(57)【要約】【課題】従来の排気加熱装置は、排気通路内で着火する燃料が不完全燃焼しやすく、煤の発生によって排気通路の下流側に配された排気浄化装置の負担が増大する。【解決手段】エンジン１０から排気浄化装置１１に導かれる排気を加熱するための本発明による排気加熱装置２４は、排気浄化装置１１よりも上流側の排気通路２３ａに燃料を供給するための燃料供給弁２５と、燃料供給弁２５による燃料の供給位置よりも下流側かつ排気浄化装置１１よりも上流側の排気通路２３ａに配される酸化触媒２６と、酸化触媒２６と排気通路２３ａを画成する排気管２３の内壁２３ｃとの間に形成され、酸化触媒２６を介さずに排気および燃料の一部を排気浄化装置１１側へと導く間隙部２３ｂと、酸化触媒２６を囲むように間隙部２３ｂに配され、排気と共に間隙部２３ｂを通過する燃料供給弁２５からの燃料を着火させるための環状をなす電熱体２９とを具えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、この排気加熱装置は、
排気浄化装置よりも上流側の排気通路に燃料を供給するための燃料供給弁と、
この燃料供給弁による燃料の供給位置よりも下流側かつ前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気通路に配される酸化触媒と、
この酸化触媒と前記排気通路を画成する排気管の内壁との間に形成され、当該酸化触媒を介さずに排気の一部および燃料の一部を前記排気浄化装置側へと導く間隙部と、
前記酸化触媒を囲むようにこの間隙部に配され、排気と共に当該間隙部を通過する前記燃料供給弁からの燃料を着火させるための環状をなす電熱体と
を具えたことを特徴とする排気加熱装置。
【請求項２】
前記酸化触媒から前記排気通路の上流側に向けて延在するフードをさらに具え、このフードと前記排気管の内壁との間にも前記間隙部が延在し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。
【請求項３】
前記電熱体は、前記フードをも囲むように前記排気管の長手方向に沿って配されていることを特徴とする請求項２に記載の排気加熱装置。
【請求項４】
イグニッションキースイッチのオン信号から所定時間だけ前記電熱体が通電されるように、前記電熱体に対する通電のオン／オフを制御する手段をさらに具えたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の排気加熱装置。
【請求項５】
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方法であって、
前記排気浄化装置よりも上流側の排気通路のほぼ全域に拡散状態で燃料を供給するステップと、
前記排気通路を流れる排気の一部と共に前記燃料の一部を前記燃料の供給位置よりも下流側かつ前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気通路に配された酸化触媒へと導くステップと、
残りの燃料を残りの排気と共に前記酸化触媒と前記排気通路を画成する排気管の内壁との間に形成された間隙部へと導くステップと、
前記間隙部に導かれた燃料をこの間隙部の通過中に着火させるステップと
を具えたことを特徴とする排気加熱方法。
【請求項６】
イグニッションキースイッチのオン信号に基づいて前記電熱体に対する通電を開始するステップと、
電熱体に対する通電を開始してから所定時間後に前記電熱体に対する通電を停止するステップと
をさらに具えたことを特徴とする請求項５に記載の排気加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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の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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１１２４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された従来の排気加熱装置においては、着火装置が燃料供給弁に近接して配されているため、燃料供給弁から排気通路に供給される燃料と排気との混合が充分になされず、着火した燃料が不完全燃焼となる場合がある。このため、大量の煤が発生して排気浄化装置よりも上流側に配された小型の酸化触媒と排気管との間の隙間や、排気浄化装置の一部を構成する触媒コンバーターに目詰まりを生じさせてしまう不具合を招く。結果として、触媒コンバーターの再生処理を頻繁に行う必要が生じ、そのための燃料の消費に伴って燃費が悪化してしまう。
【０００５】
本発明の目的は、排気浄化装置よりも上流側の排気通路にここを流れる排気を加熱するための排気加熱装置が組み込まれた内燃機関において、煤の発生を極力抑えるようにした排気加熱装置および排気加熱方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の形態は、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、この排気加熱装置は、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に燃料を供給するための燃料供給弁と、この燃料供給弁による燃料の供給位置よりも下流側かつ前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気通路に配される酸化触媒と、この酸化触媒と前記排気通路を画成する排気管の内壁との間に形成され、当該酸化触媒を介さずに排気の一部および燃料の一部を前記排気浄化装置側へと導く間隙部と、前記酸化触媒を囲むようにこの間隙部に配され、排気と共に当該間隙部を通過する前記燃料供給弁からの燃料を着火させるための環状をなす電熱体とを具えたことを特徴とするものである。
【０００７】
本発明においては、燃料噴射弁から排気浄化装置よりも上流側の排気通路に燃料が供給される。この燃料は、排気通路を流れる排気と混ざり合ってその一部が燃料供給弁による燃料の供給位置よりも下流側かつ排気浄化装置よりも上流側の排気通路に配された酸化触媒に導かれる。残りは、酸化触媒と排気通路を画成する排気管の内壁との間に形成された間隙部に導かれる。この間隙部に導かれた燃料は、酸化触媒を通らずに排気浄化装置側へと流動するが、この間隙部に配された環状をなす電熱体によって着火する結果、加熱された排気が排気浄化装置へと供給される。
【０００８】
本発明による排気加熱装置において、酸化触媒から排気通路の上流側に向けて延在するフードをさらに具え、このフードと排気管の内壁との間にも間隙部を延在させることができる。この場合、電熱体がフードをも囲むように排気管の長手方向に沿って配されるようにしてもよい。
【０００９】
イグニッションキースイッチのオン信号から所定時間だけ電熱体が通電されるように、電熱体に対する通電のオン／オフを制御する手段をさらに具えることができる。
【００１０】
本発明の第２の形態は、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方法であって、前記排気浄化装置よりも上流側の排気通路のほぼ全域に拡散状態で燃料を供給するステップと、前記排気通路を流れる排気の一部と共に前記燃料の一部を前記燃料の供給位置よりも下流側かつ前記排気浄化装置よりも上流側の前記排気通路に配された酸化触媒へと導くステップと、残りの燃料を残りの排気と共に前記酸化触媒と前記排気通路を画成する排気管の内壁との間に形成された間隙部へと導くステップと、前記間隙部に導かれた燃料をこの間隙部の通過中に着火させるステップと前記間隙部を通過する燃料を前記間隙部に配された電熱体の発熱によって着火させるステップとを具えたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明による排気加熱方法において、イグニッションキースイッチのオン信号に基づいて前記電熱体に対する通電を開始するステップと、電熱体に対する通電を開始してから所定時間後に前記電熱体に対する通電を停止するステップとをさらに具えることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、燃料供給弁から発熱体までの距離が離れているため、燃料供給弁から排気通路に供給された燃料を排気と充分に撹拌させてこれを微細化させることが可能となる結果、不完全燃焼による煤の発生を抑制することができる。しかも、電熱体が酸化触媒を囲むように環状をなしているため、間隙部を通過する燃料のほとんどを確実に着火させることが可能であり、排気を効率よく昇温させることができる。
【００１３】
酸化触媒から排気通路の上流側に向けて延在するフードを具え、このフードと排気管の内壁との間にも間隙部が延在している場合、微細化が不十分な燃料滴をフードに付着させてその不完全燃焼を阻止することができる。また、間隙部を通る排気の流れにより、フードに付着した燃料滴の気化を促進させることができ、最終的に燃料を微細化させることが可能となる。特に、電熱体がフードをも囲むように排気管の長手方向に沿って配されている場合、気化した燃料の着火を効率よく行うことができる。
【００１４】
イグニッションキースイッチのオン信号から所定時間だけ電熱体が通電されるように、電熱体に対する通電のオン／オフを制御する手段を具えている場合、電熱体の無駄な電力消費を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による排気加熱装置の一実施形態の概念図である。
【図２】図１に示した実施形態における主要部の抽出拡大断面図である。
【図３】図２中のIII−III矢視に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を圧縮点火方式の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。
【００１７】
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、その排気加熱装置の部分を図２に抽出拡大して示し、そのIII−III矢視に沿った断面構造を図３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装置が省略されている。また、エンジン１０の円滑な運転や、後述する排気浄化装置１１の再生処理のために必要とされる各種センサー類も便宜的に省略されている。
【００１８】
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１２から圧縮状態にある燃焼室１３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。
【００１９】
燃焼室１３にそれぞれ臨む吸気ポート１４ａおよび排気ポート１４ｂが形成されたシリンダーヘッド１４には、吸気ポート１４ａを開閉する吸気弁１５および排気ポート１４ｂを開閉する排気弁１６を含む図示しない動弁機構が組み込まれている。燃焼室１３の上端中央に臨む先の燃料噴射弁１２もまた、これら吸気弁１５および排気弁１６に挟まれるようにシリンダーヘッド１４に組み付けられている。燃料噴射弁１２から燃焼室１３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１７の踏み込み量と、車両の運転状態とに基づいてＥＣＵ(Electronic Control Unit)１８により制御される。なお、アクセルペダル１７の踏み込み量はアクセル開度センサー１９により検出され、その検出情報がＥＣＵ１８に出力され、燃料噴射弁１２からの燃料の噴射量などを設定するために用いられる。
【００２０】
吸気ポート１４ａに連通するようにシリンダーヘッド１４に連結される吸気管２０は、吸気ポート１４ａと共に吸気通路２０ａを画成する。途中にサージタンク２１が形成された吸気管２０の上流端側には、大気中に含まれる塵埃などを除去して吸気通路２０ａに導くためのエアークリーナー２２が設けられている。
【００２１】
排気ポート１４ｂに連通するようにシリンダーヘッド１４に連結される排気管２３は、排気ポート１４ｂ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１３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１１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１１は、酸化触媒１１ａと、ＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)１１ｂとを少なくとも有し、これらは排気通路２３ａの上流側、つまり排気管２３の基端側から順に間隔をあけて設けられている。酸化触媒１１ａは、主として排気中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り、ＤＰＦ１１ｂは、排気中に含まれる粒子を捕捉するためのものである。
【００２２】
この排気浄化装置１１よりも上流側の排気管２３の途中には、排気加熱装置２４が配されている。この排気加熱装置２４は、燃料の改質ならびに加熱ガスを生成してこれらを下流側に配された排気浄化装置１１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２４は、燃料供給弁２５と、酸化触媒２６と、フード２７と、間隙部２３ｂと、車載の直流電源２８に接続する電熱体２９と、この電熱体２９に対する通電のオン／オフを制御する手段３０とを具えている。
【００２３】
排気浄化装置１１よりも上流側の排気通路２３ａに燃料を供給するための燃料供給弁２５は、排気浄化装置１１の活性状態の有無と車両の運転状態とに基づいてＥＣＵ１８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。この燃料供給弁２５は、排気浄化装置１１よりも上流側の排気通路２３ａのほぼ全域に拡散状態で燃料を噴射し、排気との均一な混合を図っている。
【００２４】
酸化触媒（排気浄化装置１１の酸化触媒１１ａと区別するため、以下、便宜的に補助酸化触媒と記述する）２６は、燃料供給弁２５による燃料の供給位置よりも下流側かつ排気浄化装置１１よりも上流側の排気通路２３ａに配されている。この補助酸化触媒２６は、排気通路２３ａ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この補助酸化触媒２６を通らずに通過することを可能にする。つまり、補助酸化触媒２６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、補助酸化触媒２６を通る排気をさらに昇温させることが可能となる。補助酸化触媒２６が充分に高温、つまり活性化した状態では、後述する電熱体２９に対する通電を遮断し、補助酸化触媒２６内で混合気を直接燃焼させることも可能である。しかしながら、エンジン１０の冷態始動時など、補助酸化触媒２６が活性化していない場合には、電熱体２９に対して通電を行うことが必要である。なお、補助酸化触媒２６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、この補助酸化触媒２６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も機能する。なお、補助酸化触媒２６は、そのハウジング２６ａと排気管２３の内壁２３ｃとの間に放射状に配されたブラケット３１により、排気管２３の中央部分に安定状態で保持されている。
【００２５】
フード２７は、排気通路２３ａの上流側を向く補助酸化触媒２６の一端側（図２中、左側）から排気通路２３ａの上流側に向けて延在し、本実施形態では円筒状なす補助酸化触媒２６のハウジング２６ａと一体的に形成されている。このフード２７は、燃料供給弁２５から噴射された燃料と排気との均一な混合をもたらすと同時にこれら混合気の整流効果を持たせるためのものであるが、これを省略することも可能である。
【００２６】
円筒状をなす間隙部２３ｂは、補助酸化触媒２６およびフード２７と排気通路２３ａを画成する排気管２３の内壁２３ｃとの間に形成され、補助酸化触媒２６を介さずに排気の一部および燃料の一部を排気浄化装置１１側へと導く。従って、間隙部２３ｂは排気通路２３ａの一部を画成する。
【００２７】
環状をなす電熱体２９は、補助酸化触媒２６およびフード２７を囲むようにこの間隙部２３ｂに配され、排気と共に間隙部２３ｂを通過する燃料供給弁２５からの燃料を着火させるためのものである。本実施形態においては補助酸化触媒２６およびフード２７を螺旋状に囲むセラミックヒーターを用いているが、単純なリングヒーターを採用することも可能である。排気通路２３ａの長手方向に沿った電熱体２９の長さを充分に確保することができない場合、燃料の不完全燃焼を回避するため、電熱体２９を補助酸化触媒２６の他端側（図２中、右側）に近づけて配することが好ましい。つまり、燃料供給弁２５と電熱体２９との距離を離すことによって、燃料と排気とをより均一に混合させるようにする。
【００２８】
電熱体２９に対する通電のオン／オフを制御する手段３０は、電熱体２９と直流電源２８とを接続する電気回路の途中に配される開閉スイッチ３２と、図示しないタイマーと、先のＥＣＵ１８とを含む。電気回路のオン／オフを行う開閉スイッチ３２は、ＥＣＵ１８によってその作動が制御される。また、タイマーは、イグニッションキースイッチ３３のオン信号によってカウントを開始する。ＥＣＵ１８は、イグニッションキースイッチ３３のオン信号から所定時間だけ電熱体２９が通電されるように、イグニッションキースイッチ３３のオン信号と、タイマーのカウント情報とに基づいて開閉スイッチ３２の作動を制御する。本実施形態では、イグニッションキースイッチ３３のオン信号に基づいて電熱体２９に対する通電を開始し、電熱体２９に対する通電を開始してから所定時間後に電熱体２９に対する通電を停止する。タイマーによってカウントされるこの所定時間は、燃料の燃焼によって電熱体２９自体が加熱され、その温度が燃料の着火温度以上に昇温するまでの時間を見込んで設定される。従って、電熱体２９に対する通電を切っても、燃料を着火させ続けることができ、電力の無駄な消費を避けることが可能となる。
【００２９】
燃料供給弁２５から排気通路２３ａ内への燃料の供給動作は、基本的に排気浄化装置１１が不活性状態の場合に行われる。しかしながら、排気浄化装置１１や補助酸化触媒２６が活性化している場合、必要に応じて排気加熱装置２４の燃料供給弁２５から燃料を排気通路２３ａ内に供給することも可能である。
【００３０】
このようにして、排気通路２３ａを流れる排気の一部と共に燃料の一部を燃料の供給位置よりも下流側かつ排気浄化装置１１よりも上流側の排気通路２３ａに配された補助酸化触媒２６へと導く。そして、未燃ガスをこの補助酸化触媒２６によって活性の高い炭化水素に改質するか、あるいは燃焼させる。一方、残りの燃料を残りの排気と共に補助酸化触媒２６と排気通路２３ａを画成する排気管２３の内壁２３ｃとの間に形成された間隙部２３ｂへと導き、間隙部２３ｂに導かれた燃料をこの間隙部２３ｂの通過中に着火させて高温のガスを生成させる。そして、これらを排気浄化装置１１へと供給する。
【００３１】
この結果、排気浄化装置１１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２４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。また、燃料の着火位置が燃料供給弁２５から遠く離れているため、燃料と排気との均一な混合が可能となり、燃料の不完全燃焼を従来の排気加熱装置２４よりも大幅に少なくすることができる。
【００３２】
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。
【符号の説明】
【００３３】
１０  エンジン
１１  排気浄化装置
１１ａ  酸化触媒
１１ｂ  ＤＰＦ
１２  燃料噴射弁
１３  燃焼室
１４  シリンダーヘッド
１４ａ  吸気ポート
１４ｂ  排気ポート
１５  吸気弁
１６  排気弁
１７  アクセルペダル
１８  ＥＣＵ
１９  アクセル開度センサー
２０  吸気管
２０ａ  吸気通路
２１  サージタンク
２２  エアークリーナー
２３  排気管
２３ａ  排気通路
２３ｂ  間隙部
２３ｃ  内壁
２４  排気加熱装置
２５  燃料供給弁
２６  (補助)酸化触媒
２６ａ  ハウジング
２７  フード
２８  直流電源
２９  電熱体
３０  電熱体に対する通電のオン／オフを制御する手段
３１  ブラケット
３２  開閉スイッチ
３３  イグニッションキースイッチ
【図１】
2012047059.tif 000003
【図２】
2012047059.tif 000004
【図３】
2012047059.tif 000005