JP2012241587A - 作業機械のエンジン制御装置およびそのエンジン制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】目標マッチング回転数np1と現在のエンジン回転数nとの偏差Δnが所定値以上となった場合にアシストが必要であると判定し、アシストが必要であると判定された時点t1後、所定期間T1の間、目標アシスト回転数ANを、目標マッチング回転数np1よりも大きい高回転目標マッチング回転数nANに設定し、その後漸次目標マッチング回転数np1に近づく目標アシスト回転数ANに設定し、エンジン回転数nが目標アシスト回転数ANとなるようにエンジンの出力をアシストする発電機にアシストトルク指令値を出力してエンジン回転数nを制御する。
【選択図】図22
Description
まず、図1および図2は、作業機械としての一例であるハイブリッド油圧ショベル1の全体構成を示している。このハイブリッド油圧ショベル1は、車両本体2と作業機3とを備えている。車両本体2は、下部走行体4と上部旋回体5とを有する。下部走行体4は、一対の走行装置4aを有する。各走行装置4aは、履帯4bを有する。各走行装置4aは、右走行モータおよび左走行モータ(走行モータ21)によって履帯4bを駆動することによってハイブリッド油圧ショベル1を走行あるいは旋回させる。
まず、図3に示すトルク線図を参照してエンジン制御の概要について説明する。エンジンコントローラ30は、レバー操作量、作業モード、旋回速度、燃料調整ダイヤル(スロットルダイヤル)28の設定値などの情報(運転状態を示す信号)を取得し、エンジン出力指令値を求める。このエンジン出力指令値は、トルク線図上の等馬力曲線(エンジン出力指令値曲線)ELとなり、エンジンの出力を制限する曲線である。
図5は、エンジンコントローラ30あるいはポンプコントローラ33による全体制御フローを示している。エンジンコントローラ30あるいはポンプコントローラ33は、最終的にエンジン制御指令としてのエンジン回転数指令値とエンジン出力指令値を演算し、ポンプ制御指令としてポンプ吸収トルク指令値を演算する。
旋回馬力(kW)=2π÷60×旋回モータ回転数×旋回モータトルク÷1000×係数(設定値)
を演算することで求めることができる。また、ファンとは、エンジン17を冷却するためのラジエータの近傍に設けられたファンであり、ラジエータに向かって空気を送風させるものであり、エンジン17の駆動に連動して回転駆動するものである。なお、ファン馬力は、次式、
ファン馬力=ファン定格馬力×(エンジン回転数/ファン定格時エンジン回転数)^3
を用いて簡易的に演算することで求められる。なお、旋回馬力および発電機出力のポンプ出力リミット値への加算は、図8に示すように減算となっている。ハイブリッド油圧ショベル1は、エンジン17という駆動源とは異なる電気という駆動源で電動駆動する旋回モータ24を用いるので、旋回馬力を求めてポンプ出力リミット値から旋回分を減算することが必要である。発電機出力は、発電機19が発電するときは、値の正負の符号を負と定義しており、最小値選択部233で、ゼロ値232との比較が行われ、ポンプ出力リミット値に対して、負の値を減算するから実質的に加算となる。発電機19がエンジン17の出力アシストを行う場合は、発電機出力は、値の正負は正となる。発電機19が発電する時は、発電機出力は、負の値であるため、ゼロ値232との最小値選択を行った後に、ポンプ出力リミットから負の発電機出力を減算し、実質的にポンプ出力リミットに発電機出力を加算することとなる。すなわち、発電機出力D109が負の値となったときのみに加算が行われる。発電機19によるエンジン17のアシストは、エンジン回転数を、ある所定の回転数から高い回転数に上昇させる必要があるときに作業機3の応答性を高めるために行われるが、このときのエンジン出力としてエンジン17のアシスト分の出力を抜いてしまうと、作業機3の応答性の改善に繋がらないため、エンジン17をアシストしたからといってエンジン最大出力を減じることは行わない。つまり、正の発電機出力が最小値選択部233に入力されても、ゼロ値232との最小値選択により、最小値選択部233からはゼロが出力され。ポンプ出力リミットから減算が行われることなく、エンジン最大出力D230が求められる。
エンジン実出力(kW)=2π÷60×エンジン回転数×エンジントルク÷1000
を用いて演算しエンジン実出力を求める。
最小発電出力(kW)=2π÷60×エンジン回転数×最小発電トルク(値が負の設定値)÷1000
を演算し最小発電出力を求めて、要求される発電機出力が求められた最小発電出力よりも小さい場合、最小発電出力に対して足りない出力分をエンジン目標出力に加算部266によって加算し、この加算したエンジン目標出力を用いて、エンジン目標出力・目標マッチング回転数変換テーブル267によって目標マッチング回転数の候補値として演算し、発電オン/オフに伴う回転数変動を防止する。なお、発電機出力D109の後段の最小値選択部(MIN選択)262は、要求される発電機出力がない場合(エンジン17の出力アシストを行う場合など)にゼロ出力を行うためにゼロ値261との比較を行う。したがって、エンジン目標出力D240に何も加算しないようになる。また、最大値選択部(MAX選択)265は、要求される発電機出力が最小発電出力以上である場合に最小発電出力に不足はないことから、エンジン目標出力D240に加算は不要となる。よって、最大値選択部265に負の値が入力され、ゼロ値264との比較で最大値であるゼロが選択されて、最大値選択部265はゼロ出力する。
エンジン回転数指令値D270=目標マッチング回転数np1を無負荷回転数に変換した回転数np1a+下限回転数オフセット値Δnm
を用いて求める値に近づけるようにする。このようにして求められたエンジン回転数指令値D270によってドループ線を制御することができ、ポンプ容量に余裕がある場合(平均ポンプ容量がある設定値より小の場合)には、図4に示すように、エンジン回転数を下げる(エンジン回転数をnm1(無負荷最小回転数)にする)ことが可能になり、燃料消費を抑えて燃費向上が可能になる。設定値q_com1は、あらかじめ設定した値であって、ポンプコントローラ33のメモリに記憶されている。なお、設定値q_com1は、エンジン回転数増加側とエンジン回転数減少側とに分けて2つの異なる設定値を設け、エンジン回転数が変化しない範囲を設けるようにしてもよい。
ポンプ目標マッチングトルク
=(60×1000×(エンジン目標出力−ファン馬力))
/(2π×目標マッチング回転数)
が演算される。求められたポンプ目標マッチングトルクは、ポンプ吸収トルク演算ブロック285に出力される。
ポンプ吸収トルク=ポンプ目標マッチングトルク
−Kp×(目標マッチング回転数−エンジン回転数)
が演算され、演算結果であるポンプ吸収トルク値D280が出力される。ここで、Kpは、制御ゲインである。
エンジン回転数指令値=目標マッチング回転数np1を無負荷回転数に変換した回転数np1a+下限回転数オフセット値Δnm
の演算によって求められる値となり、目標マッチング回転数に対してエンジンのドループ線は、最低でも下限回転数オフセット値Δnmが加味された高い回転数のところで設定される。このため、本実施の形態によれば、油圧ポンプ18の実際の吸収トルク(ポンプ実吸収トルク)がポンプ吸収トルク指令に対して多少ばらついた場合でも、ドループ線にはかからない範囲でマッチングすることになり、エンジン17のマッチング回転数が多少変動してもエンジン出力をエンジン出力指令値曲線EL上で制限しエンジン目標出力を一定に制御しているため、実際の吸収トルク(ポンプ実吸収トルク)がポンプ吸収トルク指令に対してばらつきを生じてもエンジン出力の変動を小さくすることが可能となる。この結果、燃費のばらつきも小さく抑えることができ、ハイブリッド油圧ショベル1の燃費に対する仕様を満たすことができる。燃費に対する仕様とは、例えば、従来のハイブリッド油圧ショベルに比べて、燃費を10%低減可能といった仕様である。
ここで、上述したように、キャパシタ22は、旋回モータ24の減速時の回生作用によって生じた電気エネルギーを蓄積(充電)し、発電機19により発電された電気エネルギーを蓄積(充電)する。蓄積された電気エネルギーを作業の場面に応じて発電機19に供給(放電)することによってエンジン17を加速(アシスト)することができる。
に示すように、目標アシスト回転数ANを、目標マッチング回転数np1よりも大きい予め決定された上限の目標アシスト回転数(高回転目標マッチング回転数)hANに設定する。その後、エンジンコントローラ30は、時点t1から予め決定された所定期間T1の間、この高回転目標マッチング回転数hANを目標アシスト回転数に設定し続ける。この所定期間T1はタイマによって計時される。さらに、この所定期間T1が終了する時点t2から、予め決定された回転数減少率ANrで、目標マッチング回転数np1まで目標アシスト回転数ANを減少させる。回転数減少率ANrは、単位時間当たりに減少させる回転数(rpm)の量である。なお、図21(a)の曲線Lnは、実エンジン回転数の時間変化を示している。
ポンプ吐出量[L/min]
=(エンジン回転数[rpm]×平均ポンプ容量[cc/rev])/60
として求め、このポンプ吐出量を用いてエンジン負荷を、次式を用いて求める。
エンジン負荷[kW]
=(ポンプ吐出量[L/min]×平均ポンプ圧力[MPa])/60
2 車両本体
3 作業機
4 下部走行体
5 上部旋回体
11 ブーム
12 アーム
13 バケット
14 ブームシリンダ
15 アームシリンダ
16 バケットシリンダ
17 エンジン
18 油圧ポンプ
18a 斜板角センサ
19 発電機
20 コントロールバルブ
20a ポンプ圧検出部
21 走行モータ
22 キャパシタ
23 インバータ
23a ハイブリッドコントローラ
24 旋回モータ
25 回転センサ
26 操作レバー
27 レバー操作量検出部
28 燃料調整ダイヤル
29 モード切替部
30 エンジンコントローラ
32 コモンレール制御部
33 ポンプコントローラ
Claims (8)
- エンジンと、
前記エンジンの出力をアシストする発電機と、
作業機械の運転状態を検出する検出手段と、
前記運転状態をもとに、負荷が抜けた場合に最大限上げられるエンジンの回転数である無負荷最大回転数を演算する無負荷最大回転数演算手段と、
前記運転状態をもとに、負荷が加わった場合に上げられるエンジンの回転数である目標マッチング回転数を前記無負荷最大回転数とは別に演算する目標マッチング回転数演算手段と、
前記運転状態をもとに、最大限出力することができるエンジン目標出力を演算するエンジン目標出力演算手段と、
前記エンジン目標出力の制限下で、前記無負荷最大回転数と前記目標マッチング回転数との間でエンジン回転数を制御するエンジン制御手段と、
前記目標マッチング回転数と現在のエンジン回転数との偏差が所定値以上となった場合にアシストが必要であると判定するアシスト判定手段と、
アシストが必要であると判定された後、目標アシスト回転数を、前記目標マッチング回転数よりも大きい予め決定された上限の目標アシスト回転数に設定し、その後漸次前記目標マッチング回転数に近づく目標アシスト回転数に設定するアシスト回転数設定手段と、
を備え、
前記エンジン制御手段は、前記エンジン回転数が前記目標アシスト回転数となるように前記発電機にアシストトルク指令値を出力して該エンジン回転数を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。 - 前記アシスト回転数設定手段は、前記アシストが必要であると判定された時点から所定時間、前記目標アシスト回転数を上限の目標アシスト回転数に設定し、所定時間経過後、所定の回転数減少率で前記目標マッチング回転数までエンジン回転数を減少させる目標アシスト回転数に設定することを特徴とする請求項1に記載の作業機械のエンジン制御装置。
- 前記検出手段の検出結果をもとにエンジン負荷を演算する負荷演算手段を備え、
前記アシスト回転数設定手段は、前記上限の目標アシスト回転数以下で、前記エンジン負荷の増加に応じて前記目標アシスト回転数を減少する設定を行うことを特徴とする請求項1に記載の作業機械のエンジン制御装置。 - 前記上限の目標アシスト回転数は、前記無負荷最大回転数のドループ線と目標マッチングルートとの交点におけるエンジン回転数であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の作業機械のエンジン制御装置。
- 前記偏差の所定値は、作業機械の運転状態に応じて決定されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の作業機械のエンジン制御装置。
- 作業機械の運転状態を検出する検出ステップと、
前記運転状態をもとに、負荷が抜けた場合に最大限上げられるエンジンの回転数である無負荷最大回転数を演算する無負荷最大回転数演算ステップと、
前記運転状態をもとに、負荷が加わった場合に上げられるエンジンの回転数である目標マッチング回転数を前記無負荷最大回転数とは別に演算する目標マッチング回転数演算ステップと、
前記運転状態をもとに、最大限出力することができるエンジン目標出力を演算するエンジン目標出力演算ステップと、
前記エンジン目標出力の制限下で、前記無負荷最大回転数と前記目標マッチング回転数との間でエンジン回転数を制御するエンジン制御ステップと、
前記目標マッチング回転数と現在のエンジン回転数との偏差が所定値以上となった場合にアシストが必要であると判定するアシスト判定ステップと、
アシストが必要であると判定された後、目標アシスト回転数を、前記目標マッチング回転数よりも大きい上限の目標アシスト回転数に設定し、その後漸次前記目標マッチング回転数に近づく目標アシスト回転数に設定するアシスト回転数設定ステップと、
を含み、
前記エンジン制御ステップは、前記エンジン回転数が前記目標アシスト回転数となるようにエンジンの出力をアシストする発電機にアシストトルク指令値を出力して該エンジン回転数を制御することを特徴とする作業機械のエンジン制御方法。 - 前記アシスト回転数設定ステップは、前記アシストが必要であると判定された時点から所定時間、前記目標アシスト回転数を上限の目標アシスト回転数に設定し、所定時間経過後、所定の回転数減少率で前記目標マッチング回転数までエンジン回転数を減少させる目標アシスト回転数に設定することを特徴とする請求項6に記載の作業機械のエンジン制御方法。
- 前記検出手段の検出結果をもとにエンジン負荷を演算する負荷演算ステップを含み、
前記アシスト回転数設定ステップは、前記上限の目標アシスト回転数以下で、前記エンジン負荷の増加に応じて前記目標アシスト回転数を減少する設定を行うことを特徴とする請求項6に記載の作業機械のエンジン制御方法。
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