圧油エネルギ回収装置及びこれを用いた建設機械
【課題】アクチュエータの負荷条件等の影響に関係なく安定した圧油エネルギ回収を可能とし、燃費を向上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】圧油エネルギを蓄積する蓄圧器２２と、蓄圧器２２に圧力変換した圧油を供給する圧力変換機２０と、圧力変換機２０の出口側と蓄圧器２２とを連結する蓄圧器管路Ｌａと、圧力変換機２０の入口側と主回路Ｌｐとを連通する分岐回路Ｌｘと、センターバイパス回路Ｌｃの下流に設けた絞り１８と、分岐回路Ｌｘに設けられ、絞り１８の上流側の圧力により切り替えられる蓄圧切替弁１９と、主回路Ｌｐの圧力を検出する第１の圧力検出器１７と、蓄圧器２２の圧力を検出する第２の圧力検出器２３と、第１及び第２の圧力検出器１７，２３からの検出信号を取込み、圧力変換機２０における可変容量型の油圧ポンプ２０Ｂの容量制御部２０Ｃに指令を出力する制御装置３０とを備えた。
【解決手段】圧油エネルギを蓄積する蓄圧器２２と、蓄圧器２２に圧力変換した圧油を供給する圧力変換機２０と、圧力変換機２０の出口側と蓄圧器２２とを連結する蓄圧器管路Ｌａと、圧力変換機２０の入口側と主回路Ｌｐとを連通する分岐回路Ｌｘと、センターバイパス回路Ｌｃの下流に設けた絞り１８と、分岐回路Ｌｘに設けられ、絞り１８の上流側の圧力により切り替えられる蓄圧切替弁１９と、主回路Ｌｐの圧力を検出する第１の圧力検出器１７と、蓄圧器２２の圧力を検出する第２の圧力検出器２３と、第１及び第２の圧力検出器１７，２３からの検出信号を取込み、圧力変換機２０における可変容量型の油圧ポンプ２０Ｂの容量制御部２０Ｃに指令を出力する制御装置３０とを備えた。
【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アクチュエータと、複数のアクチュエータに供給される圧油の流量及び方向を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、油圧回路の回路圧が過大にならないように、所定の圧力以上になると油圧ポンプの吐出油をタンクに排出するリリーフ弁とを備えた油圧システムを用いたものがある。
【０００４】
このような油圧システムにおいて、リリーフ弁とリリーフ弁からタンクへの回路と並列にエネルギ回収装置を並べることにより、油圧回路の負荷圧がリリーフ弁の設定圧力以上になり、リリーフ弁からタンクへ排出される高圧な圧油のエネルギをエネルギ回収装置へ迂回させて回収しエネルギ回収装置の慣性、圧力損失、摩擦抵抗等により油圧ポンプからアクチュエータに供給される回路の圧力が変動することを防止し、リリーフ弁作動時の回路の圧力を安定させることにより、アクチュエータの操作性能を良好にしたものがある（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２００５−１４０１４３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、リリーフ弁動作時におけるタンクへ排出される高圧の圧油は余剰油として排出されてしまうので、この圧油のエネルギを発電した電気エネルギとして回収することは、エネルギの有効活用が図れ、システムの効率が向上する。
【０００７】
しかしながら、上述した従来技術は、アクチュエータの負荷が増加してリリーフ弁が動作した時にのみ、圧油エネルギを電気エネルギとして回収することできるが、アクチュエータの負荷が小さい軽負荷作業が続く場合などは殆どエネルギを回収することができない。このように、エネルギ回収によるシステム効率への寄与度が、アクチュエータの負荷条件によって左右されてしまうという問題があった。
【０００８】
また、上述した従来技術は、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。さらに、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。
【０００９】
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、アクチュエータの負荷条件等の影響に関係なく圧油エネルギの回収を可能とし、建設機械の燃費を向上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】
【００１０】
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、前記油圧ポンプからの圧油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前記複数の油圧アクチュエータに供給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、前記油圧ポンプからの圧油を前記方向切替弁に供給する主回路と、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し、前記油圧アクチュエータで使用されない余剰油を圧油エネルギとして回収する圧油エネルギ回収装置であって、圧油エネルギを蓄積する蓄圧器と、前記蓄圧器に圧力変換した圧油を供給する圧力変換機と、前記圧力変換機の出口側と前記蓄圧器とを連結する蓄圧器管路と、前記圧力変換機の入口側と前記主回路とを連通する分岐回路と、前記センターバイパス回路の下流に設けた絞りと、前記分岐回路に設けられ、前記絞りの上流側の圧力により切り替えられる蓄圧切替弁と、前記主回路の圧力を検出する第１の圧力検出器と、前記蓄圧器の圧力を検出する第２の圧力検出器と、前記第１及び第２の圧力検出器からの検出信号を取込み、前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの容量制御部に指令を出力する制御装置とを備えたものとする。
【００１１】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、前記第１の圧力検出器で検出した前記主回路の圧力と、前記第２の圧力検出器で検出した前記蓄圧器の圧力とを用いて、前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの吐出圧が前記蓄圧器の圧力以上となるように前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの目標油圧ポンプ容量を算出する演算部と、前記演算部で算出した前記目標油圧ポンプ容量を前記可変容量型の油圧ポンプの容量制御部へ指令として出力する出力部とを備えた、ことを特徴とする。
【００１２】
更に、第３発明は、第１又は第２の発明において、前記蓄圧器と前記複数の方向切替弁の入口側とを連通する回生回路と、前記回生回路に設けた回生弁と、前記複数の方向切替弁を切替操作するパイロット操作部への指令圧力を検出する第３の圧力検出器と、前記第３の圧力検出器で検出した前記パイロット操作部への指令圧力に基づき前記回生弁の開指令を生成する演算部と，前記演算部で生成した開指令を前記回生弁の操作部へ出力する出力部とを有する制御装置を備えたことを特徴とする。
【００１３】
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、前記絞りは、前記蓄圧器の圧力に応じて前記センターバイパス回路の絞り量を変更する可変絞りであって、前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値以上のときには、前記センターバイパス回路の絞り量を全開とすることを特徴とする。
【００１４】
更に、第５の発明は、建設機械であって、第１乃至第４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、センターバイパス回路に導かれたアクチュエータで使用されない余剰油の流量に応じて、主回路の圧油を圧力変換する圧力変換機と、この圧力変換機によって圧力変換した圧油を回収するアキュムレータを設けたので、センターバイパス回路に余剰油が流れると、余剰油による圧油エネルギをアキュムレータに確実に蓄えることができる。この結果、アクチュエータの負荷条件等の影響に関係なく安定した圧油エネルギの回収が実現できる。
【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１の実施の形態における圧力変換機の制御フローを示すフローチャート図である。
【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１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１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１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１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２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の実施の形態の構成を示す回路図である。
【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。本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、圧油の方向と流量を制御する方向切替弁６〜８と、油圧ポンプ２の過負荷を防止するために、主回路Ｌｐ内の圧力を制限するリリーフ弁１６と、主回路Ｌｐの圧力を検出する圧力センサ１７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。
【００２０】
方向切替弁６〜８は、３位置６ポートの切替弁であって、その各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られて、油圧ポンプ２からの圧油を各アクチュエータ３〜５に供給する。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。主回路Ｌｐは、油圧ポンプ２から吐出される圧油を各方向切替弁６〜８に供給する回路で、油圧ポンプ２と各方向切替弁６〜８のセンターポート６ｃ，７ｃ，８ｃとを直列に接続するものであり、最下流側で戻り回路Ｌｔと接続されている。
【００２２】
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。センターバイパス回路Ｌｃは、主回路Ｌｐの圧油を戻り回路Ｌｔに導く回路で、主回路Ｌｐと接続されている。センターバイパス回路Ｌｃの下流側には圧油を昇圧させる固定絞り１８が設けられている。センターバイパス回路Ｌｃの上流側である一端側は、方向切替弁６〜８ののうちの最下流側に位置する方向切替弁８に接続されていて、センターバイパス回路Ｌｃの下流側である他端側は、固定絞り１８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。戻り回路Ｌｔには、旋回用方向切替弁６，アーム用方向切替弁７，及びブーム用方向切替弁８の出口ポート６ｂ，７ｂ，８ｂがそれぞれ管路を介して接続されている。
【００２３】
回生主回路Ｌｐｙは、方向切替弁６の入口ポート６ａにアクチュエータである旋回モータ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。また、回生主回路Ｌｐｙ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。回生主回路Ｌｐｙは、後述する回生回路Ｌｙの圧油を各方向切替弁６〜８に供給する回路で、回生回路Ｌｙと各方向切替弁６〜８の入口ポート６ａ，７ａ，８ａとをそれぞれパラレルに接続している。
【００２４】
回生主回路Ｌｐｙの下流側は、回生回路Ｌｙを介してアキュムレータ（蓄圧器）２２が接続されている。回生回路Ｌｙはアキュムレータ２２に蓄圧された圧油を回生主回路Ｌｐｙに供給する回路で、アキュムレータ２２と回生主回路Ｌｐｙを接続する回路である。
【００２５】
回生回路Ｌｙと戻り回路Ｌｔとの間には、回生回路Ｌｙの圧力を制限するリリーフ弁２４が設けられている。リリーフ弁２４は、油圧配管内の圧力が設定圧力以上に上昇した場合に、回生回路Ｌｙ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。回生回路Ｌｙとアキュムレータ２２には蓄圧管路Ｌａが接続されている。蓄圧管路Ｌａには、チェック弁２１を介して後述する圧力変換機２０を構成する第２油圧ポンプ２０Ｂが連結されている。
【００２６】
回生回路Ｌｙには、２位置２ポートの電磁切替弁である回生弁２５と、この回生弁２５から回生主回路Ｌｐｙを介して各方向切替弁６〜８の入口側へ圧油の流入を許可する回生チェック弁２６とが接続されている。
【００２７】
回生弁２５は、一端側にばね２５ｂを有し、コントローラ３０からの電気指令が電磁操作部２５ａに出力されるように構成されている。コントローラ３０から閉指令が出力される場合には、ポートは遮断され、回生回路Ｌｙを遮断し、開指令が出力されると、ポートを連通し、回生回路Ｌｙを連通状態にして、アキュムレータ２２から圧油を回生主回路Ｌｐｙに流入させる。
【００２８】
主回路Ｌｐにおいて、最上流に配置される方向切替弁６の上流側には、主回路Ｌｐから分岐された分岐管路Ｌｘの一端側が接続されている。分岐管路Ｌｘには蓄圧切換弁１９が設けられていて、他端には、圧力変換機２０の油圧モータ２０Ａが接続されている。
【００２９】
圧力変換機（圧力変換手段）２０は、油圧モータ２０Ａと第２油圧ポンプ２０Ｂとから構成され、互いに駆動軸で連結され、油圧モータ２０Ａ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２０Ｂが同時に駆動される。この時、第２油圧ポンプ２０Ｂの容量を変えることで、油圧モータ２０Ａの入口の圧力を第２油圧ポンプ２０Ｂの出口の圧力に変換することが出来る。第２油圧ポンプ２０Ｂから吐出される圧油は、圧力変換機２０の第２油圧ポンプ２０Ｂとアキュムレータ２２とを接続する管路で、第２油圧ポンプ２０Ｂからアキュムレータ２２への圧油の供給のみを許容するチェック弁２１が設けられている蓄圧管路Ｌａを経て、アキュムレータ２２へ蓄圧されるようになっている。圧力変換機２０における油圧モータ２０Ａの入口側は、分岐管路Ｌｘを介して主回路Ｌｐに連結している。
【００３０】
蓄圧切替弁１９は、一端側にばね１９ｂを、他端側に操作部１９ａを備えている。操作部１９ａには、センターバイパス回路Ｌｃに発生する圧力を指令圧とするために、管路Ｌｃａの一端が接続されている。管路Ｌｃａの他端は、センターバイパス回路Ｌｃに設けた固定絞り１８の上流側に接続されている。蓄圧切替弁１９は、指令圧である固定絞り１８の上流側の圧力がばね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、ポートを遮断し、分岐管路Ｌｘと圧力変換機２０における油圧モータ２０Ａの入口側との連通を遮断する。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、分岐管路Ｌｘから圧力変換機２０における油圧モータ２０Ａの入口側への圧油の流入が許容される。例えば、センターバイパス回路Ｌｃの流量が増加すると、これに伴い固定絞り１８の通過圧力損失によりその上流側に圧力が発生し、この圧力が蓄圧切替弁１９の操作部１９ａに供給され、蓄圧切替弁１９を開く。このことにより、主回路Ｌｐの圧油が分岐管路Ｌｘを介して圧力変換機２０における油圧モータ２０Ａに導かれる。
【００３１】
本実施の形態においては、油圧モータ２０Ａは固定容量型、第２の油圧ポンプ２０Ｂは可変容量型であって、第２油圧ポンプ２０Ｂの第２容量制御装置２０Ｃ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。
【００３２】
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、操作方向に応じて旋回用方向切替弁６の両操作部６ｆ，６ｇに接続された各パイロット回路のいずれかに供給され、同様にアームレバー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に接続された各パイロット回路に供給され、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に接続された各パイロット回路に供給される。
【００３３】
旋回レバー１３の各パイロット回路には、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１３ａと１３ｂとを設け、アームレバー１４の各パイロット回路には、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１４ａと１４ｂとを設けている。同様に、ブームレバー１５の各パイロット回路には、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１５ａと１５ｂとを設けている。これらの指令圧力センサ１３ａ〜１５ｂからの検出信号は、コントローラ３０に入力されている。
【００３４】
圧力センサ１７は主回路Ｌｐの圧力を検出する。また、圧力センサ２３はアキュムレータ２２の圧力を検出するために、回生回路Ｌｙに設けられている。圧力センサ１７からの主回路Ｌｐの圧力検出信号と、圧力センサ２３からのアキュムレータ２２の圧力検出信号とはコントローラ３０に入力されている。
【００３５】
コントローラ（制御装置）３０は、各圧力センサ１３ａ〜１５ｂ，１７，２３からの検出信号を取込む入力部と、これらも検出信号を基に後述する演算処理を実行する演算部と、油圧ポンプ２の容量制御装置２ａと圧力変換機２０を構成する第２油圧ポンプ２０Ｂの第２容量制御装置２０Ｃとに演算部で算出した各容量制御指令を出力すると共に、回生弁２５の電磁操作部２５ａに演算部で算出した開閉指令を出力する出力部とを備えている。コントローラ３０は、圧力変換機２０を構成する第２油圧ポンプ２０Ｂと油圧ポンプ２の容量制御を行う容量制御手段と、回生弁２５の開閉制御を行う回生制御手段とを備えている。
【００３６】
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（非操作）の場合、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、コントローラ３０からの指令信号を受けて油圧ポンプ２の容量制御装置２ａは、油圧ポンプ２の容量を最小としている。また、この状態においてエンジン１がローアイドル回転数で運転される時にセンターバイパス回路Ｌｃの固定絞り１８上流側に生起する圧力では、蓄圧切替弁１９は開動作しないように、ばね１９ｂのばね圧（設定圧）が設定されている。
【００３７】
次に、操作レバーの１つであるアームレバー１４が操作されると、アーム用方向切替弁７が切り替わり、主回路Ｌｐの圧油はアームシリンダ４へ導かれ、ピストンロッドに連結したアームが駆動する。この状態において、アームシリンダ４で使用されなかった余剰油がセンターバイパス回路Ｌｃに流入し、固定絞り１８の上流側に生起する圧力を上昇させる。
【００３８】
センターバイパス回路Ｌｃの固定絞り１８上流側に生起する圧力が上昇し、蓄圧切替弁１９の操作部に供給される圧油の圧力が設定圧を超えると、蓄圧切換弁１９が開き、主回路Ｌｐの圧油が分岐管路Ｌｘを介して圧力変換機２０における油圧モータ２０Ａに導かれる。
【００３９】
コントローラ３０は、圧力センサ１７が検出した主回路Ｌｐの圧力と圧力センサ２３が検出したアキュムレータ２２の圧力とに応じて、圧力変換機２０の第２容量制御装置２０Ｃに第２油圧ポンプ２０Ｂの吐出圧を蓄圧管路Ｌａの圧力以上とする指令信号を出力する。このことにより、圧力変換機２０に供給される主回路Ｌｐの圧油の圧力に関わらず、圧力変換機２０から吐出する圧油の圧力を蓄圧管路Ｌａの圧力以上に変換することができる。この圧力変換機２０から吐出する圧油の圧力は、蓄圧管路Ｌａの圧力より高いので、チェック弁２１が開動作し、蓄圧管路Ｌａへ導かれ、アキュムレータ２２で圧油を蓄圧することができる。この結果、センターバイパス回路Ｌｃの余剰油の増加時に圧油エネルギを確実に回収することができる。
【００４０】
このように、蓄圧切替弁１９と圧力変換機２０の動作によって、蓄えられた圧油エネルギは、以下のように回生使用する。
例えば、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。コントローラ３０は、旋回レバー１３の操作により発生するパイロット圧力値を入力し、これらの値と予め定めた設定値とを比較し、入力値が設定値を超えると、回生弁２５に開指令を出力する。回生弁２５が開動作すると、アキュムレータ２２に蓄えられた圧油は、回生回路Ｌｙから回生チェック弁２６を通り、回生主回路Ｌｐｙに供給される。
【００４１】
これにより、旋回モータ３が必要とする圧油の流量が回生回路Ｌｙと回生主回路Ｌｐｙと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、燃費を向上させることができる。
【００４２】
次に、圧力変換機２０の制御について図３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１の実施の形態における圧力変換機の制御フローを示すフローチャート図である。図３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。
【００４３】
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。
【００４４】
これにより、コントローラ３０は、圧力センサ１７からの主回路Ｌｐの圧力Ｐｍと圧力センサ２３からのアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃのデータを取り込む（ステップＳ１０１）。
【００４５】
次に、コントローラ３０の演算部は、圧力変換機２０の第２油圧ポンプ２０Ｂの目標油圧ポンプ容量ｑｐを演算する（ステップＳ１０２）。具体的には、詳細を後述するが、検出されたアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃと、検出された主回路Ｌｐの圧力Ｐｍと、固定容量である油圧モータ２０Ａの容量ｑｍとを用いて、第２油圧ポンプ２０Ｂの目標油圧ポンプ容量ｑｐを演算する。
【００４６】
次に、コントローラ３０の出力部は、第２油圧ポンプ２０Ｂの第２容量制御装置２０Ｃへ目標ポンプ容量となるように指令信号を出力する（ステップＳ１０３）。このようにして、圧力変換機２０の第２油圧ポンプ２０Ｂの容量制御が実行される。
【００４７】
次に、コントローラ３０の演算部が算出する第２油圧ポンプ２０Ｂの目標油圧ポンプ容量ｑｐの算出手順について説明する。予め計測等により設定された圧力変換機２０の変換損失をηとすると、油圧モータ２０Ａの入力油圧動力（=Ｐｍ・ｑｍ）と、油圧モータ２０Ａと駆動軸で接続された第２油圧ポンプ２０Ｂ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２０Ｂ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はモータ入口圧力である主回路Ｌｐの圧力、ｑｍは油圧モータ２０Ａの容量、Ｐａｃはアキュムレータ２２の圧力、ｑｐは第２油圧ポンプ２０Ｂの目標油圧ポンプ容量、ηは圧力変換機２０の変換損失とする。
【００４８】
第２油圧ポンプ２０Ｂの吐出油はチェック弁２１を経て蓄圧管路Ｌａへ導かれるが、チェック弁２１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２０Ｂが目標油圧ポンプ容量ｑｐで動作した場合の吐出圧力はアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃと等しくなる。コントローラ３０の演算部は、この目標油圧ポンプ容量ｑｐを若干上回る値を目標指令として第２油圧ポンプ２０Ｂの第２容量制御装置２０Ｃへ出力している。
【００４９】
コントローラ３０は、このように第２油圧ポンプ２０Ｂの容量ｑｐを制御しているので、油圧モータ２０Ａの入口の圧力の大小に関わらず、圧力変換機２０から吐出した圧油をアキュムレータ２２に蓄圧することができる。
【００５０】
次に、油圧ポンプ２と回生弁２５の制御について図４を用いて説明する。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１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。
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。
【００５１】
これにより、コントローラ３０は、各操作レバー１３〜１５の指令圧を検出するために、各圧力センサ１３ａ〜１５ｂからの各パイロット圧力のデータを取り込む（ステップＳ２０１）。
【００５２】
次に、検出した各操作レバーの指令圧の最大値を算出する（ステップＳ２０２）。具体的には、（ステップＳ２０１）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。
【００５３】
次に、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（ステップＳ２０３）。ここで、最大値Ｐｉ_ｍａｘが予め定めた設定圧力Ｐｉ_ｓｅｔより高い場合とは、オペレータによりいずれかの操作レバーが所定量以上操作された場合であり、アクチュエータ３〜５のいずれかにおいて、駆動するための圧油の増流量が要求される場合である。このような場合に、アキュムレータ２２から圧油を回生主回路Ｌｐｙへ回生することで、その回生流量に応じて、油圧ポンプ２の出力トルクを低減することができる。最大値Ｐｉ_ｍａｘが設定圧力Ｐｉ_ｓｅｔより高い場合は、（ステップＳ２０４）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ２０６）へ進む。
【００５４】
コントローラ３０は、圧力センサ２３からのアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃのデータを取り込む（ステップＳ２０４）。
【００５５】
次に、アキュムレータ２２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（ステップＳ２０５）。アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔより高い場合は、（ステップＳ２０８）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ２０６）へ進む。
【００５６】
（ステップＳ２０５）において、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔ以下と判断された場合、コントローラ３０は、回生弁２５へ閉指令を出力する（ステップＳ２０６）。具体的には、回生弁２５の電磁操作部２５ａへの励磁信号を遮断する。このことにより、回生弁２５は、閉状態となり、回生主回路Ｌｐｙと回生回路Ｌｙとは遮断される。
【００５７】
次に、コントローラ３０は、油圧ポンプ２の容量制御装置２ａに対して後述する減トルク指令としてΔＴ＝０を出力して、補正信号を付加しない制御を実行する（ステップＳ２０７）。本ステップを実行後スタートにリターンする。
【００５８】
（ステップＳ２０５）において、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔより高いと判断された場合、コントローラ３０は、回生弁２５へ開指令を出力する（ステップＳ２０８）。具体的には、回生弁２５の電磁操作部２５ａへの励磁信号を出力する。このことにより、回生弁２５は、開動作し連通状態となり、アキュムレータ２２に蓄えられた圧油は、回生回路Ｌｙから回生チェック弁２６を通り、回生主回路Ｌｐｙに供給される。
【００５９】
次に、油圧ポンプ２のトルク補正制御を実行する（ステップＳ２０９）。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。本ステップを実行後（ステップＳ２０１）へ戻る。
【００６０】
次に、油圧ポンプ２の容量制御装置２ａ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１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１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１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。
【００６１】
油圧ポンプ２の容量制御装置２ａ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１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ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２ａへ出力している。
【００６２】
このように、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。
【００６３】
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。
【００６４】
図７は縦軸を減トルク値ΔＴ、横軸をアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃとして、アキュムレータ２２の圧力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、予め設定された設定圧力Ｐａｃ＿ｓｅｔよりもアキュムレータ２２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。
【００６５】
このように、アキュムレータ２２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。
【００６６】
また、センターバイパス回路Ｌｃにおける圧力変動は、固定絞り１８による圧力上昇程度のみで、変動幅を低く抑えることができる。このことにより、各アクチュエータ３〜５の操作性への影響を減らすことができる。
【００６７】
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、センターバイパス回路Ｌｃに導かれたアクチュエータで使用されない余剰油の流量に応じて、主回路Ｌｐの圧油を圧力変換する圧力変換機２０と、この圧力変換機２０によって圧力変換した圧油を回収するアキュムレータ２２とを設けたので、センターバイパス回路Ｌｃに余剰油が流れると、余剰油による圧油エネルギをアキュムレータ２２に確実に蓄えることができる。この結果、アクチュエータの負荷条件等の影響に関係なく安定した圧油エネルギの回収が実現できる。
【００６８】
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、アキュムレータ２２に蓄えた圧油のエネルギを回生主回路Ｌｐｙに回生することができるので、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を図ることができる。
【００６９】
更に、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、センターバイパス回路Ｌｃの圧力変動幅を低く抑えることができるので、各アクチュエータ３〜５の操作性への影響を減らすことができる。この結果、オペレータに対する負担が軽減され生産性が向上する。
【００７０】
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、アキュムレータ２２に蓄圧された圧油エネルギを、操作レバー入力時に回生主回路Ｌｐｙへ回生し、その回生流量に応じて、油圧ポンプ２の出力トルクを低減することができる。このことにより、少ない油圧ポンプ２負荷でアクチュエータ動力を得ることができ、トルク低減分の燃費を向上させることができる。
【００７１】
更に、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、圧油エネルギを圧油の状態で蓄えることができるので、回生使用時の変換装置が不要となり変換ロスも発生しない。この結果、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。
【００７２】
また、本実施の形態によれば、アキュムレータ２２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。
【００７３】
なお、本実施の形態においては、蓄圧切替弁１９の開閉操作を、センターバイパス回路Ｌｃの固定絞り１８の上流側の圧力信号を指令圧とするように操作部１９ａに管路を接続して構成したが、これに限るものではない。例えば電磁切替弁で構成してコントローラ３０からの指令で開閉しても良い。この場合、圧力センサ２３が検出するアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃが設定値以上の場合には、前記油圧ポンプから吐出される圧油の前記圧力変換機へ遮断制御してもよい。この結果、アキュムレータ２２に過大な圧油を供給することが防止できる。
【実施例２】
【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２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２の実施の形態の構成を示す回路図である。図８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。
【００７５】
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。
【００７６】
第１の実施の形態における固定絞り１８を省略し、可変絞りとして切替弁２７をセンターバイパス回路Ｌｃに設けている。センターバイパス回路Ｌｃの上流側である一端側は、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の下流側である他端側は、切替弁２７のポートを介してタンク１２へ連通する戻り回路Ｌｔと接続されている。
【００７７】
切替弁２７は、一端側にばね２７ｂを有し、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃを指令圧とするように回生回路Ｌｙのリリーフ弁２４の上流側から操作部２７ａに管路を接続して構成されている。切替弁２７は、指令圧であるアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃがばね２７ｂの所定のばね圧（予め設定された圧力）より低い場合には、ポートを遮断し、センターバイパス回路Ｌｃと戻り回路Ｌｔとの連通を遮断する。一方、指令圧が上昇し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。このように、切替弁２７は、アキュムレータ２２の圧力に応じてセンターバイパス回路Ｌｃの絞り量を変更する可変絞りの機能を備える。例えば、切替弁２７が全開となる設定圧力をリリーフ弁２４のクラッキング圧力を超えた値とすれば、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃがこのクラッキング圧力を超えた場合に、センターバイパスされた圧油を全開してタンク１２へ逃がす。
【００７８】
このように、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃに応じてセンターバイパス回路Ｌｃの絞り量を可変制御するので、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃが十分に蓄圧された場合には、絞り量を全開として、蓄圧切替弁１９の操作部１９ａに接続された管路Ｌｃａに指令圧力を生成させない。このことにより、蓄圧切替弁１９は開動作しない。この結果、蓄圧切替弁１９を開き続けて、圧力変換機２０を無負荷駆動させて、圧力の固定損失分を発生させることを防止できる。
【００７９】
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、アキュムレータ２２の圧力が設定圧よりも高いとき、可変絞りである切替弁２７が全開するので、作業機が待機状態であっても、エネルギの無駄を減少させることができる。
【実施例３】
【００８０】
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の実施の形態の構成を示す回路図である。図９において、図１乃至図８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。
【００８１】
図９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。
【００８２】
第１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、固定絞り１８の流れ方向に並列の管路を設け、この管路にセンターバイパス回路Ｌｃの圧力を制限するリリーフ弁２８が設けられている。固定絞り１８の上流側のセンターバイパス回路Ｌｃに一の分岐管路の一端を接続し、一の分岐管路の他端をリリーフ弁２８の入口側に接続している。固定絞り１８の下流側のセンターバイパス回路Ｌｃに他の分岐管路の他端を接続し、他の分岐管路の一端をリリーフ弁２８の出口側に接続している。
【００８３】
リリーフ弁２８の設定圧力は、蓄圧切替弁１９を全開とするセンターバイパス回路Ｌｃの圧力より高い圧力に設定されている。このことにより、センターバイパス回路Ｌｃを流れる圧油の流量が急激に増大した場合であっても、センターバイパス回路Ｌｃの圧力過大を回避することができる。
【００８４】
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、センターバイパス回路Ｌｃにおいて、固定絞り１８に対して並列にリリーフ弁２８が設けられているので、例えば、油圧ポンプが最大流量を吐出している状態から急激に操作レバーを中立位置に戻されて、センターバイパス回路Ｌｃに大流量の圧油が流入しても、リリーフ弁２８が作動してこれらの圧油を戻り回路Ｌｔへ排出できる。このことにより、主回路Ｌｐの圧力が急上昇してエンジン負荷を無駄に増大させることを回避できる。
【符号の説明】
【００８５】
１ エンジン
２ 油圧ポンプ
２ａ 容量制御装置
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 圧力センサ
１８ 固定絞り
１９ 蓄圧切替弁
２０ 圧力変換機
２０Ａ 油圧モータ
２０Ｂ 第２油圧ポンプ
２０Ｃ 第２容量制御装置
２１ チェック弁
２２ アキュムレータ
２３ 圧力センサ
２４ リリーフ弁
２５ 回生弁
２６ 回生チェック弁
２７ 切替弁（可変絞り）
３０ コントローラ
Ｌｐ 主回路
Ｌｃ センターバイパス回路
Ｌａ 蓄圧管路
Ｌｔ 戻り回路
Ｌｘ 分岐管路
Ｌｙ 回生回路
Ｌｐｙ 回生主回路
【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アクチュエータと、複数のアクチュエータに供給される圧油の流量及び方向を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、油圧回路の回路圧が過大にならないように、所定の圧力以上になると油圧ポンプの吐出油をタンクに排出するリリーフ弁とを備えた油圧システムを用いたものがある。
【０００４】
このような油圧システムにおいて、リリーフ弁とリリーフ弁からタンクへの回路と並列にエネルギ回収装置を並べることにより、油圧回路の負荷圧がリリーフ弁の設定圧力以上になり、リリーフ弁からタンクへ排出される高圧な圧油のエネルギをエネルギ回収装置へ迂回させて回収しエネルギ回収装置の慣性、圧力損失、摩擦抵抗等により油圧ポンプからアクチュエータに供給される回路の圧力が変動することを防止し、リリーフ弁作動時の回路の圧力を安定させることにより、アクチュエータの操作性能を良好にしたものがある（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２００５−１４０１４３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、リリーフ弁動作時におけるタンクへ排出される高圧の圧油は余剰油として排出されてしまうので、この圧油のエネルギを発電した電気エネルギとして回収することは、エネルギの有効活用が図れ、システムの効率が向上する。
【０００７】
しかしながら、上述した従来技術は、アクチュエータの負荷が増加してリリーフ弁が動作した時にのみ、圧油エネルギを電気エネルギとして回収することできるが、アクチュエータの負荷が小さい軽負荷作業が続く場合などは殆どエネルギを回収することができない。このように、エネルギ回収によるシステム効率への寄与度が、アクチュエータの負荷条件によって左右されてしまうという問題があった。
【０００８】
また、上述した従来技術は、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。さらに、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。
【０００９】
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、アクチュエータの負荷条件等の影響に関係なく圧油エネルギの回収を可能とし、建設機械の燃費を向上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】
【００１０】
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、前記油圧ポンプからの圧油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前記複数の油圧アクチュエータに供給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、前記油圧ポンプからの圧油を前記方向切替弁に供給する主回路と、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し、前記油圧アクチュエータで使用されない余剰油を圧油エネルギとして回収する圧油エネルギ回収装置であって、圧油エネルギを蓄積する蓄圧器と、前記蓄圧器に圧力変換した圧油を供給する圧力変換機と、前記圧力変換機の出口側と前記蓄圧器とを連結する蓄圧器管路と、前記圧力変換機の入口側と前記主回路とを連通する分岐回路と、前記センターバイパス回路の下流に設けた絞りと、前記分岐回路に設けられ、前記絞りの上流側の圧力により切り替えられる蓄圧切替弁と、前記主回路の圧力を検出する第１の圧力検出器と、前記蓄圧器の圧力を検出する第２の圧力検出器と、前記第１及び第２の圧力検出器からの検出信号を取込み、前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの容量制御部に指令を出力する制御装置とを備えたものとする。
【００１１】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、前記第１の圧力検出器で検出した前記主回路の圧力と、前記第２の圧力検出器で検出した前記蓄圧器の圧力とを用いて、前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの吐出圧が前記蓄圧器の圧力以上となるように前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの目標油圧ポンプ容量を算出する演算部と、前記演算部で算出した前記目標油圧ポンプ容量を前記可変容量型の油圧ポンプの容量制御部へ指令として出力する出力部とを備えた、ことを特徴とする。
【００１２】
更に、第３発明は、第１又は第２の発明において、前記蓄圧器と前記複数の方向切替弁の入口側とを連通する回生回路と、前記回生回路に設けた回生弁と、前記複数の方向切替弁を切替操作するパイロット操作部への指令圧力を検出する第３の圧力検出器と、前記第３の圧力検出器で検出した前記パイロット操作部への指令圧力に基づき前記回生弁の開指令を生成する演算部と，前記演算部で生成した開指令を前記回生弁の操作部へ出力する出力部とを有する制御装置を備えたことを特徴とする。
【００１３】
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、前記絞りは、前記蓄圧器の圧力に応じて前記センターバイパス回路の絞り量を変更する可変絞りであって、前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値以上のときには、前記センターバイパス回路の絞り量を全開とすることを特徴とする。
【００１４】
更に、第５の発明は、建設機械であって、第１乃至第４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、センターバイパス回路に導かれたアクチュエータで使用されない余剰油の流量に応じて、主回路の圧油を圧力変換する圧力変換機と、この圧力変換機によって圧力変換した圧油を回収するアキュムレータを設けたので、センターバイパス回路に余剰油が流れると、余剰油による圧油エネルギをアキュムレータに確実に蓄えることができる。この結果、アクチュエータの負荷条件等の影響に関係なく安定した圧油エネルギの回収が実現できる。
【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１の実施の形態における圧力変換機の制御フローを示すフローチャート図である。
【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１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１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１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１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２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の実施の形態の構成を示す回路図である。
【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。本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、圧油の方向と流量を制御する方向切替弁６〜８と、油圧ポンプ２の過負荷を防止するために、主回路Ｌｐ内の圧力を制限するリリーフ弁１６と、主回路Ｌｐの圧力を検出する圧力センサ１７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。
【００２０】
方向切替弁６〜８は、３位置６ポートの切替弁であって、その各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られて、油圧ポンプ２からの圧油を各アクチュエータ３〜５に供給する。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。主回路Ｌｐは、油圧ポンプ２から吐出される圧油を各方向切替弁６〜８に供給する回路で、油圧ポンプ２と各方向切替弁６〜８のセンターポート６ｃ，７ｃ，８ｃとを直列に接続するものであり、最下流側で戻り回路Ｌｔと接続されている。
【００２２】
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。センターバイパス回路Ｌｃは、主回路Ｌｐの圧油を戻り回路Ｌｔに導く回路で、主回路Ｌｐと接続されている。センターバイパス回路Ｌｃの下流側には圧油を昇圧させる固定絞り１８が設けられている。センターバイパス回路Ｌｃの上流側である一端側は、方向切替弁６〜８ののうちの最下流側に位置する方向切替弁８に接続されていて、センターバイパス回路Ｌｃの下流側である他端側は、固定絞り１８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。戻り回路Ｌｔには、旋回用方向切替弁６，アーム用方向切替弁７，及びブーム用方向切替弁８の出口ポート６ｂ，７ｂ，８ｂがそれぞれ管路を介して接続されている。
【００２３】
回生主回路Ｌｐｙは、方向切替弁６の入口ポート６ａにアクチュエータである旋回モータ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。また、回生主回路Ｌｐｙ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。回生主回路Ｌｐｙは、後述する回生回路Ｌｙの圧油を各方向切替弁６〜８に供給する回路で、回生回路Ｌｙと各方向切替弁６〜８の入口ポート６ａ，７ａ，８ａとをそれぞれパラレルに接続している。
【００２４】
回生主回路Ｌｐｙの下流側は、回生回路Ｌｙを介してアキュムレータ（蓄圧器）２２が接続されている。回生回路Ｌｙはアキュムレータ２２に蓄圧された圧油を回生主回路Ｌｐｙに供給する回路で、アキュムレータ２２と回生主回路Ｌｐｙを接続する回路である。
【００２５】
回生回路Ｌｙと戻り回路Ｌｔとの間には、回生回路Ｌｙの圧力を制限するリリーフ弁２４が設けられている。リリーフ弁２４は、油圧配管内の圧力が設定圧力以上に上昇した場合に、回生回路Ｌｙ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。回生回路Ｌｙとアキュムレータ２２には蓄圧管路Ｌａが接続されている。蓄圧管路Ｌａには、チェック弁２１を介して後述する圧力変換機２０を構成する第２油圧ポンプ２０Ｂが連結されている。
【００２６】
回生回路Ｌｙには、２位置２ポートの電磁切替弁である回生弁２５と、この回生弁２５から回生主回路Ｌｐｙを介して各方向切替弁６〜８の入口側へ圧油の流入を許可する回生チェック弁２６とが接続されている。
【００２７】
回生弁２５は、一端側にばね２５ｂを有し、コントローラ３０からの電気指令が電磁操作部２５ａに出力されるように構成されている。コントローラ３０から閉指令が出力される場合には、ポートは遮断され、回生回路Ｌｙを遮断し、開指令が出力されると、ポートを連通し、回生回路Ｌｙを連通状態にして、アキュムレータ２２から圧油を回生主回路Ｌｐｙに流入させる。
【００２８】
主回路Ｌｐにおいて、最上流に配置される方向切替弁６の上流側には、主回路Ｌｐから分岐された分岐管路Ｌｘの一端側が接続されている。分岐管路Ｌｘには蓄圧切換弁１９が設けられていて、他端には、圧力変換機２０の油圧モータ２０Ａが接続されている。
【００２９】
圧力変換機（圧力変換手段）２０は、油圧モータ２０Ａと第２油圧ポンプ２０Ｂとから構成され、互いに駆動軸で連結され、油圧モータ２０Ａ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２０Ｂが同時に駆動される。この時、第２油圧ポンプ２０Ｂの容量を変えることで、油圧モータ２０Ａの入口の圧力を第２油圧ポンプ２０Ｂの出口の圧力に変換することが出来る。第２油圧ポンプ２０Ｂから吐出される圧油は、圧力変換機２０の第２油圧ポンプ２０Ｂとアキュムレータ２２とを接続する管路で、第２油圧ポンプ２０Ｂからアキュムレータ２２への圧油の供給のみを許容するチェック弁２１が設けられている蓄圧管路Ｌａを経て、アキュムレータ２２へ蓄圧されるようになっている。圧力変換機２０における油圧モータ２０Ａの入口側は、分岐管路Ｌｘを介して主回路Ｌｐに連結している。
【００３０】
蓄圧切替弁１９は、一端側にばね１９ｂを、他端側に操作部１９ａを備えている。操作部１９ａには、センターバイパス回路Ｌｃに発生する圧力を指令圧とするために、管路Ｌｃａの一端が接続されている。管路Ｌｃａの他端は、センターバイパス回路Ｌｃに設けた固定絞り１８の上流側に接続されている。蓄圧切替弁１９は、指令圧である固定絞り１８の上流側の圧力がばね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、ポートを遮断し、分岐管路Ｌｘと圧力変換機２０における油圧モータ２０Ａの入口側との連通を遮断する。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、分岐管路Ｌｘから圧力変換機２０における油圧モータ２０Ａの入口側への圧油の流入が許容される。例えば、センターバイパス回路Ｌｃの流量が増加すると、これに伴い固定絞り１８の通過圧力損失によりその上流側に圧力が発生し、この圧力が蓄圧切替弁１９の操作部１９ａに供給され、蓄圧切替弁１９を開く。このことにより、主回路Ｌｐの圧油が分岐管路Ｌｘを介して圧力変換機２０における油圧モータ２０Ａに導かれる。
【００３１】
本実施の形態においては、油圧モータ２０Ａは固定容量型、第２の油圧ポンプ２０Ｂは可変容量型であって、第２油圧ポンプ２０Ｂの第２容量制御装置２０Ｃ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。
【００３２】
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、操作方向に応じて旋回用方向切替弁６の両操作部６ｆ，６ｇに接続された各パイロット回路のいずれかに供給され、同様にアームレバー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に接続された各パイロット回路に供給され、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に接続された各パイロット回路に供給される。
【００３３】
旋回レバー１３の各パイロット回路には、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１３ａと１３ｂとを設け、アームレバー１４の各パイロット回路には、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１４ａと１４ｂとを設けている。同様に、ブームレバー１５の各パイロット回路には、これらのパイロット圧力を検出する指令圧力センサ１５ａと１５ｂとを設けている。これらの指令圧力センサ１３ａ〜１５ｂからの検出信号は、コントローラ３０に入力されている。
【００３４】
圧力センサ１７は主回路Ｌｐの圧力を検出する。また、圧力センサ２３はアキュムレータ２２の圧力を検出するために、回生回路Ｌｙに設けられている。圧力センサ１７からの主回路Ｌｐの圧力検出信号と、圧力センサ２３からのアキュムレータ２２の圧力検出信号とはコントローラ３０に入力されている。
【００３５】
コントローラ（制御装置）３０は、各圧力センサ１３ａ〜１５ｂ，１７，２３からの検出信号を取込む入力部と、これらも検出信号を基に後述する演算処理を実行する演算部と、油圧ポンプ２の容量制御装置２ａと圧力変換機２０を構成する第２油圧ポンプ２０Ｂの第２容量制御装置２０Ｃとに演算部で算出した各容量制御指令を出力すると共に、回生弁２５の電磁操作部２５ａに演算部で算出した開閉指令を出力する出力部とを備えている。コントローラ３０は、圧力変換機２０を構成する第２油圧ポンプ２０Ｂと油圧ポンプ２の容量制御を行う容量制御手段と、回生弁２５の開閉制御を行う回生制御手段とを備えている。
【００３６】
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（非操作）の場合、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、コントローラ３０からの指令信号を受けて油圧ポンプ２の容量制御装置２ａは、油圧ポンプ２の容量を最小としている。また、この状態においてエンジン１がローアイドル回転数で運転される時にセンターバイパス回路Ｌｃの固定絞り１８上流側に生起する圧力では、蓄圧切替弁１９は開動作しないように、ばね１９ｂのばね圧（設定圧）が設定されている。
【００３７】
次に、操作レバーの１つであるアームレバー１４が操作されると、アーム用方向切替弁７が切り替わり、主回路Ｌｐの圧油はアームシリンダ４へ導かれ、ピストンロッドに連結したアームが駆動する。この状態において、アームシリンダ４で使用されなかった余剰油がセンターバイパス回路Ｌｃに流入し、固定絞り１８の上流側に生起する圧力を上昇させる。
【００３８】
センターバイパス回路Ｌｃの固定絞り１８上流側に生起する圧力が上昇し、蓄圧切替弁１９の操作部に供給される圧油の圧力が設定圧を超えると、蓄圧切換弁１９が開き、主回路Ｌｐの圧油が分岐管路Ｌｘを介して圧力変換機２０における油圧モータ２０Ａに導かれる。
【００３９】
コントローラ３０は、圧力センサ１７が検出した主回路Ｌｐの圧力と圧力センサ２３が検出したアキュムレータ２２の圧力とに応じて、圧力変換機２０の第２容量制御装置２０Ｃに第２油圧ポンプ２０Ｂの吐出圧を蓄圧管路Ｌａの圧力以上とする指令信号を出力する。このことにより、圧力変換機２０に供給される主回路Ｌｐの圧油の圧力に関わらず、圧力変換機２０から吐出する圧油の圧力を蓄圧管路Ｌａの圧力以上に変換することができる。この圧力変換機２０から吐出する圧油の圧力は、蓄圧管路Ｌａの圧力より高いので、チェック弁２１が開動作し、蓄圧管路Ｌａへ導かれ、アキュムレータ２２で圧油を蓄圧することができる。この結果、センターバイパス回路Ｌｃの余剰油の増加時に圧油エネルギを確実に回収することができる。
【００４０】
このように、蓄圧切替弁１９と圧力変換機２０の動作によって、蓄えられた圧油エネルギは、以下のように回生使用する。
例えば、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。コントローラ３０は、旋回レバー１３の操作により発生するパイロット圧力値を入力し、これらの値と予め定めた設定値とを比較し、入力値が設定値を超えると、回生弁２５に開指令を出力する。回生弁２５が開動作すると、アキュムレータ２２に蓄えられた圧油は、回生回路Ｌｙから回生チェック弁２６を通り、回生主回路Ｌｐｙに供給される。
【００４１】
これにより、旋回モータ３が必要とする圧油の流量が回生回路Ｌｙと回生主回路Ｌｐｙと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、燃費を向上させることができる。
【００４２】
次に、圧力変換機２０の制御について図３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１の実施の形態における圧力変換機の制御フローを示すフローチャート図である。図３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。
【００４３】
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。
【００４４】
これにより、コントローラ３０は、圧力センサ１７からの主回路Ｌｐの圧力Ｐｍと圧力センサ２３からのアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃのデータを取り込む（ステップＳ１０１）。
【００４５】
次に、コントローラ３０の演算部は、圧力変換機２０の第２油圧ポンプ２０Ｂの目標油圧ポンプ容量ｑｐを演算する（ステップＳ１０２）。具体的には、詳細を後述するが、検出されたアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃと、検出された主回路Ｌｐの圧力Ｐｍと、固定容量である油圧モータ２０Ａの容量ｑｍとを用いて、第２油圧ポンプ２０Ｂの目標油圧ポンプ容量ｑｐを演算する。
【００４６】
次に、コントローラ３０の出力部は、第２油圧ポンプ２０Ｂの第２容量制御装置２０Ｃへ目標ポンプ容量となるように指令信号を出力する（ステップＳ１０３）。このようにして、圧力変換機２０の第２油圧ポンプ２０Ｂの容量制御が実行される。
【００４７】
次に、コントローラ３０の演算部が算出する第２油圧ポンプ２０Ｂの目標油圧ポンプ容量ｑｐの算出手順について説明する。予め計測等により設定された圧力変換機２０の変換損失をηとすると、油圧モータ２０Ａの入力油圧動力（=Ｐｍ・ｑｍ）と、油圧モータ２０Ａと駆動軸で接続された第２油圧ポンプ２０Ｂ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２０Ｂ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はモータ入口圧力である主回路Ｌｐの圧力、ｑｍは油圧モータ２０Ａの容量、Ｐａｃはアキュムレータ２２の圧力、ｑｐは第２油圧ポンプ２０Ｂの目標油圧ポンプ容量、ηは圧力変換機２０の変換損失とする。
【００４８】
第２油圧ポンプ２０Ｂの吐出油はチェック弁２１を経て蓄圧管路Ｌａへ導かれるが、チェック弁２１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２０Ｂが目標油圧ポンプ容量ｑｐで動作した場合の吐出圧力はアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃと等しくなる。コントローラ３０の演算部は、この目標油圧ポンプ容量ｑｐを若干上回る値を目標指令として第２油圧ポンプ２０Ｂの第２容量制御装置２０Ｃへ出力している。
【００４９】
コントローラ３０は、このように第２油圧ポンプ２０Ｂの容量ｑｐを制御しているので、油圧モータ２０Ａの入口の圧力の大小に関わらず、圧力変換機２０から吐出した圧油をアキュムレータ２２に蓄圧することができる。
【００５０】
次に、油圧ポンプ２と回生弁２５の制御について図４を用いて説明する。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１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。
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。
【００５１】
これにより、コントローラ３０は、各操作レバー１３〜１５の指令圧を検出するために、各圧力センサ１３ａ〜１５ｂからの各パイロット圧力のデータを取り込む（ステップＳ２０１）。
【００５２】
次に、検出した各操作レバーの指令圧の最大値を算出する（ステップＳ２０２）。具体的には、（ステップＳ２０１）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。
【００５３】
次に、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（ステップＳ２０３）。ここで、最大値Ｐｉ_ｍａｘが予め定めた設定圧力Ｐｉ_ｓｅｔより高い場合とは、オペレータによりいずれかの操作レバーが所定量以上操作された場合であり、アクチュエータ３〜５のいずれかにおいて、駆動するための圧油の増流量が要求される場合である。このような場合に、アキュムレータ２２から圧油を回生主回路Ｌｐｙへ回生することで、その回生流量に応じて、油圧ポンプ２の出力トルクを低減することができる。最大値Ｐｉ_ｍａｘが設定圧力Ｐｉ_ｓｅｔより高い場合は、（ステップＳ２０４）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ２０６）へ進む。
【００５４】
コントローラ３０は、圧力センサ２３からのアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃのデータを取り込む（ステップＳ２０４）。
【００５５】
次に、アキュムレータ２２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（ステップＳ２０５）。アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔより高い場合は、（ステップＳ２０８）に進み、それ以外の場合は、（ステップＳ２０６）へ進む。
【００５６】
（ステップＳ２０５）において、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔ以下と判断された場合、コントローラ３０は、回生弁２５へ閉指令を出力する（ステップＳ２０６）。具体的には、回生弁２５の電磁操作部２５ａへの励磁信号を遮断する。このことにより、回生弁２５は、閉状態となり、回生主回路Ｌｐｙと回生回路Ｌｙとは遮断される。
【００５７】
次に、コントローラ３０は、油圧ポンプ２の容量制御装置２ａに対して後述する減トルク指令としてΔＴ＝０を出力して、補正信号を付加しない制御を実行する（ステップＳ２０７）。本ステップを実行後スタートにリターンする。
【００５８】
（ステップＳ２０５）において、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃが設定圧力Ｐａｃ_ｓｅｔより高いと判断された場合、コントローラ３０は、回生弁２５へ開指令を出力する（ステップＳ２０８）。具体的には、回生弁２５の電磁操作部２５ａへの励磁信号を出力する。このことにより、回生弁２５は、開動作し連通状態となり、アキュムレータ２２に蓄えられた圧油は、回生回路Ｌｙから回生チェック弁２６を通り、回生主回路Ｌｐｙに供給される。
【００５９】
次に、油圧ポンプ２のトルク補正制御を実行する（ステップＳ２０９）。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。本ステップを実行後（ステップＳ２０１）へ戻る。
【００６０】
次に、油圧ポンプ２の容量制御装置２ａ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１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１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１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。
【００６１】
油圧ポンプ２の容量制御装置２ａ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１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ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２ａへ出力している。
【００６２】
このように、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。
【００６３】
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。
【００６４】
図７は縦軸を減トルク値ΔＴ、横軸をアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃとして、アキュムレータ２２の圧力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、予め設定された設定圧力Ｐａｃ＿ｓｅｔよりもアキュムレータ２２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。
【００６５】
このように、アキュムレータ２２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。
【００６６】
また、センターバイパス回路Ｌｃにおける圧力変動は、固定絞り１８による圧力上昇程度のみで、変動幅を低く抑えることができる。このことにより、各アクチュエータ３〜５の操作性への影響を減らすことができる。
【００６７】
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、センターバイパス回路Ｌｃに導かれたアクチュエータで使用されない余剰油の流量に応じて、主回路Ｌｐの圧油を圧力変換する圧力変換機２０と、この圧力変換機２０によって圧力変換した圧油を回収するアキュムレータ２２とを設けたので、センターバイパス回路Ｌｃに余剰油が流れると、余剰油による圧油エネルギをアキュムレータ２２に確実に蓄えることができる。この結果、アクチュエータの負荷条件等の影響に関係なく安定した圧油エネルギの回収が実現できる。
【００６８】
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、アキュムレータ２２に蓄えた圧油のエネルギを回生主回路Ｌｐｙに回生することができるので、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を図ることができる。
【００６９】
更に、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、センターバイパス回路Ｌｃの圧力変動幅を低く抑えることができるので、各アクチュエータ３〜５の操作性への影響を減らすことができる。この結果、オペレータに対する負担が軽減され生産性が向上する。
【００７０】
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、アキュムレータ２２に蓄圧された圧油エネルギを、操作レバー入力時に回生主回路Ｌｐｙへ回生し、その回生流量に応じて、油圧ポンプ２の出力トルクを低減することができる。このことにより、少ない油圧ポンプ２負荷でアクチュエータ動力を得ることができ、トルク低減分の燃費を向上させることができる。
【００７１】
更に、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、圧油エネルギを圧油の状態で蓄えることができるので、回生使用時の変換装置が不要となり変換ロスも発生しない。この結果、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。
【００７２】
また、本実施の形態によれば、アキュムレータ２２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。
【００７３】
なお、本実施の形態においては、蓄圧切替弁１９の開閉操作を、センターバイパス回路Ｌｃの固定絞り１８の上流側の圧力信号を指令圧とするように操作部１９ａに管路を接続して構成したが、これに限るものではない。例えば電磁切替弁で構成してコントローラ３０からの指令で開閉しても良い。この場合、圧力センサ２３が検出するアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃが設定値以上の場合には、前記油圧ポンプから吐出される圧油の前記圧力変換機へ遮断制御してもよい。この結果、アキュムレータ２２に過大な圧油を供給することが防止できる。
【実施例２】
【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２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２の実施の形態の構成を示す回路図である。図８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。
【００７５】
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。
【００７６】
第１の実施の形態における固定絞り１８を省略し、可変絞りとして切替弁２７をセンターバイパス回路Ｌｃに設けている。センターバイパス回路Ｌｃの上流側である一端側は、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の下流側である他端側は、切替弁２７のポートを介してタンク１２へ連通する戻り回路Ｌｔと接続されている。
【００７７】
切替弁２７は、一端側にばね２７ｂを有し、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃを指令圧とするように回生回路Ｌｙのリリーフ弁２４の上流側から操作部２７ａに管路を接続して構成されている。切替弁２７は、指令圧であるアキュムレータ２２の圧力Ｐａｃがばね２７ｂの所定のばね圧（予め設定された圧力）より低い場合には、ポートを遮断し、センターバイパス回路Ｌｃと戻り回路Ｌｔとの連通を遮断する。一方、指令圧が上昇し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。このように、切替弁２７は、アキュムレータ２２の圧力に応じてセンターバイパス回路Ｌｃの絞り量を変更する可変絞りの機能を備える。例えば、切替弁２７が全開となる設定圧力をリリーフ弁２４のクラッキング圧力を超えた値とすれば、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃがこのクラッキング圧力を超えた場合に、センターバイパスされた圧油を全開してタンク１２へ逃がす。
【００７８】
このように、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃに応じてセンターバイパス回路Ｌｃの絞り量を可変制御するので、アキュムレータ２２の圧力Ｐａｃが十分に蓄圧された場合には、絞り量を全開として、蓄圧切替弁１９の操作部１９ａに接続された管路Ｌｃａに指令圧力を生成させない。このことにより、蓄圧切替弁１９は開動作しない。この結果、蓄圧切替弁１９を開き続けて、圧力変換機２０を無負荷駆動させて、圧力の固定損失分を発生させることを防止できる。
【００７９】
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、アキュムレータ２２の圧力が設定圧よりも高いとき、可変絞りである切替弁２７が全開するので、作業機が待機状態であっても、エネルギの無駄を減少させることができる。
【実施例３】
【００８０】
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の実施の形態の構成を示す回路図である。図９において、図１乃至図８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。
【００８１】
図９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。
【００８２】
第１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、固定絞り１８の流れ方向に並列の管路を設け、この管路にセンターバイパス回路Ｌｃの圧力を制限するリリーフ弁２８が設けられている。固定絞り１８の上流側のセンターバイパス回路Ｌｃに一の分岐管路の一端を接続し、一の分岐管路の他端をリリーフ弁２８の入口側に接続している。固定絞り１８の下流側のセンターバイパス回路Ｌｃに他の分岐管路の他端を接続し、他の分岐管路の一端をリリーフ弁２８の出口側に接続している。
【００８３】
リリーフ弁２８の設定圧力は、蓄圧切替弁１９を全開とするセンターバイパス回路Ｌｃの圧力より高い圧力に設定されている。このことにより、センターバイパス回路Ｌｃを流れる圧油の流量が急激に増大した場合であっても、センターバイパス回路Ｌｃの圧力過大を回避することができる。
【００８４】
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、センターバイパス回路Ｌｃにおいて、固定絞り１８に対して並列にリリーフ弁２８が設けられているので、例えば、油圧ポンプが最大流量を吐出している状態から急激に操作レバーを中立位置に戻されて、センターバイパス回路Ｌｃに大流量の圧油が流入しても、リリーフ弁２８が作動してこれらの圧油を戻り回路Ｌｔへ排出できる。このことにより、主回路Ｌｐの圧力が急上昇してエンジン負荷を無駄に増大させることを回避できる。
【符号の説明】
【００８５】
１ エンジン
２ 油圧ポンプ
２ａ 容量制御装置
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 圧力センサ
１８ 固定絞り
１９ 蓄圧切替弁
２０ 圧力変換機
２０Ａ 油圧モータ
２０Ｂ 第２油圧ポンプ
２０Ｃ 第２容量制御装置
２１ チェック弁
２２ アキュムレータ
２３ 圧力センサ
２４ リリーフ弁
２５ 回生弁
２６ 回生チェック弁
２７ 切替弁（可変絞り）
３０ コントローラ
Ｌｐ 主回路
Ｌｃ センターバイパス回路
Ｌａ 蓄圧管路
Ｌｔ 戻り回路
Ｌｘ 分岐管路
Ｌｙ 回生回路
Ｌｐｙ 回生主回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの圧油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前記複数の油圧アクチュエータに供給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、前記油圧ポンプからの圧油を前記方向切替弁に供給する主回路と、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し、前記油圧アクチュエータで使用されない余剰油を圧油エネルギとして回収する圧油エネルギ回収装置であって、
圧油エネルギを蓄積する蓄圧器と、
前記蓄圧器に圧力変換した圧油を供給する圧力変換機と、
前記圧力変換機の出口側と前記蓄圧器とを連結する蓄圧器管路と、
前記圧力変換機の入口側と前記主回路とを連通する分岐回路と、
前記センターバイパス回路の下流に設けた絞りと、
前記分岐回路に設けられ、前記絞りの上流側の圧力により切り替えられる蓄圧切替弁と、
前記主回路の圧力を検出する第１の圧力検出器と、
前記蓄圧器の圧力を検出する第２の圧力検出器と、
前記第１及び第２の圧力検出器からの検出信号を取込み、前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの容量制御部に指令を出力する制御装置とを備えた
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に記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記制御装置は、
前記第１の圧力検出器で検出した前記主回路の圧力と、前記第２の圧力検出器で検出した前記蓄圧器の圧力とを用いて、前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの吐出圧が前記蓄圧器の圧力以上となるように前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの目標油圧ポンプ容量を算出する演算部と、
前記演算部で算出した前記目標油圧ポンプ容量を前記可変容量型の油圧ポンプの容量制御部へ指令として出力する出力部とを備えた、
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１又は２に記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記蓄圧器と前記複数の方向切替弁の入口側とを連通する回生回路と、
前記回生回路に設けた回生弁と、
前記複数の方向切替弁を切替操作するパイロット操作部への指令圧力を検出する第３の圧力検出器と、
前記第３の圧力検出器で検出した前記パイロット操作部への指令圧力に基づき前記回生弁の開指令を生成する演算部と，前記演算部で生成した開指令を前記回生弁の操作部へ出力する出力部とを有する制御装置を備えた
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、
前記絞りは、前記蓄圧器の圧力に応じて前記センターバイパス回路の絞り量を変更する可変絞りであって、前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値以上のときには、前記センターバイパス回路の絞り量を全開とする
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、前記油圧ポンプからの圧油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前記複数の油圧アクチュエータに供給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、前記油圧ポンプからの圧油を前記方向切替弁に供給する主回路と、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し、前記油圧アクチュエータで使用されない余剰油を圧油エネルギとして回収する圧油エネルギ回収装置であって、
圧油エネルギを蓄積する蓄圧器と、
前記蓄圧器に圧力変換した圧油を供給する圧力変換機と、
前記圧力変換機の出口側と前記蓄圧器とを連結する蓄圧器管路と、
前記圧力変換機の入口側と前記主回路とを連通する分岐回路と、
前記センターバイパス回路の下流に設けた絞りと、
前記分岐回路に設けられ、前記絞りの上流側の圧力により切り替えられる蓄圧切替弁と、
前記主回路の圧力を検出する第１の圧力検出器と、
前記蓄圧器の圧力を検出する第２の圧力検出器と、
前記第１及び第２の圧力検出器からの検出信号を取込み、前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの容量制御部に指令を出力する制御装置とを備えた
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に記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記制御装置は、
前記第１の圧力検出器で検出した前記主回路の圧力と、前記第２の圧力検出器で検出した前記蓄圧器の圧力とを用いて、前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの吐出圧が前記蓄圧器の圧力以上となるように前記圧力変換機における可変容量型の油圧ポンプの目標油圧ポンプ容量を算出する演算部と、
前記演算部で算出した前記目標油圧ポンプ容量を前記可変容量型の油圧ポンプの容量制御部へ指令として出力する出力部とを備えた、
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１又は２に記載の圧油エネルギ回収装置において、
前記蓄圧器と前記複数の方向切替弁の入口側とを連通する回生回路と、
前記回生回路に設けた回生弁と、
前記複数の方向切替弁を切替操作するパイロット操作部への指令圧力を検出する第３の圧力検出器と、
前記第３の圧力検出器で検出した前記パイロット操作部への指令圧力に基づき前記回生弁の開指令を生成する演算部と，前記演算部で生成した開指令を前記回生弁の操作部へ出力する出力部とを有する制御装置を備えた
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、
前記絞りは、前記蓄圧器の圧力に応じて前記センターバイパス回路の絞り量を変更する可変絞りであって、前記蓄圧器の圧力が予め設定した設定値以上のときには、前記センターバイパス回路の絞り量を全開とする
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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８７８６９（Ｐ２０１３−８７８６９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２９２６６（Ｐ２０１１−２２９２６６）
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【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５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【Ｆターム（参考）】
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