JP2022100283A - 内燃機関の排気システムのための加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気システムのための加熱装置を提供すること。【解決手段】燃焼室（７）が内側で得られる管状体（１２）と、燃焼室（７）内へ燃料を注入する燃料インジェクタ（９）と、燃焼室（７）へ向けられ、燃料と混合される気流を受けるようにファン（８）に接続することができる少なくとも１つの入口開口（１８）と、入口開口（１８）から空気を受け、燃料インジェクタ（９）の端部を囲み、燃料インジェクタ（９）の注入点の周りに配置されているノズル（２２）で終わる、供給チャネル（２１）と、空気と燃料の混合気の燃焼を引き起こすように管状体（１２）の側壁（１６）を通して搭載されているスパークプラグ（１０）と、を有する、内燃機関（２）の排気システム（１）のための加熱装置（６）。燃料インジェクタ（９）は、燃料の少なくとも８０％を供給チャネル（２１）の内面（２６）に対して噴霧するように構成されている。【選択図】図３

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、２０２０年１２月２３日に出願されたイタリア特許出願第１０２０２０００００３２１７１号から優先権を主張するものであり、その開示全体を参照により本明細書に組み込む。

本発明は内燃機関の排気システムのための加熱装置に関する。

内燃機関の排気システムは排気ダクトを含み、これに沿って内燃機関から来る排気ガスの処理のための少なくとも１つの装置が設置され、特に、触媒コンバータ（酸化触媒コンバータまたは還元触媒コンバータのいずれか）が常にあり、これに粒子フィルタを加えることができる。未燃焼炭化水素、酸化窒素および一酸化炭素を二酸化炭素、水および窒素へ変換するための化学反応は、作動温度に達したときにのみ起こるため、触媒コンバータは、作動するため（すなわち、触媒変換を実行するため）、比較的高い動作温度で動作する必要がある（現代の触媒コンバータは８００℃に近いような温度で作動する）。

冷始動段階中（すなわち内燃機関が長時間オフになり、したがって内燃機関の異なる部品の温度が周囲温度に達していた後でオンになるとき）、触媒コンバータの温度は、比較的長時間（冬、および内燃機関がアイドリングする、または非常にゆっくり稼働する都市移動中では数分にもなる）、動作温度を著しく下回ったままになる。結果として、冷始動段階中、すなわち触媒コンバータがまだその動作温度に達していない時間の間、触媒コンバータの浄化効果がゼロに近い、またはいずれにせよ、ほとんど効果的ではないため、汚染排気量が非常に高い。

触媒コンバータの動作温度の到達を速めるため、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献５が、排気ダクトに沿って、加熱装置を設置することを提案しており、これは、燃料を燃やすことによって、（非常に）熱い気流を生成し、これが触媒コンバータを通って流れる。特に、加熱装置は燃焼室を含み、これは、出口で、排気ダクトに接続され（触媒コンバータのすぐ上流で）、そして入口で、ファンに接続され、これは燃焼室を通って流れる気流を生成し、燃焼室においては、空気と混合される燃料を注入する燃料インジェクタ、および空気を加熱する燃焼を得るために空気燃料混合気に点火するスパークを周期的に生成するスパークプラグもある。

知られている加熱装置において、燃料の燃焼はすべての動作条件において常に完全というわけではなく、したがって、（特に大量の熱を発生させるために大量の燃料が注入されるとき）未燃焼燃料が排気ダクトに達して排気ダクトの内側で燃え、したがって突然の、予期しないそして望まない温度上昇を局所的に決定するということが起こる可能性がある。

欧州特許出願公開第０６３１０３９号明細書 国際公開第２０１２１３９８０１号パンフレット 米国特許第８００６４８７号明細書 米国特許出願公開第２０１１２８９９０６号明細書 欧州特許出願公開第２７１３０２２号明細書

本発明の目的は、内燃機関の排気システムのための加熱装置を提供することであり、この加熱装置は、完全な燃料燃焼（すなわち未燃焼燃料を排気ダクト内へ導入することがない）を可能にし、さらに、製造するのが簡単で経済的である。

本発明によれば、添付の請求項による内燃機関の排気システムのための加熱装置が提供される。

添付の請求項は、本発明の好ましい実施形態を説明し、この説明の不可欠な部分を形成する。

本発明を次に、その非限定的な一実施形態を示す添付の図面を参照して説明する。

本発明による加熱装置が設けられた内燃機関の排気システムの概略的な部分的な図である。 図１の加熱装置のより明確にするために部品が除去された概略的な縦断面図である。 図２の詳細のより拡大された図である。

図１において、番号１が、全体として、内燃機関２の排気システムを示す。

排気システム１は排気ダクト３を含み、これは内燃機関２の排気マニホルドから始まって消音器４で終わり、ここから排気ガスが大気中へ放出される。排気ダクト３に沿って内燃機関から来る排気ガスの処理のための少なくとも１つの装置５が設置され、特に、触媒コンバータ（酸化触媒コンバータまたは還元触媒コンバータのいずれか）が常にあり、これに粒子フィルタを加えることができる。未燃焼炭化水素、酸化窒素および一酸化炭素を二酸化炭素、水および窒素へ変換するための化学反応は、作動温度に達したときにのみ起こるため、触媒コンバータは、作動するため（すなわち、触媒変換を実行するため）、比較的高い動作温度で動作する必要がある（現代の触媒コンバータは８００℃に近いような温度で作動する）。

処理装置５の加熱を速めるため、すなわち処理装置５がより速くその動作温度に達することを可能にするため、排気システム１は加熱装置６を含み、これは、燃料を燃やすことによって、（非常に）熱い気流を生成し、これが処理装置５を通って流れる。

加熱装置６は燃焼室７を含み、これは、出口で、排気ダクト３に接続され（処理装置５のすぐ上流で）、そして入口で、ファン８に（すなわち、空気ポンプに）接続され、これは燃焼室７を通って流れる気流を生成し、燃焼室７においては、空気と混合される燃料を注入する燃料インジェクタ９、および空気を加熱する燃焼を得るために空気燃料混合気に点火するスパークを周期的に生成するスパークプラグ１０もある。加熱装置６の燃焼室７は出口ダクト１１で終わり、これは排気ダクト３内へつながっている（処理装置５のすぐ上流で）。

図２によれば、加熱装置６は、長手軸１３を有する管状体１２（たとえば、円筒形状の、そして円形または楕円形の断面を有する）を含み、管状体１２は、２つの端部で、２つの対向する基壁１４および１５によって限定され、側壁１６によって横に限定され、これが２つの基壁１４および１５を互いに接続する。基壁１４は中心で穴をあけられてインジェクタ９を収容するようになっており、これは管状体１２と同軸に（すなわち、長手軸１３と同軸に）搭載され、換言すれば、燃料インジェクタ９は、燃焼室７内へ燃料を注入するように管状体１２の基壁１４を通して搭載されている。同様に、基壁１５は中心で穴をあけられて出口ダクト１１に合うようになっており、これは排気ダクト３において終わり、すなわち、基壁１５は、出口ダクト１１が始まる燃焼室７から熱気を出す出口開口１７を有する。

図２によれば、管状体１２を通して入口開口１８の（少なくとも）一部が得られ、これは、燃焼室７に向けられ、燃料インジェクタ９によって注入される燃料と混合される気流を受けるため、入口ダクト１９（図１に示す）という手段によってファン８に接続されている。好ましくは、接線方向に（管状体１２に対して）配向されている流れで入口開口１８内へ空気が流れ、すなわち入口ダクト１９は接線方向に（管状体１２に対して）配向されている。

図１に示す可能な、しかし非拘束の実施形態によれば、入口開口１８の領域において逆止め弁２０があり、これは燃焼室７に向かう（すなわち、管状体１２へ流入する）気流のみを可能にする。好ましくは、逆止め弁２０は受動的であり（すなわち、動きを生成する電気、油圧または空気圧アクチュエータを含まない）、圧力制御され、逆止め弁２０の上流の圧力が逆止め弁２０の下流の圧力より高いときにのみ開く。逆止め弁２０の機能は、加熱装置６が用いられていないとき（すなわちファン８がオフになっているとき）、排気ガスが入口開口１８から流出するまで逆流し、したがって、処理装置５を通過せずに大気中へ放出されることを防止するというものである。あるいは、逆止め弁２０は、出口ダクト１１に沿って、たとえば出口開口１７の領域に搭載することもでき、この場合、逆止め弁２０により、燃焼室７から（管状体１２から）排気ダクト３に向かって空気が流出することのみが可能になり、すなわち排気ダクト３から燃焼室７に向かって（管状体１２内へ）排気ガスが流れることが防止される。

図２によれば、加熱装置６は供給チャネル２１を含み、これは、入口開口１８から空気を受け、燃料インジェクタ９の端部を囲んでノズル２２で終わり、これは、燃料インジェクタ９の注入点の周りに（すなわち、燃料が流出する、燃料インジェクタ９の噴霧先端の周りに）配置されている。

入口開口１８から管状体１２へ流入して供給チャネル２１のノズル２２によって燃焼室７内へ導入される空気と、燃料インジェクタ９によって燃焼室７内へ注入される燃料の混合のために得られる、空気と燃料の混合気の燃焼を引き起こすため、スパークプラグ１０は管状体１２の側壁１６を通して搭載されている。特に、管状体１２の側壁１６は貫通孔を有し、これは、径方向に（すなわち、長手軸１３に垂直に）配向され、内側に（その中へねじ込まれて）、スパークプラグ１０（これは明らかに径方向に配向されている）を収納している。

加熱装置６は静的ミキサ２３（すなわち、可動部がない）を含み、これは環形状を有し、供給チャネル２１に沿って燃料インジェクタ９の周りに配置され、ノズル２２に向かって流れる空気に乱気流、特に渦運動を生成するように構成されている。

添付の図に示す好ましい、しかし非拘束の実施形態によれば、静的ミキサ２３の下流で、空気速度の増加を決定するように、供給チャネル２１は断面の面積の漸進的な減少を有する。特に、静的ミキサ２３の下流で、供給チャネル２１は、一定の断面積を有する開始部と、次第に減少する断面積を有する中間部と、ノズル２２まで一定の断面積を有する端部と、を有する。

供給チャネル２１は、外側で、（少なくとも部分的に円錐形の）外側管状体２４によって限定され、内側で、（少なくとも部分的に円錐形の）内側管状体２５によって限定され、これは、燃料インジェクタ９を囲み、内側で、燃料インジェクタ９を収容する。すなわち、供給チャネル２１は内側管状体２５と外側管状体２４との間に画定される。特に、２つの管状体２４および２５は、円錐部分（すなわちその大きさを次第に減少させる収束形状を有する）と円筒部分（すなわち一定の大きさの形状を有する）を交互にしたものである。

好ましい一実施形態によれば、燃料インジェクタ９によって注入される燃料と混合するのに役立つ、渦運動（静的ミキサ２３の作用によって続いて増大する）を有するように接線方向に配向された流れで空気が供給チャネル２１へ流入し、換言すれば、燃焼室７に接線方向に配向されたダクトを通して燃焼室７内へ酸化空気を導入することにより、その酸化空気流は、燃焼室７の内側の空気と燃料の混合を最適化するように円運動（静的ミキサ２３の存在によってさらに強化される）を得ることが可能になる。

図３によれば、燃料インジェクタ９は、燃料の少なくとも８０％（好ましくは少なくとも９０～９５％、さらには１００％まで）を供給チャネル２１の内面２６に対して噴霧するように構成され、すなわち、燃料インジェクタ９は、供給チャネル２１の外側に向かって燃料を直接向けるのではなく、これに反して、供給チャネル２１の内面２６に対して燃料（基本的に燃料の全部、すなわち燃料の１００％）を向け、インジェクタ９から流出するすべての燃料が、ノズル２２を通って供給チャネル２１から流出する前に予備的に内面２６に当たるようになっている。内面２６に対する燃料の衝突により、インジェクタ９によって放出された燃料の小滴を非常に効果的な方法で細分化することが可能になり、こうすることによって、供給チャネル２１に沿って流れる空気と上記燃料の混合は著しく改善され、空気と燃料との間の混合の改善により、燃料の理想的な、特に、完全な燃焼が保証され、したがって未燃焼燃料の一部が燃焼室７から流出することが防止される。

好ましい一実施形態によれば、インジェクタ９は、中心が中空の円錐形状を有する、すなわち環状のような形状の断面を有する燃料噴射２７を放出するように構成され、燃料が周辺に集まり、特に、図３に示す実施形態によれば、燃料噴射２７の外面が約７０°（たとえば、６５°と７５°との間の範囲）の開口角度αを有し、燃料噴射２７の内面が約５０°（たとえば、４５°から５５°までの範囲）の開口角度βを有する。換言すれば、インジェクタ９は、円錐形状（円錐の頭頂点が注入ノズルに近い）を有し、中心で、また円錐形状（円錐の頭頂点が注入ノズルに近い）の穴（すなわち、燃料がない領域）を有する燃料噴射２７を生成し、したがって、インジェクタ９によって生成される燃料噴射２７は、中央の穴の存在のために円錐シェルの形状を有し、すなわち内部が中空の円錐形状を有する。

上記のように、供給チャネル２１は、外側で、外側管状体２４（供給チャネル２１の内面２６を有する）によって限定され、内側で、内側管状体２５によって限定され、これは、燃料インジェクタ９を囲み、内側で、燃料インジェクタ９を収容する。外側管状体２４は円錐部分２８を含み、これはノズル２２に向かってその大きさを減らし、さらに、添付の図に示す好ましい一実施形態によれば、外側管状体２４はまた円筒部分２９を含み、これは円錐部分２８の下流に配置されてノズル２２で終わる。本明細書に示さない異なる一実施形態によれば、外側管状体２４は、円筒部分２９を有さず、したがって、円錐部分２８のみを含む。本明細書に示さないさらなる一実施形態によれば、円筒部分２９は、円錐部分２８の先細り（収束）より小さな先細り（収束）を有するさらなる円錐部分によって置き換えることもできる。

添付の図に示す実施形態において、燃料インジェクタ９は、燃料の少なくとも一部を外側管状体２４の円筒部分２９に対して（またはさらなる円錐部分に対して）噴霧するように構成され、特に、燃料インジェクタ９は、燃料の大部分（ほぼ全部、基本的に全部、すなわち１００％）を外側管状体２４の円筒部分２９に対して（またはさらなる円錐部分に対して）噴霧するように構成されている。異なる一実施形態によれば、燃料インジェクタ９は、燃料の少なくとも一部を外側管状体２４の円筒部分２９に対して（またはさらなる円錐部分に対して）、そして燃料の少なくとも一部を外側管状体２４の円錐部分２８に対して噴霧するように構成され、たとえば、燃料インジェクタ９は、燃料の約半分を外側管状体２４の円錐部分２８に対して、そして燃料の約半分を外側管状体２４の円筒部分２９に対して（またはさらなる円錐部分に対して）噴霧するように構成されている。さらなる一実施形態によれば、燃料インジェクタ９は、燃料の少なくとも一部を外側管状体２４の円錐部分２８に対して噴霧するように構成され、特に、燃料インジェクタ９は、燃料の大部分（ほぼ全部）を外側管状体２４の円錐部分２８に対して噴霧するように構成されている。

図３によれば、供給チャネル２１のノズル２２は円形状を有して直径Ｄを有し、これは、燃料インジェクタ９の注入点とノズル２２との間の軸方向距離Ｘ（すなわち、長手軸１３に沿って測定される）の５０％から１１０％まで、好ましくは６０％から１００％までの範囲である。換言すれば、供給チャネル２１のノズル２２は円形状を有して直径Ｄを有し、これは、燃料インジェクタ９の注入点とノズル２２との間の軸方向距離Ｘの５０％、好ましくは６０％より大きく、すなわち、燃料インジェクタ９の注入点とノズル２２との間の軸方向距離Ｘは、供給チャネル２１のノズル２２の直径の２００％、好ましくは１７０％より小さい。結果として、燃料が噴霧される、管状体２４の円筒部分２９（これは端部である）は、直径と軸方向長さ（すなわち、長手軸１３に沿って測定される）との間で高い比率を有し、したがって、燃料の大部分を供給チャネル２１の内面２６に対して、特に、管状体２４の円筒部分２９（これは端部である）に対して噴霧するため、燃料噴霧２７は大きな開口角度α（約７０°、したがって４５°よりはるかに大きい）を有さねばならない。

好ましい一実施形態によれば、加熱装置６は制御ユニット３０（図１に概略的に示す）を含み、これは、できるだけ効率的および効果的に、所望の目的（すなわち、超過温度のために処理装置５を損傷することなく迅速に処理装置５を加熱すること）に達するよう、加熱装置６の動作全体を制御するように、すなわちファン８、インジェクタ９およびスパークプラグ１０を協調させて制御するように構成されている。

本明細書に記載の実施形態は、この理由で発明の保護の範囲を超えることなく、互いに組み合わせることができる。

上述の加熱装置６は多くの利点を有する。

まず、上述の加熱装置６により、供給チャネル２１のノズル２２によって導入される酸化空気と燃料インジェクタ９によって注入される燃料との間の理想的な混合のおかげで、すべての動作条件において（特に大量の熱を発生させるために大量の燃料が注入されるとき）、完全な燃料燃焼（すなわち、未燃焼燃料を排気ダクト３内へ導入することがない）が保証される。

さらに、上述の加熱装置６はその全体的な寸法に関して高い火力を有し、すなわち、比較的小さくても、上述の加熱装置６は高い火力を生成する。

最後に、上述の加熱装置６は、複雑でない形状を備えた、標準的な溶接および接合で結合が容易な少数の部品からなるため、製造するのが簡単で経済的である。

１ 排気システム
２ 内燃機関
３ 排気ダクト
４ 消音器
５ 処理装置
６ 加熱装置
７ 燃焼室
８ ファン
９ 燃料インジェクタ
１０ スパークプラグ
１１ 出口ダクト
１２ 管状体
１３ 長手軸
１４ 基壁
１５ 基壁
１６ 側壁
１７ 出口開口
１８ 入口開口
１９ 入口ダクト
２０ 逆止め弁
２１ 供給チャネル
２２ ノズル
２３ 静的ミキサ
２４ 円錐状外側管状体
２５ 円錐状内側管状体
２６ 内面
２７ 燃料噴射
２８ 円錐部分
２９ 円筒部分
３０ 制御ユニット
α 角度
β 角度
Ｄ 直径
Ｘ 距離

Claims (15)

1. 内燃機関（２）の排気システム（１）のための加熱装置（６）であって、前記加熱装置（６）は、
   燃焼室（７）が内側で得られる管状体（１２）と、
   前記燃焼室（７）内へ燃料を注入するように前記管状体（１２）の基壁（１４）を通して搭載されている燃料インジェクタ（９）と、
   前記燃焼室（７）へ向けられ、前記燃料と混合される気流を受けるようにファン（８）に接続することができる、少なくとも１つの入口開口（１８）と、
   前記入口開口（１８）から空気を受け、前記燃料インジェクタ（９）の端部を囲み、前記燃料インジェクタ（９）の注入点の周りに配置されているノズル（２２）で終わる、供給チャネル（２１）と、
   空気と燃料の混合気の燃焼を引き起こすように前記管状体（１２）の側壁（１６）を通して搭載されているスパークプラグ（１０）と、
   を含み、
   前記加熱装置（６）は、前記燃料インジェクタ（９）が、前記燃料の少なくとも８０％を前記供給チャネル（２１）の内面（２６）に対して噴霧するように構成されていることを特徴とする、加熱装置（６）。
2. 前記インジェクタ（９）は、前記燃料の少なくとも９０％、好ましくは１００％を前記供給チャネル（２１）の前記内面（２６）に対して噴霧するように構成されている、請求項１に記載の加熱装置（６）。
3. 前記インジェクタ（９）は、中心で中空の円錐形状を有する、すなわち環状のような形状の断面を有する燃料噴射（２７）を放出するように構成されている、請求項１または２に記載の加熱装置（６）。
4. 前記燃料噴射（２７）の外面が約７０°の開口角度（α）を有し、前記燃料噴射（２７）の内面が約５０°の開口角度（β）を有する、請求項３に記載の加熱装置（６）。
5. 前記供給チャネル（２１）は、前記供給チャネル（２１）の前記内面（２６）を有する外側管状体（２４）によって外側が区切られ、内側管状体（２５）によって内側が区切られ、前記内側管状体（２５）は、前記燃料インジェクタ（９）を囲み、内側で、前記燃料インジェクタ（９）を収容する、請求項１から４のいずれか一項に記載の加熱装置（６）。
6. 前記外側管状体（２４）は円錐部分（２８）を含み、前記円錐部分（２８）は前記ノズル（２２）に向かってその大きさを減らし、
   前記燃料インジェクタ（９）は、前記燃料の少なくとも一部を前記外側管状体（２４）の前記円錐部分（２８）に対して噴霧するように構成されている、請求項５に記載の加熱装置（６）。
7. 前記外側管状体（２４）は円錐部分（２８）を含み、前記円錐部分（２８）は前記ノズル（２２）に向かってその大きさを減らし、
   前記外側管状体（２４）は円筒部分（２９）を含み、前記円筒部分（２９）は前記円錐部分（２８）の下流に配置されて前記ノズル（２２）で終わり、
   前記燃料インジェクタ（９）は、前記燃料の少なくとも一部を前記外側管状体（２４）の前記円筒部分（２９）に対して噴霧するように構成されている、請求項５に記載の加熱装置（６）。
8. 前記外側管状体（２４）は円筒部分（２９）を含み、前記円筒部分（２９）は前記ノズル（２２）で終わり、
   前記燃料インジェクタ（９）は、前記燃料の全部を前記外側管状体（２４）の前記円筒部分（２９）に対して噴霧するように構成されている、請求項５に記載の加熱装置（６）。
9. 前記供給チャネル（２１）は、前記供給チャネル（２１）の前記内面（２６）を有する外側管状体（２４）によって外側が区切られ、
   前記外側管状体（２４）は円筒部分（２９）を含み、前記円筒部分（２９）は前記ノズル（２２）で終わり、
   前記燃料インジェクタ（９）は、前記燃料の全部を前記外側管状体（２４）の前記円筒部分（２９）に対して噴霧するように構成されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の加熱装置（６）。
10. 静的ミキサ（２３）を備え、前記静的ミキサ（２３）は、環状のような形状であり、前記供給チャネル（２１）に沿って前記燃料インジェクタ（９）の周りに配置され、前記ノズル（２２）に向かって流れる空気に乱気流、特に渦運動を生成するように構成されている、を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の加熱装置（６）。
11. 接線方向に配向された流れで前記入口開口（１８）へ空気が流入する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の加熱装置（６）。
12. 前記供給チャネル（２１）の前記ノズル（２２）は円形状を有して直径（Ｄ）を有し、前記直径（Ｄ）は、前記燃料インジェクタ（９）の前記注入点と前記ノズル（２２）との間の軸方向距離（Ｘ）の５０％から１１０％まで、好ましくは６０％から１００％までの範囲である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の加熱装置（６）。
13. 前記供給チャネル（２１）の前記ノズル（２２）は円形状を有して直径（Ｄ）を有し、前記直径（Ｄ）は、前記燃料インジェクタ（９）の前記注入点と前記ノズル（２２）との間の軸方向距離（Ｘ）の５０％、好ましくは６０％より大きい、請求項１から１２のいずれか一項に記載の加熱装置（６）。
14. 前記燃料インジェクタ（９）の前記注入点と前記ノズル（２２）との間の軸方向距離（Ｘ）が、前記供給チャネル（２１）の前記ノズル（２２）の直径の２００％、好ましくは１７０％より小さい、請求項１から１３のいずれか一項に記載の加熱装置（６）。
15. 内燃機関（２）のための排気システム（１）であって、前記排気システム（１）は、
    前記内燃機関（２）の排気マニホルドから始まり、排気ガスが大気中へ放出される消音器（４）で終わる、排気ダクト（３）と、
    前記排気ダクト（３）に沿って配置されている排気ガス処理装置（５）と、
    前記処理装置（５）の上流で前記排気ダクト（３）に接続され、燃料を燃やすことによって、熱気流を生成するように設計され、請求項１から１４のいずれか一項にしたがって製造される、加熱装置（６）と、
    を含む、排気システム（１）。

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