JP2010229856A - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】確実に取り付けできるとともに、大型化するのを抑制でき、かつ構造を複雑にすることなく内部の排気後処理装置を安定して収容できる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供すること。
【解決手段】内燃機関の排気ガス浄化装置１０は、入口管１６が設けられた流入側ケース、内部にドージング用の酸化触媒が収容された触媒ケース１２，内部にスーツフィルタが収容されたフィルタケース１３、および出口管１８が設けられた流出側ケース１４を備えているとともに、これらのケース１１〜１４の対向位置には、互いに当接されて接合されるフランジ１９が設けられ、このフランジ１９を利用して被取付部に取り付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス後処理装置に係り、筒状のケース内に排気後処理装置が収容されている排気ガス浄化装置に関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中のパーティキュレート・マターを、円柱状の担体からなるスーツフィルタにて捕集することが行われており、このようなスーツフィルタ等の排気後処理装置を筒状のケース内に収容した排気ガス浄化装置が知られている（特許文献１）。
特許文献１に記載の排気ガス浄化装置では、Ｕボルトをケースに係止させたり、あるいはケースに溶接等で固着されたブラケットを介したりして、エンジンまたはエンジンフード、あるいは車両フレームに取り付けるようになっている。

特開２００３−１２０２７７号公報

しかしながら、排気ガス浄化装置を乗用車や公道走行用のトラックなどとは異なり、建設機械のような大排気量の車両に用いる場合、排気ガス浄化装置としても大型となって大重量化するため、単にＵボルトで取り付けたのでは取付強度が不足し、稼働中に位置がずれてしまって確実に取り付けできないという問題がある。
また、排気ガス浄化装置を、ケースに溶接されたブラケットにより固定する構造では、ケースにブラケットの溶接代を設ける必要があるため、ケースひいては装置全体が一層大型化してしまうとういう問題がある。
さらに、ケースにブラケットを溶接すると、溶接の際の熱によりケースがわずかに変形する場合があり、排気後処理装置である担体をケースとの間で保持しているマットの保持力が低下し、担体がケース内部で動いて破損する可能性がある。これを防止しようとすると、溶接部分の剛性を大きくする必要があるなど、構造が複雑になる。

本発明の目的は、確実に取り付けできるとともに、大型化するのを抑制でき、かつ構造を複雑にすることなく内部の排気後処理装置を安定して収容できる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の排気ガス浄化装置は、内部に排気後処理装置が収容された複数の筒状のケースを備えているとともに、これらのケースの対向位置には、互いに当接されて接合されるフランジが設けられ、このフランジを利用して被取付部に取り付けられることを特徴とする。

ここで、「被取付部」とは、内燃機関または当該内燃機関を覆うフード、あるいは車両フレームのことをいう。また、「被取付部に取り付け」とは、任意の形状の取付ブラケット等を介して被取付部に取り付ける場合も含む。さらに、複数のケースにおいて、これらのケースの全てに排気後処理装置が収容されている必要はなく、少なくとも一つのケース内に排気後処理装置が収容されていればよい。

本発明の排気ガス浄化装置において、前記フランジには、当該フランジ同士を固定するボルトおよびナットによって共締めされる取付プレートが固定され、この取付プレートを介して前記被取付部に取り付けられることが好ましい。

以上の本発明によれば、排気ガス浄化装置がこれを構成するケースのフランジを利用して被取付部に取り付けられるので、ケースの外周面にブラケット等を溶着する必要がなく、ケースの外周面に溶接代を設ける必要がなくなって大型化するのを抑制できる。また、ケースの外周面での溶接が省かれることで、ケースの溶接による熱変形を防止でき、熱変形に耐えうる複雑な構造を不要にできるうえ、内部の排気後処理装置の保持状態を良好に維持できる。さらに、排気ガス浄化装置をＵボルトのみで取り付ける訳ではないので、取付強度を十分に確保でき、確実に取り付けできる。

そして、取付プレートをフランジに対してであれば、溶接により固定した場合でも、ケースの外周面はさほど熱影響を受けないし、溶接代も不要である。しかし、取付プレートをフランジにボルト止めすることで、溶接を全く行わなくてよいから、溶接による作業の煩わしさを解消できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る排気ガス浄化装置１０を示す全体斜視図である。排気ガス浄化装置１０は、図示しない車両に搭載されたディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中のパーティキュレート・マターを捕集する装置であり、例えば内燃機関または内燃機関が搭載された車両のエンジンフード、あるいは車両フレームに取り付けられる。

本実施形態での排気ガス浄化装置１０は、油圧ショベル等の建設機械用であり、通常の輸送用トラックに用いられるものに比較してそのサイズが格段に大きい。そして、このような排気ガス浄化装置１０は、互いに分離可能な複数の円筒状からなり、例えば４つのケース１１，１２，１３，１４を備えて構成されている。

排気ガスの入口側に設けられた流入側ケース１１は、軸方向の一端側が側壁部１５で塞がれた構造であり、軸方向に直交するかたちで排気ガスが流入する入口管１６を備えている。入口管１６は、内燃機関に搭載された図示略の排気タービン過給機の排気ガス出口管に蛇腹管やユニバーサルジョイント等、接続角度が可変な管継手からなる振動抑制部材を介して連結される。このような振動抑制部材は、振動モードの異なる排気タービン過給機と排気ガス浄化装置１０とが互いに影響し合うのを抑制する。排気タービン過給機から排出された排気ガスは、入口管１６を通して流入側ケース１１に流入し、側壁部１５とは反対側の触媒ケース１２側に流れる。

触媒ケース１２は円筒状である。触媒ケース１２の内部には、酸化触媒（排気後処理装置）が収容されている。この酸化触媒は、排気ガス中に必要に応じて供給されるドージング燃料を酸化、発熱させて、排気ガス温度を所定の高温域まで上昇させるものである。ドージング燃料は、排気タービン過給機の排気ガス出口側と排気ガス浄化装置１０の排気ガス入口側とを繋ぐ排気管に設けられたドージング用の燃料噴射装置によって排気ガス中に供給され、排気ガスと共に排気ガス浄化装置１０内に流入する。
ドージング用の燃料としては、内燃機関がディーゼルエンジンの場合では、例えばエンジン燃料と同じ軽油である。また、ドージング用の燃料を筒内に供給する場合では、エンジン燃料用の燃料噴射装置によりドージング用の燃料をも供給することになる。

触媒ケース１２の下流側に配置されたフィルタケース１３は円筒状であり、他のケース１１，１２，１４と比較して、軸方向に最も大きい長さ寸法を有している。フィルタケース１３の内部には、パーティキュレート・マターを捕集するためのスーツフィルタ（排気後処理装置）が収容されている。スーツフィルタは、詳細な説明を省略するが、コージュライトや炭化珪素等の担体からなり、担体の軸方向に沿って設けられた多数の流入出孔内に排気ガスを通すことで、パーティキュレート・マターを捕捉する構造である。

なお、本発明に係る排気後処理装置としては、パーティキュレート・マターを捕集するスーツフィルタに限定されるものではなく、ＮＯｘ還元触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、三元触媒、その他の酸化触媒など、ＮＯｘの排出量を低減させるための排気後処理装置であってもよい。また、このようなＮＯｘ低減用の排気後処理装置とパーティキュレート・マター捕集用の排気後処理装置とを直列配置して組み合わせたものであってもよい。

さらに、ＮＯｘ低減用の排気後処理装置のみを用いた場合では、本実施形態のようなドージング燃料を酸化させるための酸化触媒は省かれる。すなわち、当該酸化触媒は、スーツフィルタと対になって用いられるのである。酸化触媒により温度上昇させた排気ガスの熱により、スーツフィルタで捕集されたパーティキュレート・マターを燃焼させ、スーツフィルタの再生を行う。この再生を行う必要性から本実施形態では、前述の酸化触媒が設けられている。そして、このような酸化触媒をスーツフィルタに担持させてもよく、このような場合には、スーツフィルタを単体で用いればよく、酸化触媒を別体で用いる必要がない。

フィルタケース１３の下流側に配置された流出側ケース１４は、軸方向の他端側が側壁部１７で塞がれた構造であり、排気ガスを排出するための出口管１８を備えている。出口管１８は、鉛直方向に突設されており、その先端には図示しないマフラカッタが接続される。排気ガス浄化装置１０が消音マフラとしても機能する本実施形態では、単独の消音マフラは特に不要であり、マフラカッタが排気ガス浄化装置１０に直接取り付けられる。

流入側ケース１１から触媒ケース１２に流れ込んだ排気ガスは、スーツフィルタでの再生が不要な状態では、ドージング燃料が含まれておらず、そのまま酸化触媒を通過してフィルタケース１３内のスーツフィルタに流入し、パーティキュレート・マターが捕捉され、浄化される。浄化された後の排気ガスは、下流の流出側ケース１４に入り込み、ここから出口管１８およびマフラカッタを通して外部に排出される。

一方、スーツフィルタにパーティキュレート・マターが蓄積され、目詰まり状態になっている場合には、燃料噴射装置によって排気ガス中にドージング燃料が噴射され、排気ガス中の燃料が触媒ケース１２内の酸化触媒にて酸化、発熱し、当該酸化触媒を通過する排気ガスを所定温度、すなわちスーツフィルタでの再生温度以上に上昇させる。再生温度以上に上昇した排気ガスが下流側のスーツフィルタに流入すると、スーツフィルタに蓄積されたパーティキュレート・マターは、排気ガスの熱によって燃焼し、無害化されて外部へ排出される。スーツフィルタは、パーティキュレート・マターが除かれたことで、元の状態に再生されることになる。
ただし、排気ガスの温度がドージング燃料の供給を受けなくとも再生温度以上に達している場合には、スーツフィルタの詰まり具合に関係なく、スーツフィルタに捕集されたパーティキュレート・マターが排気ガスの温度によって燃焼し、スーツフィルタがドージング燃料無しで自然に再生される。

図２は、排気ガス浄化装置１０を軸方向の一方から他方に向けて見た図である。図１、図２において、各ケース１１〜１４の互いの接続側の開口周りには、径方向の外方に延出したフランジ１９が周方向にわたって連続して設けられている。このフランジ１９は、各ケース１１〜１４の外周面を形成している筒体をフランジ加工により一体に成形されたものである。各ケース１１〜１４は、互いのフランジ１９を突き合わせた後に、各フランジ１９のボルト孔２０を貫通するボルト２１と、これに螺号されるナット２２とにより接合される。

ここで、フランジ１９の厚み寸法は、当該筒体の厚さそのものであり、結合に十分な強度を有していない。そこで本実施形態では、複数の補強プレート２３を全周に配置してフランジ１９を補強している。各補強プレート２３は、フランジ１９の円周長さの１／３の長さを有した円弧状である。この補強プレート２３を３つ環状に配置することで、各フランジ１９が全周にわたって補強されている。つまり、補強プレート２３にもボルト孔２４が設けられ、各ボルト孔２０，２４にボルト２１が挿通される。

また、突き合わされた一対のフランジ１９を挟んで対向する補強プレート２３は、周方向の位置がずれている。周方向に配置された補強プレート２３同士の境界部２５は、一対のフランジ１９を挟んで対向しないようになっている。境界部２５が一対のフランジ１９を挟んで軸方向に対向したのでは、各境界部２５に対応したフランジ１９部分にボルト２１およびナット２２の締め付けにより発生するガスケット面圧が低くなり、排気ガスが漏れるおそれがある。従って、ガスケット面圧を均一化するために、本実施形態のような補強プレート２３の配置になっている。

以下には排気ガス浄化装置１０の取付構造について詳説する。排気ガス浄化装置１０は、軸方向に離間した２箇所の位置でそれぞれ取付プレート３０および一対のＵボルト５０を用いて取り付けられている。

一方の取付箇所で用いられる取付プレート３０は、図３、図４に示すように、触媒ケース１２の排気ガス流入側のフランジ１９に固定されて用いられている。具体的に触媒ケース１２の当該フランジ１９においては、前述した補強プレート２３が上方側に１つしか用いられておらず、他の２つの補強プレート２３が用いられる部分にそれぞれ取付プレート３０が用いられる。

このために取付プレート３０は、触媒ケース１２の外周面に沿った取付部３１を備えており、取付部３１には、円弧状に沿った位置に複数のボルト孔３２が設けられている。このボルト孔３２にボルト２１を挿通してナット２２を螺合させ、よってフランジ１９と一緒に共締めすることで、取付プレート３０を流入側ケース１１との接合にあたっての補強プレート２３として機能させることができ、かつ排気ガス浄化装置１０の固定用としても用いることができる。

取付プレート３０はまた、取付部３１と一体に設けられた取付片部３３を備えている。取付片部３３は、略直角に交差する一対の辺縁３４，３５により形成された角部３６を有している。取付片部３３には、下方の辺縁３４に沿った一対のボルト孔３７が設けられている。取付プレート３０の厚み寸法は、補強プレート２３の厚み寸法よりも大きく、フランジ１９を補強するのみならず、排気ガス浄化装置１０を取り付けるにあって十分な取付強度が得られるようになっている。

これらの取付プレート３０は、第１取付ブラケット４０にボルト止めされる。
第１取付ブラケット４０は、平面矩形の底プレート４１と、底プレート４１の長辺側に沿って一直線上に並設された一対の支持プレート４２と、各支持プレート４２の鉛直面および底プレート４１の上面間に跨設されたリブ４３とで構成されている。

底プレート４１の下面には、矩形薄板状の一対のシート部材４４が当該底プレート４１の短辺側に沿って互いに平行に配置される。また、底プレート４１には、シート部材４４をも貫通するようにボルト孔４５（図３）が設けられている。底プレート４１の上面には、ボルト孔４５に対応してナット４６が固着されている。

支持プレート４２には、取付プレート３０のボルト孔３７に対応したボルト孔４７が設けられている。支持プレート４２において、取付プレート３０が位置する側とは反対側の面には、ボルト孔４７に対応してナット４８が固着されている。この支持プレート４２に対して取付プレート３０が当接され、各ボルト孔３７，４７に挿通されてナット４８に螺合されるボルト４９により、各プレート３０，４２が固定される。この際、各ボルト孔４７が、同じ高さ位置に略一直線上に設けられていることにより、取付プレート３０が支持プレート４２にボルト止めされた場合の図中の上下方向の位置ずれに対する調整代が確保されるようになっている。

これらの支持プレート４２の上面形状は、触媒ケース１２の外形形状に沿った形状とされ、互いに近接するに従って低くなり、その対向部４２Ａで曲面形状に形成されて底プレート４１上に垂下している。このように、支持プレート４２の近接する対向部４２Ａがラウンドしていることにより、排気ガス浄化装置１０を取付プレート３０を介して支持した際に、特に対向部４２Ａに生じる応力を緩和でき、耐久性を向上させることができる。

そして、第１取付プレート４０の底プレート４１は、図１に示すベースプレート７０の一端側にシート部材４４を介して載置され、ベースプレート７０の下方からボルト孔４５に挿通され、かつナット４６に螺合される図示略のボルトで当該ベースプレート７０に固定される。ベースプレート７０は、隅部分に設けられたボルト孔７１に挿通される図示略のボルトにより、例えば内燃機関の上部（例えばディーゼルエンジンのフライホイールハウジングの上部）に固定される。

すなわち排気ガス浄化装置１０の一端側の箇所は、触媒ケース１２のフランジ１９を利用し、取付プレート３０、第１取付ブラケット４０、およびベースプレート７０を介して内燃機関に堅固に固定される。

従って、全てＵボルトを用いて固定される場合に比して、取付強度を向上させることができ、建設機械の稼働中にも排気ガス浄化装置１０がずれることがなく、より確実な固定を実現できる。

しかも、取付用のブラケットが触媒ケース１２やフィルタケース１３に直に溶接されている訳ではなく、取付プレート３０を用いてフランジ１９で固定されているので、各ケース１２，１３での溶接代を不要にでき、排気ガス浄化装置１０が軸方向に大型化するのを防止できる。

加えて、そのような溶接を省くことにより、各ケース１２，１３の外周面の微小な熱変形をなくすことができ、内部に収容されている酸化触媒やスーツフィルタを安定して保持できる。また、溶接を省くことで、ケース１２，１３の外周面の一部を溶接時の熱変形に耐えうる構造に設ける必要がなく、ケース１２，１３の構造が複雑化するのを防止できる。

さらに、第１取付ブラケット４０とベースプレート７０との間にシート部材４４が介装されているため、互いを良好に密接させることができ、排気ガス浄化装置１０の平面度を確実に出すことができ、姿勢よく取り付けることができる。

以上に対して他端側の取付箇所で用いられている一対のＵボルト５０は、フィルタケース１３の流出側の端部寄りに掛け回されて、当該フィルタケース１３を係止している。Ｕボルト５０の両端は、第２取付ブラケット６０に挿通され、予め螺合されているナット５１と、挿通後に螺号されるナット５２とにより該第２取付ブラケット６０に取り付けられる。

第２取付ブラケット６０は、両端に立片部６２を有した底プレート６１と、立片部６２の上端に設けられた支持片部６３間に跨設された湾曲プレート６４と、支持片部６３および立片部６２間に跨設されたリブ６５と、各立片部６２の対向面および湾曲プレート６４の裏面を支持する支持プレート６６とで構成されている。

底プレート６１の下面には、第１取付ブラケット４０の底プレート４１と同様に、一対のシート部材６７が配置されるととともに、底プレート６１には、各シート部材６７をも貫通する図示略の複数のボルト孔が設けられ、各ボルト孔に対応してナット６８が固着されている。湾曲プレート６４の両端側には、支持片部６３をも貫通するボルト孔６９が一対ずつ設けられ、各ボルト孔６９にＵボルト５０の端部が挿通される。

そして、第２取付プレート６０の底プレート６１は、ベースプレート７０の他端側にシート部材６７を介して載置され、ベースプレート７０の下方からボルト孔に挿通され、かつナット６８に螺合される図示略のボルトで当該ベースプレート７０に固定される。

すなわち排気ガス浄化装置１０の他端側の箇所は、Ｕボルト５０を利用し、第２取付ブラケット６０およびベースプレート７０を介して内燃機関に取り付けられる。ただし、Ｕボルト５０は、フィルタケース１３を第２取付ブラケット６０に対して径方向に押し付けて係止している部材であるため、フィルタケース１３は、径方向の位置については拘束されるが、軸方向の位置は完全に拘束される訳ではなく、軸方向にスライド自在に取り付けられていることになる。

つまり、フィルタケース１３の特に排気ガス流出側の端部は、内部のスーツフィルタの再生時にパーティキュレート・マターを燃焼させることで、その燃焼熱によって温度が上昇し、軸方向に沿って熱膨張するのであるが、フィルタケース１３のそのような端部側が、軸方向に拘束されないＵボルト５０で取り付けられている本実施形態では、熱膨張による寸法変化を吸収でき、熱応力による破損や耐久性低下を防止できる。

以上のように取り付けられる排気ガス浄化装置１０では、スーツフィルタ内に再生時には燃焼しきれないアッシュ等が堆積されると、フィルタケース１３を排気ガス浄化装置１０から取り出し、洗浄して再度排気ガス浄化装置１０に取り付けたり、あるいはスーツフィルタをフィルタケース１３ごと交換したりする必要がある。

フィルタケース１３の交換の際には先ず、第１取付ブラケット４０のボルト４９をナット４８から外し、第２取付ブラケット６０のＵボルト５０とナット５２とを外す。その後、排気ガス浄化装置１０を内燃機関から外す。そして、触媒ケース１２とフィルタケース１３との接合を解除する。これは、互いのフランジ１９部分を接合しているボルト２１およびナット２２を外せばよい。次いで、流出側ケース１４を同様に外してフィルタケース１３を取り外す。この後、開放されたフィルタケース１３に対して必要な作業を行う。各ケース１１，１２，１３，１４の組付は、上述の逆の手順で行えばよい。

なお、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、数量などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、数量などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

例えば、前記実施形態では、一方の取付箇所でフランジ１９が利用され、他方の取付箇所でＵボルト５０が用いられていたが、両方の取付箇所においてフランジ１９を利用してもよい。つまり、他方の取付箇所においても、フィルタケース１３の排気ガス流出側のフランジ１９を利用するとともに、同様な取付プレート３０、第１取付ブラケット４０等を用いて固定してもよい。

前記実施形態では、触媒ケース１２側が取付プレート３０にて固定され、スーツフィルタ１３側がＵボルト５０でスライド自在に取り付けられていたが、いずれのケース１１〜１５をどのような手段で取り付けるかは、ケース内部に収容される排気後処理装置の種類等を勘案して決められればよく、前記実施形態に限定されない。

例えば、Ｕボルト５０を用いる代わりに、金属製のバンド等を用いてフィルタケース１３を第２取付ブラケット６０に取り付けてもよいし、フィルタケース１３に水平方向に延出した取付片を溶接しておき、この水平片と第２取付ブラケット６０の端部とを上下にクランピングする構造であってもよく、このような場合でも、径方向へは拘束でき、かつ軸方向のスライドは許容可能である。

前記実施形態では、取付プレート３０およびＵボルト５０が第１、第２取付ブラケット４０，６０に取り付けられ、これら第１、第２ブラケット４０，６０がベースプレート７０を介して内燃機関や内燃機関を覆うフード、あるいは車両フレームといった被取付部に取り付けられるようになっていたが、それら第１、第２取付ブラケット４０，６０やベースプレート７０を介さずに、取付プレート３０およびＵボルト５０を被取付部に直接取り付けた場合でも本発明に含まれる。

本発明は、建設機械をはじめ、農業機械、ダンプトラック、発電機などに用いられる内燃機関用の排気ガス浄化装置として特に有効に利用できる。

本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化装置を示す全体斜視図。 前記排気ガス浄化装置を軸方向の一方から他方に向けて見た図。 前記排気ガス浄化装置の要部を示す図。 前記要部を示す分解斜視図。 前記排気ガス浄化装置の他の要部を示す分解斜視図。

１０…排気ガス浄化装置、１１，１２，１３，１４…ケース、１９…フランジ、２１…ボルト、２２…ナット、３０…取付プレート。

Claims (2)

1. 内部に排気後処理装置が収容された複数の筒状のケースを備えているとともに、
   これらのケースの対向位置には、互いに当接されて接合されるフランジが設けられ、
   このフランジを利用して被取付部に取り付けられる
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化装置において、
   前記フランジには、当該フランジ同士を固定するボルトおよびナットによって共締めされる取付プレートが固定され、
   この取付プレートを介して前記被取付部に取り付けられる
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。

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