JP2016108997A

JP2016108997A - 作業機械の制御装置

Info

Publication number: JP2016108997A
Application number: JP2014245978A
Authority: JP
Inventors: 栗本　真司; Shinji Kurimoto; 真司栗本
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】液体還元剤の残量が少なくなり、エンジンの出力を低下させたときでも、油圧ポンプが必要とするトルクを確保しながらディーゼルエンジンが停止することを回避できる作業機械の制御装置を提供する。【解決手段】液体還元剤の残量が減少したときに、油圧ポンプを駆動するディーゼルエンジンの出力を低下させるエンジン制御手段を備えた作業機械の制御装置において、前記油圧ポンプとして可変容量型油圧ポンプ１１を用いるとともに、前記エンジン制御手段１４がディーゼルエンジン１３の出力を低下させたときに、前記可変容量型油圧ポンプの押しのけ容積を減少させる容積制御手段２１を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、作業機械の制御装置に関し、詳しくは、作業機器を作動させる油圧ポンプをディーゼルエンジンで駆動する作業機械の制御装置に関する。

ディーゼルエンジンを駆動源とする各種作業機械、例えば杭打機や地盤改良機、クレーンなどでは、排ガス規制の高次化に伴い、排気系に液体還元剤、例えば尿素水溶液を噴射して排ガスを浄化することが行われている。このような作業機械では、液体還元剤の残量が少なくなったときに、ディーゼルエンジンの出力を低下させたり、ディーゼルエンジンを停止させたりするようにしている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１３−１６０１０４号公報

ディーゼルエンジンの出力を低下させた場合、油圧ポンプが必要とするトルクに対してディーゼルエンジンの出力トルクが下回ると、ディーゼルエンジンが停止して作業を継続できなくなるおそれがある。例えば、図４に示すように、吐出量（押しのけ容積）が一定の固定容量型油圧ポンプをディーゼルエンジンで駆動する場合、最大圧力まで吐出量Ｓ１は一定であり、ポンプ軸トルクＴ１、すなわち、ディーゼルエンジンが油圧ポンプを駆動するトルクは、吐出圧力の上昇に伴って上昇する。

このとき、ディーゼルエンジンが出力可能な最大トルク（１００％）が図４に示す想像線Ｍ１で示す値である場合、油圧ポンプが吐出可能な最大圧力の５０％程度になる点Ｐ１を超えると、油圧ポンプを駆動するためのポンプ軸トルクＴ１に対してディーゼルエンジンの出力トルクＭ１が下回るため、ディーゼルエンジンが停止してしまう。

また、吐出量を調節可能な可変容量型油圧ポンプをディーゼルエンジンで駆動する場合は、図５の実線Ｓ２に示すように、ポンプ軸トルクＴ２がディーゼルエンジンが出力可能なトルクＭ２に近付いたときに吐出量を減少させてポンプ軸トルクＴ２の上昇を抑え、最大吐出圧力までディーゼルエンジンを停止させることなく油圧ポンプを駆動可能にする制御が行われている。

しかし、液体還元剤の残量が少なくなったときに、ディーゼルエンジンの出力を低下させる制御を行う場合、ディーゼルエンジンの出力を７５％に低下させると吐出圧力が点Ｐ２を超えたとき、５０％に低下させると吐出圧力が点Ｐ３を超えたとき、２０％に低下させると吐出圧力が点Ｐ４を超えたときに、ポンプ軸トルクＴ２に対してディーゼルエンジンの出力トルクＭ３，Ｍ４，Ｍ５がそれぞれ下回るため、ディーゼルエンジンが停止して作業機械による作業が継続できなくなってしまう。

そこで本発明は、液体還元剤の残量が少なくなり、エンジンの出力を低下させたときでも、油圧ポンプが必要とするトルクを確保しながらディーゼルエンジンが停止することを回避できる作業機械の制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の作業機械の制御装置は、ディーゼルエンジンと、該ディーゼルエンジンで回転駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプから吐出される作動油によって作動する作業機器と、前記ディーゼルエンジンから排出された排ガスの浄化を行う液体還元剤を貯留する液体還元剤タンクと、該液体還元剤タンクに貯留された液体還元剤の残量を検出する残量検出手段と、該残量検出手段で検出した液体還元剤の残量が減少したときに前記ディーゼルエンジンの出力を低下させるエンジン制御手段とを備えた作業機械の制御装置において、前記油圧ポンプとして可変容量型油圧ポンプを用いるとともに、前記エンジン制御手段がディーゼルエンジンの出力を低下させたときに、前記可変容量型油圧ポンプの押しのけ容積を減少させる容積制御手段を設けたことを特徴としている。

本発明の作業機械の制御装置によれば、可変容量型油圧ポンプの押しのけ容積を減少させることにより、ディーゼルエンジンの出力が低下しても油圧ポンプが必要とするトルクを得ることができる。したがって、ディーゼルエンジンが停止することがなくなり、油圧ポンプから作業機器に十分な圧力の作動油を供給することができ、作業機器の作業速度は低下するものの、作業途中で停止することがなくなり、作業を継続することができる。

本発明の作業機械の制御装置の一形態例を示す説明図である。液体還元剤（尿素）の残量とディーゼルエンジンの出力（トルク）との関係の一形態例を示す図である。本発明の制御装置で制御した可変容量型油圧ポンプにおける軸トルクと吐出量と吐出圧力との関係の一形態例を示す説明図である。固定容量型油圧ポンプにおける軸トルクと吐出量と吐出圧力との関係の一例を示す説明図である。可変容量型油圧ポンプにおける軸トルクと吐出量と吐出圧力との関係の一例を示す説明図である。

図１乃至図３は本発明の一形態例を示すもので、本形態例に示す作業機械は、２台の可変容量型油圧ポンプ１１，１１と１台の固定容量型油圧ポンプ１２とを１台のディーゼルエンジン１３で回転駆動し、可変容量型油圧ポンプ１１から吐出された作動油を、油圧モータ、油圧シリンダなどの各種作業機器に供給して各種作業を行い、固定容量型油圧ポンプ１２は、制御回路にパイロット用作動油を供給するために使用している。

ディーゼルエンジン１３には、エンジン制御手段１４が設けられており、各種条件に基づいて燃料噴射量が調節され、ディーゼルエンジン１３の出力、回転数が制御されている。ディーゼルエンジン１３の排ガスを排出する排気系１５には、ＮＯｘ浄化用の液体還元剤である尿素水溶液を排ガス中に噴射する尿素噴射部１６と、各種触媒などを備えた排ガス後処理装置１７とが設けられており、尿素噴射部１６には、尿素配管１８を介して液体還元剤タンクである尿素タンク１９が接続されている。

排ガス後処理装置１７には、ＮＯｘ濃度や排気温度、排気圧力などを検出する各種センサが設けられており、尿素タンク１９には、尿素水溶液の残量や温度、濃度などを検出する各種センサが設けられている。これらの各種センサが検出した各情報は、センサ配線１７ａ，１９ａを介して排ガス後処理制御手段２０に送信され、排ガス後処理制御手段２０にて演算処理され、尿素水溶液の噴射量を調節するための信号が尿素噴射量制御配線１６ａを介して尿素噴射部１６に送信されるとともに、尿素水溶液の残量を検出するセンサ（残量検出手段）が検出した尿素タンク１９内の尿素水溶液の残量に基づいてディーゼルエンジン１３の出力を制御する信号がＣＡＮなどの通信手段２０ａを介して前記エンジン制御手段１４に送信される。

エンジン制御手段１４は、排ガス後処理制御手段２０から尿素タンク１９内の尿素水溶液の残量が減少したとの信号を受信したときに、ディーゼルエンジン１３の出力を低下させる制御を行う。図２は、排ガス後処理制御手段２０から送信される尿素タンク１９内の尿素水溶液の残量（尿素残量）と、エンジン制御手段１４によって制御されるエンジンの出力（エンジントルク）との関係を示している。尿素タンク１９内の尿素残量が、タンク容量に対して７．５％以上の場合には、エンジントルクは最大トルクまで１００％出力可能な状態になっている。尿素残量がタンク容量の７．５％未満、５％以上の範囲では、出力可能なエンジントルクが最大トルクに対して７５％に低下させた状態に制御され、尿素残量がタンク容量の５％未満、２．５％以上の範囲では、５０％に低下させた状態、尿素残量がタンク容量の２．５％未満になると、出力可能なエンジントルクは２０％に低下させた状態にそれぞれ制御される。

エンジン制御手段１４による前記エンジントルクの制御状態は、ＣＡＮなどの通信手段２１ａを介して前記可変容量型油圧ポンプ１１の押しのけ容積を調節する容積制御手段２１に送信される。容積制御手段２１は、尿素タンク１９内の尿素残量が減少してエンジン制御手段１４がディーゼルエンジン１３の出力を低下させたときに、該出力の低下状態に応じて可変容量型油圧ポンプ１１の押しのけ容積を減少させる制御を行う。

容積制御手段２１は、制御信号２１ｂ，２１ｂによって２台の可変容量型油圧ポンプ１１の押しのけ容積を調節するものであって、図３に示すように、尿素残量が７．５％以上で、ディーゼルエンジン１３が出力可能なエンジントルクが１００％の場合、可変容量型油圧ポンプ１１の吐出圧力があらかじめ設定された圧力Ｂ１に上昇したときに、可変容量型油圧ポンプ１１の吐出量（押しのけ容積）を実線Ａ１で示すように減少させ、ポンプ軸トルクＣ１がエンジントルクの１００％を超えないように制御する。これにより、ポンプ軸トルクＣ１に対してエンジントルクが下回ることがなくなり、８５％程度のエンジントルクで可変容量型油圧ポンプ１１を駆動し、最大圧力まで作動油を昇圧して作業機器に供給できるようにしている。

そして、尿素残量が７．５％未満、５％以上の範囲では、出力可能なエンジントルクが７５％に低下するので、容積制御手段２１は、吐出圧力Ｂ２以上で破線Ａ２で示すように可変容量型油圧ポンプ１１の押しのけ容積を減少させる（矢印Ｙ１）。これにより、最大圧力に必要なポンプ軸トルクも、矢印Ｚ１によって破線Ｃ２に示す７０％程度に低下し、エンジントルクの７５％を超えないように制御される。

さらに、尿素残量が５％未満、２．５％以上の範囲では、出力可能なエンジントルクが５０％に低下するので、容積制御手段２１は、吐出圧力Ｂ３以上で破線Ａ３で示すように可変容量型油圧ポンプ１１の押しのけ容積を減少させる（矢印Ｙ２）。これにより、最大圧力に必要なポンプ軸トルクも、矢印Ｚ２によって破線Ｃ３に示す４５％程度に低下し、エンジントルクの５０％を超えないように制御される。

また、尿素残量が２．５％未満になり、出力可能なエンジントルクが２０％に低下すると、容積制御手段２１は、吐出圧力Ｂ４以上で破線Ａ４で示すように可変容量型油圧ポンプ１１の押しのけ容積を減少させる（矢印Ｙ３）。これにより、最大圧力に必要なポンプ軸トルクも、矢印Ｚ３によって破線Ｃ４に示す１０％程度に低下し、エンジントルクが２０％を超えないように制御される。

あるいは、尿素残量７．５％以上でエンジン１３が出力可能なエンジントルクが１００％の場合、可変容量型油圧ポンプ１１自身が備える一定出力制御（一定馬力制御）によって可変容量型油圧ポンプ１１の吐出圧力がフィードバックされ、可変容量型油圧ポンプ１１の吐出量を図３の実線Ａ１で示すように減少させ、ポンプ軸トルクＣ１がエンジントルクの１００％を超えないようにする。そして、尿素残量が７．５％未満でエンジン制御手段１４がエンジン出力を制限する場合には、容積制御手段２１により、エンジン出力制限の各段階に応じて可変容量型油圧ポンプ１１の吐出量を減少させる。

このように、尿素タンク１９内の尿素残量の減少に伴ってディーゼルエンジン１３が出力可能なエンジントルクを低下させたときに、可変容量型油圧ポンプ１１の押しのけ容積を減少させてポンプ軸トルクを低下させるように制御することにより、可変容量型油圧ポンプ１１が必要とするトルク（ポンプ軸トルク）がディーゼルエンジン１３が出力可能なエンジントルクを超えることがなくなり、作業中にディーゼルエンジン１３が停止することがなくなる。

したがって、尿素タンク１９内の尿素残量が減少しても、ディーゼルエンジン１３が停止することはなくなり、可変容量型油圧ポンプ１１から作業機器に十分な圧力の作動油を供給することができ、作業機器の作業速度は低下するものの、作業途中で停止することがなくなり、停止可能な状態まで作業を継続することができる。

なお、パイロット用の固定容量型油圧ポンプは、小型で、吐出圧力も低いので、ディーゼルエンジンが出力可能なトルクが低下しても十分に駆動できるので、制御の必要はない。また、ディーゼルエンジンの出力制御や可変容量型油圧ポンプの押しのけ容積調節は、周知の各種手段で行うことができる。さらに、可変容量型油圧ポンプの台数も任意であり、作業機械の種類も限定されるものではなく、作業機器の種類や作業内容も限定されるものではない。

１１…可変容量型油圧ポンプ、１２…固定容量型油圧ポンプ、１３…ディーゼルエンジン、１４…エンジン制御手段、１５…排気系、１６…尿素噴射部、１６ａ…尿素噴射量制御配線、１７…排ガス後処理装置、１７ａ…センサ配線、１８…尿素配管、１９…尿素タンク、１９ａ…センサ配線、２０…排ガス後処理制御手段、２０ａ…通信手段、２１…容積制御手段、２１ａ…通信手段、２１ｂ…制御信号

Claims

ディーゼルエンジンと、該ディーゼルエンジンで回転駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプから吐出される作動油によって作動する作業機器と、前記ディーゼルエンジンから排出された排ガスの浄化を行う液体還元剤を貯留する液体還元剤タンクと、該液体還元剤タンクに貯留された液体還元剤の残量を検出する残量検出手段と、該残量検出手段で検出した液体還元剤の残量が減少したときに前記ディーゼルエンジンの出力を低下させるエンジン制御手段とを備えた作業機械の制御装置において、前記油圧ポンプとして可変容量型油圧ポンプを用いるとともに、前記エンジン制御手段がディーゼルエンジンの出力を低下させたときに、前記可変容量型油圧ポンプの押しのけ容積を減少させる容積制御手段を設けたことを特徴とする作業機械の制御装置。