以下、図面を参照して、本発明による作業車両の一実施の形態を説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る作業車両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、および、前輪103F等を有する前部車体110と、運転室106、機械室107、および、後輪103R等を有する後部車体105とで構成される。機械室107内には、エンジンが配設されている。
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。アーム111、アームシリンダ117、バケット112およびバケットシリンダ115は、フロント作業装置102を構成している。前部車体110と後部車体105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105に対し前部車体110が左右に屈折する。
図2はホイールローダ100の概略構成を示す図である。ホイールローダ100は、エンジン190の回転をトルクコンバータ(以下、トルコン2と記す)、トランスミッション3、プロペラシャフト4、アクスル5を介してタイヤ103に伝達する走行駆動装置(走行系)を備えている。エンジン190の出力軸にはトルコン2の入力軸が連結され、トルコン2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190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速に切り換えるクラッチを有し、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およびアクスル5等を介してタイヤ103に伝達されて、ホイールローダ100が走行する。
トルコン2は入力トルクに対して出力トルクを増大させる機能、つまりトルク比を1以上とする機能を有する。トルク比は、トルコン2の入力軸の回転速度と出力軸の回転速度の比であるトルコン速度比(=出力回転速度/入力回転速度)の増加に伴い小さくなる。たとえばエンジン回転速度が一定状態で走行中に走行負荷が大きくなると、トルコン2の出力軸の回転速度が低下、つまり車速が低下し、トルコン速度比が小さくなる。このとき、トルク比は増加するため、より大きな走行駆動力(牽引力)で走行可能となる。
トランスミッション3は、1速〜4速の各速度段に対応したソレノイド弁を有する自動変速機である。これらソレノイド弁は、メインコントローラ120からトランスミッション制御装置20へ出力される制御信号によって駆動され、トランスミッション3は制御信号に応じて変速される。
ホイールローダ100の運転室106には、アクセルペダル21が配設されている。エンジン190の回転速度は、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。エンジン回転速度が上昇すると、後述する作業装置駆動用の油圧ポンプ(以下、作業用ポンプ7と記す)および冷却ファン駆動用の油圧ポンプ(ファン用ポンプ8と記す)の回転速度が上昇し、各油圧ポンプから吐出される作動油の流量が増大する。
ホイールローダ100は、エンジン190により駆動される作業用ポンプ7と、作業用ポンプ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は作業機操作レバー(たとえばバケット操作レバーやアーム操作レバー)170の操作により駆動され、作業機操作レバー170の操作量に応じて作業用油圧シリンダ18が駆動される。つまり、作業用ポンプ7から吐出される圧油によって、フロント作業装置102が駆動される。
ホイールローダ100は、エンジン190により駆動されるファン用ポンプ8と、ファン用ポンプ8から吐出される圧油によって駆動されるファン用の油圧モータ(以下、ファンモータ11と記す)と、ファンモータ11によって回転される冷却ファン13と、ファン用ポンプ8の最高圧力を規定するリリーフ弁9と、エンジン190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、複数の熱交換器を有する熱交換器ユニットに外気(冷却風)を送風する冷却ファン13を回転させる。ファンモータ11の最高回転速度は、リリーフ弁9の設定圧により決定される。熱交換器ユニットは、熱交換器として、ラジエータ14、作動油クーラ16、作動流体クーラ15、インタークーラ31およびEGRクーラ32を備えている。
エンジン190の冷却水は、サーモスタット(不図示)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190に戻る。なお、エンジン190の冷却水は、後述するターボコントローラ140(図3(a)参照)を構成する制御基板のケーシングにも導かれ、ケーシングに設けられた冷却水通路に冷却水を通過させることで、ターボコントローラ140を冷却する。作動油は、タンク80から作業用ポンプ7で吸い上げられて吐出され、コントロールバルブ17を経由して作動油クーラ16へ流れ込み、作動油クーラ16で冷却された後、再びタンク80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。
ファン用ポンプ8から吐出される圧油(作動油)がファンモータ11に供給されると、ファンモータ11が回転し、ファンモータ11の回転軸に連結された冷却ファン13が回転する。ファンモータ11に供給された油は、タンク80に戻る。冷却ファン13が回転すると、冷却ファン13により冷却風が発生する。冷却ファン13により発生した冷却風は、ラジエータ14、作動油クーラ16、作動流体クーラ15、インタークーラ31およびEGRクーラ32に向けて送風され、冷却風との熱交換によりエンジン190の冷却水、作動油、作動流体、後述する過給機50で過給された空気、および、EGRガスが冷却される。
リリーフ弁9は、ファン用ポンプ8の吐出側管路とタンク80への戻り側管路との間に介装され、ファンモータ11の入口側圧力(モータ駆動圧)であるファン用ポンプ8の吐出側圧力を制限する。ファン用ポンプ8から吐出される作動油の流量は、エンジン190の回転速度により決定される。冷却ファン13の回転速度、すなわちファンモータ11の回転速度は、ファンモータ11へ供給される作動油の流量で決定される。このため、冷却ファン13の回転速度は、エンジン190の回転速度によって決定される。
図3(a)は、エンジン190の制御系の構成を示す図である。図3(a)に示すように、エンジン190には、エンジン190から排出される排気ガスが通過する排気管と、エンジン190に供給される吸入空気が通過する吸気管とが接続されている。また、エンジン190には、排気通路から分岐され、排気ガスの一部(以下、EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスと記す)を吸気系(圧縮機52の下流側)に導くEGR管が接続されている。
本実施の形態に係るホイールローダ100のエンジンシステムは、過給を行う過給機(ターボチャージャー)50を備えている。過給機50は、排気管に配置されたタービン51と、吸気管に配置された圧縮機52とを備えている。タービン51と圧縮機52とは機械的に連結されている。タービン51は、複数のタービン翼が回転軸に放射状に設けられており、エンジン190の排気部から排出された排気ガスのエネルギーによって回転駆動される。圧縮機52は、複数の圧縮機インペラが回転軸に放射状に設けられており、タービン51により回転駆動されることで、外部から吸入された空気を圧縮して、エンジン190の吸気部(エンジンシリンダ)に供給する、すなわち、過給する。
タービン51には、タービン翼に排気を導く入口の面積を変更可能な複数のノズルベーンを備えたノズルベーン機構59が開口面積調整機構として設けられている。ノズルベーンの開度は、ターボアクチュエータ145によって調整される。ターボアクチュエータ145は、エンジン190の運転状態に基づいてターボコントローラ140によって生成される制御信号により駆動される。つまり、本実施の形態に係る過給機50は、ノズルベーンの開度を調節し、タービン51に流入するガスの流速を変化させることで、過給圧を変更可能な可変容量式のターボチャージャとして構成されている。
ノズルベーンの開度が変更されると、過給機50の回転速度が調節され、エンジン190の運転状態に応じた過給圧および排圧が得られる。過給圧とエンジンの排圧を制御することで、EGR率を高めることができ、燃焼時に発生する窒素酸化物の生成を抑制できる。ターボコントローラ140は、エンジン190の低回転時には、ノズルベーンの開度を絞ることで、タービン翼に流入するガスの流速を高め、過給機50の回転速度を上昇させて、エンジン190の過渡応答性を向上できる。
吸気口191(図1参照)から取り入れられた空気は、エアクリーナ(不図示)を介して過給機50へ供給されて過給される。過給機50で過給された空気は、インタークーラ31に送られ、インタークーラ31で冷却され、エンジン190の吸気部に供給される。エンジン190の排気部から排出される排気ガスは、過給機50を経由した後、図示しない排気装置に送られ、排気装置で浄化、および音量が抑制された後、テールパイプ199(図1参照)から大気中に排出される。なお、EGRガスは、EGRクーラ32に送られ、EGRクーラ32で冷却された後、エンジン190の吸気部に供給(再循環)される。
エンジン190は、オールスピードガバナ付きの燃料噴射装置135により燃料噴射量が制御される。燃料噴射装置135は、エンジンコントローラ130から出力される制御信号により制御される。
メインコントローラ120、エンジンコントローラ130およびターボコントローラ140は、それぞれCPUやROM,RAM等の記憶装置、その他の周辺回路などを有する演算処理装置が実装された制御基板を備えている。
図2および図3に示すように、メインコントローラ120には、アクセル操作量検出器21a(図2参照)、車速センサ24(図2参照)、基板温度センサ132(図3参照)等の各種センサが接続されている。また、メインコントローラ120には、エンジンコントローラ130およびターボコントローラ140が接続され、コントローラ間で各種情報の授受が行われる。
図2に示すように、アクセル操作量検出器21aは、アクセルペダル21のペダル操作量(ペダルストロークまたはペダル角度)を検出し、検出した情報をメインコントローラ120に出力する。車速センサ24は、ホイールローダ100(すなわち、自車両)の走行速度(以下、車速と記す)を検出し、検出した情報をメインコントローラ120に出力する。
図3(a)に示すように、基板温度センサ132は、ターボコントローラ140を構成する制御基板に実装され、制御基板の温度(以下、基板温度Ttと記す)を検出し、検出した情報をメインコントローラ120に出力する。
図3(b)は、メインコントローラ120の機能ブロック図である。図3(b)に示すように、メインコントローラ120は、目標速度設定部121と、出力トルク選択部122と、第1報知制御部123と、第2報知制御部124と、基板温度判定部125と、作業装置駆動判定部126と、を機能的に備えている。
目標速度設定部121は、アクセル操作量検出器21aで検出したアクセルペダル21のペダル操作量に応じてエンジン190の目標エンジン回転速度Ntを設定する。図4は、アクセルペダル21の操作量Sと目標エンジン回転速度Ntの関係を示す図である。
メインコントローラ120の記憶装置には、図4に示すアクセルペダル21の操作量Sに対する目標エンジン回転速度Ntの特性のテーブルTnが記憶されている。目標速度設定部121(図3(b)参照)は、テーブルTnを参照し、アクセル操作量検出器21aで検出された操作量Sに基づいて目標エンジン回転速度Ntを設定する。
アクセルペダル21の非操作時(0%)の目標エンジン回転速度Ntはローアイドル回転速度NLに設定される。アクセルペダル21のペダル操作量Sの増加に伴い目標エンジン回転速度Ntは増加する。ペダル最大踏み込み時(100%)の目標エンジン回転速度Ntはハイアイドル回転速度NHとなる。つまり、目標エンジン回転速度Ntは、アクセルペダル21を操作することにより、ローアイドル回転速度NL(たとえば、800rpm程度)とハイアイドル回転速度NH(たとえば、2000rpm程度)の間で変更可能である。
図3(a)に示すように、メインコントローラ120は、設定した目標エンジン回転速度Ntに対応した制御信号をエンジンコントローラ130に出力する。エンジンコントローラ130には、エンジン190の実回転速度を検出する回転速度センサ131が接続されている。エンジンコントローラ130は、回転速度センサ131で検出されたエンジン190の実エンジン回転速度と、メインコントローラ120からの目標エンジン回転速度Ntとを比較して、エンジン190の実エンジン回転速度を目標エンジン回転速度Ntに近づけるために燃料噴射装置(ガバナ)135を制御する。
図5は、ホイールローダ100のトルク線図であり、アクセルペダル21を最大に踏み込んだときのエンジン回転速度とトルクの関係を示しており、エンジン出力トルク特性、作業用ポンプ入力トルク特性(ポンプ吸収トルク特性)、および、トルコン入力トルク特性を示している。メインコントローラ120の記憶装置には、複数のエンジン出力トルク特性A0,A1,A2と、作業用ポンプ入力トルク特性Bがルックアップテーブル形式で記憶されている。後述するように、特性A0はターボコントローラ140の基板温度Ttが第1温度未満(非制限モード)のときに用いられ、特性A1はターボコントローラ140の基板温度Ttが第1温度閾値Tt1以上かつ第2温度閾値Tt2未満(第1制限モード)のときに用いられ、特性A2はターボコントローラ140の基板温度Ttが第2温度閾値Tt2以上(第2制限モード)のときに用いられる。なお、第1温度閾値Tt1と第2温度閾値Tt2の大小関係は、Tt1<Tt2である。
エンジン出力トルク特性A0,A1,A2は、それぞれエンジン回転速度と最大エンジン出力トルクとの関係を示している。エンジンコントローラ130は、設定されるエンジン出力トルク特性に基づいて、燃料噴射装置135を制御する。なお、最大エンジン出力トルクとは、各回転速度において、エンジン190が出力可能な最大のトルクを意味する。エンジン出力トルク特性(最大トルク線)で規定される領域は、エンジン190が出し得る性能を示している。ホイールローダに搭載されるエンジンは、定格点(定格最高トルク)P0を超える回転速度領域では、急激にトルクが低減するドループ特性を有している。図中、ドループ線は、定格点とポンプ無負荷状態におけるエンジン最高回転速度とを結ぶ直線により定義される。ホイールローダでは、このようなエンジン出力トルク特性を利用してマッチング制御を行い、後述するマッチング点でエンジン190および作業用ポンプ7が運転される。
図5(a)に示すように、エンジン出力トルク特性A0では、エンジン回転速度が最低回転速度(ローアイドル回転速度)NL以上Nv0以下の範囲においてエンジン回転速度の上昇に応じてトルクが増加し、エンジン回転速度がNv0のときに、特性A0におけるトルクの最大値となる(最大トルク点Tm0)。なお、ローアイドル回転速度とは、アクセルペダル21の非操作時のエンジン回転速度である。エンジン出力トルク特性A0では、エンジン回転速度がNv0より大きくなると、エンジン回転速度の上昇に応じてトルクが減少し、定格点P0に達すると、定格出力が得られる。エンジン回転速度が定格点P0における定格回転速度を超えて上昇すると、急激にトルクが減少する。
図5(b)に示すように、エンジン出力トルク特性A1は、エンジン回転速度が最低回転速度NL以上閾値Nq1以下の範囲では特性A0と同一の特性である。エンジン出力トルク特性A1では、エンジン回転速度が閾値Nq1より大きくなると、エンジン回転速度の上昇に応じたトルクの増加率が、特性A0に比べて減少する。エンジン出力トルク特性A1では、エンジン回転速度がNv0よりも小さいNv1のときに(Nv1<Nv0)、特性A1におけるトルクの最大値となる(最大トルク点Tm1)。エンジン出力トルク特性A1では、エンジン回転速度がNv1より大きくなると、エンジン回転速度の上昇に応じてトルクが減少する。閾値Nq1は、最低回転速度(ローアイドル回転速度)NLよりも大きく、最大トルク点Tm1におけるエンジン回転速度Nv1よりも小さい値が設定される(NL<Nq1<Nv1)。
図5(c)に示すように、エンジン出力トルク特性A2は、エンジン回転速度が最低回転速度NL以上閾値Nq2以下の範囲では特性A0と同一の特性である。エンジン出力トルク特性A2では、エンジン回転速度が閾値Nq2より大きくなると、エンジン回転速度の上昇に応じたトルクの増加率が、特性A0に比べて減少する。エンジン出力トルク特性A2では、エンジン回転速度がNv1よりも小さいNv2のときに(Nv2<Nv1)、特性A2におけるトルクの最大値となる(最大トルク点Tm2)。エンジン出力トルク特性A2では、エンジン回転速度がNv2より大きくなると、エンジン回転速度の上昇に応じてトルクが減少する。閾値Nq2は、最低回転速度(ローアイドル回転速度)NLよりも大きく、最大トルク点Tm2におけるエンジン回転速度Nv2よりも小さい値が設定される(NL<Nq2<Nv2)。なお、閾値Nq2は閾値Nq1よりも小さい(Nq2<Nq1)。また、閾値Nq2は、少なくとも最低回転速度NLにα(α=200〜300rpm)を加算したエンジン回転速度よりも大きい値を設定することが好ましい(Nq2>NL+α)。
作業用ポンプ入力トルク特性Bは、エンジン回転速度と最大ポンプ入力トルク(最大ポンプ吸収トルク)の関係を示している。作業用ポンプ7は固定容量型ポンプであるため、作業用ポンプ入力トルク特性Bはエンジン回転速度にかかわらず一定値となる。
トルコン入力トルク特性Cは、トルコン速度比eが所定値e1(0<e1<1)のときのトルコン2の入力トルク(以下、トルコン入力トルクと記す)の特性を代表して示している。トルコン入力トルクは、トルコン入力軸の回転速度Niの2乗に比例して増加し、図5(a)の矢印で示すように、トルコン速度比eが大きいほど小さくなる。特性A0,A1,A2のそれぞれと特性Cとの交点MC0,MC1,MC2および特性A0と特性Bとの交点MB0、特性A1と特性Bとの交点MB1、特性A2と特性Bとの交点MB2は、マッチング点である。
フロント作業装置(作業系)102を作動させずに走行駆動装置(走行系)を作動させている状態(以下、走行系単独動作状態と記す)でのエンジン出力トルクおよびトルコン入力トルクは、交点MC0,MC1,MC2の値となる。マッチング点MC0におけるエンジン回転速度NC0、マッチング点MC1におけるエンジン回転速度NC1、および、マッチング点MC2におけるエンジン回転速度NC2の大小関係は、NC2<NC1<NC0となる。
走行駆動装置(走行系)を作動させずにフロント作業装置(作業系)102を作動させている状態(以下、作業系単独動作状態と記す)でのエンジン出力トルクおよびポンプ吸収トルクは、交点MB0,MB1,MB2の値となる。マッチング点MB0におけるエンジン回転速度NB0、マッチング点MB1におけるエンジン回転速度NB1、および、マッチング点MB2におけるエンジン回転速度NB2の大小関係は、NB2<NB1<NB0となる。
図3(b)に示す基板温度判定部125は、基板温度センサ132で検出された基板温度Ttが、第1温度閾値Tt1未満であるか否かを判定する。基板温度Ttが第1温度閾値Tt1未満である場合、すなわち基板温度Ttが十分に低い場合、基板温度判定部125は、非制限モードを設定する。基板温度判定部125は、基板温度Ttが、第1温度閾値Tt1以上かつ第2温度閾値Tt2未満であるか否かを判定する。基板温度Ttが第1温度閾値Tt1以上かつ第2温度閾値Tt2未満である場合、基板温度判定部125は、第1制限モードを設定する。基板温度判定部125は、基板温度Ttが、第2温度閾値Tt2以上であるか否かを判定する。基板温度Ttが第2温度閾値Tt2以上である場合、基板温度判定部125は、第2制限モードを設定する。第1温度閾値Tt1および第2温度閾値Tt2の情報は、メインコントローラ120の記憶装置に予め記憶されている。
出力トルク選択部122は、基板温度判定部125の判定結果、すなわち基板温度判定部125により設定されるモードに基づいてエンジン出力トルク特性を選択する。出力トルク選択部122は、非制限モードが設定されている場合、エンジン出力トルク特性A0(図5(a)参照)を選択する。出力トルク選択部122は、第1制限モードが設定されている場合、エンジン出力トルク特性A1(図5(b)参照)を選択する。出力トルク選択部122は、第2制限モードが設定されている場合、エンジン出力トルク特性A2(図5(c)参照)を選択する。
第1温度閾値Tt1は、エンジン190の出力トルクの制限を行わない非制限温度帯の上限値、すなわちエンジン190の出力トルクの第1制限モードにおけるトルク制限を行う第1制限実行温度帯の下限値に相当する温度であり、たとえば、110℃程度とされている。第2温度閾値Tt2は、第1制限実行温度帯の上限値、すなわちエンジン190の出力トルクの第2制限モードにおけるトルク制限を行う第2制限実行温度帯の下限値に相当する温度であり、第1温度閾値Tt1よりも高い温度、たとえば、125℃程度とされている。
図6は、土砂等をダンプトラックへ積み込む方法の1つであるVシェープローディングについて示す図である。図7は、ホイールローダ100による掘削作業を示す図である。図6に示すように、Vシェープローディングでは、矢印aで示すように、ホイールローダ100を土砂等の地山150に向かって前進させる。
図7に示すように、地山150にバケット112を突入し、バケット112を操作してからアーム111を上げ操作する、あるいはバケット112とアーム111を同時に操作しながら最後にアーム111のみを上げ操作して掘削作業を行う。
掘削作業が終了すると、図6の矢印bで示すように、ホイールローダ100を一旦後退させる。矢印cで示すように、ダンプトラックに向けてホイールローダ100を前進させて、ダンプトラックの手前で停止し、すくい込んだ土砂等をダンプトラックに積み込み、矢印dで示すように、ホイールローダ100を元の位置に後退させる。以上が、Vシェープローディングによる掘削、積み込み作業の基本的な動作である。
上記した掘削、積み込み作業中、たとえば、図6の矢印bで示すように、後進中のホイールローダを矢印cで示すように前進させる際に、運転者はアクセルペダル21を戻し操作し、図示しない前後進切換操作部材(スイッチまたはレバー)を後進から前進に切り換え操作して、アクセルペダル21を踏み込み操作する。さらに、ダンプトラックでの積み込み作業を考え、後進から前進への移行の際にアーム操作レバーを上げ側に操作してアーム111を上昇させることもある。後進から前進への移行の際には、後方への車体の慣性エネルギーが、トルクコンバータ2を介してエンジン190に負荷として作用する。このため、前後進切換操作部材を切り換え操作したときに、車体およびフロント作業装置102を駆動させるために必要なエンジン出力トルクが不足してエンジンストールが起こりやすい。
本実施の形態では、図5に示す特性A0,A1,A2のようにエンジン出力トルク特性を基板温度Ttに応じて変更し、エンジン出力トルク特性におけるトルクの最大値は減少させるが(最大トルク点Tm0,Tm1,Tm2)、上述したように、エンジン回転速度が低回転速度域にあるときには、すべての特性A0,A1,A2において、エンジン回転速度に対するエンジン出力トルク特性を同一としている。
図5(b)に示すように、第1制限モードで選択されるエンジン出力トルク特性A1は、エンジン回転速度が最低回転速度NL以上閾値Nq1以下の範囲ではエンジン出力トルク特性A0と同じ特性としている。つまり、回転速度センサ131で検出されたエンジン190の実回転速度が閾値Nq1以下である場合、基板温度Ttにかかわらず、エンジン190の出力トルクを低下させない。また、図5(c)に示すように、第2制限モードで選択されるエンジン出力トルク特性A2は、エンジン回転速度が最低回転速度NL以上閾値Nq2以下の範囲ではエンジン出力トルク特性A0と同じ特性としている。つまり、回転速度センサ131で検出されたエンジン190の実回転速度が閾値Nq2以下である場合、基板温度Ttにかかわらず、エンジン190の出力トルクを低下させない。これにより、基板温度Ttの上昇に応じて各エンジン出力トルク特性におけるトルク最大値(最大トルク点Tm0,Tm1,Tm2におけるトルク値)を減少させることができるとともに、エンジン回転速度が低回転速度域にあるときにはエンジン出力が低下することを防止できる。低回転速度域におけるエンジン出力の低下を防止することで、たとえば後進から前進への移行の際のエンジンストールを防止できる。
トルク最大値を減少させることで、エンジン190に大きな負荷が作用することを直接的に低減できる。さらに、ホイールローダ100の加速性や最高車速、フロント作業装置102の動作速度が低下するので、作業時間(サイクルタイム)が長くなり、エンジン190の負荷を低減できる。本実施の形態によれば、エンジン負荷を効果的に低減できるので、ターボコントローラ140を構成する制御基板の基板温度Ttを効果的に低下することができる。
図2に示すように、メインコントローラ120には、作業機操作レバー170の操作量を検出するレバー操作量センサ170aが接続されている。レバー操作量センサ170aは、作業機操作レバー170の操作量を検出し、検出信号をメインコントローラ120に出力する。なお、レバー操作量センサ170aは、作業機操作レバー170が、油圧パイロット式のレバーである場合、作業機操作レバー170のパイロット弁で出力されるパイロット圧を検出する圧力センサにより構成できる。
図3(b)に示す作業装置駆動判定部126は、レバー操作量センサ170aで検出された操作量に基づいて、フロント作業装置102が駆動しているか否かを判定する。作業装置駆動判定部126は、レバー操作量センサ170aで検出された操作量が、操作量閾値未満である場合には、フロント作業装置102が駆動していないと判定し、検出された操作量が、予め定めた操作量閾値以上になった場合に、フロント作業装置102が駆動していると判定する。操作量閾値は、たとえば、コントロールバルブ17のスプールが動作を開始するパイロット圧とされる。
図3に示すように、メインコントローラ120には、表示装置160が接続されている。表示装置160は、たとえば、液晶モニタなどを有し、メインコントローラ120から出力される制御信号に基づいて、モニタ画面に表示する表示画像を生成する。
第1報知制御部123は、第1制限モードまたは第2制限モードが設定されている場合、表示装置160のモニタ画面上に第1表示アイコン161を表示させる。なお、第1報知制御部123は、非制限モードが設定されている場合、表示装置160による第1表示アイコン161の表示を行わない。第1表示アイコン161は、基板温度Ttの上昇により、エンジン出力トルクの制限が行われていることを表すアイコンである。なお、第1制限モードと第2制限モードの区別をつけるために、第1報知制御部123は、第1制限モードでは第1表示アイコン161を点灯表示させ、第2制限モードでは第1表示アイコン161を点滅表示させる。
第2報知制御部124は、第1制限モードまたは第2制限モードが設定されている場合であって、かつ、作業装置駆動判定部126によりフロント作業装置102が駆動していると判定されている場合に、表示装置160のモニタ画面上に第2表示アイコン162を表示させる。第2報知制御部124は、非制限モードが設定されている場合や、作業装置駆動判定部126によりフロント作業装置102が駆動していないと判定されている場合には、表示装置160による第2表示アイコン162の表示を行わない。第2表示アイコン162は、エンジン出力トルクの制限が行われている状態でフロント作業装置102が駆動されていることを表すアイコンである。つまり、第2表示アイコン162は、ターボコントローラ140の基板温度Ttの上昇に起因して、フロント作業装置102の動作速度に制限がかかっている状態であることを表すアイコンである。第2表示アイコン162は、第1表示アイコン161とは異なる位置に表示される。
以下、エンジン190の出力トルクの制限制御および制限状態の表示制御を、図8のフローチャートを用いて説明する。図8は、メインコントローラ120によるエンジン190の出力トルクの制限制御処理および制限状態表示処理の動作を示したフローチャートである。イグニッションスイッチ(不図示)がオンされると、図示しない初期設定が行われた後、図8に示す処理を行うプログラムが起動され、メインコントローラ120により、所定の制御周期で繰り返し実行される。
ステップS100において、メインコントローラ120は、基板温度センサ132で検出されたターボコントローラ140を構成する制御基板の基板温度Ttの情報、および、レバー操作量センサ170aで検出した作業機操作レバー170のレバー操作量の情報を読み込んで、記憶装置に記憶させ、ステップS110へ進む。
ステップS110において、メインコントローラ120は、基板温度Ttが第1温度閾値Tt1以上であるか否かを判定する。ステップS110で否定判定されるとステップS130へ進み、ステップS110で肯定判定されるとステップS140へ進む。
ステップS130において、メインコントローラ120は、非制限モードを設定し、ステップS190へ進む。非制限モードが設定されると、メインコントローラ120は、記憶装置からエンジン出力トルク特性A0を選択する。また、メインコントローラ120は、表示装置160のモニタ画面上の第1表示アイコン161を消灯する。ステップS190において、メインコントローラ120は、表示装置160のモニタ画面上の第2表示アイコン162を消灯して、図8のフローチャートに示す処理を終了する。
ステップS140において、メインコントローラ120は、基板温度Ttが第2温度閾値Tt2以上であるか否かを判定する。ステップS140で否定判定されるとステップS150へ進み、ステップS140で肯定判定されるとステップS160へ進む。
ステップS150において、メインコントローラ120は、第1制限モードを設定し、ステップS170へ進む。第1制限モードが設定されると、メインコントローラ120は、記憶装置からエンジン出力トルク特性A1を選択する。また、メインコントローラ120は、第1表示アイコン161を表示装置160のモニタ画面上に点灯表示させる。
ステップS160において、メインコントローラ120は、第2制限モードを設定し、ステップS170へ進む。第2制限モードが設定されると、メインコントローラ120は、記憶装置からエンジン出力トルク特性A2を選択する。また、メインコントローラ120は、第1表示アイコン161を表示装置160のモニタ画面上に点滅表示させる。
ステップS170において、メインコントローラ120は、フロント作業装置102が駆動しているか否かを判定する。ステップS170で肯定判定されるとステップS180へ進み、ステップS170で否定判定されるとステップS190へ進む。
ステップS180において、メインコントローラ120は、第2表示アイコン162を表示装置160のモニタ画面上に点灯表示させ、図8のフローチャートに示す処理を終了する。上述したように、ステップS190において、メインコントローラ120は、表示装置160のモニタ画面上の第2表示アイコン162を消灯して、図8のフローチャートに示す処理を終了する。
本実施の形態の動作をまとめると次のようになる。
基板温度Ttが第1温度閾値Tt1未満の場合、エンジン190の出力トルクは制限されない(図5(a)参照)。負荷の高い作業(たとえば、Vシェープローディング)が長時間に亘って繰り返し行われると、過給機50の温度、すなわちタービン51や圧縮機52等の温度が上昇する。タービン51や圧縮機52等で発生した熱は、タービン51や圧縮機52等を収容するケーシングやターボアクチュエータ145を介してターボコントローラ140を構成する制御基板に伝えられる。ターボコントローラ140を構成する制御基板の基板温度Ttが第1温度閾値Tt1以上になると、エンジン190の出力トルクが制限される(図5(b)参照)。さらに、基板温度Ttが上昇し、第2温度閾値Tt2以上になると、エンジン190の出力トルクがさらに制限される(図5(c)参照)。
図5に示すように、走行系単独動作状態では、マッチング点MC0,MC1,MC2におけるエンジン190の回転速度の差(NC0−NC1やNC1−NC2)が小さい。このため、非制限モードから第1制限モードに移行した場合や、第1制限モードから第2制限モードに移行した場合に、走行性能に大きな変化が表れない。このため、運転者は、走行動作からエンジン190の出力トルクが制限されている状態であることを認識できない場合がある。しかしながら、本実施の形態では、表示装置160のモニタ画面上に、第1制限モードが設定されている場合には、第1表示アイコン161が点灯表示され、第2制限モードが設定されている場合には、第1表示アイコン161が点滅表示される。
このため、運転者は、表示装置160による報知(第1表示アイコン161の表示)により、現在、エンジン190の出力トルクが制限されている状態であることを認識することができる。運転者は、掘削、荷役等の作業のペースを落とすなどして、エンジン190の負荷を低減し、積極的に基板温度Ttの低減を図ることができる。なお、第1制限モードや第2制限モードにおいても、走行系単独動作状態における走行性能は非制限モードとほぼ同等であるので、支障なく走行、移動が可能である。このため、運転者は、ホイールローダ100を駐車場所等に速やかに移動させて、ホイールローダ100を休ませることで、ターボコントローラ140の基板温度Ttを低下させることもできる。
図9は、ホイールローダ100のトルク線図であり、図5のトルク線図に特性D3,D4,D5を追記したものである。特性D3は、特性A0から特性Bで表されるポンプ吸収トルク分だけ差し引いた特性であり、特性D4は、特性A1から特性Bで表されるポンプ吸収トルク分だけ差し引いた特性であり、特性D5は、特性A2から特性Bで表されるポンプ吸収トルク分だけ差し引いた特性であり、それぞれ走行系で使用可能なエンジン出力トルクである。
本実施の形態においてフロント作業装置(作業系)102と走行駆動装置(走行系)とを複合して作動している状態(以下、複合動作状態と記す)でのエンジン回転速度は、各モードで次のようになる。非制限モードでの複合動作状態では、トルコン入力トルクおよびエンジン回転速度は、マッチング点MC3の値となる。第1制限モードでの複合動作状態では、トルコン入力トルクおよびエンジン回転速度は、マッチング点MC4の値となる。第2制限モードでの複合動作状態では、トルコン入力トルクおよびエンジン回転速度は、マッチング点MC5の値となる。マッチング点MC3におけるエンジン回転速度NC3、マッチング点MC4におけるエンジン回転速度NC4、および、マッチング点MC5におけるエンジン回転速度NC5の大小関係は、NC5<N4<NC3となる。
作業系単独動作状態(図5参照)や複合動作状態(図9参照)では、走行系単独動作状態(図5参照)に比べて、エンジン190の回転速度の差が大きい。このため、非制限モードから第1制限モードに移行した場合や、第1制限モードから第2制限モードに移行した場合に、走行性能や作業性能に大きな変化が表れる。各動作状態における非制限モード時のエンジン回転速度と第1制限モード時のエンジン回転速度の差の大小関係は、(NC0−NC1)<(NB0−NB1),(NC0−NC1)<(NC3−NC4)となる。また、各動作状態における第1制限モード時のエンジン回転速度と第2制限モード時のエンジン回転速度の差の大小関係は、(NC1−NC2)<(NB1−NB2),(NC1−NC2)<(NC4−NC5)となる。このため、作業系単独動作状態(図5参照)や複合動作状態(図9参照)では、運転者は、アーム111やバケット112の動作速度が急に低下したことや、加速性や最高車速が急に低下したことを認識する。ここで、仮に、運転者が作業性能や走行性能の急低下の原因がわからない場合、直ちに作業を中断し、原因を調査するために、長時間を要してしまうおそれがある。
本実施の形態では、ターボコントローラ140の基板温度Ttの上昇に起因して、フロント作業装置102の動作速度に制限がかかっている状態であることを表す第2表示アイコン162が表示装置160のモニタ画面上に表示されている。このため、運転者は、作業性能や走行性能の低下について、故障が原因ではないことを認識でき、適切な操作を行うことができる。
本実施の形態によれば、エンジン190の出力トルクが制限される。このため、走行駆動装置およびフロント作業装置102を動作させる際、エンジン190に大きな負荷が作用することが防止される。また、作業系単独動作状態や複合動作状態ではフロント作業装置102の動作速度が大きく低下し、複合動作状態ではホイールローダ100の加速性や最高車速が大きく低下するので、作業のサイクル時間が長くなる。その結果、エンジン負荷が低下し、ターボコントローラ140を構成する制御基板の基板温度Ttが低下する。
基板温度Ttが第1温度閾値Tt1未満になると、メインコントローラ120は、エンジン出力トルク特性A0を選択する。換言すれば、基板温度Ttが第1温度閾値Tt1未満になると、メインコントローラ120は、エンジン出力トルクの制限を解除して、エンジン190の状態を制限状態から非制限状態に復帰させる。
上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)ホイールローダ100は、エンジン190からタービン51への排気ガスの流路の開口面積を調節することで過給圧を変更可能な可変容量式の過給機50と、作業用ポンプ7から吐出される圧油によって駆動されるフロント作業装置102とを備えている。過給機50はターボコントローラ140により制御され、ターボコントローラ140の基板温度Ttは基板温度センサ132により検出される。メインコントローラ120は、基板温度Ttが第1温度閾値Tt1よりも高いときには、第1温度閾値Tt1よりも低いときに比べて、エンジン190の出力トルクを低く制限する。
エンジン190の出力トルクが制限されると、エンジン190に大きな負荷が作用することが防止される。また、エンジン190の出力トルクが制限されると、作業用ポンプ7の吐出量が低下するため、作業用油圧シリンダ18の動作速度の最大値に制限がかかり、フロント作業装置102の動作速度(すなわち、作業速度)が遅くなる。つまり、フロント作業装置102に所定の動作を行わせる際、動作の開始から終了までの動作時間が長くなる。さらに、エンジン190の出力トルクが制限されると、複合動作状態において、ホイールローダ100の車速や加速性も制限されるので、作業現場におけるホイールローダ100の移動時間が長くなる。
これにより、作業のサイクル時間が長くなり、エンジン負荷が低下するので、過給機50の熱負荷が低減し、ターボコントローラ140を構成する制御基板の基板温度Ttを低下させることができる。ターボコントローラ140を構成する制御基板の基板温度Ttの温度上昇を抑制することができるので、ターボコントローラ140の寿命を向上できる。この結果、長期に亘って、排ガス規制を満足することができる。
(2)ところで、作業車両では、作業の中断を極力回避することが強く要望されている。ターボコントローラ140の基板温度Ttが第2温度閾値Tt2よりも高い状態であってもエンジン190の出力トルクが制限されない場合、高負荷作業を継続することにより、基板温度Ttが高温となり、ターボコントローラ140が故障し、過給圧を適切に制御できないおそれがある。その結果、ホイールローダ100の作業を中断し、修理を行う必要が生じる。本実施の形態では、第1または第2制限モードが設定された状態では、非制限モードが設定された状態に比べて、作業のサイクル時間が長くなることになるが、作業が中断されることを回避することができる。
(3)メインコントローラ120は、エンジン190の出力トルクを制限した後、ターボコントローラ140を構成する制御基板の基板温度Ttが第1温度閾値Tt1よりも低くなったときに、上記制限を解除する。これにより、ターボコントローラ140の温度が低下すれば、自動で非制限状態に復帰し、通常のサイクル時間で作業を行うことができるので、作業効率を向上できる。
(4)表示装置160は、ターボコントローラ140を構成する制御基板の基板温度Ttが第1温度閾値Tt1よりも高いときに、メインコントローラ120からの制御信号に基づき、第1表示アイコン161を点灯表示する、第1の報知を行う。第1の報知により、負荷の高い作業を継続して行うと、基板温度Ttが上昇してしまうことを運転者に知らせることで、運転者に対して注意を喚起させることができる。運転者は、表示装置160による報知(第1表示アイコン161の表示)により、現在、エンジン190の出力トルクが制限されている状態であることを認識することができる。その結果、運転者は、その後の作業において、掘削、荷役等の作業のペースを落とすなどして、エンジン190の負荷を低減し、積極的に、基板温度Ttの低減を図ることができる。
(5)表示装置160は、ターボコントローラ140を構成する制御基板の基板温度Ttが第1温度閾値Tt1よりも高い場合であって、フロント作業装置102が駆動しているときに、上述の第1の報知とは異なる第2の報知として、第2表示アイコン162を点灯表示させる。これにより、運転者は、フロント作業装置102の動作速度の低下の原因は、故障ではないことを認識でき、慌てることなく適切な操作を行うことができる。
(6)基板温度Ttが上昇して非制限モードから第1制限モードに変化した場合であっても、エンジン190の実回転速度が閾値Nq1以下では、基板温度Ttにかかわらず、エンジン190の出力トルクを低下させないようにした。基板温度Ttが上昇して第1制限モードから第2制限モードに変化した場合であっても、エンジン190の実回転速度が閾値Nq2以下では、基板温度Ttにかかわらず、エンジン190の出力トルクを低下させないようにした。これにより、エンジン190が低回転速度域で回転している状態におけるエンジンストールを防止することができる。たとえば、後進から前進への移行の際におけるエンジンストールを防止することができる。
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)
上述した実施の形態では、第1または第2制限モードが設定されていることを報知する第1の報知装置を、メインコントローラ120と表示装置160とにより構成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。表示装置160に代えて、または、表示装置160に加えて、音声出力装置を第1の報知装置として構成してもよい。この場合、第1または第2制限モードが設定されると、メインコントローラ120からの制御信号に基づいて、音声出力装置が音声案内やビープ音を出力することで、ターボコントローラ140の温度上昇に起因してエンジン出力トルクの制限が行われていることを報知する。
(変形例2)
上述した実施の形態では、第1または第2制限モードが設定されている状態で、フロント作業装置102が動作した場合に、フロント作業装置102の動作速度が制限されていることを報知する第2の報知装置を、メインコントローラ120と表示装置160とにより構成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。表示装置160に代えて、または、表示装置160に加えて、音声出力装置を第2の報知装置として構成してもよい。この場合、第1または第2制限モードが設定されているときにフロント作業装置102が駆動されると、メインコントローラ120からの制御信号に基づいて、音声出力装置が音声案内やビープ音を出力することで、ターボコントローラ140の温度上昇に起因してフロント作業装置102の動作速度が制限されていることを報知する。
(変形例3)
上述した実施の形態では、過給圧を制御する過給機50として、排気側に開口面積を変更可能なノズルベーン機構59を設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されない。吸気側に開口面積を変更可能な開口面積調整機構を設け、ターボコントローラ140により開口面積調整機構を制御して吸入空気の流量を調整することで、過給圧を変更できるようにしてもよい。排気側および吸気側の両者に、開口面積を変更可能な開口面積調整機構を設けてもよい。なお、開口面積調整機構は、ノズルベーン機構59に限定されない。たとえば、流量制御弁の開閉により流量を制御してもよい。
(変形例4)
上述した実施の形態では、エンジン190の出力トルクを制限するために用いたターボコントローラ140の温度として、制御基板に実装された基板温度センサ132で検出された基板温度Ttを採用する例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、ターボコントローラ140を構成する制御基板を収容するケーシングの温度をターボコントローラ140の温度として採用してもよい。
(変形例5)
エンジン出力トルク特性は、上述した実施の形態で説明した特性に限定されない。たとえば、図10に示すように、第1制限モード設定時に選択されるエンジン出力トルク特性A11は、エンジン回転速度が最低回転速度NL以上閾値Nq11以下の範囲では特性A0と同一の特性である。エンジン出力トルク特性A11では、エンジン回転速度が閾値Nq11より大きくなると、エンジン回転速度の上昇に応じてトルクが減少する。エンジン出力トルク特性A11では、閾値Nq11において、特性A11におけるトルクの最大値となる(最大トルク点Tm11)。閾値Nq11は、最低回転速度NLに200〜300rpmを加算した値よりも大きく、特性A0の最大トルク点Tm0におけるエンジン回転速度Nv0よりも小さい値が設定される。
第2制限モード設定時に選択されるエンジン出力トルク特性A12は、エンジン回転速度が最低回転速度NL以上閾値Nq12以下の範囲では特性A0と同一の特性である。エンジン出力トルク特性A12では、エンジン回転速度が閾値Nq12より大きくなると、エンジン回転速度の上昇に応じてトルクが減少する。エンジン出力トルク特性A12では、閾値Nq12において、特性A12におけるトルクの最大値となる(最大トルク点Tm12)。閾値Nq12は、最低回転速度NLに200〜300rpmを加算した値よりも大きく、特性A0の最大トルク点Tm0におけるエンジン回転速度Nv0よりも小さい値が設定される。なお、閾値Nq12は、閾値Nq11よりも小さい。
(変形例6)
上述した実施の形態では、ターボコントローラ140をエンジン190の冷却水で冷却する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。ターボコントローラ140を冷却する冷却ファン(不図示)を設けてもよい。
(変形例7)
第1および第2の実施の形態では、エンジン出力トルク特性A0,A1,A2をテーブル形式で記憶装置に記憶させる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。テーブルに代えて、関数形式で同様の特性を記憶させておいてもよい。
(変形例8)
上述した実施の形態では、レバー操作量センサ170aで検出された作業機操作レバー170の操作量に基づいて、フロント作業装置102が駆動しているか否かを判定する例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、作業用ポンプ7の吐出圧を検出し、吐出圧が所定値以上となった場合に、フロント作業装置102が駆動していると判定してもよい。作業用ポンプ7の入力トルクに基づいて、フロント作業装置102が駆動しているか否かを判定してもよい。
(変形例9)
上述した実施の形態では、本発明をホイールローダに適用する例を説明したが、ホイールショベルやフォークリフト、テレハンドラー、リフトトラック等、他の作業車両にも本発明を同様に適用することができる。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。