ショベルのブーム旋回動力管理を含む電動油圧回路およびシステムのための方法
より効率的なエンジン動作を達成するために、可変容量形ポンプを駆動するエンジンと、油圧弁と、油圧アクチュエータとを有する電動油圧系を制御する方法を開示する。電動油圧系における圧力が監視され、油圧アクチュエータの所望の移動を示すコマンドが受け取られる。圧力およびコマンドに基づいて、機械が行っている動作が確定され、エンジンが、機械動作の特定の部分に対して効率的な設定に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許の開示は、概して電動油圧動力管理に関し、特に、油圧機械に対してエンジン効率を最大限にし、作業サイクル時間を最小限にする動力管理システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧機械、たとえば油圧ショベルは、油圧力をシリンダに提供する可変容量形ポンプを駆動するためにエンジンを使用する。エンジンは、機械の実際の瞬間所要動力とは無関係に一定の高速度で動作することが多い。したがって、動力要求が低い場合であっても、エンジンは非効率な高速度で動作し、必要以上に燃料が消費されエンジンが摩耗することになる。しかしながら、動力要求が高い場合、エンジンはすでに高速で動作しており、必要な動力を油圧系に供給することができる。したがって、エンジンは、動力要求の高い作業に対しては最適な速度で動作するが、動力要求の低い作業に対しては非効率な速度で動作する。
【０００３】
１つの例示的な油圧機械は油圧ショベルであり、それは、別個のステップとして評価することができる複数の作業に対して有用である。ショベルは、深い溝を掘るために使用されることが多い。通常の掘削サイクルの間、ショベルは、掘削ステップにおいて、そのバケットで土を掘ることにより開始する。次に、持上げ・旋回ステップの間、ショベルは、土を空中に持ち上げ、ダンプ位置、たとえば待機しているダンプカーに向かって旋回する。ダンプステップの間、機械は、土をダンプ位置にダンプする。最後に、戻りステップの間、ショベルは、バケットを低下させながら、掘削位置まで戻るように旋回し、それにより次の掘削サイクルが可能な状態になる。掘削サイクル全体の間、機械は最大出力で動作する。しかしながら、高エンジン出力が必要なのは、掘削ステップおよび持上げ・旋回ステップのみである。ダンプステップおよび戻りステップに必要な動力はより低いが、機械は通常高速で動作するため、不必要に燃料を消費する。
【０００４】
動力要件の低い動作中に、油圧機械のエンジン速度を減速し、したがって燃料を節約する、単純な制御方式が実施されてきた。たとえば、燃料を節約するように、持続した待機期間中はアイドリング状態になるようにエンジン速度を減速していた。しかしながら、この制御方式は、完全なエンジン速度および油圧ポンプ流量が必要でない稼働作業サイクル中にエンジン速度を変化させない。
【０００５】
稼動作業サイクル中にエンジン速度を変化させるより高度な制御方式が使用されてきた。稼働作業サイクル中にエンジン速度を制御する１つの例示的な方法および装置が、デヴィア（Ｄｅｖｉｅｒ）他に対する（特許文献１）に開示されている。開示されている方法は、所望のポンプ吐出量および所望のエンジン速度に基づいて油圧機械のエンジン速度を変化させる。エンジン速度は、所望のポンプ吐出量に基づいて効率的なエンジン速度まで減速される。この方法は、より効率的な機械を提供するが、機械が行っている実際の作業に基づいて機械の効率を最適化するものではない。したがって、開示されている方法は、最も優れた最適化を達成するものではない。
【０００６】
上述した背景の説明は、読者の理解を助けるためだけに意図されたものである。本発明を限定するようには意図されておらず、したがって、従来のシステムのいかなる特定の要素も本発明で使用されるのに不適当であると示しているように解釈されるべきではなく、かつ、動機となる問題の解決を含むいかなる要素も、本明細書に記載されている新規な方法を実施するために不可欠であることを示すようにも意図されていない。本明細書に記載されている新規な方法の実施および応用は、添付の特許請求の範囲によって定義されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，９６７，７５６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、一態様では、電動油圧機械を効率的に動作させる方法について述べている。機械は、少なくとも１つの可変変量形ポンプを駆動するエンジンを含む。ポンプは、少なくとも１つの油圧アクチュエータに連結する。操作者は、ダイヤルを所望のエンジン速度に設定することによりエンジン速度を制御することができる。システムは、電動油圧系における圧力を監視する。さらに、システムは、油圧アクチュエータの所望の移動を示すコマンド信号を監視する。エンジン速度と、油圧系における圧力と、油圧アクチュエータの所望の移動を示すコマンド信号とに基づき、システムは、機械が行っている現動作を確定する。最後に、行われている動作を確定した後、エンジンが、特定の動作に対する効率的な速度で動作するように命令される。
【０００９】
別の態様では、電動油圧系を制御するコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読媒体が開示されている。コンピュータ実行可能命令は、油圧系の圧力を監視する命令を含む。コンピュータ可読命令は、少なくとも１つの油圧アクチュエータに対する所望の移動を示すコマンドを受け取る命令をさらに含む。コンピュータ実行可能命令は、油圧系の圧力と、少なくとも１つの油圧アクチュエータに対する所望の移動を示すコマンドとに基づき、作業機械が行っている動作を画定する論理命令をさらに含む。最後に、コンピュータ実行可能命令は、エンジンに対し、行われている動作に対して効率的な速度で動作させる命令を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】エンジン速度が一定に維持される場合のエンジン速度および負荷率対例示的な機械動作サイクルのグラフである。
【図１Ｂ】機械動作サイクルの低負荷率部分の間、エンジン速度が低速度まで減速される場合のエンジン速度および負荷率対例示的な機械動作サイクルのグラフである。
【図１Ｃ】機械動作サイクルの高負荷率部分の間、エンジン速度が高速度まで加速される場合のエンジン速度および負荷率対例示的な機械動作サイクルのグラフである。
【図１Ｄ】機械動作サイクルの高負荷率部分の間、エンジン速度が高速度まで加速されるが、低負荷率部分の間のエンジン速度は、図１Ｃの相当する部分のエンジン速度より低い値で設定される場合の、エンジン速度および負荷率対例示的な機械動作サイクルの別のグラフである。
【図２】機械用の電動油圧系の概略図である。
【図３】機械用の電動油圧系のための制御システムの論理ブロック図である。
【図４】電動油圧機械のエンジン速度を制御する、図１Ｄに示すプロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示は、電動油圧機械のエンジン速度を制御するシステムおよび方法に関する。記載されている技法は、油圧系における圧力を監視することと、系における少なくとも１つの油圧アクチュエータの所望の移動を示すコマンドを受け取ることとを含む。油圧系における圧力と少なくとも１つの油圧アクチュエータの所望の移動を示すコマンドとに基づき、機械が行っている現動作が確定される。そして、エンジンは、行われている動作に基づいて効率的な速度で動作するように設定される。
【００１２】
ここで図面を参照すると、図１Ａは、機械、たとえばショベルが行っている動作例の負荷率を示す。動作は、ニュートラル１００を含む。ニュートラル動作１００中、機械は電源が入っており作動可能状態にあるが、特定の作業を行っていない。ニュートラル動作１００の間は、油圧系の負荷率１１２は低い。しかしながら、ニュートラル動作１００中の油圧系の負荷率１１２は、ゼロではない可能性がある。たとえば、機械の重量を、油圧系が支持しなければならない場合もある。
【００１３】
例示する例では、次の動作は掘削１０２である。掘削動作１０２には、土または他の物質をバケット等の装置にすくうことがあり得る。装置は、機械に取り付けられることが可能であり、または機械の一体部分とされることが可能である。掘削動作１０２中、油圧系の負荷率１１２は高い。図１Ａは、掘削動作１０２中の油圧系の負荷率１１２を１００％として示している。しかしながら、負荷率１１２は１００％未満であり得る。たとえば、掘削されている物質が軽量であるかまたは緊密に詰め込まれていない場合、油圧系の負荷率１１２は１００％未満であり得る。
【００１４】
図１Ａに示す例では、次の動作は持上げ・旋回１０４である。この例では、持上げ・旋回１０４中、バケット等の装填された装置が、空中に持ち上げられ、掘削場所から離れるように旋回する。図示する例では、持上げ・旋回１０４動作中、油圧系の負荷率１１２は１００％である。しかしながら、装置に完全に装填されていない場合、または軽量物質が装填されている場合、持上げ・旋回１０４動作中、油圧系の負荷率１１２は１００％未満であり得る。
【００１５】
持上げ・旋回動作１０４の後、次の例示的な動作はダンプ１０６である。持上げ・旋回動作により、空にされるべき掘削物質を収容している装置が位置決めされる。ダンプ動作１０６は、掘削物質を収容している装置を空にする。この例に示すダンプ動作１０６は、関連する負荷率１１２がおよそ６０％である。しかしながら、ダンプ動作の実際の負荷率１１２は、掘削物質の重量および機械の重量を含む複数の要素に基づいて変化する可能性がある。
【００１６】
機械は、さらなるサイクルを行う場合、ダンプ動作１０６の後、戻り動作１０８に入る。しかしながら、機械は、さらなるサイクルを行わない場合、直接ニュートラル動作１００に進んでもよい。この例では、戻り動作１０８中、機械は、次の掘削動作１１０が開始することができるように掘削場所に戻る。この例では、戻り動作１０８中、油圧系の負荷率１１２は４０％である。負荷率は、機械の重量を含む複数の要素によって決まる。
【００１７】
したがって、この例では、機械は、各動作が既知の順序で起こる周期的な作業を行う。しかしながら、他の実施形態では、機械は周期的作業を行わず、機械動作は操作者の望む任意の順序で起こる可能性がある。
【００１８】
図１Ａに示す例では、エンジン速度１１４は定数１０で維持されており、それは許容可能な最大エンジン速度である。しかしながら、図１Ｂに示す実施形態等の他の実施形態では、エンジン速度は、機械が行う動作によって変化する。図１Ｂに示す実施形態では、エンジン速度１１６の既定値は１０、すなわち許容最大エンジン速度である。したがって、ニュートラルサイクル１００中、エンジン速度１１６は１０に設定される。既定エンジン速度は、任意の適当な値であり得る。たとえば、エンジンの既定値は９、８、７、６、５等の速度であってもよい。さらに、機械の操作者は、既定速度を選択することができてもよい。
【００１９】
ニュートラル動作１００の後、機械は掘削動作１０２に入る。掘削動作１０２中、負荷率１１２は高い。したがって、システムは、エンジン速度１１６を高い値に設定する。この例では、エンジン速度１１６は最大値、すなわち１０に設定される。図示する例では、次の動作は持上げ・旋回１０４である。持上げ・旋回中、負荷率１１２は高い。高い負荷率に基づき、システムはエンジン速度１１６を高い値に設定する。次の動作例はダンプ１０６である。ダンプ中、油圧系の負荷率１１２はおよそ６０％まで低減する。したがって、機械がダンプ動作１０６に入ると、エンジン速度１１６は減速される。図１Ｂに示す例では、システムは、ダンプ動作１０６中、エンジン速度１１６を最大、すなわち１０からより低い値８まで減速する。しかしながら、任意の適当な減速値を用いてもよい。システムによっては、９、８、７、６、５等の減速値が適当な場合もある。
【００２０】
ダンプ動作１０６の後、機械は戻り動作１０８に入る。戻り動作１０８中、油圧系の負荷率１１２は低い。この例では、負荷率１１２はおよそ４０％である。したがって、図示する例では、システムは、戻り動作１０８中、エンジン速度１１６を８の値に設定する。しかしながら、任意の適当な減速エンジン速度１１６値を用いてもよい。例では、戻り動作１０８の後、機械は掘削動作１１０に入る。上述したように、掘削動作１１０中の負荷率１１２は高い。したがって、システムは、掘削動作１１０中、エンジン速度１１６を高い値に設定する。
【００２１】
図１Ｃは、エンジン速度の既定値が低い値であり、エンジン速度が高負荷率１１２動作中に加速される実施形態例を示す。たとえば、ニュートラル動作１００中、負荷率１１２は低い。システムは、エンジン速度１１８を既定値に設定する。この例では、エンジン速度１１８の既定値は９である。掘削動作１０２は、油圧系に対し高負荷率１１２をもたらす。したがって、システムは、掘削動作１０２中、エンジン速度１１８を高い値、すなわち１０に設定する。同様に、持上げ・旋回動作１０４は、油圧系に対し高負荷率１１２をもたらす。したがって、システムは、掘削動作中に設定された高エンジン速度１１８を維持する。上述したように、ダンプ動作１０６は負荷率１１２を低下させる。したがって、図１Ｃに示す例では、システムは、ダンプ動作１０６中、エンジン速度１１８を９の値まで減速する。戻り動作１０８もまた低負荷率１１２である。システムは、戻り動作１０６中、エンジン速度１１８を低い値、すなわち９に設定する。戻り動作１０６の後、システムは次のサイクルに入り、掘削動作１１０が開始する。掘削動作１１０中、油圧系の負荷率１１２は高く、エンジン速度１１８は加速される。
【００２２】
図１Ｃに示す例では、既定エンジン速度１１８の値は９である。エンジン速度設定が９であることにより、特定の機械に基づいてさまざまなエンジンＲＰＭをもたらすことができる。図１Ｄは、図１に類似するシステムを示し、ただしエンジン速度１２０の既定値は８に設定されている。たとえば、ニュートラル動作１００中、負荷率１１２は低く、エンジン速度１２０は８という既定値に設定される。掘削動作１０２中、負荷率は高く、エンジン速度１２０は最大値、すなわち１０に設定される。同様に、持上げ・旋回動作１０４中、負荷率１１２は高いままであり、したがって、エンジン速度１２０は最大値、すなわち１０のままである。ダンプ動作１０６中、負荷率はおよそ６０％まで低下する。したがって、エンジン速度１２０は、最大値から８というより低い既定値まで減速される。戻り動作１０８中、エンジン速度１２０は８という既定値のままである。最後に、機械は、掘削動作１１０で次のサイクルを開始する。
【００２３】
既定値を、作業および機械によって変化させることができる。既定値が高いと、機械は特定の動作をより迅速に完了することができる可能性があるため、生産性がわずかに向上する可能性がある。たとえば、図１Ｃの戻り動作１０８は９というエンジン速度１１８を使用するが、図１Ｄの戻り動作１０８は８というエンジン速度１２０を使用する。図１Ｃの戻り動作を、図１Ｄの戻り動作より迅速に完了することができる。しかしながら、図１Ｃに示す実施態様は、図１Ｃはより高いエンジン速度１１８を維持するため、図１Ｄに示す実施態様より多くの燃料を使用する可能性がある。実施形態によっては、操作者は、既定最低エンジン速度を選択し、システムを無効にして、図１Ａに示すように機械を常に特定の速度で動作させてもよい。他の実施形態では、使用者は、既定エンジン速度を設定することができない。既定エンジン速度を設定する方法には、速度を工場で設定すること、または達成されている作業に基づいてアルゴリズムにより確定することがある。
【００２４】
行われている作業と既定エンジン速度値とに基づいて、効率的なエンジン速度が確定される。以下使用するように、効率的なエンジン速度は、機械が使用する燃料の量と作業サイクルを達成するための時間とによって変化する。システムは、効率的なエンジン速度を、必要に応じて燃料効率に向けてまたは作業サイクル時間に向けて偏らせてもよい。たとえば、図１Ｃに示すシステムは少なくとも９という効率的なエンジン速度を維持するが、図１Ｄに示すシステムは、少なくとも８という効率的なエンジン速度を維持する。したがって、図１Ｃに示すシステムを、依然として図１Ａに示す定常エンジン速度に対して燃料効率利得を達成すると同時に、燃料効率に対してサイクル時間に重きを置くように較正してもよい。図１Ｄに示すシステムを、依然として使用者に対し応答性の高い機械を提供すると同時に、サイクル時間に対して燃料効率に重きを置くように較正してもよい。さらに、実施形態によっては、操作者は、特定の操作者のニーズに適した効率的なエンジン速度を達成するために、燃料効率とサイクル時間との関係を変更することができる。
【００２５】
図２は、機械用の一例としての電動油圧制御システム１２２を示す（ただし、電動油圧機械にはさまざまな制御システムが好適である）。制御システム１２２は、少なくとも１つの油圧アクチュエータ１２６の所望の移動を指示する、図示するジョイスティック１２４等の装置を含む。センサ１２８が、ジョイスティック１２４の移動を検出し、ジョイスティック１２４の移動に関連するデータを機械電子制御モジュール（ＥＣＭ）１３０に送信する。所望の移動データに基づいて、機械ＥＣＭ１３０は、弁ＥＣＭ１３２、可変容量形ポンプ１３４およびエンジン１３６に対するコマンドを生成する。可変容量形ポンプ１３４からの出力を、コンバイナ弁１４２において結合することができる。別法として、可変容量形ポンプ１３４からの出力を、さらなるアクチュエータシステム１４３に送ることができる。
【００２６】
弁ＥＣＭ１３２は、任意の適当な通信機構を用いて機械ＥＣＭ１３０と通信する。図示する例では、ＣＡＮバス１３８を利用して、機械ＥＣＭ１３０と弁ＥＣＭ１３２との間で情報を渡す。任意の数の電子制御モジュールがあってもよく、各々が機械に対しソフトウェアコードを実行する役割を担う。図示する例では、２つの電子制御モジュールが示されているが、１つを含む、任意の数の制御モジュールを使用することも可能である。機械ＥＣＭ１３０は、上述したように、ポンプ１３４、エンジン１３６および弁ＥＣＭ１３２を制御する。弁ＥＣＭ１３２は、系における油圧流体の流れを制御する流量調節要素１４０ａ、１０４ｂ、１４０ｃおよび１４０ｄに対するコマンドを生成する。しかしながら、別の実施形態では、任意の数の流量調節弁があってもよい。さらに、弁ＥＣＭは、センサ１４４ａおよび１４４ｂを用いて油圧系における圧力を監視する。機械ＥＣＭは、センサ１４４ｃおよび１４４ｄを用いて油圧系の圧力を監視する。機械ＥＣＭはポンプセンサを監視する。機械ＥＣＭ１３０および弁ＥＣＭ１３２は、必要に応じてセンサ情報を共有し、必要な場合はＣＡＮバス１３８にアクセスすることができる。各電子制御モジュールを別個に実装することができる。電子制御モジュールを実装するために適したアーキテクチャ例には、汎用プロセッサ、特定用途向け集積回路およびプログラマブルロジックデバイスがある。
【００２７】
操作者は、ジョイスティック１２４を用いて、機械の電動油圧系を制御することができる。図２は、１つの油圧アクチュエータ１２６を示している。しかしながら、作業を達成するために単一機械に複数の油圧アクチュエータを実装することができる。操作者は、ジョイスティック１２４を用いて、油圧アクチュエータ１２６が伸長すべきであることを指示することができる。たとえば、図１Ｄを見ると、ニュートラルサイクル１００から掘削サイクル１０２に進むには、１つまたは複数の油圧アクチュエータを伸長させ、同時にエンジン速度をダイヤル８からダイヤル１０まで加速する必要があり得る。この作業を達成するために、使用者はジョイスティック１２４を操作する。ジョイスティックセンサ１２８は、ジョイスティック１２４の移動を検知し、情報を機械ＥＣＭ１３０に送信する。機械ＥＣＭ１３０はまた、弁ＥＣＭ１３２から圧力データも取得し、弁ＥＣＭ１３２は、圧力センサ１４４ａおよび１４４ｂならびに必要な場合はポンプ圧力センサを監視する。油圧系における圧力の上昇とジョイスティック１２４の移動とに基づき、機械ＥＣＭは、機械が新たなサイクル、たとえば掘削サイクル１０２に入っていることを認識する。
【００２８】
掘削サイクル１０２に入ることに応答して、機械ＥＣＭは、エンジン１３６に対し速度を加速するようにメッセージを送信する。したがって、この例では、エンジンは速度１０に入る。機械ＥＣＭ１３０はまた、可変容量形ポンプ１３４に対し吐出量を適当な値にするようにコマンドを送信する。最後に、機械ＥＣＭ１３０は、油圧アクチュエータ１２６が伸長または収縮すべきであることを指示するコマンドを、ＣＡＮバス１３８を通して弁ＥＣＭ１３２に送信する。機械ＥＣＭ１３０からのコマンドに応じて、弁ＥＣＭ１３２は、ヘッド側弁Ｐ−Ｃ ＨＥ１４０ｂを開放する。弁ＥＣＭ１３２はまた、ロッド側弁１４０ｄおよびヘッド側弁１４０ａを閉鎖したままにし、ロッド側弁１４０ｃを開放する。したがって、ポンプ１３４の出力は、コンバイナ弁１４２において結合されることが可能であり、弁Ｐ−Ｃ ＨＥ１４０ｂを通った後、油圧シリンダ１２６のヘッド側１４６まで進み、シリンダのロッド側の流れはタンク１５０に進む。このため、油圧アクチュエータは伸長する。これは、弁動作の１つの例示的なモードを表している。
【００２９】
次のサイクル、たとえばダンプサイクル１０６に入ると、使用者は、ジョイスティック１２４を用いて機械の所望の移動を指示する。ジョイスティック１２４の移動はセンサ１２８によって検出される。センサ１２８は、移動を機械ＥＣＭ１３０に送信する。機械ＥＣＭ１３０は、機械がダンプサイクルに入っていることを認識する。したがって、機械ＥＣＭ１３０は、エンジン１３６に対し、速度を減速するようにメッセージを送信する。したがって、この例では、エンジンは速度８に入る。機械ＥＣＭ１３０はまた、可変変量形ポンプ１３４に対し吐出量を低減させるようにコマンドを送信する。機械ＥＣＭ１３０はまた、油圧アクチュエータ１２６の適当な運動を指示するコマンドを、ＣＡＮバス１３８を介して弁ＥＣＭ１３２に送信する。
【００３０】
一例としての電動油圧系は回生に対応している。したがって、油圧アクチュエータ１２６が収縮している時、ヘッド側１４６からの流体は、貯蔵場所１５０に直接向かうのではなく、ヘッド側弁１４０ｂからロッド側弁１４０ｄを通ってロッド側１４８まで進むことができる。たとえば、流体は、アクチュエータ１２６のヘッド側１４６から、Ｐ−Ｃ ＨＥ弁１４０ｂを通り、弁Ｐ−Ｃ ＲＥ１４０ｄを通り、その後アクチュエータ１２６のロッド側１４８まで流れることができる。回生を用いることにより、ポンプ１３４からの必要な流量が少なくなる。したがって、ポンプが使用する動力が低減し、エンジン１３６は、燃料を節約しながらより効率的に動作することができる。
【００３１】
図３は、機械用の電動油圧系のための制御システムの論理ブロック図を示す。操作者は、ジョイスティック１２４を使用して、システムに指示コマンドを入力する。機械ＥＣＭ１３０内のレバー速度段１５２は、所望のアクチュエータ移動の方向を確定し、ジョイスティック１２４の位置に基づいて移動に対する所望の速度を計算する。ジョイスティック１２４の位置はまた、弁状態ロジック段１５４にも供給される。弁状態ロジックは、ヘッド側弁１４０ａ、１４０ｂおよびロッド側弁１４０ｃおよび１４０ｄが、油圧アクチュエータの所望の移動を達成するために開放されるべきかまたは閉鎖されるべきかを確定する。さらに、ジョイスティック１２４の位置は、サイクルロジック段１５６に供給される。サイクルロジック１５６は、機械が動作のいずれのサイクルを行っているかを確定する。たとえば、図１において機械が達成している作業に基づき、サイクルは、ニュートラル１００、掘削１０２、持上げ・旋回１０４、ダンプ１０６、戻り１０８および掘削１１０である。サイクルロジック１５６はまた、サイクルを確定するために、圧力センサ１４４からのデータを圧力ロジック段１５８から受け取る。圧力ロジック１５８は、弁ＥＣＭ１３２内に位置している。
【００３２】
レバー速度段１５２は、要求された移動情報をジョイスティック１２４から要求流量段１６０に渡す。要求流量段１６０は、油圧アクチュエータを所望の速度で移動させるために必要な油圧流体の量を確定し、要求流量信号を加算段１６２に渡す。加算段１６２は、弁ＥＣＭ１３２における回生段１６４から回生情報を受け取る。加算段１６２は、回生を通して得られた油圧流量を、要求流量段１６０が計算した要求された油圧流の量から引く。必要流量信号は加算段１６２からポンプ制御段１６６に送信される。ポンプ制御段１６６は、必要なポンプ吐出量を計算し、その値を可変容量形ポンプ１３４に渡す。
【００３３】
エンジン速度は、エンジン速度制御段１６８によって計算される。エンジン速度制御段１６８は、サイクルロジック１５６によって計算される機械のサイクルと現エンジン速度１６９とに基づいて、現エンジン速度を計算する。この例では、エンジン速度制御段１６８はまた、ユーザ速度設定１７０も受け入れる。ユーザ速度コントロール１７０を用いて、計算されたエンジン速度を無効にすることができる。さらに、ユーザ速度制御１７０を用いて、エンジンの基本速度を設定することができる。たとえば、図１Ｃにおいて、エンジンの基本速度は９であり、それは、ニュートラルサイクル１００中に見ることができる。図１Ｄにおいて、エンジンの基本速度は８であり、それもまたニュートラルサイクル１００中に見ることができる。
【００３４】
図４は、図１Ｄに示す電動油圧機械のエンジン速度を制御するプロセス例を示すフローチャートである。例示的なプロセスは、機械がニュートラル段階１７４にありエンジン速度が８で開始する。しかしながら、例示的なプロセスを、機械のいかなるサイクルで開始してもよい。判断点１７６は、スティックレバーおよびバケットレバーが移動して機械が掘削サイクル１０２に入っているか否かを確定する。さらに、判断点１７６は、圧力センサを監視して、油圧系における圧力が上昇しているか否かを確定する。機械が掘削サイクル１０２に入っていない場合、プロセスはニュートラル段階１７４のままである。機械が掘削サイクル１０２に入っている場合、プロセスは掘削段階１７８に進む。掘削段階１７８の間、エンジン速度は１０に設定される。エンジン速度が加速することにより、油圧系は掘削するためにより多くの動力を利用することができる。判断点１８０において、システムは、ブームレバーおよび旋回レバーを監視して、ブームが地面から離れる方向に持ち上がっておりかつ掘削場所から離れるように旋回しているか否かを確定する。システムはまた、ブーム、旋回およびバケットに関連するセンサを含む圧力センサを監視して、油圧系における圧力が高いか否かを確定し、それは、ブームが持ち上がっており掘削サイクルが終了したことを示す。システムは、ブームが掘削場所から離れるように持ち上がりかつ旋回していると確定した場合、持上げ・旋回段階１８２に入り、そうでない場合、システムは掘削段階１７８にあり続ける。持上げ・旋回段階１８２に入った後、エンジン速度は１０のままである。プロセスは、次に、判断点１８４においてバケットレバーおよびスティックレバーを監視する。バケットレバーおよびスティックレバーが、システムがバケットをダンプしていることを示す場合、システムは、ダンプ段階１８６に入り、そうでない場合、システムは持上げ・旋回段階１８２にあり続ける。
【００３５】
ダンプ段階１８６の間、システムは、低油圧要求動作中のエネルギーを節約するために、エンジン速度を８まで減速する。判断点１８８において、システムは、ブームレバー、旋回レバーおよびシステム圧力を監視する。機械がダンプ場所から離れるように旋回し始めると、システムは戻り段階１９０に入り、そうでない場合、システムはダンプサイクルにあり続ける。戻り段階１９０の間、システムは、燃料を節約するためにエンジン速度を８に設定する。最後に、判断点１９２において、システムは、スティックレバー、バケットレバーおよび油圧系圧力を監視する。スティックレバーおよびバケットレバーが下がり、かつ圧力が上昇すると、システムは掘削段階１７８に入る。スティックレバーおよびバケットレバーが移動をやめ、圧力が低いままである場合、システムはニュートラル段階１７４に入る。図４に示す例示的なプロセスは、１つの機械に対し１つのあり得る作業を実施する１つのあり得る方法を示している。種々の機械に対して種々の作業を達成するために多くのプロセスを実施することができる。図４に示すプロセスは、例示の目的で提供されており、本開示を限定するようには意図されていない。別の実施形態では、システムはまた、油圧系における流量も監視する。流量と圧力との両方を監視することにより、システムは、機械がいずれの動作の段階を行っているかを確定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本明細書に記載したショベル動力管理を含む電動油圧回路およびシステムのプロセスの産業上の利用可能性は、上述した説明から容易に理解されよう。本開示は、多くの機械および機械が達成する多くの作業に対して適用可能である。本開示に適合する１つの例示的な機械がショベルである。ショベルは、土を掘削することが多い電動油圧機械である。図４に提供する例示的な方法は、掘削が課されているショベルでプロセスを実施する１つの方法を示している。上述した説明は、種々の作業を達成する多くの機械に適用されることは繰り返されるべきである。
【００３７】
ショベルは、操作者が制御する複数のジョイスティックを備えている。上述した方法を用いて、ショベルは、それらジョイスティックの移動と電動油圧系における圧力とを監視する。ジョイスティックが、大きい動力を必要とする作業が達成されるべきであることを指示し、かつ油圧系における圧力が上昇し始めると、ショベルはエンジン出力を上昇させる。エンジン出力の上昇によりさらなる燃料が使用され、したがって、機械は、必要な場合は生産力が向上するが、動作するのによりコストがかかる。ジョイスティックの移動が、それほど大きい動力を必要としない作業が達成されるべきであることを示し、かつ油圧系における圧力が低下し始めると、エンジン出力は同様に低減され、したがって、機械の燃料効率が向上する。
【００３８】
同様に、上述した方法およびシステムを、多種多様の機械および作業に適合させることができる。たとえば、バックホーローダ、コンパクタ、フェラーバンチャ、林業用機械、産業ローダ、スキッドステアローダ、ホイールローダおよび他の多くの機械が、記載した方法およびシステムから利益を得ることができる。
【００３９】
上述した説明は、開示したシステムおよび技法の例を提供することが理解されよう。しかしながら、本開示の他の実施態様が、上述した例から細部において異なり得ることが考えられる。本発明またはその例に対するすべての言及は、その箇所で説明されている特定の例に言及するように意図されており、より一般に本発明の範囲に関するいかなる限定も意味するようには意図されていない。いくつかの特徴に関し区別し軽視するすべての言葉は、それら特徴を優先しないことを示すように意図されているが、特に示さない限り、本発明の範囲からそういったものを完全に排除するようには意図されていない。
【００４０】
本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書において特に示さない限り、単に、その範囲内にある各々の別個の値を個々に言及する省略法としての役割を果たすように意図されており、各々の別個の値は、本明細書において個々に列挙されているかのように本明細書に組み込まれる。本明細書において特に示さない限り、かつ文脈から明らかに矛盾しない限り、本明細書に記載したすべての方法を任意の好適な順序で行うことができる。
【００４１】
したがって、本発明は、適用される法律が許可するように本明細書に添付された特許請求の範囲に列挙された主題のすべての変更態様および等価物を含む。さらに、本明細書で特に示さない限り、かつ文脈から明らかに矛盾しない限り、上述した要素のそのすべてのあり得る変形における任意の組合せが、本発明によって包含される。
【技術分野】
【０００１】
本特許の開示は、概して電動油圧動力管理に関し、特に、油圧機械に対してエンジン効率を最大限にし、作業サイクル時間を最小限にする動力管理システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧機械、たとえば油圧ショベルは、油圧力をシリンダに提供する可変容量形ポンプを駆動するためにエンジンを使用する。エンジンは、機械の実際の瞬間所要動力とは無関係に一定の高速度で動作することが多い。したがって、動力要求が低い場合であっても、エンジンは非効率な高速度で動作し、必要以上に燃料が消費されエンジンが摩耗することになる。しかしながら、動力要求が高い場合、エンジンはすでに高速で動作しており、必要な動力を油圧系に供給することができる。したがって、エンジンは、動力要求の高い作業に対しては最適な速度で動作するが、動力要求の低い作業に対しては非効率な速度で動作する。
【０００３】
１つの例示的な油圧機械は油圧ショベルであり、それは、別個のステップとして評価することができる複数の作業に対して有用である。ショベルは、深い溝を掘るために使用されることが多い。通常の掘削サイクルの間、ショベルは、掘削ステップにおいて、そのバケットで土を掘ることにより開始する。次に、持上げ・旋回ステップの間、ショベルは、土を空中に持ち上げ、ダンプ位置、たとえば待機しているダンプカーに向かって旋回する。ダンプステップの間、機械は、土をダンプ位置にダンプする。最後に、戻りステップの間、ショベルは、バケットを低下させながら、掘削位置まで戻るように旋回し、それにより次の掘削サイクルが可能な状態になる。掘削サイクル全体の間、機械は最大出力で動作する。しかしながら、高エンジン出力が必要なのは、掘削ステップおよび持上げ・旋回ステップのみである。ダンプステップおよび戻りステップに必要な動力はより低いが、機械は通常高速で動作するため、不必要に燃料を消費する。
【０００４】
動力要件の低い動作中に、油圧機械のエンジン速度を減速し、したがって燃料を節約する、単純な制御方式が実施されてきた。たとえば、燃料を節約するように、持続した待機期間中はアイドリング状態になるようにエンジン速度を減速していた。しかしながら、この制御方式は、完全なエンジン速度および油圧ポンプ流量が必要でない稼働作業サイクル中にエンジン速度を変化させない。
【０００５】
稼動作業サイクル中にエンジン速度を変化させるより高度な制御方式が使用されてきた。稼働作業サイクル中にエンジン速度を制御する１つの例示的な方法および装置が、デヴィア（Ｄｅｖｉｅｒ）他に対する（特許文献１）に開示されている。開示されている方法は、所望のポンプ吐出量および所望のエンジン速度に基づいて油圧機械のエンジン速度を変化させる。エンジン速度は、所望のポンプ吐出量に基づいて効率的なエンジン速度まで減速される。この方法は、より効率的な機械を提供するが、機械が行っている実際の作業に基づいて機械の効率を最適化するものではない。したがって、開示されている方法は、最も優れた最適化を達成するものではない。
【０００６】
上述した背景の説明は、読者の理解を助けるためだけに意図されたものである。本発明を限定するようには意図されておらず、したがって、従来のシステムのいかなる特定の要素も本発明で使用されるのに不適当であると示しているように解釈されるべきではなく、かつ、動機となる問題の解決を含むいかなる要素も、本明細書に記載されている新規な方法を実施するために不可欠であることを示すようにも意図されていない。本明細書に記載されている新規な方法の実施および応用は、添付の特許請求の範囲によって定義されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，９６７，７５６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、一態様では、電動油圧機械を効率的に動作させる方法について述べている。機械は、少なくとも１つの可変変量形ポンプを駆動するエンジンを含む。ポンプは、少なくとも１つの油圧アクチュエータに連結する。操作者は、ダイヤルを所望のエンジン速度に設定することによりエンジン速度を制御することができる。システムは、電動油圧系における圧力を監視する。さらに、システムは、油圧アクチュエータの所望の移動を示すコマンド信号を監視する。エンジン速度と、油圧系における圧力と、油圧アクチュエータの所望の移動を示すコマンド信号とに基づき、システムは、機械が行っている現動作を確定する。最後に、行われている動作を確定した後、エンジンが、特定の動作に対する効率的な速度で動作するように命令される。
【０００９】
別の態様では、電動油圧系を制御するコンピュータ実行可能命令を有するコンピュータ可読媒体が開示されている。コンピュータ実行可能命令は、油圧系の圧力を監視する命令を含む。コンピュータ可読命令は、少なくとも１つの油圧アクチュエータに対する所望の移動を示すコマンドを受け取る命令をさらに含む。コンピュータ実行可能命令は、油圧系の圧力と、少なくとも１つの油圧アクチュエータに対する所望の移動を示すコマンドとに基づき、作業機械が行っている動作を画定する論理命令をさらに含む。最後に、コンピュータ実行可能命令は、エンジンに対し、行われている動作に対して効率的な速度で動作させる命令を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】エンジン速度が一定に維持される場合のエンジン速度および負荷率対例示的な機械動作サイクルのグラフである。
【図１Ｂ】機械動作サイクルの低負荷率部分の間、エンジン速度が低速度まで減速される場合のエンジン速度および負荷率対例示的な機械動作サイクルのグラフである。
【図１Ｃ】機械動作サイクルの高負荷率部分の間、エンジン速度が高速度まで加速される場合のエンジン速度および負荷率対例示的な機械動作サイクルのグラフである。
【図１Ｄ】機械動作サイクルの高負荷率部分の間、エンジン速度が高速度まで加速されるが、低負荷率部分の間のエンジン速度は、図１Ｃの相当する部分のエンジン速度より低い値で設定される場合の、エンジン速度および負荷率対例示的な機械動作サイクルの別のグラフである。
【図２】機械用の電動油圧系の概略図である。
【図３】機械用の電動油圧系のための制御システムの論理ブロック図である。
【図４】電動油圧機械のエンジン速度を制御する、図１Ｄに示すプロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示は、電動油圧機械のエンジン速度を制御するシステムおよび方法に関する。記載されている技法は、油圧系における圧力を監視することと、系における少なくとも１つの油圧アクチュエータの所望の移動を示すコマンドを受け取ることとを含む。油圧系における圧力と少なくとも１つの油圧アクチュエータの所望の移動を示すコマンドとに基づき、機械が行っている現動作が確定される。そして、エンジンは、行われている動作に基づいて効率的な速度で動作するように設定される。
【００１２】
ここで図面を参照すると、図１Ａは、機械、たとえばショベルが行っている動作例の負荷率を示す。動作は、ニュートラル１００を含む。ニュートラル動作１００中、機械は電源が入っており作動可能状態にあるが、特定の作業を行っていない。ニュートラル動作１００の間は、油圧系の負荷率１１２は低い。しかしながら、ニュートラル動作１００中の油圧系の負荷率１１２は、ゼロではない可能性がある。たとえば、機械の重量を、油圧系が支持しなければならない場合もある。
【００１３】
例示する例では、次の動作は掘削１０２である。掘削動作１０２には、土または他の物質をバケット等の装置にすくうことがあり得る。装置は、機械に取り付けられることが可能であり、または機械の一体部分とされることが可能である。掘削動作１０２中、油圧系の負荷率１１２は高い。図１Ａは、掘削動作１０２中の油圧系の負荷率１１２を１００％として示している。しかしながら、負荷率１１２は１００％未満であり得る。たとえば、掘削されている物質が軽量であるかまたは緊密に詰め込まれていない場合、油圧系の負荷率１１２は１００％未満であり得る。
【００１４】
図１Ａに示す例では、次の動作は持上げ・旋回１０４である。この例では、持上げ・旋回１０４中、バケット等の装填された装置が、空中に持ち上げられ、掘削場所から離れるように旋回する。図示する例では、持上げ・旋回１０４動作中、油圧系の負荷率１１２は１００％である。しかしながら、装置に完全に装填されていない場合、または軽量物質が装填されている場合、持上げ・旋回１０４動作中、油圧系の負荷率１１２は１００％未満であり得る。
【００１５】
持上げ・旋回動作１０４の後、次の例示的な動作はダンプ１０６である。持上げ・旋回動作により、空にされるべき掘削物質を収容している装置が位置決めされる。ダンプ動作１０６は、掘削物質を収容している装置を空にする。この例に示すダンプ動作１０６は、関連する負荷率１１２がおよそ６０％である。しかしながら、ダンプ動作の実際の負荷率１１２は、掘削物質の重量および機械の重量を含む複数の要素に基づいて変化する可能性がある。
【００１６】
機械は、さらなるサイクルを行う場合、ダンプ動作１０６の後、戻り動作１０８に入る。しかしながら、機械は、さらなるサイクルを行わない場合、直接ニュートラル動作１００に進んでもよい。この例では、戻り動作１０８中、機械は、次の掘削動作１１０が開始することができるように掘削場所に戻る。この例では、戻り動作１０８中、油圧系の負荷率１１２は４０％である。負荷率は、機械の重量を含む複数の要素によって決まる。
【００１７】
したがって、この例では、機械は、各動作が既知の順序で起こる周期的な作業を行う。しかしながら、他の実施形態では、機械は周期的作業を行わず、機械動作は操作者の望む任意の順序で起こる可能性がある。
【００１８】
図１Ａに示す例では、エンジン速度１１４は定数１０で維持されており、それは許容可能な最大エンジン速度である。しかしながら、図１Ｂに示す実施形態等の他の実施形態では、エンジン速度は、機械が行う動作によって変化する。図１Ｂに示す実施形態では、エンジン速度１１６の既定値は１０、すなわち許容最大エンジン速度である。したがって、ニュートラルサイクル１００中、エンジン速度１１６は１０に設定される。既定エンジン速度は、任意の適当な値であり得る。たとえば、エンジンの既定値は９、８、７、６、５等の速度であってもよい。さらに、機械の操作者は、既定速度を選択することができてもよい。
【００１９】
ニュートラル動作１００の後、機械は掘削動作１０２に入る。掘削動作１０２中、負荷率１１２は高い。したがって、システムは、エンジン速度１１６を高い値に設定する。この例では、エンジン速度１１６は最大値、すなわち１０に設定される。図示する例では、次の動作は持上げ・旋回１０４である。持上げ・旋回中、負荷率１１２は高い。高い負荷率に基づき、システムはエンジン速度１１６を高い値に設定する。次の動作例はダンプ１０６である。ダンプ中、油圧系の負荷率１１２はおよそ６０％まで低減する。したがって、機械がダンプ動作１０６に入ると、エンジン速度１１６は減速される。図１Ｂに示す例では、システムは、ダンプ動作１０６中、エンジン速度１１６を最大、すなわち１０からより低い値８まで減速する。しかしながら、任意の適当な減速値を用いてもよい。システムによっては、９、８、７、６、５等の減速値が適当な場合もある。
【００２０】
ダンプ動作１０６の後、機械は戻り動作１０８に入る。戻り動作１０８中、油圧系の負荷率１１２は低い。この例では、負荷率１１２はおよそ４０％である。したがって、図示する例では、システムは、戻り動作１０８中、エンジン速度１１６を８の値に設定する。しかしながら、任意の適当な減速エンジン速度１１６値を用いてもよい。例では、戻り動作１０８の後、機械は掘削動作１１０に入る。上述したように、掘削動作１１０中の負荷率１１２は高い。したがって、システムは、掘削動作１１０中、エンジン速度１１６を高い値に設定する。
【００２１】
図１Ｃは、エンジン速度の既定値が低い値であり、エンジン速度が高負荷率１１２動作中に加速される実施形態例を示す。たとえば、ニュートラル動作１００中、負荷率１１２は低い。システムは、エンジン速度１１８を既定値に設定する。この例では、エンジン速度１１８の既定値は９である。掘削動作１０２は、油圧系に対し高負荷率１１２をもたらす。したがって、システムは、掘削動作１０２中、エンジン速度１１８を高い値、すなわち１０に設定する。同様に、持上げ・旋回動作１０４は、油圧系に対し高負荷率１１２をもたらす。したがって、システムは、掘削動作中に設定された高エンジン速度１１８を維持する。上述したように、ダンプ動作１０６は負荷率１１２を低下させる。したがって、図１Ｃに示す例では、システムは、ダンプ動作１０６中、エンジン速度１１８を９の値まで減速する。戻り動作１０８もまた低負荷率１１２である。システムは、戻り動作１０６中、エンジン速度１１８を低い値、すなわち９に設定する。戻り動作１０６の後、システムは次のサイクルに入り、掘削動作１１０が開始する。掘削動作１１０中、油圧系の負荷率１１２は高く、エンジン速度１１８は加速される。
【００２２】
図１Ｃに示す例では、既定エンジン速度１１８の値は９である。エンジン速度設定が９であることにより、特定の機械に基づいてさまざまなエンジンＲＰＭをもたらすことができる。図１Ｄは、図１に類似するシステムを示し、ただしエンジン速度１２０の既定値は８に設定されている。たとえば、ニュートラル動作１００中、負荷率１１２は低く、エンジン速度１２０は８という既定値に設定される。掘削動作１０２中、負荷率は高く、エンジン速度１２０は最大値、すなわち１０に設定される。同様に、持上げ・旋回動作１０４中、負荷率１１２は高いままであり、したがって、エンジン速度１２０は最大値、すなわち１０のままである。ダンプ動作１０６中、負荷率はおよそ６０％まで低下する。したがって、エンジン速度１２０は、最大値から８というより低い既定値まで減速される。戻り動作１０８中、エンジン速度１２０は８という既定値のままである。最後に、機械は、掘削動作１１０で次のサイクルを開始する。
【００２３】
既定値を、作業および機械によって変化させることができる。既定値が高いと、機械は特定の動作をより迅速に完了することができる可能性があるため、生産性がわずかに向上する可能性がある。たとえば、図１Ｃの戻り動作１０８は９というエンジン速度１１８を使用するが、図１Ｄの戻り動作１０８は８というエンジン速度１２０を使用する。図１Ｃの戻り動作を、図１Ｄの戻り動作より迅速に完了することができる。しかしながら、図１Ｃに示す実施態様は、図１Ｃはより高いエンジン速度１１８を維持するため、図１Ｄに示す実施態様より多くの燃料を使用する可能性がある。実施形態によっては、操作者は、既定最低エンジン速度を選択し、システムを無効にして、図１Ａに示すように機械を常に特定の速度で動作させてもよい。他の実施形態では、使用者は、既定エンジン速度を設定することができない。既定エンジン速度を設定する方法には、速度を工場で設定すること、または達成されている作業に基づいてアルゴリズムにより確定することがある。
【００２４】
行われている作業と既定エンジン速度値とに基づいて、効率的なエンジン速度が確定される。以下使用するように、効率的なエンジン速度は、機械が使用する燃料の量と作業サイクルを達成するための時間とによって変化する。システムは、効率的なエンジン速度を、必要に応じて燃料効率に向けてまたは作業サイクル時間に向けて偏らせてもよい。たとえば、図１Ｃに示すシステムは少なくとも９という効率的なエンジン速度を維持するが、図１Ｄに示すシステムは、少なくとも８という効率的なエンジン速度を維持する。したがって、図１Ｃに示すシステムを、依然として図１Ａに示す定常エンジン速度に対して燃料効率利得を達成すると同時に、燃料効率に対してサイクル時間に重きを置くように較正してもよい。図１Ｄに示すシステムを、依然として使用者に対し応答性の高い機械を提供すると同時に、サイクル時間に対して燃料効率に重きを置くように較正してもよい。さらに、実施形態によっては、操作者は、特定の操作者のニーズに適した効率的なエンジン速度を達成するために、燃料効率とサイクル時間との関係を変更することができる。
【００２５】
図２は、機械用の一例としての電動油圧制御システム１２２を示す（ただし、電動油圧機械にはさまざまな制御システムが好適である）。制御システム１２２は、少なくとも１つの油圧アクチュエータ１２６の所望の移動を指示する、図示するジョイスティック１２４等の装置を含む。センサ１２８が、ジョイスティック１２４の移動を検出し、ジョイスティック１２４の移動に関連するデータを機械電子制御モジュール（ＥＣＭ）１３０に送信する。所望の移動データに基づいて、機械ＥＣＭ１３０は、弁ＥＣＭ１３２、可変容量形ポンプ１３４およびエンジン１３６に対するコマンドを生成する。可変容量形ポンプ１３４からの出力を、コンバイナ弁１４２において結合することができる。別法として、可変容量形ポンプ１３４からの出力を、さらなるアクチュエータシステム１４３に送ることができる。
【００２６】
弁ＥＣＭ１３２は、任意の適当な通信機構を用いて機械ＥＣＭ１３０と通信する。図示する例では、ＣＡＮバス１３８を利用して、機械ＥＣＭ１３０と弁ＥＣＭ１３２との間で情報を渡す。任意の数の電子制御モジュールがあってもよく、各々が機械に対しソフトウェアコードを実行する役割を担う。図示する例では、２つの電子制御モジュールが示されているが、１つを含む、任意の数の制御モジュールを使用することも可能である。機械ＥＣＭ１３０は、上述したように、ポンプ１３４、エンジン１３６および弁ＥＣＭ１３２を制御する。弁ＥＣＭ１３２は、系における油圧流体の流れを制御する流量調節要素１４０ａ、１０４ｂ、１４０ｃおよび１４０ｄに対するコマンドを生成する。しかしながら、別の実施形態では、任意の数の流量調節弁があってもよい。さらに、弁ＥＣＭは、センサ１４４ａおよび１４４ｂを用いて油圧系における圧力を監視する。機械ＥＣＭは、センサ１４４ｃおよび１４４ｄを用いて油圧系の圧力を監視する。機械ＥＣＭはポンプセンサを監視する。機械ＥＣＭ１３０および弁ＥＣＭ１３２は、必要に応じてセンサ情報を共有し、必要な場合はＣＡＮバス１３８にアクセスすることができる。各電子制御モジュールを別個に実装することができる。電子制御モジュールを実装するために適したアーキテクチャ例には、汎用プロセッサ、特定用途向け集積回路およびプログラマブルロジックデバイスがある。
【００２７】
操作者は、ジョイスティック１２４を用いて、機械の電動油圧系を制御することができる。図２は、１つの油圧アクチュエータ１２６を示している。しかしながら、作業を達成するために単一機械に複数の油圧アクチュエータを実装することができる。操作者は、ジョイスティック１２４を用いて、油圧アクチュエータ１２６が伸長すべきであることを指示することができる。たとえば、図１Ｄを見ると、ニュートラルサイクル１００から掘削サイクル１０２に進むには、１つまたは複数の油圧アクチュエータを伸長させ、同時にエンジン速度をダイヤル８からダイヤル１０まで加速する必要があり得る。この作業を達成するために、使用者はジョイスティック１２４を操作する。ジョイスティックセンサ１２８は、ジョイスティック１２４の移動を検知し、情報を機械ＥＣＭ１３０に送信する。機械ＥＣＭ１３０はまた、弁ＥＣＭ１３２から圧力データも取得し、弁ＥＣＭ１３２は、圧力センサ１４４ａおよび１４４ｂならびに必要な場合はポンプ圧力センサを監視する。油圧系における圧力の上昇とジョイスティック１２４の移動とに基づき、機械ＥＣＭは、機械が新たなサイクル、たとえば掘削サイクル１０２に入っていることを認識する。
【００２８】
掘削サイクル１０２に入ることに応答して、機械ＥＣＭは、エンジン１３６に対し速度を加速するようにメッセージを送信する。したがって、この例では、エンジンは速度１０に入る。機械ＥＣＭ１３０はまた、可変容量形ポンプ１３４に対し吐出量を適当な値にするようにコマンドを送信する。最後に、機械ＥＣＭ１３０は、油圧アクチュエータ１２６が伸長または収縮すべきであることを指示するコマンドを、ＣＡＮバス１３８を通して弁ＥＣＭ１３２に送信する。機械ＥＣＭ１３０からのコマンドに応じて、弁ＥＣＭ１３２は、ヘッド側弁Ｐ−Ｃ ＨＥ１４０ｂを開放する。弁ＥＣＭ１３２はまた、ロッド側弁１４０ｄおよびヘッド側弁１４０ａを閉鎖したままにし、ロッド側弁１４０ｃを開放する。したがって、ポンプ１３４の出力は、コンバイナ弁１４２において結合されることが可能であり、弁Ｐ−Ｃ ＨＥ１４０ｂを通った後、油圧シリンダ１２６のヘッド側１４６まで進み、シリンダのロッド側の流れはタンク１５０に進む。このため、油圧アクチュエータは伸長する。これは、弁動作の１つの例示的なモードを表している。
【００２９】
次のサイクル、たとえばダンプサイクル１０６に入ると、使用者は、ジョイスティック１２４を用いて機械の所望の移動を指示する。ジョイスティック１２４の移動はセンサ１２８によって検出される。センサ１２８は、移動を機械ＥＣＭ１３０に送信する。機械ＥＣＭ１３０は、機械がダンプサイクルに入っていることを認識する。したがって、機械ＥＣＭ１３０は、エンジン１３６に対し、速度を減速するようにメッセージを送信する。したがって、この例では、エンジンは速度８に入る。機械ＥＣＭ１３０はまた、可変変量形ポンプ１３４に対し吐出量を低減させるようにコマンドを送信する。機械ＥＣＭ１３０はまた、油圧アクチュエータ１２６の適当な運動を指示するコマンドを、ＣＡＮバス１３８を介して弁ＥＣＭ１３２に送信する。
【００３０】
一例としての電動油圧系は回生に対応している。したがって、油圧アクチュエータ１２６が収縮している時、ヘッド側１４６からの流体は、貯蔵場所１５０に直接向かうのではなく、ヘッド側弁１４０ｂからロッド側弁１４０ｄを通ってロッド側１４８まで進むことができる。たとえば、流体は、アクチュエータ１２６のヘッド側１４６から、Ｐ−Ｃ ＨＥ弁１４０ｂを通り、弁Ｐ−Ｃ ＲＥ１４０ｄを通り、その後アクチュエータ１２６のロッド側１４８まで流れることができる。回生を用いることにより、ポンプ１３４からの必要な流量が少なくなる。したがって、ポンプが使用する動力が低減し、エンジン１３６は、燃料を節約しながらより効率的に動作することができる。
【００３１】
図３は、機械用の電動油圧系のための制御システムの論理ブロック図を示す。操作者は、ジョイスティック１２４を使用して、システムに指示コマンドを入力する。機械ＥＣＭ１３０内のレバー速度段１５２は、所望のアクチュエータ移動の方向を確定し、ジョイスティック１２４の位置に基づいて移動に対する所望の速度を計算する。ジョイスティック１２４の位置はまた、弁状態ロジック段１５４にも供給される。弁状態ロジックは、ヘッド側弁１４０ａ、１４０ｂおよびロッド側弁１４０ｃおよび１４０ｄが、油圧アクチュエータの所望の移動を達成するために開放されるべきかまたは閉鎖されるべきかを確定する。さらに、ジョイスティック１２４の位置は、サイクルロジック段１５６に供給される。サイクルロジック１５６は、機械が動作のいずれのサイクルを行っているかを確定する。たとえば、図１において機械が達成している作業に基づき、サイクルは、ニュートラル１００、掘削１０２、持上げ・旋回１０４、ダンプ１０６、戻り１０８および掘削１１０である。サイクルロジック１５６はまた、サイクルを確定するために、圧力センサ１４４からのデータを圧力ロジック段１５８から受け取る。圧力ロジック１５８は、弁ＥＣＭ１３２内に位置している。
【００３２】
レバー速度段１５２は、要求された移動情報をジョイスティック１２４から要求流量段１６０に渡す。要求流量段１６０は、油圧アクチュエータを所望の速度で移動させるために必要な油圧流体の量を確定し、要求流量信号を加算段１６２に渡す。加算段１６２は、弁ＥＣＭ１３２における回生段１６４から回生情報を受け取る。加算段１６２は、回生を通して得られた油圧流量を、要求流量段１６０が計算した要求された油圧流の量から引く。必要流量信号は加算段１６２からポンプ制御段１６６に送信される。ポンプ制御段１６６は、必要なポンプ吐出量を計算し、その値を可変容量形ポンプ１３４に渡す。
【００３３】
エンジン速度は、エンジン速度制御段１６８によって計算される。エンジン速度制御段１６８は、サイクルロジック１５６によって計算される機械のサイクルと現エンジン速度１６９とに基づいて、現エンジン速度を計算する。この例では、エンジン速度制御段１６８はまた、ユーザ速度設定１７０も受け入れる。ユーザ速度コントロール１７０を用いて、計算されたエンジン速度を無効にすることができる。さらに、ユーザ速度制御１７０を用いて、エンジンの基本速度を設定することができる。たとえば、図１Ｃにおいて、エンジンの基本速度は９であり、それは、ニュートラルサイクル１００中に見ることができる。図１Ｄにおいて、エンジンの基本速度は８であり、それもまたニュートラルサイクル１００中に見ることができる。
【００３４】
図４は、図１Ｄに示す電動油圧機械のエンジン速度を制御するプロセス例を示すフローチャートである。例示的なプロセスは、機械がニュートラル段階１７４にありエンジン速度が８で開始する。しかしながら、例示的なプロセスを、機械のいかなるサイクルで開始してもよい。判断点１７６は、スティックレバーおよびバケットレバーが移動して機械が掘削サイクル１０２に入っているか否かを確定する。さらに、判断点１７６は、圧力センサを監視して、油圧系における圧力が上昇しているか否かを確定する。機械が掘削サイクル１０２に入っていない場合、プロセスはニュートラル段階１７４のままである。機械が掘削サイクル１０２に入っている場合、プロセスは掘削段階１７８に進む。掘削段階１７８の間、エンジン速度は１０に設定される。エンジン速度が加速することにより、油圧系は掘削するためにより多くの動力を利用することができる。判断点１８０において、システムは、ブームレバーおよび旋回レバーを監視して、ブームが地面から離れる方向に持ち上がっておりかつ掘削場所から離れるように旋回しているか否かを確定する。システムはまた、ブーム、旋回およびバケットに関連するセンサを含む圧力センサを監視して、油圧系における圧力が高いか否かを確定し、それは、ブームが持ち上がっており掘削サイクルが終了したことを示す。システムは、ブームが掘削場所から離れるように持ち上がりかつ旋回していると確定した場合、持上げ・旋回段階１８２に入り、そうでない場合、システムは掘削段階１７８にあり続ける。持上げ・旋回段階１８２に入った後、エンジン速度は１０のままである。プロセスは、次に、判断点１８４においてバケットレバーおよびスティックレバーを監視する。バケットレバーおよびスティックレバーが、システムがバケットをダンプしていることを示す場合、システムは、ダンプ段階１８６に入り、そうでない場合、システムは持上げ・旋回段階１８２にあり続ける。
【００３５】
ダンプ段階１８６の間、システムは、低油圧要求動作中のエネルギーを節約するために、エンジン速度を８まで減速する。判断点１８８において、システムは、ブームレバー、旋回レバーおよびシステム圧力を監視する。機械がダンプ場所から離れるように旋回し始めると、システムは戻り段階１９０に入り、そうでない場合、システムはダンプサイクルにあり続ける。戻り段階１９０の間、システムは、燃料を節約するためにエンジン速度を８に設定する。最後に、判断点１９２において、システムは、スティックレバー、バケットレバーおよび油圧系圧力を監視する。スティックレバーおよびバケットレバーが下がり、かつ圧力が上昇すると、システムは掘削段階１７８に入る。スティックレバーおよびバケットレバーが移動をやめ、圧力が低いままである場合、システムはニュートラル段階１７４に入る。図４に示す例示的なプロセスは、１つの機械に対し１つのあり得る作業を実施する１つのあり得る方法を示している。種々の機械に対して種々の作業を達成するために多くのプロセスを実施することができる。図４に示すプロセスは、例示の目的で提供されており、本開示を限定するようには意図されていない。別の実施形態では、システムはまた、油圧系における流量も監視する。流量と圧力との両方を監視することにより、システムは、機械がいずれの動作の段階を行っているかを確定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本明細書に記載したショベル動力管理を含む電動油圧回路およびシステムのプロセスの産業上の利用可能性は、上述した説明から容易に理解されよう。本開示は、多くの機械および機械が達成する多くの作業に対して適用可能である。本開示に適合する１つの例示的な機械がショベルである。ショベルは、土を掘削することが多い電動油圧機械である。図４に提供する例示的な方法は、掘削が課されているショベルでプロセスを実施する１つの方法を示している。上述した説明は、種々の作業を達成する多くの機械に適用されることは繰り返されるべきである。
【００３７】
ショベルは、操作者が制御する複数のジョイスティックを備えている。上述した方法を用いて、ショベルは、それらジョイスティックの移動と電動油圧系における圧力とを監視する。ジョイスティックが、大きい動力を必要とする作業が達成されるべきであることを指示し、かつ油圧系における圧力が上昇し始めると、ショベルはエンジン出力を上昇させる。エンジン出力の上昇によりさらなる燃料が使用され、したがって、機械は、必要な場合は生産力が向上するが、動作するのによりコストがかかる。ジョイスティックの移動が、それほど大きい動力を必要としない作業が達成されるべきであることを示し、かつ油圧系における圧力が低下し始めると、エンジン出力は同様に低減され、したがって、機械の燃料効率が向上する。
【００３８】
同様に、上述した方法およびシステムを、多種多様の機械および作業に適合させることができる。たとえば、バックホーローダ、コンパクタ、フェラーバンチャ、林業用機械、産業ローダ、スキッドステアローダ、ホイールローダおよび他の多くの機械が、記載した方法およびシステムから利益を得ることができる。
【００３９】
上述した説明は、開示したシステムおよび技法の例を提供することが理解されよう。しかしながら、本開示の他の実施態様が、上述した例から細部において異なり得ることが考えられる。本発明またはその例に対するすべての言及は、その箇所で説明されている特定の例に言及するように意図されており、より一般に本発明の範囲に関するいかなる限定も意味するようには意図されていない。いくつかの特徴に関し区別し軽視するすべての言葉は、それら特徴を優先しないことを示すように意図されているが、特に示さない限り、本発明の範囲からそういったものを完全に排除するようには意図されていない。
【００４０】
本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書において特に示さない限り、単に、その範囲内にある各々の別個の値を個々に言及する省略法としての役割を果たすように意図されており、各々の別個の値は、本明細書において個々に列挙されているかのように本明細書に組み込まれる。本明細書において特に示さない限り、かつ文脈から明らかに矛盾しない限り、本明細書に記載したすべての方法を任意の好適な順序で行うことができる。
【００４１】
したがって、本発明は、適用される法律が許可するように本明細書に添付された特許請求の範囲に列挙された主題のすべての変更態様および等価物を含む。さらに、本明細書で特に示さない限り、かつ文脈から明らかに矛盾しない限り、上述した要素のそのすべてのあり得る変形における任意の組合せが、本発明によって包含される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの油圧アクチュエータ（１２６）に連結された少なくとも１つの可変容量形ポンプ（１３４）を駆動するエンジン（１３６）を有する電動油圧系（１２２）を制御する方法であって、
エンジン（１３６）を第１所定速度で動作させるステップと、
電動油圧系（１２２）における圧力を監視するステップと、
少なくとも１つの油圧アクチュエータに対する所望の移動を指示する少なくとも１つのコマンドを受け取るステップと、
電動油圧系の圧力と、少なくとも１つの油圧アクチュエータに対する所望の移動を指示する少なくとも１つのコマンドとに応じて、電動油圧系（１２２）によって行われている動作を確定するステップと、
エンジン（１３６）に対し、行われている動作に応じて効率的な速度で動作させるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
少なくとも所定最低エンジン（１３６）速度を維持するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ユーザ入力装置（１２４）により所定最低エンジン速度を設定するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
電動油圧系における圧力を監視するステップが、
油圧系を駆動する少なくとも１つの可変容量形ポンプ（１３４）の圧力を測定するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
電動油圧系の圧力を監視するステップが、
流量調節弁（１４０）または油圧アクチュエータ（１２６）のうちの少なくとも一方の油圧圧力を測定するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
エンジン（１３６）に対し効率的な速度で動作させるステップが、
エンジン速度制御ユーザ選択装置に応答するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第１所定速度が自動的に確定される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
行われている動作を確定するステップが、第１電子制御モジュール（１３０）においてコンピュータ命令を実行することと、第２電子制御モジュール（１３２）においてさらなるコンピュータ命令を実行することとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１】
少なくとも１つの油圧アクチュエータ（１２６）に連結された少なくとも１つの可変容量形ポンプ（１３４）を駆動するエンジン（１３６）を有する電動油圧系（１２２）を制御する方法であって、
エンジン（１３６）を第１所定速度で動作させるステップと、
電動油圧系（１２２）における圧力を監視するステップと、
少なくとも１つの油圧アクチュエータに対する所望の移動を指示する少なくとも１つのコマンドを受け取るステップと、
電動油圧系の圧力と、少なくとも１つの油圧アクチュエータに対する所望の移動を指示する少なくとも１つのコマンドとに応じて、電動油圧系（１２２）によって行われている動作を確定するステップと、
エンジン（１３６）に対し、行われている動作に応じて効率的な速度で動作させるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
少なくとも所定最低エンジン（１３６）速度を維持するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ユーザ入力装置（１２４）により所定最低エンジン速度を設定するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
電動油圧系における圧力を監視するステップが、
油圧系を駆動する少なくとも１つの可変容量形ポンプ（１３４）の圧力を測定するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
電動油圧系の圧力を監視するステップが、
流量調節弁（１４０）または油圧アクチュエータ（１２６）のうちの少なくとも一方の油圧圧力を測定するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
エンジン（１３６）に対し効率的な速度で動作させるステップが、
エンジン速度制御ユーザ選択装置に応答するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第１所定速度が自動的に確定される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
行われている動作を確定するステップが、第１電子制御モジュール（１３０）においてコンピュータ命令を実行することと、第２電子制御モジュール（１３２）においてさらなるコンピュータ命令を実行することとを含む、請求項１に記載の方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１１−５０３４３７（Ｐ２０１１−５０３４３７Ａ）
【公表日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３４０３９（Ｐ２０１０−５３４０３９）
【出願日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１２７７８
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０６４４５６
【国際公開日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（３９１０２０１９３）キャタピラー インコーポレイテッド (296)
【氏名又は名称原語表記】ＣＡＴＥＲＰＩＬＬＡＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【出願人】（０００１９０２９７）キャタピラージャパン株式会社 (1,189)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１２７７８
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０６４４５６
【国際公開日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【出願人】（３９１０２０１９３）キャタピラー インコーポレイテッド (296)
【氏名又は名称原語表記】ＣＡＴＥＲＰＩＬＬＡＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【出願人】（０００１９０２９７）キャタピラージャパン株式会社 (1,189)
【Ｆターム（参考）】
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