CN102132027B - 柴油发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题是提供一种柴油发动机(2)，在使排气烟尘过滤器(10)再生时，连接到所述柴油发动机(2)上的工作机的操作者在操作中不会感觉不舒适。在具有排气净化装置(1)和能够任意选择无差控制或者有差控制中的任何一种控制方法的选择机构(41)的柴油发动机(2)中，所述排气净化装置(1)包括：排气净化用的排气烟尘过滤器(10)，所述排气烟尘过滤器(10)配置在排气路径上；以及，压力调整阀(61)，所述压力调整阀(61)为了强制性地将滞留在所述排气烟尘过滤器(10)中的微粒物再生，向所述柴油发动机(2)施加负荷，使所述排气烟尘过滤器(10)的温度上升，所述控制机构(41)将由所述压力调整阀(61)施加负荷时的所述柴油发动机(2)的控制作为无差控制。
Description
技术领域
本发明涉及柴油发动机的技术，特别是，涉及有关具有排气净化装置的柴油发动机的技术。
背景技术
过去，作为捕集包含在从柴油发动机排出排气中的微粒物的技术，在柴油发动机的排气通路的途中装备具有排气烟尘过滤器的发动机用排气净化装置的技术是已知的。所述排气烟尘过滤器形成由陶瓷等构成的多孔质的蜂窝结构，划分成网格状的各个流路的入口被交互地封口，对于入口未被封口的流路，其出口被封口，只有透过划分各个流路的多孔质壁的排气被向下游排出。
排气在透过所述多孔质壁时，排气中的微粒物被捕集到多孔质壁内部，从而排气被净化，但是，由于微粒物在所述多孔质壁内部堆积，所以，会发生排气阻力的增加或者微粒物的入口侧和出口侧的压力差的上升，对柴油发动机的性能产生影响。因而，在排气烟尘过滤器达到这种状态之前，将微粒物燃烧除去的技术是公知的。
但是，在柴油发动机的负荷小、排气的温度低的情况下，存在着不能燃烧除去微粒物的问题。
因此，将堆积在排气烟尘过滤器上的微粒物除去、使排气烟尘过滤器的微粒物捕集能力恢复的技术、换句话说使排气烟尘过滤器再生的技术，是公知的。例如，在柴油发动机的排气路径中带有氧化催化剂的过滤器的上游侧设置电热式加热器，通过加热器加热使导入到带有氧化催化剂的过滤器中的排气的温度上升的技术是公知的(参照专利文献1)。
专利文献1：特开2001-280121号公报
发明内容
另外，作为使所述排气烟尘过滤器再生的技术，例如，也存在着通过在工作机用油压泵等的工作机的负荷上增加再生用负荷、使之增大，使排气温度上升以除去微粒物的技术。但是，在施加所述再生用负荷时，存在发动机的转速变低、操作者在工作中会感觉不舒适的情况。
因此，本发明鉴于这种课题，提供一种柴油发动机，所述柴油发动机在排气通路的途中配备有具有排气烟尘过滤器的发动机用排气净化装置，在使排气烟尘过滤器再生时，与所述柴油发动机连接的工作机的操作者在工作中不会感觉不舒适。
本发明所要解决的课题如上所述，下面说明解决该课题的方案。
即，在权利要求1中，在具有排气净化装置以及可以任意选择无差控制或者有差控制中的任何一种控制方法的控制机构的柴油发动机中，所述排气净化装置包括排气净化用的排气烟尘过滤器和再生用负荷装置，所述排气烟尘过滤器配置在排气路径上，所述再生用负荷装置，为了强制性地除去滞留在所述排气烟尘过滤器中的微粒物，对排气烟尘过滤器进行再生，在所述柴油发动机上施加负荷，使所述排气烟尘过滤器的温度上升，所述控制机构将由所述再生用负荷装置施加负荷时的所述柴油发动机的控制作为无差控制。
在权利要求2中，在表示所述柴油发动机的发动机转速与发动机负荷的关系的设定表中，将在施加最大的发动机负荷的情况下达到能够再生区域的发动机转速中的最低转速作为最低的能够再生转速，在发动机转速比最低的能够再生转速小的情况下，不利用再生用负荷装置施加负荷。
在权利要求3中，在表示所述柴油发动机的发动机转速与发动机负荷的关系的设定表中，在当利用所述再生用负荷装置施加负荷时，有超过其最大转矩线而负荷上升的危险的情况下，不利用再生用负荷装置施加负荷。
发明的效果
作为本发明的效果，可以起到下面所述的效果。
在权利要求1中，能够对操作性没有任何影响地进行排气烟尘过滤器的再生，操作者在操作中不会感觉不舒适。
在权利要求2中，在无差控制中，在未达到能够再生区域的柴油发动机的低旋转区域，不施加无用的再生用负荷，可以节省无用的燃料消耗。
在权利要求3中，在施加再生用负荷的情况下，通过在超过最大转矩线的情况下不施加再生用负荷，可以防止操作者未预见到的发动机失速。
附图说明
图1是表示根据本发明的一种实施方式的柴油发动机及排气净化装置的整体结构的功能框图。
图2是表示发动机负荷与发动机转速的关系的说明图。
图3是过滤器再生控制的流程图。
图4是表示发动机负荷与发动机转速的关系的说明图。
图5是表示发动机负荷与发动机转速的关系的说明图。
图6是表示发动机负荷与发动机转速的关系的说明图。
具体实施方式
其次，说明发明的实施方式。
图1是表示根据本发明的一种实施方式的柴油发动机及排气净化装置的整体结构的功能框图，图2是表示发动机负荷与发动机转速的关系的说明图，图3是过滤器再生控制的流程图，图4是表示发动机负荷与发动机转速的关系的说明图，图5是表示发动机负荷与发动机转速的关系的说明图，图6是表示发动机负荷与发动机转速的关系的说明图。
[排气净化装置的结构]
如图1所示，发动机用排气净化装置1配备在作为本发明的柴油发动机的一个实施方式的柴油发动机2中。排气净化装置1净化并排出在柴油发动机2中产生的排气。
发动机用排气净化装置1包括排气烟尘过滤器10、检测机构20、控制器21、通知机构40等。
排气烟尘过滤器10配置在柴油发动机2的排气路径2b上，用于除去排气中的微粒物(由碳质构成的油烟、高沸点碳氢化合物成分(SOF)等)。具体地说，排气烟尘过滤器10是由陶瓷等多孔质壁构成的蜂窝结构，排气必须在通过所述多孔质壁之后被排出。在排气通过所述多孔质壁时，排气中的微粒物被所述多孔质壁捕集。结果，微粒物被从排气中除去。
检测机构20检测烟尘过滤器10的上游侧和下游侧的排气压力或排气温度等。具体地说，检测机构20由配置在排气烟尘过滤器10的出口侧的压力传感器20a、检测排气烟尘过滤器10的排气温度的温度传感器20b、检测发动机转速的发动机转速传感器20d、检测燃料喷射量的齿条位置传感器20e等构成，并与控制器21连接。
控制器21与调速器3、检测机构20、通知机构40、选择机构41、作为后面描述的再生用负荷装置的压力调整阀61、发动机控制部等连接。所述控制器21主要由存储部22、运算部等构成，存储部22由存储各种控制程序的ROM及作为数据存储或程序执行用的工作区域使用的RAM等构成。
所述控制器21由利用检测机构20检测出来的排气烟尘过滤器10的压力等，演算出排气烟尘过滤器10的堵塞状态，判断是否有必要除去堆积在排气烟尘过滤器10中的微粒物。
燃料喷射阀32、32…，由电磁阀等构成，直接向构成柴油发动机2的多个气缸内喷射燃料。通过借助燃料喷射阀32的开闭来改变向气缸内的燃料喷射的正时，能够改变转速、转矩等，同时，能够改变排气温度或者向排气中供应未燃烧的燃料。
进气节流阀33配备有电磁阀或者利用促动器开闭的阀体，配置在柴油发动机2的进气路径2a上，用于调节柴油发动机2的空气流入量。通过改变进气节流阀33的开度，能够改变排气的排气流量、排气温度及排气速度。
通知机构40是通知是否对排气烟尘过滤器10进行再生的机构，在再生开始之前进行通知，或者通知再生的方法。通知机构40由监视器等视觉通知机构42或者扬声器等听觉通知机构43构成，与控制器21连接。
另外，在所述柴油发动机2上设置有由所述柴油发动机2中的输出轴的旋转动力驱动的工作机用油压泵50。工作机用油压泵50例如向位于油压式升降机构这样的油压设备内的工作机用油压回路52供给工作油。
另外，代替工作机用油压泵50，也可以在所述柴油发动机2上安装例如发电机、热泵等。
如图1所示，所述工作机用油压泵50的吸引侧连接到工作油箱51上，所述工作机用油压泵50的排出侧经由后面描述的作为再生用负荷装置的压力调整阀61连接到作业机用油压回路52上。
所述压力调整阀61将所述作业机用油压回路52侧的压力、流量保持恒定，用于切换作业机用油压泵50侧的压力，对于在作业机用油压泵50侧压力不上升的通常状态与使作业机用油压泵50侧的压力增大规定压力的高压状态进行切换驱动。
在所述压力调整阀61被切换成使作业机用油压泵50侧的压力增大规定压力的高压状态的情况下，作业机用油压泵50的排出压力增大，与此相伴，发动机负荷增大。即，通过借助压力调整阀61的压力调整使所述作业机用油压泵50的排出压力增大，可以使发动机负荷增大，进行过滤器再生控制。
其次，对于柴油发动机2的控制进行说明。
所谓无差控制是在对作业机用油压泵50施加负荷的情况下，转速恒定、使发动机负荷上升的控制。通过进行所述无差控制，不会引起工作时转速的降低，可以保持操作性能，对要求恒定旋转的操作没有影响。
所谓有差控制是在对作业机用油压泵50施加负荷的情况下，使转速减小并且使发动机负荷上升的控制。通过进行所述有差控制，伴随着发动机负荷的上升，转速减小，最终稳定到一定的转速，所以，不会给予操作者不舒适感。
在所述控制器21上连接有选择机构41及调速器3，所述选择机构41可以任意选择所述无差控制或有差控制中的任何一种控制方法，所述调速器3进行所述无差控制与有差控制的切换。借助这种结构，在通常操作时，可以利用由所述选择机构41选择的控制方法来进行柴油发动机2的控制。即，在由所述选择机构41选择了无差控制的情况下，所述控制器21利用无差控制对所述调速器3进行控制。另外，在由所述选择机构41选择了有差控制的情况下，所述控制器21利用有差控制对所述调速器3进行控制。
其次，对于所述压力调整阀61的通断和所述无差控制或有差控制的切换进行说明。
[过滤器再生控制]
其次，利用图2及图3对于过滤器再生控制的一个例子进行说明。另外，将成为压力调整阀61动作的触发器的基准负荷Ls存储到控制器21的存储部22中，预先进行设定。
图2所示的说明图是表示柴油发动机2的驱动时的发动机转速与发动机负荷的关系的负荷图形的图，被存储在存储部22中。在图2中，以发动机转速R作为横轴，以与齿条位置具有相关关系的发动机负荷L作为纵轴。在这种情况下，基准负荷Ls用L＝Ls的水平直线表示。
本实施方式的负荷图形LP是由作为向上凸的线的最大转矩线ML包围的区域，被表示在排气温度为能够再生温度的情况下发动机转速R与发动机负荷L的关系的边界线BL划分成上下两个部分。夹着边界线BL，上侧区域是能够除去堆积在过滤器本体中的微粒物的能够再生区域Area1，下侧区域是微粒物没有除去而堆积在过滤器本体中的不能再生区域Area2。
其次，利用图3所示的流程图说明采用作为再生用负荷装置的压力调整阀61的过滤器再生控制的流程。首先，读取预先存储在存储部22中的基准负荷Ls、作为齿条位置传感器20e的检测值的发动机负荷L1、作为发动机旋转传感器20d的检测值的发动机转速R1、预先存储在存储部22中的基准压力值Ps、和压力传感器20a的检测值P(步骤S10)，由基准压力值Ps与压力传感器20a的检测值P的压力差的大小，判断微粒物是否以对发动机的输出引起障碍的程度堆积在排气烟尘过滤器10中(步骤S20)。
如果在排气烟尘过滤器10中没有堆积微粒物，则结束控制。如果在排气烟尘过滤器10中堆积了微粒物，则排气烟尘过滤器10内的流动阻力增大，导致发动机的输出降低。于是，判断当前时刻的发动机负荷L1是否在基准负荷Ls以下(步骤S30)。
如果当前时刻的发动机负荷L1比基准负荷Ls大，则由于发动机负荷L1位于能够再生区域Area1的可能性高，所以结束控制。如果当前时刻的发动机负荷L1在基准负荷Ls以下，则当前时刻的发动机负荷L1位于不能再生区域Area2的可能性高，可以说处于微粒物不被除去而堆积在排气烟尘过滤器10中的状态。
其次，判断当前时刻的发动机转速R1是否处于在施加在该发动机转速下的最大发动机负荷的情况下未达到能够再生区域Area1的范围。即，将在施加最大的发动机负荷的情况下到达能够再生区域Area1的发动机转速中的最低转速作为最低能够再生转速Rmin，判断当前时刻的发动机转速R1是否在最低能够再生转速Rmin以上(步骤S35)。如图4所示，在当前时刻的发动机转速R1比最低能够再生转速Rmin小的情况下，再怎么使发动机负荷L增大，也不超过能够再生温度。因此，在这种情况下，不使发动机负荷L增大，结束控制。借助这种结构，在无差控制中，在未达到能够再生区域Area1的柴油发动机2的低旋转区域，不施加无用的再生用负荷ΔL，可以节省无用的燃料消耗。
其次，判断当前时刻的发动机转速R1是否处于在施加在该发动机转速下的最小的再生用负荷ΔLmin的情况下不超过在该转速下的最大允许负荷的范围。即，将在施加该旋转的最小再生用负荷ΔLmin的情况下不超过最大允许负荷的转速中的最低转速作为最低再生用负荷允许转速R2min，判断当前时刻的发动机转速R1是否在最低再生用负荷允许转速R2min以上(步骤S36)。如图5所示，若当前时刻的发动机转速R1比再生用负荷允许转速R2min小，则在施加最小的再生用负荷ΔLmin的情况下，由于发动机负荷超过最大转矩线ML，所以柴油发动机2会停止。借助这种结构，可以防止操作者未预见到的发动机失速。另外，根据再生用负荷ΔL的施加方法，有时Rmin＝R2min。
在当前时刻的发动机转速R1在图4中的最低能够再生转速Rmin以上、图5中的最低再生用负荷允许转速R2min的情况下，所述控制器21使图中未示出的电磁螺线管励磁，使压力调整阀61切换驱动到高压状态(步骤S40)。
其次，判断当前时刻的柴油发动机2的控制方法是否是无差控制(步骤S45)。在由所述选择机构41选择无差控制的情况下，转到步骤S50。在由所述选择机构41选择有差控制的情况下，将柴油发动机2的控制方法强制性地转到无差控制。
即，将由作为所述再生用负荷装置的压力调整阀61施加发动机负荷时的所述柴油发动机2的控制作为无差控制。借助这种结构，如图6的箭头A所示，即使在使发动机负荷L增大的情况下，发动机转速R也是恒定的。因此，与图6的箭头C所示的有差控制的情况相比，不会对操作性产生任何影响，能够进行排气烟尘过滤器10的再生。
另外，如图6的箭头B所示，在与利用作为再生用负荷装置的压力调整阀61施加发动机负荷L同时、向工作机施加通常的负荷的情况下，能够既使发动机转速R减少、又使发动机负荷L增大。借助装置结构，由于在转速降低之后，稳定到该转速，所以，不会给予操作者以不舒适感。
通过将所述压力调整阀61切换驱动到高压状态，在工作机用油压泵50上施加再生用负荷ΔL，工作机用油压泵50的排出压力增大。并且，伴随着工作机用油压泵50的排出压力的增大，发动机负荷L1超过边界线BL，增大对应于所述规定压力的再生用负荷ΔL，变成发动机负荷L2(L2＝L1+ΔL)。与此同时，为了保持设定的转速，发动机输出增大，排气温度上升。另外，对于转速R1，通过恒定不变地增大与发动机负荷相应的量，不会引起操作时的转速降低，可以保持操作性能，能够不对要求定速旋转的操作产生影响。
结果，在排气通过排气烟尘过滤器10时，由于排气温度超过能够再生温度，所以，堆积在排气烟尘过滤器10中的微粒物被除去，排气烟尘过滤器10的微粒物捕集能力恢复。
在将所述压力调整阀61切换驱动到高压状态之后，再次读取齿条位置传感器20e的检测值L2′和压力传感器20a的检测值P′(步骤S50)，判断发动机负荷L2′是否超过基准负荷Ls(步骤S60)。
如果所述发动机负荷L2′未超过基准负荷Ls，则为了继续进行由压力调整阀61实施的压力调整，返回到步骤S50。可以说，如果发动机负荷L2′超过基准负荷Ls，则即使没有再生用负荷ΔL，例如只利用使动力转向机构驱动所要求的负荷的总和，达到能够再生区域Area1的可能性就处于高的状态。因此，为了解除利用压力调整阀61进行的工作机用油压泵50的排出压力增大，将压力调整阀61切换驱动到平常状态(步骤S70)。
通过这样进行控制，借助根据压力传感器20a的检测信息进行的压力调整阀61的压力调整，使工作机用油压泵50的排出压力增大，使发动机负荷增大，结果，排气温度上升，所以，例如，即使在当前时刻的发动机负荷L1为不能再生区域Area2、微粒物不被除去而堆积在排气烟尘过滤器10中的状态下，也能够使排气温度上升到能够再生温度以上，将微粒物除去，与柴油发动机2的驱动状态无关，能够可靠地恢复过滤器本体的微粒物捕集能力。
另外，调整工作机用油压泵50的排出压力的压力调整阀61由于在发动机负荷处于基准负荷Ls以下的情况下动作，所以，例如，在当前时刻的发动机负荷L1处于能够再生区域Area1、堆积在排气烟尘过滤器10中的微粒物被原样除去的状态下，压力调整阀61被保持在通常状态，不从工作机用油压泵50向柴油发动机2施加过剩的负荷。即，可以抑制伴随着过滤器再生控制而产生的燃料消耗的恶化。
进而，在发动机负荷L超过基准负荷Ls的情况下，由于压力调整阀61的压力调整被解除，所以，不会因为工作机用油压泵50的负荷引起向柴油发动机2施加过剩的负荷。从而，既能够可靠地抑制由向工作机用油压泵50施加的再生用负荷ΔL引起的发动机失速，又能够降低能力损失，高效率地利用发动机的输出。
如上所述，在具有排气净化装置1和能够任意选择无差控制或有差控制中的任何抑制控制方法的选择机构41的柴油发动机2中，所述排气净化装置1具有：排气净化用的排气烟尘过滤器10，所述排气烟尘过滤器10配置在排气路径上；以及，压力调整阀61，所述压力调整阀61，为了强制性地将滞留在所述排气烟尘过滤器10中的微粒物再生，向所述柴油发动机2施加负荷，使所述排气烟尘过滤器10的温度上升，所述选择机构41将利用所述压力调整阀61施加负荷时的所述柴油发动机2的控制作为无差控制。借助这种结构，能够不对操作性给予任何影响而进行排气烟尘过滤器10的再生，操作者在操作过程中不会感到不舒适。
另外，将在施加最大发动机负荷的情况下达到能够再生区域Area1的发动机转速中的最低转速作为最低能够再生转速Rmin，在发动机转速R1比最低能够再生转速Rmin小的情况下，不利用压力调整阀61施加负荷。借助这种结构，在无差控制中，在未达到能够再生区域Area1的柴油发动机2的低旋转区域，不施加无用的再生用负荷ΔL，能够节省无用的燃料消耗。
另外，在表示所述柴油发动机2的发动机转速R与发动机负荷L的关系的设定表中，在存在当利用所述压力调整阀61施加负荷时超过其最大转矩线ML、负荷上升的危险的情况下，不利用压力调整阀61施加负荷。借助这种结构，在施加再生用负荷ΔL的情况下，通过在超过最大转矩线ML的情况下不施加再生用负荷ΔL，可以防止操作者未预见到的发动机失速。
工业上的利用可能性
本发明可以用于具有排气净化装置的柴油发动机。
Claims (3)
1.一种柴油发动机，具有排气净化装置和能够任意选择无差控制或者有差控制中的任何一种控制方法的控制机构，其特征在于，
所述排气净化装置具有排气净化用的排气烟尘过滤器和再生用负荷装置，所述排气烟尘过滤器配置在排气路径上，所述再生用负荷装置，为了强制性地除去滞留在所述排气烟尘过滤器中的微粒物、使排气烟尘过滤器再生，对所述柴油发动机施加负荷，使所述排气烟尘过滤器的温度上升，
所述控制机构基于设定表进行控制，所述设定表以柴油发动机的发动机转速为横轴、以具有相关关系的发动机负荷为纵轴来表示负荷图形，所述负荷图形是由最大转矩线包围的区域，该区域被表示在排气温度为能够再生温度的情况下发动机转速与发动机负荷的关系的边界线划分成上下两个部分，夹着该边界线，上侧区域是能够燃烧除去堆积在排气烟尘过滤器中的微粒物的能够再生区域，下侧区域是微粒物没有除去而堆积在排气烟尘过滤器中的不能再生区域，在发动机转速及发动机负荷处于不能再生区域的情况下，将由所述再生用负荷装置施加负荷时的所述柴油发动机的控制作为无差控制。
2.如权利要求1所述的柴油发动机，其特征在于，在表示所述柴油发动机的发动机转速与发动机负荷的关系的设定表中，将在施加最大的发动机负荷的情况下达到能够再生区域的发动机转速中的最低的转速作为最低能够再生转速，在发动机转速比最低能够再生转速小的情况下，不利用再生用负荷装置施加负荷。
3.如权利要求1所述的柴油发动机，其特征在于，在表示所述柴油发动机的发动机转速与发动机负荷的关系的设定表中，在存在当由所述再生用负荷装置施加负荷时超过其最大转矩线、负荷上升的危险的情况下，不利用再生用负荷装置施加负荷。
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