以下に、本願発明を具体化した排気ガス浄化装置を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、ディーゼルパティキュレートフィルタ1の排気ガス流入口12側を左側とし、同じく消音器30側を右側としている。このような特定の方向や位置を示す用語は説明の便宜のために用いたものであり、本願発明の技術的範囲を限定するものではない。
(1).DPFの概略構造
まずはじめに、排気ガス浄化装置の概略構造について説明する。図1、図6及び図13に示す如く、排気ガス浄化装置としての連続再生式のディーゼルパティキュレートフィルタ1(以下、DPF1という)を備える。DPF1によって、ディーゼルエンジン70から排出される排気ガス中の粒子状物質(PM)の除去に加え、ディーゼルエンジン70の排気ガス中の一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)を低減するように構成している。DPF1は、排気ガス中の粒子状物質(PM)等を捕集するためのものである。平面視でディーゼルエンジン70の出力軸(クランク軸)と交差する左右方向に長く延びた略円筒形状にDPF1を構成している。ディーゼルエンジン70のフライホイールハウジング78上にDPF1を配置する。DPF1の左右(排気ガス移動方向一端側と同他端側)には、排気ガス入口管16(排気ガス取入れ側)と、排気ガス出口管34(排気ガス排出側)とが、ディーゼルエンジン70の左右に振り分けて設けられている。DPF1の排気ガス取入れ側である排気ガス入口管16は、ディーゼルエンジン70の排気マニホールド71に着脱可能にボルト締結されている。DPF1の排気ガス排出側である排気ガス出口管34にエキゾーストパイプ48を接続させる。
図1〜図6に示す如く、DPF1は、耐熱金属材料製のDPFケーシング60に、円筒型の内側ケース4,20を介して、例えば白金等のディーゼル酸化触媒2とハニカム構造のスートフィルタ3と直列に並べて収容した構造になっている。DPF1は、支持体としてのフランジ側ブラケット脚61及びケーシング側ブラケット脚62を介して、フライホイールハウジング78に取付けられている。この場合、フランジ側ブラケット脚61の一端側は、DPFケーシング60の外周側に、接合フランジ26(詳細は後述する)を介して着脱可能にボルト締結されている。ケーシング側ブラケット脚62の一端側は、DPFケーシング60の外周面に一体的に溶接固定されている。
一方、図1〜6及び図13に示す如く、フランジ側ブラケット脚61の他端側は、フライホイールハウジング78の上面(DPF取付部)に、2本の後付けボルト88にて着脱可能に締結される。ケーシング側ブラケット脚62の他端側は、フライホイールハウジング78の上面(DPF取付部)に、先付けボルト87及び後付けボルト88にて着脱可能に締結される。ケーシング側ブラケット脚62の他端側には、先付けボルト87を係入させるための切欠き孔89が形成されている。
すなわち、ディーゼルエンジン70にDPF1を組付ける場合は先ず、フライホイールハウジング78の上面に先付けボルト87を不完全に螺着させる。そして、作業者が両手でDPF1を持上げて、先付けボルト87に切欠き孔89を介してケーシング側ブラケット脚62を係止させ、ディーゼルエンジン70にDPF1を仮止めする。この状態では、DPF1から作業者が両手を離すことができる。その後、排気マニホールド71に入口フランジ体17を締結させ、排気マニホールド71に排気ガス入口管16を固着させる。
一方、フランジ側ブラケット脚61とケーシング側ブラケット脚62とを、3本の後付けボルト88によってフライホイールハウジング78の上面に締結させる。また、先付けボルト87も完全に締結させて、フライホイールハウジング78の上面にDPF1を着脱可能に固着させる。なお、前記と逆の手順にてDPF1を取外すことができる。その結果、DPF1は、前記各ブラケット脚61,62と排気マニホールド71とにより、高剛性部材であるフライホイールハウジング78の上部で、ディーゼルエンジン70の後部に安定良く連結支持される。また、1人の作業者によって、ディーゼルエンジン70へのDPF1の着脱作業を実行できる。
上記の構成において、ディーゼルエンジン70の排気ガスは、ディーゼルエンジン70の排気マニホールド71から、DPFケーシング60内のディーゼル酸化触媒2側に流入し、ディーゼル酸化触媒2からスートフィルタ3側に移動して浄化処理される。排気ガス中の粒子状物質は、スートフィルタ3における各セル間の多孔質形状の仕切り壁を通り抜けできない。すなわち、排気ガス中の粒子状物質は、スートフィルタ3に捕集される。その後、ディーゼル酸化触媒2及びスートフィルタ3を通過した排気ガスがエキゾーストパイプ48に放出される。
排気ガスがディーゼル酸化触媒2及びスートフィルタ3を通過する際に、排気ガスの温度が再生可能温度(例えば約300℃)を超えていれば、ディーゼル酸化触媒2の作用にて、排気ガス中のNO(一酸化窒素)が不安定なNO2(二酸化窒素)に酸化される。そして、NO2がNOに戻る際に放出するO(酸素)によって、スートフィルタ3に捕集された粒子状物質が酸化除去される。なお、スートフィルタ3に粒子状物質が堆積した場合、再生可能温度以上に排気ガスの温度を保持することによって、粒子状物質が酸化除去されるから、スートフィルタ3の粒子状物質の捕集能力が回復する(スートフィルタ3が再生する)。
(2).ディーゼル酸化触媒の組付け構造
図1及び図9を参照して、ディーゼルエンジン70が排出した排気ガスを浄化する排気ガス浄化体(フィルタ)の一例であるディーゼル酸化触媒2を組付ける構造を説明する。ディーゼル酸化触媒2は、耐熱金属材料製で略円筒型の触媒内側ケース4内に設けられている。触媒内側ケース4は、耐熱金属材料製で略円筒型の触媒外側ケース5内に設けられている。すなわち、ディーゼル酸化触媒2の外側に、セラミックファイバー製でマット状の触媒断熱材6を介して、触媒内側ケース4を被嵌させている。ディーゼル酸化触媒2と触媒内側ケース4の間に触媒断熱材6を圧入することによって、ディーゼル酸化触媒2が保護されている。
また、触媒内側ケース4の外側に、断面L字状の薄板製支持体7を介して触媒外側ケース5を被嵌させている。触媒外側ケース5は、前述したDPFケーシング60を構成する要素の1つである。なお、触媒断熱材6によってディーゼル酸化触媒2が保護される。触媒内側ケース4に伝わる触媒外側ケース5の応力(機械振動、変形力)を薄板製支持体7にて低減させる。
図1及び図9に示す如く、触媒内側ケース4及び触媒外側ケース5の一側端部に円板状の側蓋体8を溶接にて固着している。側蓋体8の外面側には外蓋体9がボルト及びナットにて締結されている。ディーゼル酸化触媒2のガス流入側端面2aと側蓋体8とは、一定距離L1(ガス流入空間11)だけ離間させる。ディーゼル酸化触媒2のガス流入側端面2aと側蓋体8との間に排気ガス流入空間11を形成する。触媒内側ケース4及び触媒外側ケース5には、排気ガス流入空間11に臨む排気ガス流入口12を開口させる。触媒内側ケース4の開口縁と触媒外側ケース5の開口縁の間に閉塞リング体15を挟持状に固着する。触媒内側ケース4の開口縁と触媒外側ケース5の開口縁との間の隙間が閉塞リング体15にて閉鎖されるから、触媒内側ケース4と触媒外側ケース5との間に排気ガスが流入するのを防止できる。
図1〜図6及び図9に示す如く、排気ガス流入口12が形成された触媒外側ケース5の外周面に排気ガス入口管16を配置する。排気ガス入口管16における一方の開口端部に入口フランジ体17を溶接固定する。当該入口フランジ体17はディーゼルエンジン70の排気マニホールド71に着脱可能にボルト締結する。排気マニホールド71に排気ガス入口管16における一方の開口端部を連通させる。排気ガス入口管16における他方の開口端部は、排気ガス流入口12を外側から覆うようにして、触媒外側ケース5の外周面に溶接されている。なお、触媒外側ケース5の外周面と入口フランジ体17の側縁との間に一対の補強ブラケット体18を溶接固定している。両補強ブラケット体18の存在によって、排気マニホールド71と排気ガス入口管16との連結強度を確保している。
上記の構成により、ディーゼルエンジン70の排気ガスは、排気マニホールド71から排気ガス入口管16に流入して、排気ガス入口管16から排気ガス流入口12を介して排気ガス流入空間11に入る。そして、排気ガス流入空間11に到達した排気ガスが、ディーゼル酸化触媒2に左側のガス流入側端面2aから供給される。ディーゼル酸化触媒2の酸化作用によって、二酸化窒素(NO2)が生成される。
(3).スートフィルタの組付け構造
図1及び図9を参照して、ディーゼルエンジン70が排出した排気ガスを浄化する排気ガス浄化体(フィルタ)の一例であるスートフィルタ3を組付ける構造を説明する。スートフィルタ3は、耐熱金属材料製で略円筒型のフィルタ内側ケース20内に設ける。フィルタ内側ケース20は、耐熱金属材料製で略円筒型のフィルタ外側ケース21内に設ける。すなわち、スートフィルタ3の外側に、セラミックファイバー製でマット状のフィルタ断熱材22を介して、フィルタ内側ケース20を被嵌させている。フィルタ外側ケース21は、触媒外側ケース5と共に、前述したDPFケーシング60を構成する要素の1つである。なお、スートフィルタ3とフィルタ内側ケース20との間にフィルタ断熱材22を圧入することによって、スートフィルタ3が保護されている。
図1及び図9に示す如く、稜線が直線の円筒状に形成された触媒内側ケース4は、ディーゼル酸化触媒2を収容する上流側筒部4aと、後述するフィルタ内側ケース20が挿入される下流側筒部4bとにより構成されている。なお、上流側筒部4aと下流側筒部4bとは略同一径の円筒で且つ一体形状である。触媒内側ケース4とフィルタ内側ケース20とは、略同一径の円筒状に形成されている。すなわち、触媒内側ケース4とフィルタ内側ケース20とは、稜線が直線の円筒形状で且つ両端側の直径が等しくなっている。
触媒内側ケース4における下流側筒部4bの外周面に、排気下流側に延びる遮熱ケース190を設けている。遮熱ケース190は触媒内側ケース4を構成する要素の1つである。遮熱ケース190の上流側は下流側よりも小径の円筒状に形成されている。触媒内側ケース4における下流側筒部4bの外周面に、遮熱ケース190の上流側端部190aを被嵌して溶接固定している。この場合、遮熱ケース190の上流側端部190aは、触媒内側ケース4の排気下流側端面(ディーゼル酸化触媒2のガス流出側端面2bと対応する開口端面)よりも排気上流側に位置している。このため、触媒内側ケース4における下流側筒部4bの外周面と、遮熱ケース190の内側面との間には、上流側隙間23aが形成されている。
ディーゼル酸化触媒2の外径とスートフィルタ3の外径とは等しく形成されている。触媒断熱材6の厚み及びフィルタ断熱材22の厚みも同程度になっている。触媒内側ケース4とフィルタ内側ケース20とは同一板厚の材料にて形成されている。フィルタ内側ケース20の排気上流側(排気ガス取入れ側)を遮熱ケース190内に挿入している。すなわち、隣り合う触媒内側ケース4及びフィルタ内側ケース20は、フィルタ内側ケース20を触媒内側ケース4に挿入した二重構造になっている。なお、二重構造としては、触媒内側ケース4をフィルタ内側ケース20に挿入したものでもよい。この場合は、フィルタ内側ケース20側に、遮熱ケース190が排気上流側に向けて延びるように設けられることになる。
実施形態では、遮熱ケース190における排気下流側の内径に比べて、フィルタ内側ケースの外径を小さく形成している。このため、フィルタ内側ケース20の排気上流側を遮熱ケース190内に挿入した状態では、遮熱ケース190の内側面とフィルタ内側ケース20との間に、遊嵌用隙間としての下流側隙間23が形成される。下流側隙間23の隙間間隔は、各内側ケース4,20の板厚(例えば1.5mm)よりも大きな寸法(例えば2mm)に形成する。例えば、各内側ケース4,20が錆びたり熱変形したりしても、遮熱ケース190に対してフィルタ内側ケース20の排気上流側を簡単に出し入れできる。
更に、触媒内側ケース4(実施形態では遮熱ケース190)の外周に溶接固定する薄板状リング形の触媒側接合フランジ25と、フィルタ内側ケース20の外周に溶接固定する薄板状リング形のフィルタ側接合フランジ26とを備える。触媒側接合フランジ25とフィルタ側接合フランジ26とは、断面略L字のドーナツ形状に形成されている。遮熱ケース190外周の排気下流側に、触媒側接合フランジ25の内周側を溶接固定する。触媒外側ケース5の外周側(放射方向、半径方向外側)に向けて、触媒側接合フランジ25の外周側を突出させる(張り出させる)。触媒側接合フランジ25の折り曲げ角部には階段状の段部25aを形成する。触媒外側ケース5における排気下流側の端部が段部25aに溶接固定されている。フィルタ内側ケース20外周の長手中途部(排気ガス移動方向の中途部)には、フィルタ側接合フランジ26の内周側を溶接固定する。フィルタ外側ケース21の外周側(放射方向、半径方向外側)に向けて、フィルタ側接合フランジ26の外周側を突出させる(張り出させる)。フィルタ側接合フランジ26の折り曲げ角部に階段状の段部26aを形成する。フィルタ外側ケース21の排気上流側の端部が段部26aに溶接固定されている。
図1〜図5、図9及び図12に示す如く、ガスケット24を介して触媒側接合フランジ25とフィルタ側接合フランジ26とを突き合わせる。各外側ケース5,21の外周側を囲う一対の厚板状の中央挟持フランジ51,52にて、各接合フランジ25,26を排気ガス移動方向の両側から挟む。ボルト27及びナット28にて各中央挟持フランジ51,52を締結して、各接合フランジ25,26を挟持することにより、触媒外側ケース5とフィルタ外側ケース21とが着脱可能に連結される。
図1及び図12に示す如く、各中央挟持フランジ51,52及び各接合フランジ25,26を介して、触媒外側ケース5の排気下流側の端部にフィルタ外側ケース21の排気上流側の端部を連結した状態では、ディーゼル酸化触媒2とスートフィルタ3の間に触媒下流側空間29が形成される。すなわち、ディーゼル酸化触媒2(触媒内側ケース4)のガス流出側端面2bと、スートフィルタ3(フィルタ内側ケース20)の取入れ側端面3aとが、センサ取付け用間隔L2だけ離れて対峙する。
図1及び図9に示す如く、触媒内側ケース4における上流側筒部4aの排気ガス移動方向の円筒長さL3よりも、触媒外側ケース5の排気ガス移動方向の円筒長さL4を長く形成する。フィルタ内側ケース20の排気ガス移動方向の円筒長さL5よりも、フィルタ外側ケース21の排気ガス移動方向の円筒長さL6を短く形成する。触媒下流側空間29のセンサ取付け用間隔L2と、触媒内側ケース4における上流側筒部4aの円筒長さL3と、フィルタ内側ケース20の円筒長さL5とを加算した長さ(L2+L3+L5)が、触媒外側ケース5の円筒長さL4と、フィルタ外側ケース21の円筒長さL6とを加算した長さ(L4+L6)にほぼ等しくなるように構成されている。
また、フィルタ内側ケース20の排気上流側の端部は、フィルタ外側ケース21の排気上流側の端部から、各ケース20,21の長さの差(L7≒L5−L6)だけ突出している。このため、触媒外側ケース5にフィルタ外側ケース21を連結した状態では、フィルタ外側ケース21から突出したフィルタ内側ケース20の上流側寸法L7だけ、触媒外側ケース5の排気下流側(触媒内側ケース4の下流側筒部4b)に、フィルタ内側ケース20の排気上流側の端部が挿入される。すなわち、下流側筒部4b(触媒下流側空間29)内に、フィルタ内側ケース20の排気上流側が抜き差し可能に挿入される。
上記の構成において、ディーゼル酸化触媒2の酸化作用によって生成された二酸化窒素(NO2)が、スートフィルタ3内に取入れ側端面3aから供給される。ディーゼルエンジン70の排気ガス中に含まれた粒子状物質(PM)は、スートフィルタ3に捕集されて、二酸化窒素(NO2)によって連続的に酸化除去される。ディーゼルエンジン70の排気ガス中の粒状物質(PM)の除去に加え、ディーゼルエンジン70の排気ガス中の一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)の含有量が低減される。
(4).消音器の組付け構造
次に、図1、図8及び図9等を参照しながら、ディーゼルエンジン70が排出した排気ガス音を減衰させる消音器30の構造について説明する。図1、図8及び図9に示す如く、消音器30は、耐熱金属材料製で略円筒形の消音内側ケース31と、耐熱金属材料製で略円筒形の消音外側ケース32と、消音外側ケース32の下流側の側端部に溶接にて固着した円板状の側蓋体33とを有する。消音外側ケース32内に消音内側ケース31を設ける。消音外側ケース32は、触媒外側ケース5及びフィルタ外側ケース21と共に、前述したDPFケーシング60を構成する。なお、円筒形の消音外側ケース32の直径は、円筒形の触媒外側ケース5の直径や、円筒形のフィルタ外側ケース21の直径と略同一寸法である。
消音内側ケース31の排気ガス移動方向の両側端部には、円盤状の内蓋体36,37がそれぞれ溶接にて固着されている。各内蓋体36,37の間には一対の排気ガス導入管38が設けられている。各排気ガス導入管38における排気上流側の端部は上流内蓋体36を貫通している。各排気ガス導入管38における排気下流側の端部は下流内蓋体37にて塞がれている。各排気ガス導入管38の中途部には複数の連通孔39が形成されている。各排気ガス導入管38内に連通孔39を介して膨張室45を連通している。膨張室45は、消音内側ケース31の内部(各内蓋体36,37の間)に形成されている。
消音内側ケース31及び消音外側ケース32には、各排気ガス導入管38の間に配置した排気ガス出口管34を貫通させている。排気ガス出口管34の一端側は出口蓋体35によって閉塞されている。消音内側ケース31内における排気ガス出口管34の全体に、多数の排気孔46が形成されている。各排気ガス導入管38は、複数の連通孔39、膨張室45及び多数の排気孔46を介して、排気ガス出口管34に連通している。排気ガス出口管34の他端側にエキゾーストパイプ48を接続する。上記の構成において、消音内側ケース31の両排気ガス導入管38内に入り込んだ排気ガスは、複数の連通孔39、膨張室45及び多数の排気孔46を介して排気ガス出口管34を通過し、エキゾーストパイプ48を介して消音器30外に排出される。
図1及び図9に示す如く、フィルタ内側ケース20の排気下流側の端部に、薄板状リング形のフィルタ出口側接合フランジ40の内径側が溶接固定されている。フィルタ外側ケース21の外周側(半径方向外側、放射方向)に向けて、フィルタ出口側接合フランジ40の外径側を張り出させる。フィルタ出口側接合フランジ40の折り曲げ角部に階段状の段部40aを形成する。フィルタ外側ケース21の排気下流側の端部が、フィルタ出口側接合フランジ40の段部40aに溶接固定されている。消音内側ケース31の排気上流側の端部に、消音外側ケース32の外周側(半径方向外側)にはみ出る薄板状の消音側接合フランジ41が溶接固定されている。なお、消音内側ケース31の排気上流側は、消音側接合フランジ41よりも排気上流側に向けて所定円筒寸法L10だけ突出させている。消音内側ケース31の外周面のうち消音側接合フランジ41よりも排気下流側に、消音外側ケース32における排気上流側の端部が溶接固定されている。
図1及び図7〜図10に示すように、ガスケット24を介してフィルタ出口側接合フランジ40と消音側接合フランジ41とを突き合わせ、各外側ケース21,32の外周側を囲う一対の厚板状の出口挟持フランジ53,54にて、各接合フランジ40,41を排気ガス移動方向の両側から挟む。そして、ボルト42及びナット43にて各出口挟持フランジ53,54を締結して、各接合フランジ40,41を挟持することにより、フィルタ外側ケース21と消音外側ケース32とが着脱可能に連結される。
図1及び図9に示すように、消音内側ケース31の排気ガス移動方向の円筒長さL8よりも、消音外側ケース32の排気ガス移動方向の円筒長さL9を短く形成してする。消音内側ケース31の排気上流側の端部は、消音外側ケース32の排気上流側の端部(接合フランジ41)から、各ケース31,32の長さの差(L10≒L8−L9)だけ突出している。すなわち、フィルタ外側ケース21に消音外側ケース32を連結した状態では、消音内側ケース31の上流側の端部が突出した寸法L10だけ、フィルタ外側ケース21の排気下流側の端部(フィルタ出口側接合フランジ40)内に形成されたフィルタ下流側空間49に、消音内側ケース31の排気上流側の端部が挿入される。
(5).隣り合う外側ケース同士の連結構造
次に、図1及び図7〜図10を参照しながら、隣り合う外側ケース5,21,32同士の連結構造を説明する。図1及び図7〜図10に示す如く、厚板状の中央挟持フランジ51(52)は、触媒外側ケース5(フィルタ外側ケース21)の周方向に複数(実施形態では2つ)に分割された半円弧体51a,51b(52a,52b)にて構成されている。各半円弧体51a,51b(52a,52b)は円弧状(略半円状の馬蹄形)に形成されている。触媒外側ケース5にフィルタ外側ケース21を連結した状態では、各半円弧体51a,51b(52a,52b)の端部同士が円周方向に沿って突き合わさる(当接する)。すなわち、各半円弧体51a,51b(52a,52b)によって、触媒外側ケース5(フィルタ外側ケース21)の外周側が環状に囲われることになる。
中央挟持フランジ51(52)には、周方向に沿った等間隔で、貫通孔付きのボルト締結部55が複数設けられている。実施形態では、1組の中央挟持フランジ51に付き8箇所のボルト締結部55を備えている。各半円弧体51a,51b(52a,52b)単位で見ると、円周方向に沿った等間隔で4箇所ずつボルト締結部55が設けられている。一方、触媒側接合フランジ25及びフィルタ側接合フランジ26には、中央挟持フランジ51(52)の各ボルト締結部55に対応するボルト孔56が貫通形成されている。
触媒外側ケース5とフィルタ外側ケース21とを連結するに際しては、触媒外側ケース5の外周側を触媒側の両半円弧体51a,51bで囲うと共に、フィルタ外側ケース21の外周側をフィルタ側の両半円弧体52a,52bで囲い、ガスケット24を挟持した触媒側接合フランジ25とフィルタ側接合フランジ26とを、半円弧体51a,51b,52a,52b群(中央挟持フランジ51,52)にて排気ガス移動方向の両側から挟持する。次いで、両側の中央挟持フランジ51,52のボルト締結部55と、両接合フランジ25,26のボルト孔56とに、ボルト27を挿入してナット28で締め付ける。その結果、両接合フランジ25,26が両中央挟持フランジ51,52にて挟み固定され、触媒外側ケース5とフィルタ外側ケース21との連結が完了する。ここで、触媒側の半円弧体51a,51bとフィルタ側の半円弧体52a,52bとの端部同士の突合せ部分は、互いに72°位相をずらして位置させるように構成されている。
図1及び図7〜図10に示す如く、厚板状の出口挟持フランジ53(54)は、フィルタ外側ケース21(消音外側ケース32)の周方向に複数(実施形態では2つ)に分割された半円弧体53a,53b(54a,54b)にて構成されている。実施形態の各半円弧体53a,53b(54a,54b)は、中央挟持フランジ51(52)の半円弧体51a,51b(52a,52b)と基本的に同じ形態のものである。出口挟持フランジ53(54)にも、周方向に沿った等間隔で、貫通孔付きのボルト締結部57が複数設けられている。一方、フィルタ出口側接合フランジ40及び消音側接合フランジ41には、出口挟持フランジ53(54)の各ボルト締結部57に対応するボルト孔58が貫通形成されている。
フィルタ外側ケース21と消音外側ケース32とを連結するに際しては、フィルタ外側ケース21の外周側をフィルタ出口側の両半円弧体53a,53bで囲うと共に、消音外側ケース32の外周側を消音側の両半円弧体54a,54bで囲い、ガスケット24を挟持したフィルタ出口側接合フランジ40と消音側接合フランジ41とを、半円弧体53a,53b,54a,54b群(出口挟持フランジ53,54)にて排気ガス移動方向の両側から挟持する。次いで、両側の出口挟持フランジ53,54のボルト締結部57と、両接合フランジ40,41のボルト孔58とに、ボルト42を挿入してナット43で締め付ける。その結果、両接合フランジ40,41が両出口挟持フランジ53,54にて挟み固定され、フィルタ外側ケース21と消音外側ケース32との連結が完了する。ここで、フィルタ出口側の半円弧体53a,53bと消音側の半円弧体54a,54bとの端部同士の突合せ部分は、互いに72°位相をずらして位置させるように構成されている。
図1及び図7〜図10に示す如く、挟持フランジ51〜54のうち少なくとも1つに、DPFケーシング60(外側ケース5,21,32)をディーゼルエンジン70に支持させる支持体としてのフランジ側ブラケット脚61が取り付けられている。実施形態では、フィルタ出口側の出口挟持フランジ53のうち一方の半円弧体53aに、貫通孔付きの支持体締結部59が、隣り合うボルト締結部57の間に位置する2箇所に一体形成されている。一方、フランジ側ブラケット脚61には、前述の支持体締結部59に対応する取付けボス部86が一体形成されている。
上記の構成において、フィルタ出口側にある一方の半円弧体53aの支持体締結部59に、フランジ側ブラケット脚61の取付けボス部86をボルト締結することにより、フィルタ出口側の出口挟持フランジ53にフランジ側ブラケット脚61が着脱可能に固定される。ケーシング側ブラケット脚62の一端側がDPFケーシング60(触媒外側ケース5)の外周側に溶接固定され、両ブラケット脚61,62の他端側がフライホイールハウジング78の上面(DPF取付部)にボルト締結されることは、先の説明の通りである。
図1及び図7〜図10に示す如く、エンジン70が排出した排気ガスを浄化する2つのガス浄化体2,3(ディーゼル酸化触媒2,スートフィルタ3)と、各ガス浄化体2,3を内蔵する各内側ケース4,20,31と、各内側ケース4,20,31を内蔵する外側ケース5,21,32とを有している。また、各内側ケース4,20,31は、各外側ケース5,21,32の外周側にはみ出る接合フランジ25,26,40,41を介して、各外側ケース5,21,32に連結させる。ガス浄化体2,3、各内側ケース4,20,31及び各外側ケース5,21,32の組合せを複数組備え、各接合フランジ25,26(40,41)を一対の挟持フランジ51,52(53,54)にて挟持固定することによって、複数の外側ケース5,21,32を連結する。
このように構成すると、隣り合う接合フランジ25,26(40,41)を、各挟持フランジ51,52(53,54)にて両側から挟み付けて圧接(密着)できる。しかも、挟持フランジ51〜54を外側ケース5,21,32に溶接することなく別体に構成するので、挟持フランジ51〜54と外側ケース5,21,32との関係において、溶接に起因する応力集中や歪の問題が生ずるおそれはない。このため、各接合フランジ25,26(40,41)の全体に略均一な圧接力を付与できると共に、挟持フランジ51〜54のシール面(挟持面)の面圧を高い状態に維持できる。その結果、各接合フランジ25,26(40,41)の間からの排気ガス漏れを確実に防止できる。
図1及び図7〜図10に示す如く、各挟持フランジ51〜54は、外側ケース5,21,32の周方向に複数に分割された馬蹄形の半円弧体51a,51b(52a,52b,53a,53b,54a,54b)からなり、複数の半円弧体51a,51b(52a,52b,53a,53b,54a,54b)にて外側ケース5,21,32の外周側を囲うように構成している。従って、複数の半円弧体51a,51b(52a,52b,53a,53b,54a,54b)で構成された挟持フランジ51〜54でありながら一体物と同様の組付け状態にできる。このため、リング形状のフランジに比べて挟持フランジ51〜54の組付けが容易であり、組付け作業性を向上できる。また、加工コストや組付けコストを抑制しつつ、シール性の高いDPF1を構成できる。
(6).接合フランジの詳細構造
次に、図11(a)(b)を参照しながら、各接合フランジ25,26,40の詳細構造について説明する。各接合フランジ25,26,40はいずれも基本的に同じ構造であるから、触媒内側ケース4と触媒外側ケース5とに溶接固定される触媒側接合フランジ25を代表例として説明する。図11(a)(b)に示す如く、触媒側接合フランジ25の折り曲げ角部に階段状の段部25aが形成されている。当該段部25aに触媒外側ケース5の排気下流側の端部を被嵌させ、触媒外側ケース5の排気下流側の端部に段部25aを溶接固定させている。
この場合、触媒側接合フランジ25の段部25aに、触媒外側ケース5の排気下流側の端部を突き合わせるので、段部25aの存在によって、触媒外側ケース5を触媒側接合フランジ25に対して簡単に位置決めできる。また、触媒外側ケース5と段部25aとの溶接は、重ね合わせての隅肉溶接ではなく突合せ溶接になる。そして、溶接トーチ192や溶接棒193(図11(b)参照)を、触媒側接合フランジ25の外周側から離れるように倒したり垂直に立てたりして、触媒外側ケース5と段部25aとの突合せ部分に近接させて溶接できる。従って、触媒外側ケース5と触媒側接合フランジ25との溶接に際して、触媒側接合フランジ25の外周側が溶接トーチ192及び溶接棒193と干渉するのを防止でき、触媒外側ケース5と触媒側接合フランジ25との溶接作業性(加工作業性)を向上できる。また、触媒側接合フランジ25の排気ガス移動方向の長さが短くても、段部25aの存在によって触媒外側ケース5と触媒側接合フランジ25との溶接が可能であるから、触媒側接合フランジ25において直接外気に触れる領域を小さくできることになる。このため、触媒内側ケース4やフィルタ内側ケース20内の排気ガス温度の低下を抑制することにも寄与する。
一方、触媒内側ケース4(触媒外側ケース5)の排気ガス移動方向に沿って、触媒側接合フランジ25におけるL形の内径側端部25bが延出されている。この場合、内径側端部25bは排気上流側に向けて延びている。触媒内側ケース4の排気下流側の端部に内径側端部25bを被嵌させ、触媒内側ケース4の外周面に内径側端部25bを溶接固定している(隅肉溶接)。他方、触媒外側ケース5の外周から放射方向(半径方向外側)に向けて、触媒側接合フランジ25におけるL形の外径側端部25c(外周側)を延出させている。触媒側接合フランジ25の断面階段形状によって、触媒側接合フランジ25の高い剛性が確保されている。
上記の説明並びに図1及び図9から分かるように、触媒側接合フランジ25を介在させることによって、触媒内側ケース4は触媒外側ケース5に対して直接的に接触しない状態で支持されている。このため、外部から触媒外側ケース5に加えられた機械振動や変形力が触媒内側ケース4にまで届き難くなり、触媒内側ケース4自体及びこの中のディーゼル酸化触媒2が破損したり、ディーゼル酸化触媒2が位置ずれしたりするのを防止できる。また、触媒内側ケース4の外周全域に亘って触媒外側ケース5を被せられるから、触媒内側ケース4の外周全域に断熱層(断熱領域)を確保できることになる。このため、触媒内側ケース4内の排気ガス温度の低下を確実に抑制できる。更に、触媒外側ケース5の表面温度上昇も抑制できる。
なお、挟持フランジ51,52及び接合フランジ25,26の各ボルト孔56を貫通したボルト27に、ナット28を螺着させることによって、挟持フランジ51,52と接合フランジ25,26とを締結させ、触媒側接合フランジ25の外径側端部25cを挟持フランジ51,52にて挟持するという構造になっていることは、前述した通りである。
(7).ガス温度センサの取付け構造
次に、図1、図12及び図15を参照しながら、DPF1に付設する上流側ガス温度センサ109(下流側ガス温度センサ112)について説明する。隣り合う内側ケース4,20同士のうち半径方向外側にあるものの外周面には、排気ガスセンサの一例であるガス温度センサ109(112)支持用のセンサボス体110が設けられている。実施形態では、触媒内側ケース4(より具体的には遮熱ケース190)の外周面のうち触媒下流側空間29に対応する部位に、円筒状のセンサボス体110の一端側が溶接固定されている。触媒外側ケース5に形成されたボス体貫通孔5aから、該触媒外側ケース5の外側に向けた放射方向(半径方向外側)に、センサボス体110の他端側を延長させる。センサボス体110の他端側にセンサ取付けボルト111を螺着する。例えばサーミスタ形の上流側ガス温度センサ109をセンサ取付けボルト111に貫通させ、センサボス体110にセンサ取付けボルト111を介して上流側ガス温度センサ109を支持させる。触媒下流側空間29内に上流側ガス温度センサ109の検出部分を突入させる。
図12及び図15に示すように、触媒内側ケース4(より具体的には遮熱ケース190)の外周面には、センサボス体110を囲うカラー194が固着されている。カラー194の先端面は触媒外側ケース5の内周面に密着していて、センサボス体110が貫通するボス体貫通孔5aを内側から塞いでいる。このため、カラー194の存在によって、触媒外側ケース5と触媒内側ケース4(より具体的には遮熱ケース190)との連結強度(剛性)を向上できる。また、触媒内側ケース4やフィルタ内側ケース20内の排気ガスがボス体貫通孔5aから漏れるのを簡単且つ確実に防止できる。
上記の構成において、ディーゼル酸化触媒2のガス流出側端面2bから排気ガスが排出されたとき、その排気ガス温度が上流側ガス温度センサ109にて検出される。この場合、ディーゼル酸化触媒2のガス流出側端面2bよりも上流側にセンサボス体110の一部を位置させることが可能になるから、ディーゼル酸化触媒2のガス流出側端面2bに接触するまで、ガス流出側端面2bに上流側ガス温度センサ109を接近させるように、触媒内側ケース4(遮熱ケース190)の外周面にセンサボス体110を配置できる。また、各外側ケース5,21の板厚を厚くすることによって、各内側ケース4,20の板厚を薄くすることができ、ディーゼル酸化触媒2やスートフィルタ3を再生可能温度以上に維持できるものでありながら、DPF1の軽量化も図れる。なお、前記と同様に、図1に示す如く、センサボス体110にセンサ取付けボルト111を介して例えばサーミスタ形の下流側ガス温度センサ112を取付け、スートフィルタ3における排出側端面3bの排気ガスの温度を下流側ガス温度センサ112にて検出させる。この場合のセンサボス体110は、フィルタ外側ケース21のボス体貫通孔21aを貫通している。
(8).差圧センサの取付け構造
次に、図13及び14を参照しながら、DPF1に付設する差圧センサ63について説明する。排気ガスセンサの一例である差圧センサ63は、DPF1内においてスートフィルタ3を挟んだ上下流側間の排気ガスの圧力差を検出するためのものである。当該圧力差に基づいてスートフィルタ3の粒子状物質の堆積量が換算され、DPF1内の詰り状態を把握できるように構成している。すなわち、差圧センサ63にて検出された排気ガスの圧力差に基づき、例えば図示しないアクセル制御手段又は吸気スロットル制御手段等を作動させることによって、スートフィルタ3の再生制御を自動的に実行できるように構成されている。
上述した消音側の出口挟持フランジ54にセンサブラケット66をボルト締結して、DPFケーシング60の上面側にセンサブラケット66を配置させる。差圧センサ63の検出本体67がセンサブラケット66に取付けられる。差圧センサ63の検出本体67には、上流側センサ配管68と下流側センサ配管69を介して上流側管継手体64と下流側管継手体65がそれぞれ接続される。DPFケーシング60には、前記センサボス体110と同様に、センサボス体113が配置される。管継手ボルト114によってセンサボス体113に上流側管継手体64(下流側管継手体65)が締結される。
前述の通り、触媒内側ケース4における下流側筒部4bの外周面と、遮熱ケース190の内周面との間には、上流側隙間23aが形成されている。遮熱ケース190における排気上流側の外周面に円筒状のセンサボス体113の一端側を溶接固定する。触媒外側ケース5に形成されたボス体貫通孔5aから、該触媒外側ケース5の外側に向けた放射方向(半径方向外側)に、センサボス体113の他端側を延長させ、管継手ボルト114によってセンサボス体113に上流側管継手体64が締結される。上流側管継手体64には、上流側センサ配管68を介して、差圧センサ63の検出本体67が接続される。センサボス体113にはこれを囲うカラー194も固着されていて、ボス体貫通孔5aを内側から塞いでいる。
この場合、図13及び図14から分かるように、センサボス体113に締結された上流側管継手体64に、上流側センサ配管68の一端側がセンサボス体113の突出方向に交差する方向から接続されている。上流側センサ配管68自体は触媒外側ケース5の外周面に沿って延び、上流側センサ配管68の他端側がセンサブラケット66に取り付けられた検出本体67に接続されている。このように構成すると、上流側センサ配管68がDPFケーシング60に近接するので、例えばディーゼルエンジン70にDPF1を組付ける場合、上流側センサ配管68が邪魔になることは少なく、DPF1の取り扱い性・搭載性がよい。従って、DPF1の搭載・組付け作業がし易い。
図14に示す如く、上流側隙間23aにセンサボス体113の中空部を連通させるセンサ開口190bが形成されている。ディーゼル酸化触媒2のガス流出側端面2bから触媒下流側空間29に排気ガスが排出されることによって、触媒下流側空間29内の排気ガスの一部が、上流側隙間23a、センサ開口190b、センサボス体113の中空部、上流側管継手体64の中空部、上流側センサ配管68を経て、検出本体67側に移動するように構成している。
上記の構成において、触媒下流側空間29内の排気ガスがセンサ開口190b方向に移動する際に、排気ガスに含まれる粒子状物質は、触媒内側ケース4の排気下流側の端部(角隅部分)と遮熱ケース190の間に堆積する。従って、触媒下流側空間29に向けてセンサ開口190bが直接開放される構造に比べて、センサ開口190b自体(縁部分)に堆積する粒子状物質の量を格段に低減できる。また、センサ開口190bの排気ガス流入圧力を所定圧力以下に維持できる。
特に、センサ開口190bの領域に比べて、触媒内側ケース4と遮熱ケース190間の全周に亘って形成される上流側隙間23aの領域を大きく形成できるから、触媒内側ケース4と遮熱ケース190との間の上流側隙間23aの一部に粒子状物質が堆積しても、他の部分(上流側隙間において堆積のない部分)からセンサ開口190bに排気ガスが供給される。すなわち、触媒内側ケース4と遮熱ケース190との間の全周に亘って形成された上流側隙間23aの全域に粒子状物質が堆積するまでには、長時間に亘るディーゼルエンジン70の連続運転が可能である。センサ開口190bに堆積した粒子状物質を除去するためのメンテナンス作業の時間間隔を長く設定できる。長時間に亘ってディーゼルエンジン70を連続して運転できるものでありながら、差圧センサ63を長時間に亘って高精度な状態に維持できる。
(9).まとめ
上記の記載並びに図1、図9、図12から明らかなように、エンジン70が排出した排気ガスを浄化する2つのガス浄化体2,3と、前記各ガス浄化体2,3を内蔵した内側ケース4,20と、前記各内側ケース4,20を内蔵した外側ケース5,21とを備えており、前記各外側ケース5,21が排気ガス移動方向に並べて連結されている排気ガス浄化装置1であって、隣り合う前記内側ケース4,20同士は他方を一方に挿入した二重構造になっており、前記一方の内側ケース4(20)の内側面と前記他方の内側ケース20(4)の外側面との間に遊嵌用隙間23が空いているから、前記一方の内側ケース4(20)から前記他方の内側ケース20(4)を分離させることによって、前記他方の内側ケース20(4)内にある前記ガス浄化体3(2)を外部に大きく露出させることができる。このため、前記各外側ケース5,21を分離させて実行するメンテナンス作業(前記各ガス浄化体2,3の掃除等)の作業性を向上できるという効果を奏する。また、前記両内側ケース4,20の間にある前記遊嵌用隙間23の存在によって、前記両内側ケース4,20同士を手軽に着脱できる。すなわち、例えば排気ガス漏れ防止のために両内側ケースを密嵌させるという従来の構成では、前記両内側ケース同士が錆等に起因して一体化し簡単に分離できなくなる。これに比べて実施形態では、前記両内側ケース4,20の分離が至極簡単であり、この点でも、前記各ガス浄化体2,3のメンテナンス性や交換作業性を向上できるという利点がある。
上記の記載並びに図1及び図9から明らかなように、前記内側ケース4,20の外側面には、半径方向外向きに張り出した接合フランジ25,26が設けられており、前記接合フランジ25,26に形成された段部25a,26aに、前記外側ケース5,21における排気ガス移動方向の一端部を固着させており、隣り合う前記接合フランジ25,26同士を重ね合わせて着脱可能に連結しているから、前記段部25a,26aの存在によって、前記外側ケース5,21を前記接合フランジ25,26に対して簡単に位置決めできる。また、前記外側ケース5,21と前記接合フランジ25,26との固着に際して、前記接合フランジ25,26の外周側が例えば溶接トーチ及び溶接棒といった固着用治具と干渉するのを防止でき、前記外側ケース5,21と前記接合フランジ25,26との加工作業性を向上できる。
上記の記載並びに図1及び図9から明らかなように、前記接合フランジ25,26の存在によって、前記外側ケース5,21に前記内側ケース4,20を直接的に接触しない状態で支持させているから、外部から前記外側ケース5,21に加えられた機械振動や変形力が前記内側ケース4,20にまで届き難くなり、前記内側ケース4,20自体及びこの中の前記ガス浄化体2,3が破損したり、前記ガス浄化体2,3が位置ずれしたりするのを防止できる。また、前記内側ケース4,20の外周全域に亘って前記外側ケース5,21を被せられるから、前記内側ケース4,20の外周全域に断熱層(断熱領域)を確保できることになる。このため、前記内側ケース4,20内の排気ガス温度の低下を確実に抑制できる。更に、前記外側ケース5,21の表面温度上昇も抑制できる。このような作用効果は、図16や図17に示すDPF1の変形例においても同様に得られるものである。ここで、図16の変形例は、隣り合う内側ケース4,20同士を挿入し合わずに、接合フランジ25,26(40,41)を重ね合わせて着脱可能に連結したDPF1を示している。図17の変形例は、遮熱ケース190を省略して、触媒内側ケース4の内径をフィルタ内側ケース20の外径より大きく設定し、触媒内側ケース4の排気下流側にフィルタ内側ケースの排気上流側を挿入した構造のDPF1を示している。
上記の記載並びに図1、図9、図12及び図14に示すように、隣り合う前記内側ケース4,20同士のうち一方4の外側面に、排気ガスセンサ109,112,63支持用のセンサボス体110,113が設けられており、前記センサボス体110,113は、前記外側ケース5,21に形成されたボス体貫通孔5a,21aから半径方向外向きに突出しており、前記一方の内側ケース4,20の外側面には、前記センサボス体110,113を囲い且つ前記ボス体貫通孔5a,21aを塞ぐカラー194が固着されているから、前記カラー194の存在によって、前記外側ケース5,21と前記内側ケース4,20との連結強度を向上できる。また、前記内側ケース4,20内の排気ガスがボス体貫通孔5a,21aから漏れることも簡単且つ確実に防止できる。
しかも、両内側ケースを密嵌させるために一方の内側ケースに拡径部を設ける従来構造に比べて、前記内側ケース4,20の拡管代や、前記センサボス体110,113の半径及び溶接代等に影響されることなく、前記ガス浄化体2,3の端面と前記排気ガスセンサ109,112,63の取付け位置との間隔を最短寸法(零ないし任意寸法)に設定できる。その結果、前記DPF1の全長を短縮でき、各種機器に前記DPF1を簡単に搭載できる。前記ガス浄化体2,3の端面に接触するまで前記排気ガスセンサ109,112,63を近接できることになるから、前記DPF1の自動再生といった制御性能の向上にも貢献できる。
上記の記載並びに図13及び図14から明らかなように、前記排気ガスセンサとしての差圧センサ63の配管68が前記センサボス体113に接続されており、前記配管68を前記外側ケース5,21の外側面に沿わせているから、前記配管68が前記外側ケース5,21の外側面に近接することになる。このため、例えば前記エンジン70に前記DPF1を組付ける場合、前記配管68が邪魔になることは少なく、前記DPF1の取り扱い性・搭載性がよい。従って、前記DPF1の搭載・組付け作業がし易い。
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。