JP5608137B2

JP5608137B2 - 排ガス浄化装置

Info

Publication number: JP5608137B2
Application number: JP2011178074A
Authority: JP
Inventors: 拓賀集; 象平神谷; 英毅原本; 康荒井
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2031-08-16
Also published as: JP2013040581A

Description

本発明は建設機械等のエンジンを搭載する機械に用いられ、エンジンから排出される排ガスを浄化する尿素ＳＣＲシステムの還元剤として用いられる尿素水中のアンモニア濃度を測定可能な排ガス浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンの排ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための排ガス浄化装置として、エンジンの排気経路にＳＣＲ触媒（選択還元触媒；Selective Catalytic Reduction）を配設し、その上流にＮＯｘ還元剤を噴射するインジェクタを設け、ＮＯｘ還元剤をＳＣＲ触媒に供給することで、ＮＯｘを還元する排ガス浄化装置が知られている。

この排ガス浄化装置においては、ＮＯｘ還元剤であるアンモニアをＳＣＲ触媒に供給するために、有毒ガスであるアンモニアを直接排気中に噴射するのではなく、熱によりアンモニアに分解する特性をもつ尿素水を排気中に噴射し、排ガスの熱により排気経路中でアンモニアを発生させてＳＣＲ触媒に供給する手法が広く用いられている。

ところで、トラック等において尿素水インジェクタには、噴射で生じる熱による尿素水固化を防ぐため、供給された尿素水の一部を排気中に噴射すると共に、残りの尿素水で尿素水インジェクタを冷却する冷却機構付尿素水インジェクタが採用されている。この冷却システムは冷却により熱を受け取った尿素水が尿素水タンクに戻されるために、尿素水タンク内の尿素水の温度が過度に上昇し、尿素のアンモニアへの分解反応が進み、アンモニアの大気中への飛散や、尿素水ポンプや尿素水インジェクタなどの周辺システムの腐食を助長させる等の懸念がある。そのため、高温になった尿素水温度を下げるために、尿素水タンク内の尿素水の温度が一定値を超えた場合に尿素水の補充を要求する発明が提案されている。（特許文献１）
また、上記のように尿素水の高温化により生じる、空気中へのアンモニアの飛散、尿素水ポンプや尿素水インジェクタなどの周辺システムの腐食等の影響は、いずれも尿素水中のアンモニア濃度の上昇に起因するものである。

また、自走風による高温化抑制効果が働かない建設機械等においては、車体温度が高くなりやすい特徴があり、尿素水インジェクタから尿素水タンクへの冷却用の戻り配管がないシステムを採用している場合であっても、尿素水タンク内の尿素水温度が高くなりやすく、さらに油圧機器の新設や改造、エンジン仕切りカバーの損傷等予想しない原因から尿素水が過度に上昇し大量のアンモニアの発生を引き起こすことも懸念されるため、より高精度に尿素水中のアンモニア濃度を推測する必要がある。

この尿素水中のアンモニア濃度を測定する手段として、アンモニア濃度を直接測定できるセンサ等を新設する手法があるが、コストや機器の大型化の問題から従来備えられている機器を使用して尿素水中のアンモニア濃度を予測する手段が望まれる。

また一般的に尿素水タンクには尿素水の尿素濃度を測定する識別センサが取り付けられているが、この尿素濃度と尿素水中のアンモニア濃度との関係性が低いために、このセンサにより尿素水中のアンモニア濃度を測定することは難しい。

特開２００９−１３８７０５号公報

特許文献１の発明は、尿素水温度が一定値を超えるか否かだけで尿素水中のアンモニア濃度の判断を行っている。しかし、尿素水は、尿素水温度がこの一定値を超えない場合にもアンモニアへの分解反応が徐々に進み、この発生したアンモニアが尿素水中に溶け込んで、アンモニア濃度が上昇していく性質がある。そのため、尿素水温度が一定値以下の場合にも外気温が高温の場所に長期間休車している場合には、尿素水中のアンモニア濃度が高くなることがあり、それにも関わらず作業者に注意を促すことができない事態が生じる。

また休車時に温度測定を停止してしまうと、休車時の温度変動を考慮することができず、休車時に尿素水温度が一定値を超えていても、運転時には一定値以下の場合にはアンモニア濃度の異常を知ることができない。

本発明は前述したように、尿素水温度が一定値を超えない範囲の条件下に長期間曝される場合、例えば比較的高温の環境下で長期間休車する場合や、休車時に一定値を超えるような高温になりアンモニア濃度が高くなってしまう場合であっても、確実に尿素水中のアンモニア濃度を推定して警告を与えることで、アンモニアの大気中への飛散や周辺システムへの悪影響を防ぐことができるシステムを安価に提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため本発明の排ガス浄化装置の請求項１の発明は、尿素SCRを備えたエンジンの排ガス浄化装置において、尿素水タンクと、前記尿素水タンク内の尿素水温度に相関のある温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された前記尿素水温度から尿素水の単位量における単位時間当たりのアンモニアの発生速度を演算するアンモニア発生速度演算手段と、前記温度検出手段における温度検出時間を計測する計時手段と、前記アンモニア発生速度検出手段における前記アンモニア発生速度と前記計時手段によって計時された温度検出時間とにより前記尿素水タンク内の尿素水のアンモニア濃度を演算する濃度演算手段を設けたことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、前記尿素水タンクの尿素水残量を検出する残量検出手段を備え、前記濃度演算手段は、前記残量検出手段によって検出される尿素水残量に基づき、前記尿素水タンクに尿素水が補充されたことが検出されると、前記尿素水タンクに残留する尿素水のアンモニア濃度と、前記尿素水タンクに補充される尿素水のアンモニア濃度に基づいて、前記尿素水タンク内の尿素水のアンモニア濃度を演算することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、前記濃度演算手段によって演算される前記アンモニア濃度が所定の値を超えた時に警報を発する警告手段を設けたことを特徴とする。

また、請求項４の発明は、前記温度検出手段は、エンジン吸気配管中あるいは吸気口付近に設けられた温度センサであることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、前記温度検出手段は、エンジンに隣接して配置される熱交換器の近傍に配置され、前記熱交換器を通る空気の吸い込み側の空気温度を測定する温度センサであることを特徴とする。

以上説明したように本発明の請求項１、２に記載の排ガス浄化装置によれば、尿素SCRを備えたエンジンの排ガス浄化装置に一般的に備えられている温度検出手段から尿素水タンク内の尿素水のアンモニア濃度を演算できるため、安価に尿素水のアンモニア濃度上昇による弊害を防ぐ対策を講じることができる。また、尿素水温度が一定値を超えない範囲の条件下に機械が長期間曝される場合や、機械の休車時に一定値を超えるような高温になりアンモニア濃度が高くなってしまう場合であっても、確実に尿素水中のアンモニア濃度を推定して警告を与えることで、アンモニアの大気中への飛散や周辺システムへの悪影響を防ぐことができる。また、請求項３に記載のエンジンの排ガス浄化装置によれば、請求項１及び２に加えて、アンモニア濃度が所定の値を超えた場合に作業者に警告を与えることができ、尿素水のアンモニア濃度増加による弊害を防ぐための対応を促すことができる。

本発明の排ガス浄化装置が適用される油圧ショベル全体図（斜視図）である。図１における作業装置を省略した平面図である。本発明のシステム構成図である。図３の要部構成図である。尿素水温度とアンモニア発生速度との関係を示すマップである。制御フローチャートである。

本発明の排ガス浄化装置の第１の実施の形態を図１〜図６により説明する。

図１は、本発明の排ガス浄化装置が適用される一例としての油圧ショベルの全体斜視図、図２は、図１における作業装置を省略し、上部旋回体の構成図を示す平面図、図３は、本発明の排ガス浄化システムを示すシステム構成図、図４は、図３の要部を示す要部構成図、図５は、尿素水温度とアンモニア発生速度との関係を示すマップ、図６は、制御フローチャートである。図１、図２に示すように油圧ショベルは下部走行体１と、下部走行体１上に不図示の旋回装置を介して旋回可能に設けられる上部旋回体２とから大略構成され、上部旋回体２には、ブーム、アーム、バケットからなる作業装置３と、運転室４と、エンジン等を収容する機械室５と、カウンタウエイト６と、燃料タンク７と、作動油タンク８と、ユーティリティ室９とが設けられる。

また、図２に示すように機械室５には、エンジン１０と、エンジン１０によって駆動され、作業装置３を駆動、制御する油圧機器１１と、エンジン１０および油圧機器１１を冷却するラジエータ、オイルクーラ、インタークーラからなる熱交換器１２と、エンジン１０から排出される排気ガスを浄化するＤＰＦ１３、尿素ＳＣＲ１４が収容される。なお、ＤＰＦ１３は、排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）を除去し、尿素ＳＣＲ１４は、排気ガス中のＮＯｘを除去するものであり、エンジン１０の排気経路中の上流側にＤＰＦ１３が配置され、下流側に尿素ＳＣＲ１４が配置される。

また、機械室５と運転室４との間に設けられるユーティリティ室９には、エンジン１０や油圧機器１１を制御するコントローラ１５と、エンジン１０の過給機１０ａに吸気を導く吸気配管１６の吸気取込部１７と、吸気配管１６の吸気取込部１７の近傍に配置されて、吸気温度を測定する吸気温度センサ１８と、尿素ＳＣＲ１４に供給されるＮＯｘ還元剤となる尿素水を貯蔵する尿素水タンク１９と、尿素水タンク１９から尿素ＳＣＲ１４に尿素水を供給する尿素水ポンプ２０とが収容される。図３に示すように吸気温度センサ１８によって検出される吸気温度は吸気温度信号ｔｉとしてコントローラ１５に入力される。

また、運転室４には、エンジン１０、油圧機器１１、熱交換器１２等の状態を監視する各種センサ（不図示）からの情報を表示するとともに、それらの状態に基づいて各種警告を発するモニタ２１が設けられる。

また、ＤＰＦ１３と尿素ＳＣＲとの間の排気経路中には、ＤＰＦ１３の排気の下流側でかつ、尿素ＳＣＲ１４の上流側に取り付けられ、尿素水を噴射する尿素水インジェクタ２２が設けられる。

また、熱交換器１２の近傍には、熱交換器１２を通る冷却風流れの上流側（吸込側）の空気温度を測定する大気温センサ２３が設けられ、図３に示すように大気温度信号ｔｒがコントローラ１５に入力される。

また、図３、図４に示すように、尿素水タンク１９には、タンク内の尿素水の温度を検出する尿素温度センサ２４、タンク内の尿素水の残量を検出する尿素残量センサ２５が設けられ、尿素温度センサ２４からの尿素温度信号ｔａ、尿素残量センサ２５からの尿素水残量信号ｖｎがコントローラ１５に入力される。

また、コントローラ１５は、エンジン１０、油圧機器１１、尿素水ポンプ１８、尿素水インジェクタ２２等の制御を行なう不図示の制御部と、入力される各種情報に基づいて、それら状態量の表示、警告を表示する不図示のモニタ制御部とを備えるとともに、図４に示すように、時間の計時を行なうタイマ部１５ａと、尿素水中のアンモニアの濃度の演算を行な演算部１５ｂと、演算されたアンモニア濃度を記憶する記憶部１５ｃとを備え、以下のようにアンモニア濃度の演算を行なう。

なお、本発明における尿素ＳＣＲシステムは上述の特許文献１のように尿素水タンク１９と尿素水インジェクタ２２を繋ぐ配管に尿素水インジェクタ２２の冷却を目的とした戻り配管があるシステムでも良い。

次に図６を用いて、コントローラ１５におけるアンモニア濃度の演算内容を説明する。なお、以下の尿素水中のアンモニア濃度Ｈｎの演算は、エンジン停止時を含めて予め設定された演算周期Δｔで行うものであり、タイマ１５ａは、この時間Δｔを計時する。

まずステップＳ０で記憶部１５ｃに記憶された、前回計算時の尿素水アンモニア濃度Ｈｎ−１と尿素水残量Ｖｎ−１を取得する。次にステップＳ１で尿素残量センサ２５から入力された現在の尿素水残量信号ｖｎから尿素水残量データＶｎを取得する。

ステップＳ２では、ステップＳ０にて取得した前回の尿素水残量Ｖｎ−１及びステップＳ１にて取得した現在の尿素水残量データＶｎから尿素水が補充されたか否かの判断を行う。この判断は前回取得した尿素水残量データＶｎ−１と今回取得した尿素水残量データＶｎの差に基づいて行なうもので、尿素水残量Ｖｎが増えた場合に尿素水が補充されたと判断する。

ステップＳ２で尿素水が補充されないと判断されたとき（Ｎｏ）には、演算周期Δｔ間でのアンモニア濃度増加量ΔＨを演算する。この演算は、ステップＳ４で尿素水温度センサ２４から尿素水温度データｔａを取得し、この取得した尿素水温度データｔａから、ステップＳ５で予め実験等により求めておいた尿素水温度ｔａと尿素水のアンモニア発生速度ｈｓとの関係マップ１５ｂ１（図５参照）を用いて、アンモニア発生速度ｈｓを取得し、ステップＳ６でこの取得したアンモニア発生速度ｈｓと演算周期Δｔとの積（ΔＨ＝ｈｓ×Δｔ）を求めることにより行なうものである。この関係マップ１５ｂ１は、演算部１５ｂに予め設定されているものである。そして、ステップＳ７で、ステップＳ６にて求めたアンモニア濃度増加量ΔＨを前回計算時に得た尿素水アンモニア濃度Ｈｎ−１に加えて現在の尿素水アンモニア濃度Ｈｎを算出する。（Ｈｎ＝Ｈｎ−１＋ΔＨ）。その後、ステップＳ８で、この演算された尿素水アンモニア濃度Ｈｎと尿素水残量Ｖｎを記憶部１５ｃに記憶させて前回値を更新し、ステップＳ９において、演算された尿素水アンモニア濃度Ｈｎが、尿素水タンク１９の外部に飛散しても問題なく、また尿素水ポンプ１８や尿素水インジェクタ２２などの周辺システムに影響を与えないレベルとして予め設定した尿素水アンモニア濃度設定値Ｈ１を超えているか否かの判断を行い、超えている場合にはステップＳ１０で運転室４に搭載されたモニタ２１に警告を表示し、尿素水の補充や尿素水の交換を作業者に促し、尿素水タンク１９内に新たな尿素水を補充したり、また新たな尿素水に交換して尿素水のアンモニア濃度を設定値Ｈ１以下に下げることを行なう。

また、ステップＳ２で尿素水が補充されたと判断された場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３に進み、下記の式（１）により尿素水補充後の尿素水アンモニア濃度Ｈｎを算出する。

なお、補充される尿素水は、温度管理がなされた状態で保管されているものであり、アンモニア濃度は、予め設定された濃度Ｈ０で管理されるものである。

Ｈｎ＝（Ｈ０×（Ｖｎ−Ｖｎ−１）＋Ｈｎ−１×Ｖｎ−１）／Ｖｎ（１）
Ｈ０；初期尿素水アンモニア濃度（補充尿素水）
Ｈｎ；尿素水アンモニア濃度（補充後）
Ｈｎ−１；尿素水アンモニア濃度（補充前）
Ｖｎ；尿素水残量（補充後）
Ｖｎ−１；尿素水残量（補充前）
その後、ステップＳ８に進み、上述と同様にこの演算された尿素水アンモニア濃度Ｈｎと尿素水残量Ｖｎを記憶部１５ｃ記憶して前回値を更新し、ステップＳ９において、演算された尿素水アンモニア濃度Ｈｎが、尿素水タンク１９の外部に飛散しても問題なく、また尿素水ポンプ１８や尿素水インジェクタ２２などの周辺システムに影響を与えないレベルとして予め設定された尿素水アンモニア濃度設定値Ｈ１を超えているか否かの判断を行い、超えてしまっている場合にはステップＳ１０で運転室４に搭載されたモニタ２１に警告を表示し、尿素水の補充や尿素水の交換を作業者に促す。

これにより、尿素水温度が一定値以下の場合であっても外気温が比較的高温の場所に長期間休車している場合に、尿素水中のアンモニア濃度の上昇を把握することが可能になり、作業者へ注意を促すことができる。また休車時の尿素水温度の変動をアンモニア濃度の測定に考慮することができ、正確なアンモニア濃度の測定が可能になる。また、特別なセンサ等の測定機器を用いることなく、容易に濃度の測定が可能になる。

なお、演算部１５ｂで行なう尿素水中のアンモニア濃度Ｈｎを、尿素水温度ｔａが予め設定した設定温度を超えた時間に基づいて演算することも可能である。

その場合、演算部１５ｂには、予め基準となる尿素水温度設定値Ｔ１が設定される。そして、尿素水タンク１９内の尿素水がこの尿素水温度設定値Ｔ１を超えた時間を計時し、上述の図５と同様に、尿素水温度とアンモニア発生速度の関係マップ１５ｂ１から、尿素水温度設定値Ｔ１におけるアンモニア発生速度ｈｓを求める。そして、このアンモニア発生速度ｈｓに基づき、尿素水温度が尿素水温度設定値Ｔ１を超えても、アンモニアが外部に飛散せず、また尿素水ポンプや尿素水インジェクタなどの周辺システムに影響を与えないレベルに尿素水中のアンモニア濃度を抑えられる時間を実験等により求めておき、この時間を温度設定値オーバー時間設定値Ｍ１として設定しておく。そして尿素水温度が、尿素水温度設定値Ｔ１を超える時間合計を温度設定値オーバー時間Ｍｎとして演算して、この温度設定値オーバー時間Ｍｎが、時間設定値Ｍ１に達したか否か基づいてアンモニア濃度の評価を行う。

なお、上述の本発明の実施形態として、尿素水の温度を直接、尿素水温度センサ２４によって検出したものを示したが、尿素水温度と相関のある吸気温度センサ１８によって検出される吸気温度を用いてもよい。また、吸気温度センサ１８は、吸気配管中の温度を測定するものでもよい。また、尿素水タンク１９を比較的エンジンからの熱影響の少ない、ユーティリティ室９内に設けたが、熱交換器１２の空気の吸い込み側に、かつ熱交換器１２の近傍に配置し、尿素水の温度を検出する手段として尿素水温度と相関のあるラジエータの吸込み側の温度を検出する大気温センサ２３を用いても良い。

１下部走行体
２上部旋回体
３作業装置
４運転室
５機械室
１０エンジン
１４尿素ＳＣＲ
１５コントローラ
１５ａタイマ
１５ｂ演算部
１５ｂ１マップ
１５ｃ記憶部
１９尿素水タンク
２１モニタ
２４尿素水温度センサ
２５尿素水残量センサ

Claims

尿素ＳＣＲを備えたエンジンの排ガス浄化装置において、
尿素水タンクと、
前記尿素水タンク内の尿素水温度に相関のある温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された前記尿素水温度から尿素水の単位量における単位時間当たりのアンモニアの発生速度を演算するアンモニア発生速度演算手段と、
前記温度検出手段における温度検出時間を計測する計時手段と、
前記アンモニア発生速度検出手段における前記アンモニア発生速度と前記計時手段によって計時された温度検出時間とにより前記尿素水タンク内の尿素水のアンモニア濃度を演算する濃度演算手段を設けたことを特徴とする排ガス浄化装置。
前記尿素水タンクの尿素水残量を検出する残量検出手段を備え、
前記濃度演算手段は、前記残量検出手段によって検出される尿素水残量に基づき、前記尿素水タンクに尿素水が補充されたことが検出されると、
前記尿素水タンクに残留する尿素水のアンモニア濃度と、前記尿素水タンクに補充される尿素水のアンモニア濃度に基づいて、前記尿素水タンク内の尿素水のアンモニア濃度を演算することを特徴とする請求項１に記載の排ガス浄化装置。
前記濃度演算手段によって演算される前記アンモニア濃度が所定の値を超えた時に警報を発する警告手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス浄化装置。
前記温度検出手段は、エンジン吸気配管中あるいは吸気口付近に設けられた温度センサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
前記温度検出手段は、エンジンに隣接して配置される熱交換器の近傍に配置され、前記熱交換器を通る空気の吸い込み側の空気温度を測定する温度センサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。