JP2013209940A - 作業機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料消費量の低減、および、冷却ファンの騒音の低減を図る。
【解決手段】エンジンと、ラジエータと、冷媒温度検出手段と、外気温度検出手段と、冷媒の温度に応じて経路を全閉から全開の間で開閉するサーモスタットと、ラジエータに外気を送風する冷却ファンと、油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動され、冷却ファンを回転させる油圧モータと、冷媒の温度と冷却ファンの目標回転速度とを対応付けた制御特性に基づいて、冷媒の温度により目標回転速度を設定する回転速度設定手段と、回転速度設定手段で設定された目標回転速度となるようにファンの実回転速度を調節する回転速度調節手段と、サーモスタットが全閉から全開する冷媒の温度範囲内で、冷媒温度によって設定される目標回転速度が、外気の温度に応じて異なる値となるように、制御特性を決定する制御特性決定手段とを備える。
【選択図】図5
【解決手段】エンジンと、ラジエータと、冷媒温度検出手段と、外気温度検出手段と、冷媒の温度に応じて経路を全閉から全開の間で開閉するサーモスタットと、ラジエータに外気を送風する冷却ファンと、油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動され、冷却ファンを回転させる油圧モータと、冷媒の温度と冷却ファンの目標回転速度とを対応付けた制御特性に基づいて、冷媒の温度により目標回転速度を設定する回転速度設定手段と、回転速度設定手段で設定された目標回転速度となるようにファンの実回転速度を調節する回転速度調節手段と、サーモスタットが全閉から全開する冷媒の温度範囲内で、冷媒温度によって設定される目標回転速度が、外気の温度に応じて異なる値となるように、制御特性を決定する制御特性決定手段とを備える。
【選択図】図5
Description
本発明は、冷却ファンの回転速度を制御する作業機械に関する。
ホイールローダなどの作業機械のエンジンの冷却水(冷媒)を冷却するために、作業機械にはラジエータと、ラジエータに冷却風(外気)を送風する冷却ファンが搭載されている。冷却ファンは、エンジンから独立して駆動される油圧モータなどによって駆動される。冷却ファンの回転速度を制御する装置として、エンジンの冷媒の温度や外気温度に応じて冷却ファンの回転速度を変更するものが知られている(特許文献1参照)。
特許文献1に記載の冷却ファン制御装置では、外気温度を検出し、外気温度に応じて冷却ファンの最低回転速度を決定する。特許文献1に記載の冷却ファン制御装置では、夏場(外気温度が高い場合)にはファンの最低回転速度を比較的高くすることでクーラーを素早く効かすことができる。冬場(外気温度が低い場合)には冷却ファンの最低回転速度を比較的低くすることで、暖気時間を短縮しヒーターを素早く効かすことができる。
特許文献1に記載の冷却ファン制御装置では、冷媒温度が所定温度以上のときには、冷媒温度の上昇に応じて回転速度を上昇させる所定の制御特性にしたがって回転速度の制御を行う。しかしながら、冷媒温度が所定温度以上のとき、たとえばエンジンのサーモスタットが全閉から全開する冷媒の温度範囲において、冷媒温度に依存する制御特性が外気温度に応じて変わるものではなかった。
本発明は、外気の温度および冷媒の温度に応じた適切な回転速度で冷却ファンを駆動することで、燃料消費量の低減、および、冷却ファンの騒音の低減を図ることを目的とする。
本発明は、外気の温度および冷媒の温度に応じた適切な回転速度で冷却ファンを駆動することで、燃料消費量の低減、および、冷却ファンの騒音の低減を図ることを目的とする。
請求項1に係る発明は、エンジンと、エンジンの冷媒を冷却するラジエータと、冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、外気の温度を検出する外気温度検出手段と、冷媒をラジエータに供給する経路上で、冷媒の温度に応じて経路を全閉から全開の間で開閉するサーモスタットと、ラジエータに外気を送風する冷却ファンと、エンジンにより駆動される油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動され、冷却ファンを回転させる油圧モータと、冷媒の温度と冷却ファンの目標回転速度とを対応付けた制御特性に基づいて、冷媒温度検出手段で検出された冷媒の温度により目標回転速度を設定する回転速度設定手段と、回転速度設定手段で設定された目標回転速度となるようにファンの実回転速度を調節する回転速度調節手段と、サーモスタットが全閉から全開する冷媒の温度範囲内で、検出された冷媒の温度によって設定される目標回転速度が、外気温度検出手段で検出された外気の温度に応じて異なる値となるように、制御特性を決定する制御特性決定手段とを備えることを特徴とする作業機械である。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の作業機械において、回転速度設定手段は、外気の温度が所定値以上のときには、サーモスタットが全閉する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が所定値未満のときに比べて、高く設定し、外気の温度が所定値以上のときには、サーモスタットが全開する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が所定値未満のときに比べて、高く設定することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の作業機械において、回転速度設定手段は、外気の温度が所定範囲内のときには、サーモスタットが全閉する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が所定範囲より低いときと同じ値になるように設定し、外気の温度が所定範囲内のときには、サーモスタットが全開する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が所定範囲より高いときと同じ値になるように設定することを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の作業機械において、外気温度検出手段により外気の温度の検出ができないとき、異常と判定する異常判定手段をさらに備え、回転速度設定手段は、異常判定手段により異常が判定されると、外気の温度が所定値以上のときに決定される制御特性に基づいて冷却ファンの目標回転速度を設定することを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の作業機械において、複数の制御特性データを記憶している記憶装置を備え、制御特性決定手段は、検出された外気の温度に応じて、複数の制御特性データのうちのいずれか1つを選択し、回転速度設定手段は、選択された制御特性データに基づいて冷却ファンの目標回転速度を設定することを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の作業機械において、外気の温度が所定値以上のときに用いられる基準制御特性データを記憶している記憶装置を備え、制御特性決定手段は、基準制御特性データを外気の温度が所定値からの温度低下量に応じて、冷媒の温度の高温側に制御特性データをシフトするようにして検出された外気の温度に応じた制御特性を決定することを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の作業機械において、回転速度設定手段は、外気の温度が所定値以上のときには、サーモスタットが全閉する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が所定値未満のときに比べて、高く設定し、外気の温度が所定値以上のときには、サーモスタットが全開する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が所定値未満のときに比べて、高く設定することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の作業機械において、回転速度設定手段は、外気の温度が所定範囲内のときには、サーモスタットが全閉する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が所定範囲より低いときと同じ値になるように設定し、外気の温度が所定範囲内のときには、サーモスタットが全開する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が所定範囲より高いときと同じ値になるように設定することを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の作業機械において、外気温度検出手段により外気の温度の検出ができないとき、異常と判定する異常判定手段をさらに備え、回転速度設定手段は、異常判定手段により異常が判定されると、外気の温度が所定値以上のときに決定される制御特性に基づいて冷却ファンの目標回転速度を設定することを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の作業機械において、複数の制御特性データを記憶している記憶装置を備え、制御特性決定手段は、検出された外気の温度に応じて、複数の制御特性データのうちのいずれか1つを選択し、回転速度設定手段は、選択された制御特性データに基づいて冷却ファンの目標回転速度を設定することを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の作業機械において、外気の温度が所定値以上のときに用いられる基準制御特性データを記憶している記憶装置を備え、制御特性決定手段は、基準制御特性データを外気の温度が所定値からの温度低下量に応じて、冷媒の温度の高温側に制御特性データをシフトするようにして検出された外気の温度に応じた制御特性を決定することを特徴とする。
本発明によれば、サーモスタットが全閉から全開する冷媒の温度範囲内で、冷媒の温度によって設定される目標回転速度が、外気の温度に応じて異なる値となるように、制御特性を決定するようにしたので、外気の温度および冷媒の温度に応じた適切な回転速度で冷却ファンを駆動することができる。このため、燃料消費量の低減、および、冷却ファンの騒音の低減を図ることができる。
以下、図面を参照して、本発明による作業機械の一実施の形態を説明する。
−第1の実施の形態−
図1は、第1の実施の形態に係る作業機械の一例であるホイールローダ100の側面図である。ホイールローダ100は、アーム111、バケット112、タイヤ113等を有する前部車体110と、運転室121、エンジン室122、タイヤ123等を有する後部車体120とで構成される。エンジン室122には、エンジン(不図示)が搭載され、エンジン室122は建屋カバー131で覆われている。後部車体120の後方にはカウンタウェイト124が取り付けられている。
−第1の実施の形態−
図1は、第1の実施の形態に係る作業機械の一例であるホイールローダ100の側面図である。ホイールローダ100は、アーム111、バケット112、タイヤ113等を有する前部車体110と、運転室121、エンジン室122、タイヤ123等を有する後部車体120とで構成される。エンジン室122には、エンジン(不図示)が搭載され、エンジン室122は建屋カバー131で覆われている。後部車体120の後方にはカウンタウェイト124が取り付けられている。
アーム111はアームシリンダ117の駆動により上下方向に回動(俯仰動)し、バケット112はバケットシリンダ115の駆動により上下方向に回動(クラウドまたはダンプ)する。前部車体110と後部車体120とはセンタピン101により互いに回動自在に連結され、ステアリングシリンダ116の伸縮により後部車体120に対し前部車体110が左右に屈折する。
建屋カバー131の後方には、ラジエータフレーム135と、冷却ファンユニット150とが配設されている。ラジエータフレーム135には、後述する図2に示した、エンジン1の冷却水(冷媒)を冷却するラジエータ14や、作動油を冷却するオイルクーラ16、トルクコンバータ2の作動流体冷却用の作動流体クーラ15が取り付けられている。ラジエータフレーム135は、後部車体120に固定されている。冷却ファンユニット150は、後述する図2に示した、ファンモータ11で駆動される冷却ファン13と、ファンシュラウド151とを備えており、ラジエータフレーム135の後方に配設されている。
ラジエータフレーム135および冷却ファンユニット150は、その側面および上面が冷却器用建屋カバー132で覆われている。冷却器用建屋カバー132は後方で開口しており、開閉可能に取り付けられたグリル140によって覆われている。グリル140は、冷却ファン13による吸気または排気が外部と流通するように複数の開口が設けられた覆いである。
図2は、ホイールローダ100の概略構成を示す図である。エンジン1の出力軸にはトルクコンバータ2(以下、トルコンと呼ぶ)の不図示の入力軸が連結され、トルコン2の不図示の出力軸はトランスミッション3に連結されている。トルコン2は周知のインペラ、タービン、ステータからなる流体クラッチであり、エンジン1の回転はトルコン2を介してトランスミッション3に伝達される。トランスミッション3は、その速度段を1速〜4速に変速する液圧クラッチを有し、トルコン2の出力軸の回転はトランスミッション3で変速される。変速後の回転は、プロペラシャフト4、アクスル5を介してタイヤ6に伝達され、ホイールローダが走行する。
コントローラ19は、ホイールローダ100の各部を制御する制御装置である。コントローラ19は、CPU、ならびに、ROMやRAMなどの記憶装置、その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成される。
ホイールローダ100の運転室121には、アクセルペダル21が配設されている。エンジン1の回転数は、アクセルペダル21の操作量(踏み込み量)の増加に伴い上昇する。エンジン回転数が上昇すると、後述する油圧ポンプ7,8の回転数が上昇し、ポンプ吐出量が増大する。
ホイールローダ100は、エンジン1により駆動される作業用の油圧ポンプ7と、油圧ポンプ7から吐出される圧油を制御するコントロールバルブ17と、作業用油圧シリンダ18(たとえばバケットシリンダ115やアームシリンダ117)とを備えている。コントロールバルブ17は不図示の操作レバーの操作により駆動され、操作レバーの操作量に応じて作業用油圧シリンダ18が駆動される。
ホイールローダ100は、エンジン1により駆動されるファン駆動用の油圧ポンプ8と、油圧ポンプ8から吐出される圧油によって駆動されるファンモータ11と、ファンモータ11によって回転される冷却ファン13と、ファンモータ11の回転速度を調節するための可変リリーフ弁9と、エンジン1の回転速度変化により、ファンモータ11を駆動する油圧回路12が負圧になった場合のキャビテーションを防止するためのチェック弁10とを備えている。ファンモータ11は、ラジエータ14、オイルクーラ16および作動流体クーラ15に外気(冷却風)を送風する冷却ファン13を回転させる。
エンジン1の冷却水は、サーモスタット22を経由してラジエータ14に流れ込み、ラジエータ14で冷却された後、再びエンジン1に戻る。サーモスタット22は、エンジン1からラジエータ14に至る冷却水配管の途中に設けられている。サーモスタット22は、冷却水をラジエータ14に供給する経路上で、冷却水の温度に応じて経路を全閉から全開の間で開閉する。
図3は、サーモスタットの開弁特性を示す図である。本実施の形態のサーモスタット22では、開度0%となる全閉温度T1が85℃であり、開度100%となる全開温度T2が95℃である。すなわち、サーモスタット22に触れている冷却水温度TWが85℃まではサーモスタット22が全閉しており、冷却水温度TWが85℃を超えるとサーモスタット22が徐々に開き始めて開口面積が増加し、冷却水温度TWが95℃に達するとサーモスタット22が全開する。図示しないが、冷却水循環経路には、冷却水温度TWが低くサーモスタット22が全閉しているときには、ラジエータ14に冷却水が供給されないように冷却水をバイパスさせるバイパス経路が設けられている。
作動油は、作動油タンク31から作業用の油圧ポンプ7で吸い上げられて吐出され、コントロールバルブ17を経由してオイルクーラ16へ流れ込み、オイルクーラ16で冷却された後、再び作動油タンク31に戻る。トルコン2の作動流体は、トルコン2から作動流体クーラ15へ流れ込み、作動流体クーラ15で冷却された後、再びトルコン2へ戻る。
油圧ポンプ8から吐出される圧油がファンモータ11に供給されると、ファンモータ11および冷却ファン13が回転する。ファンモータ11に供給された油は、タンク31に戻る。冷却ファン13が回転すると、冷却ファン13からラジエータ14、オイルクーラ16および作動流体クーラ15に向けて冷却風(外気)が送風され、冷却風との熱交換によりエンジン1の冷却水、作動油および作動流体が冷却される。
ファンモータ11の入口側圧力(モータ駆動圧)である油圧ポンプ8の吐出側圧力(以下、ポンプ吐出圧Ppと記載する)を制限する設定圧可変式のリリーフ弁9が、油圧ポンプ8の吐出側管路とタンク31への戻り側管路との間に介装されている。
リリーフ弁9は、電磁式の可変リリーフ弁であって、コントローラ19からの出力電流値(指示値)に応じて、油圧ポンプ8からファンモータ11へ供給される圧油の最高圧を規定し、ポンプ吐出圧Ppを制御する。コントローラ19は、リリーフ弁9の設定圧Ps(以下、リリーフ圧とも記す)を制御する。
コントローラ19は、リリーフ弁9のリリーフ圧Psを変更してポンプ吐出圧Ppを制御することで、冷却ファン13の実回転速度Nfaが後述の制御特性に応じて設定される目標回転速度Nftとなるように、冷却ファン13の実回転速度Nfaを調節する。
図4(a)は冷却ファン13の目標回転速度Nftと、リリーフ弁9の設定圧(リリーフ圧)Psとの関係を示す図である。図4(b)はファン駆動用の油圧ポンプ8の吐出圧Ppと冷却ファン13の実回転速度Nfaとの関係を示す図である。
コントローラ19の記憶装置には、リリーフ圧Psを制御するために、図4(a)に示すテーブルが記憶されている。図4(a)に示すテーブルは、冷却ファン13の目標回転速度Nftの増加に応じて、リリーフ圧Psを最小値Pmin(たとえば、目標回転速度Nftが最小回転速度Nminのとき、Pminは5MPa程度)から最大値Pmax(たとえば、目標回転速度Nftが最大回転速度Nmaxのとき、Pmaxは19MPa程度)まで直線的に増加するように定められている。
図4(b)に示す油圧ポンプの吐出圧Ppと、冷却ファン13の実回転速度Nfaとの関係は、図4(a)と同じであり、油圧ポンプ8の吐出圧Ppが増加するにしたがって冷却ファン13の実回転速度Nfaが増加する。なお、図4(a)のテーブルは、図4(b)の特性に基づき得られる。
コントローラ19は、目標回転速度Nftを引数として図4(a)のテーブルを参照し、リリーフ圧Psを決定する。リリーフ弁9のリリーフ圧Psが設定されると、油圧ポンプ8の吐出圧Ppがリリーフ圧Psとなり、冷却ファン13の実回転速度Nfaが目標回転速度Nftに制御される。
図4(b)に示すように、冷却ファン13の実回転速度Nfaとポンプ吐出圧Ppは比例関係となる。油圧ポンプ8のポンプ入力動力Li[kW](=エンジンからの出力)は、次の式(1)で求められる。
ポンプ入力動力Li[kW]=T・Np/9549.3 ・・・(1)
Np[rpm]は、ファン駆動用の油圧ポンプ8の回転速度である。T[N・m]は、ポンプ駆動トルクであり、次の式(2)で求められる。
ポンプ駆動トルクT[N・m]=Pp・q/(2π・ηm) ・・・(2)
Pp[MPa]は上記したようにファン駆動用の油圧ポンプ8の吐出圧である。q[cm3/rev.]は油圧ポンプ8の押しのけ容積であり、ηmは油圧ポンプ8の機械効率である。
ポンプ入力動力Li[kW]=T・Np/9549.3 ・・・(1)
Np[rpm]は、ファン駆動用の油圧ポンプ8の回転速度である。T[N・m]は、ポンプ駆動トルクであり、次の式(2)で求められる。
ポンプ駆動トルクT[N・m]=Pp・q/(2π・ηm) ・・・(2)
Pp[MPa]は上記したようにファン駆動用の油圧ポンプ8の吐出圧である。q[cm3/rev.]は油圧ポンプ8の押しのけ容積であり、ηmは油圧ポンプ8の機械効率である。
ポンプ入力動力Liは、ポンプ吐出圧Ppと油圧ポンプ8の回転速度Npに比例する。したがって、ポンプ入力動力Liは、冷却ファン13の実回転速度Nfaに比例することになる。したがって、冷却ファン13の実回転速度Nfaが低いときには、ポンプ入力動力Li(エンジン出力)が低く、燃料消費量が少ない。これに対して、冷却ファン13の実回転速度Nfaが高いときには、ポンプ入力動力Li(エンジン出力)が高く、燃料消費量が多い。
ホイールローダ100は、コントローラ19と、外気温度センサ20と、冷却水温度センサ23とを備えている。コントローラ19には冷却水温度センサ23からの冷却水温度の情報、および、外気温度センサ20からの外気温度の情報が入力されている。
冷却水温度センサ23は、冷却水の温度を検出するセンサであり、ラジエータ14の上流側の管路等に設けられている。外気温度センサ20は、外気の温度を検出するセンサであり、外気が触れる車体の外表面の所定位置に設けられている。
図5は、冷却水温度TWと冷却ファン13の目標回転速度Nftとを対応付けた制御特性を示す図である。コントローラ19の記憶装置には、冷却水温度TWに基づいて冷却ファン13の目標回転速度Nftを制御するための制御特性テーブルが記憶されている。図5に示すように、本実施の形態では、3種類の制御特性テーブルが記憶装置に記憶されている。コントローラ19は、後述するように、この制御特性テーブルに基づいて、冷却水温度センサ23で検出された冷却水の温度により冷却ファン13の目標回転速度Nftを設定する。なお、冷却ファン13の実回転速度Nfaは、冷却水温度TWに応じて設定される目標回転速度Nftに追従して調節される。
コントローラ19は、外気温度センサ20で検出された外気温度TOに応じて、第1〜第3制御特性C1〜C3のうちのいずれかを1つを選択する。コントローラ19は、選択した制御特性のテーブルを参照し、冷却水温度センサ23で検出した冷却水温度TWを引数として冷却ファン13の目標回転速度Nftを設定する。
第1制御特性C1は、外気温度TOが所定値TOH(たとえば30℃)以上のとき(TOH≦TO)に選択される。第2制御特性C2は、外気温度TOが所定値TL(たとえば10℃)より高く、所定値TOHより低いとき(TOL<TO<TOH)に選択される。第3制御特性C3は、外気温度がTL以下のとき(TO≦TOL)に選択される。
第1制御特性C1は、冷却水温度TWがTL1以下(TW≦TL1)では目標回転速度Nftを最小回転速度Nminとし、冷却水温度TWがTH1以上(TH1≦TW)では目標回転速度Nftを最大回転速度Nmaxとするように定められている。第1制御特性C1は、冷却水温度TWがTL1より高く、かつ、TH1より低い範囲(TL1<TW<TH1)では、冷却水温度TWの上昇に伴い目標回転速度Nftを最小回転速度Nmin(たとえば500rpm)から最大回転速度Nmax(たとえば1600rpm)まで直線的に増加させるように定められている。
第2制御特性C2は、冷却水温度TWがTL2以下(TW≦TL2)では目標回転速度Nftを最小回転速度Nminとし、冷却水温度TWがTH2以上(TH2≦TW)では目標回転速度Nftを最大回転速度Nmaxとするように定められている。第2制御特性C2は、冷却水温度TWがTL2より高く、かつ、TH2より低い範囲(TL2<TW<TH2)では、冷却水温度TWの上昇に伴い目標回転速度Nftを最小回転速度Nminから最大回転速度Nmaxまで直線的に増加させるように定められている。
第3制御特性C3は、冷却水温度TWがTL3以下(TW≦TL3)では目標回転速度Nftを最小回転速度Nminとし、冷却水温度TWがTH3以上(TH3≦TW)では目標回転速度Nftを最大回転速度Nmaxとするように定められている。第3制御特性C3は、冷却水温度TWがTL3より高く、かつ、TH3より低い範囲(TL3<TW<TH3)では、冷却水温度TWの上昇に伴い目標回転速度Nftを最小回転速度Nminから最大回転速度Nmaxまで直線的に増加させるように定められている。
第1〜第3制御特性C1〜C3において、冷却ファン13の目標回転速度Nftの増速を開始する冷却水の温度TW=TL1〜TL3の大小関係は、TL1<TL2<TL3である。第1〜第3制御特性C1〜C3において、冷却ファン13の目標回転速度Nftを最大回転速度Nmaxに制限する冷却水の温度TW=TH1〜TH3の大小関係は、TH1<TH2<TH3である。各制御特性において、冷却水温度TWに応じて最小回転速度Nminから最大回転速度Nmaxまで増速させる目標回転速度Nftの変化率は同じである。
各制御特性は、図3に示した全閉温度T1が、TL1より高くTL2より低い範囲内(TL1<T1<TL2)になるように、かつ、全開温度T2が、TH2より高くTH3より低い範囲内(TH2<T2<TH3)になるように定められている。つまり、冷却ファン13の目標回転速度Nftは、サーモスタット22が全閉から全開する冷却水の温度範囲内(T1<TW<T2)で、外気温度TOに応じて決定される3種類の異なる制御特性のいずれかに基づいて設定される。
目標回転速度Nftが設定されると、上記したように、コントローラ19は目標回転速度Nftに基づいて、リリーフ圧Psを変更し、ポンプ吐出圧Ppを減少または増加させ、冷却ファン13の実回転速度Nfaを目標回転速度Nftに制御する。
コントローラ19は、次のように各部を制御することで、外気温度TOと冷却水温度TWに基づいて、冷却ファン13の実回転速度Nfaを制御する。図6は、冷却ファン13の回転速度制御についての処理内容を示すフローチャートである。ホイールローダ100の不図示のイグニッションスイッチがオン操作されると、図6に示す処理を行うプログラムが起動されて、コントローラ19で繰り返し実行される。
ステップS101において、コントローラ19は、外気温度センサ20からの外気温度TOの情報、および、冷却水温度センサ23からの冷却水温度TWの情報を取得して、ステップS111へ進む。
ステップS111において、コントローラ19は、外気温度センサ20で検出した外気温度TOが所定値TOH以上であるか否かを判定する。ステップS111で肯定判定されると、ステップS141へ進み、否定判定されるとステップS121へ進む。
ステップS121において、コントローラ19は、外気温度センサ20で検出した外気温度TOが所定値TOL以下であるか否かを判定する。ステップS121で否定判定されるとステップS151へ進み、ステップS121で肯定判定されるとステップS161へ進む。
外気温度TOが所定値TOH以上のとき(TOH≦TO)には、ステップS141において、コントローラ19は、第1制御特性C1を選択し、第1制御特性C1のテーブルを参照して冷却水温度TWを引数として、目標回転速度Nftを決定し、ステップS171へ進む。
外気温度TOが所定値TOLより高く、かつ、所定値TOHより低いとき(TOL<TO<TOH)には、ステップS151において、コントローラ19は、第2制御特性C2を選択し、第2制御特性C2のテーブルを参照して冷却水温度TWを引数として、目標回転速度Nftを決定し、ステップS171へ進む。
外気温度TOが所定値TOL以下のとき(TO≦TOL)には、ステップS161において、コントローラ19は、第3制御特性C3を選択し、第3制御特性C3のテーブルを参照して冷却水温度TWを引数として、目標回転速度Nftを決定し、ステップS171へ進む。
ステップS171において、コントローラ19は、図4(a)のテーブルを参照し、目標回転速度Nftを引数として、リリーフ圧Psを決定する。コントローラ19は、決定されたリリーフ圧Psに基づいてリリーフ弁9へ制御信号を出力する。コントローラ19によりリリーフ圧Psが設定されると、ポンプ吐出圧Ppがリリーフ圧Psに制御され、冷却ファン13の実回転速度Nfaが目標回転速度Nftとなるように調節される。
外気温度TOが低温、中温、高温のそれぞれのときにおいて、本実施の形態の動作をまとめると次のようになる。なお、外気温度TOが低温(たとえば、外気温度TO=5℃)のとき、ホイールローダ100が稼働していれば、エンジン1の冷却水温度TWは、サーモスタット22の全閉温度T1以上まで上昇する。
図3で示したように、サーモスタット22は、冷却水温度TWがT1以上で開弁し、T2で全開となる。サーモスタット22が開弁することで、ラジエータ14に冷却水が供給される。冷却水温度TWは、エンジン1の発熱量Qeとラジエータ14の放熱量Qrとが平衡状態(以下、熱的平衡状態と記す)になると一定温度に落ち着く。エンジン1の発熱量Qeは、エンジン1の負荷が高くなるほど大きくなる。ラジエータ14の放熱量Qrは、外気の温度TOが低いほど大きくなり、冷却ファン13の実回転速度Nfaが速くなるほど大きくなり、ラジエータ14に供給される冷却水量が増えるほど大きくなる。
(1)外気温度TOが低温(たとえば0℃)のときについて、主に図5を参照して説明する。説明の便宜上、外気温度TOに拘わらず第1制御特性C1で目標回転速度Nftを設定する技術を第1の比較例とし、第1の比較例と対比しながら第1の実施の形態について説明する。第1の比較例において、外気温度TOが0℃のときに、ホイールローダ100を稼働させると、冷却水温度TWがTL1より高くTH1より低いTa、かつ、冷却ファン13の実回転速度NfaがNminより速くNmaxより遅いNaの状態で、熱的平衡状態になると仮定する。このとき、サーモスタット22の開度Aは、全閉に近い小さな開度A1(たとえば、A1=10%)となっている(図3参照)。
これに対し、本実施の形態では、外気温度TOが0℃のときには、コントローラ19により第3制御特性C3が選択される。第3制御特性C3は、冷却水温度TWがTL3以下のときには、目標回転速度Nftを最小回転速度Nminとする。
第3制御特性C3に基づく制御では、冷却水温度TWがT1を超えても冷却ファン13の実回転速度Nfaは上昇しない。このため、冷却水温度TWはTaを超えて上昇する。冷却水温度TWが上昇すると、サーモスタット22の開度Aの開度が大きくなり、ラジエータ14に供給される冷却水量が第1の比較例に比べて多くなる。
本実施の形態では、冷却水温度TWがTaよりも高いTL3、かつ、冷却ファン13の実回転速度NfaがNaよりも遅いNmin、かつ、サーモスタット22の開度AがA1よりも大きいA4(たとえば、A4=70%)の状態(図3参照)で、熱的平衡状態になる。
本実施の形態では、冷却水温度TWの上昇に伴い冷却水量が増加することで、冷却ファン13の実回転速度Nfaを最小回転速度Nminから上昇させることなく、放熱量Qrを第1の比較例と同一にすることができる。
第1の比較例では、冷却ファン13の実回転速度Nfaを最小回転速度Nminよりも高いNaとするために、コントローラ19がリリーフ圧Psを最小値Pminより高いPaに設定する(図4(a)参照)。これにより、油圧ポンプ8の吐出圧Ppが最小値Pminより高いPaに制御される。第1の比較例では、油圧ポンプ8の吐出圧Ppが最小値Pminに制御されるときに比べてエンジン1の負荷が高くなるので、燃料消費量が多くなる。
これに対して、第1の実施の形態では、冷却ファン13の実回転速度Nfaが最小回転速度Nminから上昇しない。リリーフ圧Psは最小値Pminに設定され(図4(a)参照)、油圧ポンプ8の吐出圧Ppは最小値Pminに制御される。したがって、第1の実施の形態では、外気温度TOが低温(たとえば0℃)のとき、第1の比較例に比べて、燃料消費量を抑えることができる。さらに、第1の実施の形態によれば、冷却ファン13の回転に伴う騒音についても、第1の比較例に比べて低減することができる。
(2)外気温度TOが中温(たとえば20℃)のときについて主に図5を参照して説明する。説明の便宜上、上記した第1の比較例と対比しながら第1の実施の形態について説明する。第1の比較例において、外気温度TOが20℃のときに、ホイールローダ100を稼働させると、冷却水温度TWがTH1、かつ、冷却ファン13の実回転速度NfaがNmaxの状態で、熱的平衡状態になると仮定する。このとき、サーモスタット22の開度Aは、A2(たとえば、A2=40%)となっている(図3参照)。
これに対し、本実施の形態では、外気温度TOが20℃のときには、コントローラ19により第2制御特性C2が選択される。第2制御特性C2は、冷却水温度TWがTL2より高くTH2より低い範囲において、冷却水温度TWの温度上昇に伴って最小回転速度Nminから最大回転速度Nmaxまで直線的に目標回転速度Nftを増加させる。
第2制御特性C2に基づく制御では、冷却水温度TWがT1を超えても冷却ファン13の目標回転速度Nftは上昇せず、冷却水温度TWがTL2を超えると目標回転速度NftがNminから上昇する。第2制御特性C2に基づく制御では、冷却水温度TWがTL2より高いTH1のときは、第1の比較例に比べて目標回転速度Nft(=N1)が低く設定されるので、熱的平衡状態とはならず冷却水温度TWがTH1を超えて上昇する。冷却水温度TWが上昇すると、サーモスタット22の開度Aが大きくなり、ラジエータ14に供給される冷却水量が第1の比較例に比べて多くなる。
本実施の形態では、冷却水温度TWがTH1よりも高いTb、かつ、冷却ファン13の実回転速度NfaがNmaxよりも遅いNb、かつ、サーモスタット22の開度AがA2よりも大きいA3(たとえば、A3=60%)の状態(図3参照)で、熱的平衡状態になる。
本実施の形態では、冷却水温度TWの上昇に伴い冷却水量が増加することで、冷却ファン13の実回転速度NfaをNbから上昇させることなく、放熱量Qrを第1の比較例と同一にすることができる。
第1の比較例では、冷却ファン13の実回転速度Nfaを最大回転速度Nmaxとするために、コントローラ19がリリーフ圧Psを最大値Pmaxに設定する(図4(a)参照)。これにより、油圧ポンプ8の吐出圧Ppが最大値Pmaxに制御され、エンジン1の負荷が高くなるので、燃料消費量が多くなる。
これに対して、第1の実施の形態では、冷却ファン13の実回転速度Nfaが最大回転速度Nmaxよりも低いNbに制御される。リリーフ圧Psは最大値Pmaxより小さいPbに設定され、油圧ポンプ8の吐出圧PpがPbに制御される。したがって、第1の実施の形態では、外気温度TOが中温(たとえば20℃)のとき、第1の比較例に比べて、燃料消費量を抑えることができる。さらに、第1の実施の形態によれば、冷却ファン13の回転に伴う騒音についても、第1の比較例に比べて低減することができる。
(3)外気温度TOが高温(たとえば40℃)のときについて、主に図5を参照して説明する。説明の便宜上、外気温度TOおよび冷却水温度TWに拘わらず冷却ファン13の回転速度Nfを一定(たとえば、Nf=Nmin)とする技術を第2の比較例とし、第2の比較例と対比しながら第1の実施の形態について説明する。
第2の比較例において、外気温度TOが40℃のときに、ホイールローダ100を稼働させると、外気温度TOが中低温(たとえば、20℃や0℃)のときに比べて、短時間で冷却水温度TWは全閉温度T1を超え、ほぼ全開温度T2(前後)に達する。エンジン1の負荷が高いほどエンジン1の発熱量Qeが増加し、冷却水温度TWが高くなるため、高負荷作業では、冷却水温度TWが上昇しやすい。そのため、第2の比較例では、高負荷作業時に冷却水温度TWが全開温度T2より高くなり、オーバーヒート(一般的に冷却水温度TW≧100℃)することがある。
これに対して、本実施の形態では、外気温度TOが40℃のときには、コントローラ19により第1制御特性C1が選択される。第1制御特性C1に基づく制御では、冷却水温度TWが全閉温度T1でも目標回転速度Nftを最小回転速度Nminより高く設定し、冷却水温度TWがTH1以上で目標回転速度Nftを最大回転速度Nmaxにすることで、冷却水温度TWの上昇を抑えることが可能となり、オーバーヒートを防止することができる。
以上説明した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
(1)サーモスタット22が全閉から全開する冷却水の温度範囲内(T1<TW<T2)で、冷却水温度TWによって設定される目標回転速度Nftが、外気温度TOに応じて異なる値となるように制御特性を決定した。外気温度TOに応じて決定された制御特性に基づいて、冷却水温度TWにより目標回転速度Nftを設定するようにしたので、外気温度TOおよび冷却水温度TWに応じた適切な回転速度で冷却ファン13を駆動することができる。このため、燃料消費量の低減、および、冷却ファン13の騒音の低減を図ることができる。
(1)サーモスタット22が全閉から全開する冷却水の温度範囲内(T1<TW<T2)で、冷却水温度TWによって設定される目標回転速度Nftが、外気温度TOに応じて異なる値となるように制御特性を決定した。外気温度TOに応じて決定された制御特性に基づいて、冷却水温度TWにより目標回転速度Nftを設定するようにしたので、外気温度TOおよび冷却水温度TWに応じた適切な回転速度で冷却ファン13を駆動することができる。このため、燃料消費量の低減、および、冷却ファン13の騒音の低減を図ることができる。
(2)外気温度TOがTOH以上のときには、全閉温度T1に応じて設定される目標回転速度Nftを、外気温度TOがTOH未満のときに比べて、高く設定するようにした(Nft=N1>Nmin)。外気温度TOがTOH以上のときには、全開温度T2に応じて設定される目標回転速度Nftを、外気温度TOがTOH未満のときに比べて、高く設定するようにした(Nft=Nmax>N2)。これにより、外気温度TOが高いときには、エンジン1を効果的に冷却し、外気温度TOが低いときには、燃料消費量を抑えることができる。
(3)外気温度TOがTOL<TO<TOHのとき(中温度)には、全閉温度T1に応じて設定される目標回転速度Nftを、外気温度TOがTOLより低いとき(低温度)と同じ値になるように設定した(Nft=Nmin)。外気温度TOがTOL<TO<TOHのとき(中温度)には、全開温度T2に応じて設定される目標回転速度Nftを、外気温度TOがTOHより高いとき(高温度)と同じ値になるように設定した(Nft=Nmax)。これにより、冷却水温度TWが低いときにおいて(TW<TL2)、外気温度TOが中温度(TOL<TO<TOH)のときには、低温度(TO≦TOL)のときと同様に、高温度(TOH≦TO)のときに比べて燃料消費量を抑えることができる。冷却水温度TWが高いときにおいて(TH2<TW)、外気温度TOが中温度(TOL<TO<TOH)のときには、高温度(TOH≦TO)のときと同様に、低温度(TO≦TOL)のときに比べて冷却効果を高めることができる。
−第2の実施の形態−
図7を参照して第2の実施の形態について説明する。図7は、第2の実施の形態に係るホイールローダなどの作業機械に用いられる制御特性の決定方法について説明する図である。以下、第1の実施の形態と相違する点について説明する。
図7を参照して第2の実施の形態について説明する。図7は、第2の実施の形態に係るホイールローダなどの作業機械に用いられる制御特性の決定方法について説明する図である。以下、第1の実施の形態と相違する点について説明する。
第2の実施の形態では、冷却水温度TWに応じて冷却ファン13の目標回転速度Nftを設定するために用いられる制御特性の決定方法が第1の実施の形態と異なる。第1の実施の形態では、3種類の制御特性C1〜C3のテーブルを記憶装置に記憶させておき、外気温度TOに応じて、3種類のうちのいずれか1つを選択することで、制御特性を決定した。
これに対して、第2の実施の形態では、図7に示すように、外気温度TOがTOH以上のときに用いられる基準制御特性のテーブルが記憶装置に記憶されている。基準制御特性のテーブルには、第1の実施の形態で説明した制御特性C1のテーブルを採用した。基準となる制御特性C1のテーブルは、外気温度TOがTOH以上のときに用いられる。
第2の実施の形態では、検出された外気温度TOがTOH未満のときには、基準となる制御特性C1のテーブルを外気温度TOがTOHからの温度低下量に応じて、冷却水温度TWの高温側に制御特性データをシフトするようにして外気温度TOに応じた制御特性を決定する。
記憶装置には、温度低下量に対するシフト量のテーブルが記憶されており、コントローラ19は、検出された外気温度TOとTOHとを比較してその差分(温度低下量)を演算する。コントローラ19は、シフト量のテーブルを参照し、温度低下量を引数としてシフト量を決定する。コントローラ19は、制御特性C1のテーブルを構成する目標回転速度データにシフト量を加算して、外気温度に応じた制御特性を決定する。
このように、単一の制御特性C1のテーブルをTOHからの温度低下量に応じて冷却水温度TWの高温側にシフトさせることで、外気温度TOに応じた制御特性を決定する場合でも、第1の実施の形態と同様の効果を奏する。さらに、第2の実施の形態によれば、外気温度TOが徐々に変化したとき、シフト量も外気温度TOに応じて徐々に変化するので、第1の実施の形態に比べて、より適切に冷却ファン13の実回転速度Nfaを調節することができる。
−第3の実施の形態−
図8を参照して第3の実施の形態について説明する。図8は、第3の実施の形態に係るホイールローダなどの作業機械における冷却ファン13の回転速度制御についての処理内容を示すフローチャートである。図8は、図6のフローチャートにステップS306を追加したものである。以下、第1の実施の形態と相違する点について説明する。
図8を参照して第3の実施の形態について説明する。図8は、第3の実施の形態に係るホイールローダなどの作業機械における冷却ファン13の回転速度制御についての処理内容を示すフローチャートである。図8は、図6のフローチャートにステップS306を追加したものである。以下、第1の実施の形態と相違する点について説明する。
図8に示すように、第3の実施の形態では、ステップS306において、コントローラ19は、ステップS101において外気温度TOの情報を取得できたか否か、すなわち外気温度センサ20からの外気温度TOの信号の検出ができたか否かを判定する。
ステップS306において、否定判定されると、すなわち外気温度TOの信号の検出ができずに異常と判定されると、ステップS141へ進み、肯定判定されると、すなわち外気温度TOの信号の検出が行われて正常と判定されるとステップS111へ進む。コントローラ19は、外気温度TOが検出できない異常状態であるときには、ステップS141において、制御特性C1のテーブルを参照し、冷却水温度TWを引数として冷却ファン13の目標回転速度Nftを設定する。
第3の実施の形態では、外気温度TOが検出できない異常状態のときには、TOH以上のときに決定される制御特性C1に基づいて冷却ファン13の目標回転速度Nftを設定するようにした。これにより、第1の実施の形態と同様の作用効果に加え、外気温度が検出できないときであっても、オーバーヒートを防止することができる。なお、第3の実施の形態では、異常時に制御特性C1を選択したが、制御特性C2を選択するようにしてもよい。この場合でも、制御特性C3を選択する場合に比べて冷却性能を向上させることができるので、オーバーヒートを防止できる。
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
[変形例]
(1)外気温度センサ20は、外気が触れる車体の外表面の所定位置に設けたが本発明はこれに限定されない。たとえば、エンジン1の吸気温度を測定するために作業機械に設けられている吸気温度センサを外気温度センサとして用いてもよい。コントローラ19は、吸気温度センサで検出された温度を外気温度として読み込み、外気温度(吸気温度)に応じた制御特性を決定する。
[変形例]
(1)外気温度センサ20は、外気が触れる車体の外表面の所定位置に設けたが本発明はこれに限定されない。たとえば、エンジン1の吸気温度を測定するために作業機械に設けられている吸気温度センサを外気温度センサとして用いてもよい。コントローラ19は、吸気温度センサで検出された温度を外気温度として読み込み、外気温度(吸気温度)に応じた制御特性を決定する。
(2)上記実施の形態では、制御特性データとしてテーブルを記憶装置に記憶させることとしたが本発明はこれに限定されない。近似式を制御特性データとして記憶装置に記憶させ、冷却水温度TWに基づき目標回転速度Nftを演算するようにしてもよい。
(3)第1の実施の形態では、3種類の制御特性C1〜C3を決定するようにしたが、本発明はこれに限定されない。2種類あるいは4種類以上の制御特性により目標回転速度を決定するようにしてもよい。
(4)上記実施の形態では、冷却水温度TWの上昇に伴い、目標回転速度Nftを最小回転速度Nminから最大回転速度Nmaxまで直線的に増加させるように定められている制御特性について説明したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、冷却水温度TWの上昇に伴い、目標回転速度Nftを段階的に増速させるように、あるいは、徐々に増速させるように制御特性を定めてもよい。
(5)上記実施の形態では、冷却水温度TWに応じて最小回転速度Nminから最大回転速度Nmaxまで増速させる目標回転速度Nftの変化率(傾き)は、外気温度に拘わらず同じようにしたが、本発明はこれに限定されない。外気温度に応じて異なる変化率(傾き)となるように制御特性を決定してもよい。
(6)上記実施の形態では、冷却水温度センサ23をサーモスタット22とラジエータ14との間の管路に設けたが、本発明はこれに限定されない。サーモスタット22の上流側に冷却水温度センサ23を設けてもよい。
(7)コントローラ19がリリーフ弁9のリリーフ圧を制御することで、設定された目標回転速度となるように冷却ファン13の実回転速度Nfaを調節するようにしたが、回転速度調節手段はこれに限定されない。
(8)上記実施の形態では、作業機械の一例としてホイールローダ100を例に説明したが、本発明はこれに限定されず、たとえば、フォークリフト、テレハンドラー、リフトトラック等、他の作業機械であってもよい。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で自由に変更、改良が可能である。
1 エンジン、2 トルクコンバータ(トルコン)、3 トランスミッション、4 プロペラシャフト、5 アクスル、6 タイヤ、7 油圧ポンプ、8 油圧ポンプ、9 リリーフ弁、10 チェック弁、11 ファンモータ、12 油圧回路、13 冷却ファン、14 ラジエータ、15 作動流体クーラ、16 オイルクーラ、17 コントロールバルブ、18 作業用油圧シリンダ、19 コントローラ、20 外気温度センサ、21 アクセルペダル、22 サーモスタット、23 冷却水温度センサ、31 タンク、100 ホイールローダ、101 センタピン、110 前部車体、111 アーム、112 バケット、113 タイヤ、115 バケットシリンダ、116 ステアリングシリンダ、117 アームシリンダ、120 後部車体、121 運転室、122 エンジン室、123 タイヤ、124 カウンタウェイト、131 建屋カバー、132 冷却器用建屋カバー、135 ラジエータフレーム、140 グリル、150 冷却ファンユニット、151 ファンシュラウド
Claims (6)
- エンジンと、
前記エンジンの冷媒を冷却するラジエータと、
前記冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
外気の温度を検出する外気温度検出手段と、
前記冷媒を前記ラジエータに供給する経路上で、前記冷媒の温度に応じて前記経路を全閉から全開の間で開閉するサーモスタットと、
前記ラジエータに外気を送風する冷却ファンと、
前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動され、前記冷却ファンを回転させる油圧モータと、
冷媒の温度と前記冷却ファンの目標回転速度とを対応付けた制御特性に基づいて、前記冷媒温度検出手段で検出された冷媒の温度により前記目標回転速度を設定する回転速度設定手段と、
前記回転速度設定手段で設定された目標回転速度となるように前記ファンの実回転速度を調節する回転速度調節手段と、
前記サーモスタットが全閉から全開する冷媒の温度範囲内で、前記検出された冷媒の温度によって設定される目標回転速度が、前記外気温度検出手段で検出された外気の温度に応じて異なる値となるように、前記制御特性を決定する制御特性決定手段とを備えることを特徴とする作業機械。 - 請求項1に記載の作業機械において、
前記回転速度設定手段は、外気の温度が所定値以上のときには、前記サーモスタットが全閉する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が前記所定値未満のときに比べて、高く設定し、
外気の温度が前記所定値以上のときには、前記サーモスタットが全開する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が前記所定値未満のときに比べて、高く設定することを特徴とする作業機械。 - 請求項1または2に記載の作業機械において、
前記回転速度設定手段は、外気の温度が所定範囲内のときには、前記サーモスタットが全閉する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が前記所定範囲より低いときと同じ値になるように設定し、
外気の温度が所定範囲内のときには、前記サーモスタットが全開する冷媒の温度に応じて設定される目標回転速度を、外気の温度が前記所定範囲より高いときと同じ値になるように設定することを特徴とする作業機械。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の作業機械において、
前記外気温度検出手段により外気の温度の検出ができないとき、異常と判定する異常判定手段をさらに備え、
前記回転速度設定手段は、前記異常判定手段により異常が判定されると、外気の温度が所定値以上のときに決定される制御特性に基づいて前記冷却ファンの目標回転速度を設定することを特徴とする作業機械。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の作業機械において、
複数の制御特性データを記憶している記憶装置を備え、
前記制御特性決定手段は、前記検出された外気の温度に応じて、複数の制御特性データのうちのいずれか1つを選択し、
前記回転速度設定手段は、前記選択された制御特性データに基づいて前記冷却ファンの目標回転速度を設定することを特徴とする作業機械。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の作業機械において、
外気の温度が所定値以上のときに用いられる基準制御特性データを記憶している記憶装置を備え、
前記制御特性決定手段は、前記基準制御特性データを外気の温度が前記所定値からの温度低下量に応じて、冷媒の温度の高温側に制御特性データをシフトするようにして前記検出された外気の温度に応じた制御特性を決定することを特徴とする作業機械。
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