专利名称：用于内燃机的排气净化设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于内燃机的具有微粒过滤器的排气净化设备。
背景技术：
包含在柴油机的排气中的排出微粒物质(PM)被视为重要的环境问题，并且已经提出了安装用于收集柴油机中的PM的柴油微粒过滤器(DPF)。DPF通过燃烧和除去收集的PM而周期性地再生从而恢复收集PM的性能。PM的燃烧通常需要DPF的温度充分高。然而，在某些情形下，利用氧化催化剂生成的氧化反应热来执行PM的燃烧。一种DPF系统(下文中被称作上流催化型DPF系统)具有布置在DPF上流侧上的氧化催化剂。另一种DPF系统(下文中被称作单个DPF系统)只包括DPF，并且催化剂由DPF过滤器衬底保持着。
为了提高DPF的温度，从发动机排出的排气温度可以通过进气的节流、燃料喷射的延迟或者排气再循环(EGR)的加强而提高。或者，包含在从发动机排出的排气中的未燃部分(下文中，也被称作未燃的碳氢化合物，即未燃的HC)可以通过例如使燃料喷射产生催化反应热(参见日本未经审查的专利公布，编号为2003-172185)而有意地提高。在上述的每种情形下，不能转换成发动机功率的能量就浪费了，因此需要考虑燃料的消耗。当DPF的温度充分高时，燃烧速度加速。因此，用于DPF再生所需的时间缩短从而更加有利地降低了燃料的消耗。然而，当DPF的温度迅速提高时，DPF可能会损坏。因此，适合于DPF再生的温度应该作为保持DPF的温度的目标温度。
然而，相对于上述的两种用于提高DPF温度的方法而言，提高排气温度并且向DPF供给排气的这种方法会经由发动机或者排气管造成能量损失。因此，增加未燃的HC量的另一种方法在燃料消耗这方面比这一种方法更有利。另外，单个DPF系统比上流催化剂式DPF系统有利，因为单个DPF系统可以仅仅由DPF构成从而允许较低的制造成本和较低的重量。
然而，在单个DPF系统中，当使用增加未燃的HC这一方法时，却存在下面的不利之处。即，在催化剂上流式DPF系统中，由于催化反应热而具有升高的温度的排气被供给DPF。相反，在单个DPF系统中，在未燃的HC一进入DPF时就在DPF中发生未燃HC的催化反应。图16显示了DPF的温度和用于氧化HC的反应速度之间的关系。当升高DPF的温度时，催化剂的活化水平提高从而反应速度加速。然而，当DPF的温度低于预定温度时，催化剂不会有效地被激活从而HC不能充分燃烧。DPF的温度需要等于或者高于600摄氏度从而实现PM的稳定有效的燃烧。当较低温度的排气中的较大量的未燃HC从发动机排出时，未反应的HC会粘附到催化剂上从而导致催化剂中毒。因此，在单个DPF系统的情况下，在DPF的前端面或者接近它的位置上大体上不会发生由未燃的HC的催化反应所导致的温度的升高，其中前端面是DPF的上流端。因此，存在温度梯度，其中从DPF的上流端向DPF的下流端温度增大。
如图17所示，在DPF入口的排气温度等于或者小于预定温度(下文中被称作再生温度)的情形下，DPF上流端的温度不会变成等于或者大于再生温度，其中在再生温度之上燃烧PM的量大于从发动机输出的排出PM量并且温度梯度稳定地保持着。因此，收集在DPF上流端的收集PM不能充分地燃烧并且不能彻底地除去。因此，DPF的上流端会被PM阻塞。参照图18，在发动机的较低的载荷范围内会遇上上述的状态，该状态在排气温度不能提高至再生温度的发动机怠速状态下或者车辆的低行进速度时会发生。
因此，在发动机的操作范围内，从发动机输出的排气温度应该提高从而使DPF入口处的排气温度等于或者大于再生温度从而避免DPF的堵塞和/或DPF催化剂的中毒。然而，用于通过例如使进气节流而提高排气温度的方法限制在不会导致缺火的范围内。因此，温度提高被限制在不能令人满意的等级上。
发明内容
本发明解决了上述的缺点。因此，本发明的一个目的是提供一种内燃机的排气净化设备，该设备可以使微粒过滤器有效地再生同时实现相对较低的燃料消耗。
为了实现本发明的一个目的，配设了用于内燃机的排气净化设备。排气净化设备包括微粒过滤器、催化剂活化水平检测装置和喷射模式选择装置。微粒过滤器包括过滤器衬底，该衬底在捕获到从内燃机排出的排气中的微粒物质时，就通过利用催化剂的氧化反应产生的反应热燃烧并除去微粒物质而使微粒过滤器再生。催化剂活化水平检测装置用于检测催化剂的活化水平。喷射模式选择装置用于选择第一至第三喷射模式之一。第一喷射模式用于在内燃机的每个热周期执行单个燃料喷射并且主要用于产生内燃机的输出功率。第二喷射模式用于在内燃机的每个热周期分别在多个喷射阶段执行多个燃料喷射。第二喷射模式的多个燃料喷射中的第一个大体上与第一喷射模式的燃料喷射相同。第二喷射模式的多个燃料喷射还包括至少一个后续的燃料喷射，该后续的燃料喷射在第二喷射模式的多个燃料喷射的第一个喷射的延迟侧上执行，并且与多个燃料喷射的第一个喷射相比具有更高的废热比，从而提高了从内燃机输出的排气的温度，并且通过第二喷射模式产生了期望的内燃机输出功率。第三喷射模式用于在内燃机的每个热周期分别在多个喷射阶段执行多个燃料喷射。第三喷射模式的多个燃料喷射中的第一个大体上与第一喷射模式的燃料喷射相同。第三喷射模式的多个燃料喷射还包括至少一个后续的燃料喷射，该后续的燃料喷射在第三喷射模式的多个燃料喷射的第一个喷射的延迟侧上执行。第三喷射模式中，第三喷射模式的多个燃料喷射的第一个喷射的终点与第三喷射模式的至少一个后续燃料喷射的后续喷射的起点之间的喷射间隔大于第二喷射模式的间隔，从而第三喷射模式的至少一个后续的燃料喷射中的一个后续喷射中喷射的燃料一经燃烧产生的排气中的未燃燃料部分的比率高于第二喷射模式的比率，并且由此产生的未燃燃料部分供给微粒过滤器，并通过第三喷射模式实现了内燃机的期望输出功率。喷射模式选择装置一接收到用于微粒过滤器再生的请求时就选择第二和第三喷射模式之一。当由催化剂活化水平检测装置检测的催化剂活化水平相对较低并且等于或者小于阈值时，喷射模式选择装置就选择第二喷射模式。
阅读了下面的说明、所附权利要求书和附图以后，将会最好地理解本发明以及与之一起的附加的目的、特征和优点，图中图1是显示了用于根据本发明实施例的内燃机的排气净化设备的结构的示意图；图2是显示了由实施例的排气净化设备执行的喷射模式的时间图；
图3是显示了实施例的排气净化设备的操作的曲线图；图4是显示了实施例的排气净化设备的操作的曲线图；图5是显示了实施例的排气净化设备的操作的另一个曲线图；图6A是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的时间图；图6B是显示了实施例的排气净化设备的操作的曲线图；图7是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的时间图；图8是显示了实施例的排气净化设备的ECU中执行的控制操作的流程图；图9是显示了实施例的排气净化设备的ECU中执行的控制操作的流程图；图10A是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的时间图；图10B是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的曲线图；图11A是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的时间图；图11B是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的曲线图；图11C是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的另一个曲线图；图12A是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的时间图；图12B是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的曲线图；图12C是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的另一个曲线图；图13是用于描绘实施例的排气净化设备的操作的时间图；图14是显示了实施例的排气净化设备的ECU中执行的控制操作的流程图；图15是显示了内燃机的汽缸压力和曲柄转角之间的关系的曲线图；图16是显示了HC反应速度和氧化催化剂的温度之间的关系的曲线图；
图17是用于描绘在先提出的用于内燃机的排气净化设备的曲线图；以及图18是用于描绘在先提出的排气净化设备的时间图。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。图1显示了具有根据本发明实施例的排气净化设备的柴油机系统(内燃机)的整个结构。具有排气净化设备的发动机1是排气再循环(EGR)式的。在发动机1中，EGR通道23连接在进气通道21和排气通道22之间从而使排气通道22的部分排气回流到进气通道21。排气的回流量由配设在EGR通道23中的EGR控制阀32来调节。
空气流量计(进气流量传感器)51布置在进气通道21中测量供给发动机1的进气量。空气流量计51是大体上已知的样式，其中将测量的进气量表示为质量流量。进气节气门31布置在进气通道21中。通过调节节气门31的打开程度，可以改变供给发动机1的进气量。
柴油机微粒过滤器(DPF)41布置在发动机1的排气通道22中。DPF41包括耐火材料陶瓷蜂巢结构(例如堇青石)作为过滤器衬底。形成气流通道的蜂巢结构的隔室交替闭合，以便交替布置隔室的入口和出口。另外，氧化催化剂(例如铂催化剂)覆盖在隔室的壁面上。从发动机1排出的排气经由DPF41的多孔的隔壁向下流动，微粒物质(PM)由隔壁捕获并且累积在隔壁上。
用于测量空气与燃料比的空燃比传感器(下文中被称作A/F传感器)52和用于测量排气温度的排气温度传感器53、54配设在排气通道22中。充当催化剂活化水平检测装置和排气温度检测装置的上流侧排气温度传感器53布置在DPF41的上流侧上从而测量供给DPF41的排气温度。
配设用于检测DPF41的上流侧和下流侧之间的压力差的差压传感器55来确定DPF41捕获的并且累积在它上面的PM累积量。差压传感器55插入在压力引导管241和242之间。压力引导管241在DPF41上流侧与排气通道22连通，并且压力引导管242在DPF41的下流侧与排气通道22连通。
另外，充当发动机功率检测装置的转速传感器56配设在发动机1中用于测量发动机1的发动机转速，其中发动机转速充当表示发动机输出功率(发动机功率)的参数。
电子控制单元(ECU)61接收上述的传感器51-56和未示出的传感器的输出信号。ECU61计算燃料喷射的最佳数量、最佳的喷射正时和最佳的喷射压力，这些对于各个部分在当前的操作状态下执行发动机1的反馈控制操作是最佳的。
ECU61基于发动机1或者DPF41的状态选择与发动机1的单个热周期相对应的相应喷射模式。图2显示了可选的喷射模式。这些喷射模式包括喷射模式(第一喷射模式)A、喷射模式(第二喷射模式)B-1、B-2B-3和喷射模式(第三喷射模式)C。燃料喷射模式B-1至B-3总体上被称作喷射模式B。
喷射模式A是主要旨在实现期望的发动机功率的喷射模式。一旦接近压缩上死点(压缩TDC)就喷射燃料。由喷射燃料的燃烧生成的能量高效率地转换成发动机功率。
喷射模式B是旨在向排气施加足够的热能同时实现期望的发动机功率。燃料从接近延迟侧上的压缩TDC的点开始以多个喷射阶段进行喷射。如图3所示，在燃料数量保持相同的情形下，当点火正时延迟时，转换成发动机功率的转换的热能相对于由燃料燃烧生成的总热能的比减少。然而，同时，即当点火正时延迟时，废热量增大，因此排气温度升高。另外，如图4所示，在设置燃料喷射量而保持相同的发动机功率时，排气温度可以通过延迟燃料的燃烧而提高。然而，当喷射正时简单延迟时，缺火的可能性就变得非常高。喷射模式B与喷射正时的简单延迟不同。更具体地说，在喷射模式B中，与喷射模式A的单个燃料喷射大体上相同的燃料喷射在接近压缩TDC时执行，之后在压缩TDC的延迟侧上执行燃料喷射。后一喷射阶段的燃料喷射不会导致在后一喷射阶段喷射的燃料的缺火，因此即使当点火正时充分延迟时也能允许燃料的点火，因为在前一喷射阶段喷射的燃料以常规方式燃烧。因此，缺火的限制基本上移到延迟侧。这样，废热的比率会提高同时点火正时充分延迟。这就是喷射模式B的特征。
图5显示了两种燃烧轮廓，这两种是在不同的燃料喷射开始正时处获得的(a1(ATDC)＜a2(ATDC))。在相对于燃料喷射起始正时(a1(ATDC))延迟的延迟侧的燃料喷射起始正时(a2(ATDC))处，虽然放热率的峰值变小，但是燃烧却延长了。即，燃烧软化并且燃烧的结束正时延迟。因此，在喷射模式B-2、B-3的情形下，在第三喷射阶段或者后一喷射阶段，先前燃料喷射和当前燃料喷射开始之间的正时间隔(喷射间隔)逐渐并且连续地增大，并且燃烧延长。在最后的喷射阶段，在最延迟的点上执行燃烧从而进一步提高排气温度。即当喷射阶段数目增大时，可以在比较延迟的点上执行燃烧从而有效地提高排气温度。喷射模式B-1至B-3在喷射阶段的数目上彼此不同。
在喷射模式B中，在后一喷射阶段燃料喷射量与前一喷射阶段相比增大了。图6A显示了两种喷射模式即喷射模式1和喷射模式2，其中每个都包括四个喷射阶段。图6B显示了燃料喷射总量和排气温度之间的关系。喷射模式1对应于喷射模式B。就喷射模式1而言，当第n喷射阶段(也可称作喷射阶段n)的燃料喷射量通过Qn表达时，应该确立下面的关系Q1≤Q2≤Q3≤Q4。就喷射模式2而言，应该满足Q3＞Q4或者Q2＞Q4或者Q1＞Q4。就图6A而言，满足Q3＞Q4。在喷射模式1、2中，在燃料喷射量和输出功率保持相同时，当每个热周期的燃料喷射总量增大时，排气温度提高。然而，喷射模式1的排气温度比喷射模式2的排气温度更高。即，就喷射模式B而言，从初始喷射阶段到最后的喷射阶段燃料喷射量连续地增大从而有效地提高排气温度。
因此，在DPF41再生的时候如果需要提高排气温度就选取喷射模式B。另外，选取喷射模式B-1到B-3中相应的一个模式来实现适当的喷射，该模式对应于发动机的当前工作情况。
喷射模式C旨在向DPF41供应未燃燃料。另外，当在DPF再生时需要通过供给未燃碳氢化合物(HC)来提高DPF温度时应该选取喷射模式C。图7是用于比较喷射模式C和喷射模式B的时间图。在喷射模式C中，在与第一喷射阶段的燃料喷射相隔足够的时间间隔之后执行第二喷射阶段中的燃料喷射，其中在邻近压缩TDC时执行第一喷射阶段。由于这个喷射间隔，在第二喷射阶段喷射的大多数燃料从汽缸中以未燃的HC的形式排出。
图8显示了由ECU61的微型计算机执行的控制例行程序。这个程序由ECU61以预定的间隔周期性地执行。首先在步骤S100中，计算PM累积量MPM。这个计算是基于DPF41的上流侧和下流侧之间的差压传感器55测量的压差和由空气流量计51测量的进气量来执行的。或者，每单位时间排出的PM量可以基于发动机1的工作情况来计算，并且累积的PM量MPM可以基于累积值来估算，该累积值通过每单位时间排出的PM量的累积来获得。
在步骤S200，确定是否当前的累积PM量MPM大于累积的PM的起始阈值量MPMH，其中该起始阈值量MPMH是DPF41开始再生的阈值。当累积在DPF41中的PM量相对较小时，就如同在使用一个全新的DPF41的情况下那样，或者当DPF41的再生刚好已经完成时，在步骤S200返回NO。当在步骤S200中返回NO时，控制进行到步骤S400。在步骤S400，确定是否启用即设置了DPF再生标记XRGN。DPF再生标记XRGN从DPF41再生操作的开始到结束一直保持着开启。当在步骤S400中返回NO时，控制进行到步骤S800。在步骤S800中，设置喷射模式A并且控制返回到步骤S100。
当在DPF41中进行PM的累积并且当前累积的PM量MPM超过累积PM的起始阈值量MPMH时，在步骤S200中返回YES。因此，就确定了DPF41的再生是必要的并且控制进行到步骤S300。在步骤S300中，启用DPF再生标记XRGN并且控制进行到步骤S500。在步骤S500中，确定用于提高DPF41的温度的温度提高周期喷射模式并且使用确定的喷射模式执行燃料喷射。
在步骤S600中，确定是否当前的累积PM量MPM小于累积的PM的结束阈值量MPML，其中该结束阈值量MPML是终止DPF41再生的阈值。累积的PM的结束阈值量MPML设置成小于累积PM的起始阈值量MPMH。在DPF41的再生开始一小段时间之后，对步骤S600中的询问返回NO。当在步骤S600中返回NO时，控制返回到步骤S100。
在步骤S200中，当返回NO时，控制就进行到步骤S400，其中在步骤S600中一返回NO时就执行步骤S100，并且在执行步骤S100之后执行该步骤S200。在这种情形下，DPF再生标记XRGN已经设置成启用，因此在步骤S400中返回YES并且控制进行到确定温度升高周期喷射模式步骤S500。
然后，当累积的PM的当前量MPM变得小于累积的PM的结束阈值量MPML(即在步骤S600中是YES)时，确定应该结束DPF41的再生。因此，控制进行到DPF再生标记XRGN关闭的步骤S700。这样，对步骤S400的询问返回NO。因此，在步骤S800中选取喷射模式A，并且因此不会执行温度升高周期喷射模式。
接下来，将参照图9描述用于确定温度升高周期喷射模式的步骤S500的过程。首先，应当指出步骤S501至S509充当本发明的喷射模式选择手段。在步骤S501中，读取即获得排气温度THIN。在下面的步骤S502中，确定经由上流侧排气温度传感器53检测的排气温度THIN是否等于或者小于充当参考排气温度的第一预定值。第一预定值设置成邻近DPF41的再生温度(允许DPF41再生的温度)。当排气温度THIN小于第一预定值时，并且因此在步骤S502返回YES时，经由步骤S504至S509选取喷射模式B-1至B-3之一。这是向DPF41供给温度升高的排气从而升高DPF41的温度，同时避免DPF41的催化剂中毒。当确定排气温度THIN等于或者大于第一预定值并且因此在步骤S502中返回NO时，就不可能使催化剂中毒。因此，控制进行到选取喷射模式C的步骤S503，并且控制进行到步骤S510。如上所述，喷射模式C通过在不会导致喷射燃料燃烧的充分延迟的角度的后一喷射阶段向DPF41提供未燃的HC。
在此，应当指出步骤S504至S509充当本发明的总喷射阶段数目设置手段。首先在步骤S504中选取喷射模式B-2。然后，在步骤S505中，基于A/F传感器52的输出信号和空气流量计51的输出信号来计算从发动机1排出的未燃部分的量(未燃的排出部分量)即HC排出量MHC。A/F传感器52和空气流量计51构成本发明的未燃排出部分量的检测装置。
在步骤S506中，确定排出的HC的量MHC是否超过第二预定值。当在步骤S506返回YES时，确定了未燃的HC过量，因此控制进行到步骤S507。在步骤S507中，选取喷射模式B-3，此模式与喷射模式B-2比较还包括一个附加的喷射阶段。然后，控制进行到步骤S510。喷射模式B-3包括最大数目的喷射阶段并且在最延迟的角度实现燃料喷射，以便可以最有效地升高排气温度。
图10A显示了三阶段喷射模式，对于最后喷射阶段的喷射间隔而言它们彼此不同。图10B显示了喷射间隔和排出的HC量之间的关系和喷射间隔与排气温度之间的关系。当喷射间隔增大时，最后喷射阶段的燃料喷射延迟因此排气温度升高。然而，当燃料喷射延迟时，缺火的可能性增大。因此，当最后喷射阶段中的燃料喷射过于延迟时，最后喷射阶段中的喷射燃料就不会燃烧，因此增大了未燃的排气HC。另外，因为燃料不会燃烧，所以排气温度降低。
因此，当排出HC的量MHC超过第二预定值时，就确定已经超过了用于有效地升高排气温度的限制。因此，提供附加的喷射阶段使缺火的极限移到更延迟的侧，因此限制了未燃的HC的输出。
当在步骤S506中返回NO时，控制进行到步骤S508。在步骤S508，确定位于最延迟角度的最后喷射阶段中的燃料喷射量是否小于第三预定值。当在步骤S508返回YES时，选取喷射模式B-1。喷射模式B-1具有较小数目的喷射阶段，它比喷射模式B-2少一个喷射阶段。当在步骤S508中返回NO时，保持在步骤S504中已经选取的喷射模式B-2并且控制进行到步骤S510。
如上所述，第二预定值作为排出的HC的参考量从而将喷射阶段的数目减小到最低，同时限制排出的HC的量MHC。这样来选取喷射阶段的适当数目。
在步骤S510中，确定发动机1是否处于怠速状态。当在步骤S510返回YES时，控制进行到步骤S511至S523，其中执行怠速速度控制(ISC)操作来调节各个喷射阶段中的燃料喷射量。当确定发动机1不处于怠速状态时，控制跳过S511至S523并且返回。
在此，步骤S511-S515充当本发明的与发动机功率相关的喷射量设置手段。在步骤S511中，读取发动机转速(rpm)NE。然后，在步骤S512中，计算测量发动机转速NE和目标转速NETRG之间的偏差ERRNE(＝NE-NETRG)，其中目标转速NETRG是目标发动机功率。然后，在步骤S513中，确定偏差ERRNE是否为负。当在步骤S513中没有返回NO时，即当发动机转速NE比目标转速NETRG高时，控制进行到步骤S514。在步骤S514中，前面一个或多个喷射阶段中的燃料喷射量减少，即降低，从而降低发动机功率，并且控制进行到步骤S516。基于偏差ERRNE通过当偏差ERRNE的绝对值增大时该减小就变大的方式来设置燃料喷射量的减少。在这种情形下，对于每个喷射阶段设置最小量的燃料喷射即最小阈值量。下文中，在第n阶段燃料喷射的最小量表达为燃料喷射的最小量n。因此，从第一喷射阶段开始，在没有低于燃料喷射的最小量的前提下减小前面的一个或多个喷射阶段中的燃料喷射量。更具体地说，当第一喷射阶段中的燃料喷射量等于或者大于燃料喷射的最小量1时，就减小第一喷射阶段中的燃料喷射量。当第一喷射阶段中的燃料喷射量变为燃料喷射的最小量1时，第二喷射阶段中的燃料喷射量在不低于燃料喷射的最小量2的前提下接着减小。如上所述，从第一喷射阶段到随后的后面一个或多个喷射阶段燃料喷射量减小。
在燃料喷射量降低的时候，每个喷射阶段中的燃料喷射量限制为等于或者大于分配给特定喷射阶段的燃料喷射的最小量。因此，燃料喷射量始终保持等于或者大于相应的燃料喷射最小量。
当在步骤S513中返回YES，即当发动机转速NE低于目标转速NETRG时，在步骤S515的前面一个或多个喷射阶段燃料喷射量增大从而提高发动机功率。然后，控制进行到步骤S516。基于偏差ERRNE通过当偏差ERRNE的绝对值增大时该增大就变大的方式来设置燃料喷射量的增大。在这种情形下，对于每个喷射阶段设置最大量的燃料喷射即燃料喷射量的上阈值。下文中，在第n阶段燃料喷射的最大量表达为燃料喷射的最大量n。因此，从第一喷射阶段开始，前面一个或多个喷射阶段中的燃料喷射量在没有超过燃料喷射的最大量的前提下增大。更具体地说，当第一喷射阶段中的燃料喷射量等于或者小于燃料喷射的最大量1时，就增大第一喷射阶段中的燃料喷射量。当第一喷射阶段中的燃料喷射量变为燃料喷射的最大量1时，第二喷射阶段中的燃料喷射量就在没有超过燃料喷射的最大量2的前提下增大。如上所述，从第一喷射阶段到随后的一个或多个喷射阶段燃料喷射量增大。
在此，应当指出，步骤S516至S519充当本发明的与排气温度相关的喷射量设置手段。在步骤S516中，计算排气温度THIN和目标排气温度THTRG之间的偏差ERRTH(＝THIN-THTRG)。然后，在步骤S517中，确定偏差ERRNE是否为负。当在步骤S517中返回N0时即当排气温度THIN比目标排气温度NETRG高时，控制进行到步骤S518。在步骤S518中，后面一个或多个阶段中的燃料喷射量减小即减少。然后，控制进行到步骤S520。基于偏差ERRNE通过当偏差ERRNE的绝对值增大时该减小就变大的方式来设置燃料喷射量的减少。在这种情形下，类似于步骤S514，对每个喷射阶段设置燃料喷射的最小量，即燃料喷射量的下阈值。因此，从最后喷的射阶段开始，后面的一个或多个喷射阶段中的燃料喷射量在不低于燃料喷射的最小量的前提下减小。更具体地说，首先，当最后喷射阶段(第n0阶段)中的燃料喷射量等于或者大于燃料喷射的最小量n0时，就减小燃料喷射量。然后，当最后喷射阶段中的燃料喷射量变成燃料喷射的最小量n0时，先前喷射阶段(n0-1)中的燃料喷射量就在不低于特定喷射阶段中的燃料喷射的最小量(n0-1)的前提下接着减小。如上所述，从最后喷射阶段到前面的一个或多个喷射阶段燃料喷射量减小。
当在步骤S517中返回YES，即当排气温度THIN低于目标排气温度NETRG时，在步骤S515的后面一个或多个喷射阶段燃料喷射量增大从而提高发动机功率。然后，控制进行到步骤S516。基于偏差ERRTH通过当偏差ERRTH的绝对值增大时该增大就变大的方式来设置燃料喷射量的增大。在这种情形下，对于每个喷射阶段设置最大量的燃料喷射即燃料喷射量的上阈值。因此，从最后喷射阶段开始，在后面一个或多个喷射阶段中的燃料喷射量增大并且没有超过燃料喷射的最大量。更具体地说，首先，当最后喷射阶段(第n0阶段)中的燃料喷射量等于或者小于预定的燃料喷射的最大量n0时，就在最后喷射阶段增大燃料喷射量。然后，当最后喷射阶段中的燃料喷射量变成燃料喷射的最大量n0时，先前喷射阶段(n0-1)中的燃料喷射量就在不会超过特定喷射阶段中的燃料喷射的最大量(n0-1)的前提下接着增大。如上所述，从后面的喷射阶段到前面的一个或多个喷射阶段燃料喷射量增大。
在燃料喷射量降低的时候，每个喷射阶段中的燃料喷射量限制为等于或者大于分配给特定喷射阶段的燃料喷射的最小量。因此，燃料喷射量始终保持等于或者大于相应的燃料喷射最小量。
现在，参照图11A-12C，描述步骤S513至S515与步骤S517至S519之间的不同，其中在步骤S513至S515中调节从第一喷射阶段到后面的一个或多个喷射阶段相对于发动机功率的燃料喷射量，而在步骤S517至S519中调节从最后喷射阶段到前面的一个或多个喷射阶段相对于排气温度的燃料喷射量。图11A至11C显示了在喷射模式B下在前面的喷射阶段(最提前侧的喷射阶段)燃料喷射量增大或者减少的情形。更具体地说，图11A显示了在前面的喷射阶段(前面的喷射阶段或者第一喷射阶段)在燃料喷射量增大或者减少的时候喷射模式变化。图11B显示了在前面的喷射阶段燃料喷射量增大或者减少的时候排气温度的变化。图11C显示了在前面的喷射阶段燃料喷射量增大或者减少的时候发动机功率的变化。图12A至12C显示了在喷射模式B下在后面的喷射阶段(最延迟侧的喷射阶段)燃料喷射量增大或者减少的情形。更具体地说，图12A显示了在后面的喷射阶段燃料喷射量增大或者减少的时候喷射模式的变化。图12B显示了在后面的喷射阶段中燃料喷射量增大或者减少的时候排气温度的变化。图12C显示了在后面的喷射阶段中燃料喷射量增大或者减少的时候发动机功率的变化。
可以从附图上清楚地理解，在前面的喷射阶段中燃料喷射量增大或者减少的情形下，虽然排气温度变化相对较小，但是发动机功率变化却相对较大。相反，在后面的喷射阶段中燃料喷射量增大或者减少的情形下，虽然排气温度变化相对较大，但是发动机功率变化却相对较小。这是由于下面的原因。即，在其中喷射正时在提前侧的前面喷射阶段，由燃料燃烧生成的能量有效地转换成发动机功率。相反，在其中喷射正时在延迟侧的后面的喷射阶段中，由燃料燃烧生成的能量不能有效地转换成发动机功率因此作为废热输出。如上所述，排气温度和发动机功率显示了在前面的喷射阶段中燃料喷射量的增大或者减少时间与在后面的喷射阶段中燃料喷射量的增大或者减少时间之间的反向结果。因此，就调节发动机的功率而言，燃料喷射量的调节从前面的喷射阶段进行到后面的喷射阶段，以便可以调节发动机功率而不会导致对排气温度产生相当大的影响。另外，就调节排气温度而言，燃料喷射量的调节从后面的喷射阶段进行到前面的喷射阶段，以便可以调节排气温度而不会导致对发动机功率产生相当大的影响。
步骤S520至S523充当本发明的喷射量校正手段。在步骤S520中，计算发动机转速的偏差ERRNE的累积值IENE。这个计算按如下执行。即当前偏差ERRNE(i)添加的到以前的累积值IENE(i-1)上得到当前的累积值IENE(i)。然后，在步骤S521中，确定累积值IENE是否为负的。当在步骤S521中返回NO时，即当发动机功率过量(即超过阈值功率)时，前面的一个或多个喷射阶段中的燃料喷射量减小即在步骤S522中进行渐减地校正并且控制进到返回。通过当累积值IENE的绝对值增大时该减小就变大的方式基于累积值IENE来设置燃料喷射量的减小。类似于步骤S514，从前面的喷射阶段向后面的喷射阶段(例如从第一喷射阶段向最后的喷射阶段)执行燃料喷射量的减小。当燃料喷射量从前面的喷射阶段连续地减小时，例如由发动机中的变化(例如制造变化)导致的过量的发动机功率可以被校正，并且基本上不会降低排气温度。
另外，当在步骤S521返回YES时，即当发动机功率较低时，控制进行到步骤S523。在步骤S523中，燃料喷射量增大，即从后面的一个或多个喷射阶段开始渐增地校正，并且控制进到返回。通过当累积值IENE的绝对值增大时该增大就变大的方式基于累积值IENE来设置燃料喷射量的增大。类似于步骤S519，从后面的喷射阶段向前面的喷射阶段(例如从最后喷射阶段向第一喷射阶段)执行燃料喷射量的增大。当燃料喷射量从后面的喷射阶段连续地增大时，例如由发动机中的变化导致的发动机功率的不足可以被校正，同时实现较高的排气温度。
图13是将本实施例与在先提出的技术(相关领域技术)进行了比较的图形。在在先提出的技术中，喷射模式从常规喷射模式(对应于本实施例的喷射模式A)转到另一种喷射模式(对应于本实施例的喷射模式C)从而通过向DPF41供给未燃的HC来提高DPF的温度。在此前提出的技术中，当发动机功率相对较小时，排气温度大体上不会增大。另外，在此前提出的技术中，即使当未燃的HC供给DPF41时，DPF41的温度也不会充分地提高。在本实施例中，喷射模式B是可选的。因此，通过在执行喷射模式C之前选择喷射模式B可以迅速地提高排气温度，该喷射模式C提供未燃的HC。这样，DPF41的温度就超过了DPF41的再生温度。因此，可以为在DPF41中燃烧未燃的HC提供有利的环境。
在选取喷射模式B、C的情形下，通过调节最后喷射阶段的喷射间隔，可以对转换成排气热的一部分喷射燃料量与变成未燃燃料的另一部分喷射燃料量的比进行优化。例如，就喷射模式B而言，当排气温度等于或者大于预定温度从而使DPF41前端的催化剂的激活加速时，如果超过了所需的量燃烧热就不会转换。因此，喷射燃料的相应部分存在最佳的比值，该部分转换成排气热并且能够实现排气热的最佳值。另外，就喷射模式C而言，从排气通道22通过热释放导致的能量损失减小到最低，并且DPF41前端催化剂可以获得所需的排气温度，该所需的排气温度对于保持激活的最小等级是必需的。因此，就喷射模式C而言，存在用于实现最佳排气热的比。喷射模式B、C的最佳比基于操作状态(例如发动机转速和需要的转矩)而改变。调节燃料喷射正时从而提前实现最佳比。然而，由于喷射器中的变化(例如制造变化)或者易燃性的变化，实际比会偏离最佳比。
基于如图10B所示的喷射间隔和排气温度以及排出的HC的量之间的关系调节实际比。在喷射模式B中，喷射间隔充分地延迟而没有导致缺火从而增大了废热的比率。然而，在由于燃料喷射的过于延迟而不能获得期望的燃烧热的情形下，喷射间隔缩短从而增大喷射燃料中转换成排气热的相应的部分的比率。在喷射模式C中，喷射间隔充分地延长从而输出未燃的HC。然而，当不能获得期望的排出HC的量时，喷射间隔应该进一步延长从而增大排出的HC的量。
图14显示了用于调节喷射间隔的控制流程图。通过计算汽缸中实际生成的热量可以知道实际比。因此，在发动机1的每个汽缸中提供汽缸压力传感器来测量汽缸的燃烧室中的压力。而且发动机的旋转角度传感器布置在曲柄轴附近用于测量曲柄旋转角度。首先在步骤S531中，使用发动机旋转角度传感器测量曲柄转角Dcl。然后，在步骤S532中，使用汽缸压力传感器测量喷射汽缸的汽缸压力Pcl。图15显示了表示使用汽缸传感器测量的实际汽缸压力变化的波形。在图15中，横轴表示曲柄转角。另外，在图15中，″t1″表示压缩上死点(DTC)。一开始压缩冲程，汽缸压力就会由于活塞在汽缸中的运动产生的压缩而增大，并且燃料在汽缸中燃烧。
燃烧周期中特定时间t2处汽缸中存在的气体的能量由汽缸压力Pcyl和汽缸容积V的乘积PcylV表示。汽缸容积V由曲柄转角Dcl确定。该能量是通过压缩产生的能量和通过燃烧产生的能量之和。当由燃烧产生分能量使用气体状态方程来表示时，可以基于每单位曲柄转角的能量变化来得到燃烧的热值。即，当测量每曲柄转角Dcl的汽缸压力Pcyl时，每个燃烧周期中在汽缸中产生的热量Qcyl可以基于步骤S533中测量的汽缸压力Pcyl来计算。
步骤S534至S536充当本发明的比值检测手段。在步骤S534中，在选取喷射模式B或者C中，基于单个汽缸中喷射的燃料总量Qtotal来计算在喷射的该燃料完成燃烧的时候产生的热量Qtotal_cyl。接下来，在步骤S535中，基于对应于喷射模式A的燃料喷射总量QA来计算喷射的该燃料完成燃烧时产生的热量QA_cyl。喷射模式B或者C中的燃料喷射量是用于实现大体上与喷射模式A相同的功率的燃料喷射量和用于提高排气温度或者用于供给未燃燃料的燃料喷射量之和。因此，在进到步骤S536之前，获得了与喷射模式A对应的热量。
在步骤S536中，基于在步骤S533中计算的汽缸中产生的热量Qcyl和在步骤S534中计算的产生的热量Qtotal_cyl以及在步骤S535中计算的产生的热量QA_cyl按照如下来计算喷射模式B或者C的生热比RR＝(Qcyl-QA_cyl)/(Qtotal_cyl-QA_cyl)其中，燃料喷射的(Qcyl-QA_cyl)表示对应于选取的喷射模式B或者C的燃料喷射量完全燃烧的情形下的热值，(Qtotal_cyl-QA_cyl)表示燃烧产生排气热的那部分燃料量的热值。
步骤S537至S542充当本发明的校正手段。在步骤S537中，确定选取的喷射模式是否为喷射模式B。在步骤S538中，确定步骤S536中计算的生热比R是否小于第四预定值。在喷射模式B下设置第四预定值用于实现燃料喷射时候所期望的排气热。理想的情况是，应该对于各个工作情况(例如发动机转速、所需的转矩)记录或者存储映射值，因为一种工作情况和另一种工作情况的最佳值不相同。
当在步骤S538返回YES时，就确定了产生的热量小于所需的热量，并且控制进行到步骤S539从而提高排气热量。在步骤S539中，喷射模式B下的燃料喷射在最后喷射阶段提前了。这样，喷射间隔减小并且由于缺火而导致的未燃燃料的输出减小。因此，喷射的燃料中转换成排气热的相应部分的比率增大。这时，应该以如下的方式来设置校正量，即当计算的比值与第四预定值之间偏差变大时喷射间隔就减小的方式。当在步骤S538中返回NO时，就确定了产生的热量等于或者大于所需的热量并且本程序结束。
在步骤S537中，当确定选取的喷射模式不是喷射模式B时，控制进行到步骤S540。然后，在步骤S540中，确定选取的喷射模式否为喷射模式C。当在步骤S540中返回YES时，控制进行到步骤S541。在步骤S541中，确定在步骤S536中计算的生热比R是否大于第五预定值。在喷射模式C下设置第五预定值用于实现燃料喷射时候所期望的排气HC的量。理想的情况是，应该对于各个工作情况(例如发动机转速、所需的转矩)记录或者存储映射值，因为一种工作情况和另一种工作情况的最佳值不相同。
当在步骤S541返回YES时，就确定了排气HC的量等于或者小于所需的量，并且控制进行到步骤S542从而增大排气HC的量。在步骤S542中，喷射模式C下的燃料喷射在最后喷射阶段延迟了。这样，喷射间隔增大并且没有燃烧的未燃燃料的输出增大。因此，喷射的燃料中转换成排气热的相应部分的比率减小。这时，应该以如下的方式来设置校正量，即当计算的比值与第五预定值之间的偏差变大时喷射间隔就增大的方式。当在步骤S540或者步骤S541中返回NO时，当前程序终止。
通过本程序，喷射的燃料中转换成排气热的那部分燃料量与变成未燃燃料的另一部分之间的比值，通过调节喷射间隔从而校正喷射器的制造变化和/或喷射器的易燃性的变化来进行调节。
在本实施例的DPF41的再生期间，选取喷射模式B或者喷射模式C。然而，在发动机的一些操作范围(例如高荷载操作范围)中，排气温度充分高，从而不需要进一步提高排气温度或者供给未燃的HC。这该情形下，除喷射模式B、C之外，可以选取喷射模式A。
另外，在上述的实施例中，可选取三个喷射模式(B-1至B-3)之一作为喷射模式B。然而，本发明并不局限于此。即，可以选择喷射模式B多于或者少于三种喷射模式，即喷射模式B可选的喷射模式的数目可以大于或者小于三。例如，喷射模式B可选的一个或多个喷射模式的数目可以设为一。
另外，在上述的实施例中，基于排气的温度确定DPF41的催化剂的活化水平，其中该排气从发动机1排出并且视为DPF41的温度。或者，也可以基于下流侧排气温度传感器54测量的温度来确定DPF41的催化剂的活化水平，其中该传感器在DPF41的下流侧上测量排气温度。另外，DPF41的温度可以基于预定的传递函数的使用来估算。
在上述的实施例中，基于A/F传感器52的输出和空气流量计51的输出来获得排气HC的量。然而，本发明并不局限于此。例如，排气HC的量可以基于发动机的工作情况(例如汽缸排量、排气温度、EGR率)来估算。或者，可以配设汽缸压力传感器，并且可以基于测量的汽缸压力估算汽缸中的放热率。然后，可以基于汽缸的放热率和燃料喷射量来估算排气HC的量。或者，可以基于位于DPF41上流侧的上流侧排气温度传感器53的测量温度和位于DPF41下流侧的下流侧排气温度传感器54的测量温度之间的温度差，来测量由于DPF41中的未燃的HC的催化反应热而提高的温度。排出的未燃HC的量可以基于温度差来获得。
对于本领域的技术人员而言，可以很容易地形成其它的优点并进行修改。因此在本发明的广义上来说，本发明并不限于具体详细的、典型的设备以及显示和描述的示意性实例。
权利要求
1.一种用于内燃机的排气净化设备，该排气净化设备包括微粒过滤器，其包括将催化剂保持在它上面的过滤器衬底，用于在捕获从内燃机排出的排气中的微粒物质时，该衬底就通过利用催化剂的氧化反应产生的反应热燃烧并除去微粒物质而使微粒过滤器再生；用于检测催化剂活化水平的催化剂活化水平检测装置；以及用于在第一至第三种喷射模式中进行选择的喷射模式选择装置，其中用于在内燃机的每个热周期执行单个燃料喷射并且主要用于产生内燃机的输出功率的第一喷射模式；用于在内燃机的每个热周期分别在多个喷射阶段执行多个燃料喷射的第二喷射模式；第二喷射模式的多个燃料喷射中的第一个喷射大体上与第一喷射模式的燃料喷射相同；第二喷射模式的多个燃料喷射还包括至少一个后续的燃料喷射，该后续的燃料喷射在第二喷射模式的多个燃料喷射的第一个喷射的延迟侧上执行，并且与多个燃料喷射的第一个喷射相比具有更高的废热比，从而提高了从内燃机输出的排气的温度，并且通过第二喷射模式产生了期望的内燃机输出功率；用于在内燃机的每个热周期分别在多个喷射阶段执行多个燃料喷射的第三喷射模式；第三喷射模式的多个燃料喷射中的第一个喷射大体上与第一喷射模式的燃料喷射相同；第三喷射模式的多个燃料喷射还包括至少一个后续的燃料喷射，该后续的燃料喷射在第三喷射模式的多个燃料喷射的第一个喷射的延迟侧上执行；第三喷射模式中，第三喷射模式的多个燃料喷射的第一个喷射的终点与第三喷射模式的至少一个后续燃料喷射的后续喷射的起点之间的喷射间隔大于第二喷射模式的间隔，从而第三喷射模式的至少一个后续的燃料喷射中的一个后续喷射中喷射的燃料一经燃烧产生的排气中的未燃燃料部分的比率高于第二喷射模式的比率，并且由此产生的未燃燃料部分供给到微粒过滤器，并通过第三喷射模式实现了内燃机的期望输出功率；喷射模式选择装置一接收到用于微粒过滤器再生的请求时就选择第二和第三喷射模式之一；并且当由催化剂活化水平检测装置检测的催化剂活化水平相对较低并且等于或者小于一阈值时，喷射模式选择装置就选择第二喷射模式。
2.如权利要求1所述的排气净化设备，其特征在于催化剂活化水平检测装置包括用于检测排气温度的排气温度检测装置；并且当由排气温度检测装置检测的排气温度等于或者小于参考排气温度时，就确定催化剂活化水平相对较低，从而喷射模式选择装置选择第二喷射模式。
3.如权利要求1所述的排气净化设备，其特征在于第二喷射模式的至少一个后续的燃料喷射包括多个后续的燃料喷射；并且朝向第二喷射模式的多个后续燃料喷射的最后一个喷射，第二喷射模式的多个后续的燃料喷射的喷射间隔逐个地增大。
4.如权利要求1所述的排气净化设备，其特征在于，朝向第二喷射模式的多个后续燃料喷射的最后一个喷射，第二喷射模式的多个后续的燃料喷射的燃料喷射量逐个地增大。
5.如权利要求1所述的排气净化设备，还包括用于检测内燃机的输出功率的发动机功率检测装置；和与发动机功率相关的喷射量设置装置，用于设置第二喷射模式的多个燃料喷射中的每个喷射的喷射量，在由喷射模式选择装置选取第二喷射模式的情形下，在不低于为第二喷射模式的多个燃料喷射中的每个喷射所指定的最小阈值量的前提下，通过使检测的内燃机输出功率与内燃机的目标输出功率一致的方式来设置喷射量，其中，与发动机功率相关的喷射量设置装置从多个燃料喷射的第一个喷射开始向最后一个喷射连续地设置第二喷射模式的多个燃料喷射中的每个喷射的喷射量。
6.如权利要求5所述的排气净化设备，其特征在于，与发动机功率相关的喷射量设置装置包括校正装置，该校正装置基于所检测的内燃机输出功率和内燃机的目标输出功率之间的偏差设置校正量用于校正第二喷射模式的多个燃料喷射的每个喷射的喷射量。
7.如权利要求1所述的排气净化设备，还包括用于检测排气温度的排气温度检测装置；和与排气温度相关的喷射量设置装置，用于设置第二喷射模式的多个燃料喷射中的每个喷射的喷射量，用于在由喷射模式选择装置选取第二喷射模式的情形下，在不低于为第二喷射模式的多个燃料喷射中的每个喷射所指定的最小阈值量的前提下，通过使检测的排气温度与目标排气温度一致的方式设置喷射量，其中，与排气温度相关的喷射量设置装置从多个燃料喷射的第一个喷射开始向最后一个喷射连续地设置第二喷射模式的多个燃料喷射中的每个喷射的喷射量。
8.如权利要求7所述的排气净化设备，其特征在于，与排气温度相关的喷射量设置装置包括校正装置，该校正装置基于所检测的排气温度和目标温度之间的偏差设置校正量用于校正第二喷射模式的多个燃料喷射的每个喷射的喷射量。
9.如权利要求1所述的排气净化设备，其特征在于，还包括用于检测从内燃机排出的未燃部分量的未燃排气部分量检测装置；和总喷射阶段数目设置装置，当由喷射模式选择装置选取第二喷射模式时，总喷射阶段数目设置装置用于基于检测的未燃部分量来设置第二喷射模式的喷射阶段的总数。
10.如权利要求1所述的排气净化设备，其特征在于，还包括用于检测内燃机的输出功率的发动机功率检测装置；和喷射量校正装置，用于在由喷射模式选择装置选取第二喷射模式的情形下，当检测的内燃机输出功率相对于内燃机的目标输出功率相对较小时，在不超过为第二喷射模式的特定燃料喷射所指定的上述最大阈值量的前提下渐增地校正第二喷射模式的多个燃料喷射中的每个喷射的喷射量，其中，喷射量校正装置设置校正量用于从多个燃料喷射的第一个喷射开始向最后一个喷射连续地校正第二喷射模式的多个燃料喷射中的每个喷射。
11.如权利要求1所述的排气净化设备，其特征在于，还包括用于检测内燃机的输出功率的发动机功率检测装置；和喷射量校正装置，用于在由喷射模式选择装置选取第二喷射模式的情形下，当检测的内燃机输出功率相对于内燃机的目标输出功率过大时，在不低于为第二喷射模式的特定燃料喷射所指定的上述最小阈值量的前提下渐减地校正第二喷射模式的多个燃料喷射中的每个喷射量，其中，喷射量校正装置设置校正量用于从多个燃料喷射的第一个喷射开始向最后一个喷射连续地校正第二喷射模式的多个燃料喷射中的每个喷射的燃料喷射量。
12.如权利要求10所述的排气净化设备，其特征在于，喷射量校正装置基于所检测的内燃机输出功率和内燃机的目标输出功率之间的偏差置校正量用于校正第二喷射模式的多个燃料喷射的每个喷射的燃料喷射量。
13.如权利要求1所述的排气净化设备，还包括比值检测装置，用于在由喷射模式选择装置选取第二和第三喷射模式之一的情形下，检测喷射进入内燃机汽缸并且转换成排气热从而提高了排气温度的这一部分喷射燃料量与喷射进入内燃机的汽缸并且从内燃机作为未燃部分输出的另一部分喷射燃料量之间的比值；以及校正装置，用于为所选取的第二和第三喷射模式之一中所执行的至少一个后续的燃料喷射的喷射间隔设置校正量，设置方式为至少一个后续的燃料喷射的喷射间隔校正量与针对第二和第三喷射模式中的所选取的一个设置的预定量相一致。
全文摘要
在发动机中，当确定保持在微粒过滤器的过滤器衬底上的催化剂不是处于活性状态时，在接近曲柄的上死点处ECU执行主要用于获得发动机功率的燃料喷射。然后，在经历足够的而不会导致缺火的喷射间隔之后，ECU执行后续的燃料喷射从而提高从发动机输出的排气的温度。这样，过滤器的温度就会迅速地提高。
文档编号F01N3/20GK1696479SQ20051006881
公开日2005年11月16日 申请日期2005年5月11日 优先权日2004年5月12日
发明者奥川伸一朗, 小岛和雄, 原口宽 申请人:株式会社电装