JP6201679B2

JP6201679B2 - 建設機械

Info

Publication number: JP6201679B2
Application number: JP2013241432A
Authority: JP
Inventors: 洋一郎山崎
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: JP2015101844A

Description

本発明は蓄電器を備えたハイブリッド式または電動式の建設機械に関するものである。

ハイブリッドショベルを例にとって背景技術を説明する。

ハイブリッドショベルにおいては、動力源としてのエンジンに発電電動機を接続し、発電電動機の発電機作用によって蓄電器に充電し、適時、この蓄電器電力により発電電動機に電動機作用を行わせてエンジンをアシストするように構成される。

また、上部旋回体を旋回駆動する旋回駆動システムとして、旋回用油圧モータを駆動源とする油圧旋回ユニットに代えて、あるいは加えて、旋回用電動機を駆動源とする電動旋回ユニットを設け、旋回駆動時(起動を含む加速時及び加速後の定常運転時。力行時ともいう)に、発電電動機または蓄電器の電力によって上部旋回体を旋回駆動し、旋回減速時には旋回用電動機を発電機として作動させ、ブレーキ力を発揮させるとともに、その回生電力を蓄電器に充電する構成をとるものが公知である(特許文献１，２参照)。

このハイブリッドショベルにおいて、低温時には蓄電器の容量が低下し、蓄電器性能(放電性能)が低下して十分な電力が得られなくなるため、冬期等の低温環境では蓄電器についてもエンジンのように適温まで加温する暖機対策をとることが望まれる。

この暖機対策として、特許文献２に示されているように、蓄電器温度が設定値以下になったときに、発電電動機を作動させて蓄電器に強制的に充放電作用を行わせ、内部加熱によって蓄電器温度を上昇させる技術が提案されている。

特開２００５−２９０８８２号公報特開２０１０−１２７２７１号公報

一般に、蓄電器の内部抵抗は、システム効率を良くする観点から小さく設定されている。

このため、蓄電器の内部抵抗による内部発熱を暖機に利用する特許文献２の公知技術によると、蓄電器の発熱量が小さくて暖機効率が悪く、蓄電器の暖機に長時間を要する。

また、蓄電器は、低温化で充放電を繰り返すと蓄電器寿命が短くなるという問題がある。

そこで本発明は、蓄電器の暖機を短時間で効率良く、しかも蓄電器寿命に悪影響を与えることなく行うことができる建設機械を提供するものである。

上記課題を解決する手段として、本発明においては、油圧ポンプと、この油圧ポンプを油圧源とする油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータと上記油圧ポンプ及びタンクとを接続する油圧アクチュエータ回路と、この油圧アクチュエータ回路に設けられて上記油圧アクチュエータに対する作動油の給排を制御するコントロールバルブと、このコントロールバルブを操作する操作手段と、電動機と、この電動機の電源となる蓄電器とを備え、上記油圧アクチュエータ回路は、上記油圧ポンプの吐出油を上記コントロールバルブ経由で上記油圧アクチュエータに供給するポンプ管路と、上記油圧アクチュエータから出たリターン油を上記タンクに戻すリターン管路を有する建設機械において、上記蓄電器の温度を検出する蓄電器温度検出手段と、制御手段と、上記蓄電器を暖機する暖機ラインとを設け、上記暖機ラインの入口側を、上記油圧アクチュエータ回路のリターン管路に、出口側を上記タンクにそれぞれ接続するとともに、暖機ラインの入口側に、上記暖機ラインにおいて油を通過させる開き位置と上記暖機ラインにおいて油を遮断する閉じ位置との間で切換わる切換弁を設け、上記制御手段は、上記蓄電器の温度が暖機を開始すべき温度として予め設定された暖機設定値以下のときに、上記切換弁を開き位置として上記油圧アクチュエータから出たリターン油を上記暖機ラインに通す蓄電器暖機制御を行うように構成したものである。

この構成によれば、油圧アクチュエータ回路のリターン油を蓄電器の暖機ラインを経由してタンクに戻すため、蓄電器の内部発熱によって暖機する方式と比べて、蓄電器を短時間で効率良く暖機することができる。

しかも、内部発熱方式のように低温化での充放電作用によって蓄電器寿命が低下するおそれがないし、暖機によって油圧アクチュエータ回路の通常の動作に支障を来たすおそれもない。

さらに、既存の油圧アクチュエータ回路で発生するリターン油熱を暖機に利用するため、暖機のための余分なエネルギーが不要となるとともに、追加設備も実質的に切換弁のみで済む。このため、コスト面でも有利となる。

なお、上記構成において、操作時にはコントロールバルブを通過しかつ油圧アクチュエータで仕事をすることによって高温化した油が暖機ラインに送られ、非操作時には、リリーフ油またはアンロード油、すなわちバルブ圧損(請求項２ではリリーフ弁での圧損)によって高温化した油が暖機ラインに送られる。

また、請求項１の「電動機」とは、ハイブリッド式建設機械では発電電動機と作業用電動機(たとえば旋回電動機)の一方または双方をさし、電動式建設機械では駆動源としての電動機と作業用電動機の一方または双方をさす。

本発明において、上記操作手段の操作／非操作と操作量を検出する操作検出手段を設ける一方、上記油圧アクチュエータ回路のポンプ管路とリターン管路の間に、リリーフ弁を備えたリリーフ管路と、アンロード弁を備えたアンロード管路を並列に設け、上記制御手段は、上記アンロード弁を操作量に応じて開度制御する一方、上記蓄電器暖機制御として、
(ｉ) 上記操作手段の操作時には、上記油圧アクチュエータから出て上記コントロールバルブを経由したリターン油を上記暖機ラインに通し、
(ｉｉ) 上記操作手段の非操作時には、上記アンロード弁を閉じて上記リリーフ弁を作動させ、リリーフ油を上記暖機ラインに通すリリーフ暖機制御を行う
ように構成するのが望ましい(請求項２，３)。

この構成によれば、蓄電器暖機制御として、非操作時に、リリーフ油という、より高温のリターン油を暖機ラインに通すため、とくに冬季等、外気温度が低い状況での機械の運転開始時に蓄電器を適温まで急速に暖機し、迅速に運転態勢を整えることができる。

この場合、上記油圧ポンプとして可変容量型ポンプを用い、上記制御手段は、上記リーフ暖機制御時に上記油圧ポンプの容量を通常時よりも減少させるように構成するのが望ましい(請求項３)。

蓄電器４の暖機を要する状況は、上記のようにとくに外気温度が低い場合に発生し、低温下ではエンジンの出力トルクも低いため、この状況で油圧ポンプを最大負荷で運転するとトルク不足でエンジンドロップが発生する等の問題がある。

そこで、請求項３のようにリリーフ暖機時にポンプ容量を落とすことによりエンジン負荷を軽減することができる。

一方、上記蓄電器に、冷却ポンプから供給される冷媒によって蓄電器を冷却する冷却ラインを設け、上記蓄電器暖機制御時に、上記冷却ポンプからの冷媒供給量を制限するように構成するのが望ましい(請求項４)。

この構成によれば、蓄電器の冷却ラインを併設したシステムにおいて、蓄電器暖機制御時に冷媒供給を制限(停止または減量)するため、良好な暖機効率を維持することができる。

本発明によると、蓄電器の暖機を短時間で効率良く、しかも蓄電器寿命に悪影響を与えることなく行うことができる。

本発明の実施形態を示すシステム構成図である。実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。レバー操作量とアンロード弁開度の関係を示す図である。

実施形態はハイブリッドショベルを適用対象としている。

図１に示すように、動力源としてのエンジン１に発電機作用と電動機作用を行う発電電動機２が接続され、インバータ３の制御により、この発電電動機２がエンジン駆動で発電機作用を行い、発生した電力が蓄電器４に送られた充電される。

一方、油圧アクチュエータの要求トルクがエンジン出力トルクを上回る場合に、蓄電器４の電力により発電電動機２が電動機作用を行ってエンジン１をアシストする。

また、エンジン１には油圧ポンプ５が、図示のように発電電動機２とタンデム(パラレルでもよい)に接続され、この油圧ポンプ５及び油圧タンク６と複数の油圧アクチュエータ(図では一つの油圧シリンダのみを例示する)７とが油圧アクチュエータ回路８によって接続される。

油圧ポンプ５には、レギュレータ５ａによって容量が大小制御される可変容量型ポンプが用いられている。

油圧アクチュエータ回路８は、油圧アクチュエータ７に対する油の給排を制御するコントロールバルブ９と、ポンプ吐出油をコントロールバルブ９経由で油圧アクチュエータ７に供給するポンプ管路１０と、油圧アクチュエータ７から出た油を油圧タンク６に戻すリターン管路１１とを備えている。

また、ポンプ管路１０とリターン管路１１の間に、リリーフ弁１２を備えたリリーフ管路１３と、アンロード弁１４を備えたアンロード管路１５が互いに並列状態で設けられている。

１６はリターン油に一定の背圧をかけるためにリターン管路１１に設けられた背圧弁である。

アンロード弁１４は、パイロットポートに入力されるパイロット圧によって全開と全閉の間で開度が制御される油圧パイロット弁として構成され、制御手段としてのコントローラ１７によりアンロード制御弁１８を通じて開度制御される。

図中、１９はアンロード弁１４のパイロット油圧源である。

２０はレバー操作される操作手段としてのリモコン弁で、このリモコン弁２０の操作方向と操作量に応じてコントロールバルブ９が切換制御されて油圧アクチュエータ７の作動方向と速度が制御される。以下、通称に従って、リモコン弁２０の操作を「レバー操作」、その操作量を「レバー操作量」という。

蓄電器４には、これを冷却または暖機するための温度管理プレート２１が設けられている。

この温度管理プレート２１には、冷却ポンプ２２からの冷媒(水、油等)を流す冷却ライン２３と、油圧アクチュエータ回路８からのリターン油(高温の作動油)を流す暖機ライン２４が通され、この両ライン２３，２４により温度管理プレート２１を通じて蓄電器４の冷却または暖機が行われる。図中、２５は冷媒タンク、２６は冷却ライン２３の冷媒タンク入口に設けられたクーラーである。

暖機ライン２４は、入口側がリターン管路１１に、出口側が油圧タンク６にそれぞれ接続され、この暖機ライン２４の入口側に、コントローラ１７によって切換制御される電磁式の切換弁２７が設けられている。

この切換弁２７は、油を通過させる開き位置イと、油を遮断する閉じ位置ロとの間で切換わり、開き位置イで油圧アクチュエータ回路８のリターン油が暖機ライン２４に導入される。

一方、検出手段として、リモコン弁２０のパイロット圧によってレバー操作／非操作の別と操作量を検出する操作検出手段としてのパイロット圧センサ２８と、蓄電器４の温度を検出する蓄電器温度検出手段としての温度センサ２９が設けられ、この両センサ２８，２９によって検出された操作信号と温度信号がコントローラ１７に入力される。

コントローラ１７は、入力される操作、温度両信号に基づいて、低温下で蓄電器温度を上昇させるための蓄電器暖機制御を行う。

このコントローラ１７の作用を図２のフローチャートによって説明する。

たとえばエンジン始動によって制御が開始され、まずステップＳ１で、検出された蓄電器温度Ｔ１が、蓄電器４の暖機を開始すべき温度として予め設定された暖機設定値Ｔａよりも低いか否か(暖機が必要か否か)が判断される。

ここでＮＯ(暖機の必要がない)となると、ステップＳ２でレバー操作無しか否かが判断され、ＹＥＳ(レバー操作無し)の場合はステップＳ３でアンロード弁１４を全開とする。

ここで、油圧ポンプ５は容量最大で最大流量を吐出しており、このポンプ吐出油が全量、アンロード弁１４を通じて油圧タンク６に戻される。

ステップＳ２でＮＯ(レバー操作有り)の場合は、通常制御として、ステップＳ４において図３に示すようにアンロード弁１４の開度をレバー操作量に応じて、大操作量で小さくなる方向に制御する。すなわち、油圧アクチュエータ７に必要な流量以外の余剰油がアンロードされる。

ステップＳ３またはステップＳ４に続くステップＳ５ではポンプ容量を「通常」、すなわち最大とし、ステップＳ６で切換弁２７を閉じ位置ロとする。

また、ステップＳ７で蓄電器温度Ｔ１が、蓄電器４の冷却を開始すべき温度として予め設定された冷却設定値Ｔｂよりも高いか否かが判断され、ＹＥＳで冷却ポンプ２２を作動させる。従って、冷媒が冷却ライン２３に供給され、温度管理プレート２１での熱交換によって蓄電器４が冷却される。

一方、ステップＳ１でＹＥＳ、すなわち蓄電器温度Ｔ１が暖機設定値Ｔａよりも低いと判断されたときは、ステップＳ９で冷却ポンプ２２を停止させるとともに、ステップＳ１０で切換弁２７を開き位置イに切換える。

これにより、油圧アクチュエータ回路８のリターン油が切換弁２７を介して暖機ライン２４に供給される態勢(暖機態勢)が整う。

ステップＳ１１ではレバー操作無しか否かが判断され、ＮＯ(レバー操作有り)の場合はステップＳ１２でアンロード弁１４の通常制御(レバー操作量に応じた開度制御)を行うとともに、ステップＳ１３でポンプ容量を「通常(最大)」とする。

これにより、油圧アクチュエータ７にレバー操作量に応じた流量が供給されて油圧アクチュエータ７が作動し、この油圧アクチュエータ７から出た油、及びアンロード弁１４を通過した油が切換弁２７を通り暖機ライン２４を流れて油圧タンク６に戻される。

こうして、レバー操作時の蓄電器暖機制御として、コントロールバルブ９を通過しかつ油圧アクチュエータ７で仕事をすることによって高温化したリターン油、及びアンロード弁１４での圧損によって高温化したリターン油により、温度管理プレート２１を通じて蓄電器４の暖機が行われる。

これに対し、ステップＳ１１でＹＥＳ(レバー操作無し)の場合は、油圧アクチュエータ７からのリターン油が暖機ライン２４に送られないため、これに代えて、リリーフ暖機制御が行われる。

すなわち、ステップＳ１４でポンプ容量を通常値ｑから暖機時設定値ｑＴに減少させることによってポンプ吐出量を減じるとともに、ステップＳ１５でアンロード弁１４を全閉とする。

これにより、リリーフ弁１２が作動し、ポンプ吐出油が全量、リリーフ弁１２を通り、切換弁２７を介して暖機ライン２４に送られる。

こうして、レバー非操作時の暖機制御として、リリーフ作動によって高温化した油によって蓄電器４の暖機が行われる。

ステップＳ８，Ｓ１３，Ｓ１５の後はステップＳ１に戻り、以下、蓄電器温度Ｔ１が暖機設定値Ｔａ以上となる(暖機完了)まで上記暖機制御が継続される。

このように、油圧アクチュエータ回路８のリターン油、すなわち、レバー操作時にはコントロールバルブ９を通過しかつ油圧アクチュエータ７で仕事をすることによって高温化した油、及びアンロード弁１４での圧損によって高温化した油を、またレバー非操作時にはリリーフ弁１２での圧損によって高温化した油を、それぞれ蓄電器４の暖機ライン２４に通すため、蓄電器４の内部発熱によって暖機する方式と比べて、蓄電器４を短時間で効率良く暖機することができる。

ここで、レバー非操作時に、リリーフ油という、より高温のリターン油を暖機ライン２４に通すため、とくに冬季等、外気温度が低い状況での機械の運転開始時に蓄電器を適温まで急速に暖機し、迅速に運転態勢を整えることができる。

しかも、内部発熱方式のように低温化での充放電作用によって蓄電器寿命が低下するおそれがないし、暖機によって油圧アクチュエータ回路８の通常の動作に支障を来たすおそれもない。

さらに、既存の油圧アクチュエータ回路８で発生する熱を暖機に利用するため、暖機のための余分なエネルギーが不要となるとともに、追加設備も実質的に切換弁２７のみで済む。このため、コスト面でも有利となる。

ところで、蓄電器４の暖機を要する状況は、上記のようにとくに外気温度が低い場合に発生し、低温下ではエンジン１の出力トルクも低いため、この状況で油圧ポンプ５を最大負荷で運転するとトルク不足でエンジンドロップが発生する等の問題がある。

この点、前記のようにリリーフ暖機時にポンプ容量を落とすため、エンジン負荷を軽減することができる。

また、実施形態では、冷却ライン２３を併設したシステムにおいて、蓄電器暖機制御時に冷却ポンプ２２を停止させて冷媒供給(蓄電器冷却)を停止するため、良好な暖機効率を維持することができる。

他の実施形態
(１) 上記実施形態では蓄電器暖機制御時に冷却ポンプ２２を停止(図２のステップＳ９)させて冷媒の供給を止めるようにしたが、冷却ポンプ２２からの冷媒吐出量を、暖機の妨げとならない量に減少させるようにしてもよい。

(２) 上記実施形態では、蓄電器暖機制御時におけるリリーフ暖機制御時にポンプ容量を減少させる構成をとったが、エンジン１のトルク不足が生じない場合には、ポンプ容量を減少させない構成をとってもよい。

(３) 本発明はハイブリッドショベルに限らず、ショベル以外のハイブリッド建設機械にも、また蓄電器電力で電動機を駆動し、この電動機で油圧ポンプを駆動する構成をとる電動式の建設機械にも適用することができる。

４蓄電器
５油圧ポンプ
５ａレギュレータ
６油圧タンク
７油圧アクチュエータ
８油圧アクチュエータ回路
９コントロールバルブ
１０ポンプ管路
１１リターン管路
１２リリーフ弁
１３リリーフ管路
１４アンロード弁
１５アンロード管路
１７制御手段としてのコントローラ
１８アンロード制御弁
２０操作手段としてのリモコン弁
２１蓄電器の温度管理プレート
２２冷却ポンプ
２３冷却ライン
２４暖機ライン
２７切換弁
２８操作検出手段としてのパイロット圧センサ
２９蓄電器温度検出手段としての温度センサ

Claims

油圧ポンプと、この油圧ポンプを油圧源とする油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータと上記油圧ポンプ及びタンクとを接続する油圧アクチュエータ回路と、この油圧アクチュエータ回路に設けられて上記油圧アクチュエータに対する作動油の給排を制御するコントロールバルブと、このコントロールバルブを操作する操作手段と、電動機と、この電動機の電源となる蓄電器とを備え、上記油圧アクチュエータ回路は、上記油圧ポンプの吐出油を上記コントロールバルブ経由で上記油圧アクチュエータに供給するポンプ管路と、上記油圧アクチュエータから出たリターン油を上記タンクに戻すリターン管路を有する建設機械において、上記蓄電器の温度を検出する蓄電器温度検出手段と、制御手段と、上記蓄電器を暖機する暖機ラインとを設け、上記暖機ラインの入口側を、上記油圧アクチュエータ回路のリターン管路に、出口側を上記タンクにそれぞれ接続するとともに、暖機ラインの入口側に、上記暖機ラインにおいて油を通過させる開き位置と上記暖機ラインにおいて油を遮断する閉じ位置との間で切換わる切換弁を設け、上記制御手段は、上記蓄電器の温度が暖機を開始すべき温度として予め設定された暖機設定値以下のときに、上記切換弁を開き位置として上記油圧アクチュエータから出たリターン油を上記暖機ラインに通す蓄電器暖機制御を行うように構成したことを特徴とする建設機械。
上記操作手段の操作／非操作と操作量を検出する操作検出手段を設ける一方、上記油圧アクチュエータ回路のポンプ管路とリターン管路の間に、リリーフ弁を備えたリリーフ管路と、アンロード弁を備えたアンロード管路を並列に設け、上記制御手段は、上記アンロード弁を操作量に応じて開度制御する一方、上記蓄電器暖機制御として、
(ｉ) 上記操作手段の操作時には、上記油圧アクチュエータから出て上記コントロールバルブを経由したリターン油を上記暖機ラインに通し、
(ｉｉ) 上記操作手段の非操作時には、上記アンロード弁を閉じて上記リリーフ弁を作動させ、リリーフ油を上記暖機ラインに通すリリーフ暖機制御を行う
ように構成したことを特徴とする請求項１記載の建設機械。
上記油圧ポンプとして可変容量型ポンプを用い、上記制御手段は、上記リリーフ暖機制御時に上記油圧ポンプの容量を通常時よりも減少させるように構成したことを特徴とする請求項２記載の建設機械。
上記蓄電器に、冷却ポンプから供給される冷媒によって蓄電器を冷却する冷却ラインを設け、上記蓄電器暖機制御時に、上記冷却ポンプからの冷媒供給量を制限するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の建設機械。