CN103299041A - 排气加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种排气加热装置。本发明的排气加热装置（22）具有：壳体（27），其被连结于排气管（23）上，且划分出燃烧腔（30）；燃料添加阀（28），其向经由形成在排气管上的连通口（23b）而与排气通道（23a）连通的燃烧腔喷射燃料；火花塞（29），其用于使被喷射出的燃料点火，所述排气加热装置使流通于排气通道中的排气的一部分从连通口向燃烧腔流入，并使之与在此生成的燃烧气体一起再次从连通口向排气通道流出，所述排气加热装置将与连通口相比靠排气通道的上游侧的排气管的壁面、和壳体的上游侧壁面（27U）之间所成的角（θ1）设定为钝角，并将与连通口相比靠排气通道的下游侧的排气管的壁面、和壳体的下游侧壁面（27D）之间所成的角（θ2）设定为钝角。

Description

排气加热装置
技术领域
本发明涉及一种为了维持内燃机中的排气净化装置的活化以及活化状态而提高排气的温度的排气加热装置。
背景技术
近年来，为了应对针对内燃机的、严格的排气限制，需要在内燃机的启动时促进排气净化装置的活化，并在内燃机的运转中维持其活化状态。因此，在专利文献1等中，提出了在与排气净化装置相比更靠上游侧的排气通道中安装了排气加热装置的内燃机。该排气加热装置为如下的装置，即，通过在排气中生成加热气体，并将该生成的加热气体向下游侧的排气净化装置供给，从而促进排气净化装置的活化、或维持活化状态。因此，一般情况下，排气加热装置具有：火花塞等的点火单元，其通过对燃料进行加热而使其点火，从而生成加热气体；燃料添加阀，其向该点火单元喷射燃料。
此外，在该专利文献1所公开的排气加热装置中，提出了如下的结构，即，在排气管上设置以正交状态与排气管连接的管体部，并在通过该管体部而被划分出的燃烧部上，配置了接受从燃料喷射阀喷射出的燃料的碰撞部件。火花塞的发热部位于该碰撞部件和燃料添加阀之间，并通过碰撞部件而促进从排气通道流入到燃烧部中的排气与从燃料喷射阀喷射出的燃料的混合。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-249013号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在对比文献1中，由于采用如下方式，即，通过碰撞部件而使从排气通道流入到燃烧部中的排气的流速降低，从而在碰撞部件的周围的燃烧区域内形成滞留，因此无法使来自排气通道的新排气高效地流入到燃烧部中。而且，流通于排气通道中的排气的流速越高，则由于文丘里效应而导致的燃烧部的压力损失越大，从而更难以使流通于排气通道中的排气的一部分流入燃烧部中。其结果为，燃料的点火较为困难、或者即使已完成了点火，但是随着燃料的燃烧，燃烧部的氧浓度也会急剧降低，从而存在很快失火的可能性。此外，由于向燃烧部的排气的流入不能高效地实施，因此也难以使在燃烧部生成的燃烧气体高效地向排气通道流出，从而期望改善。
本发明的目的在于，提供一种排气加热装置，该排气加热装置能够在不导致氧浓度的降低的情况下，持续实施燃料的点火以及燃烧，并且使燃烧气体高效地向排气通道流出。
用于解决课题的方法
本发明的排气加热装置具有：壳体，其被连结于排气管的中途，且划分出燃烧腔，其中，所述排气管与内燃机连接并且划分出排气通道；燃料添加阀，其向经由形成在所述排气管的壁上的连通口而与所述排气通道连通的所述燃烧腔喷射燃料；点火单元，其具有用于使被喷射至所述燃烧腔中的燃料点火的发热部，所述排气加热装置使流通于所述排气通道中的排气的一部分从所述连通口向所述燃烧腔流入，并使之与在此生成的燃烧气体一起再次从所述连通口向所述排气通道流出，所述排气加热装置的特征在于，将与所述连通口相比位于所述排气通道的上游侧并与所述连通口邻接的所述排气管的壁面、和位于所述排气通道的上游侧的所述壳体的上游侧壁面之间所成的角设定为钝角，并将与所述连通口相比位于所述排气通道的下游侧并与所述连通口邻接的所述排气管的壁面、和位于所述排气通道的下游侧的所述壳体的下游侧壁面之间所成的角设定为钝角。
在本发明中，沿着排气管的壁面而在排气通道中流通的排气，向从连通口起沿着排气管的壁面延伸的、壳体的上游侧壁面被引导，从而流入到燃烧腔内。流入到燃烧腔中的排气与从燃料添加阀喷射出的燃料形成新的混合气体，并通过点火单元的发热部而接受加热从而点火并进行燃烧。所生成的燃烧气体通过新流入到燃烧腔内的排气而沿着壳体的下游侧壁面而被压出，并向从连通孔起沿着壳体的下游侧壁面延伸的、排气管的壁面被引导，从而再次向排气通道流入。
在本发明的排气加热装置中，也可以采用如下方式，即，壳体从远离连通口的、壳体的上游侧壁面的部分起进一步凹陷，从而还划分出与燃烧腔连通的燃料喷射室，燃料添加阀经由该燃料喷射室而向燃烧腔喷射燃料。
优选为，相对于壳体的下游侧壁面的、燃料添加阀的姿态被设定为，使从燃料添加阀喷射出的燃料与壳体的下游侧壁面碰撞，并穿过连通口而向排气通道侧溅回。
优选为，将点火单元的发热部以靠近壳体的下游侧壁面的方式而配置。
也可以采用如下结构，即，在与壳体相比位于排气通道的下游侧的排气管上连结有排气净化装置。
发明效果
根据本发明的排气加热装置，能够使沿着排气管的壁面而在排气通道中流通的排气的一部分在沿着壳体的上游侧壁面而向燃烧腔内流入之后，沿着壳体的下游侧壁面而从燃烧腔再次高效地向排出通道流出。其结果为，不易引起在燃烧腔内的排气的滞留，从而能够避免燃烧腔内的氧浓度的降低，进而能够抑制点火后的燃料的失火从而高效地向排气通道送出燃烧气体。
当划分出从壳体的上游侧壁面的部分起凹陷的燃料喷射室时，沿着壳体的上游侧壁面而流入到燃烧腔内的排气不会与燃料添加阀碰撞，因此排气中所包含的煤以及未燃HC等不易附着在燃料添加阀的喷嘴上。其结果为，不会发生由燃料添加阀的堵塞而导致的故障，并且能够抑制由排气热量而导致的燃料添加阀的热劣化。
当将燃料添加阀的姿态设定为，使从燃料添加阀喷射出的燃料与壳体的下游侧壁面碰撞而向排气通道侧溅回时，从燃料添加阀喷射出的燃料不会在燃料腔内滞留或残留，由此能够更切实地将其向排气通道引导。
当将点火单元的发热部以靠近壳体的下游侧壁面的方式而配置时，壳体的下游侧壁面通过发热部而被加热升温，其结果为，能够促进附着在该处的燃料的气化，从而能够提高燃料的燃烧效率。
当在与壳体相比位于排气通道的下游侧的排气管上连结有排气净化装置时，能够将加热状态下的排气向排气净化装置引导，从而高效地实现其活化以及活化状态的维持。
附图说明
图1为将本发明应用于搭载有压缩点火方式的多气缸内燃机的车辆中的、一个实施方式的发动机系统的概念图。
图2为图1所示的实施方式中的主要部分的控制框图。
图3为图1所示的实施方式中的排气加热装置的主要部分的放大剖视图。
图4为本发明的排气加热装置的另一实施方式中的、与图3同样的剖视图。
具体实施方式
参照图1～图4，对将本发明的排气加热方法应用于压缩点火方式的多气缸内燃机的实施方式进行详细说明。但是，本发明并不限定于这种实施方式，可以根据所要求的特性而对其结构进行任意的变更。例如，本发明对于以汽油以及乙醇或LNG（液化天然气）等作为燃料，并通过火花塞而使之点火的火花点火式内燃机也是有效的。
在图1中模式化地图示了本实施方式中的发动机系统的主要部分，在图2中概要性地图示了其主要部分的控制框图。另外，在图1中，不仅省略了用于发动机10的进气和排气的气门机构以及消音器，作为该发动机10的辅助机械，还省略了一般的排气涡轮式增压器以及EGR（Exhaust GasRecirculation：废气再循环）装置等。此外需要注意的是，为了发动机10的顺利运转而所需的各种传感器类元件也被适当省略了其中一部分。
本实施方式中的发动机10为压缩点火式的多气缸内燃机，其通过将作为燃料的轻油从燃料喷射阀11直接喷射至处于压缩状态的燃烧室10a内，从而使其自燃。但是，从本发明的特性出发，也可以为单气缸的内燃机。
在形成有分别面对燃烧室10a的进气口12a以及排气口12b的气缸盖12上，安装有未图示的气门机构，所述气门机构包括对进气口12a进行开闭的进气阀13a、以及对排气口12b进行开闭的排气阀13b。与燃烧室10a的上端中央面对的前述的燃料喷射阀11也以被夹在上述进气阀13a以及排气阀13b之间的方式，被安装在气缸盖12上。
从燃料喷射阀11被供给至燃烧室10a内的燃料的量以及喷射时刻，根据包括驾驶员对加速踏板14的踏入量在内的车辆的运转状态，通过ECU（Electronic Control Unit：电子控制单元）15来进行控制。加速踏板14的踏入量通过加速器开度传感器16而被检测，且该检测信息被输出至ECU15。
ECU15具有运转状态判断部15a、燃料喷射设定部15b以及燃料喷射阀驱动部15c，其中，所述运转状态判断部15a根据来自该加速器开度传感器16以及后文叙述的各种传感器类元件等的信息，而对车辆的运转状态进行判断。燃料喷射设定部15b根据在运转状态判断部15a中得到的判断结果，而对来自燃料喷射阀11的燃料的喷射量以及喷射时刻进行设定。燃料喷射阀驱动部15c对燃料喷射阀11的工作进行控制，以使由燃料喷射设定部15b所设定的量的燃料，在所设定的时刻从燃料喷射阀11喷射。
在进气管17的中途形成有浪涌调整槽18，所述进气管17以与进气口12a连通的方式而被连结在气缸盖12上，从而与进气口12a一起划分出进气通道17a。在该浪涌调整槽18的上游侧的进气管17中安装有节气门20，所述节气门20用于通过节气门作动器19而对进气通道17a的开度进行调节。此外，在节气门20的上游侧的进气管17中安装有空气流量计21，所述空气流量计21对流通于进气通道17a中的进气的流量进行检测，并将其输出至ECU15。
前述的ECU50还具有节气门开度设定部15d和节气门驱动部15e。节气门开度设定部15d不仅根据加速踏板14的踏入量，还根据在前述的运转状态判断部15a中得出的判断结果，而对节气门20的开度进行设定。节气门驱动部15e对节气门作动器19的工作进行控制，以使节气门20成为由节气门开度设定部15d所设定的开度。
在活塞24a进行往复移动的气缸体24中，安装有曲轴转角传感器25，所述曲轴转角传感器25对通过连杆24b而与活塞24a连结的曲轴24c的旋转相位、即曲轴转角进行检测，并将其输出至ECU15。ECU15的运转状态判断部15a根据来自该曲轴转角传感器25的信息，从而在曲轴24的旋转相位以及发动机转数之外，还实时地掌握车辆的行驶速度等。
以与排气口12b连通的方式而被连结在气缸盖12上的排气管23，与排气口12b一起划分出排气通道23a。在与被安装在下游端侧的未图示的消音器相比更靠上游侧的排气管23的中途，安装有排气净化装置26，所述排气净化装置26用于使通过燃烧室10a内的混合气体的燃烧而生成的有害物质无害化。虽然本实施方式中的排气净化装置26至少包括氧化催化剂26a，但除此之外还可以加入DPF（Diesel Particulate Filter：柴油颗粒过滤器）以及NOx吸留催化剂等。氧化催化剂26a为，主要用于使排气中所包含的未燃气体氧化、即燃烧的催化剂。
因此，从进气通道17a被供给至燃烧室10a内的进气与从燃料喷射阀11喷射至燃烧室10a内的燃料形成混合气体。而且，在活塞24a的压缩上止点附近以自燃的方式燃烧，由此所生成的排气穿过排气净化装置26而从排气管23被排出到大气中。
在与排气净化装置26相比更靠上游侧的排气管23的中途配置有排气加热装置22，所述排气加热装置22用于生成加热气体，并将该加热气体向配置在下游侧的排气净化装置26供给，从而维持排气净化装置26的活化以及活化状态。在图3中，将该排气加热装置22的主要部分提出并放大而进行图示。本实施方式中的排气加热装置22具有：壳体27、燃料添加阀28以及火花塞29。
壳体27被连结于排气管23的中途，且划分出燃烧腔30，所述排气管23与发动机10连接并且划分出排气通道23a。本实施方式中的壳体27从远离形成在排气管23的壁上的连通口23b的、壳体27的上游侧壁面27U的部分起凹陷，从而还划分出与燃烧腔30连通的燃料喷射室31。该燃料喷射室31从燃烧腔30起向沿着排气通道23a的上游侧的方向（在图3中为左侧）凹陷，从而成为，燃料添加阀28的喷嘴面对该燃料喷射室31的状态。
燃料添加阀28的基本结构与通常的燃料喷射阀11相同，通过对通电时间进行控制，从而能够以任意的时间间隔将任意量的燃料从燃料喷射室31向燃烧腔30以脉冲状而进行喷射。本实施方式中的燃料添加阀28从燃料喷射室31向经由形成在排气管23的壁上的连通口23b而与排气通道23a连通的燃烧腔30中喷射燃料。相对于壳体27的下游侧壁面27D的、燃料添加阀28的姿态被设定为，使从燃料添加阀28喷射出的燃料与壳体27的下游侧壁面27D碰撞，并穿过连通口23b而向排气通道23a侧溅回。而且，燃料添加阀28通过未图示的托架而被安装在壳体27上，以维持该设定的姿态。
根据包括由空气流量计21所检测出的进气量以及空燃比在内的车辆的运转状态，并通过ECU15的燃料添加设定部15f，来设定从燃料添加阀28被供给至排气通道23a的、每一次的燃料的量。
ECU15的燃料添加阀驱动部15g对燃料添加阀28的工作进行控制，以使得在所设定的周期内从燃料添加阀28喷射由燃料添加设定部15f所设定的量的燃料。
作为本发明中的点火单元的火花塞29经由作为导通/断开开关的ECU15的火花塞驱动部15h，而与车载的未图示的电源相连接。因此，对火花塞29的通电以及非通电的切换按照被预先设定的程序，而由ECU15的火花塞驱动部15h来进行控制。火花塞29具有用于使被喷射至燃烧腔30中的燃料点火的发热部29a（附图中没有）。该发热部29a以位于从燃料添加阀28喷射出的燃料的喷射区域的中央部的方式，而与壳体27的下游侧壁面27D接近配置。
与连通口23b相比位于排气通道23a的上游侧并与连通口23b邻接的排气管23的壁面、和位于排气通道23a的上游侧的壳体27的上游侧壁面27U之间所成的角θ1被设定为钝角。换言之，壳体27的上游侧壁面27U以越趋于排气通道23a的下游侧时排气管23a的中心轴线O距壳体27的上游侧壁面27U的距离越远的方式而倾斜，且该倾斜角被设定为锐角。由此，能够将从连通口23b的上游侧起而流过排气通道23a的排气的一部分在无阻力的情况下向燃烧腔30进行引导。
此外，与连通口23b相比位于排气通道23a的下游侧并与连通口23b邻接的排气管23的壁面、和位于排气通道23的下游侧的壳体的下游侧壁面27D之间所成的角θ2也被设定为钝角。换言之，壳体27的下游侧壁面27D以越趋于排气通道23a的下游侧时排气管23a的中心轴线O距壳体27的下游侧壁面27D的距离越近的方式而倾斜，且该倾斜角被设定为锐角。由此，能够使流入到燃料腔30中的排气在无较大阻力的情况下再次从连通口23b向排气通道23a流出。
如此，通过壳体27的上游侧壁面27U以及下游侧壁面27D，从而能够使流通于排气通道23a中的排气的一部分高效地向燃烧腔30流入，并使之与在此生成的燃烧气体一起顺利地再次向排气通道23a流出。
在本实施方式中，当发动机10处于用电动机带动的状态、即在发动机10的运转中加速踏板14的开度成为0而未从燃料喷射阀11喷射燃料的燃料切断状态时，执行排气加热处理。即，实施来自上述的燃料添加阀28的燃料的喷射，并实施流通于排气通道23a中的排气的加热。因此，当发动机10处于燃料切断状态时，将根据需要而从燃料添加阀28经由燃料喷射室31而向燃烧腔30喷射燃料，由此实现流通于排气通道23a中的排气的升温，从而维持排气净化装置26的氧化催化剂26a的活化状态。在这种情况下，沿着排气管23的壁面而流过排气通道23a的排气，向从连通口23b起沿着排气管23的壁面而延伸的壳体27的上游侧壁面27U被引导，从而流入到燃烧腔30内。流入到燃烧腔30中的排气与从燃料添加阀28喷射出的燃料形成新的混合气体，并通过火花塞29的发热部29a而被加热从而点火并进行燃烧。所生成的燃烧气体通过重新流入到燃烧腔30内的排气而沿着壳体27的下游侧壁面27D被压出，并向从连通孔23b沿着壳体27的下游侧壁面27D而延伸的排气管23的壁面被引导，从而再次向排气通道23a流入。
根据本发明，由于排气的一部分始终向燃烧腔30内流入并与燃烧气体一起向排气通道23a流出，因此使燃料的点火稳定并且也提高了燃烧率，其结果为，能够发挥较高的燃烧扩散性能。
在不将相对于排气管23的壳体27的安装位置配置在如上述实施方式那样的排气管23的直管部分，而配置在弯管部分的情况下，有时能够更理想地对排气的流动进行控制。
虽然在图4中图示了这种本发明的排气加热装置22的另一实施方式的主要部分的截面形状，但仅在与之前的实施方式相同功能的要素上标记与其相同的符号，而省略重复说明。即，排气管23具有：以第一曲率半径r1而弯曲的第一弯管部23c、相对于该第一弯管部23c而以第二曲率半径r2向相反方向弯曲的第二弯管部23d、以及上述第一弯管部23c及第二弯管部23d的转换部23e。壳体27被设置在转换部23e中的、第一弯管部23c的外周侧（换言之，第二弯管部23d的内周侧）。即，所述壳体27被设定为，使穿过由第一弯管部23c所划分出的排气通道23a的排气，易于通过惯性而从连通口23b流入到燃烧腔30内。同时，还以如下方式考虑，即，使从燃烧腔30经由连通口23b而向排气通道23a流出的气体，横穿第二弯管部23d而与其外周侧的内壁碰撞。由此，从连通口23b的上游侧向下游侧流通的排气的流动被截断，从而使排气的一部分更易于向燃烧腔30内流入。从这种观点出发，如下方式是有效的，即，通过连续弯曲的壁面而对上游侧壁面27U和下游侧壁面27D进行连接，从而使排气从连通口23b沿着壳体27的壁面流动，并再次从连通口23b向排气通道23a顺利地流出。而且，当通过连续的曲面而形成了排气管23和壳体27之间的连接部分以及壳体27的整个内壁时，能够使排气更顺利地从排气通道23a向燃烧腔30流入，并再次向排气通道23a流出。
在本实施方式中，将沿着流过排气通道23a的排气的流动方向的、连通口23b的长度L设定为，长于排气管23的中心轴线O距最远的壳体27的壁面的高度H。由此，使排气的一部分更易于向燃烧腔30内流入。
另外，可以采用如下方式，即，在火花塞29的发热部29a和壳体27的下游侧壁面27b之间的燃烧腔30内，配置如专利文献1所公开的这种碰撞板。通过该碰撞板的存在，从而能够接受从燃料供给阀26供给的燃料，并促进其雾化以及向火花塞29侧的飞散。
另外，本发明为仅应根据其专利权利要求中所记载的事项而进行解释的发明，在上述的实施方式中，本发明的概念中所包含的全部变更以及修改也可以为所记载的事项以外的内容。即，上述实施方式中的全部事项均不用于对本发明进行限定，而包括与本发明并无直接关系的全部结构，并能够根据其用途和目的等而任意地进行变更。
符号说明
10发动机；
10a燃烧室；
11燃料喷射阀；
12气缸盖；
12a进气口；
12b排气口；
13a进气阀；
13b排气阀；
14加速踏板；
15ECU；
15a运转状态判断部；
15b燃料喷射设定部；
15c燃料喷射阀驱动部；
15d节气门开度设定部；
15e节气门驱动部；
15f燃料添加设定部；
15g燃料添加阀驱动部；
15h火花塞驱动部；
16加速器开度传感器；
17进气管；
17a进气通道；
18浪涌调整槽；
19节气门作动器；
20节气门；
21空气流量计；
22排气加热装置；
23排气管；
23a排气通道；
23b连通口；
23c第一弯管部；
23d第二弯管部；
23e转换部；
24气缸体；
24a活塞；
24b连杆；
24c曲轴；
25曲轴转角传感器；
26排气净化装置；
26a氧化催化剂；
27壳体；
27U上游侧壁面；
27D下游侧壁面；
28燃料添加阀；
29火花塞；
30燃烧腔；
31燃料喷射室；
θ1排气管的壁面与壳体的上游侧壁面之间所成的角；
θ2排气管的壁面与壳体的下游侧壁面之间所成的角；
O排气管的中心轴线；
r1第一弯管部的曲率半径；
r2第二弯管部的曲率半径；
L沿着排气的流动方向的连通口的长度；
H排气管的中心轴线距最远的壳体的壁面的高度。

Claims (5)

1.一种排气加热装置，具有：
壳体，其被连结于排气管的中途，且划分出燃烧腔，其中，所述排气管与内燃机连接并且划分出排气通道；
燃料添加阀，其向经由形成在所述排气管的壁上的连通口而与所述排气通道连通的所述燃烧腔喷射燃料；
点火单元，其具有用于使被喷射至所述燃烧腔中的燃料点火的发热部，
所述排气加热装置使流通于所述排气通道中的排气的一部分从所述连通口向所述燃烧腔流入，并使之与在此生成的燃烧气体一起再次从所述连通口向所述排气通道流出，所述排气加热装置的特征在于，
将与所述连通口相比位于所述排气通道的上游侧并与所述连通口邻接的所述排气管的壁面、和位于所述排气通道的上游侧的所述壳体的上游侧壁面之间所成的角设定为钝角，
并将与所述连通口相比位于所述排气通道的下游侧并与所述连通口邻接的所述排气管的壁面、和位于所述排气通道的下游侧的所述壳体的下游侧壁面之间所成的角设定为钝角。
2.如权利要求1所述的排气加热装置，其特征在于，
所述壳体从远离所述连通口的、所述壳体的上游侧壁面的部分起进一步凹陷，从而还划分出与所述燃烧腔连通的燃料喷射室，所述燃料添加阀经由该燃料喷射室而向所述燃烧腔喷射燃料。
3.如权利要求1所述的排气加热装置，其特征在于，
相对于所述壳体的下游侧壁面的、所述燃料添加阀的姿态被设定为，使从所述燃料添加阀喷射出的燃料与所述壳体的下游侧壁面碰撞，并穿过所述连通口而向所述排气通道侧溅回。
4.如权利要求1所述的排气加热装置，其特征在于，
所述点火单元的发热部以靠近所述壳体的下游侧壁面的方式而配置。
5.如权利要求1所述的排气加热装置，其特征在于，
在与所述壳体相比位于排气通道的下游侧的所述排气管上连结有排气净化装置。
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