JP5663583B2

JP5663583B2 - 作業機械

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Publication number: JP5663583B2
Application number: JP2012531817A
Authority: JP
Inventors: 石川　広二; 広二石川; 英敏佐竹; 真司西川; 大木　孝利; 孝利大木
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-24
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2031-08-24
Also published as: WO2012029606A1; EP2613030B1; CN103069118A; KR101787803B1; EP2613030A4; US9010088B2; US20130213020A1; JPWO2012029606A1; CN103069118B; KR20130099083A; EP2613030A1

Description

本発明は、排気ガス浄化装置を有する油圧ショベル等の作業機械に関する。

昨今の作業機械例えば油圧ショベルは、一般に、エンジンと、このエンジンの動力を伝達されて駆動する可変容量型油圧ポンプと、この可変容量型油圧ポンプから吐出された作動油で駆動する油圧アクチュエータと、可変容量型油圧ポンプと油圧アクチュエータとの間に介在し、油圧アクチュエータに作動油を供給する状態と、油圧アクチュエータに作動油を供給せずに作動油を作動油タンクに戻す非供給状態とのいずれかに切り替え可能なアクチュエータ制御用制御弁と、エンジンにおける不完全燃焼で生じた排気ガス中の粒子状物質をフィルタにより捕集する排気ガス浄化装置とを備えている。

排気ガス浄化装置は、エンジンの排気ガスを油圧ショベルの外部に導く排気管に設けられている。この排気ガス浄化装置のフィルタにより捕集された粒子状物質は、排気ガスの熱で燃焼されることによって、そのフィルタから除去される。

油圧ショベルの非作業状態において、すなわち前述したアクチュエータ制御用制御弁の非供給状態において、エンジン出力は、省エネを考慮して、油圧回路の冷却および潤滑に必要な最低吐出圧、および最小吐出量の圧油を可変容量型油圧ポンプが吐出するのに必要な大きさまで低下するようになっている。

エンジン出力が低くなれば排気ガスの温度も低くなる。これに伴い、排気ガスの熱による粒子状物質の燃焼が生じにくくなって、排気ガス浄化装置のフィルタが目詰まりしやすくなる。フィルタの目詰まりを防止するために、特許文献１に示される従来の油圧作業機械では、フィルタの目詰まりを検知したときに、可変容量型油圧ポンプの吐出圧、および吐出量を上昇させることでエンジンに作用する負荷を増加させ、排気ガスの温度を粒子状物質が燃焼するのに必要な温度まで上昇させるようにしてある。可変容量型油圧ポンプの吐出圧を上昇させる手段は、可変容量型油圧ポンプから作動油タンクに可変容量型油圧ポンプの吐出油を導く管路を開閉可能な切替弁であり、アクチュエータ制御用制御弁の非供給状態において、その切替弁を制御することで吐出圧を上昇させるようになっている。

ところで近年、電動モータおよび蓄電デバイス（バッテリや電気二重層キャパシタ等）を用いることにより、従来の油圧作業機械よりもエネルギ効率を高め、省エネルギ化を図った建設機械が特許文献２に提案されている。この特許文献２に示される建設機械では、エンジンに発電機を接続し、低負荷運転時に発電機で発生した電気エネルギをバッテリに蓄電し、高負荷運転時にその電気エネルギを取り出して、エンジンの負荷を軽減させるようにしている。

特許第３０７３３８０号公報特許第３６４７３１９号公報

特許文献１に示される従来技術によれば、油圧負荷をエンジンに掛けることにより、排気ガスの温度を上昇させ、排気ガス浄化装置に蓄積された粒子状物質を燃焼させることが可能である。しかし、油圧によって負荷掛けする場合、非操作時の油圧回路圧力の上昇によるリークの増加、それによる想定外の油圧アクチュエータの作動や、絞り捨てる油圧エネルギによる油圧回路の温度上昇の発生などの問題があった。

ここで、例えば特許文献２に示されるように、エンジンに発電機を接続した建設機械にあっては、従来のように油圧によるエンジン負荷掛け手段を設ける代わりに、発電機で発電することでエンジン負荷掛け手段を構成することが可能である。この場合、発電機を追加することによる燃費低減のための充電の実現という構成をそのままにして、排気ガス浄化装置の粒子状物質を燃焼させることができる。したがって、部品を追加させなくて済む。さらに、発電機によって負荷掛けをする場合、前述の油圧による負荷掛けの問題であったリーク増大や、油圧回路の温度上昇といった問題を生じない。また、発電機は通常トルク指令によって駆動するため、油圧による負荷に比べて、エンジンに掛ける負荷のばらつきや変動を抑えることができ、より正確な負荷掛けが可能となる。

しかし、この発電機による負荷掛けを行なう場合には、発電機や蓄電デバイスのエラー、故障といった異常状態で発電機が正常な動作を行なえない場合や、蓄電デバイスのエネルギ不足や過充電状態等、何らかの理由で発電機のトルクが発生できなくなる状態が起こり得る。このような状態となると、粒子状物質を燃焼させるための負荷をエンジンに掛けることができなくなり、排気ガス中の粒子状物質の除去機能が低下してしまう。

本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、電動負荷掛け手段を備えたものにあって、電動アシストモータおよび蓄電デバイスを含む電動システムの故障時であっても、排気ガス浄化装置のフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼させることができる作業機械を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明は、エンジンと、このエンジンで駆動される可変容量型油圧ポンプと、前記エンジンの駆動補助、および発電をする電動アシストモータと、前記エンジンで生じた排気ガス中の粒子状物質をフィルタにより捕集する排気ガス浄化装置と、前記可変容量型油圧ポンプと前記油圧アクチュエータとの間に介在し、前記可変容量型油圧ポンプからの作動油を前記油圧アクチュエータに供給する供給状態と、前記油圧アクチュエータに供給せずに作動油を作動油タンクに戻す非供給状態とのいずれかに切り替え可能なアクチュエータ制御用制御弁と、前記電動アシストモータに接続された蓄電デバイスと、前記排気ガスの温度を前記粒子状物質の燃焼に必要な温度となるように前記エンジンに負荷を掛ける負荷掛け手段とを備えた作業機械において、前記負荷掛け手段が、前記電動アシストモータを発電動作させることにより前記エンジンに負荷を掛け、前記排気ガスの温度を上昇させる電動負荷掛け手段と、前記可変容量型油圧ポンプの吐出圧を上昇させることにより前記エンジンに負荷を掛け、前記排気ガスの温度を上昇させる油圧負荷掛け手段とから成り、前記電動負荷掛け手段のみを作動させる制御処理、前記油圧負荷掛け手段のみを作動させる制御処理、及び前記電動負荷掛け手段と前記油圧負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理のいずれかを選択的に行なう選択制御手段を備えたことを特徴としている。

このように構成した本発明は、エンジンに負荷を掛ける負荷掛け手段が、電動アシストモータを発電動作させることによりエンジンに負荷を掛け、排気ガスの温度を上昇させる電動負荷掛け手段と、可変容量型油圧ポンプの吐出圧を上昇させることによりエンジンに負荷を掛け、排気ガスの温度を上昇させる油圧負荷掛け手段とから成ることから、電動アシストモータおよび蓄電デバイスを含む電動システムが正常に動作しているときには、選択制御手段によって、例えば電動負荷掛け手段を作動させる制御処理を行なうように選択すればよい。これにより、排気ガス浄化装置に蓄積した粒子状物質を高い精度で燃焼させることができる。このように電動負荷掛け手段が作動している状態にあって、電動アシストモータおよび蓄電デバイスを含む電動システムに異常が生じ、電動負荷掛け手段が機能しなくなったときには、選択制御手段によって、油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理を選択させればよい。これにより電動負荷掛け手段よりもエネルギロス等を生じるものの、排気ガス浄化装置に蓄積した粒子状物質を燃焼させることができる。すなわち、電動負荷掛け手段を備えたものにあって、電動アシストモータおよび蓄電デバイスを含む電動システムの故障時であっても、排気ガス浄化装置のフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼させることができる。

また本発明は、前記発明において、前記選択制御手段は、前記電動アシストモータおよび前記蓄電デバイスを含む電動システムの異常を監視する異常監視手段を含み、この異常監視手段で異常が監視されたとき、前記油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理を行なうことを特徴としている。

また本発明は、前記発明において、前記選択制御手段は、前記蓄電デバイスの蓄電状況を監視する蓄電状況監視手段を含み、この蓄電状況監視手段で監視される蓄電状況に応じて、前記油圧負荷掛け手段のみを作動させる制御処理、前記電動負荷掛け手段のみを作動させる制御処理、および前記油圧負荷掛け手段と前記電動負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理のいずれかの制御処理を行なうことを特徴としている。

また本発明は、前記発明において、前記選択制御手段は、前記エンジンの負荷掛け時に、前記蓄電状況監視手段で監視される前記蓄電デバイスの蓄電残量が予め設定される下限閾値より低いときは、前記電動負荷掛け手段のみを作動させる制御処理を行ない、前記蓄電デバイスの蓄電残量が予め設定される上限閾値より高いときには、前記油圧負荷掛け手段のみを作動させる制御処理を行ない、前記蓄電デバイスの残量が前記上限閾値と前記下限閾値の間にあるときは、前記油圧負荷掛け手段と前記電動負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理を行なうことを特徴としている。

また本発明は、前記発明において、前記選択制御手段は、前記油圧負荷掛け手段と前記電動負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理に際して、前記油圧負荷掛け手段と前記電動負荷掛け手段を作動させる割合を、前記蓄電デバイスの蓄電電圧に応じて変化させる制御処理を行なうことを特徴としている。

また本発明は、前記発明において、前記選択制御手段は、前記油圧負荷掛け手段と前記電動負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理に際して、前記蓄電デバイスの蓄電電圧が前記下限閾値の付近にあっては、前記電動負荷掛け手段を作動させる割合を大きくし、前記上限閾値の付近にあっては、前記油圧負荷掛け手段を作動させる割合を大きくする制御処理を行なうことを特徴としている。

また本発明は、前記発明において、前記排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記排気ガスの温度が、予め設定される前記粒子状物質の燃焼に最低限必要と見做し得る温度範囲内の温度かどうか判定する排気ガス温度判定手段と、この排気ガス温度判定手段で、前記温度検出手段によって検出された前記排気ガスの温度が、前記温度範囲内の温度でないと判定されたとき、前記排気ガスの温度が前記温度範囲内の温度となるように、前記選択制御手段で選択された負荷掛け手段の作動を調整する調整手段とを備えたことを特徴としている。

本発明は、排気ガスの温度を粒子状物質の燃焼に必要な温度となるようにエンジンに負荷を掛ける負荷掛け手段が、エンジンに接続した電動アシストモータを発電動作させることによりエンジンに負荷を掛け、排気ガスの温度を上昇させる電動負荷掛け手段と、可変容量型油圧ポンプの吐出圧を上昇させることによりエンジンに負荷を掛け、排気ガスの温度を上昇させる油圧負荷掛け手段とから成り、電動負荷掛け手段と油圧負荷掛け手段とを選択的に作動させる制御処理を行なう選択制御手段を備えたことから、選択制御手段の制御処理によって電動負荷掛け手段と油圧負荷掛け手段とを選択的に作動させることによって、電動負荷掛け手段を備えたものにあって、電動アシストモータおよび蓄電デバイスを含む電動システムの故障時であっても、油圧負荷掛け手段を作動させることにより、排気ガス浄化装置のフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼させることができる。これにより、排気ガス浄化装置に蓄積された排気ガス中の粒子状物質の除去機能を従来よりも向上させることができ、エンジンの排気ガスの浄化精度に優れた作業機械を得ることができる。

本発明に係る作業機械の一例として挙げた油圧ショベルを示す側面図である。図１に示す油圧ショベルに備えられる油圧駆動装置の第１実施形態を示す電気・油圧回路図である。図２に示す油圧駆動装置に備えられる電動システムの構成を示すブロック図である。第１実施形態に備えられるメインコントローラを含む油圧制御システムを示すブロック図である。第１実施形態に備えられるメインコントローラにおける制御処理手順を示すフローチャートである。エンジンの負荷掛けに際しての第１実施形態に備えられるメインコントローラ、および電動システムのコントローラにおける制御処理手順を示すフローチャートである。第１実施形態に備えられる電動負荷掛け手段と油圧負荷掛け手段の双方を作動させる際のキャパシタ電圧に対するそれぞれの負荷の関係を示す図である。本発明に係る油圧駆動装置の第２実施形態を示す電気・油圧回路図である。第２実施形態に備えられるメインコントローラを含む油圧制御システムを示すブロック図である。第２実施形態に備えられるメインコントローラに含まれる油圧負荷掛け手段の作動を調整する構成を示す図である。第２実施形態に備えられるメインコントローラにおける油圧負荷掛けに際しての制御処理手順を示すフローチャートである。第２実施形態に備えられるメインコントローラに含まれる電動負荷掛け手段の作動を調整する構成を示す図である。第２実施形態に備えられるメインコントローラにおける電動負荷掛けに際しての制御処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る作業機械の実施の形態を図に基づいて説明する。

［第１実施形態に係る油圧ショベルの構成］
図１は本発明に係る作業機械の一例として挙げた油圧ショベルを示す側面図である。この油圧ショベルは、図１に示すように、走行体３０と、この走行体３０上に配置される旋回体３１と、この旋回体３１に上下方向の回動可能に取り付けられ、土砂の掘削作業等を実施する作業装置３２とを備えている。作業装置３２は、旋回体３１に上下方向の回動可能に取り付けられるブーム３３と、このブーム３３を作動させるブームシリンダ３３ａと、ブーム３３の先端に上下方向の回動可能に取り付けられるアーム３４と、このアーム３４を作動させるアームシリンダ３４ａと、アーム３４の先端に上下方向の回動可能に取り付けられるバケット３５と、このバケット３５を作動させるバケットシリンダ３５ａとを含んでいる。

［第１実施形態に備えられる油圧システム］
図２は図１に示す油圧ショベルに備えられる油圧駆動装置の第１実施形態を示す電気・油圧回路図である。

この図２に示すように、本実施形態に係る油圧ショベルに備えられる油圧駆動装置１は、エンジンコントローラ３により燃料噴射量を電子制御されるエンジン２（例えばディーゼルエンジン）と、このエンジン２の動力を伝達されて駆動される可変容量型油圧ポンプ４およびパイロットポンプ５（固定容量型油圧ポンプ）と、可変容量型油圧ポンプ４から吐出される作動油で駆動される油圧アクチュエータ６とを備えている。図１では説明を簡単にするために、油圧アクチュエータ６の一例として、前述したブームシリンダ３３ａ、アームシリンダ３５ａ等の油圧シリンダを示してあるが、油圧アクチュエータ６は油圧シリンダには限られない。油圧アクチュエータ６は、走行体３０を走行させる走行モータであってもよく、また、旋回体３１を旋回させる旋回モータであってもよい。

可変容量型油圧ポンプ４と油圧アクチュエータ６との間には、可変容量型油圧ポンプ４からの作動油を油圧アクチュエータ６に供給する供給状態と、作動油を油圧アクチュエータ６に供給せずに、作動油タンク８に戻す非供給状態のいずれかに切り替え可能なアクチュエータ制御用制御弁７が介在している。このアクチュエータ制御用制御弁７は、３位置弁である。これらの３つの弁位置のうちの中立位置Ｓのときにアクチュエータ制御用制御弁７は、同図２に示す非供給状態となり、可変容量型油圧ポンプ４からの作動油を作動油タンク８に導く。中立位置Ｓの左右の弁位置Ｌ，Ｒのそれぞれのときにアクチュエータ制御用制御弁７は前述した供給状態となる。

アクチュエータ制御用制御弁７は油圧パイロット式の弁である。このアクチュエータ制御用制御弁７に与えるパイロット圧力は、パイロット弁を含む操作装置９によって、パイロットポンプ５の吐出圧を１次圧として生成される。アクチュエータ制御用制御弁７は、操作装置９により生成されるパイロット圧力が第１パイロットライン１０を介して第１受圧部７ａに与えられることによって中立位置Ｓから弁位置Ｌ方向に切り替えられ、逆に、操作装置９により生成されたパイロット圧力が第２パイロットライン１１を介して第２受圧部７ｂに与えられることによって中立位置Ｓから弁位置Ｒ方向へ切り替えられる。

第１，第２パイロットライン１０，１１は高圧選択弁１２に接続されている。高圧選択弁１２が選択した高圧側の圧力は、パイロット圧力センサ１３により検出される。このパイロット圧力センサ１３は、検出圧力Ｐｐをパイロット圧力信号（電気信号）に変換するようになっていて、このパイロット圧力信号はコントローラ１４に入力されるようになっている。

エンジン２には、排気ガスを油圧ショベルの外部に導く排気管１５が設けられている。この排気管１５の途中には、エンジン２における燃焼で生じた排気ガス中の粒子状物質をフィルタにより捕集する排気ガス浄化装置１６が設けられている。

排気管１５には、排気ガス浄化装置１６の上流側の排気ガス圧と下流側の排気ガス圧の差圧を検出する差圧センサ１７が設けられている。排気ガス浄化装置１６のフィルタの目詰まり量が増加すると、排気ガスの流路抵抗が増加して上流側の排気ガス圧が下流側よりも大きくなるため、差圧センサ１７は、上流側の排気ガス圧が下流側よりも高い圧力であることを示す差圧を検出する。差圧センサ１７は、検出差圧ΔＰｅを差圧信号（電気信号）に変換するようになっている。この差圧信号は、コントローラ１４に入力されるようになっている。

可変容量型油圧ポンプ４は、押し退け容積を可変にする押し退け容積可変機構部４ａと、この押し退け容積可変機構部４ａを制御する油圧パイロット式のレギュレータ４ｂとを有する。レギュレータ４ｂに与えるパイロット圧力は、押し退け容積制御用制御弁１８により生成される。この押し退け容積制御用制御弁１８はパイロットポンプ５の吐出圧を１次圧として、そのパイロット圧力を生成する。また、この押し退け容積制御用制御弁１８は電磁弁であり、コントローラ１４からの押し退け容積制御信号（電流）に応じて、レギュレータ４ｂに与えるパイロット圧力を変化させる。

アクチュエータ制御用制御弁７よりも可変容量型油圧ポンプ４から吐出される圧油の流れの上流側の管路には、吐出圧を上昇させることが可能な吐出圧制御手段としての可変絞り１９が設けられている。この可変絞り１９は、開位置を初期位置とし閉位置の方向に弁体を移動させることが可能なスプリングリターン式の２位置弁である。また、この可変絞り１９は油圧パイロット式の弁である。この可変絞り１９に与えるパイロット圧力は吐出圧制御用制御弁２０により生成される。この吐出圧制御用制御弁２０はパイロットポンプ５の吐出圧を１次圧として、そのパイロット圧力を生成する。また、この吐出圧制御用制御弁２０は電磁弁であり、コントローラ１４からの吐出圧制御信号（電流）に応じて、可変絞り１９に与えるパイロット圧力を変化させる。吐出圧制御用制御弁２０とコントローラ１４は、可変絞り１９の制御手段を構成してある。

電動アシストモータ２３はエンジン駆動軸と接続されており、制御手段や蓄電デバイスが含まれる電動システム５０によってエンジン２のアシストや発電を行なう。この電動アシストモータ２３は、通常、エンジン２の省燃費化を考慮して制御される。例えば、エンジン負荷変動を軽減するために、エンジン低負荷時には発電を行ない、エンジン高負荷時には駆動アシストを行なう。

［第１実施形態に備えられる電動システム］
図３は図２に示す油圧駆動装置に備えられる電動システムの構成を示すブロック図である。

キャパシタ２４からの直流電力は、パワーコントロールユニット５５に備えられるチョッパ５１によって所定の母線電圧に昇圧され、電動アシストモータ２３を駆動するためのインバータ５３に入力される。平滑コンデンサ５４は、母線電圧を安定化させるために設けられている。電動アシストモータ２３の駆動状態（エンジンアシストしているか発電しているか）によって、キャパシタ２４は充放電されることになる。

電動アシストモータ２３、およびキャパシタ２４の制御を行なうコントローラ８０は、パワーコントロールユニット５５に対して指令を行ない、各制御を行なう。

本実施形態に係る油圧ショベルにおける通常時、すなわち電動システム５０が正常に動作しているときには、電動アシストモータ２３による発電負荷が実施されるようになっている。

メインコントローラ１４に接続されるコントローラ８０は、電動アシストモータ２３やキャパシタ２４、パワーコントロールユニット５５を含む電動システム５０のエラーや故障を監視する異常監視手段８１と、蓄電デバイスすなわちキャパシタ２４の蓄電状況を監視する蓄電状況監視手段８２と、電動アシストモータ２３の駆動アシスト・発電を制御する電動アシストモータ制御手段８３とを備えている。

コントローラ８０が電動アシストモータ２３に駆動トルク時のトルク、あるいは発電動作時のトルク指令値をパワーコントロールユニット５５に与えると、パワーコントロールユニット５５は指令されたトルクとなるように電動アシストモータ２３を制御する。

異常監視手段８１を介してパワーコントロールユニット５５、電動アシストモータ２３、キャパシタ２４等の電動系に異常が発生したことが検出されたとき、あるいは蓄電状況監視手段８２を介してキャパシタ２４の蓄電量が所定の範囲外になったことが検出されたときは、電動アシストモータ制御手段８３によって、電動アシストモータ２３の発電または駆動を停止させる制御処理が実施される。

前述した電動システム５０に含まれるパワーコントロールユニット５５のインバータ５３、および電動システム５０に含まれるコントローラ８０の電動アシストモータ制御手段８３によって、電動アシストモータ２３を発電動作させることによりエンジン２に負荷を掛け、エンジン２の排気ガスの温度を上昇させる電動負荷掛け手段が構成されている。

前述した可変絞り１９、吐出圧制御用制御弁２０、およびパイロットポンプ５によって、可変容量型油圧ポンプ４の吐出圧を上昇させることによりエンジン２に負荷を掛け、エンジン２の排気ガスの温度を上昇させる油圧負荷掛け手段が構成されている。

また、メインコントローラ１４と、異常監視手段８１、蓄電状況監視手段８２、および電動アシストモータ制御手段８３を含む電動システム５０のコントローラ８０とによって、前述の電動負荷掛け手段と油圧負荷掛け手段とを選択的に作動させる制御処理を行なう選択制御手段が構成されている。

［第１実施形態における油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理］
図４は第１実施形態に備えられるメインコントローラを含む油圧制御システムを示すブロック図、図５は第１実施形態に備えられるメインコントローラにおける制御処理手順を示すフローチャートである。

コントローラ１４は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを有し、コンピュータプログラムにより次のように設定されている。

図４に示すように、メインコントローラ１４は、パイロット圧力判定手段として機能するように設定されている。このパイロット圧力判定手段は、パイロット圧力センサ１３からのパイロット圧力信号により示された検出圧力Ｐｐが、アクチュエータ制御用制御弁７を作動させる設定圧力Ｐｐｓ未満かどうかを、すなわち、アクチュエータ制御用制御弁７の状態が可変容量型油圧ポンプ４からの作動油を油圧アクチュエータ６に供給する供給状態なのか、供給しない非供給状態なのかを判定する。供給状態は油圧ショベルの作業状態であり、非供給状態は油圧ショベルの非作業状態である。つまり、高圧選択弁１２とパイロット圧力センサ１３とメインコントローラ１４とによって、油圧ショベルの作業状態と非作業状態とが検知されるようになっている。

また、メインコントローラ１４は、差圧判定手段としても機能するように設定されている。この差圧判定手段は、差圧センサ１７からの差圧信号により示された検出差圧ΔＰｅが、予め設定された基準差圧ΔＰｅｓ以上であるかどうかを判定する。検出差圧ΔＰｅは排気ガス浄化装置１６のフィルタの目詰まりに伴い排気ガスの流路抵抗が大きくなることにより増大する。つまり、差圧センサ１７とメインコントローラ１４とによって、排気ガス浄化装置１６のフィルタの目詰まりを検知するようになっている。

また、メインコントローラ１４は、エンジン回転数指令手段として機能するようにも設定されている。このエンジン回転数指令手段は、予め設定された第１目標回転数信号Ｒ１をエンジンコントローラ３に与える。第１目標回転数信号Ｒ１は、省エネを考慮して、油圧回路の冷却および潤滑に必要な最低吐出圧および最小吐出量の圧油を可変容量型油圧ポンプ４が吐出するのに必要な大きさまでエンジン回転数を低下させるために設定されたものである。

また、エンジン回転数指令手段は、エンジンコントローラ３に与える目標回転数信号を前述した第１目標回転数信号Ｒ１から第２目標回転数信号Ｒ２に切り替える制御を行う。この第２目標回転数は前述した第１目標回転数よりも大きい。

また、メインコントローラ１４は、押し退け容積制御用制御弁制御手段として機能するようにも設定されている。この押し退け容積制御用制御弁制御手段は、予め設定された第１押し退け容積に相応する第１押し退け容積制御信号ＤＳ１を押し退け容積制御用制御弁１８に与える。押し退け容積制御用制御弁１８が第１押し退け容積制御信号ＤＳ１に応じてパイロット圧力をレギュレータ４ｂに与えると、レギュレータ４ｂは押し退け容積可変機構部４ａを操作し、可変容量型油圧ポンプ４の押し退け容積を第１押し退け容積に設定する。可変容量型油圧ポンプ４は第１押し退け容積に設定された状態において、前述した第１目標回転数で動作するエンジン２により駆動されると、前述の最小吐出量の圧油を吐出する。

また、押し退け容積制御用制御弁制御手段は、押し退け容積制御用制御弁１８に与える押し退け容積制御信号を、前述した第１押し退け容積制御信号ＤＳ１から、予め設定された第２押し退け容積制御信号ＤＳ２に切り替える制御を行う。押し退け容積制御用制御弁１８が第２押し退け容積制御信号ＤＳ２に応じてパイロット圧力をレギュレータ４ｂに与えると、レギュレータ４ｂは押し退け容積可変機構部４ａを操作し、可変容量型油圧ポンプ４の押し退け容積を第２押し退け容積に設定する。可変容量型油圧ポンプ４は第２押し退け容積に設定された状態において、前述した第２目標回転数で動作するエンジン２により駆動されると、前述した最小吐出量よりも大きな吐出量の圧油を吐出する。

また、メインコントローラ１４は、吐出圧制御用制御弁制御手段として機能するようにも設定されている。この吐出圧制御用制御弁制御手段は、予め設定された電流値の吐出圧制御信号ＤＰを吐出圧制御用制御弁２０に与える。吐出圧制御用制御弁２０が吐出圧制御信号ＤＰに応じてパイロット圧力を可変絞り１９に与えると、可変絞り１９の弁位置は開位置から閉位置の方向に移動し、これにより吐出圧は上昇する。

第２目標回転数と、第２押し退け容積と、基準吐出圧Ｐｄｓとの関係は、エンジン２に作用させる負荷（エンジン負荷）を増加させることによって排気ガス温度を粒子状物質が燃焼するのに必要な温度まで上昇させるための最低限の大きさとなるように設定されている。つまり、基準吐出圧Ｐｄｓは、第２目標回転数および第２押し退け容積に基づくエンジン負荷が、排気ガス温度を粒子状物質の燃焼に必要な温度まで上昇させるための最低限の高さになるように設定されている。

また、メインコントローラ１４は、各手段としての処理を図５に示す流れで実行するように設定されている。その処理の流れについて説明する。

メインコントローラ１４は、はじめにパイロット圧力判定手段として機能し、パイロット圧力センサ１３からのパイロット圧力信号により示された検出圧力Ｐｐが設定圧力Ｐｐｓ未満かどうか判定する（手順Ｓ１）。メインコントローラ１４は、検出圧力Ｐｐが設定圧力Ｐｐｓ未満にならない限り、すなわち、油圧ショベルの非作業状態を検知しないかぎり、この手順Ｓ１を繰り返し行なう（手順Ｓ１でＮＯ）。

油圧ショベルの非作業状態を検知すると（手順Ｓ１でＹＥＳ）、コントローラ１４は差圧判定手段として機能し、差圧センサ１７からの差圧信号により示された検出差圧ΔＰｅが基準差圧ΔＰｅｓ以上であるかどうかを判定する（手順Ｓ２）。検出差圧ΔＰｅが基準差圧ΔＰｅｓ以上でないと判定したとき、すなわち、排気ガス浄化装置１６のフィルタの目詰まりが検知されないとき（手順Ｓ２でＮＯ）、メインコントローラ１４はエンジン回転数指令手段、および押し退け容積制御用制御弁制御手段として機能し、エンジンコントローラ３に第１目標回転数信号Ｒ１を与えるとともに、押し退け容積制御用制御弁１８に第１押し退け容積制御信号ＤＳ１を与える。このとき、アクチュエータ制御用制御弁７の弁位置は中立位置Ｓであり、可変絞り１９の弁位置は開位置である。したがって、エンジン回転数が第１目標回転数になり、かつ、押し退け容積が第１押し退け容積になると、可変容量型油圧ポンプ４は、油圧回路の冷却および潤滑に必要な最低吐出圧および最小吐出量の圧油を吐出する状態になる。その後、メインコントローラ１４は再び手順Ｓ１から処理を行い、油圧ショベルの非作業状態が検知され、かつ、目詰まりが検知されない状態では「手順Ｓ１→手順Ｓ２→手順Ｓ３→手順Ｓ１」を繰り返す。これにより、可変容量型油圧ポンプ４が油圧回路の冷却および潤滑に必要な最低吐出圧および最低吐出量の圧油を吐出する状態に維持される。

排気ガス浄化装置１６のフィルタの目詰まりを検知すると（手順Ｓ２でＹＥＳ）、メインコントローラ１４はエンジン回転数指令手段として機能する。つまり、エンジンコントローラ３に与える目標回転数信号を第１目標回転数信号Ｒ１から第２目標回転信号Ｒ２に切り替えて、エンジン回転数を第２目標回転数まで上昇させる（手順Ｓ４）。

このとき、メインコントローラ１４は押し退け容積制御用制御弁制御手段としても機能し、押し退け容積制御用制御弁１８に与える押し退け容積制御信号を、前述した第１押し退け容積制御信号ＤＳ１から第２押し退け容積制御信号ＤＳ２に切り替えて、可変容量型油圧ポンプ４の押し退け容積を第２押し退け容積に増加させる（手順Ｓ４）。

さらに、メインコントローラ１４は吐出圧制御用制御弁制御手段としても機能し、吐出圧制御信号ＤＰを吐出圧制御用制御弁２０に与える（手順Ｓ４）。吐出圧制御用制御弁２０が吐出圧制御信号ＤＰに応じたパイロット圧力を可変絞り１９に与えると、可変絞り１９の弁位置は開位置から閉位置の方向に移動し、これにより吐出圧は上昇する。

本実施形態に備えられる油圧駆動装置１は、粒子状物質を燃焼させるためにエンジン出力を上昇させるとき、エンジン回転数の上昇と押し退け容積の増加とにより吐出量を増加させるようになっているが、エンジン回転数を上昇させるのみで吐出量を増加させるようになっていてもよい。

本実施形態に備えられる油圧駆動装置１において、吐出量制御用制御弁２０とメインコントローラ１４とが、油圧パイロット式の可変絞り１９の制御手段を構成しているが、油圧パイロット式の可変絞り１９と吐出量制御用制御弁２０の代わりに電磁パイロット式の可変絞りが設けられていて、すなわち、吐出圧制御手段が電磁パイロット式の可変絞りから成っていて、メインコントローラ１４のみがその可変絞りの制御手段であってもよい。なお、可変絞りが油圧パイロット式の場合には電磁パイロット式の場合よりも可変絞りの動力を得やすいという利点がある。また、可変絞りが電磁パイロット式の場合には油圧パイロット式の場合よりも油圧回路を簡単にできるという利点がある。

［第１実施形態において電動負荷掛け手段を作動させる制御処理］
排気ガス浄化装置１６に蓄積された粒子状物質を燃焼させるために、エンジン２に負荷を掛ける負荷掛け開始条件や、その判定手段については、前述の油圧負荷掛け手段の制御処理と同じである。

メインコントローラ１４によって負荷掛けが開始されると、図３に示すように、メインコントローラ１４は電動負荷掛け開始指令を電動システム５０のコントローラ８０に出力する。

コントローラ８０は電動負荷掛け開始指令が入力されると、電動負荷掛けトルクＴをトルク指令としてパワーコントロールユニット５５へ出力し、パワーコントロールユニット５５は電動アシストモータ２３を指令トルクで発電動作させる。

この電動負荷掛けトルクＴは、粒子状物質を燃焼させるために必要な排気ガス温度になるエンジン負荷にするために必要な電動アシストモータトルクであり、予め設定されている。

電動負荷掛けによってエンジン２の負荷掛けを行えば、電動アシストモータ２３はトルク指令によって駆動するため、油圧による負荷掛けに比べて、エンジン２に掛ける負荷のばらつきや変動を抑えることができ、より精度の高い負荷掛けが可能となる。

また、油圧負荷掛けでは、排気ガスの温度を上げるためのエンジン２のエネルギは全て損失として捨てられていたが、この電動負荷掛けでは発電したエネルギをキャパシタ２４への充電によって回収できるため、より省燃費化を実現できる。

エンジン２に掛かる負荷は電動アシストモータ２３の発電トルクと回転数によって決まるため、電動負荷掛けにおいても、発電トルクだけでなくエンジン回転数を変更させてエンジン２に負荷を掛けてもよい。

［第１実施形態における電動負荷掛け手段の作動制御と油圧負荷掛け手段の作動制御の選択］
本実施形態に係る油圧ショベルは、前述の油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理と、前述の電動負荷掛け手段を作動させる制御処理の双方を行うことが可能な構成となっている。また、油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理と、電動負荷掛け手段を作動させる制御処理とは、互いに独立して成立するように構成してある。したがって、本実施形態は、油圧負荷掛け手段のみを作動させる制御処理と、電動負荷掛け手段のみを作動させる制御処理と、油圧負荷掛け手段と電動負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理（両負荷掛けの併用）とが、それぞれ選択的に可能となっている。

図６はエンジンの負荷掛けに際しての第１実施形態に備えられるメインコントローラ、および電動システムのコントローラにおける制御処理手順を示すフローチャートである。

以下、図６を用いて、本実施形態に係る油圧ショベルにおける電動負荷掛けと、油圧負荷掛けの選択手順を説明する。なお、この場合においても、排気ガス浄化装置１６に蓄積された粒子状物質を燃焼させるために、エンジン２に負荷を掛ける負荷掛けの開始条件や、その判定手段については、前述の油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理の段で述べたものと同じである（手順Ｓ１１）。

メインコントローラ１４によって負荷掛けが開始されると、まず電動システム５０のコントローラ８０の異常監視手段８１を介して、電動システム５０の状態が正常かどうか判定する（手順Ｓ１２）。電動システム５０が異常であると判定されたときは、前述の油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理が実行される。

次に、コントローラ８０の蓄電状況監視手段８２を介して、キャパシタ電圧が予め設定した下限閾値ＶＬ以下であるか判定する（手順Ｓ１３）。下限閾値ＶＬ以下と判定されたときには、前述の電動負荷掛け手段のみを作動させる制御処理が実行される。

キャパシタ電圧が下限閾値ＶＬより大きいと判定されたときには、キャパシタ電圧が上限閾値ＶＨ以上かどうか判定する（手順Ｓ１４）。上限閾値ＶＨ以上と判定されたときには、前述の油圧負荷掛け手段のみを作動させる制御処理が実行される。

キャパシタ電圧が下限閾値ＶＬと上限閾値ＶＨの間にある場合には、後述する電動負荷掛け手段と油圧負荷掛け手段の双方を作動させる併用の制御処理が実行される。

なお、本実施形態では、メインコントローラ１４と、電動システム５０に含まれるコントローラ８０とを別のコントローラとして示したが、これらのコントローラを前述した二つのコントローラのそれぞれの機能を有する一つのコントローラによって構成してもよい。

［第１実施形態における電動負荷掛け手段と油圧負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理］
図７は第１実施形態に備えられる電動負荷掛け手段と油圧負荷掛け手段の双方を作動させる際のキャパシタ電圧に対するそれぞれの負荷の関係を示す図である。

本実施形態は前述のように、油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理と、電動負荷掛け手段を作動させる制御処理とは、互いに独立して成立するように構成してあるので、油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理における油圧負荷掛けと、電動負荷掛け手段を作動させる制御処理における電動負荷掛けの負荷の合計が、粒子状物質を燃焼させる排気ガスの温度にするエンジン２の負荷となるように設定する。

さらに、本実施形態においては、図７に示すように、負荷掛けに必要なエンジン２の負荷に占める油圧負荷と電動負荷の割合を、キャパシタ電圧によって変化させるようにしてある。キャパシタ電圧が低い下限閾値ＶＬ付近にあっては、電動負荷掛けの割合を大きくし、キャパシタ電圧が高い上限閾値ＶＨ付近にあっては、油圧負荷掛けの割合を大きくする。このようにすることで、効率の良い電動負荷掛けを積極的に使うことができ、かつ、キャパシタ電圧の変動により、油圧負荷掛け単独あるいは電動負荷掛け単独と、油圧・電動負荷掛け併用との切り替わりを安定して行うことができる。

なお、本実施形態におけるようなキャパシタ電圧中間域での電動負荷掛けと油圧負荷掛けの併用を行わない場合には、電動負荷掛け単独によってキャパシタ２４が充電され、電圧がある閾値を超えた瞬間に、電動アシストモータ２３による電動負荷掛けが停止し、ポンプ吐出圧を上昇させる可変絞り１９が閉じて、油圧負荷掛けに切り替わることになる。この際、電気・油圧の切り替わり反応の差などによって、エンジン２に急な負荷変動が起こり、ショックが発生する懸念がある。

以上のように本実施形態は、エンジン２に負荷を掛ける負荷掛け手段が、電動アシストモータ２３を発電動作させることによりエンジン２に負荷を掛け、排気ガスの温度を上昇させる電動負荷掛け手段と、可変容量型油圧ポンプ４の吐出圧を上昇させることによりエンジン２に負荷を掛け、排気ガスの温度を上昇させる油圧負荷掛け手段とから成ることから、電動アシストモータ２３および蓄電デバイスであるキャパシタ２４を含む電動システム５０が正常に動作しているときには、選択制御手段によって電動負荷掛け手段を作動させる制御処理が選択される。これにより、排気ガス浄化装置１６に蓄積した粒子状物質を高い精度で燃焼させることができる。このように電動負荷掛け手段が作動している状態にあって、電動アシストモータ２３およびキャパシタ２４を含む電動システム５０に異常が生じ、電動負荷掛け手段が機能しなくなったときには、選択制御手段によって、油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理を選択させればよい。これにより電動負荷掛け手段よりもエネルギロス等を生じるものの、排気ガス浄化装置１６に蓄積した粒子状物質を燃焼させることができる。すなわち、電動負荷掛け手段を備えたものにあって、電動アシストモータ２３およびキャパシタ２４を含む電動システム５０の故障時であっても、排気ガス浄化装置１６のフィルタに捕集された粒子状物質を燃焼させることができる。これにより、排気ガス浄化装置１６に蓄積された排気ガス中の粒子状物質の除去機能を向上させることができ、エンジン２の排気ガスの浄化精度に優れた油圧ショベルを得ることができる。

１油圧駆動装置
２エンジン
４可変容量型油圧ポンプ
６油圧アクチュエータ
７アクチュエータ制御用制御弁
８作動油タンク
９操作装置
１３パイロット圧力センサ
１４メインコントローラ
１５排気管
１６排気ガス浄化装置
１７差圧センサ
１８押し退け容積制御用制御弁
１９可変絞り
２０吐出圧制御用制御弁
２３電動アシストモータ
２４キャパシタ（蓄電デバイス）
３０走行体
３１旋回体
３２作業装置
５０電動システム
５３インバータ
５５パワーコントロールユニット
８０コントローラ
８１異常監視手段
８２蓄電状況監視手段
８３電動アシストモータ制御手段

Claims

エンジンと、このエンジンで駆動される可変容量型油圧ポンプと、前記エンジンの駆動補助、および発電をする電動アシストモータと、前記エンジンで生じた排気ガス中の粒子状物質をフィルタにより捕集する排気ガス浄化装置と、前記可変容量型油圧ポンプと前記油圧アクチュエータとの間に介在し、前記可変容量型油圧ポンプからの作動油を前記油圧アクチュエータに供給する供給状態と、前記油圧アクチュエータに供給せずに作動油を作動油タンクに戻す非供給状態とのいずれかに切り替え可能なアクチュエータ制御用制御弁と、前記電動アシストモータに接続された蓄電デバイスと、前記排気ガスの温度を前記粒子状物質の燃焼に必要な温度となるように前記エンジンに負荷を掛ける負荷掛け手段とを備えた作業機械において、
前記負荷掛け手段が、前記電動アシストモータを発電動作させることにより前記エンジンに負荷を掛け、前記排気ガスの温度を上昇させる電動負荷掛け手段と、前記可変容量型油圧ポンプの吐出圧を上昇させることにより前記エンジンに負荷を掛け、前記排気ガスの温度を上昇させる油圧負荷掛け手段とから成り、
前記電動負荷掛け手段のみを作動させる制御処理、前記油圧負荷掛け手段のみを作動させる制御処理、及び前記電動負荷掛け手段と前記油圧負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理のいずれかを選択的に行なう選択制御手段を備えたことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
前記選択制御手段は、前記電動アシストモータおよび前記蓄電デバイスを含む電動システムの異常を監視する異常監視手段を含み、この異常監視手段で異常が監視されたとき、前記油圧負荷掛け手段を作動させる制御処理を行なうことを特徴とする作業機械。
請求項２に記載の作業機械において、
前記選択制御手段は、前記蓄電デバイスの蓄電状況を監視する蓄電状況監視手段を含み、この蓄電状況監視手段で監視される蓄電状況に応じて、前記油圧負荷掛け手段のみを作動させる制御処理、前記電動負荷掛け手段のみを作動させる制御処理、および前記油圧負荷掛け手段と前記電動負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理のいずれかの制御処理を行なうことを特徴とする作業機械。
請求項３に記載の作業機械において、
前記選択制御手段は、前記エンジンの負荷掛け時に、前記蓄電状況監視手段で監視される前記蓄電デバイスの蓄電残量が予め設定される下限閾値より低いときは、前記電動負荷掛け手段のみを作動させる制御処理を行ない、前記蓄電デバイスの蓄電残量が予め設定される上限閾値より高いときには、前記油圧負荷掛け手段のみを作動させる制御処理を行ない、前記蓄電デバイスの残量が前記上限閾値と前記下限閾値の間にあるときは、前記油圧負荷掛け手段と前記電動負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理を行なうことを特徴とする作業機械。
請求項４に記載の作業機械において、
前記選択制御手段は、前記油圧負荷掛け手段と前記電動負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理に際して、前記油圧負荷掛け手段と前記電動負荷掛け手段を作動させる割合を、前記蓄電デバイスの蓄電電圧に応じて変化させる制御処理を行なうことを特徴とする作業機械。
請求項５に記載の作業機械において、
前記選択制御手段は、前記油圧負荷掛け手段と前記電動負荷掛け手段の双方を作動させる制御処理に際して、前記蓄電デバイスの蓄電電圧が前記下限閾値の付近にあっては、前記電動負荷掛け手段を作動させる割合を大きくし、前記上限閾値の付近にあっては、前記油圧負荷掛け手段を作動させる割合を大きくする制御処理を行なうことを特徴とする作業機械。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の作業機械において、
前記排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、
この温度検出手段で検出された前記排気ガスの温度が、予め設定される前記粒子状物質の燃焼に最低限必要と見做し得る温度範囲内の温度かどうか判定する排気ガス温度判定手段と、
この排気ガス温度判定手段で、前記温度検出手段によって検出された前記排気ガスの温度が、前記温度範囲内の温度でないと判定されたとき、前記排気ガスの温度が前記温度範囲内の温度となるように、前記選択制御手段で選択された負荷掛け手段の作動を調整する調整手段とを備えたことを特徴とする作業機械。