WO2013102948A1 - 排気加熱装置 - Google Patents

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WO2013102948A1
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housing
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wall surface
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健一 辻本
三樹男 井上
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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 apparatus that increases the temperature of exhaust gas in order to activate and maintain an active state of an exhaust gas purification apparatus in an internal combustion engine.
  • Patent Document 1 and the like propose an internal combustion engine in which an exhaust heating device is incorporated in an exhaust passage upstream of the exhaust purification device.
  • 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 to promote activation of the exhaust gas purification device or maintain an active state.
  • the exhaust heating device generally has an ignition means such as a glow plug for generating a heated gas by heating and igniting the fuel, and a fuel addition valve for injecting the fuel toward the ignition means. .
  • Patent Document 1 a pipe body portion connected in an orthogonal state to the exhaust pipe is provided, and injected from a fuel addition valve into a combustion portion defined by the pipe body portion.
  • a collision member for receiving the fuel is arranged.
  • the heat generating part of the glow plug is located between the collision member and the fuel addition valve so as to promote the mixing of the exhaust gas flowing from the exhaust passage into the combustion part and the fuel injected from the fuel addition valve by the collision member. It has become.
  • Cited Document 1 since the collision member reduces the flow velocity of the exhaust gas flowing from the exhaust passage into the combustion section and forms stagnation in the combustion region around the collision member, new exhaust gas from the exhaust passage is generated. It cannot efficiently flow into the combustion section.
  • the pressure loss of the combustion portion increases due to the venturi effect, and it becomes more difficult to cause a portion of the exhaust gas flowing through the exhaust passage to flow into the combustion portion.
  • the inflow of exhaust gas to the combustion section is not efficiently performed, it is difficult to efficiently flow the combustion gas generated in the combustion section to the exhaust passage, and improvement is desired.
  • An object of the present invention is to provide an exhaust heating apparatus that can continuously ignite and burn fuel without causing a decrease in oxygen concentration and can efficiently discharge combustion gas to an exhaust passage. is there.
  • An exhaust heating device is connected to an internal combustion engine and connected to an exhaust pipe defining an exhaust passage, through a housing defining a combustion chamber, and a communication port formed in the wall of the exhaust pipe.
  • ignition means having a heat generating portion for igniting the fuel injected into the combustion chamber, the exhaust gas flowing through the exhaust passage
  • An exhaust heating apparatus in which a part of the exhaust gas flows into the combustion chamber from the communication port, and the combustion gas generated here flows out again from the communication port to the exhaust passage. Is formed between the wall surface of the exhaust pipe adjacent to the communication port located upstream of the exhaust passage and the upstream side wall surface of the housing located upstream of the exhaust passage.
  • the angle formed by is set to an obtuse angle.
  • the exhaust gas flowing through the exhaust passage along the wall surface of the exhaust pipe is guided from the communication port to the upstream side wall surface of the housing extending along the wall surface of the exhaust pipe, and flows into the combustion chamber.
  • the exhaust gas flowing into the combustion chamber forms a new air-fuel mixture with the fuel injected from the fuel addition valve, is ignited by being heated by the heat generating portion of the ignition means, and burns.
  • the generated combustion gas is pushed out along the downstream side wall surface of the housing by the exhaust gas newly flowing into the combustion chamber, and is led from the communication hole to the wall surface of the exhaust pipe extending along the downstream side wall surface of the housing. It flows into the exhaust passage again.
  • the housing further defines a fuel injection chamber that is further recessed from a portion of the upstream side wall surface of the housing away from the communication port and communicates with the combustion chamber, and the fuel addition valve defines the fuel injection chamber.
  • the fuel may be injected into the combustion chamber.
  • the heat generating part of the ignition means close to the downstream side wall surface of the housing.
  • the exhaust gas purification device may be connected to an exhaust pipe positioned downstream of the exhaust passage from the housing.
  • the exhaust gas heater extends along the downstream side wall surface of the housing.
  • the exhaust gas heater can be efficiently discharged from the combustion chamber to the exhaust passage again.
  • exhaust stagnation in the combustion chamber is unlikely to occur, and a decrease in oxygen concentration in the combustion chamber can be avoided, and misfire of the ignited fuel is suppressed and combustion gas is efficiently transferred to the exhaust passage. Can be sent out.
  • the posture of the fuel addition valve is set so that the fuel injected from the fuel addition valve collides with the downstream side wall surface of the housing and bounces back to the exhaust passage side, the fuel injected from the fuel addition valve stays in the combustion chamber Or it does not remain, and this can be more reliably guided to the exhaust passage.
  • the downstream side wall surface of the housing is heated and heated by the heat generating portion, so that vaporization of the fuel attached thereto can be promoted, Combustion efficiency can be increased.
  • the heated exhaust gas can be led to the exhaust purification device to efficiently activate and maintain the active state. it can.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an engine system in an embodiment in which the present invention is applied to a vehicle mounted on a compression ignition type multi-cylinder internal combustion engine.
  • FIG. 2 is a control block diagram of the main part in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the exhaust heating apparatus in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view similar to FIG. 3 in another embodiment of the exhaust heating apparatus according to the present invention.
  • Embodiments in which the exhaust heating method according to the present invention is applied to a compression ignition type multi-cylinder internal combustion engine 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.
  • FIG. 1 The main part of the engine system in the present embodiment is schematically shown in FIG. 1, and the control block of the main part is schematically shown in FIG.
  • a general exhaust turbo supercharger, an EGR device, and the like are omitted as auxiliary equipment of the engine 10. It should be noted that some of the various sensors required for smooth operation of the engine 10 are omitted for convenience.
  • the engine 10 in this embodiment is a compression ignition type multi-cylinder internal combustion engine that spontaneously ignites by directly injecting light oil as fuel into the combustion chamber 10a in a compressed state from the fuel injection valve 11.
  • a single cylinder internal combustion engine may be used due to the characteristics of the present invention.
  • the cylinder head 12 formed with the intake port 12a and the exhaust port 12b facing the combustion chamber 10a has a valve operating mechanism (not shown) including an intake valve 13a for opening and closing the intake port 12a and an exhaust valve 13b for opening and closing the exhaust port 12b. It has been incorporated.
  • the previous fuel injection valve 11 facing the center of the upper end of the combustion chamber 10a is also assembled to the cylinder head 12 so as to be sandwiched between the intake valve 13a and the exhaust valve 13b.
  • the amount of depression of the accelerator pedal 14 is detected by the accelerator opening sensor 16, and the detection information is output to the ECU 15.
  • the ECU 15 is based on information from the accelerator opening sensor 16 and various sensors to be described later, an operation state determination unit 15a for determining the operation state of the vehicle, a fuel injection setting unit 15b, and a fuel injection valve drive unit 15c.
  • the fuel injection setting unit 15b sets the fuel injection amount and the injection timing from the fuel injection valve 11 based on the determination result in the operation state determination unit 15a.
  • the fuel injection valve drive unit 15c controls the operation of the fuel injection valve 11 so that the amount of fuel set by the fuel injection setting unit 15b is injected from the fuel injection valve 11 at the set time.
  • a surge tank 18 is formed in the middle of the intake pipe 17 connected to the cylinder head 12 so as to communicate with the intake port 12a and defining the intake passage 17a together with the intake port 12a.
  • a throttle valve 20 for adjusting the opening degree of the intake passage 17 a is incorporated in the intake pipe 17 upstream of the surge tank 18 via a throttle actuator 19.
  • An air flow meter 21 that detects the flow rate of the intake air flowing through the intake passage 17a and outputs it to the ECU 15 is attached to the intake pipe 17 upstream of the throttle valve 20.
  • the previous ECU 15 further includes a throttle opening setting unit 15d and a throttle valve driving unit 15e.
  • the throttle opening setting unit 15d sets the opening of the throttle valve 20 based on the determination result of the previous operation state determination unit 15a in addition to the depression amount of the accelerator pedal 14.
  • the throttle valve drive unit 15e controls the operation of the throttle actuator 19 so that the throttle valve 20 has the opening set by the throttle opening setting unit 15d.
  • a crank angle sensor 25 that detects the rotational phase of the crankshaft 24c to which the piston 24a is connected via the connecting rod 24b, that is, the crank angle, and outputs it to the ECU 15 is attached to the cylinder block 24 in which the piston 24a reciprocates. It has been. Based on the information from the crank angle sensor 25, the driving state determination unit 15a of the ECU 15 grasps the traveling speed of the vehicle in addition to the rotational phase of the crankshaft 24c and the engine speed in real time.
  • the exhaust pipe 23 connected to the cylinder head 12 so as to communicate with the exhaust port 12b defines an exhaust passage 23a together with the exhaust port 12b.
  • An exhaust purification device 26 for detoxifying harmful substances generated by combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 10a is provided in the middle of the exhaust pipe 23 upstream of the silencer (not shown) attached to the downstream end side. It is attached.
  • Exhaust purification apparatus 26 of this embodiment includes at least the oxidation catalyst 26a, it is also possible to incorporate the like In addition to this DPF (D iesel P articulate F ilter ) and the NO X storage catalyst.
  • the oxidation catalyst 26a is mainly for oxidizing unburned gas contained in the exhaust gas, that is, for burning.
  • the intake air supplied from the intake passage 17a into the combustion chamber 10a forms an air-fuel mixture with the fuel injected from the fuel injection valve 11 into the combustion chamber 10a. Then, the piston 24a spontaneously ignites and burns in the vicinity of the compression top dead center of the piston 24a, and the exhaust generated thereby is discharged from the exhaust pipe 23 into the atmosphere through the exhaust purification device 26.
  • the exhaust heating device 22 in this embodiment includes a housing 27, a fuel addition valve 28, and a glow plug 29.
  • the housing 27 is connected to the engine 10 and is connected in the middle of the exhaust pipe 23 defining the exhaust passage 23 a to define the combustion chamber 30.
  • the housing 27 in the present embodiment further defines a fuel injection chamber 31 that is recessed from the portion of the upstream side wall surface 27 U of the housing 27 away from the communication port 23 b formed in the wall of the exhaust pipe 23 and communicates with the combustion chamber 30. To do.
  • the fuel injection chamber 31 is recessed from the combustion chamber 30 in the direction along the upstream side of the exhaust passage 23a (left side in FIG. 3), and the nozzle of the fuel addition valve 28 faces this.
  • the basic structure of the fuel addition valve 28 is the same as that of the normal fuel injection valve 11. By controlling the energization time, an arbitrary amount of fuel can be supplied from the fuel injection chamber 31 to the combustion chamber 30 at arbitrary time intervals. It can be sprayed in the form of pulses.
  • the fuel addition valve 28 injects fuel from the fuel injection chamber 31 into the combustion chamber 30 that communicates with the exhaust passage 23 a through a communication port 23 b formed in the wall of the exhaust pipe 23.
  • the fuel injected from the fuel addition valve 28 collides with the downstream side wall 27 D of the housing 27, as bounce to the exhaust passage 23a side through the communication opening 23b, the fuel addition valve for downstream wall 27 D of the housing 27 28 postures are set.
  • the fuel addition valve 28 is attached to the housing 27 via a bracket (not shown) so that the set posture is maintained.
  • the amount of fuel per one time supplied from the fuel addition valve 28 to the exhaust passage 23a is based on the operating state of the vehicle including the intake air amount and air-fuel ratio detected by the air flow meter 21, and the fuel addition setting unit of the ECU 15 It is set by 15f.
  • the fuel addition valve drive unit 15g of the ECU 15 controls the operation of the fuel addition valve 28 so that the amount of fuel set by the fuel addition setting unit 15f is injected from the fuel addition valve 28 at a set cycle.
  • the glow plug 29 as the ignition means in the present invention is connected to an on-vehicle power supply (not shown) via a glow plug drive unit 15h of the ECU 15 as an on / off switch. Therefore, switching between energization and non-energization for the glow plug 29 is controlled by the glow plug drive unit 15h of the ECU 15 in accordance with a preset program.
  • the glow plug 29 has a heat generating portion 29 a for igniting the fuel injected into the combustion chamber 30.
  • the heat generating portion 29 a is disposed close to the downstream side wall surface 27 ⁇ / b> D of the housing 27 so as to be located at the center of the injection region of the fuel injected from the fuel addition valve 28.
  • the angle between the upstream-side wall surface 27 U of the housing 27 located on the upstream side of the exhaust passage 23a theta 1 is set to an obtuse angle.
  • the upstream-side wall surface 27 U of the housing 27, the distance from the center axis O of the exhaust pipe 23 to the upstream side wall surface 27 U of the housing 27 is inclined to become farther toward the downstream side of the exhaust passage 23a, the angle of inclination It is set to an acute angle.
  • a downstream side wall 27 D of the housing 27 located downstream of the exhaust passage 23a also the angle ⁇ 2 is set at an obtuse angle.
  • the downstream-side wall surface 27 D of the housing 27, the distance from the center axis O of the exhaust pipe 23 to the downstream side wall 27 D of the housing 27 is inclined so as to approach toward the downstream side of the exhaust passage 23a, and the inclination angle Is set to an acute angle.
  • the exhaust heating process is performed. Is executed. That is, the fuel injection from the fuel addition valve 28 described above is performed, and the exhaust gas flowing through the exhaust passage 23a is heated. Therefore, when the engine 10 is in a fuel cut state, fuel is injected from the fuel addition valve 28 into the combustion chamber 30 via the fuel injection chamber 31 as necessary, thereby increasing the temperature of the exhaust flowing through the exhaust passage 23a. The active state of the oxidation catalyst 26a of the exhaust purification device 26 is maintained.
  • the exhaust gas flowing through the exhaust passage 23 a along the wall surface of the exhaust pipe 23 is guided from the communication port 23 b to the upstream side wall surface 27 U of the housing 27 extending along the wall surface of the exhaust pipe 23.
  • the exhaust gas flowing into the combustion chamber 30 forms a new air-fuel mixture with the fuel injected from the fuel addition valve 28, is heated by the heat generating portion 29a of the glow plug 29, ignites, and burns.
  • the resulting combustion gas is pushed along the downstream wall surface 27 D of the housing 27 by the exhaust gas flowing into the new combustion chamber 30, extends along the communicating hole 23b on the downstream side wall 27 D of the housing 27 exhaust It is guided to the wall surface of the pipe 23 and flows into the exhaust passage 23a again.
  • a part of the exhaust always flows into the combustion chamber 30 and flows out together with the combustion gas to the exhaust passage 23a, so that the ignition of the fuel is stabilized and the combustion rate is improved, resulting in high combustion diffusion performance. It can be demonstrated.
  • the position of the housing 27 attached to the exhaust pipe 23 may be more preferably controlled by arranging the position of the housing 27 in the curved pipe portion instead of the straight pipe portion of the exhaust pipe 23 as in the above-described embodiment.
  • FIG. 4 shows the cross-sectional shape of the main part of another embodiment of the exhaust heating apparatus 22 according to the present invention.
  • the same reference numerals are given to elements having the same functions as those of the previous embodiment, and they are duplicated. Description is omitted.
  • the exhaust pipe 23 includes a first bent tube portion 23c which is curved at a first radius of curvature r 1, in the opposite direction to the first bend portion 23c at a second radius of curvature r 2 It has the 2nd curved pipe part 23d which curves, and the switching part 23e of these 1st and 2nd curved pipe parts 23c and 23d.
  • the housing 27 is provided on the outer peripheral side of the first curved pipe portion 23c (in other words, the inner peripheral side of the second curved pipe portion 23d) in the switching portion 23e. That is, the exhaust gas passing through the exhaust passage 23a defined by the first curved pipe portion 23c is set so as to easily flow into the combustion chamber 30 from the communication port 23b due to inertia. At the same time, the gas flowing out from the combustion chamber 30 to the exhaust passage 23a through the communication port 23b crosses the second curved pipe portion 23d so as to collide with the inner wall on the outer peripheral side.
  • the length L of the communication port 23b along the flow direction of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 23a is set to be longer than the height H from the central axis O of the exhaust pipe 23 to the wall surface of the housing 27 farthest. Yes. This makes it easier for a part of the exhaust gas to flow into the combustion chamber 30.

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Abstract

　排気管(２３)に連結されて燃焼チャンバー(３０)を画成するハウジング(２７)と、排気管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に燃料を噴射する燃料添加弁(２８)と、噴射された燃料を着火させるためのグロープラグ(２９)とを具え、排気通路を流れる排気の一部を連通口から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連通口から排気通路へと流出させるようにした本発明による排気加熱装置(２２)は、連通口よりも排気通路の上流側の排気管の壁面とハウジングの上流側壁面(２７Ｕ)とのなす角(θ１)を鈍角に設定し、連通口よりも排気通路の下流側の排気管の壁面とハウジングの下流側壁面(２７Ｄ)とのなす角(θ２)を鈍角に設定した。

Description

排気加熱装置
　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。
特開２０１０－２４９０１３号公報
　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。
　燃料添加弁から噴射された燃料がハウジングの下流側壁面に衝突し、連通口を通って排気通路側へと跳ね返るように、ハウジングの下流側壁面に対する燃料添加弁の姿勢を設定することが好ましい。
　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。
　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。
　燃料添加弁から噴射された燃料がハウジングの下流側壁面に衝突して排気通路側へと跳ね返るように燃料添加弁の姿勢を設定した場合、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。
　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。
図１は、本発明を圧縮点火方式の多気筒内燃機関に搭載された車両に応用した一実施形態におけるエンジンシステムの概念図である。 図２は、図１に示した実施形態における主要部の制御ブロック図である。 図３は、図１に示した実施形態における排気加熱装置の主要部の拡大断面図である。 図４は、本発明による排気加熱装置の他の実施形態における図３と同様な断面図である。
　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

Claims (5)

  1. 　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ていることを特徴とする排気加熱装置。
  2. 　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。
  3. 　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請求項１に記載の排気加熱装置。
  4. 　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。
  5. 　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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