JP6067429B2 - 建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、液体還元剤を用いて排気ガスの浄化処理を行う建設機械に関する。

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、排気系に排ガス処理装置が設置されている。

この排ガス処理装置としては、尿素水（液体還元剤）を用いた尿素選択還元型のＮＯｘ処理装置が多く用いられている。この種のＮＯｘ処理装置は、排気ガス通路に設けられた還元触媒の上流側に尿素水を噴射し、排気ガス中のＮＯｘを還元することにより無害化する構成とされている。

この排気ガス中のＮＯｘを還元するのに用いられる尿素水は、低温になると凍結して噴射を行うことができなくなる。このため、従来からヒータ等を用いて尿素水の凍結を防止する機構を設けた建設機械が知られている（特許文献１）。

特開２０１２−２４１５４７号公報

一方、建設機械は種々の環境下で使用されるものであり、高温下で使用される場合もある。このような場合、建設機械に搭載された尿素水の温度も上昇する。また、エンジンの近傍に尿素水タンクを配置した場合には、エンジン状態によっても尿素水の温度は上昇する。

この尿素水の温度上昇は尿素水の劣化を招き、ＮＯｘの浄化作用が低下したり、また刺激臭を有するアンモニアが発生したりするおそれがある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、液体還元剤の温度上昇を抑えることができる建設機械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、
液体還元剤が充填された液体還元剤用タンクと、
エンジンの排気管の所定位置に前記液体還元剤を噴射する噴射ノズルと、
前記液体還元剤用タンクから前記噴射ノズルに前記液体還元剤を圧送する液体還元剤用ポンプと、
前記液体還元剤用タンクから前記噴射ノズルに至る配管に設けられ、前記液体還元剤を冷却する液体還元剤冷却装置とを有し、
前記液体還元剤冷却装置は、
前記液体還元剤を冷却する液体還元剤用クーラと、
前記液体還元剤の温度が所定値以上になった際、前記液体還元剤が前記液体還元剤用クーラに流入するよう、前記液体還元剤の流路の切り替えを行う切り替え装置とを有しており、
前記液体還元剤冷却装置を、前記液体還元剤用タンクから前記液体還元剤用ポンプに向け前記液体還元剤が流れる配管に設け、前記液体還元剤用クーラを前記エンジンのラジエータ前に配設したことを特徴とする建設機械により解決することができる。

開示の発明によれば、液体還元剤の温度が上昇した際、切り替え手段により液体還元剤は液体還元剤用クーラに送られ冷却が行われるため、浄化作用の低下や刺激臭の発生を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態である建設機械の側面図である。 図２は、本発明の一実施形態である建設機械の上部旋回体を平面視した概略構成図である。 図３は、尿素水噴射装置の概略構成図である。 図４は、尿素水冷却装置の一例を示す略構成図である。 図５は、図４に示す尿素水冷却装置に切り替え装置として設けられるサーモバルブを示す断面図である。 図６は、尿素水冷却装置の他の例を示す略構成図である。 図７は、熱交換機ユニットの正面図である。

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は、本発明の一実施形態である建設機械を示している。本実施形態では、建設機械の一例として油圧ショベルを例に挙げて説明する。

建設機械は、下部走行体１の上部に上部旋回体２が旋回可能に装架され、上部旋回体２の前方一側部にキャブ３が設けられている。また、上部旋回体２の前方中央部にブーム４が俯仰可能に枢着され、このブーム４の先端部にはアーム５が上下回動可能に連結されている。更に、アーム５の先端部には、バケット６が上下回動可能に取り付けられている。

図２は、上部旋回体の後部を平面視した状態を概略的に示す図である。

図２に示すように、上部旋回体２の後部にはエンジンルーム７が形成され、このエンジンルーム７内にはディーゼルエンジン８が設置されている。このディーゼルエンジン８の前方側（図２における手前側）には、冷却ファン８ｂが設けられている。更に、この冷却ファン８ｂの前方には、ラジエータ１４、インタークーラ１５、燃料クーラ１６等を含む熱交換機ユニット１３が設置されている（図７参照）。

更に、ディーゼルエンジン８には排気管８ａが接続され、この排気管８ａの下流側には、高次の排ガス規制に対応すべく、エンジン排ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を浄化する排ガス処理装置９が設置されている。

排ガス処理装置９としては、液体還元剤として尿素水を用いた尿素選択還元型のＮＯｘ処理装置が用いられている。この排ガス処理装置９は、排気管８ａに備えられた還元触媒（図示せず）の上流側に尿素水１１を噴射ノズル２１から噴射して排ガス中のＮＯｘを還元し、この還元反応を還元触媒により促進してＮＯｘを無害化する構成とされている。

排ガス処理装置９は、排気ガス中に含まれるパティキュレートマター（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元除去する選択的還元剤（本実施形態では尿素水）を用いて還元除去する選択還元型触媒（ＳＣＲ）と、排気管８ａのＳＣＲに対して上流側に配設され、排気管８ａ内の排気ガスに向けて尿素水１１を噴射する噴射ノズル２１等を有している。

排気管８ａ内を流れる排気ガスに含まれるＮＯｘは、噴射ノズル２１から噴射される尿素水１１により還元される。このＮＯｘに対する還元反応はＳＣＲにおいて促進され、よって排ガス処理装置９において排気ガスに含まれるＮＯｘを無害化をすることができる。

従って、この種の排ガス処理装置９を備えた建設機械には、液体還元剤用タンク１０（以下、尿素水タンクという）内に貯留された尿素水１１を噴射ノズル２１に供給し噴射させる尿素水噴射装置２０が設けられている。

図３は、尿素水噴射装置２０を概略的に示す斜視図である。

図３に示されるように尿素水噴射装置２０は、尿素水タンク１０、噴射ノズル２１、尿素水ポンプ２２、及び尿素水冷却装置３０Ａ等を有している。

尿素水タンク１０は、尿素水１１を貯留するものである。尿素水ポンプ２２は、尿素水タンク１０に貯留されている尿素水１１を吸引し、噴射ノズル２１に向けて圧送するものである。また、噴射ノズル２１は、尿素水ポンプ２２により圧送された尿素水１１を排気管８ａ内の排ガスに向けて噴射するものである。

尿素水タンク１０と尿素水ポンプ２２との間には、サクション配管２３及びリターン配管２４が設けられている。サクション配管２３は、尿素水タンク１０内の尿素水１１を吸引するための配管である。また、リターン配管２４は、尿素水ポンプ２２から噴射ノズル２１に対して尿素水１１を圧送する際に、余剰となった尿素水１１を尿素水ポンプ２２から尿素水タンク１０に戻すための配管である。

更に、尿素水ポンプ２２と噴射ノズル２１との間には、供給配管２５が配設されている。よって、尿素水ポンプ２２で高圧化された尿素水１１は、供給配管２５を介して噴射ノズル２１に送られる。

ところで、前記したように尿素水タンク１０内の尿素水１１の温度が上昇した場合、尿素水１１の劣化を招き、ＮＯｘの浄化作用が低下するおそれがある。そこで本実施形態では、尿素水噴射装置２０に尿素水１１を冷却する尿素水冷却装置３０Ａを設けた構成としている。

次に、図３に加えて図４及び図５を用いて尿素水冷却装置３０Ａについて説明する。

本実施形態では、尿素水冷却装置３０Ａを尿素水タンク１０と尿素水ポンプ２２との間に配設されたサクション配管２３に設けた構成としている。この尿素水冷却装置３０Ａは、図４に示すように尿素水クーラ３２、切り替え装置３４Ａ、及びバイパス配管３６等を有している。

尿素水クーラ３２は、例えば図７に示すようにインタークーラ１５及び燃料クーラ１６と共にラジエータ１４の前方位置に配設されている。この尿素水クーラ３２の内部には、尿素水１１が流れる冷却用チューブが高密度に配置されている。そして、冷却ファン８ｂが生成する冷却風により、冷却用チューブ内を流れる尿素水１１は冷却される。

上記構成とされた尿素水クーラ３２は、サクション配管２３から分岐されたバイパス配管３６に配設されている。切り替え装置３４Ａは、このサクション配管２３とバイパス配管３６との分岐位置に配設されている。

この切り替え装置３４Ａは、尿素水タンク１０から尿素水ポンプ２２に向け流れる尿素水１１をそのままサクション配管２３に流す流路と、尿素水クーラ３２に流す流路とで流路の切り替え処理を行うものである。本実施形態では、切り替え装置３４Ａとして図５に示すサーモバルブを用いている。

図５に示すように、切り替え装置３４Ａとしてのサーモバルブは、スプールハウジング４０、スプール４１、サーモアクチュエータ４２、及びリターンスプリング４４等を有している。

スプールハウジング４０は略円筒形状を有しており、尿素水タンク１０に接続されたポートＰ１、尿素水ポンプ２２に接続されたポートＰ２、及び尿素水クーラ３２に接続されたポートＰ３を有している。

このスプールハウジング４０の内部には、弁体であるスプール４１が配設されている。このスプール４１は有底筒状形状を有した弁体であり、スプールハウジング４０内で図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に気密状態を維持しつつ移動可能な構成とされている。また、底部にはポートＰ１と連通する連通孔４６が形成されている。

前記したスプールハウジング４０に形成されたポートＰ２は、スプール４１が矢印Ｘ２方向に移動することにより開弁される構成とされている。また、ポートＰ３は、スプール４１が矢印Ｘ１方向に移動することにより開弁される構成とされている。

サーモアクチュエータ４２は、アクチュエータ本体４２ａと、このアクチュエータ本体４２ａからＸ１方向に延出するピストン４３とにより構成されている。

アクチュエータ本体４２ａの内部にはワックスが配設されており、ピストン４３のＸ２方向側の端部はこのワックス内に挿入された構成とされている。このアクチュエータ本体４２ａは、尿素水１１の温度を感知しうる箇所に配置されている。更に、ピストン４３のＸ１方向側の端部にはスプール４１が固定されている。

このアクチュエータ本体４２ａ内のワックスは、尿素水１１の温度が上昇することにより昇温して、ピストン４３をＸ１方向に移動させる動作を行う。尿素水１１は、温度が４０℃以上になると劣化の問題が生じる。よって本実施形態では、尿素水１１の温度が４０℃を超えた際、アクチュエータ本体４２ａ内のワックスによりピストン４３がＸ１方向に移動するよう構成している。

ピストン４３がＸ１方向に移動することによりスプール４１はＸ１方向に移動し、よってポートＰ２が閉じられると共にポートＰ３が開かれる。これにより、尿素水タンク１０に接続されたポートＰ１と、尿素水クーラ３２に接続されたポートＰ３は連通する。よって、尿素水タンク１０から流出した尿素水１１の流路は、尿素水クーラ３２を流れる流路（バイパス配管３６を流れる流路）に切り替えられる。

これにより、尿素水１１の温度が上昇しても尿素水クーラ３２で冷却され、尿素水１１は劣化等が発生しない安定した温度に維持される。よって、尿素水冷却装置３０Ａを設けることにより、ＮＯｘの浄化機能が低下したり、アンモニア発生による異臭が発生したりすることを確実に防止することができる。

一方、尿素水１１の温度が劣化を生じない温度である場合には、スプール４１はスプールハウジング４０内に配設されたリターンスプリング４４に付勢されてＸ２方向に移動した状態となる。

この場合、尿素水クーラ３２と接続されたポートＰ３が閉じられると共に、尿素水ポンプ２２に直接接続されたポートＰ２が開かれる。よって、尿素水タンク１０からの尿素水１１は、尿素水クーラ３２により冷却されることなく尿素水ポンプ２２に直接供給される。これにより、尿素水１１が過冷却されることを防止することができる。

また、尿素水クーラ３２により尿素水１１が冷却可能な構成であるため、尿素水１１が流れる各配管２３，２４，２５をエンジンルーム７内の比較的温度が高い位置に配置することが可能となる。このため、尿素水１１が凍結するような低い温度環境下で建設機械を使用しても、尿素水１１が凍結することを防止することが可能となる。

図６は、他の尿素水冷却装置３０Ｂを示している。

なお、図６において、図４に示した構成と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。

図４に示した尿素水補給装置３０Ａでは、切り替え装置３４Ａとしてサーモバルブを用いた構成とした。これに対して図６に示す尿素水冷却装置３０Ｂは、尿素水１１の流路を切り替える切り替え装置３４Ｂを切り替え弁５０、温度センサ５１、及び制御装置５２等により構成したことを特徴としている。

切り替え弁５０は、例えば電気的に切り替えを行う三方弁である。この切り替え弁５０は、尿素水タンク１０と切り替え弁５０とを接続する配管２３ａを、尿素水ポンプ２２に直接接続する配管２３ｂ、又は尿素水クーラ３２に接続するバイパス配管３６に選択的に接続する。切り替え弁５０は制御装置５２に接続されており、制御装置５２の制御により上記の切り替え処理を行う構成とされている。なお、上記の配管２３ａ，２３ｂはサクション配管２３の一部を構成する。

温度センサ５１はサクション配管２３に配設されており、サクション配管２３内を流れる尿素水１１の温度を検出する。温度センサ５１は制御装置５２に接続されており、検出された尿素水１１の温度は制御装置５２に送られる。

制御装置５２は、温度センサ５１から送られる尿素水１１の温度に基づき、切り替え弁５０の切り替え制御を行う。即ち、温度センサ５１で検出された尿素水１１の温度が劣化が問題となる４０℃を超えた場合には、制御装置５２は配管２３ａとバイパス配管３６が接続するよう切り替え弁５０を制御する。

よって尿素水１１の温度が４０℃よりも高くなると、図６に示す例においても、尿素水１１の流路は尿素水クーラ３２に流れ込む流路に切り替えられる。これにより、ＮＯｘの浄化機能が低下したり、アンモニア発生による異臭が発生したりすることを防止することができる。

一方、温度センサ５１で検出された尿素水１１の温度が劣化が問題となる４０℃よりも低い場合には、制御装置５２は配管２３ａと配管２３ｂが接続するよう切り替え弁５０を制御する。この場合、尿素水タンク１０からの尿素水１１は、尿素水クーラ３２により冷却されることなく尿素水ポンプ２２に供給されるため、尿素水１１が過冷却されることを防止することができる。

なお上記した実施形態では、尿素水冷却装置３０Ａ，３０Ｂを尿素水タンク１０と尿素水ポンプ２２を接続するサクション配管２３に設けた例を示した。しかしながら、尿素水冷却装置３０Ａ，３０Ｂの配設位置はサクション配管２３に限定されるものではなく、図３に矢印Ａ１で示すリターン配管２４に設けても、また矢印Ａ２で示す供給配管２５に配設した構成としてもよい。いずれの場所に尿素水冷却装置３０Ａ，３０Ｂを配設しても、尿素水１１の冷却処理を行うことができる。

しかしながら、サクション配管２３はリターン配管２４及び供給配管２５に比べて尿素水１１の流量が多い配管である。よって、尿素水１１が多く流れサクション配管２３に尿素水冷却装置３０Ａ，３０Ｂを設けることにより、尿素水１１を効率良く冷却することができる。

また、噴射ノズル２１及び尿素水ポンプ２２は、尿素水１１の温度が上昇して劣化が発生した場合、ダメージが大きい装置である。よって、噴射ノズル２１及び尿素水ポンプ２２を保護する点からは、尿素水１１が尿素水ポンプ２２に流入する前において尿素水１１を冷却することが望ましい。

以上の理由から、尿素水冷却装置３０Ａ，３０Ｂをサクション配管２３に配設した場合、その効果は他の配管２４，２５に設けた場合に比べて大きくなる。

また上記した実施形態では、尿素水クーラ３２を熱交換機ユニット１３を構成するラジエータ１４の前に配置した例を示した。しかしながら、尿素水クーラ３２の配設位置はこの位置に限定されるものではなく、尿素水１１の冷却を行うことができれば他の位置であってもよい。その場合、図６に示すように尿素水クーラ３２を強制的に冷却風を供給する冷却ファン５５等を設けた構成としてもよい。

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。

１ 下部走行体
２ 上部旋回体
７ エンジンルーム
８ ディーゼルエンジン
９ 排ガス処理装置
１０ 尿素水タンク
１１ 尿素水
１３ 熱交換機ユニット
２０ 尿素水噴射装置
２１ 噴射ノズル
２２ 尿素水ポンプ
２３ サクション配管
２４ リターン配管
２５ 供給配管
３０Ａ，３０Ｂ 尿素水冷却装置
３２ 尿素水クーラ
３４Ａ，３４Ｂ 切り替え装置
３６ バイパス配管
４０ スプールハウジング
４１ スプール
４２ サーモアクチュエータ
４３ ピストン
４４ リターンスプリング
５０ 切り替え弁
５１ 温度センサ
５２ 制御装置
５５ 冷却ファン
Ｐ１〜Ｐ３ ポート

Claims (3)

1. 液体還元剤が充填された液体還元剤用タンクと、
   エンジンの排気管の所定位置に前記液体還元剤を噴射する噴射ノズルと、
   前記液体還元剤用タンクから前記噴射ノズルに前記液体還元剤を圧送する液体還元剤用ポンプと、
   前記液体還元剤用タンクから前記噴射ノズルに至る配管に設けられ、前記液体還元剤を冷却する液体還元剤冷却装置とを有し、
   前記液体還元剤冷却装置は、
   前記液体還元剤を冷却する液体還元剤用クーラと、
   前記液体還元剤の温度が所定値以上になった際、前記液体還元剤が前記液体還元剤用クーラに流入するよう、前記液体還元剤の流路の切り替えを行う切り替え装置とを有しており、
   前記液体還元剤冷却装置を、前記液体還元剤用タンクから前記液体還元剤用ポンプに向け前記液体還元剤が流れる配管に設け、前記液体還元剤用クーラを前記エンジンのラジエータ前に配設したことを特徴とする建設機械。
2. 前記切り替え装置は、サーモバルブであることを特徴とする請求項１記載の建設機械。
3. 前記切り替え装置は、
   前記液体還元剤の温度を検出する温度センサと、
   前記液体還元剤の流れを切り替える切り替え弁と、
   前記温度センサからの出力に基づき、前記切り替え弁の切り替え制御を行う制御手段と
   を有することを特徴とする請求項１又は２記載の建設機械。

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