JP5472465B2 - 排気加熱装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関における排気浄化装置の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。
近年、内燃機関に対する厳しい排気規制に対処するため、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したりすることが必要となっている。このため、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などで提案されている。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、活性状態を維持したりするものである。このため、排気加熱装置は、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手段と、この着火手段に向けて燃料を噴射する燃料添加弁とを一般的に有する。
また、この特許文献1に開示された排気加熱装置においては、排気管に対して直交状態で接続する管体部を設け、この管体部によって画成される燃焼部に燃料添加弁から噴射された燃料を受ける衝突部材を配した構造が提案されている。グロープラグの発熱部は、この衝突部材と燃料添加弁との間に位置し、衝突部材によって排気通路から燃焼部に流入する排気と燃料添加弁から噴射される燃料との混合を促進させるようになっている。
引用文献1においては、衝突部材によって排気通路から燃焼部に流入する排気の流速を低下させ、衝突部材の周囲の燃焼領域に淀みを形成するようにしているため、排気通路からの新たな排気を効率よく燃焼部に流入させることができない。しかも、排気通路を流れる排気の流速が高まるほどベンチュリー効果によって燃焼部の圧損が大きくなり、排気通路を流れる排気の一部を燃焼部に流入させることが一層困難となる。この結果、燃料の着火が困難であったり、たとえ着火したとしても燃料の燃焼に伴って燃焼部の酸素濃度が急激に低下し、すぐに失火してしまう可能性があった。また、燃焼部への排気の流入が効率よく行われないことから、燃焼部で生成した燃焼ガスを効率よく排気通路へと流出させることも困難となり、改善が望まれる。
本発明の目的は、酸素濃度の低下を招来することなく、燃料の着火および燃焼を継続的に行い得ると共に燃焼ガスを効率よく排気通路へと流出させることができる排気加熱装置を提供することにある。
本発明による排気加熱装置は、内燃機関に接続すると共に排気通路を画成する排気管の途中に連結され、燃焼チャンバーを画成するハウジングと、前記排気管の壁に形成された連通口を介して前記排気通路に連通する前記燃焼チャンバーに燃料を噴射する燃料添加弁と、前記燃焼チャンバーに噴射された燃料を着火させるための発熱部を有する着火手段とを具え、前記排気通路を流れる排気の一部を前記連通口から前記燃焼チャンバーへと流入させ、ここで生成する燃焼ガスと共にこれを再び前記連通口から前記排気通路へと流出させるようにした排気加熱装置であって、前記連通口よりも前記排気通路の上流側に位置して前記連通口に隣接する前記排気管の壁面と、前記排気通路の上流側に位置する前記ハウジングの上流側壁面とのなす角が鈍角に設定され、前記連通口よりも前記排気通路の下流側に位置して前記連通口に隣接する前記排気管の壁面と、前記排気通路の下流側に位置する前記ハウジングの下流側壁面とのなす角が鈍角に設定され、前記燃料添加弁から噴射された燃料が前記ハウジングの下流側壁面に衝突し、前記連通口を通って前記排気通路側へと跳ね返るように、前記ハウジングの下流側壁面に対する前記燃料添加弁の姿勢が設定されていることを特徴とするものである。
本発明において、排気管の壁面に沿って排気通路を流れる排気は、連通口から排気管の壁面に沿って延在するハウジングの上流側壁面へと導かれ、燃焼チャンバー内に流入する。燃焼チャンバーに流入した排気は、燃料添加弁から噴射される燃料と新たな混合気を形成し、着火手段の発熱部により加熱を受けて着火し、燃焼する。生成した燃焼ガスは、新たに燃焼チャンバー内に流入する排気によりハウジングの下流側壁面に沿って押し出され、連通孔からハウジングの下流側壁面に沿って延在する排気管の壁面へと導かれ、再び排気通路へと流入する。
本発明による排気加熱装置において、ハウジングが連通口から離れたハウジングの上流側壁面の部分からさらに凹んで燃焼チャンバーに連通する燃料噴射室をさらに画成し、燃料添加弁は、この燃料噴射室を介して燃焼チャンバーに燃料を噴射するものであってよい。
着火手段の発熱部をハウジングの下流側壁面に近接して配することが好ましい。
ハウジングよりも排気通路の下流側に位置する排気管に排気浄化装置が連結されているものであってよい。
本発明の排気加熱装置によると、排気管の壁面に沿って排気通路を流れる排気の一部をハウジングの上流側壁面に沿って燃焼チャンバー内へと流入させた後、ハウジングの下流側壁面に沿って燃焼チャンバーから再び排気通路へと効率よく流出させることができる。この結果、燃焼チャンバー内での排気の淀みが起こりにくく、燃焼チャンバー内の酸素濃度の低下を回避することが可能であり、着火した燃料の失火を抑制して燃焼ガスを効率よく排気通路へと送り出すことができる。また、燃料添加弁から噴射された燃料が燃焼チャンバー内に滞留または残留せず、これをより確実に排気通路へと導くことができる。
ハウジングの上流側壁面の部分から凹む燃料噴射室を画成した場合、ハウジングの上流側壁面に沿って燃焼チャンバー内に流入する排気が燃料添加弁に衝突せず、従って排気に含まれる煤や未燃HCなどが燃料添加弁のノズルに付着しにくくなる。この結果、燃料添加弁の目詰まりによる不具合が発生せず、しかも排気熱による燃料添加弁の熱劣化を抑制することができる。
着火手段の発熱部をハウジングの下流側壁面に近接して配した場合、ハウジングの下流側壁面が発熱部によって加熱昇温する結果、ここに付着した燃料の気化を促進させることができ、燃料の燃焼効率を高めることができる。
ハウジングよりも排気通路の下流側に位置する排気管に排気浄化装置が連結されている場合、加熱状態の排気を排気浄化装置へと導いてその活性化および活性状態の維持を効率よく行うことができる。
本発明による排気加熱方法を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4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に示し、その主要部の制御ブロックを概略的に図2に示す。なお、図1にはエンジン10の吸排気のための動弁機構や消音器の他に、このエンジン10の補機として一般的な排気ターボ式過給機やEGR装置なども省略されている。また、エンジン10の円滑な運転のために必要とされる各種センサー類もその一部が便宜的に省略されていることに注意されたい。
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10a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。
燃焼室10aにそれぞれ臨む吸気ポート12aおよび排気ポート12bが形成されたシリンダーヘッド12には、吸気ポート12aを開閉する吸気弁13aおよび排気ポート12bを開閉する排気弁13bを含む図示しない動弁機構が組み込まれている。燃焼室10aの上端中央に臨む先の燃料噴射弁11もまた、これら吸気弁13aおよび排気弁13bに挟まれるようにシリンダーヘッド12に組み付けられている。
燃料噴射弁11から燃焼室10a内に供給される燃料の量および噴射時期は、運転者によるアクセルペダル14の踏み込み量を含む車両の運転状態に基づいてECU(Electronic Control Unit)15により制御される。アクセルペダル14の踏み込み量は、アクセル開度センサー16により検出され、その検出情報がECU15に出力される。
ECU15は、このアクセル開度センサー16や後述する各種センサー類などからの情報に基づき、車両の運転状態を判定する運転状態判定部15aと、燃料噴射設定部15bと、燃料噴射弁駆動部15cとを有する。燃料噴射設定部15bは、運転状態判定部15aでの判定結果に基づいて燃料噴射弁11からの燃料の噴射量や噴射時期を設定する。燃料噴射弁駆動部15cは、燃料噴射設定部15bにて設定された量の燃料が設定された時期に燃料噴射弁11から噴射されるように、燃料噴射弁11の作動を制御する。
吸気ポート12aに連通するようにシリンダーヘッド12に連結されて吸気ポート12aと共に吸気通路17aを画成する吸気管17の途中には、サージタンク18が形成されている。このサージタンク18よりも上流側の吸気管17には、スロットルアクチュエーター19を介して吸気通路17aの開度を調整するためのスロットル弁20が組み込まれている。また、スロットル弁20よりも上流側の吸気管17には、吸気通路17aを流れる吸気の流量を検出してこれをECU15に出力するエアーフローメーター21が取り付けられている。
先のECU15は、スロットル開度設定部15dと、スロットル弁駆動部15eとをさらに有する。スロットル開度設定部15dは、アクセルペダル14の踏み込み量に加え、先の運転状態判定部15aでの判定結果に基づいてスロットル弁20の開度を設定する。スロットル弁駆動部15eは、スロットル弁20がスロットル開度設定部15dにて設定された開度となるように、スロットルアクチュエーター19の作動を制御する。
ピストン24aが往復動するシリンダーブロック24には、連接棒24bを介してピストン24aが連結されるクランク軸24cの回転位相、つまりクランク角を検出してこれをECU15に出力するクランク角センサー25が取り付けられている。ECU15の運転状態判定部15aは、このクランク角センサー25からの情報に基づき、クランク軸24cの回転位相やエンジン回転数の他に車両の走行速度などを実時間で把握する。
排気ポート12bに連通するようにシリンダーヘッド12に連結される排気管23は、排気ポート12bと共に排気通路23aを画成する。下流端側に取り付けられた図示しない消音器よりも上流側の排気管23の途中には、燃焼室10a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排気浄化装置26が取り付けられている。本実施形態における排気浄化装置26は、少なくとも酸化触媒26aを含むが、この他にDPF(Diesel Particulate Filter)やNOX吸蔵触媒などを組み込むことも可能である。酸化触媒26aは、主として排気に含まれる未燃ガスを酸化、つまり燃焼させるためのものである。
従って、吸気通路17aから燃焼室10a内に供給される吸気は、燃料噴射弁11から燃焼室10a内に噴射される燃料と混合気を形成する。そして、ピストン24aの圧縮上死点近傍にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気が排気浄化装置26を通って排気管23から大気中に排出される。
排気浄化装置26よりも上流側の排気管23の途中には、加熱ガスを生成してこれを下流側に配された排気浄化装置26に供給し、その活性化および活性状態を維持するための排気加熱装置22が配されている。この排気加熱装置22の主要部を抽出拡大して図3に示す。本実施形態における排気加熱装置22は、ハウジング27と、燃料添加弁28と、グロープラグ29とを具えている。
ハウジング27は、エンジン10に接続すると共に排気通路23aを画成する排気管23の途中に連結されて燃焼チャンバー30を画成する。本実施形態におけるハウジング27は、排気管23の壁に形成された連通口23bから離れたハウジング27の上流側壁面27Uの部分から、凹んで燃焼チャンバー30に連通する燃料噴射室31をさらに画成する。この燃料噴射室31は、燃焼チャンバー30から排気通路23aの上流側に沿った方向(図3中、左側)に凹んでおり、ここに燃料添加弁28のノズルが臨んだ状態となっている。
燃料添加弁28は、基本的な構成が通常の燃料噴射弁11と同じものであり、通電時間を制御することによって、任意の量の燃料を任意の時間間隔で燃料噴射室31から燃焼チャンバー30へとパルス状に噴射することができるようになっている。本実施形態における燃料添加弁28は、排気管23の壁に形成された連通口23bを介して排気通路23aに連通する燃焼チャンバー30に燃料噴射室31から燃料を噴射するようになっている。燃料添加弁28から噴射された燃料がハウジング27の下流側壁面27Dに衝突し、連通口23bを通って排気通路23a側へと跳ね返るように、ハウジング27の下流側壁面27Dに対する燃料添加弁28の姿勢が設定されている。そして、この設定された姿勢が維持されるように、図示しないブラケットを介して燃料添加弁28がハウジング27に取り付けられている。
燃料添加弁28から排気通路23aに供給される1回あたりの燃料の量は、エアーフローメーター21によって検出される吸入空気量および空燃比を含む車両の運転状態に基づき、ECU15の燃料添加設定部15fにより設定される。
ECU15の燃料添加弁駆動部15gは、燃料添加設定部15fにて設定された量の燃料が設定された周期で燃料添加弁28から噴射されるように、燃料添加弁28の作動を制御する。
本発明における着火手段としてのグロープラグ29は、車載の図示しない電源にオン/オフスイッチとしてのECU15のグロープラグ駆動部15hを介して接続している。従って、グロープラグ29に対する通電および非通電の切り替えは、予め設定されたプログラムに従ってECU15のグロープラグ駆動部15hにより制御される。グロープラグ29は、燃焼チャンバー30に噴射された燃料を着火させるための発熱部29aを有する。この発熱部29aは、燃料添加弁28から噴射される燃料の噴射領域の中央部に位置するように、ハウジング27の下流側壁面27Dに近接して配されている。
連通口23bよりも排気通路23aの上流側に位置して連通口23bに隣接する排気管23の壁面と、排気通路23aの上流側に位置するハウジング27の上流側壁面27Uとのなす角θ1が鈍角に設定されている。換言すると、ハウジング27の上流側壁面27Uは、排気管23の中心軸線Oからハウジング27の上流側壁面27Uまでの距離が排気通路23aの下流側ほど遠くなるように傾斜し、その傾斜角が鋭角に設定されている。これにより、連通口23bよりも上流側から排気通路23aを流れる排気の一部を抵抗なく燃焼チャンバー30へと誘導することができる。
また、連通口23bよりも排気通路23aの下流側に位置して連通口23bに隣接する排気管23の壁面と、排気通路23aの下流側に位置するハウジング27の下流側壁面27Dとのなす角θ2も鈍角に設定されている。換言すると、ハウジング27の下流側壁面27Dは、排気管23の中心軸線Oからこのハウジング27の下流側壁面27Dまでの距離が排気通路23aの下流側ほど近づくように傾斜し、その傾斜角が鋭角に設定されている。これにより、燃焼チャンバー30に流入した排気を大きな抵抗もなく再び連通口23bから排気通路23aへと流出させることができる。
このように、ハウジング27の上流側壁面27Uおよび下流側壁面27Dによって、排気通路23aを流れる排気の一部を効率よく燃焼チャンバー30へと流入させ、ここで生成する燃焼ガスと共にこれを再び排気通路23aへと円滑に流出させることができる。
本実施形態においては、エンジン10がモータリング状態、すなわちエンジン10の運転中にアクセルペダル14の開度が0となり、燃料噴射弁11から燃料が噴射されない燃料カット状態になった場合、排気加熱処理が実行される。すなわち、上述した燃料添加弁28からの燃料の噴射を行って、排気通路23aを流れる排気の加熱を行う。従って、エンジン10が燃料カット状態になると、必要に応じて燃料添加弁28から燃料が燃料噴射室31を介して燃焼チャンバー30へと噴射され、これによって排気通路23aを流れる排気の昇温を図り、排気浄化装置26の酸化触媒26aの活性状態を維持する。この場合、排気管23の壁面に沿って排気通路23aを流れる排気は、連通口23bから排気管23の壁面に沿って延在するハウジング27の上流側壁面27Uへと導かれ、燃焼チャンバー30内に流入する。燃焼チャンバー30に流入した排気は、燃料添加弁28から噴射される燃料と新たな混合気を形成し、グロープラグ29の発熱部29aにより加熱されて着火し、燃焼する。生成した燃焼ガスは、新たに燃焼チャンバー30内に流入する排気によりハウジング27の下流側壁面27Dに沿って押し出され、連通孔23bからハウジング27の下流側壁面27Dに沿って延在する排気管23の壁面へと導かれ、再び排気通路23aへと流入する。
本実施形態によると、排気の一部が常に燃焼チャンバー30に流入して燃焼ガスと共に排気通路23aへと流出するため、燃料の着火が安定すると共に燃焼率も向上する結果、高い燃焼拡散性能を発揮させることができる。
排気管23に対するハウジング27の取り付け位置を上述した実施形態のような排気管23の直管部分ではなく、曲管部分に配した方が排気の流れをより好ましく制御できる場合がある。
このような本発明による排気加熱装置22の他の実施形態の主要部の断面形状を図4に示すが、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、重複する説明を省略する。すなわち、排気管23は、第1の曲率半径r1にて湾曲する第1の曲管部23cと、この第1の曲管部23cに対して第2の曲率半径r2にて逆方向に湾曲する第2の曲管部23dと、これら第1および第2の曲管部23c,23dの切り換わり部23eとを有する。ハウジング27は、切り換わり部23eにおける第1の曲管部23cの外周側(換言すると第2の曲管部23dの内周側)に設けられている。つまり、第1の曲管部23cにて画成される排気通路23aを通る排気が慣性によって連通口23bから燃焼チャンバー30内に流入しやすくなるように設定されている。同時に、燃焼チャンバー30から連通口23bを介して排気通路23aへと流出するガスが第2の曲管部23dを横切ってその外周側の内壁に衝突するように配慮している。これにより、連通口23bよりも上流側から下流側へと流れる排気の流れが遮られ、排気の一部がより一層燃焼チャンバー30内へと流入しやすくなる。このような観点から、上流側壁面27Uと下流側壁面27Dとを連続的に湾曲した壁面でつなぎ、排気を連通口23bからハウジング27の壁面に沿って流動させ、再び連通口23bから排気通路23aへとなめらかに流出させることも有効である。さらに、排気管23とハウジング27との接続部分およびハウジング27の内壁全体を連続した曲面にて形成した場合、排気通路23aから燃焼チャンバー30に流入して再び排気通路23aへと排気をより円滑に流出させることができる。
本実施形態では、排気通路23aを流れる排気の流動方向に沿った連通口23bの長さLを排気管23の中心軸線Oから最も遠いハウジング27の壁面までの高さHよりも長く設定している。これにより、排気の一部がより一層燃焼チャンバー30内へと流入しやすくなる。
なお、グロープラグ29の発熱部29aとハウジング27の下流側壁面27bとの間の燃焼チャンバー30内に特許文献1に開示されたような衝突板を配することも可能である。この衝突板の存在により、燃料供給弁26から供給される燃料を受け、その霧化およびグロープラグ29側への飛散を促進させることができる。
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
10a 燃焼室
11 燃料噴射弁
12 シリンダーヘッド
12a 吸気ポート
12b 排気ポート
13a 吸気弁
13b 排気弁
14 アクセルペダル
15 ECU
15a 運転状態判定部
15b 燃料噴射設定部
15c 燃料噴射弁駆動部
15d スロットル開度設定部
15e スロットル弁駆動部
15f 燃料添加設定部
15g 燃料添加弁駆動部
15h グロープラグ駆動部
16 アクセル開度センサー
17 吸気管
17a 吸気通路
18 サージタンク
19 スロットルアクチュエーター
20 スロットル弁
21 エアーフローメーター
22 排気加熱装置
23 排気管
23a 排気通路
23b 連通口
23c 第1の曲管部
23d 第2の曲管部
23e 切り換わり部
24 シリンダーブロック
24a ピストン
24b 連接棒
24c クランク軸
25 クランク角センサー
26 排気浄化装置
26a 酸化触媒
27 ハウジング
27U 上流側壁面
27D 下流側壁面
28 燃料添加弁
29 グロープラグ
30 燃焼チャンバー
31 燃料噴射室
θ1 排気管の壁面とハウジングの上流側壁面とのなす角
θ2 排気管の壁面とハウジングの下流側壁面とのなす角
O 排気管の中心軸線
r1 第1の曲管部の曲率半径
r2 第2の曲管部の曲率半径
L 排気の流動方向に沿った連通口の長さ
H 排気管の中心軸線から最も遠いハウジングの壁面までの高さ
10a 燃焼室
11 燃料噴射弁
12 シリンダーヘッド
12a 吸気ポート
12b 排気ポート
13a 吸気弁
13b 排気弁
14 アクセルペダル
15 ECU
15a 運転状態判定部
15b 燃料噴射設定部
15c 燃料噴射弁駆動部
15d スロットル開度設定部
15e スロットル弁駆動部
15f 燃料添加設定部
15g 燃料添加弁駆動部
15h グロープラグ駆動部
16 アクセル開度センサー
17 吸気管
17a 吸気通路
18 サージタンク
19 スロットルアクチュエーター
20 スロットル弁
21 エアーフローメーター
22 排気加熱装置
23 排気管
23a 排気通路
23b 連通口
23c 第1の曲管部
23d 第2の曲管部
23e 切り換わり部
24 シリンダーブロック
24a ピストン
24b 連接棒
24c クランク軸
25 クランク角センサー
26 排気浄化装置
26a 酸化触媒
27 ハウジング
27U 上流側壁面
27D 下流側壁面
28 燃料添加弁
29 グロープラグ
30 燃焼チャンバー
31 燃料噴射室
θ1 排気管の壁面とハウジングの上流側壁面とのなす角
θ2 排気管の壁面とハウジングの下流側壁面とのなす角
O 排気管の中心軸線
r1 第1の曲管部の曲率半径
r2 第2の曲管部の曲率半径
L 排気の流動方向に沿った連通口の長さ
H 排気管の中心軸線から最も遠いハウジングの壁面までの高さ
Claims (4)
- 内燃機関に接続すると共に排気通路を画成する排気管の途中に連結され、燃焼チャンバーを画成するハウジングと、
前記排気管の壁に形成された連通口を介して前記排気通路に連通する前記燃焼チャンバーに燃料を噴射する燃料添加弁と、
前記燃焼チャンバーに噴射された燃料を着火させるための発熱部を有する着火手段と
を具え、前記排気通路を流れる排気の一部を前記連通口から前記燃焼チャンバーへと流入させ、ここで生成する燃焼ガスと共にこれを再び前記連通口から前記排気通路へと流出させるようにした排気加熱装置であって、
前記連通口よりも前記排気通路の上流側に位置して前記連通口に隣接する前記排気管の壁面と、前記排気通路の上流側に位置する前記ハウジングの上流側壁面とのなす角が鈍角に設定され、
前記連通口よりも前記排気通路の下流側に位置して前記連通口に隣接する前記排気管の壁面と、前記排気通路の下流側に位置する前記ハウジングの下流側壁面とのなす角が鈍角に設定され、
前記燃料添加弁から噴射された燃料が前記ハウジングの下流側壁面に衝突し、前記連通口を通って前記排気通路側へと跳ね返るように、前記ハウジングの下流側壁面に対する前記燃料添加弁の姿勢が設定されていることを特徴とする排気加熱装置。 - 前記ハウジングは、前記連通口から離れた前記ハウジングの上流側壁面の部分からさらに凹んで前記燃焼チャンバーに連通する燃料噴射室をさらに画成し、前記燃料添加弁は、この燃料噴射室を介して前記燃焼チャンバーに燃料を噴射することを特徴とする請求項1に記載の排気加熱装置。
- 前記着火手段の発熱部が前記ハウジングの下流側壁面に近接して配されていることを特徴とする請求項1に記載の排気加熱装置。
- 前記ハウジングよりも排気通路の下流側に位置する前記排気管に排気浄化装置が連結されていることを特徴とする請求項1に記載の排気加熱装置。
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