JP2017155660A - 建設機械の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精度の高い冷却性能を確保することができる建設機械の冷却装置の提供。
【解決手段】本発明に係るダンプトラック１００の冷却装置は、冷却水管５４を介して高温ラジエータ４０に接続され、エンジン１１の冷却水を冷却する高温ラジエータ４０よりも容量が小さく設定された第１補助ラジエータ４２、及び冷却水管５４を介してターボによって圧縮された吸気ガスを冷却する低温ラジエータ４１に接続され、低温ラジエータ４１よりも容量が小さく設定された第２補助ラジエータ４３と、冷却ファン４９とは別に設けられ、第１補助ラジエータ４２を冷却する第１補助ファン４５、及び第２補助ラジエータ４３を冷却する第２補助ファン４６と、エンジン出力に応じて、冷却ファン４９、または第１補助ファン４５及び第２補助ファン４６を選択的に作動させる制御処理を行うコントローラ５０とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンによって駆動され、ラジエータを冷却する風を生起させる冷却ファンを備えた建設機械の冷却装置に関する。

図８は従来の建設機械の冷却装置の一例を示す図である。この従来技術は、建設機械例えばダンプトラックに設けられた冷却装置であり、エンジン１１内にはポンプの駆動により冷却水が循環している。エンジン１１の出力が高くなるに伴って、エンジン１１の温度が上昇する。エンジン１１内を循環している冷却水が熱せられて一定の温度を超えると、エンジン１１内の流路に設けたサーモスタットが開き、この冷却水は冷却水管５４を通じて高温ラジエータ４０と低温ラジエータ４１内を循環する。循環している冷却水は冷却ファン４９によって生起された風、すなわち冷却風２００により、ラジエータ４０，４１と外気間で熱交換される。

冷却ファン４９は、エンジン１１の出力軸と図示しないベルトあるいは歯車などの変速機とファンクラッチ６０を介して接続されており、エンジン１１の回転数に応じて冷却ファン４９の回転数も規定される。ファンクラッチ６０は冷却水管５４に取り付けられた温度センサ５５，５６によって検出された冷却水の温度や外部からの指令によりコントローラ５０によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。

高温ラジエータ４０は、冷却ファン４９に対し低温ラジエータ４１よりも近い側に配置され、エンジン１１の冷却水を冷却する。低温ラジエータ４１は、ターボによって圧縮された吸気ガスを冷却する。この種の従来技術が特許文献１に開示されている。

特開２０００−１８６５５３号公報

前述した図８等に示したラジエータ４０，４１及び冷却ファン４９を備えた冷却装置にあっては、エンジン１１が最大出力で一定時間動作した状態でも、エンジン１１が許容温度を超えないような冷却能力が必要になる。このため、従来技術では低負荷運転時に過剰な冷却、すなわち過冷却を生じてしまう問題があった。また、大きな冷却ファン４９を動作させることに伴って、無駄なエネルギー消費をさせてしまう問題もあった。

上述した課題を達成するために、本発明の目的は、精度の高い冷却性能を確保することができる建設機械の冷却装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明に係る建設機械の冷却装置は、ラジエータと、エンジンによって駆動し、前記ラジエータを冷却する風を生起させる冷却ファンと、前記ラジエータで冷却された水を前記エンジンに供給する冷却水管と、前記冷却ファンと前記エンジンの出力軸とを断接するファンクラッチとを備えた建設機械の冷却装置において、前記冷却水管を介して前記ラジエータに接続され、前記ラジエータよりも容量が小さく設定された補助ラジエータと、前記冷却ファンとは別に設けられ、前記補助ラジエータを冷却する風を生起させる補助ファンと、前記エンジンの稼動状態を検出する検出部と、前記検出部で検出された前記エンジンの稼動状態に応じて、前記冷却ファン及び前記補助ファンのうちの一方を選択的に作動させる制御処理を行うコントローラとを備えたことを特徴としている。

本発明に係る建設機械の冷却装置は、検出部で検出されたエンジンの稼動状態に応じて、コントローラは、ラジエータを冷却する冷却ファン、及びラジエータよりも容量の小さい補助ラジエータを冷却する補助ファンのうちの一方を選択的に作動させる制御処理を行うので、エンジンの稼動状態に応じた精度の高い冷却性能を確保することができる。これにより本発明は、従来技術で懸念されていた低負荷運転時の過冷却を抑制でき、また、無駄なエネルギーの消費を防ぐことができる。

本発明に係る冷却装置の第１実施形態を備えた建設機械の一例として挙げたダンプトラックを示す側面図である。 本発明に係る冷却装置の第１実施形態の構成を示す図である。 第１実施形態に備えられるコントローラにおいて設定されたエンジン出力とエンジン発熱量の相関関係を示す図である。 図１に示したダンプトラックの動作時間とエンジン出力の関係の一例を示す図である。 第１実施形態に備えられるコントローラにおける処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に備えられるコントローラにおける処理手順を示すフローチャートである。 第２実施形態に備えられる冷却水管を流れる冷却水の温度と、冷却ファン及び補助ファンの制御との関係を示す図である。 従来の建設機械の冷却装置の一例を示す図である。

以下、本発明に係る建設機械の冷却装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、第１実施形態に係る冷却装置が設けられた建設機械は、例えばダンプトラック１００である。このダンプトラック１００は、フレーム３６上に土砂等を積載するボディ４が搭載され、フレーム３６とボディ４はホイストシリンダ３３によって連結されている。フレーム３６には、図示しない機構部品を介して前輪７、後輪８、作動油タンク６、燃料タンク５などが取り付けられている。

後輪８の回転軸部には、後輪８を駆動する走行モータ１０、及び走行モータ１０と後輪８の回転数を調整する減速機９が収められている。さらにフレーム３６には、オペレータが歩行可能なデッキ２８が取り付けられている。

デッキ２８の上には、オペレータが搭乗しダンプトラック１００の操作室を形成するキャブ２、各種の電力機器が収納されたコントロールキャビネット１、及び余剰エネルギーを熱として放散する複数のグリッドボックス３が搭載されている。車体の前側位置には、デッキ２８に対してオペレータが昇降するはしご３７が設けられている。

前輪７で隠された部分には、エンジン、及び主発電機等が搭載されている。また、キャブ２内には、ハンドルとアクセルペダルが設置され、これらの操作機器は、図示しないが油圧機器と軸で接続されている。ハンドルを左右に回転させることによって、油圧のステアリングピストンを伸縮させ、前輪７の角度を変えることで走行時の車体の進行方向を左右に変更する。

ダンプトラック１００に設けられた本発明に係る冷却装置の第１実施形態は、前述の図８に示した従来の構成を含むものである。すなわち図２に示すように、第１実施形態も、高温ラジエータ４０及び低温ラジエータ４１から成るラジエータと、エンジン１１によって駆動し、ラジエータすなわち高温ラジエータ４０及び低温ラジエータ４１を冷却する風を生起させる冷却ファン４９と、高温ラジエータ４０及び低温ラジエータ４１で冷却された水をエンジン１１の冷却水の冷却、及び圧縮ガスの冷却のために供給する冷却水管５４と、コントローラ５０とを備えている。

また、冷却ファン４９とエンジン１１の出力軸とを断接するファンクラッチ６０を備えている。主発電機１２はエンジン１１によって駆動される。また、高温ラジエータ４０に戻される冷却水管５４の熱せられた水の温度を検出する温度センサ５５と、低温ラジエータ４１に戻される熱せられた水の温度を検出する温度センサ５６とを備えている。

前述したように、高温ラジエータ４０は、冷却ファン４９に対し低温ラジエータ４１よりも近い側に配置され、エンジン１１の冷却水を冷却する。低温ラジエータ４１は、ターボによって圧縮された吸気ガスを冷却する。

この第１実施形態は、冷却水管５４を介してラジエータに接続され、ラジエータよりも容量が小さく設定された補助ラジエータと、冷却ファン４９とは別に設けられ、補助ラジエータを冷却する風を生起させる補助ファンと、エンジン１１の稼動状態を検出する検出部とを備えている。また、コントローラ５０は、前述の検出部で検出されたエンジン１１の稼動状態に応じて、冷却ファン４９及び補助ファンのうちの一方を選択的に作動させる制御処理を行う。

前述の補助ラジエータは例えば、冷却水管５４を介して高温ラジエータ４０に接続され、高温ラジエータ４０よりも容量が小さく設定された第１補助ラジエータ４２と、冷却水管５４を介して低温ラジエータ４１に接続され、低温ラジエータ４１よりも容量が小さく設定された第２補助ラジエータ４３とから成っている。

前述の補助ファンは、第１補助ラジエータ４２を冷却させる風を生起させる第１補助ファン４５と、第２補助ラジエータ４３を冷却する風を生起させる第２補助ファン４６とから成っている。

また、第１補助ファン４５を駆動する第１補助モータ４７と、第２補助ファン４６を駆動する第２補助モータ４８とを備えている。これらの第１補助モータ４７と第２補助モータ４８は、主発電機１２により発電された電気によって駆動される。

この第１実施形態は、エンジン１１の稼動状態を検出する前述の検出部が、エンジン１１の出力を検出する検出部から成っている。この検出部は、エンジントルクＴｒを検出するトルクセンサ５８と、エンジン１１の回転数Ｎを検出する回転センサ５７とを含んでいる。

第１補助ラジエータ４２、第２補助ラジエータ４３、第１補助ファン４５、第２補助ファン４６、第１補助モータ４７、及び第２補助モータ４８は、高温ラジエータ４０、低温ラジエータ４１、及び冷却ファン４９が収納されるダンプトラック１００の前進走行時に風を受ける前側位置に配置した図１に示す熱交換器室３９内に設けてある。

前述したコントローラ５０内には、図３に示すエンジン出力とエンジン発熱量の相関関係を設定してある。この図３において横軸に示すものは以下の通りである。
Ｐｈ： エンジン出力上限閾値
Ｐ１： エンジン出力下限閾値
Ｐａｖ： 平均エンジン出力
Ｐｔｈ： 平均エンジン出力Ｐａｖとエンジン出力上限閾値Ｐｈとの間に設定した出力閾値
また、縦軸に示すものは以下の通りである。
Ｑｈ： エンジン出力上限閾値Ｐｈに対応する発熱量上限閾値
Ｑ１： エンジン出力下限閾値Ｐ１に対応する発熱量下限閾値
Ｑａｖ： 平均エンジン出力Ｐａｖに対応する平均エンジン発熱量
Ｑｔｈ： 平均エンジン発熱量Ｑａｖと発熱量上限閾値Ｑｈとの間の値で、出力閾値Ｐｔｈに対応する発熱量閾値
発熱量閾値Ｑｔｈは、第１補助モータ４７及び第２補助モータ４８の駆動によっては所望の冷却を実現しきれないと想定される値である。

同図３に示すように、エンジン出力が、エンジン出力下限閾値Ｐ１から、エンジン出力上限閾値Ｐｈに向うに従って略比例するように、エンジン発熱量は、発熱量下限閾値Ｑ１から、発熱量上限閾値Ｑｈに向って次第に増加する関数関係となっている。

図４は、図１に示したダンプトラック１００の動作時間とエンジン出力の関係の一例を示す図である。ダンプトラック１００は露天掘り鉱山で土砂や鉱石を運ぶ際などに活用され、放土場と積み込み場とを往復する。

図４中、Ａは放土場から動き始めた点、Ｂは積み込み場に到着した点、Ｃは積み込み場を離れた点、Ｄは放土場に到着した点である。ＢとＣの間は、油圧ショベルやホイールローダ等によって、土砂や鉱石をダンプトラック１００に積み込むためにダンプトラック１００が停車（アイドリング）している時間である。

エンジン出力上限閾値Ｐｈは、土砂や鉱石を積み込んで加速する際や、急な坂道で加速する際に生じる。しかし、平均エンジン出力Ｐａｖは通常、エンジン出力上限閾値Ｐｈの半分以下となっており、エンジン出力が最大となる時間は限定的である。

ＢとＣの間のアイドリング時におけるエンジン出力の２倍のエンジン出力を、エンジン出力下限閾値Ｐ１としている。このときのエンジン発熱量は前述のように発熱量下限閾値Ｑ１である。

このように構成した第１実施形態に備えられるコントローラ５０における処理動作を図５に基づいて説明する。

［ステップＳ１］ エンジンキーがＯＮとなると、エンジン１１のトルクを検出するトルクセンサ５８からのエンジントルクＴｒと、エンジン１１の回転数を検出する回転センサ５７からのエンジン回転数Ｎを入力する。次にステップＳ２へ進む。

［ステップＳ２］ エンジントルクＴｒとエンジン回転数Ｎとに基づいてエンジン出力を演算し、ステップＳ３へ進む。

［ステップＳ３］ 演算したエンジン出力に対応するエンジン発熱量Ｑを、図３の相関関係から演算し、ステップＳ４へ進む。

［ステップＳ４］ 演算した発熱量Ｑが発熱量閾値Ｑｔｈ以上かどうか判定する。Ｑｔｈ以上のときはステップＳ５へ進む。Ｑｔｈより小さいときはステップＳ７へ進む。

［ステップＳ５］ ファンクラッチ６０のＯＮ信号を出力する。これによりファンクラッチ６０は、エンジン１１の出力軸と冷却ファン４９とを接続し、冷却ファン４９で生起させた風、すなわち大流量の冷却風が高温ラジエータ４０と低温ラジエータ４１に供給される。高温ラジエータ４０によってエンジン１１の冷却水が冷却され、低温ラジエータ４１によってターボにより圧縮された吸気ガスが冷却される。次にステップＳ６へ進む。

［ステップＳ６］ 第１補助モータ４７及び第２補助モータ４８のＯＦＦ信号を出力する。これにより第１補助モータ４７及び第１補助ファン４５は停止し、第１補助ラジエータ４２の冷却は行われない。また、第２補助モータ４８及び第２補助ファン４６は停止し、第２補助ラジエータ４３の冷却は行われない。

このようにエンジン発熱量が発熱量閾値Ｑｔｈ以上のときには、冷却ファン２９で生起させた大流量の冷却風によってエンジン１１の冷却水、及び吸気ガスを強めに冷却して所望の冷却性能を確保することができる。

［ステップＳ７］ エンジン発熱量Ｑが発熱量閾値Ｑｔｈよりも小さいときには、ファンクラッチ６０のＯＦＦ信号を出力する。これによりファンクラッチ６０とエンジン１１の出力軸とが遮断され、冷却ファン４９は停止する。次にステップＳ８へ進む。

［ステップＳ８］ エンジン発熱量Ｑが発熱量下限閾値Ｑ１以下かどうか判定する。発熱量下限閾値Ｑ１より大きいときにはステップＳ９へ進む。発熱量下限閾値Ｑ１以下のときにはステップＳ１１へ進む。

［ステップＳ９］ 当該コントローラ５０に予め設定されたエンジン発熱量と第１補助モータ４７の回転数との相関関係に基づいて、エンジン発熱量Ｑに対応する第１補助モータ４７の回転数、及び第２補助モータ４８の回転数を演算し、ステップＳ１０へ進む。

［ステップＳ１０］ 演算された回転数となるように第１補助モータ４７の駆動を制御する。これに応じて第１補助ファン４５が作動し、この第１補助ファン４５で生起させた流量を抑えた冷却風によって第１補助ラジエータ４２を冷却する。また、演算された回転数となるように第２補助モータ４８の駆動を制御する。これに応じて第２補助ファン４６が作動し、この第２補助ファン４６で生起させた流量を抑えた冷却風によって第２補助ラジエータ４３を冷却する。

このようにエンジン発熱量Ｑが発熱量閾値Ｑｔｈよりも小さく、しかも発熱量下限閾値Ｑ１よりも大きいときには、第１補助ファン４５及び第２補助ファン４６で生起させた流量を抑え気味にした冷却風によって、エンジン１１の冷却水、及び吸気ガスを比較的弱めに冷却することが行われる。

［ステップＳ１１］ エンジン発熱量Ｑが発熱量下限閾値Ｑ１以下のときには、第１補助モータ４７及び第２補助モータ４８を停止させる制御を行う。これにより、冷却ファン４９、第１補助ファン４５、及び第２補助ファン４６の全てが停止する。すなわち、エンジン１１がアイドル状態にあるものと見做され、エンジン１１の冷却水、及び吸気ガスの冷却が行われない。

ステップＳ６，Ｓ１０，Ｓ１１の処理の後は、引き続きステップＳ１〜Ｓ１１の処理が実行され、エンジンキーがＯＦＦとなると、コントローラ５０の処理は終了する。

以上のように構成した第１実施形態に係る冷却装置は、トルクセンサ５８及び回転センサ５７で検出されるエンジントルクＴｒとエンジン回転数Ｎに基づいて演算されたエンジン出力に応じてコントローラ５０は、高温ラジエータ４０と低温ラジエータ４１を冷却する冷却ファン４９、及び高温ラジエータ４０よりも容量の小さい第１補助ラジエータ４２を冷却する第１補助ファン４５、低温ラジエータ４１よりも容量の小さい第２補助ラジエータ４３を冷却する第２補助ファン４６のうちの一方を作動させる制御処理、すなわち冷却ファン４９を作動させる制御処理、あるいは第１補助ファン４５及び第２補助ファン４６を作動させる制御処理を行うので、エンジン１１の稼動状態に応じた精度の高い冷却性能を確保することができる。これにより第１実施形態は、出力閾値Ｐｔｈよりも小さいエンジン出力となる低負荷時の過冷却を抑制でき、また、無駄なエネルギーの消費を防ぐことができる。

なお、第１補助ファン４５及び第１補助ラジエータ４２と、第２補助ファン４６及び第２補助ラジエータ４３は、車体の前側位置に設けた熱交換器室３９内のデッドスペースを活用して有効に配置することができる。

本発明に係る冷却装置の第２実施形態は、エンジン１１の稼動状態を検出する検出部が、高温ラジエータ４０側の冷却水の温度を検出する温度センサ５５と、低温ラジエータ４１側の冷却水の温度を検出する温度センサ５６とから成っている。これに伴ってコントローラ５０は、図６のフローチャートで示す処理動作を行う。なお、検出部が温度センサ５５，５６から成る点と、コントローラ５０の処理動作を除く他の構成は、図２に示した第１実施形態と同等である。

以下に、第２実施形態におけるコントローラ５０の処理動作を図６に基づいて説明する。

［ステップＳ２１］ エンジンキーがＯＮとなると、温度センサ５５で検出された高温ラジエータ４０側の冷却水温度Ｔ１と、温度センサ５６で検出された低温ラジエータ４１側の冷却水温度Ｔ２を入力し、ステップＳ２２へ進む。

［ステップＳ２２］ 冷却水温度Ｔ１がコントローラ５０で予め設定される第１温度閾値Ｔｔｈ１以上か、または冷却水温度Ｔ２がコントローラ５０で予め設定される第２温度閾値Ｔｔｈ２以上か判定される。第１温度閾値Ｔｔｈ１以上か、または第２温度閾値Ｔｔｈ２以上のときはステップＳ２３へ進む。ステップＳ２２の判定が満たされないときはステップＳ２５へ進む。

［ステップＳ２３］ ファンクラッチ６０のＯＮ信号を出力する。これにより前述した図５のステップＳ５と同様に、冷却ファン４９の大流量の冷却風によって高温ラジエータ４０と低温ラジエータ４１が冷却され、エンジン１１の冷却水、吸気ガスが強めに冷却される。

［ステップＳ２４］ 第１補助モータ４７及び第２補助モータ４８のＯＦＦ信号を出力する。これにより前述した図５のステップＳ６と同様に、第１補助ファン４５及び第２補助ファン４６は停止し、第１補助ラジエータ４２及び第２補助ラジエータ４３の冷却は行われない。以上の処理は、図７のＡ−Ｂ間の状態である。

［ステップＳ２５］ ステップＳ２２の判定が満足されないときにはファンクラッチ６０のＯＦＦ信号を出力する。これにより前述した図５のステップＳ７と同様に、冷却ファン４９は停止する。次にステップＳ２６へ進む。

［ステップＳ２６］ 当該コントローラ５０に予め設定された温度センサ５５，５６で検出される温度と第１補助モータ４７，第２補助モータ４８の回転数との相関関係に基づいて、温度センサ５５で検出された冷却水温度Ｔ１、温度センサ５６で検出された冷却水温度Ｔ２に対応する第１補助モータ４７の回転数、第２補助モータ４８の回転数を演算し、ステップＳ２７へ進む。

［ステップＳ２７］ 演算された回転数となるように第１補助モータ４７、第２補助モータ４８の駆動を制御する。これにより前述した図５のステップＳ１０と同様に、第１補助ファン４５によって第１補助ラジエータ４２が冷却され、第２補助ファン４６によって第２補助ラジエータ４３が冷却される。このときの処理は、図７のＡ−Ｂ間を除いた状態となる。

ステップＳ２４，Ｓ２７の処理の後は、引き続きステップＳ２１〜Ｓ２７の処理が行われ、エンジンキーがＯＦＦとなるとコントローラ５０の処理は終了する。

このように構成した第２実施形態に係る冷却装置も、前述した第１実施形態と同様に、コントローラ５０の制御処理により、冷却ファン４９、または第１補助ファン４５及び第２補助ファン４６が作動し、エンジン１１の稼動状態に応じた精度の高い冷却性能を確保することができる。これに応じて低負荷時の過冷却を抑制でき、また、無駄なエネルギーの消費を防ぐことができる。

４ ボディ
７ 前輪
８ 後輪
１１ エンジン
３３ ホイストシリンダ
３６ フレーム
３９ 熱交換器室
４０ 高温ラジエータ
４１ 低温ラジエータ
４２ 第１補助ラジエータ
４３ 第２補助ラジエータ
４５ 第１補助ファン
４６ 第２補助ファン
４７ 第１補助モータ
４８ 第２補助モータ
４９ 冷却ファン
５０ コントローラ
５４ 冷却水管
５５ 温度センサ（検出部）
５６ 温度センサ（検出部）
５７ 回転センサ（検出部）
５８ トルクセンサ（検出部）
６０ ファンクラッチ
１００ ダンプトラック（建設機械）
Ｐ１ エンジン出力下限閾値
Ｐｔｈ 出力閾値
Ｑ１ 発熱量下限閾値
Ｑｔｈ 発熱量閾値
Ｔｔｈ１ 第１温度閾値
Ｔｔｈ２ 第２温度閾値

Claims (5)

1. ラジエータと、エンジンによって駆動し、前記ラジエータを冷却する風を生起させる冷却ファンと、前記ラジエータで冷却された水を前記エンジンに供給する冷却水管と、前記冷却ファンと前記エンジンの出力軸とを断接するファンクラッチとを備えた建設機械の冷却装置において、
   前記冷却水管を介して前記ラジエータに接続され、前記ラジエータよりも容量が小さく設定された補助ラジエータと、
   前記冷却ファンとは別に設けられ、前記補助ラジエータを冷却する風を生起させる補助ファンと、
   前記エンジンの稼動状態を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された前記エンジンの稼動状態に応じて、前記冷却ファン及び前記補助ファンのうちの一方を選択的に作動させる制御処理を行うコントローラとを備えたことを特徴とする建設機械の冷却装置。
2. 請求項１に記載の建設機械の冷却装置において、
   前記ラジエータは、前記冷却ファンに近い側に配置した高温ラジエータ、及び前記冷却ファンから遠い側に配置した低温ラジエータから成り、
   前記補助ラジエータは、前記冷却水管を介して前記高温ラジエータに接続された第１補助ラジエータと、前記冷却水管を介して前記低温ラジエータに接続された第２補助ラジエータとから成り、
   前記補助ファンは、前記第１補助ラジエータを冷却する風を生起させる第１補助ファンと、前記第２補助ラジエータを冷却する風を生起させる第２補助ファンとから成ることを特徴とする建設機械の冷却装置。
3. 請求項１に記載の建設機械の冷却装置において、
   前記検出部は、前記エンジンの出力を検出する検出部から成ることを特徴とする建設機械の冷却装置。
4. 請求項１に記載の建設機械の冷却装置において、
   前記検出部は、前記冷却水管を流れる水の温度を検出する温度センサから成ることを特徴とする建設機械の冷却装置。
5. 請求項１に記載の建設機械の冷却装置において、
   前記建設機械はダンプトラックから成り、
   前記ラジエータ及び前記冷却ファンが収納される前記ダンプトラックの前側位置に配置した熱交換器室内に、前記補助ラジエータ及び前記補助ファンが設けられたことを特徴とする建設機械の冷却装置。