内燃机的排气净化装置的制作方法

专利名称：内燃机的排气净化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的排气净化装置。
背景技术：
已知有一种内燃机，其中，在内燃机排气 通路中配置有NOx吸留催化剂，该叫吸留催化剂在流入的废气的空燃比为稀空燃比时吸留废气中包含的N0X，在流入的废气的空燃比为浓空燃比时释放出所吸留的NOx，在NOx吸留催化剂上游的内燃机排气通路内，配置有具有吸附功能的氧化催化剂，在要从NOx吸留催化剂释放出NOx时，向氧化催化剂上游的内燃机排气通路内供给烃，从而使流入到NOx吸留催化剂的废气的空燃比变为浓空燃比(例如参照专利文献I)。在该内燃机中，要从NOx吸留催化剂释放出NOx时被供给的烃在氧化催化剂中成为气体状的烃，气体状的烃被送入NOx吸留催化剂。其结果，从NOx吸留催化剂释放出的NOx被良好地还原。专利文献I :日本专利第3969450号但是存在着若NOx吸留催化剂成为高温则NOx净化率下降这一问题。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种内燃机的排气净化装置，在选择性地使用两种烃供给方法的同时，即使在排气净化催化剂的温度成为高温时也能得到高NOx净化率。根据本发明，提供了一种内燃机的排气净化装置，其中，在内燃机排气通路内配置有用于供给烃的烃供给阀，在烃供给阀下游的内燃机排气通路内配置有用于使从烃供给阀喷射出的烃和废气中包含的NOx发生反应的排气净化催化剂，排气净化催化剂的废气流通表面上担载有贵金属催化剂，并且在贵金属催化剂周围形成有碱性的废气流通表面部分，排气净化催化剂具有如果以预先决定的供给间隔从烃供给阀喷射烃，以使得废气的空燃比下降到预先决定的空燃比，则对废气中包含的NOx进行还原的性质，并且具有如果使烃的供给间隔长于该预先决定的供给间隔，则废气中包含的NOx的吸留量增大的性质，排气净化装置选择性地使用第I烃供给方法和第2烃供给方法，该第I烃供给方法在内燃机运转时以上述预先决定的供给间隔从烃供给阀喷射烃，以使得废气的空燃比下降到上述预先决定的空燃比，由此来净化废气中包含的NOx，该第2烃供给方法降低来自烃供给阀的烃的供给量，并且在膨胀冲程后半程或者排气冲程中，将为了使废气的空燃比下降到上述预先决定的空燃比所需的燃料供给至燃烧室内。在选择性地使用第I烃供给方法和第2烃供给方法的同时，即使在排气净化催化剂的温度成为高温时，也能得到高NOx净化率。


图I是压缩点火式内燃机的整体图。
图2是对催化剂载体的表面部分进行图解表示的图。图3是用于说明排气净化催化剂中的氧化反应的图。图4是表示流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化的图。图5是表示NOx净化率的图。图6A和6B是用于说明排气净化催化剂中的 氧化还原反应的图。图7A和7B是用于说明排气净化催化剂中的氧化还原反应的图。图8是表示流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化的图。图9是表示NOx净化率的图。图10是表示流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化的时序图。图11是表示流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化的时序图。图12是表示排气净化催化剂的氧化能力和要求最小空燃比X之间的关系的图。图13是表示得到同一 NOx净化率的、废气中的氧浓度和烃浓度的振幅ΛΗ之间的关系的图。图14是表示烃浓度的振幅Λ H和NOx净化率之间的关系的图。图15是表示烃浓度的振动周期Λ T和NOx净化率之间的关系的图。图16A、16B、16C是表示烃供给量W的映射等的图。图17是表示流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化等的图。图18是表示排出NNOx量NOXA的映射的图。图19是表示燃料喷射时间的图。图20是表示烃供给量WR的映射的图。图21A、21B是用于说明第I烃供给方法和第2烃供给方法的图。图22A、22B、22C是表示烃的供给量WA等的图。图23是表示流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化等的时序图。图24是表示流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化等的时序图。图25A、25B是表示升温控制的时序图。图26是表示NOx净化率和NOx吸留率的图。图27是用于检测最小空燃比的流程图。图28和图29是用于进行运转控制的流程图。图30是表示插入程序的流程图。图31是表示插入程序的流程图。
具体实施例方式图I表示了压缩点火式内燃机的整体图。参照图1，I表示内燃机主体，2表示各汽缸的燃烧室，3表示用于向各燃烧室2内分别喷射燃料的电子控制式燃料喷射阀，4表示进气岐管，5表示排气岐管。进气岐管4经由进气管道6与排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口连结，压缩机7a的入口经由进气量检测器8与空气过滤器9连结。在进气管道6内配置有被步进电动机驱动的节气门10，另外在进气管道6周围还配置有用于对在进气管道6内流动的进气进行冷却的冷却装置11。在图I所示的实施例中，内燃机冷却水被导入冷却装置11内，进气被内燃机冷却水冷却。
另一方面，排气岐管5与排气涡轮增压器7的排气涡轮7b的入口连结。排气涡轮7b的出口经由排气管12与排气净化催化剂13的入口连结，排气净化催化剂13的出口与用于捕集废气中包含的微粒子的微粒过滤器14连结。排气净化催化剂13上游的排气管12内配置有烃供给阀15，该烃供给阀15用于供给包括被用作压缩点火式内燃机的燃料的轻油等燃料的烃。在图I所示的实施例中，使用轻油作为从烃供给阀15供给的烃。另外，本发明也能够应用于在稀空燃比的基础上进行燃烧的火花点火式内燃机。在这种情况下，从烃供给阀15供给包括被用作火花点火式内燃机的燃料的汽油等燃料的烃。另一方面，排气岐管5和进气岐管4经由废气再循环(下面称为EGR)通路16相互连结，在EGR通路16内配置有电子控制式EGR控制阀1 7。另外，在EGR通路16周围配置有用于对在EGR通路16内流动的EGR气体进行冷却的冷却装置18。在图I所示的实施例中，内燃机冷却水被导入冷却装置18内，EGR气体被内燃机冷却水冷却。另一方面，各燃料喷射阀3经由燃料供给管19与共轨20连结，该共轨20经由电子控制式的喷出量可变的燃料泵21与燃料贮藏罐22连结。燃料贮藏罐22内贮藏的燃料被燃料泵21供给至共轨20内，被供给至共轨20内的燃料经由各燃料供给管19被供给至燃料喷射阀3。电子控制单元30包括数字计算机，具备通过双向总线31相互连接的R0M(只读存储器)32、RAM (随机存取存储器)33、CPU (微处理器)34、输入端口 35和输出端口 36。在排气净化催化剂13的下游安装有用于检测排气净化催化剂13的温度的温度传感器23，微粒过滤器14上安装有用于检测微粒过滤器14前后的压差的压差传感器24。另外，在微粒过滤器14的下游配置有用于检测微粒过滤器14的温度的温度传感器25，并且在烃供给阀15下游的排气管12内配置有空燃比传感器26。这些温度传感器23、25、压差传感器24、空燃比传感器26和进气量检测器8的输出信号分别经由对应的AD变换器37被输入至输入端口 35。另外，加速器踏板40与用于产生与加速器踏板40的踏入量L成比例的输出电压的负载传感器41,负载传感器41的输出电压经由对应的AD变换器37被输入至输入端口 35。并且，输入端口 35上还连接有曲轴转角传感器42，该曲轴转角传感器42在曲轴每当旋转例如15°时就产生输出脉冲。另一方面，输出端口 36经由对应的驱动电路38与燃料喷射阀3、节气门10的驱动用步进电动机、烃供给阀15、EGR控制阀17和燃料泵21连接。图2对排气净化催化剂13的基体上所担载的催化剂载体的表面部分进行了图解表示。在该排气净化催化剂13中，如图2所示那样，在例如包括氧化铝的催化剂载体50上担载有贵金属催化剂51、52，并且，在该催化剂载体50上还形成有碱性层53，该碱性层53至少包含一种从如钾K、钠Na、铯Cs那样的碱金属、如钡Ba、钙Ca那样的碱土类金属、如镧系元素那样的稀土类以及如银Ag、铜Cu、铁Fe、铱In那样的能够向NOx提供电子的金属中选择出的金属。由于废气沿着催化剂载体50上流动，所以也可以说贵金属催化剂51、52是被担载在排气净化催化剂13的废气流通表面上。另外，由于碱性层53的表面呈碱性，所以碱性层53的表面被称为碱性的废气流通表面部分54。另一方面，在图2中，贵金属催化剂51包括钼Pt，贵金属催化剂52包括铑Rh。即，催化剂载体50所担载的贵金属催化剂51、52由钼Pt和铑Rh构成。另外，在排气净化催化剂13的催化剂载体50上，除了钼Pt和铑Rh以外还可以担载钯Pd，或者可以担载钯Pd来代替铑Rh。S卩，催化剂载体50所担载的贵金属催化剂51、52由铑Rh和钯Pd的至少一种和钼Pt构成。
若从烃供给阀15向废气中喷射了烃，则该烃在排气净化催化剂13中被重整。在本发明中，构成为利用此时重整后的烃在排气净化催化剂13中净化N0X。图3对此时在排气净化催化剂13中进行的重整作用进行了图解表示。如图3所示那样，从烃供给阀15喷射出的烃HC因催化剂51而成为碳数少的自由基状的烃HC。图4表示了来自烃供给阀15的烃的供给时刻和流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F)in的变化。另外，由于该空燃比(A/F) in的变化依赖于流入到排气净化催化剂13的废气中的烃的浓度变化，所以也可以说图4所示的空燃比(A/F) in的变化表示了烃的浓度变化。但是，若烃浓度变高，则空燃比(A/F) in变小，因此在图4中，空燃比(A/F)in越处于浓侧，则烃浓度越高。
图5针对排气净化催化剂13的各催化剂温度TC表示了通过从烃供给阀15周期性地供给烃，即、通过使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度周期性地变化来使流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F) in如图4所示那样发生变化时的排气净化催化剂13的NOx净化率。本发明者长期着重对NOx净化进行了研究，在该研究过程中，判明了如下事实若使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先决定的范围内的振幅和预先决定的范围内的周期振动，即、若以预先决定的供给间隔从烃供给阀15喷射烃，以使得废气的空燃比下降到预先决定的空燃比，则如图5所示那样，即使在400°C以上的高温区域，也会得到极高的NOx净化率。并且，判明了如下事实，S卩、此时包含氮和烃的大量的还原性中间体被持续保持或者吸附在碱性层53的表面上、即排气净化催化剂13的碱性废气流通表面部分54上，该还原性中间体在高NOx净化率的取得方面起到了核心作用。接着参照图6A和6B对上述情况进行说明。另外，这些图6A和6B对排气净化催化剂13的催化剂载体50的表面部分进行了图解表示，在这些图6A和6B中，表示了被推测为在流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先决定的范围内的振幅和预先决定的范围内的周期振动时，即以预先决定的供给间隔从烃供给阀15喷射烃以使得废气的空燃比下降到预先决定的空燃比时发生的反应。图6A表示了流入到排气净化催化剂13的烃的浓度低的时候，图6B表示了从烃供给阀15供给烃从而导致流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变高的时候。根据图4可知，流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比除了瞬间以外一直维持为稀空燃比，因此流入到排气净化催化剂13的废气通常处于氧过剩的状态。因此废气中包含的NO如图6A所示那样，在钼51上被氧化，成为NO2,接着该NO2被钼51提供了电子，从而成为NO2'因此在钼51上大量的N02_被生成。该N02_活性强，将以上的该N02_称为活性NO2'另一方面，若从烃供给阀15供给了烃，则如图3所示那样，该烃在排气净化催化剂13内被重整，成为自由基。其结果，如图6B所示那样，活性NO/周围的烃浓度变高。但是在活性NO/被生成后，若活性NO/周围的氧浓度高状态持续了一定时间以上，则活性NO/被氧化，以硝酸离子N03_的形式被吸收至碱性层53内。但是若在该一定时间经过前，活性NO/周围的烃浓度变高，则如图6B所示那样，活性NO/在钼51上与自由基状的烃HC发生反应，由此来生成还原性中间体。该还原性中间体被附着或吸附在碱性层53的表面上。另外，此时最初生成的还原性中间体被认为是硝基化合物R-N02。虽然该硝基化合物R-NO2若被生成则会成为臆化合物R-CN,但是该臆化合物R-CN在该状态下只是瞬间存在，因此会立即变成异氰酸盐化合物R-NCO。该异氰酸盐化合物R-NCO若水解则变成胺类化合物R-NH2。但是在这种情况下，认为被水解的只是异氰酸盐化合物R-NCO的一部分。因此如图6B所示那样，碱性层53的表面上所保持或吸附的还原性中间体的大部分被认为是异氰酸盐化合物R-NCO和胺类化合物R-NH2。另一方面，如果如图6B所示那样生成的还原性中间体的周围被烃HC包围，则还原性中间体被烃HC阻止而无法再进行反应。在这种情况下，若流入到排气净化催化剂13的烃的浓度下降从而导致氧浓度变高，则还原性中间体周围的烃被氧化。其结果，如图6A所示那样，还原性中间体和活性NO/会发生反应。此时活性NO/与还原性中间体R-NCO和R-NH2发生反应，成为N2、CO2、和H2O,由此NOx被净化。
这样，在排气净化催化剂13中，通过升高流入到排气净化催化剂13的烃的浓度，来生成还原性中间体，通过降低流入到排气净化催化剂13的烃的浓度来使氧浓度升高，活性NO/和还原性中间体发生反应，NOx被净化。即，为了利用排气净化催化剂13来净化N0X，需要使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度周期性地变化。当然，在这种情况下，为了生成还原性中间体，需要将烃的浓度升高到足够高的浓度，为了使生成的还原性中间体与活性NO/发生反应，需要将烃的浓度降低到足够低的浓度。即，需要使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先决定的范围内的振幅振动。另夕卜，在这种情况下，必须一直在碱性层53上、即碱性废气流通表面部分24上保持足够量的还原性中间体R-NCO和R-NH2，直到在生成的还原性中间体与活性NO/发生反应，因此设置了碱性的废气流通表面部分24。另一方面，若烃的供给周期变长，则在烃被供给后到下次烃被供给为止的期间，氧浓度变高的期间变长，因此活性NO/不会生成还原性中间体而是以硝酸盐的形式被吸收至碱性层53内。为了避免该情况的发生，需要使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先决定的范围内的周期振动。于是在本发明的实施例中，为了使废气中包含的NOx和重整后的烃发生反应来生成包括氮和烃的还原性中间体R-NCO和R-NH2，在排气净化催化剂13的废气流通表面上担载有贵金属催化剂51、52，为了在排气净化催化剂13内保持生成的还原性中间体R-NCO和R-NH2，在贵金属催化剂51、52周围形成有碱性的废气流通表面部分54，N0X由于碱性的废气流通表面部分54上保持的还原性中间体R-NCO和R-NH2的还原作用而被还原，烃浓度的振动周期、即来自烃供给阀15的烃的供给周期是为了持续生成还原性中间体R-NCO和R-NH2所需的周期。另外，在图4所示的例子中，喷射间隔为3秒。若烃浓度的振动周期、即烃HC的供给周期长于上述预先决定的范围内的周期，则还原性中间体R-NCO和R-NH2从碱性层53的表面上消失，此时在钼Pt53上生成的活性NO/如图7A所示那样，以硝酸离子NO3-的形式在碱性层53内扩散，成为硝酸盐。即，此时废气中的NOx以硝酸盐的形式被吸收到碱性层53内。另一方面，图7B表示了在如上述那样NOx以硝酸盐的形式被吸收到碱性层53内时，流入到排气净化催化剂13内的废气的空燃比成为理论空燃比或者浓空燃比的情况。在这种情况下，由于废气中的氧浓度下降，所以反应朝着反方向(N03_ —NO2)进行，由此，被吸收到碱性层53内的硝酸盐依次成为硝酸离子NO3-,并如图7B所示那样以NO2的形式被从碱性层53释放。接着，被释放出的NO2利用废气中包含的烃HC和CO而被还原。
图8表示了在碱性层53的NOx吸收能力刚刚饱和之前使流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F) in临时成为浓空燃比的情况。另外，在图8所示的例子中，该浓空燃比控制的时间间隔在I分钟以上。在这种情况下，在废气的空燃比(A/F)in为稀空燃比时被吸收到碱性层53内的NOx，在废气的空燃比(A/F)in临时成为浓空燃比时被从碱性层53 一气释放并被还原。因此在这种情况下，碱性层53实现了用于临时吸收NOx的吸收剂的作用。另外，此时也存在碱性层53临时吸附NOx的情况，因此，若使用吸留这样用语作为包括吸收和吸附这双方的用语，则此时碱性层53实现了用于临时吸留NOx的NOx吸留剂的作用。即，在这种情况下，若将被供给至内燃机进气通路、燃烧室2和排气净化催化剂13上游的排气通路内的空气和燃料(烃)的比称为废气 的空燃比，则排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂发挥作用，即在废气的空燃比为稀空燃比时吸留NOx，当废气中的氧浓度下降时释放所吸留的N0X。图9表示了使排气净化催化剂13如上述那样作为NOx吸留催化剂发挥作用时的NOx净化率。另外，图9的横轴表示排气净化催化剂13的催化剂温度TC。在使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂发挥作用的情况下，如图9所示那样，在催化剂温度TC为300°C到400°C时，会得到极高的NOx净化率，而当催化剂温度TC成为400°C以上的高温时，叫净化率下降。如上述那样，当催化剂温度TC成为400°C以上时NOx净化率下降，这是因为当催化剂温度TC成为400°C以上时，硝酸盐发生热分解从而以NO2的形式被从排气净化催化剂13释放。即，只要以硝酸盐的形式吸留了 NOx，在催化剂温度TC高时就难以得到高NOx净化率。但是在图4到图6A、6B所示的新的NOx净化方法中，根据图6A、6B可知，硝酸盐不会被生成，或者就算被生成也是极其微量的，由此如图5所示那样，即使在催化剂温度TC高时，也会得到高NOx净化率。于是在本发明中，在内燃机排气通路内配置有用于供给烃的烃供给阀15，在烃供给阀15下游的内燃机排气通路内，配置有用于使从烃供给阀15喷射出的烃和废气中包含的NOx发生反应的排气净化催化剂13，在排气净化催化剂13的废气流通表面上担载有贵金属催化剂51、52，并且在贵金属催化剂51、52周围形成有碱性的废气流通表面部分54，排气净化催化剂13具有如果以预先决定的供给间隔从烃供给阀15喷射烃以使得废气的空燃比下降到预先决定的空燃比，则对废气中包含的NOx进行还原的性质，并且具有如果使烃的供给间隔长于该预先决定的供给间隔，则废气中包含的NOx的吸留量增大的性质，在内燃机运转时，以上述预先决定的供给间隔从烃供给阀15喷射烃，以使得废气的空燃比下降到上述预先决定的空燃比，由此在排气净化催化剂13中对废气中包含的NOx进行还原。S卩，在利用了形成有担载金属催化剂且能够吸收NOx的碱性层的排气净化催化剂的情况下，可以说图4到图6A、6B所示的NOx净化方法是基本不生成硝酸盐地净化NOx的新的NOx净化方法。实际上，在使用该新的NOx净化方法的情况下，与使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂发挥作用的情况相比，从碱性层53检测出的硝酸盐是极其微量的。另外，下面将该新的NOx净化方法称为第INOx净化方法。接着参照图10到图15，进一步对该第INOx净化方法进行稍微详细的说明。图10放大表示了图4所示的空燃比(A/F)in的变化。另外，如上述那样，该流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F)in的变化同时表示了流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变化。另外，在图10中，ΛΗ表示空燃比(A/F)in的振幅、即流入到排气净化催化剂13的烃HC的浓度变化的振幅，Δ T表示流入到排气净化催化剂13的烃浓度的振动周期、即烃的供给周期。并且，在图10中，(A/F)b表示基础(base)空燃比，该基础空燃比表示用于产生内燃机输出的燃烧气体的空燃比。换句话说，该基础空燃比(A/F)b表示在停止供给烃时流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比。另一方面，在图10中，X表示为了使生成的活性NO/不以硝酸盐的形式被吸留在碱性层53内而是生成还原性中间体所用的空燃比(A/F)in的上限，为了使活性NO/和重整后的烃发生反应来生成还原性中间体，需要使空燃比(A/F)in低于该空燃比的上限X。下面将为了生 成该还原性中间体所需的空燃比的上限X称为要求最小空燃比。在图10所示的例子中，要求最小空燃比X成为浓空燃比，因此在这种情况下，为了生成还原性中间体而使空燃比(A/F) in瞬间成为要求最小空燃比X以下、即浓空燃比。与此相对，在图11所示的例子中，要求最小空燃比X成为稀空燃比。在这种情况下，一边将空燃比(A/F) in维持为稀空燃比，一边使空燃比(A/F) in周期性地下降，由此来生成还原性中间体。在这种情况下，要求最小空燃比X是成为浓空燃比还是成为稀空燃比是由排气净化催化剂13的氧化能力决定的。在这种情况下，对于排气净化催化剂13来说，如果增大例如贵金属51的担载量则其氧化能力增强，如果增强酸性则其氧化能力增强。因此，排气净化催化剂13的氧化能力根据贵金属51的担载量和酸性强度的不同而发生变化。在利用了氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下，如图11所示那样，若一边将空燃比(A/F) in维持为稀空燃比一边使空燃比(A/F) in周期性地下降，则在空燃比(A/F) in下降时烃被完全氧化，其结果，无法再生成还原性中间体。与此相对，在利用了氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下，如图10所示那样，若使空燃比(A/F) in周期性地成为浓空燃比，则在空燃比(A/F) in成为浓空燃比时，烃不是被完全氧化而是被部分氧化，即烃被重整，由此来生成还原性中间体。因此在利用了氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下，需要使要求最小空燃比X成为浓空燃比。另一方面，在利用了氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下，如图11所示那样，若一边将空燃比(A/F) in维持为稀空燃比一边使空燃比(A/F) in周期性地下降，则烃不是被完全氧化而是被部分氧化，即烃被重整，由此来生成还原性中间体。与此相对，在利用了氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下，如图10所示那样，若使空燃比(A/F)in周期性地成为浓空燃比，则大量的烃不会被氧化而仅仅是被从排气净化催化剂13排出，由此被白白消耗掉的烃量增大。因此，在利用了氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下，需要使要求最小空燃比X成为稀空燃比。S卩，可知如图12所示那样，排气净化催化剂13的氧化能力越强，则需要使要求最小空燃比X越低。这样，要求最小空燃比X根据排气净化催化剂13的氧化能力的不同，或者成为稀空燃比，或者成为浓空燃比，下面以要求最小空燃比X为浓空燃比的情况为例，对空燃比(A/F)in的振幅AT、即流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变化的振幅Λ T和流入到排气净化催化剂13的烃浓度的振动周期AT、即烃的供给周期AT进行说明。
若基础空燃比(A/F) b变大，即烃被供给前的废气中的氧浓度变高，则为了使空燃比(A/F) in成为要求最小空燃比X以下所需的烃的供给量增大，相应地对还原性中间体的生成不起作用的剩余的烃量也增大。在这种情况下，为了高效地净化N0X，需要如上述那样使该剩余的烃发生氧化，因此，为了高效地净化NOx，剩余的烃量越多，越需要大量的氧。在这种情况下，如果升高废气中的氧浓度则可以增大氧量。因此，为了高效地净化NOx，在烃被供给前的废气中的氧浓度高时，需要升高烃供给后的废气中的氧浓度。即，烃被供给前的废气中的氧浓度越高，则需要烃浓度的振幅越大。图13表示了得到同一 NOx净化率的、烃被供给前的废气中的氧浓度和烃浓度的振幅ΛΗ之间的关系。根据图13可知，为了得到同一 NO x净化率，烃被供给前的废气中的氧浓度越高，则需要烃浓度的振幅ΛΗ越大。即，为了得到同一 NOx净化率，基础空燃比(A/F)b越高，需要烃浓度的振幅Λ T越大。换句话说，为了高效地净化NOx，基础空燃比(A/F)b越低，则可以使烃浓度的振幅AT越小。但是，基础空燃比(A/F)b最低是加速运转时，此时如果烃浓度的振幅ΛΗ*200ppm左右，则能够高效地净化N0X。对于基础空燃比(A/F)b来说，通常大于加速运转时，因此如图14所示那样，如果烃浓度的振幅ΛΗ在200ppm以上，则能够得到良好的Ν0χ·Κ率。另一方面，可知在基础空燃比(A/F)b为最高时，如果烃浓度的振幅ΛΗ*IOOOOppm左右，则会得到良好的NOx净化率。因此在本发明中，烃浓度的振幅的预先决定的范围为从200ppm到lOOOOppm。另外，若烃浓度的振动周期△ T变长，则在烃被供给后到下次烃被供给的期间，活性NO/周围的氧浓度变高。在这种情况下，若烃浓度的振动周期AT长于5秒左右，则活性NO；开始以硝酸盐的形式被吸收在碱性层53内，因此如图15所示那样，若烃浓度的振动周期Λ T长于5秒左右，则NOx净化率会下降。因此需要使烃浓度的振动周期、即烃的供给周期AT在5秒以下。另一方面，若烃浓度的振动周期AT在大致O. 3秒以下，则被供给的烃在排气净化催化剂13的废气流通表面上开始堆积，因此如图15所示那样，若烃浓度的振动周期AT在大致O. 3秒以下，则NOx净化率下降。于是在本发明中，烃浓度的振动周期、即烃的供给周期在O. 3秒到5秒之间。为了利用第INOx净化方法来净化Ν0Χ，需要如上述那样使流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F) in下降到要求最小空燃比X。在本发明的实施例中，能够使废气的空燃比(A/F) in下降到要求最小空燃比的烃供给量W作为来自燃料喷射阀3的喷射量Q和内燃机转速N的函数，以图16A所示那样的映射的形式被预先存储在R0M32内。另一方面，图16B表示了能够在排气净化催化剂13的碱性层53上保持生成的还原性中间体的还原性中间体保持时间。当排气净化催化剂13的温度TC上升时，该还原性中间体容易从碱性层53脱离，因此如图16B所示那样，随着排气净化催化剂13的温度TC升高，还原性中间体保持时间相应地变短。但是若烃的供给周期ΛΤ与还原性中间体保持时间相比变长，则会出现还原性中间体不存在的期间，NOx净化率下降。为了使得不出现这样的还原性中间体不存在的期间，需要使烃的供给周期ΛΤ等于或者短于还原性中间体保持时间。因此在本发明的实施例中，排气净化催化剂13的温度TC越高，则烃的供给周期AT越短。该烃的供给周期AT也同样地作为喷射量Q和内燃机转速N的函数，以图16C所示那样的映射的形式被预先存储在R0M32内。接着参照图17到图20，对使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂来发挥作用的情况下的NOx净化方法进行具体的说明。下面将如上述那样使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂来发挥作用的情况下的NOx净化方法称为第2N0X净化方法。在该第2N0X净化方法中，如图17所示那样，在被碱性层53吸留的吸留NOx量[NOX超过了预先决定的容许量MAX时流入到排气净 化催化剂13的废气的空燃比(A/F)in临时成为浓空燃比。若废气的空燃比(A/F) in成为了浓空燃比，则在废气的空燃比(A/F)in为稀空燃比时被吸留在碱性层53内的NOx被从碱性层53 —气释放并被还原。由此NOx被净化。例如根据从内燃机排出的NOx量来计算吸留NOx量[Ν0Χ。在本发明的实施例中，从内燃机每单位时间排出的排出NOx量NOXA作为喷射量Q和内燃机转速N的函数，以图18所示那样的映射的形式被预先存储在R0M32内，根据该排出NOx量NOXA来计算吸留NOx量ΣΝ0Χ。在这种情况下，如上述那样，废气的空燃比(A/F) in成为浓空燃比的周期通常在I分钟以上。在该第2N0X净化方法中，如图19所示那样，除了从燃料喷射阀3向燃烧室2内喷射燃烧用燃料Q以外，还喷射追加的燃料WR，由此，流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F) in成为浓空燃比。另外，图19的横轴表示曲轴转角。该追加的燃料WR在虽然进行燃烧但是没有出现内燃机输出的时间，即快到压缩上死点后ATDC60。处被喷射。该燃料量WR作为喷射量Q和内燃机转速N的函数，以图20所示那样的映射的形式被预先存储在R0M32内。当然，在这种情况下，也可以通过增大来自烃供给阀15的烃的供给量来使废气的空燃比(A/F) in成为浓空燃比。如上述那样，为了利用第INOx净化方法来净化N0X，需要使流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F) in下降到要求最小空燃比X。在这种情况下，在到目前为止所述的实施例中，利用从烃供给阀15供给的烃W，废气的空燃比(A/F) in下降到要求最小空燃比X。下面将如上述那样仅从烃供给阀15供给烃W来使废气的空燃比(A/F)in下降到要求最小空燃比X的方法称为第I烃供给方法。基于该第I烃供给方法的空燃比(A/F) in的变化被图解表示在图21A中。另一方面，若在压缩上死点后70°以后的膨胀冲程后半程或者排气冲程中从燃料喷射阀3向燃烧室2内喷射燃料，即在燃烧用燃料的燃烧结束后喷射燃料，则该燃料不是产生火焰进行燃烧而是被裂化。即，燃料被重整成碳数少的烃。如上述那样在燃烧用燃料的燃烧后进行的喷射被称为后(post)喷射。使用该后喷射的烃的供给方法作为第2烃供给方法被图解表示在图21A中。如图21A所示那样，在该第2烃供给方法中，利用来自烃供给阀15的供给烃WA和通过后喷射得到的供给燃料WB，流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F) in成为要求最小空燃比X。基于该后喷射的供给燃料WB被表示在与图19相同的图21B中。在本发明的实施例中，在图21B中由范围Θ所示的压缩上死点后70°到150°之间进行该后喷射。在第I烃供给方法中，由于从烃供给阀15供给的烃W中的大部分都消耗氧，即被用于降低空燃比(A/F) in，所以从烃供给阀15供给的烃W中的一小部分被用于还原性中间体的生成。即，被用于还原性中间体的生成的烃的量极少。于是在第2烃供给方法中构成为，从烃供给阀15仅供给还原性中间体的生成所需的烃量WA，利用通过后喷射得到的供给燃料WB来消耗氧，从而使空燃比(A/F)in下降。另夕卜，虽然通过后喷射得到的供给燃料WB也是烃，但是该烃为了被重整成碳数小的烃而被完全氧化，从而消失。因此不会由该供给燃料WB生成还原性中间体，还原性中间体根据被部分氧化的烃WA而生成。但是由于还原性中间体由一个NOx和一个自由基状烃生成，所以如果使自由基状烃的量(mol)与N0x量(mol)相等，则在理论上来说，能够对所有的NOx进行还原。但是，为了对所有的NOx进行还原，实际上需要自由基状烃是NOx的数倍。于是在本发明的实施例中，考虑到上述情况，在如图22A所示那样要还原的NOx量、即 从内燃机排出的NOx量NOXA越大时，使烃的供给量WA越大。S卩，在本发明的实施例中，在利用第2烃供给方法时，根据流入到排气净化催化剂13的废气中的NOx的量来决定从烃供给阀15供给的烃的供给量WA。这里，从内燃机排出的NOx量NOXA如图18所示那样，是喷射量Q和内燃机转速N的函数，烃的供给量WA也是喷射量Q和内燃机转速N的函数。因此在本发明的实施例中，该烃的供给量WA作为喷射量Q和内燃机转速N的函数，以图22B所示那样的映射的形式被预先存储在R0M32内。另一方面，若喷射量Q和内燃机转速N已定，则基础空燃比(A/F)b已定，要求最小空燃比X已定，烃的供给量WA已定。因此如图21A所示那样，此时通过后喷射得到的供给燃料量WB也已定。因此在本发明的实施例中，该通过后喷射得到的供给燃料量WB也作为喷射量Q和内燃机转速N的函数，以图22C所示那样的映射的形式被预先存储在R0M32内。图23和图24分别表示了具体的第2烃供给控制的例子。在图23所示的例子中，表示了在从将要从烃供给阀15供给烃WA到烃WA刚被供给完之间的连续的数次的膨胀冲程中，通过后喷射进行了燃料WB的供给的情况。在这种情况下，通过后喷射来供给燃料WB，由此空燃比(A/F)in下降，通过供给烃WA，空燃比(A/F) in下降到要求最小空燃比X。另一方面，在图24所示的例子中，当第2烃供给控制开始时，在每次膨胀冲程中都通过后喷射进行燃料WB的供给。因此在该例中，当第2烃供给控制开始时，空燃比(A/F)in持续下降，在烃WA的供给结束时，空燃比(A/F) in下降到要求最小空燃比X。但是，由于通过后喷射得到的供给燃料被裂化，所以容易和氧发生反应，因此若通过后喷射来供给燃料，则与从烃供给阀15供给烃的情况相比，具有能够容易消耗氧的优点。另一方面，在利用后喷射的情况下，必须一起进行后喷射和烃WA的供给控制，比较繁琐。因此在本发明中，考虑上述情况来在内燃机运转时选择性地使用第I烃供给方法和第2烃供给方法，在第I烃供给方法中，以预先决定的供给间隔AT从烃供给阀15喷射烃W，以使得废气的空燃比(A/F) in下降到预先决定的空燃比X，由此来净化废气中包含的NOx，在第2烃供给方法中，降低来自烃供给阀15的烃的供给量，并且在膨胀冲程后半程或者排气冲程中，将为了使废气的空燃比(A/F) in下降到预先决定的空燃比X所需的燃料WB供给到燃烧室2内。
另一方面，如上述那样，通过后喷射得到的燃料WB与烃WA相比容易被氧化，因此通过后喷射来供给燃料WB的情况与仅供给烃WA的情况相比，会得到高氧化反应热。因此在本发明的实施例中，在对排气净化催化剂13或微粒过滤器14这样的排气处理装置进行升温时，使用第2烃供给方法。图25A表示了排气净化催化剂13的升温控制。例如在内燃机运转时，当内燃机负载下降，并且排气温度下降从而导致排气净化催化剂13的温度TC低于预先决定的活化温度TCtl时，NOx净化率下降。因此如图25A所示那样，在排气净化催化剂13的温度TC高于活化温度TCtl时，使用第I烃供给方法，当排气净化催化剂13的温度TC低于活化温度TC。时，为了对排气净化催化剂13进行升温而使用第2烃供给 方法。S卩，在图25A所示的实施例中，在排气净化催化剂13的温度TC低于预先决定的活化温度TCtl时，从第I烃供给方法切换到第2烃供给方法来进行排气净化催化剂13的升温作用。图25B表示了微粒过滤器14的升温控制。为了使微粒过滤器14中堆积的微粒燃烧来使微粒过滤器14再生，必须使微粒过滤器14的温度TD上升到600°C以上的再生温度TX0于是在图25B所示的实施例中，在要使微粒过滤器14再生时，从第I烃供给方法切换到第2烃供给方法，由此来进行微粒过滤器14的升温作用。另外，在该实施例中，当微粒过滤器14的温度TD超过了再生温度TX时，为了使之后微粒过滤器14的温度TD维持在再生温度TX以上，通过后喷射来持续供给少量的燃料WB。接着对本发明的运转控制方法进行说明。图26表示了利用第INOx净化方法进行NOx的净化处理时的NOx净化率、和利用第2N0X净化方法时的针对排气净化催化剂13的NOx吸留率。在本发明中，在NOx净化率高于NOx吸留率时，即排气净化催化剂13的温度TC比较高时，使用第INOx净化方法，在NOx吸留率高于NOx净化率时，即排气净化催化剂13的温度TC低时，使用第2N0X净化方法。因此在内燃机起动时，一般使用第2N0X净化方法，当排气净化催化剂13的温度TC变高时，从第2N0X净化方法切换到第INOx净化方法。另一方面，在本发明中，当在第INOx净化方法的基础上进行第2烃供给控制时，通过后喷射得到的燃料量WB被进行反馈控制，以使得废气的空燃比(A/F) in可靠地下降到要求最小空燃比X。为了进行该反馈控制，需要检测使用第2烃供给方法时的实际的最小空燃比。图27表示了用于检测该实际的最小空燃比的程序。该程序仅在图23和图24所示的空燃比检测期间内每隔一定时间被插入执行。参照图27，首先在最初的步骤60中，读入由空燃比传感器26检测到的废气的空燃比(A/F)n。接着在步骤61中，检测在空燃比检测期间内成为最小的空燃比(A/F)in。接着在步骤62中，判别是否经过了空燃比检测期间，当经过了空燃比检测期间时，进入步骤63，将成为最小的空燃比(A/F)n设为最小空燃比(A/F)t。图28和图29表示了内燃机的运转控制程序，该程序也每隔一定时间就被插入执行。参照图28，首先在最初的步骤70中，判别表示应该选择第INOx净化方法的选择标识是否已被设置。在选择标识没有被设置时，进入步骤71，判别利用第INOx净化方法进行NOx的净化处理时的NOx净化率是否高于利用第2N0X净化方法时的针对排气净化催化剂13的NOx吸留率。在NOx净化率低于NOx吸留率时，进入图29的步骤72，执行第2N0X净化方法。S卩，在步骤72中，根据图18所示的映射计算每单位时间的排出NOx量NOXA。接着在步骤73中，通过对Σ NOX加上排出NOx量NOXA来计算吸留NOx量[Ν0Χ。接着在步骤74中，判别吸留N0x量Σ NOX是否超过了容许值MAX。若Σ NOX > MAX，则进入步骤75，根据图20所示的映射计算追加的燃料量WR，进行追加的燃料的喷射作用。接着在步骤76中，Σ NOX被清零。 另一方面，在图71的步骤71中，在判别为NOx净化率高于NOxK留率时，进入步骤77，设置选择标识，接着进入步骤78。选择标识一旦被设置，则在以后从步骤70跳到步骤78。在步骤78中，判别表示应该进行图25A所示的排气净化催化剂13的升温控制的升温标识I是否已被设置。在升温标识I没有被设置时进入步骤79。在步骤79中，判别由温度传感器23检测到的排气净化催化剂13的温度TC是否低于活化温度TQ。在TC > TC0时，进入步骤80，判别表示应该进行图25B所示的微粒过滤器14的升温控制的升温标识II是否已被设置。在升温标识II没有被设置时，进入步骤81，判别由压差传感器24检测到的微粒过滤器14的前后压差ΛΡ是否高于容许值PX。在ΔΡ^ΡΧ时，进入图29的步骤82，进行基于第I烃供给方法的烃的供给。S卩，在步骤82中，根据图16Α所示的映射计算烃的供给量W，接着在步骤83中根据图16C所示的映射计算烃的供给周期AT。接着在步骤84中进行以供给周期AT从烃供给阀15供给供给量W的烃的烃供给控制。另一方面，在图28的步骤79中，若判断为TC < TC0,则进入步骤85，设置升温标识I，并结束处理循环。升温标识I 一旦被设置，则在以后经由步骤78来结束处理循环。即，若升温标识I被设置，则基于第I烃供给方法的烃的供给控制被停止。此时，在图30所示的时间插入程序中进行排气净化催化剂13的升温控制。另外，在图28的步骤81中，若判断为ΛΡ>ΡΧ，则进入步骤86，设置升温标识II，并解除处理循环。升温标识II 一旦被设置，则在以后经由步骤80来结束处理循环。S卩，若升温标识II被设置，则基于第I烃供给方法的烃的供给控制被停止。此时，在图31所示的时间插入程序中进行微粒过滤器14的升温控制。参照图30所示的时间插入程序，首先在最初的步骤90中判别升温标识I是否已被设置，在升温标识I已被设置时，进入步骤91，判别排气净化催化剂13的温度TC是否高于对活化温度TCtl加上一定值α而得到的温度(TCtl+ α )。在TC彡TC0+ α时，进入步骤92，进行图25Α所示的排气净化催化剂13的升温控制。S卩，首先在最初的步骤92中，根据图22Β所示的映射计算烃的供给量WA，接着在步骤93中，根据图22C所示的映射计算通过后喷射得到的供给燃料量WB。接着在步骤94中，判别基于图27所示的程序的最小空燃比(A/F)t的检测是否结束。当检测到了最小空燃比(A/F)t时，在最初进行判断时进入步骤95，在以后则跳到步骤98。在步骤95中，判别检测到的最小空燃比(A/F)t是否小于从要求最小空燃比X减去一定值β而得到的空燃比(Χ_β)。在(A/F)t彡Χ-β时，即在检测到的最小空燃比(Α/F)t没有下降到空燃比(Χ-β)时，进入步骤97，对针对燃料供给量WB的修正值AWB加上一定值ΛΚ。接着进入步骤98。与此相对，当在步骤95中判别为(A/F)t<X-0时，进入步骤96，从修正值Λ WB减去一定值Λ K，接着进入步骤98。在步骤98中，针对燃料供给量WB计算修正值Λ WB。接着在步骤99中，以根据图16C所示的映射计算出的供给周期Λ T从烃供给阀15供给供给量WA的烃，如图23所示那样，从将要进行该烃的供给作用开始，通过后喷射向燃烧室2内供给燃料量WB的燃料。另一方面，当在步骤91中判断为TC > TC0+α时，进入步骤100，重置升温标识I。接着参照图31所示的时间插入程序 ，首先在最初的步骤110中，判别升温标识II是否已被设置，在升温标识II已被设置时，进入步骤111，判别微粒过滤器14的温度TD是否高于再生温度ΤΧ。在TD < TX时，进入步骤112，进行图25Β所示的微粒过滤器14的升温控制。S卩，首先在最初的步骤112中，根据图22Β所示的映射计算烃的供给量WA，接着在步骤113中，根据图22C所示的映射计算通过后喷射得到的供给燃料量WB。接着在步骤114中，判别基于图27所示的程序的最小空燃比(A/F)t的检测是否结束。当检测到最小空燃比(A/F)t时，在最初进行判断时进入步骤115，在以后则跳到步骤118。在步骤115中，判别检测到的最小空燃比(A/F)t是否低于从要求最小空燃比X减去一定值β而得到的空燃比(Χ-β)。在(A/F)t彡χ-β时，进入步骤117，对针对燃料供给量WB的修正值AWB加上一定值Λ K。接着进入步骤118。与此相对，当在步骤115中判别为(A/F)t < X-β时，进入步骤116，从修正值AWB减去一定值Λ K，接着进入步骤118。在步骤118中，针对燃料供给量WB计算修正值AWB。接着在步骤119中，以根据图16C所示的映射计算出的供给周期Λ T从烃供给阀15供给供给量WA的烃，如图23所示那样，从将要进行该烃的供给作用开始，通过后喷射向燃烧室2内供给燃料量WB的燃料。另一方面，当在步骤111中判断为TD > TX时，进入步骤120，如图25Β所示那样，通过进行后喷射来进行将微粒过滤器14的温度TD维持在再生温度TX以上的温度维持控制。接着在步骤121中判别再生处理是否结束，在判断为再生处理已经结束时，进入步骤122,重置升温标识II。另外，作为其他的实施例，可以在排气净化催化剂13上游的内燃机排气通路内配置用于使烃重整的氧化催化剂。图中符号说明4…进气岐管；5…排气岐管；7…排气涡轮增压器；12…排气管；13…排气净化催化剂；14…微粒过滤器；15…烃供给阀。
权利要求
1.一种内燃机的排气净化装置，其中， 在内燃机排气通路内配置有用于供给烃的烃供给阀，在烃供给阀下游的内燃机排气通路内配置有用于使从烃供给阀喷射出的烃和废气中包含的NOx发生反应的排气净化催化齐IJ，该排气净化催化剂的废气流通表面上担载有贵金属催化剂，并且在该贵金属催化剂周围形成有碱性的废气流通表面部分，该排气净化催化剂具有如果以预先决定的供给间隔从烃供给阀喷射烃，以使得废气的空燃比下降到预先决定的空燃比，则对废气中包含的NOx进行还原的性质，并且具有如果使烃的供给间隔长于该预先决定的供给间隔，则废气中包含的NOx的吸留量增大的性质，该排气净化装置选择性地使用第I烃供给方法和第2烃供给方法，该第I烃供给方法在内燃机运转时以上述预先决定的供给间隔从烃供给阀喷射烃，以使得废气的空燃比下降到上述预先决定的空燃比，由此来净化废气中包含的NOx，该第2烃供给方法降低来自烃供给阀的烃的供给量，并且在膨胀冲程后半程或者排气冲程中，将使废气的空燃比下降到上述预先决定的空燃比所需的燃料供给至燃烧室内。
2.根据权利要求I所述的内燃机的排气净化装置，其中， 上述第2烃供给方法在对排气处理装置进行升温时被使用。
3.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中， 该排气处理装置包括上述排气净化催化剂，在该排气净化催化剂的温度低于预先决定的活化温度时，从第I烃供给方法切换到第2烃供给方法来进行该排气净化催化剂的升温作用。
4.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中， 该排气净化装置包括配置在内燃机排气通路内的微粒过滤器，在要使微粒过滤器再生时，从第I烃供给方法切换到第2烃供给方法来进行微粒过滤器的升温作用。
5.根据权利要求I所述的内燃机的排气净化装置，其中， 在上述排气净化催化剂内，废气中包含的NOx和重整后的烃发生反应，从而生成包括氮和烃的还原性中间体，上述烃的预先决定的供给周期是为了持续生成还原性中间体所需的供给周期。
6.根据权利要求5所述的内燃机的排气净化装置，其中， 上述烃的供给周期在0. 3秒 5秒之间。
7.根据权利要求I所述的内燃机的排气净化装置，其中， 上述贵金属催化剂由铑Rh及钯Pd中的至少一种和钼Pt构成。
8.根据权利要求I所述的内燃机的排气净化装置，其中， 上述排气净化催化剂的废气流通表面上形成有包含碱金属、或者碱土类金属、或者稀土类、或者能够向NOx提供电子的金属的碱性层，该碱性层的表面形成上述碱性的废气流通表面部分。
9.根据权利要求I所述的内燃机的排气净化装置，其中， 在上述第2烃供给方法被利用时，从烃供给阀供给的烃的供给量根据流入到排气净化催化剂的废气中的NOx的量而决定。
全文摘要
在内燃机中，内燃机排气通路内配置有烃供给阀(15)和排气净化催化剂(13)。第1烃供给方法和第2烃供给方法被选择性地加以使用，在该第1烃供给方法中，以预先决定的供给间隔(ΔT)从烃供给阀(15)喷射烃，以使得废气的空燃比下降到要求最小空燃比(X)，由此来净化废气中包含的NOX，在该第2烃供给方法中，降低来自烃供给阀(15)的烃的供给量，并且在膨胀冲程后半程或者排气冲程中将燃料供给至燃烧室(2)内。
文档编号F01N3/08GK102713189SQ20108001927
公开日2012年10月3日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者井上三树男, 吉田耕平, 梅本寿丈 申请人:丰田自动车株式会社