JP2008064005A - 黒煙燃焼促進システム - Google Patents

Abstract

【課題】吸込空気温度の冷却を抑制することで排気ガス温度を上昇させ、黒煙浄化装置の触媒付きフィルタを触媒活性温度域まで加熱できるようにした簡単な構造の黒煙燃焼促進システムを提供する。
【解決手段】エンジン11の排気系に、排気ガス中の黒煙を捕集する黒煙浄化装置13を接続する。この黒煙浄化装置13は、ハニカムコア構造の触媒付きフィルタ14を内蔵し、この触媒付きフィルタ14を排気ガスの熱を利用して触媒活性温度域まで加熱することで、捕集した黒煙を燃焼させる。エンジン11の吸気系には、エンジン11への吸込空気を過給する過給機16と、この過給機16による過給で加熱した空気を冷却する吸込空気冷却器17とを設置する。吸込空気冷却器17には、その熱交換機能を抑制する熱交換機能抑制機構18として、吸込空気冷却器17を覆う熱交換機能抑制体19を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、黒煙浄化装置における黒煙燃焼促進システムに関する。

建設機械などの黒煙浄化装置は、内蔵する触媒付きフィルタを排気ガスの熱を利用して触媒の活性温度まで加熱し、触媒付きフィルタに捕集した黒煙を触媒のない場合より低温で燃焼させるものである。よって、排気ガスの温度が触媒の活性温度に達しないまま長時間運転した場合は、捕集した黒煙が燃焼されずにフィルタに貯まり続け、ついには装置の破壊(圧壊)へつながるおそれがある。

そこで、従来は、電気（電熱線）により黒煙を燃焼させることが一般的であり、また、黒煙浄化装置中に燃料および空気を供給して燃焼させることで、触媒付きフィルタを黒煙が燃焼する触媒活性温度域まで加熱するようにしたものもある（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平１０−３０６７１８号公報（第１頁、図１） 特開２０００−１１０５５０号公報（第１頁、図１）

この従来の黒煙浄化装置は、触媒付きフィルタの過度の加熱を防止するために燃料および空気の供給量を高精度に制御する複雑な黒煙燃焼システムが必要である。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、吸込空気温度の冷却を抑制することで排気ガス温度を上昇させ、黒煙浄化装置の触媒付きフィルタを触媒活性温度域まで加熱できるようにした簡単な構造の黒煙燃焼促進システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、エンジンから排出される排気ガス中の黒煙を内蔵の触媒付きフィルタにより捕集するとともに触媒付きフィルタを排気ガスの熱を利用して触媒活性温度域まで加熱することで捕集した黒煙を燃焼させる黒煙浄化装置と、エンジンへの吸込空気を過給する過給機と、過給機による過給で加熱された空気を冷却する熱交換機能を有する吸込空気冷却器と、黒煙浄化装置の触媒付きフィルタを触媒活性温度域まで加熱するときは吸込空気冷却器の熱交換機能を抑制する熱交換機能抑制機構とを具備した黒煙燃焼促進システムである。

請求項２に記載された発明は、請求項１記載の黒煙燃焼促進システムにおいて、黒煙の捕集状況を検出する検出器を具備したものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１または２記載の黒煙燃焼促進システムにおける熱交換機能抑制機構が、吸込空気冷却器を覆い吸込空気冷却器の熱交換機能を抑制する熱交換機能抑制体を具備したものである。

請求項４に記載された発明は、請求項１または２記載の黒煙燃焼促進システムにおける熱交換機能抑制機構が、吸込空気冷却器に対し並列に接続されたバイパス通路と、バイパス通路の接続部に設けられた切換弁とを具備したものである。

請求項１に記載された発明によれば、過給機によるエンジンへの過給で加熱された空気を冷却する吸込空気冷却器の熱交換機能を熱交換機能抑制機構により抑制することで、エンジンからの排気ガス温度を上昇させ、黒煙浄化装置の触媒付きフィルタを触媒活性温度域まで加熱するので、すなわち吸込空気温度の冷却を抑制することで排気ガス温度を触媒活性温度域まで上昇させるので、従来の燃料と空気の供給量を高精度に制御する黒煙燃焼システムと異なり簡単な構造の黒煙燃焼促進システムを提供できる。

請求項２に記載された発明によれば、黒煙の捕集状況を検出する検出器があるので、触媒付きフィルタの黒煙捕集率が一定以上となったときに限って熱交換機能抑制機構を働かせることにより、吸込空気温度の上昇によるエンジン出力の低下や排ガス値の悪化を必要最小限に抑えることができる。

請求項３に記載された発明によれば、熱交換機能抑制体により吸込空気冷却器を覆い吸込空気冷却器の熱交換機能を抑制することで、排気ガス温度を触媒活性温度域まで効率良く上昇させることができる。

請求項４に記載された発明によれば、吸込空気冷却器に対し切換弁を介してバイパス通路を並列に接続する配管作業のみによって、熱交換機能抑制機構を簡単に構成できる。

以下、本発明を、図１に示された一実施の形態と、図２に示された他の実施の形態とを参照しながら詳細に説明する。

先ず、図１に示された黒煙燃焼促進システムの一実施の形態を説明する。

11は、ホイールローダなどの作業機械に搭載されたエンジンであり、このエンジン11の排気系には、エンジン11の排気口12から排出される排気ガス中の黒煙を捕集する黒煙浄化装置13が接続されている。この黒煙浄化装置13は、ハニカムコア構造の触媒付きフィルタ（セラミックフィルタ）14を内蔵し、この触媒付きフィルタ14を排気ガスの熱を利用して触媒活性温度域まで加熱することで、捕集した黒煙を燃焼させることが可能である。

エンジン11の吸気系には、エンジン11の吸気口15への吸込空気を過給する過給機16と、この過給機16による過給で加熱された空気を冷却する熱交換機能を有する吸込空気冷却器17とが設置されている。

過給機16は、エンジン11からの排気ガスのエネルギによりタービンを駆動して、タービン軸に直結されたエアコンプレッサで吸込空気を圧縮することで、エンジン11の吸気口15への吸込空気を加圧するターボチャージャを用いる。過給機16の他の例として、エンジン11のクランクシャフトの回転からギアを経てエアコンプレッサを回して吸入空気を圧縮することで、エンジン11の吸気口15への吸込空気を加圧するスーパチャージャを用いても良い。

吸込空気冷却器17は、過給機16の加圧により高温、高圧となった吸込空気を冷却するアフタクーラであり、この吸込空気冷却器17には、黒煙浄化装置13の触媒付きフィルタ14を触媒活性温度域まで加熱するときは吸込空気冷却器17の熱交換機能を抑制する熱交換機能抑制機構18が設置されている。この熱交換機能抑制機構18は、吸込空気冷却器17を覆うことで吸込空気冷却器17の熱交換機能を抑制する熱交換機能抑制体19を具備している。

この熱交換機能抑制体19は、吸込空気冷却器17に嵌脱自在に被嵌される覆い体であるが、このような覆い体は常時被嵌型としても良い。その場合は、覆い体に複数の通気孔（図示せず）を穿設し、これらの通気孔に回動型またはスライド型のシャッタ（図示せず）を開閉自在に設けるようにすると良い。シャッタの開閉は、手動操作しても良いし、電動アクチュエータまたは流体圧アクチュエータにより自動操作しても良い。

黒煙浄化装置13の入口側には、黒煙の捕集状況を検出する検出器20が設置されている。この検出器20としては、触媒付きフィルタ14による黒煙の捕集状況に応じて変化するフィルタ入口側の圧力変化を検出する圧力センサを用いるか、または触媒付きフィルタ14による黒煙の捕集状況が限界値に達したときのフィルタ入口側圧力の変化を検出するオン/オフ操作型の圧力スイッチを用いると良い。

検出器20は、アラーム、ランプなどの警告手段（図示せず）に接続するか、または、前記シャッタの開閉を自動操作する前記アクチュエータを制御するコントローラ（図示せず）に接続すると良い。

検出器20の替わりに、あるいは検出器20との併用により、一定時間の経過により前記警告手段に警告信号を出力させたり、一定時間の経過により前記コントローラからアクチュエータ自動操作信号を出力させるためのタイマ（図示せず）を設置しても良い。

次に、図１に示された黒煙燃焼促進システムの作用効果を説明する。

黒煙浄化装置13の黒煙捕集作用が進んで、触媒付きフィルタ14のハニカムコアが黒煙（煤）で詰まると、その入口側の圧力が上昇するので、その圧力上昇が限界値に達したことを検出器20により検出することで、黒煙浄化装置13の黒煙捕集能力の限界を知ることができる。

この黒煙捕集能力の限界は、検出器20に接続されたアラーム、ランプなどの警告手段を介して作業機械のオペレータなどが認識できるので、オペレータなどが手動で熱交換機能抑制体19を吸込空気冷却器17に被せて、この吸込空気冷却器17を熱交換機能抑制体19で覆うか、または熱交換機能抑制体19の通気孔に設けられた開放状態のシャッタを手動操作して閉じることで、吸込空気冷却器17を熱交換機能抑制体19により実質的に覆うようにする。

または、検出器20に接続されたコントローラ（図示せず）により前記アクチュエータを制御して、開放状態にあったシャッタを自動的に閉じることで、吸込空気冷却器17を熱交換機能抑制体19により実質的に覆うようにしても良い。

これにより、吸込空気冷却器17の冷却機能を抑制して、エンジン11に高い温度の圧縮空気を供給し、エンジン11からの排気ガス温度を上昇させることで、黒煙浄化装置13の触媒付きフィルタ14を触媒活性温度域まで上昇させる。このとき、エンジン11をいわゆる空ふかしすることなく、触媒付きフィルタ14のハニカムコアに詰まった黒煙を、触媒活性温度域の熱で燃焼させることができる。

検出器20の替わりに、あるいは検出器20との併用により、触媒付きフィルタ14のハニカムコアに黒煙が目詰まりする時間を予測して設定されたタイマ（図示せず）により、設定時間をカウントしたときに、黒煙燃焼促進システムを始動させるようにしても良い。

その際、吸込空気冷却器17の冷却機能を抑制することは好ましいことではないので、上記のように黒煙が触媒付きフィルタ14のハニカムコアに目詰まりした状態でのみ、タイマにより所定の限られた時間だけ吸込空気冷却器17の冷却機能を抑制することで、触媒付きフィルタ14の温度を上昇させて黒煙を燃焼させ、触媒付きフィルタ14の目詰まり状態を解消させる。

このように、過給機16によるエンジン11への過給で加熱された空気を冷却する吸込空気冷却器17の熱交換機能を熱交換機能抑制機構18により抑制することで、エンジン11からの排気ガス温度を上昇させ、黒煙浄化装置13の触媒付きフィルタ14を触媒活性温度域まで加熱するので、すなわち吸込空気温度の冷却を抑制することで排気ガス温度を触媒活性温度域まで上昇させるので、従来の燃料と空気の供給量を高精度に制御する黒煙燃焼システムと異なり簡単な構造の黒煙燃焼促進システムを提供できる。

黒煙の捕集状況を検出する検出器20があるので、触媒付きフィルタ14の黒煙捕集率が一定以上となったときに限って熱交換機能抑制機構18を働かせることにより、吸込空気温度の上昇によるエンジン11出力の低下や排ガス値の悪化を必要最小限に抑えることができる。

熱交換機能抑制体19により吸込空気冷却器17を覆い吸込空気冷却器17の熱交換機能を抑制することで、排気ガス温度を触媒活性温度域まで効率良く上昇させることができる。

次に、図２に示された黒煙燃焼促進システムの他の実施の形態を説明する。なお、図１に示された黒煙燃焼促進システムと同様の部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。

図２に示された熱交換機能抑制機構18は、吸込空気冷却器17に対し並列に接続されたバイパス通路21と、バイパス通路21の接続部に設けられた２つの切換弁22とを具備したものである。これらの切換弁22は、吸込空気通路23を吸込空気冷却器17に連通する切換位置から、吸込空気通路23をバイパス通路21に連通する切換位置へと流量比を変化させることができる電磁比例切換弁を用いることが望ましいが、単なる電磁式切換弁または手動式切換弁でも良い。

そして、タイマにより設定された一定時間ごとに、あるいは圧力センサまたは圧力スイッチなどの検出器20により、触媒付きフィルタ14のハニカムコアが黒煙（煤）で詰まったことを検出したら、検出器20に接続されたアラーム、ランプなどの警告手段を介して黒煙詰まり状態を認識した作業機械のオペレータなどが、手動で各切換弁22を切換操作するか、または、検出器20から目詰まり信号を受けたコントローラが、各切換弁22を自動的に切換操作して、吸込空気通路23を吸込空気冷却器17に連通する切換位置から、吸込空気通路23をバイパス通路21に連通する切換位置へと自動切換することで、吸込空気冷却器17の熱交換機能を抑制させる。

この図２に示された実施の形態によれば、吸込空気冷却器17に対し切換弁22を介してバイパス通路21を並列に接続する配管作業のみによって、熱交換機能抑制機構18を簡単に構成できる。

また、吸込空気冷却器17を通る冷却空気流量と、バイパス通路21を通る非冷却空気流量との比率を制御することで、エンジン11の吸気口15に加圧供給される吸込空気の温度を制御でき、排気口12からの排気ガス温度も制御できる。

以上のように、本黒煙燃焼促進システムは、排気ガス温度は吸込空気温度にある程度依存することから、吸込空気温度を上昇させることにより排気ガスを触媒活性温度域まで加熱し、排ガス浄化装置の触媒を積極的に活性させるシステムである。具体的には、過給機16すなわちターボチャージャ付きのエンジン11を搭載した車両において、ターボチャージャにより過給(同時に加熱)された空気を冷却するための吸込空気冷却器17すなわちアフタクーラそのものに熱交換機能抑制体19を被せたり、またはアフタクーラを通さずに吸込空気をバイパスさせることで、熱交換を抑制することにより、冷却されずに高い温度のままの吸込空気をエンジン11ヘ導くものである。

これにより、触媒活性温度以下だった排気ガス温度を上昇させ、触媒付きフィルタ14の触媒を活性化させることができる。ただし、吸込空気温度の上昇はエンジン11の出力低下や排ガス値の悪化を招くため、システムには黒煙の捕集状況をモニタする検出器20を設け、触媒付きフィルタ14の黒煙捕集率が一定以上となったときに限って自動または手動で前述の吸込空気温度上昇モードを行うこととする。

本発明は、トンネル仕様のホイールローダ、油圧ショベルなどの作業機械に好適なものであるが、あらゆる種類の作業機械に適用可能であるとともに、トラックまたはバスなどの自動車にも適用可能である。

本発明に係る黒煙燃焼促進システムの一実施の形態を示す回路図である。 本発明に係る黒煙燃焼促進システムの他の実施の形態を示す回路図である。

符号の説明

11 エンジン
13 黒煙浄化装置
14 触媒付きフィルタ
16 過給機
17 吸込空気冷却器
18 熱交換機能抑制機構
19 熱交換機能抑制体
20 検出器
21 バイパス通路
22 切換弁

Claims (4)

1. エンジンから排出される排気ガス中の黒煙を内蔵の触媒付きフィルタにより捕集するとともに触媒付きフィルタを排気ガスの熱を利用して触媒活性温度域まで加熱することで捕集した黒煙を燃焼させる黒煙浄化装置と、
   エンジンへの吸込空気を過給する過給機と、
   過給機による過給で加熱された空気を冷却する熱交換機能を有する吸込空気冷却器と、
   黒煙浄化装置の触媒付きフィルタを触媒活性温度域まで加熱するときは吸込空気冷却器の熱交換機能を抑制する熱交換機能抑制機構と
   を具備したことを特徴とする黒煙燃焼促進システム。
2. 黒煙の捕集状況を検出する検出器
   を具備したことを特徴とする請求項１記載の黒煙燃焼促進システム。
3. 熱交換機能抑制機構は、
   吸込空気冷却器を覆い吸込空気冷却器の熱交換機能を抑制する熱交換機能抑制体
   を具備したことを特徴とする請求項１または２記載の黒煙燃焼促進システム。
4. 熱交換機能抑制機構は、
   吸込空気冷却器に対し並列に接続されたバイパス通路と、
   バイパス通路の接続部に設けられた切換弁と
   を具備したことを特徴とする請求項１または２記載の黒煙燃焼促進システム。

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