JP5401021B2 - 建設機械における原動機の回転速度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等建設機械における原動機の回転速度制御方法に関する。

土木、建設機械や農業機械のようなディーゼルエンジンを搭載した作業機械においては、前記エンジンの回転数は予め所定作業に対応した運転モードに応じて設定されるが、当該作業の中でも前記作業機械においては、負荷の変動が比較的大きく、当該負荷が大きくなるとエンジンの回転数が設定回転数より低下することがあり、当該作業を円滑に遂行できないため、運転者（以下オペレータという）はその都度エンジン出力を増加するよう運転モードの切り換え操作が必要である。こうした不便を解決するものとして、アイソクロナス制御と称される制御方式が提案されている。（特許文献１、２）

すなわち、アイソクロナス制御では、負荷がかかることによりエンジン回転数が下がろうとしたとき、コンピュータがそれを判断して燃料噴射量を制御し、オペレータが設定したエンジン回転数を保持させるように制御を遂行するものである。

特に、土木、建設機械として多用される油圧ショベル等、負荷変動の非常に大きい作業を遂行する作業機械では、すでにアイソクロナス制御が採用されている。例えば、特許文献２の図４に開示されているように、電子ガバナ（２）と燃料噴射装置コントローラ（３）は、エンジン負荷の増減に係わらずエンジン（１）の回転数が目標回転数に維持されるようアイソクロナス制御を実施するものであり、エンジンコントローラ（５）の回転数補正値演算部（５ｂ）において、ポンプ吐出圧力及びレバー操作量に応じたエンジン回転数減少値ΔＮが演算され、エンジンコントローラ５の基準目標回転数演算部（５ａ）にてエンジンコントロールダイヤル（２７）の操作量に応じて計算された基準目標回転数ＮＲからそのΔＮを減算し、アイソクロナス制御の目標回転数ＮＴを算出するものである。

また、油圧ショベル等の作業機械において、ディーゼルエンジンの燃料消費の観点から考察すると、一般に、標準的作業に対応して設定される定格運転モードの回転数は２０００ｒｐｍ前後であるが、ｓｗｅｅｔ ｓｐｏｔとも称される最も出力効率のよい回転数は１５００ｒｐｍ前後といわれている。すなわち、定格運転モードに設定されているとほとんど負荷のない状態であってもエンジンは約２０００ｒｐｍで回転していることとなり、最も出力効率のよい回転数の１５００ｒｐｍ前後以上の回転状態である。

一方、前記アイソクロナス制御の有無にかかわらず、オペレータは、一般に、作業機械による作業中の状態を具体的に観察しており、したがって、作業機械がほとんど負荷のない作業状態から負荷が大きくなる作業状態へ移ることは当然予測できるので、そのような場合、当該オペレータの意思によりエンジン回転数を増加しようとするが、そのためには運転モード変更のスイッチをその都度操作しなければならなかった。

特開平１０−１５９５９９号公報 特開２００４−１６９５８９号公報

本発明者は、上述した事情に鑑み、鋭意検討した結果、定格運転モードを含む各運転モード選択用のスイッチとは別の他のスイッチを設け、オペレータの意思で同他のスイッチをオン、オフ操作することにより原動機の回転数を所望の回転数へ滑らかに移行させることで前記の問題が基本的に解決できることを突き止めた。

従って、本発明の目的は、常時はｓｗｅｅｔ ｓｐｏｔ近辺で原動機を使用し、操作条件によっては定格回転数まで回転速度を増加したい場合に、運転者の意思で、原動機の回転数(馬力)を増加・低減しようとするもので、その場合、回転速度が急激に変化すると安全上問題があるので、所定の滑らかな速度変化でエンジン回転数を増加、低減し、以って安全な方法で省エネと生産性向上を両立させるようにした建設機械における原動機の回転速度制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明による建設機械における原動機の回転速度制御方法は、原動機にて油圧ポンプを駆動し当該油圧ポンプの吐出油を、パイロット操作される切換弁を介してこれら切換弁に接続されたアクチュエータに供給するよう構成した建設機械において運転席に設けた原動機回転速度を調整する回転速度調整ダイヤルを用いて原動機の回転速度を制御する方法であって、
前記運転席には前記回転速度調整ダイヤルとは別の第１スイッチを設け、同第１スイッチをオン操作したとき、原動機回転数を、所定の最も出力効率の良い回転数であるＳＷＥＥＴＳＰＯＴに相当する第１の回転数Ｎｓから予め定められた標準的作業に対応して設定される定格運転モードの回転数の第３の回転数Ｎｒまで、予め定められた第１の回転数変化パターンと、演算初期値（Ｎａｉｂ）と前記Ｎｒとの差分の積であるインクリメンタル増量分
と演算初期値（Ｎａｉｂ）とを加算することで滑らかに増加させ、
該第１スイッチをオフ操作したとき、
前記原動機回転数を、前記第３の回転数Ｎｒから所定の第１の回転数Ｎｓまで、予め定められた第２の回転数変化パターンと、演算初期値（Ｎａｉｂ）と前記Ｎｓとの差分の積であるデクリメンタル減量分
を演算初期値（Ｎａｉｂ）から減算することで滑らかに削減させ、常時原動機を使用する原動機回転数である前記第１の回転数Ｎｓに戻るようにし、
前記第１スイッチは運転席を含むキャビン内に設けて足操作されることを特徴とする。

その場合、前記所定の第１および第２の回転数Ｎ１、Ｎ２は前記速度調整ダイヤルで同一回転数（Ｎ１＝Ｎ２）に設定されることができる。

また、その場合、前記原動機の回転数が第１の回転数Ｎ１から第３の回転数Ｎｒまで、第３の回転数Ｎｒから第２の回転数Ｎ２までそれぞれ変化させるに要する時間を０．１〜３．０秒に設定することができる。

また、上記の目的を達成するため、本発明による建設機械における原動機の回転速度制御方法は、原動機にて油圧ポンプを駆動し当該油圧ポンプの吐出油を、パイロット操作される切換弁を介してこれら切換弁に接続されたアクチュエータに供給するよう構成した建設機械において運転席に設けた原動機回転速度を調整する速度調整ダイヤルおよびオペレータにより選択設定される運転モード選択スイッチを用いて原動機の回転速度を制御する方法であって、前記運転席には前記運転モード選択スイッチとは別の第１スイッチおよび同第１スイッチを有効化する第２スイッチを設けると共に、予め前記速度調整ダイヤルを用いて原動機回転数を第１の回転数Ｎｓに設定しておき、前記第２スイッチが有効化された状態で、前記第１スイッチをオン操作したしたとき原動機回転数を予め定められた第３の回転数Ｎｒまで予め定められた第１の回転数変化パターンで上昇させ、前記第１スイッチをオフ操作したとき予め定められた第２の回転数変化パターンで原動機回転数を前記第１の回転数Ｎｓまで低減させるよう構成したことを特徴とする。

その場合、前記原動機はディーゼルエンジンで構成することができる。

また、その場合、前記ディーゼルエンジンはアイソクロナス制御されることができる。

さらにその場合、前記第１の回転数Ｎｓは１４００〜１６００ｒｐｍの範囲であることが好ましい。

さらにまたその場合、前記第３の回転数Ｎｒは原動機が搭載される建設機械における当該原動機の定格回転数であることが好ましい。

さらに、前記原動機の回転数が第１の回転数Ｎｓから第３の回転数Ｎｒまで、第３の回転数Ｎｒから第１の回転数Ｎｓまでそれぞれ変化させるに要する時間を０．１〜３．０秒に設定することができる。

さらにまたその場合、前記第１、第２の回転数変化パターンは回転数変化の開始及び終わり近傍にて滑らかに変化させることができる。

またその場合、前記第１スイッチは運転席を含むキャビン内に設けた足操作されるスイッチであることが好ましい。

また、前記第１スイッチは、切換弁を手動操作するパイロットバルブに設けることができる。

本発明によれば、原動機にて油圧ポンプを駆動し当該油圧ポンプの吐出油を、パイロット操作される切換弁を介してこれら切換弁に接続されたアクチュエータに供給するよう構成した建設機械において運転席に設けた原動機回転速度を調整する速度調整ダイヤルおよびオペレータにより選択設定される運転モード選択スイッチを用いて原動機の回転速度を制御する方法であって、前記運転席には前記運転モード選択スイッチとは別の第１スイッチを設け、同第１スイッチをオン操作したとき、原動機回転数を、所定の第１の回転数Ｎ１から予め定められた第３の回転数Ｎｒまで、予め定められた第１の回転数変化パターンで上昇させ、該第１スイッチをオフ操作したとき、予め定められた第２の回転数変化パターンで原動機回転数を所定の第２の回転数Ｎ２まで低減させるよう構成したので、オペレータの意思に基づき第１スイッチをオン、オフ操作することにより、安全な方法で建設機械の省エネと生産性の向上とを両立させることを可能にするという効果を奏する。

さらにまた、本発明によれば、原動機にて油圧ポンプを駆動し当該油圧ポンプの吐出油を、パイロット操作される切換弁を介してこれら切換弁に接続されたアクチュエータに供給するよう構成した建設機械において運転席に設けた原動機回転速度を調整する速度調整ダイヤルおよびオペレータにより選択設定される運転モード選択スイッチを用いて原動機の回転速度を制御する方法であって、前記運転席には前記運転モード選択スイッチとは別の第１スイッチおよび同第１スイッチを有効化する第２スイッチを設けると共に、予め前記速度調整ダイヤルを用いて原動機回転数を第１の回転数Ｎｓに設定しておき、前記第２スイッチが有効化された状態で、前記第１スイッチをオン操作したしたとき原動機回転数を予め定められた第３の回転数Ｎｒまで予め定められた第１の回転数変化パターンで上昇させ、前記第１スイッチをオフ操作したとき予め定められた第２の回転数変化パターンで原動機回転数を前記第１の回転数Ｎｓまで低減させるよう構成したので、前述した効果に加え、選択された運転モードによる原動機の回転状態から第２スイッチ（有効化スイッチ）へ切り換えることにより、前述した第１スイッチのオン、オフ操作による制御状態へ移行させることが容易に達成される。

以下、本発明の実施の形態に基づく実施例について添付図面の図１乃至図４を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の適用される代表的な建設機械である油圧ショベルの概観図である。同図１において、油圧ショベルＳＨＶは、油圧モータにより駆動される下部走行体ＤＲＶの上に旋回機構ＲＭを介して上部旋回体１２が旋回自在に載置されている。上部旋回体１２には、その前方一側部にキャブ１４が設けられ、且つ、前方中央部にブーム１６が俯仰可能に取り付けられている。又、ブーム１６の先端にアーム２０が上下回動自在に取り付けられ、更にアーム２０の先端にバケット２４が取り付けられている。なお、参照符号ＢＣＹはブーム用の油圧シリンダ、１８はアーム用の油圧シリンダ、２２はバケット用の油圧シリンダである。

図２は、油圧ショベルＳＨＶの本発明に関係する部分を示す機能ブロック図である。同図２において、原動機３０の出力軸３２は可変吐出量ポンプ３４を回転駆動するよう結合されている。可変吐出量ポンプ３４からの吐出圧油はラインＬ１から油圧制御回路および油圧アクチュエータからなる油圧装置３８に供給される。参照符号３６は可変吐出量ポンプ３４の吐出流量調整機構であって、油圧装置３８を構成する油圧制御回路からの圧油信号ラインＬ２により制御されるようになっている。

原動機３０には燃料噴射制御ユニットおよび電子ガバナーからなる燃料噴射制御装置４６と回転数検出器が結合されている。なお、この制御装置４６の詳細については例えば、特開平１０−１５９５９９号公報に詳述されている。

参照符号４４は燃料噴射制御装置４６への指令信号を生成する原動機コントローラであって、ラインＬ４を介し運転操縦キャビン５０から供給される運転モード信号、フットスイッチ信号等が与えられる。（図３参照）

原動機コントローラ４４へは、そのほか圧力センサ４０、４２を介してそれぞれラインＬ１、Ｌ３のポンプ吐出圧およびパイロット操作弁の操作圧が電気信号として与えられている。なお、圧力センサ４０、４２から与えられる信号は原動機３０をアイソクロナス制御する際に用いられるものであり、原動機３０の負荷に係る状態量である。

図３は、本発明の主要部の構成を説明する図であって、（ａ）は運転席に設けられた各スイッチの配置を例示し、（ｂ）は第１実施例の波形図を例示し、（ｃ）は第２実施例の波形図を例示する。

同図の（ａ）において、参照符号５２はフットスイッチであって、運転席のオペレータが自身の足でオン、オフ操作するよう設けられている。本発明ではこのフットスイッチは第１スイッチと定義される。参照符号５４は、原動機３０の回転速度調整ダイヤルである。その下側に設けられている参照符号５６は、運転モード選択スイッチであり、記号ＨＰはハイパワーモード、記号Ｓは標準モード、記号ＥＣＯは経済運転モードを示す。運転モード選択スイッチ５６の下側に設けられている参照符号５８は、フットスイッチ５２のオン、オフ操作を有効にするボタンスイッチである。

同図の（ｂ）において、原動機３０はディーゼルエンジンとし、その回転速度調整ダイヤル５４が予め、原動機３０のｓｗｅｅｔ ｓｐｏｔに相当する回転数Ｎｓ（＝１５００ｒｐｍ）に設定されているものとし、ボタンスイッチ５８が有効化されているとする。時刻ｔ０からｔ１の間では原動機３０は、図示のように、回転数Ｎｓで駆動されているものとする。この状態で時刻ｔ１にて、オペレータがその後の作業状態に対応するために原動機回転数を増加した方がよいと判断してフットスイッチ５２をＯＦＦからＯＮに操作すると、原動機回転数はパターンＡに沿って予め設定した回転数Ｎｒまで滑らかに増加する(時刻ｔ２)。この場合、回転数Ｎｒは例えば、Ｎｓより大きい定格回転数（＝２０００ｒｐｍ）である。時刻ｔ２以降、この状態で、オペレータが判断した作業を終えたとき、時刻ｔ３においてオペレータはフットスイッチ５２をオフ操作すると原動機回転数はパターンＢに沿って滑らかに低減され、ｓｗｅｅｔ ｓｐｏｔに相当する回転数Ｎｓに戻る(時刻ｔ４)。

なお、前記回転速度調整ダイヤル５４によるＮｓ、Ｎｒの設定は、予め原動機コントローラ４４内のメモリ領域に設定しておくことができる。また、上記の例では、Ｎｓをｓｗｅｅｔ ｓｐｏｔに相当する回転数とし且つ、パターンＡの立ち上がり時の回転数とパターンＢの立下り時の回転数を同一としたが、必ずしも同一に限定されない。

同図の（ｃ）においては、時刻ｔ０からｔａまでの原動機回転数は、運転モード選択スイッチ５６に基づく回転数Ｎ１で推移し、時刻ｔａにおいてスイッチ切換えがなされると、一旦ｓｗｅｅｔ ｓｐｏｔに相当する回転数Ｎｓとなり、その後の時刻ｔ１でフットスイッチ５２がオン操作されると、図の（ｂ）で説明したような経過となる。なお、前記時刻ｔａにおけるスイッチ切換えとは、例えば、ボタンスイッチ５８を有効化することで可能である。すなわち、この場合には、ボタンスイッチ５８の有効化は運転モード選択スイッチ５６の無効化を兼ねていることとなる。なお、図（ｂ）、（ｃ）において、鎖線で示す波形ＰＴ１、ＰＴ２はそれぞれパターンＡの途中の時刻ｔｓでフットスイッチをオフ操作した場合の原動機回転数の変化を示す。

図４は、図３に示した本発明による回転数制御を遂行するプログラムの主要部を例示するフローチャートである。このプログラムは、アイソクロナス制御用のプログラムと共に原動機コントローラ４４内に設けられている。

図４において、プログラム処理の工程ｓｔ１はこのプログラムのタイトル（ワンタッチスピードアップダウン）を示す。工程ｓｔ２はＳｕｐスイッチすなわち、ボタンスイッチ５６(図３（ａ）参照)が有効にされているか否か判定する。肯定（ｙｅｓ）のときは、工程ｓｔ３でフットスイッチ５２のオン、オフ状態をメモリ領域に取り込む。次いで、工程ｓｔ４でフットスイッチ（Ｆｔ・ｓｗ）がオフからオンになっているか否か判定される。次いで、工程ｓｔ５で時刻のカウント（インクリメント）が開始される。最大設定値はｔｎ ｓｅｔである。次いで、工程ｓｔ６でパワーモードＥ（ｅｃｏ）、ＨＰ、Ｓが判定される。なお、ＥＴＣ・Ｅ、ＥＴＣ・ＨＰ、ＥＴＣ・Ｓはこのプログラム処理とは別の処理があることを示す。次いで、工程ｓｔ７現在の設定回転数Ｎｓｅｔが経済的回転数Ｎｅｃｏより小さいか否か判定される。工程ｓｔ７でｙｅｓであると工程ｓｔ８でさらにＮｓｅｔがオートアイドル回転数Ｎａｉｄ（１３００ｒｐｍ）より小さいか否か判定される。工程ｓｔ８でさらにｙｅｓであるとガバナー４６に対する回転数ＮとしてＮａｉｄが指令される。前記工程ｓｔ７で否定（ｎｏ）のときはパラメータＮａｉｂとして前記Ｎｅｃｏが設定される。また前記工程ｓｔ８で否定（ｎｏ）のときはパラメータＮａｉｂとして前記Ｎｓｅｔが設定される。

次いで、工程ｓｔ１２でフットスイッチ（Ｆｔ・ｓｗ）がオンからオフになっているか否か判定される。工程ｓｔ１２の判定がｎｏの場合はさらに工程ｓｔ１４でフットスイッチ（Ｆｔ・ｓｗ）のステイタス（ｓｔ３で取り込まれた状態）がオフか否か判定され、ｎｏの場合は工程ｓｔ１５で、ガバナー４６への回転数指令値Ｎｎとして、Ｎａｉｂにインクリメンタル増分量（Ｎｒ−Ｎａｉｂ）・ｆ（Ｘ）を加算した値が与えられる。ここで、関数ｆ（Ｘ）は図３のパターンＡに対応しており、例えば正弦曲線のような滑らかな曲線である。このＮｎがＮｒに達するまで、記号Ｄで示すように、工程ｓｔ５からｓｔ１５を繰り返す。一方、前記工程ｓｔ１２、ｓｔ１４でそれぞれｙｅｓであるときは、工程ｓｔ１３でタイムカウントｔｆが開始され、工程ｓｔ１６で、ガバナー４６への回転数指令値Ｎｆとして、以前に到達した回転数Ｎｎからインクリメンタル増分量（Ｎｒ−Ｎａｉｂ）・ｆ（Ｘ）を減算した値が与えられる。次いで、工程ｓｔ１７でＮｆがＮａｉｂより大きいか否か判定され、ｙｅｓのときはそのＮｆがガバナー４６へ与えられ、ｎｏのときは、記号Ｂで示すように、工程ｓｔ４へ戻る。この工程ｓｔ１７からｓｔ４にいたる処理はＮｆがＮａｉｂとなるまで続きその間のＮｆの値はパターンＢの波形に対応している。

以上本発明の好適な実施例について説明したが、当業者であれば、各図に例示されたものに基づいて種々変形することが可能である。例えば、滑らかな曲線として図４の工程ｓｔ１５、ｓｔ１６では正弦波を用いたが他の任意の曲線を用いることもできる。

本発明の適用される代表的な建設機械である油圧ショベルの概観図である。 油圧ショベルの本発明に関係する部分を示す機能ブロック図である。 本発明の主要部の構成を説明するものであって、（ａ）は運転席に設けられた各スイッチの配置を例示し、（ｂ）は第１実施例の波形図を例示し、（ｃ）は第２実施例の波形図を例示する図である。 図３に示した本発明による回転数制御を遂行するプログラムの主要部を例示するフローチャートである。

符号の説明

１２ 上部旋回体
１４ キャブ
１６ ブーム
１８ アーム用油圧シリンダ
２０ アーム
２２ バケット用油圧シリンダ
２４ バケット
３０ 原動機
３２ 駆動軸
３４ 可変吐出量ポンプ
３６ 吐出流量調整機構
３８ 油圧装置
４０、４２ 圧力センサ
４４ 原動機コントローラ
４６ 燃料噴射制御装置（ガバナ）
４８ 回転数検出器
５０ 運転操縦キャビン
５２ フットスイッチ
５４ 回転数調整ダイヤル
５６ 運転モード選択スイッチ
５８ ボタンスイッチ
ＢＣＹ ブーム用油圧シリンダ
ＤＲＶ 下部走行体
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ ライン
ＲＭ 旋回機構
ＳＨＶ 油圧ショベル

Claims (5)

1. 原動機にて油圧ポンプを駆動し当該油圧ポンプの吐出油を、パイロット操作される切換弁を介してこれら切換弁に接続されたアクチュエータに供給するよう構成した建設機械において運転席に設けた原動機回転速度を調整する回転速度調整ダイヤルを用いて原動機の回転速度を制御する方法であって、
   前記運転席には前記回転速度調整ダイヤルとは別の第１スイッチを設け、同第１スイッチをオン操作したとき、原動機回転数を、所定の最も出力効率の良い回転数であるＳＷＥＥＴＳＰＯＴに相当する第１の回転数Ｎｓから予め定められた標準的作業に対応して設定される定格運転モードの回転数の第３の回転数Ｎｒまで、予め定められた第１の回転数変化パターンと、演算初期値（Ｎａｉｂ）と前記Ｎｒとの差分の積であるインクリメンタル増量分
   と演算初期値（Ｎａｉｂ）とを加算することで滑らかに増加させ、
   該第１スイッチをオフ操作したとき、
   前記原動機回転数を、前記第３の回転数Ｎｒから所定の第１の回転数Ｎｓまで、予め定められた第２の回転数変化パターンと、演算初期値（Ｎａｉｂ）と前記Ｎｓとの差分の積であるデクリメンタル減量分
   を演算初期値（Ｎａｉｂ）から減算することで滑らかに削減させ、常時原動機を使用する原動機回転数である前記第１の回転数Ｎｓに戻るようにし、
   前記第１スイッチは運転席を含むキャビン内に設けて足操作されることを特徴とする建設機械における原動機の回転速度制御方法。
2. 前記第１の回転数Ｎｓは１４００〜１６００ｒｐｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載された建設機械における原動機の回転速度制御方法。
3. 前記第３の回転数Ｎｒは原動機が搭載される建設機械における当該原動機の定格回転数であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載された建設機械における原動機の回転速度制御方法。
4. 前記回転速度調整ダイヤルで予め設定された回転数Ｎ１がＮｓと異なる時は、ボタンスイッチにより前記回転速度調整ダイヤルの設定を無効化した後、原動機の回転速度がＮｓになってから、原動機の回転速度を制御する請求項１に記載された建設機械における原動機の回転速度制御方法。
5. 前記原動機の回転数が第１の回転数Ｎｓから第３の回転数Ｎｒまで、第３の回転数Ｎｒから第１の回転数Ｎｓまでそれぞれ変化させるに要する時間を０．１〜３．０秒に設定したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載された建設機械における原動機の回転速度制御方法。