JP6687985B2

JP6687985B2 - 建設機械の冷却装置

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Publication number: JP6687985B2
Application number: JP2017174376A
Authority: JP
Inventors: 毅一佐藤
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2037-09-11
Also published as: JP2019049238A

Description

本発明は、建設機械の冷却装置に関する。

油圧ショベル等の建設機械には、冷却装置が搭載されている。この冷却装置は、冷却ファンと、冷却ファンで生起された冷却風によって、被冷却流体を冷却する冷却器（詳細には、例えば、作動油を冷却するオイルクーラや、エンジン冷却水を冷却するラジエータ等）を備えている。一般的に、冷却ファンは、エンジンの回転軸に連結されている。そのため、被冷却流体の温度が低い場合でも、冷却ファンの回転数が高くて過冷却となる可能性がある。

そこで、冷却ファンを駆動するファン駆動装置と、被冷却流体の温度を検出する検出器と、検出器で検出された被冷却流体の温度に応じて冷却ファンの回転数を可変制御するようにファン駆動装置を制御するコントローラとを設けることが提唱されている。ファン駆動装置は、例えば油圧駆動式であれば、冷却ファンを駆動するファンモータ（油圧モータ）と、エンジンによって駆動されるファンポンプと、ファンポンプからファンモータへの作動油（圧油）の供給流量を可変制御する流量制御装置（詳細には、例えば、ファンポンプの容量を可変制御するレギュレータ、若しくは、ファンモータの給排流路に設けられて作動油の流量を可変制御するファンバルブ）とを備えている。

従来技術のコントローラの制御方法について説明する。第１の従来技術のコントローラは、被冷却流体の温度と冷却ファンの目標回転数の関係であって、被冷却流体の温度の上昇に応じて冷却ファンの目標回転数が増加するように予め設定された制御テーブルを記憶する。そして、この制御テーブルを用い、検出器で検出された被冷却流体の温度に応じた冷却ファンの目標回転数を決定する。そして、この冷却ファンの目標回転数に基づき、ファン駆動装置への制御信号を生成して出力する。

第２の従来技術（例えば特許文献１参照）のコントローラは、検出器で検出された被冷却流体の温度と予め設定された目標温度との偏差に基づいて、冷却ファンの目標回転数を決定する。そして、この冷却ファンの目標回転数に基づき、ファン駆動装置への制御信号を生成して出力する。

特開２０００−１１０５６０号公報

上述した第１の従来技術は、被冷却流体の温度制御の安定性の点で優れているものの、次のような改善の余地がある。第１の従来技術で用いられる制御テーブルは、制御条件を想定した上で、被冷却流体の温度と冷却ファンの目標回転数の関係を予め設定したものである。詳細には、例えば、建設機械の作業負荷に伴う発熱量を想定した上で、被冷却流体の温度に応じて必要な冷却量を想定し、さらに、大気温度を想定した上で、必要な冷却量を得るための冷却ファンの目標回転数を予め設定したものである。しかし、例えば建設機械の作業負荷が低下すれば、被冷却流体の温度が同じであっても、必要な冷却量が減少する。あるいは、例えば冬季のように大気温度が低下すれば、冷却ファンの回転数が同じであっても冷却力が増加する。そのため、冷却ファンの回転数を下げて動力を低減する余地がある。

かといって、第１の従来技術に代えて、上述した第２の従来技術（いわゆるフィードバック制御）を採用すれば、動力の低減を図れるかもしれないが、むだ時間（言い換えれば、冷却ファンの回転数が変化してからそれに応じた被冷却流体の温度の変化があらわれるまでの時間）の長さの影響により、被冷却流体の温度制御が不安定となってハンチングやオーバーシュートを起こす可能性がある。

本発明は、上記事柄に鑑みてなされたものであり、その目的は、被冷却流体の温度制御の安定性を図ることができ、且つ、動力の低減を図ることができる建設機械の冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、冷却ファンと、前記冷却ファンを駆動する油圧駆動式又は電動式のファン駆動装置と、前記冷却ファンで誘起された冷却風によって被冷却流体を冷却する冷却器と、前記被冷却流体の温度を検出する検出器と、前記検出器で検出された被冷却流体の温度に応じて前記冷却ファンの回転数を可変制御するように前記ファン駆動装置を制御するコントローラとを備えた建設機械の冷却装置において、前記コントローラは、前記被冷却流体の温度と前記冷却ファンの目標回転数の関係であって、前記被冷却流体の温度の上昇に応じて前記冷却ファンの目標回転数が増加するように設定された制御テーブルを記憶するテーブル記憶部と、前記冷却ファンの回転数が変化してからそれに応じた前記被冷却流体の温度の変化があらわれるまでのむだ時間以上の間隔となるように予め設定された第１周期にて、前記検出器で検出された被冷却流体の温度と予め設定された目標温度との偏差に基づいて前記制御テーブルを補正する補正制御部と、前記むだ時間未満の間隔となるように予め設定された第２周期にて、前記補正制御部で補正された制御テーブルを用い、前記検出器で検出された被冷却流体の温度に応じた前記冷却ファンの目標回転数を決定するファン回転数決定部と、前記第２周期にて、前記ファン回転数決定部で決定された前記冷却ファンの目標回転数に基づいて前記ファン駆動装置への制御信号を生成して出力するファン制御部とを有する。

本発明によれば、被冷却流体の温度制御の安定性を図ることができ、且つ、動力の低減を図ることができる。

本発明の一実施形態におけるホイール式油圧ショベルの構造を表す側面図である。本発明の一実施形態における油圧ショベルの冷却装置の構成を油圧システムの一部と共に表す概略図である。本発明の一実施形態におけるコントローラの機能的構成を関連機器と共に表すブロック図である。本発明の一実施形態におけるコントローラのテーブル記憶部に記憶された初期の制御テーブルを表す図である。本発明の一実施形態におけるコントローラの処理手順を表すフローチャートである。本発明の一実施形態におけるコントローラの補正制御部で補正された制御テーブルを表す図である。

本発明の適用対象の建設機械としてホイール式油圧ショベルを例にとり、本発明の一実施形態を説明する。

図１は、本実施形態におけるホイール式油圧ショベルの構造を表す側面図である。

本実施形態のホイール式油圧ショベルは、車体１と、車体１に連結された作業装置２とを備えている。車体１は、前後左右の車輪３で走行する下部走行体４と、下部走行体４の上側に旋回可能に設けられた上部旋回体５とで構成されている。下部走行体４は、図示しない走行モータによって駆動するようになっている。上部旋回体５は、図示しない旋回モータによって駆動するようになっている。

作業装置２は、上部旋回体５の前部（詳細には、後述する旋回フレーム１２の前部）に鉛直方向に回動可能に連結されたブーム６と、ブーム６に鉛直方向に回動可能に連結されたアーム７と、アーム７に鉛直方向に回動可能に連結されたバケット８とを備えている。ブーム６、アーム７、及びバケット８は、ブームシリンダ９、アームシリンダ１０、及びバケットシリンダ１１によってそれぞれ駆動するようになっている。

上部旋回体５は、基礎構造体をなす旋回フレーム１２と、旋回フレーム１２の前部左側に設けられたキャブタイプの運転室１３と、旋回フレーム１２の前部右側に設けられた燃料タンク（図示せず）及び作動油タンク１４（後述の図２参照）と、旋回フレーム１２の後端に設けられたカウンタウエイト１５と、旋回フレーム１２の後部（言い換えれば、運転室１３、燃料タンク、及び作動油タンク１４とカウンタウエイト１５の間）に形成された機械室１６とを備えている。運転室１３には、運転席、前後進切替レバー、ステアリングハンドル、アクセルペダルブレーキペダル、及び作業用の操作レバー等が設けられている。機械室１６には、エンジン１７（後述の図２参照）等の機器が搭載されている。

上述した油圧ショベルには、複数の油圧アクチュエータ（詳細には、上述した走行モータ、旋回モータ、ブームシリンダ９、アームシリンダ１０、及びバケットシリンダ１１等）を駆動する油圧システムと共に、この油圧システムで用いられる作動油を冷却する冷却装置が搭載されている。図２は、本実施形態における油圧ショベルの冷却装置の構成を油圧システムの一部と共に表す概略図である。なお、この図２においては、油圧システムの構成のうち、代表として、ブームシリンダ９の駆動に係わる構成を表す。

本実施形態の油圧システムは、エンジン１７によって駆動され、作動油タンク１４から作動油を吸い込んで吐出する油圧ポンプ１８と、油圧ポンプ１８からブームシリンダ９への作動油（圧油）の流れを制御するコントロールバルブ１９とを備えている。

コントロールバルブ１９は、例えば操作レバーの操作に応じて生成された油圧操作信号又は電気操作信号などによって切換えられる。これにより、油圧ポンプ１８からブームシリンダ９への作動油の流れを制御する。具体的には、例えば、油圧ポンプ１８からの作動油をブームシリンダ９のロッド側に供給し、ブームシリンダ９のボトム側からの作動油を作動油タンク１４に戻して、ブームシリンダ９を縮短させる。あるいは、例えば、油圧ポンプ１８からの作動油をブームシリンダ９のボトム側に供給し、ブームシリンダ９のロッド側からの作動油を作動油タンク１４に戻して、ブームシリンダ９を伸長させるようになっている。

本実施形態の冷却装置は、冷却ファン２０と、冷却ファン２０を駆動する油圧駆動式のファン駆動装置２１と、コントロールバルブ１９から作動油タンク１４へ作動油を戻す流路に設けられ、冷却ファン２０で誘起された冷却風によって作動油を冷却するオイルクーラ２２（冷却器）と、例えば作動油タンク１４内の作動油の温度を検出する温度センサ２３（検出器）と、温度センサ２３で検出された作動油の温度に応じて冷却ファン２０の回転数を可変制御するようにファン駆動装置２１を制御するコントローラ２４とを備えている。

ファン駆動装置２１は、冷却ファン２０を駆動するファンモータ（油圧モータ）２５と、エンジン１７によって駆動されるファンポンプ２６と、ファンモータ２５の給排流路に設けられ、ファンポンプ２６からファンモータ２５への作動油（圧油）の供給流量を制御するファンバルブ２７とで構成されている。ファンバルブ２７は、コントローラ２４からの制御信号によって駆動してファンモータ２５への作動油の流量を可変制御し、これによって冷却ファン２０の回転数を可変制御するようになっている。

次に、本実施形態の要部であるコントローラ２４について説明する。

図３は、本実施形態におけるコントローラ２４の機能的構成を関連機器と共に表すブロック図である。

本実施形態のコントローラ２４は、プログラムに基づいて演算処理や制御処理を実行する演算制御部（例えばＣＰＵ）と、プログラムや演算処理の結果を記憶する記憶部（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ）等を有するものである。コントローラ２４は、機能的構成として、テーブル記憶部２８、補正制御部２９、ファン回転数決定部３０、及びファン制御部３１を有している。

テーブル記憶部２８は、作動油の温度と冷却ファン２０の目標回転数の関係が設定された初期の制御テーブル（図４参照）を記憶するとともに、補正制御部２９で補正された制御テーブル（後述の図６（ａ）又は図６（ｂ）参照）を記憶するようになっている。

上述した制御テーブルは、図示のように作動油の温度と冷却ファン２０の目標回転数の関係を表す特性線として表されるものであり、作動油の温度の上昇に応じて（本実施形態では比例して）冷却ファン２０の目標回転数が増加するように設定されている。言い換えれば、作動油の温度と冷却ファン２０の目標回転数が１対１の関係で設定されている。また、冷却ファン２０の目標回転数の上限値Ｎmax及び下限値Ｎminが設定されている。なお、本実施形態の初期の制御テーブルでは、作動油の温度がＴａからＴｂまで上昇するのに従い（但し、作動油の目標温度をＴｒとした場合に、Ｔａ＜Ｔｒ＜Ｔｂ）、冷却ファン２０の目標回転数が下限値Ｎminから上限値Ｎmaxまで増加するように設定されており、差分（Ｔｂ−Ｔｒ）＜差分（Ｔｒ−Ｔａ）として設定されている。但し、差分（Ｔｂ−Ｔｒ）≒差分（Ｔｒ−Ｔａ）として設定されてもよいし、差分（Ｔｂ−Ｔｒ）＞差分（Ｔｒ−Ｔａ）として設定されてもよい。

補正制御部２９は、補正量演算部３２及びテーブル補正部３３を有している。補正量演算部３２は、むだ時間（詳細には、冷却ファン２０の回転数が変化してからそれに応じた作動油の温度の変化があらわれるまでの時間であり、本実施形態では１００秒）以上の間隔となるように予め設定された長周期（第１周期。詳細には、例えば１００秒の間隔）にて、温度センサ２３で検出された作動油の温度Ｔｉと予め設定された目標温度Ｔｒとの偏差ΔＴｉに基づいて前回の制御テーブル（詳細には、１回目の補正時は初期の制御テーブル、２回目以降の補正時は前回補正の制御テーブル）に対する補正量ΔＮｉを演算するようになっている（下記の式（１）参照）。なお、式（１）中のγは制御ゲイン（補正係数）であり、γ＞０である。

ΔＮｉ＝γ×ΔＴｉ＝γ×（Ｔｉ−Ｔｒ）・・・（１）
テーブル補正部３３は、前述した長周期にて、テーブル記憶部２８で記憶された前回の制御テーブルを読込み、補正量演算部３２で演算された補正量ΔＮｉに基づいて前回の制御テーブルを補正し、補正後の制御テーブルをテーブル記憶部２８に記憶させるようになっている。

また、テーブル補正部３３は、むだ時間未満の間隔となるように予め設定された短周期（第２周期。詳細には、例えば１００ミリ秒の間隔）にて、テーブル記憶部２８で記憶された最新の制御テーブル（すなわち、補正後の制御テーブル。但し、補正が行われる前は初期の制御テーブル）を読込み、ファン回転数決定部３０に出力するようになっている。ファン回転数決定部３０は、前述した短周期にて、テーブル補正部３３から入力した制御テーブルを用い、温度センサ２３で検出された作動油の温度に対応する冷却ファン２０の目標回転数を決定するようになっている。

ファン制御部３１は、前述した短周期にて、ファン回転数決定部３０で決定された冷却ファン２０の目標回転数に対応する制御信号を生成するようになっている。詳細には、例えば、図示しない回転数センサで検出された冷却ファン２０の回転数と目標回転数との偏差に基づいて、制御信号を生成する。あるいは、冷却ファン２０の目標回転数に対応するファンモータ２５への作動油の供給流量を演算し、この供給流量を得るための制御信号を生成してもよい。そして、生成した制御信号をファン駆動装置２１のファンバルブ２７へ出力するようになっている。

図５は、本実施形態におけるコントローラ２４の処理手順を表すフローチャートである。なお、この図５において、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４は、上述した短周期で行われるものである。また、ステップＳ１０５及びＳ１０６は、ステップＳ１０２がＹＥＳとなる場合であって、長周期で行われるものである。

ステップＳ１０１では、コントローラ２４は、温度センサ２３で検出された作動油の温度を取得する。その後、ステップＳ１０２に進み、コントローラ２４の補正制御部２９は、テーブル補正周期（長周期）に達したか否かを判定する。最初は、テーブル補正周期に達していないため、ステップＳ１０２の判定がＮＯとなって、ステップＳ１０３に移る。

ステップＳ１０３では、補正制御部２９のテーブル補正部３３は、テーブル記憶部２８で記憶された初期の制御テーブルを読込み、ファン回転数決定部３０に出力する。ファン回転数決定部３０は、テーブル補正部３３から入力した初期の制御テーブルを用い、温度センサ２３で検出された作動油の温度に対応する冷却ファン２０の目標回転数を決定する。その後、ステップＳ１０４に進み、ファン制御部３１は、ファン回転数決定部３０で決定された冷却ファン２０の目標回転数に対応する制御信号を生成し、生成した制御信号をファン駆動装置２１のファンバルブ２７へ出力する。その後、１回目のテーブル補正周期に達するまでの間、上述したステップＳ１０１，Ｓ１０３，Ｓ１０４の手順を繰り返す。

ステップＳ１０２にて１回目のテーブル補正周期に達した場合は、その判定がＹＥＳとなって、ステップＳ１０５に移る（このとき、カウント時間はリセットされる）。ステップＳ１０５では、補正制御部２９の補正量演算部３２は、温度センサ２３で検出された作動油の温度Ｔ１と目標温度Ｔｒとの偏差ΔＴ１に基づいて初期の制御テーブルに対する補正量ΔＮ１を演算する。その後、ステップＳ１０６に進み、補正制御部２９のテーブル補正部３３は、図６（ａ）で示すように、初期の制御テーブルの特性線を補正量ΔＮ１だけシフトするように補正する。詳細には、図示のように検出温度Ｔ１＜目標温度Ｔｒであれば、冷却ファン２０の目標回転数を減少させるように、制御テーブルの特性線を補正する。また、検出温度Ｔ１＞目標温度Ｔｒであれば、冷却ファン２０の目標回転数を増加させるように、制御テーブルの特性線を補正する。但し、冷却ファン２０の目標回転数の下限値Ｎmin及び上限値Ｎmaxは固定したままである。そして、補正後の制御テーブルをテーブル記憶部２８に記憶させる。

その後、ステップＳ１０３に進み、補正制御部２９のテーブル補正部３３は、テーブル記憶部２８で記憶された１回目の補正後の制御テーブルを読込み、ファン回転数決定部３０に出力する。ファン回転数決定部３０は、テーブル補正部３３から入力した１回目の補正後の制御テーブルを用い、温度センサ２３で検出された作動油の温度に対応する冷却ファン２０の目標回転数を決定する。その後、ステップＳ１０４に進み、ファン制御部３１は、ファン回転数決定部３０で決定された冷却ファン２０の目標回転数に対応する制御信号を生成し、生成した制御信号をファン駆動装置２１のファンバルブ２７へ出力する。その後、２回目のテーブル補正周期に達するまでの間、上述したステップＳ１０１，Ｓ１０３，Ｓ１０４の手順を繰り返す。

ステップＳ１０２にて２回目のテーブル補正周期に達した場合は、その判定がＹＥＳとなって、ステップＳ１０５に移る（このとき、カウント時間はリセットされる）。ステップＳ１０５では、補正制御部２９の補正量演算部３２は、温度センサ２３で検出された作動油の温度Ｔ２と目標温度Ｔｒとの偏差ΔＴ２に基づいて１回目の補正後の制御テーブルに対する補正量ΔＮ２を演算する。その後、ステップＳ１０６に進み、補正制御部２９のテーブル補正部３３は、図６（ｂ）で示すように、１回目の補正後の制御テーブルの特性線を補正量ΔＮ２だけシフトするように補正する。そして、補正後の制御テーブルをテーブル記憶部２８に記憶させる。

その後、ステップＳ１０３に進み、補正制御部２９のテーブル補正部３３は、テーブル記憶部２８で記憶された２回目の補正後の制御テーブルを読込み、ファン回転数決定部３０に出力する。ファン回転数決定部３０は、テーブル補正部３３から入力した２回目の補正後の制御テーブルを用い、温度センサ２３で検出された作動油の温度に対応する冷却ファン２０の目標回転数を決定する。その後、ステップＳ１０４に進み、ファン制御部３１は、ファン回転数決定部３０で決定された冷却ファン２０の目標回転数に対応する制御信号を生成し、生成した制御信号をファン駆動装置２１のファンバルブ２７へ出力する。その後、３回目のテーブル補正周期に達するまでの間、上述したステップＳ１０１，Ｓ１０３，Ｓ１０４の手順を繰り返す。

以上のように本実施形態においては、むだ時間未満の間隔となるように予め設定された短周期にて、制御テーブルを用い、作動油の検出温度に応じた冷却ファンの目標回転数を決定する。これにより、短周期にてフィードバック制御を行う場合と異なり、むだ時間の長さの影響を受けずに、作動油の温度制御の安定性を図ることができる。また、むだ時間以上の間隔となるように予め設定された長周期にて、作動油の検出温度と目標温度との偏差に基づいて、前述した制御テーブルを補正する。これにより、例えば油圧ショベルの作業負荷や大気温度などの制御条件が変動しても、作動油の温度を目標温度に近づけることができる。そして、例えば油圧ショベルの作業負荷が低減する場合や大気温度が低下する場合に、冷却ファン２０の回転数を下げて、動力の低減を図ることができる。

なお、上記一実施形態においては、ファンポンプ２６からファンモータ２５への作動油の供給流量を可変制御する流量制御装置として、ファンバルブ２７を備えた場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えば、ファンポンプ２６の容量を可変制御するレギュレータを備えてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態においては、油圧駆動式のファン駆動装置２１を備えた場合を例にとって説明したが、これに限られず、電動式のファン駆動装置を備えてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上においては、本発明の適用対象の冷却装置として、作動油を冷却する冷却装置を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。エンジン１７の冷却水を冷却する冷却装置に適用してもよい。すなわち、冷却装置は、冷却ファンで誘起された冷却風によってエンジン１７の冷却水を冷却するラジエータ（冷却器）と、エンジン１７の冷却水の温度を検出する温度センサ（検出器）と、温度センサで検出された冷却水の温度に応じて冷却ファンの回転数を可変制御するようにファン駆動装置を制御するコントローラとを備えてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、本発明の適用対象の建設機械として、ホイール式油圧ショベルを例にとって説明したが、これに限られず、クローラ式油圧ショベルやローダ等の他の建設機械に適用してもよい。

２０冷却ファン
２１ファン駆動装置
２２オイルクーラ（冷却器）
２３温度センサ（検出器）
２４コントローラ
２８テーブル記憶部
２９補正制御部
３０ファン回転数決定部
３１ファン制御部

Claims

冷却ファンと、前記冷却ファンを駆動する油圧駆動式又は電動式のファン駆動装置と、前記冷却ファンで誘起された冷却風によって被冷却流体を冷却する冷却器と、前記被冷却流体の温度を検出する検出器と、前記検出器で検出された被冷却流体の温度に応じて前記冷却ファンの回転数を可変制御するように前記ファン駆動装置を制御するコントローラとを備えた建設機械の冷却装置において、
前記コントローラは、
前記被冷却流体の温度と前記冷却ファンの目標回転数の関係であって、前記被冷却流体の温度の上昇に応じて前記冷却ファンの目標回転数が増加するように設定された制御テーブルを記憶するテーブル記憶部と、
前記冷却ファンの回転数が変化してからそれに応じた前記被冷却流体の温度の変化があらわれるまでのむだ時間以上の間隔となるように予め設定された第１周期にて、前記検出器で検出された被冷却流体の温度と予め設定された目標温度との偏差に基づいて前記制御テーブルを補正する補正制御部と、
前記むだ時間未満の間隔となるように予め設定された第２周期にて、前記補正制御部で補正された制御テーブルを用い、前記検出器で検出された被冷却流体の温度に応じた前記冷却ファンの目標回転数を決定するファン回転数決定部と、
前記第２周期にて、前記ファン回転数決定部で決定された前記冷却ファンの目標回転数に基づいて前記ファン駆動装置への制御信号を生成して出力するファン制御部とを有することを特徴とする建設機械の冷却装置。
請求項１に記載の建設機械の冷却装置において、
前記補正制御部は、前記第１周期にて、前記検出器で検出された被冷却流体の温度と前記目標温度との偏差に基づいて前記冷却ファンの目標回転数の補正量を演算し、前記制御テーブルとして前記被冷却流体の温度と前記冷却ファンの目標回転数の関係を表す特性線を前記補正量だけシフトすることを特徴とする建設機械の冷却装置。