JP2015510066A - 建設機械の排気ガス低減装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの排気ガス規制要件を満たすと共に、エンジン駆動による振動からの影響が最小化できる建設機械の排気ガス低減装置を提供する。【解決手段】エンジンに隣接するメインフレームの一側に装着されてエンジンの振動による影響を低減させるカウルフレームと、一端部が排気パイプの他端部と連通し、カウルフレームの上端部に装着され、ディーゼル酸化触媒を内側に備え、粒子状物質を捕集するディーゼル微粒子捕集フィルタと、一端部がディーゼル微粒子捕集フィルタの他端部と連通し、一側が還元剤を噴射する噴射装置と連通するミキシングパイプと、ミキシングパイプの他端部と連通し、カウルフレームの上端部に装着され、噴射された還元剤と排気ガス内の窒素酸化物間の還元反応を促進する選択的触媒還元装置を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、建設機械の排気ガス低減装置に係り、さらに詳しくは、ディーゼル微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）に選択的触媒還元（ＳＣＲ）装置をさらに備えて、より厳しくなったディーゼルエンジンの排気ガス規制要件を満たすと共に、ディーゼル微粒子捕集フィルタと選択的触媒還元装置をカウルフレーム上に装着してエンジン駆動による振動からの影響を最小化することができる建設機械の排気ガス低減装置に関する。
一般にディーゼルエンジンは、外気と燃料である軽油との混合気体を作動流体として熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する装置であり、シリンダ内で爆発燃焼した混合気体が排気ガスになって外部に排出される。このとき、排気ガスがエンジン外部に排出されるようにエンジンの排気口と繋がった管が排気パイプに該当する。排気ガスには二酸化炭素、一酸化炭素、炭化水素、硫酸化物、硫化水素、窒素酸化物、アンモニア、オゾン及びオキシダント等の物質が含まれるため、これをそのまま大気中に放出すると、環境汚染を誘発することになる。しかし、ディーゼルエンジン及び排気ガス低減装置の技術進歩によって、近年はこのような有害ガスの排出量が著しく減少している。
しかし、地球の温暖化、大気中オゾン濃度等に関する環境問題の解決のために、車両が排出する有害ガスに対する環境基準を徐々に強化しており、特に建設機械に対し有害ガスの排出基準をより厳しくしているのが実情である。
したがって、従来の掘削機を含む建設機械においては、ディーゼルエンジンの排気ガス規制である「Ｔｉｅｒ４ Ｉｎｔｅｒｉｍ」及び「Ｓｔａｇｅ IIIＢ」を満たすためにディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）を内部に備えたディーゼル微粒子捕集フィルタをディーゼルエンジンの排気口に繋いで一酸化炭素、炭化水素を酸化させ、粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を捕集する方式で有害ガスの排出基準を満たしている。
しかし今後、「Ｔｉｅｒ ４ Ｆｉｎａｌ」と「Ｓｔａｇｅ IV」において、窒素酸化物（ＮＯｘ）に対する規制がより厳しくなるため、現在のディーゼル微粒子捕集フィルタだけではこれを満たすことが難しくなるという問題点があった。
また、従来のディーゼル微粒子捕集フィルタは一般車両のマフラーとは違い、重さがあるだけでなく、内部に備えたフィルタ等が振動に非常に弱いにも関わらずエンジンに直接装着されるため、ディーゼル微粒子捕集フィルタの溶接部位等はエンジン駆動による振動と作業荷重とにより直接的な影響を受けてクラックや破損等の変形を引き起こすという問題点を有する。
本発明の課題は、上述した問題点を解決するために案出されたものであり、ディーゼル微粒子捕集フィルタに選択的触媒還元装置をさらに備えて、厳しくなったディーゼルエンジンの排気ガス規制要件（窒素酸化物低減）を満たすことができる建設機械の排気ガス低減装置を提供することである。
また、本発明の他の課題は、ディーゼル微粒子捕集フィルタと選択的触媒還元装置をカウルフレーム上に装着してエンジン駆動による振動からの影響を最小化することができる建設機械の排気ガス低減装置を提供することである。
本発明の実施形態に係る建設機械の排気ガス低減装置は、エンジンに隣接するメインフレームの一側に装着されてエンジンの振動による影響を低減させるカウルフレームと、一端部が排気パイプの他端部と連通し、カウルフレームの上端部に装着され、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）を内側に備えて粒子状物質を捕集するディーゼル微粒子捕集フィルタと、一端部がディーゼル微粒子捕集フィルタの他端部と連通して、一側が還元剤を噴射する噴射装置と連通するミキシングパイプと、ミキシングパイプの他端部と連通し、カウルフレームの上端部に装着され、噴射される還元剤と排気ガス内の窒素酸化物との間の還元反応を促進する選択的触媒還元装置と、を備える。
また、ディーゼル微粒子捕集フィルタ及び選択的触媒還元装置は円筒形からなり、且つ両端部が対向する半球形状から形成され、それぞれカウルフレーム上で並んで装着される。
また、排気パイプ及びミキシングパイプのうち、少なくともいずれか一方には一つ以上のフレキシブルジョイントによって接続される接続部が備えられる。
また、カウルフレームとディーゼル微粒子捕集フィルタ及び選択的触媒還元装置との結合は、ディーゼル微粒子捕集フィルタと選択的触媒還元装置の下端部を支持し、カウルフレームの上端部に固定される弾性体である支持部材と、支持部材の両端部に備えられてディーゼル微粒子捕集フィルタと選択的触媒還元装置の外周面を囲んで固定する締結バンドと、を備える固定部によってなされる。
上述した構成を有する本発明に係る建設機械の排気ガス低減装置は、下記の効果を有する。
低減装置であるディーゼル微粒子捕集フィルタに選択的触媒還元装置をさらに備えて窒素酸化物を効果的に除去することにより、厳しくなったディーゼルエンジンの排気ガス規制要件を満たすと共に、環境汚染の防止効果を有する。
また、ディーゼル微粒子捕集フィルタと選択的触媒還元装置とをエンジンに隣接するメインフレーム上に取付けられたカウルフレームの上端部に装着することにより、エンジン駆動による振動からの影響を最小化できるようになるため、低減装置の耐久性を向上させる効果を有する。
また、ディーゼル微粒子捕集フィルタ及び選択的触媒還元装置をそれぞれ両端部が対向する半球形状の円筒形に製作することにより、高温、高圧で流入する排気ガスによる衝撃を効果的に緩衝させることができ、耐久性を向上させる効果を有する。
また、排気パイプとミキシングパイプの一側にそれぞれ少なくとも一つ以上のフレキシブルジョイントを形成し、ディーゼル微粒子捕集フィルタと選択的触媒還元装置の下端部に弾性体である支持部材をそれぞれ備えることにより、エンジン駆動による振動をより効果的に低減させることができる効果を有する。
本発明に係る建設機械の排気ガス低減装置の装着状態を示した斜視図である。 本発明に係る建設機械の排気ガス低減装置の分解斜視図である。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述するが、これは本発明が属する技術分野において、通常の知識を有する者が発明を容易に実施できる程度に詳細に説明するためのものであり、これにより本発明の技術的な思想及び範疇が限定されることはない。
図１は本発明に係る建設機械の排気ガス低減装置の装着状態を示す斜視図であり、図２は本発明に係る建設機械の排気ガス低減装置の分解斜視図である。
図１及び図２に示す本発明の実施形態に係る建設機械の排気ガス低減装置１は、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる有害ガスを低減させ、大気中に排出するための装置として、建設機械のメインフレーム４に装着されるエンジン２と一端部が接続する排気パイプ１０の他端部に備えられる。
前記建設機械の排気ガス低減装置１は、カウルフレーム１００、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００、ミキシングパイプ３００及び選択的触媒還元装置４００等を備えてなる。
ここで、カウルフレーム１００は建設機械のエンジン室５とポンプ室６を区画し、後述するディーゼル微粒子捕集フィルタ２００及び選択的触媒還元装置４００等が上端部に装着できるように空間を提供する構成要素であり、エンジン２に隣接するメインフレーム４の一側に取付けられる。これによって、エンジン２の駆動による振動は、カウルフレーム１００に直接的に伝わらないようになる。
前記カウルフレーム１００は、上述した機能を有する構造でメインフレーム４上に装着されるものであれば、多様に変形可能であることは勿論のことである。
このとき、カウルフレーム１００は、メインフレーム４とボルト締結または溶接等による方法で装着される。
また、カウルフレーム１００の上端部には固定ブラケット１１０が取り付けられた後、後述するディーゼル微粒子捕集フィルタ２００及び選択的触媒還元装置４００が装着される。このとき、カウルフレーム１００の上端部を覆うことができるように固定ブラケット１１０を取り付けると、下側に備えられるポンプ室６とエンジン室５は互いに密閉されるため、ポンプ室６の誤作動や故障によって作動油が漏出してもエンジン２との接触が遮断され、火災を防止することができる。
ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００は、内側に備えられるディーゼル酸化触媒を通して排気ガス内のＨＣやＣＯを酸化させ、粒子状物質を捕集する方式で作動し、従来のマフラーを代替する構成要素に該当する。ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００は、一端部が前記排気パイプ１０の他端部と連通して前記カウルフレーム１００の上端部に装着されるため、エンジン２から放出する排気ガスが初めて経由する低減装置に該当する。
前記ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００は、エンジン出力及び排気ガス量によって多様な大きさと形状に製作できるが、図１及び図２に示したように、高温、高圧で流入する排気ガスによる衝撃を効果的に緩衝させることができるように円筒形に形成し、且つ両端部が対向する半球形状に形成することが好ましい。すなわち、断面が楕円形になるようにする。
また、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００は、エンジン２に装着されるのではなく、エンジン２に隣接するメインフレーム４の一側に装着されるカウルフレーム１００の上端部に取付けられるため、エンジン駆動による振動及び作業荷重による影響をほとんど受けなくなる。したがって、振動によってディーゼル微粒子捕集フィルタ２００の溶接部または排気パイプ１０との接続部等に発生し得るクラックや破損のような変形を防止することができる。
前記ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００とカウルフレーム１００の上端部とは、固定部５００によって結合される。前記固定部５００は、前記ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００の下端部を支持し、前記カウルフレーム１００の上端部（具体的に固定ブラケット１１０上面）に固定される弾性体である支持部材５１０と、前記支持部材５１０の両端部に備えられて前記ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００の外周面を囲んで固定する締結バンド５２０と、を備えてなる。
このとき、支持部材５１０は支持される前記ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００の下端部の外周面と対応する形状からなり、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００と密着し、エンジン駆動による振動を低減できるように弾性を有する耐熱性合成樹脂等で形成される。前記支持部材５１０はディーゼル微粒子捕集フィルタ２００を安定して支持するために、少なくとも二つ以上備えることが好ましい。
また、締結バンド５２０は、前記ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００の外周面を囲んで固定することができるように一対からなるが、前記支持部材の両端部とのヒンジ結合によって回動するようにし、一対の締結バンド５２０相互間の結合は螺合等の多様な結合方式が適用される。前記締結バンド５２０によって、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００は支持部材５１０上にしっかりと固定されることができる。
一方、エンジン駆動による振動をより効果的に低減させ、熱膨張による変形を防止するために、前記排気パイプ１０の一側には少なくとも一つ以上のフレキシブルジョイント１１によって接続される接続部が備えられていてもよい。前記フレキシブルジョイント１１は、排気パイプ１０の長さとエンジンの振動の程度等を考慮して適正な数が備えられるようにすることが好ましい。なお、フレキシブルジョイント１１は金属や耐熱性の弾性体によって製作されることができる。
ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００の内側に備えられたディーゼル酸化触媒は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）またはこれらを所定の比率で含む金属等からなり、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００の内側面にコーティング処理されてＨＣとＣＯの酸化を促進することができる。
また、ディーゼル酸化触媒は、排気ガスの流れに合わせて形成された多数の貫通孔が形成された蜂の巣状の多孔性部材（触媒担体）にコーティングされて、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００内部に備えられるようにすることによって、排気ガスとの接触面積を大きく増大させることができる。これによって、触媒機能が向上し、ＨＣとＣＯの酸化反応を広範囲で起こすことになり、その結果、ＨＣとＣＯは効果的に低減される。
また、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００は、エンジン２から排出される排気ガス中に含まれた粒子状物質をフィルタにかけて捕集し、このように捕集された粒子状物質は周期的に燃焼された後、除去される。このように、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００を通過した排気ガスは、ミキシングパイプ３００内に流入する。
ミキシングパイプ３００は、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００と選択的触媒還元装置４００との相互間を連通する構成要素であり、且つミキシングパイプ３００の一側が噴射装置３１０と連通して還元剤が内側に噴射される所であり、一端部がディーゼル微粒子捕集フィルタ２００の他端部と連通し、他端部は選択的触媒還元装置４００と連通するパイプ状の部材である。
このとき、噴射される還元剤は、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００を通過した排気ガス中に含まれた窒素酸化物と化学反応を起こして窒素酸化物を還元させるもので、尿素（Ｕｒｅａ）またはアンモニア（ＮＨ２）が用いられる。
噴射装置３１０を制御して尿素をミキシングパイプ３００の内側に噴射すると、噴射された尿素はアンモニアと水に変換し、前記アンモニアと水は、前記ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００を通過した排気ガスとミキシングパイプ３００内で混合される。
還元剤と排気ガスの均一な混合のためにミキシングパイプ３００内に渦流発生構造物（図示せず）を形成し、噴射装置３１０を前記渦流発生構造物の近くに接続して還元剤が噴射されるようにする。
このようにミキシングパイプ３００内で混合された還元剤と排気ガスは後述する選択的触媒還元装置４００内に流入する。
一方、ミキシングパイプ３００も前述した排気パイプ１０と同様に、エンジン駆動による振動をより効果的に低減させ、熱膨張による変形を防止するために一側に少なくとも一つ以上のフレキシブルジョイント１１によって接続される接続部を備える。前記フレキシブルジョイント１１は金属や耐熱性の弾性体から製作される。
選択的触媒還元装置４００は、前記ミキシングパイプ３００内で排気ガスと混合された還元剤が、前記排気ガス中の窒素酸化物と反応して窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）に変わる化学反応だけを選択的に活性化させて反応速度を促進する装置であり、前記ミキシングパイプ３００の他端部と連通し、前記カウルフレーム１００の上端部に装着される。前記選択的触媒還元装置４００は、前記ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００を通してＨＣ、ＣＯ及び粒子状物質が低減された排気ガス中に含まれた窒素酸化物を制御するための２次的低減装置に該当する。
前記選択的触媒還元装置４００は、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００と同様に、エンジン出力及び排気ガス量によって多様な大きさと形状で製作されるが、高温、高圧で流入される排気ガスによる衝撃を効果的に緩衝させることができるように円筒形に形成し、且つ両端部が対向する半球形状に形成することが好ましい。すなわち、断面が楕円形になるようにする。
また、選択的触媒還元装置４００は、エンジン２に装着されるのではなく、エンジン２に隣接するメインフレーム４の一側に装着されるカウルフレーム１００の上端部に取付けられるため、エンジン駆動による振動及び作業荷重による影響をほとんど受けない。したがって、振動により選択的触媒還元装置４００の溶接部またはミキシングパイプ３００との接続部等に発生するクラックや破損のような変形を防止することができる。
前記選択的触媒還元装置４００は、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００と同様に、固定部５００によってカウルフレーム１００の上端部に固定する。このとき、図１に示したように、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００と選択的触媒還元装置４００とは、前記カウルフレーム１００の長手方向（図１の上下方向）と水平状態に並んで装着されるようにして、カウルフレーム１００の上端部の空間を効率よく活用することができる。このように図１に示した選択的触媒還元装置４００及びディーゼル微粒子捕集フィルタ２００の配置は、水平面上から直角に回転した配置で変形できることは勿論のことである。
一方、選択的触媒還元装置４００とカウルフレーム１００の上端部は固定部５００によって結合される。固定部５００は、前記選択的触媒還元装置４００の下端部を支持し、前記カウルフレーム１００の上端部（具体的に固定ブラケット１１０上面）に固定される弾性体である支持部材５１０と、前記支持部材５１０の両端部に備えられて前記選択的触媒還元装置４００の外周面を囲んで固定する締結バンド５２０と、からなる。
このとき、支持部材５１０は支持される前記選択的触媒還元装置４００の下端部の外周面に対応する形状からなって密着し、エンジン駆動による振動を低減できるように弾性を有する耐熱性合成樹脂等から形成される。前記支持部材５１０は、選択的触媒還元装置４００を安定的に支持するために少なくとも二つ以上が備えられる。
また、締結バンド５２０は、前記選択的触媒還元装置４００の外周面を囲んで固定できるように一対からなり、前記支持部材５１０の両端部とヒンジ結合を通して回動するようにし、一対の締結バンド５２０相互間の結合は螺合等の多様な結合方式が適用される。前記締結バンド５２０を通して選択的触媒還元装置４００は支持部材５１０上にしっかり固着される。
選択的触媒還元装置４００の内側に備えられる触媒は、ゼオライト（Ｚｅｏｌｉｔｅ）、バナジウム（Ｖａｎａｄｉｕｍ）またはこれらを所定の比率で含む混合物等からなっていてもよく、前記触媒は選択的触媒還元装置４００の内側面にコーティング処理されることにより排気ガス中の窒素酸化物の還元反応を促進することができる。
また、前記触媒は、ディーゼル酸化触媒と同様に、排気ガスの流れに合わせて形成された多数の貫通孔が形成された蜂の巣状の多孔性部材（触媒担体）にコーティングされて選択的触媒還元装置４００の内部に備えられることにより、排気ガスとの接触面積を大きく増大させることができる。これによって、触媒機能が向上し、排気ガス中の窒素酸化物の還元反応を広範囲で起こすことができ、結果、排気ガス中の窒素酸化物をより効果的に低減することができる。
また、選択的触媒還元装置４００は、前記したように窒素酸化物が低減された排気ガスを、排出パイプ４１０を介して外部に放出する。このとき、排出パイプ４１０は、前記選択的触媒還元装置４００とミキシングパイプ３００が接続する側の反対側に備えられることが好ましい。
このように、選択的触媒還元装置４００は、前記還元剤を媒介とした排気ガス内の窒素酸化物の還元反応を促進して窒素酸化物のような有害ガスを減少させる。
上述したように、本発明に係る建設機械の排気ガス低減装置１は、一般に用いられる低減装置であるディーゼル微粒子捕集フィルタ２００に選択的触媒還元装置をさらに備えて窒素酸化物を効果的に抑制することにより、厳しくなったディーゼルエンジンの排気ガス規制要件を満たすと共に環境汚染を防止することができる。
また、カウルフレーム１００の上端部に装着されたディーゼル微粒子捕集フィルタ２００と選択的触媒還元装置４００、排気パイプ１０とミキシングパイプ３００の一側にそれぞれ形成されたフレキシブルジョイント１１及び弾性体からなる支持部材５１０等の構成要素を有機的に組み合わせることによって、エンジン駆動による振動からの影響を最小化することができる。これによって排気ガス低減装置１の耐久性が大幅に向上する。
また、ディーゼル微粒子捕集フィルタ２００と選択的触媒還元装置４００とをそれぞれ両端部が対向する半球形状の円筒形に製作することによって、高温、高圧で流入する排気ガスによる衝撃を効果的に緩衝させることができ、耐久性の向上を図ることができる。
上述したように、本発明の実施形態に係る建設機械の排気ガス低減装置によれば、ディーゼル微粒子捕集フィルタに選択的触媒還元装置をさらに備えることによって、厳しくなったディーゼルエンジンの排気ガス規制要件を満たすと共に、ディーゼル微粒子捕集フィルタと選択的触媒還元装置をカウルフレーム上に装着する等の多様な防振装置を備えることによって、エンジン駆動による振動からの影響を最小化することができる。
１ 建設機械の排気ガス低減装置
２ エンジン
４ メインフレーム
５ エンジン室
６ ポンプ室
１０ 排気パイプ
１１ フレキシブルジョイント
１００ カウルフレーム
１１０ 固定ブラケット
２００ ディーゼル微粒子捕集フィルタ
３００ ミキシングパイプ
３１０ 噴射装置
４００ 選択的触媒還元装置
４１０ 排出パイプ
５００ 固定部
５１０ 支持部材
５２０ 締結バンド

Claims (4)

  1. 建設機械のメインフレームに装着されるエンジンと一端部が接続される排気パイプの他端部に備えられる排気ガス低減装置において、
    前記エンジンに隣接する前記メインフレームの一側に装着されて前記エンジンの振動による影響を低減させるカウルフレームと、
    一端部が前記排気パイプの他端部と連通し、前記カウルフレームの上端部に装着され、ディーゼル酸化触媒を内側に備え、粒子状物質を捕集するディーゼル微粒子捕集フィルタと、
    一端部が前記ディーゼル微粒子捕集フィルタの他端部と連通し、一側が還元剤を噴射する噴射装置と連通するミキシングパイプと、
    前記ミキシングパイプの他端部と連通し、前記カウルフレームの上端部に装着され、前記噴射された還元剤と排気ガス内の窒素酸化物間の還元反応を促進する選択的触媒還元装置と、を備える
    ことを特徴とする建設機械の排気ガス低減装置。
  2. 前記ディーゼル微粒子捕集フィルタ及び前記選択的触媒還元装置は円筒形からなり、且つ両端部が対向する半球形状に形成され、それぞれは前記カウルフレーム上で並んで装着される
    ことを特徴とする請求項１に記載の建設機械の排気ガス低減装置。
  3. 前記排気パイプ及び前記ミキシングパイプのうち、少なくともいずれか一方には一つ以上のフレキシブルジョイントによって接続される接続部が備えられる
    ことを特徴とする請求項２に記載の建設機械の排気ガス低減装置。
  4. 前記カウルフレームと前記ディーゼル微粒子捕集フィルタ及び前記選択的触媒還元装置との結合は、
    前記ディーゼル微粒子捕集フィルタと前記選択的触媒還元装置の下端部を支持し、前記カウルフレームの上端部に固定される弾性体である支持部材と、前記支持部材の両端部に備えられて前記ディーゼル微粒子捕集フィルタと前記選択的触媒還元装置の外周面を囲んで固定する締結バンドと、を備える固定部によってなされる
    ことを特徴とする請求項３に記載の建設機械の排気ガス低減装置。
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