(57)【要約】【課題】フィルタ再生時の燃費を改善し、しかもエネルギー効率を高めて設備コストも安くする。【解決手段】エンジン１からの排ガスを排ガスフィルタ３に導入して浄化し、かつ、エンジン１の燃料噴射制御により排ガスを加熱して排ガスフィルタ３を再生するように構成された排ガス浄化装置において、排ガスフィルタ３の出口側に、フィルタ再生時に高温化して排ガスフィルタ３から出た高温排ガスと、同フィルタ３に導入される低温排ガスとを熱交換させる熱交換器６を設けた。この熱交換器６は、排ガスフィルタから出た高温排ガスが通される主パイプ７内に、低温排ガスが通される副パイプ８を、主パイプ７との間に排ガス通路が形成される状態で交差して設けることによって構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排ガスを排ガスフィルタに導入して浄化し、かつ、排ガスを加熱することによって排ガスフィルタを再生するように構成された排ガス浄化装置において、上記排ガスフィルタの出口側に、上記フィルタ再生時に再生作用により導入前よりも高温化して排ガスフィルタから出た高温排ガスと、同フィルタに導入される低温排ガスとを熱交換させる熱交換器を設けたことを特徴とする排ガス浄化装置。
【請求項２】
排ガスフィルタから出た高温排ガスが通される主パイプ内に、低温排ガスが通される副パイプを、主パイプとの間に高温排ガスの通路が形成される状態で交差して設けることによって熱交換器を構成したことを特徴とする請求項１記載の排ガス浄化装置。
【請求項３】
副パイプの外周に多数の放熱フィンを設けたことを特徴とする請求項２記載の排ガス浄化装置。
【請求項４】
排ガスフィルタから出た高温排ガスが通されるダクト内に、低温排ガスが通される多数のチューブを、チューブ間に高温排ガスの通路が形成される状態でダクトと交差して設けることによって熱交換器を構成したことを特徴とする請求項１記載の排ガス浄化装置。
【請求項５】
排ガスフィルタの再生時にエンジンの燃料噴射量を増加させる燃料噴射制御を行うことによって排ガスを加熱する制御手段と、排ガスフィルタから出た高温排ガスの温度を検出する温度センサとを備え、上記制御手段は、上記温度センサによって検出される高温排ガスの温度が、熱交換器による熱交換作用を行うのに十分な温度として予め設定された値以上となったときに燃料噴射量を減少させるように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
【請求項６】
制御手段は、高温排ガスの温度の検出値と設定値の偏差に応じて、偏差が大きいほど燃料噴射量の減少度合いを大きくする制御を行うように構成したことを特徴とする請求項５記載の排ガス浄化装置。
【請求項７】
熱交換器での熱交換作用によって低温化した排ガスを排出配管によって外部に排出するように構成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は油圧ショベル等の建設機械においてディーゼルエンジンから排出される排ガス中の有害物質を除去する排ガス浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンから排出される排ガスを排ガスフィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）に導入し、煤等のＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を除去して浄化する排ガス浄化装置が公知である（特許文献１参照）。
【０００３】
この種の排ガス浄化装置において、排ガスフィルタの浄化作用を一定に保つために、ＰＭの堆積量が一定以上となったときに、排ガスフィルタに堆積したＰＭを燃焼させて除去するフィルタ再生（自己再生ともいう）が行われる。
【０００４】
このフィルタ再生は、たとえばエンジン制御手段（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔrｏｌ  Ｕｎｉｔ。以下、ＥＣＵと表記する）による燃料噴射制御、すなわち、エンジン側で燃料を追加噴射して排ガスを加熱（通常は１５０℃〜２５０℃の排ガスを３５０℃〜６００℃まで加熱）することによって行われる。
【０００５】
あるいは、特許文献２に示されているように、排ガスフィルタの前面や外周に熱源としての電気ヒータを設け、フィルタ再生時にこの電気ヒータで排ガスを加熱する技術も公知である。
【特許文献１】特開平５−２６０３５号公報
【特許文献２】特開平６−１５９０３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前者の燃料噴射制御方式によると、燃料噴射量（１回当りの燃料噴射量または燃料噴射回数）を増加させることのみによって排ガス温度を高めるため、再生のための燃料消費量が多くなり、燃費が悪くなる。
【０００７】
また、後者の電気ヒータ方式でも、動力源はエンジンであるため、燃費が悪い点に変わりはない。
【０００８】
しかも、エンジンのエネルギーを電気に変換する分、エネルギー効率が悪いとともに、高価な電気ヒータを用いるため設備コストが高くつく。
【０００９】
そこで本発明は、フィルタ再生時の燃費を改善でき、しかもエネルギー効率を高めて設備コストも安くてすむ排ガス浄化装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、エンジンからの排ガスを排ガスフィルタに導入して浄化し、かつ、排ガスを加熱することによって排ガスフィルタを再生するように構成された排ガス浄化装置において、上記排ガスフィルタの出口側に、上記フィルタ再生時に再生作用により導入前よりも高温化して排ガスフィルタから出た高温排ガスと、同フィルタに導入される低温排ガスとを熱交換させる熱交換器を設けたものである。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、排ガスフィルタから出た高温排ガスが通される主パイプ内に、低温排ガスが通される副パイプを、主パイプとの間に高温排ガスの通路が形成される状態で交差して設けることによって熱交換器を構成したものである。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２のも構成において、副パイプの外周に多数の放熱フィンを設けたものである。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１の構成において、排ガスフィルタから出た高温排ガスが通されるダクト内に、低温排ガスが通される多数のチューブを、チューブ間に高温排ガスの通路が形成される状態で交差して設けることによって熱交換器を構成したものである。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの構成において、排ガスフィルタの再生時にエンジンの燃料噴射量を増加させる燃料噴射制御を行うことによって排ガスを加熱する制御手段と、排ガスフィルタから出た高温排ガスの温度を検出する温度センサとを備え、上記制御手段は、上記温度センサによって検出される高温排ガスの温度が、熱交換器による熱交換作用を行うのに十分な温度として予め設定された値以上となったときに燃料噴射量を減少させるように構成したものである。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項５の構成において、制御手段は、高温排ガスの温度の検出値と設定値の偏差に応じて、偏差が大きいほど燃料噴射量の減少度合いを大きくする制御を行うように構成したものである。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかの構成において、熱交換器での熱交換作用によって低温化した排ガスを排出配管によって外部に排出するように構成したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、フィルタ再生時に、排ガスフィルタに導入される低温排ガスを、フィルタから出た高温排ガスとの熱交換作用によって昇温させることができるため、燃料噴射制御や電気ヒータによる排ガス加熱の度合いが低くてすむ。
【００１８】
このため、請求項５,６の発明のようにフィルタ再生時に燃料噴射制御によって排ガスを加熱する方式（以下、燃料噴射制御方式という）をとる場合の燃料噴射量（１回当たりの燃料噴射量もしくは燃料噴射回数またはその双方）や、電気ヒータ方式をとる場合のヒータ電力を節減し、エネルギー効率を高めて燃費を改善することができる。
【００１９】
しかも、フィルタ再生作用によって高温化し、従来はそのまま外部に放出されていた排ガスの熱を熱交換に活用するため、特別な熱源が不要となり、エネルギー効率が良くて設備コストも安くてすむ。
【００２０】
請求項２,３の発明によると、主、副両パイプを交差させて熱交換器を構成するため、熱交換器の構造が簡単でコストが安くてすむ。
【００２１】
しかも、副パイプを主パイプ内に、高温排ガスの通路が形成される状態で交差して設けるため、両パイプを単に外部で接触または近接させるだけの構成と比較して、熱交換の効率が良いものとなる。
【００２２】
とくに請求項３の発明によると、副パイプの外周に放熱フィンを設けているため、熱交換効率をさらに高めることができる。
【００２３】
請求項４の発明によると、高温排ガスが通されるダクト内に、低温排ガスが通される多数のチューブを、チューブ間に高温排ガスの通路が形成される状態で交差して設けて熱交換器を構成するため、高、低温両排ガスの熱交換面積を大きくとることができ、これによって熱交換効率を高めることができる。
【００２４】
請求項５,６の発明によると、燃料噴射制御方式をとる場合に、排ガスフィルタから出る高温排ガスの温度が、熱交換器による熱交換作用を行うのに十分な温度として予め設定された値以上となったときに燃料噴射量を減少させるため、いいかえれば、フィルタ再生と燃料噴射量減少のタイミングを的確に合わせることができるため、燃料噴射量減少のタイミングが早過ぎてフィルタ再生作用が中断または低下したり、逆にタイミングが遅すぎてエネルギーの無駄となったりするおそれがない。
【００２５】
この場合、請求項６の発明によると、高温排ガスの温度の検出値と設定値の偏差に応じて、偏差が大きいほど燃料噴射量の減少度合いを大きくする制御を行うため、フィルタ再生作用と燃料噴射量低減のバランスをより的確にとることができる。
【００２６】
請求項７の発明によると、熱交換器での熱交換作用によって低温化した排ガスを外部に排出するため、高温状態のまま排出していた従来装置と比較して、周囲に対する熱害を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
実施形態では燃料噴射制御方式によってフィルタ再生を行う場合を例にとっている。
【００２８】
第１実施形態（図１〜図３参照）
図１はエンジン排気系の構成を模式的に示す。
【００２９】
１はエンジン、２はこのエンジン１の排気口に接続されたマフラーである。
【００３０】
マフラー２は、中間部に排ガスフィルタ（ＤＰＦ）３を備え、エンジン１の排気口から出た排ガスが、導入側排ガス配管４を通ってこの排ガスフィルタ３に導入され、煤等のＰＭが同フィルタ３によって除去される。
【００３１】
排ガスフィルタ３の出口側には排出側排ガス配管（排出配管）５が接続され、浄化された排ガスが同配管５を通って外部に排出される。
【００３２】
この排ガス除去装置においては、導入側及び排出側両排ガス配管４,５がそれぞれ上流部分４ａ,５ａと下流部分４ｂ,５ｂとに分割されるとともに、この両排ガス配管４,５が交差する部分に熱交換器６が設けられている。
【００３３】
この熱交換器６は、図２にも示すように主パイプ７と、これよりも小径でかつ外周に多数の放熱フィン８ａ…を備えた副パイプ８とによって構成される。なお、両パイプ７,８は、図示のような丸パイプに限らず、四角その他の角パイプでもよい。
【００３４】
主パイプ７は、一端（図では上端）が排出側排ガス配管５の上流部分５ａに、他端（同、下端）が同下流部分５ｂにそれぞれ接続され、排ガスフィルタ３から出た排ガスがこの主パイプ７内を通過する。
【００３５】
副パイプ８は、主パイプ７の下部において同パイプ内を直角に貫通し、かつ主パイプ７との間に排ガス通路９（図２参照）が形成される交差状態で設けられている。
【００３６】
この副パイプ８の一端（図では右端）は導入側排ガス配管４の上流部分４ａに、他端（同、左端）は同下流部分４ｂにそれぞれ接続され、エンジン１から出た排ガスがこの副パイプ８内を通って排ガスフィルタ３に導入される。
【００３７】
以下、説明の便宜上、排ガスを通過部位ごとに区別する必要がある場合に、エンジン１から出た直後の排ガスをフィルタ再生時には相対的に低温であることから低温排ガスと称して符号Ｇ１を付し、熱交換器６を出た排ガスを熱交換済み排ガスと称して符号Ｇ２を付し、排ガスフィルタ３から出た直後の排ガスを再生時に相対的に高温であることから高温排ガスと称して符号Ｇ３を付し、熱交換器６による熱交換後に排出側排ガス配管５の下流部分５ｂを通って外部に排出される排ガスを排出ガスと称して符号Ｇ４を付す。
【００３８】
一方、排出側排ガス配管５の上流部分５ａに、同部分を通る排ガスの温度を検出する温度センサ１０が設けられ、この温度センサ１０からの温度信号が、エンジン１の燃料噴射制御を行う制御手段としてのＥＣＵ１１に送られる。
【００３９】
また、センサとして、図示しないが排ガスフィルタ３のＰＭの堆積状態を検出するＰＭ堆積センサが設けられ、同センサからの信号もＥＣＵ１１に送られる。
【００４０】
ＥＣＵ１１は、ＰＭ堆積センサからの信号に基づいてＰＭ堆積量が一定以上となったときに排ガスフィルタ３の再生作用を行うべくエンジン１の燃料噴射制御を開始し、かつ、この再生中に燃料噴射量（１回当たりの燃料噴射量もしくは燃料噴射回数またはその双方）を減少させる制御を行う。
【００４１】
この点の作用を説明する。
【００４２】
エンジン１から出た排ガスは、導入側排ガス配管４の上流部分４ａ−熱交換器６の副パイプ８−導入側排ガス配管４の下流部分４ｂ−排ガスフィルタ３−排出側排ガス配管５の上流部分５ａ−熱交換器６の主パイプ７（副パイプ８との交差部分では排ガス通路９）−排出側排ガス配管５の下流部分５ｂのルートで流れ、排ガスフィルタ３で煤等のＰＭが除去される。
【００４３】
そして、排ガスフィルタ３に一定量以上のＰＭが堆積すると、エンジン１の燃料後噴射により排ガスを加熱して堆積ＰＭを燃焼させるフィルタ再生作用が開始され、このフィルタ再生中、高温排ガスＧ３はたとえば６００℃まで昇温して熱交換器６（主パイプ７）に流入する。
【００４４】
一方、エンジン１から出た低温排ガスＧ１は１５０℃〜２５０℃で熱交換器６（副パイプ８）に流入し、主パイプ７（排ガス通路９）を通る高温排ガスＧ１との間で熱交換作用が行なわれる。
【００４５】
この熱交換作用により、低温排ガスＧ１が高温排ガスＧ３に近い温度まで昇温し、熱交換済み排ガスＧ２として排ガスフィルタ３に導入される。
【００４６】
こうして、エンジン１から出た低温の排ガスを熱交換作用により昇温させた上で排ガスフィルタ３に導入するため、この熱交換による排ガスの昇温分、フィルタ再生中の排ガスの加熱度合いを減らすことが可能となる。
【００４７】
そこでこの装置においては、フィルタ再生時に、温度センサ１０によって検出される高温排ガスＧ３の温度が、熱交換器６による熱交換作用を行うのに十分な温度として予め設定された値（たとえば６００℃）以上となったときに、排ガスの加熱度合いを減らすべく、ＥＣＵ１１により、再生のための燃料噴射量を減少させる制御を行うようにしている。
【００４８】
これを図３のフローチャートによって説明する。
【００４９】
ステップＳ１でフィルタ再生が必要か否かを判断し、ＹＥＳのときにステップＳ２で燃料後噴射によるフィルタ再生が開始される。
【００５０】
続くステップＳ３で、排ガスフィルタ３から出た排ガス温度の検出値Ｔｏが設定値Ｔｓ以上となったか否かが判断され、ＹＥＳとなるとステップＳ４で燃料噴射量を減少させる燃料噴射量減少制御が行なわれる。
【００５１】
この燃料噴射量減少制御は、フィルタ再生中、連続して行なわれ、ステップＳ５でフィルタ再生完了と判断された後、フィルタ再生停止と同時に停止する。
【００５２】
このように、本装置によると、燃料噴射制御による排ガス加熱の度合いが低くてすむため、エネルギー効率を高めて燃料噴射量を減少させ、フィルタ再生時の燃費を改善することができる。
【００５３】
しかも、フィルタ再生作用によって高温化し、従来はそのまま外部に放出されていた排ガスの熱を熱交換に活用するため、特別な熱源が不要となり、エネルギー効率が良くて設備コストも安くてすむ。
【００５４】
また、主、副両パイプ７,８を交差させて熱交換器６を構成するため、熱交換器６の構造が簡単でコストが安くてすむ。
【００５５】
この場合、副パイプ８を主パイプ７内に、高温排ガスの通路９が形成される状態で交差して設けるため、両パイプ７,８を単に外部で接触または近接させるだけの構成と比較して、熱交換の効率が良いものとなる。
【００５６】
その上、副パイプ８の外周に多数の放熱フィン８ａ…を設けているため、熱交換効率をさらに高めることができる。
【００５７】
さらに、上記のように排ガスフィルタ３から出る排ガス温度の検出値Ｔｏが設定値Ｔｓ以上となったときに燃料噴射量を減少させるため、いいかえれば、フィルタ再生と燃料噴射量低減のタイミングを的確に合わせることができるため、燃料噴射量減少のタイミングが早過ぎてフィルタ再生作用が中断されたり、逆にタイミングが遅すぎてエネルギーの無駄となったりするおそれがない。
【００５８】
加えて、熱交換器６を通過した低温の排ガスを排出側排ガス配管５の下流部分５ｂから外部に排出するため、高温状態のまま排出していた従来装置と比較して、周囲に対する熱害を軽減することができる。
【００５９】
第２実施形態（図４参照）
第２実施形態においては、図１のＥＣＵ１１による燃料噴射量減少制御の内容のみが第１実施形態と異なる。
【００６０】
この相違点のみを説明すると、図４において、第１実施形態（図３）のステップＳ１〜ステップＳ３と同じステップＳ１１〜ステップＳ１３の後、ステップＳ１４で排ガス温度の検出値Ｔｏと設定値Ｔｓの偏差ΔＴ（Ｔｏ−Ｔｓ）が算出され、ステップＳ１５でこの偏差ΔＴに応じて燃料噴射量を減少させる制御、すなわち、偏差ΔＴが大きいほど熱交換作用による昇温効果が高くなることから燃料噴射量の減少度合いを大きくする制御が行なわれる。ステップＳ１６,Ｓ１７は図３のステップＳ５,Ｓ６と同じである。
【００６１】
この第２実施形態によると、フィルタ再生作用と燃料噴射量減少のバランスをより的確にとることができる。
【００６２】
第３実施形態（図５〜図７参照）
第１実施形態では、主、副両パイプ７,８によって熱交換器６を構成したのに対し、第３実施形態では、高温排ガスが通されるダクト１２内に、低温排ガスが通される多数の小径かつ波形に屈曲したチューブ１３…を、チューブ間に多数の高温排ガスの通路１４…が形成される状態でダクト１２と交差して設けることによって熱交換器１５を構成している。
【００６３】
チューブ１３…は、たとえば両端を多孔板状の支持板（図示しない）の孔に挿入した状態で固定することによって、ダクト１２内に一定間隔を置いて平行に設けている。
【００６４】
この構成によると、高、低温両排ガスの熱交換面積をより大きくとることができるため、熱交換効率を一層高めることができる。
【００６５】
なお、チューブ１３…は波形でなく直管状としてもよい。
【００６６】
他の実施形態
（１）上記実施形態では、フィルタ再生のための排ガス加熱手段としてエンジンの燃料を後噴射させる燃料噴射制御方式をとる場合を例にとったが、本発明は、電気ヒータ等の熱源によって排ガスを加熱する方式をとる場合にも適用することができる。
【００６７】
この場合、たとえば電気ヒータ方式において、フィルタ再生時に、熱交換作用による排ガス昇温分、ヒータ電流を減少させればよく、これにより消費電力を低減し、上記実施形態と同様にフィルタ再生時の燃費を改善することができる。
【００６８】
（２）第１実施形態の変形形態として、副パイプ８を主パイプ７外で主パイプ７と接触、または近接する配置で交差させ、あるいは平行に設けて熱交換器６を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる排ガス浄化装置を含むエンジン排気系の概略構成図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線拡大断面図である。
【図３】第１実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の第３実施形態における熱交換器の平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】同熱交換器の一部の斜視図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  エンジン
２  マフラー
３  排ガスフィルタ
４  導入側排ガス配管
５  排出側排ガス配管
６  熱交換器
７  主パイプ
８  副パイプ
８ａ  放熱フィン
９  排ガス通路
１０  温度センサ
１１  ＥＣＵ（制御手段）
１２  ダクト
１３  チューブ
１４  チューブ間の高温排ガスの通路
１５  熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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