(57)【要約】【課題】モード切換を行なうことなく、所定の出力を維持したまま、燃費効率および作業効率の向上効果が得られるエンジン・ポンプ制御装置を提供する。【解決手段】エンジン・ポンプ制御装置は、アクセルダイアルにより設定した要求エンジン回転数に基づき、エンジンのエンジン回転数を制御するとともに、このエンジンによって駆動する可変容量型ポンプの斜板角を制御することでエンジントルクを制御する機能を備えている。コントローラは、低負荷時にポンプ吐出流量を制御する流量制御域から、中・高負荷時にエンジン出力を制御する出力制御域へと変化する際に、エンジン回転数とエンジントルクとの積を同出力域内に維持させる条件の下で、低下させたエンジン回転数と増加させたエンジントルクの各値を求め、これらの値に基づきエンジン回転数を制御するとともに可変容量型ポンプの斜板角を制御する機能を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン回転数設定手段により設定された要求エンジン回転数に基づき、エンジンのエンジン回転数を制御するとともに、エンジンによって駆動される可変容量型ポンプの斜板角を制御することでエンジントルクを制御するエンジン・ポンプ制御装置であって、
ポンプ吐出流量を制御する流量制御域から、エンジン出力を制御する出力制御域へと変化する際に、エンジン回転数とエンジントルクとの積を同出力域内に維持させる条件の下で、低下させたエンジン回転数と増加させたエンジントルクの各値を求め、これらの値に基づきエンジン回転数を制御するとともに可変容量型ポンプの斜板角を制御する機能を有するコントローラ
を具備したことを特徴とするエンジン・ポンプ制御装置。
【請求項２】
コントローラは、
エンジン回転数設定手段により定められた要求エンジン回転数を要求ポンプトルクに乗じて求めた要求出力と、実際に要求されている実要求出力と、燃費データにより設定した目標エンジン回転数を上記要求エンジン回転数から減じて求めた目標エンジン低減回転数とから、要求エンジン低減回転数を求め、この要求エンジン低減回転数を上記要求エンジン回転数から減じて求めた新要求エンジン回転数によりエンジンのエンジン回転数を制御する機能と、
上記要求出力を上記新要求エンジン回転数により除して新要求ポンプトルクを求め、この新要求ポンプトルクにより可変容量型ポンプの斜板角を制御する機能とを備えた
ことを特徴とする請求項１記載のエンジン・ポンプ制御装置。
【請求項３】
機体と、
機体に搭載された作業装置と、
機体および作業装置を駆動する油圧アクチュエータに作動油を供給するエンジン・ポンプ装置と、
エンジン・ポンプ装置を制御する請求項１または２記載のエンジン・ポンプ制御装置と
を具備したことを特徴とする作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン回転数およびエンジントルクを同時に制御するエンジン・ポンプ制御装置および作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来制御の概要を示し、アクセルダイアル21で設定されている一定の要求エンジン回転数をマシンコントローラ19よりエンジンコントローラ15に送り、また、アクセルダイアル21で設定されている出力制御域で一定の要求ポンプトルクになるようマシンコントローラ19よりポンプ斜板を制御するためのシグナルを電油変換用の電磁比例弁16sに送り、この電磁比例弁16sで生成された油圧信号によりポンプレギュレータ16を制御して、このポンプレギュレータ16によりポンプ斜板角を制御するようにしている。
【０００３】
そして、図１０に示されるように、流量制御域では、エンジン回転数とポンプ斜板角により決まる最大ポンプ吐出流量によって制御し、出力制御域では、その出力（ポンプ吐出圧力×ポンプ吐出流量、エンジン回転数×エンジントルク）によって、その特性は決まる。
【０００４】
そして、従来のエンジン制御（アイソクロナス制御、ドループ制御）では、目標エンジン回転数を一定にし、ポンプに出力されるエンジントルク（ポンプトルクとも言う）を制御することによって、目標とする出力（パワー）を得ているが、燃費効率がよくない。
【０００５】
一方、原動機によって駆動される少なくとも１つの可変容量油圧ポンプと、この油圧ポンプの圧油により駆動される少なくとも１つの油圧アクチュエータと、前記原動機の回転数を制御する回転数制御手段とを備えた作業機械の制御装置において、前記原動機に係わる制御モードを選択するモード選択手段と、前記油圧ポンプの負荷圧を検出する負荷圧検出手段と、前記油圧ポンプの負荷圧の上昇に対して前記原動機の回転数を低下させるための原動機回転数が予め設定してある目標回転数設定手段とを備え、この目標回転数設定手段は、前記モード選択手段により特定モードが選択されると、前記負荷圧検出手段により検出した油圧ポンプの負荷圧をその予め設定した原動機回転数に参照して対応する原動機回転数を求め、この原動機回転数に基づいて前記回転数制御手段の目標回転数を設定するようにした作業機械の制御装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この制御装置によれば、モード選択手段によるモード選択で原動機回転数を低減して燃費を向上させることができるとともに、必要な負荷領域ではポンプ吐出流量の減少による性能低下（作業速度の低下）を少なくして、作業効率を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４１８８９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記作業機械の制御装置における目標回転数設定手段は、モード選択手段により特定モードが選択されたときに、すなわち、標準モードからエコモードに切り換えることによって、燃費および作業効率の向上を図るものであるが、そのような効果はエコモードに切り換えたときに限られる問題がある。
【０００９】
また、従来制御では、アクセルダイアルに応じてほぼ一意にエンジン回転数とエンジントルクを設定することが一般的であるが、中・高負荷域以上の仕事ではエンジン回転数とエンジントルクではなく、出力が維持されることが重要である。
【００１０】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、モード切換を行なうことなく、所定の出力を維持したまま、燃費効率および作業効率の向上効果が得られるエンジン・ポンプ制御装置およびこの制御装置を搭載した作業機械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】
【００１１】
請求項１に記載された発明は、エンジン回転数設定手段により設定された要求エンジン回転数に基づき、エンジンのエンジン回転数を制御するとともに、エンジンによって駆動される可変容量型ポンプの斜板角を制御することでエンジントルクを制御するエンジン・ポンプ制御装置であって、ポンプ吐出流量を制御する流量制御域から、エンジン出力を制御する出力制御域へと変化する際に、エンジン回転数とエンジントルクとの積を同出力域内に維持させる条件の下で、低下させたエンジン回転数と増加させたエンジントルクの各値を求め、これらの値に基づきエンジン回転数を制御するとともに可変容量型ポンプの斜板角を制御する機能を有するコントローラを具備したエンジン・ポンプ制御装置である。
【００１２】
請求項２に記載された発明は、請求項１記載のエンジン・ポンプ制御装置におけるコントローラが、エンジン回転数設定手段により定められた要求エンジン回転数を要求ポンプトルクに乗じて求めた要求出力と、実際に要求されている実要求出力と、燃費データにより設定した目標エンジン回転数を上記要求エンジン回転数から減じて求めた目標エンジン低減回転数とから、要求エンジン低減回転数を求め、さらに、この要求エンジン低減回転数を上記要求エンジン回転数から減じて求めた新要求エンジン回転数によりエンジンのエンジン回転数を制御する機能と、また、上記要求出力を上記新要求エンジン回転数により除して新要求ポンプトルクを求め、この新要求ポンプトルクにより可変容量型ポンプの斜板角を制御する機能とを備えたものである。
【００１３】
請求項３に記載された発明は、機体と、機体に搭載された作業装置と、機体および作業装置を駆動する油圧アクチュエータに作動油を供給するエンジン・ポンプ装置と、エンジン・ポンプ装置を制御する請求項１または２記載のエンジン・ポンプ制御装置とを具備した作業機械である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、コントローラによって、ポンプ吐出流量を制御する流量制御域から、エンジン出力を制御する出力制御域へと変化する際に、エンジン回転数とエンジントルクとの積を同出力域内に維持させる条件の下で、低下させたエンジン回転数と増加させたエンジントルクの各値を求め、これらの値に基づきエンジン回転数を制御するとともに可変容量型ポンプの斜板角を制御するので、流量制御域および出力制御域の両域においてモード切換を行なうことなく、所定の出力を維持したまま、燃費効率および作業効率の向上効果が得られる。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば、エンジン回転数設定手段から求められた要求出力と、実際に要求されている実要求出力と、燃費データにより設定した目標エンジン回転数を上記要求エンジン回転数から減じて求めた目標エンジン低減回転数とから、要求エンジン低減回転数を求め、この要求エンジン低減回転数を上記要求エンジン回転数から減じて求めた新要求エンジン回転数によりエンジンのエンジン回転数を制御する機能と、上記要求出力を上記新要求エンジン回転数により除して新要求ポンプトルクを求め、この新要求ポンプトルクにより可変容量型ポンプの斜板角を制御する機能とを備えたコントローラによって、モード切換を行なうことなく所定の出力を維持したまま燃費効率および作業効率の向上効果が得られるように、エンジン回転数とエンジントルクのバランスを最適化することができる。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、流量制御域および出力制御域の両域においてモード切換を行なうことなく所定の出力を維持したまま燃費効率および作業効率の向上効果が得られる作業機械を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るエンジン・ポンプ制御装置の一実施の形態を示すエンジン回転数−トルクに対する燃費マップである。
【図２】同上制御装置の制御システム概要を示すブロック図である。
【図３】同上制御装置の制御方法概要を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）は従来のポンプ吐出圧力に対するポンプ吐出流量、エンジン回転数、エンジントルクおよびエンジン出力の制御例を示す特性図であり、（ｂ）は本発明に係るそれらの第１制御例を示す特性図である。
【図５】本発明に係る第２制御例を示す特性図である。
【図６】本発明に係る第３制御例を示す特性図である。
【図７】本発明に係る作業機械の一例を示す側面図である。
【図８】本発明に係る制御装置の概要を示すブロック図である。
【図９】従来の制御システムの概要を示すブロック図である。
【図１０】従来のポンプ吐出圧力に対するポンプ吐出流量、エンジン回転数、エンジントルクの制御例を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を、図１乃至図８に示された実施の形態に基いて詳細に説明する。
【００１９】
図７は、作業機械１としての油圧ショベルを示し、この作業機械１の機体２は、走行モータ3mにより移動可能な下部走行体３に、旋回モータ4mにより旋回可能な上部旋回体４が設けられたものであり、その上部旋回体４に、油圧シリンダ5a，5b，5cにより駆動される作業装置５が搭載されている。
【００２０】
機体２には、この機体２および作業装置５を駆動する油圧アクチュエータ3m，4m，5a，5b，5cに作動油を供給するエンジン・ポンプ装置６が搭載されている。
【００２１】
図８は、このエンジン・ポンプ装置６を制御するエンジン・ポンプ制御装置７の概要を示す。このエンジン・ポンプ制御装置７は、上記油圧アクチュエータ3m，4m，5a，5b，5cを制御するコントロール弁などの油圧回路10に作動流体としての作動油を供給する可変容量型ポンプ11の容量（斜板角）を制御するとともに、この可変容量型ポンプ11を駆動するエンジン12のエンジン回転数（エンジンスピード）を制御するものである。
【００２２】
エンジン12は、エンジン回転数を検出する回転数センサ13と、電子ガバナなどのエンジン回転数制御用のガバナ14とを備え、これらの回転数センサ13およびガバナ14は、燃料噴射制御用のエンジンコントローラ15に接続されている。
【００２３】
可変容量型ポンプ11は、電油変換用の電磁比例弁16sから出力された油圧信号を受けてポンプ容量可変手段としての斜板の傾転角（以下、斜板角という）を制御するポンプレギュレータ16と、このポンプレギュレータ16により制御された斜板角をポンプ容量制御位置として検出する斜板角センサ17と、ポンプ吐出圧力を検出するポンプ圧力センサ18とを備え、これらの斜板角センサ17およびポンプ圧力センサ18は、マシンコントローラ19に接続されている。なお、斜板角センサ17はなくてもよく、その場合は、ポンプレギュレータ16を制御する斜板角制御用の油圧信号から斜板角を算出する。
【００２４】
このマシンコントローラ19にはエンジン回転数設定手段としてのアクセルダイアル21が接続されている。このアクセルダイアル21は、複数のアクセルポジションを有しており、各アクセルポジションごとに、定められたエンジン回転数−トルク特性を選択できる。
【００２５】
エンジンコントローラ15とマシンコントローラ19は、接続されて相互に情報のやりとりをする。これらのエンジンコントローラ15およびマシンコントローラ19を、コントローラ22とする。
【００２６】
エンジン・ポンプ制御装置７は、アクセルダイアル21により設定された要求エンジン回転数に基づき、エンジン12のエンジン回転数を制御するとともに、このエンジン12によって駆動される可変容量型ポンプ11の斜板角を制御することでエンジントルクを制御する機能を備えている。
【００２７】
コントローラ22は、低負荷時のポンプ吐出流量をほぼ一定に制御する流量制御域から、中・高負荷時のエンジン出力をほぼ一定に制御する出力制御域へと変化する際に、エンジン回転数とエンジントルクとの積を同出力域内に維持させる条件の下で、低下させたエンジン回転数と増加させたエンジントルクの各値を求め、これらの値に基づきエンジン回転数を制御するとともに可変容量型ポンプ11の斜板角を制御する機能を有する。
【００２８】
エンジン出力は、エンジンコントローラ15から得たエンジン燃料噴射状況、または斜板角センサ17で検出または斜板制御用の油圧信号から算出されたポンプ斜板角とポンプ圧力センサ18で検出されたポンプ吐出圧力からマシンコントローラ19が演算して求め、また、このエンジン出力またはポンプ吐出圧力によって、低・中・高の負荷状態を判定する。
【００２９】
（エンジン燃費マップに関する制御概要）
図１は、エンジンのエンジン回転数・エンジントルク（単にトルクという）に対する燃費マップを示したものである。この図１からも分かるように、同一出力でもエンジン回転数やトルクによって、図中のａ、ｂ、ｃ、ｄ（ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ）などで表される正味燃料消費率（Brake Specific Fuel Consumption、以下BSFCという）が異なる。このBSFCは、エンジンの１サイクルで消費した燃料噴射量をエンジン出力（正味馬力）で割ったものである（単位：ｇ/(kW・h)）。
【００３０】
本制御では、この特性を把握した上で、同一出力域で燃費がよいところで動作するようエンジン回転数とトルクを制御する。
【００３１】
例えば、図１において、エンジン回転数をＮoに保ちながらトルクを増減制御するアイソクロナス制御によって、PWR１−PWR２間の出力域でトルクをポイントＰoからポイントＰ1に増加させると、BSFCの改善は少ない。
【００３２】
一方、図１のPWR１−PWR２間の出力域において、エンジン回転数をポイントＰoのＮoからＡだけ減少させてポイントＰ2のＮ2に移動させるとともに、トルクをポイントＰoのＴoからＢだけ増加させてポイントＰ2のＴ2に移動させると、BSFCがアイソクロナス制御の場合より大幅に改善される。
【００３３】
要するに、同出力域内において、エンジン回転数を減少させるとともにトルクを増加させる統合制御をして、最適なポイントで用いることによって、同等の仕事量（＝エンジン回転数×トルク）を維持したまま、燃費効率の向上を図ることができる。
【００３４】
（ポンプ効率に関する制御概要）
ポンプ効率についてもエンジン燃費マップと同様に、エンジン回転数（すなわちポンプ回転数）と、その出力トルク（すなわちポンプ斜板角に応じたポンプ容量）によって、その効率は異なる。低エンジン回転数で高出力トルク（大斜板角＝大容量）の方がポンプ効率が良い。
【００３５】
本制御では、エンジン燃費マップと同様にポンプ効率も把握した上で、流量制御域では機体要求流量を満足しつつ、出力制御域では最適な燃費効率が得られるところで動作するようエンジン回転数とトルクを統合制御する。
【００３６】
（制御概要フロー）
図２に示されたブロック図および図３に示されたフローチャートを参照しながら、コントローラ22によって、機体２が要求している出力（実要求出力）が、定められた出力（要求出力）に近づくにつれ、エンジン回転数と要求ポンプトルクを目標とする値へスムーズに変動させる制御概要を説明する。
【００３７】
(ステップS1)
アクセルダイアル21に定められた要求エンジン回転数を要求ポンプトルクに乗じて、要求出力を求める。
【００３８】
(ステップS2)
図１に示された燃費マップなどの燃費データにより目標とするエンジン回転数を設定する。
【００３９】
(ステップS3)
ステップS2の目標エンジン回転数と、要求エンジン回転数との差分より目標エンジン低減回転数を求める。要求エンジン回転数より目標エンジン回転数が大きい場合は、目標エンジン低減回転数＝０となる。
【００４０】
(ステップS4)
ステップS1で求めた要求出力と、マシンコントローラ19によりポンプ吐出圧などから計算された実要求出力と、ステップS3で求めた目標エンジン低減回転数とから、要求エンジン低減回転数を求める。例えば、要求出力、実要求出力および目標エンジン低減回転数の３つのパラメータがそれぞれ変化した場合に対応する要求エンジン低減回転数をあらかじめ求めてマシンコントローラ19のメモリにマッピングしておけば、どのパラメータがどのように変化しても要求エンジン低減回転数を求めることができる。
【００４１】
(ステップS5)
要求エンジン回転数から、ステップS4で求めた要求エンジン低減回転数を差し引いた差分を新要求エンジン回転数としてエンジンコントローラ15へ送る。
【００４２】
(ステップS6)
ステップS1で求めた要求出力と、ステップS5で求めた新要求エンジン回転数とから、
出力［ｋＷ］＝トルク［Ｎｍ］×回転数［ｒｐｍ］×２π÷６００
の一般式より、新要求ポンプトルクを計算し、その値に従ってポンプ斜板をコントロールするためのシグナル（ポンプ斜板角制御信号）を電油変換用の電磁比例弁16sに送り、この電磁比例弁16sで生成された油圧信号によりポンプレギュレータ16を制御し、このポンプレギュレータ16によりポンプ斜板角を制御する。
【００４３】
（制御例）
図４は、現行の制御方式（ａ）と、本発明に係る制御方式の応用例（ｂ）を適用した場合とで、ポンプ吐出圧力と、ポンプ吐出流量、エンジン回転数、エンジントルクおよびエンジン出力との関係を比較したものであり、応用例（ｂ）を用いることによって、油圧ショベルの仕事で使用されるポンプ吐出圧力とポンプ吐出流量の関係は現行の制御方式（ａ）と同等を維持（もしくは近似に）したまま、エンジン回転数とトルクのバランスを最適化制御することによって、ポンプ効率および燃費効率の改善を図ることができる。
【００４４】
すなわち、エンジン出力（＝エンジン回転数×トルク）を維持したまま、図１にＡおよびＢで示されるように、エンジン回転数とトルクのバランスを最適化することによって、エンジン回転数とトルクのバランスが変化しても必要な仕事量（出力）を維持することができ、上記の効率アップを図れる。
【００４５】
例えば、図４（ｂ）に示される流量一定制御の低負荷時（流量制御域）は、作業量（作業速度）がポンプ流量に比例するので、作業速度維持のため高エンジン回転数とするとともに、ポンプ入力トルク（エンジン出力トルク）は低トルク（小斜板角）とすることで効率アップを図れる。
【００４６】
一方、図４（ｂ）に示されるエンジン出力一定制御の中・高負荷時（出力制御域）は、ポンプ効率およびエンジン燃費効率の観点から、低エンジン回転数（回転数低下量Ａ）とするとともに、ポンプトルクは高トルク（トルク増加量Ｂ）とすることで、効率アップを図れる。
【００４７】
図５および図６は、本発明に係る他の応用例を示したものであり、図２および図３に示されたステップS4の要求エンジン低減回転数のパラメータを変更することにより、図４（ｂ）に示される応用例、図５および図６に示される他の応用例のように、エンジン回転数の変動開始点を自在に変更することができる。
【００４８】
図４（ｂ）および図５は、エンジン出力が目標とする要求出力に近づくにつれて、すなわち流量制御域から出力制御域に切り換わる箇所で、エンジン回転数およびトルクが、目標とする値（−Ａ，＋Ｂ）へスムーズに変化する例を示しているが、図５は、図４（ｂ）よりも変化が緩やかである。
【００４９】
図６は、エンジン出力が目標とする要求出力に到達してから、エンジン回転数およびトルクが目標とする値（−Ａ，＋Ｂ）へスムーズに変化する例を示す。
【００５０】
以上のように、コントローラ22によって、低負荷時にポンプ吐出流量を制御する流量制御域から、中・高負荷時にエンジン出力を制御する出力制御域へと変化する際に、エンジン回転数とエンジントルクとの積を同出力域内に維持させる条件の下で、低下させたエンジン回転数（回転数低下量Ａ）と増加させたエンジントルク（トルク増加量Ｂ）の各値を求め、これらの値に基づきエンジン回転数を制御するとともに可変容量型ポンプの斜板角を制御するので、流量制御域および出力制御域の両域においてモード切換を行なうことなく、所定の出力を維持したまま、燃費効率および作業効率の向上効果が得られる。
【００５１】
また、図２および図３に示されるようにエンジン12のエンジン回転数を制御する機能と、可変容量型ポンプ11の斜板角を制御する機能とを備えたコントローラ22によって、モード切換を行なうことなく所定の出力を維持したまま燃費効率および作業効率の向上効果が得られるように、エンジン回転数とエンジントルクのバランスを最適化することができる。
【００５２】
さらに、流量制御域および出力制御域の両域においてモード切換を行なうことなく所定の出力を維持したまま燃費効率および作業効率の向上効果が得られる作業機械１を提供できる。
【００５３】
なお、図１に示されたエンジン回転数−トルク特性は、ポイントＰoより低トルクをアイソクロナス制御とした例であるが、ドループ制御にも本発明を適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、エンジン・ポンプ制御装置を製造、販売などする事業者にとって、産業上の利用可能性がある。
【符号の説明】
【００５５】
１    作業機械
２    機体
3m，4m，5a，5b，5c    油圧アクチュエータ
５    作業装置
６    エンジン・ポンプ装置
７    エンジン・ポンプ制御装置
11    可変容量型ポンプ
12    エンジン
21    エンジン回転数設定手段としてのアクセルダイアル
22    コントローラ
【図１】
2015140763.tif 000003
【図２】
2015140763.tif 000004
【図３】
2015140763.tif 000005
【図４】
2015140763.tif 000006
【図５】
2015140763.tif 000007
【図６】
2015140763.tif 000008
【図７】
2015140763.tif 000009
【図８】
2015140763.tif 000010
【図９】
2015140763.tif 000011
【図１０】
2015140763.tif 000012