CN107002569A - 用于控制内燃机的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于引擎的控制设备，该引擎包括被配置为吸藏NOx并且使NOx与还原剂发生反应的排气控制装置。该控制设备包括电子控制单元。所述电子控制单元被配置为：(i)执行浓峰控制，该浓峰控制是被执行以暂时将缸内空燃比从比理论空燃比稀的空燃比更改为理论空燃比或者比理论空燃比浓的空燃比的控制；以及(ii)在进气口的压力变得高于排气口的压力的工作范围内，改变进气阀和排气阀的重叠量，以使得在浓峰控制的非执行期间的重叠量少于在浓峰控制的执行期间的重叠量。

Description

用于控制内燃机的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于设置有净化排气中的氮氧化物(NOx)的排气控制装置的内燃机的控制设备及其控制方法。
背景技术
作为用于控制以比理论空燃比稀的空燃比工作的内燃机中的NOx排放的装置，已知净化NOx的排气控制装置。作为净化NOx的排气控制装置，已知NOx吸藏还原型催化剂和选择性催化还原型催化剂。NOx吸藏还原型催化剂可以在具有过剩氧的稀气氛(atmosphere)下吸藏排气中的NOx，并且在从外部提供还原剂时释放所吸藏的NOx。另外，NOx吸藏还原型催化剂可以使NOx与还原剂之间产生反应以将NOx还原成氮气(N2)。选择性催化还原型催化剂具有吸附氨(NH3)的功能，并且利用该NH3，选择性催化还原型催化剂可以选择性地还原排气中的NOx。
公开号为2011-149360的日本专利申请(JP 2011-149360A)公开了这样的配置：其中，选择性催化还原型催化剂被设置在NOx吸藏还原型催化剂的下游。根据该配置，已在通过NOx吸藏还原型催化剂还原NOx的期间形成的NH3能够被选择性催化还原型催化剂吸附。另外，通过使用该NH3，可以通过选择性催化还原型催化剂选择性地还原未被NOx吸藏还原型催化剂吸附的NOx或者从NOx吸藏还原型催化剂中泄出的NOx。
在通过使用选择性催化还原型催化剂净化NOx的排气控制装置的情况下，将需要加入尿素等以使选择性催化还原型催化剂吸附NH3。另一方面，在通过使用NOx吸藏还原型催化剂或者通过NOx吸藏还原型催化剂和选择性催化还原型催化剂的组合净化NOx的排气控制装置的情况下，在内燃机的稀燃烧工作期间产生的NOx可以被吸藏在排气控制装置内。在这种情况下，通过从排气流的上游侧提供还原剂，可以通过将NOx还原成N2来净化被吸藏在该装置内的NOx。换言之，不需要诸如添加尿素等的特殊手段。还原剂向排气控制装置的提供是通过执行所谓的浓峰控制(rich spike control)而实现的，该控制是被执行以通过增加每个循环的燃料喷射量而暂时将缸内空燃比更改为理论空燃比或者比理论空燃比浓的空燃比的处理。
发明内容
然而，根据内燃机的工作范围，在某些情况下，浓峰控制可能无法有效地起作用。这样的工作范围的具体例子是高转矩范围。在高转矩范围内，进气阀的气门正时(valvetiming)被提前以提高进气效率。此外，随着进气阀的气门正时被提前，进气阀与排气阀之间的气门重叠量增大。高转矩范围中的气门重叠可能导致空气从进气口流到排气口(所谓的扫气(scavenging))。特别地，在涡轮增压引擎中，当通过涡轮增压而升高进气压力时，扫气的发生变得显著。
当发生扫气时，具有高氧浓度的空气流到排气控制装置。结果，在氧与由浓峰控制产生的还原剂之间发生反应，并且该反应阻碍了还原剂对NOx的还原。具体地，在通过使用NOx吸藏还原型催化剂净化NOx的排气控制装置的情况下，还原NOx所需要的烃(HC)和一氧化碳(CO)被氧所氧化。在通过NOx吸藏还原型催化剂和选择性催化还原型催化剂的组合净化NOx的排气控制装置的情况下，形成NH3所需要的NO和CO被氧所氧化。结果，排气控制装置的NOx净化效率降低，这有时可能导致NOx被排放到大气中。
本发明提供一种用于内燃机的控制设备，其可以通过维持浓峰控制的有效性而防止NOx净化效率的降低。
本发明的第一方面涉及一种用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括排气控制装置、排气口、进气口、排气阀和进气阀，所述排气控制装置被配置为在与理论空燃比下的气氛相比具有过剩氧的稀气氛下吸藏排气中的NOx，并且所述排气控制装置被配置为使NOx直接或间接地与从排气流的上游侧提供的还原剂发生反应以还原NOx，所述控制设备包括电子控制单元，所述电子控制单元被配置为：(i)执行浓峰控制，所述浓峰控制是被执行以暂时将缸内空燃比从比所述理论空燃比稀的空燃比更改为所述理论空燃比或者比所述理论空燃比浓的空燃比的控制；以及(ii)在所述进气口的压力变得高于所述排气口的压力的工作范围内，改变所述进气阀和所述排气阀的重叠量，以使得在所述浓峰控制的非执行期间的所述重叠量少于在所述浓峰控制的执行期间的所述重叠量。具有过剩氧的稀气氛是指比通过燃烧具有理论空燃比的空气燃料混合物而获得的排气中的氧浓度高的氧浓度的气氛。使还原剂直接与NOx发生反应表示发生以还原剂和NOx作为反应物的化学反应。使还原剂间接地与NOx发生反应表示发生以NOx和通过还原剂与另一物质之间的反应而形成的另一产物作为反应物的化学反应。
浓峰控制是这样的处理：当内燃机在缸内空燃比被控制为比理论空燃比稀的空燃比的情况下工作时，该处理被执行以通过增加每个循环的燃料喷射量而暂时将缸内空燃比更改为理论空燃比或者比理论空燃比浓的空燃比。浓峰控制执行装置被配置为根据预定的执行规则执行该处理。气门正时控制装置被配置为当在进气口的压力变得高于排气口的压力的工作范围内，即，在其中可能发生扫气的工作范围内执行浓峰控制时，与浓峰控制的非执行期间相比，减少进气阀与排气阀的重叠量。
通过减少进气阀与排气阀之间的重叠量，可以减少通过扫气从进气口流到排气口的空气量(下文中称为扫气量)。通过在浓峰控制的执行期间减少扫气量，减少了氧与由浓峰控制产生的还原剂之间的反应。同时，可以促进还原剂与NOx之间的直接或间接反应。
在所述控制设备中，所述电子控制单元可以被配置为在所述排气口的压力变得高于所述进气口的压力的工作范围内，维持所述重叠量，以使得在所述浓峰控制的执行期间的所述重叠量与在所述浓峰控制的非执行期间的所述重叠量相同。根据该配置，用于改变进气阀与排气阀之间的重叠量的操作被限制于可能发生扫气的工作范围。因此，可以防止由于重叠量的变化而引起的燃烧稳定性的降低。
在所述控制设备中，所述电子控制单元可以被配置为改变在所述浓峰控制的执行期间的所述重叠量，以使得在所述进气口的压力变得高于所述排气口的压力的工作范围内的所述重叠量大于在所述排气口的压力变得高于所述进气口的压力的工作范围内的所述重叠量。根据该配置，在可能发生扫气的工作范围内，增加重叠量可以清除(scavenge)残留的排气，并且提高新鲜空气的填充效率。另外，在不发生扫气的工作范围内，可以通过减少重叠量而减少内部EGR量，并且可以通过增加气缸气体中的新鲜填充的空气的比率而推高稀燃烧操作的燃烧极限。
在所述控制设备中，所述电子控制单元可以被配置为根据所述进气阀的气门正时的提前来增加所述重叠量，以及所述电子控制单元可以被配置为根据所述进气阀的所述气门正时的延迟来减少所述重叠量。根据该配置，当在可能发生扫气的工作范围内执行浓峰控制时，除了减少重叠量之外，进气阀的气门正时也被延迟。延迟进气阀的气门正时可以在不通过节流阀的节流来降低进气口的压力的情况下降低新鲜空气的填充效率。由此，根据该配置，当浓峰控制被终止而再次返回到稀燃烧工作时，可以容易地提高新鲜空气的填充效率。
在所述控制设备中，所述排气控制装置可以包括NOx吸藏还原型催化剂。所述NOx吸藏还原型催化剂可以被配置为在具有过剩氧的所述稀气氛下吸藏所述排气中的NOx。所述排气控制装置可以被配置为使从所述NOx吸藏还原型催化剂的所述排气流的上游侧提供的所述还原剂与被吸藏在所述NOx吸藏还原型催化剂上的NOx发生反应以将NOx还原成N2。根据该配置，从排气流的上游侧提供的还原剂可以直接与NOx发生反应而还原NOx。
在所述控制设备中，所述排气控制装置可以包括NOx吸藏还原型催化剂和选择性催化还原型催化剂，所述选择性催化还原型催化剂可以被设置在所述NOx吸藏还原型催化剂的下游。根据该配置，排气控制装置在具有过剩氧的稀气氛下将排气中的NOx吸藏在NOx吸藏还原型催化剂中，并且使从排气流的上游侧提供的还原剂与被吸藏在NOx吸藏还原型催化剂中的NOx发生反应而将NOx还原成NH3。于是，排气中的NH3被选择性催化还原型催化剂吸附，并且从NOx吸藏还原型催化剂中释放的NOx与由选择性催化还原型催化剂吸附的NH3发生反应而将NOx还原成N2。因此，从排气流的上游侧提供的还原剂能够与NOx间接地发生反应而还原NOx。
本发明的第二方面涉及一种内燃机的控制方法。所述内燃机包括排气控制装置、排气口、进气口、排气阀和进气阀，所述排气控制装置被配置为在与理论空燃比下的气氛相比具有过剩氧的稀气氛下吸藏排气中的NOx，并且所述排气控制装置被配置为使NOx直接或间接地与从排气流的上游侧提供的还原剂发生反应以还原NOx。所述控制方法包括：执行浓峰控制以暂时将缸内空燃比从比所述理论空燃比稀的空燃比更改为所述理论空燃比或者比所述理论空燃比浓的空燃比；以及在所述进气口的压力变得高于所述排气口的压力的工作范围内，改变所述进气阀和所述排气阀的重叠量，以使得在所述浓峰控制的非执行期间的所述重叠量少于在所述浓峰控制的执行期间的所述重叠量。
根据上述控制单元，在进气口的压力变得高于排气口的压力的工作范围内，在浓峰控制的执行期间，进气阀与排气阀之间的重叠量减少。因此，可以减少在浓峰控制的执行期间的扫气量。结果，氧与由浓峰控制产生的还原剂之间的反应减少。同时，可以促进还原剂与NOx之间的直接或间接反应，从而防止NOx净化效率的降低。
附图说明
下面将参考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，在所述附图中，相同的参考标号表示相同的元件，其中：
图1是示例出根据第一实施例的系统配置的图；
图2是总结根据第一实施例的气门正时控制的概要的图表；
图3是示例出根据第一实施例的气门正时控制的流程的流程图；
图4是说明根据第一实施例的在扫气范围内的气门正时控制及其效果的时间图；以及
图5是示例出根据第二实施例的系统配置的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述第一实施例。
图1是示例出根据本发明的第一实施例的系统配置的图。根据该实施例的系统包括被配备在车辆中作为动力单元的内燃机(在下文中，简称为引擎)2。将不特别限制引擎2具有的气缸数和气缸的排列。
引擎2包括气缸体4，其具有被设置在其中的活塞12和气缸盖3。由气缸盖3和活塞12限定的空间形成燃烧室5。引擎2是火花点火式引擎，并且包括点火装置的火花塞18，火花塞18被附接到气缸盖3以使得火花塞18从燃烧室5的顶部突出。在气缸盖3中形成的进气口6和排气口8分别对燃烧室5开口。燃烧室5和进气口6的连通状态由设置在气缸盖3中的进气阀14控制。燃烧室5和排气口8的连通状态由设置在气缸盖3中的排气阀16控制。将燃料直接喷射到燃烧室5中的缸内喷射阀22和将燃料喷射到进气口6的进气口喷射阀20被附接到气缸盖3。
在所示例的配置中，引擎2设置有能够改变进气阀14的开阀特性的进气可变阀机构24和能够改变排气阀16的开阀特性的排气可变阀机构26。能够使至少气门正时和工作角可变的阀机构适用于这些可变阀机构。
进气歧管10被连接到进气口6。进气歧管10具有缓冲罐(surge tank)19。从外部吸入空气的进气通道30被连接到缓冲罐19。电子控制的节流阀40被设置在缓冲罐19附近的进气通道30中。空气滤清器31被设置在进气通道30的末端。排气歧管11被连接到排气口8。将排气排放到外部的排气通道32被连接到排气歧管11。稍后将描述的排气控制装置60被设置在排气通道32中。
引擎2具有涡轮增压器28。涡轮增压器28的压缩机28a被设置在进气通道30中的节流阀40的上游。冷却由压缩机28a压缩的进气的中间冷却器36被设置在进气通道30中且在压缩机28a和节流阀40之间。
涡轮增压器28的涡轮28b被设置在排气通道32中且在排气控制装置60的上游。绕过涡轮28b的旁通通道44被设置在排气通道32中。废气门阀(wastegate valve)46被设置在旁通通道44中。当废气门阀46打开时，排气的一部分绕过涡轮机28b并流过旁通通道44。废气门阀46由电子控制致动器48驱动。
排气控制装置60由起动催化剂(其是三效催化剂(three-way catalyst)，在下文中称为SC)62、NOx吸藏还原型催化剂(在下文中称为NSR)64、以及选择性催化还原型催化剂(在下文中称为SCR)66构成。SC 62、NSR64和SCR 66在排气通道中从上游侧按此顺序设置。
在稀气氛下，SC 62在吸附氧的同时将排气中的NOx还原成N2，而在浓气氛下，SC 62在释放氧的同时将排气中的HC和CO氧化成H2O和CO2。在本说明书中，稀气氛是指比通过燃烧具有理论空燃比的空气-燃料混合物而获得的排气中的氧浓度高的氧浓度的气氛，而浓气氛是指比通过燃烧具有理论空燃比的空气-燃料混合物而获得的排气中的氧浓度低的氧浓度的气氛。另外，当从上游侧提供还原剂时，SC 62使排气中包含的NOx与还原剂之间产生反应而将NOx还原成NH3和N2。
NSR 64在稀气氛下以诸如Ba(NO3)2的硝酸盐的形式吸藏排气中的NOx。另外，当从上游侧提供还原剂时，NSR 64释放所吸藏的NOx并且使还原剂与NOx之间产生反应而将NOx还原成NH3和N2。通过SC 62和NSR64进行的NOx的还原反应由以下化学反应式(1)和(2)表示。
2.5H2+NO→NH3+H2O...(1)
2.5CO+NO+1.5H2O→NH3+2.5CO2+0.5N2...(2)
然而，当还原剂的供给量不足时，被NSR 64释放的NOx在未被还原的情况下被排放到下游。
SCR 66被构成为Fe基沸石催化剂。SCR 66吸附通过SC 62和NSR 64形成的NH3，然后例如如以下化学反应式(3)和(4)所表示的，SCR 66使排气中的NOx(主要是由NSR 64释放的NOx)与所吸附的NH3发生反应而将NOx还原成N2。由于NH3是通过还原剂(H2和CO)与其它物质(NO和H2O)的反应而形成的产物，所以由以下化学反应式(3)和(4)表示的NH3与NOx的反应可以被认为是还原剂与NOx的间接反应。
4NO+4NH3+O2→2N2+6H2O...(3)
2NO+2NO2+4NH3→4N2+6H2O...(4)
该实施例的系统在各个位置处设置有获得与引擎2的工作状态相关的信息的传感器。测量进气量的空气流量计34被设置在进气通道30中紧接着空气滤清器31的下游。测量升压压力的升压压力传感器38被设置在进气通道30中紧接着中间冷却器36的下游。测量节流阀40的开度的节流位置传感器42被设置在节流阀40的附近。测量进气压力的进气压力传感器56被设置在缓冲罐19中。
输出相对于燃烧前的排气的空燃比而线性变化的信号的空燃比传感器70被设置在排气通道32中紧接着SC62的上游。此外，氧传感器72被设置在排气通道32中紧接着SC 62的下游，该传感器基于作为通过燃烧具有理论空燃比的空气-燃料混合物而获得的排气中的阈值的氧浓度，输出以步进方式(stepped manner)在氧过剩侧和氧不足侧变化的信号。第一NOx传感器74被设置在排气通道32中紧接着NSR 64的下游，该传感器输出根据已通过NSR 64的排气中的NOx浓度而变化的信号。另外，第二NOx传感器76被设置在排气通道32中紧接着SCR 66的下游，该传感器输出根据已通过SCR 66的排气中的NOx浓度而变化的信号。
另外，该实施例的系统包括测量加速器踏板操作量(加速器操作量)的加速器位置传感器52和测量引擎2的曲柄角的曲柄角传感器54。
上述各种传感器和致动器被电连接到控制设备50。控制设备50由电子控制单元(ECU)构成。控制设备50被设置用于控制引擎2的整个系统，并且主要由包括CPU、ROM和RAM的计算机构成。包括稍后将描述的浓峰控制例程和气门正时控制例程的各种控制例程被存储在ROM中。控制设备50通过基于来自各个传感器的信号操作每个致动器而控制引擎2。具体而言，控制设备50首先根据由加速器位置传感器52测量的加速器踏板操作量来计算所需要的转矩。然后，基于所需要的转矩和根据从曲柄角传感器54输出的信号而计算出的当前引擎速度来确定引擎2的工作模式，并且根据所确定的工作模式而操作致动器。
由控制设备50选择的引擎2的工作模式包括理论燃烧工作模式和稀燃烧工作模式，在理论燃烧工作模式中，在缸内空燃比被控制为理论空燃比的同时使引擎2工作，在稀燃烧工作模式中，在缸内空燃比被控制为比理论空燃比稀的空燃比的同时使引擎2工作。理论燃烧工作模式在从中至高速范围到高速范围的范围内被选择，而稀燃烧工作模式在从低速范围到低至中速范围的范围内被选择。在其中选择稀燃烧工作模式的工作范围内，特别地，在进气压力变得低于或等于背压(back pressure)的工作范围内，通过来自进气口喷射阀20的进气口喷射，或者通过进气口喷射和缸内喷射的组合(主要依靠进气口喷射)而进行稀燃烧工作。在进气压力变得高于背压的工作范围内，通过来自缸内喷射阀22的缸内喷射(也称为直接喷射)而进行稀燃烧工作。
在稀燃烧工作模式中，根据预定的执行规则执行浓峰控制。浓峰控制是通过增加每个循环的燃料喷射量而暂时将缸内空燃比更改为理论空燃比或者比理论空燃比浓的空燃比的控制。用于计算燃料喷射量的缸内空气量使用空气模型而被计算出。在进气口喷射作为主燃料喷射而被进行的工作范围内，对进气口喷射进行用于浓峰控制的燃料喷射量的增加。另一方面，在缸内喷射作为主燃料喷射而被进行的工作范围内，对缸内喷射进行用于浓峰控制的燃料喷射量的增加。
通过将缸内空燃比设定为理论空燃比或者比理论空燃比浓的空燃比，排气中的氧浓度降低，并且产生大量的诸如HC、CO和H2的还原剂。当含有大量还原剂的排气被提供给NSR 64时，NSR 64周围的气氛变为还原气氛。于是，作为硝酸盐而已被吸藏的NOx被还原成NO并且从基体(base)脱离。因此，通过在稀燃烧工作期间执行浓峰控制允许被吸藏在NSR64中的NOx从NSR 64脱离，并且恢复NSR 64的NOx吸藏性能。当由被设置在紧接着NSR 64的下游的NOx传感器74测量的NOx的浓度超过预定阈值时，执行浓峰控制。或者替代地，当基于引擎速度、负荷和空燃比而推定的NOx的吸藏量超过预定阈值时，执行浓峰控制。
通过浓峰控制而从NSR 64脱离的NOx在NSR 64上被还原成N2和NH3。通过NSR 64形成的NH3与通过SC 62形成的NH3一起被位于最下游位置的SCR 66捕获并且被吸附在SCR 66上。通过浓峰控制而从NSR 64中脱离的NOx的一部分在未被还原的情况下照原样从NSR 64释放。SCR66使被吸附的NH3与在未被净化的情况下从NSR 64释放的NOx之间产生反应以将NOx还原成N2。因此，可以有效地防止排放到大气中的NOx导致的排放恶化的情况。
图2是总结在稀燃烧工作模式下进行的气门正时控制的概要的图表。在该图中，IVO指示进气阀14打开的正时，而IVC指示进气阀14关闭的正时。IVO与IVC之间的范围指示进气阀14打开期间的曲柄角的范围，换言之，该范围指示进气阀14的工作角。EVO指示排气阀16打开的正时，而EVC指示排气阀16关闭的正时。EVO与EVC之间的范围指示排气阀16打开期间的曲柄角的范围，换言之，该范围指示排气阀16的工作角。
作为非扫气范围与扫气范围之间的气门正时控制，进行不同的控制。非扫气范围是其中不发生扫气的工作范围，即，进气压力小于或等于背压的相对低负荷工作范围。进气压力是指进气口6的压力，背压是指排气口8的压力。在非扫气范围内，废气门阀46被完全打开，并且主要根据节流阀40的开度而进行空气量的控制。在如该实施例中的引擎2的涡轮增压引擎的情况下，非扫气范围对应于不进行通过压缩机28a来有效涡轮增压的非涡轮增压范围。扫气范围是其中可能发生扫气的工作范围。换言之，扫气范围是其中进气压力高于背压的相对高负荷工作范围。在扫气范围内，节流阀40被完全打开，并且主要根据废气门阀46的开度来进行空气量的控制。在如根据该实施例的引擎2的涡轮增压引擎的情况下，扫气范围对应于进行通过压缩机28a来有效涡轮增压的涡轮增压范围。
在低负荷范围内，即，在其中不发生扫气的非扫气范围内，控制设备50控制进气可变阀门机构24以延迟IVC。由于在IVC被延迟时IVO也被延迟，所以从IVO至EVC的曲柄角——即，重叠量(O/L)——变小。通过减少重叠量，可以减少内部EGR量，并且可以提高气缸气体中的被新鲜填充的空气的比例。由此，可以提高稀燃烧工作的燃烧极限。
当在非扫气范围内执行浓峰控制时，控制设备50在浓峰控制之前和之后不更改进气阀14和排气阀16的气门正时，而是在浓峰控制的非执行期间和在浓峰控制的执行期间维持进气阀14与排气阀16之间的重叠量。换言之，进行控制以使得在浓峰控制的非执行期间的重叠量和在浓峰控制的执行期间的重叠量相同。这与以下事实有关：在包括浓峰控制的执行时段的非扫气范围内进行通过进气口喷射(或者进气口喷射和缸内喷射的组合，主要依靠进气口喷射)实现的燃料喷射。通过进气口喷射，可以花费较长的时间来混合燃料和空气。因此，可以提高空气-燃料混合物的均匀性。另一方面，与缸内喷射相比，针对燃烧条件波动的鲁棒性(robustness)降低。因此，如上所述，在浓峰控制的非执行期间以及在浓峰控制的执行期间，都防止了与包括进气阀14的气门正时和工作角以及重叠量的缸内空气量相关的参数发生变化。因此，可以维持用于控制缸内空燃比所需要的缸内空气量的推定准确度，结果，能够确保非扫气范围内的燃烧稳定性。
在高负荷范围内，换言之，在其中可能发生扫气的扫气范围内，控制设备50控制进气可变阀门机构24以维持进气阀14的工作角，从而使IVC和IVO都提前，并且使IVC接近BDC(活塞下死点)。排气阀16的气门正时被维持为与非扫气范围内的气门正时相同。因此，作为从IVO至EVC的曲柄角的重叠量增加。增加重叠量可以提高燃烧气体的扫气效率，同时，使IVC接近BDC可以提高新鲜空气的填充效率。
当在扫气范围内执行浓峰控制时，控制设备50减小进气阀14的工作角并使IVC和IVO都延迟。排气阀16的气门正时被维持为与浓峰控制的非执行期间的气门正时相同。减小进气阀14的工作角并延迟IVC使得新鲜空气的填充效率降低。结果，能够使缸内空燃比变为理论比，或者在不导致转矩增加的情况下使缸内空燃比变浓。应注意，此时控制设备50使节流阀40维持在完全打开状态，并且使废气门阀46的开度维持为与浓峰控制的非执行期间的开度相同。通过这样做，可以防止进气口6的压力降低。因此，当终止浓峰控制而再次返回稀燃烧工作时，能够容易提高新鲜空气的填充效率。
另外，通过如上所述控制进气阀14的气门正时，与浓峰控制的非执行期间相比，作为从IVO至EVC的曲柄角的重叠量减少。优选地，重叠量被减少以使得重叠量变得小于或等于在非扫气范围内的重叠量。由此，通过减少进气阀14与排气阀16之间的重叠量，可以减少在浓峰控制的执行期间的扫气量。
当执行浓峰控制时，排气中的氧浓度降低，并且产生大量诸如HC、CO和H2的还原剂。然而，如果氧浓度高的空气通过扫气而流到排气口8，则流到排气控制装置60的全部气体中的氧浓度增加，并且变得不可能使SC 62和NSR 64的气氛变成还原气氛。此外，通过执行浓峰控制而通过SC 62和NSR 64形成的NH3在净化NOx中起重要作用。然而，如果氧浓度高的空气通过扫气而流入排气控制装置60，则形成NH3所需要的NO和CO将被氧所氧化。结果，将防止NH3的形成，从而极大地降低SCR 66对NOx的净化效率。
根据第一实施例的气门正时控制，可以通过在浓峰控制的执行期间减少扫气量而防止流入排气控制装置60的排气的氧浓度增加。这减少了氧与通过浓峰控制产生的还原剂之间的反应。通过促进由上述化学反应式(1)和化学反应式(2)表示的SC 62和NSR 64上的NH3的形成，可以促进由上述化学反应式(3)和(4)表示的SCR 66上的NOx的选择还原反应。因此，可以维持浓峰控制的有效性，并且可以防止由扫气引起的NOx净化效率的降低。
图3是示例出在稀燃烧工作模式下由控制设备50进行的气门正时控制的流程的流程图。当引擎2的工作模式处于稀燃烧工作模式时，控制设备50根据图3所示的流程进行气门正时控制。图3所示的流程由从步骤S2到步骤S8的四个步骤构成。
在步骤S2中，控制设备50判定是否需要浓峰控制，换言之，是否已满足浓峰控制执行条件。例如，如上所述，浓峰控制执行条件包括由NOx传感器74测量的NSR 64的下游的NOx浓度已超过阈值，基于引擎速度、负荷和空燃比而推定和计算出的NSR 64的NOx吸藏量已超过阈值等。
如果步骤S2中的判定结果为否，即，当不执行浓峰控制时，控制设备50进行步骤S8中的处理。在步骤S10中，控制设备50将进气阀14的气门正时的提前角设定为与引擎2的负荷对应的值A，并将进气阀14的工作角设定为与负荷对应的值B。
如果步骤S2中的判定结果为是，即，当执行浓峰控制时，控制设备50接下来进行步骤S4中的判定。在步骤4中，控制设备50判定引擎2的工作范围是否处于涡轮增压范围内，换言之，工作范围是否处于可能发生扫气的扫气范围内。可以基于引擎2的当前速度与当前负荷之间的关系来判定工作范围是处于涡轮增压范围(扫气范围)还是处于非涡轮增压范围(非扫气范围)内。替代地，也可以基于由升压压力传感器38的输出测量的升压压力是否高于大气压力来做出判定。
如果步骤S4中的判定结果为否，即，如果引擎2的工作范围处于非涡轮增压范围内，则控制设备50进行步骤S8中的处理。在步骤S8中，控制设备50将进气阀14的气门正时的提前角设定为与引擎2的负荷对应的值A，并将进气阀14的工作角设定为与负荷对应的值B。
如果步骤S4中的判定结果为是，即，如果引擎2的工作范围处于涡轮增压范围内，则控制设备50进行步骤S6中的处理。在步骤S6中，控制设备50将进气阀14的气门正时的提前角设定为与引擎2的负荷对应的值A'，并将进气阀14的工作角设定为与负荷对应的值B'。然而，当在相同负荷下比较时，进气阀14的气门正时的提前角的值A'是小于在步骤S8中设定的提前角的值A的值。当在相同负荷下比较时，进气阀14的工作角的值B'是小于在步骤S8中设定的工作角的值B的值。因此，进气阀14和排气阀16的重叠量减少，并且扫气量受到控制。另外，可以在不通过节流阀40的节流来降低进气压力的情况下降低新鲜空气的填充效率。
图4是说明由控制设备50进行的在扫气范围内的气门正时控制及其效果的时间图。图4中的时间图从顶部开始示出了转矩、目标空燃比、实际空燃比、缸内空气量、点火正时、进气压力、节流阀40的开度、废气门阀46的开度(WGV开度)、进气阀14的关闭正时、进气阀14的工作角、在扫气期间通过的氧量以及在SC 62和NSR 64处的氨的形成量，上述全部都被表示为随着时间而变化。在该图中，实线示出根据该实施例的气门正时控制的结果，虚线示出根据比较例的气门正时控制的结果。
在比较例中，当在扫气范围(高负荷范围)内进行浓峰控制时，进气阀14的关闭正时和工作角被维持为与浓峰控制的非执行期间的那些相同。尽管进气阀14的关闭正时和工作角也被维持为与在该实施例的非扫气范围内的浓峰控制的非执行期间和浓峰控制的执行期间的那些相同，但是比较例也将该控制应用于扫气范围内的气门正时控制。
根据比较例的气门正时控制，由于进气阀14的关闭正时被维持为与浓峰控制的非执行期间的相同，因此进气阀14与排气阀16之间的重叠量也维持原样。因此，与浓峰控制的非执行期间相同的氧量在浓峰控制的执行期间也从进气口6吹到排气口8。结果，通过浓峰控制产生的还原剂最终与氧反应，因此阻碍了通过SC 62和NSR 64形成NH3。
另一方面，根据该实施例的气门正时控制，当执行浓峰控制时，进气阀14的关闭正时被延迟并且使进气阀14的工作角变小。因此，进气阀14与排气阀16之间的重叠量减少，并且通过扫气从进气口6吹到排气口8的氧量减少。结果，氧与由浓峰控制产生的还原剂之间的反应减少，同时，促进通过SC 62和NSR 64形成NH3。因此，可以防止由扫气引起的NOx净化效率的降低。
另外，根据比较例的气门正时控制，进气阀14的关闭正时和工作角被维持为与浓峰控制的非执行期间的那些相同。因此，为了减少缸内空气量(被吸入气缸内的新鲜空气量)，需要关闭节流阀40，并且需要打开废气门阀46。然而，由于进气压力对节流阀40和废气门阀46的操作的响应的延迟，缸内空气量从实际空燃比的变浓有时滞地减少。因此，为了防止转矩变得过大，需要大幅度延迟点火正时，直至缸内空气量减少到目标量。在这种情况下，点火正时的延迟可能导致燃料效率的恶化。
另外，根据比较例的气门正时控制，当从浓峰控制返回到稀燃烧工作时，在缸内空气量的增加中产生时滞。这是因为，即使节流阀40被迅速打开并且废气门阀46被迅速关闭，一旦进气压力下降，进气压力就不会立即升高。如果不考虑缸内空气量尚未增加的事实而使空燃比位于稀侧，则转矩将急剧下降。因此，在比较例的情况下，无法使得实际空燃比稀于目标空燃比，并且需要持续使实际空燃比变浓，直至缸内空气量增加到目标值。此外，为了防止由于持续使实际空燃比变浓导致转矩变得过大，也需要延迟点火正时，直至缸内空气量增加到目标值。较长的实际空燃比的变浓持续时间和较长的点火正时延迟持续时间导致燃料效率恶化。
另一方面，根据该实施例的气门正时控制，通过延迟进气阀14的关闭正时而减少缸内空气量。由于缸内空气量高度响应于进气阀14的关闭正时的变化，因此可以在从实际空燃比的变浓没有很大延迟的情况下减少缸内空气量。因此，能够使点火正时的延迟量小以防止过量的转矩，从而防止燃料效率的恶化。
另外，根据该实施例的气门正时控制，由于维持节流阀40的开度和废气门阀46的开度，因此可以防止由于执行浓峰控制而导致的进气压力的降低。只要维持进气压力，就可通过提前进气阀14的关闭正时而迅速地增加缸内空气量。结果，可以根据目标空燃比而使实际空燃比为稀的，因此，将不再需要使实际空燃比持续变浓。由此，可以防止燃料效率的恶化。
接下来，将参考附图描述本发明的第二实施例。
图5是示例出根据本发明的第二实施例的系统配置的图。根据该实施例的系统包括引擎2和控制引擎2的控制设备50。由于引擎2的配置和控制设备50的功能与第一实施例的相同，因此在此将省略对其的详细描述。该实施例的系统与第一实施例的系统之间的区别在于被设置在排气通道32中的排气控制装置80的配置。
排气控制装置80由SC82和NSR 84构成。SC 82被设置在排气通道中的上游侧，NSR84被设置在排气通道中的下游侧。空燃比传感器90被设置在排气通道32中紧接着SC 82的上游，氧传感器92被设置在排气通道32中紧接着SC 82的下游。NOx传感器94被设置在排气通道32中紧接着NSR 84的下游。
SC 82的特征与针对第一实施例描述的SC 62的特征相同。在稀气氛下，SC 82在吸附氧的同时将排气中的NOx还原成N2，而在浓气氛下，SC82在释放氧的同时将排气中的HC和CO氧化成H2O和CO2。
NSR 84具有比第一实施例的NSR 64大的NOx吸藏容量(例如，是与SCR组合使用的NSR的吸藏容量的两倍)。在稀气氛下，NSR 84以诸如Ba(NO3)2的硝酸盐的形式吸藏排气中的NOx。另外，当从排气流的上游侧提供还原剂时，NSR 84释放所吸藏的NOx并且例如使还原剂与NOx发生反应以还原NOx，如化学反应式(5)和(6)所示。在NSR 84中，通过与NOx的直接反应而将NOx还原成N2。
CO+NO→CO2+0.5N2…(5)
CHy+(2+y/2)NO→CO2+(y/2)H2O+1/2(2+y/2)N2…(6)
控制设备50以与第一实施例相同的方式，在稀燃烧工作模式下执行浓峰控制。通过在稀燃烧工作期间执行浓峰控制，使吸藏在NSR 84中的NOx从NSR 84脱离，从而恢复NSR84的NOx吸藏性能。浓峰控制根据预定的执行规则而执行。例如，当由紧接着NSR 84的下游而设置的NOx传感器94测量的NOx的浓度超过预定阈值时，执行浓峰控制。已通过浓峰控制而从NSR 84脱离的NOx在NSR 84上被还原成N2。
然而，当引擎2在扫气范围内工作时，如果在执行浓峰控制的同时含有高浓度氧的空气通过扫气而流入排气控制装置80，则用于还原NOx所需要的HC和CO将被氧所氧化。结果，NOx的还原受到阻碍，并且NSR 84上的NOx的净化效率显著降低。
在该实施例的气门正时控制中，与第一实施例类似，当执行浓峰控制时，进气阀的关闭正时被延迟，并且进气阀的工作角变小。因此，进气阀与排气阀之间的重叠量减少，并且通过扫气从进气口吹到排气口的氧量减少。结果，可以减少氧与由浓峰控制产生的还原剂之间的反应，同时可以促进由上述化学反应式(5)和(6)表示的通过NSR 84实现的NOx的还原反应。换言之，即使在如上所述配置的排气控制装置80的情况下，也可以通过进行与第一实施例类似的气门正时控制而维持浓峰控制的有效性。因此，可以防止由扫气引起的NOx净化效率的降低。
其它实施例
本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明的要旨的范围内以各种形式实施本发明。例如，在第一和第二实施例的系统中的排气控制装置中设置的SC(三效催化剂)并非是用于执行本发明所必不可少的组件。排气控制装置可以仅包括NSR，或者排气控制装置可以仅包括NSR和SCR。尽管在第一和第二实施例的系统中通过控制进气阀的气门正时来改变重叠量，但除了进气阀之外，也可以通过控制排气阀的气门正时来改变重叠量。

Claims (7)

1.一种用于内燃机的控制设备，所述内燃机包括排气控制装置、排气口、进气口、排气阀和进气阀，所述排气控制装置被配置为在与理论空燃比下的气氛相比具有过剩氧的稀气氛下吸藏排气中的NOx，并且所述排气控制装置被配置为使NOx直接或间接地与从排气流的上游侧提供的还原剂发生反应以还原NOx，所述控制设备包括电子控制单元，所述电子控制单元被配置为：
(i)执行浓峰控制，所述浓峰控制是被执行以暂时将缸内空燃比从比所述理论空燃比稀的空燃比更改为所述理论空燃比或者比所述理论空燃比浓的空燃比的控制；以及
(ii)在所述进气口的压力变得高于所述排气口的压力的工作范围内，改变所述进气阀和所述排气阀的重叠量，以使得在所述浓峰控制的非执行期间的所述重叠量少于在所述浓峰控制的执行期间的所述重叠量。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其中，所述电子控制单元被配置为在所述排气口的压力变得高于所述进气口的压力的工作范围内，维持所述重叠量，以使得在所述浓峰控制的执行期间的所述重叠量与在所述浓峰控制的非执行期间的所述重叠量相同。
3.根据权利要求1或2所述的控制设备，其中，所述电子控制单元被配置为改变在所述浓峰控制的执行期间的所述重叠量，以使得在所述进气口的压力变得高于所述排气口的压力的工作范围内的所述重叠量大于在所述排气口的压力变得高于所述进气口的压力的工作范围内的所述重叠量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制设备，其中
所述电子控制单元被配置为根据所述进气阀的气门正时的提前来增加所述重叠量，以及
所述电子控制单元被配置为根据所述进气阀的所述气门正时的延迟来减少所述重叠量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制设备，其中
所述排气控制装置包括NOx吸藏还原型催化剂，并且所述NOx吸藏还原型催化剂被配置为在具有过剩氧的所述稀气氛下吸藏所述排气中的NOx，以及
所述排气控制装置被配置为使从所述NOx吸藏还原型催化剂的所述排气流的上游侧提供的所述还原剂与被吸藏在所述NOx吸藏还原型催化剂上的NOx发生反应以将NOx还原成N2。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的控制设备，其中，所述排气控制装置包括NOx吸藏还原型催化剂和选择性催化还原型催化剂，所述选择性催化还原型催化剂被设置在所述NOx吸藏还原型催化剂的下游。
7.一种内燃机的控制方法，所述内燃机包括排气控制装置、排气口、进气口、排气阀和进气阀，所述排气控制装置被配置为在与理论空燃比下的气氛相比具有过剩氧的稀气氛下吸藏排气中的NOx，并且所述排气控制装置被配置为使NOx直接或间接地与从排气流的上游侧提供的还原剂发生反应以还原NOx，所述控制方法包括：
执行浓峰控制以暂时将缸内空燃比从比所述理论空燃比稀的空燃比更改为所述理论空燃比或者比所述理论空燃比浓的空燃比；以及
在所述进气口的压力变得高于所述排气口的压力的工作范围内，改变所述进气阀和所述排气阀的重叠量，以使得在所述浓峰控制的非执行期间的所述重叠量少于在所述浓峰控制的执行期间的所述重叠量。
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