JP2017122392A - 建設機械のエンジン制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性に優れた建設機械のエンジン制御装置を提供すること。【解決手段】建設機械の油圧ポンプをエンジンにより駆動させる、建設機械のエンジン制御装置は、エンジンの要求トルクと、実回転数と、適正燃料噴射量との相関関係を示す噴射量決定用マップを記憶する記憶手段と、噴射量決定用マップに基づいて、要求トルクおよび実回転数から、エンジンの燃料噴射量を決定する噴射量決定手段と、目標回転数から実回転数を減算した回転数偏差を算出する回転数偏差算出手段と、回転数偏差が０に近付くように、噴射量決定手段によって決定される燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、を有する。【選択図】図４

Description

本開示は、建設機械のエンジン制御装置に関する。
従来より、建設機械の油圧ポンプをエンジンで駆動する際に、エンジンの実回転数を計測するとともに、実回転数と目標回転数の回転数偏差に基づいて、燃料噴射量を補正するフィードバック制御が行われている。しかしながら、フィードバック制御のみでは、エンジンの実回転数が目標回転数から離れることが前提となるため、目標回転数を基準として回転数変動が生じる。
これを踏まえて、フィードバック制御に加えて、フィードフォワード制御を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のフィードフォワード制御は、油圧ポンプの吐出圧力と吐出流量から油圧ポンプの負荷を求め、その求めた油圧ポンプの負荷からエンジンの要求負荷を推定し、当該要求負荷に応じて燃料噴射量を決定する。特許文献１のフィードフォワード制御では特に、エンジンの要求負荷に対して、エンジンの噴射増加量を比例させるように設定している。
特開２０１４−１２５９４９号
しかしながら、特許文献１に記載のフィードフォワード制御によれば、要求負荷に対して燃料噴射増加量が比例するように設定されているため、ある程度の回転数変動を抑えられるが、要求負荷に対する必要な燃料噴射量の決定精度に欠ける。また、温度や燃料、操作により建設機械のエンジン状態は時々刻々変化していくものであり、そのような状態変化にも対応することができず、抑制できる回転数変動にも限界がある。
従って、本開示の目的は、エンジンの目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性に優れた建設機械のエンジン制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本開示は以下のように構成する。
本開示の一態様によれば、建設機械の油圧ポンプをエンジンにより駆動させる、建設機械のエンジン制御装置であって、エンジンの要求トルクと、実回転数と、適正燃料噴射量との相関関係を示す噴射量決定用マップを記憶する記憶手段と、噴射量決定用マップに基づいて、要求トルクおよび実回転数から、エンジンの燃料噴射量を決定する噴射量決定手段と、目標回転数から実回転数を減算した回転数偏差を算出する回転数偏差算出手段と、回転数偏差が０に近付くように、噴射量決定手段によって決定される燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、を有する、建設機械のエンジン制御装置を提供する。
本開示の建設機械のエンジン制御装置によれば、エンジンの目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させることができる。
実施の形態における建設機械の概略構成を示すブロック図 エンジンの燃料噴射量を決定するためのブロック線図 補正前の噴射量決定用マップを示す図 噴射量決定用マップを補正するための処理フローを示す図 平均回転数偏差を算出するためのサンプリングの一例を示す図 補正後の噴射量決定用マップを示す図
本開示の第１態様によれば、建設機械の油圧ポンプをエンジンにより駆動させる、建設機械のエンジン制御装置であって、エンジンの要求トルクと、実回転数と、適正燃料噴射量との相関関係を示す噴射量決定用マップを記憶する記憶手段と、噴射量決定用マップに基づいて、要求トルクおよび実回転数から、エンジンの燃料噴射量を決定する噴射量決定手段と、目標回転数から実回転数を減算した回転数偏差を算出する回転数偏差算出手段と、回転数偏差が０に近付くように、噴射量決定手段によって決定される燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、を有する、建設機械のエンジン制御装置を提供する。このように、目標回転数と実回転数の差である回転数偏差が０に近付くように噴射量決定用マップを補正している。これにより、エンジンの目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させることができる。
本開示の第２態様によれば、噴射量補正手段は、噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正する、第１態様に記載の建設機械のエンジン制御装置を提供する。このように、噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正することで、簡易な方法で燃料噴射量を補正することができる。
本開示の第３態様によれば、回転数偏差の平均である平均回転数偏差を算出する平均回転数偏差算出手段をさらに備え、噴射量補正手段は、平均回転数偏差が０に近付くように噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正する、第２態様に記載の建設機械のエンジン制御装置を提供する。このように、複数の回転数偏差の平均である平均回転数偏差が０に近付くように噴射量決定用マップを補正している。これにより、エンジンの目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させることができる。
本開示の第４態様によれば、平均回転数偏差算出手段は、回転数偏差算出手段によって算出された回転数偏差を、対応する実回転数に基づいて、実回転数の複数の範囲に分類し、分類された回転数偏差の数が所定の数に達すると、当該範囲における平均回転数偏差を算出し、噴射量補正手段は、当該範囲ごとの平均回転数偏差に基づいて、同範囲の実回転数に対応する適正燃料噴射量を補正する、第３態様に記載の建設機械のエンジン制御装置を提供する。このように、サンプリングした回転数偏差を実回転数の範囲で分類し、当該範囲におけるサンプリング数が所定の数に達したときに平均回転数偏差を算出して燃料噴射量の補正に用いることで、燃料噴射量をより精度良く補正することができる。これにより、エンジンの目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させることができる。
本開示の第５態様によれば、平均回転数偏差算出手段は、回転数偏差算出手段によって算出された回転数偏差を、対応する要求トルクに基づいて、要求トルクの複数の範囲に分類し、分類された回転数偏差の数が所定の数に達すると、当該範囲における平均回転数偏差を算出し、噴射量補正手段は、当該範囲ごとの平均回転数偏差に基づいて、同範囲の要求トルクに対応する適正燃料噴射量を補正する、第３態様又は第４態様に記載の建設機械のエンジン制御装置を提供する。このように、サンプリングした回転数偏差をエンジンの要求トルクの範囲で分類し、当該範囲におけるサンプリング数が所定の数に達したときに平均回転数偏差を算出して燃料噴射量の補正に用いることで、燃料噴射量をより精度良く補正することができる。これにより、エンジンの目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させることができる。
本開示の第６態様によれば、噴射量決定用マップは、要求トルクと、実回転数と、エンジン水温と、適正燃料噴射量との相関関係を示す噴射量決定用マップであって、噴射量決定手段は、噴射量決定用マップに基づいて、要求トルク、実回転数およびエンジン水温から、エンジンの燃料噴射量を決定し、平均回転数偏差算出手段は、回転数偏差算出手段によって算出された回転数偏差を、対応するエンジン水温に基づいて、エンジン水温の複数の範囲に分類し、分類された回転数偏差の数が所定の数に達すると、当該範囲における平均回転数偏差を算出し、噴射量補正手段は、当該範囲ごとの平均回転数偏差に基づいて、同範囲のエンジン水温に対応する適正燃料噴射量を補正する、第３態様から第５態様のいずれか１つに記載の建設機械のエンジン制御装置を提供する。これにより、エンジンの目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させることができる。
本開示の第７態様によれば、回転数偏差算出手段によって算出された回転数偏差に基づいて、噴射量決定手段によって決定された燃料噴射量をフィードバック制御するフィードバック制御手段を、さらに有する、第１態様から第６態様のいずれか１つに記載の建設機械のエンジン制御装置を提供する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
図１は、本実施の形態にかかる建設機械１の概略構成を示す。
建設機械１は、油圧ポンプ２と、エンジン３と、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４と、制御装置５と、を備える。エンジン３の出力によって油圧ポンプ２を駆動させることで、建設機械１の各種作業を行う。エンジン３の制御は、ＥＣＵ４によって行われる。制御装置５は、建設機械１全体のコントローラであり、油圧ポンプ２およびＥＣＵ４を含む装置構成全体の制御を行う。このような構成において、ＥＣＵ４からエンジン３に出力する燃料噴射量は、制御装置５によって決定される。
本実施の形態における制御装置５は、エンジン３の燃料噴射量を決定する際に、噴射量決定用マップを用いて燃料噴射量を決定するフィードフォワード制御を行う。特に、エンジン３の実回転数を目標回転数に精度良く近付けるために、目標回転数と実回転数の差である回転数偏差（平均回転数偏差）に基づいて噴射量決定用マップを補正するフィードフォワード制御を行う。以下、具体的なフィードフォワード制御について、図２を用いて説明する。図２は、制御装置５が燃料噴射量を決定するためのブロック線図である。
図２に示すように、まず、エンジン３の要求負荷を算出する（処理Ｐ１）。具体的には、建設機械１に設けられた所定の測定機器（図示せず）により測定した測定値を用いて推定した油圧ポンプ２の負荷（ｋＷ）およびその他の負荷（ｋＷ）を加算することで、エンジン３の要求負荷（ｋＷ）として算出する。その他の負荷としては、建設機械１の様々な構成に関する負荷が含まれ、チャージポンプ（ｋＷ）や冷却ファンの負荷（ｋＷ）などが挙げられる。
次に、エンジン３の要求トルクを算出する（処理Ｐ２）。具体的には、処理Ｐ１で算出したエンジン３の要求負荷（ｋＷ）を、エンジン３の回転数実績である実回転数（ｒｐｍ）により除算し、エンジン３の要求トルク（Ｎｍ）として算出する。エンジン３の実回転数は、建設機械１に設けられた所定の測定機器（図示せず）により測定される。
次に、エンジン３に出力する燃料噴射量を決定する（処理Ｐ３）。具体的には、処理Ｐ３では、噴射量決定用マップを用いてエンジン３の燃料噴射量を決定する。噴射量決定用マップの一例を図３に示す。
図３に示すように、本実施の形態の噴射量決定用マップは、エンジン３の実回転数（ｒｐｍ）および要求トルクに対して、適正な燃料噴射量（ｍｇ／ｃｙｃ）を定めたマップである。図３では、エンジン３の実回転数に対応する適正燃料噴射量を表すラインとして、複数のライン（要求トルクラインＴ１−要求トルクラインＴ４）が示されている。これらのライン間を線形補完することによりエンジン３の実回転数および要求トルクに対して、適正な燃料噴射量を定められる。また、要求トルクラインは、処理Ｐ２で算出した要求トルクの値の範囲に応じてどのラインを適用するかが使い分けられても良い。例えば、要求トルクが所定の範囲内である場合には、ある１つの要求トルクラインを使用するように予め定められている。これより、図３に示す噴射量決定用マップは、エンジン３の実回転数と、要求トルクと、適正燃料噴射量との相関関係を示すマップである。
制御装置５は、図３に示す噴射量決定用マップに基づいて、処理Ｐ２で算出したエンジン３の要求トルクと、別途測定した実回転数から、対応する適正燃料噴射量を参照し、エンジン３の燃料噴射量として決定する。
ここで、建設機械１が行う作業は場面に応じて様々である（例えば、掘削作業、地均し作業など）。また、一度作業が決まれば、ある程度の期間類似の作業を行われることが多い。これを受けて、建設機械１のリアルタイムな実績に基づいて、エンジン３に出力する燃料噴射量を補正することで、エンジン３の目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させることができる。そこで、本実施の形態では、処理Ｐ３で使用した噴射量決定用マップの補正を行う（処理Ｐ４）。具体的な補正方法について、図４、図５を用いて説明する。
図４は、噴射量決定用マップを補正するための処理フローを示す図である。図５は、噴射量決定用マップの補正に用いる平均回転数偏差を算出するためのサンプリングの一例を示す図である。図４に示すように、本実施の形態では、噴射量決定用マップを補正するための情報として、エンジン３の実回転数と、要求トルクと、回転数偏差とを用いる。回転数偏差とは、エンジン３の目標回転数から実回転数を減算した値であり、実回転数が目標回転数からどの程度離れているかを表す指標である。
これらの情報を用いて、図５に示すように回転数偏差のサンプリングを行う。図５は、サンプリングされた回転数偏差と、そのサンプリング時の実回転数および要求トルクとの関係を示す図である。図示の都合上、エンジン３の要求トルクの軸を紙面に垂直な方向で表している。
サンプリングの手法としては、エンジン３を動作させているときに、リアルタイムでサンプリングすることで、随時データを蓄積していく。サンプリングの間隔は一定期間ごとなど、任意の期間であってもよい。
本実施の形態では、エンジン３の実回転数（および要求トルク）を所定範囲ごとに区切り、当該範囲ごとの回転数偏差の平均値（平均回転数偏差）を算出している。噴射量決定用マップの更新条件として、当該範囲ごとにサンプリング数が閾値以上になったら補正を行う。閾値は、実回転数のそれぞれの範囲ごとに可変であってもよい。
補正後の噴射量決定用マップの一例を図６に示す。図６に示すように、所定範囲ごとの実回転数に対応する適正燃料噴射量を補正する。具体的には、図５に示した回転数偏差が０に近付くように、同範囲に対応する適正燃料噴射量を補正する。より具体的には、平均回転数偏差が正の場合、目標回転数に対して実回転数が小さいため、対応する適正燃料噴射量を多くするように補正する。この場合、図６のグラフにおいて、ラインの位置を上方に移動させる。一方で、平均回転数偏差が負の場合には、目標回転数に対して実回転数が大きいため、対応する適正燃料噴射量を少なくするように補正する。この場合、図６のグラフにおいて、ラインの位置を下方に移動させる。
噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正する際には、平均回転数偏差の絶対値｜Δｒａｖｅ｜が大きいほど補正量を大きくしてもよい。｜Δｒａｖｅ｜に対する補正量は、実験などにより予め求められている。
以上のような処理フローにより、補正が完了する。なお、図６に示す例は模式的なものであり、図５のグラフとは対応していない。
次に、フィードバック制御を行う（処理Ｐ５）。具体的には、処理Ｐ４で補正した噴射量決定用マップに基づき決定された燃料噴射量に対して、回転数偏差に基づいてＰＩＤ制御を行う。これにより、最終的な燃料噴射量をエンジン３に出力する。
なお、上記では説明を省略したが、制御装置５はその内部に、記憶手段と、噴射量決定手段と、回転数偏差算出手段と、平均回転数偏差算出手段と、噴射量補正手段とを有している。具体的には、記憶手段は、処理Ｐ３に関して、エンジン３の要求トルクと、実回転数と、適正燃料噴射量との相関関係を示す噴射量決定用マップを記憶する手段である。噴射量決定手段は、処理Ｐ３に関して、噴射量決定用マップに基づいて、要求トルクおよび実回転数から、エンジン３の燃料噴射量を決定する手段である。回転数偏差算出手段は、処理Ｐ４に関して、目標回転数から実回転数を減算した回転数偏差を算出する手段である。平均回転数偏差算出手段は、処理Ｐ４に関して、回転数偏差の平均である平均回転数偏差を算出する手段である。噴射量補正手段は、処理Ｐ４に関して、（平均）回転数偏差が０に近付くように、噴射量決定手段によって決定される燃料噴射量（特に噴射量決定用マップの適正燃料噴射量）を補正する手段である。より具体的には、平均回転数偏差が正の場合には、噴射量決定手段によって決定される燃料噴射量を多くなるように補正し、平均回転数偏差が負の場合には、噴射量決定手段によって決定される燃料噴射量を少なくなるように補正する。
上述したように、本実施の形態では、目標回転数と実回転数の差である回転数偏差が０に近付くように、エンジン３に出力する燃料噴射量を補正している。これにより、目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させることができる。
特に本実施の形態では、噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正している。すなわち、噴射量補正手段は、噴射量決定用マップを補正する噴射量決定用マップ補正手段である。このように、噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正することで、より簡易な方法で燃料噴射量を補正することができる。
また本実施の形態では、回転数偏差の平均である平均回転数偏差が０に近付くように噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正している。このように、回転数偏差の中でも特に平均回転数偏差を用いて噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正することにより、目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求めることができる。これにより、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させることができる。
また本実施の形態では、算出された回転数偏差を、対応する実回転数に基づいて複数の範囲に分類し、分類された回転数偏差の数が所定の数に達すると、当該範囲における平均回転数偏差を算出する。さらに、当該範囲ごとの平均回転数偏差に基づいて、同範囲の実回転数に対応する適正燃料噴射量を補正している。このように実回転数の範囲を分類して、当該範囲におけるサンプリング数が所定の数に達したときに平均回転数偏差を算出して燃料噴射量の補正に用いることで、燃料噴射量をより精度良く補正することができる。これにより、目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させることができる。
以上、上述の実施の形態を挙げて本開示を説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されない。本実施の形態では、エンジン３の燃料噴射量を補正するために、噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正する場合について説明したが、このような場合に限らない。噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正するのではなく、噴射量決定用マップによって決定された燃料噴射量に対してゲイン係数を乗じることで、エンジン３の燃料噴射量を補正してもよい。この場合、平均回転数偏差が正の場合には、実際の燃料噴射量が多くなるようにゲイン係数を１以上に補正し、平均回転数偏差が負の場合には、実際の燃料噴射量が少なくなるようにゲイン係数を１以下に補正してもよい。このように、噴射量決定用マップを補正しない場合であってもよい。
また本実施の形態では、平均回転数偏差が０に近付くように噴射量決定用マップを補正する場合について説明したが、平均回転数偏差は単純平均や加重平均など、任意の平均であってもよい。さらには、平均回転数偏差ではなく、回転数偏差自体が０に近付くように噴射量決定用マップを補正してもよい。このように、回転数偏差自体や平均回転数偏差などを含む「回転数偏差」が０に近付くように補正すれば、目標回転数を実現するために必要な燃料噴射量をより正確に求め、目標回転数に対する実回転数の変動を抑制し、燃費・操作性を向上させる効果を奏する。
また本実施の形態では、制御装置５が燃料噴射量を決定し、ＥＣＵ４に信号として送信する場合について説明したが、このような場合に限らない。例えば、ＥＣＵ４が燃料噴射量を決定してもよく、ＥＣＵ４も建設機械１のエンジン制御装置の一部といえる。
また本実施の形態では、エンジン３の実回転数に基づいて、回転数偏差を複数の範囲に分類する場合について説明したが、このような場合に限らず、エンジン３の要求トルクなどのその他の要素に基づいて分類してもよい。あるいは、エンジン３の実回転数と要求トルクの両方に基づいて、回転数偏差を複数の範囲に分類してもよい。
また本実施の形態では、噴射量決定用マップにおいて、エンジン３の適正燃料噴射量を決定するための指標として要求トルクと実回転数を用いる場合について説明したが、このような場合に限らず、要求トルクと実回転数以外の指標を設けてもよい。例えば、エンジン３を冷却するための冷却水の水温（エンジン水温）を、適正燃料噴射量を決定するための指標に加えてもよい。
本開示は、建設機械のエンジン制御装置であれば適用可能である。
１ 建設機械
２ 油圧ポンプ
３ エンジン
４ ＥＣＵ
５ 制御装置

Claims (7)

  1. 建設機械の油圧ポンプをエンジンにより駆動させる、建設機械のエンジン制御装置であって、
    エンジンの要求トルクと、実回転数と、適正燃料噴射量との相関関係を示す噴射量決定用マップを記憶する記憶手段と、
    噴射量決定用マップに基づいて、要求トルクおよび実回転数から、エンジンの燃料噴射量を決定する噴射量決定手段と、
    目標回転数から実回転数を減算した回転数偏差を算出する回転数偏差算出手段と、
    噴射量補正手段回転数偏差が０に近付くように、噴射量決定手段によって決定される燃料噴射量を補正する噴射量補正手段と、
    を有する、建設機械のエンジン制御装置。
  2. 噴射量補正手段は、噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正する、請求項１に記載の建設機械のエンジン制御装置。
  3. 回転数偏差の平均である平均回転数偏差を算出する平均回転数偏差算出手段をさらに備え、
    噴射量補正手段は、平均回転数偏差が０に近付くように噴射量決定用マップの適正燃料噴射量を補正する、請求項２に記載の建設機械のエンジン制御装置。
  4. 平均回転数偏差算出手段は、回転数偏差算出手段によって算出された回転数偏差を、対応する実回転数に基づいて、実回転数の複数の範囲に分類し、分類された回転数偏差の数が所定の数に達すると、当該範囲における平均回転数偏差を算出し、
    噴射量補正手段は、当該範囲ごとの平均回転数偏差に基づいて、同範囲の実回転数に対応する適正燃料噴射量を補正する、請求項３に記載の建設機械のエンジン制御装置。
  5. 平均回転数偏差算出手段は、回転数偏差算出手段によって算出された回転数偏差を、対応する要求トルクに基づいて、要求トルクの複数の範囲に分類し、分類された回転数偏差の数が所定の数に達すると、当該範囲における平均回転数偏差を算出し、
    噴射量補正手段は、当該範囲ごとの平均回転数偏差に基づいて、同範囲の要求トルクに対応する適正燃料噴射量を補正する、請求項３又は４に記載の建設機械のエンジン制御装置。
  6. 噴射量決定用マップは、要求トルクと、実回転数と、エンジン水温と、適正燃料噴射量との相関関係を示す噴射量決定用マップであって、
    噴射量決定手段は、噴射量決定用マップに基づいて、要求トルク、実回転数およびエンジン水温から、エンジンの燃料噴射量を決定し、
    平均回転数偏差算出手段は、回転数偏差算出手段によって算出された回転数偏差を、対応するエンジン水温に基づいて、エンジン水温の複数の範囲に分類し、分類された回転数偏差の数が所定の数に達すると、当該範囲における平均回転数偏差を算出し、
    噴射量補正手段は、当該範囲ごとの平均回転数偏差に基づいて、同範囲のエンジン水温に対応する適正燃料噴射量を補正する、請求項３から５のいずれか１つに記載の建設機械のエンジン制御装置。
  7. 回転数偏差算出手段によって算出された回転数偏差に基づいて、噴射量決定手段によって決定された燃料噴射量をフィードバック制御するフィードバック制御手段を、さらに有する、請求項１から６のいずれか１つに記載の建設機械のエンジン制御装置。
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