JP2018193886A - アクセル開度が固定されて使用される建設機械の排気抵抗制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクセル開度が固定されて使用される建設機械において、エンジン出力に応じて排気抵抗を調整することができ、且つ、排気抵抗の調整に供するバルブの応答性が良い建設機械の排気抵抗制御装置を提供すること。
【解決手段】排気抵抗制御装置は、油圧ポンプ１を駆動するエンジン２に接続された排気ガス排出装置３と、排気ガス排出装置３の中に配置された、排気流路の絞り弁６と、絞り弁６の開度を制御するコントローラ７と、を備えている。コントローラ７は、当該コントローラ７で演算された油圧ポンプ１への指示トルクに基づいて絞り弁６の開度を制御するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクセル開度が固定されて使用される建設機械の排気抵抗制御装置に関する。

この種の技術に関し、例えば特許文献１、２に記載のものがある。特許文献１に記載の技術は、２サイクルエンジンの排気ポート開閉弁作動装置に関するものである。排気ポート開閉弁は、エンジンの回転数に応じてエンジンの排気ポートを開閉する弁であって、スロットルセンサにて検出したアクセル開度に基づいて、その開閉が制御されている。

特許文献２に記載の排気圧制御装置は、受圧面中心と回動中心とが偏心して配置されたバタフライバルブと、目標排気圧に応じた一定の開方向のトルクをバタフライバルブに加えるコイルスプリングとを備えている。上記開方向のトルクは、排気圧が目標排気圧よりも大きくなったときにバタフライバルブが開になる大きさに設定される。

特開平１０−２２７２１９号公報 特開２００２−２５６８９７号公報

ここで、建設機械である油圧ショベルは、そのアクセル開度が固定されて使用される。換言すれば、油圧ショベルは、エンジン回転数が一定で使用される。前記した特許文献１に記載の技術は、アクセル開度に基づく制御であるため、この制御を油圧ショベルの排気抵抗制御に適用すると、バルブ開度の調整代が微小となり、エンジンの出力に応じたバルブ開度の調整が困難である。

また、コイルスプリングにより一定の開方向のトルクをバタフライバルブに加えるという特許文献２に記載の技術によると、油圧ショベルに作用する急負荷に対してバルブの応答性が悪く、これにより、エンジンの応答性が悪化することが懸念される。特に、負荷入れ初期の高排気抵抗時、エンジンの応答性が悪化することが懸念される。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アクセル開度が固定されて使用される建設機械において、エンジン出力に応じて排気抵抗を調整することができ、且つ、排気抵抗の調整に供するバルブの応答性が良い建設機械の排気抵抗制御装置を提供することである。

本発明の第１の発明に係る建設機械（アクセル開度が固定されて使用される建設機械）の排気抵抗制御装置は、油圧ポンプを駆動するエンジンに接続された排気ガス排出装置と、前記排気ガス排出装置の中に配置された、排気流路の絞り弁と、前記絞り弁の開度を制御するコントローラと、を備えている。前記絞り弁は、前記コントローラからの信号により動作する弁であり、前記コントローラは、当該コントローラで演算された前記油圧ポンプへの指示トルクが所定の閾値以上のときは、前記絞り弁の開度を全開とし、当該指示トルクが所定の閾値未満のときは、前記絞り弁の開度を全開と全閉との間の中間開度にするように構成されている。

また、本発明の第２の発明に係る建設機械（アクセル開度が固定されて使用される建設機械）の排気抵抗制御装置は、油圧ポンプを駆動するエンジンに接続された排気ガス排出装置と、前記排気ガス排出装置の中に配置された、排気流路の絞り弁と、前記絞り弁の開度を制御するコントローラと、を備えている。前記絞り弁は、前記コントローラからの信号により動作する弁であり、前記コントローラは、当該コントローラで演算された前記油圧ポンプへの単位時間当たりの指示トルク上昇率が所定の閾値以上のときは、前記絞り弁の開度を全開とし、当該指示トルク上昇率が所定の閾値未満のときは、前記絞り弁の開度を全開と全閉との間の中間開度にするように構成されている。

なお、上記した第１の発明と第２の発明とは、油圧ポンプへの指示トルクを絞り弁の開度制御に用いるという点で技術的事項が共通する。

アクセル開度が固定されて使用される建設機械において、エンジン出力に最も対応する制御因子は、エンジンで駆動される油圧ポンプのトルクである。そのため、油圧ポンプへの指示トルクを用いて、全開、または全開と全閉との間の中間開度に排気流路の絞り弁を制御する構成とすることで、エンジン出力に応じた排気抵抗の調整が可能となる。また、絞り弁の開度はコントローラにて電気的に制御されるので、絞り弁の応答性は良い。

本発明の一実施形態に係る排気抵抗制御装置の機器構成を示すブロック図である。 絞り弁の開度の制御フローを示すフローチャートである。 指示トルク上昇率ΔＴの説明用の図である。 絞り弁の開度の一特性図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、本発明に係る排気抵抗制御装置が油圧ショベルに適用されていることとする。なお、本発明に係る排気抵抗制御装置は、アクセル開度が固定されて使用される油圧ショベル、油圧クレーンなどの様々な建設機械に適用することができる。

（制御装置の構成）
図１に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気抵抗制御装置の機器構成について説明する。排気抵抗制御装置は、油圧ポンプ１を駆動するエンジン２に接続された排気ガス排出装置３と、排気ガス排出装置３の中に配置された、排気流路の絞り弁６と、絞り弁６の開度を制御するコントローラ７と、を備えている。

油圧ポンプ１は、例えば公知の斜板式の油圧ポンプである。油圧ポンプ１は、バケットを動かすための油圧シリンダ（不図示）、ブームを動かすための油圧シリンダ（不図示）、油圧ショベルを走行させるための走行用油圧モータ（不図示）などの油圧アクチュエータに圧油を供給するためのポンプである。油圧ポンプ１の駆動源であるエンジン２は、例えばディーゼルエンジンである。

排気ガス排出装置３は、エンジン２に接続された排気管４（排気流路）と、排気管４に接続されたマフラー５（消音器）とを有する。排気管４の中に絞り弁６が配置されている。

絞り弁６は、コントローラ７からの信号により動作する弁であって、例えばバタフライ弁であり、モータ６ａを有する。絞り弁６は、モータ６ａによりその弁体６ｂが回動するようにされている。特許文献２（特開２００２−２５６８９７号公報）に記載のコイルスプリングのような機械的な付勢手段は、絞り弁６に設けられていない。すなわち、絞り弁６は、モータ６ａの駆動力で回動する電動弁であり、開方向への回動も、閉方向への回動も全てモータ６ａの駆動力のみで動作する。

図１中に示す点線は、信号の入出力を示す。オペレータによるレバー操作の信号がコントローラ７に入力される。また、センシングされた油圧ポンプ１の吐出圧がコントローラ７に入力される。また、センシングされた絞り弁６の開度がコントローラ７に入力される。

また、傾転指示（油圧ポンプ１の斜板の傾転角度の指示）の信号が、コントローラ７から油圧ポンプ１へ出力される。また、開度指示信号が、コントローラ７から絞り弁６へ出力される。

（排気抵抗制御）
図２〜４に基づいて、エンジン２の排気抵抗制御の一例について説明する。

前提として、コントローラ７は、現在の（その時点の）油圧ポンプ１への指示傾転と、現在の（その時点の）油圧ポンプ１の吐出圧（センシングされた油圧ポンプ１の吐出圧）とから、油圧ポンプ１への次回の指示トルクＴを演算により求める。また、コントローラ７は、油圧ポンプ１への現在の（その時点の）指示トルクと、油圧ポンプ１への次回の指示トルクＴとの差ｄＴから、油圧ポンプ１への単位時間当たりの指示トルク上昇率ΔＴを演算により求める。なお、指示トルク上昇率ΔＴの計算式は、ΔＴ＝ｄＴ／ｄｔである。図３に示すように、「ｄｔ」は、コントローラ７が、現在の指示トルクを発する最後の時間と、次回の指示トルクを発する最初の時間との時間差である。

図２に示すように、コントローラ７は、まず、油圧ショベルの作業モードが、低負荷作業モードであるか否かを判断する（ステップ１、略記して「Ｓ１」、他のステップについても同様の略記とする）。

なお、低負荷作業モードとは、燃費重視の運転モードのことであり、オペレータが燃費を抑えた運転を行いたいときに選択される運転モードである。低負荷作業モードは、例えば、エンジン２の回転数の上限が設定されたり、油圧ポンプ１の斜板の傾転角度の上限が設定されたりするモードである。低負荷作業モードは、例えば、比較的低負荷作業が多く、また騒音をできるだけ抑えるべき市街地における作業において選択されることが多い。

油圧ショベルの作業モードが、低負荷作業モードでなければ（Ｓ１においてＮｏ）、コントローラ７は、絞り弁６の開度を全開とする信号を絞り弁６に出し、これにより、絞り弁６の開度は全開とされる。

油圧ショベルの作業モードが、低負荷作業モードであれば（Ｓ１においてＹｅｓ）、コントローラ７は、次に、指示トルク上昇率ΔＴが、所定の閾値Ａ以上であるか否か、すなわち、急負荷操作が行われるのか否かを判断する（Ｓ２）。指示トルク上昇率ΔＴが、閾値Ａ以上であれば（Ｓ２においてＹｅｓ）、コントローラ７は、絞り弁６の開度を全開とする信号を絞り弁６に出し、これにより、絞り弁６の開度は全開とされる。コントローラ７は、絞り弁６の開度を記憶する。

指示トルク上昇率ΔＴが、閾値Ａ未満であれば（Ｓ２においてＮｏ）、コントローラ７は、次に、油圧ポンプ１への指示トルクＴが、所定の閾値Ｂ以上であるか否か、すなわち、高負荷操作が行われるのか否かを判断する（Ｓ３）。指示トルクＴが、所定の閾値Ｂ以上であれば（Ｓ３においてＹｅｓ）、コントローラ７は、絞り弁６の開度を全開とする信号を絞り弁６に出し、これにより、絞り弁６の開度は全開とされる。コントローラ７は、絞り弁６の開度を記憶する。

指示トルクＴが、閾値Ｂ未満であれば（Ｓ３においてＮｏ）、コントローラ７は、次に、絞り弁６の現在の（前回指示した）開度が、全開であるか否かを判断する（Ｓ４）。絞り弁６の現在の（前回指示した）開度が、全開でなければ（Ｓ４においてＮｏ）、コントローラ７は、絞り弁６の開度を、全開と全閉との間の中間開度にする信号を絞り弁６に出し、これにより、絞り弁６の開度は、全開と全閉との間の中間開度とされる。

なお、オペレータにより入力されたレバー操作信号、すなわち、要求される油圧負荷に応じて、絞り弁６の中間開度はコントローラ７により決定される。コントローラ７は、絞り弁６の開度（中間開度の値）を記憶する。

絞り弁６の現在の（前回指示した）開度が、全開であれば（Ｓ４においてＹｅｓ）、コントローラ７は、油圧ポンプ１への指示トルクＴが、所定の閾値Ｃ以上であるか否か、すなわち、低負荷操作が行われるのか否かを判断する（Ｓ５）。指示トルクＴが、所定の閾値Ｃ以上であれば（Ｓ５においてＮｏ）、コントローラ７は、絞り弁６の開度を全開とする信号を絞り弁６に出し、これにより、絞り弁６の開度は全開とされる。コントローラ７は、絞り弁６の開度を記憶する。

指示トルクＴが、閾値Ｃ未満であれば（Ｓ５においてＹｅｓ）、コントローラ７は、次に、閾値Ｃ未満の状態が所定の時間ｔ継続するか否かを判断する（Ｓ６）。閾値Ｃ未満の状態が所定の時間ｔ継続せずに、指示トルクＴが閾値Ｃ以上に戻ったら（Ｓ６においてＮｏ）、コントローラ７は、絞り弁６の開度を全開とする信号を絞り弁６に出し、これにより、絞り弁６の開度は全開とされる。コントローラ７は、絞り弁６の開度を記憶する。

閾値Ｃ未満の状態が所定の時間ｔ継続したら（Ｓ６においてＹｅｓ）、コントローラ７は、絞り弁６の開度を、全開と全閉との間の中間開度にする信号を絞り弁６に出し、これにより、絞り弁６の開度は、全開と全閉との間の中間開度とされる。中間開度の値は、時間ｔ経過後の、要求される油圧負荷により決まる。コントローラ７は、絞り弁６の開度（中間開度の値）を記憶する。

Ｓ３〜Ｓ６の制御により、絞り弁６の開度は、図４に示す特性を示す。なお、図４に示すように、最低限の排気ガス流量を確保するため、絞り弁６の開度には下限が設けられている。油圧ポンプ１への指示トルクＴが閾値Ｄ以下の場合は、絞り弁６の開度は、下限の開度とされる。図２中の記号Ｂ，Ｃと、図４中の記号Ｂ，Ｃとは対応する。

（変形例）
油圧ショベルの作業モードが、低負荷作業モードであるか否かを判断するＳ１は無くてもよい。また、Ｓ２〜Ｓ６の各ステップは、その実施順序が適宜変更されてもよいし、一部のステップが省略されてもよい。

前記した実施形態では、エンジン２とマフラー５との間の排気管４の中に絞り弁６が配置されているが、マフラー５よりも下流側の排気管の中に絞り弁６が配置されてもよい。さらには、マフラー５の中に絞り弁６が配置されてもよい。

絞り弁６は、電動弁ではなく、電磁弁であってもよいし、空気作動弁であってもよい。

（作用効果）
コントローラ７は、当該コントローラ７で演算された油圧ポンプ１への指示トルクＴに基づいて絞り弁６の開度を制御するように構成されている。アクセル開度が固定されて使用される例えば油圧ショベルのような建設機械において、エンジン出力に最も対応する制御因子は、エンジン２で駆動される油圧ポンプ１のトルクである。そのため、油圧ポンプ１への指示トルクに基づいて、排気流路の絞り弁６が制御される構成とされることで、エンジン出力に応じた排気抵抗の調整が可能となる。また、絞り弁６の開度はコントローラ７にて電気的に制御されるので、絞り弁６の応答性は良い。

また、センシングされた油圧ポンプ１の吐出圧などから、エンジン２にかかる負荷を事前にコントローラ７が予測するので（指示トルクの演算）、エンジン出力に最適な排気抵抗制御が行われる。

コントローラ７は、指示トルクＴが所定の閾値Ｂ以上のときは、絞り弁６の開度を全開とし、指示トルクＴが所定の閾値Ｂ未満のときは、Ｓ４等のステップを経て、絞り弁６の開度を全開と全閉との間の中間開度にするように構成されている。

この構成によると、排気ガス量が少ない低負荷時は、排気流路が絞り弁６により絞られる。これにより、エンジン２の出力特性および応答性を損なうことなく、排気ガスによる騒音、および脈動音を低減することができる。また、高負荷時は、絞り弁６の開度が全開となることで、エンジン２の排気効率が向上し、エンジン２の出力を確保することができる。

コントローラ７は、油圧ポンプ１への単位時間当たりの指示トルク上昇率ΔＴを演算し、指示トルク上昇率ΔＴが所定の閾値Ａ以上のときは、絞り弁６の開度を全開とし、指示トルク上昇率ΔＴが所定の閾値Ａ未満のときは、Ｓ３等のステップを経て、絞り弁６の開度を全開と全閉との間の中間開度にするように構成されている。

この構成によると、エンジン２に急激な負荷がかかる場合において、エンジン２に急激な負荷がかかる前に絞り弁６の開度を全開とすることができる。これにより、エンジン２の応答性を確保することができる。

コントローラ７は、絞り弁６の開度を全開とする制御を行った後に、油圧ポンプ１への指示トルクが所定の閾値Ｃ未満になったとき、閾値Ｃ未満の状態が所定の時間ｔ継続したら、絞り弁６の開度を全開と全閉との間の中間開度にするように構成されている。

この構成によると、絞り弁６が一度全開となった後、所定時間、その全開状態が維持される。これにより、エンジン２の負荷変動が頻繁に発生する状態において、絞り弁６の頻繁な開閉動作が抑制される。その結果、エンジン２の応答性を確保することができる。

前記した実施形態では、絞り弁６の開度の制御が、建設機械の低負荷作業モード時のみに有効とされている。

この構成によると、従来の低負荷作業モード時以上の騒音の低減が可能となる。例えば、比較的低負荷作業が多い市街地における作業において、従来よりも騒音を低減することができる。

１：油圧ポンプ
２：エンジン
３：排気ガス排出装置
４：排気管
５：マフラー（消音器）
６：絞り弁
７：コントローラ

Claims (6)

1. 油圧ポンプを駆動するエンジンに接続された排気ガス排出装置と、
   前記排気ガス排出装置の中に配置された、排気流路の絞り弁と、
   前記絞り弁の開度を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記絞り弁は、前記コントローラからの信号により動作する弁であり、
   前記コントローラは、当該コントローラで演算された前記油圧ポンプへの指示トルクが所定の閾値以上のときは、前記絞り弁の開度を全開とし、当該指示トルクが所定の閾値未満のときは、前記絞り弁の開度を全開と全閉との間の中間開度にするように構成されている、
   ことを特徴とする、アクセル開度が固定されて使用される建設機械の排気抵抗制御装置。
2. 油圧ポンプを駆動するエンジンに接続された排気ガス排出装置と、
   前記排気ガス排出装置の中に配置された、排気流路の絞り弁と、
   前記絞り弁の開度を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記絞り弁は、前記コントローラからの信号により動作する弁であり、
   前記コントローラは、当該コントローラで演算された前記油圧ポンプへの単位時間当たりの指示トルク上昇率が所定の閾値以上のときは、前記絞り弁の開度を全開とし、当該指示トルク上昇率が所定の閾値未満のときは、前記絞り弁の開度を全開と全閉との間の中間開度にするように構成されている、
   ことを特徴とする、アクセル開度が固定されて使用される建設機械の排気抵抗制御装置。
3. 請求項１に記載の建設機械の排気抵抗制御装置において、
   前記コントローラは、前記油圧ポンプへの単位時間当たりの指示トルク上昇率を演算し、当該指示トルク上昇率が所定の閾値以上のときは、前記絞り弁の開度を全開とし、当該指示トルク上昇率が所定の閾値未満のときは、前記絞り弁の開度を全開と全閉との間の中間開度にするように構成されている、
   ことを特徴とする、アクセル開度が固定されて使用される建設機械の排気抵抗制御装置。
4. 請求項２に記載の建設機械の排気抵抗制御装置において、
   前記コントローラは、当該コントローラで演算された前記油圧ポンプへの指示トルクが所定の閾値以上のときは、前記絞り弁の開度を全開とし、当該指示トルクが所定の閾値未満のときは、前記絞り弁の開度を全開と全閉との間の中間開度にするように構成されている、
   ことを特徴とする、アクセル開度が固定されて使用される建設機械の排気抵抗制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の建設機械の排気抵抗制御装置において、
   前記コントローラは、前記絞り弁の開度を全開とする制御を行った後に、当該コントローラで演算された前記油圧ポンプへの指示トルクが所定の閾値未満になったとき、当該閾値未満の状態が所定の時間継続したら、前記絞り弁の開度を全開と全閉との間の中間開度にするように構成されている、
   ことを特徴とする、アクセル開度が固定されて使用される建設機械の排気抵抗制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の建設機械の排気抵抗制御装置において、
   前記コントローラにおいて、前記絞り弁の開度の制御が、建設機械の低負荷作業モード時に有効とされている、
   ことを特徴とする、アクセル開度が固定されて使用される建設機械の排気抵抗制御装置。

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