JP2010096122A - 内燃機関用排気ガス昇温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関用排気ガス昇温装置において、排気ガスを効率よく昇温させる。
【解決手段】燃料と空気とを燃焼させる燃焼器７を排気ガスの経路から分離して配置し、燃焼器７で生成された燃焼ガスを排気管１２内に導入する。これによると、燃焼器７内での燃焼は排気ガスの影響を受けないためその燃焼が安定する。したがって、発生熱量の減少を抑制して排気ガスを効率よく昇温させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気管内を流れる排気ガスを加熱する内燃機関用排気ガス昇温装置に関する。

従来の内燃機関用排気ガス昇温装置においては、排気ガス浄化用触媒を早期に活性化するために、触媒の暖気時には、内燃機関にリッチミクスチャを供給するとともに排気管内に二次空気を供給し、排気ガス中の未燃成分と二次空気とを排気管内で燃焼させて排気ガスを昇温させるようにしている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、他の従来の内燃機関用排気ガス昇温装置においては、排気ガス浄化用触媒を早期に活性化するために、触媒の暖気時には、内燃機関にリーンミクスチャを供給するとともに排気管内に燃料を供給し、排気管中に配置した燃焼器にて燃料と空気とを燃焼させて排気ガスを昇温させるようにしている（例えば、特許文献３参照）。

さらに、ボイラの排気ガスを触媒燃焼器により加熱するボイラ用排気ガス昇温装置も知られている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００１−２６３０５０号公報 特開２００５−３６６７４号公報 特表２００８−５０８４７４号公報 実開昭６１−１９８８３８号公報

しかしながら、特許文献１〜３の内燃機関用排気ガス昇温装置においては、排気ガス中で燃料と空気とを燃焼させるため、排気ガスの影響を受けてその燃焼が不安定になり易い。特に、車両用内燃機関においては、排気ガスの流量、流速、圧力が激しく変動し、さらに、内燃機関でのリッチ燃焼やリーン燃焼により排気ガス成分も激しく変動するため、排気ガス中での燃料と空気との燃焼が極めて不安定になり易い。そして、排気ガス中での燃料と空気との燃焼が不安定であるため、発生熱量が減少して排気ガスを効率よく昇温させることができないという問題があった。また、排気ガスを昇温させる際には、内燃機関にリッチミクスチャまたはリーンミクスチャを供給する必要があり、負荷に応じた最適な空燃比に制御することができないという問題があった。

なお、およそ一定の運転条件下で燃焼させるボイラは排気ガスの状態が安定しているため、特許文献４に示されたボイラ用排気ガス昇温装置においては、上記した内燃機関用排気ガス昇温装置のような問題は殆ど発生しない。

本発明は上記点に鑑みて、内燃機関用排気ガス昇温装置において、排気ガスを効率よく昇温させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内燃機関（１）から排出されて排気管（１２）内を流れる排気ガスを加熱する内燃機関用排気ガス昇温装置であって、排気ガスの経路から分離して配置されて燃料と空気とを燃焼させる燃焼器（７）を備え、燃焼器（７）で生成された燃焼ガスが排気管（１２）内に導入される構成であることを特徴とする。

これによると、燃焼器（７）内での燃焼は排気ガスの影響を受けないためその燃焼が安定する。したがって、発生熱量の減少を抑制して排気ガスを効率よく昇温させることができる。また、燃焼器（７）を作動させて排気ガスを昇温させる際にも、内燃機関（１）に供給される混合気は負荷に応じた最適な空燃比に制御することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の内燃機関用排気ガス昇温装置において、燃焼器（７）は、排気管（１２）に密着した状態で排気管（１２）と同軸に配置されていることを特徴とする。

これによると、燃焼器（７）に供給される燃料および空気は排気ガスによって予熱されるため、燃焼器（７）内での燃焼をさらに安定させることができるともに、排気ガスの熱損失（外気への放熱）を低減することができる。また、排気管（１２）に密着させることにより、燃焼器（７）の強度を向上させることができるとともに、車両搭載性を向上させることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の内燃機関用排気ガス昇温装置において、燃焼器（７）は、触媒によって燃料と空気との反応を促進する燃焼器であることを特徴とする。これによると、燃焼器（７）内での燃焼をさらに安定させることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載の内燃機関用排気ガス昇温装置において、燃焼器（７）は、触媒によって燃料と空気との反応を促進する触媒燃焼部（７３）と、火炎によって燃料と空気とを燃焼させる火炎燃焼部（７５）とからなり、触媒燃焼部（７３）は火炎燃焼部（７５）よりも燃焼ガス流れ上流側に配置されていることを特徴とする。

これによると、触媒燃焼部（７３）ではリーン燃焼として触媒の過熱を防止し、触媒燃焼部（７３）の耐久性を向上させることができる。また、火炎燃焼部（７５）にて本燃焼を行い、必要熱量を得ることができる。さらに、触媒燃焼部（７３）から出る燃焼ガスは自然発火温度以上になるため、火炎燃焼部（７５）において容易に着火し且つ安定な燃焼が得られる。

請求項５に記載の発明では、請求項１または２に記載の内燃機関用排気ガス昇温装置において、燃焼器（７）は、触媒によって燃料と空気との反応を促進する触媒燃焼部（７３）と、火炎によって燃料と空気とを燃焼させる火炎燃焼部（７５）とからなり、触媒燃焼部（７３）は火炎燃焼部（７５）よりも燃焼ガス流れ下流側に配置されていることを特徴とする。

これによると、火炎燃焼部（７５）から出る燃焼ガスにより、触媒燃焼部（７３）の触媒を速やかに昇温、活性化することができる。

請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の内燃機関用排気ガス昇温装置において、燃焼器（７）は、排気管（１２）に密着し、且つ、排気ガスの流れと燃焼ガスの流れが対向流になるように配置されていることを特徴とする。

これによると、並行流である場合と比較して、排気ガスと燃焼ガスとの熱交換率が高いため、燃焼器（７）に供給される燃料および空気の予熱がより確実に行われる。したがって、燃焼器（７）内での燃焼をより一層安定させることができるともに、排気ガスの熱損失をさらに低減することができる。

請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の内燃機関用排気ガス昇温装置において、排気ガスの熱によって媒体を加熱する排気熱回収器（３）を備えることを特徴とする。

これによると、燃焼器（７）と排気熱回収器（３）とを組み合わせて用いているため、燃焼器（７）の熱を暖房用熱源などに利用できるだけでなく、排気ガスの温度制御（昇温、降温）を行うこともできる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る排気ガス昇温装置を備える内燃機関の構成図、図２は図１の燃焼器周辺の模式的な断面図である。

図１に示す内燃機関１は、自動車に搭載される圧縮着火式の多気筒内燃機関である。この内燃機関１には、各気筒の排気ポートと連通する排気マニホルド１１が接続され、この排気マニホルド１１に円筒状の排気管１２が接続されている。

排気管１２には、内燃機関１から排出される排気ガス中のＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒２、排気ガスの熱によって媒体を加熱する排気熱回収器３、および消音器４が、排気ガス流れ上流側から順に配置されている。

排気熱回収器３には、内燃機関１を冷却するための水（以下、エンジン冷却水という）を冷却する冷却装置５が接続されている。冷却装置５は、エンジン冷却水を循環させる冷却水回路５１を備えており、この冷却水回路５１により内燃機関１のウォータジャケットと排気熱回収器３とが接続されている。

冷却水回路５１中には、水流を発生させるウォータポンプ５２、エンジン冷却水と外気とを熱交換させてエンジン冷却水を冷却するラジエータ５３、およびラジエータ５３へのエンジン冷却水の流れをエンジン冷却水の温度に応じて制御するサーモスタット５４が配置されている。

また、冷却水回路５１中には、車両用空調装置のヒータコア６が配置されている。このヒータコア６は、エンジン冷却水と空調用空気とを熱交換させて空調用空気を加熱するものである。

エンジン冷却水の温度が所定温度以下のときには、サーモスタット５４によりラジエータ５３へのエンジン冷却水の流れが止められ、図１中に実線の矢印および一点鎖線の矢印で示すように、内燃機関１と排気熱回収器３とヒータコア６の間でエンジン冷却水が循環するようになっている。また、エンジン冷却水の温度が所定温度を超えたときには、サーモスタット５４はラジエータ５３へのエンジン冷却水の流れを許容し、図１中に実線の矢印および破線の矢印で示すように、内燃機関１と排気熱回収器３とヒータコア６とラジエータ５３の間でエンジン冷却水が循環するようになっている。

排気管１２におけるＮＯｘ触媒２よりも排気ガス流れ上流側の部位には、燃料と空気とを燃焼させる燃焼器７が、排気管１２に密着した状態で、排気管１２の外周側に排気管１２と同軸に配置されている。なお、排気マニホルド１１とＮＯｘ触媒２との間に位置する排気管１２、換言すると、燃焼器７が装着される部位の排気管１２（以下、この部位の排気管を、燃焼器装着部排気管１２という）は、外径が一定の円筒管である。

図２に示すように、内燃機関から排出された排気ガスは、燃焼器装着部排気管１２内を通過する際には矢印Ａの如く図２において左から右に向かって流れる。また、燃焼器７内で生成された燃焼ガスは、矢印Ｂの如く図２において左から右に向かって流れる。すなわち、本実施形態では、燃焼器装着部排気管１２内での排気ガス流れＡと燃焼器７内での燃焼ガス流れＢは並行流になっている。

燃焼器７は、二重円筒状の金属製のケース７１を備えており、ケース７１の内径は、燃焼器装着部排気管１２の外径と略等しく、ケース７１の外径は、燃焼器装着部排気管１２の外径よりも大きくなっている。このケース７１の内筒の燃焼ガス流れ下流端（図２における右端）には、環状の開口部７２が形成されている。そして、この開口部７２が排気管１２の開口穴１２１と連通するように、燃焼器７は燃焼器装着部排気管１２に対して位置決めされている。

ケース７１内には、触媒（例えば白金触媒）によって燃料と空気との反応を促進する環状の触媒燃焼部７３が配置されている。この触媒燃焼部７３には、触媒燃焼部７３の触媒、および、触媒燃焼部７３に流入する燃料や空気を加熱する電気式の着火ヒータ７４が装着されている。また、ケース７１内の空間において、触媒燃焼部７３よりも燃焼ガス流れ下流側には、火炎によって燃料と空気とを燃焼させる火炎燃焼部７５が形成されている。

ケース７１の外筒のうち、触媒燃焼部７３よりも燃焼ガス流れ上流側（図２における左側）には、円形の空気導入口７６が形成されている。そして、空気流を発生させるエアポンプ７７が空気導入口７６に接続され、エアポンプ７６からの送風空気が空気導入口７６を介して触媒燃焼部７３に供給されるようになっている。換言すると、エアポンプ７７からの送風空気は、内燃機関１を経由せずに燃焼器７に直接供給される。

また、燃料流を発生させるフューエルポンプ７８により、触媒燃焼部７３および火炎燃焼部７５に燃料が供給されるようになっている。換言すると、フューエルポンプ７８からの供給燃料は、内燃機関１を経由せずに燃焼器７に直接供給される。なお、触媒燃焼部７３および火炎燃焼部７５に供給される燃料は、内燃機関１に供給される燃料と同じものを用いることができる。

詳細は後述するが、燃焼器７に供給された燃料と空気とが燃焼し、その燃焼ガスは開口部７２および開口穴１２１を介して排気管１２内に導入される。一方、排気管１２内を流れる排気ガスは燃焼器７内を流通しない。換言すると、燃焼器７は、排気ガスの経路から分離して配置されていることになる。

上記構成において、内燃機関１の始動直後のように、内燃機関１やＮＯｘ触媒２の温度が低いときには、燃焼器７を作動させる。具体的には、エアポンプ７７を作動させて触媒燃焼部７３に空気を供給するとともに、フューエルポンプ７８を作動させて触媒燃焼部７３および火炎燃焼部７５に燃料を供給する。また、着火ヒータ７４に通電し、触媒燃焼部７３に流入する燃料および空気を加熱し、触媒燃焼部７３の触媒によって燃料と空気との反応を促進し、触媒燃焼を開始させる。

触媒燃焼部７３で生成された燃焼ガスは火炎燃焼部７５に流入し、触媒燃焼部７３で未反応の空気と火炎燃焼部７５に直接供給された燃料は、触媒燃焼部７３から流入した燃焼ガスによって着火され、火炎燃焼部７５で火炎燃焼が始まる。

なお、触媒燃焼部７３ではリーン燃焼を行わせることにより触媒の過熱を防止し、火炎燃焼部７５での本燃焼により排気ガスを所定の温度に昇温させるのに必要な熱量が得られるように、触媒燃焼部７３や火炎燃焼部７５に供給される燃料の量を制御している。

そして、触媒燃焼部７３および火炎燃焼部７５において生成された燃焼ガスは、開口部７２および開口穴１２１を介して排気管１２内に流入し、排気管１２内を流れる排気ガスを加熱して昇温（例えば３００℃以上に昇温）させる。

このようにして高温になった排気ガスにより、ＮＯｘ触媒２の早期活性化が図られる。また、高温になった排気ガスは、排気熱回収器３内を通過する際にエンジン冷却水を加熱して昇温させる。エンジン冷却水が加熱されることにより、内燃機関１の暖機が促進されるとともに、ヒータコア６でのエンジン冷却水と空調用空気との熱交換による車室内の暖房を早期に開始することができる。

本実施形態では、排気管１２内を流れる排気ガスは燃焼器７内を流通せず、燃焼器７内での燃焼は排気ガスの影響を受けないため、その燃焼が安定する。したがって、発生熱量の減少を抑制して排気ガスを効率よく昇温させることができる。

また、燃焼器７が排気管１２に密着していて、燃焼器７に供給される燃料および空気は排気ガスによって予熱されるため、燃焼器７内での燃焼をさらに安定させることができるともに、排気ガスの熱損失（外気への放熱）を低減することができる。

また、燃焼器７を排気管１２に密着させることにより、燃焼器７の強度を向上させることができるとともに、車両搭載性を向上させることができる。

また、触媒燃焼部７３ではリーン燃焼を行わせることにより、触媒の過熱を防止して触媒燃焼部７３の耐久性を向上させることができる。

また、触媒燃焼部７３から出る燃焼ガスは燃料の自然発火温度以上になるため、火炎燃焼部７５において容易に着火し且つ安定な燃焼が得られる。

また、燃焼器７を作動させて排気ガスを昇温させる際にも、内燃機関１に供給される混合気は負荷に応じた最適な空燃比に制御することができる。

また、燃焼器７と排気熱回収器３とを組み合わせて用いているため、燃焼器７の熱を暖房用熱源などに利用できるだけでなく、排気ガスの温度制御（昇温、降温）を行うこともできる。

また、内燃機関１でリッチ燃焼を行っているときに燃焼器７でリーン燃焼を行い、逆に内燃機関１でリーン燃焼を行っているときに燃焼器７でリッチ燃焼を行うことにより、出口排気ガスをストイキ状態に制御することができる。

なお、上記第１実施形態においては、燃焼器７の外径が排気管１２の外径よりも大きくなる構成であったが、図３に示す変型例のように、燃焼器７の外径と排気管１２の外径を等しくしてもよい。これにより、排気管１２がすっきりしたレイアウトとなる。

また、着火ヒータ７４の代わりに、点火プラグを用いてもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図４は第２実施形態に係る排気ガス昇温装置における燃焼器周辺の模式的な断面図である。第１実施形態では、燃焼器装着部排気管１２内での排気ガス流れＡと燃焼器７内での燃焼ガス流れＢは並行流であったが、本実施形態は、燃焼器装着部排気管１２内での排気ガス流れＡと燃焼器７内での燃焼ガス流れＢが対向流になるようにしたものである。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図４に示すように、開口部７２と触媒燃焼部７３と火炎燃焼部７５の位置関係は、燃焼器装着部排気管１２内での排気ガス流れＡを規準にすると、開口部７２は排気ガス流れ上流側に位置し、触媒燃焼部７３は排気ガス流れ下流側に位置し、火炎燃焼部７５は開口部７２と触媒燃焼部７３との間に位置している。これにより、燃焼器７内で生成された燃焼ガスは図２において右から左に向かって流れる。

このように、排気ガス流れＡと燃焼ガス流れＢが対向流である場合、燃焼器７に供給される燃料および空気は、燃焼ガスにて加熱されて高温になった排気ガスによって予熱されるため、その予熱が効率よく行われる。また、排気ガス流れＡと燃焼ガス流れＢが対向流である場合、並行流である場合と比較して、排気ガスと燃焼ガスとの熱交換率が高いため、燃焼器７に供給される燃料および空気の予熱がより確実に行われる。したがって、燃焼器７内での燃焼をより一層安定させることができるともに、排気ガスの熱損失をさらに低減することができる。

（第２実施形態の変形例）
図５に示す第１変型例のように、ＮＯｘ触媒２を、排気管１２内における燃焼器７の内側部位に配置してもよい。これにより、排気系をコンパクトにすることができる。

図６に示す第２変型例のように、燃焼器７の外径と排気管１２の外径を等しくしてもよい。これにより、排気管１２がすっきりしたレイアウトとなる。

図７に示す第３変型例のように、ＮＯｘ触媒２を、排気管１２内における燃焼器７の内側部位に配置し、さらに、燃焼器７の外径と排気管１２の外径を等しくしてもよい。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図８は第３実施形態に係る排気ガス昇温装置における燃焼器周辺の模式的な断面図である。本実施形態は、第１実施形態の触媒燃焼部７３と火炎燃焼部７５の位置関係を変更したものである。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図８に示すように、本実施形態では、触媒燃焼部７３は、火炎燃焼部７５よりも燃焼ガス流れ下流側に配置されている。火炎燃焼部７５には、火炎燃焼部７５の混合気に着火する点火プラグ７９が配置されている。また、第１実施形態における着火ヒータ７４（図２参照）は廃止されている。

上記構成において、触媒燃焼部７３の温度が低温（例えば２００℃以下）のときには、まず火炎燃焼部７５に供給された燃料と空気の混合気に点火プラグ７９にて着火して、火炎燃焼部７５で火炎燃焼を開始させる。そして、この火炎燃焼部７５で生成された燃焼ガスにより、触媒燃焼部７３の触媒を速やかに昇温、活性化させて、触媒燃焼部７３で触媒燃焼を開始させる。なお、触媒昇温後は火炎燃焼を停止させても良い。

（他の実施形態）
上記各実施形態において、ＮＯｘ触媒２の代わりに、三元触媒を用いてもよいし、或いは、内燃機関１から排出される排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）を捕捉するＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）を用いてもよいし、さらにそれらを複数組み合わせて用いてもよい。

また、上記各実施形態においては、排気熱回収器３にてエンジン冷却水を加熱したが、ＡＴ（自動変速機）の暖機促進のために、排気熱回収器３によりＡＴＦを加熱してもよいし、排気熱回収器３により空調用空気を直接加熱してもよい。

上記各実施形態では、本発明を圧縮着火式内燃機関に適用したが、本発明は火花点火式内燃機関にも適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る排気ガス昇温装置を備える内燃機関の構成図である。 図１の燃焼器周辺の模式的な断面図である。 第１実施形態の変型例を示す燃焼器周辺の模式的な断面図である。 本発明の第２実施形態に係る排気ガス昇温装置における燃焼器周辺の模式的な断面図である。 第２実施形態の第１変型例を示す燃焼器周辺の模式的な断面図である。 第２実施形態の第２変型例を示す燃焼器周辺の模式的な断面図である。 第２実施形態の第３変型例を示す燃焼器周辺の模式的な断面図である。 本発明の第３実施形態に係る排気ガス昇温装置における燃焼器周辺の模式的な断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
７ 燃焼器
１２ 排気管

Claims (7)

1. 内燃機関（１）から排出されて排気管（１２）内を流れる排気ガスを加熱する内燃機関用排気ガス昇温装置であって、
   排気ガスの経路から分離して配置されて燃料と空気とを燃焼させる燃焼器（７）を備え、前記燃焼器（７）で生成された燃焼ガスが前記排気管（１２）内に導入される構成であることを特徴とする内燃機関用排気ガス昇温装置。
2. 前記燃焼器（７）は、前記排気管（１２）に密着した状態で前記排気管（１２）と同軸に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用排気ガス昇温装置。
3. 前記燃焼器（７）は、触媒によって燃料と空気との反応を促進する燃焼器であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用排気ガス昇温装置。
4. 前記燃焼器（７）は、触媒によって燃料と空気との反応を促進する触媒燃焼部（７３）と、火炎によって燃料と空気とを燃焼させる火炎燃焼部（７５）とからなり、
   前記触媒燃焼部（７３）は前記火炎燃焼部（７５）よりも燃焼ガス流れ上流側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用排気ガス昇温装置。
5. 前記燃焼器（７）は、触媒によって燃料と空気との反応を促進する触媒燃焼部（７３）と、火炎によって燃料と空気とを燃焼させる火炎燃焼部（７５）とからなり、
   前記触媒燃焼部（７３）は前記火炎燃焼部（７５）よりも燃焼ガス流れ下流側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用排気ガス昇温装置。
6. 前記燃焼器（７）は、前記排気管（１２）に密着し、且つ、排気ガスの流れと燃焼ガスの流れが対向流になるように配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の内燃機関用排気ガス昇温装置。
7. 排気ガスの熱によって媒体を加熱する排気熱回収器（３）を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の内燃機関用排気ガス昇温装置。

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