JP2006037864A - 建設機械の燃料冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成により燃料温度を制御する。
【解決手段】冷却ファン１０と、タンク６から原動機１に燃料を供給するとともに、原動機１からの余剰燃料をタンク６に戻す燃料回路と、燃料回路に介装され、冷却ファン１０から送風される冷却風との熱交換により燃料を冷却する燃料クーラ５と、原動機１の負荷を検出する負荷検出手段１４と、燃料温度を所定値に保つための原動機１の負荷と冷却ファン１０の回転数との関係を設定し、この関係に基づき、負荷検出手段１４により検出された負荷に応じた冷却ファン１０の目標回転数を演算する回転数演算手段１５と、冷却ファン１０の回転数を目標回転数に制御する回転数制御手段１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、建設機械に搭載されたエンジンに燃料を供給するにあたり、この燃料を冷却するための建設機械の燃料冷却装置に関する。

従来より、燃料温度の上昇によるエンジン出力の低下や燃費の悪化、排ガスの増加等を防止するため、燃料タンクへのリターン管路に燃料クーラを設け、この燃料クーラに冷却ファンの回転により冷却風を送風して、燃料を冷却するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。これによれば油圧モータの回転により冷却ファンを駆動するとともに、油圧ポンプから油圧モータへの圧油の供給をバイパスするように電磁切換弁を設ける。そして燃料タンク内の燃料温度を検出し、この検出値が設定温度以上になると電磁切換弁の切換により油圧モータを回転させ、設定温度以下になると油圧モータの回転を停止する。

特開平９−２４２６２４号公報

しかしながら、上記公報記載の装置では、燃料タンク内の燃料温度を検出するために温度センサを取り付ける必要があり、コストの上昇を招く。

本発明による建設機械の燃料冷却装置は、冷却ファンと、タンクから原動機に燃料を供給するとともに、原動機からの余剰燃料をタンクに戻す燃料回路と、燃料回路に介装され、冷却ファンから送風される冷却風との熱交換により燃料を冷却する燃料クーラと、原動機の負荷を検出する負荷検出手段と、燃料温度を所定値に保つための原動機の負荷と冷却ファンの回転数との関係を設定し、この関係に基づき、負荷検出手段により検出された負荷に応じた冷却ファンの目標回転数を演算する回転数演算手段と、冷却ファンの回転数を目標回転数に制御する回転数制御手段とを備えることを特徴とする。
冷却ファンを駆動する油圧モータと、油圧モータの回転数を目標回転数に応じて連続的に変更する回転数変更手段とにより回転数制御手段を構成することもできる。
燃料回路に燃料ポンプから圧送された燃料を蓄圧する蓄圧室を設け、蓄圧室からの燃料をタンクに戻すリターン回路に燃料クーラを介装することが好ましい。

本発明によれば、燃料温度を所定値に保つための原動機の負荷と冷却ファンの回転数との関係を設定し、この関係に基づき、負荷に応じて冷却ファンの回転数を制御するようにしたので、燃料温度を検出するためのセンサを設ける必要がなく、簡易な構成により燃料温度を制御することができ、コストを低減できる。

以下、図１〜図６を参照して本発明による建設機械の燃料冷却装置の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る燃料冷却装置の構成を示す回路図であり、燃料の循環する燃料回路と油圧回路を併せて示す。この燃料冷却装置は、油圧ショベル等の建設機械に設けられる。この種の建設機械は、例えば夏季等、雰囲気温度が高い環境下においてもエンジンを高負荷運転した状態で用いられるため、燃料の温度上昇が著しく燃料を冷却する要求がとくに強い。一方、燃料を冷却し過ぎるとかえって効率を損なうため、燃焼効率が最もよくなるような燃料温度（以下、目標温度）に保つ必要がある。

図１において、燃料回路は、燃料ポンプ２と、燃料ポンプ２から圧送された燃料を蓄圧する蓄圧室３と、蓄圧室３を介して供給された燃料を高圧にして噴射する噴射ノズル４と、エンジン１からの余剰燃料を燃料タンク６にリターンするリターン管路７と、リターン管路７に介装され、冷却風との熱交換により燃料を冷却する燃料クーラ５と、エンジン１からの燃料を燃料クーラ５をバイパスしてタンク６に導くバイパス管路８と、バイパス管路８に介装され、設定圧以上の燃料をバイパス管路８を介してタンク６に流すチェック弁９とを有する。なお、燃料ポンプ２，蓄圧室３，および噴射ノズル４はエンジン１に設けられる。

この種の燃料供給方式は、噴射ノズル４から噴射されるよりも多くの燃料が蓄圧室３に導かれる。そのため、この過剰燃料はエンジン１内部を通過する間に受熱する。この過剰燃料の受熱過程を、エンジン１の冷却に利用する場合がある。この種の燃料供給方式は一般にＰＴポンプ式（パイロットポンプ式）と呼ばれる。なお、エンジン１はエンジン冷却水によっても冷却される。これに対し、燃料ポンプ２からの燃料を蓄圧室３を介さずに噴射ノズル４に直接供給する方式は、ボッシュ式と呼ばれる。

ＰＴ式はボッシュ式に比べ燃料タンク６にリターンされる燃料が多く、エンジン１で加熱された燃料を燃料クーラ５を用いて冷却することにより、燃焼効率を高めるとともにエンジン１を効率よく冷却することができる。この場合、エンジン負荷率が小さいと、消費される燃料が少なくリターン量が多くなるため、リターン量とエンジン負荷との関係は、一般に図２に示すように右下がりの特性となる。なお、エンジン負荷率は次式(I)で表される。
エンジン負荷率＝実出力／エンジン定格出力
＝実燃料消費量／定格出力時の燃料消費量 (I)

一方、油圧回路は、エンジン１により駆動される油圧ポンプ１１と、油圧ポンプ１１からの圧油により回転し、冷却ファン１０を回転駆動する油圧モータ１２と、油圧ポンプ１１から油圧モータ１２へ供給される圧油量を制御する電磁比例弁１３とを有する。電磁比例弁１３はコントローラ１５からの制御信号によりきりかえられ、電磁切換弁１３の切換に応じて冷却ファン１０の回転数が変更される。この場合、燃料のリターン量が多いほど燃料自体のヒートマスが大きいため、燃料温度を目標温度とするのに必要な冷却風量は多くなり、リターン量とファン回転数（目標ファン回転数）との関係は、図３に示すように右上がりの特性となる。

以上の図２と図３の関係より、エンジン負荷率と目標ファン回転数との関係は、図４に示すように右下がりの特性となる。すなわちエンジン負荷率が大きいほど目標ファン回転数は小さくなる。本実施の形態では、予め図４の関係をメモリに記憶しておく。

コントローラ１５には、燃料噴射量に応じた電子ガバナのレバー角を検出する角度センサ１４が接続されている。コントローラ１５では角度センサ１４からの信号に応じて以下のような処理を実行し、電磁比例弁１３のソレノイドに制御信号を出力する。

図５は、コントローラ１５で実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは例えばエンジンキースイッチのオンによりスタートする。まず、ステップＳ１でエンジン１の暖機が終了したか否かを判定する。この判定は、例えば水温センサによるエンジン冷却水温の検出値が所定値以上になったか否か、あるいはエンジン始動から所定時間が経過したか否か等により行う。ステップＳ１が否定されるとステップＳ７に進み、電磁比例弁１３への制御信号の出力を停止し、電磁切換弁１３を位置イに切り換える。これにより油圧モータ１２への圧油の供給が停止され、冷却ファン１０は回転を停止する。

一方、ステップＳ１が肯定されるとステップＳ２に進み、角度センサ１４からの信号である電子ガバナのレバー角を読み込む。次いで、ステップＳ３でレバー角に対応した実燃料噴射量を上式(I)に代入し、エンジン負荷率を演算する。ステップＳ４では、予め記憶した図４の関係により負荷率に応じた目標ファン回転数を演算する。

次いで、ステップＳ５で予め設定された図６の関係により目標ファン回転数に対応した制御信号を演算する。この場合、目標ファン回転数が大きいほど電磁比例弁１３の切換量を大きくする必要があるため、図６では目標ファン回転数の増加に伴い制御信号が増加している。また、油圧ポンプ１１の回転数はエンジン回転数１に依存するので、エンジン回転数が大きいほどポンプ吐出量が多くなり、その分電磁比例弁１３の切換量を小さくできる。このため、図６ではエンジン回転数の増加に伴い特性が下方にシフトし、制御信号が減少している。ステップＳ６では、演算された制御信号を電磁比例弁１３に出力して電磁切換弁１３を位置ロ側に切り換え、リターンする。これにより油圧モータ１２に圧油が供給され、冷却ファン１０が目標ファン回転数で回転する。

次に、本実施の形態に係る燃料冷却装置の主要な動作を説明する。
油圧ショベルにより作業を行う場合、エンジン始動後、暖機が終了するまではエンジン１からの放熱量が小さいため、燃料温度も低い。このとき、電磁切換弁１３は位置イに切り換えられ（ステップＳ７）、冷却ファン１０の回転は停止するので、燃料の冷えすぎを防ぐことができる。その結果、燃料の粘性が大きくならず燃料ポンプ１１にかかる負担が低減され、燃費の悪化および燃焼効率の低下による排ガスの増加を防ぐことができる。

エンジン１の暖機が終了するとエンジン温度が上昇し、エンジン１からの放熱により、蓄圧室３からリターンする燃料の温度が上昇する。このとき、電磁切換弁１３が位置ロ側に切り換えられ（ステップＳ６）、油圧ポンプ１１から油圧モータ１２へ圧油が供給されて冷却ファン１０が回転し、冷却風との熱交換により燃料が冷却される。これにより燃焼効率の低下による排ガスの増加を防ぐことができるとともに、燃料の粘性が小さくなりすぎてピストンのかじりが発生したり、シール類が劣化することを抑制できる。

この場合、作業時の負荷が小さければエンジン負荷も小さく、蓄圧室３からタンク６へのリターン燃料は多い。このため、目標ファン回転数が増加し（図４，ステップＳ４）、電磁切換弁１３の切換量が増加して（ステップＳ５，ステップＳ６）、冷却ファン１０の回転が増速される。反対に、作業時の負荷が大きければエンジン負荷も大きく、リターン燃料は少ない。このため、目標ファン回転数は減少し、電磁切換１３弁の切換量が減少して、冷却ファン１０の回転が減速される。これにより燃料温度を目標温度に精度よく近づけることができる。

以上の実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）予めエンジン負荷率と目標ファン回転数との関係を設定するとともに（図４）、油圧ポンプ１１から油圧モータ１２への圧油の供給回路に電磁比例弁１３を設け、エンジン負荷率に応じた目標ファン回転数となるように電磁比例弁１３を制御するので、燃料温度を検出することなく燃料温度を目標温度に制御することができる。その結果、燃料温度検出用のセンサ等を設けることなく簡易な構成により燃料温度を制御することができ、コストを低減できる。

（２）油圧ポンプ１１から油圧モー１２タへの圧油量を電磁比例弁１３により制御するので、エンジン負荷率に応じて冷却ファン１０の回転数が連続的に変化し、燃料温度を精度よく目標値に近づけることができる。その結果、燃焼効率を最大限に向上することができる。これに対し、例えば電磁比例弁１３の代わりに電磁切換弁を設け、燃料温度が目標温度から所定値以上高くなったときに冷却ファン１０を回転し、所定値以上低くなったときに回転を停止するように構成すると、燃料温度と目標温度との乖離が大きく、燃焼効率を高めることが困難である。
（３）上記燃料冷却装置をＰＴ式の燃料供給方式に適用したので、燃焼効率を高めるだけでなくエンジン１を効率よく冷却することができる。また、ＰＴ式は燃料のリターン量が多いため、本発明を効果的に適用できる。

なお、燃料タンク６の燃料をエンジン１に供給するとともにエンジン１からの余剰燃料をタンク６に戻す燃料回路の構成は図１のものに限定されず、リターン管路７以外に燃料クーラ５を設けてもよい。角度センサ１４からの検出値によりエンジン１の負荷率を検出したが、負荷検出手段はこれに限らない。エンジン負荷率と目標ファン回転数との関係を予め設定し、この関係に基づき目標ファン回転数を演算するのであれば、回転数演算手段としてのコントローラ１５での処理は図５のものに限らない。電磁比例弁１３の切換量を調整して冷却ファン１０の回転数を制御したが、回転数制御手段の構成はこれに限らない。回転数変更手段として電磁比例弁１３を用いたが、例えば油圧ポンプ１１を可変容量形油圧ポンプとして構成し、ポンプ容量制御により油圧モータ１２の回転数を連続的に変更するようにしてもよい。

以上の燃料冷却装置は油圧ショベル以外の他の建設機械にも適用することができる。すなわち本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の燃料冷却装置に限定されない。

本発明の実施の形態に係る燃料冷却装置の構成を示す回路図。 燃料のリターン量とエンジン負荷との関係を示す図。 燃料のリターン量と冷却ファンの目標回転数との関係を示す図。 エンジン負荷率と目標ファン回転数との関係を示す図。 図１のコントローラで実行される処理の一例を示すフローチャート。 目標ファン回転数と制御信号およびエンジン回転数との関係を示す図。

符号の説明

１ エンジン
２ 燃料ポンプ
３ 蓄圧室
４ 噴射ノズル
５ 燃料クーラ
７ リターン管路
１０ 冷却ファン
１１ 油圧ポンプ
１２ 油圧モータ
１３ 電磁比例弁
１４ 角度センサ
１５ コントローラ

Claims (3)

1. 冷却ファンと、
   タンクから原動機に燃料を供給するとともに、前記原動機からの余剰燃料をタンクに戻す燃料回路と、
   前記燃料回路に介装され、前記冷却ファンから送風される冷却風との熱交換により燃料を冷却する燃料クーラと、
   前記原動機の負荷を検出する負荷検出手段と、
   燃料温度を所定値に保つための前記原動機の負荷と前記冷却ファンの回転数との関係を設定し、この関係に基づき、前記負荷検出手段により検出された負荷に応じた前記冷却ファンの目標回転数を演算する回転数演算手段と、
   前記冷却ファンの回転数を前記目標回転数に制御する回転数制御手段とを備えることを特徴とする建設機械の燃料冷却装置。
2. 請求項１に記載の建設機械の燃料冷却装置において、
   前記回転数制御手段は、
   前記冷却ファンを駆動する油圧モータと、
   前記油圧モータの回転数を前記目標回転数に応じて連続的に変更する回転数変更手段とを有することを特徴とする建設機械の燃料冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の建設機械の燃料冷却装置において、
   前記燃料回路は、燃料ポンプから圧送された燃料を蓄圧する蓄圧室を有し、
   前記燃料クーラは、前記蓄圧室からの燃料をタンクに戻すリターン回路に介装されることを特徴とする建設機械の燃料冷却装置。

Images