(57)【要約】【課題】エンジンの負荷変動が大きく、回転数が非定常状態で動作する場合に、アンモニアスリップの発生を効果的に抑制することができる排気浄化装置の提供。【解決手段】エンジン１から導かれた排気ガスを排出する排気管１０に設けられ、排気管１０内を流通する排気ガス中の窒素酸化物を還元して浄化するＮＯｘ浄化手段１７を備え、このＮＯｘ浄化手段１７は、ＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量を算出するＮＨ３流量算出手段と、ＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量とこの流量のアンモニアを含む排気ガスの流量との関係が予め設定され、ＮＨ３流量算出手段で算出されたアンモニアの流量に応じたアンモニアを含む排気ガスの流量を算出する第１関数発生手段と、第１関数発生手段で算出された排気ガスの流量に応じてＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御手段とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから導かれた排気ガスを排出する排気管と、この排気管に設けられ、前記排気管内を流通する排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元して浄化するＮＯｘ浄化手段とを備え、このＮＯｘ浄化手段は、前記排気管内にアンモニアを供給するＮＨ３供給手段と、このＮＨ３供給手段によって供給されたアンモニアと排気ガス中の窒素酸化物との反応を促進するＮＯｘ触媒と、このＮＯｘ触媒よりも下流側に設けられ、前記ＮＯｘ触媒から導かれた排気ガス中のアンモニアを酸化するＮＨ３スリップ触媒とから少なくとも構成される排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ浄化手段は、
前記ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を算出するＮＨ３流量算出手段と、
前記ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量とこの流量のアンモニアを含む排気ガスの流量との関係が予め設定され、前記ＮＨ３流量算出手段によって算出されたアンモニアの流量に応じたアンモニアを含む排気ガスの流量を算出する排気ガス流量算出手段と、
この排気ガス流量算出手段によって算出された排気ガスの流量に応じて前記ＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御手段とを有することを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排気浄化装置において、
前記ＮＨ３流量算出手段は、
前記ＮＨ３スリップ触媒を通過する排気ガスの温度を計測する温度計測手段と、
この温度計測手段によって計測された温度と前記ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量との関係が予め設定され、前記温度計測手段によって計測された温度に応じたアンモニアの流量を算出するアンモニア温度流量算出手段とを含むことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の排気浄化装置において、
前記ＮＯｘ浄化手段は、
前記排気管内を流通するアンモニアの流量を計測するＮＨ３流量計測手段を有し、
前記排気ガス流量制御手段は、
前記ＮＨ３流量計測手段によって計測されたアンモニアの流量が、前記ＮＨ３流量算出手段によって算出された前記ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を超えている場合に、前記ＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を制御し、前記ＮＨ３流量計測手段によって計測されたアンモニアの流量が、前記ＮＨ３流量算出手段によって算出された前記ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を超えていない場合に、前記ＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を制御しないことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の排気浄化装置において、
前記排気ガス流量制御手段は、前記ＮＯｘ触媒から導かれた排気ガスをこのＮＯｘ触媒よりも上流側へ分流して戻す分流手段を含むことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項５】
請求項４に記載の排気浄化装置において、
前記分流手段は、
一端が前記排気管のうち前記ＮＯｘ触媒と前記ＮＨ３スリップ触媒との間に接続され、他端が前記排気管のうち前記ＮＯｘ触媒よりも上流側に接続された分岐管と、
この分岐管の前記一端に開閉可能に設けられ、前記分岐管及び前記ＮＨ３スリップ触媒へ分配する排気ガスの流量を調整する流れ調整板とを有することを特徴とする排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元して浄化する排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、エンジンを備えて動作する油圧ショベル等の作業機械は、走行体と、この走行体の上方に配置された旋回体と、この旋回体に設けられ、作業者が乗車するキャブと、旋回体の前方に取り付けられ、キャブ内の作業者の操作によって掘削等の作業を行うフロント作業機とを備えている。上述の旋回体は、キャブの後方に配置されたエンジンルームと、このエンジンルーム内に配設された上述のエンジンと、このエンジンから導かれた排気ガスを外部へ排出する排気管とを有している。
【０００３】
ここで、排気管から排出される排気ガスには一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、及び煤等の有害な物質が含まれているので、旋回体の内部にはこれらの有害な物質を処理する排気浄化装置が設けられている。具体的には、排気浄化装置は、排気管に設けられ、排気管内を流通する排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元して浄化するＮＯｘ浄化手段を備えている。
【０００４】
このＮＯｘ浄化手段は、排気ガス中に含まれる窒素酸化物を還元することによって水と窒素に分解し、排気ガス中の窒素酸化物の濃度を低減するものである。ＮＯｘ浄化手段は、例えば排気管に設けられたＮＯｘ触媒と、排気管のうちＮＯｘ触媒よりも上流側に配設され、アンモニア（ＮＨ３）を排気管内へ供給するアンモニア供給手段とを有している。そして、アンモニア供給手段によって供給されたアンモニアがＮＯｘ触媒において排気ガス中に含まれる窒素酸化物と還元反応することによって窒素酸化物を無害な水と窒素に分解して浄化している。
【０００５】
このような排気ガス中に含まれる窒素酸化物等を処理して浄化する排気浄化装置の従来技術の１つとして、上述したＮＯｘ触媒及びアンモニア供給手段に加え、排気管のＮＯｘ触媒よりも上流側に配設された前段処理装置と、アンモニア供給手段によるアンモニアの供給を制御するアンモニア供給制御手段と、排気管のＮＯｘ触媒と前段処理装置との間の温度を検出する温度検出手段とを備え、アンモニア供給制御手段が、温度検出手段によって検出される温度が所定温度未満のとき、アンモニア供給手段からのアンモニアの供給を禁止する一方、アンモニアの供給の禁止に拘わらず、温度検出手段によって検出される温度の上昇速度が所定速度に達すると、禁止を解除してアンモニアの供給を開始する排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この従来技術の排気浄化装置では、アンモニア供給手段による排気管内へのアンモニアの供給は尿素水を用いて行われている。具体的には、アンモニア供給手段は、例えば尿素水を貯蔵する尿素水タンクと、排気管のうちＮＯｘ触媒よりも上流側に配設され、尿素水タンクから供給された尿素水を排気管内へ噴射する噴射手段とを有している。そして、この噴射手段によって噴射された尿素水が排気ガスの熱で加水分解することにより、アンモニアが排気管内で生成するようになっている。
【０００７】
しかしながら、生成されたアンモニアの全てがＮＯｘ触媒において必ずしも排気ガス中の窒素酸化物と反応するわけではなく、排気管内の条件によって反応せずに余剰になったアンモニアが排気ガスに流されてＮＯｘ触媒を通過し、そのまま大気中に放出される、いわゆるアンモニアスリップが発生することがある。そこで、排気浄化装置では、ＮＯｘ触媒から導かれた未反応のアンモニアを酸化する酸化触媒、すなわちＮＨ３スリップ触媒がＮＯｘ触媒よりも下流側に設けられている。従って、排気浄化装置は、ＮＯｘ触媒から導かれたアンモニアをＮＨ３スリップ触媒において無害な窒素（Ｎ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）に分解し、大気中へ放出することを防止している。
【０００８】
また、エンジンの始動開始時のようにＮＯｘ触媒を通過する排気ガスの温度が低い場合には、ＮＯｘ触媒の温度が上昇せず、ＮＯｘ触媒によるアンモニアの吸着能力が低下するので、上述したアンモニアスリップが発生し易くなる。上述した従来技術の排気浄化装置では、アンモニア供給制御手段が、温度検出手段によって検出される温度に応じて尿素水の供給を制御することにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物と反応するのに最適なアンモニアの量が生成される。従って、アンモニアがＮＯｘ触媒で排気ガス中の窒素酸化物と反応せずに余剰になったとしても、ＮＯｘ触媒から過度に流出されず、ＮＨ３スリップ触媒で十分に処理される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１２８０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで、油圧ショベル等の建設機械は、アイドル状態で運転するときには、エンジンの負荷変動が小さく、回転数が定常状態で動作する。一方、建設機械は、フロント作業機を操作して掘削等の作業を行うことにより、運転中にエンジンの負荷変動が大きくなり、エンジンの回転数が非定常状態で動作する。そのため、作業中に急激なエンジンの回転数の上昇が起こることにより、エンジンから排気ガスが勢いよく噴出されると共に、エンジンから排出される排気ガスの排出量が増加する。しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来技術の排気浄化装置は、このようなエンジンの動作状態が考慮されておらず、温度検出手段によって得られた温度に基づいてアンモニア供給制御手段が尿素水の供給を制御しても、排気管内で生成されるアンモニアの供給がエンジンから排出される排気ガスの排出量の増減に直ちに対応することができない虞がある。
【００１１】
このように、特許文献１に開示された従来技術の排気浄化装置は、建設機械が掘削等の作業を行うときのように、負荷変動が大きく、回転数が非定常状態で動作する場合に、尿素水の加水分解によって生成されるアンモニアの供給量と、排気ガスに含まれる窒素酸化物の排出量とのバランスが悪くなるので、ＮＯｘ触媒で反応せずに余剰になったアンモニアをＮＨ３スリップ触媒で十分に酸化して処理することができず、アンモニアスリップの発生を効果的に抑制できないことが懸念されている。
【００１２】
本発明は、このような従来技術の実情からなされたもので、その目的は、エンジンの負荷変動が大きく、回転数が非定常状態で動作する場合に、アンモニアスリップの発生を効果的に抑制することができる排気浄化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明の排気浄化装置は、エンジンから導かれた排気ガスを排出する排気管と、この排気管に設けられ、前記排気管内を流通する排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元して浄化するＮＯｘ浄化手段とを備え、このＮＯｘ浄化手段は、前記排気管内にアンモニアを供給するＮＨ３供給手段と、このＮＨ３供給手段によって供給されたアンモニアと排気ガス中の窒素酸化物との反応を促進するＮＯｘ触媒と、このＮＯｘ触媒よりも下流側に設けられ、前記ＮＯｘ触媒から導かれた排気ガス中のアンモニアを酸化するＮＨ３スリップ触媒とから少なくとも構成される排気浄化装置において、前記ＮＯｘ浄化手段は、前記ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を算出するＮＨ３流量算出手段と、前記ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量とこの流量のアンモニアを含む排気ガスの流量との関係が予め設定され、前記ＮＨ３流量算出手段によって算出されたアンモニアの流量に応じたアンモニアを含む排気ガスの流量を算出する排気ガス流量算出手段と、この排気ガス流量算出手段によって算出された排気ガスの流量に応じて前記ＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御手段とを有することを特徴としている。
【００１４】
このように構成した排気浄化装置は、ＮＯｘ触媒で反応せずに余剰になり、ＮＨ３スリップ触媒へ導かれたアンモニアに対して、ＮＨ３流量算出手段がこのＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を算出する。また、排気ガス流量算出手段は、ＮＨ３流量算出手段で算出されたアンモニアの流量、及び予め設定されたＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量とこの流量のアンモニアを含む排気ガスの流量との関係に基づいて、ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能な流量のアンモニアを含む排気ガスの流量を算出する。そして、排気ガス流量制御手段は、このようにして算出された排気ガスの流量に応じてＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を制御しているので、急激なエンジンの回転数の上昇が起こってエンジンから排出される排気ガスの排出量が増加したとしても、ＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガス中のアンモニアの量が過剰にならず、アンモニアをＮＨ３スリップ触媒で十分に酸化して処理することができる。
【００１５】
特に、本発明の排気浄化装置は、ＮＨ３供給手段から供給されるアンモニアの供給量の調整を行わなくても、排気ガス流量制御手段によってＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を直接調整することにより、エンジンの負荷変動が大きく、回転数が非定常状態で動作してエンジンの排気ガスの排出量が増減しても、ＮＨ３スリップ触媒へ導かれるアンモニアの量をＮＨ３スリップ触媒における処理能力の範囲内に迅速に対応させることができる。このように、エンジンの負荷変動が大きく、回転数が非定常状態で動作するときでも、アンモニアスリップの発生を効果的に抑制することができる。
【００１６】
また、本発明に係る排気浄化装置は、前記発明において、前記ＮＨ３流量算出手段は、前記ＮＨ３スリップ触媒を通過する排気ガスの温度を計測する温度計測手段と、この温度計測手段によって計測された温度と前記ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量との関係が予め設定され、前記温度計測手段によって計測された温度に応じたアンモニアの流量を算出するアンモニア温度流量算出手段とを含むことを特徴としている。
【００１７】
このように構成した本発明は、アンモニア温度流量算出手段は、温度計測手段によって計測された温度、及び予め設定された温度計測手段によって計測された温度とＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量との関係に基づいて、ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を算出する。従って、ＮＨ３流量算出手段は、実際の温度条件を考慮したＮＨ３スリップ触媒における酸化可能なアンモニアの流量を算出できるので、排気ガス流量制御手段がＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を適切に調整することができる。
【００１８】
また、本発明に係る排気浄化装置は、前記発明において、前記ＮＯｘ浄化手段は、前記排気管内を流通するアンモニアの流量を計測するＮＨ３流量計測手段を有し、前記排気ガス流量制御手段は、前記ＮＨ３流量計測手段によって計測されたアンモニアの流量が、前記ＮＨ３流量算出手段によって算出された前記ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を超えている場合に、前記ＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を制御し、前記ＮＨ３流量計測手段によって計測されたアンモニアの流量が、前記ＮＨ３流量算出手段によって算出された前記ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を超えていない場合に、前記ＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を制御しないことを特徴としている。
【００１９】
このように構成した本発明は、ＮＨ３流量計測手段によって計測されたアンモニアの流量が、ＮＨ３流量算出手段によって算出されたＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を超えると、排気ガス流量制御手段による排気ガスの流量の制御が開始され、ＮＨ３流量計測手段によって計測されたアンモニアの流量が、ＮＨ３流量算出手段によって算出されたＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を超えなくなるまで排気ガス流量制御手段による制御が継続されるので、ＮＨ３スリップ触媒へ導かれるアンモニアの流量をＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量以下に確実に抑えることができる。
【００２０】
また、本発明に係る排気浄化装置は、前記発明において、前記排気ガス流量制御手段は、前記ＮＯｘ触媒から導かれた排気ガスをこのＮＯｘ触媒よりも上流側へ分流して戻す分流手段を含むことを特徴としている。このように構成すると、エンジンから導かれた排気ガスに含まれる窒素酸化物をＮＯｘ触媒において還元して処理した後、反応せずに余剰になったアンモニアのうちＮＨ３スリップ触媒で酸化できない余分なアンモニアを含む排気ガスを分流手段によってＮＯｘ触媒よりも上流側へ分流して戻すことにより、この余分なアンモニアを利用してＮＯｘ触媒において再び排気ガス中の窒素酸化物を処理することができる。
【００２１】
また、本発明に係る排気浄化装置は、前記発明において、前記分流手段は、一端が前記排気管のうち前記ＮＯｘ触媒と前記ＮＨ３スリップ触媒との間に接続され、他端が前記排気管のうち前記ＮＯｘ触媒よりも上流側に接続された分岐管と、この分岐管の前記一端に開閉可能に設けられ、前記分岐管及び前記ＮＨ３スリップ触媒へ分配する排気ガスの流量を調整する流れ調整板とを有することを特徴としている。このように構成すると、排気ガス流量算出手段によって算出された排気ガスの流量に応じて流れ調整板で分岐管の一端の開閉度合いを変化させることにより、ＮＯｘ触媒を通過した排気ガスのうちＮＯｘ触媒よりも上流側へ戻す排気ガスの流量、及びＮＨ３スリップ触媒へ導く排気ガスの流量の双方を同時に調整することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の排気浄化装置は、エンジンから排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元して浄化するＮＯｘ浄化手段を備え、このＮＯｘ浄化手段は、ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量を算出するＮＨ３流量算出手段と、ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量とこの流量のアンモニアを含む排気ガスの流量との関係が予め設定され、ＮＨ３流量算出手段によって算出されたアンモニアの流量に応じたアンモニアを含む排気ガスの流量を算出する排気ガス流量算出手段と、この排気ガス流量算出手段によって算出された排気ガスの流量に応じてＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御手段とを有している。従って、ＮＨ３流量算出手段及び排気ガス流量算出手段によって算出された排気ガスの流量に応じて排気ガス流量制御手段がＮＨ３スリップ触媒へ導かれる排気ガスの流量を制御しているので、エンジンの負荷変動が大きく、回転数が非定常状態で動作することによってエンジンの排気ガスの排出量が急激に変化したとしても、ＮＨ３スリップ触媒へ導かれるアンモニアの量をＮＨ３スリップ触媒における処理能力の範囲内に迅速に対応させることができる。このように、エンジンの負荷変動が大きく、回転数が非定常状態で動作するときでも、アンモニアスリップの発生を効果的に抑制することができ、従来よりも適応能力が高く、環境性に優れた排気浄化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る排気浄化装置が備えられる油圧ショベルを示す側面図である。
【図２】本発明に係る排気浄化装置の一実施形態の構成を示す図である。
【図３】図２に示す本実施形態の要部を説明する図であり、（ａ）図は流れ調整板が分岐管を閉じた状態を示す図、（ｂ）図は流れ調整板が分岐管を開いた状態を示す図である。
【図４】本実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図５】ＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量と排気ガスの流量との関係を示す図である。
【図６】排気ガスの温度とＮＨ３スリップ触媒で酸化可能なアンモニアの流量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る排気浄化装置を実施するための形態を図に基づいて説明する。
【００２５】
本発明に係る排気浄化装置の一実施形態は、例えば図１に示すように油圧ショベル４１に備えられる。この油圧ショベル４１は、走行体４２と、この走行体４２の上側に配置され、旋回フレーム４３ａを有する旋回体４３と、この旋回体４３の前方に取り付けられて上下方向に回動するフロント作業機４４とから構成されている。また、旋回体４３は、前方に配置されたキャブ４７と、後方に配置されたカウンタウェイト４６と、これらキャブ４７及びカウンタウェイト４６の間に配置されたエンジンルーム４５と、このエンジンルーム４５の上側に設けられ、エンジンルーム４５を開閉可能に閉塞する車体カバー４８とを備えている。
【００２６】
さらに、旋回体４３は、図１、図２に示すようにエンジンルーム４５内に収納されたエンジン１と、このエンジン１から導かれた排気ガスを排出する排気管１０とを備えており、本実施形態は、この排気管１０を流通する排気ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、及び煤等の有害な物質を処理するものである。なお、上述した車体カバー４８には、旋回体４３の内部で排気管１０に接続され、排気管１０内を流通する排気ガスを外部へ放出する尾管５０が設けられている。
【００２７】
旋回体４３は、燃料を噴射する図示しない燃料噴射ポンプと、エンジン１に接続され、燃料噴射ポンプから供給された燃料を高圧で蓄える不図示のコモンレールと、エンジン１の各気筒に設けられ、コモンレールから高圧の燃料が供給される図示しないインジェクタとを備え、このインジェクタからエンジン１の各気筒内へ燃料を噴射するようになっている。また、旋回体４３は、一端が外部の空気を内部へ吸気し、他端がエンジン１に接続された吸気管２，３と、この吸気管３の途中に設けられ、吸気管３から吸気した空気を清浄するエアクリーナ５と、吸気管２と吸気管３との間に設けられるとともに、このエアクリーナ５の下流側に配置され、エンジン１の熱効率を高めるターボチャージャ４とを備えている。
【００２８】
このターボチャージャ４は、例えばエアクリーナ５を通過した空気を過給するコンプレッサ４ａと、吸気管３の他端に接続されると共に、排気管１０の上流側に設けられたタービン４ｂとから構成されている。従って、タービン４ｂの回転軸は、コンプレッサ４ａの回転軸と連結されており、タービン４ｂが排気管１０内を流通する排気ガスを受けて回転し、この回転力でコンプレッサ４ａを駆動するようになっている。
【００２９】
一方、吸気管２は、一端がターボチャージャ４のコンプレッサ４ａに接続されると共に、他端がエンジン１に接続されている。また、吸気管２には、コンプレッサ４ａによって過給された空気を冷却するインタクーラ６と、このインタクーラ６とエンジン１との間に設けられ、インタクーラ６によって冷却された空気のうちエンジン１へ送出する空気の流量を制御する吸気制御弁７とを有している。
【００３０】
ここで、エンジン１は、吸気管２に接続され、吸気管２から送出された空気を各気筒に均等に分配する吸気マニホールド８と、排気管１０に接続され、排出される排気ガスを一つの管路に合流させる排気マニホールド９と、これらの吸気マニホールド８と排気マニホールド９とを接続し、燃料を燃焼した後に排出された排気ガスの一部を取り出して排気側から吸気側へ再度吸気させるＥＧＲ通路１２と、このＥＧＲ通路１２に設けられたＥＧＲ弁１１とを有している。
【００３１】
本実施形態では、旋回体４３は、上述した吸気制御弁７の開閉動作を制御したり、後述する各種の手段の動作を制御するエレクトロニックコントロールユニット（ＥＣＵ）３０と、エンジン１から排出される排気ガスに含まれる有害なパティキュレートマター（ＰＭ）を処理するＰＭ浄化手段１５と、このＰＭ浄化手段１５内における後述の触媒の活性を確保するように排気ガスの温度を上昇させる排気絞り弁１３と、排気管１０内を流通する排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元して浄化するＮＯｘ浄化手段１７とを備えている。
【００３２】
そして、これらの排気絞り弁１３、ＰＭ浄化手段１５、及びＮＯｘ浄化手段１７は、排気管１０の上流側から下流側へ向かって排気管１０にこの順序で設けられている。すなわち、排気管１０は、一端がエンジン１に接続されると共に、ターボチャージャ４のタービン４ｂ、排気絞り弁１３、ＰＭ浄化手段１５、及びＮＯｘ浄化手段１７を経由して他端が尾管５０に接続されている。
【００３３】
ＰＭ浄化手段１５は、例えば排気ガス中に含まれる粒子状のパティキュレートマター（ＰＭ）を捕集するパティキュレートフィルタ（ＰＦ）１９と、このパティキュレートフィルタ１９よりも上流側に設けられた前段酸化触媒１８とから構成されている。上述したパティキュレートフィルタ１９は、例えば白金等の酸化触媒付きの多孔質体から成るものであり、パティキュレートマターの成分は、主に固体炭素等の煤から成っているものである。
【００３４】
従って、エンジン１から排出された排気ガスは、排気管１０内を流通してタービン４ｂ、排気絞り弁１３、ＰＭ浄化手段１５の順に導かれ、ＰＭ浄化手段１５のパティキュレートフィルタ１９を通過した際に、排気ガス中に含まれるパティキュレートマターが上述の多孔質体の壁中に捕捉されるようになっている。
【００３５】
そして、パティキュレートマターが長期に渡ってパティキュレートフィルタ１９に捕捉され続けると、パティキュレートマターが多孔質体の壁中に堆積してパティキュレートフィルタ１９が次第に目詰まりを起こし、エンジン１の排気ガスの背圧が上昇するので、パティキュレートフィルタ１９によって捕集されたパティキュレートマターを適宜取り除く必要がある。そのため、ＰＭ浄化手段１５には、パティキュレートフィルタ１９によって捕集されたパティキュレートマターを燃焼して除去する再生処理を行う図示しない再生処理手段が設けられている。
【００３６】
この再生処理手段による再生処理は、例えばエンジン１の主噴射に対し進角又は遅角させてエンジン１の燃焼室内へ燃料を噴射する副噴射（パイロット噴射、ポスト噴射）を行って、排気ガス中に炭化水素や一酸化炭素を含ませる方式が採られており、これら未燃成分が前段酸化触媒１８において燃焼することで排気温度が上昇し、前段酸化触媒１８の下流側に位置するパティキュレートフィルタ１９において６００℃ほどの燃焼温度が得られ、この燃焼温度により煤等を燃焼させることで行われるようになっている。
【００３７】
一方、ＮＯｘ浄化手段１７は、例えば排気管１０内にアンモニアを供給する後述のＮＨ３供給手段と、このＮＨ３供給手段によって供給されたアンモニアと排気ガス中の窒素酸化物との反応を促進するＮＯｘ触媒２０と、このＮＯｘ触媒２０よりも下流側に設けられ、ＮＯｘ触媒２０から導かれた排気ガス中のアンモニアを酸化するＮＨ３スリップ触媒（後段酸化触媒）２１とから少なくとも構成されている。
【００３８】
上述したＮＨ３供給手段は、例えば尿素水を貯蔵する図示しない尿素水タンクと、排気管１０のうちＰＭ浄化手段１５とＮＯｘ触媒２０との間に配設され、尿素水タンクから供給された尿素水を排気管１０内へ噴射する噴射手段２３とを有している。そして、この噴射手段２３によって噴射された尿素水が排気ガスの熱で加水分解することにより、アンモニアが排気管１０内で生成するようになっている。
【００３９】
本実施形態では、排気管１０のうちＮＯｘ触媒２０の上流及び下流側、すなわちＰＭ浄化手段１５とＮＯｘ触媒２０との間、及びＮＨ３スリップ触媒２１とＮＯｘ触媒２０との間に、排気ガス中の窒素酸化物の濃度を計測するＮＯｘ濃度計測手段２２，２４がそれぞれ設けられている。これらのＮＯｘ濃度計測手段２２，２４はエレクトロニックコントロールユニット３０に接続されており、計測された濃度の情報がエレクトロニックコントロールユニット３０へ送信されるようになっている。
【００４０】
そして、エレクトロニックコントロールユニット３０は、ＮＯｘ濃度計測手段２２によって計測された窒素酸化物の濃度に基づいて窒素酸化物を処理するのに必要な尿素水の量を計算し、計算した尿素水が排気管１０内へ供給されるように噴射手段２３の噴射を制御する。また、エレクトロニックコントロールユニット３０は、ＮＯｘ濃度計測手段２４によって計測された窒素酸化物の濃度に基づいて実際に窒素酸化物を処理するのに不足した尿素水の量を計算し、噴射手段２３から噴射される尿素水の供給量を補正するようになっている。なお、ＮＯｘ濃度計測手段２２は、噴射装置２３よりも上流側に配置されている。
【００４１】
本実施形態では、ＮＯｘ浄化手段１７は、ＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量を算出するＮＨ３流量算出手段と、ＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量とこの流量のアンモニアを含む排気ガスの流量との関係が予め設定され、ＮＨ３流量算出手段によって算出されたアンモニアの流量に応じたアンモニアを含む排気ガスの流量を算出する第１関数発生手段（排気ガス流量算出手段）と、この第１関数発生手段によって算出された排気ガスの流量に応じてＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御手段とを有し、これらのＮＨ３流量算出手段、第１関数発生手段、及び排気ガス流量制御手段はエレクトロニックコントロールユニット３０に格納されている。
【００４２】
また、排気ガス流量制御手段は、例えば図２、図３に示すようにＮＯｘ触媒２０から導かれた排気ガスをこのＮＯｘ触媒２０よりも上流側へ分流して戻す分流手段２６を含んでおり、この分流手段２６は、一端が排気管１０のうちＮＯｘ触媒２０とＮＨ３スリップ触媒２１との間に接続され、他端が排気管１０のうちＮＯｘ触媒２０よりも上流側に接続された分岐管３１と、この分岐管３１の一端に開閉可能に設けられ、分岐管３１及びＮＨ３スリップ触媒２１へ分配する排気ガスの流量を角度に応じて調整する流れ調整板３３とを有している。
【００４３】
本実施形態では、分岐管３１の他端は、吸気管３のうちエアクリーナ５とターボチャージャ４のコンプレッサ４ａとの間に接続されている。また、分流手段２６は、流れ調整板３３の開閉角度が調整されるように回動可能に支持する支持部材３２と、この支持部材３２を駆動して流れ調整板３３の開閉角度を制御する駆動装置３４と、流れ調整板３３が閉じた際に流れ調整板３３が受ける衝撃を緩和すると共に、流れ調整板３３が閉じたときに排気ガスが分岐管３１へ漏れないように密閉するストッパ３５と、分岐管３１へ流れ込んだ排気ガスの流量を計測する排気ガス流量計測手段２７とを有している。
【００４４】
これらの駆動装置３４及び排気ガス流量計測手段２７はエレクトロニックコントロールユニット３０にそれぞれ接続され、排気ガス流量計測手段２７によって計測された排気ガスの流量の情報はエレクトロニックコントロールユニット３０に送信されるようになっている。そして、排気ガス流量制御手段は、駆動装置３４を駆動して流れ調整板３３を回動させると共に、排気ガス流量計測手段２７によって計測された排気ガスの流量に応じてフィードバックして流れ調整板３３を回動させる角度を補正するようになっている。
【００４５】
ここで、第１関数発生手段によって予め設定された関係は、例えば図５に示すようにＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量に対してこの流量のアンモニアを含む排気ガスの流量が比例するようになっている。さらに、上述したＮＨ３流量算出手段は、ＮＨ３スリップ触媒２１を通過する排気ガスの温度を計測する温度計測手段と、この温度計測手段によって計測された温度とＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量との関係が予め設定され、温度計測手段によって計測された温度に応じたアンモニアの流量を算出する第２関数発生手段（アンモニア温度流量算出手段）とを含んでいる。
【００４６】
温度計測手段は、例えば排気管１０のうちＮＯｘ触媒２０とＮＨ３スリップ触媒２１との間に設けられ、このＮＨ３スリップ触媒２１の近傍に配置された温度センサ２８と、この温度センサ２８によって検出された温度からＮＨ３スリップ触媒２１内部の温度を予測する温度予測手段とから成っている。なお、温度センサ２８は、エレクトロニックコントロールユニット３０に接続され、温度センサ２８によって検出された温度の情報はエレクトロニックコントロールユニット３０に送信されるようになっている。また、第２関数発生手段によって予め設定された関係は、例えば図６に示すように排気ガスの温度が上昇するに連れてＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量が増加し、このアンモニアの流量の増加率が排気ガスの温度が高温になる程鈍化するようになっている。
【００４７】
また、ＮＯｘ浄化手段１７は、例えば排気管１０のうちＮＯｘ触媒２０と分流手段２６との間に設けられ、排気管１０内を流通するアンモニアの流量を計測するＮＨ３流量計測手段２５を有している。このＮＨ３流量計測手段２５はエレクトロニックコントロールユニット３０に接続され、ＮＨ３流量計測手段２５によって計測されたアンモニアの流量の情報はエレクトロニックコントロールユニット３０に送信されるようになっている。
【００４８】
そして、排気ガス流量制御手段は、ＮＨ３流量計測手段２５によって計測されたアンモニアの流量が、ＮＨ３流量算出手段によって算出されたＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量を超えている場合に、図３（ｂ）に示すようにＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれる排気ガスの流量を制御し、ＮＨ３流量計測手段２５によって計測されたアンモニアの流量が、ＮＨ３流量算出手段によって算出されたＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量を超えていない場合に、図３（ａ）に示すようにＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれる排気ガスの流量を制御しないようにしている。
【００４９】
次に、本実施形態の動作を図４のフローチャートに基づいて説明する。
【００５０】
図４は本実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【００５１】
本実施形態は、図４に示すように油圧ショベル４１のエンジン１が始動すると（ステップ（以下、Ｓと記す）１）、エンジン１から排気管１０内へ排気ガスが排出される。このとき、排気ガスはＰＭ浄化手段１５、ＮＯｘ浄化手段１７の順に通過するので、ＮＯｘ濃度計測手段２２がＰＭ浄化手段１５とＮＯｘ触媒２０との間を流通する排気ガス中の窒素酸化物の濃度を計測し（Ｓ２）、エレクトロニックコントロールユニット３０は、計測された窒素酸化物の濃度に基づいて窒素酸化物を処理するのに必要な尿素水の量を計算する（Ｓ３）。
【００５２】
次に、エレクトロニックコントロールユニット３０は、手順Ｓ３において計算した尿素水が排気管１０内へ供給されるように噴射手段２３を制御し、噴射手段２３から尿素水が噴射される（Ｓ４）。そして、ＮＯｘ濃度計測手段２４が分流手段２６とＮＯｘ触媒２０との間を流通する排気ガス中の窒素酸化物の濃度を計測し（Ｓ５）、エレクトロニックコントロールユニット３０は、計測された窒素酸化物の濃度に基づいて実際に窒素酸化物を処理するのに不足した尿素水の量を計算する。
【００５３】
このとき、エレクトロニックコントロールユニット３０は、ＮＯｘ濃度計測手段２４によって計測された窒素酸化物の濃度が、例えば所定の値ａ（ｐｐｍ）よりも大きいかどうかを判断する（Ｓ６）。エレクトロニックコントロールユニット３０は、ＮＯｘ濃度計測手段２４によって計測された窒素酸化物の濃度が所定の値ａ（ｐｐｍ）よりも大きいと判断した場合、噴射手段２３から噴射される尿素水の供給量を補正する（Ｓ７）。
【００５４】
一方、手順Ｓ６においてエレクトロニックコントロールユニット３０は、ＮＯｘ濃度計測手段２４によって計測された窒素酸化物の濃度が所定の値ａ（ｐｐｍ）よりも大きくないと判断した場合、及び手順Ｓ７において噴射手段２３から噴射される尿素水の供給量が補正された後、ＮＨ３流量計測手段２５は、排気管１０のうちＮＯｘ触媒２０と分流手段２６との間を流通するアンモニアの流量を計測し（Ｓ８）、エレクトロニックコントロールユニット３０は、計測されたアンモニアの流量が、例えば所定の値ｂよりも大きいかどうかを判断する（Ｓ９）。
【００５５】
エレクトロニックコントロールユニット３０は、ＮＨ３流量計測手段２５によって計測されたアンモニアの流量が所定の値ｂよりも大きくないと判断した場合、手順Ｓ２の動作に戻る。一方、手順Ｓ９においてエレクトロニックコントロールユニット３０は、ＮＨ３流量計測手段２５によって計測されたアンモニアの流量が所定の値ｂよりも大きいと判断した場合、温度センサ２８が排気管１０のうちＮＯｘ触媒２０とＮＨ３スリップ触媒２１との間を流通する排気ガスの温度を検出し、温度予測手段が検出された温度からＮＨ３スリップ触媒２１内部の温度を予測する（Ｓ１０）。
【００５６】
次に、ＮＨ３流量算出手段の第２関数発生手段が、手順Ｓ１０において予測された温度に応じてＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量を算出する（Ｓ１１）。そして、排気ガス流量制御手段は、手順Ｓ８において計測されたアンモニアの流量が手順Ｓ１１において算出されたアンモニアの流量よりも大きいかどうかを判断する（Ｓ１２）。
【００５７】
このとき、排気ガス流量制御手段は、手順Ｓ８において計測されたアンモニアの流量が手順Ｓ１１において算出されたアンモニアの流量よりも大きくないと判断した場合、駆動装置３４を駆動して流れ調整板３３を回動させる制御を行わない。一方、手順Ｓ１２において排気ガス流量制御手段は、手順Ｓ８において計測されたアンモニアの流量が手順Ｓ１１において算出されたアンモニアの流量よりも大きいと判断した場合、第１関数発生手段は、手順Ｓ１１において算出されたアンモニアの流量に応じてこの流量のアンモニアを含む排気ガスの流量を算出する（Ｓ１３）。
【００５８】
その後、排気ガス流量制御手段は、手順Ｓ１３において算出された排気ガスの流量に基づいて流れ調整板３３を回動させる角度を算出する（Ｓ１４）。すなわち、この角度は、手順Ｓ１３において算出された流量の排気ガスがＮＨ３スリップ触媒２１へ分流するように求められる。そして、排気ガス流量制御手段は、駆動装置３４を駆動して流れ調整板３３を算出した角度だけ回動させる（Ｓ１５）。
【００５９】
本実施形態は、エンジン１がアイドル状態、例えばエンジン１の回転数が１０００（ｒｐｍ）の状態が６００秒継続するまで（Ｓ１６）、すなわち油圧ショベル４１が作業している間、上述した手順Ｓ２〜Ｓ１５の一連の動作を繰り返す。また、エンジン１の回転数が１０００（ｒｐｍ）の状態が６００秒継続した場合でも（Ｓ１６）、エンジン１が停止していなければ（Ｓ１７）、手順Ｓ２〜Ｓ１５の一連の動作を繰り返す。一方、エンジン１の回転数が１０００（ｒｐｍ）の状態が６００秒継続し（Ｓ１６）、エンジン１が停止した場合（Ｓ１７）、本実施形態の動作を終了する。
【００６０】
このように構成した本実施形態によれば、油圧ショベル４１の作業中に仮に急激なエンジン１の回転数の上昇が起こってエンジン１から排出される排気ガスの排出量が増加したとしても、手順Ｓ１１及び手順Ｓ１３においてＮＨ３流量算出手段と第１関数発生手段によってＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能な流量のアンモニアを含む排気ガスの流量が算出され、排気ガス流量制御手段が算出された排気ガスの流量に応じて流れ調整板３３を回動させることにより、ＮＯｘ触媒２０を通過した排気ガスを分岐管３１とＮＨ３スリップ触媒２１へ分配してＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれるアンモニアの量を抑えることができる。これにより、ＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれる排気ガス中のアンモニアの量が過剰にならず、アンモニアをＮＨ３スリップ触媒２１で十分に酸化して処理することができる。
【００６１】
従って、本実施形態は、排気ガス流量制御手段によってＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれる排気ガスの流量を流れ調整板３３で直接調整することにより、エンジン１の負荷変動が大きく、回転数が非定常状態で動作してエンジン１の排気ガスの排出量が増減しても、ＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれるアンモニアの量をＮＨ３スリップ触媒２１における処理能力の範囲内に迅速に対応させることができる。このように、エンジン１の負荷変動が大きく、回転数が非定常状態で動作するときでも、アンモニアスリップの発生を効果的に抑制することができる。これにより、適応能力が高く、環境性に優れた排気浄化装置を提供することができる。なお、本実施形態では、手順Ｓ７においてＮＯｘ濃度計測手段２４によって計測された窒素酸化物の濃度に応じて噴射手段２３から噴射される尿素水の供給量の補正も行っているので、アンモニアスリップの発生をより一層抑制することができる。
【００６２】
また、本実施形態は、手順Ｓ１０において温度センサ２８と温度予測手段によってＮＨ３スリップ触媒２１内部の温度を予測し、第２関数発生手段がこの予測された温度と図６に示す予め設定された関係に基づいて、ＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量を算出することにより、このアンモニアの流量の算出に実際のＮＨ３スリップ触媒２１の温度を反映できるので、排気ガス流量制御手段がＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれる排気ガスの流量を適切に調整することができる。これにより、分岐管３１とＮＨ３スリップ触媒２１への排気ガスの分配に対する排気ガス流量制御手段の精度を向上させることができる。特に、図６に示すように排気ガスの温度が低い程、排気ガスの温度に対するＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量の変化率が大きくなるので、エンジン１の始動時のようなＮＨ３スリップ触媒２１が十分に温められていないときに、排気ガス流量制御手段が排気ガスの流量を有効に制御することができる。
【００６３】
また、本実施形態は、手順Ｓ８においてＮＨ３流量計測手段２５で計測されたアンモニアの流量が、手順Ｓ１１においてＮＨ３流量算出手段で算出されたＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量を超えると、手順Ｓ１３〜Ｓ１５において駆動装置３４を駆動して流れ調整板３３を回動させる制御が開始され、手順Ｓ８においてＮＨ３流量計測手段２５で計測されたアンモニアの流量が、手順Ｓ１１においてＮＨ３流量算出手段で算出されたＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量を超えなくなるまで流れ調整板３３を回動させる制御が継続されるので、ＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれるアンモニアの流量をＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量以下に確実に抑えることができる。また、手順Ｓ１におけるエンジン１の始動後、手順Ｓ８においてＮＨ３流量計測手段２５で計測されたアンモニアの流量が、手順Ｓ１１においてＮＨ３流量算出手段で算出されたＮＨ３スリップ触媒２１で酸化可能なアンモニアの流量を超えなければ、流れ調整板３３によって分岐管３１の一端が塞がれた状態で維持されるので、例えば油圧ショベル４１の振動によってＮＨ３スリップ触媒２１へ導かれる排気ガスの流量が不必要に制限されることを防止することができる。
【００６４】
また、本実施形態は、排気ガス流量制御手段は、エンジン１から導かれた排気ガスに含まれる窒素酸化物をＮＯｘ触媒２０において還元して処理した後、反応せずに余剰になったアンモニアのうちＮＨ３スリップ触媒２１で酸化できない余分なアンモニアを含む排気ガスを、分流手段２６の分岐管３１からＮＯｘ触媒２０よりも上流側の吸気管３へ分流して戻すことにより、この余分なアンモニアでＮＯｘ触媒２０において再び排気ガスに含まれる窒素酸化物と反応させることができる。これにより、排気ガス中の窒素酸化物を効率良く処理すると共に、ＮＯｘ触媒２０において反応せずに余剰になったアンモニアを有効に活用することができる。
【００６５】
また、本実施形態は、分岐管３１の一端に設けられた流れ調整板３３が支持部材３２によって回動可能に支持されているので、排気ガス流量制御手段は、駆動装置３４を駆動して流れ調整板３３を手順Ｓ１４において算出された角度だけ回動させることにより、ＮＯｘ触媒２０を通過した排気ガスのうち分岐管３１へ流す排気ガスの流量、及びＮＨ３スリップ触媒２１へ導く排気ガスの流量の双方を同時に調整することができる。また、支持部材３２は、分岐管３１と排気管１０とが接続された部分のうち下流側に設けられているので、流れ調整板３３が支持部材３２を支点にして回動したときに、ＮＯｘ触媒２０を通過した排気ガスを分岐管３１内へ容易に誘導することができる。
【００６６】
なお、上述した本実施形態は、分流手段２６が分岐管３１と排気管１０とが接続された部分のうち下流側に設けられ、流れ調整板３３を回動可能に支持する支持部材３２を備え、流れ調整板３３を駆動装置３４で回動させることによって分岐管３１の一端を開閉した場合について説明したが、この場合に限らず、例えば分岐管３１の一端に設けられ、流れ調整板３３をスライド可能に支持するスライド支持手段を備え、流れ調整板３３を駆動装置３４でスライドさせることによって分岐管３１の一端を開閉しても良い。
【符号の説明】
【００６７】
１  エンジン
２，３  吸気管
４  ターボチャージャ
４ａ  コンプレッサ
４ｂ  タービン
５  エアクリーナ
６  インタクーラ
７  吸気制御弁
８  吸気マニホールド
９  排気マニホールド
１０  排気管
１１  ＥＧＲ弁
１２  ＥＧＲ通路
１３  排気絞り弁
１５  ＰＭ浄化手段
１７  ＮＯｘ浄化手段
１８  前段酸化触媒
１９  パティキュレートフィルタ
２０  ＮＯｘ触媒
２１  ＮＨ３スリップ触媒（後段酸化触媒）
２２，２４  ＮＯｘ濃度計測手段
２３  噴射手段
２５  ＮＨ３流量計測手段
２６  分流手段
２７  排気ガス流量計測手段
２８  温度センサ
３０  エレクトロニックコントロールユニット
３１  分岐管
３２  支持部材
３３  流れ調整板
３４  駆動装置
３５  ストッパ
４１  油圧ショベル
４２  走行体
４３  旋回体
４４  フロント作業機
５０  尾管
【図１】
2013142367.tif 000003
【図２】
2013142367.tif 000004
【図３】
2013142367.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013142367.tif 000007
【図６】
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