WO2018062314A1 - 作業車両 - Google Patents

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WO2018062314A1
WO2018062314A1 PCT/JP2017/035043 JP2017035043W WO2018062314A1 WO 2018062314 A1 WO2018062314 A1 WO 2018062314A1 JP 2017035043 W JP2017035043 W JP 2017035043W WO 2018062314 A1 WO2018062314 A1 WO 2018062314A1
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WO
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engine
power
storage device
power storage
rotation range
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PCT/JP2017/035043
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Inventor
金子　悟
一雄 石田
徳孝 伊藤
Original Assignee
日立建機株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D29/00—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a work vehicle.
  • HMT hydraulic mechanical transmission
  • HST hydraulic transmission
  • a hybrid type using an engine and an electric motor as a power source is known.
  • the engine speed can be set independently of the operation state of the vehicle, so that high engine efficiency can be maintained and fuel consumption can be improved.
  • Patent Document 1 discloses a technique for recovering power during regeneration by charging the battery and supplying peak power exceeding the engine maximum output from the battery.
  • a work vehicle includes an engine, a chargeable / dischargeable power storage device, a load connected to the engine, and a control device that controls the engine, the power storage device, and the load.
  • the engine speed is set to an upper limit speed range equal to or higher than a predetermined upper limit speed, a lower limit speed range lower than a predetermined lower limit speed lower than the upper limit speed, or It is set to any one of intermediate rotation ranges between the upper limit rotation range and the lower limit rotation range, and in the upper limit rotation range, the output power from the engine to the load is assisted using the power of the power storage device. Controlling the engine and the power storage device, and charging the power storage device using the output power of the engine in the lower limit rotation range and the intermediate rotation range. And controlling the power storage device.
  • the engine efficiency can be optimally maintained according to the operating state of the vehicle.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of a wheel loader that is a work vehicle according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows the outline
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of a wheel loader 100 which is a work vehicle according to an embodiment of the present invention.
  • a wheel loader 100 shown in FIG. 1 includes an engine 1, a hydraulic pump 4, a hydraulic working unit 5, a travel drive unit 10, a motor generator (MG) 11, an inverter 12, and a power storage device 13.
  • MG motor generator
  • the engine 1 is an internal combustion engine such as a diesel engine, and supplies power to the hydraulic pump 4 and the travel drive unit 10 by rotating the output shaft.
  • the hydraulic pump 4 and the travel drive unit 10 are connected to the engine 1 via an output shaft, respectively, and act as a load on the engine 1.
  • the hydraulic pump 4 is driven using the output of the engine 1 as a main power source, and discharges hydraulic oil to the hydraulic working unit 5.
  • the hydraulic working unit 5 has hydraulic actuators such as a bucket cylinder, a lift cylinder, and a steering cylinder. By adjusting the pressure oil discharged from the hydraulic pump 4 with a control valve and supplying the hydraulic oil to these hydraulic actuators, The bucket or lift arm provided at the front of the vehicle body of the wheel loader 100 is moved, or the traveling direction of the wheel loader 100 is changed.
  • the traveling drive unit 10 drives the output of the engine 1 as a main power source, and rotates the four wheels of the wheel loader 100 to cause the wheel loader 100 to travel.
  • the travel drive unit 10 has a power transmission mechanism that transmits the rotational motion of the output shaft of the engine 1 to each wheel at an arbitrary gear ratio. Thereby, the rotation speed of the engine 1 can be set independently of the operation state of the wheel loader 100.
  • an HST type, an HMT type, a hybrid type, or the like can be adopted as the type of the power transmission mechanism of the travel drive unit 10.
  • a specific example of the power transmission mechanism of the travel drive unit 10 will be described later with reference to FIGS.
  • the motor generator 11 is connected to the output shaft of the engine 1 and can operate as either an electric motor or a generator.
  • the motor generator 11 When the motor generator 11 operates as an electric motor, the motor generator 11 assists the output power from the engine 1 to the hydraulic pump 4 and the travel drive unit 10 by performing a power running operation in which the electric power of the power storage device 13 is rotationally driven.
  • the power generation operation is performed using the rotational motion of the output shaft of the engine 1, and the power storage device 13 is charged with the obtained electric power.
  • the operation of the motor generator 11 is controlled by the inverter 12.
  • the inverter 12 converts the DC power of the power storage device 13 into AC power, supplies the AC power to the motor generator 11, and rotates the motor generator 11.
  • motor generator 11 is operated as a generator
  • AC power generated by motor generator 11 is converted into DC power and supplied to power storage device 13, and power storage device 13 is charged.
  • the power storage device 13 is a chargeable / dischargeable power storage means, and is composed of, for example, a secondary battery or a capacitor.
  • the engine control device 16, the inverter control device 17, the travel drive control device 18, and the hydraulic control device 19 control the operations of the engine 1, the inverter 12, the travel drive unit 10, and the hydraulic pump 4, respectively.
  • the control device 15 is connected to the engine control device 16, the inverter control device 17, the travel drive control device 18 and the hydraulic control device 19 via a communication line such as CAN (Controller ⁇ ⁇ Area Network), for example.
  • CAN Controller ⁇ ⁇ Area Network
  • the engine 1, the inverter 12, the travel drive unit 10, and the hydraulic pump 4 are controlled via each of them. Details of the processing procedure of the control device 15 will be described later.
  • the control device 15, the engine control device 16, the inverter control device 17, the travel drive control device 18 and the hydraulic control device 19 may be configured as separate devices as shown in FIG. May be combined into one.
  • the wheel loader 100 is equipped with a device for performing various controls. However, since these are not directly related to the present invention, these are not shown.
  • FIG. 2 is a diagram showing an outline of the V-shaped excavation work that is a typical example of the work performed by the wheel loader 100.
  • the operator first advances the wheel loader 100 with respect to the excavation target object 300 such as a gravel mountain, and pushes the bucket tip into the excavation target object 300 to raise the bucket. Scoop up gravel and other items in the bucket. Subsequently, the operator moves the wheel loader 100 backward and returns it to the original position while performing the steering operation and bucket raising operation of the wheel loader 100, and then advances the vehicle toward the transport vehicle 200 such as a dump truck. After the material in the bucket is released and loaded on the transport vehicle 200, the operator then moves the wheel loader 100 backward again to return it to its original position. In the V-shaped excavation work, the wheel loader 100 repeats the above work while drawing a V-shaped trajectory.
  • the excavation target object 300 such as a gravel mountain
  • the wheel loader 100 distributes the power of the engine 1 to the travel drive unit 10 and the hydraulic pump 4 to perform the travel and excavation work.
  • the traveling drive unit 10 when the bucket is pushed into the excavation target object 300 by exerting a large traction force, the wheel loader 100 is moved backward with the transported object in the bucket, or toward the transporting vehicle 200.
  • the hydraulic pump 4 When the wheel loader 100 is moved forward, relatively large power is required.
  • the hydraulic pump 4 generates relatively large power when the bucket thrust into the excavation target 300 is lifted to pick up the transported object or when the bucket is lifted to load the transported vehicle 200. I need.
  • the traveling drive unit 10 and the hydraulic pump 4 must be driven at the same time.
  • Conventional wheel loaders generally use a torque converter to transmit engine output to the wheels.
  • the engine speed is determined according to the required power determined according to the operation state of the wheel loader. That is, the engine speed cannot be set independently of the operation state of the wheel loader. Therefore, depending on the operation state of the wheel loader, the efficiency of the engine may be reduced as described above, and the fuel efficiency may be deteriorated.
  • the traveling drive unit 10 can set the rotation speed of the engine 1 independently of the operation state of the wheel loader 100 as described above. Therefore, the rotation speed of the engine 1 can be set so that the engine 1 is always operated with high efficiency, and deterioration of fuel consumption can be prevented.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the fuel consumption characteristics of the engine 1.
  • the horizontal axis represents the rotational speed of the engine 1 and the vertical axis represents the output torque of the engine 1. Note that the fuel consumption characteristics in FIG. 3 do not show the fuel consumption characteristics of a specific diesel engine, but show the tendency of the fuel consumption characteristics in a general diesel engine.
  • the output torque of the engine 1 varies within a range of the maximum torque line 30 or less according to the rotational speed.
  • the fuel consumption characteristics of the engine 1 at this time are represented by an equal fuel consumption curve indicated by reference numerals 31 to 35.
  • the region surrounded by the equal fuel consumption curve 31 at the center is the operating region where the fuel consumption of the engine 1 is the best, that is, the efficiency of the engine 1 is maximized.
  • the fuel consumption of the engine 1 deteriorates and the efficiency decreases as the region surrounded by the respective equal fuel consumption curves on the outside from the equal fuel consumption curve 31.
  • the fuel consumption of the engine 1, that is, the fuel consumption is represented by the amount of fuel per unit time required for the engine 1 to output a predetermined power, for example, the unit is g / kWh.
  • the operating point of the engine 1 is controlled in consideration of the fuel consumption characteristics of the engine 1 as shown in FIG. As a result, the efficiency of the engine 1 is prevented from decreasing, and the fuel consumption is improved.
  • the engine speed is determined according to the required power determined according to the operation state of the wheel loader. Therefore, when performing V-shaped excavation work, it is necessary to change the engine speed in accordance with the change in required power, and the engine operating point should be controlled in consideration of the fuel efficiency characteristics as shown in FIG. I can't. If the engine speed is too high, torque loss will increase, and if the engine speed is too low, it will be necessary to increase the engine speed as the required power increases. Will occur. Therefore, with the conventional wheel loader, it is difficult to optimize the engine efficiency and improve the fuel consumption.
  • control device 15 controls the operation of the engine 1 so as to eliminate the cause of the deterioration of fuel consumption in the conventional wheel loader as described above and maintain the efficiency of the engine 1 optimally. Is going. Below, the specific control method is demonstrated.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of an engine control method performed by the control device 15.
  • the control device 15 sets a predetermined lower limit rotational speed R1 and an upper limit rotational speed R2 with respect to the rotational speed of the engine 1, and sets a rotational range below the lower limit rotational speed R1 to a lower limit rotational range and an upper limit rotational speed.
  • a rotation range equal to or greater than the number R2 is defined as an upper limit rotation range
  • a rotation range between the lower limit rotation number R1 and the upper limit rotation number R2 is defined as an intermediate rotation range.
  • the control device 15 controls the operating point of the engine 1 along the engine operating locus 40 in accordance with the power required for driving the travel drive unit 10 and the hydraulic pump 4 at each time point.
  • the engine 1 is operated so that the rotational speed of the engine 1 is included in any of the above rotation ranges.
  • the control device 15 causes the rotational speed of the engine 1 to be constant within the upper limit rotational range.
  • the engine 1 is controlled. Further, at this time, the control device 15 assists the output power from the engine 1 to the travel drive unit 10 and the hydraulic pump 4 by performing the power running operation of the motor generator 11 using the electric power of the power storage device 13, and the insufficient amount. Make up for power.
  • the power corresponding to the upper limit rotational speed R2 is the output power of the engine 1 when good fuel efficiency is obtained at the upper limit rotational speed R2.
  • the output power in the vicinity of the rated output point of the engine 1 or an output power having a value somewhat smaller than the rated output point is set as the power corresponding to the upper limit rotational speed R2.
  • the control device 15 causes the engine 1 to keep the rotational speed of the engine 1 constant within the lower limit rotational range. To control. Furthermore, at this time, the control device 15 causes the motor generator 11 to perform a power generation operation using the output power of the engine 1, thereby increasing the load of the engine 1 and charging the power storage device 13. Thus, control is performed so that the rotational speed of the engine 1 is constant even when the required power is reduced.
  • the power corresponding to the lower limit rotational speed R1 is the maximum power that the engine 1 can output at the lower limit rotational speed R1.
  • the control device 15 controls the engine 1 so as to change the rotational speed of the engine 1 within the intermediate rotational range in accordance with the necessary power. To do. Further, at this time, the control device 15 charges the power storage device 13 by causing the motor generator 11 to perform a power generation operation using the output power of the engine 1 as in the case where the rotation speed of the engine 1 is within the lower limit rotation range. To. As a result, it is possible to increase the chances that the power storage device 13 is charged and to avoid a shortage of electric power necessary for power assist of the engine 1. The electric power charged in the power storage device 13 in the lower limit rotation range or the intermediate rotation range is used for power assist of the engine 1 in the upper limit rotation range.
  • the efficiency of the engine 1 can be improved by increasing the load of the engine 1 even in the intermediate rotation range as described above. That is, traveling drive unit 10 used in wheel loader 100 according to the present embodiment has higher transmission efficiency than a torque converter in a conventional wheel loader. Therefore, since the output power of the engine 1 necessary for driving the travel drive unit 10 is reduced, the efficiency of the engine 1 tends to be deteriorated as compared with the conventional case as shown in FIG. Therefore, it is possible to improve the efficiency of the engine 1 by charging the power storage device 13 in the intermediate rotation range to increase the load of the engine 1.
  • FIG. 5 is a diagram showing a flow of power to the travel drive unit 10 in the upper limit rotation range.
  • power is supplied from the engine 1 to the travel drive unit 10 as indicated by an arrow 51 in FIG. 5 and travels from the power storage device 13 via the inverter 12 and the motor generator 11 as indicated by an arrow 52.
  • power assist of the engine 1 is performed.
  • the power of the engine 1 and the power storage device 13 is also supplied to the hydraulic working unit 5 via the hydraulic pump 4.
  • FIG. 6 is a functional block diagram of the control device 15.
  • the control device 15 includes a necessary power calculation unit 25, an engine control unit 26, an inverter control unit 27, a travel drive control unit 28, and a hydraulic pressure control unit 29 as its functions.
  • the control apparatus 15 can implement
  • the required power calculation unit 25 inputs accelerator opening, brake depression, front lever operation amount, vehicle speed, traveling torque, hydraulic pump pressure, and the like, and based on these input values, the current state of the wheel loader 100 Calculate the required power according to.
  • FIG. 7 is a functional block diagram of the necessary power calculation unit 25. As shown in FIG. 7, the required power calculation unit 25 includes a travel power calculation unit 71 and a hydraulic power calculation unit 72.
  • the travel power calculation unit 71 inputs the accelerator opening, the brake depression degree, the vehicle speed, and the travel torque, and calculates the travel power of the wheel loader 100 necessary for driving the travel drive unit 10.
  • a method for calculating the traveling power in the traveling power calculation unit 71 is not particularly limited.
  • the running power may be obtained by map search using each input value as an argument, or a function using each input value as a variable may be defined, and the running power may be calculated based on the function.
  • the hydraulic power calculation unit 72 determines the hydraulic power of the wheel loader 100 necessary for operating the hydraulic working unit 5 according to the lever operation amount of the front unit and the hydraulic pump pressure.
  • the calculation method of hydraulic power in the hydraulic power calculation unit 72 is not particularly limited, as is the calculation method of traveling power in the traveling power calculation unit 71.
  • the hydraulic power may be obtained by a map search that defines the characteristics of the hydraulic power with respect to the input value of the lever operation amount and the hydraulic pump pressure, or the hydraulic power may be calculated by an arithmetic expression representing the characteristics of the hydraulic working unit 5. Good.
  • the necessary power calculating unit 25 outputs the traveling power and the hydraulic power obtained by the traveling power calculating unit 71 and the hydraulic power calculating unit 72 as described above, and obtains the necessary power by adding them. The required power is output.
  • the engine control unit 26 inputs the required power output from the required power calculation unit 25 and also inputs the engine speed output from the engine control device 16. Based on these input values, the engine control unit 26 determines the rotational speed of the engine 1 according to the required power in any of the upper limit rotational range, the lower limit rotational range, and the intermediate rotational range by the method as described above. At the same time, the torque of the motor generator 11 is determined. Then, an engine rotation command corresponding to the determined rotational speed is output to the engine control device 16, and a torque command corresponding to the determined torque is output to the inverter control device 17. Further, the output power of the engine 1 is determined based on these values and is output to the inverter control unit 27.
  • the inverter control unit 27 inputs the required power output from the required power calculation unit 25 and the output power of the engine 1 output from the engine control unit 26 and the voltage of the power storage device 13. Based on these input values, the inverter control unit 27 outputs the rotational driving force or the generated power corresponding to the difference between the required power and the output power of the engine 1 from the motor generator 11. A current output to inverter 12 or from inverter 12 to power storage device 13 is determined. Then, an inverter current command corresponding to the determined current is output to the inverter control device 17.
  • the inverter 12 is connected to the motor so that the rotational driving force corresponding to 20 kW of the difference between these is output from the motor generator 11. It is necessary to control the generator 11. Therefore, in this case, the engine control unit 26 and the inverter control unit 27 respectively calculate an output torque and a current value such that a rotational driving force of 20 kW can be obtained in the motor generator 11, and the calculation results are used as a torque command and an inverter current. Each is output to the inverter control device 17 as a command. Inverter control device 17 controls inverter 12 such that a current corresponding to the inverter current command is discharged from power storage device 13 to inverter 12, whereby a torque corresponding to the torque command is output from motor generator 11.
  • the inverter 12 is connected to the motor so that the generated power corresponding to 20 kW of the difference between these is output from the motor generator 11. It is necessary to control the generator 11. Therefore, in this case, the engine control unit 26 and the inverter control unit 27 calculate the generated torque and the current value such that the generated power of 20 kW can be obtained in the motor generator 11, and the calculation results are used as the torque command and the inverter current command. To the inverter control device 17. The inverter control device 17 controls the inverter 12 so that the generated power corresponding to the torque command is output from the motor generator 11, whereby the current corresponding to the inverter current command is charged from the inverter 12 to the power storage device 13.
  • the travel drive control unit 28 inputs the travel power output from the required power calculation unit 25 and the vehicle speed of the wheel loader 100.
  • the travel drive control unit 28 determines the torque of the travel drive unit 10 based on these input values. Then, a travel drive output command corresponding to the determined torque is output to the travel drive control device 18.
  • the hydraulic control unit 29 inputs the hydraulic power output from the required power calculation unit 25 and the pressure of the hydraulic pump 4.
  • the hydraulic control unit 29 determines the tilt angle of the hydraulic pump 4 based on these input values. Then, a hydraulic pump tilt command corresponding to the determined tilt angle is output to the hydraulic control device 19.
  • the engine control device 16, the inverter control device 17, the travel drive control device 18, and the hydraulic control device 19 are based on the above commands output from the control device 15, the engine 1, the inverter 12, the travel drive unit 10, and the hydraulic pump. 4 operations are controlled. Thereby, operation control of wheel loader 100 concerning one embodiment of the present invention is realized.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a processing procedure of the control device 15.
  • step S100 the control device 15 performs various operation amounts and various types necessary for calculations in the necessary power calculation unit 25, the engine control unit 26, the inverter control unit 27, the travel drive control unit 28, and the hydraulic control unit 29 in FIG. Enter the state quantity. That is, the operation amount such as the accelerator opening degree, the brake depression degree, and the lever operation amount is inputted, and the state quantity such as the engine speed, the vehicle speed, the running torque, the voltage of the power storage device 13 and the pressure of the hydraulic pump 4 is inputted. To do.
  • step S101 the control device 15 causes the required power calculation unit 25 to execute various power commands based on the accelerator opening, brake depression, lever operation amount, travel torque, hydraulic pump pressure, and vehicle speed input in step S100. Is calculated.
  • the necessary power, the traveling power, and the hydraulic power are calculated by the method as described above, and the calculation results are output as the necessary power command, the traveling power command, and the hydraulic power command.
  • step S102 the control device 15 causes the engine control unit 26 to execute the engine 1 according to the method described above based on the rotation speed of the engine 1 input in step S100 and the necessary power calculated in step S101. And the torque of the motor generator 11 are calculated. Then, based on these calculation results, an engine rotation command is output to the engine control device 16 and a torque command is output to the inverter control device 17.
  • step S103 the control device 15 causes the inverter control unit 27 to convert the voltage of the power storage device 13 input in step S100, the required power calculated in step S101, and the output power of the engine 1 calculated in step S102. Based on this, the charge / discharge current of the power storage device 13 is calculated by the method as described above. Based on the calculation result, an inverter current command is output to the inverter control device 17. At this time, in order to keep power storage device 13 in a normal state at all times, it is preferable to appropriately limit the charge / discharge current of power storage device 13 according to the state of power storage device 13.
  • step S104 the control device 15 causes the travel drive control unit 28 to control the travel drive unit 10 according to the method described above based on the vehicle speed input in step S100 and the travel power calculated in step S101. Calculate the torque. Then, based on the calculation result, a travel drive output command is output to the travel drive control device 18.
  • step S105 the control device 15 causes the hydraulic control unit 29 to perform the hydraulic pump operation according to the method described above based on the pressure of the hydraulic pump 4 input in step S100 and the hydraulic power calculated in step S101.
  • the tilt angle of 4 is calculated. Based on the calculation result, a hydraulic pump tilt command is output to the hydraulic control device 19.
  • the operation of the wheel loader 100 is controlled by the processing procedure as described above. Thereby, compared with the conventional wheel loader, a fuel consumption can be improved significantly.
  • FIG. 9 is an example of a system configuration diagram of a wheel loader 100 that employs an HST type power transmission mechanism that converts the power of the engine 1 into hydraulic pressure and transmits it to each wheel as the travel drive unit 10.
  • the wheel loader 100 includes a hydraulic pump 213 connected to the output shaft of the engine 1 and a hydraulic motor 214 that is rotationally driven by the oil discharged from the hydraulic pump 213.
  • the hydraulic motor 214 rotationally drives each wheel via the propeller shaft 230.
  • FIG. 10 is an example of a system configuration diagram of a wheel loader 100 that employs an HMT type power transmission mechanism as the traveling drive unit 10.
  • the wheel loader 100 further includes a power transmission mechanical unit 215 in addition to the hydraulic pump 213 and the hydraulic motor 214 described above.
  • the propeller shaft 230 is driven by the hydraulic pump 213 via the hydraulic motor 214, and the propeller shaft 230 is driven via the power transmission mechanical unit 215 by the engine 1 or the motor generator 11 while driving each wheel.
  • the power transmission mechanical unit 215 is a mechanical mechanism that mechanically connects the output shaft of the engine 1 and the propeller shaft 230, and is configured using, for example, a swash plate piston or a planetary gear.
  • FIG. 11 is an example of a system configuration diagram of a wheel loader 100 that employs a hybrid power transmission mechanism that converts the power of the engine 1 into electricity and transmits it to each wheel as the traveling drive unit 10.
  • the wheel loader 100 includes a traveling motor (motor) 217 that is attached to the propeller shaft 230 via a differential gear Dif and a gear G and drives each wheel, and an inverter 218 that controls the motor 217. ing.
  • the power storage device 13 transfers DC power between the inverter 12 and the inverter 218.
  • a configuration example of a so-called series type hybrid system is shown, but a parallel type hybrid system can also be used.
  • a wheel loader 100 that is a work vehicle includes an engine 1, a chargeable / dischargeable power storage device 13, a hydraulic pump 4 as a load connected to the engine 1, a travel drive unit 10, an engine 1, and a power storage device 13. And a control device 15 for controlling the hydraulic pump 4 and the travel drive unit 10. Based on the power required for driving the hydraulic pump 4 and the travel drive unit 10, the control device 15 sets the rotational speed of the engine 1 to an upper limit rotational range equal to or higher than a predetermined upper limit rotational speed R2 and a predetermined lower speed than the upper limit rotational speed R2. Is set to any one of the lower limit rotational range below the lower limit rotational speed R1 or the intermediate rotational range between the upper limit rotational range and the lower limit rotational range.
  • the engine 1 and the power storage device 13 are controlled so as to assist the output power from the engine 1 to the hydraulic pump 4 and the travel drive unit 10 using the power of the power storage device 13. Further, in the lower limit rotation range and the intermediate rotation range, engine 1 and power storage device 13 are controlled so as to charge power storage device 13 using the output power of engine 1. Since it did in this way, the efficiency of the engine 1 can be optimally maintained according to the operation state of the wheel loader 100.
  • the control device 15 keeps the rotation speed of the engine 1 constant, and uses the power of the power storage device 13 to assist the output power from the engine 1 to the hydraulic pump 4 and the travel drive unit 10.
  • the engine 1 and the power storage device 13 are controlled.
  • the engine 1 and the power storage device 13 are controlled so that the rotation speed of the engine 1 is constant and the power storage device 13 is charged using the output power of the engine 1.
  • the intermediate rotation range the rotational speed of the engine 1 is changed according to the power required for driving the hydraulic pump 4 and the travel drive unit 10, and the power storage device 13 is charged using the output power of the engine 1.
  • the engine 1 and the power storage device 13 are controlled. Since it did in this way, while maintaining the efficiency of the engine 1 optimally, the opportunity that the electrical storage apparatus 13 is charged can be increased, and it can avoid that the electric power required for the power assistance of the engine 1 runs short. .
  • the wheel loader 100 further includes a motor generator 11 connected to the output shaft of the engine 1.
  • the output power from the engine 1 to the hydraulic pump 4 and the travel drive unit 10 is assisted by operating the motor generator 11 as an electric motor using the electric power of the power storage device 13.
  • the power storage device 13 is charged by operating the motor generator 11 as a generator using the output power of the engine 1. Since it did in this way, the power assist of the engine 1 and the charge of the electrical storage apparatus 13 are realizable only by switching the operation state of the motor generator 11 as needed.
  • the load on the engine 1 includes the travel drive unit 10 that generates the travel drive force of the wheel loader 100.
  • the traveling drive unit 10 includes a hydraulic pump 213 connected to the output shaft of the engine 1, a hydraulic motor 214 that is driven by oil discharged from the hydraulic pump 213 and generates a traveling driving force, It is HST provided with.
  • a hydraulic pump 213, a hydraulic motor 214, and a power transmission mechanical unit 215 that is mechanically connected to the output shaft of the engine 1 and generates a driving force from the output of the engine 1.
  • HMT provided.
  • FIG. 10 As shown in FIG.
  • a hybrid system including a motor 217 that is driven using electric power of the power storage device 13 to generate traveling driving force and an inverter 218 that controls driving of the motor 217. Since it did in this way, the rotation speed of the engine 1 can be set independently of the operation state of the wheel loader 100.
  • the motor generator 11 when the rotation speed of the engine 1 is within the lower limit rotation range, in order to maintain the efficiency of the engine 1 optimally, the motor generator 11 is caused to perform a power generation operation and the power storage device 13 is charged. The load of 1 was increased.
  • an exceptional process may be performed depending on the rotational speed of the engine 1. For example, when a large amount of power is suddenly requested from the vehicle in a state where the rotational speed of the engine 1 is low, unlike the control method described in the above embodiment, the motor generator 11 is discharged by discharging from the power storage device 13. It is preferable to perform a power running operation and control the vehicle to operate with the total value of the power of the engine 1 and the power of the power storage device 13.
  • the upper limit rotation speed R2 and the lower limit rotation speed R1 that define the above-described upper limit rotation range, lower limit rotation range, and intermediate rotation range may each have a predetermined fluctuation range. That is, as long as the fuel efficiency characteristics of the engine 1 do not change significantly, the upper limit rotational speed R2 and the lower limit rotational speed R1 are set within an arbitrary range, and the upper limit rotational range, the lower limit rotational range, and the intermediate rotational range are defined. be able to.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications within the scope not departing from the gist thereof.
  • the present invention is not limited to the one having all the configurations described in the above embodiment, and includes a configuration in which a part of the configuration is deleted.
  • part of a configuration according to one embodiment can be added to or replaced with a configuration according to another embodiment.
  • Other embodiments conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention.

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Abstract

車両の動作状態に応じてエンジン効率を最適に維持する。　ホイールローダの制御装置は、負荷の駆動に必要なパワーに基づいて、エンジン回転数を、所定の上限回転数Ｒ２以上の上限回転域、上限回転数Ｒ２よりも低い所定の下限回転数Ｒ１以下の下限回転域、または上限回転域と下限回転域の間の中間回転域のいずれかに設定する。そして、上限回転域では、蓄電装置の電力を用いてエンジンから負荷への出力パワーをアシストするように、エンジンおよび蓄電装置を制御する。また、下限回転域および中間回転域では、エンジンの出力パワーを用いて蓄電装置を充電するように、エンジンおよび蓄電装置を制御する。

Description

作業車両
　本発明は作業車両に関する。
　近年、建設車両等の作業車両において、環境負荷の低減や省エネルギー化のため、油圧機械式変速機（HMT：Hydro Mechanical Transmission）や油圧式変速機（HST：Hydro Static Transmission）を採用したものや、エンジンと電動機を動力源として用いるハイブリッド式のものが知られている。こうした作業車両では、車両の動作状態とは独立してエンジン回転数を設定できるため、エンジン効率を高く維持して燃費の向上を図ることができる。
　上記のような作業車両に関して、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、回生時のパワーをバッテリーへの充電で回収し、エンジン最大出力を超えるピークパワーをバッテリーから供給する技術が開示されている。
特開２００７－３３２９２１号公報
　特許文献１に記載の従来技術では、各負荷のパワー要求を合計したトータル要求パワーに基づいて力行状態と回生状態のいずれであるかを判別し、回生状態であると判別したときにバッテリーの充電を行っている。そのため、トータル要求パワーが高い状態が続くと、バッテリーの電力が不足してしまい、エンジン最大出力を超えるピークパワーをバッテリーから供給することができなくなるおそれがある。また、バッテリーの電力不足を避けるため、回生状態ではないときにバッテリーの充電を行うと、他の負荷のパワー要求によってはエンジン効率が低下してしまうおそれがある。このように従来技術では、車両の動作状態によっては必ずしもエンジン効率を最適に維持できない場合がある。
　本発明による作業車両は、エンジンと、充放電可能な蓄電装置と、前記エンジンに接続された負荷と、前記エンジン、前記蓄電装置および前記負荷を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記負荷の駆動に必要なパワーに基づいて、前記エンジンの回転数を、所定の上限回転数以上の上限回転域、前記上限回転数よりも低い所定の下限回転数以下の下限回転域、または前記上限回転域と前記下限回転域の間の中間回転域のいずれかに設定し、前記上限回転域では、前記蓄電装置の電力を用いて前記エンジンから前記負荷への出力パワーをアシストするように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御し、前記下限回転域および前記中間回転域では、前記エンジンの出力パワーを用いて前記蓄電装置を充電するように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御する。
　本発明によれば、車両の動作状態に応じてエンジン効率を最適に維持することができる。
本発明の一実施の形態に係る作業車両であるホイールローダのシステム構成図である。 Ｖ字掘削作業の概要を示す図である。 エンジンの燃費特性の一例を示す図である。 エンジン制御方法の説明図である。 上限回転域における走行駆動部へのパワーの流れを示す図である。 制御装置の機能ブロック図である。 必要パワー演算部の機能ブロック図である。 制御装置の処理手順を示すフローチャートである。 ＨＳＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダのシステム構成図の一例である。 ＨＭＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダのシステム構成図の一例である。 ハイブリッド式の動力伝達機構を採用したホイールローダのシステム構成図の一例である。
　以下、本発明の一実施の形態について説明する。
　図１は、本発明の一実施の形態に係る作業車両であるホイールローダ１００のシステム構成図である。図１に示すホイールローダ１００は、エンジン１、油圧ポンプ４、油圧作業部５、走行駆動部１０、モータジェネレータ（ＭＧ）１１、インバータ１２および蓄電装置１３を備える。
　エンジン１は、ディーゼルエンジン等の内燃機関であり、出力軸を回転駆動して油圧ポンプ４や走行駆動部１０にパワーを供給する。油圧ポンプ４および走行駆動部１０は、エンジン１に出力軸を介してそれぞれ接続されており、エンジン１に対する負荷として作用する。
　油圧ポンプ４は、エンジン１の出力を主動力源として駆動し、油圧作業部５に圧油を吐出する。油圧作業部５は、バケットシリンダ、リフトシリンダ、ステアリングシリンダ等の油圧アクチュエータを有しており、油圧ポンプ４から吐出された圧油をコントロールバルブにより調節してこれらの油圧アクチュエータに供給することで、ホイールローダ１００の車体前部に設けられているバケットやリフトアームを動かしたり、ホイールローダ１００の進行方向を変化させたりする。
　走行駆動部１０は、エンジン１の出力を主動力源として駆動し、ホイールローダ１００の４つの車輪を回転させてホイールローダ１００を走行させる。走行駆動部１０は、エンジン１の出力軸の回転運動を任意の変速比で各車輪に伝達する動力伝達機構を有している。これにより、ホイールローダ１００の動作状態とは独立して、エンジン１の回転数を設定することができる。走行駆動部１０の動力伝達機構の方式には、たとえばＨＳＴ式、ＨＭＴ式、ハイブリッド式などを採用することができる。なお、走行駆動部１０の動力伝達機構の具体例については、図９から図１１を用いて後述する。
　モータジェネレータ１１は、エンジン１の出力軸に連結されており、電動機または発電機のいずれかとして動作可能である。モータジェネレータ１１は、電動機として動作する場合には、蓄電装置１３の電力を用いて回転駆動する力行動作を行うことで、エンジン１から油圧ポンプ４や走行駆動部１０への出力パワーをアシストする。一方、発電機として動作する場合には、エンジン１の出力軸の回転運動を利用して発電動作を行い、得られた電力により蓄電装置１３を充電する。モータジェネレータ１１の動作は、インバータ１２によって制御される。
　インバータ１２は、モータジェネレータ１１を電動機として動作させる場合には、蓄電装置１３の直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ１１に供給し、モータジェネレータ１１を回転駆動させる。一方、モータジェネレータ１１を発電機として動作させる場合には、モータジェネレータ１１が発電した交流電力を直流電力に変換して蓄電装置１３に供給し、蓄電装置１３の充電を行う。蓄電装置１３は、充放電可能な蓄電手段であり、たとえば二次電池やコンデンサにより構成される。
　エンジン制御装置１６、インバータ制御装置１７、走行駆動制御装置１８、油圧制御装置１９は、上記のエンジン１、インバータ１２、走行駆動部１０、油圧ポンプ４の動作をそれぞれ制御する。制御装置１５は、エンジン制御装置１６、インバータ制御装置１７、走行駆動制御装置１８および油圧制御装置１９と、たとえばＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信回線を介して接続されており、これらの装置をそれぞれ介して、エンジン１、インバータ１２、走行駆動部１０および油圧ポンプ４の制御を行う。なお、制御装置１５の処理手順の詳細については、後述する。
　なお、制御装置１５、エンジン制御装置１６、インバータ制御装置１７、走行駆動制御装置１８および油圧制御装置１９は、図１のようにそれぞれ別の装置として構成してもよいし、任意の複数の装置を一つにまとめて構成してもよい。また、ホイールローダ１００には、図１に示したもの以外にも様々な制御を行うための装置が搭載されているが、本発明とは直接関係がないため、これらについては図示を省略した。
　次に、ホイールローダ１００が行う作業の一例について説明する。図２は、ホイールローダ１００が行う作業の典型例であるＶ字掘削作業の概要を示す図である。
　図２に示すように、Ｖ字掘削作業においてオペレータは、まず砂利山などの掘削対象物３００に対してホイールローダ１００を前進させ、掘削対象物３００にバケット先端を突っ込んでバケットを上昇させることで、バケット内に砂利等の運搬物を掬い取る。続いてオペレータは、ホイールローダ１００のステアリング操作およびバケット上昇操作を行いながら、ホイールローダ１００を後進させて元の位置に戻した後、ダンプ等の運搬車両２００に向かって前進させる。バケット内の運搬物を放土して運搬車両２００に積み込んだら、その後オペレータは、再びホイールローダ１００を後進させて元の位置に戻す。Ｖ字掘削作業では、ホイールローダ１００はＶ字の軌跡を描きながら、上記の作業を繰り返し行う。
　上記のＶ字掘削作業において、ホイールローダ１００は、エンジン１の動力を走行駆動部１０と油圧ポンプ４に分配して、走行および掘削作業を行う。走行駆動部１０では、大きな牽引力を発揮してバケットを掘削対象物３００に突っ込む際や、バケット内に運搬物が掬い取られた状態でホイールローダ１００を後進させる際や、運搬車両２００に向かってホイールローダ１００を前進させる際に、比較的大きな動力を必要とする。また、油圧ポンプ４では、掘削対象物３００に突っ込まれたバケットを上昇させて運搬物を掬い取る際や、運搬車両２００に運搬物を積み込むためにバケットを上昇させる際に、比較的大きな動力を必要とする。さらに、これらの動作が同時に行われるときには、走行駆動部１０と油圧ポンプ４を同時に駆動しなければならないため、エンジン１に対して大パワーが要求される。
　以上説明したように、ホイールローダ１００の基本的な動作パターンであるＶ字掘削作業では、バケット内に運搬物を掬い取る際や、バケットを上昇させながらホイールローダ１００を前進または後進させる際など、走行駆動部１０と油圧ポンプ４を同時に駆動させるために大きな動力を必要とする期間がある。一方、車両の進行方向を切り替えるために車両を減速させる際など、ほとんど動力を必要としない期間もある。すなわち、ホイールローダ１００において、エンジン１に対する負荷条件は、ホイールローダ１００の動作状態に応じて大きく変動する。このように、大きく変動する負荷条件に対してエンジン１から動力を供給する場合に、エンジン１を適切な回転数で駆動させないと、エンジン１の効率が低下するために燃費が悪化してしまう可能性がある。
　従来のホイールローダでは一般に、トルクコンバータを用いてエンジンの出力を車輪に伝達している。トルクコンバータを用いた場合には、ホイールローダの動作状態に応じて定まる要求パワーに従ってエンジンの回転数が決定される。すなわち、ホイールローダの動作状態とは独立にエンジンの回転数を設定することができない。したがって、ホイールローダの動作状態によっては、上記のようにエンジンの効率が低下し、燃費が悪化してしまうことがある。
　そこで、本実施の形態に係るホイールローダ１００では、前述のように走行駆動部１０において、ホイールローダ１００の動作状態とは独立してエンジン１の回転数を設定できるようにしている。そのため、エンジン１を常に高い効率で動作させるようにエンジン１の回転数を設定し、燃費の悪化を防ぐことができる。
　図３は、エンジン１の燃費特性の一例を示す図である。図３において、横軸はエンジン１の回転数を表し、縦軸はエンジン１の出力トルクを表している。なお、図３の燃費特性は、特定のディーゼルエンジンの燃費特性を示すものではなく、一般的なディーゼルエンジンにおける燃費特性の傾向を示したものである。
　図３に示すように、エンジン１の出力トルクは、回転数に応じて最大トルク線３０以下の範囲内で変化する。このときのエンジン１の燃費特性は、符号３１～３５に示す等燃費曲線によって表される。一番中心部分にある等燃費曲線３１に囲われた領域は、エンジン１の燃費が最良、すなわちエンジン１の効率が最大となる動作領域である。この等燃費曲線３１から外側にある各等燃費曲線に囲われた領域となるにつれて、エンジン１の燃費が悪化し、効率が低下する。なお、エンジン１の燃費すなわち燃料消費量は、エンジン１が所定のパワーを出力するのに必要な単位時間当たりの燃料量で表され、たとえばその単位はg/kWhである。
　本実施の形態に係るホイールローダ１００では、その動作状態に関わらず、図３に示したようなエンジン１の燃費特性を考慮してエンジン１の動作点を制御する。これにより、エンジン１の効率が低下するのを防ぎ、燃費を向上させるようにしている。
　一方、トルクコンバータを用いた従来のホイールローダでは、前述したように、ホイールローダの動作状態に応じて定まる要求パワーに従ってエンジンの回転数が決定される。そのため、Ｖ字掘削作業の際には、要求パワーの変化に応じてエンジンの回転数を変化させる必要があり、図３に示したような燃費特性を考慮してエンジンの動作点を制御することができない。また、エンジンの回転数が高すぎるとトルク損失が増大したり、エンジンの回転数が低すぎると要求パワーの増加に応じてそこから回転数を上げる必要が生じたりすることで、余分な燃料消費が発生する。したがって、従来のホイールローダでは、エンジン効率を最適化して燃費を向上することが難しい。
　本実施の形態に係るホイールローダ１００では、制御装置１５において、上記のような従来のホイールローダにおける燃費悪化の原因を解消してエンジン１の効率を最適に維持すべく、エンジン１の動作制御を行っている。以下では、その具体的な制御方法について説明する。
　図４は、制御装置１５によるエンジン制御方法の説明図である。制御装置１５は、図４に示すように、エンジン１の回転数に対して所定の下限回転数Ｒ１および上限回転数Ｒ２を設定し、下限回転数Ｒ１以下の回転域を下限回転域、上限回転数Ｒ２以上の回転域を上限回転域、下限回転数Ｒ１と上限回転数Ｒ２の間の回転域を中間回転域とする。ホイールローダ１００の動作時には、制御装置１５は、各時点での走行駆動部１０や油圧ポンプ４の駆動に必要なパワーに応じて、エンジン１の動作点をエンジン動作軌跡４０に沿って制御することで、エンジン１の回転数が上記の回転域のいずれかに含まれるようにエンジン１を動作させる。
　具体的には、ホイールローダ１００において必要なパワーがエンジン１の上限回転数Ｒ２に相当するパワーを超えた場合には、制御装置１５は、エンジン１の回転数が上限回転域内で一定となるようにエンジン１を制御する。さらにこのとき、制御装置１５は、蓄電装置１３の電力を用いてモータジェネレータ１１を力行動作させることで、エンジン１から走行駆動部１０や油圧ポンプ４への出力パワーをアシストし、不足する分のパワーを補うようにする。これにより、必要なパワーが増加してもエンジン１の回転数が一定となるような制御を行う。なお、上記の上限回転数Ｒ２に相当するパワーとは、上限回転数Ｒ２において良好な燃費が得られるときのエンジン１の出力パワーである。たとえば、エンジン１の定格出力点付近での出力パワーか、または定格出力点よりもいくらか小さな値の出力パワーが、上限回転数Ｒ２に相当するパワーとして設定される。
　一方、ホイールローダ１００において必要なパワーがエンジン１の下限回転数Ｒ１に相当するパワーを下回った場合には、制御装置１５は、エンジン１の回転数が下限回転域内で一定となるようにエンジン１を制御する。さらにこのとき、制御装置１５は、エンジン１の出力パワーを用いてモータジェネレータ１１を発電動作させることで、エンジン１の負荷を増加させて蓄電装置１３を充電するようにする。これにより、必要なパワーが減少してもエンジン１の回転数が一定となるような制御を行う。なお、上記の下限回転数Ｒ１に相当するパワーとは、下限回転数Ｒ１においてエンジン１が出力可能な最大のパワーである。
　また、ホイールローダ１００において必要なパワーが上記のいずれにも該当しない場合には、制御装置１５は、必要なパワーに応じてエンジン１の回転数を中間回転域内で変化させるようにエンジン１を制御する。さらにこのとき、制御装置１５は、エンジン１の回転数が下限回転域内にある場合と同様に、エンジン１の出力パワーを用いてモータジェネレータ１１を発電動作させることで、蓄電装置１３を充電するようにする。これにより、蓄電装置１３が充電される機会を増やして、エンジン１のパワーアシストに必要な電力が不足してしまうのを回避することができる。なお、下限回転域や中間回転域で蓄電装置１３に充電された電力は、上限回転域でのエンジン１のパワーアシストに用いられる。
　さらに、上記のように中間回転域でもエンジン１の負荷を増加させることにより、エンジン１の効率向上を図ることができる。すなわち、本実施の形態に係るホイールローダ１００において用いられる走行駆動部１０は、従来のホイールローダにおけるトルクコンバータと比べて伝達効率が高い。したがって、走行駆動部１０を駆動させるのに必要なエンジン１の出力パワーが小さくなるため、図３に示すように、エンジン１の効率が従来よりも悪化する傾向となる。そこで、中間回転域でも蓄電装置１３の充電を行ってエンジン１の負荷を増加させることで、エンジン１の効率を向上することが可能となる。
　図５は、上限回転域における走行駆動部１０へのパワーの流れを示す図である。上限回転域では、図５において矢印５１に示すように、エンジン１から走行駆動部１０にパワーを供給すると共に、矢印５２に示すように、蓄電装置１３からインバータ１２およびモータジェネレータ１１を介して走行駆動部１０にパワーを供給することで、エンジン１のパワーアシストを行う。なお、図５では省略したが、エンジン１および蓄電装置１３のパワーは、油圧ポンプ４を介して油圧作業部５にも供給されている。
　次に、制御装置１５の処理手順の詳細について説明する。図６は、制御装置１５の機能ブロック図である。図６に示すように、制御装置１５は、その機能として、必要パワー演算部２５、エンジン制御部２６、インバータ制御部２７、走行駆動制御部２８および油圧制御部２９を有する。なお、制御装置１５は、たとえばＣＰＵによりソフトウェアを実行することで、図６に示す各機能を実現することができる。
　必要パワー演算部２５は、アクセル開度、ブレーキ踏度、フロント部のレバー操作量、車速、走行トルク、油圧ポンプ圧力等を入力し、これらの入力値に基づいて、現在のホイールローダ１００の状態に応じた必要パワーを演算する。図７は、必要パワー演算部２５の機能ブロック図である。図７に示すように、必要パワー演算部２５は、走行パワー演算部７１および油圧パワー演算部７２を有する。
　走行パワー演算部７１は、アクセル開度、ブレーキ踏度、車速、走行トルクを入力して、走行駆動部１０の駆動に必要なホイールローダ１００の走行パワーを演算する。この走行パワー演算部７１における走行パワーの計算方法については特に限定されるものではない。たとえば、各入力値を引数としたマップ検索により走行パワーを求めてもよいし、各入力値を変数とした関数を定義し、その関数にもとづいて走行パワーを算出してもよい。
　油圧パワー演算部７２は、フロント部のレバー操作量、油圧ポンプ圧力に応じて、油圧作業部５を動作させるのに必要なホイールローダ１００の油圧パワーを決定する。この油圧パワー演算部７２における油圧パワーの計算方法についても、走行パワー演算部７１における走行パワーの計算方法と同様に、特に限定されるものではない。たとえば、レバー操作量の入力値と油圧ポンプ圧力に対する油圧パワーの特性を定義したマップ検索により油圧パワーを求めてもよいし、油圧作業部５の特性を表わす演算式により油圧パワーを計算してもよい。
　必要パワー演算部２５は、以上のようにして走行パワー演算部７１と油圧パワー演算部７２でそれぞれ求められた走行パワーと油圧パワーを出力すると共に、これらを加算することで必要パワーを求め、得られた必要パワーを出力する。
　エンジン制御部２６は、必要パワー演算部２５から出力された必要パワーを入力すると共に、エンジン制御装置１６から出力されたエンジン回転数を入力する。エンジン制御部２６は、入力されたこれらの値に基づいて、前述のような方法により、必要パワーに応じたエンジン１の回転数を上限回転域、下限回転域または中間回転域のいずれかにおいて決定すると共に、モータジェネレータ１１のトルクを決定する。そして、決定した回転数に応じたエンジン回転指令をエンジン制御装置１６に出力すると共に、決定したトルクに応じたトルク指令をインバータ制御装置１７に出力する。さらに、これらの値に基づいてエンジン１の出力パワーを決定し、インバータ制御部２７に出力する。
　インバータ制御部２７は、必要パワー演算部２５から出力された必要パワーおよびエンジン制御部２６から出力されたエンジン１の出力パワーを入力すると共に、蓄電装置１３の電圧を入力する。インバータ制御部２７は、入力されたこれらの値に基づいて、必要パワーとエンジン１の出力パワーの差分に応じた回転駆動力または発電電力がモータジェネレータ１１から出力されるように、蓄電装置１３からインバータ１２へ、またはインバータ１２から蓄電装置１３へ出力される電流を決定する。そして、決定した電流に応じたインバータ電流指令をインバータ制御装置１７に出力する。
　たとえば、必要パワーが120kWであり、エンジン１の上限回転域における出力パワーが100kWである場合、これらの差分の20kWに相当する回転駆動力がモータジェネレータ１１から出力されるように、インバータ１２がモータジェネレータ１１を制御する必要がある。したがってこの場合には、エンジン制御部２６およびインバータ制御部２７は、20kWの回転駆動力がモータジェネレータ１１において得られるような出力トルクと電流値をそれぞれ演算し、その演算結果をトルク指令およびインバータ電流指令としてインバータ制御装置１７にそれぞれ出力する。インバータ制御装置１７は、インバータ電流指令に応じた電流が蓄電装置１３からインバータ１２へ放電され、それによりトルク指令に応じたトルクがモータジェネレータ１１から出力されるように、インバータ１２を制御する。
　また、たとえば必要パワーが60kWであり、エンジン１の下限回転域における出力パワーが40kWである場合、これらの差分の20kWに相当する発電電力がモータジェネレータ１１から出力されるように、インバータ１２がモータジェネレータ１１を制御する必要がある。したがってこの場合には、エンジン制御部２６およびインバータ制御部２７は、20kWの発電電力がモータジェネレータ１１において得られるような発電トルクと電流値をそれぞれ演算し、その演算結果をトルク指令およびインバータ電流指令としてインバータ制御装置１７に出力する。インバータ制御装置１７は、トルク指令に応じた発電電力がモータジェネレータ１１から出力され、それによりインバータ電流指令に応じた電流がインバータ１２から蓄電装置１３へ充電されるように、インバータ１２を制御する。
　走行駆動制御部２８は、必要パワー演算部２５から出力された走行パワーを入力すると共に、ホイールローダ１００の車速を入力する。走行駆動制御部２８は、入力されたこれらの値に基づいて、走行駆動部１０のトルクを決定する。そして、決定したトルクに応じた走行駆動出力指令を走行駆動制御装置１８に出力する。
　油圧制御部２９は、必要パワー演算部２５から出力された油圧パワーを入力すると共に、油圧ポンプ４の圧力を入力する。油圧制御部２９は、入力されたこれらの値に基づいて、油圧ポンプ４の傾転角を決定する。そして、決定した傾転角に応じた油圧ポンプ傾転指令を油圧制御装置１９に出力する。
　エンジン制御装置１６、インバータ制御装置１７、走行駆動制御装置１８、油圧制御装置１９は、制御装置１５から出力された上記の各指令に基づいて、エンジン１、インバータ１２、走行駆動部１０、油圧ポンプ４の動作をそれぞれ制御する。これにより、本発明の一実施の形態に係るホイールローダ１００の動作制御が実現される。
　次に、以上説明した制御装置１５の処理手順について、図８のフローチャートを参照して詳細に説明する。図８は、制御装置１５の処理手順を示すフローチャートである。
　まず、ステップＳ１００において、制御装置１５は、図７の必要パワー演算部２５、エンジン制御部２６、インバータ制御部２７、走行駆動制御部２８および油圧制御部２９における演算に必要な各種操作量および各種状態量を入力する。すなわち、アクセル開度、ブレーキ踏度、レバー操作量等の操作量を入力すると共に、エンジン１の回転数、車速、走行トルク、蓄電装置１３の電圧、油圧ポンプ４の圧力等の状態量を入力する。
　続いてステップＳ１０１において、制御装置１５は、必要パワー演算部２５により、ステップＳ１００で入力したアクセル開度、ブレーキ踏度、レバー操作量、走行トルク、油圧ポンプ圧力、および車速に基づき、各種パワー指令を演算する。ここでは、前述のような方法により、必要パワー、走行パワーおよび油圧パワーを演算し、これらの演算結果を、必要パワー指令、走行パワー指令および油圧パワー指令として出力する。
　続いてステップＳ１０２において、制御装置１５は、エンジン制御部２６により、ステップＳ１００で入力したエンジン１の回転数と、ステップＳ１０１で演算した必要パワーとに基づいて、前述のような方法により、エンジン１の出力パワーおよび回転数を演算すると共に、モータジェネレータ１１のトルクを演算する。そして、これらの演算結果に基づき、エンジン回転指令をエンジン制御装置１６に出力すると共に、トルク指令をインバータ制御装置１７に出力する。
　続いてステップＳ１０３において、制御装置１５は、インバータ制御部２７により、ステップＳ１００で入力した蓄電装置１３の電圧と、ステップＳ１０１で演算した必要パワーと、ステップＳ１０２で演算したエンジン１の出力パワーとに基づいて、前述のような方法により、蓄電装置１３の充放電電流を演算する。そして、この演算結果に基づき、インバータ電流指令をインバータ制御装置１７に出力する。なお、このときに蓄電装置１３を常に正常な状態に保つため、蓄電装置１３の状態に応じて蓄電装置１３の充放電電流を適宜制限することが好ましい。
　続いてステップＳ１０４において、制御装置１５は、走行駆動制御部２８により、ステップＳ１００で入力した車速と、ステップＳ１０１で演算した走行パワーとに基づいて、前述のような方法により、走行駆動部１０のトルクを演算する。そして、この演算結果に基づき、走行駆動出力指令を走行駆動制御装置１８に出力する。
　続いてステップＳ１０５において、制御装置１５は、油圧制御部２９により、ステップＳ１００で入力した油圧ポンプ４の圧力と、ステップＳ１０１で演算した油圧パワーとに基づいて、前述のような方法により、油圧ポンプ４の傾転角を演算する。そして、この演算結果に基づき、油圧ポンプ傾転指令を油圧制御装置１９に出力する。
　本実施の形態では、以上説明したような処理手順により、ホイールローダ１００の動作が制御される。これにより、従来のホイールローダと比べて、燃費を大幅に向上することができる。
　最後に、走行駆動部１０の動力伝達機構の具体例について、図９から図１１を用いて以下に説明する。
　図９は、走行駆動部１０として、エンジン１の動力を油圧に変換して各車輪に伝達するＨＳＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダ１００のシステム構成図の一例である。図９に示す例では、ホイールローダ１００は、エンジン１の出力軸に連結された油圧ポンプ２１３と、油圧ポンプ２１３から吐出される油によって回転駆動される油圧モータ２１４とを備えている。油圧モータ２１４は、プロペラシャフト２３０を介して各車輪を回転駆動する。
　図１０は、走行駆動部１０として、ＨＭＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダ１００のシステム構成図の一例である。図１０に示す例では、ホイールローダ１００は、上記の油圧ポンプ２１３および油圧モータ２１４に加えて、さらに動力伝達機械部２１５を有している。この例では、油圧ポンプ２１３で油圧モータ２１４を介してプロペラシャフト２３０を駆動することで各車輪を駆動しつつ、エンジン１やモータジェネレータ１１で動力伝達機械部２１５を介してプロペラシャフト２３０を駆動することで各車輪を駆動する。動力伝達機械部２１５は、エンジン１の出力軸とプロペラシャフト２３０とを機械的に連結する機械機構であり、たとえば、斜板ピストンや遊星歯車などを用いて構成される。
　図１１は、走行駆動部１０として、エンジン１の動力を電気に変換して各車輪に伝達するハイブリッド式の動力伝達機構を採用したホイールローダ１００のシステム構成図の一例である。図１１に示す例では、ホイールローダ１００は、ディファレンシャルギアＤｉｆおよびギアＧを介してプロペラシャフト２３０に取り付けられ各車輪を駆動する走行電動機（モータ）２１７と、モータ２１７を制御するインバータ２１８とを備えている。蓄電装置１３は、インバータ１２とインバータ２１８との間で直流電力の受け渡しを行う。なお、図１１のシステム構成図では、いわゆるシリーズ型のハイブリッドシステムの構成例を示したが、パラレル型のハイブリッドシステムも利用可能である。
　以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）作業車両であるホイールローダ１００は、エンジン１と、充放電可能な蓄電装置１３と、エンジン１に接続された負荷としての油圧ポンプ４および走行駆動部１０と、エンジン１、蓄電装置１３、油圧ポンプ４および走行駆動部１０を制御する制御装置１５とを備える。制御装置１５は、油圧ポンプ４および走行駆動部１０の駆動に必要なパワーに基づいて、エンジン１の回転数を、所定の上限回転数Ｒ２以上の上限回転域、上限回転数Ｒ２よりも低い所定の下限回転数Ｒ１以下の下限回転域、または上限回転域と下限回転域の間の中間回転域のいずれかに設定する。そして、上限回転域では、蓄電装置１３の電力を用いてエンジン１から油圧ポンプ４および走行駆動部１０への出力パワーをアシストするように、エンジン１および蓄電装置１３を制御する。また、下限回転域および中間回転域では、エンジン１の出力パワーを用いて蓄電装置１３を充電するように、エンジン１および蓄電装置１３を制御する。このようにしたので、ホイールローダ１００の動作状態に応じてエンジン１の効率を最適に維持することができる。
（２）制御装置１５は、上限回転域では、エンジン１の回転数を一定とし、蓄電装置１３の電力を用いてエンジン１から油圧ポンプ４および走行駆動部１０への出力パワーをアシストするように、エンジン１および蓄電装置１３を制御する。一方、下限回転域では、エンジン１の回転数を一定とし、エンジン１の出力パワーを用いて蓄電装置１３を充電するように、エンジン１および蓄電装置１３を制御する。また、中間回転域では、油圧ポンプ４および走行駆動部１０の駆動に必要なパワーに応じてエンジン１の回転数を変化させ、エンジン１の出力パワーを用いて蓄電装置１３を充電するように、エンジン１および蓄電装置１３を制御する。このようにしたので、エンジン１の効率を最適に維持しつつ、蓄電装置１３が充電される機会を増やして、エンジン１のパワーアシストに必要な電力が不足してしまうのを回避することができる。
（３）ホイールローダ１００は、エンジン１の出力軸に連結されたモータジェネレータ１１をさらに備える。上限回転域では、蓄電装置１３の電力を用いてモータジェネレータ１１を電動機として動作させることにより、エンジン１から油圧ポンプ４および走行駆動部１０への出力パワーをアシストする。一方、下限回転域および中間回転域では、エンジン１の出力パワーを用いてモータジェネレータ１１を発電機として動作させることにより、蓄電装置１３を充電する。このようにしたので、必要に応じてモータジェネレータ１１の動作状態を切り替えるだけで、エンジン１のパワーアシストおよび蓄電装置１３の充電を実現することができる。
（４）エンジン１に対する負荷は、ホイールローダ１００の走行駆動力を生成する走行駆動部１０を含む。走行駆動部１０は、図９に示すように、エンジン１の出力軸に連結された油圧ポンプ２１３と、油圧ポンプ２１３から吐出される油によって駆動されて走行駆動力を生成する油圧モータ２１４と、を備えたＨＳＴである。または、図１０に示すように、油圧ポンプ２１３と、油圧モータ２１４と、エンジン１の出力軸に機械的に連結されてエンジン１の出力から走行駆動力を生成する動力伝達機械部２１５と、を備えたＨＭＴである。または、図１１に示すように、蓄電装置１３の電力を用いて駆動されて走行駆動力を生成するモータ２１７と、モータ２１７の駆動を制御するインバータ２１８とを備えたハイブリッド式である。このようにしたので、ホイールローダ１００の動作状態とは独立して、エンジン１の回転数を設定することができる。
　なお、上記の実施形態では、エンジン１の回転数が下限回転域内のときには、エンジン１の効率を最適に維持するために、モータジェネレータ１１を発電動作させて蓄電装置１３を充電することで、エンジン１の負荷を増加させるようにした。しかし、エンジン１の回転数によっては例外的な処理を行ってもよい。たとえば、エンジン１の回転数が低い状態で急に大きなパワーが車両から要求された場合には、前述の実施形態で説明した制御方法とは異なり、蓄電装置１３から放電を行ってモータジェネレータ１１を力行動作させ、エンジン１のパワーと蓄電装置１３のパワーの合計値で車両を動作させるように制御することが好ましい。さらに、エンジン１の回転数が低い状態で、特に油圧作業部５から大きな油圧パワーが要求されたときには、エンジン１のパワーのみでは必要な油圧パワーを賄えない可能性がある。したがってこの場合にも、蓄電装置１３から放電を行ってモータジェネレータ１１を力行動作させることで、蓄電装置１３のパワーによりエンジン１の出力軸に対するトルクアシストを実施することが好ましい。
　また、本実施形態において、前述の上限回転域、下限回転域および中間回転域を規定する上限回転数Ｒ２および下限回転数Ｒ１は、所定の変動幅をそれぞれ有することとしてもよい。すなわち、エンジン１の燃費特性が大きく変化しない程度の範囲であれば、任意の範囲内で上限回転数Ｒ２および下限回転数Ｒ１を設定し、上限回転域、下限回転域および中間回転域を規定することができる。
　本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。たとえば本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加または置換することが可能である。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も、本発明の範囲内に含まれる。
１：エンジン、４：油圧ポンプ、５：油圧作業部、１０：走行駆動部、１１：モータジェネレータ（ＭＧ）、１２：インバータ、１３：蓄電装置、１５：制御装置、１６：エンジン制御装置、１７：インバータ制御装置、１８：走行駆動制御装置、１９：油圧制御装置、２５：必要パワー演算部、２６：エンジン制御部、２７：インバータ制御部、２８：走行駆動制御部、２９：油圧制御部、７１：走行パワー演算部、７２：油圧パワー演算部、１００：ホイールローダ

Claims (5)

  1. 　エンジンと、
    　充放電可能な蓄電装置と、
    　前記エンジンに接続された負荷と、
    　前記エンジン、前記蓄電装置および前記負荷を制御する制御装置と、を備え、
    　前記制御装置は、
    　前記負荷の駆動に必要なパワーに基づいて、前記エンジンの回転数を、所定の上限回転数以上の上限回転域、前記上限回転数よりも低い所定の下限回転数以下の下限回転域、または前記上限回転域と前記下限回転域の間の中間回転域のいずれかに設定し、
    　前記上限回転域では、前記蓄電装置の電力を用いて前記エンジンから前記負荷への出力パワーをアシストするように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御し、
    　前記下限回転域および前記中間回転域では、前記エンジンの出力パワーを用いて前記蓄電装置を充電するように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御する作業車両。
  2. 　請求項１に記載の作業車両において、
    　前記制御装置は、
    　前記上限回転域では、前記エンジンの回転数を一定とし、前記蓄電装置の電力を用いて前記エンジンから前記負荷への出力パワーをアシストするように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御し、
    　前記下限回転域では、前記エンジンの回転数を一定とし、前記エンジンの出力パワーを用いて前記蓄電装置を充電するように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御し、
    　前記中間回転域では、前記負荷の駆動に必要なパワーに応じて前記エンジンの回転数を変化させ、前記エンジンの出力パワーを用いて前記蓄電装置を充電するように、前記エンジンおよび前記蓄電装置を制御する作業車両。
  3. 　請求項１に記載の作業車両において、
    　前記上限回転数および前記下限回転数は、所定の変動幅をそれぞれ有する作業車両。
  4. 　請求項１に記載の作業車両において、
    　前記エンジンの出力軸に連結されたモータジェネレータをさらに備え、
    　前記上限回転域では、前記蓄電装置の電力を用いて前記モータジェネレータを電動機として動作させることにより、前記エンジンから前記負荷への出力パワーをアシストし、
    　前記下限回転域および前記中間回転域では、前記エンジンの出力パワーを用いて前記モータジェネレータを発電機として動作させることにより、前記蓄電装置を充電する作業車両。
  5. 　請求項１に記載の作業車両において、
    　前記負荷は、前記作業車両の走行駆動力を生成する走行駆動部を含み、
    　前記走行駆動部は、
    　前記エンジンの出力軸に連結された油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される油によって駆動されて前記走行駆動力を生成する油圧モータと、を備えたＨＳＴ、または、
    　前記油圧ポンプと、前記油圧モータと、前記エンジンの出力軸に機械的に連結されて前記エンジンの出力から前記走行駆動力を生成する動力伝達機械部と、を備えたＨＭＴ、または、
    　前記蓄電装置の電力を用いて駆動されて前記走行駆動力を生成するモータと、前記モータの駆動を制御するインバータと、を備えたハイブリッド式のいずれかである作業車両。
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