JP2014163227A

JP2014163227A - 建設機械の排気構造

Info

Publication number: JP2014163227A
Application number: JP2013032018A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Dobashi; 知之土橋
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】排ガス管の先端部分である噴射管を排風方向とほぼ直交してダクト内に挿入する構成、及び所要の断面積を確保することを前提として、噴射管による排風抵抗の増加を抑えて風量性能を改善する。
【解決手段】冷却済み空気を排出するダクト３４内に、排ガス管の先端側部分である噴射管３３ａを排風方向とほぼ直交して挿入し、排ガスを排出穴３５からダクト３４内に噴射して排風とともに外部に排出する。これを前提として、噴射管３３ａを、必要な断面積を確保するという条件下で排風の上流側から見た投影面積が小さくなるように断面楕円形に形成して縦長の扁平状態で配置した。
【選択図】図３

Description

本発明は油圧ショベル等の建設機械において、エンジンの排ガス及び冷却済みの空気をエンジンルーム外に排出するための排気構造に関するものである。

油圧ショベルを例にとって背景技術を説明する。

油圧ショベルは、図９に示すように下部走行体１上に上部旋回体２を旋回自在に搭載し、この上部旋回体２に作業用のフロントアタッチメント(掘削アタッチメント)３を取付けて構成される。４はキャビンである。

上部旋回体２には、後部にエンジンカバー５によってエンジンルーム６が形成され、このエンジンルーム６にエンジン７及びその関連機器が収容される。

エンジン７からの排ガス、及び熱交換器冷却済みの空気をエンジンルーム６外に排出するための排気構造として特許文献１に示されたものが公知である。

この公知技術を図１０によって説明する。

図１０はエンジンルーム６を背面側から見た概略図である。

エンジンルーム６には、エンジン７の一端側に、エンジン７で駆動される冷却用のファン８とラジエータ等の熱交換器９が設けられるとともに、同じ側のエンジンカバー上面壁に吸気口１０、反対側の上面壁に排気口１１がそれぞれ設けられ、ファン８の回転により、吸気口１０から外気を導入して熱交換器９に通し、冷却済み空気(以下、排風という)を排気口１１から排出するように構成されている。

一方、エンジン７の他端側には消音器(マフラー)１２が設けられ、エンジン７から出る排ガスが、この消音器１２、及びこれに接続された排ガス管(尾管)１３を通って外部に排出される。

ここで、排ガスは高温であるため、排ガス管１３によって直接外部に排出すると周囲の温度環境を悪化させる。

また、排ガス及び排風をそのまま排出する構成では、エンジン音、排気音、排風音等の運転騒音の外部への漏れが大きくなる。

そこで、公知技術においては、図示のようにエンジンルーム６内における排気口１１の下部に筒状のダクト１４を、上端が排気口１１に、下端がエンジンルーム６内にそれぞれ開口する状態で上下方向に設けるととともに、排ガス管１３の先端部分１３ａを噴射管としてダクト１４内に下方から上向きに挿入し、この噴射管１３ａの先端開口からダクト１４内に排ガスを噴射させるように構成している。

こうすることにより、排風と排ガスをダクト１４内で混合させ、排ガス温度を低下させた上で外部に排出し、同時にダクト内で運転騒音を減少させることとしている。

しかし、この公知技術によると、噴射管１３ａをダクト１４内に上向きに挿入し、排ガスをその先端開口、つまり一点から集中的に噴射する構成をとっているため、排ガスと排風の混合効率が悪くなる。このため、排ガス温度を低下させる点の効果が低いものとなる。

また、排ガスが噴射管１３ａの先端開口から排気口１１に向かってストレートに放出されるため、ダクト１４内での排気音の低減効果も低くなる。

これに対し出願人は、この点を改善する技術として、図１１〜図１３に示すように、排ガス管１５の先端部分(噴射管)１５ａをダクト１６内にこれをほぼ横断する(排風方向とほぼ直交する)状態で挿入し、この噴射管１５ａに、排ガスをダクト１６内に分散して排出する多数の排出穴１７を設けた技術を提案した(以下、これを提案技術という)。

図１１において、図１０に示す部分と同一部分には同一符号を付して示している。

なお、噴射管１５ａは、排ガス管１５の一部として、排ガス管１５と同一直径(同一断面積)を備えた断面真円形とされ、その直径寸法(断面積)は、エンジン７からの排ガスを十分排出できるという観点から、排ガスの排出量に基づいて(設定された排ガス流量を通すことができる大きさとして)決定される。

この構成によると、公知技術のように排ガスが排風方向のみにストレートに噴射されるのではなく、ダクト１６内に分散して排出されるため、排ガスと排風がダクト断面の広い面積範囲で混合する。このため、混合効率が良くなり、排ガス温度低減効果を高めることができる。

また、排ガスがダクト１６内で拡散するため、ダクト内面での反射による音の減衰を含めてダクト１６内での減音効果を改善することができる。

特開平３−２２９９０７号公報

ところが、上記提案技術によると、ダクト１６内を横切るように排風とほぼ直交して挿入された噴射管１５ａが断面真円形であって、必要断面積を確保する上で比較的大径の管となるため、排風と直交する方向のダクト断面積に占める噴射管１５ａの断面積の割合が大きくなる。このため、排風抵抗が増大し、排出風量が減少するという問題が生じていた。

なお、噴射管１５ａの断面積(正確には開口断面積。この明細書では単に「断面積」と表記する)は、前記のように排ガスの排出量に基づいて決定されるため、対策として直径寸法を小さくすることはできない。

そこで本発明は、排ガス管の先端部分である噴射管を排風方向とほぼ直交してダクト内に挿入する構成、及び所要の断面積を確保することを前提として、噴射管による排風抵抗の増加を抑えて風量性能を改善することができる建設機械の排気構造を提供するものである。

上記課題を解決する手段として、本発明においては、エンジンルーム内にダクトが設けられ、ファンによって外部から上記エンジンルームに吸い込んだ冷却用空気を上記ダクトを通じて外部に排出する一方、上記エンジンの排ガスを排ガス管を通じて外部に排出するように構成され、かつ、次の要件(ｉ)〜(ｉｉｉ)をすべて具備するものである。

(ｉ) 上記排ガス管の先端部分を、上記ダクト内に排ガスを噴射する噴射管として上記ダクトの排風方向とほぼ直交してダクト内に挿入したこと。

(ｉｉ) 上記噴射管に、排ガスを上記ダクト内に噴射して上記排風と合流させる複数の排出穴を設けたこと。

(ｉｉｉ) 排ガスの排出量に基づいて決定される断面積Ｓ１を備えた断面真円形の仮想噴射管を排風の流れの上流側から見たときの投影面積をＸ１として、上記噴射管の断面積Ｓ２、投影面積Ｘ２について、Ｓ１≦Ｓ２で、かつ、Ｘ１＞Ｘ２となるように上記噴射管をダクト内に配置したこと。

このように、断面積Ｓ２を備えた噴射管を排風の上流側から見たときの投影面積Ｘ２が、噴射管と同一またはそれ以下の断面積Ｓ１を備えた断面真円形の仮想噴射管の投影面積Ｘ２よりも小さくなるようにダクト内に配置したから、仮想噴射管との比較において、ダクト断面積に占める噴射管の断面積の割合(排風障害の度合い)が小さくなる。

従って、噴射管による排風抵抗の増加を抑えて風量性能を改善することができる。

また、Ｘ１＞Ｘ２の条件下でＳ１＜Ｓ２に設定することにより、単位時間当たりの排ガスの排出量を増加させることが可能となるため、排ガスの排出性能の向上にも寄与する。

この場合、噴射管を断面楕円形に形成し、長径が上記排風方向と一致する状態でダクト内に配置してもよいし(請求項２)、上記排ガス管から、上記仮想噴射管よりも小径で合計の断面積がＳ２となる断面真円形の複数本の噴射管を分岐させ、各噴射管を、上記排風の流れの上流側から見て重なる状態で間隔を置いてダクト内に並設してもよい(請求項３)。

請求項２の楕円噴射管方式によると、上記基本的効果に加えて、同じ断面積の真円管を用いる場合と比較して、噴射管の周長を大きくとることができるため、排出穴を多く、あるいは１つ当りの開口面積を大きくして単位時間当たりの排ガス噴射量を増加させることができる。

一方、請求項３の分割噴射管方式によると、上記基本的効果に加えて、排ガスを排風方向の複数個所から排出することができるため、ダクト内での排ガスの拡散効率を一層高めることができるとともに、噴射管のレイアウトの自由度が増す。

本発明によると、噴射管を排風方向とほぼ直交してダクト内に挿入する構成、及び所要の断面積を確保することを前提として、噴射管による排風抵抗の増加を抑えて風量性能を改善することができる。

本発明の第１実施形態を示す概略断面図である。図１の一部を拡大した図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 (ａ)(ｂ)は同じ断面積の真円と楕円を示す図である。同じ断面積の真円と楕円の周長の違いを説明するための表である。本発明の第２実施形態を示す図１相当図である。同、図３相当図である。本発明の第３実施形態を示す図３相当図である。本発明の適用対象であるショベルの全体概略側面図である。公知技術を示す図１相当図である。公知技術とは別の提案技術を示す図１相当図である。図１１の一部を拡大した図である。図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。

本発明の実施形態を図１〜図６によって説明する。

実施形態はショベルを適用対象としている。

第１実施形態(図１〜図５参照)
図１はエンジンルームを背面側から見た概略図である。

上部旋回体の後部にエンジンカバー２５によってエンジンルーム２６が形成され、このエンジンルーム２６にエンジン２７及びその関連機器が収容される。

エンジンルーム２６には、エンジン２７の一端側に、エンジン２７で駆動される冷却用のファン２８とラジエータ等の熱交換器２９が設けられるとともに、同じ側のエンジンカバー上面壁に吸気口３０、反対側の下面壁に排気口３１がそれぞれ設けられ、ファン８の回転により、吸気口３０から外気を導入して熱交換器９に通し、冷却済み空気(以下、排風という)を排気口３１から外部に排出するように構成されている。

エンジン２７の他端側には消音器(マフラー)３２が設けられ、エンジン２７から出る排ガスが、この消音器３２、及びこれに接続された排ガス管(尾管)３３を通って外部に排出される。

また、エンジンルーム２６内における排気口３１の上方に上下両側が開口した筒状のダクト３４が、上端がエンジンルーム２６内に、下端が排気口３１(外部)にそれぞれ開口する状態で上下方向に設けられている。

なお、ダクト３４の下端部を、エンジンカバー底壁を貫通して外部に開口させ、この下端開口を排気口としてもよい。

排ガス管３３は、先端部分３３ａがダクト３４側に折り曲げられて噴射管とされ、この噴射管３３ａがダクト１６内にこれをほぼ横断する状態、すなわち、排風方向とほぼ直交する状態で挿入されている。

図２，３に示すように、この噴射管３３ａには排ガスをダクト３４内に分散して排出する多数の排出穴３５…が設けられている。

この排出穴３５…は、ダクト３４内を通る排風の風下側(図の下側)の半周部分における周方向の複数個所に、かつ、噴射管長さ方向の複数個所にそれぞれ間隔を置いて設けられている。

なお、噴射管３３ａの先端は全開口させてもよいし、小開口面積に絞ってもよく、あるいは全閉塞してもよい。

こうして、排ガスを、噴射管長さ方向及び周方向に分散してダクト３４内に噴射するように構成されている。

この構成により、排ガスと排風をダクト３４内で混合させ、排ガス温度を好ましい温度まで確実に低下させた上で外部に排出することができる。

この場合、排ガスをダクト３４内の広い範囲に分散して噴射するため、排風との混合効率を高めることができるとともに、排気音をダクト３４内で効率良く減少させ、運転騒音を低減させることができる。

第１実施形態においては、上記基本構成に加えて、図３及び図４(ｂ)に示すように噴射管３３ａが、長径寸法Ａ、短径寸法Ｂを有する断面楕円形に形成され、長径が排風方向と一致する状態(短径が排風に面する縦長の扁平状態)でダクト３４内に配置されている。

これにより、図４(ａ)に示す断面真円の仮想噴射管Ｐと比較して、排風の流れの上流側から見た噴射管３３ａの投影面積を小さくし、ダクト断面積に占める噴射管３３ａの割合(排風障害の度合い)を小さくして排風抵抗の増加を抑えるようにしている。

この点を詳述する。

図４(ａ)(ｂ)に示す仮想噴射管Ｐ及び噴射管３３ａの断面積Ｓ１，Ｓ２は、前記のようにエンジンからの排ガスを十分排出できるという観点から排ガスの排出量に基づいて決定される。

そして、仮想噴射管Ｐの直径寸法Ｄは設定された排ガス流量を通すことができる大きさとして決定され、排風の流れの上流側から見た投影面積Ｘ１は、
Ｘ１＝Ｄ×(仮想噴射管Ｐの長さ)
となる。

ここで、仮想噴射管Ｐの直径寸法Ｄと噴射管３３ａの短径寸法Ｂの関係は、
Ｄ＞Ｂ
に設定され、その投影面積Ｘ２は、
Ｘ２＝Ｂ×(噴射管３３ａの長さ)
となり、同一長さの仮想噴射管Ｐの投影面積Ｘ１よりも小さくなる。

これにより、噴射管３３ａによる排風抵抗を抑えて風量性能を改善することができる。

この場合、基本的には、Ｓ１＝Ｓ２とするが、上記(Ｄ＞Ｂ)、いいかえれば(Ｘ１＞Ｘ２)の条件下で、長径寸法Ａを図４(ｂ)の場合よりも大きくして(Ｓ１＜Ｓ２)に設定してもよい。

こうすれば、単位時間当たりの排ガスの排出量を増加させることが可能となるため、排ガスの排出性能の向上にも寄与する。

また、直径寸法Ｄの仮想噴射管Ｐの周長Ｌ１は、
Ｌ１＝π・Ｄ
となるのに対し、噴射管３３ａの周長(近似値)Ｌ２は、
Ｌ２＝π(Ａ＋Ｂ)
となり、断面積Ｓ１，Ｓ２を同一とすると、Ｌ１＜Ｌ２となる。

具体的にいうと、たとえば図５に示すようにＳ１＝Ｓ２＝７８．５４ｍｍ２、Ｄ＝１０ｍｍ、Ａ＝２０ｍｍ、Ｂ＝５ｍｍのとき、Ｌ1＝３１．４２、Ｌ２＝４２．８９となる。

つまり、同じ断面積の真円管を用いる場合と比較して、噴射管３３ａの周長Ｌ２を大きくとることができるため、排出穴３５を多く、あるいは１つ当りの開口面積を大きくして単位時間当たりの排ガス噴射量を増加させることができる。

なお、排ガス管３３(噴射管３３ａ以外の部分)は、噴射管３３ａに合わせて断面楕円形としてもよいし断面真円形としてもよい。

また、排出穴３５を排風の風上側(図３の上側)の半周部分に設けてもよいし、全周部分に設けてもよい。

第２実施形態(図６，７参照)
図６，７において図１，３と同一部分には同一符号を付して示し、その重複説明を省略する。

第１実施形態との相違点のみを説明すると、第２実施形態においては、排ガス管３３から、図４(ａ)の仮想噴射管Ｐよりも小径で、合計の断面積がＳ２となる断面真円形の複数本(図では２本の場合を例示している。この場合で説明する)の噴射管３３ａ，３３ａが分岐され、両噴射管３３ａ，３３ａが、排風の流れの上流側から見て重なる状態で間隔を置いてダクト３４内に並設されている。

この構成によれば、投影面積を減らして排風抵抗を抑えるという基本的効果に加えて、排ガスを排風方向の上下複数個所(図例では２個所)から排出することができるため、ダクト３４内での排ガスの拡散効率を一層高めることができるとともに、噴射管３３ａのレイアウトの自由度が増す。

第３実施形態(図８参照)
第３実施形態においては、第１実施形態のバリエーションとして、噴射管３３ａが断面長方形に形成され、長辺が排風の流れと一致する(短辺が排風の流れに面する)縦長の扁平状態でダクト３４内に配置されている。

ここで、噴射管３３ａは、第１実施形態と同様に、断面積が図４(ａ)の仮想噴射管Ｐと同一以上で、短辺寸法が仮想噴射管Ｐの直径寸法Ｄよりも小さく設定され、排風の上流側から見た投影面積が仮想噴射管Ｐよりも小さくなる。

この構成によっても、基本的に第１実施形態と同じ効果を得ることができる。

他の実施形態
(１) 第１、第３両実施形態を合わせた実施形態として、第３実施形態の噴射管３３ａの上下両側短辺を円弧状に形成してもよい。

(２) 第１、第２両実施形態を合わせた実施形態として、第２実施形態の複数本の噴射管３３ａを断面楕円形に形成してもよい。

(３) 上記各実施形態ではダクト３４を上下方向に設けた場合について説明したが、本発明はダクト３４を横向きに(水平またはやや傾斜して)設ける場合にも適用することができる。

(４) 本発明はショベルに限らず、エンジンルームを備え、冷却用空気と排ガスをこのエンジンルームから外部に排出する構成をとる他の建設機械にも上記同様に実施することができる。

２６エンジンルーム
２７エンジン
２８ファン
２９熱交換器
３０吸気口
３１排気口
３２消音器
３３排ガス管
３３ａ噴射管
３４ダクト
３５排出穴
Ａ断面楕円形の噴射管の長径寸法
Ｂ同、短径寸法
Ｄ仮想噴射管の直径寸法
Ｐ仮想噴射管

Claims

エンジンルーム内にダクトが設けられ、ファンによって外部から上記エンジンルームに吸い込んだ冷却用空気を上記ダクトを通じて外部に排出する一方、上記エンジンの排ガスを排ガス管を通じて外部に排出するように構成され、かつ、次の要件(ｉ)〜(ｉｉｉ)をすべて具備することを特徴とする建設機械の排気構造。
(ｉ) 上記排ガス管の先端部分を、上記ダクト内に排ガスを噴射する噴射管として上記ダクトの排風方向とほぼ直交してダクト内に挿入したこと。
(ｉｉ) 上記噴射管に、排ガスを上記ダクト内に噴射して上記排風と合流させる複数の排出穴を設けたこと。
(ｉｉｉ) 排ガスの排出量に基づいて決定される断面積Ｓ１を備えた断面真円形の仮想噴射管を排風の流れの上流側から見たときの投影面積をＸ１として、上記噴射管の断面積Ｓ２、投影面積Ｘ２について、Ｓ１≦Ｓ２で、かつ、Ｘ１＞Ｘ２となるように上記噴射管をダクト内に配置したこと。
上記噴射管を、断面積Ｓ２を持つ断面楕円形に形成し、長径が上記排風方向と一致する状態でダクト内に配置したことを特徴とする請求項１記載の建設機械の排気構造。
上記排ガス管から、上記仮想噴射管よりも小径で合計の断面積がＳ２となる断面真円形の複数本の噴射管を分岐させ、各噴射管を、上記排風の流れの上流側から見て重なる状態で間隔を置いてダクト内に並設したことを特徴とする請求項１記載の建設機械の排気構造。