JP6040178B2 - 排気ガス温度低減装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば油圧ショベル等の建設機械に係わり、特に、排気ガス後処理装置を搭載した機械の排気ガス温度低減装置に関する。

近年の環境問題に対する意識の高まりから、建設機械等に搭載されるディーゼルエンジンにおいても排気ガス規制は段階的に厳しくなってきている。この技術対応において、排気ガス中に含まれる粒子状物質の低減を目的として、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）に代表される排気ガス後処理装置が開発されている。

このＤＰＦは、一定量の粒子状物質を捕集した後に、堆積した粒子状物質を燃焼除去することによってフィルタを再生し、粒子状物質の捕集性能を維持している。この再生時には、排気ガス温度は約６００℃に達し、これをそのまま車体の外に放出することは、リスクアセスメントの観点から好ましくない。すなわち、建設機械等にＤＰＦに代表される排気ガス温度を上昇させるような排気ガス後処理装置を搭載する際には、排出する排気ガスの温度低減について考慮する必要がある。

従来、このような排気ガス温度低減装置の一例として、特許文献１に示すような排気ガス温度低減装置がある。この排気ガス温度低減装置は、排気ガス後処理装置に連結され、エンジン室カバーに設けられた貫通孔を通じてエンジン室の外部に延長された尾管と、貫通孔に組みつけられ、尾管に対して所定の間隔を設けて尾管を取り囲み、尾管との間に離隔空間を形成するように設けたディユーザとからなり、尾管先端の開口部から噴出される排気ガスがディフューザ内に進入するときに、排気ガスがもつ流速によるエゼクタ効果により、エンジン室内の空気をディフューザ内に吸引し、高温の排気ガスと比較的低温のエンジン室内の空気とをディフューザ内で混合させ、排気ガス温度を低下するものである。さらに特許文献１では、尾管の外周面を内側に折り曲げた多数のガイドを設ける構造を備えることで、エンジン室内の空気を尾管内に導き、尾管内においても排気ガスとエンジン室内の空気を混合させるようにしている。

特開２０１０−１６９０９４号公報

ところで、特許文献１のように、尾管から噴出する排気ガスをディフューザ内の単一方向に噴出させる構造では、排気ガスと空気との混合量は、これらを混合させるディフューザの管長に依存して変化する。したがって排気ガスと多量の空気とを良く混合させて、効率良く排気ガス温度を下げるためには、ディフューザの管長を長くする必要がある。また、尾管の外周面に設けたガイドから空気を尾管内に導く構造では、排気ガスと空気との混合量は、設けたガイドの数と面積とに依存して変化する。しかし、ガイドの数と面積とを大きくするために、尾管の周長を大きくすると管内を流れる排気ガスの流速が低下するため、排気ガスと空気とを混合させる働きが弱まってしまう。そのため、排気ガスと空気とを良く混合させるためには、尾管の管長を長くして先端開口部をディフューザ内に大きく挿入させる必要があり、これに伴ってディフューザの管長も長くする必要がある。

さらに、エンジン室カバーに設置したディフューザ内に尾管を挿入する構造では、エンジンと排気ガス後処理装置が一体に設置される場合は、排気ガス後処理装置に設けられる尾管とエンジン室カバーに設けられるディフューザとが異なる振動系となることから、大きなエンジンの揺動により、尾管とディフューザとが接触・干渉する可能性があり、これを防ぐために、それらの間に大きな隙間が必要となり、ディフューザがさらに大型化してしまう。大型のディフューザは、それ自体が大きな質量を持ち、加えて、ディフューザを支持するエンジン室カバーも堅牢な構造とする必要があるために、製造コストが増大するという問題点がある。また、組立時には、尾管とディフューザの位置を慎重に合わせる必要があり、組立工数が増大してしまうという問題点がある。

本発明はこれらの問題点を解決すべく創案されたものであり、この目的は、必要な排気ガス温度低減効果を確保しつつ、ディフューザを小型化した排気ガス温度低減装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために本発明の請求項１に記載の排気ガス温度低減装置は、エンジンと、前記エンジンに接続された排気ガス後処理装置と、前記排気ガス後処理装置からの排気ガスを導き、先端開口部から噴出させる尾管と、前記尾管よりも大きな内径を有し、基端開口部が前記尾管の前記先端開口部に近接するように設けられて前記先端開口部から噴出される排気ガスの進入により生じるエゼクタ効果により前記尾管の先端部周囲の空気を排気ガスとともに内部に取り込むディフューザとを備えた排ガス温度低減装置において、前記エンジンは、エンジン室カバーを有するエンジン室内に収容されており、前記ディフューザは、前記エンジン室の外部に位置するように設けられ、前記先端開口部には、前記先端開口部から前記ディフューザの内部に噴出される排気ガスを少なくとも２つの異なる方向に排出する噴出口が設けられており、前記噴出口から噴出される排気ガスの少なくとも２つの独立した軸方向の流速成分により、前記ディフューザの内部に前記尾管の先端部周囲の空気を取り込むことを特徴とする。

また、請求項２に記載の排気ガス温度低減装置は、前記噴出口は、前記尾管から前記ディフューザ内部に噴出される排気ガスを、互いに交わらない複数の方向に噴出させるように構成されることを特徴とする。

また、請求項３に記載の排気ガス温度低減装置は、前記エンジン室カバーには、貫通孔を有し、前記ディフューザは、前記エンジン室カバー上に前記貫通孔を囲むように設けられ、前記尾管の噴出口から噴出される排気ガスによって前記エンジン室内の空気を内部に取り込むよう構成されることを特徴とする。

また、請求項４に記載の排気ガス温度低減装置は、前記エンジン室カバーには、貫通孔を有し、前記尾管は、前記貫通孔を通じて前記エンジン室の外部まで延設され、前記ディフューザは、前記基端開口部が前記エンジン室の外部に位置するように前記尾管の先端部付近に取り付けられ、前記尾管の噴出口から噴出される排気ガスによって外気を内部に取り込むよう構成されることを特徴とする。

上述した本発明によれば、尾管先端の噴出口から噴出した排気ガスは、互いに交わらない複数の流れとなってディフューザ内に流入するから、ディフューザ内に流入した排気ガスとそれにより取り込まれる空気とが強力に撹拌、混合され、排気ガスの温度低減効果が向上する。また複数の排気ガスの流れは、それぞれ干渉することがないので、軸方向速度成分が相殺されることがなく、それぞれ独立した軸方向速度成分によりエゼクタ効果が増大し、より多くの空気をディフューザ内に取り込むことができ、排気ガス温度の低減効果が増大する。これにより、ディフューザの小型化も図れる。

本発明の実施形態による排気ガス温度低減装置が適用される油圧ショベルの側面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第１の実施形態による噴出口とディフューザとの位置関係を表した図である。 本発明の第１の実施形態による排気ガス温度低減装置の構造を表す側断面図である。 本発明の一実施形態による噴出口を表す図である。 本発明の一実施形態による噴出口を表す図である。

以下、本発明の第１実施形態を図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態が適用される油圧ショベルの構造を表す側面図、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図、図３は、後述する噴出口とディフューザとの位置関係を表した図である。なお、図２は構造を含め簡略化して記載している。

図１において、油圧ショベル１は、走行体３と、この走行体３の上部に旋回可能に搭載された旋回体４と、この旋回体４に対して上下方向へ回動可能に接続された作業フロント５とを備えている。

走行体３は、走行手段としての左右の無限軌道履帯２Ｌ、２Ｒを備えており、これら履帯２Ｌ、２Ｒは左・右走行モータ（図示せず）の駆動力によって動作するようになっている。旋回体４には、操作者の運転室であるキャブ６と、キャブ６より後方に位置し、エンジン室カバー８ａにより閉塞されて、後述するエンジン１１（図２参照）が収容されるエンジン室８と、エンジン室８よりさらに後方に位置し、車体の重量バランスを保つためのカウンタウェイト９とが設けられている。またこの旋回体４の中心部には旋回モータ（図示せず）が設けられており、これによって旋回体４を走行体３に対して旋回させるようになっている。作業フロント５は、旋回体４に回動可能に結合されたブーム５ａと、このブーム５ａに回動可能に結合されたアーム５ｂと、このアーム５ｂに回動可能に結合されたバケット５ｃとからなり、これらブーム５ａ、アーム５ｂ、及びバケット５ｃは、それぞれブームシリンダ１０ａ、アームシリンダ１０ｂ、及びバケットシリンダ１０ｃにより作動するようになっている。

なお、これらブームシリンダ１０ａ、アームシリンダ１０ｂ、バケットシリンダ１０ｃと、上記した旋回モータ及び左・右走行モータは、特に詳細な説明は行わないが、エンジン１１によって駆動される不図示の油圧ポンプ等からなる公知の油圧駆動装置によって駆動され、キャブ６内での操作者の操作レバー操作により駆動される。また、エンジン室８は、図２に示すように、エンジン室カバー８ａによって周囲が閉塞されて内部に機器類の収容空間が形成されるものであり、原動機としてのエンジン１１と、排気ガス中に含まれる煤などの粒子状物質（ＰＭ）を除去する機能を備えた排気ガス後処理装置１２等が設けられる。この排気ガス後処理装置１２は、ブラケットによりエンジン１１に取り付けられる。エンジン１１と排気ガス後処理装置１２とは排気管１３によって接続されており、排気ガス後処理装置１２の出口側には尾管１４が設けられる。また、エンジン室カバー８ａの上面部には、尾管１４と対応する箇所に尾管１４の外径よりも大きな貫通孔８ｂが設けられ、貫通孔８ｂには、貫通孔８ｂとほぼ同径で中途部が屈曲し、尾管１４から排出された排気ガスを基端側から内部に導き、先端側から外部へと案内する管状のディフィーザ１５が設けられる。尾管１４は、先端部に排気ガスの排出口となる開口部（先端開口部）を備え、この先端開口部には、後述する噴出口１４ａが設けられる。そして尾管１４は、先端開口部が貫通孔８ｂの付近に位置するように延設される。ディフューザ１５は、尾管１４よりも大きな内径をもつ管状体からなり、基端側に開口部（基端開口部）を有し、この基端開口部の外周部に不図示のフランジを備える。そして、基端開口部が貫通孔８ｂからエンジン室８内にのぞむように挿入されてフランジによってエンジン室カバー８ａの上面に取り付けられる。ディフューザ１５の基端部と尾管１４の先端部とは、径方向間隙をもって設けられる。なお、尾管１４とディフューザ１５とは、既知のエゼクタ効果を発揮するように設けられるもので、例えば下記のような位置関係で配置される。また、尾管１４の先端開口部には、排出される排気ガス１６を互いに交わらない２つの異なる方向に噴出させるための、二又状に分岐したパイプ状の噴出口１４ａが設けられる。

この噴出口１４ａとディフューザ１５とは、図３に示すように、噴出口１４ａから噴出される排気ガス１６の拡散角θ１(噴出口１４ａから噴出される排気ガス１６の拡散を示す線２１と尾管１４およびディフューザ２０との径方向の中心線２０とのなす角）と、噴出口１４ａの開口端とディフューザ１５の基端開口部の開口端とを結ぶ線２２と中心線２２とのなす角θ２とが、θ１＜θ２の関係になるように設置されることで、尾管１４の噴出口１４ａから噴出される排気ガス１６のすべてがディフューザ１５内に導かれるとともに、エンジン室８内の空気をディフューザ１５の基端開口部からディフューザ１５内に導くエゼクタ効果を発揮する。なお、図３では、尾管１４とディフューザ１５の位置関係を説明するために、二又状に分岐した噴出口を１つに簡略化して図示している。また本実施の形態では、図３において、噴出口１４ａはディフューザ１５から下方に離れて外部に配置されている（θ２＜９０°）例を示したが、噴出口１４ａの開口端をディフューザ１５の開口端にそろえて配置しても良い（θ２＝９０°）し、噴出口１４ａをディフューザ１５の内部に挿入するように配置しても良い（θ２＞９０°）。

次に、以上のように構成される第１実施形態における排気ガスの流れを説明する。

図２に示すようにエンジン１１から排出された排気ガス１６は、排気管１３を経て排気ガス後処理装置１２へ流入し、排気ガス後処理装置１２にて粒子状物質が除去された後、尾管１４に導かれる。尾管１４に導かれた排気ガス１６は、先端部の二又状の噴出口１４ａから互いに交わらない、それぞれ異なる２つの方向へ流れる排気ガス分流１６ａ、１６ｂとなって噴出されて、ディフューザ１５の内部に導かれる。このとき、噴出口１４ａとディフューザ１５は、上述した関係を満たすように設置されているため、噴出口１４ａより噴出した排気ガス分流１６ａ、１６ｂは全てディフューザ１５内に導かれ、その際に生じるエゼクタ効果により、エンジン室８内の空気１７も一緒に、ディフューザ１５内に取り込まれる。

ディフューザ１５内では、排気ガス分流１６ａ、１６ｂと、取り込まれたエンジン室８内の空気１７とが混合され、排気ガス分流１６ａ、１６ｂは温度が低減された混合ガス１８として外気に放出される。

次にこのディフューザ１５内における排気ガス分流１６ａ、１６ｂとエンジン室８内の空気１７との混合について説明する。

ディフューザ１５内に流入した排気ガス分流１６ａ、１６ｂは、高い流速を持った乱流であるため、軸方向の速度成分に加え、径方向、ならびに、周方向の速度成分を持つ。このうち、主に径方向の流速成分の作用で、排気ガス分流１６ａ、１６ｂと尾管１４の開口端周囲の空気１７はディフューザ１５内で攪拌・混合される。このとき、排気ガス分流１６ａ、１６ｂが持つ軸方向流速成分の運動エネルギーは圧力エネルギーに変換され、ディフューザ内の圧力を低下させることで、エンジン室内の空気１７をディフューザ１５内に引き込む（エゼクタ効果）。そして、本実施形態においては、噴出口１４ａから噴出する排気ガス分流１６ａ、１６ｂは、互いに交わらない２つの異なる方向に噴出するため、排気ガス分流１６ａ、１６ｂのそれぞれに径方向速度成分を有するため、従来に比較してより大きな径方向速度成分を持つことになる。これにより、ディフューザ１５内に流入した排気ガス分流１６ａ、１６ｂとエンジン室８内の空気１７との撹拌、混合が大きく行われ、また排気ガス分流１６ａ、１６ｂはそれぞれ干渉することがないので、軸方向速度成分が相殺されることがなく、２つの独立した軸方向速度成分によりエゼクタ効果が増大し、より多くの空気１７がディフューザ１５内に取り込まれるため、排気ガス温度の低減効果が増大する。

次に本発明の第２実施形態について、図４を用いて説明する。第１実施形態においては、ディフューザ１５はエンジン室カバー８ａ上に貫通孔８ｂを取り囲むように取り付けられていたが、本実施形態においては、尾管１４をエンジン室カバー８ａに設けた貫通孔８ｂを貫通してエンジン室８の外部まで延長するように設け、ディフューザ１５の基端開口部をエンジン室８の外部に位置するように配置することを特徴とする。以下詳細に説明する。

図４に示すように、排気ガス後処理装置１２に設けられた尾管１４は、エンジン室カバー８ａに設けた貫通孔８ｂを貫通してエンジン室８の外部までに延長するように設けられ、その先端側が後方に向けて屈曲するように形成される。また先端部には、第１実施形態と同様に、二又状に分岐するパイプ状の噴出口１４ａが設けられる。なお本実施形態では、尾管１４とディフューザ１５との位置関係、および噴出口１４ａとディフューザ１５との関係は、θ２＞９０°の関係にある。そしてこのディフューザ１５は、基端開口部に設けられた支持部材１５ａによって尾管１４の先端部付近に取り付けられる。

以上のように構成される第２実施形態における排気の流れを説明する。

排気ガス後処理装置１２から排出された排気ガス１６は、尾管１４を経て、噴出口１４ａよりディフューザ１５内に噴出される。このとき、第１実施形態と同様にディフューザ１５内に流入した排気ガス分流１６ａ、１６ｂの流速によるエゼクタ効果によって、ディフューザ１５内の圧力が低下するが、本実施形態においては、ディフューザ１５の開口部がエンジン室８の外部にあるため、ディフューザ１５内には、外気１７ａ、１７ｂが取り込まれる。エンジン室８内の空気１７は、エンジン１１や排気ガス後処理装置１２などの熱の影響により、外気１７ａ、１７ｂよりも高温になっているため、より低温の外気１７ａ、１７ｂを排気ガス１６ａ、１６ｂに混合させることで、より温度低減効果を向上させることができる。なお、図４において、ディフューザ１５は支持構造１５ａによって尾管１４に固着されていたが、噴出口１４ａとディフューザ１５の位置関係が上述した関係を満たし、かつ、ディフューザ１５の開口部がエンジン室８の外部に配置されるならば、ディフューザ１５はエンジン室カバー８ａや、カウンタウェイト９などに取り付けても良い。

また、上述した２つの実施形態では、尾管１４の先端部に設けられる噴出口１４ａを二又状に分岐するパイプ状に形成したが３つ以上に分岐させるように構成しても良い。

次に、噴出口１４ａの他の例について説明する。噴出口１４ａは、噴出する排気ガス１６が互いに交わらない複数の方向に噴出するように排気ガス分流１６ａ、１６ｂを生成するものである。そのため、その一例として図５に示すように尾管１４の先端開口部の端部２５に、２枚の矩形板状の導風板２６ａ、２６ｂを対向するように設けて噴出口を形成して、これら導風板２６ａ、２６ｂの左右のそれぞれの端部間から噴出する分流２７ｂ、２７ｃと、上端部間から噴出する主流２７ａの３つの流れを生成するようにしたものである。尾管１４の端部２５に設けられる導風板２６ａ、２６ｂは、それぞれ尾管１４の端部２５の端縁（外周部）に、中心方向に傾けて設けられ、尾管１４の内周面付近を流れる排気ガスの直進を妨げて左右方向に誘導することで、尾管１４から外部に排出される排気ガスの流れを左右方向に分流する２つの流れ（分流２７ｂ、２７ｃ）と、尾管１４の中心部付近を直進する１つの流れ（主流２７ａ）とを生成する。この３つ流れ（主流２７ａ、分流２７ｂ、２７ｃ）は、互いに交わらない方向の流速成分を持つ排気ガス分流となって、ディフューザ１５内に流入する。なお、この例において導風板は２枚設置されているが、１枚でも良く、さらに、３枚以上設置しても良い。また、導風板２６ａ、２６ｂは、矩形状に形成したが分流効果を発揮できる形状であれば、これに限らず、三角形状や半円状としてもよく、実験等により適宜の形状を採用できる。

また噴出口１４ａを図６に示すような先細り形状とすることもできる。図に示すように尾管１４の先端開口部に、先細り形状の噴出口端部２８を形成するものである。この噴出口端部２８は、先端に尾管１４の内径よりも小さい内径をもつ噴出口と、先端の噴出口に向けて、尾管１４の内径を絞る先細り形状の壁面体からなり、この壁面体には、噴出口に繋がるＶ字状の切欠き２９ａ、２９ｂが径方向に対面するように設けられる。尾管１４を流れる排気ガスの一部は、分流３０ｂ、３０ｃとなっては切欠き２９ａ、２９ｂから噴出口端部２８の外部に噴出する。このとき、噴出口端部２８は先細り形状であるために、先端に行くほど排気抵抗が大きくなってより多くの排気ガスが切欠き２９ａ、２９ｂより外部に噴出するようになる。そのため、切欠き２９ａ、２９ｂから噴出する排気ガス分流３０ｂ、３０ｃは尾管１４の外側方向の速度成分を持つ。これにより、排気ガス１６は、噴出口端部２８の噴出口から噴出する排気ガス主流３０ａ、ならびに互いに交わらない方向の流速成分を持つ排気ガス分流３０ｂ、３０ｃとなって、ディフューザ１５に流入する。なお、この例において切欠き２９ａ、２９ｂは２箇所に設けられているが、少なくとも１箇所あればよく、また複数個所に設けても良い。さらに切欠きの形状を三角形状にしたが、分流効果を発揮できる形状であれば、これに限らず、矩形や略鋸形状、略歯車形状としてもよく、実験等により適宜の形状を採用できる。

本発明は、排気ガス後処理装置を備える機械全般に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。例えば、排気ガス後処理装置を搭載した自動車、ホイールローダ、ブルドーザ、クレーン車、道路機械、発電機、ポンプ装置等にも適用可能である。さらに、本発明は、あらゆる種類の排気ガス後処理装置を搭載する機械に適用が可能であり、本発明が対象とする排気ガス後処理装置はＤＰＦに限定されるものではない。例えば、尿素ＳＣＲ，三元触媒、消音器としてのマフラ等を備える機械にも適用可能である。

８ エンジン室
８ａ エンジン室カバー
８ｂ 貫通孔
１１ エンジン
１２ 排気ガス後処理装置
１３ 排気管
１４ 尾管
１４ａ 噴出口
１５ ディフューザ
１５ａ 支持部材
１６ 排気ガス
１６ａ，１６ｂ 排気ガス分流
１７ （ディフューザ内に吸引される）エンジン室内空気
１７ａ、１７ｂ （ディフューザ内に吸引される）外気
１８ 排気ガスと空気の混合ガス
２０ ディフューザの中心線
２１ 噴出口から噴出した排気ガスと空気の境界線
２２ 噴出口の開口端とディフューザの開口端を結んだ線
２５ 端部
２６ａ、２６ｂ 導風板
２７ａ 排気ガス主流
２７ｂ，ｃ （導風板によって分けられた）排気ガス分流
２８ 噴出口端部
２９ａ，ｂ 切欠き
３０ａ 排気ガス主流
３０ｂ〜ｃ （切欠きによって分けられた）排気ガス分流

Claims (4)

1. エンジンと、
   前記エンジンに接続された排気ガス後処理装置と、
   前記排気ガス後処理装置からの排気ガスを導き、先端開口部から噴出させる尾管と、
   前記尾管よりも大きな内径を有し、基端開口部が前記尾管の前記先端開口部に近接するように設けられて前記先端開口部から噴出される排気ガスの進入により生じるエゼクタ効果により前記尾管の先端部周囲の空気を排気ガスとともに内部に取り込むディフューザとを備えた排ガス温度低減装置において、
   前記エンジンは、エンジン室カバーを有するエンジン室内に収容されており、
   前記ディフューザは、前記エンジン室の外部に位置するように設けられ、
   前記先端開口部には、前記先端開口部から前記ディフューザの内部に噴出される排気ガスを少なくとも２つの異なる方向に噴出する噴出口が設けられており、
   前記噴出口から噴出される排気ガスの少なくとも２つの独立した軸方向の流速成分により、前記ディフューザの内部に前記尾管の先端部周囲の空気を取り込むことを特徴とする排気ガス温度低減装置。
2. 請求項１に記載の排気ガス温度低減装置において、
   前記噴出口は、前記尾管から前記ディフューザ内部に噴出される排気ガスを、互いに交わらない複数の方向に噴出させるように構成されることを特徴とする排気ガス温度低減装置。
3. 請求項１または２に記載の排気ガス温度低減装置において、
   前記エンジン室カバーには、貫通孔を有し、
   前記ディフューザは、前記エンジン室カバー上に前記貫通孔を囲むように設けられ、前記尾管の噴出口から噴出される排気ガスによって前記エンジン室内の空気を内部に取り込むよう構成されることを特徴とする排気ガス温度低減装置。
4. 請求項１または２に記載の排気ガス温度低減装置において、
   前記エンジン室カバーには、貫通孔を有し、
   前記尾管は、前記貫通孔を通じて前記エンジン室の外部まで延設され、
   前記ディフューザは、前記基端開口部が前記エンジン室の外部に位置するように前記尾管の先端部付近に取り付けられ、前記尾管の噴出口から噴出される排気ガスによって外気を内部に取り込むよう構成されることを特徴とする排気ガス温度低減装置。