JP5206884B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関に係り、特に、排気通路内の排気処理装置の上流側に、排気温度を昇温させるためのバーナー装置を設けた内燃機関に関する。

内燃機関の排気通路において、排気処理装置（触媒等）の上流側にバーナー装置を設け、バーナー装置で生成された加熱ガスを利用して排気温度を昇温し、排気処理装置を加熱し、排気処理装置の暖機を促進する場合がある。

特許文献１には、燃料を噴射する添加弁と、噴射燃料を着火させるための発熱部を有する着火手段とを備えた触媒昇温装置が開示されている。添加弁と着火手段とは、添加弁から噴射された燃料が発熱部に直接接触するような位置に配設されている。このように前記バーナー装置は、典型的に、排気通路内に噴射された燃料を適宜な着火手段によって着火し、燃焼させるものである。

ところで、バーナー装置の着火性能は、これを通過する排気ガス流量が所定値以上に増大したときに低下する傾向にある。その理由は、排気ガス流量が大きいと着火手段の雰囲気ガス温度が低下するためと、ガス流速が速くなり、着火しても火種が消えてしまうためである。

そこで本発明の一の目的は、バーナー装置を通過する排気ガス流量が増大したときでも十分な着火性能を確保することができる内燃機関を提供することにある。

特開２００６−１１２４０１号公報

本発明の一の態様によれば、
排気通路に設けられた排気処理装置と、
前記排気処理装置の上流側に設けられ、排気温度を昇温させるためのバーナー装置と、
排気弁のバルブタイミングを可変にするための可変機構と、
前記バーナー装置を通過する排気ガスの流量が所定値以上のときに、膨張行程途中のピストン下降中に前記排気弁が開弁するよう前記可変機構を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関が提供される。

膨張行程途中のピストン下降中に排気弁を開弁させると、その時に燃焼室内に存在する高温の排気ガスあるいは燃焼ガスをバーナー装置に送り、バーナー装置の雰囲気ガス温度を上昇させることができる。よって、排気ガス流量が所定値以上に増大したときでも十分な着火性能を確保することが可能となる。

好ましくは、前記内燃機関は、前記排気ガス流量の代用値としての吸入空気量を検出する検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記検出手段によって検出された吸入空気量が所定値以上のときに、膨張行程途中のピストン下降中に前記排気弁が開弁するよう前記可変機構を制御する。

好ましくは、前記バーナー装置が、燃料添加弁、着火手段および前処理触媒コンバータを含む。

図１は、本発明の実施形態の概略図である。 図２は、バーナー装置を示す縦断側面図である。 図３は、バーナー装置を上流側から見たときの縦断正面図である。 図４は、排気弁の開弁時の様子を示す概略図である。

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に単位時間当たりに流入する吸入空気量（すなわち吸気流量）が検出される。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、上流側からこの順番で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Ｏ_２と反応させてＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ等とする。触媒物質としては例えばＰｔ／ＣｅＯ_２、Ｍｎ／ＣｅＯ_２、Ｆｅ／ＣｅＯ_２、Ｎｉ／ＣｅＯ_２、Ｃｕ／ＣｅＯ_２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Ａｌ_２Ｏ_３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。

これら酸化触媒コンバータ６およびＮＯｘ触媒コンバータ２６に加えて、排気中の煤等の微粒子（ＰＭ、パティキュレート）を捕集するパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が設けられてもよい。好ましくはＤＰＦは、貴金属からなる触媒が担持され、捕集した微粒子を連続的に酸化燃焼する連続再生式のものである。好ましくはＤＰＦは、少なくとも酸化触媒コンバータ６の下流側であって、且つＮＯｘ触媒コンバータ２６の上流側若しくは下流側に配置される。なお火花点火式内燃機関の場合、排気通路に三元触媒が設けられるのが好ましい。これら酸化触媒コンバータ６、ＮＯｘ触媒コンバータ２６、ＤＰＦおよび三元触媒が、本発明の排気処理装置に該当する。

排気管３における酸化触媒コンバータ６の上流側にはバーナー装置３０が配置されている。バーナー装置３０は、燃料添加弁７、着火手段としてのグロープラグ２１、および前処理触媒コンバータ８を含む。バーナー装置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。

図２および図３に詳しく示すように、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。燃料添加弁７は単一の噴孔７ａを有している。噴孔７ａの中心軸は、排気管３を横断する方向の成分を含み、且つ排気管３の下流に向けて斜め下に傾斜している。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。よって前処理触媒コンバータ８を通過する排気ガスを昇温することができる。

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、これによっても排気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の取付部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。

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在している。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、その発熱部２１ａが、燃料添加弁７よりも下流側で且つ前処理触媒コンバータ８よりも上流側に位置するように設置されている。グロープラグ２１は、図示しない昇圧回路を経て車載直流電源に接続されており、通電された際に発熱部２１ａが発熱する。発熱部２１ａで発生した熱により、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させたり、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の先端部（上流端部）且つ上端部には、平板からなる衝突板２０が固定されている。衝突板２０は、排気管３の軸心より下側に位置され、且つ上流端より下流端が下側に位置するよう若干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、斜め後方下向きに燃料を噴射する。燃料添加弁７の噴孔７ａの中心軸は、衝突板２０の上面の中心２０ａに向けられている。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。

グロープラグ２１の発熱部２１ａ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の前端面に対しやや上流側且つ上方に配置され、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の発熱部２１ａ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。

図１に示すように、エンジン本体１には、エンジン本体１の運転状態や運転者の要求等に応じて各種デバイスを制御するための電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、エンジン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を記憶するＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶する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の他、エンジン本体１のクランク角を検出するクランク角センサ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、筒内燃料噴射弁９、燃料添加弁７、及びグロープラグ２１を含む各種デバイス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、エアフローメータ４の出力値に基づいて吸入空気量を検出し、クランク角センサ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。

さらにエンジン本体１には、図示しない各気筒の吸気弁および排気弁のバルブタイミングをそれぞれ可変にするための吸気側可変機構４１および排気側可変機構４２が設けられている。これら可変機構４１，４２は、それぞれ、クランクシャフトに対する吸気カムシャフト４３および排気カムシャフト４４の相対位相を変更し、吸気弁および排気弁の開閉タイミングを、同一の作用角を保ったまま変更する機構である。これら可変機構４１，４２も各種デバイスに含まれ、ＥＣＵ１０によって制御される。

本実施形態では、バーナー装置３０を用いた昇温制御を実施する際に、ＥＣＵ１０が燃料添加弁７およびグロープラグ２１を制御する。すなわち、燃料添加弁７から燃料を噴射させ、グロープラグ２１を適宜通電して十分な高温とする。噴射燃料はグロープラグ２１により着火、燃焼され、これによって火炎Ｆが生成され、高温の加熱ガスが生成される。この加熱ガスが酸化触媒コンバータ６及びＮＯｘ触媒コンバータ２６に供給される。また火炎Ｆや加熱ガスを利用して、前処理触媒コンバータ８の出口から排出された改質燃料を燃焼させることもできる。

燃料添加弁７から噴射される燃料の量は、ＥＣＵ１０のＲＯＭ内に予め記憶されたマップに従って、エンジン運転状態を表すパラメータ（機関回転数、アクセル開度、吸入空気量等）に基づき設定される。

さて、上述したように、バーナー装置３０の着火性能は、これを通過する排気ガス流量が所定値以上に増大したときに低下する傾向にある。その理由は、排気ガス流量が大きいと、着火手段たるグロープラグ２１の雰囲気ガス温度が低下するためである。例えば、排気ガス流量が１２ｇ／ｓに増大したとき、良好な着火燃焼を得るには、グロープラグ２１の雰囲気にある排気ガスの温度として１５０℃以上が必要である。しかし、かかる排気ガス流量の条件下でそのような排気ガス温度を得るのは実際上困難である。

そこで本実施形態では、この対策として、当該排気ガス流量が所定値以上のときに、膨張行程途中のピストン下降中に排気弁が開弁するよう、排気側可変機構４２を制御することとしている。

図４に示すように、膨張行程あるいは燃焼行程の途中で且つピストン１２の下降中に排気弁１３を開弁させる（すなわち早開きさせる）と、その時に燃焼室１４内に存在する高温の排気ガスあるいは燃焼ガスを排気管３ひいてはバーナー装置３０に送り、バーナー装置３０のグロープラグ２１周辺の雰囲気ガス温度を上昇させることができる。よって、排気ガス流量が所定値以上に増大したときでも良好かつ十分な着火性能を確保することができる。なお図４において、１５は吸気弁、１６は吸気管２に連通する吸気ポート、１７は排気管３に連通する排気ポートを示す。

好ましくは、排気ガス流量の代用値として吸入空気量Ｇａが用いられる。この吸入空気量Ｇａはエアフローメータ４およびＥＣＵ１０により検出される。ＥＣＵ１０は、エアフローメータ４を用いて検出した吸入空気量Ｇａが所定値（例えば１２ｇ／ｓ）以上のとき、膨張行程途中で且つピストン下降中の所定の第１タイミングにおいて排気弁１３が開弁するよう（具体的には開弁を開始するよう）、排気側可変機構４２を制御する。他方、ＥＣＵ１０は、エアフローメータ４を用いて検出した吸入空気量Ｇａが前記所定値未満のとき、前記第１タイミングよりも遅い所定の第２タイミングにおいて排気弁１３が開弁するよう、排気側可変機構４２を制御する。

以上、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。

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。前処理触媒コンバータよりも下流側に存在する排気処理装置の種類や配列順序は任意である。

Claims (3)

1. 排気通路に設けられた排気処理装置と、
   前記排気処理装置の上流側に設けられ、排気温度を昇温させるためのバーナー装置と、
   排気弁のバルブタイミングを可変にするための可変機構と、
   前記バーナー装置を通過する排気ガスの流量が所定値以上のときに、膨張行程途中のピストン下降中に前記排気弁が開弁するよう前記可変機構を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記排気ガス流量の代用値としての吸入空気量を検出する検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記検出手段によって検出された吸入空気量が所定値以上のときに、膨張行程途中のピストン下降中に前記排気弁が開弁するよう前記可変機構を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記バーナー装置が、燃料添加弁、着火手段および前処理触媒コンバータを含む
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。

Images