JP2012246868A - 油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排出ガス温度は外気温と密接な関係にあるため、予め設定された油圧ポンプから吐出される作動油圧力、作動油流量では外気温が高い場合には排気温度が過剰に上昇しすぎることになり、燃料消費に悪影響を及ぼす恐れがある。
【解決手段】排出ガス中に含まれる粒子状物質を除去する排出ガス後処理装置と、エンジンによって駆動される油圧ポンプを用いてエンジンに作用する負荷の大きさを制御する際に外気温度に関連する温度検出手段によって検出される温度に基づいて負荷制御手段を制御する機能を付加した。外気温度に代わって、吸気温度や排気温度を用いて負荷制御手段を制御することも可能であり、エンジンに作用する負荷の大きさを制御する手段とて、吐出流量を制御するか吐出圧力を制御するかどちらか一方かもしくは両方を用いて制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明はディーゼルエンジンを備えた油圧式作業機械の排出ガス後処理装置に関し、排出ガス後処理装置に堆積した粒子状物質を除去する再生制御装置に関する。油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置に関する。

年々、強化される排出ガス規制対応のためにディーゼル内燃機関を用いた建設機械にも排出ガス浄化装置の搭載が必要となってきている。この排出ガス浄化装置のひとつに排気経路下流に搭載され、排出ガス規制対象である粒子状物質を、フィルタにより捕集することで排出ガスの浄化を行う排出ガス後処理装置がある。この排出ガス後処理装置はエンジンから排気された排出ガス中の粒子状物質を補足する触媒付フィルタ部と、このフィルタ部の上流に設置されたディーゼル酸化触媒とによって構成されている。粒子状物質の主成分は軽油がエンジンで燃焼した際に発生する炭素であり、排出ガス温度が高くなると触媒付フィルタに捕集された粒子状物質は排出ガス中に含まれる酸素と水素によって反応を起こし、水と二酸化炭素に分解されて触媒付フィルタ内から除去される再生が行われる。

フィルタに担持された触媒の効果により触媒が担持されていないものと比較して、より低い温度でも反応を起こし再生を行うことが可能である。排出ガス後処理装置に搭載された触媒付フィルタには粒子状物質を捕集できる量に限界があり、排出ガス浄化機能の回復のため定期的に粒子状物質を除去（再生）する必要がある。排出ガス後処理装置に捕集された粒子状物質を除去し機能を回復する再生を行う際には、ある一定以上の排出ガス温度が必要となるが、ディーゼル内燃機関から発生される排出ガス温度はエンジンが高負荷時等の限定的な状態でしか再生が行われる温度に達しないため、粒子状物質は稼働時間に比例して徐々に堆積量が増加する。そこで強制的に再生を行うために排出ガス温度を任意に上昇させる必要がある。排出ガス浄化機能の回復のため触媒付フィルタの上流に設置されたディーゼル酸化触媒に未燃焼状態の軽油を吹付けることにより、担持された触媒の機能によって酸化反応を起こし、その反応熱を利用して触媒付フィルタを通過する排出ガス温度を上昇させて再生を強制的に行うことが可能である。そのための条件として、排出ガスには酸化触媒が活性化するためのある一定以上の温度が必要である。排出ガス温度を上昇させるためにエンジンに負荷をかけることによって温度の上昇を図る方法として特許文献１のものが知られている。そして特許文献1に記載のように油圧ポンプを制御することによって、作動油圧力と作動油流量を増加させ、エンジンに負荷をかけて排出ガス温度を触媒活性温度まで上昇させて酸化反応を起こさせて再生を行うようにしている。

特許第３０７３３８０号公報

アイドリング状態や低負荷時には排出ガス温度が酸化触媒活性温度まで上昇しないため、上述のようにエンジンに負荷をかけて排出ガス温度を上昇させる必要がある。特許文献１に記載の技術では、所定のエンジン負荷を与えるための油圧ポンプ圧力・流量が予め設定されており、通常の作業環境の下では正常に再生を行なうための排出ガス温度まで上昇させることは可能であるが、排出ガス温度は外気温と密接な関係にあるため、外気温が低温の時に再生を行う場合は、油圧ポンプの予め設定された作動油圧力、作動油流量では、排気温度を十分に上昇させることができず再生を行えない可能性が生じ、逆に外気温が高い場合には排気温度が過剰に上昇しすぎることになり燃料消費に悪影響を及ぼす恐れがある。

上述した課題を解決するために、本発明の油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置は、エンジンと、前記エンジンの排気口に接続され、排出ガス中に含まれる粒子状物質を除去する排出ガス後処理装置と、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される作動油圧力または作動油流量のどちらか一方、またはその両方を同時に制御してエンジンに作用する負荷の大きさを制御する負荷制御手段と、前記負荷制御手段を制御し、前記排出ガス後処理装置に堆積する前記粒子状物質を燃焼除去する再生制御手段とを備えた油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置において、外気温度に関連する温度を検出する温度検出手段を備え、前記再生制御手段は、前記温度検出手段によって検出される温度に基づいて前記負荷制御手段を制御するものである。

また、外気温度に関連する温度を検出する温度検出手段として、前記エンジンの吸気温度や排気温度を用いて前記負荷制御手段を制御することも可能である。

またエンジンに作用する負荷の大きさを制御する負荷制御手段として、前記油圧ポンプは可変容量型油圧ポンプであり、前記可変容量型油圧ポンプの傾転角度を制御する傾転角度制御手段を備え、前記負荷制御手段は前記傾転角度制御手段により前記傾転角度を制御して吐出される作動油流量を制御するか、前記油圧ポンプから吐出される作動油圧力を制御する吐出圧力制御手段を備え、前記負荷制御手段は前記吐出圧力制御手段を制御して前記作動油圧力を制御するどちらか一方かもしくは両方を用いて制御を行うことができる。

本発明の油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置は、請求項1に記載の発明は、排出ガス後処理装置の再生を行なう際、排出ガス温度と密接な関係のある外気温度に関連する温度に応じてエンジンに負荷を与えることができるので外気温度が低い状態でも排出ガス温度を十分に上昇させることが可能になり再生を確実に実施することができ、フィルタの粒子状物質の堆積量の限界の前にエンジン出力を上昇させて排出ガス温度を上昇させフィルタ内の粒子状物質を燃焼除去し、排気抵抗の過剰増加よって引き起こされるエンジンの不調を抑制すると共に排出ガス後処理装置の機能保全と故障の防止を図ることができる。また外気温が高い場合には排出ガス温度が過剰に上昇しすぎることになり燃料消費に悪影響を及ぼすことがない。

請求項２に記載の発明は、外気温度に関連する温度として、排出ガス温度に直接的に影響を及ぼす吸気温を用いることによってより精度が高く、また、急激な温度変化が少ない吸気経路内にセンサを設置することで、より安定した制御が可能なシステムを構築することができる。

請求項３に記載の発明は、外気温度に関連する温度として、排出ガス温度を用い、排出ガス後処理装置の機能回復に必要な排出ガス温度を直接検知することによって、エンジン負荷を随時変更可能なため過不足のない制御を行うことができ、燃料消費量を最少に抑えることができる。

請求項４に記載の発明は、排出ガス温度の制御のために、可変容量型油圧ポンプの傾転角度制御を行うことで作動油流量を変化させるため作動油圧力を増加させずに、エンジン負荷を増減させることが可能なため油圧調整弁等の圧力変化が可能な機構を持たない油圧機器にも適用でき、また油圧式建設機械等では油圧アクチュエータがオペレータの意図しない動きをすることなく安全性に優れる。

請求項５に記載の発明は、排出ガス温度の制御のために、作動油圧力を変化させることで、例えば油圧ポンプの駆動力が一定回転の場合やギヤポンプ等の作動油流量可変機構を持たない油圧機器にでもエンジン負荷を変更することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る作業機械の構成図である。 本発明における定常状態での外気温と再生に必要なトルクの関係のグラフ図である。 本発明の第１の実施の形態に係る作業機械に搭載された制御装置の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る作業機械の構成図である。 本発明の第３の実施の形態に係る作業機械の構成図である。 本発明における定常状態での外気温と排出ガス温度の関係のグラフ図である。 本発明の第３の実施の形態に係る作業機械に搭載された制御装置の動作手順を示すフローチャートである。

＜第１の実施の形態＞
本発明の油圧式建設機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置の第1の実施の形態を図１〜図３により説明する。図１に油圧式建設機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置の第1の実施の形態に係る構成図を示し、図２は、再生制御装置に用いられる外気温度とエンジントルクとの関係を示す制御テーブル、図３は制御フローチャートである。図１において１はエンジン、２はエンジン１によって駆動される可変容量型の油圧ポンプ、３は油圧ポンプ２から吐出される作動油流量を制御するレギュレータ、４はレギュレータ３などを制御するコントローラである。５は排出ガス後処理装置でありエンジン１の排気経路下流に接続されている。この排出ガス後処理装置５は未燃焼燃料を酸化反応させ熱を発生させる酸化触媒６と排出ガス中の粒子状物質の捕集と除去を行う触媒付フィルタ７で構成されている。８は油圧機器制御弁で油圧ポンプ２から吐出される作動油の流れを制御することで建設機械に備えられる油圧シリンダや走行モータ等の油圧機器を作動させるものである。９は油圧機器制御弁８に内蔵された油圧調整弁であり、動作させることによって油圧回路を絞り、回路内の圧力を上昇させて作動油圧力Pを増加させるものである。１０は作動油タンク、１１は外気温ｔｉを検知してコントローラ４に温度信号ａを送る外気温センサである。１２はコントローラ３に対し、再生制御の指令信号を出力する再生スイッチである。

また、コントローラ４には、図２に示すような制御テーブル４ａが記憶されている。この制御テーブル４ａは、外気温センサ１１によって検出される外気温ｔｉとエンジン１に与える負荷との関係を示すものであり、所定のエンジン回転数において、排出ガス温度が酸化触媒活性温度ｔに達するエンジン負荷（必要トルク）を外気温毎に実験により求めたものである。なお、この制御テーブル４ａにおいて、外気温ｔｉが温度ｔ２以上のとき（ｔｉ＞＝ｔ２）はエンジン１に作用する必要トルクＴがＴ２で一定となっているが、このトルクＴ２は、油圧ポンプ２の最低駆動トルクであり、外気温度ｔｉが温度ｔ２以上のときはこの最低駆動トルクＴ２によって排気ガス温度が酸化触媒活性温度ｔに到達する。したがって、外気温ｔ２以上のときは排気ガス温度は再生に必要な温度となっている。一方、外気温がｔ２未満のときには、温度の低下とともに、必要トルクＴが増加し、例えば外気温ｔ１のときには、必要トルクＴ１（Ｔ１＞Ｔ２）のときに、排気ガス温度が酸化触媒活性温度ｔに到達する。

また、必要トルクＴは、油圧調整弁９により作動油圧力Ｐを増加させるともに、レギュレータ３により作動油流量Qを増加させることにより増加させることができ、これにより必要トルクＴを制御する。なお、油圧調整弁９による作動圧力Ｐの制御およびレギュレータ３による作動流量Ｑの制御のいずれか一方を用いるようにしても良い。

次に図３に示す制御フローチャートを用い、コントローラ４の処理に基づく再生制御について説明する。

不図示のモニタ等により再生が必要である旨が報知されると、オペレータは再生スイッチ１２により再生制御を指令する。（手動再生）再生制御が開始されると、外気温センサ１１によって検知された外気温ｔｉ(手順Ｓ−１)は温度信号ａとしてコントローラ４に伝達される。そのときの外気温ｔｉが再生を行う際に必要な排出ガス温度か否かの判断を行い(手順Ｓ−２)、外気温が条件を満たしている場合には再生をそのまま実行する。このときの温度条件は、例えば外気温ｔｉが以上のｔ２の場合（ｔｉ＞＝ｔ２）であり、このときの再生は、エンジン１に対して油圧的な負荷を作用させることなく（最低駆動トルクＴ２）で酸化触媒６への未燃焼燃料の噴射によって触媒付フィルタ７の上流側の排気ガス温度を上昇させて行なうものである。一方、外気温ｔｉが再生を行うのに不十分な外気温と判断した場合、例えば外気温ｔｉがｔ１（ｔ１＜ｔ２）の場合には、検出された外気温ｔ１に対応する必要トルクＴ１を制御テーブル４ａから求め、エンジン１に作用する負荷がこの必要トルクＴ１となるように、作動油圧力Ｐ、作動油流量Ｑを制御する。この制御は、必要トルクＴに関連して予め設定された作動油圧力Ｐと作動油流量Ｑとの関係に基づいて、コントローラ４から油圧調整弁９に制御信号ｂ、レギュレータ３に制御信号ｃを出力することにより行なわれる。そしてコントローラ４は、外気温ｔ１に対する必要トルクＴ１に対応する作動油圧力Ｐ１、作動油流量Ｑ１を求め、この作動油圧力Ｐ１、作動油流量Ｑ１に対応する制御信号ｂ１を油圧調整弁９に、制御信号ｃ１をレギュレータ３にそれぞれ出力し、この制御信号ｂ１を受信した油圧調整弁９は油圧回路を絞り、作動油圧力Ｐを所定値Ｐ１に上昇制御し、制御信号ｃを受信したレギュレータ３は油圧ポンプ２のポンプ傾転角を変化させて作動油流量Ｑを所定値Ｑ１に上昇制御してエンジンに対する負荷を増やし、排出ガス温度を上昇させて(手順Ｓ−３)再生を行う。この再生は、上述した酸化触媒６への未燃焼燃料の噴射と、エンジン１の負荷上昇による排気ガス温度の上昇により行なわれるものである。なお、油圧ポンプ２から吐出された作動油は油圧調整弁９を介して作動油タンク１０に戻る。外気温センサ１１からの温度信号ａを用いることで外部環境に敏感に反応できるシステムを構築することが可能である。

＜第２の実施の形態＞
図４に第２の実施の形態に係る作業機械の構成図を示す。１３はエンジン１の吸気口、１４は吸気口１３に設けられた吸気センサを示し、その他の符号は前出の図１と対応する部分には、それと同一の符号が表示されている。

本実施の形態では、第１の実施の形態で外気温センサ１１によって検出される外気温ｔｉに基づいて再生に必要な排出ガス温度を得るためのエンジン１に対する負荷を決定していたが、外気温センサ１１に代えて、吸気温センサ１４によって検知した吸気温ｔｋの温度信号ｄを元に再生時にエンジンに作用させる負荷の判断を行なうものである。吸気温は、エンジンに吸入される直前の空気温度となるために、外気温よりも安定してエンジン１から排気される排出ガスの状態を制御することが可能になる。

＜第３の実施の形態＞
図５に第３の実施の形態に係る作業機械の構成図を示す。１５は排出ガス後処理装置５の、例えば上流側の排気管路に設けられた排気温センサを示し、排出ガス温度ｔｃを検知するものである。その他の符号は前出の図１と対応する部分には、それと同一の符号が表示されている。

本実施の形態では、第１の実施の形態では外気温センサ１１によって検出される外気温に基づいて、第２の実施の形態では、吸気温センサ１４により検出されるエンジン１の吸気温に基づいて、それぞれ再生に必要な排出ガス温度を得るためのエンジン１の負荷を決定していたが、図６に示すように排気ガス温度ｔｃと外気温度ｔｉとが相関する関係にあることを実験等により確認できたため、それらに代えて排気温センサ１５によって検知した排気ガス温度ｔｃの温度信号ｅを元に再生時にエンジンに作用させる負荷の判断を行なうものである。

次に図７に示す制御フローチャートにより、本実施の形態における再生制御について説明する。再生スイッチ１２が操作されると、排気温センサ１５によって排出ガス温度ｔｃを検知し(手順Ｓ−４)、コントローラ４に温度信号ｅが伝達される。そして検知された温度ｔｃが酸化触媒６の触媒活性温度ｔ以上であるか否か判断される。（ｔｃ＞＝ｔ）(手順Ｓ−５)。ここで排出ガス温度ｔｃが触媒活性温度ｔ未満である場合には触媒活性温度ｔまで排出ガス温度ｔｃを上昇させるため、コントローラ４からエンジン１に負荷をかけるために油圧調整弁９へ制御信号ｂを出力して、作動油圧力ＰをＰｃに、レギュレータ３へ制御信号ｃを出力し作動油流量ＱをＱｃにするよう制御を行う。

第２の実施の形態ではエンジン１の吸気温ｔｋを検知し再生を行う際に必要な排出ガス温度に不足がないかどうか判断を行っていたが、排気温センサ１５によって排出ガス温度ｔｃを検知することで稼働時に再生を行う際にも必要な排出ガス温度を監視できるため適切な再生を行うことが可能となる。また直接的に再生が可能かどうかの判断ができるため、フィードバック制御が可能であり、より的確に油圧調整弁９、レギュレータ３に対する制御が可能になる。

１ エンジン
２ 油圧ポンプ
３ レギュレータ
４ コントローラ
４ａ 制御テーブル
５ 排出ガス後処理装置
６ 酸化触媒
７ 触媒付フィルタ
８ 油圧機器制御弁
９ 油圧調整弁
１０ 作動油タンク
１１ 外気温センサ
１２ 再生スイッチ
１３ 吸気口
１４ 吸気温センサ
１５ 排気温センサ

Claims (5)

1. エンジンと、前記エンジンの排気口に接続され、排出ガス中に含まれる粒子状物質を除去する排出ガス後処理装置と、前記エンジンによって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される作動油の吐出圧力または吐出流量のどちらか一方、またはその両方を同時に制御してエンジンに作用する負荷の大きさを制御する負荷制御手段と、前記負荷制御手段を制御し、前記排出ガス後処理装置に堆積する前記粒子状物質を燃焼除去する再生制御手段とを備えた油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置において、
   外気温度に関連する温度を検出する温度検出手段を備え、前記再生制御手段は、前記温度検出手段によって検出される温度に基づいて前記負荷制御手段を制御することを特徴とする油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置。
2. 前記温度検出手段は、エンジンに吸気される温度を検出する吸気温度センサであることを特徴とする請求項１に記載の油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置。
3. 前記温度検出手段は、エンジンの排出ガスの温度を検出する排気温度センサであることを特徴とする請求項１に記載の油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置。
4. 前記油圧ポンプは可変容量型油圧ポンプであり、前記可変容量型油圧ポンプの傾転角度を制御する傾転角度制御手段を備え、前記負荷制御手段は前記傾転角度制御手段により前記傾転角度を制御して前記吐出流量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置。
5. 前記油圧ポンプから吐出される作動油の吐出圧力を制御する吐出圧力制御手段を備え、
   前記負荷制御手段は前記吐出圧力制御手段を制御して前記吐出圧力を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の油圧式作業機械の排出ガス後処理装置の再生制御装置。

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