(57)【要約】【課題】建設機械のマフラが大型化することを防止する。【解決手段】建設機械のエンジン１０から排出された排気流体を機体の外部に排出するための排気経路に設けられる消音用のマフラ２０と、マフラ２０の外部において、排気経路に沿って排気通路２１０を形成する通路形成部材２１と、排気通路２１０に連通して通路形成部材２１に設けられる共鳴型消音器２１３〜２１５とを備える。【選択図】図５
2007120391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
建設機械のエンジンから排出された排気流体を機体の外部に排出するための排気経路に設けられる消音用のマフラと、
前記マフラの外部において、前記排気経路に沿って排気通路を形成する通路形成部材と、
前記排気通路に連通して前記通路形成部材に設けられる共鳴型消音器とを備えることを特徴とする排気消音装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排気消音装置において、
前記共鳴型消音器は、前記排気経路の終端部を形成する尾管に設けられることを特徴とする排気消音装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の排気消音装置において、
前記排気通路を囲むように前記通路形成部材に吸音材が設けられることを特徴とする排気消音装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の排気消音装置において、
前記マフラはエンジン室内に配置され、前記尾管は、エンジン室を形成する開閉可能なエンジン室カバーに取り付けられることを特徴とする排気消音装置。
【請求項５】
作業時に一定回転数で駆動されるエンジンと、
該エンジンから排出された排気流体を機体の外部に排出するための排気経路に設けられる消音用のマフラと、
前記マフラの外部において、前記排気経路に沿って排気通路を形成する通路形成部材と、
前記排気通路に連通して前記通路形成部材に設けられる共鳴型消音器とを備え、
前記共鳴型消音器は、前記作業時のエンジン回転数に対応した騒音周波数に共鳴周波数が一致するように設けられることを特徴とする建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから排出される排気ガスによる排気音を低減する排気消音装置および建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の排気消音装置には、所定周波数の騒音低減を目的として共鳴器を設けたものがある。例えば特許文献１記載の装置では、マフラの内部に共鳴器を設け、共鳴器においてエンジン爆発音等を消音するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２３５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１記載の装置では、マフラの内部に共鳴器を設けるため、マフラが大型化し、マフラの配置の自由度が損なわれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による排気消音装置は、建設機械のエンジンから排出された排気流体を機体の外部に排出するための排気経路に設けられる消音用のマフラと、マフラの外部において、排気経路に沿って排気通路を形成する通路形成部材と、排気通路に連通して通路形成部材に設けられる共鳴型消音器とを備えることを特徴とする。
共鳴型消音器を、排気経路の終端部を形成する尾管に設けることが好ましい。
排気通路を囲むように通路形成部材に吸音材を設けることもできる。
マフラをエンジン室内に配置し、尾管を、エンジン室を形成する開閉可能なエンジン室カバーに取り付けることもできる。
本発明による建設機械は、作業時に一定回転数で駆動されるエンジンと、該エンジンから排出された排気流体を機体の外部に排出するための排気経路に設けられる消音用のマフラと、マフラの外部において、排気経路に沿って排気通路を形成する通路形成部材と、排気通路に連通して通路形成部材に設けられる共鳴型消音器とを備え、共鳴型消音器は、作業時のエンジン回転数に対応した騒音周波数に共鳴周波数が一致するように設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、マフラの外部の排気通路に連通して通路形成部材に共鳴型消音器を設けるようにしたので、マフラが大型化することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
−第１の実施の形態−
以下、図１〜図５を参照して本発明による排気消音装置の第１の実施の形態について説明する。
図１は、本発明が適用される油圧ショベルの外観側面図である。走行体１上には旋回可能に旋回体２が搭載されている。旋回体２のフレーム（旋回フレーム４）の前部には、ブーム３Ａ，アーム３Ｂ，バケット３Ｃからなる作業用フロント３が取り付けられ、旋回フレーム４の後端部にはカウンタウエイト５が取り付けられている。また、旋回フレーム上の前部左側には運転室６が設けられ、運転室６の後方にエンジン室７が設けられている。
【０００８】
図２は、エンジン室７の内部構成を示す図１のII-II線断面図である。エンジン室内には、旋回フレーム４上に設けられたブラケット１１により防振マウント１２を介してエンジン１０が支持されている。エンジン１０の側方には冷却ファン１３が配設され、そのさらに側方に熱交換器１４が配設されている。冷却ファン１３にはベルト１６を介してエンジンクランク軸の回転が伝達され、エンジン１０の駆動により冷却ファン１３が回転する。冷却ファン１３が回転すると、エンジン室内に冷却空気が吸い込まれ、吸い込まれた空気は熱交換器１４を通過し、シュラウド１５の内側を通過してエンジン室内を流れる。エンジン１０の冷却ファン１３の反対側には油圧ポンプ１７が設けられ、エンジン１０の駆動により油圧ポンプ１７が回転する。
【０００９】
エンジン１０は例えば４気筒４サイクルのディーゼルエンジンであり、エンジン１０からの排気ガスは以下の排気経路を通って外部に排出される。すなわちエンジン上部には排気マニホールド１８が設置され、各気筒の排気ポートからの排気ガスは、排気マニホールド１８に集合し、排気管１９を介してエンジン上方のマフラ２０に導かれる。そして、マフラ２０を通過した後、尾管２１を通過してエンジン室外に排出される。エンジン室７の上部カバー２２はヒンジ２２ａを介して開閉可能であり、上部カバー２２を開放した状態でエンジン室内の各部をメンテナンス可能となっている。
【００１０】
図３は、図２のマフラ２０を機体の側方から見た拡大図である。マフラ２０は全体が略円柱形状をなし、その周面がエンジン上部に設けられたブラケット２３（図２参照）に、Ｕ字ボルト２４により固定されている。マフラ２０の周面には、排気管１９からの排気ガスが流入する流入管２０１と、上部カバー２２に設けた貫通孔２２ｂを介して尾管２１に排気ガスを流出する排出管２０２とが突設されている。
【００１１】
尾管２１は、上端面が機体後方に向けて斜めに切断された略円筒状の外管２１１と、外管２１１の上端面に溶接された出口管２１２とを有し、出口管２１２の端面には、雨水等の侵入を防ぐために後方やや下方に向けて排気口２１ａが開口されている。外管２１１の底部にはフランジ部２１ｂが設けられ、フランジ部２１ｂは、貫通孔２２ｂを塞ぐように上部カバー２２の上面にボルトで締結されている。
【００１２】
このように上部カバー２２にフランジ部２１ｂを介して尾管２１を取り付けることで、上部カバー２２の貫通孔２２ｂの付近が補強され、上部カバー２２の剛性が高まるとともに、エンジン室内の騒音が流出管２０２と貫通孔２２ｂとの間の隙間を介して外部に漏れることを防止できる。これに対し、尾管２１を排出管２０２の先端に溶接などにより連設した場合、上部カバー２２を開閉するためには貫通孔２２ｂと尾管２１との間に隙間が必要となるため、上部カバー２２の剛性が低下し、隙間から外部に騒音が漏れやすい。
【００１３】
次に、マフラ２０の消音構造を説明する。図４はマフラ２０の内部構成を概略的に示した図である。マフラ２０の内部は隔壁２０３，２０４により第１室２０５，第２室２０６，第３室２０７に区画されている。第１室２０５には流入管２０１の端部が挿入され、第３室２０７には排出管２０２の端部が挿入されている。第１室２０５から第３室２０７にかけては隔壁２０３，２０４を貫通して内部管２０８が配設されている。
【００１４】
流入管２０１および流出管２０２の端面は、それぞれ閉塞壁２０１ａ，２０７ａで塞がれている。流入管２０１および流出管２０２の周面には、それぞれ第１室２０５および第３室２０７に面して複数の連通孔２０１ｂ，２０７ｂが開口されている。内部管２０８の内側には閉塞壁２０８ａが設けられ、閉塞壁２０８ａにより内部管２０８内の通路が遮断されている。内部管２０８の周面には、閉塞壁２０８を挟んでそれぞれ第２室２０６に面して連通孔２０８ｂ，２０８ｃが開口されている。
【００１５】
図４の矢印は排気ガスの流れを示している。流入管２０１を介してマフラ内に導かれた排気ガスは、連通孔２０１ｂを介して第１室２０５に流出する。第１室２０５の排気ガスは内部管２０８に流入し、連通孔２０８ｂを介して第２室２０６に流出する。第２室２０６の排気ガスは連通孔２０８ｃを介して内部管２０８に再び流入し、内部管２０８を介して第３室２０７に流出する。第３室２０７の排気ガスは連通孔２０７ｂを介して排出管２０２に流入し、尾管２１に流出する。これにより排気ガスはマフラ内で膨張，圧縮を繰り返し、排気騒音が低減される。
【００１６】
本実施の形態は、その特徴的構成として尾管２１に共鳴器を設けている。以下、この点について説明する。図５（ａ）は第１の実施の形態に係る尾管２１の内部構成を概略的に示した図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のb-b線断面図である。尾管２１の内部（外管２１１の内側）には、その下端面から排気ガスの流れ方向に沿って所定長さにわたり、略円筒状の内管２１３が配設され、内管２１３の内側のガス通路部２１０に排出管２０２の端部が挿入されている。すなわち尾管２１は外管２１１と内管２１３とを有する二重管構造をなしている。
【００１７】
内管２１３の上下端面には、それぞれ内管２１３と外管２１１の間の隙間を塞ぐように略リング状の上板２１４および下板２１５が固設され、外管２１１と内管２１３と上板２１４と下板２１５とにより略円筒状の共鳴室２１６が形成されている。内管２１３には周方向に１カ所だけ貫通孔２１７が開口され、貫通孔２１７がガス通路部２１０と共鳴室２１６とを連通する頸部となり、共鳴器が形成されている。
【００１８】
尾管２１の製造は例えば次のように行う。外管２１１の上端面に出口管２１２を溶接する前に、まず、外管２１１の内周面に上板２１４を溶接する。次いで、上板２１４の端部に内管２１３の上端面を溶接する。次いで、外管２１１と内管２１３の下端面に下板２１５を溶接し、最後に外管２１１の上端面に出口管２１２を溶接する。
【００１９】
頸部（貫通孔２１７）の断面積をＳ，頸部の長さをＬ，共鳴室２１６の容積をＶ，音速をｃとすると、共鳴器により低減される騒音の周波数Ｆ１、すなわち共鳴周波数は次式(I)で表せる。
Ｆ１＝ｃ×（Ｓ／ＬＶ）１／２／２π                     (I)
一方、エンジン気筒数をｋ（＝４），エンジン回転数をＮ（rpm）とすると、エンジン１０の爆発一次音の周波数Ｆ２は次式(II)で表せる。
Ｆ２＝（ｋ／２）×Ｎ／６０                         (II)
【００２０】
通常、油圧ショベルは、エンジン回転数Ｎを一定（例えば２０００rpm）とした状態で掘削作業等が行われる。そこで、本実施の形態では、上式(II)に通常の掘削作業時のエンジン回転数Ｎを代入してエンジン爆発音の周波数Ｆ２を求め、このＦ２と共鳴周波数Ｆ１とが等しくなるように、頸部の断面積Ｓ，長さＬ，共鳴室２１６の容積Ｖを適宜設定する。これにより作業時のエンジン爆発による排気騒音を低減することができる。
【００２１】
本実施の形態の主要な動作を説明する。所定のエンジン回転数Ｎで掘削作業を行っている場合、エンジン１０から排出された排気ガスは、排気管１９を介してマフラ２０に流入し、マフラ内で膨張および圧縮を繰り返して消音される。さらに、マフラ２０を通過した排気ガスは尾管２１のガス通路部２１０に流入し、ガス通路部２１０を排気口２１ａに向けて流れ、排気口２１ａから排出される。この際、共鳴周波数Ｆ１付近の音波に対しての頸部における空気の振幅が大きくなり、空気の摩擦が生じる。これにより共鳴周波数域の騒音、すなわち作業時のエンジン爆発音の周波数Ｆ２に対応した排気騒音を低減することができ、排気音の十分な消音効果が得られる。
【００２２】
第１の実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）尾管２１の内側に共鳴室２１６を設けて共鳴器を形成するようにしたので、排圧（排気ガス圧力）の上昇が抑えられ、エンジン爆発等による特定周波数の騒音を効果的に低減できる。
（２）マフラ２０を大型化する必要がなく、マフラ２０の配置の自由度を確保できる。
（３）共鳴器を有する尾管２１をエンジン室７の外側に設けるので、エンジン室自体を大型化する必要もない。
（４）共鳴器を有する尾管２１を上部カバー２２の上面に固定するようにしたので、上部カバー２２の剛性が高まるとともに、エンジン室内の騒音が流出管２０２と貫通孔２２ｂとの間の隙間を介して外部に漏れることを防止できる。
（５）作業時のエンジン回転数に対応した騒音周波数Ｆ２に共鳴周波数Ｆ１が一致するように共鳴器の寸法を設定したので、エンジン回転数を一定として作業することが多い油圧ショベルの騒音を効果的に低減できる。
【００２３】
−第２の実施の形態−
図６を参照して本発明による排気消音装置の第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態では、尾管２１の内側に共鳴器を設けるとともに、吸音材を設置する。図６は、第２の実施の形態に係る尾管２１の内部構成を概略的に示した図である。なお、図５と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。
【００２４】
図６に示すように内管２１３の上方には、複数個の連通孔２１８ａが周面全体にわたって開口された略円筒状の孔空き管２１８が配設されている。孔空き管２１８の径は内管２１３の径と等しく、孔空き管２１８の下端面は内管２１３との間に段差がないように上板２１４に溶接されている。孔空き管２１８と外管２１１の間にはグラスウールやロックウールなどの吸音材２２０が充填され、吸音材の上方には上板２１９が設けられ、上板２１９は外管２１１の内周面と孔空き管２１８の上端面に溶接されている。
【００２５】
このように尾管２１の内側に孔空き管２１８を設け、孔空き管２１８と外管２１１の間に吸音材２２０を収容することで、広帯域の周波数成分の騒音が吸音材２２０に吸音される。このため所定周波数の排気騒音を共鳴器により低減するとともに、広帯域の排気騒音を吸音材２０により低減することができる。内管２１３の上端に孔空き管２１８を連設するので、内管２１３と孔空き管２１８の接続部に段差が生じることがなく、短い通路内で騒音を効率よく吸音することができる。
【００２６】
上記実施の形態では、尾管２１のガス通路部２１０に連通して、いわゆるヘルムホルツ型共鳴器を設けたが、サイドブランチ型共鳴器等、他の共鳴型消音器を設けてもよい。サイドブランチ型共鳴器を設ける場合、例えば図７に示すように尾管２１にサイドブランチ２５を分岐接続し、サイドブランチ２５をガス通路部２１０に連通させればよい。なお、図７の例では、サイドブランチ２５はフランジ部２１ｂおよび上部カバー２２を貫通し、上部カバー２２の内側に沿って延設している。サイドブランチ２５の管路長は、例えばエンジン爆発音の周波数の１／４波長に設定すればよい。
【００２７】
これらの共鳴器は、マフラ２０の外部に設けるのであれば、すなわちマフラ２０の外部において排気経路に沿って排気通路を形成する通路形成部材（尾管２１や排気管１９）に設けるのであれば、上述した以外の場所に設けてもよい。マフラ２０の内部に共鳴器を設けないようにするのであれば、消音用のマフラ２０の構成は図４に示したものに限らない。尾管２１を上部カバー２２に取り付けるようにしたが、上部カバー以外に取り付けてもよい。尾管２１のガス通路部２１０の周囲に吸音材２２０を設置するようにしたが、排気通路を囲む他の場所に吸音材２２０を設置してもよい。
【００２８】
上記実施の形態は、油圧ショベルに適用したが、エンジン１０から排出された排気流体を機体の外部に排出する排気経路を有する他の建設機械、とくにエンジン回転数を一定で作業することが多い他の建設機械にも本発明は同様に適用可能である。すなわち本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の排気消音装置に限定されない。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係になんら限定も拘束もされない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明が適用される油圧ショベルの外観側面図。
【図２】図１のII-II線断面図。
【図３】図２のマフラを機体の側方から見た拡大図。
【図４】図２のマフラの内部構成を示した図。
【図５】第１の実施の形態に係る排気消音装置の要部構成を示す図。
【図６】第２の実施の形態に係る排気消音装置の要部構成を示す図。
【図７】本発明の変形例を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
７  エンジン室
１０  エンジン
２０  マフラ
２１  尾管
２２  上部カバー
２５  サイドブランチ
２１１  外管
２１３  内管
２１７  貫通孔
２２０  吸音材
【図１】
2007120391.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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