CN102822465A - 用于内燃发动机的排气控制设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过被吸附的氨还原NOx的NOx选择性还原催化剂(13)设置在发动机排气通道中。作为催化剂(13)对氨的吸附状态，存在氨的第一吸附状态和氨的第二吸附状态：当氨在低温度过程中被吸附时，出现氨的第一吸附状态；当氨在高温度过程中被吸附或已经被吸附时，产生氨的第二吸附状态。对在第一状态下的被吸附氨的量进行限制以将处于第一状态下的、当催化剂(13)的温度上升时被解吸的氨的浓度控制为不高于许可浓度，以及对第二状态中被吸附氨的量进行限制以将处于第二状态下的、当催化剂(13)的温度上升时被解吸的氨的浓度控制为不高于许可浓度。

Description

用于内燃发动机的排气控制设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的排气控制设备和控制内燃发动机的排气的方法。
背景技术
可以获得如下内燃发动机：其中，在发动机排气通道中设置NOx选择性还原催化剂，向NOx选择性还原催化剂供给尿素水溶液以使NOx选择性还原催化剂对从尿素水溶液生产的氨进行吸附，主要利用被吸附的氨选择性地还原排气中的NOx(例如，见日本专利申请公报No.2003-293737)。在以此方式由吸附的氨还原NOx的情况下，优选地，氨尽可能由NOx选择性还原催化剂吸附以确保更好的NOx还原效果。因此，在上述内燃发动机中，目标氨吸附量稍小于预先设定的氨饱和吸附量，供给的尿素水溶液的量被控制为使得由NOx选择性还原催化剂被吸附氨的量成为目标氨吸附量。
然而，作为对NOx选择性还原催化剂所进行氨的吸附的勤勉研究的结果，已经发现存在至少两个氨吸附状态。具体地，已经发现存在氨的第一吸附状态和氨的第二吸附状态：如果在NOx选择性还原催化剂的温度在低于例如200℃的较低侧温度范围中时，氨由NOx选择性还原催化剂吸附，则出现氨的第一吸附状态，并且，随着NOx选择性还原催化剂的温度上升，在第一吸附状态下的氨的解吸量在较低侧温度范围中达到最大；如果在NOx选择性还原催化剂的温度在高于例如200℃的较高侧温度范围中时，氨由NOx选择性还原催化剂吸附或者已经吸附，则出现氨的第二吸附状态，并且，随着NOx选择性还原催化剂的温度上升，在第二吸附状态下的氨的解吸量在较高侧温度范围中达到最大。在此情况下，排气中的NOx由处于这些吸附状态中的一个状态中的氨还原。
同时，关于NOx选择性还原催化剂，当处于第一吸附状态的氨被解吸时或者当处于第二吸附状态的氨被解吸时，能够增大流出NOx选择性还原催化剂的氨的量。为了降低流出NOx选择性还原催化剂的氨的量，需要抑制处于第一吸附状态的氨的解吸量或者处于第二吸附状态的氨的解吸量，因此，需要控制处于第一吸附状态的被吸附氨的量和处于第二吸附状态的被吸附氨的量。
然而，在此情况下，当如在上述内燃发动机的情况下，吸附的氨的总量被控制为成为目标吸附量时，处于第一吸附状态的被吸附氨的量和处于第二吸附状态的被吸附氨的量中的一个可以极大地增大。在这种情况下，当例如进行加速操作并且NOx选择性还原催化剂的温度上升超过较低侧温度范围时，大量的处于第一吸附状态的氨在处于第一吸附状态的被吸附氨的量极大时被解吸，另一方面，大量的处于第二吸附状态的氨在处于第二吸附状态的被吸附氨的量极大时被解吸。结果，可能产生大量的氨流出NOx选择性还原催化剂的问题。
发明内容
为了解决这种问题，需要控制处于第一吸附状态的被吸附氨的量和处于第二吸附状态的被吸附氨的量，为此，需要对处于第一吸附状态的被吸附氨的量和处于第二吸附状态的被吸附氨的量进行估算。
因此，本发明的方面是一种用于内燃发动机的排气控制设备，在该排气控制设备中，在发动机排气通道中设置有NOx选择性还原催化剂，向NOx选择性还原催化剂供给氨以使NOx选择性还原催化剂对氨进行吸附，主要利用被吸附的氨选择性地还原排气中的NOx，排气控制设备的特征在于：作为NOx选择性还原催化剂对氨的吸附状态，存在氨的第一吸附状态和氨的第二吸附状态：如果在NOx选择性还原催化剂的温度处于较低侧温度范围中时氨由NOx选择性还原催化剂吸附，则出现氨的第一吸附状态，并且，随着NOx选择性还原催化剂的温度上升，在氨的第一吸附状态下被吸附的氨的解吸量在较低侧温度范围中达到最大；如果在NOx选择性还原催化剂的温度在高于较低侧温度范围的较高侧温度范围中时氨由NOx选择性还原催化剂吸附或者已经吸附，则出现氨的第二吸附状态，并且，随着NOx选择性还原催化剂的温度上升，在氨的第二吸附状态下被吸附的氨的解吸量在较高侧温度范围中达到最大；以及对处于第一吸附状态的被吸附氨的量进行估算以控制处于第一吸附状态的被吸附氨的量，对处于第二吸附状态的被吸附氨的量进行估算以控制处于第二吸附状态的被吸附氨的量。
通过估算处于第一吸附状态的被吸附氨的量和处于第二吸附状态的被吸附氨的量，能够控制处于第一吸附状态的被吸附氨的量和处于第二吸附状态的被吸附氨的量，使得能够抑制流出NOx选择性还原催化剂的氨的量。
本发明的上述方面可以构造为使得，为了将第一浓度，即当NOx选择性还原催化剂的温度上升时从第一吸附状态被解吸氨的浓度，控制为等于或低于预定的第一许可浓度，基于所估算出的处于第一吸附状态的被吸附氨的量，对处于第一吸附状态的被吸附氨的量进行限制，并且，为了将第二浓度，即当NOx选择性还原催化剂的温度上升时从第二吸附状态被解吸氨的浓度，控制为等于或低于预定的第二许可浓度，基于所估算出的处于第二吸附状态的被吸附氨的量，对处于第二吸附状态的被吸附氨的量进行限制。
本发明的上述方面可以构造为使得：预先设定用于将第一浓度控制为等于或低于预定的第一许可浓度的第一目标氨吸附量；预先设定用于将第二浓度控制为等于或低于预定的第二许可浓度的第二目标氨吸附量；以及，所供给的氨的量被控制为使得处于第一吸附状态的被吸附氨的量被保持为等于或小于第一目标氨吸附量并且处于第二吸附状态的被吸附氨的量被保持为等于或小于第二目标氨吸附量。
本发明的上述方面可以构造为使得：对于处于第一吸附状态或者第二吸附状态的全部被吸附氨的量的主要目标氨吸附量被预先设定；第一目标氨吸附量和第二目标氨吸附量中的每一个均设定为在NOx选择性还原催化剂的相同温度下比主要目标氨吸附量小的值；以及所供给的氨的量被控制为使得全部被吸附氨的量成为主要目标氨吸附量，同时保持处于第一吸附状态的被吸附氨的量等于或小于第一目标氨吸附量并且保持处于第二吸附状态的被吸附氨的量等于或小于第二目标氨吸附量。
本发明的上述方面可以构造为使得当处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值接近第一目标氨吸附量并且超过预定的第一吸附量判定值并且处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值低于预定的第二吸附量判定值时，NOx选择性还原催化剂的温度被增大以将处于第一吸附状态的氨的吸附状态变为第二吸附状态。
本发明的上述方面可以构造为使得当对处于第一吸附状态的被吸附氨的量和处于第二吸附状态的被吸附氨的量进行估算时，对被吸附的氨的消耗量，即被吸附的氨的被消耗用以还原NOx的量，进行计算。
本发明的上述方面可以构造为使得对被吸附氨的变化量，即当NOx选择性还原催化剂的温度上升时吸附状态从第一吸附状态变为第二吸附状态的被吸附氨的量，进行估算，并且基于对被吸附的氨的变化量的估算值，对处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值以及处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值进行修正。
本发明的上述方面可以构造为使得基于被供给至NOx选择性还原催化剂的氨的量、NOx选择性还原催化剂的NOx还原率以及NOx选择性还原催化剂的温度，对处于第一吸附状态的被吸附氨的量以及处于第二吸附状态的被吸附氨的量进行估算。
本发明的另一方面是控制内燃发动机的排气的方法，其特征在于包括：向设置在发动机排气通道中的NOx选择性还原催化剂供给氨以使NOx选择性还原催化剂对氨进行吸附；以及利用被吸附的氨选择性地还原排气中的NOx，其中，作为NOx选择性还原催化剂对氨的吸附状态，存在氨的第一吸附状态和氨的第二吸附状态：如果在NOx选择性还原催化剂的温度处于较低侧温度范围中时氨由NOx选择性还原催化剂吸附，则出现氨的第一吸附状态，并且，随着NOx选择性还原催化剂的温度上升，在氨的第一吸附状态下的氨的解吸量在较低侧温度范围中达到最大；如果在NOx选择性还原催化剂的温度在高于较低侧温度范围的较高侧温度范围中时氨由NOx选择性还原催化剂吸附或者已经吸附，则出现氨的第二吸附状态，并且，随着NOx选择性还原催化剂的温度上升时，在氨的第二吸附状态下的氨的解吸量在较高侧温度范围中达到最大，所述方法还包括：估算处于第一吸附状态的被吸附氨的量；基于所估算出的处于第一吸附状态的被吸附氨的量，控制处于第一吸附状态的被吸附氨的量；估算处于第二吸附状态的被吸附氨的量；以及基于所估算出的处于第二吸附状态的被吸附氨的量，控制处于第二吸附状态的被吸附氨的量。
附图说明
下文将参照附图描述本发明示例性实施方式的特征、优点及技术工业重要性，图中相同的附图标记指代相同的元件，图中：
图1示出了压缩点火内燃发动机的总体示意图；
图2是示出氨的解吸量的示意图；
图3是示出根据本发明的目标氨吸附量的示意图；
图4A是示出从发动机排出的NOx、NOXA的量的映射的示意图；
图4B是示意图，示出了在第一吸附状态下吸附的被吸附氨的量的比例N1以及在第二吸附状态下吸附的被吸附氨的量的比例N2；
图4C是示出变化系数σ和催化剂温度TC以及进气量GA的之间的关系示意图；
图5示出了进行NOx还原过程所基于的流程图；
图6示出了进行NOx还原过程所基于的流程图，；
图7示出了进行NOx还原过程所基于的流程图；以及
图8示出了进行NOx还原过程所基于的流程图的一部分。
具体实施方式
图1示出了压缩点火内燃发动机的总体示意图。参照图1，附图标记1指代发动机本体，附图标记2指代相应的气缸的燃烧室，附图标记3指代将燃料喷射至相应的燃烧室2中的电子地进行控制的燃料喷射阀，附图标记4指代进气歧管，附图标记5指代排气歧管。进气歧管4经由进气管道6连接至排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口，压缩机7a的入口经由进气量检测器8连接至空气净化器9。进气管道6中设置有由步进马达驱动的节气门10，进气管道6周围设置有冷却装置11，该冷却装置11冷却流经进气管道6的进气。在图1中示出的实施方式中，发动机冷却剂被引入冷却装置11并冷却进气。
另一方面，排气歧管5连接至排气涡轮增压器7的排气涡轮机7b的入口，排气涡轮机7b的出口经由排气管12连接至NOx选择性还原催化剂13的入口。NOx选择性还原催化剂13的出口经由排气管14连接至氧化催化转换器15，排气管12中在NOx选择性还原催化剂13的上游设置有尿素水溶液供给阀16。排气管12中在尿素水溶液供给阀16的下游设置有对尿素水溶液进行扩散的扩散板17，尿素水溶液供给阀16经由供给管18和供给泵19连接至尿素水溶液箱20。尿素水溶液箱20中储存的尿素水溶液经由供给泵19从尿素水溶液供给阀16喷射至流经排气管12的排气中，在NOx选择性还原催化剂13中通过由尿素生产((NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2)的氨还原排气中的NOx。
排气歧管5和进气歧管4经由排气再循环(下文称为″EGR″)通道21和设置在EGR通道21中的电子地进行控制的EGR控制阀22彼此连接。EGR通道21的周围设置有对流经EGR通道21的EGR气体进行冷却的冷却装置23。在图1中示出的实施方式中，发动机冷却剂被引入冷却装置23并冷却EGR气体。燃料喷射阀3经由燃料供给管24连接至共轨25，共轨25经由电子地进行控制的、可变的输送燃料泵26连接至燃料箱27。燃料箱27中储存的燃料经由燃料泵26供给至共轨25中，供给至共轨25中的燃料经由燃料供给管24供给至燃料喷射阀3。
电子控制单元30是数字式计算机，其包括经由双向总线31彼此连接的只读存储器(ROM)32、随机存取存储器(RAM)33、微处理器(CPU)34、输入端口35和输出端口36。排气管14中在NOx选择性还原催化剂13的下游设置有检测排气中的NOx的浓度的NOx传感器28和检测排气的温度的温度传感器29，从NOx传感器28、温度传感器29、进气量检测器8输出的信号经由对应的模数(AD)转换器37分别输入至输入端口35。
另一方面，生成与加速器踏板40的下压量L成比例的输出电压的载荷传感器41连接至加速器踏板40，来自于载荷传感器41的输出电压经由对应的AD转换器37输入至输入端口35。此外，对于曲轴的例如每隔15旋转就生成输出脉冲的曲柄转角传感器42连接至输入端口35。另一方面，输出端口36连接至燃料喷射阀3、用于驱动节气门10的步进马达、尿素水溶液供给阀16、供给泵19、EGR控制阀22和燃料泵26。
在图1中示出的实施方式中，NOx选择性还原催化剂13包括铁沸石(Fe-zeolite)，铁沸石吸附氨并且在去除NOx方面显示出高性能。此外，氧化催化转换器15载有含有贵金属例如铂的催化剂，并对从NOx选择性还原催化剂13逸出的氨进行氧化。
如上所述，由本发明人进行的研究已经表明作为由NOx选择性还原催化剂13进行的氨的吸附的状态，存在氨的第一吸附状态和氨的第二吸附状态：如果在NOx选择性还原催化剂13的温度处于预定的较低侧温度范围中时氨由NOx选择性还原催化剂13吸附，则出现氨的第一吸附状态，并且，随着NOx选择性还原催化剂13的温度上升，在第一吸附状态下氨的解吸量在较低侧温度范围中达到最大；如果在NOx选择性还原催化剂13的温度处于高于所述较低侧温度范围的预定的较高侧温度范围中时氨由NOx选择性还原催化剂13吸附或者已经吸附，则出现氨的第二吸附状态，并且，随着NOx选择性还原催化剂13的温度上升，在第二吸附状态下的氨的解吸量在较高侧温度范围中达到最大。
图2示出了证明此事实的实验性示例。此实验性结果示出了在使NOx选择性还原催化剂充分地吸附氨(NH3)以后，当NOx选择性还原催化剂的温度TC逐渐增大时被解吸氨的量。在此实验性示例中，NOx选择性还原催化剂的上述预定温度为近似200℃，较低侧温度范围低于200℃，较高侧温度范围等于或高于200℃。在温度处于低于200℃的较低侧温度范围中时吸附的氨处于第一吸附状态下。在温度处于等于或高于200℃的较高侧温度范围时，吸附或者已经吸附的氨处于第二吸附状态中。
如图2中示出的，在NOx选择性还原催化剂的温度TC增大时，出现被解吸氨的量的两个峰值。第一峰值出现在较低侧温度范围中，第二峰值出现在较高侧温度范围中。如果在NOx选择性还原催化剂的温度处于等于或高于200℃的较高侧温度范围中时，氨由NOx选择性还原催化剂吸附或者已经由NOx选择性还原催化剂吸附，氨处于稳定状态、即处于第二吸附状态。考虑到：当氨进入稳定的、第二吸附状态时，氨和NOx选择性还原催化剂之间的结合被强化，氨解吸温度高于在第一吸附状态的情况下的氨解吸温度，因此，如图2中示出的，处于第二吸附状态的氨的解吸量在较高侧温度范围中达到最大。
排气中的NOx主要通过当由NOx选择性还原催化剂13吸附的氨被解吸时与解吸的氨进行反应而被还原。当氨在相对较高的温度下被吸附时，氨对于NOx的还原能力强于当氨在相对较低的温度下被吸附时的还原能力。如上所述，当NOx选择性还原催化剂13的温度在较高侧温度范围中时，氨在相对较高的温度下被吸附、即氨处于第二吸附状态，因此具有对于NOx的强的还原能力。
另一方面，当NOx选择性还原催化剂13的温度在较高侧温度范围中时，排气中的NOx在催化剂上与从NOx选择性还原催化剂13解吸的氨进行反应。在此情况下，即使当氨从NOx选择性还原催化剂13解吸时，如果被解吸氨的量不大于还原NOx所需的氨的量，则不用担心大量的氨从NOx选择性还原催化剂13逸出。
另一方面，当NOx选择性还原催化剂13的温度在较低侧温度范围中时，由NOx选择性还原催化剂13吸附的氨在氨被解吸时几乎不被活化，这意味着氨处于第一吸附状态。然而，当NOx选择性还原催化剂13的温度在较低侧温度范围中时，处于第二吸附状态的氨也以被吸附状态存在于NOx选择性还原催化剂13上。具体地，已经通过实验确认，当NOx选择性还原催化剂13的温度暂时地增大至较高侧温度范围中从而以稳定状态吸附氨，随后停止供给氨并且使NOx选择性还原催化剂13的温度降低至较低侧温度范围中时，即使当NOx选择性还原催化剂13的温度在较低侧温度范围中时，氨也继续被以稳定状态吸附。换言之，已经通过实验确认，一旦吸附的氨被稳定、即进入第二吸附状态，即使当使NOx选择性还原催化剂13的温度进入较低侧温度范围时，稳定的、第二吸附状态也被保持。
因此，当NOx选择性还原催化剂13的温度在较低侧温度范围中时，处于第一吸附状态的氨和处于第二吸附状态的氨均以被吸附状态存在于NOx选择性还原催化剂13上。在此情况下，当氨被解吸时，在对于NOx的还原能力方面，处于第二吸附状态的氨比处于第一吸附状态的氨更强，因此，当NOx选择性还原催化剂13的温度在较低侧温度范围中时，NOx还原率取决于处于第一吸附状态的氨的量和处于第二吸附状态的氨的量之间的比。
当NOx选择性还原催化剂13的温度在较低侧温度范围中时吸附的、并且当氨被解吸时几乎不被活化的氨、即处于第一吸附状态的氨，当NOx选择性还原催化剂13的温度上升时，从NOx选择性还原催化剂13解吸。当NOx选择性还原催化剂13的温度在较低侧温度范围中时，氨的解吸量被达到最大，如图2中示出的。在此情况下，排气中的NOx几乎不与从第一吸附状态解吸的氨进行反应，使得氨在不进行反应的情况下通过NOx选择性还原催化剂13。已经在不进行反应的情况下通过NOx选择性还原催化剂13的氨在氧化催化转换器15中被氧化。然而，当氨的量大或者氧化催化转换器15未充分地被活化时，大量的氨被排出至大气中。
另一方面，当例如进行加速操作并且NOx选择性还原催化剂13的温度迅速增大时，处于第二吸附状态的氨在处于较高侧温度范围中的催化剂温度TC附近突然被解吸，在催化剂温度TC处，被解吸的NH3量达到图2中的峰值。当处于第二吸附状态的氨的量大时，被解吸的氨比被消耗以还原NOx的氨的量大得多，使得大量的氨在未进行反应的情况下通过NOx选择性还原催化剂13并且排出至大气中。
为了防止这种大量的氨排出至大气中，有必要控制处于第一吸附状态的氨的解吸量，此外，有必要控制处于第二吸附状态的氨的解吸量。因此，在本发明中，对处于第一吸附状态的被吸附氨的量进行估算以控制处于第一吸附状态的被吸附氨的量，并且对处于第二吸附状态的被吸附氨的量进行估算以控制处于第二吸附状态的被吸附氨的量。
导致关于氨排出至大气中的问题的是排出的氨的浓度，而实际需要的是控制排出的氨的浓度从而使所述浓度等于或低于预定许可浓度。因此，在本发明中，为了将当NOx选择性还原催化剂13的温度上升时从第一吸附状态被解吸氨的浓度控制为等于或低于预定许可浓度，基于处于第一吸附状态的被吸附氨的所估算的量，对处于第一吸附状态的被吸附氨的量进行限制；此外，为了将当NOx选择性还原催化剂13的温度上升时从第二吸附状态被解吸氨的浓度控制为等于或低于预定许可浓度，基于处于第二吸附状态的被吸附氨的所估算的量，对处于第二吸附状态的被吸附氨的量进行限制。
更具体地，在本发明中，对于用于将当NOx选择性还原催化剂13的温度上升时从第一吸附状态被解吸氨的浓度控制为等于或低于预定许可浓度的第一目标氨吸附量进行预先设定，从尿素水溶液供给阀16供给的尿素水溶液的量、即氨的量被控制为使得处于第一吸附状态的被吸附氨的量不超过第一目标氨吸附量。此外，在本发明中，对当NOx选择性还原催化剂13的温度上升时从第二吸附状态被解吸氨的浓度控制为等于或低于预定许可浓度的第二目标氨吸附量进行预先设定，从尿素水溶液供给阀16供给的尿素水溶液的量、即氨的量被控制为使得处于第二吸附状态的被吸附氨的量不超过第二目标氨吸附量。
接下来，参照图3，将描述第一目标氨吸附量和第二目标氨吸附量。图3中的横轴指示NOx选择性还原催化剂13的温度TC，图3中的纵轴指示由NOx选择性还原催化剂13吸附的氨的量、∑NH3。参照图3，NXmax指示饱和的由NOx选择性还原催化剂13被吸附氨的量、即饱和吸附量。如能够由图3所见的，催化剂温度TC降低时，氨饱和吸附量NXmax增大。
在本发明的此实施方式中，如由图3中的虚线示出的，对于处于第一吸附状态或者第二吸附状态的全部被吸附氨的量的主要目标氨吸附量NX(1+2)进行预先设定，此外，用于处于第一吸附状态的被吸附氨的量的第一目标氨吸附量NX(1)和用于处于第二吸附状态的被吸附氨的量的第二目标氨吸附量进行预先设定。第一目标氨吸附量NX(1)是用于将从第一吸附状态被解吸氨的浓度控制为等于或低于预定许可浓度的目标氨吸附量，第二目标氨吸附量NX(2)是用于将从第二吸附状态被解吸氨的浓度控制为等于或低于预定许可浓度的目标氨吸附量。
如能够由图3所见的，主要目标氨吸附量NX(1+2)设定为被解吸氨的量∑NH3，其在任何催化剂温度TC下均稍小于饱和吸附量NXmax。另一方面，第一目标氨吸附量NX(1)设定为在相同的催化剂温度TC下小于主要目标氨吸附量NX(1+2)的值。第二目标氨吸附量NX(2)也设定为在相同的催化剂温度TC下小于主要目标氨吸附量NX(1+2)的值。
如上所述，排气中的NOx主要通过与从NOx选择性还原催化剂13解吸的被吸附氨进行反应来被还原。然而，在此情况下，源自处于第二吸附状态的被吸附氨的氨在对于NOx的还原能力方面比源自处于第一吸附状态的被吸附氨的氨强。换言之，处于第一吸附状态的被吸附氨对于NOx的还原能力并非很强。然而，即使在处于第一吸附状态的被吸附氨的情况下，吸附的量越大，其对于NOx的还原能力越强。因此，对于处于第一吸附状态或者第二吸附状态的全部被吸附的氨的量的主要目标氨吸附量NX(1+2)设定为尽可能接近氨饱和吸附量NXmax，基本上，所供给的尿素水溶液的量、即所供给的氨的量被控制为使得全部被吸附的氨的量为主要目标氨吸附量NX(1+2)。
然而，当处于第一吸附状态的被吸附氨的量超过第一目标氨吸附量NX(1)时，被解吸氨的浓度超过许可浓度，为此，处于第一吸附状态的被吸附氨的量被控制为不超过第一目标氨吸附量NX(1)。当处于第二吸附状态的被吸附氨的量超过第二目标氨吸附量NX(2)时，被解吸氨的浓度超过许可浓度，为此，处于第二吸附状态的被吸附氨的量也被控制为不超过第二目标氨吸附量NX(2)。具体地，在本发明的此实施方式中，供给的尿素水溶液的量、即所供给的氨的量被控制为使得全部被吸附的氨的量为主要目标氨吸附量NX(1+2)，同时保持处于第一吸附状态的被吸附氨的量等于或小于第一目标氨吸附量NX(1)并且保持处于第二吸附状态的被吸附氨的量等于或小于第二目标氨吸附量NX(2)。
在本发明的此实施方式中，供给的尿素水溶液的量基于被吸附氨的量的估算值进行控制。具体地，在本发明的此实施方式中，对处于第一吸附状态的被吸附氨的量和处于第二吸附状态的被吸附氨的量进行估算，基于处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值和处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值，对供给的尿素水溶液的量、即所供给的氨的量进行控制。
接下来，参照图4，将描述估算被吸附氨的量的方法。在本发明的此实施方式中，处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值、∑NH3(1)n和处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值、∑NH3(2)n利用以下表达式以预定时间间隔重复地进行计算：∑NH3(1)n←∑NH3(1)n-1+Q1-M1-F...(1)；以及∑NH3(2)n←∑NH3(2)n-1+Q2-M2+F...(2)。
在上述表达式(1)中，∑NH3(1)n-1表示在前次的计算中进行计算的处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值，Q1表示被吸附氨——即在前次的计算和当前的计算之间的时间段内添加并且在第一吸附状态下被吸附的氨——的量，M1表示被吸附氨的消耗、即在前次的计算和当前的计算之间的时间段内处于第一吸附状态下并且已经被消耗以还原NOx的被吸附氨的量。
另一方面，在上述表达式(2)中，∑NH3(2)n-1表示在前次的计算中计算出的处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值，Q2表示被吸附氨——即在前次的计算和当前的计算之间的时间段内添加并且以第二吸附状态被吸附的氨——的量，M2表示被吸附氨的消耗、即在前次的计算和当前的计算之间的时间段内处于第二吸附状态并且已经被消耗以还原NOx的被吸附氨的量。
在上述表达式(1)和(2)中，F表示在前次的计算和当前的计算之间的时间段内已经从第一吸附状态变为第二吸附状态的被吸附氨的量。
首先，将说明Q1和Q2。如果在前次的计算和当前的计算之间的时间段内氨以添加量Q进行添加，则根据NOx选择性还原催化剂13的温度TC，氨以第一吸附状态和第二吸附状态中的一个吸附状态由NOx选择性还原催化剂13吸附。图4B由N1示出了在第一吸附状态下被吸附的被吸附氨的量Q1的比例，并且由N2示出了在第二吸附状态下被吸附的被吸附氨的量Q2的比例。此处的N1和N2满足以下表达式：N1+N2＝1.0。
当催化剂温度TC在低于200℃的较低侧温度范围中时，例如，绝大部分添加的氨在第一吸附状态下被吸附，使得如图4B中示出在较低侧温度范围中N1大于N2。当催化剂温度TC在等于或高于200℃的较高侧温度范围中时，例如，绝大部分添加的氨在第二吸附状态下被吸附，使得如图4B中示出在较高侧温度范围中N2大于N1。
图4B中示出的催化剂温度TC与N1和N2之间的关系预先储存在ROM 32中，在第一吸附状态下被吸附的氨的量Q1(＝N1·Q)和在第二吸附状态下被吸附的氨的量Q2(＝N2·Q)基于所述关系进行计算。
接下来，将描述上述表达式(1)中的M1和上述表达式(2)中的M2。在本发明的实施方式中，NOx选择性还原催化剂13的NOx还原率R由流入NOx选择性还原催化剂13的排气中的NOx浓度Din和流出NOx选择性还原催化剂13的排气中的NOx浓度Dout进行计算。在此情况下，在本发明的实施方式中，每单位时间从发动机排出的NOx、NOXA的量作为发动机载荷L和发动机速度N的函数以图4A中示出的映射的形式预先储存在ROM 32中，NOx浓度Din由NOx量NOXA和进气量GA进行计算，NOx浓度Dout由NOx传感器28的输出进行计算。
一旦获得了NOx还原率R，在前次的计算和当前的计算之间的时间段内被消耗以还原NOx的被吸附氨的总消耗能够基于被排出的NOx量NOXA和NOx还原率进行计算。事实上，NOx由处于第一吸附状态的被吸附氨和处于第二吸附状态的被吸附氨还原，因此，处于第一吸附状态的被吸附氨的消耗M1和处于第二吸附状态的被吸附氨的消耗M2的和为被吸附氨的总消耗。
注意，如上所述，在此情况下，源自处于第二吸附状态的被吸附氨的氨在对于NOx的还原能力方面比源自处于第一吸附状态的被吸附氨的氨强，处于第一吸附状态的被吸附氨的由温度上升造成的解吸量大于处于第二吸附状态的被吸附氨的由温度上升造成的解吸量。在本发明的实施方式中，氨消耗M1和氨消耗M2之间的比η1∶η2通过实验预先确定。
接下来，将描述上述表达式(1)和(2)中的F。当NOx选择性还原催化剂13的温度TC增大时，被吸附氨的处于第一吸附状态的一部分的状态变化为第二吸附状态。当变化率由变化系数σ表示时，被吸附氨的变化量F——即状态变化为第二吸附状态的被吸附氨的量——为值(F＝σ·∑NH3(1)n-1)，该值通过使在前次的计算中计算出的氨吸附量∑NH3(1)n-1——即在第一吸附状态下被吸附氨的量——乘以变化系数σ获得。
如图4C中示出的，变化系数σ是NOx选择性还原催化剂13的温度TC和进气量GA的函数。具体地，如图4C中示出的，当催化剂温度TC在较高侧温度范围中时，变化系数σ在催化剂温度TC增大时增大。当进气量GA增大时、即当排气的流动速度增大时，由NOx选择性还原催化剂13在其上游端部吸附的大量的氨或尿素朝向下游侧扩散，被活化的氨的量增大，使得如图4C中所示当催化剂温度TC相同时，变化系数σ在进气量GA增大时增大。图4C中示出的变化系数σ与催化剂温度TC以及进气量GA之间的关系预先储存在ROM 32中。
如上所述，在本发明的实施方式中，对被吸附氨的变化量F——即当NOx选择性还原催化剂13的温度TC增大时状态从第一吸附状态变化为第二吸附状态的被吸附氨的量——进行估算，基于被吸附氨的变化量的估算值F，对处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n和处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n进行修正。
接下来，将参照图5至图7描述NOx还原过程程序。注意，NOx还原过程程序通过以固定的间隔中断而执行。参照图5，首先，在步骤50中读取由进气量检测器8检测的进气量GA和由温度传感器29的检测信号估算的NOx选择性还原催化剂13的温度TC。接下来，在步骤51中，读取NOx传感器28的输出，在步骤52中，基于NOx传感器28的输出计算流出NOx选择性还原催化剂13的排气中的NOx浓度Dout。
接下来，在步骤53中，由图4A中示出的映射计算排出的NOx量NOXA、即每单位时间排出的NOx的量。接下来，在步骤54中，基于排出NOx量NOXA和进气量GA进行计算流入NOx选择性还原催化剂13的排气中的NOx浓度Din。接下来，在步骤55中，计算NOx还原率R(＝(Din-Dout)/Din)。
接下来，在步骤56中，读取在前次的中断中计算出的处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n-1和处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n-1。接下来，在步骤57中，基于供给的尿素水溶液的量读取在前次的中断和当前的中断之间的时间段内添加的氨的添加量Q。接下来，在步骤58中，由图4B中示出的关系获得N1和N2，基于N1和N2，计算在第一吸附状态下被吸附的氨的量Q1(＝N1·Q)和在第二吸附状态下被吸附的氨的量Q2(＝N2·Q)。
接下来，在步骤59中，计算处于第一吸附状态的被吸附氨的消耗M1和处于第二吸附状态的被吸附氨的消耗M2。具体地，被吸附氨的总消耗、即在前次的计算和当前的计算之间的时间段内被消耗以还原NOx的被吸附氨的量基于NOx还原率R和由图4A中示出的映射获得的被排出的NOx量NOXA进行计算，处于第一吸附状态的被吸附氨的消耗M1通过使被吸附氨的总消耗乘以η1进行计算，处于第二吸附状态的被吸附氨的消耗M2通过使被吸附氨的总消耗乘以η2进行计算。
接下来，在步骤60中，由图4C中示出的关系计算变化系数σ，在步骤61中，被吸附氨的变化量F(＝σ·∑NH3(1)n-1)——状态从第一吸附状态变化为第二吸附状态的被吸附氨的量——通过使在前次的计算中计算出的处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n-1乘以变化系数σ进行计算。
接下来，在步骤62中，处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n基于以下表达式进行计算：∑NH3(1)n←∑NH3(1)n-1+Q1-M1-F。接下来，在步骤63中，处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n基于以下表达式进行计算：∑NH3(2)n←∑NH3(2)n-1+Q2-M2+F。接下来，在步骤64中，处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n和处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n的和由总氨吸附量∑NH3(＝∑NH3(1)n+∑NH3(2)n)代替。
接下来，在步骤65中，根据催化剂温度TC，由图3中示出的关系计算主要目标氨吸附量NX(1+2)、第一目标氨吸附量NX(1)以及第二目标氨吸附量NX(2)。接下来，在步骤66中，判断总氨吸附量∑NH3是否超过主要目标氨吸附量NX(1+2)。当满足∑NH3≤NX(1+2)的关系时，过程进行至步骤67并且判断处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n是否超过第一目标氨吸附量NX(1)。当满足∑NH3(1)≤NX(1)的关系时，过程进行至步骤68并且判断处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n是否超过第二目标氨吸附量NX(2)。当满足∑NH3(2)n≤NX(2)的关系时，过程进行至步骤69并且添加预定量Q的氨。事实上，供给尿素水溶液，尿素水溶液的量使得氨的量变为Q。
具体地，计算当氨以添加量Q添加时被吸附的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n和∑NH3(2)n，当总氨吸附量∑NH3——即估算值的和——不超过主要目标氨吸附量NX(1+2)、被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n不超过第一目标氨吸附量NX(1)并且被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n不超过第二目标氨吸附量NX(2)时，以添加量Q添加氨。当氨已经以添加量Q进行了添加时，过程进行至步骤70，∑NH3(1)n由∑NH3(1)n-1代替，在步骤71中，∑NH3(2)n由∑NH3(2)n-1代替。
另一方面，当在步骤66中判定满足∑NH3＞NX(1+2)的关系、在步骤67中判定满足∑NH3(1)n＞NX(1)的关系、或者在步骤68中判定满足∑NH3(2)n＞NX(2)的关系时，则过程进行至步骤72并且停止添加氨。当停止添加氨时，Q1和Q2变为零。因此，在此情况下，过程进行至步骤73，处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n利用以下表达式进行计算：∑NH3(1)n←∑NH3(1)n-1-M1-F。接下来，在步骤74中，处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n利用以下表达式进行计算：∑NH3(2)n←∑NH3(2)n-1-M2+F。随后，该过程进行至步骤70。
如上所述，在本发明的实施方式中，只要处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n小于第一目标氨吸附量NX(1)并且处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n小于第二目标氨吸附量NX(2)，则氨添加为使得总氨吸附量∑NH3成为主要目标氨吸附量NX(1+2)。即使当总氨吸附量∑NH3尚未达到主要目标氨吸附量NX(1+2)时，当处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n超过第一目标氨吸附量NX(1)或者处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n超过第二目标氨吸附量NX(2)时，也停止氨的添加、即尿素水溶液的供给。
接下来，将描述如下实施方式，其中，总氨吸附量能够通过使氨吸附状态从第一吸附状态主动地变为第二吸附状态而增大。具体地，如上所述，当NOx选择性还原催化剂13的温度上升时，氨吸附状态从第一吸附状态变为第二吸附状态。因此，在此实施方式中，当处于第一吸附状态的氨的量增大而处于第二吸附状态的氨的量小时、即当存在吸附另外的处于第二吸附状态的氨的空间时，NOx选择性还原催化剂13的温度上升，在第一吸附状态下被吸附的氨的吸附状态变为第二吸附状态。这使得能够在第一吸附状态下吸附氨，这又使得能够增大氨的解吸量。
换言之，在此实施方式中，当处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值接近第一目标氨吸附量NX(1)并且超过预定的第一吸附量判定值并且处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值低于预定的、第二吸附量判定值时，增大NOx选择性还原催化剂13的温度以便使处于第一吸附状态的氨的吸附状态变为第二吸附状态。具体地，当处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n超过以固定量α低于第一目标氨吸附量NX(1)的第一吸附量判定值(NX(1)-α)并且处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n低于以固定量β低于第二目标氨吸附量NX(2)的第二吸附量判定值(Nx(2)-β)时，增大NOx选择性还原催化剂13的温度以便使处于第一吸附状态的氨的吸附状态变为第二吸附状态。
根据此实施方式的NOx还原过程通过以图8中示出的过程替换图6中的虚线包围的部分A来实施。具体地，在此实施方式中，如图8中示出的，当完成了步骤69中的氨添加过程时，过程进行至步骤69a并且判断处于第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(1)n是否超过(NX(1)-α)。当满足∑NH3(1)n＞NX(1)-α的关系时，过程进行至步骤69b并且判断处于第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值∑NH3(2)n是否小于(Nx(2)-β)。当满足∑NH3(2)n＜NX(2)-β的关系时，过程进行至步骤69c并且进行用于增大NOx选择性还原催化剂13的温度的控制。温度上升控制例如通过延缓从燃料喷射阀3进行的燃料喷射的正时以增大排气的温度来进行。
已经参照仅用于示例的示例性实施方式对本发明进行了描述。应当理解，所述描述无意于是穷举的或者限制本发明的形式，本发明可以进行适应性修改以用在其他系统和应用中。本发明的范围涵盖了可以由本领域普通技术人员设想的各种改型以及等同装置。

Claims (10)

1.一种用于内燃发动机的排气控制设备，在所述排气控制设备中，在发动机排气通道中设置有NOx选择性还原催化剂，氨被供给至所述NOx选择性还原催化剂以使所述NOx选择性还原催化剂对所述氨进行吸附，并且，主要利用被吸附的氨选择性地还原排气中的NOx，所述排气控制设备的特征在于：
作为所述NOx选择性还原催化剂对氨的吸附状态，存在氨的第一吸附状态和氨的第二吸附状态：如果在所述NOx选择性还原催化剂的温度处于较低侧温度范围中时氨由所述NOx选择性还原催化剂吸附，则出现氨的所述第一吸附状态，并且，随着所述NOx选择性还原催化剂的温度上升，在氨的所述第一吸附状态下的氨的解吸量在所述较低侧温度范围中达到最大；如果在所述NOx选择性还原催化剂的温度处于高于所述较低侧温度范围的较高侧温度范围中时氨由所述NOx选择性还原催化剂吸附或者已经由所述NOx选择性还原催化剂吸附，则出现氨的所述第二吸附状态，并且，随着所述NOx选择性还原催化剂的温度上升，在氨的所述第二吸附状态下的氨的解吸量在所述较高侧温度范围中达到最大；以及
处于所述第一吸附状态的被吸附的氨的量被估算以控制处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量，并且处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量被估算以控制处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量。
2.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的排气控制设备，其中
为了将第一浓度，即当所述NOx选择性还原催化剂的温度上升时从所述第一吸附状态被解吸的氨的浓度，控制为等于或低于预定的第一许可浓度，基于所估算出的处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量限制处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量，以及
为了将第二浓度，即当所述NOx选择性还原催化剂的温度上升时从所述第二吸附状态被解吸的氨的浓度，控制为等于或低于预定的第二许可浓度，基于所估算出的处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量限制处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量。
3.根据权利要求1或2所述的用于内燃发动机的排气控制设备，其中：
用于将所述第一浓度控制为等于或低于所述预定的第一许可浓度的第一目标氨吸附量被预先设定；
用于将所述第二浓度控制为等于或低于所述预定的第二许可浓度的第二目标氨吸附量被预先设定；并且
供给的氨的量被控制为使得：处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量被保持为等于或小于所述第一目标氨吸附量，并且处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量被保持为等于或小于所述第二目标氨吸附量。
4.根据权利要求3所述的用于内燃发动机的排气控制设备，其中：
对于处于所述第一吸附状态或者所述第二吸附状态的全部被吸附氨的量的主要目标氨吸附量被预先设定；
所述第一目标氨吸附量和所述第二目标氨吸附量中的每一个均设定为在所述NOx选择性还原催化剂的相同的温度下比所述主要目标氨吸附量小的值；并且
供给的氨的量被控制为使得全部被吸附氨的量成为所述主要目标氨吸附量，同时保持处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量等于或小于所述第一目标氨吸附量并且保持处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量等于或小于所述第二目标氨吸附量。
5.根据权利要求3或4所述的用于内燃发动机的排气控制设备，其中，当处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值接近所述第一目标氨吸附量且超过预定的第一吸附量判定值、并且处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值低于预定的第二吸附量判定值时，所述NOx选择性还原催化剂的温度上升以将处于所述第一吸附状态的氨的吸附状态变化至所述第二吸附状态。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于内燃发动机的排气控制设备，其中，当对处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量和处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量进行估算时，对被吸附氨的消耗量，即被消耗用以还原NOx的被吸附氨的量，进行计算。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于内燃发动机的排气控制设备，其中，对被吸附氨的变化量，即当所述NOx选择性还原催化剂的温度上升时吸附状态从所述第一吸附状态变为所述第二吸附状态的被吸附氨的量，进行估算，并且基于被吸附氨的所述变化量的估算值，对处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量的估算值和处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量的估算值二者进行修正。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于内燃发动机的排气控制设备，其中，基于被供给至所述NOx选择性还原催化剂的氨的量、所述NOx选择性还原催化剂的NOx还原率以及所述NOx选择性还原催化剂的温度，对处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量和处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量进行估算。
9.一种用于内燃发动机的排气控制设备，所述排气控制设备包括：
在发动机排气通道中设置的NOx选择性还原催化剂；以及
将氨供给至所述NOx选择性还原催化剂以使所述NOx选择性还原催化剂对所述氨进行吸附的供给装置，
其中：
所述排气控制设备构造为主要利用所吸附的氨选择性地还原排气中的NOx；
作为所述NOx选择性还原催化剂对氨的吸附状态，存在氨的第一吸附状态和氨的第二吸附状态：如果在所述NOx选择性还原催化剂的温度处于较低侧温度范围中时氨由所述NOx选择性还原催化剂吸附，则出现氨的所述第一吸附状态，并且，随着所述NOx选择性还原催化剂的温度上升，在氨的所述第一吸附状态下的氨的解吸量在所述较低侧温度范围中达到最大；如果在所述NOx选择性还原催化剂的温度处于高于所述较低侧温度范围的较高侧温度范围中时氨由所述NOx选择性还原催化剂吸附或者已经由所述NOx选择性还原催化剂吸附，则出现氨的所述第二吸附状态，并且，随着所述NOx选择性还原催化剂的温度上升，在氨的所述第二吸附状态下的氨的解吸量在所述较高侧温度范围中达到最大；以及
所述排气控制设备还包括控制器，所述控制器估算处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量以控制处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量以及估算处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量以控制处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量。
10.一种控制内燃发动机的排气的方法，其特征在于，所述方法包括：
向设置在发动机排气通道中的NOx选择性还原催化剂供给氨以使所述NOx选择性还原催化剂对氨进行吸附；以及
利用被吸附的氨选择性地还原排气中的NOx，
其中，作为所述NOx选择性还原催化剂对氨的吸附状态，存在氨的第一吸附状态和氨的第二吸附状态：如果在所述NOx选择性还原催化剂的温度处于较低侧温度范围中时氨由所述NOx选择性还原催化剂吸附，则出现氨的所述第一吸附状态，并且，随着所述NOx选择性还原催化剂的温度上升，在氨的所述第一吸附状态下的氨的解吸量在所述较低侧温度范围中达到最大；如果在所述NOx选择性还原催化剂的温度在高于所述较低侧温度范围的较高侧温度范围中时氨由所述NOx选择性还原催化剂吸附或者已经由所述NOx选择性还原催化剂吸附，则出现氨的所述第二吸附状态，并且，随着所述NOx选择性还原催化剂的温度上升，在氨的所述第二吸附状态下的氨的解吸量在所述较高侧温度范围中达到最大；以及
所述方法还包括：
估算处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量；
基于所估算出的处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量，控制处于所述第一吸附状态的被吸附氨的量；
估算处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量；以及
基于所估算出的处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量，控制处于所述第二吸附状态的被吸附氨的量。
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