JP2011231681A - Exhaust system for internal combustion engine - Google Patents

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Go Kobuchi
剛 小渕
Kenji Sakurai
健治 櫻井
Isamu Nakada
勇 中田
Shigeki Miyashita
茂樹 宮下
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust system for an internal combustion engine, in which thermoacoustic effect by a thermoacoustic stock that is disposed in an exhaust branch pipe is sufficiently exerted in a wide range of engine speed.SOLUTION: The exhaust system for the internal combustion engine includes: the exhaust branch pipe having one end thereof communicating to an exhaust passage of the internal combustion engine and the other end being closed; a pipe length changer for varying the length of the exhaust branch pipe; a thermoacoustics stack disposed in the exhaust branch pipe, for converting the energy of air column vibration in the exhaust branch pipe into heat energy; and a controller for resonance control to vary the pipe length by the pipe length changer based on the engine speed of the internal combustion engine, so that the pipe length has a length that allows the air column in the exhaust branch pipe to resonate.

Description

本発明は、内燃機関の排気システムに関する。   The present invention relates to an exhaust system for an internal combustion engine.

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。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-154792 discloses an air column that is generated when a thermoacoustic stack is disposed inside an exhaust branch pipe having one end communicating with an exhaust passage of an internal combustion engine and the other end closed, and receiving exhaust pulsation of the internal combustion engine. An energy recovery device is disclosed in which vibration energy is converted into thermal energy by a thermoacoustic stack and recovered.

特開2007−154792号公報JP 2007-154792 A

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。   In order to efficiently convert air column vibration energy into heat energy by the thermoacoustic stack, it is necessary to resonate the air column in the pipe. The frequency at which the air column resonates is a predetermined value determined by the pipe length and the like. On the other hand, the frequency of the exhaust pulsation changes according to the engine speed. For this reason, the above-described conventional apparatus has a problem that a sufficient effect can be obtained only in a narrow engine rotational speed range in which the exhaust pulsation frequency is close to the predetermined resonance frequency of the exhaust branch pipe.

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。   The present invention has been made in view of the above points, and is an exhaust system for an internal combustion engine that can sufficiently exhibit the thermoacoustic effect of the thermoacoustic stack disposed in the exhaust branch pipe in a wide engine rotational speed range. The purpose is to provide.

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。
In order to achieve the above object, a first invention is an exhaust system for an internal combustion engine,
An exhaust branch pipe with one end communicating with the exhaust passage of the internal combustion engine and the other end closed;
Conduit length varying means for varying the conduit length of the exhaust branch pipe;
A thermoacoustic stack disposed in the exhaust branch pipe and capable of converting energy of air column vibration in the exhaust branch pipe into thermal energy;
Control for performing resonance control in which the pipe length is changed by the pipe length varying means based on the rotational speed of the internal combustion engine so that the pipe length becomes a length at which the air column in the exhaust branch pipe resonates. Means,
It is characterized by providing.

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。
The second invention is the first invention, wherein
At least a part of the exhaust branch pipe can function as an EGR passage for performing EGR for recirculating exhaust gas of the internal combustion engine to an intake system,
An EGR catalyst for purifying the recirculated exhaust gas is installed in the middle of the exhaust branch pipe,
A rise in the bed temperature of the EGR catalyst is suppressed by executing the resonance control when the EGR is not being executed.

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。   According to the first aspect, the pipe length of the exhaust branch pipe in which the thermoacoustic stack is arranged can be changed based on the rotational speed of the internal combustion engine. For this reason, the thermoacoustic effect by a thermoacoustic stack can fully be exhibited in a wide engine-speed range.

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。   According to 2nd invention, when EGR is not performed, the raise of the bed temperature of an EGR catalyst can be suppressed by the thermoacoustic effect by a thermoacoustic stack.

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。It is a figure for demonstrating the exhaust system of Embodiment 1 of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of a pipe line switching valve, an EGR passage, and a bypass passage. 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。It is a figure which shows a state in case EGR is stopping and an engine speed is high. 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。It is a figure which shows a state in case EGR is being stopped and an engine speed is medium. 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。It is a figure which shows a state when EGR is stopping and an engine speed is low. 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。It is a figure which shows a state in case EGR is stopping and the air column in a pipe line is not resonated. 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。It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 1 of the present invention. 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。It is a figure for demonstrating the exhaust system of Embodiment 2 of this invention.

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。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

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。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram for explaining an exhaust system according to Embodiment 1 of the present invention. An internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 is an in-line four-cylinder internal combustion engine mounted on a vehicle or the like. However, the number of cylinders and the cylinder arrangement of the internal combustion engine in the present invention are not limited to this. Although not shown, each cylinder of the internal combustion engine 10 is provided with a piston, an intake valve, an exhaust valve, and the like.

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。   An intake passage 14 is connected to the intake side of the internal combustion engine 10 via an intake manifold 12. A throttle valve 16 for adjusting the intake air amount and a fuel injector 18 for injecting fuel are installed in the intake passage 14. The configuration is not limited to the illustrated configuration, and a fuel injector may be provided for each cylinder, and fuel may be injected into the intake port or cylinder of each cylinder.

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。   An exhaust passage 22 is connected to the exhaust side of the internal combustion engine 10 via an exhaust manifold 20. An exhaust purification catalyst 24 for purifying exhaust gas is installed in the middle of the exhaust passage 22. From the exhaust passage 22 between the exhaust manifold 20 and the exhaust purification catalyst 24, an EGR passage 26 for performing EGR (Exhaust Gas Recirculation) for recirculating a part of the exhaust gas to the intake side is branched. An EGR catalyst 28 for purifying exhaust gas that recirculates (hereinafter referred to as “EGR gas”) is installed in the middle of the EGR passage 26.

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。   The other end of the EGR passage 26 is connected to the pipeline switching valve 30. One end of the EGR passage 32 and one end of a bypass passage 34 longer than the EGR passage 32 are further connected to the pipe switching valve 30. The other end of the EGR passage 32 and the other end of the bypass passage 34 are connected to a pipe switching valve 36. One end of an EGR passage 38 is further connected to the pipe switching valve 36. The other end of the EGR passage 38 is connected to the intake passage 14. An EGR cooler 40 for cooling EGR gas and an EGR valve 42 for adjusting the exhaust gas recirculation amount are installed in the middle of the EGR passage 38.

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。   The system of the present embodiment further includes an ECU (Electronic Control Unit) 50 that controls the operation of various actuators including the throttle valve 16, the fuel injector 18, the pipe switching valves 30, 36, and the EGR valve 42, and an internal combustion engine. And a crank angle sensor 48 that outputs a signal synchronized with the rotation of the crankshaft of the engine 10. The ECU 50 can detect the crank angle and the engine speed based on the output of the crank angle sensor 48.

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。   Although not shown, the system of the present embodiment includes an air flow meter that detects the intake air amount, a vehicle speed sensor that detects the speed of the vehicle, an accelerator position sensor that detects the amount of operation of the accelerator pedal by the driver of the vehicle, and the like. It is equipped with various sensors. The ECU 50 controls the operation of the internal combustion engine 10 by detecting engine operation information using the sensors described above and driving the actuators based on the detection results. In particular, in the present embodiment, the ECU 50 executes EGR by opening the EGR valve 42 in a predetermined operation region. During the execution of EGR, the EGR rate is controlled by controlling the opening degree of the EGR valve 42. On the other hand, the EGR valve 42 is closed in the operation region where EGR is not executed.

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。   FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the pipeline switching valves 30, 36, the EGR passage 32 and the bypass passage 34. As shown in FIG. 2, a thermoacoustic stack 44 is installed inside the EGR passage 32. Further, a thermoacoustic stack 46 is installed inside the end portion of the bypass passage 34 on the pipe switching valve 36 side. The thermoacoustic stacks 44 and 46 are members having a large number of pores (small diameter passages), and for example, a metal mesh made of stainless steel or the like can be preferably used. The thermoacoustic stacks 44 and 46 have a function of converting air column vibration energy (sonic energy) into thermal energy by a thermoacoustic effect. That is, heat is transferred between the gas flowing in the pores of the thermoacoustic stacks 44 and 46 by the vibration of the air column in the pipelines and the wall surfaces of the pores, so that heat is generated along the axial direction of the pipelines. A temperature gradient is generated in the acoustic stacks 44, 46.

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。   FIG. 2 shows a state when the EGR is being executed. When EGR is being executed, the ECU 50 controls the pipe switching valves 30 and 36 to the state shown in FIG. That is, the pipeline switching valve 30 is in a state in which the EGR passage 26, the EGR passage 32, and the bypass passage 34 are in communication, and the pipeline switching valve 36 is in a state in which the EGR passage 32, the bypass passage 34, and the EGR passage 38 are in communication. Is done. During execution of EGR, as indicated by an arrow in FIG. 2, the EGR gas from the EGR passage 26 can escape through the EGR passage 32 to the EGR passage 38. Further, a part of the EGR gas flows to the EGR passage 38 via the bypass passage 34.

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。   When the EGR is stopped, the EGR valve 42 is closed, so that EGR gas does not flow through the EGR catalyst 28. However, according to experiments conducted by the present inventors, it has been found that even when the EGR is stopped, the bed temperature of the EGR catalyst 28 may rise excessively and exceed the reference temperature for preventing catalyst deterioration and the like. (Especially during high loads with large intake air volume). The cause of the excessive rise in the bed temperature of the EGR catalyst 28 during EGR stoppage is not necessarily clear, but one reason is that exhaust gas is exhausted due to exhaust pulsation in the exhaust passage 22 even during EGR stoppage. As a result of repeatedly entering and leaving the EGR catalyst 28, it is considered that a catalytic reaction occurs and the bed temperature rises.

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。   As a result of intensive studies to prevent an excessive increase in the bed temperature of the EGR catalyst 28 while the EGR is stopped, the present inventors have found that a method of arranging a thermoacoustic stack in the EGR passage is effective. . While the EGR is stopped, the air column in the EGR passage vibrates in response to the exhaust pulsation in the exhaust passage 22. For this reason, in the thermoacoustic stack arranged in the EGR passage, the energy of the air column vibration is converted into thermal energy by the thermoacoustic effect, and a temperature gradient is generated. In this way, the energy received by the EGR catalyst 28 is reduced by absorbing the energy of the air column vibration in the EGR passage by the thermoacoustic stack, so that an increase in the bed temperature of the EGR catalyst 28 can be suppressed.

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。   In order to fully exhibit the thermoacoustic effect by the thermoacoustic stack, it is necessary to resonate the air column (generate a standing wave). The frequency at which the air column in the pipeline resonates is determined by the length of the pipeline and the presence or absence of branching. For this reason, normally, the resonance frequency of the air column in the EGR passage is a predetermined value determined by the length of the EGR passage and the like. In order for the air column in the EGR passage to resonate, the resonance frequency and the exhaust pulsation frequency must be close to each other. The frequency of exhaust pulsation is determined by the engine speed. Therefore, in the case of a configuration in which the thermoacoustic stack is simply arranged in the EGR passage, it must be within a predetermined engine rotation speed range in which the resonance frequency of the air column in the EGR passage and the exhaust pulsation frequency are close to each other. The thermoacoustic effect by a thermoacoustic stack is not fully demonstrated. For this reason, there is a problem in that the increase in the bed temperature of the EGR catalyst 28 cannot be sufficiently suppressed in other engine rotation speed ranges.

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。   On the other hand, the exhaust system of the present embodiment is configured to change the resonance frequency of the air column in the duct by making the length of the duct where the thermoacoustic stack is located variable. Yes. Then, by changing the pipe length according to the engine rotational speed so that the resonance frequency and the exhaust pulsation frequency are close to each other, the thermoacoustic effect can be sufficiently exhibited in a wide engine rotational speed range. Hereinafter, this point will be described with reference to FIGS.

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。   FIG. 3 is a diagram showing a state where the EGR is stopped and the engine speed is high. When the EGR is stopped and the engine rotation speed is in a relatively high range (hereinafter referred to as “high rotation range”), the ECU 50 sets the pipe switching valves 30 and 36 to the state shown in FIG. Control. That is, in this case, the pipeline switching valve 30 is in a state in which the EGR passage 26 and the EGR passage 32 are communicated to close the bypass passage 34. Further, the pipeline switching valve 36 is in a state of closing the EGR passage 32 (in the illustrated configuration, the bypass passage 34 and the EGR passage 38 are simultaneously closed). In this state, the EGR passage 26 and the EGR passage 32 are connected as a pipeline through the pipeline switching valve 30. This pipe length is set to such a length that the resonance frequency is close to the exhaust pulsation frequency in the high rotation range. Therefore, the air column in the pipeline formed by connecting the EGR passage 26 and the EGR passage 32 via the pipeline switching valve 30 resonates due to the exhaust pulsation, and a standing wave is generated. A thermoacoustic stack 44 is located near the closed end of the conduit. Generally, the thermoacoustic effect can be sufficiently exhibited by arranging the thermoacoustic stack near the closed end. Therefore, in the state shown in FIG. 3, the energy of the air column vibration is efficiently absorbed by the thermoacoustic stack 44 and converted into thermal energy, and a temperature gradient is generated in the thermoacoustic stack 44. As a result, the energy received by the EGR catalyst 28 is reduced, so that an increase in the bed temperature of the EGR catalyst 28 can be reliably suppressed.

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。   FIG. 4 is a diagram illustrating a state where the EGR is stopped and the engine speed is medium. When the EGR is stopped and the engine rotation speed is in a medium range (hereinafter referred to as “medium rotation range”), the ECU 50 sets the pipe switching valves 30 and 36 to the state shown in FIG. Control. That is, in this case, the pipeline switching valve 30 is in a state where the EGR passage 26 and the bypass passage 34 are connected to close the EGR passage 32. Further, the pipeline switching valve 36 is in a state of closing the bypass passage 34 (in the configuration shown, the EGR passage 32 and the EGR passage 38 are simultaneously closed). In this state, the EGR passage 26 and the bypass passage 34 are connected as a pipeline through the pipeline switching valve 30. For this reason, in this state, the pipe length becomes longer than the state shown in FIG. This pipe length is set to such a length that the resonance frequency is close to the exhaust pulsation frequency in the middle rotation range. Therefore, the air column in the pipeline formed by connecting the EGR passage 26 and the bypass passage 34 via the pipeline switching valve 30 resonates due to the exhaust pulsation, and a standing wave is generated. A thermoacoustic stack 46 is located near the closed end of the conduit. For this reason, in the state shown in FIG. 4, the energy of the air column vibration is efficiently absorbed by the thermoacoustic stack 46 and converted into thermal energy, and a temperature gradient is generated in the thermoacoustic stack 46. As a result, the energy received by the EGR catalyst 28 is sufficiently reduced, and an increase in the bed temperature of the EGR catalyst 28 can be reliably suppressed.

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。   FIG. 5 is a diagram illustrating a state where the EGR is stopped and the engine speed is low. When the EGR is stopped and the engine rotation speed is in a relatively low range (hereinafter referred to as “low rotation range”), the ECU 50 sets the pipe switching valves 30 and 36 to the state shown in FIG. Control. That is, in this case, the pipeline switching valve 30 is in a state where the EGR passage 26 and the bypass passage 34 are connected to close the EGR passage 32. Further, the pipe switching valve 36 is in a state in which the bypass passage 34 and the EGR passage 32 are communicated to close the EGR passage 38. In this state, the EGR passage 26, the bypass passage 34, and the EGR passage 32 are connected as a pipe line via the pipe switching valve 30 and the pipe switching valve 36. For this reason, in this state, the pipe line length becomes longer than the state shown in FIG. This pipe length is set to such a length that the resonance frequency is close to the exhaust pulsation frequency in the low rotation range. Therefore, the air column in the pipeline formed by connecting the EGR passage 26, the bypass passage 34, and the EGR passage 32 via the pipeline switching valve 30 and the pipeline switching valve 36 resonates due to exhaust pulsation, and standing waves are generated. appear. A thermoacoustic stack 44 is located near the closed end of the conduit. Therefore, in the state shown in FIG. 5, the energy of the air column vibration is efficiently absorbed by the thermoacoustic stack 44 and converted into thermal energy, and a temperature gradient is generated in the thermoacoustic stack 44. As a result, the energy received by the EGR catalyst 28 is sufficiently reduced, and an increase in the bed temperature of the EGR catalyst 28 can be reliably suppressed.

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。   According to the present embodiment, when the EGR is stopped as described above, the thermoacoustic effect by the thermoacoustic stack 44 or 46 is sufficiently obtained in any of the high rotation region, the medium rotation region, and the low rotation region. Since it can be exhibited, an increase in the bed temperature of the EGR catalyst 28 can be reliably suppressed.

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。   FIG. 6 is a diagram illustrating a state where the EGR is stopped and the air column in the pipeline is not resonated. In this case, the pipe switching valve 30 is in a state where the EGR passage 26, the EGR passage 32, and the bypass passage 34 are communicated with each other. Further, the pipe switching valve 36 is in a state in which the bypass passage 34 and the EGR passage 32 are communicated to close the EGR passage 38. In this state, since the EGR passage 32 and the bypass passage 34 form a loop through the pipe switching valve 30 and the pipe switching valve 36, the closed end is not formed. For this reason, the air column in the pipeline does not resonate. When the bed temperature of the EGR catalyst 28 is low and the bed temperature of the EGR catalyst 28 needs to be raised, the ECU 50 may control the pipe switching valves 30 and 36 to the state shown in FIG.

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。   In the present embodiment, there are the following advantages during execution of EGR. During EGR, EGR gas flows through the thermoacoustic stacks 44 and 46 as shown in FIG. For this reason, heat dissipation improves and the temperature of EGR gas can be lowered more.

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)。   FIG. 7 is a flowchart of a routine executed by the ECU 50 in the present embodiment in order to realize the above-described function. According to the routine shown in FIG. 7, it is first determined whether or not the EGR valve 42 is closed, that is, whether or not the EGR is stopped (step 100). If it is determined that the EGR valve 42 is closed (EGR is stopped), next, whether the engine speed is in the high, medium or low speed range. Judgment is made (step 102).

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。   If it is determined in step 102 that the engine speed is in the high speed range, the pipe switching valves 30 and 36 are controlled to the state shown in FIG. As a result, the pipe length is shortened and the resonance frequency is increased, so that the resonance frequency becomes close to the exhaust pulsation frequency in the high rotation range. For this reason, the air column in the pipe can be resonated to sufficiently exhibit the thermoacoustic effect by the thermoacoustic stack 44, and the rise in the bed temperature of the EGR catalyst 28 can be reliably suppressed.

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。   On the other hand, if it is determined in step 102 that the engine speed is in the middle rotation range, the pipe switching valves 30 and 36 are controlled to the state shown in FIG. As a result, the pipe length becomes medium and the resonance frequency becomes medium, so that the resonance frequency becomes close to the exhaust pulsation frequency in the middle rotation range. For this reason, the air column in the pipe line can be resonated to sufficiently exhibit the thermoacoustic effect by the thermoacoustic stack 46, and the rise in the bed temperature of the EGR catalyst 28 can be reliably suppressed.

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。   If it is determined in step 102 that the engine speed is in the low speed range, the pipe switching valves 30 and 36 are controlled to the state shown in FIG. As a result, the pipe length becomes longer and the resonance frequency becomes lower, so that the resonance frequency becomes close to the exhaust pulsation frequency in the low rotation range. For this reason, the air column in the pipe can be resonated to sufficiently exhibit the thermoacoustic effect by the thermoacoustic stack 44, and the rise in the bed temperature of the EGR catalyst 28 can be reliably suppressed.

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。   Although omitted in this embodiment, a heat exchanger is provided at one or both ends of the thermoacoustic stacks 44 and 46 to circulate the heat medium, and the heat medium is generated by the temperature gradient generated in the thermoacoustic stacks 44 and 46. May be configured to be heated or cooled. Further, the heated or cooled heat medium may be circulated through a heat exchanger for exchanging heat with the object, and the object may be heated or cooled.

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。   In the first embodiment described above, the EGR passage 26, the pipeline switching valve 30, the EGR passage 32, the bypass passage 34, and the pipeline switching valve 36 are the "exhaust branch pipe" and the "variable pipe length" in the first invention. It corresponds to “means”. Further, the “control means” according to the first aspect of the present invention is realized by the ECU 50 executing the processes of steps 102, 104, 106 and 108 described above.

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。
Embodiment 2. FIG.
Next, the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8. The description will focus on the differences from the first embodiment described above, and the same matters will be simplified or described. Omitted. FIG. 8 is a diagram for explaining the exhaust system according to the second embodiment of the present invention.

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。   As shown in FIG. 8, in the exhaust system of the present embodiment, an EGR passage 26 branched from the exhaust passage 22 is connected to the intake passage 14. A first EGR valve 52, a second EGR valve 54, and a third EGR valve 56 are arranged in this order in the middle of the EGR passage 26 and downstream of the EGR catalyst 28. A thermoacoustic stack 58 is disposed adjacent to the upstream side of the first EGR valve 52. A thermoacoustic stack 60 is disposed adjacent to the upstream side of the second EGR valve 54. Further, a thermoacoustic stack 62 is disposed adjacent to the upstream side of the third EGR valve 56.

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。   When executing EGR, the first EGR valve 52, the second EGR valve 54, and the third EGR valve 56 are all opened. The amount of EGR is controlled by adjusting the opening degree of one of them (usually, the third EGR valve 56).

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。   While EGR is stopped, the following control is performed. In the high rotation range, the first EGR valve 52 is closed. The second EGR valve 54 and the third EGR valve 56 may be open or closed. In the state where the first EGR valve 52 is closed, the length of the pipe line including the EGR catalyst 28 becomes shorter and the resonance frequency becomes higher, so that the resonance frequency becomes close to the exhaust pulsation frequency in the high rotation range. For this reason, it is possible to resonate the air column in the pipe line and to sufficiently exert the thermoacoustic effect by the thermoacoustic stack 58 located in the vicinity of the closed end of the pipe line, and to reliably increase the bed temperature of the EGR catalyst 28. Can be suppressed.

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。   In the middle rotation range, the first EGR valve 52 is opened and the second EGR valve 54 is closed. The third EGR valve 56 may be open or closed. In the state where the first EGR valve 52 is opened and the second EGR valve 54 is closed, the length of the pipe line including the EGR catalyst 28 becomes medium and the resonance frequency becomes medium. Close to the exhaust pulsation frequency. For this reason, it is possible to resonate the air column in the pipe line and to sufficiently exert the thermoacoustic effect by the thermoacoustic stack 60 located near the closed end of the pipe line, and to reliably increase the bed temperature of the EGR catalyst 28. Can be suppressed.

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。   In the low rotation range, the first EGR valve 52 and the second EGR valve 54 are opened, and the third EGR valve 56 is closed. In the state where the first EGR valve 52 and the second EGR valve 54 are opened and the third EGR valve 56 is closed, the length of the pipe line including the EGR catalyst 28 becomes long and the resonance frequency becomes low. It becomes close to the exhaust pulsation frequency. For this reason, the air column in the pipe line can be resonated so that the thermoacoustic effect by the thermoacoustic stack 62 located in the vicinity of the closed end of the pipe line can be sufficiently exerted, and the rise in the bed temperature of the EGR catalyst 28 is ensured. Can be suppressed.

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。   Since Embodiment 2 is the same as Embodiment 1 except for the points described above, further description is omitted. In the second embodiment, the EGR passage 26, the first EGR valve 52, the second EGR valve 54, and the third EGR valve 56 correspond to the “exhaust branch pipe” and the “pipe length variable means” in the first invention. .

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。   In Embodiments 1 and 2 described above, the configuration in which the thermoacoustic stack is disposed in the EGR passage has been described as an example. However, in the present invention, the thermoacoustic stack is disposed in the exhaust branch pipe other than the EGR passage. It is also applicable to.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Internal combustion engine 12 Intake manifold 14 Intake passage 16 Throttle valve 20 Exhaust manifold 22 Exhaust passage 24 Exhaust purification catalyst 26, 32, 38 EGR passage 28 EGR catalyst 30 Pipe line switching valve 34 Bypass path 36 Pipe line switching valve 42 EGR valve 44, 46 Thermoacoustic stack 52 1st EGR valve 54 2nd EGR valve 56 3rd EGR valve 58, 60, 62 Thermoacoustic stack

Claims (2)

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。
An exhaust branch pipe with one end communicating with the exhaust passage of the internal combustion engine and the other end closed;
Conduit length varying means for varying the conduit length of the exhaust branch pipe;
A thermoacoustic stack disposed in the exhaust branch pipe and capable of converting energy of air column vibration in the exhaust branch pipe into thermal energy;
Control for performing resonance control in which the pipe length is changed by the pipe length varying means based on the rotational speed of the internal combustion engine so that the pipe length becomes a length at which the air column in the exhaust branch pipe resonates. Means,
An exhaust system for an internal combustion engine, comprising:
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。
At least a part of the exhaust branch pipe can function as an EGR passage for performing EGR for recirculating exhaust gas of the internal combustion engine to an intake system,
An EGR catalyst for purifying the recirculated exhaust gas is installed in the middle of the exhaust branch pipe,
The exhaust system for an internal combustion engine according to claim 1, wherein an increase in the bed temperature of the EGR catalyst is suppressed by executing the resonance control when the EGR is not executed.
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JP2016128659A (en) * 2015-01-09 2016-07-14 富士重工業株式会社 Engine exhaust system

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