专利名称：内燃机排气控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机排气控制装置。
背景技术：
有一种已知的内燃机排气控制装置，其包括氧化催化剂和设在氧化催化剂下游的颗粒过滤器，颗粒过滤器捕获废气中的颗粒物质，内燃机排气控制装置从氧化催化剂上游位置供应燃料(HC)，从而氧化并除去在颗粒过滤器中捕获的颗粒物质，例如在日本专利申请JP(A)60-43113中披露了这种技术。有另一种已知的内燃机排气控制装置，在该排气控制装置中，在第二氧化催化剂上游设有第一氧化催化剂，第一氧化催化剂具有的容积小于使颗粒物质氧化的第二氧化催化剂的容积，且设定具有较小容积的第一氧化催化剂的容积以使得在空转期间的SV值(空间速度)等于或高于50000(l/h)，例如在日本专利2874472中披露了这种技术。在日本专利3012249和日本专利申请JP(A)2004-44509中也披露了关于本发明的技术。
在日本专利申请JP(A)60-43113披露的排气控制装置中，流入氧化催化剂的废气的温度由于排气道中的热释放而减小，结果，氧化催化剂的床温度可能不会升高到过滤器再生处理所需的目标温度。甚至当将具有较小容积的第一氧化催化剂设在第二氧化催化剂上游时，如日本专利2874472中披露的，如果容积不合适，废气的温度(在下文中，在合适的地方称为“废气温度”)也可能不会充分升高，因而可能达不到目标温度。因而，在相关技术中，能执行过滤器再生处理的区域局限于废气温度高的区域。
发明内容
本发明的目标是提供一种内燃机排气控制装置，其能增大可以执行过滤器再生处理的区域以使得在较低的内燃机负荷下也能执行过滤器再生处理。
根据本发明一个方面的排气控制装置应用于包括涡轮增压器的内燃机。排气控制装置包括设在涡轮增压器的涡轮下游的上游侧氧化催化剂，设在上游侧氧化催化剂下游的下游侧氧化催化剂；设在下游侧氧化催化剂下游的颗粒过滤器；和用于供应过滤器再生处理所需燃料的燃料供应装置，过滤器再生处理用于氧化和除去积聚在颗粒过滤器中的颗粒物质。设定上游侧氧化催化剂(13)的容积以使得在内燃机(2)空转期间的空间速度(SV)等于或低于175000(l/h)。
当燃料供应装置供应过滤器再生处理所需的燃料(HC)时，流入上游侧氧化催化剂的废气的温度由于HC的氧化反应而升高，且温度已经升高的废气流入设在上游侧氧化催化剂下游的下游侧氧化催化剂。在这种情况下，当上游侧氧化催化剂的容积过小时(空间速度过高)，即使增加燃料供应量，废气温度也只增加一个与上游侧氧化催化剂的小容积相应的量。因而，下游侧氧化催化剂不能使废气温度充分升高，结果，可能不能有效氧化和除去颗粒物质。然而，根据本发明的该方面，合适地设定上游侧氧化催化剂的容积以使得在内燃机空转期间的空间速度(SV)等于或低于175000(l/h)。因而能增大可以执行过滤器再生处理的区域以使得在较低的内燃机负荷下也能执行过滤器再生处理，同时使上游侧氧化催化剂的容积最小。注意，在本发明该方面中的空间速度是每小时(h)流入催化剂中的气体量与催化剂容积的比。
在本发明的该方面中，上游侧氧化催化剂设在涡轮增压器的涡轮下游，因而能避免由于在涡轮上游提供上游侧氧化催化剂而引起的问题，例如，由于供给到涡轮的热量不足引起的增压响应的劣化，和由于催化剂暴露于高温(等于或高于700℃)而引起的催化剂的热老化。
在根据本发明该方面的排气控制装置中，可以设定上游侧氧化催化剂的容积以使得在内燃机空转期间的空间速度(SV)等于或高于58000(l/h)。当上游侧氧化催化剂的容积变得更大时，能使废气温度更高。然而，当废气温度变得更高时，热释放(热损失)量增加，结果，下游侧氧化催化剂的床温度可能不会增加到目标温度。然而，根据本发明的该方面，能避免这种问题。
关于上述排气控制装置，能增加可以执行过滤器再生处理的区域以使得在较低的内燃机负荷下也能执行过滤器再生处理。注意，上游侧氧化催化剂的容积可以是下游侧氧化催化剂容积的三十分之一到五分之一。
通过结合附图阅读下面的本发明示范性实施例的详细说明，将更好地懂得本发明的上述实施例和其它实施例、目标、特征、优点、技术和工业意义，其中图1是示意性地表示应用了本发明的排气控制装置的柴油机的图；图2是一个图表，表示废气温度在三种情况中的变化，在这三种情况中提供了具有三个容积水平的上游侧氧化催化剂；图3是一个图表，表示在没有提供上游侧氧化催化剂的比较例子上进行的温度升高性能测试的结果；图4是一个图表，表示在将上游侧氧化催化剂的容积设定成使得在1200rpm发动机转速时、SV为300000(l/h)的情况下进行的温度升高性能测试的结果；和图5是一个图表，表示在将上游侧氧化催化剂的容积设定成使得在1200rpm发动机转速时、SV为500000(l/h)的情况下进行的温度升高性能测试的结果。
具体实施例方式
在下面的说明中，将根据示范性实施例更详细地描述本发明。
图1是示意性地表示应用了本发明的排气控制装置1的柴油机(在下文中，简称为“发动机”)2的图。如图1中所示，发动机2是往复式四缸发动机。发动机2包括其中形成有气缸3的气缸体4，提供给各个气缸3的喷油器5，和与气缸体4相连的进气道6与排气道7。喷油器5与共轨8相连，并将在压力泵(未示出)的压力下供应到共轨8且然后被存储在共轨8中的燃料喷射到各个气缸3中。发动机控制单元(ECU)9控制喷油器5喷射的燃料量、燃料喷射正时等等。
从上游侧向下游侧，在进气道6中设有涡轮增压器10的压缩机10a、对在压缩机10a下游流动的进气进行冷却的中间冷却器11以及调节进气量的节气门12。从上游侧向下游侧，在排气道7中设有涡轮增压器10的涡轮10b、上游侧氧化催化剂13、下游侧氧化催化剂14和颗粒过滤器(在下文中，在合适的地方简称为“过滤器”)15。上游侧氧化催化剂13和下游侧氧化催化剂14都促进HC的氧化反应。过滤器15捕获废气中的颗粒物质，过滤器15可以覆有促进HC的氧化反应的催化物质，例如铂(Pt)。如果积聚在过滤器15中的颗粒物质的数量超过可允许的限制，则发生堵塞。为了避免堵塞，需要除去积聚的颗粒物质以便恢复过滤器15的功能。因而，排气控制装置1使喷油器5在上止点执行缸内喷射，例如后喷射和燃料喷射(VIGOM喷射)，从而在排气道7中供应燃料(HC)。这样，在上游侧氧化催化剂13和下游侧氧化催化剂14中促进了伴随有发热的氧化反应，因而流入排气道7中的废气的温度升高。排气控制装置1执行过滤器再生处理，其中利用废气温度的升高来氧化和除去积聚在颗粒过滤器15中的颗粒物质。在这种情况下，喷油器5充当本发明该实施例的燃料供应装置。ECU9执行各种类型的控制，如过滤器再生处理所需的燃料供应量的控制和过滤器再生处理的开始时刻/结束时刻的控制。ECU9可以根据已知的且被任意采用的控制方法执行这些控制。
上游侧氧化催化剂13的载体131和下游侧氧化催化剂14的载体141都承载着促进HC的氧化反应的催化物质，例如铂(Pt)。载体131容纳在壳体132中以使得载体131的两个端面面对排气道7，载体141容纳在壳体142中以使得载体141的两个端面面对排气道7。可以任意地采用载体131和141两者的结构与材料。在实施例中，采用具有蜂巢结构的金属载体，采用这种蜂巢结构的金属载体不容易发生堵塞。为了加强上游侧氧化催化剂13的催化功能，使由上游侧氧化催化剂13承载的每单位容积的Pt量大于由下游侧氧化催化剂14承载的每单位容积的Pt量。更特别地，由上游侧氧化催化剂13承载的Pt量大约是每升5g(5g/L)，其是由下游侧氧化催化剂14承载的Pt量的二到五倍。将上游侧氧化催化剂13的容积设定成小于下游侧氧化催化剂14的容积。设定上游侧氧化催化剂13的容积以使得在发动机1空转期间的空间速度(SV)是等于或低于175000(l/h)的值。
优选地，从安装空间、成本等等的观点，使上游侧氧化催化剂13的容积尽可能地小。然而，如果上游侧氧化催化剂13的容积过小，则废气温度不能充分地升高，因而，流入下游侧氧化催化剂14中的废气的温度可能不会升高到实现下游侧氧化催化剂14的催化功能的温度(点火温度)。结果，下游侧氧化催化剂14的床温度可能不会升高到过滤器再生处理所需的目标温度，因而，能执行过滤器再生处理的区域局限于废气温度高的工作区域。因此，在实施例中，基于图2中所示的温度变化决定上游侧氧化催化剂13的容积。在图2中，附图标记“A”表示涡轮增压器10出口处的废气温度，附图标记“B”表示上游侧氧化催化剂13出口处的废气温度，附图标记“C”表示下游侧氧化催化剂14入口处的废气温度，附图标记“D”表示下游侧氧化催化剂14的床温度(也参考图1)。
如图2中的粗实线L1所示，当上游侧氧化催化剂13的容积过小时，废气温度降低量ΔT2大于通过上游侧氧化催化剂13实现的废气温度升高量ΔT1，废气温度降低量ΔT2是在上游侧氧化催化剂13的出口和下游侧氧化催化剂14的入口之间引起的废气温度的降低量。结果，在废气到达下游侧氧化催化剂14的入口之前，废气温度变得低于下游侧氧化催化剂14的点火温度T1。因而，废气温度在下游侧氧化催化剂14中没有充分地升高。与此相反，如图2中的虚线L2所示，当将上游侧氧化催化剂13的容积设定成最佳范围内的值时(即，当采用具有中等容积的上游侧氧化催化剂时)，温度升高量ΔT3基本上等于温度降低量ΔT4，因而，废气温度变得高于点火温度T1，且下游侧氧化催化剂14能使废气温度升高到目标温度。如果上游侧氧化催化剂13的容积是最佳范围内的值，则能补偿在上游侧氧化催化剂13的出口和下游侧氧化催化剂14的入口之间引起的废气温度的降低。优选地，将上游侧氧化催化剂13的容积设定得尽可能地小。下面，将描述容积的下限(SV的上限)。
图3到5都表示温度升高性能测试的结果。以喷油器5喷射的不同燃料量执行该测试。在该测试中，在涡轮增压器10出口处的废气温度为260℃和发动机1的转速为1200rpm-25Nm的条件下，执行后喷射以便在气缸3中喷射燃料。图3表示在没有提供上游侧氧化催化剂13的比较例子上进行的测试的结果，图4和5表示在提供具有不同容积的上游侧氧化催化剂的例子上进行的测试的结果。在图3、4和5的每一个中，针对各个燃料喷射量，横轴表示通过后喷射喷出的燃料量(mm3/st)，纵轴表示在上游侧氧化催化剂13的入口和出口处获得的废气温度(℃)、在下游侧氧化催化剂14的入口处获得的废气温度和下游侧氧化催化剂14的床温度(℃)。图3中的上游侧氧化催化剂13入口处的废气温度表示在与图4和5中的上游侧氧化催化剂13入口相应的位置处获得的废气温度。图3中上游侧氧化催化剂13出口处的废气温度表示在与图4和5中的上游侧氧化催化剂13出口相应的位置处获得的废气温度。具有向右箭头的曲线表示增加燃料喷射量的测试的结果，具有向左箭头的曲线表示减少燃料喷射量的测试的结果。
如图3中清楚示出的，当没有提供上游侧氧化催化剂13时，在废气从涡轮增压器10的出口流向下游侧氧化催化剂14的入口时，废气的热量通过排气道7释放。因而，废气温度不能维持在等于或高于下游侧氧化催化剂14的点火温度的温度，从而，即使增加燃料喷射量以便增加燃料供应量，下游侧氧化催化剂14的床温度也不能升高到等于或高于目标温度(在实施例中为600℃)的温度，在所述目标温度，能在过滤器15中充分地氧化颗粒物质。因而，仅仅能在废气温度足够高的工作区域(例如，废气温度等于或高于280℃的区域)中执行过滤器再生处理。
与此相反，在图4所示的情况下，上游侧氧化催化剂13使废气温度升高，因而，废气温度等于或高于下游侧氧化催化剂14入口处的点火温度。因此，以合适的燃料喷射量(10mm3/st)执行后喷射使得能将下游侧氧化催化剂14的床温度升高到可以执行过滤器再生处理的目标温度。这样，能增大可以执行过滤器再生处理的区域以使得在较低的负荷下也能执行过滤器再生处理。图4表示在将上游侧氧化催化剂13的容积设定成使得上游侧氧化催化剂13中的空间速度(SV)为300000(l/h)的情况下进行的测试的结果，图5表示在将上游侧氧化催化剂13的容积设定成小于图4中的容积(将SV设定成高于图4中的SV)的情况下进行的测试的结果。更特别地，在图5中SV是500000(l/h)。如图5中清楚示出的，下游侧氧化催化剂14能在某种程度上升高废气温度直到燃料喷射量变成某个值(4或6mm3/st)为止。然而，如果燃料喷射量超过所述某个值，则供应到上游侧氧化催化剂13的HC的量会超过能由于上游侧氧化催化剂13而与颗粒物质发生反应的HC量，因而上游侧氧化催化剂13出口处的废气温度降低，因此，下游侧氧化催化剂14的床温度不能升高到目标温度，不能执行过滤器再生处理。基于上述测试结果，优选地，设定上游侧氧化催化剂13的容积以使得在1200rpm的发动机转速下SV等于或低于300000(l/h)。在发动机1空转期间(在700rpm的发动机转速)的SV方面，优选地，设定上游侧氧化催化剂13的容积以使得SV等于或低于175000(l/h)。
考虑到通过上游侧氧化催化剂13实现的废气温度的升高量和在上游侧氧化催化剂13的出口和下游侧氧化催化剂14的入口之间引起的废气温度降低量，可以任意设定上游侧氧化催化剂13的容积的上限(SV的下限)。即，如图2中的细实线L3所示，当上游侧氧化催化剂13的容积很大时，废气温度的增加量也很大(指的是A和B之间的温度变化)。然而，如果废气温度的增加量变得很大，则在排气道7中释放的热量(热损失)增加。因而，在上游侧氧化催化剂13的出口和下游侧氧化催化剂14的入口之间引起的废气温度降低量变得很大(指的是B和C之间的温度变化)。结果，下游侧氧化催化剂14的床温度可能达不到目标温度T2。因此，例如，可以设定上游侧氧化催化剂13的容积以使得在1200rpm的发动机转速下SV等于或高于100000(l/h)，在空转期间(在700rpm的发动机转速下)SV等于或高于58000(l/h)，这样，能避免上述问题。
以上述方式设定上游侧氧化催化剂13的容积使得能增大可以执行过滤器再生处理的区域以使得在较低的负荷下也能执行过滤器再生处理。可以将上游侧氧化催化剂13的容积设定成下游侧氧化催化剂14的容积的三十分之一到五分之一。例如，当废气温度在涡轮增压器10的出口处为250℃，且过滤器15的目标温度是650℃时，上游侧氧化催化剂13和下游侧氧化催化剂14需要将废气温度升高400℃。在这种情况下，如果在上游侧氧化催化剂13的出口和下游侧氧化催化剂14的入口之间引起的废气温度降低量是40℃，则需要补偿该降低。如果将上游侧氧化催化剂13的容积设定成下游侧氧化催化剂14的容积的十分之一(四百分之四十(40/400))以便补偿温度降低，则过滤器15的温度能升高到目标温度。
本发明不局限于上述实施例，且可以在各种其它实施例中实现。不限制燃料供应装置，只要在上游侧氧化催化剂13的上游位置进行用于过滤器再生处理的燃料供应即可。例如，可以将用于过滤器再生处理的燃料供应喷射器设在氧化催化剂13的上游，且可以通过从燃料供应喷射器供应燃料来执行过滤器再生处理。在这种情况下，燃料供应喷射器相当于本发明的燃料供应装置。
权利要求
1.一种排气控制装置，应用于包括涡轮增压器(10)的内燃机(2)，其特征在于包括设在涡轮增压器(10)的涡轮(10b)下游的上游侧氧化催化剂(13)；设在所述上游侧氧化催化剂(13)下游的下游侧氧化催化剂(14)；设在所述下游侧氧化催化剂(14)下游的颗粒过滤器(15)；和用于供应过滤器再生处理所需燃料的燃料供应装置(5)，所述过滤器再生处理用于氧化和除去积聚在所述颗粒过滤器(15)中的颗粒物质，其中设定所述上游侧氧化催化剂(13)的容积以使得在内燃机(2)空转期间的空间速度(SV)等于或低于175000(l/h)。
2.如权利要求1所述的排气控制装置，其中设定所述上游侧氧化催化剂(13)的容积以使得在所述内燃机(2)空转期间的空间速度(SV)等于或高于58000(l/h)。
3.如权利要求1或2所述的排气控制装置，其中所述上游侧氧化催化剂(13)的容积是所述下游侧氧化催化剂(14)容积的三十分之一到五分之一。
全文摘要
本发明的排气控制装置(1)应用于包括涡轮增压器(10)的柴油机(2)，排气控制装置(1)包括设在涡轮增压器(10)的涡轮(10b)下游的上游侧氧化催化剂(13)；设在上游侧氧化催化剂(13)下游的下游侧氧化催化剂(14)；设在下游侧氧化催化剂(14)下游的颗粒过滤器(15)；和供应过滤器再生处理所需燃料的喷射器(5)，过滤器再生处理用于氧化和除去积聚在颗粒过滤器(15)中的颗粒物质。设定上游侧氧化催化剂(13)的容积以使得在内燃机(2)空转期间的空间速度(SV)等于或低于175000(l/h)。
文档编号F01N3/035GK1985078SQ200580023179
公开日2007年6月20日 申请日期2005年7月7日 优先权日2004年7月9日
发明者桥诘刚, 后藤勇, 富永浩之 申请人:丰田自动车株式会社