专利名称：用于内燃机的废气排放控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于净化能够微弱燃烧(稀燃)的内燃机排出的废气的废气排放控制装置。
用于净化能够烯燃的内燃机如柴油机或稀燃汽油机排出的废气的废气排放控制装置，例如包括NOX催化剂(转化器)如选择性还原型NOX催化剂和封闭性还原型NOX催化剂。
选择性还原型NOX催化剂(催化器)是在存在烃(HC)的具有过剩氧的大气中还原或分解NOX的催化剂。为了由选择性还原型NOX催化剂净化NOX，需用适量的HC组份(以后称其为还原剂)。
当如上述采用选择性还原型NOX催化剂来控制内燃机的废气排放时，由于在内燃机正常运转之际废气中的HC组份量很小，因而为了在正常运转中净化NOX，必须供给还原剂例如轻油作为此选择性还原型NOX催化剂的燃料。
另一方面，封闭性还原型NOX催化剂当流入的废气的空-燃比是稀的时，吸收NOX，而当流入的废气的氧浓度减少时，释放出所吸收的NOX，实现还原到N2。
当采用封闭性还原型NOX催化剂来控制内燃机的废气排放时，由于在内燃机正常运转时废气的空-燃比是稀的，废气中的NOX将为NOX催化剂吸收。但当稀的空-燃比的废气继续供给于NOX催化剂时，就不会再吸收NOX，结果就会让废气中的NOX漏泄。
鉴于以上所述，在封闭性还原型NOX催化剂中，必须在NOX吸收本领达到饱和之前的预定时刻使流入的废气的空-燃比变浓来降低氧浓度，同时释放为NOX催化剂吸收的NOX而使之还原为N2，由此来恢复NOX催化剂的NOX吸收本领。在下面，这种暂时性的使流入废气的空-燃比变浓的操作将称作为增浓操作。
另一方面，为了恢复NOX催化剂的NOX吸收本领，就必须适当地增浓废气中的空-燃比。传统上是采用这样的模式，即添加作为还原剂的燃料，而目标燃料添加的压力则根据这样一种变换设定，此变换指明了通过试验获得的内燃机RPM与燃料喷射量的关系。
但当在内燃机的排气口供应还原剂时，此排气口与NOX催化剂通常相互分开，因而取决于内燃机的运转条件，还原剂并非容易地为废气流载运，导致还原剂供应较低的效率。特别是在内燃机以低速运转而负荷小的范围内时，排气的速度低而废气的温度也低，因而所加的还原剂有一部分附着到废气通道的壁面上，结果导致排气口处的增浓程度不同于NOX催化剂处的增浓程度。换言之，即使是排气口方的增浓达到了目标空-燃比，但到达NOX催化剂的还原剂量由于粘附到NOX催化剂方的壁面上减少了，从而降低了浓度。此外，这种瞬时性地增浓会延迟NOX催化剂方的反应，结果延长了增浓的时间，使增浓的程度低于目标空-燃比。
例如，即使排气口处的增浓程度近似于图6(A)中所示的，浓度也会因NOX催化剂而降低，如图6(B)所示。这样就不能用NOX催化剂达到目标空-燃比，而NOX的释放与还原不能够实现到充分的程度。可是，在某些情形下，NOX催化剂的吸收本领会达到饱和而不能恢复，导致废气中的NOX漏泄。
本发明是鉴于上述问题提出的。本发明的目的在于提供用于内燃机的废气控制装置，它能在纵令内燃机的运转条件改变了时，也能给NOX催化剂提供适量的还原剂。
本发明涉及用于内燃机的废气排放控制装置，其特征在于包括有设在能稀燃的内燃机的排气通道中同时可释出所吸收而为还原剂还原的NOX的NOX催化剂；于NOX催化剂上游侧设于此排气通道中的还原剂供应装置；用于探测内燃机负荷的负荷探测装置；与根据内燃机的负荷来控制还原剂添加时间与还原剂添加间隔的还原剂添加控制装置。
依据本发明，再好还设置有添加测定装置，用以测定根据车辆的运转条件是否添加还原剂，而当由添加测定装置测定出可以添加时，则根据上述负荷探测装置探测出的负荷来控制还原剂的添加量和还原剂的添加间隔。
最好能由上述添加测定装置判断NOX催化剂是否处在激活温度之下、内燃机的工作范围是否在能够添加还原剂的范围，等等，还原剂只当NOX能够释出和还原时才供应，这样就能防止还原剂通过NOX催化剂。
此外，当内燃机的负荷小，与内燃机负荷大的情形相比，就能增加还原剂量和延长还原剂的添加间隔。
本发明还涉及这样一种用于内燃机的废气排放控制装置，其特征在于包括有设在能稀燃的内燃机的排气通道中同时可释出所吸收而为还原剂还原的NOX的NOX催化器；于NOX催化剂的上游侧设于此排气通道中的还原剂供应装置；用于深测内燃机的负荷和RPM的运转条件探测装置；以及根据所探测的内燃机负荷和RPM以控制还原剂的添加时间和还原剂添加间隔的还原剂添加控制装置。
在本发明中，当内燃机的负荷与RPM低时，排气的速度低而还原剂不易为废气流载运，因而要根据内燃机的负荷与RPM来控制还原剂的添加时间与添加间隔。具体地说，当内燃机的负荷与RPM低时，就加大还原剂的添加时间与添加间隔。另一方面，当内燃机的负荷增加，则缩短还原剂的添加时间与添加间隔。除非还原剂的添加压力(燃料压力)改变，不然，燃料的添加时间与添加量则保持于固定的关系，使得还原剂的添加量正比于其添加间隔。
这样，根据本发明，在控制还原剂的添加时间与添加间隔的同时，还考虑到了例如还原剂因内燃机排气的速度、温度等而粘附到排气通道壁面上的程度，而得以独立于运转条件，时刻对NOX催化剂方供给充分的还原剂量。
此外，当内燃机的负荷与RPM低时，产生出的NOX量少，因而通过延长添加间隔，先前添加的还原剂在排气速度低的条件下会干预继后添加的，这样就能防止浓度过大的增加。
对于本发明的废气排放控制装置，能稀燃的内燃机例子可以包括缸内直接喷射型烯燃汽油机与柴油机。
由运转条件探测装置探测负荷时，可以根据例如油门开口传感器的输出信号或指示进入的空气量的气流计的输出信号。内燃机的RPM的探测可以通过计算例如曲轴角传感器的输出脉冲来实现。
本发明的废气排放控制装置中NOX催化剂的例子可以包括封闭式还原型NOX催化剂与选择性还原型NOX催化剂。
封闭式还原型NOX催化剂是这样的催化剂，它当流入的废气中的空燃比是稀的时吸收NOX，而当流入的废气中的氧浓度减少时则释出所吸收的NOX以还原成N2。封闭式还原型NOX接触管采用例如氧化铝为衬底，上面支承着例如至少一种选自下述组中的金属碱金属，例如钾、钠、锂或铯；碱土金属，例如钡或钙；稀土金属，例如镧或钇；以及贵金属，例如钼。
选择性还原型的NOX催化剂是这样的催化剂，它于有过量的氧的气氛中并在存在烃的条件下还原或分解NOX，它还包括这样一种接触点，其中以沸石支承已经受离子交换的过渡金属；或这样一种催化剂，其中以沸石或氧化铝支承贵金属，等等。
在本发明的废气排放控制装置，还原剂添加装置可以由还原剂供应泵、设于排气通道中的还原剂喷嘴等形成。
在本发明的用于内燃机的废气排放控制装置中，即使是还原剂的添加位置与NOX催化剂相互分开，通过控制还原剂的添加时间和添加间隔，可以由合适的方式供给还原剂。特别是当内燃机的RPM与负荷低时，则延长还原剂的添加时间与添加间隔，由此，即使有一部分还原剂粘附到排气通道的壁面上，也能通过废气流将足够量的还原剂带到NOX催化剂上。
于是，可以与内燃机的运转条件无关，让合适数量的还原剂到达NOX催化剂，使NOX能有效地还原。这样，实际上就能通过NOX催化剂将NOX的夹附量恒定地保持于接近零的水平，由此能有效地高水平地实现NOX的净化。
图1概示本发明的用于内燃机的废气排放控制装置；图2示明封闭式还原型NOX催化剂的NOX的吸收与释放作业；图3示明燃料添加喷射时间、发动机RPM与燃料喷射量之间的关系；图4示明燃料添加间隔、发动机RPM与燃料喷射量之间的关系；图5是示明燃料添加程序的流程图；图6示明在排气口与NOX催化剂处的增浓的燃-空比。
下面参看图1～6描述依据本发明一实施例的用于内燃机的废气排放控制装置。注意到在下述实施例中，本发明的用于内燃机的废气排放控制装置是应用驱动车辆的柴油机之上。
图1概示依据此实施例的用于内燃机的废气排放控制装置的一般结构。在此图中，内燃机1是直列式四缸柴油机，吸入的空气通过进气岐管2与进气管3引入到各个缸的燃烧室中。在进气管3的起始端设有空气净化器4，而在进气管3的中途设有空气流量计5、涡轮增压器6的压缩机6、中间冷却器7与节流阀8。
空气流量计5输出一对应于通过空气净化器4流入内燃机控制电子控制单元(ECU)9的新空气量的输出信号，此ECU根据空气流量计5的输出信号计算进入的空气量。
从燃料喷射阀10将燃料(气体油)喷入内燃机1各缸的燃烧室内。各燃料喷射阀10连接到一共用导轨11上，而由燃料泵12对其供给燃料。燃料泵12由内燃机1的曲轴(未图示)驱动。各燃料喷射阀10的开启时间与开放时间由ECU根据内燃机1的运转条件控制。
内燃机1各个缸的燃烧室中产生的废气通过排气岐管14排送到排气管16，再通过消声器(未图示)排放到大气中。排入排气岐管14的一部分经废气回流管23回收到进气岐管2，在废气回流管23的中途设有EGR(废气再循环)冷却器24和EGR阀25。EGR阀25的开启由ECU9根据内燃机1的运转条件控制，控制着废气回流量。
排气管16的中间设有涡轮增压机6的涡轮机6b以及容置封闭式还原型NOX催化剂(稀NOX催化剂)的机壳18。涡轮机6b为废气驱动，驱动与此涡轮机6b连接的压缩机6a以升高进气压力。
燃料添加喷嘴(还原剂添加装置的添加口)安装于内燃机1的气缸盖30之上，使其面对第四缸的排气口13。通过气缸盖30中所设的燃料管20与燃料通道21，可以将燃料泵所泵送的燃料供给于燃料添加喷嘴，所添加的量则由设于燃料管20中间某处的控制阀22控制。控制阀22的开与关以及开启控制由ECU9执行。燃料添加喷嘴19安装成使燃料能喷射向废气收集管15。在此实施例中，燃料泵12、燃料添加喷嘴19、燃料管20、燃料通道21以及控制阀22组成了还原剂添加装置。
在EGR管23的中间设有EGR冷却器24与EGR阀25。EGR阀25由ECU根据内燃机1的运转条件进行开启控制，控制废气回流量。EGR管23、EGR冷却器24与EGR阀25组成了废气再循环装置。
在排气管16中，于紧邻机壳18的下游侧处设有废气温度传感器26，用以输出与从机壳18流出至ECU19的温度相对应的输出信号。
ECU19由数字计算机构成，包括ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、CPU(中央处理机)、输入口以及输出口，它们由双路总线互连，进行基本控制，如控制内燃机1的燃料喷射量。
在这些控制中，将来自油门开口传感器28的输入信号和来自曲轴传感器27的输入信号输入到ECU9的输入口。油门开口传感器28输出一与油门开口成正比的输出电压给ECU9，而ECU9则根据油门开口传感器28的输出信号计算内燃机的负荷。每当曲轴转过一固定角度时，曲轴传感器27输出一输出脉冲给ECU9，后者根据此输出脉冲计算内燃机的RPM。此内燃机的运转条件通过内燃机的负荷与RPM判别，而ECU9则据此内燃机运转条件，参考喷射量变换图(未示明)来计算对应于所计算的燃料喷射量的燃料喷射阀10的阀门开启时间，由此来控制燃料喷射阀10。
下面描述安装于机壳18内的封闭式还原型NOX催化剂(后面有时简作NOX催化剂)。
此封闭式还原型NOX催化剂采用例如氧化铝为衬底，上面支承至少一种选自下述组中的金属碱金属；如钾、钠、锂或铯；碱土金属，如钡或钙；稀土金属，如镧或钇；以及贵金属如钼。
这种NOX催化剂执行NOX的吸收与释放操作，其中当流入的废气的空-燃比(以后称作废气空-燃比)比化学计量的空-燃比稀时，吸收NOX；而当此废气空-燃比变为等于或较化学计量比浓时，则以NO2或NO形式释放所吸收的NOX，以减少流入阀气的氧浓度。此时，由NOX催化剂释放出的NOX(NO2或NO)立即与废气中未燃烧的HC和CO起反应以还原成N2。这样，通过适当地控制废气的空-燃比，就能净化废气中的HC、CO与NOX。
在此，废气空-燃比一词是指供给于NOX催化剂上游侧排气通道、内燃机燃烧室、进气通道等的总空气量，对燃料(烃)的总量之比。这样，当没有燃料、还原剂或空气供给NOX催化剂上游侧的排气通道时，所排出的空-燃比便同供给于内燃机燃烧室中混合物的空-燃比一致。
注意到在柴油机的情形，燃烧是在下述范围内进行的，其中的空-燃比远稀于化学计量范围(AlF＝14～15)，使得在通常的发动机运转条件下，流入NOX催化剂中的废气的空-燃比是稀的，同时废气中的NOX则由NOX催化剂所吸收，而从NOXX催化剂中释放出的NOX量是很少的。
对于汽油机的情形，废气的空-燃比是使之成为化学计量的或增浓的，即通过使供给于燃烧室中混合物的空-燃比是化学计量的或增浓的。同时降低废气中的氧浓度，以让NOX催化剂所吸收的NOX能释出。但在柴油机的情形，这种方法由于涉及到下述问题而不能采用，例如当以化学计量的或增浓的空-燃比的混合物供给燃烧室时，在燃烧时便令产生烟。
于是在柴油机中必须定时地给废气供给还原剂，以在NOX催化剂的吸收本领达到饱和前能减低氧浓度，排出和还原NOX催化剂所吸收的NOX。一般地说，这种还原剂可以包括气体油，这是一种用于柴油机的燃料。
这样，在此实施例中，为NOX催化剂所吸收的NOX量是由ECU9根据内燃机1的运转状态历史估算，而当所估算的NOX量达到预定值时，即将控制阀22保持打开一预定时间间隔以将预定量的燃料从燃料添加喷嘴19供应到废气中，由此来降低流入NOX催化剂的废气中的氧浓度，排出NOX催化剂所吸收的NOX并将其还原为N2。
此时，由于燃料添加喷嘴19将燃料喷向废气收集管15，所添加的燃料便匀滑地流入废气连接管15。此燃料添加喷嘴19是安装于第四缸的排气口13上，而EGR管23在排气岐管14中的位置则与第一缸接近，使得由燃料添加喷嘴19所添加的燃料几乎没有可能进入ERG管23。
如上所述，当把NOX催化剂17设于排气通道中时，由其支承的NOX吸收剂便吸收和释放NOX。可以设想，NOX的吸收/还原机制是如图2所示。此图所示的是把铂与钡支承于衬底上的情形，但用其他的贵金属、碱金属、碱土金属或稀土金属也是可以实现类似的机制的。
首先，当流入的废气继续处于稀的状态时，此流入的废气中的氧浓度增加，而如图2(A)所示，数量增加了的氧(O2)便以O2-或O2-的形式附着于铂的表面上。这种O2-或O2-与流入废气中的NO反应生成NO2()、这样生成的NO2的一部分便为NOX吸收剂吸收而将与氧化钡(BaO)结合，并在铂上进一步氧化。结果它便作为硝酸根离子NO3-扩散进入NOX吸收剂。NOX便依上述方式为NOX吸收剂吸收。
在流入废气中的氧浓度高的同时，于铂的表面上生成NO2。在NOX吸收剂的吸收本领达到饱和之前，NO2继续为NOX吸收剂所吸收而生成硝酸根离子NO3-。
相反，当流入的废气中氧浓度降低而生成的NO2量减少时，此反应换向(NO3-→NO2)，而NOX吸收剂中的硝酸根离子便从NOX吸收剂释放出成为NO2。这就是说，当流入的废气中的氧浓度降低，NOX便从NOX吸收剂释放出。但当流入废气的贫稀程度低时，流入废气中的氧浓度会降低。
另一方面，当流入的废气中的空-燃比增浓时，HC与CO便同铂上的O2-或O2-反应而由此氧化。此外，当流入废气中的空-燃比浓时，流入废气中的氧浓度便显著地降低，使得从NOX吸收剂中释出NO2。如图2(B)所示，此NO2与未燃烧的HC和CO反应而由此还原并净化，当NO2这样地中止其存在于铂的表面上时，便从NOX吸收剂继续地释出NO2。
这样，当流入废气中的空-燃比增浓时，NOX便从NOX吸收剂中释出，并于短时间内还原和净化。
在此实施例中用到的是柴油机，因而在正常运转条件下此废气的空-燃比是稀的，而NOX吸收剂便吸收此废气中的NOX。当把还原剂供给于NOX催化剂17上游侧的排气口时，通过此NOX催化剂17的废气的空-燃比变浓，而NOX便从NOX吸收剂释出并还原。
这里的“废气空-燃比”一词是指空气对燃料之比。而此空气与燃料是供应到NOX吸收剂上游侧的排气口与内燃机燃烧室或进气通道中的。这样，当没有空气与还原剂供给到此排气口时，废气中的燃料比便等于内燃机的工作中的空-燃比(内燃机燃烧室中的空-燃比)。
本发明中对于还原剂并无特别限制。只要它能在废气中产生还原组分即可。例如烃或一氧化碳。能够采用的还原剂例子包括气体，例如氢与一氧化碳；液体或气体烃，例如丙烷、丙烯与丁烷；以及液体燃料，例如汽油、气体油与煤油。在此情形下，如上所述，是把内燃机1的燃料气体油用作还原剂以免使储存、供应等复杂化。
一般地说，还原剂的供应条件包括供给还原剂(本实施例中为燃料)时的压力(即喷射压力)、供应时间与供应间隔，这意味着就是个燃料供应量的问题。这里，燃料的添加时间与添加间隔是根据运转条件控制，以使NOX能有效地释出与还原。
下面将描述这样一种情形，当从燃料添加喷嘴19将还原剂供给到排气口13时判明了发动机1的负荷条件，则作为还原剂的燃料(气体油)的添加时间与添加间隔特别是可以依据排气速度控制。
在此种控制中，首先由ECU9读出内燃机1的运转条件。如前所述，ECU9根据油门开口传感器28的输出信号计算内燃机的负荷，同时根据曲轴角度传感器27的输出脉冲计算内燃机的RPM。此发动机的运转条件由其负荷与RPM判断，而ECU9参考喷射量变换图(未示明)，依据此内燃机的运转条件计算燃料喷射量。
随后，ECU9根据内燃机1的运转条件历史估算NOX催化剂所吸收的NOX量。当所估算的NOX量达到预定值时，便由燃料添加喷嘴19将燃料喷入废气中。
ECU9计算内燃机负荷如上所述。此外，它还根据设于NOX催化剂17下游侧上的废气温度传感器的信号，以此用作为NOX催化剂17的床温度。此NOX催化剂17的床温度用在判断是否供应了还原剂时。当此床温度未在预定的温度范围内，即当NOX催化剂17未在激活范围内时，则未供应还原剂。
此外，ECU9还根据喷入内燃机1内的燃料量Q与内燃机的RPM(Ne)的运转条件，测定用作还原剂的燃料的添加时间P、此添加时间P是事先通过图3(B)所示的变换图形式，作为喷入内燃机1内的燃料量Q与内燃机RPM(Ne)的函数通过试验获得的，且存储于ECU9的ROM中。
如图3(A)所示，对于燃料的添加时间P而言，燃料喷射量Q越少，作为还原剂的燃料的添加时间便越长，此添加时间随燃料注射量Q的增加而减少。当此燃料喷射量少时，即使是内燃机RPM(Ne)增大，此添加时间P也基本不变。但当燃料喷射量Q增加，由于内燃机PRM(Ne)增大的结果，添加时间P便变得仍然较短。
另一方面，如图4(A)所示，燃料的添加时间经确定为，使得喷射入内燃机1的燃料量Q越少时，燃料的添加间隔I越长，此添加间隔I随燃料喷射量Q的增大而缩短。
此还原剂的添加间隔I是以图4(B)所示的变换图形式，作为内燃机的RPM(Ne)与燃料喷射量Q的函数而事先存储于ECU9的ROM中。通常，当内燃机的RPM(Ne)低时，添加间隔I便长，此添加间隔I随内燃机的RPM(Ne)增大而缩短。
注意，当作用于从燃料喷嘴19喷射的还原剂上的压力不变时，此添加时间P与还原剂喷射量保持固定的关系。这样，通过如上所述控制还原剂的添加时间P的长度，此还原剂的喷射量便依内燃机1的运转条件增大或减少。
这种还原剂的添加控制是依据图5所示的还原剂添加程序而执行的。此处理程序事先存储于ECU9的ROM中而由CPU重复地执行。
首先在步骤100，判断NOX是否被还原与释出。当确定NOX的还原与释放，根据由内燃机运转历史、内燃机的运转条件、催化剂的床温度等所估算的在NOX催化剂17处的NOX夹杂量而不予执行时，此程序便暂时中止。
另一方面，若根据运转历史等确定将使NOX还原与释放时，此程序便进到步骤101。
于步骤101，ECU9读出内燃机的负荷与运转条件如内燃机的RPM。
然后在步骤102，ECU9根据步骤101中读出的内燃机1的运转条件，计算作为还原剂的燃料的添加时间与添加间隔。
于步骤103，根据计算出的燃料的添加时间与添加间隔，执行燃料的添加。
本发明上述的实施例是通过举例方式应用于柴油机上，但本发明同样适用于能烯燃的汽油机。
本发明的用于内燃机的废气排放控制装置能够有效地净化从稀混合气发动机如柴油机中排出的废气内的NOX。因此，它可以广泛地用于特别是安装于车辆上的稀混合气发动机。
权利要求
1.用于内燃机的废气排放控制装置，其特征在于包括有设在能稀燃的内燃机的排气通道中同时可释出所吸收而为还原剂还原的NOX的NOX催化器(catalyst)；于NOX催化器上游侧设于此排气通道中的还原剂供应装置；用于探测内燃机负荷的负荷探测装置；与根据内燃机的负荷来控制还原剂添加时间与还原剂添加间隔的还原剂添加控制装置。
2.权利要求1所述的用于内燃机的废气排放控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括添加测定装置，用以测定根据车辆的运转条件是否添加还原剂，而当由添加测定装置测定出可以添加时，则根据上述负荷探测装置探测出的负荷来控制还原剂的添加量和还原剂的添加间隔。
3.权利要求1或2所述的用于内燃机的废气排放控制装置，其特征在于，当内燃机的负荷小时，与内燃机负荷大的情形相比，就能增加要添加的还原剂量和延长还原剂的添加间隔。
4.用于内燃机的废气排放控制装置，其特征在于包括有设在能稀燃的内燃机的排气通道中同时可释出所吸收而为还原剂还原的NOX的NOX催化剂；于NOX催化剂的上游侧设于此排气通道中的还原剂供应装置；用于探测内燃机的负荷和RPM的运转条件探测装置；以及根据所探测的内燃机负荷和RPM以控制还原剂的添加时间和还原剂添加间隔的还原剂添加控制装置。
5.权利要求1或4所述的用于内燃机的废气排放控制装置，其特征在于，当内燃机的负荷小而其RPM低时，与内燃机的负荷大而其RPM高的情形相比，所加的还原剂量会较大，而还原剂的添加间隔会较长。
6.权利要求1或4所述的用于内燃机的废气排放控制装置，其特征在于，所述NOX催化剂是封闭式还原型NOX催化剂。
7.权利要求1或4所述的用于内燃机的废气排放控制装置，其特征在于，所述还原剂供应装置包括用于将还原剂喷入NOX催化剂上游侧排气通道内的还原剂喷嘴。
全文摘要
本发明具有:NO
文档编号F02M25/07GK1386162SQ01802141
公开日2002年12月18日 申请日期2001年7月18日 优先权日2000年7月24日
发明者松冈广树, 松下宗一, 塚崎之弘, 林孝太郎, 石山忍, 大坪康彦, 曲田尚史, 小林正明, 柴田大介, 根上秋彦, 小田富久, 原田泰生, 小野智幸 申请人:丰田自动车株式会社