JP4745202B2 - 冷却ファン駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却ファン駆動制御装置、特に、作業用車両のエンジン冷却用ラジエータ及び空調用コンデンサを冷却するための冷却ファンの回転数を制御する冷却ファン駆動制御装置に関する。

油圧ショベルやホイルローダ等の作業用車両においては、エンジン冷却水や作動油を冷却するために、冷却ファンが設けられている。この冷却ファンとしては、エンジンによりベルト駆動されるタイプや、油圧モータによって駆動されるタイプのものが提供されている。

例えば、特許文献１には、冷却水温度、作動油温度及びエンジン回転数に応じて冷却ファンの回転数を連続的に制御するようにした油圧駆動冷却ファンが示されている。この文献に示された装置では、油圧モータの回転数を制御可能な可変容量型のポンプを設けるとともに、冷却水及び作動油の温度とエンジン回転数とを検出し、これらの検出結果に応じて可変容量型油圧ポンプの吐出容量指令値を演算して出力し、可変容量型油圧ポンプにより冷却ファンの回転数を連続的に制御するようにしている。
特開２００１−１８２５３５号公報

近年、作業用車両においても、運転席に空調設備を設ける場合が多くなってきており、このため、エンジン室等には空調用のコンデンサが配置されている。そして、この空調用コンデンサを冷却するために、一般に専用の電動ファンが設けられているが、電動ファンを設けずに、エンジン冷却水や作動油を冷却するための冷却ファンによって冷却することが考えられる。

以上のように、エンジン冷却水等を冷却するためのファンによって空調用コンデンサを冷却するようにした場合、以下のような問題がある。

すなわち、夏場に空調としてのクーラーを有効に作用させるためには、冷却ファンの最低回転数を比較的高く（例えば８００rpm）に設定する必要があるが、冬場において冷却ファンの最低回転数を高く設定すると、エンジンの暖気に時間がかかり、ヒーターが有効に作用するまでに長時間かかってしまう。つまり、クーラー性能とヒーター性能の両方を満足させることが困難である。

本発明の課題は、エンジン冷却用のラジエータと空調用コンデンサとを１つの冷却ファンで冷却する際に、クーラー性能とヒーター性能の両方を満足させることにある。

第１の発明に係る冷却ファン駆動制御装置は、作業用車両のエンジン冷却用ラジエータ及び空調用コンデンサを冷却するための冷却ファンの回転数を制御する装置であって、エンジンの冷却水の温度を検出する冷却水温度センサと、外気温度を検出する外気温度検出手段と、冷却水温度が所定温度より低いときに冷却ファンの最低回転数を所定の回転数に制御するとともに少なくとも冷却水温度センサ及び外気温度検出手段の検出結果に基づいて冷却ファンの回転数を制御する回転数制御手段と、外気温度検出手段の検出結果に基づいて回転数制御手段で用いられる冷却ファンの最低回転数を決定する最低回転数決定手段と、を備えている。そして、最低回転数決定手段は、エンジン始動時に外気温度が予め設定された第１温度以下の場合は、冷却ファンの最低回転数を第１回転数に決定し、エンジン始動時に外気温度が第１温度より高い予め設定された第２温度以上の場合は、冷却ファンの最低回転数を第１回転数より高い第２回転数に決定する。

この装置は、エンジン冷却用ラジエータと空調用コンデンサとが冷却ファンによって冷却される車両に用いられる。冷却ファンの回転数は、少なくともエンジンの冷却水の温度と外気温度の検出結果に応じて制御される。この冷却ファンの回転数制御においては、最低回転数が設定されているが、本発明では、この最低回転数を外気温度によって制御するようにしている。

ここでは、例えば夏場において外気温が高い場合は、冷却ファンの最低回転数を比較的高く設定することにより、クーラーを素早く効かすことができる。また、冬場において外気温が低い場合は、冷却ファンの最低回転数を比較的低く設定することにより、暖気時間を短縮してヒーターを素早く効かすことができる。

第２の発明に係る冷却ファン駆動制御装置は、第１の発明の装置において、最低回転数決定手段は、外気温度が制御最低温度より高く低温時制御温度以下の場合は外気温度に応じて冷却ファンの最低回転数を第１回転数と第２回転数との間の回転数に制御する。

この場合は、冷却ファンの最低回転数を外気温度に応じてきめ細かく決定することができる。

第３の発明に係る冷却ファン駆動制御装置は、第１又は第２の発明の装置において、回転数制御手段における冷却水温度の所定温度は、冷却水の昇温時は予め設定された第３温度であり、冷却水の降温時は第３温度より低い第４温度である。

第４の発明に係る冷却ファン駆動制御装置は、第１から第３の発明のいずれかの装置において、外気温度検出手段はエンジン始動時のエンジン吸気温度を検出するブースト温度センサである。

ここでは、外気温の検出を、従来より車両に設けられているブースト温度センサを用いて行っているので、特別な外気温センサを設ける必要がない。

第５の発明に係る冷却ファン駆動制御装置は、第１から第４の発明のいずれかの装置において、冷却ファンはさらに作動油冷却用ラジエータを冷却するものであり、作動油の温度を検出する作動油温度センサをさらに備え、回転数制御手段は作動油温度センサの検出結果をも考慮して冷却ファンの回転数を制御する。

本発明によれば、外気温度に応じて冷却ファンの最低回転数を決定するので、夏場にクーラーを有効に作用させることができるとともに、冬場の低温時にヒーターを素早く効かすことができる。

［構成］
本発明の一実施形態による冷却ファン駆動制御装置を搭載した作業車両（例えばホイルローダ）のブロック図を図１に示す。

本実施形態のホイルローダは、主として、エンジン１と、ＨＳＴ（ハイドロ・スタティック・トランスミッション）２と、冷却ユニット３と、冷却ファン４と、冷却ファン４を駆動するためのファン駆動部５と、エンジンコントローラ６と、冷却ファンコントローラ７とを備えている。

エンジン１には、冷却水の温度（Ｅ／Ｇ水温）を検出する冷却水温度センサ１０と、エンジン回転数を検出する回転数センサ１１とが設けられ、これらの検出結果はエンジンコントローラ６に入力されている。また、ＨＳＴ２にはＨＳＴ作動油の温度を検出するためのＨＳＴ油温センサ１２が設けられ、以上のセンサ１０，１１及び１２の検出結果に加えて、エンジン吸気温度を検出するブースト温度センサ１３の検出結果が、冷却ファンコントローラ７に入力されている。

冷却ユニット３には、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータと、ＨＳＴ等の作動油を冷却するためのオイルクーラーと、運転室に設けられた空調機のための空調用コンデンサとが設けられている。

ファン駆動部５は、冷却ファン４の駆動油圧源である油圧ポンプ１５と、油圧モータ１６と、油圧モータ１６の回転方向及び回転数を制御するためのファン制御用油圧回路１７とを有している。油圧モータ１６は固定容量型の油圧モータである。この油圧モータ１６の出力軸に、軸流ファンである冷却ファン４が取り付けられている。油圧モータ１６は、油圧ポンプ１５から吐出された圧油が流入ポートから流入されることによって回転作動されて冷却ファン４を回転させる。そして、油圧モータ１６の流出ポートから流出された圧油はタンク２３に戻される。

ファン制御用油圧回路１７は、冷却ファン４の回転方向を切り換えるための方向制御弁２０と、方向制御弁２０を介して油圧モータ１６に供給する圧油の流量を制御する流量制御弁２１と、ＥＰＣ弁２２とを有している。方向制御弁２０は、図示しない別の油圧回路からの圧油によって弁位置が切り換えられ、図１に示す弁位置の場合は、油圧モータ１６が正方向に回転し、別の位置の場合は油圧モータ１６に対する圧油の流入方向が切り換えられて、油圧モータ１６が逆方向に回転する。ＥＰＣ弁２２は冷却ファンコントローラ７から入力されたＥＰＣ電流に応じて弁位置が切り換えられる。このＥＰＣ弁２２の弁位置によって流量制御弁２１が制御されて、結果的に油圧モータ１６の回転数が制御されるようになっている。

［ファン回転制御特性］
図２にファンの回転制御特性を示している。ここで、以下で説明する「回転数」は制御上の目標回転数であって、実回転数ではない。

同図（ａ）は冷却水温度に基づくファン回転制御特性Ｔ１を示している。ここでは、冷却水温度が７０℃までは一定の最小回転数で、７０℃から８５℃までは８００rpmで、８５℃から９０℃までは温度に応じて８００rpmから１７００rpmの間の適切な回転数で、さらに９０℃以上の場合は最高回転数である１７００rpmで回転させるような制御を行う。なお、冷却水温度が上昇する場合は、７０℃で冷却ファン４の制御上の目標回転数を切り換えているが、冷却水温度が高温側から低温側に下降する場合は、７０℃ではなく６５℃になった時点で目標回転数を切り換えるようにしている。

また、同図（ａ）では、最小回転数を２５０rpmとしているが、後述するように、ＨＳＴ油温が１０℃以下、あるいはエンジン始動時のブースト温度が２０℃以下の場合は、低温時回転制御を実行して最小回転数が決定される。

同図（ｂ）はＨＳＴ油温に基づくファン回転制御特性Ｔ２を示している。ここでは、ＨＳＴ油温が１０℃までは一定の最小回転数で、７５℃から９５℃まではＨＳＴ油温に応じて８００rpmから１７００rpmの間の適切な回転数で、さらに９５℃以上の場合は最高回転数である１７００rpmで回転させるような制御を行う。このとき、ＨＳＴ油温が１０℃から７５℃の間では、同図（ａ）に示す冷却水温度によるファン回転制御特性Ｔ１によって制御を行う。また、ブースト温度が０℃以下でＨＳＴ油温が１０℃未満の場合は、後述するように、低温時回転制御を実行して最小回転数が決定される。

同図（ｃ）はブースト温度に基づくファン回転制御特性Ｔ３を示している。ここでは、ブースト温度が６０℃以下の場合は、同図（ａ）に示す冷却水温度によるファン回転制御特性Ｔ１によって制御を行い、ブースト温度が６０℃から７０℃までは温度に応じて８００rpmから１７００rpmの間の適切な回転数で制御を行う。そして、このブースト温度によるファン回転制御は、冷却水温度が７０℃を一度でも越えた時点で終了する。

なお、各特性Ｔ１〜Ｔ３によって制御を実行する際に２以上の目標回転数が得られた場合は、そのうちの最も高い回転数を目標回転数としている。

［低温時回転制御］
エンジン始動時の外気温としてのブースト温度が低い場合は、図２（ｄ）に示された特性Ｔ４による低温時回転制御にしたがって冷却ファン（４）の最小回転数を決定している。すなわち、エンジン始動時のブースト温度が０℃以下の場合は、冷却ファン４の最小回転数を２５０rpmとし、０℃から２０℃の場合は２５０rpmから８００rpmの間の温度に応じた適切な回転数とし、２０℃以上の場合は８００rpmとしている。

なお、ブースト温度が０℃以下で冷却ファン４の最小回転数を２５０rpmとするのは、ＨＳＴ油温が１０℃以上の場合であり、ＨＳＴ油温が１０℃未満の場合は、図２（ｅ）に示された特性Ｔ５にしたがって冷却ファン４の最小回転数を決定している。すなわち、ＨＳＴ油温が１０℃未満でエンジン始動時のブースト温度が０℃から−２０℃の場合は、２５０rpmから９７０rpmの間の温度に応じた適切な回転数とし、−２０℃以下の場合は９７０rpmとする制御を行う。また、ＨＳＴ油温が１０℃未満でエンジン始動時のブースト温度が０℃から２０℃の場合は、２５０rpmから８００rpmの間の温度に応じた適切な回転数とする。

［ファン回転制御］
次に、図３〜図７に示すフローチャートにしたがって、冷却ファンコントローラ７が実行する冷却ファン４の回転制御について説明する。この場合の冷却ファン４の回転制御は、前述の特性Ｔ１〜Ｔ５にしたがって実行される。なお、以下の説明における「回転数」は、前記同様に、すべて制御上の「目標回転数」であって、実際の冷却ファン４の回転数とは異なる。

（１）最小回転数の決定
外気温（エンジン始動時のブースト温度）及びＨＳＴ油温による冷却ファン４の最小回転数の決定処理は、基本的に図３に示すフローチャートにしたがって実行される。

まず、ステップＳ１では、キーオン、すなわち車両のイグニッションキーがオンされて、エンジンが始動されたか否かを判断する。エンジンが始動された場合は、ステップＳ１からステップＳ２に移行し、冷却ファンコントローラ７に入力されている外気温としてのキーオン時のブースト温度（Ｂｔ０）を記憶する。ここで、外気温としてブースト温度センサ１３の測定結果を用いるときは、キーオン時のブースト温度（Ｂｔ０）を用いるが、これは、エンジンが暖まると、外気温が一定でもブースト温度が高くなってしまい、正確な制御ができなくなるためである。なお、ここでは、ブースト温度センサ１３は従来から車両に設けられているセンサであるために、このブースト温度センサを外気温センサとして用いているが、ブースト温度センサとは別に外気温センサを設けても良い。この場合は、ステップＳ１，Ｓ２省略して、その時々の外気温（Ｂｔ）を用いて制御を行うようにしても良い。

次に、ステップＳ３において、ＨＳＴ油温が１０℃以上であるか否かを判断する。ＨＳＴ油温が１０℃以上である場合は、ステップＳ３からステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、図２（ｄ）に示す特性Ｔ４に基づいて冷却ファン４の最小回転数を決定する。これにより、冷却ファン４の最小回転数は、ブースト温度に応じて、２５０rpm、２５０rpmから８００rpmの間の回転数、あるいは８００rpmに決定される。

また、冬場などのように外気温が低くＨＳＴ油温が１０℃未満の場合は、作動油の粘度が高いので、目標回転数が低すぎると冷却ファン４が回転しない場合がある。そこで、ＨＳＴ油温が１０℃未満の場合はステップＳ３からステップＳ５に移行する。ステップＳ５では図２（ｅ）に示す特性Ｔ５に基づいて冷却ファン４の最小回転数を決定する。これにより、冷却ファン４の最小回転数は、ブースト温度に応じて、９７０rpm、９７０rpmから２５０rpmの間の回転数、２５０rpmから８００rpmの間の回転数、あるいは８００rpmに決定される。なお、前述のように、２５０rpm〜９７０rpmという回転数は制御上の目標回転数であり、ステップＳ３で「Ｎｏ」と判断されるような冬場で油温が低い場合は、冷却ファン４の実際の回転数は１００rpm程度になることが実験で判明している。

（２）ブースト温度でのファン回転制御
ブースト温度によるファン回転制御処理は図４に示すフローチャートにしたがって実行される。

ステップＳ１０では、キーオンが実行されたか否かを判断する。キーオンが実行されるのを待って、ステップＳ１０からステップＳ１１に移行する。ブースト温度によるファン回転制御は、前述のように、冷却水温が一度でも７０℃を越えた時点で終了するので、ステップＳ１１では、冷却水温が一度でも７０℃を越えたか否かを判断する。冷却水温が一度でも７０℃を越えた場合は、ステップＳ１１からステップＳ１２に移行する。ステップＳ２では、ファン回転数を制御するための信号（ファン回転指令信号）は特に出力しない。一方、冷却水温が一度でも７０℃を越えた場合は、ステップＳ１１からステップＳ１３に移行する。ステップＳ１３では、キーオン時のブースト温度Ｂｔ０が６０℃以上であるか否かを判断する。このブースト温度Ｂｔ０が６０℃未満の場合は、ステップＳ１２に移行して前記同様にファン回転指令信号は特に出力しない。一方、ブースト温度Ｂｔ０が６０℃以上の場合はステップＳ１３からステップＳ１４に移行し、ここで、図２（ｃ）に示される特性Ｔ３に基づいて冷却ファン４の回転数が制御されるように、ファン回転指令信号Ｒｓ３を出力する。

（３）ＨＳＴ油温でのファン回転制御
前述のように、冬場などのように外気温が低くＨＳＴ油温が１０℃未満の場合は、作動油の粘度が高いので、目標回転数が低すぎると冷却ファン４が回転しない場合がある。そこで、図５に示すフローチャートにしたがって、ＨＳＴ油温に基づくファン回転制御を行っている。

このＨＳＴ油温に基づくファン回転制御は、基本的に図２（ｂ）に示した特性Ｔ２にしたがって実行される。すなわち、まず、ステップＳ２０では、特性Ｔ２における最小回転数（２５０rpm）を前述のステップＳ４あるいはステップＳ５で決定された最小回転数（特性Ｔ４，Ｔ５に基づく最小回転数）に書き換える。次に、ステップＳ２１では、ＨＳＴ油温が１０℃を越え７５℃以下であるか否かを判断する。ＨＳＴ油温がこの温度範囲である場合は、ステップＳ２１からステップＳ２２に移行し、ファン回転指令信号は特に出力しない。一方、ＨＳＴ油温が１０℃以下あるいは７５℃を越えている場合は、ステップＳ２１からステップＳ２３に移行する。ステップＳ２３では、図２（ｂ）に示される特性Ｔ２に基づいて冷却ファン４の回転数が制御されるように、ファン回転指令信号Ｒｓ２を出力する。

（４）冷却水温でのファン回転制御
冷却水温に基づくファン回転制御は、基本的に図２（ａ）に示した特性Ｔ１にしたがって実行される。この場合のフローチャートを図６に示している。すなわち、まず、ステップＳ３０では、特性Ｔ１における最小回転数（２５０rpm）を前述のステップＳ４あるいはステップＳ５で決定された最小回転数（特性Ｔ４，Ｔ５に基づく最小回転数）に書き換える。そして次に、ステップＳ３１において、図２（ａ）に示される特性Ｔ１に基づいて冷却ファン４の回転数が制御されるように、ファン回転指令信号Ｒｓ１を出力する。

（５）ファン回転制御
以上のような制御処理が同時並列的に実行され、これらの処理によって得られたファン回転指令信号Ｒｓ１，Ｒｓ２，Ｒｓ３に基づいて、図７に示すフローチャートにしたがって冷却ファン４の回転制御が実行される。すなわち、ステップＳ４０では、得られたファン回転指令信号Ｒｓ１，Ｒｓ２，Ｒｓ３のうち、ファン回転数が最も高くなる信号を選択する。そして、ステップＳ４１では、ステップＳ４０で選択された信号により冷却ファン４の回転数を制御する。具体的には、冷却ファン４の回転数がファン回転指令信号が指示する回転数になるように、ＥＰＣ電流をＥＰＣ弁２２に対して出力する。

［本実施形態の特徴］
以上のような本実施形態では、夏場などのように外気温（ブースト温度）が高い場合は、冷却ファン４の最小回転数を比較的高い８００rpmにセットしている。このため、運転室のクーラーを素早く効かすことができる。また、逆に冬場などのように外気温が０℃以下のような場合は、冷却ファン４の最小回転数を２５０rpmにセットしている。このため、エンジンの冷却を必要最低限にして暖気時間を短縮することができ、運転室のヒーターを素早く効かすことができる。さらに、外気温が０℃から２０℃の場合は、温度に応じて適切な最小回転数を求めてこれをセットしているので、よりきめ細かい制御を行うことができる。

このように、外気温に応じて冷却ファン４の最小回転数を変更しているので、クーラー性能とヒーター性能とを両立させることができる。

また、冬場などにおいて、外気温が低く、かつＨＳＴ油温が１０℃より低い場合は、冷却ファン４の目標最小回転数を比較的高めにセットし、作動油粘度の増大による冷却ファン４の停止を防止している。このため、低温の状況下においても、冷却ファン４が正常に作動していることを確認することができる。

さらに、外気温の検出手段としてブースト温度センサを用いているので、外気温検出のための特別なセンサを設ける必要がなく、コストを抑えることができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（ａ）前述のように、外気温を検出するためにエンジン制御用として従来から設けられているブースト温度センサを用いたが、外気温を検出するための専用の温度センサを用いても良い。この場合は、図３のステップＳ１及び２を省略することができる。また、図４のステップＳ１３は、エンジン始動時の温度Ｂｔ０ではなく、その時々の外気温Ｂｔを用いても良い。

（ｂ）外気温に応じたファン回転制御特性として、図２のＴ１〜Ｔ５を一例として説明したが、回転制御特性はこの図２に示された特性に限定されるものではない。

（ｃ）前記実施形態では、油温によるファン回転制御を実行するために、ＨＳＴ油温を検出するようにしたが、ＨＳＴ油温ではなく作業機油圧回路における油温を検出してファン回転制御を実行するようにしてもよい。

（ｄ）前記実施形態では、冷却ユニットを、エンジン冷却水用のラジエータと作動油冷却用のオイルクーラーと空調用コンデンサとによって構成した例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、少なくともエンジン冷却水用のラジエータ及び空調用コンデンサだけを有する冷却ユニットであってもよい。

（ｅ）前記実施形態では、本発明をホイルローダに適用した例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の例えば油圧ショベルやブルドーザ等の車両に対しても同様に適用することができる。

本発明の一実施形態による冷却ファン駆動制御装置を搭載したホイルローダの概略ブロック図。 冷却ファンの回転制御特性を示す図。 冷却ファンの最小回転数の決定の制御処理を示すフローチャート。 ブースト温度でのファン回転制御処理を示すフローチャート。 ＨＳＴ油温でのファン回転制御処理を示すフローチャート。 冷却水温でのファン回転制御処理を示すフローチャート。 冷却ファンの回転制御を示すフローチャート。

１ エンジン
２ ＨＳＴ
３ 冷却ユニット
４ 冷却ファン
５ ファン駆動部
７ 冷却ファンコントロールユニット
１０ 冷却水温度センサ
１１ エンジン回転数センサ
１２ ＨＳＴ油温センサ
１３ ブースト温度センサ

Claims (5)

1. 作業用車両のエンジン冷却用ラジエータ及び空調用コンデンサを冷却するための冷却ファンの回転数を制御する冷却ファン駆動制御装置であって、
   エンジンの冷却水の温度を検出する冷却水温度センサと、
   外気温度を検出する外気温度検出手段と、
   前記冷却水温度が所定温度より低いときに前記冷却ファンの最低回転数を所定の回転数に制御するとともに、少なくとも前記冷却水温度センサ及び前記外気温度検出手段の検出結果に基づいて前記冷却ファンの回転数を制御する回転数制御手段と、
   前記外気温度検出手段の検出結果に基づいて前記回転数制御手段で用いられる前記冷却ファンの最低回転数を決定する最低回転数決定手段と、
   を備え、
   前記最低回転数決定手段は、
   エンジン始動時に外気温度が予め設定された第１温度以下の場合は、前記冷却ファンの最低回転数を第１回転数に決定し、
   エンジン始動時に外気温度が前記第１温度より高い予め設定された第２温度以上の場合は、前記冷却ファンの最低回転数を前記第１回転数より高い第２回転数に決定する、
   請求項１に記載の冷却ファン駆動制御装置。
2. 前記最低回転数決定手段は、外気温度が前記第１温度より高く前記第２温度より低い場合は前記外気温度に応じて前記冷却ファンの最低回転数を前記第１回転数と前記第２回転数との間の回転数に制御する、
   請求項１に記載の冷却ファン駆動制御装置。
3. 前記回転数制御手段における冷却水温度の所定温度は、冷却水の昇温時は予め設定された第３温度であり、冷却水の降温時は前記第３温度より低い第４温度である、請求項１又は２に記載の冷却ファンの駆動制御装置。
4. 前記外気温度検出手段はエンジン始動時のエンジン吸気温度を検出するブースト温度センサである、請求項１から３のいずれかに記載の冷却ファン駆動制御装置。
5. 前記冷却ファンはさらに作動油冷却用ラジエータを冷却するものであり、
   前記作動油の温度を検出する作動油温度センサをさらに備え、
   前記回転数制御手段は前記作動油温度センサの検出結果をも考慮して前記冷却ファンの回転数を制御する、
   請求項１から４のいずれかに記載の冷却ファン駆動制御装置。

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