JP2008180203A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作業中であっても、エンジンにかかる負荷が小さい場合は、エンジン回転数を低減させて、燃料消費量の低減を図ることができる制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン31に、メインポンプ32を接続し、このメインポンプ32の吐出通路33に主弁34を接続する。電気式の操作レバー41は、機体コントローラ37により電磁比例弁35，36を制御して主弁34を操作させる。機体コントローラ37に接続したアクセルダイアル42によりエンジン回転数を設定する。主弁34より負荷側の通路46，47からロードセンシング圧を検出するロードセンシング圧センサ51を設ける。ブームシリンダ16cのヘッド側の通路47にブームヘッド圧センサ52を設ける。機体コントローラ37は、ロードセンシング圧センサ51により検出されたロードセンシング圧が設定値より低い場合は、エンジン回転数を最大回転数から定格回転数まで低減させる機能を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン回転数（エンジン回転速度）を制御する制御装置に関する。

図３は、作業機械としての油圧ショベル10を示し、下部走行体11に上部旋回体12が旋回可能に設けられ、この上部旋回体12に、オペレータが着座する運転席および操作する操作レバーなどを内部に設置したキャブ13が搭載され、エンジンおよびこのエンジンにより駆動される油圧ポンプなどを内部に設置した動力装置14が搭載され、前部に腕状のフロント作業装置15が搭載されている。

このフロント作業装置15は、上部旋回体12にブーム16の基端が上下方向回動自在に軸支され、このブーム16の先端にスティック17がイン・アウト方向回動自在に軸支され、このスティック17の先端にバケット18が回動自在に軸支され、ブーム16に対しては、このブーム16を上下方向に回動するブームシリンダ16cが設けられ、スティック17に対しては、このスティック17をイン・アウト方向に回動するスティックシリンダ17cが設けられ、バケット18に対しては、このバケット18を回動するバケットシリンダ18cが設けられている。

図４は、ブームシリンダ16cを制御する制御回路を示し、オペレータが電気式の操作レバー21を操作すると、そのレバー操作量に応じた電気信号から機体コントローラ22が、主弁（すなわちメインスプールまたはメインステム）23を駆動する１対の電磁比例弁24，25の一方のソレノイドに、レバー操作量に応じて演算された電流値を出力してそのソレノイドを励磁し、電磁比例弁24または25を経て主弁23の両端に不均衡のパイロット圧を作用させることにより、この主弁23を変位駆動してメイン油通路26を開き、メインポンプ27から作動油をブームシリンダ16cのヘッド側室16chまたはロッド側室16crに供給する。

通常動作時は、メインポンプ27を駆動するエンジン28ヘの回転数指示はアクセルダイアル29により、図５に示されるように１〜10の10段階で設定され、エンジンコントローラ30により、アクセルダイアル29からの指示どおりの回転数でエンジン回転数が制御される。ただし、負荷がかかった場合は、アクセルダイアル29の指示値とは異なり負荷によりエンジン回転数は減少する。

一方、フロント作業装置が駆動されていない状態をポテンショメータにより検出して、エンジン回転数をアイドリング状態に落とすオートアイドル制御方式の建機のアクセル装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、電気レバー装置および操作ペダル装置が共に中立状態に戻ると、エンジン目標回転数をアイドル回転数に自動変更して、エンジン回転数を低下させるオートアイドル制御方式の油圧駆動装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−１４７９５７号公報（第３頁、図２） 特開２００６−２４２１１０号公報（第10頁、図１）

これらの従来のオートアイドル制御方式は、フロント作業装置が駆動されていない状態や、操作レバーや操作ペダルなどの操作器が中立状態にあるとき、いわゆる作業休止状態でエンジン回転数をアイドリング状態に低下させるので、作業中は、エンジン回転数をアイドリング状態に低下させることができない。

しかしながら、作業中であっても、エンジンにかかる負荷が小さい場合もあり、そのような軽負荷時に、エンジン回転数が低下しないと、燃料消費量のマップ上、多くの燃料を消費してしまう問題がある。特に、アクセルダイアル29のダイアル値８〜10の高速回転域では、この問題が顕著である。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、作業中であっても、エンジンにかかる負荷が小さい場合は、エンジン回転数を低減させて、燃料消費量の低減を図ることができる制御装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、エンジンにより駆動されるポンプから流体圧アクチュエータに供給される作動流体を方向制御および流量制御する主弁と、主弁を変位制御するメインコントローラと、メインコントローラにより主弁を操作させる操作器と、メインコントローラによりエンジン回転数を設定させるエンジン回転数設定器と、主弁より負荷側のロードセンシング圧を検出するロードセンシング圧センサとを具備し、メインコントローラは、ロードセンシング圧センサにより検出されたロードセンシング圧が設定値より低い場合は、エンジン回転数をエンジン回転数設定器で設定された最大回転数から定格回転数まで低減させる機能を備えた制御装置である。

請求項２に記載された発明は、請求項１記載の制御装置におけるメインコントローラが、ロードセンシング圧センサにより検出されたロードセンシング圧が設定値より高い場合は、エンジン回転数を定格回転数からエンジン回転数設定器で設定された最大回転数まで上昇させる機能を備えたものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１または２記載の制御装置における流体圧アクチュエータが、荷重体を上下方向に作動する片ロッド型の流体圧シリンダであり、この流体圧シリンダの荷重体上げ動作時に圧がかかるシリンダヘッド側に作用するヘッド圧を検出するヘッド圧センサを具備し、メインコントローラは、ヘッド圧センサにより検出された荷重体下げ動作時のヘッド圧が所定値以上である場合は、エンジン回転数を定格回転数からさらに低減させる機能を備えたものである。

請求項４に記載された発明は、請求項３記載の制御装置における荷重体が、油圧ショベルにおける腕状の作業装置であり、この作業装置は、ブームシリンダにより上下方向に回動されるブームと、このブームの先端に連結されてスティックシリンダによりイン・アウト方向に回動されるスティックと、このスティックの先端に連結されてバケットシリンダにより回動されるバケットとを具備し、メインコントローラは、ブーム上げ、かつスティックイン操作の場合は、エンジン回転数をエンジン回転数設定器で設定された最大回転数まで復帰させる機能を備えたものである。

請求項１に記載された発明によれば、ロードセンシング圧センサにより検出された主弁より負荷側のロードセンシング圧が設定値より低い場合は、操作器により主弁を操作する作業中であっても、エンジンにかかるポンプ負荷が軽い状態であるから、メインコントローラにより、エンジン回転数をエンジン回転数設定器で設定された最大回転数から定格回転数まで低減させることで、燃料消費量を低減させることができるとともに、エンジン回転数を低減させることで騒音も改善できる。

請求項２に記載された発明によれば、ロードセンシング圧が設定値より高い場合は、メインコントローラによりエンジン回転数を定格回転数から最大回転数まで上昇させるので、エンジンにかかるポンプ負荷が重い動作ではエンジン回転数を上昇させて、ポンプの流体圧出力を効率的に用いることができる。

請求項３に記載された発明によれば、荷重体下げ動作のとき、ヘッド圧センサにより検出された流体圧シリンダのヘッド圧が所定値以上である場合は、荷重体が地面に接地していない状態での下げ動作であるから、エンジンにかかるポンプ負荷が軽い状態であり、メインコントローラによりエンジン回転数を定格回転数からさらに低減させることで、燃料消費量と騒音を低減できる。

請求項４に記載された発明によれば、油圧ショベルの作業装置においてブーム上げ、かつスティックイン操作は、バケットによる掘削作業であるから、エンジン回転数をエンジン回転数設定器で設定された最大回転数まで復帰させることにより、ポンプの流体圧出力を効率的に用いることができ、掘削作業の作業性を向上できる。

以下、本発明を、図１乃至図３に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。なお、図３に示される作業機械としての油圧ショベル10の説明は既にしたので、ここでは説明を省略する。

図１は、制御装置を示し、エンジン31に、このエンジン31により駆動されるポンプとしての可変容量型のメインポンプ32が接続され、このメインポンプ32の吐出通路33には主弁（すなわちメインスプールまたはメインステム）34が接続されている。

この主弁34は、メインポンプ32から流体圧アクチュエータとしてのブームシリンダ16cのヘッド側室16chまたはロッド側室16crに供給される作動流体としての作動油を方向制御および流量制御するパイロット操作型制御弁であり、その一端部および他端部に接続された電磁比例弁35，36によりパイロット操作される。

これらの電磁比例弁35，36は、メインコントローラとしての機体コントローラ37から供給される電流値に応じて変位し、パイロットポンプ38から吐出されたパイロット１次圧を電流値に比例するパイロット２次圧に変換して主弁34に作用させる。

すなわち、機体コントローラ37は、１対の電磁比例弁35，36を介して、主弁34を変位制御する。主弁が電磁操作型弁の場合は、機体コントローラ37は、この主弁を電流値に応じて直接変位操作することもできる。

さらに、機体コントローラ37には、操作レバーまたはペダルなどの電気式の操作器（以下、「操作レバー」という）41が接続されているので、この操作レバー41は、機体コントローラ37により電磁比例弁35，36を制御して主弁34を操作させることができる。

機体コントローラ37にはエンジン回転数設定器としてのアクセルダイアル42が接続され、このアクセルダイアル42は、機体コントローラ37によりエンジン回転数（すなわちエンジン回転速度）を設定させることができる。

すなわち、機体コントローラ37は、エンジンコントローラ43を介してエンジン31の電子ガバナ44に接続され、エンジン回転数を検出してフィードバックするエンジン31の回転数センサ45が、機体コントローラ37に接続されている。エンジンコントローラ43は、機体コントローラ37から受けたエンジン回転数指令に基づき、燃料噴射量および噴射タイミングなどを制御する。

主弁34よりブームシリンダ16cなどの流体圧アクチュエータに作動流体を供給する負荷側の通路46，47には、シャトル弁48により高圧側通路から取出したロードセンシング圧をメインポンプ32の斜板制御部32sに導くロードセンシング圧ライン49が設けられている。このロードセンシング圧ライン49には、取出されたロードセンシング圧を検出するロードセンシング圧センサ51が設けられ、このロードセンシング圧センサ51の検出信号ラインは、機体コントローラ37に接続されている。

ブームシリンダ16cは、荷重体Ｗを上下方向に作動する片ロッド型の流体圧シリンダであり、このブームシリンダ16cの荷重体上げ動作時に圧がかかるヘッド側室16chに連通された通路47には、ヘッド圧センサとしてのブームヘッド圧センサ52が設けられ、このブームヘッド圧センサ52の検出信号ラインは、機体コントローラ37に接続されている。このブームヘッド圧センサ52は、ブームシリンダ16cのヘッド側室16chに作用するヘッド圧を検出する。

荷重体Ｗは、図３に示される油圧ショベル10における作業装置としての腕状のフロント作業装置15をモデル化したものであり、このフロント作業装置15は、ブームシリンダ16cにより上下方向に回動されるブーム16と、このブーム16の先端に連結されてスティックシリンダ17cによりイン・アウト方向に回動されるスティック17と、このスティック17の先端に連結されてバケットシリンダ18cにより回動されるバケット18とを具備している。

機体コントローラ37は、アクセルダイアル42で設定されたダイアル値が７以下の場合（すなわち、７〜１）は、そのダイアル値どおりのエンジン回転数を指示し、ダイアル値以下のエンジン回転数を指示することはない。

機体コントローラ37は、ロードセンシング圧センサ51により検出されたロードセンシング圧が設定値（例えば３０Ｍpa）より低い場合は、エンジン回転数をアクセルダイアル42で設定された最大回転数から定格回転数（図５におけるＮr）まで低減させる機能を備えている。

機体コントローラ37は、ロードセンシング圧センサ51により検出されたロードセンシング圧が設定値より高い場合は、エンジン回転数を定格回転数からアクセルダイアル42で設定された最大回転数まで上昇させる機能を備えている。

機体コントローラ37は、ブームヘッド圧センサ52により検出された荷重体下げ動作時のブームシリンダ16cのヘッド圧（ブームヘッド圧）が所定値（例えば１０Ｍpa）以上である場合は、エンジン回転数を定格回転数からさらに低減させる機能を備えている。

機体コントローラ37は、操作レバー41がブーム16を上げるブーム上げ、かつスティック17をキャブ13側に引寄せるスティックイン操作する場合は、エンジン回転数をアクセルダイアル42で設定された最大回転数まで復帰させる機能を備えている。

次に、この図１に示された実施の形態の作用を説明する。

オペレータが操作レバー41を操作すると、そのレバー操作量に応じた電気信号から機体コントローラ37が、主弁34を駆動する１対の電磁比例弁35，36の一方のソレノイドに、レバー操作量に応じて演算された電流値を出力してそのソレノイドを励磁し、パイロットポンプ38から電磁比例弁35，36を経て主弁34の両端に不均衡のパイロット圧を作用させることにより、この主弁34を変位駆動してメイン油通路を開き、メインポンプ32から作動油をブームシリンダ16cのヘッド側室16chまたはロッド側室16crに供給する。

同時に、機体コントローラ37は、アクセルダイアル42により設定されたエンジン回転数（例えば、１〜10の10段階）と、ロードセンシング圧センサ51により検出されたロードセンシング圧（負荷圧）と、ブームヘッド圧センサ52により検出されたブームヘッド圧と、操作レバー41によるレバー操作量とを演算して、エンジンコントローラ43に出力するエンジン回転数指令値を演算し、このエンジンコントローラ43を通じてエンジン31の電子ガバナ44を制御する。実際のエンジン回転数は、回転数センサ45により検出されて機体コントローラ37にフィードバックされる。

次に、図２に示されるフローチャートを参照して、機体コントローラ37による制御方法を説明する。

（ステップS1）
エンジン回転数設定用のアクセルダイアル42から機体コントローラ37に設定されたダイアル値、すなわち実ダイアル値を入力する。例えば、燃費低減を考慮してダイアル値を８とする。

（ステップS2）
機体コントローラ37は、アクセルダイアル42のダイアル値が10〜８であるか否かを判断する。

（ステップS3）
機体コントローラ37は、アクセルダイアル42のダイアル値が７以下に設定された場合は、アクセルダイアル42どおりのエンジン回転数を指示する判定をする。

（ステップS4）
機体コントローラ37は、アクセルダイアル42のダイアル値が10〜８に設定された場合は、例えば、燃費低減のため、アクセルダイアル42のダイアル値が８に設定された場合は、ブーム上げ、かつスティックイン操作がされていないか否かが判断される。

（ステップS5）
機体コントローラ37は、ブームシリンダ16cおよびスティックシリンダ17cを重負荷方向に動かす操作、すなわち掘削作業時のブーム上げ、かつスティックイン操作がされている場合は、エンジン回転数を低減させることなく、ダイアル値８までエンジン回転数を復帰させる判定をする。

（ステップS6）
機体コントローラ37は、ロードセンシング圧センサ51により検出されたロードセンシング圧が設定値より低いか否かを判断する。ロードセンシング圧が設定値以上（３０Mpa以上）の場合は、ステップS5に進む。

（ステップS7）
機体コントローラ37は、ロードセンシング圧が設定値より低い場合は、ブームヘッド圧センサ52により検出されたブームヘッド圧が所定値以上、例えば１０Mpa以上であるか否かを判定して、バケット18が接地していない状態にあるか否かを判断する。ブームヘッド圧が所定値に達していない低圧の場合は、フロント作業装置15が接地している状態であるから、ステップS5に進む。ブームヘッド圧が所定値以上である場合は、フロント作業装置15が接地していない状態、すなわちブームヘッド圧がフロント作業装置15の全荷重を支持していると判断する。

（ステップS8）
機体コントローラ37は、ロードセンシング圧が設定値より低く、かつフロント作業装置15が接地していないと判定した場合は、ブーム下げ操作がされているか否かを判断する。

（ステップS9）
機体コントローラ37は、ロードセンシング圧が設定値より低く、かつフロント作業装置15が接地していない状態で、ブーム下げ操作もされていないと判断した場合は、エンジン回転数を定格回転数Ｎrまで低減させる。

（ステップS10）
フロント作業装置15が接地していない状態で、ブーム下げ操作がされている場合は、ブーム下降中であるから、エンジン回転数を定格回転数Ｎrからさらに低減させる判定をする。

（ステップS11）
機体コントローラ37は、ステップS3、ステップS5、ステップS9およびステップS10の各判定に基づき、エンジンコントローラ43にエンジン回転数指令を出力する。

次に、図１乃至図３に示される実施の形態の作用効果を説明する。

(1) ブーム下げ時エンジン回転数低減
ステップS7，S8，S10に示されるように、ブーム下げ操作時であって、ブームヘッド圧が１０Mpa以上(接地していない状態)の条件が共に成り立つ場合は、エンジン回転数を定格回転数Ｎrからさらに低減させる。

(2) 掘削、ブーム上げでエンジン回転数復帰
ステップS4〜S6に示されるように、ブーム上げ、かつスティックイン操作時の場合、またはロードセンシング圧が設定値より高い（３０Mpa以上）場合は、油圧出力が必要であるとみなして、エンジン回転数を復帰させる。エンジン回転数の復帰量は、ブーム上げ、スティックインのレバー入力量およびロードセンシング圧により可変的に決まる。

(3) ステップS6〜S9に示されるように、負荷が軽い状態（ロードセンシング圧が低い状態）では、フロント作業装置15が接地しているか、フロント作業装置15が接地していない場合でもブーム下げ操作でない場合は、エンジン回転数を最大回転数から定格回転数Ｎrまで低減させ、燃料消費量を低減させることができる。また、エンジン回転数を低減させることで騒音も改善できる。

(4) ステップS7，S8，S10に示されるように、ブーム下げ動作のとき、地面にフロント作業装置15が接地していなければ、エンジン回転数を定格回転数Ｎrからさらに低減させることができる。

(5) 負荷が重い動作では、エンジン回転数を定格回転数Ｎrから最大回転数まで上昇させ、ポンプ吐出量を増大させて、効率的に油圧出力を使用でき、作業性を向上させることができる。

なお、上記圧力、ダイアル数は一例であり、機械の仕様により変わることは言うまでもない。

本発明は、油圧ショベルなどの作業機械の制御装置に利用可能である。

本発明に係る制御装置の一実施の形態を示す回路図である。 同上制御装置の機体コントローラによる制御方法を説明するフローチャートである。 作業機械としての油圧ショベルの側面図である。 従来の制御装置の回路図である。 エンジンの回転数・出力トルクを示す特性図である。

符号の説明

10 油圧ショベル
15 作業装置としてのフロント作業装置
16 ブーム
16c 流体圧アクチュエータとしての流体圧シリンダ（ブームシリンダ）
17 スティック
17c スティックシリンダ
18 バケット
18c バケットシリンダ
31 エンジン
32 ポンプとしてのメインポンプ
34 主弁
37 メインコントローラとしての機体コントローラ
41 操作器（操作レバー）
42 エンジン回転数設定器としてのアクセルダイアル
51 ロードセンシング圧センサ
52 ヘッド圧センサとしてのブームヘッド圧センサ

Claims (4)

1. エンジンにより駆動されるポンプから流体圧アクチュエータに供給される作動流体を方向制御および流量制御する主弁と、
   主弁を変位制御するメインコントローラと、
   メインコントローラにより主弁を操作させる操作器と、
   メインコントローラによりエンジン回転数を設定させるエンジン回転数設定器と、
   主弁より負荷側のロードセンシング圧を検出するロードセンシング圧センサとを具備し、
   メインコントローラは、
   ロードセンシング圧センサにより検出されたロードセンシング圧が設定値より低い場合は、エンジン回転数をエンジン回転数設定器で設定された最大回転数から定格回転数まで低減させる機能を備えた
   ことを特徴とする制御装置。
2. メインコントローラは、
   ロードセンシング圧センサにより検出されたロードセンシング圧が設定値より高い場合は、エンジン回転数を定格回転数からエンジン回転数設定器で設定された最大回転数まで上昇させる機能を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 流体圧アクチュエータは、荷重体を上下方向に作動する片ロッド型の流体圧シリンダであり、
   この流体圧シリンダの荷重体上げ動作時に圧がかかるシリンダヘッド側に作用するヘッド圧を検出するヘッド圧センサを具備し、
   メインコントローラは、
   ヘッド圧センサにより検出された荷重体下げ動作時のヘッド圧が所定値以上である場合は、エンジン回転数を定格回転数からさらに低減させる機能を備えた
   ことを特徴とする請求項１または２記載の制御装置。
4. 荷重体は、油圧ショベルにおける腕状の作業装置であり、
   この作業装置は、
   ブームシリンダにより上下方向に回動されるブームと、
   このブームの先端に連結されてスティックシリンダによりイン・アウト方向に回動されるスティックと、
   このスティックの先端に連結されてバケットシリンダにより回動されるバケットとを具備し、
   メインコントローラは、
   ブーム上げ、かつスティックイン操作の場合は、エンジン回転数をエンジン回転数設定器で設定された最大回転数まで復帰させる機能を備えた
   ことを特徴とする請求項３記載の制御装置。

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