作业车辆的发动机输出控制装置及发动机输出控制方法 【技术领域】
本发明涉及一种发动机输出控制装置及发动机输出控制方法，适用于具有工作装置且发动机的输出经由变矩器传递到行驶体的作业车辆。
背景技术
推土机具有工作装置、发动机、变矩器、行驶体以及将发动机的输出经由变矩器传递到行驶体的动力传递装置。行驶体由履带构成(参照出版物1)。
推土机利用推土板等工作装置对于土地边推土边进行挖掘作业。在工作装置进行挖掘时，如果大的载荷作用于车体，则扭矩变换器(以下适当称为变矩器)处在趋于失速的状态或者失速状态。在此，失速状态，是指变矩器的速度比为0的状态。趋于失速的状态，是指变矩器的速度比降低而接近于0的状态。
出版物1：Herbert L.Nichols，Jr.等著，MOVING THE EARTH，(美国)第四版，The McGraw‑Hill Companies，1998年，p.15.1‑15.9
当变矩器处在趋于失速的状态或者失速状态时变矩器效率下降，变矩器的发热量增加。由此，作业车辆的热平衡恶化而容易过热。因此，需要采取使冷却装置大型化等对策。
当变矩器处在趋于失速的状态或者失速状态时扭矩比大，变矩器的输出增大。由此，可能导致变速装置的输入扭矩增大，从而过大的扭矩输入到变速装置。因此，需要采取提高变速装置的强度等对策。
另外，在失速状态下履带的旋转完全停止，从而不能利用履带得到作为有效驱动力的变矩器的输出扭矩。也就是，发动机白白消耗掉燃料，工作效率下降。
【发明内容】
本发明是鉴于这样的实际情况而作出的。本发明的课题在于，解决在作业车辆中变矩器处在趋于失速的状态或者失速状态时所引起的问题。
第一发明提供具有发动机、行驶体及动力传递装置的作业车辆的发动机输出控制装置，该发动机输出控制装置具有速度比运算机构和发动机输出降低控制机构。动力传递装置具有变矩器，使发动机的输出经由该变矩器传递到行驶体。速度比运算机构运算变矩器的速度比。另外，将变矩器的扭矩比和对应于最大效率时的扭矩比相比变大时的速度比预设为速度比阈值。当运算出的速度比在速度比阈值以下时，发动机输出降低控制机构进行降低发动机的输出的控制。
第二发明在第一发明的基础上，作业车辆的行驶体构成为履带，将发生履板滑动时的速度比预设为速度比阈值。
第三发明在第一发明的基础上，将作业车辆的重量为W、作业车辆的牵引力为0.8×W时的速度比预设为速度比阈值。
第四发明在第一发明至第三发明中的任一发明的基础上，速度比阈值被设定为0.5～0.6范围内的值。
第五发明提供发动机的输出经由变矩器传递到行驶体的作业车辆的发动机输出控制方法。将变矩器的扭矩比和对应于最大效率时的扭矩比相比变大时的速度比预设为速度比阈值。另外，该作业车辆的发动机输出控制方法包括：运算变矩器的速度比的步骤、比较运算出的速度比与速度比阈值的大小的步骤以及当运算出的速度比在速度比阈值以下时降低发动机的输出的步骤。
【附图说明】
图1是表示实施方式的作业车辆的发动机输出控制装置结构的方框图，是针对本发明所涉及的部分表示推土机结构的图；
图2是变矩器性能图；
图3是发动机的扭矩线图；
图4是针对本发明所涉及的部分表示控制装置的内部结构的方框图；
图5是表示实施例的由控制装置进行的处理内容的流程图；
图6是表示速度比与发动机的扭矩(％)之间关系的图；
图7是表示车体速度与牵引力之间关系的图。
附图标记说明
1作业车辆；2工作装置；3发动机；4变矩器；5行驶体(履带)；10动力传递装置；20控制装置；21速度比运算机构；22存储部；23发动机输出降低机构。
【具体实施方式】
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
图1是表示实施方式的作业车辆1的发动机输出控制装置结构的方框图，表示推土机结构中涉及本发明的部分。
如图1所示，本实施例的装置是以作业车辆1为前提的发动机输出控制装置，该作业车辆1具有：包括推土板的工作装置2、由柴油发动机构成的发动机3、由履带构成的行驶体5及动力传递装置10。动力传递装置10具有附带锁止离合器的变矩器4，使发动机3的输出经由变矩器4传递到行驶体5。
如图1所示，在作业车辆1的从发动机3到履带5的驱动力传递路径90上，设置了动力输出装置(PTO)7，附带锁止离合器的变矩器4，前进离合器F，后退离合器R，具有各速度挡离合器1st、2nd、3rd的变速装置6，最终减速装置8及链轮9。作业车辆1的发动机3的输出轴与动力输出装置7连接。动力输出装置7与附带锁止离合器的变矩器4的泵和锁止离合器4a连接，并且与液压泵11连接。
发动机3的一部分输出(扭矩)，经过动力输出装置7、附带锁止离合器的变矩器4的锁止离合器4a或者泵、涡轮、变速装置6、最终减速装置8、链轮9传递到履带5。另外，发动机3的剩余的输出经过动力输出装置7传递到液压泵11。由此，液压泵11被驱动，从液压泵11排出的液压油经过未图示的操作阀传递到未图示的液压执行机构，从而使工作装置2动作。
由控制装置20控制变速装置6的前进离合器F，后退离合器R，各速度挡离合器1st、2nd、3rd，锁止离合器4a的连接动作、断开动作。另外，在本实施例中，不考虑锁止离合器4a进行连接动作、变矩器4的泵与涡轮连接的锁止状态时的控制，而是说明锁止离合器4a进行断开动作、变矩器4的泵与涡轮未连接的变矩器状态时的控制。
作业车辆1的驾驶室具有燃料刻度盘31和减速踏板32。
燃料刻度盘31由操作人员来操作，表示作为燃料刻度盘31的操作量的发动机目标转速的信号输入到控制装置20。减速踏板32由操作人员来踩踏进行操作，表示作为减速踏板32的踩踏操作量的减速转速(デセル回転数)的信号输入到控制装置20。
在发动机3中设有检测发动机3的实际转速Ne的发动机转速传感器33。表示发动机转速传感器33的检测转速Ne的信号输入到控制装置20。
在变矩器4的输出轴上，设有检测变矩器输出轴的转速Nt的变矩器输出转速传感器34。表示变矩器输出转速传感器34的检测转速Nt的信号输入到控制装置20。另外，也可以构成为，代替变矩器输出转速传感器34在变速装置6的输出轴上设置变速装置输出转速传感器35，将表示变速装置6的输出轴的转速Ntr的信号输入到控制装置20。
在控制装置20中向发动机3发出发动机输出指令而控制发动机3，以便得到与燃料刻度盘31的操作量对应的目标转速。发动机3是柴油发动机，发动机输出的控制通过调整喷射到缸体内的燃料量来进行。该调整通过控制附设在发动机3的燃料喷射泵的调速器(ガバナ)来进行。作为调速器，采用全速控制方式的调速器，根据负载调整发动机转速和燃料喷射量，以便得到与燃料刻度盘操作量对应的目标转速。即，调速器通过增加或减少燃料喷射量，来消除目标转速和实际发动机转速之间的偏差。
另外，控制装置20根据减速踏板32的踩踏操作量控制发动机3的转速Ne，以使发动机3的转速Ne下降。
图3表示发动机3的扭矩线图。图3的横轴表示发动机转速Ne，纵轴表示发动机扭矩Te。
在图3中用最大扭矩线TC100限定的区域表示发动机3能够输出的性能。调速器控制发动机3，以防止超过最大扭矩线TC100而超过排气限度，而且防止发动机转速Ne超过高速空转转速Neh而成为过度旋转。NeL表示低速空转转速，排气限度是指排出气体中没有黑烟的限度。
在此，当从控制装置20输出将燃料刻度盘操作量设为100％的发动机输出指令时，发动机3的目标转速被设定为对应于额定点的最高目标转速，调速器在连接额定点Tc和高速空转点Hp的最高速调整线上进行调速。发动机3的输出扭矩、变矩器4及液压泵11的吸收扭矩的匹配点根据负载的不同而在最大扭矩线TC100上移动。
扭矩线TC70是在将最大扭矩线TC100上的匹配点的扭矩Te设为100％时相当于70％的扭矩Te的扭矩线。同样，扭矩线TCm是能够输出最大扭矩线TC100和扭矩线TC70之间的扭矩的扭矩线，例如扭矩线TC85是相当于85％的扭矩Te的扭矩线。
图2是表示变矩器4性能的变矩器性能图。图2的横轴表示速度比e，纵轴表示变矩器4的效率η及变矩器4的扭矩比t。在此，速度比e是变矩器4的输出转速Nt与变矩器4的输入转速Ne之比，通过下式(1)求得。
e＝Nt/Ne......(1)
另外，将变速装置6的减速比设为k，利用变矩器4的输入转速Ne和变速装置6的输出轴转速Ntr，通过下式(2)能够求得速度比e。
e＝k×Ntr/Ne......(2)
扭矩比t是变矩器4的输出扭矩Tt与变矩器4的输入扭矩Te之比，通过下式(3)求得。
t＝Tt/Te......(3)
变矩器4的效率(变矩器效率)η是变矩器4的输出马力Pt与变矩器4的输入马力Pe之比，通过下式(4)求得。
η＝Pt/Pe＝Tt×Nt/Te×Ne＝e×t......(4)
图4是表示控制装置20的内部结构中涉及本发明的部分的方框图。
控制装置20具有速度比运算机构21、存储部22及发动机输出降低机构23。
在控制装置20的存储部22中存储图2所示的变矩器4固有的性能特性。即，在控制装置20的存储部22中存储了关于(1)速度比与变矩器效率之间的关系，以及(2)速度比与扭矩比之间的关系的数据图。而且，将变矩器4的扭矩比t大于扭矩比t1时的速度比预设为速度比阈值ec并进行存储，该扭矩比t1为对应于最大效率ηmax时的扭矩比。
在速度比运算机构21中，根据上述公式(1)或者公式(2)运算变矩器4的速度比e。
在发动机输出降低机构23中，当运算出的速度比e在速度比阈值ec以下时，进行降低发动机3的输出Pe的控制。降低发动机输出的控制通过使发动机转速Ne不发生变化而调整燃料喷射量来进行。因此，这里所谓降低发动机输出，是指降低发动机扭矩Te。
图5是表示在控制装置20中进行的实施例的控制处理步骤的流程图。
即，基于发动机转速传感器33的检测转速Ne和变矩器输出转速传感器34的检测转速Nt，按照上述公式(1)进行运算而求出速度比e。或者，基于发动机转速传感器33的检测转速Ne和变速装置输出转速传感器35的检测转速Ntr，按照上述公式(2)进行运算而求出速度比e(步骤101)。
接着，比较运算出的速度比e和存储在存储部22的速度比阈值ec的大小，判断运算出的速度比e是否在速度比阈值ec以下(步骤102)。
当该判断的结果为运算出的速度比e大于速度比阈值ec时(步骤102的判断为否)，控制装置20向发动机3发出发动机输出指令而控制发动机3，以便得到与燃料刻度盘31的操作量对应的目标转速。由此，在图3所示的发动机扭矩线图中，发动机3的扭矩线维持在能够输出100％扭矩Te的最大扭矩线TC100，保持100％的扭矩值。即，发动机3的输出扭矩与变矩器4及液压泵11的吸收扭矩的匹配点根据负载在最大扭矩线TC100上移动(步骤103)。
与之相对，当运算出的速度比e在速度比阈值ec以下时(步骤102的判断为是)，不管燃料刻度盘31的操作量是多少，控制装置20向发动机3发出选择扭矩线TC70的发动机输出降低指令。由此，在图3所示的发动机扭矩线图中，发动机3的扭矩线从能够输出100％扭矩Te的最大扭矩线TC100下降到能够输出70％扭矩Te的扭矩线TC70。由此，发动机3的扭矩Te下降到70％的扭矩值，与之相应地发动机输出Pe下降(步骤104)。
在上述控制例中，当运算出的速度比e在速度比阈值ec以下时，使发动机3的输出Pe(扭矩Te)一次就下降到预先设定的值，但是，也可以使发动机3的输出Pe(扭矩Te)以分成二级以上的方式分级下降。例如，可以如下进行实施：当运算出的速度比e在速度比阈值ec以下，并且运算出的速度比e与速度比阈值ec之间的偏差小时，在图3所示的发动机性能图中，使发动机3的扭矩线从能够输出100％扭矩Te的最大扭矩线TC100下降到能够输出85％扭矩Te的扭矩线TC85，即下降到85％的扭矩值，进而，当运算出的速度比e与速度比阈值ec之间的偏差大于上述偏差时，在图3所示的发动机扭矩线图中，使发动机3的扭矩线下降到能够输出70％扭矩Te的扭矩线TC70，即下降到70％的扭矩值。
另外，在上述控制例中，当运算出的速度比e在速度比阈值ec以下时，使发动机3的输出Pe(扭矩Te)间歇性地下降一级或二级以上，但是，也可以使发动机3的输出Pe(扭矩Te)不分级地下降。
图6表示速度比e与发动机3的扭矩Te(％)之间的关系。
即，如图6所示，当运算出的速度比e大于速度比阈值ec时，在图3所示的发动机扭矩线图中，发动机3的扭矩线维持在能够输出100％扭矩Te的最大扭矩线TC100而得到100％的扭矩值，但是，当运算出的速度比e在速度比阈值ec以下时，运算出的速度比e与速度比阈值ec之间的偏差越大，发动机3的扭矩线越从能够输出100％扭矩Te的最大扭矩线TC100逐渐下降到能够输出70％扭矩Te的扭矩线TC70，与之相应地发动机扭矩Te、发动机输出Pe逐渐下降。
下面，说明上述速度比阈值ec的确定方法。
在实施例中例举的作业车辆1是推土机。推土机等履带式车辆的行驶体构成为履带5。于是，能够将速度比阈值ec设定为在履带5中发生履板滑动时的速度比。在此，履板滑动是指在工作装置进行挖掘时大的负载作用于车体等情况下，履带相对于地面滑动而使履带处于空转的状态。
另外，已知发生履板滑动时的速度比e为作业车辆1的重量为W、作业车辆1的牵引力F为0.8×W(作业车辆的重量的0.8倍)时的速度比。
图7表示车体速度V与牵引力F之间的关系。在图7中，F1L/U表示在变速装置6中前进离合器F、速度挡离合器1st(前进一速；F1)被选择连接并且使锁止离合器4a进行连接动作(锁止状态；L/U)时的牵引力F的特性，F1T/C表示在变速装置6中前进离合器F、速度挡离合器1st(前进一速；F1)被选择连接并且使锁止离合器4a进行断开动作(变矩器状态；T/C)时的牵引力F的特性。履板滑动在从前进一速(F1)的锁止状态(L/U)变速到变矩器状态(T/C)的车速范围内，且作业车辆1的牵引力F达到0.8×W以上时的速度比e的情况下发生。于是，能够将作业车辆1的牵引力F达到0.8×W时的速度比确定为速度比阈值ec。
在从前进一速(F1)的锁止状态(L/U)变速到变矩器状态(T/C)的车速范围内，作业车辆1的牵引力F达到0.8×W时的速度比e通过下式(5)和(6)求得。
牵引力F通过公式(5)表示。
F＝2×3.14×T×R×K×10
3/(L×Z)......(5)
即，通过用变速装置输入扭矩T、动力传递装置10的总减速比R及从变速装置6的输入轴到链轮9的动力传递效率K的乘积除以履带5的链带节距L和链轮9的啮合齿数Z的乘积并乘上系数而得到牵引力F。
另一方面，在车辆1发生履板滑动的牵引力通过公式(6)表示。
F＝0.8×W......(6)
其中，W表示车体重量。
如果将引起履板滑动的牵引力F代入到公式(5)，则得到对应于发生履板滑动的变速装置输入扭矩T，即变矩器4的输出扭矩Tt。从该输出扭矩Tt、发动机扭矩Te(等同于变矩器的输入扭矩Te)及存储在控制装置20的图2的扭矩性能图，能够得到对应于发生履板滑动的速度比e。虽然变矩器4的扭矩性能图是变矩器4所固有的，但是，以上的结果为速度比e达到0.5～0.6，因此，能够将0.5～0.6范围内的值确定为速度比阈值ec。
接着，说明本实施例的作用效果。
如图2所示，“变矩器4的扭矩比t大于最大效率ηmax时的扭矩比t1时的速度比ec”以下的范围A，是变矩器4的效率η变低且扭矩比t变大的范围。所述范围A是变矩器4处在趋于失速的状态或者失速状态的区域，在该范围A内变矩器效率η下降，变矩器4的发热量增加。由此，作业车辆1的热平衡恶化而容易导致过热。另外，在该范围A内扭矩比t变大，变矩器4的输出(扭矩)增大。由此，可能导致变速装置6的输入扭矩Tt增大，过大的扭矩输入到变速装置6。
另外，如果进入范围A而成为失速状态，则构成行驶体的履带5的旋转处于完全停止的状态，不能由履带5得到作为有效驱动力的变矩器4的输出扭矩Tt。即，成为发动机3白白消耗燃料的状态，工作效率下降。
另外，如果达到范围A，可能导致履带5发生履板滑动。如果发生履板滑动，不能由履带5得到作为有效驱动力的变矩器4的输出扭矩Tt。即，成为发动机3白白消耗燃料的状态，工作效率下降。
根据本实施例，如果判断为速度比e达到速度比阈值ec以下、进入上述范围A，则发动机3的输出Pe下降。由此，脱离趋于失速的状态或者失速状态，抑制变矩器4发热，向变速装置6输入合适的扭矩，从而提高了工作效率。另外，履带5不会发生履板滑动，提高了工作效率。如果速度比e达到速度比阈值ec以下、发动机3的输出Pe下降，则操作人员操作工作装置2，以脱离趋于失速的状态、失速状态或者履板滑动状态，从而减轻负载。或者，调整减速踏板32的踩踏操作量，降低发动机3的转速Ne，从而减轻负载。
结果，速度比e回归到大于速度比阈值ec的范围B，发动机3的扭矩线TC回归到原来的100％的扭矩线TC100，能够按照通常的发动机输出来继续作业。
另外，“履板滑动控制”这一控制技术的实施由来已久(参照例如日本特开平01‑62525号、日本特开平01‑178741号、日本特开平05‑106239号)。该履板滑动控制是当发生履板滑动时自动控制发动机的输出而将履板滑动抑制在最小限度的一种控制。但是，该以往的“履板滑动控制”的控制技术，只是当发生履板滑动时将履板滑动抑制在最小限度的一种控制，而不是解决变矩器处在趋于失速的状态或者失速状态时所产生的问题的控制。
另外，在实施例中，作为作业车辆1例举了推土机，但是不限于推土机等履带式车辆，即使是轮式装载机等轮式作业车辆，只要具有变矩器，也同样能够适用本发明。
工业实用性
本发明能够解决变矩器处在趋于失速的状态或者失速状态时所产生的问题，因此，作为作业车辆的发动机输出控制装置是有用的。