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CN102472138A - 内燃机的排气装置 - Google Patents

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CN102472138A
CN102472138A CN2010800275875A CN201080027587A CN102472138A CN 102472138 A CN102472138 A CN 102472138A CN 2010800275875 A CN2010800275875 A CN 2010800275875A CN 201080027587 A CN201080027587 A CN 201080027587A CN 102472138 A CN102472138 A CN 102472138A
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CN2010800275875A
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早川刚史
片山晴之
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Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

一种内燃机的排气装置，包括：配置在内燃机(1)的排气通路(3)上的催化转换器(8)、配置在比所述催化转换器(8)靠上游侧且向所述排气通路(3)内供应燃料的燃料供应阀(7)、能够使从所述燃料供应阀(7)供应的燃料点火的点火装置(21)、调整供应给所述燃料供应阀(7)的燃料的压力的压力调整装置(16)、控制所述燃料供应阀(7)和所述压力调整装置(16)的控制器(10)。所述控制器(10)控制所述燃料供应阀(7)及所述压力调整装置(16)，执行相互连续地进行的燃料压力相互不同的多次喷射以及一边改变燃料压力一边进行的单次喷射中的至少一种喷射。

Description

内燃机的排气装置
技术领域
本发明涉及能够向内燃机的排气通路供应燃料的排气装置。
背景技术
以净化排气为目的，广泛采用向内燃机的排气通路供应燃料的排气装置。
专利文献1揭示的装置，在开始向排气通路供应燃料之后，一度停止供应，并且监视伴随着供应开始的温度上升程度，根据该监视结果，再次开始燃料的供应。在这种装置中，由于向排气通路供应的燃料的供应量受到控制，所以，能够抑制由堆积在催化转换器上的PM(Partculate Matter，粒子状物质)以及附着在催化转换器上的未燃料燃料等可燃物质引起的过度的温度上升。
专利文献2揭示的装置，在与催化转换器的上游侧邻接的排气通路内，配备有用于使供应给排气通路的燃料碰撞的分散板。分散板由平行于排气通路轴向方向配置的相互平行的多个平板构成。利用分散板使燃料遍及催化转换器的上游侧的整个端面广泛地分散。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本专利申请特开2005-83353号公报
【专利文献2】日本专利申请特开2008-274852号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在向内燃机的排气通路供应燃料的排气装置中，优选地，除了向催化转换器供应燃料之外，能够由点火装置使燃料点火。但是，在专利文献1、2中，未揭示用于从共同的燃料供应阀向催化转换器和点火装置两者恰当地供应燃料的手段。
本发明的目的是提供一种用于从配置在排气通路上的共同的燃料供应阀恰当地向催化转换器和点火装置供应燃料的手段。
解决课题的方案
本发明的第一种形式是一种内燃机的排气装置，其特征在于，配备有：
催化转换器，所述催化转换器配置在内燃机的排气通路上，
燃料供应阀，所述燃料供应阀配置在比所述催化转换器靠上游侧，向所述排气通路内供应燃料，
点火装置，所述点火装置能够使从所述燃料供应阀供应的燃料点火，
压力调整装置，所述压力调整装置调整供应给所述燃料供应阀的燃料的压力，
控制器，所述控制器控制所述燃料供应阀及所述压力调整装置，
所述控制器控制所述燃料供应阀及所述压力调整装置，以执行相互连续进行的燃料压力相互不同的多次喷射、以及一边改变燃料压力一边进行的单次的喷射中的至少一喷射。
在这种形式中，从共同的燃料供应阀供应到排气通路内的燃料被供应给催化转换器和点火装置。压力调整装置调整供应给燃料供应阀的燃料的压力。控制器控制燃料供应阀及压力调整装置，以执行相互连续进行的燃料压力相互不同的多次喷射、以及一边改变燃料压力一边进行的单次的喷射中的至少其中一种喷射。由于若燃料压力变化，则燃料的轨道以及分散的程度变化，所以，利用这一点，能够从共同的燃料供应阀向催化转换器和点火装置恰当地供应燃料。
优选地，所述点火装置配置在所述催化转换器的附近，所述控制器向所述燃料供应阀进行相互连续进行的燃料压力相互不同的多次喷射，所述多次喷射包括：第一喷射，所述第一喷射由第一燃料压力进行；第二喷射，所述第二喷射在该第一喷射之后进行，并且，所述第二喷射由比所述第一燃料压力小的第二燃料压力进行。
在这种形式中，由于若向催化转换器供应由第一喷射供应的燃料，则通过催化转换器的发热而使其附近的温度上升，所以，当在之后进行第二喷射以向点火装置供应燃料时，可以促进点火、抑制不点火的情况发生。
优选地，所述点火装置的发热部分和所述燃料喷射阀在所述排气通路的横断方向上的间隔，比从所述燃料喷射阀供应的燃料碰撞的碰撞点和所述燃料喷射阀在所述排气通路的横断方向上的间隔小。
在这种形式中，能够根据与燃料供应阀的间隔从共同的燃料供应阀恰当地向催化转换器和点火装置供应燃料。优选地，装置还配备有用于使所述供应的燃料碰撞的碰撞构件，与该碰撞构件碰撞的燃料被供应给所述催化转换器。
另外，只要可能，可以将用于解决本发明的课题的手段，组合使用。
发明的效果
根据本发明，能够从共同的燃料供应阀恰当地向催化转换器和点火装置供应燃料。
附图说明
图1是本发明的实施方式的概念图。
图2是表示燃烧器装置的主要部分的放大图。
图3是从轴向方向观察燃烧器装置的剖视图。
图4是表示可变燃料压力调节器的剖视图。
图5是表示燃料压力的变化的曲线图。
具体实施方式
下面，对于本发明的优选实施方式进行详细说明。但是，必须注意，本发明的实施方式并不局限于下述各种形式，本发明包括由权利要求的范围所规定的本发明的思想包含的所有的变形例及应用例。对于本实施方式中所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，只要没有特别声明，发明的技术范围就不仅限于这些尺寸、材质、形状、其相对配置等。
图1表示实施方式中的发动机本体1及其进排气系统的概略结构。发动机本体1是车载的四冲程柴油发动机。进气管2及排气管3(排气通路)连接于发动机本体1上。在进气管2的中途设置有空气流量计4，所述空气流量计4用于输出与在进气管2内流通的进气的流量相对应的信号。利用该空气流量计4，测定向发动机本体1吸入的吸入空气量。
排气管3连接在图中未示出的消声器上。在排气管3的中途，依次串列地配置有氧化催化转换器6及NOx催化转换器26。氧化催化转换器6使HC、CO等未燃烧成分与O2反应，生成CO、CO2、H2O等。作为催化剂物质，例如，可以使用Pt/CeO2、Mn/CeO2、Fe/CeO2、Ni/CeO2、Cu/CeO2等。NOx催化转换器26优选由吸留还原型NOx催化转换器(NSR：NOx Storage Reduction)构成。当流入的排气的氧浓度高时，NOx催化转换器26吸留排气中的NOx，当流入的排气的氧浓度低并且存在还原成分(例如，燃料等)时，NOx催化转换器26具有还原所吸留的NOx的功能。另外，NOx催化转换器26也可以是选择还原型NOx催化转换器(SCR：Selective Catalytic Reduction)。
在排气管3中的氧化催化转换器6的上游配置有燃料喷射阀7、前处理催化转换器8、以及火花塞21。这些燃料喷射阀7、前处理催化转换器8以及火花塞21构成燃烧器装置30。
燃料喷射阀7可以将液体燃料(轻油)添加到排气中。燃料箱11经由燃料吸引管12、并经由低压燃料泵13、高压燃料泵14、燃料供应管15及可变燃料压力调节器16连接到燃料喷射阀7上。燃料泵13、14经由燃料吸入管12吸入贮存在燃料箱11中的燃料，向燃料供应管15排出，借此，将燃料供应给燃料喷射阀7。在通向气缸内燃料喷射阀9的配管27上，设置有高压燃料泵28。燃料泵13、14、28例如是机械式的，利用发动机本体1的图中未示出的输出轴(曲轴)的驱动力进行动作。另外，燃料泵13、14、28中至少一个也可以是电动式的。
可变燃料压力调节器16调整从高压燃料泵14排出的燃料的压力。如图3所示，可变燃料压力调节器16配备有针阀17。该针阀17由阀座17b和针17c构成，所述阀座17b具有在从燃料供应管15分支的分支通路18上开口的孔17a，所述针17c接近或远离该阀座17b，以便开闭上述孔17a。可变燃料压力调节器16还配备有：成一整体地连接到针阀17上的图中未示出的磁性电枢、对该电枢向下方(关闭针阀17的方向)加载的图中未示出的弹簧、以及用于在由上述电枢和图中未示出的磁心构成的磁回路中产生磁通的线圈19。
若根据所要求的燃料压力控制对线圈19通电的电流的大小，使由磁心和电枢构成的磁回路内的磁通变化，则对电枢向下方加载的力受到控制，弹簧的加载力得到辅助，针阀17的开度得到调整。
当线圈19不被通电时，针阀17打开得最大，这时，燃料压力变成最小压力P2(例如5MPa)。若逐渐增加对线圈19通电的电流，则针阀17逐渐关闭，燃料压力上升。当供应的电流最大时，被排出的燃料被控制在最大压力P1(例如10MPa)。另外，燃料压力调节器也可以是其它结构，例如，将弹簧的弹簧压力设定成对应于最大燃料压力的值、通过利用线圈19将电枢向上方加载并压缩来调整燃料压力的类型。
在排气管3中的燃料喷射阀7与氧化催化转换器6之间的部分，设置有对从燃料喷射阀7喷射的燃料改性的前处理催化转换器8。该前处理催化转换器8例如可以通过在沸石制的载体上载置铑等而构成。
当燃料被供应给前处理催化转换器8时，如果这时前处理催化转换器8活性化，则在前处理催化转换器8内，燃料被氧化，这时产生的氧化反应热使得前处理催化转换器8升温。另外，若前处理催化转换器8的温度变高，则燃料中的碳数多的碳氢化合物分解，生成碳数少、反应性高的碳氢化合物，从而，燃料被改性成反应性高的燃料。换句话说，前处理催化转换器8一方面构成急速发热的急速发热器，另一方面构成排出被改性的燃料的改性燃料排出器。另外，从燃料喷射阀7供应的燃料的一部分或者全部被火花塞21升温或者点火，从而促进排气的升温。
在图2中，前处理催化转换器8的外径比排气管3的内径小，若前处理催化转换器8被容纳于排气管3中，则排气能够通过前处理催化转换器8的外周面与排气管3的内周面的间隙、即催化剂迂回路径。前处理催化转换器8是各个单元从上游向下游连通的所谓的直流式。前处理催化转换器8配置在大致为圆筒状的外框8a内，该外框8a由大致呈放射状配置的多个撑条8b支承在排气管3内。前处理催化转换器8除去撑条8b之外的实质上遍及整个圆周都被催化剂迂回路径围绕着。
如图3所示，排气管3形成大致圆筒形状。由于前处理催化转换器8中的排气流动方向的轴心比排气管3的排气流动方向的轴心偏向下方，所以，所述催化剂迂回路径的在图中上侧为宽的宽大侧迂回路径3b，且下侧为窄的狭小侧迂回路径3c。
大致平坦的碰撞板20被固定于外框8a的前端部。碰撞板20在排气管3内配置在偏向下侧的位置。碰撞板20可以由SUS等耐热性及耐冲击性优异的材料形成。燃料喷射阀7朝着碰撞板20向下喷射燃料。从燃料喷射阀7供应的燃料的轨道包含横断排气管3的方向的成分。碰撞板20通过燃料碰撞来促进燃料的微粒化、雾化，提高分散性、扩散性。与碰撞板20碰撞的燃料被排气气流向下游侧输送，主要供应给前处理催化转换器8。为了将碰撞的燃料引导到前处理催化转换器8，碰撞板20向下游侧稍稍倾斜。碰撞板20的大致中央的碰撞点20a基本上位于前处理催化转换器8的轴心上。
火花塞21位于比燃料喷射阀7靠下游侧，并且设置在比前处理催化转换器8靠上游侧。火花塞21经由升压电路22连接到车载直流电源23上，借助通电时产生的热，能够使从燃料喷射阀7供应的燃料点火。
如图2及图3所示，作为火花塞21的发热部分的前端部21a与燃料喷射阀7的存在喷射孔7a、7b的前端部在排气管3的横断方向上的间隔，比从燃料喷射阀7供应的燃料碰撞的碰撞板20的碰撞点20a与燃料喷射阀7在排气管3的横断方向上的间隔d小。换句话说，火花塞21的前端部21a和碰撞板20的碰撞点20a相对于排气管3的宽度方向(即横断方向)被配置在不同的位置上。优选地，火花塞21的前端部配置在燃料喷射阀7的喷射孔7a、7b所处的前端部7c的正下游侧，即，从排气管3的气流方向观察时与前端部7c重合的位置上。从喷射孔7a、7b喷射的燃料，当被上述可变燃料压力调节器16将燃料压力调整为最大压力P1时，与碰撞板20的碰撞点20a碰撞，另外，当使燃料压力降低到最小压力P2时，由排气气流供应给火花塞21的前端部21a。
火花塞21配置在前处理催化转换器8的附近，从而，能够与前处理催化转换器8进行热交换。即，若前处理催化转换器8升温，则由其热辐射使火花塞21的附近升温，促进燃料的点火。
在发动机本体1上，一并设置作为用于根据发动机本体1的运转条件或驾驶员的要求来控制运转状态的电子控制单元的ECU(Electronic Control Unit)10。该ECU10配备有：执行关于发动机本体1的控制的各种运算处理的CPU、存储了该控制所必要的程序及数据的ROM、暂时存储CPU的运算结果等的RAM、用于与外部之间输入、输出信号的输入、输出端口等。
在ECU10上，除了空气流量计4之外，还经由电线连接有检测发动机本体1的曲柄角的曲柄位置传感器24、或输出与加速器开度相对应的电信号的加速器开度传感器25等，这些输出信号被输入到ECU10中。另外，在ECU10上，经由电线连接有燃料喷射阀7、气缸内燃料喷射阀9等，利用ECU10控制这些开闭阀。ECU10可以根据曲柄位置传感器24的输出值检测出发动机转速，根据加速器开度传感器25的输出值检测出发动机本体1的发动机负荷。
在本实施方式中，在实施由燃料点火进行的升温处理、对前处理催化转换器8及氧化催化转换器6的氧化处理、对NOx催化转换器26的NOx还原处理及SOx中毒恢复处理时，ECU10控制燃料喷射阀7，使燃料喷射到排气中，将该燃料供应给前处理催化转换器8、氧化催化转换器6及NOx催化转换器26。被供应的燃料的一部分由火花塞点火，其它主要的液相的部分被供应给前处理催化转换器8。
可以对所述NOx还原处理、SOx中毒恢复处理、PM再生处理等各个控制的每一个设定被燃料喷射阀7喷射的燃料的喷射量。在ECU10的ROM内，对于上述处理的种类(由燃料点火引起的升温处理、氧化处理、NOx还原处理、SOx中毒恢复处理、PM再生处理等)的每一个，存储有用于计算出适合于发动机本体1的运转状态的目标总喷射量的目标总喷射量计算设定表。并且，在进行燃料喷射控制的情况下，ECU10检测出发动机转速、加速器开度、吸入空气量，将它们作为参数对目标总喷射量计算设定表进行访问，计算出目标总喷射量。ECU10计算出燃料喷射阀的开启时间，以便从燃料喷射阀7喷射出目标总喷射量的燃料。并且，ECU10通过向燃料喷射阀7(详细地说，开闭驱动燃料喷射阀7的驱动机构(图中未示出))发出指令，使该燃料喷射阀7开启，在经过计算出的开启时间的时刻将阀关闭。
在如上构成的本实施方式中，ECU10控制燃料喷射阀7及可变燃料压力调节器16，实施相互连续地进行的燃料压力相互不同的多次喷射。即，ECU10以规定的燃料供应条件成立作为条件，最初，以最大压力P1喷射燃料(图4中的实线a，从t1到t2)，接着，以最小压力P2喷射燃料(从t3到t4)。通过控制可变燃料压力调节器16来进行喷射压力的改变。在改变燃料压力时，一度关闭由燃料喷射阀7进行的喷射，在以最大压力P1进行的喷射与以最小压力P2进行的喷射之间，设置休止时间(从t2到t3)。该休止期间优选设定为这样的长度：能够通过以最大压力P1进行的第一喷射使前处理催化转换器8良好地发热，接着能够支持点火。但是，也可以不设置这样的休止时间，而是如图4的单点划线b所示，从以最大压力P1进行的喷射分阶段地过渡到以最小压力P2进行的喷射。
从燃料喷射阀7以最大压力P1喷射的燃料与碰撞板20碰撞，反射或者附着的燃料由排气气流供应给前处理催化转换器8。碰撞板20通过燃料碰撞来促进燃料的微粒化、雾化，提高分散性、扩散性。通过燃料的供应，前处理催化转换器8升温，另外，被供应的燃料被改性成反应性高的燃料。通过将被改性的燃料供应给氧化催化转换器6和/或NOx催化转换器26，可以顺利地进行PM再生处理、NOx还原处理、SOx中毒恢复处理等。
以最小压力P2喷射的燃料不到达碰撞板20，而被排气气流供应给火花塞21的前端部，并被点火。由于通过以最大压力P1进行的喷射，前处理催化转换器8升温，所以，借助其热辐射，火花塞21的附近升温，促进燃料的点火。
如上所述，在本实施方式中，ECU10控制燃料供应阀7及可变燃料压力调节器16，实施相互连续地进行的燃料压力相互不同的多次喷射。假定总是以最大压力P1供应燃料，则燃料不分布在火花塞21附近，存在着不适合于由火花塞21点火的危险。另一方面，若假定像碰撞板20这样的碰撞构件配置在燃料供应阀7的前端部附近，则虽然适合于利用火花塞21点火，但是，向前处理催化转换器8的燃料供应变得不足。与此相对，在本实施方式中，由于实施相互连续地进行的燃料压力相互不同的多次喷射，所以，燃料的轨道和分散程度变化，利用这一点，能够从共同的燃料供应阀7向前处理催化转换器8和火花塞21两者恰当地供应燃料。
另外，火花塞21配置在前处理催化转换器8附近，多次喷射包括：以最大燃料压力P1进行的第一喷射、在该第一喷射之后以比最大燃料压力P1小的最小燃料压力P2进行的第二喷射。其结果是，由于当利用第一喷射供应的燃料被供应给前处理催化转换器8时，因前处理催化转换器8的发热而使其附近的温度上升，所以，之后，当进行第二喷射、将燃料供应给火花塞7时，可以促进点火，抑制不点火。
另外，从燃料供应阀7供应的燃料的轨道包含横断排气管3的方向的成分，火花塞21的发热部分与燃料喷射阀7在排气管3的横断方向上的间隔比从燃料喷射阀7供应的燃料碰撞的碰撞点20a与燃料喷射阀7在排气管3的横断方向上的间隔小，其结果是，能够根据与燃料供应阀7在排气管3的横断方向上的间隔，从共同的燃料供应阀7恰当地向前处理催化转换器8和火花塞21供应燃料。
上面，以一定程度具体地说明了本发明，但是，应当理解，在不脱离权利要求所述的发明的精神及范围的情况下，可以进行各种各样的改变或变更。本发明的实施方式并不局限于上述各种形式，本发明包含在由权利要求的范围规定的本发明的思想中的所有的变形例及应用例。从而，本发明不应当被限定地解释，可以适用于属于本发明的思想的范围内的其它的任意技术。解决本发明的课题的手段能够在可能的范围内组合使用。
例如，ECU10，如图4中双点划线c所示，也可以一边连续地改变燃料压力一边由燃料喷射阀7实施单次的喷射。ECU10控制可变燃料压力调节器16和燃料喷射阀7，可以实施利用上面所述的以外的模式进行的喷射。例如，也可以多次进行一边连续地改变燃料压力一边进行的喷射，也可以连续地进行一边连续地改变燃料压力一边进行的喷射和以恒定的燃料压力进行的喷射。也可以连续地进行三次以上的喷射，以任意的顺序组合以最大燃料压力P1进行的喷射、以最小燃料压力P2进行的喷射、以及一边改变燃料压力一边进行的喷射，是否在它们之间设置休止时间也是任意的。燃料压力的控制也可以通过改变高压泵14的排出量来进行，在这种情况下，可以不要可变燃料压力调节器。
另外，在具有使从燃料喷射阀7喷射的燃料微粒化的功能、以及将该燃料向前处理催化转换器8引导的功能的范围内，可以适当地变更碰撞板的配置方法或形状。在碰撞板20上也可以设置任意个数的通孔、凹部和/或凸部。碰撞板的纵剖面也可以不是直的而是弧形。碰撞构件也可以不是板状，而采用各种形状及结构。也可以采用没有碰撞构件的结构，在这种情况下，可以使来自于燃料喷射阀7的燃料与排气管3的管壁碰撞。
前处理催化转换器(小截面催化转换器)及排气管中的至少一方的截面可以是椭圆形或长圆形等非圆形。排气管3的横断方向的间隔也可以是前处理催化转换器8比火花塞21(点火装置)的发热部分更接近燃料喷射阀7。
在排气管3的横断方向上的前处理催化转换器8的截面也可以遍及整个排气管3的内部。存在于比前处理催化转换器8靠下游侧的其它催化转换器装置的种类及顺序等也是任意的。
附图标记说明
1  发动机本体
3  排气管
6  氧化催化转换器
7  燃料供应阀
8  前处理催化转换器
10 ECU
16 可变燃料压力调节器
20 碰撞板
21 火花塞
26 NOx催化转换器
30 燃烧器装置

Claims (3)

1.一种内燃机的排气装置，其特征在于，配备有：
催化转换器，所述催化转换器配置在内燃机的排气通路上，
燃料供应阀，所述燃料供应阀配置在比所述催化转换器靠上游侧，向所述排气通路内供应燃料，
点火装置，所述点火装置能够使从所述燃料供应阀供应的燃料点火，
压力调整装置，所述压力调整装置调整供应给所述燃料供应阀的燃料的压力，
控制器，所述控制器控制所述燃料供应阀及所述压力调整装置，
所述控制器控制所述燃料供应阀及所述压力调整装置，以便执行相互连续进行且燃料压力相互不同的多次喷射、及一边改变燃料压力一边进行的单次喷射中的至少一种喷射。
2.如权利要求1所述的内燃机的排气装置，其特征在于，
所述点火装置配置在所述催化转换器的附近，
所述控制器使所述燃料供应阀执行相互连续进行且燃料压力相互不同的多次喷射，
所述多次喷射包括以第一燃料压力进行的第一喷射和以第二燃料压力进行的第二喷射，所述第二喷射在所述第一喷射之后进行，所述第二燃料压力比所述第一燃料压力小。
3.如权利要求1所述的内燃机的排气装置，其特征在于，
所述点火装置的发热部分与所述燃料喷射阀在所述排气通路的横断方向上的间隔比从所述燃料喷射阀供应的燃料碰撞的碰撞点与所述燃料喷射阀在所述排气通路的横断方向上的间隔小。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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