JP4557205B2 - 油圧機器の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、油圧機器の制御装置に関し、特に、油圧ショベル等の建設機械に使用される油圧機器の制御装置に関するものである。

一般に、油圧ショベル等の建設機械は、図３に示すように、下部走行体５０と、上部旋回体５１と、この上部旋回体５１に連設される作業機５２とを備える。また、作業機５２は、上部旋回体５１から突設されるブーム５３と、このブーム５３に連結されるアーム５４と、このアーム５４に付設されるバケット５５等を有する。そして、ブーム５３はブーム用シリンダ機構５６の駆動にて揺動し、アーム５４はアーム用シリンダ機構５７の駆動にて揺動し、バケット５５はバケット用シリンダ機構５８の駆動にて揺動する。この際、各シリンダ機構は油圧にて駆動する。すなわち、使用する油圧機器としては、油圧ポンプと、この油圧ポンプを駆動するエンジンとを備え、この油圧ポンプの駆動によって、アクチェータである上記各シリンダ機構が駆動する。

ところで、このような油圧ショベルの建設機械に使用する場合、油圧ポンプが最大出力を必要としない作業（例えば、通常の掘削作業以外の作業機旋回作業やブームのみの単独作業等の軽負荷作業）がある。そのため、従来では、通常の掘削作業に対して少ない油量で行われる作業（バケットの代わりにアタッチメントとして油圧ブレーカを装着して行うブレーカ作業等の作業）において、油圧ポンプをロードセンシング制御して最適な油量を設定すると共に、油圧ポンプを駆動するエンジンを低燃費となる回転数で駆動するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、目標値設定器により目標エンジン回転数と目標エンジントルクを設定し、最小燃料消費率となるように、この目標エンジン回転数と目標エンジントルクにて上記ブレーカ作業等を行うものである。
特許第３０６４５７４号明細書

そして、上記特許文献１に記載のものでは、エンジンが最小燃料消費率で運転される制御は、エンジン等馬力カーブ上の最小燃料消費率となるエンジントルクとエンジン回転数により設定される。しかしながら、従来のエンジンでは、出力トルクカーブが一義的に決まってしまうため、このような制御では、最小燃料消費率となる等燃費カーブの中心部に近づけることが困難であった。

ところで、掘削作業等の通常負荷状態での作業時には、図４のエンジン回転数軸とトルク軸とをもつ線図（エンジン回転数−トルク線図）に示すように、エンジン最大出力トルクカーブａとポンプ最大吸収トルクカーブｂとの交点が、ポンプが吸収する馬力の最大であるマッチング点Ａとなる。そこで、作業上最大馬力を必要としない作業パターンや油圧条件のときに、ポンプ吸収トルクに制限を設け、ポンプが吸収する最大馬力をマッチング点Ｂに下げ、これにより燃費低減を図る場合がある。

しかしながら、このマッチング点Ｂにおける燃料消費率では、あまり燃費低減を図ることができない。すなわち、図４において、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、及びｇはそれぞれ等燃費カーブであり、その燃料消費率は、ｃ＜ｄ＜ｅ＜ｆ＜ｇとなっており、マッチング点Ｂがｅの外側に位置するからである。また、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、及びｍはそれぞれ等馬力線を示し、馬力は、ｈ＞ｉ＞ｊ＞ｋ＞ｍである。そして、ｎは燃費改善のためポンプ吸収トルクに制限をかけた場合のトルクラインである。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、効果的に燃費改善を図ることが可能な油圧機器の制御装置を提供することにある。

請求項１の油圧機器の制御装置は、油圧ポンプ１と、この油圧ポンプ１を駆動するエンジン２と、このエンジン２によって駆動されるアクチェータとを備えた油圧機器の制御装置であって、エンジン２の出力トルクを制御するエンジン制御手段３と、油圧ポンプ１の吸収トルクを制御するポンプ制御手段４と、燃料消費率が最小となる燃費最小の等燃費カーブ内の領域を通過するエンジン出力トルクカーブａ１を形成するエンジン記憶手段６と、上記燃費最小の等燃費カーブ内の領域を通過するポンプ吸収トルクカーブｂ１を形成するポンプ記憶手段７とを備え、上記油圧ポンプ１がその最大馬力を必要とする通常負荷状態では、エンジン２及び油圧ポンプ１が最大馬力出力可能とする通常運転とすると共に、上記油圧ポンプ１がその最大馬力を必要としない軽負荷状態では、切換手段８からの切換信号にて、エンジン記憶手段３に記憶されたエンジン出力トルクカーブａ１とポンプ記憶手段７にて記憶されたポンプ吸収トルクカーブｂ１となるように、上記エンジン制御手段３によるエンジン２の出力トルクの制御とポンプ制御手段４による油圧ポンプ１の吸収トルクの制御とを行う省エネ運転に切換えることを特徴としている。

上記請求項１の油圧機器の制御装置では、油圧ポンプ１がその最大馬力を必要としない軽負荷状態において、切換手段８からの切換信号にて、（一例として、負荷作業スイッチにより）エンジン記憶手段３に記憶されたエンジン出力トルクカーブａ１とポンプ記憶手段７にて記憶されたポンプ吸収トルクカーブｂ１となる省エネ運転を行うことになる。このため、軽負荷状態での低燃費運転が可能である。

請求項２の油圧機器の制御装置は、上記エンジン記憶手段６は最大馬力を出力する通常運転エンジン出力トルクカーブａを形成すると共に、上記ポンプ記憶手段７は最大馬力を出力する通常運転ポンプ吸収トルクカーブｂを形成し、上記通常運転時には、エンジン記憶手段３に記憶された通常運転エンジン出力トルクカーブａとポンプ記憶手段７にて記憶された通常運転ポンプ吸収トルクカーブｂとなるように、上記エンジン制御手段３によるエンジン２の出力トルクの制御とポンプ制御手段４による油圧ポンプ１の吸収トルクの制御を行う通常運転とすることを特徴としている。

請求項２の油圧機器の制御装置は、上記油圧ポンプ１がその最大馬力を必要とする通常負荷状態において、エンジン２及び油圧ポンプ１が最大馬力出力可能とする通常運転とすることができる。このため、通常負荷状態において、最大馬力出力にて掘削作業等の作業を行うことができ、しかも低燃費運転が可能である。

請求項３の油圧機器の制御装置は、上記切換信号は、軽負荷状態の運転とする操作レバーの作動にて送信されることを特徴としている。

上記請求項３の油圧機器の制御装置では、操作レバーを操作することによって、この操作が軽負荷運転となる場合、切換信号が送信され、軽負荷状態での省エネ運転（省エネパターン）と通常負荷状態での最大馬力出力可能とする通常運転（通常パターン）との切換を確実に行うことができる。

請求項４の油圧機器の制御装置は、上記切換信号は、油圧ポンプ１の油圧が設定値よりも低いときに送信されることを特徴としている。

上記請求項４の油圧機器の制御装置では、油圧ポンプ１の油圧を検知することによって、この油圧が設定値よりも低いときに、つまり軽負荷状態となったときに、切換信号が送信される。このため、軽負荷状態での省エネ運転（省エネパターン）と通常負荷状態での最大馬力出力可能とする通常運転（通常パターン）との切換を確実に行うことができる。

請求項１の油圧機器の制御装置によれば、軽負荷状態での低燃費運転が可能となり、燃費改善を図ることができる。

請求項２の油圧機器の制御装置によれば、通常負荷状態おいて、最大馬力出力にて掘削作業等の作業を行うことができ、しかも低燃費運転が可能である。これにより、作業パターンや油圧条件に関係なく、低燃費運転が可能となる。

請求項３又は請求項４の油圧機器の制御装置によれば、軽負荷状態での省エネ運転と通常負荷状態での最大馬力出力可能とする通常運転との切換を確実に行うことができる。これにより、この制御装置を搭載した建設機械は極めて効果的な燃費改善を達成できる。

次に、この発明の油圧機器の制御装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１にこの発明の油圧機器の制御装置の簡略ブロック図を示す。この油圧機器は、油圧ポンプ１と、この油圧ポンプ１を駆動するエンジン２等を備え、例えば油圧ショベル等の建設機械に使用される。すなわち、建設機械は、下部走行体と、上部旋回体と、この上部旋回体に連設される作業機とを備える。また、作業機は、上部旋回体から突設されるブームと、このブームに連結されるアームと、このアームに付設されるバケット等を有する。そして、ブームはブーム用シリンダ機構の駆動にて揺動し、アームはアーム用シリンダ機構の駆動にて揺動し、バケットはバケット用シリンダ機構の駆動にて揺動する。この際、この油圧機器の上記油圧ポンプ１の駆動によって、アクチェータである上記各シリンダ機構が駆動することになる。

そして、この油圧機器の油圧回路には、エンジン２の出力トルクを可変とするエンジンコントローラ（エンジン制御手段）３と、油圧ポンプ１の吸収トルクを調整するポンプコントローラ（ポンプ制御手段）４と、各コントローラ３、４を制御する制御手段５と、エンジン記憶手段６と、ポンプ記憶手段７と、作業パターン等に応じてエンジン２の出力トルク及び油圧ポンプ１の吸収トルクを切換える切換手段８と、エンジン出力軸の回転数を検出する回転数センサ１０等を備える。

作業上最大馬力を必要としない場合（軽負荷状態）には、作業機の旋回単独作業やブーム下げ単独作業等の単独操作状態や作業機の旋回とブーム下げの混合操作状態がある。このような場合には、上部旋回体に設けられたキャブ内の操作レバー（図示省略）の操作にて軽負荷作業を各種センサにより検知して、切換信号を制御手段５に送信することができる。また、作業上最大馬力を必要としない場合とは、油圧ポンプ１の油圧が所定の圧力（設計事に設定された設定値）よりも低い作業等である。このため、油圧ポンプ１の油圧を油圧センサ（図示省略）にて検知して、油圧ポンプ１の油圧が所定の圧力（設定値）よりも低い負荷状態において、切換信号を制御手段５に送信するようにすることができる。すなわち、操作レバーや油圧センサ等にて切換信号を送信する切換手段８を構成することができる。また、ポンプコントローラ４と油圧ポンプ１との間にはサーボ機構１１が介設されている。このため、回転数センサ１０からの回転数に応じて、このポンプコントローラ４からの信号にて、サーボ機構１１が作動して、油圧ポンプ１の斜板１２の角度を調整して、ポンプ吸収トルクの上限ラインを設定し、この上限ラインを越えない範囲で、設定した吸収トルクラインに応じて吸収トルクを変動させることができる。この場合、電子制御等にて回転数を一定のまま燃料噴射量を可変とすることによって、エンジン出力トルクを変動させることができる。

次にこの制御装置による制御を説明する。まず、上記した軽負荷作業以外の掘削作業等の通常負荷状態での作業時には、切換手段８から制御手段５には切換信号が送信されず、エンジンコントローラ３とポンプコントローラ４とによって、エンジン２及び油圧ポンプ１が最大馬力出力可能とするようにコントロールされる。すなわち、上記エンジン記憶手段６にて、図２のエンジン回転数軸とトルク軸とをもつ線図（エンジン回転数−トルク線図）おけるエンジン最大出力トルクカーブ（通常運転エンジン出力トルクカーブ）ａが形成され、ポンプ記憶手段７にて、上記線図におけるポンプ最大吸収トルクカーブ（通常運転ポンプ吸収トルクカーブ）ｂが形成される。そして、掘削作業等の通常負荷状態で、エンジン記憶手段６に記憶された通常運転エンジン出力トルクカーブａとポンプ記憶手段７にて記憶された通常運転ポンプ吸収トルクカーブｂとなるように、上記エンジン制御手段３によるエンジン２の出力トルクの制御とポンプ制御手段４による油圧ポンプ１の吸収トルクの制御を行うことになる。

この場合、通常運転エンジン出力トルクカーブａと通常運転ポンプ吸収トルクカーブｂとの交点が、油圧ポンプ１が吸収する馬力の最大であるマッチング点Ａとなる。なお、図２において、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、及びｇはそれぞれ等燃費カーブであり、燃料消費率は、ｃ＜ｄ＜ｅ＜ｆ＜ｇとなっている。このため、燃料消費率が最小となる燃費最小点は、上記ｃの等燃費カーブ内部（燃費最小の等燃費カーブｃ内の領域）に形成されることになる。また、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、及びｍはそれぞれ等馬力線を示し、馬力は、ｈ＞ｉ＞ｊ＞ｋ＞ｍである。そして、ｎは上記図４で示したトルクラインであって、燃費改善のためポンプ吸収トルクに制限をかけたラインである。

次に、作業上最大馬力を必要としない作業パターンや油圧条件のとき、つまり軽負荷状態のときには、切換手段８から切換信号が送信され、エンジンコントローラ３にて、エンジン出力トルクカーブ（通常運転エンジン出力トルクカーブ）ａを、燃料消費率が最小となる等燃費カーブｃの内の領域を通過するａ１のように変化させると共に、ポンプコントローラ４にて、ポンプ吸収トルクカーブ（通常運転ポンプ吸収トルクカーブ）ｂを、上記燃費最小点を通過するｂ１のように変化させる。これによって、エンジン回転数に対するトルク線図上のエンジン出力トルクカーブａ１とポンプ吸収トルクカーブｂ１とのマッチング点Ａ１を上記燃費最小点に近づけることになって、省エネ運転となる。すなわち、ａ１は等燃費カーブｃを通過するエンジン出力トルクカーブであり、ｂ１は等燃費カーブｃを通過するポンプ最大吸収トルクカーブである。このため、エンジン記憶手段６にて上記エンジン出力トルクカーブａ１が形成され、ポンプ記憶手段７にて上記ポンプ吸収トルクカーブｂ１が形成されている。そして、軽負荷状態のときに、記憶されたエンジン出力トルクカーブａ１となるように、制御手段５からエンジンコントローラ３に指示され、このエンジンコントローラ３にてエンジン出力トルクが変更され、また、記憶されたポンプ吸収トルクカーブｂ１となるように、制御手段５からポンプコントローラ４に指示され、このポンプコントローラ４にてポンプ吸収トルクが変更される。

この図２に示す場合では、エンジン出力トルクカーブａ１とポンプ吸収トルクカーブｂ１とのマッチング点はＡ１となり、燃費改善を達成できることがわかる。これに対して、従来のように、ポンプ吸収トルクに制限を設けて油圧ポンプ１が吸収する最大馬力をマッチング点Ｂに下げた場合、このマッチング点Ｂにおける燃料消費率では、燃費改善をあまり達成できない。このように、油圧ポンプ１が吸収する最大馬力が同じでも、上記制御装置の制御による省エネ運転を行えば、エンジン２の燃費特性上より効率の高い所で、エンジン出力トルクとポンプ吸収トルクとをマッチングすることができ、燃費低減を図れる。

上記制御装置によれば、エンジン出力トルクとポンプ吸収トルクとの両者を制御することによって、エンジン２の燃費効率の良いところでのマッチングを行うことができる。これにより、燃費改善を達成できる。また、油圧ポンプ１がその最大馬力を必要としない軽負荷状態において、上記制御の省エネ運転を自動的に行うことになるので、軽負荷状態での低燃費運転を達成できる。

さらに、切換手段８等を備えたことにより、軽負荷状態では省エネ運転を行い、通常負荷状態ではエンジン２及び油圧ポンプ１が最大馬力出力可能とする通常運転を行うことができる。これにより、作業パターンや油圧条件に関係なく、低燃費運転が可能となる。さらに、操作レバーを操作することによって、この操作が軽負荷運転となる場合、切換信号が送信されたり、油圧ポンプ１の油圧を検知することによって、この油圧が設定値よりも低いときに、つまり軽負荷状態となったときに、切換信号が送信されたりするので、軽負荷状態での省エネ運転（省エネパターン）と通常負荷状態での最大馬力出力可能とする通常運転（通常パターン）との切換を確実に行うことができる。これにより、軽負荷状態での省エネ運転と通常負荷状態での最大馬力出力可能とする通常運転との切換を確実に行うことができ、この制御装置を搭載した建設機械は極めて効果的な燃費改善を達成できる。

ところで、上記制御では、エンジン出力トルクカーブをａからａ１に切換えると共に、ポンプ吸収トルクカーブをｂからｂ１に切換えて、マッチング点をＡからＡ１としていたが、変更するマッチング点を複数個設定できるようにしてもよい。また、エンジン出力トルクカーブとポンプ吸収トルクカーブとをそれぞれ設定範囲内において可変であるようにしてもよい。この場合、エンジン出力トルクカーブ及びポンプ吸収トルクカーブを作業パターンや作業油圧により上記設定範囲間を段階的に又は連続可変に自動的に変えることができる。これにより、上記図２に示すエンジン回転数−トルク線図（マッチング特性線図）上において、マッチング点の軌跡を、エンジン２の燃費特性上最良となるように描くことができ、より効果の高い燃費改善を図ることができる。

また、エンジン２の燃費特性に合わせて、マッチング点を変更するようにすれば、エンジン２側のより燃費効率の良いところでマッチングできる。これにより、確実に低燃費運転を達成できる。

以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記実施形態では、油圧ショベルに使用したが、建設機械として油圧ショベル以外の他の種々の建設機械であっても、建設機械以外の油圧機器が使用される機械にも適用することができる。

この発明の油圧機器の制御装置の実施形態を示す簡略ブロック図である。 上記油圧機器のエンジン回転数−トルク線図である。 建設機械の簡略図である。 従来の油圧機器のエンジン回転数−トルク線図である。

符号の説明

１・・油圧ポンプ、２・・エンジン、３・・エンジン制御手段（エンジンコントローラ）、４・・ポンプ制御手段（ポンプコントローラ）、６・・エンジン記憶手段、７・・ポンプ記憶手段、８・・切換手段、Ａ１・・マッチング点、ａ、ａ１・・エンジン出力トルクカーブ、ｂ、ｂ１・・ポンプ吸収トルクカーブ

Claims (4)

1. 油圧ポンプ（１）と、この油圧ポンプ（１）を駆動するエンジン（２）と、このエンジン（２）によって駆動されるアクチェータとを備えた油圧機器の制御装置であって、エンジン（２）の出力トルクを制御するエンジン制御手段（３）と、油圧ポンプ（１）の吸収トルクを制御するポンプ制御手段（４）と、燃料消費率が最小となる燃費最小の等燃費カーブ内の領域を通過するエンジン出力トルクカーブ（ａ１）を形成するエンジン記憶手段（６）と、上記燃費最小の等燃費カーブ内の領域を通過するポンプ吸収トルクカーブ（ｂ１）を形成するポンプ記憶手段（７）とを備え、上記油圧ポンプ（１）がその最大馬力を必要とする通常負荷状態では、エンジン（２）及び油圧ポンプ（１）が最大馬力出力可能とする通常運転とすると共に、上記油圧ポンプ（１）がその最大馬力を必要としない軽負荷状態では、切換手段（８）からの切換信号にて、エンジン記憶手段（３）に記憶されたエンジン出力トルクカーブ（ａ１）とポンプ記憶手段（７）にて記憶されたポンプ吸収トルクカーブ（ｂ１）となるように、上記エンジン制御手段（３）によるエンジン（２）の出力トルクの制御とポンプ制御手段（４）による油圧ポンプ（１）の吸収トルクの制御とを行う省エネ運転に切換えることを特徴とする油圧機器の制御装置。
2. 上記エンジン記憶手段（６）は最大馬力を出力する通常運転エンジン出力トルクカーブ（ａ）を形成すると共に、上記ポンプ記憶手段（７）は最大馬力を出力する通常運転吸収トルクカーブ（ｂ）を形成し、上記通常運転時には、エンジン記憶手段（３）に記憶された通常運転エンジン出力トルクカーブ（ａ）とポンプ記憶手段（７）にて記憶された通常運転ポンプ吸収トルクカーブ（ｂ）となるように、上記エンジン制御手段（３）によるエンジン（２）の出力トルクの制御とポンプ制御手段（４）による油圧ポンプ（１）の吸収トルクの制御を行う通常運転とすることを特徴とする請求項１の油圧機器の制御装置。
3. 上記切換信号は、軽負荷状態の運転とする操作レバーの作動にて送信されることを特徴とする請求項１又は請求項２の油圧機器の制御装置。
4. 上記切換信号は、油圧ポンプ（１）の油圧が設定値よりも低いときに送信されることを特徴とする請求項１又は請求項２の油圧機器の制御装置。