专利名称：内燃机的排气净化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机的排气净化装置，具体是关于具有当流入空燃比为贫状态的排气时吸收储存NOx，当流入排气的氧浓度低时释放出所吸收储存的所述NOx的NOx吸收存储还原催化剂的内燃机的确排气净化装置。
这个排气净化装置具有当流入空燃比为贫状态的排气时吸收储存NOx，当流入排气的氧浓度低时释放出所吸收储存的所述NOx的NOx吸收存储还原催化剂，并且把这个NOx吸收存储还原催化剂设置在内燃机的排气通路内。
在专利第2586739号公报中公布了这样一种排气净化装置。
这个排气净化装置，具有所述的NOx吸收存储还原催化剂，和推定被吸收储存在该NOx吸收存储还原催化剂中的NOx量的NOx量推定装置，和当由该NOx量推定装置推定的被吸收储存在NOx吸收存储还原催化剂中的NOx量超过预先设定的规定值时，使NOx吸收存储还原催化剂释放出NOx的释放装置。其中，释放装置是通过对内燃机的气缸增大燃料供给量使内燃机在接近理论空燃比的状态下运转，降低流入NOx吸收存储还原催化剂的排气的氧浓度，使NOx吸收存储还原催化剂释放出NOx。
而且，上述的排气净化装置与内燃机的负荷状态无关，一律在通过NOx量推定装置推定出被吸收储存在NOx吸收存储还原催化剂中的NOx量超过规定量时，由释放装置通过增大向气缸的燃料供给量来使NOx吸收存储还原催化剂释放出NOx。
即，不管内燃机的运转是在低负荷区域还是在高负荷区域，在整个负荷区域中以同一基准增大供给气缸的燃料供给量。
但是，内燃机在高负荷区域运转的情况下，气缸内压力(简称内压力)较高，当对这时的气缸增大燃料供给量时，气缸内形成相当高的高温。因此，在内燃机的高负荷时，频繁地增加供给气缸的燃料供给量，则可能导致内燃机本身耐久性的问题。
尤其是对于设有增压机的内燃机，由于向气缸供给的空气量多，所以在气缸内形成更高的高温，耐久性的问题更为明显。而且，由于从气缸排出的空气量变多，所以为了要使排气的空燃比接近理论空燃比，则必须要向气缸供给更多的燃料，因此，存在着燃料消耗率大的问题。
本发明是一种具有当流入空燃比为贫状态的排气时吸收储存NOx，当流入的排气氧浓度低时释放出吸收储存的所述NOx的NOx吸收存储还原催化剂的内燃机的排气净化装置，其特征在于设有计算被积蓄在所述NOx吸收存储还原催化剂中的NOx量的NOx量计算装置；和当该NOx量计算装置计算出的NOx量达到规定量时，将流入所述NOx吸收存储还原催化剂中的所述内燃机的排气的空燃比转变为接近理论空燃比，并使所述NOx吸收存储还原催化剂释放出NOx的第1空燃比控制装置；和对应所述内燃机的负荷或对应所述内燃机的负荷及旋转速度设定所述规定量的规定量设定装置。
依照本发明，由第1空燃比控制装置，通过把内燃机排气的空燃比改变为接近理论空燃比，使流入NOx吸收存储还原催化剂的排气氧浓度下降，并释放出吸收储存的NOx，即，通过使吸收储存的NOx分离出N2来减少排气中的NOx。
第1空燃比控制装置，当NOx量计算装置计算出的NOx量(NOx吸收存储还原催化剂中积蓄的NOx量)达到规定量时，将内燃机排气的空燃比改变到接近理论空燃比，由规定量设定装置对应内燃机的负荷、或内燃机的负荷及旋转速度来设定作为该空燃比改变基准的规定量。这里，例如当负荷高、或负荷及旋转速度高时，即，供给内燃机气缸内的燃料量和空气量大时，如果设定大的规定量，则能够减少把在高负荷区域等内的内燃机排气空燃比改变到接近理论空燃比的次数，可将内燃机的燃料消耗率及耐久性的劣化抑制到最小限度。
在本发明中，理想的情况是，所述规定量设定装置，在所述内燃机的高负荷区域，设定所述规定量基本等同于所述NOx吸收存储还原催化剂的NOx可吸收储存容量，而在所述内燃机的低负荷区域，设定所述规定量小于所述NOx吸收存储还原催化剂的所述NOx可吸收储存容量。
依照这个发明，在如果频繁地进行接近理论空燃比的运转，则导致内燃机的耐久性和燃料消耗率劣化的高负荷区域中，由于规定量设定装置设定所述规定量基本等同于所述NOx吸收存储还原催化剂的NOx可吸收储存容量，所以，可尽量地减少接近理论空燃比的运转次数，可将内燃机的耐久性和燃料消耗率的劣化抑制到最小限度。
另外，在低负荷区域，由于规定量设定装置设定规定量小于NOx吸收存储还原催化剂的NOx可吸收储存容量，所以在NOx吸收存储还原催化剂中能够经常保持空余的容量。从而，即使在内燃机从低负荷区域改变到NOx排出量多的高负荷区域时，在高负荷区域中也不必立即将排气的空燃比改变到接近理论空燃比。
在本发明中，理想的情况是，所述规定量设定装置，在所述内燃机的高速·高负荷区域，设定所述规定量基本等同于所述NOx吸收存储还原催化剂的NOx可吸收储存容量，在所述内燃机的低速·低负荷区域，设定所述规定量小于所述NOx吸收存储还原催化剂的所述NOx可吸收储存容量。
依照这个发明，在如果频繁地进行接近理论空燃比的运转则导致内燃机的耐久性和燃料消耗率劣化的高负荷区域中，由于所述规定量设定装置设定所述规定量基本等同于NOx吸收存储还原催化剂的NOx可吸收储存容量，所以，可尽量地减少设定接近理论空燃比的运转次数，可对内燃机的耐久性和燃料消耗率的劣化抑制到最小限度。
另外，在即使把空燃比转变到接近理论空燃比的次数增多也不会相对增加负担的低速·低负荷区域，由于规定量设定装置设定规定量小于NOx吸收存储还原催化剂的NOx可吸收储存容量，所以可使NOx吸收存储还原催化剂经常保持空余的容量。从而即使在内燃机从低速·低负荷区域转变到包括高速·高负荷区域的其他负荷区域时，在该其他负荷区域也可不必立即把排气的空燃比转变为接近理论空燃比。
在本发明中，理想的情况是，所述规定量设定装置，在所述内燃机的所述低速·低负荷区域，对应所述内燃机的运转模式设定所述规定量。
例如，在高负荷与低负荷之间进行一定的往复运转的运转模式下，不同于在低负荷区域进行一定运转的情况，从低负荷区域转变到高负荷区域的频率增多，而且，在低负荷区域的运转时间也短。
依照本发明，在内燃机的低负荷区域(低速·低负荷区域)，由于规定量设定装置对应所述内燃机的运转模式设定规定量，所以例如通过由规定量设定装置对应所述的低负荷区域(低速·低负荷区域)的运转时间相对较短的运转模式，设定规定量小于在通常的低负荷区域的运转时所设定的规定量，则能够把被积蓄在NOx吸收存储还原催化剂中的NOx尽可能在低负荷区域释放出来，可把在高负荷区域的接近理论空燃比的运转次数抑制到最小限度。
在本发明中，理想的情况是，所述规定量设定装置，在所述内燃机的低负荷区域或所述低速·低负荷区域，设定所述规定量为NOx吸收存储还原催化剂的所述NOx可吸收储存容量的1/3～2/3的量。
依照这个发明，在内燃机的低负荷区域(低速·低负荷区域)，由于由规定量设定装置设定规定量为NOx吸收存储还原催化剂的NOx可吸收储存容量的1/3～2/3的量，所以，能够在NOx吸收存储还原催化剂中经常保持NOx可吸收储存量的2/3～1/3的空余容量。因此，即使在内燃机从低负荷区域(低速·低负荷区域)转变到高负荷区域(包括高速·高负荷区域的其他区域)的情况下，也不必立即将排气的空燃比改变到接近理论空燃比。
在本发明中，理想的情况是，具有检测所述内燃机旋转速度的旋转速度检测传感器和检测所述内燃机负荷的负荷检测传感器，所述NOx量计算装置，根据所述旋转速度检测传感器及所述负荷检测传感器的信息计算出被积蓄在所述NOx吸收存储还原催化剂中的NOx量。
依照这个发明，例如由NOx量计算装置根据通常设置在内燃机上的旋转速度检测传感器及负荷检测传感器的信号计算出NOx吸收存储还原催化剂中的NOx吸收储存量，不需另外设置用于求出NOx吸收储存量的NOx传感器，可低成本地构成本发明的排气净化装置。
在本发明中，理想的情况是，设有在所述内燃机从所述高负荷区域变化到所述低负荷区域时，或从所述高速·高负荷区域变化到所述低速·低负荷区域时，立即将流入所述NOx吸收存储还原催化剂的所述内燃机排气的空燃比改变为接近理论空燃比，并使所述NOx吸收存储还原催化剂释放出NOx的第2空燃比控制装置。
依照这个发明，第2空燃比控制装置在内燃机的运转从高负荷区域到低负荷区域，或从高速·高负荷区域到低速·低负荷区域变化时，把内燃机的排气空燃比改变到接近理论空燃比。
因此，例如在从内燃机的缸内温度·缸内压力高、NOx排出量大的高负荷区域(高速·高负荷区域)变化到低负荷区域(低速·低负荷区域)时，即使在NOx吸收存储还原催化剂中被吸收储存的NOx量大，也可以通过第2空燃比控制装置可靠地从NOx吸收存储还原催化剂中释放出NOx，可不断减少被吸收储存的NOx量，所以即使从低负荷区域又立刻返回高负荷区域，也不必在该区域立刻把排气的空燃比改变为接近理论空燃比。
在本发明中，理想的情况是，设有能够限制流向所述内燃机气缸的吸气流量的吸气流量限制装置，所述第1空燃比控制装置及/或所述第2空燃比控制装置，通过所述吸气流量限制装置限制流向所述内燃机气缸的吸气流量，并把所述内燃机排气的空燃比改变为接近理论空燃比。
依照这个发明，由于设置了能够限制流向气缸吸气流量的吸气流量限制装置，所以通过该吸气流量限制装置可容易地改变空燃比。例如，在空燃比为贫状态的情况下，只要通过吸气流量限制装置减少流入气缸内的吸气量，便可不至于大幅增加燃料消耗而将排气的空燃比改变到接近理论空燃比。
在本发明中，理想的情况是，在所述内燃机中设置具有压缩机的增压机，所述吸气流量限制装置，能够将所述增压机的所述压缩机出口侧的一部分供气排出到所述NOx吸收存储还原催化剂的尾流侧。
依照这个发明，由于设置了能够将增压机的压缩机出口侧的一部分供气排出到所述NOx吸收存储还原催化剂的尾流侧的吸气流量限制装置，因此，即使是设置了增压机的内燃机，也可以通过减少吸气流量，确保在不大幅增加燃料消耗的条件下使内燃机进行接近理论空燃比的运转。
另外，由于利用增压机的供气压将一部分的供气排出到NOx吸收存储还原催化剂的排气尾流侧，所以可不会发生回流地可靠排出排气。
在本发明中，理想的情况是，设有检测所述吸气流量限制装置动作状态的动作状态检测装置和根据该动作状态检测装置的信号对供给所述内燃机气缸的燃料供给量进行补偿的燃料供给量补偿装置。
依照这个发明，通过动作状态检测装置检测出吸气流量限制装置的动作状态，由燃料供给量补偿装置根据该动作状态检测装置的信号对供给气缸的燃料供给量进行补偿。因此，在从空燃比贫状态变化到接近理论空燃比时，和从接近理论空燃比变化到空燃比贫状态时的吸气流量限制装置的动作过程中，可对应其动作状态调整供给气缸的燃料供给量，即使在吸气流量限制装置的动作过程中也可以对空燃比进行适当的调整。
图2是表示所述实施例的柴油发动机的发动机转矩曲线的曲线图。
图3是表示所述实施例的运算处理部的方框图。
图4是表示所述实施例的柴油发动机单位时间单位马力排出的NOx量的曲线图。
图5是表示本发明的变形例主要部分的简要构成图。
图6是说明本发明其他变形例的曲线图。
图中1-排气净化装置，2-柴油发动机，2A-油门踏板，10-吸收存储还原催化剂，20，75-控制装置，30-发动机主体，31-气缸，31A-燃烧室，32-气缸顶部，40-吸气系统，41-进气歧管，42-前置滤清器，43-空气滤清器，44-吸气节流阀，45-吸气流量控制装置，50-排气系统，51-排气歧管，52-催化剂室，52A-入口，52B-出口，53-排气消音器，60-增压机，61-压缩机，62-涡轮机，71-旋转速度检测传感器，71～74-传感器，72-负荷检测传感器，73-传感器，74-阀传感器，75A-输入部，75B-输出部，81-运算处理部，82-存储部，92-微操作模式，92～94-操作模式，93-挖掘破碎模式，94-重挖掘模式，321-吸气门阀，322-排气门阀，323-燃料喷嘴，451-排出管路，452-节流阀，813-规定量设定装置，814-量计算装置，815-空燃比计算装置，816-燃料供给增量，燃料喷射时间计算装置，817-时间计算装置，818-指令信号输出装置，819-燃料供给量补偿装置，A—低速空转，B-高速空转，C-最大转矩，D-额定输出。
在
图1中出示了本发明一实施例的动力系统，该系统具有基于本发明的排气净化装置1及作为配置有该排气净化装置的内燃机的柴油发动机2。
首先，对系统进行简要说明。
排气净化装置1具有被设置在柴油发动机2的排气通路内的NOx吸收存储还原催化剂10，和控制该NOx吸收存储还原催化剂10中的NOx吸收储存及释放的控制装置20。
柴油发动机2是把燃料喷射在被压缩的高温空气中形成自燃来生成驱动力的内燃机，具有包括多个气缸31(在图1中只表示1个气缸31，省略了其他气缸)的发动机主体30，和将气体吸入气缸31内的吸气系统40，和将气缸31的排气排出的排气系统50及包括压缩机61和涡轮机62的增压机60。其中在排气系统50内设置有排气净化装置1的NOx吸收存储还原催化剂10。
下面，对系统进行详细的说明。
在柴油发动机2的发动机主体30的各个气缸31的上部，分别设有形成气缸31内燃烧室31A顶壁的气缸盖32，在该气缸盖32上安装有吸气阀门321、排气阀门322及燃料喷嘴323。
而且，各个气缸31通过气缸盖32分别与构成吸气系统40的吸气歧管41及构成排气系统50的排气歧管51形成连接，通过吸气阀门321及排气阀门322的上下动作来进行气缸31内的吸排气。
燃料喷嘴323把由未图示的燃料喷射泵加压的燃料喷射到气缸31内。燃料喷嘴323的燃料喷射量(燃料供给量)及燃料喷射时间由燃料喷射泵的动作决定，该燃料喷射泵的动作由未图示的调节器所控制。
吸气系统40包括前置滤清器42、空气滤清器43及所述的吸气歧管41。
前置滤清器42被连接在空气滤清器43的上游一侧，其作用是，在灰尘量大等恶劣的操作环境中所使用的车辆和机械的发动机(例如建筑机械的发动机)在空气滤清器43之前除去从外部吸入空气中的粗大灰尘。另外，根据柴油发动机2的工作环境也可以不设置前置滤清器42。
空气滤清器43用于除去通过前置滤清器42的空气中的灰尘，通过下游一侧的管路与增压机60的压缩机61入口连接。
在连接空气滤清器43与增压机60的压缩机61的管路中途设置有作为排气净化装置1的吸气流量限制装置的吸气节流阀44，该吸气节流阀44通过例如未图示的圆板的转动来调节管路开放的大小，可调节流入气缸31的吸气流量。另外，将在后面对吸气节流阀44的动作控制进行详细说明。
增压机60的压缩机61的出口，通过管路与吸气歧管41连接，该吸气歧管41通过气缸盖32与气缸31连接。
排气系统50由排气歧管51、催化剂室52及排气消音器53构成。
通过气缸盖32与气缸31连接的排气歧管51，经由管路与增压机60的涡轮机62入口连接。该涡轮机62的出口，经由管路与催化剂室52的入口连接，在催化剂室52的出口连接着排气消音器53。
在催化剂室52的内部，设有排气净化装置1的NOx吸收存储还原催化剂10，从催化剂室52的入口52A流入的排气通过NOx吸收存储还原催化剂10从出口52B流出。
排气消音器53，是为了对通过NOx吸收存储还原催化剂10的排气进行消音和降低排气的温度而设置的。
图2表示具有这样结构的柴油发动机2的发动机转矩曲线。纵轴为发动机转矩，横轴为发动机转速。
在这里，A点表示低速空转，B点表示高速空转，C点表示最大转矩，D点表示额定输出。
在本实施例中，规定柴油发动机2的低负荷区域为发动机转矩额定输出(D点)的约50％以下的范围(图2中斜线所示的范围)。另一方面，规定柴油发动机2的高负荷区域为发动机转矩额定输出的50％以上的范围。即，在低速空转(A点)时和在高速空转(B点)时包含低负荷区域，在最大转矩(C点)时及额定输出(D点)时包含高负荷区域。
排气净化装置1的NOx吸收存储还原催化剂10，是这样的催化剂，即，当流入空燃比为贫状态的排气时吸收储存NOx，而当流入排气中的氧浓度较低时，将吸收储存的NOx以N2分离并释放出来，例如它被设置在形成蜂窝构造的陶瓷制的催化剂载体上。
在本实施例中，通过控制柴油发动机2的空燃比，来进行这样的NOx吸收存储还原催化剂10的NOx吸收储存及释放的控制，下面将要说明的排气净化装置1的控制装置20对柴油发动机2的空燃比进行的控制。
控制装置20具有旋转速度(转数)检测传感器71、负荷检测传感器72、O2传感器73、作为动作状态检测装置的节流阀传感器74的各种传感器71～74和根据这些传感器71～74输出的信号控制柴油发动机2的空燃比的控制装置75。
旋转速度检测传感器71，是对应于被设置在柴油发动机2的发动机主体30内的曲轴(未图示)或装配在这个曲轴上的飞轮的旋转速度(转数)输出信号的装置。
负荷检测传感器72，是输出对应于柴油发动机2油门踏板2A的踏入量(油门开度)的信号的装置。
另外，旋转速度检测传感器71及负荷检测传感器72，是通常被设置在柴油发动机2内的传感器，使用这样的传感器可低成本地构成排气净化装置1。
O2传感器73，是用于测定催化剂室52入口52A附近的氧浓度，输出对应该氧浓度的信号的装置。
节流阀传感器74，是用于输出对应吸气节流阀44开闭程度的信号的装置。
控制装置75，具有输入来自各种传感器71～74的信号的输入部75A、根据来自该输入部75A的信号进行运算处理的运算处理部81、保存在由该运算处理部81进行运算处理时的必要信息的存储部82及把来自运算处理部81的信号向外部输出的输出部75B。
对于输入部75A，除了各种传感器71～74的信号以外，还输入柴油发动机2调节器的信号，该信号是从调节器输出的对应从燃料喷嘴323向气缸31内喷射、供给燃料供给量信息的信号。
如图3所示，运算处理部81，包括当在NOx吸收储存催化剂中积蓄的NOx量达到规定量时向柴油发动机2输出使其在接近理论空燃比的状态下运转的信号的第1空燃比控制装置811、设定作为该第1空燃比控制装置的信号输出判断基准的所述规定量的规定量设定装置813、当柴油发动机2的运转从高负荷区域变化到低负荷区域时向柴油发动机2输出使其在接近理论空燃比的状态下进行运转的信号的第2空燃比控制装置812、计算NOx吸收存储还原催化剂10的NOx吸收储存量的NOx量计算装置814、计算排气中空燃比的空燃比计算装置815、为了使柴油发动机2在接近理论空燃比的状态下进行运转而计算必要的燃料量及其时间的燃料供给增量·燃料喷射时间计算装置816、为了使柴油发动机2进行接近理论空燃比状态的运转，计算必要的吸气量及其时间的吸气节流量·吸气节流时间计算装置817、向柴油发动机2输出指令信号的指令信号输出装置818、对应设置在柴油发动机2上的吸气节流阀44的动作状态，调整供给该柴油发动机2燃料量的燃料量供给补偿装置819。
NOx量计算装置814，根据来自旋转速度检测传感器71及负荷检测传感器72的输入信号以及图4所示的曲线信息，计算出被NOx吸收存储还原催化剂10吸收储存的NOx量。在这里，推定从柴油发动机2排出的NOx量为NOx吸收存储还原催化剂10的NOx吸收储存量。
图4中的曲线表示通过对柴油发动机2进行发动机测试所得出的单位时间单位马力排出的NOx量与发动机负荷(纵轴)及发动机转数(横轴)之间的关系，曲线所示的各条曲线表示同一NOx量。
在本实施例中，这样的图4的曲线作为变量图保存在控制装置75的存储部82中，NOx量计算装置814输入从旋转速度检测传感器71及负荷检测传感器72输出的信号，当知道了这时的发动机旋转速度及发动机负荷(运转点)时，便可根据图4的曲线变量图查出单位时间单位马力的NOx排出量。
另外，NOx量计算装置814，通过未图示的计时器对柴油发动机2在各种运转点的运转时间进行计时，同时通过累计在各个运转点运转的结果所排出的NOx量，把从柴油发动机2排出的NOx量推定为NOx吸收存储还原催化剂10的NOx吸收储存量。
另外，图4是表示从柴油发动机2排出的单位时间单位马力的NOx量的一例曲线图，表示出随着增压机60的有无和由燃料喷嘴323的燃料喷射时期等的各种条件的变化而变化。
第1空燃比控制装置811，是当由NOx量计算装置814计算出的NOx量达到了由规定量设定装置813设定的规定量时，将流入NOx吸收存储还原催化剂10的柴油发动机2排气的空燃比调整到接近理论空燃比的装置，由此来控制从NOx吸收存储还原催化剂10释放出NOx。
规定量设定装置813，当柴油发动机2处于高负荷区域时，设定规定量基本等同于NOx吸收存储还原催化剂10的NOx可吸收储存的容量(以下称为高负荷区域规定量)，当处于低负荷区域时，设定规定量为所述NOx吸收存储还原催化剂10的NOx可能吸收储存容量的一半量(以下称为低负荷区域规定量)，当每次这个被设定的规定量(设定值)发生变化时，即每次运转发生从高负荷区域变化到低负荷区域，从低负荷区域变化到高负荷区域时，第1空燃比控制装置811输出新的设定值。
在这里，规定量设定装置813，根据从负荷检测传感器72输入的信号判断柴油发动机2的运转是在高负荷区域还是在低负荷区域，把柴油发动机2的额定输出(D点)的50％的值作为高负荷区域·低负荷区域的判断基准，并保存在存储部82中。
在这样的第1空燃比控制装置811及规定量设定装置813的构成中，第1空燃比控制装置811，根据从NOx量计算装置814输入的信号对NOx吸收存储还原催化剂10的NOx吸收储存量进行监控，当NOx吸收储存量达到从规定量设定装置813得到的规定量时，向空燃比计算装置815输出信号。
第2空燃比控制装置812，是当柴油发动机2的运转从高负荷区域变化到低负荷区域时，将流入NOx吸收存储还原催化剂10的柴油发动机2的气的空燃比调整到接近理论空燃比的装置，由此，使NOx吸收存储还原催化剂10释放出NOx。
第2空燃比控制装置812，能够根据从负荷检测传感器72输入的信号检测出柴油发动机2的运转从高负荷区域转变到低负荷区域的转变时期，当负荷从柴油发动机2的额定输出(D点)的50％以上转变到50％以下时，判断为柴油发动机2的运转从高负荷区域转变到了低负荷区域。
而且，第2空燃比控制装置812，当判断出柴油发动机2的运转从高负荷区域转变到低负荷区域时，向空燃比计算装置815输出信号。
空燃比计算装置815，当输入了第1空燃比控制装置811或第2空燃比控制装置812的信号时，根据从O2传感器73输入的排气的氧浓度信息及从柴油发动机2的调节器输入的燃料供给量信息计算出空气量及燃料供给量，同时根据这些计算结果计算出柴油发动机2的排气中的空燃比。在这里，由柴油发动机2的调节器，根据燃料喷嘴323的阀门开闭时间和燃料喷射泵的齿条位置等检测出燃料喷射量。
另外，本实施例是根据O2传感器73及柴油发动机2调节器的信息求出排气的空燃比，也可以例如通过在排气中设置空燃比传感器(未图示)来求出排气的空燃比。
燃料供给增量·燃料喷射时间计算装置816，将通过空燃比计算装置815计算出的空燃比与理论空燃比进行比较，根据这个比较结果及通过空燃比计算装置815计算出的空气量及燃料供给量，计算出为了使柴油发动机2的空燃比接近理论空燃比所必要的燃料供给增量及NOx吸收存储还原催化剂10基本全部释放出所吸收储存的NOx所必要的燃料喷射时间。
吸气节流量·吸气节流时间计算装置817，将在空燃比计算装置815计算出的空燃比与理论空燃比进行比较，根据这个比较结果及由空燃比计算装置815计算出的空气量及燃料供给量，计算出为了使柴油发动机2的空燃比接近理论空燃比而必须加以限制的吸气量(吸气节流量)，和为了使由NOx吸收存储还原催化剂10基本全部释放出所吸收储存的NOx必须对吸气加以限制的时间(吸气节流时间)。
这里，在燃料供给增量·燃料喷射时间计算装置816与吸气节流量·吸气节流时间计算装置817之间分别计算出的燃料供给增量和吸气节流量进行适当的调整，以便使排气的空燃比接近理论空燃比，并且把因空燃比的变化而形成的柴油发动机2输出的变化抑制到最小限度。
指令信号输出装置818，当输入了燃料供给增量·燃料喷射时间计算装置816的信号后，向柴油发动机2输出向气缸31内增加供给燃料的指令信号。另一方面，当输入了吸气节流量·吸气节流时间计算装置817的信号后，向柴油发动机2输出减少向气缸31供给的吸气量的指令信号。
这里，增加向气缸31内的燃料供给量的指令信号，是例如向在燃料喷嘴323处对燃料加压进行供给的燃料喷射泵输出的信号，通过控制燃料喷射泵的未图示的调节器进行传送。
另一方面，减少向气缸31内供给的吸气量的指令信号，是向吸气节流阀44输出的信号，当该指令信号被输出到吸气节流阀44后，通过使圆板转动来减小管路的开度。
通过这些指令信号从指令输出装置818输出到柴油发动机2，来增加向气缸31内的燃料供给量或减少吸气量，从而使柴油发动机2的运转从空燃比贫状态切换到接近理论空燃比的状态。
在指令信号输出装置818中，设有未图示的计时器，由该计时器分别对燃料喷射时间及/或吸气节流时间进行计时，当计时结束时，指令信号输出装置818向柴油发动机2输出结束接近理论空燃比状态的运转，切换到空燃比贫状态运转的指令信号，同时向NOx量计算装置814输出将累计的NOx量清零的信号。
燃料供给量补偿装置819，根据作为检测吸气节流阀44动作状态的动作状态检测装置的节流阀传感器74的信号及由吸气节流量·吸气节流时间计算装置817计算出的吸气节流量，向柴油发动机2输出对气缸31的燃料供给量进行补偿的指令信号。
具体的是，燃料供给量补偿装置819，根据从节流阀传感器74输入的信号监控吸气节流阀44的动作状态，把该吸气节流阀44的动作状态与由吸气节流量·吸气节流时间计算装置817计算出的吸气节流量进行比较，当吸气节流阀44的节流量少时，向空燃比计算装置815输出对应当前吸气节流阀44的节流量的信号。
这样，由空燃比计算装置815再一次进行空气量、燃料供给量及空燃比的计算，根据这个计算结果，由燃料供给增量·燃料喷射时间计算装置816进行燃料供给增量及燃料喷射时间的计算，再一次从指令信号输出装置818输出信号。
通过这样的燃料供给量补偿装置819，可在将柴油发动机2的空燃比从贫状态改变为接近理论空燃比时，和从接近理论空燃比改变为贫状态时的吸气节流阀44的动作过程中，对应于该动作状态来调整向气缸31的燃料供给量，即使在吸气节流阀44的动作过程中也可以对空燃比进行适当的调整。
下面，对本实施例的系统的动作进行如下说明。
在柴油发动机2的低速时、低速空转时、高速空转时等的低负荷区域中，从规定量设定装置813向第1空燃比控制装置811输出把低负荷区域规定量作为规定量进行设定的信号，第1空燃比控制装置811，当NOx吸收存储还原催化剂10的NOx吸收储存量达到低负荷区域规定量时，向空燃比计算装置815输出信号。
当柴油发动机2的运转从低负荷区域转变为高负荷区域(加速时、高速时、最大转矩时、额定输出时等)时，从规定量设定装置813向第1空燃比控制装置811输出将高负荷区域规定量作为规定量进行设定的信号，第1空燃比控制装置811，将作为信号输出基准的规定量从低负荷区域规定量切换为高负荷区域规定量，当NOx吸收存储还原催化剂10中的NOx吸收储存量达到高负荷区域规定量时，向空燃比计算装置815输出信号。
另一方面，当柴油发动机2的运转从高负荷区域转变为低负荷区域时，第2空燃比控制装置812向空燃比计算装置815输出信号。而且，第1空燃比控制装置811，由规定量设定装置813将作为信号输出基准的规定量从高负荷区域规定量再一次切换到低负荷区域规定量。
这样，当第1空燃比控制装置811或第2空燃比控制装置812把信号输出到空燃比计算装置815后，由该空燃比计算装置815计算出柴油发动机2的排气中的空气量、燃料供给量及空燃比，并将这些计算结果分别输出到燃料供给增量·燃料喷射时间计算装置816及吸气节流量·吸气节流时间计算装置817。
由燃料供给增量·燃料喷射时间计算装置816及吸气节流量·吸气节流时间计算装置817，分别计算出为了使柴油发动机2的空燃比接近理论空燃比所必要的燃料供给增量和燃料喷射时间，以及吸气量和吸气时间，对应这些计算结果的信号，通过指令信号输出装置818分别输出到调节器(未图示)及吸气节流阀44。
这样，把柴油发动机2的运转从空燃比贫状态切换到接近理论空燃比的状态。然后，当未图示的计时器结束了对燃料喷射时间及/或吸气时间的计时时，柴油发动机2的运转从接近理论空燃比切换到空燃比贫状态。
另外，在柴油发动机2从空燃比贫状态到接近理论空燃比转变时，或从接近理论空燃比到空燃比贫状态转变时，当燃料供给量补偿装置819通过节流阀传感器74检测到吸气节流阀44的动作滞后时，向空燃比计算装置815输出对应当前吸气节流阀44的节流量的信号。
这样，空燃比计算装置815再一次进行空气量、燃料供给量及空燃比的计算，并由燃料供给增量·燃料喷射时间计算装置816根据这些计算结果进行燃料供给增量及燃料喷射时间的计算。然后指令信号输出装置818根据这些计算结果再一次向调节器输出信号，可对从燃料喷嘴323喷射的燃料量及燃料喷射时间进行补偿。
依照上述的实施例可得到如下的效果。
(1)在排气净化装置1的控制装置75中，由第1空燃比控制装置811，在NOx量计算装置814计算出的NOx量(NOx吸收存储还原催化剂10积蓄的NOx量)达到规定量时，将柴油发动机2排气的空燃比改变为接近理论空燃比，由规定量设定装置813对应柴油发动机2的负荷设定作为这个空燃比改变基准的规定量。
这里，在如果频繁地进行接近理论空燃比的运转，则会导致柴油发动机2的耐久性下降及增加燃料消耗率的高负荷区域中，由于由规定量设定装置813将规定量设定为基本等同于NOx吸收存储还原催化剂10的NOx可吸收储存容量(高负荷区域规定量)，所以可尽量少地设定接近理论空燃比的运转次数，而把柴油发动机2的耐久性及燃料消耗率的劣化抑制在最小限度。
另外，在低负荷区域中，由于由规定量设定装置813将规定量设定为小于NOx吸收存储还原催化剂10的NOx可吸收储存的容量，所以可在NOx吸收存储还原催化剂10中经常保持空余的容量。从而，即使在柴油发动机2从低负荷区域转变为NOx排出量高的高负荷区域的情况下，也不必在高负荷区域中立即把排气的空燃比转变为接近理论空燃比。
(2)由于NOx量计算装置814是根据通常被设置在柴油发动机2上的旋转速度检测传感器71及负荷检测传感器72的输入信号计算出NOx吸收存储还原催化剂10中的NOx吸收储存量的，所以不需要另外设置用于求出NOx吸收储存量的NOx传感器，可低成本地构成排气净化装置1。
(3)由于规定量设定装置813在柴油发动机2的低负荷区域中，设定规定量为NOx吸收存储还原催化剂10的能够吸收储存NOx容量的一半量，所以可在NOx吸收存储还原催化剂10中经常保持相当于NOx可吸收储存容量一半的空余容量。从而即使在柴油发动机2从低负荷区域转变到高负荷区域的情况下，也可不必立即把排气的空燃比转变为接近理论空燃比。
(4)通过第2空燃比控制装置812，在柴油发动机2的运转从高负荷区域转变为低负荷区域时，把柴油发动机2排气空燃比转变为接近理论空燃比。因此，在从柴油发动机2的气缸31内温度、气缸31内压高、NOx排出量多的高负荷区域转变为低负荷区域时，即使被吸收储存在NOx吸收存储还原催化剂10中的NOx量多，第2空燃比控制装置812也能够可靠地使NOx吸收存储还原催化剂10释放出NOx，可经常减少被吸收储存的NOx量，因此，即使又从低负荷区域立刻转变为高负荷区域，也可以不必立即把该区域的排气空燃比转变为接近理论空燃比。
(5)由于设置了限制流入气缸31吸气流量的吸气节流阀44，所以通过该吸气节流阀44可容易地改变空燃比。因此，当空燃比为贫状态时，只要通过吸气节流阀44减少流入气缸31内的吸气量，便可使柴油发动机2进行接近理论空燃比的运转，而不会对燃料消耗率大幅度增加。
(6)由节流阀传感器74检测吸气节流阀44的动作状态，并由燃料供给量补偿装置819根据节流阀传感器74的信号对气缸31的燃料供给量进行补偿。因此，在从空燃比为贫状态改变到接近理论空燃比时，和从接近理论空燃比改变到空燃比为贫状态时的吸气节流阀44的动作过程中，可对应该动作状态来调整供给气缸31的燃料供给量，从而即使在吸气节流阀44的动作过程中也能够对空燃比进行适当的调整。
另外，本发明不限于所述的实施例，本发明包含属于实现本发明目的范围的各种变形和改进。
例如，在所述实施例中，作为能够限制流入柴油发动机2的气缸31吸气流量的吸气流量限制装置，设置了吸气节流阀44，不过本发明的吸气流量限制装置不限于此，也可以设置如图5所示的吸气流量限制装置45，简而言之，只要是能够限制内燃机气缸的吸气流量，可使用任意的装置。
在图5中，吸气流量限制装置45，由把增压机60的压缩机61出口侧的一部分供气排出到NOx吸收存储还原催化剂10的尾流侧的排出用管路451及设置在这个排出用管路451途中的用于调节该排出用管路451的开放程度的节流阀452构成。
在具有这样结构的吸气流量限制装置45中，通过开放节流阀452，从增压机60的压缩机61的出口把一部分供气通过排出用管路451排出到NOx吸收存储还原催化剂10的排气尾流侧。从而由于能够限制供给柴油发动机2的气缸31内的吸气量，所以能够使柴油发动机2进行接近理论空燃比的运转。另外，关于吸气流量限制装置45的节流阀452的开放度控制，可进行与所述的实施例中的吸气节流阀44的开放度控制相同的控制。
在设置了这样的吸气流量限制装置45的情况下，即使是带有增压机60的柴油发动机2，也能够减少吸气流量，不至于增加燃料消耗率而使柴油发动机2确保在接近理论空燃比状态下进行运转。而且，由于利用增压机60的供气压将一部分供气排出到NOx吸收存储还原催化剂10的排气尾流侧，可确保排气的排出而不会出现回流。
所述实施例在柴油发动机2的低负荷区域，把作为第1空燃比控制装置811的信号输出判断基准的规定量一律规定为NOx吸收存储还原催化剂10的NOx可能吸收储存容量的一半量，也可以对应柴油发动机2的运转模式进行设定。另外，运转模式包括例如关于车辆行驶的模式，建筑机械的操作机械动作的模式(操作模式)等各种模式。
这里，用图6表示液压挖掘机的柴油发动机的发动机转矩曲线，同时对该液压挖掘机的操作模式进行说明。另外，纵轴表示发动机转矩，横轴表示发动机转数。
在图6中，E点表示额定输出，91表示操作停止时的发动机转矩和发动机转数，92～94分别表示微操作模式92、挖掘·破碎模式93、重挖掘模式94的液压挖掘机的各种操作模式。微操作模式92是在进行把土压平等的微操作时使用的操作模式，挖掘·破碎模式93是在进行通常的挖掘和破碎时使用的模式，重挖掘模式94是在重挖掘时使用的模式。这些操作模式92～94可对应液压挖掘机所进行的操作来选择切换，例如通过设置在驾驶席上的切换开关等进行切换。
在这些操作模式92～94中，挖掘·破碎模式93及重挖掘模式94是在高速·低负荷与高速·高负荷之间进行一定重复运转的运转模式(操作模式)，与这2个操作模式93、94相比，微操作模式92则以相对较低的转速及负荷下进行运转。
在这样的挖掘·破碎模式93及重挖掘模式94的情况下，不同于在低负荷区域进行一定运转的情况，从低负荷区域到高负荷区域的运转转变次数频繁，另外，在低负荷区域的运转时间短。在这2个模式93、94中，由规定量设定装置813通过把规定量设定为比在通常的低负荷区域运转时设定的规定量(在所述实施例中，为NOx吸收存储还原催化剂10的NOx可吸收储存容量的一半的量)小的值(例如为NOx吸收存储还原催化剂10的NOx可吸收储存容量的1/3的量)，使被积蓄在NOx吸收存储还原催化剂10中的NOx尽可能地在低负荷区域被释放出来，可把在高负荷区域内的接近理论空燃比的运转次数限于最小限度。
在所述实施例中，在柴油发动机2的低负荷区域内，由规定量设定装置813把作为第1空燃比控制装置811的信号输出判断基准的规定量设定为NOx吸收存储还原催化剂10的NOx可吸收储存容量的一半量，但不限于一半量，也可以为NOx可吸收储存容量的1/3～2/3的量，可根据NOx可吸收储存容量和柴油发动机2的NOx排出量在这个范围内进行适当的设定。
所述实施例在设置检测吸气节流阀44动作状态的节流阀传感器74的同时，还设置了根据从这个节流阀传感器74输入的信号输出柴油发动机2气缸31的燃料供给量补偿信号的燃料供给量补偿装置819，但本发明不限于必须设置这个节流阀传感器74及燃料供给量补偿装置819。
在所述实施例中，设置了在柴油发动机2的运转从高负荷区域转变到低负荷区域时，输出使柴油发动机2进行接近理论空燃比运转的信号的第2空燃比控制装置812，但不是必须设置这个第2空燃比控制装置812，不设置第2空燃比控制装置的排气净化装置也属于本发明的范畴。
在所述实施例中，是由NOx量计算装置814根据转速检测传感器71及负荷检测传感器72的信号计算出NOx吸收存储还原催化剂10中的NOx吸收储存量，也可以使用测定催化剂室52入口52A附近的NOx浓度，同时输出对应这个NOx浓度信号的NOx传感器，由NOx量计算装置814根据这个NOx传感器的信号，计算出NOx吸收储存量。
所述实施例的规定量设定装置813，对应于柴油发动机2处于高负荷区域还是处于低负荷区域而设定规定量，但本发明的规定量设定装置813不仅限于此，也可以对应于柴油发动机2的处于高速·高负荷区域或处于低速·低负荷区域设定规定量。在这种情况下，规定量设定装置是根据从转速检测传感器71及负荷检测传感器72输入的信号来判断柴油发动机2的运转是处于高速·高负荷区域还是处于低速·低负荷区域。
在如果频繁地进行接近理论空燃比的运转则会导致大大缩短柴油发动机2的耐久性及增大燃料消耗率的高速·高负荷区域内，由规定量设定装置，例如只要把规定量设定为基本等同于NOx吸收存储还原催化剂10的NOx可吸收储存容量，便可尽量减少接近理论空燃比的运转次数，可把柴油发动机2的耐久性及燃料消耗率的劣化抑制到最小限度。
另外，在即使把空燃比转变到接近理论空燃比的次数变多也不会相对增加负担的低速·低负荷区域内，由规定量设定装置，例如只要设定规定量小于NOx吸收存储还原催化剂10的NOx可吸收储存容量，可使NOx吸收存储还原催化剂10经常保持空余的容量。从而即使在柴油发动机2从低速·低负荷区域转变到包括高速·高负荷区域的其他负荷区域时，在该其他负荷区域内也不必立即把排气的空燃比转变为接近理论空燃比。
在所述实施例中，在排气净化装置1的运算处理部81中设有燃料供给增量·燃料喷射时间计算装置816和吸气节流量·吸气节流时间计算装置817两个装置，通过对柴油发动机2的气缸31供给燃料及对吸气量进行调整，来达到接近理论空燃比的运转，但也可以只设置燃料供给增量·燃料喷射时间计算装置816，只对供给气缸31的燃料进行调整，来达到接近理论空燃比的运转，另外，也可以只设置吸气节流量·吸气节流时间计算装置817，只对供给气缸31的吸气量进行调整，来达到接近理论空燃比的运转。
在所述实施例中，是将排气净化装置1设置在柴油发动机2中，也可以设置在汽油发动机等的内燃机中。
权利要求
1.一种内燃机的排气净化装置，是一种具有当流入空燃比为贫状态的排气时吸收储存NOx，而当流入排气的氧浓度低时释放出所吸收储存的所述NOx的NOx吸收存储还原催化剂的内燃机排气净化装置；其特征在于设有计算积蓄在所述NOx吸收存储还原催化剂中的NOx量的NOx量计算装置，和当由该NOx量计算装置计算出的NOx量达到规定量时，将流入所述NOx吸收存储还原催化剂中的所述内燃机的排气的空燃比改变到接近理论空燃比，并使所述NOx吸收存储还原催化剂释放出NOx的第1空燃比控制装置，和对应所述内燃机的负荷或所述内燃机的负荷及旋转速度设定所述规定量的规定量设定装置。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于所述规定量设定装置，在所述内燃机的高负荷区域，设定所述规定量基本等同于所述NOx吸收存储还原催化剂的NOx可吸收储存容量，而在所述内燃机的低负荷区域，设定所述规定量小于所述NOx吸收存储还原催化剂的所述NOx可吸收储存容量。
3.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于所述规定量设定装置，在所述内燃机的高速·高负荷区域，设定所述规定量基本等同于所述NOx吸收存储还原催化剂的NOx可吸收储存容量，而在所述内燃机的低速·低负荷区域，设定所述规定量小于所述NOx吸收存储还原催化剂的所述NOx可吸收储存容量。
4.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于所述规定量设定装置，在所述内燃机的所述低负荷区域，对应所述内燃机的运转模式设定所述规定量。
5.根据权利要求3所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于所述规定量设定装置，在所述内燃机的所述低速·低负荷区域，对应所述内燃机的运转模式设定所述规定量。
6.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于所述规定量设定装置，在所述内燃机的所述低负荷区域，设定所述规定量为所述NOx吸收存储还原催化剂的所述NOx可吸收储存容量的1/3～2/3的量。
7.根据权利要求3所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于所述规定量设定装置，在所述内燃机的所述低速·低负荷区域，设定所述规定量为所述NOx吸收存储还原催化剂的所述NOx可吸收储存容量的1/3～2/3的量。
8.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于具有检测所述内燃机旋转速度的旋转速度检测传感器和检测所述内燃机负荷的负荷检测传感器；所述NOx量计算装置，根据所述旋转速度检测传感器及所述负荷检测传感器的输出信息计算出积蓄在所述NOx吸收存储还原催化剂中的NOx量。
9.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于设有在所述内燃机从所述高负荷区域变化到所述低负荷区域时，或从所述高速·高负荷区域变化到所述低速·低负荷区域时，立即将流入所述NOx吸收存储还原催化剂的所述内燃机的排气的空燃比改变为接近理论空燃比，并使所述NOx吸收存储还原催化剂释放出NOx的第2空燃比控制装置。
10.根据权利要求4所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于设有在所述内燃机从所述高负荷区域变化到所述低负荷区域时，立即将流入所述NOx吸收存储还原催化剂的所述内燃机的排气的空燃比改变为接近理论空燃比，并使所述NOx吸收存储还原催化剂释放出NOx的第2空燃比控制装置。
11.根据权利要求5所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于设有在所述内燃机从所述高速·高负荷区域变化到所述低速·低负荷区域时，立即将流入所述NOx吸收存储还原催化剂的所述内燃机的排气的空燃比改变为接近理论空燃比，并使所述NOx吸收存储还原催化剂释放出NOx的第2空燃比控制装置。
12.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于设有能够限制流向所述内燃机气缸的吸气流量的吸气流量限制装置；所述第1空燃比控制装置，通过所述吸气流量限制装置限制流向所述内燃机气缸的吸气流量，并把所述内燃机的排气的空燃比改变到接近理论空燃比。
13.根据权利要求4所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于设有能够限制流向所述内燃机气缸的吸气流量的吸气流量限制装置；所述第1空燃比控制装置，通过所述吸气流量限制装置限制流向所述内燃机气缸的吸气流量，并把所述内燃机的排气的空燃比改变到接近理论空燃比。
14.根据权利要求5所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于设有能够限制流向所述内燃机气缸的吸气流量的吸气流量限制装置；所述第1空燃比控制装置，通过所述吸气流量限制装置限制流向所述内燃机气缸的吸气流量，并把所述内燃机的排气的空燃比改变到接近理论空燃比。
15.根据权利要求9所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于设有能够限制流向所述内燃机气缸的吸气流量的吸气流量限制装置；所述第2空燃比控制装置，通过所述吸气流量限制装置限制流向所述内燃机气缸的吸气流量，并把所述内燃机的排气的空燃比改变到接近理论空燃比。
16.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于在所述内燃机中设有具有压缩机的增压机；所述吸气流量限制装置，能够将所述增压机的所述压缩机出口侧的一部分供气排出到所述NOx吸收存储还原催化剂的尾流侧。
17.根据权利要求12所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于设有检测所述吸气流量限制装置的动作状态的动作状态检测装置和根据该动作状态检测装置输出的信号对所述内燃机气缸的燃料供给量进行补偿的燃料供给量补偿装置。
18.根据权利要求15所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于设有检测所述吸气流量限制装置的动作状态的动作状态检测装置和根据该动作状态检测装置输出的信号对所述内燃机气缸的燃料供给量进行补偿的燃料供给量补偿装置。
全文摘要
一种内燃机的排气净化装置,在排气净化装置1中设置有:当NOx吸收存储还原催化剂10中积蓄的NOx量达到规定量时,将流入NOx吸收存储还原催化剂10的柴油发动机2的排气的空燃比改变到接近理论空燃比,并使NOx吸收存储还原催化剂10释放出NOx的第1空燃比控制装置,和对应柴油发动机2的负荷设定所述规定量的规定量设定装置。如果在高负荷区域设定较大的规定量,则能够减少接近理论空燃比的运转频率,并可把柴油发动机2的燃料消耗率及耐久性的劣化抑制到最小限度。
文档编号F01N3/24GK1369625SQ0210358
公开日2002年9月18日 申请日期2002年2月7日 优先权日2001年2月7日
发明者西山利彦 申请人:株式会社小松制作所