ハイブリッド作業機械
【課題】 高負荷が作用している高速作動中のアクチュエータを急停止したとき、当該アクチュエータを確実に停止させることができ、しかも、電動・発電機に吸収能力以上の高トルクが作用しないようにする。
【解決手段】 コントローラＣは、アクチュエータを制御する操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置にあるかどうかを判定する機能と、アクチュエータからの戻り油で回転する油圧モータＡＭの入力動力を検出する機能と、上記操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置にあって、かつ、油圧モータＡＭの入力動力があらかじめ設定した第１しきい値を超えたとき、上記比例電磁絞り弁４０，４１の開度をあらかじめ定めた設定値以下に絞る機能とを備えている。
【解決手段】 コントローラＣは、アクチュエータを制御する操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置にあるかどうかを判定する機能と、アクチュエータからの戻り油で回転する油圧モータＡＭの入力動力を検出する機能と、上記操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置にあって、かつ、油圧モータＡＭの入力動力があらかじめ設定した第１しきい値を超えたとき、上記比例電磁絞り弁４０，４１の開度をあらかじめ定めた設定値以下に絞る機能とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アクチュエータからの回生流量を利用した建設機械等のハイブリッド作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、アクチュエータの回生流量を利用したハイブリッド建設機械は、アクチュエータであるブームシリンダと回生用の油圧モータとの間に開閉弁を設けるとともに、この開閉弁は、上記アクチュエータを制御する操作弁が中立位置に戻されたときに閉位置を保つ構成にしている。
【０００３】
そして、高負荷が作用している高速作動中のブームシリンダを急停止させるときには、操作弁を中立位置に切り換えるのと同時に上記開閉弁を閉位置に切り換え、ブームシリンダの逸走を防止するとともに、電動・発電機の吸収能力以上の高トルクが、上記油圧モータから電動・発電機に入力しないようにしている。なぜなら、電動・発電機の吸収能力以上の高トルクが作用すると、当該電動・発電機が故障したり、逸走するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３６１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようにした従来のハイブリッド建設機械では、当該アクチュエータを急停止させるために操作弁を中立位置に急激に戻したとき、上記開閉弁が敏感に応答してそれを瞬時に閉じなければ、アクチュエータが逸走するおそれがあるとともに、電動・発電機の吸収能力以上の高トルクが当該電動・発電機に作用してしまう。しかしながら、開閉弁の応答性には限界があり、アクチュエータを急停止させることが難しくなるとともに、急停止時に高トルクが電動・発電機に作用してしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、電動・発電機の吸収能力を大きくするために、当該電動・発電機を大型化することも考えられるが、その大型化の分、コストがかさむという問題があった。
いずれにしても、従来のハイブリッド作業機では、開閉弁の応答性を敏感にするにも限度がある一方、電動・発電機を大型化すればコストアップの要因になるという問題があった。
【０００７】
この発明の目的は、高負荷が作用している高速作動中のアクチュエータを急停止したとき、当該アクチュエータを確実に停止させることができ、しかも、電動・発電機に吸収能力以上の高トルクが作用しないようにしたハイブリッド作業機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、メインポンプと、このメインポンプを駆動するエンジンと、合流通路を介してメインポンプの吐出側に接続した可変容量型のアシストポンプと、このアシストポンプの傾転角を制御する傾角制御器と、上記合流通路に設けた比例電磁絞り弁と、アクチュエータからの戻り油で回転する可変容量型の油圧モータと、上記アシストポンプおよび油圧モータに連係した電動・発電機と、この電動・発電機に接続したバッテリーと、アシストポンプの傾角制御器および比例電磁絞り弁に接続したコントローラとを備えている。
【０００９】
そして、第１の発明は、上記コントローラが、上記アクチュエータを制御する操作弁が中立位置にあるかどうかを判定する機能と、アクチュエータからの戻り油で回転する油圧モータの入力動力を検出する機能と、上記操作弁が中立位置にあって、かつ、油圧モータの入力動力があらかじめ設定した第１しきい値を超えたとき、上記比例電磁絞り弁の開度をあらかじめ定めた設定値以下に絞る機能とを備えた点に特徴を有する。
【００１０】
第２の発明は、上記コントローラが、油圧モータの入力動力があらかじめ設定した第１しきい値を超えたとき、上記比例電磁絞り弁の開度をあらかじめ定めた設定値以下に絞るとともに、アシストポンプの傾角制御器を制御して当該アシストポンプの傾転角をあらかじめ定めた設定値以上にする機能を備えた点に特徴を有する。
第３の発明は、上記コントローラが、上記比例電磁絞り弁の開度を絞ってから、設定時間経過後に油圧モータの入力動力が、あらかじめ設定した第２しきい値を超えているとき、アシストポンプの傾角制御器を制御して当該アシストポンプの傾転角を最大にする機能と、上記比例電磁絞り弁を閉じる機能とを備える一方、上記第２しきい値は第１しきい値よりも小さい値に設定した点に特徴を有する。
【発明の効果】
【００１１】
第１，２の発明によれば、油圧モータの入力動力が第１しきい値を超えたとき、その動力をアシストポンプで吸収するようにしたので、電動・発電機にその吸収能力以上の動力が入力したときには、アシストポンプがその動力を吸収できる。
したがって、開閉弁の応答性を上げたり、必要以上に電動・発電機を大型化したりしなくても、高負荷が作用している高速作動中のアクチュエータを急停止したとき、電動・発電機には吸収能力以上の高トルクを作用させずに、当該アクチュエータを確実に停止できる。
【００１２】
第３の発明によれば、上記のようにアシストポンプの傾転角を大きくしつつ、比例電磁絞り弁の開度を小さくしてから、所定時間経過後も油圧モータに大きな動力が入力されているときには、アシストポンプの傾転角を最大にして比例電磁絞り弁を閉じるので、アクチュエータを確実に停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】回路図である。
【図２】第１の制御フローを示すフローチャート図である。
【図３】第２の制御フローを示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１はパワーショベルに関する実施形態を示すもので、可変容量型の第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２を備えるとともに、第１メインポンプＭＰ１には第１回路系統を接続し、第２メインポンプＭＰ２には第２回路系統を接続している。
上記第１回路系統には、その上流側から順に、旋回モータＲＭを制御する旋回モータ用の操作弁１、図示していないアームシリンダを制御するアーム１速用の操作弁２、ブームシリンダＢＣを制御するブーム２速用の操作弁３、図示していない予備用アタッチメントを制御する予備用の操作弁４および図示していない左走行用モータを制御する左走行モータ用の操作弁５を接続している。
【００１５】
上記各操作弁１〜５のそれぞれは、中立流路６およびパラレル通路７を介して第１メインポンプＭＰ１に接続している。
上記中立流路６であって、左走行モータ用の操作弁５の下流側にはパイロット圧生成機構８を設けている。このパイロット圧生成機構８はそこを流れる流量が多ければ高いパイロット圧を生成し、その流量が少なければ低いパイロット圧を生成するものである。
【００１６】
また、上記中立流路６は、上記操作弁１〜５のすべてが中立位置もしくは中立位置近傍にあるとき、第１メインポンプＭＰ１から吐出された流体の全部または一部をタンクＴに導くが、このときにはパイロット圧生成機構８を通過する流量も多くなるので、上記したように高いパイロット圧が生成される。
【００１７】
一方、上記操作弁１〜５がフルストロークの状態で切り換えられると、中立流路６が閉ざされて流体の流通がなくなる。したがって、この場合には、パイロット圧生成機構８を流れる流量がほとんどなくなり、パイロット圧はゼロを保つことになる。
ただし、操作弁１〜５の操作量によっては、ポンプ吐出量の一部がアクチュエータに導かれ、一部が中立流路６からタンクＴに導かれることになるので、パイロット圧生成機構８は、中立流路６に流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。言い換えると、パイロット圧生成機構８は、操作弁１〜５の操作量に応じたパイロット圧を生成することになる。
【００１８】
そして、上記パイロット圧生成機構８にはパイロット流路９を接続するとともに、このパイロット流路９を、第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御するレギュレータ１０に接続している。このレギュレータ１０は、パイロット圧と逆比例して第１メインポンプＭＰ１の吐出量を制御する。したがって、操作弁１〜５をフルストロークして中立流路６の流れがゼロになったとき、言い換えるとパイロット圧生成機構８が発生するパイロット圧がゼロになったときに第１メインポンプＭＰ１の吐出量が最大に保たれる。
上記のようにしたパイロット流路９には第１圧力センサー１１を接続するとともに、この第１圧力センサー１１で検出した圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。
【００１９】
一方、上記第２回路系統には、その上流側から順に、図示していない右走行用モータを制御する右走行モータ用の操作弁１２、図示していないバケットシリンダを制御するバケット用の操作弁１３、ブームシリンダＢＣを制御するブーム１速用の操作弁１４および図示していないアームシリンダを制御するアーム２速用の操作弁１５を接続している。なお、上記ブーム１速用の操作弁１４には、その操作方向および操作量を検出するセンサー１４ａを設けている。
【００２０】
上記各操作弁１２〜１５は、中立流路１６を介して第２メインポンプＭＰ２に接続するとともに、バケット用の操作弁１３およびブーム１速用の操作弁１４はパラレル通路１７を介して第２メインポンプＭＰ２に接続している。
上記中立流路１６であって、アーム２速用の操作弁１５の下流側にはパイロット圧生成機構１８を設けているが、このパイロット圧生成機構１８は、先に説明したパイロット圧生成機構８と全く同様に機能するものである。
【００２１】
そして、上記パイロット圧生成機構１８にはパイロット流路１９を接続するとともに、このパイロット流路１９を、第２メインポンプＭＰ２の傾転角を制御するレギュレータ２０に接続している。このレギュレータ２０は、パイロット圧と逆比例して第２メインポンプＭＰ２の吐出量を制御する。したがって、操作弁１２〜１５をフルストロークして中立流路１６の流れがゼロになったとき、言い換えるとパイロット圧生成機構１８が発生するパイロット圧がゼロになったとき、第２メインポンプＭＰ２の吐出量が最大に保たれる。
上記のようにしたパイロット流路１９には第２圧力センサー２１を接続するとともに、この第２圧力センサー２１で検出した圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。
【００２２】
上記のようにした第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２は、一つのエンジンＥの駆動力で同軸回転するものである。
そして、上記エンジンＥにはジェネレータ２２を設け、エンジンＥの余剰出力でジェネレータ２２を回して発電できるようにしている。そして、ジェネレータ２２が発電した電力は、バッテリーチャージャー２３を介してバッテリー２４に充電される。
【００２３】
なお、上記バッテリーチャージャー２３は、通常の家庭用の電源２５に接続した場合にも、バッテリー２４に電力を充電できるようにしている。つまり、このバッテリーチャージャー２３は、当該装置とは別の独立系電源にも接続可能にしたものである。
【００２４】
上記第１回路系統に接続した旋回モータ用の操作弁１のアクチュエータポートには、旋回モータＲＭに連通する通路２６，２７を接続するとともに、両通路２６，２７のそれぞれにはブレーキ弁２８，２９を接続している。そして、旋回モータ用の操作弁１を中立位置に保っているときには、上記アクチュエータポートが閉じられて旋回モータＲＭは停止状態を維持する。
【００２５】
上記の状態から旋回モータ用の操作弁１をいずれかに切り換えると、いずれか一方の通路例えば通路２６から圧力流体が供給されて旋回モータＲＭが回転するとともに、旋回モータＲＭからの戻り流体が通路２７を介してタンクＴに戻される。
上記のように旋回モータＲＭを駆動しているときには、上記ブレーキ弁２８あるいは２９がリリーフ弁の機能を発揮し、通路２６，２７が設定圧以上になったとき、ブレーキ弁２８，２９が開弁して高圧側の流体を低圧側に導く。
【００２６】
また、旋回モータＲＭを回転している状態で、旋回モータ用の操作弁１を中立位置に戻せば、当該操作弁１のアクチュエータポートが閉じられる。このように操作弁１のアクチュエータポートが閉じられても、旋回モータＲＭはその慣性エネルギーで回転し続けるが、旋回モータＲＭが慣性エネルギーで回転することによって、当該旋回モータＲＭがポンプ作用をする。この時には、通路２６，２７、旋回モータＲＭ、ブレーキ弁２８あるいは２９で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁２８あるいは２９によって、上記慣性エネルギーが熱エネルギーに変換されることになる。
【００２７】
一方、ブーム１速用の操作弁１４を中立位置から図面右側位置に切り換えると、第２メインポンプＭＰ２からの圧力流体は、通路３０を経由してブームシリンダＢＣのピストン側室３１に供給されるとともに、そのロッド側室３２からの戻り流体は通路３３を経由してタンクＴに戻され、ブームシリンダＢＣは伸長する。
【００２８】
反対に、ブーム１速用の操作弁１４を図面左方向に切り換えると、第２メインポンプＭＰ２からの圧力流体は、通路３３を経由してブームシリンダＢＣのロッド側室３２に供給されるとともに、そのピストン側室３１からの戻り流体は通路３０を経由してタンクＴに戻され、ブームシリンダＢＣは収縮することになる。なお、ブーム２速用の操作弁３は、上記ブーム１速用の操作弁１４と連動して切り換るものである。
【００２９】
上記のようにしたブームシリンダＢＣのピストン側室３１とブーム１速用の操作弁１４とを結ぶ通路３０には、コントローラＣで開度が制御される比例電磁弁３４を設けている。なお、この比例電磁弁３４はそのノーマル状態で全開位置を保つようにしている。
【００３０】
次に、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の出力をアシストする可変容量型のアシストポンプＡＰについて説明する。
上記可変容量型のアシストポンプＡＰは、発電機兼用の電動・発電機ＭＧの駆動力で回転するが、この電動・発電機ＭＧの駆動力によって、可変容量型の油圧モータＡＭも同軸回転する構成にしている。そして、上記電動・発電機ＭＧにはインバータＩを接続するとともに、このインバータＩをコントローラＣに接続し、このコントローラＣで電動・発電機ＭＧの回転数等を制御できるようにしている。
また、上記のようにしたアシストポンプＡＰおよび油圧モータＡＭの傾転角は傾角制御器３５，３６で制御されるが、この傾角制御器３５，３６は、コントローラＣの出力信号で制御されるものである。
【００３１】
上記アシストポンプＡＰには吐出通路３７を接続しているが、この吐出通路３７は、第１メインポンプＭＰ１の吐出側に合流する第１合流通路３８と、第２メインポンプＭＰ２の吐出側に合流する第２合流通路３９とに分岐するとともに、これら第１，２合流通路３８，３９のそれぞれには、コントローラＣの出力信号で開度が制御される第１，２比例電磁絞り弁４０，４１を設けている。
【００３２】
一方、油圧モータＡＭには接続用通路４２を接続しているが、この接続用通路４２は、合流通路４３およびチェック弁４４，４５を介して、旋回モータＲＭに接続した通路２６，２７に接続している。しかも、上記合流通路４３にはコントローラＣで開閉制御される電磁開閉弁４６を設けるとともに、この電磁開閉弁４６とチェック弁４４，４５との間に、旋回モータＲＭの旋回時の圧力あるいはブレーキ時の圧力を検出する圧力センサー４７を設け、この圧力センサー４７の圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。
【００３３】
また、合流通路４３であって、旋回モータＲＭから接続用通路４２への流れに対して、上記電磁開閉弁４６よりも下流側となる位置には、安全弁４８を設けているが、この安全弁４８は、例えば電磁開閉弁４６など、接続用通路４２，４３系統に故障が生じたとき、通路２６，２７の圧力を維持して旋回モータＲＭがいわゆる逸走するのを防止するものである。
さらに、上記ブームシリンダＢＣと上記比例電磁弁３４との間には、接続用通路４２に連通する通路４９を設けるとともに、この通路４９にはコントローラＣで制御される電磁開閉弁５０を設けている。
【００３４】
以下には、この実施形態の作用を説明する。
旋回モータＲＭが旋回している最中に旋回モータ用の操作弁１を中立位置に切り換えると、通路２６，２７間で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁２８あるいは２９が当該閉回路のブレーキ圧を維持して、慣性エネルギーを熱エネルギーに変換する。
【００３５】
そして、圧力センサー４７は上記旋回圧あるいはブレーキ圧を検出するとともに、その圧力信号をコントローラＣに入力する。コントローラＣは、旋回モータＲＭの旋回あるいはブレーキ動作に影響を及ぼさない範囲内であって、ブレーキ弁２８，２９の設定圧よりも低い圧力を検出したとき、電磁開閉弁４６を切り換える。このように電磁開閉弁４６が切り換えられれば、旋回モータＲＭに導かれた圧力流体は、合流通路４３に流れるとともに安全弁４８および接続用通路４２を経由して油圧モータＡＭに供給される。
このときコントローラＣは、圧力センサー４７からの圧力信号に応じて、油圧モータＡＭの傾転角を制御するが、それは次のとおりである。
【００３６】
すなわち、通路２６あるいは２７の圧力は、旋回動作あるいはブレーキ動作に必要な圧力に保たれていなければ、旋回モータＲＭを旋回させたり、あるいはブレーキをかけたりできなくなる。
そこで、上記通路２６あるいは２７の圧力を、上記旋回圧あるいはブレーキ圧に保つために、コントローラＣは油圧モータＡＭの傾転角を制御しながら、この旋回モータＲＭの負荷を制御するようにしている。つまり、コントローラＣは、圧力センサー４７で検出される圧力が上記旋回モータＲＭの旋回圧あるいはブレーキ圧とほぼ等しくなるように、油圧モータＡＭの傾転角を制御する。
【００３７】
上記のようにして油圧モータＡＭが回転力を得れば、その回転力は、同軸回転する電動・発電機ＭＧに作用するが、この油圧モータＡＭの回転力は、電動・発電機ＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータＡＭの回転力の分だけ、電動・発電機ＭＧの消費電力を少なくすることができる。
また、上記油圧モータＡＭの回転力でアシストポンプＡＰの回転力をアシストすることもできる。
【００３８】
次に、ブーム１速用の操作弁１４およびそれに連動して第１回路系統のブーム２速用の操作弁３を切り換えて、ブームシリンダＢＣを制御する場合について説明する。
ブームシリンダＢＣを作動させるために、ブーム１速用の操作弁１４およびそれに連動する操作弁３を切り換えると、センサー１４ａによって、上記操作弁１４の操作方向とその操作量が検出されるとともに、その操作信号がコントローラＣに入力される。
【００３９】
上記センサー１４ａの操作信号に応じて、コントローラＣは、オペレータがブームシリンダＢＣを上昇させようとしているのか、あるいは下降させようとしているのかを判定する。ブームシリンダＢＣを上昇させるための信号がコントローラＣに入力すれば、コントローラＣは比例電磁弁３４をノーマル状態に保つ。言い換えると、比例電磁弁３４を全開位置に保つ。このときには、アシストポンプＡＰから所定の吐出量が確保されるように、コントローラＣは、電磁開閉弁５０を図示の閉位置に保つとともに、電動・発電機ＭＧの回転数やアシストポンプＡＰの傾転角を制御する。
【００４０】
一方、ブームシリンダＢＣを下降させる信号が上記センサー１４ａからコントローラＣに入力すると、コントローラＣは、操作弁１４の操作量に応じて、オペレータが求めているブームシリンダＢＣの下降速度を演算するとともに、比例電磁弁３４を閉じて、電磁開閉弁５０を開位置に切り換える。
【００４１】
上記のように比例電磁弁３４を閉じて電磁開閉弁５０を開位置に切り換えれば、ブームシリンダＢＣの戻り流体の全量が油圧モータＡＭに供給される。しかし、油圧モータＡＭで消費する流量が、オペレータが求めた下降速度を維持するために必要な流量よりも少なければ、ブームシリンダＢＣはオペレータが求めた下降速度を維持できない。このようなときには、コントローラＣは、上記操作弁１４の操作量、油圧モータＡＭの傾転角や電動・発電機ＭＧの回転数などをもとにして、油圧モータＡＭが消費する流量以上の流量をタンクＴに戻すように比例電磁弁３４の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダＢＣの下降速度を維持する。
【００４２】
一方、油圧モータＡＭに流体が供給されると、油圧モータＡＭが回転するとともに、その回転力は、同軸回転する電動・発電機ＭＧに作用するが、この油圧モータＡＭの回転力は、電動・発電機ＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータＡＭの回転力の分だけ、消費電力を少なくすることができる。
【００４３】
一方、油圧モータＡＭを駆動源として電動・発電機ＭＧを発電機として使用するときには、アシストポンプＡＰの傾転角をゼロにしてほぼ無負荷状態にし、油圧モータＡＭには、電動・発電機ＭＧを回転させるために必要な出力を維持しておけば、油圧モータＡＭの出力を利用して、電動・発電機ＭＧに発電機能を発揮させることができる。
【００４４】
なお、図中符号５１，５２は、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の下流側に設けたチェック弁で、アシストポンプＡＰから第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２側への流通のみを許容するものである。
【００４５】
また、コントローラＣは、油圧モータＡＭに入力する動力の大きさを常に監視しているが、その動力の大きさを演算する方法は、例えば次の３つが考えられる。
１ 電動・発電機の発電動力である電流×電圧によって計算する方法。
２ 油圧モータＡＭの傾転角と電動・発電機ＭＧの回転数から流量を計算し、その流量に油圧モータＡＭの入り口圧を乗じて計算する方法。
３ 油圧モータＡＭのダイナミック特性を数学モデル化して油圧モータＡＭの傾転角を推定し、この傾転角を基にして電動・発電機ＭＧの回転数から流量を計算するとともに、その流量に油圧モータＡＭの入り口圧を乗じて計算する方法。
以上３つの計算方法以外にどのような計算方法を用いてもよいが、いずれにしてもコントローラＣは、油圧モータＡＭの入り口側の動力を監視している。
【００４６】
そして、コントローラＣは、上記のようにして油圧モータＡＭの入力動力を監視するとともに、上記操作弁１〜５，１２〜１５に設けた図示していないセンサーからの信号に基づいて、それらすべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置を保持しているかどうかをチェックする。
【００４７】
そして、例えばブームシリンダＢＣを停止するときには、オペレータは操作弁３，１４を中立位置に戻すが、このときコントローラＣは上記センサーからの信号に基づいて電磁開閉弁５０を閉じる。
そして、ブームシリンダＢＣを急停止するときには、操作弁３，１４を中立位置に戻すと同時に電磁開閉弁５０を瞬時に閉じなければならないが、その応答性に限界があるので、電磁開閉弁５０が閉じるときに応答遅れが生じる。
【００４８】
もし、ブームシリンダＢＣが高負荷動作をしていれば、上記のように電磁開閉弁５０に応答遅れが発生すると、そのときの大きな動力が油圧モータＡＭに入力する。コントローラＣは、このときの入力動力を演算し、その演算結果があらかじめ設定した第１しきい値ε１を超えているかどうかを判定するとともに、その判定結果に応じて図２に示すフローチャートに応じた制御を実行する。
【００４９】
すなわち、ハイブリッド制御をスタート（ステップＳ１）させると、コントローラＣは、すべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置を保持しているかどうかを判定する（ステップＳ２）。もし、いずれかの操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置以外の切り換え位置にあれば、コントローラＣは、通常のハイブリッド制御のために必要な指令信号を出力する（ステップＳ３）。
すべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置を保持しているときには、油圧モータＡＭの入力動力ＰＬを演算し（ステップＳ４）、その入力動力ＰＬが第１しきい値ε１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。
【００５０】
上記入力動力ＰＬが第１しきい値ε１よりも小さければ、ブームシリンダＢＣを急停止させる状況にないと判定し、コントローラＣは上記ステップＳ３に戻る。
しかし、入力動力ＰＬが第１しきい値ε１よりも大きければ、高負荷動作をしているブームシリンダＢＣを急停止させていると判定してステップＳ６に移行する。
【００５１】
上記ステップＳ６において、コントローラＣは、アシストポンプＡＰの傾角制御器３５を制御してアシストポンプＡＰの傾転角を大きくし、その１回転当たりの押し除け容積を増大させるとともに、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度を小さくする。したがって、アシストポンプＡＰからはその１回転当たり吐出量が多くなるとともに、それが第１，２比例電磁絞り弁４０，４１を通過するので、そのときの圧力損失が大きくなり、その圧力損失分が油圧モータＡＭに対する制動力として機能する。
【００５２】
なお、ステップＳ２ですべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置にあるか否かを判定するようにしたのは次の理由からである。例えば、いずれかの操作弁を中立位置以外の切り換え位置に保っているときには、当該操作弁に接続したアクチュエータを動作させていることになるが、このときにはアシストポンプＡＰに、上記アクチュエータの負荷が作用していることになる。したがって、ブームシリンダＢＣを急停止するときにも、アシストポンプＡＰに作用している負荷で油圧モータＡＭの入力動力を吸収できることになる。このような理由から、すべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置にあるときだけ、上記ステップ６に示す制御を実行するようにしたものである。
【００５３】
したがって、例えばクレーンの場合には、伸縮制御をするための操作弁は１つで足りるので、その操作弁が中立位置にあるかどうかを判定するだけで足りる。
なお、上記実施形態では、アシストポンプＡＰの傾転角の制御と第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度の制御とを同時に実行するようにしたが、アシストポンプＡＰの傾転角をある程度維持しながら、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度を制御するようにしてもよい。
【００５４】
また、図２に示すステップ５において、油圧モータＡＭの入力動力ＰＬが第１しきい値ε１よりも小さかったとしても、時間ｔ１経過後も、その入力動力ＰＬが十分に小さくなっていないときには、ブームシリンダＢＣが異常な状態にあると判定することができる。
このときには図３に示したフローチャートに基づいた制御を実行すれば、ブームシリンダＣを確実に停止できる。
この図３に示す制御形態において、そのステップＳ１〜Ｓ６までは上記図２の場合と同じである。
【００５５】
そして、上記ステップＳ５において、上記のように油圧モータＡＭの入力動力ＰＬが第１しきい値ε１よりも小さくても、コントローラＣは、あらかじめ設定した時間ｔ１後に、その入力動力ＰＬが第２しきい値ε２よりも十分に小さくなっているかどうかをステップＳ７で判定する。なお、上記第１，２しきい値は、ε１＞ε２の関係を保っている。
【００５６】
上記ステップＳ７において入力動力ＰＬが第２しきい値ε２よりも小さくなっていれば、コントローラＣは入力動力ＰＬは十分に吸収されているものと判定してステップＳ３に戻り、通常のハイブリッド制御を実行する。
しかし、ステップＳ７で入力動力ＰＬが第２しきい値ε２よりも大きければ、コントローラＣは、ブームシリンダＢＣからの入力動力ＰＬが十分に吸収しきれずに異常な状態にあると判定してステップＳ８に移行する
【００５７】
ステップＳ８において、コントローラＣは、傾角制御器３５を制御してアシストポンプＡＰの傾転角を最大にして、その１回転当たりの押し除け容積を最大にする。それと同時に第１，２比例電磁絞り弁４０，４１を閉じるようにする。
このようにすることによって、ブームシリンダＢＣは確実に停止し、異常な状態は解消される。
【００５８】
なお、上記実施形態では、ブームシリンダＢＣの回生動力制御を例に説明したが、旋回モータＲＭの回生動力を制御する場合も上記ブームシリンダＢＣの場合と同じである。
つまり、旋回モータＲＭを急停止するときには、操作弁１を中立位置に戻すとともに、電磁開閉弁４６を閉じるが、このときの電磁開閉弁４６の応答性に限界があるので、油圧モータＡＭの入力動力が電動・発電機ＭＧの吸収能力を超えた大きさになる。
このときには、コントローラＣは、図２，３に示したフローチャートに基づいた制御をする。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
ハイブリッド用のパワーショベルに最適である。
【符号の説明】
【００６０】
ＭＰ１ 第１メインポンプ
ＭＰ２ 第２メインポンプ
ＲＭ 旋回モータ
ＢＣ ブームシリンダ
Ｃ コントローラ
ＡＰ アシストポンプ
３５，３６ 傾角制御器
ＡＭ 油圧モータ
ＭＧ 電動・発電機
４０，４１ 第１，２比例電磁絞り弁
４６，５０ 電磁開閉弁
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アクチュエータからの回生流量を利用した建設機械等のハイブリッド作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、アクチュエータの回生流量を利用したハイブリッド建設機械は、アクチュエータであるブームシリンダと回生用の油圧モータとの間に開閉弁を設けるとともに、この開閉弁は、上記アクチュエータを制御する操作弁が中立位置に戻されたときに閉位置を保つ構成にしている。
【０００３】
そして、高負荷が作用している高速作動中のブームシリンダを急停止させるときには、操作弁を中立位置に切り換えるのと同時に上記開閉弁を閉位置に切り換え、ブームシリンダの逸走を防止するとともに、電動・発電機の吸収能力以上の高トルクが、上記油圧モータから電動・発電機に入力しないようにしている。なぜなら、電動・発電機の吸収能力以上の高トルクが作用すると、当該電動・発電機が故障したり、逸走するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３６１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようにした従来のハイブリッド建設機械では、当該アクチュエータを急停止させるために操作弁を中立位置に急激に戻したとき、上記開閉弁が敏感に応答してそれを瞬時に閉じなければ、アクチュエータが逸走するおそれがあるとともに、電動・発電機の吸収能力以上の高トルクが当該電動・発電機に作用してしまう。しかしながら、開閉弁の応答性には限界があり、アクチュエータを急停止させることが難しくなるとともに、急停止時に高トルクが電動・発電機に作用してしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、電動・発電機の吸収能力を大きくするために、当該電動・発電機を大型化することも考えられるが、その大型化の分、コストがかさむという問題があった。
いずれにしても、従来のハイブリッド作業機では、開閉弁の応答性を敏感にするにも限度がある一方、電動・発電機を大型化すればコストアップの要因になるという問題があった。
【０００７】
この発明の目的は、高負荷が作用している高速作動中のアクチュエータを急停止したとき、当該アクチュエータを確実に停止させることができ、しかも、電動・発電機に吸収能力以上の高トルクが作用しないようにしたハイブリッド作業機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、メインポンプと、このメインポンプを駆動するエンジンと、合流通路を介してメインポンプの吐出側に接続した可変容量型のアシストポンプと、このアシストポンプの傾転角を制御する傾角制御器と、上記合流通路に設けた比例電磁絞り弁と、アクチュエータからの戻り油で回転する可変容量型の油圧モータと、上記アシストポンプおよび油圧モータに連係した電動・発電機と、この電動・発電機に接続したバッテリーと、アシストポンプの傾角制御器および比例電磁絞り弁に接続したコントローラとを備えている。
【０００９】
そして、第１の発明は、上記コントローラが、上記アクチュエータを制御する操作弁が中立位置にあるかどうかを判定する機能と、アクチュエータからの戻り油で回転する油圧モータの入力動力を検出する機能と、上記操作弁が中立位置にあって、かつ、油圧モータの入力動力があらかじめ設定した第１しきい値を超えたとき、上記比例電磁絞り弁の開度をあらかじめ定めた設定値以下に絞る機能とを備えた点に特徴を有する。
【００１０】
第２の発明は、上記コントローラが、油圧モータの入力動力があらかじめ設定した第１しきい値を超えたとき、上記比例電磁絞り弁の開度をあらかじめ定めた設定値以下に絞るとともに、アシストポンプの傾角制御器を制御して当該アシストポンプの傾転角をあらかじめ定めた設定値以上にする機能を備えた点に特徴を有する。
第３の発明は、上記コントローラが、上記比例電磁絞り弁の開度を絞ってから、設定時間経過後に油圧モータの入力動力が、あらかじめ設定した第２しきい値を超えているとき、アシストポンプの傾角制御器を制御して当該アシストポンプの傾転角を最大にする機能と、上記比例電磁絞り弁を閉じる機能とを備える一方、上記第２しきい値は第１しきい値よりも小さい値に設定した点に特徴を有する。
【発明の効果】
【００１１】
第１，２の発明によれば、油圧モータの入力動力が第１しきい値を超えたとき、その動力をアシストポンプで吸収するようにしたので、電動・発電機にその吸収能力以上の動力が入力したときには、アシストポンプがその動力を吸収できる。
したがって、開閉弁の応答性を上げたり、必要以上に電動・発電機を大型化したりしなくても、高負荷が作用している高速作動中のアクチュエータを急停止したとき、電動・発電機には吸収能力以上の高トルクを作用させずに、当該アクチュエータを確実に停止できる。
【００１２】
第３の発明によれば、上記のようにアシストポンプの傾転角を大きくしつつ、比例電磁絞り弁の開度を小さくしてから、所定時間経過後も油圧モータに大きな動力が入力されているときには、アシストポンプの傾転角を最大にして比例電磁絞り弁を閉じるので、アクチュエータを確実に停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】回路図である。
【図２】第１の制御フローを示すフローチャート図である。
【図３】第２の制御フローを示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１はパワーショベルに関する実施形態を示すもので、可変容量型の第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２を備えるとともに、第１メインポンプＭＰ１には第１回路系統を接続し、第２メインポンプＭＰ２には第２回路系統を接続している。
上記第１回路系統には、その上流側から順に、旋回モータＲＭを制御する旋回モータ用の操作弁１、図示していないアームシリンダを制御するアーム１速用の操作弁２、ブームシリンダＢＣを制御するブーム２速用の操作弁３、図示していない予備用アタッチメントを制御する予備用の操作弁４および図示していない左走行用モータを制御する左走行モータ用の操作弁５を接続している。
【００１５】
上記各操作弁１〜５のそれぞれは、中立流路６およびパラレル通路７を介して第１メインポンプＭＰ１に接続している。
上記中立流路６であって、左走行モータ用の操作弁５の下流側にはパイロット圧生成機構８を設けている。このパイロット圧生成機構８はそこを流れる流量が多ければ高いパイロット圧を生成し、その流量が少なければ低いパイロット圧を生成するものである。
【００１６】
また、上記中立流路６は、上記操作弁１〜５のすべてが中立位置もしくは中立位置近傍にあるとき、第１メインポンプＭＰ１から吐出された流体の全部または一部をタンクＴに導くが、このときにはパイロット圧生成機構８を通過する流量も多くなるので、上記したように高いパイロット圧が生成される。
【００１７】
一方、上記操作弁１〜５がフルストロークの状態で切り換えられると、中立流路６が閉ざされて流体の流通がなくなる。したがって、この場合には、パイロット圧生成機構８を流れる流量がほとんどなくなり、パイロット圧はゼロを保つことになる。
ただし、操作弁１〜５の操作量によっては、ポンプ吐出量の一部がアクチュエータに導かれ、一部が中立流路６からタンクＴに導かれることになるので、パイロット圧生成機構８は、中立流路６に流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。言い換えると、パイロット圧生成機構８は、操作弁１〜５の操作量に応じたパイロット圧を生成することになる。
【００１８】
そして、上記パイロット圧生成機構８にはパイロット流路９を接続するとともに、このパイロット流路９を、第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御するレギュレータ１０に接続している。このレギュレータ１０は、パイロット圧と逆比例して第１メインポンプＭＰ１の吐出量を制御する。したがって、操作弁１〜５をフルストロークして中立流路６の流れがゼロになったとき、言い換えるとパイロット圧生成機構８が発生するパイロット圧がゼロになったときに第１メインポンプＭＰ１の吐出量が最大に保たれる。
上記のようにしたパイロット流路９には第１圧力センサー１１を接続するとともに、この第１圧力センサー１１で検出した圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。
【００１９】
一方、上記第２回路系統には、その上流側から順に、図示していない右走行用モータを制御する右走行モータ用の操作弁１２、図示していないバケットシリンダを制御するバケット用の操作弁１３、ブームシリンダＢＣを制御するブーム１速用の操作弁１４および図示していないアームシリンダを制御するアーム２速用の操作弁１５を接続している。なお、上記ブーム１速用の操作弁１４には、その操作方向および操作量を検出するセンサー１４ａを設けている。
【００２０】
上記各操作弁１２〜１５は、中立流路１６を介して第２メインポンプＭＰ２に接続するとともに、バケット用の操作弁１３およびブーム１速用の操作弁１４はパラレル通路１７を介して第２メインポンプＭＰ２に接続している。
上記中立流路１６であって、アーム２速用の操作弁１５の下流側にはパイロット圧生成機構１８を設けているが、このパイロット圧生成機構１８は、先に説明したパイロット圧生成機構８と全く同様に機能するものである。
【００２１】
そして、上記パイロット圧生成機構１８にはパイロット流路１９を接続するとともに、このパイロット流路１９を、第２メインポンプＭＰ２の傾転角を制御するレギュレータ２０に接続している。このレギュレータ２０は、パイロット圧と逆比例して第２メインポンプＭＰ２の吐出量を制御する。したがって、操作弁１２〜１５をフルストロークして中立流路１６の流れがゼロになったとき、言い換えるとパイロット圧生成機構１８が発生するパイロット圧がゼロになったとき、第２メインポンプＭＰ２の吐出量が最大に保たれる。
上記のようにしたパイロット流路１９には第２圧力センサー２１を接続するとともに、この第２圧力センサー２１で検出した圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。
【００２２】
上記のようにした第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２は、一つのエンジンＥの駆動力で同軸回転するものである。
そして、上記エンジンＥにはジェネレータ２２を設け、エンジンＥの余剰出力でジェネレータ２２を回して発電できるようにしている。そして、ジェネレータ２２が発電した電力は、バッテリーチャージャー２３を介してバッテリー２４に充電される。
【００２３】
なお、上記バッテリーチャージャー２３は、通常の家庭用の電源２５に接続した場合にも、バッテリー２４に電力を充電できるようにしている。つまり、このバッテリーチャージャー２３は、当該装置とは別の独立系電源にも接続可能にしたものである。
【００２４】
上記第１回路系統に接続した旋回モータ用の操作弁１のアクチュエータポートには、旋回モータＲＭに連通する通路２６，２７を接続するとともに、両通路２６，２７のそれぞれにはブレーキ弁２８，２９を接続している。そして、旋回モータ用の操作弁１を中立位置に保っているときには、上記アクチュエータポートが閉じられて旋回モータＲＭは停止状態を維持する。
【００２５】
上記の状態から旋回モータ用の操作弁１をいずれかに切り換えると、いずれか一方の通路例えば通路２６から圧力流体が供給されて旋回モータＲＭが回転するとともに、旋回モータＲＭからの戻り流体が通路２７を介してタンクＴに戻される。
上記のように旋回モータＲＭを駆動しているときには、上記ブレーキ弁２８あるいは２９がリリーフ弁の機能を発揮し、通路２６，２７が設定圧以上になったとき、ブレーキ弁２８，２９が開弁して高圧側の流体を低圧側に導く。
【００２６】
また、旋回モータＲＭを回転している状態で、旋回モータ用の操作弁１を中立位置に戻せば、当該操作弁１のアクチュエータポートが閉じられる。このように操作弁１のアクチュエータポートが閉じられても、旋回モータＲＭはその慣性エネルギーで回転し続けるが、旋回モータＲＭが慣性エネルギーで回転することによって、当該旋回モータＲＭがポンプ作用をする。この時には、通路２６，２７、旋回モータＲＭ、ブレーキ弁２８あるいは２９で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁２８あるいは２９によって、上記慣性エネルギーが熱エネルギーに変換されることになる。
【００２７】
一方、ブーム１速用の操作弁１４を中立位置から図面右側位置に切り換えると、第２メインポンプＭＰ２からの圧力流体は、通路３０を経由してブームシリンダＢＣのピストン側室３１に供給されるとともに、そのロッド側室３２からの戻り流体は通路３３を経由してタンクＴに戻され、ブームシリンダＢＣは伸長する。
【００２８】
反対に、ブーム１速用の操作弁１４を図面左方向に切り換えると、第２メインポンプＭＰ２からの圧力流体は、通路３３を経由してブームシリンダＢＣのロッド側室３２に供給されるとともに、そのピストン側室３１からの戻り流体は通路３０を経由してタンクＴに戻され、ブームシリンダＢＣは収縮することになる。なお、ブーム２速用の操作弁３は、上記ブーム１速用の操作弁１４と連動して切り換るものである。
【００２９】
上記のようにしたブームシリンダＢＣのピストン側室３１とブーム１速用の操作弁１４とを結ぶ通路３０には、コントローラＣで開度が制御される比例電磁弁３４を設けている。なお、この比例電磁弁３４はそのノーマル状態で全開位置を保つようにしている。
【００３０】
次に、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の出力をアシストする可変容量型のアシストポンプＡＰについて説明する。
上記可変容量型のアシストポンプＡＰは、発電機兼用の電動・発電機ＭＧの駆動力で回転するが、この電動・発電機ＭＧの駆動力によって、可変容量型の油圧モータＡＭも同軸回転する構成にしている。そして、上記電動・発電機ＭＧにはインバータＩを接続するとともに、このインバータＩをコントローラＣに接続し、このコントローラＣで電動・発電機ＭＧの回転数等を制御できるようにしている。
また、上記のようにしたアシストポンプＡＰおよび油圧モータＡＭの傾転角は傾角制御器３５，３６で制御されるが、この傾角制御器３５，３６は、コントローラＣの出力信号で制御されるものである。
【００３１】
上記アシストポンプＡＰには吐出通路３７を接続しているが、この吐出通路３７は、第１メインポンプＭＰ１の吐出側に合流する第１合流通路３８と、第２メインポンプＭＰ２の吐出側に合流する第２合流通路３９とに分岐するとともに、これら第１，２合流通路３８，３９のそれぞれには、コントローラＣの出力信号で開度が制御される第１，２比例電磁絞り弁４０，４１を設けている。
【００３２】
一方、油圧モータＡＭには接続用通路４２を接続しているが、この接続用通路４２は、合流通路４３およびチェック弁４４，４５を介して、旋回モータＲＭに接続した通路２６，２７に接続している。しかも、上記合流通路４３にはコントローラＣで開閉制御される電磁開閉弁４６を設けるとともに、この電磁開閉弁４６とチェック弁４４，４５との間に、旋回モータＲＭの旋回時の圧力あるいはブレーキ時の圧力を検出する圧力センサー４７を設け、この圧力センサー４７の圧力信号をコントローラＣに入力するようにしている。
【００３３】
また、合流通路４３であって、旋回モータＲＭから接続用通路４２への流れに対して、上記電磁開閉弁４６よりも下流側となる位置には、安全弁４８を設けているが、この安全弁４８は、例えば電磁開閉弁４６など、接続用通路４２，４３系統に故障が生じたとき、通路２６，２７の圧力を維持して旋回モータＲＭがいわゆる逸走するのを防止するものである。
さらに、上記ブームシリンダＢＣと上記比例電磁弁３４との間には、接続用通路４２に連通する通路４９を設けるとともに、この通路４９にはコントローラＣで制御される電磁開閉弁５０を設けている。
【００３４】
以下には、この実施形態の作用を説明する。
旋回モータＲＭが旋回している最中に旋回モータ用の操作弁１を中立位置に切り換えると、通路２６，２７間で閉回路が構成されるとともに、ブレーキ弁２８あるいは２９が当該閉回路のブレーキ圧を維持して、慣性エネルギーを熱エネルギーに変換する。
【００３５】
そして、圧力センサー４７は上記旋回圧あるいはブレーキ圧を検出するとともに、その圧力信号をコントローラＣに入力する。コントローラＣは、旋回モータＲＭの旋回あるいはブレーキ動作に影響を及ぼさない範囲内であって、ブレーキ弁２８，２９の設定圧よりも低い圧力を検出したとき、電磁開閉弁４６を切り換える。このように電磁開閉弁４６が切り換えられれば、旋回モータＲＭに導かれた圧力流体は、合流通路４３に流れるとともに安全弁４８および接続用通路４２を経由して油圧モータＡＭに供給される。
このときコントローラＣは、圧力センサー４７からの圧力信号に応じて、油圧モータＡＭの傾転角を制御するが、それは次のとおりである。
【００３６】
すなわち、通路２６あるいは２７の圧力は、旋回動作あるいはブレーキ動作に必要な圧力に保たれていなければ、旋回モータＲＭを旋回させたり、あるいはブレーキをかけたりできなくなる。
そこで、上記通路２６あるいは２７の圧力を、上記旋回圧あるいはブレーキ圧に保つために、コントローラＣは油圧モータＡＭの傾転角を制御しながら、この旋回モータＲＭの負荷を制御するようにしている。つまり、コントローラＣは、圧力センサー４７で検出される圧力が上記旋回モータＲＭの旋回圧あるいはブレーキ圧とほぼ等しくなるように、油圧モータＡＭの傾転角を制御する。
【００３７】
上記のようにして油圧モータＡＭが回転力を得れば、その回転力は、同軸回転する電動・発電機ＭＧに作用するが、この油圧モータＡＭの回転力は、電動・発電機ＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータＡＭの回転力の分だけ、電動・発電機ＭＧの消費電力を少なくすることができる。
また、上記油圧モータＡＭの回転力でアシストポンプＡＰの回転力をアシストすることもできる。
【００３８】
次に、ブーム１速用の操作弁１４およびそれに連動して第１回路系統のブーム２速用の操作弁３を切り換えて、ブームシリンダＢＣを制御する場合について説明する。
ブームシリンダＢＣを作動させるために、ブーム１速用の操作弁１４およびそれに連動する操作弁３を切り換えると、センサー１４ａによって、上記操作弁１４の操作方向とその操作量が検出されるとともに、その操作信号がコントローラＣに入力される。
【００３９】
上記センサー１４ａの操作信号に応じて、コントローラＣは、オペレータがブームシリンダＢＣを上昇させようとしているのか、あるいは下降させようとしているのかを判定する。ブームシリンダＢＣを上昇させるための信号がコントローラＣに入力すれば、コントローラＣは比例電磁弁３４をノーマル状態に保つ。言い換えると、比例電磁弁３４を全開位置に保つ。このときには、アシストポンプＡＰから所定の吐出量が確保されるように、コントローラＣは、電磁開閉弁５０を図示の閉位置に保つとともに、電動・発電機ＭＧの回転数やアシストポンプＡＰの傾転角を制御する。
【００４０】
一方、ブームシリンダＢＣを下降させる信号が上記センサー１４ａからコントローラＣに入力すると、コントローラＣは、操作弁１４の操作量に応じて、オペレータが求めているブームシリンダＢＣの下降速度を演算するとともに、比例電磁弁３４を閉じて、電磁開閉弁５０を開位置に切り換える。
【００４１】
上記のように比例電磁弁３４を閉じて電磁開閉弁５０を開位置に切り換えれば、ブームシリンダＢＣの戻り流体の全量が油圧モータＡＭに供給される。しかし、油圧モータＡＭで消費する流量が、オペレータが求めた下降速度を維持するために必要な流量よりも少なければ、ブームシリンダＢＣはオペレータが求めた下降速度を維持できない。このようなときには、コントローラＣは、上記操作弁１４の操作量、油圧モータＡＭの傾転角や電動・発電機ＭＧの回転数などをもとにして、油圧モータＡＭが消費する流量以上の流量をタンクＴに戻すように比例電磁弁３４の開度を制御し、オペレータが求めるブームシリンダＢＣの下降速度を維持する。
【００４２】
一方、油圧モータＡＭに流体が供給されると、油圧モータＡＭが回転するとともに、その回転力は、同軸回転する電動・発電機ＭＧに作用するが、この油圧モータＡＭの回転力は、電動・発電機ＭＧに対するアシスト力として作用する。したがって、油圧モータＡＭの回転力の分だけ、消費電力を少なくすることができる。
【００４３】
一方、油圧モータＡＭを駆動源として電動・発電機ＭＧを発電機として使用するときには、アシストポンプＡＰの傾転角をゼロにしてほぼ無負荷状態にし、油圧モータＡＭには、電動・発電機ＭＧを回転させるために必要な出力を維持しておけば、油圧モータＡＭの出力を利用して、電動・発電機ＭＧに発電機能を発揮させることができる。
【００４４】
なお、図中符号５１，５２は、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の下流側に設けたチェック弁で、アシストポンプＡＰから第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２側への流通のみを許容するものである。
【００４５】
また、コントローラＣは、油圧モータＡＭに入力する動力の大きさを常に監視しているが、その動力の大きさを演算する方法は、例えば次の３つが考えられる。
１ 電動・発電機の発電動力である電流×電圧によって計算する方法。
２ 油圧モータＡＭの傾転角と電動・発電機ＭＧの回転数から流量を計算し、その流量に油圧モータＡＭの入り口圧を乗じて計算する方法。
３ 油圧モータＡＭのダイナミック特性を数学モデル化して油圧モータＡＭの傾転角を推定し、この傾転角を基にして電動・発電機ＭＧの回転数から流量を計算するとともに、その流量に油圧モータＡＭの入り口圧を乗じて計算する方法。
以上３つの計算方法以外にどのような計算方法を用いてもよいが、いずれにしてもコントローラＣは、油圧モータＡＭの入り口側の動力を監視している。
【００４６】
そして、コントローラＣは、上記のようにして油圧モータＡＭの入力動力を監視するとともに、上記操作弁１〜５，１２〜１５に設けた図示していないセンサーからの信号に基づいて、それらすべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置を保持しているかどうかをチェックする。
【００４７】
そして、例えばブームシリンダＢＣを停止するときには、オペレータは操作弁３，１４を中立位置に戻すが、このときコントローラＣは上記センサーからの信号に基づいて電磁開閉弁５０を閉じる。
そして、ブームシリンダＢＣを急停止するときには、操作弁３，１４を中立位置に戻すと同時に電磁開閉弁５０を瞬時に閉じなければならないが、その応答性に限界があるので、電磁開閉弁５０が閉じるときに応答遅れが生じる。
【００４８】
もし、ブームシリンダＢＣが高負荷動作をしていれば、上記のように電磁開閉弁５０に応答遅れが発生すると、そのときの大きな動力が油圧モータＡＭに入力する。コントローラＣは、このときの入力動力を演算し、その演算結果があらかじめ設定した第１しきい値ε１を超えているかどうかを判定するとともに、その判定結果に応じて図２に示すフローチャートに応じた制御を実行する。
【００４９】
すなわち、ハイブリッド制御をスタート（ステップＳ１）させると、コントローラＣは、すべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置を保持しているかどうかを判定する（ステップＳ２）。もし、いずれかの操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置以外の切り換え位置にあれば、コントローラＣは、通常のハイブリッド制御のために必要な指令信号を出力する（ステップＳ３）。
すべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置を保持しているときには、油圧モータＡＭの入力動力ＰＬを演算し（ステップＳ４）、その入力動力ＰＬが第１しきい値ε１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。
【００５０】
上記入力動力ＰＬが第１しきい値ε１よりも小さければ、ブームシリンダＢＣを急停止させる状況にないと判定し、コントローラＣは上記ステップＳ３に戻る。
しかし、入力動力ＰＬが第１しきい値ε１よりも大きければ、高負荷動作をしているブームシリンダＢＣを急停止させていると判定してステップＳ６に移行する。
【００５１】
上記ステップＳ６において、コントローラＣは、アシストポンプＡＰの傾角制御器３５を制御してアシストポンプＡＰの傾転角を大きくし、その１回転当たりの押し除け容積を増大させるとともに、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度を小さくする。したがって、アシストポンプＡＰからはその１回転当たり吐出量が多くなるとともに、それが第１，２比例電磁絞り弁４０，４１を通過するので、そのときの圧力損失が大きくなり、その圧力損失分が油圧モータＡＭに対する制動力として機能する。
【００５２】
なお、ステップＳ２ですべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置にあるか否かを判定するようにしたのは次の理由からである。例えば、いずれかの操作弁を中立位置以外の切り換え位置に保っているときには、当該操作弁に接続したアクチュエータを動作させていることになるが、このときにはアシストポンプＡＰに、上記アクチュエータの負荷が作用していることになる。したがって、ブームシリンダＢＣを急停止するときにも、アシストポンプＡＰに作用している負荷で油圧モータＡＭの入力動力を吸収できることになる。このような理由から、すべての操作弁１〜５，１２〜１５が中立位置にあるときだけ、上記ステップ６に示す制御を実行するようにしたものである。
【００５３】
したがって、例えばクレーンの場合には、伸縮制御をするための操作弁は１つで足りるので、その操作弁が中立位置にあるかどうかを判定するだけで足りる。
なお、上記実施形態では、アシストポンプＡＰの傾転角の制御と第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度の制御とを同時に実行するようにしたが、アシストポンプＡＰの傾転角をある程度維持しながら、第１，２比例電磁絞り弁４０，４１の開度を制御するようにしてもよい。
【００５４】
また、図２に示すステップ５において、油圧モータＡＭの入力動力ＰＬが第１しきい値ε１よりも小さかったとしても、時間ｔ１経過後も、その入力動力ＰＬが十分に小さくなっていないときには、ブームシリンダＢＣが異常な状態にあると判定することができる。
このときには図３に示したフローチャートに基づいた制御を実行すれば、ブームシリンダＣを確実に停止できる。
この図３に示す制御形態において、そのステップＳ１〜Ｓ６までは上記図２の場合と同じである。
【００５５】
そして、上記ステップＳ５において、上記のように油圧モータＡＭの入力動力ＰＬが第１しきい値ε１よりも小さくても、コントローラＣは、あらかじめ設定した時間ｔ１後に、その入力動力ＰＬが第２しきい値ε２よりも十分に小さくなっているかどうかをステップＳ７で判定する。なお、上記第１，２しきい値は、ε１＞ε２の関係を保っている。
【００５６】
上記ステップＳ７において入力動力ＰＬが第２しきい値ε２よりも小さくなっていれば、コントローラＣは入力動力ＰＬは十分に吸収されているものと判定してステップＳ３に戻り、通常のハイブリッド制御を実行する。
しかし、ステップＳ７で入力動力ＰＬが第２しきい値ε２よりも大きければ、コントローラＣは、ブームシリンダＢＣからの入力動力ＰＬが十分に吸収しきれずに異常な状態にあると判定してステップＳ８に移行する
【００５７】
ステップＳ８において、コントローラＣは、傾角制御器３５を制御してアシストポンプＡＰの傾転角を最大にして、その１回転当たりの押し除け容積を最大にする。それと同時に第１，２比例電磁絞り弁４０，４１を閉じるようにする。
このようにすることによって、ブームシリンダＢＣは確実に停止し、異常な状態は解消される。
【００５８】
なお、上記実施形態では、ブームシリンダＢＣの回生動力制御を例に説明したが、旋回モータＲＭの回生動力を制御する場合も上記ブームシリンダＢＣの場合と同じである。
つまり、旋回モータＲＭを急停止するときには、操作弁１を中立位置に戻すとともに、電磁開閉弁４６を閉じるが、このときの電磁開閉弁４６の応答性に限界があるので、油圧モータＡＭの入力動力が電動・発電機ＭＧの吸収能力を超えた大きさになる。
このときには、コントローラＣは、図２，３に示したフローチャートに基づいた制御をする。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
ハイブリッド用のパワーショベルに最適である。
【符号の説明】
【００６０】
ＭＰ１ 第１メインポンプ
ＭＰ２ 第２メインポンプ
ＲＭ 旋回モータ
ＢＣ ブームシリンダ
Ｃ コントローラ
ＡＰ アシストポンプ
３５，３６ 傾角制御器
ＡＭ 油圧モータ
ＭＧ 電動・発電機
４０，４１ 第１，２比例電磁絞り弁
４６，５０ 電磁開閉弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メインポンプと、このメインポンプを駆動するエンジンと、合流通路を介してメインポンプの吐出側に接続した可変容量型のアシストポンプと、このアシストポンプの傾転角を制御する傾角制御器と、上記合流通路に設けた比例電磁絞り弁と、アクチュエータからの戻り油で回転する可変容量型の油圧モータと、上記アシストポンプおよび油圧モータに連係した電動・発電機と、この電動・発電機に接続したバッテリーと、アシストポンプの傾角制御器および比例電磁絞り弁に接続したコントローラとを備え、このコントローラは、上記アクチュエータを制御する操作弁が中立位置にあるかどうかを判定する機能と、アクチュエータからの戻り油で回転する油圧モータの入力動力を検出する機能と、上記操作弁が中立位置にあって、かつ、油圧モータの入力動力があらかじめ設定した第１しきい値を超えたとき、上記比例電磁絞り弁の開度をあらかじめ定めた設定値以下に絞る機能とを備えたハイブリッド作業機械。
【請求項２】
上記コントローラは、油圧モータの入力動力があらかじめ設定した第１しきい値を超えたとき、上記比例電磁絞り弁の開度をあらかじめ定めた設定値以下に絞るとともに、アシストポンプの傾角制御器を制御して当該アシストポンプの傾転角をあらかじめ定めた設定値以上にする機能を備えた請求項１記載のハイブリッド作業機。
【請求項３】
上記油圧モータの傾転角を制御する傾角制御器を備え、上記コントローラは、上記比例電磁絞り弁の開度を絞ってから、設定時間経過後に油圧モータの入力動力が、あらかじめ設定した第２しきい値を超えているとき、アシストポンプの傾角制御器を制御して当該アシストポンプの傾転角を最大にする機能と、上記比例電磁絞り弁を閉じる機能とを備える一方、上記第２しきい値は第１しきい値よりも小さい値に設定した請求項１又は２記載のハイブリッド作業機。
【請求項１】
メインポンプと、このメインポンプを駆動するエンジンと、合流通路を介してメインポンプの吐出側に接続した可変容量型のアシストポンプと、このアシストポンプの傾転角を制御する傾角制御器と、上記合流通路に設けた比例電磁絞り弁と、アクチュエータからの戻り油で回転する可変容量型の油圧モータと、上記アシストポンプおよび油圧モータに連係した電動・発電機と、この電動・発電機に接続したバッテリーと、アシストポンプの傾角制御器および比例電磁絞り弁に接続したコントローラとを備え、このコントローラは、上記アクチュエータを制御する操作弁が中立位置にあるかどうかを判定する機能と、アクチュエータからの戻り油で回転する油圧モータの入力動力を検出する機能と、上記操作弁が中立位置にあって、かつ、油圧モータの入力動力があらかじめ設定した第１しきい値を超えたとき、上記比例電磁絞り弁の開度をあらかじめ定めた設定値以下に絞る機能とを備えたハイブリッド作業機械。
【請求項２】
上記コントローラは、油圧モータの入力動力があらかじめ設定した第１しきい値を超えたとき、上記比例電磁絞り弁の開度をあらかじめ定めた設定値以下に絞るとともに、アシストポンプの傾角制御器を制御して当該アシストポンプの傾転角をあらかじめ定めた設定値以上にする機能を備えた請求項１記載のハイブリッド作業機。
【請求項３】
上記油圧モータの傾転角を制御する傾角制御器を備え、上記コントローラは、上記比例電磁絞り弁の開度を絞ってから、設定時間経過後に油圧モータの入力動力が、あらかじめ設定した第２しきい値を超えているとき、アシストポンプの傾角制御器を制御して当該アシストポンプの傾転角を最大にする機能と、上記比例電磁絞り弁を閉じる機能とを備える一方、上記第２しきい値は第１しきい値よりも小さい値に設定した請求項１又は２記載のハイブリッド作業機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２４１９４８（Ｐ２０１１−２４１９４８Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１６６０４（Ｐ２０１０−１１６６０４）
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（００００００９２９）カヤバ工業株式会社 (2,151)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【出願人】（００００００９２９）カヤバ工業株式会社 (2,151)
【Ｆターム（参考）】
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