(57)【要約】【課題】建設機械のエンジン制御装置に関し、エンジンの要求負荷が増加した際に引き起こされるラグダウンを効果的に低減する。【解決手段】作業機３に作動油を供給する油圧ポンプ１３をエンジン１０の出力で駆動させ、エンジン１０の燃料噴射量を実回転数と目標回転数との偏差に基づいてフィードバック制御する建設機械のエンジン制御装置であって、作業機３の作動に応じて油圧ポンプ１３を駆動させるのに必要なエンジン１０の出力を要求負荷として演算する要求負荷演算部２２と、要求負荷演算部２２により要求負荷が演算された際に、要求負荷に応じて予め設定した燃料噴射増加量をエンジン１０の燃料噴射量に加算するフィードフォワード制御部３２とを備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機に作動油を供給する油圧ポンプをエンジンの出力で駆動させ、当該エンジンの燃料噴射量を実回転数と目標回転数との偏差に基づいてフィードバック制御する建設機械のエンジン制御装置であって、
前記作業機の作動に応じて前記油圧ポンプを駆動させるのに必要な前記エンジンの出力を要求負荷として演算する要求負荷演算手段と、
前記要求負荷演算手段により要求負荷が演算された際に、要求負荷に応じて予め設定した燃料噴射増加量を前記エンジンの燃料噴射量に加算するフィードフォワード制御手段と、を備えることを特徴とする建設機械のエンジン制御装置。
【請求項２】
前記燃料噴射増加量は、前記要求負荷が大きくなるほど増加するように設定されている請求項１記載の建設機械のエンジン制御装置。
【請求項３】
前記作業機の作業モードを、少なくとも前記作業機の作動性を向上させる第一の作業モード、もしくは、前記エンジンの燃費を向上させる第二の作業モードの何れかに切替可能な作業モード切替手段をさらに備え、
前記第二の作業モード時の要求負荷は、前記第一の作業モード時の要求負荷よりも小さく演算される請求項１又は２記載の建設機械のエンジン制御装置。
【請求項４】
前記フィードフォワード制御手段により燃料噴射量が増加された際に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が所定の判定閾値を超えた場合は、予め設定した前記燃料噴射増加量を減少補正する噴射量補正手段をさらに備える請求項１から３の何れかに記載の建設機械のエンジン制御装置。
【請求項５】
前記フィードフォワード制御手段により燃料噴射量が増加された際に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が所定の判定閾値を超えた場合は、演算される前記要求負荷を減少補正する要求負荷補正手段をさらに備える請求項１から４の何れかに記載の建設機械のエンジン制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械のエンジン制御装置に関し、特に、作業装置に作動油を供給する油圧ポンプをエンジンの出力で駆動する建設機械のエンジン制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フロント作業機を作動させる複数のアクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプを備え、この油圧ポンプをエンジンの出力で駆動する油圧ショベル等の建設機械が知られている。このような油圧ショベルは、例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
一般的に油圧ショベルは、エンジンの各種制御を行うエンジンコントローラと、建機側の各種制御を行う車体コントローラとを備えており、これらエンジンコントローラと車体コントローラとをＣＡＮ通信で相互通信可能に接続している。そして、建機側（特に、油圧ポンプ）が必要とするエンジンの目標回転数を車体コントローラからエンジンコントローラに入力すると共に、燃料噴射量をエンジンの目標回転数と実回転数との偏差に基づいてフィードバック制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１４５７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のような燃料噴射量のフィードバック制御を行う場合、車体コントローラ及びエンジンコントローラによる制御は以下の順序で処理される。１）フロント作業機が作動、２）エンジンの要求負荷が増加、３）エンジン回転数が低下、４）燃料噴射量を増加、５）燃料噴射量を調整して、エンジンの実回転数を目標回転数に収束させる。
【０００６】
すなわち、フィードバック制御においては、要求負荷に応じた燃料噴射量の増加はエンジン回転数が低下した後に実行されることになる。そのため、フロント作業機の作動開始時には、エンジン回転数を低下させる現象（以下、この現象をラグダウンとも称する）が引き起こされて、建設機械の作業性を悪化させるといった課題がある。また、このようなラグダウンを低減するためには、ＰＩＤ制御のゲインを高める等、制御パラメータを調整する必要があるが、その場合は定常負荷状態でも燃料噴射量の変動が大きくなるといった課題もある。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、エンジンの要求負荷が増加した際に引き起こされるラグダウンを効果的に低減することができる建設機械のエンジン制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、作業機に作動油を供給する油圧ポンプをエンジンの出力で駆動させ、当該エンジンの燃料噴射量を実回転数と目標回転数との偏差に基づいてフィードバック制御する建設機械のエンジン制御装置であって、前記作業機の作動に応じて前記油圧ポンプを駆動させるのに必要な前記エンジンの出力を要求負荷として演算する要求負荷演算手段と、前記要求負荷演算手段により要求負荷が演算された際に、要求負荷に応じて予め設定した燃料噴射増加量を前記エンジンの燃料噴射量に加算するフィードフォワード制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、前記燃料噴射増加量は、前記要求負荷が大きくなるほど増加するように設定されてもよい。
【００１０】
また、前記作業機の作業モードを、少なくとも前記作業機の作動性を向上させる第一の作業モード、もしくは、前記エンジンの燃費を向上させる第二の作業モードの何れかに切替可能な作業モード切替手段をさらに備え、前記第二の作業モード時の要求負荷は、前記第一の作業モード時の要求負荷よりも小さく演算されるものであってもよい。
【００１１】
また、前記フィードフォワード制御手段により燃料噴射量が増加された際に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が所定の判定閾値を超えた場合は、予め設定した前記燃料噴射増加量を減少補正する噴射量補正手段をさらに備えてもよい。
【００１２】
また、前記フィードフォワード制御手段により燃料噴射量が増加された際に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が所定の判定閾値を超えた場合は、演算される前記要求負荷を減少補正する要求負荷補正手段をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の建設機械のエンジン制御装置によれば、エンジンの要求負荷が増加した際に引き起こされるラグダウンを効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置が適用される建設機械の模式的な側面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置を示す模式的な全体構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置の回転数設定マップを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置の要求負荷設定マップを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置の噴射増加量マップを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置の車体コントローラによる制御内容を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置のエンジンコントローラによる制御内容を示すフローチャートである。
【図８】（ａ）は、本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置による噴射制御を示すタイムチャート、（ｂ）は、従来のエンジン制御装置による噴射制御を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１〜８に基づいて、本発明の一実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１６】
まず、図１に基づいて、本実施形態のエンジン制御装置が適用される油圧ショベルの全体構成を説明する。油圧ショベルは、クローラ式の走行装置を備えた下部走行体１と、下部走行体１に搭載された上部旋回体２と、上部旋回体２の前部に設けられたフロント作業機３とを備えている。また、フロント作業機３は、上部旋回体２の前部に回動可能に支持されたブーム４と、ブーム４の先端部に回動可能に支持されたアーム５と、アーム５の先端部に回動可能に取り付けられたバケット６と、ブーム４を作動させるブームシリンダ７と、アーム５を作動させるアームシリンダ８と、バケット６を作動させるバケットシリンダ９とを備えている。このフロント作業機３は、キャブ２ａ内に設けられた操作レバー装置１１（図２参照）の操作に応じて、後述するメイン油圧回路１２（図２参照）から各シリンダ７〜９に作動油が供給されることで作動する。
【００１７】
次に、図２に基づいて、本実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置の全体構成を説明する。
【００１８】
本実施形態の建設機械のエンジン制御装置は、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０と、フロント作業機３の各シリンダ７〜９（図１参照）に作動油を供給するメイン油圧回路１２と、エンジン１０の目標回転数を設定するアクセルダイヤル１７と、作業モードを選択する作業モード切替スイッチ１８と、ＣＡＮ通信で相互通信可能に接続された車体コントローラ２０及びエンジンコントローラ３０とを備えている。
【００１９】
メイン油圧回路１２には、エンジン１０の動力で駆動する可変容量型の油圧ポンプ１３が設けられている。この油圧ポンプ１３は、第一管路１２ａを介して作動油タンク１４に接続されると共に、第二管路１２ｂを介してコントロールバルブ１５に接続されている。
【００２０】
コントロールバルブ１５は、スプールの位置を切り替えて作動油の流量及び流通方向を可変に制御するパイロット式の流量制御バルブである。このコントロールバルブ１５は、第三管路１２ｃを介してブームシリンダ７のヘッド室７ａに接続されると共に、第四管路１２ｄを介してブームシリンダ７のロッド室７ｂに接続されている。
【００２１】
さらに、コントロールバルブ１５のスプール両端部には、操作レバー装置１１の操作量に応じたパイロット圧を出力する図示しないパイロット圧生成回路が接続されている。例えば、コントロールバルブ１５にブームシリンダ７を伸長させる方向のパイロット圧が導入された場合、作動油はスプールの移動により油圧ポンプ１３からヘッド室７ａに供給される。これにより、ブームシリンダ７は伸長方向に作動される。また、コントロールバルブ１５にブームシリンダ７を縮小させる方向のパイロット圧が導入された場合、作動油はスプールの移動により油圧ポンプ１３からロッド室７ｂに供給される。これにより、ブームシリンダ７は縮小方向に作動される。
【００２２】
アクセルダイヤル１７は、オペレータの操作に応じてエンジン１０の目標回転数を調整可能なダイヤル式のスイッチであって、設定されたダイヤル位置は車体コントローラ２０に出力される。
【００２３】
作業モード切替スイッチ１８は、オペレータの切替操作に応じてフロント作業機３の作業モードを選択的に切替可能なスイッチであって、設定された作業モードは車体コントローラ２０に出力される。本実施形態において、選択可能な作業モードは、例えば、フロント作業機３の作動性を向上させるパワーモードＰＭと、エンジン１０の燃費を向上させるエコモードＥＭとの二種類のモードで構成されている。
【００２４】
車体コントローラ２０は、車体側の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うため、車体コントローラ２０には、メイン油圧回路１２に設けられた油圧センサ１９等の各種センサの出力信号が入力される。
【００２５】
また、車体コントローラ２０は、目標回転数演算部２１と、要求負荷演算部２２と、要求負荷特性補正部２３とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアである車体コントローラ２０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
【００２６】
目標回転数演算部２１は、アクセルダイヤル１７で設定されたダイヤル位置と、作業モード切替スイッチ１８で選択された作業モードとに基づいて、エンジン１０の目標回転数ＮTを演算する。より詳しくは、車体コントローラ２０には、図３に示すアクセルダイヤル１７のダイヤル位置と、エンジン１０の目標回転数ＮTとの関係を定めた回転数設定マップが記憶されている。この回転数設定マップ上において、目標回転数特性Ｎ1はフロント作業機３の作動性を向上させるパワーモードＰＭに対応し、目標回転数特性Ｎ2は燃費を向上させるエコモードＥＭに対応する。目標回転数演算部２１は、回転数設定マップからダイヤル位置と作業モードとに対応する目標回転数ＮTを読み取ると共に、この目標回転数ＮTをＣＡＮ通信によりエンジンコントローラ３０に出力するように構成されている。
【００２７】
要求負荷演算部２２は、油圧センサ１９によって検出される油圧ポンプ１３の吐出圧力や不図示のパイロット圧センサによって検出される操作圧力による操作レバー装置１１の操作量等の負荷パラメータに基づいて、フロント作業機３や上部旋回体２の作動によって油圧ポンプ１３で消費されるエンジン１０の出力トルクを要求負荷ＬRとして演算する。より詳しくは、車体コントローラ２０には、図４に示す負荷パラメータと要求負荷との関係を定めた要求負荷設定マップが記憶されている。この要求負荷設定マップ上において、要求負荷特性Ｌ1はフロント作業機３の作動性を向上させるパワーモードＰＭに対応し、要求負荷特性Ｌ2は燃費を向上させるエコモードＥＭに対応する。要求負荷演算部２２は、要求負荷設定マップから負荷パラメータ及び作業モードに対応する要求負荷ＬRを読み取ると共に、この要求負荷ＬRをＣＡＮ通信によりエンジンコントローラ３０に出力するように構成されている。
【００２８】
要求負荷特性補正部２３は、後述するエンジンコントローラ３０により要求負荷ＬRに応じたフィードフォワード制御が実行された際のエンジン１０の実回転数Ｎに基づいて、要求負荷設定マップ上の要求負荷特性Ｌ1，Ｌ2を補正する。より詳しくは、要求負荷ＬRに応じたフィードフォワード制御が実行されると、エンジン１０の回転数は一旦低下した後に大きく上昇する（図８（ａ）参照）。要求負荷特性補正部２３は、フィードフォワード制御時に実回転数Ｎのピーク値ＮMAXと目標回転数ＮTとの偏差（ＮMAX−ＮT）が所定の判定閾値ＮV（例えば、２００ｒｐｍ）を超えた場合は、要求負荷設定マップ上の要求負荷特性Ｌ1，Ｌ2の傾きを減少補正する。これにより、フィードフォワード制御のオーバシュートが低減されて、燃費の悪化を効果的に抑制することができる。
【００２９】
エンジンコントローラ３０は、エンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うため、エンジンコントローラ３０には、エンジン回転センサ４０や図示しないアクセル開度センサ等の各種センサの出力信号が入力される。
【００３０】
また、エンジンコントローラ３０は、燃料噴射制御部３１と、フィードフォワード制御部３２と、噴射増加量特性補正部３３とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるエンジンコントローラ３０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
【００３１】
燃料噴射制御部３１は、フロント作業機３の作動時は、車体コントローラ２０から入力される目標回転数ＮTに応じて、予め設定された基本噴射量Ｑで燃料噴射を制御する。なお、作業時における燃料噴射制御は、車体コントローラ２０から入力される目標回転数ＮTとエンジン回転センサ４０から入力される実回転数Ｎとの偏差に基づいてフィードバック制御（ＰＩＤ制御）される。
【００３２】
フィードフォワード制御部３２は、車体コントローラ２０から入力される要求負荷ＬRに基づいて、燃料噴射制御部３１から燃料噴射装置に出力される指示信号（基本噴射量Ｑ）を増加させるフィードフォワード制御を実行する。より詳しくは、エンジンコントローラ３０には、図５に示す要求負荷ＬRと燃料噴射の増加量ＱRとの関係を定めた噴射増加量マップが記憶されている。この噴射増加量マップ上において、噴射増加量特性Ｉは要求負荷ＬRが大きいほど増加量ＱRが多くなるように設定されている。フィードフォワード制御部３２は、噴射増加量マップから要求負荷ＬRに対応する増加量ＱRを読み取ると共に、この増加量ＱRを基本噴射量Ｑに加算（Ｑ＋ＱR）する。これにより、エンジン１０の要求負荷ＬRが増加した場合は、燃料噴射量も適宜増加されて、エンジン回転数の低下（ラグダウン）を効果的に低減することができる。
【００３３】
噴射増加量特性補正部３３は、フィードフォワード制御が実行された際のエンジン１０の実回転数Ｎに基づいて、噴射増加量マップ上の噴射増加量特性Ｉを補正する。より詳しくは、噴射増加量特性補正部３３は、フィードフォワード制御時に実回転数Ｎのピーク値ＮMAXと目標回転数ＮTとの偏差（ＮMAX−ＮT）が所定の判定閾値ＮV（例えば、２００ｒｐｍ）を超えた場合、噴射増加量マップ上の噴射増加量特性Ｉの傾きを減少補正する。これにより、フィードフォワード制御のオーバシュートが低減されて、燃費の悪化を効果的に抑制することができる。
【００３４】
次に、図６，７に基づいて本実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置による制御フローを説明する。図６のフローチャートは、車体コントローラ２０による制御フローを示し、図７のフローチャートは、エンジンコントローラ３０による制御フローを示している。
【００３５】
まず、図６に示す車体コントローラ２０のフローチャートから説明する。ステップ１００（以下、ステップを単にＳと記載する）では、アクセルダイヤル１７のダイヤル位置、作業モード切替スイッチ１８の作業モード（パワーモードＰＭ・エコモードＥＭ）が確認される。さらに、Ｓ１１０では、設定されたダイヤル位置及び作業モードに基づいて、回転数設定マップ（図３参照）から目標回転数ＮTが設定されると共に、この設定された目標回転数ＮTがエンジンコントローラ３０に出力される。
【００３６】
Ｓ１２０では、油圧ポンプ１３の吐出圧力や操作レバー装置１１の操作量等の負荷パラメータに基づいて、要求負荷の有無が判定される。要求負荷がある場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ１３０に進む。
【００３７】
Ｓ１３０では、設定された作業モード及び負荷パラメータに基づいて、要求負荷設定マップ（図４参照）から要求負荷ＬRが設定されると共に、この設定された要求負荷ＬRがエンジンコントローラ３０に出力される。
【００３８】
Ｓ１４０では、エンジンコントローラ３０によるフィードフォワード制御が実行された際の実回転数Ｎのピーク値ＮMAXと目標回転数ＮTとの偏差ΔＮ（ＮMAX−ＮT）が所定の判定閾値ＮVを超えていたか否かが判定される。偏差ΔＮが判定閾値ＮV以下の場合（ＮＯ）、本制御はリターンされる。一方、偏差ΔＮが判定閾値ＮVを超えていた場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ１５０に進む。Ｓ１５０では、要求負荷設定マップ上の要求負荷特性Ｌ1，Ｌ2の傾きを減少する補正が実行されて、本制御はリターンされる。
【００３９】
次に、図７に示すエンジンコントローラ３０のフローチャートを説明する。Ｓ２００では、前述のＳ１１０で車体コントローラ２０から入力された目標回転数ＮTと実回転数Ｎとの偏差に基づいて、エンジン１０の燃料噴射がフィードバック制御される。
【００４０】
Ｓ２１０では、車体コントローラ２０からの要求負荷の入力有無が判定される。要求負荷の入力がある場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ２２０に進む。一方、要求負荷の入力が無い場合（ＮＯ）、本制御はＳ２００に戻される。
【００４１】
Ｓ２２０では、前述のＳ１３０で車体コントローラ２０から入力された要求負荷ＬRに基づいて、噴射増加量マップから増加量ＱRが設定されると共に、この増加量ＱRを基本噴射量Ｑに加算（Ｑ＋ＱR）するフィードフォワード制御が実行される。さらに、Ｓ２３０では、目標回転数ＮTと実回転数Ｎとの偏差が０（ゼロ）となるようにフィードバック制御が実行される。
【００４２】
Ｓ２４０では、実回転数Ｎが目標回転数ＮTに収束、すなわち目標回転数ＮTと実回転数Ｎとの偏差が０（ゼロ）になったか否かが判定される。偏差が０（ゼロ）になった場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ２５０に進む。一方、偏差が０（ゼロ）でない場合（ＮＯ）、本制御はＳ２３０に戻される。
【００４３】
Ｓ２５０では、Ｓ２２０でフィードフォワード制御が実行された際の実回転数Ｎのピーク値ＮMAXと目標回転数ＮTとの偏差ΔＮ（ＮMAX−ＮT）が所定の判定閾値ＮVを超えていたか否かが判定される。偏差ΔＮが判定閾値ＮV以下の場合（ＮＯ）、本制御はリターンされる。一方、偏差ΔＮが判定閾値ＮVを超えていた場合（ＹＥＳ）、本制御はＳ２６０に進む。Ｓ２６０では、噴射増加量マップ上の噴射増加量特性Ｉの傾きを減少する補正が実行されて、本制御はリターンされる。
【００４４】
次に、本実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置による作用効果を説明する。
【００４５】
エンジン１０の燃料噴射を目標回転数ＮTと実回転数Ｎとの偏差に基づいたフィードバック制御のみで実行する従来方式では、エンジン１０の要求負荷が増加し、エンジン回転数が一旦低下した後に燃料噴射量を増加させていた（図８（ｂ）のｔ1参照）。そのため、エンジン回転数を低下させるいわゆるラグダウンが大きくなり（図８（ｂ）のｔ2参照）、結果としてフロント作業機３の作業性を悪化させる要因になっていた。また、エンジン回転数が大幅に低下するため、燃料噴射量を増加させた後に実回転数Ｎを目標回転数ＮTに収束させるフィードバック制御にも長い時間を要していた（図８（ｂ）のｔ3参照）。
【００４６】
これに対し、本実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置では、車体コントローラ２０からエンジンコントローラ３０に要求負荷が入力されると、これと同時にエンジン１０の燃料噴射量を増加させるフィードフォワード制御が実行される（図８（ａ）のｔ1参照）。すなわち、エンジン回転数はごく僅かに低下するものの（図８（ａ）のｔ2参照）、その後は燃料噴射量を増加させることで、エンジン回転数は急上昇される。これにより、ラグダウンは従来方式に比べて大幅に低減（約半減）される。
【００４７】
したがって、本実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置によれば、エンジン１０の要求負荷増加により引き起こされるエンジン回転数の低下（ラグダウン）を効果的に低減して、建設機械の作業性及びドライバビリティーを効果的に向上することができる。また、ラグダウンを低減するためにＰＩＤ制御のゲインを高める必要が無くなるため、定常負荷状態でも燃料噴射量の変動を抑制することが可能になる。
【００４８】
なお、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、適宜変形して実施することが可能である。
【００４９】
例えば、建設機械は油圧ショベルに限定されず、油圧ポンプ１３を備えるものであればローダ等の他の建設機械にも広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  エンジン
１２  メイン油圧回路
１３  油圧ポンプ
２０  車体コントローラ
２１  目標回転数演算部
２２  要求負荷演算部
２３  要求負荷特性補正部
３０  エンジンコントローラ
３１  燃料噴射制御部
３２  フィードフォワード制御部
３３  噴射増加量特性補正部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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