内燃机废气净化装置的制作方法

专利名称：内燃机废气净化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机废气净化装置。
背景技术：
在本领域中，下述内燃机是已知的其在发动机废气通道中设有能够 在氨的存在下将NOx还原的NOx选择性还原催化剂，在NOx选择性还原
中所含的NOx还原(参见例如国际专利公开W099/67511)。在这种内燃 机中，使用由在NOx选择性还原催化剂处加入的脲水溶液生成的氨将废气 中所含的NOx还原。
但是，已知的是，在这种N(X选择性还原催化剂中，由脲水溶液生成 的氨一次吸附在NOx选择性还原催化剂处，且被吸附的氨与NOx反应，由 此进行NOx的还原作用。另一方面，废气含有烃，即HC。 HCs也试图吸 附在NOx选择性还原催化剂处。
也就是说，如果在NOx选择性还原催化剂上游加入脲水溶液，由脲水 溶液生成的氨与废气中所含的HC为吸附在NOx选择性还原催化剂处而相 互竟争。在这种情况下，如果废气中所含的HC的量变大，HC在NOx选 择性还原催化剂处的吸附量增加，结果氨在NOx选择性还原催化剂处的吸 附量降低，因此在NOx选择性还原催化剂处的NOx还原作用变弱。因此出 现了不能获得NOx选择性还原催化剂的高NOx净化率的问题
发明内容
本发明的目的是提供一种内燃机废气净化装置，通过在HC处理催化 剂处吸附废气中所含的HC并将吸附的HC转化成中间产物，所述内燃机 废气净化装置能够获得NOx选择性还原催化剂的高NOx净化效率。
根据本发明，提供了一种内燃机废气净化装置，其在发动机废气通道 中设有能够在氨的存在下将NOx还原的NOx选择性还原催化剂，在该NOx
的还原剂进给阀，并在NOx选择性还原催化剂中通过从还原剂进给阀加入 的还原剂将废气中所含的NOx还原，其中在所述还原剂进给阀与NOx选择 性还原催化剂之间的发动机废气通道中设有具有吸附废气中HC的功能的 HC处理催化剂，所述从还原剂进给阀加入的还原剂和废气中所含的NOx 与吸附在HC处理催化剂上的HC反应，形成具有氰基、肟和氨基的中间 产物，并且该中间产物被送至NOx选择性还原催化剂以促进废气中所含 NOx的还原作用。
附图筒述
图l是压缩点火型内燃机的概图，图2是压缩点火型内燃机的另一实 施方案的概图，图3是解释HC处理催化剂12和NOx选择性还原催化剂 14的操作和反应的视图，图4是解释中间产物的视图，图5是显示吸附的 氨的量的坤见图，图6是控制脲水溶液的进给的流程图。
本发明的最佳实施方式
图l显示了压缩点火型内燃机的概图。
参照图l， l是指发动机机体，2是各汽缸的燃烧室，3是用于将燃料 喷入各燃烧室2的电子控制型燃料喷射器，4是进气歧管，5是排气歧管。 进气歧管4通过进气管6与废气涡轮增压器7的压缩机7a的出口连接，而 压缩机7a的入口通过进气检测器8与空气净化器9连接。在进气管6内， 设有用步进马达驱动的节流阀10。此外，围绕进气管6，设有用于冷却从 进气管6内流过的进气的冷却装置11。在

图1中所示的实施方案中，发动机冷却水被引导至该冷却装置11,在此发动机冷却水将进气冷却。
另 一方面，排气歧管5与废气涡轮增压器7的废气涡轮7b的入口相连， 而废气涡轮7b的出口与具有吸附废气中HC的功能的HC处理催化剂12 的入口连接。HC处理催化剂12的出口通过排气管13与能够在氨的存在 下将NOx还原的NOx选择性还原催化剂14连接。在图1中所示的实施方 案中，该NOx选择性还原催化剂14包含Fe沸石。此外，在HC处理催化 剂12上游，连接有用于将包含例如脲水溶液的还原剂加入废气中的还原剂 进给阀15。
排气歧管5和进气歧管4通过废气再循环(下文称作"EGR")通道 16彼此相连。在EGR通道16内，设有电子控制型EGR控制阀17。此外， 围绕EGR通道16，设有用于将流过EGR通道16的EGR气体冷却的冷 却装置18。在图1中所示的实施方案中，发动机冷却水被引入该冷却装置 18，在此发动机冷却水将EGR气体冷却。另一方面，各燃料喷射器3通 过燃料进给管19与共轨20连接。由电子控制型变流量燃料泵21向该共轨 20供应燃料。通过各燃料进给管19将供向共轨20的燃料加入各燃料喷射 器3中。
电子控制单元30包括数字计算机，该数字计算机配有ROM (只读存 储器)32、 RAM (随才4取存储器)33、 CPU (微处理器)34、输入端口 35和输出端口36，所有这些都通过双向总线31相连。HC处理催化剂12 具有与其连接的用于检测HC处理催化剂12温度的温度传感器22，而NOx 选择性还原催化剂14具有与其连接的用于检测NOx选择性还原催化剂14 温度的温度传感器23。温度传感器22和23以及进气检测器8的输出信号 通过相应的AD转换器37输入到输入端口 35。
加速器踏板40与负荷传感器41连接，负荷传感器41产生与加速器踏 板40的下降量L成比例的输出电压。负荷传感器41的输出电压通过相应 的AD转换器37输入到输入端口 35。此外，输入端口 35与曲柄角传感器 42连接，曲柄角传感器42在曲柄轴每旋转例如15。时产生输出脉冲。另一 方面，输出端口 36通it4目应的驱动电路38与燃料喷射器3、用于驱动节流阀10的步进马达、还原剂进给阀15、 EGR控制阀17和燃料泵21连接。 图2显示了压缩点火型内燃机的另一实施方案。在此实施方案中，在 还原剂进给阀15上游的废气通道中设有氧化催化剂24。在该氧化催化剂 24中，进行将废气中所含的NO转化成N02的操作，即提高NOx中的N02 比率的操作。
下面参照图3解释在本发明中发生的操作和反应。
流入HC处理催化剂12的废气含有NOx和HC。此外，流入HC处理 催化剂12的废气还含有从还原剂进给阀15加入的脲水溶液。因此，如图 3中所示，在HC处理催化剂12内，加入了 NOx、 HC和脲水溶液。需要 说明，在图2中所示的实例中，除了上述在氧化催化剂24处的N02比率 提高操作外，还进行废气中所含的HC的氧化操作，但废气中所含的HC 没有全部氧化，因此在这种情况下，如图3中所示，HC也流入HC处理 催化剂12。
这里，如上所述，HC处理催化剂12具有吸附HC的功能。因此，流 入HC处理催化剂12的HC被吸附在HC处理催化剂12处。另 一方面， 如图3中所示，流入HC处理催化剂12的NOx和脲(NH2)2CO与吸附在 HC处理催化剂12处的HC相互反应，由此形成中间产物。此时形成的代 表性的中间产物显示在图4中。
如图4中所示，代表性的中间产物具有氛基、肟或氛基。作为图4中 提到的具有氰基的中间产物，形成了氰醇、氰碳化合物、氰尿酸、异M 酸、氰化氢等；作为具有肟的中间产物，形成了醛肝、酮肟等；且作为具 有氣基的中间产物，形成了甲胺、乙胺、三甲胺、三乙胺、苯胺等。这些 中间产物处于中间转变成N2、 C02、 H20和NH3的状态，换言之，在刚要 转变成N2、 C02、 H20和NH3之前的状态。
在HC处理催化剂12处形成的中间产物从HC处理催化剂12中排出， 并如图3中所示，流入NOx选择性还原催化剂14。此外，如图3中所示， 在HC处理催化剂12处未与吸附的HC或脲(NH2)2CO反应的NOx、在 HC处理催化剂12处由脲(NH2)2CO形成的氨NH3、和穿过HC处理催化剂12的脲(NH2)2CO流入NOx选择性还原催化剂14。
如图3中所示，当中间产物流入NOx选择性还原催化剂14时，它们 转变成N2、 C02、 H20和NH3。在这种情况下，由具有氨基的中间产物形 成的NH3被吸附在NOx选择性还原催化剂14处。另一方面，如图3中所 示，流入NOx选择性还原催化剂14的氨NH3被NOx选择性还原催化剂14 吸附，而流入NOx选择性还原催化剂14的脲(NH2)2CO也以氨NH3形式吸 附在NOx选择性还原催化剂14上。NOx与吸附的氨NEb反应，这样，NOx 被还原。因此，NOx在NOx选择性还原催化剂14中被良好地净化。
当HC流入NOx选择性还原催化剂14时，NOx选择性还原催化剂14 中吸附氨NKb的区域减少。结果氨NH3的吸附量减少，因此NOx的净化 效率降低。因此，在本发明中，使废气中所含的HC被吸附在HC处理催 化剂12处，以防止HC流入NOx选择性还原催化剂14，并将HC处理催 化剂12处吸附的HC转变成即将要形成N2、 C02、 H20和NH3的中间产 物。
在HC处理催化剂12中， 一部分NOx被由脲形成的氨NH3还原。但 是，要在HC处理催化剂12中引发的最重要的反应是使NOx、被吸附的 HC和脲(NH2)2CO相互反应以形成中间产物的反应。这是因为，如果形成 了中间产物，该中间产物可以在下游NOx选择性还原催化剂14处容易地 转化成1\2、 C02、 H20和NH3。
在这种情况下，即使在下游NOx选择性还原催化剂14处形成大量中 间产物也是没有意义的。这是因为，如果在下游NOx选择性还原催化剂14 处形成大量中间产物，这些中间产物很可能最终排入大气中。与此相反， 如果在HC处理催化剂12处形成中间产物，这些必定在下游NOx选择性 还原催化剂14处转变成N2、 C02、 H20和NH3。因此，本发明被设计成 在HC处理催化剂12处形成尽可能大量的中间产物。
但是，具有氛基或肟的中间产物具有强毒性。因此，在普通内燃机中， 尽可能防止形成这些具有氰基或肟的中间产物。与此相反，本发明的特征 在于尽可能大量形成这些有毒的具有氰基或肟的中间产物。因此，本发明可以被理解为完全不同于普通内燃机。
为了在HC处理催化剂12中形成中间产物，必要的是，该反应不在 HC处理催化剂12处完成，即反应在HC处理催化剂12处未完成。为此， 需要提高HC处理催化剂12中废气流的空间速度。因此，在本发明的实施 方案中，如图1和图2中所示，HC处理催化剂12的体积明显小于NOx 选择性还原催化剂14的体积，例如小于其一部分。需要说明，为了形成中 间产物，HC处理催化剂12必须保持在一定的高温。为此，如图1和图2 中所示，HC处理催化剂12设置在排气歧管5附近。
此外，为了在NOx选择性还原催化剂14中良好地净化NOx,需要始 终使大量氨NH3吸附在NOx选择性还原催化剂14处。但是，如图5中所 示，NOx选择性还原催化剂14的温度TC越高，NOx选择性还原催化剂 14的最大氨吸附量GX就越下降。在根据本发明的该实施方案中，对脲水 溶液的进给进行控制，以使氨吸附量保持为该最高氨吸附量GX。需要说 明，此时HC处理催化剂12中装有足以形成大量中间产物的脲(NH2)2CO。
作为HC处理催化剂12，可以使用HC吸附催化剂。此外，当NOx 选择性还原催化剂具有吸附HC的功能时，可以使用NOx选择性还原催化 剂作为HC处理催化剂12。
下面参照图6解释脲水溶液的进给的控制程序。需要说明，通过中断 而实施这种程序。
参照图6，首先，在步骤50,计算每单位时间从发动机中排出的NOx 量。这种NOx量针对不同的发动机运行状态预先储存在ROM 32中。然后， 在步骤51，计算每单位时间从发动机中排出的HC的量。这种HC量也针 对不同的发动;l^行状态预先储存在ROM 32中。
然后，在步骤52，计算每单位时间的脲水溶液进给量Q。然后，在步 骤53，计算在NOx选择性还原催化剂14处由中间产物形成的、并吸附在 NOx选择性还原催化剂14处的氨NKb的量Ml。然后，在步骤54，计算 由穿过HC处理催化剂12的脲形成的、并吸附在NOx选择性还原催化剂 14处的氨NH;j和从HC处理催化剂12中排出的、并吸附在NOx选择性还原催化剂14处的氨NH3的量M2。然后，在步骤55，计算在NOx选择性 还原催化剂14处净化从HC处理催化剂12中排出的NOx所消耗的氨NH3 的量M3。这些氨量Ml、 M2和M3作为HC处理催化剂12的温度、进气 量、从发动机中排出的NOx量和HC量、脲水溶液进给量Q的函数预先储 存在ROM 32中。
然后，在步骤56，将新吸附的氨量(Ml+M2)与吸附在NOx选择性 还原催化剂14中的氨量:SG相加，并从该氨量5:G中减去消耗的氨量M3， 由此计算吸附的氨量2G。然后，在步骤57，判断吸附的氨量5:G是否超过 图5中所示的最大吸附氨量GX。当ZG《GX时，程序进入步骤58，在该 步骤中继续进给脲水溶液的操作，而当:SG〉GX时，程序进入步骤59，在 该步骤中停止进给脲水溶液的操作。
权利要求
1.内燃机废气净化装置，其在发动机废气通道中设有能够在氨的存在下将NOx还原的NOx选择性还原催化剂，在该NOx选择性还原催化剂的上游设有用于将含脲的还原剂加入发动机废气通道中的还原剂进给阀，并在NOx选择性还原催化剂中通过从还原剂进给阀加入的还原剂将废气中所含的NOx还原，其中在所述还原剂进给阀与NOx选择性还原催化剂之间的发动机废气通道中设有具有吸附废气中HC的功能的HC处理催化剂，所述从还原剂进给阀加入的还原剂和废气中所含的NOx与吸附在HC处理催化剂上的HC反应，形成具有氰基、肟和氨基的中间产物，并且该中间产物被送至NOx选择性还原催化剂以促进废气中所含NOx的还原作用。
2. 如权利要求1所述的内燃机废气净化装置，其中计算在所述NOx 选择性还原催化剂处吸附的氨的量，并基于所述计算出的氨量控制从还原 剂进给阀加入还原剂的动作。
3. 如权利要求l所述的内燃机废气净化装置，其中所述HC处理催化 剂由HC吸附催化剂构成。
4. 如权利要求l所述的内燃机废气净化装置，其中所述HC处理催化 剂由NO,选择性还原催化剂构成。
5. 如权利要求l所述的内燃机废气净化装置，其中在所述还原剂进给 阀上游设有氧化催化剂。
全文摘要
内燃机，其中在NO_x选择性还原催化剂(14)上游设有具有吸附废气中HC的功能的HC处理催化剂(12)，在HC处理催化剂(12)上游设有从还原剂进给阀(15)加入的脲水溶液，脲、废气中所含的NO_x和吸附在HC处理催化剂12上的HC相互反应，形成具有氰基、肟和氨基的中间产物，并且这些中间产物被送至NO_x选择性还原催化剂(14)。
文档编号F01N3/20GK101631936SQ20088000555
公开日2010年1月20日 申请日期2008年2月25日 优先权日2007年3月1日
发明者广田信也, 辻本健一 申请人:丰田自动车株式会社