JP2012241547A - エンジンの排気後処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】還元剤の温度分布を考慮することにより、還元剤の凍結防止及び解凍促進を行うときのエネルギー効率を改善し、排気温度分布を考慮することにより、自己再生を促すときのエネルギー効率を改善するエンジンの排気後処理システムを提供する。
【解決手段】コントローラ５０は、レベルセンサ１４と温度センサ１５に基いて、貯蔵タンク１２内の還元剤温度分布を検出し、還元剤温度分布に基づいて、凍結している還元剤の体積Ｖ１を演算し、また、還元剤の凍結範囲の平均温度ｔ１を演算し、凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量Ｑ１を演算する。同様に、温度センサ２５に基いて、排気温度分布を検出し、自己再生を促すのに必要な熱エネルギー量Ｑ２を演算する。さらに、発電装置３１から、電熱ヒータ１６に電気エネルギーＱ１を、電熱ヒータ２６に電気エネルギーＱ２を分配する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、油圧により駆動する産業機械もしくは建設機械に搭載されるエンジンの排気後処理システムに関するものである。

油圧ショベル等の建設機械はその駆動源としてディーゼルエンジンを搭載しているが、このディーゼルエンジンから排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）や粒子状物質（ＰＭ）の排出量は、年々規制が強化されてきている。このような規制に対して、エンジンの排気後処理システムは、窒素酸化物の浄化やＰＭの浄化を行う。たとえば、窒素酸化物の浄化は、排気中の窒素酸化物に還元剤を噴射し、窒素酸化物を無害成分（例えばＮ_２やＨ_２０）に還元する。

還元剤は貯蔵タンクに貯蔵され、貯蔵タンクから供給されて噴射される。還元剤は高温になるほど劣化が進み、本来の高い浄化率が得られなくなるため、低温で維持する方が好ましい。一方、低温すぎると、還元剤が凍結し、噴射供給できなくなる。そこで、還元剤の凍結防止及び解凍技術が提案されている。

特許文献１には、還元剤容器（貯蔵タンク）や還元剤供給装置（噴射ノズル）、還元剤経路などに電熱ヒータが付設され、エンジンからの熱影響分を考慮して補正された外気温度データに基いて、電熱ヒータの出力を制御して、還元剤の凍結防止及び解凍促進を可能にする技術が開示されている。

特開２００７−１１３４０３号公報

特許文献１に開示された技術では、電熱ヒータの出力を外気温度のみで制御する為、還元剤の温度分布に応じた詳細な制御ができない。

すなわち、貯蔵タンク内の還元剤の温度は一様でなく温度分布を持つ。したがって、外気温度が還元剤の凝固点（凍結温度）付近となった場合、凍結している部分と凍結していない部分が発生する可能性がある。凍結していない部分まで加熱することは、エネルギー効率の観点から好ましくない。さらに、必要以上の加熱は、還元剤劣化の原因になるおそれがあり、好ましくない。

なお、ＰＭ浄化において、自己再生を促す為に加熱するとき、ＰＭ浄化装置内の排気温度が温度分布を持つときも、上記課題同様、効率の良い加熱ができない。

本発明の目的は、還元剤の温度分布を考慮することにより、還元剤の凍結防止及び解凍促進を行うときのエネルギー効率を改善するエンジンの排気後処理システムを提供することである。

さらに、排気温度分布を考慮することにより、自己再生を促すときのエネルギー効率を改善するエンジンの排気後処理システムを提供する。

（１）上記目的を達成する為に、本発明のエンジンの排気後処理システムは、エンジン排気系に設けられ還元剤を噴射する噴射ノズルと、還元剤を貯蔵する貯蔵タンクとを有し、窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物浄化手段を備えたエンジンの排気後処理システムにおいて、前記窒素酸化物浄化手段は、更に、前記貯蔵タンクの深さ方向の還元剤の温度分布を検出する温度分布検出手段と、前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量を演算する必要熱エネルギー量演算手段と、前記貯蔵タンクに設けられ、前記必要熱エネルギー量演算手段の演算結果に相当するエネルギーが供給されることにより、前記還元剤を加熱する加熱手段とを有する。

このように、温度分布検出手段を有し、還元剤凍結範囲を特定することにより、必要熱エネルギー量演算手段は凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量を演算することができる。加熱手段に必要最小限のエネルギーを供給することにより、凍結した還元剤が解凍される。これにより、還元剤の凍結防止及び解凍促進を行うときのエネルギー効率を改善できる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記温度分布検出手段は、貯蔵タンクの還元剤の液面レベルを検知するレベルセンサと、前記貯蔵タンクの深さ方向に複数設けられた温度センサとを有し、前記必要熱エネルギー量演算手段は、前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、凍結した還元剤の体積を演算することにより、必要熱エネルギー量を演算する。

これにより、温度分布検出手段は還元剤の温度分布を検出でき、必要熱エネルギー量演算手段は必要熱エネルギー量を演算できる。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記加熱手段は、前記貯蔵タンクの深さ方向に複数設けられた発熱部を有し、前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、複数の発熱部のうち凍結した還元剤に対応する位置にある発熱部が作動するように構成されている。

これにより、凍結箇所に対応する発熱部の発熱が、還元剤の凍結箇所に直接に伝達され、更にエネルギー効率を改善できる。

（４）上記目的を達成する為に、エンジン排気系に設けられ還元剤を噴射する噴射ノズルと、還元剤を貯蔵する貯蔵タンクとを有し、窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物浄化手段および、エンジン排気系に設けられ粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタと、前記フィルタに堆積したＰＭを焼却除去することによりフィルタを再生する再生装置とを有するＰＭ浄化手段を備えたエンジンの排気後処理システムにおいて、前記窒素酸化物浄化手段は、更に、前記貯蔵タンクの深さ方向の還元剤の温度分布を検出する第１温度分布検出手段と、前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量を演算する第１必要熱エネルギー量演算手段と、前記貯蔵タンクに設けられ、前記必要熱エネルギー量演算手段の演算結果に相当する電気エネルギーが供給されることにより、前記還元剤を加熱する第１電熱ヒータとを有し、前記ＰＭ浄化手段は、更に、前記フィルタ内部の温度分布を検出する第２温度分布検出手段と、前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、自己再生に必要な熱エネルギー量を演算する第２必要熱エネルギー量演算手段と、前記フィルタに設けられ、前記必要熱エネルギー量演算手段の演算結果に相当する電気エネルギーが供給されることにより、前記フィルタ内の排気を加熱する第２電熱ヒータとを有し、前記排気後処理システムは、更に電気エネルギーを前記第１電熱ヒータと第２電熱ヒータとに分配する配電制御手段を備える。

これにより、還元剤の温度分布を考慮することにより、還元剤の凍結防止及び解凍促進を行うときのエネルギー効率を改善し、排気温度分布を考慮することにより、自己再生を促すときのエネルギー効率を改善できる。

（５）上記（４）において、好ましくは、前記配電制御手段は、前記発電手段により得られた電気エネルギーを前記第１電熱ヒータと第２電熱ヒータとに分配する。

このように発電手段を有することにより、バッテリの負荷を軽減できる。

（６）上記（５）において、好ましくは、更に、蓄電手段を備え、前記配電制御手段は、前記発電手段による供給電力が第１電熱ヒータの必要エネルギー量と第２電熱ヒータの必要エネルギー量との合計に基づく必要電力より多い場合は、余剰エネルギーを前記蓄電手段に蓄電する。

（７）上記（６）において、好ましくは、前記配電制御手段は、前記発電手段による供給電力が第１電熱ヒータの必要エネルギー量と第２電熱ヒータの必要エネルギー量との合計に基づく必要電力より少ない場合は、不足エネルギーを前記蓄電手段より供給する。

（６）（７）の構成により、状況に応じて効率の良いエネルギー供給ができ、排気浄化にかかるエネルギー効率を改善できる。

（８）上記目的を達成する為に、エンジン排気系に設けられ粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタと、前記フィルタに堆積したＰＭを焼却除去することによりフィルタを再生する再生装置とを有するＰＭ浄化手段を備えたエンジンの排気後処理システムにおいて、前記ＰＭ浄化手段は、更に、前記フィルタ内部の温度分布を検出する温度分布検出手段と、前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、自己再生に必要な熱エネルギー量を演算する必要熱エネルギー量演算手段と、前記フィルタに設けられ、前記必要熱エネルギー量演算手段の演算結果に相当するエネルギーが供給されることにより、前記フィルタ内の排気を加熱する加熱手段とを有する。

このように、温度分布検出手段を有し、排気加熱必要範囲を特定することにより、必要熱エネルギー量演算手段は自己再生を促すのに必要な熱エネルギー量を演算することができる。加熱手段に必要最小限のエネルギーを供給することにより、自己再生が促される。これにより、自己再生を促すときのエネルギー効率を改善できる。

以上述べたように、本発明によれば、還元剤の温度分布を考慮することにより、還元剤の凍結防止及び解凍促進を行うときのエネルギー効率を改善できる。また、排気温度分布を考慮することにより、自己再生を促すときのエネルギー効率を改善できる。

エンジンの排気後処理システムの全体構成を示す図である。 貯蔵タンクに設けられた特徴的構成（レベルセンサ・温度センサ）について説明する図である。 コントローラの還元剤温度分布検出機能の制御内容の一部を説明する図である。 コントローラの還元剤温度分布検出機能の制御内容の他の一部を説明する図である。 コントローラの解凍必要熱エネルギー量演算機能の制御内容の一部を説明する図である。 貯蔵タンクに設けられた特徴的構成（電熱ヒータ）について説明する図である。 PM浄化装置のフィルタに設けられた特徴的構成（温度センサ）について説明する図である。 温度センサの配置図である（変形例） コントローラの排気温度分布検出機能の制御内容の要部を説明する図である。 コントローラの自己再生必要熱エネルギー量演算機能の制御内容の一部を説明する図である。 PM浄化装置に設けられた特徴的構成（電熱ヒータ）について説明する図である。 作動油を利用して発電を行う発電装置の一例を示す図である。 コントローラの機能ブロック図である。 コントローラの制御内容に係るフローチャートである。 貯蔵タンクに設けられた特徴的構成（電熱ヒータ）について説明する図である（変形例）。

以下、図面により、本発明の一実施形態について説明する。

〜構成〜
図１は、本実施形態に係わるエンジンの排気後処理システムの全体構成を示す図である。

油圧ショベル等の建設機械はその駆動源としてディーゼルエンジン１を搭載している。まず、油圧ショベルの油圧駆動システムについて説明する。

油圧駆動システムは、油圧ポンプ２とコントロールバルブ３と油圧アクチュエータ４とを有する。油圧ポンプ２はエンジン１により回転駆動されて圧油を吐出する。コントロールバルブ３はこの圧油の方向と流量を制御し、圧油を油圧アクチュエータ４に供給する。これにより油圧アクチュエータ４は駆動される。

油圧ポンプ２は、その吐出圧力に基づいて油圧ポンプ２の吸収トルク（消費トルク）が予め定めた値である最大吸収トルクを超えないように油圧ポンプ２の傾転（斜板の傾転量；押しのけ容積或いは容量）を制御するレギュレータ５を有している。コントロールバルブ３やレギュレータ５はコントローラ５０により制御される。

油圧ショベルは、エンジン１により油圧ポンプ２を回転駆動し、油圧ポンプ２から吐出される圧油によりアームシリンダ等の油圧アクチュエータ４を駆動し、掘削など必要な作業を行う。

排気後処理システムはエンジン１の排気系６に設けられ、窒素酸化物浄化装置１０とPM浄化装置２０とを有する。エンジン１の排気は、PM浄化装置２０によりＰＭが除去され、ＰＭが除去された排気は排気管７を通って窒素酸化物浄化装置１０に導かれ、窒素酸化物浄化装置１０により浄化され、浄化された排気が排気管８を通って車外に放出される。

窒素酸化物浄化装置１０は、基本的構成として、排気管７に設けられた噴射ノズル１１と、還元剤を貯蔵する貯蔵タンク１２と、触媒を装着した窒素酸化物浄化装置本体１３を有する。還元剤は貯蔵タンク１２から供給されて噴射ノズル１１により噴射される。窒素酸化物浄化装置本体１３において、排気中の窒素酸化物は浄化される。窒素酸化物浄化装置１０は、尿素ＳＣＲシステムであり、還元剤には尿素水(３２．５%)が用いられる。

本実施形態の特徴的構成として、貯蔵タンク１２には、貯蔵タンク１２内の還元剤の液面レベルを検知するレベルセンサ１４と、貯蔵タンク１２内の深さ方向に複数設けられた温度センサ１５と、還元剤を加熱する電熱ヒータ１６とが設けられている。レベルセンサ１４と温度センサ１５の検出データは、コントローラ５０に入力される。電熱ヒータ１６はコントローラ５０の指令により発熱する。詳細な構成については後述する（図２，図６参照）。

PM浄化装置２０は、基本的構成として、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタ２１と、フィルタ２１の上流側に配置された酸化触媒２２と、フィルタ２１の圧力損失を検出する差圧検出装置２３と、排気管９に設けられた再生用燃料噴射装置２４とを有している。差圧検出装置２３による推定ＰＭ堆積量に基づき、酸化触媒２２と再生用燃料噴射装置２４によりフィルタ２１に堆積したＰＭ（粒子状物質）を焼却除去し、フィルタ２１を再生する。

フィルタ２１は、パティキュレートフィルタであり、コージェライトのようなセラミックからなる多孔質の隔壁で仕切られた多角形断面を有する。酸化触媒２２は、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属であり、フィルタの隔壁に直接担持されるか、あるいはγ−アルミナ粉末を含む流動体混合物を隔壁に塗布した後担持される。

本実施形態の特徴的構成として、フィルタ２１には、フィルタ２１内部方向に複数設けられた温度センサ２５と、還元剤を加熱する電熱ヒータ２６とが設けられている。温度センサ２５の検出データは、コントローラ５０に入力される。電熱ヒータ２６はコントローラ５０の指令により発熱する。詳細な構成については後述する（図７，図１１参照）。

さらに、本実施形態の特徴的構成として、排気後処理システムは配電制御システム３０を備えている。配電制御システム３０は発電装置３１により得られた電気エネルギーを電熱ヒータ１６と電熱ヒータ２６とに分配し、余剰エネルギーをバッテリー３２に蓄電する。コントローラ５０がこの配電制御をおこなう。詳細な構成および制御については後述（図１３参照）する。

なお、バッテリー３２は、エンジン起動などにも使用される。

図２は、貯蔵タンク１２に設けられた特徴的構成（レベルセンサ１４・温度センサ１５）について説明する図である。図２Ａは平面図であり、図２Ｂは側面図であり、図２Ｃは断面図である。

レベルセンサ１４は、貯蔵タンク１２の側面に設けられており、貯蔵タンク１２内の還元剤の液面レベルを検知する。温度センサ１５は、貯蔵タンク１２内の深さ方向に複数（例えば３箇所）設けられ、それぞれ、上部位置温度センサ１５ａ，中部位置温度センサ１５ｂ，下部位置温度センサ１５ｃとする。レベルセンサ１４と温度センサ１５の検出データは、コントローラ５０（後述、図１３参照）に入力される。なお、より精細な温度分布を求める場合は、温度センサ１５の数を増やす。

図３は、コントローラ５０の還元剤温度分布検出機能５４（後述、図１３参照）の制御内容の一部を説明する図である。還元剤温度分布検出機能５４は、レベルセンサ１４による液面レベルに基づいて、各温度センサ１５ａ〜ｃの検出データの有効・無効を判定する。液面レベルが上部位置温度センサ１５ａ位置より高い場合は、全ての温度センサ１５ａ〜ｃの検出データを有効と判定する（判定１）。液面レベルが上部位置温度センサ１５ａ位置より低く中部位置温度センサ１５ｂ位置より高い場合は、温度センサ１５ａの検出データを無効と判定し、温度センサ１５ｂ，１５ｃの検出データを有効と判定する（判定２）。液面レベルが中部位置温度センサ１５ｂ位置より低く下部位置温度センサ１５ｃ位置より高い場合は、温度センサ１５ａ，ｂの検出データを無効と判定し、温度センサ１５ｃの検出データを有効と判定する（判定３）。液面レベルが下部位置温度センサ１５ｃ位置より低い場合は、全ての温度センサ１５ａ〜ｃの検出データを無効と判定する（判定４）。

図４は、コントローラ５０の還元剤温度分布検出機能５４（後述、図１３参照）の制御内容の他の一部を説明する図である。還元剤温度分布検出機能５４は、有効と判定された温度センサ１５の検出データに基いて貯蔵タンク１２内の深さ方向の還元剤の温度分布を演算する。具体的には、検出位置ごとに検出データをプロットし、データ間を補間する。なお、図４では説明の簡略化のため、温度分布がリニアと仮定して補間しているが、最適な手法により補間する。また、図４は、貯蔵タンク１２上部程、低温となることを示しているが、一例を示したものであり、状況に応じて温度分布の態様は異なる。

図５は、コントローラ５０の解凍必要熱エネルギー量演算機能５５（後述、図１３参照）の制御内容の一部を説明する図である。解凍必要熱エネルギー量演算機能５５は、まず還元剤温度分布に基づき、−１１℃に相当する位置および−１１℃未満の範囲（図中ハッチング）を特定し、凍結（未解凍）している還元剤の体積V１を演算する。なお、還元剤の凝固点（凍結温度）は−１１℃である。さらに、還元剤の−１１℃未満の範囲の平均温度ｔ１を演算する。そして、式（１）より、凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量Ｑ１を演算する。

Q１=４．１８６×Cred×(ρred×V１)×(−１１−ｔ１)［Ｊ］…式（１）
Cred…還元剤の比熱
ρred…還元剤の密度
図６は、貯蔵タンク１２に設けられた特徴的構成（電熱ヒータ１６）について説明する図である。図６Ａは平面図であり、図６Ｂは側面図であり、図６Ｃは底面図である。電熱ヒータ１６は、貯蔵タンク１２の側面および底面を覆うような袋形状をしており、内部に電熱線が埋め込まれている。電熱ヒータ１６に電気エネルギーが供給されると、電熱ヒータ１６内部の電熱線が発熱し、その熱は還元剤に伝達される。なお、上記は電熱ヒータ１６の一例であり、還元剤を加熱出来る機能があれば、内部構造及び外部形状は問わない。

図７は、PM浄化装置２０のフィルタ２１に設けられた特徴的構成（温度センサ２５）について説明する図である。図７Ａは平面図であり、図７Ｂは側面図であり、図７Ｃは縦断面図であり、図７Ｄは横断面図である。

温度センサ２５は、フィルタ２１の入口側及び出口側においてフィルタ２１内部方向に複数（例えば計６箇所）設けられ、それぞれ、入口側の内部位置温度センサ２５ａ，中部位置温度センサ２５ｂ，外部位置温度センサ２５ｃとし、出口側の内部位置温度センサ２５ａ′，中部位置温度センサ２５ｂ′，外部位置温度センサ２５ｃ′とする。温度センサ２５の検出データは、コントローラ５０（後述、図１３参照）に入力される。なお、より詳細な温度分布を求める場合は、温度センサ２５の数を増やす。

排気温度は周方向に一様であることが前提であるが、確認のために温度センサ２５をフィルタ２１周方向に複数（例えば４方向）に設けてもよい。図８は、温度センサ２５の配置図である。

図９は、コントローラ５０の排気温度分布検出機能５６（後述、図１３参照）の制御内容の要部を説明する図である。排気温度分布検出機能５６は、温度センサ２５の検出データに基いてフィルタ２１内部方向の排気温度分布を演算する。具体的には、入口側及び出口側の平均値を演算し、検出位置ごとに検出データをプロットし、データ間を補間する。なお、図９では説明の簡略化のため、温度分布がリニアと仮定して補間しているが、最適な手法により補間する。また、図９は、フィルタ２１外周部程、低温となることを示している。

図１０は、コントローラ５０の自己再生必要熱エネルギー量演算機能５７（後述、図１３参照）の制御内容の一部を説明する図である。自己再生必要熱エネルギー量演算機能５７は、まず排気温度分布に基づき、４００℃に相当する位置および４００℃未満の範囲（図中ハッチング）を特定し、４００℃未満の範囲の体積V２を演算する。なお、自己再生開始温度は４００℃程度である。さらに、排気の４００℃未満の範囲の平均温度ｔ２を演算する。そして、式（２）より、自己再生を促すのに必要な熱エネルギー量Ｑ２を演算する。

Q=４．１８６×Cfilter×(ρfilter×V２)×（４００−ｔ２）［Ｊ］…式（２）
Cfilter…フィルタの比熱
ρfilter…フィルタの密度
図１１は、PM浄化装置２０に設けられた特徴的構成（電熱ヒータ２６）について説明する図である。図１１Ａは側面図であり、図１１Ｂは断面図である。電熱ヒータ２６は、フィルタ２１の外周を覆うように巻き付け状に設けられ、内部に電熱線が埋め込まれている。電熱ヒータ２６に電気エネルギーが供給されると、電熱ヒータ２６内部の電熱線が発熱し、その熱は排気に伝達される。なお、上記は電熱ヒータ２６の一例であり、排気を加熱出来る機能があれば、内部構造及び外部形状は問わない。

図１２は、発電装置３１の一例を示す図である。発電装置３１は、油圧駆動システムにおいて、油圧ポンプ２とコントロールバルブ３との間に介装され（図１参照）、作動油（圧油）を利用して発電を行う。発電装置３１はブレード３１ａとシャフト３１ｂとジェネレータ３１ｃを有する。

ポンプ２からの吐出油は、配管を介して発電装置３１に供給され、ブレード３１ａを回転させ、その後、コントロールバルブ３に供給される。ブレード３１ａの回転駆動力はシャフト３１ｂを介してジェネレータ３１ｃに伝達され、これによりジェネレータ３１ｃは発電を行う。

〜制御〜
図１３は、コントローラ５０の機能ブロック図である。基本制御機能５１は、コントロールバルブ３の切換制御やレギュレータ５の傾転制御など、油圧ショベルに係る基本的な制御を行う。窒素酸化物浄化制御機能５２は、貯蔵タンク１２から噴射ノズル１１への還元剤供給制御や、噴射ノズル１１の還元剤噴射制御を行う。再生制御機能５３は、差圧検出装置２３による推定ＰＭ堆積量に基づき再生用燃料噴射装置２４の燃料噴射制御を行う（強制再生）。

コントローラ５０は、特徴的構成として、還元剤温度分布検出機能５４、解凍必要熱エネルギー量演算機能５５、排気温度分布検出機能５６、自己再生必要熱エネルギー量演算機能５７、配電制御機能５８を有している。

還元剤温度分布検出機能５４は、レベルセンサ１４と温度センサ１５の検出データに基いて、貯蔵タンク１２内の還元剤温度分布を検出し、解凍必要熱エネルギー量演算機能５５は、還元剤温度分布に基づいて、凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量Ｑ１を演算する。

排気温度分布検出機能５６は、温度センサ２５の検出データに基いて、フィルタ２１内部方向の排気温度分布を検出し、自己再生必要熱エネルギー量演算機能５７は、排気温度分布に基づいて、自己再生を促すのに必要な熱エネルギー量Ｑ２を演算する。

配電制御機能５８は、電熱ヒータ１６の加熱時間Ｔ１および電熱ヒータ２６の加熱時間Ｔ２を設定し、電熱ヒータ１６の必要電力Ｗ１（＝Ｑ１／Ｔ１）および電熱ヒータ２６の必要電力Ｗ２（＝Ｑ２／Ｔ２）を演算し、発電装置３１からのエネルギーを電熱ヒータ１６と電熱ヒータ２６とに分配する。一方、発電装置３１により得られる供給電力W０を演算する。供給電力W０が必要電力（Ｗ１＋Ｗ２）より多い場合は、余剰エネルギーをバッテリー３２に蓄電する。供給電力W０が必要電力（Ｗ１＋Ｗ２）より少ない場合は、不足エネルギーをバッテリー３２より供給する。

図１４は、コントローラ５０の制御内容に係るフローチャートである。

エンジン１を始動する（ステップＳ１）と、発電装置３１は発電を開始する（ステップＳ２）。発電装置３１による供給電力Ｗ０を演算する（ステップＳ４）。

一方、レベルセンサ１４と温度センサ１５の検出データに基いて、貯蔵タンク１２内の還元剤温度分布を検出する（ステップＳ１１）。還元剤温度分布に基づいて還元剤解凍の必要性の有無（全て−１１℃以上か否か）を判定する（ステップＳ１２）。還元剤解凍の必要性有（全て−１１℃以上ではない）と判定すると、凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量Ｑ１を演算する（ステップＳ１３）。さらに、電熱ヒータ１６の必要電力Ｗ１（＝Ｑ１／Ｔ１）を演算する（ステップＳ１４）。

同様に、温度センサ２５の検出データに基いて、フィルタ２１内部方向の排気温度分布を検出する（ステップＳ２１）。排気温度分布に基づいて排気加熱の必要性の有無（全て４００℃以上か否か）を判定する（ステップＳ２２）。排気加熱の必要性有（全て４００℃以上ではない）と判定すると、自己再生を促すのに必要な熱エネルギー量Ｑ２を演算する（ステップＳ２３）。さらに、電熱ヒータ２６の必要電力Ｗ２（＝Ｑ２／Ｔ２）を演算する（ステップＳ２４）。

コントローラ５０は、発電装置３１からの電力を電熱ヒータ１６と電熱ヒータ２６とに分配する（ステップＳ５）。電熱ヒータ１６が発熱すると、凍結した還元剤が解凍される。また、電熱ヒータ２６が発熱すると、排気温度があがり、自己再生が促される。

ヒータ加熱時、供給電力W０が必要電力（Ｗ１＋Ｗ２）より多いか否かを判定する（ステップＳ６）。供給電力W０が必要電力（Ｗ１＋Ｗ２）より多いと判定すると、余剰エネルギーをバッテリー３２に蓄電する（ステップＳ７）。供給電力W０が必要電力（Ｗ１＋Ｗ２）より少ないと判定すると、不足エネルギーをバッテリー３２より供給する（ステップＳ８）。供給電力W０が必要電力（Ｗ１＋Ｗ２）と等しいときは何もしない（図示せず）。

ステップ７またはステップ８の終了後、上記制御を繰り返す。

ステップ１２の判定において、還元剤解凍の必要性なし（全て−１１℃以上）と判定し、さらにステップ２２の判定において、排気加熱の必要性なし（全て４００℃以上）と判定すると、コントローラ５０は、発電装置３１からのエネルギーを電熱ヒータ１６，２６とに分配せず、全エネルギーをバッテリー３２に蓄電する（ステップＳ９）。

〜請求項との対応関係〜
噴射ノズル１１と貯蔵タンク１２窒素酸化物浄化装置本体１３と窒素酸化物浄化制御機能５２とは、窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物浄化手段を構成し、フィルタ２１と酸化触媒２２と差圧検出装置２３と再生用燃料噴射装置２４と再生制御機能５３とは、ＰＭ浄化手段を構成する。

レベルセンサ１４と温度センサ１５と還元剤温度分布検出機能５４とステップS１１の制御とは、貯蔵タンク１２の深さ方向の還元剤の温度分布を検出する温度分布検出手段（第１）を構成し、解凍必要熱エネルギー量演算機能５５とステップS１３の制御とは、還元剤温度分布に基づいて、凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量を演算する必要熱エネルギー量演算手段（第１）を構成し、電熱ヒータ１６とステップS５の制御とは、貯蔵タンク１２に設けられ、解凍必要熱エネルギー量に相当する電気エネルギーが供給されることにより、還元剤を加熱する加熱手段（第１）を構成する。

温度センサ２５と排気温度分布検出機能５６とステップS２１の制御とは、フィルタ内部の排気温度分布を検出する温度分布検出手段（第２）を構成し、自己再生必要熱エネルギー量演算機能５７とステップS２２の制御とは、排気温度分布に基づいて、自己再生に必要な熱エネルギー量を演算する必要熱エネルギー量演算手段（第２）を構成し、電熱ヒータ２６とステップS５の制御とは、フィルタ２１に設けられ、自己再生必要熱エネルギー量に相当する電気エネルギーが供給されることにより、フィルタ２１内の排気を加熱する加熱手段（第２）を構成する。

配電制御システム３０と配電制御機能５８とステップS６〜８，１４，２４の制御とは、電気エネルギーを電熱ヒータ１６と電熱ヒータ２６とに分配する配電制御手段を構成する。

〜動作〜
まず、通常時の排気後処理システムの動作について説明する。外気常温下の油圧ショベルの使用において、還元剤が−１１℃以上となり、凍結する可能性はほぼない。また、油圧ショベルの使用により、エンジン１が暖機され、排気は４００℃以上となり、自己再生が行われる。このとき、還元剤解凍の必要もなく、排気加熱の必要もないため、発電装置３１からのエネルギーは電熱ヒータ１６，２６に分配されず、全てバッテリー３２に蓄電される（Ｓ１１・Ｓ２１→Ｓ１２・Ｓ２２→Ｓ９）。

また、通常時であっても、冬季の油圧ショベルの使用においては、使用開始時はエンジン１が充分暖機されず、排気が４００℃未満となり、自己再生が行われない可能性がある。この場合、排気加熱の必要がある。なお、解凍剤が凍結していなければ、解凍の必要はない。電熱ヒータ１６へエネルギー供給せず、電熱ヒータ２６のみへエネルギーを供給する（Ｓ２１→Ｓ２２→Ｓ２３→Ｓ２４→Ｓ５）。

一方、油圧ショベルは極寒地で使用されることもある。極寒地では、還元剤が−１１℃未満となり、凍結する可能性がある。また、油圧ショベルを使用しても、排気は４００℃未満となり、自己再生が行われない可能性がある。このような場合、還元剤解凍の必要および、排気加熱の必要があり、発電装置３１からのエネルギーは電熱ヒータ１６，２６に分配される（Ｓ１１・Ｓ２１→Ｓ１２・Ｓ２２→Ｓ１３・Ｓ２３→Ｓ１４・Ｓ２４→Ｓ５）。

これにより、電熱ヒータ１６が発熱すると、凍結した還元剤が解凍され、また、電熱ヒータ２６が発熱すると、排気温度があがり、自己再生が促される。

このとき、必要電力に対し供給電力が足りない場合には、不足エネルギーがバッテリ３２より供給される（Ｓ５→Ｓ６→Ｓ８）。

油圧ショベルの使用により、エンジン１が暖機され、排気は４００℃以上となり、排気加熱の必要がなくなると、電熱ヒータ２６へのエネルギー供給を停止し、電熱ヒータ１６のみへエネルギーを供給する（Ｓ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４→Ｓ５）。

このとき、必要電力に対し供給電力が余る場合には、余剰エネルギーがバッテリー３２に蓄電される（Ｓ５→Ｓ６→Ｓ７）。

還元剤が−１１℃以上となり、還元剤解凍の必要がなくなると、電熱ヒータ１６へのエネルギー供給を停止する。

以上のように、状況に応じて効率の良いエネルギー供給ができる。

〜安全制御〜
本実施形態の排気後処理システムのコントローラ５０は、安全制御機能５９を有している。安全制御機能５９の制御内容について説明する。

一般に、排気が１０００℃以上になると、PM浄化装置２０内部のフィルタ２１が溶けて損傷することが知られている。そこで、フィルタ溶損を避けるために、安全制御機能５９は、温度センサ２５の検出データに基いて、排気が１０００℃以上かどうかを常に監視する。

また、還元剤は高温になるほど劣化が進む。とくに、還元剤が７０℃以上になると、本来の高い浄化率が得られなくなる。そこで、還元剤性能劣化を避けるため、安全制御機能５９は、温度センサ１５の検出データに基いて、還元剤が７０℃以上かどうかを常に監視する。

そして、排気が１０００℃以上か、還元剤が７０℃以上であると判定すると、オペレータに警告する。

更に、液面レベルがレベルセンサ１４による下部位置温度センサ１５ａ位置より低く、還元剤温度分布検出機能５４が全ての温度センサ１５ａ〜ｃの検出データを無効と判定する場合（図３判定４参照）、安全制御機能５９は、還元剤追加により還元剤温度分布検出機能５４が検出データを有効と判定するまで、エンジン駆動を停止する。

〜効果〜
従来技術にかかる排気後処理システムは、電熱ヒータの出力を外気温度のみで制御する為、還元剤の温度分布に応じた詳細な制御ができないという課題があった。すなわち、外気温度が還元剤の凝固点（凍結温度）付近となった場合、凍結している部分と凍結していない部分が発生する可能性がある。凍結していない部分まで加熱することは、エネルギー効率の観点から好ましくない。さらに、必要以上の加熱は、還元剤劣化の原因になるおそれがあり、好ましくない。

本実施形態の排気後処理システムは、特徴的構成１４，１５，５４，５５により、還元剤温度分布を検出し、還元剤温度分布に基づいて、凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量Ｑ１を演算する。これにより、凍結した還元剤を解凍するのに必要最小限の熱エネルギー量Ｑ１を電熱ヒータ１６に供給すればよく、還元剤の凍結防止及び解凍促進を行うときのエネルギー効率を改善できる。また、必要以上の加熱を避けることができる。

また、ＰＭ浄化において、自己再生を促す為に加熱するとき、ＰＭ浄化装置内の排気温度が温度分布を持つときも、排気温度分布に応じた詳細な制御ができず、効率の良い加熱ができないという課題があった。

本実施形態の排気後処理システムは、特徴的構成２５，５６，５７により、排気温度分布を検出し、排気温度分布に基づいて、自己再生を促すのに必要な熱エネルギー量Ｑ２を演算する。これにより、自己再生を促すのに必要最小限の熱エネルギー量Ｑ２を電熱ヒータ２６に供給すればよく、自己再生を促すときのエネルギー効率を改善できる。

これにより、自己再生が促される結果、燃料噴射を伴う強制再生の回数を減らすことができ、燃費を改善し、ＰＭ浄化装置２０の寿命を延ばすことができる。

本実施形態の排気後処理システムは、特徴的構成３０，５８により、発電装置３１により得られた電気エネルギーを電熱ヒータ１６と電熱ヒータ２６とに分配し、余剰エネルギーをバッテリー３２に蓄電し、不足エネルギーをバッテリー３２より供給する。これにより、状況に応じて効率の良いエネルギー供給ができ、排気浄化にかかるエネルギー効率を改善できる。

なお、発電装置３１を有することにより、バッテリ３２の負荷を軽減できる。

〜変形例〜
１．本実施形態の電熱ヒータ１６は、一体として貯蔵タンク１２の側面および底面を覆うような袋形状をしているが、貯蔵タンク１２の深さ方向に複数に分割されていても良い。

図１５は変形例に係る貯蔵タンクに設けられた特徴的構成（電熱ヒータ１６ａ〜ｃ）について説明する図である。電熱ヒータ１６は、貯蔵タンク１２内の深さ方向に複数（例えば３箇所）に分割され、それぞれ、上部位置電熱ヒータ１６ａ，中部位置電熱ヒータ１６ｂ，下部位置電熱ヒータ１６ｃとする。電熱ヒータ１６ａ〜ｃには、それぞれ、別々に内部に電熱線が埋め込まれている。

コントローラ５０の電熱ヒータ制御機能６０（図１３参照）は、還元剤温度分布に基づいて、凍結箇所に対応する電熱ヒータ１６ａ〜ｃのみを作動させる。全ての温度センサ１５ａ〜ｃの検出データが−１１℃未満であるときは、全ての電熱ヒータ１６ａ〜ｃを作動させる（判定１）。作動する電熱ヒータにハッチングを付す。温度センサ１５ｃの検出データは−１１℃以上であり、温度センサ１５ａ，１５ｂの検出データが−１１℃未満であるときは、凍結箇所に対応する電熱ヒータ１６ａ，１６ｂのみを作動させる（判定２）。温度センサ１５ｂ，１５ｂの検出データは−１１℃以上であり、温度センサ１５ａの検出データが−１１℃未満であるときは、凍結箇所に対応する電熱ヒータ１６ａのみを作動させる（判定３）。

これにより、電熱ヒータ１６内部の電熱線の発熱が、還元剤の凍結箇所に直接に伝達され、更にエネルギー効率を改善できる。

２．本発明は、ハイブリット式の油圧ショベルに適用しても良い。本実施形態では、作動油を利用して発電を行う発電装置３１を有するが、回生エネルギーを利用しても良い。

３．本実施形態の排気後処理システムは、窒素酸化物浄化装置１０に特徴的構成１４，１５，１６，５４，５５を有し、PM浄化装置２０に特徴的構成２５，２６，５６，５７を有するが、いずれか一方を有する構成でも良い。

１ ディーゼルエンジン
２ 油圧ポンプ
３ コントロールバルブ
４ 油圧アクチュエータ
５ レギュレータ
６ 排気系
７〜９ 排気管
９ アクチュエータ
１０ 窒素酸化物浄化装置
１１ 噴射ノズル
１２ 貯蔵タンク１２
１３ 窒素酸化物浄化装置本体
１４ レベルセンサ
１５ 温度センサ
１６ 電熱ヒータ
２０ PM浄化装置
２１ フィルタ
２２ 酸化触媒
２３ 差圧検出装置
２４ 再生用燃料噴射装置
２５ 温度センサ
２６ 電熱ヒータ
３０ 配電制御システム
５０ コントローラ
５１ 基本制御機能
５２ 窒素酸化物浄化制御機能
５３ 再生制御機能
５４ 還元剤温度分布検出機能
５５ 解凍必要熱エネルギー量演算機能
５６ 排気温度分布検出機能
５７ 自己再生必要熱エネルギー量演算機能
５８ 配電制御機能
５９ 安全制御機能
６０ 電熱ヒータ制御機能

Claims (8)

1. エンジン排気系に設けられ還元剤を噴射する噴射ノズルと、還元剤を貯蔵する貯蔵タンクとを有し、窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物浄化手段を備えたエンジンの排気後処理システムにおいて、
   前記窒素酸化物浄化手段は、更に、
   前記貯蔵タンクの深さ方向の還元剤の温度分布を検出する温度分布検出手段と、
   前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量を演算する必要熱エネルギー量演算手段と、
   前記貯蔵タンクに設けられ、前記必要熱エネルギー量演算手段の演算結果に相当するエネルギーが供給されることにより、前記還元剤を加熱する加熱手段と
   を有することを特徴とするエンジンの排気後処理システム。
2. 請求項１記載のエンジンの排気後処理システムにおいて、
   前記温度分布検出手段は、貯蔵タンクの還元剤の液面レベルを検知するレベルセンサと、前記貯蔵タンクの深さ方向に複数設けられた温度センサとを有し、
   前記必要熱エネルギー量演算手段は、前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、凍結した還元剤の体積を演算することにより、必要熱エネルギー量を演算する
   ことを特徴とするエンジンの排気後処理システム。
3. 請求項２記載のエンジンの排気後処理システムにおいて、
   前記加熱手段は、前記貯蔵タンクの深さ方向に複数設けられた発熱部を有し、前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、複数の発熱部のうち凍結した還元剤に対応する位置にある発熱部が作動するように構成されている
   ことを特徴とするエンジンの排気後処理システム。
4. エンジン排気系に設けられ還元剤を噴射する噴射ノズルと、還元剤を貯蔵する貯蔵タンクとを有し、窒素酸化物を還元浄化する窒素酸化物浄化手段および、
   エンジン排気系に設けられ粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタと、前記フィルタに堆積したＰＭを焼却除去することによりフィルタを再生する再生装置とを有するＰＭ浄化手段
   を備えたエンジンの排気後処理システムにおいて、
   前記窒素酸化物浄化手段は、更に、
   前記貯蔵タンクの深さ方向の還元剤の温度分布を検出する第１温度分布検出手段と、
   前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、凍結した還元剤を解凍するのに必要な熱エネルギー量を演算する第１必要熱エネルギー量演算手段と、
   前記貯蔵タンクに設けられ、前記必要熱エネルギー量演算手段の演算結果に相当する電気エネルギーが供給されることにより、前記還元剤を加熱する第１電熱ヒータとを有し、
   前記ＰＭ浄化手段は、更に、
   前記フィルタ内部の温度分布を検出する第２温度分布検出手段と、
   前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、自己再生に必要な熱エネルギー量を演算する第２必要熱エネルギー量演算手段と、
   前記フィルタに設けられ、前記必要熱エネルギー量演算手段の演算結果に相当する電気エネルギーが供給されることにより、前記フィルタ内の排気を加熱する第２電熱ヒータとを有し、
   前記排気後処理システムは、更に
   電気エネルギーを前記第１電熱ヒータと第２電熱ヒータとに分配する配電制御手段
   を備えることを特徴とするエンジンの排気後処理システム。
5. 請求項４記載のエンジンの排気後処理システムにおいて、
   更に、発電手段を備え、
   前記配電制御手段は、前記発電手段により得られた電気エネルギーを前記第１電熱ヒータと第２電熱ヒータとに分配する
   ことを特徴とするエンジンの排気後処理システム。
6. 請求項５記載のエンジンの排気後処理システムにおいて、
   更に、蓄電手段を備え、
   前記配電制御手段は、前記発電手段による供給電力が第１電熱ヒータの必要エネルギー量と第２電熱ヒータの必要エネルギー量との合計に基づく必要電力より多い場合は、余剰エネルギーを前記蓄電手段に蓄電する
   ことを特徴とするエンジンの排気後処理システム。
7. 請求項６記載のエンジンの排気後処理システムにおいて、
   前記配電制御手段は、前記発電手段による供給電力が第１電熱ヒータの必要エネルギー量と第２電熱ヒータの必要エネルギー量との合計に基づく必要電力より少ない場合は、不足エネルギーを前記蓄電手段より供給する
   ことを特徴とするエンジンの排気後処理システム。
8. エンジン排気系に設けられ粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタと、前記フィルタに堆積したＰＭを焼却除去することによりフィルタを再生する再生装置とを有するＰＭ浄化手段を備えたエンジンの排気後処理システムにおいて、
   前記ＰＭ浄化手段は、更に、
   前記フィルタ内部の温度分布を検出する温度分布検出手段と、
   前記温度分布検出手段の検出結果に基づいて、自己再生に必要な熱エネルギー量を演算する必要熱エネルギー量演算手段と、
   前記フィルタに設けられ、前記必要熱エネルギー量演算手段の演算結果に相当するエネルギーが供給されることにより、前記フィルタ内の排気を加熱する加熱手段と
   を有することを特徴とするエンジンの排気後処理システム。

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