内燃发动机的废气净化装置的制作方法

专利名称：内燃发动机的废气净化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃发动机的废气净化装置。
背景技术：
在现有技术中已知这样的内燃发动机，在发动机排气通道中设置有
NOx(氮氧化物)储存催化剂，当流入的废气的空燃比为稀空燃比时该NOx 储存催化剂储存废气中所包含的NOx，并且当流入的废气的空燃比变为化 学计量空燃比或浓空燃比时该NOx储存催化剂释放所储存的NOx，在该 内燃发动机中，气缸被划分成第一气釭组和第二气缸组，并且第一气缸组 的排气通道和第二气釭组的排气通道汇合并连接至共用的NOx储存催化 剂(例如，参见日本专利公开(A) No. 8-189388)。通常，在这种内燃发 动机中，在所有气釭中都是以稀空燃比进行燃烧。此时所产生的NOx储存 于NOx储存催化剂中。另 一方面，如果NOx储存催化剂的NOx储存能力 接近饱和，则暂时使流入NOx储存催化剂中的废气的空燃比为浓，以便从 NOx储存催化剂中释放NOx并对其进行还原。
在这点上，燃料和润滑油包含硫。因此，废气包括有SOx(硫氧化物)。 此SOx与NOx —起储存于NOx储存催化剂中。但是，仅通过使废气的空 燃比为浓不能从NOx储存催化剂中释放此SOx，所以储存于NOx储存催 化剂中的SOx的量逐渐增加。因而，可储存的NOx量最终将逐渐减小。 因此，当储存于NOx储存催化剂中的SOx量增加时，必须使NOx储存催 化剂释放SOx。
在这种情况下，如果使NOx储存催化剂的温度上升至大体600 。C或更 高的SOx释放温度并使流入NOx储存催化剂中的废气的空燃比为浓，则 能够使NOx储存催化剂释放SOx。但是，在上面提到的内燃发动机中， 如果使第 一 气缸组的每个气缸的空燃比为浓并使第二气缸组的每个气缸 的空燃比为稀，则从第一气缸组排出的大量未燃烧的HC (碳氢化合物) 在NOx储存催化剂中被从第二气缸组排出的过剩氧氧化。可以使用此时的 氧化反应热来升高NOx储存催化剂的温度。此时，如果使从气釭组排出的未燃烧的HC的量和过剩氧的量维持于根据发动机的运转状态的最佳量， 即，如果使第一气釭组的浓度和第二气釭组的稀度维持于根据发动机的运 转状态的最佳程度，则能够使NOx储存催化剂的温度维持于SOx释放温 度。
因此，在上面提到的内燃发动机中，对于发动机的每种运转状态存储 使NOx储存催化剂的温度维持于SOx释放温度所需的第一气缸组的浓度 和第二气釭组的稀度。当应当从NOx储存催化剂中释放SOx时，根据发 动机的运转状态使第一气缸组的浓度成为所存储的浓度并且根据发动机 的运转状态使第二气釭组的稀度成为所存储的稀度。
但是，当试图使第一气缸组的浓度和第二气缸组的稀度成为对应于发 动机的运转状态的所存储的浓度和稀度时，必须〗吏喷射正时、点火正时等 相匹配，所以对于为发动机的每种运转状态设定的每种浓度和稀度而言，
必需进行大量的匹配IMt。因此，作为实际问题，利用这种方法，存在难 以使NOx储存催化剂的温度保持于SOx释放温度的问题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种用于内燃发动机的废气净化装置，所述装 置不需要大量的顺应性工作并能够使催化剂的温度维持于目标温度。
根据本发明，提供了一种内燃发动机的废气净化装置，其中气釭被划 分成一对气缸组，从每个气釭组排出的废气排至共用的催化剂，并且，当 应当使所述催化剂保持于升高的温度状态时，使一个气釭组的平均空燃比 为浓并使另 一个气釭组的平均空燃比为稀，使得力"所述催化剂的所述废 气的空燃比变为近似化学计量空燃比，其中，当凌—吏平均空燃比为浓时， 对于所述发动机的每种运转状态为所述一个气缸组的每个气缸的空燃比
预^:至少两个不同的目标空燃比，当务使平均空燃比为稀时，对于所iOL
动机的每种运转状态为所述另一个气缸组的每个气缸的空燃比预设至少 两个不同的目标空燃比，并且，使所述一个气釭组的每个气釭的空燃比成 为从对应于所述发动机的运转状态的相应的至少两个目标空燃比中选择 出的目标空燃比并使所述一个气缸组的每个气缸的空燃比在至少一部分 所述气缸中不同，并且，使所述另一个气釭组的每个气釭的空燃比成为从 对应于所述发动机的运转状态的相应的至少两个目标空燃比中选择出的 目标空燃比并使所述另一个气缸组的每个气缸的空燃比在至少一部分所述气釭中不同，从而使所述催化剂的温度变为预定目标温度。


图l是内燃发动机的总体图。
图2是NOx储存催化剂的催化剂载体的表面部分的截面图。
图3是储存NOx量NOXA等的映射图。
图4是NOx释放控制和SOx释放控制的时序图。
图5是对NOx储存催化剂执行处理的流程图。
图6是示出每个气釭的浓度和稀度的视图。
图7是SOx释放控制的时序图。
图8另_每个气缸的浓度和稀度的视图。
图9是第一目标空燃比和第二目标空燃比的映射图。
图IO是每个气缸的浓度和稀度的视图。
图11是每个气缸的浓度和稀度的视图。
图12是每个气缸的浓度和稀度的视图。
图13是每个气釭的浓度和稀度的视图。
图14是每个气釭的浓度和稀度的视图。
图15是每个气釭的空燃比组合模式的视图。
图16是切换许可数目C的映射图。
图17是增加系数的映射图。
图18是比例常数KP和积分常数KI的视图。
图19是节气门开度的映射图。
图20是用于说明发动机输出扭矩因空燃比不同而改变的视图。 图21是节气门开度的校正量的映射图。
图22是用于说明根据空燃比组合模式来求得节气门开度的校正量的 方法的视图。图23是用于计算空燃比组合模式的流程图。 图24是用于执行SOx释放控制的图。
具体实施例方式
图1示出了本发明应用于V型六缸火花点火式内燃发动机的情况。注 意，不言而喻，本发明还能够应用于直列六缸内燃发动机或者其它直列式 内燃发动机，并且还能够应用于除六釭之外的内燃发动机。
参考图1， 一个气缸列由第一气缸组l形成，所述第一气釭组l包括 按照点火顺序隔开一个位置的三个气釭3，即， 一号气釭#1、三号气缸# 3、以及五号气缸#5，同时，另一个气釭列由第二气釭组2形成，所述第 二气釭组2包括按照点火顺序隔开一个位置的三个气釭3，即，二号气釭 #2、四号气缸#4、以及六号气釭#6。第一气缸组1和第二气釭组2的气 缸3连接至共用的进气歧管4。进气歧管4的入口部经空气流量计5连接 至空气滤清器6。在进气歧管4的入口部处，设置有由致动器7控制以打 开和关闭的节气门8。
另一方面，第一气釭组1的气缸#1、 #3、 #5经共用的笫一排气歧 管9a连接至三元催化剂10a的入口部，同时，第二气釭组2的气釭#2、 #4、 #6经共用的第二排气歧管9b连接至三元催化剂10b的入口部。三 元催化剂10a的出口部和三元催化剂10b的出口部经相应的排气管lla、 llb连接至共用的具有氧化功能的催化剂12的入口部。在才艮据本发明的实 施方式中，该共用的催化剂12包括NOx (氮氧化物)储存催化剂。
电子控制单元20包括数字计算机，所述数字计算机设置有由双向总线 21彼此连接的ROM (只读存储器)22、 RAM (随M取存储器)23、 CPU(微处理器)24、输入端口 25、以及输出端口 26。共用的催化剂… 即NOx储存催化剂12—的入口部和出口部设置有空燃比传感器13和温度 传感器14。该空燃比传感器13和温度传感器14的输出信号经相应的AD (模数)转换器27输入至输入端口 25。
加速器踏板30连接有负荷传感器31,该负荷传感器31生成与加速器 踏板30的下压量L成比例的输出电压。负荷传感器31的输出电压经相应 的AD转换器27输入至输入端口 25。此外，输入端口 25连接有曲柄角传 感器32，该曲柄角传感器32在每当曲轴例如转动30。时生成输出脉冲。另
9一方面，输出端口 26经相应的驱动电路28连接至燃料喷射器33，用于将 燃料喷射至节气门8的致动器7以及气缸# 1至# 6。
接着，将对NOx储存催化剂12进行说明。NOx储存催化剂12的基 体承载着包括例如铝的催化剂载体。图2示意性地示出了这种催化剂载体 40的表面部分的截面。如图2所示，催化剂栽体40的表面承载着散布在 其上的贵金属催化剂41。此外，催化剂栽体40的表面形成有一层NOx吸 收剂42。
在根据本发明的实施方式中，使用铂Pt作为贵金属催化剂41。使用 例如从钾K、钠Na、铯Cs以及其它碱金属元素、钡Ba、钧Ca以及其它 碱土元素、镧La、钇Y以及其它稀土元素中选择出的至少一种元素作为 形成NOx吸收剂42的成分。
如果将供应至发动机进气通道、燃烧室以及NOx储存催化剂12的上 游的排气通道内的空气和燃料的比率表示为"废气的空燃比"，则当所述废 气空燃比为稀空燃比时NOx吸收剂42吸收NOx，并且当废气中的氧浓度 下降时NOx吸收剂42释放所吸收的NOx，即，执行NOx的吸收和辨，放 作用。
即，如果通过以^"吏用钡Ba作为形成NOx吸收剂42的成分的情况为 例来说明这一点，则当废气的空燃比为稀空燃比时，即当废气中的氧浓度 高时，如图2所示，包含在废气中的NO (—氧化氮)在铂Pt41上被氧化 并变为N02 (二氧化氮)。接着，此N02被吸收在NOx吸收剂42中，与 氧化钡BaO结合，并以硝酸根离子N(V的形式散布在NOx吸收剂42中。 通过这种方式，NOx被吸收在NOx吸收剂中。只要废气中的氧浓度高， 就会在賴Pt 41的表面上形成N02。只要NOx吸收剂42的NOx吸收能力 未饱和，N02就会被吸收在NOx吸收剂42中并生成硝酸才艮离子NO"
与此相反，如果使废气的空燃比为浓或者化学计量空燃比，则废气中 的氧浓度下降，所以反应沿反方向(NO/—N02)进行，且NOx吸收剂 42中的硝酸根离子N(V因此而以N02的形式从NOx吸收剂42中^^放。 接着，所释放的NOx由包含在废气中的未燃烧的HC (碳氬化合物)与 CO (—氧化碳)还原。
通过这种方式，当废气的空燃比为稀空燃比时，即当燃烧是在稀空燃 比状态下进行时，废气中的NOx被吸收在NOx吸收剂42中。但是，如果稀空燃比状态下的燃烧继续进行，则NOx吸收剂42的NOx吸收能力最终 变为饱和，且NOx吸收剂42因此而不再能够吸收NOx。因此，在才艮据本 发明的本实施方式中，在NOx吸收剂42的吸收能力变为饱和之前，暂时 使废气的空燃比为浓，籍此使NOx吸收剂42释放NOx。
但是，废气包含SOx (硫氧化物)，即S02(二氧化硫)。当此S02流 入NOx储存催化剂12中时，此S02在铂Pt 41处被氧化并变为S03 (三 氧化硫)。接着，此S03被吸收在NOx吸收剂42中，与氧化钡BaO结合， 以硫酸根离子SOZ的形式散布在NOx吸收剂42中，并形成稳定的石危酸盐 BaS04。但是，NOx吸收剂42具有强碱性，所以此硫酸盐BaS(Xj是稳定 的且难以分解。在仅使废气的空燃比为浓的情况下，硫酸盐BaS04难以分 解并保持原样。因此，在NOx吸收剂42中，随着时间的流逝，硫酸盐BaS04 增加且NOx吸收剂42能够吸收的NOx的量因此而下降，所以当NOx吸 收剂42中的石危酸盐BaS04的量增加时，必须使NOx吸收剂42释放SOx。
但是，在这种情况下，如果在NOx储存催化剂12的温度升高至600°C 或者更高的SOx释放温度的状态下使流入NOx储存催化剂12中的废气的 空燃比为浓，则SOx得以从NOx吸收剂42中释放。因此，当应当从NOx 吸收剂42中释放SOx时，首先，在NOx储存催化剂12的温度升高控制 中将NOx储存催化剂12的温度升高至SOx释放温度，然后，使NOx储 存催化剂12的温度保持于SOx释放温度，并在SOx释放控制中使i" NOx储存催化剂12中的废气的空燃比为浓。
接着，在参考图3至图5的同时，将简要说明在本发明的实施方式中 执行的NOx释放控制和SOx释放控制。
M动机排出的NOx量根据发动机的运转状态而改变。因此，吸# NOx吸收剂42中的NOx量也根据发动机的运转状态而改变。因此，在根 据本发明的实施方式中，将每单位时间储存于NOx储存催化剂12中的 NOx量NOXA作为发动机负荷Q/N和发动机转速N的函数以图3 (A) 所示映射的形式预先存储于ROM 22中。通过累加NOx量NOXA，计算 出储存于NOx储存催化剂12中的NOx量ZNOX。如图4所示，在根据本 发明的实施方式中，每当此NOx量ZNOX达到容许值NX时，暂时使流 入NOx储存催化剂12中的废气的空燃比A/F为浓，籍此从NOx储存催 化剂12释放NOx。另一方面，燃料包含一定比率的硫。因此，包含在废气中的SOx量… 即储存于NOx储存催化剂12中的SOx量一与燃料喷射量成比例。燃料喷 射量是发动机负荷和发动机转速的函数，因此，储存于NOx储存催化剂 12中的SOx量也成为发动机负荷和发动机转速的函数。在根据本发明的 实施方式中，##单位时间储存于NOx储存催化剂12中的SOx量SOXA 作为发动机负荷Q/N和发动机转速N的函数以图3 (B)所示映射的形式 预先存储于ROM 22中。通过累加此SOx量SOXA，计算出储存于NOx 储存催化剂12中的SOx量ZSOX。如图4所示，在根据本发明的实施方 式中，当此SOx量ZSOX已达到容许值SX时，将NOx储存催化剂12的 温度T升高达SOx释放目标温度TX。在使NOx储存催化剂12的温度T 保持于SOx释放目标温度TX的状态下，使流入NOx储存催化剂12中的 废气的空燃比为浓。
图5示出了用于NOx储存催化剂12的处理程序。
参考图5，首先，在步骤50，根据图3(A)所示映射计算出每单位时 间所储存的NOx量NOXA。接着，在步骤51，将此NOXA加到^ft存于 NOx储存催化剂12中的NOx量ZNOX。接着，在步骤52，判断储存NOx 量ZNOX是否超出容许值NX。如果ZNOX〉NX，则程序行进至步骤53， 在步骤53中增加燃料喷射量，籍此执行加浓处理以暂时将流入NOx储存 催化剂12中的废气的空燃比从稀空燃比改变为浓空燃比，并清除ZNOX。
接着，在步骤54，根据图3(B)所示映射计算出每单位时间所储存 的SOx量SOXA。接着，在步骤55,将此SOXA加到储存于NOx储存催 化剂12中的SOx量ZSOX。接着，在步骤56，判断储存SOx量ZSOX是 否已超过容许值SX。当ZSOX〉SX时，程序行进至步骤57，在步骤57 中，在温度升高控制中将NOx储存催化剂12的温度T升高至SOx释放目 标温度TX。接着，在步骤58，在SOx释放控制中，使NOx储存催化剂 12的温度保持于SOx释放目标温度TX，并使流入NOx储存催化剂12中 的废气的空燃比为浓，然后清除zsox。
现在，在根据本发明的实施方式中，在NOx储存催化剂12的温度升 高控制时以及在SOx释放控制时以各种方式改变每个气釭3处的空燃比。 以下，为了说明这一点，将使用如图6所示的仅取出并示意性地示出第一 气缸组1和第二气釭组2的视图。注意，在图6中，为了容易理解本发明，使用当处于化学计量空燃比 下的燃料量被标示为1.0时的燃料量来表示气釭#1至#6处的浓度和稀 度。所述值相比1.0越大，则浓M高，同时，所述值相比1.0越小，则稀 度越大。
注意，在气缸#1至#6中示出的数值与空燃比之间的关系示于下表
中
气缸所示数值 空燃比
1.3 11.2
0.7 20.7
注意，图6示出了在NOx储存催化剂12的温度升高控制时气釭#1 至#6的浓度和稀度。
图7示出了在NOx储存催化剂12的温度升高控制之后所执行的根据 本发明的SOx释放控制的实施方式。在图7中，纵坐标T表示NOx储存 催化剂12的温度，而横坐标表示所经过的时间。如图7所示，当执行SOx 释放控制时，NOx储存催化剂12的温度T被保持于SOx释放目标温度 TX。此时的气缸#1至#6的浓度和稀度的示例示于图8中。注意，在图 8所示的示例中，点火顺序为#1- #2- #3-#4- #5-#6。
此外，如将从图8理解到，在根据本发明的实施方式中，在NOx释放 控制时，使第一气釭组1的所有气缸#1、 #3、以及#5形成浓空燃比， 并使第一气缸组l的平均空燃比为浓。而且，使第二气缸组2的所有气釭 #2、 #4、以及#6形成稀空燃比，并使第二气缸组2的平均空燃比为稀。 但是，在这种情况下，能够使气缸组1和气釭组2各自的任意气釭的空燃 比成为化学计量空燃比。此外，在根据本发明的实施方式中，在第一气缸 组1的气缸以及接着进行燃烧的第二气釭组2的气缸处，即在# 1和#2、 #3和#4、以及#5和#6处，空燃比被设定为使得平均空燃比变为化学 计量空燃比，因此，第一气缸组l的平均空燃比和第二气釭组2的平均空 燃比的平均值变为化学计量空燃比。
但是，如上所述，当使NOx储存催化剂12释放SOx时，有必要将 NOx储存催化剂12的温度T升高至SOx释放温度，并使流入NOx储存 催化剂12中的废气的空燃比为浓。稍微更准确地说明这一点，如果NOx
13储存催化剂12的表面处的空燃比局部变为浓空燃比，则局部变浓的部分会 释放SOx，因而使NOx储存催化剂12释放SOx，使NOx储存催化剂12 的表面处的空燃比局部为浓即足够。
因此，即使当^^NOx储存催化剂12中的废气被保持于近似化学计 量空燃比时，NOx储存催化剂12的表面上的空燃比通常也会局部变为浓 空燃比。当反复地形成浓和稀空燃比而4吏得平均空燃比变为近似化学计量 空燃比时，NOx储存催化剂12在浓空燃比时释放SOx。因此，即使将流 入NOx储存催化剂12中的废气的空燃比保持于近似化学计量空燃比，NOx 储存催化剂12也^#放SOx。但是，为了促使NOx储存催化剂12在短 时间内释放SOx，必须使力"NOx储存催化剂12中的废气持续地保持为 浓空燃比。
在根据本发明的实施方式中，如上面图8所说明的，现在，使一个气 缸组例如第一气缸组l的平均空燃比为浓，同时，使另一个气缸组例如第 二气缸组2的平均空燃比为稀。此外，在这种情况下，在本发明中，当要 使平均空燃比为浓时，对于发动机的每种运转状态为第一气缸组l的每个 气缸#1、 #3、 #5的空燃比预先设定至少两个不同的目标空燃比，同时， 当JH吏平均空燃比为稀时，对于发动机的每种运转状态为第二气缸组2的 每个气缸#2、 #4、 #6的空燃比预先设定至少两个不同的目标空燃比。
通过这种方式，在本发明中，对于发动机的每种运转状态为气缸组l、 2的每个气釭的空燃比预先设定至少两个不同的目标空燃比。以下，使用 对于发动机的每种运转状态为气釭组1、2的每个气缸的空燃比预设两个不 同的目标空燃比的实施方式作为示例来对本发明进行说明。
图9 (A)和图9 (B)示出了用于第一气釭组l的第一目标空燃比A 和第二目标空燃比B。这些第一 目标空燃比A和第二目标空燃比B例如作 为发动机负荷Q/N (进气量Q/发动机转速N)和发动机转速N的函数以 映射的形式预先存储于ROM22中。注意，这些目标空燃比A、 B以示出 如图6和图8所示的浓度或稀度的数值的形式存储。
另一方面，用于第二气釭组2的第一目标空燃比和第二目标空燃比能 够以如图9所示映射的形式预先存储。但是，在根据本发明的实施方式中， 用于第二气釭组2的第一目标空燃比和第二目标空燃比;1才艮据用于第一气 缸组1的第一目标空燃比A和第二目标空燃比B求得的，所以，未特别存储用于第二气釭组2的第一 目标空燃比和第二目标空燃比。
在图9 (A)和图9 (B)所示的实施方式中，使第一目标空燃比A成 为大于第二目标空燃比B的空燃比.通过插值法才艮据图9(A)和图9(B) 所示映射来计算出对应于每种发动机负荷Q/N和每种发动机转速N的第一 目标空燃比A和第二目标空燃比B。
在这种情况下，在本发明中，使第一气釭组1的气釭#1、 #3、 #5 的空燃比成为通过插值法求得的第一 目标空燃比A或第二目标空燃比B的 空燃比。在图8所示的示例中，使气釭#5的空燃比成为第一目标空燃比 A，并使气釭#1和#3的空燃比成为第二目标空燃比8。
另一方面，如上所述，如图8所示，设定第二气缸组2的气釭#2、 # 4、 #6的空燃比使得气缸#1和#2的平均值、气釭#3和#4的平均值、 以及气缸# 5和# 6的平均值变为化学计量空燃比。如果以这种方式确定用 于第一气釭组l的第一目标空燃比A和第二目标空燃比B，则第二气缸组 2的气缸的空燃比得以确定，所以，如图9 (A)和图9 (B)所示，在根 据本发明的实施方式中，仅存储了用于第一气缸组1的第一 目标空燃比A 和第二目标空燃比B。
现在，在图8中，第一气缸组1的气缸#1、 #3、 #5的数值中的超 过1.0的部分的总和(0.23 + 0.23 + 0.13 )表示从第一气缸组1排出的未燃 烧的HC的量，同时，第二气缸組2的气缸#2、 #4、并6的翁:值中的少 于1.0的部分的总和(0.23 + 0.23 + 0.13 )表示从第二气釭组2排出的过剩 氧的量。因此，这些总和的值越大，则氧化>^应的热生成量越大，且因此 NOx储存催化剂12的温度T越高。
再回到图7,图7示出了两个收敛温度Tmin和Tmax，当发动^M^相 同的运转条件下以稳定状态运转时NOx储存催化剂12的温度T最终收敛 于所述收敛温度Tmin和Tmax。在根据本发明的实施方式中，在图9 (A) 所示的每种运转状态下的第一目标空燃比A被设定为使得当发动^fr下述 稳定状态下运转时收敛温度变为图7所示的收敛温度Tmin，所述稳定状 态即使第一气缸组l的所有气缸的空燃比成为该第一目标空燃比，并使 第二气釭组2的所有气釭的空燃比成为程度与所述第一目标空燃比的浓度 相同的稀空燃比。在图9 (B)所示的每种运转状态下的第二目标空燃比B 被设定为使得当发动M下述稳定状态下运转时收敛温度变为图7所示的收敛温度Tmax，所述稳定状态即使第一气釭组1的所有气釭的空燃比 成为该第二目标空燃比，并使第二气缸组2的所有气缸的空燃比成为程度 与所述第二目标空燃比的浓度相同的稀空燃比。
即，当发动机在稳定状态下运转时，如果每个气缸的空燃比是基于图 9(A)设定的，则NOx储存催化剂12的温度T最终变为收敛温度Tmin， 同时，如果每个气釭的空燃比n于图9(B)设定的，则NOx储存催化 剂12的温度T最终变为收敛温度Tmax。在根据本发明的实施方式中，使 收敛温度Tmin成为SOx释放目标温度TX或者仅sMt低于SOx释放目标 温度TX的温度，同时，使收敛温度Tmax成为当第一气釭组1的每个气 缸的空燃比成为可容许的最小的浓空燃比时或者当第二气缸组2的每个气 缸的空燃比成为可容许的最大的稀空燃比时的收敛温度。
接着，将参考图10至图15所示的具体示例对本发明的SOx释放控制 的方法进幹沈明。在该具体示例中，是在这样的情况下进fr沈明的当SOx 释放控制在特定运转状态下执行时，用表示浓度的数值来表示，此时用于 第一气缸组l的第一目标空燃比A为1.1,同时，用表示浓度的数值^ 示，用于第一气缸组l的第二目标空燃比B为1.2。
图10示出了使第一气缸组1的所有气缸形成第一目标空燃比A即1.1 的情况。此时，第一气缸组1的气缸#1、 #3、 #5的数值的平均值是小 值1.1，因此,从第一气缸组1排出的未燃烧的HC的氧化反应热相对较低。 此时，如果发动机稳定运转，则NOx储存催化剂12的温度T收敛于图7 所示的收敛温度Tmin。根据点火顺序的气缸的数值的变化以及气釭组1 和2的数值的平均值示于图15的No.1中。
另一方面，图14示出了使第一气缸组1的所有气釭形成第二目标空燃 比B即1,2的情况。此时，第一气釭组1的气釭#1、 #3、 #5的平均值 是大值1.2，因此，从第一气釭组1排出的未燃烧的HC的氧化M热高。 此时，如果发动;tMl定运转，则NOx储存催化剂12的温度T收敛于图7 所示的收敛温度Tmax。根据点火顺序的气缸的数值的变化以及气釭组1 和2的数值的平均值示于图15的No,5中。
另一方面，在图ll至图13所示的示例中，不同于图10和图14所示 的示例，使第一气釭组l的部分气缸的空燃比成为第一目标空燃比即1.1， 同时，使第一气釭组l的其余气缸的空燃比成为第二目标空燃比即1.2。在这种情况下，如图11至图13所示，存在由第一气缸组1的气釭和第二气 缸组2的气缸连续地执行的燃烧操作组，例如，第一组燃烧操作包括在第 一气缸组1中以第一目标浓空燃比即1.1进行的燃烧以及在第二气釭组2 中以第一目标稀空燃比即0.9进行的燃烧，并且第二組燃烧操作包括在第 一气缸组1中以第二目标浓空燃比即1.2进行的燃烧以及在第二气釭组2 中以第二目标稀空燃比即0.8进行的燃烧。
首先，参考图ll,图11示出了使第一气釭组1的两个气缸#1和#3 形成第一 目标空燃比即1.1并使第一气釭组1的一个气缸# 5形成第二目标 空燃比即1.2的情况。此时的根据点火顺序的气釭的数值的变化以及气釭 组l和2的lt值的平均值示于图15的No.2中。此时，如将从图15理解到， 每当执行两次第一组燃烧操作时，执行一次第二组燃烧操作。
另一方面，此时，第一气缸组1的气釭#1、 #3、 #5的数值的平均 值为1.13或者略大于No.l的情况，因此，从第一气缸组1排出的未燃烧 的HC的氧化^^应热也略高于No.l的情况。因此，当发动机此时在稳定状 态下运转时，NOx储存催化剂12的温度T收敛于略高于图7所示的收敛 温度Tmin的温度。
图12示出了交替地重复由(A)示出的燃烧和由(B)示出的燃烧的 情况。图11示出了使第一气釭组1的两个气釭#1和#3形成第一目标空 燃比即1.1并^f吏第一气缸组1的一个气缸# 5形成第二目标空燃比即1.2的 情况。即，在图12中，在第一气釭组l中，对于进行燃烧的每个气缸，交 替地切换第一目标空燃比即1.1和第二目标空燃比即1.2。此时的根据点火 顺序的气缸的数值的变化以及气釭组1和2的数值的平均值示于图15的 No.3中。如将从图15理解到，此时，每当执行一次第一组燃烧操作时， 执行一次第二组燃烧^Mt。
此时，第一气缸组1的气缸#1、 #3、 #5的数值的平均值为1.15或 者处于No.l的情况与No.5的情况之间，因此，从第一气釭组1排出的未 燃烧的HC的氧化反应热变为处于No.l的情况与No.5的情况之间。如果 发动机此时稳定运转，则NOx储存催化剂12的温度T收敛于图7所示的 收敛温度Tmin与Tmax之间的温度。
图13示出了使第一气釭组1的一个气釭# 1形成第一目标空燃比即1.1 并使第一气缸组1的两个气釭# 3和# 5形成第二目标空燃比即1.2的情况。
17此时的根据点火顺序的气釭的数值的变化以及气缸组1和2的数值的平均 值示于图15的No.4中。如图15所示，此时，每当执行两次第二组燃烧操 作时，执行一次第一组燃烧操作。
此时，第一气缸组1的气缸#1、 #3、 #5的数值的平均值为1.17或 者高于No.3的情况，因此，从第一气釭组1排出的未燃烧的HC的氧化反 应热变为高于No.3的情况。因此，如果发动机此时在稳定状态下运转，则 NOx储存催化剂12的温度T收敛于略低于图7所示的收敛温度Tmax的 温度。
如将从图15理解到，设定根据图10至图14所示的气釭的空燃比组合 模式，使得表示笫一气缸组l的平均空燃比的数值以分级方式增大，即， 使得所生成的氧化反应的热量以分级方式增加。根据图10至图14所示的 气釭的空燃比组合模式是在发动机的特定运转状态时的组合模式。这些组 合模式根据发动机的运转状态而改变。
即，如上所述，在根据本发明的实施方式中，存在第一组燃烧操作和 第二组燃烧^Mt，所述第一组燃烧^Mt包括连续地以第一 目标浓空燃比A 进行的燃烧以及以第一目标稀空燃比进行的燃烧，所述第二组燃烧^Mt包 括连续地以第二目标浓空燃比B进行的燃烧以及以第二目标稀空燃比进行 的燃烧。才艮据发动机的运转状态来改变第一組燃烧^^作的频率和第二组燃 烧操作的频率。因而，空燃比组合模式根据发动机的运转状态而改变。
具体而言，在根据本发明的实施方式中，每当执行一次、两次......以
及C次(C为正整数)第一组燃烧搮作时，允许切换至第二组燃烧操作， 同时，每当执行一次、两次......以及C次第二组燃烧操作时，允许切换至
第一组燃烧操作。发动机转it^低，则使此C的数目越小。
即，当发动机以低转速运转时，每当执行一次第一组燃烧IMt时，执 行一次第二组燃烧操作，同时，每当执行一次第二组燃烧操作时，允许执 行一次第一组燃烧操作。即，仅允许交替地执行第一组燃烧操作和第二组 燃烧操作。
另一方面，当发动机以中等转速运转时，不仅如同当发动机以低转速 运转时那样允许交替地执行第一组燃烧操作和第二组燃烧操作，而且，每 当执行两次第一组燃烧操作时执行一次第二组燃烧操作并且每当执行两 次第二组燃烧操作时允许执行一次第一组燃烧操作。从图10至图15示出了这种情况。
另一方面，当发动机以高转速运转时，除了当发动机以中等转速运转 时的空燃比组合模式之外，每当执行三次笫一组燃烧操作时，执行一次第 二组燃烧操作，并且每当执行三次第二组燃烧操作时，允许执行一次第一 组燃烧操作。此外，相比稳定状态运转区域，在加速运转区域中，能够使
上述切换许可数目C较大。该切换许可数目C作为发动机负荷Q/N和发 动机转速N的函数以图16所示映射的形式预先存储于ROM 22中。
现在，如在参考图15的同时已经说明的，在根据本发明的实施方式中， 设定气缸的空燃比组合模式，使得表示第一气缸组l的平均空燃比的数值 以分级方式增大，即，使得所生成的氧化>^应的热量以分级方式增加。在 这种情况下，存在这样的空燃比組合模式生成用于使NOx储存催化剂 12的温度T成为图7所示的SOx释放目标温度TX的最佳氧化反应热。 因此，在根据本发明的实施方式中，从这些空燃比组合模式中选择出使 NOx储存催化剂12的温度T成为SOx释放目标温度TX所需的空燃比组 合模式，并且使气缸组1和2的气缸的空燃比成为取决于所选择的空燃比 组合模式的空燃比。
稍微更具体地说明这一点，在根据本发明的实施方式中，对于一个气 缸组例如第一气缸组1根据发动机的运转状态求出可设定的空燃比组合模 式，求得处于这些可设定的空燃比的组合时的平均浓度，求得使NOx储存 催化剂12的温度T成为SOx释放目标温度TX所需的目标浓度，选择出 提供最接近于该目标浓度的平均浓度的空燃比组合模式，并使气釭的空燃 比成为所选择的空燃比組合模式的空燃比。
接着，还将对这一点进行稍微更详细地说明。当发动机在稳定状态下 运转时，能够通过实验求得使NOx储存催化剂12的温度T成为SOx释放 目标温度TX所需的第一气釭组1的目标浓度.在根据本发明的实施方式 中，表示该浓度的数值，即燃料的增加系数KG，作为发动机负荷Q/N和 发动机转速N的函数以图17所示映射的形式预先存储于ROM 22中。该 增加系数KG对应于图15所示的第一气缸组的平均值。因此，如果在发 动机的特定运转状态下发动机以稳定状态运转时的增加系数的值为KGij， 则如果使用使第一气缸组1的浓度的平均值变为最接近于增加系数的值 KGij的空燃比组合模式作为此时的空燃比组合模式，则NOx储存催化剂 12的温度T变为最接近于SOx释放目标温度TX的温度。注意，在根据本发明的本实施方式中，即使当NOx储存催化剂12的 温度T偏离SOx释放目标温度TX时，也会基于NOx储存催化剂12的温 度T与SOx释放目标温度TX之间的温度差对第一气釭组1的浓度…即增 加系数KG的值一进行PI控制或PID控制，使得快速接近SOx释放目标 温度TX。具体地，根据由温度传感器14检测到的废气的温度来估计NOx 储存催化剂12的温度T。基于以下以所估计的NOx储存催化剂12的温度 T与SOx释放目标温度TX之间的温度差(TX - T)为基础的公式来计算 目标增加系数KGO:
+ KI' ( TX - T)
KGO—KP' (TX-T) +I + KG
其中，KI是积分常数，且KP是比例常数。如图18所示，废气量即 进气量GA越大则这些积分常数KI和比例常数KP变得越小。
当计算出目标增加系数KGO时，从空燃比组合模式中选择出使第一 气缸组l的浓度的平均值变为最接近于该目标增加系数KGO的组合模式， 并使气缸的空燃比成为根据该所选择的空燃比组合模式的空燃比。通过这 样做，使NOx储存催化剂12的温度T维持于SOx释放目标温度TX。
但是，在根据本发明的本实施方式中，在正常运转时，使所有气缸#1 至#6在稀空燃比或化学计量空燃比状态下燃烧燃料。燃烧时的节气门8
存储于ROM 22中。图1;示出了在化学计量空燃比状态下燃烧时^I节气 门8的目标开度6的映射。
现在，图20示出了当发动M稳定状态下运转时在化学计量空燃比状 态下进行燃烧时的每个气釭的输出扭矩TQ。，以;Mt使喷射至气釭的燃料 喷射量的总和保持相同、并使第一气缸组1形成浓空燃比且第二气缸组2 形成稀空燃比的状态下的第一气缸组l的每个气釭的输出扭矩TQa和第二 气缸组2的每个气釭的输出扭矩TQb。如将从图20理解到，相比当空燃 比从化学计量空燃比改变为浓空燃比时的输出扭矩TQa的增加量，当空燃 比从化学计量空燃比改变为稀空燃比时的输出扭矩TQb的减小量较大，所 以，这些输出扭矩TQa和TQb的平均值TQm变得小于TQ。。即，相对于 在化学计量空燃比状态下进行燃烧的状态，如果使喷射至每个气缸的燃料 喷射量的总和保持相同、同时使第一气釭组1形成浓空燃比且第二气釭组2形成稀空燃比，则输出扭矩将降低。
在这种情况下，在根据本发明的本实施方式中，增大节气门8的开度 以补偿输出扭矩的降低。将用于补偿该输出扭矩的降低的节气门8的开度 的增大量存储作为图19所示的目标开度6的校正量。
具体地，将根据下述发动机的运转状态的节气门8的开度的校正量 A0A作为发动机负荷Q/N和发动机转速N的函数以图21 (A)所示映射 的形式预先存储于ROM22中，其中所述发动机的运转状态为当使第一气
一目标空燃比A时的状态，同时，将根据下述发动机的运转状态的节气门 8的开度的校正量A0B作为发动机负荷Q/N和发动机转速N的函数以图 21 (B)所示映射的形式预先存储于ROM 22中，其中所述发动机的运转 状态为当使第一气釭组1的所有气釭的空燃比成为图9 (B)所示的根据发 动机运转状态的第二目标空燃比B时的状态。
在根据本发明的本实施方式中，节气门8的开度的校正量是根据用于 每个气缸的空燃比组合模式从图21 (A)和图21 (B)所示的校正量A0A 和A0B通过插值法而求得的。将基于图22所示的具体示例来对这一点进 行说明。注意，图22的横坐标表示第一气缸组1的浓度，即增加系数的值。 参考图22，A6A表示当第一目标空燃比A的浓度为1.1时的校正量，同时， A6B表示当第二目标空燃比B的浓度为1.2时的校正量。处于特定的空燃 比组合模式时的节气门8的开度的校正值U于当时的第一气缸组1的浓 度—即增加系数的值，从由黑点所示的校正量A9A和A6B通过插值法而
求得的。
图23示出了用于计算空燃比组合模式的程序。
参考图23，首先，在步骤60,根据图9 (A)所示映射计算出根据发 动机运转状态的第一目标空燃比A。接着，在步骤61，根据图9 (B)所 示映射计算出根据发动机运转状态的第二目标空燃比B。接着，在步骤62， 根据图16计算出根据发动M转状态的切换许可数目C。
接着，在步骤63，才艮据第一目标空燃比A、第二目标空燃比B、以及 切换许可数目C计算出所有可设定的空燃比组合模式。接着，在步骤64， 计算出处于所有这些可设定的空燃比组合模式下的第一气釭组1的浓度， 即增加系数的值。接着，在步骤65，根据图21 (A)所示映射计算出根据发动机运转状态的节气门8的开度的校正值A9A。接着，在步骤66，根据 图21 (B)所示映射计算出根据发动机运转状态的节气门8的开度的校正 值A服。
图24示出了 SOx释放控制程序。
参考图24，首先，在步骤70，根据温度传感器14的输出信号估计NOx 储存催化剂12的温度T。接着，在步骤71，根据图17所示映射计算出根 据发动机运转状态的增加系数KG的值。接着，在步骤72，基于图18所 示的关系计算出比例常数KP和积分常数KI。接着，在步骤73，基于以 下等式、根据SOx释放目标温度TX与NOx储存催化剂12的温度T之间 的温度差通过PI控制来计算出目标增加系数KGO:
I—I + KI. (TX - T)
KGO—KP' (TX - T) +1 + KG
接着，在步骤74，为所有气缸求出最佳的空燃比组合模式，于是，从 计算出的所有可设定的空燃比组合模式中选择出增加系数变为最接近于 目标增加系数KGO的组合模式。接着，在步骤75,使每个气缸的空燃比 成为根据所选择的组合模式的空燃比。接着，在步骤76,根据图19所示 映射计算出根据发动M转状态的节气门8的开度6。接着，在步骤77， 将从图21 (A)和图21 (B)所示的校正值A6A、 A0B通过插值法求得的 校正量加到节气门8的开度6 ，并将节气门8的开度控制为增加了该校正 量的开度。
2权利要求
1.一种内燃发动机的废气净化装置，其中气缸被划分成一对气缸组，从每个气缸组排出的废气排至共用的催化剂，并且，当应当使所述催化剂保持于升高的温度状态时，使一个气缸组的平均空燃比为浓并使另一个气缸组的平均空燃比为稀，使得流入所述催化剂中的所述废气的空燃比变为近似化学计量空燃比，其中，当要使平均空燃比为浓时，对于所述发动机的每种运转状态为所述一个气缸组的每个气缸的空燃比预设至少两个不同的目标空燃比，当要使平均空燃比为稀时，对于所述发动机的每种运转状态为所述另一个气缸组的每个气缸的空燃比预设至少两个不同的目标空燃比，并且，使所述一个气缸组的每个气缸的空燃比成为从对应于所述发动机的运转状态的相应的至少两个所述目标空燃比中选择出的目标空燃比并使所述一个气缸组的每个气缸的空燃比在至少一部分所述气缸中不同，并且，使所述另一个气缸组的每个气缸的空燃比成为从对应于所述发动机的运转状态的相应的至少两个所述目标空燃比中选择出的目标空燃比并使所述另一个气缸组的每个气缸的空燃比在至少一部分所述气缸中不同，从而使所述催化剂的温度变为预定目标温度。
2.如权利要求l所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，当每个气缸组的每个气缸的空燃比成为从对应于所述发动机的运转状态的所述相 应的至少两个目标空燃比中选择出的目标空燃比时，存在对每个气缸组的 所有气釭都使用相同的目标空燃比的情况。
3.如权利要求l所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，根据所述 发动机的运转状态为所述一个气缸组的每个气缸的空燃比预设的所述至 少两个目标空燃比为化学计量空燃比或浓空燃比，而根据所iiiL动机的运 转状态为所述另一个气缸组的每个气缸的空燃比预设的所述至少两个目 标空燃比为化学计量空燃比或稀空燃比。
4.如权利要求l所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，对应于所 述发动机的运转状态为所述一个气缸组的每个气缸的空燃比预设的所述 至少两个目标空燃比包括第一目标浓空燃比和浓度高于所述第一目标浓空燃比的第二目标浓空燃比，对应于所逸发动机的运转状态为所述另一个 气缸组的每个气釭的空燃比预设的所述至少两个目标空燃比包括第一 目 标稀空燃比和稀度高于所述第一 目标稀空燃比的第二目标稀空燃比，所述 第一 目标浓空燃比和所述第一 目标稀空燃比的平均值为化学计量空燃比， 并且所述第二目标浓空燃比和所述第二目标稀空燃比的平均值为化学计 量空燃比。
5.如权利要求4所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，在所iOL 动机的每种运转状态下的所述第一 目标浓空燃比和所述笫一 目标稀空燃比是在该运转状态下以稳定状态运转时所述催化剂的收敛温度变为所述 目标温度或仅9^t低于所述目标温度的情况下的空燃比，并且，处于所述发动机的每种运转状态下的所述第二目标浓空燃比和所述第二目标稀空燃比是在每种运转状态下所容许的最小浓空燃比或最大稀空燃比。
6.如权利要求4所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，在根据所 述发动机的运转状态使所述一个气缸组的每个气缸的空燃比成为所述第 一目标浓空燃比和所述第二目标浓空燃比中的任一个的情况下为所有气 缸求出空燃比组合模式，在根据所述发动机的运转状态使所述另一个气釭 组的每个气缸的空燃比成为所述第一 目标稀空燃比和所述第二目标稀空 燃比中的任一个的情况下为所有气缸求出空燃比组合模式，从这些空燃比组合模式，并且，使每个气釭组的每个气缸的空燃比成为对应于所选择的 空燃比组合模式的空燃比。
7.如权利要求6所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，使所述一 个气缸组的形成所述第一目标浓空燃比的气缸数目等于所述另一个气缸 组的形成所述第一目标稀空燃比的气缸数目，并且，使所述另一个气缸组 的形成所述第二目标浓空燃比的气缸数目等于所述另一个气缸组的形成 所述第二目标稀空燃比的气缸数目。
8.如权利要求6所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，根据所述 空燃比组合模式，相继地执行在所述一个气缸组中以所述第一 目标浓空燃 比进行的燃烧和在所述另一个气缸组中以所述第一目标稀空燃比进行的 燃烧，相继地执行在所述一个气釭组中以所述第二目标浓空燃比进行的燃 烧和在所述另一个气釭组中以所述第二目标稀空燃比进行的燃烧，；fll据所 述发动机的运转状态改变包括以所述第一目标浓空燃比进行的燃烧和以 所述第一目标稀空燃比进行的燃烧的第一组燃烧操作被连续执行的频率 以及包括以所述第二目标浓空燃比进行的燃烧和以所述第二目标稀空燃 比进行的燃烧的第二组燃烧IMt被连续执行的频率。
9.如权利要求8所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，每当执行 一次、两次......以及C次(C为正整数)所述第一组燃烧操作时，允许切换至所述第二组燃烧^Mt，每当执行一次、两次......C次所述第二组燃烧操作时，允许切换至所述第一组燃烧操作，并且，所狄动机转速越低， 则使所述C的数目越小。
10. 如权利要求6所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，为所述 一个气缸组求出根据所述发动机的运转状态能够设定的空燃比组合模式， 求得当组合能够设定的空燃比时的平均浓度，求得使所述催化剂的温度成 为预定目标温度所需的目标浓度，选择出提供最接近于所述目标浓度的平 均浓度的空燃比组合模式，并且使每个气缸的空燃比成为对应于所选择的 空燃比组合模式的空燃比。
11. 如权利要求10所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，估计所 述催化剂的温度，并且基于所估计的催化剂温度与所述目标温度之间的温 度差来求得目标浓度。
12. 如权利要求6所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，对于使 空燃比成为所述目标空燃比的每种情况存储用于对当一个气缸组的平均 空燃比为浓并且另一个气缸组的平均空燃比为稀时的所述发动机的输出降低进行补偿的节气门开度的校正量，并且，根据所设定的空燃比组合模 式从所述已存储的校正量计算出所述节气门开度的校正量。
13.如权利要求l所述的内燃发动机的废气净化装置，其中，所述催 化剂包括NOx储存催化剂，所述NOx储存催化剂在流入的废气的空燃比 为稀空燃比时储存废气中所包含的NOx并且在^X的废气的空燃比变为 化学计量空燃比或浓空燃比时^^放所储存的NOx。
全文摘要
一种内燃发动机，其中，来自气缸组(1、2)的废气供应至共用的NOx(氮氧化物)储存催化剂(12)。当NOx储存催化剂(12)应当释放SO_x(硫氧化物)时，使一个气缸组(1)的平均空燃比为浓并使另一个气缸组(2)的平均空燃比为稀。此时，使一个气缸组(1)的气缸(3)的空燃比成为从两个预定目标浓空燃比中选择出的一个目标浓空燃比，同时使另一个气缸组(2)的气缸(3)的空燃比成为从两个预定目标稀空燃比中选择出的一个目标稀空燃比。
文档编号F02D41/02GK101542096SQ20078004172
公开日2009年9月23日 申请日期2007年11月8日 优先权日2006年11月10日
发明者出村隆行, 山本正和 申请人:丰田自动车株式会社