专利名称：混合动力式工程机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及混合动力式工程机械，尤其涉及小型的液压挖掘机等的混合动力式工 程机械。
背景技术：
近年来，在液压挖掘机等工程机械中，从油耗的提高、尾气特性的改善及噪音的降 低等观点出发，开发出了并用发动机(柴油发动机)和电动机的混合动力式工程机械，并被 局部实用化。作为这样的混合动力式工程机械的现有技术，有例如专利文献1及专利文献 2记载的结构。它们的结构是，作为由发动机驱动的液压泵的辅助动力源设置电动机，通过 来自蓄电池的电力驱动电动机，另一方面，通过发动机驱动电动机进行发电，将该发电的电 力存储在蓄电池中。另外，在专利文献2中，采用电动机作为使液压挖掘机的上部旋转体相对于下部 行驶体旋转驱动的旋转马达，进行将旋转动作在减速时产生的惯性能量转换成电能并存储 在蓄电池中的能量再生。另一方面，在汽车等所谓公路车中，实施针对从柴油发动机排出的 PM(particulate matter，颗粒物质)、N0X、CO、HC等的排出量的尾气限制，为了符合该尾气 限制，采取例如搭载专利文献3记载的连续再生型颗粒过滤装置等尾气后处理装置等的尾 气净化对策。专利文献1 日本特开2001-173024号公报专利文献2 日本特开2002-275945号公报专利文献3 日本特开2005-282545号公报 专利文献2记载的以往的混合动力式工程机械，由于在工程机械中以中型及大型 的工程机械作为对象，所以，例如旋转减速时产生的惯性能量也大，通过将该惯性能量转换 成电能，能够有效地利用。但是，在小型挖掘机这样的小型的工程机械中，不仅进行旋转动 作的频率非常低，而且旋转减速时产生的惯性能量也非常小，因此，无法进行在中型及大型 的工程机械中所进行的那样的能量再生。另外，一般情况下，在小型挖掘机这样的小型的工 程机械中采用在中型及大型的工程机械中应用的混合动力方式这一做法在布局方面、成本 方面、技术方面都非常困难。另外，在液压挖掘机等工程机械等全地形车中，近年来，也与公路车同样地开始进 行尾气限制，为了符合该尾气限制，需要设置专利文献3记载的连续再生型颗粒过滤装置 等尾气后处理装置。但是，在工程机械上设置尾气后处理装置存在成本变得非常高、售价变 高的倾向。尤其，在专利文献1及2记载的混合动力式工程机械中设置尾气后处理装置，从 尾气对策和混合动力化这两方面出发，成本变高，机械整体的价格也变得非常高。在小型挖 掘机这样的小型工程机械中，必须极力避免高售价。
发明内容
本 发明的目的是提供价格便宜的混合动力式工程机械，在小型挖掘机这样的小型 工程机械中，能够通过采用简易的混合动力方式实现燃烧效率的提高、尾气特性的改善及 噪音的降低，并且符合尾气限制。(1)为实现上述目的，本发明的混合动力式工程机械，具有发动机；被该发动机 驱动的液压泵；被来自该液压泵的喷出油驱动的包含行驶用液压马达在内的多个液压执行 机构；行驶用操作装置；行驶速度切换开关；与所述发动机连接的发电·电动机；和蓄电装 置，所述行驶用液压马达基于所述行驶速度切换开关的指示能够在低速大容量模式和高速 小容量模式之间切换，其中，设置有控制装置，该控制装置以如下方式进行控制在所述行 驶用液压马达处于高速小容量模式且所述行驶操作装置被操作的驾驶状态即高速行驶时， 通过来自所述蓄电装置的电力驱动所述发电·电动机并使其作为电动机动作，以补充所述 发动机的输出转矩不足的部分。这样，在高速行驶时，驱动发电·电动机并使其作为电动机动作，以补充发动机的 输出转矩不足的部分，由此能够在挖掘作业等液压泵所必需的液压马力少的状态下设定发 动机的额定输出马力，通过使发动机的额定输出马力下降，能够使发动机小型化，能够实现 燃烧效率的提高、尾气特性的改善及噪音的降低。另外，由于尾气特性被改善，所以能够使 尾气后处理装置的小型化或简化，根据情况，还能够不设置尾气后处理装置，由此，能够与 发动机的小型化带来的成本降低相配合着降低发动机的制作成本，从而能够使机械整体的 价格便宜。而且，由于不用在执行机构侧安装发电机等的电气设备，所以成为简易的混合动 力方式，能够将混合动力化导致的成本升高的影响抑制到最小，并且由于是简易的混合动 力方式，所以小型挖掘机这样的小型工程机械也能够避免配置方面的困难性。(2)在上述(1)中，优选地，在所述蓄电装置的充电状态不充分的情况下，所述控 制装置进行使所述液压泵的吸收转矩下降的减转矩控制，从而强制地产生所述发动机的剩 余转矩。由此，能够进行对蓄电装置的急速充电。(3)在上述(2)中，优选地，在所述行驶速度切换开关指示高速行驶且所述行驶操 作装置被操作时，且所述蓄电装置的充电状态不充分的情况下，所述控制装置使所述行驶速 度切换开关的高速行驶的指示无效，从而将所述行驶用液压马达控制成低速大容量模式。由此，能够可靠地进行蓄电装置的急速充电。(4)另外，在上述(1)中，优选地，在所述高速行驶时以外的驾驶状态下，且在只以 所述发动机输出转矩驱动所述液压泵，并且所述发动机有剩余转矩时，所述控制装置通过 该剩余转矩驱动所述发电·电动机并使其作为发电机动作，将其发电电力蓄电至所述蓄电
直ο由此，在高速行驶时以外的驾驶状态下，在发动机有剩余转矩的情况下，不用进行 减转矩控制就能够进行蓄电装置的充电。(5)另外，在上述(1) (4)中，优选地，将所述发动机的输出马力设定成在所述高 速行驶时不能够向所述液压泵提供必需的液压马力的大小。由此，能够提供一种价格便宜的混合动力式工程机械，其发动机被小型化，能够实 现燃烧效率的提高、尾气特性的改善及噪音的降低，并且能够符合尾气限制。
(6)而且，在上述(1) (4)中，优选地，将所述发动机的输出马力设定成在所述高 速行驶时以外的驾驶状态下能够向所述液压泵提供必需的液压马力、且在所述高速行驶时 不能够向所述液压泵提供必需的液压马力的大小。由此，能够提供一种价格便宜的混合动力式工程机械，其发动机被小型化，能够实 现燃烧效率的提高、尾气特性的改善及噪音的降低，并且能够符合尾气限制。(7)另外，在上述⑴ ⑷中，更优选地，将所述发动机的输出马力设定得比尾气 限制对象的发动机输出马力小。由此，不需要搭载高价且复杂的尾气后处理装置，能够大幅度降低机械整体的价 格。(8)另外，本发明的混合动力式工程机械，具有发动机；被该发动机驱动的液压 泵；被来自该液压泵的喷出油驱动的包含行驶用液压马达在内的多个液压执行机构；行驶 用操作装置；行驶速度切换开关；与所述发动机连接的发电·电动机；和蓄电装置，所述行 驶用液压马达基于所述行驶速度切换开关的指示能够在低速大容量模式和高速小容量模 式间进行切换，其中，设置有控制装置，所述控制装置在所述蓄电装置的充电状态不充分的 情况下，进行使所述液压泵的吸收转矩下降的减转矩控制，从而强制地产生所述发动机的 剩余转矩，在所述行驶速度切换开关指示高速行驶且所述行驶操作装置被操作时，并在所 述蓄电装置的充电状态不充分的情况下，所述控制装置使所述行驶速度切换开关的高速行 驶的指示无效，从而将所述行驶用液压马达控制在低速大容量模式。由此，即使在使发动机小型化的情况下，也不会对发动机施加过负载，或根据情况 不会因过负载而使发动机失速，能够可靠地进行蓄电装置的急速充电。发明的效果根据本发明，在高速行驶时驱动发电·电动机并使其作为电动机动作来补充发动 机的输出转矩不足的部分，由此能够在挖掘作业等液压泵所必需的液压马力少的状态下设 定发动机的额定输出马力，通过使发动机的额定输出马力下降，能够使发动机小型化，能够 实现燃烧效率的提高、尾气特性的改善及噪音的降低。另外，由于尾气特性被改善，所以能 够使尾气后处理装置的小型化或简化，根据情况，还能够不设置尾气后处理装置，由此，能 够与发动机的小型化带来的成本降低相配合着降低发动机的制作成本，从而能够使机械整 体的价格便宜。而且，由于不用在执行机构侧安装发电机等的电气设备，所以成为简易的混 合动力方式，能够将混合动力化导致的成本升高的影响抑制到最小，并且由于是简易的混 合动力方式，所以小型挖掘机这样的小型工程机械也能够避免配置方面的困难性。另外，通过进行液压泵的减转矩控制，能够进行蓄电装置的急速充电，而且能够可 靠地实施该蓄电装置的急速充电。而且，在高速行驶时以外的驾驶状态下，发动机有剩余转矩的情况下，不用进行减 转矩控制就能够进行蓄电装置的充电。
图1是表示本发明的一个实施例的混合动力式工程机械的驱动系统的图。图2是表示泵调节器的详细结构的图。图3是表示泵调节器的转矩控制部的功能的泵转矩特性图。
图 4是表示液压系统的控制阀和多个液压执行机构中的、左右的行驶用液压马达 的液压回路部分的图。图5是表示本实施方式的液压挖掘机的外观的图。图6(A)是表示以往的一般的小型挖掘机的发动机输出马力的限制值、液压泵的 PQ特性(马力特性)和输出使用范围之间的关系的图，图6 (B)是表示该小型挖掘机的发动 机输出马力特性和输出使用范围之间的关系的图。图7(A)是表示本实施方式的小型挖掘机的发动机输出马力、液压泵的PQ特性 (马力特性)和输出使用范围之间的关系的图，图7(B)是表示该小型挖掘机的发动机输出 马力特性和输出使用范围之间的关系的图。图8是表示本实施方式的小型挖掘机中的减转矩控制时的发动机输出马力和液 压泵的PQ特性之间的关系的图。图9是表示由电动机进行的输出辅助控制的处理顺序的流程图。图10是表示蓄电池的充电控制的处理顺序的流程图。附图标记的说明1 发动机系统2 液压系统3 发电电动系统4 控制系统6 动力分配机11 发动机12发动机控制标度盘13发动机控制器14 电子调速器21 液压泵21a排量可变机构22 先导泵23 控制阀23a、23b 行驶用的主滑阀24a、24b行驶用的液压马达24c 24h其他液压执行机构24al、24bl 排量可变机构(斜板)24a2、24b2 控制活塞24a3、24b3 受压部24a4，24b4 弹簧25行驶用的操作装置26行驶以外的操作装置27a控制滑阀27b,27c第一弹簧及第二弹簧27d、27e第一受压部及第二受压部
27f先导管线27g控制油路31发电·电动机32变换器33蓄电池(蓄电装置)34蓄电池控制器35操作板41行驶速度切换开关42行驶的操作先导压传感器43行驶以外的操作先导压传感器44转矩控制电磁阀45行驶速度切换电磁阀46车身控制器27b、27c第一弹簧及第二弹簧101下部行驶体102上部旋转体103摇摆支柱104前作业机105履带架106排土用刮板107旋转台108舱室(驾驶室)111动臂112斗杆113铲斗
具体实施方式
图1是表示本发明的一个实施例的混合动力式工程机械的驱动系统的图。工程机 械是小型的液压挖掘机。在图1中，附图标记1表示发动机系统，附图标记2表示液压系统，附图标记3表 示发电电动系统，附图标记4表示控制系统。发动机系统1具有柴油发动机11 ；发动机控制标度盘12 ；发动机控制器13 ；电子 调速器14。柴油发动机11如下所述是比以往的发动机小型化的(发动机输出小的)发动 机。发动机控制标度盘12是通过操作者的操作来指示发动机的目标转速的装置，发 动机控制器13被输入来自发动机控制标度盘12的目标转速信号，进行规定的运算处理而 求出目标燃料喷射量，并通过控制电子调速器14来控制向发动机的各汽缸喷射的燃料喷 射量，从而控制发动机输出转矩和转速。另外，发动机控制器13运算发动机负载率，并生成 发动机负载率信息。发动机负载率是通过对例如目标燃料喷射量相对于最大燃料喷射量的比例进行运算而求出的。发动机1的 输出轴通过由大径齿轮6a和小径齿轮6b构成的动力分配机6而与液 压系统2和发电电动系统3连接。液压系统2具有液压泵21及先导泵22 ；控制阀23 ；多个液压执行机构24a 24h ；多个操作装置25、26。液压泵21通过动力分配机6而与发动机11的输出轴连接，并被发动机11驱动。 从液压泵21喷出的压力油通过控制阀23被供给到多个液压执行机构24a 24h，来驱动各 被驱动体。液压泵21是可变容量型，具有排量可变机构(例如斜板)21a;调整排量可变 机构21a的倾转位置的、控制液压泵的容量的泵调节器27。多个液压执行机构24a 24h包含左右的行驶用液压马达和除此以外的液压执行 机构，除此以外的液压执行机构包括例如动臂用液压缸、斗杆用液压缸、铲斗用液压缸、摆 动用液压缸、刮板用液压缸。控制阀23内置有与多个液压执行机构24a 24h对应的多个主滑阀，这些主滑阀 通过从操作装置25、26输出的液压信号被进行切换操作。操作装置25代表左右的行驶用 的操作装置，操作装置26代表行驶以外的操作装置。发电电动系统3具有发电·电动机31、变换器32、蓄电池(蓄电装置)33、蓄电池 控制器34、操作板35。发电·电动机31通过动力分配机6而与发动机11的输出轴连接，发动机11存在 剩余转矩时，发电·电动机31通过该剩余转矩被驱动而作为发电机工作。发电·电动机31 产生的电能通过变换器32存储到蓄电池33中。另外，发电·电动机31在蓄电池33的蓄 电量为规定值以上且需要辅助驱动液压泵21时，经由变换器32被供给蓄电池33的电能而 作为电动机工作。蓄电池控制器34监视蓄电池33的蓄电量，操作板35显示与该蓄电量相 关的信息(蓄电信息)。控制系统4具有行驶速度切换开关41 ；行驶的操作先导压传感器42 ；行驶以外 的操作先导压传感器43 ；转矩控制电磁阀44 ；行驶速度切换电磁阀45 ；车身控制器46。车 身控制器46与行驶速度切换开关41、操作先导压传感器42、43、转矩控制电磁阀44、行驶速 度切换电磁阀45电连接。另外，车身控制器46也与变换器32、蓄电池控制器34及发动机 控制器13电连接。车身控制器46被输入行驶速度切换开关41的指示信号、操作先导压传 感器42、43的检测信号、蓄电池控制器34的蓄电信息及发动机控制器13的发动机负载率 信息，并进行规定的运算处理，向变换器32、转矩控制电磁阀44及行驶速度切换电磁阀45 输出控制信号。图2是表示泵调节器27的详细结构的图。泵调节器27具有LS控制部等的要求流量响应控制部，其控制液压泵21的排量 可变机构21a的倾转位置(由此控制液压泵的容量)，以喷出与基于多个操作装置25、26的 操作量的要求流量相应的流量；转矩控制部，其控制液压泵21的排量可变机构21a的最大 倾转位置(由此控制液压泵的最大容量)，以使液压泵21的最大吸收转矩不超过预定值。 图2为了简化图示，只示出了转矩控制部。另外，动力分配机6也省略图示。在图2中，泵调节器27具有动作上与液压泵21的排量可变机构21a连结的控制 滑阀27a ；朝向液压泵21的容量增加方向对该控制滑阀27a进行作用的第一及第二两个弹簧27b、27c ；朝向液压泵21的容量减少方向对控制滑阀27a进行作用的第一及第二两个受 压部27d、27e。液压泵21的喷出压力通过先导管线27f被导入第一受压部27d，来自转矩控 制电磁阀44的控制压力通过控制油路27g被导入第二受压部27e。第一及第二弹簧27b、 27c用于设定液压泵21的最大吸收转矩，第二受压部27e用于调整该最大吸收转矩(减转 矩控制)。第一弹簧27b比第二弹簧27c长，当控制滑阀27a处于图示的初期位置时，只有 第一弹簧27b与控制滑阀27a接触，并朝向图示右方向对控制滑阀27a施力。当控制滑阀 27a向图示左方向移动某种程度时，第二弹簧27c也与控制滑阀27a接触，从而第一及第二 弹簧27b、27c双方朝向图示右方向对控制滑阀27a施力。转矩 控制电磁阀44在没有控制信号从车身控制器46输出时位于图示的OFF位 置，使泵调节器27的第二受压部27e与油箱连通。当从车身控制器46输出控制信号时，转 矩控制电磁阀44被切换到ON位置，作为控制压力向第二受压部27e导入先导泵22的喷出 压力。先导泵22的喷出压力通过先导溢流阀28被保持成恒定的值(例如4Mpa)。图3是表示泵调节器27的转矩控制部的功能的泵转矩特性图，横轴表示液压泵21 的喷出压力，纵轴表示液压泵21的容量。另外，在图3中，由附图标记TPl及TP2所示的两条直线(实线)构成的弯折线 表示被第一及第二两个弹簧27b、27c设定的最大吸收转矩特性，由附图标记TP3及TP4所 示的两条直线(点划线)构成的弯折线表示通过来自转矩控制电磁阀44的控制压力被减 转矩控制的最大吸收转矩特性。附图标记TEL所示的曲线是以发动机11的最大输出转矩 TEmax为基准且以只比其小规定余量的方式设定的发动机11的限制转矩。泵调节器27的转矩控制部根据液压泵21的喷出压力对液压泵21的排量可变机 构21的最大倾转位置(液压泵21的最大容量)进行限制，由此限制液压泵21的最大吸收 转矩。当转矩控制电磁阀44处于图2所示的OFF位置时，泵调节器27的第二受压部27e 与油箱连通，最大吸收转矩特性通过第一及第二两个弹簧27b、27c被设定成由实线的直线 TPU TP2形成的弯折线。该情况下，在液压泵21的喷出压力上升时，在喷出压力超过第一 值Pl之前，导出液压泵21的喷出压力的第一受压部27d的液压力比第一弹簧27b的施加 力小，液压泵21的最大容量被维持在qmax。S卩，液压泵21的容量能够通过要求流量响应 控制部的控制而上升到qmax。当液压泵21的喷出压力进一步上升并超过第一值Pl时，导 出液压泵21的喷出压力的第一受压部27d的液压力变得比第一弹簧27b的施加力大，控制 滑阀27a向图示左方向移动，液压泵21的最大容量沿弯折线的直线TPl减少。由此，被要 求流量响应控制部控制的液压泵21的容量被限制在直线TPl规定的最大容量以下，液压泵 21的吸收转矩(泵喷出压力与容量的积)以不超过发动机11的限制转矩TEL的方式被控 制。当液压泵21的喷出压力进一步上升并超过第二值P2时，控制滑阀27a也与第二 弹簧27c接触，控制滑阀27a的移动量相对于液压泵21的喷出压力的上升量的比例(液压 泵21的容量的减少比例)减少，液压泵21的最大容量沿倾斜度比直线TPl小的直线TP2 减少。该情况下，液压泵21的吸收转矩也以不超过发动机11的限制转矩TEL的方式被控 制。当液压泵21的喷出压力达到主溢流阀29的设定压力时，液压泵21的喷出压力的进一 步上升被阻止。当转矩控制电磁阀44被切换到ON位置时，向第二受压部27e导入控制压力，在控制滑阀27a上，第二受压部27e的液压力与第一及第二弹簧27b、27c的施加力相对地作用。 由此，由第一及第二弹簧27b、27c进行的最大吸收转矩的设定以只减少第二受压部27e的 液压力的量的方式被调整，最大吸收转矩特性从由实线的直线TP1、TP2形成的弯折线向由 点划线的直线TP3、TP4形成的弯折线转换。其结果，液压泵21的喷出压力上升时，液压泵 21的最大容量沿弯折线的点划线的直线TP3、TP4减少。此时的液压泵21的最大吸收转矩 (泵喷出压力与最大容量的积)与直线ΤΡ1、ΤΡ2的最大吸收转矩相比变小，发动机11的剩 余转矩被强制地产生。在本申请说明书中，将该控制称为减转矩控制。图 4是表示液压系统的控制阀和多个液压执行机构中的、与左右的行驶用液压马 达相关的液压回路部分的图。图中，用附图标记23a、23b表示左右的行驶用的主滑阀，用附 图标记24a、24b表示左右的行驶用液压马达。左右的液压马达24a、24b通过主滑阀23a、 23b而与液压泵21连接。左右的液压马达24a、24b分别是可变容量型，具有排量可变机构(斜板)24al、 24b 1 ；分别驱动排量可变机构24al、24bl的控制活塞24a2、24b2。在控制活塞24a2、24b2的 一侧形成有受压部24a3、24b3，在其相反侧配置有弹簧24a4、24b4。当行驶速度切换电磁阀45处于图示的OFF位置时，控制活塞24a2、24b2的受压 部24a3、24b3与油箱连通，控制活塞24a2、24b2被弹簧24a4、24b4的力推压并位于图示的 位置，排量可变机构24al、24bl被保持在大倾转位置(大容量位置)。当行驶速度切换电 磁阀45被切换到ON位置时，作为控制压力向控制活塞24a2、24b2的受压部24a3、24b3导 入先导泵22的喷出压力，由此，控制活塞24a2、24b2动作，排量可变机构24al、24bl从大倾 转位置(大容量位置)向小倾转位置(小容量位置)切换。在大倾转位置，液压马达24a、 24b能够低速旋转，成为适于低速行驶的状态，在小倾转位置，液压马达24a、24b能够高速 旋转，成为适于高速行驶的状态。在本说明书中，将排量可变机构24al、24bl处于大倾转位 置时的状态称为液压马达24a、24b的低速大容量模式，将排量可变机构24al、24bl处于小 倾转位置时的状态称为液压马达24a、24b的高速小容量模式。图5是表示本实施方式的液压挖掘机的外观的图。液压挖掘机具有下部行驶体101 ；以能够旋转的方式搭载在该下部行驶体101上 的上部旋转体102 ；通过摇摆支柱103以能够在上下以及左右方向转动的方式连结在该上 部旋转体102的前端部分上的前作业机104。下部行驶体101为履带式，在履带架105的前 方侧设置有能够上下移动的排土用的刮板106。上部旋转体102具有作为基础下部构造 的旋转台107 ；设置在旋转台107上的舱室(驾驶室)108。前作业机104具有动臂111、斗 杆112、铲斗113，动臂111的基端通过销结合在摇摆支柱103上，动臂111的前端通过销结 合在斗杆112的基端，斗杆112的前端通过销结合在铲斗113上。上部旋转体102通过未图示的旋转马达相对于下部行驶体101被旋转驱动，摇摆 支柱103及前作业机104通过摇摆液压缸24g相对于旋转台107向左右被转动驱动，动臂 111、斗杆112、铲斗113分别通过动臂液压缸24c、斗杆液压缸24d、铲斗液压缸24e的伸缩 而沿上下被转动驱动。下部行驶体101被左右的行驶马达24a、24b旋转驱动，刮板106被 刮板液压缸24h沿上下驱动。下面，对本发明的动作原理和发动机11的输出马力的设定进行说明。图6(A)是表示以往的一般的小型挖掘机的发动机输出马力的限制值、液压泵的PQ特性(马力特性)和输出使用范围之间的关系的图，图6(B)是表示该小型挖掘机的发动 机输出马力特性和输出使用范围之间的关系的图。图6(A)的横轴表示液压泵的喷出压力， 纵轴表示液压泵的喷出流量。图6(B)的横轴表示发动机的转速，纵轴表示发动机的输出马 力。首先，对 液压泵的PQ特性进行说明。液压泵的PQ特性是指通过发动机对具有某 程度的最大吸收转矩特性的液压泵进行驱动而使其旋转进行作业时所能够得到的液压泵 的输出马力特性。图6 (A)的液压泵的PQ特性，作为一例，是指具有图3所示的最大吸收转 矩特性的液压泵21的情况，并且是发动机转速处于额定最大转速的情况。图6(A)的发动 机输出马力的限制值和图6(B)的发动机输出马力特性也同样是发动机转速处于额定最大 转速的情况。作为一般的小型挖掘机的作业状态，有高速行驶、低速行驶和通常作业。在图6 (A) 及图6(B)中，A表示高速行驶时的输出使用范围，B表示低速行驶时的输出使用范围，C表 示通常作业时的输出使用范围。所谓高速行驶是行驶用的液压马达24a、24b处于高速小容 量模式且行驶用的操作装置25被操作而进行行驶的状态，所谓低速行驶是行驶用的液压 马达24a、24b处于低速大容量模式且行驶用的操作装置25被操作而进行行驶的状态。所 谓通常作业是行驶以外的操作装置26(尤其与前作业机104相关的液压执行机构111、112、 113及与旋转马达中的某一个相关的操作装置)被操作并进行作业的状态。图6(A)的HELc是发动机输出马力的限制值，HEmaxc是发动机的最大输出马力。 发动机输出马力的限制值HELc被设定成比发动机的最大输出马力HEmaxc只小规定的余 量。高速行驶时，由于需要速度(流量)，因此，此时的液压泵21的输出最大，发动机输 出马力的限制值HELc被设定成相对于该高速行驶时的液压泵21的输出使用范围A具有某 种程度的余量XI。另一方面，泵调节器27的最大吸收转矩特性(图3)通过第一及第二两个弹簧 27b,27c被设定成由实线的直线TP1、TP2形成的弯折线，液压泵21的PQ特性也同样地成 为由附图标记D所示的弯折线形状，在通常作业时，液压泵21的输出使用范围B相对于发 动机输出马力的限制值HELc大幅度地远离X2，成为余量过多的状态。这是表示发动机输出 马力没有完全使用的意思。图7(A)是表示本实施方式的小型挖掘机的发动机输出马力、液压泵的PQ特性 (马力特性)和输出使用范围之间的关系的图，图7(B)是表示该小型挖掘机的发动机输出 马力特性和输出使用范围之间的关系的图。在本实施方式中，将发动机11的最大输出马力HEmaxe设定成比图6(B)所示的以 往的发动机最大输出马力HEmaxc小，将发动机输出马力的限制值HELe设定为接近液压泵 21的PQ马力特性D。而且，换言之，在本实施方式中，将发动机11的最大输出马力HEmaxe 设定成，在通常作业及低速行驶时即高速行驶时以外的驾驶状态下能够向液压泵21提供 必需的液压马力、在高速行驶时不能向液压泵21提供必需的液压马力的大小。通常作业时 的输出使用范围C是利用液压泵21的PQ特性D的曲线形状的凹部所产生的余量X3来确 保的。而且，在高速行驶时，通过蓄电池33使发电·电动机31作为电动机动作并进行输出辅助。图7(A)的虚线H ELe+HM是输出辅助后的发动机输出马力HELe和电动机输出马力 HM的合计的输出马力。这样，通过使发动机11的输出马力比以往小，使发动机输出马力的限制值HELe接 近液压泵21的PQ马力特性D，由此能够完全使用发动机11的输出马力，能够使发动机11 小型化(小的发动机)。通过使发动机11小型化，能够实现低油耗化、从发动机11排出的 有害气体的量的降低及噪音的降低。另外，能够进行尾气后处理装置的小型化或简化，与发 动机11的小型化带来的成本降低相配合着使发动机的制作成本降低，能够使机械整体的 价格便宜。而且，由于在执行机构侧不安装发电机等电气设备，所以成为简易的混合动力方 式，因此能够使混合动力化导致的成本升高的影响抑制到最小，并且由于是简易的混合动 力方式，所以即使是小型挖掘机这样的小型工程机械也能够避免配置方面的困难性。而且，根据发动机11的输出量，能够不需要尾气后处理装置，从而使机械整体的 价格更便宜。S卩，对于当前的工程机械(全地形车)的尾气限制被适用于搭载有输出19kW以上 的发动机的车辆，不适用于搭载有输出不满19kW的发动机的车辆。在本实施方式中，发动 机11优选是尾气限制适用外的输出即不满19kW的发动机，例如输出ISkW的发动机。这 样，发动机输出不满19kW，从而不需要搭载高价且复杂的尾气后处理装置，能够大幅度降低 机械整体的价格。图8是表示本实施方式的小型挖掘机中的减转矩控制时的发动机输出马力和液 压泵的PQ特性之间的关系的图。在本实施方式中，如上所述，高速行驶时，通过蓄电池33使发电.电动机31作为 电动机动作并辅助发动机输出。由此，必须确保用于对蓄电池33充电的结构。这里，蓄电池33的充电优选在通常作业时或低速行驶时通过发动机输出的余量 进行。但是，在使发动机小型化的情况下，在蓄电池33的剩余量明显少的状态下，充电时间 可能要花费必要时间以上。另外，在高速行驶时，可能无法确保必要的充电状态。因此，在 蓄电池33充电时，向转矩控制电磁阀44输出控制信号进行减转矩控制，通过将图3的最大 吸收转矩特性从实线的直线TP1、TP2转换到点划线的直线ΤΡ3、ΤΡ4，能够将图8的PQ特性 从D转换到Dr。而且，通过该减转矩控制，使液压泵21的输出降低而强制地产生发动机11 的剩余转矩以及剩余马力，进行急速充电。下面，使用图9及图10对实现上述本发明的动作原理的车身控制器46的控制功 能进行说明。图9是表示电动机的输出辅助控制的处理顺序的流程图，图10是表示蓄电池 的充电控制的处理顺序的流程图。<图9 电动机的输出辅助控制>车身控制器46输入行驶速度切换开关41的指示信号，判定行驶速度切换开关41 是否指示了高速行驶(步骤S100)。若行驶速度切换开关41没有指示高速行驶，则不进行 任何动作并重复进行该判定处理。如果行驶速度切换开关41指示高速行驶，则接下来输 入行驶的操作先导压传感器42的检测信号，判定行驶用的操作装置25是否被操作(步骤 S110)。若行驶用的操作装置25没有被操作，则不进行任何动作并重复进行步骤SlOO及 SllO的处理。如果行驶用的操作装置25被操作，则接下来从蓄电池控制器34输入蓄电信 息，判定蓄电池33的蓄电状态是否不充分(步骤S120)。该判定是通过判定例如蓄电池33的充电率是否是30%以下而进行的。而且，如果蓄电池33的充电率是30%以上，则将蓄电 池33的电力向电动 发电机31供给以使电动 发电机31作为电动机动作，进行输出辅助 (步骤S130)。由此，如图7㈧的虚线所示，将电动机输出马力HM加上发动机输出马力HELe 得到HELe+HM的马力，对于高速行驶时的输出使用范围A确保了余量。另外，向行驶速度切 换电磁阀45输出控制信号并切换到ON位置，将行驶用的液压马达24a、24b的排量可变机 构24al、24bl从大倾转位置向小倾转位置切换(步骤S140)。由此，能够进行高速行驶。另一方面，在步骤S120中，蓄电池33的充电率为30%以下的情况下，虽然行驶速 度切换开关41指示高速行驶，但将行驶速度切换电磁阀45保持在OFF位置，使行驶用的液 压马达24a、24b保持在大倾转(大容量)位置。而且，此时，通过以下说明的蓄电池充电控 制进行蓄电池的充电。 <图 10 蓄电池的充电控制>车身控制器46从蓄电池控制器34输入蓄电信息，判定蓄电池33的蓄电状态是否 不充分，或例如蓄电池33的充电率是否是30%以下(步骤S220)。若蓄电池33的充电率 为30%以上，则不进行任何动作并重复进行该判定处理。如果蓄电池33的充电率是30% 以下，则接下来输入行驶的操作先导压传感器42及行驶以外的操作先导压传感器43的检 测信号，判定行驶用的操作装置25及除此以外的操作装置26中的某一个是否被操作(即， 当前，操作者是否在操作液压挖掘机的过程中)(步骤S210)，在任意一个操作装置都没有 被操作的情况(即，液压挖掘机为非操作过程中的情况)下，接下来判定车身控制器46是 否是向转矩控制电磁阀44输出控制信号的状态(减转矩控制是否是ON)(步骤S220)，控制 信号被输出的情况下，使控制信号的输出停止(使减转矩控制为OFF)(步骤S230)，通过发 动机11的输出转矩(输出马力)开始充电(步骤S240)。即，通过发动机11的输出转矩 (输出马力)驱动发电·电动机31使其作为发电机动作，将该发电电力向蓄电池33蓄电。 车身控制器46没有向转矩控制电磁阀44输出控制信号的情况下，直接开始基于发动机11 的输出转矩的充电(步骤S240)。接下来判定蓄电池33的蓄电状态是否充分，或例如蓄电 池33的充电率是否超过70 % (步骤S250)，如果蓄电池33的充电率没有超过70 %，则返回 步骤S210的处理，重复进行步骤S210 S250的处理。如果蓄电池33的充电率超过70%， 则结束基于发动机11的输出转矩的充电(步骤S320)。另一方面，在步骤S210中，在某一个操作装置(行驶用的操作装置及除此以外的 操作装置中的某一个)被操作的情况下，接下来车身控制器46从发动机控制器13输入负 载率信息，基于发动机11的负载率，判定发动机11是否有剩余转矩(步骤S260)。在该判 定中，例如，预先对负载率设定阈值(例如70%)，如果负载率为阈值以下，则判定发动机11 有剩余转矩。而且，在发动机11没有剩余转矩的情况下，向转矩控制电磁阀44输出控制信 号进行减转矩控制(步骤S270)，通过将图3的最大吸收转矩特性从实线的直线TPl、TP2 转换到点划线的直线TP3、TP4，而将图8的PQ特性从D转换到Dr。而且，通过该减转矩控 制，强制地产生发动机11的剩余转矩及剩余马力，开始充电(步骤S208)。在发动机11有 剩余转矩的情况下，直接开始基于该剩余转矩的充电(步骤S280)。下面，判定蓄电池33的蓄电状态是否不充分，例如蓄电池33的充电率是否超过 70% (步骤S290)，如果蓄电池33的充电率没有超过70%，则返回步骤S210的处理，重复 进行步骤S210、S260 S290的处理。此外，在该重复进行的处理期间，当操作者使操作装置恢复中立而成为任何一个操作装置都没有被操作的状态的情况下，从步骤S210转移到 步骤S220，不基于减转矩控制而继续进行充电(步骤S230 — S240)。在步骤S290中，如果蓄电池33的充电率超过70 %，则接下来判定车身控制器46 是否处于向转矩控制电磁阀44输出控制信号的状态(减转矩控制是否是ON)(步骤S300)， 控制信 号被输出的情况下，使控制信号的输出停止(使减转矩控制为OFF)(步骤S310)，结 束基于发动机11的剩余转矩的充电(步骤S320)。控制信号没有被输出的情况下，直接结 束基于发动机11的剩余转矩的充电(步骤S320)。在图9的流程图中，当在步骤SlOO中，行驶速度切换开关41指示高速行驶，在步 骤SllO中，行驶用的操作装置25被操作，在步骤S120中，蓄电池33的充电率为30%以 下，在步骤S150中，将行驶速度切换电磁阀45保持在OFF位置的情况下，在图10的流程图 中，经由步骤S200 — S210 —步骤S260的处理，直接在步骤S270开始减转矩控制，并在步 骤S280进行蓄电池33的充电。这样进行液压泵的减转矩控制，并且将行驶速度切换电磁 阀45保持在OFF位置，并将行驶用的液压马达24a、24b保持在低速大容量模式，由此不会 对发动机11施加过负载，或根据情况不会因过负载而使发动机11失速，能够可靠地进行蓄 电池33的急速充电。另外，行驶用的液压马达24a、24b保持在低速大容量模式，由此能够 确保最低限度的行驶功能。另外，在图10的流程图中，在步骤S260中，判定发动机11的剩余转矩的有无，发 动机11有剩余转矩时，不进行减转矩控制，通过发动机11的剩余转矩驱动发电 电动机31 并使其作为发电机动作，对蓄电池33进行充电。由此，在高速行驶时以外的驾驶状态下，发 动机11有剩余转矩的情况下，能够不用进行减转矩控制而进行蓄电池33的充电。而且，在图10的流程图中，在步骤S210中，在任何一个操作装置都没有被操作的 情况下，进入步骤S220的流程，不进行减转矩控制，就能够对蓄电池33进行充电。由此，例 如一天的作业开始时或在新作业现场的作业开始时，蓄电池33的充电状态为不充分的情 况下，使车身的电源为0N，只通过起动车身控制器46，不用进行减转矩控制，就能够自动地 通过发动机11的输出转矩驱动发电·电动机31并使其作为发电机动作，能够进行蓄电池 33的充电。此外，在上述实施方式中，对将本发明适用于作为工程机械的具有履带的小型挖 掘机的情况进行了说明，但也同样能够将本发明适用于轮式挖掘机等其他小型工程机械。
权利要求
1.一种混合动力式工程机械，具有 发动机；被该发动机驱动的液压泵；被来自该液压泵的喷出油驱动的包含行驶用液压马达在内的多个液压执行机构；行驶用操作装置；行驶速度切换开关；与所述发动机连接的发电·电动机；和蓄电装置，所述行驶用液压马达基于所述行驶速度切换开关的指示能够在低速大容量模式和高 速小容量模式之间切换，其特征在于，设置有控制装置，所述控制装置以如下方式进行控制在所述行驶用液压马达处于高 速小容量模式且所述行驶操作装置被操作的驾驶状态即高速行驶时，通过来自所述蓄电装 置的电力驱动所述发电·电动机并使其作为电动机动作，以补充所述发动机的输出转矩不 足的部分。
2.如权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，在所述蓄电装置的充电状 态不充分的情况下，所述控制装置进行使所述液压泵的吸收转矩下降的减转矩控制，从而 强制地产生所述发动机的剩余转矩。
3.如权利要求2所述的混合动力式工程机械，其特征在于，在所述行驶速度切换开关 指示高速行驶且所述行驶操作装置被操作时，且所述蓄电装置的充电状态不充分的情况 下，所述控制装置使所述行驶速度切换开关的高速行驶的指示无效，从而将所述行驶用液 压马达控制成低速大容量模式。
4.如权利要求1所述的混合动力式工程机械，其特征在于，在所述高速行驶时以外的 驾驶状态下，且在只以所述发动机输出转矩驱动所述液压泵，并且所述发动机有剩余转矩 时，所述控制装置通过该剩余转矩驱动所述发电·电动机并使其作为发电机动作，将其发电 电力蓄电至所述蓄电装置。
5.如权利要求1 4中的任一项所述的混合动力式工程机械，其特征在于，将所述发动 机的输出马力设定成在所述高速行驶时不能够向所述液压泵提供必需的液压马力的大小。
6.如权利要求1 4中的任一项所述的混合动力式工程机械，其特征在于，将所述发动 机的输出马力设定成在所述高速行驶时以外的驾驶状态下能够向所述液压泵提供必需的 液压马力、且在所述高速行驶时不能够向所述液压泵提供必需的液压马力的大小。
7.如权利要求1 4中的任一项所述的混合动力式工程机械，其特征在于，将所述发动 机的输出马力设定得比尾气限制对象的发动机输出马力小。
8.一种混合动力式工程机械，具有 发动机；被该发动机驱动的液压泵；被来自该液压泵的喷出油驱动的包含行驶用液压马达在内的多个液压执行机构； 行驶用操作装置； 行驶速度切换开关； 与所述发动机连接的发电·电动机；和蓄电装置， 所述行驶用液压马达基于所述行驶速度切换开关的指示能够在低速大容量模式和高 速小容量模式间进行切换，其特征在于，设置有控制装置，所述控制装置在所述蓄电装置的充电状态不充分的情况下，进行使 所述液压泵的吸收转矩下降的减转矩控制，从而强制地产生所述发动机的剩余转矩，在所述行驶速度切换开关指示高速行驶且所述行驶操作装置被操作时，并在所述蓄电 装置的充电状态不充分的情况下，所述控制装置使所述行驶速度切换开关的高速行驶的指 示无效，从而将所述行驶用液压马达控制在低速大容量模式。
全文摘要
本发明提供一种价格便宜的混合动力式工程机械，在小型挖掘机这样的小型工程机械中，通过采用简易的混合动力方式，能够实现燃烧效率的提高、尾气特性的改善及噪音的降低，并且能够符合尾气限制。发动机输出马力的限制值(HELe)设定成接近液压泵(21)的PQ马力特性(D)，使发动机(11)小型化。在高速行驶时，通过蓄电池(33)使发电·电动机(31)作为电动机动作从而进行输出辅助。蓄电池(33)在充电时，向转矩控制电磁阀(44)输出控制信号进行减转矩控制，强制地产生发动机(11)的剩余转矩，进行急速充电。
文档编号B60K17/10GK102134868SQ201010516299
公开日2011年7月27日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年1月22日
发明者吉田肇, 石井元 申请人:日立建机株式会社