JP4800514B2 - ハイブリッド建設機械の駆動制御装置、ハイブリッド建設機械及びその駆動制御プログラム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベル等の油圧建設機械に適用して好適なハイブリッド建設機械の駆動制御装置、ハイブリッド建設機械及びその駆動制御プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油圧ショベルなどの油圧建設機械は、油圧ポンプをエンジン出力トルクだけによって駆動し油圧作業部を駆動するのが一般的である。しかし、この場合は、油圧作業部の負荷変動がそのままエンジンの負荷変動となり、これによって燃費の低下や黒煙など排ガス特性の悪化、騒音の増加を招いていた。
【０００３】
このような問題を解決するための提案として、例えば特開平９−２２４３５４号公報に記載のものがある。この提案では、油圧ポンプに電動・発電機を連結し、油圧ポンプの吸収トルクが予め定めた設定値よりも大きい時には電動・発電機を電動機として駆動して油圧ポンプのアシスト作動を行い、油圧ポンプの吸収トルクが設定値よりも小さい時には電動・発電機を発電作動させることで、上記の間題を解決しようとしている。すなわち、従来、燃料供給量の増減で行っていたエンジン回転数制御を、電動機によりアシストすることで、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒晋の低減を図るものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術には次のような間題がある。
【０００５】
第１に、油圧作業部を駆動する上で必要となる油圧ポンプでの必要吸収トルクを検出するのに吸収トルク検出手段が必要となり、装置が複雑となる。
【０００６】
第２に、エンジン出力トルクから油圧ポンプ吸収トルクに至る経路途中での慣性負荷や摩擦力の影響が考慮されないために、目標とする最適なエンジン負荷特性に正確に制御できない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、一方でエンジンを設定回転と実際の回転数との偏差を用いて制御し、他方で電動機をエンジン設定回転数におけるガバナ特性線が最少燃費となる最適トルク線と交差する点の回転数と実際の回転数との偏差（エンジンの設定回転と実際の回転数とは別の偏差）を用いて制御することにより、油圧作業部の負荷変動に対してエンジンのトルク（回転数）変化（即ち負荷変動）を極力少なくしてエンジンを簡単な構成で安定した制御ができるようにし、かつ、エンジンを回転数設定手段により如何なる設定回転数に設定しても、常に最小燃費の最適トルク線上で精度良く運転できることを可能にするとともに、エンジンの小型化、燃費の向上、排ガスの低下、騒音の低減を図れるハイブリッド建設機械の駆動制御装置、ハイブリッド建設機械及びその電動発電制御プログラムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために本発明は、エンジンと、このエンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、前記エンジンの実際の回転数を実測値として検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの負荷トルクと回転数との関係が、前記エンジンの負荷トルクの増加によりエンジン回転数が減少するような所定の傾きを持ったエンジンガバナ特性で制御され、前記回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御するエンジン制御手段と、エンジンにより駆動される油圧ポンプとを備え、この油圧ポンプから吐出される圧油により油圧作業部の駆動を行う建設機械の駆動制御装置において、前記エンジンから前記油圧ポンプヘトルクを伝達する伝達軸に設けられた電動・発電機と、この電動・発電機に対する電気エネルギーの授受を行う蓄電手段と、前記電動・発電機の動作を制御する電動発電制御手段とを備え、前記電動発電制御手段は、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御するものとする。
【０００９】
このように、エンジンを回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御する一方、他方では電動機を、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御することにより、、油圧作業部の負荷変動に対してエンジンのトルク（回転数）変化（即ち負荷変動）を極力少なくしてエンジンを簡単な構成で安定した制御ができるようにし、そのときの設定回転数での最小燃費となる最適トルクのエンジン回転数を目標値とし実回転数との偏差の程度に応じて電動・発電機のエンジン回転数制御のアシスト量や発電量が制御されるので、エンジンは極めて精度良く最小燃費となるトルクに制御される。また、簡単な構成で電動・発電機によるエンジンのアシスト作動や発電作動を行わせることができる。さらに、回転数設定手設による如何なる設定回転数においても、エンジンを最小燃費となる最適トルクが得られる目標回転数に正確に合致させるよう制御できるとともに、同時に電動・発電機によりエンジンのアシスト作動や発電作動を行わせることができ、燃費や排ガス、騒音などの影響に対してエンジンを常に最適な状態で運転することができる。また、最適トルク運転中のエンジンに要求される最大トルクが電動・発電機によるアシスト分だけ低下するため、エンジンの小型化が図れ、小型化の分、さらに燃費や排ガス、騒音の影響の向上や設置スペースの減少、軽量化などが図れる。
【００１２】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記電動発電制御手段は、前記回転数設定手段による設定回転数とこの設定回転数で前記目標トルクを出力するときのエンジン回転数との関係を予め定めておき、この関係にそのときの設定回転数を参照して前記目標トルクに対応するエンジン回転数を求め、エンジン回転数の目標値とするものとする。
【００１３】
これにより設定回転数が変わっても、回転数設定手段で設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最小燃費となる最適トルク線と交わる点のエンジントルク（目標トルク）のエンジン回転数がエンジン回転数の目標値として設定されるので、常に意図する最小燃費となる最適トルク状態にエンジン出力を制御することができる。
【００１６】
（３）また、上記（１）において、好ましくは、前記最適目標トルク線は前記エンジンの最少燃費を得るトルク線である。
【００１８】
（３）また、上記（１）において、好ましくは、前記エンジンから前記油圧ポンプヘトルクを伝達する伝達軸に慣性負荷手段を設置する。
【００１９】
これにより慣性負荷手段でエンジン回転数が一定となるように機械的に補助することができ、目標トルクに対応したエンジン回転数に制御し易くなり、結果的にエンジンを意図した特性に維持し易くなる。
【００２０】
また、電動・発電機のトルクアシストや発電に対する負荷変動が抑えられるため、電動・発電機の最大電流が小さくなり、電動・発電機や電動・発電機制御手段、蓄電手段の小型化が図れる。
【００２１】
（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、このエンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、前記エンジンの実際の回転数を実測値として検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの負荷トルクと回転数との関係が、前記エンジンの負荷トルクの増加によりエンジン回転数が減少するような所定の傾きを持ったエンジンガバナ特性で制御され、前記回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御するエンジン制御手段と、エンジンにより駆動される油圧ポンプとを備え、この油圧ポンプから吐出される圧油により油圧作業部の駆動を行う建設機械の駆動制御装置において、前記エンジンから前記油圧ポンプヘトルクを伝達する伝達軸に設けられた電動・発電機と、この電動・発電機に対する電気エネルギーの授受を行う蓄電手段と、前記電動・発電機の動作を制御する電動発電制御手段とを備え、前記電動発電制御手段は、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御することを特徴とするハイブリッド建設機械とする。
【００２２】
これにより上記（１）で述べたと同様の作用を奏するハイブリッド建設機械を得る。
【００２３】
（５）更に、上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、このエンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、前記エンジンの実際の回転数を実測値として検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの負荷トルクと回転数との関係が、前記エンジンの負荷トルクの増加によりエンジン回転数が減少するような所定の傾きを持ったエンジンガバナ特性で制御され、前記回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御するエンジン制御手段と、エンジンにより駆動される油圧ポンプと、前記エンジンから前記油圧ポンプへトルクを伝達する伝達軸に設けられた電動・発電機とを備え、前記油圧ポンプから吐出される圧油により油圧作業部の駆動を行うハイブリッド建設機械の駆動制御プログラムであって、前記電動・発電機の動作を制御するためにコンピュータを、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御する手段として機能させることを特徴とするハイブリッド建設機械の駆動制御プログラムとする。
【００２４】
これにより上記（１）で述べたと同様の作用を奏するハイブリッド建設機械の駆動制御プログラムを得る。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るハイブリッド建設機械の油圧駆動制御装置を示す図であり、図２はそのハイブリッド建設機械（油圧ショベル）の外観を示す図である。
【００２７】
図１において、本実施の形態に係わる油圧駆動制御装置は、油圧ショベルのフロント作業機や旋回装置、走行装置などの駆動に用いられるものであり、エンジン１と、エンジン回転数を設定するスロットルダイヤル２と、エンジン回転数を検出する回転数センサ３と、エンジン１の燃料噴射量を調整するガバナ４と、エンジン１により駆動される可変容量形油圧ポンプ５と、エンジン駆動軸上に配置された電動・発電機６と、蓄電部（バッテリ）７と、電動・発電機６の回転数を制御して必要に応じて蓄電部７と電力授受を行う電動・発電機制御部、即ちインバータ８と、ガバナ４を制御し燃料噴射量を調整してエンジン回転数を制御するとともに、インバータ８を制御し電動・発電機６のトルクを制御するコントローラ９とを備えている。
【００２８】
油圧ポンプ５から吐出された圧油はバルブ装置１１を介してアクチュエータ１２に供給され、このアクチュエータにより油圧ショベルのフロント作業機や旋回装置、走行装置が駆動される。
【００２９】
図２において、２１は上記油圧駆動制御装置を搭載したハイブリッド油圧ショベルであり、油圧ショベル２１は下部走行体２２、上部旋回体２３、フロント作業機２４を有し、上部旋回体２３は下部走行体２２に対して旋回可能に搭載され、フロント作業機２４は上部旋回体２３の前部に上下動可能に取り付けられている。下部走行体２２には走行モータ２２ａを有する左右の走行装置（片側のみ図示）が設けられ、下部走行体２２と上部旋回体２３の間には旋回モータ２３ａを有する旋回装置が配置されている。フロント作業機２４はブーム２５、アーム２６、バケット２７を有する多関節構造であり、ブーム２５はブームシリンダ２５ａにより、アーム２６はアームシリンダ２６ａにより、バケット２７はバケットシリンダ２７ａによりそれぞれ回転駆動される。
【００３０】
油圧ショベル２１には、図示の如く、上記油圧駆動制御装置のエンジン１、油圧ポンプ５、電動・発電機６、バルブ装置１１を搭載しており、ハイブリッド建設機械として構成されている。走行モータ２２ａ、旋回モータ２３ａ、ブームシリンダ２５ａ、アームシリンダ２６ａ、バケットシリンダ２７ａはアクチュエータ１２を構成する。
【００３１】
図１に戻り、エンジン１はディーゼルエンジンであり、ガバナ４により燃料噴射量を制御することで調速される。このガバナ４は、例えば燃料噴射ポンプを備えた電子ガバナであり、スロットルダイヤル２で設定されたエンジン１の設定回転数と回転数センサ３で検出された実測回転数の偏差に基づきコントローラ９により制御される。
【００３２】
また、電動・発電機６は電動機と発電機の両機能も兼ねるものであり、エンジン１のトルクアシストやエンジン１による発電を行うことで、エンジン１を最適運転状態（最適トルク）に保持するように補助的に作動する。この電動・発電機６の制御はインバータ８を介してコントローラ９により行われる。
【００３３】
コントローラ９によるエンジン１及び電動・発電機６の制御の詳細を図３〜図６により説明する。
【００３４】
図３は、エンジン１の軸トルクとガバナ特性と最適トルクとの関係を示す図である。図中、実線Ｘはエンジン１の仕様上の最大トルク線図であり、波線Ｙは設定回転数がＮ０のときのガバナ特性線であり、一点鎖線Ｚはエンジン１の燃費に関する最適トルク線図である。
【００３５】
前述したように、ガバナ４は例えば燃料噴射ポンプを備えた電子ガバナであり、スロットルダイヤル２でエンジン１の回転数をＮ０に設定したとき、ガバナ４は、コントローラ９により図３に波線Ｙで示すような所定の傾きを持った特性で作動するよう制御される。つまり、エンジン１の負荷トルクが大きくエンジン回転数Ｎが低くなると、燃料噴射量を増やし軸トルクを増大させ、エンジン１の負荷トルクが減少しエンジン回転数Ｎが高くなると、燃料噴射量を減らし、軸トルクを減少させ、これにより負荷変動に対してエンジン回転数Ｎをほぼ一定に保持するように制御する。このためコントローラ９は、スロットルダイヤル２で設定されたエンジン１の設定回転数（例えば図３のＮ０）と回転数センサ２で検出された実測回転数（例えば、負荷トルクが図３のＣ点相当のとき、Ｎ０１）の偏差ΔＮ０を計算し、偏差ΔＮ０が増大すると、燃料噴射量増の指令信号をガバナ４に出力し、偏差ΔＮ０が減少すると、燃料噴射量減の指令信号をガバナ４に出力する。以上により、エンジン１の負荷変動、即ち油圧ポンプ５が駆動するアクチュエータ１２の負荷変動に対してもエンジン回転数Ｎをほぼ一定に制御し、油圧ポンプ５の吐出流量の変動を抑え、快適な作業を可能としている。
【００３６】
なお、ガバナ４はそれ自身が図３に波線Ｙで示す所定の傾きを持った特性を有するメカニカルガバナであってもよく、この場合はコントローラ９からは設定回転数に応じた指令値が出力され、メカニカルガバナの燃料噴射量調整機構により実際の回転数と設定回転数との偏差に応じた燃料噴射量の調整が行われる。
【００３７】
また、図３において、本実施形態の最適トルク線図Ｚは、設定回転数について最少燃費となる軸トルク点をプロットしたものであり、例えば設定回転数がＮ０の場合、波線のガバナ特性線Ｙと一点鎖線の最適トルク線図Ｚとの交点Ａが最少燃費となる最適トルク点である。
【００３８】
コントローラ９は、設定回転数がＮ０のとき、交点Ａのエンジン回転数Ｎｒを目標回転数として電動・発電機６を切り換え制御する。つまり、エンジン１の負荷トルクが大きくエンジン回転数Ｎが目標回転数Ｎｒよりも低い状態Ｂにあるときは、その回転数偏差ΔＮｒに応じて電動・発電機６を電動機として作動させトルクアシストを行い、エンジン１の負荷トルクが小さくエンジン回転数Ｎが目標回転数Ｎｒよりも高い状態Ｃにあるときは、その回転数偏差ΔＮｒに応じて電動・発電機６を発電機として作動させ、発電させてバッテリ７に蓄電を行うことにより、エンジン１を最適トルク点Ａに近づくように制御する。
【００３９】
図４にコントローラ９の制御機能をフローチャートで示す。
【００４０】
コントローラ９は、まず、回転数センサ３の検出信号を入力しエンジン１の回転数Ｎを検出する（ステップＳ１００）。また、スロットルダイヤル２の設定信号を入力しエンジン１の設定回転数Ｎ０を検出する（ステップＳ１１０）。次いで、設定回転数Ｎ０の最適トルクに対応したエンジン回転数Ｎｒを目標回転数として演算する（ステップＳ１２０）。この演算は図５に示すような制御マップを用いて行う。この制御マップは、図３に示した設定回転数Ｎ０に対する最適トルクに対応したエンジン回転数Ｎｒを設定回転数全体について求め、マップ化したものであり、最適トルクとは前述したようにその設定回転数で最少燃費を得るトルクである。
【００４１】
このようにして目標回転数Ｎｒを求めると、目標回転数Ｎｒと実際のエンジン回転数Ｎとの偏差ΔＮｒをΔＮｒ＝Ｎｒ−Ｎの計算で求め（ステップＳ１３０）、回転数偏差ΔＮｒの正負、つまりΔＮｒ＞０かどうかを判定する（ステップＳ１４０）。この判定がＹｅｓであれば、アシストトルクＴｍａをＴｍａ＝Ｋｍ・ΔＮｒにより演算し（ステップＳ１５０）、インバータ８にアシストトルクＴｍａを指令値として出力する（ステップＳ１６０）。また、ΔＮｒ＞０かどうかの判定がＮｏであれば発電トルクＴｍｂをＴｍｂ＝Ｋｍ・ΔＮｒにより演算し（ステップＳ１７０）、インバータに発電トルクＴｍｂを指令値として出力する（ステップＳ１８０）。
【００４２】
図６にコントローラ９の制御機能全体を機能ブロック図で示す。
【００４３】
図６において、エンジン制御部９Ａは、減算部５１でエンジン１の設定回転数と実際のエンジン回転数Ｎの偏差ΔＮ０を計算し、乗算部５１２で偏差ΔＮ０に係数を乗じて制御信号とし、ガバナ４に出力する。電動・発電機制御部９Ｂは、演算部６１で制御マップを用いて設定回転数Ｎ０に対応する最少燃費を得る目標回転数Ｎｒを計算し、減算部６２で目標回転数Ｎｒと実際のエンジン回転数Ｎの偏差ΔＮｒを計算し、演算部６３で偏差ΔＮｒの正負に応じて係数Ｋｍを乗じてアシストトルクＴｍａ或いは発電トルクＴｍｂを演算し、これを指令値としてインバータ８に出力する。
【００４４】
以上のように構成した本実施の形態によれば、従来、燃料供給量の増減で行っていたエンジン回転数制御を、電動・発電機６によりアシストすることで、エンジン運転状態を最少燃費となる運転状態に制御することができ、燃費を向上できる。また、トルクアシストでエンジン回転数の変動が押さえられるので、騒音を低減できる。
【００４５】
また、エンジンに要求される運転時の最大トルクが図３の最適トルク線図Ｚ相当のトルクに保たれ電動・発電機６によるアシスト分だけ低下するため、エンジン１の小型化が図れ、小型化の分、燃費や排ガス、騒音の影響の向上や設置スペースの減少、軽量化などが図れる。
【００４６】
また、エンジン１の軸トルクを直接検出するのではなく、設定回転数に応じて最適トルク（最少燃費となるトルク）に対応するエンジン回転数を求め、これを目標値とし電動・発電機６の制御を切り換えるので、トルク検出手段が不要となり、簡単な構成で電動・発電機６によるエンジンのアシスト作動や発電作動を行わせることができる。また、エンジン回転数の目標値と比較されるエンジン回転数の実測値にはエンジン出力トルクから油圧ポンプ吸収トルクに至る経路途中での慣性負荷や摩擦力の影響が含まれるので、エンジン出力トルクを正確に制御することができる。
【００４７】
本発明の第２の実施の形態を図７により説明する。図中、図１に示したものと同等の部分には同じ符号を付している。
【００４８】
図７において、本実施の形態に係わる油圧駆動制御装置は、第１の実施の形態の構成に加えて、エンジン１から油圧ポンプ５へのトルク伝達軸上に慣性負荷（フライホイール）１０が追加されている。この場合、電動・発電機６の慣性モーメントを大きくして、慣性負荷１０を兼ねてもよい。
【００４９】
本実施の形態によれば、第１の実施の形態による効果に加えて、慣性負荷１０によりエンジン回転数一定となるように機械的にも補助されるので、最適トルクに対応した一定のエンジン回転数に制御し易くなり、結果的にエンジン特性を最適に維持し易くなる。
【００５０】
また、電動・発電機６のトルクアシストや発電に対する負荷変動が抑えられるため、電動・発電機６の最大電流が小さくなり、電動・発電機６やインバータ８、蓄電部７の小型化が図れる。
【００５１】
また、電動機アシストのない普通のエンジンに慣性負荷を追加した場合は、エンジン始動時や加速時のエンジン負荷が過大となり、始動性・加速性が悪化しかつ排ガス中に黒煙が発生しがちとなるが、本実施の形態では、電動・発電機６によるトルクアシストにより慣性負荷を追加しても良好な始動性・加速性を維持でき、かつ排ガスの黒煙の発生を低減できる。
【００５２】
なお、以上の実施の形態では、エンジン１の軸トルクを保持するときの目標トルクを最適トルク線図Ｚ上の点とし、かつその最適トルク線図Ｚを最少燃費を得るトルクとしたが、燃費以外に排ガス等、その他のファクターを考慮して最適トルク線図を設定してもよい。
【００５３】
また、エンジン出力トルクの最大値（最大トルク）Ｘよりも小さい最適トルク線図Ｚを設定し、線図ＸとＺ間をアシスト領域としたが、目標トルク線図を最大トルク線図付近に設定することにより、エンジンの軸トルクが最大トルク付近に達した状態でのトルクアシストを行ってもよく、この場合は、最大トルク＋トルクアシスト分の駆動トルクが得られ、パワーアップを図ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、エンジンを回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御する一方、他方では電動機を、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御することにより、、油圧作業部の負荷変動に対してエンジンのトルク（回転数）変化（即ち負荷変動）を極力少なくしてエンジンを簡単な構成で安定した制御を行うことができる。
【００５５】
また、そのときの設定回転数での最小燃費となる最適トルクのエンジン回転数を目標値とし実回転数との偏差の程度に応じて電動・発電機のエンジン回転数制御のアシスト量や発電量が制御されるので、エンジンは極めて精度良く最小燃費となるトルクに制御される。
【００５６】
さらに、回転数設定手設による如何なる設定回転数においても、エンジンを最小燃費となる最適トルクが得られる目標回転数に正確に合致させるよう制御できるとともに、同時に電動・発電機によりエンジンのアシスト作動や発電作動を行わせることができ、燃費や排ガス、騒音などの影響に対してエンジンを常に最適な状態で運転することができる。また、最適トルク運転中のエンジンに要求される最大トルクが電動・発電機によるアシスト分だけ低下するため、エンジンの小型化が図れ、小型化の分、さらに燃費や排ガス、騒音の影響の向上や設置スペースの減少、軽量化などが図れる。
【００５７】
更に、本発明によれば、慣性負荷手段を設置するので、エンジン回転数が一定となるように機械的に補助することができ、エンジンを意図した特性に容易に維持制御することができる。
【００５８】
また、電動・発電機のトルクアシストや発電に対する負荷変動が抑えられるため、電動・発電機の最大電流が小さくなり、電動・発電機や電動・発電機制御手段、蓄電手段の小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる油圧駆動制御装置を示す図である。
【図２】本発明の油圧駆動制御装置を搭載したハイブリッド油圧ショベルの外観を示す図である。
【図３】エンジン１の軸トルクとガバナ特性と最適トルクとの関係を示す図である。
【図４】電動・発電機を制御するコントローラの処理機能を示すフローチャートである。
【図５】設定回転数とこの設定回転数で最適トルクを得る目標回転数との関係を示す図である。
【図６】コントローラの処理機能の全体を示す機能ブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係わる油圧駆動制御装置を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ スロットルダイヤル（回転数設定手段）
３ 回転数センサ
４ ガバナ
５ 油圧ポンプ
６ 電動・発電機
７ 蓄電部（バッテリ）
８ インバータ（電動・発電機制御部）
９ コントローラ
９Ａ エンジン制御部（エンジン制御手段）
９Ｂ 電動・発電機制御部（電動発電制御手段）
１０ 慣性負荷（フライホール）
１１ バルブ装置
１２ アクチュエータ
２１ ハイブリッド油圧ショベル
２２ 下部走行体
２３ 上部旋回体
２４ フロント作業機
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベル等の油圧建設機械に適用して好適なハイブリッド建設機械の駆動制御装置、ハイブリッド建設機械及びその駆動制御プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油圧ショベルなどの油圧建設機械は、油圧ポンプをエンジン出力トルクだけによって駆動し油圧作業部を駆動するのが一般的である。しかし、この場合は、油圧作業部の負荷変動がそのままエンジンの負荷変動となり、これによって燃費の低下や黒煙など排ガス特性の悪化、騒音の増加を招いていた。
【０００３】
このような問題を解決するための提案として、例えば特開平９−２２４３５４号公報に記載のものがある。この提案では、油圧ポンプに電動・発電機を連結し、油圧ポンプの吸収トルクが予め定めた設定値よりも大きい時には電動・発電機を電動機として駆動して油圧ポンプのアシスト作動を行い、油圧ポンプの吸収トルクが設定値よりも小さい時には電動・発電機を発電作動させることで、上記の間題を解決しようとしている。すなわち、従来、燃料供給量の増減で行っていたエンジン回転数制御を、電動機によりアシストすることで、燃費の向上、排ガス特性の改善及び騒晋の低減を図るものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術には次のような間題がある。
【０００５】
第１に、油圧作業部を駆動する上で必要となる油圧ポンプでの必要吸収トルクを検出するのに吸収トルク検出手段が必要となり、装置が複雑となる。
【０００６】
第２に、エンジン出力トルクから油圧ポンプ吸収トルクに至る経路途中での慣性負荷や摩擦力の影響が考慮されないために、目標とする最適なエンジン負荷特性に正確に制御できない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、一方でエンジンを設定回転と実際の回転数との偏差を用いて制御し、他方で電動機をエンジン設定回転数におけるガバナ特性線が最少燃費となる最適トルク線と交差する点の回転数と実際の回転数との偏差（エンジンの設定回転と実際の回転数とは別の偏差）を用いて制御することにより、油圧作業部の負荷変動に対してエンジンのトルク（回転数）変化（即ち負荷変動）を極力少なくしてエンジンを簡単な構成で安定した制御ができるようにし、かつ、エンジンを回転数設定手段により如何なる設定回転数に設定しても、常に最小燃費の最適トルク線上で精度良く運転できることを可能にするとともに、エンジンの小型化、燃費の向上、排ガスの低下、騒音の低減を図れるハイブリッド建設機械の駆動制御装置、ハイブリッド建設機械及びその電動発電制御プログラムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために本発明は、エンジンと、このエンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、前記エンジンの実際の回転数を実測値として検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの負荷トルクと回転数との関係が、前記エンジンの負荷トルクの増加によりエンジン回転数が減少するような所定の傾きを持ったエンジンガバナ特性で制御され、前記回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御するエンジン制御手段と、エンジンにより駆動される油圧ポンプとを備え、この油圧ポンプから吐出される圧油により油圧作業部の駆動を行う建設機械の駆動制御装置において、前記エンジンから前記油圧ポンプヘトルクを伝達する伝達軸に設けられた電動・発電機と、この電動・発電機に対する電気エネルギーの授受を行う蓄電手段と、前記電動・発電機の動作を制御する電動発電制御手段とを備え、前記電動発電制御手段は、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御するものとする。
【０００９】
このように、エンジンを回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御する一方、他方では電動機を、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御することにより、、油圧作業部の負荷変動に対してエンジンのトルク（回転数）変化（即ち負荷変動）を極力少なくしてエンジンを簡単な構成で安定した制御ができるようにし、そのときの設定回転数での最小燃費となる最適トルクのエンジン回転数を目標値とし実回転数との偏差の程度に応じて電動・発電機のエンジン回転数制御のアシスト量や発電量が制御されるので、エンジンは極めて精度良く最小燃費となるトルクに制御される。また、簡単な構成で電動・発電機によるエンジンのアシスト作動や発電作動を行わせることができる。さらに、回転数設定手設による如何なる設定回転数においても、エンジンを最小燃費となる最適トルクが得られる目標回転数に正確に合致させるよう制御できるとともに、同時に電動・発電機によりエンジンのアシスト作動や発電作動を行わせることができ、燃費や排ガス、騒音などの影響に対してエンジンを常に最適な状態で運転することができる。また、最適トルク運転中のエンジンに要求される最大トルクが電動・発電機によるアシスト分だけ低下するため、エンジンの小型化が図れ、小型化の分、さらに燃費や排ガス、騒音の影響の向上や設置スペースの減少、軽量化などが図れる。
【００１２】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記電動発電制御手段は、前記回転数設定手段による設定回転数とこの設定回転数で前記目標トルクを出力するときのエンジン回転数との関係を予め定めておき、この関係にそのときの設定回転数を参照して前記目標トルクに対応するエンジン回転数を求め、エンジン回転数の目標値とするものとする。
【００１３】
これにより設定回転数が変わっても、回転数設定手段で設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最小燃費となる最適トルク線と交わる点のエンジントルク（目標トルク）のエンジン回転数がエンジン回転数の目標値として設定されるので、常に意図する最小燃費となる最適トルク状態にエンジン出力を制御することができる。
【００１６】
（３）また、上記（１）において、好ましくは、前記最適目標トルク線は前記エンジンの最少燃費を得るトルク線である。
【００１８】
（３）また、上記（１）において、好ましくは、前記エンジンから前記油圧ポンプヘトルクを伝達する伝達軸に慣性負荷手段を設置する。
【００１９】
これにより慣性負荷手段でエンジン回転数が一定となるように機械的に補助することができ、目標トルクに対応したエンジン回転数に制御し易くなり、結果的にエンジンを意図した特性に維持し易くなる。
【００２０】
また、電動・発電機のトルクアシストや発電に対する負荷変動が抑えられるため、電動・発電機の最大電流が小さくなり、電動・発電機や電動・発電機制御手段、蓄電手段の小型化が図れる。
【００２１】
（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、このエンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、前記エンジンの実際の回転数を実測値として検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの負荷トルクと回転数との関係が、前記エンジンの負荷トルクの増加によりエンジン回転数が減少するような所定の傾きを持ったエンジンガバナ特性で制御され、前記回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御するエンジン制御手段と、エンジンにより駆動される油圧ポンプとを備え、この油圧ポンプから吐出される圧油により油圧作業部の駆動を行う建設機械の駆動制御装置において、前記エンジンから前記油圧ポンプヘトルクを伝達する伝達軸に設けられた電動・発電機と、この電動・発電機に対する電気エネルギーの授受を行う蓄電手段と、前記電動・発電機の動作を制御する電動発電制御手段とを備え、前記電動発電制御手段は、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御することを特徴とするハイブリッド建設機械とする。
【００２２】
これにより上記（１）で述べたと同様の作用を奏するハイブリッド建設機械を得る。
【００２３】
（５）更に、上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと、このエンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、前記エンジンの実際の回転数を実測値として検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンの負荷トルクと回転数との関係が、前記エンジンの負荷トルクの増加によりエンジン回転数が減少するような所定の傾きを持ったエンジンガバナ特性で制御され、前記回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御するエンジン制御手段と、エンジンにより駆動される油圧ポンプと、前記エンジンから前記油圧ポンプへトルクを伝達する伝達軸に設けられた電動・発電機とを備え、前記油圧ポンプから吐出される圧油により油圧作業部の駆動を行うハイブリッド建設機械の駆動制御プログラムであって、前記電動・発電機の動作を制御するためにコンピュータを、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御する手段として機能させることを特徴とするハイブリッド建設機械の駆動制御プログラムとする。
【００２４】
これにより上記（１）で述べたと同様の作用を奏するハイブリッド建設機械の駆動制御プログラムを得る。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るハイブリッド建設機械の油圧駆動制御装置を示す図であり、図２はそのハイブリッド建設機械（油圧ショベル）の外観を示す図である。
【００２７】
図１において、本実施の形態に係わる油圧駆動制御装置は、油圧ショベルのフロント作業機や旋回装置、走行装置などの駆動に用いられるものであり、エンジン１と、エンジン回転数を設定するスロットルダイヤル２と、エンジン回転数を検出する回転数センサ３と、エンジン１の燃料噴射量を調整するガバナ４と、エンジン１により駆動される可変容量形油圧ポンプ５と、エンジン駆動軸上に配置された電動・発電機６と、蓄電部（バッテリ）７と、電動・発電機６の回転数を制御して必要に応じて蓄電部７と電力授受を行う電動・発電機制御部、即ちインバータ８と、ガバナ４を制御し燃料噴射量を調整してエンジン回転数を制御するとともに、インバータ８を制御し電動・発電機６のトルクを制御するコントローラ９とを備えている。
【００２８】
油圧ポンプ５から吐出された圧油はバルブ装置１１を介してアクチュエータ１２に供給され、このアクチュエータにより油圧ショベルのフロント作業機や旋回装置、走行装置が駆動される。
【００２９】
図２において、２１は上記油圧駆動制御装置を搭載したハイブリッド油圧ショベルであり、油圧ショベル２１は下部走行体２２、上部旋回体２３、フロント作業機２４を有し、上部旋回体２３は下部走行体２２に対して旋回可能に搭載され、フロント作業機２４は上部旋回体２３の前部に上下動可能に取り付けられている。下部走行体２２には走行モータ２２ａを有する左右の走行装置（片側のみ図示）が設けられ、下部走行体２２と上部旋回体２３の間には旋回モータ２３ａを有する旋回装置が配置されている。フロント作業機２４はブーム２５、アーム２６、バケット２７を有する多関節構造であり、ブーム２５はブームシリンダ２５ａにより、アーム２６はアームシリンダ２６ａにより、バケット２７はバケットシリンダ２７ａによりそれぞれ回転駆動される。
【００３０】
油圧ショベル２１には、図示の如く、上記油圧駆動制御装置のエンジン１、油圧ポンプ５、電動・発電機６、バルブ装置１１を搭載しており、ハイブリッド建設機械として構成されている。走行モータ２２ａ、旋回モータ２３ａ、ブームシリンダ２５ａ、アームシリンダ２６ａ、バケットシリンダ２７ａはアクチュエータ１２を構成する。
【００３１】
図１に戻り、エンジン１はディーゼルエンジンであり、ガバナ４により燃料噴射量を制御することで調速される。このガバナ４は、例えば燃料噴射ポンプを備えた電子ガバナであり、スロットルダイヤル２で設定されたエンジン１の設定回転数と回転数センサ３で検出された実測回転数の偏差に基づきコントローラ９により制御される。
【００３２】
また、電動・発電機６は電動機と発電機の両機能も兼ねるものであり、エンジン１のトルクアシストやエンジン１による発電を行うことで、エンジン１を最適運転状態（最適トルク）に保持するように補助的に作動する。この電動・発電機６の制御はインバータ８を介してコントローラ９により行われる。
【００３３】
コントローラ９によるエンジン１及び電動・発電機６の制御の詳細を図３〜図６により説明する。
【００３４】
図３は、エンジン１の軸トルクとガバナ特性と最適トルクとの関係を示す図である。図中、実線Ｘはエンジン１の仕様上の最大トルク線図であり、波線Ｙは設定回転数がＮ０のときのガバナ特性線であり、一点鎖線Ｚはエンジン１の燃費に関する最適トルク線図である。
【００３５】
前述したように、ガバナ４は例えば燃料噴射ポンプを備えた電子ガバナであり、スロットルダイヤル２でエンジン１の回転数をＮ０に設定したとき、ガバナ４は、コントローラ９により図３に波線Ｙで示すような所定の傾きを持った特性で作動するよう制御される。つまり、エンジン１の負荷トルクが大きくエンジン回転数Ｎが低くなると、燃料噴射量を増やし軸トルクを増大させ、エンジン１の負荷トルクが減少しエンジン回転数Ｎが高くなると、燃料噴射量を減らし、軸トルクを減少させ、これにより負荷変動に対してエンジン回転数Ｎをほぼ一定に保持するように制御する。このためコントローラ９は、スロットルダイヤル２で設定されたエンジン１の設定回転数（例えば図３のＮ０）と回転数センサ２で検出された実測回転数（例えば、負荷トルクが図３のＣ点相当のとき、Ｎ０１）の偏差ΔＮ０を計算し、偏差ΔＮ０が増大すると、燃料噴射量増の指令信号をガバナ４に出力し、偏差ΔＮ０が減少すると、燃料噴射量減の指令信号をガバナ４に出力する。以上により、エンジン１の負荷変動、即ち油圧ポンプ５が駆動するアクチュエータ１２の負荷変動に対してもエンジン回転数Ｎをほぼ一定に制御し、油圧ポンプ５の吐出流量の変動を抑え、快適な作業を可能としている。
【００３６】
なお、ガバナ４はそれ自身が図３に波線Ｙで示す所定の傾きを持った特性を有するメカニカルガバナであってもよく、この場合はコントローラ９からは設定回転数に応じた指令値が出力され、メカニカルガバナの燃料噴射量調整機構により実際の回転数と設定回転数との偏差に応じた燃料噴射量の調整が行われる。
【００３７】
また、図３において、本実施形態の最適トルク線図Ｚは、設定回転数について最少燃費となる軸トルク点をプロットしたものであり、例えば設定回転数がＮ０の場合、波線のガバナ特性線Ｙと一点鎖線の最適トルク線図Ｚとの交点Ａが最少燃費となる最適トルク点である。
【００３８】
コントローラ９は、設定回転数がＮ０のとき、交点Ａのエンジン回転数Ｎｒを目標回転数として電動・発電機６を切り換え制御する。つまり、エンジン１の負荷トルクが大きくエンジン回転数Ｎが目標回転数Ｎｒよりも低い状態Ｂにあるときは、その回転数偏差ΔＮｒに応じて電動・発電機６を電動機として作動させトルクアシストを行い、エンジン１の負荷トルクが小さくエンジン回転数Ｎが目標回転数Ｎｒよりも高い状態Ｃにあるときは、その回転数偏差ΔＮｒに応じて電動・発電機６を発電機として作動させ、発電させてバッテリ７に蓄電を行うことにより、エンジン１を最適トルク点Ａに近づくように制御する。
【００３９】
図４にコントローラ９の制御機能をフローチャートで示す。
【００４０】
コントローラ９は、まず、回転数センサ３の検出信号を入力しエンジン１の回転数Ｎを検出する（ステップＳ１００）。また、スロットルダイヤル２の設定信号を入力しエンジン１の設定回転数Ｎ０を検出する（ステップＳ１１０）。次いで、設定回転数Ｎ０の最適トルクに対応したエンジン回転数Ｎｒを目標回転数として演算する（ステップＳ１２０）。この演算は図５に示すような制御マップを用いて行う。この制御マップは、図３に示した設定回転数Ｎ０に対する最適トルクに対応したエンジン回転数Ｎｒを設定回転数全体について求め、マップ化したものであり、最適トルクとは前述したようにその設定回転数で最少燃費を得るトルクである。
【００４１】
このようにして目標回転数Ｎｒを求めると、目標回転数Ｎｒと実際のエンジン回転数Ｎとの偏差ΔＮｒをΔＮｒ＝Ｎｒ−Ｎの計算で求め（ステップＳ１３０）、回転数偏差ΔＮｒの正負、つまりΔＮｒ＞０かどうかを判定する（ステップＳ１４０）。この判定がＹｅｓであれば、アシストトルクＴｍａをＴｍａ＝Ｋｍ・ΔＮｒにより演算し（ステップＳ１５０）、インバータ８にアシストトルクＴｍａを指令値として出力する（ステップＳ１６０）。また、ΔＮｒ＞０かどうかの判定がＮｏであれば発電トルクＴｍｂをＴｍｂ＝Ｋｍ・ΔＮｒにより演算し（ステップＳ１７０）、インバータに発電トルクＴｍｂを指令値として出力する（ステップＳ１８０）。
【００４２】
図６にコントローラ９の制御機能全体を機能ブロック図で示す。
【００４３】
図６において、エンジン制御部９Ａは、減算部５１でエンジン１の設定回転数と実際のエンジン回転数Ｎの偏差ΔＮ０を計算し、乗算部５１２で偏差ΔＮ０に係数を乗じて制御信号とし、ガバナ４に出力する。電動・発電機制御部９Ｂは、演算部６１で制御マップを用いて設定回転数Ｎ０に対応する最少燃費を得る目標回転数Ｎｒを計算し、減算部６２で目標回転数Ｎｒと実際のエンジン回転数Ｎの偏差ΔＮｒを計算し、演算部６３で偏差ΔＮｒの正負に応じて係数Ｋｍを乗じてアシストトルクＴｍａ或いは発電トルクＴｍｂを演算し、これを指令値としてインバータ８に出力する。
【００４４】
以上のように構成した本実施の形態によれば、従来、燃料供給量の増減で行っていたエンジン回転数制御を、電動・発電機６によりアシストすることで、エンジン運転状態を最少燃費となる運転状態に制御することができ、燃費を向上できる。また、トルクアシストでエンジン回転数の変動が押さえられるので、騒音を低減できる。
【００４５】
また、エンジンに要求される運転時の最大トルクが図３の最適トルク線図Ｚ相当のトルクに保たれ電動・発電機６によるアシスト分だけ低下するため、エンジン１の小型化が図れ、小型化の分、燃費や排ガス、騒音の影響の向上や設置スペースの減少、軽量化などが図れる。
【００４６】
また、エンジン１の軸トルクを直接検出するのではなく、設定回転数に応じて最適トルク（最少燃費となるトルク）に対応するエンジン回転数を求め、これを目標値とし電動・発電機６の制御を切り換えるので、トルク検出手段が不要となり、簡単な構成で電動・発電機６によるエンジンのアシスト作動や発電作動を行わせることができる。また、エンジン回転数の目標値と比較されるエンジン回転数の実測値にはエンジン出力トルクから油圧ポンプ吸収トルクに至る経路途中での慣性負荷や摩擦力の影響が含まれるので、エンジン出力トルクを正確に制御することができる。
【００４７】
本発明の第２の実施の形態を図７により説明する。図中、図１に示したものと同等の部分には同じ符号を付している。
【００４８】
図７において、本実施の形態に係わる油圧駆動制御装置は、第１の実施の形態の構成に加えて、エンジン１から油圧ポンプ５へのトルク伝達軸上に慣性負荷（フライホイール）１０が追加されている。この場合、電動・発電機６の慣性モーメントを大きくして、慣性負荷１０を兼ねてもよい。
【００４９】
本実施の形態によれば、第１の実施の形態による効果に加えて、慣性負荷１０によりエンジン回転数一定となるように機械的にも補助されるので、最適トルクに対応した一定のエンジン回転数に制御し易くなり、結果的にエンジン特性を最適に維持し易くなる。
【００５０】
また、電動・発電機６のトルクアシストや発電に対する負荷変動が抑えられるため、電動・発電機６の最大電流が小さくなり、電動・発電機６やインバータ８、蓄電部７の小型化が図れる。
【００５１】
また、電動機アシストのない普通のエンジンに慣性負荷を追加した場合は、エンジン始動時や加速時のエンジン負荷が過大となり、始動性・加速性が悪化しかつ排ガス中に黒煙が発生しがちとなるが、本実施の形態では、電動・発電機６によるトルクアシストにより慣性負荷を追加しても良好な始動性・加速性を維持でき、かつ排ガスの黒煙の発生を低減できる。
【００５２】
なお、以上の実施の形態では、エンジン１の軸トルクを保持するときの目標トルクを最適トルク線図Ｚ上の点とし、かつその最適トルク線図Ｚを最少燃費を得るトルクとしたが、燃費以外に排ガス等、その他のファクターを考慮して最適トルク線図を設定してもよい。
【００５３】
また、エンジン出力トルクの最大値（最大トルク）Ｘよりも小さい最適トルク線図Ｚを設定し、線図ＸとＺ間をアシスト領域としたが、目標トルク線図を最大トルク線図付近に設定することにより、エンジンの軸トルクが最大トルク付近に達した状態でのトルクアシストを行ってもよく、この場合は、最大トルク＋トルクアシスト分の駆動トルクが得られ、パワーアップを図ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、エンジンを回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御する一方、他方では電動機を、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御することにより、、油圧作業部の負荷変動に対してエンジンのトルク（回転数）変化（即ち負荷変動）を極力少なくしてエンジンを簡単な構成で安定した制御を行うことができる。
【００５５】
また、そのときの設定回転数での最小燃費となる最適トルクのエンジン回転数を目標値とし実回転数との偏差の程度に応じて電動・発電機のエンジン回転数制御のアシスト量や発電量が制御されるので、エンジンは極めて精度良く最小燃費となるトルクに制御される。
【００５６】
さらに、回転数設定手設による如何なる設定回転数においても、エンジンを最小燃費となる最適トルクが得られる目標回転数に正確に合致させるよう制御できるとともに、同時に電動・発電機によりエンジンのアシスト作動や発電作動を行わせることができ、燃費や排ガス、騒音などの影響に対してエンジンを常に最適な状態で運転することができる。また、最適トルク運転中のエンジンに要求される最大トルクが電動・発電機によるアシスト分だけ低下するため、エンジンの小型化が図れ、小型化の分、さらに燃費や排ガス、騒音の影響の向上や設置スペースの減少、軽量化などが図れる。
【００５７】
更に、本発明によれば、慣性負荷手段を設置するので、エンジン回転数が一定となるように機械的に補助することができ、エンジンを意図した特性に容易に維持制御することができる。
【００５８】
また、電動・発電機のトルクアシストや発電に対する負荷変動が抑えられるため、電動・発電機の最大電流が小さくなり、電動・発電機や電動・発電機制御手段、蓄電手段の小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる油圧駆動制御装置を示す図である。
【図２】本発明の油圧駆動制御装置を搭載したハイブリッド油圧ショベルの外観を示す図である。
【図３】エンジン１の軸トルクとガバナ特性と最適トルクとの関係を示す図である。
【図４】電動・発電機を制御するコントローラの処理機能を示すフローチャートである。
【図５】設定回転数とこの設定回転数で最適トルクを得る目標回転数との関係を示す図である。
【図６】コントローラの処理機能の全体を示す機能ブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係わる油圧駆動制御装置を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ スロットルダイヤル（回転数設定手段）
３ 回転数センサ
４ ガバナ
５ 油圧ポンプ
６ 電動・発電機
７ 蓄電部（バッテリ）
８ インバータ（電動・発電機制御部）
９ コントローラ
９Ａ エンジン制御部（エンジン制御手段）
９Ｂ 電動・発電機制御部（電動発電制御手段）
１０ 慣性負荷（フライホール）
１１ バルブ装置
１２ アクチュエータ
２１ ハイブリッド油圧ショベル
２２ 下部走行体
２３ 上部旋回体
２４ フロント作業機
Claims (5)
- エンジンと、
このエンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、
前記エンジンの実際の回転数を実測値として検出するエンジン回転数検出手段と、
前記エンジンの負荷トルクと回転数との関係が、前記エンジンの負荷トルクの増加によりエンジン回転数が減少するような所定の傾きを持ったエンジンガバナ特性で制御され、前記回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御するエンジン制御手段と、
エンジンにより駆動される油圧ポンプとを備え、この油圧ポンプから吐出される圧油により油圧作業部の駆動を行う建設機械の駆動制御装置において、
前記エンジンから前記油圧ポンプヘトルクを伝達する伝達軸に設けられた電動・発電機と、
この電動・発電機に対する電気エネルギーの授受を行う蓄電手段と、前記電動・発電機の動作を制御する電動発電制御手段とを備え、
前記電動発電制御手段は、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、
この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、
この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御することを特徴とするハイブリッド建設機械の駆動制御装置。 - 請求項１記載のハイブリッド建設機械の駆動制御装置において、
前記電動発電制御手段は、前記回転数設定手段による設定回転数とこの設定回転数で前記目標トルクを出力するときのエンジン回転数との関係を予め定めておき、この関係にそのときの設定回転数を参照して前記目標トルクに対応するエンジン回転数を求め、エンジン回転数の目標値とすることを特徴とするハイブリッド建設機械の駆動制御装置。 - 請求項１記載のハイブリッド建設機械の駆動制御装置において、
前記エンジンから前記油圧ポンプヘトルクを伝達する伝達軸に慣性負荷手段を設置することを特徴とするハイブリッド建設機械の駆動制御装置。 - エンジンと、
このエンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、
前記エンジンの実際の回転数を実測値として検出するエンジン回転数検出手段と、
前記エンジンの負荷トルクと回転数との関係が、前記エンジンの負荷トルクの増加によりエンジン回転数が減少するような所定の傾きを持ったエンジンガバナ特性で制御され、前記回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御するエンジン制御手段と、
エンジンにより駆動される油圧ポンプとを備え、この油圧ポンプから吐出される圧油により油圧作業部の駆動を行う建設機械において、
前記エンジンから前記油圧ポンプヘトルクを伝達する伝達軸に設けられた電動・発電機と、
この電動・発電機に対する電気エネルギーの授受を行う蓄電手段と、前記電動・発電機の動作を制御する電動発電制御手段とを備え、
前記電動発電制御手段は、予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、
この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、
この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御することを特徴とするハイブリッド建設機械。 - エンジンと、
このエンジンの回転数を設定する回転数設定手段と、
前記エンジンの実際の回転数を実測値として検出するエンジン回転数検出手段と、
前記エンジンの負荷トルクと回転数との関係が、前記エンジンの負荷トルクの増加によりエンジン回転数が減少するような所定の傾きを持ったエンジンガバナ特性で制御され、前記回転数設定手段によって設定される設定回転数と、前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの実際の回転数との偏差に基づき、燃料噴射量を制御してエンジン回転数が前記設定回転数となるよう前記エンジンを制御するエンジン制御手段と、
エンジンにより駆動される油圧ポンプと、
前記エンジンから前記油圧ポンプへトルクを伝達する伝達軸に設けられた電動・発電機とを備え、
前記油圧ポンプから吐出される圧油により油圧作業部の駆動を行うハイブリッド建設機械の駆動制御プログラムであって、前記電動・発電機の動作を制御するためにコンピュータを、
予めエンジン回転数の変化に対応し、前記エンジンの前記設定回転数において最少燃費となる最適トルク線を設定・記憶し、前記回転数設定手段により設定された設定回転数でのエンジンガバナ特性線が前記最適トルク線と交わる点のエンジントルクを目標トルクとし、
この目標トルクに対応する前記設定回転数に比べて値の小さいエンジン回転数を、エンジン回転数の目標値として用い、
この目標値とエンジン回転数の前記実測値との大小を比較するとともにその偏差を前記設定回転数と前記エンジン回転数の前記実測値との偏差とは別の偏差として演算し、前記実測値が目標値より小さくなると前記電動・発電機を電動機として機能させ、前記別の偏差に応じてアシストトルクを演算してエンジンをトルクアシストし、実測値が目標値より大きくなると前記電動・発電機を発電機として機能させ、前記別の偏差に応じて発電トルクを演算して発電を制御する手段として機能させることを特徴とするハイブリッド建設機械の駆動制御プログラム。
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