JP5418771B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスの浄化を行う内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン（内燃機関）の排気浄化装置には、内燃機関から排出された排ガス中に還元剤を添加して浄化する構造がある。多くは、エンジンの排ガスが流通する排気通路の上流側にディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、ＤＰＦという）を設け、下流側に選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒という）を設け、ＳＣＲ触媒の上流側の通路部分から、排ガス中に還元剤としての尿素水溶液を噴射させる構造が用いられる。

こうした排気浄化装置では、車両への搭載性の向上のため、全長を抑えたコンパクトな構造が求められる。そのため、排気浄化装置には、箱形の外殻ケース内に、同ケース内部の一部を折返路として活用してＤＰＦとＳＣＲ触媒を並列に収める並列タイプが多く提案されている（特許文献１を参照）。

特開２００７− ８５２４７号公報

通常、排気浄化装置は、車両のシャシフレームの側部に支持させて取り付けられる。箱形の外殻ケース内にＤＰＦとＳＣＲ触媒を並列に収めた並列タイプの排気浄化装置も、外殻ケースを支持装置で車両のシャシフレームの側部に支持させる。
ところが、排気浄化装置は、重量の有る装置である。特に上記した並列タイプの排気浄化装置は、折返路が外殻ケース内の一部で形成され、排ガスが周囲から流れ込む構造なので、圧力損失は抑えられるものの、箱形の外郭ケースは、内側から排ガスの圧力（内圧）を受けるため、ケースの面部分の各部に補強部材を設けて、膨張を抑えることが求められる。

このため、特に外殻ケースを用いた排ガス浄化装置は、構造上、かなりの重量を有した重量物となり、同装置を支持する支持装置は、過大な応力が加わりやすく、かなりの負担となっていた。
そこで、本発明の目的は、支持負担が抑えられるコンパクトな並列タイプの内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、車両のシャシフレームに装置本体を支持させて車両に搭載される内燃機関の排気浄化装置であって、装置本体は、円筒形容器内にパティキュレートフィルタを収容して構成される第１排ガス処理部と、円筒形容器内に選択還元型ＮＯｘ触媒を収容して構成される第２排ガス処理部とを上下２段に並行に配設するとともに両者間を分割式の中間パイプ部で着脱可能に接続して構成される上下２段式の本体部と、選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側から排ガス中に添加剤を添加する添加剤添加装置とを有して構成され、上段に位置する第１排ガス処理部および第２排ガス処理部の一方の排ガス処理部が、シャシフレームの車幅方向両側を構成するメインフレーム部材のうちの片側のメインフレーム部材の車幅方向外側で、メインフレーム部材の車幅方向外側へ前記排ガス処理部の全長方向が張り出るように配置され、下段に位置する他方の排ガス処理部が、メインフレーム部材の下側で、上段の排気ガス処理部と並んで全長方向がメインフレーム部材の車幅方向外側へ張り出るように配置され、第１および第２排ガス処理部の配置されるメインフレーム部材の上部と下部とには、第１および第２排ガス処理部の上部に沿ってそれぞれ車幅方向外側に張り出す上下２段のハンガ部材が設けられ、第１および第２排ガス処理部の各円筒形容器が、各排ガス処理部の上側に位置する各ハンガ部材に吊持部材で吊持される構成とした。

同構成によると、排気浄化装置は、装置本体が、円筒形容器がもつ剛性強度に優れる特性を活かして、円筒形容器にパティキュレートフィルタが内蔵の第１排ガス処理部、同じく選択還元型ＮＯｘ触媒が内蔵の第２排ガス処理部を上下２段に並行に配設した簡素かつ軽量な構造で構成され、当該剛性強度に優れた第１および第２排ガス処理部の円筒形容器を、それぞれ吊持部材により、シャシフレームのメインフレーム部材の上下部から張り出たハンガ部材に支持することによって、できるだけ負担をかけずに車両に搭載される。

請求項２の発明は、さらにメインフレーム部材から車幅方向外側に張り出す排ガス処理部の張り出し量ができるだけ抑えられるよう、下段に配置される排ガス処理部は、メインフレーム部材の下側から、一部が当該メインフレーム部材の下側に隠れるようにして張り出せるものとした。
請求項３の発明は、さらに効果的に排ガス処理部の張り出しが抑えられるよう、下段に配置される排ガス処理部には、全長が長くなりやすい選択型ＮＯｘ触媒を収めた第２排ガス処理部を用いた。

請求項１の発明によれば、装置本体を、強度的に優れる円筒形容器を用いて構成された第１および第２排ガス処理部を上下２段に配置させた簡素な並列構造から構成して軽量にし、かつ強度的に優れた円筒形容器を、それぞれ吊持部材、ハンガ部材により、第１および第２排ガス処理部毎に、シャシフレームのメインフレーム部材の上下部に支持させ、加わる重量を分散させたから、排気浄化装置は、できるだけ負担をかけずに車両に搭載される。
それ故、支持負担が抑えられるコンパクトな並列タイプの排気浄化装置が提供できる。

しかも、支持は、軽量化に伴い簡単なハンガ構造ですむ。
請求項２の発明によれば、排気浄化装置は、メインフレーム部材からの張り出し量をできるだけ抑えながらコンパクトに車両に搭載できる。
請求項３の発明によれば、全長が長くなりやすい傾向の有る選択型ＮＯｘ触媒を収めた第２排ガス処理部の特性を考慮して、効果的に排ガス処理部の張り出しを抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を、同装置を搭載した車両と共に示す側面図。 同排気浄化装置を拡大して示す斜視図。 図２中のＡ−Ａ線に沿う断面図。 図２中の矢視Ｂから見た側面図。

以下、本発明を図１ないし図４に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は、車両、例えばトラクタの概略的な側面を示していて、図１中１は、車体を構成する車両前後方向に沿って延びるラダー式シャシフレームで、２は同シャシフレーム１の車幅方向両側を形成する一対（２本）のメインフレーム（車両前後方向に延びる部材：本願のメインフレーム部材に相当）を示している。３は、シャシフレーム１の前部側に設けた前輪、４は同じくキャビン、５は同じくディーゼルエンジン（本願の内燃機関に相当）、６は同ディーゼルエンジン５の出力部に連結されたトランスミッション、７はメインフレーム２の後部側に設けた後輪をそれぞれ示している。

シャシフレーム２の両側には、図示はしないが燃料タンク、バッテリなど各種機器が支持される。また片側のメインフレーム２のうち、メインフレーム２の近傍の空いた個所、例えば助手席側のメインフレーム２の前部には、排気浄化装置、例えば尿素添加式の排気浄化装置１０が設けられている。図２にはこの排気浄化装置１０の全体が示され、図３および図４には同排気浄化装置１０の各部が示されている。

図１〜図４に示されるように排気浄化装置１０には、メインフレーム２横のスペースを活用してコンパクトに搭載されるよう、ディーゼルパティキュレートフィルタ１２（以下、ＤＰＦ１２という）と、選択還元型ＮＯｘ触媒であるアンモニア選択還元型ＮＯｘ触媒１４（以下、ＳＣＲ触媒１４という）とを並行に配置した上下２段式の構造が用いられている。この並列タイプの排気浄化装置１０には、支持負担をできるだけ抑えた車両搭載を可能とした工夫が施されている。同工夫には、できるだけ簡素な構造で並列化にした本体構造１５（本願の装置本体に相当）と、同本体構造１５の重量を分散させてシャシフレーム１に支持させる支持構造３０（本願の支持装置に相当）とを併用した技術が用いられている。

図２〜図４を参照して、本体構造１５を説明すると、これには剛性強度に優れる部品である２つの円筒形のマフラケーシング１６，１７（いずれも本願の筒形容器に相当）を用いて、上流側マフラ１８（本願の第１排ガス処理部に相当）と下流側マフラ１９（本願の第２排ガス処理部に相当）とが上下２段に並んだ本体部２０を構成し、同本体部２０に尿素水溶液（還元剤に相当）を噴霧する噴霧装置２１（本願の還元剤添加装置に相当）を設けた構造が用いてある。

具体的には上流側マフラ１８は、両端に端壁１６ａを有する円筒形のマフラケーシング１６内に、排気ガス中のパティキュレートマター（以下、ＰＭという）を捕集するＤＰＦ１２を、例えば当該ＤＰＦ１２を連続再生する前段酸化触媒２２（前段触媒）と共に収めて構成される。下流側マフラ１９は、両端に端壁１７ａを有する筒形のマフラケーシング１７内に、例えば２つのＳＲＣ触媒１４を、ＳＣＲ触媒１４から流出したアンモニアを抑える後段酸化触媒２３（後段触媒）と共に収めて構成される。これらマフラ１８，１９が、上下２段、例えば上流側マフラ１８を上側に、下流側マフラ１９を下側に配置したレイアウトで隣接して並行に配置される。このうち上流側マフラ１８の上流側の端部周壁には入口部２４が設けられ、同じく下流側マフラ１９の下流側の端壁１７ａには出口部２５が設けられる。

反対側の上流側マフラ１８の下流側の端部と下流側マフラ１９の上流側の端部間は通路で連通する。具体的には、隣接する各マフラケーシング１６，１７のケーシング周壁部分間が中間パイプ部材２６（本願の中間パイプ部に相当）で接続される。つまり、本体部２０は、ＤＰＦ１２や前段酸化触媒２２を収めた円筒形のマフラケーシング１６（剛性強度に優れる部品）と、ＳＣＲ触媒１４や後段酸化触媒２３を収めた円筒形のマフラケーシング１７（剛性強度に優れる部品）と、中間パイプ部材２６とを組み合わせた簡素な構造で構成される。

なお、中間パイプ部材２６には、中間部から分割され、相互が継手部材、例えばフランジ継手２６ａで着脱可能に連結された分割式構造が用いてある。上流側マフラ１８より若干、全長の長い下流側マフラ１９は、中間パイプ部材２６側の端部を上流側マフラ１８の端にほぼ揃え、反対側の端を上流側マフラ１８から突出させてある（段違い）。またＤＰＦ１２のメンテナンス作業が行ないやすいよう、マフラケーシング１６には、ＤＰＦ１２を挟んだ両側で分割し、相互を継手部材、例えば一対のフランジ継手１６ｂで着脱可能に連結した構造が用いられ、ＤＰＦ１２がケーシング部分１６ｃごと、本体部２０から取り外せる構造にしてある。

噴霧装置２１は、例えば図２〜図４に示されるようにＤＰＦ１２の出口端と中間パイプ部材２６の出口との間に形成されている扁平な拡張室２８に設けられる。すなわち、例えば噴霧装置２１は、尿素タンク内の尿素水溶液（還元剤）を狭角のコーン状の噴霧形状で噴霧するノズル部（図示しない）を有して構成される。同噴霧装置２１は、例えば中間パイプ部材２６と反対側のマフラケーシング１６の周壁部分、例えば中間パイプ部材２６の軸心を延長した周壁部分に配置され、同部分に配置されたノズル部から、尿素水溶液が、狭角の噴霧形状で拡張室２８内へ噴霧されるようにしている。これで、限られたスペースの拡張室２８を用いて尿素水溶液と排ガスとが良好に混じり合うようにしている。
このような構造から本体構造１５が構成してある。

一方、図２〜図４に示されるように支持構造３０には、上流側マフラ１７、下流側マフラ１８をそれぞれ独立してシャシフレーム１に支持させる構造が用いられている。この支持構造３０にはハンガ構造が用いられている。同ハンガ構造には、例えばメインフレーム２の側部から車幅方向外側にそれぞれ張り出す上下２段のハンガ部材３２，３３と、ハンガ部材３２に上流側マフラ１８を吊持させる吊持部材３５と、ハンガ部材３３に下流側マフラ１９を吊持させる吊持部材４０とを組み合わせた構造が用いられる。

具体的には上段のハンガ部材３２には、車両前後方向に並ぶ一対（２本）のパイプ部材が用いられる。そして、同パイプ部材の一端部がメインフレーム２の上部に取着されたベース３２ｂに形成してある支持孔部３２ａに差込み固定（着脱可能）されることによって、パイプ部材３２ａの他端側をメインフレーム２から外側に並行に張り出させている。下段のハンガ部材３３も同様に車両前後方向に並ぶ一対（２本）のパイプ部材が用いられる。すなわち、同様にパイプ部材の一端部をメインフレーム２の下部に取着されたベース３３ｂに形成してある支持孔部３３ａに差込み固定（着脱可能）されることによって、パイプ部材の他端側をメインフレーム２から外側に並行に張り出せている。

図２〜図４に示されるように吊持部材３５は、マフラケーシング１６の周壁の上部の各部に取着した複数のケーシング側ブラケット３６と、これらケーシング側ブラケット３６をパイプ部材の各部に取着してある複数のハンガ側ブラケット３８につなぐアーム部材３９とを組み合わせた構造が用いてある。

具体的にはケーシング側ブラケット３６は、マフラケーシング１６の片側となる、ＤＰＦ１２が収めてあるケーシング部分１６ｃの軸心を挟んだ斜め両側の地点や、入口部２４付近のケーシング部分の軸心を挟んだ斜め両側の地点にそれぞれ突設されている。ハンガ側ブラケット３８は、いずれもマフラケーシング１６の軸心側に向かって斜めに突き出ていて、アーム部材３９でブラケット３６，３８間を連結することによって、上流側マフラ１８を所定の位置に吊持させている。またアーム部材３９の各端部は、着脱可能な連結具、例えばボルトナットなどにより着脱可能となっている。この着脱構造を用いて、ＤＰＦ１２が有るケーシング部分１６ｃの取り外しを可能にしている。

吊持部材４０も、図２〜図４に示されるように同様にマフラケーシング１７の周壁の各上部に取着した複数のケーシング側ブラケット４２と、これらケーシング側ブラケット４２をパイプ部材の各部に取着してある複数のハンガ側ブラケット４５につなぐアーム部材４７とを組み合わせた構造が用いてある。

具体的にはケーシング側ブラケット４２は、マフラケーシング１７の片側である、中間パイプ部材２６付近のケーシング部分の軸心を挟んだ斜め両側の地点や、反対側である出口部２５付近のケーシング部分の軸心を挟んだ斜め両側の地点にそれぞれ突設されている。ハンガ側ブラケット４５は、いずれもマフラケーシング１７の軸心側に向かって斜めに突き出ていて、アーム部材４７でブラケット４２，４５間を連結することによって、下流側マフラ１９も上流側マフラ１８と同様に定位置に吊持させている。

この吊持に際し下流側マフラ１９が、できるだけシャシフレーム１から車幅方向外側の張り出さないよう、上流側マフラ１８より突き出た端部分（本願の一部に相当）はメインフレーム２の下側に配置され、突き出た端部分をメインレーム２の下側に隠れさせている。なお、アーム部材４７の各端部も、上記アーム部材３９と同様、着脱可能な連結具、例えばボルトナットにより着脱可能に連結してある。

こうした吊持構造により、上流側マフラ１８、下流側マフラ１９は、それぞれ独立させてシャシフレーム１に支持させてある。そして、入口部２４は、ディーゼルエンジン５から延びる排気管５ａに接続され、出口部２５は大気側の排気管５ｂに接続され、ディーゼルエンジン１から排出された排ガスが浄化されるようにしてある。

すなわち、ディーゼルエンジン１から排出された排ガスは、ＤＰＦ１２を通過するときに排ガス中のＰＭが捕集される。その後、拡散室２８を通過する排ガス中に、噴霧装置２１のノズル部から尿素水溶液が噴霧され、拡張室２８内で尿素水溶液が排ガスと混合される。この混合により尿素水溶液は、排ガスの排気熱、排ガス中の水蒸気により加水分解され、アンモニアが生成される。このアンモニアが、中間パイプ部材２６内を通って、ＳＣＲ触媒１４に至り、同ＳＣＲ触媒１４におけるＮＯｘ還元作用により、排ガス中のＮＯｘが還元される。そして、浄化を終えた排ガスが出口部２５から排出される。

こうした浄化を行なっているとき、排気浄化装置１０を支持する支持構造３０は、エンジンや走行などに伴う振動などが加わる。ここで、排気浄化装置１０の重量が重いと、かなり同部分に応力が加わる。
このとき、排気浄化装置１０は、重量を抑えた構造、さらには同重量を分散させてシャシフレーム１に支持する構造を採用しているため、支持構造３０に加わる応力は少なく抑えられる。

すなわち、排気浄化装置１０の本体構造１５には、強度的に優れた円筒形のマフラケーシング１６（円筒容器）にＤＰＦ１２や前段酸化触媒２２を収めた上流側マフラ１８と、同じく円筒形のマフラケーシング１７（円筒容器）にＳＣＲ触媒１４や後段酸化触媒２３を収めた下流側マフラ１９とを中間パイプ部材２６を用い上下２段に配置させるという簡素な並列構造が用いられているので、格段に重量は抑えられ、軽量となる。しかも、支持構造３０は、強度的に優れた各マフラケーシング１６，１７をそれぞれメインフレーム２の各部に支持させるという、マフラ毎、独立させて支持させる構造を用いているので、排気浄化装置１０の重量は、さらに主部毎に分散されながらシャシフレーム１（車体）に支持される。

このとき各支持構造３０に加わる応力は、排気浄化装置１９から作用する重量に関係するから、支持構造３０に加わる応力は格段に抑えられる。つまり、排気浄化装置１０は、できるだけ支持負担を与えずに車両にコンパクトに搭載することができる。
それ故、支持負担が抑えられるコンパクトな並列タイプの排気浄化装置１０が提供できる。

特に下段の下流側マフラ１９の一部をメインフレーム２の下側に隠れるように配置すると、排気浄化装置１０の車幅方向外側への張り出しは抑えられ、一層、コンパクトに排気浄化装置１０を車両に搭載できる。これは、当該下側に配置されるマフラが、全長寸法の長くなりやすい傾向のＳＣＲ触媒１４を内蔵した下流側マフラ１９であると、効果的である。また支持構造３０は、排気浄化装置１０の軽量化に伴い、強度的に優れる円筒形のケーシング１６，１７を利用した簡単な構造、具体的には上下２段のハンガ部材３２，３３と、各マフラケーシング１６，１７をハンガ部材３２，３３に吊持させる吊持部材３５，４０とを用いた簡単なハンガ構造ですむ。

なお、本発明は一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。一実施形態では、拡張室の直径方向から尿素水溶液を噴霧する構造を用いたが、これに限らず、拡張室の端面方向から広角的に尿素水溶液を噴霧する構造を用いてもよい。

１ シャシフレーム
１０ 排気浄化装置
１２ ディーゼルパティキュレートフィルタ
１４ アンモニア選択還元型ＮＯｘ還元触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）
１５ 本体構造（装置本体）
１６，１７ マフラケーシング（円筒形容器）
１８ 上流側マフラ（第１排ガス処理部）
１９ 下流側マフラ（第２排ガス処理部）
２０ 本体部
２１ 噴霧装置（添加剤添加装置）
２６ 中間パイプ部材（中間パイプ部）
３０ 支持構造（支持装置）
３２，３３ ハンガ部材
３５，４０ 吊持部材

Claims (3)

1. 車両のシャシフレームに装置本体を支持させて車両に搭載される内燃機関の排気浄化装置であって、
   前記装置本体は、
   円筒形容器内にパティキュレートフィルタを収容して構成される第１排ガス処理部と、円筒形容器内に選択還元型ＮＯｘ触媒を収容して構成される第２排ガス処理部とを上下２段に並行に配設するとともに両者間を分割式の中間パイプ部で着脱可能に接続して構成される上下２段式の本体部と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側から排ガス中に添加剤を添加する添加剤添加装置とを有して構成され、
   前記上段に位置する前記第１排ガス処理部および前記第２排ガス処理部の一方の排ガス処理部が、前記シャシフレームの車幅方向両側を構成するメインフレーム部材のうちの片側のメインフレーム部材の車幅方向外側で、前記メインフレーム部材の車幅方向外側へ前記排ガス処理部の全長方向が張り出るように配置され、前記下段に位置する前記他方の排ガス処理部が、前記メインフレーム部材の下側で、前記上段の排気ガス処理部と並んで全長方向が前記メインフレーム部材の車幅方向外側へ張り出るように配置され、
   前記第１および第２排ガス処理部の配置される前記メインフレーム部材の上部と下部とには、前記第１および第２排ガス処理部の上部に沿ってそれぞれ車幅方向外側に張り出す上下２段のハンガ部材が設けられ、
   前記第１および第２排ガス処理部の各円筒形容器が、各排ガス処理部の上側に位置する各ハンガ部材に吊持部材で吊持される構成とした
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記下段に配置される排ガス処理部は、前記メインフレーム部材の下側から、一部が当該メインフレーム部材の下側に隠れるようにして張り出せてあることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記下段に配置される排ガス処理部は、第２排ガス処理部であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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