CN101427010A - 用于内燃发动机的废气净化设备 - Google Patents
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Abstract
NOX(氮氧化物)吸收剂设置于内燃发动机的排气通道内，且燃料供应阀(28)设置于排气通道中所述NOX吸收剂的上游。如果当必须从所述NOX吸收剂释放NOX时所述NOX吸收剂的温度低于预定温度，则首先将流经所述NOX吸收剂的废气的空燃比从基本稀空燃比转变为具有较低稀薄度的稀空燃比，并且保持于具有较低稀薄度的稀空燃达预定的稀薄时间，然后再转变为浓空燃比。如果当必须从所述NOX吸收剂释放NOX时所述NOX吸收剂的温度高于所述预定温度，则将流经所述NOX吸收剂的废气的空燃比转变为所述浓空燃比而不转变为具有较低稀薄度的稀空燃比。
Description
技术领域
本发明涉及用于内燃发动机的废气净化设备。
背景技术
已知一种内燃发动机，其中，NOX(氮氧化物)吸收剂设置于发动机的排气通道中，其中当废气的空燃比为稀时，NOX吸收剂吸收包含在废气中的NOX，而当废气的空燃比转变为浓时，则从NOX吸收剂释放已吸收的NOX，其中，燃料供应阀设置于排气通道中NOX吸收剂的上游，并且，当必须从NOX吸收剂释放NOX时，将燃料从燃料供应阀供应至NOX吸收剂以使流经NOX吸收剂的废气的空燃比暂时为浓(例如，参见日本未经审查的专利公报No.11-62666)。在该发动机中，当在稀空燃比状态下进行燃烧时所产生的NOX被吸收于NOX吸收剂中。另一方面，当NOX吸收能力已达到饱和状态时，则使空燃比暂时为浓以从NOX吸收剂释放NOX并使NOX还原。
但是，例如，如果发动机长时间怠速，则由于此时流经NOX吸收剂的废气的温度低，所以会降低NOX吸收剂的温度。当如上所述地NOX吸收剂的温度低时，来自NOX吸收剂的NOX的释放率低。因此，如果仅仅将废气的空燃比转变为浓，则不太可能获得足够的从NOX吸收剂释放的NOX。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于内燃发动机的废气净化设备，即使当NOX吸收剂的温度低时，该废气净化设备也能够获得足够的从NOX吸收剂释放的NOX。
根据本发明，提供了一种用于内燃发动机的废气净化设备，所述内燃发动机具有排气通道且燃烧在基本稀空燃比状态下进行，所述废气净化设备包括：设置于所述排气通道中的NOX吸收剂，当废气的空燃比为稀时，所述NOX吸收剂吸收包含在废气中的NOX，并且当所述废气的空燃比转变为浓时，从所述NOX吸收剂释放已吸收的NOX；以及用于控制流经所述NOX吸收剂的所述废气的空燃比的控制装置，其中，当必须从所述NOX吸收剂释放NOX时，首先将流经所述NOX吸收剂的所述废气的空燃比从基本稀空燃比转变为具有较低稀薄度的稀空燃比并且保持于所述具有较低稀薄度的稀空燃比达预定的稀薄时间，然后再转变为浓空燃比。
附图说明
图1是压缩点火式内燃发动机的总图；
图2是NOX存储催化剂的侧向截面图；
图3A和3B是催化剂载体的表面部分的截面图；
图4A和4B是微粒过滤器的结构视图；
图5是说明NOX释放控制的时间图；
图6是图示每单位时间所吸收的NOX的量dNOx的映射；
图7A和7B是图示流动的废气的空燃比AFEG的变化的时间图；
图8是图示预定温度TcS的映射；
图9A至图9D是分别图示出稀薄时间tL的映射；以及
图10是用于执行NOX释放控制的流程图。
具体实施方式
图1图示了将本发明应用于压缩式点火的内燃发动机的情况。可替代地，本发明还可应用于火花式点火的内燃发动机。
参考图1，数字1表示发动机机体、2表示每个气缸的燃烧室、3表示用于将燃料喷射至每个燃烧室2内的电控燃料喷射器、4表示进气歧管并且5表示排气歧管。进气歧管4通过进气管道6连接至涡轮增压器7的压缩机7a的出口。压缩机7a的入口经由空气流量计8与空气滤清器9连接。电控节气门10设置于进气管道6中。此外，冷却设备11设置成环绕进气管道6用于冷却流经进气管道6的进气。在图1所示实施方式中，发动机冷却水被导引至冷却设备11内并冷却进气。另一方面，排气歧管5与废气涡轮增压器7的废气涡轮7b的入口连接，同时废气涡轮7b的出口与排气后处理系统20连接。
排气歧管5和进气歧管4通过废气再循环(以下称为“EGR”)通道12相互连接。EGR通道12设置有电控EGR控制阀13。此外，冷却设备14设置成环绕EGR通道12用于冷却流经EGR通道12的EGR气体。在图1所示实施方式中，发动机冷却水被导引至冷却设备14内并冷却EGR气体。每个燃料喷射器3都通过燃料供给管15与共轨16连接。该共轨16从电控式变排量燃料泵17供应燃料。被供应至共轨16内的燃料通过每个燃料供给管15供应至燃料喷射器3。
排气后处理系统20包括：与废气涡轮7b的出口连接的排气管21、与排气管21连接的催化转化器22以及与催化转化器22连接的排气管23。NOX存储催化剂24和微粒过滤器25从上游侧开始依次设置于催化转化器22内。另外，用于检测从催化转化器22中排出的废气的温度的温度传感器26和用于检测从催化转化器22中排出的废气的空燃比的空燃比传感器27设置于排气管23中。从催化转化器22中排出的废气的温度代表NOX存储催化剂24和微粒过滤器25的温度。
另一方面，排气歧管5设置有燃料供应阀28。燃料供应阀28从共轨16供应燃料，燃料从燃料供应阀28被供给至排气歧管5。在根据本发明的实施方式中，燃料包括轻油。可替代地，燃料供应阀28可设置于排气管21中。
电子控制单元30由数字计算机组成，该数字计算机设置有只读存储器(ROM)32、随机存取存储器(RAM)33、微处理器(CPU)34、输入端口35以及输出端口36，上述所有设备都通过双向总线31彼此连接。空气流量计8、温度传感器26和空燃比传感器27的输出信号通过相应的AD(数模)转换器37输入至输入端口35。此外，产生与加速器踏板39的下压量L成比例的输出电压的负荷传感器40与加速器踏板39连接。负荷传感器40的输出电压通过相应的AD转换器37输入至输入端口35。此外，在曲轴每次转动例如15度时产生输出脉冲的曲柄角传感器41也与输入端口35连接。CPU(中央处理器)34基于来自曲柄角传感器41的输出脉冲计算发动机速度N。另一方面，输出端口36通过相应的驱动电路38与燃料喷射器3、用于节气门10的驱动器、EGR控制阀13、燃料泵17以及燃料供应阀28连接。
图2示出了NOX存储催化剂24的结构。在图2所示实施方式中，NOX存储催化剂24由蜂窝结构形成并设置有通过隔离件60而彼此分开的多个废气通道61。隔离件60的相对表面承载有由例如氧化铝组成的催化剂载体。图3A和3B示意性示出该催化剂载体65的表面部分的截面。如图3A和3B所示，催化剂载体65承载有散布在其表面上的贵金属催化剂66。此外，催化剂载体65在其表面上形成有一层NOX吸收剂67。
在根据本发明的实施方式中，铂Pt用作贵金属催化剂66。可使用例如从钾K、钠Na、铯Cs或另一碱金属，钡Ba、钙Ca或另一碱土金属，镧La、钇Y或另一稀土元素中选择的至少一种元素作为用于形成NOX吸收剂67的成分。
空气和被供应至发动机进气通道、燃烧室2以及NOX存储催化剂24上游的排气通道的燃料(碳氢化合物)的比率被称为废气的空燃比。NOX吸收剂67行使NOX吸收和释放的作用，即当废气的空燃比为稀时吸收NOX且当废气中的氧浓度下降时释放已吸收的NOX。
即，如果在使用钡Ba作为形成NOX吸收剂67的成分的情况下，则当废气的空燃比为稀时，即当废气中的氧浓度高时，包含在废气中的NO(一氧化氮)如图3A所示在铂Pt66上被氧化而变成NO2(二氧化氮)，然后在与碳酸钡BaCO3结合的同时，被吸收于NOX吸收剂67中并以硝酸离子NO3 -的形式散布于NOX吸收剂67中。由此，NOX被吸收于NOX吸收剂67中。如果废气中的氧浓度高，则在铂Pt66的表面上生成NO2-如果NOX吸收剂67的NOX吸收能力未饱和，则NO2被吸收至NOX吸收剂67中并生成硝酸离子NO3 -。
相反，当使废气的空燃比为浓或者为化学计量空燃比时，由于废气中的氧浓度下降，所以反应沿反方向(NO3 -→NO2)进行，因此，NOX吸收剂67中的硝酸离子NO3 -从NOX吸收剂67中以NO2的形式被释放。然后，已释放的NOX通过包括在废气中的未燃烧的碳氢化合物或CO(一氧化碳)而被还原。
在图1所示发动机中，继续稀空燃比状态下的燃烧，因而，只要停止来自燃料供应阀28的燃料供应，则流经NOx吸收剂67的废气的空燃比保持为稀。包括在废气中的NOx在此阶段被吸收至NOx吸收剂67内。但是，如果继续稀空燃比状态下的燃烧，则NOx吸收剂67的NOx吸收能力将最终变为饱和，因此NOx将不再能够由NOx吸收剂67吸收。因此，在根据本发明的实施方式中，在NOx吸收剂67的吸收能力变为饱和之前，从燃料供应阀28供应燃料以便暂时使废气的空燃比为浓，从而自NOx吸收剂67中释放NOx。
图4A和4B示出了微粒过滤器25的结构。注意，图4A是微粒过滤器25的正视图，而图4B则是微粒过滤器25的侧向截面图。如图4A和4B所示，微粒过滤器25形成蜂窝结构并设置有彼此平行延伸的多个排气通道70和71。这些排气通道由其下游端由塞子72密封的废气流入通道70和其上游端由塞子73密封的废气流出通道71组成。注意图4A中的阴影部分示出塞子73。因此，废气流入通道70和废气流出通道71通过薄壁隔离件74而交替地设置。换言之，废气流入通道70和废气流出通道71被设置成使得每个废气流入通道70都由四个废气流出通道71围绕并且每个废气流出通道71都由四个废气流入通道70围绕。
微粒过滤器25由诸如堇青石的多孔材料形成。因此，流入废气流入通道70内的废气如图4B中的箭头所示地穿过周围隔离件74流出而流入到邻接的废气流出通道71内。
在根据本发明的实施方式中，废气流入通道70和废气流出通道71的外围壁，即隔离件74的相对表面以及隔离件74的微孔的内壁，也承载有由例如氧化铝组成的催化剂载体。如图3A和3B所示，催化剂载体65承载有散布在其表面上的贵金属催化剂66。此外，催化剂载体65在其表面上形成有一层NOX吸收剂67。
因此，如果进行稀空燃比状态下的燃烧，则包含在废气中的NOX也会被吸收至承载于微粒过滤器25上的NOX吸收剂67中。以此方式被吸收的NOX通过从燃料供应阀28供应燃料而被释放和还原。
另一方面，包含在废气中的微粒物质被截留于微粒过滤器25上且陆续被氧化。但是，如果被截留的微粒物质的量变为大于被氧化的微粒物质的量，则微粒物质将逐渐沉积在微粒过滤器25上。在这种情况下，如果所沉积的微粒物质的量增加，则发动机的输出会减小。因此，有必要在所沉积的微粒物质的量增加时去除所沉积的微粒物质。在这种情况下，如果在空气过剩的状态下将微粒过滤器25的温度升高至大约600℃，则所沉积的微粒物质会被氧化并被去除。
在根据本发明的实施方式中，当沉积在微粒过滤器25上的微粒物质的量超过容许量时，则在将流入微粒过滤器25的废气的空燃比保持为稀的同时从燃料供应阀28供应燃料，然后通过以此方式供应的燃料的氧化热来升高微粒过滤器25的温度，从而氧化并去除所沉积的微粒物质。
注意，在图1中可省略NOx存储催化剂24。另外，在图1中，未承载有NOx吸收剂67的微粒过滤器可被用作微粒过滤器25。
在根据本发明的实施方式中，当被吸收于NOx吸收剂67中的NOx的累积量∑NOX如图5中X所示地超过容许量MAX时，从燃料供应阀28以连续脉冲形式供应燃料，从而流经承载于NOX存储催化剂24和微粒过滤器25上的NOX吸收剂67的废气的空燃比暂时转变为浓。因此，NOX从NOX吸收剂67中被释放并被还原。可替代地，可以通过在作功行程或排气行程期间从燃料喷射器3喷射附加燃料来将燃料供应至NOX吸收剂67。
在这种情况下，在根据本发明的实施方式中，将每单位时间被吸收于NOX吸收剂67中的NOX的量dNOX作为所需扭矩TQ和发动机速度N的函数以图6所示的映射的形式预先存储于ROM 32中。累积的NOX的量∑NOX由NOX的量dNOX的累积来计算。
但是，正在本说明书的开始部分所提到的，当NOX的吸收剂67的温度低时，如果仅仅将废气的空燃比转变为浓，则不太可能获得足够的从NOX吸收剂释放的NOX。
因此，在根据本发明的实施方式中，首先检测NOX吸收剂67的温度Tc，而后将流至NOX吸收剂67的废气的空燃比转变为浓空燃比或者依据吸收剂温度Tc来改变。这方面将参考图7A和7B来说明。
图7A示出了NOX吸收剂67的温度Tc低于预定温度TcS的情况。如图7A所示，不执行来自燃料供应阀28的燃料供应直至由X表示的正时，即直至累积的NOX的量∑NOX超过容许量MAX并且必须从NOX吸收剂67释放NOX时(见图5)。此时，流经NOX吸收剂67的废气的空燃比AFEG被保持于稀空燃比。如果此时的稀空燃比是基本稀空燃比AFLB，则该基本稀空燃比AFLB与在如图1所示的发动机中的燃烧室2中的空燃比一致。
如图7A中X所示，当必须从NOX吸收剂67释放NOX时，则接通来自燃料供应阀28的燃料以开始将流入的废气的空燃比AFEG从基本稀空燃比AFLB变为具有较低稀薄度的稀空燃比AFLL。当将流入的废气的空燃比AFEG保持于具有较低稀薄度的稀空燃比AFLL达稀薄时间tL时，随后便使流入的废气的空燃比AFEG转变为浓空燃比AFR。当将流入的废气的空燃比AFEG保持于浓空燃比AFR达浓时间tR时，则停止燃料供应并且流入的废气的空燃比AFEG恢复为基本稀空燃比AFLB。
与当流入的废气的空燃比AFEG是基本稀空燃比AFLB时相比，当将流入的废气的空燃比AFEG转变为并保持于具有较低稀薄度的稀空燃比AFLL时，包含在废气中的未燃烧的HC(碳氢化合物)和CO增加。未燃烧的HC和CO的增加量将在存在过剩氧的状态下在NOX吸收剂67中被氧化，因此NOX吸收剂67的温度Tc会迅速增高。因此，在NOX吸收剂67的温度Tc变高之后，将流入的废气的空燃比AFEG转变为浓空燃比AFR，并由此获得足够的从NOX吸收剂67释放的NOX。
另外，在根据本发明的实施方式中，流入的废气的空燃比AFEG从浓空燃比AFR恢复至基本稀空燃比AFLB，并保持于基本稀空燃比AFLB直至如图5所示地必须再次从NOX吸收剂67中释放NOX。换言之，当流入的废气的空燃比AFEG恢复至基本稀空燃比AFLB时停止来自燃料供应阀28的燃料直至累积的NOX的量∑NOX再次超过容许量MAX。这确保了仅在必要时才执行NOX吸收剂67的温度增加，并确保了所供应的燃料被有效地用于NOX的释放和还原。注意，即使当NOX吸收剂67的温度Tc低于预定温度TcS时，NOX也会良好地被吸收于NOX吸收剂67中。
相反，如图7B中X所示，如果当必须从NOX吸收剂67中释放NOX时NOX吸收剂67的温度Tc高于预定温度TcS，则流入的废气的空燃比AFEG会立刻转变为浓空燃比AFR而不转变为具有较低稀薄度的稀空燃比AFLL。当流入的废气的空燃比AFEG保持于浓空燃比AFR达浓时间tR时，即停止燃料并且流入的废气的空燃比AFEG恢复至基本稀空燃比AFLB。即，在这种情况下，不必增高NOX吸收剂67的温度Tc。
正如能够从以上说明中理解到的，预定温度TcS是从NOX吸收剂67中良好地释放NOX所需的温度。所述从NOX吸收剂67良好地释放NOX所必需的温度将依据NOX吸收剂67的劣化程度而变化。因此，在根据本发明的实施方式中，首先检测NOX吸收剂67的劣化程度DET，然后依据所述NOX吸收剂67的劣化程度DET确定所述预定温度TcS。具体地，如图8所示，当劣化程度DET变得较高时，则将预定温度TcS设定成较高。预定温度TcS以如图8所示的映射的形式预先存储于ROM 32中。注意，存在许多用于获得NOX吸收剂67的劣化程度DET的方式。例如，当从燃料供应阀28将燃料供应至NOX吸收剂67时所获得的NOX吸收剂67的温度Tc的增量较小时，可将NOX吸收剂67的劣化程度DET判定为较高。
另一方面，图7A中所示的TcY是从流入的废气的空燃比AFEG转变为具有较低稀薄度的稀空燃比AFLL的时段起已经过稀薄时间tL时的NOX吸收剂67的温度。如果温度TcY与上面提到的预定温度TcS近似一致，则在将来自燃料供应阀28的燃料量保持为低的同时将获得足够的NOX释放。因此，稀时间tL是当流入的废气的空燃比AFEG被保持于具有较低稀薄度的稀空燃比AFLL时将NOX吸收剂67的温度Tc增高至近似预定温度TcS所需的时间量。
在这种情况下，当如图9A所示NOX吸收剂67的温度Tc变得较低时、当如图9B所示进气量Ga变得较大时以及当如图9C所示NOX吸收剂67的劣化程度DET变得较高时，则稀时间tL变得较长。在根据本发明的实施方式中，稀时间tL作为NOX吸收剂67的劣化程度DET和温度Tc以及进气量Ga的函数以图9D中所示的映射的形式预先存储于ROM32中。在此，进气量Ga代表流经NOX吸收剂67的废气量。
注意，当执行来自燃料供应阀28的燃料供应时，通过减少每单位时间燃料供应脉冲的数量来使流入的废气的空燃比AFEG较稀，并且通过增加每单位时间燃料供应脉冲的数量来使流入的废气的空燃比AFEG较浓。
图10示出了NOX释放控制的程序。
参考图10，程序行进至步骤100，在此计算被吸收于NOX吸收剂67中的NOX的量∑NOX。具体地，在根据本发明的实施方式中，使用图6中所示的映射来计算每单位时间被吸收于NOX吸收剂67中的NOX的量dNOX，然后将其加到已吸收的NOX的量∑NOX。在随后的步骤101中，确定已吸收的NOX的量∑NOX是否超过容许量MAX。当∑NOX≤MAX时，处理循环结束。相反，当∑NOX>MAX时，则程序行进至步骤102，在此使用图8中所示的映射来计算预定温度TcS。在随后的步骤103中，确定NOX吸收剂67的温度Tc是否低于预定温度TcS。当Tc<TcS时，程序行进至步骤104，在此使用图9D中所示的映射来计算稀薄时间tL。在随后的步骤105中，燃料供应阀28供应燃料以将流入的废气的空燃比AFEG保持于具有较低稀薄度的稀空燃比AFLL达稀时间tL。然后，程序行进至步骤106。相反，当Tc≥TcS时，程序从步骤103跳至步骤106。在步骤106中，燃料供应阀28供应燃料以将流入的废气的空燃比AFEG保持于浓空燃比AFR达时间tR。在随后的步骤107中，将已吸收的NOX的量∑NOX归零。
Claims (8)
1.一种用于内燃发动机的废气净化设备，所述内燃发动机具有排气通道且燃烧在基本稀空燃比状态下进行，所述废气净化设备包括：
设置于所述排气通道中的NOx吸收剂，当废气的空燃比为稀时，所述NOx吸收剂吸收包含在废气中的NOx，并且当所述废气的空燃比转变为浓时，从所述NOx吸收剂释放已吸收的NOx；以及
控制装置，其用于控制流经所述NOx吸收剂的所述废气的空燃比，
其中，当必须从所述NOx吸收剂释放NOx时，首先将流经所述NOx吸收剂的所述废气的空燃比从所述基本稀空燃比转变为具有较低稀薄度的稀空燃比并且保持于所述具有较低稀薄度的稀空燃比达预定的稀薄时间，然后再转变为浓空燃比。
2.如权利要求1所述的用于内燃发动机的废气净化设备，其中，流经所述NOx吸收剂的所述废气的空燃比恢复为并保持于所述基本稀空燃比直至必须再次从所述NOx吸收剂释放所述NOx。
3.如权利要求1所述的用于内燃发动机的废气净化设备，还包括用于获得所述NOx吸收剂的温度的装置，其中，如果当必须从所述NOx吸收剂释放所述NOx时所述NOx吸收剂的所述温度低于预定温度，则首先将流经所述NOx吸收剂的所述废气的空燃比从所述基本稀空燃比转变为所述具有较低稀薄度的稀空燃比并且保持于所述具有较低稀薄度的稀空燃比达所述预定的稀薄时间，然后再转变为所述浓空燃比，如果当必须从所述NOx吸收剂释放所述NOx时所述NOx吸收剂的所述温度高于所述预定温度，则将流经所述NOx吸收剂的废气的所述空燃比转变为所述浓空燃比而不转变为所述具有较低稀薄度的稀空燃比。
4.如权利要求3所述的用于内燃发动机的废气净化设备，还包括用于获得所述NOx吸收剂的劣化程度的装置，其中，所述NOx吸收剂的所述劣化程度高时的所述预定温度被设定成高于所述劣化程度低时的所述预定温度。
5.如权利要求1所述的用于内燃发动机的废气净化设备，还包括用于获得所述NOx吸收剂的温度的装置，其中，所述稀薄时间根据所获得的所述NOx吸收剂的温度来设定。
6.如权利要求1所述的用于内燃发动机的废气净化设备，还包括用于获得流经所述NOx吸收剂的所述废气的量的装置，其中，所述稀薄时间根据所获得的所述废气的量来设定。
7.如权利要求1所述的用于内燃发动机的废气净化设备，还包括用于获得所述NOx吸收剂的劣化程度的装置，其中，所述稀薄时间根据所获得的劣化程度来设定。
8.如权利要求1所述的用于内燃发动机的废气净化设备，其中，所述稀薄时间被设定为使得通过将流入所述NOx吸收剂的所述废气的空燃比保持于所述具有较低稀薄度的稀空燃比达所述稀薄时间而获得的所述NOx吸收剂的所述温度或其增量等于目标值。
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