CN101981283A - 内燃机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内燃机的排气净化装置，是具备如下的NOX催化剂装置的内燃机的排气净化装置，所述NOX催化剂装置在废气中的氧浓度高时能够良好地保持废气中的NOX，如果作为再生处理而使废气中的氧浓度降低，则能够将所保持的NOX脱离，将如此脱离了的NOX利用废气中的还原物质还原净化为N2，其中，再生处理是通过使燃烧空燃比由稀空燃比AL向设定浓空燃比AR变化而实施的，在第一设定期间(t2-t3)及第二设定期间(t6-t7)中的至少一者中，向NOX催化剂装置供给N2O还原剂，所述第一设定期间是为了开始再生处理而使NOX催化剂装置内的废气的空燃比由稀空燃比变为设定浓空燃比为止之间中的期间，第二设定期间是为了结束再生处理而使NOX催化剂装置内的废气的空燃比达到理论空燃比AS以后的期间。

Description

内燃机的排气净化装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机的排气净化装置。
背景技术
在柴油发动机之类的实施稀燃的内燃机的排气系统中，配置有用于净化废气中的NOX的NOX催化剂装置。作为此种NOX催化剂装置，提出过在废气为稀空燃比时、即在废气中的氧浓度高时，良好地保持废气中的NOX的NOX催化剂装置。对于该NOX催化剂装置，如果作为再生处理而将废气的空燃比设为理论空燃比或浓空燃比、即降低废气中的氧浓度，可以将所保持的NOX脱离，将如此脱离的NOX利用废气中的还原物质还原净化为N2。
但是，在此种NOX催化剂装置的再生处理中有时会有生成N2O(一氧化二氮或氧化亚氮)的情况，将N2O也向大气中排放是不够理想的。因此，提出过意图在再生处理时减少从NOX催化剂装置中流出的N2O流出量的内燃机排气净化装置(例如参照专利文献1)。
专利文献1日本特开2004-211676
发明内容
上述的内燃机的排气净化装置，再生处理时的废气中的氧浓度高时，N2O的生成量就会增加，所以不是向排气通道供给燃料，而是将燃烧空燃比设为浓空燃比而预先使流入NOX催化剂装置的再生处理时的废气的氧浓度降低。如果将燃烧空燃比设为浓空燃比，则不仅可以降低废气中的氧浓度，而且废气中所含的还原物质会变为CO及低沸点化重整HC，可以将NOX良好地还原净化。
但是，如果像这样在再生处理时将燃烧空燃比设为浓空燃比，则虽然可以利用废气中的氧浓度降低在整体上减少再生处理中的N2O生成量，然而有时会暂时性地生成大量N2O，无法充分地减少伴随着再生处理产生的N2O的流出量。
所以，本发明的目的在于，在具备如下的NOX催化剂装置的内燃机的排气净化装置中，使伴随着将燃烧空燃比设为浓空燃比的再生处理从NOX催化剂装置中流出的N2O的流出量充分地减少，其中，所述NOX催化剂装置在废气中的氧浓度高时能够良好地保持废气中的NOX，如果作为再生处理而使废气中的氧浓度降低，则可以将所保持的NOX脱离，将如此脱离了的NOX利用废气中的还原物质还原净化为N2。
本发明的技术方案1所述的内燃机的排气净化装置是具备如下的NOX催化剂装置的内燃机排气净化装置，所述NOX催化剂装置在废气中的氧浓度高时能够保持废气中的NOX，如果作为再生处理而使废气中的氧浓度降低，则能够将所保持的NOX脱离，将如此脱离了的NOX利用废气中的还原物质还原净化为N2，其特征在于，上述再生处理是通过使燃烧空燃比由稀空燃比向设定浓空燃比变化而实施的，在第一设定期间及第二设定期间中的至少一者中，向上述NOX催化剂装置供给N2O还原剂，上述第一设定期间是为了开始上述再生处理而使上述NOX催化剂装置内的废气的空燃比由上述稀空燃比变为上述设定浓空燃比为止之间中的期间，上述第二设定期间是为了结束上述再生处理而使上述NOX催化剂装置内的废气的空燃比达到理论空燃比以后的期间。
本发明的技术方案2所述的内燃机排气净化装置，其特征在于，在技术方案1所述的内燃机的排气净化装置中，上述第一设定期间被设定为，在从为了开始上述再生处理而使燃烧空燃比由上述稀空燃比向上述设定浓空燃比变化时起经过第一设定时间时开始。
本发明的技术方案3所述的内燃机排气净化装置，其特征在于，在技术方案1所述的内燃机的排气净化装置中，上述第二设定期间被设定为，在从为了结束上述再生处理而使燃烧空燃比由上述设定浓空燃比向稀空燃比变化时起经过第二设定时间时开始。
本发明的技术方案4所述的内燃机排气净化装置，其特征在于，在技术方案1至3中任意一项所述的内燃机的排气净化装置中，上述N2O还原剂是沸点比再生处理时的废气中所含的低沸点化重整HC高的燃料。
本发明的技术方案5所述的内燃机排气净化装置，其特征在于，在技术方案4所述的内燃机的排气净化装置中，上述N2O还原剂是在膨胀冲程或排气冲程中向气缸内供给后与废气一起向上述NOX催化剂装置供给的。
本发明的技术方案6所述的内燃机排气净化装置，其特征在于，在技术方案4所述的内燃机的排气净化装置中，上述N2O还原剂是在向上述NOX催化剂装置的上游侧的排气通道供给后与废气一起向上述NOX催化剂装置供给的。
根据本发明的技术方案1所述的内燃机的排气净化装置，具备如下的NOX催化剂装置的内燃机的排气净化装置，所述NOX催化剂装置在废气中的氧浓度高时能够良好地保持废气中的NOX，如果作为再生处理而使废气中的氧浓度降低，则能够将所保持的NOX脱离，将如此脱离了的NOX利用废气中的还原物质还原净化为N2，在上述内燃机的排气净化装置中，通过使燃烧空燃比由稀空燃比向设定浓空燃比变化来实施再生处理，为了开始再生处理而使NOX催化剂装置内的废气的空燃比由稀空燃比变为设定浓空燃比之间中的第一设定期间中，流入NOX催化剂装置的废气的空燃比达到理论空燃比附近，脱离NOX未被充分地还原而容易生成N2O，另外，为了结束再生处理而使NOX催化剂装置内的废气的空燃比达到理论空燃比以后的第二设定期间中，由再生处理中的NOX还原而生成的氨NH3被氧化而容易生成N2O，因此在第一设定期间及第二设定期间中的至少一者中，向NOX催化剂装置供给N2O还原剂，从而可以将所生成的N2O还原为N2或NO等，可以充分地减少伴随着再生处理从NOX催化剂装置中流出的N2O的流出量。
根据本发明的技术方案2所述的内燃机的排气净化装置，在技术方案1所述的内燃机的排气净化装置中，第一设定期间被设定为，在从为了开始再生处理而使燃烧空燃比由稀空燃比向设定浓空燃比变化时起经过第一设定时间时开始，因而可以考虑第一设定时间而在第一设定期间中向NOX催化剂装置供给N2O还原剂。
根据本发明的技术方案3所述的内燃机的排气净化装置，在技术方案1所述的内燃机的排气净化装置中，第二设定期间被设定为，在从为了结束再生处理而使燃烧空燃比由设定浓空燃比向稀空燃比变化时起经过第二设定时间时开始，因而可以考虑第二设定时间而在第二设定期间中向NOX催化剂装置供给N2O还原剂。
根据本发明的技术方案4所述的内燃机的排气净化装置，在技术方案1至3中任意一项所述的内燃机的排气净化装置中，N2O还原剂是沸点比再生处理时的废气中所含的低沸点化重整HC高的燃料，此种高沸点燃料与低沸点重整HC相比容易残留于NOX催化剂装置内，可以将比NOX难以还原的N2O良好地还原。
根据本发明的技术方案5所述的内燃机的排气净化装置，在技术方案4所述的内燃机的排气净化装置中，N2O还原剂是在膨胀冲程或排气冲程中向气缸内供给后与废气一起向NOX催化剂装置供给的，因而不会有像将燃烧空燃比由稀空燃比设为设定浓空燃比的再生处理时的废气中所含的低沸点化重整HC那样被重整的情况，可以作为高沸点的燃料向NOX催化剂装置供给。
根据本发明的技术方案6所述的内燃机的排气净化装置，在技术方案4所述的内燃机的排气净化装置中，N2O还原剂是在向NOX催化剂装置的上游侧的排气通道供给后与废气一起向上述NOX催化剂装置供给的，因而不会有像将燃烧空燃比由稀空燃比设为设定浓空燃比的再生处理时的废气中所含的低沸点化重整HC那样被重整的情况，可以作为高沸点的燃料向NOX催化剂装置供给。
附图说明
图1是表示本发明的内燃机的排气净化装置的实施方式的概略图。
图2是表示再生处理时的NOX催化剂装置内的空燃比A变化和N2O生成量M变化的时间图。
图3是表示每种还原物质的N2O还原率的图表。
具体实施方式
图1是表示本发明的内燃机的排气净化装置的概略图。该图中，1为内燃机。内燃机1是柴油发动机，然而也可以是实施稀燃的缸内喷射式火花点火内燃机。内燃机1中，2是经由一对进气阀3通向气缸内的一对进气口，4是经由一对排气阀5通向气缸内的一对排气口。6是活塞，7是形成于活塞6的顶面的燃烧室，8是向燃烧室7内喷射燃料的燃料喷射阀。9是与各气缸的排气口4连接的排气歧管，10是排气歧管9的下游侧的单一排气通道。
由于在柴油发动机或缸内喷射式火花点火内燃机这样的实施稀混合气燃烧的内燃机1的废气中含有比较多的NOX，因此在排气通道10中，配置有用于将NOX净化的NOX催化剂装置11。在排气通道10的紧邻NOX催化剂装置11的上游侧，配置有用于供给燃料的燃料供给装置12。13是用于检测流入NOX催化剂装置11的废气的空燃比的空燃比传感器。
在NOX催化剂装置11中，担载有NOX保持剂和铂Pt之类的贵金属催化剂。NOX保持剂是选自钾K、钠Na、锂Li、铯Cs之类的碱金属；钡Ba、钙Ca之类的碱土类；镧La、钇Y之类的稀土类中的至少一种。
NOX催化剂装置11在废气为稀空燃比时、即在废气中的氧浓度高时，良好地保持废气中的NOX，即，将其作为硝酸盐良好地吸收，或作为NO2良好地吸附。但是，无法无限制地保持NOX，在NOX保持量到达能够保持NOX的量而无法进一步保持NOX之前，作为再生处理，将废气的空燃比设为浓空燃比，即，降低废气中的氧浓度。这样，保持NOX就被脱离，即，吸收NOX被放出，另外，吸附NO2被脱离，这些脱离NOX被废气中的还原物质还原净化为N2。
为了开始再生处理，通过增加在压缩冲程中利用燃料喷射阀8喷射的燃料、或者在膨胀冲程初期的燃烧中利用燃料喷射阀8喷射追加燃料，将燃烧空燃比从正常运转的稀空燃比切换到设定浓空燃比，从而使设定浓空燃比的废气流入NOX催化剂装置11。在经过预先设定的再生处理时间而使大致全部的保持NOX从NOX催化剂装置11脱离时，为了结束再生处理，将燃烧空燃比从设定浓空燃比恢复到正常运转的稀空燃比。当然，再生处理实施前后的稀空燃比根据运转状态有时未必相同。在再生处理中，压缩冲程的增量燃料喷射既可以是连续喷射，也可以是分为两次或三次之类的分多次喷射，另外，膨胀冲程初期的追加燃料既可以与压缩冲程末期的燃料喷射连续也可以不连续。
伴随着此种再生处理，有时在NOX催化剂装置11中生成N2O(一氧化二氮或氧化亚氮)。由于向大气排放N2O是不够理想的，因此需要减少从NOX催化剂装置11中流出N2O的流出量。
图2是表示再生处理时的NOX催化剂装置11内的空燃比A变化和N2O的生成量M变化的时间图。图2中，时刻t1是将燃烧空燃比由稀空燃比AL(例如22)切换到设定浓空燃比AR(例如12)的再生处理控制的开始时刻。即使燃烧空燃比被设为浓空燃比AR，NOX催化剂装置11内的空燃比A也会因充满排气歧管9及NOX催化剂装置11的上游侧的排气通道10内的稀空燃比AL的废气，而不能立即变为浓空燃比AR，而是由稀空燃比AL向浓侧慢慢地变化，在时刻t4变为设定浓空燃比AR。
这样，在为了开始再生处理而使NOX催化剂装置11内的废气的空燃比由稀空燃比AL变为设定浓空燃比AR为止之间(从时刻t1到t4)中的、从时刻t2到时刻t3的第一设定期间，流入NOX催化剂装置11的废气的空燃比处于理论空燃比AS(例如14.7)附近(例如18到14)，因而脱离NOX及废气中的NOX未被充分地还原，容易生成N2O(NO+N→N2O)。像这样，在从将燃烧空燃比由稀空燃比AL切换到设定浓空燃比AR的再生处理控制开始时刻t1起经过第一设定时间时，变为时刻t2，开始第一设定期间。对于第一设定时间来说，排气歧管9及NOX催化剂装置11的上游侧的排气通道10的容积越小则越短，稀空燃比AL与理论空燃比AS的差越小则越短，另外，理论空燃比AS与设定浓空燃比AR的差越大则越短。
另外，时刻t5是将燃烧空燃比从设定浓空燃比AR切换到稀空燃比AL的再生处理控制的结束时刻。即使燃烧空燃比被设为稀空燃比AL，NOX催化剂装置11内的空燃比A也会因充满排气歧管9及NOX催化剂装置11的上游侧的排气通道10内的设定浓空燃比AR的废气，不能立即变为稀空燃比AL，而是从浓空燃比AR向稀侧慢慢地变化，在时刻t8变为稀空燃比AL。
但是，在再生处理中，由NOX的还原生成氨NH3，如此生成的NH3的大部分被NOX催化剂装置11的载体吸附等而滞留，不会从NOX催化剂装置11中流出。
这样，在为了结束再生处理而使NOX催化剂装置内的废气的空燃比变为理论空燃比AS以后(t6以后)，由于例如废气中的氧，NOX催化剂装置11内的氨几乎全部氧化，此时容易生成N2O(2NH3+2O2→N2O+3H2O)。像这样，在为了结束再生处理而使NOX催化剂装置内的废气的空燃比变为理论空燃比AS以后的、从时刻t6到时刻t7的第二设定期间，容易生成N2O。这里，在再生处理中生成的氨量多的情况下，有时也会有第二设定期间的结束时刻t7处于NOX催化剂装置内的废气的空燃比变为稀空燃比AL的时刻t8之后的情况。像这样，在从将燃烧空燃比从设定浓空燃比AR切换到稀空燃比AL的再生处理控制结束时刻t5起经过第二设定时间时，变为时刻t6，开始第二设定期间。对于第二设定时间来说，排气歧管9及NOX催化剂装置11的上游侧的排气通道10的容积越小则越短，理论空燃比AS与设定浓空燃比AR的差越小则越短，另外，稀空燃比AL与理论空燃比AS的差越大则越短。
本实施方式中，在第一设定期间(从时刻t2到时刻t3)及第二设定期间(从时刻t6到时刻t7)中的至少一者中、优选在两者中，向NOX催化剂装置11供给N2O还原剂，将所生成的N2O还原为N2或NO等。这样，就可以充分地减少伴随着再生处理而从NOX催化剂装置11中流出的N2O的流出量。对于N2O还原剂的量，优选在第一设定期间及第二设定期间中分别生成的N2O量越多则N2O还原剂的量越多。
图3是表示每种还原物质的N2O还原率的图表。如图3所示，与CO或例如C3H6之类的低沸点HC相比，例如C10H22之类的高沸点HC更容易残留于NOX催化剂装置11内，可以将比NOX难还原的N2O良好地还原。NOX还原率形成与N2O还原率相反的结果，CO或低沸点HC会导致比高沸点HC高的还原率。
由此，本实施方式中，作为N2O还原剂，使用沸点比再生处理时的浓空燃比燃烧的废气中所含的低沸点化重整HC高的燃料。另一方面，在NOX的还原中，使用浓空燃比燃烧的废气中所含的CO及低沸点化重整HC。
作为N2O还原剂的燃料例如是在利用燃料喷射阀8在膨胀冲程(膨胀冲程后半部分)或排气冲程中向气缸内喷射后，与废气一起向NOX催化剂装置11供给。这样，不会有像燃烧时那样在气缸内被重整为低沸点HC的情况，而是作为高沸点的燃料向NOX催化剂装置11供给。基于生成的N2O量而决定的N2O还原剂的量被分割给全部气缸，在各气缸中喷射分配部分。根据需要，在各气缸中将分配部分分割为多个循环而喷射。
该情况下，为了在第一设定期间(从t2到t3)中将作为N2O还原剂的燃料与废气一起向NOX催化剂装置11供给，将燃料喷射阀8的喷射开始时刻设定于时刻t1与时刻t2之间。该作为N2O还原剂的燃料是除了用于将燃烧空燃比设为设定浓空燃比AR的燃料喷射量外另行喷射的。
另外，为了在第二设定期间(从t6到t7)中将作为N2O还原剂的燃料与废气一起向NOX催化剂装置11供给，将燃料喷射阀8的喷射开始时刻设定于时刻t5与时刻t6之间。该作为N2O还原剂的燃料是除了用于将燃烧空燃比设为稀空燃比AL的燃料喷射量外另行喷射的。
另外，作为N2O还原剂的燃料也可以在利用配置于紧邻NOX催化剂装置11的上游侧的燃料供给装置12向排气通道供给后，与废气一起向NOX催化剂装置11供给。这样，就不会有重整为低沸点HC的情况，而是作为高沸点的燃料向NOX催化剂装置11供给。基于生成的N2O量而决定的N2O还原剂的量由燃料供给装置12连续地或间歇地供给。
该情况下，为了在第一设定期间(从t2到t3)中将作为N2O还原剂的燃料与废气一起向NOX催化剂装置11供给，将燃料供给装置12的供给开始时期设定于时刻t1与时刻t2之间。该作为N2O还原剂的燃料是除了用于将燃烧空燃比设为设定浓空燃比AR的燃料喷射量外另行喷射的。
另外，为了在第二设定期间(从t6到t7)中将作为N2O还原剂的燃料与废气一起向NOX催化剂装置11供给，将燃料供给装置12的供给开始时刻设定于时刻t5与时刻t6之间。该作为N2O还原剂的燃料除了用于将燃烧空燃比设为稀空燃比AL的燃料喷射量外另行喷射的。
像这样，燃料喷射阀8或燃料供给装置12由电子控制装置控制。在电子控制装置中，判断是否是NOX催化剂装置11的再生时期。例如，在紧邻NOX催化剂装置11的上游侧设置上游侧NOX浓度传感器，并且在紧邻NOX催化剂装置11的下游侧设置下游侧NOX浓度传感器，检测流入NOX催化剂装置11的废气中的NOX浓度和从NOX催化剂装置11中流出的废气中的NOX浓度，在流入NOX催化剂装置11的废气中的NOX浓度与从NOX催化剂装置11中流出的废气中的NOX浓度的差在设定值以下时，NOX催化剂装置11的NOX保持量就到达能够保持NOX的量附近，从而无法再充分地保持废气中的NOX，可以判断为再生时期。
另外，也可以不设置下游侧NOX浓度传感器，而是利用上游侧NOX浓度传感器检测出流入NOX催化剂装置11的废气中的NOX浓度，使得每单位时间向NOX催化剂装置11保持由NOX浓度确定的每单位时间的废气中所含的NOX量的设定比例，将每单位时间的保持量累计而推定现在的NOX保持量，在其达到设定量时即判断为再生时期。另外，也可以连上游侧NOX浓度传感器也不设置，而是预先设定每个内燃机运转状态的每单位时间的废气中所含的NOX量，使得每单位时间向NOX催化剂装置11保持其设定比例，将每单位时间的保持量累计而推定现在的NOX保持量，在其达到设定量时即判断为再生时期。
可以利用空燃比传感器13来监测流入NOX催化剂装置11的废气的空燃比。
符号说明
1  内燃机
11 NOX催化剂装置
12 燃料供给装置

Claims (6)

1.一种内燃机的排气净化装置，是具备如下的NOX催化剂装置的内燃机的排气净化装置，所述NOX催化剂装置在废气中的氧浓度高时能够保持废气中的NOX，如果作为再生处理而使废气中的氧浓度降低，则能够将所保持的NOX脱离，将如此脱离了的NOX利用废气中的还原物质还原净化为N2，其特征在于，
所述再生处理是通过使燃烧空燃比由稀空燃比向设定浓空燃比变化而实施的，在第一设定期间及第二设定期间中的至少一者中，向所述NOX催化剂装置供给N2O还原剂，所述第一设定期间是为了开始所述再生处理而使所述NOX催化剂装置内的废气的空燃比由所述稀空燃比变为所述设定浓空燃比为止之间中的期间，所述第二设定期间是为了结束所述再生处理而使所述NOX催化剂装置内的废气的空燃比达到理论空燃比以后的期间。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述第一设定期间被设定为，在从使燃烧空燃比由所述稀空燃比向所述设定浓空燃比变化时起经过第一设定时间时开始。
3.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述第二设定期间被设定为，在从使燃烧空燃比由所述设定浓空燃比向稀空燃比变化时起经过第二设定时间时开始。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述N2O还原剂是沸点比再生处理时的废气中所含的低沸点化重整HC高的燃料。
5.根据权利要求4所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述N2O还原剂是在膨胀冲程或排气冲程中向气缸内供给后与废气一起向所述NOX催化剂装置供给的。
6.根据权利要求4所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述N2O还原剂是在向所述NOX催化剂装置的上游侧的排气通道供给后与废气一起向所述NOX催化剂装置供给的。
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