JP2009191654A - パティキュレートフィルタの再生方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】建設機械等に搭載されるエンジンのように、エンジン動力で作業用ユニットを駆動して各種作業を行う産業用エンジンに適用したパティキュレートフィルタを効率良く低コストで再生する。
【解決手段】エンジン動力で油圧ユニット２（作業用ユニット）を駆動して各種作業を行う産業用エンジン１の排気管４に酸化触媒７とパティキュレートフィルタ６とを順次配列し、酸化触媒７より上流側で排気ガス３中への燃料添加を行い、その添加燃料が酸化触媒７上で酸化反応した時の反応熱により直後のパティキュレートフィルタ６内の捕集済みパティキュレートを燃焼させて該パティキュレートフィルタ６の再生を図る方法に関し、作業時間外にパティキュレートフィルタ６の再生が指示された時に、油圧ユニット２に強制的に負荷を与えてエンジン負荷を意図的に増やし、この負荷増加により排気温度を上昇しながら燃料添加を行う。
【選択図】図１
【解決手段】エンジン動力で油圧ユニット２（作業用ユニット）を駆動して各種作業を行う産業用エンジン１の排気管４に酸化触媒７とパティキュレートフィルタ６とを順次配列し、酸化触媒７より上流側で排気ガス３中への燃料添加を行い、その添加燃料が酸化触媒７上で酸化反応した時の反応熱により直後のパティキュレートフィルタ６内の捕集済みパティキュレートを燃焼させて該パティキュレートフィルタ６の再生を図る方法に関し、作業時間外にパティキュレートフィルタ６の再生が指示された時に、油圧ユニット２に強制的に負荷を与えてエンジン負荷を意図的に増やし、この負荷増加により排気温度を上昇しながら燃料添加を行う。
【選択図】図１
Description
本発明は、パティキュレートフィルタの再生方法に関するものである。
自動車のディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤分と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。
この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出されるようにしてある。
そして、排気ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜に燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、通常の自動車用エンジンでは、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られる機会が少ないため、酸化触媒を一体的に担持させた触媒再生型のパティキュレートフィルタが採用されている。
即ち、このような触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用すれば、捕集されたパティキュレートの酸化反応が促進されて着火温度が低下し、従来より低い排気温度でもパティキュレートを燃焼除去することが可能となるのである。
ただし、斯かる触媒再生型のパティキュレートフィルタを採用した場合であっても、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞れがある。
そこで、パティキュレートフィルタの前段に、フロースルー型の酸化触媒を別途配置し、パティキュレートの堆積量が増加してきた段階で前記酸化触媒より上流側の排気ガス中に燃料を添加してパティキュレートフィルタの再生を図ることが考えられている。
つまり、パティキュレートフィルタより上流側でポスト噴射等により燃料を添加すれば、その添加された燃料により発生したＨＣガスがパティキュレートフィルタの酸化触媒上で酸化反応し、その反応熱により触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。
この種の燃料添加を実行するための具体的手段としては、圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を追加することで排出ガス中に燃料を添加すれば良い。
近年、この種のパティキュレートフィルタは、自動車だけでなくクレーンやショベル等といった建設機械にも適用することが検討されており、例えば、パティキュレートフィルタを挟んだ前後の差圧、エンジン回転数や負荷から算出されるパティキュレートの推定発生量と推定処理量との差の累積値等に基づいてパティキュレートの堆積量を推定し、その推定値が所定値を超えている条件で作業中にパティキュレートフィルタの再生を自動的に行うことが考えられている。
尚、燃料添加によるパティキュレートフィルタの再生に関連する先行技術文献情報としては本発明と同じ出願人による下記の特許文献１や特許文献２等がある。
特開２００３−１５５９１４号公報
特願２００３−２２２０４０号公報
しかしながら、作業中にパティキュレートフィルタの再生制御が自動的にかかったとしても、その作業の断続状況によっては、必ずしもパティキュレートフィルタの再生が完了まで到らないこともあるため、そのような状況が繰り返されることでパティキュレートフィルタ内のパティキュレートの堆積量が増加してくる虞れがあった。
このため、パティキュレートフィルタ内に多量のパティキュレートが溜ってしまった場合には、作業時間外でも運転者の意思（適切なフラグ立てによる自動制御としても良い）によりパティキュレートフィルタの再生を任意に実施できるようにする必要があるが、作業時間外にアイドリング状態でパティキュレートフィルタを再生しようとしても、排気温度が低過ぎてＨＣガスの酸化触媒上での十分な酸化反応が期待できなかった。
例えば、自動車の場合には、アイドリング中にアイドル回転数を上げつつ排気ブレーキや吸気弁を閉じて排気ガスの昇温化を図るという手法が既に提案されているが、建設機械の場合には、自動車のような排気ブレーキや吸気弁といったデバイスが実装されておらず、これらをパティキュレートフィルタの再生のためだけに新たに備えるのはコストの大幅な高騰を招く結果となる。
しかも、仮に排気ブレーキや吸気弁を新たに備えて排気絞りや吸気絞りを実施したとしても、アイドリング状態では大幅な排気ガスの昇温化は望めないため、パティキュレートフィルタの再生を完了するまでに時間がかかり、燃料添加量が増えることによるコストの高騰も避けられない。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、建設機械等に搭載されるエンジンのように、エンジン動力で作業用ユニットを駆動して各種作業を行う産業用エンジンに適用したパティキュレートフィルタを効率良く低コストで再生することを目的としている。
本発明は、エンジン動力で作業用ユニットを駆動して各種作業を行う産業用エンジンの排気管に酸化触媒とパティキュレートフィルタとを順次配列し、酸化触媒より上流側で排気ガス中への燃料添加を行い、その添加燃料が酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱により直後のパティキュレートフィルタ内の捕集済みパティキュレートを燃焼させて該パティキュレートフィルタの再生を図る方法であって、作業時間外にパティキュレートフィルタの再生が指示された時に、作業用ユニットに強制的に負荷を与えてエンジン負荷を意図的に増やし、この負荷増加により排気温度を上昇しながら燃料添加を行うことを特徴とするものである。
而して、作業時間外にパティキュレートフィルタの再生が指示された時に、作業用ユニットに強制的に負荷を与えてエンジン負荷を意図的に増やすと、この負荷増加により産業用エンジンから排出される排気温度が大幅に上昇されるので、このように排気温度が高められた条件で排気ガス中への燃料添加を行うと、この燃焼添加により生成された高濃度のＨＣガスが前段の酸化触媒で支障なく酸化反応して反応熱を生じ、この反応熱により酸化触媒を通過する排気ガスが大幅に昇温され、その昇温した排気ガスがパティキュレートフィルタに導入されて該パティキュレートフィルタの触媒床温度が高められ、これによりパティキュレートが良好に燃焼除去されてパティキュレートフィルタの再生が短時間で完了することになる。
更に、本発明をより具体的に実施するに際しては、例えば、作業用ユニットが油圧ユニットである場合に、油圧をリリースしながら油圧ポンプを駆動して作動油を循環することで油圧ユニットに強制的に負荷を与えるようにすれば良い。
上記した本発明のパティキュレートフィルタの再生方法によれば、既設の作業用ユニットに強制的に負荷を与えてエンジン負荷を意図的に増やすことにより排気温度を上昇させることができ、これによって、自動車のような排気ブレーキや吸気弁といったデバイスをパティキュレートフィルタの再生のためだけに新たに備えなくて済み、しかも、これらのデバイスを用いた場合よりも短時間のうちに効率良くパティキュレートフィルタの再生を完了させることも可能となるので、設備費や添加燃料費を著しく削減してコストの大幅な削減を図ることができるという優れた効果を奏し得る。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はエンジン動力の油圧ユニット２を作業用ユニットとして装備してクレーンやショベル等の建設機械に搭載された産業用エンジンを示し、該産業用エンジン１から排出された排気ガス３が流通している排気管４の途中にフィルタケース５が介装されており、該フィルタケース５内における後段には、排気ガス３中からパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ６が収容されており、フィルタケース５内における前段には、排気ガス３中の未燃のＨＣガスを酸化処理する酸化触媒７が収容されている。
また、産業用エンジン１における燃料噴射制御は、エンジン制御装置８で行われるようになっており、図示しない建設機械の運転席に設けた強制再生スイッチ９が操作されて再生指令信号９ａが入力された際に、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射を行うような燃料噴射信号８ａが出力されるようになっている。
つまり、メイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス３中に未燃の燃料が添加されることになり、この未燃の燃料により高濃度のＨＣガスが生成されて前段の酸化触媒７に向け送り出されることになる。
しかも、強制再生スイッチ９から再生指令信号９ａが入力された際には、油圧ユニット２を制御するユニット制御装置１０に向けエンジン制御装置８から協調制御信号８ｂが出力されて油圧ユニット２が強調制御されるようになっており、より具体的には、油圧をリリースしながら油圧ポンプを駆動して作動油を循環する作動が油圧ユニット２で実行されるようになっている。
また、エンジン制御装置８においては、パティキュレートフィルタ６を挟んだ前後の差圧や、エンジン回転数や負荷から算出されるパティキュレートの推定発生量と推定処理量との差の累積値等に基づきパティキュレートの堆積量が推定され、その推定値が所定値を超えている条件で警告信号８ｃが出力されて運転席の警告ランプ１１が点灯されるようになっている。
而して、運転者が作業終了時点で警告ランプ１１の点灯を確認して強制再生スイッチ９を操作（適切なフラグ立てによる自動制御としても良い）すると、該強制再生スイッチ９からの再生指令信号９ａを受けたエンジン制御装置８から協調制御信号８ｂが出力されて油圧ユニット２が強調制御され、油圧をリリースしながら油圧ポンプを駆動して作動油を循環する作動が油圧ユニット２で実行されることになり、該油圧ユニット２に強制的に負荷が与えられることでエンジン負荷が意図的に増やされる。
この結果、産業用エンジン１から排出される排気温度が大幅に上昇されるので、このように排気温度が高められた条件でエンジン制御装置８により産業用エンジン１にポスト噴射を指令して排気ガス３中への燃料添加を行うと、この燃焼添加により生成された高濃度のＨＣガスが前段の酸化触媒７で支障なく酸化反応して反応熱を生じ、この反応熱により酸化触媒７を通過する排気ガス３が大幅に昇温され、その昇温した排気ガス３がパティキュレートフィルタ６に導入されて該パティキュレートフィルタ６の触媒床温度が高められ、これによりパティキュレートが良好に燃焼除去されてパティキュレートフィルタ６の再生が短時間で完了することになる。
従って、上記形態例によれば、既設の油圧ユニット２に強制的に負荷を与えてエンジン負荷を意図的に増やすことにより排気温度を上昇させることができ、これによって、自動車のような排気ブレーキや吸気弁といったデバイスをパティキュレートフィルタ６の再生のためだけに新たに備えなくて済み、しかも、これらのデバイスを用いた場合よりも短時間のうちに効率良くパティキュレートフィルタ６の再生を完了させることも可能となるので、設備費や添加燃料費を著しく削減してコストの大幅な削減を図ることができる。
尚、本発明のパティキュレートフィルタの再生方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示例では油圧ユニットを作業用ユニットとして搭載した建設機械の産業用エンジンの場合で説明しているが、作業用ユニットは発電機やコンプレッサ等であっても良いこと、また、油圧をリリースしながら油圧ポンプを駆動して作動油を循環することで油圧ユニットに強制的に負荷を与える場合を例示しているが、作業用ユニットによる駆動系に意図的に制動をかけるような手法で負荷を与えるようにしても良いこと、また、建設機械以外にフォークリフト等の運搬機械に適用したものであっても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
１ 産業用エンジン
２ 油圧ユニット（作業用ユニット）
３ 排気ガス
４ 排気管
６ パティキュレートフィルタ
７ 酸化触媒
２ 油圧ユニット（作業用ユニット）
３ 排気ガス
４ 排気管
６ パティキュレートフィルタ
７ 酸化触媒
Claims (2)
- エンジン動力で作業用ユニットを駆動して各種作業を行う産業用エンジンの排気管に酸化触媒とパティキュレートフィルタとを順次配列し、酸化触媒より上流側で排気ガス中への燃料添加を行い、その添加燃料が酸化触媒上で酸化反応した時の反応熱により直後のパティキュレートフィルタ内の捕集済みパティキュレートを燃焼させて該パティキュレートフィルタの再生を図る方法であって、作業時間外にパティキュレートフィルタの再生が指示された時に、作業用ユニットに強制的に負荷を与えてエンジン負荷を意図的に増やし、この負荷増加により排気温度を上昇しながら燃料添加を行うことを特徴とするパティキュレートフィルタの再生方法。
- 作業用ユニットが油圧ユニットである場合に、油圧をリリースしながら油圧ポンプを駆動して作動油を循環することで油圧ユニットに強制的に負荷を与えることを特徴とする請求項１に記載のパティキュレートフィルタの再生方法。
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