WO2011161716A1 - 排気加熱装置 - Google Patents

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森泰一
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust heating device for increasing the temperature of exhaust gas in order to activate and maintain the exhaust purification device in an internal combustion engine provided with the exhaust purification device.
  • An internal combustion engine in which an exhaust heating device is incorporated in an exhaust passage upstream of the exhaust purification device in order to promote activation of the exhaust purification device at the start of the internal combustion engine or to maintain its active state during operation of the internal combustion engine. It is disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2.
  • the exhaust gas heating device generates a heating gas in the exhaust gas, and supplies the generated heating gas to the exhaust gas purification device on the downstream side, thereby promoting activation of the exhaust gas purification device or maintaining an active state. Is.
  • the exhaust heating device generally includes a fuel supply valve that supplies fuel into the exhaust passage, and an ignition device such as a glow plug that generates heated gas by heating and igniting the fuel.
  • a small oxidation catalyst is arranged in the exhaust passage downstream of the ignition device in order to increase the temperature of the heated gas.
  • This oxidation catalyst has its own heat generation function and fuel reforming function to a low carbon component, but is different in configuration from the oxidation catalyst used as part of the exhaust purification device.
  • An object of the present invention is to provide an exhaust heating apparatus for an internal combustion engine that can stably ignite fuel even in an operation state in which a large amount of low-temperature exhaust flows.
  • An exhaust heating device for an internal combustion engine is an exhaust heating device for heating exhaust gas guided from an internal combustion engine to an exhaust gas purification device, and exhausts an inflow port into which exhaust flows and an exhaust gas flowing in from the inflow port.
  • An expansion chamber having an outflow port, the inflow port and the outflow port communicating with the exhaust passage, a fuel supply valve disposed in the expansion chamber and supplying fuel into the expansion chamber, and opposed to the fuel supply valve
  • a fuel diffusion plate disposed in the expansion chamber for colliding the fuel supplied from the fuel supply valve into the expansion chamber and diffusing the fuel in the expansion chamber, and the fuel disposed in the expansion chamber
  • Ignition means for igniting fuel supplied from the supply valve into the expansion chamber, the expansion chamber having a circular peripheral surface, and an exhaust passage communicating with the inflow port A center axis of the exhaust passage communicating with the outflow port is shifted from a center axis of the exhaust passage, and the fuel diffusion plate is connected to the inflow port of the expansion chamber. It extends along the peripheral surface of the said
  • the “displaced state” refers to a state in which the central axis of the exhaust passage communicating with the inflow port and the central axis of the exhaust passage communicating with the outflow port are not aligned in a straight line. Therefore, the exhaust gas flowing into the expansion chamber from the exhaust passage via the inflow port forms a swirling flow along the peripheral surface of the expansion chamber.
  • the fuel supplied from the fuel supply valve collides with the fuel diffusion plate and diffuses, and flows in the expansion chamber along the swirl flow.
  • the ignition means ignites this fuel and raises the temperature of the exhaust. Exhaust gas that has reached a high temperature due to fuel combustion in the diffusion chamber is sent from the outflow port to the exhaust gas purification device via the exhaust passage.
  • the exhaust heating apparatus for an internal combustion engine of the present invention can further include an oxidation catalyst disposed in an exhaust passage between the expansion chamber and the exhaust purification device.
  • the fuel can be diffused in the expansion chamber by the fuel diffusion plate that collides with the fuel supplied from the fuel supply valve into the expansion chamber.
  • the flow velocity of the exhaust gas flowing from the exhaust passage through the inflow port into the expansion chamber can be reduced, and at the same time a swirling flow can be formed. For this reason, combined with the presence of the fuel diffusion plate that partitions between the inflow port and the outflow port, the exhaust gas flowing into the expansion chamber can be retained in the expansion chamber for a longer time.
  • the temperature control of the exhaust purification device can be performed more efficiently.
  • the fuel supply valve and ignition means are arranged away from the inflow port of the expansion chamber, the fuel will be supplied and ignited in a region where the flow rate of the exhaust gas becomes more stable, making it difficult to misfire the flame. Can do.
  • the fuel supplied to the expansion chamber is more uniform. Diffusion can be performed.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing an embodiment of an engine system incorporating an exhaust heating apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of a portion of the exhaust heating apparatus in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an operation procedure of the exhaust heating apparatus in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram schematically showing another embodiment of the exhaust heating apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram schematically showing another embodiment of the exhaust heating apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram schematically showing still another embodiment of the exhaust heating apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram schematically showing still another embodiment of the exhaust heating apparatus for an internal combustion engine according to the present invention.
  • Embodiments in which the present invention is applied to a compression ignition type multi-cylinder internal combustion engine incorporating an exhaust emission control device will be described in detail with reference to FIGS.
  • the present invention is not limited to such an embodiment, and the configuration can be freely changed according to required characteristics.
  • the present invention is also effective for a spark ignition type internal combustion engine in which gasoline, alcohol, LNG (liquefied natural gas) or the like is used as fuel and is ignited by a spark plug.
  • the engine 10 in the present embodiment is a compression ignition type multi-cylinder (four cylinders in the illustrated example) internal combustion that spontaneously ignites by directly injecting light oil as fuel into the combustion chamber 12 in a compressed state from the fuel injection valve 11. Is an institution. However, a single cylinder internal combustion engine may be used due to the characteristics of the present invention.
  • the depression amount of the accelerator pedal 13 is detected by an accelerator opening sensor 15, and the detection information is output to the ECU 14.
  • the crank angle phase of the engine 10 is detected by the crank angle sensor 16 in the driving state of the vehicle, and the detection information is output to the ECU.
  • An intake manifold 18 communicating with each combustion chamber 12 is also attached to a cylinder head 17 in which a valve mechanism or the like (not shown) is incorporated.
  • An intake pipe 20 that defines an intake passage 19 together with the intake manifold 18 includes an air cleaner 21, a surge tank 22, a compressor 24 of a supercharger 23, an intercooler 25, a throttle valve 26, from the upstream end side.
  • An exhaust pipe 29 that defines an exhaust passage 28 together with an exhaust manifold 27 attached to the cylinder head 17 includes an exhaust turbine 30 of the supercharger 23, an exhaust heating device 31 according to the present invention, and exhaust gas from the upstream end side.
  • the purifier 32 is arranged in order.
  • an air flow meter 33 that detects the flow rate of the intake air flowing therethrough and outputs this to the ECU 14, and detects the temperature of the intake air and sends this to the ECU 14.
  • An output intake air temperature sensor 34 is arranged.
  • the throttle valve 26 has its opening controlled by a throttle drive motor 35 based on the amount of depression of the accelerator pedal 13 and the driving state of the vehicle.
  • the opening degree of the throttle valve 26 is detected by a throttle opening degree sensor 36, and the detection information is output to the ECU 14.
  • the ECU 14 controls the operation of the throttle drive motor 35 so that the throttle valve 26 has a preset opening based on the driving state of the vehicle and detection information from the accelerator opening sensor 15 and the throttle opening sensor 36.
  • the throttle drive motor 35 can be omitted and the throttle valve 26 and the accelerator pedal 13 can be mechanically linked. In a compression ignition type internal combustion engine, the throttle valve 26 can be omitted. .
  • the exhaust heating device 31 is for generating a heated gas and supplying it to the downstream exhaust purification device 32 to maintain its activation and active state.
  • the exhaust heating device 31 in this embodiment includes an expansion chamber 37, a fuel supply valve 38, a fuel diffusion plate 39, a glow plug 40 as an ignition means in the present invention, and an oxidation catalyst 41.
  • FIG. 2 schematically shows the side shape of the expansion chamber 37 shown in FIG.
  • the expansion chamber 37 includes a peripheral wall 37a having a circular cylindrical peripheral surface, a hemispherical upper wall 37b positioned on one end side (upper side in FIG. 2) and projecting outward, and the opposite side thereof. That is, it is defined by the bottom wall 37c located on the lower side in FIG.
  • An inflow port 42 through which exhaust flows in is formed at one end of the peripheral wall 37a, and an outflow port 43 through which exhaust gas flowing in from the inflow port 42 is discharged is formed at the other end of the peripheral wall 37a.
  • An exhaust pipe 29 is connected to the outflow port 43.
  • the exhaust passage 28 communicating with the inflow port 42 is tangentially connected to the peripheral wall 37a of the expansion chamber 37 and the central axis A thereof is connected to the central axis B of the exhaust passage 28 communicating with the outflow port 43 in FIG.
  • the state is shifted in the vertical direction.
  • the exhaust passage 28 communicating with the outflow port 43 also communicates with the peripheral wall 37a of the expansion chamber 37 in the tangential direction, and the exhaust gas flowing into the expansion chamber 37 from the inflow port 42 flows out as it is swung along the peripheral wall 37a. It flows out from the port 43 to the exhaust passage 28 outside the expansion chamber 37.
  • the expansion chamber 37 is a chamber that temporarily stores the exhaust gas, that is, an exhaust pool, so that the exhaust gas flowing into the expansion chamber 37 from the inflow port 42 is not immediately discharged from the outflow port 43 to the exhaust passage 28 outside the expansion chamber 37. Function as. Accordingly, even when the flow rate of the exhaust gas flowing into the expansion chamber 37 from the exhaust passage 28 via the inflow port 42 is high, the flow rate of the exhaust gas flowing through the expansion chamber 37 is greatly reduced, so that the flame is blown out. It is possible to avoid problems that would occur.
  • the exhaust turbine 30 of the supercharger 23 is arranged in the exhaust passage 28 upstream of the inflow port 42 of the expansion chamber 37, and the exhaust swirl flow generated by the exhaust turbine 30 is guided into the expansion chamber 37 from the inflow port 42.
  • the fuel supply valve 38 is arranged in the expansion chamber 37 and supplies fuel into the expansion chamber 37.
  • the fuel supply valve 38 is supplied by the ECU 14 based on the presence / absence of the activated state of the exhaust purification device 32 and the driving state of the vehicle. Timing and supply amount are controlled.
  • the fuel diffusion plate 39 is disposed in the expansion chamber 37 so as to face the fuel supply valve 38, collides the fuel supplied from the fuel supply valve 38 into the expansion chamber 37, and diffuses the fuel in the expansion chamber 37. This is to promote vaporization.
  • the fuel diffusion plate 39 extends along the peripheral wall 37a of the expansion chamber 37 from the vicinity of the inflow port 42 so as to partition the inflow port 42 and the outflow port 43 of the expansion chamber 37, and the axis of the peripheral wall 37a.
  • the shape and the like are set so as to promote the swirling flow of the exhaust around C.
  • the fuel diffusion plate 39 is arranged with an approximately half-circular extension from the inflow port 42 so as to be orthogonal to the axis C of the peripheral wall 37a, but the shape and position thereof are shown in the illustrated embodiment. Note that it is not limited to:
  • the glow plug 40 is arranged in the expansion chamber 37 to ignite the fuel supplied from the fuel supply valve 38 into the expansion chamber 37.
  • the glow plug 40 is connected to a DC power source (not shown) for supplying power to the glow plug 40 and a booster circuit, and its surface temperature is controlled by the ECU 14.
  • the glow plug 40 is disposed apart from the inflow port 42 of the expansion chamber 37 together with the fuel supply valve 38, and is located on the opposite side of the inflow port 42 across the axis C of the peripheral wall 37a in this embodiment.
  • the exhaust gas flowing into the expansion chamber 37 from the inflow port 42 flows along the peripheral wall 37 a while being guided by the fuel diffusion plate 39, and is guided to a region where the fuel supply valve 38 and the glow plug 40 are disposed. .
  • the vaporization of the fuel accompanying the good mixing of the fuel and the exhaust gas is promoted.
  • most of the fuel supplied from the fuel supply valve 38 is glowed. It is ignited by the plug 40 to generate a heated gas, which mixes with the exhaust and raises the temperature.
  • a ceramic heater or the like instead of the glow plug 40 as the ignition means of the present invention.
  • the presence of the fuel diffusion plate 39 causes the liquid fuel to collide with the fuel diffusion plate 39 and scatter in the form of a mist, whereby the fuel whose atomization has been promoted is ignited by the glow plug 40. ing. For this reason, even in a cold state, the ignitability of the fuel can be improved, and the temperature of the exhaust can be raised more reliably.
  • the oxidation catalyst 41 disposed in the exhaust passage 28 between the expansion chamber 37 and the exhaust purification device 32 has a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the exhaust passage 28, so that part of the exhaust passes through the oxidation catalyst 41. Allows you to pass without. That is, the flow rate of the exhaust gas that passes through the oxidation catalyst 41 is lower than the flow rate of the exhaust gas that does not pass here, and the exhaust gas that passes through the oxidation catalyst 41 can be further heated.
  • the oxidation catalyst 41 is sufficiently hot, that is, in an activated state, the glow plug 40 can be de-energized and the air-fuel mixture can be directly combusted in the oxidation catalyst 41.
  • the oxidation catalyst 41 when the oxidation catalyst 41 is not activated, such as when the engine 10 is cold started, it is necessary to energize the glow plug 40 and generate a flame in the expansion chamber 37.
  • the oxidation catalyst 41 reaches a high temperature, hydrocarbons having a large number of carbon atoms in the unburned mixture are decomposed and reformed into hydrocarbons having a low carbon number and high reactivity.
  • the oxidation catalyst 41 functions on the one hand as a rapid heating element that rapidly generates heat, and on the other hand as a fuel reforming catalyst that generates reformed fuel.
  • the exhaust purification device 32 can be activated and maintained in an active state quickly.
  • the exhaust heating device 31 can be said to be extremely advantageous for improving the so-called cold emission state immediately after the engine 10 is cold-started.
  • the exhaust purification device 32 is for detoxifying harmful substances generated by combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 12.
  • Exhaust purification apparatus of the present embodiment 32 although the oxidation catalyst 44 in order from the upstream side of the exhaust passage 28 comprises a three-way catalyst and NO X catalyst, conveniently an oxidation catalyst disposed on the most upstream end 44 Only illustrated.
  • the oxidation catalyst 44 incorporates a catalyst temperature sensor 45 that detects the hearth temperature and outputs it to the ECU 14.
  • the ECU 14 controls the operation of the exhaust heating device 31, that is, the fuel supply valve 38 and the glow plug 40 according to a preset program based on the driving state of the vehicle and the detection signal from the catalyst temperature sensor 45.
  • the catalyst bed temperature T n is the case of T R or less, which is an indicator of its activation, the exhaust gas purifying device 32 is determined not to be activated.
  • the glow plug 40 is energized and fuel is supplied from the fuel supply valve 38 into the expansion chamber 37 to raise the temperature of the exhaust gas passing through the expansion chamber 37.
  • the exhaust gas purifying device 32 is determined to be activated, the supply of fuel to the expansion chamber 37 by the fuel supply valve 38 At the same time, the glow plug 40 is turned off.
  • the control procedure of the exhaust heating device 31 is shown in the flowchart of FIG. That is, whether the catalyst bed temperature T n is equal to or less than the activation determination index temperature T R at S1 in step.
  • the catalyst bed temperature T n exceeds the activation determination index temperature T R, that is, the exhaust purification device 32 is determined to be activated is terminated without doing anything.
  • the catalyst bed temperature T n at S1 in step is less than the activation determination index temperature T R, that is, when the exhaust gas purification device 32 is determined not to be activated, the process proceeds to S2 of the step
  • the glow plug 40 is energized.
  • step S3 fuel is supplied from the fuel supply valve 38, heating gas is generated in the expansion chamber 37, and the temperature of the exhaust purification device 32 is increased. Then, it is determined whether the catalyst bed temperature T n exceeds the activation determination index temperature T R at step S4.
  • the catalyst bed temperature T n does not exceed the activation determination index temperature T R, that is, when the exhaust purification device 32 determines that it has not yet activated, continuing the supply of the fuel back to the step S3 Then, the heated gas is continuously sent to the exhaust purification device 32 to promote its activation.
  • step S4 The catalyst bed temperature T n at step S4 exceeds the activation determination index temperature T R, that is, when the exhaust gas purification device 32 is determined to be activated, the process proceeds to step S5.
  • step S5 the supply of fuel into the expansion chamber 37 by the fuel supply valve 38 is stopped, and the glow plug 40 is turned off to stop the operation of the exhaust heating device 31.
  • the above control is continuously performed as long as the engine 10 is operating, regardless of the operating state.
  • the present embodiment has been adapted to control the operation of the exhaust heating device 31 based on the catalyst bed temperature T n, operation of the exhaust heating device 31 based such as the intake flow rate and the intake air temperature or the throttle opening and the engine rotational speed Naturally, it is possible to control more precisely.
  • the structure of the expansion chamber 37 is not limited to the above-described embodiment, and an optimum configuration can be adopted in accordance with desired characteristics. Examples thereof are shown below with reference to FIGS.
  • the elements having the same functions as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the fuel diffusion plate 39 is attached to the peripheral wall 37 a in a spiral state so that a spiral swirl flow is easily formed in the expansion chamber 37.
  • the inflow port 42 and the outflow port 43 can be disposed upside down, and the expansion chamber 37 can be laid down so that the axis C of the peripheral wall 37a is horizontal.
  • the central axis A of the exhaust passage 28 that communicates with the inflow port 42 and the central axis B of the exhaust passage 28 that communicates with the outflow port 43 are arranged so as to intersect three-dimensionally. is there.
  • the fuel diffusion plate 39 is spirally twisted by the same angle with respect to the lead angle of the swirling flow of the exhaust gas in the exhaust passage 28 formed by the exhaust turbine 30 of the supercharger 23, and the peripheral wall 37a. It is attached to.
  • the swirl flow of the exhaust gas formed by the exhaust turbine 30 is guided to the outflow port 43 side without being displaced too much in the expansion chamber 37.

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Abstract

　本発明の排気加熱装置(３１)は、排気が流入する流入ポート(４２)および流入した排気を排出する流出ポート(４３)を有し、これらが排気通路(２８)に連通する拡張室(３７)と、拡張室(３７)内に燃料を供給するための燃料供給弁(３８)と、燃料を拡張室(３７)内に拡散させるための燃料拡散板(３９)と、燃料を拡張室(３７)内で着火させるための着火手段(４０)とを具え、流入ポート(４２)に連通する排気通路(２８)が拡張室(３７)の円形の周面(３７ａ)に対して接線方向に接続し、その中心軸線(Ａ)が流出ポート(４３)に連通する排気通路(２８)の中心軸線(Ｂ)に対してずれ、燃料拡散板(３９)が流入ポート(４２)の直近から拡張室(３７)の周面(３７ａ)に沿って延在して流入ポート(４２)と流出ポート(４３)との間を仕切る。

Description

排気加熱装置
　本発明は、排気浄化装置が設けられた内燃機関において、排気浄化装置を活性化および活性状態の維持のために排気の温度を高める排気加熱装置に関する。
　内燃機関の始動時に排気浄化装置の活性化を促進させたり、内燃機関の運転中にその活性状態を維持するため、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に排気加熱装置を組み込んだ内燃機関が特許文献１や特許文献２に開示されている。この排気加熱装置は、排気中に加熱ガスを生成し、この生成された加熱ガスを下流側の排気浄化装置に供給することにより、排気浄化装置の活性化を促進させたり、活性状態を維持するものである。このため、排気加熱装置は、燃料を排気通路中に供給する燃料供給弁と、この燃料を加熱して着火させることにより、加熱ガスを生成させるグロープラグなどの着火装置とを一般的に有する。さらに、この加熱ガスの昇温を図るために小型の酸化触媒を着火装置よりも下流側排気通路に配したものも知られている。この酸化触媒は、それ自体の発熱機能と低炭素成分への燃料の改質機能とを有するものであるが、排気浄化装置の一部として用いられる酸化触媒とは構成が相違する。
特開２００９－１５６１６４号公報 特開２００９－２０９８０４号公報
　特許文献１や特許文献２に開示された排気加熱装置において、内燃機関に関する吸気流量が大きくなる運転状態の場合、排気通路を流れる排気の流速も相対的に上昇する。このため、排気加熱装置の燃料供給弁から排気通路に供給された燃料が着火装置の周囲に留まることができず、着火したとしても排気の流れによって火炎が吹き消されてしまい、未燃の燃料が排気浄化装置側へ流入してしまう可能性がある。このような不具合は、燃焼室への燃料の供給を停止することにより排気温が低下しやすいエンジンブレーキの作動時において特に大きく現れる。
　本発明の目的は、低温の排気が大量に流れるような運転状態であっても、燃料の着火を安定して継続させることができる内燃機関の排気加熱装置を提供することにある。
　本発明による内燃機関の排気加熱装置は、内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱するための排気加熱装置であって、排気が流入する流入ポートおよびこの流入ポートから流入した排気を排出する流出ポートを有し、これら流入ポートおよび流出ポートが排気通路に連通する拡張室と、この拡張室に配されて当該拡張室内に燃料を供給するための燃料供給弁と、この燃料供給弁と対向するように前記拡張室内に配され、当該燃料供給弁から前記拡張室内に供給された燃料を衝突させてこれを拡張室内で拡散させるための燃料拡散板と、前記拡張室に配されて前記燃料供給弁から前記拡張室内に供給された燃料を着火させるための着火手段とを具え、前記拡張室は円形の周面を有し、前記流入ポートに連通する排気通路は、前記拡張室の周面に対して接線方向に接続すると共にその中心軸線が前記流出ポートに連通する排気通路の中心軸線に対してずれた状態となっており、前記燃料拡散板は前記拡張室の前記流入ポートと前記流出ポートとの間を仕切るように、前記流入ポートの直近から当該拡張室の周面に沿って延在していることを特徴とするものである。
　本発明において「ずれた状態」とは、流入ポートに連通する排気通路の中心軸線と、流出ポートに連通する排気通路の中心軸線とが一直線状に並ばない状態を指す。従って、排気通路から流入ポートを介して拡張室内に流入する排気は、拡張室の周面に沿って旋回流を形成する。燃料供給弁から供給された燃料は、燃料拡散板に衝突して拡散し、旋回流に沿って拡張室内を流れる。着火手段は、この燃料を着火させて排気の温度を上昇させる。拡散室内での燃料の燃焼により高温となった排気は、流出ポートから排気通路を介して排気浄化装置へと送出される。
　本発明の内燃機関の排気加熱装置において、拡張室と排気浄化装置との間の排気通路に配される酸化触媒をさらに具えることができる。
　燃料供給弁および着火手段を拡張室の流入ポートから離れて配することが好ましい。
　拡張室よりも上流側の排気通路に過給機の排気タービンが配され、この排気タービンによって生ずる排気の旋回流が拡張室内に導かれるようにすることが有効である。
　本発明の内燃機関の排気加熱装置によると、燃料供給弁から拡張室内に供給された燃料が衝突する燃料拡散板によって、燃料を拡張室内で拡散させることができる。また、排気通路から流入ポートを介して拡張室内に流入する排気の流速を低下させ、同時に旋回流を形成させることができる。このため、流入ポートと流出ポートとの間を仕切る燃料拡散板の存在と相俟って、拡張室内に流入した排気をより長時間に亙って拡張室内に留めることが可能となる。以上の結果、排気の流速が高まる内燃機関の高回転運転領域であっても、また、より多量の燃料を拡張室内に供給しても、燃料の燃焼によって得られる火炎が吹き消されるような不具合が起こらない。このため、拡張室内に供給された燃料の安定した燃焼を継続させることができ、排気触媒装置に対してより高温の排気を供給することが可能である。
　拡張室と排気浄化装置との間の排気通路に配される酸化触媒を具えた場合、排気浄化装置の温度制御をさらに効率よく行うことができる。
　燃料供給弁および着火手段を拡張室の流入ポートから離れて配した場合、排気の流速がより安定した状態となった領域にて燃料の供給および着火が行われるため、火炎を失火させにくくすることができる。
　拡張室よりも上流側の排気通路に過給機の排気タービンが配され、この排気タービンによって生ずる排気の旋回流を拡張室内に導くようにした場合、拡張室内に供給される燃料のより均一な拡散を行うことができる。
図１は、本発明による内燃機関の排気加熱装置が組み込まれたエンジンシステムの一実施形態を模式的に表す概念図である。 図２は、図１に示した実施形態における排気加熱装置の部分の正面図である。 図３は、図１に示した実施形態における排気加熱装置の作動手順を表すフローチャートである。 図４は、本発明による内燃機関の排気加熱装置の他の実施形態を模式的に表す概念図である。 図５は、本発明による内燃機関の排気加熱装置の別な実施形態を模式的に表す概念図である。 図６は、本発明による内燃機関の排気加熱装置のさらに別な実施形態を模式的に表す概念図である。 図７は、本発明による内燃機関の排気加熱装置のさらに他の実施形態を模式的に表す概念図である。
　本発明を排気浄化装置が組み込まれた圧縮点火方式の多気筒内燃機関に応用した実施形態について、図１～図３を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、要求される特性に応じてその構成を自由に変更することが可能である。例えば、ガソリンやアルコールまたはＬＮＧ（液化天然ガス）などを燃料としてこれを点火プラグにて着火させる火花点火式内燃機関に対しても本発明は有効である。
　本実施形態におけるエンジンシステムの主要部を模式的に図１に示すが、吸排気のための動弁機構やＥＧＲ装置などは便宜的に省略されている。本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１２内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火式の多気筒（図示例では４気筒）内燃機関である。しかしながら、本発明の特性上、単気筒の内燃機関であってもかまわない。この燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に供給される燃料の量および噴射タイミングは、運転者によるアクセルペダル１３の踏み込み量と、車両の運転状態とに基づいてＥＣＵ(Electronic Control Unit)１４により制御される。アクセルペダル１３の踏み込み量はアクセル開度センサー１５により検出され、その検出情報がＥＣＵ１４に出力されるようになっている。また、車両の運転状態のうち、エンジン１０のクランク角位相はクランク角センサー１６によって検出され、その検出情報がＥＣＵに出力されるようになっている。
　図示しない動弁機構などが組み込まれたシリンダーヘッド１７には、各燃焼室１２に連通する吸気マニホールド１８も取り付けられている。この吸気マニホールド１８と共に吸気通路１９を画成する吸気管２０には、その上流端側からエアークリーナー２１と、サージタンク２２と、過給機２３のコンプレッサー２４と、インタークーラー２５と、スロットル弁２６とが順に配されている。また、シリンダーヘッド１７に取り付けられる排気マニホールド２７と共に排気通路２８を画成する排気管２９には、その上流端側から過給機２３の排気タービン３０と、本発明における排気加熱装置３１と、排気浄化装置３２とが順に配されている。
　エアークリーナー２１とサージタンク２２との間の吸気通路１９には、ここを流れる吸気の流量を検出してこれをＥＣＵ１４に出力するエアーフローメーター３３と、吸気の温度を検出してこれをＥＣＵ１４に出力する吸気温センサー３４とが配されている。
　スロットル弁２６は、アクセルペダル１３の踏み込み量と車両の運転状態とに基づき、スロットル駆動モーター３５によりその開度が制御されるようになっている。スロットル弁２６の開度はスロットル開度センサー３６により検出され、その検出情報がＥＣＵ１４に出力される。ＥＣＵ１４は、車両の運転状態とアクセル開度センサー１５およびスロットル開度センサー３６からの検出情報とに基づき、スロットル弁２６が予め設定された開度となるように、スロットル駆動モーター３５の作動を制御する。なお、スロットル駆動モーター３５を省略してスロットル弁２６とアクセルペダル１３とを機械的に連動させることも可能であり、圧縮点火方式の内燃機関においては、スロットル弁２６を省略することも可能である。
　排気加熱装置３１は、加熱ガスを生成してこれを下流側の排気浄化装置３２に供給し、その活性化および活性状態を維持するためのものである。本実施形態における排気加熱装置３１は、拡張室３７と、燃料供給弁３８と、燃料拡散板３９と、本発明における着火手段としてのグロープラグ４０と、酸化触媒４１とを具えている。
　図１に示した拡張室３７の側面形状を図２に模式的に示す。この拡張室３７は、円形の筒状をなす周面を有する周壁３７ａと、その一端側（図２中、上側）に位置して外側に突出する半球状の上壁３７ｂと、その反対側、つまり図２中、下側に位置する底壁３７ｃとで画成されている。周壁３７ａの一端部には排気が流入する流入ポート４２が形成されており、周壁３７ａの他端部には流入ポート４２から流入した排気を排出する流出ポート４３が形成され、これら流入ポート４２および流出ポート４３に排気管２９が接続している。流入ポート４２に連通する排気通路２８は、拡張室３７の周壁３７ａに対して接線方向に接続すると共にその中心軸線Ａが流出ポート４３に連通する排気通路２８の中心軸線Ｂに対して図２中、上下方向にずれた状態となっている。この場合、流出ポート４３に連通する排気通路２８も拡張室３７の周壁３７ａに対して接線方向に連通し、流入ポート４２から拡張室３７に流入した排気が周壁３７ａに沿って旋回しながらそのまま流出ポート４３から拡張室３７の外の排気通路２８へと流出する。つまり、流入ポート４２から拡張室３７に流入した排気が直ちに流出ポート４３から拡張室３７の外の排気通路２８へと排出されないように、拡張室３７は排気を一時的に蓄えるチャンバー、つまり排気溜まりとして機能する。従って、排気通路２８から流入ポート４２を介して拡張室３７内に流入する排気の流速が高い状態であっても、拡張室３７内を流れる排気の流速が大きく減速される結果、火炎が吹き消されてしまうような不具合を回避することができる。過給機２３の排気タービン３０は、拡張室３７の流入ポート４２よりも上流側の排気通路２８に配され、排気タービン３０によって生ずる排気の旋回流が流入ポート４２から拡張室３７内に導かれるようになっている。これにより、排気通路２８の中心軸線Ａに対して旋回状態で拡張室３７に流入する排気は、拡張室３７内で周壁３７ａの軸線Ｃに対してさらに旋回することとなる。
　燃料供給弁３８は、拡張室３７に配されて拡張室３７内に燃料を供給するためのものであり、排気浄化装置３２の活性状態の有無と車両の運転状態とに基づいてＥＣＵ１４によりその供給タイミングや供給量が制御されるようになっている。
　燃料拡散板３９は、燃料供給弁３８と対向するように拡張室３７内に配され、燃料供給弁３８から拡張室３７内に供給された燃料を衝突させてこれを拡張室３７内で拡散させて気化を促進させるためのものである。この燃料拡散板３９は、拡張室３７の流入ポート４２と流出ポート４３との間を仕切るように、流入ポート４２の直近から当該拡張室３７の周壁３７ａに沿って延在し、周壁３７ａの軸線Ｃ周りの排気の旋回流を助長するように形状などが設定されている。本実施形態では、燃料拡散板３９が周壁３７ａの軸線Ｃに対して直交するように、流入ポート４２からほぼ半周程度の拡がりを以て配されているが、その形状や位置については図示された実施形態に限定されるものではないことに注意されたい。
　グロープラグ４０は、拡張室３７に配されて燃料供給弁３８から拡張室３７内に供給された燃料を着火させるためのものである。このグロープラグ４０には、これに給電するための図示しない直流電源と昇圧回路とが接続し、その表面温度がＥＣＵ１４により制御される。グロープラグ４０は、燃料供給弁３８と共に拡張室３７の流入ポート４２から離れて配されており、本実施形態では周壁３７ａの軸線Ｃを挟んで流入ポート４２の反対側に位置する。このように、排気の流速が低下した領域にて燃料を着火させることにより、排気の流速により火炎が吹き消されてしまうような不具合を回避している。拡張室３７内では流入ポート４２から拡張室３７に流入する排気が燃料拡散板３９に案内されながら周壁３７ａに沿って流動し、燃料供給弁３８とグロープラグ４０とが配された領域に導かれる。この場合、排気が二方向に旋回することと相俟って、燃料と排気との良好な混合に伴う燃料の気化が促進される結果、燃料供給弁３８から供給された燃料の大部分がグロープラグ４０により着火されて加熱ガスを生成し、排気と混ざり合ってこれを昇温させる。なお、本発明の着火手段として、グロープラグ４０に代えてセラミックヒーターなどを用いることも可能である。
　本実施形態においては、燃料拡散板３９の存在により、液状の燃料を燃料拡散板３９に衝突させて霧状に飛散させ、これにより霧化が促進された燃料をグロープラグ４０により着火させるようにしている。このため、冷間状態であっても燃料の着火性を高めることができ、排気の昇温をより確実に行うことができる。
　拡張室３７と排気浄化装置３２との間の排気通路２８に配される酸化触媒４１は、排気通路２８の断面積よりも小さな断面積を有し、従って排気の一部が酸化触媒４１を通らずに通過することを可能にする。つまり、酸化触媒４１を通る排気の流速は、ここを通らない排気の流速よりも低速となり、酸化触媒４１を通る排気をさらに昇温させることが可能となる。酸化触媒４１が充分に高温、つまり活性化した状態では、グロープラグ４０に対する通電を切り、酸化触媒４１内で混合気を直接燃焼させることが可能である。しかしながら、エンジン１０の冷間始動時など、酸化触媒４１が活性化していない場合には、グロープラグ４０に対して通電を行い、拡張室３７内で火炎を発生されることが必要である。なお、酸化触媒４１が高温になると、未燃混合気中の炭素数の多い炭化水素が分解し、炭素数の少ない反応性の高い炭化水素に改質される。換言すれば、この酸化触媒４１は、一方ではそれ自体が急速に発熱する急速発熱体として機能し、他方では改質された燃料を生成させる燃料改質触媒として機能する。
　このようにして、拡張室３７内で加熱ガスが生成され、高温となった排気が酸化触媒４１を通ってさらに昇温し、未燃ガスも酸化触媒４１によって燃焼するか、あるいは活性の高い炭化水素に改質され、これらが排気浄化装置３２に供給される。この結果、排気浄化装置３２の活性化および活性状態の維持を迅速に行うことができる。特にこの排気加熱装置３１は、エンジン１０の冷態始動直後のいわゆるコールドエミッションの状態を改善するのに極めて有利であると言えよう。
　排気浄化装置３２は燃焼室１２内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するためのものである。本実施形態における排気浄化装置３２は、排気通路２８の上流側から順に酸化触媒４４と三元触媒とＮＯＸ触媒とを具えているが、便宜的に最上流端側に配された酸化触媒４４のみ図示している。この酸化触媒４４にはその炉床温度を検出してこれをＥＣＵ１４に出力する触媒温度センサー４５が組み込まれている。
　ＥＣＵ１４は、車両の運転状態と触媒温度センサー４５からの検出信号とに基づき、予め設定されたプログラムに従い、排気加熱装置３１、つまり燃料供給弁３８およびグロープラグ４０の作動を制御する。本実施形態では、触媒温度センサー４５からの検出信号に基づき、触媒床温度Ｔｎがその活性化の指標となるＴＲ以下の場合、排気浄化装置３２が活性化していないと判断する。そして、グロープラグ４０に対する通電を行うと共に燃料供給弁３８から燃料を拡張室３７内に供給し、拡張室３７を通過する排気の昇温を行う。逆に、触媒床温度Ｔｎが活性化判定指標温度ＴＲを越えている場合、排気浄化装置３２が活性化していると判断し、燃料供給弁３８による拡張室３７内への燃料の供給を停止すると共にグロープラグ４０に対する通電を切る。
　このような排気加熱装置３１の制御手順を図３のフローチャートに示す。すなわち、Ｓ１のステップにて触媒床温度Ｔｎが活性化判定指標温度ＴＲ以下であるか否かを判定する。ここで、触媒床温度Ｔｎが活性化判定指標温度ＴＲを越えている、すなわち排気浄化装置３２が活性化していると判断した場合には、何もせずに終了する。
　これに対し、Ｓ１のステップにて触媒床温度Ｔｎが活性化判定指標温度ＴＲ以下である、すなわち排気浄化装置３２が活性化していないと判断した場合には、Ｓ２のステップに移行してグロープラグ４０に対する通電を行う。さらにＳ３のステップにて燃料供給弁３８から燃料を供給し、拡張室３７内で加熱ガスを生成させ、排気浄化装置３２の昇温を図る。そして、Ｓ４のステップにて触媒床温度Ｔｎが活性化判定指標温度ＴＲを越えているか否かを判定する。ここで、触媒床温度Ｔｎが活性化判定指標温度ＴＲを越えていない、すなわち排気浄化装置３２がまだ活性化していないと判断した場合には、Ｓ３のステップに戻って燃料の供給を継続し、加熱ガスを引き続き排気浄化装置３２へと送ってその活性化を促進させる。
　Ｓ４のステップにて触媒床温度Ｔｎが活性化判定指標温度ＴＲを越えている、すなわち排気浄化装置３２が活性化していると判断した場合には、Ｓ５のステップに移行する。このＳ５のステップでは燃料供給弁３８による拡張室３７内への燃料の供給を停止すると共にグロープラグ４０に対する通電を切り、排気加熱装置３１の作動を停止させる。
　以上の制御は、エンジン１０の作動中であれば、どのような運転状態であっても継続的に行われる。本実施形態では、触媒床温度Ｔｎに基づいて排気加熱装置３１の作動を制御するようにしたが、吸気流量や吸気温度あるいはスロットル開度やエンジン回転速度などに基づいて排気加熱装置３１の作動をよりきめ細かく制御することも当然可能である。
　拡張室３７の構造は、上述した実施形態に限らず、希望する特性に応じて最適な構成のものを採用することが可能であり、以下にその例を図４～図７を用いて示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略する。
　図４に示す実施形態は、螺旋状の旋回流を拡張室３７内で形成されやすくするため、燃料拡散板３９を螺旋状にひねった状態で周壁３７ａに取り付けたものである。流入ポート４２と流出ポート４３とを上下逆に配することも可能であり、周壁３７ａの軸線Ｃが水平となるように拡張室３７を横倒し状態にすることも可能である。
　図５に示した実施形態は、流入ポート４２に連通する排気通路２８の中心軸線Ａと、流出ポート４３に連通する排気通路２８の中心軸線Ｂとが立体的に交差するように配したものである。
　図６に示す実施形態は、過給機２３の排気タービン３０により形成される排気通路２８内の排気の旋回流のリード角に対し、燃料拡散板３９を同じ角度だけ螺旋状にひねって周壁３７ａに取り付けたものである。このような構成を採用することにより、排気タービン３０により形成される排気の旋回流が拡張室３７内で余りくずれることなく、流出ポート４３側へと導かれる。
　図７に示す実施形態は、図６に示す実施形態と同じ効果を得るようにしたものであるが、周壁３７ａの径を小さくすると共に拡張室３７を全体的に細長くしたものである。
　なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
　１０　エンジン
　１１　燃料噴射弁
　１２　燃焼室
　１３　アクセルペダル
　１４　ＥＣＵ
　１５　アクセル開度センサー
　１６　クランク角センサー
　１７　シリンダーヘッド
　１８　吸気マニホールド
　１９　吸気通路
　２０　吸気管
　２１　エアークリーナー
　２２　サージタンク
　２３　過給機
　２４　コンプレッサー
　２５　インタークーラー
　２６　スロットル弁
　２７　排気マニホールド
　２８　排気通路
　２９　排気管
　３０　排気タービン
　３１　排気加熱装置
　３２　排気浄化装置
　３３　エアーフローメーター
　３４　吸気温センサー
　３５　スロットル駆動モーター
　３６　スロットル開度センサー
　３７　拡張室
　３７ａ　周壁
　３７ｂ　上壁
　３７ｃ　底壁
　３８　燃料供給弁
　３９　燃料拡散板
　４０　グロープラグ
　４１　酸化触媒
　４２　流入ポート
　４３　流出ポート
　４４　酸化触媒
　４５　触媒温度センサー
　Ａ，Ｂ　排気通路の中心軸線
　Ｃ　周壁の軸線
　Ｔｎ　触媒床温度
　ＴＲ　活性化判定指標温度

Claims (4)

  1. 　内燃機関から排気浄化装置に導かれる排気を加熱するための排気加熱装置であって、
    　排気が流入する流入ポートおよびこの流入ポートから流入した排気を排出する流出ポートを有し、これら流入ポートおよび流出ポートが排気通路に連通する拡張室と、
    　この拡張室に配されて当該拡張室内に燃料を供給するための燃料供給弁と、
    　この燃料供給弁と対向するように前記拡張室内に配され、当該燃料供給弁から前記拡張室内に供給された燃料を衝突させてこれを拡張室内で拡散させるための燃料拡散板と、
    　前記拡張室に配されて前記燃料供給弁から前記拡張室内に供給された燃料を着火させるための着火手段と
    　を具え、前記拡張室は円形の周面を有し、前記流入ポートに連通する排気通路は、前記拡張室の周面に対して接線方向に接続すると共にその中心軸線が前記流出ポートに連通する排気通路の中心軸線に対してずれた状態となっており、前記燃料拡散板は前記拡張室の前記流入ポートと前記流出ポートとの間を仕切るように、前記流入ポートの直近から当該拡張室の周面に沿って延在していることを特徴とする内燃機関の排気加熱装置。
  2. 　前記拡張室と排気浄化装置との間の排気通路に配される酸化触媒をさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  3. 　前記燃料供給弁および前記着火手段は、前記拡張室の前記流入ポートから離れて配されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気加熱装置。
  4. 　前記拡張室よりも上流側の排気通路に過給機の排気タービンが配され、この排気タービンによって生ずる排気の旋回流が前記拡張室内に導かれるようにしたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の内燃機関の排気加熱装置。
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