CN101317002B

CN101317002B - 内燃机

Info

Publication number: CN101317002B
Application number: CN2006800444701A
Authority: CN
Inventors: 吉田耕平; 广田信也; 浅沼孝充
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: US8136346B2; CN101317002A; EP1959120B1; JP4305445B2; EP1959120A1; EP1959120A4; WO2007066745A1; JP2007154763A; US20090038291A1; KR20080074933A; KR100997224B1

Abstract

在发动机排气通路内配置有后处理系统和向该后处理系统供给后处理用燃料的燃料供给阀(17)，所述后处理系统包括SO_x捕集催化剂(11)、载持有NO_x储存和还原催化剂的颗粒过滤器(13)及NO_x储存和还原催化剂(15)。每次所述发动机的运转时期经过一定时长时，所述发动机的运转参数的值和供给所述后处理用燃料的方法被重新设定成，在将排入大气中的有害成分的量维持在规定值以下的同时，燃烧用燃料和后处理用燃料的消耗总量变得最少。

Description

内燃机

技术领域

本发明涉及一种内燃机。

背景技术

在本领域中已知这样一种内燃机，其中在发动机(内燃机)排气通路内配置有NO_x储存和还原催化剂，该NO_x储存和还原催化剂在流入的排气的空燃比稀时储存包含在排气中的NO_x并且在流入的排气的燃空比变为理论空燃比或浓时释放所储存的NO_x(例如见日本专利公报(A)No.2003-129829)。在这种内燃机中，当燃烧在稀空燃比下进行时，所产生的NO_x被储存在NO_x储存和还原催化剂中。另一方面，当NO_x储存和还原催化剂的NO_x储存能力接近饱和时，使排气的空燃比暂时为浓，从而NO_x从NO_x储存和还原催化剂释放出来并被还原。

但是，如果从燃烧室排出的NO_x的量增大，则被供给而用于使排气的空燃比为浓以从NO_x储存和还原催化剂释放NO_x的后处理用燃料的消耗量增大，并且随着NO_x储存和还原催化剂的劣化程度升高，这种后处理用燃料的消耗量增大。另一方面，如果发动机的一个运转参数如燃料喷射正时提前，则燃烧温度上升，从而NO_x的产生量增加，但燃烧效率提高，所以燃料喷射量即燃烧用燃料的燃烧量减少。

如果使运转状态成为在燃烧室中产生的NO_x的量以这种方式增加的状态，则燃烧用燃料的消耗量减少，但是后处理用燃料的消耗量增大。与之相反，如果使运转状态成为在燃烧室中产生的NO_x的量减少的状态，则燃烧用燃料的消耗量增大，但是后处理用燃料的消耗量减少。在这种情况下，将排出到大气中的NO_x量维持在规定值以下是绝对的条件。在这种条件下最为要求的是尽量减少燃烧用燃料和后处理用燃料在燃料的每一定行驶距离下的消耗总量。也就是说，要求将发动机设定成处于每一定行驶距离下的燃料消耗总量变得最少的运转状态，即每一定行驶距离下所排出的CO₂的量变得最少的运转状态。

在这种情况下，如上所述，NO_x储存和还原催化剂的劣化程度越高，则后处理用燃料的消耗量越大，因而燃料的消耗总量变得最少的运转状态根据NO_x储存和还原催化剂的劣化程度而变化。这样，在净化排气中的有害成分时，需要考虑不仅包括后处理用燃料的消耗量、还包括燃烧用燃料的消耗量在内的燃料消耗总量。在过去，燃料的消耗总量完全不加以考虑。因此，在过去，存在无法将每一定行驶距离下的燃料消耗量即每一定行驶距离下所排出的CO₂的量减到最少的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够将每一定行驶距离下所使用的燃料消耗总量即每一定行驶距离下所排出的CO₂的量减到最少的内燃机。

根据本发明，提供了这样一种内燃机，在所述内燃机中，在发动机排气通路内配置有排气的后处理系统，除了向燃烧室内供给用以产生发动机输出的燃烧用燃料之外，还供给用于在所述后处理系统中处理排气中的有害成分的后处理用燃料，并且所述发动机的运转参数的值根据所述发动机的运转状态被预先设定且供给所述后处理用燃料的方法被预先设定，其中，每次所述发动机的运转时期经过预定的时长时，所述运转参数的值和所述供给所述后处理用燃料的方法被重新设定成，在将排入大气中的所述排气中的有害成分的量维持在规定值以下的同时，所述燃烧用燃料和所述后处理用燃料在所述燃料的每一定行驶距离下的消耗总量变得最少。

附图说明

图1是压燃式内燃机的总视图，图2是示出颗粒过滤器的结构的视图，图3是NO_x储存和还原催化剂的催化剂载体的表面部分的剖视图，图4是SO_x捕集催化剂的催化剂载体的表面部分的剖视图，图5是示出SO_x捕集率的视图，图6是示出喷射正时的视图，图7是示出SO_x稳定化处理的时间图，图8是示出所储存的NO_x量NOXA的映射图的视图，图9是示出NO_x释放控制和颗粒过滤器的升温控制的时间图，图10是示出SO_x释放控制的时间图，图11是示出运转参数和NO_x的产生量等之间关系的视图，图12是示出后处理用燃料的消耗量的视图，图13是用于重新设定运转参数的值的流程图，图14是示出所储存的NO_x量的波动量ΔNOXA的映射图的视图，图15是用于执行SO_x稳定化处理的流程图，以及图16是用于后处理系统的控制的流程图。

具体实施方式

图1示出压燃式内燃机的总视图。

参照图1，1表示发动机本体，2为气缸的燃烧室，3为用于向燃烧室2内喷射燃料的电子控制式燃料喷射器，4为进气歧管，5为排气歧管。进气歧管4经进气道6连接到排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口，而压缩机7a的入口连接到空气滤清器8。进气道6具有由配置在其内部的步进电机驱动的节气门9。此外，围绕进气道6配置有用于冷却流经进气道6内部的进气(吸入空气)的冷却系统10。在图1所示的实施例中，发动机冷却水被导入冷却系统10，并且发动机冷却水在冷却系统10处冷却进气。

另一方面，排气歧管5连接到排气涡轮增压器7的排气涡轮机7b的入口，而排气涡轮机7b的出口连接到SO_x捕集催化剂11的入口。此外，SO_x捕集催化剂11的出口经排气管12连接到颗粒过滤器13的入口。颗粒过滤器13的出口经排气管14连接到NO_x储存和还原催化剂15。在排气管12内配置有用于向流过排气管12内部的排气中供给后处理用燃料的燃料供给阀17。此外，在排气管12、14和连接到NO_x储存和还原催化剂15的出口的排气管16中的各个的内部配置有由空燃比传感器、O₂传感器、NO_x传感器或SO_x传感器构成的传感器18、19和20。

排气歧管5和进气歧管4经排气再循环(下文中称作“EGR”)通路21相连。EGR通路21具有配置在其内部的电子控制式EGR控制阀22。此外，围绕EGR通路21配置有用于冷却流经EGR通路21的EGR气体的冷却系统23。在图1所示的实施例中，发动机冷却水被导入冷却系统23，并且发动机冷却水在冷却系统23处冷却EGR气体。另一方面，各个燃料喷射器3经燃料供给管24连接到共轨25。共轨25由电子控制式的可变排量的燃料泵26供给燃料。供给到共轨25内的燃料经各个燃料供给管24供给到燃料喷射器3。

电子控制单元30由数字计算机构成并设有经双向总线31相互连接的ROM(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。传感器18、19和20的输出信号经相应的AD转换器37输入到输入端口35。此外，颗粒过滤器13连接有用于检测颗粒过滤器13的前后差压的差压传感器27。该差压传感器27的输出信号经相应的AD转换器37输入到输入端口35。

加速踏板40连接有负荷传感器41，负荷传感器41产生与加速踏板40的下压量L成比例的输出电压。负荷传感器41的输出电压经相应的AD转换器37输入到输入端口35。此外，输入端口35连接有曲柄转角传感器42，曲柄转角传感器42在每次曲轴旋转例如15°时产生一输出脉冲。另一方面，输出端口36经相应的驱动电路38连接到各个燃料喷射器3、节气门9驱动步进电机、燃料供给阀17、EGR控制阀22和燃料泵26。

在图1所示的实施例中，配置在NO_x储存和还原催化剂15上游侧的颗粒过滤器13也载持有NO_x储存和还原催化剂。因此，首先将说明颗粒过滤器13的结构，然后再说明NO_x储存和还原催化剂15及载持在颗粒过滤器13上的NO_x储存和还原催化剂。

图2(A)和(B)示出载持有NO_x储存和还原催化剂的颗粒过滤器13的结构。应注意，图2(A)是颗粒过滤器13的前视图，而图2(B)示出颗粒过滤器13的侧剖视图。如图2(A)和(B)所示，颗粒过滤器13形成蜂窝结构并具有相互平行地延伸的多个排气流通路60和61。这些排气流通路由带有被塞子62封闭的下游端的排气流入通路60和带有被塞63封闭的上游端的排气流出通路61构成。应注意，图2(A)中的阴影部分示出塞子63。因此，排气流入通路60和排气流出通路61经薄的隔壁64交替布置。换句话说，排气流入通路60和排气流出通路61布置成使得每个排气流入通路60被四个排气流出通路61包围且每个排气流出通路61被四个排气流入通路60包围。

颗粒过滤器13例如由多孔材料如堇青石形成。因此，如图2(B)中的箭头所示，流入排气流入通路60中的排气穿过周围的隔壁64并流入相邻的排气流出通路61。在该颗粒过滤器13中，NO_x储存和还原催化剂载持在排气流入通路60和排气流出通路61的周壁上，即隔壁64的两个表面和隔壁64内的孔隙的内壁上。

在载持于颗粒过滤器13上的NO_x储存和还原催化剂及NO_x储存和还原催化剂15中，例如由氧化铝构成的催化剂载体载持在基底元件上。图3示意性地示出该催化剂载体45的表面部分的剖面。如图3所示，催化剂载体45的表面载持着散布在其上的贵金属催化剂46。此外，催化剂载体45的表面形成有一层NO_x吸收剂47。

在根据本发明的一实施例中，使用铂Pt作为贵金属催化剂46。作为形成NO_x吸收剂47的成分，例如可使用选自钾K、钠Na、铯Cs和其它碱金属、钡Ba、钙Ca和其它碱土金属、镧La、钇Y和其它稀土元素中的至少一种元素。

如果将供给到发动机进气通路、燃烧室2和颗粒过滤器13上游的排气通路中的空气与燃料(碳氢化合物)的比率称作“排气的空燃比”，则执行NO_x的吸收和释放作用，即NO_x吸收剂47在排气的空燃比稀时吸收NO_x且在排气中的氧浓度降低时释放所吸收的NO_x。

也就是说，在以使用钡Ba作为形成NO_x吸收剂47的成分的情形作为示例来对此进行说明时，当排气的空燃比稀时，即当排气中的氧浓度高时，如图3所示，包含在排气中的NO在铂Pt 46上被氧化并变成NO₂，随后其被吸收在NO_x吸收剂47中并与氧化钡BaO结合，同时以硝酸根例子NO₃ ^-的形式分散在NO_x吸收剂47中。这样，NO_x被吸收在NO_x吸收剂47中。只要排气中的氧浓度高，就会在铂Pt 46的表面上形成NO₂。只要NO_x吸收剂47的NO_x吸收能力未饱和，NO₂就会被吸收到NO_x吸收剂47中并产生硝酸根离子NO₃ ^-。

与此相反，如果通过用燃料供给阀17供给燃料而使排气的空燃比为浓或为理论空燃比，则排气中的氧浓度降低，从而反应沿逆方向进行(NO₃ ^-→NO₂)并且由此NO_x吸收剂47中的硝酸根例子NO₃ ^-以NO₂的形式从NO_x吸收剂47释放。接下来，所释放的NO_x被包含在排气中的未(完全)燃烧的HC和CO还原。

当排气的空燃比以这种方式变稀时，即，当燃烧在稀空燃比下进行时，排气中的NO_x被吸收在NO_x吸收剂47中。但是，如果燃烧在稀空燃比下持续进行，则NO_x吸收剂47的NO_x吸收能力最终将变得饱和，且由此NO_x吸收剂47无法再吸收NO_x。因此，在根据本发明的实施例中，在NO_x吸收剂47的吸收能力变饱和之前，从燃料供给阀17供给燃料以使排气的空燃比暂时为浓并由此使NO_x吸收剂47释放NO_x。

但是，排气包含SO_x，即SO₂。当该SO₂流入颗粒过滤器13及NO_x储存和还原催化剂15时，该SO₂在铂Pt 46上被氧化并变成SO₃。然后，该SO₃被吸收到NO_x吸收剂47中并与氧化钡BaO结合，同时以硫酸根离子SO₄ ^2-的形式分散在NO_x吸收剂47中以形成稳定的硫酸盐BaSO₄。但是，NO_x吸收剂47具有强碱性，所以该硫酸盐BaSO₄是稳定的并且难于分解。通过仅使排气的空燃比为浓，硫酸盐BaSO₄保持不变而不会分解。因此，在NO_x吸收剂47中，硫酸盐BaSO₄随时间流逝而增加，并且由此随着时间流逝，NO_x吸收剂47所能吸收的NO_x量降低。

应注意，在这种情况下，如果在将NO_x储存和还原催化剂的温度升高到600℃以上的SO_x释放温度的状态下使流入NO_x吸收和还原催化剂的排气的空燃比为浓，则SO_x将从NO_x吸收剂47中释放。但是，在这种情况下，SO_x将每次仅从NO_x吸收剂47中释放一点。因此，为了使NO_x吸收剂47释放所有被吸收的SO_x，需要在长时间内使空燃比为浓。因此，需要大量燃料。因此，在图1所示的实施例中，在颗粒过滤器13的上游设置SO_x捕集催化剂11，该SO_x捕集催化剂11用于捕集包含在排气中的SO_x，由此防止SO_x流入颗粒过滤器13及NO_x储存和还原催化剂15。接下来将对该SO_x捕集催化剂11进行说明。

该SO_x捕集催化剂11例如由具有蜂窝结构的整体式催化剂构成，该蜂窝结构具有大量沿SO_x捕集催化剂11的轴向直线延伸的排气流通孔。当以这种方式从具有蜂窝结构的整体式催化剂形成SO_x捕集催化剂时，在排气流通孔的内周壁上载持有例如由氧化铝构成的催化剂载体。图4示出该催化剂载体50的表面部分的剖面。如图4所示，催化剂载体50的表面形成有覆层51。该覆层51的表面载持着分散在其内的贵金属催化剂52。

在图1所示的实施例中，使用铂作为贵金属催化剂52。作为形成覆层51的成分，例如可使用选自钾K、钠Na、铯Cs或其它碱金属、钡Ba、钙Ca或其它碱土金属、镧La、钇Y和其它稀土元素中的至少一种元素。即，SO_x捕集催化剂11的覆层51呈强碱性。

现在，如图4所示，包含在排气中的SO_x即SO₂在铂Pt 52上被氧化，随后被捕集到覆层51中。也就是说，SO₂以硫酸根离子SO₄ ^2-的形式分散在覆层51中以形成硫酸盐。应注意，如上所述，覆层51呈强碱性，因此如图4所示，包含在排气中的SO₂的一部分直接被捕集到覆层51中。

图4中的覆层51中的阴影示出所捕集的SO_x的浓度。从图4中可理解，覆层51中的SO_x浓度在覆层51的表面附近变得最高，并且朝向内部逐渐降低。如果覆层51表面附近的SO_x浓度变得较高，则覆层51的表面在碱性上变得较弱，且捕集SO_x的能力将减弱。此处，如果将由SO_x捕集催化剂11捕集的SO_x与包含在排气中的SO_x的比率称为“SO_x捕集率”，那么如果覆层51表面的碱性变得较弱，则SO_x捕集率将随之下降。

图5示出SO_x捕集率随时间的变化。如图5所示，SO_x捕集率最初接近100％，但是随着时间流逝，SO_x捕集率快速下降。因此，如图5所示，当SO_x捕集率的下降超过预定率时，执行升温控制以便在排气的稀空燃比下升高SO_x捕集催化剂11的温度，从而恢复SO_x捕集率。

也就是说，如果在排气的稀空燃比下升高SO_x捕集催化剂11的温度，则集中处在覆层51中的表面附近的SO_x扩散到覆层51的内部，从而覆层51中的SO_x浓度变得均匀。也就是说，形成在覆层51内的硝酸盐从集中在覆层51表面附近的不稳定状态变为均匀分散在整个覆层51内的稳定状态。如果处在覆层51中的表面附近的SO_x朝覆层51的内部扩散，则覆层51表面附近的SO_x浓度下降，并且由此在SO_x捕集催化剂11的升温控制结束时，如图5所示，SO_x捕集率恢复。

在执行SO_x捕集催化剂11的升温控制时，如果使SO_x捕集催化剂11的温度为大约450℃，则能使覆层51表面附近的SO_x扩散到覆层51的内部。如果将SO_x捕集催化剂11的温度升高到600℃左右，则覆层51内的SO_x浓度能变得相当均匀。因此，在执行SO_x捕集催化剂11的升温控制时，优选地在排气的稀空燃比下将SO_x捕集催化剂11的温度升高到600℃左右。

应注意，如果在升高SO_x捕集催化剂11的温度时使排气的空燃比为浓，则SO_x捕集催化剂11最终会释放SO_x。因此，在升高SO_x捕集催化剂11的温度时，必须不使排气的空燃比为浓。此外，在覆层51表面附近的SO_x浓度变高时，即使不升高SO_x捕集催化剂11的温度，如果使排气的空燃比为浓，则SO_x捕集催化剂11最终也会释放SO_x。因此，当SO_x捕集催化剂11的温度在能释放SO_x的温度以上时，不使流入SO_x捕集催化剂11的排气的空燃比为浓。

在图1所示的实施例中，基本上考虑从车辆的购买到报废期间SO_x捕集催化剂11都一直使用而无需更换。尤其是近年来，燃料中的含硫量已经降低。因此，如果将SO_x捕集催化剂11的容量增大到一定程度，则SO_x捕集催化剂11在报废前能一直使用而无需更换。例如，如果车辆的耐用行驶距离为500,000km，则SO_x捕集催化剂11的容量被设定为在行驶距离达到250,000km左右之前能以高的SO_x捕集率持续捕集SO_x而无需升温控制的容量。在这种情况下，在行驶距离达到250,000km左右时执行初始升温控制。

例如，如图6所示，SO_x捕集催化剂11的温度是通过除喷射燃烧用主燃料Q_m之外还在膨胀冲程或排气冲程内喷射后处理用辅助燃料Q_p来升高的。也就是说，在这种情况下，辅助燃料Q_p的主要部分被排出到排气通路内而不是以未燃烧的HC的形式被燃烧。该未燃烧的HC在SO_x捕集催化剂11上被过量的氧所氧化。这时氧化反应的热量使得SO_x捕集催化剂11的温度升高。

图7示出SO_x捕集催化剂11中的SO_x稳定化处理示例的时间图。在该示例中，使用SO_x传感器作为配置在SO_x捕集催化剂11下游的传感器18。该SO_x传感器18检测从SO_x捕集催化剂11流出的排气中的SO_x浓度。也就是说，在该示例中，如图7所示，当由SO_x传感器18检测出的排气中的SO_x浓度超过预定浓度SOY时，判定为SO_x捕集率已降至预定率以下。此时，在排气的稀空燃比A/F下执行升高SO_x捕集催化剂11温度的升温控制，以便恢复SO_x捕集率。

接下来参照图8和图9对载持在颗粒过滤器13上的NO_x储存和还原催化剂及NO_x储存和还原催化剂15进行说明。在图1所示的实施例中，每单位时间内吸收在载持于颗粒过滤器13上的NO_x储存和还原催化剂的NO_x吸收剂47及NO_x储存和还原催化剂15的NO_x吸收剂47中的NO_x量NOXA作为要求转矩TQ和发动机转速N的函数以图8所示的映射图的形式预先存储在ROM 32中。对该NO_x量NOXA进行积分以计算吸收在NO_x吸收剂47中的NO_x量∑NOX。此外，在该实施例中，如图9所示，每次该NO_x量∑NOX达到容许值NX时使流入颗粒过滤器13的排气的空燃比A/F暂时为浓，由此NO_x吸收剂47释放NO_x。

应注意，当使流入颗粒过滤器13的排气的空燃比A/F为浓时，流入SO_x捕集催化剂11的排气的空燃比必须维持为稀。因此，在图1所示的实施例中，燃料供给阀17配置在SO_x捕集催化剂11和颗粒过滤器13之间的排气管12中。当NO_x吸收剂47应当释放NO_x时，该燃料供给阀17向排气管12供给燃料即后处理用燃料，由此使流入颗粒过滤器13的排气的空燃比暂时为浓。

另一方面，包含在排气中的颗粒即颗粒物质被捕集在颗粒过滤器13上并相继地被氧化。但是，当被捕集的颗粒物质的量变得大于被氧化的颗粒物质的量时，颗粒物质逐渐沉积在颗粒过滤器13上。在这种情况下，如果颗粒物质的沉积量增加，则最终会导致发动机输出降低。因此，当颗粒物质的沉积量增加时，需要去除所沉积的颗粒物质。在这种情况下，如果在过量的空气下将颗粒过滤器13的温度升高到大约600℃，则所沉积的颗粒物质被氧化和去除。

因此，在图1所示的实施例中，当沉积在颗粒过滤器13上的颗粒物质的量超过容许量时，在排气的稀空燃比下升高颗粒过滤器13的温度，并由此通过氧化去除所沉积的颗粒物质。具体地，当由差压传感器27检测到的颗粒过滤器13的前后差压ΔP超过如图9所示的容许值PX时，判定为所沉积的颗粒物质的量已超过容许量。此时，执行升温控制以将流入颗粒过滤器13的排气的空燃比保持为稀，同时升高颗粒过滤器13的温度T。应注意，当颗粒过滤器13的温度T升高时，NO_x从NO_x吸收剂47中释放出来，从而被捕集的NO_x量∑NOX降低。

在升高颗粒过滤器13的温度时，无需升高SO_x捕集催化剂11的温度。因此，在升高颗粒过滤器13的温度时，在能将排气的空燃比保持为稀的范围内从燃料供给阀17供给燃料，即后处理用燃料。该燃料的氧化反应的热量被用于升高颗粒过滤器13的温度T。

另一方面，当SO_x捕集催化剂11的SO_x捕集率为100％时，完全没有SO_x流入NO_x吸收剂47。因此，在这种情况下，完全没有NO_x吸收剂47吸收SO_x的危险。与此相反，当SO_x捕集率不是100％时，即使SO_x捕集率接近100％，NO_x吸收剂47也会吸收SO_x。但是，在这种情况下，每单位时间内由NO_x吸收剂47吸收的SO_x的量非常低。也就是说，如果经过长时间，则NO_x吸收剂47也将吸收大量SO_x。如果大量SO_x被吸收，则所吸收的SO_x必须被释放。

如上所述，为了使NO_x吸收剂47释放SO_x，需要将NO_x吸收剂47的温度升高至SO_x释放温度，并使流入颗粒过滤器13的排气的空燃比为浓。因此，在图10所示的示例中，当吸收在NO_x吸收剂47中的SO_x量∑SOX达到容许值SX时，使NO_x吸收剂47的温度T升高至SO_x释放温度TX并使流入颗粒过滤器13的排气的空燃比为浓。应注意，在该示例中，除传感器18之外，传感器20也由SO_x传感器制成。每单位时间内由NO_x吸收剂47吸收的SO_x量SOXZ从由SO_x传感器18检测到的SO_x浓度和由SO_x传感器20检测到的SO_x浓度之间的差值获得。通过累加该SO_x量SOXZ计算出被吸收的SO_x量∑SOX。

当使NOx吸收剂47释放SO_x时，不可能使流入SO_x捕集催化剂11的排气的空燃比为浓。因此，在图1所示的实施例中，当NO_x吸收剂47应当释放SO_x时，首先，在将流入SO_x捕集催化剂11和颗粒过滤器13的排气的空燃比保持为稀时，燃料供给阀17供给燃料即后处理用燃料，以将NO_x吸收剂47的温度T升高到SO_x释放温度TX，然后，在将流入SO_x捕集催化剂11的排气的空燃比保持为稀时，燃料供给阀17增大燃料即后处理用燃料的供给量，以使流入颗粒过滤器13的排气的空燃比为浓。应注意，在这种情况下，也可使流入颗粒过滤器13的排气的空燃比在浓和稀之间交替切换。

这样，在本发明的该实施例中，使用各种后处理用燃料来处理NO_x、SO_x或颗粒。在这种情况下，如开头所述，例如，如果将发动机设定为在燃烧室2中产生的NO_x的量增大的运转状态，则燃烧用燃料的消耗量减少，但后处理用燃料的消耗量增大，而反之，如果将发动机设定为在燃烧室2中产生的NO_x的量减少的运转状态，则燃烧用燃料的消耗量增大，但后处理用燃料的消耗量减少。

但是，将排入大气中的NO_x和其它有害成分的量维持在规定值以下是绝对的条件。另一方面，每一定行驶距离下的燃料消耗量必须尽量减少。因此，在本发明中，以这种方式在将排气中的有害成分维持在规定值以下的绝对条件下，将每预定行驶距离下的燃烧用燃料和后处理用燃料的消耗总量减到最少。

在说明本发明时，首先参照图11(A)和(B)对燃烧用燃料的消耗量和在燃烧室2中产生的有害成分的量之间的关系进行说明。应注意，未燃烧的HC、CO、NO_x、颗粒等都是有害成分，但图11(A)和(B)仅示出NO_x和颗粒物质PM来代表有害成分。另一方面，燃烧用燃料的消耗量和在燃烧室中产生的有害成分的量变为发动机运转参数的函数。还存在各种运转参数，但图11(A)和(B)仅示出燃烧用燃料的喷射正时和排气再循环率即EGR率作为代表性的运转参数。

针对由图11(C)所示的要求转矩TQ和发动机转速N所确定的黑点设定发动机的运转参数值的标准值。图11(A)和(B)中的B示出在图11(C)中的特定黑点处的运转参数标准值，即喷射正时的标准值和EGR率的标准值。应注意，图11(C)中的黑点之间的运转参数值通过比例分配来获取。

如果使燃烧用燃料的喷射正时提前，则燃烧温度升高，从而如图11(A)所示，NO_x的产生量增大，但燃烧效率提高，因而用于产生相同输出的燃烧用燃料FUEL的消耗量降低并且颗粒物质PM的产生量也降低。相反，如果使燃烧用燃料的喷射正时延迟，则燃烧温度降低，从而NO_x的产生量降低，但燃烧效率降低，因而用于产生相同输出的燃烧用燃料FUEL的消耗量增大并且颗粒物质PM的产生量也增大。

在图11(A)中在使喷射正时正好提前“a”时的NO_x的增大量ΔNa、燃烧用燃料FUEL的减少量ΔFa、颗粒物质PM的减少量ΔPa以及在使喷射正时正好延迟“b”时的NO_x的减少量ΔNb、燃烧用燃料FUEL的增大量ΔFb、颗粒物质PM的增大量ΔPb针对图11(C)的黑点被预先存储。

另一方面，如果降低EGR率，燃烧温度上升，则如图11(B)所示，NO_x的产生量增大，但燃烧效率提高，因而用于产生相同输出的燃烧用燃料FUEL的消耗量降低并且颗粒物质PM的产生量降低。与此相反，如果增大EGR率，燃烧温度降低，则NO_x的产生量减少，但用于产生相同输出的燃烧用燃料FUEL的消耗量增大并且颗粒物质PM的产生量增大。

在图11(B)中在使EGR率正好降低“c”时的NO_x的增大量ΔNc、燃烧用燃料FUEL的减少量ΔFc、颗粒物质PM的减少量ΔPc以及在使EGR率正好增大“d”时的NO_x的减少量ΔNd、燃烧用燃料FUEL的增大量ΔFd、颗粒物质PM的增大量ΔPd针对图11(C)的黑点被预先存储。

应注意，实际上，喷射正时和其它有害成分如未燃烧的HC、CO等的产生量之间的关系、EGR率和其它有害成分如未燃烧的HC、CO等的产生量之间的关系以及水温和其它运转参数、燃烧用燃料FUEL的消耗量和NO_x、PM、HC、CO等的产生量之间的关系针对图11(C)的黑点被预先存储。

在本发明中，当重新设定图11(C)中的黑点处的运转参数的值时，对于在假定发动机以预设车辆行驶模式运转时的各运转状态，从图11(A)和(B)所示的关系中获取在以各种方式沿增大方向或减少方向改变运转参数如喷射正时、EGR率等的值时有害成分的产生量和燃烧用燃料FUEL的消耗量。然后，对于以各种方式改变运转参数值的情况，获取在预设车辆行驶模式下的运转已完成时排气中的有害成分的产生量的总量和燃烧用燃料FUEL的消耗总量。

图12示出这些有害成分的产生总量、燃烧用燃料FUEL的消耗总量及后处理用燃料的消耗量之间的关系的代表性示例。即，图12(A)示出在燃烧室2中产生的NO_x的总量和后处理用燃料的消耗量之间的关系，图12(B)示出在燃烧室2中产生的颗粒物质PM的总量和后处理用燃料的消耗量之间的关系，图12(C)示出燃烧用燃料FUEL的消耗总量和后处理用燃料的消耗量之间的关系。

应注意，在图12(A)、(B)和(C)中，实线示出当后处理系统为新的时后处理用燃料的消耗量，而点划线I、II和III示出当后处理系统已劣化时后处理用燃料的消耗量。此处，点划线II示出后处理系统的劣化程度高于点划线I的情形，而点划线III示出后处理系统的劣化程度高于点划线II的情形。

如果在燃烧室2中产生的NO_x的量增加，则燃料供给阀17供给燃料以使后处理系统的NO_x吸收剂47释放NO_x的频度(频率)变高。结果，如图12(A)所示，后处理用燃料的消耗量增加。此外，如果后处理系统的劣化程度变得更高，则在供给燃料时从NO_x吸收剂47释放出来的NO_x的还原能力变得更弱，并且由此需要大量燃料来充分还原所释放的NO_x。因此，如图12(A)所示，后处理系统的劣化程度越高，后处理用燃料的消耗量越大。

另一方面，如果在燃烧室2中产生的颗粒物质PM的量增加，则燃料供给阀17供给燃料以升高后处理系统即颗粒过滤器13的温度的频度增大。结果，如图12(B)所示，后处理用燃料的消耗量增加。此外，如果后处理系统即颗粒过滤器13劣化，则所沉积的颗粒物质变得难于燃烧。在这种情况下，为了烧除所沉积的颗粒物质，需要进一步升高颗粒过滤器13的温度。因此，如图12(B)所示，后处理系统的劣化程度越高，后处理用燃料的消耗量越大。

另一方面，在燃料中含有一定比率的硫，因此，燃烧用燃料FUEL的消耗总量越大，从燃烧室2排出的SO_x的量越大。如果从燃烧室2排出的SO_x的量增加，则燃料供给阀17供给燃料以从后处理系统的NO_x吸收剂47释放SO_x的频度将变高，结果，如图12(C)所示，后处理用燃料的消耗量增加。此外，如果后处理系统的劣化程度变得更高，则NO_x吸收剂47变得难于释放SO_x。在这种情况下，为了使NO_x吸收剂47释放SO_x，需要进一步升高NO_x吸收剂47的温度。因此，如图12(C)所示，后处理系统的劣化程度越高，后处理用燃料的消耗量越大。

在本发明中，当运转参数的值应当被重新设定时，在以各种方式改变运转参数的值时使结合了从图11(A)和(B)所示的关系等获取的燃烧用燃料的消耗量和从图12(A)、(B)和(C)所示的关系获取的后处理用燃料的消耗量的每一定行驶距离下的燃料消耗总量最少。但是，在这种情况下，如上所述，将排入大气中的排气中的有害成分的量维持在规定值以下是绝对的条件。在这种情况下，作为对有害成分的规定控制，存在两种情况，即规定在不同运转状态下进入大气中的有害成分的排出量的情况，和规定在车辆以预设车辆行驶模式运转时进入大气中的有害成分的排出总量的情况。在前一种情况下，对于在不同运转状态下进入大气中的有害成分的排出量设定规定值，而在后一种情况下，为在车辆以预设车辆行驶模式运转时进入大气中的有害成分的排出总量设定规定值。

排入大气中的有害成分的量可由能够检测NO_x、HC、CO、颗粒物质PM等的多个传感器20来检测。此外，如果输入运转参数等，则能使用输出排入大气中的有害成分量的车辆模型来计算排入大气中的有害成分的量。在本发明的该实施例中，使用该车辆模型来计算在不同运转状态下进入大气中的有害成分的排出量和在车辆以预设车辆行驶模式行驶时进入大气中的有害成分的排出总量。

接下来参照图13对重新设定运转参数的值的处理程序进行说明。

参照图13，首先，在步骤100中，判定发动机的运转时期是否已经过预定的时长。在这种情况下，在本发明的该实施例中，当车辆的累积行驶时间、车辆的累积行驶距离或发动机的累积转数已超过预设值时，判定为发动机的运转时期已经过预定的时长。

当在步骤100中判定为发动机的运转时期已经过所述预定的时长时，程序前进至步骤101，在步骤101中，例如，基于传感器20的输出信号来检测由SO_x捕集催化剂11、颗粒过滤器13及NO_x储存和还原催化剂15构成的后处理系统的劣化程度。当使用SO_x传感器作为传感器20时，在燃料在稀空燃比下燃烧时，从后处理系统流出的排气中的SO_x浓度越高，则判定为后处理系统的劣化程度越高。接下来，程序前进至步骤102。

应注意，可持续检测后处理系统的劣化程度。在这种情况下，在步骤100中当后处理系统的劣化程度超过预定的劣化程度时，可判定为发动机的运转时期已经过所述预定的时长。在这种情况下，当后处理系统的劣化程度超过预定的劣化程度时，程序前进至步骤102。

在步骤102中，根据预定的规则对运转参数的值稍加改变。例如，使图11(C)所示的黑点之中的预定黑点处的喷射正时提前。接下来，在步骤103中，计算在车辆以基于图11(A)、(B)等所示的关系而预设的车辆行驶模式行驶时在燃烧室2中NO_x产生量的总量、在燃烧室2中颗粒物质PM产生量的总量和燃烧用燃料的消耗量的总量。

接下来，在步骤104中，使用预先存储的车辆模型计算在不同运转状态下进入大气中的有害成分的排出量和在车辆以预设车辆行驶模式行驶时进入大气中的有害成分的排出总量。然后，在步骤105中，判定这些有害成分的排出量和所述排出总量是否在规定值以下。当在所述规定值以下时，程序前进至步骤106。与此相反，当这些有害成分的排出量和所述排出总量超过所述规定值时，程序前进至改变运转参数值的步骤102。

在步骤106中，从图12(A)、(B)和(C)所示的关系来计算与后处理系统的劣化程度对应的后处理用燃料的消耗量。接下来，在步骤107中，计算结合了燃烧用燃料的消耗总量和后处理用燃料的消耗量的每一定行驶距离下的燃料消耗总量。然后，在步骤108中，判定对于所有被覆盖的运转参数来说是否在预定范围内改变运转参数值的所有操作都已完成。当并非所有操作都已完成时，程序返回改变运转参数值的步骤102。当所有操作都已完成时，程序前进至步骤109。

在步骤109中，确定每一定行驶距离下的燃料消耗的最小量。接下来，在步骤110中，确定在每一定行驶距离下的燃料消耗量变得最少时在图11(C)中的黑点处的运转参数的值。此后，发动机以这些被确定的运转参数值运转，直到再次执行重新设定处理。

在这种情况下，当此前一直使用的运转参数的值被继续使用时，在图8中所示的每单位时间内的NO_x吸收量NOXA也将被继续使用。与之相反，当运转参数的值改变时，在燃烧室2中产生的NO_x量也改变，从而每单位时间内的NO_x吸收量NOXA也变成与图8所示的NO_x吸收量NOXA不同的值。在本发明的实施例中，在步骤111中计算当运转参数的值变化时相对于图8所示的NO_x吸收量NOXA的波动量ΔNOXA。该波动量ΔNOXA以图14所示的映射图的形式存储为要求转矩TQ和发动机转速N的函数。

图15示出用于稳定在SO_x捕集催化剂11中所吸收的SO_x的程序。

参照图15，首先，在步骤200中，读取SO_x传感器18的输出信号，例如输出电压V。接下来，在步骤201中，判定SO_x传感器18的电压V是否超过设定值VX，即排气中的SO_x浓度是否超过预定浓度SOY。当V＞VX时，即当排气中的SO_x浓度超过预定浓度SOY时，程序前进至步骤202，在步骤202中执行SO_x捕集催化剂11的升温控制。

图16示出后处理系统的控制程序。

参照图16，首先，在步骤300中，从图8所示的映射图计算每单位时间内所储存的NO_x量NOXA。接下来，在步骤301中，从图14所示的映射图计算每单位时间内所储存的NO_x量的波动量ΔNOXA。然后，在步骤302中，将这些NOXA和ΔNOXA加到储存在NO_x储存催化剂中的NO_x量∑NOX上。接下来，在步骤303中，判定所储存的NO_x量∑NOX是否已超过容许值NX。当NOX＞NX时，程序前进至步骤304，在步骤304中执行浓处理以将流入颗粒过滤器13及NO_x储存催化剂15的排气的空燃比从稀暂时切换为浓，并将∑NOX清零。

接下来，在步骤305中，用差压传感器27检测出颗粒过滤器13的前后差压ΔP。然后，在步骤306中，判定差压ΔP是否已超过容许值PX。当ΔP＞PX时，程序前进至步骤307，在步骤307中执行颗粒过滤器13的升温控制。该升温控制是通过在将流入颗粒过滤器13的排气的空燃比保持为稀的同时从燃料供给阀17供给燃料来进行的。

接下来，在步骤308中，判定由SO_x传感器18和20检测出的每单位时间内所储存的SO_x量SOXZ的累积值∑SOX是否已超过容许值SX。当SOX＞SX时，程序前进至步骤309，在步骤309中执行升温控制以在将流入颗粒过滤器13的排气的空燃比保持为稀的同时从燃料供给阀17供给燃料而将NO_x吸收剂47的温度T升高到SO_x释放温度TX。接下来，在步骤310中，执行浓处理以通过从燃料供给阀17供给燃料而将流入颗粒过滤器13的排气的空燃比保持为浓，并将∑SOX清零。

当各个运转状态下的运转参数的值都被重新设定时，燃烧室2中的NO_x、HC、CO、颗粒PM等的产生量发生变化，并且从燃料供给阀17供给燃料的供给量和供给频度发生变化。也就是说，后处理用燃料的供给量和供给频度即供给方法被重新设定。

Claims

1.一种内燃机，在所述内燃机中，在发动机排气通路内配置有排气的后处理系统，除了向燃烧室内供给用以产生发动机输出的燃烧用燃料之外，还供给用于在所述后处理系统中处理排气中的有害成分的后处理用燃料，并且所述发动机的运转参数的值根据所述发动机的运转状态被预先设定且供给所述后处理用燃料的方法被预先设定，其中，每次所述发动机的运转时期经过预定的时长时，所述运转参数的值和所述供给所述后处理用燃料的方法被重新设定成，在将排入大气中的所述排气中的有害成分的量维持在规定值以下的同时，所述燃烧用燃料和所述后处理用燃料在每一定行驶距离下的燃料消耗总量变得最少。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其中，当车辆的累积运转时间、所述车辆的累积行驶距离或所述发动机的累积转数超过预设值时，判定为所述发动机的运转时期已经超过所述预定的时长。

3.根据权利要求1所述的内燃机，其中，当所述后处理系统的劣化程度超过预定的劣化程度时，判定为所述发动机的运转时期已经超过所述预定的时长。

4.根据权利要求1所述的内燃机，其中，每次所述发动机的运转时期经过所述预定的时长时，找出与所述后处理系统的劣化程度相对应的所述后处理用燃料的消耗量，并且基于所述后处理用燃料的该消耗量和所述燃烧用燃料的消耗量将所述运转参数的值和所述供给所述后处理用燃料的方法重新设定成，在将排入大气中的所述排气中的有害成分的量维持在所述规定值以下的同时，每一定行驶距离下的所述燃料消耗总量变得最少。

5.根据权利要求4所述的内燃机，其中，每次所述发动机的运转时期经过所述预定的时长时，基于在改变所述运转参数的值时所述燃烧用燃料的消耗量的变化和所述排气中的有害成分量的变化，还基于与所述有害成分量的该变化和所述后处理系统的劣化程度相对应的所述后处理用燃料的消耗量的变化，将所述运转参数的值和所述供给所述后处理用燃料的方法重新设定成，在将排入大气中的所述排气中的有害成分的量维持在所述规定值以下的同时，每一定行驶距离下的所述燃料消耗总量变得最少。

6.根据权利要求5所述的内燃机，其中，在改变所述运转参数的值时的所述燃烧用燃料的消耗量的变化和所述排气中的有害成分量的变化被预先存储，在所述有害成分量改变时的所述后处理用燃料的变化被存储为所述后处理系统的劣化程度的函数，每次所述发动机的运转时期经过所述预定的时长时，找出在以各种方式改变所述运转参数时所述燃烧用燃料的消耗量，以及与所述排气中的有害成分的变化和此时所述后处理系统的劣化程度相对应的所述后处理用燃料的消耗量，并且基于所述后处理用燃料的消耗量和所述燃烧用燃料的消耗量将所述运转参数的值和所述供给所述后处理用燃料的方法重新设定成，在将排入大气中的所述排气中的有害成分的量维持在所述规定值以下的同时，每一定行驶距离下的所述燃料消耗总量变得最少。

7.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述运转参数之一为所述燃烧用燃料的喷射正时，并且随着所述喷射正时提前，所述燃烧用燃料的消耗量和从所述燃烧室排出的颗粒物质的量减少，而从所述燃烧室排出的NO_x的量增大。

8.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述运转参数之一为排气再循环率，并且随着所述排气再循环率增大，所述燃烧用燃料的消耗量和从所述燃烧室排出的颗粒物质的量增大，而从所述燃烧室排出的NO_x的量减少。

9.根据权利要求1所述的内燃机，其中，所述后处理系统具有NO_x储存和还原催化剂，所述NO_x储存和还原催化剂在流入的排气的空燃比稀时储存包含在所述排气中的NO_x且在所述流入的排气的空燃比变为理论空燃比或浓时释放所储存的NO_x，当使流入所述NO_x储存和还原催化剂的所述排气的空燃比为理论空燃比或浓以从所述NO_x储存和还原催化剂中释放NO_x时，所述后处理用燃料被供给到所述燃烧室或所述NO_x储存和还原催x化剂上游的排气通路内，并且所述后处理用燃料的消耗量随着从所述燃烧室排出的NO_x的量越大而增大，且随着所述NOx储存和还原催化剂的劣化程度越高而增大。

10.根据权利要求9所述的内燃机，其中，所述后处理系统具有用于捕集包含在所述排气中的颗粒物质的颗粒过滤器，当烧除捕集在所述颗粒过滤器上的颗粒物质时，所述后处理用燃料被供给到所述燃烧室或所述颗粒过滤器上游的排气通路内，并且所述后处理用燃料的消耗量随着从所述燃烧室排出的颗粒物质的量越大而增大，且随着所述颗粒过滤器的劣化程度越高而增大。

11.根据权利要求10所述的内燃机，其中，所述NO_x储存和还原催化剂被载持在所述颗粒过滤器上。

12.根据权利要求9所述的内燃机，其中，所述后处理系统具有SO_x捕集催化剂，所述SO_x捕集催化剂能够捕集所述排气中的SO_x并且配置在所述NO_x储存和还原催化剂上游的排气通路内，所述SO_x捕集催化剂具有在所述排气的稀空燃比下当所述SO_x捕集催化剂的温度升高时所捕集的SO_x在所述SO_x捕集催化剂的内部逐渐扩散的性质，当升高所述SO_x捕集催化剂的温度以恢复所述SO_x捕集催化剂的SO_x捕集率时，所述后处理用燃料被供给到所述燃烧室或所述SO_x捕集催化剂上游的排气通路内，并且所述后处理用燃料的消耗量随着从所述燃烧室排出的SO_x的量越大而增大，且随着所述SO_x捕集催化剂的劣化程度越高而增大。