JP5226734B2 - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

Description

この発明は、エンジンなどの駆動源、発電電動機、および蓄電器を有したハイブリッド建設機械に関するものである。

従来から、知られている油圧ショベルなどの建設機械は、ディーゼルエンジンなどのエンジンを駆動源として油圧ポンプを駆動する。油圧ポンプは、可変容量型の油圧ポンプが用いられ、その斜板の傾転角等を変化させることで容量ｑ（ｃｃ/ｒｅｖ）が変化する。油圧ポンプから吐出された作動油は、操作バルブを介してブームシリンダ等の各油圧アクチュエータに供給される。各油圧アクチュエータに作動油が供給されることで、各油圧アクチュエータが駆動され、各油圧アクチュエータに接続されたブーム、アーム、バケットからなる作業機、下部走行体、上部旋回体が作動する。建設機械が稼動している間、作業機、下部走行体、上部旋回体にかかる負荷は、掘削土質、走行路勾配等に応じて絶えず変化する。これに応じて油圧機器（油圧ポンプ）の負荷、つまりエンジンにかかる負荷が変化する。

エンジンの出力Ｐ（馬力；ｋｗ）の制御は、エンジンのシリンダ内へ噴射する燃料量を調整して行われる。この調整は、エンジンの燃料噴射ポンプに付設したガバナを制御することで行われる。ガバナとしては、一般的にオールスピード制御方式のガバナが用いられ、燃料ダイヤルで設定された目標エンジン回転数が維持されるように、燃料噴射量を調整する。

図１０は、エンジンのトルク線図を示しており、横軸にエンジン回転数ｎ（ｒｐｍ；ｒｅｖ/ｍｉｎ）をとり、縦軸にトルクＴ（Ｎ・ｍ）をとっている。図１０において、最大トルク線Ｒで規定される領域が、エンジンが出し得る性能を示す。ガバナは、トルクＴが最大トルク線Ｒを超えないように、またエンジン回転数ｎがハイアイドル回転数ｎHを超えて過回転とならないように、エンジンを制御する。最大トルク線Ｒ上の定格点Ｖでエンジンの出力Ｐ（馬力）が最大になる。Ｊは、油圧ポンプで吸収される馬力が等馬力になっている等馬力曲線を示している。

燃料ダイヤルで目標エンジン回転数が設定されると、ガバナは定格点Ｖとハイアイドル点ｎHとを結ぶレギュレーションラインＦe上で調速を行う。

油圧ポンプの負荷が大きくなるにつれて、エンジンの出力とポンプ吸収馬力とが釣り合うマッチング点は、レギュレーションラインＦe上を定格点Ｖ側に移動する。マッチング点が定格点Ｖ側に移動するときエンジン回転数ｎは徐々に減じられ、定格点Ｖでは、エンジン回転数ｎは定格回転数になる。

このようにエンジン回転数ｎをほぼ一定の高回転数に固定して作業を行うと、燃料消費量が大きく、ポンプ効率が低いという問題がある。なお、燃料消費量とは、１時間、出力１ｋＷ当たりの燃料の消費量をいい、エンジンの効率の一指標である。またポンプ効率とは、容積効率、トルク効率で規定される油圧ポンプの効率のことである。

図１０において、Ｍは等燃費曲線を示している。等燃費曲線Ｍの谷となるＭ１で燃費が最小となり、燃費最小範囲Ｍ１から外側に向かうにつれて燃料消費量は大きくなる。

図１０からも明らかなように、レギュレーションラインＦeは、等燃費曲線Ｍ上で燃料消費量が比較的大きい領域に設定される。このため、従来の制御方法によれば燃料消費量が大きく、エンジン効率上望ましくない。

一方、可変容量型の油圧ポンプの場合、一般的に、同じ吐出圧であればポンプ容量ｑ（斜板傾転角度）が大きいほど容積効率、トルク効率が高くポンプ効率が高いということが知られている。

また下記（１）式からも明らかなように、油圧ポンプから吐出される圧油の流量Ｑが同じであれば、エンジンの回転数ｎを低くすればするほど、ポンプ容量ｑを大きくすることができる。このためエンジンを低速化すればポンプ効率を高くすることができる。
Ｑ＝ｎ・ｑ …（１）

したがって、油圧ポンプのポンプ効率を高めるためには、エンジン回転数ｎが低い低速領域でエンジンを稼動させればよい。

しかし、図１０からも明らかなように、レギュレーションラインＦeは、エンジンの高回転領域に相当する。このため従来の制御方法によればポンプ効率が低いという問題がある。

このような、負荷にかかわらずエンジン回転数をほぼ固定とする制御方法に対して、レバー操作量および負荷に応じてエンジン回転数を変化させるという制御方法が特許文献１に記載されている。

この特許文献１では、図１０に示すように、燃費最小範囲Ｍ１を通る目標エンジン運転線Ｌ0が設定される。

（低速マッチング制御）
図１０に示すように、目標エンジン運転線Ｌ0（太線）に沿って、エンジンの回転数を制御すると、燃料消費量、エンジン効率、ポンプ効率が向上する。これは、同じ馬力を出力させ、同じ要求流量を得る場合でも、レギュレーションラインＦe上の点ｐt1でマッチングさせるよりも、同じ等馬力線Ｊ上の点であって目標エンジン運転線Ｌ0上の点ｐt2でマッチングさせた方が、高回転、低トルクから低回転、高トルクに移行して、ポンプ容量ｑが大となり、等燃費曲線Ｍ上の燃費最小範囲Ｍ１に近い点で運転されるからである。また低回転領域でエンジンが稼動することにより騒音の低減が図られ、エンジンフリクション、ポンプアンロードロスなどの点で有利である。

また、建設機械の分野で、発電電動機によってエンジンの駆動力をアシストするハイブリッド方式の建設機械が開発されている。

また、油圧ショベルなどの建設機械は、土砂をすくい上げ、ダンプトラックに積み込むような軽負荷作業や硬い岩盤を掘削するような重負荷作業など、様々な作業（様々な作業モード）を行うことができる。それら作業の内容に応じて、より効率的に作業の消化を図り少ない燃料消費量を達成するために建設機械には、オペレータの操作により選択される作業モードに応じて建設機械のエンジンと油圧ポンプを制御する機能が搭載されている。

特開２００７−１２０４２６号公報

ところで、上述した従来の低速マッチング制御を適用した建設機械は、すべての作業モードに対して低速マッチング制御が行われると、燃料消費量、エンジン効率、ポンプ効率の向上が図ることができる。しかし、例えば油圧ショベルのアームおよびブームを動かしてアーム先端部分のフックで荷の吊り下げ、吊り上げ、移動を行う吊り荷モードなどの作業モードが選択された場合、低速マッチング制御が行われると、負荷の増減によって、エンジン回転数およびポンプ回転数が大幅に変化し、この変化に伴ってエンジン音およびポンプ音が変化する。そして、この音の変化が、オペレータの操作感覚に違和感を与えることになる。また、エンジンの回転数の大幅な変動により建設機械の作業機等の挙動が変化し、オペレータに違和感を与えることにもなる。すなわち、低速マッチング制御では、操作レバーの操作量に応じて作業が行われているにも関わらず、エンジン音およびポンプ音が大幅に変化するため、オペレータは、この音の変化を、作業状態が変わったものとして認識し、操作感覚と実際の作業状態とに違和感を覚えることになる。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、吊り荷モードなどの特定モードを行う場合に、オペレータに違和感を与えないハイブリッド建設機械を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるハイブリッド建設機械は、エンジンと前記エンジンの加速時にアシスト作用する発電電動機とを備え、前記エンジンのエンジン回転数に対する最大トルク領域で駆動可能なエンジントルク−エンジン回転数の領域を示す第一のトルク線図内で燃料調整手段の設定値に応じたレギュレーションライン上でのエンジン回転数制御と、前記第一のトルク線図の領域内で、建設機械の操作を行うための操作レバーのレバー操作量および／または建設機械にかかる負荷に伴うエンジントルクの軽減に応じて前記エンジン回転数を低下させる第二のトルク線図上でエンジン回転数の制御を行う低速マッチング制御とを行うことができるハイブリッド建設機械において、予め設定された複数の作業モードの中から特定モードが選択された場合に、前記燃料調整手段の設定値を前記特定モードに対応した燃料調整手段の設定可能最大値として設定するとともに前記低速マッチング制御をオフにし、レバー操作量および／または建設機械にかかる負荷に伴うエンジントルクの変動にかかわらず、前記特定モードに対応したレギュレーションライン上でのエンジン回転数制御を行い、前記特定モードが選択されない場合に、前記低速マッチング制御を行うコントローラを備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるハイブリッド建設機械は、上記の発明において、前記第二のトルク線図は、前記エンジンの燃料消費量最小範囲を通る線図であることを特徴とする。

また、この発明にかかるハイブリッド建設機械は、上記の発明において、前記特定モードは、建設機械に備えられた作業機による、吊り荷作業の際に選択される吊り荷モードを含むことを特徴とする。

また、この発明にかかるハイブリッド建設機械は、上記の発明において、建設機械の稼動状態等に関連する各種情報をモニタ画面に表示するとともに建設機械に動作指令を入力指示する表示装置を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるハイブリッド建設機械は、上記の発明において、前記表示装置は、前記モニタ画面に特定モードを含む各種作業モードの選択画面を表示し、選択された１つの作業モードの選択信号を前記コントローラに出力することを特徴とする。

この発明によれば、コントローラが、予め設定された複数の作業モードの中から特定モードが選択された場合に、前記燃料調整手段の設定値を前記特定モードに対応した燃料調整手段の設定可能最大値として設定するとともに低速マッチング制御をオフにし、レバー操作量および／または建設機械にかかる負荷に伴うエンジントルクの変動にかかわらず、前記特定モードに対応したレギュレーションライン上でのエンジン回転数制御を行い、前記特定モードが選択されない場合に、前記低速マッチング制御を行うようにしているので、特定モードの作業を行う場合、エンジン回転数およびポンプ回転数の変化が小さくなり、その結果、エンジン音およびポンプ音の変化が小さくなり、オペレータの操作感覚に違和感を与えずに作業を行うことができる。

図１は、この発明の実施の形態１である建設機械の外観構成を示す図である。 図２は、図１に示した建設機械の全体構成を示すブロック図である。 図３は、図１に示した運転席の外観構成を示す斜視図である。 図４は、作業モード選択画面の一例を示す図である。 図５は、低速マッチング制御と通常制御とを行う場合のエンジントルクとエンジン回転数との関係を示すトルク線図である。 図６は、作業モード選択に伴うコントローラによる制御処理手順を示すフローチャートである。 図７は、スロットダイヤルの外観構成と機能を説明する図である。 図８は、この発明の実施の形態２である建設機械の全体構成を示すブロック図である。 図９は、この発明の実施の形態３である建設機械の全体構成を示すブロック図である。 図１０は、低速マッチング制御を行うときのエンジンのトルク線図である。

以下、図面を参照して、この発明を実施するための形態である建設機械について説明する。

［実施の形態１］
（全体構成）
図１は、この発明の実施の形態１である建設機械１の外観構成を示す図である。また、図２は、図１に示した建設機械１の全体構成を示すブロック図である。なお、この建設機械１は、油圧ショベルである。

図１および図２において、建設機械１は、上部旋回体２と下部走行体３とを備え、下部走行体３は左右の履帯を有する。上部旋回体２にはブーム４、アーム５、バケット６からなる作業機が取り付けられている。ブーム４は、ブームシリンダ４ａが駆動することにより作動し、アーム５は、アームシリンダ５ａが駆動することにより作動し、バケット６は、バケットシリンダ６ａが駆動することにより作動する。なお、バケット６とアーム５を結合するリンクのピンには、吊り荷を吊るためのフック７が取り付けられている。また、下部走行体３は、走行モータ８，９を有し、それぞれ駆動することにより右履帯および左履帯がそれぞれ回転する。上部旋回体２は、旋回コントローラ１１２を介して旋回モータ１１３が電気駆動されることにより旋回マシナリ１１４が駆動し、スイングピニオン、スイングサークル等を介して旋回する。

エンジン１２は、ディーゼルエンジンであり、その出力（馬力；ｋｗ）の制御は、シリンダ内へ噴射する燃料量を調整することで行われる。この調整はエンジン１２の燃料噴射ポンプに付設したガバナを制御することで行われ、エンジンコントローラ１４は、このガバナの制御を含めたエンジンの制御を行う。なお、スロットルダイヤル６０は、最大燃料噴射量を規定する燃料調整手段としての燃料調整ダイヤルである。

コントローラ１６は、エンジンコントローラ１４に対して、エンジン回転数を目標回転数ｎ_comにするための回転指令値を出力し、エンジンコントローラ１４は、目標トルク線Ｌ１でエンジン目標回転数ｎ_comが得られるように燃料噴射量を増減する。目標トルク線Ｌ１とは、図示しない記憶部にデータテーブル形式で記憶されているものであり、エンジン回転数ｎ_comの増加に応じて油圧ポンプ１３の目標吸収トルクＴpcomが増加する関数である。また、エンジンコントローラ１４は、エンジン１２のエンジン回転数および燃料噴射量から推定されるエンジントルクを含むエンジンデータeng_dataをコントローラ１６に出力する。

エンジン１２の出力軸には、油圧ポンプ１３の駆動軸がＰＴＯ軸２０を介して連結されており、エンジン出力軸が回転することにより油圧ポンプ１３が駆動する。油圧ポンプ１３は可変容量型の油圧ポンプであり、ポンプ制御バルブ１５の動作に応じて斜板の傾転角が変化することで容量ｑ（ｃｃ/ｒｅｖ）が変化する。なお、この油圧ポンプ１３は、ダブルポンプあるいはタンデムポンプであってもよい。

油圧ポンプ１３から吐出圧ＰRp、流量Ｑ（ｃｃ/ｍｉｎ）で吐出された圧油は、ブーム用の操作バルブ３１、アーム用の操作バルブ３２、バケット用の操作バルブ３３、右走行用の操作バルブ３５、左走行用の操作バルブ３６にそれぞれ供給される。油圧ポンプ１３のポンプ吐出圧ＰRpは、油圧センサ１７で検出され、油圧検出信号がコントローラ１６に入力される。

操作バルブ３１，３２，３３，３５，３６から出力された作動油はそれぞれ、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、右走行用の走行モータ８、左走行用の走行モータ９に供給される。これにより、ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、走行モータ８、走行モータ９がそれぞれ駆動され、ブーム４、アーム５、バケット６、下部走行体３の右履帯、左履帯が作動する。

図３に示すように、建設機械１の運転席の前方の右側、左側にはそれぞれ、作業機操作用の右操作レバー４１、作業機・旋回操作用の左操作レバー４２が設けられているとともに、走行操作用の右操作レバー４３、走行操作用の左操作レバー４４が設けられている。

作業機操作用の右操作レバー４１は、ブーム４、バケット６を作動させるための操作レバーであり、操作方向に応じてブーム４、バケット６を作動させるとともに、操作量に応じた速度でブーム４、バケット６を作動させる。

操作レバー４１には、操作方向、操作量を検出するセンサ４５が設けられている。センサ４５は、操作レバー４１の操作方向、操作量を示すレバー信号をコントローラ１６に入力する。操作レバー４１がブーム４を作動させる方向に操作された場合には、操作レバー４１の中立位置に対する操作方向、操作量に応じて、ブーム上げ操作量、ブーム下げ操作量を示すブームレバー信号Ｌb0がコントローラ１６に入力される。また、操作レバー４１がバケット６を作動させる方向に操作された場合には、操作レバー４１の中立位置に対する操作方向、操作量に応じて、バケット掘削操作量、バケットダンプ操作量を示すバケットレバー信号Ｌbkがコントローラ１６に入力される。

操作レバー４１がブーム４を作動させる方向に操作された場合には、操作レバー４１の操作量に応じたパイロット圧（ＰＰＣ圧）ＰRboが、ブーム用の操作バルブ３１の各パイロットポートのうち操作レバーの操作方向（ブーム上げ方向、ブーム下げ方向）に対応するパイロットポート３１ａに加えられる。

同様に、操作レバー４１がバケット６を作動させる方向に操作された場合には、操作レバー４１の傾動量に応じたパイロット圧（ＰＰＣ圧）ＰRbkが、バケット用の操作バルブ３３の各パイロットポートのうちレバー傾動方向（バケット掘削方向、バケットダンプ方向）に対応するパイロットポート３３ａに加えられる。

作業機・旋回操作用の左操作レバー４２は、アーム５、上部旋回体２を作動させるための操作レバーであり、操作方向に応じてアーム５、上部旋回体２を作動させるとともに、操作量に応じた速度でアーム５、上部旋回体２を作動させる。

操作レバー４２には、操作方向、操作量を検出するセンサ４６が設けられている。センサ４６は、操作レバー４２の操作方向、操作量を示すレバー信号をコントローラ１６に入力する。操作レバー４２がアーム５を作動させる方向に操作された場合には、操作レバー４２の中立位置に対する操作方向、操作量に応じて、アーム掘削操作量、アームダンプ操作量を示すアームレバー信号Ｌarがコントローラ１６に入力される。また操作レバー４２が上部旋回体２を作動させる方向に操作された場合には、操作レバー４２の中立位置に対する操作方向、操作量に応じて、右旋回操作量、左旋回操作量を示す旋回レバー信号Ｌswがコントローラ１６に入力される。

操作レバー４２がアーム５を作動させる方向に操作された場合には、操作レバー４２の操作量に応じたパイロット圧（ＰＰＣ圧）ＰRarが、アーム用の操作バルブ３２の各パイロットポートのうち操作レバーの操作方向（アーム掘削方向、アームダンプ方向）に対応するパイロットポート３２ａに加えられる。

一方、操作レバー４２が上部旋回体２を作動させる方向に操作された場合には、操作レバー４２の操作量（右旋回方向、左旋回方向）に応じた旋回レバー信号Ｌswがコントローラ１６に入力され、コントローラ１６は旋回レバー信号Ｌswに対応した旋回信号ＳＷＧ_comを旋回コントローラ１１２に出力し、旋回モータ１１３が旋回駆動する。

走行操作用の右操作レバー４３、走行操作用の左操作レバー４４はそれぞれ右履帯、左履帯を作動させるための操作レバーであり、操作方向に応じて履帯を作動させるとともに、操作量に応じた速度で履帯を作動させる。

操作レバー４３の操作量に応じたパイロット圧（ＰＰＣ圧）ＰRcrが、右走行用の操作バルブ３５のパイロットポート３５ａに加えられる。同様に、操作レバー４４の操作量に応じたパイロット圧（ＰＰＣ圧）ＰRclが、左走行用の操作バルブ３６のパイロットポート３６ａに加えられる。

パイロット圧ＰRcrとパイロット圧ＰRclとは、それぞれ油圧センサ１８，１９によって検出され、コントローラ１６に入力される。

モニタ５０は、コントローラ１６に接続され、各種情報を表示出力するとともに入力操作を行うことができる表示装置であり、各種作業モードを選択するモード選択スイッチ５１を有する。なお、モニタ５０は、運転席７０の前部右側に配置され、図３に示すような外観を有し、モニタ画面５０ａを有する。図４は、モニタ画面５０ａに表示された作業モード選択画面を示している。図４の作業モード選択画面は、入力部５０ｂのいずれかのスイッチあるいはボタンを押圧することにより画面が遷移され表示されるものである。図４では、Ｐモード（パワーモード）の「Ｐ」、Ｅモード（エコノミーモード）の「Ｅ」、Ｌモード（アームクレーンモード＝吊り荷モード）の「Ｌ」、Ｂモード（ブレーカモード）の「Ｂ」、ＡＴＴモード（アタッチメントモード）の「ＡＴＴ」の文字がそれぞれ含まれるアイコンが表示され、その右側にそれぞれのモードの名称が表示されている。なお、Ｌモードは、吊り荷モードであることが分かりやすいように、アイコン内にフックの形が表示されている。ここで、例えば、入力部５０ｂの作業モード選択スイッチ５１が操作されＬモードのアイコンが選択されると、アームクレーンモードの文字が反転表示され、モード選択状態となる。

各操作バルブ３１，３２，３３，３５，３６は流量方向制御弁であり、対応する操作レバー４１〜４４の操作方向に応じた方向にスプールを移動させるとともに、操作レバー４１〜４４の操作量に応じた開口面積だけ油路が開口するようにスプールを移動させるものである。

ポンプ制御バルブ１５は、コントローラ６から出力される制御電流pc-epcによって動作し、サーボピストンを介してポンプ制御バルブ１５は動作する。

コントローラ１６は、ガバナを含むエンジンコントローラ１４に対して、回転指令値を出力して、現在の油圧ポンプ１３の負荷に応じたエンジン目標回転数が得られるように燃料噴射量を増減して、エンジン１２の回転数ｎとトルクＴを調整する。

一方、エンジン１２の出力軸は、ＰＴＯ軸２０を介して油圧ポンプ１３の駆動軸および発電電動機２１の駆動軸に連結される。発電電動機２１は発電作用と電動作用を行う。すなわち、発電電動機２１は電動機（モータ）として作動し、また発電機としても作動する。図２では、ＰＴＯ軸２０が、エンジン１２と油圧ポンプ１３あるいは発電電動機２１との間に設けられているが、エンジン１２の出力軸と発電電動機２１のロータ軸を同軸とするとともに、発電電動機２１のロータ軸と油圧ポンプ１３の入力軸を同軸としてもよい。すなわち、エンジン１２と発電電動機２１と油圧ポンプ１３が直列に配置された構成であってもよい。なお、ＰＴＯ軸２０を用いなくても本実施の形態は実施可能である。

発電電動機２１は、発電機コントローラ１１０内のインバータ機能によってトルク制御される。このインバータ機能は、コントローラ１６から出力される発電電動機指令値ＧＥＮ_comに応じて発電電動機２１をトルク制御する。

発電機コントローラ１１０は、直流電源線を介して蓄電器２２に電気的に接続されている。なお、コントローラ１６の電源は、蓄電器２２であっても、他の図示しない蓄電器であってもよい。

蓄電器２２は、キャパシタや蓄電池などによって構成され、発電電動機２１が発電作用した場合に発電した電力を蓄積する（充電する）。また、蓄電器２２は、蓄電器２２に蓄積された電力をインバータ２３に供給する。なお、本実施の形態では静電容量として電荷を蓄積するキャパシタ（例えば、電気二重層キャパシタ）や鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の蓄電池も含めて「蓄電器」と称するものとする。

発電電動機２１には発電電動機２１の現在の実回転数ＧＥＮ_spd（ｒｐｍ）、つまりエンジン１２の実回転数を検出する回転センサ２４が付設されている。回転センサ２４で検出される実回転数ＧＥＮ_spdを示す信号はコントローラ１６に入力される。

また、畜電器２２には、畜電器２２の電圧BATT_voltを検出する電圧センサ２５が設けられている。電圧センサ２５で検出される電圧BATT_voltを示す信号はコントローラ６に入力される。

また、コントローラ１６は、発電機コントローラ１１０に発電電動機指令値ＧＥＮ_comを出力し、発電電動機２１を発電作用または電動作用させる。コントローラ１６から発電機コントローラ１１０に対して、発電電動機２１を発電機として作動させるための指令値ＧＥＮ_comが出力されると、エンジン１２で発生した出力トルクの一部は、ＰＴＯ軸２０を介して発電電動機２１の駆動軸に伝達されてエンジン１２のトルクを吸収して発電が行われる。そして、発電電動機２１で発生した交流電力は発電機コントローラ１１０で直流電力に変換されて蓄電器２２に電力が蓄積される（充電される）。

また、コントローラ１６から発電機コントローラ１１０に対して、発電電動機２１を電動機として作動させるための発電電動機指令値ＧＥＮ_comが出力されると、発電機コントローラ１１０は発電電動機２１が電動機として作動するように制御する。すなわち蓄電器２２から電力が出力され（放電され）蓄電器２２に蓄積された直流電力が発電機コントローラ１１０で交流電力に変換されて発電電動機２１に供給され、発電電動機２１の駆動軸を回転作動させる。これにより発電電動機２１でトルクが発生し、このトルクは、発電電動機２１の駆動軸を介してＰＴＯ軸２０に伝達されて、エンジン１２の出力トルクに加算される（エンジン１２の出力がアシストされる）。この加算した出力トルクは、油圧ポンプ１３で吸収される。

発電電動機２１の発電量（吸収トルク量）、電動量（アシスト量；発生トルク量）は、発電電動機指令値ＧＥＮ_comの内容に応じて変化する。

発電機コントローラ１１０は、発電電動機２１に対して回転数制御若しくはトルク制御を行う。ここで、回転数制御とは、発電電動機指令値ＧＥＮ_comとして発電電動機２１に目標回転数を与えて目標回転数が得られるように発電電動機２１の回転数を調整する制御のことである。また、トルク制御とは、発電電動機指令値ＧＥＮ_comとして発電電動機２１に目標トルクを与えて目標トルクが得られるように発電電動機２１のトルクを調整する制御のことである。

コントローラ１６は、回転数制御を行う場合、エンジン目標回転数とエンジン１２の実際の回転数との偏差が所定のしきい値以上になっている場合、発電電動機２１によってエンジン１２をアシストする発電電動機指令値ＧＥＮ_comを発電機コントローラ１１０に送ってアシスト制御を行う。

この発電電動機２１によるアシストを加えた場合には、エンジン１２が加速する。この場合、発電電動機２１によるアシストがあるため、アシストがない場合に比べてエンジン回転上昇時の初期の段階で、油圧ポンプ１３の吸収トルクが大きくなる。このため操作レバーの動きに対して作業機の動きだしが早くなり、作業効率の低下を抑制でき、オペレータに与える操作感覚の違和感を軽減できる。

建設機械１は、上部旋回体２を電動アクチュエータ（電動の旋回モータ１１３）によって旋回作動させるものである。

すなわち、建設機械１は、図２に示すように、上部旋回体２を電動アクチュエータである旋回モータ１１３で旋回作動させるための構成要素、つまり発電電動機コントローラ１１０、電流センサ１１１、旋回コントローラ１１２、旋回モータ１１３、旋回速度センサ１１５を有する。

ここで、エンジントルクアシスト作用について定義をしておく。エンジントルクアシスト作用とは、ガバナや燃料噴射ポンプを調整してエンジン１２の回転数を、ある目標回転数になるように制御しているとき、エンジン実回転数が素早く目標回転数に到達するように、発電電動機２１によってエンジン出力軸にトルクを加えることをいう。ここで、「トルクを加える」とは、エンジン回転を加速するときに素早く回転数を増加させるために軸トルクを加算する場合だけではなく、エンジン回転を減速するときに素早く回転数を減少させるために軸トルクを吸収する場合も含む。

すなわち、エンジントルクアシスト作用とは、実施の形態１において、発電電動機２１を電動作用させてエンジン１２をアシストし、発電電動機２１を発電作用させてエンジン１２を逆アシストさせることに相当する。

エンジントルクアシスト作用の効果は、エンジン回転の加速時には、エンジン加速の応答性が良くなり、作業性が向上するととともに、エンジン回転の減速時には、エンジン軸トルクが吸収されることでエンジン回転数が素早く下がり、エンジン回転数の減速時の騒音や振動が改善される。また、エンジン回転数を下げるときにエンジン軸トルクが吸収されるため、エンジン出力軸周りの慣性が持っていた回転運動エネルギーを回収することができるので、エネルギー効率の面でも向上するという効果が得られる。

これに対して、「エンジントルクアシスト作用をさせない」とは、発電電動機２１を発電作用させて、そのエネルギー（電力）を蓄電器２２に供給したり、直接、電力を旋回モータ１１３に供給して電動で上部旋回体２を作動させたりすることをいう。

以上のようなエンジントルクアシスト作用させるか、エンジントルクアシスト作用させないようにする制御は、コントローラ１６からの指令に基づき、発電機コントローラ１１０、旋回コントローラ１１２が実行する。

そして、図２に示すように、旋回マシナリ１１４の駆動軸に電動モータとしての旋回モータ１１３が連結されており、この旋回モータ１１３が駆動することにより旋回マシナリ１１４が駆動し、スイングピニオン、スイングサークル等を介して上部旋回体２が旋回作動するものである。

旋回モータ１１３は、発電作用と電動作用とを行う。つまり、旋回モータ１１３は、電動機として作動し、また発電機としても作動する。旋回モータ１１３が電動機として作動したときには上部旋回体２が旋回作動し、上部旋回体２が旋回を停止する際には上部旋回体２のトルクが吸収されて旋回モータ１１３が発電機として作動する。

旋回モータ１１３は、旋回コントローラ１１２によって駆動制御される。旋回コントローラ１１２は直流電源線を介して蓄電器２２に電気的に接続されているとともに、発電電動機１１０に電気的に接続されている。発電機コントローラ１１０は、インバータ１３の機能を含んで構成されている。旋回コントローラ１１２、発電機コントローラ１１０は、コントローラ１６から出力される指令に応じて制御される。

旋回モータ１１３に供給されている電流、つまり上部旋回体２の負荷を示す旋回負荷電流ＳＷＧ_currは、電流センサ１１１で検出される。電流センサ１１１で検出された旋回負荷電流ＳＷＧ_currは、コントローラ１６に入力される。

そして、上述したように、操作レバー４２が上部旋回体２を作動させる方向に操作された場合、操作レバー４２の操作量（右旋回方向、左旋回方向）に応じた旋回レバー信号Ｌswがコントローラ１６に入力され、コントローラ１６は旋回レバー信号Ｌswに対応した旋回信号ＳＷＧ_comを旋回コントローラ１１２に出力し、旋回モータ１１３が旋回駆動する。

（モード選択による制御）
オペレータは、建設機械１の運転席７０の内部に設けられた、モニタ５０の入力部５０ｂを押圧操作することで、作業内容に応じた作業モードを選択することができる。選択された作業モードに応じて、選択信号が、コントローラ１６に出力される。なお、モード選択スイッチ５１は、入力部５０ｂに備えられてもよいが、表示部５０ａをタッチパネル式液晶画面として、画面の一部をオペレータが押圧することにより作業モードを選択することができるようにしてもよい。

まず、モード選択スイッチ５１によって選択される作業モードには、Ｐモード（パワーモード）、Ｅモード（エコノミーモード）、Ｌモード（吊り荷モード）、Ｂモード（ブレーカモード）、ＡＴＴモード（アタッチメントモード）がある。ＰモードやＥモードは、通常の掘削作業などを行うときのモードであり、Ｅモードは、Ｐモードに比して最大トルクが抑えられている。Ｌモードは、フック７に吊り下げられた荷をリフティングするアームクレーン操作などのようにエンジン回転数を抑えて（中速にして）ゆっくり動かす微操作モードである。Ｂモードは、岩石などを砕くブレーカをアタッチメントとして付けて作業するモードであり、エンジン回転数を中高速にして作業を行うモードである。ＡＴＴモードは、エンジン回転数を中速から高速の間にして作業を行うモードであり、グラップルなどのような特殊なアタッチメントを取り付ける場合の予備のモードである。オペレータによって、モード選択スイッチ５１が操作されていずれかの作業モードが選択されると、選択された作業モードに対応した選択信号が、コントローラ１６に出力される。

ここで、建設機械１のコントローラ１６は、オペレータによってＰモード、Ｅモードが選択された場合、図５に示したエンジントルクとエンジン回転数との関係を示すエンジントルク線図の目標エンジン運転線Ｌ０（第二のトルク線図）上となるようにエンジン回転数とエンジントルクとが制御される低速マッチング制御がなされる。一方、その他のモード、すなわち特定モードであるＬモード、Ｂモードが選択された場合、コントローラ１６は、低速マッチング制御は行わず、操作レバー４１，４２の操作に応じてエンジン回転数がほぼ一定となる通常制御を行う。たとえば、Ｌモードの場合、スロットルダイヤル６０の設定値によって決定される、中速のレギュレーションラインＦｅＬ上となるように制御される。なお、Ｅモードの場合、Ｐモードのときの最大トルク線ＲＰ（第一のトルク線図）に比してさらに最大トルクが制限された最大トルク線ＲＥ（別の第一のトルク線図）を越えない範囲であって、図５に示す目標エンジン運転線Ｌ０をＰモードの場合として、その目標エンジン運転線Ｌ０上で、より低いトルク（別の第二のトルク線図）でエンジン１２が制御されるように設定制御される。ここで、低速マッチング制御が行われる場合は、最大トルク線ＲＰ（あるいはＲＥ）上でエンジンが駆動し、操作レバーや負荷に応じて最大トルク線ＲＰ（あるいはＲＥ）から目標エンジン運転線Ｌ０（第二のトルク線図）上に移行してエンジン回転数を変化させる。

また、ＢモードおよびＡＴＴモードは、操作感覚の違和感が生じなければ、低速マッチング制御と通常制御とのいずれの制御を行ってもよいが、いずれの作業モードが選択された場合にいずれの制御が行われるのかについては予め設定しておく必要がある。Ｂモードが選択された場合も、一定の動作でブレーカを作動させてオペレータに違和感を与えないために、低速マッチング制御が行われない通常制御を行うことが望ましい。

さらに、バケット６で地面を平坦に形成する作業である鍬取り作業、バケット６で斜面を形成する法面作業、斜面走行などの場合も、オペレータにとっては慎重を要するような作業である場合が想定され、Ｌモードと同様に、通常制御を行う作業モードとして設定しておくことが好ましい。Ｌモードは、吊り荷作業や鍬取り作業など、正確かつゆっくりと作業機を動作させる際に選択される作業モードとして、吊り荷モードの変わりに微操作モードとして設定されていてもよい。すなわち、特定モードとは、吊り荷モード、Ｂモード、微操作モードなど、正確かつゆっくりと作業機を動作させる際に選択される作業モードである。

なお、第二のトルク線図である目標エンジン運転線Ｌ０は、エンジン１２の燃料消費量最小範囲を通る線図であるが、これに限らず、エンジン１２の燃料消費量最小範囲を通らない別の第二のトルク線図である別の目標エンジン運転線を設け、この別の目標エンジン運転線上で、負荷の軽減に応じてエンジン回転数を低下させる制御を行うようにしてもよい。すなわち、この実施の形態でいう低速マッチング制御は、必ずしも燃料消費量最小範囲を通る目標エンジン運転線上で制御する場合に限らず、負荷の軽減に応じてエンジン回転数を低下させる制御であればよい。この負荷の軽減に応じてエンジン回転数を低下させることによって、燃料消費量を抑えることができるからである。なお、図５では、第二のトルク線図が第一のトルク線図に交差するようにしているが、これに限らず、第二のトルク線図は第一のトルク線図に交差しなくてもよい。

図５に示すように、低速マッチング制御を行わず、レギュレーションラインＦｅで制御する場合のエンジン回転数変動幅Ｎ、および特定モードであるＬモードの場合のエンジン回転数変動幅ＮＬは、低速マッチング制御を行ったＰモードおよびＥモードの場合のエンジン回転数変動幅ＮＰ，ＮＥに比して小さくなり、ほぼ一定のエンジン回転数となる。

すなわち、コントローラ１６は、オペレータによってＰモード、Ｅモードが選択された場合、低速マッチング制御を行い、燃料消費量、エンジン効率、ポンプ効率の向上を図り、その一方、Ｌモードを含む特定モードが選択された場合、エンジントルクの変化に対してエンジン回転数が大幅に変わる低速マッチング制御を行わず、エンジントルクの変化に対してほぼエンジン回転数が一定となる通常制御を行い、負荷が大幅に変化した場合であっても、エンジン音およびポンプ音が変化せず、オペレータの操作感覚に違和感を生じさせず、オペレータおよび周辺作業者の不安感を抑えることができる。また、エンジンの回転数の大幅な変動により建設機械の作業機等の挙動が変化し、オペレータに違和感を与えることをおさえることができる。

ここで、図６に示したフローチャートを参照して、コントローラ１６による制御処理について説明する。まず、モード選択スイッチ５１によって選択されている現在の作業モードが特定モードであるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。特定モードである場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）には、スロットルダイヤル６０による設定可能最大値を特定モードに対応して設定する（ステップＳ１０２）。たとえば、特定モードがＬモードである場合、設定可能最大値を中速に設定する。

この結果、スロットルダイヤル値は、設定可能最大値と現在設定されている値との最小値となる。すなわち、図７に示すように、スロットルダイヤル６０は、時計方向に回すことによってスロットルダイヤル値を大きくすることができる。そして、上述したように、Ｌモードが選択された場合、設定可能最大値は、中速に設定されるため、中速以上にスロットルダイヤル６０を回しても燃料調整は無効となり、中速までのスロットルダイヤル値によって燃料調整が可能となる。

その後、コントローラ１６は低速マッチング制御をオフして、通常制御を行う（ステップＳ１０３）。たとえば、特定モードがＬモードである場合、図５に示したレギュレーションラインＦｅＬ上でエンジン回転数を制御する。

一方、オペレータがモード選択スイッチ５１によって選択した作業モードが特定モードでない場合（ステップＳ１０１，Ｎｏ）、すなわちＰモードあるいはＥモード等である場合には、スロットルダイヤル６０の設定可能最大値を最大に設定する（ステップＳ１０４）。その後、低速マッチング制御を行い（ステップＳ１０５）、目標エンジン運転線Ｌ０上でエンジン回転数を制御する。その後、作業モードの変更があったか否かを判断し（ステップＳ１０６）、作業モードの変更の指示があれば（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、ステップＳ１０１に移行して上述した処理を繰り返す。一方、作業モードの変更の指示がなければ（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、ステップＳ１０６の判断処理を繰り返し、現作業モードの状態を維持する。

この実施の形態１では、低速マッチング制御を行う作業モードと低速マッチング制御を行わず、ほぼ一定のエンジン回転数で制御する通常制御を行う作業モードである特定モードとに予め設定しておき、特定モードが選択されると、負荷の変化によってエンジン回転数が大きく変化せず、これに対応した油圧ポンプの回転数も大きく変化しない。したがって、エンジン音およびポンプ音が大きく変化しないため、オペレータの操作感覚に違和感を与えず、作業効率を上げることができる。また、エンジンの回転数の大幅な変動により建設機械の作業機等の挙動が変化し、オペレータに違和感を与えることをおさえることができる。また、この実施の形態１では、操作レバー４１〜４４の操作量を電気信号で検出しているが、油圧パイロット式の操作レバーでも適用可能である。つまり、操作レバーの操作量に応じたＰＰＣ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）圧力を操作弁に供給し、操作弁が作業機のブームシリンダ４ａなどの油圧アクチュエータへの油の供給を制御するものでも適用可能である。

［実施の形態２］
上述した実施の形態１では、建設機械１の上部旋回体２を電動アクチュエータ（旋回モータ１１３）で旋回作動させる電動旋回システムを搭載する建設機械であったが、この実施の形態２では、上部旋回体２を油圧アクチュエータ（油圧モータ）によって旋回作動させる建設機械２０１である。

図８は、この発明の実施の形態２である建設機械２０１の概要構成を示すブロック図であり、この建設機械２０１は、図８に示すように、図２に示した、上部旋回体２を電動アクチュエータ（旋回モータ１１３）で旋回作動させるための構成要素に替えて、油圧モータである旋回モータ１０および旋回用の操作バルブ３４を有する。なお、発電電動機コントローラ１１０に替えて、インバータ機能のみのインバータ２３が設けられる。

操作レバー４２が上部旋回体２を作動させる方向に操作された場合には、操作レバー４２の操作量に応じたパイロット圧（ＰＰＣ圧）ＰRswが、旋回用の操作バルブ３４のパイロットポートのうち操作レバーの操作方向（右旋回方向、左旋回方向）に対応するパイロットポート３４ａに加えられる。これによって、旋回用の操作バルブ３４が動作し、旋回モータ１０が動作することによって上部旋回体２が旋回する。

この実施の形態２では、上部旋回体２を電動アクチュエータ（電動モータ）によって旋回作動させる建設機械に替えて、上部旋回体２を油圧アクチュエータで旋回作動させる建設機械であるが、選択された作業モードに対応して低速マッチング制御を行うか、低速マッチング制御をオフして通常制御を行うかの制御については、実施の形態１と同様である。また、この実施の形態２では、操作レバー４１〜４４の操作量を電気信号で検出しているが、油圧パイロット式の操作レバーでも適用可能である。つまり、操作レバーの操作量に応じたＰＰＣ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）圧力を操作弁に供給し、操作弁が作業機のブームシリンダ４ａなどの油圧アクチュエータへの油の供給を制御するものでも適用可能である。

［実施の形態３］
上述した実施の形態１，２では、いずれもエンジン１２を用いて駆動していたが、この実施の形態３は、エンジン１２に替えてモータ２１２を用いて油圧ポンプ１３を駆動する、電動の建設機械３０１である。

図９は、この発明の実施の形態３である建設機械３０１の概要構成を示すブロック図である。この建設機械３０１は、エンジン２１に替えてモータ２１２を搭載し、エンジンコントローラ１４に替えて、モータ２１２の回転を制御するモータコントローラ２１４を有する。なお、スロットルダイヤル６０は、燃料噴射量に替えて電流量を調整するものになる。その他の構成は実施の形態１と同様である。

そして、コントローラ１６は、エンジン回転数に替えてモータ回転数を制御することによって、作業モードの選択結果をもとに、低速マッチング制御や、通常制御を行う。この場合、特定モードでは、油圧ポンプ１３の回転数変化が小さいため、ポンプ音の変化が小さく、オペレータの操作感覚に違和感を与えず、作業効率を上げることができる。なお、この実施の形態３は、実施の形態２にも適用可能である。さらに、実施の形態３では、走行モータ８，９や下部走行体３を有することを前提とし、ある程度走行できるものとしたが、これに限らず、自走を可能にする走行モータ８，９などの下部走行体３を削除する構成としてもよい。

なお、上述した実施の形態では、いずれも蓄電器２２を用いてエンジントルクアシスト、油圧ポンプアシスト、あるいは電動モータ駆動を行う、いわゆるハイブリッド建設機械を前提として説明したが、これに限らず、蓄電器２２や発電電動機２１などを用いず、１つのエンジンなどの駆動源を用いて低速マッチング制御を行う建設機械にも適用できる。

１，２０１，３０１ 建設機械
２ 上部旋回体
３ 下部走行体
４ ブーム
４ａ ブームシリンダ
５ アーム
５ａ アームシリンダ
６ バケット
６ａ バケットシリンダ
７ フック
８，９ 走行モータ
１０ 旋回モータ
１２ エンジン
１３ 油圧ポンプ
１４ エンジンコントローラ
１５ ポンプ制御バルブ
１６ コントローラ
１７〜１９ 油圧センサ
２０ ＰＴＯ軸
２１ 発電電動機
２２ 蓄電器
２３ インバータ
２４ 回転センサ
２５ 電圧センサ
３１〜３６ 操作バルブ
３１ａ〜３６ａ パイロットポート
４１〜４４ 操作レバー
４５，４６ センサ
５０ モニタ
５０ａ 表示部
５０ｂ 入力部
５１ モード選択スイッチ
５２ モニタ画面
６０ スロットルダイヤル
７０ 運転席
１１０ 発電電動機コントローラ
１１１ 電流センサ
１１２ 旋回コントローラ
１１３ 旋回モータ
１１５ 旋回速度センサ
２１２ モータ
２１４ モータコントローラ

Claims (5)

1. エンジンと前記エンジンの加速時にアシスト作用する発電電動機とを備え、前記エンジンのエンジン回転数に対する最大トルク領域で駆動可能なエンジントルク−エンジン回転数の領域を示す第一のトルク線図内で燃料調整手段の設定値に応じたレギュレーションライン上でのエンジン回転数制御と、前記第一のトルク線図の領域内で、建設機械の操作を行うための操作レバーのレバー操作量および／または建設機械にかかる負荷に伴うエンジントルクの軽減に応じて前記エンジン回転数を低下させる第二のトルク線図上でエンジン回転数の制御を行う低速マッチング制御とを行うことができるハイブリッド建設機械において、
   予め設定された複数の作業モードの中から特定モードが選択された場合に、前記燃料調整手段の設定値を前記特定モードに対応した燃料調整手段の設定可能最大値として設定するとともに前記低速マッチング制御をオフにし、レバー操作量および／または建設機械にかかる負荷に伴うエンジントルクの変動にかかわらず、前記特定モードに対応したレギュレーションライン上でのエンジン回転数制御を行い、前記特定モードが選択されない場合に、前記低速マッチング制御を行うコントローラを備えたことを特徴とするハイブリッド建設機械。
2. 前記第二のトルク線図は、前記エンジンの燃料消費量最小範囲を通る線図であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド建設機械。
3. 前記特定モードは、建設機械に備えられた作業機による、吊り荷作業の際に選択される吊り荷モードを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッド建設機械。
4. 建設機械の稼動状態等に関連する各種情報をモニタ画面に表示するとともに建設機械に動作指令を入力指示する表示装置を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のハイブリッド建設機械。
5. 前記表示装置は、前記モニタ画面に特定モードを含む各種作業モードの選択画面を表示し、選択された１つの作業モードの選択信号を前記コントローラに出力することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド建設機械。

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