JP2012012985A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】排気経路中に着火装置を設ける構成において、着火装置の失火の判定を容易にする。
【解決手段】触媒迂回路3a(第1の分岐路)および外枠8a内(第2の分岐路)が排気通路を構成すると共に、燃料添加弁7からの燃料がグロープラグ21により着火され、着火による火炎の少なくとも一部が触媒迂回路3aに供給される。そして排気の空燃比を検出するためのA/Fセンサ31が、触媒迂回路3aに配置されている。火炎の少なくとも一部が供給される触媒迂回路3aにおいては、燃焼によって酸素濃度が低下するので、空燃比の検出への酸素濃度の影響を抑制することができ、したがってグロープラグ21の失火判定を容易にすることができる。
【選択図】図2
【解決手段】触媒迂回路3a(第1の分岐路)および外枠8a内(第2の分岐路)が排気通路を構成すると共に、燃料添加弁7からの燃料がグロープラグ21により着火され、着火による火炎の少なくとも一部が触媒迂回路3aに供給される。そして排気の空燃比を検出するためのA/Fセンサ31が、触媒迂回路3aに配置されている。火炎の少なくとも一部が供給される触媒迂回路3aにおいては、燃焼によって酸素濃度が低下するので、空燃比の検出への酸素濃度の影響を抑制することができ、したがってグロープラグ21の失火判定を容易にすることができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、内燃機関の排気通路に設けられて排気に燃料を供給する燃料添加弁を有する排気装置に関する。
内燃機関の排気通路に燃料を供給する燃料添加弁を備えた排気装置が種々提案されている。特許文献1が開示するエンジンでは、排気を加熱するためのバーナと、排気に燃料を添加するための燃料添加弁を含むλ制御用ガス供給手段とを、排気通路における触媒コンバータの上流側に配置し、これらバーナ及びガス供給手段の下流側であって触媒コンバータの上流側に、空燃比を検出するためのラムダセンサを配置している。
上記特許文献1の装置においては、ラムダセンサによって検出される空燃比に基づいて、バーナの失火判定が可能であると考えられる。しかし、内燃機関からの排気やガス供給手段からの供給ガスに含まれる酸素の影響によって、バーナの失火判定が困難になるおそれがある。
本発明は、排気経路中に着火装置を設ける構成において、着火装置の失火の判定を容易にすることを目的とする。
本発明の1態様は、
内燃機関の排気通路を構成する第1の分岐路および第2の分岐路と、前記排気通路に配置された燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料に着火させる着火装置と、を備え、前記着火による火炎の少なくとも一部が前記第1の分岐路に供給される内燃機関の排気装置において、
排気の空燃比を検出するための空燃比センサが、前記第1の分岐路に配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置である。
内燃機関の排気通路を構成する第1の分岐路および第2の分岐路と、前記排気通路に配置された燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料に着火させる着火装置と、を備え、前記着火による火炎の少なくとも一部が前記第1の分岐路に供給される内燃機関の排気装置において、
排気の空燃比を検出するための空燃比センサが、前記第1の分岐路に配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置である。
この態様では、第1の分岐路および第2の分岐路が排気通路を構成すると共に、燃料添加弁からの燃料が着火装置により着火され、着火により生じた火炎の少なくとも一部が第1の分岐路に供給される。そして排気の空燃比を検出するための空燃比センサが、第1の分岐路に配置されている。火炎の少なくとも一部が供給される第1の分岐路においては、燃焼によって酸素濃度が低下するので、空燃比の検出への排ガスやガス導入手段からの酸素濃度の影響を抑制することができ、したがって着火装置の失火判定を容易にすることができる。
好適には、前記第2の分岐路に触媒コンバータが配置されている。この態様では、触媒コンバータにより排気を浄化でき、また、燃料添加弁からの燃料が当該触媒コンバータに供給される場合には、反応による発熱や供給燃料の改質を図ることができる。
この場合において、好適には、前記第1の分岐路は、前記第2の分岐路と熱交換可能に配置されている。この態様では、第1の分岐路中に存在する火炎により第2の分岐路内の触媒コンバータを昇温させることが可能になる。この場合において、第1の分岐路が第2の分岐路の外周を囲むように配置されているのが特に好適である。さらに本発明では、火炎が第1の分岐路と第2の分岐路との下流側の合流点に到達する場合に、第2の分岐路の触媒コンバータを通過し改質された燃料を燃焼させることも可能になる。
なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。
本発明によれば、排気経路中に着火装置を設ける構成において、着火装置の失火の判定を容易にすることができる。
本発明の好適な実施形態について、以下に詳細に説明する。ただし、本発明の実施態様は下記の各態様のみに限らず、本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含むことに注意しなければならない。実施形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
図1は実施形態におけるエンジン本体1と、その吸排気系の概略構成を示す。エンジン本体1は、車載の4サイクル・ディーゼルエンジンである。エンジン本体1には、吸気管2および排気管3(排気通路)が接続されている。吸気管2の途中には、吸気管2内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ4が設けられている。このエアフローメータ4により、エンジン本体1への吸入空気量が測定される。なお、エンジン本体1は複数の気筒を有し、各気筒には筒内燃料噴射弁9が設けられているが、図1では単一の筒内燃料噴射弁9のみを示している。
排気管3の終端は、図示しない消音器に接続され、消音器の出口で大気に開放されている。排気管3の途中には、酸化触媒コンバータ6及びNOx触媒コンバータ26が、この順に直列に配置されている。酸化触媒コンバータ6は、HC,COなどの未燃成分をO2と反応させてCO,CO2,H2O等とする。触媒物質としては例えばPt/CeO2、Mn/CeO2、Fe/CeO2、Ni/CeO2、Cu/CeO2等を用いることができる。NOx触媒コンバータ26は、好ましくは、吸蔵還元型NOx触媒コンバータ(NSR: NOx Storage Reduction)からなる。NOx触媒コンバータ26は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のNOxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元成分(例えば、燃料等)が存在するときは吸蔵していたNOxを還元する機能を有する。NOx触媒コンバータ26は、アルミナAl2O3等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ptのような貴金属と、NOx吸収成分とが担持されて構成されている。NOx吸収成分は、例えばカリウムK、ナトリウムNa,リチウムLi、セシウムCsのようなアルカリ金属、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類、ランタンLa、イットリウムYのような希土類から選ばれた少なくとも一つから成る。なお、NOx触媒コンバータ26は選択還元型NOx触媒コンバータ(SCR: Selective Catalytic Reduction)であってもよい。
排気管3における酸化触媒コンバータ6の上流には、燃料添加弁7、前処理触媒コンバータ8、およびグロープラグ21が配置されている。これら燃料添加弁7、前処理触媒コンバータ8、およびグロープラグ21は、バーナ装置30を構成する。バーナ装置30は、エンジン本体1に接続された排気マニホールド(不図示)の集合部よりも下流側に配置されている。
燃料添加弁7は、排気中に液体の燃料(軽油)を添加することができる。燃料タンク11は、燃料吸引管12、低圧燃料ポンプ13、高圧燃料ポンプ14、燃料供給管15及び可変燃圧レギュレータ16を介して、燃料添加弁7に接続されている。燃料ポンプ13,14が、燃料吸入管12を介して燃料タンク11に貯留されている燃料を吸入し、燃料供給管15へと吐出することで、燃料添加弁7に燃料が供給される。エンジン本体1に設置された筒内燃料噴射弁9への配管27には、高圧燃料ポンプ28が設けられている。詳細は図示しないが、配管27は気筒数に応じた数の筒内燃料噴射弁9に向けて分岐している。燃料ポンプ13,14,28は例えば機械式であり、エンジン本体1の図示しない出力軸(クランクシャフト)の駆動力を利用して作動する。なお燃料ポンプ13,14,28の少なくとも一つは電動式であってもよい。
可変燃圧レギュレータ16は、高圧燃料ポンプ14から吐出される燃料の圧力を調整する。図4に示されるように、可変燃圧レギュレータ16は、ニードルバルブ17を備えている。このニードルバルブ17は、燃料供給管15から分岐された分岐通路18に開口するオリフィス17aを有するバルブシート17bと、このバルブシート17bに離接して上記オリフィス17aを開閉するニードル17cとから構成されている。可変燃圧レギュレータ16は、更に、ニードルバルブ17に一体に連結された図示しない磁性アーマチュアと、このアーマチュアを下方(ニードルバルブ17を閉じる方向)に付勢する図示しないスプリングと、上記アーマチュアと図示しない磁気コアからなる磁気回路に磁束を発生させるためのコイル19とを備えている。
要求される燃圧に基づいて、コイル19に通電する電流の大きさを制御し、磁気コアとアーマチュアとから構成される磁気回路内の磁束を変化させると、アーマチュアを下方に付勢する力が制御されて、スプリングの付勢力がアシストされ、ニードルバルブ17の開度が調整される。
コイル19が通電されないときに、ニードルバルブ17が最も開いており、その近傍で燃圧は第2圧力P2(例えば5MPa)となる。コイル19に通電する電流を徐々に増加すると、ニードルバルブ17が徐々に閉じられて、燃圧が上昇する。供給電流が最大値の近傍である時に、吐出される燃料は第1圧力P1(例えば10MPa)に制御される。なお、燃圧レギュレータは、他の構成、例えばスプリングのバネ圧を最大燃圧に対応する値に設定し、コイル19にてアーマチュアを上方に付勢して圧縮することにより燃圧を調整するタイプのものでもよい。
図2において、燃料添加弁7は単一の噴孔7aを有しており、噴孔7aの噴孔軸7bは、排気管3を横断する方向の成分を含み、且つ排気管3の下流に向けて傾斜している。なお噴孔は複数であってもよい。
排気管3における燃料添加弁7と酸化触媒コンバータ6との間の部分に、燃料添加弁7から噴射された燃料を改質する前処理触媒コンバータ8が設けられている。この前処理触媒コンバータ8は、例えばゼオライト製の担体にロジウム等を担持させた酸化触媒コンバータとして構成することができる。
燃料が前処理触媒コンバータ8に供給されると、そのとき前処理触媒コンバータ8が活性化していれば、前処理触媒コンバータ8内で燃料が酸化させられ、このとき発生する酸化反応熱によって、前処理触媒コンバータ8が昇温させられる。また、前処理触媒コンバータ8の温度が高くなると、燃料中の炭素数の多い炭化水素が分解して、炭素数が少なく反応性の高い炭化水素が生成され、これによって燃料が反応性の高い燃料に改質される。換言すれば、前処理触媒コンバータ8は、一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では、改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。また、燃料添加弁7から供給された燃料の一部又は全部は、グロープラグ21により着火され、これによって排ガスの昇温が促進される。
前処理触媒コンバータ8の外径は、排気管3の内径よりも小さく、前処理触媒コンバータ8が排気管3に収容されると、前処理触媒コンバータ8の外周面と排気管3の内周面との隙間である触媒迂回路3aに排気が通過することが可能になる。前処理触媒コンバータ8は、個々のセルが上流から下流へと連通した所謂ストレートフロー型である。前処理触媒コンバータ8は概ね円筒状の外枠8a内に配置されており、この外枠8aは、概ね放射状に配置された複数のステー8bによって排気管3内に支持されている。前処理触媒コンバータ8は、ステー8bを除く実質的に全周にわたって、触媒迂回路3aに囲まれている。
図2及び図3に示されるように、排気管3は、概ね円筒形状に形成されている。前処理触媒コンバータ8における排気流れ方向の軸心は、排気管3の排気流れ方向の軸心よりも図中下方に偏向している。このため、前述した触媒迂回路3aは、図中上側が広い広大側迂回路3bであり、かつ下側が狭い狭小側迂回路3cとなっている。
グロープラグ21は、燃料添加弁7よりも下流側であって、前処理触媒コンバータ8よりも上流側に設置されている。グロープラグ21は、昇圧回路22を経て車載直流電源23に接続されており、通電された際に発生する熱により、燃料添加弁7から供給された燃料に着火して火炎Fを生じさせることが可能である。グロープラグ21は、その軸心が排気管3の上流に向けて傾斜しているが、例えば流れ方向に直交し且つ後に述べる衝突板20の長手方向と平行に配置するなど、任意の姿勢で配置することができる。なお、着火手段としては、セラミックヒータやスパークプラグなどの他の装置、とくに電熱式または火花着火式の装置を用いることができる。
前処理触媒コンバータ8を収容している外枠8aの前端部の下部は、上流側に向けて突出した樋状の突出部8cになっている。突出部8cには、概ね平坦な衝突板20が固定されている。衝突板20は、排気管3内で下側に偏向した位置に配置されており、且つ下流側に向けてやや傾斜させられている。
衝突板20は、SUSなどの耐熱性及び耐衝撃性に優れた材料から形成することができる。燃料添加弁7は、衝突板20に向けて、斜め下向きに燃料を噴射する。燃料添加弁7から供給される燃料の軌道は、排気管3を横断する方向の成分を含む。衝突板20は、燃料が衝突することによって燃料の微粒化、霧化を促進させ、分散性、拡散性を向上させる。衝突板20に衝突した燃料は、排気流によって下流側に偏向される。衝突板20に衝突した燃料は、前処理触媒コンバータ8及びグロープラグ21の発熱部21aに供給される。燃料添加弁7の軸心は、衝突板20の中心20aに向けられているが、噴射された燃料が排気側に流されることを考慮して、中心20aよりも上流側に向けられていてもよい。
グロープラグ21は、前処理触媒コンバータ8の近傍、かつ前処理触媒コンバータ8の前端面のやや上流側の上方に配置され、これによって前処理触媒コンバータ8と熱交換可能にされている。すなわち、グロープラグ21は、前処理触媒コンバータ8が昇温するとその熱輻射および対流よりその発熱部21aの近傍が昇温されて、燃料添加弁7から供給された燃料の着火が促進されるような位置に配置されている。ただし、グロープラグ21の流れ方向の位置は、前処理触媒コンバータ8の前端面と同じであっても、これより下流側であってもよい。
触媒迂回路3aには、A/Fセンサ31が設置されている。A/Fセンサ31の検出点の位置は、運転中の酸素濃度が触媒迂回路3a内において最小又は極小となる位置、あるいは最小値又は極小値から所定範囲内となるような位置に設定するのが好適である。A/Fセンサ31は、酸素イオン伝導性材料(例えばジルコニア)からなるシート状の固体電解質素子、及び当該固体電解質素子を挟んだ一対の電極を有するものであり、排ガス中の酸素濃度に比例した出力を発生する。A/Fセンサ31は、内蔵されたヒータによって固体電解質を直接加熱するいわゆる積層型のものであるが、大気層を介して間接的に固体電解質を加熱するいわゆるコップ型であってもよい。
エンジン本体1には、エンジン本体1の運転条件や運転者の要求に応じて運転状態を制御するための電子制御ユニットであるECU10が併設されている。このECU10は、エンジン本体1の制御に係る各種演算処理を実行するCPU、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたROM、CPUの演算結果等が一時記憶されるRAM、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成される。
ECU10には、上述したエアフローメータ4及びA/Fセンサ31の他、エンジン本体1のクランク角を検出するクランクポジションセンサ24、アクセル開度に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ25、NOx触媒コンバータ26の下流側の排気通路に配置されたNOxセンサ32、エンジン冷却水温を検出する水温センサ33、NOx触媒コンバータ26の入口近傍に設けられた固体電解質等からなるSOxセンサ34、及び、不図示の駆動輪の近傍に配置され車速を検出する車速センサ35を含む各種センサ類が、電気配線を介して接続され、これらの出力信号がECU10に入力される。また、ECU10には、燃料添加弁7、筒内燃料噴射弁9、及び可変燃圧レギュレータ18を含む各種アクチュエータ類が電気配線を介して接続され、これらがECU10によって制御される。ECU10は、クランクポジションセンサ24の出力値に基づいて機関回転数を検出し、アクセル開度センサ25の出力値に基づいてエンジン本体1の要求負荷を検出することができる。
本実施形態では、燃料の着火による昇温処理、前処理触媒コンバータ8及び酸化触媒コンバータ6に対するPM酸化処理、NOx触媒コンバータ26に対するNOx還元処理及びSOx被毒回復処理を実施する際に、ECU10が燃料添加弁7を制御して燃料を排気中に噴射させ、この燃料を前処理触媒コンバータ8、酸化触媒コンバータ6及びNOx触媒コンバータ26に供給する。
燃料添加弁7に噴射される燃料の噴射量は、前述した着火昇温処理、PM酸化処理、NOx還元処理、SOx被毒回復処理、PM再生処理など、個々の制御毎に設定することができる。ECU10のROM内には、エンジン本体1の運転状態に適合する目標総噴射量を算出するための目標総噴射量算出マップが、上記処理の種別(着火昇温処理、酸化処理、NOx還元処理、SOx被毒回復処理、PM再生処理など)毎に記憶されている。そして、燃料噴射制御を行う場合、ECU10は、機関回転数、アクセル開度、吸入空気量を検出し、これらをパラメータとして目標総噴射量算出マップへとアクセスし、目標総噴射量を算出する。ECU10は、目標総噴射量の燃料が燃料添加弁7から噴射されるように、その開弁時間を算出する。そして、ECU10は、燃料添加弁7(詳しくは、燃料添加弁7を開閉駆動させる駆動機構(不図示))に指令を出すことで当該燃料添加弁7を開弁させ、算出された開弁時間が経過した時点で閉弁させる。
ECU10のROM内には更に、触媒迂回路3a内の空燃比と、燃料添加弁7からの噴射圧すなわち可変燃圧レギュレータ16の設定燃圧とを互いに関連付けて記憶させた燃料圧力マップが格納されている。図5に示されるように、この燃料圧力マップでは、空燃比が高いほど設定燃圧が高くなるように設定されている。ECU10のROM内には更に、失火判定に用いるための基準値である基準空燃比の値が格納されている。
以上のとおり構成された本実施形態では、ECU10は、燃料添加弁7及び可変燃圧レギュレータ18を制御して、着火を伴う燃料の噴射を実行させる。ECU10は、A/Fセンサ31の検出値によって燃料圧力マップを参照することで、目標燃圧を読み出し、可変燃圧レギュレータ16を制御して、燃料添加弁7に供給される燃料の燃圧を目標燃圧にさせる。
そしてECU10は、エンジンの動作中あるいは燃料添加弁7からの燃料の供給中にわたり、A/Fセンサ31によって検出される空燃比の値を繰返し読み込み、この検出値を予め定められた基準空燃比と比較し、検出値が基準空燃比を上回った場合に失火と判定する。失火と判定した場合には、燃料添加及び着火に係るバーナ装置30の制御を禁止する。なお、ECU10は失火と判定した場合に、例えば昇圧回路22を制御してグロープラグ21への供給電圧を上昇させるといった回復制御ないし清浄運転を実行してもよい。
以上のとおり、本実施形態では、触媒迂回路3a(第1の分岐路)および外枠8a内(第2の分岐路)が排気通路を構成すると共に、燃料添加弁7からの燃料がグロープラグ21により着火され、着火により生じた火炎Fの少なくとも一部が触媒迂回路3aに供給される。そして排気の空燃比を検出するためのA/Fセンサ31が、触媒迂回路3aに配置されている。火炎の少なくとも一部が供給される触媒迂回路3aにおいては、燃焼によって酸素濃度が低下するので、空燃比の検出への酸素濃度の影響を抑制することができ、したがってグロープラグ21の失火判定を容易にすることができる。
また、本実施形態では外枠8a内(第2の分岐路)に前処理触媒コンバータ8が配置されているので、前処理触媒コンバータ8により排気を浄化でき、また、燃料添加弁7からの燃料が前処理触媒コンバータ8に供給されるので、反応による発熱や供給燃料の改質を図ることができる。
また本実施形態では、触媒迂回路3a(第1の分岐路)は、外枠8a内(第2の分岐路)と熱交換可能に配置されているので、触媒迂回路3a中に存在する火炎Fにより外枠8a内の前処理触媒コンバータ8を昇温させることが可能になる。また、触媒迂回路3aが外枠8aの外周を囲むように配置されているので、火炎が触媒迂回路3aと外枠8a内との下流側の合流点に到達する場合に、外枠8a内の前処理触媒コンバータ8を通過し改質された燃料を燃焼させることも可能になる。
さらに本実施形態では、空燃比に応じて燃料噴射量を変更するために、グロープラグ21の下流側に設けたA/Fセンサ31によって検出された空燃比が高いほど、燃料添加弁7から供給される燃料の圧力を高くしたので、燃料添加弁7の噴孔の詰まりなどの劣化に伴うリーン化などの動作不良があった場合にも、燃料の量を適切にして失火を抑制することができる。
本発明をある程度の具体性をもって説明したが、クレームされた発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。本発明の実施態様は上述の各態様のみに限らず、本発明は、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例を含む。したがって本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。
例えば、燃料圧力の制御は、高圧ポンプ14の吐出圧力を変更することで行ってもよく、この場合には可変燃圧レギュレータを不要とすることができる。
前処理触媒コンバータ及び排気管のうち少なくとも一方は、断面が楕円形や長円形など、非円形であってもよい。排気管3の横断方向の間隔は、前処理触媒コンバータ8がグロープラグ21(着火装置)の発熱部分よりも燃料添加弁7に近くてもよい。前処理触媒コンバータ8よりも下流側に存在する他の排気処理装置の種類や順序も任意である。
1 エンジン本体
3 排気管
6 酸化触媒コンバータ
7 燃料添加弁
8 前処理触媒コンバータ
9 筒内燃料噴射弁
10 ECU
16 可変燃圧レギュレータ
20 衝突板
21 グロープラグ
21a 発熱部
26 NOx触媒コンバータ
30 バーナ装置
3 排気管
6 酸化触媒コンバータ
7 燃料添加弁
8 前処理触媒コンバータ
9 筒内燃料噴射弁
10 ECU
16 可変燃圧レギュレータ
20 衝突板
21 グロープラグ
21a 発熱部
26 NOx触媒コンバータ
30 バーナ装置
Claims (4)
- 内燃機関の排気通路を構成する第1の分岐路および第2の分岐路と、前記排気通路に配置された燃料添加弁と、前記燃料添加弁から添加された燃料に着火させる着火装置と、を備え、前記着火による火炎の少なくとも一部が前記第1の分岐路に供給される内燃機関の排気装置において、
排気の空燃比を検出するための空燃比センサが、前記第1の分岐路に配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。 - 請求項1に記載の内燃機関の排気装置であって、
前記第2の分岐路に触媒コンバータが配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。 - 請求項2に記載の内燃機関の排気装置であって、
前記第1の分岐路は、前記第2の分岐路と熱交換可能に配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。 - 請求項3に記載の内燃機関の排気装置であって、
前記第1の分岐路は、前記第2の分岐路の外周を囲むように配置されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
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