特開 2023-128765 作業機械の排出管

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023128765

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】作業機械の排出管

(51)【国際特許分類】

   F01N 13/20 20100101AFI20230907BHJP

【ＦＩ】

F01N13/20 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022033348

(22)【出願日】2022-03-04

(71)【出願人】

【識別番号】505236469

【氏名又は名称】キャタピラー エス エー アール エル

(74)【代理人】

【識別番号】100092565

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100112449

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100062764

【弁理士】

【氏名又は名称】樺澤 襄

(72)【発明者】

【氏名】葭 孝彦

(72)【発明者】

【氏名】上原 祐作

(72)【発明者】

【氏名】大塚 隆行

【テーマコード（参考）】

3G004

【Ｆターム（参考）】

3G004AA03

3G004BA02

3G004BA06

3G004DA22

(57)【要約】

【課題】省スペースの簡素な構成で騒音を低減できる作業機械の排出管を提供する。
【解決手段】作業機械のエンジンの排ガスを機体２側の排気管２２に排出する作業機械の排出管２１であって、下流端部２１ｂの開口縁に、排気流と排気流とともに排気管２２に吸い込まれる外気との圧力差を緩和するせん断力緩和構造２５を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

作業機械のエンジンの排ガスを機体側の排気管に排出する作業機械の排出管であって、
下流端部の開口縁に、排気流とこの排気流とともに排気管に吸い込まれる外気との圧力差を緩和するせん断力緩和構造を有する
ことを特徴とする作業機械の排出管。

【請求項2】

消音器の下流側に接続されている
ことを特徴とする請求項１記載の作業機械の排出管。

【請求項3】

せん断力緩和構造は、下流端部の開口縁に複数形成された三角形状の凹部を有する
ことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械の排出管。

【請求項4】

せん断力緩和構造は、下流端部の開口縁に複数形成された四角形状の凹部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一記載の作業機械の排出管。

【請求項5】

せん断力緩和構造は、下流端部の開口縁に開口中心側に向けて突出して形成された複数の突起部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか一記載の作業機械の排出管。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、作業機械のエンジンの排ガスを機体側の排気管に排出する作業機械の排出管に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、油圧ショベルなどの作業機械には、エンジンの排ガスを処理する排ガス後処理装置として、排ガスに含まれる窒素酸化物を窒素に還元する排ガス浄化装置が設置される。特に作業機械が小型の油圧ショベルの場合、そのスペースの制約などから、排ガス浄化装置がエンジンにマウントされている。排ガス浄化装置には、排気音を低減するための消音器であるマフラが備えられる。そして、マフラの排出口となるパイプが、機体のカバーに設置された排気管であるテールパイプに排ガスを流入させ、テールパイプから外気へと排ガスが排出される。

【0003】

このような構成において、マフラ側のパイプの外周面に軸方向に延びる突起を周方向に複数形成するとともに、それらに対応してテールパイプの内周面に軸方向に延びる凹溝を周方向に複数形成することで、マフラ側のパイプからテールパイプへの排気にしたがいテールパイプへと吸引される空気流の乱れを低減することによって騒音を低減するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１１－２４１３６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上述の排出管の構造では、マフラ側のパイプ外周面の突起とテールパイプ内周面の凹溝との協働によって騒音を低減するため、これらの形状や相互の位置に高い精度が要求され、構成を簡素化することが容易でない。

【0006】

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、省スペースの簡素な構成で騒音を低減できる作業機械の排出管を提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１記載の発明は、作業機械のエンジンの排ガスを機体側の排気管に排出する作業機械の排出管であって、下流端部の開口縁に、排気流とこの排気流とともに排気管に吸い込まれる外気との圧力差を緩和するせん断力緩和構造を有するものである。

【0008】

請求項２記載の発明は、請求項１記載の作業機械の排出管において、消音器の下流側に接続されているものである。

【0009】

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の作業機械の排出管におけるせん断力緩和構造が、下流端部の開口縁に複数形成された三角形状の凹部を有するものである。

【0010】

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３いずれか一記載の作業機械の排出管におけるせん断力緩和構造が、下流端部の開口縁に複数形成された四角形状の凹部を有するものである。

【0011】

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４いずれか一記載の作業機械の排出管におけるせん断力緩和構造が、下流端部の開口縁に開口中心側に向けて突出して形成された複数の突起部を有するものである。

【発明の効果】

【0012】

請求項１記載の発明によれば、せん断力緩和構造によって排気流とこの排気流とともに排気管に吸い込まれる外気との境界領域で乱流を生じさせてこれらの圧力差を緩和し、省スペースの簡素な構成で騒音を低減できる。

【0013】

請求項２記載の発明によれば、せん断力緩和構造と消音器での消音機能とで相乗的に騒音を低減できる。

【0014】

請求項３記載の発明によれば、凹部によって縦渦を生じさせて排出管からの排気流と外気との境界領域で乱流を生じさせ、排気流と外気との混合を促進することでせん断力を緩和し、排気流と外気とが混合する際の騒音を低減させることができる。

【0015】

請求項４記載の発明によれば、凹部によって縦渦を生じさせて排出管からの排気流と外気との境界領域で乱流を生じさせ、排気流と外気との混合を促進することでせん断力を緩和し、排気流と外気とが混合する際の騒音を低減させることができる。

【0016】

請求項５記載の発明によれば、突起部によって排気流と外気との境界領域に形成される混合層を湾曲させて乱流を生じさせ、混合層における速度勾配を緩やかとして、混合層におけるせん断力を緩和することで、排気流と外気とが混合する際の騒音を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係る作業機械の排出管の第１の実施の形態を示す側面図である。

【図2】同上排出管を備える作業機械を示す側面図である。

【図3】本発明に係る作業機械の排出管の第２の実施の形態の一部を示す側面図である。

【図4】本発明に係る作業機械の排出管の第３の実施の形態の一部を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を、図１および図２に示された第１の実施の形態、図３に示された第２の実施の形態、および、図４に示された第３の実施の形態に基いて詳細に説明する。

【0019】

先ず、図１および図２に示された第１の実施の形態について説明する。

【0020】

図２に示されるように、作業機械１は、油圧ショベル型のものを例に挙げて説明する。本実施の形態において、作業機械１は、小型の油圧ショベルなどである。作業機械１は、機体２が、下部走行体３とこの下部走行体３に旋回可能に設けられた上部旋回体４とを備え、機体２の上部旋回体４に作業装置５が搭載されている。図示される例では、作業装置５は、バケット形であるが、これに限らず、ブレーカなどが搭載されたものでもよい。

【0021】

上部旋回体４には、旋回フレーム６上に、オペレータの運転席が設けられたキャブ８が搭載されている。なお、以下、前後方向および左右方向については、キャブ８に搭乗したオペレータの視点を基準とする。また、上部旋回体４には、旋回フレーム６上に、燃料タンクおよび作動油タンクなどのタンク類が搭載されている。さらに、上部旋回体４には、機械室（エンジンルーム）１０が形成され、機械室１０内にエンジン１１が設置されている。その他、上部旋回体４には、旋回フレーム６上に、エンジン１１により駆動されるポンプ、ポンプの動作により作動油タンクから作動油を各種アクチュエータに対し給排するコントロールバルブなどが搭載されている。上部旋回体４の後端には、カウンタウエイト１２が配置されている。

【0022】

機械室１０は、キャブ８の後方かつカウンタウエイト１２の前方に位置する。機械室１０には、エンジン１１の他に、エンジン１１などの冷却用の熱交換器ユニット（クーリングパッケージ）、クーリングパッケージに外部から吸引した冷却風を当てて冷却する冷却ファン、および、エンジン１１の排気系に対して排ガスを浄化処理する排ガス浄化装置である排ガス後処理装置１５などが配置されている。本実施の形態において、排ガス後処理装置１５は、ブラケットなどを介してエンジン１１の上部に取り付けられている。

【0023】

排ガス後処理装置１５は、エンジン１１からの排ガスの配管に、排ガス中の黒煙を除去する黒煙除去装置（Diesel Particulate Filter）と、排ガス中の窒素酸化物を還元処理する窒素酸化物還元装置（Selective Catalytic Reduction）と、図１に示される消音器であるマフラ２０と、を直列に接続したものである。窒素酸化物還元装置は、その上流側の配管に尿素水などの液状還元剤を排ガスに噴射するインジェクタなどの還元剤噴射装置を備えている。

【0024】

マフラ２０は、エンジン１１（図２）から排出される排ガスの圧力および温度を下げて消音する機能を有する。マフラ２０は、エンジン１１（図２）の上部に位置する。マフラ２０は、筒状に形成されている。本実施の形態において、マフラ２０は、一端部から他端部に亘り水平状に配置されている。マフラ２０は、例えば左右方向に沿って配置されている。マフラ２０は、下流側に排出管２１を備える。排出管２１の下流側に排気管２２が位置する。

【0025】

ここで、排気管２２は、テールパイプ、フード側パイプなどとも呼ばれ、排ガスの排出部の最下流に位置して、処理済み排ガスを機体２の外部、つまり外気へと排出する。本実施の形態のように、作業機械１（図２）が小型の油圧ショベル型である場合、排ガス後処理装置１５の許容モーメントを超過しないように排出管２１を短くしなければならないことから、排ガス後処理装置１５の下流端に位置する排出管２１に対して排気管２２は接続されていない。

【0026】

排気管２２は、円筒状に形成されている。排気管２２は、機体２側に位置する。排気管２２は、機械室１０の上部を開閉可能とする平板状などのカバーであるエンジンフード２４に取り付けられている。排気管２２は、エンジンフード２４を貫通して配置され、上流端部２２ａがエンジンフード２４の下部つまり機械室１０の内部に位置して下端部を構成し、下流端部２２ｂがエンジンフード２４の上部つまり機械室１０（機体２）の外部に位置して上端部を構成して、これら上流端部２２ａと下流端部２２ｂとに亘る中間部２２ｃがエンジンフード２４を貫いている。

【0027】

排気管２２の上流端部２２ａは、下方つまり下流端側に向かって徐々に拡径する拡径部となっている。排気管２２の中間部２２ｃは、上流側である下部側が上流端部２２ａと同軸の直管状に形成され、下流側である上部側が例えば後方へと屈曲されている。排気管２２の下流端部２２ｂは、先端つまり排出開口が上端から下端に向かって排気方向（矢印Ｘに示す）上流側に傾斜しており、雨水等が排気管２２の内部に侵入することが防止されている。

【0028】

この排気管２２の上流端部２２ａからマフラ２０に亘り、排出管２１が位置する。本実施の形態では、排出管２１はマフラ２０に接続される一端部である上流端部２１ａから、排気管２２の上流端部２２ａに対向する他端部である下流端部２１ｂに亘り、中間部２１ｃが屈曲して形成されている。排出管２１は、マフラパイプなどとも呼ばれる。排出管２１は、円筒状に形成されている。本実施の形態において、排出管２１は、上流端部２１ａから中間部２１ｃおよび下流端部２１ｂに亘り一定または略一定の径寸法を有する。排出管２１の径寸法は、排気管２２の径寸法より小さく設定されている。特に、排出管２１の径寸法は、排気管２２の上流端部２２ａの径寸法より小さく設定されている。本実施の形態において、排出管２１の下流端部２１ｂは、排気管２２の上流端部２２ａに対して下方に離れた位置で対向し、排気管２２の上流端部２２ａと同軸または略同軸に配置されている。

【0029】

そして、排出管２１の下流端部２１ｂから排気管２２の上流端部２２ａへと、マフラ２０を通過した排ガスが導入されることで、エジェクタ効果によって、機械室１０内の外気が排気管２２の上流端部２２ａから排気管２２内に吸い込まれる。そこで、排出管２１の下流端部２１ｂの開口縁には、排出管２１の下流端部２１ｂから排気管２２の上流端部２２ａへと導入される排気流（矢印Ｇに示す）とこの排気流とともに排気管２２に吸い込まれる外気（矢印Ａに示す）との圧力差を緩和するせん断力緩和構造２５が形成されている。

【0030】

本実施の形態において、せん断力緩和構造２５は、三角形状の切欠部である凹部２５ａを周方向に複数有する形状となっている。凹部２５ａは、互いに等間隔または略等間隔に離れて配置され、凹部２５ａ，２５ａ間が三角形状（山形）の凸部２５ｂとなっている。すなわち、凹部２５ａと凸部２５ｂとは、排出管２１の周方向に交互に隣接している。各凸部２５ｂは、それぞれ基端部から先端部に向かい徐々に縮径するように開口中心側に傾斜している。したがって、排出管２１の下流端部２１ｂ側は、いわゆるシェブロンノズル状に形成されている。図示される例では、複数の凹部２５ａは、互いに同一または略同一形状に形成されている。同様に、複数の凸部２５ｂは、互いに同一または略同一形状に形成されている。凹部２５ａと凸部２５ｂとは、同一幅または略同一幅に設定されている。

【0031】

そして、エンジン１１から排出される排ガスは、排ガス後処理装置１５に流入し、黒煙除去装置を通過して黒煙が除去され、窒素酸化物還元装置を通過して窒素酸化物が還元処理された後、マフラ２０を通過する際に減圧および冷却されて消音される。マフラ２０を通過した排ガスは、排出管２１の下流端部２１ｂから排出されて排気管２２の上流端部２２ａに導入され、この導入に伴い、エジェクタ効果によって、機械室１０内の外気が排気管２２の上流端部２２ａから排気管２２内に吸い込まれ、排ガスと外気とが混合されて排気管２２から機体２の外部へと排出される。

【0032】

このとき、排出管２１が、その下流端部２１ｂの開口縁にせん断力緩和構造２５を備えることで、せん断力緩和構造２５によって排気流とこの排気流とともに排気管２２に吸い込まれる外気との境界領域で乱流を生じさせてこれらの圧力差を緩和し、省スペースの簡素な構成で騒音を低減できる。

【0033】

本実施の形態では、せん断力緩和構造２５が、排出管２１の下流端部２１ｂの開口縁に複数形成された三角形状の凹部２５ａを有することにより、凹部２５ａによって縦渦を生じさせて排出管２１からの排気流と外気との境界領域で乱流を生じさせ、排気流と外気との混合を促進することでせん断力を緩和し、排気流と外気とが混合する際の騒音を低減させることができる。

【0034】

また、凹部２５ａ，２５ａ間に三角形状の凸部２５ｂを有するシェブロンノズル状のせん断力緩和構造２５は、騒音低減率も良好であるとともに、高強度に製造できる。

【0035】

また、排出管２１はマフラ２０に接続されているため、排出管２１のせん断力緩和構造２５とマフラ２０での消音機能とで相乗的に騒音を低減できる。

【0036】

次に、図３に示された第２の実施の形態について説明する。なお、図１および図２に示された第１の実施の形態と同様の部分については、同一符号を付して、説明を簡略化する。

【0037】

本実施の形態の排出管２１のせん断力緩和構造２５は、排出管２１の下流端部２１ｂの開口縁に複数形成された四角形状の切欠部である凹部２５ｃを有するものである。

【0038】

凹部２５ｃは、排出管２１の周方向に複数形成されている。凹部２５ｃは、互いに等間隔または略等間隔に離れて配置され、凹部２５ｃ，２５ｃ間が四角形状（タブ状）の凸部２５ｄとなっている。すなわち、凹部２５ｃと凸部２５ｄとは、排出管２１の周方向に交互に隣接している。凸部２５ｄは、それぞれ基端部から先端部に向かい一定の径寸法に形成されている。したがって、排出管２１の下流端部２１ｂ側は、いわゆるタブノズル状に形成されている。図示される例では、複数の凹部２５ｃは、互いに同一または略同一形状に形成されている。同様に、複数の凸部２５ｄは、互いに同一または略同一形状に形成されている。凹部２５ｃは凸部２５ｄに対し、幅が小さく、例えば１／２未満の幅に設定されている。

【0039】

そして、エンジン１１から排出される排ガスは、排ガス後処理装置１５に流入し、黒煙が除去され、窒素酸化物が還元処理された後、マフラ２０によって減圧および冷却されて消音され、排出管２１の下流端部２１ｂから排出されて排気管２２の上流端部２２ａに導入されるとともに、この導入に伴い、エジェクタ効果によって、機械室１０内の外気が排気管２２の上流端部２２ａから排気管２２内に吸い込まれ、排ガスと外気とが混合されて排気管２２から機体２の外部へと排出される。

【0040】

このとき、排出管２１が、その下流端部２１ｂの開口縁にせん断力緩和構造２５を備えることで、せん断力緩和構造２５によって排気流とこの排気流とともに排気管２２に吸い込まれる外気との圧力差を緩和し、省スペースの簡素な構成で騒音を低減できるなど、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

【0041】

特に、本実施の形態によれば、せん断力緩和構造２５が、排出管２１の下流端部２１ｂの開口縁に複数形成された四角形状の凹部２５ｃを有することにより、凹部２５ｃによって縦渦を生じさせて排出管２１からの排気流と外気との境界領域で乱流を生じさせ、排気流と外気との混合を促進することでせん断力を緩和し、排気流と外気とが混合する際の騒音を低減させることができる。

【0042】

また、凹部２５ｃ，２５ｃ間に四角形状の凸部２５ｄを有するタブノズル状のせん断力緩和構造２５は、騒音低減率が特に良好で加工費が安く、安価に製造できる。

【0043】

次に、図４に示された第３の実施の形態について説明する。なお、第１および第２の実施の形態と同様の部分については、同一符号を付して、説明を簡略化する。

【0044】

本実施の形態の排出管２１のせん断力緩和構造２５は、排出管２１の下流端部２１ｂの開口縁に開口中心側に向けて突出して形成された複数の突起部２５ｅを有するものである。

【0045】

突起部２５ｅは、排出管２１の周方向に互いに離れて複数形成されている。突起部２５ｅは、排出管２１の軸方向に沿って形成されている。突起部２５ｅは、下流端部２１ｂの上流側から下流側、つまり図中の下側から上側に向かい徐々に拡幅する三角形状のＶ字型刻み目として形成されている。したがって、排出管２１の下流端部２１ｂ側は、いわゆるノッチノズル状に形成されている。突起部２５ｅの外面側が溝部として形成される。突起部２５ｅは、幅の中央部が排出管２１の開口中心側に最も突出する、三角錐状に形成されている。突起部２５ｅは、排出管２１の周方向に等間隔または略等間隔に配置されている。

【0046】

そして、エンジン１１から排出される排ガスは、排ガス後処理装置１５に流入し、黒煙が除去され、窒素酸化物が還元処理された後、マフラ２０によって減圧および冷却されて消音され、排出管２１の下流端部２１ｂから排出されて排気管２２の上流端部２２ａに導入されるとともに、この導入に伴い、エジェクタ効果によって、機械室１０内の外気が排気管２２の上流端部２２ａから排気管２２内に吸い込まれ、排ガスと外気とが混合されて排気管２２から機体２の外部へと排出される。

【0047】

このとき、排出管２１が、その下流端部２１ｂの開口縁にせん断力緩和構造２５を備えることで、せん断力緩和構造２５によって排気流とこの排気流とともに排気管２２に吸い込まれる外気との圧力差を緩和し、省スペースの簡素な構成で騒音を低減できるなど、各実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

【0048】

特に、本実施の形態によれば、せん断力緩和構造２５が、排出管２１の下流端部２１ｂの開口縁に開口中心側に向けて突出して形成された複数の突起部２５ｅを有するノッチノズル状であることにより、突起部２５ｅによって排気流と外気との境界領域に形成される混合層を湾曲させて乱流を生じさせ、混合層における速度勾配を緩やかとして、混合層におけるせん断力を緩和することで、排気流と外気とが混合する際の騒音を低減させることができる。

【0049】

なお、上記の各実施の形態のせん断力緩和構造２５を任意に組み合わせてもよい。

【0050】

また、せん断力緩和構造２５は、上記の各実施の形態の形状に限らず、他の任意の形状としてよい。

【産業上の利用可能性】

【0051】

本発明は、作業機械あるいはその排ガス後処理装置の製造業、販売業などに携わる事業者にとって産業上の利用可能性がある。

【符号の説明】

【0052】

１ 作業機械
１１ エンジン
２０ 消音器であるマフラ
２１ 排出管
２１ｂ 下流端部
２２ 排気管
２５ せん断力緩和構造
２５ａ，２５ｃ 凹部
２５ｅ 突起部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】