WO2011108024A1 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine, and more particularly to an exhaust gas purification device for an internal combustion engine having a burner device for promoting warm-up of an exhaust gas purification catalyst in an exhaust passage.
  • an object of the present invention is to provide an exhaust purification device for an internal combustion engine that can supply the heated gas generated by the burner device to the exhaust purification catalyst on the downstream side while suppressing the temperature drop.
  • An exhaust purification catalyst provided in the exhaust passage of the internal combustion engine;
  • a burner device that is provided upstream of the exhaust purification catalyst and generates a heated gas for heating the exhaust purification catalyst, comprising at least a glow plug, and a fuel injection nozzle that injects fuel toward the glow plug;
  • An exhaust emission control device for an internal combustion engine is provided.
  • the burner device further includes a dispersing member for dispersing the heated gas on the downstream side of the glow plug.
  • the apparatus further includes a second heat spot member as a second heat storage body provided on the downstream side of the glow plug and on the upstream side of the dispersion member.
  • a second heat spot member as a second heat storage body provided on the downstream side of the glow plug and on the upstream side of the dispersion member.
  • the heat capacity of the heat spot member is smaller than the heat capacity of the second heat spot member.
  • the second heat spot member is disposed at a position where the fuel injected from the fuel injection nozzle directly collides.
  • the second heat spot member is disposed in the vicinity of the glow plug so that radiant heat from the glow plug is transmitted.
  • the heat spot member comprises an exhaust temperature sensor, and at least one of the burner device and the exhaust gas flow rate is controlled based on a detection value of the exhaust temperature sensor.
  • the heat spot member is a glow plug.
  • the exhaust purification device further includes an exhaust flow rate reducing means for reducing the exhaust gas flow rate when the burner device is operated.
  • the exhaust purification device further includes a turbocharger provided on the upstream side of the burner device, and a turbo flow rate reduction means for reducing a flow rate of exhaust gas passing through the turbocharger when the burner device is operated.
  • a turbocharger provided on the upstream side of the burner device
  • a turbo flow rate reduction means for reducing a flow rate of exhaust gas passing through the turbocharger when the burner device is operated.
  • the heated gas generated by the burner device can be supplied to the downstream exhaust purification catalyst while suppressing the temperature drop.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a main part of the first modification.
  • FIG. 3 is a schematic view showing a main part of the second modification.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the main part of the third modification.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a main part of a fourth modification.
  • FIG. 6A is a schematic diagram illustrating a main part of a fifth modification. 6B is a cross-sectional view taken along the line VIB-VIB of FIG. 6A.
  • FIG. 7 is a schematic view showing the main part of a sixth modification.
  • FIG. 8 is a schematic view showing the main part of a seventh modified example.
  • FIG. 9 is a schematic view showing a main part of an eighth modification.
  • FIG. 10 is a schematic view showing the main part of a ninth modification.
  • upstream side and downstream side may be referred to as “front” and “rear”, respectively.
  • FIG. 1 schematically shows an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
  • Reference numeral 1 denotes an automobile multi-cylinder compression ignition internal combustion engine, that is, a diesel engine.
  • Reference numeral 2 denotes an intake manifold communicated with an intake port.
  • Reference numeral 4 denotes a combustion chamber defined by a cylinder and a piston.
  • fuel supplied from a fuel tank (not shown) to the high pressure pump 5 is pumped to the common rail 6 by the high pressure pump 5 and accumulated in a high pressure state.
  • the high pressure fuel in the common rail 6 is transferred from the injector 7 to the combustion chamber. 4 is directly supplied by injection.
  • a common rail type fuel injection device it is not restricted to the thing provided with such a common rail type fuel injection device.
  • the intake air introduced from the air cleaner 10 into the intake passage 11 passes through the air flow meter 12, the compressor C of the turbocharger 8, the intercooler 13, and the throttle valve 14 in order to reach the intake manifold 2.
  • the air flow meter 12 is a sensor for detecting the amount of intake air.
  • the throttle valve 14 is an electronically controlled type.
  • the exhaust gas from each combustion chamber 4 is exhausted to the atmosphere after flowing through the exhaust passage 9.
  • An upstream end portion of the exhaust passage 9 is formed by the exhaust manifold 3.
  • a turbine T of the turbocharger 8 is provided in the middle of the exhaust passage 9.
  • a bypass passage 20 that bypasses the turbine T and a waste gate valve 21 that opens and closes the bypass passage 20 are provided.
  • Engine 1 also includes an EGR device.
  • the EGR device includes an EGR passage 17 for circulating the exhaust gas in the exhaust manifold 3 to the intake passage 11, an EGR cooler 18 for cooling the EGR gas flowing through the EGR passage 17, and an EGR valve 19 for adjusting the flow rate of the EGR gas.
  • the exhaust purification catalyst 34 includes an oxidation catalyst that oxidizes and purifies unburned components (CO, HC) in the exhaust.
  • a particulate filter hereinafter referred to as DPF
  • the DPF collects particulates (PM, particulates) in the exhaust, and the NOx catalyst reduces and purifies NOx in the exhaust.
  • the DPF has a catalyst made of a noble metal and continuously oxidizes and burns the collected fine particles.
  • the NOx catalyst may be an occlusion reduction type or a selective reduction type.
  • the catalyst supported on the DPF and the NOx catalyst also constitute an exhaust purification catalyst according to the present invention. That is, in this embodiment, a total of three exhaust purification catalysts are provided. However, the number and type of the exhaust purification catalyst are arbitrary and may be one. In particular, in the case of a spark ignition internal combustion engine (gasoline engine), the exhaust purification catalyst may comprise a three-way catalyst.
  • a burner device 40 is provided upstream of the exhaust purification catalyst 34.
  • the burner device 40 is disposed at a position immediately after the turbine T and at an upstream position separated from the exhaust purification catalyst 34 by a predetermined distance.
  • the burner device 40 is for generating heated gas, supplying the generated heated gas to the exhaust purification catalyst 34 on the downstream side, and maintaining and promoting the warming-up and the active state of the exhaust purification catalyst 34.
  • the burner device 40 has a fuel injection nozzle 41 and a glow plug 42, which are respectively arranged from the upstream side.
  • the glow plug 42 When the burner device 40 is operated, the glow plug 42 is energized, and fuel F is injected from the fuel injection nozzle 41 toward the heat portion 42A at the tip of the glow plug 42. Then, the injected fuel is ignited and burned by the glow plug 42, and a high-temperature heated gas containing a flame is generated.
  • the exhaust purification catalyst 34 By supplying this heated gas to the exhaust purification catalyst 34, the exhaust purification catalyst 34 can be warmed up and maintained and promoted.
  • the burner device 40 is advantageous in improving the cold emission immediately after the engine is cold started.
  • the generated heated gas is preferably allowed to reach the exhaust purification catalyst 34 while being mixed with the surrounding exhaust gas (including oxygen) as much as possible. Otherwise, a temperature distribution in which only the center in the radial direction of the exhaust purification catalyst 34 becomes high will occur. For this reason, a mixing section of a predetermined distance is required between the burner device 40 and the exhaust purification catalyst 34. Moreover, it is preferable to provide the burner apparatus 40 immediately after a turbine like this embodiment. This is because the swirl component of the exhaust gas discharged from the turbine T can be used to some extent for mixing the heated gas and the exhaust gas.
  • the engine 1 includes an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) 100 as control means.
  • ECU 100 includes a CPU, a ROM, a RAM, an input / output port, a storage device, and the like.
  • the ECU 100 controls the injector 7, the high pressure pump 5, the throttle valve 14, the fuel injection nozzle 41, the glow plug 42, and the like so that desired engine control is executed based on detection values of various sensors.
  • the above-described air flow meter 12 is connected to the ECU 100 as sensors.
  • the ECU 100 is connected with a crank angle sensor 15, an accelerator opening sensor 16, and a common rail pressure sensor 25.
  • the crank angle sensor 15 outputs a crank pulse signal to the ECU 100 when the crankshaft rotates.
  • ECU 100 detects the crank angle of engine 1 based on the crank pulse signal and calculates the rotational speed of engine 1.
  • the accelerator opening sensor 16 outputs a signal corresponding to the accelerator pedal opening (accelerator opening) operated by the user to the ECU 100.
  • the common rail pressure sensor 25 outputs a signal corresponding to the fuel pressure (common rail pressure) in the common rail 6 to the ECU 100.
  • a heat spot member 50 as a heat storage body or a heat reservoir is provided in the exhaust passage 9 downstream of the burner device 40 and upstream of the exhaust purification catalyst 34.
  • the heat spot member 50 is made of a metal wire, shaft, pipe, structure, or the like installed in the exhaust passage 9.
  • the heat spot member 50 is provided immediately before the exhaust purification catalyst 34, and extends in the radial direction from the inner wall of the exhaust passage 9 toward the center side.
  • the heat spot member 50 is configured to have a higher temperature than the inner wall of the exhaust passage 9 (or the exhaust pipe) and to maintain the high temperature state by receiving heat from the heated gas or the exhaust gas.
  • the heated gas burns while being mixed with the surrounding exhaust gas.
  • combustion in the exhaust gas is combustion under conditions of lower pressure and temperature, and the combustion tends to be unstable.
  • the temperature of the inner wall of the exhaust passage is low, when the heated gas is disturbed in the mixing process and collides with the inner wall of the exhaust passage, the temperature of the heated gas decreases rapidly, and the flame contained in the heated gas tends to disappear.
  • the heat spot member 50 when the heat spot member 50 is provided as in the present embodiment, unburned components (particularly HC) contained in the heated gas can be reburned by the heat spot member 50. As a result, the heating gas temperature can be kept as high as possible, or can be raised again. Accordingly, the combustion characteristics of the heated gas can be improved, and at the same time, the warming-up performance of the exhaust purification catalyst 34 can be improved by supplying a sufficiently high temperature heated gas to the exhaust purification catalyst 34.
  • the burner device 40 further includes a dispersion member 43 for dispersing the heated gas on the downstream side of the glow plug 42.
  • the dispersion member 43 includes a cylindrical oxidation catalyst 43A.
  • the oxidation catalyst 43A is sized so as to occupy a part of the cross-sectional area of the exhaust passage 9, and is fixed to the center of the exhaust passage 9 while being floated by a support member (not shown).
  • the second heat storage body or the heat reservoir is provided downstream of the glow plug 42 and upstream of the dispersion member 43 (oxidation catalyst 43A) in the first modification (FIG. 2).
  • the second heat spot member 51 is provided.
  • the second heat spot member 51 is also made of a metal wire, shaft, pipe, structure, or the like installed in the exhaust passage 9.
  • the second heat spot member 51 is also configured to have a higher temperature than the inner wall of the exhaust passage 9 and to maintain the high temperature state. In the case of the illustrated example, the second heat spot member 51 extends in the radial direction from the inner wall of the exhaust passage 9 toward the center side.
  • the second heat spot member 51 is disposed at a position where the fuel F injected from the fuel injection nozzle 41 directly collides. In this way, the injected fuel F can be oxidized and burned by the second heat spot member 51, and the combustion performance can be improved.
  • the second heat spot member 51 is disposed in the vicinity of the glow plug 42 so that radiant heat or radiant heat from the glow plug 42 is transmitted.
  • the second heat spot member 51 is disposed at a position immediately after the heat portion 42A of the glow plug 42, and directly receives the fuel F that has not collided with the glow plug 42.
  • the heat capacity of the downstream heat spot member 50 is made smaller than the heat capacity of the second heat spot member 51.
  • the heat capacity of the second heat spot member 51 is made larger than the heat capacity of the heat spot member 50 on the downstream side.
  • the heat spot member 50 on the downstream side is one that is re-combusted or heated up before or just before the heated gas is supplied to the exhaust purification catalyst 34, it is preferable that the temperature of the heat spot member 50 is quickly raised. Therefore, the heat capacity of the downstream heat spot member 50 is preferably small. On the other hand, since the second heat spot member 51 tends to be cooled by taking heat when the injected fuel F collides, it is preferable that the heat capacity is large in order to suppress the cooling.
  • the exhaust passage 9 between the dispersion member 43 (oxidation catalyst 43A) and the heat spot member 50 in the second modified example (FIG. 3) is at a predetermined angle (in the illustrated example). 90 °) bent.
  • the exhaust passage 9 is bent in this manner, the flow directions of the heating gas and the exhaust gas change at the bent portion, and the mixing and disturbance of both can be further promoted.
  • the oxidation catalyst 43 ⁇ / b> A as the dispersion member 43 in the second modification is sized to occupy the entire cross-sectional area of the exhaust passage 9. This also makes it possible to disperse the heated gas as compared with the basic example, and to promote the disturbance and mixing.
  • FIG. 6A is a view when viewed from the upstream side of the central axis 9C of the exhaust passage 9, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line VIB-VIB of FIG. 6A.
  • the swirl device 43B includes a central boss 44 disposed coaxially with the central axis 9C of the exhaust passage 9, and a plurality (four in the illustrated example) of inclined fins 45 extending radially from the central boss 44 to the inner wall of the exhaust passage 9. Composed. Each inclined fin 45 is inclined at a predetermined angle ⁇ with respect to the central axis 9C of the exhaust passage 9 as shown in FIG. 6B.
  • this swirl device 43B when the heated gas and the exhaust gas pass through the inclined fin 45 in the direction of the central axis 9C, a swirling flow can be generated as shown by an arrow a in FIG. 6A. Therefore, this swirl flow can be used to disperse the heated gas and at the same time promote mixing with the exhaust gas.
  • dispersion member 43 various other devices and structures may be considered for the dispersion member 43.
  • the second plate-shaped second extending in the axial direction of the exhaust passage 9.
  • the heat spot member 51A is used.
  • the flat plate-like second heat spot member 51A is disposed in the vicinity of the heat portion 42A of the glow plug 42A and directly below the axial direction thereof. Also by this, the injected fuel F can be directly collided with the second heat spot member 51A and the radiant heat from the glow plug 42 can be transmitted to the second heat spot member 51A as in the second modification.
  • the point that the heat capacity of the second heat spot member 51A is made larger than the heat capacity of the downstream heat spot member 50 is the same as described above.
  • the central axis is positioned in parallel with the axial direction of the exhaust passage 9 instead of the second heat spot member 51 extending in the radial direction shown in the second modification (FIG. 3).
  • the cylindrical second heat spot member 51B is used.
  • the cylindrical second heat spot member 51B is also arranged at a position where the injected fuel F collides in the vicinity of the heat portion 42A of the glow plug 42A and on the downstream side. And the heat capacity is made larger than the heat capacity of the heat spot member 50 on the downstream side.
  • a grid-like second heat spot member 51 ⁇ / b> C is used instead of the second heat spot member 51 extending in the radial direction shown in the second modification (FIG. 3).
  • the second heat spot member 51C is formed in a cylindrical shape as a whole by metal fine wires, and is formed in a lattice shape by combining a plurality of fine wires vertically and horizontally.
  • the central axis of the cylinder is positioned parallel to the axial direction of the exhaust passage 9 as in the seventh modification (FIG. 8), and is coaxially positioned in the illustrated example.
  • the second heat spot member 51C is also arranged at a position where the injected fuel F collides in the vicinity of the heat portion 42A of the glow plug 42A and on the downstream side. And the heat capacity is made larger than the heat capacity of the heat spot member 50 on the downstream side.
  • the heat spot member 50 is formed by the exhaust temperature sensor 52 instead of the downstream heat spot member 50 made of a thin line or the like shown in the second modification (FIG. 3). . That is, the detection element portion 52A located at the tip of the exhaust temperature sensor 52 is located in the exhaust passage 9, and the detection element portion 52A forms a substantial heat spot member 50.
  • the detection element section 52A includes an internal detection element (not shown) and a cover 52B that covers the detection element from the outside.
  • a signal related to the exhaust temperature detected by the exhaust temperature sensor 52 is sent to the ECU 100, and the ECU 100 controls the burner device 40 based on the detected value. That is, when the detected value of the exhaust temperature sensor 52 is lower than the predetermined temperature, the ECU 100 energizes (turns on) the glow plug 42 and causes the fuel injection nozzle 41 to be in an operating state to execute fuel injection. On the other hand, when the detected value of the exhaust temperature sensor 52 is equal to or higher than the predetermined temperature, the ECU 100 stops (turns off) the glow plug 42 and stops the fuel injection by setting the fuel injection nozzle 41 to the inoperative state.
  • the combustion of the heated gas is promoted and the exhaust purification catalyst 34 may be overheated.
  • the burner device 40 controls the burner device 40 based on the detection value of the exhaust temperature sensor 52, it is possible to prevent an excessive temperature rise of the exhaust purification catalyst 34, thereby extending the life of the exhaust purification catalyst 34. Can be planned.
  • the exhaust gas flow rate may be controlled based on the detection value of the exhaust temperature sensor 52. That is, the ECU 100 increases the opening degree of at least one of the throttle valve 14 and the EGR valve 19 when the detection value of the exhaust temperature sensor 52 becomes equal to or higher than the predetermined temperature, compared to when the detection value is lower than the predetermined temperature. Increase the exhaust gas flow rate.
  • the downstream heat spot member 50 can be constituted by a glow plug instead of the exhaust temperature sensor 52.
  • the heat portion of the glow plug functions as the heat spot member 50, and if the glow plug is energized, the heated gas can be ignited and burned more actively.
  • the heat spot members 50 and 51 have a higher temperature as the amount of heat received increases, and exhibit a high combustion promoting effect. In order to increase the amount of heat received by the heat spot members 50, 51, it is effective to reduce the flow rate of the exhaust gas hitting the heat spot members 50, 51.
  • the ECU 100 reduces the exhaust gas flow rate when the burner device 40 is operated than when the burner device 40 is not operated. Specifically, the opening degree of at least one of the throttle valve 14 and the EGR valve 19 is decreased to reduce the exhaust gas flow rate. Thereby, the amount of heat received by the heat spot members 50 and 51 can be increased, and the combustion promotion effect can be enhanced.
  • the heat spot members 50 and 50 are affected by the swirl flow generated by the rotation of the turbine T.
  • the heat storage function of 51 will deteriorate.
  • the influence is large on the second heat spot member 51 installed immediately after the turbine.
  • the ECU 100 reduces the flow rate of the exhaust gas passing through the turbocharger 8 when the burner device 40 is operated. Specifically, the waste gate valve 21 is opened. By doing so, the exhaust gas bypasses the turbine T, and the rotational speed of the turbine T is reduced, and the swirling flow is weakened. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in the heat storage function of the heat spot members 50 and 51 due to the swirling flow.
  • the swirl flow can be similarly reduced by increasing the nozzle vane opening.
  • this invention can also take other embodiment.
  • the use, type, etc. of the internal combustion engine are arbitrary, and not only the compression ignition internal combustion engine but also a spark ignition internal combustion engine (gasoline engine).
  • the first to ninth modifications can be appropriately combined as long as no contradiction occurs.

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Abstract

 本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、排気通路に設けられた排気浄化触媒と、排気浄化触媒の上流側に設けられ、排気浄化触媒を加熱するための加熱ガスを生成するバーナー装置であって、少なくともグロープラグと、グロープラグに向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを有するバーナー装置と、バーナー装置の下流側で且つ排気浄化触媒の上流側に設けられた蓄熱体としてのヒートスポット部材とを備える。

Description

内燃機関の排気浄化装置
 本発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、排気浄化触媒の暖機促進のためのバーナー装置を排気通路に有する内燃機関の排気浄化装置に関する。
 内燃機関の排気通路において、排気浄化触媒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浄化触媒を加熱し、排気浄化触媒の暖機を促進する場合がある(例えば特許文献1参照)。
 この種の排気浄化装置では、バーナー装置で生成された高温の加熱ガスが、排気浄化触媒に到達する前に排気通路内壁に接触して熱を奪われ、その温度が低下するという問題がある。
 そこで本発明の一の目的は、バーナー装置で生成された加熱ガスをその温度低下を抑制しつつ下流側の排気浄化触媒に供給することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
特開2001-107721号公報
 本発明の一の形態によれば、
 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
 前記排気浄化触媒の上流側に設けられ、前記排気浄化触媒を加熱するための加熱ガスを生成するバーナー装置であって、少なくともグロープラグと、該グロープラグに向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを有するバーナー装置と、
 前記バーナー装置の下流側で且つ前記排気浄化触媒の上流側に設けられた蓄熱体としてのヒートスポット部材と、
 を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。
 好ましくは、前記バーナー装置が、前記グロープラグの下流側に、前記加熱ガスを分散させるための分散部材をさらに有する。
 好ましくは、前記グロープラグの下流側で且つ前記分散部材の上流側に設けられた第2の蓄熱体としての第2のヒートスポット部材をさらに備える。
 好ましくは、前記ヒートスポット部材の熱容量が前記第2のヒートスポット部材の熱容量より小さい。
 好ましくは、前記第2のヒートスポット部材が、前記燃料噴射ノズルから噴射された燃料が直接衝突されるような位置に配置される。
 好ましくは、前記第2のヒートスポット部材が、前記グロープラグからの放射熱が伝達されるよう前記グロープラグの近傍に配置される。
 好ましくは、前記ヒートスポット部材が排気温センサからなり、前記排気温センサの検出値に基づき前記バーナー装置および排気ガス流量の少なくとも一方が制御される。
 好ましくは、前記ヒートスポット部材がグロープラグからなる。
 好ましくは、前記排気浄化装置が、前記バーナー装置の作動時に、排気ガス流量を低減させる排気流量低減手段をさらに備える。
 好ましくは、前記排気浄化装置が、前記バーナー装置の上流側に設けられたターボチャージャと、前記バーナー装置の作動時に、前記ターボチャージャを通過する排気ガス流量を低減させるターボ流量低減手段と、をさらに備える。
 本発明によれば、バーナー装置で生成された加熱ガスをその温度低下を抑制しつつ下流側の排気浄化触媒に供給することができるという、優れた効果が発揮される。
図1は、本発明の実施形態に係る内燃機関を概略的に示す図である。 図2は、第1変形例の要部を示す概略図である。 図3は、第2変形例の要部を示す概略図である。 図4は、第3変形例の要部を示す概略図である。 図5は、第4変形例の要部を示す概略図である。 図6Aは、第5変形例の要部を示す概略図である。 図6Bは、図6AのVIB-VIB断面図である。 図7は、第6変形例の要部を示す概略図である。 図8は、第7変形例の要部を示す概略図である。 図9は、第8変形例の要部を示す概略図である。 図10は、第9変形例の要部を示す概略図である。
 以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、「上流側」および「下流側」をそれぞれ「前」および「後」ということもある。
 図1に、本発明の実施形態に係る内燃機関を概略的に示す。1は自動車用の多気筒圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、2は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、4はシリンダとピストンによって画成される燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ5に供給された燃料が、高圧ポンプ5によりコモンレール6に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール6内の高圧燃料がインジェクタ7から燃焼室4内に直接噴射供給される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。
 エアクリーナ10から吸気通路11内に導入された吸入空気は、エアフローメータ12、ターボチャージャ8のコンプレッサC、インタークーラ13、スロットルバルブ14を順に通過して吸気マニフォルド2に至る。エアフローメータ12は吸入空気量を検出するためのセンサである。スロットルバルブ14には電子制御式のものが採用されている。
 他方、各燃焼室4からの排気ガスは、排気通路9を流された後に大気に排出される。排気通路9の上流端部は排気マニフォルド3により形成される。排気通路9の途中にはターボチャージャ8のタービンTが設けられている。タービンTをバイパスするバイパス通路20と、バイパス通路20を開閉するウェイストゲート弁21とが設けられている。
 エンジン1はEGR装置をも含む。EGR装置は、排気マニフォルド3内の排気ガスを吸気通路11に環流させるためのEGR通路17と、EGR通路17を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラ18と、EGRガスの流量を調節するEGR弁19とを備える。
 タービンTの下流側には排気浄化触媒34が設けられている。排気浄化触媒34は、排気中の未燃成分(CO,HC)を酸化して浄化する酸化触媒からなる。この酸化触媒の下流側には、図示しないパティキュレートフィルタ(以下、DPFという)とNOx触媒とが直列に設けられている。DPFは排気中の微粒子(PM、パティキュレート)を捕集し、NOx触媒は排気中のNOxを還元浄化する。DPFは、貴金属からなる触媒を有し、捕集した微粒子を連続的に酸化燃焼する。NOx触媒は吸蔵還元式であっても選択還元式であっても構わない。
 これらDPFに担持された触媒と、NOx触媒も、それぞれ本発明にいう排気浄化触媒を構成する。つまり本実施形態では計3個の排気浄化触媒が設けられている。但し排気浄化触媒の数や種類は任意であり、一つであっても構わない。また特に火花点火式内燃機関(ガソリンエンジン)の場合、排気浄化触媒は三元触媒からなってもよい。
 排気浄化触媒34の上流側にはバーナー装置40が設けられている。特にバーナー装置40は、タービンTの直後の位置で且つ排気浄化触媒34から所定距離隔てられた上流側の位置に配設されている。
 バーナー装置40は、加熱ガスを生成して、その生成された加熱ガスを下流側の排気浄化触媒34に供給し、排気浄化触媒34の暖機および活性状態を維持促進するためのものである。バーナー装置40は、それぞれ上流側から配置された燃料噴射ノズル41とグロープラグ42とを有する。
 バーナー装置40の作動時、グロープラグ42が通電されると共に、グロープラグ42の先端のヒート部42Aに向けて燃料噴射ノズル41から燃料Fが噴射供給される。すると噴射燃料がグロープラグ42により着火燃焼させられ、火炎を含む高温の加熱ガスが生成される。
 この加熱ガスが排気浄化触媒34に供給されることにより、排気浄化触媒34の暖機および活性状態を維持促進することが可能となる。特にバーナー装置40は、エンジンの冷間始動直後のコールドエミッションを向上するのに有利である。
 生成された加熱ガスは、その周囲の排気ガス(酸素を含む)とできるだけ混合させつつ排気浄化触媒34に到達させるのが好ましい。そうしないと排気浄化触媒34の半径方向中心側のみが高温になるという温度分布が生じてしまうからである。このため、バーナー装置40と排気浄化触媒34との間には所定距離の混合区間が必要である。また本実施形態のようにタービン直後にバーナー装置40を設けるのは好ましい。タービンTから排出された排気ガスの旋回成分を、加熱ガスと排気ガスとの混合にある程度利用できるからである。
 エンジン1は、制御手段としての電子制御ユニット(以下ECUという)100を備える。ECU100は、CPU、ROM、RAM、入出力ポート、および記憶装置等を含む。ECU100は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ7、高圧ポンプ5、スロットルバルブ14、燃料噴射ノズル41、グロープラグ42等を制御する。ECU100には、センサ類として、上述のエアフローメータ12が接続されている。
 またECU100には、クランク角センサ15、アクセル開度センサ16、コモンレール圧センサ25が接続されている。クランク角センサ15はクランクシャフトの回転時にクランクパルス信号をECU100に出力する。ECU100はそのクランクパルス信号に基づきエンジン1のクランク角を検出すると共に、エンジン1の回転速度を算出する。アクセル開度センサ16は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度(アクセル開度)に応じた信号をECU100に出力する。コモンレール圧センサ25は、コモンレール6内の燃料圧力(コモンレール圧)に対応した信号をECU100に出力する。
 さて、図1に示すように、バーナー装置40の下流側で且つ排気浄化触媒34の上流側の排気通路9内には、蓄熱体或いは熱溜めとしてのヒートスポット部材50が設けられている。このヒートスポット部材50は、排気通路9内に設置された金属製の線材、軸材、パイプ材または構造体等からなる。本実施形態の場合、ヒートスポット部材50は排気浄化触媒34の直前に設けられ、排気通路9の内壁から中心側に向かって半径方向に延びている。ヒートスポット部材50は、加熱ガスまたは排気ガスからの受熱により、排気通路9(または排気管)の内壁に比して高温となり、且つその高温状態を維持するように構成されている。
 生成された加熱ガスが排気浄化触媒34に到達するまでの間、加熱ガスは周囲の排気ガスと混合しながら燃焼する。しかし、排気中での燃焼は筒内燃焼室4での燃焼と異なり、圧力および温度がより低い条件下での燃焼となり、燃焼が不安定となりがちである。また、排気通路内壁温度が低いため、加熱ガスが混合過程で乱されて排気通路内壁に衝突したとき、加熱ガスの温度が急減し、加熱ガスに含まれる火炎が消滅しやすい。
 ところが、本実施形態の如くヒートスポット部材50を設けると、加熱ガスに含まれる未燃成分(特にHC)をヒートスポット部材50によって再燃焼させることができる。これによって加熱ガス温度をできるだけ高く維持し、若しくは再上昇させることができる。よって加熱ガスの燃焼特性を向上することができると同時に、十分高温な加熱ガスを排気浄化触媒34に供給して排気浄化触媒34の暖機性能を向上することができる。
 次に、ここで説明した基本例に基づく変形例を幾つか説明する。
 図2に示す第1変形例においては、バーナー装置40が、グロープラグ42の下流側に、加熱ガスを分散させるための分散部材43をさらに有する。図示例において分散部材43は円筒状の酸化触媒43Aからなる。酸化触媒43Aは、排気通路9の断面積の一部を占めるような大きさとされ、図示しない支持部材により浮いた状態で排気通路9の中心部に固定されている。
 バーナー装置40の作動時、グロープラグ42が通電され且つ燃料噴射ノズル41から燃料Fが噴射されると、噴射燃料の着火により加熱ガスが生成される。この加熱ガスは、酸化触媒43Aに導入され、ここで加熱ガス中の未燃成分がさらに酸化、燃焼される。これにより基本例に比べてより高温の加熱ガスを生成することができる。また、加熱ガスが酸化触媒43Aを通過する際にその速度が低下するので、酸化触媒43Aを出た直後に加熱ガスを分散させることができる。これにより加熱ガスの混合性能を向上できる。
 図3に示す第2変形例においては、第1変形例(図2)におけるグロープラグ42の下流側で且つ分散部材43(酸化触媒43A)の上流側に、第2の蓄熱体或いは熱溜めとしての第2のヒートスポット部材51が設けられている。この第2のヒートスポット部材51も、排気通路9内に設置された金属製の線材、軸材、パイプ材または構造体等からなる。この第2のヒートスポット部材51も、排気通路9の内壁に比して高温となり、且つその高温状態を維持するように構成されている。図示例の場合、第2のヒートスポット部材51は、排気通路9の内壁から中心側に向かって半径方向に延びている。
 第2のヒートスポット部材51は、燃料噴射ノズル41から噴射された燃料Fが直接衝突されるような位置に配置されている。こうすることにより、第2のヒートスポット部材51によっても噴射燃料Fを酸化、燃焼させることができ、燃焼性能を向上させることができる。
 第2のヒートスポット部材51は、グロープラグ42からの放射熱或いはふく射熱が伝達されるよう、グロープラグ42の近傍に配置されている。図示例の場合、第2のヒートスポット部材51は、グロープラグ42のヒート部42Aの直後の位置に配置され、グロープラグ42に衝突しなかった燃料Fを直接受けるようになっている。このようにグロープラグ42の近傍に第2のヒートスポット部材51を配置することで、加熱ガスおよび排気ガスからの受熱に加え、グロープラグ42からの放射熱によっても第2のヒートスポット部材51を加熱することができ、第2のヒートスポット部材51の温度維持特性を向上できる。
 ここで、下流側のヒートスポット部材50の熱容量は第2のヒートスポット部材51の熱容量より小さくされる。換言すれば、第2のヒートスポット部材51の熱容量は下流側のヒートスポット部材50の熱容量より大きくされる。その理由は次の通りである。
 下流側のヒートスポット部材50は、加熱ガスを排気浄化触媒34に供給する前あるいは直前に再燃焼あるいは昇温するものであるため、それ自身速やかに昇温されるのが好ましい。よって下流側のヒートスポット部材50の熱容量は小さいのが好ましい。他方、第2のヒートスポット部材51は、噴射燃料Fが衝突されたときに熱を奪われ冷却されがちなので、その冷却を抑制すべく、熱容量は大きいのが好ましい。
 このように熱容量の大小を定めることで、各々のヒートスポット部材の機能に適した好適な特性を定めることができる。
 次に、図4に示す第3変形例においては、第2変形例(図3)における分散部材43(酸化触媒43A)とヒートスポット部材50との間の排気通路9が所定角度(図示例では90°)曲げられている。このように排気通路9を曲げると、当該曲がり部で加熱ガスおよび排気ガスの流れ方向が変化し、両者の混合および乱れをより促進できる。
 図5に示す第4変形例においては、第2変形例(図3)における分散部材43としての酸化触媒43Aが、排気通路9の全断面積を占めるような大きさとされている。これによっても基本例に比べて加熱ガスを分散させることができ、その乱れおよび混合を促進できる。
 図6Aおよび6Bに示す第5変形例においては、分散部材43として、前記酸化触媒43Aに代わってスワール装置43Bが用いられている。図6Aは排気通路9の中心軸9C方向上流側から見たときの図であり、図6Bは図6AのVIB-VIB断面図である。
 スワール装置43Bは、排気通路9の中心軸9Cと同軸に配置された中心ボス44と、中心ボス44から排気通路9の内壁まで放射状に延びる複数(図示例では4つ)の傾斜フィン45とから構成される。各傾斜フィン45は、図6Bに示すように、排気通路9の中心軸9Cに対し所定角度α傾斜されている。
 このスワール装置43Bによれば、加熱ガスおよび排気ガスが傾斜フィン45を中心軸9C方向に通過するとき、図6Aに矢印aで示すように旋回流を生じさせることができる。よってこの旋回流を利用して加熱ガスを分散させ、同時に排気ガスとの混合を促進することができる。
 なお、分散部材43については他にも様々な装置や構造が考えられる。例えば、単なる有孔板、メッシュプレート、回転駆動式ファンなどを用いることが可能である。
 図7に示す第6変形例においては、第2変形例(図3)で示した半径方向に延びる第2のヒートスポット部材51に代わって、排気通路9の軸方向に延びる平板状の第2のヒートスポット部材51Aが用いられている。この平板状の第2のヒートスポット部材51Aは、グロープラグ42Aのヒート部42Aの近傍で且つその軸方向の真下に配置されている。これによっても第2変形例と同様、噴射燃料Fを第2のヒートスポット部材51Aに直接衝突させられ、且つ、グロープラグ42からの放射熱を第2のヒートスポット部材51Aに伝達できる。第2のヒートスポット部材51Aの熱容量が下流側のヒートスポット部材50の熱容量より大きくされる点も前記同様である。
 図8に示す第7変形例においては、第2変形例(図3)で示した半径方向に延びる第2のヒートスポット部材51に代わって、中心軸が排気通路9の軸方向と平行に位置された円筒状の第2のヒートスポット部材51Bが用いられている。この円筒状の第2のヒートスポット部材51Bも第2変形例と同様、グロープラグ42Aのヒート部42Aの近傍且つ下流側で、噴射燃料Fが衝突されるような位置に配置されている。そしてその熱容量が下流側のヒートスポット部材50の熱容量より大きくされている。
 図9に示す第8変形例においては、第2変形例(図3)で示した半径方向に延びる第2のヒートスポット部材51に代わって、格子状の第2のヒートスポット部材51Cが用いられている。この第2のヒートスポット部材51Cは、金属製細線により全体が円筒状に形成されると共に、複数の細線が縦横に組み合わされて格子状に形成されている。円筒の中心軸は、第7変形例(図8)と同様、排気通路9の軸方向と平行に位置され、図示例では同軸に位置されている。この第2のヒートスポット部材51Cも第2変形例と同様、グロープラグ42Aのヒート部42Aの近傍且つ下流側で、噴射燃料Fが衝突されるような位置に配置されている。そしてその熱容量が下流側のヒートスポット部材50の熱容量より大きくされている。
 図10に示す第9変形例においては、第2変形例(図3)で示した細線等からなる下流側ヒートスポット部材50に代わって、排気温センサ52によりヒートスポット部材50が形成されている。即ち、排気温センサ52の先端部に位置された検出素子部52Aが排気通路9内に位置され、この検出素子部52Aが実質的なヒートスポット部材50をなす。検出素子部52Aは、内部の検出素子(図示せず)とこれを外側から覆うカバー52Bとを有する。
 排気温センサ52により検出された排気温に関する信号がECU100に送られ、ECU100は、その検出値に基づきバーナー装置40を制御する。すなわち、ECU100は、排気温センサ52の検出値が所定温度より低いときには、グロープラグ42を通電(オン)すると共に、燃料噴射ノズル41を作動状態として燃料噴射を実行させる。他方、ECU100は、排気温センサ52の検出値が所定温度以上のときには、グロープラグ42を停止(オフ)すると共に、燃料噴射ノズル41を非作動状態として燃料噴射を停止させる。
 本実施形態のようにヒートスポット部材50,51を設けると、加熱ガスの燃焼が促進されて排気浄化触媒34が過昇温される虞がある。しかしながら、上述のように、排気温センサ52の検出値に基づきバーナー装置40を制御することで、排気浄化触媒34の過昇温を防止することができ、ひいては排気浄化触媒34の長寿命化を図ることができる。
 なお、排気ガス流量を増加させることによっても排気浄化触媒34の過昇温を抑制することができる。このため、排気温センサ52の検出値に基づいて排気ガス流量を制御してもよい。すなわち、ECU100は、排気温センサ52の検出値が所定温度以上になったときには、当該検出値が所定温度未満の場合に比べて、スロットルバルブ14およびEGR弁19の少なくとも一方の開度を増加し、排気ガス流量を増加させる。
 図示しないが、排気温センサ52に代わってグロープラグにより下流側ヒートスポット部材50を構成することも可能である。この場合、グロープラグに通電しない状態でもグロープラグのヒート部がヒートスポット部材50として機能するし、グロープラグに通電すればより積極的に加熱ガスの着火燃焼を行える。
 次に、上記基本例および第1~第9変形例に適用可能な制御の例を説明する。
 上記ヒートスポット部材50,51は、受熱量が多いほど高温となり、高い燃焼促進効果を発揮する。そしてヒートスポット部材50,51の受熱量を増加するためには、ヒートスポット部材50,51に当たる排気ガスの流量を低減するのが効果的である。
 そこで好ましくは、ECU100は、バーナー装置40の作動時に、その非作動時よりも排気ガス流量を低減させる。具体的には、スロットルバルブ14およびEGR弁19の少なくとも一方の開度を減少し、排気ガス流量を低減させる。これによりヒートスポット部材50,51の受熱量を増加してその燃焼促進効果を高めることができる。
 次に、本実施形態のようにターボチャージャ8の下流側にバーナー装置40とヒートスポット部材50,51を設置した場合、タービンTの回転により生成された旋回流の影響で、ヒートスポット部材50,51の蓄熱機能が低下する可能性もある。特に、タービン直後に設置された第2のヒートスポット部材51に対してその影響が大きいことが懸念される。
 そこで好ましくは、ECU100は、バーナー装置40の作動時に、ターボチャージャ8を通過する排気ガス流量を低減させる。具体的には、ウェイストゲート弁21を開弁する。こうすることで排気ガスがタービンTをバイパスするようになり、タービンTの回転速度が低下して旋回流が弱められる。よって旋回流に起因するヒートスポット部材50,51の蓄熱機能低下を抑制することができる。
 なお、可変容量型タービンを備えたターボチャージャの場合、ノズルベーン開度を増加することでも同様に旋回流を弱めることが可能である。
 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、内燃機関の用途、形式等は任意であり、圧縮着火式内燃機関に限らず火花点火式内燃機関(ガソリンエンジン)であってもよい。前記第1~第9変形例は矛盾が生じない限り適宜組み合わせ可能である。
 本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、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、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、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。

Claims (10)

  1.  内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
     前記排気浄化触媒の上流側に設けられ、前記排気浄化触媒を加熱するための加熱ガスを生成するバーナー装置であって、少なくともグロープラグと、該グロープラグに向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルとを有するバーナー装置と、
     前記バーナー装置の下流側で且つ前記排気浄化触媒の上流側に設けられた蓄熱体としてのヒートスポット部材と、
     を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
  2.  前記バーナー装置が、前記グロープラグの下流側に、前記加熱ガスを分散させるための分散部材をさらに有する
     ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3.  前記グロープラグの下流側で且つ前記分散部材の上流側に設けられた第2の蓄熱体としての第2のヒートスポット部材をさらに備える
     ことを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4.  前記ヒートスポット部材の熱容量が前記第2のヒートスポット部材の熱容量より小さい
     ことを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5.  前記第2のヒートスポット部材が、前記燃料噴射ノズルから噴射された燃料が直接衝突されるような位置に配置される
     ことを特徴とする請求項3または4に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6.  前記第2のヒートスポット部材が、前記グロープラグからの放射熱が伝達されるよう前記グロープラグの近傍に配置される
     ことを特徴とする請求項3~5の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7.  前記ヒートスポット部材が排気温センサからなり、前記排気温センサの検出値に基づき前記バーナー装置および排気ガス流量の少なくとも一方が制御される
     ことを特徴とする請求項1~6の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8.  前記ヒートスポット部材がグロープラグからなる
     ことを特徴とする請求項1~7の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9.  前記バーナー装置の作動時に、排気ガス流量を低減させる排気流量低減手段をさらに備える
     ことを特徴とする請求項1~8の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10.  前記バーナー装置の上流側に設けられたターボチャージャと、前記バーナー装置の作動時に、前記ターボチャージャを通過する排気ガス流量を低減させるターボ流量低減手段と、をさらに備える
     ことを特徴とする請求項1~9の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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