JP5202727B2 - 冷却ファンの駆動装置及びファン回転数制御方法 - Google Patents

Description

本願発明は、建設機械などの油圧駆動機械に用いられている、冷却ファンの駆動装置及び同装置を用いたファン回転数制御方法に関する。

建設機械などの油圧駆動機械では、エンジンによって駆動される冷却ファン用の油圧ポンプから吐出した圧油を、冷却ファンを回転させる油圧モータに供給するとともに、油圧モータに供給する圧油流量を制御することで、油圧モータの回転数、即ち、冷却ファンの回転数を制御している。そして、エンジンにおける冷却水温度や作動油の温度等が所望の温度となるように、冷却ファンの回転数に対する制御を行っている。

冷却ファンの回転数を制御する構成としては、ファン回転速度制御方法（例えば、特許文献１参照）などが提案されている。特許文献１に記載されているファン回転速度制御方法を本願発明における従来技術として、図９には、ファン回転速度制御方法を示すフローチャートを示している。

特許文献１に記載されたファン回転速度制御方法では図９に示すように、エンジン始動時において、ファン回転数がファン最低回転数Ｎminである状態からファンの駆動が開始されるように、ポンプ・モータ系の制御を行っている（ステップ１）。ポンプ・モータ系は、ファンを駆動する油圧モータと同油圧モータに圧油を供給する油圧ポンプとから構成されている。そして、ファンの回転を開始するときには、ファン最低回転数Ｎminの状態が、少なくとも数秒間維持されるように制御している（ステップ２）。

ファン最低回転数Ｎminの状態が少なくとも数秒間維持された後において、ファン回転数をファン最低回転数Ｎminから漸次増加させていく制御を行う（ステップ３）。そして、ファン回転数を漸次増加させてから少なくとも数秒が経過した後には、ファン回転数がファン目標回転数Ｎtfにまで増大しているようにポンプ・モータ系を制御している（ステップ４）。
このような制御を行うことによって、ポンプ・モータ系にピーク圧や圧力ハンチングが発生するのを防止している。そして、ポンプ・モータ系を破損から防いでいる。

特開２００５−７６５２５号公報

特許文献１に記載された発明では、エンジン始動時から設定された一定時間Ｔ1が経過するまでの間は、ファン回転数をファン最低回転数Ｎminの状態に維持している。そして、一定時間Ｔ1が経過した後においては、一定時間Ｔ2をかけて、ファン回転数をファン最低回転数Ｎminから一定勾配で漸次増加させて、ファン目標回転数Ｎtfにまで到達させる制御を行っている。それとともに、ファンで冷却される被冷却流体の各検出温度が、それぞれの目標温度に到達するようにフィードバック制御を行っている。

このように、特許文献１に記載された発明では、ファン回転数をファン最低回転数Ｎminからファン目標回転数Ｎtfにまで到達させるのに、ファン回転数が一定勾配で漸次増加するように制御を行っている。

一般に、ファンを駆動する油圧モータやファンを、低い回転数の状態から高い回転数の状態にまで加速していく場合において、ファンの回転を開始するためには、油圧モータやファン自身をそれぞれ停止させ続けようとする慣性による力に打ち勝つだけの大きな起動力を必要とする。

そして、ファンの回転数が高まるのに従って、油圧モータやファンの回転数を高めるために必要とする力も少なくてすむ。即ち、回転数が高まった状態では、油圧モータやファンにおける慣性による力によって、油圧モータやファンの回転を等速度で回転させ続けようとする。このためこのような状態になると、油圧モータやファンを回転させるのには大きな力を必要としなくてすむ。

ところが、特許文献１に記載された発明のように、ファン回転数を一定勾配で漸次増加させていく制御を行うと、油圧ポンプから吐出した圧油流量が全て油圧モータの回転に使用されずに、使用されなかった圧油流量は、油圧ポンプの保護回路であるリリーフ弁からタンクに廃棄されてしまうことになる。

即ち、特許文献１に記載された発明では、油圧モータやファン自身の慣性による力の大きさについての考慮が払われていないため、ファン回転数を一定勾配で漸次増加させていくだけの制御を行っている。そして、一定勾配でファン回転数を増加させるのに必要な圧油流量が、油圧モータに供給されるように制御している。

しかし、ファンが回転を始めるときには、停止状態を続けようとする慣性による力が大きく作用しているので、回転速度は徐々にしか上昇しない。このため、実際にファンの回転数を増加させるために使われる圧油流量よりも多い圧油流量が、油圧ポンプから吐出されていくことになる。

その結果、油圧ポンプで使用されなかった圧油流量は、油圧ポンプの保護回路であるリリーフ弁からタンクに廃棄されてしまうことになる。このようにして、油圧ポンプから吐出した圧油が無駄に排出されると、エンジンの燃費悪化、作動油温の上昇、リリーフ騒音の増加等の弊害を招くことになる。

本願発明では、冷却ファンの回転数を目標回転数にまで上昇させるときに、油圧ポンプから吐出した圧油流量が、無駄に廃棄されてしまうのを極力低減させることができ、そして、エネルギーロスを低減させることのできる冷却ファンの駆動装置及び同装置を用いたファン回転数制御方法を提供することにある。

本願発明の課題は、請求項１〜４に記載した冷却ファンの駆動装置及び請求項５、６に記載したファン回転数制御方法により、達成することができる。
即ち、本願発明における冷却ファンの駆動装置では、エンジンにより駆動される冷却ファン用の油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出した圧油が供給され、冷却ファンを回転させる油圧モータと、作動油の温度を検出する油温センサと、冷却媒体の温度を検出する水温センサと、前記エンジンの回転数を検出する回転数センサと、前記油圧モータに供給する圧油流量を制御する流量制御手段と、前記流量制御手段を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記冷却ファンの目標回転数を設定する目標回転数設定部と、前記冷却ファンの回転数を前記目標回転数にまで上昇させるときの加速パターンを設定する加速パターン設定部と、前記油圧モータに供給する圧油流量を指令する回転数指令演算部と、を有し、
前記目標回転数設定部は、前記油温センサと前記水温センサと前記回転数センサからの各検出信号に基づいて、前記冷却ファンの目標回転数を設定し、
前記加速パターン設定部は、前記回転数センサで検出した前記エンジンの回転数と、前記目標回転数設定部で設定した前記冷却ファンの目標回転数と、前記冷却ファン及び前記油圧モータの慣性による力の大きさに基づいて、前記冷却ファンの回転数を前記目標回転数にまで上昇させるときの加速パターンを設定し、
前記回転数指令演算部は、前記エンジンの回転数と、前記目標回転数設定部で設定した前記冷却ファンの目標回転数と、前記加速パターン設定部で設定した加速パターンとに基づいて、前記冷却ファンの回転数が前記加速パターンに基づいて現在の回転数から前記目標回転数にまで上昇するように、前記流量制御手段を制御する指令値を演算してなることを最も主要な特徴としている。

また、本願発明の冷却ファンの駆動装置では、前記加速パターンが、実験またはシミュレーションによって予め設定されたものであることを主要な特徴としている。

更に、本願発明の冷却ファンの駆動装置では、前記流量制御手段が、可変容量型の前記油圧ポンプの斜板角を制御する斜板角制御弁であることを主要な特徴としている。
更にまた、本願発明の冷却ファンの駆動装置では、前記流量制御手段が、前記油圧モータに供給される圧油流量を制御する流量制御弁であることを主要な特徴としている。

また、本願発明のファン回転数制御方法は、エンジンにより駆動される冷却ファン用の油圧ポンプから吐出した圧油を、冷却ファン用の油圧モータに供給し、前記油圧モータに供給される圧油流量を制御して、前記冷却ファンのファン回転数を制御するファン回転数制御方法であって、
検出した作動油の温度及びエンジン等を冷却する冷却媒体の温度及び前記エンジンの回転数から、前記冷却ファンの目標回転数を決定し、前記エンジンの回転数及び決定した前記冷却ファンの目標回転数と、前記冷却ファン及び前記油圧モータの慣性による力の大きさとから、前記冷却ファンの回転数を前記目標回転数にまで上昇させるときの加速パターンを決定し、前記エンジンの回転数と決定した前記冷却ファンの目標回転数及び前記加速パターンから、前記油圧モータに供給する圧油流量を制御して、前記冷却ファンの回転数を前記加速パターンに基づいて、現在の回転数から前記目標回転数にまで上昇させるように制御することを他の最も主要な特徴としている。

更に、本願発明のファン回転数制御方法では、前記加速パターンとして、実験またはシミュレーションによって予め設定されたものを用いることを主要な特徴としている。

本願発明では、冷却ファン及び油圧モータにおける慣性による力の大きさを考慮した加速パターンに基づいて、冷却ファンの回転数を目標回転数にまで上昇させることができる。これにより、冷却ファンや油圧モータの慣性による力の大きさを考慮した状態で冷却ファンの回転数が、目標回転数となるように、油圧モータに供給する圧油流量を制御することができる。

従って、油圧モータには、実際の油圧モータの回転状況に即した圧油流量を供給していくことができ、油圧モータで使用されずに廃棄されてしまう圧油流量を極力低減することができる。そして、エネルギーロスを低減させることができ、エンジンの燃費悪化、作動油温の上昇、リリーフ騒音の増加等の弊害を防止することができる。

加速パターンとしては、実験またはシミュレーションによって予め設定されたものを用いることもできる。予め設定した加速パターンを用いることにより、本願発明における冷却ファンの回転数制御を、フィードフォワード制御で行うことができる。しかも、冷却ファンで冷却される被冷却流体の各検出温度が変動したとしても、フィードバック制御で行っていたときのように、その変動の影響を受けてしまうことがない。そして、各検出温度が変動したことによる影響を受けることなく、冷却ファンの回転数を目標回転数となるように制御することができる。
これによって、冷却ファンの回転数制御が容易となり、冷却ファンの回転数制御を行わせる構成も簡単に構成することができる。

油圧モータに供給する圧油流量としては、油圧ポンプの斜板角を制御することによって行うことも、油圧ポンプと油圧モータとを接続する油路に設けた流量制御弁を制御することによって行うこともできる。

本願発明に係わる油圧回路図である。（実施例） コントローラの構成図である。（実施例） 制御ブロック図である。（実施例） 冷却ファンの回転数制御に係わるフローチャートである。（実施例） 冷却ファンの回転立ち上がり時における実測データの概略図である。（実施例） 冷却ファンの回転立ち上がり時における実測データの概略図である。（従来例） 本願発明に係わる他の油圧回路図である。（実施例） 本願発明に係わる別の油圧回路図である。（実施例） ファン回転速度制御方法を示すフローチャ−トである。（従来例）

本願発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて以下において具体的に説明する。本願発明の冷却ファンの駆動装置及びファン回転数制御方法は、冷却ファンを備えた作業車輌に対して好適に適用することができるものである。

特に、エンジンの加減速が頻繁に行われる作業車輌に対して好適に適用することができる。例えば、ホイールローダのような作業車輌では、荷役作業時などにおいて前後進作業及びVシェープ作業を繰り返して行っており、エンジンの加減速が頻繁に行われることになる。

エンジンの加減速が頻繁に行われると、エンジンの回転によって駆動されている冷却ファン用の油圧ポンプにおける回転数もエンジンの回転数によって加減速されることになる。そして、冷却ファン用の油圧ポンプから吐出した圧油流量によって冷却ファン用の油圧モータが駆動されているので、冷却ファン用の油圧モータにおける回転数もエンジンの回転の影響を受ける。そのため、エンジンの加減速に伴って、冷却ファン用の油圧モータの回転数を目標回転数まで上昇させる制御が繰り返して行われることになる。

そして、冷却ファンの回転数を、冷却ファンで冷却することになる冷媒の温度等に応じた目標回転数にまで、立ち上げる制御を行うときには、本願発明のように構成されていないと、油圧ポンプから吐出した圧油流量が無駄に廃棄されてしまう状況が、頻繁に発生することになる。本願発明は、このようなエンジンの加減速が頻繁に行われる作業車輌に対して、特に、好適に適用することができるものである。

図１は、本願発明の実施形態に係わる冷却ファンの駆動装置に用いられる油圧回路図である。冷却ファン用として配設した可変容量型の油圧ポンプ2（以下、油圧ポンプ2という。）は、エンジン1によって駆動される。油圧ポンプ2における１回転あたりのポンプ容量（cc／rev）は、図示せぬコントローラ7（図２参照）からの制御指令によって斜板制御弁6が制御されることによって、制御されることになる。

即ち、斜板制御弁6が制御されることで、油圧ポンプ2の斜板2aの角度が制御されることになり、コントローラ7（図２参照）からの制御指令に応じた斜板角度を油圧ポンプ2に持たせることができる。そして、このときのエンジン1の回転数と斜板制御弁6で制御された斜板角、即ち、油圧ポンプ2のポンプ容量とによって、油圧ポンプ2から吐出する圧油流量を制御することができる。

油圧ポンプ2から吐出した圧油流量は、正逆回転用の切換弁3を介して冷却ファン用の油圧モータ4に供給される。図示せぬコントローラ7（図２参照）からの制御指令により、切換弁3は、I位置とII位置との二つの位置に選択的に切り換えることができる。例えば、図１に示すII位置に切り換えたときには、油圧モータ4を正回転させることができ、I位置に切換えたときには、油圧モータ4を逆回転させることができる。

油圧モータ4から排出される圧油は、切換弁3を通りタンク10に排出される。また、油圧モータ4に供給するポンプ圧が、所定の圧力以上とならないように制御するため、油圧ポンプ2と切換弁3とを接続している油路とタンク10との間には、リリーフ弁9が設けられている。

油圧モータ4により回転駆動される冷却ファン5の回転数は、冷却ファン回転数センサ15によって検出することができ、冷却ファン回転数センサ15で検出した検出値は、コントローラ7に入力される。また、冷却ファン5の回転数を、冷却ファン回転数センサ15によって直接検出する代わりに、エンジン回転数センサ18でエンジン1の回転数を検出するとともに、油圧ポンプ2の斜板角あるいは油圧モータ4に供給されている圧油流量を検出することによって、油圧モータ4の回転数を間接的に求めることもできる。

油圧モータ4に供給されている圧油流量としては、例えば、後述する図７に示すように、油圧ポンプ2と油圧モータ4とを接続する油路に配設した流量制御弁12を制御している制御信号の値により求めることができる。即ち、流量制御弁12の開口面積は、流量制御弁12を制御している制御信号の値に応じて制御されている。流量制御弁12を制御している制御信号の値から流量制御弁12の開口面積を知ることによって、流量制御弁12を通過する圧油流量を求めることができる。

即ち、油圧ポンプ2から吐出する圧油流量は、エンジン1の回転数と油圧ポンプ2の斜板角とによって求めることができるので、流量制御弁12の開口面積を知ることによって、流量制御弁12を通過する圧油流量を求めることができる。

図７及び後述する図８における油圧ポンプ2は、冷却ファン5を駆動する油圧モータ4以外のアクチュエータとも共用している。このため、油圧ポンプ2のポンプ斜板角としては、油圧モータ4以外の他のアクチュエータを含めた必要流量に対して制御されることになる。油圧モータ4に供給する圧油流量は、流量制御弁12、又は流量制御弁14を用いることで制御されることになる。また、図７及び図８における油圧ポンプとしては、可変容量型の油圧ポンプではなく固定容量型の油圧ポンプを用いることもできる。

従って、油圧モータ4に供給される圧油流量に対応した油圧モータ4の回転数、即ち、冷却ファン5の回転数を間接的に求めることもできる。このように、油圧ポンプ2の斜板角あるいは油圧モータ4に供給されている圧油流量が分かっているときには、エンジン1の回転数を検出することによっても、冷却ファン5の回転数を検出することができる。

図２を用いて、コントローラ7で行われる、本願発明に係わる冷却ファンの回転数制御について説明する。コントローラ7には、水温センサ16で検出したエンジン1等を冷却した冷却媒体の温度と、作動油温センサ17で検出した作動油の温度と、エンジン回転数センサ18で検出したエンジン1の回転数及び冷却ファン回転数センサ15で検出した冷却ファン5の回転数と、がそれぞれ入力されている。エンジン回転センサ18と冷却ファン回転センサ15は、そのいずれか一方だけの入力であってもよい。

これらの各検出値は、コントローラ7に設けた目標回転数設定部22に入力され、目標回転数設定部22では、入力したこれらの各検出値の値に基づいて、冷却ファン5の目標回転数を設定する。冷却ファン5の目標回転数としては、例えば、図３の左側に示したグラフを用いて、冷却ファン5の目標回転数を設定することができる。

図３の左側に示したグラフとしては、目標回転数設定部22に入力した各検出温度に対応づけて、冷却ファン5の目標回転数をシミュレーションや実験などによって求めておくことができる。

あるいは、例えば、目標回転数設定部22に入力した各検出温度を、統計処理的な手法等を用いて演算し、冷却ファン5の目標回転数を求めるように構成しておくこともできる。本願発明では、冷却ファン5に対する目標回転数の求め方については、特徴を有しているものではないので、冷却媒体や作動油の油温がオーバヒートしないような適切な回転数とする冷却ファン5の目標回転数を設定することができるものであれば、従来から公知の各種設定方法を用いることができる。

冷却ファン回転数センサ15で検出した現在の冷却ファン5における回転数と目標回転数設定部22において設定した目標回転数と、冷却ファン5及び油圧モータ4の慣性による力の大きさとに基づいて、加速パターン設定部23では、冷却ファン5の回転数を前記目標回転数にまで上昇させるときの加速パターンを設定することができる。

冷却ファン5及び油圧モータ4の慣性による力の大きさとしては、冷却ファン5及び油圧モータ4におけるそれぞれの慣性二次モーメントの値及び角加速度を用いたシミュレーションや実験などによって求めておくことができる。慣性二次モーメントの値としては、構造計算により算出することもできるが、次に説明するようにして求めることもできる。

例えば、冷却ファン5及び油圧モータ4の慣性による力の大きさを「Ｉｐ」としたとき、慣性による力の大きさ「Ｉｐ」の値は、冷却ファン5を設けた油圧モータ4のモータトルクＴ［N・m］と冷却ファン5を設けた油圧モータ4の角加速度ｄω／ｄｔ［rad／（sec・sec）］との関数として表すことができる。即ち、Ｉｐ＝Ｔ／（ｄω／ｄｔ）として表すことができる。

そして、実測や実験等によって、冷却ファン5を設けた油圧モータ4のモータ圧Ｐｍ［Mpa］、冷却ファン5を設けた油圧モータ4のモータ回転数Ｒｍ［rpm］、油圧モータ4のモータ容量Ｑｍ［cc／rev］、冷却ファン5を設けた油圧モータ4のトルク効率ηｔ、加速時間Δｔacc［sec］、を求めることによって、冷却ファン5を設けた油圧モータ4のモータトルクＴを求めることができる。

即ち、Ｔ＝Ｑｍ×Ｐｍ×ηｔ／（２×π）として求めることができる。尚、πは、弧度法における角度の標記であって、180度の角度は弧度法では1×πラジアンとして表される。また、角加速度ｄω／ｄｔは、ｄω／ｄｔ＝Ｒｍ×２×π／（６０×Δｔacc）として表すことができる。

この油圧モータ4のモータトルクＴと角加速度ｄω／ｄｔとを求める式から、慣性による力の大きさ「Ｉｐ」の値は、Ｉｐ＝Ｑｍ×Ｐｍ×ηｔ／（２×π）／（Ｒｍ×２×π／（６０×Δｔacc））として表せる。即ち、Ｉｐ＝６０×Ｑｍ×Ｐｍ×ηｔ×Δｔacc／（４×Ｒｍ×π×π）を計算することによって、慣性による力の大きさ「Ｉｐ」の値を求めることができる。

このようにして、図３における左から２番目のグラフで示すような、加速パターンを設定することができる。このグラフの縦軸を出力目標としているが、出力目標としては油圧モータ4に供給する圧油流量として読み直すこともできる。図３で示すように、現在の冷却ファン5における回転数を目標回転数設定部22で設定した目標回転数まで上昇させるとき、起動開始時には冷却ファン5及び油圧モータ4の慣性による力に抗することができるように、起動力が徐々に高まっていくような加速パターンを設定する。

加速パターンは、前記起動開始時からの時間の経過とともに、油圧モータ4の角加速度が徐々に上昇するように、油圧モータ4に供給する圧油流量を徐々に増量させていくパターンとなっている。この加速パターンに基づいて油圧モータ4の加速制御を行うことで、油圧モータ4の加速制御を行っているときに、消費されずに廃棄されてしまうリリーフ流量を低減させることができる。

このように、油圧モータ4の角加速度が徐々に上昇するのにともなって、冷却ファン5及び油圧モータ4を等速回転状態に維持することになる慣性による力の大きさも徐々に高めることができる。そして、図３で示すように、油圧モータ4に供給する圧油流量を２次関数的に増大させていくことで、油圧モータ4で消費されずに廃棄されてしまうリリーフ流量を低減させることができる。
そして、油圧モータ4の回転数が冷却ファン5の目標回転数に到達した後では、油圧モータ4に対して到達した回転状態を維持しておくのに必要な圧油流量を供給し続けることができる。

加速パターン設定部23において設定する加速パターンは、上述したように、冷却ファン回転数センサ15で検出した冷却ファン5の回転数と目標回転数設定部22において設定した目標回転数と、冷却ファン5及び油圧モータ4の慣性による力の大きさとに基づいて、設定することもできるが、予め実験、シミュレーション等によって加速パターンを設定しておくこともできる。

予め加速パターンを設定しておいた場合においても、目標回転数にまで上昇させるのに、冷却ファン5の回転数をどの回転数の状態から開始させるのかに応じて、それぞれ異なる加速パターンを設定しておくこともできる。この場合では、目標回転数にまで上昇させるときに、開始時点における冷却ファン5の回転数の状態に応じて、冷却ファン5及び油圧モータ4の慣性による力の状況は異なっている。

そこで、開始時点における冷却ファン5の回転数の状態での慣性による力の状況を有効に利用した加速パターンを、開始時点における冷却ファン5の回転数の状態に応じてそれぞれ構成しておくことができる。例えば、加速パターンにおける立ち上げを大きく構成しておくことができる。そして、開始時点における慣性による力の状況が異なっていても、早く目標回転数の状態に到達させることができる。

また、目標回転数にまで上昇させるのに、冷却ファン5の回転数をどの回転数の状態から開始させるのかに応じて、それぞれ異なる加速パターンを設定しておく代わりに、一つの加速パターンだけを予め設定しておいて、この設定した一つの加速パターンを用いることもできる。この場合には、加速パターンにおける曲線部を有効に利用して、冷却ファン5が目標回転数に向かって増速回転を開始するときの回転数に対応した前記加速パターンの曲線部上の点、及び目標回転数に対応した前記加速パターンの曲線部上の点をそれぞれ求め、この二点間における曲線部が前記加速パターンとなるように構成しておくことができる。

ところで、油圧ポンプ2はエンジン1によって駆動されているので、エンジン1の加減速が頻繁に行われると、油圧ポンプ2における回転数もエンジン1の回転数による加減速の影響を受けることになる。そして、油圧ポンプ2から吐出する圧油流量も加減速による影響を受けることになる。このため、エンジン1の加減速が頻繁に行われる場合には、油圧モータ4の回転数としては、減速した回転数の状態から冷却ファン5の目標回転数にまで上昇させる制御が繰り返し行われることになる。

上述したように、本発明では、油圧モータ4の低速回転の状態から、冷却ファン5の目標回転数にまで上昇させる制御を行っても、その状況に応じた加速パターンで油圧モータ4の回転を加速させていくことができるので、油圧モータ4の回転に使用されずに廃棄されてしまう圧油流量を低減させることができる。これによって、エンジンの燃費悪化、作動油温の上昇、リリーフ騒音の増加等の弊害を防止しておくことができる。

図２に示すように、加速パターン設定部23において設定された加速パターンと、目標回転数設定部22で設定された目標回転数は、回転数指令値演算部24に入力される。尚、図３では、油圧モータ4の回転数が冷却ファン5の目標回転数にまで上昇した後における、冷却ファン5の回転数に対して補正処理部26で行う制御についても記載しているが、補正処理部26で行う制御については後述することにして、補正処理部26で行う制御をスキップした制御について説明を続けることにする。

回転数指令値演算部24では、現在の冷却ファン5の回転数を加速パターンに沿って目標回転数にまで上昇させるのに必要な圧油流量が、油圧モータ4に供給されるように回転数指令値を演算して、流量制御手段25に対する制御信号を作成する。流量制御手段25としては、油圧モータ4に供給する圧油流量を制御するものであれば、油圧ポンプ2の斜板角を制御する斜板制御弁6（図１参照）、あるいは、油圧ポンプ2から吐出した圧油流量の一部を油圧モータ4以外のアクチュエータに供給し、他のアクチュエータに供給して残った圧油を制御して、油圧モータ4に供給する流量制御弁12（図７参照）、又は流量制御弁14（図８参照）等を用いることができる。

回転数指令値演算部24では、斜板制御弁6（図１参照）を制御する場合には、油圧ポンプ2の斜板角を制御する制御信号を演算することになり、流量制御弁12（図７参照）又は流量制御弁14（図８参照）を制御する場合には、流量制御弁12又は流量制御弁14におけるそれぞれの開口面積を制御する制御信号を演算することになる。

図７に示した流量制御弁12は、流量制御手段25の変形例を示すものであり、油圧ポンプ2と油圧モータ4との間を連通させる油路に、流量制御手段25としての流量制御弁12を設けた構成である。流量制御弁12は、図示せぬコントローラ7からの制御指令により、油圧ポンプ2と油圧モータ4とを繋ぐ油路の開口面積が制御される構成となっている。

そして、開口面積を減少させることにより、油圧モータ4に供給される圧油流量を減少させて、油圧モータ4の回転数を減速させることができる。逆に、開口面積を増大させることにより、油圧モータ4に供給される圧油流量を増大させて、油圧モータ4の回転数を増速させることができる。

図８に示した流量制御弁14は、流量制御手段25の他の変形例を示すものであり、油圧ポンプ2と油圧モータ4との間を連通させる油路とタンク10に接続した油路との断接を行うことができる流量制御弁として構成されている。流量制御弁14は、図示せぬコントローラ7からの制御指令により、油圧ポンプ2と油圧モータ4との間を連通させる油路をタンク10に接続させるときの開口面積を制御する構成となっている。

そして、タンク10に接続する流量制御弁14の開口面積を遮断状態にしたり減少させたりすることにより、油圧モータ4に供給される圧油流量を増大させて、油圧モータ4の回転数を増速させることができる。逆に、タンク10に接続する流量制御弁14の開口面積を増大させることにより、油圧モータ4に供給される圧油流量を減少させて、油圧モータ4の回転数を減速させることができる。

このように、図２に示す流量制御手段25を制御することによって、油圧モータ4に対して加速パターンに基づいた加速制御を行わせることができ、加速パターンに基づいて冷却ファン5を現在の回転数から目標回転数まで上昇させることができる。

このようにして本願発明では、冷却ファン5の回転数を、冷却ファン5で冷却する冷媒の温度等に応じた目標回転数まで増速させるときに、油圧ポンプ2から吐出した圧油流量が無駄に廃棄されてしまう量を極力減少させることができる。特に、本願発明では、エンジン1の加減速が頻繁に行われる作業車輌に対して、極めて効果的な作用を奏することができる。

尚、図３では、油圧モータ4の回転数が冷却ファン5の目標回転数近くにまで上昇して、油圧モータ4における速度が加速状態から定速状態になりつつある状態の後において、冷却ファン5の回転数に対して制御する制御ブロックについても記載している。そこで、油圧モータ4の回転数が冷却ファン5の目標回転数近くにまで上昇した後における制御についての説明を行う。

尚、図２、図３に示す補正処理部26での処理は、油圧モータ4の回転数が略目標回転数に近づいた後に行われる処理であり、油圧モータ4の回転数、即ち、冷却ファン5の回転数が目標回転数に近づくまでの段階においては、補正処理部26での処理がスキップされることになる。

加速パターン設定部23で設定した加速パターンに基づいて、油圧モータ4の加速制御を行っているときには、油圧モータ4に供給する圧油流量は、加速パターン設定部23で設定した加速パターンに基づいて制御されることになる。そして、加速パターンに基づいた制御によって、冷却ファン5の回転数が目標回転数近くまで上昇した後においては、冷却ファン5の回転数が略目標回転数の状態を維持するように、油圧モータ4の回転数が制御される。

しかしながら、冷却ファン5の目標回転数と実際の冷却ファン5の回転数との間には、経年変化の影響によって違いが生じることがある。そこで、経年変化による劣化に伴って、効率が変化するのに対応させるため、冷却ファン5の目標回転数と冷却ファン回転数センサ15で検出した現在の冷却ファン5の回転数との差分を用いて、冷却ファン5の目標回転数の値を補正することを補正処理部26において行っている。そして、実際の冷却ファン5の回転数が、補正後の目標回転数となるようにすることで、実際の冷却ファン5の回転数が変動するのを防止している。

そして、目標回転数を補正するため、補正処理部26では、前記差分に基づいて、冷却ファン5の目標回転数の値の補正を行っている。
即ち、図３に示した制御ブロックに基づいて説明すると、加速パターンに基づいて制御される油圧モータ4の目標回転数と、冷却ファン回転数センサ15で検出した現在の冷却ファン5の回転数との差分を補正処理部26に入力する。補正処理部26では、前記差分に応じて従来から公知のPID制御（PはProportional：比例、IはIntegral：積分、DはDerivative：微分の略）を用いて目標回転数に対する補正処理を行っている。

これにより、前記差分が少なくなるように制御することができ、実際の冷却ファン5の回転数が変動するのを防止することができる。
尚、PID制御の積分動作では、過去の偏差の累積値を求めることになり、比例動作では、現在の偏差の大きさを求めることになり、微分動作では、偏差の将来の予測値を求めている。これらの求めた３つの値に対してそれぞれウエイトを持たせて行う制御が、PID制御といわれているものであり、従来から公知の制御として知られている。
目標回転数は、基本的に不変であって、定常時における制御と、補正時における制御とは、同じような制御を行っている。また、PID制御は、全ての場合に実施する必要はないものである。

次に、本願発明で行われる制御フローについて、補正処理部26での処理も含めて、図４で示したフローチャートを用いて説明する。ステップS1では、水温センサ16で検出したエンジン1等を冷却する冷却媒体の水温、作動油温センサ17で検出した作動油の油温、及びエンジン回転数センサ18で検出したエンジン1の回転数を取得する処理を行う。ステップS1での処理がすむと、ステップS2に進む。

ステップS2では、目標回転数設定部22を用いて、現在の時刻tにおいて設定することになる冷却ファン5に対する最終的な目標回転数Ntを設定する処理を行う。ステップS2での処理がすむと、ステップS3に進む。
ステップS3では、加速パターン設定部23で設定した加速パターンに基づいた、現在の時刻tに対応した現在目標回転数Nc(t)を取得する処理を行う。目標回転数Ntは、時刻tの時点において設定することになる、冷却ファン5を最終的に到達させるべき目標回転数である。また、現在目標回転数Nc(t)は、冷却ファン5の回転数が最終的な目標回転数Ntに到達する前の段階として、時刻tの時点における加速パターンに基づいた目標回転数である。

現在目標回転数Nc(t)を取得する処理は、回転数指令値演算部24における演算により求めることができる。ステップS3での処理がすむと、ステップS4に進む。
時刻ｔ＝０（ゼロ）の状態、即ち、エンジン始動時のNc（0）の値は、冷却ファン5の最低回転数に設定される。

ステップS4では、目標回転数Ntと現在目標回転数Nc(t)との差を求め、この差が予め実験等により設定した加減速処理判定値ΔNよりも大きいか否かの判定を行う。前記差が、加減速処理判定値ΔNよりも大きいときには、ステップS5に進み、前記差が、加減速処理判定値ΔNよりも小さいときには、ステップS6に進む。このように、ステップS4では、現在の時刻tにおける現在目標回転数Nc(t)が、目標回転数Ntに近づいているかの判定を行っている。

ステップS5では、加減速加算量ΔNcの算出処理が行われる。加減速加算量ΔNcを用いることによって、加速パターンに従ってどれだけ油量を増加させるかを求めることができる。加減速加算量ΔNcは、目標回転数Ntと現在目標回転数Nc(t)とを用いた関数値として求めることができる。ステップS5での処理がすむと、ステップS7に進む。

ステップS6では、加減速加算量ΔNcを求める処理が無効にされる。即ち、目標回転数Ntと現在目標回転数Nc(t)との差が小さいと判断して、目標回転数Ntまで上昇させる処理を行うことになる、即ち、目標回転数Ntを現在目標回転数Nc(t)にする処理が行われる。ステップS6での処理がすむと、ステップS7に進む。

ステップS7では、現在目標回転数Nc(t)が目標回転数Ntに到達したかの判定が行われる。現在目標回転数Nc(t)が目標回転数Ntに到達したときには、ステップS8に進み、未到達、即ち、加減速中のときには、ステップS11に進む。つまり、未到達のときには、補正処理部26での処理をスキップする。

ステップS8では、図３における補正処理部26での処理が行われる。即ち、現在の時刻tに対応した現在目標回転数Nc(t)と、冷却ファン回転数センサ15で検出した現在の時刻tにおける冷却ファン5の回転数nfとの制御偏差εを取得する。制御偏差εは、ε＝Nc(t)−nfの関係式から演算することができる。ステップS8での処理がすむと、ステップS9に進む。

ステップS9では、制御偏差εをゼロ時刻のときから時刻tのときまでの積分加算∫（ε）を演算する処理と偏差微分加算Δεを演算する処理とを行う。ステップS9での処理がすむと、ステップS10に進む。

ところで、現在の制御サイクルが終わった後に行われる次の制御サイクルは、現在の時刻tを時刻t+1にした状態で行われることになる。そこで、ステップS10では、現在の時刻tでの現在目標回転数Nc(t)を、時刻t+1における現在目標回転数Nc(t+1)とする処理を行う。ステップS10での処理がすむと、ステップS13に進む。

ステップS7における判定で、加減速中であると判定されて進んだステップS11では、現在時刻tにおける現在目標回転数Nc(t)の値に、ステップS5で求めた加減速加算量ΔNcの値を加算して、時刻t+1における現在目標回転数Nc(t+1)を求める処理を行う。ステップS11での処理がすむと、ステップS12に進む。

ステップS12では、加減速中のPID制御による補正を無効にする処理を行う。即ち、制御偏差εをゼロにする処理と、積分加算∫（ε）をゼロにする処理とを行う。ステップS12での処理がすむと、ステップS13に進む。即ち、加速中は、PID制御は行わず、加速パターンに従って油圧モータ4の回転数を加速させる制御を行うことになる。

ステップS13では、時刻t+1での指令回転数Nf(t+1)を設定する処理を行う。即ち、時刻t+1での指令回転数Nf(t+1)の値を、回転数指令値演算部24で求めた時刻t+1における現在目標回転数Nc(t+1)の値と、制御偏差εに定数である比例ゲインkpの値を掛けた値と、積分加算∫（ε）の値に定数である積分ゲインKiの値を掛けた値と、偏差微分加算Δεの値に定数である微分ゲインKdの値を掛けた値とを加算した値にする処理を行う。

加速中は、偏差微分加算Δεの値及び積分加算∫（ε）の値は、共にゼロ（０）なので、Nf(t+1)はNc(t+1)のままとなっている。ステップS13での処理がすむと、ステップS14に進む。

ステップS14では、ステップS13で設定した指令回転数Nf(t+1)で冷却ファン5が回転するように、油圧ポンプ2から吐出する圧油流量を制御する処理を行う。油圧ポンプ2から吐出する圧油流量を制御する処理を行うため、油圧ポンプ2の斜板角を制御するポンプ斜板位置Q(t+1)を算出する処理を行う。ポンプ斜板位置Q(t+1)としては、ポンプ容量Q（cc／rev）として示しているが、油圧ポンプ2の斜板角度で示しておくこともできる。

前述したように目標回転数は、現在のエンジン回転数とポンプ容量とにより達成されることになるので、ポンプ斜板位置Q(t+1)は、ステップS13で設定した指令回転数Nf(t+1)とエンジン回転数neとを基にした関数値として求めることができる。上述したステップS14での処理として、ポンプ斜板位置Q(t+1)を算出する処理を行うことについての説明を行ったが、図７や図８に示すような流量制御弁12、14を制御することによっても、油圧モータ4の回転数を制御することができる。そのため、ステップS14における処理としては、流量制御弁12、14を制御する制御信号を算出する処理とすることもできる。ステップS14での処理がすむと、ステップS15に進む。

ステップS15では、図３における流量制御手段25に対する制御信号を出力する処理を行う。即ち、図１における斜板制御弁6を制御するポンプ制御電流I(t+1)を、図２の流量制御手段25に出力する処理を行う。ポンプ制御電流I(t+1)としては、ポンプ斜板位置Q(t+1)の関数値として求めることができる。

また、流量制御手段25として図７や図８に示すような流量制御弁12、14を用いたときには、流量制御弁12、14のスプール位置を制御する電気信号を出力させることができる。ステップS15での処理がすむと、ステップS16に進む。

次回の制御サイクルは、現在の制御サイクルにおいては時刻t+1として扱っているが、次回の制御サイクルでの制御を行っているときには、現在の時刻はtとして読み直しておかなければならない。そのため、現在目標回転数Nc(t+1)の値は次回の制御サイクルでは現在目標回転数Nc(t)として使用することになるので、ステップS16では、現在目標回転数Nc(t+1)の値を現在目標回転数Nc(t)とする処理を行う。ステップS16での処理がすむと、本制御ステップにおける各処理は終了する。

図５及び図６には、冷却ファンの回転立ち上がり時における実測データの傾向をグラフで示した概略図を示している。図５は、本願発明による制御を行ったときのグラフであり、図６は、本願発明における制御を行わなかったときのグラフである。

図５及び図６において、横軸はそれぞれ同じスケールで示した時間を示しており、縦軸としては、図５及び図６に示している各グラフに対応させ、図５及び図６において、それぞれ同じスケールで示した回転数（rpm）、それぞれ同じスケールで示した流量（L/min）を示している。そして、図５及び図６における時間的変化を示すグラフとしては、ポンプ吐出流量の時間的変化、冷却ファン5の実回転数の時間的変化、冷却ファン5を回転させているときに油圧モータ4で使用されることになる油圧モータ4の流量の時間的変化、油圧ポンプ2から吐出されたが、油圧モータ4の回転には使用されずに廃棄されるロス流量の時間的変化を、それぞれのグラフによって示している。

図６では、現在の冷却ファン5の回転数を目標回転数まで上昇させるときに、油圧ポンプ2から吐出する圧油流量を、冷却ファン5を目標回転数で回転させるのに必要な圧油流量とした場合について示している。また、図５には、現在の冷却ファン5の回転数を目標回転数まで上昇させるときに、本願発明に基づく制御を行って油圧ポンプ2から吐出する圧油流量を制御した場合について示している。

図６に示す場合には、一気に目標回転数まで油圧モータ4の回転数を上昇させることのできる圧油流量を、油圧モータ4に供給している。そのため、油圧ポンプ2からの吐出流量であるポンプ吐出流量は、一気に所望の流量まで上昇することになる。そして、一気に上昇した圧油流量が油圧モータ4に供給されることになる。

しかし、油圧モータ4や冷却ファン5は、それぞれ停止状態を保とうとする慣性による力の影響によって、一気に回転数を上昇させることはできない。そのため、図６の冷却ファン5の実回転数の時間的変化を示すグラフや油圧モータ4の流量の時間的変化を示すグラフのように、なだらかな状態で徐々に上昇していくことになる。

このため、ポンプ吐出流量と油圧モータ4の必要流量との差分であるロス流量としては、冷却ファン5の目標回転数への立ち上げ時において、大量のロス流量が発生してしまうことになる。

これに対して、図５で示す本願発明による制御を行った場合には、ポンプ吐出流量のグラフと油圧モータ4の必要流量のグラフとを、略同じ傾向を示す略同じ曲線に沿って立ち上げていくことができる。しかも、ポンプ吐出流量の略全量を油圧モータ4の駆動に使用することができ、油圧モータ4の駆動に連動して、冷却ファンのファン回転数もポンプ吐出流量のグラフと同様の傾向を示す曲線で立ち上がっていくことができる。

更に、ポンプ吐出流量と油圧モータ4の必要流量との差分であるロス流量も、図５の下方側に示しているように、極めて少ない状態にしておくことができる。また、図６で示すロス流量としては、油圧モータ4の駆動制御を行っている間では、常に一定量以上の流量が廃棄されているのに対し、図５で示す本願発明では、冷却ファン5の回転が目標回転数に上昇するまでの間において、多少のロス流量が発生することになるが、その量は、図６で示した場合よりも極端に低くなる。

また、図５で示す本願発明では、冷却ファン5の回転が目標回転数になった後においては、殆どロス流量を発生させることがない。このため、油圧ポンプ2からのポンプ吐出流量である圧油流量は、有効に油圧モータ4の駆動に使用することができ、エンジンの燃費悪化、作動油温の上昇、リリーフ騒音の増加等の弊害を招くことを防止することができる。

本願発明は、作業車輌に搭載される冷却ファンの駆動制御に対して、本願発明の技術思想を好適に適用することができる。

２・・・可変容量型の油圧ポンプ、４・・・油圧モータ、５・・・冷却ファン、６・・・斜板制御弁、７・・・コントローラ、１２，１４・・・流量制御弁、２２・・・目標回転数設定部、２３・・・加速パターン設定部、２４・・・回転数指令値演算部、２５・・・流量制御手段、２６・・・補正処理部。

Claims (4)

1. エンジンにより駆動される冷却ファン用の油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプから吐出した圧油が供給され、冷却ファンを回転させる油圧モータと、
   作動油の温度を検出する油温センサと、
   冷却媒体の温度を検出する水温センサと、
   前記エンジンの回転数を検出する回転数センサと、
   前記油圧モータに供給する圧油流量を制御する流量制御手段と、
   前記流量制御手段を制御するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記冷却ファンの目標回転数を設定する目標回転数設定部と、前記冷却ファンの回転数を前記目標回転数にまで上昇させるときの加速パターンを設定する加速パターン設定部と、前記油圧モータに供給する圧油流量を指令する回転数指令演算部と、を有し、
   前記目標回転数設定部は、前記油温センサと前記水温センサと前記回転数センサからの各検出信号に基づいて、前記冷却ファンの目標回転数を設定し、
   前記加速パターン設定部は、前記回転数センサで検出した前記エンジンの回転数と、前記目標回転数設定部で設定した前記冷却ファンの目標回転数と、前記冷却ファン及び前記油圧モータの慣性による力の大きさとに基づき、前記冷却ファンの回転数を前記目標回転数にまで上昇させるときの１以上の加速パターンを、演算もしくは実験またはシミュレーションによって予め設定し、
   前記回転数指令演算部は、前記エンジンの回転数と、前記目標回転数設定部で設定した前記冷却ファンの目標回転数と、前記加速パターン設定部で予め設定された前記回転数に対応する加速パターンとに基づいて、前記冷却ファンの回転数が現在の回転数から前記目標回転数にまで前記加速パターンに基づき上昇するように、前記流量制御手段を制御する指令値を演算してなることを特徴とする冷却ファンの駆動装置。
2. 前記流量制御手段が、可変容量型の前記油圧ポンプの斜板角を制御する斜板角制御弁であることを特徴とする請求項１記載の冷却ファンの駆動装置。
3. 前記流量制御手段が、前記油圧モータに供給される圧油流量を制御する流量制御弁であることを特徴とする請求項１記載の冷却ファンの駆動装置。
4. エンジンにより駆動される冷却ファン用の油圧ポンプから吐出した圧油を、冷却ファン用の油圧モータに供給し、前記油圧モータに供給される圧油流量を制御して、前記冷却ファンのファン回転数を制御するファン回転数制御方法であって、
   油温センサ及び水温センサで検出した作動油の温度及び冷却媒体の温度と前記エンジンの回転数とから、前記冷却ファンの目標回転数を決定し、
   前記エンジンの回転数と、決定された前記冷却ファンの目標回転数と、前記冷却ファン及び前記油圧モータの慣性による力の大きさとから、前記冷却ファンの回転数を前記目標回転数にまで上昇させるときの１以上の加速パターンを、加速パターン設定部にて演算もしくは実験またはシミュレーションによって予め設定しておき、
   前記エンジンの回転数と決定した前記冷却ファンの目標回転数と、現在の冷却ファンの回転数に応じた前記加速パターンに則り、前記油圧モータに供給する圧油流量を制御して、前記冷却ファンの回転数を前記加速パターンに基づき、現在の回転数から前記目標回転数にまで上昇させるように制御することを特徴とするファン回転数制御方法。

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