JP2008008188A - 作業機械の出力制御装置及び作業機械の出力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業機械の出力制御装置及び出力制御方法に関し、簡素な構成で、負荷変動時におけるエンジン出力の安定性を向上させることができるようにする。
【解決手段】油圧駆動式の作業装置を有する作業機械に搭載されたエンジン６と、エンジン６によって駆動され該作業装置を駆動する油圧ポンプ７と、エンジン６の吸気通路１０ａ上に設けられてエンジン６へ過給空気を供給する過給器８と、過給器８を駆動するための電動機９と、油圧ポンプ７に要求されている出力の大きさをエンジン６に作用する負荷の大きさとして予測するエンジン負荷予測手段２と、エンジン負荷予測手段２で予測された該負荷の大きさに基づいて電動機９の回転数を制御する電動機制御手段３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機によって駆動される過給器付きのエンジンを搭載するとともに油圧駆動式の作業装置を有する作業機械の出力制御装置及び出力制御方法に関する。

油圧ショベルに代表される一般的な作業機械では、ブームやスティック，旋回装置といった油圧駆動式の各種作業装置が油圧ポンプによって駆動され、その油圧ポンプは全駆動源としてのエンジンによって駆動されている。このような作業機械において、搭載されたエンジンの出力効率を高めるために、従来より、エンジンへ供給される吸気量を増加させる過給器を備えたものが開発されている。

例えば、特許文献１には、エンジンの排気通路上及び吸気通路上の各々にタービンを介装するとともに各タービンの回転軸を互いに連結したターボ型の過給器（ターボチャージャ）を備えた作業機械が記載されている。ターボ型の過給器とは、エンジンから排出される排気の流れを利用してタービンを回転させ、過給圧を高めるものである。また、特許文献２には、エンジンの吸気通路上にエンジンの軸出力を利用して駆動されるタービンを介装した機械式の過給器（スーパーチャージャ）を備えた作業機械が記載されている。

一般に、上述のようなターボ型の過給器では、タービンを回転させるための動力装置が不要であるとともに、特にエンジンの高負荷状態における過給効率を高めやすいという利点があるが、エンジンの低回転域での過給圧の立ち上がりに遅れが生じ、良好なエンジン出力特性が得られにくい。これに対し、機械式の過給器では、ターボ型の過給器を用いる場合と比較して、低回転域における過給効率を高めることができるが、常にエンジン出力の一部が過給器の駆動に供せられるため、エネルギー損失が生じてしまう。

近年、上記のようなターボ型や機械式の過給器に代えて、電動機を内蔵したターボ型の過給器が開発されている。例えば、特許文献３には、自動車に搭載されたエンジンの吸気通路及び排気通路間に配されたターボユニットにおいて、タービン側インペラーとコンプレッサ側インペラーとの連結軸を出力軸とする電動機を備えたものが記載されている。このような技術を応用すれば、エンジンの低回転域においては電動機により各インペラーを回転させて過給を行い、高回転域においては排気流を利用して各インペラーを回転させて過給を行うことが可能である。つまり、上記のような構成により、エンジンの回転領域に関わらず過給効率とエネルギ効率とをともに向上させることができると考えられる。
特開２００２−１４７２４５号公報 特開平１１−１７３１５２号公報 特開２００３−３２２０３８号公報

ところで、上記の引用文献３に記載の技術では、エンジン回転数，スロットル開度及びアクセル開度に基づいてエンジンにおける燃料噴射量及び目標空燃比を算出するとともに、実際の空燃比が目標空燃比に近づくように過給の度合いが制御されるようになっている。過給の度合いとエンジンに作用する負荷との関係に着目すると、この制御では、負荷の変動によりエンジン回転数が変化したときに初めて燃料噴射量や目標空燃比が新たに算出され、これに応じて過給の度合いが変更されることになる。なお、自動車などの車両においては、エンジンに対する負荷変動が比較的穏やかなため、このような制御手法を用いてもエンジン回転数や燃焼室内における燃焼状態が不安定になりにくい。

しかしながら、油圧ショベルなどの作業機械では、自動車などの車両と比較するとエンジンに対する負荷が急激に変動する場合があるため、上述のような制御手法では十分でない場合が生じる。すなわち、作業機械では、自動車よりも負荷変動によるエンジン回転数の変化が大きいため、過給の度合いの変更が間に合わず、エンジン出力が不安定となったり、場合によってはエンジンがストールしてしまうおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、簡素な構成で、負荷変動時におけるエンジン出力の安定性を向上させることができるようにした、作業機械の出力制御装置及び作業機械の出力制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明の作業機械の出力制御装置は、油圧駆動式の作業装置を有する作業機械に搭載されたエンジンと、該エンジンによって駆動され該作業装置を駆動する油圧ポンプと、該エンジンの吸気通路上に設けられて該エンジンへ過給空気を供給する過給器と、該過給器を駆動するための電動機と、該油圧ポンプに要求されている出力の大きさを該エンジンに作用する負荷の大きさとして予測するエンジン負荷予測手段（エンジン負荷予測部）と、該エンジン負荷予測手段で予測された該負荷の大きさに基づいて該電動機の回転数を制御する電動機制御手段（電動機制御部）とを備えたことを特徴としている。

また、請求項２記載の本発明の作業機械の出力制御装置は、請求項１記載の作業機械の出力制御装置において、該エンジンへ供給される過給空気の温度を検出する吸気温度検出手段（吸気温度センサ）と、該エンジンにおける燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段（エンジン制御器）と、該吸気温度検出手段で検出された該温度及び該エンジン負荷予測手段で予測された該負荷の大きさに基づいて、該燃料噴射量制御手段で制御される該燃料噴射量を設定する燃料噴射量設定手段（燃料噴射量設定部）とをさらに備えたことを特徴としている。

なお、該油圧ポンプから該油圧駆動式の作業装置へ供給される作動油の圧力を検出する油圧検出手段（油圧センサ）と、該作業装置の作動量を設定するための作動量設定手段（操作レバー）と、をさらに備え、該エンジン負荷予測手段が、油圧検出手段で検出された該圧力及び該作動量設定手段における該作動量に基づいて、該油圧ポンプに要求されている出力の大きさを予測することが好ましい（請求項３）。

また、請求項４記載の本発明の作業機械の出力制御方法は、エンジンと、油圧駆動式の作業装置を駆動すべく該エンジンによって駆動される油圧ポンプと、該エンジンの吸気通路上に設けられて該エンジンへ過給空気を供給する過給器と、該過給器を駆動するための電動機とを備えた作業機械の制御方法であって、該油圧ポンプに要求されている出力の大きさを該エンジンに作用する負荷の大きさとして予測するエンジン負荷予測ステップと、該エンジン負荷予測ステップで予測された該負荷の大きさに基づいて該電動機の回転数を制御する電動機制御ステップとを備えたことを特徴としている。

また、請求項５記載の本発明の作業機械の出力制御方法は、該エンジンにおける燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御ステップと、該エンジンへ供給される過給空気の温度及び該エンジン負荷予測ステップで予測された該負荷の大きさに基づいて、該燃料噴射量制御ステップで制御される該燃料噴射量を設定する燃料噴射量設定ステップとをさらに備えたことを特徴としている。

また、請求項６記載の本発明の作業機械の出力制御方法は、該エンジン負荷予測ステップにおいて、該油圧ポンプから該油圧駆動式の作業装置へ供給される作動油の圧力及び該作業装置の作動量に基づいて、該油圧ポンプに要求されている出力の大きさを予測することを特徴としている。

本発明の作業機械の出力制御装置及び出力制御方法（請求項１，４）によれば、予測された負荷の大きさに基づいて電動機の回転数が制御されて過給量が調節されるため、負荷変動に伴うエンジン回転数の変化に先立ってエンジン出力を制御することができる。
また、本発明の作業機械の出力制御装置及び出力制御方法（請求項２，５）によれば、エンジンへの過給量の制御と同時に燃料噴射量が制御されるため、負荷変動時におけるエンジン出力をより安定化させることができる。

また、本発明の作業機械の出力制御装置及び出力制御方法（請求項３，６）によれば、負荷の大きさが、油圧ポンプから供給される作動油の圧力と作業装置の作動量とに基づいて予測されるため、簡素な構成で、オペレータの操作内容に応じた正確な予測が可能となる。

以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図５は本発明の一実施形態にかかる作業機械の出力制御装置を説明するものであり、図１は本出力制御装置の全体構成を示す模式図、図２は本出力制御装置によるエンジン負荷を予測する制御内容を示す制御ブロック図、図３は本出力制御装置による電動機及びエンジンの制御内容を示す制御ブロック図、図４は本出力制御装置における制御内容を示すフローチャート、図５は本出力制御装置が適用された作業機械の全体を示す斜視図である。

［構成］
〔１．全体構成〕
本出力制御装置は、図５に示す油圧ショベル５０に適用されている。この油圧ショベル５０は、クローラ式の油圧走行装置を装備した下部走行体５１と、下部走行体５１の上に旋回自在に搭載された上部旋回体５２とを備えて構成される。

上部旋回体５２には、エンジン６や油圧ポンプ７，掘削や揚重等の各種作業を行うための作業装置５６及びオペレータ（運転者）が搭乗するキャブ５８等が備えられている。作業装置５６は、ブーム装置５３やスティック装置５４，バケット装置５５等の独立して作動する複数の部位から構成されており、各作動部位に対して各々を駆動するための油圧式アクチュエータ（油圧シリンダ、以下単にアクチュエータともいう）が設けられている。

エンジン６は、一般的な内燃機関として構成された油圧ショベル５０の駆動源であり、上部旋回体５２における作業装置５６の後方に配置されたエンジンルーム５７の内部に搭載されている。一方、油圧ポンプ７は、上述の各アクチュエータや油圧走行装置を駆動するための油圧回路へと作動油を供給する油圧供給源であり、エンジン６に直結されている。

〔２．エンジン吸排気系統〕
図１に、エンジン６の吸排気系統，油圧ポンプ７によって作動油が供給される油圧回路及びエンジン６の燃焼状態や油圧ポンプ７の作動状態を制御するための制御回路を模式的に示す。この図１に示すように、エンジン６には、吸気通路１０ａ及び排気通路１０ｂが接続されている。吸気通路１０ａ上には、エンジン６の燃焼室へと供給される空気（すなわち吸気）を冷却するためのインタクーラ２０が介装されている。また、吸気通路１０ａ上におけるインタクーラ２０とエンジン６との間には、吸気温度Ｔを検出する吸気温度センサ１１と、吸気の圧力（吸気圧）Ｐ_iを検出する吸気圧力センサ１６とが設けられている。

また、本エンジン６には、モータ（電動機）９を内蔵したターボチャージャ（過給器）８が付設されている。このターボチャージャ８は、インタクーラ２０よりも上流側の吸気通路１０ａ上に設けられたコンプレッサ側インペラー８ａと、排気通路１０ｂ上に設けられたタービン側インペラー８ｂとを備えて構成される。
コンプレッサ側インペラー８ａ及びタービン側インペラー８ｂは、互いの回転軸を共有するように連結されている。これにより、排気通路１０ｂ内を排気が流通してタービン側インペラー８ｂが回転すると、コンプレッサ側インペラー８ａも同時に回転し、吸気通路１０ａ内の吸気圧が上昇するようになっている。このように、ターボチャージャ８を用いた過給に係る吸気圧のことを、過給圧ともいう。

また、本ターボチャージャ８は、コンプレッサ側インペラー８ａ及びタービン側インペラー８ｂの連結軸を出力軸とするモータ（電動機）９を内蔵しており、モータ９を用いた過給をも行うことができるようになっている。例えば、排気通路１０ｂ内を流通する排気量が十分に多い場合にはモータ９を作動させることなく通常のターボ型の過給器として機能させ、排気通路１０ｂ内を流通する排気量が少ない場合にはモータ９を作動させて過給圧を強制的に増加させるといった制御を実施できるようになっている。なお、このモータ９は、電子制御装置であるモータ制御器１９によってその回転数を制御されるようになっている。

図１に示すように、エンジン６には、エンジン制御器（電子ガバナ）１２及びエンジン回転数センサ１７が付設されている。エンジン制御器１２は、エンジン６における燃料噴射量を制御するための電子制御装置である。エンジン回転数センサ１７は、エンジン回転数Ｎ_eを検出するセンサである。
本エンジン６の回転数の目標値は、油圧ショベル５０のキャブ５８内に設けられた回転式のアクセルダイヤル１５で設定されるようになっている。アクセルダイヤル１５とは、エンジン回転数の目標値を設定するためのダイヤル型スイッチである。これにより、作業内容やオペレータの好みに応じた出力が得られるように、エンジン回転数を設定できるようになっている。

例えば、オペレータによってアクセルダイヤル１５が操作されると、その操作状態（操作位置）Ｄに応じた目標回転数Ｎ_etが設定され、後述するコントローラ１において、実際のエンジン回転数Ｎ_eが目標回転数Ｎ_etと等しくなるように燃料噴射量が制御されるようになっている。
なお、上述の吸気温度センサ１１，吸気圧力センサ１６及びエンジン回転数センサ１７のそれぞれで検出される吸気温度Ｔ，吸気圧Ｐ_i及びエンジン回転数Ｎ_eの情報についても、後述するコントローラ１へと入力されるようになっている。

〔３．油圧回路〕
まず、図１に示すように、エンジン６の出力軸には容量可変型の二台の油圧ポンプ７（すなわち７ａ及び７ｂ）が直列に連結されており、これらの各油圧ポンプ７ａ，７ｂはともに、エンジン６によって駆動されている。また、各油圧ポンプ７ａ，７ｂから吐出される作動油は、油圧回路上のコントロールバルブ（油圧制御弁）３０を介して上述の各アクチュエータや油圧走行装置，油圧旋回装置の油圧モータへと供給されるようになっている。なお、各油圧ポンプ７ａ，７ｂには、吐出される作動油量を制御するための斜板制御器１８ａ，１８ｂ（以下、単に斜板制御器１８ともいう）が設けられている。

各油圧ポンプ７ａ，７ｂは、互いに異なるアクチュエータ，油圧モータへと作動油を供給するようになっている。つまり、本油圧回路は、一方の油圧ポンプ７ａが作動油供給を担当する第１の油圧回路と、他方の油圧ポンプ７ｂが担当する第２の油圧回路との二系統の油圧回路から構成されている。
コントロールバルブ３０は、ステム（流量制御スプール）の位置を複数の位置に切り替えて作動油の流通方向及び流量を可変制御できるスプール弁の集合体として構成されている。また、本油圧ショベル５０のキャブ５８内には、上述の各アクチュエータや各油圧モータの作動量を設定するための複数の操作レバー１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが設けられており、コントロールバルブ３０の各スプール弁は、各操作レバー１４ａ〜１４ｄ（以下、操作レバー１４とも総称する）の操作量に応じて、開度を制御されるようになっている。

なおここでは、便宜上、一つの操作レバーに対して一つのアクチュエータ又は一つの油圧モータが対応して作動するものとする。例えば、スティック装置５４やバケット装置５５を駆動する各アクチュエータのそれぞれに、個別に作動量を設定するための操作レバーが設けられており、また、走行装置を駆動する左右の油圧モータのそれぞれにも、個別に作動量を設定するための操作レバーが設けられているものとする。

また、図１中に図示された四つの操作レバー１４のうち、操作レバー１４ａ，１４ｂは油圧ポンプ７ａが担当する第１の油圧回路上に介装されたアクチュエータ，油圧モータに対応し、操作レバー１４ｃ，１４ｄは油圧ポンプ７ｂが担当する第２の油圧回路上に介装されたアクチュエータ，油圧モータに対応するものとなっている。
油圧回路上における各油圧ポンプ７ａ，７ｂの下流側（各油圧ポンプ７ａ，７ｂとコントロールバルブ３０との間）には、作動油圧を検出する油圧センサ（油圧検出手段）１３が介装されている。一方の油圧センサ１３ａは一方の油圧ポンプ７ａから吐出される作動油圧Ｐ_p1をポンプ圧として検出し、他方の油圧センサ１３ｂは他方の油圧ポンプ７ｂの作動油圧Ｐ_p2をポンプ圧として検出するものである。

上述の各操作レバー１４ａ〜１４ｄのレバー操作量Ｌ及び油圧センサ１３で検出された各ポンプ圧Ｐ_p1，Ｐ_p2は、次に説明するコントローラ１へと入力されるようになっている。

〔４．コントローラ〕
図１に示すように、本油圧ショベル５０には、エンジン制御器１２，モータ制御器１９及び斜板制御器１８における各動作を総合的に制御するコントローラ（ＣＰＵ，中央処理装置）１が設けられている。前述の通り、コントローラ１には、吸気温度センサ１１，吸気圧力センサ１６，エンジン回転数センサ１７，各操作レバー１４及び油圧センサ１３で検出された吸気温度Ｔ，吸気圧Ｐ_i，エンジン回転数Ｎ_e，レバー操作量Ｌ及び作動油圧Ｐ_p1，Ｐ_p2が入力されるほか、キャブ５８に設けられたアクセルダイヤル１５の操作状態Ｄが入力されるようになっている。

また、コントローラ１はその内部に、エンジン負荷予測部（エンジン負荷予測手段）２，電動機制御部（電動機制御手段）３，燃料噴射量設定部（燃料噴射量設定手段）４及びポンプ制御部５の各機能部位を備えて構成されている。
エンジン負荷予測部２は、油圧ポンプ７に要求されている出力の大きさを、エンジン６に作用する負荷の大きさとして予測する機能部である。一方、電動機制御部３は、エンジン負荷予測部２で予測された負荷の大きさに基づいてモータ制御器１９（すなわちモータ９の回転数）を制御する機能部であり、燃料噴射量設定部４は、エンジン負荷予測部２で予測された負荷の大きさに基づいてエンジン６での燃料噴射量を設定する機能部である。また、ポンプ制御部５は、斜板制御器１８を制御することで油圧ポンプ７から吐出される作動油量を制御するための機能部である。これらの各機能部について、以下に順に説明する。

〔５．エンジン負荷予測部〕
図２に、エンジン負荷予測部２における制御内容を表す制御ブロック図を示す。エンジン負荷予測部２は、要求流量設定器２１ａ〜２１ｄ，要求流量加算器２２ａ，２２ｂ，負荷動力乗算器２３ａ，２３ｂ，要求動力加算機２４，最大動力設定器２５，除算器２６，制限器（リミッタ）２７，予測負荷乗算器２８，及びポンプ流量乗算器２９ａ，２９ｂの各機能部を備えて構成される。

要求流量設定器２１ａ〜２１ｄは、各操作レバー１４から入力されるレバー操作量Ｌに応じて、各操作レバー１４に対応する各アクチュエータ，油圧モータへ供給されるべき作動油流量（要求流量）Ｑを設定するものである。例えば、操作レバー１４ａ，１４ｃが同時に操作された場合、要求流量設定器２１ａ，２１ｃのそれぞれにおいて要求流量Ｑが設定されることになる。

要求流量加算器２２ａ，２２ｂは、要求流量設定器２１ａ〜２１ｄの各々で設定された要求流量Ｑを合算するものである。図２に示すように、要求流量設定器２１ａは要求流量設定器２１ａ，２１ｂにおける要求流量Ｑを合算した要求流量Ｑ₁を算出し、要求流量設定器２１ｂは要求流量設定器２１ｃ，２１ｄにおける要求流量Ｑを合算した要求流量Ｑ₂を算出するようになっている。つまり、要求流量加算器２２ａでは、第１の油圧回路における要求流量Ｑ₁が算出され、要求流量加算器２２ｂでは、第２の油圧回路における要求流量Ｑ₂が算出されることになる。

負荷動力乗算器２３ａ，２３ｂは、要求流量加算器２２ａ，２２ｂで算出された各要求流量Ｑ₁，Ｑ₂と、油圧センサ１３ａ，１３ｂで検出された各ポンプ圧Ｐ_p1，Ｐ_p2とをそれぞれ乗算して、各油圧ポンプ７ａ，７ｂの負荷動力を算出するものである。一方の油圧ポンプ７ａの負荷動力は、Ｑ₁×Ｐ_p1となり、他方の油圧ポンプ７ｂの負荷動力は、Ｑ₂×Ｐ_p2となる。なお、ここで算出されるエンジン６に対する負荷動力は、演算上、各油圧ポンプ７ａ，７ｂに要求されている出力（仕事率）に等しい。

要求動力加算器２４は、負荷動力乗算器２３ａ，２３ｂで算出された各油圧ポンプ７ａ，７ｂの負荷動力を合算して、ポンプ要求動力Ｐ_rを算出するものである。ここで算出されるポンプ要求動力Ｐ_r（Ｐ_r＝Ｑ₁×Ｐ_p1＋Ｑ₂×Ｐ_p2）は、演算上、各油圧ポンプ７ａ，７ｂに要求されている出力の合計に等しい。つまりここでは、操作レバー１４の操作量から予測されうる、油圧ポンプ７に要求されている出力の合計が算出されていることになる。

最大動力設定器２５は、アクセルダイヤル１５の操作状態Ｄに応じて、二つの油圧ポンプ７ａ，７ｂが出力しうる最大出力をポンプ設定動力Ｐ_sとして設定するものである。つまり、一般的な内燃機関の動作特性として、エンジン回転数とトルクとの間には相関関係があり、例えばアクセルダイヤル１５の操作状態Ｄに対応するエンジン回転数の目標値が定められると、その回転数に応じたトルクの大きさが決まり、エンジン６からの最大出力も決まることになる。そのためここでは、各油圧ポンプ７ａ，７ｂの出力の合計が、その時点でのエンジン６の能力（エンジン最大出力）を超えないように、ポンプ出力の上限が設定されるようになっている。

除算器２６は、最大動力設定器２５で設定されたポンプ設定動力Ｐ_sを、要求動力加算器２４で算出されたポンプ要求動力Ｐ_rで除して、動力補正係数ｋ（ｋ＝Ｐ_s／Ｐ_r）を算出するものである。
また、制限器２７は、除算器２６で算出された動力補正係数ｋのリミッタとして機能するものであり、動力補正係数ｋの取り得る値の範囲を０から１の間に制限する。ここでは、０≦ｋ≦１である場合にはｋの値をそのまま維持し、ｋ＞１である場合には新たにｋ＝１に設定するようになっている。なお、制限器２７でフィルタリングされた動力補正係数ｋの値は、予測負荷乗算器２８及びポンプ流量乗算器２９ａ，２９ｂへと入力されるようになっている。

予測負荷乗算器２８は、制限器２７から入力された動力補正係数ｋと要求動力加算器２４で算出されたポンプ要求動力Ｐ_rとを乗算し、エンジン予測負荷Ｌ_a（Ｌ_a＝ｋ×Ｐ_r）を算出するものである。ここで算出されるエンジン予測負荷Ｌ_aは、以下に示す通りである。
（１）ポンプ要求動力Ｐ_r≦最大出力をポンプ設定動力Ｐ_sの場合
エンジン予測負荷Ｌ_aは、要求動力加算器２４で算出された、各油圧ポンプ７ａ，７ｂに要求されている出力の合計（エンジン予測負荷Ｌ_a＝ポンプ要求動力Ｐ_r）となる。
（２）ポンプ要求動力Ｐ_r＞最大出力をポンプ設定動力Ｐ_sの場合
エンジン予測負荷Ｌ_aは、最大動力設定器２５で算出された、その時点でのエンジン６の最大出力（エンジン予測負荷Ｌ_a＝最大出力をポンプ設定動力Ｐ_s）となる。

なお、予測負荷乗算器２８で算出されたエンジン予測負荷Ｌ_aは、電動機制御部３及び燃料噴射量設定部４へと入力されるようになっている。
ポンプ流量乗算器２９ａ，２９ｂは、要求流量加算器２２ａ，２２ｂで算出された要求流量Ｑ₁，Ｑ₂に、制限器２７で算出された動力補正係数ｋを乗算して補正を行うものである。ここでは、一方の油圧ポンプ７ａに係る第１の油圧回路の要求流量がｋ×Ｑ₁と補正され、他方の油圧ポンプ７ｂに係る第２の油圧回路の要求流量がｋ×Ｑ₂と補正されることになる。ここで補正された各要求流量は、ポンプ制御部５へと入力されるようになっている。

〔６．ポンプ制御部〕
ポンプ制御部５は、エンジン負荷予測部２から入力された第１の油圧回路及び第２の油圧回路における要求流量Ｑが供給されるように斜板制御器１８ａ，１８ｂを制御する制御部である。ポンプ制御部５による制御では、一方の油圧ポンプ７ａからの作動油供給量がｋ×Ｑ₁になり、かつ、他方の油圧ポンプ７ｂからの作動油供給量がｋ×Ｑ₂となるように斜板制御がなされるようになっている。

〔７．電動機制御部〕
図３に、電動機制御部３及び燃料噴射量設定部４における制御内容を表す制御ブロック図を示す。電動機制御部３は、目標過給圧設定器３１，吸気温度補正器３２，目標過給圧乗算器３３，差圧演算器３４及びモータ回転数制御器３５を備えて構成される。
目標過給圧設定器３１は、エンジン負荷予測部２で予測されたエンジン予測負荷Ｌ_aに基づいて、目標過給圧Ｐ_t′を設定するものである。ここでは、図３中にグラフで示すように、予め設定された、エンジン予測負荷Ｌ_aと目標過給圧Ｐ_t′との対応マップが用いられるようになっている。なおここでは、エンジン予測負荷Ｌ_aが大きいほど、目標過給圧Ｐ_t′が高くなるように、かつ、目標過給圧Ｐ_t′の変化勾配が緩やかになるように、対応マップが設定されている。

一方、吸気温度補正器３２は、吸気温度センサ１１で検出された吸気温度Ｔに基づいて、補正係数ｊを設定するものである。ここでも、図３中にグラフで示すように、予め設定された、吸気温度Ｔと補正係数ｊとの対応マップが用いられるようになっている。なおここでは、吸気温度Ｔが高いほど、補正係数ｊが大きくなるように、かつ、補正係数ｊの変化勾配が緩やかになるように、対応マップが設定されている。

目標過給圧乗算器３３は、目標過給圧設定器３１で設定された目標過給圧Ｐ_t′と吸気温度補正器３２で設定された補正係数ｊとを乗じて、過給圧Ｐ_t（Ｐ_t＝ｊ×Ｐ_t′）を算出するものである。ここで算出される過給圧Ｐ_tが、実際にエンジン６へ供給したい過給圧となる。
差圧演算器３４は、目標過給圧乗算器３３で算出された過給圧Ｐ_tから吸気圧力センサ１６で検出された吸気圧力Ｐ_iを減算して、過給圧偏差ΔＰ（ΔＰ＝Ｐ_t−Ｐ_i）を算出するものである。つまりここでは、その時点での吸気通路１０ａの内部圧力に加えてどの程度の過給が必要であるかが算出されることになる。

モータ回転数制御器３５は、差圧演算器３４で算出された過給圧偏差ΔＰに基づいて、モータ制御器１９へ制御信号を出力してモータ９の回転数を制御するものである。なおここでは、入力された過給圧偏差ΔＰの情報をＰＩＤ等の公知のフィードバック制御を用いて演算処理を行い、モータ９の回転数を制御するようになっている。

〔８．燃料噴射量設定部〕
燃料噴射量設定部４は、目標回転数設定器４１，回転数偏差演算器４２，燃料噴射量制御器４３，ゲイン設定器４４及び燃料噴射量加算器４５を備えて構成される。
目標回転数設定器４１は、アクセルダイヤル１５の操作状態Ｄに応じ、図３中にグラフで示すように、予め設定された対応マップを用いて目標エンジン回転数Ｎ_etを設定するものである。つまりここでは、アクセルダイヤル１５の操作状態Ｄに応じた大きさのエンジン６の能力（エンジン最大出力）が設定されることになる。

回転数偏差演算器４２は、目標回転数設定器４１で設定された目標エンジン回転数Ｎ_etから、エンジン回転数センサ１７で検出された実際のエンジン回転数Ｎ_eを減算したエンジン回転数偏差ΔＮ_e（ΔＮ_e＝Ｎ_et−Ｎ_e）を算出するものである。つまりここでは、その時点でのエンジン回転数Ｎ_eに加えてどの程度エンジン回転数を上昇させればよいかが算出されることになる。

燃料噴射量制御器４３は、回転数偏差演算器４２で算出されたエンジン回転数偏差ΔＮ_eに基づいて、エンジン６における燃料噴射量を制御するものである。ここでは、入力されたエンジン回転数偏差ΔＮ_eの情報をＰＩＤ等の公知のフィードバック制御を用いて演算処理を行い、燃料噴射量を制御するようになっている。なお、この燃料噴射量制御器４３で算出される燃料噴射量は、エンジンに作用する負荷を考慮しない状態において、エンジン６の回転数をエンジン回転数偏差ΔＮ_e分だけ上昇させるのに必要な燃料量である。ここで制御される燃料噴射量は、燃料噴射量加算器４５へ入力されるようになっている。

一方、ゲイン設定器４４は、エンジン負荷予測部２で予測されたエンジン予測負荷Ｌ_aに予め設定されたゲインを乗じて、燃料噴射量のフィードフォワード信号を設定するものである。なお、このゲイン設定器４４で設定される燃料噴射量は、エンジン６にエンジン予測負荷Ｌ_aが作用した状態において、エンジン６の回転数を変動させないために必要な燃料量である。ここで設定されたフィードフォワード信号は、燃料噴射量加算器４５へ入力されるようになっている。

燃料噴射量加算器４５は、燃料噴射量制御器４３で設定された燃料噴射量にゲイン設定部４４で設定された燃料噴射量を加算した上で、エンジン制御器１２へ制御信号を出力して燃料噴射量を制御する。つまりここでは、エンジン６にエンジン予測負荷Ｌ_aが作用した状態において、エンジン６の回転数をエンジン回転数偏差ΔＮ_e分だけ上昇させるのに必要な燃料量が算出され、制御がなされるようになっている。

［制御フロー］
本発明の一実施形態にかかる作業機械の出力制御装置は、図４に示すフローチャートに従って制御を実施する。なお、このフローチャートは、コントローラ１内部において所定周期で適宜繰り返し実行されている。

〔１．エンジン負荷予測〕
まず、ステップＡ１０〜Ａ７０は、主にエンジン負荷予測部２において実施される内容を示している。

ステップＡ１０では、コントローラ１上において、アクセルダイヤル１５で検出された操作状態Ｄ，各操作レバー１４の操作量Ｌ，各油圧センサ１３で検出されたポンプ圧Ｐ_p1，Ｐ_p2，吸気温度センサ１１で検出された吸気温度Ｔ，吸気圧力センサ１６で検出された吸気圧Ｐ_i及びエンジン回転数センサ１７で検出されたエンジン回転数Ｎ_eが読み込まれる。ここでは、制御上必要な全ての情報が読み込まれている。

続くステップＡ２０では、エンジン負荷予測部２において、ステップＡ１０で読み込まれたレバー操作量Ｌ及びポンプ圧Ｐ_p1，Ｐ_p2から、ポンプ要求動力Ｐ_rが算出される。このステップでは、図２に示す要求流量設定器２１ａ〜要求動力加算機２４における演算内容が実施されることになる。
すなわち、一方の油圧ポンプ７ａが作動供給を担当する第１の油圧回路における要求流量Ｑ₁と、他方の油圧ポンプ７ｂの作動油供給を担当する第２の油圧回路における要求流量Ｑ₂とが算出され、油圧センサ１３ａ，１３ｂで検出された各ポンプ圧Ｐ_p1，Ｐ_p2をそれぞれに乗算される。これにより、一方の油圧ポンプ７ａの負荷動力は、Ｑ₁×Ｐ_p1となり、他方の油圧ポンプ７ｂの負荷動力は、Ｑ₂×Ｐ_p2となる。

そして、ポンプ要求動力Ｐ_rがＰ_r＝Ｑ₁×Ｐ_p1＋Ｑ₂×Ｐ_p2として算出される。このようにステップＡ２０では、操作レバー７の操作量から予測されうる、油圧ポンプ７に要求されている出力の合計が算出される。
続くステップＡ３０では、エンジン負荷予測部２において、アクセルダイヤル１５の操作状態Ｄに応じて、二つの油圧ポンプ７ａ，７ｂが出力しうる最大出力がポンプ設定動力Ｐ_sとして設定される。また、燃料噴射量設定部４においては、操作状態Ｄに応じて、予め設定された対応マップを用いて目標エンジン回転数Ｎ_etが設定される。

このステップでは、アクセルダイヤル１５の操作状態Ｄに応じた大きさのエンジン６の能力（エンジン最大出力）が設定されるとともに、各油圧ポンプ７ａ，７ｂの出力の合計が、その時点でのエンジン６のエンジン最大出力を超えないように、ポンプ出力の上限が設定されている。
さらに続くステップＡ４０では、ステップＡ２０〜Ａ３０で算出，設定されたポンプ要求動力Ｐ_r及びポンプ設定動力Ｐ_sを用いて、動力補正係数ｋがｋ＝Ｐ_s／Ｐ_rとして算出され、ステップＡ５０へと進む。なお、このステップでは、図２に示す除算部２６における演算内容が実施されることになる。

ステップＡ５０では、前ステップで算出された動力補正係数ｋが１以下であるか否かが判定される。ここで、ｋ≦１である場合には、そのままステップＡ７０へ進み、ｋ＞１である場合には、ステップＡ６０へ進んで、動力補正係数ｋが新たにｋ＝１に設定され、ステップＡ７０へ進む。なお、このステップＡ５０〜６０での制御内容は、図２中に示す制限器２７での制御内容に対応するものである。

続くステップＡ７０では、ステップＡ２０で算出されたポンプ要求動力Ｐ_rと、ステップＡ４０〜６０で算出された動力補正係数ｋとを用いて、エンジン予測負荷Ｌ_aがＬ_a＝ｋ×Ｐ_rとして算出される。なお、このステップでは、図２に示す予測負荷乗算器２８における演算内容が実施されることになる。
以上のステップＡ１０〜７０により、オペレータによって油圧ポンプ７に要求されている出力の大きさが、エンジン６に作用する負荷の大きさとして予測される。

〔２．電動機制御〕
続くステップＡ８０〜１００は、主に電動機制御部３において実施される内容を示している。
ステップＡ８０では、ステップＡ１０で読み込まれた吸気温度Ｔに基づき補正係数ｊが設定されるとともに、ステップＡ７０で算出されたエンジン予測負荷Ｌ_aに基づき目標過給圧Ｐ_t′が設定され、過給圧Ｐ_tがＰ_t＝ｊ×Ｐ_t′として算出される。このステップＡ８０での制御内容は、図３に示す目標過給圧設定器３１〜目標過給圧乗算器３３での制御内容に対応している。

続くステップＡ９０では、前ステップで算出された過給圧Ｐ_tからステップＡ１０で読み込まれた吸気圧力Ｐ_iが減算された、過給圧偏差ΔＰが算出される。ここでの制御内容は、図３に示す差圧演算部３４での制御内容に対応しており、その時点での吸気通路１０ａの内部圧力に加えてどの程度の過給が必要であるかが算出されている。
さらに続くステップＡ１００では、前ステップで算出された過給圧偏差ΔＰに基づいて、モータ制御器１９へ制御信号が出力される。つまり、予測された負荷の大きさに応じてターボチャージャ８のモータ９が制御されることになる。なお、ここでの制御内容は、図３に示すモータ回転数制御器３５での制御内容に対応している。

〔３．燃料噴射量制御〕
さらに、続くステップＡ１１０〜１２０は、主に燃料噴射量設定部４において実施される内容を示している。
ステップＡ１１０では、ステップＡ３０で算出された目標エンジン回転数Ｎ_etから、ステップＡ１０で読み込まれたエンジン回転数Ｎ_eが減算された、エンジン回転数偏差ΔＮ_eが算出される。ここでの制御内容は、図３に示す回転数偏差演算器４２での制御内容に対応しており、その時点でのエンジン回転数Ｎ_eに加えてどの程度エンジン回転数を上昇させればよいか（出力変動に伴うエンジン回転数Ｎ_eの変動分がどの程度か）が算出される。

続くステップＡ１２０では、前ステップで算出されたエンジン回転数偏差ΔＮ_eに基づいて、エンジン６の回転数をエンジン回転数偏差ΔＮ_e分だけ上昇させるのに必要な燃料量として、エンジン６における燃料噴射量が算出される。また、ステップＡ７０で算出されたエンジン予測負荷Ｌ_aに予め設定されたゲインが乗算されて、エンジン６の回転数を変動させないために必要な燃料量として、エンジン６における燃料噴射量が算出される。そしてさらに、これらの二種類の燃料噴射量を合算したものが、最終的な燃料噴射量として算出される。

つまりここでは、エンジン６にエンジン予測負荷Ｌ_aが作用した状態において、エンジン６の回転数をエンジン回転数偏差ΔＮ_e分だけ上昇させるのに必要な燃料量が算出される。なお、ここでの制御内容は、図３に示す燃料噴射量制御器４３〜燃料噴射量加算器４５での制御内容に対応している。

［効果］
このように、本実施形態にかかる作業機械の出力制御装置によれば、エンジン負荷予測部２で予測されたエンジン６への負荷の大きさに基づいて、電動機制御部３により、モータ９の回転数及び過給量を調節することができる。つまり、エンジン６に対する負荷変動に伴うエンジン回転数Ｎ_eの変化に先立って過給を行い、エンジン出力を調節することができる。これにより、負荷変動に対してエンジン出力が素早く追随するようになり、エンジン６の応答性を高めることができる。また、負荷変動に対するエンジン出力の追随性を高めることで、エンジン出力を安定化させることができ、例えば、エンジン６のストールを効果的に防止でき、さらに、エンジン６の排ガスが濃くなるようなことも防止できる。

また、本出力制御装置によれば、エンジン負荷予測部２で予測されたエンジン６への負荷の大きさに基づいて、燃料噴射量設定部４により、エンジン６における燃料噴射量を調節することができる。つまり、エンジン６への過給量の制御と同時に燃料噴射量が制御されるため、エンジン出力の制御応答性をさらに高めることができるとともに、単位時間当たりに調節可能なエンジン出力の大きさを増加させることができ、例えば、短時間で素早くエンジン出力を増加、又は減少させることが可能となる。これにより、負荷変動時におけるエンジン出力をより安定化させることができる。

また、本出力制御装置によれば、予測される負荷の大きさが、ポンプ圧Ｐ_p1，Ｐ_p2とレバー操作量Ｌとに基づいて算出されるため、簡素な構成で、オペレータの操作内容に応じた正確な予測ができる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば上述の実施形態では、コントローラ１による制御対象として、エンジン制御器１２，斜板制御器１８及びモータ制御器１９の三つの制御器を制御するものが例示されているが、少なくともモータ制御器１９のみを制御する構成を備えていればよく、他のエンジン制御器１２及び斜板制御器１８は必須の構成要素ではない。

また、上述の実施形態では、ポンプ圧Ｐ_p1，Ｐ_p2とレバー操作量Ｌとに基づいてエンジン予測負荷Ｌ_aが算出されているが、エンジンにかかる負荷を予測する手段はこれに限定されない。例えば、ブーム装置５３やスティック装置５４に負荷圧力センサを併設し、各作業装置を駆動するアクチュエータ，油圧モータ等に作用する作動油圧を検出して、エンジン予測負荷Ｌ_aの算出に利用する構成としてもよい。あるいは、レバー操作量Ｌの変化率（すなわち、操作スピード）を加味した予測を行う構成としてもよい。

また、上述の実施形態では、エンジン６の過給器として、モータ９を内蔵したターボチャージャ８が適用されているが、電気駆動のスーパーチャージャ、すなわち、吸気通路１０ａ側のみにインペラー（タービン）を備えた過給器を適用することも可能である。

本発明の一実施形態としての作業機械の出力制御装置の全体構成を示す模式図である。 本出力制御装置によるエンジン負荷を予測する制御内容を示す制御ブロック図である。 本出力制御装置による電動機及びエンジンの制御内容を示す制御ブロック図である。 本出力制御装置における制御内容を示すフローチャートである。 本出力制御装置が適用された作業機械を示す斜視図である。

符号の説明

１ コントローラ
２ エンジン負荷予測部（エンジン負荷予測手段）
３ 電動機制御部（電動機制御手段）
４ 燃料噴射量設定部（燃料噴射量設定手段）
５ ポンプ制御部
６ エンジン
７（７ａ，７ｂ） 油圧ポンプ
８ ターボチャージャ（過給器）
８ａ コンプレッサ側インペラー
８ｂ タービン側インペラー
９ モータ（電動機）
１０ａ 吸気通路
１０ｂ 排気通路
１１ 吸気温度センサ（吸気温度検出手段）
１２ エンジン制御器（電子ガバナ，燃料噴射量制御手段）
１３（１３ａ，１３ｂ） 油圧センサ（油圧検出手段）
１４（１４ａ〜１４ｄ） 操作レバー（作動量設定手段）
１５ アクセルダイヤル
１６ 吸気圧力センサ
１７ エンジン回転数センサ
１８（１８ａ，１８ｂ） 斜板制御器
１９ モータ制御器
２０ インタクーラ
２１ａ〜２１ｄ 要求流量設定器
２２ａ，２２ｂ 要求流量加算器
２３ａ，２３ｂ 負荷動力乗算器
２４ 要求動力加算機
２５ 最大動力設定器
２６ 除算器
２７ 制限器（リミッタ）
２８ 予測負荷乗算器
２９ａ，２９ｂ ポンプ流量乗算器
３０ コントロールバルブ
３１ 目標過給圧設定器
３２ 吸気温度補正器
３３ 目標過給圧乗算器
３４ 差圧演算器
３５ モータ回転数制御器
４１ 目標回転数設定器
４２ 回転数偏差演算器
４３ 燃料噴射量制御器
４４ ゲイン設定器
４５ 燃料噴射量加算器
５０ 油圧ショベル（作業機械）
５１ 下部走行体
５２ 上部旋回体
５３ ブーム装置
５４ スティック装置
５５ バケット装置
５６ 作業装置
５７ エンジンルーム
５８ キャブ

Claims (6)

1. 油圧駆動式の作業装置を有する作業機械に搭載されたエンジンと、
   該エンジンによって駆動され該作業装置を駆動する油圧ポンプと、
   該エンジンの吸気通路上に設けられて該エンジンへ過給空気を供給する過給器と、
   該過給器を駆動するための電動機と、
   該油圧ポンプに要求されている出力の大きさを該エンジンに作用する負荷の大きさとして予測するエンジン負荷予測手段と、
   該エンジン負荷予測手段で予測された該負荷の大きさに基づいて該電動機の回転数を制御する電動機制御手段と
   を備えたことを特徴とする、作業機械の出力制御装置。
2. 該エンジンへ供給される過給空気の温度を検出する吸気温度検出手段と、
   該エンジンにおける燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
   該吸気温度検出手段で検出された該温度及び該エンジン負荷予測手段で予測された該負荷の大きさに基づいて、該燃料噴射量制御手段で制御される該燃料噴射量を設定する燃料噴射量設定手段と
   をさらに備えたことを特徴とする、請求項１記載の作業機械の出力制御装置。
3. 該油圧ポンプから該油圧駆動式の作業装置へ供給される作動油の圧力を検出する油圧検出手段と、
   該作業装置の作動量を設定するための作動量設定手段と、をさらに備え、
   該エンジン負荷予測手段が、油圧検出手段で検出された該圧力及び該作動量設定手段における該作動量に基づいて、該油圧ポンプに要求されている出力の大きさを予測する
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の作業機械の出力制御装置。
4. エンジンと、油圧駆動式の作業装置を駆動すべく該エンジンによって駆動される油圧ポンプと、該エンジンの吸気通路上に設けられて該エンジンへ過給空気を供給する過給器と、該過給器を駆動するための電動機とを備えた作業機械の制御方法であって、
   該油圧ポンプに要求されている出力の大きさを該エンジンに作用する負荷の大きさとして予測するエンジン負荷予測ステップと、
   該エンジン負荷予測ステップで予測された該負荷の大きさに基づいて該電動機の回転数を制御する電動機制御ステップと
   を備えたことを特徴とする、作業機械の出力制御方法。
5. 該エンジンにおける燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御ステップと、
   該エンジンへ供給される過給空気の温度及び該エンジン負荷予測ステップで予測された該負荷の大きさに基づいて、該燃料噴射量制御ステップで制御される該燃料噴射量を設定する燃料噴射量設定ステップと
   をさらに備えたことを特徴とする、請求項４記載の作業機械の出力制御方法。
6. 該エンジン負荷予測ステップにおいて、該油圧ポンプから該油圧駆動式の作業装置へ供給される作動油の圧力及び該作業装置の作動量に基づいて、該油圧ポンプに要求されている出力の大きさを予測する
   ことを特徴とする、請求項４又は５記載の作業機械の出力制御方法。

Images