WO2011102292A1

WO2011102292A1 - ハイブリッド建設機械の制御システム

Info

Publication number: WO2011102292A1
Application number: PCT/JP2011/052855
Authority: WO
Inventors: 治彦川崎; 祐弘江川
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2012-08-18
Also published as: KR101286843B1; JP2011169396A; JP5350290B2; CN102639882B; US9037357B2; US20120233998A1; CN102639882A; KR20120053068A; DE112011100600T5

Abstract

　複数の操作弁を設けた第１、２回路系統の少なくとも一方の回路系統には、ノーマル位置で中立流路とタンクに連通し、切換位置で中立流路とタンクとの連通を遮断して当該中立流路を発電用油圧モータに連通する回生切換弁が設けられる。

Description

ハイブリッド建設機械の制御システム

　この発明は、ハイブリッド建設機械の制御システムに関する。

　ＪＰ２００２－２７５９４５Ａは、エンジンと、エンジンによって駆動される発電機と、発電機による発電電力を蓄電するバッテリと、バッテリの電力により駆動される電動機とを備えたハイブリッド建設機械を開示している。

　出願人は、この種の建設機械に関する日本国特許出願２００９－１６４２７９号を出願した。この出願に係る発明は、アクチュエータを制御する操作弁をすべて中立位置に保っているとき、すなわち各アクチュエータが非作動状態にあるとき、可変容量のメインポンプの吐出油を発電用油圧モータに供給する。

　メインポンプの吐出油を発電用油圧モータに導く場合は、操作弁とメインポンプとの間に設けた切換弁を切り換え、メインポンプと操作弁の接続を遮断し、メインポンプの吐出油を発電用油圧モータに供給する。

　しかしながら、この構成では、メインポンプの吐出油を発電用油圧モータに供給する場合に、メインポンプと操作弁との連通を遮断するので、例えば寒冷地などでは、操作弁がすぐに冷えてしまう。操作弁が冷えすぎると、アクチュエータを作動させるために操作弁に再びメインポンプの吐出油を供給した場合に、操作弁のバルブ本体とスプールとの間で固着現象が発生する。その原因は次のとおりである。

　すなわち、メインポンプの吐出油は、操作弁を操作していない間も、油圧タンクは、高い油温を保っている。また、操作弁はそのバルブ本体は鋳物にするとともに、スプールをスチール製にするのが通常なので、どちらもスチールだが材質が異なる為、熱膨張が異なる。

　したがって、操作弁が冷えている状態で、高い油温を保ったメインポンプの吐出油が操作弁側に供給されると、バルブ本体とスプールとの熱膨張が異なるために、それら両者が固着してしまう。特に最近の建設機械では、省エネルギー化を図るために、非作業状態でエンジンを止めたりするので、バルブ本体が冷めやすくなり、この問題がさらに顕著になる。

　この発明の目的は、メインポンプの吐出油を発電用油圧モータに供給している間も、操作弁が冷え難い建設機械の制御システムを提供することである。

　本発明のある態様によれば、ハイブリッド建設機械の制御システムであって、制御機構によって吐出量が制御される一対の可変容量の第１、２メインポンプと、第１、２メインポンプに接続した第１、２回路系統と、前記第１、２メインポンプの少なくとも一方の吐出油が供給された場合に回転する発電用油圧モータと、前記発電用油圧モータに連結した発電機と、前記発電機が発電した電力を蓄電するバッテリと、前記第１、２回路系統に設けられた複数の操作弁と、タンクと、前記複数の操作弁のすべてが中立位置にある場合に、前記第１、２メインポンプの吐出油を前記タンクに導く中立流路と、前記第１、第２回路系統の少なくとも一方に設けられ、ノーマル位置で前記中立流路とタンクとに連通し、切換位置で前記中立流路とタンクとの連通を遮断して前記中立流路を前記発電用油圧モータに連通する回生切換弁と、を備える制御システムが提供される。

　この態様によれば、少なくとも一方のメインポンプの吐出油を発電用油圧モータに供給する場合には、メインポンプの吐出油が当該回路系統の操作弁を経由するので、これら制御弁は発電用油圧モータに供給される作動油で暖められる。したがって、バルブ本体とスプールとが固着する問題は発生しない。

　本発明の実施形態及び本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態の油圧回路図である。

　図示した実施形態は、パワーショベルの制御システムである。第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２は可変容量で、エンジンＥで駆動される。第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２は同軸回転する。ジェネレータ１はエンジンＥに設けられ、エンジンＥの余力を利用して発電する。

　第１メインポンプＭＰ１は第１回路系統Ｓ１に接続する。第１回路系統Ｓ１には、上流側から順に、旋回モータを制御する操作弁２、アームシリンダを制御する操作弁３、ブームシリンダを制御するブーム２速用の操作弁４、予備用アタッチメントを制御する操作弁５および左走行用のモータを制御する操作弁６が接続する。

　各操作弁２～６のそれぞれは、中立流路７およびパラレル通路８を介して第１メインポンプＭＰ１に接続する。

　中立流路７の左走行モータ用の操作弁６の下流にはパイロット圧を生成するためのパイロット圧制御用の絞り９が設けられる。絞り９は、絞り９を流れる流量が多ければ、上流側に高いパイロット圧を生成し、流量が少なければ低いパイロット圧を生成する。

　中立流路７は、操作弁２～６のすべてが中立位置もしくは中立位置近傍にある場合に、第１メインポンプＭＰ１から吐出された油の全部または一部を、絞り９を介してタンクＴに導く。この場合は、絞り９を通過する流量も多くなるので、高いパイロット圧が生成される。

　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。この場合は、絞り９を流れる流量がなくなり、パイロット圧はゼロを保つ。

　ただし、操作弁２～６の操作量によっては、ポンプ吐出量の一部がアクチュエータに導かれ、一部が中立流路７からタンクＴに導かれるので、絞り９は、中立流路７に流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。言い換えると、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の操作弁６と絞り９との間にはパイロット流路１０が接続する。パイロット流路１０は、電磁切換弁１１を介して、第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御するレギュレータ１２に接続する。

　レギュレータ１２は、パイロット流路１０のパイロット圧と逆比例して第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御し、その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がフルストロークして中立流路７の流れがなくなり、パイロット圧がゼロになれば、第１メインポンプＭＰ１の傾転角が最大になり、その１回転当たりの押し除け量が最大になる。

　電磁切換弁１１にはパイロットポンプＰＰが接続する。電磁切換弁１１は、パイロット流路１０とパイロットポンプＰＰとの圧力を選択してレギュレータ１２に導く。電磁切換弁１１はコントローラＣの出力信号に応じて切り換えられる。

　すなわち、コントローラＣから電磁切換弁１１に対する信号が出力されていない状態では、図示のノーマル位置を保ち、パイロット流路１０の圧力をレギュレータ１２に導く。コントローラＣからの信号が電磁切換弁１１に入力すると、ノーマル位置から切換位置に切り換わってパイロットポンプＰＰの圧力をレギュレータ１２に導く。

　第２メインポンプＭＰ２は第２回路系統Ｓ２に接続する。第２回路系統Ｓ２には、上流側から順に、右走行用モータを制御する操作弁１３、バケットシリンダを制御する操作弁１４、ブームシリンダを制御する操作弁１５およびアームシリンダを制御するアーム２速用の操作弁１６が接続する。操作弁１６よりもさらに下流側には、回生切換弁１７が接続する。

　各操作弁１３～１６は、中立流路１８を介して第２メインポンプＭＰ２に接続する。操作弁１４および操作弁１５はパラレル通路１９を介して第２メインポンプＭＰ２に接続する。

　中立流路１８の回生切換弁１７の下流側にはパイロット圧制御用の絞り２０を設けている。絞り２０は、第１回路系統Ｓ１の絞り９と全く同様に機能する。

　回生切換弁１７は、図示のノーマル位置で中立流路１８と絞り２０とを連通させる。回生切換弁１７は、ノーマル位置から切換位置に切り換わると、中立流路１８と絞り２０との連通を遮断するとともに、中立流路１８を発電用油圧モータＭに連通させる。

　中立流路１８の回生切換弁１７と絞り２０との間には、パイロット流路２１が接続する。パイロット流路２１は第２メインポンプＭＰ２の傾転角を制御するレギュレータ２２に接続する。

　レギュレータ２２は、パイロット流路２１のパイロット圧と逆比例して第２メインポンプＭＰ２の傾転角を制御し、その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１３～１６をフルストロークして中立流路１８の流れがなくなりパイロット圧がゼロになれば、第２メインポンプＭＰ２の傾転角が最大になり、その１回転当たりの押し除け量が最大になる。

　回生切換弁１７は、その一方にパイロット室１７ａを設け、パイロット室１７ａに対向する側にスプリング１７ｂのばね力を作用させている。したがって、パイロット室１７ａにパイロット圧が作用していない場合は、回生切換弁１７は、スプリング１７ｂのばね力の作用で図示のノーマル位置を保ち、中立流路１８と絞り２０とを連通させるとともに、中立流路１８と発電用油圧モータＭとの連通を遮断する。

　パイロット室１７ａにパイロット圧が導かれると、回生切換弁１７は、スプリング１７ｂのばね力に抗して切換位置に切り換わり、中立流路１８と絞り２０との連通を遮断し、中立流路１８を発電用油圧モータＭに連通させる。

　回生切換弁１７のパイロット室１７ａは、パイロット電磁制御弁２３を介してパイロットポンプＰＰに接続する。パイロット電磁制御弁２３は、コントローラＣの出力信号によって制御される。すなわち、通常は図示の閉位置を保ち、コントローラＣの出力信号に基づいて切り換わったとき開位置に切り換わる。

　パイロット電磁制御弁２３が開位置に切り換わると、パイロットポンプＰＰのパイロット圧が回生切換弁１７のパイロット室１７ａに導かれるので、回生切換弁１７が発電用油圧モータＭに対して開状態となる切換位置に切り換わる。したがって、中立流路１８と絞り２０との連通が遮断されるとともに、中立流路１８に流入した圧油が発電用油圧モータＭに供給され、発電用油圧モータＭが回転する。

　発電用油圧モータＭは傾角制御器２４によってその傾転角が制御される。傾角制御器２４はコントローラＣの出力信号によって制御される。

　発電用油圧モータＭは発電機２５に連結しているので、発電用油圧モータＭが回転すれば発電機２５が回って発電し、インバータ２６を介して発電電力をバッテリ２７に充電する。コントローラＣはバッテリ２７の充電量を監視する機能を備える。

　バッテリチャージャー２８は、ジェネレータ１で発電された電力をバッテリ２７に充電する。この実施形態では、バッテリチャージャー２８が、家庭用の電源などの別系統の電源２９にも接続する。

　発電用油圧モータＭと連携して回転するアシストポンプＡＰを設けている。アシストポンプＡＰにもコントローラＣによって制御される傾角制御器３０を設けている。

　アシストポンプＡＰは、第１、２合流制御弁３１、３２を介して、第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２と第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２との間における合流点３３、３４に接続する。第１、２合流制御弁３１、３２は、その一方にパイロット室を設け、パイロット室に対向する側にスプリングを設けている。第１、２合流制御弁３１、３２は、図示のノーマル状態で開位置を保ち、パイロット室にパイロット圧が作用したときにスプリングに抗して閉位置に切り換わる。

　第１、２合流制御弁３１、３２のパイロット室は、第１、２電磁制御弁３５、３６を介してパイロットポンプＰＰに接続する。第１、２電磁制御弁３５、３６は、コントローラＣの出力信号によって制御され、図示のノーマル状態では閉位置を保ち、パイロットポンプＰＰと第１、２合流制御弁３１、３２のパイロット室との連通を遮断する。

　コントローラＣの出力信号によって、第１、２電磁制御弁３５、３６が開位置に切り換わると、パイロットポンプＰＰの吐出圧を第１、２合流制御弁３１、３２のパイロット室に導く。したがって、この場合は、第１、２合流制御弁３１、３２は閉位置に切り換わって、アシストポンプＡＰと合流点３３、３４との間の流通を遮断する。

　チェック弁３７、３８は、アシストポンプＡＰから合流点３３、３４への流れのみを許容する。

　次にこの実施形態の作用を説明する。

　第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２のすべての操作弁２～６、１３～１６が中立位置に保持されるとともに、回生切換弁１７が図示のノーマル位置にあるとき、オペレータから回生信号が入力されると、コントローラＣはパイロット電磁制御弁２３を開位置に切り換える。パイロット電磁制御弁２３が開位置に切り換わると、パイロットポンプＰＰの吐出圧が回生切換弁１７のパイロット室１７ａに作用するので、中立流路１８と絞り２０との連通が遮断され、絞り２０に流れがなくなる。

　絞り２０に流れがなくなれば、その上流側の圧力もゼロになるので、それにともなってレギュレータ２２は第２メインポンプＭＰ２の傾転角を最大にし、その１回転当たりの押し除け量を最大にする。押し除け量を最大にされた第２メインポンプＭＰ２の吐出油は、中立流路１８から回生切換弁１７を経由して発電用油圧モータＭに供給され、発電用油圧モータＭを回転させる。発電用油圧モータＭの回転にともなって発電機２５が回って発電するとともに、発電電力はインバータ２６を通ってバッテリ２７に蓄電される。

　コントローラＣは、バッテリ２７の蓄電量が十分か否かをあらかじめ記憶した設定値を基に判定する。コントローラＣは、蓄電量が少ないと判断したときには、発電機２５の吸収トルクを多く指令し、発電用油圧モータＭに作用する圧力を上げる。つまり、コントローラＣは、バッテリ２７の蓄電量に応じて発電用油圧モータＭの入力トルクを制御する。

　オペレータから回生信号が入力されると、コントローラＣは、電磁切換弁１１を切り換えてパイロットポンプＰＰの吐出圧をレギュレータ１２に作用させ、第１メインポンプＭＰ１の１回転当たりの押し除け量を最少に保つ。

　上記のようにこの実施形態では、回生切換弁１７を操作弁１３～１６よりも下流に設けたので、第２メインポンプＭＰ２の吐出油は、第２回路系統Ｓ２のすべての操作弁１３～１６を経由する。言い換えると、第２メインポンプＭＰ２と発電用油圧モータＭとの間を循環する高温油がすべての操作弁１３～１６を通過する。したがって、操作弁１３～１６のバルブ本体は確実に温められる。

　また、第１回路系統Ｓ１の操作弁２～６にも第１メインポンプＭＰ１の最少スタンバイ流量が流れるので、それら操作弁２～６も温められる。

　いずれにしても、発電用油圧モータＭを回転して発電する間は、第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２に高温油が循環するので、すべての操作弁２～６および１３～１６のバルブ本体が温められる。したがって、バルブ本体が冷えてしまって、バルブ本体とスプールとが固着したりしない。

　しかも、発電用油圧モータＭに対しては、１回転当たりの押し除け量を最大にした第２メインポンプＭＰ２の吐出油のみを供給し、第１メインポンプＭＰ１の１回転当たりの押し除け量は最少にしているので、第１メインポンプＭＰ１の吐出量を小さくした分、パワーロスを最少にできる。

　この実施形態では、回生切換弁１７を操作弁１３～１６の最下流側に設けたが、必ずしも最下流に設けなくてもよい。ただし、回生切換弁１７をこの実施形態のように最下流に設けた方が、各操作弁１３～１６を確実かつ効率的に温めることができる。

　回生切換弁１７は、第１回路系統Ｓ１、好ましくは第１回路系統Ｓ１の操作弁２～６の最下流側に設けてもよい。回生切換弁１７は、第１回路系統Ｓ１と第２回路系統Ｓ２の両方に設けても良い。

　第１回路系統Ｓ１のいずれかの操作弁に接続したアクチュエータを作動させ、第２回路系統Ｓ２の操作弁１３～１６を中立位置に保った状態でオペレータから回生信号が入力された場合は、コントローラＣは電磁切換弁１１を図示のノーマル位置に保って、第１回路系統Ｓ１に接続した第１メインポンプＭＰ１には、操作弁の操作量に応じた吐出量を確保させるとともに、第２メインポンプＭＰ２の吐出油で発電用油圧モータＭを回転させる。

　この実施形態の電磁切換弁１１、レギュレータ１２、２２のそれぞれが相まって、この発明の制御機構を構成し、この制御機構によって第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２の吐出量が制御される。

　上記したように発電用油圧モータＭにはアシストポンプＡＰを連結している。非作業時に発電用油圧モータＭが発電機能を発揮している場合は、アシストポンプＡＰの傾転角を最小にして、その負荷が発電用油圧モータＭにほとんど作用しない状態にすることにより発電効率を向上させるようにしてもよい。

　作業時に発電機２５を電動モータとして機能させれば、アシストポンプＡＰが回転してポンプ機能を発揮する。アシストポンプＡＰの吐出油を第１、２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２のいずれに合流させるかは、オペレータの入力信号に応じてコントローラＣが制御する。合流制御に関して、コントローラＣには、アシストポンプＡＰのアシスト流量をオペレータの入力信号に応じた流量が吐出される様にし、コントローラＣが、アシストポンプＡＰの傾転角、発電用油圧モータＭの傾転角、電動モータとして用いる発電機２５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、それぞれの制御を実施する。

　オペレータが第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２の両方に対してアシスト力を必要とした場合は、コントローラＣは第１、２電磁制御弁３５、３６をノーマル状態である閉位置に保つ。いずれか一方の回路系統にアシスト力を必要とする場合は、コントローラＣは、第１、２電磁制御弁３５、３６のいずれか一方を開位置に切り換えて、第１、２合流制御弁３１、３２のいずれか一方を閉位置に切り換える。第１、２回路系統Ｓ１、Ｓ２のいずれにもアシストポンプＡＰのアシスト力が必要とされていない場合は、コントローラＣは、第１、２電磁制御弁３５、３６の両方のソレノイドを励磁して、第１、２合流制御弁３１、３２を閉位置に切り換える。

　この実施形態では、アシストポンプＡＰのアシストを前提にして、第１、２合流制御弁３１、３２をノーマル状態で開位置を保つようにしたので、アシストポンプＡＰのアシストを必要とするたびに第１、２電磁制御弁３５、３６に電気信号を供給しなくてもよく、その分、電力の消費量を低く抑えることができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的に限定する趣旨ではない。

　本願は２０１０年２月１８日に日本国特許庁に出願された特願２０１０－３３５２６号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

　この発明は、ハイブリッドパワーショベル等の建設機械に利用可能である。

Claims

　ハイブリッド建設機械の制御システムであって、
　制御機構によって吐出量が制御される一対の可変容量の第１、２メインポンプと、
　第１、２メインポンプに接続した第１、２回路系統と、
　前記第１、２メインポンプの少なくとも一方の吐出油が供給された場合に回転する発電用油圧モータと、
　前記発電用油圧モータに連結した発電機と、
　前記発電機が発電した電力を蓄電するバッテリと、
　前記第１、２回路系統に設けられた複数の操作弁と、
　タンクと、
　前記複数の操作弁のすべてが中立位置にある場合に、前記第１、２メインポンプの吐出油を前記タンクに導く中立流路と、
　前記第１、第２回路系統の少なくとも一方に設けられ、ノーマル位置で前記中立流路とタンクとに連通し、切換位置で前記中立流路とタンクとの連通を遮断して前記中立流路を前記発電用油圧モータに連通する回生切換弁と、
を備える制御システム。
　請求項１に記載の制御システムであって、
　前記回生切換弁は、前記一方の回路系統の最下流側に設けられる、
建設機械の制御システム。
　請求項１に記載の制御システムであって、
　コントローラと、
　前記コントローラに接続するパイロット電磁制御弁と、
　前記パイロット電磁制御弁を介して前記回生切換弁に接続するパイロットポンプと、
をさらに備え、
　前記回生切換弁は、前記コントローラの出力信号で前記パイロット電磁制御弁が開いた場合は、前記切換位置に切り換えられる、
制御システム。
　請求項１に記載の制御システムであって、
　前記第１、２メインポンプの他方のメインポンプの吐出量を制御する制御機構は、前記回生切換弁が前記切換位置に切り換えられた場合は、前記他方のメインポンプの吐出量を最少吐出量に制御する、
制御システム。