CN102016248B - 内燃机的排气净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种技术，在内燃机的排气净化系统中，即使在进行副喷射及排气添加的情况下，也能够向排气净化装置供应恰当量的燃料，更容易使排气净化装置的温度与目标值相一致。在比排气净化装置更靠上游的排气通路中，配备有向排气中添加燃料的燃料添加阀、从内燃机的燃烧室向排气通路排出含有未燃烧燃料的气体的未燃烧燃料排出机构，在向排气净化装置供应燃料以使该排气净化催化剂的温度成为目标值时，利用反馈控制调节利用燃料添加阀供应的燃料量，利用开环控制调节利用未燃烧燃料排出机构供应的燃料量。

Description

内燃机的排气净化系统

技术领域

本发明涉及内燃机的排气净化系统。 

背景技术

已知有在内燃机的排气通路中设置排气烟尘过滤器(下面简单地称之为“过滤器”)，以便包含在内燃机的排气中的粒子状物质(下面，称之为PM)不向大气排放的技术。 

利用该过滤器，排气中的PM一度被捕集，但是，由于当被该过滤器捕集的PM的量变多时，过滤器上游的排气压力上升，所以，存在诱发内燃机的输出降低、燃料消耗恶化的可能。这时，可以通过使堆积在过滤器上的PM氧化来除去该PM。将这样除去被过滤器捕集的PM称为过滤器的再生。 

为了进行过滤器的再生，在比过滤器更靠上游侧设置具有氧化能力的催化剂，或者在该过滤器自身中携带具有氧化能力的催化剂。并且，通过向该催化剂添加燃料，使过滤器的温度上升，进行过滤器的再生。 

另外，在吸留还原型NOx催化剂(下面称之为NOx催化剂)中，包含在燃料中的硫磺成分也与NOx同样地被吸留。被这样吸留的硫磺成分比NOx更难以被排出，蓄积在NOx催化剂内。这被称为硫磺中毒。由于这种硫磺中毒，NOx催化剂的NOx净化率降低，因此，在适当的时期，有必要进行使其从硫磺中毒中恢复的硫磺中毒恢复处理。这种硫磺中毒恢复处理，通过将NOx催化剂变成高温，并且使理论空燃比或者富空燃比的排气在NOx催化剂中流动来进行。并且，通过在这种NOx催化剂中添加燃料，使该NOx催化剂的温度上升，可以将该NOx催化剂变成高温。 

在此，为了向催化剂添加燃料，例如，可以在排气通路中配备燃料添加阀，从该燃料添加阀向排气中添加燃料(下面，称之为排气添加)。另外，通过于在气缸内进行燃料的主喷射之后的膨胀冲程中或排气冲程中进行再次喷射燃料的副喷射(继后喷射或者后补喷射)，也可以向催化剂中添加燃料。 

并且，已知有副喷射和排气添加并用、进行催化剂及过滤器的温度控制的技术(例如，参照专利文献1(特开2005-83350号公报)、专利文献2(特开2005-83352号公报)、专利文献3(特开2005-83351号公报))。 

这里，在像副喷射那样向气缸内进行多次燃料喷射的场合，存在在最初的燃料喷射时产生的燃料压力的脉动对后面的燃料喷射时的燃料压力产生影响的情况。因此，副喷射与排气添加相比，存在难以进行燃料量的正确控制的情况。另外，若进行副喷射，则存在由燃料附着于气缸壁面、冲洗润滑油的所谓气缸洗涤使得润滑油被稀释的危险。进而，在配备有EGR装置的情况下，存在燃料流入该EGR装置，EGR冷却器堵塞或者EGR阀变得难以动作的危险。另外，若从燃烧室到排气净化装置的距离长，则即使以使排气净化装置的温度与目标值相一致的方式调节副喷射量，由于到排气净化装置的温度变化为止需要花费时间，所以，副喷射量的控制还是困难。 

但是，由于通过副喷射供应的燃料处于气化或者容易发生反应的状态，所以，具有容易在催化剂中反应的优点。 

另一方面，由于通过排气添加供应的燃料保持液体状态不变地到达催化剂，所以，若只进行排气添加，则存在发生HC附着在催化剂的上游端侧的HC中毒的情况。另外，存在由于保持液体状态不变地到达催化剂的燃料因催化剂而蒸发，使得该催化剂的上游端侧的温度降低的危险。因此，存在当进行排气添加时，引起催化剂的上游端的堵塞或者整个催化剂变成活性温度以下，过滤器不能再生的危险。 

但是，燃料添加不会像副喷射那样使润滑油稀释，并且可以与内燃机的运转状态无关地在宽的运转区域中供应燃料。另外，如果在紧靠排气净化催化剂的上游设置燃料添加阀，则由于当为了使排气净化装置的温度与目标值相一致而调节排气添加量时，排气净化装置的温度立即变化，所以，容易进行排气添加量的控制。

即，副喷射及排气添加各有优点和缺点。并且，由于只利用副喷射难以进行对燃料量的正确控制，所以，难以使过滤器或NOx催化剂的温度与目标值相一致。 

发明内容

本发明是鉴于上述问题完成的，其目的是提供一种在内燃机的排气净化系统中，即使在进行副喷射及排气添加的情况下，也能够向排气净化装置中供应恰当量的燃料，更易于使排气净化装置的温度与目标值相一致的技术。 

为了完成上述课题，根据本发明的内燃机的排气净化系统，其特征在于，包括： 

排气净化装置，所述排气净化装置设置在内燃机的排气通路中，通过燃料的供应来恢复净化能力， 

燃料添加阀，所述燃料添加阀在比所述排气净化装置更靠上游的排气通路中向排气中添加燃料， 

未燃烧燃料排出机构，所述未燃烧燃料排出机构从所述内燃机的燃烧室向排气通路排出包含未燃烧燃料的气体， 

在向所述排气净化装置供应燃料以使该排气净化装置的温度成为目标值时，通过反馈控制调节利用所述燃料添加阀供应的燃料量，通过开环控制调节利用所述未燃烧燃料排出机构供应的燃料量。 

这里，排气净化装置通过在净化能力恢复时被供应燃料而温度上升。所谓净化能力恢复时，例如，可以列举出：被NOx催化剂吸留的NOx被还原时，NOx催化剂的硫磺中毒被复原时，或者，使堆积在排气烟尘过滤器中的颗粒状物质氧化时(即，进行过滤器的再生时)等。并且，在恢复排气净化装置的净化能力时，从燃料添加阀对该排气净化装置供应燃料，或者从未燃烧燃料排出机构对该排气净化装置供应燃料。另外，来自燃料添加阀的燃料供应和来自未燃烧燃料排出机构的燃料供应可以同时进行，也可以只进行其中之一。 

并且，从未燃烧燃料排出机构供应的燃料量，由于受到燃料压力的脉动，所以难以与目标值相一致。即，即使检测出排气净化装置的温度并以使该温度接近于目标值的方式对燃料供应量进行反馈控制，也难以正确地调节未燃烧燃料排出机构的燃料供应量。因此，利用反馈控制使温度与目标值相一致变得困难。 

与此相对，在本发明中，对于未燃烧燃料排出机构的燃料供应量进行开环控制。即，供应预定量的燃料。该预定量可以根据内燃机的运转状态(例如，内燃机转速或内燃机负荷)进行变更。 

另一方面，对于从燃料添加阀供应的燃料量，与从未燃烧燃料排出机构供应的燃料量相比较，能够更正确地进行调节。即，通过对从燃料添加阀供应的燃料量进行反馈控制，能够进行对燃料供应量的正确修正。因此，能够迅速地使排气净化装置的温度与目标值相一致。 

另外，在本发明中，所述排气净化装置配备有催化剂，在该催化剂的温度在活性温度以上的情况下，可以停止所述未燃烧燃料排出机构的燃料供应。 

这里，供应给燃烧室内的燃料，由于暴露在高温的燃烧气体中，所以，大部分以气化的状态或者被改性的状态从内燃机排出。因此，从内燃机排出的燃料易于在排气净化装置中进行反应。 

另一方面，从燃料添加阀添加的燃料，由于被添加到比燃烧室内温度低的排气中，所以，与供应给气缸内的燃料相比较，难以气化。因此，存在保持液体状态不变地到达排气净化装置的情况。另外，即使气化，由于不进行扩散，所以，存在局部空燃比低的状态的排气到达排气净化装置的情况。在这种情况下，即使从燃料添加阀添加燃料，排气净化装置的温度也难以上升。 

不过，若从未燃烧燃料排出机构供应燃料，则存在引起气缸洗涤或者燃料消耗恶化的危险。另一方面，如果催化剂的温度在活性温度以上，则即使从燃料添加阀供应燃料，也可以使之在该催化剂中进行 反应。即，在催化剂的温度在活性温度以上的情况下，通过停止由未燃烧燃料排出机构进行的燃料供应，只进行由燃料添加阀进行的燃料供应，可以既抑制引起气缸洗涤，又使排气净化装置的温度上升。另外，在催化剂的温度比活性温度低的情况下，可以同时采用来自燃料添加阀的燃料供应和来自未燃烧燃料排出机构的燃料供应，另外，也可以只进行来自未燃烧燃料排出机构的燃料供应。 

另外，在本发明中，即使在利用所述燃料添加阀供应燃料时，也可以利用所述未燃烧燃料排出机构在每个规定的期间供应燃料。 

这里，若只从燃料添加阀供应燃料，则存在燃料附着在排气净化装置的上游端侧，或者上游端侧的温度降低的情况。从而，存在在上游端侧发生堵塞或者整个排气净化装置的温度降低的情况。与此相对，若定期地进行由未燃烧燃料排出机构进行的燃料添加，则由于能够向排气净化装置供应易于进行反应的燃料，所以，可以使该上游端侧的温度上升。从而，可以抑制排气净化装置的上游端侧的堵塞或者整个排气净化装置的温度的降低。 

另外，所述规定的期间，例如，可以是作为从燃料添加阀添加的燃料附着在排气净化装置上的燃料变成阈值以上的期间，或预定的一定的期间。这时，可以根据内燃机的运转状态变更规定的期间的值。 

如上面说明的那样，根据本发明，在内燃机的排气净化系统中，即使在进行副喷射及排气添加的情况下，也能够向排气净化装置供应恰当量的燃料，使排气净化装置的温度更容易与目标值相一致。 

附图说明

图1是表示应用根据实施例的内燃机的排气净化系统的内燃机和其进气系统及排气系统的简略结构的图示。 

图2是表示实施例中的过滤器的再生时的温度上升控制的流程的流程图。 

具体实施方式

下面，基于附图说明根据本发明的内燃机的排气净化系统的具体的实施形式。 

(实施例1) 

图1是表示应用根据本实施例的内燃机的排气净化系统的内燃机1和其进气系统及排气系统的简略结构的图示。图1所示的内燃机1是水冷式的四冲程的柴油发动机。 

在内燃机1上连接有进气通路2及排气通路3。在该进气通路2的途中设置有节气门4。该节气门4由电动促动器进行开闭。在比节气门4更靠上游的进气通路2中设置有空气流量计5，该空气流量计5输出与在该进气通路2内流通的进气的流量相对应的信号。借助该空气流量计5测定内燃机1的吸入的新的气体的量。 

另一方面，在排气通路3的途中，从内燃机1侧起依次配备有第一氧化催化剂15、第二氧化催化剂16、排气烟尘过滤器6(下面称之为过滤器6)。该过滤器6也可以载有氧化催化剂、三元催化剂或者吸留还原型NOx催化剂。另外，在本实施例中，第二氧化催化剂16及过滤器6相当于本发明中的排气净化装置。 

进而，在本实施例中，配备有燃料添加阀7，所述燃料添加阀7向在比第一氧化催化剂15更靠下游且比第二氧化催化剂16更靠上游的排气通路3中流通的排气中添加作为还原剂的燃料(轻油)。这里，燃料添加阀7根据来自于后面描述的ECU20的信号打开阀，喷射燃料。并且，从燃料添加阀7向排气通路3内喷射的燃料与从排气通路3的上游流来的排气一起流入第二氧化催化剂16，由该第二氧化催化剂16氧化。借助这时的反应热，过滤器6的温度上升。 

并且，在内燃机1中配备有EGR装置8，所述EGR装置8使在排气通路3内流通的排气的一部分向进气通路2再循环。该EGR装置8具有EGR通路81及EGR阀82。 

EGR通路81将比第一氧化催化剂15更靠上游侧的排气通路3和比节气门4更靠下游的进气通路2连接起来。并且，通过排气在该EGR通路81中流通，使排气再循环。另外，EGR阀82通过调整EGR通 路81的通路截面面积，调整在该EGR通路81中流动的EGR气体的量。 

另外，在比过滤器6更靠下游的排气通路3中安装有下游侧温度传感器9和空燃比传感器10，所述下游侧温度传感器9输出与在该排气通路3内流动的排气的温度相对应的信号，所述空燃比传感器10输出与在该排气通路3内流动的排气的空燃比相对应的信号。根据该下游侧温度传感器9的输出信号，检测出过滤器6的温度。进而，在第一氧化催化剂15与第二氧化催化剂16之间的排气通路3中安装有上游侧温度传感器17，所述上游侧温度传感器17输出与在该排气通路3内流动的排气的温度相对应的信号。 

进而，在内燃机1中，配备有向该内燃机1的气缸内供应燃料的燃料喷射阀11。 

在如上所述构成的内燃机1中同时设置有ECU20，所述ECU20是用于控制该内燃机1的电子控制单元。该ECU20是对应于内燃机1的运转条件、驾驶员的要求控制内燃机1的运转状态的单元。 

另外，在该ECU20上，除上述传感器之外，还经由电配线连接有加速踏板开度传感器13及曲轴位置传感器14，所述加速踏板开度传感器13输出对应于驾驶员踩下加速器踏板12的量的电信号、可以检测内燃机的负荷，所述曲轴位置传感器14检测内燃机的转速，这些各种传感器的输出信号被输入ECU20。另一方面，在ECU20上，经由电配线连接着燃料喷射阀11及燃料添加阀7。并且，借助ECU20控制燃料喷射阀11及燃料添加阀7的开闭正时。 

并且，在本实施例中，在进行过滤器的再生时，向第二氧化催化剂16供应燃料，使排气的温度上升，通过使该温度上升了的排气在过滤器6中流动，使该过滤器6的温度上升。在过滤器6的温度上升到为了使PM氧化所需要的温度时，通过停止燃料的供应，维持该过滤器6的温度。即使在使过滤器6的温度上升时，由于在排气中含有氧气，所以，被该过滤器6捕集的PM被氧化。 

另外，在过滤器6载有吸留还原型NOx催化剂的情况下，与进行 该NOx催化剂的硫磺中毒恢复处理时同样，向第二氧化催化剂16添加燃料，使过滤器6的温度上升到硫磺中毒恢复所需要的温度。之后，通过间歇地添加燃料，进行硫磺中毒恢复处理。 

这样，为了向第二氧化催化剂16供应燃料，可以通过从燃料添加阀7喷射燃料来进行，另外也可以通过降低从内燃机1排出的气体的空燃比来进行。即，通过借助这些手段向第二氧化催化剂16供应燃料，可以进行过滤器6的再生或者硫磺中毒恢复。 

这里，通过在从燃料喷射阀11进行主喷射之后的膨胀冲程中或者排气冲程中，进行再次喷射燃料的副喷射(继后喷射或者后补喷射)，可以从内燃机1排出含有燃料的气体。与此同时，也可以使吸入空气量减少，或者使EGR气体量增加。另外，在本实施例中，进行副喷射的ECU20相当于本发明中的未燃烧燃料排出机构。 

这里，通过使节气门4向关闭侧运动，可以使吸入空气量减少。另外，通过使EGR阀82向打开侧运动，可以使EGR气体量增加。 

另外，以下，将从燃料添加阀7喷射燃料称为“排气添加”。 

这里，当从燃料喷射阀11进行用于产生转矩的主喷射时，通过向该燃料喷射阀11供应的燃料的压力急剧地降低，可以引起燃料压力的脉动。并且，当在刚刚进行主喷射之后就立即进行副喷射时，由于通过该副喷射所喷射的燃料受到由主喷射产生的燃料压力的脉动的影响，所以存在喷射量不稳定的情况。在这种情况下，即使进行为了使利用下游侧温度传感器9测定的温度接近于目标温度而调节副喷射量的反馈控制，也存在着难以使该测定的温度接近于目标温度的危险。 

另一方面，由于排气添加以比利用燃料喷射阀11进行的主喷射与副喷射之间的间隔长的间隔进行，而且燃料的压力低，所以，不容易受到燃料压力的脉动造成的影响。因此，当进行为了使利用下游侧温度传感器9测定的温度接近于目标温度而调节排气添加量的反馈控制时，容易使该测定的温度接近于目标温度。 

因此，在本实施例中，利用开环控制调节副喷射量，利用反馈控制调节排气添加量。 

这里，由于通过副喷射供应的燃料借助在燃烧室内燃烧的气体的热而蒸发，所以易于因第二氧化催化剂16而反应。另一方面，在进行副喷射时，通过燃料附着在气缸壁面上，润滑油与燃料混合，该润滑油会被稀释。进而，当通过副喷射向排气通路3排出的燃料流入EGR通路81并附着于EGR阀82时，存在着该EGR阀82难以动作的危险。 

另一方面，由于可以几乎不受内燃机1的负荷的影响地进行排气添加，所以，能够在比副喷射更宽范围的运转区域中进行排气添加。但是，由于燃料扩散难、或者燃料附着在排气通路3的壁面上，所以，存在NOx还原效率变差的运转区域。 

因此，在本实施例中，在排气添加的燃料最初到达的催化剂(在本实施例中为第二氧化催化剂16)达到活性温度、并且成为能够使燃料充分反应的温度(例如，从25℃到300℃)的情况下，不进行副喷射，只进行排气添加。即，如果燃料能够在第二氧化催化剂16中反应，则进行排气添加。从而，由于燃料在第二氧化催化剂16中反应，所以，可以使过滤器6的温度上升。另外，通过不进行副喷射，可以抑制气缸洗涤。 

这样，即使是在利用排气添加保持过滤器6的温度或者使之上升时，也可以定期地进行副喷射。这里，即使是在第二氧化催化剂16达到活性温度之后，也存在当进行排气添加时，液体燃料附着在第二氧化催化剂16的上游端侧而发生HC中毒的危险。另外，存在伴随着附着在第二氧化催化剂16的上游端侧的燃料的气化，该第二氧化催化剂16的上游端侧的温度变得比活性温度低的危险。在发生这种问题时，存在着在第二氧化催化剂16的上游端侧发生堵塞或者整个第二氧化催化剂16的温度变得比活性温度低的危险性。 

与此相对，如果定期地进行副喷射，则由于可以定期地对第二氧化催化剂16供应反应性高的燃料，所以，可以抑制该第二氧化催化剂16的温度降低。另外，能够通过利用排气添加使附着在第二氧化催化剂16的上游端侧的燃料反应而将其除去。例如，可以通过实验等预先 求出引起第二氧化催化剂16堵塞的时间，在成为该时间时，作为进行副喷射的正时。另外，可以由排气添加量、排气流量、排气温度等推定第二氧化催化剂16的HC中毒量，在该HC中毒量达到阈值时，进行副喷射。进而，也可以每隔规定的时间进行副喷射。 

其次，对于本实施例中的过滤器6再生时的温度上升控制进行说明。图2是表示本实施例中的过滤器6的再生时的温度上升控制的流程的流程图。本程序每隔过滤器6再生时的规定时间反复地执行。另外，在NOx催化剂的硫磺中毒恢复时也可以进行同样的温度上升控制。 

在步骤S101，排气温度增高。在本步骤中，第一氧化催化剂15的温度上升。通过使第一氧化催化剂15的温度上升到活性温度，副喷射的燃料能够因第一氧化催化剂15而反应。另外，由于第一氧化催化剂15与第二氧化催化剂16相比容积小，所以，即使该第一氧化催化剂15达到活性温度，由副喷射所喷射的燃料的一部分也不发生反应而原样向下游流动。 

在本步骤中，通过进行使由燃料喷射阀11进行的主喷射的正时推迟的延迟喷射，或者进行继后喷射，在燃烧室内使燃料燃烧，使排气温度上升。同时，通过关闭EGR阀82或者关闭节气门4，可以进一步使排气温度上升。另外，在配备有排气节气门的情况下，也可以控制该排气节气门的开度。这些构件也可以根据与内燃机转速及内燃机负荷相关联的设定表进行控制。 

在步骤S102，判定流入第二氧化催化剂16的排气温度是否在例如250℃以上。该温度是排气添加的燃料能够因第二氧化催化剂16而进行反应的温度，例如，是第二氧化催化剂16的活性温度。排气温度可以利用上游侧温度传感器17获得。 

在于步骤S102中作出肯定的判断的情况下，进入步骤S104，另一方面，在作出否定的判断的情况下，进入步骤S103。 

在步骤S103，进行后补喷射。对于该后补喷射的燃料喷射量，利用开环控制进行控制。如果第一氧化催化剂15达到活性温度，则由于 由后补喷射排出的燃料的一部分因第一氧化催化剂15而反应，所以，排气温度上升。例如，ECU20决定燃料喷射阀11的开阀正时及开阀时间，以便成为与内燃机转速及内燃机负荷相关联、预先通过实验等获得的燃料喷射量。然后，返回步骤S102。 

在步骤S104，进行排气添加。在本步骤中，由于第二氧化催化剂16的温度充分上升，所以，使得通过排气添加的燃料因该第二氧化催化剂16而反应。根据所要求的发热量决定这时的排气添加量。根据若通过排气添加产生多少热才能够达到目标温度来决定所要求的发热量。这要根据利用上游侧温度传感器17获得的排气温度、第二氧化催化剂16和过滤器6的热容量以及排气流量来决定。 

并且，进行调节排气添加量、以便使利用下游侧温度传感器9获得的过滤器6的温度成为目标温度的反馈控制。目标温度是过滤器6的再生所必需的温度。这时，对排气添加量进行学习修正，适应在下次以后的排气添加中学习修正的排气添加量。这里，当同时进行利用开环控制进行的副喷射和利用反馈控制进行的排气添加时，排气添加量受到副喷射量的变动的影响。但是，由于排气添加从添加燃料之后直到过滤器6的温度上升为止的响应快，所以，利用排气添加能够充分地进行过滤器6的温度控制。另外，在进行排气添加量的学习控制的情况下，也受到副喷射量的变动的影响，但是，通过长时间的学习或者多次学习，可以减少这种影响。 

如上面所说明的那样，根据本实施例，在进行副喷射时，由于不进行反馈控制，在进行排气添加时进行反馈控制，所以，可以容易地使过滤器6的温度与目标温度相一致。另外，由于在第二氧化催化剂16的温度例如上升到活性温度之后停止副喷射，所以，能够抑制润滑油被燃料稀释等。进而，通过即使在第二氧化催化剂16的温度例如变成活性温度以上之后，也定期地进行副喷射，可以抑制该第二氧化催化剂16的温度下降或堵塞。 

Claims (3)

1.一种内燃机的排气净化系统，其特征在于，包括：

排气净化装置，所述排气净化装置设置在内燃机的排气通路中，包含有氧化催化剂和比该氧化催化剂更靠下游的过滤器，通过燃料的供应恢复净化能力，

燃料添加阀，所述燃料添加阀在比所述氧化催化剂更靠上游的排气通路中向排气中添加燃料，

未燃烧燃料排出机构，所述未燃烧燃料排出机构从所述内燃机的燃烧室向排气通路排出包含未燃烧燃料的气体，

在恢复所述排气净化装置的净化能力时，当利用所述燃料添加阀或所述未燃烧燃料排出机构中的至少一个向所述氧化催化剂供应燃料、以使所述排气净化装置的温度上升而使该温度成为目标值时，通过反馈控制调节利用所述燃料添加阀供应的燃料量，通过开环控制调节利用所述未燃烧燃料排出机构供应的燃料量。

2.如权利要求1所述的内燃机的排气净化系统，其特征在于，在所述氧化催化剂的温度在活性温度以上的情况下，停止由所述未燃烧燃料排出机构进行的燃料供应。

3.如权利要求1或2所述的内燃机的排气净化系统，其特征在于，即使在利用所述燃料添加阀供应燃料时，也利用所述未燃烧燃料排出机构在每个规定的期间供应燃料。

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