JP2005098216A - エンジン出力制御装置 - Google Patents

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Abstract


【課題】 燃費を大幅に改善できるエンジン出力制御装置を提供すること。
【解決手段】合計負荷演算手段33は、時々刻々と変化する油圧モータ、エアコン、F,R油圧ポンプの稼働負荷を、油圧センサ17〜19からの検出信号、スイッチ20からのオンオフ信号等に基づいて演算し、各稼働負荷から合計負荷を演算する。そして、合計負荷に応じた必要最小限のグロス出力となるように、出力設定手段34がグロス出力カーブG1,G2,G3…を選択する。従って、冷却ファン用の油圧モータのみならず、複数の負荷装置での稼働負荷を緻密に演算して合計負荷を算出することにより、それらの合計負荷が小さい時には常にグロス出力を確実に抑えることが可能であり、出力低減率を大きくでき、また、出力低減時間を長くして燃費を大幅に改善できる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、エンジン出力制御装置に関する。
従来、建設機械などに使用されるディーゼルエンジンでは、エンジン冷却用のファン、あるいは油圧システム冷却用のファン等の補機をフル稼働させた場合で、かつ複数の作業機を同時に駆動させる場合のように、最大稼働負荷に近い状態では、補機をフル稼働させている分だけ、作業機を駆動するのに必要なネット出力が不足するため、パワー不足が生じて作業性が阻害されることがある。
そこで、作業機の稼働負荷が大きい場合で、かつエンジンや油圧システムをさほど冷却する必要がない場合には、前記ファンを常時フル稼働させてくのではなく、一時的に停止させたり、あるいは低速で稼働させたりして、これによって生じる余剰出力を作業機の駆動用に補填し、よって作業機をより高出力で駆動することが提案されている(例えば、特許文献1)。
しかし、この特許文献1記載の技術によれば、エンジンは常に、最大グロス出力カーブに沿って駆動されるため、作業機での稼働負荷が小さい場合には、冷却ファンによってエンジンが必要以上に冷却されたり、冷却ファンでの稼働負荷が小さい場合(低回転の場合や、停止している場合)には、必要以上の出力で作業機を駆動することになり、燃料消費率(g/PSh)が悪化してしまうという問題が生じる。
そこで、燃費改善が切望されている近年では、エンジン冷却ファンによる稼働負荷に注目し、この稼働負荷の分だけを差し引いたネット出力を作業機駆動用の出力として一定に維持しつつ、グロス出力を冷却ファンの稼働状況に応じて調整する制御が提案されている(非特許文献1)。
この提案によれば、冷却ファンを高速回転させる高稼働負荷の時にはグロス出力を上げ、低速回転させる低稼働負荷の時にはグロス出力を抑えればよいから、冷却ファンが必要以上の出力で駆動されることがない。また、作業機を駆動するためのネット出力も一定に維持されるため、必要以上の出力で駆動されることがない。これにより、燃費が改善されるのである。
特開2001−3385号公報 建設機械2003, 6, Vol.39, No.6, 第13頁〜第16頁(2003年6月1日発行)
しかしながら、前記非特許文献1による技術では、エンジン冷却用ファンの稼働状況のみを対象としてグロス出力を調整するため、多くの補機を備えている建設機械やその他の車両には十分に対応できず、燃費を改善するのには限界がある。
本発明の目的は、燃費を大幅に改善できるエンジン出力制御装置を提供することにある。
本発明の請求項1に係るエンジン出力制御装置は、エンジンで駆動中の少なくとも2つ以上の負荷装置の稼働負荷を検出する負荷検出手段と、この負荷検出手段による検出結果に基づいて各負荷装置の所定時間毎の合計負荷を求める合計負荷演算手段と、前記合計負荷に応じて前記エンジンのグロス出力を設定する出力設定手段とを備えていることを特徴とする。
請求項2に係るエンジン出力制御装置は、請求項1に記載のエンジン出力制御装置において、前記負荷装置は、車両移動装置、冷却ファン駆動用油圧モータ、ステアリング駆動装置、作業機駆動装置、オルタネータ、空調装置のうちのいずれか2つ以上であることを特徴とする。
請求項3に係るエンジン出力制御装置は、請求項1に記載のエンジン出力制御装置において、前記負荷装置は、冷却ファン駆動用油圧モータ、および作業機駆動用動力源であることを特徴とする。
請求項4に係るエンジン出力制御装置は、請求項1に記載のエンジン出力制御装置において、前記負荷装置は、冷却ファン駆動用油圧モータ、およびエンジン直結動力源であることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、制御手段の合計負荷演算手段は、時々刻々と変化する複数の負荷装置の稼働負荷を負荷検出手段での検出結果に基づいて演算するとともに、この稼働負荷から合計負荷を演算する。そして、出力設定手段は、この合計負荷に応じた必要最小限のグロス出力となるように、グロス出力カーブを設定する。従って、負荷装置での稼働負荷を緻密に演算することで、それらの合計負荷が小さい時には常にグロス出力を抑えることが可能であり、出力低減率が大きく、また、出力低減時間が長くなって燃費が大幅に改善される。
請求項2の発明によれば、2つい以上の負荷装置を車両等の仕様に応じて車両移動装置、冷却ファン駆動用油圧モータ、ステアリング駆動装置、作業機駆動装置、オルタネータ、空調装置の中から選択すればよく、例えば油圧ショベル、ブルドーザ、ホイルローダなど、様々な車両の燃費を確実に向上させることができる。
請求項3の発明によれば、作業機駆動用動力源の稼働負荷をも考慮するので、ファン等の補機の稼働負荷を含めて作業モードに応じたグロス出力の出力低減制御が行え、より緻密で確実に燃費改善が図られる。
請求項4の発明によれば、エンジン直結動力源の稼働負荷をも考慮するので、ファン駆動負荷を含め、より大きな稼働負荷を対象としてグロス出力の出力低減制御が実施されるようになり、十分な燃費改善が図れる。
ここで、エンジン直結動力源としては、請求項3に記載の作業機駆動用動力源は含まれず、トランスミッション、発電機(バッテリ充電用のオルタネータとは異なり、大型のもの)、作業機駆動用以外に用いられる油圧ポンプ等である。
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態に係るコントローラ(エンジン出力制御装置)30が搭載された油圧ショベル1を示す模式図である。
油圧ショベル1は、ディーゼルエンジン2の出力でフロント油圧ポンプ(作業機駆動用動力源、負荷装置)3およびリア油圧ポンプ(作業機駆動用動力源、負荷装置)4を駆動し、これらから吐出する作動油による油圧を操作弁5で切り換えてバケットシリンダ6、アームシリンダ7、ブームシリンダ8、旋回モータ9、走行モータ10を駆動する構成である。
この際、エンジン2は、燃料噴射ポンプやガバナ等を含んで構成された燃料噴射装置11を備えており、燃料噴射装置11は、燃料ダイヤル12からのスロットル信号に基づいて、コントローラ30の燃料噴射量制御手段31(図2)によって制御される。
F(フロント)油圧ポンプ3およびR(リア)油圧ポンプ4は、制御弁3A,4Aにより斜板角が可変とされており、各制御弁3A,4Aは、燃料ダイヤル12によるガバナセット回転数と、回転センサ2Aで検出される実際のエンジン回転数に基づき、エンジン2の各出力点でのマッチングトルクをポンプ3,4が吸収するように、コントローラ30のポンプ制御手段32(図2)によって制御される。
また、本実施形態での油圧ショベル1では、エンジン2の出力軸にPTO(Power Take-Off:動力取出装置)13が連結されており、PTO13を介してエンジン2冷却用の冷却ファン14およびエアコン(空調装置、負荷装置)15が稼働される。
そして、冷却ファン14においては、PTO13により油圧ポンプ16が駆動され、ここからの油圧によって油圧モータ(負荷装置)14Aが駆動され、ファンが回転する。この油圧モータ14Aの回転速度は可変とされ、エンジン冷却水の温度に応じてコントローラ30によって制御される。
さらに、本実施形態では、油圧ポンプ16での油圧の他、メンインのF,R油圧ポンプ3,4での油圧が油圧センサ(負荷検出手段)17,18,19によって検出され、検出信号がコントローラ30に入力される。エアコン15に設けられたスイッチ(負荷検出手段)20からは、オンオフ信号がコントローラ30に入力される。
以下には、図2のブロック図に基づき、コントローラ30について詳説する。
コントローラ30は、燃料ダイヤル12からのスロットル信号に基づいて前述の燃料噴射装置11を制御する燃料噴射量制御手段31、および制御弁3A,4Aを制御するポンプ制御手段32に加え、本実施形態の特有な構成として、合計負荷演算手段33、および出力設定手段34を備えている。これらの手段31〜34は、記憶手段35に格納されているコンピュータプログラムであり、エンジンスイッチがオンの状態で呼び出され、実行される。
そして先ず、記憶手段35には、図3に示す複数のグロス出力カーブG1,G2,G3…、およびネット出力カーブNが記憶されているとともに、負荷装置の合計負荷とこれに対応して選択されるグロス出力カーブG1,G2,G3…とがテーブル35A(図2)として記憶されている。
グロス出力カーブG1,G2,G3…は、補機である油圧モータ14Aやエアコン15の稼働負荷の変動、およびメインのF,R油圧ポンプ3,4の稼働負荷の変動に応じて自動的に切り換わる出力カーブである。ネット出力カーブNは、油圧ショベル1の通常の使用状況において、F,R油圧ポンプ3,4だけを駆動するのに維持される出力カーブ、つまりバケットシリンダ6、アームシリンダ7、ブームシリンダ8、旋回モータ9などの作業機駆動装置や、走行モータ10を、パワー不足にならないように駆動するのに維持される出力カーブである。
また、本実施形態の出力カーブとしては、横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクをとったエンジントルクカーブで記憶されているが、縦軸をエンジン出力(kW,PS)としてもよい。
合計負荷演算手段33は、油圧モータ14A、F,R油圧ポンプ3,4、およびエアコン15の稼働負荷を所定時間経過毎に演算する。つまり、各油圧センサ17〜19からの検出信号や、F,R油圧ポンプ3,4にあっては斜板角すなわちポンプ制御手段32で生成される制御弁3A,4Aへのトルク制御信号、エアコン15にあってはスイッチ20からのオンオフ信号(エアコン15がオンの時の稼働負荷は既知である)等に基づいて各稼働負荷を演算する。そして、合計負荷演算手段33は、これらの稼働負荷を合計してエンジン2にかかる合計負荷を算出する。
出力設定手段34は、特にF、R油圧ポンプ3,4の稼働負荷から、作業機駆動装置6〜9の稼動状況を判定し、どのような作業モードで作業をしているかを判断する。また、出力設定手段34は、テーブル35Aを参照し、前記合計負荷に応じた最小限の出力が得られるようにグロス出力カーブG1,G2,G3…を選択する。そして、ここで選択されたグロス出力カーブG1,G2,G3…に沿って、燃料噴射量制御手段31が燃料噴射量を制御し、ポンプ制御手段32がF,R油圧ポンプ3,43の斜板角を制御する。
以上のような本実施形態では、各グロス出力カーブG1,G2,G3…の選択は、特に限定されないが、例えば以下の条件に基づいて行われる。
G1:出力設定手段34により、作業モードとしては、重掘削のような重作業モードであると判断され、かつ圧力センサ14Aからの検出信号により、冷却ファン14が稼働していると判断され、さらに、スイッチ20からのオンオフ信号により、エアコン15も稼働していると判断された場合。
G2:重作業モードと判断され、冷却ファン14のみが稼働している場合。または、通常の掘削作業、整正作業、ブレーカを用いた作業など、通常作業モードと判断され、かつ冷却ファン14およびエアコン15が共に稼働している場合。
G3:通常作業モードと判断され、かつ冷却ファン14およびエアコン15のいずれか一方が稼働している場合。
G4:走行時のような微操作モードと判断され、かつ冷却ファン14およびエアコン15が共に稼働している場合。
G5:通常作業モードと判断され、かつ冷却ファン14およびエアコン15が共に停止しているか、低稼働の場合。または、微操作モードと判断され、かつ冷却ファン14およびエアコン15のいずれか一方が稼働している場合。
G6:微操作モードと判断され、かつ冷却ファン14およびエアコン15が共に停止しているか、低稼働の場合。
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
(1)すなわち、コントローラ30の合計負荷演算手段33は、時々刻々と変化する油圧モータ14A、エアコン15、およびF,R油圧ポンプ3,4の稼働負荷を、油圧センサ17〜19からの検出信号、スイッチ20からのオンオフ信号等に基づいて演算するとともに、各稼働負荷から合計負荷を演算する。そして、この合計負荷に応じた必要最小限のグロス出力となるように、出力設定手段34がグロス出力カーブG1,G2,G3…を選択する。従って、冷却ファン14用の油圧モータ14Aのみならず、複数の負荷装置3,4,14,15での稼働負荷を緻密に演算して合計負荷を算出することにより、それらの合計負荷が小さい時には常にグロス出力を確実に抑えることが可能であり、出力低減率を大きくでき、また、出力低減時間を長くして燃費を大幅に改善できる。
(2)また、作業機駆動用動力源であるF,R油圧ポンプ3,4の稼働負荷を考慮することにより、出力設定手段34が当該稼働負荷から重作業モード、通常作業モード、微操作モード等の作業モードを判定するため、各作業モードに応じたグロス出力の出力低減制御を実現でき、より緻密で確実に燃費改善を図ることができる。
(3)さらに、微操作モードといった小さな稼働負荷で作業を行う場合のように、予め設定されたネット出力よりも実際の作業機駆動に必要な出力が小さくてよい状況では、その差分を利用しても油圧モータ14Aまたはエアコン15を駆動でき、グロス出力をさらに下げることができる(グロス出力カーブG5で、微操作モードの場合)。そして、微操作モードにおいて、冷却ファン14およびエアコン15の両方が停止している場合では(グロス出力カーブG6)、あたかもネット出力カーブN自身を下げるようなエコノミー制御を実現でき、より燃費低減を促進できる。
(4)そして、キャブを備えた中型、大型クラスの油圧ショベル1では、夏場の作業中にエアコン15のオンオフを頻繁に繰り返すため、このエアコン15の稼働負荷をも考慮して出力低減制御を行うことにより、より油圧ショベル1の使用状況に即した燃費低減を実現できる。
〔第2実施形態〕
図4には、本発明の第2実施形態が示されている。この図4において、前記第1実施形態と同様な構成には同一符号を付してある。以下には、第1実施形態と相違する構成について説明する。
本実施形態では、冷却ファン14の油圧モータ14AがPTOに連結された油圧ポンプからの油圧で駆動されるのではなく、操作弁5を介して供給される油圧で駆動される。また、エアコンについては記載していないが、適宜設けることが可能である。作業機駆動装置(負荷装置)としてのバケットシリンダ6、アームシリンダ7、ブームシリンダ8、旋回モータ9、および車両移動装置(負荷装置)としての走行モータ10の油圧入口側には、それぞれ油圧センサ(負荷検出手段)36〜40が設けられている。コントローラ30を含め、その他の構成は、第1実施形態と略同様である。
本実施形態において、油圧センサ36〜40からの検出信号は、第1実施形態の図2で説明した合計負荷演算手段33に入力される。そして、この合計負荷演算手段33では、前記検出信号に基づき、各作業機駆動装置6〜9および走行モータ10毎の稼働負荷が演算され、これらを合計して合計負荷が算出される。このような本実施形態によれば、前述した(1)〜(3)の効果を得ることができる他、以下の効果がある。
(5)本実施形態では、各作業機駆動装置6〜9および走行モータ10毎の稼働負荷が演算されるから、この結果から作業内容をさらに細分化して認識できる。すなわち、前記第1実施形態では、通常の掘削作業、整正作業、ブレーカを用いた作業などをまとめて、通常作業モードとして認識していたが、各作業における作業機駆動装置6〜9の稼働負荷の微妙な相違により、それらの作業を容易に特定できる。これにより、通常作業モードをさらに、掘削モード、整正モード、ブレーカモードのように分けることができ、これらの各モードに対応したグロス出力カーブを用意しておくことで、より緻密な出力制御を実現でき、さらなる燃費低減を促進できる。
〔第3実施形態〕
図5は、本発明の第1実施形態に係るコントローラ(エンジン出力制御装置)30が搭載されたブルドーザ50の概略構成を示す模式図である。図5においても、前述した第1実施形態と同様な構成には、同一符号を付してある。同様な構成については、ここでの詳細な説明を省略する。
ブルドーザ50は、ディーゼルエンジン2の出力でトランスミッション(エンジン直結動力源、負荷装置))51をダイレクトに駆動し、ステアリングクラッチ52およびファイナルドライブ53を介してスプロケット54を駆動する構成である。
また、エンジン2の出力軸に連結されたPTO13には、メインの油圧ポンプ(作業機駆動用動力源、負荷装置)55、および冷却ファン14用の油圧モータ(負荷装置)14Aを駆動するための油圧ポンプ16が接続されている。油圧ポンプ55からの油圧は操作弁5で分配され、R(ライト)チルトシリンダ56、L(レフト)チルトシリンダ57、R(ライト)リフトシリンダ58、およびL(レフト)リフトシリンダ59に分配される。
そして、油圧ポンプ55の制御弁55Aは、第1、第2実施形態と同様に、コントローラ30のポンプ制御手段32(図2)で制御される。そして、ブルドーザ50では、図示しないスロットルレバーやデクセルペダルからのエンジンスロットル開度信号が、コントローラ30の燃料噴射量制御手段31(図2)に入力される。
一方、油圧ポンプ55の吐出側には油圧センサ(負荷検出手段)60が設けられ、トランスミッション51のトルク入力側には歪みセンサーやトルクメータ等からなる任意の負荷検出器(負荷検出手段)61が設けられ、これらからの検出信号がコントローラ30の合計負荷演算手段33(図2)に入力される。油圧センサ17についても、同様である。
従って、このような本実施形態では、合計負荷演算手段33が油圧モータ14A、トランスミッション51、および油圧ポンプ55といった複数の負荷装置の稼働負荷を演算し、これらを合計して合計負荷を算出し、出力設定手段34がこの合計負荷に応じたグロス出力カーブG1,G2,G3…を選択することになる。
この際、油圧ポンプ55やトランスミッション51の稼働負荷の相違により判定される代表的な作業モードとしては、掘削モード、押土モード、坂道登板モードなどである。
なお、各作業モードの認識の正確性を向上させるために、ブレードの高さ、速度段のシフト位置、モノレバーの前後進位置、スロットルレバーの位置、デクセルペダルの位置等を考慮してもよい。
本実施形態によれば、油圧ショベル1とブルドーザ50との構成の違いはあるが、その同様な構成により、前述した(1)〜(3)の効果を同様に得ることができる。また、加えて以下の効果がある。
(6)ブルドーザ50においては、殆どの作業を前進走行しながら行うことになり、トランスミッション51の稼働負荷の変動が非常に大きい。従って、トランスミッション51の稼働負荷を逐一算出して合計負荷を求め、この合計負荷に基づいたグロス出力カーブG1,G2,G3…を選択することは、ブルドーザ50においての燃費低減をより確実に推進できるという効果がある。
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記各実施形態では、補機として分類される負荷装置として、冷却ファン14の油圧モータ14A、およびエアコン15を説明したが、その他、ステアリング駆動装置、オルタネータ、オイル冷却ファン駆動用の油圧モータなどであってもよく、建設機械やその他の車両に搭載される任意の補機であってよい。そして、例えば油圧ショベル、ブルドーザ、ホイルローダなどに応じて負荷装置を複数選択し、各負荷装置の合計負荷に基づいて出力低減制御を行うことにより、様々な車両の燃費を確実に向上させることができる。
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、数量などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、数量などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
本発明は、油圧ショベル、ブルドーザ、モータグレーダ、ホイルローダ等の建設機械の他、エンジン駆動の定置式の発電機、定置式破砕機、定置式土質改良機等の産業機械、あるいはダンプトラック、自走式破砕機、自走式土質改良機等の産業車両に好適に用いられる。
本発明の第1実施形態に係るエンジン出力制御装置が搭載された油圧ショベルを示す模式図。 前記出力制御装置を示すブロック図。 出力カーブを示す図 本発明の第2実施形態に係るエンジン出力制御装置が搭載された油圧ショベルを示す模式図。 本発明の第3実施形態に係るエンジン出力制御装置が搭載された油圧ショベルを示す模式図。
符号の説明
2…エンジン、3…フロント油圧ポンプ(作業機駆動用動力源、負荷装置)、4…リア油圧ポンプ(作業機駆動用動力源、負荷装置)、6…バケットシリンダ(作業機駆動装置、負荷装置)、7…アームシリンダ(作業機駆動装置、負荷装置)、8…ブームシリンダ(作業機駆動装置、負荷装置)、9…旋回モータ(作業機駆動装置、負荷装置)、10…走行モータ(車両移動装置、負荷装置)、14A…油圧モータ(負荷装置)、15…エアコン(空調装置、負荷装置)、17…油圧センサ(負荷検出手段)、18…油圧センサ(負荷検出手段)、19…油圧センサ(負荷検出手段)、20…スイッチ(負荷検出手段)、30…コントローラ(エンジン出力制御装置)、33…合計負荷演算手段、34…出力設定手段、36…油圧センサ(負荷検出手段)、37…油圧センサ(負荷検出手段)、38…油圧センサ(負荷検出手段)、40…油圧センサ(負荷検出手段)、51…トランスミッション(エンジン直結動力源、負荷装置)、55…油圧ポンプ(作業機駆動用動力源、負荷装置)、60…油圧センサ(負荷検出手段)、61…負荷検出器(負荷検出手段)。

Claims (4)

  1. エンジン出力制御装置において、
    エンジン(2)で駆動中の少なくとも2つ以上の負荷装置(3,4,6〜10,14A,15,51,55)の稼働負荷を検出する負荷検出手段(17〜20,36〜40,60,61)と、
    この負荷検出手段(17〜20,36〜40,60,61)による検出結果に基づいて各負荷装置(3,4,6〜10,14A,15,51)の所定時間毎の合計負荷を求める合計負荷演算手段(33)と、
    前記合計負荷に応じて前記エンジン(2)のグロス出力を設定する出力設定手段(34)とを備えている
    ことを特徴とするエンジン出力制御装置(30)。
  2. 請求項1に記載のエンジン出力制御装置(30)において、
    前記負荷装置は、車両移動装置(10)、冷却ファン駆動用油圧モータ(14A)、ステアリング駆動装置、作業機駆動装置(6〜9)、オルタネータ、空調装置(15)のうちのいずれか2つ以上である
    ことを特徴とするエンジン出力制御装置(30)。
  3. 請求項1に記載のエンジン出力制御装置(30)において、
    前記負荷装置は、冷却ファン駆動用油圧モータ(14A)、および作業機駆動用動力源(3,4,55)である
    ことを特徴とするエンジン出力制御装置(30)。
  4. 請求項1に記載のエンジン出力制御装置(30)において、
    前記負荷装置は、冷却ファン駆動用油圧モータ(14A)、およびエンジン直結動力源(51)である
    ことを特徴とするエンジン出力制御装置(30)。
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