(57)【要約】【課題】大負荷状態によりエンジンストールを防止する。【解決手段】負荷検出部３６は、スロットル開度に基づいて負荷が大きいことを検出する。レギュレータ出力可能電力算出部３９は、負荷が大きいと判断された場合に、エンジン回転数の変化の程度に基づいてレギュレータ出力可能電力を算出する。レギュレータ出力指示値変更部４０は、レギュレータ出力可能電力が所定の充電電力値以下であれば、レギュレータ出力指示値を低減して充電電力を低下させる。カウンタ４１で充電電力を低下させた時間を計測し、大負荷が解消したときに、カウンタ４１の値に応じてレギュレータ出力を増加させ、充電電力を回復させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンで駆動される作業具および発電機と、前記発電機から電力を供給されるモータおよびバッテリとを有するエンジン駆動式作業機において、
前記エンジンの負荷状態を判断する負荷判断手段と、
前記負荷判断手段により大負荷がかかっていると判断された時に、前記発電機の発電電力を低下させる電力低下手段とを具備したことを特徴とするエンジン駆動式作業機。
【請求項２】
前記発電機の出力を調整して前記バッテリに発電電力を供給するレギュレータを具備し、
前記電力低下手段が、前記レギュレータの出力を低下させるように構成されたことを特徴とする請求項１記載のエンジン駆動式作業機。
【請求項３】
前記レギュレータの出力低下によって生じる充電不足量を検出する充電不足検出手段を具備し、
前記エンジンから大負荷が解放されたときに、前記充電不足量に基づいて前記レギュレータの出力を復帰させるように構成されたことを特徴とする請求項２記載のエンジン駆動式作業機。
【請求項４】
前記充電不足検出手段が、前記充電不足量として、前記レギュレータの出力を低下させている時間を積算するように構成されていることを特徴とする請求項３記載のエンジン駆動式作業機。
【請求項５】
前記モータが走行駆動用として設けられていて、走行速度の減速によって前記作業具による作業量が低下するように構成されているとともに、
前記発電機の出力を調整して前記バッテリに発電電力を供給するレギュレータを具備し、
前記電力低下手段が、前記レギュレータの出力を停止させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のエンジン駆動式作業機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン駆動式作業機に関し、特に、エンジンの出力軸に発電機の出力軸を連結したエンジン駆動式作業機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
農業用の作業機において、エンジンの動力とモータの動力とを利用できるようにした、いわゆるハイブリッド方式のエンジン駆動式作業機が知られる。例えば、特開２００１−１６３０７０号公報では、エンジンから取り出した動力によって耕耘ロータリを直接駆動するように構成するとともに、エンジンで発電機を駆動してバッテリを充電し、その電力によって走行系を駆動するようにした乗用農作業機が提案されている。この乗用農作業機によれば、耕耘作業時以外はエンジンを停止させておき、バッテリからの電力で移動走行をさせることができるので、騒音や振動、排気ガスの発生を抑制することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載された乗用農作業機では、エンジンと発電機とを同時に駆動するため、エンジンの出力能力に十分に余裕を持たせた設定としなければならない。例えば、耕耘作業でエンジン出力を、耕耘ロータリの駆動に８０％、発電機の駆動に２０％配分してバランスするように運転されていると想定する。ここで、瞬間的に耕耘負荷が増大して９０％に相当する大きさに増大すると、エンジンの出力能力を１０％上回るため、エンジンストールを起こしてしまう。これを避けるためには、瞬間的な大きい負荷を考慮してエンジンの出力に余裕を持たせ、この場合では１１０％に相当する出力容量を予め設定しておかなければならない。このように、大きい余裕を持たせた設定にすると、エンジンは大型化し、ハイブリッド方式の利点が低減してしまう。
【０００４】
本発明の目的は、上記問題点を解消して、エンジンに過大な余裕を設けておかなくても、高負荷作業に対応することができるエンジン駆動式作業機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、エンジンで駆動される作業具および発電機と、前記発電機から電力を供給されるモータおよびバッテリとを有するエンジン駆動式作業機において、前記エンジンの負荷状態を検出し、大負荷状態であるときには、前記発電機の発電電力を低下させる手段を具備した点に第１の特徴がある。
【０００６】
また、本発明は、前記発電機の出力でレギュレータを介して前記バッテリ充電するように構成するとともに、前記レギュレータの出力を低下させることにより発電量を低下させるようにした点に第２の特徴がある。
【０００７】
また、本発明は、前記レギュレータの出力低下によって生じる充電不足量を検出し、前記エンジンから大負荷が解放されたときに、前記充電不足量に基づいて前記レギュレータの出力を復帰させるように構成された点に第３の特徴がある。
【０００８】
また、本発明は、前記充電不足量として、前記レギュレータの出力を低下させている時間を積算するように構成された点に第４の特徴がある。
【０００９】
さらに、本発明は、前記モータが走行駆動用に設けられていて、走行速度の減速によって前記作業具による作業量が低下するように構成されているとともに、前記発電量を低下させるため、レギュレータの出力を停止させるように構成された点に第５の特徴がある。
【００１０】
第１〜第５の特徴によれば、発電電力を低下させることにより、エンジン負荷が軽減され、大負荷状態が改善される
【００１１】
第２の特徴によれば、大負荷がかかったときにバッテリの充電電力が低減して、エンジンの負荷が軽減される。
【００１２】
第３，４の特徴によれば、バッテリの充電電力不足分が、大負荷が解放された通常運転時に積極的に回復される。
【００１３】
第５の特徴によれば、レギュレータの出力が低下されると、モータにはバッテリ側から電力が供給される。バッテリ電圧はレギュレート電圧つまり充電電圧より低いので、作業機の走行速度が低下し、作業量が低下して負荷が低減される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図２は本発明の一実施形態に係るエンジン駆動式作業機としての除雪機の側面図である。除雪機１は、左右のクローラベルト２を備えた走行フレーム３に、除雪作業部４およびこの除雪作業部４を駆動するエンジンＥを備えた車体フレーム５を上下スイング可能に取り付ける。フレーム昇降機構６は車体フレーム５の前部を昇降させることによって車体フレーム５を上下にスイングさせる。走行フレーム３には後上方へ延びる左右の操作ハンドル７が結合される。
【００１５】
操作ハンドル７は、作業者が除雪機１を操作するものであり、先端にグリップ８を有し、グリップ８の近傍には除雪機１の旋回操作レバー９を備える。操作ハンドル７のうち左側のものにはブレーキ操作レバー１１を設け、右側のものにはクラッチ操作ボタン（図示せず）を設ける。左右の操作ハンドル間には上から順に操作盤１２、制御部１３、およびバッテリ１４を配列して設ける。
【００１６】
エンジンＥの出力軸（クランク軸）１５には駆動プーリ１６および電磁クラッチ１７が設けられる。除雪作業部４は、車体フレーム３の前部に設けられた作業具としてのオーガ１８、ブロア１９、およびシュータ２０からなり、オーガ１８およびブロア１９を回転する回転軸２１を有する。回転軸２１には従動プーリ２２が結合される。
【００１７】
エンジンＥの動力は、電磁クラッチ１７で駆動プーリ１６に伝達され、ベルト２３を介して従動プーリ２２に伝達される。これによって、回転軸２１を介してオーガ１８およびブロア１９が回転し、オーガ１８でかき集められた雪はブロア１９でシュータ２０を介して遠くへ吹き飛ばされる。
【００１８】
車体左右のクローラベルト２を駆動する駆動輪２４は、各クローラベルト２を独立して駆動できるようにそれぞれ個別に駆動用のモータ２５を備える。
【００１９】
図３は、除雪機１０の要部平面図であり、特に、エンジンと発電機を示す。図３において、発電機ＧがエンジンＥに隣接して配置される。エンジンＥのクランク軸１５には発電機用プーリ２６を設け、発電機Ｇの入力軸２７には従動プーリ２９を設ける。プーリ２６および２９間にはベルト３０がわたされ、発電機Ｇの入力軸２７にエンジンＥの動力が伝達される。
【００２０】
図４は、上記除雪機の全体システムを示すブロック図である。同図において、エンジンＥに連結される発電機Ｇは、例えば、アウタロータ式三相交流発電機であり、スタータモータとしても動作する。発電機Ｇには制御回路１０が接続され、制御回路１０にはバッテリ１４が接続される。制御回路１０は後述の整流回路やレギュレータを備える。発電機Ｇは、スタータモータとして動作するときには、制御回路１０を介してバッテリ１４から電力が供給される。一方、発電機Ｇの発電出力は制御回路１０を介してバッテリ１４に蓄積される。駆動輪２４を駆動するモータ２５は、バッテリ１４から電力を供給され、駆動回路（図示せず）によって目標回転数を維持するように制御される。
【００２１】
エンジン回転数を目標回転数（定格回転数）に制御するためにガバナ３４が設けられる。ガバナ３４は、例えばエンジンの点火パルス間隔または点火パルス数によってエンジン回転数を検出する手段と検出されたエンジン回転数と目標回転数との差に応じてスロットル開度を変化させるステップモータ等のアクチュエータ手段と、スロットル開度の変動量を検出するセンサ手段とを含む。
【００２２】
図５は、制御回路１０の一例を示す回路図である。同図において、制御回路１０はスイッチング回路２８を有する。スイッチング回路２８は、六つのＭＯＳＦＥＴつまり金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（以下、単に「ＦＥＴ」）２８１〜２８６を含む。上側にＦＥＴ２８１〜２８３が配置され、下側にＦＥＴ２８４〜２８６が配置される。ＦＥＴ２８１〜２８６には、それぞれフライバックダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６が並列に接続される。ＦＥＴ２８１〜２８６のゲートに駆動電圧を印加するためのドライバ３２が設けられる。
【００２３】
ドライバ３２は、発電機Ｇをスタータモータとして使用する場合にＦＥＴ２８１〜２８６のゲートに駆動電圧を順次印加する。ＤＳＰで構成することができる演算部３３は、駆動電圧を発生させる周期、つまりＦＥＴ２８１〜２８６の切り替え周期を決定してドライバ３２に出力する機能を有する。演算部３３は、さらにシャント４２を介して検出される発電機Ｇの電流により電流波形を検出する機能を有する。
【００２４】
発電機Ｇの発電出力でバッテリ１４を充電する際、ドライバ３２は、ＦＥＴ２８１〜２８６をすべてオフにするために駆動電圧を停止する。これによって、発電機Ｇの発電出力はフライバックダイオードＤ１〜Ｄ６で整流されてバッテリ１４に供給される。制御回路１０はバッテリ１４の電圧を所定値にするためのレギュレータ３５を有する。レギュレータ３５は、フォトカプラ３５１とＦＥＴ３５２とからなる。ＦＥＴ３５２はフォトカプラ３５１のオンオフに応答してオンオフ制御され、ＦＥＴ３５２のオン時間によってバッテリ１４に供給される発電機Ｇからの電力が制御される。演算部３３は、所定のレギュレータ出力指示値に従ってＦＥＴ３５２のオン時間を制御して、バッテリ１４に供給する電力を制御する。
【００２５】
バッテリ１４は、レギュレータ回路３５で制御された充電電力で充電され、この充電された電力によってモータ２５およびモータ２５のモータ制御回路２５ａに電力が供給される。
【００２６】
図６は、ＦＥＴ３５２のスイッチング制御の方法を示す発電機出力の整流後の波形図である。ＦＥＴ３５２は整流された発電機Ｇの出力において、一定の周期Ｔを任意に設定し、この周期Ｔ内で、定められた時間ｔだけオン動作される。このオン動作時間ｔつまり周期Ｔにおけるオン時間ｔの割合を変化させることによってバッテリ１４に供給される電力が調整される。なお、該オン動作時間ｔは、任意の周期毎のものに限らない。例えば、発電機出力のゼロクロスを検出し、このゼロクロスのタイミングから時間ｔだけＦＥＴ３５２をオンさせるようにしてもよい。
【００２７】
図７は、充電量制御つまりエンジン負荷に応じたレギュレータ回路３５のＦＥＴ３５２の出力指示値の設定処理のフローチャートである。ステップＳ１では、発電機Ｇを充電モードに切り替える。ステップＳ２では、エンジン負荷が大きくなったか否かが判断される。エンジン負荷は、例えば、ガバナ３４のスロットル開度が最大値になったか否かで判断できる。スロットル開度が最大値になっていないときは、ステップＳ３に進んで積算カウンタ値がマイナス側になっていないか判別する。積算カウンタは、レギュレータ出力を低減させた時間、つまりＦＥＴ３５２のオン時間を短くして充電量を減らした時間を計測するためのカウンタであり、初期値は「０」である。したがって、負荷が小さい場合、つまりスロットル開度が最大になっていない場合、このカウンタ値は「０」に維持され、ステップＳ３は否定となってステップＳ２に進む。
【００２８】
エンジン負荷が大きいと判断された場合は、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、エンジン負荷の大きさに基づいてレギュレータの出力可能電力を算出する。エンジン負荷の大きさは、エンジン回転数に対応した負荷率のマップを使用して検出することができる。スロットル開度が最大になると、ガバナ３４の制御範囲を外れるので、エンジン負荷が増大するにつれてエンジン回転数は低下する。したがって、負荷はエンジン回転数の関数として検出できる。エンジン回転数は発電機Ｇの出力交流波形に基づいて検出することができる。
【００２９】
そして、最大の負荷率（１００％）から、検出された負荷率を減算し、負荷に対する余裕率を算出する。例えば、負荷率が９０％であれば、余裕率は１０％である。余裕率が大きいほど充電電力つまりレギュレータ出力可能電力は大きい。そして、余裕率が小さくなるにつれてレギュレータ出力可能電力は小さくなる。
【００３０】
ステップＳ５では、レギュレータ出力可能電力が所定の充電電力以下か否かが判断される。ステップＳ５が否定であれば、レギュレータ出力は低減させる必要がないので、ステップＳ２に進む。
【００３１】
ステップＳ５が肯定であれば、ステップＳ６に進んでレギュレータ出力指示値を１段階低下させる。これに応じてレギュレータ回路３５のＦＥＴ３５２のオン時間は短くなり充電量は低減する。１段階毎のレギュレータ出力指示値の低下量は予め定めた固定値でよい。ステップＳ７では、積算カウンタ値を更新する。レギュレータ出力指示値を低下させていた時間が１秒であったときは積算カウント値を「１」増加させる。
【００３２】
ステップＳ３が肯定の場合は、ステップＳ８に進んでレギュレータ出力指示値を１段階増加させる。これに応じてレギュレータ回路３５のＦＥＴ３５２のオン時間は長くなり充電量は増加する。１段階毎のレギュレータ出力指示値の増加量は予め定めた固定値でよい。ステップＳ９では、積算カウンタ値を更新する。レギュレータ出力指示値を増加させた時間が１秒であったときは積算カウント値を「１」減少させる。
【００３３】
図１は、本願発明の要部機能を示すブロック図である。図１において、負荷検出部３６は、スロットル開度を検出するスロットルセンサ３７の出力に基づいて負荷が大きいことを検出する。回転数検出部３８は、発電機Ｇの出力交流波形によってエンジン回転数を検出する。レギュレータ出力可能電力算出部３９は、負荷が大きいと判断された場合に、エンジン回転数の変化の程度に基づいてレギュレータ出力可能電力を算出する。レギュレータ出力指示値変更部４０は、レギュレータ出力可能電力が所定の充電電力値以下であれば、レギュレータ回路３５に供給するレギュレータ出力指示値を低減して充電電力を低下させる。カウンタ４１は、充電電力を低下させた場合に、充電電力を低下させた時間を計測する。そして、大負荷が解消したときに、レギュレータ出力指示値変更部４０は、カウンタ４１の値に応じてレギュレータ出力指示値を増加させる。
【００３４】
このように、本実施形態によれば、大負荷がかかった時に充電電力を低減してエンジンの負荷を低下させて、エンジンストールが発生するような過負荷を防止することができる。
【００３５】
上記実施形態では、カウンタ４１によって充電不足を積算しているが、カウンタ値に所定の充電電力に対応したレギュレータ出力指示値と低減したレギュレータ出力指示値との差を乗算して充電不足電力量を算出し、これをもとにレギュレータ出力指示値を設定することができる。
【００３６】
また、エンジン負荷の検出方法は、スロットル開度によるものに限定されず、例えば、フローセンサによって検出できるエンジンＥへの吸入空気量によるものであってもよい。大負荷時には、吸入空気量が大きくなるからである。
【００３７】
また、本実施形態では、大負荷時に、発電電力を低下させるため、レギュレータ出力を低下させたが、レギュレータ出力を停止させるようにしてもよい。レギュレータ出力を停止させてモータ２５にバッテリ１４から電力を供給するようにすると、バッテリ電圧は充電電圧より低いので（例えば、充電電圧１４．５ボルト、バッテリ電圧１２ボルト）、除雪機は減速される。その結果、作業量が低下して負荷が軽減される。
【００３８】
レギュレータ出力を停止させたときも、上述の例と同様、充電不足量を記憶しておき、負荷が低下したときに、その不足量に応じて充電量を増加させるようにするとよい。
【００３９】
さらに、本発明は、除雪機に限定されず、芝刈り機、耕耘機等、エンジン駆動される作業具と発電機とを備えたエンジン駆動式作業機に広く適用できる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜請求項５の発明によれば、大負荷がかかったときに発電電力が低下してエンジンの負荷が軽減されるので、過負荷によるエンジンストールを防止することができる。特に、請求項２の発明によれば、バッテリの充電電力を低下させてエンジン負荷を軽減することができる。
【００４１】
請求項３，４の発明によれば、大負荷時に生じた充電電力不足を、負荷が通常に戻った時に回復させて、次の負荷増大時に備えることができる。
【００４２】
請求項５の発明によれば、レギュレータの出力を停止させることで、走行駆動用モータは、レギュレータ出力電圧よりは低いバッテリ電圧で駆動される。その結果、作業量が低減してエンジン負荷が軽減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る作業機（除雪機）の要部機能を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る除雪機の左側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る除雪機の要部平面図である。
【図４】除雪機の全体システムを示すブロック図である。
【図５】制御回路の一例を示す回路図である。
【図６】ＦＥＴの制御方法の説明図である。
【図７】充電量制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１…除雪機、  ２…クローラベルト、    ４…除雪作業部、  １０…駆動回路、１５…クランク軸、  １７…電磁クラッチ、  １８…オーガ、  １９…ブロワ、  ２５…モータ、  ３６…負荷検出部、  ３７…スロットル、  ３８…回転数検出部、  ３９…レギュレータ出力可能電力算出部、  ４０…レギュレータ出力指示値変更部、  Ｅ…エンジン、  Ｇ…発電機
【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】
2004266932.tif 000008
【図７】
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