CN101605969A - 内燃机的排气净化装置 - Google Patents
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Abstract
在内燃机中，在内燃机排气通路内配置NOx选择还原催化剂(14)，在NOx选择还原催化剂(14)的上游的内燃机排气通路内配置NOx吸藏催化剂(12)。在NOx吸藏催化剂(12)的吸藏量NOx量超过预定的允许值时，使NOx吸藏催化剂(12)升温，从NOx吸藏催化剂(12)放出NOx。相对由根据内燃机的运行状态确定的尿素供给量，使尿素供给量减少算出的吸藏NOx量的还原量，相对由内燃机的运行状态确定的尿素供给量使尿素供给量增大算出的放出NOx量的还原量。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机的排气净化装置。
背景技术
公知这样一种内燃机(例如参照日本特开2005-2925号公报)，在内燃机排气通路内配置NOx选择还原催化剂，在NOx选择还原催化剂上游的内燃机排气通路内，配置以硝酸盐(nitrate)的形式吸藏被包含于排气中的NOx、在供给还原剂时放出所吸藏的NOx的NOx吸藏催化剂，向NOx选择还原催化剂供给尿素而利用由尿素产生的氨将包含于排气中的NOx选择性地还原。在这样的内燃机中，考虑吸藏于NOx吸藏催化剂的NOx量和从NOx吸藏催化剂放出的NOx量，来决定尿素供给量。例如，在从NOx吸藏催化剂放出NOx时，使尿素供给量增加放出NOx量的还原量。
然而，在该内燃机中，在为了使从NOx吸藏催化剂放出NOx而供给还原剂即燃料的情况下，一部分的吸藏NOx以NO或NO2的形式从NOx吸藏催化剂放出，然而有一部分的吸藏NOx相比NO进一步被还原而以氨NH3的形式放出。在该情况下，不清楚吸藏NOx以何种程度成为NOx放出，而以何种程度成为氨NH3放出。在该情况下，如果成为氨NH3而放出的量多，则放出的NOx由该氨NH3还原，所以就没有必要再使尿素供给量增加。
而且，在上述的内燃机中，是以吸藏NOx全部成为NOx放出为前提，所以存在由于使尿素供给量增加放出的NOx量的还原量，从而造成尿素供给量过剩的问题。该问题只要是使用还原剂从NOx吸藏催化剂放出NOx就会发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不供给还原剂而放出NOx、由此不会产生像上述那样的问题的内燃机的排气净化装置。
根据本发明，提供一种内燃机的排气净化装置，将NOx选择还原催化剂配置于内燃机排气通路内，将尿素供给到该NOx选择还原催化剂，利用从该尿素产生的氨将包含于排气中的NOx选择性地还原，其中，在NOx选择还原催化剂的上游的内燃机排气通路内配置NOx吸藏催化剂，NOx吸藏催化剂具有根据NOx吸藏催化剂的温度而吸藏排气中所包含的NOx或将所吸藏的NOx放出的性质，算出在NOx吸藏催化剂的吸藏NOx量和来自NOx吸藏催化剂的放出NOx量，当算出的吸藏NOx量超过预先确定的允许值时，使NOx吸藏催化剂升温以使NOx从NOx吸藏催化剂放出，相对由内燃机的运行状态确定的尿素供给量使尿素供给量减少所算出的吸藏NOx量的还原量，相对由内燃机的运行状态确定的尿素供给量使尿素供给量增大所算出的放出NOx量的还原量。
即，在本发明中，从NOx吸藏催化剂放出的是NO或NO2，不以氨NH3的形式放出。而且，若强制地使NOx吸藏催化剂升温，则NOx在短时间内集中放出，由此可以正确地求出每单位时间的NOx放出量，如此可正确地算出NOx的还原所需要的尿素供给量。
附图说明
图1是压燃式内燃机的整体图；
图2是示出NOx吸藏催化剂的最大NOx吸藏量NMAX等的图；
图3是示出从内燃机排出的NOx量NOXA的图谱(map)等的图；
图4是示出NOx的脱离(脱附，desorption)速度等的图；
图5是示出用于进行尿素的供给控制的流程图；
图6是示出压燃式内燃机的另一实施例的整体图；
图7是示出压燃式内燃机的又一实施例的图。
具体实施方式
图1是压燃式内燃机的整体图。
参照图1，标号1表示内燃机主体，2表示各气缸的燃烧室，3表示用于分别向各燃烧室2内喷射燃料的电子控制式燃料喷射阀，4表示进气歧管，5表示排气歧管。进气歧管4通过进气管6连接于排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口，压缩机7a的入口通过进气量检测器8连接于空气滤清器9。在进气管6内配置由步进电机驱动的节气门10，进而在进气管6周围配置用于冷却在进气管6内流动的吸入空气的冷却装置11。在图1所示的实施例中，内燃机冷却水被引入冷却装置11内，吸入空气由内燃机冷却水冷却。
另一方面，排气歧管5连接于排气涡轮增压器7的排气涡轮7b的入口，排气涡轮7b的出口连接于NOx吸藏催化剂12的入口。该NOx吸藏催化剂12的出口经由排气管13与NOx选择还原催化剂14连结。该NOx选择还原催化剂14，由在低温下具有高的NOx净化率的氨吸附类型的Fe沸石构成，或者由不具有氨吸附功能的二氧化钛·钒类的催化剂(titania-vanadiumbased catalyst)构成。
在NOx选择还原催化剂14的上游的排气管13内，配置有尿素水供给阀15，该尿素水供给阀15经由供给管16、供给泵17连接于尿素水槽18。尿素水槽18内贮藏的尿素水由供给泵17而从尿素水供给阀15向在排气管13内流动的排气中喷射，利用从尿素产生的氨((NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2)使得包含于排气中的NOx在NOx选择还原催化剂14中被还原。
排气歧管5和进气歧管4经由排气再循环(以下称作EGR)通路19相互连接，在EGR通路19内配置电子控制式EGR控制阀20。此外，在EGR通路19周围配置用于冷却在EGR通路19内流动的EGR气体的冷却装置21。在图1所示的实施例中，内燃机冷却水被引入冷却装置21，EGR气体由内燃机冷却水冷却。另一方面，各燃料喷射阀3经由燃料供给管22连接于共轨装置23(common rail)，该共轨装置23经由电子控制式的排出量可变的燃料泵24连接于燃料槽25。贮藏于燃料槽25内的燃料由燃料泵24而被供给至共轨装置23内，被供给至共轨装置23内的燃料经由各燃料供给管22而被供给至燃料喷射阀3。
电子控制单元30由数字式计算机构成，具有由双向总线31相互连接的ROM(只读存储器)32，RMA(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。对NOx吸藏催化剂12安装用于检测NOx吸藏催化剂12的床温的温度传感器26，该温度传感器26和进气量检测器8的输出信号通过分别对应的AD变换器37而输入输入端口35。
此外，在加速踏板40上连接有产生与加速踏板40的踩下量L成比例的输出电压的负荷传感器41，负荷传感器41的输出电压经由对应的AD转换器37被输入到输入端口35。此外，在输入端口35上连接有曲轴例如每旋转15度就发生一次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连接于燃料喷射阀3、节气门10的驱动用步进电机、尿素水供给阀15、供给泵17、EGR控制阀20和燃料泵24。
NOx吸藏催化剂12可以是吸收排气中的NOx的类型的催化剂，也可是吸附排气中的NOx的类型的催化剂。在吸收NOx的类型的NOx吸藏催化剂12中，在催化剂担体的表面上分散地担载贵金属催化剂，进而在催化剂担体的表面上形成NOx吸收剂的层。该情况下，例如作为贵金属催化剂使用白金(铂)Pt，作为构成NOx吸收剂的成分，使用从钾K、钠Na、铯Cs这样的碱金属、钡Ba、钙Ga这样的碱土类(alkali earth)、镧La、钇Y或其它稀土类选择的至少一种。
该NOx吸藏催化剂12具有：在排气的空燃比为稀时吸收NOx、而当排气的空燃比为理论空燃比或浓时放出所吸收的NOx的功能。在压燃式内燃机中，排气的空燃比为稀，所以包含于通常排气中的NOx的一部分被NOx吸藏催化剂12吸收。
而且，NOx选择还原催化剂14直到成为大致200℃以上为止不被激活(活性化)，因此，在内燃机启动后，直到NOx选择还原催化剂14的温度上升为止不能期待NOx选择还原催化剂14对NOx的净化作用。此外，NOx吸藏催化剂12即使是在NOx选择还原催化剂14未活性化的低温度时也具有吸收排气中的NOx的能力。因此，如图1所示，当在NOx选择还原催化剂14的上游配置NOx吸藏催化剂12时，则在NOx选择还原催化剂14未活性化时，排气中的NOx由NOx吸藏催化剂12吸收，如此可以抑制NOx向大气中放出。
另一方面，当NOx吸藏催化剂12的NOx吸收能力饱和时，就不再能由NOx吸藏催化剂12吸收NOx。在该情况下，如果升高NOx吸藏催化剂12的温度，则所被吸收的NOx从NOx吸藏催化剂12放出，此时NOx选择还原催化剂14也升温。于是，在本发明中，在NOx吸藏催化剂12的NOx吸收能力饱和之前，使NOx吸藏催化剂12升温，使NOx从NOx吸藏催化剂12放出，在NOx选择还原催化剂14中对该放出的NOx进行净化。
而且，在使流入NOx吸藏催化剂12的排气的空燃比为浓时也从NOx吸藏催化剂12排出NOx。但是，在该情况下如前面所述，NOx的一部分被进一步地还原而以氨的形式放出，所以在本发明中，不使排气的空燃比变为浓来放出NOx，而是通过使NOx吸藏催化剂12升温从而放出NOx。
另一方面，在作为NOx吸藏催化剂12使用吸附NOx的类型的催化剂的情况下也是同样。即，吸附NOx的类型的NOx吸藏催化剂12具有由具有多个细孔的堇青石(cordierite)或沸石(zeolite)构成的基体，在该基体上形成例如由氧化铝(alumina)构成的催化剂担体的层，在该催化剂担体上例如担载铂这样的贵金属催化剂。
在NOx吸藏催化剂12的温度越降低时，该NOx吸藏催化剂12所能吸附的NOx量越增大。因此，在该情况下，在NOx选择还原催化剂14未活性化时，排气中的NOx由NOx吸藏催化剂12吸附，如此也可抑制NOx向大气中放出。进而，即使是在该NOx吸藏催化剂12中，在使该NOx吸藏催化剂12升温时，所吸附的NOx从NOx吸藏催化剂12放出。
因此，在使用吸附NOx的类型的NOx吸藏催化剂12的情况下，在NOx吸藏催化剂12的NOx吸附能力饱和前使NOx吸藏催化剂12升温，从NOx吸藏催化剂12放出NOx，在NOx选择还原催化剂14中对该放出的NOx进行净化。
图2示出NOx吸藏催化剂12所能吸收或吸附的NOx的最大吸藏量NMAX。而且，图2中，纵轴表示在NOx吸藏催化剂12的NOx吸藏量∑NOX，横轴表示NOx吸藏催化剂12的床温TC。图2所示的最大NOx吸藏量NMAX在NOx吸藏催化剂12的床温TC越变低时则越增大，因此可知，在NOx吸藏催化剂12的床温TC低时，例如在内燃机启动时，NOx吸藏催化剂12具有吸收或吸附大量的NOx的功能。
另一方面，在本发明中，预先确定比最大NOx吸藏量NMAX稍低一些NOx吸藏量的允许值NW，当NOx吸藏量∑NOX超过该预先确定的允许值NW时，使NOx吸藏催化剂12升温，使NOx吸藏催化剂12放出NOx。
例如，在图2中，在NOx吸藏量∑NOX到达A点时使NOx吸藏催化剂12升温。此时，如果床温TC上升到由B点所示的温度，从NOx吸藏催化剂12放出相对于最大吸藏量NMAX的超过NOx吸藏量ΔNX。
概略地讲，NOx吸藏催化剂12具有在低温时吸藏即吸收或吸附NOx，而在高温时放出NOx的性质。即，NOx吸藏催化剂12，具有根据NOx吸藏催化剂12的温度而吸藏排气中所包含的NOx或将所吸藏的NOx放出的性质。因此，如果从内燃机排出一定量的NOx，则当NOx由NOx吸藏催化剂12吸藏时，从NOx吸藏催化剂12流出的排气中的NOx量减少，当NOx从NOx吸藏催化剂12放出时，从NOx吸藏催化剂12流出的排气中的NOx量增大。
在该情况下，还原NOx所需的尿素量，在从NOx吸藏催化剂12流出的排气中的NOx量减少时则减少，在从NOx吸藏催化剂12流出的排气中的NOx量增大时则增大。另一方面，在确定了内燃机的运行状态时，则来自内燃机的NOx排出量确定，因此，在确定了内燃机的运行状态时，还原来自内燃机的排出NOx所需的尿素供给量确定。于是，在本发中，算出在NOx吸藏催化剂12的吸藏NOx量和来自NOx吸藏催化剂12的放出NOx量，相对由内燃机的运行状态确定的尿素供给量尿素供给量减少算出的吸藏NOx量的还原量，相对由内燃机的运行状态确定的尿素供给量尿素供给量增大算出的放出NOx量的还原量，
接着参照图3至图5对本发明的尿素供给方法的一实施例进行说明。
如上所述，从内燃机排出的NOx根据内燃机的运行状态确定。在根据本发明的实施例中，将从内燃机每单位时间排出的NOx量NOXA作为要求转矩TQ和内燃机转速N的函数而以图3(A)所示的图谱的形式预先存储于ROM32中。
另一方面，从内燃机排出的NOx之中吸藏于NOx吸藏催化剂12的NOx的吸藏率，成为吸藏于NOx吸藏催化剂12的NOx吸藏量∑NOX和NOx吸藏催化剂12内的排气流的空间速度的函数。即，如图3(B)中K1所示，吸藏率随着吸藏于NOx吸藏催化剂12的NOx吸藏量∑NOX增大而减少，如图3(C)中K2所示，吸藏率随着NOx吸藏催化剂12内的排气流的空间速度即吸入空气量Ga增大而减少。这些吸藏率K1、K2预先存储于ROM32内。在本发明的实施例中，通过使吸藏率K1和K2与来自内燃机的排出NOx量NOXA相乘，算出每单位时间吸藏于NOx吸藏催化剂12的NOx量NOXA·K1·K2。
图2中的超过NOx吸藏量ΔNX不是一次性的放出，而是以与在NOx吸藏催化剂12的NOx吸藏量∑NOX以及NOx吸藏催化剂12内的排气的空间速度即吸入空气量Ga相应的速度逐渐地放出。即，如图4(A)所示，在某一吸入空气量Ga下的NOx的脱离速度W，即从NOx吸藏催化剂12每单位时间放出的NOx量W，随着NOx吸藏量∑NOX增大而升高。即，NOx吸藏量∑NOX越多，则放出越大量的NOx。
另一方面，从NOx吸藏催化剂12脱离的NOx的脱离率D，如图4(B)所示，随着吸入空气量Ga增大而升高。在该情况下，实际的NOx脱离速度，即从NOx吸藏催化剂12每单位时间实际脱离的NOx量，成为由图4(A)所示的脱离速度W与图5(B)所示的脱离率D相乘的值W·D。而且，该脱离速度W与脱离率D事先存储于ROM32内。
在图2中床温TC从A点开始慢慢上升时，NOx吸藏量∑NOX沿着最大吸藏量NMAX减少，每次放出少量的NOx。但是在这样NOx的放出量少时，要正确地算出为了还原该少量的NOx所需要的尿素水，作为实际问题是困难的。于是在本发明中，强制地使NOx吸藏催化剂12升温，使得NOx在短时间内集中地放出。当NOx在短时间内集中地放出时，每单位时间的NOx放出量变多，从而能够正确地算出为了还原其结果放出的NOx所需要的尿素水的供给量。
图5示出用于控制尿素的供给的例程。而且，该例程由每一定时间的中断来执行。
参照图5，首先在步骤50中由图3(A)所示的图谱算出来自内燃机的每单位时间的排出NOx量NOXA。接着，在步骤51判定是否处于NOx吸藏催化剂12的升温控制中。在不处于NOx吸藏催化剂12的升温控制中时，进入步骤52判定在NOx吸藏催化剂12的NOx吸藏量∑NOX是否比图2所示的允许值NW小。在∑NOX＜NW时，即还存在吸藏NOx的余地时进行步骤53。
在步骤53中由图3(B)所示的关系算出吸藏率K1，接着在步骤54中由图3(C)所示的关系算出吸藏率K2。接着，在步骤55中，通过将每单位时间实际吸藏于NOx吸藏催化剂12的NOx量NOXA·K1·K2与∑NOX相加，算出NOx吸藏量∑NOX。接着，在步骤56中，通过从排出NOx量NOXA减去每单位时间实际吸藏的NOx量NOXA·K1·K2，算出从NOx吸藏催化剂12每单位时间流出的排气中的NOx量NOXZ。
接着，在步骤64中，算出用于还原从NOx吸藏催化剂12流出的排气中的NOx，即流入NOx选择还原催化剂14的排气中的NOx，所需要的尿素量。在根据本发明实施例中，该尿素量被设置成相对于要还原的NOx量当量比(equivalent ratio)＝1。接着，在步骤65中，进行从尿素水供给阀15的尿素水的供给作用。
另一方面，当在步骤52中判定∑NOX≥NW时，进入步骤57进行NOx吸藏催化剂12的升温控制。该升温控制例如通过使燃料喷射定时滞后、在稀空燃比下使排气温度上升而进行。接着在步骤58，从图4(A)所示的关系算出脱离速度W，接着在步骤59，从图4(B)所示的关系算出脱离率D。接着在步骤60通过从∑NOX减去每单位时间实际脱离的NOx量W·D，算出NOx吸藏量∑NOX。接着在步骤61通过将每单位时间实际脱离的NOx量W·D与排出NOx量NOXA相加，算出从NOx吸藏催化剂12每单位时间流出的排气中的NOx量NOXZ。接着在步骤64算出要还原该NOx所需要的尿素量。
在这样的本发明的实施例中，通过从由内燃机排出的NOx量NOXA减去吸藏NOx量NOXA·K1·K2，或者将放出NOx量W·D与由内燃机排出的NOx量NOXA相加，算出从NOx吸藏催化剂12流出的排气中的NOx量NOXZ。从该NOx量NOXZ算出供给尿素量。
另一方面，当在步骤51判定为处于升温控制中时，进入步骤62，判定在NOx吸藏催化剂12的吸藏NOx量∑NOX是否比图2所示的最大NOx吸藏量NMAX(吸附量)小。在∑NOX≥NMAX时，进入步骤57继续进行升温控制。与此相对，在变成∑NOX＜NMAX时，进入步骤63停止升温控制。
图6示出另一实施例。在该实施例中，在排气管13内配置用于检测流入NOx选择还原催化剂14的排气中的NOx浓度的NOx传感器43，基于该NOx传感器43的输出信号控制尿素水的供给量。在该实施例中，由于直接计测在NOx选择还原催化剂14中应还原的NOx，所能够正确地算出还原NOx所需要的尿素水的供给量。
图7(A)、(B)、(C)示出了在内燃机排气通路内配置了用于捕集包含于排气中的粒子状物质的颗粒过滤器44的各个实施例。在图7(A)示出的实施例中，颗粒过滤器44配置于NOx吸藏催化剂12的下游，在图7(B)示出的实施例中，颗粒过滤器44配置于NOx选择还原催化剂14的下游，图7(C)示出的实施例中，颗粒过滤器44配置于NOx吸藏催化剂12的上游。
在这些实施例中，结合NOx吸藏催化剂12的升温作用，使颗粒过滤器44升温，由此使堆积于颗粒过滤器44上的颗粒燃烧。
Claims (4)
1.一种内燃机的排气净化装置，其在内燃机排气通路内配置NOx选择还原催化剂，向该NOx选择还原催化剂供给尿素，利用由该尿素产生的氨选择性地还原排气中含有的NOx，其中，
在上述NOx选择还原催化剂上游的内燃机排气通路内配置NOx吸藏催化剂，该NOx吸藏催化剂具有相应于NOx吸藏催化剂的温度吸藏排气中含有的NOx或将所吸藏的NOx放出的性质，
所述排气净化装置算出在NOx吸藏催化剂中的吸藏NOx量和从NOx吸藏催化剂放出的放出NOx量，在算出的吸藏NOx量超过预定的容许值时，使NOx吸藏催化剂升温从而使NOx从NOx吸藏催化剂放出，相对于由内燃机的运行状态确定的尿素供给量使尿素供给量减少所算出的吸藏NOx量的还原量，相对于由内燃机的运行状态确定的尿素供给量使尿素供给量增大所算出的放出NOx量的还原量。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，通过由从内燃机排出的NOx量减去上述算出的吸藏NOx量或将上述算出的放出NOx量与从内燃机排出的NOx量相加，算出从NOx吸藏催化剂流出的排气中的NOx量，由该NOx量算出供给尿素量。
3.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，所述NOx吸藏催化剂能够在不向NOx吸藏催化剂的上游供给还原剂的情况下放出NOx。
4.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，除了NOx吸藏催化剂、NOx选择还原催化剂以外，还在内燃机排气通路内配置颗粒过滤器，在NOx吸藏催化剂的升温作用的同时使颗粒过滤器升温，由此使堆积于颗粒过滤器上的颗粒燃烧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110713 Termination date: 20210702 |