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：
公知有如下的内燃机在内燃机排气通路内，配置有当流入的废气的空燃比为稀时吸留废气中包含的N0X，而当流入的废气的空燃比为浓时放出所吸留的NOx的NOx吸留催化剂，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，当要从NOx吸留催化剂放出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NOx吸留催化剂的废气的空燃比为浓(例如参照专利文献I)。
在该内燃机中，应当从NOx吸留催化剂放出NOx时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。结果，从NOx吸留催化剂放出来的NOx被良好地还原。专利文献I :日本特许第3969450号但是，存在当NOx吸留催化剂为高温时NOx净化率降低这样的问题。

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，即使排气净化催化剂的温度为高温也能够得到高的NOx净化率、且能够推定NOx净化率的降低。根据本发明，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废气中所含的NOx和经重整的烃反应的排气净化催化齐U，在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若从烃供给阀以预先决定的供给周期喷射预先决定的量的烃则对废气中所含的NOx进行还原的性质，并且具有若烃的供给周期比预先决定的供给周期长则废气中所含的NOx的吸留量增大的性质，具备检测烃供给阀的喷嘴口的阻塞程度的阻塞程度检测单元，当内燃机运转时，上述内燃机的排气净化装置从烃供给阀以预先决定的供给周期喷射预先决定的量的烃，此时根据由阻塞程度检测单元检测出的烃供给阀的喷嘴口的阻塞程度来推定NOx净化率。即使排气净化催化剂为高温也能够得到高的NOx净化率、且能够通过检测烃供给阀的喷嘴口的阻塞程度来推定NOx净化率的降低。


图I是压燃式内燃机的整体图。图2是示意性地示出催化剂载体的表面部分的图。图3是用于说明排气净化催化剂中的氧化反应的图。图4是示出流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化的图。图5是示出NOx净化率的图。
图6A和图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和图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是示出流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化等的图。图9是示出NOx量NOXA的映射的图。图10是示出燃料喷射正时的图。图11是示出NOx净化率的图。图12是示出流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化的时序图。图13是示出流入排气净化催化剂的废气的空燃比的变化的时序图。 图14是示出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15是示出能够得到同一 NOx净化率的、废气中的氧浓度和烃浓度的振幅AH之间的关系的图。图16是示出烃浓度的振幅A H和NOx净化率之间的关系的图。图17是示出烃浓度的振动周期A T和NOx净化率之间的关系的图。图18是示出流入排气净化催化剂的废气的空燃比等的变化的时序图。图19是示出烃的喷射时间W的映射的图。图20是示出烃的实际的喷射时间WT的变化等的图。图21是示出烃的喷射时间WH的映射的图。图22是示出排气净化催化剂的推定温度TCtl的变化的图。图23是示出阻塞率与增量系数K之间的关系的图。图24A和图24B是示出烃的喷射的样子的图。图25是示出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26是示出增量系数K与NOx净化率之间的关系的图。图27是示出吸入空气量与极限增量系数KX之间的关系的图。图28和图29是用于算出增量系数K的流程图。图30是用于进行烃的喷射控制的流程图。
具体实施例方式图I中示出压燃式内燃机的整体图。参照图I, I表不内燃机主体、2表不各气缸的燃烧室、3表不用于向各燃烧室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经由进气导管6连结于排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口，压缩机7a的入口经由吸入空气量检测器8连结于滤清器9。在进气导管6内配置有由步进电动机驱动的节流阀10，此夕卜，在进气导管6周围配置有用于对在进气导管6内流动的吸入空气进行冷却的冷却装置
11。在图I所示的实施例中，将内燃机冷却水导入到冷却装置11内，利用内燃机冷却水来冷却吸入空气。另一方面，排气岐管5连结于排气涡轮增压器7的排气涡轮机7b的入口。排气涡轮机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所含的微粒的颗粒过滤器14连结。在排气净化催化剂13上游的排气管12内配置有烃供给阀15，该烃供给阀15用于供给由用作压燃式内燃机的燃料的轻油或/和其他燃料构成的烃。在图I所示的实施例中，作为从烃供给阀15供给的烃使用轻油。另外，本发明也能够应用于以稀空燃比进行燃烧的火花点火式内燃机。在该情况下，从烃供给阀15供给由用作火花点火式内燃机的燃料的汽油或/和其他燃料构成的烃。另一方面，排气歧管5和进气歧管4经由废气再循环(以下称为EGR)通路16互相连结，在EGR通路16内配置有电子控制式EGR控制阀17。并且，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，将内燃机冷却水导入到冷却装置18内，利用内燃机冷却水对EGR气体进行冷却。另一方面，各燃料喷射阀3经由燃料供给管19连结于共轨20，该共轨20经由电子控制式的喷出量可变的燃料泵21与燃料罐22连结。贮存在燃料罐22内的燃料由燃料泵21供给至共轨20内，供给至共轨20内的燃料经由各燃料供给管19供给至燃料喷射阀3。电子控制单元30包含数字计算机，具备通过双向性总线31互相连结的ROM(只读存储器)32、RAM(随机读写存储器)33、CPU(微处理器)34、输入端口 35及输出端口 36。在排气净化催化剂13的上游和下游分别安装有用于检测废气温度的温度传感器23和24，在颗粒过滤器14安装有用于检测颗粒过滤器14前后的压差的压差传感器25。这些温度传感 器23、24、压差传感器25以及吸入空气量检测器8的输出信号分别经由对应的AD转换器37输入到输入端口 35。并且，在油门踏板40连接有产生与油门踏板40的踩踏量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转换器37输入到输入端口 35。此外，在输入端口 35连接有曲轴每旋转例如15°就产生输出脉冲的曲轴转角传感器42。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、节流阀10的驱动用步进电动机、烃供给阀15、EGR控制阀17及燃料泵21连接。图2示意性地示出担载于排气净化催化剂13的基体上的催化剂载体的表面部分。在该排气净化催化剂13中，如图2所示，在例如由氧化铝形成的催化剂载体50上担载有贵金属催化剂51、52，此外，在该催化剂载体50上形成有碱性层53，该碱性层53包含选自钾K、钠Na、铯Cs这样的碱金属；钡Ba、钙Ca这样的碱土类金属；镧系这样的稀土类；以及银Ag、铜Cu、铁Te、铱Ir这样的可向NOx供给电子的金属中的至少一个。由于废气沿着催化剂载体50上流动，所以可以说贵金属催化剂51、52被担载在排气净化催化剂13的废气流通表面上。并且，由于碱性层53的表面呈碱性，所以碱性层53的表面被称作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由钼Pt形成，贵金属催化剂52由铑Rh形成。即，担载于催化剂载体50的贵金属催化剂51、52由钼Pt以及铑Rh形成。另外，在排气净化催化剂13的催化剂载体50上，能够在担载钼Pt以及铑Rh的基础上进一步担载钯Pd，或者能够代替铑Rh而担载钯Pd。即，担载于催化剂载体50的贵金属催化剂51、52由铑Rh和钯Pd中的至少一方与钼Pt构成。当从烃供给阀15向废气中喷射烃时，该烃在排气净化催化剂13中被重整。在本发明中，使用此时经重整的烃在排气净化催化剂13中净化N0X。图3示意性地示出此时在排气净化催化剂13中进行的重整作用。如图3所示，从烃供给阀15喷射的烃HC由催化剂15形成为碳数少的自由基状的烃HC。图4示出从烃供给阀15供给的烃的供给时刻和流入排气净化催化剂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的变化依存于流入排气净化催化剂13的废气中的烃的浓度变化，所以图4所示的空燃比(A/F)in的变化也可以说是表示烃的浓度变化。不过，由于当烃浓度变高时空燃比(A/F) in变小，所以在图4中空燃比(A/F) in越趋向浓侧则烃浓度越高。图5相对于排气净化催化剂13的各催化剂温度TC示出通过使流入排气净化催化剂13的烃的浓度周期性变化而如图4所示那样使流入排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F) in变化时的、基于排气净化催化剂13的NOx净化率。本发明人长时间反复进行与NOx净化相关的研究，在该研究课程中，发现如果使流入排气净化催化剂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，则如图5所示即使在400°C以上的高温区域也能够得到极高的NOx净化率。此外，发现此时包含氮和烃的大量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，该还原性中间体在得到高NOx净化率的方面起到核心作用。接着，参照图6A和6B对上述情况进行说明。另外，上述图6A和6B示意性地示出排气净化催化剂13的催化剂载体50的表面部分，在上述图6A和6B中示出推测在使流入排气净化催化剂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会产生的反应。图6A示出流入排气净化催化剂13的烃的浓度低时，图6B示出从烃供给阀15供给烃而使流入排气净化催化剂13的烃的浓度变高时。另外，从图4可知，由于流入排气净化催化剂13的废气的空燃比除一瞬间之外都被维持在稀空燃比，所以流入排气净化催化剂13的废气通常处于氧过剩的状态。因而，废气中所含的NO如图6A所示那样在钼51上被氧化而成为NO2,接着，该NO2被从钼51供给电子而成为NO2。因而，在钼51上生成大量的NO2。该NO2活性强，将以上的该NO2称作活性NO/。另一方面，当从烃供给阀15供给烃时，如图3所示，该烃在排气净化催化剂13内被重整而成为自由基。结果，如图6B所示，活性NO/周围的烃浓度变高。然而，在生成活性NO；后，如果活性NO/周围的氧浓度高的状态持续一定时间以上，则活性NO/被氧化而以硝酸根离子N03_的形式被吸收入碱性层53内。但是，如果在经过该一定时间之前活性NO/周围的烃浓度变高，则如图6B所示活性NO/在钼51上与自由基状的烃HC反应，由此生成还原性中间体。该还原性中间体附着或者吸附在碱性层53的表面上。另外，认为此时最初生成的还原性中间体是硝基化合物R_N02。如果生成该硝基化合物R-NO2,则会成为腈基化合物R-CN，但该腈基化合物R-CN在该状态下只能存在瞬间，因此立即成为异氰酸酯化合物R-NC0。如果该异氰酸酯化合物R-NCO水解则成为胺化合物R_NH2。不过，在该情况下，认为水解的是一部分异氰酸酯化合物R-NCO。因而，如图6B所示，认为被保持或者吸附在碱性层53的表面上的还原性中间体的大部分是异氰酸酯化合物R-NCO以及胺化合物R-NH2。另一方面，如图6B所示，如果烃HC包围所生成的还原性中间体的周围，则还原性中间体被烃HC阻止而无法继续进行反应。在该情况下，如果降低流入排气净化催化剂13的烃的浓度而氧浓度变高，则还原性中间体周围的烃被氧化。结果，如图6A所示，还原性中间体与活性NO/反应。此时，活性NO/与还原性中间体R-NCO、R-NH2反应而成为N2、CO2、H2O,这样NOx得到净化。
这样，在排气净化催化剂13中，通过增高流入排气净化催化剂13的烃的浓度来生成还原性中间体，通过降低流入排气净化催化剂13的烃的浓度并提高氧浓度，活性NO/与还原性中间体反应，NOx得到净化。即，为了利用排气净化催化剂13净化NOx，需要使流入排气净化催化剂13的烃的浓度周期性地变化。当然，在该情况下，为了生成还原性中间体需要提高烃的浓度直至达到充分高的浓度，为了使所生成的还原性中间体与活性NO/反应需要降低烃的浓度直至达到充分低的浓度。即，需要使流入排气净化催化剂13的烃的浓度以预先决定的范围内的振幅振动。另夕卜，在该情况下，直到所生成的还原性中间体与活性NO/反应为止，都必须在碱性层53上、即碱性废气流通表面部分24上保持有充分量的还原性中间体R-NCO、R-NH2,为此设置有碱性的废气流通表面部分24。另一方面，如果增长烃的供给周期，则在供给烃之后到下一次供给烃为止的期间，氧浓度变高的期间增长，因而，活性NO/不生成还原性中间体而以硝酸盐的形式被吸收到碱性层53内。为了避免上述情况，需要使流入排气净化催化剂13的烃的浓度以预先决定的范围内的周期振动。 因此，在基于本发明的实施例中，为了使废气中所含的NOx与经重整的烃反应而生成包含氮和烃的还原性中间体R-NCO、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，为了将所生成的还原性中间体R-NCO、R-NH2保持在排气净化催化剂13内，在贵金属催化剂51、52的周围形成有碱性的废气流通表面部分54，借助被保持在碱性的废气流通表面部分54上的还原性中间体R-NCO、R-NH2的还原作用来还原NOx，将烃浓度的振动周期设成为了持续生成还原性中间体R-NCO、R-NH2所需要的振动周期。因此，在图4所不的例子中将喷射间隔设为3秒。如果使烃的振动周期、即烃HC的供给周期比上述预先决定的范围内的周期长，则还原性中间体R-NCO、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所示那样以硝酸根离子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示出当像这样NOx以硝酸盐的形式被吸收到碱性层53内时流入排气净化催化剂13内的废气的空燃比为理论空燃比或浓空燃比的情况。在该情况下，废气中的氧浓度降低，因此反应向相反方向(N03_ — NO2)进行，这样，被吸收到碱性层53内的硝酸盐依次成为硝酸根离子N03_而后如图7B所示那样以NO2的形式从碱性层53放出。接下来，放出的NO2由废气中所含的烃HC和CO还原。另外，此时也存在碱性层53暂时吸附NOx的情况，因而，当作为包含吸收和吸附这两者的术语而使用吸留这样的术语时，此时碱性层53起到用于暂时吸留NOx的NOx吸留剂的作用。即，在该情况下，如果将供给至内燃机进气通路、燃烧室2以及排气净化催化剂13上游的排气通路内的空气以及燃料(烃)的比称作废气的空燃比，则排气净化催化剂13作为当废气的空燃比为稀时吸留N0X，当废气中的氧浓度降低时放出所吸留的NOx的NOx吸留催化剂发挥功能。图8示出利用了这种NOx的吸留还原作用的NOx净化方法。即，在该NOx净化方法中，如图8所示，当吸留到碱性层53的吸留NOx量E NOX超过预先决定的容许量MAX时，使流入排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F)in暂时为浓。如果使废气的空燃比(A/F)in为浓，则当废气的空燃比(A/F) in为稀时吸收到碱性层53内的NOx被从碱性层53 —口气放出并被还原。由此来净化N0X。例如根据从内燃机排出的NOx量来算出吸留NOx量E N0X。在基于本发明的实施例中，每单位时间从内燃机排出的排出NOx量NOXA作为内燃机负荷L和内燃机转速N的函数而以图9所示的映射的形式预先存储于ROM 32内，根据该排出NOx量NOXA算出吸留NOx量E N0X。废气的空燃比(A/F) in为浓的周期如图4所示那样明显比使废气的空燃比(A/F)in降低的周期长，废气的空燃比(A/F)in为浓的周期通常在一分钟以上。并且，在该NOx净化方法中，如图10所示，在从燃料喷射阀3向燃烧室2内喷射燃烧用燃料M的基础上还喷射追加的燃料W，由此使流入排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F)in变浓。另外，图10的横轴表示曲轴转角。该追加的燃料W在虽然燃烧但不会作为内燃机输出而显现的正时、即在比压缩上死点后ATDC 90°稍靠前的时刻喷射。当然，在该情况下也能够通过增大从烃供给阀15供给的烃的供给量而使废气的空燃气(A/F)in为浓。图11示出当使排气净化催化剂13像这样作为NOx吸留催化剂发挥功能时的NOx净化率。另外，图11的横轴示出排气净化催化剂13的催化剂温度TC。在使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂发挥功能的情况下，如图11所示，虽然当催化剂温度TC为300°C到400°C时能够得到极高的NOx净化率，但如果催化剂温度TC变为400°C以上的高温则NOx净化率降低。之所以像这样如果催化剂温度TC变为400°C以上的高温则NOx净化率降低，是因为如果催化剂温度TC变为400°C以上的高温则硝酸盐热分解而以NO2的形式被从排气净化装置13放出。即，只要以硝酸盐的形式吸留N0X，当催化剂温度TC高时就难以得到高NOx净化率。但是,在从图4到图6A、6B所示的新的NOx净化方法中，从图6A、6B可知，不生成硝酸盐、或者即使生成硝酸盐也极其微量，这样，如图5所示，即使当催化剂温度TC高时也能够得到高NOx净化率。因此，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，在该烃供给阀15下游的内燃机排气通路内配置有用于使废气中所含的NOx与经重整的烃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的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具有当从烃供给阀15以预先决定的供给周期喷射预先决定的量的烃时对废气中所含的NOx 进行还原的性质，并且具有当使烃的供给周期比预先决定的供给周期长时对废气中所含的NOx的吸留量增大的性质，当内燃机运转时，通常从烃供给阀15以上述的预先决定的供给周期喷射上述的预先决定的量的烃，由此在排气净化催化剂13中对废气中所含的NOx进行还原。S卩，对于从图4到图6A、6B所示的NOx净化方法，在使用形成有担载贵金属催化剂且能够吸收碱性层的排气净化催化剂的情况下，几乎不形成硝酸盐就能够对NOx进行净化，这可以说是新的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吸留催化剂发挥功能的情况相比较，从碱性层53检测出的硝酸
盐极其微量。接着，参照图12至图17对图4至图6A、图6B所示的新的NOx净化方法进行稍微详细的说明。
图12放大示出图4所示的空燃比(A/F)in的变化。另外，如上所述，流入该排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F) in的变化同时表示流入排气净化催化剂13的烃的浓度变化。另外，在图12中，AH表示流入排气净化催化剂13的烃HC的浓度变化的振幅，AT表示流入排气净化催化剂13的烃浓度的振动周期。此外，在图12中，(A/F)b代表表示用于产生内燃机输出的燃烧气体的空燃比的基础空燃比。换言之，该基础空燃比(A/F)b表示当停止烃的供给时流入排气净化催化剂13的废气的空燃比。另一方面，在图12中，X表示用于使所生成的活性NO/不以硝酸盐的形式被吸留到碱性层53内而是生成还原性中间体所使用的空燃比(A/F) in的上限，为了使活性NO/与经重整的烃反应而生成还原性中间体，需要将空燃比(A/F) in设定得比该空燃比的上限X低。换言之，图12的X表示为了使活性NO/与经重整的烃反应而生成还原性中间体所 需要的烃的浓度的下限，为了生成还原性中间体而需要将烃的浓度设定得比该下限X高。在该情况下，是否生成还原性中间体取决于活性NO/周围的氧浓度和烃浓度的比率、即空燃比(A/F) in，以下将生成还原性中间体所需要的上述的空燃比的上限X称作要求最小空燃比。在图12所示的例子中，要求最小空燃比X为浓，因而，在该情况下，为了生成还原性中间体而使空燃比(A/F) in瞬间在要求最小空燃比X以下、即为浓。相对于此，在图13所示的例子中，要求最小空燃比X为稀。在该情况下，通过在将空燃比(A/F)in维持在为稀的同时使空燃比(A/F) in周期性降低来生成还原性中间体。在该情况下，要求最小空燃比X为浓还是为稀取决于排气净化催化剂13的氧化能力。在该情况下，例如如果增大贵金属51的担载量，则排气净化催化剂13的氧化能力增强，如果酸性增强则氧化能力增强。因而，排气净化催化剂13的氧化能力根据贵金属51的担载量、酸性的强度而变化。另外，在使用氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下，如图13所示，如果在将空燃比(A/F) in维持为稀的同时使空燃比(A/F) in周期性降低，则当空燃比(A/F) in降低时烃被完全氧化，结果无法生成还原性中间体。相对于此，在使用氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下，如图12所示，如果使空燃比(A/F) in周期性为浓，则当空燃比(A/F)in为浓时烃不是被完全氧化而是被部分氧化，即烃被重整，这样，生成还原性中间体。因而，在使用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为浓。另一方面，在使用氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下，如图13所示，如果在将空燃比(A/F) in维持为稀的同时使空燃比(A/F) in周期性降低，则烃不是被完全氧化而是被部分氧化，即烃被重整，这样，生成还原性中间体。相对于此，在使用氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下，如果如图12所示使空燃比(A/F) in周期性为浓，则大量的烃不被氧化而仅仅从排气净化催化剂13排出，这样，无用消耗的烃量增大。因而，在使用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为稀。S卩，可知需要如图14所示那样排气净化催化剂13的氧化能力越强则越降低要求最小空燃比X。这样根据排气净化催化剂13的氧化能力使要求最小空燃比X变为稀或者变为浓，但以下以要求最小空燃比X为浓的情况为例，对流入排气净化催化剂13的烃的浓度变化的振幅、流入排气净化催化剂13的烃浓度的振动周期进行说明。
另外，如果基础空燃比(A/F)b变大、S卩如果供给烃前的废气中的氧浓度变高，则为了使空燃比(A/F) in在要求最小空燃比X以下而需要的烃的供给量增大，伴随于此，不对还原性中间体的生成做出贡献的多余的烃量也增大。在该情况下，为了良好地净化N0X，需要如上述那样使该多余的烃氧化，因而，为了良好地净化N0X，多余的烃量越多，则越需要大
量的氧。在该情况下，如果增高废气中的氧浓度则能够增大氧量。因而，为了良好地净化NOx，在供给烃前的废气中的氧浓度高时，需要增高供给烃后的废气中的氧浓度。即，供给烃前的废气中的氧浓度越高则越需要增大烃浓度的振幅。图15示出能够得到同一 NOx净化率时的、供给烃前的废气中的氧浓度和烃浓度的振幅AH之间的关系。从图15可知，为了得到同一 NOx净化率，供给烃前的废气中的氧浓度越高，则越需要增大烃浓度的振幅AH。即，为了得到同一 NOj争化率，基础空燃比(A/F)b越高则越需要增大烃浓度的振幅AT。换言之，为了良好地净化NOx，基础空燃比(A/F)b 越低则越能够减少烃浓度的振幅AT。然而，基础空燃比(A/F)b最低的情况发生在加速运转时，此时，如果烃浓度的振幅AH为200ppm左右，则能够良好地净化N0X。基础空燃比(A/F)b通常比加速运转时的基础空燃比大，因而，如图16所示，只要烃浓度的振幅A H为200ppm以上，就能够得到良好的NOjt化率。另一方面，可知当基础空燃比(A/F)b最高时，只要烃浓度的振幅AH为IOOOOppm左右，就能够得到良好的NOx净化率。并且，如果烃浓度的振幅A H超过lOOOOppm，则存在空燃比(A/F) in变为浓的危险性，因此存在无法进行图4到图6A、6B所示的新的NOx净化方法的危险性。因而，在本发明中，烃浓度的振幅的预先决定的范围为从200ppm到lOOOOppm。并且，如果烃浓度的振动周期A T变长，则在供给烃之后到下一次供给烃的期间，活性NO/周围的氧浓度变高。在该情况下，如果烃浓度的振动周期AT比5秒左右长，则活性NO/开始以硝酸盐的形式被吸收到碱性层53内，因而，如图17所示，如果烃浓度的振动周期A T比5秒左右长，则NOx净化率降低。因而，需要将烃浓度的振动周期A T设为5秒以下。另一方面，如果烃浓度的振动周期AT为大致0. 3秒以下，则所供给的烃开始在排气净化催化剂13的废气流通表面上堆积，因而，如图17所示，如果烃浓度的振动周期AT为大致0. 3秒以下，则NOx净化率降低。因此，在本发明中，烃浓度的振动周期设为从0. 3秒到5秒之间。另外，在本发明中，以通过使来自烃供给阀15的烃的喷射量和喷射正时变化而使烃浓度的振幅AH和振动周期AT成为与内燃机的运转状态相应的最佳值的方式、即能够进行基于新的NOx净化方法的良好的NOx净化作用的方式进行控制。在这种情况下，在基于本发明的实施例中，通过控制烃供给阀15的烃的喷射时间来控制烃的喷射量。图18示出某一代表性的内燃机运转状态下的、向排气净化催化剂13流入的烃的浓度变化、即流入排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F)in的变化和烃的喷射时间WT，能够确保基于新的NOx净化方法的良好的NOx净化作用的烃的喷射正时WT根据内燃机的运转状态而变化。在基于本发明的实施例中，该烃的喷射时间W作为内燃机的要求扭矩TQ以及内燃机转速N的函数而以如图19所示那样的映射的形式被预先存储在R0M32内，从烃供给阀15喷射烃的喷射时间WT通常设为根据图19的映射算出的喷射时间W。另外，在基于本发明的实施例中，当为了暖机和/或其他目的而使排气净化催化剂13或者其他催化剂、或者颗粒过滤器14升温时，通过使从烃供给阀15喷射的烃的喷射量增加来进行。图20作为一例示出当要再生颗粒过滤器14时使颗粒过滤器14的温度升温至600°C左右的目标温度时的升温控制。此时，从图20可知，当开始升温控制时，烃的喷射时间WT增大。另一方面，如果像这样烃的喷射时间WT增大，则借助烃的氧化反应热的增大，颗粒过滤器14的温度上升，此时如图20所示排气净化催化剂13的温度TC也上升。然而，为了使颗粒过滤器14的温度上升至600°C左右的目标温度且维持在目标温度所需要的烃的喷射量是废气量即吸入空气量与废气温度的函数，在基于本发明的实施例中，为了使颗粒过滤器14的温度上升至600°C左右的目标温度且维持在目标温度所需要的烃的基准喷射时间WH作为吸入空气量GA与废气温度TE的函数而以图21所示的映射的形式预先存储在ROM 32内。 当从烃供给阀15正常地喷射烃时，如果使烃的喷射时间为根据图21的映射算出的喷射时间WH，则颗粒过滤器14的温度上升至目标温度且维持在目标温度。图22所示的实线表示此时的排气净化催化剂13的温度TCtl的变化，在从烃供给阀15正常地喷射烃的情况下，不论开始升温控制时的排气净化催化剂13的温度如何，排气净化催化剂13的温度TC0都沿着图22所示的实线上升。即，不论是在排气净化催化剂13的温度TCtl为200°C时开始升温控制，还是在排气净化催化剂13的温度TCtl为300°C时开始升温控制，排气净化催化剂13的温度TCtl都沿着图22所示的实线上升。因而，推定为当从烃供给阀15正常地喷射烃时排气净化催化剂13的温度TCtl从升温控制开始时的温度沿着图22所示的实线上升，因而，在基于本发明的实施例中，将图22中的TCtl称作推定温度。预先存储在图22中以实线示出的温度TCtl的变化。另外，现在设为当排气净化催化剂13的实际温度为300°C时开始升温控制。此时将烃的喷射时间WT设为根据图21所示的映射算出的基准喷射时间WH，当从烃供给阀15正常地喷射烃时，排气净化催化剂13的实际温度TC沿着图22中以实线示出的推定温度TCtl上升。此时颗粒过滤器14的温度上升至目标温度并被维持在目标温度。相对于此，当开始升温控制且烃的喷射时间WT为根据图21所示的映射算出的基准喷射时间WH时，如果烃喷射阀15的喷嘴口发生阻塞，则烃的喷射量比正常时的喷射量少。结果，排气净化催化剂13的实际温度TC如图22中以虚线所示那样未上升至推定温度T00此时颗粒过滤器14的温度未上升至目标温度。因此,在基于本发明的实施例中,此时增大烃的喷射时间，以使排气净化催化剂13的实际温度TC沿着图22中以实线示出的推定温度TCtl上升。具体而言，对根据图21所示的映射算出的基准喷射时间WH乘以增量系数K( >1.0),以使此时烃的喷射量与正常时的烃的喷射量相等。因而，此时颗粒过滤器14的温度上升至目标温度，并被维持在目标温度。另外，烃供给阀15的喷嘴口的有效面积越减少、即烃供给阀15的喷嘴口的阻塞率越增大，则对基准喷射时间WH相乘的增量系数K的值越大。图23示出增量系数K与阻塞率之间的关系，从图23可知阻塞率越增大则增量系数K的值越增大。如上所述，当烃供给阀15的喷嘴口发生了阻塞时，烃的喷射量减少，因此导致无法进行良好的升温作用。但是，此时通过增大烃的喷射时间能够得到良好的升温作用。另一方面，当烃供给阀15的喷嘴口发生阻塞时NOx净化率降低。但是，即使此时增大烃的喷射时间，NOx净化率也几乎不会增大。参照图24A、图24B以及图25对这种情况进行说明。图24A示出烃供给阀15的喷嘴口 15a没有发生阻塞的情况，图24B示出喷嘴口15a发生阻塞的情况。当喷嘴口 15a发生阻塞时，喷嘴口 15a的有效面积减少。结果，喷射量减少并且如图24B所示那样喷雾F的扩张角增大。如果像这样喷射量减少并且喷雾F的扩张角增大，则所喷射的烃的浓度降低，因此如图25所示会导致空燃比(A/F) in无法变为要求最小空燃比X以下。结果，NOx净化率降低。然而，在基于本发明的实施例中，当喷嘴口 15a发生阻塞时增大烃的喷射时间，以使烃的喷射量与正常时的喷射量相等。但是，当喷嘴口 15a发生阻塞时，即使增大烃的喷射时间，喷雾F也如图24B所示那样扩张。因此，即使在该情况下所喷射的烃的浓度也会降低，因此如图25所示空燃比(A/F) in无法变为要求最小空燃比X以下。结果，NOj争化率降低。S卩，在使用基于本发明的新的NOx净化方法的情况下，喷嘴15a的阻塞率越高，则 所喷射的烃的浓度越是降低、NOx净化率越是降低。即，在使用基于本发明的新的NOx净化方法的情况下，能够根据喷嘴15a的阻塞率、即喷嘴15a的阻塞程度来推定NOx净化率。因此，在本发明中，具备检测烃供给阀15的喷嘴口 15a的阻塞程度的阻塞程度检测单元，在使用基于本发明的新的NOx净化方法时，根据由该阻塞程度检测单元检测出的烃供给阀15的喷嘴口 15a的阻塞程度来推定NOx净化率。另一方面，在基于本发明的实施例中，如上所述，通过增大从烃供给阀15喷射烃的喷射时间来进行使配置在内燃机排气通路内的催化剂或者颗粒过滤器14的温度升温至目标温度的升温控制。在该情况下，当喷嘴15a发生阻塞时增大烃的喷射时间，此时如图23所示根据增量系数K的值、即烃的喷射时间的增大量可得知阻塞率、即阻塞程度。因而，在基于本发明的实施例中，利用上述的阻塞程度检测单元并根据进行升温控制时的烃的喷射时间的增大量来检测阻塞程度。图26示出增量系数K和NCU争化率之间的关系。另外，在图26中，三条实线GApGA2、GA3分别表示等吸入空气量线，关于吸入空气量存在GA1 < GA2 < GA3的关系。并且，在图26中RX表示容许NOx净化率，KX1,KX2,KX3表示当吸入空气量为GApGA2AA3时NOx净化率成为容许NOx净化率RX时的增量系数K的极限值、即极限增量系数。如图27所示，吸入空气量GA越增大，则该极限增量系数KX越降低。在基于本发明的实施例中，当NOx净化率为容许NOx净化率以下时、即增量系数K超过与吸入空气量相应的极限增量系数KX时，判断为即使使用新的NOx净化方法也无法得到良好的NOx净化作用，此时例如点亮警告灯。并且，在基于本发明的实施例中，此时从新的NOx净化方法切换成利用NOx的吸留还原的NOx净化方法。并且，如上所述，在基于本发明的实施例中，当喷嘴15a的阻塞率、即喷嘴15a的阻塞程度增大时，增量系数K增大。因而，在基于本发明的实施例中，换言之，当烃供给阀15的喷嘴口 15a的阻塞程度超过预先决定的程度时，判断为NOx净化率为容许NOx净化率RX以下，此时例如点亮警告灯。在该情况下，吸入空气量越增大，则该预先决定的程度越大。另一方面，在基于本发明的实施例中，当烃供给阀15的喷嘴口 15a的阻塞程度超过预先决定的程度时、即判断为NOx净化率为容许NOx净化率RX以下时，通过以比预先决定的供给周期长的周期将流入排气净化催化剂13的废气的空燃比从稀切换成浓，NOx净化方法被切换成净化NOx的其他的NOx净化方法、即利用NOx吸留还原的NOx净化方法。接着，参照图28和图29对增量系数K的算出程序进行说明。该程序通过每一定时间的插入来执行。参照图28，首先最初在步骤60中判断是否设置了表示应使颗粒过滤器14升温的升温标记。当未设置升温标记时，前进至步骤61并判断是否发出应使颗粒过滤器14升温的要求。在未发出应使颗粒过滤器14升温的要求的情况下结束处理循环。相对于此，在发出应使颗粒过滤器14升温的要求的情况下前进至步骤62并设置升温标记。接着，在步骤63中根据温度传感器23、34来检测排气净化催化剂TC的当前的温度TC、即初始催化剂温度。接着，在步骤64中将该初始催化剂温度设为排气净化催化剂13的推定温度Ttl,接着前进至步骤65。另外，该推定温度Ttl随着时间的推移而沿着图22所示的曲线增大。如果在步骤62中设置了标记，则之后从步骤60跳跃到步骤64。
在步骤65中判断由温度传感器23、34检测出的排气净化催化剂13的实际温度TC是否比从推定温度TCtl减去小的一定值a而得到的值(TCtl-a )低。当TC彡TC0-时前进至步骤66并判断排气净化催化剂13的实际温度是否比对推定温度TCcJP上小的一定值a而得到的值(TCtl+a )大。当TC彡TC0+a时前进至步骤69。另一方面，当在步骤65中判断为TC < TC0- a时前进至步骤67，并对增量系数K加上一定值A K。接着前进至步骤69。并且，当在步骤66中判断为TC>TC0+a时前进至步骤68，并从增量系数K减去一定值AK。接着前进至步骤69。即，使增量系数K增大或者减小，以使排气净化催化剂13的实际温度TC成为推定温度TQ。在步骤69中判断增量系数K是否超过了图27所示的极限增量系数KX。当K >KX时前进至步骤70并设置异常标记，接着前进至步骤71并点亮警告灯。接着在步骤72中判断升温控制是否已完毕，当升温控制完毕时前进至步骤73并重置升温标记。接着参照图30对烃的喷射控制程序进行说明。参照图30，首先最初在步骤80中判断是否设置了升温标记。当未设置升温标记时前进至步骤81并判断是否设置了异常标记。当未设置异常标记时前进至步骤82并执行新的NOx净化方法。S卩，首先最初在步骤82中根据图19所示的映射算出喷射时间W，接着在步骤83中通过对该喷射时间W乘以增量系数K来算出最终的喷射时间WT。另外，通常情况下K =
I.0，因而，通常情况下最终的喷射时间WT为根据映射算出的喷射时间W。接着，在步骤84中算出与内燃机的运转状态相应的喷射周期AT。接着在步骤85中以喷射周期AT在喷射时间WT的期间从烃供给阀15喷射烃。另一方面，当在步骤80中判断为设置了升温标记时前进至步骤86并进行升温控制。即，首先最初在步骤86中根据图21所示的映射算出喷射时间WH，接着在步骤87中通过对该喷射时间WH乘以增量系数K来算出最终的喷射时间WT。另外，增量系数K通常为1.0，当喷嘴口 15a发生阻塞时，该增量系数K增大。接着，在步骤88中算出与内燃机的运转状态相应的喷射周期△ T，接着在步骤89中以喷射周期△ T在喷射时间WT的期间从烃供给阀15喷射烃。另一方面，当在步骤82中判断为设置了异常标记时前进至步骤90，并进行利用从图7A、7B到图11所示的NOx吸留还原作用的NOx净化方法。另外，作为其他的实施例也能够在排气净化催化剂13上游的内燃机排气通路内配置用于重整烃的氧化催化剂。符号说明4...进气歧管；5...排气歧管；7...排气润轮增压器；12...排气管；13...排 气净化催化剂；14...颗粒过滤器；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废气中所含的NOx和经重整的烃反应的排气净化催化剂，在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若从烃供给阀以预先决定的供给周期喷射预先决定的量的烃则对废气中所含的NOx进行还原的性质，并且具有若烃的供给周期比该预先决定的供给周期长则废气中所含的NOx的吸留量增大的性质，上述内燃机的排气净化装置具备检测烃供给阀的喷嘴口的阻塞程度的阻塞程度检测单元，当内燃机运转时，上述内燃机的排气净化装置从烃供给阀以该预先决定的供给周期喷射该预先决定的量的烃，此时，根据由该阻塞程度检测单元检测出的烃供给阀的喷嘴口的阻塞程度来推定NOx净化率。
2.根据权利要求I所述的内燃机的排气净化装置，其中， 当烃供给阀的喷嘴口的阻塞程度超过预先决定的程度时，判断为NOx净化率在容许NOx净化率以下。
3.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中， 当判断为NOx净化率在上述容许NOx净化率以下时，以比上述预先决定的供给周期长的周期将流入排气净化催化剂的废气的空燃比从稀空燃比切换成浓空燃比，由此将NOx净化方法切换成净化NOx的其他的NOx净化方法。
4.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中， 吸入空气量越增大，则上述预先决定的程度越小。
5.根据权利要求I所述的内燃机的排气净化装置，其中， 通过增大从上述烃供给阀喷射烃的喷射时间来进行使配置在内燃机排气通路内的催化剂或者颗粒过滤器的温度升温至目标温度的升温控制，上述阻塞程度检测单元根据进行该升温控制时的该烃的喷射时间的增大量来检测阻塞程度。
6.根据权利要求I所述的内燃机的排气净化装置，其中， 利用上述贵金属催化剂使废气中所含的NOx和经重整的烃反应而生成包含氮和烃的还原性中间体，并且所生成的还原性中间体被保持在上述碱性的废气流通表面部分上，NOx借助被保持在该碱性的废气流通表面部分上的还原性中间体的还原作用而被还原，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而需要的供给周期。
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错Rh以及钮Pd中的至少一方与钼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， 在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。
全文摘要
本发明提供内燃机的排气净化装置。在内燃机中，在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)。在排气净化催化剂(13)上担载有铂Pt(51)，并形成有碱性层(53)。使流入排气净化催化剂(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，由此废气中所含的NOx在排气净化催化剂(13)中被还原。具备检测烃供给阀(15)的喷嘴口的阻塞程度的阻塞程度检测单元，根据所检测出的烃供给阀(15)的喷嘴口的阻塞程度来推定NOx净化率。
文档编号F01N3/20GK102782274SQ201080019280
公开日2012年11月14日 申请日期2010年3月18日 优先权日2010年3月18日
发明者井上三树男, 吉田耕平, 沼田义贵, 美才治悠树 申请人:丰田自动车株式会社