KR20130041236A

KR20130041236A - 작업 기계의 엔진 제어 장치 및 그 엔진 제어 방법

Info

Publication number: KR20130041236A
Application number: KR1020137004313A
Authority: KR
Inventors: 다다시 가와구치; 다카오 스에히로; 겐타로 무라카미; 준 모리나가
Original assignee: 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-04-24
Also published as: WO2012157387A1; JP2012241585A; US20140200795A1; JP5222975B2; DE112012000060B4; CN103080511A; CN103080511B; KR101385788B1; DE112012000060T5

Abstract

저연비와 작업성의 향상을 양립시키기 위해, 작업 기계의 운전 상태를 검출하는 검출 수단과, 상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계의 부하가 없어진 경우에 최대한 높일 수 있는 엔진의 회전수인 무부하 최대 회전수 (np2) 를 연산하는 무부하 최대 회전수 연산 수단과, 상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계에 부하가 가해진 경우에 높일 수 있는 엔진의 회전수인 목표 매칭 회전수 (np1) 를 상기 무부하 최대 회전수와는 별도로 연산하는 목표 매칭 회전수 연산 수단과, 상기 운전 상태를 기초로, 최대한 출력할 수 있는 엔진 목표 출력 (EL) 을 연산하는 엔진 목표 출력 연산 수단과, 엔진 목표 출력 (EL) 의 제한하에서, 무부하 최대 회전수 (np2) 와 목표 매칭 회전수 (np1) 사이에서 엔진 회전수를 제어하는 엔진 제어 수단을 구비한다.

Description

작업 기계의 엔진 제어 장치 및 그 엔진 제어 방법{ENGINE CONTROL DEVICE OF WORK MACHINE AND ENGINE CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은, 유압 셔블, 불도저, 덤프 트럭, 휠 로더 등의 건설 기계를 포함하는 작업 기계의 엔진 제어 장치 및 그 엔진 제어 방법에 관한 것이다.

작업 기계에 사용되는 디젤 엔진 (이하, 엔진) 의 엔진 제어에 있어서, 작업 기계의 오퍼레이터가 운전실 내에 설치된 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) 을 임의로 설정하면, 엔진 컨트롤러는 연료 분사 시스템에 대해, 설정에 따른 연료 분사량을 엔진에 분사하기 위한 제어 신호를 출력한다. 그리고, 엔진 컨트롤러는, 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) 로 설정된 엔진 목표 회전수가 유지되도록, 작업 기계에 장착된 작업기의 부하 변동에 대응한 제어 신호를 연료 분사 시스템에 출력하여 엔진 회전수를 조정한다. 또, 엔진 컨트롤러 혹은 펌프 컨트롤러는, 엔진 목표 회전수에 따른 유압 펌프의 목표 흡수 토크를 산출한다. 이 목표 흡수 토크는, 엔진의 출력 마력과 유압 펌프의 흡수 마력이 균형을 이루도록 설정된다.

통상적인 엔진 제어에 대해 도 27 을 사용하여 설명한다. 엔진은, 엔진의 최대 출력 토크선 (P1) 과 최대의 엔진 회전수로부터 차감되는 엔진 드룹선 (Fe) 으로 이루어지는 엔진 출력 토크선 (TL) 을 초과하지 않도록 제어된다. 그리고, 엔진 컨트롤러는, 예를 들어 작업 기계가 유압 셔블 등인 경우, 상부 선회체의 선회 동작이나 작업기 동작을 위해 조작되는 조작 레버의 조작량과 작업기 등의 부하에 따라 엔진 회전수를 변화시키기 위한 제어 신호를 생성한다. 예를 들어, 엔진 목표 회전수가 N2 로 설정되어 있는 상태에서 토사 등의 굴삭 조작이 실시되면, 엔진이 아이들링 동작하고 있을 때의 엔진 회전수 (아이들링 회전수 (N1)) 로부터 엔진 목표 회전수 (N2) 로 이행된다. 이 때, 연료 분사 시스템은, 엔진 컨트롤러로부터의 제어 신호를 받아, 이 이행에 따라 연료를 엔진에 분사하고, 작업기 동작 등이 실시되어 부하가 증가하면, 엔진 회전수와 엔진 출력 토크가 가변 용량형 유압 펌프 (전형적으로는 사판식 유압 펌프) 의 펌프 흡수 토크선 (PL) 과 엔진 출력 토크선 (TL) 의 교점에 상당하는 매칭점 (M1) 에 도달하도록 엔진 회전수가 이행된다. 또한, 정격점 (P) 에서는 엔진 출력은 최대가 된다.

여기서, 엔진의 연비 효율 및 유압 펌프의 펌프 효율을 개선하기 위해, 도 28 에 나타내는 바와 같이, 연료 소비율이 양호한 영역을 통과하는 목표 엔진 운전선 (목표 매칭 루트) (ML) 을 형성하고, 이 목표 매칭 루트 (ML) 상에 엔진 출력과 펌프 흡수 토크의 매칭점을 형성하도록 하는 엔진 제어 장치가 있다. 도 28 에 있어서, 곡선 (M) 은 엔진의 등연비 곡선을 나타내고, 곡선 (M) 의 중심 (눈 (M1)) 으로 갈수록 연료 소비율이 우수하다. 또, 곡선 (J) 은 유압 펌프로 흡수되는 마력이 등마력으로 되어 있는 등마력 곡선을 나타내고 있다. 따라서, 동일한 마력을 얻는 경우, 엔진 드룹선 (Fe) 상의 매칭점 (pt1) 에서 매칭시키는 것보다 목표 매칭 루트 (ML) 상의 매칭점 (pt2) 에서 매칭시키는 편이 연료 소비율은 우수하다. 또, 유압 펌프의 유량 Q 는, 엔진 회전수 n 과 펌프 용량 q 의 곱 (Q ＝ n·q) 이며, 동일한 작동유 유량을 얻는다면, 엔진 회전수를 낮게 하고 펌프 용량을 크게 하는 편이 펌프 효율이 우수해진다.

일본 공개특허공보 2007-120426호

상기 서술한 목표 매칭 루트 (ML) 를 사용하여 엔진 제어를 실시하는 경우, 도 29 의 토크선도에 나타내는 바와 같이, 예를 들어, 목표 매칭 루트 (ML) 상의 목표 매칭 회전수 (n1) 에서의 매칭점 (M1) 에서 매칭시키려고 하면, 무부하시의 엔진 회전수는, 매칭점 (M1) 을 통과하는 드룹선 (DL1) 에 구속된 저회전수 (n2) (예를 들어, 1100 rpm 근방) 정도로 정해진다. 그리고, 부하가 가해지면 드룹선 (DL1) 을 따라 엔진 토크가 증가하여 매칭점 (M1) 에서 매칭된다. 즉, 목표 매칭 루트 (ML) 상에서 엔진 출력과 펌프 흡수 토크를 매칭시키려고 하면, 엔진 출력 (목표 매칭점 (M1)) 과 엔진 회전수 (무부하시의 엔진 회전수 (n2)) 가 드룹선 (DL1) 에 의해 연동하여 정해진다.

여기서, 작업 기계에 의해 큰 바위를 움직이거나 하는 작업시에 작업기에 부하가 가해진 경우, 도 29 에 나타내는 드룹선 (DL1) 을 따라 엔진 토크가 상승하여 매칭점 (M1) 으로 이행된다. 여기서, 작업기 출력이 얻어져 작업에는 편리하지만, 큰 바위를 다 움직이고 나서 부하가 없어진 직후에도 엔진은 드룹선 (DL1) 에 구속된 저회전의 엔진 회전수로 구동된다. 이 저회전수로 유압 펌프가 회전하고, 유압 펌프의 사판의 사판각은, 어느 소정값 (최대 용량) 보다는 커지지 않기 때문에, 유압 펌프로부터 토출되는 작동유 유량이 작업기의 유압 실린더에 충분히 공급되지 않는다. 따라서, 이와 같은 경우, 오퍼레이터의 작업기를 빠르게 움직여 작업하고자 하는 의사에 작업기가 대응할 수 없어, 조작상의 위화감이 발생한다는 문제점이 있었다.

이 문제점을 해결하기 위한 제 1 방책으로서, 도 30 의 토크선도에 나타내는 바와 같이, 무부하시의 엔진 회전수를 고회전수 (n11) (예를 들어, 2050 rpm 근방) 정도로 설정하고, 엔진 회전수에 대해 유압 펌프가 흡수 가능한 최대 토크를 나타내는 펌프 흡수 토크선을 PL1 로서 설정한다. 그와 같이 하면, 부하가 낮은 경우에는, 매칭점 (M11) 에서 엔진 출력 마력과 펌프 흡수 마력이 매칭된다. 따라서, 유압 펌프의 사판각이 임의여도 엔진 회전수가 높기 때문에, 유압 펌프로부터 작업기의 유압 실린더에 토출되는 작동유 유량이 확보되어, 작업기 속도의 충족을 도모할 수 있다. 그 후, 작업기에 부하가 가해진 경우, 드룹선 (DL2) 을 따라 엔진 토크가 상승하고, 매칭점 (M1) 과 동일한 등마력 곡선 (EL1) 상의 매칭점 (M12) 에서 매칭됨으로써 원하는 작업기 출력을 얻을 수 있다. 그러나, 이와 같은 제어를 실시하면, 도 28 에서 나타낸 등연비 곡선의 눈 (M1) 으로부터 벗어난 연비가 나쁜 위치에서 엔진이 구동되기 때문에, 저연비를 도모할 수 없다는 문제가 생각된다.

또, 상기 서술한 문제점을 해결하기 위한 제 2 방책으로서, 도 30 의 토크선도에 나타내는 바와 같이, 펌프 흡수 토크선을 PL2 로 설정하고, 매칭점 (M12) 대신에 목표 매칭 루트 (ML) 상에 매칭점 (M13) 을 설정한다. 작업기에 부하가 가해진 경우, 엔진의 출력은 매칭점 (M11) 으로부터 드룹선 (DL2) 을 따라 매칭점 (M13) 에서 매칭된다. 이 경우, 등연비 곡선의 눈 (M1) 에 가까운 위치에서 매칭되게 되지만, 마력이 높은 등마력 곡선 (EL2) 상의 엔진 출력으로 엔진이 구동되게 되기 때문에, 필요 이상의 에너지가 소비되어 저회전 또한 저출력의 매칭점 (M1) 에 비해 연비는 악화되는 것으로 생각된다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 저연비와 작업성의 향상을 양립시킬 수 있는 작업 기계의 엔진 제어 장치 및 그 엔진 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 서술한 과제를 해결하고 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관련된 작업 기계의 엔진 제어 장치는, 작업 기계의 운전 상태를 검출하는 검출 수단과, 상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계의 부하가 없어진 경우에 최대한 높일 수 있는 엔진의 회전수인 무부하 최대 회전수를 연산하는 무부하 최대 회전수 연산 수단과, 상기 운전 상태를 기초로, 부하가 가해진 경우에 높일 수 있는 엔진의 회전수인 목표 매칭 회전수를 상기 무부하 최대 회전수와는 별도로 연산하는 목표 매칭 회전수 연산 수단과, 상기 운전 상태를 기초로, 최대한 출력할 수 있는 엔진 목표 출력을 연산하는 엔진 목표 출력 연산 수단과, 상기 엔진 목표 출력의 제한하에서, 상기 무부하 최대 회전수와 상기 목표 매칭 회전수 사이에서 엔진 회전수를 제어하는 엔진 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 작업 기계의 엔진 제어 장치는, 상기 발명에 있어서, 미리 엔진 회전수의 변동폭을 설정하는 변동폭 설정 수단과, 상기 무부하 최대 회전수로부터 상기 변동폭만큼의 회전수를 낮춘 엔진의 회전수를 최소 회전수 제한값으로 하고, 상기 운전 상태를 기초로, 부하가 가해진 경우에 최저한 높여야 하는 엔진의 회전수인 매칭 최소 회전수를 연산하는 매칭 최소 회전수 연산 수단을 구비하고, 상기 엔진 제어 수단은, 상기 엔진 목표 출력의 제한하에서, 상기 무부하 최대 회전수와 상기 매칭 최소 회전수 사이에서 엔진 회전수를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 작업 기계의 엔진 제어 장치는, 상기 발명에 있어서, 상기 엔진 제어 수단은, 상기 목표 매칭 회전수에 하한 회전수 오프셋값을 더한 엔진 회전수를 엔진 회전수 지령값으로서 출력하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 작업 기계의 엔진 제어 장치는, 상기 발명에 있어서, 가변 용량형 유압 펌프와, 상기 가변 용량형 유압 펌프의 펌프 용량을 검출하는 용량 검출 수단을 구비하고, 상기 엔진 제어 수단은, 상기 펌프 용량이 임계값 이상인 경우, 엔진 회전수를 높이고, 펌프 용량이 임계값 미만인 경우, 엔진 회전수를 낮춘 엔진 회전수 지령값을 출력하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 작업 기계의 엔진 제어 장치는, 상기 발명에 있어서, 상기 매칭 최소 회전수 연산 수단은, 상기 작업 기계의 선회체의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단에 의한 검출값이 제로에 가까운 경우에는 매칭 최소 회전수를 높이고, 상기 회전수 검출 수단에 의한 검출값이 커짐에 따라 매칭 최소 회전수를 낮춘 값을 최소 회전수 제한값으로 하고, 상기 운전 상태를 기초로, 상기 작업 기계에 부하가 가해진 경우에 최저한 높여야 하는 엔진의 회전수인 매칭 최소 회전수를 연산하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 작업 기계의 엔진 제어 방법은, 작업 기계의 운전 상태를 검출하는 검출 단계와, 상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계의 부하가 없어진 경우에 최대한 높일 수 있는 엔진의 회전수인 무부하 최대 회전수를 연산하는 무부하 최대 회전수 연산 단계와, 상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계의 부하가 가해진 경우에 높일 수 있는 엔진의 회전수인 목표 매칭 회전수를 상기 무부하 최대 회전수와는 별도로 연산하는 목표 매칭 회전수 연산 단계와, 상기 운전 상태를 기초로, 최대한 출력할 수 있는 엔진 목표 출력을 연산하는 엔진 목표 출력 연산 단계와, 상기 엔진 목표 출력의 제한하에서, 상기 무부하 최대 회전수와 상기 목표 매칭 회전수 사이에서 엔진 회전수를 제어하는 엔진 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 관련된 작업 기계의 엔진 제어 방법은, 상기 발명에 있어서, 미리 엔진 회전수의 변동폭을 설정하는 변동폭 설정 단계와, 상기 무부하 최대 회전수로부터 상기 변동폭만큼의 회전수를 낮춘 엔진의 회전수를 최소 회전수 제한값으로 하고, 상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계에 부하가 가해진 경우에 최저한 높여야 하는 엔진의 회전수인 매칭 최소 회전수를 연산하는 매칭 최소 회전수 연산 단계를 포함하고, 상기 엔진 제어 단계는, 상기 엔진 목표 출력의 제한하에서, 상기 무부하 최대 회전수와 상기 매칭 최소 회전수 사이에서 엔진 회전수를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 엔진 목표 출력의 제한하에서, 무부하 최대 회전수와 목표 매칭 회전수 사이에서 엔진 회전수를 제어하도록 하고 있기 때문에, 저연비와 작업성의 향상을 양립시킬 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 유압 셔블의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타낸 유압 셔블의 제어계의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 3 은, 엔진 컨트롤러 혹은 펌프 컨트롤러에 의한 엔진 제어 내용을 설명하는 토크선도이다.
도 4 는, 엔진 컨트롤러 혹은 펌프 컨트롤러에 의한 엔진 제어 내용을 설명하는 토크선도이다.
도 5 는, 엔진 컨트롤러 혹은 펌프 컨트롤러에 의한 전체 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 도 5 에 나타낸 무부하 최대 회전수 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 도 5 에 나타낸 엔진 최소 출력 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 8 은, 도 5 에 나타낸 엔진 최대 출력 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 9 는, 도 5 에 나타낸 엔진 목표 출력 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 10 은, 도 5 에 나타낸 매칭 최소 회전수 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 11 은, 도 5 에 나타낸 목표 매칭 회전수 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 12 는, 도 5 에 나타낸 엔진 회전수 지령값 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 13 은, 도 5 에 나타낸 펌프 흡수 토크 지령값 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 14 는, 엔진 컨트롤러 혹은 펌프 컨트롤러에 의한 엔진 제어 내용을 설명하는 토크선도이다.
도 15 는, 종래의 엔진 제어에 있어서의 펌프 편차에 따른 엔진 출력 편차의 상태를 나타내는 토크선도이다.
도 16 은, 본 발명의 실시형태 1 에 있어서의 펌프 편차에 따른 엔진 출력 편차의 상태를 나타내는 토크선도이다.
도 17 은, 종래의 엔진 제어에 있어서의 과도시의 엔진 출력 이행 상태를 나타내는 토크선도이다.
도 18 은, 본 발명의 실시형태 1 에 있어서의 과도시의 엔진 출력 이행 상태를 나타내는 토크선도이다.
도 19 는, 본 발명의 실시형태 2 인 하이브리드 유압 셔블의 제어계의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 20 은, 본 발명의 실시형태 2 의 엔진 컨트롤러 혹은 펌프 컨트롤러, 하이브리드 컨트롤러에 의한 전체 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 21 은, 도 20 에 나타낸 무부하 최대 회전수 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 22 는, 도 20 에 나타낸 엔진 최대 출력 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 23 은, 도 20 에 나타낸 매칭 최소 회전수 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 24 는, 도 20 에 나타낸 목표 매칭 회전수 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 25 는, 도 20 에 나타낸 펌프 흡수 토크 지령값 연산 블록의 상세 제어 플로우를 나타내는 도면이다.
도 26 은, 발전 온/오프시의 목표 매칭 회전수의 설정 상태를 나타내는 토크선도이다.
도 27 은, 종래의 엔진 제어를 설명하는 토크선도이다.
도 28 은, 목표 매칭 루트를 사용한 종래의 엔진 제어를 설명하는 토크선도이다.
도 29 는, 종래의 엔진 제어를 설명하는 토크선도이다.
도 30 은, 종래의 엔진 제어를 설명하는 토크선도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 설명한다.

(실시형태 1)

[전체 구성]

먼저, 도 1 및 도 2 는, 작업 기계로서의 일례인 유압 셔블 (1) 의 전체 구성을 나타내고 있다. 이 유압 셔블 (1) 은, 차량 본체 (2) 와 작업기 (3) 를 구비하고 있다. 차량 본체 (2) 는 하부 주행체 (4) 와 상부 선회체 (5) 를 갖는다. 하부 주행체 (4) 는 1 쌍의 주행 장치 (4a) 를 갖는다. 각 주행 장치 (4a) 는 크롤러 트랙 (4b) 을 갖는다. 각 주행 장치 (4a) 는, 우주행 모터와 좌주행 모터 (주행 모터 (21)) 에 의해 크롤러 트랙 (4b) 을 구동시킴으로써 유압 셔블 (1) 을 주행 혹은 선회시킨다.

상부 선회체 (5) 는, 하부 주행체 (4) 상에 선회 가능하게 형성되고, 선회 유압 모터 (31) 가 구동됨으로써 선회한다. 또, 상부 선회체 (5) 에는 운전실 (6) 이 형성된다. 상부 선회체 (5) 는, 연료 탱크 (7) 와 작동유 탱크 (8) 와 엔진실 (9) 과 카운터 웨이트 (10) 를 갖는다. 연료 탱크 (7) 는, 엔진 (17) 을 구동시키기 위한 연료를 저류한다. 작동유 탱크 (8) 는, 유압 펌프 (18) 로부터 붐 실린더 (14) 등의 유압 실린더나 선회 유압 모터 (31), 주행 모터 (21) 등의 유압 기기에 토출되는 작동유를 저류한다. 엔진실 (9) 은, 엔진 (17) 이나 유압 펌프 (18) 등의 기기를 수납한다. 카운터 웨이트 (10) 는 엔진실 (9) 의 후방에 배치된다.

작업기 (3) 는, 상부 선회체 (5) 의 앞부분 중앙 위치에 장착되고, 붐 (11), 아암 (12), 버킷 (13), 붐 실린더 (14), 아암 실린더 (15) 및 버킷 실린더 (16) 를 갖는다. 붐 (11) 의 기단부는 상부 선회체 (5) 에 회전 가능하게 연결된다. 또, 붐 (11) 의 선단부는 아암 (12) 의 기단부에 회전 가능하게 연결된다. 아암 (12) 의 선단부는 버킷 (13) 에 회전 가능하게 연결된다. 붐 실린더 (14), 아암 실린더 (15) 및 버킷 실린더 (16) 는, 유압 펌프 (18) 로부터 토출된 작동유에 의해 구동되는 유압 실린더이다. 붐 실린더 (14) 는 붐 (11) 을 동작시킨다. 아암 실린더 (15) 는 아암 (12) 을 동작시킨다. 버킷 실린더 (16) 는 버킷 (13) 을 동작시킨다.

도 2 에 있어서, 유압 셔블 (1) 은, 구동원으로서의 엔진 (17), 유압 펌프 (18) 를 갖는다. 엔진 (17) 으로서 디젤 엔진이 사용되고, 유압 펌프 (18) 로서 가변 용량형 유압 펌프 (예를 들어 사판식 유압 펌프) 가 사용된다. 엔진 (17) 의 출력축에는 유압 펌프 (18) 가 기계적으로 결합되어 있고, 엔진 (17) 을 구동시킴으로써 유압 펌프 (18) 가 구동된다.

유압 구동계는, 차량 본체 (2) 에 형성된 운전실 (6) 에 형성되는 작업기 레버, 주행 레버, 선회 레버 등의 조작 레버 (26) 의 조작에 따라 구동된다. 조작 레버 (26) 의 조작량은, 레버 조작량 검출부 (27) 에 의해 전기 신호로 변환된다. 레버 조작량 검출부 (27) 는 압력 센서에 의해 구성된다. 조작 레버의 조작에 따라 발생하는 파일럿 유압을 압력 센서가 검지하고, 압력 센서가 출력하는 전압 등을 레버 조작량으로 환산함으로써 레버 조작량을 구한다. 레버 조작량은, 전기 신호로서 펌프 컨트롤러 (33) 에 출력된다. 또한, 조작 레버 (26) 가 전기식 레버인 경우에는, 레버 조작량 검출부 (27) 는 퍼텐쇼미터 등의 전기적 검출 수단에 의해 구성되고, 레버 조작량에 따라 발생하는 전압 등을 레버 조작량으로 환산하여 레버 조작량을 구한다.

운전실 (6) 내에는, 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) (28) 및 모드 전환부 (29) 가 형성된다. 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) (28) 은, 엔진 (17) 으로의 연료 공급량을 설정하기 위한 스위치로, 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) (28) 의 설정값은 전기 신호로 변환되어 엔진 컨트롤러 (30) 에 출력된다.

엔진 컨트롤러 (30) 는, CPU (수치 연산 프로세서) 등의 연산 장치나 메모리 (기억 장치) 로 구성된다. 엔진 컨트롤러 (30) 는, 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) (28) 의 설정값에 기초하여 제어 지령의 신호를 생성하고, 커먼 레일 제어부 (32) 가 제어 신호를 수신하여 엔진 (17) 으로의 연료 분사량을 조정한다. 즉, 엔진 (17) 은, 커먼 레일식에 의한 전자 제어가 가능한 엔진으로, 연료 분사량을 적절히 컨트롤함으로써 목적으로 하는 출력을 내는 것이 가능하고, 어느 순간의 엔진 회전수에 있어서의 출력 가능한 토크를 자유롭게 설정할 수 있다.

모드 전환부 (29) 는, 유압 셔블 (1) 의 작업 모드를 파워 모드 또는 이코노미 모드로 설정하는 부분으로, 예를 들어 운전실 (6) 중에 형성되는 조작 버튼이나 스위치, 또는 터치 패널로 구성되고, 유압 셔블 (1) 의 오퍼레이터가 그들 조작 버튼 등을 조작함으로써 작업 모드를 전환할 수 있다. 파워 모드란, 큰 작업량을 유지하면서 연비를 억제한 엔진 제어 및 펌프 제어를 실시하는 작업 모드이고, 이코노미 모드란, 더욱 연비를 억제하면서 경부하 작업에서 작업기 (3) 의 동작 속도를 확보하도록 엔진 제어 및 펌프 제어를 실시하는 작업 모드이다. 이 모드 전환부 (29) 에 의한 설정 (작업 모드의 전환) 에서는, 전기 신호가 엔진 컨트롤러 (30), 펌프 컨트롤러 (33) 에 출력된다. 또한, 파워 모드에서는, 엔진 (17) 의 회전수 및 출력 토크가 비교적 높은 영역에서 엔진 (17) 의 출력 토크와 유압 펌프 (18) 의 흡수 토크를 매칭시킨다. 또, 이코노미 모드에서는, 파워 모드인 경우와 비교하여 낮은 엔진 출력으로 매칭시킨다.

펌프 컨트롤러 (33) 는, 엔진 컨트롤러 (30), 모드 전환부 (29), 레버 조작량 검출부 (27) 로부터 송신된 신호를 수신하여, 유압 펌프 (18) 의 사판각을 경도 (傾倒) 제어하여 유압 펌프 (18) 로부터의 작동유의 토출량을 조정하기 위한 제어 지령의 신호를 생성한다. 또한, 펌프 컨트롤러 (33) 에는, 유압 펌프 (18) 의 사판각을 검출하는 사판각 센서 (18a) 로부터의 신호가 입력된다. 사판각 센서 (18a) 가 사판각을 검출함으로써, 유압 펌프 (18) 의 펌프 용량을 연산할 수 있다. 컨트롤 밸브 (20) 내에는, 유압 펌프 (18) 의 펌프 토출 압력을 검출하기 위한 펌프압 검출부 (20a) 가 형성되어 있다. 검출된 펌프 토출 압력은 전기 신호로 변환되어 펌프 컨트롤러 (33) 에 입력된다. 또한, 엔진 컨트롤러 (30) 와 펌프 컨트롤러 (33) 는, 서로 정보의 수수가 실시되도록 CAN (Controller Area Network) 과 같은 차내 LAN 에 접속되어 있다.

[엔진 제어의 개요]

먼저, 도 3 에 나타내는 토크선도를 참조해 엔진 제어의 개요에 대해 설명한다. 엔진 컨트롤러 (30) 는, 레버 조작량, 작업 모드 및 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) (28) 의 설정값, 상부 선회체 (5) 의 선회 속도 (선회 회전수) 등의 정보 (운전 상태를 나타내는 신호) 를 취득하고, 엔진 출력 지령값을 구한다. 이 엔진 출력 지령값은, 토크선도 상의 등마력 곡선 (엔진 출력 지령값 곡선) (EL) 이 되고, 엔진의 출력을 제한하는 곡선이다.

그리고, 작업기 (3) 에 부하가 가해져 있는 경우, 엔진 출력을 드룹선에 구속시키지 않고, 엔진 출력 지령값 곡선 (EL) 과 펌프 흡수 토크선 (PL) 의 교점 (매칭점) (MP1) 에서 엔진 출력과 유압 펌프 출력을 매칭시켜 작업기 (3) 를 동작시킨다. 또한, 이 매칭점 (MP1) 은, 목표 매칭 루트 (ML) 상에 갖게 하는 것이 바람직하다. 이 목표 매칭점 (MP1) 에서의 엔진 회전수는 목표 매칭 회전수 (np1) 로, 예를 들어, 도 3 에서는 1000 rpm 근방이 된다. 이로써, 작업기 (3) 는 충분한 출력을 얻을 수 있음과 함께, 엔진 (17) 은 저회전수로 구동되기 때문에 연료 소비를 낮게 억제할 수 있다.

한편, 작업기 (3) 의 부하가 없어진 경우로서, 작업기 (3) 의 유압 실린더 (14, 15, 16) 에 대한 작동유 유량이 필요한 경우, 즉 작업기 (3) 의 동작 속도의 확보가 필요한 경우, 엔진 컨트롤러 (30) 는, 레버 조작량, 상부 선회체 (5) 의 선회 회전수, 연료 조정 다이얼 (스로틀 다이얼) (28) 의 설정값 등의 정보에 대응한 무부하 최대 회전수 (np2) (예를 들어 도 3 에서는, 2050 rpm 근방) 를 결정하고, 목표 매칭 회전수 (np1) 와 무부하 최대 회전수 (np2) 사이의 엔진 회전수 범위 내에서 엔진 드룹을 제어하여 엔진 (17) 을 구동시킨다. 이와 같은 제어를 실시함으로써, 작업기 (3) 의 부하가 가해진 상태에서 부하가 없어진 상태로 이행된 경우, 저회전측의 매칭점 (MP1) 에서 고회전측의 매칭점 (MP2) 으로 이행되는 점에서, 유압 펌프 (18) 로부터 토출되는 작동유 유량을 충분히 유압 실린더 (14, 15, 16) 에 공급할 수 있어 작업기 (3) 의 동작 속도를 확보할 수 있다. 또, 엔진 출력 지령값 곡선 (EL) 에 의해 엔진 출력이 제한되기 때문에, 불필요한 에너지를 소비하지 않는다. 또한, 무부하 최대 회전수 (np2) 는, 엔진이 출력 가능한 최대 회전수에 한정되지 않는다.

여기서, 작업기 (3) 의 부하가 더욱 없어진 경우, 그대로 엔진 (17) 을 고회전역에서 구동시키면 연료 소비되어 연비가 악화되게 된다. 따라서, 부하가 없어진 경우로서, 예를 들어 버킷 (13) 만의 동작과 같이, 유압 펌프 (18) 로부터의 작동유의 토출 유량 및 토출 압력을 많이 필요로 하지 않는 경우, 즉 펌프 용량에 여유가 있는 경우, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 고회전역의 드룹선 (DL) 을 저회전역으로 시프트시키는 제어를 실시한다. 상기와 같이, 펌프 용량은 사판각 센서 (18a) 에 의해 검출되고, 이 검출값의 크고 작음에 따라 드룹선 (DL) 을 시프트시킨다. 예를 들어, 펌프 용량이 소정값보다 크다고 검출된 경우에는 작동유 유량을 필요로 하고 있기 때문에, 드룹선 (DL) 을 고회전역으로 시프트시켜 엔진 회전수를 높이고, 펌프 용량이 소정값보다 작다고 검출된 경우에는 작동유 유량을 필요로 하고 있지 않기 때문에, 드룹선 (DL) 을 저회전역으로 시프트시켜 엔진 회전수를 낮춘다. 이와 같은 제어를 실시함으로써, 고회전역에서의 엔진 구동에 의한 불필요한 연료 소비를 억제할 수 있다.

[엔진 제어의 상세]

도 5 는, 엔진 컨트롤러 (30) 혹은 펌프 컨트롤러 (33) 에 의한 전체 제어 플로우를 나타내고 있다. 엔진 컨트롤러 (30) 혹은 펌프 컨트롤러 (33) 는, 최종적으로 엔진 제어 지령으로서의 엔진 회전수 지령값과 엔진 출력 지령값을 연산하고, 펌프 제어 지령으로서 펌프 흡수 토크 지령값을 연산한다.

무부하 최대 회전수 연산 블록 (110) 은, 도 6 에 나타낸 상세 제어 플로우에 의해 엔진 회전수 지령값의 상한값이 되는 값인 무부하 최대 회전수 (D210) (np2) 를 연산한다. 유압 펌프 (18) 의 펌프 용량이 최대인 상태에서는, 유압 펌프 (18) 의 유량 (유압 펌프 토출 유량) 은 엔진 회전수와 펌프 용량의 곱이고, 유압 펌프 (18) 의 유량 (유압 펌프 토출 유량) 은 엔진 회전수에 비례하기 때문에, 무부하 최대 회전수 (D210) 와 유압 펌프 (18) 의 유량 (펌프 최대 토출량) 은 비례 관계에 있게 된다. 이 때문에, 먼저, 무부하 최대 회전수 (D210) 의 후보값으로서 각 레버값 신호 (D100) (레버 조작량) 에 의해 구한 무부하 회전수의 총합을 총합부 (212) 에 의해 구한다. 각 레버값 신호 (D100) (각 레버 조작량을 나타내는 신호) 로는, 선회 레버값, 붐 레버값, 아암 레버값, 버킷 레버값, 주행 우레버값, 주행 좌레버값, 서비스 레버값이 있다. 이 서비스 레버값은, 새로운 유압 액추에이터를 접속시킬 수 있는 유압 회로를 갖는 경우에 있어서의 이 유압 액추에이터를 조작하는 레버 조작량을 나타내는 값이다. 각 레버값 신호는, 도 6 에 나타내는 바와 같은 레버값·무부하 회전수 변환 테이블 (211) 에 의해 무부하 회전수로 변환되고, 이 변환된 값을 총합부 (212) 에 의해 구한 총합의 무부하 회전수가 최소값 선택부 (MIN 선택) (214) 에 출력된다.

한편, 무부하 회전수 리미트값 선택 블록 (210) 은, 각 레버값 신호 (D100) 의 조작량, 유압 펌프 (18) 의 토출 압력인 펌프 압력 (D104, D105), 및 모드 전환부 (29) 에 의해 설정된 작업 모드 (D103) 의 4 개의 정보를 사용하여, 유압 셔블 (1) 의 오퍼레이터가 현재 어떠한 조작 패턴 (작업 패턴) 을 실행하고 있는지를 판정하고, 미리 설정되어 있는 조작 패턴에 대한 무부하 회전수 리미트값을 선택하여 결정한다. 이 결정된 무부하 회전수 리미트값은 최소값 선택부 (214) 에 출력된다. 이 조작 패턴 (작업 패턴) 의 판정이란, 예를 들어, 아암 레버가 굴삭 방향으로 경도 (傾倒) 되어 있고, 펌프 압력도 어느 설정값보다 높은 경우, 유압 셔블 (1) 은 중굴삭 작업을 실행하려고 하고 있는 것으로 판정하고, 선회 레버가 경도되어 있음과 함께 붐 레버가 올림 방향으로 경도되어 있는 복합 조작의 경우, 유압 셔블 (1) 은 호이스트 선회 작업을 실행하려고 하고 있는 것으로 판정하는 것이다. 이와 같이, 조작 패턴 (작업 패턴) 의 판정이란, 그 때에 오퍼레이터가 실행하려고 하고 있는 조작을 추정하는 것이다. 또한, 호이스트 선회 작업이란, 버킷 (13) 으로 굴삭한 토사를 붐 (11) 을 올리면서 상부 선회체 (5) 를 선회시켜, 원하는 선회 정지의 위치에서 버킷 (13) 의 토사를 배토하는 작업이다.

한편, 연료 조정 다이얼 (28) (스로틀 다이얼 (D102)) 의 설정 상태 (설정값) 로부터도 무부하 최대 회전수의 후보값을 결정한다. 즉, 연료 조정 다이얼 (28) (스로틀 다이얼 (D102)) 의 설정값을 나타내는 신호를 받아, 설정값은 스로틀 다이얼·무부하 회전수 변환 테이블 (213) 에 의해 무부하 최대 회전수의 후보값으로 변환되고, 최소값 선택부 (214) 에 출력된다.

최소값 선택부 (214) 는, 레버값 신호 (D100) 로부터 구한 무부하 회전수와 무부하 회전수 리미트값 선택 블록 (210) 에 의해 구한 무부하 회전수 리미트값과 스로틀 다이얼 (D102) 의 설정값으로부터 구한 무부하 회전수의 3 개의 값 중에서 최소값을 선택하고, 무부하 최대 회전수 (D210) (np2) 를 출력한다.

도 7 은 엔진 최소 출력 연산 블록 (120) 의 상세 제어 플로우이다. 도 7 에 나타내는 바와 같이, 엔진 최소 출력 연산 블록 (120) 은, 엔진 출력 지령값의 하한이 되는 값인 엔진 최소 출력 (D220) 을 연산한다. 레버값·엔진 최소 출력 변환 테이블 (220) 은, 무부하 최대 회전수의 연산과 동일하게, 각 레버값 신호 (D100) 를 엔진 최소 출력으로 변환하고, 총합부 (221) 가 이들의 총합을 최소값 선택부 (MIN 선택) (223) 에 출력한다.

한편, 엔진 최소 출력의 최대값 선택 블록 (222) 은, 모드 전환부 (29) 에 의해 설정되는 작업 모드 (D103) 에 대응한 상한값을 최소값 선택부 (223) 에 출력한다. 최소값 선택부 (223) 는, 각 레버값 신호 (D100) 에 대응한 엔진 최소 출력의 총합과 작업 모드 (D103) 에 대응한 상한값을 비교하고, 최소값을 선택하여 엔진 최소 출력 (D220) 으로서 출력한다.

도 8 은 엔진 최대 출력 연산 블록 (130) 의 상세 제어 플로우이다. 도 8 에 나타내는 바와 같이, 엔진 최대 출력 연산 블록 (130) 은, 엔진 출력 지령값의 상한이 되는 값인 엔진 최대 출력 (D230) 을 연산한다. 펌프 출력 리미트값 선택 블록 (230) 은, 무부하 최대 회전수 연산 블록 (110) 에 의한 연산과 동일하게, 각 레버값 신호 (D100) 의 조작량과 펌프 압력 (D104, D105) 과 작업 모드 (D103) 의 설정값의 정보를 사용하여, 현재의 조작 패턴을 판정하고, 그 조작 패턴마다 펌프 출력 리미트값을 선택한다. 이 선택된 펌프 출력 리미트값에, 도시되지 않은 회전수 센서에 의해 검출된 엔진 회전수 (D107) 로부터 팬 마력 연산 블록 (231) 이 연산한 팬 마력이 가산부 (233) 에 의해 가산된다. 그 가산된 값 (이하, 가산값) 과, 연료 조정 다이얼 (28) (스로틀 다이얼 (D102)) 의 설정값에 따라 스로틀 다이얼·엔진 출력 리미트 변환 테이블 (232) 에 의해 변환한 엔진 출력 리미트값이 최소값 선택부 (MIN 선택) (234) 에 출력된다. 최소값 선택부 (234) 는, 가산값과 엔진 출력 리미트값 중 최소값을 선택하고, 엔진 최대 출력 (D230) 으로서 출력한다. 또한, 팬이란, 엔진 (17) 을 냉각시키기 위한 라디에이터의 근방에 형성된 팬으로, 라디에이터를 향하여 공기를 송풍시키는 것이고, 엔진 (17) 의 구동에 연동하여 회전 구동되는 것이다. 또한, 팬 마력은, 다음 식,

팬 마력 ＝ 팬 정격 마력 × (엔진 회전수/팬 정격시 엔진 회전수)＾3

을 사용하여 간이적으로 연산함으로써 구해진다.

도 9 는 엔진 목표 출력 연산 블록 (140) 의 상세 제어 플로우이다. 도 9 에 나타내는 바와 같이, 엔진 목표 출력 연산 블록 (140) 은, 엔진 목표 출력 (D240) 을 연산한다. 감산부 (243) 는, 전회 연산하여 구한 전회 엔진 목표 출력 (D240) 으로부터 고정값으로서 설정되어 있는 엔진 출력 가산용 오프셋값 (241) 을 감한다. 감산부 (244) 는, 이 감산한 값으로부터 엔진 실출력 연산 블록 (242) 에 의해 연산한 엔진 실출력을 감산한 편차를 구한다. 승산부 (245) 는, 이 편차에 어느 게인 (－Ki) 을 곱한 값을 승산하고, 적분부 (246) 가 이 승산값을 적분한다. 가산부 (247) 는, 이 적분값에 엔진 최소 출력 연산 블록 (120) 에 의해 연산하여 구해진 엔진 최소 출력 (D220) 을 가산한다. 최소값 선택부 (MIN 선택) (248) 는, 이 가산값과 엔진 최대 출력 연산 블록 (130) 에 의해 연산하여 구해진 엔진 최대 출력 (D230) 중 최소값을 엔진 목표 출력 (D240) 으로서 출력한다. 엔진 목표 출력 (D240) 은, 도 5 에 나타내는 바와 같이 엔진 제어 지령의 엔진 출력 지령값으로서 사용되고, 엔진 목표 출력 (D240) 은, 도 3 혹은 도 4 에 나타내는 엔진 출력 지령값 곡선 (EL) 을 의미한다. 또한, 엔진 실출력 연산 블록 (242) 은, 엔진 컨트롤러 (30) 가 지령하고 있는 연료 분사량과 엔진 회전수, 대기 온도 등에 의해 예측한 엔진 토크 (D106) 와 도시되지 않은 회전수 센서에 의해 검출된 엔진 회전수 (D107) 를 기초로, 다음 식

엔진 실출력 (㎾) ＝ 2π ÷ 60 × 엔진 회전수 × 엔진 토크 ÷ 1000

을 사용해서 연산하여 엔진 실출력을 구한다.

도 10 은 매칭 최소 회전수 연산 블록 (150) 의 상세 제어 플로우이다. 도 10 에 나타내는 바와 같이, 매칭 최소 회전수 연산 블록 (150) 은, 작업시에 최저한 상승시켜야 하는 엔진 회전수인 매칭 최소 회전수 (D150) 를 연산한다. 매칭 최소 회전수 (D150) 는, 각 레버값 신호 (D100) 를 레버값·매칭 최소 회전수 변환 테이블 (251) 에 의해 변환한 각 값이 매칭 최소 회전수 (D150) 의 후보값이 되고, 각각 최대값 선택부 (MAX 선택) (255) 에 출력된다.

한편, 무부하 회전수·매칭 회전수 변환 테이블 (252) 은, 목표 매칭 회전수 (np1) 와 동일하게, 무부하 최대 회전수 (np2) 에서 교차되는 드룹선 (DL) 과 목표 매칭 루트 (ML) 의 교점에 있어서의 엔진 회전수를 매칭 회전수 (np2') 로 하여, 무부하 최대 회전수 연산 블록 (110) 에 의해 구해진 무부하 최대 회전수 (D210) (np2) 를 변환하여 출력한다 (도 14 참조). 또한, 이 매칭 회전수 (np2') 로부터 저속 오프셋 회전수를 감산하고, 그 결과 얻어진 값은 매칭 최소 회전수 (D150) 의 후보값으로서 최대값 선택부 (MAX 선택) (255) 에 출력된다. 저속 오프셋 회전수를 사용하는 의의와 그 값의 크고 작음에 대해서는 후술한다.

또, 선회 회전수·매칭 최소 회전수 변환 테이블 (250) 은, 선회 회전수 (D101) 를 매칭 최소 회전수 (D150) 의 후보값으로서 변환하여 최대값 선택부 (255) 에 출력한다. 선회 회전수 (D101) 는, 도 2 의 선회 유압 모터 (31) 의 선회 회전수 (속도) 를 리졸버나 로터리 인코더 등의 회전 센서로 검출한 값이다. 또한, 이 선회 회전수·매칭 최소 회전수 변환 테이블 (250) 은, 도 10 에 나타내는 바와 같이 선회 회전수 (D101) 가 제로일 때 매칭 최소 회전수를 크게 하고, 선회 회전수 (D101) 가 커짐에 따라 매칭 최소 회전수를 작게 하는 특성으로 선회 회전수 (D101) 의 변환을 실시한다. 최대값 선택부 (255) 는, 이들 매칭 최소 회전수 중 최대값을 선택하여 매칭 최소 회전수 (D150) 로서 출력한다.

여기서, 본 실시형태에서는, 부하가 없어진 경우, 엔진 회전수는 최대로 무부하 최대 회전수 (np2) 까지 증가하고, 부하가 충분히 가해진 경우, 엔진 회전수는 목표 매칭 회전수 (np1) 까지 낮아진다. 이 경우, 부하의 크고 작음에 따라 엔진 회전수는 크게 변동하게 된다. 이 엔진 회전수의 큰 변동은, 유압 셔블 (1) 의 오퍼레이터에게 있어서 유압 셔블 (1) 의 힘이 나오지 않는 것처럼 느낀다는 위화감 (힘 부족감) 으로서 오퍼레이터가 받아들일 우려가 있다. 따라서, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 저속 오프셋 회전수를 사용하고, 이 설정되는 저속 오프셋 회전수의 크고 작음에 따라 엔진 회전수의 변동폭을 변화시켜 위화감을 제거할 수 있다. 즉, 저속 오프셋 회전수를 작게 하면, 엔진 회전수의 변동폭은 작아지고, 저속 오프셋 회전수를 크게 하면, 엔진 회전수의 변동폭은 커진다. 또한, 상부 선회체 (5) 가 선회를 하고 있는 상태나 작업기 (3) 가 굴삭 작업을 하고 있는 상태 등의 유압 셔블 (1) 의 가동 상태에 따라, 동일한 엔진 회전수의 변동폭이어도 오퍼레이터가 위화감을 느끼는 방법이 상이하다. 상부 선회체 (5) 가 선회를 하고 있는 상태에서는, 작업기 (3) 가 굴삭 작업을 하고 있는 상태보다 다소 엔진 회전수가 낮아져도 오퍼레이터는 힘 부족이라고는 느끼기 어렵기 때문에, 상부 선회체 (5) 가 선회하고 있는 상태에서는, 작업기 (3) 가 굴삭 작업을 하고 있는 상태보다 엔진 회전수가 더욱 낮아지도록 설정해도 문제는 없다. 이 경우, 엔진 회전수가 낮아지기 때문에 연비는 양호해진다. 또한, 선회에 한정되지 않고, 다른 액추에이터의 동작에 따른 동일한 엔진 회전수의 변동폭 설정은 가능하다.

도 14 에 나타내는 토크선도에 대해 보충 설명한다. 도 14 의 그래프 중에 나타내는 HP1 ～ HP5 는 도 28 에 나타내는 등마력선 (J) 에 상당하고, ps 는 마력 단위 (ps) 를 나타내고, HP1 ～ HP5 로 감에 따라 마력이 커지고, 5 개의 곡선은 예시적으로 나타낸 것이다. 구해지는 엔진 출력 지령값에 따라, 등마력 곡선 (엔진 출력 지령값 곡선) (EL) 이 구해지고 설정된다. 따라서, 이 등마력 곡선 (엔진 출력 지령값 곡선) (EL) 은, HP1 ～ HP5 의 5 개에 한정되지 않고 무수 존재하며, 그 중에서 선택되는 것이다. 도 14 는, 마력이 HP3ps 와 HP4ps 사이의 마력이 되는 등마력 곡선 (엔진 출력 지령값 곡선) (EL) 이 구해지고 설정되어 있는 경우를 나타내고 있다.

도 11 은 목표 매칭 회전수 연산 블록 (160) 의 상세 제어 플로우이다. 도 11 에 나타내는 바와 같이, 목표 매칭 회전수 연산 블록 (160) 은, 도 3 에 나타낸 목표 매칭 회전수 (np1) (D260) 를 연산한다. 목표 매칭 회전수 (D260) 는, 엔진 목표 출력 (D240) (엔진 출력 지령값 곡선 (EL)) 과 목표 매칭 루트 (ML) 가 교차되는 엔진 회전수이다. 목표 매칭 루트 (ML) 는, 어느 엔진 출력으로 엔진 (17) 이 동작할 때에 연료 소비율이 양호한 점을 통과하도록 설정되어 있기 때문에, 이 목표 매칭 루트 (ML) 상의 엔진 목표 출력 (D240) 과의 교점에서 목표 매칭 회전수 (D260) 를 결정하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 엔진 목표 출력·목표 매칭 회전수 변환 테이블 (260) 에서는, 엔진 목표 출력 연산 블록 (140) 에 의해 구해진 엔진 목표 출력 (D240) (엔진 출력 지령값 곡선 (EL)) 의 입력을 받아, 엔진 목표 출력 (D240) (엔진 출력 지령값 곡선 (EL)) 과 목표 매칭 루트 (ML) 의 교점에서의 목표 매칭 회전수를 구하고, 최대값 선택부 (MAX 선택) (261) 에 출력한다.

그러나, 도 10 에 나타낸 매칭 최소 회전수 연산 블록 (150) 에 의해 실시되는 연산에 따르면, 엔진 회전수의 변동폭을 작게 하는 경우, 매칭 최소 회전수 (D150) 가, 엔진 목표 출력·목표 매칭 회전수 변환 테이블 (260) 에 의해 구한 매칭 회전수보다 커진다. 이 때문에, 최대값 선택부 (MAX 선택) (261) 에서, 매칭 최소 회전수 (D150) 와 엔진 목표 출력 (D240) 으로부터 구한 매칭 회전수를 비교하고, 최대값을 선택하여 목표 매칭 회전수 (D260) 의 후보값으로 함으로써, 목표 매칭 회전수의 하한을 제한하고 있다. 도 14 에서는, 저속 오프셋 회전수를 작게 하면, 목표 매칭 루트 (ML) 를 벗어나는데, 목표 매칭점은 MP1 이 아니라 MP1' 가 되고, 목표 매칭 회전수 (D260) 는 np1 이 아니라 np1' 가 된다. 또, 무부하 최대 회전수 연산 블록 (110) 에 의해 구한 무부하 최대 회전수 (D210) 와 동일하게, 목표 매칭 회전수 (D260) 는 연료 조정 다이얼 (28) (스로틀 다이얼 (D102)) 의 설정값에 의해서도 상한이 제한된다. 즉, 스로틀 다이얼·목표 매칭 회전수 변환 테이블 (262) 은, 연료 조정 다이얼 (28) (스로틀 다이얼 (D102)) 의 설정값의 입력을 받아, 연료 조정 다이얼 (28) (스로틀 다이얼 (D102)) 의 설정값에 대응하는 드룹선 (토크선도 상에서 연료 조정 다이얼 (28) (스로틀 다이얼 (D102)) 의 설정값에 대응하는 엔진 회전수로부터 차감할 수 있는 드룹선) 과 목표 매칭 루트 (ML) 의 교점의 매칭 회전수로 변환한 목표 매칭 회전수 (D260) 의 후보값을 출력하고, 이 출력된 목표 매칭 회전수 (D260) 의 후보값과 최대값 선택부 (261) 에서 선택된 목표 매칭 회전수 (D260) 의 후보값이 최소값 선택부 (MIN 선택) (263) 에서 비교되고, 최소값이 선택되어 최종적인 목표 매칭 회전수 (D260) 가 출력된다.

도 12 는 엔진 회전수 지령값 연산 블록 (170) 의 상세 제어 플로우이다. 이하, 도 4 에 나타내는 토크선도를 참조하면서 설명한다. 도 12 에 나타내는 바와 같이, 엔진 회전수 지령값 연산 블록 (170) 은, 2 개의 유압 펌프 (18) 의 사판각 센서 (18a) 가 검출한 사판각을 기초로 구해진 펌프 용량 (D110, D111) 을 기초로, 평균부 (270) 가 펌프 용량 (D110, D111) 을 평균한 평균 펌프 용량을 산출하고, 이 평균 펌프 용량의 크기에 따라 엔진 회전수 지령 선택 블록 (272) 이 엔진 회전수 지령값 (D270) (무부하 최대 회전수 (np2)) 을 구한다. 즉, 엔진 회전수 지령 선택 블록 (272) 은, 평균 펌프 용량이 어느 설정값 (임계값) 보다 큰 경우에는, 엔진 회전수 지령값 (D270) 을 무부하 최대 회전수 (np2) (D210) 에 근접시키도록 한다. 요컨대 엔진 회전수를 증대시킨다. 한편, 평균 펌프 용량이 어느 설정값보다 작은 경우에는, 후술하는 엔진 회전수 (nm1) 에 근접시키도록, 요컨대 엔진 회전수를 감소시킨다. 목표 매칭 회전수 (np1) (D260) 와 목표 매칭점 (MP1) 상의 토크의 교점으로부터 드룹선을 따라, 엔진 토크를 제로쪽으로 내린 위치에 상당하는 엔진 회전수를 무부하 회전수 (np1a) 로 하고, 그 무부하 회전수 (np1a) 에 하한 회전수 오프셋값 (Δnm) 을 더한 값으로서 엔진 회전수 (nm1) 를 구한다. 또한, 목표 매칭 회전수 (D260) 에 대응하는 무부하 회전수로의 변환은, 매칭 회전수·무부하 회전수 변환 테이블 (271) 에 의해 변환된다. 따라서, 엔진 회전수 지령값 (D270) 은, 펌프 용량 상태에 따라 무부하 최소 회전수 (nm1) 와 무부하 최대 회전수 (np2) 사이에서 정해진다. 하한 회전수 오프셋값 (Δnm) 은 미리 설정한 값으로서, 엔진 컨트롤러 (30) 의 메모리에 기억되어 있다.

구체적으로 설명하면, 평균 펌프 용량이 어느 설정값 (q_com1) 보다 큰 경우에는, 엔진 회전수 지령값 (D270) 을 무부하 최대 회전수 (np2) 에 근접시키도록 하고, 평균 펌프 용량이 어느 설정값 (q_com1) 보다 작은 경우에는, 다음 식,

엔진 회전수 지령값 (D270) ＝ 목표 매칭 회전수 (np1) 를 무부하 회전수로 변환한 회전수 (np1a) ＋ 하한 회전수 오프셋값 (Δnm)

을 사용하여 구하는 값에 근접시키도록 한다. 이와 같이 하여 구해진 엔진 회전수 지령값 (D270) 에 의해 드룹선을 제어할 수 있고, 펌프 용량에 여유가 있는 경우 (평균 펌프 용량이 어느 설정값보다 작은 경우) 에는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 엔진 회전수를 낮추는 (엔진 회전수를 nm1 (무부하 최소 회전수) 로 하는) 것이 가능해지고, 연료 소비를 억제하여 연비 향상이 가능해진다. 설정값 (q_com1) 은 미리 설정한 값으로서, 펌프 컨트롤러 (33) 의 메모리에 기억되어 있다. 또한, 설정값 (q_com1) 은, 엔진 회전수 증가측과 엔진 회전수 감소측으로 나누어 2 개의 상이한 설정값을 형성하고, 엔진 회전수가 변화하지 않는 범위를 형성하도록 해도 된다.

도 13 은 펌프 흡수 토크 지령값 연산 블록 (180) 의 상세 제어 플로우이다. 도 13 에 나타내는 바와 같이, 펌프 흡수 토크 지령값 연산 블록 (180) 은, 현재의 엔진 회전수 (D107) 와 엔진 목표 출력 (D240) 과 목표 매칭 회전수 (D260) 를 사용하여 펌프 흡수 토크 지령값 (D280) 을 구한다. 팬 마력 연산 블록 (280) 은, 엔진 회전수 (D107) 를 사용하여 팬 마력을 연산한다. 또한, 팬 마력은, 앞서 서술한 계산식을 사용하여 구해지는 것이다. 감산부 (281) 는, 엔진 목표 출력 연산 블록 (140) 에 의해 구해진 엔진 목표 출력 (D240) 으로부터 이 구해진 팬 마력을 감산한 출력 (펌프 목표 흡수 마력) 을 펌프 목표 매칭 회전수 및 토크 연산 블록 (282) 에 입력한다. 이 펌프 목표 매칭 회전수 및 토크 연산 블록 (282) 에는, 또한 목표 매칭 회전수 연산 블록 (160) 에 의해 구해진 목표 매칭 회전수 (D260) 가 입력된다. 목표 매칭 회전수 (D260) 는, 유압 펌프 (18) 의 목표 매칭 회전수 (펌프 목표 매칭 회전수) 가 된다. 그리고, 펌프 목표 매칭 회전수 및 토크 연산 블록 (282) 에서는, 다음 식에 나타내는 바와 같이,

펌프 목표 매칭 토크

＝ (60 × 1000 × (엔진 목표 출력 － 팬 마력))/(2π × 목표 매칭 회전수)

가 연산된다. 구해진 펌프 목표 매칭 토크는, 펌프 흡수 토크 연산 블록 (283) 에 출력된다.

펌프 흡수 토크 연산 블록 (283) 은, 펌프 목표 매칭 회전수 및 토크 연산 블록 (282) 으로부터 출력된 펌프 목표 매칭 토크와, 회전 센서로 검출된 엔진 회전수 (D107) 와, 목표 매칭 회전수 (D260) 가 입력된다. 펌프 흡수 토크 연산 블록 (283) 에서는, 다음 식에 나타내는 바와 같이

펌프 흡수 토크 ＝ 펌프 목표 매칭 토크 － Kp × (목표 매칭 회전수 － 엔진 회전수)

가 연산되고, 연산 결과인 펌프 흡수 토크 지령값 (D280) 이 출력된다. 여기서, Kp 는 제어 게인이다.

이와 같은 제어 플로우가 실행됨으로써, 실제 엔진 회전수 (D107) 가 목표 매칭 회전수 (D260) 에 비해 큰 경우에는, 상기 식으로부터 알 수 있는 바와 같이 펌프 흡수 토크 지령값 (D280) 은 증가하고, 반대로 실제 엔진 회전수 (D107) 가 목표 매칭 회전수 (D260) 에 비해 작은 경우에는, 펌프 흡수 토크 지령값 (D280) 은 감소하게 된다. 한편, 엔진의 출력은, 엔진 목표 출력 (D240) 이 상한이 되도록 제어되고 있기 때문에, 결과적으로 엔진 회전수는 목표 매칭 회전수 (D260) 근방의 회전수에서 안정되어 엔진 (17) 이 구동되게 된다.

여기서, 엔진 회전수 지령값 연산 블록 (170) 에서는, 엔진 회전수 지령값 (D270) 의 최소값은, 상기 서술한 바와 같이,

엔진 회전수 지령값 ＝ 목표 매칭 회전수 (np1) 을 무부하 회전수로 변환한 회전수 (np1a) ＋ 하한 회전수 오프셋값 (Δnm)

의 연산에 의해 구해지는 값이 되고, 목표 매칭 회전수에 대해 엔진의 드룹선은, 최저라도 하한 회전수 오프셋값 (Δnm) 이 가미된 높은 회전수 정도에서 설정된다. 이 때문에, 본 실시형태 1 에 의하면, 유압 펌프 (18) 의 실제 흡수 토크 (펌프 실흡수 토크) 가 펌프 흡수 토크 지령에 대해 다소 편차가 생긴 경우에도, 드룹선에는 걸리지 않는 범위에서 매칭되게 되어, 엔진 (17) 의 매칭 회전수가 다소 변동해도 엔진 출력을 엔진 출력 지령값 곡선 (EL) 상에서 제한하여 엔진 목표 출력을 일정하게 제어하고 있기 때문에, 실제 흡수 토크 (펌프 실흡수 토크) 가 펌프 흡수 토크 지령에 대해 편차를 발생시켜도 엔진 출력의 변동을 작게 하는 것이 가능해진다. 이 결과, 연비의 편차도 작게 억제할 수 있어, 유압 셔블 (1) 의 연비에 대한 사양을 만족시킬 수 있다. 연비에 대한 사양이란, 예를 들어, 종래의 유압 셔블에 비해 연비를 10 ％ 저감시킬 수 있는 사양이다.

즉, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 종래에는 펌프 흡수 토크선 (PL) 과 목표 매칭 회전수의 교점을 목표 매칭점 (MP1) 으로 하고 있었기 때문에, 유압 펌프의 축차 성능의 편차가 큰 경우, 그에 수반하여 드룹선 (DL) 상에서 엔진 출력의 편차도 커진다. 이 결과, 연비의 편차가 커서, 유압 셔블 (1) 의 연비에 대한 사양을 만족시키기 어려운 경우가 있었다. 이에 반해, 본 실시형태 1 에 의하면, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 펌프 흡수 토크선 (PL) 과, 등마력 곡선으로서 엔진 출력의 상한을 나타내는 엔진 출력 지령값 곡선 (EL) 의 교점을 목표 매칭점 (MP1) 으로 하고 있어, 유압 펌프의 축차 성능의 편차가 큰 경우에도 목표 매칭점 (MP1) 은 엔진 출력 지령값 곡선 (EL) 을 따라 편차가 생기게 된다. 이 때문에, 엔진 출력의 편차가 거의 없어지고, 결과적으로 연비의 편차도 거의 없어진다.

또한, 종래의 엔진 제어에서는, 도 17 에 나타내는 바와 같이, 엔진 (17) 이 아이들링 회전을 실시하고 있는 상태로부터 엔진 회전수를 상승시켜 목표 매칭점 (MP1) 으로 엔진 출력이 이동하는 과도시에는, 엔진 출력은 최대 출력 토크선 (TL) 및 목표 매칭점 (MP1) 을 통과하는 드룹선 (DL) 을 경유하고 있었기 때문에, 과도시의 엔진 출력은, 도 17 중의 포위부 (A) 로 나타내는 바와 같이 목표 엔진 출력보다 과잉으로 큰 것이 되어, 연비가 악화되었다. 이에 반해, 본 실시형태 1 에 의하면, 도 18 에 나타내는 바와 같이, 펌프 흡수 토크선 (PL) 과 엔진 출력 지령값 곡선 (EL) 의 교점을 목표 매칭점 (MP1) 으로 하고 있기 때문에, 과도시에는 도 18 중의 포위부 (A′) 로 나타내는 바와 같이, 엔진 출력은 엔진 출력 지령값 곡선 (EL) 을 따라 목표 매칭점 (MP1) 으로 이행된다. 이 때문에, 과도시라도 목표 엔진 출력과 동일한 엔진 출력이 얻어지기 때문에 연비가 향상된다.

(실시형태 2)

실시형태 1 에서는, 상부 선회체 (5) 가 유압 모터 (선회 유압 모터 (31)) 로 선회하고, 작업기 (3) 가 모두 유압 실린더 (14, 15, 16) 로 구동되는 구조를 가진 유압 셔블 (1) 에 대해 본 발명을 적용한 예였지만, 본 실시형태 2 는, 상부 선회체 (5) 를 전동 선회 모터로 선회시키는 구조를 가진 유압 셔블 (1) 에 대해 본 발명을 적용한 예이다. 이하, 유압 셔블 (1) 은, 하이브리드 유압 셔블 (1) 로서 설명한다. 이하, 특별히 언급이 없는 한, 본 실시형태 2 와 실시형태 1 은 공통되는 구성을 취한다.

하이브리드 유압 셔블 (1) 은, 실시형태 1 에 나타낸 유압 셔블 (1) 과 비교하면, 상부 선회체 (5), 하부 주행체 (4), 작업기 (3) 와 같은 주요 구성은 동일하다. 그러나, 하이브리드 유압 셔블 (1) 은, 도 19 에 나타내는 바와 같이, 엔진 (17) 의 출력축에는 유압 펌프 (18) 와는 별도로 발전기 (19) 가 기계적으로 결합되어 있고, 엔진 (17) 을 구동시킴으로써 유압 펌프 (18) 및 발전기 (19) 가 구동된다. 또한, 발전기 (19) 는, 엔진 (17) 의 출력축에 기계적으로 직결되어 있어도 되고, 엔진 (17) 의 출력축에 걸린 벨트나 체인 등의 전달 수단을 통하여 회전 구동되는 것이어도 된다. 또, 유압 구동계의 유압 모터의 선회 유압 모터 (31) 대신에 전동 구동되는 선회 모터 (24) 를 사용하고, 그에 수반하여 전동 구동계로서 커패시터 (22), 인버터 (23) 를 구비한다. 발전기 (19) 에 의해 발전되는 전력 혹은 커패시터 (22) 로부터 방전되는 전력이 전력 케이블을 통하여 선회 모터 (24) 에 공급되어 상부 선회체 (5) 를 선회시킨다. 즉, 선회 모터 (24) 는, 발전기 (19) 로부터 공급 (발전) 되는 전기 에너지 또는 커패시터 (22) 로부터 공급 (방전) 되는 전기 에너지에 의해 역행 작용함으로써 선회 구동되고, 선회 감속할 때에 선회 모터 (24) 는 회생 (回生) 작용함으로써 전기 에너지를 커패시터 (22) 에 공급 (충전) 한다. 이 발전기 (19) 로는, 예를 들어 SR (스위치드 릴럭턴스) 모터가 사용된다. 발전기 (19) 는, 엔진 (17) 의 출력축에 기계적으로 결합되어 있고, 엔진 (17) 의 구동에 의해 발전기 (19) 의 로터축을 회전시키게 된다. 커패시터 (22) 는, 예를 들어, 전기 이중층 커패시터가 사용된다. 커패시터 (22) 대신에 니켈수소 배터리나 리튬 이온 배터리여도 된다. 선회 모터 (24) 에는 회전 센서 (25) 가 형성되어 선회 모터 (24) 의 회전 속도를 검출하고, 전기 신호로 변환하여 인버터 (23) 내에 형성된 하이브리드 컨트롤러 (23a) 에 출력한다. 선회 모터 (24) 로는, 예를 들어 매립 자석 동기 전동기가 사용된다. 회전 센서 (25) 로서, 예를 들어 리졸버나 로터리 인코더 등이 사용된다. 또한, 하이브리드 컨트롤러 (23a) 는, CPU (수치 연산 프로세서 등의 연산 장치) 나 메모리 (기억 장치) 등으로 구성되어 있다. 하이브리드 컨트롤러 (23a) 는, 발전기 (19) 나 선회 모터 (24), 커패시터 (22) 및 인버터 (23) 에 구비된 서미스터나 열전대 등의 온도 센서에 의한 검출값의 신호를 받아 커패시터 (22) 등의 각 기기의 과승온을 관리함과 함께, 커패시터 (22) 의 충방전 제어나 발전기 (19) 에 의한 발전·엔진의 어시스트 제어, 선회 모터 (24) 의 역행·회생 제어를 실시한다.

본 실시형태 2 에 의한 엔진 제어는 실시형태 1 과 거의 동일하며, 이하, 상이한 제어 부분에 대해 설명한다. 도 20 은, 이 하이브리드 유압 셔블 (1) 의 엔진 제어의 전체 제어 플로우를 나타내고 있다. 도 5 에 나타낸 전체 제어 플로우와 상이한 점은, 선회 유압 모터 (31) 의 선회 회전수 (D101) 대신에 선회 모터 (24) 의 선회 모터 회전수 (D301), 선회 모터 토크 (D302) 를 입력 파라미터로 하고, 또한 발전기 출력 (D303) 을 입력 파라미터로서 추가하고 있다. 선회 모터 (24) 의 선회 모터 회전수 (D301) 는, 무부하 최대 회전수 연산 블록 (110) 및 엔진 최대 출력 연산 블록 (130), 또한 매칭 최소 회전수 연산 블록 (150) 에 입력된다. 선회 모터 토크 (D302) 는 엔진 최대 출력 연산 블록 (130) 에 입력된다. 또, 발전기 출력 (D303) 은, 엔진 최대 출력 연산 블록 (130), 매칭 최소 회전수 연산 블록 (150), 목표 매칭 회전수 연산 블록 (160), 및 펌프 흡수 토크 지령값 연산 블록 (180) 에 입력된다.

도 21 은, 도 6 에 대응하는 실시형태 2 에 있어서의 무부하 최대 회전수 연산 블록 (110) 의 제어 플로우를 나타내고 있다. 전기 구동의 선회 모터 (24) 를 탑재한 하이브리드 유압 셔블 (1) 은, 선회의 구동원으로서 유압을 필요로 하지 않는다. 이 때문에, 유압 펌프 (18) 로부터 토출되는 작동유 중, 선회의 구동분의 유압 펌프 (18) 로부터의 작동유 토출 유량을 줄여도 된다. 따라서, 연료 조정 다이얼 (28) (스로틀 다이얼 (D102)) 의 설정값으로부터 스로틀 다이얼·무부하 회전수 변환 테이블 (213) 에 의해 구해지는 무부하 회전수로부터, 선회 모터 회전수 (D301) 로부터 선회 모터 회전수·무부하 회전수 삭감량 변환 테이블 (310) 에 의해 구해지는 무부하 회전수 삭감량을 감산부 (311) 에 의해 감산하고, 얻어진 회전수를 무부하 최대 회전수 (D210) 의 후보값으로 하고 있다. 또한, 최대값 선택부 (MAX 선택) (313) 는, 무부하 회전수 삭감량이 연료 조정 다이얼 (28) (스로틀 다이얼 (D102)) 의 설정값으로부터 구해지는 무부하 최대 회전수보다 커서 최대값 선택부 (313) 에 입력되는 값이 부 (負) 의 값이 되고, 무부하 회전수 리미트값 선택 블록 (210) 이 출력하는 무부하 회전수 리미트값과의 비교를 실시하기 위한 최소값 선택부 (MIN 선택) (314) 를 통과한 결과, 무부하 최대 회전수가 부의 값이 되지 않도록, 최대값 선택부 (313) 에서 제로값 (312) 과의 최대값 선택을 실시하여 최소값 선택부 (314) 에 부의 값이 부여되지 않도록 하고 있다.

도 22 는, 도 8 에 대응하는 실시형태 2 에 있어서의 엔진 최대 출력 연산 블록 (130) 의 제어 플로우를 나타내고 있다. 이 엔진 최대값 출력 연산 블록 (130) 에서는, 선회 모터 회전수 (D301) 및 선회 모터 토크 (D302) 를 입력 파라미터로서 사용하여 선회 마력 연산 블록 (330) 이 선회 마력을 연산하고, 엔진 회전수 (D107) 를 사용하여 팬 마력 연산 블록 (335) 이 팬 마력을 연산한다. 선회 마력과 팬 마력은, 각각 감산부 (331) 및 가산부 (336) 을 통하여 펌프 출력 리미트값에 가산된다. 또, 발전기 (19) 의 발전기 출력 (D107) 은, 감산부 (334) 를 통하여 펌프 출력 리미트값에 가산된다. 또한, 선회 마력은, 다음 식,

선회 마력 (㎾) ＝ 2π ÷ 60 × 선회 모터 회전수 × 선회 모터 토크 ÷ 1000 × 계수 (설정값)

을 연산함으로써 구할 수 있다. 또한, 선회 마력 및 발전기 출력의 펌프 출력 리미트값에 대한 가산은, 도 22 에 나타내는 바와 같이 감산이 되고 있다. 하이브리드 유압 셔블 (1) 은, 엔진 (17) 이라는 구동원과는 상이한 전기라는 구동원으로 전동 구동되는 선회 모터 (24) 를 사용하기 때문에, 선회 마력을 구하여 펌프 출력 리미트값으로부터 선회분을 감산하는 것이 필요하다. 발전기 출력은, 발전기 (19) 가 발전할 때에는, 값의 정부의 부호를 부로 정의하고 있으며, 최소값 선택부 (333) 에서 제로값 (332) 과의 비교가 실시되고, 펌프 출력 리미트값에 대해 부의 값을 감산하기 때문에 실질적으로 가산이 된다. 발전기 (19) 가 엔진 (17) 의 출력 어시스트를 실시하는 경우에는, 발전기 출력은 값의 정부는 정 (正) 이 된다. 발전기 (19) 가 발전할 때에는, 발전기 출력은 부의 값이기 때문에, 제로값 (332) 과의 최소값 선택을 실시한 후, 펌프 출력 리미트값으로부터 부의 발전기 출력을 감산하여, 실질적으로 펌프 출력 리미트값에 발전기 출력을 가산하게 된다. 즉, 발전기 출력 (D303) 이 부의 값이 되었을 때에만 가산이 실시된다. 발전기 (19) 에 의한 엔진 (17) 의 어시스트는, 엔진 회전수를 어느 소정의 회전수로부터 높은 회전수로 상승시킬 필요가 있을 때에 작업기 (3) 의 응답성을 높이기 위해 실시되는데, 이 때의 엔진 출력으로서 엔진 (17) 의 어시스트분의 출력을 빼면, 작업기 (3) 의 응답성의 개선으로 이어지지 않기 때문에, 엔진 (17) 을 어시스트하였다고 해서 엔진 최대 출력을 감산하는 것은 실시하지 않는다. 요컨대, 정의 발전기 출력이 최소값 선택부 (333) 에 입력되어도, 제로값 (332) 과의 최소값 선택에 의해 최소값 선택부 (333) 로부터는 제로가 출력된다. 펌프 출력 리미트값으로부터 감산이 실시되지 않고 엔진 최대 출력 (D230) 이 구해진다.

도 23 은, 도 10 에 대응하는 실시형태 2 에 있어서의 매칭 최소 회전수 연산 블록 (150) 의 제어 플로우를 나타내고 있다. 발전기 (19) 는, 최대로 출력할 수 있는 토크의 한계값 (발전기 최대 토크) 이 설정되어 있기 때문에, 어느 정도 큰 출력으로 발전을 실시하려면, 엔진 회전수를 상승시킬 필요가 있다. 이 때문에, 수시로 요구되는 발전기 출력의 크기로부터, 최저한 상승시켜야 하는 엔진 회전수를 발전기 출력·매칭 회전수 변환 테이블 (351) 을 사용하여 구하고, 이 구해진 엔진 회전수를 매칭 최소 회전수 (D150) 의 후보값으로서 최대값 선택부 (MAX 선택) (352) 에 출력한다. 또한, 발전기 출력 (D303) 의 후단에 배치되는 게이트 (350) 는, 발전기 출력 (D303) 이 부이기 때문에 발전기 출력 (D303) 을 정의 값으로 변환하기 위해 형성되어 있다.

도 24 는, 도 11 에 대응하는 실시형태 2 에 있어서의 목표 매칭 회전수 연산 블록 (160) 의 제어 플로우를 나타내고 있다. 먼저, 목표 매칭 회전수 (D260) 는, 기본적으로 엔진 목표 출력과 목표 매칭 루트 (ML) 의 교점에 있어서의 회전수인데, 엔진 최대 출력 (D230) 은, 도 22 에 나타내는 바와 같이 펌프 출력 리미트값에 팬 마력과 발전기 출력을 가산한 값으로, 이 엔진 최대 출력 (D230) 을 사용하여 도 9 에 나타내는 바와 같이 엔진 목표 출력 (D240) 이 결정된다. 또한, 도 24 에 나타내는 바와 같이 목표 매칭 회전수 연산 블록 (160) 에 엔진 목표 출력 (D240) 이 입력되어, 목표 매칭 회전수 (D260) 가 결정된다. 또, 발전기 (19) 가 요구되는 발전기 출력 (D303) 에 따라 목표 매칭 회전수 (D260) 의 값은 변화한다.

여기서, 발전기 (19) 는, 작은 발전 토크로 발전을 실시하면 효율이 나쁘다. 이 때문에, 발전기 (19) 가 발전을 실시하는 경우, 미리 설정한 최소 발전 토크 이상으로 발전을 실시하도록 제어한다. 이 결과, 발전기 (19) 가 발전하지 않는 상태 (발전 오프) 에서 발전하는 상태 (발전 온) 로 전환될 때, 발전의 온과 오프가 최소 발전 토크를 경계로 하여 전환되기 때문에 발전기 출력은 불연속적으로 변화한다. 요컨대, 엔진 목표 출력 (D240) 과 목표 매칭 루트 (ML) 의 교점에서 매칭점을 결정하는 점에서, 이 발전기 출력 (D303) 의 불연속적인 변화에 따라 발전 온/오프의 전환에 의해 목표 매칭 회전수 (D260) 가 크게 변동된다.

이 때문에, 목표 매칭 회전수 연산 블록 (160) 은, 최소 발전 출력 연산 블록 (362) 이 엔진 회전수 (D107) 를 사용하여, 다음 식,

최소 발전 출력 (㎾) ＝ 2π ÷ 60 × 엔진 회전수 × 최소 발전 토크 (값이 부인 설정값) ÷ 1000

을 연산하여 최소 발전 출력을 구하고, 요구되는 발전기 출력이 구해진 최소 발전 출력보다 작은 경우, 최소 발전 출력에 대해 부족한 출력분을 엔진 목표 출력에 가산부 (365) 에 의해 가산하고, 이 가산된 엔진 목표 출력을 사용하여, 엔진 목표 출력·목표 매칭 회전수 변환 테이블 (260) 에 의해 목표 매칭 회전수의 후보값으로서 연산하여, 발전 온/오프에 수반되는 회전수 변동을 방지한다. 또한, 발전기 출력 (D303) 의 후단의 최소값 선택부 (MIN 선택) (361) 는, 요구되는 발전기 출력이 없는 경우 (엔진 (17) 의 출력 어시스트를 실시하는 경우 등) 에 제로 출력을 실시하기 위해 제로값 (360) 과의 비교를 실시한다. 따라서, 엔진 목표 출력 (D240) 에 아무것도 가산하지 않게 된다. 또, 최대값 선택부 (MAX 선택) (364) 는, 요구되는 발전기 출력이 최소 발전 출력 이상인 경우에 최소 발전 출력에 부족함은 없는 점에서, 엔진 목표 출력 (D240) 에 가산은 불필요해진다. 따라서, 최대값 선택부 (364) 에 부의 값이 입력되고, 제로값 (363) 과의 비교에 의해 최대값인 제로가 선택되어, 최대값 선택부 (364) 는 제로를 출력한다.

도 25 는, 도 13 에 대응하는 실시형태 2 에 있어서의 펌프 흡수 토크 지령값 연산 블록 (180) 의 제어 플로우를 나타내고 있다. 이 경우, 엔진 목표 출력 (D240) 으로부터 팬 마력뿐만 아니라, 발전기 출력 (D303) 을 감산한 출력 (펌프 목표 흡수 마력) 을, 펌프 목표 매칭 회전수 및 토크 연산 블록 (282) 에 출력한다. 또한, 요구되는 발전기 출력의 값의 정부는 부이기 때문에, 최소값 선택부 (MIN 선택) (381) 에서 제로값 (380) 과의 비교에 의해 최소값이 선택되고, 선택된 값이 연산부 (382) 에 의해 엔진 목표 출력 (D240) 에 가산된다는 것은, 실질적으로 엔진 목표 출력 (D240) 으로부터 발전기 출력 (D303) 을 감산하게 된다.

여기서, 상기 서술한 목표 매칭 회전수 연산 블록 (160) 에 의해 연산되는 목표 매칭 회전수 (D260) 는, 도 26 에 나타내는 바와 같이, 발전 오프의 경우에는, 발전 오프의 경우에 있어서의 엔진 목표 출력 (D240) 을 나타내는 엔진 출력 지령값 곡선 (ELa) 과 목표 매칭 루트 (ML) 의 교점이 목표 매칭점 (Ma) 이 되고, 그 때 목표 매칭 회전수 (npa) 가 된다. 또, 최소 발전 출력 (Pm) 의 발전이 실시되는 경우에는, 최소 발전 출력 (Pm) 을 만족시키기 위한 엔진 목표 출력 (D240) 을 나타내는 엔진 출력 지령값 곡선 (ELb) 이 되고, 엔진 출력 지령값 곡선 (ELb) 과 목표 매칭 루트 (ML) 의 교점이 목표 매칭점 (Mb) 이 되고, 그 때 목표 매칭 회전수 (npa') 가 된다.

도 24 에 나타낸 엔진 제어를 실시하지 않으면, 최소 발전 출력 (Pm) 미만의 발전에서는 실제 발전 출력이 작기 때문에, 발전의 온/오프에 의해 목표 매칭점 (Ma, Mb) 사이를 빈번하게 이행하고, 그 때, 목표 매칭 회전수도 빈번하게 변화한다. 본 실시형태 2 에서는, 최소 발전 출력 (Pm) 미만의 발전인 경우, 발전 오프시에는 미리 목표 매칭 회전수를 npa' 로 하고 있기 때문에, 발전의 온/오프에 의해 목표 매칭 회전수가 변동하지 않는다. 그리고, 발전 오프시의 목표 매칭점은, 엔진 출력 지령값 곡선 (ELa) 과 목표 매칭 회전수 (npa') 의 교점 (Ma') 이 된다. 따라서, 도 24 에 나타낸 엔진 제어를 실시하지 않으면, 발전기 출력의 증대와 함께 매칭점이 Ma → Mb → Mc 와 같이 이행되는데, 본 실시형태 2 에서는, 발전기 출력의 증대와 함께 매칭점은 Ma' → Mb → Mc 와 같이 이행되고, 발전의 온 오프가 전환될 정도의 발전기 출력인 경우에 목표 매칭 회전수의 변동은 없어, 하이브리드 유압 셔블 (1) 의 오퍼레이터가 위화감을 느끼지 않게 된다.

1 : 유압 셔블, 하이브리드 유압 셔블
2 : 차량 본체
3 : 작업기
4 : 하부 주행체
5 : 상부 선회체
11 : 붐
12 : 아암
13 : 버킷
14 : 붐 실린더
15 : 아암 실린더
16 : 버킷 실린더
17 : 엔진
18 : 유압 펌프
18a : 사판각 센서
19 : 발전기
20 : 컨트롤 밸브
20a : 펌프압 검출부
21 : 주행 모터
22 : 커패시터
23 : 인버터
23a : 하이브리드 컨트롤러
24 : 선회 모터
25 : 회전 센서
26 : 조작 레버
27 : 레버 조작량 검출부
28 : 연료 조정 다이얼
29 : 모드 전환부
30 : 엔진 컨트롤러
31 : 선회 유압 모터
32 : 커먼 레일 제어부
33 : 펌프 컨트롤러

Claims

작업 기계의 운전 상태를 검출하는 검출 수단과,
상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계의 부하가 없어진 경우에 최대한 높일 수 있는 엔진의 회전수인 무부하 최대 회전수를 연산하는 무부하 최대 회전수 연산 수단과,
상기 운전 상태를 기초로, 부하가 가해진 경우에 높일 수 있는 엔진의 회전수인 목표 매칭 회전수를 상기 무부하 최대 회전수와는 별도로 연산하는 목표 매칭 회전수 연산 수단과,
상기 운전 상태를 기초로, 최대한 출력할 수 있는 엔진 목표 출력을 연산하는 엔진 목표 출력 연산 수단과,
상기 엔진 목표 출력의 제한하에서, 상기 무부하 최대 회전수와 상기 목표 매칭 회전수 사이에서 엔진 회전수를 제어하는 엔진 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 작업 기계의 엔진 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
미리 엔진 회전수의 변동폭을 설정하는 변동폭 설정 수단과,
상기 무부하 최대 회전수로부터 상기 변동폭만큼의 회전수를 낮춘 엔진의 회전수를 최소 회전수 제한값으로 하고, 상기 운전 상태를 기초로, 부하가 가해진 경우에 최저한 높여야 하는 엔진의 회전수인 매칭 최소 회전수를 연산하는 매칭 최소 회전수 연산 수단을 구비하고,
상기 엔진 제어 수단은, 상기 엔진 목표 출력의 제한하에서, 상기 무부하 최대 회전수와 상기 매칭 최소 회전수 사이에서 엔진 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 엔진 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 엔진 제어 수단은, 상기 목표 매칭 회전수에 하한 회전수 오프셋값을 더한 엔진 회전수를 엔진 회전수 지령값으로서 출력하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 엔진 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
가변 용량형 유압 펌프와,
상기 가변 용량형 유압 펌프의 펌프 용량을 검출하는 용량 검출 수단을 구비하고,
상기 엔진 제어 수단은, 상기 펌프 용량이 임계값 이상인 경우, 엔진 회전수를 높이고, 펌프 용량이 임계값 미만인 경우, 엔진 회전수를 낮춘 엔진 회전수 지령값을 출력하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 엔진 제어 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 매칭 최소 회전수 연산 수단은, 상기 작업 기계의 선회체의 회전수를 검출하는 회전수 검출 수단에 의한 검출값이 제로에 가까운 경우에는 매칭 최소 회전수를 높이고, 상기 회전수 검출 수단에 의한 검출값이 커짐에 따라 매칭 최소 회전수를 낮춘 값을 최소 회전수 제한값으로 하고, 상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계에 부하가 가해진 경우에 최저한 높여야 하는 엔진의 회전수인 매칭 최소 회전수를 연산하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 엔진 제어 장치.
작업 기계의 운전 상태를 검출하는 검출 단계와,
상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계의 부하가 없어진 경우에 최대한 높일 수 있는 엔진의 회전수인 무부하 최대 회전수를 연산하는 무부하 최대 회전수 연산 단계와,
상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계에 부하가 가해진 경우에 높일 수 있는 엔진의 회전수인 목표 매칭 회전수를 상기 무부하 최대 회전수와는 별도로 연산하는 목표 매칭 회전수 연산 단계와,
상기 운전 상태를 기초로, 최대한 출력할 수 있는 엔진 목표 출력을 연산하는 엔진 목표 출력 연산 단계와,
상기 엔진 목표 출력의 제한하에서, 상기 무부하 최대 회전수와 상기 목표 매칭 회전수 사이에서 엔진 회전수를 제어하는 엔진 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 엔진 제어 방법.
제 6 항에 있어서,
미리 엔진 회전수의 변동폭을 설정하는 변동폭 설정 단계와,
상기 무부하 최대 회전수로부터 상기 변동폭만큼의 회전수를 낮춘 엔진의 회전수를 최소 회전수 제한값으로 하고, 상기 운전 상태를 기초로, 작업 기계에 부하가 가해진 경우에 최저한 높여야 하는 엔진의 회전수인 매칭 최소 회전수를 연산하는 매칭 최소 회전수 연산 단계를 포함하고,
상기 엔진 제어 단계는, 상기 엔진 목표 출력의 제한하에서, 상기 무부하 최대 회전수와 상기 매칭 최소 회전수 사이에서 엔진 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 엔진 제어 방법.