柴油机的排气净化装置的制作方法

专利名称：柴油机的排气净化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及除去柴油机中废气中的粒状物(PM)和氮氧化物(NOx) 的排气净化装置。
背景技术：
对车用发动机，尤其是柴油机的废气的限制近年来不断加强，预计将 来会更加严格。柴油机为在将提供到气缸内的空气压縮之后喷射燃料，使 燃料燃烧的发动机，与汽油发动机相比， 一般来说具有热效率高、二氧化 碳(co2)的排放量比较少的优点，但强烈要求降低由未燃烧成分等粒子状 物质构成的粒状物PM以及氮氧化物NOx的排放。作为从柴油机的废气中除去PM的装置，我们已知有用过滤器捕集PM 的柴油颗粒过滤器(以下称为"DPF")，并且己实用化。由于捕集到的PM 因发动机反复运转而堆积在该DPF上，因此需要燃烧掉捕集的PM使DPF 再生。为了再生DPF， 一种在DPF的废气流上游设置氧化催化剂，在发动 机工作过程中连续地氧化除去捕集在DPF上的PM而使DPF再生的方式 (以下称为"连续再生式DPF")近年来备受关注。这种连续再生式DPF 的一例公开在日本特许第3012249号公报中。连续再生式DPF虽然不用安装加热器等就能在柴油机工作过程中连续 地再生DPF，但由于氧化催化剂的温度不同，再生DPF的功能受到制约。 即，在氧化催化剂的温度为大约25(TC 40(TC的区域，氧化废气中的NO 生成N02，由该N02氧化除去捕集在DPF上的PM，并且在该温度以上的 高温利用催化作用使废气中的氧元素与PM产生氧化反应，再生DPF。但 是，当氧化催化剂的温度在约25(TC以下时，不能进行充分的氧化反应。因 此，在柴油机的废气温度为约25(TC以下的温度区域，DPF在没有再生的 情况下持续不断地捕集PM 。如果在积蓄了大量的该PM的状态下产生PM 氧化，则存在DPF内一口气进行反应显著损坏过滤器的耐久性等问题。为了解决连续再生式DPF的这种问题，本申请人在日本特愿 2003-403714号公报(参照日本特开2005-163630号公报)中提出了下述柴 油机的排气净化装置的方案在配置了连续再生式DPF的柴油机的排气通 道的上游设置旁通该排气通道的旁通通道和小容量的第2连续再生式DPF， 在柴油机的排气温度低的区域使废气升温装置工作，并且使废气通过第2 连续再生式DPF。另外，该方案的柴油机中设置在旁通通道中的第2连续 再生式DPF的结构等与图1所示的本发明的柴油机的DPF的结构相同。该方案的柴油机为了降低NOx同时采用了冷却EGR技术和内部EGR 技术，冷却EGR技术为冷却发动机的废气再循环到进气通道中的技术，内 部EGR技术为在进气行程中使废气逆流到气缸内的废气导入技术。于是， 通过根据废气温度等控制这些EGR，能够根据柴油机的运转状态降低PM 和NOx。但是，作为抑制柴油机的燃烧过程中产生的PM的技术， 一种被称为 "预混合压縮自点火燃烧方式(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)"的燃烧方法最近受到关注并在进行开发。HCCI为提前将燃料喷射 到柴油机的气缸内，在预先与空气混合的状态下进行压縮，在压縮点火后 急剧地完成燃烧的燃烧方式。在防止PM等未燃烧成分的生成和提高热效 率上效果很大。具有HCCI燃烧方式的柴油机公开在例如日本特开 2003-138952号公报中。在本申请人提出的上述日本特开2005-163630号公报的柴油机中，在 废气温度低的运转区域，通过设置在旁通通道中的第2连续再生式DPF能 够良好地捕集PM并进行再生，防止过量的PM积蓄在作为主要的PM除 去装置的第1连续再生式DPF上这一事态，在从废气温度低的区域到高的 区域能够降低PM的排出。并且，为了降低NOx，采用通过设置在EGR通 道途中的冷却器冷却废气并使废气再循环到进气管中的冷却EGR，并且根 据发动机的运转状况控制再循环量，在发动机运转区域的宽阔范围内同时 降低PM和NOx。但是，驱动车辆的柴油机的负荷由于各种原因变动很大，与此相对应， 有时会产生大量的NOx和PM。尤其是在加速时等NOx的产生量增加，但 如果由冷却EGR再循环的废气量极端增加，有可能产生失火等，因此用EGR技术解决时存在限度。为了在柴油机的整个运转区域内进一步确实地 降低NOX，希望在排气系统中设置分解NOx的催化剂。作为分解NOx的催化剂，广为人知的是在废气中添加尿素，将水解作 用产生的氨作为选择还原催化剂的还原剂使用的NOx还原催化剂(以下称 为"尿素添加SCR催化剂")。使用尿素添加SCR催化剂虽然能够确实地 减少NOx，但需要将喷射到柴油机的废气中的尿素贮存在容器等中。由于 该尿素在柴油机的运转过程中逐渐消耗，因此为了长时间运转必须贮存大 量的尿素。而且，上述日本特开2005-163630号公报中的柴油机为在废气温度低 的运转区域由设置在旁通通道中的第2连续再生式DPF捕集PM并进行再 生的发动机，第2连续再生式DPF需要尽可能使用小容量的DPF使温度迅 速上升。如果DPF的容量小，当产生大量的PM时不仅有可能引起该DPF 堵塞，当堆积的PM暂时燃烧时还有可能引起烧毁。发明内容本发明就是为了解决本申请人提出的上述日本特开2005-163630号公 报中的柴油机中的这些问题，目的是要在柴油机的各种运转区域中良好地 降低NOx和PM。鉴于上述问题，本发明的目的就是要在发动机的排气系统中设置尿素 添加SCR催化剂，确实地降低NOx，并且在排气温度低的运转区域利用预 混合压縮自点火燃烧方式HCCI技术降低PM。 g卩，本发明者发现，将 HCCI技术用于上述日本特开2005-163630号公报中的柴油机中时具有非常 优良的效果，巧妙地使用HCCI技术完成了本发明。具体为，如技术方案l 所记载的那样，本发明采用以下结构。柴油机的排气净化装置，该柴油机具有配置在发动机的排气通道中 的第1连续再生式DPF，配设在将比上述第1连续再生式DPF靠上游一侧 的排气通道旁通的旁通通道中、容量比上述第1连续再生式DPF的容量小 的第2连续再生式DPF,以及配设在上述旁通通道的出入口之间的排气通 道中、切换废气的流路的切换阀；并且具有通过控制废气再循环量的EGR 阀和冷却废气的冷却器将冷却后的废气再循环到发动机的进气通道中的EGR装置，以及在发动机的进气行程中短时间地将上述发动机的排气出口 与发动机的气缸连通的废气导入机构；在发动机的排气温度低的低排气温 度区域，使上述切换阀的开度小，使废气流入上述第2连续再生式DPF中； 在该柴油机中，该柴油机的排气净化装置，在上述低排气温度区域内使喷 射到上述柴油机中的燃料的喷射时期比除此以外的温度区域的喷射时期 早，并且打开上述EGR阀，实施来自上述EGR装置和上述废气导入机构 的废气的再循环；而且在上述排气通道中设置具备尿素供给装置的NOx还 原催化剂装置，在上述低排气温度区域以外的区域，将尿素提供给NOx还 原催化剂装置。这里所谓的"连续再生式DPF"如上所述是指组合氧化催化剂和DPF， 通过催化作用在发动机工作过程中连续地氧化除去积蓄在DPF上的PM。上述结构的本发明的柴油机在旁通通道中设置第2连续再生式DPF， 在废气温度低的运转区域(低排气温度区域)使废气通过旁通通道，将PM 捕集在该DPF上。由于第2连续再生式DPF容量小并且设置在发动机废气 出口附近，因此能够因废气温度上升而比第1连续再生式DPF更迅速地到 达催化剂的活性温度，良好地氧化除去捕集的PM，能够防止过量的PM积 蓄在作为主要的PM除去装置的第1连续再生式DPF上这一事态。而且， 实施了使冷却后的废气再循环到进气通道中的冷却EGR，能够大幅度地降 低在燃烧过程等中生成的NOx。这样的作用效果与上述日本特开 2005-163630号公报中公开的柴油机相同。并且，本发明的柴油机在低排气温度区域进行提前喷射到气缸内的燃 料的喷射时期、在预先与空气混合的状态下压縮、然后进行压縮点火的 HCCI燃烧。由于HCCI燃烧在点火后急速地完成燃烧，PM等未燃烧成分 的生成少，因此与柴油机的通常燃烧方式——即在上死点附近喷射燃料与 高温的空气混合、同时依次进行燃烧的扩散燃烧方式相比，在低排气温度 区域捕集在第2连续再生式DPF上的PM大量地减少。因此，即使该DPF 的容量小也能够确实地捕集，并且由于废气温度上升时小容量的第2连续 再生式DPF的氧化催化剂迅速活化，因此能迅速地氧化、除去捕集的PM。 一般来说，HCCI燃烧存在难以控制压縮点火时的点火时期的一面， 容易引起提前点火。为了解决这个问题，本发明用冷却EGR控制再循环到气缸内的废气的量，能够使点火时期适当。而且，本发明的柴油机具备在 发动机进气行程中短时间地使排气出口连通到发动机的气缸内的、由内部EGR进行的导入废气机构。从该废气导入机构回流来的废气为紧靠排气出 口的废气，温度高并且含有燃烧中间生成物等。由于这样的废气滞留在燃 烧室上部的气缸盖附近，因此本发明的HCCI燃烧促进预先混合的混合气 体在点火后的燃烧，能够进行PM等的生成更少的燃烧。这样一来，本发明的柴油机即使在低排气温度区域也因为用冷却EGR 使废气再循环到气缸内，用内部EGR导入废气，因此能够抑制低排气温度 区域的NOx的产生。因此，本发明的柴油机不需要使设置在排气通道中的 尿素添加SCR催化剂在低排气温度区域起作用，相应地能够节约添加到发 动机工作中的尿素，能够减少积蓄到尿素箱中的尿素量。如技术方案2所记载的那样，最好，在上述柴油机中采用共轨式燃料 喷射装置；在上述低排气温度区域，喷射到上述柴油机的燃料的喷射时期 设定在上死点前30。 20°的范围。共轨式燃料喷射装置由于是在电磁阀 的控制下从被称为"共轨"的高压燃料贮存管喷射燃料，因此能够准确地 控制柴油机的燃料喷射量和喷射时期。并且，本发明的具有EGR装置等的 柴油机进行HCCI燃烧时不需要极端地提前喷射时期，设定到上死点之前 的30° 20°的范围就合适。并且，如技术方案3所记载的那样，最好，在上述柴油机中采用共轨 式燃料喷射装置；在上述低排气温度区域以外的区域，在上述低排气温度 区域以外的区域，在上死点附近对上述柴油机进行主喷射，在该主喷射的 10° 20°之前的时刻进行引燃喷射(pilot injection)。这样一来，当将燃 料喷射分成主喷射和弓I燃喷射进行时，能够实现确保良好的热效率的同时 噪音小、并且PM和NOx的生成少的燃烧。如技术方案4所记载的那样，能够在比上述第1连续再生式DPF靠上 游一侧、并且比上述第2连续再生式DPF靠下游一侧的上述排气通道中设 置尿素添加SCR催化剂。此时尿素添加SCR催化剂配置在排气通道的温 度比较高的地方，有利于SCR催化剂的活化。如技术方案5所记载的那样，在上述柴油机中分别在进气通道和排气 通道中配设进气活门和排气活门；在上述低排气温度区域使上述进气活门和上述排气活门的开度小，能够将上述进气通道和上述排气通道节流地进 行控制。由此能够减少发动机的空气过剩率，能够提高废气的温度，结果使配设在旁通通道中的第2连续再生式DPF迅速活化。并且，如技术方案 6所记载的那样，最好，在上述低排气温度区域以外的区域，使上述切换阀 的开度大，并且在发动机的排气温度比上述低排气温度区域高的中间排气 温度区域，使上述进气活门和上述排气活门的开度比上述低排气温度区域 时的大；而且在发动机的排气温度超过上述中间排气温度区域的高排气温 度区域，使上述进气活门和上述排气活门成为全开。此时，容易根据柴油 机的排气温度区域——即运转状况，使降低NOx的效果好的冷却EGR的 量为适当的值。并且，通过对冷却EGR、进气活门和排气活门等进行细致 的控制，能够不给发动机的运转性能和燃料经济性带来坏影响地实现NOx 的降低。


图1是本发明的柴油机的排气净化装置的概略图。图2是表示本发明的废气导入机构的实施形态的图。图3是表示本发明的预混合燃烧时的废气特性的图。图4是本发明的排气温度区域的图。图5是表示本发明的不同排气温度区域的控制形态的表。
具体实施方式
下面参照

实施本发明的柴油机的排气净化装置。 首先，在表示本发明的柴油机1的整体概略图的图1中，在由气缸体 和气缸盖等构成的发动机主体2中配设有构成进气通道5的一部分的进气 歧管3和构成排气通道7的一部分的排气歧管4。在进气通道5的最上游部 位配设有净化吸入空气的空气滤清器6，由空气滤清器6净化后的吸入空气 经由进气通道5通过进气歧管3提供给气缸内。排气歧管4上连接有排气 通道7，在气缸内产生的废气通过排气歧管4和排气通道7排出。图示柴油机具备对吸入空气增压的涡轮增压器8。涡轮增压器8具有配 设在排气通道7中的排气涡轮81和配设在进气通道5中的进气压縮机82。虽然本实施形态的柴油机具备涡轮增压器，但本发明的排气净化装置并不 局限于用涡轮增压器等进行增压的发动机，当然也可以适用于在大气压下 直接进行进气的自然进气发动机。在比排气涡轮81靠下游的排气通道7的废气出口的近身一侧，配设有 上游侧具有氧化催化剂121、下游侧具有DPF122的第1连续再生式DPF12。 连续再生式DPF12的氧化催化剂121为在蜂窝状载体的表面具备承载了由 白金等贵金属构成的催化活性成分的被覆层的部件，不仅氧化废气中的NO 生成N02，而且氧化废气中的HC和CO生成H20和C02。 DPF122使用平 行地形成有多个单元，单元的入口和出口互相闭锁的被称为"壁流式"的 蜂窝过滤器，或者使用在不锈钢多孔管上缠绕了多层陶瓷纤维的纤维型过 滤器，捕集废气中的PM。氧化催化剂121的温度在约25(TC 400'C的温度范围，由氧化催化剂 121和DPF122构成的连续再生式DPF12用氧化催化剂121将废气中的NO 氧化成N02，将捕集在氧化催化剂121下游一侧配设的DPF122上的PM氧 化、除去。因此不需要设置电加热器或燃烧器等特别的加热设备，连续再 生式DPF具有能够使装置整体简易并且小型的优点。并且，在40(TC以上 的高温，利用催化作用使废气中的氧与PM产生氧化反应，再生DPF。作 为连续再生式DPF,我们还知道直接将作为氧化催化剂的材料放置在DPF 的表面上一体地构成的连续再生式DPF和将NOx吸附还原型催化剂放置在 DPF上的连续再生式DPF，作为本发明的连续再生式DPF，可以使用这样 的连续再生式DPF。在紧挨排气歧管4之后的排气通道7中设置有旁通排气通道的旁通通 道101。该旁通通道101中配设有与第1连续再生式DPF12 —样具有氧化 催化剂和颗粒过滤器的第2连续再生式DPF13。但是，该第2连续再生式 DPF13的容量比第1连续再生式DPF12的容量小。在旁通通道101的出入口之间的排气通道7中配设有切换废气流路的 切换阀102。该切换阀102由控制装置10控制，当关闭排气通道7时使从 排气歧管4排出的废气流入旁通通道101和第2连续再生式DPF13中。第 1和第2连续再生式DPF这样的结构和配置与本申请人提出的日本特幵 2005-163630号公报中的柴油机基本没有改变。并且，图示的柴油机具有连接比排气涡轮81靠上游侧的排气通道7和 比进气压縮机82靠下游侧的进气通道5的EGR通道9。在EGR通道9的 途中设置有EGR阀11和废气冷却器200。废气冷却器200为，与发动机的 冷却水等进行热交换，由此冷却再循环到进气通道中的高温废气的器件。 当冷却后的废气再循环到进气通道中，即采用冷却EGR时，由于投入到气 缸内的废气的填充率提高，并且废气温度低，因此降低气缸内的燃烧温度 的效果大，伴随于此，抑制NOx的效果也增大。EGR阔11具备与例如图 中没有表示的负压罐连接的负压致动器，由后述的控制装置IO根据运转状 态控制提供的负压量，通过这样控制其开度即EGR率。发动机的排气阀动作机构具备在进气行程中使气缸的排气通道向气缸 开放的废气导入机构41。 g卩，如图2所示，排气阀动作机构的排气凸轮42 为具备在排气行程中使排气阔40动作的通常的凸轮轮廓(凸轮凸起部)421 和形成在该凸轮轮廓的旋转方向的后侧、与该凸轮轮廓具有约90°相位角 的废气导入凸轮轮廓422的排气二级凸轮。排气凸轮42上形成的排气导入 凸轮轮廓422在进气行程中使排气阀40稍微打开，使排气出口的废气逆流 到气缸内，进行所谓内部EGR。另外，图2中30表示进气阀，31表示进 气凸轮。作为进行这样的废气导入的机构，也可以使排气出口分支向气缸 内开口，在该开口部设置由电磁阀动作的小型阀，在进气行程中使该小型 阀提升。在本发明的柴油机的排气通道7的比第1连续再生式DPF12靠上游的 一侧设置有还原并分解NOx的尿素添加SCR催化剂14。在尿素添加SCR 催化剂14的入口安装有喷射尿素水的尿素喷嘴141，尿素喷嘴141上连接 有来自尿素水箱142的尿素水管和来自图中没有表示的储气罐的加压空气 管143。当需要进一步降低从柴油机的气缸排出的NOx时，从尿素喷嘴141 喷雾尿素水，用尿素添加SCR催化剂14进行还原作用。本实施形态的柴油机具有设置在进气通道5的比EGR通道9的连接部 靠上游一侧、限制吸入空气量的进气活门22。该进气活门22在高负荷运转 时保持全开。并且，在排气通道7的比EGR通道9的连接部靠下游一侧配 设有限制废气流出的排气活门23。该排气活门23也与上述进气活门22 — 样，在高负荷运转时保持全开。另外，进气活门22和排气活门23具备连接在图中没有表示的负压罐上的负压致动器，由控制装置IO根据运转状态控制提供的负压量，通过这样控制其开度。本发明的柴油机为在低排气温度区域进行预混合压縮自点火燃烧方式即HCCI燃烧的发动机，具备由电磁阀18控制各气缸中设置的燃料喷射阀、 同时从高压共轨喷射燃料的共轨式燃料喷射装置作为燃料喷射装置。因此， 柴油机的控制装置10除了控制上述EGR阀11、切换阀102、尿素喷嘴141、 进气活门22和排气活门23等外，还根据来自检测发动机的旋转速度的发 动机旋转速度检测传感器15、检测加速踏板的踏入量(加速踏板开度)的 加速踏板传感器16、以及配设在进气歧管3内检测吸入气缸内的进气的温 度的进气温度传感器17等的检测信号控制电磁阀18，控制喷射到气缸内的 燃料的喷射量和喷射时期。控制装置10具备以发动机旋转速度和加速踏板 开度为参数设定燃料喷射量的存储器，根据发动机旋转速度和加速踏板的 踏入量决定燃料喷射量。并且根据进气温度传感器17等的检测值修正基本 燃料喷射量，决定最终的燃料喷射量。下面参照图3、图4说明具备上述各种装置的本实施形态的柴油机的动作。搭载在车辆上的柴油机根据运转状态不同发动机旋转速度或发动机负 荷时刻变化，从其排出的废气温度也随运转状态变化。图3表示以发动机 旋转速度和发动机负荷(燃料喷射量)为参数的废气温度区域，但在发动 机为低负荷，尤其是在旋转速度低的运转状态下——即低排气温度区域X， 排气温度未达到活性温度区域(约250°C 400°C)，氧化催化剂未充分将 NO氧化成N02。并且，即使在排气出口的排气温度进入了催化剂的活性温 度区域，由于从排气歧管到氧化催化剂之间被大气等散热，结果仍下降到 活性温度区域以下。为了解决这样的问题，本柴油机与上述日本特开2005-163630号公报 中记载的发动机一样，在发动机废气温度未达到约25(TC的低排气温度区域 X，关闭切换阀102使废气流入旁通通道101和第2连续再生式DPF13中。 由于第2连续再生式DPF13配置在排气歧管4附近比第1连续再生式 DPF12靠上游一侧，因此通过第2连续再生式DPF13的废气未被冷却，并 且由于催化剂等为小容量，热容量也小，因此温度容易上升。因此，能够将氧化催化剂保持在活性温度范围内，能够用第2连续再生式DPF13有效 地进行PM的捕集和DPF的再生。但是，由于在低排气温度区域X喷射到发动机气缸内的燃料量少，燃 烧温度比较低，因此有PM的生成量多的倾向。第2连续再生式DPF13的 容量小，如果产生大量的PM，则容易引起堵塞，也容易发生PM燃烧引起 的损伤。本发明的柴油机在低排气温度区域X在预先与空气混合的状态下压 縮、然后进行压縮点火的HCCI燃烧。即，为了将喷射到气缸内的燃料的 喷射时期提前，并且防止喷射的燃料过早点火，打开EGR阀11使冷却后 的废气回流到气缸内。如图4所示，在由于EGR而存在大量废气的情况下 将燃料喷射时期提前，尤其是当喷射时期为上死点之前30。 20°时，燃 料在压縮点火之前与空气充分混合，点火后迅速完成燃烧，因此能够大幅 度地降低PM等未燃烧成分的产生。结果，在低排气温度区域捕集到第2 连续再生式DPF13上的PM大量地减少，即使该DPF为小容量也能够充分 捕集PM。而且，本发明的柴油机，利用排气凸轮42上形成的废气导入凸轮轮廓 422，在进气行程中使排气阀40稍微打开，使排气出口的废气逆流到气缸 内进行内部EGR。由于该废气为紧挨废气出口的包含燃烧中间生成物等的 高温废气，这样的废气滞留在燃烧室的上部气缸盖附近，因此在低排气温 度区域X的本发明的HCCI燃烧促进预先混合的混合气体在点火后的燃烧， PM等的生成进一步减少。并且，随着低排气温度区域X的冷却EGR和内 部EGR的实施，NOx的生成量也被抑制，不需要设置在排气通道7中的尿 素添加SCR催化剂14动作。本实施形态的柴油机具备对进气节流的进气活门22和对排气节流的排 气活门23。在废气温度为低排气温度区域X的情况下，通过进行节流进气 活门22的控制，限制吸入空气的量。由于气缸内燃烧时空气过剩率(入) 越小废气温度越高，因此通过减少气缸内进气量，能够提高低排气温度区 域X内废气的温度。当减少进气量时气缸内进气的初始压力下降，但通过 节流排气活门23防止压力下降，防止基于有效压縮比的降低的燃烧温度的 下降。因此，即使是本来在低转速、低负荷状态下废气温度未达到氧化催化剂的活性区域的运转区域，通过实施上述那样的控制，也能够迅速地将 废气温度提高到活性温度区域。下面叙述废气温度上升到超过低排气温度区域X的运转区域内的动作。本实施形态的柴油机基本上是将废气温度在低排气温度区域以上的区域分成中间排气温度区域Y和高排气温度区域Z这2个区域来进行控制。当随着柴油机的燃料喷射量的增加，排气温度约为25(TC以上，超过低 排气温度区域X时，第1连续再生式DPF12的氧化催化剂121的温度充分 达到活性温度区域。并且，由于废气的流量也增加，因此切换阀102成高 开度，以便实际上在大容量的第1连续再生式DPF12中捕集PM，减少流 入第2连续再生式DPF13中的废气量。在排气温度为约25(TC 400'C的中间排气温度区域Y，气缸内的燃烧 温度也变高，NOx的产生量也增加。因此，在该区域EGR阀11的开度增 大，并且进气活门22和排气活门23的开度为50%左右的半开状态。由此， 在EGR通道9的出入口之间废气的差压增大，被冷却器200冷却、再循环 到进气通道5中的废气的量增加，NOx的产生量下降。并且，本发明在中间排气温度区域Y用排气通道7中设置的尿素添加 SCR催化剂14对N0x进行还原、分解，以进一步降低排出的NOx。艮P， 根据控制装置IO输出的指令用加压空气从尿素喷嘴141喷雾作为还原剂的 尿素水，在尿素添加SCR催化剂14中还原、分解NOx。在中间排气温度区域Y，进行在上死点附近喷射燃料的通常喷射，停 止提前喷射燃料的HCCI燃烧，切换到扩散燃烧方式。但是，本实施形态 的柴油机执行在上死点附近进行的主喷射之前喷射少量燃料的引燃喷射。 引燃喷射优选在主喷射的10° 20°之前的时刻进行喷射。由此，能够确 保良好的热效率并减少噪音,并且能够实现PM和NOx的生成量少的燃烧。在柴油机的燃料喷射量继续增加、到达全负荷附近的运转区域，废气 温度也继续上升到约400。C以上，转移到高排气温度区域Z。在该区域也幵 放切换阀102， PM被第1连续再生式DPF12捕集，但如果废气温度超过 约400°C，结合氧化催化剂121的氧化作用，捕集的PM被废气中的氧所氧 化燃烧。因此，即使在不存在作为氧化剂的NOx的条件下，也达成了第l 连续再生式DPF12的DPF121的再生。在高排气温度区域也与中间排气温度区域Y —样，对使尿素添加SCR 催化剂14起作用，对NOx进行还原、分解，并且喷射到气缸内的燃料分 主喷射和引燃喷射进行。但是，在该区域使进气活门22和排气活门23全 开，提高柴油机的功率并避免燃料消耗率的恶化。总结本发明的柴油机的动作和控制形态的表表示在图5中。该图中的 燃料喷射模式、进气活门等的开度等为代表性的例子，当然可以根据发动 机的特性和运转状况依次改变。该装置由控制装置10进行控制，但控制装 置IO根据发动机负荷(燃料喷射量)和发动机旋转速度决定当前的排气温 度区域，保存与图3相对应的排气温度区域判断图。该图中温度区域X、 Y、 Z的边界线是参照连续再生式DPF的氧化催化剂的活性温度区域等通过实 验决定的。控制装置10读取来自发动机旋转速度检测传感器15和加速踏板传感 器16的发动机旋转速度信号和加速踏板开度信号，根据存储在控制装置10 中的燃料喷射图决定燃料喷射量，再根据排气温度区域判断图决定排气温 度区域。并且，根据该排气温度区域进行图5的控制。另外，也可以使用 发动机的排气管7中设置的排气温度传感器210直接检测排气温度区域， 而不使用这样的排气温度区域判断图。产业上的可利用性如以上详细叙述过的那样，本发明为在废气温度低的运转区域内用设 置在旁通通道中的第2连续再生式DPF捕集PM进行再生的柴油机，发动 机的排气系统中设置尿素添加SCR催化剂确实地降低NOx，同时在废气温 度低的运转区域内用预混合压縮自点火燃烧方式的技术降低PM。因此，本 发明能够用于搭载到车辆上的柴油机中，而且能够用于一般工业等用的柴 油机中。虽然在上述实施形态中使用另外设置的氧化催化剂和DPF作为连 续再生式DPF，但本发明的柴油机也可以使用直接将作为氧化催化剂的材 料放置到DPF上的一体构成的连续再生式DPF，或者使用将NOx吸附还原 型催化剂放置到DPF上的连续再生式DPF。并且，如果采用共轨式以外的 喷射装置作为燃料喷射装置的话，当然也可以进行将尿素添加SCR催化剂 配置到第1连续再生式DPF的下游一侧等种种变形。
权利要求
1.一种柴油机的排气净化装置，其特征在于，该柴油机具有配置在发动机的排气通道(7)中的第1连续再生式DPF(12)，配设在将比上述第1连续再生式DPF(12)靠上游一侧的排气通道旁通的旁通通道(101)中、容量比上述第1连续再生式DPF(12)的容量小的第2连续再生式DPF(13)，以及配设在上述旁通通道(101)的出入口之间的排气通道中、切换废气的流路的切换阀(102)；并且具有通过控制废气再循环量的EGR阀(11)和冷却废气的冷却器(200)将冷却后的废气再循环到发动机的进气通道(5)中的EGR装置，以及在发动机的进气行程中短时间地将上述发动机的排气出口与发动机的气缸连通的废气导入机构(41、422)；在发动机的排气温度低的低排气温度区域(X)，使上述切换阀(102)的开度小，使废气流入上述第2连续再生式DPF(13)中；在上述柴油机中，该柴油机的排气净化装置，在上述低排气温度区域(X)内使喷射到上述柴油机中的燃料的喷射时期比除此以外的温度区域的喷射时期早，并且打开上述EGR阀(11)，实施来自上述EGR装置和上述废气导入机构(41、422)的废气的再循环；而且在上述排气通道(7)中设置具备尿素供给装置的NOX还原催化剂装置(14)，在上述低排气温度区域(X)以外的区域，将尿素提供给NOX还原催化剂装置(14)。
2. 如权利要求1所述的柴油机的排气净化装置，上述柴油机具备共轨 式燃料喷射装置；在上述低排气温度区域(X)，喷射到上述柴油机的燃料 的喷射时期设定在上死点前30。 20°的范围。
3. 如权利要求1所述的柴油机的排气净化装置，上述柴油机具备共轨 式燃料喷射装置；在上述低排气温度区域(X)以外的区域，在上死点附近 对上述柴油机进行主喷射，在该主喷射的10° 20°之前的时刻进行引燃 喷射。
4. 如权利要求1所述的柴油机的排气净化装置，上述NOx还原催化 剂装置(14)设置在比上述第1连续再生式DPF (12)靠上游一侧且比上述第2连续再生式DPF (13)靠下游一侧的上述排气通道(7)中。
5. 如权利要求1所述的柴油机的排气净化装置，上述柴油机具有配设 在进气通道(5)中的进气活门(22)和配设在排气通道(7)中的排气活 门(23);在上述低排气温度区域(X)，使上述进气活门(22)和上述排气 活门(23)的开度小，将上述进气通道(5)和上述排气通道(7)节流地 进行控制。
6. 如权利要求5所述的柴油机的排气净化装置，在上述低排气温度区 域(X)以外的区域，使上述切换阀(102)的开度大，并且在发动机的排 气温度比上述低排气温度区域(X)高的中间排气温度区域(Y)，使上述 进气活门(22)和上述排气活门(23)的开度比上述低排气温度区域(X) 时的大；而且在发动机的排气温度超过上述中间排气温度区域(Y)的高排 气温度区域(Z)，使上述进气活门(22)和上述排气活门(23)成为全开。
全文摘要
本发明涉及具备使用了催化剂的连续再生式DPF的柴油机的排气净化装置。在具备连续再生式DPF(12)的柴油机的排气通道(7)中设置旁通通道、设置小容量的第2连续再生式DPF(13)，在低排气温度区域用第2连续再生式DPF(13)捕集PM。此时进行提前了喷射到气缸内的燃料的喷射时期的预混合燃烧，减少PM的生成量。因此，即使第2连续再生式DPF(13)的容量小也能够充分捕集。并且，为了抑制NO_X的生成，使冷却后的废气再循环到气缸内，而且在排气通道(7)中设置尿素添加SCR催化剂还原、分解废气中的NO_X，以进一步降低NO_X。
文档编号B01D46/42GK101283169SQ20068003737
公开日2008年10月8日 申请日期2006年10月17日 优先权日2005年10月19日
发明者南利贵 申请人:五十铃自动车株式会社