、第２メインポンプ７２の１回転当たりの押し除け量を制御する。
　パイロット流路２２には、パイロット流路１１と同様に、パイロット流路２２の圧力を検出する圧力検出器としての第２圧力センサ２４が設けられる。第１メインポンプ７１側と同様に、コントローラ９０は、第２圧力センサ２４の圧力信号に基づいて中立流路切換電磁弁２１を切り換える。
　旋回モータ用の操作弁２のアクチュエータポートには、旋回モータ７６に連通する通路２８，２９が接続されると共に、通路２８，２９のそれぞれにはブレーキ弁３０，３１が接続される。操作弁２を中立位置に保っているときには、アクチュエータポートが閉じられて旋回モータ７６は停止状態を維持する。
　旋回モータ７６の停止状態から操作弁２をいずれか一方の方向に切り換えると、一方の通路２８が第１メインポンプ７１に接続され、他方の通路２９がタンクに連通する。これにより、通路２８から作動油が供給されて旋回モータ７６が回転すると共に、旋回モータ７６からの戻り油が通路２９を通じてタンクに戻される。操作弁２を上記とは反対方向に切り換えると、通路２９が第１メインポンプ７１に接続され、通路２８がタンクに連通し、旋回モータ７６は逆転する。
　旋回モータ７６の回転中は、ブレーキ弁３０又は３１がリリーフ弁の機能を発揮し、通路２８，２９が設定圧力以上になったときに、ブレーキ弁３０，３１が開弁して、通路２８，２９の圧力を設定圧力に保つ。また、旋回モータ７６の回転中に、操作弁２を中立位置に戻せば、操作弁２のアクチュエータポートが閉じられる。このように操作弁２のアクチュエータポートが閉じられても、旋回モータ７６は慣性エネルギーで回転し続けるため、旋回モータ７６がポンプ作用をする。このとき、通路２８，２９、旋回モータ７６、及びブレーキ弁３０，３１にて閉回路が構成されると共に、ブレーキ弁３０，３１によって慣性エネルギーが熱エネルギーに変換される。
　一方、操作弁１６を中立位置から一方の方向に切り換えると、第２メインポンプ７２から吐出された作動油は、通路３２を通じてブームシリンダ７７のピストン側室３３に供給されると共に、ロッド側室３４からの戻り油は通路３５を通じてタンクに戻され、ブームシリンダ７７は伸長する。操作弁１６を上記とは反対方向に切り換えると、第２メインポンプ７２から吐出された作動油は、通路３５を通じてブームシリンダ７７のロッド側室３４に供給されると共に、ピストン側室３３からの戻り油は通路３２を通じてしてタンクに戻され、ブームシリンダ７７は収縮する。ブーム２速用の操作弁４は、操作弁１６と連動して切り換るものである。
　ブームシリンダ７７のピストン側室３３と操作弁１６とを接続する通路３２には、コントローラ９０によって開度が制御される比例電磁弁３６が設けられる。比例電磁弁３６はノーマル状態で全開位置を保つ。
　次に、第１，２メインポンプ７１，７２の出力をアシストする可変容量型のアシストポンプ８９について説明する。アシストポンプ８９は回生用の油圧モータ８８と同軸回転するように連結される。油圧モータ８８は可変容量型モータであって発電機９１に接続される。アシストポンプ８９は、発電機９１を電動モータとして使用したときの駆動力で回転する。その際、アシストポンプ８９に連結された油圧モータ８８も回転する。発電機９１にはインバータ９２を介してバッテリ２６が接続され、インバータ９２に接続されたコントローラ９０にて電動モータとして機能する発電機９１の回転数等が制御される。また、アシストポンプ８９及び油圧モータ８８の傾転角は傾転角制御器としてのレギュレータ３７，３８にて制御され、レギュレータ３７，３８はコントローラ９０の出力信号にて制御される。なお、以下では、発電機９１が電動モータとして機能する場合には、発電機９１を「電動モータ９１」と称する。
　アシストポンプ８９には吐出通路３９が接続される。吐出通路３９は、第１メインポンプ７１の吐出側に合流する第１アシスト流路４０と、第２メインポンプ７２の吐出側に合流する第２アシスト流路４１とに分岐して形成される。第１，２アシスト流路４０，４１のそれぞれには、コントローラ９０の出力信号にて開度が制御される第１，２電磁比例絞り弁４２，４３が設けられる。また、第１，２アシスト流路４０，４１のそれぞれには、第１，２電磁比例絞り弁４２，４３の下流に、アシストポンプ８９から第１，２メインポンプ７１，７２の吐出側への作動油の流れのみを許容するチェック弁４４，４５が設けられる。
　回生用の油圧モータ８８には接続用流路４６が接続される。接続用流路４６は、導入流路４７及びチェック弁４８，４９を介して、旋回モータ７６に接続された通路２８，２９に接続される。
　導入流路４７には、パイロット操作型弁である圧力制御弁５０が設けられる。圧力制御弁５０には、パイロット圧が導かれるパイロット室５１と、パイロット室５１に対向するスプリング５２とが設けられる。圧力制御弁５０は、パイロット室５１に導かれるパイロット圧の作用で開度が制御される。
　導入流路４７とパイロット室５１の間には、圧力制御弁５０の上流側の導入流路４７の圧力をパイロット圧としてパイロット室５１に導く電磁パイロット制御弁５３が設けられる。電磁パイロット制御弁５３には、ソレノイド５４と、ソレノイド５４に対向するスプリング５５とが設けられる。ソレノイド５４はコントローラ９０に接続される。電磁パイロット制御弁５３は、コントローラ９０によってオンオフ制御され、ソレノイド５４が非励磁状態ではスプリング５５の付勢力によって図示のノーマル位置である遮断位置に設定され、ソレノイド５４が励磁状態ではスプリング５５が圧縮されて連通位置に設定される。遮断位置では、圧力制御弁５０のパイロット室５１は導入流路４７との連通が遮断されタンク５６と連通するため、パイロット室５１は大気圧となる。一方、連通位置では、パイロット室５１に導入流路４７の圧力がパイロット圧として導かれ、圧力制御弁５０はパイロット圧に応じた開度に設定される。
　図２に示すように、圧力制御弁５０と電磁パイロット制御弁５３は、バルブ本体５８に一体に組み込まれる。以下では、圧力制御弁５０及び電磁パイロット制御弁５３の構造を詳しく説明する。
　まず、圧力制御弁５０について説明する。バルブ本体５８には、圧力制御弁５０の流入ポート６０と流出ポート６１が設けられる。また、バルブ本体５８には、流入ポート６０と流出ポート６１の連通と遮断を切り換えるメインスプール５９が摺動自在に組み込まれる。
　メインスプール５９は、スプール本体６２とスプール本体６２に摺動自在に組み込まれるピストン部６３とに分割して形成される。スプール本体６２の端部はスプリング室６４に臨み、ピストン部６３の端部はパイロット室５１に臨んで配置される。このように、メインスプール５９は、一端がスプリング室６４に臨み、他端がパイロット室５１に臨んで配置される。スプリング室６４には、メインスプール５９をパイロット室５１のパイロット圧に抗して付勢する付勢部材としてのスプリング５２が収装される。したがって、メインスプール５９の一端にはスプリング５２の付勢力が作用し、他端にはパイロット室５１のパイロット圧による荷重が作用する。
　電磁パイロット制御弁５３が連通位置に設定されれば、パイロット室５１は流入ポート６０と連通するため、パイロット室５１に作用するパイロット圧は流入ポート６０の圧力と等しくなる。
　メインスプール５９は、通常状態では、スプリング５２の付勢力によって図１及び図２に示す中立位置を保ち、流入ポート６０と流出ポート６１の連通を遮断する。一方、パイロット室５１のパイロット圧による荷重がスプリング５２の付勢力に打ち勝てば、メインスプール５９はスプリング５２の付勢力に抗して移動し、第１ランド部６５に形成されたノッチ６６を通じて流入ポート６０が流出ポート６１に連通して圧力制御弁５０が開弁する。ノッチ６６は、流出ポート６１に対する開口面積がメインスプール５９の移動量に応じて変化するように形成される。具体的には、ノッチ６６は、通常状態では流出ポート６１との連通が遮断され、メインスプール５９がスプリング５２の付勢力に抗して移動することによって流出ポート６１と連通し、メインスプール５９の移動量に応じて流出ポート６１に対する開口面積が次第に大きくなる形状に形成される。
　ピストン部６３は、直径がスプール本体６２の最小径よりも小さく形成される。つまり、パイロット室５１のパイロット圧が作用するピストン部６３の受圧面積はスプール本体６２の最小径部の断面積よりも小さい。このように、メインスプール５９をスプール本体６２とピストン部６３とに分割して形成することによって、パイロット室５１のパイロット圧が作用するメインスプール５９の受圧面積を小さくすることができるため、小さなばね力でメインスプール５９をバランスさせることができる。したがって、スプリング５２を小さくすることができるため、その分、圧力制御弁５０を小型化することができる。
　メインスプール５９は、一端面が流入ポート６０に臨むと共に他端面が流出ポート６１に臨みノッチ６６が形成される第１ランド部６５と、一端面が流入ポート６０に臨む第２ランド部６７と、一端面が流出ポート６１に臨む第３ランド部６８とを備える。つまり、流入ポート６０の圧力は、第１ランド部６５と第２ランド部６７に作用し、流出ポート６１の圧力は、第１ランド部６５と第３ランド部６８に作用する。
　パイロット室５１のパイロット圧が作用するメインスプール５９の受圧面積をＰＡとする。また、流出ポート６１の圧力が作用する第１ランド部６５の受圧面積、つまり、パイロット室５１のパイロット圧に抗してメインスプール５９を移動させる方向の流出ポート６１の圧力が作用するメインスプールの受圧面積をＡ１とする。また、流出ポート６１の圧力が作用する第３ランド部６８の受圧面積、つまり、スプリング５２の付勢力に抗してメインスプール５９を移動させる方向の流出ポート６１の圧力が作用するメインスプール５９の受圧面積をＡ２とする。各受圧面積ＡＰ，Ａ１，Ａ２は、ＰＡ＝Ａ１−Ａ２の関係に設定される。つまり、ＰＡはＡ１とＡ２の差分に等しくなるように設定される。
　一方、流入ポート６０の圧力が作用する第１ランド部６５の受圧面積Ａ３と流入ポート６０の圧力が作用する第２ランド部６７の受圧面積Ａ４とは等しく設定される。したがって、流入ポート６０の圧力がメインスプール５９の移動に影響を及ぼすことはない。
　流入ポート６０の圧力、つまりパイロット室５１の圧力をＰ１とし、流出ポートの圧力をＰ２とし、スプリング５２のばね力をＦとすると、メインスプール５９に作用する力のバランスは以下の式にて表される。
　ＰＡ・Ｐ１＝（Ａ１−Ａ２）・Ｐ２＋Ｆ
　ここで、上述のように、ＰＡ＝Ａ１−Ａ２であるため、上記式は以下となる。
　ＰＡ・Ｐ１＝ＰＡ・Ｐ２＋Ｆ
　この式の両辺をＰＡにて割り整理すると、以下となる。
　Ｐ１−Ｐ２＝Ｆ／ＰＡ
　この式からわかるように、流入ポート６０と流出ポート６１との差圧（Ｐ１−Ｐ２）は一定値となる。
　流入ポート６０と流出ポート６１との差圧は一定に保たれるため、圧力制御弁５０を通過する作動油の流量は一定に保たれる。したがって、圧力制御弁５０の下流側の流路系統に破損等の障害が発生しても、旋回モータ７６が逸走するといった危険を防止することができる。
　電磁パイロット制御弁５３は、スリーブ８１に対してパイロットスプール８２が摺動自在に組み込まれる。ソレノイド５４が非励磁状態では、パイロットスプール８２は、スプリング５５の付勢力によって図１及び図２に示すノーマル位置である遮断位置を保つ。パイロットスプール８２がノーマル位置にある場合には、パイロット室５１に連通するパイロットポート８３がノッチ８４を通じてタンク５６に連通する。
　ソレノイド５４が励磁されてパイロットスプール８２がスプリング５５の付勢力に抗して移動すると、パイロットポート８３とタンク５６との連通が遮断されると共に、導入流路４７に連通するインポート８５がパイロットポート８３と連通し、導入流路４７の圧力がパイロット圧としてパイロット室５１に導かれる。これにより、圧力制御弁５０はパイロット圧に応じた開度に設定される。このとき、パイロット室５１は、パイロットポート８３、インポート８５、及び導入流路４７を通じて流入ポート６０と連通するため、パイロット室５１のパイロット圧は流入ポート６０の圧力と等しくなる。
　図３に本実施形態の変形例を示す。図３に示す形態は、本実施形態の第１ランド部６５をポペット部８６に変更したものであり、メインスプール５９の受圧面積及びその他の構成は、本実施の形態と同じである。
　図１に示すように、導入流路４７における圧力制御弁５０とチェック弁４８，４９との間には、旋回モータ７６の旋回時の圧力あるいはブレーキ時の圧力を検出する圧力センサ６９が設けられる。圧力センサ６９の圧力信号はコントローラ９０に出力される。
　ブームシリンダ７７と比例電磁弁３６との間には、接続用流路４６に連通する導入通路７０が接続される。導入通路７０にはコントローラ９０にて開閉が制御される電磁開閉弁９９が設けられる。
　第１，２メインポンプ７１，７２にはそれぞれスタンバイ流路９５，９６が接続され、スタンバイ流路９５，９６にはそれぞれ電磁弁９７，９８が設けられる。スタンバイ流路９５，９６は、第１，２回路系統７５，７８の上流側で第１，２メインポンプ７１，７２に接続される。電磁弁９７，９８の一端にはスプリングが設けられ、他端にはコントローラ９０に接続されたソレノイドが設けられる。電磁弁９７，９８は、ソレノイドが非励磁の通常状態では図示の閉位置に保たれ、ソレノイドが励磁されたときに開位置に切り換わる。
　スタンバイ流路９５，９６を第１，２回路系統７５，７８の上流側で第１，２メインポンプ７１，７２に接続したのは、スタンバイ流路９５，９６に導かれる作動油の圧力損失を小さくするためである。スタンバイ流路９５，９６は合流流路５７に合流し、合流流路５７は接続用流路４６に接続される。合流流路５７には、第１，２メインポンプ７１，７２から油圧モータ８８への作動油の流れのみを許容するチェック弁７９が設けられる。
　次に、以上にて説明した油圧回路の作用について説明する。
　第１，２回路系統７５，７８の操作弁２~６，１４~１７が中立位置に保たれていると、第１，２メインポンプ７１，７２の吐出流量の全量が、中立流路７，１８から絞り９，２０を経由してタンク９４に導かれる。このようにポンプ吐出流量の全量が絞り９，２０を経由してタンク９４に導かれると、絞り９，２０の上流側の圧力が上昇すると共に、この圧力がパイロット流路１１，２２を経由してレギュレータ１２，２３に導かれる。これにより、レギュレータ１２，２３は、パイロット流路１１，２２のパイロット圧の作用で、第１，２メインポンプ７１，７２の傾転角を小さくして第１，２メインポンプ７１，７２の吐出流量をスタンバイ流量に設定する。
　そして、パイロット流路１１，２２のパイロット圧が設定圧力に達した場合には、コントローラ９０は中立流路切換電磁弁１０，２１を閉位置に切り換える。中立流路切換電磁弁１０，２１が閉位置に切り換ったときにも、パイロット流路１１，２２の圧力がレギュレータ１２，２３に作用し、第１，２メインポンプ７１，７２はスタンバイ流量を吐出する。このとき、コントローラ９０は、電磁弁９７，９８のソレノイドを励磁して、電磁弁９７，９８を閉位置から開位置に切り換える。これにより、第１，２メインポンプ７１，７２から吐出されたスタンバイ流量は、スタンバイ流路９５，９６、電磁弁９７，９８、合流流路５７、接続用流路４６を経由して油圧モータ８８に供給される。
　第１，２メインポンプ７１，７２から吐出されたスタンバイ流量を油圧モータ８８に供給するときには、コントローラ９０は、レギュレータ３８を制御して油圧モータ８８の傾転角を予め記憶された設定傾転角に設定すると共に、レギュレータ３７を制御してアシストポンプ８９の傾転角をゼロに設定する。また、コントローラ９０はインバータ９２を介して発電機９１を回生状態に保つ。これにより、発電機９１は、油圧モータ８８の駆動力で回転して発電機能を発揮する。このように、第１，２メインポンプ７１，７２のスタンバイ流量を利用して、発電機９１に発電機能を発揮させるスタンバイ回生動作が行われる。発電機９１にて発電された電力はバッテリ２６に蓄電され、バッテリ２６に蓄電された電力は発電機９１が電動モータとして機能する際の動力源として利用される。
　なお、以上の説明では、第１，２回路系統７５，７８の操作弁２~６，１４~１７の全てが中立位置に保たれている場合に、スタンバイ回生動作が行われると説明した。しかし、第１，２回路系統７５，７８のいずれか一方、つまり、操作弁２~６又は操作弁１４~１７が中立位置にあるときにも油圧モータ８８が回転してスタンバイ回生動作が行われる。つまり、コントローラ９０は、第１圧力センサ１３の圧力信号に基づいて電磁弁９７を開位置に設定し、第２圧力センサ２４の圧力信号に基づいて電磁弁９８を開位置に設定する。このように、第１，２メインポンプ７１，７２のいずれか一方の吐出油が油圧モータ８８に供給されれば、油圧モータ８８の駆動力で発電機９１が回転して発電が行われる。
　次に、アシストポンプ８９のアシスト力を利用する場合について説明する。アシストポンプ８９のアシスト流量はコントローラ９０に予め記憶され、コントローラ９０は、その記憶されたアシスト流量に基づいて、アシストポンプ８９の傾転角、油圧モータ８８の傾転角、及び電動モータ９１の回転数などをどのように制御したら最も効率的かを判断して制御する。
　第１回路系統７５の操作弁２~６あるいは第２回路系統７８の操作弁１４~１７が切り換えられたときに、中立流路切換電磁弁１０，２１が閉位置を保っていれば、コントローラ９０は中立流路切換電磁弁１０，２１を開位置に切り換える。これにより、パイロット流路１１，２２のパイロット圧が低くなり、その低くなったパイロット圧信号が第１，２圧力センサ１３，２４を介してコントローラ９０に入力され、コントローラ９０はパイロット圧信号に基づいて第１，２メインポンプ７１，７２の吐出流量が増加するようにレギュレータ１２，２３を制御する。また、これと同時に、コントローラ９０は電磁弁９７，９８を閉位置に切り換えるため、第１，２メインポンプ７１，７２の吐出流量の全量が第１，２回路系統７５，７８のアクチュエータに供給される。
　第１，２メインポンプ７１，７２の吐出流量が増加するときには、コントローラ９０は電動モータ９１を常に回転した状態に保つ。電動モータ９１の駆動源は、バッテリ２６に蓄電した電力であり、この電力の一部は、第１，２メインポンプ７１，７２のスタンバイ流量を利用して蓄電したものであるため、エネルギー効率が非常に良いものとなる。
　電動モータ９１の駆動力でアシストポンプ８９が回転すれば、アシストポンプ８９からアシスト流量が吐出される。コントローラ９０は、第１、２圧力センサ１３，２４の圧力信号に基づいて第１，２電磁比例絞り弁４２，４３の開度を制御し、アシストポンプ８９の吐出量を按分して第１，２回路系統７５，７８に供給する。
　第１回路系統７５に接続された旋回モータ７６を駆動するために、旋回モータ用の操作弁２を一方の方向に切り換えると、一方の通路２８が第１メインポンプ７１に連通し、他方の通路２９がタンクに連通して、旋回モータ７６が回転する。このときの旋回圧はブレーキ弁３０の設定圧に保たれる。一方、操作弁２を反対方向に切り換えると、他方の通路２９が第１メインポンプ７１に連通し、一方の通路２８がタンクに連通して、旋回モータ７６が逆転する。このときの旋回圧もブレーキ弁３１の設定圧に保たれる。また、旋回モータ７６が旋回している最中に操作弁２を中立位置に切り換えると、通路２８，２９間で閉回路が構成されると共に、ブレーキ弁３０あるいは３１が閉回路のブレーキ圧を維持して慣性エネルギーを熱エネルギーに変換する。
　圧力センサ６９は旋回モータ７６の旋回圧又はブレーキ圧を検出すると共に、その圧力信号をコントローラ９０に出力する。コントローラ９０は、旋回モータ７６の旋回あるいはブレーキ動作に影響を及ぼさない範囲内であってブレーキ弁３０，３１の設定圧よりも低い圧力を検出した場合には、電磁パイロット制御弁５３を遮断位置から連通位置に切り換える。電磁パイロット制御弁５３が連通位置に切り換われば、圧力制御弁５０のパイロット室５１に導入流路４７の圧力がパイロット圧として導かれると共に、圧力制御弁５０はそのパイロット圧に応じた開度を維持する。したがって、旋回モータ７６から排出された作動油は接続用流路４６を通じて油圧モータ８８に供給される。このとき、コントローラ９０は、圧力センサ６９の圧力信号に基づいて油圧モータ８８の傾転角を制御する。以下に、その制御について説明する。
　通路２８，２９の圧力は、旋回モータ７６の旋回動作あるいはブレーキ動作に必要な圧力に保たれていなければ、旋回モータ７６を旋回させたりブレーキをかけたりできなくなる。そこで、通路２８，２９の圧力を旋回圧あるいはブレーキ圧に保つために、コントローラ９０は油圧モータ８８の傾転角を制御しながら、旋回モータ７６の負荷を制御する。つまり、コントローラ９０は、圧力センサ６９にて検出された圧力が旋回モータ７６の旋回圧あるいはブレーキ圧とほぼ等しくなるように、油圧モータ８８の傾転角を制御する。
　導入流路４７及び接続用流路４６を通じて油圧モータ８８に作動油が供給され、油圧モータ８８が回転力を得れば、その回転力は同軸回転する電動モータ９１に作用する。油圧モータ８８の回転力は、電動モータ９１に対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータ８８の回転力の分だけ、電動モータ９１の消費電力を少なくすることができる。また、油圧モータ８８の回転力でアシストポンプ８９の回転力をアシストすることもでき、この場合には、油圧モータ８８とアシストポンプ８９が相まって圧力変換機能を発揮する。
　接続用流路４６に流入する作動油の圧力は第１メインポンプ７１のポンプ吐出圧よりも低いことが多い。この低い圧力を利用してアシストポンプ８９に高い吐出圧を維持させるために、油圧モータ８８及びアシストポンプ８９によって増圧機能を発揮させるようにしている。つまり、油圧モータ８８の出力は、１回転当たりの押し除け容積Ｑ１とそのときの圧力Ｐ１の積で決まる。また、アシストポンプ８９の出力は、１回転当たりの押し除け容積Ｑ２とそのときの吐出圧Ｐ２の積で決まる。油圧モータ８８とアシストポンプ８９とは同軸回転するので、Ｑ１×Ｐ１＝Ｑ２×Ｐ２が成立する。そこで、例えば、油圧モータ８８の上記押し除け容積Ｑ１をアシストポンプ８９の押し除け容積Ｑ２の３倍、すなわちＱ１＝３Ｑ２にしたとすれば、上記等式が３Ｑ２×Ｐ１＝Ｑ２×Ｐ２となる。この式から両辺をＱ２で割れば、３Ｐ１＝Ｐ２が成り立つ。したがって、アシストポンプ８９の傾転角を変えて押し除け容積Ｑ２を制御すれば、油圧モータ８８の出力によってアシストポンプ８９に所定の吐出圧を維持させることができる。言い換えると、旋回モータ７６からの油圧を増圧してアシストポンプ８９から吐出させることができる。
　ただし、油圧モータ８８の傾転角は、上述のように通路２８，２９の圧力を旋回圧あるいはブレーキ圧に保つように制御される。したがって、旋回モータ７６からの油圧を利用する場合には、油圧モータ８８の傾転角は必然的に決められることになる。このように、油圧モータ８８の傾転角が決められた中で、圧力変換機能を発揮させるためには、アシストポンプ８９の傾転角を制御することになる。なお、接続用流路４６系統の圧力が何らかの原因で、旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなったときには、コントローラ９０は、圧力センサ６９の圧力信号に基づいて、電磁パイロット制御弁５３のソレノイド５４を非励磁にして、圧力制御弁５０の流入ポート６０と流出ポート６１との連通を遮断して圧力制御弁５０を閉弁し、旋回モータ７６に影響を及ぼさないようにする。また、接続用流路４６に圧油の漏れが生じたときには、圧力制御弁５０が機能して通路２８，２９の圧力が必要以上に低くならないようにして、旋回モータ７６の逸走を防止する。
　次に、ブームシリンダ７７を制御する場合について説明する。ブームシリンダ７７を作動させるために操作弁１６を切り換えると、操作弁１６に設けられたセンサ（図示せず）によって、操作弁１６の操作方向と操作量が検出され、その操作信号がコントローラ９０に出力される。
　上記センサの操作信号に応じて、コントローラ９０は、オペレータがブームシリンダ７７を上昇させようとしているのか、あるいは下降させようとしているのかを判定する。コントローラ９０は、ブームシリンダ７７の上昇を判定すれば、比例電磁弁３６をノーマル状態である全開位置に保つ。このときには、コントローラ９０は、電磁開閉弁９９を閉位置に保つと共に、電動モータ９１の回転数やアシストポンプ８９の傾転角を制御する。
　一方、コントローラ９０は、ブームシリンダ７７の下降を判定すれば、操作弁１６の操作量に応じてオペレータが求めているブームシリンダ７７の下降速度を演算すると共に、比例電磁弁３６を閉じて電磁開閉弁９９を開位置に切り換える。これにより、ブームシリンダ７７から排出された作動油の全量が油圧モータ８８に供給される。しかし、油圧モータ８８で消費する流量が、オペレータが求めた下降速度を維持するために必要な流量よりも少なければ、ブームシリンダ７７はオペレータが求めた下降速度を維持できない。このようなときには、コントローラ９０は、操作弁１６の操作量、油圧モータ８８の傾転角、及び電動モータ９１の回転数等に基づいて、油圧モータ８８が消費する流量以上の流量をタンクに戻すように比例電磁弁３６の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダ７７の下降速度を維持する。
　油圧モータ８８に圧油が供給されると、油圧モータ８８が回転し、その回転力は同軸回転する電動モータ９１に作用する。油圧モータ８８の回転力は、電動モータ９１に対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータ８８の回転力の分だけ、電動モータ９１の消費電力を少なくすることができる。一方、電動モータ９１に対して電力を供給せず、油圧モータ８８の回転力だけでアシストポンプ８９を回転させることもでき、この場合には、油圧モータ８８とアシストポンプ８９が圧力変換機能を発揮する。
　次に、旋回モータ７６の旋回動作とブームシリンダ７７の下降作動とを同時に行う場合について説明する。旋回モータ７６を旋回させながらブームシリンダ７７を下降させるときには、旋回モータ７６からの圧油と、ブームシリンダ７７からの戻り油とが、接続用流路４６で合流して油圧モータ８８に供給される。このとき、接続用流路４６の圧力上昇に伴って導入流路４７の圧力が上昇する。そして、導入流路４７の圧力が旋回モータ７６の旋回圧あるいはブレーキ圧よりも高くなったとしても、チェック弁４８，４９があるため、旋回モータ７６には影響を及ぼさない。また、導入流路４７の圧力が旋回圧あるいはブレーキ圧よりも低くなれば、コントローラ９０は、圧力センサ６９の圧力信号に基づいて、電磁パイロット制御弁５３のソレノイド５４を非励磁にして、圧力制御弁５０の流入ポート６０と流出ポート６１との連通を遮断する。
　したがって、旋回モータ７６の旋回動作とブームシリンダ７７の下降動作とを同時に行うときには、旋回モータ７６の旋回圧あるいはブレーキ圧にかかわりなく、ブームシリンダ７７の必要下降速度を基準にして油圧モータ８８の傾転角を決めればよい。
　油圧モータ８８を駆動源として発電機９１にて発電を行う場合には、アシストポンプ８９は傾転角がゼロに設定されほぼ無負荷状態となる。油圧モータ８８には、発電機９１を回転させるために必要な出力を維持しておけば、油圧モータ８８の出力を利用して発電機９１を機能させることができる。
　また、エンジン７３に設けたジェネレータ１はバッテリチャージャー２５に接続され、ジェネレータ１が発電した電力はバッテリチャージャー２５を介してバッテリ２６に充電される。バッテリチャージャー２５は、通常の家庭用の電源２７に接続した場合にも、バッテリ２６に電力を充電できるようにしている。このように、電動モータ９１の電力を多岐に渡って調達することができる。
　本システムには、チェック弁４４，４５が設けられると共に、圧力制御弁５０、電磁開閉弁９９、電磁弁９７，９８が設けられるため、例えば、油圧モータ８８及びアシストポンプ８９系統が故障した場合でも、第１，２メインポンプ７１，７２系統と、油圧モータ８８及びアシストポンプ８９系統とを油圧的に切り離すことができる。特に、電磁開閉弁９９及び電磁弁９７，９８は、ノーマル状態にあるときにスプリングのバネ力で閉位置を保つと共に、上記比例電磁弁３６もノーマル状態にあるときに全開位置を保つため、電気系統が故障したとしても、第１，２メインポンプ７１，７２系統と、油圧モータ８８及びアシストポンプ８９系統とを油圧的に切り離すことができる。
　以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。
　圧力制御弁５０の開弁時には流入ポート６０と流出ポート６１との差圧は常に一定に保たれるため、圧力制御弁５０を通過する作動油の流量は一定となる。したがって、圧力制御弁５０の下流側の流路に破損等が発生しても、アクチュエータが制御不能になるような事態を防止でき、安全性を高めることができる。
　また、パイロット室５１のパイロット圧が作用するメインスプール５９のピストン部６３の受圧面積は、スプール本体６２の最小径部よりも小さいため、パイロット室５１に対向するスプリング室６４に収装されるスプリング５２のばね力を小さく設定することができる。これにより、圧力制御弁５０を小型化することができる。
　また、圧力制御弁５０と電磁パイロット制御弁５３は、バルブ本体５８に一体に組み込まれるため、装置を小型することができる。
　本発明は、上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
　以上の説明に関して２００９年７月１０日を出願日とする日本国における特願２００９−１６４２８１の内容をここに引用により組み込む。

　パワーショベル等の建設機械に利用することができる。

Claims

　アクチュエータから排出される作動油を利用して回生を行うハイブリッド建設機械であって、
　前記アクチュエータから排出される作動油の供給を受けて回転する回生用の油圧モータと、
　前記油圧モータに接続された発電機と、
　前記アクチュエータと前記油圧モータとを接続する流路に設けられ、パイロット室に導かれるパイロット圧の作用で開度が制御される制御弁と、
　前記制御弁の上流側の圧力をパイロット圧として前記制御弁の前記パイロット室に導く電磁パイロット制御弁と、を備え、
　前記制御弁は、
　一端が前記パイロット室に臨んでバルブ本体に摺動自在に組み込まれ、流入ポートと流出ポートの連通と遮断を切り換えるメインスプールと、
　前記メインスプールの他端が臨むスプリング室に収装され、前記メインスプールを前記パイロット室のパイロット圧に抗して付勢する付勢部材と、を備え、
　前記パイロット室のパイロット圧が作用する前記メインスプールの受圧面積は、前記パイロット室のパイロット圧に抗して前記メインスプールを移動させる方向の前記流出ポートの圧力が作用する前記メインスプールの受圧面積から前記付勢部材の付勢力に抗して前記メインスプールを移動させる方向の前記流出ポートの圧力が作用する前記メインスプールの受圧面積を減算したものに等しいハイブリッド建設機械。
　請求項１に記載のハイブリッド建設機械の制御装置において、
　前記メインスプールは、前記スプリング室に臨むスプール本体と、前記スプール本体に摺動自在に組み込まれ前記パイロット室に臨むピストン部と、に分割して形成され、
　前記パイロット室のパイロット圧が作用する前記ピストン部の受圧面積は、前記スプール本体の最小径部よりも小さいハイブリッド建設機械。
　請求項１に記載のハイブリッド建設機械の制御装置において、
　前記バルブ本体に、前記電磁パイロット制御弁が組み込まれるハイブリッド建設機械。