JP4754969B2 - 作業車両のエンジン制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン制御装置、特に、作業機を駆動するための作業機用油圧ポンプを有する自走式作業車両のエンジン制御装置に関する。
自走式作業車両としてのホイルローダにおいては、走行駆動力及び作業機駆動力を1つのエンジンから得るようにしている。具体的には、ホイルローダの走行駆動力はいわゆるHST油圧走行装置により、あるいはトルココンバータを介して得られる。またフロント作業機を駆動するための油圧シリンダはエンジンによって駆動される油圧ポンプによって駆動される。
そして、ホイルローダにおいては、一般的に走行と積込等の作業を同時に行う場合が多いので、エンジンの出力を走行側と作業機側に対していかにバランス良く配分するかが重要である。
また、ホイルローダにおいては、けん引力(走行駆動力)とリフトアームを上昇させるためのリフト力とのバランスをとることが重要である。例えば、前進走行してバケットに土砂の積み込み等を行い、リフトアームを駆動してバケットをリフトするような作業の場合、けん引力がリフト反力として作用する。すなわち、けん引力がリフトアームのリフト力を戻す方向に作用する。
したがって、けん引力が大きくなるほどリフト力が低下してしまい、作業がしづらくなる。そこで、従来の作業車両においては、オペレータのアクセルワークによってけん引力を調整し、リフト力が低下しないようにして作業を行っている。
一方で、リフト力が大きすぎると、けん引力が不足し、いわゆる突っ込み性が悪くなり、バケットに土砂等が積み込まれないうちにリフトアームが上昇してしまうことになって、作業性が悪くなる。
そこで、特開平5−106243号公報に示されるように、車速がほぼゼロで、フロント作業機用油圧シリンダの駆動圧力が所定値以上の時に、フロント作業機の動作速度が所定値になるまでエンジンの回転数を低減するようにした作業車両が提案されている。この公報に示された作業車両では、大きなフロント駆動力が必要なときには走行トルクが小さくなり、走行トルクの低下分だけ大きなリフト力が得られる。
特開平5−106243号公報
前記公報に示された作業車両では、車速がほぼゼロになったこと、作業機用油圧シリンダの油圧、及び作業機の動作速度をそれぞれ検出し、これらの検出結果に基づいてエンジンの回転数を制御するようにしている。
このような従来の装置における制御では、制御用のパラメータが多く、またフィードバック制御する必要がある。したがって、制御が複雑になりがちで、信頼性に欠けるという問題がある。また、作業機の動作速度を優先してエンジン制御を行うので、熟練したオペレータのアクセルワークによるけん引力とリフト力との調整に比較して両者のバランスが悪く、オペレータの所望するようなけん引力とリフト力のバランスがとれないという問題がある。
本発明の課題は、簡単な制御でけん引力とリフト力の適切なバランスをとることができ、作業性をより向上させることにある。
発明1に係る自走式作業車両のエンジン制御装置は、走行駆動するための複数の変速段を有する変速機と、作業機を駆動するための作業機用油圧ポンプと、を有するとともに、エンジンを高馬力で使用するパワーモードと、エンジンをパワーモード時より低馬力で使用するエコノミーモードと、でエンジンのモードを切り換え可能であり、1つのエンジンによって走行駆動力及び作業機駆動力を得る自走式作業車両のエンジン制御装置であって、車速を検出する車速検出手段と、エンジンのモードがパワーモードであるかエコノミーモードであるかを判定するエンジンモード判定手段と、エンジンのスロットル量を制御するスロットル量制御手段と、を備えている。スロットル量制御手段は、エンジンモードがパワーモードであり、かつ変速機の変速段が前進第1速であり、かつ車速が所定速度以下であるとき、スロットル量の上限値を制限する。一方で、スロットル量制御手段は、エンジンモードがエコノミーモードであるか、変速機の変速段が前進第1速以外であるか、車速が所定速度を超えているか、のいずれかの条件が満たされた場合は、スロットル量の上限値を制限しない。
この装置では、エンジンモードがパワーモードであり、かつ変速機の変速段が前進第1速であり、かつ車速が所定速度以下であるとき、スロットル量の上限値が所定の値に制限される。したがって、この場合には、例えばオペレータがアクセルペダルを踏み込んでも、エンジンの出力が制限される。このため、制限をしていない場合に比較してけん引力が低減し、リフト力を増加させることができる。
ここで、パワーモードが設定されると、けん引力が大きくなりすぎる場合があるのに加えて、パワーモードが設定された場合は大きなリフト力を得たい場合である。そこで、この発明では、作業機のパワーが必要でかつけん引力が大きくなりすぎるパワーモードでのみけん引力の制御が実行される。したがって、必要なときにのみ有効なエンジン制御を行うことができる。
また、前進第1速のときには、前記同様に、けん引力が大きくなりすぎる場合が多い。また、重負荷作業の場合に、パワーモードの第1速が選択される。したがって、このようなパワーモードの第1速でのみけん引力の制御が実行される。したがって、前記同様に、必要なときにのみ有効なエンジン制御を行うことができる。
明2に係る自走式作業車両のエンジン制御装置は、発明1の装置において、作業車両は、作業の種類に応じて予め設定された複数の作業モードのうちから、作業機の種類に応じて予め設定されたツースモードを選択するツースモード選択手段を有しており、スロットル量制御手段は、ツースモードが選択された場合にスロットル量の上限値を予め設定された値に設定する。
作業モードとして、前方先端部に複数の爪が設けられたバケットを装着して作業を行うツースモードが設定されている場合、このツースモードでは、一般的にツースモード以外のモードの場合と比較して大きなリフト力が必要となる。そこでこの発明では、作業モードとしてツースモードが選択された場合は、それに応じてスロットル量の上限値を設定している。このため、作業性が向上する。
発明3に係る自走式作業車両のエンジン制御装置は、発明2の装置において、作業車両は、作業の種類に応じて予め設定された複数の作業モードのうちから、ツースモード以外の特定の作業モードを選択する作業モード選択手段を有しており、スロットル量制御手段は、選択された特定の作業モードに応じてスロットル量の上限値の設定を行う。
ここで、作業機の種類に応じて複数の作業モードが設定されており、この複数の作業モードのうちからツースモード以外の特定の作業モード、例えば、採石場での重負荷作業等の特定の作業モードが選択された場合には、作業機に重負荷が作用し、大きなリフト力が必要になる場合がある。そこでこの発明では、選択された特定の作業モードに応じてスロットル量の上限値の設定を行う。これにより、作業性が向上する。
発明4に係る自走式作業車両のエンジン制御装置は、発明1から3のいずれかの装置において、作業機用油圧ポンプの吐出圧を検出するポンプ吐出圧検出手段をさらに備えている。そして、スロットル量制御手段は、作業機用油圧ポンプの吐出圧が高くなるほどスロットル量の上限値を下げる制御を行う。
ここで、従来の作業車両において、作業時にけん引力を得たい場合は、オペレータは作業機を止めてけん引力を得るようにしている。一方、前記従来公報に記載された装置では、作業機の操作を止めても作業機用油圧シリンダの油圧は変化しないので、エンジン回転は制御され続けることになり、けん引力を得ることができない。
これに対して本発明の装置では、作業機用油圧ポンプの吐出圧が高くなるほどスロットル量の上限値を下げる制御を行う。したがって、従来のオペレータの操作によるバランス調整と同様の処理を自動制御によって行うことができる。
以上のように本発明では、簡単な制御でけん引力とリフト力の適切なバランスをとることができ、作業性をより向上させることができる。
[全体構成]
本発明の一実施形態に係るホイルローダ1を図1に示す。このホイルローダ1は、車体2と、車体2の前部に取り付けられた作業機3と、車体2を支持しながら回転して車体2を走行させる4本のタイヤ4と、車体2の上部に搭載された運転室5とを備えている。また、この車体2には、図2に示すように、エンジン11、トランスミッション6、作業機用油圧ポンプ7、ステアリング用油圧ポンプ8、ステアリングシリンダ9、制御部10等が設けられており、エンジン11で発生した出力トルクがトランスミッション6、作業機用油圧ポンプ7、ステアリング用油圧ポンプ8等に分配され、作業機3の駆動や走行時の駆動力となる。なお、図1はホイルローダ1の外観側面図であり、図2はホイルローダ1の油圧回路及び制御系統の構成を示す概略図である。
エンジン11は、ディーゼル式のエンジンであり、エンジン11の出力トルクと回転数とを制御する燃料噴射装置12が付設されている。また、エンジン11には、エンジン11の実回転数を検知する回転センサからなるエンジン回転数検知部13が設けられており、エンジン回転数検知部13からの回転数信号が制御部10に入力される。
エンジン11の出力軸にはトルクコンバータ14を備えた走行用のトランスミッション6が連結され、エンジン11による駆動力がトランスミッション6を介してタイヤ4に伝達される。トランスミッション6は高速から低速まで複数段階に減速比を切り換え可能である。
作業機用油圧ポンプ7はエンジン11の出力によって駆動される可変容量型の油圧ポンプであり、作業機用油圧ポンプ7には、作業機用油圧ポンプ7から吐出される圧油を利用して作業機用油圧ポンプ7の斜板の傾転角を調整するレギュレータ16と、制御部10からの制御電流に基づいてレギュレータ16を制御する電磁制御弁17とが設けられている。また、作業機用油圧ポンプ7の吐出圧力を検出する圧力センサ18が設けられ、この圧力センサ18からのポンプ吐出圧信号が制御部10に入力される。
作業機3は、作業機用油圧ポンプ7から吐出される圧油によって駆動される部分であり、車体2の前部に装着されたリフトアーム19と、このリフトアーム19の先端に取り付けられたバケット20と、作業機シリンダ21とを有する。リフトアーム19は、先端に取り付けられたバケット20を持ち上げるためのアーム部材である。バケット20は、リフトアーム19の先端に取り付けられている。作業機シリンダ21は、作業機用油圧ポンプ7から吐出される圧油によってリフトアーム19やバケット20を駆動する油圧アクチュエータである。なお、このホイルローダでは、作業モードとしてツースモードが用意されている。このツースモードとは、先端に複数の爪が設けられたバケット20を用いて、主に採石場での重負荷作業等を行うモードである。
ステアリング用油圧ポンプ8は、エンジン11の出力によって駆動される可変容量型の油圧ポンプであり、ステアリング用油圧ポンプ8から吐出される圧油を利用してステアリング用油圧ポンプ8の斜板の傾転角を調整するレギュレータ22と、制御部10からの制御電流に基づいてレギュレータ22を制御する電磁制御弁23とが設けられている。ステアリングシリンダ9は、ステアリング用油圧ポンプ8から吐出される圧油によって駆動され、走行時の進行方向を変更する。また、ステアリング用油圧ポンプ8の吐出圧力を検出する圧力センサ24が設けられ、この圧力センサ24からのポンプ吐出圧信号が制御部10に入力される。
運転室5は車体2の中央部分よりもやや前方に配置されている。この運転室5には、オペレータによって操作されるアクセルペダル25や、操作部15、各種の情報を表示する表示部等が設けられている。
アクセルペダル25は、エンジン11の目標回転数を指示する手段であり、アクセルペダル25の開度を検知するポテンショメータ等からなるアクセル開度検知部27が連結されている。アクセル開度検知部27からアクセルペダル25の開度を示す開度信号が制御部10へと送られ、制御部10から燃料噴射装置12に制御信号が出力される。また、トランスミッション6の出力側には、車速を検出するための車速センサ26が設けられている。この車速センサ26の信号は制御部10に入力されている。
操作部15は、図示しないステアリング、操作レバー、操作ボタンが配置された操作パネル等を有しており、ホイルローダ1の進行方向の変更、パワーモードとエコノミーモードの切り換え、ツースモードへの切り換え、トランスミッション6の減速比の選択等を行うためにオペレータによって操作される。パワーモードは、エンジン出力がエコノミーモードよりも大きく、燃費よりも作業性を重視する場合に選択される作業モードである。エコノミーモードは、パワーモードよりもエンジン出力が小さく抑えられ、作業性は劣るが燃費がよい作業モードである。
制御部10は、エンジン制御を行うエンジンコントローラ部、作業機用油圧ポンプの制御を行う油圧ポンプコントローラ部等の各機能を有し、ホイルローダ1の運転操作、すなわちエンジンや作業機等の各部を制御する部分である。例えば、アクセルペダル25の開度及びエンジン11の実回転数に基づいて燃料噴射装置12の燃料噴射量を制御したり、車速や作業機用油圧ポンプ7の吐出圧に応じてけん引力を制御したりするような機能を有している。
[制御処理]
以下、特に、リフト力とけん引力とのバランス制御に着目して、制御部10による処理について説明する。
<リフト力とけん引力>
まず、リフト力とけん引力との関係について、図3を用いて説明する。
この図3に示すように、リフトアーム19は作業機シリンダ21によって昇降させられるが、作業機シリンダ21単独のリフト力をLsとすると、このリフト力Lsはけん引力Rによって抵抗を受けることになる。すなわち、例えば、前進走行してバケット20に土砂の積み込み等を行い、リフトアーム19を駆動してバケット20をリフトするような作業の場合、けん引力Rがリフト反力Lrとして作用する。このため、トータルのリフト力Ltは、
Lt=Ls−Lr
となる。したがって、重負荷作業で大きなリフト力が必要な場合は、けん引力を低減させる必要がある。
そこで、本実施形態のホイルローダでは、図4で示すようなフローチャートにしたがって、けん引力を低減させる制御を行っている。
<けん引力制御>
まず、ステップS1では、エンジンがパワーモードであるか否かを判断する。ここで、パワーモードとエコノミーモードについて、簡単に説明する。このホイルローダ1では、前述のように、オペレータによる操作部15の操作によって、作業性を重視したパワーモードと、燃費を重視したエコノミーモードとが選択可能となっている。
〔パワーモードとエコノミーモード〕
パワーモードが選択された場合には、図5において、エンジン出力トルクラインELaで示されるエンジン出力トルク特性が設定される。また、吸収トルクラインT/Cで示される吸収トルク特性が設定される。この吸収トルクは、トルクコンバータの吸収トルクと作業機用油圧ポンプの吸収トルクとの和であり、走行環境、作業負荷、作業機用油圧ポンプの吐出油量調整等により定まる。図5では、吸収トルクラインT/Cは、エンジン回転数を変数とする単調増加関数となっている。そして、この場合は、マッチング点Maにおいてエンジン11の出力トルクと、吸収トルクとが一致し、マッチング点Maにおけるエンジン出力、つまりエンジン11の最大馬力を油圧ポンプが吸収することで、重負荷作業を高効率で行うことができる。
また、エコノミーモードが選択された場合には、記号ELbのエンジン出力トルクラインで示されるエンジン出力トルク特性が設定される。そして、マッチング点Mbにおいてエンジン11の出力トルクと吸収トルクとがマッチングする。このように、エコノミーモードでは、パワーモードでのマッチング点Maよりも燃料消費率が低いマッチング点Mbにおいてエンジン11の出力トルクと吸収トルクとをマッチングさせることができるため、燃料効率のよい領域でエンジン11を使用することができ、燃費を向上させることができる。
エコノミーモードが選択されている場合は、ステップS1からステップS2に移行し、スロットル量の上限値を100%に設定する。すなわち、スロットル量の上限値を制限せずに、けん引力を低減させない。この理由は、エコノミーモードで走行、作業を行っている場合は、もともとけん引力がそれほど大きくなく、リフト力に対する抵抗が小さいからである。また、一般的に、エコノミーモードで走行、作業をする場合は、大きなリフト力を必要としないからである。
一方、パワーモードが選択されている場合は、ステップS1からステップS5に移行する。ステップS5では、トランスミッションの変速段が前進第1速であるか否かを判断する。
〔変速段による制御〕
前進第1速でない場合は、ステップS5からステップS2に移行し、前記同様に、スロットル量の上限値を100%に設定する。すなわち、パワーモードで前進の第1速の場合は、けん引力が出過ぎる傾向にある。このようにけん引力が出過ぎる場合は、リフト力の抵抗力が比較的大になり、作業効率が低下する。また、重負荷作業を行う場合は、一般的にトランスミッションの変速段を第1速に変速して行い、かつ大きなけん引力を必要とするが、それ以外の場合はそれほど大きなけん引力とならず、リフト力の抵抗力が小さいので、スロットル量の上限値の制限は行わない。
〔車速による制御〕
トランスミッションの変速段が前進第1速である場合は、ステップS5からステップS6に移行する。ステップS6では、車速センサ26からの信号によって、車速が3km/h以下であるか否かを判断する。なお、この実施形態では車速が3km/h以下であるか否かによってけん引力制御を行っているが、車種等によって適切な値が選択される。
車速が3km/hを越えていれば、ステップS6からステップS2に移行し、スロットル量の上限値を100%に設定する。すなわち、一般的に、重負荷の作業を行う場合は低速で行うので、低速でない場合は重負荷作業ではないとして、けん引力を低減させるための制御処理は実行しない。
車速が3km/h以下である場合は、ステップS6からステップS7に移行する。ステップS7では、作業モードがツースモード(第1の作業モード)であるか否かを判断する。作業モードがツースモードに設定されているか否かは、操作パネル上のツースモードへの切換スイッチが操作されたか否かで判断する。
〔作業モードによる制御〕
ツースモードが設定されていない場合は、ステップS7からステップS8に移行する。ステップS8では、他の特定の作業モード(第2の作業モード)が設定されているか否かを判断する。ここで、特定の作業モードとは、ツースモードほどの重負荷ではないが、リフト力が要求されるモードであり、このような作業モードの場合は、ステップS8からステップS9に移行してスロットル量の上限値を80%に設定する。なお、ステップS9では、スロットル量の上限値を80%に設定しているが、後述の図6に示すように、テーブルを利用して、作業機用油圧ポンプ7の吐出圧に応じてスロットル量の上限値を、78%を越え100%未満の値に変更し、制御するようにしてもよい。
これにより、オペレータがアクセルペダルを最大限踏み込んでも、スロットル量の上限値は通常(100%)の80%までに制限される。したがって、けん引力が低減され、その低減されたけん引力に相当する分のリフト力を増加させることができる。
一方、パワーモードで、前進第1速で低速、かつツースモードでない場合で、さらに他の特定の作業モードでない場合は、ステップS8からステップS10に移行して、スロットル量の上限値を100%にする。すなわち、スロットル量の上限値を制限しない。
また、ツースモードが設定されている場合は、ステップS7からステップS11に移行する。ステップS11では、図6(a)に示すテーブルにしたがって、すなわち、作業機用油圧ポンプ7の吐出圧に応じてスロットル量の上限値を制限する。より詳細には、吐出圧がP1(例えば200kg/cm)まではスロットル量の上限値をB1(ここでは78%)とし、吐出圧がP2(例えば250kg/cm)の場合はスロットル量の上限値をB1より小さいB2(ここでは67%)とし、吐出圧がP3(例えば300kg/cm)の場合はスロットル量の上限値をB2よりさらに小さいB3(ここでは57%)に制限する。そして、吐出圧がP1〜P3の間は、図6(b)の実線で示すように、スロットル量の上限値を直線的に変化させるような補間演算処理によって、上限値を設定する。もちろん、図6(a)に示した数値は一例であり、車種、作業内容等によって適切なテーブルが設定される。
ここでは、作業機用油圧ポンプ7の吐出圧が高いほどスロットル量の上限値を下げるような処理を実行している。このため、作業負荷が大きいほど、けん引力がより低減されてリフト力が大きくなる。したがって、作業効率がより向上することになる。
なお、以上のスロットル量の上限値を制限する場合、各条件が成立した時点で即座に変更を実行する。しかし、いったん上限値を制限(例えば100%から78%に制限)した後、元の100%に戻す場合は、特に前後進の切り換え時においては、トランスミッションの変速中で油圧クラッチの油圧が変化している途中の段階では実行せずに、クラッチ油圧が一定の圧に保持された状態で変更するようにしている。
以上のようにして、エンジンモード(パワーモードであるか否か)、変速段(前進第1速であるか否か)、作業モード(ツースモードあるいは他の特定の作業モードであるか否か)、及び作業機用油圧ポンプ7の吐出圧に応じて、スロットル量の上限値を設定し、この設定されたスロットル量の上限値を制御部10のエンジンコントローラ部に出力している。
以上のような本実施形態では、車速が低速の場合は、スロットル量の上限値を制限しているので、オペレータがアクセルペダルを踏み込んでも、エンジンの出力が制限される。このため、けん引力を低減させて、その低減分に相当するリフト力を増加させることができる。
また、ツースモードの場合は、作業機用油圧ポンプ7の吐出圧に応じてスロットル量の上限値を制御しているので、負荷に応じて適切にけん引力を低減させてリフト力を増加させることができる。さらに、作業機用油圧ポンプ7の吐出圧に応じてリフト量を制御できるので、作業機の操作を止めるとけん引力が低減されず、逆に作業機を操作した場合はけん引力が低減されてリフト力が増加する。したがって、従来のオペレータのアクセルワーク操作によるバランス調整と同様の処理を自動制御によって行うことができる。
さらに、ここでは、けん引力を低減させる制御を、エンジンモードがパワーモードであって、前進第1速のときにのみ実行するので、けん引力制御が必要なときにのみ有効なエンジン制御を実行することができる。
[他の実施形態]
前記実施形態では、作業モードをツースモードと他の特定の作業モードとで分けてスロットル量の制御を行うようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、バケットに代えて爪を装着し、材木を運搬、積み込みするような第1の作業モードと、前述のツースモードとで区別するようにしても良い。この場合は、第1の作業モードにおけるスロットル量の上限値については、図6の一点鎖線で示すような特性にしたがって制御し、ツースモードにおけるスロットル量の上限値については、前記同様に、図6の実線で示すような特性にしたがって制御すればよい。
ホイルローダの外観図。 ホイルローダの制御回路図。 けん引力とリフト力との関係を示す図。 エンジン制御のフローチャート。 パワーモードとエコノミーモードのエンジントルク性能を表す図。 作業機用油圧ポンプの吐出圧とスロットル量の上限値との関係を示す図。
1 ホイルローダ
3 作業機
7 作業機用油圧ポンプ
10 制御部
18 圧力センサ
19 リフトアーム
20 バケット
25 アクセルペダル
26 車速センサ

Claims (4)

  1. 走行駆動するための複数の変速段を有する変速機と、作業機を駆動するための作業機用油圧ポンプと、を有するとともに、エンジンを高馬力で使用するパワーモードと、エンジンを前記パワーモード時より低馬力で使用するエコノミーモードと、でエンジンのモードを切り換え可能であり、1つのエンジンによって走行駆動力及び作業機駆動力を得る自走式作業車両のエンジン制御装置であって、
    車速を検出する車速検出手段と、
    エンジンのモードがパワーモードであるかエコノミーモードであるかを判定するエンジンモード判定手段と、
    前記エンジンのスロットル量を制御するスロットル量制御手段と、
    を備え
    前記スロットル量制御手段は、
    エンジンモードがパワーモードであり、かつ前記変速機の変速段が前進第1速であり、かつ車速が所定速度以下であるとき、スロットル量の上限値を制限し、
    エンジンモードがエコノミーモードであるか、前記変速機の変速段が前進第1速以外であるか、車速が前記所定速度を超えているか、のいずれかの条件を満たした場合に、スロットル量の上限値を制限しない、
    ことを特徴とする自走式作業車両のエンジン制御装置。
  2. 前記作業車両は、作業の種類に応じて予め設定された複数の作業モードのうちから、作業機の種類に応じて予め設定されたツースモードを選択するツースモード選択手段を有しており、
    前記スロットル量制御手段は、ツースモードが選択された場合にスロットル量の上限値を予め設定された値に設定する
    ことを特徴とする請求項1に記載の自走式作業車両のエンジン制御装置。
  3. 前記作業車両は、作業の種類に応じて予め設定された複数の作業モードのうちから、前記ツースモード以外の特定の作業モードを選択する作業モード選択手段を有しており、
    前記スロットル量制御手段は、選択された特定の作業モードに応じてスロットル量の上限値の設定を行う
    ことを特徴とする請求項に記載の自走式作業車両のエンジン制御装置。
  4. 前記作業機用油圧ポンプの吐出圧を検出するポンプ吐出圧検出手段をさらに備え、
    前記スロットル量制御手段は、前記作業機用油圧ポンプの吐出圧が高くなるほどスロットル量の上限値を下げる制御を行う、
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の自走式作業車両のエンジン制御装置。
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