JP5639849B2

JP5639849B2 - 建設機械の排気ガス浄化装置

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Publication number: JP5639849B2
Application number: JP2010242555A
Authority: JP
Inventors: 昌紀江沢; 象平神谷; 中村　和則; 和則中村; 荒井　康; 康荒井
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: JP2012092804A

Description

エンジンを搭載した建設機械における排気ガス浄化装置に関し、特にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter ）と呼ばれるフィルタで捕集される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート・マター：以下ＰＭとする）の堆積量を正確に推定する排気ガス浄化装置に関する。

エンジンに対して高次の排気ガス規制が適用されるに従って、排気ガスに含まれる有害物質の低減が求められている。このため、ディーゼルエンジンで駆動する建設機械の機体上に排気ガス浄化装置を搭載する必要がある。この排気ガス浄化装置の一つにDPFがある。DPFは、排気通路に備えられ、排気ガス中に含まれるカーボン等の微粒子物質(PM)の捕集を行うものである。DPFに堆積したPMは、排気圧力を過度に上昇させ、エンジンおよびエミッション性能を低下させるため、適宜燃焼除去される。この行為をDPFの再生という。再生には、通常運転時の排気ガス温度の上昇により再生する自己再生と、排気ガス温度を強制的に上昇させて再生を行う強制再生があり、DPF内に過度にPMが堆積した状態で強制再生を行うとDPFが破損する恐れがある。また強制再生では、排気ガス温度を上昇させるために燃料を排気ガス中に混ぜる後噴射等を行うため、頻繁な強制再生の実施は燃費を悪化させる。このためDPFに堆積しているPM堆積量を正確に把握し、適正な時期に強制再生を実行する必要がある。

特許文献１のものでは、エンジンの負荷と回転数を検出し、これらの検出値から定まる運転点が、排気ガス温度が高く、堆積したPMが自己燃焼を起す自己再生領域と排気ガス温度が低くPMが堆積していく捕集領域にあるか否かを判定する。

この２つの領域はPMが自己再生を起す排気ガス温度である400℃のラインで区分けされており、自己再生領域では単位時間でのPM堆積量を累積PM堆積量から減算し、捕集領域では単位時間でのPM堆積量を累積PM堆積量に足し合わせてPM堆積量を更新してDPFに堆積しているPM堆積量を推定している。

特開平3−199615号公報

しかし従来の技術では、建設機械の作業状態のように負荷が短時間に急変動を繰り返す場合には排気ガス温度やエンジンから排出されるPM量が変動するため、この変動に伴って自己再生領域と捕集領域との間の移動が頻繁に繰り返され、この移動に伴い誤差が累積され正確なPM堆積量を把握することが困難である。実際にDPF内に堆積しているPM堆積量と上記により推定されるPM堆積量に誤差が生じ、DPF内に過度にPMが堆積した状態で強制再生を行いDPFの損傷を招いたり、頻繁に強制再生を行い必要以上に燃料を消費したりして燃費を悪化させる恐れがある。

本発明の建設機械の排ガス浄化装置は、上記の問題を解決し、建設機械のように負荷が短時間で急変動するようなものであってもDPFに堆積するPM堆積量を正確に推定し、適正な時期に強制再生を行うことで、過度にPMが堆積した状態で強制再生を行うことによるDPFの破損を防止と、頻繁に強制再生を行うことによる燃料使用の無駄を無くし燃費の悪化を防ぐことを目的とするものである。

上記の目的のために、請求項１の発明における建設機械の排ガス浄化装置は、建設機械に搭載されるエンジンと、前記エンジンにより駆動させるアクチュエータと、前記エンジンから排出される排気ガス中のＰＭを捕捉して浄化する排気ガス浄化装置と、前記エンジンに作用する負荷を検出する負荷検出手段と、前記エンジンの回転数を検知するエンジン回転数検出手段と、前記負荷検出手段により検出される負荷状態に基づき、前記エンジンによって駆動される前記アクチュエータの稼動状態が、作業状態か非作業状態かを判断する稼動状態判定手段と、前記作業状態における前記排気ガス浄化装置に堆積されるＰＭ堆積量を算出する作業状態算出手段と、前記非作業状態における前記排気ガス浄化装置に堆積されるＰＭ堆積量を算出する非作業状態算出手段と、前記作業状態算出手段および前記非作業状態検出手段により算出されたＰＭ堆積量から排気ガス浄化装置内に堆積する累積ＰＭ堆積量を算出する堆積量演算手段と、前回の稼働状態と現在の稼働状態が同じか否かを判断し、否と判断したときには、予め設定される関係に基づいて新規ＰＭ堆積量を求めるとともに、累積ＰＭ堆積量に前記新規ＰＭ堆積量を加えた新たなＰＭ堆積量を求める処理を行う処理手段とを設けたことを特徴とする。

また請求項２の発明の建設機械の排気ガス浄化装置は、前記排気ガス浄化装置に堆積したＰＭを再生処理にて除去する再生制御装置を備え、前記堆積量演算手段によって算出された累積ＰＭ堆積量に基づいて排気ガス浄化装置の強制再生時期を判断する第１再生時期判断手段を設けたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の建設機械の排気ガス浄化装置は、前記排気ガス浄化装置の入口側と、出口側の前後の圧力差を検知する差圧検出手段と、前記差圧検出手段により検知した差圧信号と前記堆積量演算手段により算出した累積ＰＭ堆積量とを基に強制再生時期を判断する第２再生時期判断手段を設けたことを特徴とする。

本発明における建設機械の排ガス浄化装置は、上記のように構成したので、建設機械の稼働状況を作業状態と非作業状態に区分けし、作業状態で堆積するＰＭ堆積量と非作業状態で堆積するＰＭ堆積量とを累積していくことでＤＰＦ内に堆積したＰＭ堆積量を判断するようにしたため、負荷が短時間で変化を繰り返す稼動状態であってもＰＭ堆積量を正確に把握し、強制再生時期を適正に判断することができ、燃費の悪化防止とＤＰＦの破損防止を図ることができる。

本発明の建設機械の排ガス浄化装置が適用される油圧ショベルの全体構成図である。図１における油圧ショベルのパワーユニットの全体構成図である。演算装置における制御処理を示すフローチャートである。演算装置に設定される作業状態における制御マップである。演算装置に設定される非作業状態における制御マップである。稼動状態を示すタイムチャートである。図４に示す制御マップを具体的に例示した制御マップである。図５示す制御マップを具体的に例示した制御マップである。本実施の形態におけるパワーユニット全体の構成図で第１の実施の形態における図２に対応した図である。制御フローチャートである。

以下、本発明の建設機械の排ガス浄化装置の一実施の形態を図1〜図８にて説明する。なお、図１は、本発明の建設機械の排ガス浄化装置が適用される油圧ショベルの全体構成図、図２は、本発明に適用される建設機械のパワーユニットの全体構成図、図３は、制御フロー、図４、図５は図２における演算装置内に設定される制御マップ、図６〜図８は、動作を説明するタイムチャート等である。

図１において油圧ショベル１は、走行装置２を備えた走行体３と、走行体３の上部に接続された旋回体４と、旋回体４に接続された作業装置５から構成されており、旋回体４の内部には、走行装置２、作業装置５を駆動するためのパワーユニットが搭載されている。これら走行装置２、作業装置５がアクチュエータである。パワーユニットは、図２に示すようにエンジン６からなり、エンジン６の排気管７には、排ガス浄化装置としてのDPF８が接続されている。また、エンジン６には負荷検知手段であるアクセル開度センサ９と回転数検知手段である回転角センサ１０が設けられており，センサ９、１０の信号は演算装置１１に入力される。なお、本実施の形態では、電子ガバナによるエンジン制御がなされるものを示しており、アクセル開度によりエンジンの負荷が検知可能であり、この点は既知である。なお、油圧ショベル１においては、エンジン６によって駆動される不図示の油圧ポンプ等によって発生する油圧により、走行装置２、作業装置５が駆動される。

演算装置１１には、アクセル開度センサ９の信号を基に現在の稼動状態が作業状態か非作業状態（アイドル状態）かを判定する稼動状態判定手段１２と、連続作業時間もしくは連続非作業時間（連続アイドル時間）を記録するタイマ１３と、稼動状態が作業状態と非作業状態とに切り替わった際に作業状態での連続時間とそのときのエンジン回転数から単位時間当たりのPM堆積量を算出する作業状態算出手段１４と、非作業状態での連続時間とそのときのエンジン回転数から堆積したPM堆積量を算出する非作業状態算出手段１５と、各算出手段１４、１５から算出されるPM堆積量を累積して累積PM堆積量を求める堆積量算出手段１６と、累積PM堆積量より強制再生時期か否かを判断する再生時期判断手段１７とが設けられている。なお、稼動状態判定手段１２は、エンジン６に負荷が作用した状態を作業状態と判定し、負荷が作用しない無負荷状態を非作業状態と判定する。

また、作業状態算出手段１４は、図４に示すような各エンジン回転数毎（ａ〜ｃ）に連続作業時間と単位時間当たりのPM堆積量との関係を予め実験等により求めた制御マップを備える。作業状態は、負荷が作用しているために排気温度が高く、DPF内で行われる自己再生によりエンジンから排出されるPM量から自己再生分のPM量が差し引かれて連続作業時間の経過に伴い減少する値を示すものとなっている。

また、非作業状態算出手段１５は、図５に示すような各エンジン回転数毎（ａ〜ｃ）に連続非作業時間と新規PM堆積量との関係を予め実験等により求めたマップを備える。非作業状態は、無負荷状態であるために、排気温度が比較的低く、DPF内では自己再生が行われないために、連続アイドル時間の経過とともに、PM堆積量が増加する値を示すものとなっている。

次に演算装置１１内での制御内容を図３のフローチャートに基づき説明する。

ステップS１ではアクセル開度センサ９、回転角センサ１０よりアクセル開度・エンジンの回転数を読み込む。

ステップS２は稼動状態判定手段１２の機能を果たす部分であり、アクセル開度からエンジンの負荷を算出し、算出された負荷が単位時間中に定められた閾値より大きい（本実施の形態では、０より大）の際は作業状態であると判定してステップS３に進み、閾値以下（本実施の形態では、無負荷で０）なら非作業状態としてステップS４に進む。

ステップS３、ステップS４は前回の稼動状態と現在の稼動状態とが同じか否かを判断するステップであり、同じ場合にはステップS５（作業状態の継続）、ステップS６（非作業状態の継続）に進み、稼動状態が変化した際にはその稼動状態に応じてステップS７（非作業状態から作業状態への移行）、ステップS８（作業状態から非作業状態への移行）に進む。

ステップS５、ステップS６はタイマ１３により連続作業時間および連続非作業時間の記録機能を果たす部分であり、作業状態と非作業状態の各状態での連続時間にプログラムの実行におけるサンプリング周期を足し合わせ更新するものである。

ステップS７は作業状態算出手段１４の機能を果たす部分であり、図４に基づきエンジン回転数に応じて連続作業時間に対する単位時間でのPM堆積量を求め、このＰＭ堆積量から次式（式１）により新規PM堆積量を算出してステップＳ９に進む。

新規PM堆積量＝単位時間のPM堆積量×連続作業時間・・・（式１）
ステップS８は非作業状態算出手段１５の機能を果たす部分であり、図５に基づきエンジンの回転数に応じて連続非作業時間に対する新規PM堆積量を求め、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ９、ステップＳ１０は堆積量算出手段１６の機能を果たす部分であり、前回までの累積PM堆積量にステップＳ７、Ｓ８で求めた新規PM堆積量を足し合わせ累積PM堆積量の更新を行う。

そしてステップＳ１１、ステップＳ１２ではタイマ１３の連続非作業時間、連続作業時間をそれぞれリセットする。

ステップＳ１３は、再生時期判断手段１７の機能を果たす部分であり、累積PM堆積量が所定の閾値を超えた際にはステップＳ１４に進み、強制再生を行い、累積PM堆積量をリセットする。

この一連の流れを繰り返すことにより，DPFのPM堆積量を推定し適正な時期に強制再生を行うものである。

次に実際の算出処理について図６〜図８により建設機械の稼動状況を例に説明する。

図６の稼働状況は稼働時間T1までエンジン回転数２０００rpmで作業（連続作業時間ｔ１）を行い、その後稼働時間T2までエンジン回転数８００rpmで非作業状態（連続非作業時間ｔ２）、そして稼働時間T３までエンジン回転数１０００rpmで作業を行った際の稼働状況を示している。

図７は建設機械でのエンジン回転数毎の連続作業時間と単位時間当たりのPM堆積量の関係を示し、図８は、各エンジン回転数毎の連続アイドル時間と新規PM堆積量の関係を示している。

エンジン回転数２０００rpmの作業状態からエンジン回転数８００rpm非作業状態へと稼働状況が変化するT１まで（〜T1、連続作業時間；ｔ１）は、作業状態でありエンジン回転数２０００rpmで運転される状態である。この状態では、図３におけるステップＳ１で演算装置１１にセンサ９、１０からアクセル開度（負荷有）、エンジン回転数（2000rpm）が入力される。するとステップＳ２で稼動状態判定手段１２により負荷に基づいて作業状態と判断される。ステップＳ２により作業状態と判断されるとステップＳ３に移り、ステップＳ３において現在の稼動状態が前回と同じ稼動状態かどうか判断される。この場合は、作業状態が継続されている状態であるため、ステップＳ５に移る。ステップＳ５では、タイマ１３の連続作業時間にプログラムのサンプリング周期時間を足し合わせて連続作業時間の更新を行いステップＳ１３に移る。現在の状態は作業状態が継続されている状態であるため、ＰＭ堆積量演算手段１６では、ＰＭ堆積量の演算は行われないためステップＳ１３では、仮にPM堆積量の推定値が閾値以下と判断されてステップＳ１４の処理を行なわずに処理が終了する。

次にエンジン回転数２０００rpmの作業状態からエンジン回転数８００rpmの非作業状態（アイドル状態）へと稼働状況が変化する稼働時間T1では、ステップＳ１で演算装置１１にセンサ９，１０からアクセル開度（負荷無）、エンジン回転数（８００rpm）が入力される。すると、ステップＳ２で稼動状態判定手段１２により負荷に基づいて非作業状態と判断され、ステップＳ４に進む。ステップＳ４において現在の稼動状態が前回と同じ稼動状態かどうか判断される。この場合は、作業状態から非作業状態へと稼動状態が変化しているため、ステップＳ８に移る。ステップＳ８ではエンジン回転数２０００rpmの作業状態で堆積したPM堆積量は、連続作業時間と単位時間でのPM堆積量の関係を示した図７の（C）線を基に、連続作業時間ｔ１から単位時間あたりのPM堆積量ｐｍ１を求め、次式（式２）にてT1時のPM堆積量PM1を算出して、ステップＳ１０に進む。

PM1＝ｐｍ１×ｔ１・・・（式２）
そして、ステップＳ１０では堆積量算出手段１６によりPM堆積量PM1を前回までの累積PM堆積量に足し合わせて累積PM堆積量の更新を行いステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、タイマ１３で記録している連続作業時間ｔ１をリセットし、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、再生時期判断手段１７により堆積量算出手段１６で算出されている累積PM堆積量と閾値との比較を行う。この状態では、仮に累積PM堆積量は閾値以下であるものとし、ステップＳ１４の処理を実施しないで処理が終了する。

次にエンジン回転数８００rpmの非作業状態T1からエンジン回転数１０００rpmの作業状態へと稼動状況が変化する稼働時間T2まで（T1〜T2、連続非作業時間ｔ２）は、非作業状態であり、エンジン回転数は８００rpmで運転された状態である。この状態では図３におけるステップＳ１で演算装置１１にセンサ９、１０からアクセル開度（負荷無）、エンジン回転数８００rpmが入力される。するとステップＳ２で稼動状態判定手段１２により負荷に基づいて非作業状態と判断される。ステップＳ２で非作業状態と判断されるとステップＳ４に移り、ステップＳ４において現在の稼働状況が前回の稼働状況と同じかどうか判断される。この場合は、非作業状態が継続されている状態であるため、ステップＳ６に移る。ステップＳ６では、タイマ１３の連続非作業時間にプログラムのサンプリング周期を足し合わせて更新を行い、ステップＳ１３に移る。現在の状態では非作業状態が継続している状態であるため、堆積量演算手段１６では、ＰＭ堆積量の演算は行われず、ステップＳ１３では、仮にPM堆積量の推定値が閾値以下と判断されてステップＳ１４の処理を行なわずに処理が終了する。

次にエンジン回転数８００rpmの非作業状態（非作業状態）からエンジン回転数１０００rpmの作業状態へと稼働状況が変化する稼働時間T2では、ステップＳ１で演算装置１１にセンサ９、１０からアクセル開度（負荷有）、エンジン回転数（１０００rpm）が入力される。すると、ステップＳ２で稼動状態判定手段１２により負荷に基づいて作業状態と判断され、ステップＳ３に進む。ステップＳ３において現在の稼動状況が前回の稼働状況と同じかどうか判断される。この場合は、非作業状態から作業状態へと稼動状態が変化しているので、ステップＳ７に移る。ステップＳ７では、エンジン回転数８００rpmの非作業状態で堆積したPM堆積量を非作業状態算出手段１５にて算出する。この場合のエンジン回転数８００rpmの非作業状態で堆積したPM堆積量は、図８（ａ）のエンジン回転数８００rpmの線を基に連続非作業時間ｔ２より新規PM堆積量PM2が求められる。そしてステップＳ９では、堆積量演算手段１６により、新規PM堆積量PM２を前回までの累積PM堆積量に足し合わせることで累積PM堆積量の更新を行い、ステップｓ１１に進む。ステップＳ１１ではタイマ１３に記録している連続非作業時間ｔ２をリセットし、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では再生時期判断手段１７により堆積量演算手段１６で算出される累積PM堆積量と閾値との比較を行う。この状態では仮に累積PM堆積量は、閾値より大であるとし、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、強制再生を行い、堆積量演算手段１６の累積堆積量をリセットする。

以上のような処理を行うことで作業状態と非作業状態との変化状況に合わせてDPF内に堆積したPM量を更新していくことで正確に累積PM堆積量の把握が可能になる。

次に本発明の建設機械の排ガス浄化装置の第２の形態について図９〜図１０にて説明する。なお、図９は、本実施の形態におけるパワーユニット全体の構成図で第１の実施の形態における図２に対応した図、図１０は制御フローである。図９、図１０において第１の実施の形態を同一の符号のものは、同一の構成を有し、その説明を省略する。本実施の形態は、第１の実施の形態に加え、DPF８に排気の上下流圧力損失を検出する差圧センサ１８が設けられており、差圧センサ１８の差圧信号を演算装置１１に入力するようにしたものである。そしてさらに、演算装置１１には、稼動状態から算出した累積PM堆積量と差圧センサ１１８の差圧信号から強制再生時期か否かを判断する再生時期判断手段１９が設けられている。次に演算装置１１内での制御内容を図１０のフローチャートに基づいて説明する。

ステップＳ１〜ステップＳ１２までの処理は、第１の実施の形態である図３と同様である。ステップＳ２０では差圧センサ１８からDPF８の差圧値を読み込み、ステップＳ２１では再生時期判断手段１７の機能を果たす部分として、第１の実施の形態における再生時期の判断を累積PM堆積量が所定の閾値を超えた否かに加え、差圧センサ１８によって検出される差圧値が所定差圧値を超えたか否かで行うものである。ステップＳ２１は、累積PM堆積量が所定の閾値を超えたか、または差圧値が所定の差圧値を超えた場合には、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、前述と同様に強制再生を行い、累積PM堆積量をリセットする。第１の実施の形態では、強制再生がうまく行われず、DPF内にPMが残留してしまった場合でも堆積量をリセットするため、実際にDPFに堆積したPM量と演算したPM量とに誤差が生じる可能性があるが、この実施の形態では、強制再判断に差圧での判断を組み合わせることによって上記の問題を解決できる。

１；油圧ショベル
２；走行装置
３；走行体
４；旋回体
５；作業装置
６；エンジン
７；排気管
８；ＤＰＦ
９；アクセル開度センサ、
１０；回転角センサ
１１；演算装置
１２；稼動状態判定手段
１３；タイマ
１４；作業状態算出手段
１５；非作業状態算出手段
１６；堆積量算出手段
１７；再生時期判断手段
１８；差圧センサ

Claims

建設機械に搭載されるエンジンと、
前記エンジンにより駆動させるアクチュエータと、
前記エンジンから排出される排気ガス中のＰＭを捕捉して浄化する排気ガス浄化装置と、
前記エンジンに作用する負荷を検出する負荷検出手段と、
前記エンジンの回転数を検知するエンジン回転数検出手段と、
前記負荷検出手段により検出される負荷状態に基づき、前記エンジンによって駆動される前記アクチュエータの稼動状態が、作業状態か非作業状態かを判断する稼動状態判定手段と、
前記作業状態における前記排気ガス浄化装置に堆積されるＰＭ堆積量を算出する作業状態算出手段と、
前記非作業状態における前記排気ガス浄化装置に堆積されるＰＭ堆積量を算出する非作業状態算出手段と、
前記作業状態算出手段および前記非作業状態検出手段により算出されたＰＭ堆積量から排気ガス浄化装置内に堆積する累積ＰＭ堆積量を算出する堆積量演算手段と、
前回の稼働状態と現在の稼働状態が同じか否かを判断し、否と判断したときには、予め設定される関係に基づいて新規ＰＭ堆積量を求めるとともに、累積ＰＭ堆積量に前記新規ＰＭ堆積量を加えた新たなＰＭ堆積量を求める処理を行う処理手段とを設けたことを特徴とする建設機械の排気ガス浄化装置。
請求項１に記載の建設機械の排気ガス浄化装置において、
前記排気ガス浄化装置に堆積したＰＭを再生処理にて除去する再生制御装置を備え、
前記堆積量演算手段によって算出された累積ＰＭ堆積量に基づいて排気ガス浄化装置の強制再生時期を判断する第１再生時期判断手段を設けたことを特徴とする建設機械の排気ガス浄化装置。
請求項２に記載の建設機械の排気ガス浄化装置において、
前記排気ガス浄化装置の入口側と、出口側の前後の圧力差を検知する差圧検出手段と、
前記差圧検出手段により検知した差圧信号と前記堆積量演算手段により算出した累積ＰＭ堆積量とを基に強制再生時期を判断する第２再生時期判断手段を設けたことを特徴とする建設機械の排気ガス浄化装置。