CN100376770C - 用于推断NOx吸附催化剂的吸附量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

NOx吸附催化剂的吸附量推断装置和方法，该推断装置具备NOx吸附催化剂(22)、运算部(52)、推断部(54)；NOx吸附催化剂装备在发动机的排气通道(20)中，在稀混合气运行时吸附排气中的NOx的同时在浓混合气运行时将吸附的NOx脱附和还原；运算部(52)使用反映出基于上述排气通道的排气温度、排气流量和催化剂的上游侧的空气过剩率的催化剂的脱附量的图或多项式，运算浓混合气运行中的催化剂的脱附量；推断部(54)根据该算出的脱附量推断上述催化剂的吸附量。

Description

用于推断NOx吸附催化剂的吸附量的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于推断设置在排气通道中的NOx吸附催化剂(trap catalyst)的NOx吸附量的装置和方法。
背景技术
通常，NOx吸附催化剂是在排气空燃比稀的时候吸附排气中的NOx(氮氧化物)，在排气空燃比浓的时候将吸附的NOx脱附和还原。具体说就是，该催化剂具有在氧气过剩(氧化气氛)的状态时将排气中的NOx以硝酸盐的形式吸附，而在一氧化碳过剩的状态(还原气氛)时将该吸附的NOx还原成氮气的特性。
装备有这种催化剂的发动机中，在NOx吸附量达到饱和前进行加浓脉冲(rich spike)，抑制催化剂的性能随着NOx吸附量的增加而降低，该加浓脉冲是指间歇性地切换到浓混合气运行(rich operation)。由此，再生催化剂，充分而有效地净化排气。
该加浓脉冲有缸内加浓(in-cylinder rich operation)和缸外加浓(out-of-cylinder rich operation)的方法。具体来说，缸内加浓例如有以下两种方法，一种是实施大量的排气再循环(EGR)，利用因不完全燃烧从缸内排出的一氧化碳(CO)作为还原剂；另一种是在排气行程中通过后(post(after))喷射向缸内供给作为还原剂的未燃烧燃料(HC)。另一方面，缸外加浓有向排气通道中添加上述HC，即直接向上述催化剂供给燃料的方法。
这里，进行上述加浓脉冲时，必须要准确地推断或检测出NOx吸附量。为此，公开过一种技术(日本专利特开平9-72235号公报)，该技术是采用基于催化剂的化学·物理反应的催化剂数学模型，由该模型式推断NOx吸附量。
采用该项技术，在催化剂的下游侧至少设置1个氧传感器，使推断催化剂内的吸附量成为可能。但是，该技术的着眼点是应用于三元催化剂的空燃比控制。即，模型结构和NOx吸附催化剂不同，难以应用于NOx吸附催化剂。此外，使用其它的催化剂模型推断NOx吸附量时，必须逐次改变模型式。因为，每一种催化剂的特性值都不同。而且，为了应对催化剂的劣化等，必须进行更详细的模型化。这样，虽然采用上述以往的技术有可能推断出NOx的吸附量，但是在高精度地推断NOx吸附量这一点上依然是有待解决的问题。
此外，要高精度地推断出NOx吸附催化剂的NOx吸附量，还必须注意以下这一点，即必须正确地掌握加浓脉冲时的NOx脱附量，即NOx吸附量的减少量。因为，如果不考虑到加浓脉冲所产生的这部分影响，就无法正确地确定最新的NOx吸附量。推断该NOx吸附量时也可以考虑如下的方法，即，先推断出与从汽缸内排出的还原剂相关的值，用该值算出NOx脱附量，然后再推断出NOx吸附量。但是，采用该方法，可能会使能够适用的加浓脉冲的范围缩小。
发明内容
本发明的目的是提供用于推断NOx吸附催化剂的吸附量的装置和方法，该装置和方法能够使可适用的加浓脉冲的范围扩大，并且能够以高精度推断出NOx吸附量。
本发明的用于推断NOx吸附催化剂的吸附量的装置的特征是，具备NOx吸附催化剂、NOx脱附量运算部、NOx吸附量推断部；NOx吸附催化剂装备在发动机的排气通道中，在稀混合气运行(lean operation)时吸附排气中的NOx的同时在浓混合气运行时将吸附的NOx脱附和还原；NOx脱附量运算部使用反映出基于排气通道的排气温度、排气流量和NOx吸附催化剂的上游侧的空气过剩率的NOx吸附催化剂的脱附量的图或多项式，运算浓混合气运行中的NOx吸附催化剂的脱附量；NOx吸附量推断部根据运算出的脱附量推断NOx吸附催化剂的吸附量。
因此，采用本发明的装置，浓混合气运行中的NOx吸附催化剂的脱附量可以直接用NOx吸附催化剂的上游侧的空气过剩率计算，无需求出来自汽缸内的还原剂的值。因此，相较使用来自汽缸内的还原剂的值的情况，该脱附量的误差减小，由该脱附量推算的NOx吸附量的精度高。
而且，该脱附量的运算中采用NOx吸附催化剂的上游侧的空气过剩率。因此，不仅可以应用于缸内加浓的加浓脉冲，也应该能够应用于缸外加浓的加浓脉冲。
附图说明
图1为应用本发明的实施方式之一的NOx吸附量推断装置的发动机系统的结构图。
图2为说明利用图1的装置进行NOx脱附量运算的框图。
图3为说明利用图1的装置进行浓混合气运行的有效性判定的时间图。
图4为图1的装置的NOx脱附量图。
图5为说明利用图1的装置进行NOx脱附量的修正的图。
具体实施方式
以下，结合附图说明本发明的实施方式。
图1为发动机系统的结构图。该系统中具备应用了本发明的实施方式之一的NOx吸附量推断装置的柴油发动机(以下，简称发动机)1。如图1所示，发动机1的各汽缸2与燃料供给管路16、进气通道8和排气通道20相连。该管路16中具有燃料喷射装置，通道8通过进气阀6的开启将新鲜气体导入燃烧室4，通道20通过排气阀18的开启将排气从燃烧室4导出。
在进气通道8的上游侧装有增压器14，该通道8的前端部分连接空气滤清器(无图示)。此外，在通路8中装有中间冷却器12，还配设有调节通道8的流道面积的供气节流阀10。
在排气通道20的下游侧配设有NOx吸附催化剂22。该催化剂22在排气空燃比较化学计量比稀的状态时吸附排气中的NOx，在排气空燃比浓的状态下、在排气中存在作为还原剂的未燃烧燃料(HC)或一氧化碳(CO)时进行吸附的NOx的脱附和还原。再有，该催化剂22为公知结构。
从排气通道20开始EGR通道24分路延伸，该通道24的前端连接进气通道8，在通道24设有EGR冷却器26及EGR阀28。该阀28与电控单元(ECU)50电连接。
来自空气滤清器的新鲜空气经过增压器14进入进气通道8到达冷却器12，用节流阀10调整后，导入各汽缸2的燃烧室4内。接着，利用由燃料供给管路供给的燃料的燃烧使曲轴46和飞轮48动作。燃烧结束后，排气被排入排气通道20，送往NOx吸附催化剂22。
这里，排气通道20中，在NOx吸附催化剂22的上游侧的适当位置分别配设有排气流量传感器30及排气温度传感器34。该传感器30检测通道20的排气流量QE，传感器34检测通道20的排气温度TE。此外，在NOx吸附催化剂22的下游侧的适当位置分别配设有λ传感器32、催化剂温度传感器36及NOx传感器33。传感器32检测催化剂22的下游侧的空气过剩率λd，传感器36检测催化剂22的催化温度Tc，传感器33检测催化剂出口侧的NOx浓度。这些传感器30、32、33、34、36与ECU50电连接。
另一方面，本实施方式中，在NOx吸附催化剂22的上游侧的适当位置配设直接向催化剂22供给HC的添加喷射器38，该喷射器38通过燃料添加管路40连接泵42。
在ECU50的输入侧，除了上述传感器30、32、33、34、36之外，还与曲轴转角传感器44等检测发动机1的运行状态的各种传感器电连接。而ECU50的输出侧与上述燃料供给管路16、节流阀10和喷射器38等各种作动器及泵42电连接。
在ECU50设有各种图。例如，求出催化剂22的上游侧的空气过剩率λu的图、求出加浓脉冲的有效性判定的阈值的阈值图，除此以外，还设有与NOx吸附量推断有关的各种图，如用于计算缸外加浓中的催化剂22的NOx脱附量(基准脱附量PB)的NOx脱附量图。还有，在ECU50中，除了根据上述图求出上游侧的空气过剩率λu的手段之外，还具有根据吸入空气量Q1、汽缸2内的燃料喷射量qi、喷射器38的添加量qa等求出上游侧的空气过剩率λu的手段。
该催化剂22在氧化气氛中吸附排气中的NOx，另一方面ECU50使浓混合气运行间歇性地进行。该实施方式的浓混合气运行是采用缸外加浓进行的。即，根据加浓脉冲的指示，使用设于通道20的喷射器38，将由泵42压送来的HC直接投入到排气中，创造浓混合气运行的条件，一旦该条件成立，就进行NOx的脱附和还原。
具体是，ECU50具有NOx脱附量运算部(OU〔Operation Unit〕)52和NOx吸附量推断部(EU〔Estimating Unit〕)54。在该运算部52中，进行缸外加浓的有效性判定、该缸外加浓中的基准脱附量PB的运算、修正运算最终的NOx脱附量(最终脱附量PL)，将该结果输入推断部54。再进一步展开说明，在上述缸外加浓的有效性判定中，输入发动机运转速度Ne、负荷L和催化剂温度Tc，根据ECU50的阈值图读出该判定用的阈值。接着，通过比较该阈值和λ传感器32测得的下游侧的空气过剩率λd的检测值，进行有效性的判定。
而在上述基准脱附量PB的运算中，输入排气流量QE、排气温度TE和从ECU50的图读出的上游侧的空气过剩率λu或由ECU50运算求得的上游侧的空气过剩率λu，使用NOx脱附量图算出基准脱附量PB。然后，按照缸外加浓的有效时间对该基准脱附量PB进行修正，计算出最终脱附量PL。
接着，在推断部54中，从即将进行下一次缸外加浓之前的NOx吸附量中减去由这一次的缸外加浓所释放和还原的最终脱附量PL，由此推断出现在的NOx吸附量。再有，在该推断部54中，例如将由NOx传感器33的输出值和按照运行状态算出的催化剂入口侧的NOx浓度的差值乘以排气流量QE所得的值的累计值作为脱附前的吸附量进行运算，同时存储该值。
上述运算部52的NOx脱附量运算的框图可以参见图2。以下，对上述构成的NOx吸附量推断装置在本发明中的作用进行说明。
同图中的步骤S201是进行缸外加浓的工序，按照来自ECU50的加浓脉冲的指示由喷射器38向排气中添加HC。
接着，步骤S202是判定缸外加浓的有效性的工序，由运算部52判断现在的缸外加浓是否有效。当判定λ传感器32测得的下游侧的空气过剩率λd在作为有效性判定基准的阈值以下时，即为YES时，进行下一步骤S203，测定缸外加浓的有效时间，然后进入步骤204。
再更详细地说明一下，图3是浓混合气运行的有效性判定的时间图，图中示出了由运算部52判定浓混合气运行的有效性的工序和测定浓混合气运行的有效时间的工序。如该图所示，当来自ECU50的指示信号从稀混合气状态切换到浓混合气状态时，λ传感器32的检测值，即下游侧的空气过剩率λd开始下降。接着，当该空气过剩率λd低于阈值时，就判定缸外加浓有效，开始测定该有效的时间。该时间一直累计到空气过剩率λd超过阈值，判定缸外加浓无效为止。
步骤S204是运算NOx脱附量的工序，由运算部52运算缸外加浓中的催化剂22的基准脱附量PB，然后进入步骤S205。
即，参见图4，图中示出了NOx脱附量图。基准脱附量PB的特性通过实验等预先求出，如该图中的曲线所示，基准脱附量PB可以从排气流量QE、排气温度TE和算出的上游侧的空气过剩率λu直接读出。该算出的基准脱附量PB是指与预先设定好的基准时间相对应的NOx脱附量。
步骤S205是修正NOx脱附量的工序，由运算部52修正基准脱附量，算出最终脱附量PL。
具体如图5所示，将与基准时间相对应的NOx脱附量的修正率设定为1，将该修正率设定为随着缸外加浓的有效时间的累计值的增大而增大的修正率。接着，根据在步骤S203中测得的缸外加浓的有效时间的累计值修正在步骤S204中算出的基准脱附量PB，算出缸外加浓中的最终脱附量PL。其后，进入推断NOx吸附量的工序。
与此相对，如果在步骤S202中，下游侧的空气过剩率λd超过阈值时，例如发生加浓脉冲没有效果的情况下，则进入步骤S206，这种情况下，将NOx脱附量设定为0，跳过一系列的步骤。
综上所述，该实施方式中在NOx吸附量的推断时，不是通过先求出与来自汽缸内的还原剂相关的值，如还原剂利用率或催化剂22的入口侧的还原剂浓度的推断值等，然后再求出NOx脱附量，而是着眼于从模型的输入参数直接求出NOx脱附量。
即，采用本实施方式，由于缸外加浓中的基准脱附量PB由排气温度TE、排气流量QE和上游侧的空气过剩率λu直接算出，因此相较使用上述还原剂利用率或还原剂浓度的推断值的情况，该基准脱附量PB的误差减小，NOx吸附量的推断达到高精度。
而且，基准脱附量PB的运算不采用与来自汽缸内的还原剂相关的值，而是采用上流侧的空气过剩率λu。因此，本发明的NOx吸附量推断装置不仅能够应用于上述缸外加浓，也能够应用于缸内加浓，而且还能应用于缸内加浓和缸外加浓并用的情况。其结果是，可适用的加浓脉冲的范围大幅度扩大。
此外，作为计算值的上游侧的空气过剩率λu被用于基准脱附量PB的运算，与此相对，作为检测值的下游侧的空气过剩率λd只用于缸外加浓的有效性判定。换言之，虽然象该实施方式这样，是在催化剂22的下游侧配设λ传感器32，但是基准脱附量PB的运算完全不会受到λ传感器32的响应性的影响。其结果是，能够使NOx吸附量的推断精度达到更高的高精度。
还有，关于缸外加浓的有效性判定，如果下游侧的空气过剩率λd没有低于阈值，则即使例如发出加浓脉冲的指示信号，也不判定为有效。即，只有在加浓脉冲真正发挥效果的情况下，才进行吸附的NOx的脱附还原，减少NOx吸附量，而在其它情况下，不能脱附NOx，NOx吸附量不减少，由此NOx吸附量的推断精度得到提高，促进最优化的排气净化。
再有，缸外加浓的有效性判定的阈值是根据发动机运转速度Ne、负荷L和催化剂温度Tc确定的，能够作出符合运行状况及催化剂状况的最佳的有效性判定，这一点也有助于促进最优化的排气净化。
在上述实施方式的运算部52中，基准脱附量PB从NOx脱附量图读出，但是并不限于该方式。例如，NOx脱附量的特性也可以用多项式表示。具体是基准脱附量PB可以从下式(1)的线性多项式求得。
PB＝f(1，y，z)
＝j0+j1l+j2y+j3z+j4ly+j5yz+j6zl+j7l2y+j8ly2+……(1)
式中，1为上游侧的空气过剩率λu、y为排气温度TE、z为排气流量QE、ji(i＝0、1、2……)为系数。该系数ji根据预先由实验等求得的特性设定合适的初始值。这种情况也和上述一样，能够使可适用的加浓脉冲的范围扩大，同时能够推断出高精度的NOx吸附量。
此外，可以不采用λ传感器32，而是将线性O2传感器或检测NOx浓度的NOx传感器配设在催化剂22的下游侧。采用线性O2传感器时，通过用图读出空气过剩率，而采用NOx传感器时，通过该传感器所具备的空气过剩率的检测功能，都能够求出下游侧的空气过剩率λd。还有，在无法得到这些传感器的测定值时，可以通过计算求出催化剂22的下游侧的空气过剩率λd，将该计算值用于上述有效性判定。再有，上述传感器30、34、36的各位置可以根据发动机1的规格适当设定。此外，当无法得到这些传感器的检测值时，可以根据发电机运转速度、汽缸内的燃料喷射量等计算出排气通道20的排气流量QE及排气温度TE、催化剂温度Tc，将该计算值用于ECU50中的运算。

Claims (5)

1.NOx吸附催化剂(22)的吸附量推断装置，它是装备在发动机的排气通道(20)中、在稀混合气运行时吸附排气中的NOx并在浓混合气运行时将该吸附的NOx脱附和还原的NOx吸附催化剂(22)的吸附量推断装置；具备运算部(52)和推断部(54)；该运算部(52)使用反映出基于上述排气通道的排气温度、排气流量和上述催化剂的上游侧的空气过剩率的上述催化剂的脱附量的图或多项式，运算浓混合气运行中的上述催化剂的脱附量；推断部(54)根据该算出的脱附量推断上述催化剂的吸附量。
2.NOx吸附催化剂(22)的吸附量推断方法，它是装备在发动机的排气通道(20)中、在稀混合气运行时吸附排气中的NOx并在浓混合气运行时将该吸附的NOx脱附和还原的NOx吸附催化剂(22)的吸附量推断方法；包括算出浓混合气运行中的上述催化剂的脱附量的运算工序(S202-S205)和根据该算出的脱附量推断上述催化剂的吸附量的推断工序；在该运算工序中，使用反映出基于上述排气通道的排气温度、排气流量和上述催化剂的上游侧的空气过剩率的上述催化剂的脱附量的图或多项式，运算上述脱附量。
3.如权利要求2所述的NOx吸附催化剂的吸附量推断方法，其中，上述运算工序包括判定工序(S202)、测定工序(S203)和修正工序(S205)；判定工序(S202)是根据上述催化剂的下游侧的空气过剩率判定上述浓混合气运行是否有效；测定工序(S203)是当该浓混合气运行有效时测定该浓混合气运行的有效时间；修正工序(S205)是根据该测得的有效时间，修正使用上述图或多项式算出的上述脱附量，从而算出最终的脱附量。
4.如权利要求3所述的NOx吸附催化剂的吸附量推断方法，其中，上述判定工序是通过比较上述催化剂的下游侧的空气过剩率和判定有效性的阈值来进行判定，该阈值是根据基于上述发动机的运转速度、负荷及上述催化剂的温度的图确定的。
5.如权利要求2所述的NOx吸附催化剂的吸附量推断方法，其中，运算上述催化剂的脱附量PB的多项式由下式表示，
PB＝f(l，y，z)
＝j0+j1l+j2y+j3z+j4ly+j5yz+j62l+j7l2y+j8ly2+……
式中，1为上述催化剂的上游侧的空气过剩率λu、y为排气温度TE、z为排气流量QE、ji(i＝0、1、2……)为系数。
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