JP2007023941A - 作業機械のエンジン制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷変動の大きい作業機械のエンジンでは、エンジンの回転数を落とすだけではオーバーヒート防止できない。また、暖機運転や比較的寒冷地での使用では、エンジンと同じ回転数にて冷却ファンを駆動する必要もない。そこで、冷却ファンの駆動消費エネルギーを低減でき、負荷変動の大きい場合でもオーバーヒートを防止できる作業機械のエンジン装置を提供する。
【解決手段】エンジン１を冷却する冷却ファン２を備えた建設機械において、エンジン１のトルクカーブ選択手段及び冷却水温度検出手段２３を備え、トルクカーブ選択手段は定格トルクカーブ５１と定格トルクに達する時の回転数が定格回転数より低い別トルクカーブ５２・５３とを選択可能とし、エンジン１は、前記冷却水温度検出手段２３の検出温度が所定温度以下であれば定格トルクカーブ５１で稼動し、前記温度検出手段の検出温度が所定温度以上であれば別トルクカーブ５２・５３で稼動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの駆動力により作動される作業機械、特に、建設機械において、エンジンと連動した冷却ファンのエネルギー低減かつエンジンオーバーヒート防止の両立の技術に関する。

建設機械の水冷式エンジンの冷却は、従来、ラジエターと冷却ファンによって行っており、冷却ファンの駆動は、エンジンの出力軸上に設けた駆動プーリーによりベルトを介して行うのが普通である。この場合、動力の伝達効率は極めて良好であるが、冷却ファンの回転数は、エンジン回転数により一義的に決まり、出力最大でかつ高温地域にてもオーバーヒートしないように設定されている。

エンジンのオーバーヒート防止の観点からは、特許文献１では、ラジエターの冷却水に冷却水温検出器を設け、検出水温が所定値を超えるとエンジンによって駆動される可変容量型油圧ポンプの吸収馬力を減ずる、エンジンのオーバーヒート防止装置が開示されている（特許文献１）。しかし、この装置は、エンジンによって駆動される可変容量型油圧ポンプのみに限定され汎用性がない。

一方、冷却を必要としないエンジン始動直後の暖気運転時や、比較的寒冷地での使用や、軽負荷作業時には、余分な冷却能力を有する回転数で駆動されており、エンジン出力が無駄にされるという問題があった。

冷却ファン消費エネルギー低減という観点からは、特許文献２では、冷却ファンの駆動をエンジン駆動又は可変容量型油圧ポンプによる油圧モータの駆動とし、外気温や冷却水温によって冷却ファンの回転数を制御する、冷却ファンの駆動装置が開示されている（特許文献２）。しかし、この装置は駆動変換装置や油圧モータなど機器構成が複雑でコストが高い。
実開平１−６６４２７号公報 特開平７−１１９５３号公報

冷却ファンをエンジンにて駆動する単純な構成において、負荷が増加した場合等ではエンジンの回転数を設定回転数に維持するように、従来、ガバナ装置により制御している。
図４は、通常のガバナ装置を用いたエンジンのトルクカーブを示している。トルクカーブは、エンジンの回転数を横軸に、エンジンの出力トルクを縦軸に表したグラフである。ガバナ装置は、定格回転数と定格トルクを通過する定格トルクカーブ６１を、同トルク出力にて回転数を低減した別トルクカーブ６２・６３に制御できる。
あるエンジンの定格トルクをＴ２０とした場合、作業時（エンジン運転時）に冷却水温度が所定値よりも上昇すると、速度操作装置を操作してガバナ装置によりトルクカーブを定格トルクカーブ６１から定格トルクに達する回転数を下げた別のトルクカーブ６２又は６３に変更してオーバーヒートとなることを防止している。
しかし、建設機械は、通常、負荷変動が大きく、高負荷と低負荷が連続して発生する特徴を持つ。前記トルクカーブが６２または６３としたときであって、高負荷と軽負荷が連続しているときに、軽負荷トルクＴ１０になると、ガバナ装置は回転数を上昇させるが、定格トルクカーブ６１の回転数よりも低いため、冷却ファンの回転数も低く、冷却能力が確保できずオーバーヒート防止策とはならない。

そこで、解決しようとする課題は、単純な構成にて、冷却ファンの駆動消費エネルギーを低減でき、負荷変動の大きい場合でもエンジンのオーバーヒートを防止できる作業機用エンジンを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、電子制御式のエンジンと、エンジンを冷却する冷却ファンを備えた作業機械において、エンジンのトルクカーブ選択手段と温度検出手段とこれらと接続して制御する制御装置を備え、前記トルクカーブ選択手段は、定格トルクが定格回転数と一致する定格点を通る定格トルクカーブと定格トルクに達する時の回転数が定格回転数より低い別トルクカーブとを選択可能とし、前記制御装置は、前記温度検出手段の検出温度が所定温度以下であれば定格トルクカーブでエンジンを稼動し、前記温度検出手段の検出温度が所定温度以上であれば別トルクカーブでエンジンを稼動するように制御するものである。

請求項２においては、前記別トルクカーブは複数あるものである。

請求項３においては、前記定格トルクカーブに比べ、前記別トルクカーブの回転数が減じる位置を中負荷位置としたものである。

請求項４においては、前記温度検出手段の検出対象をラジエターの冷却水温度としたものである。

請求項５においては、前記温度検出手段の検出対象を油圧作動油としたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、冷却ファン駆動の消費エネルギーを、エンジンに連動した冷却ファンの単純な構成にて、低減できる。

請求項２においては、請求項１の効果に加えて、エンジンの回転数の変化を小さくでき、作業機械の作業性及び操縦性が向上できる。

請求項３においては、請求項１及び請求項２の効果に加えて、負荷変動の大きいときでも、エンジンのオーバーヒートを防止できる。

請求項４においては、請求項１の効果に加えて、エンジン冷却水温度に対応した冷却ファン駆動の消費エネルギーの低減でき、エンジンのオーバーヒートを防止できる。

請求項５においては、請求項１の効果に加えて、油圧作動油に対応したエンジンのオーバーヒートを防止できる。

発明の実施例を説明する。
図１は本発明の実施例１を示した制御系統図、図２は本発明のエンジンのトルクカーブを示した図、図３は本発明の実施例２を示した制御系統図である。図４は従来のエンジンのトルクカーブを示した図である。

図１に示すように、本発明の実施例１を建設機械に適用される基本的な油圧回路を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲は本実施例に限定されるものではない。

エンジン１の周辺には、冷却ファン２、ラジエター３及び油圧ポンプ１１が設けられている。
エンジン１は、水冷式エンジンであり、該エンジン１の出力軸に油圧ポンプ１１の駆動軸を連結して、該エンジンの駆動力により油圧ポンプ１１を駆動する構成としている。この油圧ポンプ１１は、本実施例では定吐出量形ポンプとしたが、可変容量形としてもよい。
ラジエター３は、エンジン１の冷却装置であり、エンジン１のウオータージャケット内に冷却水を送り熱交換してシリンダブロック等を冷却し、冷却後の冷却水はラジエター３に戻され、冷却ファン２の冷却風によって冷却水は外気と熱交換する。この冷却ファン２は、エンジン１の出力軸に直接固定され、または、プーリーやベルト等を介して連動連結され、エンジンの動力により冷却ファン２が回転駆動される。但し、駆動の伝達方式については本実施例では特に限定しない。

前記油圧ポンプ１１の吸入部には、ストレーナ１４を介して作動油タンク１５と連通され、油圧ポンプ１１の吐出部にはチェックバルブ１２を介して、リリーフバルブ１３、圧力計１６及びフローコントロールバルブ１７と接続されている。
チェックバルブ１２は、緊急停止時の油圧ポンプ１１への逆流を防止するため、油圧ポンプ１１の吐出側に最初に設けられている。リリーフバルブ１３は、圧力計１６にて油圧回路内の圧力を確認し、適正圧力にて作業するように圧力調整している。フローコントロールバルブ１７は、油圧回路作動油の流量を制御する流量制御弁である。
一方、ストレーナ１４は、作動油中のごみをとる装置であり、タンク１５内に設置される。

アクチュエータは、本実施例では、油圧シリンダ１９とし、該油圧シリンダ１９は切換バルブ１８を介して油圧ポンプ１１からの圧油が送油されて、伸縮可能としている。該切換バルブ１８は運転操作部の操作レバーと電気的または機械的に連動連結され、該操作レバーの操作で切換バルブ１８を切り換えることにより、油圧シリンダ１９を伸縮させることができる。このアクチュエータについては、建設機械に適用され、例えばか、バックホーやローダの場合には、ブームシリンダやバケットシリンダ等を挙げることができ、油圧アクチュエータは油圧シリンダに限定するものではなく、油圧モータ等であってもよい。

制御装置となるコントローラ２１には、設定器２２やタイマ２６や冷却水温度検出手段２３や外気温度検出手段２５やエンジン１の回転等を制御するＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｏｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２７等が接続されている。該コントローラ２１はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えている。前記エンジン１は本実施例では電子ガバナ付きのディーゼルエンジンとして、燃料噴射ポンプのラック位置（燃料噴射量）を制御する構成としているが、電子制御式のガソリンエンジンであってもよい。
このような構成において、コントローラ２１は、ラジエター３に設置された冷却水温度検出手段２３にて検出された冷却水温度が、設定器２２によって設定された所定置を越えると、エンジン１のトルクカーブを選択できるトルクカーブ選択手段を備えている。このトルクカーブについては、詳細は後述する。このトルクカーブは複数有しておりマップとしてＲＯＭに記憶されている。
また、コントローラ２１は、エンジン廃熱や作動油温度に影響されない位置に設置された外気温度検出手段２５に検出された外気温度によって、トルクカーブ選択手段にてエンジン１のトルクカーブを選択できる。

図２に示しているのは、トルクカーブ選択手段にて選択できるトルクカーブである。
トルクカーブは、横軸にエンジンの回転数を、縦軸にエンジントルクを、表したエンジンの特性を示すカーブである。定格トルクカーブ５１は、定格回転数Ｎ１と定格トルクＴ２を通過する、通常のトルクカーブである。
ここで、第一トルクカーブ５２と第二トルクカーブ５３（以下は、双方をまとめて別トルクカーブとする）は、定格トルクＴ２において、回転数が、第一トルクカーブ５２はＮ２、第二トルクカーブ５３はＮ３を通過する（Ｎ３＜Ｎ２＜Ｎ１）。
一方、別トルクカーブ５２・５３は、中負荷トルクＴ１における回転数を、定格トルクカーブ５１と同じとする。言い換えれば、電子ガバナを有しないエンジンにおける定格トルク及び定格回転数を通過するトルクカーブにおける中負荷トルクＴ１における回転数をＮ４とすると、後述する冷却水温度が上昇して、回転数がＮ２またはＮ３の時に定格トルクＴ２となるような場合でも、負荷が減少して中負荷トルクＴ１に減少した場合には、ＥＣＵにより、いずれも回転数は上昇させて回転数Ｎ４を通るように制御するのである。
このように、コントローラ２１は、定格トルクカーブ５１とは異なった特性のトルクカーブを選択できるものとする。また、選択できるトルクカーブの本数は、本実施例の３本に限らないとする。

以下に、本実施例のエンジンオーバーヒート防止制御について説明する。
設定器２２は、エンジンオーバーヒートの危険領域となる冷却水温度を第一設定温度に、エンジンオーバーヒートの警告領域となる冷却水温度を第二設定温度に設定できる（第一設定温度＜第二設定温度）。コントローラ２１は、前記冷却水温度検出手段２３にて検出された水温が前記第一設定温度を越えた場合、前記第一トルクカーブ５２を選択する。さらに、水温が第二設定温度を越えた場合、前記第二トルクカーブ５３を選択する。
例えば、第一設定温度を９０℃、第二設定温度を９５℃とすれば、コントローラ２１は、前記冷却水温度検出手段２３にて検出された水温が９０℃を越えた場合、前記第一トルクカーブ５２を選択し、さらに水温が９５℃を越えた場合、前記第二トルクカーブ５３を選択する。

さらに、上述のエンジンオーバーヒート防止制御とは別に、冷却ファン２駆動の消費エネルギー低減の観点から、寒冷地での使用やエンジンの暖機運転の際には、コントローラ２１は、別トルクカーブ５２・５３を選択する。詳細な制御方法については、本実施例では限定しないが、冷却能力を必要としない状況であれば、できるだけエンジン回転数の低い別トルクカーブを選択できるようにすればよい。
例えば、コントローラ２１は、外気温度検出手段２５にて検出された外気温度が所定値以下であれば、別トルクカーブ５２・５３を選択する。また、例えば、コントローラ２１は、エンジン始動時に設定器２２にて設定された所定時間は、別トルクカーブ５２・５３を選択する。
但し、どのような状況でも、上述したエンジンオーバーヒート防止制御を優先させるとする。

このように、本実施例では、エンジン１の回転のみで駆動する冷却ファン２の単純な構成にて、エンジン１のトルクカーブを選択することで、冷却ファン２駆動の消費エネルギーを低減させている。
つまり、エンジン１の冷却能力をそれほど必要としない寒冷地での運転や暖機運転では、別トルクカーブ５２・５３を選択することで、冷却ファン２の回転数を低減し、消費エネルギーを低減している。

一方、選択できる別トルクカーブ５２・５３を、中負荷以上では定格トルクカーブ５１よりも回転数を低減し、中負荷以下では定格トルクカーブ５１同等の回転数としたことで、負荷変動の大きい建設機械に対して、負荷変動に対応したエンジンオーバーヒート防止を実施できる。
例えば、建設機械が、高負荷にて運転しており、冷却水温度が９０℃を越えた場合、コントローラ２１は第二トルクカーブ５２を選択し、回転数はＮ１からＮ２に低減するのでエンジン出力も下がりオーバーヒートを防止する。このとき、高負荷から低負荷に変動した場合は、第二トルクカーブ５２は中負荷以下では回転数が低減せず、エンジンの冷却能力は低下しない。
つまり、エンジン１は、高負荷では高トルク及び低回転数にて、低負荷では低トルク及び高回転数にて、駆動することによりオーバーヒートを防止するためにエンジン出力を低減するだけでなく、冷却能力を可能な限り大きくしているのである。
また、作業者は、選択できるトルクカーブを２本としたことで、エンジンの回転数変化の違和感を少なく感じる。

図３に示すように、実施例２は、油圧回路及びトルクカーブ（図２参照）は実施例１と同じであり、温度検出手段として作動油温度検出手段２４を油圧回路に設けている。
コントローラ２１は、作動油タンク１５に設置された作動油温度検出手段２４にて検出された作動油温度が、設定器２２によって設定された所定置を越えると、エンジン１のトルクカーブを選択できるトルクカーブ選択手段を備えている。このトルクカーブについては、詳細は実施例１同等とする。

以下に、本実施例のエンジンオーバーヒート防止制御について説明する。本実施例では、実施例１の冷却水温度の代わりに作動油温度とした以外は、実施例１同等である。
設定器２２は、適正油温の危険領域となる作動油温度を第一設定温度に、適正油温の警告領域となる作動油温度を第二設定温度に設定できる（第一設定温度＜第二設定温度）。コントローラ２１は、前記作動油温度検出手段２３にて検出された油温が前記第一設定温度を越えた場合、前記第一トルクカーブ５２を選択する。さらに、油温が第二設定温度を越えた場合、前記第二トルクカーブ５３を選択する。
例えば、第一設定温度を５５℃、第二設定温度を６５℃とすれば、コントローラ２１は、前記作動油温度検出手段２３にて検出された油温が５５℃を越えた場合、前記第一トルクカーブ５２を選択し、さらに油温が６５℃を越えた場合、前記第二トルクカーブ５３を選択する。

このように、作動油の温度上昇に伴ってエンジン出力を低減することで、作動油の劣化を防止できる。その他の効果は、実施例１同様であるので説明は省略する。なお、実施例１と実施例２を組み合わせて制御することも可能である。

なお、実施例１又は２に限定されることなく、例えば、冷却水温度検出手段２３にタイマ２６を加えて、別トルクカーブ５２・５３選択条件を「冷却水温度が８０℃で３０秒続く」としてもよい。
トルクカーブは、本実施例では２本を選択できることとしたが、エンジン回転数の変化に違和感がないように、さらに多くのトルクカーブを選択できるようにすればよい。

本発明の実施例１を示した制御系統図。 本発明のエンジンのトルクカーブを示した図。 本発明の実施例２を示した制御系統図。 従来のエンジンのトルクカーブを示した図。

符号の説明

１ エンジン
２ 冷却ファン
２３ 冷却水温度検出手段
５１ 定格トルクカーブ
５２ 第一トルクカーブ
５３ 第二トルクカーブ

Claims (5)

1. 電子制御式のエンジンと、エンジンを冷却する冷却ファンを備えた作業機械において、
   エンジンのトルクカーブ選択手段と温度検出手段とこれらと接続して制御する制御装置を備え、前記トルクカーブ選択手段は、定格トルクが定格回転数と一致する定格点を通る定格トルクカーブと定格トルクに達する時の回転数が定格回転数より低い別トルクカーブとを選択可能とし、前記制御装置は、前記温度検出手段の検出温度が所定温度以下であれば定格トルクカーブでエンジンを稼動し、前記温度検出手段の検出温度が所定温度以上であれば別トルクカーブでエンジンを稼動するように制御することを特徴とする作業機械のエンジン制御装置。
2. 前記別トルクカーブは複数あることを特徴とする請求項１記載の作業機械のエンジン制御装置。
3. 前記定格トルクカーブに比べ、前記別トルクカーブの回転数が減じる位置を中負荷位置としたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の作業機械のエンジン制御装置。
4. 前記温度検出手段の検出対象をラジエターの冷却水温度としたことを特徴とする請求項１記載の作業機械のエンジン制御装置。
5. 前記温度検出手段の検出対象を油圧作動油としたことを特徴とする請求項１記載の作業機械のエンジン制御装置。
   

Images