JP4649354B2 - 冷却ファンの制御装置及び作業機械の冷却ファンの制御装置 - Google Patents
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Description
冷却ファンは、一般に、苛酷な作業環境を考慮して設計がなされている。つまり、例えば外気温度が30℃程度の高温且つエンジンが全開の状態のような、エンジンにかかる負荷が最大の状態で連続運転を行なったとしてもエンジンがオーバーヒートしないように、冷却ファンの回転数を大きくし、冷却風をより多く吸入して冷却装置の冷却性能を上げるような設計がなされている。
騒音低減のためには、高負荷時等の必要なとき以外は、冷却ファンの回転数をできるだけ下げることが好ましい。
これに対して、冷却ファンの回転数を制御する種々の技術が開発されている。
また、例えば、特許文献1には、建設機械(作業機械)に関し、エンジン冷却水の温度(水温)Twと建設機械の油圧システム内の作動油の温度(油温)Toとに応じて、ファン制御装置により冷却ファンの回転数を制御する技術が開示されている。
水温Twが第1温度Tw1と第1温度Tw1よりも高い温度の第2温度Tw2との間にあり且つ油温Toが第1温度To1よりも小さいとき、及び、水温Twが第1温度Tw1よりも小さく且つ油温Toが第1温度To1と第1温度To1よりも高い温度の第2温度To2との間にあるときは、冷却ファンを低速運転する。
水温Twが第2温度Tw2よりも大きく且つ油温Toが第1温度To1と第2温度To2との間にあるとき、水温Twが第1温度Tw1と第2温度Tw2との間にあり且つ油温Toが第2温度To2よりも大きいとき、及び、水温Twと油温Toとがともに第2温度Tw2,To2よりも大きいときは、冷却ファンを高速運転するようになっている。
ここで、作動油やエンジン冷却水を冷却する冷却装置の冷却性能は、冷却ファンにより導入される冷却風の温度と風量とに比例することが知られている。つまり、冷却風が冷たく風量が多いほど、作動油やエンジン冷却水が良く冷やされることになる。
したがって、単に油温だけで冷却ファンの回転数を制御すると、実際はエンジンに大きな負荷がかかっているのに冷却ファンの回転が不足してエンジンをオーバーヒートさせてしまったり、エンジンに大きな負荷がかかっていないのに過剰に冷却ファンを回転させて余計な騒音を発生させたりしてしまうことがある。
冷却ファンの回転数は、エンジンの負荷に応じてきめ細やかに制御されることが好ましい。
請求項5記載の本発明の作業機械の冷却ファンの制御装置は、請求項4記載の作業機械の冷却ファンの制御装置において、前記被冷却流体は、前記作業機械の作業や走行に用いられる作動油であることを特徴としている。
そして、その判断された負荷状態に応じて冷却ファンの目標回転数を設定するので、冷却ファンの回転数をきめ細やかに最適に制御することができる。したがって、冷却ファンは必要以上に回転されることがなく、冷却ファンにより生じる騒音を抑制することができる。
また、目標回転数に上限値及び下限値を設定し、第1基準差分以下であれば第1最小回転数に設定され、第2基準差分以下よりも大きければ第1最大回転数に設定されるので、冷却性能を十分に確保しながら、騒音を抑制したり、燃費を良好にしたりすることができる。
請求項5記載の本発明の冷却ファンの制御装置によれば、機体の負荷が反映されやすい作動油の温度を用いるので、エンジンの負荷状態を高精度で判断することができる。
[一実施形態]
図1〜図6は本発明の一実施形態に係る冷却ファンの制御装置を示すもので、図1はそのブロック図、図2はその制御装置が行う制御内容を示すフローチャート、図3(a)及び(b)はその制御装置により設定される冷却ファンの回転数(目標回転数)を示すグラフ、図3(c)は従来の油温情報のみを利用する冷却ファンの制御装置により設定される冷却ファンの回転数(目標回転数)を示すグラフ、図4はその制御装置及び従来の制御装置により制御された実験結果の冷却ファンの回転数と油温とをそれぞれ比較して示すグラフであって、(a)は高負荷時,(b)は中負荷時,(c)は低負荷時を示している。また、図5はその制御装置を備えた油圧ショベルの斜視図、図6は図5のA−A矢視断面図である。なお、図6においてはハッチを省略して示している。
ここでは、作業機械の代表的な例である油圧ショベル1に搭載された冷却ファンの制御装置について説明する。
図5に示すように、油圧ショベル1は、下部走行体2と、下部走行体2上に回転自在に結合された上部旋回体(機体)3と、上部旋回体3から前方へ延出するように取り付けられた作業装置4とから構成されている。
ビスカスクラッチ15は、粘度の高いシリコンオイルの剪断を利用して差動回転数に応じたトルクを発生させる装置である。つまり、ファン駆動軸14の回転力がシリコンオイルの流れを生み、冷却ファン13に回転力を伝えるようになっているが、シリコンオイルの粘性によってビスカスクラッチ15内部に滑りが生じファン駆動軸14の回転力は冷却ファン13に全て伝わらず、冷却ファン13はエンジン10の回転数と異なる回転数に制御されるようになっている。コントローラ20は、このシリコンオイルの滑り率を調整することで、冷却ファン13の回転数Nfを制御することができるようになっている。
そして、外気温センサ30で検知された外気温Taと、油温センサ40で検知された油温Toとは、コントローラ20に入力されるようになっている。
ここで、最小外気温Taminは、第2設定部25の気油差ΔTによる制御が開始される最小油温To3を設定するためのものである。ある油温(第3基準油温)To3以下では、油圧機器性能の観点から、ファン回転数Nfを上げて作動油を冷却する必要はなく、油圧機器に熱疲労が生じない程度の最小回転数Nfminに固定しておくことが、騒音・燃費の観点から望ましいことが判明している。このような要望に対し、最小外気温Taminを設定することで、油温Toが所定の温度To3に上昇するまでは、冷却ファン13は第2設定部25により第2目標回転数Nf2が最小回転数Nfminに設定されるようになっている。
そして、第1設定部24は、図3(a)に実線で示すように、油温Toが第1基準油温To1以下である(To≦To1)ときは、第1目標回転数Nf1を最小回転数Nfminに設定するようになっている。また、油温Toが第2基準油温To2よりも大きい(To>To2)ときは、第1目標回転数Nf1を第2最大回転数Nfmax2に設定するようになっている。
そして、第2設定部25は、図3(b)に示すように、気油差ΔTが第1基準気油差ΔT1以下である(ΔT≦ΔT1)ときは、第2目標回転数Nf2を最小回転数Nfminに設定し、気油差ΔTが第2基準気油差ΔT2よりも大きい(ΔT>ΔT2)ときは、第2目標回転数Nf2を第1最大回転数Nfmax1に設定するようになっている。
なお、図3(a)では、グラフ中左側に進むにつれ、外気温Taが低くなるようになっている(Ta1<Ta2<Ta3)。また、ここでの目標回転数Nf2が上昇を始める最初の油温To3は、最小外気温Taminに第1基準気油差ΔT1を足した温度(To3=Tamin+ΔT1)である。
制御部27は、決定部26から入力された最終目標回転数Nfに対応するビスカスクラッチ15の滑り率を設定し、その設定信号をビスカスクラッチ15に送信し、冷却ファン13の回転数が最終目標回転数Nfとなるように制御するようになっている。
本発明の一実施形態にかかる冷却ファンの制御装置は、図1に示すように外気温センサ30と油温センサ40とコントローラ20とにより構成され、図2に示すようなフローチャートに従い制御される。
図2に示すように、まず、ステップA1では、外気温センサ30により検知された外気温Taがコントローラ20のフィルター部22に入力されるとともに、油温センサ40により検知された油温Toがコントローラ20の演算部21及び第1設定部24に入力され、ステップA2に進む。
ステップA3では、フィルター部22は、演算部21に対して、外気温Taとして最小外気温Taminを出力する。そして、ステップB1及びステップC1に進む。
ステップB1では、第1設定部24が、油温Toが記憶部23に記憶されている第1基準油温To1以下(To≦To1)であるかを判定する。そして、Yes(To≦To1)であればステップB2に進み、No(To>To1)であればステップB3に進む。
ステップB3では、第1設定部24がさらに、油温Toが記憶部23に記憶されている第2基準油温To2以下(To≦To2)であるかを判定する。Yes(To1<To≦To2)であればステップB4に進み、No(To>To2)であればステップB5に進む。
ステップB5では、油温制御による第1目標回転数Nf1が第2最大回転数Nfmax2に設定される。
ステップC1では、演算部21により、油温Toと外気温Taとの差(気油差)ΔTが算出され、第2設定部25に入力される。そして、第2設定部25が、気油差ΔTが記憶部23に記憶されている第1基準気油差ΔT1以下(ΔT≦ΔT1)であるかを判定する。Yes(ΔT≦ΔT1)であればステップC2に進み、No(ΔT>ΔT1)であればステップC3に進む。
ステップC3では、第2設定部25がさらに、油温Toが記憶部23に記憶されている第2基準気油差ΔT2以下(ΔT1<ΔT≦ΔT2)であるかを判定する。Yes(ΔT1<ΔT≦ΔT2)であればステップC4に進み、No(ΔT>ΔT2)であればステップC5に進む。
ステップC5では、気油差制御による第2目標回転数Nf2が第1最大回転数Nfmax1に設定される。
ステップA5では、決定部26が、ステップB6で設定された油温による第1目標回転数Nf1とステップC6で設定された気油差ΔTによる第2目標回転数Nf2とを比較し、第1目標回転数Nf1と第2目標回転数Nf2とのうち大きいほうを最終目標回転数Nfとして決定する。
このフローは、所定の周期で繰り返し実行される。
したがって、本実施形態の冷却ファンの制御装置によれば、油温Toによる第1目標回転数Nf1と気油差ΔTによる第2目標回転数Nf2とのうち最大の方を最終的な目標回転数Nfとするので、図4(a)〜(c)に示したような目標回転数Nfで冷却ファン13を制御することができる。なお、図4(a)〜(c)には、比較のために、従来の油温Toのみで制御する制御装置によるファン回転数を破線で示している。また、図4(a)〜(c)は、上述の各パラメータ値が、Nfmin=980rpm,Nfmax1=1400rpm,Nfmax2=1280rpm,To1=76℃,To2=84℃,To1′=50℃,Tamin=20℃,ΔT1=41℃,ΔT2=47℃、として設定された際のグラフである。
また、図4(b)に示すように、中負荷時においては、従来と比べて略全体的にファン回転数Nfが抑えられ、冷却性能を十分に確保しながら冷却ファン13が回転することを回避することができる。
したがって、負荷状態に応じて冷却ファン13の回転数Nfを最適に制御し、高負荷時の冷却性能を保証しつつ、低負荷時や中負荷時の作業で騒音・燃費を改善することができる。
また、油圧機器に使用する油温Toを用いて、外気温Taと油温Toとの差である気油差ΔTを算出するので、作業中の機体負荷に関する情報を適切に利用することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上記実施形態において、第1設定部24が利用する最小回転数Nfminと第2設定部25が利用する最小回転数Nfminとは同じ値に設定されているが、それぞれ異なる値に設定されていても良い。
また、上記実施形態では油温により制御したが、エンジン冷却水等の被冷却流体の温度に代えても良い。
また、上記実施形態では、エンジン駆動軸と同軸のファン駆動軸14と冷却ファン13との間にビスカスクラッチ15が介装されることで、ファン回転数は任意の値に制御されているが、エンジン回転数とファン回転数とを可変にし得るクラッチ(流体継手)であれば、どのようなクラッチが介装されていても良い。
2 下部走行体
3 上部旋回体
3a スイングフレーム
4 作業装置
5 カウンタウエイト
10 エンジン
11 油圧ポンプ
12 冷却装置
13 冷却ファン
14 ファン駆動軸
15 ビスカスクラッチ(流体継手)
20 コントローラ(制御手段)
21 演算部
22 フィルター部
23 記憶部
24 第1設定部
25 第2設定部
26 決定部
27 制御部
30 外気温センサ
40 油温センサ(流体温度センサ)
Nf 冷却ファンの回転数(目標回転数)
Nfmin 最小回転数(第1最小回転数,第2最小回転数)
Nfmax1 第1最大回転数
Nfmax2 第2最大回転数
ΔT 気油差(差分)
ΔT1 第1基準気油差(第1基準差分)
ΔT2 第2基準気油差(第2基準差分)
To 油温
To1 第1基準油温(第1基準流体温度)
To2 第2基準油温(第2基準流体温度)
To3 第3基準油温(第3基準流体温度)
Ta 外気温
Tamin 最小外気温
To1′ 従来の目標回転数上昇開始時の油温
Claims (5)
- 被冷却流体を冷却するために外気を冷却風として導入する冷却ファンの回転数を制御する制御装置であって、
前記被冷却流体の流体温度を検知する流体温度センサと、
前記外気の温度を検知する外気温センサと、
前記流体温度センサにより検知された前記流体温度と前記外気温センサにより検知された前記外気の温度との差分を算出し、前記差分の大きさと前記流体温度センサにより検知された前記流体温度とに応じて前記冷却ファンの目標回転数を設定する制御手段とを備えた
ことを特徴とする、冷却ファンの制御装置。 - 前記差分の基準値として、第1基準差分及び該第1基準差分よりも大きい値の第2基準差分を予め定めるとともに、前記目標回転数の下限値としての第1最小回転数及び前記目標回転数の上限値としての第1最大回転数を予め定め、
前記制御手段は、
前記差分が前記第1基準差分以下であれば、前記目標回転数を前記第1最小回転数に設定し、
前記差分が前記第2基準差分よりも大きければ、前記目標回転数を前記第1最大回転数に設定し、
前記差分が前記第1基準差分よりも大きく前記第2基準差分以下であれば、前記目標回転数を、前記差分の大きさに応じて前記第1最小回転数と前記第1最大回転数との間で直線補間した回転数に設定する
ことを特徴とする、請求項1記載の冷却ファンの制御装置。 - 前記流体温度の基準値として、第1基準流体温度及び該第1基準流体温度よりも大きい値の第2基準流体温度を予め定めるとともに、前記目標回転数の第2の下限値としての第2最小回転数及び前記目標回転数の第2の上限値としての第2最大回転数を予め定め、
前記制御手段は、
前記流体温度が前記第1基準流体温度以下であれば、前記目標回転数を前記第2最小回転数に設定し、
前記流体温度が前記第2基準流体温度よりも大きければ、前記目標回転数を前記第2最大回転数に設定し、
前記流体温度が前記第1基準流体温度よりも大きく前記第2基準流体温度以下であれば、前記目標回転数を、前記流体温度の大きさに応じて前記第2最小回転数と前記第2最大回転数との間で直線補間した回転数に設定し、
前記差分により設定された目標回転数と、前記流体温度により設定された目標回転数とのうち大きいほうを最終的な目標回転数として決定する
ことを特徴とする、請求項2記載の冷却ファンの制御装置。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載の冷却ファンの制御装置が作業機械に適用されている
ことを特徴とする、作業機械の冷却ファンの制御装置。 - 前記被冷却流体は、前記作業機械の作業や走行に用いられる作動油である
ことを特徴とする、請求項4記載の作業機械の冷却ファンの制御装置。
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