JP2017061895A - 建設機械 - Google Patents

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智崇 片山
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Abstract

【課題】排気ブレーキのオン・オフを頻繁に切り換えることなく、排気ブレーキを利用してエンジン回転数が高くなりすぎることを防止できる建設機械を提供する。【解決手段】建設機械は、油圧アクチュエータへ作動油を供給する少なくとも１つの油圧ポンプを駆動するエンジンと、エンジンからの排気の流量を調整する排気調整機構と、排気調整機構を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、第１降坂条件または第２降坂条件が成立するか否かを判定し、第１降坂条件または第２降坂条件が成立する場合には、排気ブレーキを実行するように排気調整機構を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの油圧ポンプを駆動するエンジンを含む建設機械に関する。
油圧アクチュエータを含む建設機械では、前記油圧アクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプがエンジンにより駆動される（例えば、特許文献１参照）。このような建設機械では、エンジン回転数が高くなりすぎると、油圧ポンプなどの機器が破損するおそれがある。
米国特許第７８４９６８８号明細書
例えば、エンジン回転数が高くなりすぎることを防止するには、エンジン回転数が閾値以上となったときに、エンジンからの排気の流量を低減させてエンジンの負荷を高くすることが考えられる（いわゆる排気ブレーキ）。
しかしながら、エンジン回転数を閾値と比較して排気ブレーキを自動的に実行するようにした場合には、排気ブレーキのオン・オフが頻繁に切り換えられることになる。このような排気ブレーキのオン・オフの頻繁な切り換えは、エンジン部品（例えば、ターボチャージャ）の耐久性の観点から好ましくない。
そこで、本発明は、排気ブレーキのオン・オフを頻繁に切り換えることなく、排気ブレーキを利用してエンジン回転数が高くなりすぎることを防止できる建設機械を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の発明者らは、鋭意研究の結果、降坂時であれば、回転数が高くなった状態（車速が高い状態）が維持され、また、エンジンは走行のためのエネルギーを使用しない状況が継続することに着目し、本判断にて、降坂時に排気ブレーキを自動的に実行することを思いついた。このようにすれば、排気ブレーキのオン・オフの頻繁な切り換えを防止できると考える。本発明は、このような観点からなされたものである。
すなわち、本発明の建設機械は、油圧アクチュエータへ作動油を供給する少なくとも１つの油圧ポンプを駆動するエンジンと、前記エンジンからの排気の流量を調整する排気調整機構と、前記排気調整機構を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、以下の第１降坂条件または第２降坂条件が成立するか否かを判定し、第１降坂条件または第２降坂条件が成立する場合には、排気ブレーキを実行するように前記排気調整機構を制御する、ことを特徴とする。
第１降坂条件：エンジンの実回転数が設定回転数以上、かつ、エンジン負荷率が設定割合以下
第２降坂条件：エンジンが変速機を介して車輪と連結される場合であって操縦者によって車速モードが選択される場合、実車速が選択された車速モードの許容車速以上
上記の構成によれば、降坂時に排気ブレーキが自動的に実行されるため、排気ブレーキのオン・オフを頻繁に切り換えることなく、排気ブレーキを利用してエンジン回転数が高くなりすぎることを防止できる。しかも、降坂時にはフットブレーキ以外の制動力が働くために、フットブレーキの使用頻度を低減することができる。
例えば、前記車速は、前記変速機の出力軸の回転数であってもよい。
前記制御装置は、前記エンジンの実回転数が前記設定回転数以下の第２の設定回転数より低く、かつ、実車速が前記許容車速以下の設定車速より低くなったとき、または、アクセルペダルが踏み込まれたときに、前記排気ブレーキを解除するように前記排気調整機構を制御してもよい。この構成によれば、適切なタイミングで排気ブレーキを解除することができる。
前記少なくとも１つの油圧ポンプは、ファン用ポンプを含み、上記の建設機械は、前記ファン用ポンプから作動油が供給される、前記エンジンを冷却するためのファン用モータと、前記ファン用モータの回転数を設定するファン回路と、をさらに備え、前記制御装置は、前記第１降坂条件または前記第２降坂条件が成立する場合には、前記ファン用モータの回転数を所定値以上とするように前記ファン回路を制御してもよい。この構成によれば、降坂時の加速度が大きいときなどの排気ブレーキだけでは不十分な場合にも、エンジン回転数が高くなりすぎることを防止できる。
前記少なくとも１つの油圧ポンプは、メインポンプを含み、上記の建設機械は、前記メインポンプから荷役回路を経てタンクへ至る循環ラインと、前記荷役回路よりも上流側で前記循環ラインから分岐してタンクへ至る、リリーフ弁が設けられた逃がしラインと、前記逃しラインの分岐点よりも下流側で前記循環ラインに設けられた開閉弁と、をさらに備え、前記制御装置は、前記第１降坂条件または前記第２降坂条件が成立する場合には、前記循環ラインを遮断するように前記開閉弁を制御してもよい。この構成によれば、降坂時の加速度が大きいときなどの排気ブレーキだけでは不十分な場合にも、エンジン回転数が高くなりすぎることを防止できる。
流体継手であるトルクコンバータおよび変速機を介して前記エンジンと連結された車輪と、前記トルクコンバータの出力軸を入力軸と拘束するか否かを切り換えるロックアップ装置と、をさらに備え、前記制御装置は、前記第１降坂条件または前記第２降坂条件が成立する場合には、前記トルクコンバータの出力軸が入力軸と拘束されるように前記ロックアップ装置を制御してもよい。この構成によれば、降坂時の加速度が大きいときなどの排気ブレーキだけでは不十分な場合にも、エンジン回転数が高くなりすぎることを防止できる。
例えば、上記の建設機械は、前記エンジンと接続された圧縮機およびタービンを含むターボチャージャをさらに備え、前記タービンは、可変ノズルタービンであり、前記排気調整機構は、前記タービンのノズルの開度を変更することによって前記エンジンからの排気の流量を調整するものであってもよい。
本発明によれば、排気ブレーキのオン・オフを頻繁に切り換えることなく、排気ブレーキを利用してエンジン回転数が高くなりすぎることを防止できる。
本発明の一実施形態に係る建設機械の概略構成を模式的に示す図である。 図１に示す建設機械の側面図である。 制御装置が行う制御のフローチャートである。
図２に、本発明の一実施形態に係る建設機械１を示し、図１に、建設機械１の概略構成を模式的に示す。図２に示す建設機械１は、車輪走行式の産業用車両の１つであるホイールローダである。ただし、本発明は、ショベルローダ、フォークリフト、トラッククレーンなどの他の産業用車両にも適用可能である。
図２に示すように、建設機械１は、互いに水平方向に揺動可能に連結された前側車体１１および後側車体１２を含む。前側車体１１には前車輪１６が取り付けられ、後側車体１２には後車輪１７が取り付けられている。前側車体１１と後側車体１２の間には、進行方向変更用の左右一対のステアリングシリンダ（油圧アクチュエータ）３４が設けられている。
後側車体１２には、運転室１３およびエンジンルーム１８が設けられている。エンジンルーム１８内には、エンジン２１と、エンジン２１を冷却するためのラジエータ１９およびファン用モータ（油圧アクチュエータ）３９が配置されている。前側車体１１には、ブーム１４が鉛直方向に揺動可能に連結され、ブーム１４の先端にはバケット１５が鉛直方向に揺動可能に連結されている。また、前側車体１１には、ブーム１４を作動させる左右一対のブームシリンダ（油圧アクチュエータ）３６と、バケット１５を作動させるバケットシリンダ（油圧アクチュエータ）３７が設けられている。
図１および図２に示すように、エンジン２１は、トルクコンバータ２２、変速機２３およびアクスル２４，２５を介して車輪１６，１７と連結されている。なお、変速機２３は、入力軸と出力軸の速度比を変更することができるとともに、車両の前進と後進を切り換えるために出力軸の回転方向を入力軸と同方向にするか逆方向にするかを切り換えることができる。
トルクコンバータ２２は、流体継手である。本実施形態では、トルクコンバータ２２の出力軸を入力軸と拘束するか否かを切り換えるロックアップ装置２６が設けられている。
トルクコンバータ２２には、油圧ポンプであるメインポンプ３１およびファン用ポンプ３２も連結されている。つまり、メインポンプ３１およびファン用ポンプ３２は、エンジン２１により駆動される。ファン用ポンプ３２は、エンジン２１に直接連結されてもよい。
メインポンプ３１は、荷役回路３５を介してブームシリンダ３６およびバケットシリンダ３７へ作動油を供給するとともに、ステアリング回路３３を介してステアリングシリンダ３４へ作動油を供給する。なお、図１では、図面を簡略化するために、一対のブームシリンダ３６およびバケットシリンダ３７を１つのシリンダ記号で表すとともに、一対のステアリングシリンダ３４を１つのシリンダ記号で表している。
メインポンプ３１からは循環ライン４１が延びており、この循環ライン４１は、荷役回路３５を経てタンク４０へ至っている。つまり、循環ライン４１は、荷役回路３５のセンターバイパスラインを構成する。また、循環ライン４１からは、荷役回路３５よりも上流側で分岐ライン４４が分岐しており、この分岐ライン４４がステアリング回路３３につながっている。
荷役回路３５は、ブームシリンダ３６に対する作動油の供給および排出を制御するブーム制御弁（図示せず）と、バケットシリンダ３７に対する作動油の供給および排出を制御するバケット制御弁（図示せず）を含む。例えば、各制御弁へは、操作レバーを含む操作弁からパイロット圧が出力される。ステアリング回路３３は、ステアリングシリンダ３４に対する作動油の供給および排出を制御するステアリングバルブ（図示せず）を含む。例えば、ステアリングバルブへは、オービットロール（登録商標）などの操舵信号出力装置から操舵信号（パイロット流）が出力される。
さらに、循環ライン４１からは、荷役回路３５よりも上流側で逃しライン４５が分岐しており、この逃しライン４５は、タンク４０へ至っている。逃しライン４５には、リリーフ弁４６が設けられている。
循環ライン４１には、逃しライン４５の分岐点よりも下流側に、開閉弁４３が設けられている。開閉弁４３は、循環ライン４１の開放と遮断を切り換える。本実施形態では、開閉弁４３が荷役回路３５よりも上流側に配置されているが、開閉弁４３は荷役回路３５よりも下流側に配置されていてもよい。
一方、ファン用ポンプ３２は、ファン回路３８を介して、上述したファン用モータ３９へ作動油を供給する。ファン回路３８は、ファン用モータ３９の回転数を設定するものであり、例えば、ファン用モータ３９の流出ラインへ任意の圧力を導く減圧弁と、この減圧弁へパイロット圧を出力する電磁比例弁を含む。
エンジン２１は、ターボチャージャ５１の圧縮機５２およびタービン５３と接続されている。本実施形態では、タービン５３が可変ノズルタービンであり、タービン５３のノズルの開度が排気調整機構５４によって変更される。つまり、排気調整機構５４は、エンジン２１からの排気の流量を調整する。
排気調整機構５４は、制御装置６によって制御される。制御装置６は、エンジン２１の実回転数Ｎを検出する回転数計６１、建設機械１の実車速Ｓを検出する車速計６２、アクセルペダル７１の踏み込み量を検出するペダルセンサ７２、および車速モード選択装置７３と接続されている。本実施形態では、車速計６２が、車速として変速機２３の出力軸の回転数を検出する回転数計である。
車速モード選択装置７３は、運転室１３内に配置されており、操縦者による、複数の車速モードの選択を受け付ける。本実施形態では、車速モードは、変速機２３での速度比を複数の段階（例えば、第１段〜第５段）で指し示すものである。ただし、車速モードは、必ずしも変速機２３での速度比を複数の段階で指し示すものである必要はない。例えば、車速モードは、変速機２３での速度比を手動で切り換える手動モードと自動で切り換える自動モードであってもよいし、エンジン回転数について異なる上限を定める複数の運転モードであってもよい。
制御装置６は、エンジン関連機器を制御するエンジン制御装置と、油圧機器を制御する車体コントローラに分かれていてもよいし、全ての機器を統括して制御する１つのユニットであってもよい。
以下、制御装置６が行う制御を、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。
まず、制御装置６は、第１降坂条件が成立するか否かを判定する（ステップＳ１）。第１降坂条件とは、回転数計６１で検出されるエンジン２１の実回転数Ｎが第１設定回転数Ｎ１（例えば、２０００〜２４００ｒｐｍ）以上となり、かつ、エンジン負荷率が所定割合Ｒ（例えば、５〜２０％）以下となることである。エンジン負荷率は、例えば、エンジン２１への燃料噴射量から算出することができる。
第１降坂条件が成立する場合（ステップＳ１でＹＥＳ）はステップＳ３に進み、第１降坂条件が成立しない場合（ステップＳ１でＮＯ）はステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、制御装置６は、第２降坂条件が成立するか否かを判定する。第２降坂条件とは、車速計６２で検出される実車速Ｓが、車速モード選択装置７３で選択された車速モードの許容車速ＳＬ以上となることである。例えば、許容車速ＳＬは、各車速モードごとに決められた変速機２３での速度比と上述した第１設定回転数から求めることができる。
第２降坂条件が成立する場合（ステップＳ２でＹＥＳ）はステップＳ３に進み、第２降坂条件が成立しない場合（ステップＳ２でＮＯ）はステップＳ１に戻る。なお、本実施形態では、先に第１降坂条件の成否が判定され、その後に第２降坂条件の成否が判定されているが、先に第２降坂条件の成否が判定され、その後に第２降坂条件の成否が判定されてもよい。すなわち、第１降坂条件と第２降坂条件のどちらか一方が成立すれば、ステップＳ３に進めるようになっていればよい。あるいは、ステップＳ１とステップＳ２のいずれか一方のみが採用されてもよい。第１降坂条件のみが採用される場合は、車速モード選択装置７３が設けられずに、変速機２３での速度比が自動で切り換えられるだけであってもよい。
ステップＳ３では、制御装置６は、エンジン２１の負荷を上昇させる処理、換言すればエンジン２１に対して制動力を働かせる処理を行う。本実施形態では、制御装置６は、以下の４つの処理１〜４を行う。
処理１：排気ブレーキを実行する（エンジン２１からの排気の流量を低減させてエンジン２１の負荷を高くする）ように排気調整機構５４を制御する。
処理２：ファン用モータ３９の回転数を所定値（例えば、通常時の回転数の２倍）以上とするようにファン回路３８を制御する。
処理３：循環ライン４１を遮断するように開閉弁４３を制御する。
処理４：トルクコンバータ２２の出力軸が入力軸と拘束されるようにロックアップ装置２６を制御する。
ただし、制御装置６は、少なくとも処理１を行えばよく、処理１以外では処理２〜４のうちの１つまたは２つのみを行ってもよいし、処理２〜４の全てを行わなくてもよい。
その後、制御装置６は、負荷上昇処理の解除条件が成立するまで、処理１〜４を行った状態を維持する。本実施形態では、制御装置６は、まず、エンジン２１の実回転数Ｎが第２設定回転数Ｎ２より低く、かつ、実車速Ｓが設定車速Ｓｄより低くなったか否かを判定する（ステップＳ４）。第２設定回転数Ｎ２は、上述した第１設定回転数Ｎ１と等しくてもよいし、第１設定回転数Ｎ１よりも小さくてもよい。設定車速Ｓｄは、上述した許容車速ＳＬと等しくてもよいし、許容車速ＳＬよりも小さくてもよい。ステップＳ４でＹＥＳであればステップＳ６に進み、ステップＳ４でＮＯであればステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、制御装置６は、アクセルペダル７１が踏み込まれたか否かを判定する。ステップＳ５でＹＥＳであればステップＳ６に進み、ステップＳ５でＮＯであればステップＳ４に戻る。なお、本実施形態では、ステップＳ４の次にステップＳ５が行われるが、ステップＳ５の次にステップＳ４が行われてもよい。あるいは、ステップＳ４とステップＳ５のいずれか一方のみが採用されてもよい。
ステップＳ６では、制御装置６は、処理１〜４の全てを取り止める。具体的には、制御装置６は、（１）排気ブレーキを解除するように排気調整機構５４を制御し、（２）ファン用モータ３９の回転数を元に戻すようにファン回路３８を制御し、（３）循環ライン４１を開放するように開閉弁４３を制御し、（４）変速機２３の出力軸の入力軸に対する拘束を解除するようにロックアップ装置２６を制御する。その後、ステップＳ１に戻る。
以上説明したように、本実施形態の建設機械１では、ステップＳ１，Ｓ２の判定により降坂時に排気ブレーキが自動的に実行されるため、排気ブレーキのオン・オフを頻繁に切り換えることなく、排気ブレーキを利用してエンジン回転数が高くなりすぎることを防止できる。しかも、降坂時にはフットブレーキ以外の制動力が働くために、フットブレーキの使用頻度を低減することができる。
また、本実施形態では、ステップＳ４，Ｓ５の判定により、適切なタイミングで排気ブレーキを解除することができる。
さらに、本実施形態では、降坂時には、排気ブレーキの実行に加えて、ファン用モータ３９の回転数が所定値以上とされ、循環ライン４１の遮断によって作動油がリリーフ弁４６を通過し、ロックアップ装置２６のオンによってエンジンブレーキが作動する。これにより、降坂時の加速度が大きいときなどの排気ブレーキだけでは不十分な場合（例えば、坂の角度が大きい場合やバケット１５で荷を保持したまま降坂する場合）にも、エンジン回転数が高くなりすぎることを防止できる。例えば、作動油や冷却水の温度が低い通常時にファン用モータ３９の回転数が５００ｒｐｍである場合、降坂時にファン用モータ３９の回転数を１５００ｒｐｍ程度とすれば、エンジン２１の回転数を３００ｒｐｍ程度低減することができる。なお、状況に応じて、上述した処理２〜４のいずれか１つまたは２つのみが行われてもよい。
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、本発明は、クローラを含む油圧ショベルなど、車輪走行式ではない建設機械にも適用可能である。すなわち、建設機械の走行は、メインポンプ３１から作動油が供給される油圧モータによって行われてもよい。
また、排気調整機構５４は、エンジン２１からの排気の流量を調整できれば、どのようなものであってもよい。例えば、ターボチャージャ５１のタービン５３が可変ノズルタービンでない場合、あるいはターボチャージャ５１がない場合には、排気調整機構５４は、エンジン２１からの排気路に設けられたバタフライ弁であってもよい。
１ 建設機械
１６，１７ 車輪
２１ エンジン
２２ トルクコンバータ
２３ 変速機
２６ ロックアップ装置
３１ メインポンプ（油圧ポンプ）
３２ ファン用ポンプ（油圧ポンプ）
３４ ステアリングシリンダ（油圧アクチュエータ）
３５ 荷役回路
３６ ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）
３７ バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）
３８ ファン回路
３９ ファン用モータ（油圧アクチュエータ）
４０ タンク
４１ 循環ライン
４３ 開閉弁
４５ 逃しライン
４６ リリーフ弁
５１ ターボチャージャ
５２ 圧縮機
５３ タービン
５４ 排気調整機構
６ 制御装置

Claims (7)

  1. 油圧アクチュエータへ作動油を供給する少なくとも１つの油圧ポンプを駆動するエンジンと、
    前記エンジンからの排気の流量を調整する排気調整機構と、
    前記排気調整機構を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、以下の第１降坂条件または第２降坂条件が成立するか否かを判定し、第１降坂条件または第２降坂条件が成立する場合には、排気ブレーキを実行するように前記排気調整機構を制御する、建設機械。
    第１降坂条件：エンジンの実回転数が設定回転数以上、かつ、エンジン負荷率が設定割合以下
    第２降坂条件：エンジンが変速機を介して車輪と連結される場合であって操縦者によって車速モードが選択される場合、実車速が選択された車速モードの許容車速以上
  2. 前記車速は、前記変速機の出力軸の回転数である、請求項１に記載の建設機械。
  3. 前記制御装置は、前記エンジンの実回転数が前記設定回転数以下の第２の設定回転数より低く、かつ、実車速が前記許容車速以下の設定車速より低くなったとき、または、アクセルペダルが踏み込まれたときに、前記排気ブレーキを解除するように前記排気調整機構を制御する、請求項１または２に記載の建設機械。
  4. 前記少なくとも１つの油圧ポンプは、ファン用ポンプを含み、
    前記ファン用ポンプから作動油が供給される、前記エンジンを冷却するためのファン用モータと、
    前記ファン用モータの回転数を設定するファン回路と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記第１降坂条件または前記第２降坂条件が成立する場合には、前記ファン用モータの回転数を所定値以上とするように前記ファン回路を制御する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の建設機械。
  5. 前記少なくとも１つの油圧ポンプは、メインポンプを含み、
    前記メインポンプから荷役回路を経てタンクへ至る循環ラインと、
    前記荷役回路よりも上流側で前記循環ラインから分岐してタンクへ至る、リリーフ弁が設けられた逃がしラインと、
    前記逃しラインの分岐点よりも下流側で前記循環ラインに設けられた開閉弁と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記第１降坂条件または前記第２降坂条件が成立する場合には、前記循環ラインを遮断するように前記開閉弁を制御する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の建設機械。
  6. 流体継手であるトルクコンバータおよび変速機を介して前記エンジンと連結された車輪と、
    前記トルクコンバータの出力軸を入力軸と拘束するか否かを切り換えるロックアップ装置と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記第１降坂条件または前記第２降坂条件が成立する場合には、前記トルクコンバータの出力軸が入力軸と拘束されるように前記ロックアップ装置を制御する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の建設機械。
  7. 前記エンジンと接続された圧縮機およびタービンを含むターボチャージャをさらに備え、
    前記タービンは、可変ノズルタービンであり、
    前記排気調整機構は、前記タービンのノズルの開度を変更することによって前記エンジンからの排気の流量を調整するものである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の建設機械。
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