JPH08505452A - ディーゼル・エンジン排気回生可能フィルタ・システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 オフ・ロード車両用のディーゼル・エンジン排気フィルタ・システム。このシステムは、車両上に補集装置と制御機構を有する。電源と燃焼空気源は車両外にある。制御機構は背圧を監視して、いつ回生が必要かを判断する。回生するには車両を回生ステーションにとめて空気源および電源に接続し、次に車両上の制御機構で回生を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】 ディーゼル・エンジン排気回生可能フィルタ・システム 技術分野 本発明は、ディーゼル・エンジンの排気捕集システム、特に電源および燃焼空 気源を車両外に備え、捕集装置および回生制御装置を車両内に備えた形式の回生 装置に関するものである。 背景技術 一般にディーゼル・エンジンはそのほかの形式のエンジンに比較して出力が高 く、効率にまさり、保守が容易である。したがって、フォークリフトなど、オフ ・ロード車両のユーザの大半は、ディーゼル・エンジンに対する嗜好が強い。デ ィーゼル・エンジンの欠点は、まず第１に煤煙である。ディーゼル・エンジンか ら排出される煤煙には、硫酸塩や可溶性有機物、また炭素粒子が含まれている。 閉じた空間内で、煤煙は不衛生、不快、非生産的な作業環境を作り出す。したが って、ディーゼル・エンジンを閉じた作業空間内で使用する場合には、ろ過が必 要になることが明らかである。 ディーゼル・エンジン用フィルタ捕集装置は、周知の装置である。道路通行車 両用の回生フィルタ捕集装置は車両内に回生機能を備えており、１つのハウジン グ内に複数の捕集装置あるいは独立したフィルタをいくつか有していることもあ り、そのためこれらの一部を回生しながら、その他の部分でろ過を継続すること が可能である。しかし、このような高級な装置はオフ・ロード車両にはあまりに 高価なものである。 オフ・ロード車両については、ディーゼル・エンジン用の煤煙捕集装置も知ら れている。この捕集装置は排気に含まれる粒子を９０％以上除去することがわか っている。問題点としては、従来の装置では、回生に数時間を要することがあげ られる。このようなロス時間は、たとえばフォークリフトについてみると、非常 に経費がかさむものである。したがって、オフ・ロード車両について、安価で作 業が速い回生装置が必要であることが明らかである。 発明の要約 本発明はディーゼル・エンジン付車両用の排気フィルタ・システムに関するも のである。このシステムは、エンジンの排気から粒子を除去する目的で車両に搭 載した捕集装置を備えており、捕集装置には、ハウジング内にフィルタを設けて いる。このシステムはまた、捕集装置用の回生装置を備えている。そして、回生 装置は、ハウジング内のフィルタの近くにある車両に搭載した捕集装置内にヒー タを設けている。回生装置にはさらに、ヒータに電力を供給してフィルタの回生 を行う機構と回生用の燃焼空気を供給する機構が車両とは分離されて設けられて いる。また、本システムでは、回生装置の制御機構が車両に搭載してある。 以上述べたように、捕集装置および制御機構は車両に搭載してあるのに対して 、電力供給機構および燃焼空気供給機構は車両外にある。制御機構は、回生を行 っても差し支えない時期を指示し、さらには回生必要時期も指示する。運転者が 車両を停止して回生を実施することにした場合には、電力供給機構および燃焼空 気供給機構を捕集装置と制御機構に適宜接続する。この場合、高圧電力は降圧し て、複数のフィルタのヒータに、これらのヒータを電気的に並列接続した状態で 大電流を供給する。 別の実施例では、ヒータが直列に接続してある場合、高圧電源を制御機構の操 作手順に従って適切に切り替えるが、高電圧、低電流を直接、捕集装置に印加す る。本装置については、ヒータと電気的に直列に接続した場合でも並列に接続し た場合でも、十分な電力が急速に印加され、その結果、捕集装置はわずか数分で 回生される。 本発明の方法によれば、エンジンが作動している間、捕集装置からエンジンに かかる背圧を感知し、感知した背圧についての電気信号を生成する。この電気信 号は、適切な電気的フィルタにかけ、第１の比が第１の所定値よりも大きい場合 には、捕集装置を回生処理してかまわないことを示す指示が出る。第１の比とは 、フィルタにかけた信号が第１の所定レベルを超えるようになる第１の測定時間 と、第１の所定時間との比である。第１の比に関して捕集装置の回生が可能とな る所定値としては、一般に０．７５を選択し、この値を７５％負荷レベルという ことが多い。しかし、回生はエンジンが停止するまで実施しない。 本発明では、回生を行っても差し支えないという第１の指示に続いて出る、捕 集装置を回生する必要があるという第２の指示についても考慮している。第２の 指示は、捕集装置内のフィルタの負荷が１００％になっていることを示す。第２ の比が第２の所定値よりも大きい場合、負荷１００％の状態であると判断される 。第２の比とは、フィルタにかけた信号が第２の所定レベルを超えるようになる 測定時間の、第２の所定時間に対する比である。第２の比に対する所定値として は、１．０を選択する。したがって、フィルタにかけた信号は、対象としている 時間全体について、所定のレベルを上回る必要がある。一般に、第２の所定時間 は第１の所定時間よりもかなり長く選択する。第１の比は、クエンチングするこ となく回生を維持できる初期の負荷レベルを特定し、第２の比は、フィルタに１ ００％負荷がかかった状態を特定するものである。 回生が始まる場合、本発明では、燃焼空気を供給する前にヒータを予熱するこ とが望ましい。そして、回生の終了間近では、燃焼空気の流れを停止する前にヒ ータを切ることが望ましい。このようにすると、回生の開始時点では、燃焼空気 の冷却の影響を受けることなくヒータの昇温が可能であり、終了時点で燃焼空気 を継続して供給すると燃焼が自然に進むばかりでなく、ヒータの冷却の助けにも なる。 本発明はさらにオフ・ロード車両の排気ろ過システムに関するものである。高 電力を短時間に印加して、急速に回生を行い、車両の回生に伴うロス時間を削減 する。このようにして、本発明は、フォークリフトのようなオフ・ロード車両の 運転者のディーゼル・エンジン使用の要求を満たすものである。 図面の簡単な説明 第１図は本発明による排気フィルタ・システムの回生を目的として接続したフ ォークリフトの側面図である。 第２図は、捕集装置を長手方向に切断した断面図である。 第３図は、第２図の線３−３についての断面図である。 第４図は、第２図の線４−４についての断面図である。 第５図は本発明による電気コネクタを示す断面図である。 第６図は、第５図のプラグの線６−６についての端面図である。 第７図は、本発明による燃焼空気コネクタの斜視図である。 第８図は、第７図の線８−８についての断面図である。 第９Ａ図ないし第９Ｄ図は、本発明による制御論理のブロック・ダイアグラム である。 第１０図は、回生を行っても差し支えない時期の決定に関する、フィルタにか けた背圧信号と時間を縦軸、横軸としたグラフである。 第１１図は、第１０図に対応する、回生ランプが点灯している時間のグラフで ある。 第１２図は、回生を行う必要のある時期の決定に関する、フィルタにかけた背 圧信号と時間を縦軸、横軸としたグラフである。 第１３図は、第１２図に対応する、回生ランプが点滅状態から安定した点灯状 態に切り替わる時間を示すグラフである。 第１４図は、ヒータを接続した場合の電源および燃焼空気源の略図である。 第１５図は、本発明の特徴の相互関係を時間の経過に対して表したグラフであ る。 第１６図は、ヒータを電気的に直列に接続した場合の捕集装置の断面図である 。 第１７図は、ヒータを直列に接続した場合の電源および燃焼空気源の略図であ る。 第１８図は、本発明で使用するマルチ・タップ変圧器の略図である。 第１９図は、捕集装置の主スタッドの主絶縁サポート・ハウジングを第２図の 線１９−１９について切断した断面図である。 実施例 図面、特に第１図について説明する。図中、同一の部品または対応する部品に は同一の参照番号を付してある。第１図において、フォークリフト２２に対して 、本発明の排気フィルタ・システムを参照番号２０で示してある。フォークリフ トは、ディーゼル駆動車両の代表例である。排気フィルタ・システム２０は、フ ォークリフト２２の排気アセンブリ２６の一部として搭載した捕集装置２４を備 えている。また排気フィルタ・システム２０は捕集装置２４用の回生装置２８を 備えている。回生装置２８の構成要素には、フォークリフト２２に搭載されてい るものと、搭載されていないものがある。回生装置２８は、電源３６０および空 気源３６２を収めたハウジング３０を備えている。排気フィルタ・システム２０ に は、フォークリフト２２に搭載した制御機構３２を設けている。制御機構３２は 、捕集装置２４の負荷をモニタし、電源３６０および空気源３６２の接続が適切 である場合、回生処理を制御する。 フォークリフト２２の作業中は、コネクタ３４と３６は分離してある。空気ラ イン３８が、エンジン４４と捕集装置２４の間に延びた排気流入チューブ４２の ポート４０から延びている。空気ライン３８は、制御機構３２内の圧力トランス デューサ（図示せず）に連通してある。圧力トランスデューサは、捕集装置２４ からエンジン４４にかかる背圧をモニタする。フォークリフトの電力は、ケーブ ル４８および５０を介してバッテリから制御機構３２に供給される。さらに、イ グニッション・スイッチ５４を介して、ケーブル５２によりバッテリ４６から制 御機構３２に別に電力が供給されている。配線５６が制御機構３２からコネクタ ３４に延びている。ハウジング３０内に搭載した電源３６０は、捕集装置２４内 のヒータ１０２に、そしてさらに制御機構３２へとコネクタ３４によりケーブル ５９を介して電気的に接続されている。コネクタ３６が接続してある場合、燃焼 空気はハウジング３０内の空気源から空気ライン５８を介して捕集装置２４に供 給される。 よって、本発明では、フォークリフトのバッテリによって制御機構に絶えず電 力を供給しながら捕集装置を制御機構でモニタするようになっている。回生を行 って差し支えない場合、あるいは回生が必要な場合には、電源および空気源を接 続して回生が実施できるようにフォークリフトを停止する。そして制御機構は、 捕集装置のフィルタの回生を迅速かつ効率的に行う場合に、電力および空気の供 給手順を制御する。 捕集装置 捕集装置２４は、キャニスタ６２の内部に適切に取り付けた複数のフィルタ６ ０を備えている。キャニスタ６２は代表的なものを示したが、当然ながら、図示 したものに相当する構成には様々なものがある。第２図に示すように、キャニス タ６２は、外側に広がった端部６６を有する円筒状の中間部６４を備えている。 上流端部６８は、中間部６４に直径が等しい円筒部７０を備えている。円筒部７ ０にも、外側に広がった端部７２がある。上流端部６８は、内部端部キャップ７ ４および外部端部キャップ７６を有し、これらのキャップの間には間隔をおいて 、電気的接続および空気的接続の安定を図っている。上流端部の場合と同様に、 下流端部７８にも中間部６４と直径が等しい円筒部８０があり、この円筒部も外 側に広がった端部８２を備えている。端部キャップ８４は円筒部８０の別端に取 り付けてある。中間部６４および上流端部６８は、外側に広がった端部６６およ び７２の間に有孔バッフル８６を保持し、クランプ８８で締結してある。同様に 、中間部６４と下流端部７８の外部に広がった端部６６と８２は、その間に剛性 バッフル９０を保持し、クランプ９２で締結されている。上流端部６８および下 流端部７８は流入チューブ９４と流出チューブ９６を備えている。 フィルタ６０は、どれも同じものである。捕集装置２４は、フィルタ６０を３ つ備えていることがわかる。当然ながら、捕集装置は複数のフィルタを有する場 合もある。本発明のフィルタが望ましいが、これに相当するものでも差し支えな いことはいうまでもない。フィルタ６０の構造部材９８は、内部有孔チューブに なっている。フィルタ・メディア１００が構造部材９８とヒータ１０２の間に保 持してある。ヒータ１０２には、参照により本明細書に組み込んだ１９９２年４ 月２０日申請の米国特許第０７／８７０９３９号に詳しく述べられているように 、スロットを設けることが望ましい。フィルタ・メディア１００は、セラミック ・ファイバ糸、セラミック・ファイバまたは金属繊維から製作した編組マット、 もつれさせ合うか、または別のバインダと接着してマットにした繊維の非編組不 規則配列、あるいはあるいはセラミックまたは金属の発泡体である。構造部材９ ８の端部１０４と１０６およびヒータ１０２は、バッフル９０に溶接されている 。構造部材９８の端部１０８はディスク１１０で閉じてある。サポート・ピン１ １２が、ディスク１１０の中心に取り付けてある。端部リテーナ１１４がヒータ １０２に固定してあり、このリテーナは、ディスク１１０およびサポート・ピン １１２から隔離してある。リテーナ１１４とディスク１１０の間、およびリテー ナ１１４とフィルタ・メディア１１０の間には絶縁材１１６が保持してある。電 気スタッド１１８がリテーナ１１４に取り付けてある。 サポート・ピン１１２および電気スタッド１１８はバッフル８６を貫通して延 びている。サポート・ピン１１２は、バッフル８６によって安定するようになっ ている。リング１２２がバッフル８６に溶接してある。サポート・ピン１１２は 、滑動してリング１２２に嵌合する。このように、フィルタ６０は、一端にある バッフル９０と他端にあるバッフル８６により所定位置にしっかりと保持されて いる。 図示したように、バッフル９０は、構造部材９８の内部に通じる開口部１２４ とリリーフ弁１２６の作動に必要となる構造物を除いて、無垢のプレートになっ ている。これらを通って、排気ガスは流入口９４から捕集装置２４に流れ込む。 ガスは有孔バッフル８６を通過し、続いてまずヒータ１０２、次にフィルタ・メ ディア１００、そして最後に構造部材９８の貫通孔を通過して、フィルタ６０そ れぞれの外部から内部に流入する。フィルタでろ過されたガスは、開口部１２４ から流出し、流出口９６から捕集装置２４を出る。当然ながら、外部から内部に 向かう流れが望ましいが、本発明は、内部から外部にガスが流れる構成にも拡張 できる。 リリーフ弁１２６は、背圧が所定の値以上になると開くように設定してある。 この所定値は、１００％負荷のかかったフィルタに対する背圧として設定した値 より大きい。リリーフ弁１２６は通常閉じられているが、バッフル９０の内側か ら外側に向かう流路を確保するために開く。 図示したように、電気スタッド１１８は、バッフル８６に触れることなく、こ のバッフルを貫通して延びている。導電バー１２８は、一組のナット１３０の間 にあって各スタッド１１８の最上部に固定されている。第２図および第３図に示 したように、複数の導電バー１２８がさらに一組のナット１３２の間にあって、 主電気スタッド1３４に固定されている。このようにして、ヒータ１０２は、大 地に対して電気的に並列に接続されている。 第１９図に示すように、主電気スタッド1３４が、ハウジング６２に対して主 絶縁サポート１３６で支持してある。主絶縁サポート１３６は、円筒状部材１３ ８を備えており、この部材の内部には同心状にリング１４０が固定されている。 セラミック・リング１４２がリング１４０の両側に取り付けてある。シリコン製 ワッシャ１４４がセラミック・リング１４２とリング１４０の間に配設されてい る。編組絶縁ワッシャ１４６がセラミック・リング１４２各々の他端に配設して あり、編組絶縁ワッシャとセラミック・リングの間には、別のシリコン製ワッシ ャを設けている場合と設けていない場合がある。ハウジング６２内部の編組ワッ シャは、主電気スタッド１３４から外部に向かって延びているフランジ１４８に 押圧されている。ナット１５０が、外部から鋼製ワッシャ１５２に締め付けてあ り、これにより主絶縁サポート１３６をキャニスタ６２に対して所定位置に保持 している。ケーブル１５４（第２図も参照のこと）は、ナット１５８でラグ１５ ６を介して主電気スタッド１３４に固定されている。ロック・ナット１６０がア センブリをロックしている。 第２図および第４図に示すように、捕集装置２４の下流端部で、電気スタッド １６２が溶接またはその他の方法により、バッフル９０に取り付けてある。導電 バー１６４、一本がスタッド１６２と主接地スタッド１６６の間に延びている。 導電バー１６４は、ナット１６８でスタッド１６２に対して所定位置に保持され 、同様にナット１７０で主接地スタッド１６６に対して保持されている。主接地 スタッド１６６は、フランジ１７２で端部部材８４の片側に保持され、ナット１ ７４で端部部材のもう一方の側に保持されている。ラグ１７６は、一組のナット １７８で接地スタッド１６６に固定され、ロック・ナット１８０で所定位置にロ ックすることもできる。ラグ１７６は、電気ケーブル１８２に接続され、プラグ ３４まで延びている。ケーブル１８２は、捕集装置２４の側面に沿い、パイプ１ ８４を貫通して延び、ケーブル１８２を整然と導く。 ヒータ１０２は、バッフル９０を介してキャニスタ６２に接地されているが、 ヒータ１０２に高電圧がかかるので、電源の接地も、図示したようにケーブル１ ８２を介して行っている。 継手１８４は、給気コネクタ３６と連通して、従来通りキャニスタ６２に固定 されている。 引抜コネクタ 電気コネクタ３４および燃焼空気コネクタ３６は、真直ぐ引き抜くと分離する 。そのため、捕集装置の回生を行っている際に運転者が不注意からエンジンを始 動し、車両を移動しても、双方のコネクタとも破損することなく分離する。 コネクタ３４の車両側１８６は、電源３６０との接続用の高電圧供給プラグ１ ８８一組と、制御機構３２から延びているケーブル５６との接続用の三又ソケッ ト１９０とを備えている。高電圧供給プラグ１８８と三又ソケット１９０は、相 互に隔離され、保持部材１９２を形成している成形ウレタンによりしっかりと保 持されている。 コネクタ３４の電源側１９４は、プラグ１８８を受ける一組の相補型ソケット １９６と、ソケット１９０が嵌合する相補型三又プラグ１９８を備えている。同 様に、ソケット１９６とプラグ１９８は成形ウレタンで相互に隔離し、保持部材 ２００を形成している。 送電プラグとソケットは、大きな電流がほとんど発熱なしに流れるように、十 分な接触面積が得られるものでなければならない。本発明のプラグおよびソケッ トを接続すると、直径０．５インチ、接触長さが１．２５インチとなる。プラグ とソケットを組み合わせた場合の定格は４００アンペアである。プラグおよびソ ケットは、ＰＮ １ＭＰＣという型番の適当なものがTweco Products Inc.，Box 12250-T，Witchita，Kansas 67277から入手でき、この製品は、ツイスト・ロッ クがかからないようにすると、押したり引いたりするだけで接続、分離ができる ように改造できる。三又ソケットおよびプラグは、Bergquist Co.，5302 Edina Industrial Boulevard，Minneapolis，Minnesota 55435からそれぞれＩＰＣ−６ ６０３９ＡおよびＩＰＣ−６６０４４Ａという型番のものが入手できる。 保持部材１９２および２００は、送電コネクタよりも前に三又コネクタが接続 、分離できるように形成する。送電ラインを４００アンペアもの大電流が流れる こともあるため、これは重要な特徴であり、接続を手作業で行う場合に、送電コ ネクタのパーツ間に、スパークが発生しないことが非常に大切である。したがっ て、送電コネクタが完全に接続される時点で三又コネクタが最終的に接続するた め、送電コネクタは完全に接続されるまで電気的に不活性な状態にある。同様に 、コネクタ３４が分離する時点で三又コネクタの接続が解除されるため、送電コ ネクタは、コネクタ３４が分離し始める直後まで、電気的に不活性な状態にある 。 空気供給コネクタ３６も、引張分離型コネクタである。プラグ２０２は、挿入 端にボール仕切弁２０４を備えている。ソケット２０６も同様にボール仕切弁２ ０８を備えている。プラグ２０２とソケット２０６が完全に接続されると、ボー ル仕切弁２０４および２０８のボールが接触し、それぞれのスプリングを圧縮し て、双方の弁を開く。コネクタ３６を分離する場合、仕切弁２０８は、排気が捕 集装置の空気供給ラインから流出するのを防止する。 ソケット２０６は弾性材料２１２に押圧できる複数の小型鋼製ボール２１０を 備えている。プラグ２０２は、複傾斜リング２１４を備えており、このリングか ら内側に向かって溝２１６が設けてある。ボールは第１の傾斜を登り、リングを 超えて溝にはまり、プラグとソケットを結合する。プラグとソケットを分離する 場合、ボールはもう一方の傾斜を登り、リングを超えて離脱する。 空気供給コネクタ３６は、適当なものが品番５３４１K１４としてMcMaster Ca rr Supply Co.，P．O．Box 4355，Chicago，Illinois 60680から入手できる。こ のコネクタは改造して非直線的な引張分離ロック機構が機能しないようにする。 制御機構 制御機構３２は、捕集装置２４にかかる負荷をモニタし、電源３６０と空気源 ３６２が適切に接続してある場合、回生処理を制御する。制御機構の構造は従来 通りのものであるので、そのロジックだけを検討する必要がある。制御機構のロ ジックには３つの部分がある。第１の部分は、第１図に示したように、電気ケー ブル４８および５０を介して車両のバッテリ４６から電力の供給を受けて機能す る。ロジックの第１の部分は、イニシャライズを行う。ロジックの第２の部分は 、エンジンが作動している間に機能する。そのため、第２の部分は、ケーブル５ ０および５２を介して車両のバッテリ４６から電力供給を受けて機能する。ケー ブル５２の電流の流れは、車両のイグニッション・スイッチ５４で遮断する。ロ ジックの第３の部分は、エンジンの停止中に回生の制御を行い、機能する。ロジ ックの第３の部分は端子３４を介して電力の供給を受けて機能する。制御機構の ロジックは、端子１８８および１９０を介して空気源３６２および電源３６０を 機能させる。制御機構およびハウジング３０内の電源３６０および空気源３６２ は、図示したように、ケーブル５６、コネクタ３４内部の三又プラグ１９８およ びソケット１９０、ケーブル５９を介して接続されている。 第９Ａ図に示すように、最初に電源を入れた場合、ロジックの第１の部分は、 楕円形の囲み２１８によって指示される。長方形の囲み２２０でエラー・インジ ケータのラッチがクリアされ、メモリ、入力、タイマ、カウンタ、フラッグが長 方形の囲み２２２でイニシャライズされる。 ロジックの第２の部分は、参照番号２２３の円形の囲みＡで始まる。円形の囲 みＡは、エンジンの作動決定に関する長方形の囲み２２４につながっている。ラ イン２２６で指示してあるが、エンジンが作動しない場合は、判断に関する長方 形の囲み２２８に示してあるように、「回生許可」のフラッグが設定してあるか どうかの判断を行う。ライン２３０で指示してあるが、「回生許可」のフラッグ を設定していない場合には、ロジックの第３の部分を成す回路（第９Ｄ図）が、 長方形の囲み２２３に示したように電源断となる。ロジックの流れは、次に参照 番号２２３の円形の囲みＡに戻る。長方形の囲み２２４に示したように、エンジ ンが始動すると、長方形の囲み２３４に指示したように、ヒータおよびブロアの 電源が切れる。回生処理中に運転者が誤ってエンジンを始動するといった不測の 事態に対しては、長方形の囲み２３４の機能が働く。エンジンが始動すると、ヒ ータおよびブロアが、長方形の囲み２３４の記載内容に従って、ただちに電源断 となる。 捕集装置２４によって発生する背圧は空気ライン３８によって伝達され、この 背圧をモニタする圧力トランスデューサ（図示せず）が発生する背圧信号を、長 方形の囲み２３６で読み取る。長方形の囲み２３８に示すように、背圧信号は電 気的フィルタにかけられる。次に、長方形の囲み２４０に指示したように、「回 生実行」フラッグが設定されているかどうかの判断が行われる。「回生実行」フ ラッグが設定されている場合は、長方形の囲み２４４に至るライン２４２に従っ て、背圧信号が許容限度外になっているかどうかの判断が行われる。背圧信号が 許容限度外になっていない場合は、制御が参照番号２２３の円形の囲みＡに戻る 。長方形の囲み２４６に示すように、背圧信号が許容限度外になっている場合は 、エラー指示が行われ、エラー・インジケータのラッチが設定される。エラーが 訂正され、長方形の囲み２４６に示すように、エラーのラッチがクリアになるま で、ラッチは設定されたままになり、インジケータは点灯状態を継続する。エラ ーがクリアされると、制御は参照番号２２３の円形の囲みＡに戻る。 長方形の囲み２４０を見ると、「回生実行」フラッグが設定されていない場合 は、第９Ｂ図に示すように、制御は円形の囲みＢに移行する。長方形の囲み２４ ８に指示するように、背圧の設定点を読み取る。次に、判断に関する長方形の囲 み２５０に示すように、捕集装置にかかる負荷が７５％になっているかどうかの 判断が行われる。すなわち、第１の比が７５％の負荷を表わす第１の所定値０． ７５よりも大きいかどうかの判断が行われる。第１の比は、フィルタにかけた背 圧信号が所定の設定点よりも大きくなる第１の測定時間を第１の所定時間で割っ た値、すなわち、フィルタにかけた背圧信号が所定の設定点よりも大きくなる第 １の測定時間と第１の所定時間との比である。この判断の重要性は、第１０図に 示す通りである。 第１０図には、設定した時間間隔を垂直の破線２５２によって示し、フィルタ にかけた背圧信号と時間とを縦軸、横軸にとって指示してある。所定の圧力設定 点は、ライン２５４で、またフィルタにかけた背圧信号は波線２５６で示した。 設定時間間隔は、記号“B”を付し、測定した時間間隔には、記号“Ａ”を付し てある。第１１図のグラフは第１０図のグラフに対応するものである。長方形の 囲み２５０のテストの結果は、第１０図の時間間隔で表示したが、第１１図に指 示した次の時間間隔になって初めて、回生ランプの点灯によって明らかになる点 に注意されたい。したがって、第１０図の第１の時間間隔では、ランプが点灯し ないのに対して、第２、第３の時間間隔ではランプが点灯し、第３、第４の時間 間隔において点灯していることが第１１図の水平線２５８および２６０に指示さ れている。 判断に関する長方形の囲み２５０に転じると、ライン２６２に示してあるが、 不等式が満たされない場合、長方形の囲み２６４に指示したように、イニシャラ イズを再度行い、制御は参照番号２２３の円形の囲みＡに戻る。 さらに長方形の囲み２５０によると、ライン２６６に指示したように不等式が 満たされると、「捕集装置回生」インジケータが、長方形の囲み２６８に示すよ うに、点滅する。また、「回生許可」フラッグが、長方形の囲み２７０に指示し たように設定される。制御は次に判断に関する長方形の囲み２７２に進み、第２ の比が、第２の所定値よりも大きいかどうかの判断を行う。第２の比は、第２の 所定値１．０に対して測定する。比が１．０を超える場合、フィルタにかけた信 号は、第２の所定時間全体について、設定点よりも大きくなっている。このよう な状態は、捕集装置に負荷がかかっていることを示している。 第１２図を参照すると、フィルタにかけた背圧信号の時間に対するグラフが示 してある。第２の時間間隔は垂直の破線２７４で指示してあるが、第１０図に示 した最初の時間間隔よりもかなり大きいことが望ましい。所定の背圧設定点は、 ライン２７６で示してある。電気的フィルタにかけた背圧信号は、波線２７８で 表示してある。波線２７８は、表示した第３の時間間隔全体について、設定点を 上回る。第１３図は、ライン２８０が示すように回生ランプが安定した点灯状態 になる、第３の時間間隔直後の時間間隔にいたるまでの間、回生ランプが点滅し ていることを示すグラフである。 判断に関する長方形の囲み２７２に戻ると、ライン２８２に示したが、不等式 が満たされない場合、制御は参照番号２２３の円形の囲みＡに戻る。ライン２８ ４で示したように、不等式が満たされると、長方形の囲み２８６に示したように 、「捕集装置回生」インジケータがラッチオンされ、警報が出る。長方形の囲み ２８８では、「回生実行」フラッグが設定される。次に、判断に関する長方形の 囲み２９０で、背圧信号をチェックし、許容範囲外になっているかどうかを判断 する。ライン２９２で示したが、背圧信号が許容範囲外ではない場合には、制御 は参照番号２２３の囲みＡにもどる。囲み２９６に示したように、背圧信号が許 容範囲外にある場合は、エラーの指示が出るので、この指示を上に述べたように クリアする必要がある。制御は続いて、参照番号２２３の円形の囲みＡにもどる 。 長方形の囲み２２４でエンジンが作動しない場合、「回生許可」フラッグが設 定されず、長方形の囲み２２４から長方形の囲み２３２のループに従って、制御 機構が電源断のままになる。長方形の囲み２５０の不等式が満たされると、「回 生許可」フラッグが長方形の囲み２７０で設定される。また、回路類が長方形の 囲み２８３から２２３の間の流れを繰り返すごとに、長方形の囲み２６８で「捕 集装置回生」インジケータが点滅する。長方形の囲み２７２で不等式が満たされ ると、長方形の囲み２８８で「回生実行」フラッグが設定され、その後、回路類 は長方形の囲み２９３と２２３の間の流れを繰り返す。また長方形の囲み２８６ で「捕集装置回生」インジケータと警報がラッチ・オンされる。 エンジンが作動していない状態で、「回生許可」フラッグがライン２９８に示 したように設定されていると、制御は、第９Ｃ図よび第９Ｄ図に示すようにロジ ックの第３の部分に進む。判断に関する長方形の囲み３００に示すように、コネ クタ３４が接続されて電力が供給されているかどうかの判断が、円形の囲みＣで 始まる。電力が供給されていない場合、長方形の囲み３０４に至るライン３０２ に示してあるように、ヒータ、ヒータ予熱、ブロア・タイマが再設定されて、制 御は参照番号２２３の円形の囲みＡに戻る。長方形の囲み３００で電力が供給さ れていれば、長方形の囲み３０８に至るライン３０６に指示したように、手動回 生開始スイッチが閉じられるのに伴って、長方形の囲み３１０に示したように警 報がオフになる。判断に関する長方形の囲み３１２に指示したように、ヒータ・ タイマがタイム・アウトしたかどうかの判断を行う。休止していない場合には、 長方形の囲み３１６に至るライン３１４に示されているように、ヒータの電源が 入る。判断に関する長方形の囲み３１８では、ヒータ・タイマが作動しているか どうかの判断が行われる。ヒータ・タイマが作動していない場合、長方形の囲み ３２２に至るライン３２０に示すように、ヒータ・タイマおよびヒータ予熱タイ マを始動してから、制御は参照番号２２３の円形の囲みＡに戻る。長方形の囲み ３１８でヒータ・タイマが作動している場合は、判断に関する長方形の囲み３２ ６に至るライン３２４に示したように、ヒータ予熱タイマが休止しているかどう かの判断が行われる。休止していない場合は、ライン３２８に示したように、制 御は参照番号２２３の円形の囲みＡに戻る。ヒータ予熱タイマが休止している場 合は、判断に関する長方形の囲み３３２に至るライン３３０に示したように、ブ ロア・タイマが作動しているかどうかの判断が行われる。作動している場合は、 ライン３３４に示したように、制御は、参照番号２２３の円形の囲みＡに戻る。 ブロア・タイマが作動してない場合は、長方形の囲み３３８に至るライン３３６ に示したように、ブロア・タイマを始動し、長方形の囲み３４０に示したように 、ブロアの電源が投入されたのち、制御は参照番号２２３の円形の囲みＡに戻る 。 判断に関する長方形の囲み３１２では、ヒータ・タイマが休止している場合、 長方形の囲み３４４に至るライン３４２に示したように、ヒータの電源が断にな る。判断に関する長方形の囲み３４６に示すように、ブロア・タイマが休止して いない場合は、ライン３４８に示すように制御は、参照番号２２３の円形の囲み Ａに戻る。ブロア・タイマが休止している場合は、長方形の囲み３５０に至るラ イン３４９に示したように、ブロアの電源が断となる。長方形の囲み３５２では 、「回生許可」フラッグおよび「回生実行」フラッグがクリアされる。長方形の 囲み３５４では、「捕集装置回生」のラッチがクリアされる。長方形の囲み３５ ６では、「捕集装置回生」インジケータが電源断となり、長方形の囲み３０４に 至るライン３５８に示したように、ヒータ、ヒータ予熱、ブロア・タイマが再設 定されたあと、制御は参照番号２２３の円形の囲みＡに戻る。 本発明の構成では、ヒータの電源はブロアより前に投入され、ブロアより前に 電源断となる。なお、本発明の概念の範囲には、ヒータおよびブロアの断続が異 なった順序で起こる構成もあることは当然である。 電源および空気源 第１４図に、ハウジング３０に内蔵される電源３６０および空気源３６２の略 図を示す。 この図の実施態様は、当業者によく知られているものであり、これに相当するも のがほかにも考えられることは当然である。 電源３６０は、交流３８０ボルトまたは交流４４０ボルトの標準高圧線から電 力の入力を受けている。電力は、ブレーカ３６４を通過する。このブレーカは定 格３０アンペアであることが望ましい。電力は次にコントラクタ３６６および制 御変圧器３６８と並列に導かれる。コントラクタ３６６が閉じられると、電力は 電力変圧器３７０に導かれ、電圧をこの変圧器で、望ましくは交流２７ボルトに 降圧する。降圧した電力は、定格４００アンペアのヒューズ３７２を介し、高電 流レベルでヒータ１０２に供給することができる。 制御変圧器３６８は、参照番号３８２のヒューズＦ４、参照番号３７８のリレ ーＫ２、燃焼空気源３６２であるブロアに延びる配線３８４に接続されている。 制御変圧器３６８から制御機構に通じる配線は、参照番号３８６のヒューズＦ２ および参照番号３８０のスイッチＳ１を介して制御配線３７４まで延びている。 参照番号３８０のスイッチＳ１を押すと、回生が始まる。制御機構３２が回生 を認めると、すなわち、長方形の囲み２７０の「回生許可」フラッグが設定され ると、制御配線３７４の電力を感知し、長方形の囲み３００でライン３０６に進 む決定が行われる。制御機構のロジックに従って、長方形の囲み３１０で警報が 断となり、参照番号３７６のリレーＫ１を付勢することによって、長方形の囲み ３１６でヒータの電源が投入される。リレーＫ１は、参照番号３６６の接点を付 勢し、スイッチＳ１が開放された場合でも、電力が継続するように電力をラッチ ・オンする。参照番号３６６の接点は、ヒータの電源を投入し、回生を実行する 。回生処理に燃焼空気が必要な場合、制御機構は参照番号３７８のリレーＫ２を 作動させることによって、空気源３６２を機能させる。回生が完了すると、リレ ーＫ１およびＫ２が制御機構のロジックに従って付勢され、参照番号３６６の接 点が開きヒータの電源を切る。また、Ｋ２が付勢されて、ブロアの電源も同様に 断となる。 ランプ３８８は、回生が始まると点灯し、回生が終了すると、消灯する。 使用法 第１５図について説明すると、グラフは、エンジンが作動している場合と、エ ンジンが停止し捕集装置の回生が行われている場合との双方について、捕集装置 の両端における圧力降下を時間の関数として示している。さらに、圧力降下曲線 に対して、回生ランプ、ヒータおよびブロアの作動を図示してある。特に、ライ ン４００は、圧力降下の増減のサイクルを示し、このサイクルは、アイドリング 状態とスロットル全開状態の間で運転するフォークリフトの一般的なサイクルを 表している。捕集装置に負荷がかかるのにともない、時間の経過にしたがって圧 力降下の増減が大きくなる。 捕集フィルタ・ランプの点灯、消灯、点滅を示すバー・チャートは、７５％負 荷状態４０２および１００％負荷状態４０４を表している。７５％負荷の状態で は、制御機構のロジックの長方形の囲み２６８について上に述べたように、車両 運転者に対する回生ランプによる負荷指示は、消灯状態から点滅状態に切り替わ る。１００％負荷状態では、長方形の囲み２８６について述べたように、回生ラ ンプの表示は点滅から安定した点灯状態に切り替わる。同時に、ブザー、ビーパ など、音声による指示も、追加の警報として出ることが望ましい。このような指 示が出た場合、運転者は回生ステーションに車両を移動し、捕集装置の回生を行 う必要がある。すでに述べたように、ライン４００は、ライン４０４が示す１０ ０％負荷の状態を超えてエンジンが作動を継続し、捕集装置に負荷が引き続きか かっていることを示している。 車両が停止して回生を行っている場合、電力コネクタ３４および燃焼空気コネ クタ３６は接続されている。ハウジング３０から延びている電源プラグが電源に 差し込まれており、スイッチ５１が投入されている。エンジン４４が停止してい ると仮定した場合、制御機構３２は、第９Ａ図から第９Ｄ図に示すように、回生 処理の制御を引き継ぐ。第１５図に示したように、参照番号４０６のヒータの電 源が最初に投入され、予熱期間をおいて参照番号４０８のブロアが始動する。そ の直後に燃焼が開始され、ライン４１０で示すように、炭素粒子の燃焼が進むと ともに、捕集装置前後の圧力差が減少する。長方形の囲み３１０に示したように 、回生が始まると音声警報が停止するが、回生が完了するまで、回生ランプは点 灯し続ける。回生処理が終了に近づくと、ライン４１２に示すように、ヒータの 電源が最初に断となる。燃焼を完了させる目的だけでなく、ヒータを冷却する目 的でブロアは引き続き空気を供給する。ヒータ停止となってからわずかのちに、 燃焼空気を供給するブロアが参照番号４１４で停止し、回生ランプも参照番号４ １６で消灯する。 コネクタ３４と３６を分離すると、車両２２は再び運転可能となる。 本発明によるシステムでは、高電圧を利用して、負荷粒子の急速加熱、急速燃 焼を行っている。交流２７ボルト、４００アンペアまでの電流では、通常、回生 は５分以内に完了する。負荷のレベルは、フィルタの具体的な設計によって左右 される。図示したフィルタおよび外部から内部へガスが流動し、ヒータがフィル タ・メディアの外部にある構造では、オフ・ロード車両は回生を必要とするまで 長時間運転可能であると思われる。たとえば、フォークリフトの大半は、少なく とも８時間運転可能でなければならない。 本発明によるシステムは、ヒータを外部に有し、ガスは外部から内部へと流れ るという利点がある。このような場合、ヒータは内部にあるよりも外部の方が低 温になる。回生がヒータの周囲で起こり、熱がヒータ上に蓄積するので、内部の ヒータは高温になる。一方、外部にあるヒータは、最も温度が低い位置にあり、 さらに熱を外部に向かって放射する。また、燃焼が起こった場合、燃焼はヒータ から中心部に向かって進行し、その結果、熱はヒータから逃げるように流れる。 このような構成を行うと、通常各フィルタには、ヒータを内部に配置してフィル タ・チューブを設計した場合に比べ、数倍以上の負荷をかけることができる。 直列に接続したヒータ 本発明によるディーゼル排気フィルタ・システムを、ヒータ１０２を電気的に 並列に配設したフィルタ６０によって説明した。第１６図および第１７図に示す ように、ヒータは電気的に直列に配設することも可能である。 フィルタ４１８は、第２図のフィルタ６０に類似しているが、ただし、フィル タ４２０の両端は、大地に通じる構造体から電気的に絶縁されている。また、１ つのフィルタの一端を隣接するフィルタの一端に配線して接続し、ライン４２２ が示すように直列接続構成を行っている。 同様に、電力変圧器が不必要である点を除き、電源４２４および空気源４２６ は第１４図に従って説明した電源および空気源と類似の構成になっている。 以上、好適な実施例についてフォークリフトをもとに本発明を詳述した。捕集 装置内ヒータの別の配線についても明らかにしている。当業者には理解できるよ うに、開示した概念の範囲内にあって本発明に相当するものが、ほかにも多数あ る。したがって、当然のことながら本発明の原理は、以下に述べる特許請求の範 囲によってのみ限定されるものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ワグナー、ウェイン・エム アメリカ合衆国 55124 ミネソタ、アッ プル・ヴァレー、レッドウッド・ドライヴ 120 (72)発明者 フチス、アーヴィン・ピー アメリカ合衆国 55024 ミネソタ、ファ ーミントン、フランチャイズ・ウェイ 17127 (72)発明者 ステインブルーク、エドワード・エー アメリカ合衆国 55346 ミネソタ、エデ ン・プレイリー、エヌ・ヒルクレスト・コ ート 16671

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ディーゼル・エンジン付車両用排気フィルタ・システムにおいて、 ハウジング内に設置したフィルタを備えた捕集装置であって、前記エンジンの 排気ガスから粒子を除去する目的で前記車両に搭載されている捕集装置と、 前記捕集装置用の回生装置であって、前記ハウジング内の前記フィルタの近く にヒータを備え、さらに前記車両と分離した手段であって、前記フィルタの回生 を目的とした前記ヒータに電力を供給する手段と、前記車両と分離した手段であ って、回生用の燃焼空気を供給する手段とを備えた回生装置と、 前記回生装置を制御する目的で前記車両に搭載した手段とを備えた排気フィル タ・システム。 ２．前記フィルタが構造部材と、この部材の周囲に保持したフィルタ・メディア とを備え、前記ヒータが前記フィルタ・メディアの周囲に位置し、前記排気ガス が前記フィルタ・メディア以前に前記ヒータを通過することを特徴とする、請求 の範囲第１項に記載のシステム。 ３．前記フィルタと前記ヒータがアセンブリを備え、前記捕集装置が複数の前記 アセンブリを備え、前記ヒータが電気的に並列接続してあることを特徴とする、 請求の範囲第１項に記載のシステム。 ４．前記フィルタと前記ヒータがアセンブリを備え、前記捕集装置が複数の前記 アセンブリを備え、前記ヒータが電気的に直列接続してあることを特徴とする、 請求の範囲第１項に記載のシステム。 ５．前記電力供給手段が電源手段と、前記制御手段と前記ヒータとを相互に相対 的な関係で前記電源手段に接続する第１の手段とを備えていることを特徴とする 、請求の範囲第１項に記載のシステム。 ６．前記電源手段が前記ヒータに電力を供給する変圧器手段と、前記変圧器手段 を制御する開閉手段とを備え、前記第１の接続手段が第１および第２の対応部材 を備え、前記第１の部材が前記変圧器手段と電気的に連続した一組の第１のソケ ットと、前記開閉手段と電気的に連続した第１のプラグとを有し、前記第２の部 材が前記ヒータと電気的に連続した一組の第２のプラグと、前記制御手段と電気 的に連続した第２のソケットとを有することを特徴とする、請求の範囲第５項に 記載のシステム。 ７．前記第１のプラグおよび前記第２のソケットが、前記第１のソケットと前記 第２のプラグとが接続した後に接続し、前記第１のソケットと前記第２のプラグ とが分離する前に分離するように前記プラグと前記ソケットを保持する手段を前 記第１および第２の部材に備えることを特徴とする、請求の範囲第６項に記載の システム。 ８．前記変圧器手段が一次コイルと二次コイルとを備え、前記一次コイルが、利 用可能な電圧レベルにかかわりなく世界のほとんどの地域で前記変圧器手段を使 用できるように、 少なくとも８つの異なるレベルの電圧を受けることを特徴とする、請求の範囲第 ６項に記載のシステム。 ９．前記燃焼空気供給装置が、空気源手段と、前記空気源手段と前記ハウジング とを接続する第２の手段とを備えていることを特徴とする、請求の範囲第５項に 記載のシステム。 １０．前記第２の接続手段が、前記ハウジングから前記空気源手段への排気ガス の流動を防止する仕切弁を備えていることを特徴とする、請求の範囲第９項に記 載のシステム。 １１．前記制御手段が、前記電力供給手段と前記燃焼空気供給手段とが前記エン ジンの作動中に作動することを防止する手段を備えていることを特徴とする、請 求の範囲第１０項に記載のシステム。 １２．前記制御手段が、前記捕集装置によって前記エンジンにかかる背圧を感知 する手段と前記背圧の所定レベルを信号で伝達する手段とを備えていることを特 徴とする、請求の範囲第１項に記載のシステム。 １３．前記制御手段が、前記捕集装置の所定レベルの負荷の１００％未満に当た る負荷を指示する第１の手段を備えていることを特徴とする、請求の範囲第１項 に記載のシステム。 １４．前記捕集装置の所定レベルの負荷の１００％未満に当たる前記負荷に達し たことを前記制御手段が判断するまで、前記電力供給手段と前記燃焼空気供給手 段とが作動するのを防止する手段を前記制御手段が備えていることを特徴とする 、請求の範囲第１３項に記載のシステム。 １５．前記制御手段が、前記捕集装置が直ちに回生処理を必要とする状態を指示 する第２の手段を備えていることを特徴とする、請求の範囲第１３項に記載のシ ステム。 １６．前記制御手段が、手動で前記捕集装置の回生を開始するための手段を備え ていることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載のシステム。 １７．前記制御手段が、前記捕集装置の回生を行うために前記電源手段および前 記空気源手段の作動の順序を決定する手段を備えていることを特徴とする、請求 の範囲第１６項に記載のシステム。 １８．前記順序決定手段が、前記ハウジングに通じる前記空気源手段の始動前に 、前記ヒータに通じる前記電源手段を始動する手段を備えていることを特徴とす る、請求の範囲第１７項に記載のシステム。 １９．前記順序決定手段が、前記空気源手段の停止前に、前記電源手段を停止す る手段を備えていることを特徴とする、請求の範囲第１８項に記載のシステム。 ２０．手段の作動を停止する前記電源手段が第１のタイマ手段を備え、手段の作 動を停止する前記空気源手段が第２のタイマ手段を備えていることを特徴とする 、請求の範囲第１９項に記載のシステム。 ２１．ディーゼル・エンジン付車両用排気フィルタ・システムの使用方法であっ て、前記システムが前記車両に搭載した捕集装置を備え、前記システムがさらに 回生装置と、前記回生装置の制御を目的として前記車両に搭載した手段とを備え 、 前記エンジンを作動させる段階と、 前記捕集装置から前記エンジンにかかる背圧を感知し、この背圧に関連する電 気信号を生成する段階と、 前記電気信号に電気的フィルタをかけて、フィルタ処理済信号を生成する段階 と、 前記フィルタ処理済信号が第１の所定レベルよりも大きくなる第１の測定時間 と、第１の所定時間との比である第１の比が、第１の所定値よりも大きくなる時 期を判断する段階と、 前記捕集装置の回生を行って差し支えないという指示を出す段階と、 前記エンジンを停止する段階と、 前記捕集装置を回生する段階とを含む方法。 ２２．前記捕集装置がフィルタを備え、前記回生装置が前記フィルタの近くにヒ ータを備え、前記回生装置がさらに、前記ヒータに電力を供給する手段と、回生 用の燃焼空気供給手段とを備え、前記回生処理が 前記制御手段により、前記車両と分離した前記電力供給手段から前記ヒータに 電力を導くことによって、前記ヒータを用いて前記フィルタを加熱する段階と、 前記フィルタを通過させた燃焼空気を、前記車両と分離した前記燃焼空気供給 手段から前記制御手段の指示通り流す段階と、 前記ヒータによる前記フィルタの加熱を停止する段階と、 前記フィルタを通過させた前記燃焼空気を前記燃焼空気供給手段から流すこと を停止する段階とを含むことを特徴とする、請求の範囲第２１項に記載の方法。 ２３．前記判断段階に続いて、前記制御手段により、前記捕集装置の回生を行っ ても差し支えないという第１の指示を行う段階を含む、請求の範囲第２１項に記 載の方法。 ２４．前記フィルタ処理済信号が第２の所定レベルよりも大きくなる第２の測定 時間と、第２の所定時間との比である第２の比が、第２の所定値よりも大きくな る時期を判断する段階と、 前記捕集装置を回生する必要があるという第２の指示を行う段階とをさらに含 む、請求の範囲第２３項に記載の方法。 ２５．前記回生段階に続いて、前記第２の指示を消去する段階を含む、請求の範 囲第２４項に記載の方法。 ２６．前記エンジンが再始動した場合に、前記回生処理を停止する段階を含む、 請求の範囲第２１項に記載の方法。