混合式工作机械 【技术领域】
本发明涉及一种混合式工作机械。背景技术 以往， 提出了使驱动机构的一部分电动化的工作机械。这种工作机械具备用于对 例如动臂、 斗杆及铲斗之类的可动部进行液压驱动的液压泵， 将交流电动机 ( 电动发电机 ) 连结于用于驱动该液压泵的内燃机发动机 ( 引擎 )， 并根据各种需要进行辅助该引擎的驱 动力的动作和将由发电得到的电力充电至蓄电池的动作。例如在专利文献 1 中， 已公开有 这种混合式工作机械。在专利文献 1 所记载的混合式工作机械中， 根据液压泵的要求功率， 确定电动发电机为了辅助引擎而应输出的功率的分配， 并且， 校正上述功率分配， 以便消除 引擎的目标转速与实际转速的偏差。
专利文献 1 ： 日本特开 2007-290607 号公报
混合式工作机械中， 有时设置向引擎供给压缩空气的增压器。 这时， 引擎的输出较 大程度取决于增压压力。 由于增压压力存在从引擎的转速的增加起时间性地延迟而变高的 倾向， 因此即使引擎的转速上升， 也会在得到与该转速对应的稳定的输出之前产生时间延 迟。 因此， 作为在这种状态下得到与当前转速相应的输出的引擎， 若对电动发电机的辅助输 出进行抑制 ( 或者， 利用引擎输出进行发电 )， 则对引擎的负载变得过剩， 有可能停止引擎。
发明内容
本发明是鉴于上述的问题点而完成的， 其目的在于在具有增压器的混合式工作机 械中抑制对引擎的过负载。
为了解决上述课题， 根据本发明的混合式工作机械， 具备 ： 内燃机发动机 ； 增压 器， 向内燃机发动机供给压缩空气 ； 电动发电机， 连结于内燃机发动机， 通过内燃机发动机 的驱动力进行发电， 并且通过本身的驱动力辅助内燃机发动机的驱动力 ； 逆变电路， 连接于 电动发电机的电气端子 ； 及控制部， 包括存储表示内燃机发动机的转速及增压器的增压压 力与内燃机发动机的输出上限值 ( 单位 ： kW) 的关联的第 1 信息的存储部而构成， 并驱动逆 变电路。 控制部根据存储于存储部中的第 1 信息控制逆变电路， 以便当所需输出 ( 单位 ： kW) 超过输出上限值时， 电动发电机辅助内燃机发动机的驱动力。
当所需输出低于输出上限值时， 控制部可以控制逆变电路， 以便通过内燃机发动 机的驱动力在电动发电机中进行发电。
控制部可以根据内燃机发动机的转矩大小， 推断增压器的增压压力。 或者， 混合式 工作机械可以具备检测增压器的增压压力并将与该增压压力有关的信息提供至控制部的 增压压力传感器。
存储部可以进一步存储有与和内燃机发动机的转速相应的最大输出值有关的第 2 信息， 当基于第 2 信息的最大输出值小于基于第 1 信息的输出上限值时， 控制部可以将该最 大输出值作为输出上限值控制逆变电路。控制部的存储部可以进一步存储有 ： 表示与向内燃机发动机供给的燃料供给量及 内燃机发动机的转速相应的增压器的最大增压压力的第 3 信息 ； 及表示与输出上限值相对 应的向内燃机发动机供给的燃料供给量的限制值与增压器的增压压力的关联的第 4 信息， 当根据第 3 信息求出的最大增压压力与根据第 4 信息求出的增压器的增压压力之差低于预 定阈值时， 可以以电动发电机辅助内燃机发动机的驱动力的方式控制逆变电路， 从而使内 燃机发动机的转速上升。
预定阈值可以根据燃料供给量变化。
控制部可以具有 ： 增压压力判定部， 计算根据第 3 信息求出的最大增压压力与根 据第 4 信息求出的增压器的增压压力之差， 判定该差与预定阈值的大小 ； 及目标转速设定 部， 当在增压压力判定部中判定为差低于预定阈值时， 设定比判定为差超过预定阈值时更 高的内燃机发动机的目标转速， 并且该控制部以内燃机发动机的转速接近目标转速的方式 控制逆变电路。
发明效果
根据本发明， 能够在具有增压器的混合式工作机械中， 抑制对引擎的过负载。 附图说明
图 1 是表示作为本发明所涉及的工作机械的一例的混合式施工机械的外观的立体图。 图 2 是表示本实施方式的混合式施工机械的电气系统及液压系统之类的内部结 构的框图。
图 3 是表示蓄电部的内部结构的图。
图 4 是表示控制器的内部结构的框图。
图 5 是表示引擎限制表的构成例的图。
图 6(a) 表示引擎限制量推断部的内部结构的一例。 (b) 表示引擎限制量推断部的 内部结构的其他一例。
图 7 是表示用于计算升高压力推断值的构成例的图。
图 8 表示对于稳定状态的引擎的转速与引擎输出之间的关系， 得到与该转速相应 的充分的升高压力的情况。
图 9(a)、 (b) 是用于说明以往的混合式工作机械的动作的曲线图。曲线图 G11 表 示额定输出 ( 即， 与引擎的转速对应的输出额定值 )， 曲线图 G12 表示引擎实际上可能的输 出， 曲线图 G13 表示主泵的要求输出。曲线图 G14 表示引擎的实际转速， 曲线图 G15 表示增 压器的实际升高压力。
图 10(a)、 (b) 是用于说明混合式施工机械的动作的曲线图。曲线图 G21 表示额 定输出， 曲线图 G22 表示引擎实际上可能的输出， 曲线图 G23 表示主泵的要求输出， 曲线图 G26 表示考虑到升高压力后的引擎的输出上限 ( 即在引擎限制量推断部中所计算出的输出 上限值 )。曲线图 G24 表示引擎的实际转速， 曲线图 G25 表示增压器的实际升高压力。
图 11(a) 是表示第 1 实施方式所涉及的混合式工作机械的引擎输出、 电动发电机 ( 辅助马达 ) 输出、 液压输出及引擎转速各自的时间变化的曲线图。(b) 是表示第 1 实施方 式所涉及的混合式工作机械的升高压力的时间变化的曲线图。
图 12(a)、 (b) 中的曲线图 G41 是表示与向引擎供给的燃料供给量及引擎的转速相 应的增压器的最大升高压力与引擎转矩之间的关联的一例的曲线图。曲线图 G42 是表示与 引擎的输出上限值对应的引擎转矩的限制值与储存于在非易失性存储器中存储的引擎限 制表中的与该输出上限值对应的增压器的升高压力的关联的一例的曲线图。
图 13 是用于说明用于解决混合式工作机械的问题点的方法的曲线图， 概要地表 示图 12 所示的曲线图 G41、 G42。
图 14 是表示第 2 实施方式的具体结构的框图。
图 15(a) 是表示第 2 实施方式所涉及的混合式工作机械的引擎输出、 电动发电机 ( 辅助马达 ) 输出、 液压输出及引擎转速各自的时间变化的曲线图。(b) 是表示第 2 实施方 式所涉及的混合式工作机械的升高压力的时间变化的曲线图。
图 16 是表示混合式施工机械的电气系统及液压系统之类的内部结构的变形例的 框图。 具体实施方式
以下， 参考附图详细说明根据本发明的混合式工作机械的实施方式。 另外， 附图说 明中对相同要件附加相同符号， 省略重复说明。 ( 第 1 实施方式 )
图 1 是表示作为本发明所涉及的混合式工作机械的一例的混合式施工机械 1 的外 观的立体图。如图 1 所示， 混合式施工机械 1 是所谓起重磁铁 (lifting magnet) 车辆， 具 备有包含履带的行驶机构 2 及通过回转机构 3 转动自如地搭载于行驶机构 2 的上部的回转 体 4。回转体 4 上安装有动臂 5、 连杆连接于动臂 5 的前端的斗杆 6 和连杆连接于斗杆 6 的 前端的起重磁铁 7。起重磁铁 7 为用于通过磁力吸附并抓取钢材等吊物 G 的设备。动臂 5、 斗杆 6 及起重磁铁 7 分别通过动臂缸 8、 斗杆缸 9 及铲斗缸 10 被液压驱动。并且， 回转体 4 上设置有用于容纳操作起重磁铁 7 的位置或励磁动作及释放动作的操作员的驾驶室 4a 及 用于产生液压的引擎 ( 内燃机发动机 )11 之类的动力源。引擎 11 例如由柴油引擎构成。
并且， 混合式施工机械 1 具备有伺服控制单元 60。 伺服控制单元 60 控制用于驱动 回转机构 3 或起重磁铁 7 之类的工作要件的交流电动机、 用于辅助引擎 11 的电动发电机以 及蓄电池 (Battery) 的充放电。伺服控制单元 60 具备有用于将直流电转换为交流电并驱 动交流电动机或电动发电机的逆变器单元、 控制蓄电池的充放电的升降压转换器单元之类 的多个驱动器单元及用于控制该多个驱动器单元的控制单元。
图 2 是表示本实施方式的混合式施工机械 1 的电气系统及液压系统之类的内部结 构的框图。另外， 在图 2 中分别以双重线表示机械性传递动力的系统， 以粗实线表示液压系 统， 以虚线表示操纵系统， 以细实线表示电气系统。并且， 图 3 是表示图 2 中的蓄电部 ( 蓄 电构件 )120 的内部结构的图。
如图 2 所示， 混合式施工机械 1 具备有增压器 42。增压器 42 为用于向引擎 11 供 给压缩空气的装置。增压器 42 利用从引擎 11 排出的排气气体的压力使涡轮高速旋转， 使 直接连结于该涡轮的压缩机旋转来压缩吸气， 并供给至引擎 11。由此， 使引擎 11 的吸入空 气量增加。另外， 引擎 11 上具备有控制引擎 11 的动作的引擎控制单元 (Engine Control Unit ； ECU)， ECU 根据增压器 42 的升高压力等调整引擎 11 的输出转矩。
并且， 混合式施工机械 1 具备有电动发电机 12 及变速器 13， 引擎 11 及电动发电 机 12 的旋转轴均通过连接于变速器 13 的输入轴来互相连结。当引擎 11 的负载较大时， 电 动发电机 12 将该引擎 11 作为工作要件驱动， 由此辅助 (Assist) 引擎 11 的驱动力， 电动 发电机 12 的驱动力经变速器 13 的输出轴传递至主泵 (main pump)14。另一方面， 当引擎 11 的负载较小时， 引擎 11 的驱动力经变速器 13 传递至电动发电机 12， 由此进行电动发电 机 12 的发电。电动发电机 12 例如由在转子内部埋入有磁铁的 IPM(Interior Permanent Magnetic) 马达构成。电动发电机 12 的驱动与发电的切换， 通过混合式施工机械 1 中的进 行电气系统的驱动控制的控制器 30， 根据引擎 11 的负载等来进行。
变速器 13 的输出轴上连接有主泵 14 及先导泵 (pilot pump)15， 通过高压液压管 路 16 在主泵 14 上连接有控制阀 17。控制阀 17 为用于进行混合式施工机械 1 中的液压系 统的控制的装置。控制阀 17 上除了连接有用于驱动图 1 所示的行驶机构 2 的液压马达 2a 及 2b 以外， 还通过高压液压管路连接有动臂缸 8、 斗杆缸 9 及铲斗缸 10， 控制阀 17 根据驾 驶员的操作输入控制供给至它们的液压。
电动发电机 12 的电气端子上连接有逆变电路 18A 的输出端。逆变电路 18A 的输 入端上连接有蓄电部 120。如图 3 所示， 蓄电部 120 具备有作为直流母线的 DC 母线 110、 升 降压转换器 ( 直流电压转换器 )100 及蓄电池 19。即， 逆变电路 18A 的输入端通过 DC 母线 110 连接于升降压转换器 100 的输入端。升降压转换器 100 的输出端上连接有作为蓄电池 的蓄电池 19。蓄电池 19 不限于锂离子电池、 镍氢电池等 2 次电池， 可以为双电层电容器等 电容器。本实施方式的蓄电池 19 例如由电容器型蓄电池构成。 逆变电路 18A 根据来自控制器 30 的指令进行电动发电机 12 的运行控制。即， 当 逆变电路 18A 使电动发电机 12 动力运行 (power running) 时， 通过 DC 母线 110 从蓄电池 19 和升降压转换器 100 将所需电力供给至电动发电机 12。并且， 当使电动发电机 12 再生 运行时， 通过 DC 母线 110 及升降压转换器 100 将由电动发电机 12 发出的电充电至蓄电池 19。另外， 升降压转换器 100 的升压动作与降压动作的切换控制根据 DC 母线电压值、 蓄电 池电压值及蓄电池电流值通过控制器 30 进行。由此， 能够将 DC 母线 110 保持为蓄电成预 先规定的一定电压值的状态。
另外， 本实施方式的升降压换转器 100 具备有开关控制方式， 如图 3 所示， 具有 互相串联连接的晶体管 100B 及 100C、 在它们的连接点与蓄电池 19 的正侧端子之间连接 的电抗器 101、 相对于晶体管 100B 向反方向并联连接的二极管 100b、 相对于晶体管 100C 向反方向并联连接的二极管 100c 及平滑用的电容器 100d。晶体管 100B 及 100C 例如由 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 构成。当从蓄电池 19 向 DC 母线 110 供给直 流电时， 通过来自控制器 30 的指令向晶体管 100B 的栅极外加 PWM 电压。而且， 随着晶体管 100B 的导通 (on)/ 截止 (off)， 在电抗器 101 中产生的感应电动势通过二极管 100c 传递， 并 且该电力通过电容器 100d 被平滑化。并且， 当从 DC 母线 110 向蓄电池 19 供给直流电时， 通过来自控制器 30 的指令向晶体管 100C 的栅极外加 PWM 电压， 并且从晶体管 100C 输出的 电流通过电抗器 101 被平滑化。
若再次参考图 2， 则经由逆变电路 20B 在蓄电部 120 上连接有起重磁铁 7。起重磁 铁 7 包含有产生用于使金属物磁性地吸附的磁力的电磁铁， 并通过逆变电路 20B 从蓄电部 120 供给电力。当逆变电路 20B 根据来自控制器 30 的指令开启电磁铁时， 从蓄电部 120 向
起重磁铁 7 供给所要求的电力。并且， 当关闭电磁铁时， 将再生的电力供给至蓄电部 120。
另外， 蓄电部 120 上连接有逆变电路 20A。 在逆变电路 20A 的一端连接作为工作用 电动机的回转用电动机 ( 交流电动机 )21， 逆变电路 20A 的另一端连接于蓄电部 120 的 DC 母线 110。回转用电动机 21 为使回转体 4 回转的回转机构 3 的动力源。在回转用电动机 21 的旋转轴 21A 上连接分解器 22、 机械制动器 23 及回转减速器 24。
当回转用电动机 21 进行动力运行时， 回转用电动机 21 的旋转驱动力的旋转力通 过回转减速器 24 放大， 回转体 4 被加减速控制， 从而进行旋转运动。并且， 通过回转体 4 的 惯性旋转， 由回转减速器 24 增加转速并传递至回转用电动机 21， 产生再生电力。回转用电 动机 21 通过 PWM(Pulse Width Modulation) 控制信号并由逆变电路 20A 被交流驱动。作 为回转用电动机 21， 例如优选为磁铁埋入型 IPM 马达。
分解器 22 为检测回转用电动机 21 的旋转轴 21A 的旋转位置及旋转角度的传感 器， 通过与回转用电动机 21 机械地连结来检测出旋转轴 21A 的旋转角度及旋转方向。通过 由分解器 22 检测出旋转轴 21A 的旋转角度， 从而导出回转机构 3 的旋转角度及旋转方向。 机械制动器 23 为产生机械性制动力的制动装置， 通过来自控制器 30 的指令使回转用电动 机 21 的旋转轴 21A 机械地停止。回转减速器 24 为使回转用电动机 21 的旋转轴 21A 的旋 转速度减速并机械地传递至回转机构 3 的减速器。 另外， 由于通过逆变电路 18A、 20A 及 20B 在 DC 母线 110 上连接有电动发电机 12、 回转用电动机 21 及起重磁铁 7， 因此还有由电动发电机 12 发出的电直接供给至起重磁铁 7 或回转用电动机 21 的情况， 并且还有由起重磁铁 7 再生的电被供应至电动发电机 12 或回 转用电动机 21 的情况， 甚至还有由回转用电动机 21 再生的电被供应至电动发电机 12 或起 重磁铁 7 的情况。
在先导泵 15， 通过先导管路 25 连接有操作装置 26。操作装置 26 为用于操作回转 用电动机 21、 行驶机构 2、 动臂 5、 斗杆 6 及起重磁铁 7 的操作装置， 由操作员操作。在操作 装置 26， 通过液压管路 27 连接控制阀 17， 并且， 通过液压管路 28 连接压力传感器 29。操 作装置 26 将通过先导管路 25 供给的液压 (1 次侧液压 ) 转换成与操作员的操作量相应的 液压 (2 次侧液压 ) 并输出。从操作装置 26 输出的 2 次侧液压经液压管路 27 供给至控制 阀 17， 并且由压力传感器 29 检测。在此， 列举出作为工作用电动机的回转用电动机 21， 但 是还可以使行驶机构 2 作为工作用电动机进行电力驱动。并且， 当混合式工作机械为叉车 时， 可以使起重装置作为工作用电动机进行电力驱动。 并且， 当混合式工作机械为轮式装载 机或推土机时， 也可以将驱动作为行驶机构的驱动轮的左右的行驶用液压马达与工作用电 动机置换。这时， 图 2 中的斗杆缸 9 能够置换为轮式装载机或推土机的起重装置。并且， 可 以省略动臂缸 8 及液压马达 2a、 2b。
若对操作装置 26 输入用于使回转机构 3 回转的操作， 则压力传感器 29 将该操作 量作为液压管路 28 内的液压变化来检测。压力传感器 29 输出表示液压管路 28 内的液压 的电信号。该电信号被输入至控制器 30， 用来驱动控制回转用电动机 21。
控制器 30 构成本实施方式中的控制部。控制器 30 由包含 CPU 及内部存储器的运 算处理装置构成， 通过由 CPU 执行储存于内部存储器中的驱动控制用程序来实现。并且， 控 制器 30 的电源为与蓄电池 19 不同的蓄电池 ( 例如 24V 车载蓄电池 )。控制器 30 将从压力 传感器 29 输入的信号中的、 表示用于使回转机构 3 回转的操作量的信号转换为速度指令，
进行回转用电动机 21 的驱动控制。并且， 控制器 30 通过进行电动发电机 12 的运行控制 ( 辅助运行及发电运行的切换 )、 起重磁铁 7 的驱动控制 ( 励磁与消磁的切换 ) 以及驱动控 制升降压转换器 100 来进行蓄电池 19 的充放电控制。
图 4 是表示控制器 30 的内部结构的框图。本实施方式的控制器 30 具有非易失 性存储器 31、 引擎限制量推断部 32、 补偿功能运算部 33、 动力分配运算部 34 和信号选择部 35。
非易失性存储器 31 为本实施方式中的存储部 ( 存储构件 )。非易失性存储器 31 预先存储有引擎 11 的转速及表示增压器 42 的升高压力 ( 增压压力 ) 与引擎 11 的输出上 限值的关联的引擎限制表 ( 第 1 信息 )D1。例如如图 5 所示， 引擎限制表 D1 具有由对应于 与引擎 11 的转速有关的多个值的行、 及对应于与增压器 42 的升高压力有关的多个值的列 构成的二维排列的各要件中储存有引擎 11 的输出上限值的结构。另外， 作为本发明中的存 储部， 不限于非易失性存储器 31， 只要能够静态地保持存储也可以使用其他存储器。
引擎限制量推断部 32 根据存储于非易失性存储器 31 中的引擎限制表 D1， 生成表 示引擎 11 的输出值的上限 ( 即引擎限制值 ) 的信号 S1。在此， 图 6 是用于说明引擎限制 量推断部 32 的内部结构的框图。图 6(a) 表示引擎限制量推断部 32 的内部结构的一例， 图 6(b) 表示引擎限制量推断部 32 的内部结构的其他一例。
在图 6(a) 所示的结构中， 引擎限制量推断部 32 获取从引擎 11 的 ECU41 提供的引 擎转矩监控信号 S2 及引擎转速监控信号 S3。引擎转矩监控信号 S2 为表示引擎 11 的当前 输出转矩的信号， 引擎转速监控信号 S3 为表示引擎 11 的当前转速的信号。而且， 引擎限制 量推断部 32 根据引擎转矩监控信号 S2 推断增压器 42 的升高压力， 将该推断出的升高压力 的大小和引擎转速监控信号 S3 所示的引擎 11 的转速应用于引擎限制表 D1， 并将导出的引 擎 11 的输出上限值作为信号 S1 输出。
另外， 如图 6(a) 所示， 用于推断增压器 42 的升高压力的结构可以通过低通滤波器 32a 和由增益及偏移构成的运算器 32b 适当地得到。具体而言， 可以如图 7 所示， 将引擎转 矩监控信号 S2 输入至时间常数 T 的低通滤波器 32a， 对通过该低通滤波器 32a 滤波后的信 号乘以常数增益 KG， 其值加上常数 KO， 由此计算升高压力推断值即可。
另外， 在图 6(b) 所示的结构中， 引擎限制量推断部 32 从 ECU41 获取升高压力监控 信号 S4 来代替上述的引擎转矩监控信号 S2。该升高压力监控信号 S4 为 ECU41 检测增压器 42 的升高压力并输出的信号。而且， 引擎限制量推断部 32 将升高压力监控信号 S4 所示的 升高压力的大小和引擎转速监控信号 S3 所示的引擎 11 的转速应用于引擎限制表 D1， 并将 导出的引擎 11 的输出上限值作为信号 S1 输出。另外， 从 ECU41 提供的升高压力监控信号 S4 大多为其采样周期例如为 500 毫秒那样极慢的信号。这样当升高压力控制信号 S4 的采 样周期较长时， 优选引擎限制量推断部 32 具有图 6(a) 所示的结构。
再次参考图 4， 对控制器 30 的结构进行说明。补偿功能运算部 33 根据从 ECU41 提供的引擎转速监控信号 S3 及蓄电池 19 的端子电压等， 生成表示引擎 11 的输出上限值及 下限值的信号 S5、 表示辅助输出 ( 即电动发电机 12 的输出上限值及下限值 ) 的信号 S6 以 及表示蓄电池 19 的输出 ( 功率 ) 的上限值及下限值的信号 S7。另外， 该补偿功能运算部 33 根据例如如图 8 所示的关系输出对应于引擎 11 的转速的额定值作为引擎 11 的输出上 限值。图 8 表示对于稳定状态下的引擎 11 的转速与输出的关系， 得到对该转速相对应的充分的升高压力的情况。与如该图 8 所示的引擎 11 的转速相对应的最大输出值有关的信息 ( 第 2 信息 ) 预先存储于作为存储部的非易失性存储器 31 中。
从引擎限制量推断部 32 输出的信号 S1 及从补偿功能运算部 33 输出的信号 S5 输 入至信号选择部 35。信号选择部 35 选择这些信号 S1、 S5 所示的引擎 11 的输出上限值中 较小的一方， 输出该信号。
另外， 在本实施方式中采用信号选择部 35 接收信号 S1、 S5 并进行取舍选择的结 构， 但是例如可以由引擎限制量推断部 32 接收从补偿功能运算部 33 输出的信号， 从引擎限 制量推断部 32 输出与在引擎限制量推断部 32 中计算出的引擎 11 的输出上限值相比较小 的一方。或者， 可以由补偿功能运算部 33 接收从引擎限制量推断部 32 输出的信号， 从补偿 功能运算部 33 输出与在补偿功能运算部 33 中计算出的引擎 11 的输出上限值相比较小的 一方。
动力分配运算部 34 接收从信号选择部 35 输出的信号 ( 即， 引擎 11 的输出上限 值 ) 及从补偿功能运算部 33 输出的信号 S6、 S7， 根据这些信号， 生成表示主泵 14 中的液压 负载输出的上限值的信号 S8、 表示电负载输出 ( 回转用电动机 21、 起重磁铁 7 等 ) 上限值 的信号 S9 及表示电动发电机 12 的输出指令值的信号 S10， 将这些信号 S8 ～ S10 输出至控 制器 30 的各部。在控制部 30 中， 根据这些信号 S8 ～ S10， 控制逆变电路 18A、 20A、 20B 以及 升降压转换器 100。尤其关于逆变电路 18A 的控制， 当主泵 14 所需的输出超过引擎 11 的输 出上限值时， 以电动发电机 12 辅助引擎 11 的驱动力的方式进行控制。并且， 当主泵 14 所 需的输出低于引擎 11 的输出上限值时， 以通过引擎 11 的驱动力在电动发电机 12 中进行发 电的方式进行控制。 在对具备以上结构的本实施方式的混合式施工机械 1 的动作进行说明之前， 对现 有的混合式工作机械的动作及其问题点进行说明。图 9 是用于说明以往的混合式工作机械 的动作的曲线图。图 9(a) 所示的曲线图 G11 表示额定输出 ( 即从补偿功能运算部 33 计算 出的引擎输出上限值 S5)， 曲线图 G12 表示引擎 11 实际上可能的输出， 曲线图 G13 表示主泵 14 的要求输出。并且， 图 9(b) 所示的曲线图 G14 表示引擎 11 的实际转速， 曲线图 G15 表示 增压器 42 的实际升高压力。
目前， 设在时刻 t1， 例如主泵 14 所要求的液压上升， 应向主泵 14 供给的驱动力从 P1kW 向 P2kW( 例如 70kW) 上升。这时， 如曲线图 G14 所示， 由于在时刻 t1 引擎 11 的转速充 分高， 因此， 根据其转速计算出的引擎 11 的额定输出变得高于 P2kW( 曲线图 G11)。 因此， 例 如在时刻 t2 时， 将引擎 11 的输出上限值识别为 U1( ＞ P2)kW( 例如 95kW)。即， 判断为不需 要电动发电机 12 对引擎 11 的驱动辅助 ( 辅助 )， 作为剩余输出的 (U1-P2)kW(25kW) 利用于 电动发电机 12 的发电。
但是， 当在引擎 11 上设置增压器 42 时， 引擎 11 的输出大幅取决于升高压力。由 于升高压力有从引擎 11 的输出的增加起时间性地延迟而变高的倾向， 因此即使引擎 11 的 输出上升， 也会在得到与该输出对应的稳定输出之前产生时间延迟。因此， 如曲线图 G15 所 示那样当增压器 42 的升高压力尚不充分时， 引擎 11 的实际输出 ( 曲线图 G12) 在时刻 t2 时成为 E( ＜ P2)kW( 例如 40kW)。由此， 相对于作为主泵 14 的要求输出 P2kW 与向电动发 电机 12 的输出 (U1-P2)kW 的和的 U1kW， 引擎 11 的输出仅不足 (U1-E)kW， 引擎 11 变得过负 载， 引擎 11 的转速如曲线图 G14 那样下降， 引擎 11 可能停止。
针对这种问题点， 本实施方式的混合式施工机械 1 如下动作。图 10 是用于说明混 合式施工机械 1 的动作的曲线图。图 10(a) 所示的曲线图 G21 表示额定输出 ( 即补偿功能 运算部 33 计算出的引擎输出上限值 S5)， 曲线图 G22 表示引擎 11 实际上可能的输出， 曲线 图 G23 表示主泵 14 的要求输出， 曲线图 G26 表示考虑升高压力后的引擎 11 的输出上限 ( 即 引擎限制量推断部 32 中计算出的引擎限制值 S1)。并且， 图 10(b) 所示的曲线图 G24 表示 引擎 11 的实际转速， 曲线图 G25 表示增压器 42 的实际升高压力。
设在时刻 t1， 应向主泵 14 供给的驱动力从 P1kW 向 P2kW 上升。这时， 在时刻 t1 时 引擎 11 的转速 ( 曲线图 G24) 充分高。但是， 由于增压器 42 的升高压力 ( 曲线图 G25) 尚较 低， 因此引擎限制量推断部 32 中， 从引擎限制表 D1 选择与该低升高压力相对应的输出上限 值 ( 曲线图 G26)。因此， 例如在时刻 t2， 引擎 11 的输出上限值设定为 U2( ≈ E)kW， 剩余的 所需输出 (P2-U2)kW 通过来自电动发电机 12 的辅助而得到。由此， 引擎 11 不会变得过负 载， 如曲线图 G24 那样能够抑制引擎 11 的转速的下降。在图 10 的实施方式中， 在时刻 t3， 仅根据引擎 11 的输出就能够满足应向主泵 14 供给的驱动力 P2。
在此， 假设当驱动力 P2 大于额定输出 (G21) 时， 引擎 11 的输出沿着考虑升高压力 后的引擎 11 的输出上限 (G26) 上升， 在 G21 与 G26 交叉的时刻 t4 以后， 引擎 11 的输出成 为沿着额定输出 (G21) 的值。这时， 至时刻 t4 为止， 能够通过来自电动发电机 12 的辅助， 来弥补不足量的驱动力。 如以上说明， 本实施方式的混合式施工机械 1 中， 引擎 11 的转速及增压器 42 的升 高压力与引擎 11 的输出上限值的关联 ( 参考图 5) 存储于非易失性存储器 31 中， 控制器 30 根据该关联控制电动发电机 12。由此， 即使引擎 11 的转速增加， 也可以在升高压力较低时 抑制引擎 11 的输出上限值， 因此控制器 30 能够使电动发电机 12 进行适当的辅助。因此， 根据本实施方式的混合式施工机械 1， 能够有效地抑制对引擎 11 的过负载。 另外， 能够省略 本实施方式的动力分配运算部 34， 即使在这种情况下， 也能够通过控制器 30 的控制降低引 擎输出。这时， 控制器 30 将电动发电机 12 的输出 Wa( 其中， 辅助状态设为正值 ) 控制成与 主泵 14 的输出 Wp 和引擎 11 的输出 We 之差相同 (Wa ＝ Wp-We)。即使是这种控制方式， 根 据本实施方式， 也可以根据从引擎限制表选择出的输出上限值 ( 图 10(a) 的曲线图 G26) 抑 制引擎输出 We。如此， 由于引擎输出 We 变小， 控制器 30 按照 Wa ＝ Wp-We 的关系， 以电动发 电机 12 的输出 Wa 变大的方式控制逆变 18A。
( 第 2 实施方式 )
在此， 对混合式工作机械的另一课题进行叙述。图 11(a) 是表示引擎 11 的输出 ( 曲线图 G31)、 电动发电机 ( 辅助马达 ) 的输出 ( 曲线图 G32)、 来自主泵 14 的液压输出 ( 曲 线图 G33) 及引擎 11 的转速 ( 曲线图 G34) 各自的时间变化的曲线图。图 11(a) 中， 左侧纵 轴表示输出 (kW)、 右侧纵轴表示转速 (rpm)， 横轴表示时间 ( 秒 )。并且， 图 11(b) 是表示升 高压力 ( 增压压力 ) 的时间变化的曲线图。图 11(b) 中， 纵轴表示升高压力 (kPa)， 横轴表 示时间 ( 秒 )。
在图 11(a) 及图 11(b) 中， 在时间经过 t1 秒的时刻， 对液压系统施加负载， 应向主 泵 14 供给的驱动力从 Pa(kW) 向 Pb(kW) 上升。由此， 成为引擎转速暂时下降且升高压力较 低的状态。但是， 通过来自电动发电机 12 的辅助得到所需输出， 从而引擎 11 的转速以某一 时刻为边界而稳定， 并且随此升高压力逐渐上升， 引擎 11 的输出上升。而且， 随着引擎 11
的输出的上升， 可逐渐抑制电动发电机 12 的输出。
但是， 如图 11(a) 所示， 有时即使引擎 11 的输出上升， 来自电动发电机 12 的输出 也不会变成 0kW 而在保持恒定值的状态下推移。 即， 从电动发电机 12 持续供给应向主泵 14 供给的驱动力的一部分。若在该状态下经过长时间， 则有可能耗尽储蓄在蓄电池 19 中的功 率。
图 12 是用于说明产生这种现象的主要原因的曲线图。图 12(a) 及图 12(b) 中， 曲 线图 G41 是表示与向引擎 11 供给的燃料供给量及引擎 11 的转速相对应的增压器 42 的最大 升高压力 (kPa) 与引擎转矩的关联的一例的曲线图。并且， 曲线图 G42 是表示与引擎 11 的 输出上限值对应的引擎转矩限制值与在存储于非易失性存储器 31 中的引擎限制表 D1( 参 考图 5) 中储存的、 与该输出上限值对应的增压器 42 的升高压力 (kPa) 之间的关联的一例 的曲线图。图 12(a) 及图 12(b) 中， 纵轴表示升高压力 (kPa)， 横轴表示相对于负载而要求 的引擎转矩与引擎额定转矩的比率 ( 以下， 设为引擎转矩比率 )。在此， 引擎转矩能够换算 成每单位时间的引擎 11 的燃料流量或引擎输出。
目前， 如图 12(a) 的点 P1 所示， 引擎转矩比率设为 50％。这时， 增压器 42 的最大 升高压力为 130kPa。即， 当引擎 11 的转速稳定时， 增压器 42 在稳定状态下输出 130kPa 的 升高压力。而且， 这时即使在引擎限制表 D1 的限制下， 也能够沿着曲线图 G42 在相同的增 压压力 130kPa 下将燃料流量提高至引擎转矩比率 70％。若将燃料流量提高至引擎转矩比 率 70％ ( 图中的点 P2)， 则引擎 11 的输出逐渐上升而排气压力提高， 从而增压压力进一步 上升 ( 图中的点 P3)。由此， 还能够应对引擎转矩要求的进一步上升。 但是， 如图 12 所示的例子， 当曲线图 G41 与曲线图 G42 交叉时， 产生如下问题。目 前， 如图 12(b) 的点 P4 所示， 引擎转矩比率设为 80％。这时， 增压器 42 的最大升高压力为 160kPa。 即， 当引擎 11 的转速稳定时， 增压器 42 在稳定状态下输出 160kPa 的升高压力。 但 是， 若引擎转矩比率成为 80％以上， 则最大升高压力 G41 变得小于与输出上限值对应的升 高压力 G42。这时， 在引擎限制表 D1 的限制下， 无法在增压压力 160kPa 下将引擎转矩比率 提高到 80％以上。其结果， 如图 11 的曲线图 G32 所示， 陷入不得不补偿引擎 11 的输出而从 电动发电机 12 持续供给主泵 14 的驱动力的一部分的事态。工作机械中， 一般引擎 11 的转 速抑制得较低的同时进行工作， 因此易陷入这种事态。
图 13 是用于说明用于解决这种问题点的方法的曲线图。在图 13 中， 概要地表示 图 12 所示的曲线图 G41、 G42。图 13 中， 纵轴表示升高压力， 横轴表示引擎转矩比率。目前， 设为引擎转矩比率 x1(％ )、 升高压力 b1( 图中的点 P5)。若施加液压负载， 则引擎转矩指令 和增压压力在希望将引擎转矩比率从当前提高至 x2(％ )( 其中 x2 ＞ x1) 时， 在引擎限制表 D1 的限制下， 沿着通过监控到的引擎转速 S3 和推断出的升高压力 (b1) 而从引擎限制表 D1 选择出的输出上限值， 顺着如图中实线 A 那样的路径， 达到引擎转矩比率 x2(％ )、 升高压力 b2( 其中 b2 ＞ b1)( 图中的点 P6)。另外， 这时， 当引擎 11 的输出不足时， 从电动发电机 12 辅 助驱动力的一部分 ( 图中的斜线区域 )。
但是， 作为引擎转矩比率为 x2(％ )、 升高压力为 b2 的点 P6 在曲线图 G42 上， 因此 升高压力 b2 成为当前转速下的增压器 42 的最大升高压力， 在该状态下无法进一步提高引 擎转矩比率。
于是， 在本实施方式中， 使用来自电动发电机 12 的驱动力使引擎 11 的转速增加，
由此提高与向引擎 11 供给的燃料供给量及引擎 11 的转速相应的增压器 42 的最大升高压 力。由此， 图中的曲线图 G41 向曲线图 G43 平行移动， 并能够顺着如图中的实线 B 的路径， 达到引擎转矩比率 x3(％ )( 其中 x3 ＞ x2)、 升高压力 b3(b3 ＞ b2)( 图中的点 P7)。另外， 例 如与曲线图 G41 对应的引擎 11 的转速为 1500rpm， 与曲线图 G43 对应的引擎 11 的转速为 2000rpm。在此， 曲线图 G44 表示在引擎转速与曲线图 G41 相同的条件下的引擎额定转矩 ( 引擎转矩比率 100％ )。
图 14 是表示用于实现这种方式的具体结构的框图。如图 14 所示， 本实施方式的 控制器 50 除了具有第 1 实施方式的控制器 30 的结构之外， 还具有以下结构。即， 控制器 50 具有转速控制部 51、 限制部 52、 输出上限换算部 53、 第 1 增压压力计算部 54、 第 2 增压压力 计算部 55、 增压压力判定部 56、 目标转速设定部 57、 非易失性存储器 58 及电动发电机控制 部 61。
转速控制部 51 为用于控制引擎 11 的转速的部分。在转速控制部 51 中， 从速度传 感器 11a 输入表示当前转速的信号 ( 引擎转速监控信号 S3)， 并且从目标转速设定部 57 输 入表示目标转速的引擎转速指令信号 S14。转速控制部 51 生成引擎转矩指令信号 S11， 以 便当前转速与目标转速之差接近零。该引擎转矩指令信号 S11 通过限制部 52 送至开闭控 制部 62。开闭控制部 62 将根据引擎转矩指令信号 S11 的开闭信号送至引擎 11， 控制引擎 11 的每单位小时的燃料流量。
限制部 52 为用于限制从转速控制部 51 送至开闭控制部 62 的引擎转矩指令信号 S11 的部分。限制部 52 将引擎转矩指令信号 S11 限制为在与从输出上限换算部 53 提供的 引擎 11 的输出上限值对应的值。
输出上限换算部 53 为用于根据引擎 11 的转速和增压器 42 的升高压力求出引擎 11 的输出上限值的部分。该输出上限换算部 53 相当于第 1 实施方式中的引擎限制量推断 部 32。即， 输出上限换算部 53 根据本实施方式中的存储在作为存储部的非易失性存储器 58 的引擎限制表 D1( 参考图 5)， 生成表示引擎 11 的输出值的上限 ( 即引擎限制值 ) 的信 号 S20。另外， 该引擎限制表为本实施方式中的第 1 信息， 表示引擎 11 的转速及增压器 42 的升高压力与引擎 11 的输出上限值的关联。
输出上限换算部 53 从升高压力传感器 11b 获取升高压力监控信号。该升高压力 监控信号为升高压力传感器 11b 检测增压器 42 的升高压力并输出的信号。并且， 输出上限 换算部 53 从速度传感器 11a 获取引擎转速监控信号 S3。输出上限换算部 53 将升高压力监 控信号所示的升高压力的大小和引擎转速监控信号 S3 所示的引擎 11 的转速应用于引擎限 制表 D1( 参考图 5)， 并将与导出的引擎 11 的输出上限值有关的信号 S20 输出至限制部 52。
另外， 在本实施方式中， 输出上限换算部 53 从升高压力传感器 11b 得到升高压力 监控信号， 但是也可以如第 1 实施方式中所述， 输出上限换算部 53 根据引擎转矩监控信号 推断增压器 42 的升高压力。用于推断增压器 42 的升高压力的优选的结构如图 6(a) 所示。
第 1 增压压力计算部 54 为用于求出与向引擎 11 供给的燃料供给量及引擎 11 的 转速相应的增压器 42 的最大升高压力的部分。该最大升压压力与向引擎 11 供给的燃料供 给量及引擎 11 的转速的关联作为最大升高压力表 D2 存储于非易失性存储器 58 中。该最 大升高压力表 D2 为本实施方式中的第 3 信息。在最大升高压力表 D2 中， 最大升高压力相 对于向引擎 11 供给的燃料供给量单调增加， 但是即使在燃料供给量相同的情况下， 最大升高压力也随着引擎 11 的转速增大而变高。另外， 图 13 所示的曲线图 G41 或曲线图 G43 与 使该最大升高压力表 D2 曲线化后的曲线图一致。
第 1 增压压力计算部 54 为了检测引擎 11 的转速， 从速度传感器 11a 获取引擎转 速监控信号 S3。并且， 第 1 增压压力计算部 54 为了检测向引擎 11 供给的燃料供给量， 获取 从限制部 52 输出的引擎转矩指令信号 S11。第 1 增压压力计算部 54 将当前的引擎 11 的转 速及燃料供给量应用于最大升高压力表 D2， 输出与导出的增压器 42 的最大升高压力有关 的信号 S12。
第 2 增压压力计算部 55 为用于根据与引擎 11 的输出上限值 ( 即来自输出上限换 算部 53 的输出信号 ) 对应的向引擎 11 供给的燃料供给量的限制值求出增压器 42 的升高 压力的部分。该燃料供给量的限制值与增压器 42 的升高压力的关联作为表 D3 存储于非易 失性存储器 58 中。该表 D3 为本实施方式中的第 4 信息。另外， 图 13 所示的曲线图 G42 与 使该表 D3 曲线化后的曲线图一致。
第 2 增压压力计算部 55 为了检测向引擎 11 供给的燃料供给量， 获取从限制部 52 输出的引擎转矩指令信号 S11。第 2 增压压力计算部 55 将当前的向引擎 11 供给的燃料供 给量应用于表 D3， 输出导出的与增压器 42 的升高压力有关的信号 S13。
分别从第 1 增压压力计算部 54 及第 2 增压压力计算部 55 输出的信号 S12 及 S13 输入至运算部 59， 运算部 59 运算其差。增压压力判定部 56 判定该差即根据最大升高压力 表 D2 求出的最大升高压力与根据表 D3 求出的增压器 42 的升高压力之差是否小于预定阈 值。增压压力判定部 56 将表示该差是否小于预定阈值的二进制信号输出至目标转速设定 部 57。例如， 当上述差低于预定阈值时， 增压压力判定部 56 输出 1， 当上述差为预定阈值 以上时， 增压压力判定部 56 输出 0。另外， 上述差低于预定阈值的情况是指图 13 中曲线图 G42 接近曲线图 G41 的情况， 相当于点 P6。在此， 在上述说明中向第 1 及第 2 增压压力计算 部 54、 55 输入引擎转矩指令信号 S11， 但是也可以输入引擎转矩的检测值。
目标转速设定部 57 为用于计算引擎 11 的转速的目标值的部分。当根据最大升高 压力表 D2 求出的最大升高压力与根据表 D3 求出的增压器 42 的升高压力之差为预定阈值 以上时， 目标转速设定部 57 设定通常的转速目标。并且， 当该差低于预定阈值时， 目标转速 设定部 57 设定高于通常转速目标的转速目标。目标转速设定部 57 将表示这些转速目标的 引擎转速指令信号 S14 输出至转速控制部 51 及电动发电机控制部 61。
电动发电机控制部 61 从速度传感器 11a 输入与引擎 11 的转速有关的信号 S3， 并 且从目标转速设定部 57 输入引擎转速指令信号 S14。电动发电机控制部 61 根据这些信号 生成表示电动发电机 12 的输出指令值的信号 S10。 当引擎转速指令信号 S14 所示的转速目 标比引擎 11 的当前转速高预定值以上时， 电动发电机控制部 61 控制逆变电路 18A( 参考图 2)， 由此使引擎 11 的驱动力辅助电动发电机 12。由此， 提高引擎 11 的转速， 接近引擎转速 指令信号 S14 所示的转速目标。
如此， 使用来自电动发电机 12 的驱动力来增加引擎 11 的转速， 由此提高与向引擎 11 供给的燃料供给量及引擎 11 的转速相应的增压器 42 的最大升高压力。由此， 图 13 所示 的曲线图 G41 向曲线图 G43 平行移动， 能够顺着如图中实线 B 的路径进一步提高引擎转矩 比率及升高压力。
图 15(a) 是表示具备上述控制器 50 的混合式工作机械中的引擎 11 的输出 ( 曲线图 G51)、 电动发电机 ( 辅助马达 ) 的输出 ( 曲线图 G52)、 来自主泵 14 的液压输出 ( 曲线图 G53) 及引擎 11 的转速 ( 曲线图 G54) 各自的时间变化的曲线图。图 15(a) 及图 15(b) 的纵 轴及横轴分别与图 11(a) 及图 11(b) 相同。
在图 15 中， 与图 11 同样地， 在时间经过 1 秒的时刻， 对液压系统施加负载， 应向主 泵 14 供给的驱动力从 Pa(kW) 向 Pb(kW) 上升。由此， 成为引擎转速暂时下降且升高压力较 低的状态， 但是， 通过接受来自电动发电机 12 的辅助， 引擎 11 的转速以某一时刻为边界而 稳定， 并且随此升高压力逐渐上升， 引擎 11 的输出上升。而且， 随着引擎 11 的输出的上升， 可逐渐抑制电动发电机 12 的输出。
并且， 当时间经过 4 秒时， 引擎 11 的转速 ( 曲线图 G54) 开始上升。这是因为与引 擎 11 的转速及燃料供给量相应的增压器 42 的最大升高压力与根据与引擎 11 的输出上限 值相对应的燃料供给量的限制值求出的增压器 42 的升高压力之差低于预定阈值。即， 依存 于如下情况 ： 由增压压力判定部 56 判定为该差低于预定阈值， 目标转速通过目标转速设定 部 57 上升， 电动发电机 12 通过电动发电机控制部 61 辅助引擎 11 的驱动力。
这样， 若引擎 11 的转速通过电动发电机 12 的辅助逐渐上升， 则由此提高引擎 11 的输出 ( 曲线图 G51)( 经过约 5 秒 )。而且， 由此增压器 42 的升高压力 ( 图 15(b)) 也提 高， 所以无需电动发电机 12 辅助引擎 11 的驱动力， 如图 15(a) 所示， 电动发电机 12 的输出 ( 曲线图 G52) 接近零。 如此， 根据本实施方式的混合式工作机械， 即使陷于如图 12(b) 所示的状态下， 也 能够使引擎 11 的输出进一步上升。而且， 由于能够避免如从电动发电机 12 持续供给驱动 力的一部分的事态， 所以能够适当地维持储蓄至蓄电池 19 中的功率。
另外， 增压压力判定部 56 中使用的预定阈值不限于固定值。例如， 即使预定阈值 为根据燃料供给量 ( 引擎转矩指令信号 S11) 变化那样的值， 也能够适当地得到上述效果。
( 变形例 )
图 16 是表示混合式施工机械的电气系统及液压系统之类的内部结构的变形例的 框图。另外， 在图 16 中以双重线表示机械地传递动力的系统， 以粗实线表示液压系统， 以虚 线表示操纵系统， 以细实线表示电气系统。如图 16 所示， 本变形例的混合式施工机械具备 有液压马达 2a 及 2b、 动臂缸 8、 斗杆缸 9 及铲斗缸 10， 还具备有回转用液压马达 99。代替 回转用电动机 21 而设置回转用液压马达 99， 回转用液压马达 99 成为使图 1 所示的回转体 4 回转的回转机构 3 的动力源。
并且， 本变形例的混合式施工机械具备有引擎 11、 电动发电机 12、 变速器 13、 主泵 14、 先导泵 15、 高压液压管路 16、 控制阀 17、 逆变电路 18A、 先导管路 25、 操作装置 26、 液压 管路 27 及 28、 压力传感器 29、 增压器 42、 控制器 50 及蓄电部 120。这些结构及功能与上述 各实施方式相同。
上述各实施方式的混合式施工机械即使为具备如本变形例的回转用液压马达 99 的结构， 也可充分地得到其效果。
本发明的混合式工作机械不限于上述实施方式， 可以进行其他各种变形。 例如， 在 上述实施方式中示出了具备起重磁铁的施工机械， 但是也可以将本发明提供至代替起重磁 铁而具备铲斗等各种附件的施工机械中。即， 上述实施方式中举例说明了作为施工机械的 起重磁铁车辆， 但是具备混合式结构的其他施工机械 ( 挖土机、 轮式装载机、 起重机等 ) 或
除了施工机械以外的工作机械 ( 例如， 叉车等 ) 中也能够应用本发明。
产业上的可利用性
本发明尤其可利用在混合式施工机械等工作机械中。
符号说明
1- 混合式施工机械，
2- 行驶机构，
3- 回转机构，
4- 回转体，
7- 起重磁铁，
8- 动臂缸，
9- 斗杆缸，
10- 铲斗缸，
11- 引擎，
11a- 速度传感器，
11b- 升高压力传感器，
12- 电动发电机， 13- 变速器， 14- 主泵， 18A、 20A、 20B- 逆变电路， 19- 蓄电池， 21- 回转用电动机， 30- 控制器， 31、 58- 非易失性存储器， 32- 引擎限制量推断部， 33- 补偿功能运算部， 34- 动力分配运算部， 35- 信号选择部， 42- 增压器， 50- 控制器， 51- 转速控制部， 52- 限制部， 53- 输出上限换算部， 54- 第 1 增压压力计算部， 55- 第 2 增压压力计算部， 56- 增压压力判定部， 57- 目标转速设定部， 61- 电动发电机控制部， 62- 开闭控制部， 100- 升降压转换器，110- 母线， 120- 蓄电部， D1- 引擎限制表， D2- 最大升高压力表。