专利名称：内燃机的排气净化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的排气净化系统，特别涉及具备NOx储存还原催化剂和NOx选 择还原催化剂的内燃机的排气净化系统。
背景技术：
以往，已知有例如日本特开2001-271679号公报所示，在内燃机的排气通路上具 备NOx储存还原催化剂(以下称作NSR催化剂)的系统。NSR催化剂是具备将从内燃机排 出的燃烧气体中所含的氮氧化物(NOx)储存在催化剂内部的储存功能、和对NOx和碳化氢 (HC)等进行净化处理的催化剂功能的催化剂。在内燃机以稀空燃比运转时，排出含有大量 NOx的废气。因而，上述NSR催化剂将该NOx储存在其内部，来抑制该NOx向催化剂下游被 排出。在此，由NSR催化剂中储存的NOx在规定时间被净化处理。更具体而言，在上述以 往的系统中，执行从内燃机一时地排出未燃烧成分的燃料过量供给。由此，使该催化剂内的 NOx和未燃烧成分在该催化剂内反应。在通过开始燃料过量供给而大量未燃烧成分从内燃机排出时，被排出到NSR催化 剂下游的废气在该催化剂中仍残存有应由未燃烧成分还原的NOx的期间成为理论混合比 (stoichiometric amount of air)气氛。然后，在结束对储存在催化剂内的NOx的还原时， 由于未燃烧成份被排出到催化剂下游，废气变化为浓混合比气氛。在上述以往的系统中，根 据氧浓度和氮氧化物的浓度，来检测发现这种催化剂下游的废气向浓混合比气氛的变化， 在该检测时间结束燃料过量供给。由此，能够防止过度执行燃料过量供给，因此能够抑制燃 料费用升高。专利文献1 日本特开2001-271679号公报专利文献2 日本特开2009-114879号公报在上述以往系统中，通过燃料过量供给对在NSR催化剂中储存的NOx进行处理。然 而，在执行燃料过量供给时，有时所储存的NOx的一部分被排出到该催化剂下游。也就是， 当执行燃料过量供给而将还原剂即未燃烧成分被导入到NSR催化剂内时，所储存的NOx脱 离并在催化剂上游进行反应。然而，在脱离的NOx中，存在未在催化剂上游被净化而泄漏到 该催化剂下游的NOx。作为抑制该NOx的泄漏的方法，可考虑扩大催化剂容量并增加反应场 的方法。然而，催化剂容量的扩大导致因贵金属的增加所带来的成本的大幅度增加。因而， 希望有一种不扩大催化剂容量就能够抑制因该NOx的泄漏所导致的排气排放恶化的系统。
发明内容
本发明为了解决上述问题而成，其目的是提供一种在具备NSR催化剂的内燃机 内，能够抑制因该NOx的泄漏所导致的排气排放恶化的内燃机的排气净化系统。为了实现上述目的，第一发明是一种能够稀薄燃烧运转的内燃机的排气净化系 统，其特征在于，具备配置在上述内燃机的排气通路上的NOx储存还原催化剂(以下，NSR催化剂)、配置在上述NSR催化剂下游的NOx选择还原催化剂(以下，SCR)、和在稀薄燃烧运 转中以规定间隔执行燃料过量供给的燃料过量供给机构，上述燃料过量供给机构包含第一规则取得单元，其取得在燃料过量供给时上述NSR催化剂中所生成的NH3W 生成量和上述间隔之间的关系作为第一规则；第二规则取得手段，其取得在燃料过量供给时泄漏到上述NSR催化剂下游的NOx 漏气量和上述间隔之间的关系作为第二规则；间隔设定单元，其根据上述第一规则和第二规则来设定上述间隔，以使上述NOx 漏气量全部在上述SCR中被还原净化。另外，第二发明在第一发明中，其特征在于，上述间隔设定单元以上述NH3的生成 量相对于上述NOx漏气量的比率大于预定比率的方式设定上述间隔。另外，第三发明在第一或第二发明中，其特征在于，上述间隔设定单元在上述第一 规则中的上述NH3的生成量的增加比例大于预定比例的范围内设定上述间隔。另外，第四发明在第一或第二发明中，其特征在于，上述间隔设定单元在上述第一 规则中的上述NH3的生成量大于规定量的范围内设定上述间隔。在内燃机的稀混合比运转中，从该内燃机中排出的NOx储存在NSR催化剂(NOx储 存还原催化剂)中。而且，在执行燃料过量供给时，在NSR催化剂中，所储存的NOx被净化并 生成NH3。所生成的NH3流过排气通路并储存在配置于下游侧的NOx选择还原催化剂(SCR) 中。在该SCR中，使用所储存的NH3,对泄漏到NSR催化剂下游侧的NOx选择性地进行还原。燃料过量供给的间隔越长，NSR催化剂中储存更多的量的NOx。因而，该间隔越长， 燃料过量供给时所生成的NH3量越多。另一方面，储存在NSR催化剂中的NOx的量越多，也 就是间隔越长，燃料过量供给时泄漏该NSR催化剂的NOx的量越多。根据第一发明，基于 NH3的生成量和间隔之间的关系(第一规则)、以及NOx漏气量和间隔之间的关系(第二规 则)，以泄漏的NOx全部在SCR中被还原净化的方式设定间隔。因而，根据本发明，由于泄漏 的NOx全部在SCR中被净化，因此能够有效地抑制排气排放的恶化。根据第二发明，以NH3的生成量相对于NOx漏气量的比率大于预定比率的方式设 定燃料过量供给的间隔。因而，根据本发明，能够有效地避免在SCR中NH3不足而不能对泄 漏的NOx全部进行还原净化的情形。根据第三发明，在第一规则中的NH3的生成量的增加比例大于预定比例的范围内 设定燃料过量供给的间隔。因而，根据本发明，由于能够使SCR储存大量的NH3，因此能够有 效地避免不能对泄漏的NOx全部进行还原净化的情形。根据第四发明，在第一规则中的NH3W生成量大于规定量的范围内设定燃料过量 供给的间隔。因而，根据本发明，由于能够使SCR储存所希望量的NH3,因此能够有效地避免 不能对泄漏的NOx全部进行还原净化的情形。
图1是用于说明本发明实施方式1的构成的图。图2是用于说明NSR催化剂16的功能的图。图3是表示间隔和NH3生成量以及NOx漏气量的关系的图。
图4是表示间隔被设定为t2时的NOx漏气量和SCR18的下游侧的NOx量的图。图5是表示间隔被设定为t3时的NOx漏气量和SCR18的下游侧的NOx量的图。图6是表示间隔被设定为t4时的NOx漏气量和SCR18的下游侧的NOx量的图。其中附图标记说明如下10内燃机(发动机)，12排气通路，14起动催化剂(SC)，16N0x储存还原催化剂 (NSR催化剂)，ISNOx选择还原催化剂(SCR)，22氧传感器，24氧传感器，26N0x传感器， 30ECU (ElectronicControl Unit 电子控制单元)。
具体实施例方式以下，基于
本发明的实施方式。此外，各个附图中共用的要素使用相同的 附图标记并省略了重复说明。另外，并不是通过以下的实施方式来限定本发明。实施方式〔实施方式的构成〕图1是用于说明本发明实施方式的构成的图。如图1所示，本实施方式的系统具 备内燃机10。内燃机10构成为具备右排列101和左排列102的V型汽油发动机。属于右 排列101的气缸组与排气通路121连通。另外，属于左排列102的气缸组与排气通路122 连通。排气通路121和122在下游汇合后与排气通路123的一端连通。以下，在不特别区 分排气通路121、122和123时，将它们简称为“排气通路12”。将三元催化剂即起动催化剂(以下，“称作SC”)141和142分别配置在排气通路 121和122上。另外，将NOx储存还原催化剂(以下，称作“NSR催化剂”)16配置在位于SC14 的下游侧的排气通路123上。此外，将NOx选择还原催化剂(以下，称作“SCR催化剂”)18 配置在排气通路123中的NSR催化剂16的下游侧。以下，在不特别区分SC141和142的情 况下，将其简称为“SC14”。内燃机10在空燃比为浓的情况下，容易排出HC和CO。另外，在空燃比为稀的情况 下，容易排出NOx。SC14在稀混合比气氛下一边储存氧气(O2) —边对NOx进行还原(净化 为氮气N2)。另一方面，在浓混合比气氛下，一边排出氧气一边对HC和CO进行氧化(净化 为H20、C02)。另外，在浓混合比气氛下，通过废气中所含的氮与氢进行反应，而生成氨(NH3)。NSR催化剂16在稀混合比气氛情况下，储存废气中所含的NOx。另外，NSR催化剂 16在浓混合比气氛情况下将所储存的NOx排出。在浓混合比气氛情况下被排出的NOx通过 HC和CO被还原。此时，与SC14的场合相同，在NSR16中也生成NH3。SCR18构成为铁类沸石催化剂并具有下述功能，即SC14和NSR催化剂16储存在 浓混合比气氛环境下生成的NH3,在稀混合比气氛下以NH3为还原剂来对废气中的NOx选择 性地进行还原。根据SCR18，能够有效地阻止泄漏到NSR催化剂16下游的NH3和NOx被排 出到大气中的情况。图1所示的系统中，在排气通路123上的NSR催化剂16的上游侧的位置以及NSR 催化剂16的下游侧且SCR18的上游侧的位置具备氧(O2)传感器22和24。氧传感器22和 24是产生与废气中的氧浓度对应的信号的传感器。另外，排气通路12上的SCR18的下游侧 配置有NOx传感器26。该NOx传感器相应于废气中的NOx和NH3,而生成对应于它们的浓 度的信号。因而，根据NOx传感器26，能够分别在浓混合比气氛下检测SCR18的下游的NH3的浓度，并且在稀混合比气氛下检测SCR18的下游的NOx的浓度。本实施方式的系统中，如图1所示具备ECU (Electronic Control Unit:电子控制 单元)30。燃料喷射装置(未图示)等各种致动器连接于ECU30的输出部。除了上述A/F 传感器20、氧传感器22和24以及NOx传感器26之外，用于检测内燃机10的运转条件和运 转状态的各种传感器也连接于ECU30的输入部。ECU30能够根据所输入的各种信息来控制 图1所示的系统的状态。〔实施方式1的动作〕
(关于燃料过量供给控制)首先，参照图2对本实施方式的系统中所执行的燃料过量供给控制进行说明。图 2是用于说明本实施方式的系统中所执行的燃料过量供给控制的图。此外，图2(A)表示内 燃机10的稀混合比运转中催化剂内的情况，图2(B)表示内燃机10在燃料过量供给执行中 催化剂内的情况。E⑶30通常使内燃机10在稀空燃比下运转(稀混合比运转)。在稀运转情况下， NOx等氧化剂的排出量比HC、CO等还原剂的量多。因而，即使使用三元催化剂对该废气进 行净化，也因还原剂不足，仍不能将NOx全部净化。因此，本实施方式1的系统在排气通路 123内具备NSR催化剂16。如图2 (A)所示，NSR催化剂16具有将NOx作为Ba(NO3)2等硝 酸盐来储存的功能。因而，根据本实施方式1的系统，即使在稀混合比运转中，也能够有效 地抑制该NOx被排出到大气中的情况。但是，NSR催化剂16的NOx的储存功能随着储存量的增大而下降。因而，当稀混 合比运转长时间持续时，导致未被储存的NOx被泄漏到该催化剂下游。因此，在本实施方式 1的系统中，执行定期地使由NSR催化剂16储存的NOx脱离并进行处理的燃料过量供给控 制。更具体而言，在NSR催化剂16的储存功能下降的预定时间，使内燃机10的排气空燃比 暂时变浓(例如，A/F= 12)。如图2(B)所示，在燃料过量供给执行中的废气内包含大量的 HC, CO, H2等还原剂。因而，当这些还原剂被导入到NSR催化剂16内时，作为硝酸盐被储存 的NOx被还原为NO而从盐基中脱离。脱离后的NOx以在NSR催化剂16内的催化剂上游被 净化为N2等的方式被处理。从而，通过在稀混合比运转中执行燃料过量供给，能够对在NSR 催化剂16中所储存的NOx进行脱离处理，因此能够有效地使NOx的储存功能恢复。(由SCR进行的NOx净化动作)以下，对SCR18的功能进行说明。如上所述，通过执行燃料过量供给，能够使NSR 催化剂16的NOx的储存功能有效地恢复。然而，当执行燃料过量供给时，从该NSR催化剂 16脱离的NOx的一部分没有被净化并原封不动地被泄漏到其下游。另外，如上所述，在稀混 合比运转中也存在没有被储存在NSR催化剂16中而被泄漏到下游的NOx。当这些被泄漏的 NOx原封不动地被排出到大气中时，导致排气排放的恶化。因此，本实施方式1的系统具备用于对泄漏到NSR催化剂16下游侧的NOx进行处 理的SCR18。如上所述，SCR18将SC14和NSR催化剂16在浓混合比气氛下生成的NH3储存 在其内部。因而，根据SCR18，能够利用NH3选择性地对泄漏到NSR催化剂16下游的NOx进 行还原。由此，能够有效地阻止NOx被排出到大气中而导致排气排放的恶化的情况。此外，根据本申请的发明人的见解，通过使SCR18的床温为500°C以下，优选为 300°C左右，能够使该SCR18中的还原反应活跃地进行。因而，在本实施方式1的系统中，调整其配置以使SCR18的床温为300°C左右。由此，能够有效地阻止NOx被排出到SCR18的下 游的情况。〔本实施方式1的特征动作〕以下，参照图3至图6说明本实施方式的特征动作。如上所述，当在内燃机10的 稀混合比运转中执行燃料过量供给时，储存在NSR催化剂16中的NOx被净化为氮气(N2) 等，并且作为净化反应的中间生成物也生成了 NH3。所生成的NH3被储存在配置于该NSR催 化剂16下游的SCR18中，并在NOx的净化中使用。在此，为了在SCR18中将泄漏的NOx全部净化，要求生成能够将NOx全部净化的量 的NH3。在NOx量多且催化剂活性下降的环境下要生成大量的NH3。因此，作为有效增加NH3 生成量的方法，可考虑延长燃料过量供给的间隔。由此，由于稀混合比运转时间延长，因此 被储存在NSR催化剂16中的NOx的储存量增加，NH3的生成量也增加。然而，当设定间隔较长时，NOx的漏气量也增大。这是由于，如上所述地被储存在 NSR催化剂16中的NOx的储存量越多，NOx的漏气量也越大。因而，为了有效地对泄漏的 NOx进行净化，需要考虑NH3的生成量和NOx的漏气量之间的平衡来设定间隔。因此，本申请的发明人着眼于燃料过量供给的间隔和NH3的生成量之间的关系来 进行了深入研究，其结果发现存在NH3的生成量急剧上升的间隔时期。图3是表示间隔和 NH3生成量以及NOx漏气量之间的关系的图。如该图所示，NOx漏气量以相对于间隔大致一 定的比例上升。与此相对，NH3W生成量在时间t3以后急剧地上升。因而，NH3的生成量和 NOx漏气量之间的关系随着间隔的长度而变化。图4是表示间隔被设定为t2时的NOx漏气量和SCR18下游侧的NOx量的图。如该 图所示，在间隔为t2时(10秒)时，在稀混合比运转中被储存在NSR16中的NOx量少。因 而，燃料过量供给时的NOx漏气量和NH3生成量(在SCR18中的储存量)分别很少。因而， 在该图所示的关系中，NH3量不足，且微量的NOx被排出到SCR18的下游。以下，图5是表示间隔被设定为t3时的NOx漏气量和SCR18的下游侧的NOx量的 图。如该图所示，在间隔为t3时(20秒)时，在稀混合比运转中被储存在NSR16中的NOx 量变为中等量左右。因而，燃料过量供给时泄漏的NOx量和NH3生成量(在SCR18中的储存 量)分别达到中等量左右。因而，在该图所示的关系中，NH3生成量并不随着泄漏的NOx量 的增量比例增加，因而被排出到SCR18下游的NOx与图4所示的情况相比也稍微增大。以下，图6是表示间隔被设定为t4时的NOx漏气量和SCR18下游侧的NOx量的图。 如该图所示，在间隔为t4时05秒)时，在稀混合比运转中被储存在NSR16中的NOx量与 上述间隔为t3时的情况差别不大，为中等量左右。因而，燃料过量供给时泄漏的NOx量同 样为中等量左右。另一方面，如图3所示，间隔为t4时的NH3生成量与间隔为t3时的情况 相比急剧上升。因而，如图6所示，大量的NH3储存在SCR18中。因而，在该图所示的关系 中，由于与NOx漏气量的增量相比，NH3生成量急剧增大，因此被排出到SCR18下游的NOx无 限地接近于零。从而，通过燃料过量供给的间隔的设定，NOx漏气量和NH3生成量之间的关系变化。 因此，在本实施方式1的系统中，以NH3生成量和NOx漏气量之间的关系变为上述图6所示 的关系的方式设定燃料过量供给的间隔。更具体而言，根据图3所示的NH3生成量和间隔之 间的关系，设定为处于NH3生成量急剧上升的区域的间隔。作为该区域的特定方法，例如可以考虑以NH3生成量的增加比例大于预定比例的方式特定区域的方法，或以NH3生成量大于 预定值的方式特定区域的方法等。由此，能够使NH3生成量相对于NOx漏气量增大，因此， 能够有效地抑制因NH3的不足导致的NOx被排出到大气中的情况。此外，当进一步加长间隔时，NSR催化剂16中的NOx的储存量变得非常大，导致泄 漏的NOx量增大至极值。因而，最好将该间隔设定在NH3生成量相对于NOx漏气量足够的 范围内。而且，在上述实施方式1的系统中，虽然以NH3生成量不出现不足情况的方式设定 为与NH3生成量急剧上升的区域对应的间隔，但该间隔的设定方法不局限于此。也就是说， 也可以根据图3所示的关系，运算NH3生成量和NOx漏气量的比率，来特定NH3生成量相对 于NOx漏气量足够的区域。另外，在上述实施方式1的系统中，根据图3所示的关系，前馈控制间隔，但间隔的 设定方法并不局限于此。也就是说，也可以使用NOx传感器沈，检测SCR18下游的NOx浓度 来反馈控制该间隔。此外，在上述实施方式1中，NSR催化剂16相当于上述第一发明中的“NSR催化 剂”，SCR18相当于上述第一发明中的“SCR”，图3中的实线相当于上述第一发明中的“第一 规则”，图3中的虚线相当于上述第一发明中的“第二规则”。
权利要求
1.一种内燃机的排气净化系统，该内燃机能够进行稀薄燃烧运转，该排气净化系统的 特征在于，具备配置在上述内燃机的排气通路上的NOx储存还原催化剂即NSR催化剂、配置 在上述NSR催化剂下游的NOx选择还原催化剂即SCR、和在稀薄燃烧运转中以规定间隔执行 燃料过量供给的燃料过量供给机构，上述燃料过量供给机构包括第一规则取得单元，其取得在燃料过量供给时上述NSR催化剂中所生成的NH3的生成 量和上述间隔之间的关系作为第一规则；第二规则取得单元，其取得在燃料过量供给时泄漏到上述NSR催化剂下游的NOx漏气 量和上述间隔之间的关系作为第二规则；以及间隔设定单元，其根据上述第一规则和上述第二规则来设定上述间隔，以使上述NOx 漏气量全部在上述SCR中被还原净化。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化系统，其特征在于，上述间隔设定单元以 上述NH3的生成量相对于上述NOx漏气量的比率大于预定比率的方式设定上述间隔。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机的排气净化系统，其特征在于，上述间隔设定单元 在上述第一规则中的上述NH3的生成量的增加比例大于预定比例的范围内设定上述间隔。
4.根据权利要求1或2所述的内燃机的排气净化系统，其特征在于，上述间隔设定单元 在上述第一规则中的上述NH3的生成量大于规定量的范围内设定上述间隔。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种在具备NSR催化剂和SCR的内燃机中能够抑制因NOx的泄漏带来的排气排放恶化的内燃机的排气净化系统。一种能够稀薄燃烧运转的内燃机(10)的排气净化系统，具备配置在内燃机(10)的排气通路(12)上的NSR催化剂(16)、配置在NSR催化剂(16)下游的SCR(18)、和在稀薄燃烧运转中以规定间隔执行燃料过量供给的燃料过量供给机构。根据燃料过量供给时在NSR催化剂(16)中生成的NH3生成量和间隔之间的关系(第一规则)、以及燃料过量供给时泄漏到NSR催化剂(16)下游的NOx漏气量和间隔之间的关系(第二规则)，将间隔设定在NOx漏气量全部在SCR(18)中被还原净化的期间。优选为，以NH3生成量相对于NOx漏气量的比率大于预定比率的方式设定间隔。
文档编号F01N3/08GK102137990SQ200980128449
公开日2011年7月27日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者宫下茂树, 樱井健治, 胜又洋一 申请人:丰田自动车株式会社