JP5558427B2 - ハイブリッド型ショベル - Google Patents

Description

本発明はエンジンをアシストする電動発電機を駆動して得られた電力を蓄電装置に供給するハイブリッド型ショベルに関する。

エンジンをアシストする電動発電機（アシストモータ）を有するハイブリッド型ショベルには、電動発電機を駆動して得られた電力を蓄電するための蓄電器等を含む蓄電装置が設けられる（例えば、特許文献１参照。）。アシストモータは蓄電装置からの電力で駆動されてエンジンをアシストする。また、アシストモータはエンジンの動力で駆動されて発電を行ない、発電した電力は蓄電装置の蓄電器又は蓄電池に蓄電される。

特開２００９−２６１０９６号公報

上述のような蓄電装置を有するハイブリッド型ショベルにおいて、エンジンを始動するときにはまず暖機運転を行い、エンジンの水温が所定の温度以上となってから、通常の運転に移行する。エンジンの暖機運転中はショベルを運転することができないので、例えばエンジン回転数をアイドリング回転数より高くすることでエンジンの発熱量を大きくし、早く暖機状態となるようにすることが一般的である。

また、エンジンの暖機運転中にエンジンの出力により油圧ポンプを回転させることで、エンジンに負荷を加えてエンジンの発熱量を増大させることがある。この場合、油圧ポンプで発生した油圧は作業に用いられることなく、無駄に油圧を発生することとなる。

以上のようなエンジンの暖機運転中には、エンジンの出力はショベルの運転には使用されず、エンジンの出力を無駄にしていることとなる。そこで、エンジンの暖機運転中のエンジン出力を有効に利用することで、エネルギ効率を向上させる技術の開発が望まれている。

本発明によれば、エンジンの出力を上昇させてエンジンの暖機を行なうハイブリッド型ショベルであって、前記エンジンからの駆動力で駆動される油圧ポンプと、前記エンジンからの駆動力で発電を行なう発電機と、該発電機が発電した電力を蓄積する蓄電部と、前記油圧ポンプの動作と前記発電機の動作を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が閾値より小さい場合には、前記油圧ポンプにより前記エンジンに加わる負荷よりも前記発電機により前記エンジンに加わる負荷を大きくした状態で、前記エンジンを運転して暖機を行なうことを特徴とするハイブリッド型ショベルが提供される。

上述のハイブリッド型ショベルにおいて、前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が前記閾値以上の場合には、前記発電機により前記エンジンに加わる負荷よりも前記油圧ポンプにより前記エンジンに加わる負荷を大きくした状態で、前記エンジンを運転して暖機を行なうことが好ましい。また、前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が前記閾値以上の場合には、前記発電機の発電量を低減して前記エンジンの回転数を上昇させることとしてもよい。また、前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が前記閾値以上の場合には、点火タイミングを遅らせるように前記エンジンに指令を出すこととしてもよい。

上述の発明によれば、エンジンの暖機運転中に発電機により発電を行ない、得られた電力を蓄電部に蓄積するので、エンジンの暖機運転中のエンジン出力を電気エネルギとして蓄電部に蓄積しておき、後からショベルの運転時に使用することができる。このため、エンジンの暖機運転中の出力を無駄にすることなく、ショベルのエネルギ効率を向上させることができる。

ハイブリッド型ショベルの側面図である。 一実施形態によるハイブリッド式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 蓄電系の回路図である。 暖機運転の一例におけるエンジン、電動発電機及び油圧ポンプの制御状態を示すタイミングチャートである。 暖機運転の他の例におけるエンジン、電動発電機及び油圧ポンプの制御状態を示すタイミングチャートである。 暖機運転のさらに他の例におけるエンジン、電動発電機及び油圧ポンプの制御状態を示すタイミングチャートである。 油圧旋回式のショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明が適用されるショベルの一例であるハイブリッド型ショベルの側面図である。

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

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

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

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

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

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

コントローラ３０は、ハイブリッド型ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００（図３参照）を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。また、コントローラ３０は、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値に基づいて、蓄電器（キャパシタ）の充電率ＳＯＣを算出する。

また、エンジン１１には冷却水の温度を検出する水温計１１ａが設けられており、水温計１１ａの検出値（水温値）がコントローラ３０に供給される。コントローラ３０は、水温計１１ａの検出値を常時監視し、後述のように水温計１１ａの検出値に基づいて電動発電機１２の駆動を制御する。

図３は、蓄電系１２０の回路図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータとＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ 電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値を一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ、及び２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、発電機３００、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。

昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。

以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

昇降圧コンバータ１００は、リアクトル１０１、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０２Ａ、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、キャパシタ１９を接続するための電源接続端子１０４、インバータ１０５を接続するための出力端子１０６、及び、一対の出力端子１０６に並列に挿入される平滑用のコンデンサ１０７を備える。昇降圧コンバータ１００の出力端子１０６とインバータ１８Ａ，２０との間は、ＤＣバス１１０によって接続される。

リアクトル１０１の一端は昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂの中間点に接続され、他端は電源接続端子１０４に接続される。リアクトル１０１は、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴って生じる誘導起電力をＤＣバス１１０に供給するために設けられている。

昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）をゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで構成され、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子（スイッチング素子）である。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂは、コントローラ３０により、ゲート端子にＰＷＭ電圧が印加されることによって駆動される。昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂには、整流素子であるダイオード１０２ａ及び１０２ｂが並列接続される。

キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。

電源接続端子１０４及び出力端子１０６は、キャパシタ１９及びインバータ１８Ａ，２０が接続可能な端子であればよい。一対の電源接続端子１０４の間には、キャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部１１２が接続される。一対の出力端子１０６の間には、ＤＣバス電圧を検出するＤＣバス電圧検出部１１１が接続される。

キャパシタ電圧検出部１１２は、キャパシタ１９の電圧値Ｖｃａｐを検出する。ＤＣバス電圧検出部１１１は、ＤＣバス１１０の電圧値Ｖｄｃを検出する。平滑用のコンデンサ１０７は、出力端子１０６の正極端子と負極端子との間に挿入され、ＤＣバス電圧を平滑化するための蓄電素子である。この平滑用のコンデンサ１０７によって、ＤＣバス１１０の電圧は予め定められた電圧に維持されている。

キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子（Ｐ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１３は、キャパシタ１９の正極端子に流れる電流値Ｉ１を検出する。一方、キャパシタ電流検出部１１７は、キャパシタの負極端子（Ｎ端子）側においてキャパシタ１９に流れる電流の値を検出する検出手段であり、電流検出用の抵抗器を含む。すなわち、キャパシタ電流検出部１１７は、キャパシタ１９の負極端子に流れる電流値Ｉ２を検出する。

昇降圧コンバータ１００において、ＤＣバス１１０を昇圧する際には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂに並列に接続されたダイオード１０２ｂを介して、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａのオン／オフに伴ってリアクトル１０１に発生する誘導起電力がＤＣバス１１０に供給される。これにより、ＤＣバス１１０が昇圧される。

ＤＣバス１１０を降圧する際には、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂのゲート端子にＰＷＭ電圧が印加され、降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂ、インバータ１０５を介して供給される回生電力がＤＣバス１１０からキャパシタ １９に供給される。これにより、ＤＣバス１１０に蓄積された電力がキャパシタ１９に充電され、ＤＣバス１１０が降圧される。

本実施形態では、キャパシタ１９の正極端子を昇降圧コンバータ１００の電源接続端子１０４に接続する電源ライン１１４に、当該電源ライン１１４を遮断することのできる遮断器としてリレー１３０−１，１３０−２が設けられる。リレー１３０−１は、電源ライン１１４へのキャパシタ電圧検出部１１２の接続点１１５とキャパシタ１９の正極端子の間に配置されている。リレー１３０−１はコントローラ３０からの信号により作動し、キャパシタ１９からの電源ライン１１４を遮断することで、キャパシタ１９を昇降圧コンバータ１００から切り離すことができる。

また、キャパシタ１９の負極端子を昇降圧コンバータ１００の電源接続端子１０４に接続する電源ライン１１７に、当該電源ライン１１７を遮断することのできる遮断器としてリレー１３０−２が設けられる。リレー１３０−２は、電源ライン１１７へのキャパシタ電圧検出部１１２の接続点１１８とキャパシタ１９の負極端子の間に配置されている。リレー１３０−２はコントローラ３０からの信号により作動し、キャパシタ１９からの電源ライン１１７を遮断することで、キャパシタ１９を昇降圧コンバータ１００から切り離すことができる。なお、リレー１３０−１とリレー１３０−２を一つのリレーとして正極端子側の電源ライン１１４と負極端子側の電源ライン１１７の両方を同時に遮断してキャパシタを切り離すこととしてもよい。

なお、実際には、コントローラ３０と昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂとの間には、昇圧用ＩＧＢＴ１０２Ａ及び降圧用ＩＧＢＴ１０２Ｂを駆動するＰＷＭ信号を生成する駆動部が存在するが、図３では省略する。このような駆動部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

本実施形態では、上述のような構成のハイブリッド型ショベルにおいて、エンジン１１の暖機運転中のエンジン出力を利用して電動発電機１２を発電運転させ、得られた電力を蓄電系１２０の蓄電器であるキャパシタ１９に蓄積しておく。キャパシタ１９に蓄積された電力は、ハイブリッド型ショベルの運転時に使用されるので、暖機運転を行なうためのエネルギを無駄にすることなく、ハイブリッド型ショベルのエネルギ効率を向上させることができる。

ここで、本実施形態におけるエンジン１１の暖機運転時の、エンジン１１、電動発電機１２及び油圧ポンプ１４の制御について以下に説明する。

図４は、暖機運転時のエンジン１１、電動発電機１２及び油圧ポンプ１４の制御状態を示すタイミングチャートである。

図４（ａ）は暖機指令の変化を示すグラフである。暖機指令は、エンジン１１のコントローラ（エンジンコントロールユニット：ＥＣＵ）から出力され指令である。暖機指令は、例えばエンジン１１の始動時のようにエンジン１１の水温が低いときにＯＮとなり、エンジンが暖まってエンジン１１の水温が閾値（所定の温度）を超えるとＯＦＦとなる。

図４（ｂ）はエンジン１１の回転数の変化を示すグラフである。図４に示す例では、エンジン１１のアイドリング時の回転数は１０００ｒｐｍであり、暖機運転時にはエンジン１１の回転数は１１００ｒｐｍとなるようにエンジン１１が制御される。また、ショベルの負荷を駆動する際には、エンジン１１は回転数が例えば１８００ｒｐｍを維持するように定回転制御が行なわれる。

図４（ｃ）はエンジン１１の水温の変化を示すグラフである。エンジン１１の運転中は、水温が閾値（所定の温度）を超えないように冷却水の温度が制御される。エンジン１１の水温の制御はＥＣＵにより行なわれる。

図４（ｄ）は電動発電機１２の発電出力（発電電力）の変化を示すグラフである。コントローラ３０からの発電指令により電動発電機１２は発電運転を行い、電動発電機１２で発電した電力はインバータ１８Ａを介して蓄電系１２０に供給される。

図４（ｅ）は、油圧ポンプ１４によりエンジン１１に加わる負荷の変化を示すグラフである。油圧ポンプ１４の負荷として油圧ポンプ１４が発生する圧力の値が用いられている。

図４（ｆ）は、蓄電系１２０に設けられたキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）の変化を示すグラフである。キャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）は、システム制御下限値とシステム制御上限値（ＳＯＣｍａｘ）の間となるようにコントローラ３０により制御されている。

図４に示す例では、まずエンジン１１が始動されると、エンジン１１のＥＣＵはエンジン１１の水温に基づいて暖機運転が必要か否かを判定し、エンジン１１の水温が閾値（所定の温度）より低い場合には暖機指令をＯＮとする。図４（ａ）に示すように時刻ｔ１において暖機指令がＯＮとなると、エンジン１１の回転数をアイドリング回転数（１０００ｒｐｍ）より高い回転数（１１００ｒｐｍ）に維持するように制御が行なわれる。これにより、図４（ｂ）に示すようにエンジン１１の回転数はアイドリング回転数から上昇して１１００ｒｐｍに維持されるようになる。ここで、暖機運転中のエンジンの回転数は１１００ｒｐｍに限定されず、例えば１５００ｒｐｍでもよい。暖機運転中のエンジンの回転数は、アイドリング回転数より１００〜６００ｒｐｍ程度高い回転数とすることができる。

時刻ｔ１において暖機運転が開始された後、時刻ｔ２において電動発電機１２を発電運転する指令がコントローラ３０から出される。これにより、時刻ｔ２から電動発電機１２が発電運転を行い、図４（ｄ）に示すように電動発電機１２から電力が出力される。電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０に供給される。このとき、電動発電機１２を駆動する分だけエンジン１１にかかる負荷が大きくなるため、エンジン１１の発熱量が多くなり、エンジン１１の暖機が促進される。

暖機運転中はショベルでの作業運転はまだ開始されていないので、蓄電系１２０に供給された電力はキャパシタ１９に蓄積される。したがって、キャパシタの充電率（ＳＯＣ）は、図４（ｆ）に示すように時刻ｔ２から上昇し始める。本例では、図４（ｆ）に示すように時刻ｔ３においてキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）がシステム制御上限値（ＳＯＣｍａｘ）まで上昇している。したがって、時刻ｔ３以降はキャパシタ１９に電力を蓄積することはできないので、図４（ｄ）に示すように、時刻ｔ３において電動発電機１２の発電運転は停止され、電動発電機１２からの出力（電力）ゼロとなる。

時刻ｔ３において電動発電機１２の発電運転が停止された時点で、エンジン１１の水温が閾値に達しているか否かが判定される。ここで、閾値とは、エンジン１１が暖機終了後に維持されるべき水温（所定の温度）であり、エンジン１１の暖機状態での水温である。図４に示す例では、電動発電機１２の発電運転が停止された時刻ｔ３において、エンジン１１の水温はまだ閾値より低くなっている。したがって、エンジン１１の暖機運転を継続する必要がある。そこで、本実施形態では、暖機を促進するために、電動発電機１２による発電運転の代わりに、油圧ポンプ１４を駆動することでエンジン１１への負荷を増大させる。

すなわち、時刻ｔ３において、電動発電機１２の発電運転に代えて油圧ポンプ１４が駆動される。今度はエンジン１１の動力で油圧ポンプ１４が駆動されるので、エンジン１１への負荷は増大する。これにより、エンジン１１の発熱量は増大するため、エンジン１１の暖機が促進される。

そのまま暖機運転を続けると、エンジン１１の水温は上昇し、図４（ｃ）に示すように、時刻ｔ４において水温は閾値に到達する。したがって、時刻ｔ４においてエンジン１１は暖機状態となったと判定され、暖機指令は時刻ｔ４においてＯＦＦとなる。したがって、時刻ｔ４において、油圧ポンプ１４の駆動も停止され、油圧ポンプ負荷は、図４（ｅ）に示すようにゼロに戻る。そして、時刻ｔ５においてエンジン１１の回転数がアイドリング回転数に低減されて暖機運転は終了する。

以上のように、図４に示す暖機運転では、電動発電機１２による負荷をエンジン１１に加えながら暖機を行い、キャパシタ１９の充電率が上限まで到達した後は電動発電機１２に代えて油圧ポンプ１４による負荷をエンジン１１に加えて暖機を促進する。電動発電機１２による負荷をエンジン１１に加えているときには、発電電力はキャパシタ１９に蓄積されるので、エンジン１１の出力が電気エネルギとして回収され、その後ショベルの運転に使用されるので、ショベルのエネルギ効率を向上させることができる。

次に、暖機運転の他の例について図５を参照しながら説明する。図５は、暖機運転中にキャパシタ１９の充電率が閾値まで到達しない場合の例である。図５（ａ）〜（ｆ）のグラフは、図４（ａ）〜（ｆ）のグラフにそれぞれ対応する。

図５に示す例では、まずエンジン１１が始動されると、エンジン１１のＥＣＵはエンジン１１の水温に基づいて暖機運転が必要か否かを判定し、エンジン１１の水温が閾値（所定の温度）より低い場合には暖機指令をＯＮとする。図５（ａ）に示すように時刻ｔ１において暖機指令がＯＮとなると、エンジン１１の回転数をアイドリング回転数（１０００ｒｐｍ）より高い回転数（１１００ｒｐｍ）に維持するように制御が行なわれる。これにより、図４（ｂ）に示すようにエンジン１１の回転数はアイドリング回転数から上昇して１１００ｒｐｍに維持されるようになる。

時刻ｔ１において暖機運転が開始された後、時刻ｔ２において電動発電機１２を発電運転する指令がコントローラ３０から出される。これにより、時刻ｔ２から電動発電機１２が発電運転を行い、図５（ｄ）に示すように電動発電機１２から電力が出力される。電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０に供給される。このとき、電動発電機１２を駆動する分だけエンジン１１にかかる負荷が大きくなるため、エンジン１１の発熱量が多くなり、エンジン１１の暖機が促進される。

暖機運転中はショベルでの作業運転はまだ開始されていないので、蓄電系１２０に供給された電力はキャパシタ１９に蓄積される。したがって、キャパシタの充電率（ＳＯＣ）は、図５（ｆ）に示すように時刻ｔ２から上昇し始める。

ここまでは、図４に示す暖機運転の例と同じである。ここで、図５に示す例では、例えばキャパシタ１９の容量が大きく、暖機運転中にキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）はシステム制御上限値（ＳＯＣｍａｘ）まで到達しない。したがって、図５に示す例では、暖機運転中にキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）がシステム制御上限値（ＳＯＣｍａｘ）に到達する時刻ｔ３は存在せず、時刻ｔ２から時刻ｔ４に至るまで電動発電機１２の発電運転は継続される。

図５（ｃ）に示すように、時刻ｔ４において水温が閾値に到達すると、エンジン１１は暖機状態となったと判定され、暖機指令は時刻ｔ４においてＯＦＦとなる。したがって、時刻ｔ４において、電動発電機１２の電動運転も停止され、電動発電機１２の出力はゼロに戻る。そして、時刻ｔ５においてエンジン１１の回転数がアイドリング回転数に低減されて暖機運転は終了する。

以上のように、図５に示す暖機運転では、電動発電機１２による負荷をエンジン１１に加えながら暖機を行い、キャパシタ１９の充電率が上限まで到達する前にエンジン１１が暖機状態となり、暖機運転が終了される。電動発電機１２による負荷をエンジン１１に加えているときには、発電電力はキャパシタ１９に蓄積されるので、エンジン１１の出力が電気エネルギとして回収され、その後ショベルの運転に使用されるので、ショベルのエネルギ効率を向上させることができる。

なお、図５に示す例では、暖機運転中の暖機の促進に油圧ポンプ１４の負荷を使用しないので、油圧ポンプ１４の負荷（圧力）は図５（ｅ）に示すように暖機運転中はゼロのままである。

次に、暖機運転のさらに他の例について図６を参照しながら説明する。図６は、暖機運転中にキャパシタ１９の充電率が閾値まで到達し、その後エンジン回転数を段階的に上昇させながら暖機を行なう場合の例である。図６（ａ）〜（ｆ）のグラフは、図４（ａ）〜（ｆ）のグラフにそれぞれ対応する。

図６に示す例では、まずエンジン１１が始動されると、エンジン１１のＥＣＵはエンジン１１の水温に基づいて暖機運転が必要か否かを判定し、エンジン１１の水温が閾値（所定の温度）より低い場合には暖機指令をＯＮとする。図６（ａ）に示すように時刻ｔ１において暖機指令がＯＮとなると、エンジン１１の回転数をアイドリング回転数（１０００ｒｐｍ）より高い回転数（１１００ｒｐｍ）に維持するように制御が行なわれる。これにより、図６（ｂ）に示すようにエンジン１１の回転数はアイドリング回転数から上昇して１１００ｒｐｍに維持されるようになる。

時刻ｔ１において暖機運転が開始された後、時刻ｔ２において電動発電機１２を発電運転する指令がコントローラ３０から出される。これにより、時刻ｔ２から電動発電機１２が発電運転を行い、図６（ｄ）に示すように電動発電機１２から電力が出力される。電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０に供給される。このとき、電動発電機１２を駆動する分だけエンジン１１にかかる負荷が大きくなるため、エンジン１１の発熱量が多くなり、エンジン１１の暖機が促進される。

暖機運転中はショベルでの作業運転はまだ開始されていないので、蓄電系１２０に供給された電力はキャパシタ１９に蓄積される。したがって、キャパシタの充電率（ＳＯＣ）は、図６（ｆ）に示すように時刻ｔ２から上昇し始める。

図６に示す例では、図４に示す例と同様にキャパシタ１９の容量が小さいため、時刻ｔ３においてキャパシタ１９の充電率（ＳＯＣ）がシステム制御上限値（ＳＯＣｍａｘ）まで上昇している。したがって、時刻ｔ３以降はキャパシタ１９に電力を蓄積することはできないので、図６（ｄ）に示すように、時刻ｔ３において電動発電機１２の発電運転は停止され、電動発電機１２からの出力（電力）はゼロとなる。

時刻ｔ３において電動発電機１２の発電運転が停止された時点で、エンジン１１の水温が閾値に達しているか否かが判定される。図６に示す例では、電動発電機１２の発電運転が停止された時刻ｔ３において、エンジン１１の水温はまだ閾値より低くなっている。したがって、エンジン１１の暖機運転を継続する必要がある。そこで、本実施形態では、暖機を促進するために、電動発電機１２による発電運転の代わりに、エンジン１１への回転数を段階的に増大させることでエンジン１１の発熱量を多くする。

すなわち、時刻ｔ３において、図６（ｂ）に示すように、電動発電機１２の発電運転に代えてエンジン１１の回転数が段階的に引き上げられる。これにより、エンジン１１の発熱量は増大するため、エンジン１１の暖機が促進される。

そのまま暖機運転を続けると、エンジン１１の水温は上昇し、図６（ｃ）に示すように、時刻ｔ４において水温は閾値に到達する。したがって、時刻ｔ４においてエンジン１１は暖機状態となったと判定され、暖機指令は時刻ｔ４においてＯＦＦとなる。したがって、時刻ｔ４において、エンジン１１の回転数がアイドリング回転数に低減されて暖機運転は終了する。

以上のように、図６に示す暖機運転では、電動発電機１２による負荷をエンジン１１に加えながら暖機を行い、キャパシタ１９の充電率が上限まで到達した後は電動発電機１２の発電運転に代えてエンジン１１の回転数が段階的に引き上げられ、暖機を促進する。電動発電機１２による負荷をエンジン１１に加えているときには、発電電力はキャパシタ１９に蓄積されるので、エンジン１１の出力が電気エネルギとして回収され、その後ショベルの運転に使用されるので、ショベルのエネルギ効率を向上させることができる。

なお、図６に示す例では、暖機運転中の暖機の促進に油圧ポンプ１４の負荷を使用しないので、油圧ポンプ１４の負荷（圧力）は図６（ｅ）に示すように暖機運転中はゼロのままである。ここで、図６に示す事例では、蓄電部としてのキャパシタ１９の蓄電量が前記閾値以上の場合には、エンジン１１の回転数が段階的に引き上げられているが、エンジン１１の点火タイミングを遅らせるように指令を出すことで、エンジン１１へ負荷を与えて暖機するようにしてもよい。

上述の実施形態では旋回機構２が電動式であったが、旋回機構２が電動ではなく油圧駆動の場合がある。図７は図２に示すハイブリッド型ショベルの旋回機構を油圧駆動式とした場合の駆動系の構成を示すブロック図である。図７に示すハイブリッド型ショベルでは、旋回用電動機２１の代わりに、旋回油圧モータ２Ａがコントロールバルブ１７に接続され、旋回機構２は旋回油圧モータ２Ａにより駆動される。このような、ハイブリッド型ショベルであっても、上述の実施形態のようにして、エンジン１１の暖機運転中のエンジン出力で電動発電機１２を発電運転し、得られた電力をキャパシタ１９に蓄積しておくことができる。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
２Ａ 旋回油圧モータ
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
７Ａ 油圧配管
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ エンジン
１１ａ 水温計
１２ 電動発電機
１３ 変速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８Ａ，２０ インバータ
１９ キャパシタ
２１ 旋回用電動機
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回変速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２６Ｄ ボタンスイッチ
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
１００ 昇降圧コンバータ
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電圧検出部
１１２ キャパシタ電圧検出部
１１３，１１６ キャパシタ電流検出部
１１４，１１７ 電源ライン
１１５，１１８ 接続点
１２０ 蓄電系
１２０Ａ コンバータ
１３０−１，１３０−２ リレー

Claims (4)

1. エンジンの出力を上昇させてエンジンの暖機を行なうハイブリッド型ショベルであって、
   前記エンジンからの駆動力で駆動される油圧ポンプと、
   前記エンジンからの駆動力で発電を行なう発電機と、
   該発電機が発電した電力を蓄積する蓄電部と、
   前記油圧ポンプの動作と前記発電機の動作を制御する制御部と
   を有し、
   前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が閾値より小さい場合には、前記油圧ポンプにより前記エンジンに加わる負荷よりも前記発電機により前記エンジンに加わる負荷を大きくした状態で、前記エンジンを運転して暖機を行なうことを特徴とするハイブリッド型ショベル。
2. 請求項１記載のハイブリッド型ショベルであって、
   前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が前記閾値以上の場合には、前記発電機により前記エンジンに加わる負荷よりも前記油圧ポンプにより前記エンジンに加わる負荷を大きくした状態で、前記エンジンを運転して暖機を行なうことを特徴とするハイブリッド型ショベル。
3. 請求項１記載のハイブリッド型ショベルであって、
   前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が前記閾値以上の場合には、前記発電機の発電量を低減して前記エンジンの回転数を上昇させることを特徴とするハイブリッド型ショベル。
4. 請求項１記載のハイブリッド型ショベルであって、
   前記制御部は、前記蓄電部の蓄電量が前記閾値以上の場合には、点火タイミングを遅らせるように前記エンジンに指令を出すことを特徴とするハイブリッド型ショベル。

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