JP2008031955A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンのマフラーに内装したパティキュレートフィルタによって捕修される粒子状物質や未燃焼物質等の燃焼除去を良好に行わせる。
【解決手段】作業車両等のエンジンルーム１に搭載格納したディーゼルエンジン２において、このエンジン２に接続するマフラー３を該エンジン２の本体上方側に近接配置させると共に、該マフラー３に酸化触媒４とディーゼルパティキュレートフィルタ５を、又はディーゼルパティキュレートフィルタ５のみを内装して設ける。また、該マフラー３本体の外周近接位置を、下部側を開放させたマフラーカバー６によって覆うと共に、このマフラーカバー６により、更に該マフラー３本体から突出させたテールパイプ７の全長又は適宜長の外周近接位置をも覆うべく延設したことを特徴とするディーゼルエンジンの構成とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、ディーゼルエンジンに関し、主として作業車両等に搭載するディーゼルエンジンの排気浄化装置の分野に属する。

従来、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中の黒煙を主体とする粒子状物質等を捕集して、排気ガスを浄化するディーゼルパティキュレートフィルタを備え排気ガスの浄化を図っているものが見受けられるが、このパティキュレートフィルタでは一定量以上の粒子状物質を捕集すると、パティキュレートフィルタが目詰まりして圧力損失が大きくなるため、複数のパティキュレートフィルタに交互に排気ガスを流し、休止側のパティキュレートフィルタを電気ヒーターやバーナー等による加熱手段により温度を上げることにより、捕集された粒子状物質（黒煙成分）、及び一部冷機時発生の未燃焼物質（白煙成分）等を燃焼除去し、再生を可能としているもの等が開示されている。（例えば、特許文献１参照）
このように、パティキュレートフィルタによって捕集された粒子状物質、及び一部の未燃焼物質等を燃焼させるためには何等かの加熱手段を必要とするが、従来の、電気ヒーターやバーナー等による加熱手段では、複数のパティキュレートフィルタを交互に切り替え排気ガスを流さなければ燃焼効果が得られないという、煩雑な構成によりコスト高となる不具合があると共に、取付スペースの確保や面倒な切替手段を必要とする等の難点がある。
特開２０００ー３５２３０３号公報

しかし、このような加熱手段としての電気ヒーターやバーナー等に替えて、近年、酸化触媒による酸化剤としての反応により、パティキュレートフィルタによって捕集された粒子状物質、及び一部の未燃焼物質等を連続的に燃焼させるものが見受けられるが、この酸化触媒においても、排気ガスの温度が低い状態では酸化剤として良好に反応させることができないという難点がある。

そこで、本発明は、排気ガスの温度が低いため、パティキュレートフィルタによって捕集された粒子状物質、及び一部の未燃焼物質等の燃焼が阻害されるという難点を解消しようとするものである。

請求項１の発明は、作業車両等のエンジンルーム１に搭載格納したディーゼルエンジン２において、このエンジン２に接続するマフラー３を該エンジン２の本体上方側に近接配置させると共に、該マフラー３に酸化触媒４とディーゼルパティキュレートフィルタ５を、又はディーゼルパティキュレートフィルタ５のみを内装して設けたことを特徴とするディーゼルエンジンの構成とする。

このような構成により、作業車両等のエンジンルーム１内において、ディーゼルエンジン２の本体上方側にマフラー３を近接配置していることにより、該エンジン２の排気マニホールドからの距離が近くなり排気ガスの温度低下が少なく、排気ガス温度が高い状態にあるため、酸化触媒４による酸化活性温度を良好に保持して排気ガス中の窒素酸化物から二酸化窒素を生成することができるから、この二酸化窒素を酸化剤として、ディーゼルパティキュレートフィルタ５によって捕集された排気ガス中のカーボンを主成分とする粒子状物質、及び一部の白煙成分としての未燃焼物質等を連続して燃焼させ除去することができる。

請求項２の発明は、前記マフラー３本体の外周近接位置を、下部側を開放させたマフラーカバー６によって覆うと共に、このマフラーカバー６により、更に該マフラー３本体から突出させたテールパイプ７の全長又は適宜長の外周近接位置をも覆うべく延設したことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの構成とする。

このような構成により、作業車両等のエンジンルーム１内におけるディーゼルエンジン２の本体上方側に近接配置している前記マフラー３において、このマフラー３の本体側は下部側を開放させた外周近接位置を、テールパイプ７側は全長又は適宜長の外周近接位置を各々マフラーカバー６にて覆うことにより、該マフラー３からの放熱を、該カバー６による遮蔽と、該カバー６内における下部開放部から上方側へ向けた空気の対流とによって断熱し、エンジンルーム１内の温度上昇を抑えることができる。

請求項１の発明では、上記作用の如く、作業車両等のエンジンルーム１内において、ディーゼルエンジン２の本体上方側にマフラー３を近接配置していることにより、排気ガス温度が高い状態にあり、従来、不十分であった酸化触媒４による酸化活性温度を良好に保持することができるから、従来からの構成を踏襲しながら連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ５の採用が可能となり、排気ガス中の窒素酸化物から生成された二酸化窒素を酸化剤として、ディーゼルパティキュレートフィルタ５によって捕集された排気ガス中の粒子状物質、及び一部の未燃焼物質等を連続的に燃焼させ除去することができる。

請求項２の発明では、上記作用の如く、作業車両等のエンジンルーム１内におけるディーゼルエンジン２の本体上方側に近接配置している前記マフラー３において、このマフラー３本体からテールパイプ７の全長又は適宜長に至る間の外周近接位置を、該本体下部側を開放させたマフラーカバー６によって覆うことにより、該マフラー３からの放熱によってエンジンルーム１内の温度が上昇する不具合を、該カバー６による遮蔽と、下部開放部から上方側へ向けた空気の対流とにより断熱し、エンジンルーム１内の温度上昇を抑えて良好な温度に緩和することができる。

作業車両等のエンジンルーム１に搭載格納したディーゼルエンジン２におけるマフラー３を、該エンジン２の本体上方側に近接配置させると共に、このマフラー３に酸化触媒４とディーゼルパティキュレートフィルタ５を、又はディーゼルパティキュレートフィルタ５のみを内装して設ける。また、該マフラー３本体の外周近接位置を下部側を開放させたマフラーカバー６によって覆うと共に、このマフラーカバー６により、更にマフラー３本体から突出させたテールパイプ７の全長又は適宜長の外周近接位置をも覆うべく延設する。

以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示す如く、作業車両としてのトラクタやコンバイン等のエンジンルーム１に搭載格納したディーゼルエンジン２は、多気筒形態でシリンダブロック８の上部にはシリンダヘッド９を、下部にはオイルパン１０を配設すると共に、前部にはギヤケース１１とラジエータファン１２を、後部にはフライホイル１３を各々配設させる。１４はクランク軸である。

該シリンダヘッド９に設けられた排気弁を通してシリンダブロック８内に連通の排気マニホールド１５を介して、該エンジン２の本体上方側に近接位置するようマフラー３を配置接続すると共に、このマフラー３に酸化触媒４（以下ＤＯＣという）とディーゼルパティキュレートフィルタ５（以下ＤＰＦという）を各々内装して設ける。

このような構成により、従来からの構成を踏襲しながら、該マフラー３本体が排気マニホールド１５からの距離が近くなり、排気ガスの温度低下を抑制することができるため、ＤＯＣ４による酸化活性温度を良好に保持して排気ガス中の窒素酸化物から二酸化窒素を生成することが可能となり、この二酸化窒素を酸化剤として、ＤＰＦ５によって捕集された排気ガス中のカーボンを主成分とする粒子状物質（以下ＰＭという）、及び一部の未燃焼物質（以下ＳＯＦという）等を連続的に燃焼させ除去することができる。

なお、このように、有害な窒素酸化物の利用により、酸化剤として二酸化窒素を生成してＰＭを燃焼させることによって、無害な二酸化炭素や水等への変換を可能にすることができる。

また、同じく図１（ａ），（ｂ）に示す如く、該マフラー３本体の外周近接位置を、下部側を開放させたマフラーカバー６によって覆うと共に、このマフラーカバー６により、更に、マフラー３本体の出口側から突設させたテールパイプ７の適宜長さの外周近接位置をも覆うべく展開延設させる。

このような構成により、該マフラー３の本体側とテールパイプ７側適宜長の外周近接位置を各々マフラーカバー６にて覆うことにより、該マフラー３からの放熱によってエンジンルーム１内の温度が上昇する不具合を、該カバー６による遮蔽と、該カバー６内における下部開放部から上方側へ向けた空気の対流による断熱とにより、エンジンルーム１内の温度上昇を抑え良好な温度に緩和することができる。

なお、図２に示す如く、該マフラー３の本体側とテールパイプ７側適宜長の外周近接位置を各々覆うマフラーカバー６において、該カバー６のテールパイプ７側の下部側寄りに外気を導入する多数個の小孔ｈを設けることにより、該カバー６による遮蔽と、該カバー６内における下部開放部から上方側へ向けた空気の対流が多数個の小孔ｈからの空気の流入により活発化して生じる更なる断熱とにより、エンジンルーム１内の温度上昇を抑え、より一層良好な温度に緩和することができる。

また、前記の作業車両としてのトラクタやコンバイン等のエンジンルーム１に搭載格納したディーゼルエンジン２において、図３に示す如く、該エンジン２の本体上方側に近接位置するよう配置したマフラー３本体と、該エンジン２のターボチャージャ１６とを接続させるＬ字型のヘッドパイプ１７の適宜位置にＤＯＣ４を内装すると共に、マフラー３本体側にＤＰＦ５を内装して構成させる。

このように構成することにより、従来の、マフラー３本体にＤＯＣ４とＤＰＦ５の両方を内装しているものの如く、マフラー３の本体部分が長くなりエンジンルーム１内に配置できなくなるという不具合もなく、従来からの構成を踏襲しながら、該マフラー３本体が排気マニホールド１５からの距離が近くなり排気ガスの温度低下を抑制することができるため、ＤＯＣ４による酸化活性温度を良好に保持して排気ガス中の窒素酸化物から二酸化窒素を生成することが可能となり、この二酸化窒素を酸化剤として、ＤＰＦ５によって捕集された排気ガス中のＰＭやＳＯＦ等を連続的に燃焼させ除去することができる。

なお、図４に示す如く、該エンジン２の本体上方側に近接位置するよう配置したマフラー３本体と、該エンジン２のターボチャージャ１６とを接続させるＬ字型のヘッドパイプ１７の適宜位置に複数個のＤＯＣ４を直列に内装すると共に、マフラー３本体側にＤＰＦ５を内装して構成させることにより、前記図３に示す如きマフラー３と略同様の作用効果を有すると共に、ＤＯＣ４のサイズを少し小さくして複数個使用することにより、ヘッドパイプ１７を小径にすることが可能となりマフラー３をコンパクトに形成することができる。

また、コモンレール式ディーゼルエンジンの如き電子制御式燃料噴射システムのエンジンでは、運転中に、例えば、発電機駆動ベルトの切断，発電機自体の故障，レギュレータの故障，断線等による充電系の故障により、バッテリーへの充電不足が発生し運転不能の状態となる。

このような状態の発生は、図５に示す如く、エンジン回転センサ１８によるエンジン運転中の判断と、バッテリー１９端子の電圧検出とを行い、エンジンＥＣＵ２０により、エンジンの運転中にも係わらず端子電圧が設定値以下であるときや、時間の経過による端子電圧の降下率が設定値以上のときは、充電系に故障が発生したと判断し、走行に不必要な電装品、例えば、エアコン，空調ファン，オーディオ，作業灯等への電力供給を停止し、残ったバッテリーの余力をエンジンＥＣＵ２０や燃料噴射システム等走行に不可欠な装置への供給を優先させる。

このように、充電系の故障時に該エンジンＥＣＵ２０にて、自動的に不要な電装品への電力供給を停止することにより、少しでも走行できる距離を稼ぎ、故障修理のための場所へ移動できる可能性を高めることができる。

また、コモンレール式ディーゼルエンジンにおいて、燃料を噴射する噴射ノズル２１の噴口２２は、近年、排ガス規制の強化に伴い小噴口径化や多噴口化が進んでおり、燃焼効率向上のため燃料噴霧を燃焼室全体に亘って行き渡らせる必要がある。

このため、図６に示す如く、該噴射ノズル２１の先端に、複数の噴口２２ａ，２２ｂを設けて燃焼室に対する噴射方向を上下二方向とし、燃焼室の隅々にまで燃料噴霧を行き渡らせるため、外側の噴口２２ａは丸孔で均等に四個を配置すると共に、内側の噴口２２ｂは、噴霧の干渉を避けるため燃焼室の内側へ向け噴射するよう縦方向に長い楕円形状で均等に四個を配置することにより、燃焼室全体に亘って燃料噴霧を行き渡らせることが可能となり、燃焼効率の向上を図ることができる。

また、従来のエンジン回転数の応答は、図７に示す如く、アクセルペダル２３の踏込み量を前記エンジンＥＣＵ２０に送り、該ＥＣＵ２０からの指示に従った燃料噴射ポンプ２４による燃料噴射量を、前記シリンダブロック８へ送りクランク軸１４を駆動回転させ、この駆動回転を走行及び作業ＰＴＯ等へ伝達する伝達クラッチ２５の接続を判断するクラッチスイッチ２６を設けているものであるが、このような状態において、該アクセルペダル２３の踏込みを急激に行ったときは、伝達クラッチ２５が切れている場合ではエンジン回転数が急激に上昇すると共に、過大な燃料の供給により多量の黒煙を排出する不具合を生じる。

このような不具合を解消するため、該クラッチスイッチ２６の検出により伝達クラッチ２５の入・切状態を該エンジンＥＣＵ２０により判断し、該クラッチ２５が入の状態では、通常のアクセル操作によるエンジン回転数に設定させるが、該クラッチ２５が切の状態では、空吹かし運転状態を検知することにより、図８に示す如く、急激なアクセル操作ａに対し実際の操作量を制御減衰ｂさせ、無負荷状態でのエンジン回転数の上昇をｃからｄの如く抑え、不要な燃料噴射の防止と共に黒煙の排出を抑えることができる。

また、図９に示す如く、吸気マニホールド２７に接続した前記シリンダヘッド９における各気筒毎の吸気ポート９ａ（タンジェンシャルポート側）に、加熱を行う熱線利用等による吸気ヒーター２８を各別に設けているものにおいて、吸気温度の低い低温時に加熱を行うときは、図１０のフローチャートに示す如く、エンジン回転数の計測による角速度変動率の有無により、燃焼不良の気筒の判別を行い、異常気筒が存在する場合は、その気筒のみ加熱を行う。

このように、各気筒毎に加熱を行う吸気ヒーター２８を設けていることにより、加熱時の吸気による温度低下及びスタート時の加熱温度の気筒差を防止できると共に、冷機状態における燃焼不良の気筒について各別に加熱を行うことにより燃焼改善を行うことができる。なお、従来では、該吸気ヒーター２８を各気筒毎に取付けて気筒別の加熱制御を行っているものは見受けられない。

また、直噴のディーゼルエンジンにおいて、冷間時の始動補助を行うグロープラグ２９を配置する場合、図１１に示す如く、燃料噴射弁３０の冷却部９ｂと該シリンダヘッド９の吸気ポート９ａを避けるため、該吸気ポート９ａの下部側に傾斜して突出させたグロープラグ２９（金具部分）が、該ヘッド９に接続した吸気マニホールド２７に干渉する。そこで、この干渉を回避するため吸気マニホールド２７に切欠き部ｅを設けると、該吸気マニホールド２７の断面積が減少し吸気流量が減少することにより、エンジン性能が低下する。

このような、該グロープラグ２９の配置による吸気マニホールド２７との干渉部分について、図１２に示す如く、該吸気マニホールド２７におけるグロープラグ２９との干渉部分のみに限定して切欠き部ｆを設けることにより、干渉部以外は吸気の流れへの影響を最小限とする空間を確保することができる。

また、該吸気マニホールド２７に、前記の如き切欠き部ｅや切欠き部ｆを設けることなく、図１３に示す如く、該吸気マニホールド２７内にグロープラグ２９を突出露出させることにより、該吸気マニホールド２７の断面積の減少を最小限に止め、エンジン性能への影響を少なくすることができる。

トラクタやコンバイン等の作業車両を始め一般車両にも利用可能である。

（ａ）エンジンの本体上方側に配置したマフラーとマフラーカバーを示す正面図。 （ｂ）エンジンの本体上方側に配置したマフラーとマフラーカバーを示す側面図。 エンジンの本体上方側に配置したマフラーとマフラーカバーを示す側面図。 酸化触媒をマフラー入口側のヘッドパイプに内装した状態を示す側面図。 複数個の酸化触媒をマフラーのヘッドパイプに内装した状態を示す側面図。 充電系の故障時に不要な電装品への電力供給の停止経過を示すブロック図。 噴射ノズルに外側と内側に分け複数個の噴口を配置した状態を示す側面図。 アクセル操作量に従って燃料噴射させるエンジンの駆動系統を示す側面図。 急激なアクセル操作を減衰させた空吹かし時のエンジン回転数を示す線図。 シリンダヘッドの吸気ポート毎に吸気ヒーターを設けた状態を示す斜視図。 燃焼不良の気筒判別による吸気ヒーター加熱手順を示すフローチャート。 吸気マニホールド切欠き部へのグロープラグの配置状態を示す側断面図。 吸気マニホールド限定切欠き部へのグロープラグの配置を示す側断面図。 吸気マニホールド内にグロープラグを突出露出させた状態を示す斜視図。

符号の説明

１．エンジンルーム
２．ディーゼルエンジン
３．マフラー
４．酸化触媒
５．ディーゼルパティキュレートフィルタ
６．マフラーカバー
７．テールパイプ

Claims (2)

1. 作業車両等のエンジンルーム（１）に搭載格納したディーゼルエンジン（２）において、このエンジン（２）に接続するマフラー（３）を該エンジン（２）の本体上方側に近接配置させると共に、該マフラー（３）に酸化触媒（４）とディーゼルパティキュレートフィルタ（５）を、又はディーゼルパティキュレートフィルタ（５）のみを内装して設けたことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記マフラー（３）本体の外周近接位置を、下部側を開放させたマフラーカバー（６）によって覆うと共に、このマフラーカバー（６）により、更に該マフラー（３）本体から突出させたテールパイプ（７）の全長又は適宜長の外周近接位置をも覆うべく延設したことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジン。

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