JP6346168B2 - 油圧ハイブリッド - Google Patents

Description

本発明は油圧ハイブリッドに関するものである。

油圧駆動装置を備えた作業機械は内燃機関と、複数の油圧ポンプと、油圧導管と、油圧弁と、制御部材と、モータと、油圧シリンダとを有している。この種のシステムは例えば特許文献１（独国特許第ＤＥ１０２００９８２４Ｂ４号公報）で公知であり、余剰エネルギはバッテリに電気として貯蔵される。

上記システムの欠点は、余剰エネルギを利用するために補助バッテリと、別の電気モータとを必要とする点にある。このシステムのさらに他の欠点は油圧側しか考慮していない点にある。

独国特許第ＤＥ１０２００９８２４Ｂ４号公報

本発明が解決しようとする課題は上記の欠点の無いハイブリッドシステムを提供することにある。本発明は特に、燃料消費、エンジンの動的挙動、騒音レベルおよび磨耗を考慮に入れながら、投入エネルギーと存在しているストックとを効果的に利用してエンジンの作業点を最適化するハイブリッドシステムを提供することにある。

上記課題は請求項１に記載のハイブリッドシステムおよび請求項１０に記載の方法によって解決される。

本発明の油圧ハイブリッドシステムを示すブロック回路図。 貯蔵器の充填（ローディング）を示すフローチャート。 貯蔵器の放出（ブースト）を示すフローチャート。 油圧回路内の負荷ピークを補償するためのブースト機能を示すフローチャート。 システム全体でエンジンの負荷を除き、負荷ピークを補償するためのブースト機能を示すフローチャート。 負荷衝撃に備えるために充填圧を上げることを示すフローチャート。

本発明では上記機械を最適化するために、内燃機関の負荷が弱いフェーズ（オフピーク期）の余剰エネルギまたはエンジン出力を油圧貯蔵器内に貯蔵して、出力需要が高い時または出力需要が過度に高いフェーズ（ハイピーク期）に放出または提供可能なシステム性能を大きく増加させる。

この場合の最適化は、現在の作業時点で内燃機関が供給できる出力をより多くシステム内で短時間に提供することで行なわれる。それによってシステム性能が向上し、負荷が変化した場合の挙動がよりダイナミックになる。それと同時に、制動エネルギを回収することによってシステムまたはエンジンの制動出力を増加させてエンジン回転数の上昇を回避または減少させることができる。その結果、内燃機関に生じる最大回転数を大きく減少させることができる。この場合、負荷が弱いフェーズ（オフピーク期）に自由なエンジン出力が貯蔵器充填のために提供される

本発明ではエンジン出力とブレーキ作用を最適化するためのサブシステムが設けられている。このサブシステムはエンジン、油圧および機器の状態または状態値を検出するためのシステムと、油圧エネルギ貯蔵器、例えばバブルアキュムレータ、メンブレンアキュムレータまたはピストンアキュムレータの形式をした圧力貯蔵器とを用いる。

このサブシステムは、作業回路および／または走行回路に取付けられた（または組込まれた）油圧ポンプを備えた内燃機関と、エンジンと燃料噴射を電子的に制御するエンジン制御装置と、油圧負荷を制御する油圧制御装置と、油圧制御モジュールと、操作部材および弁と、圧力保持弁と、少なくとも１つの切替え弁と、少なくとも１つの油圧貯蔵器とを有している。

上記エンジン制御装置は、エンジン固有の測定値を検出する。このエンジン固有の測定値には冷却剤温度、過給空気圧、荷重モーメント、噴射量、回転数、レイル圧、燃料前圧および回転数目標値が含まれる。これらの測定値を用い、制御装置内のパラメータ、特性曲線およびマップを用いて、エンジン制御用操作量を求める。エンジンの各作業点でこれらを求めて、調節する。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
［図１］に示すシステムでは、油圧貯蔵器内の油圧力と、作業回路の油圧力および温度と、走行駆動装置の油圧力および温度と、作業ポンプおよび走行ポンプの揺動角度等の他の測定値とがエンジン制御装置に供給される。この油圧制御装置からは各油圧コンポーネントの状態、例えば作業点の状態やコンポーネントによって要求される負荷に関する情報がエンジン制御装置へ供給される。

エンジン制御装置は上記データに従って圧力貯蔵器の充填および放出プロセスを制御することができる。

上記油圧貯蔵器の充填（ローディング、［図２］）は、作業回路内の弁Ａおよび／または走行回路内の弁Ｂを開放することで行われる。その制御は［図２］に示すように油圧力Ｐ_Speicherに対するＰ_Speise、トルクＭ_istに対するＭ_verfugbarの比と、エンジン温度Ｔ_Kおよび油圧温度Ｔ_Speiseに従って行われる。

所定条件が満たされたときに、エンジン制御装置は他の特性値を用いて充填（［図２］）が有意義であるか否かを調べる。

制動エネルギの回収
エンジンが引きずられている場合、すなわちＭ_istが負の場合には、制動出力に加えてエンジンの全ての出力が充填（［図２］）のために提供される。弁Ａおよび／または弁Ｂは、貯蔵器が充填されるまで、あるいは、前提の１つが満たされなくなるまで開放される。

エンジン回転数が目標回転数より高い場合、すなわちｎ_soll＜ｎ_istの場合には、提供可能な全出力（Ｍ_verfugbar−Ｍ_ist）が、充填（［図２］）のために提供される。弁Ａおよび／または弁Ｂは、油圧貯蔵器が充填されるまで、あるいは、前提の１つが満たされなくなるまで開放される。

エンジンがアイドリング状態で、冷却剤温度が最低温度より上にある、ｎ_ist＝ｎ_leerおよびＴ_K＞Ｔ_minの場合には、提供可能な全出力（Ｍ_verfugbar−Ｍ_ist）が充填（［図２］）のために提供される。弁Ａおよび／または弁Ｂは、油圧貯蔵器が充填され、あるいは、前提の１つがもはや満たされなくなるまで、開放される。

エンジンが負荷の弱い相にあって、提供可能なトルクがＭ_istよりもずっと高い場合には、充填が行われる（［図２］）。

付加的に、エンジンが例えば燃料消費効率、放出挙動、過給圧、騒音水準および油圧制御装置の測定値および情報に関して、好ましくない駆動点にあって、機能の切替えによってより適切な駆動点が達成できる場合には、充填（［図２］）をエンジン制御装置によって作動あるいは非作動にすることができる。

あるいは、エンジン負荷をよりソフトにオン／オフするために、充填（［図２］）を制御弁を介して無段階に制御することもできる。

油圧貯蔵器の放出（ブースト、［図３］）は、作業回路の弁Ａおよび／または走行回路内の弁Ｂの開放によって行う。この制御は油圧力Ｐ_Speicherに対するＰ_Speiseの比、トルクＭ_istに対するＭ_verfugbarの比と、エンジン温度Ｔ_Kおよび油圧温度Ｔ_Speiseに従って行われる。

所定条件が満たされた場合には、エンジン制御装置が他の特性値を用いて、ブースト（［図３］）が有意義であるか否かを調べる。

現在の作業点でエンジンがそれ以上の出力を放出できず（すなわちＭ_verfugbar＝ｆ・Ｍ_istである場合には（ｆ＝安全ファクター、例えば０．９）、油圧貯蔵器を放出し、あるいは、前提の１つがもはや満たされなくなるまで、弁Ａおよび／または弁Ｂを開放する。

エンジンがスモーク制限または他の出力制限内にある場合（すなわちＭ_verfugbar＝ｆ・Ｍ_istである場合には（ｆ＝安全ファクター、例えば０．９）、油圧貯蔵器が放出され、あるいは、前提の１つがもはや満たされなくなるまで、弁Ａおよび／または弁Ｂが開放される。

エンジン（１）が著しく加速された場合（すなわちｎ_Gradient＞Ｎ（調節可能なファクター、回転数勾配）の場合には、貯蔵器が放出され、あるいは、前提の１つがもはや満たされなくなるまで、弁Ａおよび／または弁Ｂが開放される。

油圧作業回路に急速な負荷が接続されて供給圧力の圧力降下が高くてった場合（すなわちＰ_Gradient＞Ｐ（調節可能なファクター、供給圧力勾配）になった場合）には、油圧貯蔵器が放出され、あるいは、前提の１つがもはや満たされなくなるまで、弁Ａおよび／または弁Ｂが開放される。

付加的に、（例えば、燃料消費効率、放出挙動、過給圧、騒音水準、油圧制御装置の測定値および情報等のパラメータに関して）エンジンが好ましくない駆動点内にあって、機能の切り替えによってより適切な駆動点が達成できる場合には、エンジン制御装置によってブースト（［図３］）を作動／非作動にすることができる。

作業回転数を減少させて燃料消費を最適化する例を［図４］に示してある。

動的なニーズが高い場合には、不可避的に回転数急落が生じた場合に十分なトルクリザーブを提供するために、エンジン出力最大値に近い約１８００−２３００ｌ／ｍｉｎのレンジ内のエンジン回転数が必要である。その結果、このレンジの回転数が低下した場合にトルクカーブが上昇する。さらに、内燃機関のエンストを阻止する、煩雑な限界負荷制御が設けられなければならない。

作業回転数を約１４００−１６００ｌ／ｍｉｎの公称モーメントのレンジ内へ減少させる場合、突然生じる動的な負荷ピークはブースト（［図４］）によって最適に吸収することができる。

騒音減少のための作業回転数の減少が［図４］に示されている。

動的な要請が高い場合には、不可避的に回転数急落が生じた場合に十分なトルクリザーブを提供するために、エンジン出力最大に近い約１８００−２３００ｌ／ｍｉｎのレンジ内のエンジン回転数が必要である。

その結果、この回転数領域で回転数が低下した場合、トルクカーブが上昇する。さらに、内燃機関のエンストを阻止する、煩雑な限界負荷制御が設けられなければならない。

作業回転数が、約１４００−１６００ｌ／ｍｉｎのエンジンの公称モーメントの領域へ減少される場合に、突然発生する動的な負荷ピークは、ブースト（［図４］）によって吸収することができる。

［図６］は過給圧の上昇を示している。エンジンの動的挙動を改良するために、トルク水準が極めて低い相で、放出されるトルクとそれに伴って過給圧を上昇させるために、ローディング機能（［図６］）が能動化される。これは典型的に、油圧装置によって大きなトルク要請がなされる直前に、行われる。それと結びついた過給圧の上昇によって、油圧負荷が接続された場合にターボチャージャが良好に応答する。

エンジンの負荷を軽減ために、ブースト機能（［図１］［図５］）が作動されて切り替え弁７が同時に開放される。その後、油圧ポンプ２がモータとして作用して、内燃機関１のクランク軸または弾み車に設けられたリムを介して、貯蔵されているエネルギを油圧貯蔵器８から内燃機関１へ導入することによって、システム全体の動的挙動を著しく改良することができる。

代替的形態においては、エンジン負荷のよりソフトなオン／オフを実現するために、制御弁を介してブーストを無段階に制御することもできる。

同様に、油圧貯蔵器（８）内に貯蔵されているエネルギを介して油圧ポンプ（２）によってスタータ支援（スターティング）を行うことができる。

油圧貯蔵器の放出は、作業回路内の弁Ａおよび／または走行回路内の弁Ｂの開放を介して導入される。

この制御は、油圧力Ｐ_Speicherに対するＰ_Speise、トルクＭ_istに対するＭ_verfugbarの比と、エンジン温度Ｔ_Kと油圧温度Ｔ_Speizeに従って行われる。

エンジン回転数がゼロに等しい場合、弁Ａおよび／または弁Ｂおよび切替え弁が操作されて、油圧ポンプが内燃機関用の始動モータとして利用される。

高い基礎負荷を有する用途では、内燃機関の回転数がアイドリング回転数よりも小さい間（ｎ_ist＜ｎ_Leer）、内燃機関の回転数を上げる際のスタータを支援するために、同様な形式で貯蔵器（８）からエネルギを供給することができる。

スターティング支援は、自動的なスタート／ストップ機能を引き継ぐことができる。

エンジンがパラメータ化することのできる時間ｔの間アイドリングにおいて回転する場合に、エンジンはそれに続いて自動的に停止される。エンジン回転数がゼロに等しく、機器の運転者／操作者がアクセルペダルを踏み込んだ場合に、自動的に弁Ａおよび／または弁Ｂおよび切替え弁７が操作されて、油圧ポンプが内燃機関１のためのスタータモータとして利用される。それによって、燃料消費における高い節約効果がもたらされる。さらに、エンジンの電気スタータに負荷をかけることなく、エンジン１の始動が行われる。耐用期間における油圧貯蔵器の装填／放出サイクルの数は、通常、電気スタータにおいて可能な始動プロセスの数よりも大きい。

周囲温度が低く、かつエンジン能力の活用が極めて低い場合に、エンジンをより急速に駆動温度にすると、内燃機関は本来の駆動温度まで極めてゆっくりとしか暖まらず、この冷間相においてエンジンの磨耗は極めて高くなり、燃焼消費は最適にはならない。本発明では油圧ポンプを多数回装填／放出することによって、動的な負荷を発生させることができ、それがエンジンをより急速に駆動温度にする。

上記の機能を適用することによって、作業機械のパフォーマンスを効果的に向上でき、燃料消費とエンジンの磨耗を減少でき、エンジン能力を最適に活用できる。一時的な出力増によって、ダウンサイジングで駆動でき、ストローク空間がより小さいエンジンを使用でき、それによってエネルギ的により好ましくなる等の多くの利点が得られる。

本発明の適用原理は、油圧負荷および油圧駆動装置と組み合わせて、内燃機関またはガスエンジンを有するすべてのシステムで使用できる。

１ 内燃機関
２ 油圧ポンプ
３ 負荷
４ 油圧制御装置
５ 負荷
６ 圧力保持弁
７ 切り替え弁
８ 圧力貯蔵器
９ 制御モジュール
１０ 操作部材
１１ 弁
１２ 駆動ユニット
１３ 温度センサ
１４ 圧力センサ
１５ 圧力センサ
１６ 圧力センサ
Ｐ_Speise 油圧供給回路内の圧力
Ｐ_Speicher 油圧貯蔵器内の圧力
Ｔ_Speise 油圧供給回路内の温度
Ｔ_max 油圧貯蔵器内の最大許容される温度
Ｔ_min 油圧貯蔵器内の最小許容される温度
ｎ_ist 内燃機関の現在の回転数
ｎ_soll 内燃機関の現在の目標回転数
ｎ_Leer 内燃機関のアイドリング回転数
Ｍ_verfugbar 内燃機関の現在提供可能な最大のトルク
Ｍ_ist 内燃機関の現在放出されるトルク
Ｔ_K 内燃機関の冷却剤温度
Ｔ_max 機能のために最大許容される温度
Ｔ_min 機能のために最小許容される温度
ｎ_Gradient 回転数勾配
Ｐ_Gradient 供給圧力の勾配

Claims (11)

1. 少なくとも１つの負荷（５）と、
   上記負荷（５）および／または駆動ユニット（１２）へ油圧を供給するための取付け型および／または組込み型の油圧ポンプ（２）を有する内燃機関（１）と、
   エンジン制御および／または噴射制御用の少なくとも１つの電子エンジン制御装置（３）と、
   上記油圧ポンプ（２）から上記負荷（５）への流体の流れを制御する少なくとも１つの切替弁（７）と、
   上記油圧ポンプ（２）と流体連通した少なくとも１つの油圧貯蔵器（８）と、
   上記油圧ポンプ（２）と油圧貯蔵器（８）との間の流体の流れを制御する少なくとも１つの圧力保持弁（６）と、
   上記油圧負荷（５）、上記圧力保持弁（６）、上記切替弁（７）および油圧貯蔵器（８）を制御する少なくとも１つの油圧制御装置（４）と、
   を有する、油圧ポンプ２がモータとして作用し、貯蔵されているエネルギを内燃機関（１）のクランク軸または弾み車に設けられたリムを介して油圧貯蔵器（８）から内燃機関（１）へ導入してシステム全体の動的挙動を改良することができるハイブリッドシステムであって、
   上記油圧貯蔵器（８）の充填または放出が下記（１）〜（３）を関数として行われることを特徴とするハイブリッドシステム：
   （１）油圧貯蔵器（８）の油圧力Ｐ _Speicher に対する上記油圧ポンプ（２）からの供給ラインの油圧Ｐ _Speise の比、
   （２）エンジンの実際のＭ _verfugbar に対する使用可能なトルクＭ _ist の比、および
   （３）エンジン温度Ｔ _K および油圧温度Ｔ _Speise 。。
2. 上記負荷（５）が制御モジュール（９）を介して制御される請求項１に記載のハイブリッドシステム。
3. 上記駆動ユニット（１２）が操作部材（アクチュエータ）（１０）を介して油圧ポンプ（２）と連結している請求項１または２に記載のハイブリッドシステム。
4. 上記操作部材（１０）が上記油圧制御装置（４）によって制御される請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
5. 上記油圧貯蔵器（８）が少なくとも１つの圧力センサ（１４）を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
6. 上記制御モジュール（９）と上記切替え弁（７）の間に圧力センサが配置されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
7. 上操作部材（１０）と上油圧ポンプ（２）の間に圧力センサ（１６）が配置されている請求項１〜６のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
8. 上記エンジン制御装置（３）が温度センサ（１３）、圧力センサ（１４）、圧力センサ（１５）および圧力センサ（１６）と通信可能に配置されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のハイブリッドシステム。
9. 少なくとも１つの負荷（５）とこの負荷（５）および／または駆動ユニット（１２）へ油圧を供給するための取付け型および／または組込み型の油圧ポンプ（２）を有する内燃機関（１）とを用意し、
   さらに、上記油圧ポンプ（２）から上記負荷（５）への流体の流れを制御する少なくとも１つの切替弁（７）と、上記油圧ポンプ（２）と流体連通した少なくとも１つの油圧貯蔵器（８）と、上記油圧ポンプ（２）と油圧貯蔵器（８）との間の流体の流れを制御する少なくとも１つの圧力保持弁（６）とを用意し、
   上記油圧ポンプ（２）から上記負荷（５）および／または駆動ユニット（１２）へ油圧を供給し、
   少なくとも１つの電子エンジン制御装置（３）を用いて内燃機関（１）のエンジンおよび／または噴射を制御する、
   油圧ポンプ２がモータとして作用し、貯蔵されているエネルギを内燃機関（１）のクランク軸または弾み車に設けられたリムを介して油圧貯蔵器（８）から内燃機関（１）へ導入してシステム全体の動的挙動を改良することができるハイブリッドシステムの駆動方法であって、
   上記油圧貯蔵器（８）の充填または放出が下記（１）〜（３）を関数として行われることを特徴とする方法：
   （１）油圧貯蔵器（８）の油圧力Ｐ _Speicher に対する上記油圧ポンプ（２）からの供給ラインの油圧Ｐ _Speise の比、
   （２）エンジンの実際のＭ _verfugbar に対する使用可能なトルクＭ _ist の比、および
   （３）エンジン温度Ｔ _K および油圧温度Ｔ _Speise 。。
10. 前記センサを用いてエンジンの状態と機械状態を常に監視し、エンジン／機械の動特性および／または負荷挙動を最適化するように上記油圧貯蔵器の充填と放出を制御する請求項９に記載の方法。
11. 前記センサを用いてエンジンの状態と機械状態を常に監視し、かつ、エンジンの放出挙動に注意しながら、エンジン／機械の動特性および／または負荷挙動を最適化するように上記油圧貯蔵器の充填と放出を制御する請求項９に記載の方法。

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