JP2005201133A

JP2005201133A - 建設機械のエンジン状態量検出装置及び検出方法

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Publication number: JP2005201133A
Application number: JP2004007670A
Authority: JP
Inventors: Shinji Akino; 真司秋野; Takanobu Ikari; 孝信井刈; Yoshinori Owada; 義宜大和田; Yoshinori Furuno; 義紀古野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】エンジンの燃料噴射制御に関連する部品の異常を事前に察知することができる建設機械のエンジン状態量検出装置及び検出方法を提供する。
【解決手段】エンジンの回転数を検出する回転数センサ１５と、操作位置に応じた指令信号を出力するスロットル１４と、エンジンの燃料噴射量を調整するとともにその作動角度を検出するガバナアクチュエータ１６と、エンジン回転数に係わる第１の閾値Ｎ_Ａ及び第２の閾値Ｎ_Ｂ（但しＮ_Ｂ＜Ｎ_Ａ）を記憶し、エンジン回転数が第１の閾値Ｎ_Ａに達した時にエンジンを停止し、第２の閾値Ｎ_Ｂに達した時にエンジン回転数を低く制御するエンジン制御装置１７と、第３の閾値Ｎ_Ｃ（但しＮ_Ｃ＜Ｎ_Ｂ）を記憶し、エンジン回転数が第３の閾値Ｎ_Ｃに達した時にエンジン回転数、スロットル１４の操作位置、ガバナアクチュエータ１６の作動角度等を経時的関係を生成して記憶し、その表示信号を出力するデータ記録装置１９とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に関し、さらに詳しくはエンジンの燃料噴射制御に関連する部品を診断する建設機械のエンジン状態量検出装置及び検出方法に関する。

油圧ショベル等の建設機械は、一般に、ブーム、アーム、及びバケット等からなるフロント作業機や旋回体を、油圧シリンダや油圧モータ等の油圧アクチュエータにより動作させており、これら油圧アクチュエータは、エンジンによって駆動する油圧ポンプからの吐出圧油が供給されて作動する。エンジンは、燃焼室（気筒）内に燃料を噴霧する燃料噴射装置と、この燃料噴射装置を制御するガバナ機構とを備えている。このガバナ機構は、オペレータがスロットルで入力指示したエンジンの目標回転数等に応じて作動するガバナアクチュエータを備えており、このガバナアクチュエータにより燃料噴射装置の燃料噴射量が調整されてエンジン回転数を制御するようになっている。ところで、例えば何らかの理由でエンジンの回転数が上昇し過回転異常（オーバーラン）となると、エンジンのコンロッド等の慣性力が大きくなり、コンロッド及びクランクシャフト等に破損が生じることがある。

ここで従来、例えば、エンジンのオーバーランを検知するオーバラン検知手段と、オーバーランが検知される場合に車速を減速させるように制御するオーバーラン制御手段とを備えた車両のエンジンオーバーラン防止装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術では、車両が傾斜面等を下るように走行する際、車体の自重等により加速されてエンジンが逆駆動されエンジンの許容回転数を越えると、例えばエンジンの回転数を検出する回転数センサ等によるオーバーラン検知手段でオーバーランを検出し、オーバーラン制御手段が例えばブレーキを作動させて車速を減速させ、逆駆動によるエンジン回転数の上昇を抑えるので、オーバーランによるエンジンの故障・破損を未然に防止するようになっている。

特開平７−１７９１３７号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、エンジンのオーバーランが高くなる要因としては、上記したエンジンの逆駆動以外にも、ガバナアクチュエータの異常や砂塵及び潤滑不良等によるガバナ機構の渋り等が生じて、適正な燃料噴射制御が行われない場合が考えられる。

ところで、大型の油圧ショベル等は、例えば広大な作業現場での土石掘削作業に供されており、その生産性向上のため一般的に連続稼働されている。そのため、ガバナアクチュエータ及びガバナ機構等の異常によりオーバーランが生じてエンジン故障が発生すると、油圧ショベルによる生産作業が中断するので、生産計画の運用を変更しなければならなかった。そこで、オーバーランによりエンジンが停止する前に、エンジンの燃料噴射制御に関連する部品の異常を事前に察知する必要があった。

本発明は、上記の事柄に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの燃料噴射制御に関連する部品の異常を事前に察知することができる建設機械のエンジン状態量検出装置及び検出方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明の建設機械のエンジン状態量検出装置は、建設機械に搭載したエンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、前記エンジンの燃料噴射制御に係わる状態量を検出する噴射状態量検出手段と、前記エンジンの回転数に係わる第１の閾値及び前記第１の閾値よりも小さく設定した第２の閾値を記憶した第１の記憶手段と、前記第２の閾値よりも小さく設定した第３の閾値を記憶した第２の記憶手段と、前記回転数検出手段からの検出値が前記第１の閾値に達した時に前記エンジンを停止する停止手段と、前記回転数検出手段からの検出値が前記第２の閾値に達した時に前記エンジンの回転数を低く制御する保護手段と、前記回転数検出手段からの検出値が前記第３の閾値に達した時に前記回転数検出手段からの検出値及び前記噴射状態量検出手段からの検出値を経時的関係を生成して前記第２の記憶手段に記憶し、前記第２の記憶手段から読み込んだ表示信号を出力する制御手段とを備える。

本発明においては、エンジンの回転数を回転数検出手段により検出し、例えばスロットルの操作位置及びガバナアクチュエータの作動角度等の燃料噴射制御に係わる状態量を噴射状態量検出手段により検出する。そして、検出したエンジン回転数が第１の記憶手段に記憶した第１の閾値に達した時は、エンジンを停止手段により停止し、検出したエンジン回転数が第１の記憶手段に記憶し第１の閾値よりも低く設定した第２の閾値に達した時は、エンジンの回転数を保護手段により低く制御する。また、検出したエンジン回転数が第２の記憶手段に記憶し第２の閾値よりも低く設定した第３の閾値に達した時は、例えば所定時間内（例えば数分程度）のエンジン回転数、スロットルの操作位置、ガバナアクチュエータの作動角度等の経時的関係を生成して第２の記憶手段に記憶し、第２の記憶手段から読み込んだ表示信号を建設機械の外部（例えば建設機械の稼動状態等を管理する事務所等）又は建設機械の運転室内に設けた表示手段へ出力し、表示手段に表示させる。これにより、事務所又は運転室内でエンジン回転数、スロットルの操作位置、ガバナアクチュエータの作動角度等の経時的関係を見ることが可能となる。

このようにして本発明においては、建設機械の作業環境等により変わってしまう例えばエンジン回転数とガバナアクチュエータの作動角度等との経時関係を得ることができ、以前取得した経時的関係と比較診断して、エンジンの燃料噴射制御に関連する部品に異常がないかどうかを判断することができる。したがって、エンジンの燃料噴射制御に関連する部品の異常を事前に察知することができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、建設機械の外部に前記制御手段により出力された表示信号を表示する表示手段をさらに備える。

（３）上記（１）において、また好ましくは、建設機械の運転室内に前記制御手段により出力された表示信号を表示する表示手段をさらに備える。

（４）上記目的を達成するために、本発明の建設機械のエンジン状態量検出方法は、建設機械に搭載したエンジンの回転数を回転数検出手段により検出し、前記エンジンの燃料噴射制御に係わる状態量を噴射状態量検出手段により検出し、第１の記憶手段に記憶した前記エンジンの回転数に係わる第１の閾値及び前記第１の閾値よりも小さく設定した第２の閾値と第２の記憶手段に記憶した前記第２の閾値よりも小さく設定した第３の閾値とに基づいて、前記回転数検出手段からの検出値が前記第１の閾値に達した時に前記エンジンを停止手段により停止し、前記回転数検出手段からの検出値が前記第２の閾値に達した時に前記エンジンの回転数を保護手段により低く制御し、前記回転数検出手段からの検出値が前記第３の閾値に達した時に前記回転数検出手段からの検出値及び前記噴射状態量検出手段からの検出値を経時的関係を生成して前記第２の記憶手段に記憶し、前記第２の記憶手段から読み込んだ表示信号を制御手段により出力する。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記制御手段により出力された表示信号を、建設機械の外部に備えた表示手段に表示する。

（６）上記（４）において、また好ましくは、前記制御手段により出力された表示信号を、建設機械の運転室内に備えた表示手段に表示する。

本発明によれば、エンジンの燃料噴射制御に関連する部品の異常を事前に察知することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の適用対象となる建設機械の一例として大型油圧ショベルの全体構造を表す側面図である。

この図１において、１は大型の油圧ショベルであり、２は走行手段である無限軌道履帯（クローラ）、３は履帯２を左・右両側に備えた走行体、４は走行体３上に旋回可能に設けられた旋回体、５は旋回体４の前部左側に設けられた運転室、６は旋回体４の前部中央に俯仰動可能に設けられた多関節型のフロント作業機（掘削作業装置）である。そして、左・右の履帯２は左・右の走行用油圧モータ（図示せず）、旋回体４は旋回用油圧モータ（図示せず）の回転駆動により動作するようになっている。

７は旋回体４に上下方向に回動可能に設けられたブーム、８はブーム７の先端に回動可能に設けられたアーム、９はアーム８の先端に回動可能に設けられたバケットであり、前記フロント作業機６は、これらブーム７、アーム８、及びバケット９で構成されている。そして、ブーム７、アーム８、及びバケット９は、それぞれブーム用油圧シリンダ１０、アーム用油圧シリンダ１１、及びバケット用油圧シリンダ１２により動作するようになっている。

図２は、本発明の建設機械のエンジン状態量検出装置の一実施形態を、関連するコントローラネットワークの要部構成とともに表す回路図である。

この図２において、１３は油圧ショベル１の各種稼働情報を収集するためのコントローラネットワークであり、１４は上記運転室５内に設けられオペレータがエンジン（図示せず）の目標回転数を入力指示するスロットル、１５はエンジンの実回転数を検出する回転数センサ、１６はエンジンの燃料噴射量を調整するためのガバナアクチュエータ、１７はスロットル１４の操作位置に応じた指令信号及び回転数センサ１５の検出信号等が入力され、エンジンの目標回転数と実回転数との偏差に基づいて所定の演算処理が行われ、生成した制御信号をガバナアクチュエータ１６に出力して、エンジン回転数を制御するエンジン制御装置である。また、ガバナアクチュエータ１６にはその作動角度を検出する角度センサ（図示せず）が内蔵されており、この角度センサの検出信号がガバナアクチュエータ１６からエンジン制御装置１７に入力されるようになっている。

１８は運転室５内に設けられ、油圧ショベル１の各種稼働情報（後述のエンジン系、操作系、油圧系等に係わる状態量）や警報情報等をオペレータに表示するディスプレイ、１９はディスプレイ１８の表示に係わる制御を行う表示制御装置である。また、２０は表示制御装置１９に接続され、オペレータの入力操作により各種データの設定や画面の切り替え等が行われるキーパッドである。

２１は第１ネットワーク２２Ａを介しエンジン制御装置１７等（図示しないが、例えばエンジンに係わる状態量の検出信号が入力されるエンジンモニタ部等）に接続され、第２ネットワーク２２Ｂを介し表示制御装置１９等（図示しないが、例えば油圧アクチュエータ（詳細には、上記左・右の走行用油圧モータ、上記旋回用油圧モータ、上記ブーム用油圧シリンダ１０、上記アーム用油圧シリンダ１１、及び上記バケット用油圧シリンダ１２等）の操作制御等に係わる電気レバー制御装置、例えば前記エンジンによって駆動され前記油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプの油圧制御等に係わる油圧制御装置等）に接続されたデータ記録装置である。このデータ記録装置２１は、エンジン制御装置１７等から油圧ショベル１のエンジン系に係わる状態量、前記電気レバー制御装置から操作系に係わる状態量、前記油圧制御装置から油圧系に係わる状態量等が連続して（例えば１秒毎に）入力され、それら状態量データを記憶するようになっている。

図３は、上記エンジン制御装置１７によって制御されたエンジン回転数の変動を表す特性図である。この図３において、横軸は時間をとって表し、縦軸はエンジン回転数をとって表している。

図３において、時間ｔ_０〜ｔ_３の範囲では、通常のエンジン回転数の変動を表している。スロットル１４で最大目標回転数が入力指示された場合、最初は上記油圧アクチュエータが作動していないので、エンジン回転数がハイアイドル（所定の無負荷最大回転数）となる（時間ｔ_０〜ｔ_１）。そして、上記油圧アクチュエータが作動開始しエンジン負荷がかかると、エンジン回転数がいったん急低下し（いわゆるラグダウン）、その後所定の定格回転数付近に戻って安定する（時間ｔ_１〜ｔ_２）。そして、上記油圧アクチュエータが作動停止しエンジン負荷が抜けると、エンジン回転数がいったん急上昇してハイアイドルより高くなり（いわゆるオーバーラン）、その後ハイアイドル付近に戻って安定する（時間ｔ_２〜ｔ_３）。また、時間ｔ_４，ｔ_５，ｔ_６では、上記オーバーランにおいてエンジン回転数が比較的高い場合をそれぞれ表している。

上記エンジン制御装置１７は、エンジン回転数に係わる第１の閾値Ｎ_Ａ、第２の閾値Ｎ_Ｂ（但しＮ_Ａ＞Ｎ_Ｂ）が設定記憶されており、回転数センサ１５からの検出信号に対し所定の演算処理を行い、エンジン回転数が第１の閾値Ｎ_Ａ以上であるかどうか、あるいは第１の閾値Ｎ_Ａ未満でかつ第２の閾値Ｎ_Ｂ以上であるかどうかを判定している。そして、例えばエンジン回転数が第１の閾値Ｎ_Ａ以上である場合（時間ｔ_６）、エンジンを停止させるように制御し（すなわちエンジン回転数＝０）、例えばエンジン回転数が第１の閾値Ｎ_Ａ未満でかつ第２の閾値Ｎ_Ｂ以上である場合（時間ｔ_５）、エンジン回転数をローアイドル（所定の無負荷最小回転数）に制御するようになっている。なお、これらの場合において、エンジン回転数の異常を報知するランプ（図示せず）を点灯させるように制御してもよい。

ここで、本実施形態の大きな特徴として、データ記録装置２１は、上記ハイアイドルより高く上記第２の閾値Ｎ_Ｂより低く設定した第３の閾値Ｎ_Ｃが記憶されており、回転数センサ１５からの検出信号に対し所定の演算処理を行い、エンジン回転数が第３の閾値Ｎ_Ｃを越える場合（時間ｔ_４，ｔ_５，ｔ_６）、上記状態量データから所定時間（例えばエンジン回転数が第３の閾値Ｎ_Ｃを越える前の５分間と越えた後の１分間とで構成された６分間等）におけるエンジン回転数、スロットル１４の操作位置、ガバナアクチュエータ１６の作動角度等を経時的関係をもって抽出したデータ（いわゆるスナップショット）を生成し記憶するようになっている。

そして、生成したスナップショットは、前述の図２に示すように、データ記録装置２１からシリアル通信２３を介し携帯端末２４にダウンロードされて移送され、あるいは衛星通信端末（図示せず）を介し送信されて、例えば油圧ショベル１の稼動状態を管理する事務所等に設置されたＰＣ端末２５に出力されるようになっている。

なお、上記において、回転数センサ１５は特許請求の範囲記載の建設機械に搭載したエンジンの回転数を検出する回転数検出手段を構成し、スロットル１４及びガバナアクチュエータ１６は特許請求の範囲記載のエンジンの燃料噴射制御に係わる状態量を検出する噴射状態量検出手段を構成する。

また、エンジン制御装置１７は、エンジンの回転数に係わる第１の閾値及び第１の閾値よりも小さく設定した第２の閾値を記憶した第１の記憶手段を構成し、また回転数検出手段からの検出値が第１の閾値に達した時にエンジンを停止する停止手段をも構成し、さらに回転数検出手段からの検出値が第２の閾値に達した時にエンジンの回転数を低く制御する保護手段をも構成する。

また、データ記録装置２１は、第２の閾値よりも小さく設定した第３の閾値を記憶した第２の記憶手段を構成し、また回転数検出手段からの検出値が第３の閾値に達した時に回転数検出手段からの検出値及び噴射状態量検出手段からの検出値を経時的関係を生成して第２の記憶手段に記憶し、第２の記憶手段から読み込んだ表示信号を出力する制御手段をも構成する。また、ＰＣ端末２５は、建設機械の外部に制御手段により出力された表示信号を表示する表示手段を構成する。

次に、本実施形態の動作及び作用効果を説明する。

例えば掘削作業等を行う場合、オペレータが油圧ショベル１のエンジンを駆動させ、スロットル１４で最大目標回転数を入力指示すると、エンジン制御装置１７は、スロットル１４からの指令信号及び回転数センサ１５からの検出信号に応じて所定の演算処理が行われ、生成した制御信号をガバナアクチュエータ１６に出力して、エンジン回転数を制御する。そして、オペーレータの操作により作動中の油圧アクチュエータ（詳細には、上記左・右の走行用油圧モータ、上記旋回用油圧モータ、上記ブーム用油圧シリンダ１０、上記アーム用油圧シリンダ１１、及び上記バケット用油圧シリンダ１２等）を停止状態に切り換えると、エンジン負荷が抜けてエンジン回転数がハイアイドルより高くなる（いわゆるオーバーラン、前述の図３参照）。このとき、エンジン制御装置１７は、例えばエンジン回転数が第１の閾値Ｎ_Ａ未満でかつ第２の閾値Ｎ_Ｂに達したら、エンジン回転数をローアイドルに制御し、例えばエンジン回転数が第１の閾値Ｎ_Ａに達したらエンジンを停止させる。

そして、データ記録装置２１は、回転数センサ１５で検出したエンジン回転数が第２の閾値Ｎ_Ｂより低く設定した第３の閾値Ｎ_Ｃを越える場合に、所定時間内（例えば６分程度）において検出したエンジン回転数、スロットル１４の操作位置、ガバナアクチュエータ１６の作動角度等を経時的関係をもって抽出したスナップショットを生成して記憶するとともに、このスナップショットの表示信号を例えば油圧ショベル１の稼動状態等を管理する事務所等に設置したＰＣ端末２５へ出力して表示する。

このようにして、本実施形態においては、油圧ショベル１の作業環境等により変わってしまう例えばエンジン回転数とガバナアクチュエータ１６の作動角度等との対応関係をスナップショットとして得ることができ、以前取得したスナップショットと比較診断して、エンジンの燃料噴射制御に関連する部品に異常がないかどうかを判断することができる。したがって、エンジンの燃料噴射制御に関連する部品の異常を事前に察知することができる。

特に、大型の油圧ショベル１は、例えば広大な作業現場での土石掘削作業に供されており、その生産性向上のため一般的に連続稼働されている。本実施形態においては、エンジン回転数が前述した第１の閾値Ｎ_Ａ及び第２の閾値Ｎ_Ｂに達しない場合でも上記スナップショットを作成して比較診断するので、エンジンが停止又はローアイドル状態となる前に、エンジンの燃料噴射制御に関連する部品の異常を察知することができる。そのため、油圧ショベルによる土石掘削作業の中断を低減することができる。

なお、上記一実施形態においては、データ記録装置２１で生成し記憶したスナップショットを、油圧ショベル１の外部に設置したＰＣ端末２５に出力して表示する構成を例にとって説明したが、これに限らない。すなわち、ＰＣ端末２５に代えて、例えば運転室５内のディスプレイ１８’に上記スナップショットを出力して表示してもよい。また、その場合には、例えば表示制御装置１９’が上記第３の閾値Ｎ_Ｃを記憶するとともに、回転数センサ１５からの検出信号に対し所定の演算処理を行い、エンジン回転数が上記第３の閾値Ｎ_Ｃを越える場合に、上記スナップショットを生成して記憶し、その表示信号をディスプレイ１８’へ出力してもよい。これらの場合にも、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、建設機械の例として油圧ショベルを例にとって説明したが、これに限られず、他の建設機械、例えばクローラクレーン、ホイールローダ等に対しても適用でき、この場合も同様の効果を得る。

本発明の建設機械のエンジン状態量検出装置の適用対象となる建設機械の一例として大型油圧ショベルの全体構造を表す側面図である。本発明の建設機械のエンジン状態量検出装置の一実施形態を関連するコントローラネットワークの要部構成とともに表す回路図である。本発明の建設機械のエンジン状態量検出装置の一実施形態を構成するエンジン制御装置によって制御されたエンジン回転数の変動を表す特性図である。

符号の説明

１４スロットル（噴射状態量検出手段）
１５回転数センサ（回転数検出手段）
１６ガバナアクチュエータ（噴射状態量検出手段）
１７エンジン制御装置（第１の記憶手段、停止手段、保護手段）
１８’ ディスプレイ（表示手段）
１９’ 表示制御装置（第２の記憶手段、制御手段）
２１データ記録装置（第２の記憶手段、制御手段）
２５ＰＣ端末（表示手段）
Ｎ_Ａ第１の閾値
Ｎ_Ｂ第２の閾値
Ｎ_Ｃ第３の閾値

Claims

建設機械に搭載したエンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、前記エンジンの燃料噴射制御に係わる状態量を検出する噴射状態量検出手段と、前記エンジンの回転数に係わる第１の閾値及び前記第１の閾値よりも小さく設定した第２の閾値を記憶した第１の記憶手段と、前記第２の閾値よりも小さく設定した第３の閾値を記憶した第２の記憶手段と、前記回転数検出手段からの検出値が前記第１の閾値に達した時に前記エンジンを停止する停止手段と、前記回転数検出手段からの検出値が前記第２の閾値に達した時に前記エンジンの回転数を低く制御する保護手段と、前記回転数検出手段からの検出値が前記第３の閾値に達した時に前記回転数検出手段からの検出値及び前記噴射状態量検出手段からの検出値を経時的関係を生成して前記第２の記憶手段に記憶し、前記第２の記憶手段から読み込んだ表示信号を出力する制御手段とを備えたことを特徴とする建設機械のエンジン状態量検出装置。
請求項１記載の建設機械のエンジン状態量検出装置において、建設機械の外部に前記制御手段により出力された表示信号を表示する表示手段をさらに備えたことを特徴とする建設機械のエンジン状態量検出装置。
請求項１記載の建設機械のエンジン状態量検出装置において、建設機械の運転室内に前記制御手段により出力された表示信号を表示する表示手段をさらに備えたことを特徴とする建設機械のエンジン状態量検出装置。
建設機械に搭載したエンジンの回転数を回転数検出手段により検出し、前記エンジンの燃料噴射制御に係わる状態量を噴射状態量検出手段により検出し、第１の記憶手段に記憶した前記エンジンの回転数に係わる第１の閾値及び前記第１の閾値よりも小さく設定した第２の閾値と第２の記憶手段に記憶した前記第２の閾値よりも小さく設定した第３の閾値とに基づいて、前記回転数検出手段からの検出値が前記第１の閾値に達した時に前記エンジンを停止手段により停止し、前記回転数検出手段からの検出値が前記第２の閾値に達した時に前記エンジンの回転数を保護手段により低く制御し、前記回転数検出手段からの検出値が前記第３の閾値に達した時に前記回転数検出手段からの検出値及び前記噴射状態量検出手段からの検出値を経時的関係を生成して前記第２の記憶手段に記憶し、前記第２の記憶手段から読み込んだ表示信号を制御手段により出力することを特徴とする建設機械のエンジン状態量検出方法。
請求項４記載の建設機械のエンジン状態量検出方法において、前記制御手段により出力された表示信号を、建設機械の外部に備えた表示手段に表示することを特徴とする建設機械のエンジン状態量検出方法。
請求項４記載の建設機械のエンジン状態量検出方法において、前記制御手段により出力された表示信号を、建設機械の運転室内に備えた表示手段に表示することを特徴とする建設機械のエンジン状態量検出方法。