CN107429615A - 排气净化装置及作业车辆 - Google Patents

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Abstract

搭载于作业车辆上的排气净化装置具备：排气路径，其供从发动机排出的排出气体流动；节气阀，其改变所述排气路径的路径面积；排出气体后处理装置，其配置在所述节气阀的下游；阀控制装置，其进行所述节气阀的开度控制；阀控制装置进行如下的控制：在规定的负载范围以下的低负载区域(AR1)及超过规定的负载范围的高负载区域(AR3)中，使所述节气阀的开度比在作为规定的负载范围的中负载区域(AR2)中大。

Description

排气净化装置及作业车辆
技术领域
本发明涉及排气净化装置及作业车辆。
背景技术
轮式装载机等作业车辆中，在发动机的排气路径中设有柴油氧化催化剂(DieselOxidant Catalyst：DOC)、选择性还原催化剂(Selective Catalytic Reduciton：SCR)等排出气体后处理装置，使排出气体中的颗粒物(Particulate Matter：PM)燃烧，或对排出气体中的氮氧化物(NOx)进行净化(例如，参照专利文献1)。
PM的燃烧或NOx的净化需要使排出气体的温度上升，所以在排出气体后处理装置的上游的排气路径中设置排气节气阀，并对排气节气阀的开度进行控制，由此来控制排气温度，实现排出气体后处理装置的功能最优化。
但是存在如下技术问题，当排气节气阀实现的开度控制变得频繁时，在排气节气阀的轴承部件和阀主体的滑动面产生磨损，当磨损进一步发展时，导致排气节气阀与壳体发生干扰，而工作寿命变短。
因此，专利文献2中公开了通过由英科耐尔(Inconel)等烧结金属制成的耐热合金来形成轴承部件的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2016/068347号
专利文献2：(日本)特开平09－60642号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，上述专利文献2记载的技术中，具有必须通过价格高的耐热合金形成轴承部件而制造成本高昂的技术问题。
另外，虽然也考虑使排气节气阀的滑动速度降低，但发动机旋转的提升变慢，所以仅能用于将排气节气阀关闭的情况，具有滑动速度降低不充分的技术问题。
本发明的目的在于，提供能够不抬高制造成本且延长基于阀主体与轴承部件的磨损的排气节气阀的工作寿命的排气净化装置、及作业车辆。
用于解决技术问题的手段
本发明的排气净化装置是搭载于作业车辆上的排气净化装置，其特征在于，具备：
排气路径，其供从发动机排出的排出气体流动；
节气阀，其改变所述排气路径的路径面积；
排出气体后处理装置，其配置在所述节气阀的下游；
阀控制装置，其进行所述节气阀的开度控制；
所述阀控制装置进行如下的控制：
在规定的负载范围以下的低负载区域及超过规定的负载范围的高负载区域中，使所述节气阀的开度比在作为规定的负载范围的中负载区域中大。
根据本发明，在低负载区域及高负载区域中，阀控制装置控制节气阀的开度，使其比在中负载区域中大，由此，在从作业车辆的起步加速到减速状态期间，节气阀的开度维持在大的状态，所以能够抑制滑动距离随着节气阀的开度控制而增加，减少阀主体及轴承部件的磨损，延长节气阀的工作寿命。
附图说明
图1是表示具备本发明的实施方式的排气净化装置的作业车辆的概要结构的示意图。
图2是表示上述实施方式的排气节气阀的构造的剖视图。
图3是表示上述实施方式的排气节气阀的主要部分的剖视图。
图4是表示上述实施方式的控制装置的构造的功能框图。
图5是表示上述实施方式的排气节气阀的开度控制映像图的示意图。
图6是用于说明上述实施方式的作用的示意图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
[1]排气净化装置10的概要结构
图1是对搭载了本实施方式的排气净化装置10的作业车辆1的概要结构进行表示的示意图。在此，作业车辆1是例如在矿山或道路等施工现场进行挖掘、地面压实等作业或砂土等搬运的机械，例如，包含轮式装载机、轮式反铲机等建设机械、或叉车等搬运车辆。
作业车辆1具备：柴油发动机2、利用柴油发动机2的排出气体旋转涡轮而压缩向柴油发动机2供给的空气的涡轮增压器3、控制装置8、显示装置9、排气净化装置10。
在柴油发动机2设有对发动机转速进行检测的发动机转速检测装置6、和向柴油发动机2喷射燃料的燃料喷射装置7。发动机转速检测装置6的检测数据被输出到控制装置8。另外，控制装置8根据油门操作等对燃料喷射装置7进行控制。
[2]显示装置9
显示装置9具备显示部和输入部。显示部由液晶显示器等构成。
显示部显示冷却水温、燃料余量等各种信息、警告等。在本实施方式的显示装置9设有进行促使后述的静止手动再生执行的通知的通知部91，显示装置9起到向操作者通知各种信息的通知装置的功能。
输入部由在显示部的周边设置的开关(按钮)等构成。在显示部通过图标等显示各输入部的功能。因此，操作者在执行静止手动再生的情况下能够容易把握按压哪个开关。需要说明的是，如果使用触摸屏式的显示装置9，只要触摸在触摸屏上显示的开关即可。在本实施方式的显示装置9设有对静止手动再生的执行进行指示的开关92。需要说明的是，输入部不限于与显示装置9一体设置的开关，也可以由与显示装置9设置于不同的框体等的开关构成。
[3]排气净化装置10
排气净化装置10进行排出气体中的PM或NOx等残留物质的氧化或还原等处理，被控制装置8控制。
排气净化装置10从柴油发动机2排出的排出气体的流动方向的上游侧起依次具备：排气节气阀20、作为排出气体后处理装置的DOC装置30、尿素溶液喷射系统40、SCR装置50。
这些DOC装置30、尿素溶液喷射系统40、SCR装置50设置在来自柴油发动机2的排出气体所流通的排气路径11的中途。该排气路径11具备：将来自与柴油发动机2连接的涡轮增压器3的排出气体向DOC装置30导入的进口管12、将DOC装置30和SCR装置50连接的出口管13、与SCR装置50的出口连接的出口管14。
[4]排气节气阀20
排气节气阀20由在进口管12配置的碟形阀等构成，改变排气路径11的路径面积。排气节气阀20的阀开度被控制装置8控制，如后述，通过调节阀开度对排出气体的温度进行调节。
这种排气节气阀20当减小阀开度(减小开口面积)而提高压力阻力时，处于排气节气阀20的上游侧的柴油发动机2内部的压力也升高。这样在压力阻力增加时，为了维持从柴油发动机2所输出的扭矩，需要使从燃料喷射装置喷射的燃料喷射量增加，燃烧温度上升而能够升高排出气体的温度。但是，由于燃料喷射量增大所以燃料消耗率降低。
虽将详细后述，此时，控制装置8使用根据燃料喷射量及发动机转速设定阀开度的映像图，来控制排气节气阀20的阀开度。
具体地，如图2所示，排气节气阀20具备：连接有进口管12(参照图1)的壳体21、在壳体21的上部设置的马达22、通过马达22进行旋转的阀主体23。
如图2及图3所示，阀主体23具备：通过马达22的驱动轴(省略图示)的旋转而旋转的轴24、设于轴24上且通过旋转对排气路径11的开度进行调节的翻板25。
如图3所示，在壳体21上形成有孔，轴24插入壳体21的孔。在轴24的外周设有球面垫圈26，塞住壳体21的孔。
轴24与在上部设置的保持件27一体化，弹簧28向上方推压保持件27。在壳体21的凹部21A内安装有轴24的套筒29，球面垫圈26的上表面可滑动地与该套筒29的下表面抵接。
在马达22的驱动轴设有小齿轮，在阀主体23的轴24的基端设有与该小齿轮啮合的未图示的齿轮。当马达22驱动时，齿轮经由小齿轮而旋转，阀主体23随之旋转。
当阀主体23利用马达22旋转时，套筒29的下表面29A和球面垫圈26的上表面26A沿阀主体23的旋转方向滑动。当阀主体23的转速增加时，套筒29的下表面29A与球面垫圈26的上表面26A之间的滑动距离增加，套筒29的下表面渐渐磨损。当套筒29的下表面29A逐渐磨损时，阀主体23被弹簧28向上方拉升，翻板25的上端25A和壳体21的内表面21B发生干扰，从而阀主体23的旋转需要大的作用力，排气节气阀20的转动调节的工作寿命缩短。
[5]DOC装置30
DOC装置30具备壳体，在壳体的内部收纳柴油氧化催化剂。
DOC装置30是使根据需要向排出气体中供给的燃料(定量燃料)氧化、发热，而使排出气体温度上升到规定的温度域的催化剂。通过利用该温度上升的排出气体，使排出气体中的PM燃烧，使后述的堆积在出口管13等的尿素沉积物燃烧而烧尽除去，净化并再生。
[6]尿素溶液喷射系统40
尿素溶液喷射系统40向排出气体中添加作为还原剂水溶液的尿素水溶液。这种尿素溶液喷射系统40具备：安装于DOC装置30的出口管13且向出口管13内部喷射尿素水溶液的喷射喷嘴41、储存尿素水溶液的尿素溶液箱42、从尿素溶液箱42向喷射喷嘴41供给尿素水溶液的泵单元43。
控制装置8控制喷射喷嘴41及泵单元43，从喷射喷嘴41向出口管13内喷射尿素水溶液。向出口管13喷射的尿素水溶液因排出气体的热而水解，成为氨。
[7]SCR装置50
SCR装置50通过将使尿素水溶液水解而得到的氨作为还原剂，对排出气体中的氮氧化物进行还原净化。氨作为还原剂与排出气体一起向SCR装置50供给。
需要说明的是，也可以在SCR装置50的下游侧设置减氨催化剂。减氨催化剂对SCR装置50中未使用的氨进行氧化处理而使其无害化，进一步降低排出气体的排放。
[8]传感器
在排气净化装置10设有用于检测柴油发动机2或排气净化装置10的状况的各种传感器。
即，在进口管12，在排气节气阀20的下游侧配置对排出气体中含有的NOx的浓度进行检测NOx传感器32。在DOC装置30设有对DOC装置30的进口温度进行测定的进口温度传感器31、和对DOC装置30的进口温度进行测定的出口温度传感器45。
在SCR装置50设有SCR内部温度传感器47、和对SCR装置50的出口温度进行测定的SCR出口温度传感器51。
在与SCR装置50连接的出口管14配置有对从SCR装置50排出的排出气体中含有的NOX的浓度进行检测的SCR出口NOx传感器52。
这些传感器经由控制器局域网络(Controller Area Network：CAN)18与控制装置8连接，向控制装置8输出测定数据。
[9]控制装置8
作为阀控制装置的控制装置8在作业车辆1正常运转时进行排气节气阀20的开度控制，将排出气体的温度控制成300℃上下，提高SCR装置50的净化效率。
如图4所示，控制装置8具备：发动机转速取得部81、燃料喷射量取得部82、阀开度控制部83。
发动机转速取得部81基于发动机转速检测装置6的检测值，取得柴油发动机2的转速。
燃料喷射量取得部82通过未图示的传感器检测由燃料喷射装置7喷射的燃料喷射量，取得由传感器检测的检测值。燃料喷射量主要根据操作者的油门操作量而变动。
阀开度控制部83基于由发动机转速取得部81取得的发动机转速、以及由燃料喷射量取得部82取得的燃料喷射量，进行排气节气阀20的开度控制。
具体地，阀开度控制部83通过参照图5中表示的数据表TBL，进行排气节气阀20的开度控制。数据表TBL与柴油发动机2的转速、燃料喷射装置7产生的燃料喷射量对应地记录排气节气阀20的开度，例如，记录了发动机转速RP1、燃料喷射量IN1的情况下的排气节气阀20的开度OP1。阀开度控制部83向排气节气阀20输出作为开度控制指令的开度OP1，排气节气阀20的马达22根据开度OP1使阀主体23旋转。
本实施方式的映像图MAP与燃料喷射量对应地设定了排气节气阀20的开度，被划分成低负载区域AR1、中负载区域AR2、及高负载区域AR3。
规定的负载范围以下的低负载区域AR1是驱动作业车辆1的扭矩以下的区域，是柴油发动机2的额定输出的燃料喷射量的大致10％以下的燃料喷射量的区域。本实施方式中，低负载区域AR1的排气节气阀20的开度设定成全开(0％)。需要说明的是，低负载区域AR1的排气节气阀20的开度不需要设定成全开，只要设定成比后述的中负载区域AR2的开度大即可。
作为规定的负载范围的中负载区域AR2是作业车辆1进行正常的装货、卸货作业时所需的扭矩的区域，是柴油发动机2的额定输出的燃料喷射量的大致10％以上、大致不到40％的区域。中负载区域AR2的排气节气阀20的开度设为大致70％～90％，根据燃料喷射量及发动机转速的变动对排气节气阀20的开度进行变更。
超过规定的负载范围的高负载区域AR3是排出气体的温度成为DOC装置30的再生处理温度及SCR装置50的净化处理温度以上的区域，是作业车辆1朝货堆行驶时所需的区域。具体地，高负载区域AR3是柴油发动机2的额定输出的燃料喷射量的大致40％以上、100％以下的区域。高负载区域AR3的排气节气阀20的开度设定成全开(0％)。
换言之，与其他的负载区域相比，在中负载区域中较小地设定排气节气阀20的开度。
另外，映像图MAP在中负载区域AR2被划分成发动机转速的低旋转区域AR4、和高旋转区域AR5。
发动机转速的低旋转区域AR4是能够驱动作业车辆1的柴油发动机2的转速以下的区域，即低怠速区域，例如，是发动机转速为大致400rpm～大致1100rpm的区域。低旋转区域AR4的排气节气阀20的开度设定成全开(0％)。
发动机转速的高旋转区域AR5是能够驱动作业车辆1的柴油发动机2的转速的区域，即发动机转速超过1100rpm的区域。高旋转区域AR5的排气节气阀20的开度设为上述的大致70％～大致90％。
在低旋转区域AR4中将开度设为全开是由于在冬季等低温条件时将作业车辆1设为低怠速状态时，发动机油、驱动系统润滑油的黏性变高，油门或发动机、泵等的搅拌阻力及滑动阻力增加。因此，导致驱动扭矩增大，柴油发动机2的燃料喷射量变大。该状态下当进行排气节气阀20的开度控制时，与燃料喷射量多的区域AR2接近，在区域AR1与区域AR2或进或出，由此，导致排气节气阀20细致地进行工作，排气节气阀20的滑动距离增加。
因此，在作业车辆1的怠速状态下，无论低温、高温，将排气节气阀20的开度设为全开，由此，排气节气阀20不进行工作，使排气节气阀20的滑动距离降低。
[10]SCR装置50的再生处理
作为再生处理，如图2所示，当从喷射喷嘴41喷射尿素水溶液时，有时尿素在出口管13中结晶化而析出。因此需要进行将排出气体温度设为高温，从而对出口管13内的析出物(尿素沉积物)进行分解的净化处理。净化处理中具有作业车辆1工作的状态下一边继续作业一边自动进行的升温控制、和通过使作业车辆1停止且操作者操作显示装置9的开关92而执行的静止手动再生，被控制装置8切换选择地控制。
控制装置8通过进口温度传感器31测定DOC装置30的进口侧的排出气体的温度，根据该测定温度对排气节气阀20的阀开度进行控制，调节排出气体的温度。
控制装置8从发动机转速检测装置6取得发动机转速，从进口温度传感器31取得DOC装置30的进口侧的排出气体的温度，从NOx传感器32取得DOC装置30的进口侧的NOx的浓度。另外，控制装置8从出口温度传感器45取得DOC装置30的出口侧的排出气体的温度，从SCR内部温度传感器47取得SCR催化剂的温度，从SCR出口温度传感器51取得SCR出口温度，从SCR出口NOx传感器52取得SCR装置50的出口侧的NOx的浓度。
控制装置8基于这些所取得的数据、操作者的油门操作等信息，控制燃料喷射装置7、排气节气阀20、喷射喷嘴41、泵单元43的工作。
[11]实施方式的作用及效果
接着，关于本实施方式的作用，基于图5及图6对作为作业车辆1一例的轮式装置机进行说明。需要说明的是，作业车辆1的输出扭矩在图5中的扭矩曲线TRQ内转换。
如图6所示，作为轮式装载机1等作业车辆1的典型的V型作业载入动作，首先，启动柴油发动机2，操作者从怠速状态ST1开始作业车辆1的操纵。
操作者在使油门开启至全开的油门全开状态ST2下进行操纵，直到抵达货堆的位置。
当作业车辆1靠近货堆的位置时，操作者关闭油门，踩踏制动器而进入减速状态ST3。
参照图5说明伴随该轮式装载机的典型动作的排气节气阀20的开度控制。
首先，在怠速状态ST1中，发动机转速进入低旋转区域AR4，所以排气节气阀20被设为全开状态。
然后，在操作者使油门开启至全开的油门全开状态ST2(额定点)，因为从怠速状态ST1朝向油门全开状态ST2，所以燃油喷射量从低旋转区域AR4转换至高负载区域AR3，排气节气阀20维持全开状态。
最后，当作业车辆1变成减速状态ST3时，因为关闭油门，踩踏制动器，所以燃料不喷射，燃料喷射量从高负载区域AR3进入低负载区域AR1，排气节气阀20还维持全开状态。
在此，在从油门全开状态ST2向低负载区域AR1转换时，经过排气节气阀20的开度变化的中负载区域AR2。但是，即使操作者从全开油门状态变更至油门关闭的状态，与油门操作对应的作业车辆1的实际工作也会产生延迟。因此，在映像图MAP上的排气节气阀20的开度产生响应延迟，所以不转换至中负载区域AR2，而是直接转换至低负载区域AR1，排气节气阀20的开度依然维持全开，排气节气阀20的滑动距离不会增加。
之后，作业车辆1当进入砂土等的挖掘作业时，柴油发动机2的燃料喷射量进入中负载区域AR2，以与作业负载对应的燃料喷射量进行排气节气阀20的开度控制。
根据这样的本实施方式，即使使作业车辆1从怠速状态ST1向油门全开状态ST2、进而向作业车辆1的减速状态ST3转换，低负载区域AR1、高负载区域AR3的排气节气阀20的开度也维持在全开状态。因此，即使燃料喷射量从低负载区域AR1变化至高负载区域AR3，排气节气阀20的滑动距离也不会增加，能够将排气节气阀20的套筒29的磨损抑制在所需最低限度，防止排气节气阀20的工作不良。特别地，由于轮式装载机那样的作业车辆进行从怠速状态ST1转换成油门全开状态ST2、减速状态ST3的典型动作，所以本实施方式有效。
[12]实施方式的变形
本发明不限于上述实施方式，也包含下述那样的变形。
上述实施方式中，将发动机转速的低旋转区域AR4的排气节气阀20的开度设定成全开，但不限于此，在低旋转区域AR4，也可以设定与高旋转区域AR5同样的开度。
上述实施方式中，将轮式装载机1作为作业车辆1，但本发明不限于此，也可以在轮式反铲机、叉车等中适用本发明。只要是轮式的作业车辆就能够采用本发明。
上述实施方式中，进行设于排气路径11中的排气节气阀20的开度控制，但本发明不限于此，也可以对进气节气阀适用本发明。
除此以外，本发明实施时的具体的构造及形状等也可以在能够达成本发明的目的的范围内设为其它的构造等。
标记说明
1…作业车辆、2…柴油发动机、3…涡轮增压器、6…发动机转速检测装置、7…燃料喷射装置、8…控制装置、9…显示装置、10…排气净化装置、11…排气路径、12…进口管、13…出口管、14…出口管、18…CAN、20…排气节气阀、21…壳体、21A…凹部、21B…壳体的内表面、22…马达、23…阀主体、24…轴、25…翻板、25A…翻板的上端、26…球面垫圈、26A…球面垫圈的上表面、27…保持件、28…弹簧、29…套筒、29A…套筒的下表面、30…DOC装置、31…进口温度传感器、32…NOx传感器、40…尿素溶液喷射系统、41…喷射喷嘴、42…尿素溶液箱、43…泵单元、45…出口温度传感器、47…SCR内部温度传感器、50…SCR装置、51…SCR出口温度传感器、52…SCR出口NOx传感器、81…发动机转速取得部、82…燃料喷射量取得部、83…阀开度控制部、91…通知部、92…开关、AR1…低负载区域、AR2…中负载区域、AR3…高负载区域、AR4…低旋转区域、AR5…高旋转区域、IN1…燃料喷射量、MAP…映像图、OP1…开度、RP1…发动机转速、ST1…怠速状态、ST2…油门全开状态、ST3…减速状态、TRQ…扭矩曲线。

Claims (6)

1.一种排气净化装置，搭载于作业车辆上，其特征在于，具备：
排气路径，其流动有从发动机排出的排出气体；
节气阀，其改变所述排气路径的路径面积；
排出气体后处理装置，其配置在所述节气阀的下游；
阀控制装置，其进行所述节气阀的开度控制；
所述阀控制装置进行如下的控制：
在规定的负载范围以下的低负载区域及超过规定的负载范围的高负载区域中，使所述节气阀的开度比在作为规定的负载范围的中负载区域中大。
2.如权利要求1所述的排气净化装置，其特征在于，
所述阀控制装置控制所述节气阀的开度，以使其在所述发动机的规定的转速以下的低旋转区域中比在所述中负载区域中大。
3.如权利要求1或2所述的排气净化装置，其特征在于，
所述低负载区域是驱动所述作业车辆的扭矩以下的区域。
4.如权利要求1～3中任一项所述的排气净化装置，其特征在于，
所述排出气体后处理装置是柴油氧化催化装置及选择性催化还原装置。
5.一种排气净化装置，搭载于作业车辆上，其特征在于，具备：
排气路径，其流动有从发动机排出的排出气体；
节气阀，其改变所述排气路径的路径面积；
排出气体后处理装置，其配置在所述节气阀的下游；
阀控制装置，其进行所述节气阀的开度控制；
所述阀控制装置进行如下的控制：
在作为规定的负载范围的中负载区域中，使所述节气阀的开度比在其它负载区域中小。
6.一种作业车辆，其特征在于，
具备权利要求1～5中任一项所述的排气净化装置。
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