内燃机的排气净化装置制造方法
【专利摘要】在内燃机排气通路内配置有三元催化剂(20)和NOX吸藏催化剂(22)。在预先确定的内燃机低负荷运转区域，在燃烧室(5)内在基本空燃比为稀的条件下进行燃烧，并且在应该从NOX吸藏催化剂(22)释放NOX时使燃烧室(5)内的空燃比成为浓。在预先确定的内燃机高负荷运转区域，将燃烧室(5)内的空燃比反馈控制为理论空燃比。在预先确定的内燃机中负荷运转区域，在比内燃机低负荷运转区域中的基本空燃比小的基本空燃比的条件下进行燃烧室(5)内的燃烧，并且以比内燃机低负荷运转区域中的用于释放NOX的空燃比的浓周期短的周期使燃烧室(5)内的空燃比成为浓。
【专利说明】内燃机的排气净化装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及内燃机的排气净化装置。
【背景技术】
[0002]众所周知有如下内燃机:在内燃机排气通路内配置三元催化剂，并且在三元催化剂下游的内燃机排气通路内配置NOx吸藏催化剂，该NOx吸藏催化剂在流入的排气的空燃比为稀时吸藏排气中的NOx，在流入的排气的空燃比成为浓时释放所吸藏的NOx，根据内燃机的运转状态将内燃机的运转模式切换为在稀空燃比的条件下进行燃烧的稀空燃比运转模式和在理论空燃比的条件下进行燃烧的理论空燃比运转模式的任意一方(例如参照专利文献I)。
[0003]在这样的内燃机中，与在理论空燃比的条件下进行燃烧的情况相比，在稀空燃比的条件下进行燃烧的情况下燃料消耗量少，因此在这样的内燃机中，通常在尽量宽的运转区域在稀空燃比的条件下进行燃烧。但是，若在内燃机负荷变高时在稀空燃比的条件下进行燃烧，则NOxK藏催化剂的温度变高，其结果，NOx吸藏催化剂的NOxK藏能力降低，因此NOx净化率将会降低。因此，在这样的内燃机中，在内燃机负荷变高时将运转模式从稀空燃比运转模式切换到理论空燃比运转模式，使得NCVf化率不降低。
[0004]在先技术文献
[0005]专利文献1:日本特开2008-38890号公报
【发明内容】
[0006]然而，当这样地将运转模式切换为理论空燃比运转模式而在理论空燃比的条件下进行燃烧时，存在燃料消耗量增大的问题。
[0007]本发明的目的在于，提供能够确保高的NOx净化率、并且减少燃料消耗量的内燃机的排气净化装置。
[0008]根据本发明，提供一种内燃机的排气净化装置，其在内燃机排气通路内配置有三元催化剂和NOx吸藏催化剂，所述NO x吸藏催化剂在流入的排气的空燃比为稀时吸藏排气中的NOx，在流入的排气的空燃比为浓时释放所吸藏的N0X，内燃机的运转区域包含:内燃机低负荷运转侧的预先确定的内燃机低负荷运转区域、内燃机高负荷运转侧的预先确定的内燃机高负荷运转区域、和位于内燃机低负荷运转区域和内燃机高负荷运转区域之间的预先确定的内燃机中负荷运转区域，在预先确定的内燃机低负荷运转区域，在燃烧室内在基本空燃比为稀的条件下进行燃烧，并且，在应该从NOxK藏催化剂释放NOJt，使燃烧室内的空燃比成为浓，在预先确定的内燃机高负荷运转区域，将燃烧室内的空燃比反馈控制为理论空燃比，在预先确定的内燃机中负荷运转区域，在比内燃机低负荷运转区域中的基本空燃比小的基本空燃比的条件下进行燃烧室内的燃烧，并且，以比内燃机低负荷运转区域中的用于释放空燃比的浓周期短的周期使燃烧室内的空燃比成为浓。
[0009]通过设置能够净化NOx、并且在稀空燃比的条件下进行燃烧的内燃机中负荷运转区域，能够确保高的Ncy#化率，并且减少燃料消耗量。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是内燃机的总体图。
[0011]图2是图解性地表示三元催化剂的基体的表面部分的图。
[0012]图3A以及图3B是图解性地表示NOx吸藏催化剂的催化剂载体的表面部分等的图。
[0013]图4A以及图4B是用于说明NOxK藏催化剂中的氧化还原反应的图。
[0014]图5是表示放控制的图。
[0015]图6是表示排出勵)(量NOXA的映射(map)的图。
[0016]图7是表示NCy.化率的图。
[0017]图8A以及图8B是用于说明NOxK藏催化剂中的氧化还原反应的图。
[0018]图9A以及图9B是用于说明NOx吸收能力以及NO吸附能力的图。
[0019]图1OA以及图1OB是用于说明NOx吸收能力以及NO吸附能力的图。
[0020]图11A、图1lB以及图1lC是表示从内燃机排出的排气的空燃比的变化的时间图。
[0021]图12是表示向三元催化剂以及NO/及藏催化剂流入的排气的空燃比的变化的时间图。
[0022]图13是表示NOx净化率的图。
[0023]图14是表示内燃机的运转区域的图。
[0024]图15是表示内燃机运转时的燃料喷射量等的变化的时间图。
[0025]图16是用于进行内燃机的运转控制的流程图。
【具体实施方式】
[0026]图1表示火花点火式内燃机的总体图。
[0027]参照图1，I表不内燃机主体，2表不气缸体，3表不气缸盖，4表不活塞，5表不燃烧室，6表不火花塞，7表不吸气阀，8表不吸气口，9表不排气阀，10表不排气口。如图1所不，各气缸具备一对燃料喷射阀，所述一对燃料喷射阀包括用于向燃烧室2内喷射燃料的电子控制式燃料喷射阀11和用于向吸气口 8内喷射燃料的电子控制式燃料喷射阀12。各气缸的吸气口 8经由吸气支管13连接于稳压罐(平衡箱，surge tank) 14，稳压罐14经由吸气管道15连接于空气过滤器16。在吸气管道15内配置有吸入空气量检测器17和由促动器18a驱动的节流阀18。
[0028]另一方面，各气缸的排气口 10经由排气歧管19连接于三元催化剂20的入口，三元催化剂20的出口经由排气管21连接于NOx吸藏催化剂22的入口。NO x吸藏催化剂22的出口连接于N0x选择还原催化剂23。另一方面，排气管21和稳压罐14经由排气再循环(以下称作EGR)通路24互相连接。在EGR通路24内配置有电子控制式EGR控制阀25，而且在EGR通路24周围配置有用于冷却在EGR通路24内流动的排气的冷却装置26。在图1所示的实施例中，内燃机冷却水被导入到冷却装置26内，利用内燃机冷却水来冷却排气。
[0029]电子控制单元30由数字计算机构成，具备利用双向性总线31互相连接的R0M(只读存储器)32、RAM(随机存取存储器)33、CPU (微处理器)34、输入端口 35以及输出端口36。在三元催化剂20的上游安装有用于检测从内燃机排出的排气的空燃比的空燃比传感器27，在三元催化剂20的下游安装有用于检测排气中的氧浓度的氧浓度传感器28。这些空燃比传感器27、氧浓度传感器28以及吸入空气量检测器17的输出信号经由各自对应的AD转换器37输入到输入端口 35。另外，在加速踏板40上连接有负荷传感器41，所述负荷传感器41产生与加速踏板40的踏下量L成比例的输出电压，负荷传感器41的输出电压经由对应的AD转换器37输入到输入端口 35。而且，在输入端口 35上连接有曲轴每旋转例如30°就产生输出脉冲的曲轴转角传感器42。另一方面，输出端口 36经由对应的驱动电路38与火花塞6、燃料喷射阀11、12、节流阀驱动用促动器18a以及EGR控制阀25连接。
[0030]图2图解性地表示三元催化剂20的基体50的表面部分。如图2所示，在催化剂载体50上以层叠状形成有上部涂层51和下部涂层52。上部涂层51包含铑Rh和铈Ce，下部涂层52包含铂Pt和铈Ce。再者，在这种情况下，上部涂层51中所包含的铈Ce的量比下部涂层52中所包含的铈Ce的量少。另外，既能够使上部涂层51内含有锆Zr，也能够使下部涂层52内含有钯Pd。
[0031]该三元催化剂20具有如下功能:在燃烧室5内在理论空燃比的条件下进行燃烧时，即从内燃机排出的排气的空燃比为理论空燃比时，同时减少排气中所含的有害成分HC、CO以及NOx。因此，在燃烧室5内在理论空燃比的条件下进行燃烧时，排气中所含的有害成分HC、CO以及NOx在三元催化剂20中被净化。
[0032]再者，将燃烧室5内的空燃比完全地持续保持为理论空燃比是不可能的，因此，实际上基于空燃比传感器27的检测信号来反馈控制来自燃料喷射阀11、12的喷射量，使得从燃烧室5排出的排气的空燃比大致变为理论空燃比，S卩，使得从燃烧室5排出的排气的空燃比以理论空燃比为中心摇摆。另外，在这种情况下，在排气的空燃比的变动的中心偏离理论空燃比时，基于氧浓度传感器28的输出信号进行调整，使得排气的空燃比的变动的中心返回到理论空燃比。这样，即使从燃烧室5排出的排气的空燃比以理论空燃比为中心摆动，也能够利用由铈Ce带来的三元催化剂20的氧储藏能力，将排气中所含的有害成分HC、CO以及NOx在三元催化剂20中良好地净化。
[0033]图3A图解性地表示NOx吸藏催化剂22的基体55的表面部分。如图3A所示，在NOx吸藏催化剂22中，也在基体55上形成有涂层56。该涂层56由例如粉体的集合体构成，图3B表示该粉体的放大图。参照图3B，在该粉体的例如氧化铝构成的催化剂载体60上，担载有贵金属催化剂61、62，而且在该催化剂载体60上形成有碱性层63，所述碱性层63包含选自如钾K、钠Na、铯Cs那样的碱金属、如钡Ba、钙Ca那样的碱土族金属、如镧系元素那样的稀土类以及如银Ag、铜Cu、铁Fe、铱Ir那样的能够向NOx供给电子的金属中的至少一种。
[0034]另一方面，在图3B中，贵金属催化剂61包含铂Pt，贵金属催化剂62包含铑Rh。再者，在这种情况下，任一贵金属催化剂61、62都能够由铂Pt构成。另外，在催化剂载体60上，除了铂Pt以及铑Rh之外还能够担载钯Pd，或者，能够替代铑Rh而担载钯Pd。S卩，在催化剂载体60上担载的贵金属催化剂61、62，由钼Pt、铭Rh和钮Pd中的至少一种构成。
[0035]接着，一边参照表示图3B的放大图的图4A以及图4B，一边对NOx吸藏催化剂22的NOx的吸藏释放作用进行说明。
[0036]那么，在稀空燃比的条件下进行燃烧时，S卩，排气的空燃比为稀时，排气中的氧浓度高，因此，此时排气中所含的NO如图4A所示在铂Pt 61上被氧化而变为NO2，接着被吸收到碱性层63内，以硝酸根离子N03_的形式在碱性层63内扩散，成为硝酸盐。这样，排气中的NOx以硝酸盐的形式被吸收到碱性层63内。只要排气中的氧浓度高，就在铂Pt 61的表面生成NO2,只要碱性层63的NOx吸收能力没有饱和，NO x就被吸收到碱性层63内而生成硝酸盐。
[0037]与此相对，当使燃烧室5内的空燃比成为浓时，向NOx吸藏催化剂22流入的排气中的氧浓度降低，因此反应反向(N03_—NO2)地进行，这样碱性层63内所吸收的硝酸盐逐渐变为硝酸根离子N03_，如图4B所示那样以勵2的形式从碱性层63释放。接着所释放的NO 2被排气中所含的碳氢化合物HC以及CO还原。
[0038]再者，在稀空燃比的条件下进行燃烧时，S卩，排气的空燃比为稀时，NO在铂Pt 61的表面吸附，因此，排气中的NO也通过该吸附作用被NOx吸藏催化剂22保持。当使燃烧室5内的空燃比为浓时，在该铂Pt 61的表面吸附的NO从铂Pt 61的表面脱离。因此，作为包含吸收以及吸附这两者的术语使用吸藏这一术语时，碱性层63起到用于暂时吸藏NOdaNOx吸藏剂的作用。因此，当将向内燃机吸气通路、燃烧室5以及NO x吸藏催化剂22上游的排气通路内供给了的空气和燃料(碳氢化合物)的比称作排气的空燃比时，NOx吸藏催化剂22在向NOx吸藏催化剂22流入的排气的空燃比为稀时吸藏NO x，在向NOx吸藏催化剂22流入的排气的空燃比变为浓时释放所吸藏的NOx。
[0039]这样，在排气的空燃比为稀时，即，在稀空燃比的条件下进行燃烧时，排气中的NOx被NOx吸藏催化剂22吸藏。但是，当继续地进行在稀空燃比的条件下的燃烧时，在此期间NOx吸藏催化剂22的NOx吸藏能力饱和，其结果，变得不能够利用NOx吸藏催化剂22来吸藏N0X。因此，在NOx吸藏催化剂22的NO x吸藏能力饱和之前，使燃烧室5内的空燃比暂时成为浓，由此使NOxW NO x吸藏催化剂22释放。
[0040]图5表示从在本发明的实施例中使用的NOx吸藏催化剂22释放NO x的控制。参照图5，在本发明的实施例中，在被NOx吸藏催化剂22吸藏的吸藏NO )(量Σ NOX超过预先确定的第一容许NOx吸藏量MAX I时，使燃烧室5内的空燃比(A/F)暂时成为浓。当使燃烧室5内的空燃比(A/F)成为浓时，即，使向NOx吸藏催化剂22流入的排气的空燃比成为浓时，在稀空燃比的条件下进行燃烧时，被NOx吸藏催化剂22吸藏的NO JA NO x吸藏催化剂22 —下子释放出而被还原。由此净化N0X。
[0041]吸藏叫量ΣΝ0Χ由例如从内燃机排出的顯遺算出。在本发明的实施例中，从内燃机每单位时间排出的排出NO5J; NOXA作为要求负荷L以及内燃机转速N的函数，以如图6所示的映射的形式预先存储在R0M32内，可从该排出NO5J; NOXA算出吸藏NO5J: ΣΝ0Χ。在这种情况下，使燃烧室5内的空燃比成为浓的周期通常为I分钟以上。
[0042]图7表示如图5所示的通过NOx吸藏催化剂22的NO x吸藏释放作用来净化NO ^勺情况下的NCVf化率。再者，图7的横轴表示NOx吸藏催化剂22的催化剂温度TC。在这种情况下，从图7可知，催化剂温度TC为300°C?400°C时能够得到极高的NO5^f化率，但当催化剂温度TC变为400°C以上的高温时，NOx净化率降低。这样当催化剂温度TC变为400°C以上时NOx净化率降低是由于，当催化剂温度TC变为400°C以上时，变得难以吸藏NO x，另夕卜，硝酸盐热分解，以顯2的形式从NO x吸藏催化剂22释放。即，只要以硝酸盐的形式吸藏了 Nox，在催化剂温度Tc高时就难以得到高的Ncyf化率。
[0043]那么，在稀空燃比的条件下进行燃烧时，与在理论空燃比的条件下进行燃烧时相比，燃料消耗量变少。因此，为了减少燃料消耗量，只要可能就优选在稀空燃比的条件下进行燃烧。但是，从图7可知，当NOx吸藏催化剂22的温度TC变高时，NO x净化率降低。与此相对，在理论空燃比的条件下进行燃烧时，即使三元催化剂20的温度TC变高，NCVf化率也不降低。因此，自以往就在NOx吸藏催化剂22的温度TC低的内燃机低负荷运转时，在稀空燃比的条件下进行燃烧，在NOx吸藏催化剂22的温度TC变高的内燃机高负荷运转时，在理论空燃比的条件下进行燃烧。
[0044]那么，在这样的状况中，本发明人等关注于NO的吸附作用来反复研宄的结果，发现了在NOx吸藏催化剂22的温度TC高时即使在稀空燃比的条件下进行燃烧也能够得到高的NOx净化率的新的NO x净化方法。即，自以往就已知NO在NO x吸藏催化剂22上吸附。但是，关于吸附NO的行为，至今几乎没有追宄。因此，本发明人等在追宄该吸附NO的行为，并利用该吸附NO的吸附特性，查明了在NOx吸藏催化剂22的温度TC高时，即使在稀空燃比的条件下进行燃烧，也能够确保高的NCVf化率。该新的NO x净化方法利用了 NO的吸附作用，因此以下将该新的Ncy.化方法称作利用吸附NO的NO x净化方法。因此，首先，起初一边参照图8A至图13，一边对该利用吸附NO的NOx净化方法进行说明。
[0045]图8A以及图8B表示图3B的放大图，即示出了 NOx吸藏催化剂22的催化剂载体60的表面部分。另外，图8A表示在稀空燃比的条件下进行燃烧时的情况，图SB表示使燃烧室5内的空燃比成为浓时的情况。在稀空燃比的条件下进行了燃烧时，即，排气的空燃比为稀时，如前述那样，排气中所含的勵^皮吸收到碱性层63内，但排气中所含的NO的一部分如图8A所示那样离解并吸附在铂Pt 61的表面。NO向该铂Pt 61的表面的吸附量随着时间的经过而增大，因此，随着时间的经过，向NOx吸藏催化剂22的NO吸附量增大。
[0046]另一方面，当使燃烧室5内的空燃比成为浓时，从燃烧室5排出大量的一氧化碳CO，因此，在向NOx吸藏催化剂22流入的排气中包含大量的一氧化碳CO。该一氧化碳CO如图8B所示那样与离解吸附在铂Pt 61的表面上的NO反应，该NO —方面变为N2,另一方面变为还原性中间体NC0。该还原性中间体NCO生成后在短暂的期间持续保持或吸附在碱性层63的表面上。因此，碱性层63上的还原性中间体NCO的量随着时间的经过逐渐增大下去。该还原性中间体NCO与排气中所含的NOx反应，由此净化排气中所含的N0X。
[0047]这样，在稀空燃比的条件下进行燃烧时，S卩，排气的空燃比为稀时，一方面如图4A所示那样，排气中所含的勵^皮NOx吸藏催化剂22吸收，另一方面如图8A所示那样，排气中所含的NO被NOx吸藏催化剂22吸附。S卩，此时排气中所含的NO ^皮NO x吸藏催化剂22吸藏。与此相对，当使燃烧室5内的空燃比成为浓时，被NOx吸藏催化剂22吸收或吸附的NOx、即被NOx吸藏催化剂22吸藏的NO NO x吸藏催化剂22释放。
[0048]图9A表示在如图5所示那样利用了针对NOx吸藏催化剂22的NO x的吸藏释放作用来净化了 NOx的情况下的NOx吸收能力和NO吸附能力。再者，在图9A中，纵轴表示作为NOx吸收能力和NO吸附能力之和的NO x的吸藏能力，横轴表示NO x吸藏催化剂22的温度TC。从图9A可知，在NOx吸藏催化剂22的温度TC大约低于400 V时，不论NO x吸藏催化剂22的温度TC如何，NOx吸收能力以及NO吸附能力都恒定，因此，作为NO x吸收能力和NO吸附能力之和的NOx的吸藏能力也不论NO x吸藏催化剂22的温度TC如何而成为恒定。
[0049]另一方面，当NOx吸藏催化剂22的温度TC变高时，铂Pt 61的表面上的NO x的氧化反应(NO — NO2)变快。但是，当NOx吸藏催化剂22的温度TC变高时，NO 2变为硝酸根离子NO3-的反应(NO 2+Ba (CO3) 2— Ba (NO 3) 2+C02)变慢，其结果，变得以被NO ^及藏催化剂22吸藏。另外，当NOx吸藏催化剂22的温度TC变高时，硝酸盐热分解，以NO 2的形式从NOx吸藏催化剂22释放。因此，如图9A所示，当NOx吸藏催化剂22的温度TC变高而成为400°C以上的高温时，NOxK收能力急剧地降低。与此相对，NO向铂Pt 61的表面的吸附量几乎不受NOx吸藏催化剂22的温度TC的影响。因此，如图9A所示，即使NO x吸藏催化剂22的温度TC变高，NO吸附能力也几乎没有变化。
[0050]接着，一边参照图1OA以及图10B，一边对在稀空燃比的条件下进行燃烧时的排气中的氧浓度、与NO吸附能力、NOx吸收能力的关系进行说明。最初，考虑向铂Pt 61的表面的吸附来看一下，在铂Pt 61的表面，NO和O2竞争吸附。即，排气中所含的NO的量与02的量相比越多，则在铂Pt 61的表面吸附的NO的量与O2的量相比越多，与此相反，排气中所含的O2的量与NO的量相比越多，则在铂Pt 61的表面吸附的NO的量与O 2的量相比越少。因此，如图1OA所示，排气中的氧浓度越高，NOx吸藏催化剂22的NO吸附能力越降低。
[0051]另一方面，排气中的氧浓度越高，排气中的NO的氧化作用越被促进，勵)(向NOxK藏催化剂22的吸收越被促进。因此，如图1OB所示，如果排气中的氧浓度越高，则顯^及藏催化剂22的NOxK收能力越高。再者，在图1OA以及图1OB中，区域X表示在如图5所示那样利用针对NOx吸藏催化剂22的NO x吸藏释放作用来净化NO x的情况下在稀空燃比的条件下进行燃烧时的情况。可知此时NO吸附能力低，NOx吸收能力高。前述的图9A示出了此时的NO吸附能力和NOx吸收能力。
[0052]那么，如参照图9A已经说明的那样，当NOx吸藏催化剂22的温度TC变高而成为4000C以上的高温时，NOxK收能力急剧地降低。与此相对，即使NO x吸藏催化剂22的温度TC变高，NO吸附能力也几乎没有变化。因此可推测出:在NOx吸藏催化剂22的温度TC变高而成为400°C以上的高温时，若取消利用NOx的吸收作用的NOx*化方法，取而代之使用利用了 NO的吸附作用的NOx净化方法，则能够净化NO χο但是，从图9A可知，NO吸附能力低，为了不招致燃料消耗量的增大地利用NO的吸附作用来净化N0X，需要使NO吸附能力增大。
[0053]在这种情况下，为了使NO吸附能力增大，从图1OA可知，只要使排气中的氧浓度降低即可。此时，如图1OB所示，NO/及收能力降低。图9B示出了在图1OA以及图1OB中使排气中的氧浓度降低至区域Y时的NOxK收能力以及NO吸附能力。通过这样地使排气中的氧浓度降低，能够使NO吸附能力增大。使排气中的氧浓度降低意味着使在稀空燃比的条件下进行燃烧时的空燃比(称作基本空燃比)降低，因此通过使基本空燃比降低，能够使NO吸附能力增大。
[0054]因此，在本发明中，在利用NO的吸附作用来净化NOJt即在利用吸附NO的NOj.化方法中，使基本空燃比降低。接着，一边参照图1lA至图11C，一边对此进行说明。图1lA表示与图5所示的情况同样地利用针对NOx吸藏催化剂22的吸藏释放作用来净化NOx的情况下的燃烧室5内的空燃比(A/F)的变化。再者，在图1lA中，(A/F)b表示基本空燃比，Λ (A/F)r表示空燃比的浓程度，ΛΤ表示空燃比的浓周期。另一方面，图1lB示出了在利用NO的吸附作用来净化NOx的情况下的燃烧室5内的空燃比(A/F)的变化。再者，在图1lB中，(A/F)b表示基本空燃比，Δ (A/F)r表示空燃比的浓程度，Δ T表示空燃比的浓周期。
[0055]比较图1lA和图1lB可知，在如图1lB所示那样利用NO的吸附作用来净化叫的情况下，在比如图1lA所示那样利用针对NOx吸藏催化剂22的吸藏释放作用来净化情况下的基本空燃比(A/F)b小的基本空燃比(A/F)b的条件下进行燃烧室5内的燃烧，并且，以比如图1IA所示那样利用针对NOx吸藏催化剂22的NO亦吸藏释放作用来净化NOx的情况的用于释放NOx的空燃比的浓周期Λ T短的周期使燃烧室5内的空燃比成为浓。另一方面，图1lC示出了将燃烧室5内的空燃比反馈控制为理论空燃比的情况下的燃烧室5内的空燃比的变化。
[0056]图12示出了如图1lB所示那样利用NO的吸附作用来净化叫的情况下的燃烧室5内的空燃比(A/F)的变化、和向NOx吸藏催化剂22流入的排气的空燃比(A/F) in的变化。在这种情况下，当使燃烧室5内的空燃比(A/F)成为浓时，在三元催化剂20中储藏的氧被释放，在时间tl的期间维持在理论空燃比，由此同时减少HC、CO以及N0X。在该期间，如图12所示，向NOx吸藏催化剂22流入的排气的空燃比(A/F) in维持在理论空燃比。接着，当三元催化剂20的储藏氧被消耗时，向NOx吸藏催化剂22流入的排气的空燃比(A/F) in在时间t2的期间为浓。此时，如图8B所示，在铂Pt 61的表面上离解吸附的NO—方面变为N2,另一方面变为还原性中间体NC0。该还原性中间体NCO生成后在短暂的期间持续保持或吸附在碱性层63的表面上。
[0057]接着，当燃烧室5内的空燃比(A/F)再次返回到稀时，此次在三元催化剂20中储藏氧。此时，在三元催化剂20的催化剂表面，空燃比在时间t3的期间维持在理论空燃比，由此，此时也同时减少HC、CO以及N0X。接着，在时间t4的期间，排气中所含的NOx与保持或吸附在碱性层63的表面上的还原性中间体NCO反应，被还原性中间体NCO还原。接着，在时间t5的期间，如图8A所示，排气中所含的NO离解并吸附在铂Pt 61的表面。
[0058]这样，在如图1lB所示那样利用NO的吸附作用来净化情况下，进行利用了NO的吸附作用的NOx的净化作用、和利用三元催化剂20的氧储藏功能的NOx的净化作用这两种净化作用。图13中示出了此时的NCV.化率。如图13所示可知，在这种情况下，即使NOx吸藏催化剂22的温度TC变高而成为400°C以上的高温，NO x净化率也不降低。
[0059]接着，对内燃机的运转控制的概要进行说明。在本发明中，如图14所示，预先设定有内燃机低负荷运转侧的内燃机低负荷运转区域1、内燃机高负荷运转侧的内燃机高负荷运转区域II1、和位于内燃机低负荷运转区域I与内燃机高负荷运转区域III之间的内燃机中负荷运转区域II。再者，图14的纵轴L表示要求负荷，横轴N表示内燃机转速。在这种情况下，在内燃机低负荷运转区域I，如图1lA所示那样，进行利用针对NOx吸藏催化剂22的叫的吸藏释放作用来净化NO亦NOx的净化作用，在内燃机中负荷运转区域II，如图1IB所示那样，进行利用NO的吸附作用来净化NO x的净化作用。再者，在内燃机高负荷运转区域III，如图1lC所示那样，将燃烧室5内的空燃比反馈控制成理论空燃比。
[0060]S卩，在本发明中，内燃机的排气净化装置在内燃机排气通路内配置有三元催化剂20和NOx吸藏催化剂22，所述NOx吸藏催化剂22在流入的排气的空燃比为稀时吸藏排气中的NOx，在流入的排气的空燃比为浓时释放所吸藏的N0X，内燃机的运转区域包含内燃机低负荷运转侧的预先确定的内燃机低负荷运转区域1、内燃机高负荷运转侧的预先确定的内燃机高负荷运转区域II1、和位于内燃机低负荷运转区域I与内燃机高负荷运转区域III之间的预先确定的内燃机中负荷运转区域II，在预先确定的内燃机低负荷运转区域I，在燃烧室5内在基本空燃比为稀的条件下进行燃烧，并且，在应该从NOx吸藏催化剂22释放NO x时使燃烧室5内的空燃比成为浓，在预先确定的内燃机高负荷运转区域III，将燃烧室5内的空燃比反馈控制为理论空燃比，在预先确定的内燃机中负荷运转区域II，在比内燃机低负荷运转区域I中的基本空燃比小的基本空燃比的条件下进行燃烧室5内的燃烧，并且以比内燃机低负荷运转区域I中的用于释放NOdA空燃比的浓周期短的周期使燃烧室5内的空燃比成为浓。
[0061]再者，从图1lA至图1lC可知，内燃机中负荷运转区域II中的基本空燃比是内燃机低负荷运转区域I中的基本空燃比与理论空燃比的中间值，在内燃机中负荷运转区域II中使燃烧室5内的空燃比成为浓时的空燃比的浓的程度，小于在内燃机低负荷运转区域I中使燃烧室5内的空燃比成为浓时的空燃比的浓的程度。
[0062]接着，一边参照表示从低负荷运转向高负荷运转转移的情况的图15，一边对NCV.化方法进行说明。再者，在图15中示出了向燃烧室5内的燃料喷射量的变化、燃烧室5内的空燃比(A/F)的变化、和吸藏NO5J; ΣΝ0Χ的变化。另外，在图15中，MAX I表示第一容许NOxK藏量，MAX II表示第二容许NO /及藏量。从图15明确可知，第二容许NO x吸藏量MAX II被设为比第一容许NOX吸藏量MAX I小的值。
[0063]那么，在图15中，在内燃机低负荷运转区域I中，当吸藏NO5J; ΣΝ0Χ超过第一容许NOx吸藏量MAX I时，使燃烧室5内的空燃比暂时成为浓。另一方面，当在NO ^及藏催化剂22中吸藏有状态下，切换为如图1lB所示的利用NO的吸附作用的NO x的净化方法时，在刚切换为利用NO的吸附作用的净化后，被NO x吸藏催化剂22吸藏的NO x的一部分不被还原而被释放。因此，在本发明的实施例中，如图15所示，在内燃机的运转状态从内燃机低负荷运转区域I转移到内燃机中负荷运转区域II时，使燃烧室5内的空燃比(A/F)暂时成为浓。
[0064]在内燃机中负荷运转区域II，如图15所示，当吸藏叫量ΣΝ0Χ超过第二容许NOx吸藏量MAX II时，使燃烧室5内的空燃比暂时成为浓。在该内燃机中负荷运转区域II，由于NOx吸藏催化剂22的温度高，因此在NO x吸藏催化剂22中几乎没有吸收NO x，大部分的NOx由吸附NO构成。因此，换句话说，算出被NO x吸藏催化剂22吸附的NO吸附量，在内燃机中负荷运转区域II中进行内燃机的运转时，当NO吸附量ΣΝ0Χ超过预先确定的容许NO吸附量MAX II时使燃烧室5内的空燃比(A/F)成为浓。
[0065]这样，在本发明的实施例中，算出被NOx吸藏催化剂22吸藏的NO x吸藏量ΣΝ0Χ，在内燃机低负荷运转区域I中进行内燃机的运转时，当NOx吸藏量ΣΝ0Χ超过预定确定的第一容许NOx吸藏量MAX I时使燃烧室5内的空燃比(A/F)成为浓，在内燃机中负荷运转区域II中进行内燃机的运转时，当NOx吸藏量ΣNOX超过预定确定的第二容许NOx吸藏量MAXII时使燃烧室5内的空燃比(A/F)成为浓，第二容许NOx吸藏量MAXII被设为比第一容许NOx吸藏量MAX I小的值。
[0066]另一方面，在NOx吸藏催化剂22中吸藏有NOx的状态下，当切换到如图1lC所示的通过向理论空燃比的反馈控制来进行的NOx的净化方法时，在刚切换为通过向理论空燃比的反馈控制来进行的NOx的净化方法后，被NO x吸藏催化剂22吸藏的NO、的一部分不被还原而被释放。因此，在本发明的实施例中，如图15所示那样，在内燃机的运转状态从内燃机中负荷运转区域II转移到内燃机高负荷运转区域III时使燃烧室5内的空燃比(A/F)暂时成为浓。
[0067]在内燃机高负荷运转区域III，基于空燃比传感器27的输出信号来反馈控制来自各燃料喷射阀11、12的喷射量，使得燃烧室5内的空燃比成为理论空燃比。此时，排气中所含的有害成分HC、CO以及NOx在三元催化剂20中同时被净化。
[0068]再者，当如图15所示那样使空燃比成为浓时，此时有产生氨的情况。但是，在本发明的实施例中，该氨被勵)(选择还原催化剂23吸附。被该NO )(选择还原催化剂23吸附的氨，被用于与排气中所含的N0X&生反应来还原N0X。
[0069]图16表示运转控制程序。该程序通过每恒定时间的嵌入来执行。
[0070]参照图16，首先，起初在步骤80中判别内燃机的运转状态是否为图14所示的内燃机高负荷运转区域III。在内燃机的运转状态不是内燃机高负荷运转区域III时进入到步骤81，从图6所示的映射，算出每单位时间的排出N0x量 NOXA。接着，在步骤82中，通过将排出勵)(量NOXA加到ΣΝ0Χ中来算出吸藏NO )(量ΣΝ0Χ。接着，在步骤83中，判别内燃机的运转状态是否为图14所示的内燃机低负荷运转区域I。在内燃机的运转状态为图14所示的内燃机低负荷运转区域I时进入到步骤84。
[0071]在步骤84中，判别NOx吸藏量ΣΝ0Χ是否超过第一容许NOx吸藏量MAX I，在NOx吸藏量Σ NOX没有超过第一容许NOx吸藏量MAX I时进入到步骤85，使燃烧室5内的空燃比成为根据内燃机的运转状态预先确定的稀空燃比。此时，在基本空燃比为稀的条件下进行燃烧。与此相对，在步骤84中，判断为NOx吸藏量ΣΝ0Χ超过第一容许NO x吸藏量MAXI时进入到步骤86，使燃烧室5内的空燃比暂时成为浓，ΣΝ0Χ被清零。此时，被NOx吸藏催化剂22吸藏的NOxW NO x吸藏催化剂22释放。
[0072]另一方面，在步骤83中判断为内燃机的运转状态不是图14所示的内燃机低负荷运转区域I时，即判断为内燃机的运转状态是图14所示的内燃机中负荷运转区域II时，进入到步骤87，判别当前内燃机的运转状态是否从内燃机低负荷运转区域I转移到内燃机中负荷运转区域II。在当前内燃机的运转状态从内燃机低负荷运转区域I转移到内燃机中负荷运转区域II时，进入到步骤88，使燃烧室5内的空燃比暂时成为浓。与此相对，在内燃机的运转状态已经从内燃机低负荷运转区域I转移到了内燃机中负荷运转区域II中时进入到步骤89。
[0073]在步骤89中，判别NOx吸藏量Σ NOX是否超过第二容许NO x吸藏量MAX II。在NO x吸藏量Σ NOX没有超过第二容许NOx吸藏量MAX II时进入到步骤90，使燃烧室5内的空燃比成为根据内燃机的运转状态预先确定的稀空燃比。此时，在基本空燃比为稀的条件下进行燃烧。再者，此时的基本空燃比小于内燃机低负荷运转区域I中的基本空燃比。与此相对，在步骤89中判断为NOx吸藏量Σ NOX超过第二容许NO x吸藏量MAX II时，进入到步骤91，使燃烧室5内的空燃比暂时成为浓，ΣΝ0Χ被清零。此时，被NOx吸藏催化剂22吸藏的NOxW NO x吸藏催化剂22释放。
[0074]另一方面，在步骤80中判断为内燃机的运转状态是图14所示的内燃机高负荷运转区域III时进入到步骤92，判别当前内燃机的运转状态是否从内燃机中负荷运转区域II转移到内燃机高负荷运转区域III。在当前内燃机的运转状态从内燃机中负荷运转区域II转移到内燃机高负荷运转区域III时进入到步骤93，使燃烧室5内的空燃比暂时成为浓。与此相对，在内燃机的运转状态已经从内燃机中负荷运转区域II转移到了内燃机高负荷运转区域III中时，进入到步骤94。在步骤94中，将燃烧室5内的空燃比反馈控制为理论空燃比。
[0075]附图标记说明
[0076]5燃烧室
[0077]6火花塞
[0078]11、12 燃料喷射阀
[0079]14稳压罐
[0080]19排气歧管
[0081]20三元催化剂
[0082]22NOx吸藏催化剂
【权利要求】
1.一种内燃机的排气净化装置，在内燃机排气通路内配置有三元催化剂和NOx吸藏催化剂，所述NOx吸藏催化剂在流入的排气的空燃比为稀时吸藏排气中的NO x，在流入的排气的空燃比为浓时释放所吸藏的N0X， 内燃机的运转区域包含:内燃机低负荷运转侧的预先确定的内燃机低负荷运转区域、内燃机高负荷运转侧的预先确定的内燃机高负荷运转区域、和位于该内燃机低负荷运转区域和该内燃机高负荷运转区域之间的预先确定的内燃机中负荷运转区域， 在该预先确定的内燃机低负荷运转区域，在燃烧室内在基本空燃比为稀的条件下进行燃烧，并且，在应该从NOxK藏催化剂释放NO ,时，使燃烧室内的空燃比成为浓， 在该预先确定的内燃机高负荷运转区域，将燃烧室内的空燃比反馈控制为理论空燃比， 在该预先确定的内燃机中负荷运转区域，在比该内燃机低负荷运转区域中的基本空燃比小的基本空燃比的条件下进行燃烧室内的燃烧，并且，以比该内燃机低负荷运转区域中的用于释放空燃比的浓周期短的周期使燃烧室内的空燃比成为浓。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置， 算出被NOx吸藏催化剂吸附着的NOx吸附量，当在所述内燃机中负荷运转区域中进行内燃机的运转时，在该NOx吸附量超过预先确定的容许NOx吸附量时使燃烧室内的空燃比成为浓。
3.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置， 算出被NOx吸藏催化剂吸藏着的NOx吸藏量，当在所述内燃机低负荷运转区域中进行内燃机的运转时，在该NOx吸藏量超过预先确定的第一容许NOxK藏量时使燃烧室内的空燃比成为浓，当在所述内燃机中负荷运转区域中进行内燃机的运转时，在该NOxK藏量超过预先确定的第二容许NOxK藏量时使燃烧室内的空燃比成为浓，该第二容许NO ,吸藏量被设为比该第一容许NOxK藏量小的值。
4.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置， 所述内燃机中负荷运转区域中的基本空燃比是所述内燃机低负荷运转区域中的基本空燃比与理论空燃比的中间值。
5.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置， 在所述内燃机中负荷运转区域中使燃烧室内的空燃比成为浓时的空燃比的浓的程度，比在所述内燃机低负荷运转区域中使燃烧室内的空燃比成为浓时的空燃比的浓的程度小。
6.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置， 在内燃机的运转状态从所述内燃机低负荷运转区域转移到所述内燃机中负荷运转区域时，使燃烧室内的空燃比暂时成为浓。
7.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置， 在内燃机的运转状态从所述内燃机中负荷运转区域转移到所述内燃机高负荷运转区域时，使燃烧室内的空燃比暂时成为浓。
8.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置， 在NOx吸藏催化剂的催化剂载体上担载有贵金属催化剂，而且，在该催化剂载体上形成有碱性层，所述碱性层包含选自如钾(K)、钠(Na)、铯(Cs)那样的碱金属、如钡(Ba)、钙(Ca)那样的碱土族金属、如镧系元素那样的稀土类以及如银(Ag)、铜(Cu)、铁(Fe)、铱(Ir)那样的能够向NOx供给电子的金属中的至少一种。
【文档编号】F02D41/04GK104508265SQ201280074934
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2012年7月27日 优先权日:2012年7月27日
【发明者】美才治悠树, 吉田耕平, 樱井健治, 中村昂章 申请人:丰田自动车株式会社