内燃机排气压力提升装置 相关技术交叉引用
本申请结合了2003年12月24日在日本提交的申请第2003-427421号的主题作为参考，根据35 U.S.C$119(a)，在该申请的基础上要求其优先权。
【技术领域】
本发明涉及一种内燃机排气压力提升装置，具体地说，是一种既可以改善排放效果，同时还可以兼顾燃烧稳定性或油耗的技术。
背景技术
众所周知，通过利用由例如排气节流阀构成的排气压力提升装置提高排气系统(从燃烧室到排气管)内的排气压力，促使未燃物质(HC，CO等)和氧气在排气系统内进行反应，可以实现降低冷起动时有害物质的排放量及催化剂的提前活化。
为了充分获得改善的排放效果，需要使排气压力大于等于设定的排气压力(例如，800hPa)，另一方面，如果排气压力过高，内部EGR的增大等会引起燃烧恶化，或者由于排气阻力增大而导致油耗增大。因此，需要在规定的范围内对排气压力进行调整。
然而，排气压力受到有效排气管道截面积(排气节流度)、排气流量、排气温度的影响，即使同样的节流度，排气节流阀也会随着排气流量或者排气温度的变化而变动。为此，通常排气压力提升装置除排气节流阀外，还设有减压阀等排气压力调整阀，利用该排气压力调整阀在规定范围内调整排气压力。
一般情况下，排气节流阀由蝶阀构成，且采用弹簧等弹性体构成排气压力调整阀。这样，简化了结构，而且既可以提高排气压力提升装置的装配到车辆上地匹配性、降低成本，又可以借助弹性体的特性获得对应于排气压力(负载)的节流度(开口面积)，从而使排气压力的调整成为可能。例如，用板簧状的舌片阀构成排气压力调整阀，并将该舌片阀设置于蝶阀上，这种构造的排气压力提升装置是公知的(参见WO92/00445号公报)。
于是，为在规定范围内调整排气压力，同时兼顾燃烧稳定性或者油耗和排放改善效果，根据排气流量和排气压力的关系，至少在排气流量为规定的排气流量(比较小的排气流量)时使排气压力瞬时提升到规定的排气压力(例如，上述800hPa)，同时，在大于等于该规定的排气流量时，控制相对于排气流量的排气压力提升量使其小于等于规定量，保持排气压力基本一定。
为此，可以考虑需要将针对排气流量的排气压力调整阀的开口面积变化特性作为满足该要求的规定的特性。
就这一点而言，如果将可以自由调整开度的减压阀作为排气压力调整阀时，就能够充分满足该要求。
但是，可以自由调整的减压阀必须通过执行机构等使其工作，而且因为是排气系统的部件，必须具备较高的耐热性，所以存在成本提高的问题。
另一方面，如上述公报所明示的，如果使用弹性体就可以得到构造简单且成本低廉的排气压力调整阀。
但是，只要该弹性体的材质(弹性系数)一经决定，针对于排气压力的弹性体的位移特性也就自动地确定下来。因此，如果使用弹性体时，从根本上讲，由弹性体的材质就决定了排气流量和开口面积的关系，其自由度低，不能完全获得满足上述要求的规定的特性。
【发明内容】
本发明是鉴于上述技术缺陷而提出的，其目的在于提供一种结构简单、成本低廉、且能够兼顾改善排放效果和燃烧稳定性或油耗的内燃机排气压力提升装置。
为达到上述目的，根据本发明的内燃机排气压力提升装置包括节流阀和排气压力调整阀。该节流阀设置于内燃机的排气管道中，通过关闭阀门使排气管道的流道面积减少，导致排气管道内的排气压力升高；该排气压力调整阀一方面根据弹性体的作用力使阀门处于关闭状态，另一方面，利用由于节流阀的关闭而上升的排气管道内的排气压力克服弹性体的作用力而使阀门开启，并根据弹性体的位移增减开口面积，由此对上升的排气压力进行调整。关于内燃机排气压力提升装置，其特征在于，排气压力调整阀包括根据弹性体的向阀门打开方向的位移使开口面积的增加幅度变更的开口面积增加幅度变更装置。
本发明的其他应用范围通过后面给出的详细描述将变得显而易见。然而，应该理解的是，虽然以下的详细描述和具体实施例示出了本发明的优选实施方式，但它们仅通过示例的方式给出，根据该详细描述，在本发明精神和范围之内的各种变更和修改对于本领域技术人员来说将是很明显的。
【附图说明】
本发明的特征以及其它目的与优点，将结合附图详细说明如下，在全部附图中，相同或相似的部件将使用相同的标号，其中：
图1表示包括装载在车辆上的根据本发明的排气压力提升装置的内燃机系统构成图；
图2表示根据本发明第一实施例的排气压力提升阀单元的放大图；
图3为根据本发明第一实施例的排气压力调整阀的详细图，表示的是全开状态(a)及中间开度状态(b)；
图4表示将在排气压力调整阀设有遮蔽板时(实线)的排气流量与排气压力的关系与无遮蔽板时(虚线)的情况进行比较的示意图；
图5为根据本发明第二实施例的排气压力调整阀的详细图，表示的是全开状态(a)及中间开度状态(b)；
图6为根据本发明第三实施例的排气压力调整阀的详细图，表示的是全开状态(a)及中间开度状态(b)；
图7表示根据本发明第四实施例的排气压力提升阀单元的放大图；及
图8为将排气压力调整阀的阀芯自身作为弹性材料的示图。
【具体实施方式】
以下根据附图对本发明的实施例进行说明。
首先，对第一实施例进行说明。
参照图1，概括地示出了包括装载在车辆上的本发明所涉及的排气压力提升装置的内燃机系统构成图。
如图所示，属于内燃机的发动机本体(以下简称发动机)1采用进气歧管喷射型(Multi Point Injection：MPI)汽油发动机。
在发动机1的气缸盖2上，各气缸分别装有火花塞4，火花塞4连接有输出高压的点火线圈8。
在气缸盖2上，每个气缸分别形成进气口9。在各进气口9的燃烧室5一侧分别设有进气阀11，用于配合随发动机的旋转而旋转的凸轮轴12的凸轮进行开、关动作，从而对各进气口9和燃烧室5实施连通和断开操作。而且，各进气口9分别与进气歧管10的一端连接。在进气歧管10上装有电磁式燃料喷射阀6，包括燃油箱的燃料供应装置(图中未表示)则通过燃料管7与燃料喷射阀6连接。
在进气歧管10的燃料喷射阀6的上游设有调节进气流量的电磁式节气门17、同时还设有检测节气门17开度的节气门位置传感器(TPS)18。而且，在节气门17的上游设有检测进气量的空气流量传感器19。
另外，在气缸盖2上，在每个气缸的接近水平方向形成排气口13。在各排气口13的燃烧室5一侧分别设有排气阀15，用于配合随发动机的旋转而旋转的凸轮轴16的凸轮进行开、关动作，从而对各排气口13与燃烧室5实施连通和断开操作。而且，排气歧管14的一端分别连接于各排气口13。
因为该MPI发动机已为公知，所以，省略有关其构成的详细说明。
在排气歧管14的另一端连接排气管(排气管道)20，在该排气管20中，作为排气净化催化装置，装有三元催化净化器30。而且，在排气管20的三元催化净化器30的上游配置有检测氧气浓度的O2传感器22。
并且，在排气管20的三元催化净化器30的下游，装有根据本发明的排气压力提升装置的第一实施例的排气压力提升阀单元40。
排气压力提升阀单元40是一种以促进降低废气中有害物质(除HC、CO等的未燃物外，还包括NOX、烟尘和H2等)为主要目的的装置，使其可以变更排气系统内的排气压力。具体地讲，排气压力提升阀单元40由蝶阀(节流阀)42、旁通管25、和排气压力调整阀44构成。蝶阀42可以调节排气管20的流道面积；排气压力调整阀44可以断开和连通旁通管25。
在蝶阀42上设置有执行器43，蝶阀42通过该执行器43实现开、关动作。这里使用的是蝶阀42，但是也可以采用其他各种密封型开关阀替代蝶阀42。
旁通管25绕过蝶阀42而设置，排气压力调整阀44则设置在排气管20与旁通管25的上游的分岔处。
ECU 50包括输入输出装置、存储装置(ROM、RAM、非易失性RAM等)、中央处理单元(CPU)、计时器等，通过该ECU 50对包括排气压力提升装置在内的发动机1等进行综合控制。
在ECU 50的输入侧，连接有上述TPS 18、空气流量传感器19、O2传感器22，除此之外还连接有检测发动机1的曲轴角度的曲轴角度传感器52、检测发动机1的冷却水温度Tw的水温传感器54等各种传感器，并输入来自于传感器的检测信号。并且，根据来自曲轴角度传感器52的曲轴角度信号检测发动机旋转速度Ne。
另一方面，在ECU 50的输出侧，连接有上述燃料喷射阀6、点火线圈8、节气门17、执行器43等各种输出装置，并分别输出根据来自于各种传感器的检测信号计算的燃料喷射量、燃料喷射时刻、点火时间、排气流动控制量等。由此，将空燃比控制在适当的目标空燃比范围内，且燃料喷射阀6在适当的时刻喷射出适量的燃料，由火花塞4在适当的时刻进行点火，在适当的时刻对排气压力提升阀单元40的蝶阀42的动作进行控制，以得到所需的排气压力(目标排气压力)。
详细地说，作为本发明的排气压力提升装置，当发动机处于冷状态时，关闭蝶阀42，从蝶阀42开始使上游的排气系统(从燃烧室至排气管)内的排气压力上升。由此，因排气系统内排气压力的上升增强了排气系统内的HC、CO等未燃物和氧气或NOX的关系并促进反应，较好地防止HC、CO、NOX等有害物质的排放，同时，排气温度上升后，可以实现三元催化净化器30的提前活化。
图2表示排气压力提升阀单元40的蝶阀42、旁通管25以及排气压力调整阀44的放大视图。图3表示根据本发明的第一实施例所涉及的排气压力调整阀单元44在全开状态(a)和中间开度状态(b)时的详细图。下面，根据图2、图3对该第一实施例所涉及的排气压力调整阀44进行详细说明。
如图2、图3所示，排气压力调整阀44的构造如下：在排气管20和旁通管25的上游侧的分岔处形成开口孔21，该开口孔21通过阀芯47实现打开、关闭。
详细地讲，在排气管20的外周面上，将转动轴45保持在开口孔21的排气上游侧的圆周边缘附近，阀芯47的末端与转动轴45接合，构成排气压力调整阀44。更详细地讲，转动轴45(或者阀芯47的末端部)和排气管20的外周面之间装有螺旋弹簧(弹性体)46，依靠螺旋弹簧46的作用力，在开口孔21的圆周边缘对阀芯47加力。即，排气压力调整阀44由于螺旋弹簧46的作用力而成为常闭阀，当推压阀芯47使其离开开口孔21时，阀芯47随着该推压力克服螺旋弹簧46的作用力而围绕着转动轴45转动，从而打开阀门。
在阀芯47的前端部，为形成与排气流相对的垂直面，延伸到开口孔21一侧，并设有遮蔽板48。
详细如图3所示，从排气流的方向看，沿该矩形的对角线斜切矩形板的前端部，使遮蔽板48形成三角形形状(阀门开口面积增加幅度变更装置)。
由此，当阀芯47离开开口孔21的圆周边缘、阀门打开时，通常，在阀芯47的前端和开口孔21的圆周边缘之间形成的开口面积随排气压力调整阀44的开度亦即螺旋弹簧46的弹性位移成比例地增大。而且，对于该排气压力调整阀44，随着螺旋弹簧46的弹性位移增加，遮蔽板48的前端和开口孔21的圆周边缘之间形成的开口面积的增加幅度慢慢地改变，例如，增加程度慢慢扩大，该开口面积就增大。
具体如图3(b)所示，如遮蔽板48的边长分别为L和D，与螺旋弹簧46的弹性位移成比例的阀芯47前端和开口孔21圆周边缘之间的距离为X，那么，遮蔽板48前端和开口孔21圆周边缘之间的开口面积如下式(1)所示。例如，当排气压力调整阀44的两侧面被隔断时，构成排气压力调整阀44，使其开口面积最初非常小，但按照螺旋弹簧46的弹性位移的平方规则慢慢地扩大并增大。
开口面积＝(L·X/D)·X·1/2＝L/2D·X2 (1)
下面，对关于这种构造的排气压力提升装置的第一实施例的工作情况进行说明。
例如，当通过水温传感器54检测到发动机1处于冷态时，ECU50控制蝶阀42关闭。这样，蝶阀42成为图2中实线表示的全关闭状态，从蝶阀42开始上游侧的排气系统(从燃烧室到排气管)内的排气压力开始上升。
而且，如果排气系统内的排气压力开始上升，阀芯47因排气压力的推压开始打开，该阀芯47的打开幅度随着排气流量的增加而增大。
此时，如上所述，遮蔽板48前端和开口孔21圆周边缘之间的开口面积最初非常小，但按照螺旋弹簧46的弹性位移的平方规则而慢慢地增大。因此，在排气流量少、螺旋弹簧46的弹性位移小的时候，废气难以从排气调整阀44的下位侧排放出去，排气系统内的排气压力就容易上升。另一方面，当排气流量大、螺旋弹簧46的弹性位移变大时，开口面积迅速增大，废气容易通过排气压力调整阀44从下游侧排放出去，排气系统内的排气压力的上升幅度减少后，排气压力的上升受到抑制。
参照图4，将在排气调整阀44设置遮蔽板48时的排气流量与排气压力的关系(实线A)与无遮蔽板48的情况(虚线)进行比较并表示。如该图所示，排气压力调整阀44在没有遮蔽板48时，排气压力随排气流量成比例地增加，不能保持大致一定的值。但是，在设置有遮蔽板48的情况下，即使排气流量增加，排气压力仍能在相当大的排气流量的范围内被调整在规定范围内，并大致保持一定。
实际上，优选的遮蔽板48的形状(上述尺寸L、D等)设定成，在规定的排气流量Q1(第一规定排气流量)时，排气压力达到促进排气系统内HC、CO等和氧气或NOX的充分反应的规定压力P1(第一规定排气压力，例如，800hPa)，同时，在大于等于规定的第一排气流量Q1、小于等于规定的排气流量Q2(第二规定的排气流量)的范围内，使排气压力保持在大于等于规定的排气压力P1、小于等于规定的排气压力P2(第二规定排气压力)的范围内。由此，如图4所示，在很大的排气流量范围(Q1～Q2)内，将排气压力在规定的范围内(P1～P2)进行稳定地调整，并保持大致一定。
因此，在发动机转速Ne低、或者排气温度低、排气流量少(例如，在小于等于规定的排气流量Q1的范围)时，使排气压力迅速上升以促进HC、CO等未燃物和氧气或NOX的反应，从而可以实现降低有害物质的排放量及三元催化净化器30的提前活化。另一方面，如果发动机的转速Ne增大、或者排气温度升高、排气流量增大(比如，超过规定的排气流量Q1的范围)时，则能够抑制排气压力的过度上升，控制由于内部EGR的增大等导致的燃烧恶化、排放阻力增大造成的油耗恶化。
由此，在采用螺旋弹簧46的同时，设置了三角形遮蔽板48，使结构简单并实现成本低廉，而且，可以兼顾改善排放效果和燃烧稳定性或油耗。
并且，当排气流量达到规定的排气流量Q2时，考虑到即使不依靠蝶阀42，排气压力也会很大、排气温度也会升高，此时最好使蝶阀42返回到全开状态，阻止蝶阀42导致的排气压力而升高。这种情况下，排气流量则根据例如来自空气流量传感器19的吸入空气量的数据进行推算。
这样一来，如图4所示，能够稳定地抑制排气压力的过度上升，并且，可以进一步稳定地抑制由内部EGR增大等导致的燃烧恶化以及排放阻力增大造成的油耗恶化。
另外，如图4所示，在没有遮蔽板48时(虚线)，由于需要使排气压力提前上升，所以需要使用弹性系数高的螺旋弹簧，以使排气压力可以迅速超过规定的范围(P1～P2)。与此相反，如果使用遮蔽板48，螺旋弹簧46的弹性系数则不需要那么高，这样就可以降低成本。
对于第二实施例进行如下说明。
在第二实施中，排气压力调整阀44的遮蔽板的安装位置不同于上述第一实施例，有关和第一实施例相同的内容不再重复说明，只对其不同的部分进行说明。
参照图5，表示的是第二实施例所涉及的排气压力调整阀44′在全开状态(a)和中间开度状态(b)的详细图。根据图5就第二实施例所涉及的排气压力调整阀44′进行详细说明。
如同一图所示，在排气压力调整阀44′上，遮蔽板48′不在阀芯47的前端部，而是垂直设置在排气管20的外周面上，位于开口孔21的排气下游侧的圆周边缘。
详细地说，遮蔽板48′与第一实施例的遮蔽板48同样，沿对角线斜切矩形板而形成三角形，在使遮蔽板48上下反过来的状态下，沿阀芯47的前端设置在排气管20的外周面上。这种构造的排气压力调整阀44′也与上述第一实施例同样，阀芯47的前端和遮蔽板48′的前端之间的开口面积最初非常小，但按照螺旋弹簧46的弹性位移的平方规则而慢慢地扩大并增大。因此，在排气流量小、螺旋弹簧46的弹性位移小的时候，废气难以从排气压力调整阀44′的下游侧排放出去，排气系统内的排气压力容易上升。另一方面，当排气流量增大、螺旋弹簧46的弹性位移增大时，开口面积迅速增大，废气容易通过排气压力调整阀44′排放到下位侧，排气系统内的排气压力的上升幅度减少，排气压力的上升得到抑制。
这样，在该第二实施例也可获得与上述第一实施例同样的效果。
下面对第三实施例进行说明。
在第三实施例中，不同之处是对第二实施例所涉及的排气压力调整阀44′的遮蔽板48′进行了改良，以下对于与第一实施例、第二实施例相同的部分不再重复说明，只就与第二实施例不同的部分进行说明。
参照图6，表示根据第三实施例的排气压力调整阀44″在全开状态(a)和中间开度状态(b)的详细图。根据图6就根据第三实施例的排气压力调整阀44″进行详细说明。
如同一图所示，在排气压力调整阀44″上，将遮蔽板48″垂直设置在排气管20的外周面，位于开口孔21的排气下位侧的圆周边缘。
详细地说，遮蔽板48″与第二实施例的遮蔽板48′同样，沿对角线斜切矩形板而形成三角形，在使第一实施例的遮蔽板48上下反过来的状态，沿阀芯47的前端设在排气管20的外周面上，而且能够转动。更详细地说，在遮蔽板48″和排气管20的外周面之间设有螺旋弹簧49，通过该螺旋弹簧49对遮蔽板48″施加作用力，使其与排气管20的外周面垂直。
这种结构的排气压力调整阀44″在排气流量小、螺旋弹簧46的弹性位移小的时候，废气难以从排气压力调整阀44″的下游侧排放出去，排气系统内的排气压力容易上升。另一方面，当排气流量增大、螺旋弹簧46的弹性位移增大时，遮蔽板48″受到废气的推压，克服螺旋弹簧49的作用力而倾斜，开口面积比上述第二实施例更迅速地增大，废气就容易通过排气压力调整阀44″排放到下位侧，排气压力的上升得到更进一步的抑制。
这样，采用简单的结构，就可以比上述第一实施例、第二实施例更好地实现兼顾改善排放效果和燃烧稳定性或者油耗两方面。
而且，这里表示的是遮蔽板48″通过螺旋弹簧49施加作用力而相对于排气管20的外周面上垂直的情况，当然也可以用其它弹性体替代螺旋弹簧49。例如，遮蔽板48″本身也可以用弹性材料(比如板簧、耐热橡胶)构成。
下面对第四实施例进行说明。
参照图7，将根据本发明排气压力提升装置的第四实施例的排气压力提升阀单元140放大并示出，下面参照该图进行说明。
在第四实施例中，排气压力提升阀单元140由可以调节排气管20的流道面积的蝶阀142和设置于该蝶阀142上的排气压力调整阀144构成。
蝶阀142设有执行器143，蝶阀142通过执行器143进行打开、关闭。
而且，在蝶阀142的阀芯142a上开孔并设置贯通孔150，设置排气压力调整阀144，使其打开、关闭该开口孔150。
而且，关于排气压力调整阀144的结构，与在上述第一实施例的排气压力调整阀44中将排气管20与阀芯142a进行置换、将开口孔21与开口孔150进行置换而成的结构相同，其详细结构如上所述，所以在此省略其说明。并且，在图7中，使转动轴45设置在比开口孔150更接近蝶阀142的转动轴142b一侧，但是在该第四实施例中，转动轴45可以设在开口孔150的周边的任意位置。
下面，就这种结构的排气压力提升装置在第四实施例中的工作情况进行说明。
例如，当通过水温传感器54检测到发动机1处于冷状态、通过ECU 50控制蝶阀142关闭时，如图7中实线所示，蝶阀142呈全关闭状态。而且，从蝶阀142开始上游侧的排气系统(从燃烧室至排气管)内的排气压力开始上升，同时，受到该排气压力的推压，阀芯47开始打开，该阀芯47的开启幅度则随着排气量的增加而增大。
此时，如上所述，遮蔽板48的前端和开口孔150的周边之间的开口面积最初非常小，但根据螺旋弹簧46的弹性位移的平方规则慢慢地扩大而增大。因此，排气流量小、螺旋弹簧46的弹性位移小的时候，废气难以从排气压力调整阀144的下游侧排放出去，排气系统内的排气压力就容易上升。另一方面，当排气流量增大、螺旋弹簧46的弹性位移增大时，开口面积迅速增大，废气就容易通过排气压力调整阀144排出到下游侧，排气系统内的排气压力的上升幅度减少，排气压力的上升得到抑制。
因此，即使排气流量增加，仍能在相当大的排气流量的范围内将排气压力调整在规定的范围内，并大致保持一定(参照图4)。由此，当发动机转速Ne低、或者排气温度低、排气流量少(例如在小于等于排气流量Q1的范围)时，使排气压力迅速上升以促进HC、CO等未燃物与氧气或NOX的反应，从而可以降低有害物质的排放量并实现三元催化净化器30的提前活化。另一方面，如果发动机的转速Ne升高、或者排气温度升高、排气流量增大(例如，超过规定的排气流量Q1的范围)时，则能够抑制排气压力的过度上升，抑制由于内部EGR的增大等导致的燃烧恶化、排放阻力增大造成的油耗恶化。
而且，在这种情况下，优选方式是，当排气流量达到规定的排气流量Q2时，使蝶阀142回到全开状态，阻止蝶阀142造成的排气压力上升。
这样，与上述第一实施例情况同样，采用简单的结构，可以达到降低成本的同时，可以兼顾改善排放效果和燃烧稳定性或者油耗。
而且，关于排气调整阀144，对第一实施例的排气调整阀44的适用情况进行了说明，第二实施例的排气压力调整阀44′、第三实施例的排气压力调整阀44″也可以适用于排气压力调整阀144。
另外，这里示出了在蝶阀142上只设置一个排气压力调整阀144的情况，在蝶阀142上也可以设置多个排气压力调整阀144。
以上就本发明所涉及的排气压力提升装置的实施例进行了说明，但是实施例并不只局限于上述的这些实施例。
例如，在上述实施例中，是用螺旋弹簧46向阀芯47施加作用力。但是不局限于此，也可以用其它弹性体替代螺旋弹簧46。例如，如图8所示，阀芯本身也可以用弹性材料47′(比如板簧、耐热橡胶)构成，转动轴45本身也可以作为扭杆。这样，构造可以更加简单，实现降低成本的同时，可以兼顾改善排放效果和燃烧稳定性或者油耗。
另外，在上述实施例中，遮蔽板48、48′、48″都是将矩形板沿对角线斜切形成三角形，排气压力调整阀44、44′、44″的开口面积则根据螺旋弹簧46的弹性位移的平方规则而逐渐扩大而增大。但是并不局限于此，只要具备能够使开口面积逐渐增大的特性，遮蔽板48、48′、48″也可以是具有其他曲线的形状、多角形形状等任何形状。
另外，上述图4所示的排气流量与排气压力的关系，除实线A那样的分段折线的特性之外，也可以是实线B那样的曲线特性。
并且，在上述实施例中，发动机1采用的是进气岐管喷射型汽油发动机，但是并不限于此，发动机1也可以是其他任意一种发动机。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但显然，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明作出各种更改和变化。因此，本发明的各种更改、变化由所附的权利要求书及其等同物的内容涵盖。