WO2012046788A1 - ハイブリッド型作業機械 - Google Patents

Abstract

　ハイブリッド型作業機械は、エンジンと（１１）と、エンジン（１１）に連結された電動発電機（１２）と、エンジン（１１）の出力により回転駆動される可変容量式油圧ポンプ（１４）と、エンジン（１１）の回転数及び可変容量式油圧ポンプ（１４）を制御する制御部（３０）とを含む。制御部（３０）は、油圧負荷に基づいてエンジン（１１）を回転数制御する。

Description

ハイブリッド型作業機械

　本発明はハイブリッド型作業機械に係り、特にエンジンの出力で流量可変式油圧ポンプを駆動するハイブリッド型作業機械に関する。

　ハイブリッド型作業機械において、作業要素を駆動するための油圧アクチュエータ（油圧シリンダ、油圧モータ）に供給する油圧は、エンジンを駆動源とする油圧ポンプにより発生することが多い。この場合、油圧アクチュエータの出力は主にエンジンの出力によって決まる。

　一般的なハイブリット型作業機械では、エンジンの回転数が常に一定となるようにエンジンの駆動が制御されている。例えばハイブリット型油圧ショベルでは、アームやバケット等を揺動駆動する際の低負荷モード（低負荷状態）での運転中は、エンジントルクは小さい。したがって、低負荷モードでは、エンジン回転数を一定にしたままでエンジントルクを上昇させて余剰トルクを発生させる。この余剰トルクで発電機を駆動して発電し、発電電力がバッテリに充電される。一方、油圧ポンプにおいて必要な駆動トルクがエンジンの定格出力よりも大きい高負荷モード（高負荷状態）では、エンジン回転数を一定にしたままでエンジントルクを上昇させ、且つバッテリからの電力で電動機を駆動してエンジンの出力に電動機の出力を加える（アシストする）ことにより必要な駆動トルクを得ている。

　上述のように、エンジン回転数を一定に維持しながらエンジン出力を変更すると、エンジン出力の変化に伴ってエンジン効率が変化するため、エンジンの燃料消費率も変化する。したがって、エンジン回転数を一定に維持しながらエンジン出力を変更する場合、常に燃料消費率の良い回転数でエンジンを運転しているとは言えない。

　そこで、エンジンの負荷状況によってエンジン回転数を可変にしてエンジンを効率的に駆動し、低負荷時でも高負荷時でも燃料消費率を向上することができるハイブリッド型作業機械が提案されている。

国際公開ＷＯ２００９／１５７５１１

　上述の特許文献１に開示されたハイブリッド型油圧ショベルでは、エンジンの効率を考慮してエンジン回転数を可変にしているが、エンジンで駆動する油圧ポンプの効率は考慮されていない。

　ここで、油圧ポンプの効率を考慮した場合、作動油を同じ流量で吐出するのであれば、可変容量式油圧ポンプの傾転角比を小さくして回転数を高くした場合のほうが、傾転角比を大きくして回転数を低くした場合よりも、油圧ポンプの効率は低くなる。すなわち、一般的にピストン式の油圧ポンプの場合、ピストンのストロークが小さくて高速で往復動する場合にピストンの摩擦損失及び動力伝達機構の各部の摩擦損失が大きくなり、その結果ポンプ効率が低くなる。したがって、傾転角比が小さいほうがポンプ効率が低くなる。

　そこで、同じ流量であればできるだけエンジン回転数を下げて傾転角比を大きくすることで、油圧ポンプの効率をより高い状態に維持することのできるハイブリッド型作業機械の開発が要望されている。

　本発明の一実施態様によれば、エンジンと、該エンジンに連結された電動発電機と、該エンジンの出力により回転駆動される可変容量式油圧ポンプと、該エンジンの回転数及び該可変容量式油圧ポンプを制御する制御部とを有し、該制御部は、油圧負荷に基づいて該エンジンを回転数制御することを特徴とするハイブリッド型作業機械が提供される。

　上述の発明によれば、エンジン回転数を出来る限りを下げて傾転角比を大きくすることで、可変容量式油圧ポンプの効率をより高い状態に維持することができる。

　本発明の目的、利点及び効果は、添付の図を参照しながら以下の詳細な説明を読むことでより一層明瞭となるであろう。

本発明が適用されるハイブリッド型作業機械の一例であるハイブリッド型油圧ショベルの側面図である。 図１に示すハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施例による回転数可変制御アルゴリズムの制御機能ブロック図である。 回転数演算ブロックで行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。 アシスト出力演算ブロックで行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。 アシスト出力演算ブロックで行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。 本発明の第２実施例による回転数可変制御アルゴリズムの制御機能ブロック図である。 要求エンジン出力演算ブロックで行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。 第２実施例における回転数演算ブロックで行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。 第３実施例における回転数演算ブロックで行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。 図２に示すハイブリッド型油圧ショベルの旋回機構を油圧駆動式とした場合の駆動系の構成を示すブロック図である。

　以下、図面に基づいて本発明の実施例について説明する。

　図１は本発明が適用されるハイブリッド型作業機械の一例であるハイブリッド型油圧ショベルの側面図である。本発明が適用されるハイブリッド型作業機械としては、ハイブリッド型油圧ショベルに限られず、油圧ポンプをエンジンで駆動するものであれば、他のハイブリッド型作業機械にも本発明を適用することができる。

　図１に示すハイブリッド型油圧ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４，アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

　図２は、図１に示すハイブリッド型油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。

　機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。油圧ポンプ１４は可変容量式油圧ポンプであり、斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量を制御することができる。以下、可変容量式油圧ポンプ１４を単に油圧ポンプ１４と称することもある。

　コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。また、旋回機構２を駆動するための旋回用油圧モータ２Ａもコントロールバルブ１７に接続される。

　電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器を含む蓄電系１２０が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

　コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータを駆動制御することによる蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。コントローラ３０は、蓄電器（キャパシタ）の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）に基づいて、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これにより蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。

　昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバスに設けられたＤＣバス電圧検出部によって検出されるＤＣバス電圧値、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値、及び蓄電器電流検出部によって検出される蓄電器電流値に基づいて行われる。

　さらに、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値に基づいて、蓄電器（キャパシタ）のＳＯＣが算出される。

　また、上述の説明では蓄電器としてキャパシタを例として示したが、キャパシタの代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。

　図２に示すハイブリッド型油圧ショベルは旋回機構を電動にしたもので、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられている。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。旋回用電動機２１と、インバータ２０と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。

　さらに、上述の構成に加え、ブーム回生を行なうために、ブームシリンダ７への油圧配管７Ａの途中に油圧モータ３１０が設けても良い。この場合、油圧モータ３１０は発電機３００に機械的に接続され、油圧モータ３１０が駆動されると、その回転力で発電機３００が駆動される。発電機３００はインバータ１８Ｂを介して蓄電系に電気的に接続されている。

　上述のブーム回生機構において、ブーム４が下降すると、ブームシリンダ７から作動油がコントロールバルブ１７に戻る。この戻り作動油により油圧モータ３１０が駆動され回転力（トルク）が発生する。この回転力は発電機３００に伝達され、発電機３００が駆動されて電力が発生する。発電機３００で発生した電力はインバータ１８Ｂを介して蓄電系１２０のＤＣバスに供給される。

　本発明は、上述のような構成のハイブリッド型油圧ポンプにおいて、可変容量式油圧ポンプ１４の傾転角比Ｘ（傾斜板の傾きを表すパラメータ）がなるべく大きくなるように、エンジン１１の回転数を可変制御することを特徴とする。可変容量式油圧ポンプ１４の傾転角比Ｘをなるべく大きくするには、エンジン１１の回転数がなるべく低くなるように制御する。

　次に、本発明の第１実施例によるハイブリッド型作業機械における回転数可変制御アルゴリズムについて説明する。図３は本発明の第１実施例による回転数可変制御アルゴリズムの制御機能ブロック図である。この回転数可変制御アルゴリズムによる制御はコントローラ３０により行なわれる。

　まず、油圧ポンプ要求負荷推定ブロック４０－１において、油圧ポンプ１４の吐出圧力Ｐｉとポンプ制限電流Ｉとを用いてポンプ馬力制御ＰＱ線図からポンプ吐出量Ｖが求められる。求められたポンプ吐出量Ｖにポンプ回転速度（回転数）を乗じることで油圧ポンプ１４の目標吐出流量Ｑが算出される。すなわち、要求されている油圧負荷から、油圧ポンプ１４が出力すべき目標吐出流量Ｑが求められる。油圧ポンプ１４の吐出圧力Ｐｉとポンプ制限電流Ｉとポンプ回転速度（回転数）とが、油圧負荷を表す値として用いられる。油圧ポンプ要求負荷推定ブロック４０－１において求められた目標吐出流量Ｑは、回転数演算ブロック４０－２に供給される。

　図４は回転数演算ブロック４０－２で行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。回転数演算ブロック４０－２では、供給された目標吐出流量Ｑを、最大傾転角比時のポンプ容積Ｖｍａｘで除算することで、ポンプ最大傾転角比時のポンプ回転数が求められる。すなわち、油圧ポンプ１４の傾転角比Ｘを最大値（最大傾転角比）Ｘｍａｘに設定したときに油圧ポンプ１４が目標吐出流量Ｑを出力するために必要なポンプ回転数が求められる。そして、求められたポンプ回転数に、エンジン１１の回転数と油圧ポンプ１４の回転数との比である減速比ｎを乗算することで、エンジン回転数Ｎｅ１が求められる。すなわち、求められたエンジン回転数Ｎｅ１は、油圧ポンプ１４の傾転角比Ｘを最大にしたときに、目標吐出流量Ｑを出力するために必要なポンプ回転数で油圧ポンプ１４を駆動するために必要なエンジン回転数である。そして、求められたエンジン回転数Ｎｅ１が、エンジン１１の許容回転数の範囲内であるかが判定される。エンジン回転数Ｎｅ１が許容回転数範囲内であった場合は、エンジン回転数Ｎｅ１はそのままエンジン回転数指令Ｎｅとして出力される。エンジン回転数Ｎｅ１が許容最小回転数より低い場合は、許容最小回転数がエンジン回転数指令Ｎｅとして出力される。エンジン回転数Ｎｅ１が許容最大回転数より高い場合は、許容最大回転数がエンジン回転数指令Ｎｅとして出力される。

　例えば、油圧負荷が小さい場合には、目標吐出流量Ｑが小さくなり、その結果エンジン回転数Ｎｅ１が小さくなりすぎて、そのままではエンジンがストールするおそれがある。そこで、エンジン回転数Ｎｅ１が許容最小回転数より低い場合は、上述のように許容最小回転数をエンジン回転数指令Ｎｅとして出力することで、エンジン回転数が低くなり過ぎないようにリミットをかけている。

　なお、ピストンストローク長をなるべく大きくする意味で、傾転角比Ｘを最大値Ｘｍａｘ（Ｘ＝１００％）にしたときのエンジン回転数を求めているが、なるべく大きくすることが重要であって、必ずしも最大傾転角比Ｘｍａｘ（Ｘ＝１００％）とする必要はない。例えば、傾転角比Ｘを９０％以上（９０～１００％）にしてもピストンストローク長を大きくして効率を改善する効果は得られる。すなわち、従来の制御で用いられる傾転角比よりも大きい傾転角比に設定することで、より長いピストンストローク長で油圧ポンプを駆動して効率を改善することができる。さらに、本発明では、ポンプ馬力制御ＰＱ線図を利用してポンプ目標吐出流量Ｑが算出される。そして、算出されたポンプ目標吐出流量Ｑに基づいてエンジン回転数指令Ｎｅが算出される。このように、本発明では、ポンプ特性を考慮してエンジン回転数指令Ｎｅが算出されているので、油圧式建設機械と同じ動きが実現でき、オペレータに違和感を与えることを抑制できる。

　回転数演算ブロック４０－２から出力されたエンジン回転数指令Ｎｅは、エンジン１１の駆動を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＭ）１１Ａに供給される。エンジンコントロールユニット（ＥＣＭ）１１Ａは、供給されたエンジン回転数指令Ｎｅで示される回転数となるようにエンジン１１に燃料を供給する。また、回転数演算ブロック４０－２から出力されたエンジン回転数指令Ｎｅは、アシスト出力演算ブロック４０－３にも供給される。

　アシスト出力演算ブロック４０－３には、油圧ポンプ要求負荷推定ブロック４０－１において求められた目標吐出流量Ｑも供給される。図５はアシスト出力演算ブロック４０－３で行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。アシスト出力演算ブロック４０－３では、目標吐出流量Ｑに油圧ポンプ吐出圧力Ｐｉが乗算され、油圧ポンプ出力（軸出力側）Ｗｏｕｔが求められる。そして、求められた油圧ポンプ出力（軸出力側）Ｗｏｕｔをポンプ全効率η０で除算することで、油圧負荷要求出力Ｐｐが求められる。油圧負荷要求出力Ｐｐは、油圧ポンプ出力（軸入力側）Ｗｉｎに相当する。

　また、アシスト出力演算ブロック４０－３では、回転数演算ブロック４０－２から供給されたエンジン回転数指令Ｎｅからエンジン目標出力Ｐｅｎ２が求められる。そして、上述のように求めた油圧負荷要求出力Ｐｐからエンジン目標出力Ｐｅｎ２を減算することで、エンジン補償アシスト量Ｐａ１が求められる。エンジン補償アシスト量Ｐａ１は、油圧負荷要求出力Ｐｐがエンジン目標出力Ｐｅｎ２より大きいときに正の値となり、これはアシストモータである電動発電機１２のアシスト量に相当する。アシスト出力演算ブロック４０－３から出力されたエンジン補償アシスト量Ｐａ１は、アシスト指令決定ブロック４０－５に供給される。

　ここで、要求アシスト出力演算ブロック４０－４では、旋回用電動機２１の電気負荷要求出力Ｐｅｌと、蓄電系１２０の蓄電器（キャパシタ）の充電率（ＳＯＣ）とから、蓄電器補償アシスト量Ｐａ２が求められる。図６は要求アシスト出力演算ブロック４０－４で行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。蓄電系１２０の蓄電器（キャパシタ）の充電率（ＳＯＣ）から、蓄電器が現在出力できる蓄電器目標出力Ｐｃが求められる。そして、蓄電器目標出力Ｐｃから電気負荷要求出力Ｐｅｌを減算することで、蓄電器補償アシスト量Ｐａ２が求められる。すなわち、蓄電器補償アシスト量Ｐａ２は、蓄電器が現在出力できる電力から、電気負荷である旋回用電動機１２が必要としている電力を減算して求められた電力であり、アシストモータとしての電動発電機１２に対して供給できる最大電力に相当する。アシスト出力演算ブロック４０－４から出力された蓄電器補償アシスト量Ｐａ２は、アシスト指令決定ブロック４０－５に供給される。

　以上のように、アシスト指令決定ブロック４０－５には、エンジン補償アシスト量Ｐａ１と蓄電器補償アシスト量Ｐａ２とが供給される。アシスト指令決定ブロック４０－５では、エンジン補償アシスト量Ｐａ１と蓄電器補償アシスト量Ｐａ２とのうち大きいほうが選択される。選択されたエンジン補償アシスト量Ｐａ１又は蓄電器補償アシスト量Ｐａ２は、アシストモータとしての電動発電機１２への出力指令Ｐａとして電動発電機１２に出力される。

　なお、旋回機構２が電動ではなく油圧駆動の場合は、作業要素としての電気負荷は無く、電気負荷要求出力Ｐｅｌはゼロとなる。したがって、要求アシスト出力演算ブロック４０－４では、蓄電器の充電率ＳＯＣから求められた蓄電器目標出力Ｐｃがそのまま蓄電器補償アシスト量Ｐａ２として出力される。また、ブーム回生を行なう場合には、電気負荷要求出力Ｐｅｌには、ブーム回生用の発電機で発電される発電電力が含まれる。

　以上のように、本実施例による回転数可変制御アルゴリズムによれば、油圧ポンプ１４の傾転角比Ｘを最大値Ｘｍａｘとしたときのエンジン回転数Ｎｅ１に基づいてエンジン回転数指令Ｎｅが決定される。したがって、傾転角比Ｘが大きい状態で油圧ポンプ１４を駆動することができ、油圧ポンプの効率がよい状態を維持することができる。そして、そのようにして決定されたエンジン回転数指令Ｎｅと蓄電器の充電率ＳＯＣとから、アシストモータとしての電動発電機１２のアシスト量が決定されるので、電動発電機１２が適切にエンジンアシストを行なうことができる。

　次に、本発明の第２実施例について説明する。図７は本発明の第２実施例による回転数可変制御アルゴリズムの制御機能ブロック図である。この回転数可変制御アルゴリズムによる制御はコントローラ３０により行なわれる。図７において、図３に示す構成部分と同じ部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。

　本実施例による回転数可変制御アルゴリズムでは、エンジン１１が出力すべき動力として要求エンジン出力Ｐｅｎを求めてから、要求エンジン出力Ｐｅｎから求められるエンジン回転数Ｎｅ２と、目標吐出流量Ｑから求められるエンジン回転数Ｎｅ１とのうちいずれか大きい方を選択し、選択したエンジン回転数をエンジン回転数指令Ｎｅに設定する。

　したがって、本実施例では、油圧ポンプ要求負荷推定ブロック４０－１と回転数指令演算ブロック４０－２との間に、要求エンジン出力演算ブロック４０－６が設けられる。図８は要求エンジン出力演算ブロック４０－６で行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。図８には、アシスト出力演算ブロック４０－４で行なわれる処理の演算アルゴリズムも示されているが、アシスト出力演算ブロック４０－４で行なわれる処理の演算アルゴリズムについては、上述の第１実施例で説明したものと同様であり、その説明は省略する。

　要求エンジン出力演算ブロック４０－６では、油圧ポンプ要求負荷推定ブロック４０－１から供給される目標吐出流量Ｑに油圧ポンプ吐出圧力Ｐｉが乗算され、油圧ポンプ出力（軸出力側）Ｗｏｕｔが求められる。そして、求められた油圧ポンプ出力（軸出力側）Ｗｏｕｔをポンプ全効率η０で除算することで、油圧負荷要求出力Ｐｐが求められる。油圧負荷要求出力Ｐｐは、油圧ポンプ出力（軸入力側）Ｗｉｎに相当する。ここで、求められた油圧負荷要求出力Ｐｐから、要求アシスト出力演算ブロック４－４で求められた蓄電器補償アシスト量Ｐａ２が減算され、要求エンジン出力Ｐｅｎとして回転数指令演算ブロック４０－２に出力される。油圧負荷要求出力Ｐｐから蓄電器補償アシスト量Ｐａ２が減算されることで、エンジン１１が出力すべき要求エンジン出力Ｐｅｎを精度よく求めることができる。

　回転数演算ブロック４０－２での処理は、上述の第１実施例での処理とは異なる。本実施例では、要求エンジン出力Ｐｅｎは要求エンジン出力演算ブロック４０－６で求められているので、回転数演算ブロック４０－２では、要求エンジン出力Ｐｅｎからエンジン回転数指令Ｎｅを決定する処理が行なわれる。

　図９は第２実施例における回転数演算ブロック４０－２で行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。回転数演算ブロック４０－２では、上述の第１実施例と同様に、目標吐出流量Ｑからエンジン回転数指令Ｎｅ１が求められる。求められたエンジン回転数指令Ｎｅ１は、最大値選択器に供給される。一方、要求エンジン出力演算ブロック４０－６から供給された要求エンジン出力Ｐｅｎから、エンジン出力とエンジン最小回転数との関係に基づいて、エンジン回転数Ｐｅ２が求められる。すなわち、要求エンジン出力Ｐｅｎを出力するために必要なエンジンの最小回転数がエンジン回転数Ｎｅ２となる。エンジン回転数Ｎｅ２は、最大値選択器に供給される。最大値選択器は、目標吐出流量Ｑから求められたエンジン回転数Ｎｅ１と、要求エンジン出力Ｐｅｎから求められたエンジン回転数Ｎｅ２のうち、大きいほうを選択する。

　目標吐出流量Ｑから求められたエンジン回転数Ｎｅ１と、要求エンジン出力Ｐｅｎから求められたエンジン回転数Ｎｅ２のうち、大きいほうを選択する理由は以下のとおりである。

　すなわち、目標吐出流量Ｑから求められたエンジン回転数Ｎｅ１は、油圧ポンプ１４の傾転角比Ｘを最大値（最大傾転角比）Ｘｍａｘとしたときに目標吐出流量Ｑを得ることのできるエンジン回転数であって、エンジン１１の出力特性は考慮されていない。ある回転数のときの最大出力はエンジン１１の出力特性により決まる。エンジン１１の要求出力は油圧ポンプ１４の吐出流量と吐出圧力の積に相当するから、要求出力が同じ場合であっても、圧力が低くて流量が大きい場合や圧力が高くて流量が小さい場合など様々な条件となる。したがって、傾転角比が同じ条件下では、圧力が低くて流量が大きい場合、要求出力を得るための回転数は高くなる。一方、圧力が高くて流量が小さい場合は、要求出力を得るための回転数は低くなる。

　要求エンジン出力Ｐｅｎから求められたエンジン回転数Ｎｅ２は、油圧ポンプ１４の傾転角比Ｘは考慮されておらず、単にエンジン１１に要求される出力を得ることのできる回転数であり、エンジン１１がある回転数のときに出すことのできる最大出力となる。

　したがって、最大傾転角比Ｘｍａｘを前提として求められたエンジン回転数Ｎｅ１と、要求エンジン出力Ｐｅｎから求められたエンジン回転数Ｎｅ２とは常に同じとなるわけではない。油圧ポンプ１４の吐出流量と吐出圧力の関係から、最大傾転角比Ｘｍａｘを前提として求められたエンジン回転数Ｎｅ１のほうが、要求エンジン出力Ｐｅｎから求められたエンジン回転数Ｎｅ２よりも低くなることがあり得る。このような場合に、最大傾転角比Ｘｍａｘを前提として求められたエンジン回転数Ｎｅ１をエンジン回転数指令Ｎｅとして設定してしまうと、エンジン回転数が低すぎてエンジン１１が要求エンジン出力Ｐｅｎを出せないこととなる。

　そこで、本実施例では、最大傾転角比Ｘｍａｘを前提として求められたエンジン回転数Ｎｅ１と、エンジン要求出力Ｐｅｎから求められたエンジン回転数Ｎｅ２とを比較し、大きいほうを採用することで、その回転数でエンジン１１が必ず要求出力を出せるようにしている。

　以上のようにして選択されたエンジン回転数Ｎｅ１又はＮｅ２は、エンジン１１の許容回転数の範囲内であるかが判定される。選択されたエンジン回転数Ｎｅ１又はＮｅ２が許容回転数範囲内であった場合は、選択されたエンジン回転数Ｎｅ１又はＮｅ２はそのままエンジン回転数指令Ｎｅとして出力される。選択されたエンジン回転数Ｎｅ１又はＮｅ２が許容最小回転数より低い場合は、許容最小回転数がエンジン回転数指令Ｎｅとして出力される。選択されたエンジン回転数Ｎｅ１又はＮｅ２が許容最大回転数より高い場合は、許容最大回転数がエンジン回転数指令Ｎｅとして出力される。

　回転数演算ブロック４０－２から出力されたエンジン回転数指令Ｎｅは、アシスト出力演算ブロック４０－３に供給される。アシスト出力演算ブロック４０－３では、第１実施例と同様に、目標吐出流量Ｑに油圧ポンプ吐出圧力Ｐｉが乗算され、油圧ポンプ出力（軸出力側）Ｗｏｕｔが求められる。そして、求められた油圧ポンプ出力（軸出力側）Ｗｏｕｔをポンプ全効率η０で除算することで、油圧負荷要求出力Ｐｐを求める。油圧負荷要求出力Ｐｐは、油圧ポンプ出力（軸入力側）Ｗｉｎに相当する。

　また、アシスト出力演算ブロック４０－３では、回転数演算ブロック４０－２から供給されたエンジン回転数指令Ｎｅからエンジン目標出力Ｐｅｎが求められる。そして、上述のように求めた油圧負荷要求出力Ｐｐからエンジン目標出力Ｐｅｎを減算することで、エンジン補償アシスト量Ｐａ１が求められる。エンジン補償アシスト量Ｐａ１は、油圧負荷要求出力Ｐｐがエンジン目標出力Ｐｅｎより大きいときに正の値となり、これはアシストモータである電動発電機１２のアシスト量に相当する。アシスト出力演算ブロック４０－３から出力されたエンジン補償アシスト量Ｐａ１は、アシスト指令決定ブロック４０－５に供給される。

　ここで、要求アシスト出力演算ブロック４０－４では、上述の第１実施例と同様に、旋回用電動機２１の電気負荷要求出力Ｐｅｌと、蓄電系１２０の蓄電器（キャパシタ）の充電率（ＳＯＣ）とから、蓄電器補償アシスト量Ｐａ２が求められる。アシスト出力演算ブロック４０－４から出力された蓄電器補償アシスト量Ｐａ２は、アシスト指令決定ブロック４０－５に供給される。

　以上のように、アシスト指令決定ブロック４０－５には、エンジン補償アシスト量Ｐａ１と蓄電器補償アシスト量Ｐａ２とが供給される。アシスト指令決定ブロック４０－５では、エンジン補償アシスト量Ｐａ１と蓄電器補償アシスト量Ｐａ２とのうち大きいほうが選択される。選択されたエンジン補償アシスト量Ｐａ１又は蓄電器補償アシスト量Ｐａ２は、アシストモータとしての電動発電機１２への出力指令Ｐａとして電動発電機１２に出力される。

　なお、旋回機構２が電動ではなく油圧駆動の場合は、作業要素としての電気負荷は無く、電気負荷要求出力Ｐｅｌはゼロとなる。したがって、要求アシスト出力演算ブロック４０－４では、蓄電器の充電率ＳＯＣから求められた蓄電器目標出力Ｐｃがそのまま蓄電器補償アシスト量Ｐａ２として出力される。

　以上のように、本実施例による回転数可変制御アルゴリズムによれば、油圧ポンプ１４の傾転角比Ｘを最大値Ｘｍａｘとしたときのエンジン回転数Ｎｅ１に基づいてエンジン回転数指令Ｎｅが決定される。したがって、傾転角比Ｘが大きい状態で油圧ポンプ１４を駆動することができ、油圧ポンプの効率がよい状態を維持することができる。そして、そのようにして決定されたエンジン回転数指令Ｎｅと蓄電器の充電率ＳＯＣとから、アシストモータとしての電動発電機１２のアシスト量を決定するので、電動発電機１２が適切にエンジンアシストを行なうことができる。また、エンジン回転数指令Ｎｅを決定する際に、要求エンジン出力を考慮するので、エンジン回転数指令Ｎｅをより適切に設定することができる。

　次に、本発明の第３実施例について説明する。本発明の第３実施例による回転数可変制御アルゴリズムは基本的に図７に示す回転数可変制御アルゴリズムと同じであるが、回転数演算ブロック４０－２における処理が異なる。

　本実施例による回転数可変制御アルゴリズムでは、エンジン１１が出力すべき動力として要求エンジン出力Ｐｅｎを求めてから、要求エンジン出力Ｐｅｎから求められるエンジン回転数Ｎｅ２と、目標吐出流量Ｑから求められるエンジン回転数Ｎｅ１とのうちいずれか大きい方を選択し、選択したエンジン回転数をエンジン回転数指令Ｎｅに設定する。これは上述の第２実施例による回転数可変制御アルゴリズムの回転数演算ブロック４０－２での処理と同じであるが、本実施例では、目標吐出流量Ｑからエンジン回転数Ｎｅ１を求める際に、油圧ポンプ１４のポンプ損失を考慮する点が異なる。

　すなわち、上述の第２実施例において、ポンプ最大傾転角比時のポンプ回転数Ｎｐを求める際に、最大傾転角比時の容積Ｖｍａｘを用いているが、容積Ｖｍａｘは最大傾転角比Ｘｍａｘとしたときのピストンストローク長から得られる理論値であり、実際には作動油の圧縮性や漏れなどに起因した損失が発生する。したがって、最大傾転角比Ｘｍａｘとしたときに実際にシリンダから吐出される作動油の体積は、理論容積Ｖｍａｘからポンプ損失分を減算したものとなる。そこで、本実施例では、理論容積Ｖｍａｘから損失分を減算した値をポンプ容積Ｖとして用いることで、ポンプ損失分を考慮してより精度高くエンジン回転数指令Ｎｅ１を求めている。

　図１０は第３実施例における回転数演算ブロック４０－２で行なわれる処理の演算アルゴリズムを示す図である。回転数演算ブロック４０－２では、上述の第２実施例と同様に、目標吐出流量Ｑから求められたエンジン回転数指令Ｎｅ１と、要求エンジン出力Ｐｅｎから求められたエンジン回転数Ｎｅ２のうち、大きいほうが選択されてエンジン回転数Ｎｅとして出力される。しかし、目標吐出流量Ｑからエンジン回転数指令Ｎｅ１を求める際に、ポンプ損失分を引いたポンプ容積Ｖをポンプ損失特性演算（Ｖ＝Ｖｍａｘ－Ｗ（Ｘ＝１，Ｐ））により求め、目標吐出流量Ｑを、求めたポンプ容積Ｖで除算することで、ポンプ最大傾転角比時回転数Ｎｐを算出する。

　ポンプ損失は、吐出圧力Ｐｉと傾転角比Ｘ（すなわち、ピストンストローク長）とに依存するため、吐出圧力Ｐｉと傾転角比Ｘの関数として求められる。ここで、傾転角比Ｘは変数であるが、最大傾転角比Ｘｍａｘ＝１に固定することとする。最大傾転角比の時にはピストンストローク長が最大であり、ピストンストローク長に依存する損失分も最大となるためであり、最大の損失分を見込んで損失を算出することとしている。上述のポンプ損失特性演算（Ｖ＝Ｖｍａｘ－Ｗ（Ｘ＝１，Ｐ））のうち、Ｗがポンプ損失であり、Ｘ＝１が最大傾転角比Ｖｍａｘに相当し、Ｐが吐出圧力Ｐｉに相当する。

　以上のように、本実施例による回転数可変制御アルゴリズムによれば、油圧ポンプ１４の傾転角比Ｘを最大値Ｘｍａｘとし、且つポンプ損失を考慮したときのエンジン回転数Ｎｅ１に基づいてエンジン回転数指令Ｎｅが決定される。したがって、傾転角比Ｘが大きい状態で油圧ポンプ１４を駆動することができ、油圧ポンプの効率よく運転している状態を維持することができる。そして、そのようにして決定されたエンジン回転数指令Ｎｅと蓄電器の充電率ＳＯＣとから、アシストモータとしての電動発電機１２のアシスト量が決定されるので、電動発電機１２が適切にエンジンアシストを行なうことができる。また、エンジン回転数指令Ｎｅを決定する際に、要求エンジン出力が考慮されるので、エンジン回転数指令Ｎｅをより適切に設定することができる。

　なお、上述の実施例では旋回機構２が電動式であったが、旋回機構２が電動ではなく油圧駆動の場合がある。図１１は図２に示すハイブリッド型油圧ショベルの旋回機構を油圧駆動式とした場合の駆動系の構成を示すブロック図である。図１１に示すハイブリッド型油圧ショベルでは、旋回用電動機２１の代わりに、旋回油圧モータ２Ａがコントロールバルブ１７に接続され、旋回機構２は旋回油圧モータ２Ａにより駆動される。このような、ハイブリッド型油圧ショベルであっても、上述のように、要求アシスト出力演算ブロック４０－４において蓄電器の充電率ＳＯＣから求められた蓄電器目標出力Ｐｃをそのまま蓄電器補償アシスト量Ｐａ２として出力することで、上述の回転数可変制御アルゴリズムによりエンジン回転数及び電動発電機（アシストモータ）のアシスト量を制御することができる。

　本発明は具体的に開示された上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形例及び改良例がなされるであろう。

　本出願は、２０１０年１０月６日出願の日本国特許出願第２０１０－２２６９１２号、に基づくものであり、その全内容は本出願に援用される。

　本発明は、エンジンの出力で流量可変式油圧ポンプを駆動するハイブリッド型作業機械に適用可能である。

　１　下部走行体
　１Ａ、１Ｂ　走行機構
　２　旋回機構
　２Ａ　旋回油圧モータ
　３　上部旋回体
　４　ブーム
　５　アーム
　６　リフティングマグネット
　７　ブームシリンダ
　７Ａ　油圧配管
　８　アームシリンダ
　９　バケットシリンダ
　１０　キャビン
　１１　エンジン
　１２　電動発電機
　１３　変速機
　１４　メインポンプ
　１５　パイロットポンプ
　１６　高圧油圧ライン
　１７　コントロールバルブ
　１８、１８Ａ、１８Ｂ、２０　インバータ
　１９　バッテリ
　２１　旋回用電動機
　２２　レゾルバ
　２３　メカニカルブレーキ
　２４　旋回減速機
　２５　パイロットライン
　２６　操作装置
　２６Ａ、２６Ｂ　レバー
　２６Ｃ　ペダル
　２７　油圧ライン
　２８　油圧ライン
　２９　圧力センサ
　３０　コントローラ
　４０－１　油圧ポンプ要求負荷推定ブロック
　４０－２　回転数演算ブロック
　４０－３　アシスト出力演算ブロック
　４０－４　要求アシスト出力演算ブロック
　４０－５　アシスト指令決定ブロック
　４０－６　要求エンジン出力演算ブロック
　１２０　蓄電系
　３００　発電機
　３１０　油圧モータ

Claims (12)

1. 　エンジンと、
   　該エンジンに連結された電動発電機と、
   　前記エンジンの出力により回転駆動される可変容量式油圧ポンプと、
   　前記エンジンの回転数及び前記可変容量式油圧ポンプを制御する制御部と
   　を有し、
   　前記制御部は、油圧負荷に基づいて前記エンジンを回転数制御することを特徴とするハイブリッド型作業機械。
2. 　請求項１記載のハイブリッド型作業機械であって、
   　前記制御部は、
   　前記油圧負荷に基づいて前記可変容量式油圧ポンプの目標回転数を求め、
   　該目標回転数を用いて前記エンジンを回転数制御することを特徴とするハイブリッド型作業機械。
3. 　請求項１記載のハイブリッド型作業機械であって、
   　前記制御部は、
   　前記油圧負荷に基づいて前記可変容量式油圧ポンプの目標回転数を求め、
   　該目標回転数に基づいて前記エンジンの目標出力を求め、
   　前記エンジンを回転数制御するとともに、前記エンジンの出力と前記油圧負荷とから前記電動発電機の出力を求めることを特徴とするハイブリッド型作業機械。
4. 　請求項２又は３記載のハイブリッド型作業機械であって、
   　前記制御部は、前記可変容量式油圧ポンプの傾転角比が最大となる条件下で、前記可変容量式油圧ポンプの吐出流量が前記目標流量となるように、前記目標回転数を算出することを特徴とするハイブリッド型作業機械。
5. 　請求項４記載のハイブリッド型作業機械であって、
   　前記制御部は、前記可変容量式油圧ポンプの前記目標回転数と、要求エンジン出力より求められる前記可変容量式油圧ポンプの最小回転数とを比較し、いずれか大きいほうを用いてエンジン制御を行なうことを特徴とするハイブリッド型作業機械。
6. 　請求項５記載のハイブリッド型作業機械であって、
   　前記要求エンジン出力は、前記油圧負荷と電気負荷より算出されるハイブリッド型作業機械。
7. 　請求項２又は３記載のハイブリッド型作業機械であって、
   　前記制御部は、前記可変容量式油圧ポンプの最大容積に基づいて、前記可変容量式油圧ポンプの吐出流量が前記目標流量となるように、前記目標回転数を算出することを特徴とするハイブリッド型作業機械。
8. 　請求項７記載のハイブリッド型作業機械であって、
   　前記制御部は、前記可変容量式油圧ポンプの前記目標回転数と、要求エンジン出力より求められる前記可変容量式油圧ポンプの最小回転数とを比較し、いずれか大きいほうを用いてエンジン制御を行なうことを特徴とするハイブリッド型作業機械。
9. 　請求項８記載のハイブリッド型作業機械であって、
   　前記要求エンジン出力は、前記油圧負荷と電気負荷より算出されるハイブリッド型作業機械。
10. 　請求項２又は３記載のハイブリッド型作業機械であって、
    　前記目標回転数にはポンプが回転する際に生じる損失が含まれていることを特徴とするハイブリッド型作業機械。
11. 　請求項１記載のハイブリッド型作業機械であって、
    　前記制御部は、
    　前記エンジンの出力と前記油圧負荷とから前記電動発電機のエンジン補償アシスト出力を算出し、
    　電気負荷より前記電動発電機の蓄電器補償アシスト出力を算出し、
    　前記エンジン補償アシスト出力と前記電気補償アシスト出力とのうち大きいほうに基づいて前記電動発電機を制御することを特徴とするハイブリッド型作業機械。
12. 　請求項１記載のハイブリッド型作業機械であって、
    　前記油圧負荷は推定演算により求められることを特徴とするハイブリッド型作業機械。

Images