JP5096813B2 - 建設機械のエンジン制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ式エンジンで駆動される電動機及び油圧ポンプを備え、エンジン回転数の一時的な落ち込みであるラグダウンを抑制できる油圧ショベル等の建設機械のエンジン制御装置に関する。

従来一般に、ターボ式エンジンを備えた油圧ショベル等の建設機械にあっては、油圧アクチュエータを急操作してエンジンに急負荷が加えられたときに、エンジンの回転数が一時的に落ち込むラグダウンという現象が発生していた。これは、エンジンが無負荷状態の時に燃料噴射量が少なく、ターボに作用する排気の量が減少して過給圧が低下しているため、エンジントルクの立ち上がりに応答遅れが生じ、急操作による油圧負荷（油圧ポンプの吸収トルク）がエンジントルクを上回ってしまうことから起こるものである。このようなラグダウンによるエンジン回転数の一時的な落ち込みは、エンジン音の変化として現われ、オペレータに不快感を与える。また、エンジン回転数の立ち上がりの遅れは、油圧ポンプの吐出流量の減少を招き、作業能力、操作性にも影響を与える。また、エンジン回転数の低下に対し、ガバナは燃料噴射量を増やすことで回転数を正規な回転数に復帰させようとすることから、急激な燃料噴射による黒煙発生や燃費の悪化を招くことになる。

ところで、近年の建設機械の高性能化に伴い、油圧ポンプの最大流量、及び油圧アクチュエータの最大駆動力は年々増加する傾向にあり、エンジンに要求される出力も増大する傾向にある。近年の建設機械に搭載されるエンジンでは、一般にターボ過給圧を上げることにより出力の増加を達成している。しかし、過給低下時のエンジントルクは、エンジンの排気量によることから、従来からあまり変わっておらず、そのため、過給時におけるエンジン出力の増大に対し、過給低下時のエンジントルクとの差が大きくなっていることから、トルクの立ち上がりに要する時間が長くなってきている。これに伴い、上述した急操作において生じるラグダウンを防止することが油圧制御上の課題となっている。

上記課題に対し、一般的には十分な無過給時トルクをもつエンジンを選定することが行われていたが、大きな無過給時トルクを有するエンジンは排気量等が大きくなるため大型化し、コスト、配置スペース等の問題が生じる。

このため、特許文献１に示される土木建設機械のエンジン制御装置では、非操作時に引きずり負荷を与える手段を設けることで、エンジントルクをある程度上げてあらかじめターボ過給圧を上げておき、エンジントルクが立ち上がるまでの時間を短くすることにより、ラグダウンの軽減を実施している。
特開平１−２２４４１９号公報

上述した特許文献１に示される従来技術では、非操作時に与えられる引きずり負荷のために消費されるエネルギは全く作業に使用されていない。したがって、燃費が悪くなり、エネルギ効率が悪くなって、不経済になりやすい問題がある。

本発明は、前述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、操作装置の急操作時等の急激な負荷増加時に生じるエンジンのラグダウンの軽減に要するエネルギ消費を少なく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。

この目的を達成するために、本発明は、ターボ式エンジンと、このエンジンによって駆動し、発電機としても活用可能な電動機及び油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油によって作動する油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータを操作する操作装置と、上記電動機に電力を供給可能なキャパシタとを備えた建設機械のエンジン制御装置において、上記油圧ポンプの吸収トルクが上記エンジンの出力トルクを超えるものとなる状態、および上記油圧ポンプの吸収トルクが減少する状態となることを検出する負荷状態検出手段と、上記キャパシタの充電量を検出可能な充電量検出手段と、過給圧検出器とを備えるとともに、上記操作装置の操作に伴い上記負荷状態検出手段により上記油圧ポンプの吸収トルクが上記エンジンの出力トルクを超えるものとなる状態が検出され、上記過給圧検出器によって検出される過給圧が所定圧以下であると判断され、しかも上記充電量検出手段によって検出された上記キャパシタの充電量が、上記電動機を予め設定した所定時間駆動可能な充電量であると判断されたときに、上記キャパシタの電力を上記電動機に上記所定時間供給して、上記エンジントルクの立ち上がり時間をポンプ吸収トルクの立ち上がり時間に近いものにする処理を行ない、上記負荷状態検出手段により上記油圧ポンプの吸収トルクが減少する状態が検出されたときに、上記電動機による上記キャパシタへの充電を実施させる処理を行う判断処理手段を備えたことを特徴としている。

このように構成した本発明は、操作装置が急操作された等により負荷状態検出手段により操作装置が急操作された等の油圧ポンプの吸収トルクがエンジンの出力トルクを超えるものとなる状態が検出された際、過給圧検出器で検出された過給圧が所定圧よりも低いと判断され、しかも充電量検出手段で検出されたキャパシタの充電量が、電動機を所定時間駆動可能な充電量であると判断されたときには、判断処理手段によってキャパシタの電力を電動機に供給する処理が実施され、電動機は所定時間駆動し、エンジンの負荷が低減される。これによって、エンジントルクの立ち上がり時間が短くなり、エンジンのラグダウンを軽減することができる。操作装置の操作終了時には、負荷状態検出手段により油圧ポンプの吸収トルクが減少する状態が検出され、エンジンによる電動機の駆動によりキャパシタへの蓄電が行なわれる。このように、キャパシタの放電によって操作装置の急操作時等に生じやすいエンジンのラグダウンを軽減できるとともに、操作装置の操作終了時には、エンジンによる電動機の駆動によってキャパシタへの充電が行なわれ、必要量の充電量が得られた時点で電動機による充電を停止する。これによりエンジンのラグダウンの軽減に要するエネルギ消費を少なくすることができる。
また本発明は、上記発明において、上記操作装置の操作量を検出する操作量検出手段を備え、上記負荷状態検出手段は、上記操作量検出手段によって検出される上記操作装置の最大操作量に基づき、上記油圧ポンプの吸収トルクが上記エンジンの出力トルクを超えるものとなる状態であることを検出するものから成ることを特徴としている。
また本発明は、上記発明において、上記油圧ポンプの吸収トルクを検出する負荷検出手段を備え、上記負荷状態検出手段は、上記負荷検出手段によって検出される上記油圧ポンプの吸収トルクの変化率に基づいて上記油圧ポンプの吸収トルクが上記エンジンの出力トルクを超えるものとなる状態であることを検出するものから成ることを特徴としている。
また本発明は、上記発明において、上記判断処理手段は、上記電動機へ上記所定時間、上記キャパシタの電力を供給させる処理を行った後、上記操作量検出手段による上記操作装置の上記油圧ポンプの吸収トルクの減少方向への操作の検出、または上記負荷検出手段による上記油圧ポンプの吸収トルクの減少の検出により、上記電動機によって発電される電力を上記キャパシタに充電するよう制御することを特徴としている。
また本発明は、上記発明において、上記キャパシタは、上記操作装置の操作に伴う上記エンジンの出力トルクに対する上記油圧ポンプの吸収トルクの超過分を補う上記電動機の所定時間の駆動を賄う容量に設定されることを特徴としている。
また本発明は、上記発明において、上記電動機は、上記エンジンの最大過給時トルクと無過給時トルクとの差分トルクに対応した出力トルクを有することを特徴としている。

本発明は、操作装置の急操作時等に生じるエンジンのラグダウンの軽減をキャパシタからの放電を介して行なうので、エンジンのラグダウンの軽減に要するエネルギ消費を少なくすることができ、従来に比べて経済性に富む。

以下，本発明に係る建設機械のエンジン制御装置を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

本実施形態に係るエンジン制御装置は、建設機械、例えば油圧ショベルに備えられるもので、ターボ式エンジン１と、このエンジン１によって駆動する電動機２及び油圧ポンプ３と、この油圧ポンプ３から吐出される圧油によって作動するブームシリンダ、アームシリンダ等の油圧アクチュエータ４と、この油圧アクチュエータ４を操作する操作装置５と、この操作装置５の操作量に応じて油圧ポンプ３から油圧アクチュエータ４に供給される圧油の流れを制御するコントロールバルブ６とを備えている。上述した電動機２は、発電機としても活用される。

また、この油圧ショベルは、電動機２の駆動に伴って蓄電を行なうキャパシタ８と、このキャパシタ８への蓄電を制御する電流制御装置７とを備えている。

このような油圧ショベルに備えられる本実施形態は、キャパシタ８からの信号を入力するコントローラ９と、操作装置５の操作量を検出し、その検出信号をコントローラ９に出力する操作量検出器１０と、エンジン１に付設され、過給圧を検出してその検出信号をコントローラ９に出力する過給圧検出器１１とを備えている。

上述したコントローラ９には、操作量検出器１０から検出される信号に基づいて操作量を演算し、その大きさによって油圧ポンプの吸収トルクがエンジン出力トルクを超える状態であることを検出する 第１演算部９ａと、キャパシタ８から出力される信号に基づいてキャパシタ８の充電量を演算する第２演算部９ｂと、判断処理部９ｃとが含まれている。

判断処理部９ｃは、第１演算部９ａで演算された操作量が、油圧ポンプの吸収トルクがエンジン出力トルクを超えるものとなるかどうか判断するとともに、超えるものとなる状態と判断されたときには、過給圧検出器１１によって検出される過給圧が所定圧以下かどうか判断し、所定圧以下と判断されたときには第２演算部９ｂで演算されたキャパシタ８の充電量が、電動機２を所定時間Ａ駆動可能な充電量かどうかを判断する処理を行なう。この際、所定時間Ａ駆動可能な充電量であると判断されたときは、電流制御装置７にキャパシタ８の放電を指示する指示信号を出力し、キャパシタ８の電力を電動機２に供給させる処理を行なう。

上述した操作量検出器１０と、コントローラ９の第１演算部９ａとによって、油圧ポンプの吸収トルクがエンジンの出力トルクを超えるものとなる状態、および油圧ポンプの吸収トルクが減少する状態となることを検出する負荷状態検出手段が構成されている。また、上述したコントローラ９の第２演算部９ｂによって、キャパシタ８の充電量を検出する充電量検出手段が構成されている。さらに、上述したコントローラ９の判断処理部９ｃによって、負荷状態検出手段で操作装置５がフル操作（操作量最大）されたことが検出された際、過給圧検出器１１によって検出される過給圧が所定圧以下であると判断され、しかも充電量検出手段で検出されたキャパシタ８の充電量が、電動機２を所定時間Ａ駆動可能な充電量であると判断されたときに、キャパシタ８に蓄えられている電力を電動機２に供給させる処理を行なう判断処理手段が構成されている。

このように構成した本実施形態は、図２の（ａ）に示すように、操作装置５が中立位置から最大位置（フル）まで操作されると、このときの操作量が操作量検出器１０で検出され、その検出信号がコントローラ９に出力される。このとき図２の（ｂ）図に示すように、ポンプ吸収トルクの特性は、操作量の特性にほぼ一致するものとなる。

コントローラ９の第１演算部９ａでは、操作量検出器１０から出力される信号に応じて操作量を求める演算が行なわれる。この間、コントローラ９の第２演算部９ｂでは、キャパシタ８から出力される信号に基づいてキャパシタ８の充電量を求める演算が行なわれる。

コントローラ９の判断処理手段９ｃでは、第１演算部９ａで演算された操作量が、油圧ポンプの負荷（吸収トルク）を増加させ、エンジン出力トルクを超えるものとなるかどうかの判断が行なわれる。今は、超えるものとなると判断される。この場合、過給圧検出器１１によって検出される過給圧が所定圧以下かどうか判断される。今は図２の（ｇ）図から明らかなように、所定圧以下と判断される。さらにこの場合、第２演算部９ｂで演算されたキャパシタ８の充電量が、電動機２を所定時間Ａ駆動可能な充電量かどうかの判断が行なわれる。

なお、上述の所定時間Ａとは、操作装置５がフル操作された際に生じるエンジン１のラグダウンを抑制し得るエンジントルクの立ち上がり時間ｔを与えることができると考えられる電動機２の駆動時間である。

また、キャパシタ８の充電容量は、電動機２を図２（ｃ）で示す電動機出力（トルク）で所定時間Ａにおいて駆動可能な容量が設定される。（図２（ｃ）斜線部の面積分に相当）
また、電動機２は、エンジン１の最大過給時トルクと無過給時トルクとの差分トルクに対応した大きさの出力トルクを有するように設定される。

今例えば、図２の（ｅ）で示すように、キャパシタ８の蓄電量が１００％に近いものであり、電動機２を所定時間Ａ駆動可能な充電量であると判断されたものとする。

このとき、コントローラ９から電流制御装置７に指示信号、すなわち図２の（ｈ）に示す制御電流が出力され、電動機２を所定時間Ａ駆動することのできる電力をキャパシタ８から放電させる指示処理がなされる。

これによって、キャパシタ８から放電され、その電力によって電動機２が図２の（ｃ）図に示すように、所定時間Ａ駆動される。この電動機２の所定時間Ａの駆動により、エンジン１に作用する負荷を軽減し、またこの間、過給圧が図２の（ｇ）に示すように上昇する。これに伴ってエンジントルクに図２の（ｆ）の斜線に示すような図２（ｃ）に示す分の電動機による駆動トルク加わることによりその立ち上がり時間ｔが従来一般の立ち上がり時間Ｔよりも短くなる。このときのエンジントルクの立ち上がり時間ｔは、図２の（ｂ）に示すポンプ吸収トルクの立ち上がり時間に近いものとなる。

所定時間Ａの経過後、例えば操作装置５の操作終了時には、電動機２は図２の（ｄ）図に示すように発電機として作用し、図２の（ｅ）に示すように、その電力が電流制御装置７を介してキャパシタ８に蓄えられる。なお、この操作装置５の操作終了時（フル操作位置から中立位置への戻し途中を含む）は、上記油圧ポンプの負荷（吸収トルク）が最大状態から減少する状態である。

なお、判断処理部９ｃは、第１演算部９ａで演算された操作量が、油圧ポンプの吸収トルクがエンジン出力トルクを超えるものとなる状態ではないと判断したときには、エンジン１のラグダウンを生じる懸念が少ないので電動機２を所定時間Ａ駆動する処理は実施しない。また、過給圧検出器１１によって検出される過給圧が所定圧以下でなく、十分に高い圧力であると判断したときにも、エンジン１のラグダウンを生じる懸念が少ないので電動機２を所定時間Ａ駆動する処理は実施しない。

このように構成した本実施形態によれば、上述したように操作装置５のフル操作に際して、キャパシタ８の放電によって電動機２を駆動させることによりエンジン１に作用する負荷を軽減してエンジントルクの立ち上がり時間ｔを短くして、ポンプ吸収トルクの立ち上がり時間に近いものとしたので、このような操作装置５のフル操作時に生じやすいエンジン１のラグダウンを軽減することができる。これとともに、所定時間Ａの経過後は、エンジン１による電動機２の駆動によってキャパシタ８の充電が行なわれ、その後のフル操作時に備えることができる。すなわち、操作装置５のフル操作に起因する油圧ポンプの吸収トルクがエンジンの出力トルクを超えることによるエンジン１のラグダウンの軽減に要するエネルギ消費を少なくすることができ、優れた経済性が得られる。

なお、上述したキャパシタ８は、応答性が良いので、電動機２を所定時間Ａ駆動する際に瞬時に放電でき、電動機２を応答良く制御することができ、スムーズなラグダウン防止制御が可能になる。また、過給圧が立ち上がるまで電動機２に電力を供給すればよいので、蓄電容量は小さくて済む（図２（ｃ）の斜線部に相当する電力量）。また、蓄電容量が所定の小容量までであれば、バッテリに比べてキャパシタ８の方が形状を小さくすることができ、したがって、キャパシタ８を備えた本実施形態によれば、充電装置としてバッテリを備える場合に比べて、油圧ショベルに搭載させるための設置スペースが小さくで済み、実用性に優れている。

また、本実施の形態では、油圧ポンプの吸収トルクがエンジンの出力トルクを超えるものとなる状態であることを検出する手段として、操作装置の操作量を検出することとしたが、これに限らず、油圧ポンプの吸収トルクを検出するようにしても良く、例えば、油圧ポンプの吐出圧を圧力センサにより検出しこの圧力と油圧ポンプの傾転角とにより求めても良く、また油圧ポンプが可変容量型ポンプである場合にはポンプの吐出圧とこの可変ポンプの傾転角を制御する制御圧とにより求めても良く、これらを負荷検出手段とすることもできる。この場合、この負荷検出手段による油圧ポンプの吸収トルクがエンジン出力トルクを超えるものとなる状態の検出は、油圧ポンプの吸収トルクの変化率の大きさに基づいて行うことができ、予めその大きさを実験などで求めておくことにより行うことができる。

また、油圧ポンプの吸収トルクとエンジントルクとの差分に基づいて検出することもでき、この場合、過給圧検出器によって検出される過給圧と、この過給圧から求められるエンジン出力トルクとの関係を予めテーブルとして備え、過給圧検出器によって検出される過給圧からエンジン出力トルクを求め、上記のように求められる油圧ポンプの吸収トルクとの差分により検出することもできる。

また、判断処理手段による電動機の制御を既知のスピードセンシング制御に基づいて行うこともできる。すなわち、エンジン目標回転数設定ダイヤルで設定されるエンジンの目標回転数とエンジンの実回転数との偏差により油圧ポンプの吸収トルク（傾転角度）を制御する場合に、この偏差に応じて減少される油圧ポンプの吸収トルク分を電動機による出力トルクとしてエンジンをアシストするようにしてもよい。

本発明に係る建設機械のエンジン制御装置の一実施形態を示す回路図である。 本実施形態で得られる特性を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 電動機
３ 油圧ポンプ
４ 油圧アクチュエータ
５ 操作装置
６ コントロールバルブ
７ 電流制御装置
８ キャパシタ
９ コントローラ
９ａ 第１演算部（負荷状態検出手段）
９ｂ 第２演算部（充電量検出手段）
９ｃ 判断処理部（判断処理手段）
１０ 操作量検出器（急操作検出手段）
１１ 過給圧検出器

Claims (6)

1. ターボ式エンジンと、このエンジンによって駆動し、発電機としても活用可能な電動機及び油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油によって作動する油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータを操作する操作装置と、上記電動機に電力を供給可能なキャパシタとを備えた建設機械のエンジン制御装置において、
   上記油圧ポンプの吸収トルクが上記エンジンの出力トルクを超えるものとなる状態、および上記油圧ポンプの吸収トルクが減少する状態となることを検出する負荷状態検出手段と、上記キャパシタの充電量を検出可能な充電量検出手段と、過給圧検出器とを備えるとともに、
   上記操作装置の操作に伴い上記負荷状態検出手段により上記油圧ポンプの吸収トルクが上記エンジンの出力トルクを超えるものとなる状態が検出され、上記過給圧検出器によって検出される過給圧が所定圧以下であると判断され、しかも上記充電量検出手段によって検出された上記キャパシタの充電量が、上記電動機を予め設定した所定時間駆動可能な充電量であると判断されたときに、上記キャパシタの電力を上記電動機に上記所定時間供給して、上記エンジントルクの立ち上がり時間をポンプ吸収トルクの立ち上がり時間に近いものにする処理を行ない、上記負荷状態検出手段により上記油圧ポンプの吸収トルクが減少する状態が検出されたときに、上記電動機による上記キャパシタへの充電を実施させる処理を行う判断処理手段を備えたことを特徴とする建設機械のエンジン制御装置。
2. 上記操作装置の操作量を検出する操作量検出手段を備え、上記負荷状態検出手段は、上記操作量検出手段によって検出される上記操作装置の最大操作量に基づき、上記油圧ポンプの吸収トルクが上記エンジンの出力トルクを超えるものとなる状態であることを検出するものから成ることを特徴とする請求項１に記載の建設機械のエンジン制御装置。
3. 上記油圧ポンプの吸収トルクを検出する負荷検出手段を備え、上記負荷状態検出手段は、上記負荷検出手段によって検出される上記油圧ポンプの吸収トルクの変化率に基づいて上記油圧ポンプの吸収トルクが上記エンジンの出力トルクを超えるものとなる状態であることを検出するものから成ることを特徴とする請求項１に記載の建設機械のエンジン制御装置。
4. 上記判断処理手段は、上記電動機へ上記所定時間、上記キャパシタの電力を供給させる処理を行った後、上記操作量検出手段による上記操作装置の上記油圧ポンプの吸収トルクの減少方向への操作の検出、または上記負荷検出手段による上記油圧ポンプの吸収トルクの減少の検出により、上記電動機によって発電される電力を上記キャパシタに充電するよう制御することを特徴とする請求項２または３に記載の建設機械のエンジン制御装置。
5. 上記キャパシタは、上記操作装置の操作に伴う上記エンジンの出力トルクに対する上記油圧ポンプの吸収トルクの超過分を補う上記電動機の所定時間の駆動を賄う容量に設定されることを特徴とする請求項１に記載の建設機械のエンジン制御装置。
6. 上記電動機は、上記エンジンの最大過給時トルクと無過給時トルクとの差分トルクに対応した出力トルクを有することを特徴とする請求項５に記載の建設機械のエンジン制御装置。

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