JP3748063B2

JP3748063B2 - Exhaust pressure raising device

Info

Publication number: JP3748063B2
Application number: JP2002017552A
Authority: JP
Inventors: 保樹田村
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: JP2003201838A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路内の排圧を上昇させることができる排圧上昇装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の排圧上昇装置は、例えば内燃機関の排気管中に設けられた絞り弁を備えており、この絞り弁により排気管の通路断面積を減少させることで、その上流側の排圧を上昇させることができる。このような排圧上昇は、燃焼室から排気管に至る排気系内にて排ガス中に含まれる未燃物と酸素との反応を促進し、有害物質の排出量を低減するのに寄与する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した排圧上昇により一定の効果を得るためには、所定圧力以上に排圧を上昇させる必要があり、そのためには通路断面積を極小まで減少させる必要がある。これは、排ガスが圧縮性流体であり、僅かな通路断面積の拡大に対して排圧の低下が著しいという事情があるからである。
【０００４】
しかしながら、絞り弁等の機械要素だけで排気管の通路断面積を極小まで減少させることは難しい。例えば、絞り弁を排気管の内壁に密着させる構造を採用した場合、絞り弁の周囲に異物の噛み込みを招きやすくなるし、また、絞り弁の熱膨張によって弁体そのものが排気管に噛み込まれ、弁体が排気管の内壁に固着してしまうおそれがある。このため、機械的な構造だけで通路断面積を減少させるには一定の限界があり、より高度な排圧上昇効果の達成がきわめて困難となっている。
【０００５】
そこで本発明は、機械的構造の限界範囲内であっても確実に排圧を上昇させることができる排圧上昇装置の提供を課題としたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の排圧上昇装置（請求項１）は、排ガスの流動特性に着目して上記の課題を解決している。具体的には、排圧上昇装置は内燃機関と排気マニホールドを介して接続された排気管に設けられ、当該排気管内の通路断面積を変更させる通路断面積変更手段と、排気管の少なくとも通路断面積変更手段により通路断面積が変更される位置または該位置よりも上流側に設けられ、通路断面積変更手段により通路断面積が変更された断面領域を通過する排ガスの温度を上昇させる昇温手段とを備える。
【０００７】
すなわち排ガスのような圧縮性流体は、通路断面積を減少させた状態で、その断面領域を通過する当該排ガスの温度を上昇させれば、絞り効果の関係により排圧を上昇させることができる。また、排ガスが排圧上昇装置を通過する際に通路断面積の変更により圧縮されて熱伝達率が増大するため、昇温手段による効率的な排ガス昇温が可能となる。
また排圧上昇を行うに際して、排ガス流量と温度との関係が明らかであれば、排ガス流量に基づいて排ガス温度の上昇量を決定することができる。このため、排圧上昇装置は排気管内を流れる排ガス流量の測定値または推測値を検出し、その検出結果に基づいて排ガスの温度上昇量を調整するための構成を有している。この場合、排ガス流量に応じて必要な排ガス温度の条件が設定されるため、確実に所望の排圧上昇を実現することができる。
更に、排圧上昇に際して目標となる排気圧が明らかであれば、その目標排圧のレベルに応じて排ガス温度の上昇量を決定することができる。このため、排圧上昇装置は排気管内における排気圧の目標値を設定し、この目標値に応じて排ガスの温度上昇量を調整するための構成を有している。この場合、目標とする圧力まで確実に排圧を上昇させることができる。
【０００８】
上述した昇温手段は、排ガスを加熱する電熱源を含む態様が好ましい（請求項２）。この場合、昇温手段はジュール熱により排ガスを加熱する。
より実用的には、排圧上昇装置（請求項３）は排ガス温度の測定値または推測値を検出し、その検出結果に基づいて排ガス温度を所定温度以下に調整する態様が好ましい。この場合、排ガス温度が過度に上昇されることはない。
【００１１】
また上述した昇温手段は、排気管に配設された加熱部材と、この加熱部材を覆う断熱部材とを含むことができる（請求項４）。
上述の好ましい態様では、加熱部材は排気管の外周に配設することもできるし、あるいは排気管内に配設することもできる。いずれの場合にあっても、加熱部材から発せられる熱が排ガス温度の上昇に活用されるとともに、排気管の周囲への熱の移動が断熱部材により遮られ、排圧上昇装置における機械要素の熱破壊が防止される。また断熱部材は、加熱部材を排気通路に取り付けるための取付部材としても機能することができるため、高い温度領域での加熱温度にも耐えうる構造となる。
【００１２】
なお本発明において、より実用的な排圧上昇装置（請求項５）は排気管に設けられて排ガスを浄化する触媒装置を更に備えており、通路断面積変更手段および昇温手段は触媒装置よりも上流位置に配置されている。
上述の排圧上昇装置によれば、排圧上昇装置を排ガスが通過する際に通路断面積の変更により圧縮されて熱伝達率が増大するため、昇温手段による効率的な排ガス昇温が可能となる。また触媒装置の上流位置で排ガスが昇温されるため、触媒の早期昇温による活性化が図られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の排圧上昇装置が適用された内燃機関の全体構成を概略的に示している。本実施形態に係る内燃機関（以下、単に「エンジン」と称する。）１には、例えば筒内噴射型火花点火式のガソリンエンジンが採用されているが、本発明の適用は当該形式のエンジンのみに限定されるものではない。
【００１４】
このエンジン１は、例えば燃料噴射モードを切り換えることで吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）とともに圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能である。これによりエンジン１は、吸気行程噴射モードでは理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転が可能であり、圧縮行程噴射モードではリーン空燃比および超リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が可能である。
【００１５】
エンジン１のシリンダヘッド２には、気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、この燃料噴射弁６を通じて燃焼室内に燃料を直接噴射可能である。これにより、燃料噴射弁６は主燃焼用の主噴射手段として機能するとともに排気系に燃料を追加供給する副噴射手段としても機能する。点火プラグ４には高電圧を出力する点火コイル８が接続されている。また燃料噴射弁６には、燃料パイプ７を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示されていない）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置は低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとを備えており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧あるいは高燃圧で供給し、その燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射することができる。
【００１６】
シリンダヘッド２には、気筒毎に略直立方向に延びる吸気ポートが形成されており、これら吸気ポートに吸気マニホールド１０の一端が接続されている。なお、吸気マニホールド１０には吸入空気量を調節する電磁式のスロットル弁１４が設けられており、その上流側にはエアフローセンサ１５が設けられている。
また、シリンダヘッド２には、気筒毎に略水平方向に延びる排気ポートが形成されており、これら排気ポートに排気マニホールド１２の一端が接続されている。排気マニホールド１２としては、ここでは、デュアル型エキゾーストマニホールドシステムが採用される。その他、排気マニホールド１２は、シングル型エキゾーストマニホールドシステムであっても、またクラムシェル型エキゾーストマニホールドシステムであってもよい。
【００１７】
また、各排気ポートには空気通路１７を介して２次エアポンプ１６が接続されており、この２次エアポンプ１６が作動することで各排気ポートに２次エアを供給可能である。
なお、エンジン１のその他の構成は既に公知であるため、その詳細については説明を省略する。
【００１８】
排気マニホールド１２の他端には排気管２０が接続されており、この排気管２０には例えば三元型の触媒（触媒装置）３０が介装されている。この触媒３０は担体に触媒層を担持させたものであり、触媒層には活性貴金属として銅（Ｃｕ），コバルト（Ｃｏ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）のいずれかを含むものとなっている。また排気管２０には、触媒３０の入口手前に空燃比センサ３２が取り付けられている。なお、触媒３０は三元型に限られず、ＮＯｘ吸蔵型のものを使用してもよい。
【００１９】
触媒３０の下流に排圧上昇装置４０が設けられており、以下、本実施形態の排圧上昇装置４０について説明する。
図２は排圧上昇装置４０の構成を概略的に示している。排圧上昇装置４０は排気管２０内に設けられたバタフライ弁４２を備えており、このバタフライ弁４２は排気管２０内にて回動自在となっている。排気管２０の外周には電気ヒータ４４が取り付けられており、この電気ヒータ４４はバタフライ弁４２の設置部位を取り囲むようにして配設されている。
【００２０】
バタフライ弁４２の開閉作動は、図１に示されるアクチュエータ４５（図２では省略）により行うことができる。アクチュエータ４５はバタフライ弁４２の回動軸に接続されており、その駆動トルクによりバタフライ弁４２を所望の開度に開閉作動させることができる。
また、排気管２０にはバタフライ弁４２を迂回するようにしてリリーフ通路２２が設けられており、このリリーフ通路２２内にリリーフ弁４６が設けられている。このリリーフ弁４６は常閉弁であり、その弁体４８がスプリング５０によって付勢され、リリーフ通路２２の内周面に設けられた被弁体２４と当接することでリリーフ通路２２への排ガスの流れ込みを閉塞している。
【００２１】
ここで、エンジン１の運転は電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と略称する。）６０を用いて電子制御されており、上述した各種の電子機器類はＥＣＵ６０に接続されている。具体的には、上述した燃料噴射弁６や点火コイル８、スロットル弁１４、アクチュエータ４５等の各種出力デバイスは、ＥＣＵ６０の出力側に接続されている。また、ＥＣＵ６０の入力側にはエアフローセンサ１５や空燃比センサ３２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からＥＣＵ６０に検出情報が入力されるものとなっている。
【００２２】
また、触媒３０の入口近傍には温度センサ６２が配設されており、更に触媒３０の下流側で、バタフライ弁４２の上流側近傍に温度センサ６４が配設されている。これら温度センサ６２，６４もまた、それぞれＥＣＵ６０の入力側に接続されている。
ＥＣＵ６０は、入出力装置や記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を備えており、ＥＣＵ６０はエンジン１を含めて排圧上昇装置４０の作動を制御することができる。また各種出力デバイスには、各種センサ類からの検出情報に基づいて演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、回転トルク等の各種情報がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４により適正なタイミングで火花点火が実施される。またアクチュエータ４５に所望の回転トルクが与えられてバタフライ弁４２が開閉される。
【００２３】
本実施形態の排圧上昇装置４０は、ＥＣＵ６０によるエンジン１の運転制御に関連して作動させることができる。例えば、エンジン１の冷態始動時等においては、触媒３０の昇温によりその排ガス浄化機能を早期に活性化させるため、エンジン１の運転に関して排気昇温制御が実施される。このとき、ＥＣＵ６０は燃料噴射弁６による主噴射とは別に副噴射を行う２段燃焼制御を行ったり、２次エアポンプ１６から排気系内に２次エアを供給したり、あるいは点火時期リタードを実施して排気系内で未燃物と酸素とを反応させ、排ガス温度の早期上昇を図る。
【００２４】
これら排気昇温制御と合わせて、ＥＣＵ６０はアクチュエータ４５を駆動してバタフライ弁４２を閉作動させ、排気管２０の通路断面積を減少させる。これにより、バタフライ弁４２より上流側の排気系内にて排気圧が上昇し、排気昇温制御の実施に伴う排気系内での未燃物の酸化が一層促進されるという効果が得られる。更にＥＣＵ６０は、排圧の上昇による未燃物の酸化の促進効果をより高めるため、以下の手順に沿って電気ヒータ４４の作動を制御する。
【００２５】
図３は、排圧上昇装置４０の作動制御ルーチンを示している。ＥＣＵ６０は本制御ルーチンを実行すると、先ず排圧上昇制御が実施中であるかを判断する（ステップＳ１）。上述のように排気昇温制御の実施に合わせてバタフライ弁４２を閉作動させている場合、ＥＣＵ６０は排圧上昇制御を実施中（Ｙｅｓ）であると判断する。
【００２６】
次にＥＣＵ６０は、排ガス温度Ｔｅが所定温度Ｔ₁より低いか否かを判断する（ステップＳ２）。この判断は、例えば上述した温度センサ６２あるいは温度センサ６４からのセンサ信号に基づいて行うことができる。この判断を行うための所定温度Ｔ₁は、例えば排圧上昇に必要な温度条件（例えば２００℃程度）に設定することができる。
【００２７】
排ガス温度Ｔｅが所定温度Ｔ₁より低い（Ｙｅｓ）場合、更にＥＣＵ６０はバタフライ弁４２と排気管２０との隙間近傍の温度Ｔｂが所定温度Ｔ₂より低いか否かを判断する（ステップＳ３）。この判断は、触媒３０下流の温度センサ６４からのセンサ信号あるいは排圧上昇装置温度を検出するセンサ（図示していない）からのセンサ信号に基づいて行うことができ、この場合の所定温度Ｔ₂は、例えばバタフライ弁４２および排気管２０の耐熱性を考慮した温度（例えば５００℃程度）に設定されている。
【００２８】
更に排ガス温度Ｔｂが所定温度Ｔ₂より低い（Ｙｅｓ）場合、ＥＣＵ６０は電気ヒータ４４への給電を実施する（ステップＳ４）。図２に示されるように、電気ヒータ４４は電源６６に接続されており、ＥＣＵ６０はこの電源６６から電気ヒータ４４への給電を制御することができる。
このとき、ＥＣＵ６０は所定のマップに基づいて電気ヒータ４４に通電するべき電流値を設定することができ、以下、その設定手法について例を挙げて説明する。
【００２９】
図４および図５は、ステップＳ４の処理において電流値を設定するための制御マップの例を示している。
先ず、図４のマップは排ガス流量に基づいて電流値を設定するものであり、そのマップ特性は、排ガス流量が少なくなるほど電流値を高く設定するものとなっている。一方、図５のマップは排圧上昇制御における目標排圧に基づいて電流値を設定するものであり、こちらのマップ特性は、目標排圧が高くなるほど電流値を高く設定するものである。またいずれのマップも、排ガス流量や目標排圧の上下限領域にそれぞれ不感特性を有しており、排ガス流量または目標排圧が上下限値に近づくと、これらの変化が電流値の設定に大きく影響しないものとなっている。
【００３０】
ステップＳ４の実行に伴う電流値の設定においては、いずれのマップを用いるかは適宜選択可能である。例えば、図４または図５のマップのいずれか一方を選択して使用してもよいし、あるいは両方のマップを使用してもよい。いずれの場合も、電流値を高く設定するほど電気ヒータ４４の発熱量は多くなり、その分、排ガス温度の上昇量が増加する。
【００３１】
図６および図７は、排圧上昇制御における排圧と排ガス温度や排ガス流量との関係を示している。このうち図６は、排気通路断面積を一定としたとき、排圧条件別（５００×１．３３〜９００×１．３３ｈＰａ）に得られた排ガス流量と温度との関係を示している。また図７は、排気通路断面積を一定として、流量条件別（Ｑ１＞Ｑ２）に得られた排ガス温度と排圧との関係を示している。いずれの場合にあっても、流量および温度はバタフライ弁４２と排気管２０との隙間を通過する排ガスについての値である。
【００３２】
ステップＳ４の実行に伴い電気ヒータ４４に給電されると、そのジュール熱は排気管２０を伝導してその内側の排ガスを加熱し、バタフライ弁４２と排気管２０との隙間、つまり、バタフライ弁４２により通路断面積を変更された排気管２０の断面領域を通過する排ガスの温度を上昇させる。このような排ガス温度の上昇は、バタフライ弁４２と排気管２０との隙間を流れる排ガスの流動特性を変化させ、より大きな排圧上昇効果を達成することができる。
【００３３】
具体的には、図６に示される排ガス流量−温度線図から明らかなように、排ガス温度が高ければ、より少ない流量で同じ排圧上昇効果が得られる。また図７に示される排ガス温度−排圧線図からも明らかなように、同じ排ガス流量（Ｑ１，Ｑ２）であっても、排ガス温度が高いときほど排圧上昇効果が高くなる。
図４および図５のマップ特性は、上述した排圧上昇制御における排ガス流量と温度との関係や排ガス温度と排圧との関係に裏付けされている。すなわち図４のマップでは、排ガス流量が多い場合は電気ヒータ４４による加熱量、つまり、排ガス温度の上昇量を少なくしても充分な排圧上昇効果を得ることができるので、そのときの排ガス流量に応じてマップから電流値を設定し、早期に排圧上昇効果を得ることができる。
【００３４】
また排圧上昇制御において目標排圧を設定すると、その目標排圧を実現するために必要な温度条件は排ガス流量との関係から明らかとなる。したがって、設定した目標排圧に応じて電気ヒータ４４による加熱量、つまり、排ガス温度の上昇量を決定することができる。そこで図５のマップでは、目標排圧が高い場合は排ガス温度の上昇量をより多くし、排ガスを高温にして早期に目標排圧の実現を図ることができる。
【００３５】
上述のように、ＥＣＵ６０は図４，５のマップを用いることで排ガス流量または目標排圧の少なくとも１つの関数として電流値を制御することができる。ただし、冷態始動時のように条件が一定している場合は、排ガス流量や目標排圧の値を固定値としてもよい。
なお、排ガス流量の値はエアフローセンサ１５からのセンサ信号（吸入空気量）や燃料噴射弁６からの噴射量、エンジン１の回転速度、負荷（アクセル開度）等の情報に基づいて、演算により推測値を検出することができる。また排気管２０内に排ガス流量センサを設け、そのセンサ信号から直接排ガス流量の測定値を検出することもできる（流量検出手段）。この場合、ＥＣＵ６０は検出した測定値または推測値に基づいてマップから電流値を設定し、電気ヒータ４４による排ガス温度の上昇量を調整することができる（第１の昇温調整手段）。
【００３６】
また、ＥＣＵ６０はエンジン１の温度（冷却水温等）や触媒３０の温度に応じて適宜、目標排圧を設定することができる。この場合、ＥＣＵ６０は設定した目標排圧に基づいてマップから電流値を設定し、電気ヒータ４４による排ガス温度の上昇量を調整することができる（第２の昇温調整手段）。なお、例えばエンジン１や触媒３０の温度が完全冷態時よりも高い場合、比較的早期に触媒３０の活性化が可能であるため目標排圧は低く設定される。
【００３７】
いずれの制御態様にあっても、電気ヒータ４４によるバタフライ弁４２上流側近傍の排ガス温度の上昇により、通常よりも高い排圧上昇効果が達成される。このため、排気昇温制御による未燃物の酸化が一層促進され、きわめて早期に触媒３０の活性化が実現される。
本発明の発明者が実際に観測を行った結果、電気ヒータ４４により通常冷態時の排ガス温度Ｔ₀を所定温度Ｔｓ（１００℃程度）まで上昇させると、排ガス流量Ｑ１，Ｑ２の条件下でそれぞれ一定の排圧上昇ΔＰ１，ΔＰ２（それぞれ１００×１．３３ｈＰａ程度）が得られることが確認されている（図７参照）。
【００３８】
ＥＣＵ６０はステップＳ４を実行した後も、所定のインターバルで制御ルーチンをリターンし、ステップＳ２およびステップＳ３の判定を継続する。例えば冷態始動後に排ガス温度Ｔｅが充分に上昇し、所定温度Ｔ₁以上となると（ステップＳ２＝Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は電気ヒータ４４への給電を停止する（ステップＳ５）。
【００３９】
あるいは、バタフライ弁４２と排気管２０との隙間を通過する排ガス温度Ｔｂが所定温度Ｔ₂以上となると（ステップＳ３＝Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は電気ヒータ４４への給電を停止する（同ステップＳ５）。このとき、排ガス温度Ｔｂの値は温度センサ６４からの情報と電気ヒータ４４の発熱量とから推定値を検出してもよいし、温度センサ６４の配置をバタフライ弁４２に近接させ、そのセンサ信号から直接測定値を検出してもよい（温度検出手段）。いずれの場合にあっても、ステップＳ３の判断を行って電気ヒータ４４への給電を制御することにより、排ガス温度Ｔｂは所定温度Ｔ₂以下に調整されることとなる（温度調整手段）。
【００４０】
なお、ＥＣＵ６０において排気昇温制御の終了とともに排圧上昇制御を終了すると（ステップＳ１＝Ｎｏ）、同様にＥＣＵ６０は電気ヒータ４４への給電を停止する（ステップＳ５）。
なお、図３の制御ルーチンは好ましい一例として挙げたものであり、各ステップにおける具体的な処理は適宜変更可能である。例えば、ステップＳ１の処理において、排圧上昇制御を開始する前の所定時間（例えば１０秒）から判定を成立（Ｙｅｓ）とするものでもよい。また、本発明が車載用の場合、キースイッチがＯＮ操作された後、所定時間（例えば０秒）経過あるいはエンジン回転が所定回転速度に到達後からステップＳ１の判定を成立（Ｙｅｓ）としたり、あるいは、排気昇温制御が開始されて所定時間（例えば０秒）経過後から、ステップＳ１の判定を成立（Ｙｅｓ）としたりすることもできる。なお、これらの場合も所定時間の設定は任意に変更可能である。これにより、通路断面積の変更直後から排圧を応答良く上昇させることができる。
【００４１】
また、ステップＳ２の判断では所定温度Ｔ₁の設定を適宜変更することができる。この場合、排ガス流量に応じて所定温度Ｔ₁を変更することが好ましい。
更に、ステップＳ３の判断において所定温度Ｔ₂は一定でなく、本発明の実施形態に応じて適宜、排圧上昇装置４０の近傍の耐熱温度以下に設定すればよい。
その他、ステップＳ４の処理において電気ヒータ４４に給電するべき電流値は、ＥＣＵ６０の制御系に目標排圧やヒータ温度をフィードバックして制御するようにしてもよい。
【００４２】
図８から図１０は、上述した第１実施形態とは別の第２，第３実施形態に係る排圧上昇装置４０を示している。
先ず図８に示されるように、第２実施形態ではリリーフ通路２２の外周に電気ヒータ６８を追加することができる。この場合、電気ヒータ６８はリリーフ弁４６の弁体４８の周囲を取り囲むようにして配設され、リリーフ弁４６により通路断面積が減少されたリリーフ通路２２の断面領域を通過する排ガスの温度を上昇させる。
【００４３】
次に図９に示されるように、第３実施形態の排圧上昇装置４０はリリーフ通路２２を設けない構成をとることができる。この場合、上述した電気ヒータ４４の他にバタフライ弁４２の上流側近傍に熱線７０が配設されていてもよい。熱線７０は、例えば図１０に示されるように排気管２０内にネット状に張り巡らされており、そのジュール熱により通過する排ガスの温度を上昇させることができる。なお第３実施形態は更に、電気ヒータ４４を用いることなく熱線７０だけを用いるものであってもよい。
【００４４】
次に図１１から図１３は、第４実施形態に係る排圧上昇装置４０の例をそれぞれ示している。これら第４実施形態では、加熱部材としての各電気ヒータの周囲が断熱部材としてのセラミックにより覆われている。
先ず図１１の例では、排気管２０の外周に設けられた電気ヒータ４４の周囲を覆うようにしてセラミック７２が配設されている。セラミック７２は電気ヒータ４４からの熱がリリーフ通路２２やリリーフ弁４６等の他の機械要素に伝達されるのを防止し、これらの熱破壊を有効に防止することができる。またセラミック７２は、電気ヒータ４４を排気管２０に取り付けるための取付部材としても機能している。
【００４５】
また図１２の例では、図１１と同様のセラミック７２に加えて、リリーフ通路２２の外周に配設された電気ヒータ６８の周囲にもセラミック７４が配設されている。この場合、セラミック７４は電気ヒータ６８からの熱伝達によるリリーフ弁４６等の熱破壊を有効に防止する。同様にセラミック７４は、電気ヒータ６８をリリーフ通路２２に取り付けるための取付部材としても機能する。
【００４６】
更に図１３の例では、上述した第３実施形態の排圧上昇装置４０にセラミック７６を適用することができる。この場合、上述した電気ヒータ４４および熱線７０の周囲を一体的に覆うようにしてセラミック７６が配設されている。この場合、セラミック７６は電気ヒータ４４および熱線７０からの熱伝達による排圧上昇装置４０の機械要素の熱破壊を有効に防止する。なお、セラミック７６は電気ヒータ４４および熱線７０のそれぞれについて分割して配設されていてもよい。また、電気ヒータ４４または熱線７０のいずれか一方の周囲だけにセラミック７６が配設されていてもよい。
【００４７】
上述した第４実施形態によれば、セラミック７２，７４を電気ヒータ４４，６８の取付部材としてそれぞれ利用することができるので、各電気ヒータ４４，６８による加熱温度をセラミック７２，７４の耐熱温度（例えば１０００℃以上）まで上昇させることができ、排ガスの昇温効果をより大きく確保することができる。
【００４８】
この点、取付部材を例えばＦＣＤ（球状黒鉛鋳鉄）材料等とした場合、電気ヒータ４４，６８の通電時に取付部材の温度は概ね加熱温度にまで上昇するため、ＦＣＤ材料の耐熱温度（例えば６５０℃程度）の範囲内でしか電気ヒータ４４，６８の加熱温度を上昇させることができず、排ガスの昇温効果が制限されることになる。
【００４９】
これに対し、セラミック７２，７４を電気ヒータ４４，６８の取付部材としてそれぞれ利用すれば、高い温度領域で電気ヒータ４４，６８の加熱温度を設定することができるので、要求どおりに排ガス温度を上昇させて所望の排圧上昇効果を得ることが可能となる。
またセラミックが絶縁素材であるため、第４実施形態では各電気ヒータ４４，６８，７０の電気系統からの漏電を防止することができる点でより好ましい実施形態となる。
【００５０】
次に図１４は、第５実施形態の排圧上昇装置４０を示しており、この場合、排圧上昇装置４０が触媒３０の上流位置に設けられている。なお第５実施形態では排圧上昇装置４０の配置だけが異なり、その他の構成は図１の例と同様である。
第５実施形態の排圧上昇装置４０によれば、排圧上昇装置４０を通過する際に排ガスが圧縮されて熱伝達率が増大するため、より効率的に電気ヒータからの熱を排ガスに供給することができ、より少ない電力消費量で充分な昇温効果が得られる。また、触媒３０の上流位置で排ガスを昇温させるため、触媒３０の冷態時にあっても早期に触媒３０を昇温させて活性化を図ることができ、触媒３０の排ガス浄化性能を向上することができる。
【００５１】
上述した各実施形態では電気ヒータ４４，６８がバタフライ弁４２や弁体４８の周囲の一部分だけに取り付けられているが、これらは排圧上昇装置４０の全体に亘って配設されていてもよいし、更に上流側の排気管２０に配設されていてもよい。また、電気ヒータ４４，６８は排気管２０等の外周でなく、その内壁面に配設されていてもよい。
【００５２】
その他、排気管２０の通路断面積変更手段としては、各実施形態のバタフライ弁４２やリリーフ弁４６だけでなく、その他の形状のものを有するものであってもよい。
また、実施例ではヒータ電流を変更するようにしたが、その他もしくは加えてヒータ電圧、ヒータ通電時間あるいは停電時間のうちの１つ以上を変更するようにしても良い。ヒータ通電時間あるいは停電時間は、例えばデューティ比を変更することで対応しても良い。この場合、電流あるいは電圧変更手段を要しないのでコスト的に有利となる。また排気管２０中、通路断面積変更手段により通路断面積が変更される領域が凝縮水に起因して腐食されるような場合には、今回例示した断面積変更時以外に、凝縮水が発生する条件でもヒータに通電するようにしても良い。この場合、例えば排ガス温度あるいは当該通路壁温が１００℃以下となるか、もしくはそうなると予測される条件においてヒータに通電するようにすればよい。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の排圧上昇装置（請求項１）は、排ガスが低温状態であっても確実に排圧上昇効果を得ることができる。このため、排気昇温技術との併用によりその効果を大幅に高めることができる。そして、排ガス流量や目標排圧に応じて排ガス温度の上昇量を調整するため、各種条件の違いに応じて適切な排圧上昇効果を発揮することができる。
特に排ガス温度の上昇を電熱源により行うものであれば（請求項２）、簡易な構造で、実用性の高い排圧上昇装置が得られる。
【００５４】
また、排圧上昇装置（請求項３）は排ガス温度の上昇を所定温度以下に調整していることから過熱損傷のおそれがなく、高い信頼性を維持することができる。
【００５５】
また、加熱部材が断熱部材により覆われる構造であれば（請求項４）、より高い温度領域で排ガスを昇温させることができ、所望の排圧上昇効果を好適に実現することができる。
更に触媒の上流位置で排ガス温度を上昇させることにより（請求項５）、効率的な排ガスの昇温および触媒の早期活性化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の排圧上昇装置が適用されたエンジンの構成を概略的に示した図である。
【図２】第１実施形態の排圧上昇装置を概略的に示した図である。
【図３】排圧上昇制御における制御ルーチンの一例である。
【図４】排ガス流量から電流値を設定するためのマップである。
【図５】目標排圧から電流値を設定するためのマップである。
【図６】排ガスの流量と温度との関係を表す図である。
【図７】排ガスの温度と排圧との関係を表す図である。
【図８】第２実施形態の排圧上昇装置を概略的に示した図である。
【図９】第３実施形態の排圧上昇装置を概略的に示した図である。
【図１０】図９中、Ｘ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図１１】第４実施形態の排圧上昇装置の例を概略的に示した図である。
【図１２】図１１と異なる第４実施形態の排圧上昇装置の例を概略的に示した図である。
【図１３】図１１および図１２と異なる第４実施形態の排圧上昇装置の例を概略的に示した図である。
【図１４】第５実施形態の排圧上昇装置を適用したエンジンの概略図である。
【符号の説明】
１５エアフローセンサ（流量検出手段）
２０排気管（排気通路）
３０触媒
４２バタフライ弁（通路断面積変更手段）
４４電気ヒータ（昇温手段，電熱源）
６０ＥＣＵ
７２セラミック（断熱部材）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust pressure increasing device capable of increasing exhaust pressure in an exhaust passage of an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
This type of exhaust pressure raising device includes, for example, a throttle valve provided in an exhaust pipe of an internal combustion engine. By reducing the passage cross-sectional area of the exhaust pipe with this throttle valve, the upstream side exhaust pressure is reduced. Can be raised. Such an increase in exhaust pressure promotes the reaction between unburned matter and oxygen contained in the exhaust gas in the exhaust system from the combustion chamber to the exhaust pipe, and contributes to reducing the discharge amount of harmful substances.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In order to obtain a certain effect by increasing the exhaust pressure described above, it is necessary to increase the exhaust pressure beyond a predetermined pressure. For this purpose, it is necessary to reduce the cross-sectional area of the passage to a minimum. This is because the exhaust gas is a compressive fluid, and there is a situation in which the exhaust pressure is significantly reduced with respect to a slight increase in the cross-sectional area of the passage.
[0004]
However, it is difficult to reduce the passage cross-sectional area of the exhaust pipe to a minimum with only mechanical elements such as a throttle valve. For example, when a structure is adopted in which the throttle valve is in close contact with the inner wall of the exhaust pipe, foreign matter is likely to be caught around the throttle valve, and the valve body itself is caught in the exhaust pipe due to thermal expansion of the throttle valve. In rare cases, the valve body may adhere to the inner wall of the exhaust pipe. For this reason, there is a certain limit to reducing the passage cross-sectional area only by the mechanical structure, and it is extremely difficult to achieve a higher exhaust pressure increase effect.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide an exhaust pressure increasing device that can reliably increase the exhaust pressure even within the limit range of the mechanical structure.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  The exhaust pressure increasing device of the present invention (Claim 1) solves the above-mentioned problems by focusing on the flow characteristics of exhaust gas. Specifically, the exhaust pressure raising deviceProvided in an exhaust pipe connected to the internal combustion engine via an exhaust manifold,exhaustIn the jurisdictionPassage sectional area changing means for changing the passage sectional area ofA position where the passage cross-sectional area is changed by at least the passage cross-sectional area changing means of the exhaust pipe, or provided upstream of the position;And a temperature raising means for raising the temperature of the exhaust gas passing through the cross-sectional area whose passage sectional area has been changed by the passage sectional area changing means.
[0007]
  In other words, a compressive fluid such as exhaust gas can increase the exhaust pressure due to the throttling effect by increasing the temperature of the exhaust gas passing through the cross-sectional area with the passage cross-sectional area reduced. Further, when the exhaust gas passes through the exhaust pressure increasing device, it is compressed by changing the passage cross-sectional area and the heat transfer coefficient is increased, so that the exhaust gas can be efficiently heated by the temperature raising means.
When the exhaust pressure is increased, if the relationship between the exhaust gas flow rate and the temperature is clear, the increase amount of the exhaust gas temperature can be determined based on the exhaust gas flow rate. For this reason, the exhaust pressure increasing device has a configuration for detecting a measured value or an estimated value of the exhaust gas flow rate flowing in the exhaust pipe and adjusting the temperature increase amount of the exhaust gas based on the detection result. In this case, since the required exhaust gas temperature conditions are set according to the exhaust gas flow rate, a desired increase in exhaust pressure can be realized with certainty.
Further, if the target exhaust pressure for increasing the exhaust pressure is clear, the amount of increase in the exhaust gas temperature can be determined according to the level of the target exhaust pressure. For this reason, the exhaust pressure increasing device has a configuration for setting a target value of the exhaust pressure in the exhaust pipe and adjusting the temperature increase amount of the exhaust gas in accordance with the target value. In this case, the exhaust pressure can be reliably increased to the target pressure.
[0008]
The above-described temperature raising means preferably includes an electric heat source for heating the exhaust gas (Claim 2). In this case, the temperature raising means heats the exhaust gas by Joule heat.
More practically, it is preferable that the exhaust pressure increasing device (Claim 3) detects a measured value or an estimated value of the exhaust gas temperature and adjusts the exhaust gas temperature to a predetermined temperature or less based on the detection result. In this case, the exhaust gas temperature is not excessively increased.
[0011]
  The temperature raising means described above can include a heating member disposed in the exhaust pipe and a heat insulating member covering the heating member.4).
  In the preferred embodiment described above, the heating member is an exhaust.tubeIt can also arrange | position in the outer periphery of this, or can also arrange | position in an exhaust pipe. In any case, the heat generated from the heating member is used to increase the exhaust gas temperature, and the heat transfer to the surroundings of the exhaust pipe is blocked by the heat insulating member, so that the heat of the machine element in the exhaust pressure increasing device Destruction is prevented. Moreover, since the heat insulating member can function as an attachment member for attaching the heating member to the exhaust passage, it has a structure that can withstand the heating temperature in a high temperature region.
[0012]
  In the present invention, a more practical exhaust pressure raising device (claims)5) Further includes a catalyst device that is provided in the exhaust pipe to purify the exhaust gas, and the passage cross-sectional area changing means and the temperature raising means are arranged upstream of the catalyst device.
  According to the above-described exhaust pressure increasing device, when exhaust gas passes through the exhaust pressure increasing device, it is compressed by changing the cross-sectional area of the passage to increase the heat transfer coefficient, so that the exhaust gas temperature can be efficiently raised by the temperature raising means. It becomes. Further, since the temperature of the exhaust gas is raised at the upstream position of the catalyst device, the catalyst can be activated by raising the temperature early.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 schematically shows the overall configuration of an internal combustion engine to which an exhaust pressure increasing device of the present invention is applied. The internal combustion engine (hereinafter simply referred to as “engine”) 1 according to the present embodiment employs, for example, a cylinder injection type spark ignition type gasoline engine, but the present invention is applied only to the engine of that type. It is not limited to.
[0014]
The engine 1 can perform fuel injection in the compression stroke (compression stroke injection mode) as well as fuel injection in the intake stroke (intake stroke injection mode) by switching the fuel injection mode, for example. As a result, the engine 1 can be operated at the stoichiometric air-fuel ratio (stoichio) or at the rich air-fuel ratio in the intake stroke injection mode, and can be operated at the lean air-fuel ratio and the ultra-lean air-fuel ratio in the compression stroke injection mode (lean). Air-fuel ratio operation) is possible.
[0015]
An electromagnetic fuel injection valve 6 is attached to the cylinder head 2 of the engine 1 together with a spark plug 4 for each cylinder, and fuel can be directly injected into the combustion chamber through the fuel injection valve 6. Thus, the fuel injection valve 6 functions as a main injection means for main combustion and also functions as a sub-injection means for additionally supplying fuel to the exhaust system. An ignition coil 8 that outputs a high voltage is connected to the spark plug 4. A fuel supply device (not shown) having a fuel tank is connected to the fuel injection valve 6 via a fuel pipe 7. More specifically, the fuel supply device includes a low-pressure fuel pump and a high-pressure fuel pump, whereby the fuel in the fuel tank is supplied to the fuel injection valve 6 at a low fuel pressure or a high fuel pressure, and the fuel is injected into the fuel. The fuel can be injected from the valve 6 into the combustion chamber at a desired fuel pressure.
[0016]
The cylinder head 2 is formed with intake ports extending in a substantially upright direction for each cylinder, and one end of an intake manifold 10 is connected to the intake ports. The intake manifold 10 is provided with an electromagnetic throttle valve 14 for adjusting the amount of intake air, and an air flow sensor 15 is provided upstream thereof.
The cylinder head 2 is formed with exhaust ports extending in a substantially horizontal direction for each cylinder, and one end of an exhaust manifold 12 is connected to the exhaust ports. Here, as the exhaust manifold 12, a dual type exhaust manifold system is employed. In addition, the exhaust manifold 12 may be a single-type exhaust manifold system or a clamshell-type exhaust manifold system.
[0017]
Further, a secondary air pump 16 is connected to each exhaust port via an air passage 17, and the secondary air can be supplied to each exhaust port by operating the secondary air pump 16.
Since other configurations of the engine 1 are already known, the details thereof are omitted.
[0018]
An exhaust pipe 20 is connected to the other end of the exhaust manifold 12, and a three-way catalyst (catalyst device) 30 is interposed in the exhaust pipe 20, for example. The catalyst 30 has a catalyst layer supported on a carrier, and the catalyst layer has copper (Cu), cobalt (Co), silver (Ag), platinum (Pt), rhodium (Rh), palladium (as active noble metals). Pd) is included. An air-fuel ratio sensor 32 is attached to the exhaust pipe 20 before the entrance of the catalyst 30. The catalyst 30 is not limited to the ternary type, and a NOx occlusion type may be used.
[0019]
An exhaust pressure increasing device 40 is provided downstream of the catalyst 30. Hereinafter, the exhaust pressure increasing device 40 of this embodiment will be described.
FIG. 2 schematically shows the configuration of the exhaust pressure raising device 40. The exhaust pressure raising device 40 includes a butterfly valve 42 provided in the exhaust pipe 20, and the butterfly valve 42 is rotatable in the exhaust pipe 20. An electric heater 44 is attached to the outer periphery of the exhaust pipe 20, and the electric heater 44 is disposed so as to surround the installation site of the butterfly valve 42.
[0020]
The opening / closing operation of the butterfly valve 42 can be performed by an actuator 45 (not shown in FIG. 2) shown in FIG. The actuator 45 is connected to the rotating shaft of the butterfly valve 42, and can open and close the butterfly valve 42 to a desired opening degree by its driving torque.
The exhaust pipe 20 is provided with a relief passage 22 so as to bypass the butterfly valve 42, and a relief valve 46 is provided in the relief passage 22. The relief valve 46 is a normally closed valve, and its valve body 48 is urged by a spring 50 and comes into contact with a valved body 24 provided on the inner peripheral surface of the relief passage 22, so that exhaust gas to the relief passage 22 is discharged. The flow is blocked.
[0021]
Here, the operation of the engine 1 is electronically controlled using an electronic control unit (hereinafter abbreviated as “ECU”) 60, and the various electronic devices described above are connected to the ECU 60. Specifically, various output devices such as the fuel injection valve 6, the ignition coil 8, the throttle valve 14, and the actuator 45 described above are connected to the output side of the ECU 60. Various sensors such as the airflow sensor 15 and the air-fuel ratio sensor 32 are connected to the input side of the ECU 60, and detection information is input to the ECU 60 from these sensors.
[0022]
Further, a temperature sensor 62 is disposed near the inlet of the catalyst 30, and a temperature sensor 64 is disposed near the upstream side of the butterfly valve 42 on the downstream side of the catalyst 30. These temperature sensors 62 and 64 are also connected to the input side of the ECU 60, respectively.
The ECU 60 includes an input / output device, a storage device (ROM, RAM, nonvolatile RAM, etc.), a central processing unit (CPU), etc., and the ECU 60 controls the operation of the exhaust pressure raising device 40 including the engine 1. Can do. Further, various information such as the fuel injection amount, the fuel injection timing, the ignition timing, and the rotational torque calculated based on detection information from various sensors are output to the various output devices. As a result, an appropriate amount of fuel is injected from the fuel injection valve 6 at an appropriate timing, and spark ignition is performed at an appropriate timing by the spark plug 4. In addition, a desired rotational torque is applied to the actuator 45 to open and close the butterfly valve 42.
[0023]
The exhaust pressure increasing device 40 of the present embodiment can be operated in connection with the operation control of the engine 1 by the ECU 60. For example, when the engine 1 is cold-started, the exhaust gas temperature raising control is performed with respect to the operation of the engine 1 in order to activate the exhaust gas purification function at an early stage by raising the temperature of the catalyst 30. At this time, the ECU 60 performs two-stage combustion control that performs sub-injection separately from main injection by the fuel injection valve 6, supplies secondary air from the secondary air pump 16 into the exhaust system, or performs ignition timing retard Then, the unburned matter and oxygen are reacted in the exhaust system, and the exhaust gas temperature is increased quickly.
[0024]
Along with the exhaust gas temperature raising control, the ECU 60 drives the actuator 45 to close the butterfly valve 42 to reduce the passage cross-sectional area of the exhaust pipe 20. As a result, the exhaust pressure is increased in the exhaust system upstream of the butterfly valve 42, and the effect of further promoting the oxidation of unburned substances in the exhaust system accompanying the execution of the exhaust gas temperature raising control is obtained. Further, the ECU 60 controls the operation of the electric heater 44 in accordance with the following procedure in order to further enhance the effect of promoting the oxidation of the unburned material due to the increase in the exhaust pressure.
[0025]
FIG. 3 shows an operation control routine of the exhaust pressure raising device 40. When the ECU 60 executes this control routine, it first determines whether exhaust pressure increase control is being performed (step S1). As described above, when the butterfly valve 42 is closed according to the execution of the exhaust gas temperature raising control, the ECU 60 determines that the exhaust pressure raising control is being executed (Yes).
[0026]
Next, the ECU 60 determines that the exhaust gas temperature Te is a predetermined temperature T.₁It is determined whether it is lower (step S2). This determination can be made based on the sensor signal from the temperature sensor 62 or the temperature sensor 64 described above, for example. Predetermined temperature T for making this determination₁Can be set to a temperature condition (for example, about 200 ° C.) necessary for increasing the exhaust pressure.
[0027]
Exhaust gas temperature Te is a predetermined temperature T₁When the temperature is lower (Yes), the ECU 60 further determines that the temperature Tb near the gap between the butterfly valve 42 and the exhaust pipe 20 is a predetermined temperature T.₂It is determined whether it is lower (step S3). This determination can be made based on a sensor signal from the temperature sensor 64 downstream of the catalyst 30 or a sensor signal from a sensor (not shown) that detects the exhaust pressure raising device temperature, and in this case, the predetermined temperature T₂Is set to a temperature (for example, about 500 ° C.) in consideration of the heat resistance of the butterfly valve 42 and the exhaust pipe 20.
[0028]
Further, the exhaust gas temperature Tb is a predetermined temperature T.₂If lower (Yes), the ECU 60 supplies power to the electric heater 44 (step S4). As shown in FIG. 2, the electric heater 44 is connected to a power source 66, and the ECU 60 can control power feeding from the power source 66 to the electric heater 44.
At this time, the ECU 60 can set a current value to be supplied to the electric heater 44 based on a predetermined map. Hereinafter, the setting method will be described with an example.
[0029]
4 and 5 show examples of control maps for setting the current value in the process of step S4.
First, the map of FIG. 4 sets the current value based on the exhaust gas flow rate, and the map characteristic sets the current value higher as the exhaust gas flow rate decreases. On the other hand, the map of FIG. 5 sets the current value based on the target exhaust pressure in the exhaust pressure increase control, and this map characteristic sets the current value higher as the target exhaust pressure becomes higher. Each map also has insensitive characteristics in the upper and lower limits of the exhaust gas flow rate and target exhaust pressure. When the exhaust gas flow rate or target exhaust pressure approaches the upper and lower limit values, these changes greatly increase the current value setting. It has not been affected.
[0030]
In setting the current value associated with the execution of step S4, which map is used can be selected as appropriate. For example, either one of the maps in FIG. 4 or FIG. 5 may be selected and used, or both maps may be used. In any case, as the current value is set higher, the amount of heat generated by the electric heater 44 increases, and the amount of increase in the exhaust gas temperature increases accordingly.
[0031]
6 and 7 show the relationship between exhaust pressure, exhaust gas temperature, and exhaust gas flow rate in exhaust pressure increase control. Among these, FIG. 6 shows the relationship between the exhaust gas flow rate and the temperature obtained for each exhaust pressure condition (500 × 1.33 to 900 × 1.33 hPa) when the exhaust passage cross-sectional area is constant. FIG. 7 shows the relationship between the exhaust gas temperature and the exhaust pressure obtained for each flow rate condition (Q1> Q2) with the exhaust passage cross-sectional area being constant. In any case, the flow rate and temperature are values for the exhaust gas that passes through the gap between the butterfly valve 42 and the exhaust pipe 20.
[0032]
When electric power is supplied to the electric heater 44 along with the execution of step S4, the Joule heat is conducted through the exhaust pipe 20 to heat the exhaust gas inside thereof, and the gap between the butterfly valve 42 and the exhaust pipe 20, that is, the butterfly valve 42. The temperature of the exhaust gas passing through the cross-sectional area of the exhaust pipe 20 whose passage cross-sectional area has been changed is increased. Such an increase in the exhaust gas temperature changes the flow characteristics of the exhaust gas flowing through the gap between the butterfly valve 42 and the exhaust pipe 20, and can achieve a greater exhaust pressure increase effect.
[0033]
Specifically, as is clear from the exhaust gas flow rate-temperature diagram shown in FIG. 6, if the exhaust gas temperature is high, the same exhaust pressure increase effect can be obtained with a smaller flow rate. Further, as is apparent from the exhaust gas temperature-exhaust pressure diagram shown in FIG. 7, the exhaust pressure increasing effect becomes higher as the exhaust gas temperature is higher even at the same exhaust gas flow rate (Q1, Q2).
The map characteristics of FIGS. 4 and 5 are supported by the relationship between the exhaust gas flow rate and the temperature and the relationship between the exhaust gas temperature and the exhaust pressure in the exhaust pressure increase control described above. That is, in the map of FIG. 4, when the exhaust gas flow rate is large, a sufficient exhaust pressure increase effect can be obtained even if the heating amount by the electric heater 44, that is, the exhaust gas temperature increase amount is reduced. Accordingly, the current value can be set from the map in accordance with the above, and the exhaust pressure increase effect can be obtained early.
[0034]
Further, when the target exhaust pressure is set in the exhaust pressure increase control, the temperature condition necessary to realize the target exhaust pressure becomes clear from the relationship with the exhaust gas flow rate. Therefore, the amount of heating by the electric heater 44, that is, the amount of increase in the exhaust gas temperature can be determined according to the set target exhaust pressure. Therefore, in the map of FIG. 5, when the target exhaust pressure is high, the amount of increase in the exhaust gas temperature can be increased to achieve the target exhaust pressure at an early stage by increasing the exhaust gas to a high temperature.
[0035]
As described above, the ECU 60 can control the current value as at least one function of the exhaust gas flow rate or the target exhaust pressure by using the maps of FIGS. However, when conditions are constant as in cold start, the exhaust gas flow rate and the target exhaust pressure value may be fixed values.
The value of the exhaust gas flow rate is calculated based on information such as the sensor signal (intake air amount) from the air flow sensor 15, the injection amount from the fuel injection valve 6, the rotational speed of the engine 1, and the load (accelerator opening). An estimated value can be detected. Further, an exhaust gas flow rate sensor can be provided in the exhaust pipe 20, and the measured value of the exhaust gas flow rate can be directly detected from the sensor signal (flow rate detection means). In this case, the ECU 60 can set the current value from the map based on the detected measurement value or the estimated value, and can adjust the amount of increase in the exhaust gas temperature by the electric heater 44 (first temperature rise adjustment means).
[0036]
Further, the ECU 60 can set the target exhaust pressure as appropriate according to the temperature of the engine 1 (cooling water temperature or the like) and the temperature of the catalyst 30. In this case, the ECU 60 can set the current value from the map based on the set target exhaust pressure, and can adjust the amount of increase in the exhaust gas temperature by the electric heater 44 (second temperature rise adjustment means). For example, when the temperature of the engine 1 or the catalyst 30 is higher than that in the completely cold state, the target exhaust pressure is set low because the catalyst 30 can be activated relatively early.
[0037]
In any control mode, an exhaust pressure increase effect higher than usual is achieved by the increase in the exhaust gas temperature in the vicinity of the upstream side of the butterfly valve 42 by the electric heater 44. For this reason, the oxidation of the unburned matter by the exhaust gas temperature raising control is further promoted, and the activation of the catalyst 30 is realized very early.
As a result of actual observation by the inventor of the present invention, the exhaust gas temperature T during normal cooling by the electric heater 44 is shown.₀Is raised to a predetermined temperature Ts (about 100 ° C.), it has been confirmed that constant exhaust pressure increases ΔP1, ΔP2 (about 100 × 1.33 hPa, respectively) can be obtained under the conditions of the exhaust gas flow rates Q1, Q2. (See FIG. 7).
[0038]
Even after step S4 is executed, the ECU 60 returns the control routine at a predetermined interval, and continues the determinations of step S2 and step S3. For example, the exhaust gas temperature Te rises sufficiently after the cold start, and the predetermined temperature T₁If it becomes above (step S2 = No), ECU60 will stop the electric power feeding to the electric heater 44 (step S5).
[0039]
Alternatively, the exhaust gas temperature Tb passing through the gap between the butterfly valve 42 and the exhaust pipe 20 is a predetermined temperature T.₂If it becomes above (step S3 = No), ECU60 will stop the electric power feeding to the electric heater 44 (same step S5). At this time, the value of the exhaust gas temperature Tb may be estimated from the information from the temperature sensor 64 and the amount of heat generated by the electric heater 44, or the temperature sensor 64 is placed close to the butterfly valve 42, and the sensor signal The measured value may be detected directly from (temperature detecting means). In any case, the exhaust gas temperature Tb is set to the predetermined temperature Tb by controlling the power supply to the electric heater 44 by performing the determination in step S3.₂The following adjustment is made (temperature adjusting means).
[0040]
Note that when the exhaust pressure increase control is ended together with the end of the exhaust gas temperature raising control in the ECU 60 (step S1 = No), the ECU 60 similarly stops the power supply to the electric heater 44 (step S5).
Note that the control routine of FIG. 3 is given as a preferred example, and the specific processing in each step can be changed as appropriate. For example, in the process of step S1, the determination may be established (Yes) from a predetermined time (for example, 10 seconds) before the exhaust pressure increase control is started. Further, when the present invention is in-vehicle use, the determination of step S1 is established (Yes) after a predetermined time (for example, 0 seconds) has elapsed after the key switch is turned ON or after the engine rotation has reached a predetermined rotation speed (Yes) Alternatively, the determination in step S1 can be established (Yes) after a predetermined time (for example, 0 second) has elapsed since the start of the exhaust gas temperature raising control. In these cases, the setting of the predetermined time can be arbitrarily changed. As a result, the exhaust pressure can be increased with good response immediately after the passage cross-sectional area is changed.
[0041]
Further, in step S2, the predetermined temperature T₁These settings can be changed as appropriate. In this case, a predetermined temperature T according to the exhaust gas flow rate.₁Is preferably changed.
Further, the predetermined temperature T is determined in the determination of step S3.₂Is not constant, and may be set below the heat resistant temperature in the vicinity of the exhaust pressure raising device 40 as appropriate according to the embodiment of the present invention.
In addition, the current value to be supplied to the electric heater 44 in the process of step S4 may be controlled by feeding back the target exhaust pressure or the heater temperature to the control system of the ECU 60.
[0042]
8 to 10 show an exhaust pressure raising device 40 according to second and third embodiments different from the first embodiment described above.
First, as shown in FIG. 8, in the second embodiment, an electric heater 68 can be added to the outer periphery of the relief passage 22. In this case, the electric heater 68 is arranged so as to surround the periphery of the valve body 48 of the relief valve 46, and the temperature of the exhaust gas passing through the cross-sectional area of the relief passage 22 whose passage cross-sectional area is reduced by the relief valve 46 is increased. Let
[0043]
Next, as shown in FIG. 9, the exhaust pressure raising device 40 of the third embodiment can be configured without the relief passage 22. In this case, a heat wire 70 may be provided in the vicinity of the upstream side of the butterfly valve 42 in addition to the electric heater 44 described above. For example, as shown in FIG. 10, the hot wire 70 is stretched around the exhaust pipe 20 in a net shape, and the temperature of exhaust gas passing therethrough can be increased by the Joule heat. In the third embodiment, only the heat wire 70 may be used without using the electric heater 44.
[0044]
Next, FIGS. 11 to 13 show examples of the exhaust pressure raising device 40 according to the fourth embodiment, respectively. In these 4th Embodiment, the circumference | surroundings of each electric heater as a heating member are covered with the ceramic as a heat insulation member.
First, in the example of FIG. 11, the ceramic 72 is disposed so as to cover the periphery of the electric heater 44 provided on the outer periphery of the exhaust pipe 20. The ceramic 72 prevents the heat from the electric heater 44 from being transmitted to other mechanical elements such as the relief passage 22 and the relief valve 46, and can effectively prevent these thermal destructions. The ceramic 72 also functions as an attachment member for attaching the electric heater 44 to the exhaust pipe 20.
[0045]
In the example of FIG. 12, in addition to the ceramic 72 similar to that of FIG. 11, the ceramic 74 is also disposed around the electric heater 68 disposed on the outer periphery of the relief passage 22. In this case, the ceramic 74 effectively prevents thermal destruction of the relief valve 46 and the like due to heat transfer from the electric heater 68. Similarly, the ceramic 74 functions as an attachment member for attaching the electric heater 68 to the relief passage 22.
[0046]
Further, in the example of FIG. 13, the ceramic 76 can be applied to the exhaust pressure raising device 40 of the third embodiment described above. In this case, the ceramic 76 is disposed so as to integrally cover the electric heater 44 and the heat wire 70 described above. In this case, the ceramic 76 effectively prevents thermal destruction of the mechanical elements of the exhaust pressure raising device 40 due to heat transfer from the electric heater 44 and the heat wire 70. The ceramic 76 may be separately provided for each of the electric heater 44 and the heat wire 70. Further, the ceramic 76 may be disposed only around one of the electric heater 44 and the heat wire 70.
[0047]
According to the fourth embodiment described above, the ceramics 72 and 74 can be used as attachment members for the electric heaters 44 and 68, respectively. For example, the temperature can be increased to 1000 ° C. or higher), and the temperature rise effect of the exhaust gas can be further ensured.
[0048]
In this regard, when the mounting member is made of, for example, an FCD (Spheroidal Graphite Cast Iron) material, the temperature of the mounting member generally rises to the heating temperature when the electric heaters 44 and 68 are energized. The heating temperature of the electric heaters 44 and 68 can only be raised within the range of about), and the temperature rise effect of the exhaust gas is limited.
[0049]
On the other hand, if the ceramics 72 and 74 are respectively used as mounting members for the electric heaters 44 and 68, the heating temperature of the electric heaters 44 and 68 can be set in a high temperature range, so that the exhaust gas temperature is raised as required. This makes it possible to obtain a desired exhaust pressure increase effect.
Further, since ceramic is an insulating material, the fourth embodiment is a more preferable embodiment in that leakage from the electric system of each electric heater 44, 68, 70 can be prevented.
[0050]
Next, FIG. 14 shows the exhaust pressure increasing device 40 of the fifth embodiment. In this case, the exhaust pressure increasing device 40 is provided at an upstream position of the catalyst 30. In addition, only arrangement | positioning of the exhaust pressure raising apparatus 40 differs in 5th Embodiment, and another structure is the same as that of the example of FIG.
According to the exhaust pressure increasing device 40 of the fifth embodiment, when passing through the exhaust pressure increasing device 40, the exhaust gas is compressed and the heat transfer rate is increased, so the heat from the electric heater is more efficiently supplied to the exhaust gas. A sufficient temperature increase effect can be obtained with less power consumption. Further, since the temperature of the exhaust gas is raised at the upstream position of the catalyst 30, even when the catalyst 30 is in a cold state, the catalyst 30 can be heated at an early stage to be activated, and the exhaust gas purification performance of the catalyst 30 is improved. be able to.
[0051]
In each of the above-described embodiments, the electric heaters 44 and 68 are attached to only a part of the periphery of the butterfly valve 42 and the valve body 48, but these may be disposed throughout the exhaust pressure raising device 40. Further, it may be disposed in the exhaust pipe 20 on the upstream side. Further, the electric heaters 44 and 68 may be disposed not on the outer periphery of the exhaust pipe 20 or the like but on the inner wall surface thereof.
[0052]
In addition, the passage cross-sectional area changing means of the exhaust pipe 20 may have a shape other than the butterfly valve 42 and the relief valve 46 of each embodiment.
In the embodiment, the heater current is changed, but one or more of the heater voltage, the heater energization time, or the power failure time may be changed in addition to or in addition to the heater current. The heater energization time or power failure time may be dealt with by changing the duty ratio, for example. In this case, no current or voltage changing means is required, which is advantageous in terms of cost. Further, in the exhaust pipe 20, when the area where the passage cross-sectional area is changed by the passage cross-sectional area changing means is corroded due to the condensed water, condensed water is generated other than at the time of changing the cross-sectional area exemplified here. The heater may be energized even under such conditions. In this case, for example, the heater may be energized under conditions where the exhaust gas temperature or the passage wall temperature is 100 ° C. or less or is predicted to be so.
[0053]
【The invention's effect】
  The exhaust pressure increasing device according to the present invention (Claim 1) can surely obtain the exhaust pressure increasing effect even when the exhaust gas is in a low temperature state. For this reason, the effect can be greatly enhanced by the combined use with the exhaust gas temperature raising technique.And since the raise amount of exhaust gas temperature is adjusted according to exhaust gas flow volume or target exhaust pressure, the appropriate exhaust pressure raise effect can be exhibited according to the difference of various conditions.
  In particular, if the exhaust gas temperature is raised by an electric heat source (Claim 2), a highly practical exhaust pressure raising device with a simple structure can be obtained.
[0054]
  In addition, the exhaust pressure increasing device (Claim 3) adjusts the increase in the exhaust gas temperature to a predetermined temperature or less, so there is no risk of overheating damage and high reliability can be maintained..
[0055]
  Further, if the heating member is covered with a heat insulating member (claims)4), The temperature of the exhaust gas can be raised in a higher temperature range, and a desired exhaust pressure increase effect can be suitably realized.
  Further, by raising the exhaust gas temperature upstream of the catalyst (claims)5) Efficient exhaust gas temperature rise and early activation of the catalyst can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of an engine to which an exhaust pressure raising device of the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an exhaust pressure increasing device according to a first embodiment.
FIG. 3 is an example of a control routine in exhaust pressure increase control.
FIG. 4 is a map for setting a current value from an exhaust gas flow rate.
FIG. 5 is a map for setting a current value from a target exhaust pressure.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the flow rate of exhaust gas and temperature.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between exhaust gas temperature and exhaust pressure.
FIG. 8 is a diagram schematically showing an exhaust pressure increasing device according to a second embodiment.
FIG. 9 is a diagram schematically showing an exhaust pressure raising device according to a third embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
FIG. 11 is a diagram schematically showing an example of an exhaust pressure increasing device according to a fourth embodiment.
12 is a diagram schematically showing an example of a discharge pressure raising device according to a fourth embodiment different from FIG. 11. FIG.
FIG. 13 is a diagram schematically showing an example of a discharge pressure raising device of a fourth embodiment different from FIGS. 11 and 12. FIG.
FIG. 14 is a schematic view of an engine to which an exhaust pressure increasing device according to a fifth embodiment is applied.
[Explanation of symbols]
15 Air flow sensor (flow rate detection means)
20 Exhaust pipe (exhaust passage)
30 Catalyst
42 Butterfly valve (passage cross-sectional area changing means)
44 Electric heater (heating means, electric heat source)
60 ECU
72 Ceramic (Heat insulation material)

Claims

内燃機関と排気マニホールドを介して接続された排気管に設けられ、該排気管内の通路断面積を変更させる通路断面積変更手段と、
前記排気管の少なくとも前記通路断面積変更手段により通路断面積が変更される位置または該位置よりも上流側に設けられ、該通路断面積変更手段により通路断面積が変更された断面領域を通過する排ガスの温度を上昇させる昇温手段と、
前記排気管を流れる排ガス流量の測定値および推測値の少なくとも一方を検出可能な流量検出手段と、
前記流量検出手段により検出される排ガス流量の値が少なくなるほど、前記昇温手段による排ガスの温度上昇量を高くするよう調整する第１の昇温調整手段と、
前記排気管内における排気圧の目標値を設定し、この目標値が高くなるほど前記昇温手段による排ガスの温度上昇量を高くするよう調整する第２の昇温調整手段とを具備し、
前記第１の昇温調整手段および第２の昇温調整手段の少なくとも一方の昇温調整手段により温度上昇量を調整することを特徴とする排圧上昇装置。A passage cross-sectional area changing means provided in an exhaust pipe connected to the internal combustion engine via an exhaust manifold, and changing a cross-sectional area of the passage in the exhaust pipe;
The exhaust pipe is provided at a position where the passage cross-sectional area is changed by at least the passage cross-sectional area changing means or upstream of the position, and passes through a cross-sectional area where the passage cross-sectional area is changed by the passage cross-sectional area changing means. A temperature raising means for raising the temperature of the exhaust gas ;
A flow rate detecting means capable of detecting at least one of a measured value and an estimated value of the exhaust gas flow rate flowing through the exhaust pipe;
A first temperature rise adjusting means for adjusting the temperature rise amount of the exhaust gas by the temperature raising means to be higher as the value of the exhaust gas flow rate detected by the flow rate detecting means is smaller;
Setting a target value of the exhaust pressure in the exhaust pipe, and a second temperature rise adjusting means for adjusting the exhaust gas temperature rise amount by the temperature raising means to be higher as the target value is higher,
An exhaust pressure increasing device, wherein a temperature increase amount is adjusted by at least one temperature increase adjusting means of the first temperature increase adjusting means and the second temperature increase adjusting means .

前記昇温手段は、前記断面領域を通過する排ガスを加熱する電熱源を含むことを特徴とする請求項１に記載の排圧上昇装置。 The exhaust pressure increasing device according to claim 1, wherein the temperature raising means includes an electric heat source for heating the exhaust gas passing through the cross-sectional area.

前記昇温手段により上昇される排ガス温度の測定値および推測値の少なくとも一方を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段による検出結果に基づいて前記昇温手段により上昇される排ガスの温度を所定温度以下に調整する温度調整手段と
を更に具備したことを特徴とする請求項１または２に記載の排圧上昇装置。Temperature detecting means for detecting at least one of a measured value and an estimated value of the exhaust gas temperature raised by the temperature raising means;
3. The exhaust gas according to claim 1, further comprising a temperature adjusting unit that adjusts a temperature of the exhaust gas raised by the temperature raising unit to a predetermined temperature or less based on a detection result by the temperature detecting unit. Pressure raising device.

前記昇温手段は、前記排気管に配設された加熱部材と、この加熱部材を覆う断熱部材とを含むことを特徴とする請求項１に記載の排圧上昇装置。 The exhaust pressure increasing device according to claim 1, wherein the temperature raising means includes a heating member disposed in the exhaust pipe and a heat insulating member covering the heating member.

前記排気管に設けられて排ガスを浄化する触媒装置を更に備え、
前記通路断面積変更手段および前記昇温手段は、前記触媒装置よりも上流位置に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の排圧上昇装置。A catalyst device for purifying exhaust gas provided in the exhaust pipe;
The exhaust pressure increasing device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the passage cross-sectional area changing means and the temperature raising means are arranged upstream of the catalyst device.