内燃機関の排気システム
【課題】本発明は、内燃機関の排気システムに関し、排気枝管内に配置した熱音響スタックによる熱音響効果を、広い機関回転速度範囲で、十分に発揮させることを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気システムは、一端が内燃機関の排気通路に連通し、他端が閉塞した状態となることのできる排気枝管と、排気枝管の管路長を可変とする管路長可変手段と、排気枝管内に配置され、排気枝管内の気柱振動のエネルギーを熱エネルギーに変換可能な熱音響スタックと、管路長が、排気枝管内の気柱が共鳴する長さとなるように、内燃機関の回転速度に基づいて管路長可変手段により管路長を変化させる共鳴制御を行う制御手段とを備える。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気システムは、一端が内燃機関の排気通路に連通し、他端が閉塞した状態となることのできる排気枝管と、排気枝管の管路長を可変とする管路長可変手段と、排気枝管内に配置され、排気枝管内の気柱振動のエネルギーを熱エネルギーに変換可能な熱音響スタックと、管路長が、排気枝管内の気柱が共鳴する長さとなるように、内燃機関の回転速度に基づいて管路長可変手段により管路長を変化させる共鳴制御を行う制御手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００７−１５４７９２号公報には、一端が内燃機関の排気通路に連通し、他端が閉塞した排気枝管の内部に熱音響スタックを配置し、内燃機関の排気脈動を受けて生ずる気柱振動のエネルギーを熱音響スタックによって熱エネルギーに変換して回収するようにしたエネルギー回収装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１５４７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱音響スタックによって気柱振動エネルギーを熱エネルギーに効率良く変換するためには、管路内の気柱を共鳴させる必要がある。気柱が共鳴する周波数は、管路長などによって決まった所定の値となる。一方、排気脈動の周波数は、機関回転速度に応じて変化する。このため、上記従来の装置では、排気脈動の周波数と、排気枝管の所定の共鳴周波数とが近くなるような、狭い機関回転速度範囲でしか、十分な効果が得られないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、排気枝管内に配置した熱音響スタックによる熱音響効果を、広い機関回転速度範囲で、十分に発揮させることのできる内燃機関の排気システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気システムであって、
一端が内燃機関の排気通路に連通し、他端が閉塞した状態となることのできる排気枝管と、
前記排気枝管の管路長を可変とする管路長可変手段と、
前記排気枝管内に配置され、前記排気枝管内の気柱振動のエネルギーを熱エネルギーに変換可能な熱音響スタックと、
前記管路長が、前記排気枝管内の気柱が共鳴する長さとなるように、前記内燃機関の回転速度に基づいて前記管路長可変手段により前記管路長を変化させる共鳴制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気枝管の少なくとも一部は、前記内燃機関の排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲを行うためのＥＧＲ通路として機能することが可能であり、
前記排気枝管の途中には、前記還流する排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒が設置されており、
前記ＥＧＲが実行されていない場合に前記共鳴制御を実行することにより、前記ＥＧＲ触媒の床温の上昇を抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１の発明によれば、熱音響スタックを配置した排気枝管の管路長を、内燃機関の回転速度に基づいて変化させることができる。このため、熱音響スタックによる熱音響効果を、広い機関回転速度範囲で、十分に発揮させることができる。
【０００９】
第２の発明によれば、ＥＧＲが実行されていない場合に、熱音響スタックによる熱音響効果により、ＥＧＲ触媒の床温の上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１の排気システムを説明するための図である。
【図２】管路切替弁、ＥＧＲ通路およびバイパス通路の構成を示す図である。
【図３】ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が高い場合の状態を示す図である。
【図４】ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が中程度である場合の状態を示す図である。
【図５】ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が低い場合の状態を示す図である。
【図６】ＥＧＲが停止中であって管路内の気柱を共鳴させない場合の状態を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態２の排気システムを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の排気システムを説明するための図である。図１に示す内燃機関１０は、車両等に搭載される直列４気筒型内燃機関である。ただし、本発明における内燃機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。図示を省略するが、内燃機関１０の各気筒には、ピストン、吸気弁、排気弁等が設置されている。
【００１３】
内燃機関１０の吸気側には、吸気マニホールド１２を介して、吸気通路１４が接続されている。吸気通路１４の途中には、吸入空気量を調節するためのスロットル弁１６と、燃料を噴射する燃料インジェクタ１８とが設置されている。なお、図示の構成に限らず、気筒毎に個別に燃料インジェクタを設け、各気筒の吸気ポート内または筒内に燃料を噴射するように構成されていてもよい。
【００１４】
内燃機関１０の排気側には、排気マニホールド２０を介して、排気通路２２が接続されている。排気通路２２の途中には、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒２４が設置されている。排気マニホールド２０と排気浄化触媒２４との間の排気通路２２からは、排気ガスの一部を吸気側に還流させる、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を行うためのＥＧＲ通路２６が分岐している。ＥＧＲ通路２６の途中には、還流する排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」と称する）を浄化するためのＥＧＲ触媒２８が設置されている。
【００１５】
ＥＧＲ通路２６の他端は、管路切替弁３０に接続されている。管路切替弁３０には、ＥＧＲ通路３２の一端と、ＥＧＲ通路３２より長いバイパス通路３４の一端とが更に接続されている。ＥＧＲ通路３２の他端およびバイパス通路３４の他端は、管路切替弁３６に接続されている。管路切替弁３６には、ＥＧＲ通路３８の一端が更に接続されている。ＥＧＲ通路３８の他端は、吸気通路１４に接続されている。ＥＧＲ通路３８の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４０と、排気還流量を調節するためのＥＧＲ弁４２とが設置されている。
【００１６】
本実施形態のシステムは、更に、上述したスロットル弁１６、燃料インジェクタ１８、管路切替弁３０，３６、ＥＧＲ弁４２を含む各種のアクチュエータの作動を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０と、内燃機関１０のクランク軸の回転に同期した信号を出力するクランク角センサ４８とを備えている。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４８の出力に基いてクランク角および機関回転速度を検出することができる。
【００１７】
また、図示を省略するが、本実施形態のシステムは、吸入空気量を検出するエアフローメータ、車両の速度を検出する車速センサ、車両の運転者によるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルポジションセンサ等の各種のセンサを備えている。ＥＣＵ５０は、上述した各センサによりエンジン運転情報を検出し、その検出結果に基いて各アクチュエータを駆動することにより、内燃機関１０の運転制御を行う。特に、本実施形態において、ＥＣＵ５０は、所定の運転領域においては、ＥＧＲ弁４２を開くことにより、ＥＧＲを実行する。ＥＧＲの実行中は、ＥＧＲ弁４２の開度を制御することにより、ＥＧＲ率を制御する。一方、ＥＧＲを実行しない運転領域においては、ＥＧＲ弁４２が閉じられる。
【００１８】
図２は、管路切替弁３０，３６、ＥＧＲ通路３２およびバイパス通路３４の構成を示す図である。図２に示すように、ＥＧＲ通路３２の内部には、熱音響スタック４４が設置されている。また、管路切替弁３６側のバイパス通路３４の端部の内部には、熱音響スタック４６が設置されている。熱音響スタック４４，４６は、多数の細孔（小径通路）を有する部材であり、例えばステンレス鋼等からなる金属メッシュなどを好ましく用いることができる。熱音響スタック４４，４６は、気柱振動のエネルギー（音波エネルギー）を熱音響効果によって熱エネルギーに変換する機能を有している。すなわち、管路内の気柱の振動によって熱音響スタック４４，４６の細孔内を流動する気体と細孔壁面との間で熱が授受されることにより、管路の軸線方向に沿って熱音響スタック４４，４６に温度勾配が生成される。
【００１９】
図２は、ＥＧＲが実行中のときの状態を示している。ＥＧＲが実行中の場合には、ＥＣＵ５０は、管路切替弁３０，３６を図２に示す状態に制御する。すなわち、管路切替弁３０は、ＥＧＲ通路２６、ＥＧＲ通路３２およびバイパス通路３４を連通させる状態とされ、管路切替弁３６は、ＥＧＲ通路３２、バイパス通路３４およびＥＧＲ通路３８を連通させる状態とされる。ＥＧＲの実行中は、図２中の矢印で示すように、ＥＧＲ通路２６からのＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路３２を通ってＥＧＲ通路３８へ抜けることが可能である。更に、一部のＥＧＲガスは、バイパス通路３４を経由してＥＧＲ通路３８へ流れる。
【００２０】
ＥＧＲが停止中のときは、ＥＧＲ弁４２が閉じられているので、ＥＧＲガスがＥＧＲ触媒２８を流れることはない。しかしながら、本発明者らが行った実験によれば、ＥＧＲの停止中においても、ＥＧＲ触媒２８の床温が過上昇し、触媒劣化等を防止するための基準温度を超える場合があることが判明している（特に、吸入空気量が大きい高負荷時）。ＥＧＲの停止中にＥＧＲ触媒２８の床温が過上昇する原因は、必ずしも明らかではないが、一因としては、ＥＧＲの停止中であっても、排気通路２２内の排気脈動などによって排気ガスがＥＧＲ触媒２８内へ入ったり出たりすることを繰り返す結果、触媒反応が生じて床温が上昇するものと考えられる。
【００２１】
本発明者らは、ＥＧＲの停止中におけるＥＧＲ触媒２８の床温の過上昇を防止するべく鋭意研究を重ねた結果、ＥＧＲ通路内に熱音響スタックを配置する方法が有効であることを見出した。ＥＧＲの停止中、ＥＧＲ通路内の気柱は、排気通路２２内の排気脈動を受けて振動する。このため、ＥＧＲ通路内に配置された熱音響スタックでは、気柱振動のエネルギーが熱音響効果によって熱エネルギーに変換され、温度勾配が生成される。このようにして、ＥＧＲ通路内の気柱振動のエネルギーを熱音響スタックで吸収することにより、ＥＧＲ触媒２８が受け取るエネルギーが減少するため、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を抑制することができる。
【００２２】
熱音響スタックによる熱音響効果を十分に発揮させるためには、気柱を共鳴させること（定在波を発生させること）が必要である。管路内の気柱が共鳴する周波数は、管路の長さや分岐の有無などによって決まる。このため、通常、ＥＧＲ通路内の気柱の共鳴周波数は、ＥＧＲ通路の長さなどによって決まった所定の値となっている。ＥＧＲ通路内の気柱が共鳴するためには、その共鳴周波数と、排気脈動の周波数とが近くなることが必要である。排気脈動の周波数は、機関回転速度によって決まる。したがって、ＥＧＲ通路内に熱音響スタックを単に配置しただけの構成の場合には、ＥＧＲ通路内の気柱の共鳴周波数と排気脈動周波数とが近くなるような、所定の機関回転速度範囲でないと、熱音響スタックによる熱音響効果が十分に発揮されない。このため、それ以外の機関回転速度範囲では、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を十分に抑制できないという問題がある。
【００２３】
これに対し、本実施形態の排気システムは、熱音響スタックが位置する管路の長さを可変とすることにより、管路内の気柱の共鳴周波数を変化させることができるように構成されている。そして、共鳴周波数と排気脈動周波数とが近くなるように、機関回転速度に応じて管路長を変化させることにより、広い機関回転速度範囲において、熱音響効果を十分に発揮させることができる。以下、この点について、図３乃至図５を参照して説明する。
【００２４】
図３は、ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が高い場合の状態を示す図である。ＥＣＵ５０は、ＥＧＲが停止中であって、機関回転速度が比較的高い範囲（以下、「高回転域」と称する）にある場合には、管路切替弁３０，３６を図３に示す状態に制御する。すなわち、この場合には、管路切替弁３０は、ＥＧＲ通路２６とＥＧＲ通路３２とを連通させてバイパス通路３４を閉塞させる状態とされる。また、管路切替弁３６は、ＥＧＲ通路３２を閉塞させる状態とされる（図示の構成では、同時にバイパス通路３４およびＥＧＲ通路３８も閉塞される）。この状態では、ＥＧＲ通路２６およびＥＧＲ通路３２が管路切替弁３０を介して管路としてつながる。この管路長は、共鳴周波数が高回転域での排気脈動周波数に近くなるような長さに設定されている。よって、ＥＧＲ通路２６およびＥＧＲ通路３２が管路切替弁３０を介してつながって形成される管路内の気柱が排気脈動によって共鳴し、定在波が発生する。そして、上記管路の閉塞端付近には、熱音響スタック４４が位置する。一般に、熱音響スタックを閉塞端付近に配置することにより、熱音響効果を十分に発揮させることができる。このため、図３に示す状態では、気柱振動のエネルギーが熱音響スタック４４によって効率良く吸収されて熱エネルギーに変換され、熱音響スタック４４に温度勾配が生成される。その結果、ＥＧＲ触媒２８が受け取るエネルギーが減少するので、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００２５】
図４は、ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が中程度である場合の状態を示す図である。ＥＣＵ５０は、ＥＧＲが停止中であって、機関回転速度が中程度の範囲（以下、「中回転域」と称する）にある場合には、管路切替弁３０，３６を図４に示す状態に制御する。すなわち、この場合には、管路切替弁３０は、ＥＧＲ通路２６とバイパス通路３４とを連通させてＥＧＲ通路３２を閉塞させる状態とされる。また、管路切替弁３６は、バイパス通路３４を閉塞させる状態とされる（図示の構成では、同時にＥＧＲ通路３２およびＥＧＲ通路３８も閉塞される）。この状態では、ＥＧＲ通路２６およびバイパス通路３４が管路切替弁３０を介して管路としてつながる。このため、この状態では、図３に示す状態よりも管路長が長くなる。この管路長は、共鳴周波数が中回転域での排気脈動周波数に近くなるような長さに設定されている。よって、ＥＧＲ通路２６およびバイパス通路３４が管路切替弁３０を介してつながって形成される管路内の気柱が排気脈動によって共鳴し、定在波が発生する。そして、上記管路の閉塞端付近には、熱音響スタック４６が位置する。このため、図４に示す状態では、気柱振動のエネルギーが熱音響スタック４６によって効率良く吸収されて熱エネルギーに変換され、熱音響スタック４６に温度勾配が生成される。その結果、ＥＧＲ触媒２８が受け取るエネルギーが十分に減少し、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００２６】
図５は、ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が低い場合の状態を示す図である。ＥＣＵ５０は、ＥＧＲが停止中であって、機関回転速度が比較的低い範囲（以下、「低回転域」と称する）にある場合には、管路切替弁３０，３６を図５に示す状態に制御する。すなわち、この場合には、管路切替弁３０は、ＥＧＲ通路２６とバイパス通路３４とを連通させてＥＧＲ通路３２を閉塞させる状態とされる。また、管路切替弁３６は、バイパス通路３４とＥＧＲ通路３２とを連通させてＥＧＲ通路３８を閉塞させる状態とされる。この状態では、ＥＧＲ通路２６、バイパス通路３４およびＥＧＲ通路３２が管路切替弁３０および管路切替弁３６を介して管路としてつながる。このため、この状態では、図４に示す状態よりも管路長が更に長くなる。この管路長は、共鳴周波数が低回転域での排気脈動周波数に近くなるような長さに設定されている。よって、ＥＧＲ通路２６、バイパス通路３４およびＥＧＲ通路３２が管路切替弁３０および管路切替弁３６を介してつながって形成される管路内の気柱が排気脈動によって共鳴し、定在波が発生する。そして、上記管路の閉塞端付近には、熱音響スタック４４が位置する。このため、図５に示す状態では、気柱振動のエネルギーが熱音響スタック４４によって効率良く吸収されて熱エネルギーに変換され、熱音響スタック４４に温度勾配が生成される。その結果、ＥＧＲ触媒２８が受け取るエネルギーが十分に減少し、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００２７】
本実施形態によれば、以上のようにして、ＥＧＲが停止されている場合、高回転域、中回転域、低回転域の何れにおいても、熱音響スタック４４または４６による熱音響効果を十分に発揮させることができるので、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００２８】
図６は、ＥＧＲが停止中であって管路内の気柱を共鳴させない場合の状態を示す図である。この場合には、管路切替弁３０は、ＥＧＲ通路２６、ＥＧＲ通路３２およびバイパス通路３４とを連通させる状態とされる。また、管路切替弁３６は、バイパス通路３４とＥＧＲ通路３２とを連通させてＥＧＲ通路３８を閉塞させる状態とされる。この状態では、ＥＧＲ通路３２およびバイパス通路３４が管路切替弁３０および管路切替弁３６を介してループを形成するので、閉塞端が形成されない。このため、管路内の気柱は共鳴しない。ＥＧＲ触媒２８の床温が低く、ＥＧＲ触媒２８の床温を上昇させる必要がある場合には、ＥＣＵ５０は、管路切替弁３０，３６を図６に示す状態に制御するようにしてもよい。
【００２９】
また、本実施形態において、ＥＧＲの実行中には、次のような利点がある。ＥＧＲの実行中は、図２に示すように、ＥＧＲガスが熱音響スタック４４，４６を通って流れる。このため、放熱性が向上し、ＥＧＲガスの温度をより低下させることができる。
【００３０】
図７は、上述した機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンによれば、まず、ＥＧＲ弁４２が閉じられているかどうか、すなわちＥＧＲが停止されているかどうかが判断される（ステップ１００）。ＥＧＲ弁４２が閉じられている（ＥＧＲが停止されている）と判定された場合には、次に、機関回転数が高回転域にあるか中回転域にあるか低回転域にあるかが判断される（ステップ１０２）。
【００３１】
上記ステップ１０２で、機関回転数が高回転域にあると判定された場合には、管路切替弁３０，３６が図３に示す状態に制御される。これにより、管路長が短くなって共鳴周波数が高くなるので、共鳴周波数が高回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて熱音響スタック４４による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００３２】
一方、上記ステップ１０２で、機関回転数が中回転域にあると判定された場合には、管路切替弁３０，３６が図４に示す状態に制御される。これにより、管路長が中程度になって共鳴周波数が中程度になるので、共鳴周波数が中回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて熱音響スタック４６による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００３３】
また、上記ステップ１０２で、機関回転数が低回転域にあると判定された場合には、管路切替弁３０，３６が図５に示す状態に制御される。これにより、管路長が長くなって共鳴周波数が低くなるので、共鳴周波数が低回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて熱音響スタック４４による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００３４】
なお、本実施形態では省略しているが、熱音響スタック４４，４６の一端または両端に熱交換器を設けて熱媒体を循環させ、熱音響スタック４４，４６に発生した温度勾配によってその熱媒体を加熱または冷却するように構成してもよい。更に、その加熱または冷却された熱媒体を、対象物と熱交換するための熱交換器に循環させ、当該対象物を加熱または冷却するように構成してもよい。
【００３５】
上述した実施の形態１においては、ＥＧＲ通路２６、管路切替弁３０、ＥＧＲ通路３２、バイパス通路３４および管路切替弁３６が前記第１の発明における「排気枝管」および「管路長可変手段」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２，１０４，１０６および１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「制御手段」が実現されている。
【００３６】
実施の形態２．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。図８は、本発明の実施の形態２の排気システムを説明するための図である。
【００３７】
図８に示すように、本実施形態の排気システムでは、排気通路２２から分岐したＥＧＲ通路２６が吸気通路１４に接続されている。ＥＧＲ通路２６の途中であって、ＥＧＲ触媒２８より下流側には、第１ＥＧＲ弁５２、第２ＥＧＲ弁５４、第３ＥＧＲ弁５６がこの順に配置されている。第１ＥＧＲ弁５２の上流側に隣接して、熱音響スタック５８が配置されている。また、第２ＥＧＲ弁５４の上流側に隣接して、熱音響スタック６０が配置されている。更に、第３ＥＧＲ弁５６の上流側に隣接して、熱音響スタック６２が配置されている。
【００３８】
ＥＧＲを実行する場合には、第１ＥＧＲ弁５２、第２ＥＧＲ弁５４、第３ＥＧＲ弁５６がすべて開かれる。そのうちの一つ（通常は、第３ＥＧＲ弁５６）の開度を調節することにより、ＥＧＲ量が制御される。
【００３９】
ＥＧＲの停止中は、次のように制御される。高回転域では、第１ＥＧＲ弁５２が閉じられる。第２ＥＧＲ弁５４および第３ＥＧＲ弁５６は、開いていても閉じていてもよい。第１ＥＧＲ弁５２を閉じた状態では、ＥＧＲ触媒２８を含む管路の長さが短くなって共鳴周波数が高くなるので、共鳴周波数が高回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて、管路の閉塞端付近に位置する熱音響スタック５８による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００４０】
中回転域では、第１ＥＧＲ弁５２が開かれ、第２ＥＧＲ弁５４が閉じられる。第３ＥＧＲ弁５６は、開いていても閉じていてもよい。第１ＥＧＲ弁５２を開いて第２ＥＧＲ弁５４を閉じた状態では、ＥＧＲ触媒２８を含む管路の長さが中程度になって共鳴周波数が中程度になるので、共鳴周波数が中回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて、管路の閉塞端付近に位置する熱音響スタック６０による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００４１】
低回転域では、第１ＥＧＲ弁５２および第２ＥＧＲ弁５４が開かれ、第３ＥＧＲ弁５６が閉じられる。第１ＥＧＲ弁５２および第２ＥＧＲ弁５４を開いて第３ＥＧＲ弁５６を閉じた状態では、ＥＧＲ触媒２８を含む管路の長さが長くなって共鳴周波数が低くなるので、共鳴周波数が低回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて、管路の閉塞端付近に位置する熱音響スタック６２による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００４２】
実施の形態２は、上述した点以外は実施の形態１と同様であるので、これ以上の説明は省略する。実施の形態２においては、ＥＧＲ通路２６、第１ＥＧＲ弁５２、第２ＥＧＲ弁５４および第３ＥＧＲ弁５６が前記第１の発明における「排気枝管」および「管路長可変手段」に相当している。
【００４３】
以上説明した実施の形態１および２では、ＥＧＲ通路内に熱音響スタックを配置する構成を例に説明したが、本発明は、ＥＧＲ通路以外の排気枝管に熱音響スタックを配置する構成の場合にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 内燃機関
１２ 吸気マニホールド
１４ 吸気通路
１６ スロットル弁
２０ 排気マニホールド
２２ 排気通路
２４ 排気浄化触媒
２６，３２，３８ ＥＧＲ通路
２８ ＥＧＲ触媒
３０ 管路切替弁
３４ バイパス通路
３６ 管路切替弁
４２ ＥＧＲ弁
４４，４６ 熱音響スタック
５２ 第１ＥＧＲ弁
５４ 第２ＥＧＲ弁
５６ 第３ＥＧＲ弁
５８，６０，６２ 熱音響スタック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００７−１５４７９２号公報には、一端が内燃機関の排気通路に連通し、他端が閉塞した排気枝管の内部に熱音響スタックを配置し、内燃機関の排気脈動を受けて生ずる気柱振動のエネルギーを熱音響スタックによって熱エネルギーに変換して回収するようにしたエネルギー回収装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１５４７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱音響スタックによって気柱振動エネルギーを熱エネルギーに効率良く変換するためには、管路内の気柱を共鳴させる必要がある。気柱が共鳴する周波数は、管路長などによって決まった所定の値となる。一方、排気脈動の周波数は、機関回転速度に応じて変化する。このため、上記従来の装置では、排気脈動の周波数と、排気枝管の所定の共鳴周波数とが近くなるような、狭い機関回転速度範囲でしか、十分な効果が得られないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、排気枝管内に配置した熱音響スタックによる熱音響効果を、広い機関回転速度範囲で、十分に発揮させることのできる内燃機関の排気システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気システムであって、
一端が内燃機関の排気通路に連通し、他端が閉塞した状態となることのできる排気枝管と、
前記排気枝管の管路長を可変とする管路長可変手段と、
前記排気枝管内に配置され、前記排気枝管内の気柱振動のエネルギーを熱エネルギーに変換可能な熱音響スタックと、
前記管路長が、前記排気枝管内の気柱が共鳴する長さとなるように、前記内燃機関の回転速度に基づいて前記管路長可変手段により前記管路長を変化させる共鳴制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気枝管の少なくとも一部は、前記内燃機関の排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲを行うためのＥＧＲ通路として機能することが可能であり、
前記排気枝管の途中には、前記還流する排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒が設置されており、
前記ＥＧＲが実行されていない場合に前記共鳴制御を実行することにより、前記ＥＧＲ触媒の床温の上昇を抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１の発明によれば、熱音響スタックを配置した排気枝管の管路長を、内燃機関の回転速度に基づいて変化させることができる。このため、熱音響スタックによる熱音響効果を、広い機関回転速度範囲で、十分に発揮させることができる。
【０００９】
第２の発明によれば、ＥＧＲが実行されていない場合に、熱音響スタックによる熱音響効果により、ＥＧＲ触媒の床温の上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１の排気システムを説明するための図である。
【図２】管路切替弁、ＥＧＲ通路およびバイパス通路の構成を示す図である。
【図３】ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が高い場合の状態を示す図である。
【図４】ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が中程度である場合の状態を示す図である。
【図５】ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が低い場合の状態を示す図である。
【図６】ＥＧＲが停止中であって管路内の気柱を共鳴させない場合の状態を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態２の排気システムを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の排気システムを説明するための図である。図１に示す内燃機関１０は、車両等に搭載される直列４気筒型内燃機関である。ただし、本発明における内燃機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。図示を省略するが、内燃機関１０の各気筒には、ピストン、吸気弁、排気弁等が設置されている。
【００１３】
内燃機関１０の吸気側には、吸気マニホールド１２を介して、吸気通路１４が接続されている。吸気通路１４の途中には、吸入空気量を調節するためのスロットル弁１６と、燃料を噴射する燃料インジェクタ１８とが設置されている。なお、図示の構成に限らず、気筒毎に個別に燃料インジェクタを設け、各気筒の吸気ポート内または筒内に燃料を噴射するように構成されていてもよい。
【００１４】
内燃機関１０の排気側には、排気マニホールド２０を介して、排気通路２２が接続されている。排気通路２２の途中には、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒２４が設置されている。排気マニホールド２０と排気浄化触媒２４との間の排気通路２２からは、排気ガスの一部を吸気側に還流させる、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を行うためのＥＧＲ通路２６が分岐している。ＥＧＲ通路２６の途中には、還流する排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」と称する）を浄化するためのＥＧＲ触媒２８が設置されている。
【００１５】
ＥＧＲ通路２６の他端は、管路切替弁３０に接続されている。管路切替弁３０には、ＥＧＲ通路３２の一端と、ＥＧＲ通路３２より長いバイパス通路３４の一端とが更に接続されている。ＥＧＲ通路３２の他端およびバイパス通路３４の他端は、管路切替弁３６に接続されている。管路切替弁３６には、ＥＧＲ通路３８の一端が更に接続されている。ＥＧＲ通路３８の他端は、吸気通路１４に接続されている。ＥＧＲ通路３８の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４０と、排気還流量を調節するためのＥＧＲ弁４２とが設置されている。
【００１６】
本実施形態のシステムは、更に、上述したスロットル弁１６、燃料インジェクタ１８、管路切替弁３０，３６、ＥＧＲ弁４２を含む各種のアクチュエータの作動を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０と、内燃機関１０のクランク軸の回転に同期した信号を出力するクランク角センサ４８とを備えている。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４８の出力に基いてクランク角および機関回転速度を検出することができる。
【００１７】
また、図示を省略するが、本実施形態のシステムは、吸入空気量を検出するエアフローメータ、車両の速度を検出する車速センサ、車両の運転者によるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルポジションセンサ等の各種のセンサを備えている。ＥＣＵ５０は、上述した各センサによりエンジン運転情報を検出し、その検出結果に基いて各アクチュエータを駆動することにより、内燃機関１０の運転制御を行う。特に、本実施形態において、ＥＣＵ５０は、所定の運転領域においては、ＥＧＲ弁４２を開くことにより、ＥＧＲを実行する。ＥＧＲの実行中は、ＥＧＲ弁４２の開度を制御することにより、ＥＧＲ率を制御する。一方、ＥＧＲを実行しない運転領域においては、ＥＧＲ弁４２が閉じられる。
【００１８】
図２は、管路切替弁３０，３６、ＥＧＲ通路３２およびバイパス通路３４の構成を示す図である。図２に示すように、ＥＧＲ通路３２の内部には、熱音響スタック４４が設置されている。また、管路切替弁３６側のバイパス通路３４の端部の内部には、熱音響スタック４６が設置されている。熱音響スタック４４，４６は、多数の細孔（小径通路）を有する部材であり、例えばステンレス鋼等からなる金属メッシュなどを好ましく用いることができる。熱音響スタック４４，４６は、気柱振動のエネルギー（音波エネルギー）を熱音響効果によって熱エネルギーに変換する機能を有している。すなわち、管路内の気柱の振動によって熱音響スタック４４，４６の細孔内を流動する気体と細孔壁面との間で熱が授受されることにより、管路の軸線方向に沿って熱音響スタック４４，４６に温度勾配が生成される。
【００１９】
図２は、ＥＧＲが実行中のときの状態を示している。ＥＧＲが実行中の場合には、ＥＣＵ５０は、管路切替弁３０，３６を図２に示す状態に制御する。すなわち、管路切替弁３０は、ＥＧＲ通路２６、ＥＧＲ通路３２およびバイパス通路３４を連通させる状態とされ、管路切替弁３６は、ＥＧＲ通路３２、バイパス通路３４およびＥＧＲ通路３８を連通させる状態とされる。ＥＧＲの実行中は、図２中の矢印で示すように、ＥＧＲ通路２６からのＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路３２を通ってＥＧＲ通路３８へ抜けることが可能である。更に、一部のＥＧＲガスは、バイパス通路３４を経由してＥＧＲ通路３８へ流れる。
【００２０】
ＥＧＲが停止中のときは、ＥＧＲ弁４２が閉じられているので、ＥＧＲガスがＥＧＲ触媒２８を流れることはない。しかしながら、本発明者らが行った実験によれば、ＥＧＲの停止中においても、ＥＧＲ触媒２８の床温が過上昇し、触媒劣化等を防止するための基準温度を超える場合があることが判明している（特に、吸入空気量が大きい高負荷時）。ＥＧＲの停止中にＥＧＲ触媒２８の床温が過上昇する原因は、必ずしも明らかではないが、一因としては、ＥＧＲの停止中であっても、排気通路２２内の排気脈動などによって排気ガスがＥＧＲ触媒２８内へ入ったり出たりすることを繰り返す結果、触媒反応が生じて床温が上昇するものと考えられる。
【００２１】
本発明者らは、ＥＧＲの停止中におけるＥＧＲ触媒２８の床温の過上昇を防止するべく鋭意研究を重ねた結果、ＥＧＲ通路内に熱音響スタックを配置する方法が有効であることを見出した。ＥＧＲの停止中、ＥＧＲ通路内の気柱は、排気通路２２内の排気脈動を受けて振動する。このため、ＥＧＲ通路内に配置された熱音響スタックでは、気柱振動のエネルギーが熱音響効果によって熱エネルギーに変換され、温度勾配が生成される。このようにして、ＥＧＲ通路内の気柱振動のエネルギーを熱音響スタックで吸収することにより、ＥＧＲ触媒２８が受け取るエネルギーが減少するため、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を抑制することができる。
【００２２】
熱音響スタックによる熱音響効果を十分に発揮させるためには、気柱を共鳴させること（定在波を発生させること）が必要である。管路内の気柱が共鳴する周波数は、管路の長さや分岐の有無などによって決まる。このため、通常、ＥＧＲ通路内の気柱の共鳴周波数は、ＥＧＲ通路の長さなどによって決まった所定の値となっている。ＥＧＲ通路内の気柱が共鳴するためには、その共鳴周波数と、排気脈動の周波数とが近くなることが必要である。排気脈動の周波数は、機関回転速度によって決まる。したがって、ＥＧＲ通路内に熱音響スタックを単に配置しただけの構成の場合には、ＥＧＲ通路内の気柱の共鳴周波数と排気脈動周波数とが近くなるような、所定の機関回転速度範囲でないと、熱音響スタックによる熱音響効果が十分に発揮されない。このため、それ以外の機関回転速度範囲では、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を十分に抑制できないという問題がある。
【００２３】
これに対し、本実施形態の排気システムは、熱音響スタックが位置する管路の長さを可変とすることにより、管路内の気柱の共鳴周波数を変化させることができるように構成されている。そして、共鳴周波数と排気脈動周波数とが近くなるように、機関回転速度に応じて管路長を変化させることにより、広い機関回転速度範囲において、熱音響効果を十分に発揮させることができる。以下、この点について、図３乃至図５を参照して説明する。
【００２４】
図３は、ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が高い場合の状態を示す図である。ＥＣＵ５０は、ＥＧＲが停止中であって、機関回転速度が比較的高い範囲（以下、「高回転域」と称する）にある場合には、管路切替弁３０，３６を図３に示す状態に制御する。すなわち、この場合には、管路切替弁３０は、ＥＧＲ通路２６とＥＧＲ通路３２とを連通させてバイパス通路３４を閉塞させる状態とされる。また、管路切替弁３６は、ＥＧＲ通路３２を閉塞させる状態とされる（図示の構成では、同時にバイパス通路３４およびＥＧＲ通路３８も閉塞される）。この状態では、ＥＧＲ通路２６およびＥＧＲ通路３２が管路切替弁３０を介して管路としてつながる。この管路長は、共鳴周波数が高回転域での排気脈動周波数に近くなるような長さに設定されている。よって、ＥＧＲ通路２６およびＥＧＲ通路３２が管路切替弁３０を介してつながって形成される管路内の気柱が排気脈動によって共鳴し、定在波が発生する。そして、上記管路の閉塞端付近には、熱音響スタック４４が位置する。一般に、熱音響スタックを閉塞端付近に配置することにより、熱音響効果を十分に発揮させることができる。このため、図３に示す状態では、気柱振動のエネルギーが熱音響スタック４４によって効率良く吸収されて熱エネルギーに変換され、熱音響スタック４４に温度勾配が生成される。その結果、ＥＧＲ触媒２８が受け取るエネルギーが減少するので、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００２５】
図４は、ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が中程度である場合の状態を示す図である。ＥＣＵ５０は、ＥＧＲが停止中であって、機関回転速度が中程度の範囲（以下、「中回転域」と称する）にある場合には、管路切替弁３０，３６を図４に示す状態に制御する。すなわち、この場合には、管路切替弁３０は、ＥＧＲ通路２６とバイパス通路３４とを連通させてＥＧＲ通路３２を閉塞させる状態とされる。また、管路切替弁３６は、バイパス通路３４を閉塞させる状態とされる（図示の構成では、同時にＥＧＲ通路３２およびＥＧＲ通路３８も閉塞される）。この状態では、ＥＧＲ通路２６およびバイパス通路３４が管路切替弁３０を介して管路としてつながる。このため、この状態では、図３に示す状態よりも管路長が長くなる。この管路長は、共鳴周波数が中回転域での排気脈動周波数に近くなるような長さに設定されている。よって、ＥＧＲ通路２６およびバイパス通路３４が管路切替弁３０を介してつながって形成される管路内の気柱が排気脈動によって共鳴し、定在波が発生する。そして、上記管路の閉塞端付近には、熱音響スタック４６が位置する。このため、図４に示す状態では、気柱振動のエネルギーが熱音響スタック４６によって効率良く吸収されて熱エネルギーに変換され、熱音響スタック４６に温度勾配が生成される。その結果、ＥＧＲ触媒２８が受け取るエネルギーが十分に減少し、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００２６】
図５は、ＥＧＲが停止中であって機関回転速度が低い場合の状態を示す図である。ＥＣＵ５０は、ＥＧＲが停止中であって、機関回転速度が比較的低い範囲（以下、「低回転域」と称する）にある場合には、管路切替弁３０，３６を図５に示す状態に制御する。すなわち、この場合には、管路切替弁３０は、ＥＧＲ通路２６とバイパス通路３４とを連通させてＥＧＲ通路３２を閉塞させる状態とされる。また、管路切替弁３６は、バイパス通路３４とＥＧＲ通路３２とを連通させてＥＧＲ通路３８を閉塞させる状態とされる。この状態では、ＥＧＲ通路２６、バイパス通路３４およびＥＧＲ通路３２が管路切替弁３０および管路切替弁３６を介して管路としてつながる。このため、この状態では、図４に示す状態よりも管路長が更に長くなる。この管路長は、共鳴周波数が低回転域での排気脈動周波数に近くなるような長さに設定されている。よって、ＥＧＲ通路２６、バイパス通路３４およびＥＧＲ通路３２が管路切替弁３０および管路切替弁３６を介してつながって形成される管路内の気柱が排気脈動によって共鳴し、定在波が発生する。そして、上記管路の閉塞端付近には、熱音響スタック４４が位置する。このため、図５に示す状態では、気柱振動のエネルギーが熱音響スタック４４によって効率良く吸収されて熱エネルギーに変換され、熱音響スタック４４に温度勾配が生成される。その結果、ＥＧＲ触媒２８が受け取るエネルギーが十分に減少し、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００２７】
本実施形態によれば、以上のようにして、ＥＧＲが停止されている場合、高回転域、中回転域、低回転域の何れにおいても、熱音響スタック４４または４６による熱音響効果を十分に発揮させることができるので、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００２８】
図６は、ＥＧＲが停止中であって管路内の気柱を共鳴させない場合の状態を示す図である。この場合には、管路切替弁３０は、ＥＧＲ通路２６、ＥＧＲ通路３２およびバイパス通路３４とを連通させる状態とされる。また、管路切替弁３６は、バイパス通路３４とＥＧＲ通路３２とを連通させてＥＧＲ通路３８を閉塞させる状態とされる。この状態では、ＥＧＲ通路３２およびバイパス通路３４が管路切替弁３０および管路切替弁３６を介してループを形成するので、閉塞端が形成されない。このため、管路内の気柱は共鳴しない。ＥＧＲ触媒２８の床温が低く、ＥＧＲ触媒２８の床温を上昇させる必要がある場合には、ＥＣＵ５０は、管路切替弁３０，３６を図６に示す状態に制御するようにしてもよい。
【００２９】
また、本実施形態において、ＥＧＲの実行中には、次のような利点がある。ＥＧＲの実行中は、図２に示すように、ＥＧＲガスが熱音響スタック４４，４６を通って流れる。このため、放熱性が向上し、ＥＧＲガスの温度をより低下させることができる。
【００３０】
図７は、上述した機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンによれば、まず、ＥＧＲ弁４２が閉じられているかどうか、すなわちＥＧＲが停止されているかどうかが判断される（ステップ１００）。ＥＧＲ弁４２が閉じられている（ＥＧＲが停止されている）と判定された場合には、次に、機関回転数が高回転域にあるか中回転域にあるか低回転域にあるかが判断される（ステップ１０２）。
【００３１】
上記ステップ１０２で、機関回転数が高回転域にあると判定された場合には、管路切替弁３０，３６が図３に示す状態に制御される。これにより、管路長が短くなって共鳴周波数が高くなるので、共鳴周波数が高回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて熱音響スタック４４による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００３２】
一方、上記ステップ１０２で、機関回転数が中回転域にあると判定された場合には、管路切替弁３０，３６が図４に示す状態に制御される。これにより、管路長が中程度になって共鳴周波数が中程度になるので、共鳴周波数が中回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて熱音響スタック４６による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００３３】
また、上記ステップ１０２で、機関回転数が低回転域にあると判定された場合には、管路切替弁３０，３６が図５に示す状態に制御される。これにより、管路長が長くなって共鳴周波数が低くなるので、共鳴周波数が低回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて熱音響スタック４４による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００３４】
なお、本実施形態では省略しているが、熱音響スタック４４，４６の一端または両端に熱交換器を設けて熱媒体を循環させ、熱音響スタック４４，４６に発生した温度勾配によってその熱媒体を加熱または冷却するように構成してもよい。更に、その加熱または冷却された熱媒体を、対象物と熱交換するための熱交換器に循環させ、当該対象物を加熱または冷却するように構成してもよい。
【００３５】
上述した実施の形態１においては、ＥＧＲ通路２６、管路切替弁３０、ＥＧＲ通路３２、バイパス通路３４および管路切替弁３６が前記第１の発明における「排気枝管」および「管路長可変手段」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２，１０４，１０６および１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「制御手段」が実現されている。
【００３６】
実施の形態２．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。図８は、本発明の実施の形態２の排気システムを説明するための図である。
【００３７】
図８に示すように、本実施形態の排気システムでは、排気通路２２から分岐したＥＧＲ通路２６が吸気通路１４に接続されている。ＥＧＲ通路２６の途中であって、ＥＧＲ触媒２８より下流側には、第１ＥＧＲ弁５２、第２ＥＧＲ弁５４、第３ＥＧＲ弁５６がこの順に配置されている。第１ＥＧＲ弁５２の上流側に隣接して、熱音響スタック５８が配置されている。また、第２ＥＧＲ弁５４の上流側に隣接して、熱音響スタック６０が配置されている。更に、第３ＥＧＲ弁５６の上流側に隣接して、熱音響スタック６２が配置されている。
【００３８】
ＥＧＲを実行する場合には、第１ＥＧＲ弁５２、第２ＥＧＲ弁５４、第３ＥＧＲ弁５６がすべて開かれる。そのうちの一つ（通常は、第３ＥＧＲ弁５６）の開度を調節することにより、ＥＧＲ量が制御される。
【００３９】
ＥＧＲの停止中は、次のように制御される。高回転域では、第１ＥＧＲ弁５２が閉じられる。第２ＥＧＲ弁５４および第３ＥＧＲ弁５６は、開いていても閉じていてもよい。第１ＥＧＲ弁５２を閉じた状態では、ＥＧＲ触媒２８を含む管路の長さが短くなって共鳴周波数が高くなるので、共鳴周波数が高回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて、管路の閉塞端付近に位置する熱音響スタック５８による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００４０】
中回転域では、第１ＥＧＲ弁５２が開かれ、第２ＥＧＲ弁５４が閉じられる。第３ＥＧＲ弁５６は、開いていても閉じていてもよい。第１ＥＧＲ弁５２を開いて第２ＥＧＲ弁５４を閉じた状態では、ＥＧＲ触媒２８を含む管路の長さが中程度になって共鳴周波数が中程度になるので、共鳴周波数が中回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて、管路の閉塞端付近に位置する熱音響スタック６０による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００４１】
低回転域では、第１ＥＧＲ弁５２および第２ＥＧＲ弁５４が開かれ、第３ＥＧＲ弁５６が閉じられる。第１ＥＧＲ弁５２および第２ＥＧＲ弁５４を開いて第３ＥＧＲ弁５６を閉じた状態では、ＥＧＲ触媒２８を含む管路の長さが長くなって共鳴周波数が低くなるので、共鳴周波数が低回転域での排気脈動周波数と近くなる。このため、管路内の気柱を共鳴させて、管路の閉塞端付近に位置する熱音響スタック６２による熱音響効果を十分に発揮させることができ、ＥＧＲ触媒２８の床温の上昇を確実に抑制することができる。
【００４２】
実施の形態２は、上述した点以外は実施の形態１と同様であるので、これ以上の説明は省略する。実施の形態２においては、ＥＧＲ通路２６、第１ＥＧＲ弁５２、第２ＥＧＲ弁５４および第３ＥＧＲ弁５６が前記第１の発明における「排気枝管」および「管路長可変手段」に相当している。
【００４３】
以上説明した実施の形態１および２では、ＥＧＲ通路内に熱音響スタックを配置する構成を例に説明したが、本発明は、ＥＧＲ通路以外の排気枝管に熱音響スタックを配置する構成の場合にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 内燃機関
１２ 吸気マニホールド
１４ 吸気通路
１６ スロットル弁
２０ 排気マニホールド
２２ 排気通路
２４ 排気浄化触媒
２６，３２，３８ ＥＧＲ通路
２８ ＥＧＲ触媒
３０ 管路切替弁
３４ バイパス通路
３６ 管路切替弁
４２ ＥＧＲ弁
４４，４６ 熱音響スタック
５２ 第１ＥＧＲ弁
５４ 第２ＥＧＲ弁
５６ 第３ＥＧＲ弁
５８，６０，６２ 熱音響スタック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が内燃機関の排気通路に連通し、他端が閉塞した状態となることのできる排気枝管と、
前記排気枝管の管路長を可変とする管路長可変手段と、
前記排気枝管内に配置され、前記排気枝管内の気柱振動のエネルギーを熱エネルギーに変換可能な熱音響スタックと、
前記管路長が、前記排気枝管内の気柱が共鳴する長さとなるように、前記内燃機関の回転速度に基づいて前記管路長可変手段により前記管路長を変化させる共鳴制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気システム。
【請求項２】
前記排気枝管の少なくとも一部は、前記内燃機関の排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲを行うためのＥＧＲ通路として機能することが可能であり、
前記排気枝管の途中には、前記還流する排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒が設置されており、
前記ＥＧＲが実行されていない場合に前記共鳴制御を実行することにより、前記ＥＧＲ触媒の床温の上昇を抑制することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気システム。
【請求項１】
一端が内燃機関の排気通路に連通し、他端が閉塞した状態となることのできる排気枝管と、
前記排気枝管の管路長を可変とする管路長可変手段と、
前記排気枝管内に配置され、前記排気枝管内の気柱振動のエネルギーを熱エネルギーに変換可能な熱音響スタックと、
前記管路長が、前記排気枝管内の気柱が共鳴する長さとなるように、前記内燃機関の回転速度に基づいて前記管路長可変手段により前記管路長を変化させる共鳴制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気システム。
【請求項２】
前記排気枝管の少なくとも一部は、前記内燃機関の排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲを行うためのＥＧＲ通路として機能することが可能であり、
前記排気枝管の途中には、前記還流する排気ガスを浄化するＥＧＲ触媒が設置されており、
前記ＥＧＲが実行されていない場合に前記共鳴制御を実行することにより、前記ＥＧＲ触媒の床温の上昇を抑制することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２３１６８１（Ｐ２０１１−２３１６８１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０２３７９（Ｐ２０１０−１０２３７９）
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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