JP2005163698A

JP2005163698A - 作業機械のエンジン制御装置

Info

Publication number: JP2005163698A
Application number: JP2003405691A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Matsumoto; 毅松本; Masaya Haga; 誠哉羽賀
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】アイドリングストップ機能により無駄なアイドリング運転を減らして省エネルギー化や環境保護等を図ることができるとともに、アイドリングストップ後のエンジン再始動時におけるエンジンの負担を確実に軽減することのできる作業機械のエンジン制御装置を提供する。
【解決手段】操作量に応じたスロットル指令を出力する燃料ダイヤル２０と、この燃料ダイヤル２０から出力されるスロットル指令に応じてエンジン回転数を制御するガバナ機構（１７，１８）を備えてなり、前記燃料ダイヤル２０の操作量が最小または略最小（ＬＯＷ位置〜Ａ位置）とされると共にエンジン１３のアイドリング運転状態が所定時間継続されたことを判別してそのアイドリング運転状態にあるエンジン１３を停止させるようにガバナ機構（１７，１８）の作動を制御するコントローラ１５を設ける構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、アイドリングストップ機能を備えた作業機械のエンジン制御装置に関するものである。

従来、例えば油圧ショベルのような作業機械では、工事現場での他の作業との兼ね合いから作業待ち時間が長くなる場合が多く、一般的にエンジン稼動時間の約３０％がアイドリング運転の状態にあると言われている。そこで、省エネルギー化や環境保護の観点から、無駄なアイドリング運転をできるだけ減らすことを目的とするエンジン制御装置が、例えば特許文献１，２にて提案されている。

特開２００２−１３４２５号公報特開２００３−６５０９７号公報

前記特許文献１にて提案されているエンジン制御装置は、オペレータが運転席に居ないことを検出してから予め設定された時間が経過した後に、運転中のエンジンを停止させるように構成されている。一方、前記特許文献２にて提案されているエンジン制御装置は、作業機械の操作されない状態が予め設定された時間を超えたときに、もしくは操作レバーに付設のスイッチをオペレータが操作したときに、運転中のエンジンを停止させるように構成されている。

しかしながら、前記各特許文献にて提案されているエンジン制御装置では、エンジンが停止される直前のスロットル操作量（スロットル位置）が保持された状態でアイドリングストップ機能の作動によりエンジンが停止されるようになっており、例えばエンジンが停止される直前のスロットル操作量がフル状態でその後アイドリングストップ機能の作動によりエンジンが停止された場合、かかるエンジン停止後においてエンジンが再始動されると、エンジン回転数がフルスロットルに対応する回転数にまで急激に上昇されてしまい、エンジンに大きな負担がかかるという問題点がある。

本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、アイドリングストップ機能により無駄なアイドリング運転を減らして省エネルギー化や環境保護等を図ることができるとともに、アイドリングストップ後のエンジン再始動時におけるエンジンの負担を確実に軽減することのできる作業機械のエンジン制御装置を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明による作業機械のエンジン制御装置は、
操作量に応じたスロットル指令を出力するスロットル操作手段と、このスロットル操作手段から出力されるスロットル指令に応じてエンジン回転数を制御するエンジン回転数制御手段を備える作業機械のエンジン制御装置において、
前記スロットル操作手段の操作量が最小または略最小とされると共にエンジンのアイドリング運転状態が所定時間継続されたことを判別してそのアイドリング運転状態にあるエンジンを停止させるエンジン停止手段を設けることを特徴とするものである（第１発明）。

本発明において、前記所定時間を可変に設定する設定手段が設けられるのが好ましい（第２発明）。

第１発明によれば、スロットル操作手段の操作量が最小または略最小とされると共にエンジンのアイドリング運転状態が所定時間継続されたことを判別してそのアイドリング運転状態にあるエンジンが停止されるので、かかるエンジン停止後においてエンジンの再始動が行われる際にはスロットル操作手段の操作量が最小または略最小とされた状態で行われることになり、エンジン再始動時のエンジン回転数を低く抑えることができる。したがって、アイドリングストップ機能により無駄なアイドリング運転を減らして省エネルギー化や環境保護等を図ることができるとともに、アイドリングストップ後のエンジン再始動時におけるエンジンの負担を確実に軽減することができる。

また、第２発明の構成を採用することにより、作業の種類やそのときどきの状況に合わせて、エンジンのアイドリング運転が停止されるまでの時間を任意に設定することができるので、作業効率を損なうことなく省エネルギー化を適正に図ることができる。

次に、本発明による作業機械のエンジン制御装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態は、作業機械として油圧ショベルに本発明のエンジン制御装置が適用された例である。

図１には、本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの側面図が示されている。また、図２には、本実施形態に係る油圧ショベルのエンジン制御装置を含む駆動系の全体概略システム構成図が示されている。

本実施形態の油圧ショベル１は、図１に示されるように、走行用油圧モータ２ａにより駆動される走行装置２ｂを備えてなる下部走行体２と、旋回用油圧モータ３ａにより駆動される旋回装置３と、この旋回装置３を介して前記下部走行体２上に配される上部旋回体４と、この上部旋回体４の前部中央位置に取着される作業機５と、その上部旋回体４の前部左方位置に設けられる運転室６を備えて構成されている。前記作業機５は、上部旋回体４側から順にブーム７、アーム８およびバケット９がそれぞれ回動可能に連結されてなり、これらブーム７、アーム８およびバケット９のそれぞれに対応するように油圧シリンダ（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２）が配置されている。

この油圧ショベル１の駆動系は、図２に示されるように、ディーゼル式のエンジン１３と、このエンジン１３により駆動される可変容量型の油圧ポンプ１４と、コントローラ１５を備えている。

前記エンジン１３には、燃料噴射ポンプ１６とガバナ（本発明における「エンジン回転数制御手段」に相当する。）１７とが併設され、このガバナ１７の燃料コントロールレバー１７ａがガバナ駆動モータ１８にて駆動されるように構成されている。また、この燃料コントロールレバー１７ａの駆動位置はポテンショメータ１９により検出され、その検出信号がコントローラ１５に入力されるようになっている。さらに、エンジン１３のスロットル量を設定するために燃料ダイヤル（本発明における「スロットル操作手段」に相当する。）２０が設けられ、この燃料ダイヤル２０に付設されるポテンショメータ２０ａからのスロットル信号がコントローラ１５に入力されるようになっている。また、エンジン１３の実回転数は回転数センサ２１にて検出され、その検出信号もコントローラ１５に入力されるようになっている。

本実施形態においては、主にコントローラ１５、ガバナ１７、ガバナ駆動モータ１８、ポテンショメータ１９および燃料ダイヤル２０によってエンジン制御装置２２が構成されている。このエンジン制御装置２２においてコントローラ１５は、燃料ダイヤル２０により入力されるスロットル信号（目標回転数信号）と回転数センサ２１にて検出されるエンジン１３の実際の回転数信号との偏差信号に基づき、所定の関数関係を満足させる電圧を駆動信号として発生し、この駆動信号に基づきガバナ駆動モータ１８を駆動する。そして、ガバナ１７は、図３に示されるようなエンジン出力トルク特性となるようにエンジン１３を制御する。

ここで、例えば、図２において示される燃料ダイヤル２０が最大位置（ＦＵＬＬ位置）にセットされているとすると、ポテンショメータ２０ａからの出力信号は最大目標エンジン回転数（最大アイドリング回転数）Ｎ_ｍａｘ（図３参照）を示す大きさに設定されており、コントローラ１５からはその最大目標エンジン回転数Ｎ_ｍａｘに対応するモータ駆動信号がガバナ駆動モータ１８に加えられる。これにより、ガバナ駆動モータ１８は、最高速レギュレーションラインＬ_ｍａｘ（図３参照）が設定されるように燃料コントロールレバー１７ａを作動させ、エンジン１３の出力馬力およびエンジン回転数が自動設定される。また、図２において示される燃料ダイヤル２０が最小位置（ＬＯＷ位置）にセットされているとすると、ポテンショメータ２０ａからの出力信号は最小目標エンジン回転数（最小アイドリング回転数）Ｎ_ｍｉｎ（図３参照）を示す大きさに設定されており、コントローラ１５からはその最小目標エンジン回転数Ｎ_ｍｉｎに対応するモータ駆動信号がガバナ駆動モータ１８に加えられる。これにより、ガバナ駆動モータ１８は、最低速レギュレーションラインＬ_ｍｉｎ（図３参照）が設定されるように燃料コントロールレバー１７ａを作動させ、エンジン１３の出力馬力およびエンジン回転数が自動設定される。

また、例えば、図２において示される燃料ダイヤル２０が全操作量の１０％となる位置（Ａ位置）にセットされているとすると、ポテンショメータ２０ａからの出力信号は最小目標エンジン回転数（最小アイドリング回転数）Ｎ_ｍｉｎよりも所定割合だけ高い目標エンジン回転数Ｎ_Ａ（図３参照）を示す大きさに設定され、コントローラ１５からはその目標エンジン回転数Ｎ_Ａに対応するモータ駆動信号がガバナ駆動モータ１８に加えられる。これにより、ガバナ駆動モータ１８は、最低速レギュレーションラインＬ_ｍｉｎよりも所定割合だけ高速側にレギュレーションラインＬ_Ａ（図３参照）が設定されるように燃料コントロールレバー１７ａを作動させる。また、コントローラ１５からガバナ駆動モータ１８に対してエンジン停止指令に対応するモータ駆動信号が加えられると、ガバナ駆動モータ１８は、燃料噴射ポンプ１６による燃料噴射が無噴射となるように、燃料コントロールレバー１７ａを作動させ、エンジン１３の運転が停止される。

さらに、前記エンジン１３には、そのエンジン１３を始動するエンジン始動装置２３が付設されている。このエンジン始動装置２３は、スタータ２４やスタータスイッチ２５、バッテリ２６、バッテリリレー２７、それら機器を接続する配線等を備えて構成されている。このエンジン始動装置２３においては、スタータスイッチ２５を操作して始動位置にすると、スタータ２４へ始動信号が流れるとともに、バッテリ２６からの電力がバッテリリレー２７を介してスタータ２４に供給され、これによりスタータ２４がエンジン１３を駆動してエンジン１３が始動されるようになっている。

前記油圧ポンプ１４から吐出される圧油は、各油圧アクチュエータ（走行用油圧モータ２ａ、旋回用油圧モータ３ａ、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２）に対応して設けられるパイロット圧操作形方向切換弁（図示省略）の集合体であるコントロールバルブ２８を介して走行用油圧モータ２ａ、旋回用油圧モータ３ａおよび各種油圧シリンダ（ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、バケットシリンダ１２）にそれぞれ供給されるようになっている。

前記運転室６内には、上部旋回体４の旋回動作および作業機５の屈曲起伏動作を操作する作業機操作レバー２９と、同運転室６内に配されて下部走行体２の走行動作を操作する走行操作レバー３０とが設けられている。また、この作業機操作レバー２９および走行操作レバー３０にはそれぞれ減圧弁３１，３２が付設されており、各操作レバー２９，３０の操作に応じたパイロット圧油が各減圧弁３１，３２から吐出されるようになっている。そして、各減圧弁３１，３２から吐出されるパイロット圧油は、コントロールバルブ２８における所定のパイロット圧油入力ポートに入力されて所定の油路切換動作が行われるようになっている。こうして、作業機操作レバー２９の所定の操作にて上部旋回体４の旋回動作と作業機５の屈曲起伏動作とが行われるようにされるとともに、走行操作レバー３０の所定の操作にて下部走行体２の走行動作が行われるようにされている。また、作業機操作レバー２９および走行操作レバー３０のそれぞれの操作状態を示す操作信号は、各減圧弁３１，３２に付設される油圧スイッチ３３，３４を介してコントローラ１５に入力されるようになっている。本実施形態においてそれら操作レバー２９，３０の所定の操作にてコントローラ１５に入力される操作信号は、以下に述べる計８種類である。
（１）上部旋回体４の旋回動作に対応する旋回操作信号
（２）ブーム７の上げ動作に対応するブーム上げ操作信号
（３）ブーム７の下げ動作に対応するブーム下げ操作信号
（４）アーム８を前方に送り出す動作に対応するアームダンプ操作信号
（５）アーム８を手前に引き込む動作に対応するアーム掘削操作信号
（６）バケット９を前方に送り出す動作に対応するバケットダンプ操作信号
（７）バケット９を手前に引き込む動作に対応するバケット掘削操作信号
（８）下部走行体２の走行動作に対応する走行操作信号

前記コントローラ１５は、図示による詳細説明は省略するが、所定プログラムに基づき演算処理を行う中央演算処理部と、このプログラム、更には各種テーブルや設定条件等を記憶する記憶部と、各種信号を入出力する入出力部とより構成されている。また、このコントローラ１５には、入出力手段としてのモニタパネル３５が接続されている。このモニタパネル３５は、設定条件等をコントローラ１５に入力するキーパット部３５ａと、コントローラ１５から出力された信号をゲージやメッセージの形式で表示するディスプレイ部３５ｂとを有している。ここで、前記中央演算処理部には、所定時間を計時する計時手段としてのタイマー１５ａが含まれており、このタイマー１５ａによって計時される所定時間は、モニタパネル３５におけるキーパット部３５ａの操作によって任意に設定されるようになっている。

次に、前記エンジン制御装置の制御内容について、図４のフローチャートを参照しつつ以下に説明する。なお、このフローチャートに基づく処理動作は、エンジン１３がフルスロットル状態で運転されている状態から行われる例である。また、図中記号「Ｓ」はステップを表わす。

Ｓ１〜Ｓ２：エンジン１３がアイドリング運転状態であるか否かを判断する（Ｓ１）。すわなち、コントローラ１５に対して前記（１）〜（８）の各種操作信号のいずれか１種以上が入力されているときには、エンジン１３がアイドリング運転状態にないと判断し、エンジン１３の運転を継続する（Ｓ２）。一方、コントローラ１５に対して前記（１）〜（８）の各種操作信号のいずれもが入力されていないときには、エンジン１３がアイドリング運転状態にあると判断する。

Ｓ３：前記ステップＳ１において、エンジン１３がアイドリング運転状態にある判断した場合には、燃料ダイヤル２０に付設のポテンショメータ２０ａからのスロットル信号に基づいてその燃料ダイヤル２０が全操作量の０〜１０％の範囲（ＬＯＷ位置〜Ａ位置：図２参照）内となる位置にまでオペレータにより操作されているか否かを判断する。このステップＳ３において、燃料ダイヤル２０の操作量が全操作量の１０％を超えていると判断した場合には、エンジン１３の運転を継続する（Ｓ２）。

Ｓ４〜Ｓ５：前記ステップＳ３において燃料ダイヤル２０が全操作量の０〜１０％の範囲内となる位置にまで操作されていると判断してからタイマー１５ａにより計時を開始して、所定時間（本実施形態では１０秒程度）が経過したか否かを判断する（Ｓ４）。タイマー１５ａによる計時結果が前記所定時間を超えていない場合には、エンジン１３の運転を継続する（Ｓ２）。一方、タイマー１５ａによる計時結果が前記所定時間を超えた場合には、コントローラ１５からガバナ駆動モータ１８に対しエンジン停止指令に対応するモータ駆動信号を送信し、エンジン１３を停止させる（Ｓ５）。

なお、前記ステップＳ５によりエンジン１３が停止された後のエンジン再始動は、オペレータがスタータスイッチ２５を始動位置に操作することにより行われる。また、前記ステップＳ５にてエンジン１３が停止された後においても、システム内の電源を確保するためにコントローラ１５は、自らバッテリリレー２７を駆動する。

本実施形態によれば、オペレータによる燃料ダイヤル２０の操作にてその燃料ダイヤル２０の操作量が全操作量の０〜１０％の範囲（ＬＯＷ位置〜Ａ位置：図２参照）内とされてからエンジン１３のアイドリング運転状態が所定時間（１０程度）継続されたときにそのアイドリング運転状態にあるエンジン１３が停止されるので、かかるエンジン停止後においてエンジン１３の再始動が行われる際には燃料ダイヤル２０の操作量が全操作量の０〜１０％の範囲内とされた状態で行われることになり、エンジン再始動時のエンジン回転数をＮ_ｍｉｎ〜Ｎ_Ａ（図３参照）の低回転数域に確実に抑えることができる。したがって、アイドリングストップ機能により無駄なアイドリング運転を減らして省エネルギー化や環境保護等を図ることができるとともに、アイドリングストップ後のエンジン再始動時におけるエンジン１３の負担を確実に軽減することができる。

図５には、本発明の他の実施形態に係る油圧ショベルのエンジン制御装置を含む駆動系の全体概略システム構成図が示されている。本実施形態のエンジン制御装置２２Ａにおいては、コントローラ１５からスタータ２４に向けて始動信号を流す信号線３６が設けられ、コントローラ１５からの指令にてもエンジン１３を始動することができるようにされている。また、作業機操作レバー２９のブーム上げ操作方向の変位を検出するポテンショメータ３７が設けられ、このポテンショメータ３７の検出信号がコントローラ１５に入力されるようにされている。それら以外の構成については、先の実施形態と同様であるため、図に対応する符号を付してその詳細な説明を省略することとする。

次に、本実施形態に係るエンジン制御装置２２Ａの制御内容について、図６のフローチャートを参照しつつ以下に説明する。なお、このフローチャートに基づく処理動作は、先の実施形態と同様にエンジン１３がフルスロットル状態で運転されている状態から行われる例である。また、図中記号「Ｒ」はステップを表わす。

Ｒ１〜Ｒ２：エンジン１３がアイドリング運転状態であるか否かを判断する（Ｒ１）。すわなち、コントローラ１５に対して前記（１）〜（８）の各種操作信号のいずれか１種以上が入力されているときには、エンジン１３がアイドリング運転状態にないと判断し、エンジン１３の運転を継続する（Ｒ２）。一方、コントローラ１５に対して前記（１）〜（８）の各種操作信号のいずれもが入力されていないときには、エンジン１３がアイドリング運転状態にあると判断する。

Ｒ３：前記ステップＲ１において、エンジン１３がアイドリング運転状態にある判断した場合には、燃料ダイヤル２０に付設のポテンショメータ２０ａからのスロットル信号に基づいてその燃料ダイヤル２０が全操作量の０〜１０％の範囲（ＬＯＷ位置〜Ａ位置：図２参照）内となる位置にまでオペレータにより操作されているか否かを判断する。このステップＲ３において、燃料ダイヤル２０の操作量が全操作量の１０％を超えていると判断した場合には、エンジン１３の運転を継続する（Ｒ２）。

Ｒ４〜Ｒ５：前記ステップＲ３において燃料ダイヤル２０が全操作量の０〜１０％の範囲内となる位置にまで操作されていると判断してからタイマー１５ａにより計時を開始して、所定時間（本実施形態では１０秒程度）が経過したか否かを判断する（Ｒ４）。タイマー１５ａによる計時結果が前記所定時間を超えていない場合には、エンジン１３の運転を継続する（Ｒ２）。一方、タイマー１５ａによる計時結果が前記所定時間を超えた場合には、コントローラ１５からガバナ駆動モータ１８に対しエンジン停止指令に対応するモータ駆動信号を送信し、エンジン１３を停止させる（Ｒ５）。

Ｒ６〜Ｒ７：前記ステップＲ５にてエンジン１３が停止された後において、作業機操作レバー２９がブーム上げ操作方向に操作されたか否かを判断する（Ｒ６）。コントローラ１５に対してポテンショメータ３７からの操作検出信号が入力された場合には、コントローラ１５からスタータ２４に対し始動信号を送信してエンジン１３を始動させ（Ｒ７）、その後エンジン１３の運転を継続する（Ｒ２）。一方、コントローラ１５に対してポテンショメータ３７からの操作検出信号が入力されていない場合には、エンジン１３の停止状態を維持する。

本実施形態によれば、先の実施形態と同様の作用効果を得ることができるのは勿論のこと、アイドリングストップ後において作業機操作レバー２９をブーム上げ操作方向に操作することでエンジン１３を再始動することができるようにされているので、かかる再始動操作と同時に実作業を開始することができ、作業効率を向上させることができるという利点がある。なお、本実施形態では、作業機操作レバー２９のブーム上げ操作方向の変位を検出するポテンショメータ３７が設けられ、このポテンショメータ３７からの操作検出信号をエンジン１３の再始動を行う上でのトリガーとされているが、これは油圧ショベル１により実作業を開始する際の初動動作として一般にブーム上げ動作が行われることによるものであり、ブーム上げ操作検出信号以外の操作検出信号を、エンジン１３の再始動を行う上でのトリガーとする態様も勿論あり得る。

なお、前記各実施形態に係るエンジン制御装置２２，２２Ａにおいて、エンジン１３がアイドリング運転状態にされると同時にスロットル操作量が全操作量の０〜１０％の範囲内とされるような場合であっても、前記ステップＳ１（Ｒ１）およびステップＳ３（Ｒ３）により逐次処理されて、次のステップＳ４（Ｒ４）の処理内容が実行される。また、かかる逐次処理に代えて、前記ステップＳ１（Ｒ１）に係る判断とステップＳ３（Ｒ３）に係る判断とを並列して行い、両判断結果が共に「ＹＥＳ」であるときに、前記ステップＳ４（Ｒ４）に係る処理内容を実行するようなアルゴリズムを採用しても良い。

また、前記各実施形態においては、燃料ダイヤル２０の操作量に基づきコントローラ１５およびガバナ駆動モータ１８を介して燃料コントロールレバー１７ａを作動させてその燃料ダイヤル２０の操作量に応じたスロットル指令を出力するように構成されたスロットル操作機構が採用された例を示したが、このスロットル操作機構に代えて、図７に示されるようなスロットル操作機構を採用することも可能である。この図７に示されるスロットル操作機構においては、エンジン１３のスロットル量を設定するためにスロットルレバー（本発明における「スロットル操作手段」に相当する。）４０が設けられ、このスロットルレバー４０に加えられる操作力をワイヤーケーブル４１やリンク機構４２等の機械的伝達手段を介して燃料コントロールレバー１７ａに伝達しそのスロットルレバー４０の操作量に応じたスロットル指令を出力するようにされている。また、スロットルレバー４０に付設されるポテンショメータ４０ａからのスロットル信号がコントローラ１５に入力され、スロットルレバー４０の操作量が検出されるようになっている。また、燃料噴射ポンプ１６による燃料噴射が無噴射となるように燃料コントロールレバー１７ａを駆動するプッシュ型ソレノイド（もしくはモータ）４３が設けられ、コントローラ１５からそのプッシュ型ソレノイド４３に対してエンジン停止指令に対応する駆動信号が加えられると、そのプッシュ型ソレノイド４３が作動されてエンジン１３の運転が停止されるようになっている。

本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの側面図本実施形態に係る油圧ショベルのエンジン制御装置を含む駆動系の全体概略システム構成図エンジン出力トルク特性線図本実施形態に係るエンジン制御装置の制御内容を説明するフローチャート他の実施形態に係る油圧ショベルのエンジン制御装置を含む駆動系の全体概略システム構成図他の実施形態に係るエンジン制御装置の制御内容を説明するフローチャートスロットル操作機構の他の態様例を説明する図

符号の説明

１油圧ショベル
１３エンジン
１５コントローラ
１５ａタイマー
１７ガバナ（エンジン回転数制御手段）
１８ガバナ駆動モータ
２０燃料ダイヤル（スロットル操作手段）
２２，２２Ａエンジン制御装置
３５モニタパネル
４０スロットルレバー（スロットル操作手段）
４３プッシュ型ソレノイド

Claims

操作量に応じたスロットル指令を出力するスロットル操作手段と、このスロットル操作手段から出力されるスロットル指令に応じてエンジン回転数を制御するエンジン回転数制御手段を備える作業機械のエンジン制御装置において、
前記スロットル操作手段の操作量が最小または略最小とされると共にエンジンのアイドリング運転状態が所定時間継続されたことを判別してそのアイドリング運転状態にあるエンジンを停止させるエンジン停止手段を設けることを特徴とする作業機械のエンジン制御装置。
前記所定時間を可変に設定する設定手段が設けられる請求項１に記載の作業機械のエンジン制御装置。