JP6195710B2 - 建設機械のエンジン制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、建設機械のエンジン制御装置に関し、特に、作業装置に作動油を供給する油圧ポンプをエンジンの出力で駆動する建設機械のエンジン制御装置に関する。
従来、フロント作業機を作動させる複数のアクチュエータに作動油を供給する油圧ポンプを備え、この油圧ポンプをエンジンの出力で駆動する油圧ショベル等の建設機械が知られている。このような油圧ショベルは、例えば特許文献1に開示されている。
一般的に油圧ショベルは、エンジンの各種制御を行うエンジンコントローラと、建機側の各種制御を行う車体コントローラとを備えており、これらエンジンコントローラと車体コントローラとをCAN通信で相互通信可能に接続している。そして、建機側(特に、油圧ポンプ)が必要とするエンジンの目標回転数を車体コントローラからエンジンコントローラに入力すると共に、燃料噴射量をエンジンの目標回転数と実回転数との偏差に基づいてフィードバック制御している。
特開2000−145720号公報
ところで、上述のような燃料噴射量のフィードバック制御を行う場合、車体コントローラ及びエンジンコントローラによる制御は以下の順序で処理される。1)フロント作業機が作動、2)エンジンの要求負荷が増加、3)エンジン回転数が低下、4)燃料噴射量を増加、5)燃料噴射量を調整して、エンジンの実回転数を目標回転数に収束させる。
すなわち、フィードバック制御においては、要求負荷に応じた燃料噴射量の増加はエンジン回転数が低下した後に実行されることになる。そのため、フロント作業機の作動開始時には、エンジン回転数を低下させる現象(以下、この現象をラグダウンとも称する)が引き起こされて、建設機械の作業性を悪化させるといった課題がある。また、このようなラグダウンを低減するためには、PID制御のゲインを高める等、制御パラメータを調整する必要があるが、その場合は定常負荷状態でも燃料噴射量の変動が大きくなるといった課題もある。
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、エンジンの要求負荷が増加した際に引き起こされるラグダウンを効果的に低減することができる建設機械のエンジン制御装置を提供することにある。
また、作業機に作動油を供給する油圧ポンプをエンジンの出力で駆動させ、当該エンジンの燃料噴射量を実回転数と目標回転数との偏差に基づいてフィードバック制御する建設機械のエンジン制御装置であって、前記作業機の作動に応じて前記油圧ポンプを駆動させるのに必要な前記エンジンの出力を要求負荷として演算する要求負荷演算手段と、エンジンコントローラと、を備え、前記エンジンコントローラは、前記要求負荷演算手段により要求負荷が演算された際に、要求負荷に応じて予め設定した燃料噴射増加量を前記エンジンの燃料噴射量に加算するフィードフォワード制御手段と、前記フィードフォワード制御手段により燃料噴射量が増加された際に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が所定の判定閾値を超えた場合は、予め設定した前記燃料噴射増加量を減少補正する噴射量補正手段と、を備え、前記エンジンコントローラは、要求負荷と燃料噴射増加量の関係を予め記憶し、前記噴射量補正手段は、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が前記判定閾値を超えた場合、同一の要求負荷に対する燃料噴射増加量が小さくなるように前記関係を補正することを特徴とする。
また、作業機に作動油を供給する油圧ポンプをエンジンの出力で駆動させ、当該エンジンの燃料噴射量を実回転数と目標回転数との偏差に基づいてフィードバック制御する建設機械のエンジン制御装置であって、前記作業機の作動に応じて前記油圧ポンプを駆動させるのに必要な前記エンジンの出力を要求負荷として演算する要求負荷演算手段を含む車体コントローラと、前記要求負荷演算手段により要求負荷が演算された際に、要求負荷に応じて予め設定した燃料噴射増加量を前記エンジンの燃料噴射量に加算するフィードフォワード制御手段と、前記フィードフォワード制御手段により燃料噴射量が増加された際に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が所定の判定閾値を超えた場合は、演算される前記要求負荷を減少補正する要求負荷補正手段と、を備え、前記車体コントローラは、負荷パラメータと要求負荷の関係を予め記憶し、前記要求負荷補正手段は、前記車体コントローラに含まれると共に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が前記判定閾値を超えた場合、同一の負荷パラメータに対する要求負荷が小さくなるように前記関係を補正することを特徴とする。
本発明の建設機械のエンジン制御装置によれば、エンジンの要求負荷が増加した際に引き起こされるラグダウンを効果的に低減することができる。
本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置が適用される建設機械の模式的な側面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置を示す模式的な全体構成図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置の回転数設定マップを示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置の要求負荷設定マップを示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置の噴射増加量マップを示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置の車体コントローラによる制御内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置のエンジンコントローラによる制御内容を示すフローチャートである。 (a)は、本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置による噴射制御を示すタイムチャート、(b)は、従来のエンジン制御装置による噴射制御を示すタイムチャートである。
以下、図1〜8に基づいて、本発明の一実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
まず、図1に基づいて、本実施形態のエンジン制御装置が適用される油圧ショベルの全体構成を説明する。油圧ショベルは、クローラ式の走行装置を備えた下部走行体1と、下部走行体1に搭載された上部旋回体2と、上部旋回体2の前部に設けられたフロント作業機3とを備えている。また、フロント作業機3は、上部旋回体2の前部に回動可能に支持されたブーム4と、ブーム4の先端部に回動可能に支持されたアーム5と、アーム5の先端部に回動可能に取り付けられたバケット6と、ブーム4を作動させるブームシリンダ7と、アーム5を作動させるアームシリンダ8と、バケット6を作動させるバケットシリンダ9とを備えている。このフロント作業機3は、キャブ2a内に設けられた操作レバー装置11(図2参照)の操作に応じて、後述するメイン油圧回路12(図2参照)から各シリンダ7〜9に作動油が供給されることで作動する。
次に、図2に基づいて、本実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置の全体構成を説明する。
本実施形態の建設機械のエンジン制御装置は、ディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)10と、フロント作業機3の各シリンダ7〜9(図1参照)に作動油を供給するメイン油圧回路12と、エンジン10の目標回転数を設定するアクセルダイヤル17と、作業モードを選択する作業モード切替スイッチ18と、CAN通信で相互通信可能に接続された車体コントローラ20及びエンジンコントローラ30とを備えている。
メイン油圧回路12には、エンジン10の動力で駆動する可変容量型の油圧ポンプ13が設けられている。この油圧ポンプ13は、第一管路12aを介して作動油タンク14に接続されると共に、第二管路12bを介してコントロールバルブ15に接続されている。
コントロールバルブ15は、スプールの位置を切り替えて作動油の流量及び流通方向を可変に制御するパイロット式の流量制御バルブである。このコントロールバルブ15は、第三管路12cを介してブームシリンダ7のヘッド室7aに接続されると共に、第四管路12dを介してブームシリンダ7のロッド室7bに接続されている。
さらに、コントロールバルブ15のスプール両端部には、操作レバー装置11の操作量に応じたパイロット圧を出力する図示しないパイロット圧生成回路が接続されている。例えば、コントロールバルブ15にブームシリンダ7を伸長させる方向のパイロット圧が導入された場合、作動油はスプールの移動により油圧ポンプ13からヘッド室7aに供給される。これにより、ブームシリンダ7は伸長方向に作動される。また、コントロールバルブ15にブームシリンダ7を縮小させる方向のパイロット圧が導入された場合、作動油はスプールの移動により油圧ポンプ13からロッド室7bに供給される。これにより、ブームシリンダ7は縮小方向に作動される。
アクセルダイヤル17は、オペレータの操作に応じてエンジン10の目標回転数を調整可能なダイヤル式のスイッチであって、設定されたダイヤル位置は車体コントローラ20に出力される。
作業モード切替スイッチ18は、オペレータの切替操作に応じてフロント作業機3の作業モードを選択的に切替可能なスイッチであって、設定された作業モードは車体コントローラ20に出力される。本実施形態において、選択可能な作業モードは、例えば、フロント作業機3の作動性を向上させるパワーモードPMと、エンジン10の燃費を向上させるエコモードEMとの二種類のモードで構成されている。
車体コントローラ20は、車体側の各種制御を行うもので、公知のCPUやROM、RAM、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うため、車体コントローラ20には、メイン油圧回路12に設けられた油圧センサ19等の各種センサの出力信号が入力される。
また、車体コントローラ20は、目標回転数演算部21と、要求負荷演算部22と、要求負荷特性補正部23とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアである車体コントローラ20に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
目標回転数演算部21は、アクセルダイヤル17で設定されたダイヤル位置と、作業モード切替スイッチ18で選択された作業モードとに基づいて、エンジン10の目標回転数NTを演算する。より詳しくは、車体コントローラ20には、図3に示すアクセルダイヤル17のダイヤル位置と、エンジン10の目標回転数NTとの関係を定めた回転数設定マップが記憶されている。この回転数設定マップ上において、目標回転数特性N1はフロント作業機3の作動性を向上させるパワーモードPMに対応し、目標回転数特性N2は燃費を向上させるエコモードEMに対応する。目標回転数演算部21は、回転数設定マップからダイヤル位置と作業モードとに対応する目標回転数NTを読み取ると共に、この目標回転数NTをCAN通信によりエンジンコントローラ30に出力するように構成されている。
要求負荷演算部22は、油圧センサ19によって検出される油圧ポンプ13の吐出圧力や不図示のパイロット圧センサによって検出される操作圧力による操作レバー装置11の操作量等の負荷パラメータに基づいて、フロント作業機3や上部旋回体2の作動によって油圧ポンプ13で消費されるエンジン10の出力トルクを要求負荷LRとして演算する。より詳しくは、車体コントローラ20には、図4に示す負荷パラメータと要求負荷との関係を定めた要求負荷設定マップが記憶されている。この要求負荷設定マップ上において、要求負荷特性L1はフロント作業機3の作動性を向上させるパワーモードPMに対応し、要求負荷特性L2は燃費を向上させるエコモードEMに対応する。要求負荷演算部22は、要求負荷設定マップから負荷パラメータ及び作業モードに対応する要求負荷LRを読み取ると共に、この要求負荷LRをCAN通信によりエンジンコントローラ30に出力するように構成されている。
要求負荷特性補正部23は、後述するエンジンコントローラ30により要求負荷LRに応じたフィードフォワード制御が実行された際のエンジン10の実回転数Nに基づいて、要求負荷設定マップ上の要求負荷特性L1,L2を補正する。より詳しくは、要求負荷LRに応じたフィードフォワード制御が実行されると、エンジン10の回転数は一旦低下した後に大きく上昇する(図8(a)参照)。要求負荷特性補正部23は、フィードフォワード制御時に実回転数Nのピーク値NMAXと目標回転数NTとの偏差(NMAX−NT)が所定の判定閾値NV(例えば、200rpm)を超えた場合は、要求負荷設定マップ上の要求負荷特性L1,L2の傾きを減少補正する。これにより、フィードフォワード制御のオーバシュートが低減されて、燃費の悪化を効果的に抑制することができる。
エンジンコントローラ30は、エンジン10の各種制御を行うもので、公知のCPUやROM、RAM、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うため、エンジンコントローラ30には、エンジン回転センサ40や図示しないアクセル開度センサ等の各種センサの出力信号が入力される。
また、エンジンコントローラ30は、燃料噴射制御部31と、フィードフォワード制御部32と、噴射増加量特性補正部33とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるエンジンコントローラ30に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
燃料噴射制御部31は、フロント作業機3の作動時は、車体コントローラ20から入力される目標回転数NTに応じて、予め設定された基本噴射量Qで燃料噴射を制御する。なお、作業時における燃料噴射制御は、車体コントローラ20から入力される目標回転数NTとエンジン回転センサ40から入力される実回転数Nとの偏差に基づいてフィードバック制御(PID制御)される。
フィードフォワード制御部32は、車体コントローラ20から入力される要求負荷LRに基づいて、燃料噴射制御部31から燃料噴射装置に出力される指示信号(基本噴射量Q)を増加させるフィードフォワード制御を実行する。より詳しくは、エンジンコントローラ30には、図5に示す要求負荷LRと燃料噴射の増加量QRとの関係を定めた噴射増加量マップが記憶されている。この噴射増加量マップ上において、噴射増加量特性Iは要求負荷LRが大きいほど増加量QRが多くなるように設定されている。フィードフォワード制御部32は、噴射増加量マップから要求負荷LRに対応する増加量QRを読み取ると共に、この増加量QRを基本噴射量Qに加算(Q+QR)する。これにより、エンジン10の要求負荷LRが増加した場合は、燃料噴射量も適宜増加されて、エンジン回転数の低下(ラグダウン)を効果的に低減することができる。
噴射増加量特性補正部33は、フィードフォワード制御が実行された際のエンジン10の実回転数Nに基づいて、噴射増加量マップ上の噴射増加量特性Iを補正する。より詳しくは、噴射増加量特性補正部33は、フィードフォワード制御時に実回転数Nのピーク値NMAXと目標回転数NTとの偏差(NMAX−NT)が所定の判定閾値NV(例えば、200rpm)を超えた場合、噴射増加量マップ上の噴射増加量特性Iの傾きを減少補正する。これにより、フィードフォワード制御のオーバシュートが低減されて、燃費の悪化を効果的に抑制することができる。
次に、図6,7に基づいて本実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置による制御フローを説明する。図6のフローチャートは、車体コントローラ20による制御フローを示し、図7のフローチャートは、エンジンコントローラ30による制御フローを示している。
まず、図6に示す車体コントローラ20のフローチャートから説明する。ステップ100(以下、ステップを単にSと記載する)では、アクセルダイヤル17のダイヤル位置、作業モード切替スイッチ18の作業モード(パワーモードPM・エコモードEM)が確認される。さらに、S110では、設定されたダイヤル位置及び作業モードに基づいて、回転数設定マップ(図3参照)から目標回転数NTが設定されると共に、この設定された目標回転数NTがエンジンコントローラ30に出力される。
S120では、油圧ポンプ13の吐出圧力や操作レバー装置11の操作量等の負荷パラメータに基づいて、要求負荷の有無が判定される。要求負荷がある場合(YES)、本制御はS130に進む。
S130では、設定された作業モード及び負荷パラメータに基づいて、要求負荷設定マップ(図4参照)から要求負荷LRが設定されると共に、この設定された要求負荷LRがエンジンコントローラ30に出力される。
S140では、エンジンコントローラ30によるフィードフォワード制御が実行された際の実回転数Nのピーク値NMAXと目標回転数NTとの偏差ΔN(NMAX−NT)が所定の判定閾値NVを超えていたか否かが判定される。偏差ΔNが判定閾値NV以下の場合(NO)、本制御はリターンされる。一方、偏差ΔNが判定閾値NVを超えていた場合(YES)、本制御はS150に進む。S150では、要求負荷設定マップ上の要求負荷特性L1,L2の傾きを減少する補正が実行されて、本制御はリターンされる。
次に、図7に示すエンジンコントローラ30のフローチャートを説明する。S200では、前述のS110で車体コントローラ20から入力された目標回転数NTと実回転数Nとの偏差に基づいて、エンジン10の燃料噴射がフィードバック制御される。
S210では、車体コントローラ20からの要求負荷の入力有無が判定される。要求負荷の入力がある場合(YES)、本制御はS220に進む。一方、要求負荷の入力が無い場合(NO)、本制御はS200に戻される。
S220では、前述のS130で車体コントローラ20から入力された要求負荷LRに基づいて、噴射増加量マップから増加量QRが設定されると共に、この増加量QRを基本噴射量Qに加算(Q+QR)するフィードフォワード制御が実行される。さらに、S230では、目標回転数NTと実回転数Nとの偏差が0(ゼロ)となるようにフィードバック制御が実行される。
S240では、実回転数Nが目標回転数NTに収束、すなわち目標回転数NTと実回転数Nとの偏差が0(ゼロ)になったか否かが判定される。偏差が0(ゼロ)になった場合(YES)、本制御はS250に進む。一方、偏差が0(ゼロ)でない場合(NO)、本制御はS230に戻される。
S250では、S220でフィードフォワード制御が実行された際の実回転数Nのピーク値NMAXと目標回転数NTとの偏差ΔN(NMAX−NT)が所定の判定閾値NVを超えていたか否かが判定される。偏差ΔNが判定閾値NV以下の場合(NO)、本制御はリターンされる。一方、偏差ΔNが判定閾値NVを超えていた場合(YES)、本制御はS260に進む。S260では、噴射増加量マップ上の噴射増加量特性Iの傾きを減少する補正が実行されて、本制御はリターンされる。
次に、本実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置による作用効果を説明する。
エンジン10の燃料噴射を目標回転数NTと実回転数Nとの偏差に基づいたフィードバック制御のみで実行する従来方式では、エンジン10の要求負荷が増加し、エンジン回転数が一旦低下した後に燃料噴射量を増加させていた(図8(b)のt1参照)。そのため、エンジン回転数を低下させるいわゆるラグダウンが大きくなり(図8(b)のt2参照)、結果としてフロント作業機3の作業性を悪化させる要因になっていた。また、エンジン回転数が大幅に低下するため、燃料噴射量を増加させた後に実回転数Nを目標回転数NTに収束させるフィードバック制御にも長い時間を要していた(図8(b)のt3参照)。
これに対し、本実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置では、車体コントローラ20からエンジンコントローラ30に要求負荷が入力されると、これと同時にエンジン10の燃料噴射量を増加させるフィードフォワード制御が実行される(図8(a)のt1参照)。すなわち、エンジン回転数はごく僅かに低下するものの(図8(a)のt2参照)、その後は燃料噴射量を増加させることで、エンジン回転数は急上昇される。これにより、ラグダウンは従来方式に比べて大幅に低減(約半減)される。
したがって、本実施形態に係る建設機械のエンジン制御装置によれば、エンジン10の要求負荷増加により引き起こされるエンジン回転数の低下(ラグダウン)を効果的に低減して、建設機械の作業性及びドライバビリティーを効果的に向上することができる。また、ラグダウンを低減するためにPID制御のゲインを高める必要が無くなるため、定常負荷状態でも燃料噴射量の変動を抑制することが可能になる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、建設機械は油圧ショベルに限定されず、油圧ポンプ13を備えるものであればローダ等の他の建設機械にも広く適用することが可能である。
10 エンジン
12 メイン油圧回路
13 油圧ポンプ
20 車体コントローラ
21 目標回転数演算部
22 要求負荷演算部
23 要求負荷特性補正部
30 エンジンコントローラ
31 燃料噴射制御部
32 フィードフォワード制御部
33 噴射増加量特性補正部

Claims (2)

  1. 作業機に作動油を供給する油圧ポンプをエンジンの出力で駆動させ、当該エンジンの燃料噴射量を実回転数と目標回転数との偏差に基づいてフィードバック制御する建設機械のエンジン制御装置であって、
    前記作業機の作動に応じて前記油圧ポンプを駆動させるのに必要な前記エンジンの出力を要求負荷として演算する要求負荷演算手段と、
    エンジンコントローラと、を備え、前記エンジンコントローラは、
    前記要求負荷演算手段により要求負荷が演算された際に、要求負荷に応じて予め設定した燃料噴射増加量を前記エンジンの燃料噴射量に加算するフィードフォワード制御手段と、
    前記フィードフォワード制御手段により燃料噴射量が増加された際に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が所定の判定閾値を超えた場合は、予め設定した前記燃料噴射増加量を減少補正する噴射量補正手段と、を備え、
    前記エンジンコントローラは、要求負荷と燃料噴射増加量の関係を予め記憶し、前記噴射量補正手段は、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が前記判定閾値を超えた場合、同一の要求負荷に対する燃料噴射増加量が小さくなるように前記関係を補正することを特徴とする建設機械のエンジン制御装置。
  2. 作業機に作動油を供給する油圧ポンプをエンジンの出力で駆動させ、当該エンジンの燃料噴射量を実回転数と目標回転数との偏差に基づいてフィードバック制御する建設機械のエンジン制御装置であって、
    前記作業機の作動に応じて前記油圧ポンプを駆動させるのに必要な前記エンジンの出力を要求負荷として演算する要求負荷演算手段を含む車体コントローラと、
    前記要求負荷演算手段により要求負荷が演算された際に、要求負荷に応じて予め設定した燃料噴射増加量を前記エンジンの燃料噴射量に加算するフィードフォワード制御手段と、
    前記フィードフォワード制御手段により燃料噴射量が増加された際に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が所定の判定閾値を超えた場合は、演算される前記要求負荷を減少補正する要求負荷補正手段と、を備え、
    前記車体コントローラは、負荷パラメータと要求負荷の関係を予め記憶し、前記要求負荷補正手段は、前記車体コントローラに含まれると共に、実回転数のピーク値と目標回転数との偏差が前記判定閾値を超えた場合、同一の負荷パラメータに対する要求負荷が小さくなるように前記関係を補正することを特徴とする建設機械のエンジン制御装置。
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