JP5006740B2

JP5006740B2 - ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置

Info

Publication number: JP5006740B2
Application number: JP2007238008A
Authority: JP
Inventors: 裕之藤井
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: JP2009068419A

Description

本発明は、ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置、詳しくはディーゼルエンジン用黒煙浄化装置におけるディーゼルパティキュレートフィルタ筐体の構造技術に関する。

従来、ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置は公知である。ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置は、ディーゼルエンジンの有毒な排出ガスのうち粒子状物質（ＰＭ) を取り除く装置である。ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置には、パティキュレートフィルタが備えられている。パティキュレートフィルタは、排気ガス中のＰＭを細かい網目で捕まえるフィルタである。ここで、パティキュレートフィルタは、フィルタ機能のみしか有さないため、長く使用すると詰まりが生じて排気負荷が大きくなり効率が悪化する。そこで、パティキュレートフィルタを温めてＰＭを燃やす（フィルタを再生する）必要がある。フィルタ再生装置として、酸化触媒方式又は高圧再生方式等がある。

酸化触媒方式とは、酸化触媒によって燃料の酸化反応を促進して、パティキュレートフィルタを温める方式をいう。酸化触媒は、パティキュレートフィルタの上流側に別体で配置されるか一体型としてパティキュレートフィルタの表面に塗られ、又は担持されている。酸化触媒方式は、酸化触媒に未燃物（燃料）やＣＯを接触させて、未燃物（燃料）やＣＯが燃えることで（酸化反応) 酸化触媒の温度を上げて、その熱でパティキュレートフィルタを温める。このようにして、パティキュレートフィルタをＰＭが燃える約６００度まで上昇させる。

高圧再生方式とは、パティキュレートフィルタの下流側の排気通路に排気絞り機構を設ける方式をいう。ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置は、排気通路を絞ることによりパティキュレートフィルタ内の圧力を高めて排気ガスを昇温することで、パティキュレートフィルタを温める。例えば、特許文献１は、排気絞り弁を備える内燃機関の排気浄化システムを開示している。
特開２００６−３２２３６４号公報

産業用機械は、エンジンを作るメーカーと作業機を作るメーカーとが異なる場合がある。つまり、同じ作業機のエンジンであっても、作業機を作るメーカーによって搭載位置又は搭載空間が異なる場合がある。特に、エンジンの吸排気系は、各メーカーが独自のレイアウトにするため、各メーカーによって異なる場合が多い。

近年、ディーゼルエンジンにおける排ガスの排出規制に伴い、既存の作業機にディーゼルパティキュレートフィルタを搭載する場合がある。ディーゼルパティキュレートフィルタは、従来のマフラーの代わりに搭載されるため、形態もマフラーと互換性が求められる。ところが、ディーゼルパティキュレートフィルタの後流に排気絞り機構を付加しようとすると、新たにスペースを検討する必要が生じるため、作業機側のレイアウトの大幅変更を求められる場合がある。

そこで、解決しようとする課題は、ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置の搭載汎用性を向上することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置（１）を、入口部（２）と、酸化触媒（４）と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）と、出口部（３）から構成し、該入口部（２）及び酸化触媒（４）は、入口部ハウジング（１０）の中に形成し、該出口部（３）は出口部ハウジング（２０）の中に形成し、該入口部ハウジング（１０）と出口部ハウジング（２０）の間に、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）を連結して配置し、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）を再生するために排気ガス温度を上昇させる排気ガス絞り機構としての開閉弁（２４）を備え、前記開閉弁（２４）は、前記出口部ハウジング（２０）内に配置し、前記排気ガス絞り機構としての開閉弁（２４）は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）の後流に配置し、更に該開閉弁（２４）の後流であって、前記出口部ハウジング（２０）内に、消音部としての共鳴管（２３）と共鳴室（２８）を配置したものである。

請求項２においては、請求項１記載のディーゼルエンジン用黒煙浄化装置において、前記開閉弁（２４）を開度調整するアクチュエータ（２５）を備え、前記アクチュエータ（２５）は、前記消音部としての共鳴管（２３）及び共鳴室（２８）を配置した出口部ハウジング（２０）の外部に付設したものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置（１）を、入口部（２）と、酸化触媒（４）と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）と、出口部（３）から構成し、該入口部（２）及び酸化触媒（４）は、入口部ハウジング（１０）の中に形成し、該出口部（３）は出口部ハウジング（２０）の中に形成し、該入口部ハウジング（１０）と出口部ハウジング（２０）の間に、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）を連結して配置し、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）を再生するために排気ガス温度を上昇させる排気ガス絞り機構としての開閉弁（２４）を備え、前記開閉弁（２４）は、前記出口部ハウジング（２０）内に配置したので、排気絞り機構を該出口部ハウジング（２０）内に配置することで、別途排気絞り機構を設ける必要がないため、ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置の搭載汎用性を向上できる。

また、前記排気ガス絞り機構としての開閉弁（２４）は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）の後流に配置し、更に該開閉弁（２４）の後流であって、前記出口部ハウジング（２０）内に、消音部としての共鳴管（２３）と共鳴室（２８）を配置したので、消音部をディーゼルパティキュレートフィルタ後流に配置する場合であっても、消音部を出口部ハウジング（２０）内に配置することで、別途消音部を設ける必要がないため、ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置の搭載汎用性を向上できる。

請求項２においては、請求項１記載のディーゼルエンジン用黒煙浄化装置において、前記開閉弁（２４）を開度調整するアクチュエータ（２５）を備え、前記アクチュエータ（２５）は、前記消音部としての共鳴管（２３）及び共鳴室（２８）を配置した出口部ハウジング（２０）の外部に付設したので、排気絞り機構のアクチュエータを通過する排気ガスの影響を直接受けない出口部ハウジング（２０）の外部に設けるため、アクチュエータへの熱影響を緩和することができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の実施例に係るディーゼルエンジン用黒煙浄化装置の全体的な構成を示す構成図、図２は同じく排気ガスの流れを示す構成図である。

まず、図１を用いて、ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置１（以下、黒煙浄化装置と称する）の全体構成について、簡単に説明する。図１に示すように、黒煙浄化装置１は、大きくは、入口部２、酸化触媒４、パティキュレートフィルタ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）５、及び出口部３から構成されている。また、入口部２及び酸化触媒４は、筐体としての入口部ハウジング１０の中に形成されている。一方、出口部３は、筐体としての出口部ハウジング２０の中に形成されている。さらに、入口部ハウジング１０と出口部ハウジング２０の間には、パティキュレートフィルタ５が配置されている。そして、パティキュレートフィルタ５とハウジング１０・２０の両者は、ガスケット１５で気密を保ち、かつ、Ｖ字バンド１４で一体に固着されている。また、前記パティキュレートフィルタ５は、ハウジング１０・２０に対し着脱可能となっている。なお、本実施例では、酸化触媒４及びパティキュレートフィルタ５を黒煙浄化装置１の内部に配置する構成としているが、酸化触媒４又はパティキュレートフィルタ５のみを黒煙浄化装置１内に配置する構成であっても良い。

入口部２は、断熱吸音材８が配置されている。断熱吸音材８は、断熱吸音材押え板１３及び１６で入口部２の内壁に押し付けられている。また、入口部２には、エンジン（図示略）から排気ガスＨを導く入口管６が配置されている。入口管６は、入口部２を略鉛直方向に挿通している。さらに、入口管６は、一端には排気管（図示略）を介してエンジンと接続するための開口部を設けており、他端は封止している。そして、入口管６は、円筒側壁において、多数の小孔６ａが設けられている。排気ガスＨは、この小孔６ａを介して入口管６から入口部２内へ入るようになっている。

酸化触媒４は、略円筒形であり、排気ガスＨの流れる方向に格子状（ハニカム状）の通路が形成されるモノリス担体（図示略）を有している。モノリス担体上には、白金やロジウムやパラジウム等の触媒金属が担持されている。このような触媒金属の担持により、酸化触媒４にＣＯや炭化水素（ＨＣなど）の酸化力が付与される。なお、モノリス担体の材質は、本実施例ではコージェライトとしているが、特に限定するものではなく、炭化ケイ素又はステンレス等を用いることもできる。

パティキュレートフィルタ５は、略円筒形のハニカムフィルタであって、コージェライトのようなセラミックスからなる多孔質の隔壁で仕切られた多角形断面を有するものである。また、パティキュレートフィルタ５は、これらの隔壁により多数の互いに平行に形成された貫通孔の相隣接する入口部と出口部を交互に実質的に封止することにより構成される。隔壁には、Ｐｔ等の触媒金属がコーティングされ、触媒機能が担持される。このような構成とすることで、パティキュレートフィルタ５では、パティキュレートフィルタ５の入口側から導入されたエンジンの排気ガスＨが多孔質の隔壁を通過する際に、排気ガスＨに含まれる微粒子からなるＰＭがろ過されて、ＰＭが除去された排気ガスＨが出口管２２から排出されるように構成されている。なお、触媒金属としては、本実施例ではＰｔ等を用いているが、特に限定するものではなくＰｄ、Ｒｈ、Ｉｒ等を用いることもできる。

以上までの黒煙浄化装置１の構成は従来技術と略同様である。ここで、図１を用いて、本発明の特徴である出口部３について、詳細に説明する。図１に示すように、出口部３は、出口管２２、共鳴管２３、排気絞りとしての開閉弁２４、及び開閉弁２４を駆動制御するアクチュエータ２５から構成されている。消音部としての共鳴管２３及び後述する共鳴室２８は、排気ガスＨを消音すなわち騒音を低減する機能を有する。開閉弁２４は、出口管２２を絞ることでパティキュレートフィルタ５内の排気ガスＨを昇温する機能を有する。本実施例では、出口管２２、共鳴管２３及び開閉弁２４は、筐体としてのハウジング２０内に収納されている。一方、アクチュエータ２５は、ハウジング２０の一側面２０ｃの外部に設けられている。

出口管２２は、出口部３を略水平方向に挿通している。また、出口管２２は、円筒形状で形成され、一端２２ｅはパティキュレートフィルタ５を通過した排気ガスＨを導入するため開口されており、他端２２ｆは排気ガスＨを排出するための開口されている。さらに、出口管２２において、端２２ｅから端２２ｆ（排気ガスＨの進行方向）に向かう途中には、開閉弁２４及び共鳴管２３が設けられている。

共鳴管２３は、出口管２２の軸心方向中央より略他端２２ｆ側において、出口管２２の半径方向すなわち出口部３を鉛直方向に挿通している。また、共鳴管２３は、円筒形状で形成され、両端は開放されている。共鳴室２８は、ハウジング２０内において、ハウジング２０と出口管支持材２７とで形成される空間である。出口管支持材２７は、出口管２２の一端２２ｅを支持する部材である。共鳴管２３の径及び長さと共鳴室２８の容積は、排気音又は後述する気流音の周波数により最も騒音が低下するように定められている。

開閉弁２４は、出口管２２の内径と略同一の外形である円板状にて形成されている。また、開閉弁２４は、開閉弁２４の略中央（直径部分）において、出口部３を鉛直方向に挿通し、かつハウジング２０の一側面２０ｃを貫通する軸２４ａに固設されている。

アクチュエータ２５は、筐体となるハウジング２０の外側の支持台２６上に設けられている。また、アクチュエータ２５の出力軸は、前記軸２４ａと連結されている。さらに、アクチュエータ２５は、制御手段となるＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）３０と接続されている。

支持台２６は、ハウジング２０の一側面２０ｃに設けられている。また、支持台２６は、Ω型形状で構成されているため、アクチュエータ２５とハウジング２０との間に隙間Ｓが形成されている。

このような構成とすることで、ＥＣＵ３０は、アクチュエータ２５により開閉弁２４の回動角度を制御する。つまり、出口管２２を通過する排気ガスＨは、開閉弁２４の回動動作により通過量が制御（絞り制御）され、或いは遮断される。このようにして、エンジン回転数が低い場合或いはエンジン始動時等において、エンジン回転に応じて開閉弁２４を閉回動して排気ガスの通過量を絞ることで排気ガス温度を上昇させて、酸化触媒４においてＰＭの燃焼を促進し詰まりを防止する。また、パティキュレートフィルタ５に詰まりが生じて再生処理を行う場合は、開閉弁２４の閉制御によってパティキュレートフィルタ５の温度を上昇させて、ＰＭを燃焼させる。なお、アクチュエータ２５としては、本実施例ではステッピングモータを用いているが、特に限定するものではない。また、本実施例では排気絞りとなる開閉弁２４をバタフライ弁としているが、出口管２２の通路面積を変更できる構成であれば限定するものではない。

次に、図２を用いて、排気ガスＨの流路について、詳細に説明する。図２に示すように、排気ガスＨは、黒塗り矢印で表されている。排気ガスＨは、入口管６の小孔６ａを介して入口部２へと導入され、続いてパティキュレートフィルタ５を通過してから出口部３から機外へ排出される。なお、酸化触媒４及びパティキュレートフィルタ５内における排気ガスＨの挙動は説明を省略する。パティキュレートフィルタ５内の排気ガスＨは、開閉弁２４の開閉動作により通路を絞られることで圧力が高められる。そのため、パティキュレートフィルタ５内の排気ガスＨは、昇温され、酸化触媒４及びパティキュレートフィルタ５を温めることができる。さらに、出口管２２を通過する排気ガスＨは、開閉弁２４が絞られることにより気流音を発生する。この気流音は、共鳴管２１から共鳴室２８に導かれることによって低減される。つまり、出口管２２の直径及び長さ、並びに共鳴室２８の容積は、ヘルムホルツ共鳴器の原理により、気流音の周波数に対して消音効果が得られるように定められている。ここで、図２において、共鳴管２３を経由して共鳴室２８に導かれた排気ガスＨ´を破線矢印で表している。特記すべき事項として、排気ガスＨ´は、共鳴室２８において滞留するのみであって、一定の流路を形成するものではない。

このような構成とすることで、以下の効果が得られる。すなわち、排気絞り機構としての開閉弁２４をハウジング２０内に設けることで、別途本実施例の黒煙浄化装置１の外部に排気絞り機構を設ける必要がない。そのため、黒煙浄化装置１はコンパクトに構成されて搭載汎用性を向上できる。また、消音部としての共鳴管２３及び共鳴室２８は、パティキュレートフィルタ５の後流に配置する必要がある。排気ガスＨの消音効果を高めるためである。本実施例では、共鳴管２３及び共鳴室２８をハウジング２０内に収納することで、別途黒煙浄化装置１の外部に別途消音部を設ける必要がない。そのため、黒煙浄化装置１の搭載汎用性を向上できる。

また、アクチュエータ２５は、熱から保護する必要がある。本実施例のアクチュエータ２５は、熱影響を受けるのは共鳴室２８を滞留する排気ガスＨ´のみの影響を受け、通過する排気ガスＨの影響を直接受けない共鳴室２８外側に設けられている。そのため、アクチュエータ２５への排気ガスＨの熱影響を緩和することができる。さらに、支持台２６は、アクチュエータ２５とハウジング２０との間に隙間Ｓを形成しているため、アクチュエータ２５を直接ハウジング側面２０ｃに設ける場合よりも、さらに排気ガスＨの熱の影響を緩和できる。

本発明の実施例に係るディーゼルエンジン用黒煙浄化装置の全体的な構成を示す構成図。同じく排気ガスの流れを示す構成図。

１ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置
２入口部
３出口部
４酸化触媒
６入口管
５パティキュレートフィルタ
１０ハウジング
２０ハウジング
２０ｃハウジング側面
２２出口管
２３共鳴管
２４開閉弁
２５アクチュエータ
２６支持台

Claims

ディーゼルエンジン用黒煙浄化装置（１）を、入口部（２）と、酸化触媒（４）と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）と、出口部（３）から構成し、該入口部（２）及び酸化触媒（４）は、入口部ハウジング（１０）の中に形成し、該出口部（３）は出口部ハウジング（２０）の中に形成し、該入口部ハウジング（１０）と出口部ハウジング（２０）の間に、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）を連結して配置し、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）を再生するために排気ガス温度を上昇させる排気ガス絞り機構としての開閉弁（２４）を備え、前記開閉弁（２４）は、前記出口部ハウジング（２０）内に配置し、前記排気ガス絞り機構としての開閉弁（２４）は、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ（５）の後流に配置し、更に該開閉弁（２４）の後流であって、前記出口部ハウジング（２０）内に、消音部としての共鳴管（２３）と共鳴室（２８）を配置したことを特徴とするディーゼルエンジン用黒煙浄化装置。
請求項１記載のディーゼルエンジン用黒煙浄化装置において、前記開閉弁（２４）を開度調整するアクチュエータ（２５）を備え、前記アクチュエータ（２５）は、前記消音部としての共鳴管（２３）及び共鳴室（２８）を配置した出口部ハウジング（２０）の外部に付設したことを特徴とするディーゼルエンジン用黒煙浄化装置。