JP5142798B2 - エンジン駆動溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、アイドリングストップ機能を備えるエンジン駆動溶接機に関するものである。

エンジン駆動溶接機では、溶接作業中は、エンジンを運転させて発電を行いながら溶接作業を行い、作業が中断した時、エンジンはアイドリング運転を行いながら次の作業に備える。しかし、作業が中断しているときにエンジンを運転すると、その分、燃料が消費され、騒音や排気ガスも放出される。そこで、アイドリングストップ機能を持たせ、作業の中断が一定時間以上継続したときは、燃料の無駄な消費を防止し、騒音や排気ガスの無駄な放出を防止するため、アイドリング運転をストップさせるようにしたエンジン駆動溶接機が開発された。

そのような、アイドリングストップ機能を備えたエンジン駆動溶接機では、エンジン停止中、制御装置の電源はエンジン始動用のバッテリから供給されるため、エンジンの運転時間が短い割に停止時間が長くなった場合、または、そのような使い方を繰り返し行った場合、バッテリが充電不足になって、次のエンジン始動ができなくなってしまうおそれがある。

そのような問題点に対して、例えば、特許文献１には、バッテリの残存容量を検出し、残存容量が不足しているときは、アイドリングストップを行わないようにすることが、エンジン駆動車両のアイドル運転制御装置として示されている。このような技術を、アイドリングストップ機能を備えたエンジン駆動溶接機に適用すれば、バッテリが充電不足になって、次のエンジン始動ができなくなってしまうことを防止できる。
特開２００４−３５３４７４号公報

上記従来のアイドル運転制御装置では、バッテリの残存容量を正確に検出することが前提になっているが、実際には、バッテリの残存容量を正確に検出することは容易ではない。特許文献１には、バッテリの残存容量を判定する方法として、バッテリの端子電圧や、バッテリの出力電圧対出力電流特性が示す垂下特性や、バッテリの出力電流の積算値等に基づいて判定する方法が例示されている。

しかしながら、バッテリの端子電圧や、バッテリの出力電圧対出力電流特性が示す垂下特性からバッテリの残存容量を判定するにしても、バッテリの出力電流の積算値からバッテリの残存容量を判定するにしても、端子電圧や放電電流を正確に測定する必要があって、コストがかかる上、端子電圧や放電電流を正確に測定できたとしても、対象が化学的反応なので必ずしも計算通りにはいかないという問題点があった。また、垂下特性により判定する場合は、基準となる特性データをメモリに保持させておく必要があって、いずれにしてもコストがかさむという問題点があった。

本発明は、そのような問題点に鑑み、コストをあまりかけることなく、簡便な手段でバッテリの放電量と充電量を判定して、アイドリング運転を適正に制御することを目的とするものである。

前記課題を解決するため、本願の請求項１にかかる発明は、バッテリと、該バッテリによりスタータを作動させて始動されるエンジンと、該エンジンによって駆動されるバッテリ充電用発電機及び溶接用発電機とを備え、前記溶接用発電機の出力により溶接作業を行い、溶接作業が一定時間以上継続して停止されたとき、前記エンジンのアイドル運転を停止させるアイドリングストップ機能を備えたエンジン駆動溶接機であって、前回のアイドリングストップ時間及びその後のエンジン運転時間に基づいて、バッテリの放電量と充電量を換算し、換算した充電量が放電量を上回るまでアイドル運転を停止させないようにすることを特徴とする。

また、本願の請求項２にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、アイドリングストップ中の前記バッテリからの放電電流、及び、エンジン始動のための放電電流を予め設定しておき、該各設定値と前回のアイドリングストップ時間及びその後のエンジン運転時間に基づいて、バッテリの放電量と充電量を換算することを特徴とする。

また、本願の請求項３にかかる発明は、請求項１又は２にかかる発明において、前回のアイドル運転停止前のエンジン運転による余分な充電時間を記憶し、該余分な充電時間だけ早くアイドル運転を停止させることを特徴とする。

本発明のエンジン駆動溶接機は、次のような効果を奏する。
すなわち、請求項１にかかる発明においては、前回のアイドリングストップ時間及びその後のエンジン運転時間に基づいて、バッテリの放電量と充電量を換算し、換算した充電量が放電量を上回るまでアイドル運転を停止させないようにしたので、コストをあまりかけることなく、簡便な手段でバッテリの放電量と充電量を判定して、アイドリング運転を適正に制御することができる。

また、請求項２にかかる発明においては、請求項１にかかるエンジン駆動溶接機において、アイドリングストップ中の前記バッテリからの放電電流、及び、エンジン始動のための放電電流を予め設定しておき、該各設定値と前回のアイドリングストップ時間及びその後のエンジン運転時間に基づいて、バッテリの放電量と充電量を換算するようにしたので、放電量と充電量の換算が本来の放電量と充電量に近いものになる。

また、請求項３にかかる発明においては、請求項１又は２にかかるエンジン駆動溶接機において、前回のアイドル運転停止前のエンジン運転による余分な充電時間を記憶し、該余分な充電時間だけ早くアイドル運転を停止させるようにしたので、無駄なアイドル運転を省くことができ、燃料消費や排ガス・騒音を削減できる上、作業者に無用なイライラ感を与えずにすむ。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例に係るエンジン駆動溶接機のシステム構成図である。図１において、１はエンジン、２は溶接用発電機、３は自動電圧調整器、４は整流器、５はインバータ、６は高周波トランス、７は直流リアクタ、８は過電流継電器、９は遮断器、１０は電流センサである。

溶接用発電機２は、交流発電機であり、ディーゼルエンジン，ガソリンエンジン等のエンジン１により駆動され、その出力電圧は自動電圧調整器３により一定に保たれる。溶接用発電機２の出力の一部は、過電流継電器８，遮断器９等を介し、電動工具等への補助電源として出力される。

また、溶接用発電機２の出力は、溶接用直流電源として、整流器４で一旦直流に変換された後、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等よりなるＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御インバータ５によって高周波の交流に逆変換され、高周波トランス６によって必要な電圧に変圧されてから、再び直流に変換され、直流リアクタ７によって平滑化された後、溶接出力端子から溶接電源として供給される。

充電用発電機２１は、エンジン１からベルト駆動され、エンジン１の運転中は、常時発電しており、レギュレータ２２によって充電に適した電圧に制御しながら、バッテリ２３の充電を行うようにしている。そして、バッテリ２３は、エンジン始動用のスタータ（図示せず）及びエンジン溶接機制御回路１１等制御系の電源となる。

溶接電流やエンジンの制御は、エンジン溶接機制御回路１１により行う。溶接電流の制御は、溶接電流制御回路１３によりインバータ５を制御することにより行う。溶接電流制御回路１３は、電流センサ１０を介して溶接電流ＡＤ変換器１２から得られる溶接電流と、溶接電圧ＡＤ変換器１４から得られる溶接電圧が入力され、それらの大きさに基づいて、所定の電圧で目標溶接電流になるように、インバータ５に制御信号を出力する。

一方、エンジンの制御は、エンジン制御回路１９及びリレー駆動回路２０により行う。押しボタンスイッチ，キースイッチ等よりなる始動／停止スイッチをオンにすると、エンジン制御回路１９がそれを検知してリレー駆動回路２０を動作させ、エンジン予熱用のグロープラグを所定時間（例えば、３秒間）予熱させた後、スタータによりエンジンクランキングを行い、エンジンを始動させる。また、エンジン運転中に、始動／停止スイッチをオフにすると、エンジン制御回路１９がそれを検知してリレー駆動回路２０を動作させ、停止ソレノイドを動作させて、エンジンを停止させる。

エンジン運転中は、溶接用発電機２で発電を行いながら溶接作業を行い、作業が中断した時は、エンジンのアイドリング運転を行いながら次の作業に備える。しかし、作業が中断しているときに無駄にエンジンを運転すると、その分、燃料が消費され、騒音や排気ガスも放出されるので、作業の中断が一定時間以上継続したときは、燃料の無駄な消費を防止し、騒音や排気ガスの無駄な放出を防止するため、アイドリング運転を停止させるようにしている。

作業中断後、アイドリング運転を行っている時間は、アイドル時間計測回路１５により計測する。すなわち、溶接作業が中断して、電流センサ１０で出力電流が検出されなくなると、アイドル時間計測回路１５によりアイドル時間の計測が開始される。そして、高速でのアイドル運転に入って、所定時間（例えば、８秒）経過後に低速アイドルアクチュエータを動作させて低速アイドルに移行させ、さらに、低速アイドルが一定時間（例えば、１〜３０分可変）継続されると、エンジン制御回路１９に停止信号が送られて、エンジン１が停止する。

充電時間演算回路１６は、後述する方法により、必要な充電時間を演算して決定する。また、運転履歴記憶回路１７は、エンジン１の運転中、溶接電圧ＡＤ変換器１４から得られる溶接電圧に基づいてエンジン１の運転状態を取得し、運転履歴として記憶する。

再始動検出回路１８は、作業が中断されたまま、所定時間が経過してアイドル運転も停止された後、溶接作業が再開されたことを示す信号を検出して、エンジン１を再始動させるためのものである。すなわち、バッテリ２３から絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して再始動検出用電源２５として溶接端子に印加しておき、溶接用発電機２の停止中にエンジン再始動信号として予め決められた態様の溶接ホルダ３０と母材３１との短絡を発生させると、溶接用発電機２は停止中であるため、再始動検出回路１８は、溶接電圧ＡＤ変換器１４を介して再始動電圧のみを検出する。そして、再始動検出回路１８で再始動電圧を検出したら、エンジン制御回路１９に始動信号を送る。

本発明では、以上説明したような制御回路により、アイドリングを停止させてもバッテリ２３の残存容量が不足しないように、バッテリ２３からの放電量に見合うように充電を行うが、その際に、バッテリ２３の出力電流や充電電流を計測して電流値を積算するのではなく、機種毎に、アイドリングストップ中のバッテリからの放電電流、エンジン始動のためのエンジン予熱電流、エンジンクランク電流及びエンジン運転時のバッテリの充電電流の値を予め設定しておき、該各設定値とアイドリングストップ時間及びエンジン運転時間に基づいて、バッテリ２３の放電量と充電量を換算する。

以下に、放電量と充電量を換算する方法を説明する。例えば、溶接電流が３００Ａクラスのエンジン駆動溶接機では、アイドリングストップ中、バッテリから制御回路への放電電流を実測すると約１．２５Ａとなり、エンジン始動のためのエンジン予熱電流は、約２５Ａ、エンジン始動電流は約７０Ａとなる。一方、アイドリング運転時のバッテリの充電電流を最小で約１０Ａ一定とし、さらに、充電の効率やバッテリ２３の劣化、周囲温度による特性変化等を考慮して１．２倍の裕度を持たせる。

また、エンジン始動のためのエンジン予熱時間として、クランキング前の約３秒とクランキング時間の約１０秒で合計１３秒、クランキング時間として約１０秒を設定する。そして、アイドリングストップ時間をｔ_１秒、放電を回復するのに必要な充電時間をｔ_ｃ秒とすると、
（１．２５Ａ×ｔ_１秒＋２５Ａ×１３秒＋７０Ａ×１０秒）×１．２＝１０Ａ×ｔ_ｃ秒
の式が成り立つ。

また、エンジン始動のためのエンジン予熱とクランキングに要する放電電流に対応する回復充電時間ｔ_ｃｓは、
（２５Ａ×１３秒＋７０Ａ×１０秒）×１．２＝１０Ａ×ｔ_ｃｓ秒
の式から、ｔ_ｃｓ＝１２３秒（約１２０秒）になる。エンジン予熱とクランキングは、次のエンジン始動のために必ず１回必要で、しかも、毎回ほぼ同じ放電量となるので、この１２０秒を固定値として用いると、アイドリングストップ時間ｔ_１と必要充電時間ｔ_ｃとの関係は、
ｔ_ｃ＝（１．２５Ａ×ｔ_１秒×１．２）／１０Ａ＋１２０秒
となる。

この式を使って、具体的な必要充電時間ｔ_ｃを求めると、例えば、３０分間（１８００秒）アイドリングを停止させた場合、
ｔ_ｃ＝（１．２５Ａ×１８００秒×１．２）／１０Ａ＋１２０秒＝３９０秒（＝６．５分）
となる。

エンジン駆動溶接機では、通常、作業停止からエンジンストップまでの最小の無負荷アイドル時間を１〜３０分の間で設定できるようにしている。そこで、仮に、最小のアイドル時間を３分間に設定した場合で、その前のアイドリングストップ時間が３０分だったとき、次の運転時における必要充電時間ｔ_ｃは、上記の通り６．５分となるが、その際の溶接作業が仮に６．５分以上かかったとする。そのとき、６．５分を超えた作業時間及び最小のアイドル時間である３分間は、バッテリ２３の充電を、本来必要な時間より余分に行うことになる。

一方、アイドリングストップ時間が３０分間あった後、ちょっとした数秒間の作業をした時でも、その前のアイドリングストップ時間が３０分間なので、必要充電時間が６．５分となって、６．５分間は、エンジンが止まらずにアイドル運転が続けられることになる。その時間は、作業者にとっては非常に長く感じる時間であり、また、せっかくのアイドリングストップ機能による燃料削減・排気ガス削減の効果が発揮できないことになる。

そこで、本発明では、前の運転時に、充電のため必要な運転時間を超えて運転した場合には、その余分な運転時間を記憶しておき、次の充電時間の計算からその分をマイナスするようにした。その点について、図２を使って説明する。

図２において、横軸は時間、縦軸はエンジン回転速度を示している。エンジン１を始動させる時点以前に、充電時間演算回路１６は、アイドル時間計測回路１５から、直前のアイドリングストップ時間ｔ_１を取得し、上記アイドリングストップ時間ｔ_１と必要充電時間ｔ_ｃとの関係式に基づいて必要充電時間ｔ_ｃを求めておく。その状態でエンジン再始動信号を検出すると、エンジン１の始動が開始され、まず、エンジングローの予熱が短時間（例えば、３秒間）行われ、その後、スタータによりエンジンクランキングをして、エンジンが始動したら高速（例えば、３０００ｒｐｍ又は３６００ｒｐｍ）まで加速して溶接用発電機２が定常の発電状態になり、溶接作業が可能になる。また、充電用発電機２１も発電を開始し、バッテリ２３への充電が開始される。

そして、溶接作業が開始され、溶接用発電機２は負荷運転の状態になる。溶接作業は、状況により数分で終わることもあるし、数十分かかる場合もあるが、作業時間が長い場合は、前の放電のための回復時間、すなわち、充電時間演算回路１６が求めた上記必要充電時間ｔ_ｃを超えてもなお作業が続けられることもある。そのような場合には、残りの作業時間と最小のアイドル時間とが余分な充電時間となる。その余分な充電時間は、運転履歴記憶回路１７に記憶しておく。

そして、その後、長いアイドリングストップ時間を挟んで短時間の溶接作業が行われた場合、余分な充電時間を考慮しないエンジン駆動溶接機では、「余分な充電時間を考慮しない場合の充電時間」として示したように長い時間、充電することになるが、本発明では、充電時間演算回路１６によって、運転履歴記憶回路１７から「余分な充電時間」を読み出して、「余分な充電時間を考慮しない場合の充電時間」から「余分な充電時間」をマイナスした時間を充電時間とする。その結果、アイドリング時間が短くなって、燃料の無駄な消費や、騒音や排気ガスの無駄な放出を防止することができる。

次に、図３のフローチャートを参照しながら、本発明の処理を説明する。まず、現在溶接作業中であるか否かを判別する（ステップＳ１）。その結果、溶接作業中でなくなったら、高速のまま無負荷でアイドル運転を行い（ステップＳ２）、高速アイドル運転の継続時間を計時するためのタイマＴＭ_１をスタートさせる（ステップＳ３）。

タイマＴＭ_１の計時が所定の時間、Ｔ秒（例えば、８秒）を超えたか否かを判別し（ステップＳ４）、Ｔ秒を超えていなければ、現在溶接作業中であるか否かを判別し（ステップＳ５）、溶接作業が行われない状態が継続していれば、ステップＳ４に戻る。一方、ステップＳ５で溶接作業が再開されたら、上記タイマＴＭ_１をリセットして最初の状態に戻す（ステップＳ６）。

また、ステップＳ４で、Ｔ秒を超えたら、低速アイドル運転に移行させる（ステップＳ７）。そして、充電時間演算回路１６により、運転履歴記憶回路１７から、前回の余分な充電時間を呼び出し（ステップＳ８）、必要な充電時間ｔ_１を演算する（ステップＳ９）。その後、低速アイドル運転の継続時間を計時するためのタイマＴＭ_２をスタートさせる（ステップＳ１０）。

タイマＴＭ_２の計時が所定の時間、ｔ_ｃ秒を超えたか否かを判別し（ステップＳ１１）、ｔ_ｃ秒を超えていなければ、現在溶接作業中であるか否かを判別し（ステップＳ１２）、溶接作業が行われない状態が継続していれば、ステップＳ１１に戻る。一方、ステップＳ１２で溶接作業が再開されたら、上記タイマＴＭ_２をリセットして最初の状態に戻す（ステップＳ１３）。

また、ステップＳ１１で、ｔ_ｃ秒を超えたら、エンジン１のアイドル運転を停止させる（ステップＳ１４）。

本発明の一実施例に係るエンジン駆動溶接機のシステム構成図である。 エンジン駆動溶接機のエンジン回転数の変化の一例を示す図である。 本発明の一実施例に係るエンジン駆動溶接機のアイドル運転の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１…エンジン
２…溶接用発電機
３…自動電圧調整器
４…整流器
５…インバータ
６…高周波トランス
７…直流リアクタ
８…過電流継電器
９…遮断器
１０…電流センサ
２１…充電用発電機
２２…レギュレータ
２３…バッテリ
３０…溶接ホルダ
３１…母材

Claims (3)

1. バッテリと、該バッテリによりスタータを作動させて始動されるエンジンと、該エンジンによって駆動されるバッテリ充電用発電機及び溶接用発電機とを備え、前記溶接用発電機の出力により溶接作業を行い、溶接作業が一定時間以上継続して停止されたとき、前記エンジンのアイドル運転を停止させるアイドリングストップ機能を備えたエンジン駆動溶接機であって、
   前回のアイドリングストップ時間及びその後のエンジン運転時間に基づいて、バッテリの放電量と充電量を換算し、換算した充電量が放電量を上回るまでアイドル運転を停止させないようにすることを特徴とするエンジン駆動溶接機。
2. アイドリングストップ中の前記バッテリからの放電電流、及び、エンジン始動のための放電電流を予め設定しておき、該各設定値と前回のアイドリングストップ時間及びその後のエンジン運転時間に基づいて、バッテリの放電量と充電量を換算することを特徴とする請求項１に記載のエンジン駆動溶接機。
3. 前回のアイドル運転停止前のエンジン運転による余分な充電時間を記憶し、該余分な充電時間だけ早くアイドル運転を停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン駆動溶接機。