JP2011094511A

JP2011094511A - 触媒付きマフラーの取付装置

Info

Publication number: JP2011094511A
Application number: JP2009247771A
Authority: JP
Inventors: Koji Okada; 幸士岡田
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: JP5370080B2

Abstract

【課題】エンジンの加振作用による触媒付きマフラーの振動を抑える。
【解決手段】排ガス浄化装置１６を備えた触媒付きマフラー１５を、マフラー中心線Ｘがエンジン１のクランク軸１ａとほぼ直交する状態で防振マウント手段２２によってエンジン上方に水平に取付ける。防振マウント手段２１は、クランク軸方向及びマフラー軸方向の各二個所に設け、各防振マウント手段２１…を合わせたマフラーマウント機構全体としてのトータルの三方向の固有振動数が、上下方向のみ加振周波数範囲内にあり、クランク軸方向及びマフラー軸方向は加振周波数範囲外となるように、触媒付きマフラー１５の質量との関係においてバネ要素２５，２６のバネ定数を設定した。
【選択図】図２

Description

本発明は油圧ショベル等の建設機械において、エンジンの排気系に使用される触媒付きマフラーに関するものである。

たとえば油圧ショベルにおいては、上部旋回体の後部に形成されたエンジンルームに図８に示すエンジン１が図示しないエンジンマウント機構を介して設置され、このエンジン１の排気系に円筒形のマフラー２が接続されている。

このマフラー２は、エンジン上方の空きスペースを活用して効率良く搭載できるように、エンジン１のクランク軸１ａとほぼ直交する状態で水平に取付けられている(特許文献１参照)。

詳しくは、エンジン外周にマフラー取付ブラケット３が上向きに取付けられ、このマフラー取付ブラケット３にマフラー２が載置された状態で複数のＵボルト４で止めつけられる。

図８中、５はこのブラケット３とＵボルト４から成るマフラーマウント機構、６はエンジン１によって駆動される熱交換器冷却用のファン、７はこのファン６と反対側でエンジン駆動される油圧ポンプである。

一方、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ために、図９に示す触媒付きマフラー８が用いられている。

図９は触媒付きマフラー８の上面図である。

同マフラー８は排ガス浄化装置９を備えている。

この排ガス浄化装置９は、ＤＰＦ(Diesel Particulate Filter：ディーゼル煤フィルタ)、及びＤＯＣ(Diesel Oxidation Catalyst：ディーゼル酸化触媒)から成る円筒形のコア１０が円筒形ケース１１に内蔵されて成り、排ガスに含まれるＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）等がこの排ガス浄化装置９で除去される。

図９中、１２はマフラー入口側で消音する前消音室、１３は同出口側で消音する後消音室、１４は前側消音室１２とエンジン１の排気口とを接続するフレキシブル排気管である。

このフレキシブル排気管１４は、長さ方向の中間部に蛇腹状の伸縮自在な伸縮部１４ａを備え、クランク軸１ａと平行に設けられる。

なお、触媒付きマフラーをエンジンに搭載するのではなく、上部旋回体(アッパーフレーム)に設けた架台にＵボルトで取付ける技術も公知である(特許文献２参照)。

特開２００４−２９３４９５号公報特開２００８−２５４５７２号公報

図９に示す触媒付きマフラー８を、図８に示す標準マフラー２と同様に、スペース効率良く搭載するためにマフラー中心線Ｘが図８のクランク軸１ａ(図９中のＹはクランク軸中心線である)とほぼ直交する状態で、マフラーマウント機構５によってエンジン上方に水平に設置することは可能である。

ところが、このマフラー取付構造によると、エンジン１の爆発力変動に伴う振動(クランク軸１ａまわりの回転方向振動であるロール振動等)によって触媒付きマフラー８が加振され、同マフラー８が上下方向だけでなく、クランク軸方向(Ｙ方向)及びこれと直交するマフラー軸方向(Ｘ方向)に振動する。

この場合、振動の加速度そのものが、触媒付きマフラー８の保護のために設定される加速度制限を超えていなくても、エンジン１の加振周波数が、マフラーマウント機構５全体の固有振動数に一致または接近すると共振現象が発生し、振動が増幅されてマフラー８の加速度制限を超えてしまう。この現象は、とくに、加振作用によって大きなモーメントが作用するマフラー軸方向の振動について起こる可能性が高い。

こうなると、排ガス浄化装置９のコア１０がケース１１内で滑り動いて磨耗し、気密性が低下して排ガスが漏れるため、早期に浄化機能が低下することになる。

なお、上記共振現象は、触媒付きマフラー８をエンジン１に対してボルト結合や溶接等によって剛結した場合にも回避できない。

一方、特許文献２に示されているように同マフラー８をエンジン１でなくアッパーフレームに取付けた場合は、エンジン１とマフラー８との間に相対変位が生じることから、フレキシブル排気管１４(伸縮部１４ａ)の変形量を大きくとる必要がある。

従って、フレキシブル排気管１４の必要長が長くなり、その分、架台も大形化するため、エンジン搭載方式と比べてマフラー設置スペースが大きくなり、搭載性が悪くなるという弊害が生じる。

そこで本発明は、マフラー設置スペースが小さくてすむエンジン搭載方式をとりながら、エンジンの加振作用による触媒付きマフラーの振動を抑えることができる触媒付きマフラーの取付装置を提供するものである。

請求項１の発明は、エンジンからの排ガス中の有害物質を除去する排ガス浄化装置を備えた触媒付きマフラーを、マフラー中心線がエンジンのクランク軸とほぼ直交し、かつ、エンジンに接続されるフレキシブル排気管が上記クランク軸と平行となる状態でマウント機構を介してエンジンの上方に水平に取付ける触媒付きマフラーの取付装置において、
(Ａ) 上記マウント機構として、上記触媒付きマフラーのクランク軸方向及びマフラー軸方向の各二個所に防振マウント手段を設け、
(Ｂ) 各防振マウント手段は、エンジンに結合されたエンジン側ブラケットと、触媒付きマフラーに結合されたマフラー側ブラケットと、ゴム等のバネ要素と、両ブラケット及びバネ要素を固定する締結具とにより、上下方向、クランク軸方向及びマフラー軸方向の三方向の防振作用を発揮するように構成し、
(Ｃ) 上記各防振マウント手段を合わせたマフラーマウント機構全体としてのトータルの三方向の固有振動数が、上下方向のみ上記エンジンの加振周波数範囲内にあり、クランク軸方向及びマフラー軸方向は加振周波数範囲外となるように、上記触媒付きマフラーの質量との関係において上記バネ要素のバネ定数を設定したものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、上記防振マウント手段のクランク軸方向の設置間隔をＤ１、マフラー軸方向の設置間隔をＤ２として、Ｄ１<Ｄ２に設定したものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、上記フレキシブル排気管は長さ方向の中間部に伸縮自在な伸縮部を備え、この伸縮部の中心から触媒付きマフラーまでの距離をｄ１、エンジンまでの距離をｄ２として、ｄ１<ｄ２に設定したものである。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの構成において、上記各防振マウント手段を、触媒付きマフラーを上から見たときの上記排ガス浄化装置の投影の範囲内に設けたものである。

本発明によると、クランク軸方向及びマフラー軸方向各二個所に設けられた防振マウント手段を合わせたマフラーマウント機構全体としてのトータルの三方向の固有振動数を、上下方向のみエンジンの加振周波数範囲内にあり、クランク軸方向及びマフラー軸方向は加振周波数範囲外となるように各防振手段におけるバネ要素のバネ定数を設定したから、加振作用によってモーメントが生じ、かつ、共振すると排ガス浄化装置が受けるダメージが大きいクランク軸方向及びマフラー軸方向の共振を回避することができる。

これにより、触媒付きマフラー全体として最善の防振性を確保し、同マフラーのダメージ(排ガス浄化装置の磨耗、これによる気密性の低下)を抑えることができる。

この場合、クランク軸方向の防振性が高くなることで、クランク軸と平行なフレキシブル排気管の変形量が大きくなるが、同排気管の伸縮部の軸方向の伸縮強度がこれと直交する方向(マフラー軸方向及び上下方向)と比べて高いため、伸縮部の長さが短くてすむ。

従って、排気管の全長を短くし、その占有スペースを小さくできるため、良好な搭載性を確保することができる。

請求項２の発明によると、防振マウント手段のマフラー軸方向の設置間隔Ｄ２(モーメントスパン)をクランク軸方向の設置間隔Ｄ１よりも大きく設定したから、クランク軸方向の次にマフラー軸方向の防振性を高くして振動を抑え、排ガス浄化装置が受けるダメージを軽減することができる。

請求項３の発明によると、フレキシブル排気管の伸縮部の中心からマフラーまでの距離(マフラー側距離)ｄ１を、エンジンまでの距離(エンジン側距離)ｄ２よりも小さく設定したから、エンジンの加振作用によってマフラーにマフラー軸まわりの回転力が発生したときに、伸縮部の伸縮量が小さくなる。このため、フレキシブル排気管の耐久性を高めることができる。

請求項４の発明によると、防振マウント手段を、触媒付きマフラーを上から見たときの排ガス浄化装置の投影の範囲内に設けたから、いいかえれば防振マウント部分が上から見て排ガス浄化装置外にはみ出さないため、この防振マウント部分が付近の機器類と干渉するおそれがなく、搭載性がさらに良いものとなる。

本発明の第１実施形態を示す上面図である。同、正面図である。同、側面図である。図２のイ部の拡大図である。４気筒、６気筒それぞれのエンジン形式においてエンジン回転による振動周波数と防振マウント手段の各方向の固有振動数との関係を示す図である。本発明の第２実施形態を示す側面図である。本発明の第３実施形態を示す一部拡大側面図である。従来の標準マフラーの取付構造を示す正面図である。触媒付きマフラーの上面図である。

本発明の実施形態を図１〜図７によって説明する。

第１実施形態(図１〜図５参照)
実施形態において、
(Ｉ) 触媒付きマフラー１５が、エンジン１の上方に、エンジン１のクランク軸１ａ(図１中のＹはクランク軸中心線である)とほぼ直交する(完全直交またはそれに近い角度で交差する)水平姿勢で設置される点、
(ＩＩ) この触媒付きマフラー１５は排ガス浄化装置１６を備えている点、
(ＩＩＩ) この排ガス浄化装置１６は、排ガス中のＰＭ等の除去する円筒形のコア１７が円筒形のケース１８に内蔵されて成る点、
(ＩＶ) この排ガス浄化装置１６の入口側に前側消音室１９、出口側に後側消音室２０がそれぞれ設けられてマフラー１５が構成される点、
(Ｖ) 前側消音室１９とエンジンとを接続するフレキシブル排気管２１が設けられ、同排気管２１の軸方向中間部に蛇腹状の伸縮部２１ａが設けられている点
は、図９に示す触媒付きマフラー８と同じである。

この触媒付きマフラー１５を上から見たときの排ガス浄化装置１６の投影の範囲(図１中、太線で囲った範囲)内において、クランク軸方向及びマフラー軸方向の各二個所(計４個所)に防振マウント手段２２が設けられている。

この防振マウント手段２２は、エンジン１に結合されたエンジン側ブラケット２３と、触媒付きマフラー１５(排ガス浄化装置１６のケース１８の下面)に結合されたマフラー側ブラケット２４と、この両ブラケット２３，２４間及びエンジン側ブラケット２３の下面側に設けられたゴム等のバネ要素２５，２６と、両ブラケット２３，２４及びバネ要素２５，２６を固定する締結具２７(ボルト、ナット、ワッシャ)とにより、上下方向、クランク軸方向及びマフラー軸方向の三方向の防振作用を発揮するように構成されている。

なお、エンジン側ブラケット２３は、すべての防振マウント手段２２に共用される状態で、マフラー側ブラケット２４はマフラー軸方向の両側でクランク軸方向のニ個所について共用される状態でそれぞれ設けられている。

ここで、各防振マウント手段２２…は次のように配置されている。

(ｉ) 図２に示すように、マフラー軸方向両側の防振マウント手段２２，２２は、正面視でマフラー長さ方向の中心を通る直線Ｌ１に対して等角度θ，θで配置されている。

(ｉｉ) 図３に示すように、クランク軸方向両側の防振マウント手段２２，２２は、側面視でマフラー中心を通る直線Ｌ２に対して上記正面視での角度θよりも小さい等角度βで配置されている。

(ｉｉｉ) 図１に示すように、防振マウント手段２２…のクランク軸方向の設置間隔をＤ１、マフラー軸方向の設置間隔をＤ２として、Ｄ１<Ｄ２に設定されている。

一方、フレキシブル排気管２１において、伸縮部２１ａの中心から触媒付きマフラー１５(前側消音室１９)までの距離をｄ１、エンジン１までの距離をｄ２として、ｄ１<ｄ２に設定されている。

このマフラー取付装置の特徴的構成を説明する。

触媒付きマフラー１５は、エンジン回転時の加振作用によって水平ニ方向(クランク軸方向及びマフラー軸方向)と上下方向の三方向に振動する。

この場合、水平ニ方向については、加振作用によってモーメントが働くため、このモーメントが作用しない上下方向と比べて、共振によって排ガス浄化装置１６が受けるダメージが大きい。

一方、４個所の防振マウント手段２２…を合わせたマフラーマウント機構全体としてのトータルでの三方向すべての固有振動数をエンジンの加振周波数の範囲外に設定できれば、三方向すべての共振を回避することができる。

しかし、加振作用によってモーメントが作用する水平二方向と、モーメントが作用しない上下方向とでは固有振動数が大きく異なるため、三方向すべての固有振動数をエンジンの加振周波数範囲外に設定すると、フレキシブル排気管２１の伸縮部２１ａの変形量が大きくなり、前記のように同排気管２１の全長増加による搭載性の悪化、もしくは伸縮部２１ａの強度不足を招く。

この装置においては、以上の事情に基づいて次のような最善の防振設定がなされている。

図５は、４気筒及び６気筒の二種類のエンジン形式において、各防振マウント手段２２…を合わせたマフラーマウント機構全体としてのトータルの各方向(クランク軸方向、マフラー軸方向、上下方向)の固有振動数範囲を、エンジンのローアイドル回転時(たとえば１０００ｒｐｍ)及びハイアイドル回転時(同２１００ｒｐｍ)の振動の周波数との関係においてどのように設定しているかを示す。

同図に示すように、この装置においては、両エンジン形式において、上下方向の固有振動数のみがローアイドル、ハイアイドル両エンジン回転による加振周波数範囲内(たとえば４気筒エンジンで４７．１〜４９．５Ｈｚ、６気筒エンジンで５６．６〜７０．７Ｈｚ)にあり、クランク軸方向及びマフラー軸方向の固有振動数は加振周波数範囲外(たとえば４気筒エンジンで２３．６Ｈｚ以下、６気筒で２８．３Ｈｚ以下)となるように、触媒付きマフラー１５の質量との関係において各防振マウント手段２２…におけるバネ要素２５，２６のバネ定数が設定されている。

なお、図５中の「影響なし」とは、ローアイドル、ハイアイドル両エンジン回転による加振周波数に起因する共振の力の伝達率が小さい範囲(たとえば両アイドル回転の上側では１以下、下側では２以下)となるようにバネ定数を設定しているということを意味する。

こうすれば、加振作用によってモーメントが生じ、かつ、共振すると排ガス浄化装置１６が受けるダメージが大きいクランク軸方向及びマフラー軸方向の共振を回避することができる。

これにより、触媒付きマフラー１５全体として最善の防振性を確保し、同マフラー１５のダメージ(排ガス浄化装置の磨耗、これによる気密性の低下)を抑えることができる。

この場合、クランク軸方向の防振性が高くなることで、クランク軸と平行なフレキシブル排気管２１の変形量が大きくなるが、同排気管２１の伸縮部２１ａの軸方向の伸縮強度がこれと直交する方向(マフラー軸方向及び上下方向)と比べて高いため、伸縮部２１ａの長さが短くてすむ。

従って、フレキシブル排気管２１の全長を短くし、その占有スペースを小さくできるため、良好な搭載性を確保することができる。

一方、この装置によると、防振マウント手段２２…のマフラー軸方向の設置間隔Ｄ２(モーメントスパン)をクランク軸方向の設置間隔Ｄ１よりも大きく設定したから、クランク軸方向の次にマフラー軸方向の防振性を高くして振動を抑え、排ガス浄化装置１６が受けるダメージを軽減することができる。

また、フレキシブル排気管２１の伸縮部２１ａの中心からマフラー１５(前側消音室１９)までの距離(マフラー側距離)ｄ１を、エンジンまでの距離(エンジン側距離)ｄ２よりも小さく設定したから、エンジンの加振作用によってマフラー１５にマフラー軸まわりの回転力が発生したときに、伸縮部２１ａの伸縮量が小さくなる。このため、フレキシブル排気管２１の耐久性を高めることができる。

さらに、防振マウント手段２２…を、触媒付きマフラー１５を上から見たときの排ガス浄化装置１６の投影の範囲(図１中の太線で囲った範囲)内に設けたから、いいかえれば防振マウント部分が上から見て排ガス浄化装置１６外にはみ出さないため、この防振マウント部分が付近の機器類と干渉するおそれがなく、搭載性がさらに良いものとなる。

第２実施形態(図６参照)
以下の第２、第３両実施形態については第１実施形態との相違点のみを説明する。

第２実施形態においては、触媒付きマフラー１５を、その長さ方向中心がクランク軸１ａに対して正面視で左右片側にオフセットした状態で設置している。αはオフセット量を示す。

また、このオフセットに伴い、マフラー軸方向両側の防振マウント手段２２，２２を、正面視でマフラー長さ方向の中心を通る直線Ｌに対して異なる角度θ１，θ２(θ１<θ２)で配置している。

防振マウント手段２２の構成そのものは、両側マフラー側ブラケット２４，２４の水平方向長さが異なる点以外、第１実施形態と同じである。

なお、第１実施形態では、図３に示すように、クランク軸方向両側の防振マウント手段２２，２２を、側面視でマフラー中心を通る直線Ｌ２に対して等角度βで配置したが、このクランク軸方向両側の防振マウント手段２２，２２を直線Ｌ２に対して異なる角度で配置してもよい。

第３実施形態(図７参照)
触媒付きマフラー１５の側面視において、片側の防振マウント手段２２を垂直ではなく水平に設けてもよい。あるいは、水平と垂直の間で傾斜して設けてもよい。

その他の実施形態
(１) 防振マウント手段２２のバネ要素２５，２６として、図示のゴムに代えてコイルバネを用いてもよい。あるいは、ゴムとコイルバネを併用してもよい。

(２) 各防振マウント手段２２…は、マウント部分が上から見て排ガス浄化装置１６からはみ出ないように上記実施形態のように同装置１６の上から見た投影の範囲内に配置するのが望ましいが、付近に干渉する機器類がない場合等、搭載性に問題がない場合は、上記範囲外に配置してもよい。

１エンジン
１ａクランク軸
１５触媒付きマフラー
１６排ガス浄化装置
１７排ガス浄化装置のコア
１８同、ケース
１９前側消音室
２０後側消音室
２１フレキシブル排気管
２１ａ伸縮部
２２防振マウント手段
２３エンジン側ブラケット
２４マフラー側ブラケット
２５，２６バネ要素
２７締結具
Ｄ１マフラー軸方向両側の防振マウント手段の設置間隔
Ｄ２クランク軸方向両側の防振マウント手段の設置間隔
ｄ１フレキシブル排気管の伸縮部の中心から触媒付きマフラーまでの距離
ｄ２同、エンジンまでの距離
Ｘマフラー中心線
Ｙクランク軸中心線

Claims

エンジンからの排ガス中の有害物質を除去する排ガス浄化装置を備えた触媒付きマフラーを、マフラー中心線がエンジンのクランク軸とほぼ直交し、かつ、エンジンに接続されるフレキシブル排気管が上記クランク軸と平行となる状態でマウント機構を介してエンジンの上方に水平に取付ける触媒付きマフラーの取付装置において、
(Ａ) 上記マウント機構として、上記触媒付きマフラーのクランク軸方向及びマフラー軸方向の各二個所に防振マウント手段を設け、
(Ｂ) 各防振マウント手段は、エンジンに結合されたエンジン側ブラケットと、触媒付きマフラーに結合されたマフラー側ブラケットと、ゴム等のバネ要素と、両ブラケット及びバネ要素を固定する締結具とにより、上下方向、クランク軸方向及びマフラー軸方向の三方向の防振作用を発揮するように構成し、
(Ｃ) 上記各防振マウント手段を合わせたマフラーマウント機構全体としてのトータルの三方向の固有振動数が、上下方向のみ上記エンジンの加振周波数範囲内にあり、クランク軸方向及びマフラー軸方向は加振周波数範囲外となるように、上記触媒付きマフラーの質量との関係において上記バネ要素のバネ定数を設定した
ことを特徴とする触媒付きマフラーの取付装置。
上記防振マウント手段のクランク軸方向の設置間隔をＤ１、マフラー軸方向の設置間隔をＤ２として、Ｄ１<Ｄ２に設定したことを特徴とする請求項１記載の触媒付きマフラーの取付装置。
上記フレキシブル排気管は長さ方向の中間部に伸縮自在な伸縮部を備え、この伸縮部の中心から触媒付きマフラーまでの距離をｄ１、エンジンまでの距離をｄ２として、ｄ１<ｄ２に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の触媒付きマフラーの取付装置。
上記各防振マウント手段を、触媒付きマフラーを上から見たときの上記排ガス浄化装置の投影の範囲内に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒付きマフラーの取付装置。