KR20170070130A

KR20170070130A - 작업 기계, 동력 유닛 및 작업 기계의 디젤 엔진

Info

Publication number: KR20170070130A
Application number: KR1020177012703A
Authority: KR
Inventors: 마나부 에다무라; 유우스케 가지타; 마사토시 호시노; 고지 이시카와; 겐타로 이토가; 나오키 이시카와; 즈토무 우메하라
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 도요다 지도숏키
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2015-02-10
Publication date: 2017-06-21
Also published as: JPWO2016129066A1; WO2016129066A1; CN107002566A; US10302028B2; KR101965085B1; CN107002566B; EP3258087B1; JP6412595B2; EP3258087A4; EP3258087A1; US20170350327A1

Abstract

후처리 장치를 생략 또는 간략화한 후, 선진국 지역에서의 배출 가스 규제에서 요구되는 기준값을 하회하는 레벨까지, 배출되는 유해 물질을 저감 가능하게 하는 작업 기계, 동력 유닛 및 작업 기계의 디젤 엔진을 제공한다. 정격 회전수를 포함하는 고회전수 영역(NH)보다도 낮은 저회전수 영역(NL)에서, 최대 출력 토크가 정격 회전수에서의 최대 출력 마력점(M1)의 토크보다도 작은 중간 토크의 특성(Xa)이 되도록 최대 출력 토크를 제한하는 디젤 엔진(1)에 의해 유압 펌프(7)를 구동하고, 유압 펌프(7)로부터 토출되는 압유에 의해 유압 액추에이터를 구동한다.

Description

작업 기계, 동력 유닛 및 작업 기계의 디젤 엔진{WORK MACHINE, POWER UNIT, AND DIESEL ENGINE OF WORK MACHINE}

본 발명은, 유압 셔블 등의 작업 기계, 이 작업 기계에 사용되는 동력 유닛 및 작업 기계의 디젤 엔진에 관한 것이다.

유압 셔블 등의 작업 기계는 원동기로서 디젤 엔진을 구비하고, 이 디젤 엔진에 의해 적어도 하나의 유압 펌프를 구동하고, 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 1개 또는 복수의 유압 액추에이터를 구동하여, 필요한 작업을 행하고 있다. 디젤 엔진은 연료 분사 장치를 구비하고, 이 연료 분사 장치에 의해 연료 분사량을 제어하여, 엔진 회전수와 출력 토크를 제어한다. 이 작업 기계의 디젤 엔진은, 통상, 다양한 종류의 작업을 행할 수 있도록, 엔진 회전수 대 출력 토크 선도 상에 있어서, 연료 분사량이 최대가 되는 전체 부하 특성을 포함하는 광범위한 영역에서 출력 가능하게 되도록 출력이 제어된다(특허문헌 1).

그런데, 디젤 엔진에 있어서는, 인체나 환경에 대한 영향을 배려하여, 배기 가스에 포함되는 유해 물질, 예를 들어 질소 산화물(NO_x)이나 입자상 물질(PM)의 배출에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 이러한 유해 물질을 저감하는 방법으로서는, 이하의 2종류가 알려져 있다.

(1) 연소를 개선하여, 엔진으로부터의 유해 물질의 배출 그 자체를 저감하는 방법;

(2) 엔진으로부터의 배출 가스에 대하여 후처리 장치를 설치해서, 이들을 제거하는 방법.

(1)에 대해서는, 예를 들어 분사 시기를 압축 상사점 후에까지 지연하는 것 등에 의해 발화 지연 기간을 장기화하고, EGR에 의한 산소 농도의 저감 및 연소실 내의 가스 유동 제어에 의해 이 발화 지연 기간 중에 예혼합기를 형성해서 연소를 개선하는, 소위 저온 예혼합 연소 기술이 제안되어 있다(특허문헌 2 및 3). 그러나, 이 예혼합 연소에는 기술적인 한계가 있어, 그 사용은 저회전수로 저엔진 부하의 영역에 한정되어 있다. 이 예혼합 연소가 이용 불가능한 영역은 확산 연소를 사용하지 않을 수 없다.

(2)에 대해서는, 필터를 사용해서 입자상 물질을 제거하는 것이나(특허문헌 4), 요소 환원제 등을 배기 가스에 대하여 분사해서 반응시켜, 질소 산화물을 제거하는 것(특허문헌 5) 등이 있다.

일본 특허 공개 제2007-177719호 공보 일본 특허 공개 제2009-47014호 공보 일본 특허 공개 제2009-085979호 공보 일본 특허 공개 제2011-12612호 공보 일본 특허 공개 제2009-13845호 공보

특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 작업 기계의 디젤 엔진은, 통상 다양한 종류의 작업을 행할 수 있도록, 엔진 회전수 대 출력 토크 선도 상의 광범위한 영역에서 출력 가능하게 되도록 출력이 제어되어 있다. 그 결과, 유해 물질을 저감하기 위해서 상기 (1)의 기술, 즉 특허문헌 2 및 3에 기재된 저온 예혼합 기술을 채용하는 경우에는, 광범위한 출력 영역 전역에 대하여 연소를 최적화할 필요가 발생한다. 그러나, 광범위한 출력 영역 전역에 대하여 소정의 동력 성능을 내면서 연소를 최적화하는 것은 매우 곤란해서, 결국, 유해 물질의 저감 효과에 한계가 있다.

한편, 상기 (2)의 기술, 즉 특허문헌 4 및 5에 기재된 바와 같은 후처리 장치를 추가하는 것은, 시스템이 복잡해지기 때문에, 여분의 이니셜 코스트나 메인터넌스, 러닝 코스트가 발생한다. 특히 요소 환원제를 사용한 방법에서는, 비교적 소형의 작업 기계에 있어서는, 요소 탱크 등의 탑재 장소의 문제, 요소 환원제의 보급의 수고 및 요소 환원제의 열화를 방지하는 보관 기술의 문제도 있다.

본 발명의 목적은, 후처리 장치를 생략 또는 간략화한 후, 선진국 지역에서의 배출 가스 규제에서 요구되는 기준값을 하회하는 레벨까지, 배출되는 유해 물질을 저감 가능하게 하는 작업 기계, 동력 유닛 및 작업 기계의 디젤 엔진을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 디젤 엔진과, 상기 디젤 엔진에 의해 구동되는 적어도 하나의 유압 펌프와, 상기 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 적어도 하나의 유압 액추에이터를 구비하고, 상기 디젤 엔진은, 정격 회전수를 포함하는 제1 회전수 영역보다도 낮은 제2 회전수 영역에서, 상기 디젤 엔진의 최대 출력 토크가 상기 정격 회전수에서의 최대 출력 마력점의 토크보다도 작은 중간 토크의 특성이 되도록 상기 최대 출력 토크를 제한하는 엔진인 것으로 한다.

이렇게 정격 회전수를 포함하는 제1 회전수 영역보다도 낮은 제2 회전수 영역에서, 디젤 엔진의 최대 출력 토크가 정격 회전수에서의 최대 출력 마력점의 토크보다도 작은 중간 토크의 특성이 되도록 출력 제한을 행함으로써, 엔진 회전수 대 출력 토크 선도 상의 토크 출력 영역이 종래보다도 좁아지기 때문에, 연소 최적화 기술의 적용이 용이하게 되고, 배기 가스 중에 포함되는 유해 물질의 저감이 용이하게 된다. 예를 들어, 제2 회전수 영역에서의 저토크의 출력 영역에서는 예혼합 연소와 같은 연소 개선책을 적용하여, 상용되는 제1 회전수 영역에서의 극히 일부의 고토크 영역에서는 확산 연소이면서, 확산 연소 조건에 연소를 최적화할 수 있다. 또한, 토크 출력 영역이 좁아지고, 예혼합 연소와 확산 연소를 오고 가는 루트(빈도)가 줄어들기 때문에, 2종의 연소의 전환 조건도 간단해진다. 이들에 의해 선진국 지역에서의 배출 가스 규제에서 요구되는 기준값을 하회하는 레벨까지, 배기 가스 중에 함유되는 유해 물질을 저감할 수 있다.

여기서, 본 발명의 바람직한 특징에 대해서 설명하면, 이하와 같다.

상기 제2 회전수 영역에서 제한된 최대 출력 토크는, 상기 디젤 엔진의 목표 회전수를 상기 제2 회전수 영역 내에 설정하고, 그 회전수로 상기 작업 기계를 구동하려고 했을 때 상기 유압 펌프가 출력해야 할 최대 토크보다도 작다.

상기 제2 회전수 영역에서 제한된 최대 출력 토크는, 상기 디젤 엔진의 최대 출력 토크 점의 토크의 75％ 이하이어도 된다.

상기 제1 회전수 영역은, 상기 디젤 엔진의 최대 출력 토크 점의 회전수를 포함하고, 또한 상기 최대 출력 토크 점의 회전수는, 상기 정격 회전수의 75％를 초과하는 회전수이며, 상기 제2 회전수 영역은, 상기 디젤 엔진의 최대 출력 토크 점의 회전수보다도 낮은 회전수 영역이다.

상기 디젤 엔진은, 연료 분사 장치와, 이 연료 분사 장치를 제어하는 전자 제어 장치를 포함하고, 상기 전자 제어 장치가 상기 연료 분사 장치로부터 공급되는 연료 분사량의 최댓값을 제한함으로써 상기 최대 출력 토크를 제한한다.

상기 디젤 엔진은, 상기 제2 회전수 영역에서 예혼합 연소를 행하도록 연료 분사 장치를 제어한다.

상기 디젤 엔진은, 상기 제1 회전수 영역에서, 저토크측에서 예혼합 연소를 행하고, 고토크측에서 확산 연소를 행하도록 연료 분사 장치를 제어한다.

상기 디젤 엔진은 실제 회전수를 목표 회전수에 맞추는 회전수 제어에 의해 회전수와 토크를 제어한다.

상기 디젤 엔진은, 배출 가스에 포함되는 입자상 물질을 제거하기 위한 필터와 촉매 중 적어도 하나를 장비한다.

상기 디젤 엔진과 병용해서 상기 유압 펌프를 구동하는 전동기를 더 구비한다.

또한, 본 발명의 작업 기계는, 상기 디젤 엔진의 목표 회전수를 설정하기 위한 회전수 지시 장치와, 상기 회전수 지시 장치에 의해 설정된 목표 회전수가 상기 제2 회전수 영역에 있고, 상기 유압 액추에이터가 구동되지 않을 때는 상기 회전수 지시 장치에 의해 설정된 목표 회전수를 상기 디젤 엔진에 지시하고, 상기 회전수 지시 장치에 의해 설정된 목표 회전수가 상기 제2 회전수 영역에 있고, 상기 유압 액추에이터가 구동되었을 때는, 상기 제1 회전수 영역 내의 회전수로 목표 회전수를 상승시키고, 이 상승한 목표 회전수를 상기 디젤 엔진에 지시하는 제어 장치를 더 구비한다.

이에 의해 상기와 같이 정격 회전수를 포함하는 제1 회전수 영역보다도 낮은 제2 회전수 영역에서의 디젤 엔진의 최대 출력 토크가 중간 토크의 특성에 제한된 경우에도, 유압 액추에이터가 구동되고, 그에 따라 엔진의 부하 토크가 증가할 때, 상기 제어 장치와 회전수 지시 장치에 의해 목표 회전수를 제1 회전수 영역 내의 회전수로 상승시키기 때문에, 엔진의 출력 토크는 제2 회전수 영역에서 제한된 최대 출력 토크보다도 큰 필요 최대 토크까지 증가 가능하게 되어, 작업 기계로서 요구되는 출력 토크가 얻어지고, 조작성을 확보할 수 있다.

상기 유압 펌프가 가변 용량형 유압 펌프이며, 상기 제어 장치는, 상기 유압 액추에이터가 구동되어 목표 회전수를 상기 제1 회전수 영역 내의 회전수로 상승시킬 때, 상기 회전수 지시 장치에 의해 설정된 목표 회전수에서의 필요 최대 출력 마력을 계산하고, 상기 디젤 엔진의 회전수가 상기 제1 회전수 영역까지 상승했을 때, 상기 유압 펌프의 흡수 마력이 상기 필요 최대 출력 마력을 초과하지 않도록 상기 유압 펌프의 최대 토크를 제어한다.

또한, 상기 제어 장치는, 상기 유압 액추에이터가 구동되어 목표 회전수를 상기 제1 회전수 영역 내의 회전수로 상승시킬 때, 상기 디젤 엔진의 회전수가 상기 제2 회전수 영역 내에 있는 동안에는 상기 디젤 엔진의 출력 토크가 상기 제한된 최대 출력 토크를 초과하지 않도록 상기 유압 펌프의 최대 토크를 제어한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 상술한 디젤 엔진과 전동기를 일체화한 동력 유닛을 제공한다.

또한, 본 발명은 상술한 작업 기계의 디젤 엔진을 제공한다.

본 발명에 따르면, 후처리 장치를 생략 또는 간략화한 후, 선진국 지역에서의 배출 가스 규제에서 요구되는 기준값을 하회하는 레벨까지, 배출되는 유해 물질을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태인 유압 셔블의 전체 시스템을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 시스템을 탑재한 작업 기계의 일례인 유압 셔블의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에서의 엔진의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)를 도시하는 도면이다.
도 4는 유압 펌프의 최대 토크 제어와 목표 회전수 증가 제어를 실현하는 차체 컨트롤러의 제어 처리를 나타내는 제어 플로우이다.
도 5는 엔진 회전수 지시 다이얼에 의해 목표 회전수가 저회전수 영역(NL)의 1400rpm으로 설정된 경우의 시스템의 동작예를 도시하는 도면이다.
도 6은 엔진 회전수 지시 다이얼에 의해 목표 회전수가 최대로 설정되어 있는 경우의 시스템의 동작예를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태인 유압 셔블의 전체 시스템을 도시하는 도면이다.
도 8은 동력 유닛의 디젤 엔진과 전동기를 도시하는 도면이다.
도 9는 전동기에 의한 토크 어시스트를 포함한 동력 유닛의 최대 출력 토크 선도의 일례를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 엔진의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)의 다른 예를 나타내는 도이다.
도 11은 본 발명의 엔진의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)의 또 다른 예를 나타내는 도이다.
도 12는 본 발명의 엔진의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)의 또 다른 예를 나타내는 도이다.
도 13은 본 발명의 엔진의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)의 또 다른 예를 나타내는 도이다.
도 14는 본 발명의 엔진의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)의 또 다른 예를 나타내는 도이다.
도 15는 본 발명의 엔진의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)의 또 다른 예를 나타내는 도이다.
도 16은 본 발명의 엔진의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)의 또 다른 예를 나타내는 도이다.
도 17은 본 발명의 엔진의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)의 또 다른 예를 나타내는 도이다.

이하, 도면을 사용해서 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

<제1 실시 형태>

~ 전체 시스템 ~

도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태인 유압 셔블의 전체 시스템을 도시하는 도면이다.

도 1에서, 본 실시 형태의 유압 셔블은, 디젤 엔진(1)과 유압 셔블 시스템(14)을 구비하고 있다.

디젤 엔진(1)은, 엔진 컨트롤러(2)와, 연료 분사 장치(3)와, 엔진 본체(4)와, 파티큘레이트 필터(5)와, 촉매 장치(15)를 구비하고 있다.

유압 셔블 시스템(14)은, 차체 컨트롤러(6)와, 적어도 하나의 유압 펌프(7)와, 유압 펌프(7)의 레귤레이터(17)와, 에어컨·보기류(8)와, 컨트롤 밸브(9)와, 유압 모터(10) 및 유압 실린더(11)를 포함하는 복수의 액추에이터와, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)과, 조작 레버 장치(13)와, 게이트 로크 레버(도시하지 않음)의 조작 검출 스위치(18)를 갖고 있다.

디젤 엔진(1)은, 원동기이며, 엔진 본체(4)에 의해 유압 펌프(7)를 구동하고, 유압 펌프(7)로부터 토출되는 압유에 의해, 유압 모터(10)나 유압 실린더(11) 등의 유압 액추에이터를 구동한다. 조작 레버 장치(13)의 입력에 의해, 컨트롤 밸브(9) 내의 각각의 스풀 밸브의 전환을 행하여, 유압 액추에이터(10, 11)의 동작을 제어한다. 엔진 본체(4)는, 유압 펌프(7)에 의해 구동되는 유압 동력 계통 이외에도, 에어컨이나, 신호용 압유를 송출하는 기어 펌프(파일럿 펌프), 냉각 팬 등의 보조 기계류(8)의 구동도 동시에 행하고 있다.

연료 분사 장치(3)는, 엔진 본체(4)에 구비되고, 이 연료 분사 장치(3)에 의해 연료 분사량을 제어하여, 엔진 회전수와 출력 토크를 제어한다. 연료 분사 장치(3)는, 엔진 컨트롤러(2)에 의해 제어된다.

연료 분사 장치(3)의 제어 방식으로서는, 이전에는, 메커니컬 거버너라고 불리는 기계 제어 방식의 조속기이었지만, 선진국 지역에서의 최근의 엄격한 배출 가스 규제에 대응한 클린 디젤 엔진에서는, 엔진 컨트롤러(2)의 명령에 의해 연료 분사를 행하는 전자 연료 분사 장치를 사용하고 있다.

엔진 컨트롤러(2)는, 전자 연료 분사 장치(3)의 제어, 즉 연료의 분사량이나 분사 타이밍의 제어 외에도, 도시되지 않는 터보 과급기나 EGR 등의 제어도 행하고 있다.

터보 과급기는, 배기 가스를 이용해서 터빈을 고속 회전시키고, 그 회전력으로 원심식 압축기를 구동함으로써 압축한 공기를 엔진 내로 보낸다. 이에 의해, 내연 기관 본래의 배기량을 초과하는 혼합기를 흡입·연소시킨다. 이에 의해, 엔진의 열효율이 높아져 연료 소비가 개선됨과 함께, 배출 가스 중의 유해 물질을 감소시킨다.

EGR은, 배기 재순환(Exhaust Gas Recirculation)을 말하며, 엔진의 연소 후의 배기 가스의 일부를 빼내어, 흡기측으로 유도해서 다시 흡기시킴으로써, 배출 가스 중의 질소 산화물(NO_x) 저감이나 부분 부하 시의 연비 향상을 실현한다.

유압 셔블 시스템(14)에 있어서, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)은, 엔진(11)의 목표 회전수를 설정하기 위한 것이고, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)의 지시 신호는 차체 컨트롤러(6)에 입력된다. 차체 컨트롤러(6)는, 그 지시 신호에 기초하여 후술하는 바와 같이 소정의 연산 처리를 행하여, 엔진(11)의 목표 회전수를 설정하고, 설정한 목표 회전수를 엔진 컨트롤러(2)에 출력한다. 엔진 컨트롤러(2)는, 그 목표 회전수에 기초하여 목표 분사량을 연산하여, 연료 분사 장치(3)를 제어한다. 또한, 차체 컨트롤러(6)는, 후술하는 바와 같이 소정의 연산 처리를 행하여, 레귤레이터(17)에 토크 신호를 출력하고, 유압 펌프(7)의 최대 토크 제어를 행한다.

~ 작업 기계 ~

도 2는, 본 발명의 시스템을 탑재한 작업 기계의 일례인 유압 셔블의 구성을 도시하는 도면이다.

도 2에서, 유압 셔블은, 하부 주행체(30)와 상부 선회체(40)와 셔블 기구(50)를 구비하고 있다. 하부 주행체(30)는, 한 쌍의 크롤러(31a, 31b)(편측만 도시) 및 크롤러 프레임(32a, 32b)(편측만 도시), 각 크롤러를 독립적으로 구동 제어하는 한 쌍의 주행용 유압 모터(33a, 33b)(편측만 도시) 및 그것들의 감속 기구 등(도시하지 않음)으로 구성되어 있다.

상부 선회체(40)는, 선회 프레임(41)을 갖고, 선회 프레임(41) 상에는, 상술한 디젤 엔진(1), 디젤 엔진(1)에 의해 구동되는 유압 펌프(7), 컨트롤 밸브(9)나, 선회 유압 모터(44), 감속기(45) 등이 탑재되어 있다. 하부 주행체(30)와 상부 선회체(40)의 사이에는 선회 링 등을 포함하는 선회 기구(도시하지 않음)가 설치되고, 감속기(45)는, 선회 유압 모터(44)의 회전을 감속해서 선회 기구에 전달하고, 선회 유압 모터(44)의 구동력에 의해 상부 선회체(40)를 하부 주행체(30)에 대하여 선회 구동한다.

셔블 기구(50)는, 상부 선회체(40)에 회전 가능하게 축지지된 기복 가능한 붐(51), 붐(51)을 구동하기 위한 붐 실린더(52), 붐(51)의 선단부 근방에 회전 가능하게 축지지된 아암(53), 아암(53)을 구동하기 위한 아암 실린더(54), 아암(53)의 선단에 회전 가능하게 축지지된 버킷(55), 버킷(55)을 구동하기 위한 버킷 실린더(56)를 갖고 있다. 각 액추에이터(주행용 유압 모터(33a, 33b), 붐 실린더(52), 아암 실린더(54), 버킷 실린더(56) 및 선회 유압 모터(44))는, 유압 펌프(7)로부터 공급되는 압유에 의해 구동되고, 그 구동 방향과 구동 속도는 컨트롤 밸브(19) 내의 각각의 스풀 밸브를 조작함으로써 제어된다.

도 1에 도시한 유압 모터(10)는, 좌우의 주행 모터(33a, 33b)나 선회 유압 모터(44)를 대표하고, 유압 실린더(11)는, 붐 실린더(52), 아암 실린더(54), 버킷 실린더(56) 등을 대표하고 있다.

~ 디젤 엔진(1)의 제어 ~

도 3은, 엔진 컨트롤러(2)의 출력 제한 제어에 의해 얻어지는 엔진(1)의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)의 일례를 도시하는 도면이다.

엔진 컨트롤러(2)는, 엔진(1)이 운전되는 광범위한 토크 회전수 조건, 또한 동적으로도 변화하는 부하 조건 중에서, 항상 안정된 운전, 즉 축 토크 출력을 실현하는 것은 물론, 연료 소비나, 배출 가스 중의 유해 물질 저감의 관점에서도 최적의 운전 조건이 되도록, 연료 분사, 터보 과급기, EGR 등의 각종 작동 조건을 미세하게 제어하고 있다. 이렇게 엔진 컨트롤러(2)에 있어서는, 각종 운전 조건 중에서, 각종 디바이스의 방대한 수의 제어 대상의 컨트롤을 담당하고 있으므로, 운전 조건 중에서 이들의 트레이드오프가 발생한다. 따라서, 먼저, 엔진의 운전 조건을 간단화한다는 것이, 배출 가스 중에 함유되는 유해 물질의 저감을 위해서 유효해진다.

또한, 연료 분사에 있어서, 통상의 디젤 엔진은, 압축 상사점 근방에서 연료를 분사하고, 그 분사한 연료를 분사 도중에 자착화에 의해 연소시키는데, 분사 시기를 압축 상사점 후에까지 지연하는 것 등에 의해 발화 지연 기간을 장기화하여, EGR에 의한 산소 농도의 저감 및 연소실 내의 가스 유동 제어에 의해 이 발화 지연 기간 중에 예혼합 기체를 형성해서 연소를 개선하는, 소위 저온 예혼합 연소 기술을 사용함으로써, 저토크, 저회전수 영역에서의 유해 물질의 배출을 저감할 수 있다.

단, 고부하측에서는 연료 분사량이 커지고, 또한 고회전측에서는 1 스트로크의 시간이 짧아지기 때문에, 예혼합의 효과가 얻어지기 어려워진다. 예혼합 연소가 이용 불가능한 영역은 확산 연소를 사용하지 않을 수 없는데, 질소 산화물(NO_x)과 입자상 물질(PM)의 저감의 트레이드오프가 되어, 양쪽의 유해 물질 모두 규제 요구값 이하로 낮추는 것은 곤란하다. 또한, 확산 연소와 예혼합 연소의 전환 시에 배기 가스가 증대한다는 별도의 문제도 있다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 디젤 엔진(1)의 최대 출력 토크 선도(엔진 회전수 대 출력 토크 선도)를, 예를 들어 도 3의 실선과 같이 설정한다.

도 3에서, 본 실시 형태에서는, 지금까지 설명한 디젤 엔진의 특성, 및 각종 배기 가스 저감 기술을 전제로, 최대 출력 마력점(M1)을 갖는 정격 회전수 부근의 고회전수 영역(NH)(제1 회전수 영역)만 고토크를 출력하도록 하고, 저회전수 영역(NL)(제2 회전수 영역)에서는, 디젤 엔진(1)의 최대 출력 토크가 정격 회전수(2000rpm)에서의 최대 출력 마력점(M1)의 토크보다도 작은 중간 토크의 특성(Xa)이 되도록 최대 출력 토크를 제한한다. 이 제한된 최대 출력 토크는, 종래 기술의 유압 셔블에 있어서 디젤 엔진(1)의 목표 회전수를 저회전수 영역(NL)(제2 회전수 영역) 내로 설정했을 때 유압 펌프(7)에 요구되는 최대 토크(도 5의 Tr)보다도 작게, 예를 들어 최대 출력 마력점(M1)의 토크에 대하여 50％의 토크 값으로 설정되어 있다. 이 최대 출력 토크의 제한은, 엔진 컨트롤러(2)가 연료 분사 장치(3)의 연료 분사량의 최댓값을 제한함으로써 행한다.

저회전수 영역(NL)의 제한된 특성(Xa)의 토크값은, 배출 가스의 저감 효과의 관점에서는 낮은 것이 바람직하지만, 에어컨이나 보조 기계(8)의 부하, 액추에이터(10, 11)에 대하여 무부하 상태에서의 유압 회로(9)의 부하(특히 기름의 점도가 높은 저온 시) 등을 감안해서 결정할 필요가 있고, 적어도 비작업, 즉 유압 펌프(7)나 유압 액추에이터(10, 11)에 특별한 부하가 없는 상태에서 엔진에 가해지는 부하 토크, 즉 유압 펌프(7)나 엔진 본체(4) 자신의 드래그 토크보다 클 필요가 있다. 또한, 충분한 배기 가스 저감의 효과를 얻기 위해서는, 적어도 최대 출력 토크(도 5의 M2)의 75％ 이하인 것이 바람직하다.

디젤 엔진(1)의 배출 가스 규제는, 엔진 컨트롤러(2)를 포함하는 디젤 엔진(1) 단체의 성능으로서 평가된다. 이 때문에 상기와 같이 토크 출력 제한은, 유압 셔블측의 차체 컨트롤러(6)가 아니라, 엔진 컨트롤러(2)에 의한 제한으로 하고, 어디까지나 디젤 엔진(1) 단체로서, 도 3의 실선과 같은 특성을 갖게 하는 것이 중요하다.

또한, 엔진 컨트롤러(2)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 저회전수 영역(NL)의 저토크측에서 저온 예혼합 연소, 고회전수 영역(NH)의 고토크 고회전의 한정된 영역에서는, 확산 연소를 행하도록 제어하고 있다. 이에 의해, 엔진이 출력하는 운전 영역이 좁아질 뿐만 아니라, 예혼합 연소를 사용할 수 있는 영역의 비율이 증가한다. 또한, 예혼합 연소와 확산 연소를 오고 가는 루트(빈도)가 줄어든다. 이에 의해 예혼합 연소와 확산 연소의 전환 조건도 간단해져, 선진국 지역에서의 배출 가스 규제에서 요구되는 기준값을 하회하는 레벨까지, 배기 가스 중에 함유되는 유해 물질을 저감할 수 있다. 또한, 이렇게 예혼합 연소와 확산 연소를 전환해서 엔진을 운전하는 방법이 유효하지만, 엔진의 사양이나, 배출 가스 저감의 목표값에 따라서는, 예혼합 연소만, 확산 연소만과 같은 케이스도 있을 수 있다.

또한, 효과적으로 배출 가스 중의 유해 물질을 저감시키기 위해서는, 토크 출력이 제한된 저회전수 영역(NL)에 중간 회전수가 포함되도록 저회전수 영역(NL)의 상한을 정격 회전수의 75％보다도 높게 설정하고, 또한 최대 출력 토크 점(M2)의 회전수를 정격 회전수의 75％보다도 높은 회전수로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 유해 물질의 배출이 많은 토크·회전수 영역에서의 사용을 제한할 수 있다.

이렇게 고회전수 영역(NH)(제1 회전수 영역)은, 디젤 엔진(1)의 최대 출력 토크 점(M2)의 회전수를 포함하고, 또한 최대 출력 토크 점(M2)의 회전수는 정격 회전수의 75％를 초과하는 회전수이며, 저회전수 영역(NL)(제2 회전수 영역)은, 디젤 엔진(1)의 최대 출력 토크 점(M2)의 회전수보다도 낮게 설정된다. 도 3에 도시하는 엔진 특성의 실시 형태에서는, 이것에 합치하도록, 정격 회전수 2000rpm에 대하여, 최대 출력 토크의 회전수를 1700rpm(85％), 50％ 토크 출력 범위(저회전수 영역(NL))의 상한을 1600rpm(80％)으로 하고 있다.

이상과 같이 디젤 엔진(1)을, 저회전수 영역(NL)(제2 회전수 영역)에 있어서, 디젤 엔진(1)의 최대 출력 토크가 정격 회전수(2000rpm)에서의 최대 출력 마력점(M1)의 토크보다도 작은 중간 토크의 특성(Xa)이 되도록 최대 출력 토크를 제한하는 엔진으로 함으로써, 엔진 회전수 대 출력 토크 선도 상의 토크 출력 영역이 종래보다도 좁아지기 때문에, 엔진 컨트롤러(2)에 있어서의 연소 최적화 기술의 적용이 용이하게 되어, 배출 가스 중의 유해 물질을 대폭 저감하는 것이 가능하다. 본 발명의 기술에 의해 유해 물질을 저감해도, 또한 규제 값을 초과하는 경우에는, 유해 가스나 입자상 물질(PM)을, 비교적 간이한 후처리 장치인 파티큘레이트 필터(5)나, 촉매 장치(15)에 의해 제거하면 된다.

도 3의 실선으로 나타내는 바와 같은 특성의 디젤 엔진(1)은, 회전수 전역에서 고토크 출력 가능한 종래의 디젤 엔진에 대하여, 엔진의 편리성이나 범용성이 저하되지만, 후술하는 바와 같이 작업 기계측의 시스템(14)을 이 특성에 맞춤으로써, 디젤 엔진(1)의 필요한 최대 출력 토크 자체는 확보되므로, 배출 가스를 대폭 저감한 뒤, 유압 셔블을 동작시키는 것이 가능하다. 또한, 그 때문에 본 실시 형태에서는, 디젤 엔진(1)으로서, 실제 회전수를 목표 회전수에 맞추도록 연료 분사량을 제어하는 회전수 제어(아이소크로노스 회전수 제어, 드룹 회전수 제어, 역 드룹 회전수 제어 등)의 엔진을 사용한다.

~ 유압 셔블 시스템(14)측의 제어 ~

~~ 사고 방식 ~~

이어서, 본 발명에 의한 디젤 엔진(1)을 사용한 경우의 유압 셔블의 시스템(14)의 제어에 대해서 설명한다.

도 3에서 나타낸 엔진(1)의 토크 특성으로 유압 셔블을 운전하기 위해서는, 유압 펌프(7)로서, 가변 용량형 유압 펌프를 사용하고, 상술한 바와 같이 디젤 엔진(1)으로서는, 회전수 제어(아이소크로노스 회전수 제어, 드룹 회전수 제어, 역 드룹 회전수 제어 등)의 엔진을 사용한다.

또한, 유압 셔블에 있어서는, 디젤 엔진(1)에 의해 회전 구동되는 유압 펌프(7)에 대하여, 엔진 과부하 방지를 위해서 펌프 토크 제어를 행하고 있다. 펌프 토크 제어는, 유압 펌프(7)의 부하 압의 상승에 따라서 유압 펌프(7)의 배기 용적을 감소시켜, 유압 펌프(7)의 최대 토크가, 그 회전수에서의 디젤 엔진(1)의 최대 출력 토크를 초과하지 않도록 제어하는 것이다.

본 발명의 디젤 엔진(1)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 저회전수 영역(NL)(제2 회전수 영역)에서의 최대 출력 토크가 통상의 디젤 엔진에 비해 제한되어 있다. 따라서, 저회전수 영역(NL)에서는, 유압 펌프(7)의 배기 용적을 감소시켜, 유압 펌프(7)의 최대 토크가, 그 회전수에서의 엔진(1)의 제한된 최대 출력 토크를 초과하지 않도록 제어해야 한다. 단, 최대 출력 토크가 낮으므로, 엔진 회전수가 저속인 상태에서는, 본 발명에 의한 엔진(1)과의 조합에서는, 현저하게 낮은 출력으로 되어버린다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 차체 컨트롤러(6)로부터의 신호로 레귤레이터(17)를 제어함으로써, 엔진(1)의 회전수가 저회전수 영역(NL) 내에 있는 동안에는 유압 펌프(7)의 흡수 토크(유압 부하)가 엔진(1)의 제한된 특성(Xa)의 최대 출력 토크를 초과하지 않도록 유압 펌프(7)의 최대 토크를 제어한다. 유압 펌프의 최대 토크를 제어하는 기술은 공지이며, 예를 들어 일본 특허 공개 제2007-177719호 공보에 기재되어 있다.

또한, 차체 컨트롤러(6)는, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 목표 회전수가 저회전수 영역(NL)에 설정된 경우에, 엔진(1)에 작업 부하가 걸리면, 통상의 디젤 엔진으로 그 설정된 목표 회전수(예를 들어 1400rpm)에 있어서 내야 할 출력 마력(예를 들어 도 5의 B점)과 동일한 출력 마력이 얻어지도록, 고토크 출력의 고회전수 영역(NH)으로 목표 회전수를 상승시키고, 이 상승한 목표 회전수를 엔진(11)에 지시한다. 또한, 상승한 목표 회전수로 동 출력 마력의 점(예를 들어 도 5의 C1점)이 최대 출력 마력점이 되도록 유압 펌프(7)를 제어한다. 이 제어는, 설정된 목표 회전수에 있어서 내야 할 출력 마력(예를 들어 도 5의 B점)과 동일한 출력 마력(필요 최대 출력 마력)을 계산하여, 유압 펌프(7)의 최대 흡수 마력(유압 부하)이 그 필요 최대 출력 마력을 초과하지 않도록 상기 유압 펌프(7)의 최대 토크를 제어함으로써 달성된다.

~~ 제어 플로우 ~~

도 4는, 그러한 유압 펌프(7)의 최대 토크 제어와 목표 회전수 증가 제어를 실현하는 차체 컨트롤러(6)의 제어 처리를 나타내는 제어 플로우이다. 도 4에서, Ni, Nec, t0은 각각 이하를 의미한다.

Ni: 오토 아이들 제어를 위한 지정 아이들 회전수(예를 들어 도 6의 A2점의 회전수)

Nec: 엔진 회전수 지시 다이얼(12)의 설정 회전수(예를 들어 도 5의 A1점 또는 도 6의 C2-D2의 회전수)

t0: 조작 레버 장치(13)의 무조작 시에 엔진 회전수를 저하시키기 위한 무조작 입력 계속 시간의 설정값

도 4에서, 먼저, 차체 컨트롤러(6)는, 게이트 로크 레버(도시하지 않음)의 조작 검출 스위치(18)의 신호를 입력하여, 게이트 로크되어 있는지 여부를 판정한다(스텝 S100).

여기서, 게이트 로크 레버는, 운전석의 좌석 입구측에 설치되고, 유압 셔블의 작업을 휴지 또는 종료하는 경우에 통로를 개방하도록 올려지고, 작업을 재개 또는 개시하는 경우에 통로를 폐쇄하도록 내려지는 것이다. 게이트 로크 레버가 올려지면 로크 밸브가 로크 위치로 전환되고, 조작 레버 장치(13)의 파일럿 밸브의 1차압 포트를 탱크에 연통시킨다. 이에 의해 조작 레버 장치(13)를 조작해도 유압 회로(9) 내의 컨트롤 밸브는 동작하지 않고, 유압 액추에이터가 조작 불능이 된다. 이 상태를 게이트 로크라고 한다.

조작 검출 스위치(18)는, 게이트 로크 레버의 올림 내림을 검지하고, 차체 컨트롤러(6)는, 조작 검출 스위치(18)의 신호에 의해 게이트 로크 레버가 올려져 있는지(게이트 로크되어 있는지) 여부를 판정한다.

게이트 로크되어 있는 경우에는, 차체 컨트롤러(6)는 또한 엔진 회전수 지시 다이얼(12)로 설정된 회전수(Nec)가 오토 아이들 제어용 지정 아이들 회전수(Ni)보다 높은지 여부를 판정하고(스텝 S110), Nec가 Ni보다 높은 경우에는, 지정 아이들 회전수(Ni)를 목표 회전수로서 설정하고(스텝 S110→S120), Nec가 Ni 이하인 경우에는 엔진 회전수 지시 다이얼(12)로 설정된 회전수(Nec)를 목표 회전수로서 설정한다(스텝 S110→S130).

또한, 차체 컨트롤러(6)는, 게이트 로크 레버가 내려지고 게이트 로크가 해제되었다고 판단된 경우에도, 조작 레버 장치(13)의 무조작 입력 상태가 소정 시간(t0) 계속되었는지 여부를 판정하고(S140), 무조작 입력 상태가 소정 시간(t0) 계속된 경우에는, 마찬가지로 Nec>Ni인지 여부를 판정하고, 지정 아이들 회전수(Ni) 또는 엔진 회전수 지시 다이얼(12)로 설정된 회전수(Nec)를 목표 회전수로서 설정한다(스텝 S140 또는 S210→S110→S12 또는 S130). 차체 컨트롤러(6)는, 조작 레버(13)의 조작 파일럿압의 검출 신호를 입력하고, 그 신호가 역치 이하인 경우에는 무조작 입력 상태라고 판단한다.

S140에서, 무조작 입력 상태가 소정 시간(t0) 계속되지 않는 경우에는, 차체 컨트롤러(6)는, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)로 설정된 회전수(Nec)가 저회전수 영역(NL)(제2 회전수 영역)에 있는지 여부를, 예를 들어 Nec가 1600rpm보다도 낮은지 여부에 의해 판정하고(스텝 S150), Nec<1600rpm이라면 Nec보다 Nec에서의 필요 최대 출력 마력(도 5의 등출력선(He))을 산출하고(스텝 S160), 이 필요 최대 출력 마력에 기초하여 1600rpm 이상의 고회전수 영역(NH)(제1 회전수 영역)에서의 새로운 목표 회전수(예를 들어 도 5의 C1-D1의 회전수)와 필요 최대 토크(예를 들어 도 5의 C1점의 토크)를 결정한다(스텝 S170). 계속해서, 차체 컨트롤러(6)는, 결정한 목표 회전수를 엔진 컨트롤러(2)에 출력함으로써, 엔진 회전수를 상승시키는 목표 회전수 상승 제어를 행한다(스텝 S180). 동시에 차체 컨트롤러(6)는, 유압 펌프(7)의 최대 토크 제어를 행한다. 이 최대 토크 제어에는, 엔진 회전수가 1600rpm보다도 낮은 동안에 행하여지는 엔진 회전수 상승 시의 엔진 정지 방지 제어와, 엔진 회전수 상승 후의 필요 최대 출력 마력 도달 제어가 포함된다.

즉, 차체 컨트롤러(6)는, 목표 회전수 상승 제어에 의해 상승한 엔진 회전수가 1600rpm보다도 낮은 동안에는(디젤 엔진(1)의 회전수가 저회전수 영역(NL) 내에 있는 동안에는), 엔진(1)의 출력 토크가 제한된 특성(Xa)의 최대 출력 토크를 초과하지 않도록 유압 펌프(7)의 최대 토크를 제어하고, 디젤 엔진(1)의 스톨을 방지한다. 또한, 회전수가 1600rpm 이상으로 상승했을 때는(즉, 디젤 엔진(1)의 회전수가 고회전수 영역(NH)까지 상승했을 때는), 스텝 S170에서 결정한 필요 최대 토크(예를 들어 도 5의 C1점의 토크)에 상당하는 토크 신호를 유압 펌프(7)의 레귤레이터(17)에 출력하여, 유압 펌프(7)의 흡수 마력(유압 부하)이 Nec에서의 필요 최대 출력 마력(도 5의 점선)을 초과하지 않도록 유압 펌프(7)의 최대 토크를 제어한다(스텝 S180).

스텝 S150에서, Nec≥1600min이며, Nec가 고회전수 영역(NH)(제1 회전수 영역)에 있는 경우에는, 차체 컨트롤러(6)는, Nec에 대응한 회전수(예를 들어 도 6의 C2-D2)와 최대 출력 토크(예를 들어 도 6의 M1점의 토크)를 목표 회전수 및 필요 최대 토크로서 결정한다(스텝 S190). 계속해서, 차체 컨트롤러(6)는, 결정한 목표 회전수를 엔진 컨트롤러(2)에 출력함으로써, 엔진 회전수를 상승시키는 목표 회전수 상승 제어를 행한다(스텝 S200). 동시에 차체 컨트롤러(6)는, 유압 펌프(7)의 최대 토크 제어를 행한다. 이 최대 토크 제어에는, 스텝 S180과 마찬가지로, 엔진 회전수가 1600rpm보다도 낮은 동안에 행하여지는 엔진 회전수 상승 시의 엔진 정지 방지 제어와, 엔진 회전수 상승 후의 필요 최대 출력 마력 도달 제어가 포함된다. 이들의 제어의 상세는, 상승 전의 목표 회전수가 스텝 S120에서 설정된 오토 아이들 제어의 지정 아이들 회전수(Ni)인 점을 제외하고, 스텝 S180에서 설명한 것과 실질적으로 동일하다.

이상과 같이 차체 컨트롤러(6)는, 스텝 S180 또는 S200에서, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 설정된 목표 회전수가 저회전수 영역(NL)(제2 회전수 영역)에 있고, 유압 액추에이터(10, 11)가 구동되지 않을 때는 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 설정된 목표 회전수를 디젤 엔진(1)에 지시하고, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 설정된 목표 회전수가 저회전수 영역(NL)(제2 회전수 영역)에 있고, 유압 액추에이터(10, 11)가 구동되었을 때는, 고회전수 영역(NH)(제1 회전수 영역) 내의 회전수로 목표 회전수를 상승시키고, 이 상승한 목표 회전수를 디젤 엔진(1)에 지시한다.

또한, 차체 컨트롤러(6)는, 스텝 S160 내지 S180에서, 유압 액추에이터(10, 11)가 구동되어 목표 회전수를 고회전수 영역(NH)(제1 회전수 영역) 내의 회전수로 상승시킬 때, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 설정된 목표 회전수에서의 필요 최대 출력 마력을 계산하고, 디젤 엔진(1)의 회전수가 고회전수 영역(NH)까지 상승했을 때, 유압 펌프(7)의 흡수 마력이 필요 최대 출력 마력을 초과하지 않도록 유압 펌프(7)의 최대 토크를 제어한다.

또한, 차체 컨트롤러(6)는, 스텝 S180, S200에서, 유압 액추에이터(10, 11)가 구동되어 목표 회전수를 고회전수 영역(NH)(제1 회전수 영역) 내의 회전수로 상승시킬 때, 디젤 엔진(1)의 회전수가 저회전수 영역(NL)(제2 회전수 영역) 내에 있는 동안에는 디젤 엔진(1)의 출력 토크가 제한된 최대 출력 토크를 초과하지 않도록 유압 펌프(7)의 최대 토크를 제어한다.

~ 동작예 ~

이어서, 도 4와 도 5 및 도 6을 참조하면서 시스템의 동작예를 설명한다.

도 5는, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 목표 회전수가 저회전수 영역(NL)의 1400rpm으로 설정된 경우의 시스템의 동작예를 나타내고, 도 6은, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 목표 회전수가 최대로 설정되어 있는 경우의 시스템의 동작예를 나타낸다.

먼저, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 목표 회전수가 1400rpm으로 설정된 경우에 대해서 설명한다.

통상의 유압 셔블의 디젤 엔진 회전수는, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 설정된다. 도 5에, 종래 기계로 엔진 회전수를 설정한 경우에, 그 회전수로 디젤 엔진에 걸릴 수 있는 최대 토크(필요 최대 토크)의 라인(Tr)을 일점 쇄선으로 나타냈다. 이 토크는, 디젤 엔진(1)의 목표 회전수를 저회전수 영역(NL) 내로 설정했을 때 유압 펌프(7)에 요구되는 최대 토크이며, 점선으로 나타낸 종래의 디젤 엔진이 출력할 수 있는 최대 출력 토크에 맞춰서 그것보다 작은 값이다. 본 발명에서, 저속 회전수 영역(NL)에서 중간 토크의 특성(Xa)에 제한된 최대 출력 토크는, 그 요구 최대 토크보다도 작다. 따라서, 1000 내지 1600rpm의 저회전수 영역(NL)에서 본 발명의 엔진(1)에 종래 기계와 동일한 최대 토크를 작용시킨 경우에는, 토크가 부족하여, 엔진이 정지해버린다.

여기서, 엔진 회전수의 설정은, 주로, 아이들링 중의 엔진 소리를 낮추고 싶다는 목적과, 최대 출력 마력을 제한하고 싶다는 2개의 목적으로 사용된다. 따라서 본 발명에서는, 예를 들어 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 아이들 회전수가 1400rpm으로 설정된 경우에, 작업 부하가 걸리면, 차체 컨트롤러(6)는, 통상의 디젤 엔진으로 1400rpm 시에 내야 할 출력 마력(B점)과 동일한 출력 마력이 얻어지도록, 고토크 출력의 고회전수 영역(NH)에 목표 회전수를 상승시키고, 이 목표 회전수를 엔진 컨트롤러(2)에 출력함과 함께, 상승한 목표 회전수로 동 출력 마력의 점(C1점)이 최대 출력 마력점으로 되도록 동작시킨다(도 4의 스텝 S100→S140→S150 내지 S180). 이때, 차체 컨트롤러(6)는, 엔진의 회전수 제어와 연동하여, 가변 용량 유압 펌프(7)의 배기 용적을 동시에 제어하고, 유압 부하가 엔진의 Xa로 나타내어지는 제한된 최대 출력 토크를 초과하지 않도록 하면서(엔진 정지 방지 제어), 또한 요구되는 액추에이터의 응답성을 확보하면서, 최대 부하의 경우에 최대 출력 점의 C1점까지 유도한다(필요 최대 출력 마력 도달 제어).

셔블의 작업 중에는, 엔진은 정속 제어(아이소크로노스 제어)되고, 유압 부하 변동에 의해, C1 내지 D1점에서 동작한다. 작업을 중단하고 조작 레버를 중립으로 되돌린 후, 부하가 걸리지 않는 상태(D1점)가 일정 시간 계속되면, 차체 컨트롤러(6)는 엔진 회전을 저하시키고, 원래의 회전수(A1점)로 되돌린다(도 4의 스텝 S210→S110→S120). 또한, C1점, D1점은, 도 5에서는, 1700rpm에 있지만, 1600 내지 2000rpm의 사이에 있으면 그 이외의 회전수이어도 된다.

이어서, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 목표 회전수가 최대의 2000rpm으로 설정되어 있는 경우에 대해서 설명한다.

도 6에서, 엔진 회전수 지시 다이얼(12)에 의해 목표 회전수가 최대로 설정되어 있는 경우에는, 차체 컨트롤러(6)는, 그 목표 회전수를 엔진 컨트롤러(2)에 출력하고, 엔진(1)은 최대 출력을 낼 수 있는 정격 회전수의 2000rpm(C2점 내지 D2점) 부근에서 동작한다(도 4의 스텝 S150→S190→S200). 다이얼(12)을 최대로 설정했을 때라도, 에너지 절약이나 소음 저하를 위해, 차체 컨트롤러(6)는, 오토 아이들 기능에 의해, 레버 중립이 계속되면, 오토 아이들 회전수(A2점)까지 엔진 회전수를 저하시키도록 제어한다(도 4의 스텝 S210→S110120). 오토 아이들 회전수 시, 조작 레버 장치(13)가 입력되고, 가령, 최대 작업 부하가 걸리면, 도 5의 1400rpm 설정 시와 마찬가지로, 차체 컨트롤러(6)는, 최대 출력 마력점 근방의 점(C2점)에 엔진 회전수를 높여서 동작시킨다(스텝 S100→S140→S150→S190→S200). 이때, 차체 컨트롤러(6)는, 디젤 엔진(1)의 회전수 제어와 연동하여, 가변 용량 유압 펌프(7)의 배기 용적을 동시에 제어하고, 유압 부하가 엔진의 Xa로 나타내어진 제한된 최대 출력 토크를 초과하지 않도록 하면서(엔진 정지 방지 제어), 또한 요구되는 액추에이터의 응답성을 확보하면서, 최대 부하의 경우에 최대 출력 점의 C2점까지 유도한다(필요 최대 출력 마력 도달 제어).

또한, 본 발명에 의한 작업 기계의 운전은, 정속 제어(아이소크로노스 제어)에 한하지 않고, 예를 들어 역 드룹 특성을 갖게 하거나, 기타 방법을 사용함으로써, 엔진 회전수를 가변해도 된다(C3 내지 D3점).

이상과 같이 본 실시 형태에서는, 디젤 엔진(1)을, 저회전수 영역(NL)(제2 회전수 영역)에서, 디젤 엔진(1)의 최대 출력 토크가 정격 회전수(2000rpm)에서의 최대 출력 마력점(M1)의 토크보다도 작은 중간 토크의 특성(Xa)이 되도록 최대 출력 토크를 제한하는 엔진으로 함으로써, 엔진 회전수 대 출력 토크 선도 상의 토크 출력 영역이 종래보다도 좁아지기 때문에, 엔진 컨트롤러(2)에 있어서의 연소 최적화 기술의 적용이 용이하게 되고, 배기 가스 중에 포함되는 유해 물질의 저감이 용이하게 된다. 예를 들어, 저회전수 영역(NL)에서의 제한된 최대 출력 토크(중간 토크) 이하의 저토크의 출력 영역에서는, 예혼합 연소와 같은 연소 개선책을 적용하여, 상용되는 고회전수 영역(NH)에서의 극히 일부의 고토크 영역에서는 확산 연소이면서, 확산 연소 조건에 연소를 최적화할 수 있다. 또한, 토크 출력 영역이 좁아지고, 예혼합 연소와 확산 연소를 오고 가는 루트(빈도)가 줄어들기 때문에, 2종의 연소의 전환 조건도 간단해진다. 이들에 의해 선진국 지역에서의 배출 가스 규제에서 요구되는 기준값을 하회하는 레벨까지, 배기 가스 중에 함유되는 유해 물질을 저감할 수 있다.

또한, 상기와 같이 저회전수 영역(NL)에서의 디젤 엔진의 최대 출력 토크가 중간의 토크값으로 제한된 경우에도, 유압 액추에이터가 구동되고, 그에 따라 엔진(1)의 부하 토크가 증가할 때, 목표 회전수가 고회전수 영역(NH) 내의 회전수로 상승하기 때문에, 엔진(1)의 출력 토크는 제한된 최대 출력 토크(중간의 토크값)보다도 큰 필요 최대 토크까지 증가 가능하게 되어, 작업 기계로서 요구되는 출력 토크가 얻어져, 조작성을 확보할 수 있다.

<제2 실시 형태>

이어서, 본 발명에 의한 제2 실시 형태인 작업 기계의 시스템을, 도 7을 사용해서 설명한다.

도 7에서, 본 실시 형태의 작업 기계의 시스템은, 디젤 엔진(1)과 전동기(24)와 인버터(26)와 축전 장치(27)를 구비하고 있다. 디젤 엔진(1)과 전동기(24)는 동력 유닛(25)을 구성하고, 전동기(24)의 출력축은, 엔진 본체(4)의 출력축에 결합되어, 양자에서 유압 펌프(7)를 구동하도록 되어 있다. 전동기(24)는, 인버터(28)에 의해 제어되고, 축전 장치(27)에 전기적으로 접속되어 있다.

도 8은 동력 유닛(25)의 디젤 엔진(1)과 전동기(24)를 도시하는 도면이다. 전동기(24)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 엔진 본체(4)의 동력 축에, 플라이휠 대신에 전동기(24)의 로터부(도시되지 않음)를 직결함으로써, 일체의 동력 유닛(25)으로서 구성되어 있고, 하드웨어적으로는, 디젤 엔진(1)과 동등하게 취급할 수 있다.

도 9는, 전동기(24)에 의한 토크 어시스트를 포함한 동력 유닛(25)의 최대 출력 토크 선도의 일례를 도시하는 도면이다.

전동기(24)를 엔진 본체(4)와 조합함으로써, 도 9에 도시한 바와 같이, 전동기(24)의 출력 토크를 디젤 엔진(1)에 가하여, 일점 쇄선으로 나타낸 필요한 출력 토크를 확보할 수 있다.

이렇게 엔진(1)과 전동기(24)의 조합을 동력 유닛(25)으로서 취급하면, 유압 시스템측에서 특별한 제어를 행하지 않아도, 표준적인 디젤 엔진과 마찬가지로, 유압 셔블을 동작시킬 수 있다. 또한, 전동기(24)의 출력 토크를 크게 하면, 디젤 엔진(1)의 출력에 대하여, 더 큰 부하 출력의 기계를 운전할 수 있다.

단, 축전 장치(27)가 갖는 전기 에너지는 유한하므로, 유압 부하가 작을 때 전동기(24)에 마이너스 토크를 인가해서 발전 동작시켜 축전 장치(27)를 충전하거나, 도시되지 않은 별도의 전력 회생 수단 등으로부터 충전하거나 하여, 축전 장치(27)가 갖는 전기 에너지를 적절한 범위로 유지하는 제어를 별도로 행할 필요가 있다.

<기타>

도 10 내지 도 17에 본 발명에 기초하는 다양한 엔진의 최대 출력 토크 특성(Xb 내지 Xi)의 예를 나타낸다. 이것들은 모두 본 발명의 개념에 포함된다.

이상과 같이, 본 발명의 골자는, 도 3 또는 도 10 내지 17에 도시된 바와 같은, 최대 출력 토크를 제한한 디젤 엔진(1)을 사용해서, 작업 기계측 시스템에 의한 엔진 회전수 제어, 가변 용량 유압 펌프(7)의 배기 용량 제어, 또는 전동기 제어를 조합하여, 작업 기계를 동작시키는 것이다.

또한, 실시 형태에서는, 작업 기계로서 유압 셔블을 예로 나타냈지만, 본 발명은, 휠 로더, 포크리프트, 크레인 등, 유압 펌프에 의해 구동되는 유압 액추에이터를 구비한, 모든 작업 기계에 대하여 적용 가능하다. 또한, 작업 기계의 경우, 유압 펌프에 의해 구동되는 유압 액추에이터는 복수인 경우가 많지만, 단일한 유압 액추에이터이어도 된다(예를 들어 포크리프트 등).

1 : 디젤 엔진 2 : 엔진 컨트롤러
3 : 연료 분사 장치 4 : 엔진 본체
5 : 파티큘레이트 필터 6 : 차체 컨트롤러
7 : 유압 펌프 8 : 에어컨·보조 기계류
9 : 컨트롤 밸브 10 : 유압 모터
11 : 유압 실린더
12 : 엔진 회전수 지시 다이얼(회전수 지시 장치)
13 : 조작 레버 장치 14 : 유압 셔블 시스템
15 : 촉매 장치 24 : 전동기
25 : 동력 유닛 26 : 인버터
27 : 축전 장치

Claims

디젤 엔진과,
상기 디젤 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와,
상기 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 유압 액추에이터를 구비한 작업 기계에 있어서,
상기 디젤 엔진은, 최대 출력 마력점을 갖는 정격 회전수를 포함하는 제1 회전수 영역과, 상기 제1 회전수 영역보다도 회전수가 낮은 제2 회전수 영역을 갖고, 상기 제2 회전수 영역에서의 상기 디젤 엔진의 최대 출력 토크는, 상기 제1 회전수 영역에서의 상기 최대 출력 마력점의 토크보다도 작은 중간 토크의 특성이 되도록 엔진 컨트롤러에 의해 연료 분사량이 제어되고, 출력이 제한되는 것을 특징으로 하는 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 제2 회전수 영역에서 제한된 최대 출력 토크는, 상기 디젤 엔진의 목표 회전수를 상기 제2 회전수 영역 내에 설정하고, 그 회전수로 상기 작업 기계를 구동하려고 했을 때 상기 유압 펌프가 출력해야 할 최대 토크보다도 작은 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 제2 회전수 영역에서 제한된 최대 출력 토크는 상기 디젤 엔진의 최대 출력 토크 점의 토크의 75％ 이하인 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 제1 회전수 영역은, 상기 디젤 엔진의 최대 출력 토크 점의 회전수를 포함하고, 또한 상기 최대 출력 토크 점의 회전수는 상기 정격 회전수의 75％를 초과하는 회전수이며,
상기 제2 회전수 영역은, 상기 디젤 엔진의 최대 출력 토크 점의 회전수보다도 낮은 회전수 영역인 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 디젤 엔진은, 연료 분사 장치와, 이 연료 분사 장치를 제어하는 전자 제어 장치를 포함하고, 상기 전자 제어 장치가 상기 연료 분사 장치로부터 공급되는 연료 분사량을 제한함으로써 상기 최대 출력 토크를 제한하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 디젤 엔진은, 상기 제2 회전수 영역에서 예혼합 연소를 행하도록 연료 분사 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항 또는 제6항에 있어서,
상기 디젤 엔진은, 상기 제1 회전수 영역에서, 저토크측에서 예혼합 연소를 행하고, 고토크측에서 확산 연소를 행하도록 연료 분사 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 디젤 엔진은 실제 회전수를 목표 회전수에 맞추는 회전수 제어에 의해 회전수와 토크를 제어하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 디젤 엔진은, 배출 가스에 포함되는 입자상 물질을 제거하기 위한 필터와 촉매 중 적어도 하나를 장비하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 디젤 엔진과 병용해서 상기 유압 펌프를 구동하는 전동기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서,
상기 디젤 엔진의 목표 회전수를 설정하기 위한 회전수 지시 장치와,
상기 회전수 지시 장치에 의해 설정된 목표 회전수가 상기 제2 회전수 영역에 있고, 상기 유압 액추에이터가 구동되지 않을 때는 상기 회전수 지시 장치에 의해 설정된 목표 회전수를 상기 디젤 엔진에 지시하고, 상기 회전수 지시 장치에 의해 설정된 목표 회전수가 상기 제2 회전수 영역에 있고, 상기 유압 액추에이터가 구동되었을 때는, 상기 제1 회전수 영역 내의 회전수로 목표 회전수를 상승시키고, 이 상승한 목표 회전수를 상기 디젤 엔진에 지시하는 제어 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제11항에 있어서,
상기 유압 펌프가 가변 용량형 유압 펌프이며,
상기 제어 장치는, 상기 유압 액추에이터가 구동되어 목표 회전수를 상기 제1 회전수 영역 내의 회전수로 상승시킬 때, 상기 회전수 지시 장치에 의해 설정된 목표 회전수에서의 필요 최대 출력 마력을 계산하고, 상기 디젤 엔진의 회전수가 상기 제1 회전수 영역까지 상승했을 때, 상기 유압 펌프의 흡수 마력이 상기 필요 최대 출력 마력을 초과하지 않도록 상기 유압 펌프의 최대 토크를 제어하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 유압 펌프가 가변 용량형 유압 펌프이며,
상기 제어 장치는, 상기 유압 액추에이터가 구동되어 목표 회전수를 상기 제1 회전수 영역 내의 회전수로 상승시킬 때, 상기 디젤 엔진의 회전수가 상기 제2 회전수 영역 내에 있는 동안에는 상기 디젤 엔진의 출력 토크가 상기 제한된 최대 출력 토크를 초과하지 않도록 상기 유압 펌프의 최대 토크를 제어하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
최대 출력 마력점을 갖는 정격 회전수를 포함하는 제1 회전수 영역, 및 상기 제1 회전수 영역보다도 회전수가 낮은 제2 회전수 영역을 갖고, 상기 제2 회전수 영역에서의 최대 출력 토크가, 상기 제1 회전수 영역에서의 상기 최대 출력 마력점의 토크보다도 작은 중간 토크의 특성이 되도록 엔진 컨트롤러에 의해 연료 분사량이 제어되고, 출력이 제한되는 디젤 엔진과,
상기 디젤 엔진과 병용해서 유압 펌프를 구동하는 전동기를 일체화한 것을 특징으로 하는 동력 유닛.
작업 기계에 구비되고,
최대 출력 마력점을 갖는 정격 회전수를 포함하는 제1 회전수 영역, 및 상기 제1 회전수 영역보다도 회전수가 낮은 제2 회전수 영역을 갖고, 상기 제2 회전수 영역에서의 최대 출력 토크가, 상기 제1 회전수 영역에서의 상기 최대 출력 마력점의 토크보다도 작은 중간 토크의 특성이 되도록 엔진 컨트롤러에 의해 연료 분사량이 제어되고, 출력이 제한되는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 디젤 엔진.