圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械
【課題】電動用デバイスを備えない建設機械に適用可能であって、複数の方向切替弁の全てが中立の位置にあるとき、油圧ポンプから吐出されセンターバイパス回路を介しタンクに捨てられる最小流量分の圧油のエネルギを回収し、回収した圧油のエネルギを回生使用できる圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械を提供する。
【解決手段】油圧ポンプによって発生した圧油のエネルギを回収する圧油エネルギ回収装置であって、センターバイパス回路における複数の方向切替弁の下流の管路に接続される蓄圧器と、蓄圧器の圧力を検出する圧力検出手段と、センターバイパス回路の圧油の流出先を前記蓄圧器あるいは前記タンクに切り替える蓄圧切替手段とを備え、蓄圧切替手段は、圧力検出手段により検出した蓄圧器の圧力が予め設定した設定値を超えないときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記蓄圧器側へ流出させる。
【解決手段】油圧ポンプによって発生した圧油のエネルギを回収する圧油エネルギ回収装置であって、センターバイパス回路における複数の方向切替弁の下流の管路に接続される蓄圧器と、蓄圧器の圧力を検出する圧力検出手段と、センターバイパス回路の圧油の流出先を前記蓄圧器あるいは前記タンクに切り替える蓄圧切替手段とを備え、蓄圧切替手段は、圧力検出手段により検出した蓄圧器の圧力が予め設定した設定値を超えないときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記蓄圧器側へ流出させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の油圧システムに設けられる圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、油圧ショベルは、フロント作業機であるブーム、アーム、及びバケットのそれぞれを駆動する油圧シリンダと、旋回体や走行体のそれぞれを駆動する油圧モータ等からなる複数の油圧アクチュエータを有していて、これらの油圧アクチュエータを適宜操作することにより、土砂の掘削、移動等の作業を行うものである。
【０００３】
このような油圧ショベルにおいて、油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される複数の油圧アクチュエータと、複数の油圧アクチュエータの作動方向及び作動速度を供給する圧油の切替によりそれぞれ制御する複数の方向切替弁と、この複数の方向切替弁を通ってタンクに連通するセンターバイパス回路とを備えた油圧システムを用いたものがある。
【０００４】
複数の方向切替弁のすべてが中立の位置にあるとき、油圧ポンプから吐出されセンターバイパス回路を介しタンクに捨てられる圧油のエネルギを回収し、有効利用できる圧油のエネルギ回収装置として、複数の方向切替弁の下流に位置するセンターバイパス回路に、センターバイパス回路を通ってタンクに流出する圧油のエネルギを電気エネルギに変換する装置を配置したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０４９８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来技術において、センターバイパス回路における方向切替弁を通過して出てきた圧油は余剰油なので、この圧油のエネルギにより発電した電気エネルギを回収することは、エネルギの有効活用が図れ、システムの効率を向上させる。
【０００７】
このように、上述した従来技術は、システムの効率を向上させることはできるが、電気エネルギを利用する構成要素として、発電機、インバータ、バッテリなどの高価な電動デバイスを必要とする為、装置全体としてコスト高になってしまうという問題があった。また、回収した多大な電気エネルギを有効利用するには、エンジンのトルクをアシストする電動モータや、旋回用油圧モータに代わる旋回用電動モータ等の電動装置が必要となり、このため、これらを有するハイブリッド式建設機械等でなければ適用できないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、高価な電動モータやインバータやバッテリ等の電動用デバイスを備えていない建設機械に適用可能であって、複数の方向切替弁のすべてが中立の位置にあるとき、油圧ポンプから吐出されセンターバイパス回路を介しタンクに捨てられる最小流量分の圧油のエネルギを回収し、回収した圧油のエネルギを回生使用できる圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、油圧ポンプと、前記油圧ポンプにより駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから吐出される圧油の流量及び方向を制御する複数の方向切替弁と、前記複数の方向切替弁を通ってタンクに連通するセンターバイパス回路とを有する油圧装置の、前記油圧ポンプによって発生した圧油のエネルギを回収する圧油エネルギ回収装置であって、前記センターバイパス回路における前記複数の方向切替弁の下流の管路に接続される蓄圧器と、前記蓄圧器の圧力を検出する圧力検出手段と、前記センターバイパス回路の圧油の流出先を前記蓄圧器あるいは前記タンクに切り替える蓄圧切替手段とを備え、前記蓄圧切替手段は、前記圧力検出手段により検出した前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値を超えないときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記蓄圧器側へ流出させ、前記圧力検出手段により検出した前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値を超えるときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記タンク側へ流出させるものとする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記油圧ポンプと前記複数の方向切替弁とを接続する吐出回路と、前記吐出回路と前記蓄圧器との連通／遮断を制御する回生手段と、前記複数の油圧アクチュエータを駆動するために前記複数の方向切替弁を制御する各々の操作指令入力手段とを更に備え、前記回生手段は、前記操作入力手段の入力値に基づいて前記吐出回路と前記蓄圧器とを連通状態に制御することを特徴とする。
【００１１】
更に、第３の発明は、第２の発明において、前記油圧ポンプは可変容量機構を備えた可変容量型の油圧ポンプであって、前記可変容量機構に指令を出力するトルク指令手段を更に備え、前記トルク指令手段は、前記回生手段が前記吐出回路と前記蓄圧器とを連通状態に制御するときに、減トルク指令を出力することを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記油圧ポンプを駆動する原動機と、前記原動機の起動／停止を検出する状態検出手段とを更に備え、前記蓄圧切替手段は、前記状態検出手段が前記原動機の停止を検出しているときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記タンク側へ流出させることを特徴とする。
【００１３】
更に、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記センターバイパス回路と前記蓄圧器とを接続する管路の蓄圧器側に配置された第２油圧ポンプと、前記第２油圧ポンプと駆動軸で連結され前記管路のセンターバイパス回路側に配置された油圧モータとからなる動力変換装置を更に備え、前記第２油圧ポンプは可変容量機構を備えた可変容量型の油圧ポンプであることを特徴とする。
【００１４】
また、第６の発明は、建設機械であって、第１乃至第５の発明のいずれかを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の方向切替弁のすべてが中立の位置にあるとき、油圧ポンプから吐出されセンターバイパス回路を介しタンクに捨てられる最小流量分の圧油も全て回収するアキュムレータを設けたので、電動用デバイスを備えていない建設機械に適用可能であって、油圧システムを低コストで製作することができる。また、圧油のエネルギを電気エネルギに変換することなく、そのままアキュムレータに蓄え、アキュムレータに蓄えた圧油のエネルギをメイン回路に回生することができるので、電気エネルギへの変換ロスが無く、エネルギ消費効率が向上し、建設機械の大幅な燃費の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図２】図１に示す本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態における方向切替弁を拡大して示すシンボル図である。
【図３】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図４】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における油圧ポンプと回生弁の制御フローを示すフローチャート図である。
【図５】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態におけるポンプ容量指令の特性を示す特性図である。
【図６】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における減トルク制御を説明する特性図である。
【図７】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における減トルク指令の特性を示す特性図である。
【図８】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図９】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態における蓄圧電磁弁の制御フローを示すフローチャート図である。
【図１０】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図１１】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態における圧力変換装置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】
【００１７】
以下、本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の実施の形態を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態の構成を示す回路図、図２は図１に示す本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態における方向切替弁を拡大して示すシンボル図である。第１の実施の形態において、本発明の圧油エネルギ回収装置は油圧ショベルに適用したものである。図１において、１は動力源であるエンジン、２はエンジン１に駆動される可変容量型の油圧ポンプを示す。この油圧ポンプ２は可変容量機構として例えば斜板を有していて、この斜板の傾転角を容量制御装置２ａで調整することにより油圧ポンプ２の容量（押しのけ容積）を変化させ、圧油の吐出流量を制御している。
【００１９】
油圧ポンプ２から吐出される圧油を旋回モータ３、アームシリンダ４、ブームシリンダ５の各アクチュエータへ供給する主回路Ｌｐには、主回路Ｌｐ内の圧油の圧力を制限するリリーフ弁１６と圧油の方向と流量を制御する方向切替弁６〜８とが設けられている。リリーフ弁１６は、油圧配管内の圧力が設定圧力以上に上昇した場合に、主回路Ｌｐの圧油を戻り回路Ｌｔを介してタンク１２へ逃がすものである。方向切替弁６〜８の下流側にはセンターバイパス回路Ｌｃが設けられている。
【００２０】
方向切替弁６〜８は、３位置６ポートの切替弁であって、その両パイロット操作部へ供給されるパイロット圧力により、各スプール位置を切り替えて、油圧ポンプ２からの圧油を各アクチュエータ３〜５に供給し駆動している。ここで、旋回用方向切替弁６は旋回モータ３に、アーム用方向切替弁７はアームシリンダ４に、ブーム用方向切替弁８はブームシリンダ５に、それぞれ対応している。また、各方向切替弁６〜８は、図２に示すように、油圧ポンプ２からの圧油が供給される入口ポート６ａ，７ａ，８ａと、タンク１２に連通する戻り回路Ｌｔに接続される出口ポート６ｂ，７ｂ，８ｂと、中立位置のときに連通するセンターポート６ｃ，７ｃ，８ｃと、各アクチュエータ３〜５側に接続する接続ポート６ｄ，６ｅ，７ｄ，７ｅ，８ｄ，８ｅと、パイロット操作部６ｆ，６ｇ，７ｆ，７ｇ，８ｆ，８ｇと、中立復帰用のばね６ｈ，６ｉ，７ｈ，７ｉ，８ｈ，８ｉとを有している。
【００２１】
方向切替弁６〜８のパイロット操作部６ｆ，６ｇ，７ｆ，７ｇ，８ｆ，８ｇへのパイロット圧力がゼロのときには、これら方向切替弁６〜８のスプールは中立位置に配置される。このことにより、各方向切替弁６〜８においてセンターポート６ｃ，７ｃ，８ｃが連通するので、油圧ポンプ２から供給される圧油は、主回路Ｌｐと各方向切替弁６〜８とを直列に介してセンターバイパス回路Ｌｃへ供給される。
【００２２】
また、主回路Ｌｐは、旋回用方向切替弁６のセンターポート６ｃの他に、入口ポート６ａにアクチュエータである旋回モータ３側からの圧油の流出を防止するロードチェック弁９を介して接続されている。さらに、主回路Ｌｐは、アーム用方向切替弁７の入口ポート７ａとブーム用方向切替弁８の入口ポート８ａとにアクチュエータであるアームシリンダ４側とブームシリンダ５側からの圧油の流出を防止するロードチェック弁１０，１１とを介してそれぞれ接続されている。
【００２３】
センターバイパス回路Ｌｃの一端側は、方向切替弁６〜８の下流側に接続されていて、センターバイパス回路Ｌｃの他端側は、方向切替弁６〜８側からの圧油の流入のみを許可するチェック弁１７を介してアキュムレータ１８に接続されている。チェック弁１７とアキュムレータ１８とは蓄圧回路Ｌａにより接続されている。また、センターバイパス回路Ｌｃは、２位置２ポートの切替弁である蓄圧切替弁１９を介してタンク１２へ連通する戻り回路Ｌｔと接続されている。
【００２４】
蓄圧切替弁１９は、一端側にばね１９ｂを有し、蓄圧回路Ｌａの圧力を指令圧とするように操作部１９ａに蓄圧回路Ｌａからの管路を接続して構成されている。指令圧である蓄圧回路Ｌａの圧力がばね１９ｂの所定のばね圧（予め設定された圧力）より低い場合には、ポートは遮断され、センターバイパス回路Ｌｃと戻り回路Ｌｔとは連通しない。一方、指令圧が予め設定された圧力を超えるとポートが連通し、センターバイパス回路Ｌｃから戻り回路Ｌｔへ圧油が流入する。
【００２５】
蓄圧回路Ｌａに一端側を接続した管路の他端側に２位置２ポートの切替弁である回生弁２０が接続され、この回生弁２０と直列に蓄圧回路Ｌａ側からの圧油の流入のみを許可する回生チェック弁２１の一端側が接続されている。この回生チェック弁２１の他端側は、主回路Ｌｐと接続されている。
【００２６】
回生弁２０は、一端側にばね２０ｂを有し、後述する操作レバーの最高圧力を指令圧とするように操作部２０ａに後述するシャトル回路からの管路を接続して構成されている。指令圧である操作レバーの最高圧力がばね２０ｂの所定のばね圧（予め設定された圧力）より低い場合には、ポートは遮断され、蓄圧回路Ｌａと主回路Ｌｐとは連通しない。一方、指令圧が予め設定された圧力を超えるとポートが連通し、蓄圧回路Ｌａから主回路Ｌｐへ圧油が流入する。
【００２７】
各アクチュエータ３〜５への指令入力手段である操作レバーは、旋回レバー１３、アームレバー１４、及びブームレバー１５で構成されている。各操作レバーは図示しないパイロット弁を有していて、各々が操作量にほぼ比例したパイロット圧力を発生する。旋回レバー１３のパイロット圧力は、旋回用方向切替弁６の両操作部６ｆ，６ｇに接続されたパイロット回路１３ａ又は１３ｂに発生し、アームレバー１４のパイロット圧力は、アーム用方向切替弁７の操作部７ｆ，７ｇに接続されたパイロット回路１４ａ又は１４ｂに発生する。同様に、ブームレバー１５のパイロット圧力は、ブーム用方向切替弁８の操作部８ｆ，８ｇに接続されたパイロット回路１５ａ又は１５ｂに発生する。
【００２８】
旋回レバー１３のパイロット回路１３ａと１３ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する管路の一端側がそれぞれ接続され、管路の他端側が高値を選択するシャトル弁２２に接続されている。アームレバー１４のパイロット回路１４ａと１４ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する管路の一端側がそれぞれ接続され、管路の他端側が高値を選択するシャトル弁２３に接続されている。同様に、ブームレバー１５のパイロット回路１５ａと１５ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する管路の一端側がそれぞれ接続され、管路の他端側が高値を選択するシャトル弁２４に接続されている。
【００２９】
シャトル弁２２とシャトル弁２３とで選択された値の高値を選択可能とするようにシャトル弁２５の検出管路を配置し、シャトル弁２５とシャトル弁２４とで選択された値の高値を選択可能とするようにシャトル弁２６の検出管路を配置している。このように配置することで、全ての操作レバーの最高値を選択できるシャトル回路が構成されている。この最高圧は油圧ポンプ２の吐出容量を制御する容量制御装置２ａへ導かれ、ポンプ容量を制御すると共に回生弁２０の指令圧としても導かれている。
【００３０】
次に、本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態における動作について説明する。
図１において、全ての操作レバー１３〜１５の操作量がゼロのときについて説明する。油圧ポンプ２から主回路Ｌｐへ吐出される圧油は、方向切替弁６〜８のセンターポート６ｃ〜８ｃを介して、全流量がセンターバイパス回路Ｌｃへ供給される。この時、シャトル回路からの指令圧を受けて容量制御装置２ａは、油圧ポンプ２の容量を最小としている。
【００３１】
この状態において、蓄圧回路Ｌａの圧力が蓄圧切替弁１９のセット圧よりも低い場合は、蓄圧切替弁１９は遮断状態なので、主回路Ｌｐからセンターバイパス回路Ｌｃに導かれた圧油は、チェック弁１７を経て蓄圧回路Ｌａに導かれる。また、操作レバー１３〜１５の入力ゼロなので、回生弁２０は遮断状態となる。このことにより、圧油が流入するにつれて、蓄圧回路Ｌａの圧力が上昇を開始し、やがて、蓄圧切替弁１９のセット圧を超えると、蓄圧切替弁１９が連通状態に切り替わる。これにより、センターバイパス回路Ｌｃの圧油は、蓄圧切替弁１９を通って戻り回路Ｌｔを経由してタンク１２へ流入する。この結果、油圧ポンプ２の圧力が低下し、無駄なエネルギの消費を防いでいる。蓄圧切替弁１９のセット圧力は、例えば、少なくとも１つのアクチュエータを単独で駆動し得る圧力が好ましい。
【００３２】
通常、油圧ポンプ２は、操作レバー１３〜１５の入力が無くてもゼロではない最小流量の圧油を吐出している。よって、操作レバー１３〜１５の入力が無くても最小流量分の圧油がセンターバイパス回路Ｌｃへ導かれるので、無駄なくアキュムレータ１８へ圧油を蓄圧することが出来る。
【００３３】
次に、操作レバーの１つである旋回レバー１３が入力された場合について説明する。旋回レバー１３が操作されると、旋回用方向切替弁６が切り替わり、主回路Ｌｐの圧油は旋回モータ３へ導かれ、駆動される。旋回レバー１３の操作によりパイロット回路１３ａと１３ｂに発生するパイロット圧力が、回生弁２０のセット圧以上に上昇すると、回生弁２０が連通するので、蓄圧回路Ｌａに蓄えられた圧油は、回生チェック弁２１を通り、主回路Ｌｐに合流する。
【００３４】
これにより、旋回モータ３が必要とする圧油の流量が蓄圧回路Ｌａから供給されるので、油圧ポンプ２の吐出流量を減らすことが出来る。この結果、エンジン１の出力を減らすことが出来るので、燃費向上が図れる。
【００３５】
上述した本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態によれば、複数の方向切替弁６〜８のすべてが中立の位置にあるとき、油圧ポンプ２から吐出されセンターバイパス回路Ｌｃを介しタンク１２に捨てられる最小流量分の圧油も全て回収するアキュムレータ１８を設けたので、電動用デバイスを備えていない建設機械に適用可能であって、低コストで製作することができる。また、圧油のエネルギを電気エネルギに変換することなく、そのままアキュムレータ１８に蓄え、適宜主回路Ｌｐへ圧油を回生することができるので、電気エネルギへの変換ロスが無く、エネルギ消費効率が向上し、建設機械の大幅な燃費の向上が図れる。
【００３６】
また、上述した本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態によれば、コントローラ等の電気的装置を用いないで制御するので、電気的なトラブルを回避することができる。この結果、信頼性の高い圧油エネルギ回収装置を提供することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態においては、全ての操作レバーにおけるパイロット圧力の最高圧力を回生弁２０の指令圧として構成したが、特定のアクチュエータのパイロット圧力を回生弁２０の指令圧として構成しても良い。
【実施例２】
【００３８】
以下、本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図３は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態の構成を示す回路図、図４は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における油圧ポンプと回生弁の制御フローを示すフローチャート図である。図３及び図４において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
図３に示す本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の油圧源と作業機等とで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００４０】
第１の実施の形態におけるシャトル弁２２〜２６を省略し、旋回レバー１３のパイロット回路１３ａと１３ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１３ｃと１３ｄとを設け、アームレバー１４のパイロット回路１４ａと１４ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１４ｃと１４ｄとを設けている。同様に、ブームレバー１５のパイロット回路１５ａと１５ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１５ｃと１５ｄとを設けている。これらの指令圧力センサ１３ｃ〜１５ｄからの検出信号は、後述するコントローラ３０に入力されている。また、蓄圧回路Ｌａの圧力を検出する圧力センサ１８ａが設けられていて、検出信号はコントローラ３０に入力されている。
【００４１】
コントローラ３０からは、油圧ポンプ２の容量制御装置２ｂに電気指令が出力されると共に、回生弁３１の電磁操作部３１ａに電気指令が出力される。このことにより、コントローラ３０が、油圧ポンプ２の容量制御と回生弁３１の開閉制御を行う。
【００４２】
次に、油圧ポンプ２と回生弁３１の制御について図４を用いて説明する。
まず、スタートの状態としては、例えば、オペレータが油圧ショベルのキースイッチ（図示せず）をＯＮにした状態とする。
【００４３】
ステップ（Ｓ１０１）では、各操作レバー１３〜１５の指令圧を検出する。具体的には、各圧力センサ１３ｃ〜１５ｄからの各パイロット圧力のデータをコントローラ３０に取り込む。
【００４４】
ステップ（Ｓ１０２）では、検出した各操作レバーの指令圧の最大値を算出する。具体的には、ステップ（Ｓ１０１）で取り込んだ各パイロット圧力データの中から最大値Ｐｉ_Ｍａｘを算出する。
【００４５】
ステップ（Ｓ１０３）では、最大値Ｐｉ_Ｍａｘが予め定めた設定圧力Ｐｉ_ｓｅｔより高いか否かの判断を行う。最大値Ｐｉ_Ｍａｘが設定圧力Ｐｉ_ｓｅｔより高い場合は、ステップ（Ｓ１０４）に進み、それ以外の場合は、ステップ（Ｓ１０６）へ進む。
【００４６】
ステップ（Ｓ１０４）では、蓄圧回路Ｌａの圧力を検出する。具体的には、圧力センサ１８ａからの蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃのデータをコントローラ３０に取り込む。
【００４７】
ステップ（Ｓ１０５）では、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが予め定めた回生するのに必要な設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔより高いか否かの判断を行う。蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔより高い場合は、ステップ（Ｓ１０８）に進み、それ以外の場合は、ステップ（Ｓ１０６）へ進む。
【００４８】
ステップ（Ｓ１０６）では、回生弁３１へ閉指令を出力する。具体的には、コントローラ３０から回生弁３１の電磁操作部３１ａへの励磁信号を遮断する。このことにより、回生弁３１は、閉状態となり、主回路Ｌｐと蓄圧回路Ｌａとは遮断される。
【００４９】
ステップ（Ｓ１０７）では、油圧ポンプ２のトルク補正制御を実行しない。具体的には、コントローラ３０から油圧ポンプ２の容量制御装置２ｂに対して後述する減トルク指令としてＴ＝０を出力するので、補正信号は付加されない。ステップ（Ｓ１０７）を実行後スタートにリターンする。
【００５０】
ステップ（Ｓ１０５）において、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔより高いと判断された場合に進むステップ（Ｓ１０８）では、回生弁３１へ開指令を出力する。具体的には、コントローラ３０から回生弁３１の電磁操作部３１ａへの励磁信号を出力する。このことにより、回生弁３１は、開動作し連通状態となり、蓄圧回路Ｌａに蓄えられた圧油は、回生チェック弁２１を通り、主回路Ｌｐに合流する。
【００５１】
ステップ（Ｓ１０９）では、油圧ポンプ２のトルク補正制御を実行する。具体的には、後述する油圧ポンプ減トルク指令値ΔＴを演算し、この減トルク指令値に相当する指令値を油圧ポンプ２の容量制御装置２ｂに対して出力する。ステップ（Ｓ１０９）を実行後ステップ（Ｓ１０１）へ戻る。
【００５２】
次に、油圧ポンプ２の容量制御装置２ｂの容量制御等について図５乃至図７を用いて説明する。図５は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態におけるポンプ容量指令の特性を示す特性図、図６は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における減トルク制御を説明する特性図、図７は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における減トルク指令の特性を示す特性図である。図５乃至図７において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００５３】
油圧ポンプ２の容量制御装置２ｂへ出力される指令値は、コントローラ３０において、以下のステップで算出されている。
（１）全ての操作レバー１３〜１５の指令圧である各圧力センサ１３ｃ，１３ｄ，１４ｃ，１４ｄ，１５ｃ，１５ｄからの各パイロット圧力のデータをコントローラ３０に取り込む。
（２）これらデータから最高圧力Ｐｉ_Ｍａｘを演算する。
（３）算出した最高圧力Ｐｉ_Ｍａｘと図５に示す予め設定されているポンプ容量指令特性とに基づき、油圧ポンプ２の指令容量ｑを算出し、この指令容量ｑが実現する指令値を容量制御装置２ｂへ出力している。
【００５４】
このように、第２の実施形態においても、油圧ポンプ２の吐出容量は、全ての操作レバー１３〜１５の指令圧の最高圧力から決定されている。
【００５５】
次に、減トルク制御について図６及び図７を用いて説明する。通常、油圧ポンプ２はエンジン１のストールを防止する為に、ポンプ吸収トルクを制限している。図６は縦軸をポンプ容量ｑ、横軸をポンプ吐出圧力Ｐ（主回路Ｌｐの圧力と等しい）として、ポンプ吐出圧力Ｐに対応したポンプ容量ｑの特性を示している。ここで、ポンプ吐出圧力Ｐが低い値の領域においては、ポンプ容量ｑは最大容量ｑｍａｘ出力可能であるが、ポンプ吐出圧力Ｐの増加に伴って制限トルクＴを超えないように、ポンプ容量ｑを減少させている。この制限曲線以下にポンプ容量ｑを制御することで、ポンプの吸収トルクは制限トルクＴを超えることはない。
【００５６】
図７は縦軸を減トルク値ΔＴ、横軸を蓄圧回路圧力Ｐａｃとして、蓄圧回路圧力Ｐａｃに対応した減トルク値ΔＴの特性を示している。減トルク値△Ｔは、予め設定された蓄圧回路Ｌａの設定圧力Ｐａｃ＿ｓｅｔよりも蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが高い圧力の時に、上述した制限トルクＴを△Ｔだけ減少させ、ポンプの吸収トルクを少なくする制御である。
【００５７】
このように、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが高ければ高い程、回生可能な動力が大きくなり、その分だけ油圧ポンプ２の出力トルクを少なくすることができる。油圧ショベルの場合、エンジン１の回転数を一定で運転するので、負荷トルクが下がれば、その結果エンジン１の出力を下げることになり、燃費削減効果を得ることが出来る。
【００５８】
上述した本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
また、本実施の形態によれば、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃに基づく減トルク制御を行っているので、顕著な燃費削減効果を得ることが出来る。
【実施例３】
【００５９】
以下、本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図８は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態の構成を示す回路図、図９は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態における蓄圧電磁弁の制御フローを示すフローチャート図である。図８及び図９において、図１乃至図７に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
図８に示す本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態は、大略第２の実施の形態と同様の油圧源と作業機等とで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００６１】
第２の実施の形態における油圧切換式の蓄圧切換弁１９を電磁切換式の蓄圧電磁弁４０に置き換え、エンジン１の回転速度Ｎｅｎｇを検出する回転センサ４１をエンジン１に取り付けている。回転センサ４１からの検出信号はコントローラ３０に入力されている。コントローラ３０からは、蓄圧電磁弁４０の電磁操作部４０ａに電気指令が出力され蓄圧電磁弁４０の開閉制御が行われる。
【００６２】
次に、蓄圧電磁弁４０の制御について図９を用いて説明する。
まず、スタートの状態としては、例えば、オペレータが油圧ショベルのキースイッチ（図示せず）をＯＮにした状態とする。
【００６３】
ステップ（Ｓ２０１）では、エンジン１の回転数を検出する。具体的には、回転センサ４１から検出されるエンジン１の回転速度Ｎｅｎｇのデータをコントローラ３０に取り込む。
【００６４】
ステップ（Ｓ２０２）では、回転速度Ｎｅｎｇが予め定めたエンジン回転下限値Ｎｍｉｎより高いか否かの判断を行う。回転速度Ｎｅｎｇがエンジン回転下限値Ｎｍｉｎより高い場合は、エンジン１は運転状態であると判断されてステップ（Ｓ２０３）に進み、それ以外の場合は、ステップ（Ｓ２０６）へ進む。ここで、エンジン回転下限値Ｎｍｉｎは、エンジン１のローアイドル回転数よりも低く設定された値であって、ローアイドル時から急負荷が作用した時の回転速度低下を考慮して設定されている。
【００６５】
ステップ（Ｓ２０３）では、蓄圧回路Ｌａの圧力を検出する。具体的には、圧力センサ１８ａからの蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃのデータをコントローラ３０に取り込む。
【００６６】
ステップ（Ｓ２０４）では、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが予め定めたアキュムレータ１８を保護するための設定圧力Ｐａｃ_ｍａｘより高いか否かの判断を行う。蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｍａｘより高い場合は、ステップ（Ｓ２０６）に進み、それ以外の場合は、ステップ（Ｓ２０５）へ進む。
【００６７】
ステップ（Ｓ２０５）では、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃは設定圧力Ｐａｃ_ｍａｘより高くないので、蓄圧電磁弁４０へ閉指令を出力する。具体的には、コントローラ３０から蓄圧電磁弁４０の電磁操作部４０ａへの励磁信号を遮断する。このことにより、蓄圧電磁弁４０は閉状態となり、センターバイパス回路Ｌｃと戻り回路Ｌｔとは遮断され、センターバイパス回路Ｌｃからの圧油はすべて蓄圧回路Ｌａへ流入する。
【００６８】
ステップ（Ｓ２０６）では、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃは設定圧力Ｐａｃ_ｍａｘより高いので、蓄圧電磁弁４０へ開指令を出力する。具体的には、コントローラ３０から蓄圧電磁弁４０の電磁操作部４０ａへの励磁信号を出力する。このことにより、蓄圧電磁弁４０は、開動作し連通状態となり、蓄圧回路Ｌａに蓄えられた余剰油は、戻り回路Ｌｔを経由してタンク１２へ流入する。この結果、アキュムレータ１８がフル状態で蓄圧する必要がなく、かつ操作レバー１３、１４，１５の操作が無い時に、主回路Ｌｐの圧力が上昇しないので、エンジン１の燃費の悪化を抑えることができる。
【００６９】
一方、ステップ（Ｓ２０２）にて回転速度Ｎｅｎｇが予め定めたエンジン回転下限値Ｎｍｉｎより高くないと判断された場合においても、エンジン１が停止していると判断しステップ（Ｓ２０６）で蓄圧電磁弁４０へ開指令を出力する。
【００７０】
ステップ（Ｓ２０５）とステップ（Ｓ２０６）のいずれかを実行後スタートにリターンする。
【００７１】
本実施の形態においては、エンジン１の停止を判断して蓄圧電磁弁４０を開制御しているので、エンジン１の始動時にスタータモータへ過大な負荷が作用することを防止できる。
【００７２】
例えば、エンジン１の停止を判断して蓄圧電磁弁４０を開制御しない場合であって、エンジン１停止状態において、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが上限値Ｐａｃ_ｍａｘ以下である場合を想定すると、蓄圧電磁弁４０には閉止指令が出力される状態になる。油圧ポンプ２はエンジン直結形であるため、エンジン１の始動時に油圧ポンプ２も駆動される。このことにより油圧ポンプ２と連通する蓄圧回路Ｌａに圧力Ｐａｃが発生し、エンジン１の始動時に油圧ポンプ２の負荷トルク分だけ大きな始動トルクが必要となってしまう。この結果、スタータモータに過大な負荷トルクが発生する。特に周囲温度が低温のときには作動油の粘性も大きい為、高いアキュムレータ１８の残圧があった場合はエンジン１の始動ができないという事態が起こり得る。
【００７３】
上述した本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態によれば、上述した第２の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
また、本実施の形態によれば、エンジン１のスタータモータ容量を増加させる必要がなく、コストアップを抑えるとともに、安定したエンジン始動性を確保することが出来る。
【実施例４】
【００７４】
以下、本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態を図面を用いて説明する。図１０は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態の構成を示す回路図、図１１は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態における圧力変換装置の制御フローを示すフローチャート図である。図１０及び図１１において、図１乃至図９に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００７５】
図１０に示す本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態は、大略第３の実施の形態と同様の油圧源と作業機等とで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００７６】
第３の実施の形態におけるセンターバイパス回路Ｌｃにおいて、チェック弁１７の上流側に動力変換装置４２を追加配置している。動力変換装置４２は、油圧モータ４３と第２油圧ポンプ４４とから構成され、互いに駆動軸で連結され、油圧モータ４３側に圧油が供給されるとその圧油による駆動トルクが発生し、第２油圧ポンプ４４が同時に駆動される。この時、油圧モータ４３と第２油圧ポンプ４４の容量を変えることで、油圧モータ４３入口の圧力から第２油圧ポンプ４４の出口の圧力を変換することが出来る。第２油圧ポンプ４４から吐出される圧油はチェック弁１７を経て、アキュムレータ１８へ蓄圧されるようになっている。
【００７７】
本実施の形態においては、油圧モータ４３は固定容量型、第２油圧ポンプ４４は可変容量型であって、第２油圧ポンプ４４の容量制御装置４４ａには、コントローラ３０から電気指令が出力されて容量制御が行われている。
【００７８】
次に、圧力変換装置４２の制御について図１１を用いて説明する。
まず、スタートの状態としては、例えば、オペレータが油圧ショベルのキースイッチ（図示せず）をＯＮにした状態とする。
【００７９】
ステップ（Ｓ３０１）では、蓄圧回路Ｌａの圧力を検出する。具体的には、圧力センサ１８ａからの蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃのデータをコントローラ３０に取り込む。
【００８０】
ステップ（Ｓ３０２）では、圧力変換装置４２の第２油圧ポンプ４４の目標油圧ポンプ容量ｑｐを演算する。具体的には、詳細後述するが、検出された蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃ、固定容量である油圧モータ４３の容量ｑｍ、予め設定された目標モータ入口圧力Ｐｍを用いて、第２油圧ポンプ４４の目標油圧ポンプ容量ｑｐを演算する。
【００８１】
ステップ（Ｓ３０３）では、第２油圧ポンプの容量制御装置４４ａへ目標ポンプ容量となるように指令信号を出力する。このようにして、圧力変換装置４２の第２油圧ポンプ４４の容量制御が実行される。
【００８２】
次に、第２油圧ポンプ４４の目標油圧ポンプ容量ｑｐの算出について説明する。予め計測等により設定された動力変換装置４２の変換損失をηとすると、油圧モータ４３の入力油圧動力（=Ｐｍ・ｑｍ）と、油圧モータ４３と駆動軸で接続された油圧ポンプ４４の出力動力（=Ｐａｃ・ｑｐ・η）とが釣り合うので、Ｐｍ・ｑｍ＝Ｐａｃ・ｑｐ・ηという等式が成り立つ。この結果、第２油圧ポンプ４４の目標油圧ポンプ容量ｑｐは、次の式（１）に従って算出される。
ｑｐ＝（Ｐｍ・ｑｍ）／（Ｐａｃ・η）・・・・（１）
ここで、Ｐｍは予め設定された目標モータ入口圧力、ｑｍは油圧モータ４３の容量、Ｐａｃは蓄圧回路Ｌａの圧力、ｑｐは第２油圧ポンプ４４の目標油圧ポンプ容量、ηは動力変換装置４２の変換損失とする。
【００８３】
第２油圧ポンプ４４の吐出油はチェック弁１７を経てアキュムレータ回路Ｌａへ導かれるが、チェック弁１７の通過抵抗は微小なので無視することができる。したがって、第２油圧ポンプ４４の吐出圧力はＰａｃと等しい。
【００８４】
また、油圧モータ４３の入口設定圧Ｐｍについては予め設定していて、式（１）に基づいて第２油圧ポンプ４４の容量ｑｐを制御しているので、油圧モータ４３入口の圧力は、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃとは関係なく一定に制御されることになる。このことにより、センターバイパス回路Ｌｃの圧力が一定に制御されるので、アキュムレータ１８の圧力が変動したとしても、各アクチュエータ３〜５の操作性に影響を与えることがない。
【００８５】
上述した本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態によれば、上述した第３の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
また、本実施の形態によれば、上述した第１〜第３の実施の形態におけるセンターバイパス回路Ｌｃの圧力がアキュムレータ圧力Ｐａｃよりも低い状態であっても圧油のエネルギを回収することができるので、操作レバー１３〜１５の入力が無い時に圧油のエネルギを回収する場合であっても、センターバイパス回路Ｌｃの圧力を予め設定した油圧モータ４３の入口設定圧Ｐｍに低減することができ、主回路Ｌｐにおける圧油の圧力も入口設定圧Ｐｍ程度に抑えることができる。この結果、エンジン１の負荷トルクを増大せずに油圧ポンプ２を運転することが可能となるので、建設機械の大幅な燃費の向上が図れる。
【００８６】
更に、本実施の形態によれば、センターバイパス回路Ｌｃの圧力を予め設定した油圧モータ４３の入口設定圧Ｐｍで一定に保つことができるので、アキュムレータ１８の圧力の変動による操作性の影響を受けない。この結果、安定した操作性を実現することができる。
【００８７】
なお、本実施の形態においては、油圧モータ４３の入口圧力を検出しない構成で説明したが、これに限るものではない。油圧モータ４３の入口圧力を検出してフィードバック制御をするように構成することで、より制御精度の向上を図ることも可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１ エンジン
２ 油圧ポンプ
３ 旋回用方向切替弁
４ アーム用方向切替弁
５ ブーム用方向切替弁
６ 旋回モータ
７ アームシリンダ
８ ブームシリンダ
９ ロードチェック弁
１２ タンク
１３ 旋回レバー
１４ アームレバー
１５ ブームレバー
１６ リリーフ弁
１７ チェック弁
１８ アキュムレータ
１９ 蓄圧切替弁
２０ 回生弁
２１ 回生チェック弁
２２ シャトル弁
Ｌｐ 主回路
Ｌｃ センターバイパス回路
Ｌａ 蓄圧回路
Ｌｔ 戻り回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の油圧システムに設けられる圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、油圧ショベルは、フロント作業機であるブーム、アーム、及びバケットのそれぞれを駆動する油圧シリンダと、旋回体や走行体のそれぞれを駆動する油圧モータ等からなる複数の油圧アクチュエータを有していて、これらの油圧アクチュエータを適宜操作することにより、土砂の掘削、移動等の作業を行うものである。
【０００３】
このような油圧ショベルにおいて、油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される複数の油圧アクチュエータと、複数の油圧アクチュエータの作動方向及び作動速度を供給する圧油の切替によりそれぞれ制御する複数の方向切替弁と、この複数の方向切替弁を通ってタンクに連通するセンターバイパス回路とを備えた油圧システムを用いたものがある。
【０００４】
複数の方向切替弁のすべてが中立の位置にあるとき、油圧ポンプから吐出されセンターバイパス回路を介しタンクに捨てられる圧油のエネルギを回収し、有効利用できる圧油のエネルギ回収装置として、複数の方向切替弁の下流に位置するセンターバイパス回路に、センターバイパス回路を通ってタンクに流出する圧油のエネルギを電気エネルギに変換する装置を配置したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−０４９８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来技術において、センターバイパス回路における方向切替弁を通過して出てきた圧油は余剰油なので、この圧油のエネルギにより発電した電気エネルギを回収することは、エネルギの有効活用が図れ、システムの効率を向上させる。
【０００７】
このように、上述した従来技術は、システムの効率を向上させることはできるが、電気エネルギを利用する構成要素として、発電機、インバータ、バッテリなどの高価な電動デバイスを必要とする為、装置全体としてコスト高になってしまうという問題があった。また、回収した多大な電気エネルギを有効利用するには、エンジンのトルクをアシストする電動モータや、旋回用油圧モータに代わる旋回用電動モータ等の電動装置が必要となり、このため、これらを有するハイブリッド式建設機械等でなければ適用できないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、高価な電動モータやインバータやバッテリ等の電動用デバイスを備えていない建設機械に適用可能であって、複数の方向切替弁のすべてが中立の位置にあるとき、油圧ポンプから吐出されセンターバイパス回路を介しタンクに捨てられる最小流量分の圧油のエネルギを回収し、回収した圧油のエネルギを回生使用できる圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、油圧ポンプと、前記油圧ポンプにより駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから吐出される圧油の流量及び方向を制御する複数の方向切替弁と、前記複数の方向切替弁を通ってタンクに連通するセンターバイパス回路とを有する油圧装置の、前記油圧ポンプによって発生した圧油のエネルギを回収する圧油エネルギ回収装置であって、前記センターバイパス回路における前記複数の方向切替弁の下流の管路に接続される蓄圧器と、前記蓄圧器の圧力を検出する圧力検出手段と、前記センターバイパス回路の圧油の流出先を前記蓄圧器あるいは前記タンクに切り替える蓄圧切替手段とを備え、前記蓄圧切替手段は、前記圧力検出手段により検出した前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値を超えないときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記蓄圧器側へ流出させ、前記圧力検出手段により検出した前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値を超えるときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記タンク側へ流出させるものとする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記油圧ポンプと前記複数の方向切替弁とを接続する吐出回路と、前記吐出回路と前記蓄圧器との連通／遮断を制御する回生手段と、前記複数の油圧アクチュエータを駆動するために前記複数の方向切替弁を制御する各々の操作指令入力手段とを更に備え、前記回生手段は、前記操作入力手段の入力値に基づいて前記吐出回路と前記蓄圧器とを連通状態に制御することを特徴とする。
【００１１】
更に、第３の発明は、第２の発明において、前記油圧ポンプは可変容量機構を備えた可変容量型の油圧ポンプであって、前記可変容量機構に指令を出力するトルク指令手段を更に備え、前記トルク指令手段は、前記回生手段が前記吐出回路と前記蓄圧器とを連通状態に制御するときに、減トルク指令を出力することを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記油圧ポンプを駆動する原動機と、前記原動機の起動／停止を検出する状態検出手段とを更に備え、前記蓄圧切替手段は、前記状態検出手段が前記原動機の停止を検出しているときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記タンク側へ流出させることを特徴とする。
【００１３】
更に、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記センターバイパス回路と前記蓄圧器とを接続する管路の蓄圧器側に配置された第２油圧ポンプと、前記第２油圧ポンプと駆動軸で連結され前記管路のセンターバイパス回路側に配置された油圧モータとからなる動力変換装置を更に備え、前記第２油圧ポンプは可変容量機構を備えた可変容量型の油圧ポンプであることを特徴とする。
【００１４】
また、第６の発明は、建設機械であって、第１乃至第５の発明のいずれかを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の方向切替弁のすべてが中立の位置にあるとき、油圧ポンプから吐出されセンターバイパス回路を介しタンクに捨てられる最小流量分の圧油も全て回収するアキュムレータを設けたので、電動用デバイスを備えていない建設機械に適用可能であって、油圧システムを低コストで製作することができる。また、圧油のエネルギを電気エネルギに変換することなく、そのままアキュムレータに蓄え、アキュムレータに蓄えた圧油のエネルギをメイン回路に回生することができるので、電気エネルギへの変換ロスが無く、エネルギ消費効率が向上し、建設機械の大幅な燃費の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図２】図１に示す本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態における方向切替弁を拡大して示すシンボル図である。
【図３】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図４】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における油圧ポンプと回生弁の制御フローを示すフローチャート図である。
【図５】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態におけるポンプ容量指令の特性を示す特性図である。
【図６】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における減トルク制御を説明する特性図である。
【図７】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における減トルク指令の特性を示す特性図である。
【図８】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図９】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態における蓄圧電磁弁の制御フローを示すフローチャート図である。
【図１０】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態の構成を示す回路図である。
【図１１】本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態における圧力変換装置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】
【００１７】
以下、本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の実施の形態を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態の構成を示す回路図、図２は図１に示す本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態における方向切替弁を拡大して示すシンボル図である。第１の実施の形態において、本発明の圧油エネルギ回収装置は油圧ショベルに適用したものである。図１において、１は動力源であるエンジン、２はエンジン１に駆動される可変容量型の油圧ポンプを示す。この油圧ポンプ２は可変容量機構として例えば斜板を有していて、この斜板の傾転角を容量制御装置２ａで調整することにより油圧ポンプ２の容量（押しのけ容積）を変化させ、圧油の吐出流量を制御している。
【００１９】
油圧ポンプ２から吐出される圧油を旋回モータ３、アームシリンダ４、ブームシリンダ５の各アクチュエータへ供給する主回路Ｌｐには、主回路Ｌｐ内の圧油の圧力を制限するリリーフ弁１６と圧油の方向と流量を制御する方向切替弁６〜８とが設けられている。リリーフ弁１６は、油圧配管内の圧力が設定圧力以上に上昇した場合に、主回路Ｌｐの圧油を戻り回路Ｌｔを介してタンク１２へ逃がすものである。方向切替弁６〜８の下流側にはセンターバイパス回路Ｌｃが設けられている。
【００２０】
方向切替弁６〜８は、３位置６ポートの切替弁であって、その両パイロット操作部へ供給されるパイロット圧力により、各スプール位置を切り替えて、油圧ポンプ２からの圧油を各アクチュエータ３〜５に供給し駆動している。ここで、旋回用方向切替弁６は旋回モータ３に、アーム用方向切替弁７はアームシリンダ４に、ブーム用方向切替弁８はブームシリンダ５に、それぞれ対応している。また、各方向切替弁６〜８は、図２に示すように、油圧ポンプ２からの圧油が供給される入口ポート６ａ，７ａ，８ａと、タンク１２に連通する戻り回路Ｌｔに接続される出口ポート６ｂ，７ｂ，８ｂと、中立位置のときに連通するセンターポート６ｃ，７ｃ，８ｃと、各アクチュエータ３〜５側に接続する接続ポート６ｄ，６ｅ，７ｄ，７ｅ，８ｄ，８ｅと、パイロット操作部６ｆ，６ｇ，７ｆ，７ｇ，８ｆ，８ｇと、中立復帰用のばね６ｈ，６ｉ，７ｈ，７ｉ，８ｈ，８ｉとを有している。
【００２１】
方向切替弁６〜８のパイロット操作部６ｆ，６ｇ，７ｆ，７ｇ，８ｆ，８ｇへのパイロット圧力がゼロのときには、これら方向切替弁６〜８のスプールは中立位置に配置される。このことにより、各方向切替弁６〜８においてセンターポート６ｃ，７ｃ，８ｃが連通するので、油圧ポンプ２から供給される圧油は、主回路Ｌｐと各方向切替弁６〜８とを直列に介してセンターバイパス回路Ｌｃへ供給される。
【００２２】
また、主回路Ｌｐは、旋回用方向切替弁６のセンターポート６ｃの他に、入口ポート６ａにアクチュエータである旋回モータ３側からの圧油の流出を防止するロードチェック弁９を介して接続されている。さらに、主回路Ｌｐは、アーム用方向切替弁７の入口ポート７ａとブーム用方向切替弁８の入口ポート８ａとにアクチュエータであるアームシリンダ４側とブームシリンダ５側からの圧油の流出を防止するロードチェック弁１０，１１とを介してそれぞれ接続されている。
【００２３】
センターバイパス回路Ｌｃの一端側は、方向切替弁６〜８の下流側に接続されていて、センターバイパス回路Ｌｃの他端側は、方向切替弁６〜８側からの圧油の流入のみを許可するチェック弁１７を介してアキュムレータ１８に接続されている。チェック弁１７とアキュムレータ１８とは蓄圧回路Ｌａにより接続されている。また、センターバイパス回路Ｌｃは、２位置２ポートの切替弁である蓄圧切替弁１９を介してタンク１２へ連通する戻り回路Ｌｔと接続されている。
【００２４】
蓄圧切替弁１９は、一端側にばね１９ｂを有し、蓄圧回路Ｌａの圧力を指令圧とするように操作部１９ａに蓄圧回路Ｌａからの管路を接続して構成されている。指令圧である蓄圧回路Ｌａの圧力がばね１９ｂの所定のばね圧（予め設定された圧力）より低い場合には、ポートは遮断され、センターバイパス回路Ｌｃと戻り回路Ｌｔとは連通しない。一方、指令圧が予め設定された圧力を超えるとポートが連通し、センターバイパス回路Ｌｃから戻り回路Ｌｔへ圧油が流入する。
【００２５】
蓄圧回路Ｌａに一端側を接続した管路の他端側に２位置２ポートの切替弁である回生弁２０が接続され、この回生弁２０と直列に蓄圧回路Ｌａ側からの圧油の流入のみを許可する回生チェック弁２１の一端側が接続されている。この回生チェック弁２１の他端側は、主回路Ｌｐと接続されている。
【００２６】
回生弁２０は、一端側にばね２０ｂを有し、後述する操作レバーの最高圧力を指令圧とするように操作部２０ａに後述するシャトル回路からの管路を接続して構成されている。指令圧である操作レバーの最高圧力がばね２０ｂの所定のばね圧（予め設定された圧力）より低い場合には、ポートは遮断され、蓄圧回路Ｌａと主回路Ｌｐとは連通しない。一方、指令圧が予め設定された圧力を超えるとポートが連通し、蓄圧回路Ｌａから主回路Ｌｐへ圧油が流入する。
【００２７】
各アクチュエータ３〜５への指令入力手段である操作レバーは、旋回レバー１３、アームレバー１４、及びブームレバー１５で構成されている。各操作レバーは図示しないパイロット弁を有していて、各々が操作量にほぼ比例したパイロット圧力を発生する。旋回レバー１３のパイロット圧力は、旋回用方向切替弁６の両操作部６ｆ，６ｇに接続されたパイロット回路１３ａ又は１３ｂに発生し、アームレバー１４のパイロット圧力は、アーム用方向切替弁７の操作部７ｆ，７ｇに接続されたパイロット回路１４ａ又は１４ｂに発生する。同様に、ブームレバー１５のパイロット圧力は、ブーム用方向切替弁８の操作部８ｆ，８ｇに接続されたパイロット回路１５ａ又は１５ｂに発生する。
【００２８】
旋回レバー１３のパイロット回路１３ａと１３ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する管路の一端側がそれぞれ接続され、管路の他端側が高値を選択するシャトル弁２２に接続されている。アームレバー１４のパイロット回路１４ａと１４ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する管路の一端側がそれぞれ接続され、管路の他端側が高値を選択するシャトル弁２３に接続されている。同様に、ブームレバー１５のパイロット回路１５ａと１５ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する管路の一端側がそれぞれ接続され、管路の他端側が高値を選択するシャトル弁２４に接続されている。
【００２９】
シャトル弁２２とシャトル弁２３とで選択された値の高値を選択可能とするようにシャトル弁２５の検出管路を配置し、シャトル弁２５とシャトル弁２４とで選択された値の高値を選択可能とするようにシャトル弁２６の検出管路を配置している。このように配置することで、全ての操作レバーの最高値を選択できるシャトル回路が構成されている。この最高圧は油圧ポンプ２の吐出容量を制御する容量制御装置２ａへ導かれ、ポンプ容量を制御すると共に回生弁２０の指令圧としても導かれている。
【００３０】
次に、本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態における動作について説明する。
図１において、全ての操作レバー１３〜１５の操作量がゼロのときについて説明する。油圧ポンプ２から主回路Ｌｐへ吐出される圧油は、方向切替弁６〜８のセンターポート６ｃ〜８ｃを介して、全流量がセンターバイパス回路Ｌｃへ供給される。この時、シャトル回路からの指令圧を受けて容量制御装置２ａは、油圧ポンプ２の容量を最小としている。
【００３１】
この状態において、蓄圧回路Ｌａの圧力が蓄圧切替弁１９のセット圧よりも低い場合は、蓄圧切替弁１９は遮断状態なので、主回路Ｌｐからセンターバイパス回路Ｌｃに導かれた圧油は、チェック弁１７を経て蓄圧回路Ｌａに導かれる。また、操作レバー１３〜１５の入力ゼロなので、回生弁２０は遮断状態となる。このことにより、圧油が流入するにつれて、蓄圧回路Ｌａの圧力が上昇を開始し、やがて、蓄圧切替弁１９のセット圧を超えると、蓄圧切替弁１９が連通状態に切り替わる。これにより、センターバイパス回路Ｌｃの圧油は、蓄圧切替弁１９を通って戻り回路Ｌｔを経由してタンク１２へ流入する。この結果、油圧ポンプ２の圧力が低下し、無駄なエネルギの消費を防いでいる。蓄圧切替弁１９のセット圧力は、例えば、少なくとも１つのアクチュエータを単独で駆動し得る圧力が好ましい。
【００３２】
通常、油圧ポンプ２は、操作レバー１３〜１５の入力が無くてもゼロではない最小流量の圧油を吐出している。よって、操作レバー１３〜１５の入力が無くても最小流量分の圧油がセンターバイパス回路Ｌｃへ導かれるので、無駄なくアキュムレータ１８へ圧油を蓄圧することが出来る。
【００３３】
次に、操作レバーの１つである旋回レバー１３が入力された場合について説明する。旋回レバー１３が操作されると、旋回用方向切替弁６が切り替わり、主回路Ｌｐの圧油は旋回モータ３へ導かれ、駆動される。旋回レバー１３の操作によりパイロット回路１３ａと１３ｂに発生するパイロット圧力が、回生弁２０のセット圧以上に上昇すると、回生弁２０が連通するので、蓄圧回路Ｌａに蓄えられた圧油は、回生チェック弁２１を通り、主回路Ｌｐに合流する。
【００３４】
これにより、旋回モータ３が必要とする圧油の流量が蓄圧回路Ｌａから供給されるので、油圧ポンプ２の吐出流量を減らすことが出来る。この結果、エンジン１の出力を減らすことが出来るので、燃費向上が図れる。
【００３５】
上述した本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態によれば、複数の方向切替弁６〜８のすべてが中立の位置にあるとき、油圧ポンプ２から吐出されセンターバイパス回路Ｌｃを介しタンク１２に捨てられる最小流量分の圧油も全て回収するアキュムレータ１８を設けたので、電動用デバイスを備えていない建設機械に適用可能であって、低コストで製作することができる。また、圧油のエネルギを電気エネルギに変換することなく、そのままアキュムレータ１８に蓄え、適宜主回路Ｌｐへ圧油を回生することができるので、電気エネルギへの変換ロスが無く、エネルギ消費効率が向上し、建設機械の大幅な燃費の向上が図れる。
【００３６】
また、上述した本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第１の実施の形態によれば、コントローラ等の電気的装置を用いないで制御するので、電気的なトラブルを回避することができる。この結果、信頼性の高い圧油エネルギ回収装置を提供することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態においては、全ての操作レバーにおけるパイロット圧力の最高圧力を回生弁２０の指令圧として構成したが、特定のアクチュエータのパイロット圧力を回生弁２０の指令圧として構成しても良い。
【実施例２】
【００３８】
以下、本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図３は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態の構成を示す回路図、図４は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における油圧ポンプと回生弁の制御フローを示すフローチャート図である。図３及び図４において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
図３に示す本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の油圧源と作業機等とで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００４０】
第１の実施の形態におけるシャトル弁２２〜２６を省略し、旋回レバー１３のパイロット回路１３ａと１３ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１３ｃと１３ｄとを設け、アームレバー１４のパイロット回路１４ａと１４ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１４ｃと１４ｄとを設けている。同様に、ブームレバー１５のパイロット回路１５ａと１５ｂとには、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１５ｃと１５ｄとを設けている。これらの指令圧力センサ１３ｃ〜１５ｄからの検出信号は、後述するコントローラ３０に入力されている。また、蓄圧回路Ｌａの圧力を検出する圧力センサ１８ａが設けられていて、検出信号はコントローラ３０に入力されている。
【００４１】
コントローラ３０からは、油圧ポンプ２の容量制御装置２ｂに電気指令が出力されると共に、回生弁３１の電磁操作部３１ａに電気指令が出力される。このことにより、コントローラ３０が、油圧ポンプ２の容量制御と回生弁３１の開閉制御を行う。
【００４２】
次に、油圧ポンプ２と回生弁３１の制御について図４を用いて説明する。
まず、スタートの状態としては、例えば、オペレータが油圧ショベルのキースイッチ（図示せず）をＯＮにした状態とする。
【００４３】
ステップ（Ｓ１０１）では、各操作レバー１３〜１５の指令圧を検出する。具体的には、各圧力センサ１３ｃ〜１５ｄからの各パイロット圧力のデータをコントローラ３０に取り込む。
【００４４】
ステップ（Ｓ１０２）では、検出した各操作レバーの指令圧の最大値を算出する。具体的には、ステップ（Ｓ１０１）で取り込んだ各パイロット圧力データの中から最大値Ｐｉ_Ｍａｘを算出する。
【００４５】
ステップ（Ｓ１０３）では、最大値Ｐｉ_Ｍａｘが予め定めた設定圧力Ｐｉ_ｓｅｔより高いか否かの判断を行う。最大値Ｐｉ_Ｍａｘが設定圧力Ｐｉ_ｓｅｔより高い場合は、ステップ（Ｓ１０４）に進み、それ以外の場合は、ステップ（Ｓ１０６）へ進む。
【００４６】
ステップ（Ｓ１０４）では、蓄圧回路Ｌａの圧力を検出する。具体的には、圧力センサ１８ａからの蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃのデータをコントローラ３０に取り込む。
【００４７】
ステップ（Ｓ１０５）では、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが予め定めた回生するのに必要な設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔより高いか否かの判断を行う。蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔより高い場合は、ステップ（Ｓ１０８）に進み、それ以外の場合は、ステップ（Ｓ１０６）へ進む。
【００４８】
ステップ（Ｓ１０６）では、回生弁３１へ閉指令を出力する。具体的には、コントローラ３０から回生弁３１の電磁操作部３１ａへの励磁信号を遮断する。このことにより、回生弁３１は、閉状態となり、主回路Ｌｐと蓄圧回路Ｌａとは遮断される。
【００４９】
ステップ（Ｓ１０７）では、油圧ポンプ２のトルク補正制御を実行しない。具体的には、コントローラ３０から油圧ポンプ２の容量制御装置２ｂに対して後述する減トルク指令としてＴ＝０を出力するので、補正信号は付加されない。ステップ（Ｓ１０７）を実行後スタートにリターンする。
【００５０】
ステップ（Ｓ１０５）において、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔより高いと判断された場合に進むステップ（Ｓ１０８）では、回生弁３１へ開指令を出力する。具体的には、コントローラ３０から回生弁３１の電磁操作部３１ａへの励磁信号を出力する。このことにより、回生弁３１は、開動作し連通状態となり、蓄圧回路Ｌａに蓄えられた圧油は、回生チェック弁２１を通り、主回路Ｌｐに合流する。
【００５１】
ステップ（Ｓ１０９）では、油圧ポンプ２のトルク補正制御を実行する。具体的には、後述する油圧ポンプ減トルク指令値ΔＴを演算し、この減トルク指令値に相当する指令値を油圧ポンプ２の容量制御装置２ｂに対して出力する。ステップ（Ｓ１０９）を実行後ステップ（Ｓ１０１）へ戻る。
【００５２】
次に、油圧ポンプ２の容量制御装置２ｂの容量制御等について図５乃至図７を用いて説明する。図５は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態におけるポンプ容量指令の特性を示す特性図、図６は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における減トルク制御を説明する特性図、図７は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態における減トルク指令の特性を示す特性図である。図５乃至図７において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００５３】
油圧ポンプ２の容量制御装置２ｂへ出力される指令値は、コントローラ３０において、以下のステップで算出されている。
（１）全ての操作レバー１３〜１５の指令圧である各圧力センサ１３ｃ，１３ｄ，１４ｃ，１４ｄ，１５ｃ，１５ｄからの各パイロット圧力のデータをコントローラ３０に取り込む。
（２）これらデータから最高圧力Ｐｉ_Ｍａｘを演算する。
（３）算出した最高圧力Ｐｉ_Ｍａｘと図５に示す予め設定されているポンプ容量指令特性とに基づき、油圧ポンプ２の指令容量ｑを算出し、この指令容量ｑが実現する指令値を容量制御装置２ｂへ出力している。
【００５４】
このように、第２の実施形態においても、油圧ポンプ２の吐出容量は、全ての操作レバー１３〜１５の指令圧の最高圧力から決定されている。
【００５５】
次に、減トルク制御について図６及び図７を用いて説明する。通常、油圧ポンプ２はエンジン１のストールを防止する為に、ポンプ吸収トルクを制限している。図６は縦軸をポンプ容量ｑ、横軸をポンプ吐出圧力Ｐ（主回路Ｌｐの圧力と等しい）として、ポンプ吐出圧力Ｐに対応したポンプ容量ｑの特性を示している。ここで、ポンプ吐出圧力Ｐが低い値の領域においては、ポンプ容量ｑは最大容量ｑｍａｘ出力可能であるが、ポンプ吐出圧力Ｐの増加に伴って制限トルクＴを超えないように、ポンプ容量ｑを減少させている。この制限曲線以下にポンプ容量ｑを制御することで、ポンプの吸収トルクは制限トルクＴを超えることはない。
【００５６】
図７は縦軸を減トルク値ΔＴ、横軸を蓄圧回路圧力Ｐａｃとして、蓄圧回路圧力Ｐａｃに対応した減トルク値ΔＴの特性を示している。減トルク値△Ｔは、予め設定された蓄圧回路Ｌａの設定圧力Ｐａｃ＿ｓｅｔよりも蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが高い圧力の時に、上述した制限トルクＴを△Ｔだけ減少させ、ポンプの吸収トルクを少なくする制御である。
【００５７】
このように、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが高ければ高い程、回生可能な動力が大きくなり、その分だけ油圧ポンプ２の出力トルクを少なくすることができる。油圧ショベルの場合、エンジン１の回転数を一定で運転するので、負荷トルクが下がれば、その結果エンジン１の出力を下げることになり、燃費削減効果を得ることが出来る。
【００５８】
上述した本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
また、本実施の形態によれば、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃに基づく減トルク制御を行っているので、顕著な燃費削減効果を得ることが出来る。
【実施例３】
【００５９】
以下、本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図８は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態の構成を示す回路図、図９は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態における蓄圧電磁弁の制御フローを示すフローチャート図である。図８及び図９において、図１乃至図７に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
図８に示す本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態は、大略第２の実施の形態と同様の油圧源と作業機等とで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００６１】
第２の実施の形態における油圧切換式の蓄圧切換弁１９を電磁切換式の蓄圧電磁弁４０に置き換え、エンジン１の回転速度Ｎｅｎｇを検出する回転センサ４１をエンジン１に取り付けている。回転センサ４１からの検出信号はコントローラ３０に入力されている。コントローラ３０からは、蓄圧電磁弁４０の電磁操作部４０ａに電気指令が出力され蓄圧電磁弁４０の開閉制御が行われる。
【００６２】
次に、蓄圧電磁弁４０の制御について図９を用いて説明する。
まず、スタートの状態としては、例えば、オペレータが油圧ショベルのキースイッチ（図示せず）をＯＮにした状態とする。
【００６３】
ステップ（Ｓ２０１）では、エンジン１の回転数を検出する。具体的には、回転センサ４１から検出されるエンジン１の回転速度Ｎｅｎｇのデータをコントローラ３０に取り込む。
【００６４】
ステップ（Ｓ２０２）では、回転速度Ｎｅｎｇが予め定めたエンジン回転下限値Ｎｍｉｎより高いか否かの判断を行う。回転速度Ｎｅｎｇがエンジン回転下限値Ｎｍｉｎより高い場合は、エンジン１は運転状態であると判断されてステップ（Ｓ２０３）に進み、それ以外の場合は、ステップ（Ｓ２０６）へ進む。ここで、エンジン回転下限値Ｎｍｉｎは、エンジン１のローアイドル回転数よりも低く設定された値であって、ローアイドル時から急負荷が作用した時の回転速度低下を考慮して設定されている。
【００６５】
ステップ（Ｓ２０３）では、蓄圧回路Ｌａの圧力を検出する。具体的には、圧力センサ１８ａからの蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃのデータをコントローラ３０に取り込む。
【００６６】
ステップ（Ｓ２０４）では、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが予め定めたアキュムレータ１８を保護するための設定圧力Ｐａｃ_ｍａｘより高いか否かの判断を行う。蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｍａｘより高い場合は、ステップ（Ｓ２０６）に進み、それ以外の場合は、ステップ（Ｓ２０５）へ進む。
【００６７】
ステップ（Ｓ２０５）では、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃは設定圧力Ｐａｃ_ｍａｘより高くないので、蓄圧電磁弁４０へ閉指令を出力する。具体的には、コントローラ３０から蓄圧電磁弁４０の電磁操作部４０ａへの励磁信号を遮断する。このことにより、蓄圧電磁弁４０は閉状態となり、センターバイパス回路Ｌｃと戻り回路Ｌｔとは遮断され、センターバイパス回路Ｌｃからの圧油はすべて蓄圧回路Ｌａへ流入する。
【００６８】
ステップ（Ｓ２０６）では、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃは設定圧力Ｐａｃ_ｍａｘより高いので、蓄圧電磁弁４０へ開指令を出力する。具体的には、コントローラ３０から蓄圧電磁弁４０の電磁操作部４０ａへの励磁信号を出力する。このことにより、蓄圧電磁弁４０は、開動作し連通状態となり、蓄圧回路Ｌａに蓄えられた余剰油は、戻り回路Ｌｔを経由してタンク１２へ流入する。この結果、アキュムレータ１８がフル状態で蓄圧する必要がなく、かつ操作レバー１３、１４，１５の操作が無い時に、主回路Ｌｐの圧力が上昇しないので、エンジン１の燃費の悪化を抑えることができる。
【００６９】
一方、ステップ（Ｓ２０２）にて回転速度Ｎｅｎｇが予め定めたエンジン回転下限値Ｎｍｉｎより高くないと判断された場合においても、エンジン１が停止していると判断しステップ（Ｓ２０６）で蓄圧電磁弁４０へ開指令を出力する。
【００７０】
ステップ（Ｓ２０５）とステップ（Ｓ２０６）のいずれかを実行後スタートにリターンする。
【００７１】
本実施の形態においては、エンジン１の停止を判断して蓄圧電磁弁４０を開制御しているので、エンジン１の始動時にスタータモータへ過大な負荷が作用することを防止できる。
【００７２】
例えば、エンジン１の停止を判断して蓄圧電磁弁４０を開制御しない場合であって、エンジン１停止状態において、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃが上限値Ｐａｃ_ｍａｘ以下である場合を想定すると、蓄圧電磁弁４０には閉止指令が出力される状態になる。油圧ポンプ２はエンジン直結形であるため、エンジン１の始動時に油圧ポンプ２も駆動される。このことにより油圧ポンプ２と連通する蓄圧回路Ｌａに圧力Ｐａｃが発生し、エンジン１の始動時に油圧ポンプ２の負荷トルク分だけ大きな始動トルクが必要となってしまう。この結果、スタータモータに過大な負荷トルクが発生する。特に周囲温度が低温のときには作動油の粘性も大きい為、高いアキュムレータ１８の残圧があった場合はエンジン１の始動ができないという事態が起こり得る。
【００７３】
上述した本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第３の実施の形態によれば、上述した第２の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
また、本実施の形態によれば、エンジン１のスタータモータ容量を増加させる必要がなく、コストアップを抑えるとともに、安定したエンジン始動性を確保することが出来る。
【実施例４】
【００７４】
以下、本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態を図面を用いて説明する。図１０は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態の構成を示す回路図、図１１は本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態における圧力変換装置の制御フローを示すフローチャート図である。図１０及び図１１において、図１乃至図９に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００７５】
図１０に示す本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態は、大略第３の実施の形態と同様の油圧源と作業機等とで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００７６】
第３の実施の形態におけるセンターバイパス回路Ｌｃにおいて、チェック弁１７の上流側に動力変換装置４２を追加配置している。動力変換装置４２は、油圧モータ４３と第２油圧ポンプ４４とから構成され、互いに駆動軸で連結され、油圧モータ４３側に圧油が供給されるとその圧油による駆動トルクが発生し、第２油圧ポンプ４４が同時に駆動される。この時、油圧モータ４３と第２油圧ポンプ４４の容量を変えることで、油圧モータ４３入口の圧力から第２油圧ポンプ４４の出口の圧力を変換することが出来る。第２油圧ポンプ４４から吐出される圧油はチェック弁１７を経て、アキュムレータ１８へ蓄圧されるようになっている。
【００７７】
本実施の形態においては、油圧モータ４３は固定容量型、第２油圧ポンプ４４は可変容量型であって、第２油圧ポンプ４４の容量制御装置４４ａには、コントローラ３０から電気指令が出力されて容量制御が行われている。
【００７８】
次に、圧力変換装置４２の制御について図１１を用いて説明する。
まず、スタートの状態としては、例えば、オペレータが油圧ショベルのキースイッチ（図示せず）をＯＮにした状態とする。
【００７９】
ステップ（Ｓ３０１）では、蓄圧回路Ｌａの圧力を検出する。具体的には、圧力センサ１８ａからの蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃのデータをコントローラ３０に取り込む。
【００８０】
ステップ（Ｓ３０２）では、圧力変換装置４２の第２油圧ポンプ４４の目標油圧ポンプ容量ｑｐを演算する。具体的には、詳細後述するが、検出された蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃ、固定容量である油圧モータ４３の容量ｑｍ、予め設定された目標モータ入口圧力Ｐｍを用いて、第２油圧ポンプ４４の目標油圧ポンプ容量ｑｐを演算する。
【００８１】
ステップ（Ｓ３０３）では、第２油圧ポンプの容量制御装置４４ａへ目標ポンプ容量となるように指令信号を出力する。このようにして、圧力変換装置４２の第２油圧ポンプ４４の容量制御が実行される。
【００８２】
次に、第２油圧ポンプ４４の目標油圧ポンプ容量ｑｐの算出について説明する。予め計測等により設定された動力変換装置４２の変換損失をηとすると、油圧モータ４３の入力油圧動力（=Ｐｍ・ｑｍ）と、油圧モータ４３と駆動軸で接続された油圧ポンプ４４の出力動力（=Ｐａｃ・ｑｐ・η）とが釣り合うので、Ｐｍ・ｑｍ＝Ｐａｃ・ｑｐ・ηという等式が成り立つ。この結果、第２油圧ポンプ４４の目標油圧ポンプ容量ｑｐは、次の式（１）に従って算出される。
ｑｐ＝（Ｐｍ・ｑｍ）／（Ｐａｃ・η）・・・・（１）
ここで、Ｐｍは予め設定された目標モータ入口圧力、ｑｍは油圧モータ４３の容量、Ｐａｃは蓄圧回路Ｌａの圧力、ｑｐは第２油圧ポンプ４４の目標油圧ポンプ容量、ηは動力変換装置４２の変換損失とする。
【００８３】
第２油圧ポンプ４４の吐出油はチェック弁１７を経てアキュムレータ回路Ｌａへ導かれるが、チェック弁１７の通過抵抗は微小なので無視することができる。したがって、第２油圧ポンプ４４の吐出圧力はＰａｃと等しい。
【００８４】
また、油圧モータ４３の入口設定圧Ｐｍについては予め設定していて、式（１）に基づいて第２油圧ポンプ４４の容量ｑｐを制御しているので、油圧モータ４３入口の圧力は、蓄圧回路Ｌａの圧力Ｐａｃとは関係なく一定に制御されることになる。このことにより、センターバイパス回路Ｌｃの圧力が一定に制御されるので、アキュムレータ１８の圧力が変動したとしても、各アクチュエータ３〜５の操作性に影響を与えることがない。
【００８５】
上述した本発明の圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械の第４の実施の形態によれば、上述した第３の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
また、本実施の形態によれば、上述した第１〜第３の実施の形態におけるセンターバイパス回路Ｌｃの圧力がアキュムレータ圧力Ｐａｃよりも低い状態であっても圧油のエネルギを回収することができるので、操作レバー１３〜１５の入力が無い時に圧油のエネルギを回収する場合であっても、センターバイパス回路Ｌｃの圧力を予め設定した油圧モータ４３の入口設定圧Ｐｍに低減することができ、主回路Ｌｐにおける圧油の圧力も入口設定圧Ｐｍ程度に抑えることができる。この結果、エンジン１の負荷トルクを増大せずに油圧ポンプ２を運転することが可能となるので、建設機械の大幅な燃費の向上が図れる。
【００８６】
更に、本実施の形態によれば、センターバイパス回路Ｌｃの圧力を予め設定した油圧モータ４３の入口設定圧Ｐｍで一定に保つことができるので、アキュムレータ１８の圧力の変動による操作性の影響を受けない。この結果、安定した操作性を実現することができる。
【００８７】
なお、本実施の形態においては、油圧モータ４３の入口圧力を検出しない構成で説明したが、これに限るものではない。油圧モータ４３の入口圧力を検出してフィードバック制御をするように構成することで、より制御精度の向上を図ることも可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１ エンジン
２ 油圧ポンプ
３ 旋回用方向切替弁
４ アーム用方向切替弁
５ ブーム用方向切替弁
６ 旋回モータ
７ アームシリンダ
８ ブームシリンダ
９ ロードチェック弁
１２ タンク
１３ 旋回レバー
１４ アームレバー
１５ ブームレバー
１６ リリーフ弁
１７ チェック弁
１８ アキュムレータ
１９ 蓄圧切替弁
２０ 回生弁
２１ 回生チェック弁
２２ シャトル弁
Ｌｐ 主回路
Ｌｃ センターバイパス回路
Ｌａ 蓄圧回路
Ｌｔ 戻り回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧ポンプと、前記油圧ポンプにより駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから吐出される圧油の流量及び方向を制御する複数の方向切替弁と、前記複数の方向切替弁を通ってタンクに連通するセンターバイパス回路とを有する油圧装置の、前記油圧ポンプによって発生した圧油のエネルギを回収する圧油エネルギ回収装置であって、
前記センターバイパス回路における前記複数の方向切替弁の下流の管路に接続される蓄圧器と、
前記蓄圧器の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記センターバイパス回路の圧油の流出先を前記蓄圧器あるいは前記タンクに切り替える蓄圧切替手段とを備え、
前記蓄圧切替手段は、前記圧力検出手段により検出した前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値を超えないときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記蓄圧器側へ流出させ、前記圧力検出手段により検出した前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値を超えるときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記タンク側へ流出させる
ことを特徴とする圧油エネルギ回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記油圧ポンプと前記複数の方向切替弁とを接続する吐出回路と、
前記吐出回路と前記蓄圧器との連通／遮断を制御する回生手段と、
前記複数の油圧アクチュエータを駆動するために前記複数の方向切替弁を制御する各々の操作指令入力手段とを更に備え、
前記回生手段は、前記操作入力手段の入力値に基づいて前記吐出回路と前記蓄圧器とを連通状態に制御する
ことを特徴とする圧油エネルギ回収装置。
【請求項３】
請求項２に記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記油圧ポンプは可変容量機構を備えた可変容量型の油圧ポンプであって、前記可変容量機構に指令を出力するトルク指令手段を更に備え、
前記トルク指令手段は、前記回生手段が前記吐出回路と前記蓄圧器とを連通状態に制御するときに、減トルク指令を出力する
ことを特徴とする圧油エネルギ回収装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記油圧ポンプを駆動する原動機と、
前記原動機の起動／停止を検出する状態検出手段とを更に備え、
前記蓄圧切替手段は、前記状態検出手段が前記原動機の停止を検出しているときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記タンク側へ流出させる
ことを特徴とする圧油エネルギ回収装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記センターバイパス回路と前記蓄圧器とを接続する管路の蓄圧器側に配置された第２油圧ポンプと、前記第２油圧ポンプと駆動軸で連結され前記管路のセンターバイパス回路側に配置された油圧モータとからなる動力変換装置を更に備え、
前記第２油圧ポンプは可変容量機構を備えた可変容量型の油圧ポンプである
ことを特徴とする圧油エネルギ回収装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧油エネルギ回収装置を備えた
ことを特徴とする建設機械。
【請求項１】
油圧ポンプと、前記油圧ポンプにより駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから吐出される圧油の流量及び方向を制御する複数の方向切替弁と、前記複数の方向切替弁を通ってタンクに連通するセンターバイパス回路とを有する油圧装置の、前記油圧ポンプによって発生した圧油のエネルギを回収する圧油エネルギ回収装置であって、
前記センターバイパス回路における前記複数の方向切替弁の下流の管路に接続される蓄圧器と、
前記蓄圧器の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記センターバイパス回路の圧油の流出先を前記蓄圧器あるいは前記タンクに切り替える蓄圧切替手段とを備え、
前記蓄圧切替手段は、前記圧力検出手段により検出した前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値を超えないときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記蓄圧器側へ流出させ、前記圧力検出手段により検出した前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値を超えるときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記タンク側へ流出させる
ことを特徴とする圧油エネルギ回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記油圧ポンプと前記複数の方向切替弁とを接続する吐出回路と、
前記吐出回路と前記蓄圧器との連通／遮断を制御する回生手段と、
前記複数の油圧アクチュエータを駆動するために前記複数の方向切替弁を制御する各々の操作指令入力手段とを更に備え、
前記回生手段は、前記操作入力手段の入力値に基づいて前記吐出回路と前記蓄圧器とを連通状態に制御する
ことを特徴とする圧油エネルギ回収装置。
【請求項３】
請求項２に記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記油圧ポンプは可変容量機構を備えた可変容量型の油圧ポンプであって、前記可変容量機構に指令を出力するトルク指令手段を更に備え、
前記トルク指令手段は、前記回生手段が前記吐出回路と前記蓄圧器とを連通状態に制御するときに、減トルク指令を出力する
ことを特徴とする圧油エネルギ回収装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記油圧ポンプを駆動する原動機と、
前記原動機の起動／停止を検出する状態検出手段とを更に備え、
前記蓄圧切替手段は、前記状態検出手段が前記原動機の停止を検出しているときには、前記センターバイパス回路の圧油を前記タンク側へ流出させる
ことを特徴とする圧油エネルギ回収装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記センターバイパス回路と前記蓄圧器とを接続する管路の蓄圧器側に配置された第２油圧ポンプと、前記第２油圧ポンプと駆動軸で連結され前記管路のセンターバイパス回路側に配置された油圧モータとからなる動力変換装置を更に備え、
前記第２油圧ポンプは可変容量機構を備えた可変容量型の油圧ポンプである
ことを特徴とする圧油エネルギ回収装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧油エネルギ回収装置を備えた
ことを特徴とする建設機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−２１２２（Ｐ２０１３−２１２２Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３３６４１（Ｐ２０１１−１３３６４１）
【出願日】平成２３年６月１５日（２０１１．６．１５）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１５日（２０１１．６．１５）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
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