JP5588027B2

JP5588027B2 - エンジン

Info

Publication number: JP5588027B2
Application number: JP2013008827A
Authority: JP
Inventors: 宏司増田; 道彦原
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: JP2013127252A

Description

本発明は、排気ガスを浄化処理する排気浄化装置を備えたエンジンに関する。

従来、エンジンから排出される排気ガス中に含まれるパティキュレートを捕集する技術として、エンジンの排気通路途中にパティキュレートフィルタを有するエンジン用排気浄化装置を装備することが知られている。前記パティキュレートフィルタは、セラミック等からな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構成され、各流路を区画する多孔質壁を透過した排気ガスのみが下流へ排出される。

排気ガスは、前記多孔質壁を透過する際に、排気ガス中のパティキュレートが多孔質壁内部に捕集されることで浄化されるが、前記多孔質壁内部にパティキュレートが堆積していくため、排気抵抗の増加やパティキュレートの入口側と出口側との差圧の上昇が発生し、エンジンの性能に影響を及ぼす。よって、パティキュレートフィルタがこのような状態に至る前に、パティキュレートを燃焼除去する技術は公知となっている。しかし、エンジンの負荷が小さく排気ガスの温度が低い場合、パティキュレートが燃焼除去されないという問題があった。

そこで、パティキュレートフィルタに堆積したパティキュレートを除去して、パティキュレートフィルタのパティキュレート捕集能力を回復させる、言い換えればパティキュレートフィルタを再生させる技術は公知となっている。例えば、エンジンの排気経路のうち酸化触媒付きフィルタの上流側に電熱式のヒータを設け、酸化触媒付きフィルタに導かれる排気ガス温度をヒータ加熱にして上昇させる技術が公知となっている（特許文献１参照）。

特開２００１−２８０１２１号公報

しかし、従来の構成では、排気ガス昇温のための専用のヒータが必要であるため、部品点数が嵩み、場所を取るためエンジンの配置を変更しなければならず、コスト上昇の一因となる問題があった。また。ヒータによる排気ガスの加熱が局部的とならざるを得ず、排気ガスを一様に過熱できないから、排気ガスを均一に浄化できないことがあった。

そこで、本発明は、排気ガスを昇温させるヒータを必要とせず、パティキュレートフィルタのパティキュレート捕集能力を回復させて排気ガスを均一に浄化することができる排気浄化装置を備えたエンジンを提供することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、エンジン（２）の排気ガスからパティキュレートフィルタ（１０）によりパティキュレートを捕集して浄化するエンジンにおいて、前記エンジン（２）からの動力にて駆動され、作業機用油圧回路（５２）に圧油を供給する油圧ポンプ（５０）の吐出圧力を調整する圧力調整弁（６１）を設け、前記圧力調整弁（６１）によって、油圧ポンプ（５０）の吐出圧力が上昇しない平常状態と、油圧ポンプ（５０）の吐出圧力を所定の吐出圧力に増大させる高圧状態とに切り換え可能に構成し、所定の吐出圧力に増大させ、排気ガスの温度をパティキュレートフィルタ（１０）の再生可能温度以上に上昇させることによって、パティキュレートフィルタ（１０）に堆積したパティキュレートを除去する構成とし、前記圧力調整弁（６１）を調整の為の作動のトリガーとなる基準負荷値（Ｌｓ）は、排気ガス温度が再生可能温度の場合におけるエンジン回転数（Ｒ）とエンジン負荷値（Ｌ）との関係を表した境界ライン（ＢＬ）の近傍の負荷値であり、コントローラ（２１）の記憶部（２２）に記憶させた一定の負荷値として予め設定されており、前記パティキュレートフィルタ（１０）にパティキュレートが堆積している状態で、エンジン（２）の負荷値（Ｌ１）が予め設定されている基準負荷値（Ｌｓ）以下であるとき、エンジン（２）の回転数を一定に維持し、かつ、作業機用油圧回路（５２）側の圧力・流量を一定に保持したまま、作業機用油圧回路（５２）に圧油を供給する油圧ポンプ（５０）の吐出圧力を所定の吐出圧力に増大させ、排気ガスの温度をパティキュレートフィルタ（１０）の再生可能温度以上に上昇させることによって、パティキュレートフィルタ（１０）に堆積したパティキュレートを除去する構成としたものである。

請求項２においては、請求項１記載のエンジンにおいて、前記圧力調整弁（６１）を高圧状態に切り換えて排気ガスの温度をパティキュレートフィルタ（１０）の再生可能温度以上に上昇させた後に、上昇したエンジンの負荷値（Ｌ２´）が前記基準負荷値（Ｌｓ）を超えたとき、前記油圧ポンプ（５０）の圧力調整弁（６１）を平常状態に戻す構成としたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

本発明によれば、エンジン負荷が再生不能領域であって、パティキュレートが除去されずにパティキュレートフィルタに堆積する状態であったとしても、作業機用油圧回路に圧油を供給する油圧ポンプの吐出圧力を圧力調整弁により調整して、排気ガス温度を再生可能温度以上に上昇させてパティキュレートを除去できるので、エンジンの駆動状態に関わらず、パティキュレートフィルタのパティキュレート捕集能力を確実に回復でき、排気ガスを均一に浄化することが可能となる。

エンジン及び排気浄化装置の全体的な構成を示した機能ブロック図。作業機用油圧ポンプ及び油圧調整弁を示した断面図。作業機用油圧ポンプ及び油圧調整弁を示した油圧回路図。エンジン及び排気浄化装置の全体的な構成を示した機能ブロック図。作業機用油圧ポンプ及び油圧調整弁を示した断面図。作業機用油圧ポンプ及び油圧調整弁を示した油圧回路図。エンジン及び排気浄化装置の全体的な構成を示した機能ブロック図。再生用負荷ユニットを示した断面図。再生用負荷ユニットを示した油圧回路図。エンジン及び排気浄化装置の全体的な構成を示した機能ブロック図。エンジン負荷とエンジン回転数との関係を示す説明図。フィルタ再生制御のフローチャート図。

次に、発明の実施の形態を説明する。

以下に、図１を用いてエンジン用の排気浄化装置の実施の一形態である排気浄化装置１について説明する。

［排気浄化装置の構成］
図１に示すように、エンジン用の排気浄化装置１は、実施の一形態であるエンジン２に具備される。排気浄化装置１は、エンジン２で発生した排気ガスを浄化し、排出するものである。排気浄化装置１は、パティキュレートフィルタ１０、検出手段２０、コントローラ２１、通知手段４０等を具備する。

パティキュレートフィルタ１０は、エンジン２の排気経路２ｂに配設され、排気ガス中のパティキュレート（炭素質からなる煤、高沸点炭化水素成分（ＳＯＦ）等）を除去するものである。パティキュレートフィルタ１０は、具体的にはセラミック等の多孔質壁からなるハニカム構造であり、排気ガスは必ず前記多孔質壁を透過した後に排出されよう構成される。排気ガスは前記多孔質壁を通過する際に、前記多孔質壁に排気ガス中のパティキュレートを捕集される。その結果、排気ガスからパティキュレートが除去される。

検出手段２０は、パティキュレートフィルタ１０の上流側と下流側の排気圧力や排気温度等を検出するものである。検出手段２０は、具体的にはパティキュレートフィルタ１０の出口側に配設された圧力センサ２０ａ、パティキュレートフィルタ１０の排気ガス温度を検出する温度センサ２０ｂ、エンジン回転数を検出するエンジン回転センサ２０ｄ、燃料噴射量を検出するラック位置センサ２０ｅ等で構成され、コントローラ２１と接続される。

コントローラ２１は、検出手段２０、通知手段４０、後述する再生用負荷装置６０、エンジン制御部等と接続されている。前記コントローラ２１は主として記憶部２２、演算部等からなり、記憶部２２は、各種制御プログラムを格納するＲＯＭ及びデータ格納やプログラム実行のためのワークエリアとして利用されるＲＡＭ等により構成される。前記コントローラ２１は、検出手段２０により検出されたパティキュレートフィルタ１０の圧力等からパティキュレートフィルタ１０の詰まり状態を演算し、パティキュレートフィルタ１０に堆積したパティキュレートの除去が必要か否か判定する。

燃料噴射弁３２・３２・・・は、電磁弁等で構成され、エンジン２に構成される複数のシリンダ内へ直接燃料を噴射するものである。シリンダ内への燃料噴射のタイミングを変更することにより、回転数やトルク等を変更可能とするとともに、排気温度の変更や排気ガスへ未燃燃料の供給が可能となる。

吸気絞り弁３３は、電磁弁またはアクチュエータにより開閉される弁体を備えるもので、エンジン２の吸気経路２ａに配設され、エンジン２の空気流入量を調節するものである。吸気絞り弁３３の開度を変更することにより、排気ガスの排気流量、排気温度および排気速度の変更が可能となる。

通知手段４０は、パティキュレートフィルタ１０を再生しているかを通知する手段であり、再生開始前に通知したり、再生方法を通知したりする。通知手段４０は、モニター等の視覚通知手段４２またはスピーカ等の聴覚通知手段４３からなり、コントローラ２１と接続される。

また、前記エンジン２には、油圧負荷機構の一例として、前記エンジン２における出力軸の回転動力にて駆動する作業機用油圧ポンプ５０が設けられている。作業機用油圧ポンプ５０は、例えば油圧式昇降機構のような油圧機器内にある作業機用油圧回路５２に作動油を供給するものである。

図２及び図３に示すように、前記作業機用油圧ポンプ５０の吸引側は、作動油タンク５１に接続されており、前記作業機用油圧ポンプ５０の吐出側は後述する再生用負荷装置６０を介して作業機用油圧回路５２に接続されている。

前記再生用負荷装置６０は、圧力調整弁６１で構成されており、該圧力調整弁６１は、前記作業機用油圧回路５２側の圧力・流量を一定に保持し、作業機用油圧ポンプ５０側の圧力を切り換えるためのものであり、作業機用油圧ポンプ５０側で圧力上昇のない平常状態と、作業機用油圧ポンプ５０側の圧力を所定圧だけ増大させる高圧状態とに切換駆動するように構成されている。

前記圧力調整弁６１が作業機用油圧ポンプ５０側の圧力を所定圧だけ増大させる高圧状態に切り換えられた場合、作業機用油圧ポンプ５０の吐出圧力が増大し、これにともないエンジン負荷が増大する。つまり、圧力調整弁６１の圧力調整にて、前記作業機用油圧ポンプ５０の吐出圧力を増大させることにより、エンジン負荷を増大させてフィルタ再生制御を実行することができる。

次に、前記再生用負荷装置６０である圧力調整弁６１の配置について説明する。図１に示すように前記圧力調整弁６１は、作業機用油圧ポンプ５０内に組み込んで該作業機用油圧ポンプ５０と一体に構成されている。このように形成することにより、スペースを省くことが可能となり、コンパクトな構成とすることができる。

図２及び図３に示すように、前記作業機用油圧ポンプ５０の油圧ポンプケース５０ａ内に圧力調整弁６１を設けたものである。前記圧力調整弁６１は、電磁ソレノイド６５、バネ６６、スプール６７等から構成されており、電磁ソレノイド６５を切り換えることにより、平常状態または高圧状態に変化することが可能となる。

また、図４に示すように、再生用負荷装置６０は作業機用油圧ポンプ５０の油圧出口５０ｂ側に別体で設ける構成とすることもできる。このように構成することにより、前記再生用負荷装置６０を必要としない場合には取り外すことが可能となり、その他の作業機用油圧ポンプ５０の構造を共通にすることができる。

図５及び図６に示すように、作業機用油圧ポンプ５０の油圧出口５０ｂ側に圧力調整弁用ケース６１ａを着脱可能に設けて、該圧力調整弁用ケース６１ａの内部には前記圧力調整弁６１が設けられる。圧力調整弁６１の構成は実施例１と同様であるので説明を省略する。

また、図７に示すように、再生用負荷装置６０を再生用負荷ユニット７１で構成することも可能である。このように構成することにより、作業機用油圧ポンプ５０を有さないエンジン２についても、再生用負荷ユニット７１によって負荷を与えることができる。

図８及び図９に示すように、再生用負荷ユニット７１は作業機用油圧ポンプ５０とは別に、再生用油圧ポンプ７２、圧力調整弁７３、圧力制御弁としての絞り弁７４等を有している。また、前記圧力調整弁７３は、電磁ソレノイド７５、バネ７６、スプール７７等から構成されており、電磁ソレノイド７５を切り換えることにより、平常状態または高圧状態に変化することが可能となる。前記圧力調整弁７３及び前記絞り弁７４を移動させることにより、圧油を完全に遮断することが可能となる。

また、図１０に示すように、前記再生用負荷装置６０を再生用負荷ユニット７１で構成し、エンジン２の動力を作業機に伝達するギヤケース２ｃ内に設けることも可能である。前記ギヤケース２ｃはエンジン２の側面部に設けたものである。このように構成することにより、作業機用油圧ポンプ５０を有さないエンジン２についても、再生用負荷ユニット７１によって負荷を与えることができる。また、ギヤケース２ｃ内に配設することにより、他のＰＴＯの配置に影響を与えずに負荷をかけることが可能となる。

［フィルタ再生制御］
次に、図１１及び図１２を用いてフィルタ再生制御の一例について説明する。なお、圧力調整弁６１作動のトリガーとなる基準負荷値Ｌｓは、コントローラ２１の記憶部２２に記憶させる等して、予め設定されているものとする。ここで、エンジン２の負荷値とは、ラック位置センサ２０ｅにて検出されたエンジン負荷が最高のときを１００％として、作業中のエンジン負荷の比率を算出したものであり、アイドリング状態の負荷値が０になる。

図１１に示す説明図は、エンジン２の駆動時おけるエンジン回転数とエンジン負荷との関係を表した負荷パターンの図であり、記憶部２２に記憶されている。図１１では、エンジン回転数を横軸にとり、ラック位置と相関関係にあるエンジン負荷を縦軸にとっている。この場合、基準負荷値ＬｓはＬ＝Ｌｓの水平な直線で表されている。

本実施形態の負荷パターンＬＰは上向き凸の線で囲まれた領域であり、排気ガス温度が再生可能温度の場合におけるエンジン回転数Ｒとエンジン負荷Ｌとの関係を表した境界ラインＢＬにて上下に分断される。境界ラインＢＬを挟んで上側の領域は、フィルタ本体に堆積したパティキュレートを除去できる再生可能領域であり、下側の領域は、パティキュレートが除去されずにフィルタ本体に堆積する再生不能領域である。

次に、図１２に示すフローチャートを用いて、実施例１の再生用負荷装置６０である圧力調整弁６１を用いたフィルタ再生制御の流れを説明する。まず、スタートに続いて、記憶部２２に予め記憶させた基準負荷値Ｌｓと、ラック位置センサ２０ｅの検出値であるエンジン負荷Ｌ１と、エンジン回転センサ２０ｄの検出値であるエンジン回転数Ｒ１と、記憶部２２に予め記憶された基準圧力値Ｐｓと、圧力センサ２０ａの検出値Ｐとを読み込み（ステップＳ１０）、基準圧力値Ｐｓと圧力センサ２０ａの検出値Ｐとの圧力差の大小から、エンジン出力に支障をきたすほどパティキュレートフィルタ１０にパティキュレートが堆積しているか否かを判別する（ステップＳ２０）。

パティキュレートフィルタ１０にパティキュレートが堆積していなければ、そのままリターンする。パティキュレートフィルタ１０にパティキュレートが堆積していれば、パティキュレートフィルタ１０内の流通抵抗が増大してエンジン出力の低下をもたらす。そこで、現時点のエンジン負荷Ｌ１が基準負荷値Ｌｓ以下か否かを判別する（ステップＳ３０）。

現時点のエンジン負荷Ｌ１が基準負荷値Ｌｓ以下であれば、現時点のエンジン負荷値Ｌ１は再生不能領域にある可能性が高く、パティキュレートが除去されずにパティキュレートフィルタ１０に堆積する状態と言える。そこで、コントローラ２１は、電磁ソレノイド６５を励磁させて、圧力調整弁６１を高圧状態に切換駆動させる（ステップＳ４０）。

前記圧力調整弁６１が高圧状態に切換駆動されることにより、作業機用油圧ポンプ５０に再生用負荷がかかり、作業機用油圧ポンプ５０の吐出圧力が増大する。そして、作業機用油圧ポンプ５０の吐出圧力の増大に伴い、エンジン負荷値Ｌ１が境界ラインＢＬを超えて前記所定圧に対応する再生用負荷値ΔＬだけ増大し、エンジン負荷値Ｌ２（Ｌ２＝Ｌ１＋ΔＬ）となる。それとともに、設定回転数を維持するためにエンジン出力が増大して、排気ガス温度が上昇する。

その結果、排気ガスがパティキュレートフィルタ１０を通過するに際して、排気ガス温度が再生可能温度を越えるため、パティキュレートフィルタ１０に堆積したパティキュレートが除去され、パティキュレートフィルタ１０のパティキュレート捕集能力が回復することになる。

前記圧力調整弁６１を高圧状態に切換駆動した後は、ラック位置センサ２０ｅの検出値Ｌ２´と、圧力センサ２０ａの検出値Ｐ´とを再び読み込み（ステップＳ５０）、エンジン負荷値Ｌ２´が基準負荷値Ｌｓを超えたか否かを判別する（ステップＳ６０）。

前記エンジン負荷値Ｌ２´が基準負荷値Ｌｓを超えていなければ、圧力調整弁６１による圧力調整を継続するためステップＳ５０に戻る。エンジン負荷値Ｌ２´が基準負荷値Ｌｓを越えていれば再生用負荷がなくても、例えばパワーステアリング機構を駆動させるのに要する負荷の総和だけで、再生可能領域に達している可能性が高い状態だと言える。そこで圧力調整弁６１による作業機用油圧ポンプ５０の吐出圧力増大を解除させるために、圧力調整弁６１を平常状態に切換駆動させる（ステップＳ７０）。

このように制御することにより、圧力センサ２０ａの検出情報に基づく圧力調整弁６１の圧力調整によって、作業機用油圧ポンプ５０の吐出圧力を増大させることにより、エンジン負荷を増大させる結果、排気ガス温度が上昇するから、例えば、現時点のエンジン負荷値Ｌ１が再生不能領域であって、パティキュレートが除去されずにパティキュレートフィルタ１０に堆積する状態であったとしても、排気ガス温度を再生可能温度以上に上昇させてパティキュレートを除去でき、エンジン２の駆動状態に関わらず、フィルタ本体のパティキュレート捕集能力を確実に回復できる。

また、作業機用油圧ポンプ５０の吐出圧力を調整する圧力調整弁６１は、エンジン負荷値が基準負荷値Ｌｓ以下の場合に作動するから、例えば現時点のエンジン負荷値Ｌ１が再生可能領域にあって、パティキュレートフィルタ１０に堆積したパティキュレートがそのまま除去される状態では、圧力調整弁６１は平常状態に維持され、作業機用油圧ポンプ５０からエンジン２に過剰な負荷がかかることはない。すなわち、フィルタ再生制御に伴う燃費の悪化を抑制できる。

更に、エンジン負荷が基準負荷値Ｌｓを越えた場合は、圧力調整弁６１の圧力調整が解除されるから、作業機用油圧ポンプ５０の負荷に起因して、エンジン２に過剰な負荷がかかることはない。したがって、作業機用油圧ポンプ５０への再生用負荷に起因するエンジンストールを確実に抑制できるものでありながら、エネルギー損失を低減してエンジン出力を効率よく利用できる。

以上のように、前記排気浄化装置１は、作業機を駆動させる作業機用油圧ポンプ５０を具備するエンジン２の排気浄化装置１であって、パティキュレートフィルタ１０を具備し、該パティキュレートフィルタ１０に溜まったパティキュレートを強制的に再生する再生用負荷装置６０を具備する排気浄化装置１において、前記再生用負荷装置６０である圧力調整弁６１は、作業機用油圧ポンプ５０内に組み込んで一体に設けたものである。このように構成することにより、排気ガスを均一に浄化することが可能となる。また、作業機用油圧ポンプ５０に再生用負荷装置６０である圧力調整弁６１を一体に組み込むことでスペースを省くことが可能となり、コンパクトな構成とすることができる。

また、前記圧力調整弁６１は、作業機用油圧ポンプ５０の油圧出口５０ｂ側に別体で設けたものである。このように構成することにより、圧力調整弁６１を別体で設けているので、前記圧力調整弁６１を必要としない場合には取り外すことが可能となり、その他の作業機用油圧ポンプ５０の構造を共通にすることができる。

また、パティキュレートフィルタ１０を具備し、該パティキュレートフィルタ１０に溜まったパティキュレートを強制的に再生する再生用負荷装置６０を具備する排気浄化装置１において、前記再生用負荷装置６０は、再生用負荷ユニット７１で構成し、該再生用負荷ユニット７１は、再生用油圧ポンプ７２、圧力調整弁７３、及び絞り弁７４を具備するものである。このように構成することにより、作業機用油圧ポンプ５０を有さないエンジン２についても、再生用負荷ユニット７１によって負荷を与えることができる。

また、前記再生用負荷ユニット７１をエンジン２の側面部に設けたギヤケース２ｃ内に配設したものである。このように構成することにより、作業機用油圧ポンプ５０を有さないエンジン２についても、再生用負荷ユニット７１によって負荷を与えることができる。また、ギヤケース２ｃ内に配設することにより、他のＰＴＯの配置に影響を与えずに負荷をかけることが可能となる。

１排気浄化装置
２エンジン
１０パティキュレートフィルタ
５０作業機用油圧ポンプ
６１圧力調整弁

Claims

エンジン（２）の排気ガスからパティキュレートフィルタ（１０）によりパティキュレートを捕集して浄化するエンジンにおいて、
前記エンジン（２）からの動力にて駆動され、作業機用油圧回路（５２）に圧油を供給する油圧ポンプ（５０）の吐出圧力を調整する圧力調整弁（６１）を設け、
前記圧力調整弁（６１）によって、油圧ポンプ（５０）の吐出圧力が上昇しない平常状態と、油圧ポンプ（５０）の吐出圧力を所定の吐出圧力に増大させる高圧状態とに切り換え可能に構成し、
所定の吐出圧力に増大させ、排気ガスの温度をパティキュレートフィルタ（１０）の再生可能温度以上に上昇させることによって、パティキュレートフィルタ（１０）に堆積したパティキュレートを除去する構成とし、
前記圧力調整弁（６１）を調整の為の作動のトリガーとなる基準負荷値（Ｌｓ）は、排気ガス温度が再生可能温度の場合におけるエンジン回転数（Ｒ）とエンジン負荷値（Ｌ）との関係を表した境界ライン（ＢＬ）の近傍の負荷値であり、コントローラ（２１）の記憶部（２２）に記憶させた一定の負荷値として予め設定されており、
前記パティキュレートフィルタ（１０）にパティキュレートが堆積している状態で、エンジン（２）の負荷値（Ｌ１）が予め設定されている基準負荷値（Ｌｓ）以下であるとき、エンジン（２）の回転数を一定に維持し、かつ、作業機用油圧回路（５２）側の圧力・流量を一定に保持したまま、作業機用油圧回路（５２）に圧油を供給する油圧ポンプ（５０）の吐出圧力を所定の吐出圧力に増大させ、排気ガスの温度をパティキュレートフィルタ（１０）の再生可能温度以上に上昇させることによって、パティキュレートフィルタ（１０）に堆積したパティキュレートを除去する構成とした
ことを特徴とするエンジン。
請求項１記載のエンジンにおいて、前記圧力調整弁（６１）を高圧状態に切り換えて排気ガスの温度をパティキュレートフィルタ（１０）の再生可能温度以上に上昇させた後に、上昇したエンジンの負荷値（Ｌ２´）が前記基準負荷値（Ｌｓ）を超えたとき、前記油圧ポンプ（５０）の圧力調整弁（６１）を平常状態に戻す構成としたことを特徴とするエンジン。