CN103562528A - 用于内燃发动机的排气控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃发动机的排气控制装置包括：配置在内燃发动机的排气通路中的NOx净化催化剂；推定NOx净化催化剂的劣化程度的劣化程度推定单元；和调节流入NOx净化催化剂中的排气的空燃比的空燃比控制单元，其中，在所推定出的NOx净化催化剂的劣化程度达到预定劣化程度之前，空燃比控制单元将排气的空燃比调节为浓空燃比，并且当所推定出的NOx净化催化剂的劣化程度超过预定劣化程度时，空燃比控制单元将排气的空燃比从浓空燃比改变为稀空燃比，以使得NOx净化催化剂被再生。

Description

用于内燃发动机的排气控制的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于内燃发动机的排气控制装置和排气控制方法。

背景技术

已知NOx净化催化剂被用作用于净化从诸如汽油发动机和柴油发动机的内燃发动机排出的排气的技术。然而，一般被用作这种NOx净化催化剂的催化成分的贵金属，亦即，例如诸如铑（Rh）的铂族元素，随着汽车的排放规定的强化被越来越多地使用，且因此担忧资源枯竭。因此，有必要减少铂族元素的使用并在将来用其它金属等代替铂族元素。

于是，进行了许多用于减少铂族元素的使用或针对作为铂族元素的替代品的催化成分的研究。铜（Cu）是此类催化成分的其中之一。一些与使用铜的NOx净化催化剂和包括这种NOx净化催化剂的用于内燃发动机的排气控制装置有关的提议已被作出（参见例如日本专利申请公报No.2001-003733（JP2001-003733A））。

一般而言，在氧过量的稀气氛中或在接近理论空燃比的气氛中，诸如Cu的基础金属具有比诸如Rh的贵金属低的还原能力。因此，当排气的空燃比稀或为理论空燃比时，难以充分还原和净化排气中所包含的NOx。因而，例如，当使用Cu作为NOx净化催化剂的催化剂金属时，一般希望将排气的空燃比调节为浓气氛。然而，Cu具有比贵金属等低的热稳定性，因此，即使在这种浓气氛中使用Cu时，也存在以下麻烦：随着Cu长时间暴露于高温，Cu颗粒趋于聚集并形成大的颗粒。于是，以此方式生长的Cu颗粒不再能维持大的与排气的接触面积，且结果，NOx净化催化剂的NOx转化性能下降。

发明内容

本发明以新颖的构型提供了一种用于内燃发动机的排气控制装置和排气控制方法，该排气控制装置和排气控制方法能够抑制NOx转化性能由于包含Cu作为催化剂金属的NOx净化催化剂的Cu颗粒的聚集而下降。

本发明的第一方面涉及一种用于内燃发动机的排气控制装置。该排气控制装置包括：至少一个NOx净化催化剂，所述NOx净化催化剂配置在所述内燃发动机的排气通路中并通过在催化剂载体上载持Cu而形成；至少一个劣化程度推定单元，所述劣化程度推定单元用于推定所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度；和空燃比控制单元，所述空燃比控制单元用于调节流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比，其中，在由所述至少一个劣化程度推定单元推定出的所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度达到预定劣化程度之前，所述空燃比控制单元将流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比调节为比理论空燃比浓的空燃比，并且当由所述至少一个劣化程度推定单元推定出的所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度超过所述预定劣化程度时，所述空燃比控制单元将流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比从比理论空燃比浓的空燃比改变为比理论空燃比稀的空燃比，以由此使所述至少一个NOx净化催化剂再生。

在根据本发明的上述方面的排气控制装置中，所述至少一个NOx净化催化剂可在高于或等于500℃的温度被再生。

在根据上述方面的排气控制装置中，可设置有至少两个所述NOx净化催化剂，所述NOx净化催化剂可彼此并列地配置在所述内燃发动机的所述排气通路中且在所述NOx净化催化剂的下游侧连接到一个共同的排气通路，并且当一个所述NOx净化催化剂正被再生时，其它的至少一个NOx净化催化剂可净化NOx。

在根据上述方面的排气控制装置中，所述至少一个劣化程度推定单元可以是配置在位于所述至少一个NOx净化催化剂的下游的排气通路中的NOx传感器。

根据上述方面的排气控制装置还可包括：至少一个催化剂温度检测单元，所述催化剂温度检测单元用于检测所述至少一个NOx净化催化剂的温度；和至少一个催化剂加热单元，所述催化剂加热单元用于加热所述至少一个NOx净化催化剂，其中，当所述至少一个NOx净化催化剂中的任一个NOx净化催化剂被再生时，所述至少一个NOx净化催化剂中的所述任一个NOx净化催化剂可被所述至少一个催化剂加热单元加热到高于或等于500℃的温度。

根据上述方面的排气控制装置还可包括：氧化催化剂，所述氧化催化剂配置在位于所述至少一个NOx净化催化剂的下游的排气通路中或配置在共同的排气通路中，并用于氧化和净化HC和CO；和空气导入单元，所述空气导入单元配置在位于所述至少一个NOx净化催化剂的下游的排气通路中或配置在所述共同的排气通路中，并用于向存在于所述氧化催化剂的上游的排气导入空气。

在根据上述方面的排气控制装置中，所述氧化催化剂可以是通过在催化剂载体上载持Ag而形成的催化剂。

本发明的第二方面涉及一种用于内燃发动机的排气控制方法，在所述内燃发动机中，在所述内燃发动机的排气通路中配置有通过在催化剂载体上载持Cu而形成的至少一个NOx净化催化剂。所述排气控制方法包括：推定所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度；在所述至少一个NOx净化催化剂的所推定出的劣化程度达到预定劣化程度之前，将流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比调节为比理论空燃比浓的空燃比；以及当所述至少一个NOx净化催化剂的所推定出的劣化程度超过所述预定劣化程度时，将流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比从比理论空燃比浓的空燃比改变为比理论空燃比稀的空燃比，以由此使所述至少一个NOx净化催化剂再生。

对于根据本发明的上述方面的用于内燃发动机的排气控制装置和排气控制方法，当判定为包含Cu作为催化剂金属的NOx净化催化剂的劣化程度超过预定劣化程度时，执行用于将流入NOx净化催化剂中的排气的空燃比从比理论空燃比浓的空燃比改变为比理论空燃比稀的空燃比的再生处理，以由此可容易地将NOx净化催化剂从劣化状态恢复为高活性状态。此外，根据上述方面，当两个NOx净化催化剂彼此并列地配置在内燃发动机的排气通路中而一个NOx净化催化剂正被再生时，其它的NOx净化催化剂能够可靠地还原和净化排气中的NOx。因而，利用根据本发明的所述方面的用于内燃发动机的排气控制装置和排气控制方法，可恒定地维持NOx净化催化剂的高NOx转化性能。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：

图1是示意性地示出包含Cu的NOx净化催化剂的聚集和再分散的视图；

图2是示意性地示出根据本发明的第一实施例的排气控制装置的视图；

图3是示意性地示出根据本发明的第二实施例的排气控制装置的视图；

图4是根据本发明的第二实施例的排气控制装置中的催化剂再生操作的流程图；

图5是示意性地示出根据本发明的第二实施例的排气控制装置的一个替换实施例的视图；

图6A至图6D是Cu/Al₂O₃催化剂的透射式电子显微镜（TEM）照片；

图7是示出进行各种时间的还原处理的各Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化效率的曲线图；

图8A和图8B是示出根据还原处理时间的Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化效率的曲线图；

图9是示出在Cu/Al₂O₃催化剂在还原气氛中在700℃被处理30分钟且接着在300℃至600℃的温度被再生之后Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化效率的曲线图；以及

图10是示出在Cu/Al₂O₃催化剂被再生之后图8B所示的各Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化效率的曲线图。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例的用于内燃发动机的排气控制装置包括：至少一个NOx净化催化剂，该NOx净化催化剂配置在内燃发动机的排气通路中并通过在催化剂载体上载持Cu而形成；至少一个劣化程度推定单元，该劣化程度推定单元推定所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度；和空燃比控制单元，该空燃比控制单元调节流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比。在由所述至少一个劣化程度推定单元推定出的所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度达到预定劣化程度之前，空燃比控制单元将流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比调节为比理论空燃比浓的空燃比，并且当由所述至少一个劣化程度推定单元推定出的所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度超过所述预定劣化程度时，空燃比控制单元将流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比从比理论空燃比浓的空燃比改变为比理论空燃比稀的空燃比，以由此再生所述至少一个NOx净化催化剂。

当如上所述排气的空燃比稀或为理论空燃比时，诸如Cu的基础金属无法充分地还原和净化排气中包含的NOx。因而，当使用这种基础金属作为NOx净化催化剂的催化剂金属时，一般希望将排气的空燃比调节为浓气氛。然而，例如，即使在这种浓气氛中使用Cu时，也存在以下麻烦：由于Cu长时间暴露于高温，特别是约700℃以上的高温，Cu颗粒趋于聚集并形成大的颗粒。于是，以此方式生长的Cu颗粒不再能维持大的与排气的接触面积，且结果，NOx净化催化剂的NOx转化性能随时间下降。

发明人发现，如图1中示意性地示出，当通过将Cu颗粒1载持在催化剂载体2上而形成的NOx净化催化剂暴露于高温还原气氛（对应于比理论空燃比浓的空燃比）时，催化剂载体2上的Cu颗粒1聚集而降低NOx净化催化剂的NOx转化效率。然而，该NOx净化催化剂在预定温度、通常为约500℃以上、特别是约600℃以上的温度下暴露于与比理论空燃比稀的空燃比对应的氧化气氛而使得所聚集的Cu颗粒1再分散成极细的原子级别的颗粒。此外，发明人发现，当具有这样再分散的Cu颗粒的NOx净化催化剂再次在浓气氛中使用时，NOx净化催化剂的NOx转化效率恢复为高水平，亦即，NOx净化催化剂可从劣化状态被再生为高活性状态。

这里，一般已知，通常用在诸如NOx净化催化剂的排气净化催化剂中的催化剂金属具有以下性质：产生所谓的烧结，使得随着催化剂金属长时间暴露于高温，催化剂金属在催化剂载体上移动而形成大的颗粒。然而，尚未已知的是，当例如Cu被用作催化剂金属时，可通过改变气氛而使在高温下聚集的Cu颗粒再分散成细的颗粒。因而，极为意外和惊奇的是，由于Cu颗粒的聚集而劣化的NOx净化催化剂可通过如上所述将劣化的NOx净化催化剂暴露于氧化气氛而被再生为高活性状态。

注意，根据本发明的实施例，NOx净化催化剂可以是通过在一般被用作NOx净化催化剂的催化剂载体的任何金属氧化物如氧化铝（Al₂O₃）、氧化锆（ZrO₂）、二氧化铈（CeO₂）、二氧化铈-氧化锆（CeO₂-ZrO₂）、二氧化硅（SiO₂）和二氧化钛（TiO₂）上载持Cu而形成的材料。

在下文中，将参照附图详细描述根据本发明的各方面的用于内燃发动机的排气控制装置的实施例。然而，以下描述意在仅说明本发明各方面的实施例而不意在将本发明各方面限制于这些具体实施例。

图2是示意性地示出根据本发明的第一实施例的排气控制装置的视图。

如图2所示，内燃发动机10的排气侧经由排气通路11连接到包含Cu作为催化剂金属的NOx净化催化剂12，并且NOx净化催化剂12的出口部进一步连接到排气通路13。此外，在本发明的第一实施例中，在排气通路13中安装有NOx传感器14（劣化程度推定单元）。NOx传感器14用于检测从NOx净化催化剂12流出的排气中的NOx。然后，电子控制单元（ECU）15（空燃比控制单元）可基于由NOx传感器14检测出的排气中的NOx的量来调节排气的空燃比。

根据本实施例，在通常时候，ECU15将流入NOx净化催化剂12中的排气的空燃比调节为比理论空燃比浓的空燃比，并且排气中的NOx被NOx净化催化剂12还原和净化。另一方面，在高温下，例如在加速期间和在高速行驶期间，Cu颗粒可聚集并且NOx净化催化剂12的催化活性可逐渐劣化。于是，当NOx净化催化剂12的劣化程度超过预定劣化程度时，ECU15将流入NOx净化催化剂12中的排气的空燃比从比理论空燃比浓的空燃比改变为比理论空燃比稀的空燃比。通过这样做，NOx净化催化剂12被再生。

更具体地，例如，通过判定由位于NOx净化催化剂12下游的NOx传感器14检测出的排气中的NOx的量是否超过预定值或判定基于NOx的量计算出的NOx转化效率是否低于预定值，可判定NOx净化催化剂12的劣化程度是否超过预定劣化程度。然后，当判定为NOx净化催化剂12的劣化程度超过预定劣化程度时，ECU15例如调节从燃料喷射阀（未示出）喷射的燃料的量（下文称为“燃料喷射量”）。通过这样做，将流入NOx净化催化剂12中的排气的空燃比从比理论空燃比浓的空燃比改变为比理论空燃比稀的空燃比。然后，将流入NOx净化催化剂12中的排气的气氛维持在氧化气氛预定时间，以由此再生NOx净化催化剂12。通过这样做，聚集在NOx净化催化剂12的催化剂载体上的Cu颗粒可再分散成细的原子级别的颗粒。因此，当在再生处理之后流入NOx净化催化剂12中的排气的空燃比再次回到浓空燃比时，NOx净化催化剂12的NOx转化效率可恢复为高水平。

这里，将排气的浓空燃比改变为排气的稀空燃比的持续时间可以是足以再生NOx净化催化剂12的时间，更具体地，足以使所聚集的Cu颗粒再分散成细的原子级别的颗粒的时间。尽管不受特别限制，但该持续时间一般可为1至60分钟，理想地，1至30分钟，以及更理想地，约1至5分钟。

注意，在本实施例中，使用NOx传感器14作为用于推定NOx净化催化剂12的劣化程度的劣化程度推定单元，并且基于由NOx传感器14检测出的排气中的NOx的量来再生NOx净化催化剂12。然而，用于推定NOx净化催化剂12的劣化程度的劣化程度推定单元可以是除NOx传感器14以外的其它各种装置或方法。例如，以下方式也是可行的。在NOx净化催化剂12的壳体中或NOx净化催化剂12的出口部处的排气通路13中安装用于检测NOx净化催化剂12的温度的温度传感器。基于由温度传感器检测出的NOx净化催化剂12的温度T的历史来对NOx净化催化剂12暴露于预定温度——例如，高于或等于700℃的温度——的时间进行积分计算。当积分计算出的时间超过设定的时间时，判定为NOx净化催化剂12的劣化程度超过预定劣化程度。然后，对NOx净化催化剂12进行上述再生处理。

在根据本发明的实施例的排气控制装置中，在预定温度、一般为高于或等于约500℃的温度、特别是高于或等于约600℃的温度执行再生处理。这里，一般而言，当用在根据本发明的实施例的排气控制装置中的NOx净化催化剂12在高温下使用时，例如在加速期间和在高速行驶期间，Cu颗粒亦即催化成分聚集并且NOx净化催化剂12的催化活性逐渐降低。于是，当NOx净化催化剂12在高于或等于约700℃的高温下使用时，这种催化活性的劣化特别明显。由此，当NOx净化催化剂12进行上述再生处理时，NOx净化催化剂12的温度通常已经达到高于或等于约500℃的温度。因此，只通过仅将流入NOx净化催化剂中的排气的空燃比从浓空燃比改变为稀空燃比而不特别必要地例如将NOx净化催化剂12加热到高于或等于约500℃的温度，所聚集的Cu颗粒可再分散成细的原子级别的颗粒。

然而，例如，当NOx净化催化剂12的温度在催化活性的劣化已发生时尚未达到约500℃时，需要在再生处理时将NOx净化催化剂12加热到高于或等于约500℃的温度。特别地，例如，当NOx净化催化剂12的劣化程度大时，可能希望在再生处理时将NOx净化催化剂12加热到更高的温度，例如高于或等于约600℃的温度。这样，在根据本发明的第一实施例的排气控制装置中，可选地，如将结合根据本发明的第二实施例的排气控制装置所述，可使用温度传感器（催化剂温度检测单元）和电加热器（催化剂加热单元）在再生处理时将NOx净化催化剂12的温度可靠地调节为高于或等于约500℃的温度，特别是高于或等于约600℃的温度。

在本发明的实施例中，如上所述，被用作催化成分的Cu在排气的空燃比稀或为理论空燃比时无法充分地还原和净化排气中包含的NOx。这样，在根据本发明的第一实施例的上述排气控制装置中，在NOx净化催化剂正在稀气氛中被再生期间，无法充分地还原和净化排气中的NOx。于是，根据本发明的第二实施例的排气控制装置在这种情况下也能够可靠地还原和净化排气中的NOx，并且将在下文中具体所述。

图3是示意性地示出根据本发明的第二实施例的排气控制装置的视图。在图3中，内燃发动机20具有第一气缸#1、第二气缸#2、第三气缸#3和第四气缸#4。与各气缸对应地设置有燃料喷射阀21、22、23和24。此外，第一气缸和第四气缸经由排气通路25连接到第一NOx净化催化剂27，而第二气缸和第三气缸经由排气通路26连接到第二NOx净化催化剂28。然后，第一NOx净化催化剂27的出口部和第二NOx净化催化剂28的出口部分别连接到排气通路29和30，并且这些排气通路在更下游侧合并为共同的排气通路31。

此外，在根据本发明的第二实施例的排气控制装置中，在排气通路29和30中分别安装有NOx传感器32和33（劣化程度推定单元）。NOx传感器32和33分别用于检测从第一NOx净化催化剂27流出的排气中的NOx和从第二NOx净化催化剂28流出的排气中的NOx。于是，电子控制单元（ECU）（空燃比控制单元）可基于由NOx传感器32和33中对应的一个NOx传感器检测出的排气中的NOx的量来调节流入各NOx净化催化剂中的排气的空燃比。

此外，可选地，在第一NOx净化催化剂27和第二NOx净化催化剂28中分别安装有温度传感器34和35（催化剂温度检测单元）。温度传感器34和35分别用于检测这些NOx净化催化剂的温度。注意，这些温度传感器34和35仅需能够分别检测第一NOx净化催化剂27的温度和第二NOx净化催化剂28的温度，并且可例如分别安装在连接到这些NOx净化催化剂的出口部的排气通路29和30中。此外，在本实施例中，可选地，用作催化剂加热单元的电加热器36和37分别配置在第一NOx净化催化剂27和第二NOx净化催化剂28的上游。电加热器36和37分别用于加热这些NOx净化催化剂。电加热器36可例如由ECU（未示出）基于由温度传感器34检测出的第一NOx净化催化剂27的温度来控制。电加热器37可例如由ECU（未示出）基于由温度传感器35检测出的第二NOx净化催化剂28的温度来控制。

分别用于加热第一NOx净化催化剂27和第二NOx净化催化剂28的催化剂加热单元可以是除电加热器36和37以外的其它各种装置和方法。例如，本发明的本实施例中的催化剂加热单元可以是以下方法。电热带等分别卷绕在分别容纳第一NOx净化催化剂27和第二NOx净化催化剂28的壳体上，以由此加热第一NOx净化催化剂27和第二NOx净化催化剂28。或者，使电流直接通过分别覆有第一NOx净化催化剂27和第二NOx净化催化剂28的蜂窝状基材，以由此直接加热第一NOx净化催化剂27和第二NOx净化催化剂28。

注意，如结合根据本发明的第一实施例的排气控制装置所述，在再生处理时不一定需要诸如温度传感器的催化剂温度检测单元和诸如电加热器的催化剂加热单元。特别地，在再生处理时不一定需要诸如电加热器的催化剂加热单元。这样，这些催化剂温度检测单元和催化剂加热单元可根据情况在必要时使用。这些催化剂温度检测单元和催化剂加热单元可例如在任一个NOx净化催化剂的温度尚未达到高于或等于约500℃的温度时以及特别是在任一个NOx净化催化剂的劣化程度大且该任一个NOx净化催化剂需要在更高的温度下被再生时使用。

图4是根据本发明的第二实施例的排气控制装置中的催化剂再生操作的流程图。注意，催化剂再生操作是由ECU以预定时间间隔执行的中断程序。

如图4所示，首先，在步骤100中，判定基于由NOx传感器32检测出的排气中的NOx的量计算出的第一NOx净化催化剂27（在图4中示出为NOx催化剂1）的NOx转化效率是否低于预定值P%。然后，当NOx转化效率低于P%时，亦即，当第一NOx净化催化剂27的劣化程度超过预定劣化程度时，处理过程转到步骤101。另一方面，当第一NOx净化催化剂27的NOx转化效率高于或等于P%时，亦即，当第一NOx净化催化剂27呈现充分的催化活性时，处理过程转到步骤200且然后开始用于对第二NOx净化催化剂28执行催化剂再生操作的程序。

注意，当用在根据本发明的实施例的排气控制装置中的、通过在催化剂载体上载持Cu而形成的NOx净化催化剂例如在约500℃的温度下使用时，流入NOx净化催化剂中的排气的空燃比（A/F）被调节为约14.0的浓空燃比。通过这样做，可实现高于或等于约95%、特别是大致100%或接近100%的NOx转化效率。由此，在本实施例中，用于判定第一NOx净化催化剂27和第二NOx净化催化剂28中各者的劣化程度的上述阈值P%可例如被设定为90%。

随后，在步骤101中，判定由温度传感器34检测出的第一NOx净化催化剂27的床温T1是否已达到再生处理所需的温度，亦即，500℃，并且当T1高于或等于500℃时，处理过程转到步骤103。另一方面，当第一NOx净化催化剂27的床温T1尚未达到500℃时，亦即，当T1低于500℃时，处理过程转到步骤102。然后，在步骤102中，开始向电加热器36馈送电流，以开始加热第一NOx净化催化剂27，且然后处理过程回到步骤101。

随后，在步骤103中，关闭第一气缸#1的燃料喷射阀21和第四气缸#4的燃料喷射阀24以仅使空气流入第一NOx净化催化剂27中，由此开始再生处理，且然后处理过程转到步骤104。在步骤104中，判定再生处理是否已完成，并且当再生处理已完成时，处理过程转到步骤105。注意，在关于再生处理是否完成的判定中，例如，也可采用以下方式。用计时器测量从再生处理开始时（亦即，燃料喷射阀21和24关闭时）所过去的时间，并且然后，当由计时器测得的所过去的时间超过预定时间时，判定为再生处理已完成。

然后，在再生处理已完成之后，在步骤105中打开燃料喷射阀21和24，并且在必要的情况下，在步骤106中停止向电加热器36馈送电流（亦即，加热处理），且然后结束用于对第一NOx净化催化剂27执行催化剂再生操作的程序。注意，在本实施例中，关闭燃料喷射阀21和24以完全停止向第一NOx净化催化剂27供给燃料，以由此执行再生处理。然而，NOx净化催化剂的再生处理不必限于这种方法。例如，可这样执行再生处理，使得来自燃料喷射阀21和24的燃料喷射量被调节成减小，以由此将流入第一NOx净化催化剂27中的排气的空燃比改变成比理论空燃比稀的空燃比。

另一方面，如上所述，当在步骤100中第一NOx净化催化剂27充分呈现催化活性时，处理过程转到步骤200以开始用于对第二NOx净化催化剂28执行催化剂再生操作的程序。然后，在步骤200中，判定基于由NOx传感器33检测出的排气中的NOx的量计算出的第二NOx净化催化剂28（在图4中示出为NOx催化剂2）的NOx转化效率是否低于预定值P%。然后，当NOx转化效率低于P%时，亦即，当第二NOx净化催化剂28的劣化程度超过预定劣化程度时，处理过程转到步骤201。然后，在步骤201、202、203、204、205和206中执行对第二NOx净化催化剂28的催化剂再生操作，如对第一NOx净化催化剂27的催化剂再生操作（步骤101、102、103、104、105和106中）的情况那样。注意，在步骤200中，当第二NOx净化催化剂28的NOx转化效率高于或等于P%时，亦即，当第二NOx净化催化剂28呈现充分的催化活性时，程序结束而不执行对第二NOx净化催化剂28的催化剂再生操作。

如上所述，根据本实施例，在通常时候，排气中的NOx在第一NOx净化催化剂27和第二NOx净化催化剂28两者中都可被还原和净化。于是，当第一NOx净化催化剂27和第二NOx净化催化剂28中的任一者的劣化程度已达到预定劣化程度时，仅流入NOx净化催化剂的该任一者中的排气的气氛可改变为氧过量稀气氛。通过这样做，NOx净化催化剂的该任一者在排气中的NOx被其它的一个NOx净化催化剂可靠地还原和净化的状态下被再生。

此外，NOx净化催化剂的这种再生处理根据NOx净化催化剂的劣化程度以及再生处理时的气氛、温度条件等受到一定影响；然而，这种再生处理一般可在约数分钟到数十分钟完成。例如，在根据本发明的第二实施例的上述排气控制装置中，在判定为当NOx转化效率低于90%时任一个NOx净化催化剂已劣化且然后开始该NOx净化催化剂的再生处理的情况下，再生处理可在约数分钟、特别是约3至5分钟完成。

这样，对于根据本发明的第二实施例的排气控制装置，适当地选择在判定NOx净化催化剂是否劣化时的NOx转化效率的阈值以及在再生处理时的气氛、温度等。通过这样做，可在NOx净化催化剂的催化活性显著降低之前在比较短的时间内可靠地再生NOx净化催化剂，从而能稳定地还原和净化排气中的NOx。

此外，在根据第一和第二实施例的排气控制装置的替换实施例中，例如，在位于NOx净化催化剂的下游的排气通路中可配置有用于主要氧化和净化烃（HC）和一氧化碳（CO）的氧化催化剂。这种氧化催化剂可以是排气净化催化剂的技术领域内的技术人员已知的任何氧化催化剂。例如，这种氧化催化剂可以是通过在催化剂载体上载持所谓的铂族元素如铂（Pt）和钯（Pd）而形成的已知的现有三元催化剂。除三元催化剂以外，例如，也可使用通过在催化剂载体上载持诸如银（Ag）的金属而形成的氧化催化剂。

Ag尤其具有抵抗HC和CO的氧化的高活性。因此，通过结合使用通过在催化剂载体上载持Ag而形成的氧化催化剂和包含Cu作为催化成分的NOx净化催化剂，可以可靠地氧化或者还原和净化排气中的有毒成分，即HC、CO和NOx。注意，上述氧化催化剂中用于载持诸如Ag的金属的催化剂载体可以是一般被用作排气净化催化剂的催化剂载体的任何金属氧化物，例如氧化铝（Al₂O₃）、氧化锆（ZrO₂）、二氧化铈（CeO₂）、二氧化铈-氧化锆（CeO₂-ZrO₂）、二氧化硅（SiO₂）和二氧化钛（TiO₂）。

另一方面，在根据本发明的实施例的排气控制装置中，如上所述，在通常时候，NOx净化催化剂在排气的空燃比被调节为比理论空燃比浓的空燃比的状态下使用。然而，通过在催化剂载体上载持诸如Ag的金属而形成的氧化催化剂在这种气氛中可能无法充分地氧化和净化排气中所包含的HC和CO。由此，在根据本发明的实施例的排气控制装置中，当使用包含诸如Ag的金属的氧化催化剂时，希望例如将空气导入存在于氧化催化剂的上游的排气中。通过这样做，流入氧化催化剂中的排气的空燃比被调节为理论空燃比或比理论空燃比稀的空燃比。

图5是示意性地示出根据本发明的第二实施例的排气控制装置的一个替换实施例的视图。如图5所示，与图3的情形中一样，第一NOx净化催化剂27的出口部和第二NOx净化催化剂28的出口部分别连接到排气通路29和30，并且这些排气通路在下游侧合并为共同的排气通路31。然后，在图5所示的排气控制装置中，在共同的排气通路31中进一步配置有氧化催化剂38，并且用于将空气导入排气通路31的泵39（空气导入单元）连接在氧化催化剂38的上游。对于这样构成的排气控制装置，如结合图3和图4所述，排气中的NOx可被NOx净化催化剂27和28可靠地还原和净化，同时排气中诸如HC和CO的其它有毒成分也可被氧化催化剂38充分地氧化和净化。

注意，图5示出这样的构型：用于氧化和净化HC和CO的氧化催化剂和空气导入单元被进一步添加至根据本发明的第二实施例的排气控制装置，并且这些氧化催化剂和空气导入单元在根据本发明的第一实施例的排气控制装置中也可类似地使用。

在下文中，将基于实验结果详细描述用在根据本发明的实施例的排气控制装置中的NOx净化催化剂的再生处理。

[再生处理对Cu颗粒的再分散]

在此实验中，在根据本发明的实施例的排气控制装置中被用作各NOx净化催化剂的载持Cu的催化剂中，测试催化剂所暴露的气氛如何对Cu颗粒的聚集和再分散起作用。具体地，使用通过借助于浸渍在氧化铝（Al2O3）载体上载持铜（Cu）而形成的Cu/Al2O3催化剂作为催化剂样品。通过在预定温度下将催化剂样品暴露于还原气氛和氧化气氛而获得的结果在图6A至图6D中示出。

图6A至图6D是Cu/Al₂O₃催化剂的透射式电子显微镜（TEM）照片。图6A示出在700℃下在还原气氛（1%H₂/N₂平衡）中进行还原处理10分钟之后的Cu/Al₂O₃催化剂。图6B示出图6A的Cu/Al₂O₃催化剂在500℃下在空气中进行氧化处理10分钟之后的Cu/Al₂O₃催化剂。此外，图6C示出图6B的Cu/Al₂O₃催化剂在700℃下在还原气氛（1%H₂/N₂平衡）中进行还原处理10分钟之后的Cu/Al₂O₃催化剂。图6D示出图6B的Cu/Al₂O₃催化剂在700℃下在还原气氛（1%H₂/N₂平衡）中进行还原处理50小时之后的Cu/Al₂O₃催化剂。

首先，如图6A所示，在700℃下进行还原处理的Cu/Al₂O₃催化剂中，在其周缘部确认有粒径为约数nm的Cu颗粒。然后，在图6A中的还原处理之后进行了氧化处理的图6B的Cu/Al₂O₃催化剂中，发现在图6A中确认的Cu颗粒消失。该结果表明，在高温还原气氛中聚集的Cu颗粒在暴露于具有高于或等于500℃的温度的氧化气氛时再分散成极细的原子级别的颗粒。然后，在图6B中的氧化处理之后进一步进行还原处理的图6C的Cu/Al₂O₃催化剂中，与图6A的情形中一样，在其周缘部确认有Cu颗粒的聚集。然后，在进行还原处理50小时的图6D的Cu/Al₂O₃催化剂中，如从以反转图像示出的TEM图像可见，确认有大量数十nm、特别是超过约50nm的Cu颗粒（在图6D中示出为大的白色区域）。

[耐久试验中催化活性的经时变化]

接下来，测量结合图6A至图6D描述的进行了各种时间的还原处理的各Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化效率和CO吸附量并且评价它们之间的关系。更具体地，在下表1所示的评价用模型气体以15L/分钟的流量在500℃流过催化剂床且然后各Cu/Al₂O₃催化剂达到稳定状态时测量在700℃下在1%H₂/N₂平衡还原气氛中进行还原处理预定时间的每个3.0g的Cu/Al₂O₃催化剂（片粒状催化剂，Cu载持量：5wt%）的NOx转化效率。注意，下表1所示的评价用模型气体被调配成对应于具有约14.0的空燃比（A/F）的排气。此外，通过CO脉冲吸附法来测量各Cu/Al₂O₃催化剂的CO吸附量。结果在图7中示出。

表1：评价用模型气体的成分

a）示出C₃H₆中所含的碳的浓度。

图7是示出进行各种时间的还原处理的各Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化效率的曲线图。在图7中，横轴表示CO吸附量（μL/g），而纵轴表示NOx转化效率（%）。将描述图7。曲线图中的最右上点对应于进行还原处理最短时间的图6A的Cu/Al₂O₃催化剂，并且在下文中，还原处理的时间随着NOx转化效率下降而延长。于是，曲线图中的最左下点与进行还原处理50小时的Cu/Al₂O₃催化剂相关，且因此对应于图6D的Cu/Al₂O₃催化剂。此外，在图7中，Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化效率随着CO吸附量增大而提高，并且NOx转化效率随着CO吸附量减少而下降，亦即，在CO吸附量和NOx转化效率之间认识到有一定的相关关系。

这里，在诸如Cu的基础金属的情形中，不同于贵金属的情形，可能无法从CO吸附量精确地计算出粒径，因此在图7中CO吸附量的数据未被换算为Cu颗粒的粒径。然而，参照图7的结果，NOx转化效率和CO吸附量随着还原处理的时间延长而下降，并且在NOx转化效率和CO吸附量之间认识到一定的相关关系。因此，当Al₂O₃上的Cu颗粒长时间暴露于高温还原气氛时，Al₂O₃上的Cu颗粒聚集而变大。因此，认识到Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化活性的劣化。

[再生处理条件的研究]

接下来，如下研究劣化的Cu载持催化剂的再生处理条件。首先，图8A和图8B是示出以还原处理的时间为横轴重新标绘的图7的数据和多个附加的实验数据的曲线图。图8A是示出根据还原处理时间的Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化效率的曲线图，而图8B是图8A的部分放大的曲线图。特别地，如图8B所示，认识到Cu/Al₂O₃催化剂在还原气氛中即使在700℃的高温下也维持超过90%的高NOx转化效率约30分钟。然后，接下来，研究在再生处理时在700℃下经受还原气氛30分钟的Cu/Al₂O₃催化剂的温度。结果在图9中示出。

图9是示出在700℃下经受还原气氛30分钟且然后Cu/Al₂O₃催化剂在300℃至600℃的温度下再生的Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化效率的曲线图。具体地，在700℃下在1%H₂/N₂平衡还原气氛中进行还原处理30分钟的Cu/Al₂O₃催化剂在300℃至600℃温度下在空气中被再生图9所示的时间。如从图9的结果可见，在300℃和400℃的较低温度下的再生处理未充分恢复Cu/Al₂O₃催化剂的催化活性。然而，在高于或等于500℃的温度下执行的再生处理能够在极短时间（亦即，约1至5分钟，特别是约3至5分钟）内将Cu/Al₂O₃催化剂的催化活性再生到足够高的水平。

接下来，将图9中的对于使劣化的Cu/Al₂O₃催化剂再生而言有效的再生处理条件（亦即，500℃下5分钟）应用于图8B所示的Cu/Al₂O₃催化剂以进一步研究可再生的催化剂的劣化条件。结果在图10中示出。

图10是示出图8B的各Cu/Al₂O₃催化剂在被再生之后的NOx转化效率的曲线图。注意，为了便于比较，图8B的数据在图10中被原样标绘出。参照图10，对于在700℃下在还原气氛中进行处理60分钟以内的Cu/Al₂O₃催化剂，Cu/Al₂O₃催化剂在500℃下在氧化气氛中被再生5分钟，并且各Cu/Al₂O₃催化剂的NOx转化性能能够恢复为足够高的水平。

Claims (12)

1.一种用于内燃发动机的排气控制装置，其特征在于包括：

至少一个NOx净化催化剂，所述NOx净化催化剂配置在所述内燃发动机的排气通路中并通过在催化剂载体上载持Cu而形成；

至少一个劣化程度推定单元，所述劣化程度推定单元用于推定所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度；和

空燃比控制单元，所述空燃比控制单元用于调节流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比，其中

在由所述至少一个劣化程度推定单元推定出的所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度达到预定劣化程度之前，所述空燃比控制单元将流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比调节为比理论空燃比浓的空燃比，并且

当由所述至少一个劣化程度推定单元推定出的所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度超过所述预定劣化程度时，所述空燃比控制单元将流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比从比理论空燃比浓的空燃比改变为比理论空燃比稀的空燃比，以使得所述至少一个NOx净化催化剂被再生。

2.根据权利要求1所述的排气控制装置，其中，所述至少一个NOx净化催化剂在高于或等于500℃的温度被再生。

3.根据权利要求1或2所述的排气控制装置，其中

设置有至少两个所述NOx净化催化剂，

所述NOx净化催化剂彼此并列地配置在所述内燃发动机的所述排气通路中且在所述NOx净化催化剂的下游侧连接到一个共同的排气通路，并且

当一个所述NOx净化催化剂正被再生时，其它的至少一个NOx净化催化剂净化NOx。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的排气控制装置，其中，所述至少一个劣化程度推定单元是配置在位于所述至少一个NOx净化催化剂的下游的排气通路中的NOx传感器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的排气控制装置，还包括：

至少一个催化剂温度检测单元，所述催化剂温度检测单元用于检测所述至少一个NOx净化催化剂的温度；和

至少一个催化剂加热单元，所述催化剂加热单元用于加热所述至少一个NOx净化催化剂，其中

当所述至少一个NOx净化催化剂中的任一个NOx净化催化剂被再生时，所述至少一个NOx净化催化剂中的所述任一个NOx净化催化剂被所述至少一个催化剂加热单元加热到高于或等于500℃的温度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的排气控制装置，还包括：

氧化催化剂，所述氧化催化剂配置在位于所述至少一个NOx净化催化剂的下游的排气通路中或配置在共同的排气通路中，并用于氧化和净化HC和CO；和

空气导入单元，所述空气导入单元配置在位于所述至少一个NOx净化催化剂的下游的排气通路中或配置在所述共同的排气通路中，并用于向存在于所述氧化催化剂的上游的排气导入空气。

7.根据权利要求6所述的排气控制装置，其中，所述氧化催化剂是通过在催化剂载体上载持Ag而形成的催化剂。

8.一种用于内燃发动机的排气控制方法，在所述内燃发动机中，在所述内燃发动机的排气通路中配置有通过在催化剂载体上载持Cu而形成的至少一个NOx净化催化剂，所述排气控制方法的特征在于包括：

推定所述至少一个NOx净化催化剂的劣化程度；

在所述至少一个NOx净化催化剂的所推定出的劣化程度达到预定劣化程度之前，将流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比调节为比理论空燃比浓的空燃比；以及

当所述至少一个NOx净化催化剂的所推定出的劣化程度超过所述预定劣化程度时，将流入所述至少一个NOx净化催化剂中的排气的空燃比从比理论空燃比浓的空燃比改变为比理论空燃比稀的空燃比，以使得所述至少一个NOx净化催化剂被再生。

9.根据权利要求8所述的排气控制方法，其中，所述至少一个NOx净化催化剂在高于或等于500℃的温度被再生。

10.根据权利要求8或9所述的排气控制方法，其中，设置有至少两个所述NOx净化催化剂，并且所述NOx净化催化剂彼此并列地配置在所述内燃发动机的所述排气通路中且在所述NOx净化催化剂的下游侧连接到一个共同的排气通路，所述排气控制方法还包括：

当一个所述NOx净化催化剂正被再生时，通过其它的至少一个NOx净化催化剂净化NOx。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的排气控制方法，还包括：

检测所述至少一个NOx净化催化剂的温度，其中

当所述至少一个NOx净化催化剂中的任一个NOx净化催化剂被再生时，将所述至少一个NOx净化催化剂中的所述任一个NOx净化催化剂加热到高于或等于500℃的温度。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的排气控制方法，其中，设置有氧化催化剂，所述氧化催化剂配置在位于所述至少一个NOx净化催化剂的下游的排气通路中或配置在共同的排气通路中，并用于氧化和净化HC和CO，所述排气控制方法还包括：

在位于所述至少一个NOx净化催化剂的下游的排气通路中或在所述共同的排气通路中，向存在于所述氧化催化剂的上游的排气导入空气。

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