JP5839471B2 - 建設機械の排ガス浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は建設機械の排ガス浄化装置に係り、特に液体還元剤を用いて排ガスの浄化を行う建設機械の排ガス浄化装置に関する。

近年、ディーゼルエンジンを搭載した油圧ショベル等の建設機械では、高次の排ガス規制に対応すべく、ディーゼルエンジンの排気系に排ガス浄化装置が設置され、ディーゼルエンジンからの排ガスは、排気管の下流側に設けたＮＯｘ還元触媒を通って大気中に放出される。

従来、この種の排ガス浄化装置としては、液体還元剤（例えば、尿素水溶液）を用いた選択還元型のＮＯｘ浄化装置が多く採用されている。しかしながら、液体還元剤を用いる排ガス浄化装置は、液体還元剤がなくなると排ガスの浄化処理を行うことができなくなってしまう。また、液体還元剤がなくなってもエンジンは稼動を維持できるため、液体還元剤がなくなった状態でエンジン稼動を維持すると多量のＮＯｘが排出されることになる。

これを回避するため、従来では液体還元剤の残量が少なくなった際にこれを検出し、警報を発すると共に強制的にエンジンの出力を低下させることが行われていた（特許文献１）。

特開２００２−３７１８３１号公報

しかしながら従来の排ガス浄化装置は、液体還元剤の残量が少なくなった際、建設機械の運転者の意向に拘わらず、強制的にエンジン出力を低下する構成とされていたため、運転者は液体還元剤の残量と現場での作業状況等との双方を考慮して自ら計画的して作業を行うことができなくなるという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、液体還元剤の残量が少なくなった際に現在の状態に適した運転条件を運転者に告知しうる建設機械の排ガス浄化装置を提供することを目的とする。

上記の課題は、第１の観点からは、
液体還元剤タンクに貯留された液体還元剤を排気通路に噴射することにより、エンジンから排出された排ガスの浄化を行う建設機械の排ガス浄化装置であって、
前記エンジンは、ブーム、アームを駆動する油圧ポンプを駆動し、
前記ブーム、アームの油圧システムを制御する制御弁を制御する機械コントローラと、
前記機械コントローラと接続され、前記エンジンの運転条件を設定するモード設定装置と、
前記液体還元剤タンクに貯留された前記液体還元剤の残量を検出する残量検出装置と、
前記残量検出装置の検出結果に基づき、前記液体還元剤が既定残量となった時に表示装置に警報表示を行う警報表示手段と、
前記残量検出装置の検出結果に基づき、前記モード設定装置により設定された前記エンジンの運転条件を維持した状態で、運転者へ運転条件の変更を促すように、変更すべき前記エンジンの運転条件を前記表示装置に表示する運転条件表示手段と
を有することを特徴とする建設機械の排ガス浄化装置により解決することができる。

開示の発明によれば、液体還元剤の残量に対応したエンジンの運転条件を運転者に知らせることができるため、運転者はこの表示された運転条件及び現場の作業状況等を考慮して作業を進めることができる。

図１は、本発明の一実施形態である建設機械の排ガス浄化装置の構成図である。 図２は、モード設定装置を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態である機械コントローラが実施する運転条件の表示処理を示すフローチャートである。 図４は、本発明の一実施形態である建設機械の排ガス浄化装置の運転条件の表示例を示す図である（その１）。 図５は、本発明の一実施形態である建設機械の排ガス浄化装置の運転条件の表示例を示す図である（その２）。 図６は、本発明の一実施形態である建設機械の排ガス浄化装置の運転条件の表示例を示す図である（その３）。 図７は、運転条件の他の表示例を示す図である（その１）。 図８は、運転条件の他の表示例を示す図である（その２）。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１に、本発明の一実施形態である建設機械の排ガス浄化装置を概略的に示す。本実施形態に係る排ガス浄化装置２は、油圧ショベル等の建設機械に設けられたディーゼルエンジン１から排出される排気ガスを浄化するものである。

ディーゼルエンジン１は、図示しない燃料タンクから高圧ポンプにより燃料が供給され、この高圧燃料を燃焼室内に直接噴射し燃焼させることにより駆動する。このディーゼルエンジン１及び高圧ポンプ等は、エンジンコントロールモジュール４（以下、ＥＣＭという）により制御される。

ディーゼルエンジン１からの排気ガスは、ターボチャージャ８を経た後にその下流の排気通路９に流され、排ガス浄化装置２により浄化処理が行われた後、大気に排出される。

一方、エアクリーナ１０から吸気通路１１内に導入された吸入空気は、ターボチャージャ８及びインタークーラ１３等を通過してディーゼルエンジン１に供給される。

排気通路９には、上流側から排気ガス中のパティキュレート（ＰＭ）を捕集するパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１６と、排気ガス中のＮＯｘを還元除去する選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）１９とが直列に設けられている。

選択還元型ＮＯｘ触媒１９は、液体還元剤（例えば、尿素又はアンモニア等）が供給されている時に排気ガス中のＮＯｘを連続的に還元除去するものである。本実施形態では取扱いの容易さから液体還元剤として尿素水を用いている。

排気通路９の選択還元型ＮＯｘ触媒１９の上流側には、選択還元型ＮＯｘ触媒１９に尿素水を供給するための尿素水噴射弁２０が設けられている。尿素水噴射弁２０は尿素水供給ライン２１を介して尿素水タンク２３（液体還元剤タンク）に接続されている。

また、尿素水供給ライン２１には尿素水供給ポンプ２２が設けられている。尿素水タンク２３内に貯留された尿素水は、尿素水供給ポンプ２２により尿素水噴射弁２０に供給され、尿素水噴射弁２０から排気通路９の選択還元型ＮＯｘ触媒１９の上流位置に噴射される。

尿素水噴射弁２０から噴射された尿素水は、選択還元型ＮＯｘ触媒１９に供給される。供給された尿素水は、選択還元型ＮＯｘ触媒１９内において加水分解してアンモニアを生成する。このアンモニアが選択還元型ＮＯｘ触媒１９内で排ガスに含まれるＮＯｘを還元し、これにより排ガスの浄化が行われる。

第１のＮＯ_Ｘセンサ１４は尿素水噴射弁２０の上流側に配設されている。また、第２のＮＯ_Ｘセンサ１５は選択還元型ＮＯｘ触媒１９の下流側に配設されている。この各ＮＯ_Ｘセンサ１４，１５は、各々の配設位置における排ガス内の各ＮＯ_Ｘ濃度を検出する。

尿素水タンク２３には尿素水液位センサ２４が配設されている。この尿素水液位センサ２４は、尿素水タンク２３内の尿素水の残量を検出する液位センサである。本実施形態では、尿素水タンク２３内の尿素水の残量が図中Ａ１で示す位置（残量位置Ａ１）となった時に残量信号Ａ１を、また、尿素水の残量がこれより少ないＡ２で示す位置（残量位置Ａ２）となった時に残量信号Ａ２を出力する構成とされている。

上記した各センサ１４，１５，２４、尿素水噴射弁２０、及び尿素水供給ポンプ２２は、排ガス浄化装置コントローラ５に接続されている。尿素水噴射弁２０及び尿素水供給ポンプ２２は、第１及び第２のＮＯ_Ｘセンサ１４，１５で検出されるＮＯｘ濃度に基づき、尿素水の噴射量が適正となるよう排ガス浄化装置コントローラ５により制御される。

この排ガス浄化装置コントローラ５は、通信手段によりディーゼルエンジン１の制御を行うＥＣＭ４と接続されている。また、ＥＣＭ４は通信手段により機械コントローラ６に接続されている。

機械コントローラ６は、ブーム，アーム等を駆動する油圧ポンプ、及びブームシリンダ，アームシリンダ等の油圧システムに対しオイルの供給及び供給停止を行う各種制御弁等の制御を行う。この機械コントローラ６は、通信手段を介してエンジンコントロールモジュール（ＥＣＭ）４及び排ガス浄化装置コントローラ５と接続されている。

よって、排ガス浄化装置コントローラ５が有している排ガス浄化装置２の各種情報、ＥＣＭ４が有しているディーゼルエンジン１の各種情報は、機械コントローラ６が共有しうる構成となっている。なお、ＥＣＭ４、排ガス浄化装置コントローラ５、機械コントローラ６は、それぞれＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、及び記憶装置等を含む。

機械コントローラ６には、モニター７（表示装置）及びモード設定装置１８（作業モード設定手段）が接続されている。モニター７には、警報及び運転条件表示が表示される。この警報及び運転条件表示については、説明の便宜上後述するものとする。

モード設定装置１８は、建設機械の作業モードを切り替える装置である。図２は、モード設定装置１８を拡大して示している。本実施形態に係る建設機械では、モード設定装置１８により作業モードをＳＰモード、Ｈモード、Ａモードの３つのモードに切り替えられる構成となっている。このモード設定装置１８は、スイッチノブ１８ａを回転操作し、指示部１８ｂをＳＰ、Ｈ、Ａの各表示に合わせることによりモード切り替えを行うことができる。

このモード設定装置１８は、機械コントローラ６及びＥＣＭ４を介してディーゼルエンジン１の回転数を制御する。ＳＰモードにおける目標エンジン回転数はαrpmに、Ｈモードにおける目標エンジン回転数はβrpmに、Ａモードにおける目標エンジン回転数はγrpmに設定されており、各回転数はα＞β＞γとなるよう設定されている。

よって、ディーゼルエンジン１の出力は、モード設定装置１８により作業モードをＳＰモードとした時に最も高出力となり、Ｈモード、Ａモードの順にエンジン出力は小さくなる。

次に、図３を用いて、上記構成とされた排ガス浄化装置２の動作について説明する。図３は、機械コントローラ６が実行する制御処理を示している。なお、この制御処理は所定時間毎に繰り返し実行されるルーチン処理である。

図３に示す制御処理が起動すると、先ず機械コントローラ６は排ガス浄化装置コントローラ５を介して、尿素水液位センサ２４から尿素水の残量信号が出力されたかを判断する（ステップ１０。図ではステップをＳと略称する）。

前記の尿素水液位センサ２４は、尿素水タンク２３内の尿素水の残量が残量位置Ａ１となった時に残量信号Ａ１を、尿素水残量Ａ２となった時に残量信号Ａ２を機械コントローラ６に出力する。機械コントローラ６は、尿素水液位センサ２４から残量信号Ａ１が出力されるまで、ステップ１０の処理を繰り返す。

一方、ステップ１０で尿素水液位センサ２４から残量信号が出力されたと判断されると、機械コントローラ６はモニター７に尿素水タンク２３内の尿素水の残量が少なくなったことを示す警告を表示する（ステップ１１）。

続いて機械コントローラ６は、尿素水液位センサ２４から出力された残量信号の種類を判定する（ステップ１２）。前記のように、尿素水液位センサ２４は尿素水残量に応じて残量信号Ａ１，Ａ２を出力する。ステップ１２において、尿素水液位センサ２４から残量信号Ａ１が出力されたと判断された場合、処理はステップ１３に進み、機械コントローラ６はモード設定装置１８が現在設定している作業モードを検出する。

ここで、尿素水タンク２３の尿素水残量がＡ１である状態は、ディーゼルエンジン１のエンジン出力の低下を行うべき残量となる状態である。

よって、ステップ１３においてディーゼルエンジン１が現在ＳＰモードであると判断されると、機械コントローラ６はモニター７に運転者に作業モードをＳＰモードからＨモード又はＡモードに切り替えることを促すメッセージをモニター７に表示する（ステップ１４）。

図４は、ステップ１４の処理によりモニター７に表示されたメッセージの一例を示している。同図に示すように、モニター７にはステップ１１によるメッセージＭ１１と、ステップ１４によるメッセージＭ１４が同時に表示される。ステップ１４の処理が終了すると今回の処理を終了し、メッセージＭ１１は表示したままステップ１０に戻る。

一方、ステップ１３において、現在の作業モードがＳＰモードではないと判断されると、処理はステップ１０に戻る。なお、このステップ１３からステップ１０に戻る時、モニター７には図４におけるメッセージＭ１１のみが表示され、メッセージＭ１４は表示されない。

また、ステップ１２において、尿素水液位センサ２４から残量信号Ａ２が出力されたと判断されると、処理はステップ１５に進む。ステップ１５では、モード設定装置１８が現在設定しているモードがＳＰモードであるか否かを判定する。

ここで、尿素水タンク２３の尿素水残量がＡ２である状態は、尿素水残量がＡ１である場合よりもディーゼルエンジン１のエンジン出力の低下をより大きく行うべき残量となる状態である。

よって、このような状態においてＳＰモードを維持すると、更に短時間で尿素水残量がなくなってしまう。そこで、ステップ１５においてディーゼルエンジン１が現在ＳＰモードであると判断されると、機械コントローラ６はモニター７に運転者に作業モードをＳＰモードからＡモードに切り替えることを促すメッセージをモニター７に表示する（ステップ１６）。

図５は、ステップ１６の処理によりモニター７に表示されたメッセージの一例を示している。同図に示すように、モニター７にはステップ１１によるメッセージＭ１１と、ステップ１６によるメッセージＭ１６が同時に表示される。ステップ１６の処理が終了すると今回の処理を終了し、メッセージＭ１１は表示したままステップ１０に戻る。

一方、ステップ１５で現在の作業モードがＳＰモードではないと判断されると、処理はステップ１７に進み、機械コントローラ６は現在の作業モードがＨモードであるか否かを判断する。

ステップ１７において現在Ｈモードであると判断されると、機械コントローラ６はモニター７に運転者に作業モードをＨモードからＡモードに切り替えることを促すメッセージをモニター７に表示する（ステップ１８）。

図６は、ステップ１８の処理によりモニター７に表示されたメッセージの一例を示している。同図に示すように、モニター７にはステップ１１によるメッセージＭ１１と、ステップ１８によるメッセージＭ１８が同時に表示される。ステップ１６の処理が終了すると今回の処理を終了し、メッセージＭ１１は表示したままステップ１０に戻る。

一方、ステップ１７で作業モードがＨモードではないと、換言すると作業モードが既にＡモードになっていると判断されると、処理はステップ１０に戻る。なお、このステップ７からステップ１０に戻る時も、モニター７はメッセージＭ１１のみが表示される。

上記した本実施形態によれば、建設機械の運転者はモニター７を見ることにより、尿素水の残量が減ったことを示す警報（メッセージＭ１１）と共に、尿素水残量に対応した（適した）ディーゼルエンジン１の運転条件を知ることができる。この運転条件とは、本実施形態ではモード設定装置１８により設定される作業モードである。

よって、例えばモニター７に図４に示すメッセージＭ１４が表示された場合は、運転者はモニター７を見ることより、尿素水の使用量を抑制するには作業モードをＳＰモードからＨモードに変更することが望ましいことがわかる。同様に、例えば、モニター７に図６に示すメッセージＭ１８が表示された場合は、運転者はモニター７を見ることより、尿素水の使用量を抑制するには作業モードをＨモードからＡモードに変更することが望ましいことがわかる。

しかしながら、本実施形態に係る排ガス浄化装置２は、尿素水タンク２３の尿素水残量が尿素水残量Ａ１或いは尿素水残量Ａ２となった時に直ちにエンジン出力を強制的に低下させるのではなく、尿素水残量に適した（対応した）ディーゼルエンジン１の運転条件を提示する構成としている。

建設機械は、作業の進行状況、作業予定、作業内容等により運転状態は変化する。例えば、現在の作業が高いエンジン出力を要するが短時間で終了する場合には、エンジン出力をＳＰモードにしておいても尿素水の使用量は少ない。しかしながら、エンジン出力を下げたとしても、当該作業の作業時間が長く必要な場合には尿素水の使用量は多くなる。このように、尿素水の使用量は上記した作業の進行状況、作業予定、作業内容等により変化する。

本実施形態に係る排ガス浄化装置２によれば、運転者はステップ１１による警報がモニター７に表示された際、運転者に作業の進行状況、作業予定、作業内容等の情報に加え、モニター７に表示された現在の尿素水残量に対応した運転条件（作業モード）も考慮して、現在の作業に最も適合した建設機械の運転条件を決定することができる。これにより、作業現場に応じた建設機械の運転が可能となり、建設機械を用いた作業の自由度を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

例えば、モニター７に表示する運転条件は図４〜６に示したメッセージに限定されるものではなく、図７に示すようにエンジン回転数を下げることを促すメッセージとしたり、図８に示すように作業スピードを遅くすることを促すメッセージにしたりしてもよい。

また、上記した各実施形態では作業モードをＳＰモード、Ｈモード、Ａモードの３つのモードに設定できる構成の建設機械を例に挙げたが、モード設定装置にはＡモードの目標回転数よりも低い目標回転数を設定できる構成とされたものがある。

このモード設定装置は、Ａモード以下の目標回転数を設定するため、スロットル開度に対応したノッチが示されている。よって、スイッチノブ１８ａを回転させて指示部１８ｂをノッチに合わせることにより、目標エンジン回転数を当該ノッチに対応した回転数に設定することができる。

上記構成のモード設定装置を有する場合は、ノッチを下げることを促すメッセージを表示する構成としてもよい。この時の表示例としては、「スロットルを３ノッチ分下げてください」等のメッセージが考えられる。

本発明は、液体還元剤を用いた排ガス浄化装置を有する建設機械及び作業車両に広く適用が可能なものである。

１ ディーゼルエンジン
２ 排ガス浄化装置
４ エンジンコントロールモジュール（ＥＣＭ）
５ 排ガス浄化装置コントローラ
６ 機械コントローラ
７ モニター
９ 排気通路
１１ 吸気通路
１６ パティキュレートフィルタ
１８ モード設定スイッチ
１９ 選択還元型ＮＯｘ触媒
２０ 尿素水噴射弁
２１ 尿素水供給ライン
２２ 尿素水供給ポンプ
２３ 尿素水タンク
２４ 尿素水液位センサ

Claims (4)

1. 液体還元剤タンクに貯留された液体還元剤を排気通路に噴射することにより、エンジンから排出された排ガスの浄化を行う建設機械の排ガス浄化装置であって、
   前記エンジンは、ブーム、アームを駆動する油圧ポンプを駆動し、
   前記ブーム、アームの油圧システムを制御する制御弁を制御する機械コントローラと、
   前記機械コントローラと接続され、前記エンジンの運転条件を設定するモード設定装置と、
   前記液体還元剤タンクに貯留された前記液体還元剤の残量を検出する残量検出装置と、
   前記残量検出装置の検出結果に基づき、前記液体還元剤が既定残量となった時に表示装置に警報表示を行う警報表示手段と、
   前記残量検出装置の検出結果に基づき、前記モード設定装置により設定された前記エンジンの運転条件を維持した状態で、運転者へ運転条件の変更を促すように、変更すべき前記エンジンの運転条件を前記表示装置に表示する運転条件表示手段と
   を有することを特徴とする建設機械の排ガス浄化装置。
2. 前記建設機械は、前記モード設定装置により可変される複数の作業モードを有し、
   前記運転条件表示手段は、前記運転条件として前記液体還元剤の残量に対応した作業モードを表示することを特徴とする請求項１記載の建設機械の排ガス浄化装置。
3. 前記残量検出装置は、前記液体還元剤タンク内の前記液体還元剤の残量を検出する液位センサであることを特徴とする請求項１又は２記載の建設機械の排ガス浄化装置。
4. 前記運転条件は作業スピードを含む請求項１記載の建設機械の排ガス浄化装置。

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