特開 2024-19815 作業機械の制御装置及びこれを備えた作業機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024019815

(43)【公開日】2024-02-14

(54)【発明の名称】作業機械の制御装置及びこれを備えた作業機械

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/00 20060101AFI20240206BHJP

   E02F 9/22 20060101ALI20240206BHJP

   F02D 29/00 20060101ALI20240206BHJP

   F15B 11/00 20060101ALI20240206BHJP

【ＦＩ】

E02F9/00 D

E02F9/22 R

F02D29/00 B

F15B11/00 F

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022122516

(22)【出願日】2022-08-01

(71)【出願人】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(71)【出願人】

【識別番号】000246273

【氏名又は名称】コベルコ建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100178582

【弁理士】

【氏名又は名称】行武 孝

(72)【発明者】

【氏名】菅野 直紀

(72)【発明者】

【氏名】廣澤 允紀

(72)【発明者】

【氏名】田中 秀典

(72)【発明者】

【氏名】小田 開成

【テーマコード（参考）】

2D003

2D015

3G093

3H089

【Ｆターム（参考）】

2D003AA01

2D003AB05

2D003AB06

2D003BA05

2D003BB01

2D003CA02

2D003DA02

2D003DA04

2D003DB01

2D003DB02

2D003DB03

2D003DB06

2D003FA02

2D015CA01

3G093AA10

3G093BA19

3G093DA01

3G093DB22

3G093DB27

3G093EA03

3G093EC04

3H089AA21

3H089AA60

3H089BB01

3H089BB15

3H089CC01

3H089CC08

3H089CC11

3H089DA03

3H089DA13

3H089DA17

3H089DB03

3H089DB43

3H089EE03

3H089EE36

3H089FF07

3H089FF08

3H089FF09

3H089GG02

3H089JJ01

(57)【要約】

【課題】作業現場で行われる様々な重負荷作業を安定して行うことが可能であるとともに、軽負荷作業時の燃料消費を節減することが可能な作業機械の制御装置及びこれを備えた作業機械を提供する。
【解決手段】制御装置１００のコントローラ５０は、重負荷制御または軽負荷制御を実行する。重負荷制御では、操作部２４が受ける重負荷許諾操作の操作量の増加及び減少に応じてエンジン２０の回転数を第１基準回転数から増加及び減少させ、操作部２４が軽負荷許諾操作を受けるとエンジン２０の回転数を前記第１基準回転数以下に設定する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンと、所定の作業を行うことが可能な作業部材と、前記エンジンによって駆動され作動油を吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの作動油の供給を受けて前記作業部材を動かすように作動するアクチュエータと、前記作業部材を動かすための操作を受ける操作部とを含む作業機械の制御装置であって、
前記操作部が重負荷許諾操作を受けた場合当該操作の操作量の増加及び減少に応じて前記エンジンの回転数を第１基準回転数から増加及び減少させ、前記操作部が軽負荷許諾操作を受けると前記エンジンの回転数を前記第１基準回転数以下に設定する制御である重負荷制御と、
前記操作部が前記軽負荷許諾操作を受けた場合当該操作の操作量の増加及び減少に応じて前記エンジンの回転数を第２基準回転数から減少及び増加させ、前記操作部が前記重負荷許諾操作を受けると前記エンジンの回転数を前記第２基準回転数以上に設定する制御である軽負荷制御とのうちの少なくとも一方の制御を実行する制御部を備え、
重負荷作業は、前記エンジンに所定の基準トルク以上のトルクが要求され、軽負荷作業は前記基準トルク未満の前記エンジンのトルクで作業可能であり、
前記重負荷許諾操作及び前記軽負荷許諾操作は予め許諾された操作である、作業機械の制御装置。

【請求項2】

前記制御部は、
前記重負荷制御において、前記操作部が重負荷許諾操作を受けた場合当該操作の操作量の増加に応じて前記エンジンの回転数を前記第１基準回転数から重負荷作業に対応する第１補正回転数まで増加させる一方、前記操作部が受ける前記重負荷許諾操作の操作量の減少に応じて前記エンジンの回転数を前記第１補正回転数から前記第１基準回転数まで減少させ、
前記軽負荷制御において、前記操作部が前記軽負荷許諾操作を受けた場合当該操作の操作量の増加に応じて前記エンジンの回転数を前記第２基準回転数から第２補正回転数まで減少させる一方、前記操作部が受ける前記軽負荷許諾操作の操作量の減少に応じて前記エンジンの回転数を前記第２補正回転数から前記第２基準回転数に増加させる、請求項１に記載の作業機械の制御装置。

【請求項3】

前記作業機械は、機体を有し、
前記作業部材は、前記機体に起伏可能に支持されたブームと、前記ブームに回動可能に支持されたアームと、前記アームに回動可能に支持されたバケットと、を有し、
前記重負荷許諾操作は、アーム引き操作およびブーム上げ操作のうちの少なくとも一方の操作を含み、
前記軽負荷許諾操作は、排土操作およびアーム押し操作が同時に行われる操作、又はブーム下げ操作および前記アーム押し操作が同時に行われる操作を含み、
前記ブーム上げ操作は前記ブームを起立方向に回動させる操作であり、前記ブーム下げ操作は前記ブームを倒伏方向に回動させる操作であり、
前記アーム引き操作は前記アームを前記機体側に回動させる操作であり、前記アーム押し操作は前記アームを前記機体とは反対側に回動させる操作であり、
前記排土操作は、土砂を排出する方向に前記バケットを回動させる操作である、請求項１に記載の作業機械の制御装置。

【請求項4】

前記機体は、走行面を走行可能な下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に支持された上部旋回体と、を有し、
前記操作部は、前記上部旋回体を前記下部走行体に対して旋回させるための旋回操作を更に受けることが可能であり、
前記重負荷許諾操作は、少なくとも前記ブーム上げ操作および旋回操作が同時に行われる操作を含む、請求項３に記載の作業機械の制御装置。

【請求項5】

前記機体は、走行面を走行可能な下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に支持された上部旋回体と、を有し、
前記操作部は、前記上部旋回体を前記下部走行体に対して旋回させるための旋回操作を更に受けることが可能であり、
前記軽負荷許諾操作は、前記ブーム下げ操作、前記アーム押し操作および旋回操作が同時に行われる操作を含む、請求項３に記載の作業機械の制御装置。

【請求項6】

前記油圧ポンプは、可変容量式のポンプであり、
入力される指令信号に応じて前記油圧ポンプの容量を増減させることが可能な容量調整部を更に備え、
前記制御部は、少なくとも前記軽負荷制御を実行するものであって、前記第２基準回転数から前記第２補正回転数までの前記エンジンの回転数の減少に応じて前記油圧ポンプのポンプ容量を増加させるように、前記容量調整部に前記指令信号を入力する、請求項２に記載の作業機械の制御装置。

【請求項7】

前記制御部は、
予め設定された実行条件が成立していない場合に前記エンジンの回転数を予め設定された第３基準回転数に設定し、前記実行条件が成立している場合に前記エンジンの回転数が前記第３基準回転数よりも小さい回転数の領域で推移するように前記重負荷制御を実行し、
更に、当該重負荷制御において、第１ポンプ処理と第２ポンプ処理とを準備し、前記第１ポンプ処理では前記ポンプ容量を前記操作部が受ける操作量の大きさに応じた第１容量に設定し、前記第２ポンプ処理では前記油圧ポンプの吐出圧が予め設定された閾値圧力を上回った場合に前記油圧ポンプの出力トルクが予め設定された閾値トルクを維持するように前記吐出圧の変化に応じて前記ポンプ容量を第２容量に設定し、前記第１容量および前記第２容量のうちの相対的に小さい容量に応じた前記指令信号を前記容量調整部に入力し、
前記第２ポンプ処理における前記閾値トルクは、前記重負荷制御における前記第１補正回転数に基づく前記油圧ポンプの出力トルクが、前記実行条件が成立していない場合の前記第３基準回転数に基づく前記油圧ポンプの出力トルクに近似するように設定されている、請求項６に記載の作業機械の制御装置。

【請求項8】

前記制御部によって制御される前記エンジンの回転数の設定領域に関する情報を受け付けるエンジン回転数入力部を更に備え、
前記制御部は、前記エンジン回転数入力部に入力される前記設定領域が、前記エンジンの燃料消費率の極小値に応じて設定された閾値よりも大きい場合に、前記重負荷制御または前記軽負荷制御を実行する、請求項１に記載の作業機械の制御装置。

【請求項9】

前記制御部は、前記作動油の温度、前記エンジンの冷却水温度、前記エンジンの吸気温度のうちの少なくとも一つの温度が、各々に対して予め設定された閾値よりも低い場合に、前記重負荷制御または前記軽負荷制御を実行する、請求項１に記載の作業機械の制御装置。

【請求項10】

エンジンと、
所定の作業を行うことが可能な作業部材と、
前記エンジンによって駆動され作動油を吐出する油圧ポンプと、
前記油圧ポンプからの作動油の供給を受けて前記作業部材を動かすように作動するアクチュエータと、
前記作業部材を動かすための操作を受ける操作部と、
前記エンジンの回転数を制御する、請求項１に記載の作業機械の制御装置と、
を備える作業機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、作業機械の制御装置及びこれを備えた作業機械に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、掘削作業などを行う作業機械が知られている。当該作業機械は、エンジンと、前記エンジンによって駆動され作動油を吐出する油圧ポンプと、作業アタッチメントと、当該作業アタッチメントを動かす油圧アクチュエータとを有する。例えば、作業機械が油圧ショベルの場合、前記作業アタッチメントは、ブームと、アームと、バケットとを有する。前記油圧アクチュエータは、前記油圧ポンプからの作動油の供給を受けて前記ブームを起伏させるブームシリンダと、前記作動油の供給を受けて前記アームを前記ブームに対して回動させるアームシリンダと、前記作動油の供給を受けて前記バケットを前記アームに対して回動させるバケットシリンダとを含む。

【0003】

特許文献１には、ブーム、アームおよびバケットをそれぞれ操作するために操作レバーが受ける操作の大きさと油圧ポンプのポンプ圧とから、油圧ショベルが掘削作業を行っているか否かを判定し、掘削作業を行っていると判定した場合、エンジン回転数を大きくする技術が開示されている。また、特許文献２には、アクチュエータを操作するための操作量の大きさに応じてエンジンの回転数を増減する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１－２３６７５１号公報

【特許文献2】特開２０１８－１８８８２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１、２に記載された技術では、作業現場で行われる様々な重負荷作業を安定して行うことが難しいという問題があるとともに、軽負荷作業時に過剰に燃料を消費しやすいという問題がある。

【0006】

具体的に、特許文献１に記載された技術では、バケットによって少量の土砂を掘削するような作業時には掘削作業と判定されずにエンジン回転数の補正が行われず、この結果バケットを地面に進入させる際の掘削力が不足する場合がある。また、油圧ショベルの作業では、上記のような掘削作業のみならず、バケットが掘削した土砂を抱えたままブームが起立しながら上部旋回体が旋回するという、いわゆる持ち上げ旋回動作なども、エンジンに比較的大きなトルクが要求される重負荷作業に含まれる。特許文献１に記載された技術では、このように掘削作業とは異なる重負荷作業において、作業アタッチメントの作業能力が不足する場合がある。

【0007】

更に、特許文献２に記載された技術では、軽負荷操作、重負荷操作に関わらず、操作レバーが受ける操作量の増加に応じてエンジンの回転数が増加するため、特に軽負荷操作時にエンジンの回転数が過剰に増加され、無駄な燃料消費が生じるという問題がある。

【0008】

本発明の目的は、作業現場で行われる様々な重負荷作業を安定して行うことが可能であるとともに、軽負荷作業時の燃料消費を節減することが可能な作業機械の制御装置及びこれを備えた作業機械を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明により提供されるのは、エンジンと、所定の作業を行うことが可能な作業部材と、前記エンジンによって駆動され作動油を吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの作動油の供給を受けて前記作業部材を動かすように作動するアクチュエータと、前記作業部材を動かすための操作を受ける操作部とを含む作業機械に用いられる制御装置である。当該制御装置は、重負荷制御と軽負荷制御とのうちの少なくとも一方の制御を実行する制御部を備える。前記重負荷制御は、前記操作部が重負荷許諾操作を受けた場合当該操作の操作量の増加及び減少に応じて前記エンジンの回転数を第１基準回転数から増加及び減少させ、更に前記操作部が軽負荷許諾操作を受けると前記エンジンの回転数を前記第１基準回転数以下に設定する制御である。前記軽負荷制御は、前記操作部が前記軽負荷許諾操作を受けた場合当該操作の操作量の増加及び減少に応じて前記エンジンの回転数を第２基準回転数から減少及び増加させ、前記操作部が前記重負荷許諾操作を受けると前記エンジンの回転数を前記第２基準回転数以上に設定する制御である。重負荷作業は、前記エンジンに所定の基準トルク以上のトルクが要求され、軽負荷作業は前記基準トルク未満の前記エンジンのトルクで可能な作業である。また、前記重負荷許諾操作及び前記軽負荷許諾操作は予め許諾された操作である。

【0010】

本構成によれば、制御部が重負荷制御を実行すると、操作部が受ける重負荷許諾操作の操作量の増加に応じてエンジンの回転数が増加するため、たとえ当該操作量が小さい場合でも前記回転数の増加によってエンジンの出力トルクを大きくして作業部材の作業能力を高めることができる。このため、作業現場で行われる様々な重負荷作業を安定して行うことが可能になる。更に、重負荷制御下で操作部が軽負荷許諾操作を受けると、エンジンの回転数が前記第１基準回転数以下に設定されるため、重負荷作業時と比較して無駄な燃料消費を抑制することができる。一方、制御部が軽負荷制御を実行すると、操作部が受ける軽負荷許諾操作の操作量の増加に応じてエンジンの回転数が減少するため、エンジンが無駄に高い回転数で回転することがなく、燃料消費を抑制して省エネ効果を高めることができる。更に、軽負荷制御下で操作部が重負荷許諾操作を受けると、エンジンの回転数が前記第２基準回転数以上に設定されるため、軽負荷作業時と比較してエンジンの出力を高めることで、様々な重負荷作業を安定して行うことが可能になる。

【0011】

上記の構成において、前記制御部は、前記重負荷制御において、前記操作部が重負荷許諾操作を受けた場合当該操作の操作量の増加に応じて前記エンジンの回転数を前記第１基準回転数から重負荷作業に対応する第１補正回転数まで増加させる一方、前記操作部が受ける前記重負荷許諾操作の操作量の減少に応じて前記エンジンの回転数を前記第１補正回転数から前記第１基準回転数まで減少させ、前記軽負荷制御において、前記操作部が前記軽負荷許諾操作を受けた場合当該操作の操作量の増加に応じて前記エンジンの回転数を前記第２基準回転数から第２補正回転数まで減少させる一方、前記操作部が受ける前記軽負荷許諾操作の操作量の減少に応じて前記エンジンの回転数を前記第２補正回転数から前記第２基準回転数に増加させることが望ましい。

【0012】

上記の構成において、前記作業機械は、機体を有し、前記作業部材は、前記機体に起伏可能に支持されたブームと、前記ブームに回動可能に支持されたアームと、前記アームに回動可能に支持されたバケットと、を有し、前記重負荷許諾操作は、アーム引き操作およびブーム上げ操作のうちの少なくとも一方の操作を含み、前記軽負荷許諾操作は、排土操作およびアーム押し操作が同時に行われる操作、又はブーム下げ操作および前記アーム押し操作が同時に行われる操作を含み、前記ブーム上げ操作は前記ブームを起立方向に回動させる操作であり、前記ブーム下げ操作は前記ブームを倒伏方向に回動させる操作であり、前記アーム引き操作は前記アームを前記機体側に回動させる操作であり、前記アーム押し操作は前記アームを前記機体とは反対側に回動させる操作であり、前記排土操作は、土砂を排出する方向に前記バケットを回動させる操作であってもよい。

【0013】

本構成によれば、重負荷許諾操作がアーム引き操作又はブーム上げ操作を含み、作業部材に大きな負荷がかかりやすいこれらの操作に対応してエンジンの回転数を増加させることで、上記操作に代表される重負荷作業時に作業部材の作業能力を十分確保することができる。また、軽負荷許諾操作が、排土操作およびアーム押し操作が同時に行われる操作、又はブーム下げ操作およびアーム押し操作が同時に行われる操作を含み、アクチュエータに比較的大きな力が要求されないこれらの操作に対応してエンジンの回転数を減少させることで、軽負荷作業時の省エネ効果を高めることができる。

【0014】

上記の構成において、前記機体は、走行面を走行可能な下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に支持された上部旋回体と、を有し、前記操作部は、前記上部旋回体を前記下部走行体に対して旋回させるための旋回操作を更に受けることが可能であり、前記重負荷許諾操作は、少なくとも前記ブーム上げ操作および旋回操作が同時に行われる操作を含むものでもよい。

【0015】

本構成によれば、下部走行体および上部旋回体を含む作業機械において、上部旋回体を旋回させながらブームを起立方向に回動させる、いわゆる持ち上げ旋回操作を行なう際に、エンジンの回転数を増加させることで作業部材の作業能力を十分確保することができる。

【0016】

上記の構成において、前記機体は、走行面を走行可能な下部走行体と、前記下部走行体に旋回可能に支持された上部旋回体と、を有し、前記操作部は、前記上部旋回体を前記下部走行体に対して旋回させるための旋回操作を更に受けることが可能であり、前記軽負荷許諾操作は、前記ブーム下げ操作、前記アーム押し操作および旋回操作が同時に行われる操作を含むものでもよい。

【0017】

本構成によれば、下部走行体および上部旋回体を含む作業機械において、上部旋回体を旋回させながらアームを伸ばす、いわゆる復帰旋回操作を行なう際に、エンジンの回転数を減少させることで省エネ効果を高めることができる。

【0018】

上記の構成において、前記油圧ポンプは、可変容量式のポンプであり、入力される指令信号に応じて前記油圧ポンプの容量を増減させることが可能な容量調整部を更に備え、前記制御部は、少なくとも前記軽負荷制御を実行するものであって、前記第２基準回転数から前記第２補正回転数までの前記エンジンの回転数の減少に応じて前記油圧ポンプのポンプ容量を増加させるように、前記容量調整部に前記指令信号を入力するものでもよい。

【0019】

本構成によれば、軽負荷制御時のエンジン回転数の減少に伴ってポンプ容量を増加させることで、油圧ポンプからアクチュエータに供給される作動油の流量を維持して、作業部材の作業能力の低下を抑制することができる。

【0020】

上記の構成において、前記制御部は、予め設定された実行条件が成立していない場合に前記エンジンの回転数を予め設定された第３基準回転数に設定し、前記実行条件が成立している場合に前記エンジンの回転数が前記第３基準回転数よりも小さい回転数の領域で推移するように前記重負荷制御を実行し、更に、当該重負荷制御において、第１ポンプ処理と、第２ポンプ処理とを準備し、前記第１ポンプ処理では前記ポンプ容量を前記操作部が受ける操作量の大きさに応じた第１容量に設定し、前記第２ポンプ処理では前記油圧ポンプの吐出圧が予め設定された閾値圧力を上回った場合に前記油圧ポンプの出力トルクが予め設定された閾値トルクを維持するように前記吐出圧の変化に応じて前記ポンプ容量を第２容量に設定し、前記第１容量および前記第２容量のうちの相対的に小さい容量に応じた前記指令信号を前記容量調整部に入力し、前記第２ポンプ処理における前記閾値トルクは、前記重負荷制御における前記第１補正回転数に基づく前記油圧ポンプの出力トルクが、前記実行条件が成立していない場合の前記第３基準回転数に基づく前記油圧ポンプの出力トルクに近似するように設定されているものでもよい。

【0021】

本構成によれば、重負荷制御下におけるエンジンの回転数を実行条件が成立していない場合の回転数よりも小さくすることで、重負荷作業時にも燃料消費を抑制して省エネ効果を高めることができる。この際、第２ポンプ処理において維持される油圧ポンプの出力トルクが、実行条件が成立していない場合の前記出力トルクに近似するように設定されているため、第１ポンプ処理と第２ポンプ処理との低位選択によってポンプ容量を調整しても、油圧ポンプからアクチュエータに供給される作動油の流量を維持することが可能になり、作業部材の作業能力の低下を抑制することができる。

【0022】

上記の構成において、前記制御部によって制御される前記エンジンの回転数の設定領域に関する情報を受け付けるエンジン回転数入力部を更に備え、前記制御部は、前記エンジン回転数入力部に入力される前記設定領域が、前記エンジンの燃料消費率の極小値に応じて設定された閾値よりも大きい場合に、前記重負荷制御または前記軽負荷制御を実行するものでもよい。

【0023】

本構成によれば、エンジンの本来の特性として燃料消費率が悪化する低い回転数領域において、制御部が重負荷制御または軽負荷制御を実行することを防止することができる。

【0024】

上記の構成において、前記制御部は、前記作動油の温度、前記エンジンの冷却水温度、前記エンジンの吸気温度のうちの少なくとも一つの温度が、各々に対して予め設定された閾値よりも低い場合に、前記重負荷制御または前記軽負荷制御を実行するものでもよい。

【0025】

本構成によれば、作動油の温度、エンジンの冷却水温度、同吸気温度のすべての温度が高い状態で、制御部がエンジンの回転数を減少させる制御を行うことに起因して、エンジンの自己冷却能力が低下し作動油の温度が更に高くなることを防止することができる。

【0026】

本発明によって提供されるのは、エンジンと、所定の作業を行うことが可能な作業部材と、前記エンジンによって駆動され作動油を吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプからの作動油の供給を受けて前記作業部材を動かすように作動するアクチュエータと、前記作業部材を動かすための操作を受ける操作部と、前記エンジンの回転数を制御する、上記に記載の制御装置と、を備える作業機械である。

【0027】

本構成によれば、制御部が重負荷制御を実行すると、操作部が受ける重負荷許諾操作の操作量の増加に応じてエンジンの回転数が増加するため、たとえ当該操作量が小さい場合でも前記回転数の増加によってエンジンの出力トルクを大きくして作業部材の作業能力を高めることができる。このため、作業現場で行われる様々な重負荷作業を安定して行うことが可能になる。更に、操作部が軽負荷許諾操作を受けると、エンジンの回転数が前記第１基準回転数以下に設定されるため、重負荷作業時と比較して無駄な燃料消費を抑制することができる。一方、制御部が軽負荷制御を実行すると、操作部が受ける軽負荷許諾操作の操作量の増加に応じてエンジンの回転数が減少するため、エンジンが無駄に高い回転数で回転することがなく、燃料消費を抑制して省エネ効果を高めることができる。更に、操作部が重負荷許諾操作を受けると、エンジンの回転数が前記第２基準回転数以上に設定されるため、軽負荷作業時と比較してエンジンの出力を高めることで、様々な重負荷作業を安定して行うことが可能になる。

【発明の効果】

【0028】

本発明によれば、作業現場で行われる様々な重負荷作業を安定して行うことが可能であるとともに、軽負荷作業時の燃料消費を節減することが可能な作業機械の制御装置及びこれを備えた作業機械を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の第１実施形態に係る作業機械を示す側面図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る作業機械の油圧回路図およびブロック図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る作業機械の油圧アクチュエータと操作部との関係を示すブロック図である。

【図4】本発明の第１実施形態に係る作業機械のコントローラのブロック図である。

【図5】本発明の第１実施形態に係る作業機械における重負荷操作のレバー操作量とエンジン回転数との関係を示すグラフである。

【図6】本発明の第１実施形態に係る作業機械において制御装置が実行する処理のフローチャートである。

【図7】本発明の第１実施形態に係る作業機械における各操作レバーの操作量の推移を示すグラフである。

【図8】本発明の第１実施形態に係る作業機械における各エンジン回転数指令およびポンプ容量補正係数の推移を示すグラフである。

【図9】本発明の第１実施形態に係る作業機械におけるエンジン回転数指令、エンジン出力、ポンプ出力および燃料消費量の推移を示すグラフである。

【図10】本発明の第１実施形態の変形例に係る作業機械におけるエンジン回転数とポンプＰＱ制御トルク設定値との関係を示すグラフである。

【図11】本発明の第２実施形態に係る作業機械における軽負荷操作のレバー操作量とエンジン回転数との関係を示すグラフである。

【図12】本発明の第２実施形態に係る作業機械において制御装置が実行する処理のフローチャートである。

【図13】本発明の第２実施形態に係る作業機械における各エンジン回転数指令およびポンプ容量補正係数の推移を示すグラフである。

【図14】本発明の第２実施形態に係る作業機械におけるエンジン回転数指令、エンジン出力、ポンプ出力および燃料消費量の推移を示すグラフである。

【図15】エンジン回転数と燃料消費率との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。

【0031】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る油圧ショベル１（作業機械）の側面図である。図２は、本実施形態に係る油圧ショベル１の油圧回路図およびブロック図である。図３は、本実施形態に係る油圧ショベル１の油圧アクチュエータと操作部との関係を示すブロック図である。図４は、本実施形態に係る油圧ショベル１のコントローラのブロック図である。

【0032】

本実施形態では、油圧ショベル１は、地面Ｇ（走行面）上を走行可能なクローラ式の下部走行体１０と、地面Ｇに対して垂直な旋回中心軸まわりに旋回可能となるように下部走行体１０の上に搭載される上部旋回体１２と、この上部旋回体１２に搭載され所定の作業を行うことが可能な作業アタッチメント３（作業部材）と、を備える。また、作業アタッチメント３は、前記上部旋回体１２に起伏可能に支持されるブーム４と、当該ブーム４の先端に回動可能に連結されるアーム５と、当該アーム５の先端に回動可能に連結されるバケット６とを備える。下部走行体１０および上部旋回体１２は、油圧ショベル１の機体を構成する。また、上部旋回体１２は、旋回フレーム１６と、カウンタウエイト１７と、キャブ１８とを有する。

【0033】

油圧ショベル１は、上部旋回体１２に対して前記ブーム４を起伏させるように作動するブームシリンダ２３１と、当該ブーム４に対して前記アーム５を回動させるように作動するアームシリンダ２３２と、当該アーム５に対して前記バケット６を回動させるように作動するバケットシリンダ２３３と、を備える。

【0034】

更に、図２に示すように、油圧ショベル１は、エンジン２０と、ＥＣＵ２０Ｓと、油圧ポンプ２１と、コントロールバルブ２２と、油圧アクチュエータ２３（アクチュエータ）と、前述の下部走行体１０、上部旋回体１２および作業アタッチメント３などを動かすための操作を受ける操作部２４と、ポンプレギュレータとしてのレギュレータ２５と、比例弁２６と、リリーフ弁２７と、ポンプ圧検出部２８と、作動油温度検出部２９と、パイロット圧検出部３０と、コントローラ５０と、作業入力部５１と、エンジン回転数入力部５２と、吸気温度検出部５３と、冷却水温度検出部５４と、制御装置１００とを備える。制御装置１００は、図２に含まれる部材によって構成され、油圧ショベル１のエンジン２０の回転数を制御する機能を有する。また、図２には、制御装置１００に含まれる油圧回路１００Ｓが図示されている。

【0035】

エンジン２０は、油圧ショベル１の駆動源である。エンジン２０は、例えば、過給機を備えていてもよい。ＥＣＵ２０Ｓは、エンジン２０に含まれる、点火機構、燃料系統、吸排気系統、動弁機構、始動制御などを総合的に司る。特に、ＥＣＵ２０Ｓは、前記燃料系統に含まれる燃料噴射装置を制御して、エンジン２０に対する燃料噴射量を調整することで、エンジン２０の回転数を制御する。ＥＣＵ２０Ｓは、後記のコントローラ５０から受ける指令信号に応じた燃料噴射量でエンジン２０に燃料を供給する。

【0036】

油圧ポンプ２１は、エンジン２０によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ２１は、可変容量式の油圧ポンプである。油圧ポンプ２１は、可変の傾転角を有している。当該傾転角がレギュレータ２５及び比例弁２６によって調節されることで、油圧ポンプ２１の吐出流量が制御される。換言すれば、レギュレータ２５および比例弁２６は、本発明の容量調整部を構成する。当該容量調整部は、入力される指令信号に応じて油圧ポンプ２１の容量を増減させることができる。

【0037】

油圧アクチュエータ２３は、油圧ポンプ２１が吐出する作動油（つまり、油圧ポンプ２１から供給される作動油）によって駆動される。油圧アクチュエータ２３は、前述のブームシリンダ２３１、アームシリンダ２３２、バケットシリンダ２３３に加え、油圧式の旋回モータ２３４を含む。ブームシリンダ２３１、アームシリンダ２３２およびバケットシリンダ２３３は、油圧ポンプ２１からの作動油の供給を受けて作業アタッチメント３２を動かすように作動する。旋回モータ２３４は、前記作動油の供給を受けて、上部旋回体１２を下部走行体１０に対して旋回させる駆動力を発生する。なお、図１乃至図３には示していないが、油圧ショベル１は、下部走行体１０の走行動作を実現するための、不図示の油圧式走行モータを更に備える。

【0038】

コントロールバルブ２２は、油圧ポンプ２１から油圧アクチュエータ２３に供給される作動油の方向及び流量を変化させる。コントロールバルブ２２は、例えば、第１及び第２のパイロットポートを有する３位置のパイロット操作切換弁であり、第１及び第２のパイロットポートに対してパイロット圧が入力されることで駆動される。なお、図２では、一つのコントロールバルブ２２が図示されているが、油圧アクチュエータ２３のブームシリンダ２３１、アームシリンダ２３２、バケットシリンダ２３３および旋回モータ２３４に応じて、複数のコントロールバルブ２２が配置されている。この際、複数のアクチュエータへの作動油の供給機能を兼ね備えるコントロールバルブ２２が用いられてもよい。

【0039】

操作部２４は、キャブ１８内に配置され、各油圧アクチュエータ２３を駆動するために、コントロールバルブ２２の動作状態を切り換える操作を受ける。操作部２４は、操作装置としての操作レバー２４Ａと、弁本体２４Ｂとを含む（図２）。弁本体２４Ｂは、操作レバー２４Ａに与えられる操作に基づいて、コントロールバルブ２２を作動させるためのパイロット圧を出力する。図３を参照して、操作部２４は、ブーム操作部２４１と、アーム操作部２４２と、バケット操作部２４３と、旋回操作部２４４とを含む。ブーム操作部２４１は、ブーム４の起伏動作（ブーム上げ、ブーム下げ）のための操作を受ける。アーム操作部２４２は、アームの回動動作（アーム押し、アーム引き）のための操作を受ける。バケット操作部２４３は、バケットの回動動作（掘削、排土）のための操作を受ける。旋回操作部２４４は、上部旋回体１２の旋回動作（右旋回、左旋回）のための操作を受ける。各操作部は、第１方向および当該第１方向とは反対の第２方向へ傾動可能とされ、当該傾動方向が上記の各動作に対応する。なお、各操作部が受ける操作の操作量（大きさ）に応じて、上記の各動作における駆動速度が調整される。

【0040】

リリーフ弁２７は、油圧ポンプ２１から吐出される作動油の圧力が所定の圧力を超えないように、開閉動作を行う。

【0041】

ポンプ圧検出部２８は、油圧ポンプ２１が吐出する作動油の圧力であるポンプ圧を検出する。ポンプ圧検出部２８によって検出されたポンプ圧に関する信号（ポンプ圧信号）は、コントローラ５０に入力される。

【0042】

作動油温度検出部２９は、作動油の温度を検出する。作動油温度検出部２９が検出した作動油の温度に関する信号（温度信号）は、コントローラ５０に入力される。

【0043】

パイロット圧検出部３０は、操作部２４の操作レバー２４Ａに与えられる操作の有無とその操作量に関する情報として、操作部２４のパイロット圧を検出する。パイロット圧検出部３０によって検出された操作部２４のパイロット圧に関する信号（レバー操作信号）は、コントローラ５０に入力される。なお、パイロット圧検出部３０は、操作部２４のブーム操作部２４１、アーム操作部２４２、バケット操作部２４３および旋回操作部２４４のそれぞれに対応して設けられている。

【0044】

コントローラ５０は、比例弁２６を介してレギュレータ２５の動作を制御することにより、油圧ポンプ２１の傾転、吐出量を調整する。具体的に、コントローラ５０は、比例弁２６に対して流量指令用の指令信号を入力し、この指令信号に応じて比例弁２６が開弁することで、レギュレータ２５による油圧ポンプ２１の傾転角の調整が行われる。また、コントローラ５０は、油圧ショベル１において実行される作業に応じてエンジン２０の回転数を調整するように、ＥＣＵ２０Ｓにエンジン回転数指令用の指令信号を入力する。

【0045】

作業入力部５１は、キャブ１８内に配置され、オペレータによって油圧ショベル１の作業情報（モード）に関する情報の入力を受ける。一例として、前記作業情報は、作業量優先モード、省エネ優先モード、オプションモードなどを含む。また、予め設定された動作を油圧ショベル１が自動で行うマシンコントロールモードが、前記作業情報に含まれても良い。

【0046】

エンジン回転数入力部５２は、キャブ１８内に配置され、オペレータによって操作される。エンジン回転数入力部５２は、アクセル操作部ともいう。エンジン回転数入力部５２は、コントローラ５０によって制御されるエンジン２０の回転数の設定領域に関する情報の入力を受け付ける。一例として、オペレータは、エンジン回転数入力部５２を操作して、エンジン２０の回転数を低速領域または高速領域に設定することができる。

【0047】

吸気温度検出部５３は、エンジン２０の吸気温度を検出することができる。一例として、吸気温度検出部５３は、熱電対などの温度センサからなる。

【0048】

冷却水温度検出部５４は、エンジン２０の冷却水温度を検出することができる。冷却水温度検出部５４も、例えば、熱電対などの温度センサからなる。

【0049】

図４を参照して、コントローラ５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＰＵの作業領域として使用されるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等から構成されている。コントローラ５０は、前記ＣＰＵがＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、作業情報判定部５０１、エンジン回転数決定部５０２、ポンプ制御部５０３および記憶部５０４を備えるように機能する。これらの機能部は、実体を有するものではなく、前記プログラムによって実行される機能の単位に相当する。すなわち、これらの機能部が実行する制御は、実質的にコントローラ５０が統括的に実行するということができる。なお、各機能部は、複数のコントローラに分かれて配置されるものでもよい。

【0050】

作業情報判定部５０１は、オペレータによって操作部２４が受ける操作の操作量に応じて、油圧ショベル１の作業情報を判定する。具体的に、操作部２４のブーム操作部２４１、アーム操作部２４２、バケット操作部２４３および旋回操作部２４４の各々にはパイロット圧検出部３０（図２）が接続されている。作業情報判定部５０１は、パイロット圧検出部３０が検出するパイロット圧に基づいて、ブーム操作部２４１がブーム上げ操作またはブーム下げ操作を受けていること、アーム操作部２４２がアーム押し操作またはアーム引き操作を受けていること、バケット操作部２４３がバケットの掘削操作または排土操作を受けていること、旋回操作部２４４が上部旋回体１２の右旋回操作または左旋回操作を受けていることを、それぞれ判定する。

【0051】

なお、前記ブーム上げ操作はブーム４を起立方向に回動させる操作であり、前記ブーム下げ操作はブーム４を倒伏方向に回動させる操作である。前記アーム引き操作はアーム５を上部旋回体１２側（後方向）に回動させる操作であり、前記アーム押し操作はアーム５を上部旋回体１２とは反対側（前方向）に回動させる操作である。前記排土操作は、土砂を排出する方向（前方向）にバケット６を回動させる操作であり、前記掘削操作は、土砂を掘削する（掻き取る）方向（後方向）にバケット６を回動させる操作である。

【0052】

エンジン回転数決定部５０２は、操作部２４の各操作部が受ける操作に基づいて、エンジン２０の回転数指令値を決定する。エンジン回転数決定部５０２による前記回転数指令値の決定手順については、後記で詳述する。

【0053】

ポンプ制御部５０３は、比例弁２６（図２）に対して流量指令用の比例電流を入力することで、油圧ポンプ２１の傾転角、すなわち、吐出流量を調整する。特に、ポンプ制御部５０３は、エンジン回転数決定部５０２が決定するエンジン回転数に応じて、前記吐出流量を調整する機能を有している。

【0054】

記憶部５０４は、作業情報判定部５０１、エンジン回転数決定部５０２およびポンプ制御部５０３が実行する各処理において参照される閾値、マップ、パラメータなどを予め記憶している。

【0055】

本実施形態では、コントローラ５０が、油圧ショベル１の作業内容に応じてエンジン２０の回転数を好適に制御する。特に、コントローラ５０は、予め設定された実行条件が成立している場合に、重負荷制御を実行する。例えば、キャブ１８内に配置される不図示の実行スイッチをオペレータがＯＮした場合に、前記実行条件が成立する。

【0056】

前記重負荷制御において、コントローラ５０は、操作部２４が受ける重負荷許諾操作の操作量の増加に応じてエンジン２０の回転数を第１基準回転数から重負荷作業に対応する第１補正回転数まで増加させる一方、操作部２４が受ける前記重負荷許諾操作の操作量の減少に応じてエンジン２０の回転数を前記第１補正回転数から前記第１基準回転数まで減少させる。また、コントローラ５０は、操作部２４が軽負荷許諾操作を受けるとエンジン２０の回転数を前記第１基準回転数以下に設定する。ここで、重負荷作業は、エンジン２０に所定の基準トルク以上のトルクが要求される、作業アタッチメント３が実行する作業であり、軽負荷作業は前記基準トルク未満のエンジン２０のトルクで作業アタッチメント３が実行可能な作業である。

【0057】

前記重負荷許諾操作は、操作部２４に入力される操作のうち前記重負荷作業に対応するものとして予め許諾された操作であり、前記軽負荷許諾操作は操作部２４に入力される操作のうち前記軽負荷作業に対応するものとして予め許諾された操作である。換言すれば、前記重負荷許諾操作は、操作部２４に入力される操作のうち前記重負荷作業を代表するように設定された操作であり、前記軽負荷許諾操作は操作部２４に入力される操作のうち前記軽負荷作業を代表するように設定された操作である。

【0058】

次に、コントローラ５０が実行する重負荷制御について、更に詳述する。図５は、本実施形態に係る油圧ショベル１における重負荷操作のレバー操作量とエンジン回転数との関係を示すグラフである。図６は、油圧ショベル１において制御装置１００が実行する処理のフローチャートである。図７は、油圧ショベル１における各操作レバーの操作量の推移を示すグラフである。図８は、油圧ショベル１における各エンジン回転数指令およびポンプ容量補正係数の推移を示すグラフである。図９は、油圧ショベル１におけるエンジン回転数指令、エンジン出力、ポンプ出力および燃料消費量の推移を示すグラフである。

【0059】

以下では、油圧ショベル１が、作業現場において、掘削作業、持ち上げ旋回作業、排土作業、復帰旋回作業を順に行う場合（掘削積み込み操作）について説明する。掘削作業は、例えば、アーム５を上部旋回体１２側に回動させながら作業アタッチメント３のバケット６で地面を掘削して、バケット６内に土砂を保持する作業である。持ち上げ旋回作業は、バケット６内に土砂を保持した状態で、ブーム４を起立方向に回動させながら上部旋回体１２を旋回させ、輸送車両の荷台上にバケット６を移動させる作業である。排土作業は、アーム５を伸ばしながら前記荷台の上方でバケット６を排土方向に回動させ、土砂を荷台に向かって排出する作業である。復帰旋回作業は、排土作業後に、ブーム４を倒伏させかつアーム５を伸ばしながら上部旋回体１２を旋回させ、バケット６を再び掘削位置に移動させる作業である。

【0060】

本実施形態では、油圧ショベル１の作業が開始されると、操作部２４のブーム操作部２４１、アーム操作部２４２、バケット操作部２４３および旋回操作部２４４の各操作レバーが受ける操作の操作方向および操作量が、コントローラ５０の作業情報判定部５０１に入力される。当該操作方向および操作量は、前述のパイロット圧検出部３０の大きさに基づいて検出される。

【0061】

作業情報判定部５０１は、上記の何れかの操作部のレバー操作の有無を判定する（図６のステップＳ１）。ここで、レバー操作がない場合（ステップＳ１でＮＯ）、コントローラ５０は、エンジン２０の回転数制御を終了する。この場合、エンジン２０は回転数Ｎ０でアイドル回転する。一方、レバー操作がある場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、作業情報判定部５０１は予め設定された重負荷許諾操作があるか否かを判定する（ステップＳ２）。具体的に、エンジン回転数決定部５０２は、掘削作業、持ち上げ旋回作業に対応する重負荷操作の代表的な操作であるアーム引き操作（掘削作業を代表）およびブーム上げ操作（持ち上げ旋回作業を代表）のそれぞれの操作の有無を判定する。ここで、これらの重負荷許諾操作がない場合（ステップＳ２でＮＯ）、コントローラ５０はエンジン２０の回転数制御を終了する（エンジンは回転数Ｎ０で回転）。一方、アーム引き操作またはブーム上げ操作がある場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、エンジン回転数決定部５０２は、重負荷許諾操作毎に、図５のグラフからエンジン回転数指令値ＮＣを演算する（ステップＳ３）。

【0062】

図５では、重負荷操作レバーの操作量が大きくなると、所定の操作量まではエンジン回転数（指令値）がＮ０で維持され、その後、操作量の増加とともにエンジン回転数がＮ１まで増加し、更に操作量が増加するとエンジン回転数はＮ１で維持される。すなわち、図５において、回転数Ｎ０は、重負荷操作が行われていない状態の回転数に相当し、回転数Ｎ１は重負荷操作の操作量が最大の状態の回転数に相当する。なお、図５のグラフに示される特性は、アーム引き操作およびブーム上げ操作で共通の特性としてもよく、また各操作で個別の特性を準備してもよい。

【0063】

次に、エンジン回転数決定部５０２は、上記により計算された各操作に基づくエンジン回転数指令値ＮＣの高位選択を行うことで、最終のエンジン回転数指令最終値ＮＣＥを決定する（ステップＳ４）。そして、エンジン回転数決定部５０２は、決定されたエンジン回転数指令最終値ＮＣＥをＥＣＵ２０Ｓに入力することで、エンジンの回転数を制御する（ステップＳ５）。

【0064】

次に、ポンプ制御部５０３が、上記のエンジン回転数指令最終値ＮＣＥと予め設定された基準エンジン回転数（例えばＮ１）とに基づいて、油圧ポンプ２１のポンプ容量の補正量を計算する（ステップＳ６）。本実施形態では、以下の式１、式２に基づいて、ポンプ容量補正係数が算出される。
ｑ２＝ｑ１×Ｃ ・・・（式１）
Ｃ＝Ｎ１／ＮＣＥ ・・・（式２）
なお、ｑ１は補正前のポジコン制御下のポンプ容量であり、ｑ２は補正後のポジコン制御化のポンプ容量であり、Ｃはポンプ容量補正係数である。なお、油圧ポンプ２１のポジコン制御については、後記で詳述する。上記の油圧ポンプ２１のポンプ容量の補正を終えると、一連の制御が終了する。なお、図６のフローは、操作部２４のレバー操作が行われている間、繰り返される。

【0065】

次に上記の制御を踏まえた、油圧ショベル１の動作について更に説明する。図７は、油圧ショベル１の掘削積み込み操作時のレバー操作パターンを示している。前述のように、掘削操作では、オペレータは、アーム引き操作を主に入れながら、ブーム上げ操作、バケット掘削操作（図では省略）を同時に操作する。持ち上げ旋回操作では、オペレータは、ブーム上げ操作と旋回操作とを同時に操作する。排土操作では、オペレータは、排土操作とアーム押し操作とを同時に操作する。復帰旋回操作では、オペレータは、ブーム下げ操作、旋回操作、アーム押し操作を同時に操作する。この内、掘削操作および持ち上げ旋回操作が重負荷操作に相当し、排土操作および復帰旋回操作は軽負荷操作に相当する。図７では、上記の各操作に対応して操作レバーの操作量が増減する様子が示されている。

【0066】

図８は、図７の掘削積み込み操作時の回転数指令およびポンプ容量補正値（前述の補正係数Ｃ）がそれぞれ図示されている。図５のステップＳ３において、重負荷作業に対応するアーム引き操作（掘削操作時の代表レバー操作）およびブーム上げ操作（持ち上げ旋回時の代表レバー操作）のそれぞれに対して、図７のアーム引きレバー操作量、ブーム上げレバー操作量と図５の特性とから、アーム引きエンジン回転数指令およびブーム上げエンジン回転数指令が設定された様子が、図８に図示されている。また、図５のステップＳ４において、アーム引きエンジン回転数指令とブーム上げエンジン回転数指令の高位選択を行うことで、エンジン回転数指令最終値ＮＣＥが設定されている。図８に示すように、この高位選択によって、掘削作業、持ち上げ旋回作業のいずれにおいても、エンジン回転数指令最終値ＮＣＥがＮ１に設定されている。更に、エンジン基準回転数をＮ１とした場合、前述の式１、式２に基づいて、ポンプ容量補正係数Ｃが算出される（図５のステップＳ６）。図８では、エンジン回転数指令最終値ＮＣＥがＮ１に設定される掘削作業、持ち上げ旋回作業において、補正係数ＣがＣ０に設定され、排土作業、復帰旋回作業において補正係数ＣがＣ１に設定されている。この結果、補正係数Ｃ１の排土作業、復帰旋回作業において、ポンプ容量が増加する。

【0067】

なお、コントローラ５０は上記のエンジン回転数を制御するにあたって、決定されたエンジン回転数指令最終値ＮＣＥに対し、レートリミッタ処理（時間あたりのエンジン回転数の変化量を設定値以下に抑制する処理）や移動平均処理などを行うことで、その変化量を緩やかに調整してもよい。これによりエンジン回転数の急峻な変動を抑えることができる。また、これらの処理において、例えばエンジン回転数が減少する側に変化する場合の設定値を高くしてもよい。このような処理によってエンジン回転数が上昇する際にはその影響を小さくすることができるため、重負荷操作を行う場合には素早くエンジン回転数を立ち上げることができる。

【0068】

上記のような制御を行うことで、図９に示すように、重負荷作業に相当する掘削作業、持ち上げ旋回作業ではエンジン回転数が増加するとともに、軽負荷操作に相当する排土作業、復帰旋回作業ではエンジン回転数が減少するよう制御され、更に、エンジン回転数が減少した分、ポンプ容量が増加するよう制御される。

【0069】

この結果、重負荷作業では、エンジン回転数が増加するため、エンジン２０の最大出力が増加する。この状態では、油圧ポンプ２１の負荷圧が高くなるため、油圧ポンプ２１は高圧時にそのポンプ容量を低下させるＰＱ制御領域に入り、ポンプ出力もＰＱ制御による最大出力となっている。油圧ポンプ２１も最大出力となるようにＰＱ制御がかかっているが、上記のようにエンジン回転数が増加しエンジン２０の最大出力も増加しているため、ＰＱ制御による油圧ポンプ２１の出力を高く維持することが可能になり、この油圧ポンプ２１の出力の増加によって重負荷作業での油圧ショベル１の作業量を高く確保することができる。

【0070】

一方、軽負荷作業では、コントローラ５０がエンジン回転数を低くなるように制御するとともに、エンジン回転数が減少した分、油圧ポンプ２１のポンプ容量を増加させるよう制御する。この際、エンジン回転数が低くなる結果、エンジン２０の最大出力は減少する。しかしながら、行われている作業が軽負荷作業の場合、油圧ポンプ２１に要求される出力も相対的に小さいため、エンジン２０の最大出力が下がっても、作業アタッチメント３の作業量に問題があるような影響は生じない。

【0071】

なお、上記の軽負荷作業では、油圧ポンプ２１の負荷圧が低下する結果、低位選択によってＰＱ制御には掛からなくなり、ポジコン制御が優先的に作動する領域となっている。このため、エンジン２０の最大出力が減少したとしても、エンジン２０の最大出力よりも油圧ポンプ２１の出力が低いため、エンジン出力の制約により作業量が低下する問題はない。更に、エンジン回転数が減少した分、ポンプ制御部５０３がポンプ容量を増加させているため、油圧ポンプ２１の流量（＝エンジン回転数×ポンプ容量）が減少することはなく、この結果、作業アタッチメント３の作業量が低下することはない。一方、軽負荷作業時には、エンジン回転数を低下させることによって、エンジン２０に付随する不図示のファンなどの補器の連れまわり損失が低下する。また、油圧ポンプ２１のポンプ容量を増加させることで油圧ポンプ２１の効率が向上する。更に、エンジン２０を低回転にすることでエンジン燃費率が改善する。この結果、作業アタッチメント３の作業量を維持しつつ、省エネ性を高めることができる。

【0072】

次に、上記の第１実施形態の変形例について説明する。図１０は、本変形例に係る油圧ショベル１におけるエンジン回転数と油圧ポンプ２１のＰＱ制御トルク設定値との関係を示すグラフである。図５におけるエンジン回転数Ｎ１は、前述の重負荷制御が実行されない場合（制御オフ状態）と同様に、オペレータがエンジン回転数入力部５２を通じて入力する回転数（アクセル指令値）に応じて設定してもよいが、エンジン回転数Ｎ１は、図１０のように制御オフ状態でオペレータのアクセル指令値に応じて設定されるエンジン回転数Ｎ４よりも低く設定されてもよい。この場合、油圧ポンプ２１のＰＱ制御におけるトルク設定値Ｔ１をエンジン回転数Ｎ４の時のトルク設定値Ｔ４より大きな値に設定しても良い。例えば、以下の式３によってトルク設定値Ｔ１を算出することができる。
Ｔ１＝Ｔ４×Ｎ４／Ｎ１ ・・・（式３）
これにより、油圧ポンプ２１の出力はトルク×回転数となるため、下記の式４、式５ように制御オン状態のポンプ出力と重負荷制御が実行される場合（制御オン状態）のポンプ出力は同じになる。
制御オフ時のポンプ出力＝Ｔ４×Ｎ４ ・・・（式４）
制御オン時のポンプ出力＝Ｔ１×Ｎ１＝（Ｔ４×Ｎ４／Ｎ１）×Ｎ１＝Ｔ４×Ｎ４ ・・・（式５）

【0073】

コントローラ５０が実行する上記のような制御では、重負荷作業時にエンジン回転数を下げることによる出力減少に起因する作業量低下を防止し、制御オフ時と同じ作業量を確保することができる。また、重負荷作業においても、制御オフ時と比較して相対的にエンジン回転数を下げることで、省エネ性を向上させることができる。なお、このようにエンジン回転数を減少した場合、油圧ポンプ２１のポンプ容量を補正するポンプ容量補正係数Ｃの算出のために、下記の式６に基づいて、エンジン回転数の基準値（エンジン回転数Ｎ４）を設定してもよい。
Ｃ＝Ｎ４／ＮＣＥ ・・・（式６）
この結果、ポンプ流量は制御オフ時のエンジン回転数Ｎ４のときのポンプ流量と同じになるように補正されるため、制御オフの場合と同じ作業量を得ることができる。

【0074】

なお、本発明の各実施形態では、油圧ポンプ２１の制御として、ポジコン制御およびＰＱ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ － Ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｆｌｏｗ）制御が選択的に実行される。ポジコン制御では、操作部２４のレバー操作量の大きさに応じてポンプ容量が増加される。一方、ＰＱ制御では、油圧ポンプ２１の圧力（負荷圧、吐出圧）が予め設定された設定値以上に増加した場合に、油圧ポンプ２１のトルクが一定になるように前記圧力の増加に応じてポンプ容量を減少させる。なお、ポンプ制御部５０３は、最終的に比例弁２６に入力するポンプ容量指令値を、ポジコン制御で決定されるポンプ容量とＰＱ制御で決定されるポンプ容量との低位選択によって決定する。

【0075】

ＰＱ制御時は、下記の式７で演算される油圧ポンプ２１のトルクが一定になるように制御されており、これがＰＱ制御のトルク設定値となる。
Ｔ=Ｐ×ｑ／（２π）（Ｐは圧力、ｑはポンプ容量） ・・・（式７）

【0076】

この結果、軽負荷作業時はポジコン制御によってポンプ容量が決定される。一方、重負荷作業時には、油圧ポンプ２１のポンプ圧が設定値以上になるとＰＱ制御によってポンプ容量が決定される。仮に、エンジン回転数Ｎ１をエンジン回転数Ｎ４と同じ、すなわち、重負荷作業時のエンジン回転数指令値を制御オフ時と同じに設定した場合、ポジコン制御のポンプ容量補正係数は、下記の式８で算出される。
Ｃ＝Ｎ１／ＮＣＥ＝Ｎ４／ＮＣＥ ・・・（式８）

【0077】

一方、ＰＱ制御時には、重負荷制御によりエンジン回転数が増加しＮ４、すなわち、制御オフ時のエンジン回転数と同じになるように制御される（ＮＣＥ＝Ｎ４）。このため、式８において、Ｃ＝Ｎ４／Ｎ４＝１となり、ポンプ容量の補正は行われない。すなわち、ＰＱ制御のトルク設定値は、制御オフ時のＰＱ制御トルク設定値と同じになる。

【0078】

一方、仮にエンジン回転数Ｎ１をエンジン回転数Ｎ４より低く設定した場合、ポジコン制御のポンプ容量補正値はＣ＝Ｎ４／ＮＣＥとなる。また、ＰＱ制御のトルク設定値も上記のように、Ｔ１＝Ｔ４×Ｎ４／Ｎ１とすれば、ＰＱ制御時のポンプ容量も回転数がＮ４からＮ１に下がっただけトルクが増加する効果により容量が増加する。

【0079】

なお、実際の制御では、ポジコン制御において上記ポンプ容量補正係数Ｃによってポンプ容量の補正を行う一方、ＰＱ制御のトルクも上記のようにトルクを増加させて算出した上で、両者の低位選択を行う方法をとってもよい。あるいは、ポジコン制御とＰＱ制御との低位選択を先に行い、得られた結果に上記補正係数Ｃによる補正を行う方法をとっても良い。いずれの方法でも、ポジコン制御が掛かる領域、ＰＱ制御が掛かる領域のいずれにおいても、エンジン回転数がＮ４から低下した分に対応する分だけ、ポンプ容量が増加（ＰＱ制御ではトルクが増加）するため、エンジン回転数を低下させた分に見合った分だけ油圧ポンプ２１のポンプ容量が増加し、ポンプ流量が制御オフ時と同じになるように制御されるため、作業量の低下を防止することができる

【0080】

以上のように、上記の第１実施形態では、重負荷制御が実行されると、コントローラ５０は、操作部２４が受ける重負荷許諾操作の操作量の増加に応じてエンジン２０の回転数をＮ０（第１基準回転数）からＮ１（第１補正回転数）まで増加するため、たとえ当該操作量が小さい場合でも前記回転数の増加によってエンジン２０の出力トルクを大きくして作業アタッチメント３の作業能力を高めることができる。このため、油圧ショベル１が作業現場で行われる様々な重負荷作業を安定して行うことが可能になる。また、操作部２４が軽負荷許諾操作を受けると、コントローラ５０がエンジン２０の回転数を回転数Ｎ０に設定する。このため、重負荷作業と比較して相対的に低い回転数でエンジン２０が回転するため、無駄な燃料消費を抑制することができる。なお、操作部２４が軽負荷許諾操作を受けると、コントローラ５０はエンジン２０の回転数を回転数Ｎ０未満の低い回転数に設定してもよい。

【0081】

また、本実施形態では、重負荷許諾操作がアーム引き操作又はブーム上げ操作を含み、作業アタッチメント３に大きな負荷がかかりやすいこれらの操作に対応してエンジン２０の回転数を増加させることで、上記操作に代表される重負荷作業時に作業アタッチメント３の作業能力を十分確保することができる。

【0082】

なお、前記重負荷許諾操作は、少なくともブーム上げ操作および旋回操作が同時に行われる操作を含むものでもよい。この場合、下部走行体１０および上部旋回体１２を含む油圧ショベル１において、オペレータが、上部旋回体１２を旋回させながらブーム４を起立方向に回動させる、いわゆる持ち上げ旋回操作を行なう際に、エンジン２０の回転数を増加させることで作業アタッチメント３の作業能力を十分確保することができる。特に、重負荷許諾操作として旋回操作を含むため、ブーム上げ操作のみを重負荷許諾操作とする場合と比較して、持ち上げ旋回操作を正確に検出して、エンジン２０の回転数制御を行うことができる。

【0083】

また、上記の実施形態では、コントローラ５０は、前記実行条件が成立していない場合にエンジン２０の回転数をＮ４（予め設定された第３基準回転数）に設定し、前記実行条件が成立している場合にエンジン２０の回転数がＮ０以上Ｎ１以下（前記第３基準回転数よりも小さい回転数）の領域で推移するように前記重負荷制御を実行する。更に、コントローラ５０は、当該重負荷制御において、前記ポンプ容量を操作部２４が受ける操作量の大きさに応じた第１容量に設定する第１ポンプ処理（ポジコン制御）と、油圧ポンプ２１の吐出圧が予め設定された閾値圧力を上回った場合に油圧ポンプ２１の出力トルクが予め設定された閾値トルクを維持するように前記吐出圧の変化に応じて前記ポンプ容量を第２容量に設定する第２ポンプ処理（ＰＱ制御）とを準備する。そして、コントローラ５０は、前記第１容量および前記第２容量のうちの相対的に小さい容量に応じた指令信号を比例弁２６に入力する。ここで、前記第２ポンプ処理における前記閾値トルクは、前記重負荷制御におけるエンジンの回転数（第１補正回転数）に基づく油圧ポンプ２１の出力トルクが、前記実行条件が成立していない場合のエンジンの回転数（第３基準回転数）に基づく油圧ポンプ２１の出力トルクに近似するように設定されている。

【0084】

このような構成によれば、重負荷制御下におけるエンジン２０の回転数を実行条件が成立していない場合の回転数よりも小さくすることで、重負荷作業時にも燃料消費を抑制して省エネ効果を高めることができる。この際、第２ポンプ処理において維持される油圧ポンプ２１の出力トルクが、実行条件が成立していない場合の前記出力トルクに近似するように設定されているため、第１ポンプ処理と第２ポンプ処理との低位選択によってポンプ容量を調整しても、油圧ポンプ２１から油圧アクチュエータ２３に供給される作動油の流量を維持することが可能になり、作業アタッチメント３の作業能力の低下を抑制することができる。

【0085】

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について、先の第１実施形態との相違点を中心に説明する。図１１は、本実施形態に係る油圧ショベル１における軽負荷操作のレバー操作量とエンジン回転数との関係を示すグラフである。図１２は、油圧ショベル１において制御装置１００が実行する処理のフローチャートである。図１３は、油圧ショベル１における各エンジン回転数指令およびポンプ容量補正値の推移を示すグラフである。図１４は、油圧ショベル１におけるエンジン回転数指令、エンジン出力、ポンプ出力および燃料消費量の推移を示すグラフである。

【0086】

本実施形態では、先の実施形態と逆に、コントローラ５０は、軽負荷作業が行われていることを条件として、エンジン２０の回転数を減少させる。具体的に、コントローラ５０は、操作部２４が受ける前記軽負荷許諾操作の操作量の増加に応じて、エンジン２０の回転数を第２基準回転数から第２補正回転数まで減少させる一方、操作部２４が受ける前記軽負荷許諾操作の操作量の減少に応じてエンジン２０の回転数を前記第２補正回転数から前記第２基準回転数に増加させる。また、コントローラ５０は、操作部２４が前記重負荷許諾操作を受けると、エンジン２０の回転数を前記第２基準回転数以上に設定する。以下に、その詳細について説明する。

【0087】

当該軽負荷制御が開始されると、作業情報判定部５０１（図４）は、図１２に示すように、各レバー操作が受ける操作量を検出し（ステップＳ１１）、その中の軽負荷許諾操作の有無を判定する（ステップＳ１２）。ここで、軽負荷作業の排土、復帰旋回作業にそれぞれ対応する操作がある場合には（ステップＳ１２でＹＥＳ）、排土操作の代表操作であるアーム押し操作およびバケット排土操作、ならびに復帰旋回操作の代表操作であるブーム下げ操作およびアーム押し操作のそれぞれのレバー操作量から、図１１の特性に基づいて、各操作に対応するエンジン回転数指令値ＮＣを演算する（ステップＳ１３）。なお、図１１の特性も、アーム押し操作、バケット排土操作およびブーム下げ操作において、共通の特性としてもよく、また操作毎に個別に特性を準備してもよい。

【0088】

次に、エンジン回転数決定部５０２が、上記により演算された各操作のエンジン回転数指令値ＮＣの低位選択を行うことで、最終的なエンジン回転数指令最終値ＮＣＥを決定する（ステップＳ１４）。そして、エンジン回転数決定部５０２がこのエンジン回転数指令最終値ＮＣＥをＥＣＵ２０Ｓに入力することで、エンジン回転数を制御する（ステップＳ１５）。この軽負荷操作時においても、エンジン２０の回転数が低下するが、ポンプ制御部５０３は先の実施形態と同様に、油圧ポンプ２１のポンプ容量を補正する（ステップＳ１６）。

【0089】

図１３を参照して、上記の処理について更に詳述する。エンジン回転数決定部５０２は、アーム押しレバー操作量、バケット排土レバー操作量、ブーム下げレバー操作量のそれぞれについて、図１１からアーム押しエンジン回転数指令値（アーム押しレバー操作に対するエンジン回転数指令）、バケット排土エンジン回転数指令値（バケット排土レバー操作に対するエンジン回転数指令）、ブーム下げエンジン回転数指令値（ブーム下げレバー操作に対するエンジン回転数指令）をそれぞれ求める。次に、エンジン回転数決定部５０２が、各エンジン回転数指令値の低位選択を行うことで、図１３に示すように、各作業時のエンジン回転数指令最終値ＮＣＥが決定する。更に、ポンプ制御部５０３は、エンジン基準回転数をＮ１とした場合、図１３のようにポンプ容量補正係数Ｃを設定する。

【0090】

次に、図１４を参照して、軽負荷操作時の省エネ効果と重負荷操作時の作業量向上の効果について更に説明する。本実施形態では、先の実施形態と比較して、スタンバイ状態（レバー中立状態）時に、エンジン２０の回転数が相対的に高く設定される。このスタンバイ状態から、オペレータが重負荷操作を行った場合、エンジン２０の回転数が引き続き高い状態に維持されるため、エンジン２０の回転時の立ち上がりの応答遅れに起因して、作業アタッチメント３の作業量が低下することが防止される。したがって、作業アタッチメント３の重負荷作業を安定して行うことができる。

【0091】

一方、軽負荷操作時には、エンジン２０の回転数、出力が相対的に低くなるが、ポンプ制御部５０３によって油圧ポンプ２１のポンプ容量、出力が増加される。この結果、軽負荷作業時にも作業アタッチメント３の作業量を安定して確保しつつ、エンジン２０の燃料消費量を従来（図１４の破線）よりも抑えることが可能になる。

【0092】

以上のように、本実施形態では、コントローラ５０が軽負荷制御を実行すると、操作部２４が受ける軽負荷許諾操作の操作量の増加に応じてエンジン２０の回転数が減少するため、エンジン２０が無駄に高い回転数で回転することがなく、燃料消費を抑制して省エネ効果を高めることができる。更に、軽負荷制御下で操作部２４が重負荷許諾操作を受けると、エンジン２０の回転数が前記第２基準回転数以上に設定されるため、軽負荷作業時と比較してエンジン２０の出力を高めることで、様々な重負荷作業を安定して行うことが可能になる。

【0093】

また、本実施形態では、軽負荷許諾操作が、排土操作およびアーム押し操作が同時に行われる操作、又はブーム下げ操作およびアーム押し操作が同時に行われる操作を含むため、油圧アクチュエータ２３に大きな力が要求されないこれらの操作に対応してエンジン２０の回転数を減少させて、省エネ効果を高めることができる。

【0094】

なお、前記軽負荷許諾操作は、前記ブーム下げ操作、前記アーム押し操作および旋回操作が同時に行われる操作を含むものでもよい。このような構成によれば、下部走行体１０および上部旋回体１２を含む油圧ショベル１において、上部旋回体１２を旋回させながらアーム５を伸ばす、いわゆる復帰旋回操作を行なう際に、エンジン２０の回転数を減少させることで省エネ効果を高めることができる。特に、軽負荷許諾操作として旋回操作を含むため、アーム押し操作のみを軽負荷許諾操作とする場合と比較して、復帰旋回操作を正確に検出して、エンジン２０の回転数制御を行うことができる。

【0095】

また、本実施形態において、コントローラ５０は、軽負荷制御を実行するにあたって、図１４の回転数Ｎ１（第２基準回転数）から回転数Ｎ０（第２補正回転数）までのエンジン２０の回転数の減少に応じて油圧ポンプ２１のポンプ容量を増加させるように、比例弁２６に指令信号を入力する。このような構成によれば、軽負荷制御の実行時にエンジン２０の回転数を減少させることに伴ってポンプ容量を増加させることで、油圧ポンプ２１から油圧アクチュエータ２３に供給される作動油の流量を維持して、作業アタッチメント３の作業能力の低下を抑制することができる。

【0096】

以上、本発明に係る制御装置１００およびこれを備えた油圧ショベル１について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば以下のような変形実施形態をとることができる。

【0097】

（１）上記の各実施形態では、コントローラ５０が重負荷制御または軽負荷制御を実行する態様にて説明したが、コントローラ５０は重負荷制御および軽負荷制御の両方を実行するものでもよい。この場合、図９の重負荷制御における掘削、持ち上げ旋回作業の制御が実行された後に、図１４の軽負荷制御における排土、復帰旋回作業の制御が実行されればよい。この際、図１４におけるエンジン回転数Ｎ１は、図９におけるエンジン回転数Ｎ０に対応して設定されればよい。

【0098】

（２）図１５は、エンジン２０のエンジン回転数とその燃料消費率との関係を示すグラフである。一般的に、エンジン２０の特性として、所定の低回転領域では、燃料消費率が高くなる傾向にある。一例として、図１５では、エンジン２０の回転数がＮ３近傍において、燃料消費率が最も低くなる（極小値）。なお、回転数Ｎ３を超える領域では、回転数の増加とともに、燃料消費率が高くなる。

【0099】

上記の特性を踏まえて、例えば、オペレータが、エンジン回転数入力部５２を通じて、コントローラ５０によって制御されるエンジン２０の回転数の設定領域に関する情報を入力した場合、エンジン回転数入力部５２に入力される前記設定領域が、エンジン回転数Ｎ３（前記エンジンの燃料消費率の極小値に応じて設定された閾値）よりも大きいことを実行条件として、コントローラ５０が前記重負荷制御または軽負荷制御を実行してもよい。この場合、エンジン２０の本来の特性として燃料消費率が悪化する低い回転数領域において、コントローラ５０が重負荷制御または軽負荷制御を実行することを防止することができる。なお、オペレータがエンジン回転数入力部５２を通じて入力する回転数の設定領域がエンジン回転数Ｎ３未満の場合には、コントローラ５０が実行する重負荷制御および軽負荷制御をオフにして、通常のエンジン回転数制御を実行すればよい。

【0100】

（３）コントローラ５０による上記の重負荷制御または軽負荷制御の実行条件について、表１に示すように所定の状態では各制御の実行が禁止されてもよい。

【表1】

具体的に、油圧ショベル１が作業アタッチメント３によって地面の均し作業を行う場合（均し操作）や、油圧ショベル１が予め設定されたプログラムに基づいてマシンコントロール（自動制御）などの高精度な作業を行う場合には、エンジン回転数の変動による均し精度の悪化などを抑止するために、上記の回転数制御はオフされてもよい。

【0101】

また、オペレータが作業入力部５１（図４）から入力する作業モードとして、作業量優先モードや、更には、重量の大きいアタッチ（オプション部材）をバケット６に代えて作業アタッチメント３に装着して作業する場合（オプション操作）、下部走行体１０による走行時などは、エンジン回転数の減少による作業速度の低下や走行速度の低下を抑止するために、上記の回転数制御はオフされてもよい。一方、省エネ優先モードが入力された場合は、上記の回転数制御がオンされることが望ましい。

【0102】

更に、油圧ショベル１に関連する各種の油温が設定値以上の場合には上記の制御をオフにすることで、エンジン回転数の低下によるファン風量の減少によって、油温が高くなることを防止することができる。表２は、油圧ショベル１の各温度が閾値を超えた場合に制御をオフする条件を示している。

【表2】

表２に示すように、作動油の温度（油温）、エンジン２０の冷却水温度（エンジン水温）、エンジン２０の吸気温度の全て、あるいは、これらの温度のうちのいずれかが、各々に設定された閾値を超えた場合に、上記の回転数制御をオフにしてもよい。換言すれば、前記実行条件は、前記作動油の温度、前記エンジンの冷却水温度、前記エンジンの吸気温度のうちの少なくとも一つの温度が、各々に対して予め設定された閾値よりも低いことを含むものでもよい。このような構成によれば、作動油の温度、エンジンの冷却水温度、同吸気温度のすべての温度が高い状態で、制御部がエンジン２０の回転数を減少させる制御を行うことに起因して、ファン回転などのエンジン２０の自己冷却能力が低下し作動油の温度が更に高くなることを防止することができる。

【0103】

なお、本発明に係る制御のオン／オフの切り替えは、手動で切り替えてもよいし、また下部走行体１０の走行に関するレバー操作量の検出結果やマシンコントロール用のスイッチがオンになっていることに連動して自動的に切り替えられてもよい。

【符号の説明】

【0104】

１ 油圧ショベル（作業機械）
１０ 下部走行体
１００ 制御装置
１００Ｓ 油圧回路
１２ 上部旋回体（機体）
１６ 旋回フレーム
１７ カウンタウエイト
１８ キャブ
２０ エンジン
２０Ｓ ＥＣＵ
２１ 油圧ポンプ
２２ コントロールバルブ
２３ 油圧アクチュエータ（アクチュエータ）
２３１ ブームシリンダ
２３２ アームシリンダ
２３３ バケットシリンダ
２３４ 旋回モータ
２４ 操作部
２４１ ブーム操作部
２４２ アーム操作部
２４３ バケット操作部
２４４ 旋回操作部
２５ レギュレータ
２６ 比例弁
２７ リリーフ弁
２８ ポンプ圧検出部
２９ 作動油温度検出部
３０ パイロット圧検出部
３ 作業アタッチメント（作業部材）
４ ブーム
５ アーム
５０ コントローラ（制御部）
５０１ 作業情報判定部
５０２ エンジン回転数決定部
５０３ ポンプ制御部
５０４ 記憶部
５１ 作業入力部
５２ エンジン回転数入力部
５３ 吸気温度検出部
５４ 冷却水温度検出部
６ バケット
Ｇ 地面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】