CN102575543B - 内燃机的排气净化装置 - Google Patents

Abstract

本内燃机的排气净化装置，具备：能够保持氨的选择还原型NO_X催化装置(2)；配置在选择还原型NO_X催化装置的上游侧的吸留还原型NO_X催化装置(3)，为了开始氨生成期间，将向吸留还原型NO_X催化装置(3)流入的排气的空燃比，从稀空燃比下浓空燃比变化，为了结束氨生成期间，使向吸留还原型NO_X催化装置(3)流入的排气的空燃比，从浓空燃比向稀空燃比变化，在所述内燃机的排气的净化装置中，在吸留还原型NO_X催化装置的温度不足设定温度时，当与吸留还原型NO_X催化装置的温度在设定温度以上时相比，被保持在吸留还原型NO_X催化装置的NO_X的量少时，开始氨生成期间。

Description

内燃机的排气净化装置

技术领域

本发明涉及内燃机的排气净化装置。

背景技术

在像柴油发动机这样的实施稀薄燃烧的内燃机的排气系统中，配置有用于净化排气中的NO_X的NO_X催化装置。作为这种NO_X催化装置，使用还原能力高的氨NH₃作为还原剂来选择性地还原净化排气中的NO_X的选择还原型的NO_X催化装置是公知的。

作为还原剂的氨，一般地通过将供应给催化装置的尿素加水分解产生，但是，为了使这种尿素的供应成为非必要的，提出了这样的方案，即，在选择还原型NO_X催化装置的上游侧配置三元催化装置，通过将排气的空燃比从稀薄燃烧时的稀空燃比变成浓空燃比，在三元催化装置中，将在排气中含有的NO_X充分还原并生成氨(参照专利文献1)。

这样，在三元催化装置中产生的氨与几乎不含有NO_X的浓空燃比的排气一起流入位于三元催化装置的下游侧的选择还原型NO_X催化装置，由于排气中的氨浓度高，所以，被保持在选择还原型NO_X催化装置中。接下来，当排气的空燃比成为稀薄燃烧时的稀空燃比时，含有比较多的NO_X的稀空燃比的排气向三元催化装置流入，但是，这时，NO_X几乎未被还原，向位于三元催化装置的下游侧的选择还原型NO_X催化装置流入，这样，在氨浓度低时，在选择还原型NO_X催化装置中，被保持的氨脱离，NO_X被还原净化。

但是，在三元催化装置中，有时，在浓空燃比的排气气体中含有的排气中的NO_X也被还原为N₂，只有一部分被还原为氨，供应给选择还原型NO_X催化装置的氨不足。因此，考虑代替三元催化装置，在选择还原型NO_X催化装置的上游侧配置吸留还原型NO_X催化装置。

吸留还原型NO_X催化装置，在排气为稀空燃比时，如果良好地保持排气中的NO_X并使排气的空燃比为理论空燃比或者浓空燃比，则使保持的NO_X脱离，通过这样将脱离的NO_X还原。因此，当排气变成浓空燃比时，如果在排气为稀空燃比时保持的NO_X被从吸留还原型NO_X催化装置放出，除了在排气中含有的NO_X的一部分之外、还能够将放出的NO_X的一部分还原为氨，就能够向选择还原型NO_X催化装置供应足够量的氨。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平09-133032号公报

发明内容

发明所要解决的课题

如前面所述，在吸留还原型NO_X催化装置配置在选择还原型NO_X催化装置的上游侧的内燃机的排气净化装置中，当为了使氨生成期间开始，使排气的空燃比变成浓空燃比时，可以使比较多的量的NO_X存在于吸留还原型NO_X催化装置内，如果吸留还原型NO_X催化装置具有足够的还原能力，则可以由比较多的量的NO_X生成足够量的氨。但是，当吸留还原型NO_X催化装置处于低温而没有足够的还原能力时，较多量的NO_X由于不能充分还原，不被还原为N₂及氨，而是主要被还原为一氧化二氮N₂O及N₂，不仅不能向选择还原型NO_X催化装置供应足够量的氨，还会比较大量地生成不希望向大气中放出的N₂O。

从而，本发明的目的是，在具有能够保持氨的选择还原型NO_X催化装置和配置在选择还原型NO_X催化装置上游侧的吸留还原型NO_X催化装置，并且为了开始氨生成期间，使向吸留还原型NO_X催化装置流入的排气的空燃比从稀空燃比向浓空燃比变化，为了结束氨生成期间，使向吸留还原型NO_X催化装置流入的排气的空燃比从浓空燃比向稀空燃比变化的内燃机的排气净化装置中，即使在吸留还原型NO_X催化装置在低温时使氨生成期间开始，也容易生成氨而难以生成N₂O。

为了解决课题的方案

根据本发明的方案1记载的内燃机的排气净化装置，具备：能够保持氨的选择还原型NO_X催化装置；和配置在所述选择还原型NO_X催化装置的上游侧的吸留还原型NO_X催化装置，所述内燃机的排气净化装置，为了开始氨生成期间，使向所述吸留还原型NO_X催化装置流入的排气的空燃比从稀空燃比向浓空燃比变化，为了结束所述氨生成期间，使向所述吸留还原型NO_X催化装置流入的排气的空燃比从浓空燃比向稀空燃比变化，其特征在于，在所述吸留还原型NO_X催化装置的温度不足设定温度时，当与所述吸留还原型NO_X催化装置的温度在所述设定温度以上时相比，被保持在所述吸留还原型NO_X催化装置中的NO_X的量少时，开始所述氨生成期间。

根据本发明的方案2记载的内燃机的排气净化装置，其特征在于，在方案1所述的内燃机的排气净化装置中，在所述吸留还原型NO_X催化装置的温度不足所述设定温度时，当与所述吸留还原型NO_X催化装置的温度在所述设定温度以上时相比，缩短从结束所述氨生成期间之后至下一次开始所述氨生成期间为止的间隔，而被保持在被所述吸留还原型NO_X催化装置中的NO_X的量少时，开始所述氨生成期间。

根据本发明的方案3所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，在方案1所述的内燃机的排气净化装置中，当所述吸留还原型NO_X催化装置的温度在比所述设定温度高的另一个设定温度以上时，代替所述氨生成期间，使向所述选择还原型NO_X催化装置流入的排气的空燃比从稀空燃比向理论空燃比或者比所述浓空燃比更接近于理论空燃比的另一个浓空燃比变化，在所述吸留还原型NO_X催化装置中，将从所述吸留还原型NO_X催化装置脱离的NO_X及排气中的NO_X还原净化。

发明的效果

根据本发明的方案1所述的内燃机的排气净化装置，在吸留还原型NO_X催化装置的温度不足设定温度时，当与吸留还原型NO_X催化装置的温度在设定温度以上时相比，当保持在吸留还原型NO_X催化装置中的NO_X的量少时，开始氨生成期间。因此，在吸留还原型NO_X催化装置的温度不足设定温度时，即使氨生成期间开始，只从吸留还原型NO_X催化装置放出少量的NO_X，在吸留还原型NO_X催化装置内不存在那么多量的NO_X，所以，即使还原能力低，也可以将NO_X充分地还原为N₂及氨。这样，即使当吸留还原型NO_X催化装置处于低温时开始氨生成期间，也容易生成氨而难以生成N₂O，可以向选择还原型NO_X催化装置供应足够量的氨，充分抑制不希望向大气中放出的N₂O的生成。

根据本发明的方案2所述的内燃机的排气净化装置，在方案1所述的内燃机的排气净化装置中，在吸留还原型NO_X催化装置的温度不足设定温度时，与当吸留还原型NO_X催化装置的温度在设定温度以上时相比，当缩短从结束氨生成期间起到下一次开始氨生成期间为止的间隔，例如，缩短时间间隔或者行驶距离间隔，被保持在吸留还原型NO_X催化装置中的NO_X量少时，开始氨生成期间，通过这种简单的控制，即使在吸留还原型NO_X催化装置在低温时开始氨生成期间，也能够容易地生成氨而难以生成N₂O。

根据本发明的方案3所述的内燃机的排气净化装置，在方案1所述的内燃机的排气净化装置中，当吸留还原型NO_X催化装置的温度在比设定温度高的另一个设定温度以上时，代替氨生成期间，使向选择还原型NO_X催化装置流入的排气的空燃比从稀空燃比向理论空燃比或者接近于理论空燃比的另一个浓空燃比变化。这里，若当吸留还原型NO_X催化装置的温度在比设定温度高的另一个设定温度以上、吸留还原型NO_X催化装置的还原能力非常高时，开始氨生成期间，则生成大量的氨，比较多的氨挤过选择还原型NO_X催化装置。因此，这时，通过代替氨生成期间，使向选择还原型NO_X催化装置流入的排气的空燃比从稀空燃比向理论空燃比或者接近于理论空燃比的另一个浓空燃比变化，在吸留还原型NO_X催化装置中，将从吸留还原型NO_X催化装置脱离的NO_X及排气中的NO_X几乎不变成氨地还原净化，这样，在前述方案1所述的内燃机的排气净化装置的效果的基础上，在吸留还原型NO_X催化装置处于高温、还原能力非常高时，不开始氨生成期间，在吸留还原型NO_X催化装置中实施NO_X的还原净化，以不使比较多的氨挤过选择还原型NO_X催化装置的方式来进行。

附图说明

图1是表示根据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是在根据本发明的排气净化装置中实施的吸留还原型NO_X催化装置中的用于生成氨的流程图。

具体实施方式

图1是表示根据本发明的内燃机的排气净化装置的概略图。在该图中，1是实施柴油发动机或者稀薄燃烧的缸内喷射式火花点火内燃机的排气通路。在实施这种稀薄燃烧的内燃机的排气中，由于含有比较多的NO_X，所以，在排气通路1中配置有用于净化NO_X的选择还原型NO_X催化装置2。该选择还原型NO_X催化装置2具有在排气中的氨NH₃浓度高时保持(或者吸附)氨、在排气中的氨NH₃浓度变低时使氨脱离(或者放出)的氨的保持能力，例如，作为在载体的表面上载置铜沸石、铂·铜沸石、或者铁沸石的沸石系脱硝催化装置形成，或者，含有沸石、二氧化硅、二氧化硅氧化铝、二氧化钛等固体酸且载置铁Fe或铜Cu等过渡金属或者铂Pt或者钯Pd等贵金属而形成。

在这种选择还原型NO_X催化装置2中，在稀薄燃烧时的稀空燃比的排气中含有的NO_X，被从选择还原型NO_X催化装置2放出的氨NH₃还原(例如，4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O及8NH₃+6NO₂→7N₂+12H₂O)。这样，如果使得选择还原型NO_X催化装置2中吸附足够量的氨，则可以很好地还原净化排气中的NO_X。

在本排气净化装置中，为了生成向选择还原型NO_X催化装置2供应的氨，在选择还原型NO_X催化装置2的上游侧配置有吸留还原型NO_X催化装置3。吸留还原型NO_X催化装置3由在载体上载置NO_X保持剂和铂Pt这样的贵金属催化剂而形成。NO_X保持剂为从钾K、钠Na、锂Li、铯Cs这样的碱金属类，钡Ba、钙Ca这样的碱土金属类，镧La、钇Y这样的稀土类中选择的至少一种。

吸留还原型NO_X催化装置3，在排气为稀空燃比时，即，在排气中的氧浓度高时，良好地保持排气中的NO_X，即，作为硝酸盐良好地吸收，或者作为NO₂良好地吸收。另一方面，当排气的空燃比为理论空燃比或者浓空燃比，即，当使排气中的氧浓度降低时，保持的NO_X被脱离，即，吸收的NO_X被放出，另外，吸附的NO₂被脱离，这些脱离的NO_X被排气中的还原物质还原。

在NO_X的还原中，如果排气的空燃比是所希望的浓空燃比，则在吸留还原型NO_X催化装置3的温度高时，NO_X被充分地还原，主要生成氨NH₃及N₂(例如，5H₂+2NO→2NH₃+2H₂O，7H₂+2NO₂→2NH₃+4H₂O，2CO+2NO→N₂+2CO₂，2H₂+2NO→N₂+2H₂O，4CO+2NO₂→N₂+4CO₂，4H₂+2NO₂→N₂+4H₂O)。这样，采用吸留还原型NO_X催化装置3，不仅排气中的NO_X的一部分，而且脱离的NO_X的一部分也可以还原成氨，可以生成足够量的氨NH₃，向选择还原型NO_X催化装置2供应。

但是，若吸留还原型NO_X催化装置处于低温，则NO_X由于不充分还原，不被还原成N₂及氨，而是主要被还原成一氧化二氮N₂O(例如，2NO+N₂→2N₂O及2NO₂+3N₂→4N₂O)及N₂，不仅不能向选择还原型NO_X催化装置供应足够量的氨，反而会比较大量地生成不希望向大气中放出的N₂O。

为了改善这个问题，根据本发明的排气净化装置，根据图2所示的流程图，在吸留还原型NO_X催化装置3中生成氨。

首先，在步骤101中，判断现在的吸留还原型NO_X催化装置3的温度T是否不足第一设定温度T1(例如300℃)。这里，现在的吸留还原型NO_X催化装置3的温度T可以由温度传感器测定，也可以推定。例如，可以根据现在的内燃机运转状态(内燃机转速、燃料喷射量以及燃烧空燃比等)推定吸留还原型NO_X催化装置3的温度T。另外，也可以根据向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气温度(测定或者推定)，推定吸留还原型NO_X催化装置3的温度T。

在步骤101的判断为否时，在步骤102中，判断吸留还原型NO_X催化装置3的温度T是否在第二设定温度(例如400℃)以上。在该判断为否时，即，吸留还原型NO_X催化装置3的温度T在第一设定温度T1以上且不足第二设定温度T2时，在步骤103中判断保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X的量A是否达到了第一设定量A1。

这里，对于在吸留还原型NO_X催化装置3中保持的NO_X的量A，例如，可以通过预先设定在每个内燃机运转状态的每单位时间的排气中含有的NO_X的量，其设定比例为在每单位时间保持到吸留还原型NO_X催化装置3，将每单位时间的保持量累计计算来推定。

当步骤103的判断为否定时，则保持该状态不变地结束。这时，未被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X，在选择还原型NO_X催化装置2中被使用脱离的氨还原净化。当步骤103的判断为肯定时，在步骤104中，为了在吸留还原型NO_X催化装置3中使氨生成期间开始，将向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气的空燃比AF从稀薄燃烧时的稀空燃比AFL向第一浓空燃比AFR1变更。为此，例如，可以在吸留还原型NO_X催化装置3的上游侧向排气通路1供应追加燃料，或者可以利用燃料喷射阀在排气行程或膨胀行程中向气缸内供应追加燃料。

接下来，在步骤105中，判断从氨生成期间开始之后的经过时间t是否达到了第一设定时间t1，直到该判断为肯定为止，使向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气的空燃比AF为第一浓空燃比AFR1。例如，使第一设定时间t1为到借助第一浓空燃比AFR1的排气使被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的第一设定量A1的NO_X全部脱离为止的时间。

当步骤105的判断为肯定时，即，当氨生成期间达到第一设定时间t1时，在步骤106中，将向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气的空燃比AF向稀薄燃烧时的稀空燃比AFL变更。即，停止向排气通路1或气缸内供应追加燃料。这样，氨生成期间结束。从这时起，根据现在的内燃机运转状态，开始保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X的量的累计计算，另外，未被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X，在选择还原型NO_X催化装置2中，被使用脱离的氨还原净化。

这样，在吸留还原型NO_X催化装置3的温度T比较高、吸留还原型NO_X催化装置3具有足够的还原能力的情况下，如前面所述，在氨生成期间，从排气中的NO_X及吸留还原型NO_X催化装置3脱离的NO_X，主要被还原成氨及氮，生成足够量的氨NH₃，并被供应给选择还原型NO_X催化装置2，被保持在选择还原型NO_X催化装置2中。

但是，在吸留还原型NO_X催化装置3的温度T比较低、吸留还原型NO_X催化装置3的还原能力低的情况下，和前面所述一样，当开始氨生成期间时，排气中的NO_X及从吸留还原型NO_X催化装置3中脱离的NO_X，主要会被还原为氮和一氧化二氮。

在本流程图中，在步骤101的判断为肯定时，在步骤107中，判断被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X的量A是否达到了第二设定量A2。第二设定量A2是比第一设定量A1少的量。

在步骤107的判断为否定时，则保持该状态不变地结束，未被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X，在选择还原型NO_X催化装置2中，被使用脱离的氨还原净化。另一方面，当步骤107的判断为肯定时，在步骤108中，在吸留还原型NO_X催化装置3中，为了使氨生成期间开始，和前面所述一样，将向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气的空燃比AF从稀薄燃烧时的稀空燃比AFL向第一浓空燃比AFR1变更。

接下来，在步骤109中，判断从氨生成期间开始之后起的经过时间t是否达到了第二设定时间t2，直到该判断为肯定为止，使向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气的空燃比AF为第一浓空燃比AFR1。例如，使第二设定时间t2为到借助第一浓空燃比AFR1的排气使被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的第二设定量A2的NO_X完全脱离为止的时间。

当步骤109的判断为肯定时，即，当氨生成期间达到第二设定时间t2时，在步骤110中，将向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气的空燃比AF变更到稀薄燃烧时的稀空燃比AFL。这样，氨生成期间结束。从这时起，根据现在的内燃机运转状态，被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X的量的累计计算开始，另外，未被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X，在选择还原型NO_X催化装置2中，被使用脱离的氨还原净化。

这样，在吸留还原型NO_X催化装置3的温度T比较低且吸留还原型NO_X催化装置3不具有足够的还原能力的情况下，当被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X的量少时，开始氨生成期间，在氨生成期间，减少从吸留还原型NO_X催化装置3脱离的NO_X的量，可能将从吸留还原型NO_X催化装置3脱离的NO_X及排气中的NO_X主要还原成氨及氮。

另外，在吸留还原型NO_X催化装置3的温度T非常高且吸留还原型NO_X催化装置3的还原能力非常高的情况下，当像步骤103那样开始氨生成期间时，生成大量的氨，并且比较多的氨会挤过选择还原型NO_X催化装置。

从而，在步骤102的判断为肯定时，在步骤111中，判断被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X的量A是否达到了第一设定量A1，在步骤111的判断为否定时，保持该状态不变地结束。当步骤111的判断为肯定时，在步骤112中，将向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气的空燃比AF从稀薄燃烧时的稀空燃比AFL向第二浓空燃比AFR2变更。第二浓空燃比AFR2是比第一浓空燃比AFR1更接近理论空燃比的浓空燃比。另外，向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气的空燃比AF，也可以代替第二浓空燃比AFR2作为理论空燃比。

这样，如果使排气的空燃比是理论空燃比或者理论空燃比附近的浓空燃比AFR2，则在吸留还原型NO_X催化装置3中的还原能力下降，从吸留还原型NO_X催化装置3脱离的NO_X及排气中的NO_X主要被还原净化成氮，几乎不被生成氨，或者能够以选择还原型NO_X催化装置2可以充分保持的方式，充分地降低氨的生成量。

这样，通过代替开始氨生成期间，实施这种NO_X的还原净化，比较多的氨不会挤过选择还原型NO_X催化装置。

接下来，在步骤113中，判断开始将使排气的空燃比为第二浓空燃比AFR2的NO_X还原净化之后的经过时间t是否达到了第三设定时间t3，直到该判断为肯定为止，使向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气的空燃比AF为第二浓空燃比AFR2。例如，使第三设定时间t3为到借助第二浓空燃比AFR2的排气使被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的第一设定量A1的NO_X全部脱离为止的时间。

当步骤113的判断为肯定时，在步骤114中，将向吸留还原型NO_X催化装置3流入的排气的空燃比AF，向稀薄燃烧时的稀空燃比AFL变更。这样，NO_X的还原净化结束。从这时起，根据现在的内燃机运转状态，被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X的量的累计计算开始。

在吸留还原型NO_X催化装置3的温度T非常高时，吸留还原型NO_X催化装置3的NO_X保持能力也高，排气中的NO_X几乎都被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中。这样，此时，也可以在排气中的绝大部分NO_X被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中之后，像前面那样被还原净化，选择还原型NO_X催化装置2几乎不还原净化NO_X。

在本流程图的氨生成期间(步骤104及步骤108)及NO_X的还原净化(步骤112)中，可以连续地使排气的空燃比为第一浓空燃比AFR1或第二浓空燃比AFR2，不过，也可以反复地为第一浓空燃比AFR1或第二浓空燃比AFR2和稀空燃比。在这种情况下，直到被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X全部脱离为止的设定时间t1、t2、t3，与连续地使排气的空燃比为第一浓空燃比AFR1或者第二浓空燃比AFR2的情况相比分别变长。

在本流程图中，当吸留还原型NO_X催化装置3的温度T在第二设定温度T2以上时，代替开始氨生成期间，实施NO_X的还原净化(从步骤111至步骤114)，不过，也可以当吸留还原型NO_X催化装置3的温度T变成第一设定温度T1以上时，不开始氨生成期间，而实施NO_X的还原净化(从步骤111至步骤114)。

另外，在本流程图中，推定被保持在吸留还原型NO_X催化装置3中的NO_X的量A，开始氨生成期间或者NO_X的还原净化，不过，也可以在每个设定时间或者设定行驶距离，开始氨生成期间或者NO_X的还原净化。在这种情况下，在NO_X催化装置的温度不足第一设定温度T1时，与吸留还原型NO_X催化装置的温度在第一设定温度T1以上时相比，如果缩短从结束氨生成期间到下一次开始氨生成期间为止的设定时间或者设定行驶距离，则在被保持在吸留还原型NO_X催化装置中的NO_X的量少时，可以开始氨生成期间。

附图标记说明

1排气通路

2选择还原型NO_X催化装置

3吸留还原型NO_X催化装置

Claims (1)

1.一种内燃机的排气净化装置，具备：能够保持氨的选择还原型NO_X催化装置；和配置在所述选择还原型NO_X催化装置的上游侧的吸留还原型NO_X催化装置，所述内燃机的排气净化装置，为了开始氨生成期间，使向所述吸留还原型NO_X催化装置流入的排气的空燃比从稀空燃比向浓空燃比变化，为了结束所述氨生成期间，使向所述吸留还原型NO_X催化装置流入的排气的空燃比从浓空燃比向稀空燃比变化，其特征在于，在所述吸留还原型NO_X催化装置的温度不足设定温度时，当与所述吸留还原型NO_X催化装置的温度在所述设定温度以上时相比，被保持在所述吸留还原型NO_X催化装置中的NO_X的量少时，开始所述氨生成期间，

其特征在于，在所述吸留还原型NO_X催化装置的温度不足所述设定温度时，当与所述吸留还原型NO_X催化装置的温度在所述设定温度以上时相比，缩短从结束所述氨生成期间之后至下一次开始所述氨生成期间为止的间隔，而被保持在所述吸留还原型NO_X催化装置中的NO_X的量少时，开始所述氨生成期间。