(57)【要約】【課題】作業機械の冷却制御装置に関し、作業環境に応じて柔軟に冷却ファンの回転数を制御する。【解決手段】エンジン１の吸気通路１４上に介装された吸気冷却装置２を冷却ファン３で冷却する冷却制御装置において、吸気通路１４上における吸気冷却装置２の下流側の吸気温度ＴCと外気温度ＴAとを検出し、これらの吸気温度ＴC及び外気温度ＴAに基づいて冷却ファン３の回転数ＮFを制御する。  吸気温度ＴCが第一閾値以上であるときに回転数ＮFを増大させるとともに、吸気温度ＴCが該第一閾値よりも小さい第二閾値未満であるときに回転数ＮFを減少させ、ヒステリシス特性を与える。また、外気温度ＴAに応じて該第一閾値及び該第二閾値を変更する。【選択図】図２
2010270712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機械に搭載されたエンジンと、
該作業機械の外部から該エンジンへと吸気を導入する吸気通路上に介装された吸気冷却装置と、
外気により該吸気冷却装置を冷却する冷却ファンと、
外気温度を検出する外気温度検出手段と、
該吸気通路上における該吸気冷却装置よりも下流側の吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、
該外気温度検出手段で検出された該外気温度及び該吸気温度検出手段で検出された該吸気温度に基づき、該冷却ファンの回転数を制御する回転数制御手段と、を備え、
該回転数制御手段が、
該吸気温度が第一閾値以上であるときに該冷却ファンの回転数を増大させるとともに、該吸気温度が該第一閾値よりも小さい第二閾値未満であるときに該冷却ファンの回転数を減少させるヒステリシス制御手段と、
該外気温度に応じて、該第一閾値及び該第二閾値を変更する閾値変更手段と、を有する
ことを特徴とする、作業機械の冷却制御装置。
【請求項２】
該閾値変更手段において、該外気温度が高温であるほど、該第一閾値及び該第二閾値を大きく設定する
ことを特徴とする、請求項１記載の作業機械の冷却制御装置。
【請求項３】
該閾値変更手段において、該外気温度と該吸気温度との温度差が一定となるように該第一閾値及び該第二閾値を設定する
ことを特徴とする、請求項２記載の作業機械の冷却制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業機械に搭載されたエンジンの吸気を冷却する冷却制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、油圧ショベルに代表される作業機械において、過給器付きのエンジンを搭載したモデルが開発されている。過給器付きのエンジンでは、燃焼室へ導入される吸入空気が過給器での圧縮に伴って昇温するため、インタークーラーやアフタクーラなどの吸気冷却装置を用いて圧縮後の吸入空気を冷却している。
例えば、特許文献１には、エンジン直動式の冷却ファンにクラッチを設け、その冷却ファンの正面にエンジン吸気を冷却するインタークーラー用の熱交換器を設置した作業機械が記載されている。この技術では、インタークーラー用の熱交換器が、エンジン冷却水の冷却に係るラジエータ用の熱交換器や作動油の冷却に係るオイルクーラ用の熱交換器に集合されており、各熱交換器内を流通する冷媒の温度に応じて、冷却ファンの回転数を制御している。このような構成により、低速運転時には騒音を低減でき、高速運転時には冷却性能を確保できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２４５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１の記載された技術では、各熱交換器内を流通する冷媒温度に基づき、ヒステリシス特性を有する判定部によりそれらの冷媒温度の高低を判断して、冷却ファンの回転速度を設定している。例えば、吸気温度が所定の基準値を超えて上昇すると冷却ファンの回転速度が高速に制御され、吸気温度がその基準値よりも低い第二の基準値以下まで低下すると冷却ファンの回転数が低速に制御されることになる。
【０００５】
しかしながら、エンジンの燃焼室に要求される吸気温度は外気温に依存して変化する。一方、従来の制御では外気温に関わらず吸気温度が一定の範囲に制御されることになり、必ずしもエンジンでの最適燃焼を確保するための吸入空気温度に合わせたファン回転数を維持することができないという課題がある。
また、吸気温度は外気温の変動の影響を受けやすく、作業機械の稼働場所が同一であっても、作業時間によって吸気温度が大きく変動する。そのため、上述の特許文献１に記載されたような制御では、冷却ファンの回転速度を変化させる基準値の設定が難しいという課題もある。
【０００６】
つまり、吸気温度の基準値が低すぎれば冷却ファンの回転速度が常に高速に制御されることになり、騒音や燃費の面で不利となる。一方、基準値が高すぎればエンジン燃焼室内での空燃比や圧縮比を最適化することができない。特に、過酷な自然環境で使用されうる油圧ショベルのような作業機械では、自動車やトラック等の乗用車と比較して、画一的な作業環境を想定することが難しく、その結果、制御に係る閾値の最適な設定も難しいという実情がある。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、作業環境に応じて柔軟に冷却ファンの回転数を制御することができるようにした、作業機械の冷却制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明の作業機械の冷却制御装置は、作業機械に搭載されたエンジンと、該作業機械の外部から該エンジンへと吸気を導入する吸気通路上に介装された吸気冷却装置と、外気により該吸気冷却装置を冷却する冷却ファンと、外気温度を検出する外気温度検出手段と、該吸気通路上における該吸気冷却装置よりも下流側の吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、該外気温度検出手段で検出された該外気温度及び該吸気温度検出手段で検出された該吸気温度に基づき、該冷却ファンの回転数を制御する回転数制御手段と、を備え、該回転数制御手段が、該吸気温度が第一閾値以上であるときに該冷却ファンの回転数を増大させるとともに、該吸気温度が該第一閾値よりも小さい第二閾値未満であるときに該冷却ファンの回転数を減少させるヒステリシス制御手段と、該外気温度に応じて、該第一閾値及び該第二閾値を変更する閾値変更手段と、を有することを特徴としている。
【０００９】
なお、該冷却ファンが、クラッチ等を介して（又は直接的に）該エンジンの駆動軸に接続された直動式の冷却ファンであってもよいし、あるいは、単独で作動する電動式，油圧式の冷却ファンであってもよい。
また、請求項２記載の本発明の作業機械の冷却制御装置は、請求項１記載の構成に加え、該閾値変更手段において、該外気温度が高温であるほど、該第一閾値及び該第二閾値を大きく設定することを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３記載の本発明の作業機械の冷却制御装置は、請求項２記載の構成に加え、該閾値変更手段において、該外気温度と該吸気温度との温度差が一定となるように該第一閾値及び該第二閾値を設定することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の作業機械の冷却制御装置（請求項１）によれば、第一閾値及び第二閾値を外気温度に応じて変更することにより、冷却ファンの回転数を柔軟に制御することが可能となる。
また、本発明の作業機械の冷却制御装置（請求項２）によれば、外気温度が高温であるほど第一閾値及び第二閾値を大きくすることにより、外気温度が高い状態での冷却ファンの過回転を抑制することができる。つまり、冷却ファンの回転数を低めに維持することが可能となり、冷却ファンの回転によって生じうる騒音や振動を低減することができるほか、作業機械の燃費を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の作業機械の冷却制御装置（請求項３）によれば、外気温度と吸気温度との温度差が一定となるように第一閾値及び第二閾値を設定することで、冷却ファンの動作を安定させることができる。例えば、外気温度が上昇する日中の作業時であっても、外気温度が低下する夜間の作業時であっても、冷却ファンの制御が同様となるため、騒音や燃費の面で有利となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷却制御装置が適用された作業機械を示す斜視図である。
【図２】本冷却制御装置の全体構成を示す模式図である。
【図３】本冷却制御装置に設定されたヒステリシス特性を示すグラフである。
【図４】本冷却制御装置による制御内容を示すフローチャートである。
【図５】変形例としての冷却制御装置に設定されたヒステリシス特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
［１．全体構成］
本発明は、図１に示す油圧ショベル１０に適用される。この油圧ショベル１０は、クローラ式の走行装置を装備した下部走行体１１と、下部走行体１１の上に旋回自在に搭載された上部旋回体１２とを備える。上部旋回体１２の車両前方側には、アーム部材，ブーム部材等からなるフロント作業機１９や、オペレータが搭乗するキャブ１８が設けられる。また、上部旋回体１２の最後端部にはカウンタウェイト１７が配設され、その直前方にエンジンルーム１３が形成される。
【００１５】
図２を用いてエンジンルーム１３について詳述する。エンジンルーム１３の内部には、油圧ショベル１０の駆動源であるエンジン１，インタークーラー２，冷却ファン３，吸気フィルタ８及びマフラ９が配置される。エンジン１及び吸気フィルタ８は、吸気通路をなす管状の吸気マニホールド１４によって接続される。また、エンジン１及びマフラ９は、排気通路をなす管状の排気マニホールド１６によって接続される。
【００１６】
吸気フィルタ８は吸気マニホールド１４の先端に設けられ、図１に示すように、エンジンルーム１３の機体側方に配置される。エンジン１へ吸い込まれる吸気は、機外から吸気フィルタ８を介して取り込まれる。
同様に、マフラ９は排気マニホールド１６の先端に設けられ、図１に示すように、エンジン１に隣接して配置される。なお、マフラ９には、上方に向けてエンジンルーム１３の外部へ突き出た排気筒９ａが設けられる。これにより、エンジン１の排気ガスは機外へ排出される。
【００１７】
図２に示すように、エンジン１にはターボチャージャー７（過給器）が併設される。ターボチャージャー７は、吸気マニホールド１４及び排気マニホールド１６の双方にまたがって配設され、排気圧を利用してタービン７ａ及び同軸のコンプレッサ７ｂを回転させることにより吸気圧を高める機能を持つ。吸気マニホールド１４から吸い込まれる吸気は、ターボチャージャー７によって圧縮加熱され、エンジン１の燃焼室１５に過給される。
【００１８】
吸気マニホールド１４におけるターボチャージャー７の下流側には、インタークーラー２（吸気冷却装置）が接続される。インタークーラー２は、圧縮加熱された吸気を冷却するための装置である。図１に示すように、インタークーラー２の前面には冷却ファン３が配置される。冷却ファン３によって機外からエンジンルーム１３内へ導入された冷却風がインタークーラー２を冷却し、すなわちインタークーラー２の内部を流通する吸気を冷却する。
【００１９】
冷却ファン３は、図示しない油圧ポンプを駆動源とした油圧モータ式可変スピードファンであり、モータ３ａへの電子制御指令値を変更することによって、ファン３ｂの回転数を任意に制御することができるものである。モータ３ａには、コントローラ６（回転数制御手段）が接続される。
上記のような油圧モータ式の冷却ファン３の代わりに、クラッチ等を介してエンジン１の駆動軸に接続された直動式の冷却ファンを用いてもよいし、電動式の冷却ファンを用いてもよい。少なくとも、ファン３ｂの回転数が制御されるものであればよい。
【００２０】
吸気マニホールド１４におけるインタークーラー２の下流側（インタークーラー２の出口近傍）には、冷却された吸気の温度ＴCを検出する吸気温度センサ５（吸気温度検出手段）が設けられる。図２中に示す白矢印は、エンジン１の燃焼室１５へ吸い込まれる吸気及び排気ガスの流通方向を示している。ここで検出された吸気温度ＴCは、コントローラ６へ入力される。また、コントローラ６には、外気温度センサ４（外気温度検出手段）で検出された外気温度ＴAも併せて入力される。
【００２１】
外気温度センサ４の配設位置は、外気温度ＴAを検出する位置であれば任意であり、図１に示すようにエンジンルーム１３の機体側方としてもよいし、エンジンルーム１３の外側としてもよい。又は、吸気マニホールド１４におけるターボチャージャー７よりも上流側や、吸気フィルタ８の近傍としてもよい。
【００２２】
［２．制御構成］
コントローラ６は、マイクロコンピュータで構成された電子制御装置であり、例えば周知のマイクロプロセッサやＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスとして提供されている。
【００２３】
図２に示すように、コントローラ６には、前述の外気温度センサ４及び吸気温度センサ５が接続されており、これらのセンサ４，５から入力される吸気温度ＴC及び外気温度ＴAに基づいて冷却ファン３の回転数を制御する。このコントローラ６は、ヒステリシス制御部６ａ（ヒステリシス制御手段）及び閾値変更部６ｂ（閾値変更手段）を備えて構成される。
【００２４】
ヒステリシス制御部６ａは、吸気温度ＴCの高低を判断して冷却ファン３の回転数ＮFを設定し、モータ３ａへの電子制御指令値を出力するものである。なお、冷却ファン３によって冷却される吸気の熱容量は小さいため、吸気温度ＴCと回転数ＮFとが一対一の関係となるように制御すると、ハンチングが発生する可能性がある。そこで、ヒステリシス制御部６ａで設定される吸気温度ＴCと回転数ＮFとの対応関係にはヒステリシス特性が与えられている。
【００２５】
すなわち、図３中に実線で示すように、吸気温度ＴCの増加時には、吸気温度ＴCが第一閾値ＴC1以上となった場合に、回転数ＮFを増大させてＮF1とする。一方、吸気温度ＴCの減少時には、第一閾値ＴC1よりも小さい第二閾値ＴC2を用いて、吸気温度ＴCが第二閾値ＴC2未満となった場合に、回転数ＮFを減少させてＮF0とする。これにより、吸気温度ＴCが第一閾値ＴC1や第二閾値ＴC2の近傍で変動したとしても、制御ハンチングが発生しない。
【００２６】
閾値変更部６ｂは、外気温度ＴAに応じてヒステリシス制御部６ａでの判定に係る第一閾値ＴC1及び第二閾値ＴC2を変更するものである。ここでは、外気温度ＴAが高温であるほど、第一閾値ＴC1及び該第二閾値ＴC2が高くなるような変更がなされる。
まず、外気温度ＴAが第一温度Ｔ1未満である場合には、第一閾値ＴC1及び第二閾値ＴC2を変更しない。一方、外気温度ＴAが第一温度Ｔ1以上かつ第二温度Ｔ2未満である場合には、図３中に破線で示すように、第一閾値ＴC1及び第二閾値ＴC2をそれぞれ大きくし、第三閾値ＴC3及び第四閾値ＴC4とする。さらに、外気温度ＴAが第二温度Ｔ2以上である場合には、図３中に一点鎖線で示すように、第一閾値ＴC1及び第二閾値ＴC2をさらに大きくし、第五閾値ＴC5及び第六閾値ＴC6とする。なお、これらの閾値の大小関係は、ＴC1＜ＴC3＜ＴC5，ＴC2＜ＴC4＜ＴC6である。
【００２７】
［３．フローチャート］
図４のフローチャートを用いて、本冷却制御装置による制御内容を説明する。このフローは、コントローラ６において繰り返し実施される。また、このフローでは制御用のフラグＦが用いられている。Ｆ＝０の状態は回転数ＮFをＮF0とした制御状態に対応しており、Ｆ＝１の状態は回転数ＮFをＮF1とした制御状態に対応している。
【００２８】
ステップＡ１では、外気温度ＴA及び吸気温度ＴCが読み込まれる。以下、ステップＡ２〜Ａ２９は外気温度ＴA及び吸気温度ＴCに基づいてフラグＦの状態を判定，変更する制御に対応しており、ステップＡ３０〜Ａ３２はフラグＦに応じて冷却ファン３のモータ３ａへ電子制御指令値を出力する制御に対応している。
ステップＡ２〜Ａ２９は、三種類のフローに分類される。ここには、外気温度ＴAに応じて異なる三種類の条件判定がなされる。まずステップＡ２では、外気温度ＴAが第一温度Ｔ1未満であるか否かが判定され、ＴA＜Ｔ1である場合にはステップＡ３へ進む。
【００２９】
一方、ＴA≧Ｔ1である場合にはステップＡ１２へ進み、外気温度ＴAが第一温度Ｔ1以上かつ第二温度Ｔ2未満であるか否かが判定される。ここで、Ｔ1≦ＴA＜Ｔ2である場合にはステップＡ１３へ進み、そうでない場合（すなわち、Ｔ2≦ＴAである場合）にはステップＡ２３へ進む。
なお、ステップＡ３〜Ａ９は、図３中に実線で示すヒステリシス特性で回転数ＮFを制御するフローである。同様に、ステップＡ１３〜Ａ１９は破線で示す特性に対応し、ステップＡ２３〜Ａ２９は一点鎖線で示す特性に対応する。
【００３０】
ステップＡ３では、フラグＦがＦ＝０であるか否かが判定される。ここでＦ＝０である場合には、冷却ファン３の回転数ＮFがまだ低い状態であるため、第一閾値ＴC1のみを判定すればよいことになる。したがって、ステップＡ４へ進み、吸気温度ＴCが第一閾値ＴC1以上であるか否かが判定される。ここで、ＴC1≦ＴCである場合にはステップＡ７でフラグＦがＦ＝１に設定され、ＴC1＞ＴCである場合にはステップＡ６でフラグＦがＦ＝０に設定される。
【００３１】
また、ステップＡ３でＦ＝１である場合には、冷却ファン３の回転数ＮFが高い状態であるため、第二閾値ＴC2のみを判定すればよいことになる。したがって、ステップＡ５へ進み、吸気温度ＴCが第二閾値ＴC2以上であるか否かが判定される。ここで、ＴC＜ＴC2である場合にはステップＡ８でフラグＦがＦ＝０に設定され、ＴC≧ＴC2である場合にはステップＡ９でフラグＦがＦ＝１に設定される。
【００３２】
ステップＡ１３〜Ａ１９は、判定に係る閾値以外の制御内容がステップＡ３〜９と同一である。ステップＡ１３でフラグＦの状態が判定され、Ｆ＝０であれば吸気温度ＴCと第三閾値ＴC3とを比較し、Ｆ＝１であれば吸気温度ＴCと第四閾値ＴC4とを比較する。また、ステップＡ２３〜Ａ２９も、判定に係る閾値以外の制御内容がステップＡ３〜９と同一である。
【００３３】
ステップＡ２〜Ａ２９でのフラグＦの設定条件を以下にまとめる。
・Ｆ＝０かつＴCX＞ＴC、又は、Ｆ＝１かつＴC＜ＴCYであるときにＦ＝０に設定される。
・Ｆ＝０かつＴCX≦ＴC、又は、Ｆ＝１かつＴC≧ＴCYであるときにＦ＝１に設定される。
【００３４】
ただし、ＴA＜Ｔ1のとき、ＴCX＝ＴC1，ＴCY＝ＴC2  である。
Ｔ1≦ＴA＜Ｔ2のとき、ＴCX＝ＴC3，ＴCY＝ＴC4  である。
Ｔ2≦ＴAのとき、ＴCX＝ＴC5，ＴCY＝ＴC6  である。
このように、本冷却制御装置では、ヒステリシス特性に係る閾値ＴCX，ＴCYが外気温度ＴAに応じて変更される。また、閾値ＴCX，ＴCYは、外気温度ＴAが高温であるほどその値が大きくなるように変更されることがわかる。
【００３５】
続くステップＡ３０では、フラグＦがＦ＝０であるか否かが判定される。ここでＦ＝０であればステップＡ３１へ進み、冷却ファン３の回転数ＮFをＮF0とする電子制御指令値がモータ３ａへ出力される。これにより、冷却ファン３は低速回転で駆動されることになる。
一方、ステップＡ３０でＦ＝１であればステップＡ３２へ進み、冷却ファン３の回転数ＮFをＮF1とする電子制御指令値がモータ３ａへ出力される。この場合、冷却ファン３は高速回転で駆動されることになる。
【００３６】
［４．作用，効果］
このように、本冷却制御装置によれば、外気温度ＴAに応じてヒステリシス特性に係る閾値ＴCX，ＴCYを変更するため、冷却ファン３の回転数を柔軟に制御することができ、エンジン１の燃焼室１５に要求される吸気温度ＴCを外気温度ＴAに応じて調整することができる。つまり、外気温度ＴAに応じたエンジンでの最適燃焼を確保するための吸入空気温度に合わせたファン回転数を維持できる。
【００３７】
また、外気温度ＴAが高温になれば閾値ＴCX，ＴCYの値も大きくなるため、外気温度ＴAが高い状態での冷却ファン３の過回転を抑制することができる。例えば、図３に示すように、外気温度ＴAが第二温度Ｔ2以上である作業環境では、吸気温度ＴCが第六閾値ＴC6以上にならなければ冷却ファン３が低回転を維持する。したがって、冷却ファン３の回転によって生じうる騒音や振動を低減することができ、作業機械１０の燃費を向上させることができる。
【００３８】
［５．その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上述の実施形態では、外気温度ＴAの上昇量と閾値ＴCX，ＴCYの増加量との関係を規定していないが、上記の上昇量と増加量とを同一に設定することが考えられる。すなわち、外気温度ＴAと吸気温度ＴCとの温度差が一定になるように、各閾値ＴC1〜ＴC6を設定する。
【００３９】
例えば、図３中に実線で示すヒステリシス特性を基準として、外気温が１℃上昇すれば第一閾値ＴC1及び第二閾値ＴC2も１℃分増加させるような設定とする。上述の実施形態にあてはめれば、各閾値の差分（ＴC4−ＴC2やＴC3−ＴC1等）と第一温度Ｔ1及び第二温度Ｔ2の差分（Ｔ2−Ｔ1）とが等しくなるように、各閾値の値を設定すればよい。
このような閾値の設定により、冷却ファン３の動作を安定させることができる。例えば、外気温度ＴAが上昇する日中の作業時であっても、外気温度ＴAが低下する夜間の作業時であっても、ターボチャージャー７による吸気の温度上昇量が同一である限り冷却ファン３の回転数は変化しないことになり、騒音や燃費の面で有利となる。
【００４０】
また、吸気温度ＴCと回転数ＮFとの対応関係に関して、図５に示すように、回転数ＮFを段階的に増加させる制御としてもよい。このような制御により、吸気温度ＴCの冷却量を細かく調整することができ、正確に吸気温度ＴCを制御することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、冷却ファンでエンジンの吸気を冷却する、油圧ショベルや油圧式クレーン等の作業機械全般に利用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  エンジン
２  インタークーラー（吸気冷却装置）
３  冷却ファン
３ａ  モータ
３ｂ  ファン
４  外気温度センサ（外気温度検出手段）
５  吸気温度センサ（吸気温度検出手段）
６  コントローラ（回転数制御手段）
６ａ  ヒステリシス制御部（ヒステリシス制御手段）
６ｂ  閾値変更部（閾値変更手段）
７  ターボチャージャー（過給器）
７ａ  タービン
７ｂ  コンプレッサ
８  吸気フィルタ
９  マフラ
９ａ  排気筒
１０  油圧ショベル（作業機械）
１１  下部走行体
１２  上部旋回体
１３  エンジンルーム
１４  吸気マニホールド（吸気通路）
１５  燃焼室
１６  排気マニホールド（排気通路）
ＴC  吸気温度
ＴA  外気温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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