<第1実施形態>
以下に、本発明を具体化した第1実施形態を図面(図1〜図6)に基づいて説明する。図1はディーゼルエンジン1の排気マニホールド6が設置された右側面図、図2はディーゼルエンジン1の吸気マニホールド3が設置された左側面図、図3はディーゼルエンジン1のヘッドカバー12が設置された平面図、図4はディーゼルエンジン1のフライホイールハウジング8が設置された背面図である。なお、排気マニホールド6が設置された側をディーゼルエンジン1の右側面と称し、吸気マニホールド3が設置された側をディーゼルエンジン1の左側面と称し、冷却ファン24が設置された側をディーゼルエンジン1の正面と称する。
図1〜図4を参照しながら、ディーゼルエンジン1の全体構造について説明する。ディーゼルエンジン1のシリンダヘッド2の一側面には吸気マニホールド3が配置されている。シリンダヘッド2は、エンジン出力軸4(クランク軸)とピストン(図示省略)が内蔵されたシリンダブロック5に上載されている。シリンダヘッド2の他側面に排気マニホールド6が配置されている。シリンダブロック5の正面と背面からエンジン出力軸4の前端と後端を突出させている。
シリンダブロック5の背面にフライホイールハウジング8を固着している。フライホイールハウジング8内にフライホイール9を設ける。エンジン出力軸4の後端側にフライホイール9を軸支させている。フライホイール9を介してディーゼルエンジン1の動力を取り出すように構成している。さらに、シリンダブロック5の下面にはオイルパン11が配置されている。そして、シリンダヘッド2の上側面にヘッドカバー12が配置されている。
吸気マニホールド3には、再循環用の排気ガスを取込む排気ガス再循環装置(EGR)15を配置する。エアクリーナ(図示省略)がターボ過給機17のコンプレッサケース25を介して吸気マニホールド3に接続される。エアクリーナにて除塵・浄化された外部空気は、コンプレッサケース25を通じて吸気マニホールド3に送られ、ディーゼルエンジン1の各気筒に供給されるように構成している。上記の構成により、ディーゼルエンジン1から排気マニホールド6に排出された排気ガスの一部が、排気ガス再循環装置15を介して、吸気マニホールド3からディーゼルエンジン1の各気筒に還流されることによって、ディーゼルエンジン1の燃焼温度が下がり、ディーゼルエンジン1からの窒素酸化物(NOx)の排出量が低減され、かつディーゼルエンジン1の燃費が向上される。
排気マニホールド6の上方には、ターボ過給機17を配置している。ターボ過給機17は、ブロアホイル内蔵のコンプレッサケース25と、タービンホイル内蔵のタービンケース26とを備えている。排気マニホールド6の出口部にタービンケース26の排気取込側を連結する。タービンケース26の排気排出側は、排気ガス浄化装置27の排気取込側と連結している。すなわち、ディーゼルエンジン1の各気筒から排気マニホールド6に排出した排気ガスは、ターボ過給機17及び排気ガス浄化装置27等を経由して外部に放出される。
なお、シリンダブロック5内とラジエータ19(図16参照)に冷却水を循環させる冷却水ポンプ21を備える。ディーゼルエンジン1の冷却ファン24設置側に冷却水ポンプ21を配置する。エンジン出力軸4にVベルト22などを介して冷却水ポンプ21及び冷却ファン24を連結し、冷却水ポンプ21及び冷却ファン24を駆動する。冷却水ポンプ21から、排気ガス再循環装置15のEGRクーラ18を介して、シリンダブロック5内に冷却水を送込む一方、冷却ファン24による冷却風にてディーゼルエンジン1を冷却するように構成している。
ディーゼルエンジン1の各気筒から排出された排気ガスを浄化するための排気ガス浄化装置27として、ディーゼルエンジン1の排気ガス中の粒子状物質を除去する酸化触媒(DOC)としての第1排気ガス浄化ケース28(以下、第1ケース28と呼ぶ)と、ディーゼルエンジン1の排気ガス中の窒素酸化物質を除去する尿素選択触媒還元フィルタ(SCRF)システムとしての第2排気ガス浄化ケース29(以下、第2ケース29と呼ぶ)を備える。
DOCケースとしての第1ケース28には、酸化触媒30が、排気ガス浄化体として内設される。酸化触媒30は、例えば、ウォールスルータイプのセラミック製ハニカムや金属製のメッシュなどに、一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)の酸化反応を促進させる触媒成分(例えば、Pt(白金)やPd(パラジウム)など)を担持した構造となっている。従って、ディーゼルエンジン1の排気ガスが第1ケース28を通過することで、排気ガス中の一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)が低減する。
SCRFケースとしての第2ケース29には、尿素選択触媒還元用のSCRフィルタ31と、尿素選択触媒還元用のSCR触媒32と、アンモニアスリップ触媒(ASC)33とが、排気ガス浄化体として内設される。SCRフィルタ31は、粒子状物質(PM)の捕集用フィルタにSCR触媒成分を塗布するなどして構成される。SCRフィルタ31は、例えば、ウォールフロー型のセラミック製ハニカムにNOxの選択触媒還元を促進する触媒成分(SCR触媒成分)を担持した構造となっている。SCR触媒32は、例えば、ウォールスルータイプのセラミック製ハニカムや金属製のメッシュなどに、SCR触媒成分を担持した構造となっている。アンモニアスリップ触媒33は、SCRフィルタ31及びSCR触媒32で反応しなかったアンモニアを酸化する酸化触媒である。従って、ディーゼルエンジン1の排気ガスが第2ケース29を通過することで、排気ガス中の窒素酸化物質(NOx)が低減する。
第1ケース28は、平面視でディーゼルエンジン1の出力軸(クランク軸)4と平行に長く延びた長尺円筒形状に構成している。第2ケース29は、平面視でディーゼルエンジン1の出力軸4と交叉する直交方向に長く延びた長尺円筒形状に構成している。すなわち、排気ガス浄化装置27は、長尺円筒形状の第1ケース28及び第2ケース29を平面視L字状に配置して構成されており、ディーゼルエンジン1のシリンダヘッド2外周に沿うように配置されている。
第1ケース28は、排気ガス入口側がターボ過給機17におけるタービンケース26の排気ガス出口に連結されるとともに、その長手中途部がケース支持ブラケット34を介してシリンダヘッド2と連結されている。第1ケース28は、シリンダヘッド2の一側方(右側方)において、ターボ過給機17と略同一高さで1直線上に配置される。すなわち、第1ケース28とターボ過給機17とが、排気マニホールド6上方で直列に連結している。従って、排気ガス浄化装置27の第1ケース28を設置した場合であっても、ディーゼルエンジン1の高さが低く抑えることができ、空間的な制限のあるエンジンルームであっても設置可能となる。
第2ケース29は、ケース支持ブラケット35を介してフライホイールハウジング8上方に固定されている。第2ケース29は、第1ケース28よりも低い位置に配置される。このとき、第1ケース28の排気ガス下流部分28aと第2ケース29の排気ガス上流部分29aとが上下に重なる位置に配置されるようにして、第1ケース28及び第2ケース29がL字状に配置される。第1ケース28と第2ケース29とは、排気連通管36により、互いに上下に重なる排気ガス下流部分28aと排気ガス上流部分29aとで連結している。第1ケース28は、平面視で第2ケース29と重なる位置であって排気連通管36と設置位置と異なる外周面に、第1ケース28内に尿素水を噴射する尿素水噴射体76が固定されている。
第1ケース28がターボ過給機17及びケース支持ブラケット34によりディーゼルエンジン1の排気マニホールド6側側面(右側面)に高剛性に支持される一方、第2ケース29が第1ケース28及びケース支持ブラケット35によりディーゼルエンジン1のフライホイールハウジング8側側面(背面)に高剛性に支持される。従って、排気ガス浄化装置27は、シリンダヘッド2の外周位置であって、排気マニホールド6及びフライホイールハウジング8上方の空間に高剛性に支持できると同時に、排気ガス浄化装置27を具備したディーゼルエンジン1をコンパクトに構成できる。
第1ケース28は、排気ガス下流部分28aの断面が排気ガス浄化体設置部分28bの断面より小さくなるように、排気ガス下流側にむかって収縮させた形状を有している。第1ケース28は、排気ガス下流部分28aを排気ガス浄化体設置部分28bよりも内側に設けている。これにより、排気ガス下流部分28aの外周面が排気ガス浄化体設置部分28bの外周面より内側に位置するため、排気ガス下流部分28a外周に尿素水噴射体76を設置できる空間を構成できる。
第2ケース29は、排気ガス上流部分29aの断面が排気ガス浄化体31〜33設置部分29bの断面より小さくなるように、排気ガス上流側にむかって収縮させた形状を有している。第2ケース28は、排気ガス下流部分28aを排気ガス浄化体設置部分28bそれぞれの下端が同等の高さとなる位置に設けている。これにより、上下方向の異なる位置で互いに重なり合うように配置される第1ケース28の排気ガス下流部分28aと第2ケース29の排気ガス上流部分29aとの間に十分な空間を設けることができる。従って、排気ガス下流部分28aと排気ガス上流部分29aとを連結する排気連通管36に内装される尿素混合管39が、尿素水と排気ガスとを十分に混合できる長さとなる。
ディーゼルエンジン1の多気筒分の各インジェクタ(図示省略)に、図15(図16)に示す燃料タンク45を接続する燃料ポンプ42とコモンレール43を備える。シリンダヘッド2の吸気マニホールド3設置側にコモンレール43と燃料フィルタ44を配置し、吸気マニホールド3下方のシリンダブロック5に燃料ポンプ42を配置している。なお、前記各インジェクタは、電磁開閉制御型の燃料噴射バルブ(図示省略)を有する。
燃料タンク45内の燃料が燃料フィルタ44を介して燃料ポンプ42に吸込まれる一方、燃料ポンプ42の吐出側にコモンレール43が接続され、円筒状のコモンレール43がディーゼルエンジン1の各インジェクタにそれぞれ接続されている。なお、燃料ポンプ42からコモンレール43に圧送される燃料のうち余剰分は、燃料タンク45に戻され、高圧の燃料がコモンレール43内に一時貯留され、コモンレール43内の高圧燃料がディーゼルエンジン1の各気筒(シリンダ)内部に供給される。
上記の構成により、前記燃料タンク45の燃料が燃料ポンプ42によってコモンレール43に圧送され、高圧の燃料がコモンレール43に蓄えられると共に、前記各インジェクタの燃料噴射バルブがそれぞれ開閉制御されることによって、コモンレール43内の高圧の燃料がディーゼルエンジン1の各気筒に噴射される。即ち、前記各インジェクタの燃料噴射バルブを電子制御することによって、燃料の噴射圧力、噴射時期、噴射期間(噴射量)を高精度にコントロールできる。したがって、ディーゼルエンジン1から排出される窒素酸化物(NOx)を低減できる。
次いで、図5〜図6を参照して、排気ガス浄化装置27の構成について詳細に説明する。図5及び図6に示す如く、排気ガス浄化装置27は、第1内側ケース37及び第1外側ケース38による二重管構造である第1ケース28と、第2内側ケース40及び第2外側ケース41による二重管構造である第2ケース29とを、排気連通管36で連結した構成を備える。酸化触媒30が、耐熱金属材料製で略円筒型の第1内側ケース37内に設けられ、第1内側ケース37が、耐熱金属材料製で略円筒型の第1外側ケース38内に設けられる。また、SCRフィルタ31、SCR触媒32及びアンモニアスリップ触媒33が、耐熱金属材料製で略円筒型の第2内側ケース40内に設けられ、第2内側ケース40が、耐熱金属材料製で略円筒型の第2外側ケース41内に設けられる。
図5に示す如く、第1ケース28は、第1排気ガス浄化体となる酸化触媒30の外側に、セラミックファイバー製でマット状の断熱材49を介して、第1内側ケース37を被嵌させている。すなわち、酸化触媒30と第1内側ケース37の間に断熱材49を圧入して、酸化触媒30を保護している。また、第2外側ケース38は、第1内側ケース37との間にリング状のスペーサ(図示省略)が嵌合されるなどして、第1内側ケース37の外周面と第1外側ケース38の内周面とが離間するようにして、第1内側ケース37外側に被嵌されている。
図6に示す如く、第2ケース29は、第2排気ガス浄化体となるSCRフィルタ31、SCR触媒32及びアンモニアスリップ触媒33の外側に、セラミックファイバー製でマット状の断熱材50〜52を介して、第2内側ケース40を被嵌させている。すなわち、SCRフィルタ31、SCR触媒32及びアンモニアスリップ触媒33と第2内側ケース40の間に断熱材50〜52を圧入して、SCRフィルタ31、SCR触媒32及びアンモニアスリップ触媒33を保護している。また、第2外側ケース41は、第2内側ケース40との間にリング状のスペーサ(図示省略)が嵌合されるなどして、第2内側ケース40の外周面と第2外側ケース41の内周面とが離間するようにして、第2内側ケース40外側に被嵌されている。
第1ケース28は、図5及び図6に示す如く、酸化触媒30よりも排気ガス下流側となる排気ガス下流部分28aを、酸化触媒30の設置される排気ガス浄化体設置部分28bよりも短径に構成している。すなわち、第1内側ケース37及び第1外側ケース38はともに、排気ガス下流部分28aが排気ガス浄化体設置部分28bよりも短径となる。また、第1内側ケース37及び第1外側ケース38は、排気ガス下流部分28aに貫通穴53〜56が上下に設けられている。
第1内側ケース37及び第1外側ケース38の上方の貫通穴53,54には、尿素水噴射体76が固定される噴射体設置用ケース57が挿入される。噴射体設置用ケース57は、その外周面が第1内側ケース37及び第1外側ケース38の貫通穴53,54の内周縁と当接するように、第1内側ケース37及び第1外側ケース38の排気ガス下流部分28a上方に固定されている。これにより、尿素水噴射体76からの尿素水を第1内側ケース37内に誘導できるとともに、第1内側ケース37と第1外側ケース38との間の空間に、尿素水や排気ガスが侵入することを防止できる。
また、第1内側ケース37の貫通穴55には、尿素混合管39が挿入され、第1外側ケース38の貫通穴56には、尿素混合管39とともに尿素混合管39の外周を覆う排気連通管36が挿入される。排気連通管36は、その排気ガス上流側の先端部分が、第1内側ケース37の外周面であって貫通穴55外側部分に当接するとともに、その外周面が第1外側ケース38の貫通穴56の内周縁と当接するように、第1内側ケース37及び第1外側ケース38の排気ガス下流部分28a下方に固定されている。尿素混合管39は、その外周面が第1内側ケース37の貫通穴55の内周縁と当接するようにして固定されるとともに、その排気ガス上流側の先端部分が噴射体設置用ケース57まで挿入される。これにより、第1ケース28と第2ケース29との連結部分を断熱性の高い二重管構造とすることができるとともに、第1内側ケース37と第1外側ケース38との間の空間に、尿素水や排気ガスが侵入することを防止できる。
第1内側ケース37及び第1外側ケース38の排気出口側端部に円板状の排気出口側内蓋体58を固着し、この排気出口側内蓋体58の外面側に、排気出口側外蓋体59が固定されている。そして、酸化触媒30の排気ガス下流側端面と排気出口側内蓋体58とが一定距離だけ離間させてあり、排気ガス下流部分28aにおける第1内側ケース37内側には、酸化触媒30と排気出口側内蓋体58との間に、尿素混合管39が外部から挿入される上流側尿素混合室60が構成される。
第2ケース29は、図5及び図6に示す如く、SCRフィルタ31よりも排気ガス上流側となる排気ガス上流部分29aを、SCRフィルタ31、SCR触媒32及びアンモニアスリップ触媒33の設置される排気ガス浄化体設置部分29bよりも短径に構成している。すなわち、第2内側ケース40及び第2外側ケース41はともに、排気ガス上流部分29aが排気ガス浄化体設置部分29bよりも短径となる。また、第2内側ケース40及び第2外側ケース41は、排気ガス上流部分29aの上方に貫通穴61,62が設けられている。また、排気入口管63が第2内側ケース40の外周面に設けられ、排気入口管63の排気出口側で貫通穴61を覆うとともに、排気入口管63の排気入口側を第2外側ケース41の貫通穴62より外側に突出させている。
第2内側ケース40の貫通穴61には、尿素混合管39が挿入され、排気入口管63には、尿素混合管39とともに尿素混合管39の外周を覆う排気連通管36が挿入される。排気連通管36は、その排気ガス上流側の先端部分が、第2内側ケース40の外周面であって貫通穴61外側部分に当接するとともに、その外周面が排気入口管63の排気入口部分の内周縁と当接するように、第2内側ケース40及び第2外側ケース41の排気ガス上流部分29a上方に固定されている。尿素混合管39は、その外周面が第2内側ケース40の貫通穴61の内周縁と当接するようにして固定されるとともに、その排気ガス下流側の先端部分が第2内側ケース40内側まで挿入される。これにより、第1ケース28と第2ケース29との連結部分を断熱性の高い二重管構造とすることができるとともに、第2内側ケース40と第2外側ケース41との間の空間に、尿素水や排気ガスが侵入することを防止できる。
第2内側ケース40及び第2外側ケース41の排気入口側端部に円板状の排気入口側内蓋体64を固着し、この排気入口側内蓋体64の外面側に、排気入口側外蓋体65が固定されている。そして、SCRフィルタ31の排気ガス上流側端面とSCRフィルタ31とが一定距離だけ離間させてあり、排気ガス上流部分29aにおける第2内側ケース40内側には、SCRフィルタ31と排気入口側内蓋体64との間に、尿素混合管39が外部から挿入される下流側尿素混合室66が構成される。
図5及び図6に示す如く、第1ケース28は、排気ガス下流部分28aに設けた噴射体設置用ケース57に、噴射台座77を介して尿素水噴射体76が取付けられている。尿素水噴射体76は、第1内側ケース37内の上流側尿素混合室60内に尿素水溶液を噴霧する。尿素水噴射体76は、下方に突出する尿素水噴射弁78が噴射台座77に設けられたノズル設置穴79に挿入されている。また、尿素水噴射体76に貫通して設けられたノズル設置穴79の位置が、噴射体設置用ケース57に貫通した設けられた尿素水ガイド穴80の位置と一致するように、噴射体設置用ケース57上に尿素水噴射体76に設置される。従って、尿素水噴射体76の尿素水噴射弁78から噴射される尿素水は、ノズル設置穴79及び尿素水ガイド穴80を通じて、上流側尿素混合室60内に挿入されている尿素混合管39の内部に誘導される。
図5及び図6に示す如く、尿素混合管39は、その上端側となる混合管入口81が、第1ケース28の排気出口側に構成される上流側尿素混合室60に挿入される一方、その下端側となる混合管出口82が、第2ケース29の排気入口側に構成される下流側尿素混合室66に挿入される。また、尿素混合管39は、第1ケース28及び第2ケース29の間となる中途部の外周面が、第1及び第2ケース28,29と連結した排気連通管36によって覆われる。これにより、尿素混合管39は、第1及び第2ケース28,29と排気連通管36とによって覆われることで、その外周面に断熱層が設けられることとなる。従って、尿素混合管39内を高温で維持できるため、尿素混合管39内において、尿素成分による結晶塊の形成を抑制できる。
尿素混合管39は、混合管入口81となる端部を斜切した形状(斜切円柱形状)としており、酸化触媒30寄りの管壁から排気出口側内蓋体58寄りの管壁に向かって低くなっている。すなわち、尿素混合管39の混合管入口81は、酸化触媒30寄りの管壁を噴射体設置用ケース57内周面の尿素水ガイド穴80外側部分に当接させて、酸化触媒30側を閉じた状態とする一方、排気出口側内蓋体58に向かって開口している。なお、尿素混合管39の混合管入口81の内周面は、噴射体設置用ケース57の尿素水ガイド穴80よりも外周側に配置される。また、尿素混合管39は、第1ケース28に挿入されている部分の管壁を複数の排気導入孔83を設けた多孔状としている。
尿素混合管39の混合管入口81が、酸化触媒30に向かって管壁が高くなる形状を有することで、酸化触媒30を通過した排気ガスの多くが、排気出口側内蓋体58から回り込むようにして尿素混合管81内に導入されることなる。従って、混合管入口81における斜切形状の開口部及び排気導入孔83それぞれが、尿素混合管39内への排気導入口として機能することで、尿素混合管39内に導入された排気ガスの流速を均一化できる。これにより、尿素混合管39内の混合管入口81に向かって尿素水噴射弁78から噴射された尿素水が攪拌分散されやすくなり、低温での尿素成分の蒸発性が向上するとともに、排気ガスと尿素成分との反応効率を高められる。
尿素混合管39は、混合管出口82となる端部を先端に向けて窄めた形状(先窄み形状)として、混合管出口82を先端に向かって短径化するとともに、第2ケース29における排気入口管63と逆側の内壁面に向けて混合管出口82を延設させている。尿素混合管39の混合管出口82は、第2ケース29の第2内側ケース40内に延設されているものの、第2内側ケース40の内壁面から離間させた位置に配置されている。
尿素混合管39の混合管出口82が、先端に絞りを設けた形状を有することで、混合管出口82先端の内壁面に尿素水を衝突させる。従って、排気ガスと未反応の尿素成分を混合管出口82との衝突により蒸発させることにより、第2ケース29の下流側尿素混合室66内での排気ガスと尿素成分との反応を促進する。また、第2内側ケース40の内壁面への尿素成分の到達を防ぐことができ、第2内側ケース40内壁面における結晶塊の形成を抑制できる。
尿素混合管39は、排気導入孔83の穿設位置より下流側に、尿素水と排気ガスとの混合を促進させるミキサ84を内装している。ミキサ84は、尿素混合管39の中心軸を軸として点対称となるように複数の羽根を放射状に設けるなどして構成され、尿素水を排気ガス中に分散撹拌する。ミキサ84は、尿素混合管39の第2ケース29への挿入部分(貫通穴61,62の設置位置近傍)に設置されており、尿素混合管39内の混合管出口82よりも排気上流側に固定されている。
断熱性の高い第2ケース29内にミキサ84が配置されることとなるため、ミキサ84の温度低下を抑制できる。また、混合管入口81で流速が均一化された排気ガスがミキサ84に流れ込むことにより、ミキサ84における旋回性にバラツキがなくなることから、排気ガスに尿素水が混合されやすくなり、尿素成分の蒸発性を向上できる。従って、ミキサ84における尿素成分の結晶化を防止できるだけでなく、排気ガスと尿素成分との反応を促進できるとともに、液滴状の尿素水が第2ケース29へ侵入することを抑制できる。更に、ミキサ84の下流側となる混合管出口82が先窄み形状を有するため、ミキサ84を通過した液滴状の尿素水を混合管出口82に衝突させて、第2内側ケース40の内壁面への尿素成分の到達を防いでいる。
<尿素混合管の第1変形例>
次いで、尿素混合管39の第1変形例について、図7及び図8を参照して説明する。本変形例では、図7及び図8に示す如く、尿素混合管39の混合管入口81の形状をベルマウス形状とするとともに、その先端周縁を広げた形状として、噴射体設置用ケース57の尿素水ガイド穴80よりも外周側に当接させる。また、尿素混合管39の第1ケース28内への挿入部分における管壁の一部が、尿素混合管39の内部に屈曲されており、屈曲された管壁が尿素衝突板85として構成される。更に、尿素混合管39の管壁のうち、尿素衝突板85が切り欠かれて構成された開口部分が、酸化触媒30を通過した排気ガスを尿素混合管39内に導入する排気導入口86として構成される。
尿素混合管39は、管壁の一部を屈曲させた尿素衝突板85を複数備えており、尿素衝突板85は、尿素混合管39の中心側で且つ尿素水噴射弁78から離れた方向に向かって延設されている。尿素混合管39は、尿素衝突板85の屈曲位置から下側に開口した排気導入口86を備えており、尿素衝突板85の設置部分を短径として窄めた(絞った)形状とする。尿素混合管39は、尿素衝突板85の設置部分から下流側(下側)に向かって断面積を連続的に広げた形状を有する。
尿素混合管39の混合管入口81をベルマウス形状とすることで、尿素水噴射弁78からの尿素成分が尿素混合管39の管壁に付着しにくい構造となる。また、尿素混合管39の第1ケース28内への挿入部分において、排気導入口86の設置部分に絞りを設けることにより、排気導入口86から導入される排気ガスの流速を速めることができ、尿素混合管39の管壁の高温化を促進できる。更に、尿素混合管39の管壁を第1ケース28の下側貫通穴55,56に向かって徐々に広げる構成とすることで、尿素混合管39の管壁の温度低下を抑制できる。従って、尿素混合管39の内壁面において、尿素成分の結晶塊が形成されるのを低減でき、前記尿素結晶塊の成長などにて尿素混合管39の排気抵抗が増大するのを容易に防止できる。
尿素混合管39は、尿素水噴射弁78の下流側(下側)に尿素衝突板85を配置しているため、尿素水噴射弁78から噴射した尿素水を尿素衝突板85に衝突させて、尿素水の微粒子化を促進し、尿素成分と排気ガスの反応を促進させる。そして、尿素衝突板85は、尿素水噴射弁78からの尿素水の噴射方向に対する傾斜角(尿素水の衝突角)を大きくすることで、尿素衝突板85を構成する管壁への尿素水の液膜が形成し難くなり、尿素成分による結晶塊の形成を抑制できる。
また、尿素混合管39に管壁の一部により尿素衝突板85を構成すると同時に排気導入口86を設けることで、尿素衝突板85が高温の排気ガス中に曝されて、尿素衝突板85を昇温させることができる。従って、尿素水噴射弁78からの噴射された尿素水が尿素衝突板85に衝突したとしても、尿素衝突板85で尿素成分による結晶塊の形成を抑制できる。
また、尿素混合管39の第1ケース28内への挿入部分において、混合管入口81よりも下流側に絞りを設けるとともに、当該絞り位置に尿素衝突板85を配置させている。これにより、尿素衝突板85の構成部分における排気ガスの流速を速めることができ、尿素衝突板85における排気ガスとの熱交換を促進させ、尿素衝突板85を効果的に昇温できる。
<尿素混合管の第2変形例>
次いで、尿素混合管39の第2変形例について、図9及び図10を参照して説明する。本変形例では、図9及び図10に示す如く、尿素混合管39の混合管出口82の外周面に複数枚の熱交換フィン87を外周側に向けて突設させる。熱交換フィン87を混合管出口82に設けることで、第2ケース29内の温度雰囲気により、下流側尿素混合室66に挿入された混合管出口82の管壁の温度低下を抑制できる。従って、混合管出口82の管壁に衝突する尿素成分の蒸発性を向上でき、尿素成分と排気ガスの反応を促進させる。なお、本変形例において、第1変形例の構成を組み合わせることは可能である。
<第2実施形態>
以下に、本発明を具体化した第2実施形態を図面(図11〜図14)に基づいて説明する。図11はディーゼルエンジン1の排気マニホールド6が設置された右側面図、図12はディーゼルエンジン1のヘッドカバー12が設置された平面図、図13はディーゼルエンジン1のフライホイールハウジング8が設置された背面図である。なお、本実施形態のエンジン装置において、第1実施形態のエンジン装置と同一の部品及び部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
本実施形態における排気ガス浄化装置27の連結構造について、図11〜図15を参照して、以下に説明する。本実施形態の排気ガス浄化装置27は、図11〜図15に示す如く、第1ケース28の排気ガス下流部分28a外周面において上端よりも内側(ヘッドカバー12寄り)となる位置に、尿素水噴射体76が固定されている。
第1ケース28の第1内側ケース37及び第1外側ケース38は、排気ガス下流部分28aにおいて、上端よりも左側(ヘッドカバー12寄り)となる位置に、貫通穴54,55を備えている。噴射体設置用ケース57は、第1ケース28に設けられた貫通穴54,55に対して、右下側に斜行するようにして設置されている。これにより、噴射体設置用ケース57における尿素水噴射体76の設置面が、ヘッドカバー12側(左側)に傾斜した面となり、尿素水噴射体76を傾斜して設置させる。従って、ディーゼルエンジン1上面の低い位置に尿素水噴射体78が支持されることとなり、ディーゼルエンジン1の上面側高さを嵩低く形成可能に構成している。
尿素混合管39は、第1ケース28下側であって機外側方(右側方)から第1ケース28内に挿入されており、混合管入口81が尿素水噴射体76に向かって(左側上方に向かって)延設されている。すなわち、そして、尿素混合管39は、その混合管入口81が第1ケース28下側であって機外側方(右側方)に設けられた貫通穴55,56から第1内側ケース37内に挿入される。尿素混合管39は、その中途部を第2ケース29内で屈曲させて、第2ケース29の長手方向に対して直交するようにして第2ケース29内に混合管出口82が挿入されている。
排気連通管36が、第2ケース29の長手方向に対する直交方向(垂直方向)からシリンダヘッド2側(左側)に傾斜するようにして斜設されている。そして、排気連通管36が、第2外側ケース41から突設されている排気入口管63と第1外側ケース38の貫通穴56とを連通し、尿素混合管39の中途部外周面を覆っている。また、尿素混合管39の屈曲部が、第2ケース29の貫通穴61,62近傍に設けられており、排気連通管36及び排気入口管63で被覆されている。排気連通管36の屈曲部分を第2ケース29内に配置させることにより、屈曲部の管壁を高温に昇温できるため、排気連通管36の内壁面に衝突する尿素成分による結晶化を抑制できる。
ミキサ84が、尿素混合管39の第1ケース28内への挿入部分に設置されている。このとき、尿素混合管39は、排気導入孔83の穿設位置より下流側に、尿素水と排気ガスとの混合を促進させるミキサ84を内装している。本実施形態では、ミキサ84は、第1ケース28の下側貫通穴55,56の設置位置近傍に設置されている。ミキサ84が第1ケース28内に設置されることで、ミキサ84を高温の排気ガス環境下に配置でき、ミキサ84における蒸発性能を向上できるだけでなく、尿素成分の結晶塊の形成を抑制でき、排気ガスと尿素成分との反応を促進できる。
なお、本実施形態においては、第1ケース28内にミキサ84が設置されることにより、尿素混合管39におけるミキサ84から混合管出口82までの距離が長くなるため、混合管出口82より、尿素成分が十分に混合攪拌した排気ガスが排出される。そのため、上記構成では、第1の実施形態と同様、第2ケース29に挿入される尿素混合管39の混合管出口82を先窄まり形状におる絞りを有するものとしたが、混合管出口82の管径を先端まで同一径とするものであってもよい。また、本実施形態において、第1の実施形態と同様、尿素混合管39の混合管入口81側の形状を第1変形例のように構成しても構わないし、また、第2変形例のように、尿素混合管39の混合管出口82側に熱交換フィン87を設けるものとしても構わない。
<第1及び第2実施形態の適用例>
図15及び図16を参照して、第1及び第2実施形態に示すディーゼルエンジン1をバックホウ100に搭載した構造を説明する。図15及び図16に示す如く、バックホウ100は、左右一対の走行クローラ103を有する履帯式の走行装置102と、走行装置102上に設けられた旋回機体104とを備えている。旋回機体104は、旋回用油圧モータ(図示省略)によって、360°の全方位にわたって水平旋回可能に構成されている。旋回機体104の前方左側部には、キャビン(操縦部)106が搭載されている。旋回機体104の前方中央部分には、掘削作業のためのブーム111及びバケット113を有する作業部110が設けられている。旋回機体104の後方部分には、ラジエータ19及びディーゼルエンジン1が搭載されている。旋回機体104の右側方には、燃料タンク45及び尿素水タンク71が搭載されている。
キャビン106には、オペレータが着座する操縦座席と、ディーゼルエンジン1等を出力操作する操作手段や、作業部110用の操作手段としてのレバー又はスイッチ等が配置されている。作業部110の構成要素であるブーム111には、ブームシリンダ112とバケットシリンダ114とが配置されている。ブーム111の先端部には、掘削用アタッチメントとしてのバケット113が、掬い込み回動可能に枢着されている。ブームシリンダ112又はバケットシリンダ114を作動させて、バケット113によって土工作業(作溝等の対地作業)を実行するように構成している。
旋回機体104の後方左側部に、ラジエータ19が設置されており、ラジエータ19の右側には、ラジエータ19に冷却ファン24が対向するようにして、ディーゼルエンジン1が設置されている。ディーゼルエンジン1は、排気マニホールド6の設置面がキャビン106及び作業部110に向くように設置されており、その上面がボンネット115によって覆われている。また、排気ガス浄化装置27の第1ケース28が作業部110後方に配置されており、第2ケース29が第1ケース28との連結部分から後方に向けて延設されるように配置される。そして、第2ケース29の排気出口と連結したテールパイプ116が、ボンネット115後方より上方に突設されている。
燃料タンク45及び尿素水タンク71は、旋回機体104の右側部で前後に配置されており、燃料タンク45の注油口46と尿素水タンク71の注水口72とが右側方に向けて突設されている。さらに、尿素水タンク71内の尿素水溶液を圧送する尿素水噴射ポンプ73が、尿素水タンク71と第1ケース28との間となる位置に設置される。これにより、第1ケース28に固定された尿素水噴射体76と尿素水ポンプ73とを接続する尿素水配管を短尺化できると同時に、尿素水タンク71と尿素水ポンプ73とを接続する尿素水配管をも短尺できる。
<第3実施形態>
以下に、本発明を具体化した第3実施形態を図面(図17〜図19)に基づいて説明する。なお、本実施形態のエンジン装置において、第2実施形態のエンジン装置と同一の部品及び部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
本実施形態のディーゼルエンジン1は、図17に示す如く、排気ガス浄化装置27の第1ケース28をディーゼルエンジン1上面に設ける一方、第2ケース29を遠隔配置した構成となる。第1ケース28の排気出口と第2ケース29排気入口とは、L字形状となる排気連結管177により連通されるとともに、排気連結管177が尿素混合管176を内装することで、第1ケース28及び第2ケース29の連結部分が二重管構造とされている。
尿素混合管176は、第2の実施形態と同様、第1ケース28の排気ガス下流部分28a部分に挿入された混合管入口81を備えている。尿素混合管176の混合管入口81側の構成は、第2実施形態と同様、その端部が斜切されるとともに排気導入孔83を有するとともに、ミキサ84を内装した構成となる(図16参照)。
また、尿素混合管176は、第2の実施形態と同様、第2ケース29の排気ガス上流部分29a部分に挿入された混合管出口82を備えている。尿素混合管176の混合管入口81側の構成は、第2実施形態と同様、先端に絞りを設けた構成となる。なお、本実施形態においても、尿素混合管176について、第1及び第2実施形態と同様、上述の第1及び第2変形例による構成を適用する物としても構わない。
<第3実施形態の適用例>
次に、図17〜図19を参照して、第3実施形態におけるディーゼルエンジン1を搭載したトラクタ151について説明する。図17〜図19に示す如く、作業車両としての農作業用トラクタ151は、走行機体152を左右一対の前車輪153と左右一対の後車輪154とで支持し、走行機体152の前部に前記ディーゼルエンジン1を搭載し、ディーゼルエンジン1にて後車輪154及び前車輪153を駆動することにより、前後進走行するように構成されている。ディーゼルエンジン1の上面側及び左右側面側は、開閉可能なボンネット156にて覆われている。
また、前記走行機体152の上面のうち、ボンネット156の後方には、オペレータが搭乗するキャビン(操縦部)157が設置されている。該キャビン157の内部には、オペレータが着座する操縦座席158と、操向手段としての操縦ハンドル159などの操縦機器が設けられている。また、キャビン157の左右外側部には、オペレータが乗降するための左右1対のステップ160が設けられ、該ステップ160より内側で且つキャビン157の底部より下側には、ディーゼルエンジン1に燃料を供給する燃料タンク45が設けられている。
また、走行機体152は、ディーゼルエンジン1からの出力を変速して後車輪154(前車輪153)に伝達するためのミッションケース161を備える。ミッションケース161の後部には、ロワーリンク162及びトップリンク163及びリフトアーム164などを介して、図示しない耕耘作業機などが昇降動可能に連結される。さらに、ミッションケース161の後側面に、前記耕耘作業機などを駆動するPTO軸165が設けられている。なお、トラクタ151の走行機体152は、ディーゼルエンジン1と、ミッションケース161と、それらを連結するクラッチケース166などにて構成される。
加えて、キャビン157の前面のうちキャビン157右側角隅部に、第2ケース29を縦置き配置となるように立設させるとともに、第2ケース29の排気出口側よりテールパイプ178を立設させる。すなわち、キャビン157右側角隅部の前面に、テールパイプ178と第2ケース29とが上下に直列配置されている。第2ケース29の排気入口管63が、中途部に蛇腹管状可とう管179を有する排気連結管177を介して、ボンネット156内部の第1ケース28の排気出口と連結している。
また、キャビン157の前面のうち、テールパイプ178が配置された右側部と反対側のボンネット156の左側部に尿素水タンク71を設置している。すなわち、ボンネット156左側後部の走行機体152(キャビン157の底部フレーム等)に尿素水タンク71を搭載する。キャビン157左側の前面下部に、燃料タンク45の注油口46と、尿素水タンク71の注水口72を隣接させて設ける。オペレータの乗降頻度が低いキャビン157右側の前面にテールパイプ178が配置される一方、オペレータの乗降頻度が高いキャビン157左側の前面に注油口46と注水口72が配置される。なお、キャビン157は、左側または右側のいずれからでもオペレータが操縦座席158に乗降可能に構成されている。
さらに、尿素水タンク71内の尿素水溶液を圧送する尿素水噴射ポンプ73が、尿素水タンク71と第1ケース28との間となる位置に設置される。これにより、第1ケース28に固定された尿素水噴射体76と尿素水噴射ポンプ73とを接続する尿素水配管を短尺化できると同時に、尿素水タンク71と尿素水噴射ポンプ73とを接続する尿素水配管をも短尺できる。したがって、尿素水配管を効率的に配管できることにより、配管作業及びメンテナンス作業における煩雑さを解消できるだけでなく、尿素水配管における外部環境の影響を低減でき、尿素水配管内における尿素水の結晶化を抑制できる。
なお、本願発明における各部の構成は図示の実施形態に限定されるものではなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。例えば、上記各実施形態の構成を、第1排気ガス浄化体として酸化触媒及びスートフィルタとを備えたDPFケースを第1ケースとするとともに、第2排気ガス浄化体としてSCR触媒とアンモニアスリップ触媒とを備えたSCRケースを第2ケースとする排気ガス処理装置に適用するものとしても構わない。また、ミキサについても、羽根を固定したものとしたが、羽根を回転するものとしても構わない。