JP2009257103A - 建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料フィルタの目詰り状況を運転中に把握できると共に、燃料フィルタの正確な交換時期を事前に把握できる燃料フィルタ目詰り監視装置を提供する。
【解決手段】燃料タンク９からエンジン１に供給される燃料を濾過するフィルタ２の目詰りを監視する建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置であって、前記エンジン１の回転数及び燃料噴射量を制御するエンジンコントローラ３と、前記燃料フィルタ２の差圧を検出する差圧検出器５とを備え、前記エンジンコントローラ３から取り込んだ燃料消費量から燃料流量を算出し、該燃料流量と前記差圧検出器５で検出した差圧とを、前記フィルタ２の差圧と燃料流量とに基づいて設定されるフィルタ２の新品状態から使用限界に至る目詰り特性に照合して、前記フィルタ２の目詰り度合を演算し、その演算結果を表示する制御手段４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に使用されるディーゼルエンジンに供えられた燃料フィルタの目詰り監視装置に関する。

一般に、油圧ショベル等の建設機械に使用されるディーゼルエンジンの燃料供給回路には、燃料フィルタが設けられている。燃料フィルタは、燃料中の異物をフィルタ内に留め、異物の除去された清浄な燃料をディーゼルエンジンに供給する。したがって、建設機械を継続して安定運転するためには、燃料フィルタを適切な時期に交換することが必要である。

燃料フィルタの適切な交換時期を把握するために、燃料タンクの燃料残量の検出信号と燃料フィルタの下流側の圧力信号を取り込み、これらの信号からフィルタの目詰り状態を演算し、フィルタ目詰りによる圧力低下時に警報表示する燃料フィルタ目詰り検知装置がある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−２８３７２４号公報

燃料フィルタの寿命は、燃料の性状や、機械の稼働状況・負荷状況に大きく依存することから、その交換インターバルは、ある一定の余裕をもって運用されているが、これらの依存要因によって燃料フィルタが目詰まりを起こした状態で使用を続けると、燃料サクション圧の低下による燃料ポンプのキャビテーションや、フィルトレーション悪化による汚染物の流出等により、燃料システムに支障を来したり、故障を引き起こすことがある。

また、性状の良好な燃料を使用できる地域や国での稼動には、支障を来たさないが、良好な燃料の入手が困難、または、燃料の管理方法に問題がある等の地域や国で建設機械を稼動させた場合、燃料フィルタの寿命が極端に悪化することがある。この場合、燃料性状が良くない状況で稼動している建設機械に対する燃料フィルタの交換には、そのフィルタの故障原因の調査、分析等に多大な時間を要することになり、その間、建設機械を停止させなければならないという問題が生じる。このため、建設機械の燃料フィルタ交換の時期を正確にかつ事前に把握することが重要になる。

上述した燃料フィルタ目詰り検知装置の場合、燃料フィルタの交換時期を正確に知ることはできる。しかし、燃料フィルタ交換の時期を通知する手段が警報であるため、警報発生前には燃料フィルタの目詰りの程度や現燃料フィルタの使用可能期限を知ることはできない。したがって、この燃料フィルタ目詰り検知装置のみの場合には、燃料フィルタ交換の時期を、事前に余裕を持って設定することは難しいという点が指摘されている。

このため、燃料フィルタの目詰り状況を運転中に把握できると共に、燃料フィルタの正確な交換時期を事前に把握できる燃料フィルタ目詰り監視装置が要求されている。

本発明は、上述の事項に基づいてなされたもので、その目的は、燃料フィルタの目詰り状況を運転中に把握できると共に、燃料フィルタの正確な交換時期を事前に把握できる燃料フィルタ目詰り監視装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、燃料タンクからエンジンに供給される燃料を濾過するフィルタの目詰りを監視する建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置であって、前記エンジンの回転数及び燃料噴射量を制御するエンジンコントローラと、前記燃料フィルタの入口側圧力と出口側圧力との差圧を検出する差圧検出器と、前記フィルタの差圧と燃料流量とに基づいて設定されるフィルタの新品状態から使用限界に至る目詰り特性、及び前記ディーゼルエンジンの定格時の燃料消費量を記憶する記憶部と、前記エンジンコントローラから取り込んだ燃料消費量と前記記憶部に記憶した前記定格時の燃料消費量とからエンジン負荷率を演算する第１の手順と、前記第１の手順で演算したエンジン負荷率に基づいて単位時間当たりの燃料流量を演算する第２の手順と、前記第２の手順で演算した燃料流量と前記差圧検出器で検出した差圧とを、前記記憶部に記憶した前記フィルタの目詰り特性に照合して、前記フィルタの目詰り度合を演算し、その演算結果を表示信号として出力する第３の手順と、を実行する演算部とを有する制御手段を有する。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段からの表示信号を取り込み、目詰りの度合を表示する表示器を有する。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記制御手段は、前記燃料流量と前記差圧検出器で検出した差圧とを、前記記憶部に記憶した前記フィルタの目詰り特性に照合して、前記特性の使用限界に達したときに警報を出力する第４の手順を更に実行する。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、好ましくは、前記警報出力のための警報器を有する。

本発明によれば、稼働中の建設機械におけるエンジンの燃料流量と燃料フィルタの差圧を演算及び計測し、予め設定された燃料フィルタの目詰り特性と照合演算し、その演算結果を表示する。このことにより、燃料フィルタの目詰り状況を機械の稼働中に把握できる。この結果、事前に燃料フィルタの交換までの余裕が確認でき、突然、目詰り警報が点灯し、稼働中断を余儀なくされたり、不良状態での稼働を継続することを回避できる。また、事前に状態確認できるので、計画的なフィルタ交換を行うことにより、停止時間が短縮され、建設機械の稼働率を向上させることができる。

以下、本発明の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置の一実施の形態を備えたシステム構成を示す図である。この図１において、１は建設機械のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）である。エンジン１は、燃料噴射装置（図示せず）を有している。この燃料噴射装置には、この燃料噴射装置に燃料を供給する燃料ポンプ１０が連結している。燃料ポンプ１０は、燃料を濾過する燃料フィルタ２の出口側に連結され、燃料フィルタ２の入口側は、燃料供給管１３によって燃料タンク９の底部側に連結されている。燃料噴射装置で余剰となった燃料は、燃料戻し管１４によって燃料タンク９に戻される。燃料戻し管１４には、排ガス規制対応のための燃料の温度上昇を防ぐ燃料クーラ１１と、燃料温度の低温時と燃料クーラ１１の保護のための低圧リリーフ弁１２とが並設されている。

また、本実施の形態は、エンジン１の回転数及び燃料噴射量を制御するエンジンコントローラ３と、燃料フィルタ２の目詰り度合を演算する制御手段４と、燃料フィルタ２の入口側圧力と出口側圧力との差圧を検出する差圧検出器５と、燃料フィルタ２の目詰りの度合を色別に階層表示する表示器６と、警報状態を示す警報器７とを備えている。

エンジンコントローラ３は、エンジン１の動作状態をモニタリングすると共に、燃料噴射装置（図示せず）からエンジン１へ噴射される燃料の噴射量を制御する燃料噴射制御装置１５の制御を行う。具体的には、エンジン１の回転数を検出する回転数検出器Ｎからエンジン回転数、燃料噴射制御装置１５のアクチュエータ（例えばガバナレバー等）の角度を検出する角度検出器Ａからアクチュエータ角度（燃料噴射量）が入力される。また、図示しない本体コントローラからエンジン回転数指令及びエンジントルク指令が伝送される。エンジンコントローラ３は、この指令値から必要な燃料噴射量を演算し、燃料噴射制御装置１５のアクチュエータの角度を制御するために、例えばサーボ機構に電流信号を出力する。また、エンジンコントローラ３と制御手段４とはシリアル通信８によって接続されている。

制御手段４は、予め各種設定値を記憶する記憶部（メモリ）４１と、各種手順を実行する演算部（ＣＰＵ）４２と、図示しない入出力装置Ｉ／Ｏとを備えるコントローラユニットで構成されている。なお、演算部４２には、エンジン１の起動からの経過時間を計測するタイマ４３が含まれている。

制御手段４には、差圧検出器５から燃料フィルタ２の入口側圧力と出口側圧力との差圧検出信号が入力される。また、上述したようにエンジンコントローラ３とシリアル通信で接続されているため、エンジンコントローラ３からの必要な情報（例えば、燃料消費量等）が、取込み可能となっている。また、制御手段４は、演算結果である燃料フィルタ２の目詰りの度合を示す表示信号を表示器６に出力する。表示器６は、該表示信号を色別に階層表示する。さらに、制御手段４は、警報器７に警報を出力する。上述した本発明の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置の一実施の形態を構成する表示器６と警報器７を図２に示す。

ところで、記憶部４１には、エンジン１の全負荷状態且つ定格回転数であるときの燃料消費量、及び燃料フィルタ２の差圧と燃料流量とに基づいて設定されるフィルタの新品状態から使用限界に至る目詰り特性が入力されて記憶されている。また、演算部４２は、エンジンコントローラ３から取り込んだ燃料消費量と、記憶部４１に記憶された全負荷状態且つ定格時の燃料消費量とからエンジン負荷率を演算し、このエンジン負荷率に基づいて単位時間当たりの燃料流量を求める手順と、この演算された燃料流量と、差圧検出器５で検出された差圧とを、記憶部４１に記憶された燃料フィルタ２の目詰り特性と照合して、フィルタの目詰り度合を演算し、その演算結果を表示信号として出力する手順と、前記目詰り度合が使用限界線に達したときに警報出力する手順とを含んでいる。

上述した燃料フィルタ２の差圧と燃料流量とに基づいて設定されるフィルタの新品状態から使用限界に至る目詰り特性の設定の一例を、図３を用いて説明する。
図３は、本発明の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置の一実施の形態に用いる燃料流量とフィルタの差圧とに基づく目詰り特性を示す説明図である。図３において、横軸は燃料フィルタ２を通過する燃料流量、縦軸は燃料フィルタの入口と出口で発生する圧力損失（差圧）を示す。曲線αは、燃料フィルタ２の使用限界における目詰り特性を示し、曲線βは、燃料フィルタ２の新品状態における目詰り特性を示す。図３において、差圧ｐ１は、燃料フィルタ２の使用限界の差圧であって、燃料流量ｆ１がエンジン１の全負荷状態且つ定格回転数であるときの燃料流量に該当する。例えば燃料流量ｆ１において、燃料フィルタ２が新品状態の場合には、発生する差圧は曲線βからｐ３と推定される。したがって、エンジン１の全負荷状態且つ定格回転数の場合における燃料フィルタ２の差圧はｐ３からｐ１の間で推移する。このことから、建設機械が燃料流量ｆ１一定で運転している場合には、運転中の差圧を計測して、その差圧とｐ１との偏差ｄ１及びｐ３との偏差ｄ２求め、ｄ２／（ｄ１＋ｄ２）を演算することによりフィルタの目詰り度合がわかる。例えば、図３において、燃料流量ｆ１であって、計測差圧がｐ２の場合には、フィルタ目詰りの度合は略５０％と判断できる。

一方、エンジン負荷が全負荷状態且つ定格回転数から軽減された場合には、燃料流量が減少する。例えば燃料流量がｆ２になった場合、燃料フィルタ２が使用限界の目詰り度合であれば、差圧はｐ２となる。この燃料流量ｆ２のときに、計測差圧がｐ３であった場合には、フィル目詰りの度合は略３５％と判断できる。このように、本発明においては、燃料フィルタ２の差圧と燃料流量とを計測及び演算し、予め設定された燃料フィルタの目詰り特性と照合演算することにより、稼働中の燃料フィルタ２の目詰り度合を正確に判断することができる。

次に、上述した本発明の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置の一実施の形態の目詰り度合の演算手順を図４を用いて説明する。図４は、本発明の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置の一実施の形態による目詰り度合の演算の内容を示すフローチャート図である。

まず、ステップ（Ｓ１００）では、エンジン１が起動されたかどうかを判断する。具体的には、例えばキースイッチＯＮ信号がエンジンコントローラ３に入力され、シリアル通信８を介して演算部４２に入力されたかどうかで判断する。このステップ（Ｓ１００）でＹＥＳと判断された場合には、ステップ（Ｓ１０２）に移り、演算部４２がキースイッチのＯＮ信号入力してからの経過時間をタイマ４３を用いてカウントし、所定の時間ｔが経過したかどうかを判断する。なお、この所定の時間ｔはエンジン１の動作状態が安定するまでに要する時間として、予め記憶部４１に記憶された時間である。時間ｔが経過していない場合には、このステップ（Ｓ１０２）において、ＹＥＳと判断されるまで繰り返し行われる。

ステップ（Ｓ１０２）でＹＥＳと判断された場合には、ステップ（Ｓ１０４）に移る。ステップ（Ｓ１０４）では、エンジンコントローラ３で演算した燃料消費量Ｑをシリアル通信８を介して演算部４２に入力する。この燃料消費量Ｑは、回転数検出器Ｎおよび角度検出器Ａから入力されたエンジン回転数及びアクチュエータ角度（燃料噴射量）に基づいて演算される。

次のステップ（Ｓ１０６）では、演算部４２がエンジン負荷率の演算を行う。具体的には、上記ステップ（Ｓ１０４）の燃料消費量Ｑを用いて、下記式に従ってエンジン負荷率を算出する。
Ｌ＝Ｑ／Ｑ_Ｏ ・・・・（１）
ここで、Ｌはエンジン負荷率、Ｑ_Ｏはエンジン１の全負荷状態且つ定格回転数における単位時間（例えば１秒）毎の燃料消費量であり、このＱ_Ｏ は予め記憶部４１に記憶されている。

つぎのステップ（Ｓ２００）では、演算部４２が燃料流量の演算を行う。具体的には、上記ステップ（Ｓ１０６）のエンジン負荷率Ｌが１のときの燃料フィルタ２を通過する燃料流量Ｆ_０ を用いて、下記式に従って燃料流量を算出する。
Ｆ＝Ｌ×Ｆ_０ ・・・・（２）
ここで、Ｆは燃料流量、Ｆ_０はエンジン１の全負荷状態且つ定格回転数における単位時間（例えば１分）毎の燃料流量であり、このＦ_０ は予め記憶部４１に記憶されている。算出された燃料流量は、記憶部に一時的に記憶される。

つぎのステップ（Ｓ３００）では、燃料フィルタ２の差圧信号が差圧検出器５によって検出される。この燃料フィルタ２の差圧信号は演算部４２に入力される。

つぎのステップ（Ｓ３０２）では、演算部４２が燃料フィルタの目詰り度合を演算する。具体的には、まず記憶部４１に記憶された、燃料フィルタ２の差圧と燃料流量とに基づいて設定されるフィルタの新品状態から使用限界に至る目詰り特性と、ステップ（Ｓ２００）で算出されて一時記憶された燃料流量とを読み出す。また、ステップ（Ｓ３００）で入力された差圧信号から、この目詰り特性上の、読み出された燃料流量における、使用限界差圧と、計測差圧と、新品状態差圧とが決定される。

さらに、下記式に従って目詰り度合を算出する。
Ｂ＝ｄ２／（ｄ１＋ｄ２）・・・・（３）
ここで、Ｂはフィルタの目詰り度合、ｄ１は計測差圧と使用限界差圧との偏差であり、ｄ２は計測差圧と新品状態差圧との偏差である。算出された目詰り度合は、記憶部に一時的に記憶される。

つぎのステップ（Ｓ３０４）では、演算部４２が上記ステップ（Ｓ３０２）で算出されて一時記憶された目詰り度合を読み出し、表示信号としての演算処理を行った後、この表示信号を表示器６に出力する。これにより、表示器６に燃料フィルタ２の目詰り度合が表示される。なお、図２で示した表示器６においては、目詰り度合を、例えば７段階に色別階層的に表示する。

つぎのステップ（Ｓ４００）では、演算部４２が上記ステップ（Ｓ３０２）で算出した目詰り度合が１００％か否かを判断する。なお、１００％という値は、燃料フィルタ２の目詰り度合が使用限界線に達したことを意味し、この値は予め記憶部４１に記憶されている。よって、フィルタの目詰り度合が使用限界に達する前に警報を出力したい場合には、この値を適宜変更すればよい。燃料フィルタ２の目詰りの度合が１００％以下である場合には、フィルタの目詰り度合は正常と判断され、先のステップ（Ｓ１００）に戻る。

上述したステップ（Ｓ４００）において、ＹＥＳと判断された場合は、燃料フィルタ２が使用限界であるため、燃料フィルタの交換時期に至ったものである。したがって、ステップ（Ｓ４０２）において、演算部４２が、警報信号を警報器７に出力する。これにより、例えば、警報器７に供えられる警報灯が点滅し、燃料フィルタ２の交換時期に至ったことが報知される。なお、図２で示した警報器７においては、その表示部が例えば黄色点滅する。

上述した本発明の一実施の形態によれば、稼働中の建設機械におけるエンジン１の燃料流量と燃料フィルタ２の差圧を演算及び計測し、予め設定された燃料フィルタ２の目詰り特性と照合演算し、その演算結果を表示する。このことにより、燃料フィルタ２の目詰り状況を機械の稼働中に把握できる。この結果、事前に燃料フィルタの交換までの余裕が確認でき、突然目詰り警報が点灯し、稼働中断を余儀なくされたり、不良状態での稼働を継続することを回避できる。また、事前に状態確認できるので、計画的なフィルタ交換を行うことにより、停止時間が短縮され、建設機械の稼働率を向上させることができる。

また、上述の一実施の形態においては、警報器７と表示器６をそれぞれ設けているが、例えば、表示器６に警報機能を設けることにより、警報器７の設置を省略することも可能である。

なお、上述の一実施の形態においては、エンジンコントローラ３で燃料消費量Ｑが算出され、その燃料消費量Ｑの値に基づいて、演算部４２がエンジン負荷率Ｌの演算を行っているが、例えば、回転数検出器Ｎおよび角度検出器Ａから入力されたエンジン回転数及びアクチュエータ角度（燃料噴射量）を、エンジンコントローラ３からシリアル通信８を介して演算部４２に入力し、演算部４２が燃料消費量Ｑを演算する構成とすることもできる。

さらに、上述の一実施の形態においては、燃料噴射制御装置１５のアクチュエータ（例えばガバナレバー等）の角度を検出することにより燃料噴射量を検出するようにしているが、これに限らない。すなわち燃料噴射装置が例えば蓄圧式噴射方式である場合には、コモンレール（又はタイミングレール）における燃圧を圧力センサで検出し、それにより燃料噴射量を検出するようにしてもよい。ユニットインジェクタを搭載したエンジンの場合は、そのレール圧とタイミングレール圧を検出してもよい。

本発明の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置の一実施の形態を備えたシステム構成を示す図である。 本発明の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置の一実施の形態を構成する表示器と警報器を示す図である。 本発明の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置の一実施の形態に用いる燃料流量とフィルタの差圧とに基づく目詰り特性を示す説明図である。 本発明の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置の一実施の形態による目詰り度合の演算を説明するフローチャート図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 燃料フィルタ
３ エンジンコントローラ
４ 制御手段
４１ 記憶部
４２ 演算部
５ 差圧検出器
６ 表示器
７ 警報器
８ シリアル通信
９ 燃料タンク
１０ 燃料ポンプ
１１ 燃料クーラ
１２ 低圧リリーフ弁
１３ 燃料供給管
１４ 燃料戻し管
１５ 燃料噴射制御装置
Ａ 角度検出器
Ｎ 回転数検出器

Claims (4)

1. 燃料タンクからエンジンに供給される燃料を濾過するフィルタの目詰りを監視する建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置であって、
   前記エンジンの回転数及び燃料噴射量を制御するエンジンコントローラと、
   前記燃料フィルタの入口側圧力と出口側圧力との差圧を検出する差圧検出器と、
   前記フィルタの差圧と燃料流量とに基づいて設定されるフィルタの新品状態から使用限界に至る目詰り特性、及び前記ディーゼルエンジンの定格時の燃料消費量を記憶する記憶部と、
   前記エンジンコントローラから取り込んだ燃料消費量と前記記憶部に記憶した前記定格時の燃料消費量とからエンジン負荷率を演算する第１の手順と、
   前記第１の手順で演算したエンジン負荷率に基づいて単位時間当たりの燃料流量を演算する第２の手順と、
   前記第２の手順で演算した燃料流量と前記差圧検出器で検出した差圧とを、前記記憶部に記憶した前記フィルタの目詰り特性に照合して、前記フィルタの目詰り度合を演算し、その演算結果を表示信号として出力する第３の手順と、
   を実行する演算部とを有する制御手段を備えたことを特徴とする建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置。
2. 請求項１記載の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置において、
   前記制御手段からの表示信号を取り込み、目詰りの度合を表示する表示器を備えたことを特徴とする建設機械の燃料フィルタ目詰り検知装置。
3. 請求項１又は２に記載の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置において、
   前記制御手段は、前記燃料流量と前記差圧検出器で検出した差圧とを、前記記憶部に記憶した前記フィルタの目詰り特性に照合して、前記特性の使用限界に達したときに警報を出力する第４の手順を更に実行することを特徴とする建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置において、前記警報出力のための警報器を備えることを特徴とする建設機械の燃料フィルタ目詰り監視装置。

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