JP4348793B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを触媒によって浄化する排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分の大気への排出量を低減するための一手段として、触媒の酸化作用あるいは還元作用を利用して有害成分を浄化するシステムがある。
【０００３】
一般に、この種の触媒は有害成分を浄化可能な活性温度範囲を有しており、触媒の温度がこの活性温度範囲から外れているときには排気ガス中の有害成分を浄化することができない。
【０００４】
しかしながら、内燃機関の始動時には排気浄化用の触媒の温度が前記活性温度よりも低くなっている場合が多く、内燃機関の始動時に排気ガスが浄化されずに排出される虞れがある。そこで、内燃機関始動時にいかに早く触媒を暖機して活性させるかが、排気浄化性能を向上させる上で非常に重要である。
【０００５】
排気浄化用触媒の早期暖機に関する技術の一つとして、特開平７−５３０４７号公報に開示されているように、触媒の上流にバーナを設け、このバーナを内燃機関の始動と同時に着火し、バーナの火炎の熱で触媒を加熱する方法がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、触媒の基材として多く用いられるコージェライトなどは熱伝導性が悪く、そのため、従来のバーナで触媒を加熱するシステムでは、バーナを着火すると触媒の上流側端面は直ぐに加熱されるものの触媒の内部まで加熱するには長時間を要するため、触媒全体の温度上昇、即ち触媒全体の活性化には効率が悪かった。また、余り長時間、バーナによる燃焼を続けると、バーナの火炎温度は１０００゜Ｃを越える高温なため、触媒が熱劣化してしまうという問題も生じる。
【０００７】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、バーナの火炎を直接触媒に当てずに、且つ、火炎の熱を効率的に触媒の昇温に利用できるようにすることにより、排気浄化の向上を図ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本出願に係る第１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、該触媒の温度を上昇させるべきときに作動するバーナとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒の上流に、前記バーナの火炎に晒されて火炎の熱を蓄熱する前記触媒よりも耐熱性が高い蓄熱材が設けられ、前記蓄熱材が前記バーナよりも上流に設けられ、バーナの火炎が蓄熱材に向かって形成され、前記触媒にはその上流側端面で開口し下流側に延びる凹部が設けられ、この凹部内を下流側から上流側に向かって前記バーナの燃料と燃焼用空気が流れ、バーナの火炎が触媒の上流側端面から前記蓄熱材に向かって形成されることを特徴とする。
【０００９】
この第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、バーナを着火し燃焼すると、バーナの火炎が蓄熱材を加熱し、火炎の熱が蓄熱材に蓄熱される。蓄熱材はバーナの火炎に晒されるが、蓄熱材は触媒よりも耐熱性が高いので熱劣化しにくい。また、蓄熱材は十分な熱を蓄熱することができる熱容量を有する。バーナを燃焼させている間、バーナの燃焼ガスが触媒に流れ込み触媒を加熱する。また、この蓄熱材に蓄熱された熱は、内燃機関の排気ガスがこの蓄熱材を通過するときに排気ガスに伝熱され、これにより暖められた排気ガスが触媒に流入し、触媒を加熱する。その結果、触媒を急速に昇温することができる。
【００１０】
前記蓄熱材の素材としては炭化ケイ素を例示することができる。また、蓄熱材は通気性を有する構造のものが好ましく、例えばハニカム状に形成して通気性を確保するようにしてもよい。前記バーナは点火プラグあるいはグロープラグなどからなる着火手段を備えるのが好ましい。
【００１１】
前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記蓄熱材を前記バーナよりも上流側に設ける。バーナの火炎が蓄熱材に向かって形成されるようにするのが好ましい。理由は、バーナの火炎の熱を蓄熱材に蓄熱するのに効率がよく、また、バーナの火炎を触媒に直接晒さないようにするためである。
【００１２】
前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記蓄熱材をバーナよりも上流側に設け、バーナの火炎を蓄熱材に向かって形成されるようにする場合には、前記触媒にその上流側端面で開口し下流側に延びる凹部を設け、この凹部内を下流側から上流側に向かって前記バーナの燃料と燃焼用空気が流れるようにし、バーナの火炎が触媒の上流側端面から前記蓄熱材に向かって形成されるようにすることができる。この場合、触媒の熱劣化を防止するために、バーナの火炎が触媒の上流側端面に接触しないように触媒の上流側端面と蓄熱材との間の寸法を設定するのが好ましい。
【００１３】
また、前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記蓄熱材をバーナよりも上流側に設け、バーナの火炎を蓄熱材に向かって形成されるようにする場合には、前記バーナの燃焼用空気の取入口を前記蓄熱材よりも上流の排気通路に設けるのが好ましい。このようにすると、万が一、バーナの着火時に未燃燃料（未燃ＨＣ）が生じたとしても、この未燃燃料成分は前記燃焼用空気の取入口から空気と共に吸引され、バーナで再燃焼させることができる。
【００１４】
本出願に係る第２の発明は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、該触媒の温度を上昇させるべきときに作動するバーナとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒にはその上流側端面で開口し下流側に延び前記触媒よりも耐熱性が高く且つ熱伝導性を有する金属の筒体により形成される凹部が設けられ、この凹部内を下流側から上流側に向かって前記バーナの燃料と燃焼用空気が流れ、バーナの火炎の少なくとも一部が前記凹部内に形成されることを特徴とする。
【００１５】
この第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、触媒の前記凹部がバーナの燃焼室の少なくとも一部となり、バーナを着火し燃焼すると、触媒の凹部内に火炎が生じる。この火炎の熱が凹部の内周面から触媒の外周部へと伝熱していって触媒を加熱する。また、バーナでの燃焼により生じた高温の燃焼ガスが触媒の凹部の開口から上流側に排出され、さらにこの触媒に流れ込むので、この燃焼ガスも触媒を加熱する。その結果、触媒を急速に昇温することができる。
【００１６】
第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、バーナの火炎の少なくとも一部が凹部内に形成されるというのは、バーナの火炎が凹部内にのみ形成される場合だけに限定されるのではなく、火炎の一部が凹部の開口から触媒の上流側に吹き出す場合を含むことを意味する。
【００１７】
第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、バーナの燃料と燃焼用空気との空燃比を制御することにより、触媒昇温のための熱量を制御することも可能である。
【００１８】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記触媒は排気浄化用の触媒であるならばその種類は問わず、酸化触媒、三元触媒、ＮＯx触媒などを例示することができる。
【００１９】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記バーナを内燃機関の始動前に着火するのが好ましい。このようにすると、内燃機関の始動前に触媒を暖機し活性状態にすることができ、内燃機関の始動時における排気エミッションを低減することができる。
【００２０】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、
内燃機関の始動後であって触媒の温度を上昇させる必要が生じた場合に、触媒の温度が活性温度範囲内であれば、バーナの燃料供給だけを行うことによって、該燃料を触媒で燃焼させ触媒を昇温することができる。
【００２１】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、内燃機関の始動後であって触媒の温度を上昇させる必要が生じた場合に、触媒の温度が活性温度よりも低いときには、バーナに燃料を供給するとともに着火して燃焼させることによって、触媒を昇温することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図５の図面に基いて説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、車両駆動用の内燃機関の排気浄化装置に適用した例である。
【００２３】
〔第１の実施の形態〕
初めに、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。
【００２４】
エンジン（内燃機関）から排出される排気ガスは排気管（排気通路）１を通り、図示しないマフラーを介して大気に排出される。排気管１は、図１において左側が上流側であってエンジンに接続されており、図中右側が下流側であって前記マフラーに接続されている。
【００２５】
排気管１の途中には、内部に排気浄化用触媒２を内蔵するケーシング３が設けられている。触媒２は、例えば酸化触媒、三元触媒、ＮＯx触媒などから構成されており、基材にはコージェライトあるいはメタルが用いられている。
【００２６】
ケーシング３の内部であって触媒２よりも上流側には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成された蓄熱材４が設けられている。蓄熱材４はケーシング３を塞ぐように取り付けられており、排気ガスが流通できるようにハニカム状をなしている。蓄熱材４は触媒２を昇温させる熱を蓄熱できるだけの十分な熱容量を有するように設計されている。また、蓄熱材４の素材である炭化ケイ素は、触媒２よりも耐熱性が高く、熱伝導性も高い。
【００２７】
蓄熱材４より上流側のケーシング３内には、蓄熱材４から所定寸法離れた部位にバーナ１０のノズル１１がその噴射口を蓄熱材４に臨ませて設置されている。ノズル１１には、燃料タンク２０内の燃料がポンプ２１、制御弁２２、燃料供給管２３を介して供給されるとともに、排気管１の外部から取り込まれた燃焼用空気がコンプレッサ３０、制御弁３１、空気供給管３２を介して供給される。ノズル１１に供給された燃料及び空気はノズル１１内で混合され、前記噴射口から蓄熱材４に向けて噴射される。
【００２８】
また、ノズル１１よりも下流側のケーシング３内には、バーナ１０のグロープラグ１２が設けられている。
ポンプ２１、コンプレッサ３０の運転及び停止、制御弁２２，３１の開閉、グロープラグ１２への通電及び切電は、図示しないコンピュータによって制御される。
【００２９】
この内燃機関の排気浄化装置においては、エンジン始動時のクランキング前にバーナ１０を着火し燃焼させる。詳述すると、エンジンのクランキング前に、ポンプ２１とコンプレッサ３０を運転するとともに制御弁２２，３１を開き、燃料と空気の混合気をノズル１１から噴射し、同時にバーナ１０のグロープラグ１２に通電する。すると、ノズル１１から噴射された混合気がグロープラグ１２によって着火され、燃焼する。
【００３０】
このようにして燃焼を開始したバーナ１０の火炎Ｆは蓄熱材４に吹き当てられ、蓄熱材４を急速に加熱する。蓄熱材４は熱容量が大きく且つ熱伝導性が極めて高いので、短時間のうちに、大量の熱量を蓄熱材４内に比較的に均一に蓄えることができる。蓄熱材４は耐熱性に優れているので、バーナ１０の火炎を直接受けても殆ど熱劣化することがない。一方、バーナ１０の火炎Ｆは触媒２に直接触れないので、触媒２が熱劣化することもない。また、バーナ１０における燃焼によって生じた高温の燃焼ガスが蓄熱材４を通過して触媒２にも到達するので、この燃焼ガスの熱によって触媒２が予熱される。
【００３１】
バーナ１０による燃焼を所定時間行ったならば、ポンプ２１及びコンプレッサ３０を停止するとともに制御弁２２，３１を閉じてバーナ１０の燃焼を停止する。その後、すぐにスタータスイッチをＯＮにしてエンジンをクランキングし始動する。
【００３２】
エンジンの始動直後は、エンジンから排出される排気ガスの温度は低く、また、触媒２の温度も活性温度以下であることが想定される。しかしながら、この内燃機関の排気浄化装置においては、エンジンの始動前に触媒２の上流側に設けた高熱容量の蓄熱材４を加熱しているので、エンジンの始動直後に排出される排気ガスは蓄熱材４を通過するときに蓄熱材４から熱を奪って昇温し、その加熱された排気ガスが触媒２を通過することとなるので、今度は触媒２が排気ガスの熱を奪って昇温する。その結果、触媒２が活性温度まで急速に加熱されて、急速暖機されることになる。しかも、排気ガスは触媒２の上流端から下流端へ流れるので、触媒２をその全長に亙ってほぼ均等に暖機することができる。
【００３３】
このようにエンジン始動時に触媒２を急速暖機し活性させることができるので、エンジン始動時の触媒２の排気浄化性能が向上し、エンジン始動時の排気エミッションを低減することができる。
【００３４】
尚、エンジン始動後の暖機中についても触媒２を急速に昇温する必要があるので、バーナ１０による燃焼を続行して火炎Ｆを蓄熱材４に吹き付け、触媒２の昇温をさらに早めるようにすることも可能である。
【００３５】
また、バーナ１０の着火とエンジンの始動をコンピュータで自動制御するようにしてもよい。例えば、イグニッションスイッチをＯＮにすると、コンピュータがポンプ２１及びコンプレッサ３０を自動起動するとともに、制御弁２２，３１を自動開弁し、グロープラグ１２に通電してバーナ１０を着火し、バーナ１０による燃焼が予め設定した所定時間実行されると、バーナ１０の燃焼を停止するとともにスタータスイッチを自動的にＯＮしてクランキングを行い、エンジンを自動始動するように制御する等が考えられる。
【００３６】
バーナ１０の運転方法は、エンジン始動前にバーナ１０を作動させる運転に限られるものではない。例えば、エンジン始動後において、エンジンを長時間アイドル運転させたときなどのように排気ガス量が少ないため、触媒２の温度が活性温度範囲には入っているものの触媒２の温度が低下し触媒２を加熱する必要が生じた場合には、ポンプ２１を運転し制御弁２２を開いて燃料だけをノズル１１から噴射させ、噴射した燃料を触媒２において燃焼させることにより触媒２を加熱する運転も実施可能である。この場合、エンジンをリーン空燃比で運転しているときには、触媒２で燃料を燃焼させるのに十分な酸素が排気ガス中に含まれているので、この時にはコンプレッサ３０を停止させ、一方、エンジンをリッチ空燃比で運転しているときには、排気ガス中の酸素だけでは触媒２で燃料を燃焼させるのに酸素が不足するので、この時にはコンプレッサ３０を運転するのが好ましい。
【００３７】
さらに、エンジン始動後において、例えば、触媒２の温度が活性温度よりも低いために触媒２を急速に加熱する必要が生じた場合に、前述のようにノズル１１から燃料を噴射するとともにグロープラグ１２に通電して火炎を発生させて排気ガスを加熱し、触媒２を加熱する運転も実施可能である。その際には、必要に応じて、コンプレッサ３０を運転するとともに制御弁３１を開いてノズル１１から燃料と空気の混合気を噴射することも可能である。
また、これらバーナ１０の運転方法を組み合わせることも可能である。
【００３８】
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態を図２を参照して説明する。尚、前述した第１の実施の形態と同一態様部分には図中同一符号を付して説明を省略し、第１の実施の形態との相違点についてだけ以下に説明する。
【００３９】
第２の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置が第１の実施の形態のものと大きく相違する点は、第１の実施の形態ではバーナ１０の火炎Ｆを蓄熱材４よりも上流側から該蓄熱材４に吹き当てているが、この第２の実施の形態ではバーナ１０の火炎Ｆを蓄熱材４の下流側から該蓄熱材４に吹き当てているところにある。
【００４０】
詳述すると、触媒２の中央にはその上流側端面から下流側端面を貫く貫通孔が設けられており、この貫通孔に有底筒状の筒体５がその底部を触媒２の下流側端面に位置させて固定されている。筒体５は触媒２の上流側端面において開口し、筒体５内は下流側に延びる凹部５ａを形成する。
【００４１】
筒体５内の下流側端部には、燃料噴射用の燃料ノズル１３と空気噴射用の空気ノズル１４が設けられており、燃料ノズル１３には、筒体５の底部を貫いて凹部５ａに挿入された燃料供給管２３が接続され、空気ノズル１４には、筒体５の底部を貫いて凹部５ａに挿入された空気供給管３２が接続されている。
【００４２】
燃料タンク２０内の燃料はポンプ２１によってポンプアップされて、燃料ノズル１３から筒体５の上流側開口へ向けて凹部５ａ内に噴射され、コンプレッサ３０によって加圧された空気が空気ノズル１４から筒体５の上流側開口へ向けて凹部５ａ内に噴射され、凹部５ａ内において燃料と空気が混合される。この混合気は筒体５の上流側開口から蓄熱材４に向けて噴射される。
【００４３】
この混合気を着火するためのグロープラグ１２が、ケーシング３内において蓄熱材４と触媒２の間の空間に設置されている。燃料と空気の混合気を筒体５の上流側開口から噴射しつつグロープラグ１２に通電することにより、混合気が着火されて燃焼し、その火炎Ｆが蓄熱材４に吹き当たる。筒体５の開口端には、火炎Ｆが筒体５内に逆火するのを防止するための消炎体５ｂが設けられている。
【００４４】
この第２の実施の形態の排気浄化装置では、筒体５、燃料ノズル１３、空気ノズル１４、グロープラグ１２によってバーナ１０が構成される。
この第２の実施の形態の排気浄化装置においても、エンジン始動時のクランキング前にバーナ１０を着火し燃焼させることにより、エンジン始動時に触媒２の急速暖機を行うことができる。
【００４５】
即ち、エンジンのクランキング前に、ポンプ２１とコンプレッサ３０を運転するとともに制御弁２２，３１を開き、燃料ノズル１３から燃料を噴射するとともに空気ノズル１４から空気を噴射し、これと同時に、グロープラグ１２に通電する。すると、筒体５内で燃料と空気が混合され、その混合気が筒体５から蓄熱材４に向けて噴射され、さらにグロープラグ１２によって着火されて、燃焼する。
【００４６】
バーナ１０の火炎Ｆは蓄熱材４に吹き当てられ、蓄熱材４を急速に加熱する。また、蓄熱材４に向かって吹き当てられた火炎Ｆは、触媒２に向かって戻ってくることはなく、バーナ１０の火炎Ｆが触媒２に直接触れることはない。換言すれば、バーナ１０の火炎Ｆが触媒２に直接接触しないように、触媒２と蓄熱材４との離間寸法が設定されている。したがって、この第２の実施の形態においても、触媒２が熱劣化することはない。
【００４７】
そして、バーナ１０を燃焼させている間、バーナ１０における燃焼によって生じた高温の燃焼ガスは触媒２を通って下流へと流れるため、この燃焼ガスの熱によって触媒２が予熱される。
【００４８】
バーナ１０の火炎Ｆによる蓄熱材４の加熱により蓄熱材４に所定の熱量が蓄えられた時点で、エンジンをクランキングし始動すると、第１の実施の形態の場合と同様に、エンジンの始動直後に排出される排気ガスは蓄熱材４を通過するときに蓄熱材４から熱を奪って昇温し、その加熱された排気ガスが触媒２を通過するときに、触媒２は排気ガスの熱を奪って昇温する。その結果、触媒２が活性温度まで急速に加熱されて急速暖機されるので、エンジン始動時の触媒２の排気浄化性能が向上し、エンジン始動時の排気エミッションを低減することができる。
【００４９】
尚、この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態の場合と同様に、バーナ１０の着火とエンジンの始動をコンピュータで自動制御したり、エンジン始動後に触媒２を昇温させる必要が生じたときにバーナ１０を運転して触媒２を昇温することが可能である。
【００５０】
〔第３の実施の形態〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態を図３を参照して説明する。第３の実施の形態は前述した第２の実施の形態の変形例であり、第２の実施の形態と同一態様部分には図中同一符号を付して説明を省略し、第２の実施の形態との相違点についてだけ以下に説明する。
【００５１】
第３の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置が第２の実施の形態のものと大きく相違する点は、バーナ１０の燃焼用空気の取入位置にある。第２の実施の形態では、バーナ１０の燃焼用空気は排気管１の外部から取り入れられコンプレッサ３０により加圧されて空気ノズル１４から噴射されているが、この第３の実施の形態では、バーナ１０の燃焼用空気の取入口３３が排気管１の内部であって蓄熱材４の上流側に設けられており、しかも、その取入口３３は下流側に向かって開口している。
【００５２】
このように取入口３３を設けておくと、バーナ１０の燃焼用空気は排気管１内から取り入れられることとなり、バーナ１０の着火時に未燃ＨＣ（未燃燃料）成分が排出されたとしても、この未燃ＨＣ成分は取入口３３からコンプレッサ３０により吸引されて再び燃焼用空気とともに空気ノズル１４から筒体５内に噴射されるので、未燃ＨＣ成分をバーナ１０において再燃焼させることができる。その結果、バーナ１０での燃焼に起因する未燃ＨＣ成分の車外放出量を極めて少なくすることができる。
【００５３】
〔第４の実施の形態〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第４の実施の形態を図４を参照して説明する。
【００５４】
エンジン（内燃機関）から排出される排気ガスは排気管（排気通路）１を通り、図示しないマフラーを介して大気に排出される。排気管１は、図４において左側が上流側であってエンジンに接続されており、図中右側が下流側であって前記マフラーに接続されている。
【００５５】
排気管１の途中には、内部に排気浄化用触媒２を内蔵するケーシング３が設けられている。触媒２は、例えば酸化触媒、三元触媒、ＮＯx触媒などから構成されており、基材にはコージェライトあるいはメタルが用いられている。
【００５６】
触媒２の中央にはその上流側端面から下流側端面を貫く貫通孔が設けられており、この貫通孔に有底筒状の筒体５がその底部を触媒２の下流側端面に位置させて固定されている。筒体５は触媒２の上流側端面において開口し、筒体５内は下流側に延びる凹部５ａを形成する。筒体５は耐熱性が高く且つ比較的に熱伝導性の高い金属で形成されており、火炎を透過させないように構成されている。尚、筒体５を炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成することも可能である。
【００５７】
筒体５内の下流側端部には、燃料噴射用の燃料ノズル１３と空気噴射用の空気ノズル１４が設けられており、燃料ノズル１３には燃料タンク２０内の燃料がポンプ２１、制御弁２２、燃料供給管２３を介して供給され、空気ノズル１４には排気管１の外部から取り込まれた燃焼用空気がコンプレッサ３０、制御弁３１、空気供給管３２を介して供給される。尚、燃料供給管２３と空気供給管３２は筒体５の底部を貫いて凹部５ａに挿入されている。
【００５８】
ポンプ２１によってポンプアップされた燃料は燃料ノズル１３から筒体５の上流側開口５ｃへ向けて凹部５ａ内に噴射され、コンプレッサ３０によって加圧された燃焼用空気は空気ノズル１４から筒体５の上流側開口５ｃへ向けて凹部５ａ内に噴射され、凹部５ａ内において燃料と空気は混合されながら筒体５内をその上流側開口５ｃへ向かって流れる。
【００５９】
また、筒体５内の下流側端部には、凹部５ａ内で混合され形成された燃料と空気の混合気を着火するためのグロープラグ１２が設けられている。燃料ノズル１３から燃料を噴射するとともに空気ノズル１４から燃焼用空気を噴射しつつグロープラグ１２に通電すると、筒体５内で形成された混合気が着火されて燃焼し、その火炎Ｆが筒体５内で形成され、火炎Ｆの一部は筒体５の上流側開口５ｃからさらに上流に向かって吹き出す。
【００６０】
この第４の実施の形態の排気浄化装置では、筒体５、燃料ノズル１３、空気ノズル１４、グロープラグ１２によってバーナ１０が構成され、筒体５内の凹部５ａはバーナ１０の燃焼室の一部を構成する。
【００６１】
尚、ポンプ２１、コンプレッサ３０の運転及び停止、制御弁２２，３１の開閉、グロープラグ１２への通電及び切電は、図示しないコンピュータによって制御される。
【００６２】
この内燃機関の排気浄化装置においては、エンジン始動時のクランキング前にバーナ１０を着火し燃焼させる。詳述すると、エンジンのクランキング前に、ポンプ２１とコンプレッサ３０を運転するとともに制御弁２２，３１を開き、燃料ノズル１３から燃料を噴射するとともに空気ノズル１４から燃焼用空気を噴射し、これと同時に、グロープラグ１２に通電する。すると、筒体５内で燃料と空気が混合され、その混合気が凹部５ａにおいてグロープラグ１２によって着火され、燃焼する。その結果、凹部５ａにおいてバーナ１０の火炎Ｆが形成され、火炎Ｆの一部が筒体５の上流側開口５ｃからさらに上流へ向けて吹き出される。この火炎Ｆの熱は筒体５に伝熱し、筒体５はその全体に亙ってほぼ均一に加熱される。さらに筒体５の熱は触媒２に伝熱して、触媒２の外周面へ向かって伝熱する。その結果、触媒２の全体がほぼ均一に加熱される。また、バーナ１０における燃焼によって生じた高温の燃焼ガスは触媒２の上流側端面に回り込んで該触媒２内を下流側端面へと流れるので、この燃焼ガスの熱によっても触媒２が加熱される。
【００６３】
尚、この第４の実施の形態においてバーナ１０を着火する際には、着火直後の燃焼用空気の供給量を少なくして火種を形成し易くし、火種が形成された後に燃焼用空気の供給量を増やしていって火炎Ｆを成長させるように、空気供給量を制御するのが好ましい。
【００６４】
また、この第４の実施の形態においては、制御弁２２，３１の開度制御などにより燃料供給量と空気供給量を制御することにより、バーナ１０の筒体５内の凹部５ａにおける空燃比を制御し、これにより凹部５ａ内の温度を、触媒２の深部まで所望の温度に昇温させるために必要な温度に制御することも可能である。
【００６５】
尚、バーナ１０の火炎Ｆの一部が触媒２の上流側に吹き出されるが、この火炎Ｆが触媒２の上流側端面に戻ってくるようなことはなく、したがって、火炎Ｆが触媒２に直接触れることはないので、触媒２が熱劣化することはない。
【００６６】
このバーナ１０の燃焼によって、触媒２を急速に加熱することができ、触媒２を活性温度まで急速暖機することができる。
バーナ１０による燃焼を所定時間行うことによって触媒２を活性温度まで昇温させたならば、ポンプ２１及びコンプレッサ３０を停止するとともに制御弁２２，３１を閉じてバーナ１０の燃焼を停止する。その後、すぐにスタータスイッチをＯＮにしてエンジンをクランキングし始動する。
【００６７】
エンジンの始動直後は、エンジンから排出される排気ガスの温度は低いと想定されるが、この内燃機関の排気浄化装置においては、エンジンの始動前に触媒２を加熱し活性温度まで昇温させているので、エンジン始動時の触媒２の排気浄化性能が向上し、エンジン始動時の排気エミッションを低減することができる。
【００６８】
尚、エンジン始動後の暖機中についても触媒２を急速に昇温する必要があるので、バーナ１０による燃焼を続行して触媒１２の昇温をさらに早めるようにすることも可能である。
【００６９】
この第４の実施の形態においても、第１の実施の形態の場合と同様に、バーナ１０の着火とエンジンの始動をコンピュータで自動制御することが可能である。
【００７０】
また、バーナ１０の運転方法は、エンジン始動前にバーナ１０を作動させる運転に限られるものではない。例えば、エンジン始動後において、エンジンを長時間アイドル運転させたときなどのように排気ガス量が少ないため、触媒２の温度が活性温度範囲には入っているものの触媒２の温度が低下し触媒２を加熱する必要が生じた場合には、ポンプ２１を運転し制御弁２２だけを開いて燃料を燃料ノズル１３から噴射して排気ガスと共に触媒２に導入し、この燃料を触媒２において燃焼させることにより触媒２を加熱する運転も実施可能である。この場合、エンジンをリーン空燃比で運転しているときには、触媒２で燃料を燃焼させるのに十分な酸素が排気ガス中に含まれているので、この時にはコンプレッサ３０を停止させ、一方、エンジンをリッチ空燃比で運転しているときには、排気ガス中の酸素だけでは触媒２で燃料を燃焼させるのに酸素が不足するので、この時にはコンプレッサ３０を運転するのが好ましい。
【００７１】
一方、エンジン始動後において、触媒２の温度が活性温度よりも低いために触媒２を急速に加熱する必要が生じた場合には、燃料ノズル１３から燃料を噴射するとともに空気ノズル１４から燃焼用空気を噴射し、そしてグロープラグ１２に通電することにより混合気を着火し燃焼させて火炎Ｆを発生させ、触媒２を加熱する運転も実施可能である。
また、これらバーナ１０の運転方法を組み合わせることも可能である。
【００７２】
〔第５の実施の形態〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第５の実施の形態を図５を参照して説明する。
【００７３】
第５の実施の形態は前述した第４の実施の形態の変形例であり、第４の実施の形態との相違点はグロープラグ１２の設置位置にある。第４の実施の形態では、グロープラグ１２を筒体５内の凹部５ａにおける下流側端部に設けているが、この第５の実施の形態では、ケーシング３内において筒体５の上流側開口５ｃよりも上流側にグロープラグ１２が設けられている。
【００７４】
この場合、燃料ノズル１３から燃料を噴射するとともに空気ノズル１４から燃焼用空気を噴射し、これと同時にグロープラグ１２に通電すると、筒体５内で燃料と空気が混合され、この混合気が筒体５内を上流方向へ向かって流れ、筒体５の上流側開口５ｃからさらに上流へ向けて吹き出される。そして、混合気は上流側開口５ｃから吹き出されるときにグロープラグ１２によって着火され、燃焼し、その火炎Ｆが筒体５内にも形成されることとなって、触媒２を加熱する。
【００７５】
その他の構成及び作用については前述した第４の実施の形態と同一であるので、同一態様部分に図中同一符号を付して説明を省略する。
尚、第４の実施の形態あるいは第５の実施の形態において、バーナ１０の燃焼用空気の取入口を、排気管１内において火炎Ｆよりも上流側に位置するように配置することも可能である。このようにすると、前述した第３の実施の形態の場合と同様に、バーナ１０の着火時に発生する虞れのある未燃ＨＣ成分を燃焼用空気と共に吸引してバーナ１０で再燃焼させることができ、バーナ１０での燃焼に起因する未燃ＨＣ成分の車外放出量を極めて少なくすることができる。
【００７６】
【発明の効果】
本出願の第１の発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、該触媒の温度を上昇させるべきときに作動するバーナとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒の上流に、前記バーナの火炎に晒されて火炎の熱を蓄熱する前記触媒よりも耐熱性が高い蓄熱材が設けられていることにより、バーナでの燃焼による熱を一旦蓄熱材に蓄熱した後、その蓄熱材に蓄熱された熱で触媒を加熱することができるので、触媒を熱劣化させることなく、触媒を効率的に且つ急速に昇温することができるという優れた効果が奏される。
【００７７】
また、前記蓄熱材を前記バーナよりも上流に設け、バーナの火炎が蓄熱材に向かって形成されるようにし、前記バーナの燃焼用空気の取入口を前記蓄熱材よりも上流の排気通路に設けた場合には、バーナ着火時に発生する虞れのある未燃ＨＣ成分をバーナで再燃焼させることができるので、バーナでの燃焼に起因する未燃ＨＣ成分の車外放出量を極めて少なくすることができる。
【００７８】
本出願の第２の発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、該触媒の温度を上昇させるべきときに作動するバーナとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒にはその上流側端面で開口し下流側に延びる凹部が設けられ、この凹部内を下流側から上流側に向かって前記バーナの燃料と燃焼用空気が流れ、バーナの火炎の少なくとも一部が前記凹部内に形成されることにより、バーナでの燃焼による熱を触媒の内側から伝熱させて該触媒を加熱することができるので、触媒を熱劣化させることなく、触媒を効率的に且つ急速に昇温することができるという優れた効果が奏される。
【００７９】
また、本出願に係る第１の発明あるいは第２の発明において、前記バーナを内燃機関の始動前に着火した場合には、触媒をエンジン始動前に暖機し活性させることができるので、エンジン始動時の排気エミッションを低減することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本出願に係る内燃機関の排気浄化装置の第１の実施の形態における概略構成を示す図である。
【図２】 本出願に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態における概略構成を示す図である。
【図３】 本出願に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態における概略構成を示す図である。
【図４】 本出願に係る内燃機関の排気浄化装置の第４の実施の形態における概略構成を示す図である。
【図５】 本出願に係る内燃機関の排気浄化装置の第５の実施の形態における概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 排気管（排気通路）
２ 触媒
３ ケーシング
４ 蓄熱材
５ 筒体
５ａ 凹部
５ｂ 消炎体
５ｃ 上流側開口
２１ ポンプ
３０ コンプレッサ
１０ バーナ
１１ ノズル
１２ グロープラグ
１３ 燃料ノズル
１４ 空気ノズル
３３ 燃焼用空気の取入口
Ｆ 火炎
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスを触媒によって浄化する排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関から排出される排気ガス中の有害成分の大気への排出量を低減するための一手段として、触媒の酸化作用あるいは還元作用を利用して有害成分を浄化するシステムがある。
【０００３】
一般に、この種の触媒は有害成分を浄化可能な活性温度範囲を有しており、触媒の温度がこの活性温度範囲から外れているときには排気ガス中の有害成分を浄化することができない。
【０００４】
しかしながら、内燃機関の始動時には排気浄化用の触媒の温度が前記活性温度よりも低くなっている場合が多く、内燃機関の始動時に排気ガスが浄化されずに排出される虞れがある。そこで、内燃機関始動時にいかに早く触媒を暖機して活性させるかが、排気浄化性能を向上させる上で非常に重要である。
【０００５】
排気浄化用触媒の早期暖機に関する技術の一つとして、特開平７−５３０４７号公報に開示されているように、触媒の上流にバーナを設け、このバーナを内燃機関の始動と同時に着火し、バーナの火炎の熱で触媒を加熱する方法がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、触媒の基材として多く用いられるコージェライトなどは熱伝導性が悪く、そのため、従来のバーナで触媒を加熱するシステムでは、バーナを着火すると触媒の上流側端面は直ぐに加熱されるものの触媒の内部まで加熱するには長時間を要するため、触媒全体の温度上昇、即ち触媒全体の活性化には効率が悪かった。また、余り長時間、バーナによる燃焼を続けると、バーナの火炎温度は１０００゜Ｃを越える高温なため、触媒が熱劣化してしまうという問題も生じる。
【０００７】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、バーナの火炎を直接触媒に当てずに、且つ、火炎の熱を効率的に触媒の昇温に利用できるようにすることにより、排気浄化の向上を図ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本出願に係る第１の発明は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、該触媒の温度を上昇させるべきときに作動するバーナとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒の上流に、前記バーナの火炎に晒されて火炎の熱を蓄熱する前記触媒よりも耐熱性が高い蓄熱材が設けられ、前記蓄熱材が前記バーナよりも上流に設けられ、バーナの火炎が蓄熱材に向かって形成され、前記触媒にはその上流側端面で開口し下流側に延びる凹部が設けられ、この凹部内を下流側から上流側に向かって前記バーナの燃料と燃焼用空気が流れ、バーナの火炎が触媒の上流側端面から前記蓄熱材に向かって形成されることを特徴とする。
【０００９】
この第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、バーナを着火し燃焼すると、バーナの火炎が蓄熱材を加熱し、火炎の熱が蓄熱材に蓄熱される。蓄熱材はバーナの火炎に晒されるが、蓄熱材は触媒よりも耐熱性が高いので熱劣化しにくい。また、蓄熱材は十分な熱を蓄熱することができる熱容量を有する。バーナを燃焼させている間、バーナの燃焼ガスが触媒に流れ込み触媒を加熱する。また、この蓄熱材に蓄熱された熱は、内燃機関の排気ガスがこの蓄熱材を通過するときに排気ガスに伝熱され、これにより暖められた排気ガスが触媒に流入し、触媒を加熱する。その結果、触媒を急速に昇温することができる。
【００１０】
前記蓄熱材の素材としては炭化ケイ素を例示することができる。また、蓄熱材は通気性を有する構造のものが好ましく、例えばハニカム状に形成して通気性を確保するようにしてもよい。前記バーナは点火プラグあるいはグロープラグなどからなる着火手段を備えるのが好ましい。
【００１１】
前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記蓄熱材を前記バーナよりも上流側に設ける。バーナの火炎が蓄熱材に向かって形成されるようにするのが好ましい。理由は、バーナの火炎の熱を蓄熱材に蓄熱するのに効率がよく、また、バーナの火炎を触媒に直接晒さないようにするためである。
【００１２】
前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記蓄熱材をバーナよりも上流側に設け、バーナの火炎を蓄熱材に向かって形成されるようにする場合には、前記触媒にその上流側端面で開口し下流側に延びる凹部を設け、この凹部内を下流側から上流側に向かって前記バーナの燃料と燃焼用空気が流れるようにし、バーナの火炎が触媒の上流側端面から前記蓄熱材に向かって形成されるようにすることができる。この場合、触媒の熱劣化を防止するために、バーナの火炎が触媒の上流側端面に接触しないように触媒の上流側端面と蓄熱材との間の寸法を設定するのが好ましい。
【００１３】
また、前記第１の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、前記蓄熱材をバーナよりも上流側に設け、バーナの火炎を蓄熱材に向かって形成されるようにする場合には、前記バーナの燃焼用空気の取入口を前記蓄熱材よりも上流の排気通路に設けるのが好ましい。このようにすると、万が一、バーナの着火時に未燃燃料（未燃ＨＣ）が生じたとしても、この未燃燃料成分は前記燃焼用空気の取入口から空気と共に吸引され、バーナで再燃焼させることができる。
【００１４】
本出願に係る第２の発明は、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、該触媒の温度を上昇させるべきときに作動するバーナとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒にはその上流側端面で開口し下流側に延び前記触媒よりも耐熱性が高く且つ熱伝導性を有する金属の筒体により形成される凹部が設けられ、この凹部内を下流側から上流側に向かって前記バーナの燃料と燃焼用空気が流れ、バーナの火炎の少なくとも一部が前記凹部内に形成されることを特徴とする。
【００１５】
この第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置では、触媒の前記凹部がバーナの燃焼室の少なくとも一部となり、バーナを着火し燃焼すると、触媒の凹部内に火炎が生じる。この火炎の熱が凹部の内周面から触媒の外周部へと伝熱していって触媒を加熱する。また、バーナでの燃焼により生じた高温の燃焼ガスが触媒の凹部の開口から上流側に排出され、さらにこの触媒に流れ込むので、この燃焼ガスも触媒を加熱する。その結果、触媒を急速に昇温することができる。
【００１６】
第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、バーナの火炎の少なくとも一部が凹部内に形成されるというのは、バーナの火炎が凹部内にのみ形成される場合だけに限定されるのではなく、火炎の一部が凹部の開口から触媒の上流側に吹き出す場合を含むことを意味する。
【００１７】
第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置において、バーナの燃料と燃焼用空気との空燃比を制御することにより、触媒昇温のための熱量を制御することも可能である。
【００１８】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記触媒は排気浄化用の触媒であるならばその種類は問わず、酸化触媒、三元触媒、ＮＯx触媒などを例示することができる。
【００１９】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、前記バーナを内燃機関の始動前に着火するのが好ましい。このようにすると、内燃機関の始動前に触媒を暖機し活性状態にすることができ、内燃機関の始動時における排気エミッションを低減することができる。
【００２０】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、
内燃機関の始動後であって触媒の温度を上昇させる必要が生じた場合に、触媒の温度が活性温度範囲内であれば、バーナの燃料供給だけを行うことによって、該燃料を触媒で燃焼させ触媒を昇温することができる。
【００２１】
前記第１の発明あるいは第２の発明に係る内燃機関の排気浄化装置においては、内燃機関の始動後であって触媒の温度を上昇させる必要が生じた場合に、触媒の温度が活性温度よりも低いときには、バーナに燃料を供給するとともに着火して燃焼させることによって、触媒を昇温することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の実施の形態を図１から図５の図面に基いて説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、車両駆動用の内燃機関の排気浄化装置に適用した例である。
【００２３】
〔第１の実施の形態〕
初めに、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第１の実施の形態を図１を参照して説明する。
【００２４】
エンジン（内燃機関）から排出される排気ガスは排気管（排気通路）１を通り、図示しないマフラーを介して大気に排出される。排気管１は、図１において左側が上流側であってエンジンに接続されており、図中右側が下流側であって前記マフラーに接続されている。
【００２５】
排気管１の途中には、内部に排気浄化用触媒２を内蔵するケーシング３が設けられている。触媒２は、例えば酸化触媒、三元触媒、ＮＯx触媒などから構成されており、基材にはコージェライトあるいはメタルが用いられている。
【００２６】
ケーシング３の内部であって触媒２よりも上流側には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成された蓄熱材４が設けられている。蓄熱材４はケーシング３を塞ぐように取り付けられており、排気ガスが流通できるようにハニカム状をなしている。蓄熱材４は触媒２を昇温させる熱を蓄熱できるだけの十分な熱容量を有するように設計されている。また、蓄熱材４の素材である炭化ケイ素は、触媒２よりも耐熱性が高く、熱伝導性も高い。
【００２７】
蓄熱材４より上流側のケーシング３内には、蓄熱材４から所定寸法離れた部位にバーナ１０のノズル１１がその噴射口を蓄熱材４に臨ませて設置されている。ノズル１１には、燃料タンク２０内の燃料がポンプ２１、制御弁２２、燃料供給管２３を介して供給されるとともに、排気管１の外部から取り込まれた燃焼用空気がコンプレッサ３０、制御弁３１、空気供給管３２を介して供給される。ノズル１１に供給された燃料及び空気はノズル１１内で混合され、前記噴射口から蓄熱材４に向けて噴射される。
【００２８】
また、ノズル１１よりも下流側のケーシング３内には、バーナ１０のグロープラグ１２が設けられている。
ポンプ２１、コンプレッサ３０の運転及び停止、制御弁２２，３１の開閉、グロープラグ１２への通電及び切電は、図示しないコンピュータによって制御される。
【００２９】
この内燃機関の排気浄化装置においては、エンジン始動時のクランキング前にバーナ１０を着火し燃焼させる。詳述すると、エンジンのクランキング前に、ポンプ２１とコンプレッサ３０を運転するとともに制御弁２２，３１を開き、燃料と空気の混合気をノズル１１から噴射し、同時にバーナ１０のグロープラグ１２に通電する。すると、ノズル１１から噴射された混合気がグロープラグ１２によって着火され、燃焼する。
【００３０】
このようにして燃焼を開始したバーナ１０の火炎Ｆは蓄熱材４に吹き当てられ、蓄熱材４を急速に加熱する。蓄熱材４は熱容量が大きく且つ熱伝導性が極めて高いので、短時間のうちに、大量の熱量を蓄熱材４内に比較的に均一に蓄えることができる。蓄熱材４は耐熱性に優れているので、バーナ１０の火炎を直接受けても殆ど熱劣化することがない。一方、バーナ１０の火炎Ｆは触媒２に直接触れないので、触媒２が熱劣化することもない。また、バーナ１０における燃焼によって生じた高温の燃焼ガスが蓄熱材４を通過して触媒２にも到達するので、この燃焼ガスの熱によって触媒２が予熱される。
【００３１】
バーナ１０による燃焼を所定時間行ったならば、ポンプ２１及びコンプレッサ３０を停止するとともに制御弁２２，３１を閉じてバーナ１０の燃焼を停止する。その後、すぐにスタータスイッチをＯＮにしてエンジンをクランキングし始動する。
【００３２】
エンジンの始動直後は、エンジンから排出される排気ガスの温度は低く、また、触媒２の温度も活性温度以下であることが想定される。しかしながら、この内燃機関の排気浄化装置においては、エンジンの始動前に触媒２の上流側に設けた高熱容量の蓄熱材４を加熱しているので、エンジンの始動直後に排出される排気ガスは蓄熱材４を通過するときに蓄熱材４から熱を奪って昇温し、その加熱された排気ガスが触媒２を通過することとなるので、今度は触媒２が排気ガスの熱を奪って昇温する。その結果、触媒２が活性温度まで急速に加熱されて、急速暖機されることになる。しかも、排気ガスは触媒２の上流端から下流端へ流れるので、触媒２をその全長に亙ってほぼ均等に暖機することができる。
【００３３】
このようにエンジン始動時に触媒２を急速暖機し活性させることができるので、エンジン始動時の触媒２の排気浄化性能が向上し、エンジン始動時の排気エミッションを低減することができる。
【００３４】
尚、エンジン始動後の暖機中についても触媒２を急速に昇温する必要があるので、バーナ１０による燃焼を続行して火炎Ｆを蓄熱材４に吹き付け、触媒２の昇温をさらに早めるようにすることも可能である。
【００３５】
また、バーナ１０の着火とエンジンの始動をコンピュータで自動制御するようにしてもよい。例えば、イグニッションスイッチをＯＮにすると、コンピュータがポンプ２１及びコンプレッサ３０を自動起動するとともに、制御弁２２，３１を自動開弁し、グロープラグ１２に通電してバーナ１０を着火し、バーナ１０による燃焼が予め設定した所定時間実行されると、バーナ１０の燃焼を停止するとともにスタータスイッチを自動的にＯＮしてクランキングを行い、エンジンを自動始動するように制御する等が考えられる。
【００３６】
バーナ１０の運転方法は、エンジン始動前にバーナ１０を作動させる運転に限られるものではない。例えば、エンジン始動後において、エンジンを長時間アイドル運転させたときなどのように排気ガス量が少ないため、触媒２の温度が活性温度範囲には入っているものの触媒２の温度が低下し触媒２を加熱する必要が生じた場合には、ポンプ２１を運転し制御弁２２を開いて燃料だけをノズル１１から噴射させ、噴射した燃料を触媒２において燃焼させることにより触媒２を加熱する運転も実施可能である。この場合、エンジンをリーン空燃比で運転しているときには、触媒２で燃料を燃焼させるのに十分な酸素が排気ガス中に含まれているので、この時にはコンプレッサ３０を停止させ、一方、エンジンをリッチ空燃比で運転しているときには、排気ガス中の酸素だけでは触媒２で燃料を燃焼させるのに酸素が不足するので、この時にはコンプレッサ３０を運転するのが好ましい。
【００３７】
さらに、エンジン始動後において、例えば、触媒２の温度が活性温度よりも低いために触媒２を急速に加熱する必要が生じた場合に、前述のようにノズル１１から燃料を噴射するとともにグロープラグ１２に通電して火炎を発生させて排気ガスを加熱し、触媒２を加熱する運転も実施可能である。その際には、必要に応じて、コンプレッサ３０を運転するとともに制御弁３１を開いてノズル１１から燃料と空気の混合気を噴射することも可能である。
また、これらバーナ１０の運転方法を組み合わせることも可能である。
【００３８】
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態を図２を参照して説明する。尚、前述した第１の実施の形態と同一態様部分には図中同一符号を付して説明を省略し、第１の実施の形態との相違点についてだけ以下に説明する。
【００３９】
第２の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置が第１の実施の形態のものと大きく相違する点は、第１の実施の形態ではバーナ１０の火炎Ｆを蓄熱材４よりも上流側から該蓄熱材４に吹き当てているが、この第２の実施の形態ではバーナ１０の火炎Ｆを蓄熱材４の下流側から該蓄熱材４に吹き当てているところにある。
【００４０】
詳述すると、触媒２の中央にはその上流側端面から下流側端面を貫く貫通孔が設けられており、この貫通孔に有底筒状の筒体５がその底部を触媒２の下流側端面に位置させて固定されている。筒体５は触媒２の上流側端面において開口し、筒体５内は下流側に延びる凹部５ａを形成する。
【００４１】
筒体５内の下流側端部には、燃料噴射用の燃料ノズル１３と空気噴射用の空気ノズル１４が設けられており、燃料ノズル１３には、筒体５の底部を貫いて凹部５ａに挿入された燃料供給管２３が接続され、空気ノズル１４には、筒体５の底部を貫いて凹部５ａに挿入された空気供給管３２が接続されている。
【００４２】
燃料タンク２０内の燃料はポンプ２１によってポンプアップされて、燃料ノズル１３から筒体５の上流側開口へ向けて凹部５ａ内に噴射され、コンプレッサ３０によって加圧された空気が空気ノズル１４から筒体５の上流側開口へ向けて凹部５ａ内に噴射され、凹部５ａ内において燃料と空気が混合される。この混合気は筒体５の上流側開口から蓄熱材４に向けて噴射される。
【００４３】
この混合気を着火するためのグロープラグ１２が、ケーシング３内において蓄熱材４と触媒２の間の空間に設置されている。燃料と空気の混合気を筒体５の上流側開口から噴射しつつグロープラグ１２に通電することにより、混合気が着火されて燃焼し、その火炎Ｆが蓄熱材４に吹き当たる。筒体５の開口端には、火炎Ｆが筒体５内に逆火するのを防止するための消炎体５ｂが設けられている。
【００４４】
この第２の実施の形態の排気浄化装置では、筒体５、燃料ノズル１３、空気ノズル１４、グロープラグ１２によってバーナ１０が構成される。
この第２の実施の形態の排気浄化装置においても、エンジン始動時のクランキング前にバーナ１０を着火し燃焼させることにより、エンジン始動時に触媒２の急速暖機を行うことができる。
【００４５】
即ち、エンジンのクランキング前に、ポンプ２１とコンプレッサ３０を運転するとともに制御弁２２，３１を開き、燃料ノズル１３から燃料を噴射するとともに空気ノズル１４から空気を噴射し、これと同時に、グロープラグ１２に通電する。すると、筒体５内で燃料と空気が混合され、その混合気が筒体５から蓄熱材４に向けて噴射され、さらにグロープラグ１２によって着火されて、燃焼する。
【００４６】
バーナ１０の火炎Ｆは蓄熱材４に吹き当てられ、蓄熱材４を急速に加熱する。また、蓄熱材４に向かって吹き当てられた火炎Ｆは、触媒２に向かって戻ってくることはなく、バーナ１０の火炎Ｆが触媒２に直接触れることはない。換言すれば、バーナ１０の火炎Ｆが触媒２に直接接触しないように、触媒２と蓄熱材４との離間寸法が設定されている。したがって、この第２の実施の形態においても、触媒２が熱劣化することはない。
【００４７】
そして、バーナ１０を燃焼させている間、バーナ１０における燃焼によって生じた高温の燃焼ガスは触媒２を通って下流へと流れるため、この燃焼ガスの熱によって触媒２が予熱される。
【００４８】
バーナ１０の火炎Ｆによる蓄熱材４の加熱により蓄熱材４に所定の熱量が蓄えられた時点で、エンジンをクランキングし始動すると、第１の実施の形態の場合と同様に、エンジンの始動直後に排出される排気ガスは蓄熱材４を通過するときに蓄熱材４から熱を奪って昇温し、その加熱された排気ガスが触媒２を通過するときに、触媒２は排気ガスの熱を奪って昇温する。その結果、触媒２が活性温度まで急速に加熱されて急速暖機されるので、エンジン始動時の触媒２の排気浄化性能が向上し、エンジン始動時の排気エミッションを低減することができる。
【００４９】
尚、この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態の場合と同様に、バーナ１０の着火とエンジンの始動をコンピュータで自動制御したり、エンジン始動後に触媒２を昇温させる必要が生じたときにバーナ１０を運転して触媒２を昇温することが可能である。
【００５０】
〔第３の実施の形態〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態を図３を参照して説明する。第３の実施の形態は前述した第２の実施の形態の変形例であり、第２の実施の形態と同一態様部分には図中同一符号を付して説明を省略し、第２の実施の形態との相違点についてだけ以下に説明する。
【００５１】
第３の実施の形態における内燃機関の排気浄化装置が第２の実施の形態のものと大きく相違する点は、バーナ１０の燃焼用空気の取入位置にある。第２の実施の形態では、バーナ１０の燃焼用空気は排気管１の外部から取り入れられコンプレッサ３０により加圧されて空気ノズル１４から噴射されているが、この第３の実施の形態では、バーナ１０の燃焼用空気の取入口３３が排気管１の内部であって蓄熱材４の上流側に設けられており、しかも、その取入口３３は下流側に向かって開口している。
【００５２】
このように取入口３３を設けておくと、バーナ１０の燃焼用空気は排気管１内から取り入れられることとなり、バーナ１０の着火時に未燃ＨＣ（未燃燃料）成分が排出されたとしても、この未燃ＨＣ成分は取入口３３からコンプレッサ３０により吸引されて再び燃焼用空気とともに空気ノズル１４から筒体５内に噴射されるので、未燃ＨＣ成分をバーナ１０において再燃焼させることができる。その結果、バーナ１０での燃焼に起因する未燃ＨＣ成分の車外放出量を極めて少なくすることができる。
【００５３】
〔第４の実施の形態〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第４の実施の形態を図４を参照して説明する。
【００５４】
エンジン（内燃機関）から排出される排気ガスは排気管（排気通路）１を通り、図示しないマフラーを介して大気に排出される。排気管１は、図４において左側が上流側であってエンジンに接続されており、図中右側が下流側であって前記マフラーに接続されている。
【００５５】
排気管１の途中には、内部に排気浄化用触媒２を内蔵するケーシング３が設けられている。触媒２は、例えば酸化触媒、三元触媒、ＮＯx触媒などから構成されており、基材にはコージェライトあるいはメタルが用いられている。
【００５６】
触媒２の中央にはその上流側端面から下流側端面を貫く貫通孔が設けられており、この貫通孔に有底筒状の筒体５がその底部を触媒２の下流側端面に位置させて固定されている。筒体５は触媒２の上流側端面において開口し、筒体５内は下流側に延びる凹部５ａを形成する。筒体５は耐熱性が高く且つ比較的に熱伝導性の高い金属で形成されており、火炎を透過させないように構成されている。尚、筒体５を炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成することも可能である。
【００５７】
筒体５内の下流側端部には、燃料噴射用の燃料ノズル１３と空気噴射用の空気ノズル１４が設けられており、燃料ノズル１３には燃料タンク２０内の燃料がポンプ２１、制御弁２２、燃料供給管２３を介して供給され、空気ノズル１４には排気管１の外部から取り込まれた燃焼用空気がコンプレッサ３０、制御弁３１、空気供給管３２を介して供給される。尚、燃料供給管２３と空気供給管３２は筒体５の底部を貫いて凹部５ａに挿入されている。
【００５８】
ポンプ２１によってポンプアップされた燃料は燃料ノズル１３から筒体５の上流側開口５ｃへ向けて凹部５ａ内に噴射され、コンプレッサ３０によって加圧された燃焼用空気は空気ノズル１４から筒体５の上流側開口５ｃへ向けて凹部５ａ内に噴射され、凹部５ａ内において燃料と空気は混合されながら筒体５内をその上流側開口５ｃへ向かって流れる。
【００５９】
また、筒体５内の下流側端部には、凹部５ａ内で混合され形成された燃料と空気の混合気を着火するためのグロープラグ１２が設けられている。燃料ノズル１３から燃料を噴射するとともに空気ノズル１４から燃焼用空気を噴射しつつグロープラグ１２に通電すると、筒体５内で形成された混合気が着火されて燃焼し、その火炎Ｆが筒体５内で形成され、火炎Ｆの一部は筒体５の上流側開口５ｃからさらに上流に向かって吹き出す。
【００６０】
この第４の実施の形態の排気浄化装置では、筒体５、燃料ノズル１３、空気ノズル１４、グロープラグ１２によってバーナ１０が構成され、筒体５内の凹部５ａはバーナ１０の燃焼室の一部を構成する。
【００６１】
尚、ポンプ２１、コンプレッサ３０の運転及び停止、制御弁２２，３１の開閉、グロープラグ１２への通電及び切電は、図示しないコンピュータによって制御される。
【００６２】
この内燃機関の排気浄化装置においては、エンジン始動時のクランキング前にバーナ１０を着火し燃焼させる。詳述すると、エンジンのクランキング前に、ポンプ２１とコンプレッサ３０を運転するとともに制御弁２２，３１を開き、燃料ノズル１３から燃料を噴射するとともに空気ノズル１４から燃焼用空気を噴射し、これと同時に、グロープラグ１２に通電する。すると、筒体５内で燃料と空気が混合され、その混合気が凹部５ａにおいてグロープラグ１２によって着火され、燃焼する。その結果、凹部５ａにおいてバーナ１０の火炎Ｆが形成され、火炎Ｆの一部が筒体５の上流側開口５ｃからさらに上流へ向けて吹き出される。この火炎Ｆの熱は筒体５に伝熱し、筒体５はその全体に亙ってほぼ均一に加熱される。さらに筒体５の熱は触媒２に伝熱して、触媒２の外周面へ向かって伝熱する。その結果、触媒２の全体がほぼ均一に加熱される。また、バーナ１０における燃焼によって生じた高温の燃焼ガスは触媒２の上流側端面に回り込んで該触媒２内を下流側端面へと流れるので、この燃焼ガスの熱によっても触媒２が加熱される。
【００６３】
尚、この第４の実施の形態においてバーナ１０を着火する際には、着火直後の燃焼用空気の供給量を少なくして火種を形成し易くし、火種が形成された後に燃焼用空気の供給量を増やしていって火炎Ｆを成長させるように、空気供給量を制御するのが好ましい。
【００６４】
また、この第４の実施の形態においては、制御弁２２，３１の開度制御などにより燃料供給量と空気供給量を制御することにより、バーナ１０の筒体５内の凹部５ａにおける空燃比を制御し、これにより凹部５ａ内の温度を、触媒２の深部まで所望の温度に昇温させるために必要な温度に制御することも可能である。
【００６５】
尚、バーナ１０の火炎Ｆの一部が触媒２の上流側に吹き出されるが、この火炎Ｆが触媒２の上流側端面に戻ってくるようなことはなく、したがって、火炎Ｆが触媒２に直接触れることはないので、触媒２が熱劣化することはない。
【００６６】
このバーナ１０の燃焼によって、触媒２を急速に加熱することができ、触媒２を活性温度まで急速暖機することができる。
バーナ１０による燃焼を所定時間行うことによって触媒２を活性温度まで昇温させたならば、ポンプ２１及びコンプレッサ３０を停止するとともに制御弁２２，３１を閉じてバーナ１０の燃焼を停止する。その後、すぐにスタータスイッチをＯＮにしてエンジンをクランキングし始動する。
【００６７】
エンジンの始動直後は、エンジンから排出される排気ガスの温度は低いと想定されるが、この内燃機関の排気浄化装置においては、エンジンの始動前に触媒２を加熱し活性温度まで昇温させているので、エンジン始動時の触媒２の排気浄化性能が向上し、エンジン始動時の排気エミッションを低減することができる。
【００６８】
尚、エンジン始動後の暖機中についても触媒２を急速に昇温する必要があるので、バーナ１０による燃焼を続行して触媒１２の昇温をさらに早めるようにすることも可能である。
【００６９】
この第４の実施の形態においても、第１の実施の形態の場合と同様に、バーナ１０の着火とエンジンの始動をコンピュータで自動制御することが可能である。
【００７０】
また、バーナ１０の運転方法は、エンジン始動前にバーナ１０を作動させる運転に限られるものではない。例えば、エンジン始動後において、エンジンを長時間アイドル運転させたときなどのように排気ガス量が少ないため、触媒２の温度が活性温度範囲には入っているものの触媒２の温度が低下し触媒２を加熱する必要が生じた場合には、ポンプ２１を運転し制御弁２２だけを開いて燃料を燃料ノズル１３から噴射して排気ガスと共に触媒２に導入し、この燃料を触媒２において燃焼させることにより触媒２を加熱する運転も実施可能である。この場合、エンジンをリーン空燃比で運転しているときには、触媒２で燃料を燃焼させるのに十分な酸素が排気ガス中に含まれているので、この時にはコンプレッサ３０を停止させ、一方、エンジンをリッチ空燃比で運転しているときには、排気ガス中の酸素だけでは触媒２で燃料を燃焼させるのに酸素が不足するので、この時にはコンプレッサ３０を運転するのが好ましい。
【００７１】
一方、エンジン始動後において、触媒２の温度が活性温度よりも低いために触媒２を急速に加熱する必要が生じた場合には、燃料ノズル１３から燃料を噴射するとともに空気ノズル１４から燃焼用空気を噴射し、そしてグロープラグ１２に通電することにより混合気を着火し燃焼させて火炎Ｆを発生させ、触媒２を加熱する運転も実施可能である。
また、これらバーナ１０の運転方法を組み合わせることも可能である。
【００７２】
〔第５の実施の形態〕
次に、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の第５の実施の形態を図５を参照して説明する。
【００７３】
第５の実施の形態は前述した第４の実施の形態の変形例であり、第４の実施の形態との相違点はグロープラグ１２の設置位置にある。第４の実施の形態では、グロープラグ１２を筒体５内の凹部５ａにおける下流側端部に設けているが、この第５の実施の形態では、ケーシング３内において筒体５の上流側開口５ｃよりも上流側にグロープラグ１２が設けられている。
【００７４】
この場合、燃料ノズル１３から燃料を噴射するとともに空気ノズル１４から燃焼用空気を噴射し、これと同時にグロープラグ１２に通電すると、筒体５内で燃料と空気が混合され、この混合気が筒体５内を上流方向へ向かって流れ、筒体５の上流側開口５ｃからさらに上流へ向けて吹き出される。そして、混合気は上流側開口５ｃから吹き出されるときにグロープラグ１２によって着火され、燃焼し、その火炎Ｆが筒体５内にも形成されることとなって、触媒２を加熱する。
【００７５】
その他の構成及び作用については前述した第４の実施の形態と同一であるので、同一態様部分に図中同一符号を付して説明を省略する。
尚、第４の実施の形態あるいは第５の実施の形態において、バーナ１０の燃焼用空気の取入口を、排気管１内において火炎Ｆよりも上流側に位置するように配置することも可能である。このようにすると、前述した第３の実施の形態の場合と同様に、バーナ１０の着火時に発生する虞れのある未燃ＨＣ成分を燃焼用空気と共に吸引してバーナ１０で再燃焼させることができ、バーナ１０での燃焼に起因する未燃ＨＣ成分の車外放出量を極めて少なくすることができる。
【００７６】
【発明の効果】
本出願の第１の発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、該触媒の温度を上昇させるべきときに作動するバーナとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒の上流に、前記バーナの火炎に晒されて火炎の熱を蓄熱する前記触媒よりも耐熱性が高い蓄熱材が設けられていることにより、バーナでの燃焼による熱を一旦蓄熱材に蓄熱した後、その蓄熱材に蓄熱された熱で触媒を加熱することができるので、触媒を熱劣化させることなく、触媒を効率的に且つ急速に昇温することができるという優れた効果が奏される。
【００７７】
また、前記蓄熱材を前記バーナよりも上流に設け、バーナの火炎が蓄熱材に向かって形成されるようにし、前記バーナの燃焼用空気の取入口を前記蓄熱材よりも上流の排気通路に設けた場合には、バーナ着火時に発生する虞れのある未燃ＨＣ成分をバーナで再燃焼させることができるので、バーナでの燃焼に起因する未燃ＨＣ成分の車外放出量を極めて少なくすることができる。
【００７８】
本出願の第２の発明によれば、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、該触媒の温度を上昇させるべきときに作動するバーナとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒にはその上流側端面で開口し下流側に延びる凹部が設けられ、この凹部内を下流側から上流側に向かって前記バーナの燃料と燃焼用空気が流れ、バーナの火炎の少なくとも一部が前記凹部内に形成されることにより、バーナでの燃焼による熱を触媒の内側から伝熱させて該触媒を加熱することができるので、触媒を熱劣化させることなく、触媒を効率的に且つ急速に昇温することができるという優れた効果が奏される。
【００７９】
また、本出願に係る第１の発明あるいは第２の発明において、前記バーナを内燃機関の始動前に着火した場合には、触媒をエンジン始動前に暖機し活性させることができるので、エンジン始動時の排気エミッションを低減することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本出願に係る内燃機関の排気浄化装置の第１の実施の形態における概略構成を示す図である。
【図２】 本出願に係る内燃機関の排気浄化装置の第２の実施の形態における概略構成を示す図である。
【図３】 本出願に係る内燃機関の排気浄化装置の第３の実施の形態における概略構成を示す図である。
【図４】 本出願に係る内燃機関の排気浄化装置の第４の実施の形態における概略構成を示す図である。
【図５】 本出願に係る内燃機関の排気浄化装置の第５の実施の形態における概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 排気管（排気通路）
２ 触媒
３ ケーシング
４ 蓄熱材
５ 筒体
５ａ 凹部
５ｂ 消炎体
５ｃ 上流側開口
２１ ポンプ
３０ コンプレッサ
１０ バーナ
１１ ノズル
１２ グロープラグ
１３ 燃料ノズル
１４ 空気ノズル
３３ 燃焼用空気の取入口
Ｆ 火炎
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、該触媒の温度を上昇させるべきときに作動するバーナとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記触媒の上流に、前記バーナの火炎に晒されて火炎の熱を蓄熱する前記触媒よりも耐熱性が高い蓄熱材が設けられ、
前記蓄熱材が前記バーナよりも上流に設けられ、バーナの火炎が蓄熱材に向かって形成され、
前記触媒にはその上流側端面で開口し下流側に延びる凹部が設けられ、この凹部内を下流側から上流側に向かって前記バーナの燃料と燃焼用空気が流れ、バーナの火炎が触媒の上流側端面から前記蓄熱材に向かって形成されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記バーナの燃焼用空気の取入口は前記蓄熱材よりも上流の排気通路に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、該触媒の温度を上昇させるべきときに作動するバーナとを備えた内燃機関の排気浄化装置において、
前記触媒にはその上流側端面で開口し下流側に延び前記触媒よりも耐熱性が高く且つ熱伝導性を有する金属の筒体により形成される凹部が設けられ、この凹部内を下流側から上流側に向かって前記バーナの燃料と燃焼用空気が流れ、バーナの火炎の少なくとも一部が前記凹部内に形成されることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 - 前記バーナが内燃機関の始動前に着火されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
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