JP4047110B2

JP4047110B2 - 建設機械

Info

Publication number: JP4047110B2
Application number: JP2002265772A
Authority: JP
Inventors: 成俊大司
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: US7143859B2; JP2004100621A; US20040222000A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、油圧ショベル等の建設機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の建設機械は、油圧駆動方式が主流である。例えば、油圧ショベルは、作業機の駆動、上部旋回体の旋回及び下部走行体の走行を、油圧アクチュエータ（油圧シリンダ、油圧モータ）で行っている。そしてエンジンを駆動源とする油圧ポンプから圧油が吐出され、これら油圧アクチュエータへ供給される圧油を制御することにより、作業を行っている。
【０００３】
油圧ショベルの作業は、エンジンの能力に対して常に１００％の能力を必要とする作業ばかりではなく、例えば、９０％、８０％の能力を出せば済む作業が多くある。すなわち、図４のエンジントルク特性図に示すように、１００％出力の負荷作業を行う「１００％負荷モード」の点ＰＨに対して、通常負荷作業を行う「通常負荷モード」の点ＰＳ、軽負荷作業を行う「軽負荷モード」の点ＰＬといった作業モードが設定されている。そして、各点ＰＨ、ＰＳ、ＰＬにおいて、油圧ポンプの駆動トルクがエンジンの出力トルクとマッチングするように等馬力制御（マッチング点における駆動トルクが得られるように油圧ポンプの吐出量をＰＱカーブ（等馬力曲線）に従い制御する）を行い、エンジンの出力を有効に活用して燃費の向上を図っている。なお、油圧ポンプの駆動トルクとは、油圧アクチュエータを駆動するために油圧ポンプがエンジンに要求するトルクである。
【０００４】
そして、油圧ショベルにおいては、車両が作業を行う場合の最大必要馬力と一致する出力を有するエンジン、すなわち、図４に示す最大必要馬力線Ｌ上にエンジントルクカーブの定格出力点ＰＨが一致するエンジンが搭載されている。ところで、近年、エンジンを小型化して燃料効率を低減させる要望があり、このような場合、単純にエンジンを小型化すれば、エンジンの能力を１００％として使用しても油圧ポンプにおいて必要な駆動トルクに達しないおそれがある。そのため、エンジンの小型化に対して制約（規制）があり、あまり思い切った小型化を図ることができなかった。
【０００５】
このような問題を解決するため、従来では、例えばエンジンと、エンジンにより駆動する発電機と、この発電機による発電電力を充電するバッテリと、このバッテリの電力により駆動する電動機とを備えたハイブリット式の建設機械が提案されている（例えば、実開平５−４８５０１号公報）。
【０００６】
ところで、エンジン回転数とエンジントルクとの関係は図５に示されるようになっている。この図において、曲線▲１▼〜▲７▼はそれぞれ等燃費効率（等燃料消費率）曲線であり、曲線▲１▼から曲線▲７▼に従って燃費効率が良くなる。ここでの燃費効率は、馬力当たりに必要な燃料重量（ｇ／ＨＰ）をいう。また、曲線５０はエンジン回転速度制御ガバナの制御可能範囲限界線を示し、この曲線５０の外側の仮想線で示す範囲は実際には存在しない。
【０００７】
この図５を使用して、ハイブリット式の建設機械の運転制御を説明する。すなわち、アームやバケット等の揺動時の軽負荷モード（軽負荷状態）では、エンジン回転数とエンジントルクとは小さく例えば、Ａ点（トルクＴ１）である。この場合、燃費効率は曲線▲１▼によるものとなる。そこで、この軽負荷モードでは、エンジン回転数をこのままでエンジントルクを上昇させて、例えば曲線▲２▼上のＢ点に相当するトルクＴ２を発生させる。そして、このＴ１とＴ２との差を余剰トルクとして上記発電機で発電し、バッテリを充電する。
【０００８】
また、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点よりも大きい高負荷モード（高負荷状態）、つまり駆動トルクがＤ点でのトルクＴ４を必要とする場合では、エンジンによるＣ点でのトルクＴ３にこの不足分（Ｔ４−Ｔ３）を加えることによって、対応させている。この場合、燃費効率は曲線▲７▼内の最も燃費率の良いものとなっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の軽負荷モード時には、燃費効率を僅に向上させるものであり、最良点には程遠いものである。すなわち、燃費効率を考慮した運転であると言えない。また、高負荷モード時には、エンジンはその能力に対して１００％に近い能力を発揮する定格出力点近傍の運転となっていない。このため、必要な駆動トルクを出力するために、付加するトルク（アシストトルク）が大きくなって、電動機が大きな出力を必要として、そのトルクに達しないおそれがあり、さらに、エンジンの出力を有効に活用していなかった。
【００１０】
この発明は上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、負荷モード時（エンジン１の必要馬力の等馬力線とガバナ特性線との交点がこのエンジン１の定格出力点よりも小さいエンジントルクとなるモード時）にエンジンの燃料消費率の向上を図ることが可能で、しかもその余剰エネルギを有効に使用することが可能な建設機械を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び効果】
そこで請求項１の建設機械は、エンジン１と、このエンジン１により駆動される油圧ポンプ４と、この油圧ポンプ４からの圧油により駆動されるアクチュエータ６とを有し、エンジン１が、その燃料消費率の最良点Ｘを、定格出力点よりも低エンジン回転数側で、かつ小エンジントルク側に有する建設機械において、エンジン１の必要馬力の等馬力線とガバナ特性線との交点がこのエンジン１の定格出力点よりも小さいエンジントルクとなる負荷モード時には、この交点よりも、エンジン回転数を減少させると共にエンジントルクを上昇させ、かつ上記等馬力線を越える馬力とすることにより、エンジン回転数とエンジントルクとが定格出力点Ｔと燃料消費率の最良点Ｘの近傍とを直線的に結ぶマッチング線２０上に位置するように運転し、これによって生じた余剰トルクにて、発電機１１を発電作動させ、この発電電力を蓄電装置１２に蓄電し、また、上記エンジン１の必要馬力の等馬力線とガバナ特性線とに交点を生じない負荷モード時には、エンジン１をその定格出力点近傍で駆動させると共に、電動機として機能する上記発電機１１を上記蓄電装置１２にて作動させて、その不足分を助勢するアシスト運転を行うことを特徴としている。
【００１２】
上記請求項１の建設機械によれば、エンジン１の必要馬力の等馬力線とガバナ特性線との交点がこのエンジン１の定格出力点よりも小さいエンジントルクとなる負荷モード時には、エンジン回転数を減少させると共にエンジントルクを上昇させ、かつ上記等馬力線を越える馬力として運転するので、燃料消費率の向上を図れることが多く、これによって優れた燃料消費率を発揮することができ、コストの低減を達成できる。また、発生する余剰トルクにて発電機１１を発電作動させ、この発電電力を蓄電装置１２に蓄電（充電）するものであり、余剰トルクを有効に利用することができ、経済性に優れる。また、エンジン１の必要馬力の等馬力線とガバナ特性線とに交点を生じない負荷モード時には、エンジン１の定格出力点近傍での駆動と、電動機として機能する発電機１１の作動とで油圧ポンプ４において必要な駆動トルクを発生させることができ、この負荷に対応する作業（例えば、建設機械が油圧ショベルの場合の掘削作業等）を行うことができる。また、エンジン定格出力点近傍で運転しているので、必要な駆動トルクに対する不足分のトルクは少なく、電動機として機能する発電機１１及び蓄電装置１２の小型化を図ることができる。しかもこの発電機１１の作動にてその不足分のトルクを確実に発生させることができ、高負荷に対応する作業を安定して確実に行うことができる。さらに、高負荷モード時において、エンジン１単独で油圧ポンプ４の必要な駆動トルクを生じさせるものではないので、エンジン１の小型化を図ることができ、燃料消費率の低減を達成することができる。
【００１５】
請求項２の建設機械は、上記蓄電を、上記発電機１１が高効率状態と成る回転数で行うことを特徴としている。
【００１６】
上記請求項２の建設機械は、蓄電を、上記発電機１１が高効率状態となる回転数で行うので、効率のよい蓄電を行うことができる。
【００１７】
請求項３の建設機械は、上記アシスト運転を、電動機として機能する上記発電機１１が高効率状態となる回転数で行うことを特徴としている。
【００１８】
上記請求項３の建設機械は、アシスト運転を、電動機として機能する発電機１１が高効率状態となる回転数で行うので、効率よくアシストトルクを発生することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の建設機械の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図３は、この発明の一実施形態における建設機械の駆動システムを説明するための概略構成図である。図３において、１はエンジンであり、このエンジン１はコントローラ２からのガバナ指令を受けるガバナ１ａによって、その回転数が調整されるようになっている。また、４は上記エンジン１により駆動される可変容量式の油圧ポンプであり、この油圧ポンプ４から吐出される圧油は、コントロールバルブ５を介して各種アクチュエータ６・・に供給される。アクチュエータ６としては、例えば、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ、右側走行モータ、左側走行モータ、旋回モータ等である。この際、上記油圧ポンプ４の斜板の傾転角は、上記各アクチュエータ６・・に作用する負荷、及びコントローラ２からの指令に応じて駆動する図示しない斜板角駆動手段により駆動され、油圧ポンプ４からの圧油の吐出量を制御している。
【００２０】
また上記エンジン１と油圧ポンプ４との間には出力ギア７（連動手段）が設けられており、この出力ギア７を挟む回転軸、すなわちエンジン１の出力軸と油圧ポンプ４の入力軸には、それぞれ上記エンジン１から油圧ポンプ４への動力伝達を接断するための接断手段である第１クラッチ８と、第２クラッチ９とが介設されている。
【００２１】
そして、この建設機械は発電機１１を備え、この発電機１１には、その発電作動によって発生する発電電力を蓄電（充電）するための蓄電装置１２（この場合、バッテリである）が接続されている。さらに、上記発電機１１の入力軸には、第３クラッチ１３を介してギア１４（連動手段）が連結されており、このギア１４をエンジン１の出力ギア７に噛合させることで、上記発電機１１と油圧ポンプ４とを連動可能に構成している。ところで、上記発電機１１は、バッテリ１２に充電された電力を利用してモータ作動する電動機としての機能も兼ね備えている。すなわち、発電機１１は、油圧ポンプ４の駆動を助勢するモータ作動（電動機として機能）と、エンジン１を駆動源として発電する発電作動（発電機として機能）とを備えている。また、この発電機１１には加減速機（図示省略）が接続され、その回転数を任意に変更することができる。なお、電動機として機能と発電機として機能との切換えは、図示省略の発電／電動機用コントローラからの指令に応じて行われるように構成されている。また、上記バッテリ１２には例えばリチウムイオン電池等の二次電池を使用している。
【００２２】
このため上記建設機械によれば、コントローラ２に始動信号を入力すれば、上記コントローラ２は定格回転数のガバナ指令をガバナ１ａに送信してエンジン１を始動させる。これによって、油圧ポンプ４が駆動して各アクチュエータ６が作動する。
【００２３】
ところで、図１に示すように、エンジン回転速度（回転数）を横軸にとり、エンジントルクを縦軸に取った座標を描いた場合、等燃料消費率線は曲線ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆのように表わされ、等馬力線は曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３等のように表わされる。等燃料消費率線は曲線ａから曲線ｆに従って良くなる。すなわち、曲線ｆ内に最良点Ｘが存することになる。この場合、等燃料消費率は、単位時間に単位出力当り消費する燃料の量であって、ｇ／ＰＳ・ｈで表される。また、図１において、１５はガバナ特性線であり、エンジン回転速度制御ガバナの制御可能範囲限界を示している。このガバナ特性線１５の外側の範囲は実際には存在しない。
【００２４】
そして、例えば、アームやバケット等の揺動時の軽負荷モード時に、つまり、エンジン１の能力に対して８０％程度の能力でよく、その必要馬力の等馬力線がＬ３である場合であって、上記ガバナ特性線１５とその等馬力線Ｌ３との交点がエンジン１の定格出力点よりも小さいトルクとなる場合に、この交点よりもエンジン回転数を減少させると共に駆動トルクを上昇させ、さらに、馬力をこの等馬力線Ｌ３を越える馬力とする。これによって、エンジン１の燃料消費率（燃費効率）を上昇させることができる。この場合、トルクがＡ１点からが最良点Ｘに近いＢ１点まで上昇する。すなわち、等馬力線Ｌ３上において必要な駆動トルクＤ１よりも大きいＢ１のトルクを発生させることになる。このため、Ｂ１とＤ１との差を余剰トルクとして、上記発電機１１を作動させる。これによって、バッテリ１２を充電する。
【００２５】
このように、必要馬力の等馬力線Ｌとガバナ特性線１５との交点が定格出力点Ｔよりも小さいトルクとなる範囲においては、図１のマッチング線２０と成るような回転数とトルクと馬力として、その余剰トルクをバッテリ１２に充電する。これによって、エンジンの出力を有効に活用して燃費の向上を図ると共に、余剰トルクを有効に利用することができる。なお、余剰トルクを回収しない状態でのエンジン１の駆動点としては、ガバナ特性線１５と等馬力線Ｌ３との交点であることもあるし、また燃料消費率を考慮して等馬力線Ｌ３の上の他の点、例えばＤ１点としてもよい。
【００２６】
また、必要馬力の等馬力線とガバナ特性線１５とに交点が生じない場合、つまり、掘削作業時等の高負荷モード時であって、油圧ポンプ４において必要な駆動トルクが定格出力点Ｔよりも大きい図１のＣ１点である場合、エンジン１をこの定格出力点Ｔで起動させても、トルクが不足することになり、油圧アクチュエータ６を確実に駆動させることができない。そこで、このような高負荷モード時では、上記発電機１１を電動機として機能させて、この不足分（Ｃ１−Ｔ）を助勢するアシスト運転を行う。これによって、油圧アクチュエータ６を確実に駆動させることができる。
【００２７】
ところで、発電機１１の効率（モータ効率）は、図２に示すような曲線Ｋ１〜Ｋ５等のように示される。この場合、横軸に回転速度（回転数）をとり、縦軸の正方向に電動機としてのトルクをとり、縦軸の負方向に発電機としてのトルクをとっている。曲線Ｋ５から曲線Ｋ１に従って効率が良くなっている。そして、発電機１１を発電機として機能させる場合、つまり軽負荷モード時で図１のＡ１の状態において、発電機１１の回転数を図示省略の加減速機で調整すると共に、このモータトルク（発電機１１のトルク）を大きくして、図２のＡ２のように、高効率の曲線Ｋ１内の範囲に入るようにする。つまり、回収する馬力に応じて発電機１１の回転数を変化させて、図２のマッチング線２１のような回転数とトルクとなるような制御を行う。これによって、発電機１１を発電機として機能させる場合に、発電機１１は高効率状態で作動することなる。なお、図２において、Ａ２が最大のチャージ量（充電量）となっている。
【００２８】
また、発電機１１を電動機（モータ）として機能させる場合において、重負荷モード時で必要な駆動トルクが図１のＣ１である場合では、電動機として機能する発電機１１の回転数を上記加減速機で所定値に維持すると共に、このモータトルク（発電機１１のトルク）を大きくして、例えば、図２のＣ２のように、曲線Ｋ２内の範囲に入るようにする。このようにこの実施形態では、発電機１１の回転数を略一定としているが、発電機１１の回転数をトルクに応じて変更してもよい。すなわち、充電時のマッチング線２１のように、高効率を示す曲線Ｋ１内に入るようなマッチング線を想定し、出力馬力に応じてこのマッチング線のような回転数とトルクとなるように制御すれば、発電機１１は高効率状態で作動することになる。
【００２９】
上記建設機械では、軽負荷モード時（エンジン１の必要馬力の等馬力線とガバナ特性線との交点がこのエンジン１の定格出力点よりも小さいエンジントルクとなるモード時）には、燃費効率上昇運転を行うことになって、優れた燃料消費率を発揮することができ、大幅なコストの低減を達成できる。また、発生する余剰トルクにて発電機１１を発電作動させ、この発電電力をバッテリ１２に充電するものであり、余剰トルクを有効に利用することができ、経済性に優れる。
【００３０】
また、負荷モード時（エンジン１の必要馬力の等馬力線とガバナ特性線とに交点を生じないモード時）には、エンジン１の定格出力点近傍での駆動と、電動機として機能する発電機１１の作動とで、油圧ポンプ４の必要な駆動トルク分のトルクを発生させることができ、この高負荷に対応する作業（例えば、建設機械が油圧ショベルの場合の掘削作業等）を行うことができる。しかも、エンジン定格出力点近傍で運転しているので、エンジン１としては安定した作動（駆動）となり、しかも必要な駆動トルクに対する不足分のトルクは少なく、電動機として機能する発電機１１の作動にてその不足分のトルクを確実に発生させることができる。これにより、高負荷に対応する作業を安定して確実に行うことができる。
【００３１】
さらに、電動機として機能する発電機１１の作動は、軽負荷モード時の余剰トルクに基づいて行われた充電によるものであって、この建設機械は効率のよい運転を行うことができる。また、この充電としても発電機１１が高効率状態となる回転数で行うので、効率のよい充電を行うことができる。さらに、アシスト運転を、電動機として機能する発電機１１が高効率状態となる回転数で行うので、効率よくアシストトルクを発生することができる。
【００３２】
以上にこの発明の建設機械の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態ではバッテリ１２に充電された電力を用いて、電動機として機能する発電機を作動させて、油圧ポンプにおいて必要な駆動トルクの不足分を助勢するように制御したが、上記バッテリ１２の電力を他の制御系の作動に使用するように構成してもよい。また、蓄電装置１２としては、バッテリ以外にキャパシタ（コンデンサ）を使用することができる。なお、必要な駆動トルクは作業状態等により相違するので、余剰トルクやアシスト量等が図１に示すものに限らない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態における建設機械のエンジントルク特性図である。
【図２】上記建設機械の発電機の効率を示すグラフ図である。
【図３】上記建設機械の駆動システムを説明するための概略構成図である。
【図４】従来の建設機械の作業状態を説明するためのエンジントルク特性図である。
【図５】従来のハイブリット式建設機械におけるのエンジントルク特性図である。
【符号の説明】
１エンジン
４油圧ポンプ
６アクチュエータ
１１発電機（電動機）
１２蓄電装置

Claims

エンジン（１）と、このエンジン（１）により駆動される油圧ポンプ（４）と、この油圧ポンプ（４）からの圧油により駆動されるアクチュエータ（６）とを有し、エンジン（１）が、その燃料消費率の最良点（Ｘ）を、定格出力点よりも低エンジン回転数側で、かつ小エンジントルク側に有する建設機械において、エンジン（１）の必要馬力の等馬力線とガバナ特性線との交点がこのエンジン（１）の定格出力点（Ｔ）よりも小さいエンジントルクとなる負荷モード時には、この交点よりも、エンジン回転数を減少させると共にエンジントルクを上昇させ、かつ上記等馬力線を越える馬力とすることにより、エンジン回転数とエンジントルクとが定格出力点（Ｔ）と燃料消費率の最良点（Ｘ）の近傍とを直線的に結ぶマッチング線（２０）上に位置するように運転し、これによって生じた余剰トルクにて、発電機（１１）を発電作動させ、この発電電力を蓄電装置（１２）に蓄電し、また、上記エンジン（１）の必要馬力の等馬力線とガバナ特性線とに交点を生じない負荷モード時には、エンジン（１）をその定格出力点近傍で駆動させると共に、電動機として機能する上記発電機（１１）を上記蓄電装置（１２）にて作動させて、その不足分を助勢するアシスト運転を行うことを特徴とする建設機械。
上記蓄電を、上記発電機（１１）が高効率状態となる回転数で行うことを特徴とする請求項１の建設機械。
上記アシスト運転を、上記電動機として機能する上記発電機（１１）が高効率状態となる回転数で行うことを特徴とする請求項１又は請求項２の建設機械。