JP2020133521A - Work machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、作業機械に関する。 The present invention relates to a working machine.
油圧ショベルなどの作業機械の駆動媒体となる作動油は温度の変化によってその粘性が大きく変化する。例えば、作動油が低温の場合には粘度が高くなって流動性が悪いため、油圧機器の応答性の悪化や、負荷の増大などの影響が生じる。また、作業機械に搭載されるエンジン(例えば、ディーゼルエンジン)は、油圧ポンプに接続されているため、作動油の粘度が高い状態では、その作用する負荷によって作業燃費を悪化させる要因となる。そのため、作業機械の始動直後などには作動油の温度を早期に上昇させて粘度を下げることが重要である。一方、エンジンの排気ガスの熱エネルギーが大気中にそのまま捨てられる場合を考えると、ディーゼルエンジンの場合には有効エネルギー効率が上限でも約40%とかなり低くなってしまう。 The viscosity of hydraulic oil, which is the driving medium of work machines such as hydraulic excavators, changes significantly with changes in temperature. For example, when the hydraulic oil is at a low temperature, the viscosity becomes high and the fluidity is poor, so that the responsiveness of the hydraulic equipment deteriorates and the load increases. Further, since the engine mounted on the work machine (for example, a diesel engine) is connected to the hydraulic pump, when the viscosity of the hydraulic oil is high, the applied load causes deterioration of the work fuel consumption. Therefore, it is important to raise the temperature of the hydraulic oil at an early stage to reduce the viscosity immediately after starting the work machine. On the other hand, considering the case where the thermal energy of the exhaust gas of the engine is directly discarded in the atmosphere, in the case of a diesel engine, the effective energy efficiency is considerably low at about 40% even at the upper limit.
そこで、エンジンの排気ガスの熱エネルギーを熱回収器で回収し、変速機作動油の早期昇温に再利用することが考えられており、例えば、特許文献1には、エンジンから流出された冷却水を、ヒータコアを経由させて当該エンジンに流入させるための第1の循環回路と、エンジンから流出された冷却水を、作動油熱交換器を経由させて当該エンジンに流入させるための第2の循環回路と、エンジンから流出された冷却水を、ヒータコアおよび作動油熱交換器を経由させずに当該エンジンに流入させるための第3の循環回路とを備え、状況に応じて循環回路を選択する冷却水循環装置が開示されている。
Therefore, it is considered that the heat energy of the exhaust gas of the engine is recovered by a heat exchanger and reused for early temperature rise of the transmission hydraulic oil. For example, in
上記従来技術においては、利用していなかった排気ガスの熱エネルギーを再利用することにより、全体のエネルギー効率としては向上することができる。しかしながら、上記従来技術は自動車での使用条件のような少量の作動油に最適化された技術であるものの、作業機械のように大量の作動油を使用する場合の作動油の早期昇温に適した技術ではなく、作業機械に適用するにはエネルギー効率に改善の余地があった。 In the above-mentioned conventional technique, the overall energy efficiency can be improved by reusing the thermal energy of the exhaust gas that has not been used. However, although the above-mentioned conventional technique is a technique optimized for a small amount of hydraulic oil such as the conditions of use in an automobile, it is suitable for early temperature rise of the hydraulic oil when a large amount of hydraulic oil is used such as a work machine. There was room for improvement in energy efficiency when applied to work machines rather than technology.
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率を向上することができ、作動油を早期昇温させることができる作業機械を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a working machine capable of improving energy efficiency and raising the temperature of hydraulic oil at an early stage.
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、エンジンと、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータと、前記作動油を貯留する作動油タンクと、前記エンジンを冷却する冷却水を冷却するラジエータと、運転室に送られる空気を前記冷却水の熱により加温するヒータコアと、外気温度を検出する外気温センサと、前記冷却水と前記作動油との熱交換を行う作動油熱交換器と、前記エンジンの排気ガスの熱により前記冷却水を加温する排気熱回収器と、前記エンジンから流出した前記冷却水を前記ヒータコアと前記排気熱回収器とを介して前記エンジンに流入させる第1の循環回路と、前記エンジンから流出した前記冷却水を前記作動油熱交換器と前記排気熱回収器とを介して前記エンジンに流入させる第2の循環回路と、前記エンジンから流出した前記冷却水を前記ラジエータを介して前記エンジンに流入させる第3の循環回路と、前記エンジン内の前記冷却水の温度を検出する水温センサと、前記第1の循環回路における前記ヒータコアに流入する前記冷却水の流量を調整する第1の制御弁と、前記第2の循環回路における前記作動油熱交換器に流入する前記冷却水の流量を調整する第2の制御弁と、前記第1〜第3の制御弁の開度をそれぞれ制御して前記冷却水の流量を調整する制御装置と、前記第3の循環回路の前記ラジエータと前記エンジンとの間に設けられ、通流する前記冷却水の温度に応じて前記ラジエータから前記エンジンに流入する前記冷却水の流量を制御するサーモスタット弁とを備えた作業機械において、前記第3の循環回路における前記ラジエータから前記サーモスタット弁を介して前記エンジンに流入する前記冷却水の流量を調整する第3の制御弁を備え、前記制御装置は、前記外気温センサの検出結果が予め定めた基準温度以下である場合に、前記第3の制御弁を閉状態から開状態に制御するときの温度の方が前記サーモスタット弁が閉状態から開状態となるときの前記冷却水の温度よりも高くなるように、前記水温センサの検出結果に応じて前記第3の制御弁の開度を制御するものとする。 The present application includes a plurality of means for solving the above problems, and to give an example thereof, an engine, a hydraulic pump driven by the engine, and a hydraulic actuator driven by hydraulic oil discharged from the hydraulic pump. The hydraulic oil tank for storing the hydraulic oil, the radiator for cooling the cooling water for cooling the engine, the heater core for heating the air sent to the cab with the heat of the cooling water, and the outside air temperature are detected. An outside temperature sensor, a hydraulic oil heat exchanger that exchanges heat between the cooling water and the hydraulic oil, an exhaust heat recovery device that heats the cooling water by the heat of the exhaust gas of the engine, and an outflow from the engine. A first circulation circuit that allows the cooling water to flow into the engine via the heater core and the exhaust heat recovery device, and the hydraulic oil heat exchanger and the exhaust heat recovery device that flow out the cooling water from the engine. A second circulation circuit that flows into the engine via the above, a third circulation circuit that causes the cooling water that has flowed out of the engine to flow into the engine via the radiator, and the cooling water in the engine. A water temperature sensor that detects the temperature, a first control valve that adjusts the flow rate of the cooling water that flows into the heater core in the first circulation circuit, and a hydraulic oil heat exchanger that flows into the hydraulic oil heat exchanger in the second circulation circuit. A second control valve that adjusts the flow rate of the cooling water, a control device that controls the opening degree of the first to third control valves to adjust the flow rate of the cooling water, and the third circulation. In a work machine provided between the radiator of the circuit and the engine and provided with a thermostat valve for controlling the flow rate of the cooling water flowing into the engine from the radiator according to the temperature of the cooling water flowing through the circuit. The control device includes a third control valve that adjusts the flow rate of the cooling water that flows into the engine from the radiator in the third circulation circuit via the thermostat valve, and the control device is a detection result of the outside temperature sensor. When is equal to or lower than a predetermined reference temperature, the temperature at which the third control valve is controlled from the closed state to the open state is higher than the temperature at which the thermostat valve is changed from the closed state to the open state. It is assumed that the opening degree of the third control valve is controlled according to the detection result of the water temperature sensor so as to be higher than the temperature.
本発明によれば、エネルギー効率を向上することができ、作動油を早期昇温させることができる。 According to the present invention, energy efficiency can be improved and the hydraulic oil can be heated at an early stage.
以下、本発明の実施の形態を図面を図1〜図14を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、作業機械の一例として油圧ショベルを例示して説明するが、エンジンの排気ガスから回収した熱でエンジンの冷却水を加温する構成の冷却水循環装置を備えた他の作業機械にも本発明を適用することが可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 14. In the present embodiment, a hydraulic excavator will be described as an example of a work machine, but another cooling water circulation device having a configuration in which the cooling water of the engine is heated by the heat recovered from the exhaust gas of the engine will be described. The present invention can also be applied to working machines.
図1は、本実施の形態に係る冷却水循環装置を備えた作業機械の一例である油圧ショベルを示す側面図である。また、図2は、作業機械に搭載される冷却水循環装置の一例を関連構成とともに抜き出して模式的に示す図である。 FIG. 1 is a side view showing a hydraulic excavator which is an example of a work machine provided with a cooling water circulation device according to the present embodiment. Further, FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of a cooling water circulation device mounted on a work machine, together with related configurations.
図1において、油圧ショベルは、その車体を構成する下部走行体1及び上部旋回体2により構成されており、上部旋回体2の前部には、フロント装置3が起伏自在に装着されている。
In FIG. 1, the hydraulic excavator is composed of a lower
下部走行体1は、左右のクローラフレーム4(一方のみ図示)及びクローラ5(一方のみ図示)からなり、両側のクローラ5が、左右の走行モータ7(一方のみ図示)により個別に回転駆動されて走行する。
The lower
上部旋回体2は、下部走行体1上に旋回可能に設けられており、旋回フレーム8、運転室としてのキャブ9、機械室10等から構成されている。キャブ9は、外部の騒音や塵埃等から運転者を保護するために外気と遮断された略密閉構造となっており、その居住性を確保するための空気調和装置(エアコン)などのほか、オペレータの操作に基づいて油圧ショベルの起動/停止(すなわち、後述するエンジン100の起動/停止)を操作するキースイッチや、フロント装置3の油圧アクチュエータ(ブームシリンダ12、アームシリンダ14、バケットシリンダ16)などを操作するための操作装置(図示せず)などが備えられている。
The upper
フロント装置3は、その基端を上部旋回体2に回動可能に結合されたブーム11と、ブーム11の基端とは異なる端部に回動可能に結合されたアーム13と、アーム13の先端に回動可能に結合されたバケット15とを備えており、ブーム11、アーム13、及び、バケット15は、それぞれ、油圧アクチュエータであるブームシリンダ12、アームシリンダ14、及び、バケットシリンダ16により回動駆動される。
The front device 3 includes a
上部旋回体2の旋回フレーム8上には、エンジン100や、エンジン100により駆動される油圧ポンプ101、作動油を貯留する作動油タンク102、及び、図示しないコントロールバルブ等を有する、ブームシリンダ12、アームシリンダ14、バケットシリンダ16等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧システムなどが搭載されている。
A
また、油圧ショベルの機体には、外気温度を検出する外気温センサ70、後述するエンジン100の冷却水の温度を検出する水温センサ71、キャブ9の側面に設けられてキャブ9の内部の温度を検出する室温センサ72、作動油タンク102に貯留される作動油の温度を検出する油温センサ73、及び、操作装置の操作量を検出する操作量センサ74などのセンサ類や、センサ類からの入力信号に基づいて油圧ショベル全体の動作を制御する制御装置であるECU(Electric Control Unit)300が搭載されている。
Further, the body of the hydraulic excavator is provided with an
図2において、冷却水循環装置は、エンジン100を冷却する冷却水を冷却するラジエータ17と、キャブ9内に送られる空気を冷却水の熱により加温するヒータコア40と、冷却水と作動油との熱交換を行う作動油熱交換器50と、エンジン100の排気ガスの熱により冷却水を加温する排気熱回収器60とから概略構成されている。
In FIG. 2, the cooling water circulation device includes a
ウォータポンプ30の吐出口は、エンジン100に形成された図示しないウォータジャケットに連通している。このウォータジャケットでは、ウォータポンプ30からの冷却水がシリンダブロック側のウォータジャケットを経た後、シリンダヘッド側のウォータジャケットに導入され、その後、管路H2に流出する。なお、エンジン100には、エンジン100内の冷却水の温度を検出する水温センサ71が設けられている。
The discharge port of the
エンジン100から延びる管路H2は、ホースなどの管路H3と管路H4との2方向に分岐している。管路H4は、ラジエータ17の流入部に設けられたアッパタンク19に接続されている。また、ラジエータ17の流出部に設けられたロアタンク18からは管路H1が接続されており、ラジエータ17から管路H1に流出した冷却水は、管路H1に接続された管路H11を介してウォータポンプ30に流入する。
The pipeline H2 extending from the
管路H3は、接続部J11において、ヒータコア40の流入部に接続される管路H7と作動油熱交換器50の流入部に接続される管路H9とに分岐している。また、ヒータコア40の流出部に接続される管路H8と作動油熱交換器50の流出部に接続される管路H10は接続部J21において管路H5に接続される。管路H5は、排気熱回収器60の流入部(後述する冷却水入口65)に接続されている。排気熱回収器60の流出部(後述する冷却水出口66)には、管路H6が接続されており、排気熱回収器60から流出した冷却水は、管路H6に接続された管路H11を介してウォータポンプ30に流入する。
The pipeline H3 is branched into a pipeline H7 connected to the inflow portion of the
このように、ヒータコア40および作動油熱交換器50は、エンジン100に対して並列に設けけられている。また、排気熱回収器60は、ヒータコア40および作動油熱交換器50の下流側において、エンジン100に対してウォータポンプ30を介して直列に設けられている。
As described above, the
ここで、エンジン100から流出した冷却水をヒータコア40と排気熱回収器60とを介してエンジン100に流入させる第1の循環回路C1(管路H2→H3→H7→H8→H5→H6→H11のように冷却水が経由する流路)と、エンジン100から流出した冷却水を作動油熱交換器50と排気熱回収器60とを介してエンジン100に流入させる第2の循環回路C2(管路H2→H3→H9→H10→H5→H6→H11のように冷却水が経由する流路)と、エンジン100から流出した冷却水をラジエータ17を介してエンジン100に流入させる第3の循環回路C3(管路H2→H4→H1→H11のように冷却水が経由する流路)とを定義する。
Here, the first circulation circuit C1 (pipeline H2 → H3 → H7 → H8 → H5 → H6 → H11) that causes the cooling water flowing out of the
ヒータコア40の上流側に接続される管路H7には、第1の循環回路におけるヒータコア40に流入する冷却水の流量を調整する第1の制御弁V1が設けられている。また、作動油熱交換器50の上流側に接続される管路H9には、第2の循環回路における作動油熱交換器50に流入する冷却水の流量を調整する第2の制御弁V2が設けられている。
The pipeline H7 connected to the upstream side of the
ラジエータ17の下流側に接続される管路H1には、第3の循環回路におけるラジエータ17からエンジン100側に流出される冷却水の流量を調整する第3の制御弁V3が配置されている。また、管路H1の第3の制御弁V3における下流側、すなわち、エンジン100及びウォータポンプ30側には、第3の循環回路のラジエータ17とエンジン100との間に設けられ、通流する冷却水の温度に応じてラジエータ17からエンジンに流入する冷却水の流量を制御するサーモスタット弁20が設けられている。
A third control valve V3 for adjusting the flow rate of the cooling water flowing out from the
図3は、排気熱回収器の構成を示す部分断面図である。また、図4及び図5は、エンジンの排気ガスの流路に設置される排気熱回収器を周辺構成とともに示す図である。 FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the exhaust heat recovery device. Further, FIGS. 4 and 5 are diagrams showing an exhaust heat recovery device installed in the exhaust gas flow path of the engine together with the peripheral configuration.
図3に示すように、排気熱回収器60は、図示しないスペーサを介してほぼ均一なクリアランスを設けて積層されている、或いは、表面に複数の凸型のダボが突設されている扁平チューブ61と、扁平チューブ61のダボ同士を重ね合わせて各扁平チューブ61間のクリアランスをほぼ均一に保ちつつ端部をそれぞれエンドプレート63に組み付けて形成されたチューブアセンブリ64と、チューブアセンブリ64収容するシェル60aとにより形成されている。シェル60aの下面または側面の一端には、冷却水入口65が設けられており、上面または側面の冷却水入口65と反対側の端部には、冷却水出口66が設けられている。排気熱回収器60のシェル60aの内部をエンジン100の排気ガスが通過することで、積層した扁平チューブ61を通流する冷却水と熱交換が行われる。
As shown in FIG. 3, the exhaust
図4及び図5に示すように、排気熱回収器60は、2分岐し合流する排気ガスの流路の一方に配置されている。排気ガスの合流する部分には、排気ガスの流路を2分岐する流路の一方に選択的に切り換える切換弁200と、制御装置であるECU300からの流路切換信号に基づいて切換弁200を切り換えるアクチュエータ200aとが配置されている。切換弁200は、通常、図4に示すようにオープン状態であり、排気ガスが排気熱回収器60を通過しない状態としている。また、エンジン100の始動後、冷却水の温度がある温度(例えば、0℃)以下の場合には、ECU300からアクチュエータ200aに流路切換信号の指令を送って、図5に示すように、切換弁200を全閉状態、すなわち、排気ガスが排気熱回収器60を通過する状態にする。この状態で、排気ガスのエネルギーを排気熱回収器60で回収し、その回収したエネルギーで冷却水を早期昇温させる。
As shown in FIGS. 4 and 5, the exhaust
図6は、制御装置であるECUの他の構成との関係を示す図である。また、図7は、ECUの処理内容を示す機能ブロック図である。 FIG. 6 is a diagram showing a relationship with other configurations of an ECU which is a control device. Further, FIG. 7 is a functional block diagram showing the processing contents of the ECU.
図6に示すように、制御装置であるECU300は、外気温度を検出する外気温センサ70、後述するエンジン100の冷却水の温度を検出する水温センサ71、キャブ9の内部の温度を検出する室温センサ72、作動油タンク102に貯留される作動油の温度を検出する油温センサ73、及び、操作装置の操作量を検出する操作量センサ74などのセンサ類からの入力信号に基づいて、第1の制御弁V1、第2の制御弁V2、第3の制御弁V3、及び、切換弁200のアクチュエータ200aを制御することにより、冷却水循環装置の動作を制御する。
As shown in FIG. 6, the
図7に示すように、ECU300は、外気温センサ70からの検出結果と予め定めた基準温度とを比較し、比較結果を制御部300fに出力する外気温比較部300aと、水温センサ71からの検出結果と予め定めた基準温度とを比較し、比較結果を制御部300fに出力する水温比較部300bと、室温センサ72からの検出結果と予め定めた基準温度とを比較し、比較結果を制御部300fに出力する室温比較部300cと、油温センサ73からの検出結果と予め定めた基準温度とを比較し、比較結果を制御部300fに出力する油温比較部300dと、操作量センサ74からの検出結果と予め定めた基準操作量とを比較し、比較結果を制御部300fに出力する操作量比較部300eと、外気温比較部300a、水温比較部300b、室温比較部300c、油温比較部300d、及び、操作量比較部300eから入力される比較結果に基づいて、第1の制御弁V1、第2の制御弁V2、及び、第3の制御弁V3を制御する開度制御信号、及び、アクチュエータ200aを制御する流路切換信号を演算して出力する制御部300fとを有している。
As shown in FIG. 7, the
図8は、ECUによる冷却水循環装置の制御内容を示すフローチャートであり、図9は第1〜第3の制御弁の開閉状態の切り換わりの様子を示す図である。また、図10及び図11は、冷却水循環装置における冷却水の流路の切り換わりの様子を示す図である。 FIG. 8 is a flowchart showing the control contents of the cooling water circulation device by the ECU, and FIG. 9 is a diagram showing a state of switching the open / closed state of the first to third control valves. Further, FIGS. 10 and 11 are diagrams showing a state of switching of the cooling water flow path in the cooling water circulation device.
図8に示すように、ECU300は、まず、エンジン100が始動されると、外気温センサ70の検出結果を読み込み(ステップS100)、冬季のように外気温度が予め定めた基準温度T1(例えば、−5℃)以下であるかどうかを判定する(ステップS110)。
As shown in FIG. 8, when the
ステップS110での判定結果がNOの場合には、図9に示すように、第1の制御弁V1及び第2の制御弁V2を全閉状態に制御するとともに、第3の制御弁V3を全開状態に制御する(ステップS111)。このとき、冷却水循環装置における冷却水はラジエータ17を通流する第3の循環回路C3を循環する。
When the determination result in step S110 is NO, as shown in FIG. 9, the first control valve V1 and the second control valve V2 are controlled to be fully closed, and the third control valve V3 is fully opened. It is controlled to the state (step S111). At this time, the cooling water in the cooling water circulation device circulates in the third circulation circuit C3 passing through the
また、ステップS110での判定結果がYESの場合、すなわち、外気温度が低い場合(例えば、冬季などの場合)には、室温センサ72の検出結果を読み込み(ステップS120)、キャブ9の室内温度が予め定め基準温度T2(例えば、20℃)以下であるかどうかを判定する(ステップS130)。なお、このとき、ECU300は、水温センサ71の検出結果を読み込み、冷却水の温度が予め定めた基準温度(室内温度が20℃となる温度であり、例えば、60℃などである)以下であるかどうかを同時に判定している。
Further, when the determination result in step S110 is YES, that is, when the outside air temperature is low (for example, in winter), the detection result of the
ステップS130での判定結果がYESの場合には、図9に示すように、第1の制御弁V1を全開状態に制御するとともに、第2の制御弁V2及び第3の制御弁V3を全閉状態に制御し(ステップS131)、ステップS130での判定結果がNOになるまでステップS130,S131の処理を繰り返す。ステップS131では、図10に示すように、冷却水循環装置における冷却水は第1の循環回路C1を循環する。これにより、排気熱回収器60でエンジン100の排気ガスから回収した熱によって水温を高めた冷却水は、ヒータコア40に分配されて室内温度の昇温に供される。また、このときには、室内温度の昇温が優先されるので、作動油熱交換器50には冷却水が分配されず、作動油熱交換器50での作動油の昇温は行われない。
When the determination result in step S130 is YES, as shown in FIG. 9, the first control valve V1 is controlled to the fully open state, and the second control valve V2 and the third control valve V3 are fully closed. The state is controlled (step S131), and the processes of steps S130 and S131 are repeated until the determination result in step S130 becomes NO. In step S131, as shown in FIG. 10, the cooling water in the cooling water circulation device circulates in the first circulation circuit C1. As a result, the cooling water whose water temperature is raised by the heat recovered from the exhaust gas of the
また、ステップS130での判定結果がNOの場合、すなわち、室内温度が基準温度よりも高くなった場合(又は、冷却水の温度が基準温度よりも高くなった場合)には、油温センサ73の検出結果を読み込み(ステップS140)、作動油の温度が予め定めた基準温度T3(例えば、60℃)以上であるかどうかを判定する(ステップS150)。 Further, when the determination result in step S130 is NO, that is, when the room temperature becomes higher than the reference temperature (or when the temperature of the cooling water becomes higher than the reference temperature), the oil temperature sensor 73 (Step S140), it is determined whether or not the temperature of the hydraulic oil is equal to or higher than the predetermined reference temperature T3 (for example, 60 ° C.) (step S150).
ステップS150での判定結果がNOの場合には、図9に示すように、第1の制御弁V1を半開状態(例えば、1/2開状態)に制御するとともに、第2の制御弁V2を全開状態、第3の制御弁V3を全閉状態に制御し(ステップS151)、ステップS150での判定結果がYESになるまでステップS150,S151の処理を繰り返す。ステップS151では、第1の制御弁V1が半開状態に制御されるので、ヒータコア40に分配される回収熱容量が減少される。また、第2の制御弁V2が全開状態に制御されるので、冷却水循環装置における冷却水は、図11に示すように、主に第2循環回路C2を循環する。
When the determination result in step S150 is NO, as shown in FIG. 9, the first control valve V1 is controlled to the half-open state (for example, the 1/2 open state), and the second control valve V2 is set. The fully open state and the third control valve V3 are controlled to the fully closed state (step S151), and the processes of steps S150 and S151 are repeated until the determination result in step S150 becomes YES. In step S151, since the first control valve V1 is controlled in the half-open state, the recovered heat capacity distributed to the
このとき、第1の制御弁V1が半開状態以下に制御されるので、エンジン100の排気ガスから回収した熱によって排気熱回収器60で昇温された冷却水のヒータコア40と作動油熱交換器50とに流入する分配割合は、作動油熱交換器50に対する流量がヒータコア40の流量よりも多くなる。すなわち、作動油熱交換器50を冷却水が通流するので、排気ガスから冷却水に回収された熱エネルギーによって作動油の昇温が行われる。また、第3の制御弁V3が全閉状態に制御されることにより、冷却水がラジエータ17を通流しないので、冷却水がラジエータ17で冷却されること、すなわち、冷却水の熱エネルギーがラジエータ17で放出されることを抑制するので、より高い温度の冷却水が作動油熱交換器50に通流され、作動油をより早期に昇温することができる。
At this time, since the first control valve V1 is controlled to the half-open state or less, the
また、ステップS150での判定結果がYESの場合には、図9に示すように、第1の制御弁V1を半開状態(例えば、ステップS151での開度よりも低い1/4開状態)に制御するとともに、第2の制御弁V2及び第3の制御弁V3を全開状態に制御し(ステップS160)、処理を終了する。作動油の温度が所定温度以上になると酸化が加速されて性能が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、作動油タンク102に設置されている油温センサ73の検出値が予め定めた基準温度T3(例えば、60℃)以上になる場合には、第2の制御弁V2を全閉状態に制御して作動油熱交換器50への冷却水の流入を遮断するので、作動油の温度が上昇しすぎることを防止することができる。
Further, when the determination result in step S150 is YES, as shown in FIG. 9, the first control valve V1 is put into a half-open state (for example, a 1/4 open state lower than the opening degree in step S151). At the same time as controlling, the second control valve V2 and the third control valve V3 are controlled to the fully open state (step S160), and the process is terminated. When the temperature of the hydraulic oil exceeds a predetermined temperature, oxidation is accelerated and the performance deteriorates. Therefore, in the present embodiment, when the detected value of the
図12は、第3の制御弁の開度の変化をサーモスタット弁の開度の変化とともに示す図である。また、図13は、冷却水および作動油の温度変化と第3の制御弁の開度の変化を比較して示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing changes in the opening degree of the third control valve together with changes in the opening degree of the thermostat valve. Further, FIG. 13 is a diagram comparing the temperature change of the cooling water and the hydraulic oil with the change in the opening degree of the third control valve.
図12及び図13に示すように、第3の制御弁V3の開度は、ECU300により冷却水の温度に応じて制御される。図12に示すように、第3の制御弁V3が全閉状態から半開状態に変化し始める温度は、サーモスタット弁20が全閉状態から半開状態に変化し始める温度よりも高くなるよう設定されている。このように第3の制御弁V3の開度を制御することによってラジエータ17による冷却水からの放熱を抑制して冷却水の温度の低下を抑制し、サーモスタット弁20のみによってラジエータ17への冷却水の通流量を制御する場合よりも高温の冷却水を作動油熱交換器50に流すことができるので交換熱容量を最大化させることができ、作動油を早期昇温することができる。
As shown in FIGS. 12 and 13, the opening degree of the third control valve V3 is controlled by the
サーモスタット弁20の開度の温度特性は、例えば、エンジン100の温度(すなわち、冷却水の温度)と燃費との関係から定められており、サーモスタット弁20のみによってラジエータ17への冷却水の通流量を制御する場合には、燃費重視で冷却水の温度を調整しようと制御することになり、冷却水の熱エネルギーを用いた作動油熱交換器50での作動油の昇温状態によらず、すなわち、作動油の昇温が十分でない場合であってもラジエータ17での冷却水の放熱が行われてしまう。これは、作動油の昇温の観点から見れば効率の低下につながる。そこで、本実施の形態においては、サーモスタット弁20よりも第3の制御弁V3の方が高い温度で開度が大きくなるように構成し、冷却水の温度の低下を抑制してより高温の冷却水を作動油熱交換器50に流すように構成した。ただし、サーモスタット弁20の開度の温度特性に対する第3の制御弁V3の開度の温度特性は、冷却水の温度の上昇(すなわち、エンジン100の温度の上昇)による燃費の低下が生じない範囲、或いは、作動油の早期昇温による作業機械の操作性の向上による作業効率の向上が燃費の若干の低下による効率低下を上回る範囲で設定する。
The temperature characteristic of the opening degree of the
なお、第3の制御弁V3が全閉状態から半開状態に変化し始める基準温度T4は、エンジン100がオーバーヒートを起こさない警報温度(例えば、100℃)以下の適当な温度(例えば、95℃)などに定義する。図13に示すように、エンジン100が始動されると、冷却水の温度が作動油温度より早期上昇する。この時、第3の制御弁V3は全閉状態である。そして、高温の冷却水を作動油熱交換器50に流すことで、作動油の温度が上昇し、所定温度(基準温度T3)に達した際、第3の制御弁V3を全開状態に制御して高温の冷却水をラジエータ17に通流させる。これにより、冷却水の温度を低下させ、エンジン100のオーバーヒートを防止することができる。
The reference temperature T4 at which the third control valve V3 starts to change from the fully closed state to the half open state is an appropriate temperature (for example, 95 ° C.) equal to or lower than the alarm temperature (for example, 100 ° C.) at which the
以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。 The effect of the present embodiment configured as described above will be described.
従来技術には、自動車に係るものとして、利用していなかった排気ガスの熱エネルギーを再利用することにより、全体のエネルギー効率としては向上するものがある。しかしながら、従来技術では、自動車での使用条件のような少量の作動油に最適化された技術であるものの、作業機械のように大量の作動油を使用する場合の作動油の早期昇温に適した技術ではなく、作業機械に適用するにはエネルギー効率に改善の余地があった。 In the prior art, there is one related to automobiles in which the overall energy efficiency is improved by reusing the thermal energy of the exhaust gas that has not been used. However, although the conventional technology is optimized for a small amount of hydraulic oil such as the conditions for use in automobiles, it is suitable for early temperature rise of the hydraulic oil when a large amount of hydraulic oil is used such as a work machine. There was room for improvement in energy efficiency when applied to work machines rather than technology.
これに対して、本実施の形態においては、エンジン100と、エンジン100によって駆動される油圧ポンプ101と、油圧ポンプ101から吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータ(ブームシリンダ12、アームシリンダ14、バケットシリンダ16)と、作動油を貯留する作動油タンク102と、エンジン100を冷却する冷却水を冷却するラジエータ17と、キャブ9に送られる空気を冷却水の熱により加温するヒータコア40と、外気温度を検出する外気温センサ70と、冷却水と作動油との熱交換を行う作動油熱交換器50と、エンジン100の排気ガスの熱により冷却水を加温する排気熱回収器60と、エンジン100から流出した冷却水をヒータコア40と排気熱回収器60とを介してエンジン100に流入させる第1の循環回路C1と、エンジン100から流出した冷却水を作動油熱交換器50と排気熱回収器60とを介して前記エンジンに流入させる第2の循環回路C2と、エンジン100から流出した冷却水をラジエータ17を介してエンジン100に流入させる第3の循環回路C3と、エンジン100内の冷却水の温度を検出する水温センサ71と、第1の循環回路C1におけるヒータコア40に流入する冷却水の流量を調整する第1の制御弁V1と、第2の循環回路C2における作動油熱交換器50に流入する冷却水の流量を調整する第2の制御弁V2と、第3の循環回路C3におけるラジエータ17からエンジン100に流入する冷却水の流量を調整する第3の制御弁V3と、前記第1〜第3の制御弁V1〜V3の開度をそれぞれ制御して冷却水の流量を調整するECU300と、第3の循環回路C3のラジエータ17とエンジン100との間に設けられ、通流する冷却水の温度に応じてラジエータ17からエンジン100に流入する冷却水の流量を制御するサーモスタット弁20とを備え、ECU300は、水温センサ71の検出結果に応じて第3の制御弁V3の開度を制御し、外気温センサ70の検出結果が予め定めた基準温度以下である場合に、ECU300が第3の制御弁V3を閉状態から開状態に制御するときの冷却水の温度の方が、サーモスタット弁20が閉状態から開状態となるときの温度よりも高くなるように構成したので、エネルギー効率を向上することができ、作動油を早期昇温させることができる。
On the other hand, in the present embodiment, the
すなわち、本実施の形態によれば、建設機械の稼働状況に応じて、排気熱回収器でエンジンの排気ガスから回収した熱によって水温を高めた冷却水を利用し、温水循環回路を適切に切り替え、キャブ内暖房性能を維持したまま、油圧ポンプ用作動油を早期昇温することが可能となる。したがって、燃費を含む作業機械全体のエネルギー効率を向上することができる。 That is, according to the present embodiment, the hot water circulation circuit is appropriately switched by using the cooling water whose water temperature is raised by the heat recovered from the exhaust gas of the engine by the exhaust heat recovery device according to the operating condition of the construction machine. It is possible to raise the temperature of the hydraulic oil for the hydraulic pump at an early stage while maintaining the heating performance in the cab. Therefore, the energy efficiency of the entire work machine including fuel consumption can be improved.
また、冷却水の熱エネルギーによって作動油を昇温させるように構成したので、作動油を早期昇温させることができ、作業機械の操作性を向上することができる。特に、外気温度が低く、作動油の温度がより低くなることが考えられる場合には、ラジエータ17による冷却水からの放熱を抑制して冷却水の温度の低下を抑制するので、より効率良く作動油の早期昇温を行うことができる。
Further, since the hydraulic oil is configured to be heated by the thermal energy of the cooling water, the hydraulic oil can be heated at an early stage, and the operability of the work machine can be improved. In particular, when the outside air temperature is low and the temperature of the hydraulic oil is considered to be lower, heat dissipation from the cooling water by the
<変形例>
なお、本実施の形態で示した第1〜第3の制御弁V1〜V3の開閉制御は、以下のように変形することが可能である。
<Modification example>
The opening / closing control of the first to third control valves V1 to V3 shown in the present embodiment can be modified as follows.
図10は、本変形例に係る第1〜第3の制御弁の開閉状態の切り換わりの様子を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing a state of switching the open / closed state of the first to third control valves according to the present modification.
第2の循環回路C2においては、エンジン100から流出した冷却水が作動油熱交換器50を経由してエンジン100に流入する。高温の冷却水を作動油熱交換器50に流すことで、作動油温度が上昇し、所定温度T5(例えば、25℃)に達した際に、操作量センサ74の検出結果から操作装置の操作状態を判定し、操作状態がハーフレバー以下であれば、第2の制御弁V2を全開状態に制御するとともに、第3の制御弁V3を全閉状態に制御する。また、操作装置の操作状態がフルレバーであれば、第2の制御弁V2を全閉状態に制御するとともに、第3の制御弁V3を全開状態に制御する。この制御により、フルレバー操作による、油圧システム上の各絞りエネルギーが加わることによって、作動油の過剰な上昇を防止することができる。また、フルレバー操作によるエンジン負荷の急激な増加によって冷却水の急激な上昇を防止することができ、エンジン100のオーバーヒートを防止することができる。
In the second circulation circuit C2, the cooling water flowing out of the
次に上記の各実施の形態の特徴について説明する。 Next, the features of each of the above embodiments will be described.
(1)上記の実施の形態では、エンジン100と、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプ101と、前記油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータ(例えば、ブームシリンダ12、アームシリンダ14、バケットシリンダ16)と、前記作動油を貯留する作動油タンク102と、前記エンジンを冷却する冷却水を冷却するラジエータ17と、運転室(例えば、キャブ9)に送られる空気を前記冷却水の熱により加温するヒータコア40と、外気温度を検出する外気温センサ70と、前記冷却水と前記作動油との熱交換を行う作動油熱交換器50と、前記エンジンの排気ガスの熱により前記冷却水を加温する排気熱回収器60と、前記エンジンから流出した前記冷却水を前記ヒータコアと前記排気熱回収器とを介して前記エンジンに流入させる第1の循環回路C1と、前記エンジンから流出した前記冷却水を前記作動油熱交換器と前記排気熱回収器とを介して前記エンジンに流入させる第2の循環回路C2と、前記エンジンから流出した前記冷却水を前記ラジエータを介して前記エンジンに流入させる第3の循環回路C3と、前記エンジン内の前記冷却水の温度を検出する水温センサ71と、前記第1の循環回路における前記ヒータコアに流入する前記冷却水の流量を調整する第1の制御弁V1と、前記第2の循環回路における前記作動油熱交換器に流入する前記冷却水の流量を調整する第2の制御弁V2と、前記第1及び第2の制御弁の開度をそれぞれ制御して前記冷却水の流量を調整する制御装置(例えば、ECU300)と、前記第3の循環回路の前記ラジエータと前記エンジンとの間に設けられ、通流する前記冷却水の温度に応じて前記ラジエータから前記エンジンに流入する前記冷却水の流量を制御するサーモスタット弁20とを備えた作業機械において、前記第3の循環回路における前記ラジエータから前記サーモスタットを介して前記エンジンに流入する前記冷却水の流量を調整する第3の制御弁V3を備え、前記制御装置は、前記外気温センサの検出結果が予め定めた基準温度以下である場合に、前記第3の制御弁を閉状態から開状態に制御するときの温度の方が前記サーモスタット弁が閉状態から開状態となるときの前記冷却水の温度よりも高くなるように、前記水温センサの検出結果に応じて前記第3の制御弁の開度を制御するものとした。
(1) In the above embodiment, the
これにより、エネルギー効率を向上することができ、作動油を早期昇温させることができる。 As a result, energy efficiency can be improved and the temperature of the hydraulic oil can be raised at an early stage.
(2)また、上記の実施の形態では、(1)の作業機械において、前記制御装置(例えば、ECU300)は、前記水温センサ71の検出結果が予め定めた切換温度以下の場合には、前記第1の制御弁V1を開状態に制御しつつ前記第2の制御弁V2を閉状態に制御し、前記水温センサの検出結果が前記切換温度よりも高い場合には、前記第1の制御弁を閉状態に制御しつつ前記第2の制御弁を開状態に制御するものとした。
(2) Further, in the above-described embodiment, in the work machine of (1), when the detection result of the
(3)また、上記の実施の形態では、(2)の作業機械において、前記作動油タンク102に貯留される前記作動油の温度を検出する油温センサ73を備え、前記制御装置(例えば、ECU300)は、前記油温センサの検出結果が予め定めた温度以下の場合には、前記第2の制御弁V2を半開状態に制御するものとした。
(3) Further, in the above embodiment, in the work machine of (2), the
(4)また、上記の実施の形態では、(2)の作業機械において、前記制御装置(例えば、ECU300)は、前記油圧アクチュエータ(例えば、ブームシリンダ12、アームシリンダ14、バケットシリンダ16)を操作するための操作装置の操作量を検出する操作量センサ74の検出結果に応じて前記第2の制御弁V2の開度を制御するものとした。
(4) Further, in the above-described embodiment, in the work machine of (2), the control device (for example, ECU 300) operates the hydraulic actuator (for example,
<付記>
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
<Additional notes>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications and combinations within a range that does not deviate from the gist thereof. Further, the present invention is not limited to the one including all the configurations described in the above-described embodiment, and includes the one in which a part of the configurations is deleted. Further, each of the above configurations, functions and the like may be realized by designing a part or all of them by, for example, an integrated circuit. Further, each of the above configurations, functions, and the like may be realized by software by the processor interpreting and executing a program that realizes each function.
1…下部走行体、2…上部旋回体、3…フロント装置、4…クローラフレーム、5…クローラ、7…走行モータ、8…旋回フレーム、9…キャブ、10…機械室、11…ブーム、12…ブームシリンダ、13…アーム、14…アームシリンダ、15…バケット、16…バケットシリンダ、17…ラジエータ、18…ロアタンク、19…アッパタンク、20…サーモスタット弁、30…ウォータポンプ、40…ヒータコア、50…作動油熱交換器、60…排気熱回収器、60a…シェル、61…扁平チューブ、63…エンドプレート、64…チューブアセンブリ、65…冷却水入口、66…冷却水出口、70…外気温センサ、71…水温センサ、72…室温センサ、73…油温センサ、74…操作量センサ、100…エンジン、101…油圧ポンプ、102…作動油タンク、200…切換弁、200a…アクチュエータ、300…ECU(制御装置)、300a…外気温比較部、300b…水温比較部、300c…室温比較部、300d…油温比較部、300e…操作量比較部、300f…制御部、C1…第1の循環回路、C2…第2の循環回路、C3…第3の循環回路、H1〜H11…管路、V1…第1の制御弁、V2…第2の制御弁、V3…第3の制御弁 1 ... Lower traveling body, 2 ... Upper rotating body, 3 ... Front device, 4 ... Crawler frame, 5 ... Crawler, 7 ... Travel motor, 8 ... Swivel frame, 9 ... Cab, 10 ... Machine room, 11 ... Boom, 12 ... boom cylinder, 13 ... arm, 14 ... arm cylinder, 15 ... bucket, 16 ... bucket cylinder, 17 ... radiator, 18 ... lower tank, 19 ... upper tank, 20 ... thermostat valve, 30 ... water pump, 40 ... heater core, 50 ... Hydraulic oil heat exchanger, 60 ... Exhaust heat recovery device, 60a ... Shell, 61 ... Flat tube, 63 ... End plate, 64 ... Tube assembly, 65 ... Cooling water inlet, 66 ... Cooling water outlet, 70 ... Outside temperature sensor, 71 ... water temperature sensor, 72 ... room temperature sensor, 73 ... oil temperature sensor, 74 ... operation amount sensor, 100 ... engine, 101 ... hydraulic pump, 102 ... hydraulic oil tank, 200 ... switching valve, 200a ... actuator, 300 ... ECU ( (Control device), 300a ... outside temperature comparison unit, 300b ... water temperature comparison unit, 300c ... room temperature comparison unit, 300d ... oil temperature comparison unit, 300e ... operation amount comparison unit, 300f ... control unit, C1 ... first circulation circuit, C2 ... 2nd circulation circuit, C3 ... 3rd circulation circuit, H1 ... H11 ... Pipe line, V1 ... 1st control valve, V2 ... 2nd control valve, V3 ... 3rd control valve
Claims (4)
前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータと、
前記作動油を貯留する作動油タンクと、
前記エンジンを冷却する冷却水を冷却するラジエータと、
運転室に送られる空気を前記冷却水の熱により加温するヒータコアと、
外気温度を検出する外気温センサと、
前記冷却水と前記作動油との熱交換を行う作動油熱交換器と、
前記エンジンの排気ガスの熱により前記冷却水を加温する排気熱回収器と、
前記エンジンから流出した前記冷却水を前記ヒータコアと前記排気熱回収器とを介して前記エンジンに流入させる第1の循環回路と、
前記エンジンから流出した前記冷却水を前記作動油熱交換器と前記排気熱回収器とを介して前記エンジンに流入させる第2の循環回路と、
前記エンジンから流出した前記冷却水を前記ラジエータを介して前記エンジンに流入させる第3の循環回路と、
前記エンジン内の前記冷却水の温度を検出する水温センサと、
前記第1の循環回路における前記ヒータコアに流入する前記冷却水の流量を調整する第1の制御弁と、
前記第2の循環回路における前記作動油熱交換器に流入する前記冷却水の流量を調整する第2の制御弁と、
前記第1及び第2の制御弁の開度をそれぞれ制御して前記冷却水の流量を調整する制御装置と、
前記第3の循環回路の前記ラジエータと前記エンジンとの間に設けられ、通流する前記冷却水の温度に応じて前記ラジエータから前記エンジンに流入する前記冷却水の流量を制御するサーモスタット弁とを備えた作業機械において、
前記第3の循環回路における前記ラジエータから前記サーモスタット弁を介して前記エンジンに流入する前記冷却水の流量を調整する第3の制御弁を備え、
前記制御装置は、前記外気温センサの検出結果が予め定めた基準温度以下である場合に、前記第3の制御弁を閉状態から開状態に制御するときの温度の方が前記サーモスタット弁が閉状態から開状態となるときの前記冷却水の温度よりも高くなるように、前記水温センサの検出結果に応じて前記第3の制御弁の開度を制御することを特徴とする作業機械。 With the engine
The hydraulic pump driven by the engine and
A hydraulic actuator driven by hydraulic oil discharged from the hydraulic pump and
A hydraulic oil tank for storing the hydraulic oil and
A radiator that cools the cooling water that cools the engine, and
A heater core that heats the air sent to the driver's cab with the heat of the cooling water,
An outside air temperature sensor that detects the outside air temperature,
A hydraulic oil heat exchanger that exchanges heat between the cooling water and the hydraulic oil,
An exhaust heat recovery device that heats the cooling water with the heat of the exhaust gas of the engine.
A first circulation circuit that causes the cooling water flowing out of the engine to flow into the engine via the heater core and the exhaust heat recovery device.
A second circulation circuit that causes the cooling water flowing out of the engine to flow into the engine via the hydraulic oil heat exchanger and the exhaust heat recovery device.
A third circulation circuit that allows the cooling water that has flowed out of the engine to flow into the engine via the radiator.
A water temperature sensor that detects the temperature of the cooling water in the engine, and
A first control valve for adjusting the flow rate of the cooling water flowing into the heater core in the first circulation circuit, and
A second control valve for adjusting the flow rate of the cooling water flowing into the hydraulic oil heat exchanger in the second circulation circuit, and
A control device that controls the opening degree of the first and second control valves to adjust the flow rate of the cooling water, and
A thermostat valve provided between the radiator and the engine of the third circulation circuit and controlling the flow rate of the cooling water flowing from the radiator into the engine according to the temperature of the cooling water flowing through the engine. In the equipped work machine
A third control valve for adjusting the flow rate of the cooling water flowing into the engine from the radiator in the third circulation circuit via the thermostat valve is provided.
In the control device, when the detection result of the outside air temperature sensor is equal to or lower than a predetermined reference temperature, the temperature at which the third control valve is controlled from the closed state to the open state is higher than the temperature at which the thermostat valve is closed. A work machine characterized in that the opening degree of the third control valve is controlled according to the detection result of the water temperature sensor so that the temperature becomes higher than the temperature of the cooling water when the state is changed to the open state.
前記制御装置は、前記水温センサの検出結果が予め定めた切換温度以下の場合には、前記第1の制御弁を開状態に制御しつつ前記第2の制御弁を閉状態に制御し、前記水温センサの検出結果が前記切換温度よりも高い場合には、前記第1の制御弁を閉状態に制御しつつ前記第2の制御弁を開状態に制御することを特徴とする作業機械。 In the work machine according to claim 1,
When the detection result of the water temperature sensor is equal to or lower than the predetermined switching temperature, the control device controls the second control valve to the closed state while controlling the first control valve to the open state. A work machine characterized in that when the detection result of the water temperature sensor is higher than the switching temperature, the first control valve is controlled to the closed state and the second control valve is controlled to the open state.
前記作動油タンクに貯留される前記作動油の温度を検出する油温センサを備え、
前記制御装置は、前記油温センサの検出結果が予め定めた温度以下の場合には、前記第2の制御弁を半開状態に制御することを特徴とする作業機械。 In the work machine according to claim 2.
The oil temperature sensor for detecting the temperature of the hydraulic oil stored in the hydraulic oil tank is provided.
The control device is a work machine characterized in that when the detection result of the oil temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature, the second control valve is controlled to a half-open state.
前記制御装置は、前記油圧アクチュエータを操作するための操作装置の操作量を検出する操作量センサの検出結果に応じて前記第2の制御弁の開度を制御することを特徴とする作業機械。 In the work machine according to claim 2.
The control device is a work machine characterized in that the opening degree of the second control valve is controlled according to the detection result of the operation amount sensor that detects the operation amount of the operation device for operating the hydraulic actuator.
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