CN110872965B - 内燃机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机的排气净化装置，以新的方法来推定粒子状物质的堆积量。内燃机的排气净化装置具备：具有催化剂功能的排气净化催化剂(20)；配置于比该排气净化催化剂靠下游侧处的捕集器(24)；对向捕集器(24)流入的排气气体中供给二次空气的二次空气供给装置(25)；对从捕集器流出的排气气体中的氨的浓度进行检测的检测装置；以及控制装置(31)。控制装置，在排气净化催化剂的温度在活性温度以上且从内燃机主体排出的排气气体的空燃比为浓空燃比的情况下，以从二次空气供给装置向捕集器持续或断续地供给空气的方式控制二次空气供给装置，并且基于供给空气时的检测装置的输出来推定捕集器上的粒子状物质的堆积量。

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
已知有为了捕集从内燃机排出的粒子状物质(Particulate Matter，以下也称为“PM”)，而在内燃机的排气通路内设置有颗粒捕集器(以下，也简称为“捕集器”)的技术(例如，专利文献1)。在这样的捕集器中，当被捕集器捕集而堆积于捕集器上的PM变多时，捕集器中的压力损失增大，会招致内燃机的输出的下降和燃烧的恶化。
因此，已知有对捕集器上的PM的堆积量进行推定，并且在推定出的PM的堆积量多时，进行使捕集器处于高温而使PM燃烧的捕集器再生处理的技术。PM的堆积量例如根据PM向捕集器的堆积量越多则在捕集器的压力损失越大这一情况，而基于捕集器前后的压差来推定。
尤其是，在专利文献1记载的装置中，基于灰尘向捕集器的堆积量的推定值来推定捕集器能够有效地捕集PM的容量，并且基于该推定出的容量和捕集器前后的压差来推定PM向捕集器的堆积量。由此，即使在捕集器上堆积有灰，也能够高精度地推定捕集器上的PM的堆积量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-016684号公报
发明内容
发明要解决的课题
不过，捕集器的前后压差也因排气气体的流量而发生变化。因此，在内燃机的运转状态发生变化而排气气体的流量发生变化那样的情况下，基于捕集器的前后压差的捕集器上的PM的堆积量的推定精度不那么高。而且，在排气气体的流量少时，捕集器的前后压差不那么大，所以，针对PM的堆积量容易产生推定误差。因此，在基于捕集器的前后压差来推定PM的堆积量的情况下，其推定精度不那么高，需要利用不基于捕集器的前后压差的其他方法实现的PM的堆积量的推定方法。
鉴于上述课题，本公开的目的在于，提供一种能够以新的方法推定粒子状物质的堆积量的排气净化装置。
用于解决课题的技术方案
本发明是为了解决上述课题而做出的，其要旨如下。
(1)一种内燃机的排气净化装置，具备：配置于内燃机的排气通路内的具有催化剂功能的排气净化催化剂；在比该排气净化催化剂靠排气流动方向下游侧处配置于所述排气通路内的颗粒捕集器；在比所述排气净化催化剂靠排气流动方向下游侧处对向所述颗粒捕集器流入的排气气体中供给包含氧的气体的氧供给装置；检测装置，其输出根据从所述颗粒捕集器流出的排气气体中的氨的浓度而发生变化；以及对所述氧供给装置进行控制并且对所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量进行推定的控制装置，所述控制装置，在所述排气净化催化剂的温度处于活性温度以上的预定的温度范围内、且从所述内燃机的主体排出的排气气体的空燃比为比理论空燃比浓的浓空燃比的情况下，以使得从所述氧供给装置向所述颗粒捕集器持续或断续地供给氧的方式控制所述氧供给装置，并且基于供给氧时的所述检测装置的输出来推定所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量。
(2)根据上述(1)记载的内燃机的排气净化装置，所述预定的温度范围为400℃以上且600℃以下。
(3)一种内燃机的排气净化装置，具备：配置于内燃机的排气通路内的具有催化剂功能的排气净化催化剂；在比该排气净化催化剂靠排气流动方向下游侧处配置于所述排气通路内的颗粒捕集器；在比所述排气净化催化剂靠排气流动方向下游侧处对向所述颗粒捕集器流入的排气气体中供给包含氧的气体的氧供给装置；检测装置，其输出根据从所述颗粒捕集器流出的排气气体中的氨的浓度而发生变化；以及对所述氧供给装置进行控制并且对所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量进行推定的控制装置，所述控制装置，在从所述内燃机的主体排出的排气气体的空燃比为比理论空燃比浓的浓空燃比时在所述排气净化催化剂中生成氢或氨的条件下，以使得从所述氧供给装置向所述颗粒捕集器持续或断续地供给氧的方式控制所述氧供给装置，并且基于供给氧时的所述检测装置的输出来推定所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量。
(4)根据上述(1)～(3)中任一项记载的内燃机的排气净化装置，所述控制装置，在推定所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量时，以使得向所述颗粒捕集器流入的排气气体的时间平均空燃比成为理论空燃比的方式使所述氧供给装置供给空气。
(5)根据上述(1)～(4)中任一项记载的内燃机的排气净化装置，所述控制装置，在推定所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量时，以使得向所述颗粒捕集器流入的排气气体的空燃比持续地成为理论空燃比的方式持续地从所述氧供给装置供给氧。
(6)根据上述(1)～(5)中任一项记载的内燃机的排气净化装置，所述控制装置，在推定所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量时，以使得向所述颗粒捕集器流入的排气气体的空燃比在浓空燃比与比理论空燃比稀的稀空燃比之间交替地变化且向所述颗粒捕集器流入的排气气体的时间平均空燃比成为理论空燃比的方式从所述氧供给装置向排气气体中供给空气。
(7)根据上述(1)～(6)中任一项记载的内燃机的排气净化装置，所述检测装置是对所述排气气体中的NOx进行检测的NOx传感器，该NOx传感器构成为，其输出除根据排气气体中的NOx的浓度发生变化以外还根据氨的浓度发生变化。
(8)根据上述(1)～(7)中任一项记载的内燃机的排气净化装置，所述控制装置，在粒子状物质向所述颗粒捕集器的堆积量为预先设定了的量以上时，执行将堆积于所述颗粒捕集器的粒子状物质除去的捕集器再生处理。
发明的效果
根据本发明，提供一种能够以新的方法推定粒子状物质的堆积量的排气净化装置。
附图说明
图1是概略地示出使用一个实施方式的排气净化装置的内燃机的图。
图2是示出捕集器的构造的图。
图3是概略地示出在进行了捕集器再生处理时在排气净化装置中发生的反应的图。
图4是来自二次空气供给装置的二次空气的供给量、和向捕集器流入的排气气体的空燃比的时间图。
图5是概略地示出在推定捕集器上的PM的堆积量时在排气净化装置中发生的反应的图。
图6是从内燃机主体排出的排气气体的空燃比、二次空气的供给量、向捕集器流入的排气气体的空燃比、以及排气气体中的氨浓度的时间图。
图7是从内燃机主体排出的排气气体的空燃比等的、与图6同样的时间图。
图8是示出一个实施方式的堆积量推定处理的控制例程的流程图。
图9是示出一个实施方式的捕集器再生处理的控制例程的流程图。
图10是示出第二实施方式的堆积量推定处理的控制例程的流程图。
图11是示出第二实施方式的捕集器再生处理的控制例程的流程图。
附图标记说明
1 内燃机主体
5 燃烧室
11 燃料喷射阀
20 排气净化催化剂
25 二次空气供给装置
24 颗粒捕集器(捕集器)
31 电子控制单元(ECU)
46 催化剂温度传感器
47 捕集器温度传感器
48 压差传感器
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。此外，在以下的说明中，对同样的构成要素标注同一参照编号。
<第一实施方式>
《内燃机整体的说明》
图1是概略地示出使用第一实施方式的排气净化装置的内燃机的图。参照图1，1表示内燃机主体，2表示汽缸体，3表示在汽缸体2内往复运动的活塞，4表示固定于汽缸体2上的汽缸盖，5表示形成于活塞3与汽缸盖4之间的燃烧室，6表示进气门，7表示进气口，8表示排气门，9表示排气口。进气门6对进气口7进行开闭，排气门8对排气口9进行开闭。
如图1所示，在汽缸盖4的内壁面的中央部配置有火花塞10，在汽缸盖4的内壁面周边部配置有燃料喷射阀11。火花塞10构成为，根据点火信号而产生火花。另外，燃料喷射阀11根据喷射信号向燃烧室5内喷射预定量的燃料。此外，燃料喷射阀11也可以配置为向进气口7内喷射燃料。另外，在本实施方式中，使用理论空燃比为14.6的汽油作为燃料。然而，在使用本发明的排气净化装置的内燃机中，也可以使用汽油以外的燃料、或混合了汽油的混合燃料。
各汽缸的进气口7分别经由对应的进气支管13与稳压罐14连结，稳压罐14经由进气管15与空气滤清器16连结。进气口7、进气支管13、稳压罐14、进气管15形成进气通路。另外，在进气管15内配置有由节气门驱动致动器17驱动的节气门18。通过利用节气门驱动致动器17使节气门18转动，能够变更进气通路的开口面积。
另一方面，各汽缸的排气口9与排气歧管19连结，排气歧管19与内置了排气净化催化剂20的上游侧壳体21连结。上游侧壳体21经由排气管22与内置了颗粒捕集器(以下，也简称为“捕集器”)24的下游侧壳体23连结。在排气净化催化剂20与捕集器24之间的排气管22设置有对在排气管22内流动的排气气体中、即对向捕集器24流入的排气气体中供给二次空气的二次空气供给装置25。排气口9、排气歧管19、上游侧壳体21、排气管22以及下游侧壳体23形成排气通路。
此外，虽然在本实施方式的排气净化装置中设置了二次空气供给装置25，但只要能够对向捕集器24流入的排气气体中供给含氧的气体即可，也可以设置其他氧供给装置。作为这样的氧供给装置，具体而言，例如可举出向排气气体中仅供给氧的装置等的例子。
电子控制单元(ECU)31由数字计算机构成，具备经由双向总线32互相连接的RAM(随机存取存储器)33、ROM(只读存储器)34、CPU(微处理器)35、输入端口36以及输出端口37。
在进气管15配置有用于对在进气管15内流动的空气流量进行检测的空气流量计39，该空气流量计39的输出经由对应的AD变换器38向输入端口36输入。另外，在排气歧管19配置有对在排气歧管19内流动的排气气体(即，向排气净化催化剂20流入的排气气体)的空燃比进行检测的上游侧空燃比传感器40。而且，在排气管22内配置有对在排气管22内流动的排气气体(即，从排气净化催化剂20流出而向捕集器24流入的排气气体)的空燃比进行检测的下游侧空燃比传感器41。上述空燃比传感器40、41的输出也经由对应的AD变换器38向输入端口36输入。
而且，在排气净化催化剂20设置有用于对排气净化催化剂20的温度进行检测的催化剂温度传感器46。另外，在捕集器24设置有用于对捕集器24的温度进行检测的捕集器温度传感器47。另外，在捕集器24的上游侧及下游侧的排气管22之间设置有用于对捕集器24的前后压差进行检测的压差传感器48。而且，在捕集器24的下游侧的排气管22设置有对从捕集器24流出的排气气体中的NOx的浓度进行检测的NOx传感器49。上述温度传感器46、47、压差传感器48以及NOx传感器49的输出也经由对应的AD变换器38向输入端口36输入。
另外，在加速器踏板42连接有产生与加速器踏板42的踩踏量成比例的输出电压的负荷传感器43，负荷传感器43的输出电压经由对应的AD变换器38向输入端口36输入。曲轴角传感器44，例如每当曲轴旋转15度就产生输出脉冲，该输出脉冲向输入端口36输入。在CPU35中，根据该曲轴角传感器44的输出脉冲来计算内燃机转速。
另一方面，输出端口37经由对应的驱动电路45与火花塞10、燃料喷射阀11、节气门驱动致动器17以及二次空气供给装置25连接。因此，ECU31作为控制上述火花塞10、燃料喷射阀11、节气门驱动致动器17以及二次空气供给装置25的工作的控制装置发挥功能。
在本实施方式中，排气净化催化剂20是使由陶瓷形成的载体担载了具有催化剂作用的催化剂贵金属(例如，铂(Pt))的三元催化剂。三元催化剂具有当向三元催化剂流入的排气气体的空燃比被维持为理论空燃比时同时净化未燃HC、CO以及NOx的功能。此外，排气净化催化剂20只要担载了具有催化剂作用的物质即可，也可以是氧化催化剂等、NOx吸藏还原催化剂等三元催化剂以外的催化剂。
图2是示出捕集器24的构造的图。图2(A)是捕集器24的主视图，图2(B)是捕集器24的侧视剖视图。如图2(A)及图2(B)所示，捕集器24呈蜂巢构造，具备互相平行地延伸的多个排气流通路60、61。这些排气流通路由下游端被栓62封闭的排气气体流入通路60和上游端被栓63封闭的排气气体流出通路61构成。此外，在图2(A)中添加了阴影线的部分表示栓63。因此，排气气体流入通路60与排气气体流出通路61隔着薄壁的分隔壁64而交替地配置。换言之，排气气体流入通路60及排气气体流出通路61以各排气气体流入通路60被四个排气气体流出通路61包围且各排气气体流出通路61被四个排气气体流入通路60包围的方式配置。
捕集器24例如由堇青石(cordierite)那样的多孔质材料形成。因此，如图2(B)中的箭头所示，流入到排气气体流入通路60内的排气气体在周围的分隔壁64内通过并向相邻的排气气体流出通路61内流出。在排气气体像这样在分隔壁64内通过而流动的期间，排气气体中包含的PM被捕集器24捕集。
另外，在捕集器24担载有具有催化剂作用的催化剂贵金属(例如，铂(Pt))。因此，捕集器24不仅能够捕集排气气体中的PM，还能够将排气气体中的未燃HC、CO氧化净化。此外，捕集器24只要捕集排气气体中的PM并且担载有具有催化剂作用的物质即可，也可以具有其他构成。而且，在二次空气供给装置25与捕集器24之间配置有具有催化剂作用的排气净化催化剂的情况下，捕集器24也可以不担载具有催化剂作用的物质。
《捕集器再生处理》
被捕集器24捕集的PM在捕集器24上堆积。当PM向捕集器24上的堆积量增大时，会在分隔壁64内的细孔产生堵塞，由捕集器24引起的排气气体的压力损失变大。压力损失的增大会导致由排气气体难以流动引起的内燃机的输出的下降和燃烧的恶化。因此，为了防止内燃机的输出的下降和燃烧的恶化，需要在PM向捕集器24上的堆积量比界限堆积量多的情况下，将堆积于捕集器24上的PM氧化除去。在此，界限堆积量是当PM向捕集器24的堆积量在它的基础上进一步增大时由捕集器24引起的压力损失会增大而导致内燃机的运转状态的恶化等的那样的量。
于是，在本实施方式中，在捕集器24的PM堆积量变多了时，为了将PM氧化除去而进行捕集器再生处理。以下，参照图3，对捕集器再生处理进行说明。图3是概略地示出在进行了捕集器再生处理时在排气净化装置中发生的反应的图。特别地，图3(A)示出了没有从二次空气供给装置25供给二次空气的情况，图3(B)示出了从二次空气供给装置25供给二次空气的情况。
在进行捕集器再生处理时，首先，使排气净化催化剂20的温度上升至其活性温度以上，同样地，也使捕集器24的温度上升至其活性温度以上。具体而言，排气净化催化剂20及捕集器24的温度被设为300℃以上且700℃以下，优选被设为400℃以上且600℃以下。
而且，在本实施方式中，在进行捕集器再生处理时，控制来自燃料喷射阀11的燃料喷射量以使得从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比成为比理论空燃比浓的空燃比(以下，也称为“浓空燃比”)。换言之，在进行捕集器再生处理时，控制燃料喷射量以使得向排气净化催化剂20流入的排气气体的空燃比成为浓空燃比。结果，在捕集器再生处理中，浓空燃比的排气气体向排气净化催化剂20流入。
在此，在浓空燃比的排气气体中包含未燃HC和CO。而且，由于在燃烧室5内通过混合气燃烧而产生水，所以在排气气体中包含水。因此，包含未燃HC、CO及水的排气气体向排气净化催化剂20流入。
在排气净化催化剂20的温度为300℃～500℃的情况下，当包含CO及水的排气气体向排气净化催化剂20流入时，通过排气净化催化剂20的催化剂作用，在排气净化催化剂20内发生由下述式(1)表示的水煤气变换反应。
CO+H2O→H2+CO2…(1)
另外，在排气净化催化剂20的温度为500℃以上的情况下，当包含未燃HC及水的排气气体向排气净化催化剂20流入时，通过排气净化催化剂20的催化剂作用，在排气净化催化剂20内发生由下述式(2)、式(3)表示的那样的水蒸气重整反应。
CH4+H2O→3H2+CO…(2)
C12H26+12H2O→25H2+12CO…(3)
因此，在排气净化催化剂20的温度为活性温度(例如，300℃)以上的情况下，当浓空燃比的排气气体向排气净化催化剂20流入时，在排气净化催化剂20中产生氢。
另外，即使在从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比为浓空燃比的情况下，在该排气气体中也包含NOx(主要是NO)。像这样，包含于排气气体中的NO在排气净化催化剂20的温度比较高时，通过排气净化催化剂20的催化剂作用，在排气净化催化剂20内如下述式(4)所示那样与氢发生反应而生成氨。该反应在排气净化催化剂20的温度为400℃～600℃时尤其容易发生。
2NO+5H2→2NH3+2H2O…(4)
因此，在排气净化催化剂20的温度为活性温度以上时(尤其是400℃～600℃时)，若浓空燃比的排气气体向排气净化催化剂20流入，则会从排气净化催化剂20流出包含氨的浓空燃比的排气气体。
而且，在本实施方式中，在进行捕集器再生处理时，从二次空气供给装置25间歇地(断续地)供给二次空气。图4是来自二次空气供给装置25的二次空气的供给量及向捕集器24流入的排气气体的空燃比的时间图。此外，图4中的虚线X表示供给二次空气之前的排气气体的空燃比(在图示的例子中，此时的空燃比为13.6)。
如图4所示，在本实施方式中，从二次空气供给装置25间歇地供给二次空气。在图4所示的例子中，在时刻t0～t1、时刻t2～t3、时刻t4～t5、时刻t6～t7中，供给一定量的二次空气。尤其是，在本实施方式中，以供给二次空气的时间(例如，时刻t0～t1)与停止二次空气的供给的时间(例如，时刻t1～t2)相等的方式间歇地供给二次空气(以下，也将该时间称为“周期”)。
尤其是，在本实施方式中，二次空气的供给切换周期被设定为在流入到捕集器24的浓空燃比的排气气体从捕集器24流出之前稀空燃比的排气气体流入捕集器24那样的时间以下。优选，二次空气的供给切换周期被设定为在流入到捕集器24的浓空燃比的排气气体在捕集器24的排气流动方向上到达中央之前稀空燃比的排气气体流入捕集器24那样的时间以下。
同样地，二次空气的供给切换周期被设定为在流入到捕集器24的稀空燃比的排气气体从捕集器24流出之前浓空燃比的排气气体流入捕集器24那样的时间以下。优选，二次空气的供给切换周期被设定为在流入到捕集器24的浓空燃比的排气气体在捕集器24的排气流动方向上到达中央之前浓空燃比的排气气体流入捕集器24那样的时间以下。具体而言，二次空气的供给切换周期被设为例如10Hz左右。
像这样从二次空气供给装置25供给二次空气的结果是，向捕集器24流入的排气气体的空燃比如图4所示那样在浓空燃比与比理论空燃比稀的空燃比(以下，也称为“稀空燃比”)之间交替地变化。尤其是，在本实施方式中，以使得向捕集器24流入的排气气体的空燃比最浓时的浓程度(例如，时刻t0、t2、t4等时刻下的浓程度)与向捕集器24流入的排气气体的空燃比最稀时的稀程度(例如，时刻t1、t3、t5等时刻下的稀程度)相等的方式间歇地供给二次空气。
结果，在本实施方式中，向捕集器24流入的排气气体的一定程度的时间中的时间平均空燃比大致成为理论空燃比。即，在本实施方式中，向捕集器24流入的排气气体的空燃比在浓空燃比与稀空燃比之间交替地变化的多个循环中的平均空燃比大致成为理论空燃比。
图3(A)示出了在没有从二次空气供给装置25供给二次空气的情况下在排气净化装置中发生的反应。根据图3(A)可知，从内燃机主体1排出的排气气体中包含的未燃HC、CO向捕集器24流入，并且在排气净化催化剂20中生成的氨向捕集器24流入。
另一方面，图3(B)示出了在从二次空气供给装置25供给二次空气的情况下在排气净化装置中发生的反应。在比设置有二次空气供给装置25的区域靠上游侧处，发生与没有导入二次空气的情况同样的反应。因此，向捕集器24流入的排气气体包含未燃HC、CO及氨。此外，在供给二次空气的情况下，向捕集器24流入的排气气体包含从二次空气供给装置25供给的空气，尤其是氧。
在此时捕集器24的温度为活性温度(例如，300℃)以上的情况下，在担载催化剂贵金属的捕集器24上，通过如下述式(5)所示的反应，由氨和氧生成NO2。
4NH3+5O2→4NO2+6H2O…(5)
这样生成的NO2与堆积于捕集器24上的PM的反应性比氧高。因此，若捕集器24的温度为300℃左右，则NO2通过如下述式(6)、(7)所示的反应将PM(碳C为主成分)氧化除去。而且，若捕集器24的温度为550℃左右以上，则排气气体中的氧通过如下述式(8)、(9)所示的反应也将PM氧化除去。
2NO2+2C→2CO2+N2…(6)
NO2+C→CO+NO…(7)
O2+C→CO2…(8)
O2+2C→2CO…(9)
另外，在供给二次空气的情况下，从排气净化催化剂20排出的排气气体包含的未燃HC及CO与所供给的氧在捕集器24上发生反应，未燃HC及CO被净化。同样地，在上述式(7)及式(9)中生成的CO也与所供给的氧发生反应而被净化。
在此，如参照图2所说明的那样，在捕集器24中，排气气体通过薄壁的分隔壁64而流动。另外，在本实施方式中，向捕集器24流入的排气气体的空燃比以比较快的周期在浓空燃比与稀空燃比之间交替地变化。结果，即使在捕集器24的入口处浓空燃比的排气气体与稀空燃比的排气气体交替地流入，在捕集器24的出口处这些排气气体也会混合。
如上所述，在没有供给二次空气时，包含未燃HC、CO及氨的排气气体向捕集器24的下游侧部分流入。另一方面，在供给二次空气时，包含氧的排气气体向捕集器24的下游侧部分流入。并且，这些排气气体在捕集器24的下游侧部分处混合，因此未燃HC、CO及氨与氧发生反应。结果，未燃HC、CO及氨被净化。
以上，在本实施方式中，在供给二次空气时，由于包含大量NO2的排气气体向捕集器24流入，所以能够促进堆积于捕集器24上的PM的除去。而且，在本实施方式中，由于浓空燃比和稀空燃比的排气气体以快的周期交替地向捕集器24流入，所以能够净化排气气体中的未燃HC、CO、NO等，由此能够抑制排气排放的恶化。
综上，在本实施方式中，在排气净化催化剂20的温度处于活性温度以上的预定的温度范围内且从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比为浓空燃比时，从二次空气供给装置25以使二次空气(氧)周期性地增减的方式向排气气体中供给二次空气(氧)，以使得向捕集器24流入的排气气体的空燃比在浓空燃比与稀空燃比之间交替地变化。并且，根据本实施方式，通过这样控制来自二次空气供给装置25的二次空气的供给，从而能够促进堆积于捕集器24上的PM的除去，并且能够抑制排气排放的恶化。
《堆积量的推定》
当捕集器24上的PM的堆积量成为预先设定了的预定的界限堆积量以上时开始捕集器再生处理。另外，当捕集器24上的PM的堆积量成为预先设定了的预定的再生结束量(比界限堆积量少)以下时结束捕集器再生处理。因此，为了在合适的时期进行捕集器再生处理的开始及结束，需要准确地推定捕集器24上的PM的堆积量。因此，在本实施方式中，根据以下的原理，基于在捕集器24的下游侧配置的NOx传感器49的输出，来推定捕集器24上的PM的堆积量。
图5是概略地示出在对捕集器24上的PM的堆积量进行推定时在排气净化装置中发生的反应的图。图5(A)表示捕集器24上的PM的堆积量多的情况，图5(B)表示捕集器24上的PM的堆积量少的情况。
在推定捕集器24上的PM的堆积量时，优选，向捕集器24流入的排气气体的预定时间中的时间平均空燃比大致维持为理论空燃比。以下，以向捕集器24流入的排气气体的空燃比维持为理论空燃比的情况为例进行说明。
在推定PM的堆积量时，与捕集器再生处理同样，首先，使排气净化催化剂20的温度上升至其活性温度以上，同样地，也使捕集器24的温度上升至其活性温度以上。具体而言，排气净化催化剂20及捕集器24的温度被设为300℃以上且700℃以下，优选设为400℃以上且600℃以下。
而且，在推定PM的堆积量时，与捕集器再生处理同样，控制来自燃料喷射阀11的燃料喷射量以使得从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比成为浓空燃比。结果，如上所述，从排气净化催化剂20流出包含氨的排气气体。
而且，在本实施方式中，在推定PM的堆积量时，从二次空气供给装置25持续地供给二次空气。尤其是，在本实施方式中，以使得向捕集器24流入的排气气体的空燃比成为理论空燃比的方式从二次空气供给装置25持续地供给二次空气。结果，向捕集器24流入的是理论空燃比的排气气体。
然而，如上所述，从排气净化催化剂20流入包含氨的排气气体。而且，从排气净化催化剂20流出浓空燃比的排气气体。因此，在向捕集器24流入的排气气体中，除从二次空气供给装置25供给的空气中的氧以外，还包括从排气净化催化剂20流出的排气气体中的氨、未燃HC及CO。
如图5所示，流入到捕集器24的排气气体中的氧与未燃HC及CO发生反应，生成水和CO2。而且，如图5(A)所示，在捕集器24上的PM的堆积量多时，与排气气体中的氨相比，流入到捕集器24的排气气体中的氧与捕集器24上的PM(碳C为主成分)优先发生反应。结果，流入到捕集器24的排气气体中的氨容易不在捕集器24上与氧发生反应而原样地从捕集器24流出。
另一方面，如图5(B)所示，在捕集器24上的PM的堆积量少时，流入到捕集器24的排气气体中的氧优先与排气气体中的氨发生反应，通过如上述式(5)所示的反应而生成NO2。像这样生成了的NO2与PM的反应性比氧与PM的反应性高，因此通过如上述式(6)所示的反应变换成CO2及N2。结果，流入到捕集器24的排气气体中的氨变换为N2，所以难以从捕集器24流出。
图6是从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比、来自二次空气供给装置25的二次空气的供给量、向捕集器24流入的排气气体的空燃比、以及从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度的时间图。此外，图中的实线表示捕集器24上的PM的堆积量多的情况，图中的虚线表示捕集器24上的PM的堆积量少的情况。
在图6所示的例子中，在时刻t1开始PM堆积量的推定处理，使从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比成为浓空燃比。在本实施方式中，与此同时，从二次空气供给装置25供给二次空气。此时的二次空气以使得向捕集器24流入的排气气体的空燃比成为理论空燃比的方式被供给。因此，向捕集器24流入的排气气体的空燃比在时刻t1以后也被维持为理论空燃比。
当捕集器24的PM的堆积量多时(图中的实线)，在时刻t1以后从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度变高。另一方面，当捕集器24的PM的堆积量少时(图中的虚线)，在时刻t1以后从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度变低。即，从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度根据捕集器24上的PM的堆积量而发生变化，PM的堆积量越多则从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度越高。因此，通过对时刻t1以后的预定的时期或预定的期间的排气气体中的氨浓度进行检测来推定捕集器24上的PM的堆积量。
在本实施方式中，由NOx传感器49检测从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度。排气气体中的NOx的浓度越高则NOx传感器49的输出值越高。而且，NOx传感器49构成为，其输出根据排气气体中的氨浓度而发生变化，尤其构成为排气气体中的氨浓度越高则其输出值越高。
另外，当捕集器24上的PM的堆积量少时，虽然由氨生成NO2，但生成了的NO2与捕集器24上的PM发生反应。因此，此时，NO2不从捕集器24流出，所以，NOx传感器49的输出基本上根据从捕集器24流出的氨的浓度而发生变化。
以上，根据本实施方式，在排气净化催化剂20的温度处于活性温度以上的预定的温度范围内且从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比为浓空燃比的情况下，基于从二次空气供给装置25向捕集器持续地供给氧时的NOx传感器49的输出来推定捕集器24上的PM的堆积量。换言之，根据本实施方式，在从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比为浓空燃比时在排气净化催化剂20中生成氢或氨的条件下，基于从二次空气供给装置25向捕集器持续地供给氧时的NOx传感器的输出来推定捕集器24上的PM的堆积量。尤其是，NOx传感器49的输出值越高，则推定为捕集器24上的PM的堆积量越多。
另外，也可以在使向捕集器24流入的排气气体的空燃比在浓空燃比与稀空燃比之间交替地变化的情况下推定捕集器24的PM的堆积量。以下，参照图7，对这样的情况下的PM的堆积量的推定方法进行说明。图7是从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比等的、与图6同样的时间图。与图6同样，图中的实线表示捕集器24上的PM的堆积量多的情况，图中的虚线表示捕集器24上的PM的堆积量少的情况。
在图7所示的例子中，在时刻t1开始PM堆积量的推定处理，从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比被维持为浓空燃比。而且，在本实施方式中，从二次空气供给装置25断续地供给二次空气。结果，向捕集器24流入的排气气体的空燃比在浓空燃比与稀空燃比之间交替地变化。
在图7所示的例子中，在时刻t1、t3、t5开始二次空气的供给，在时刻t2、t4、t6停止二次空气的供给。结果，在时刻t2、t4、t6向捕集器24流入的排气气体的空燃比的稀程度最大，在时刻t3、t5、t7向捕集器24流入的排气气体的空燃比的浓程度最大。此外，在本实施方式中，二次空气以使得向捕集器24流入的排气气体的数循环中的时间平均空燃比成为理论空燃比的方式被供给。
在此，如上所述，交替地流入到捕集器24的浓空燃比的排气气体和稀空燃比的排气气体在捕集器24内一定程度地混合。因此，在捕集器24内，流入到捕集器24的浓空燃比的排气气体中也包含一定程度的氧，并且，在捕集器24内，流入到捕集器24的稀空燃比的排气气体中也包含一定程度的氨。
因此，即使在流入到捕集器24的排气气体的空燃比为浓空燃比的情况下，当捕集器24上的PM的堆积量多时，排气气体中的氧也与PM发生反应。另一方面，当捕集器24上的PM的堆积量少时，排气气体中的氧与氨发生反应而生成NO2，所生成的NO2与PM发生反应。因此，在流入到捕集器24的排气气体的空燃比为浓空燃比的情况下，从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度根据捕集器24上的PM的堆积量而发生变化。因此，能够通过对流入到捕集器24的排气气体的空燃比为浓空燃比时的排气气体中的氨浓度进行检测，来推定捕集器24上的PM的堆积量。
另一方面，在流入到捕集器24的排气气体的空燃比为稀空燃比的情况下，从排气净化催化剂20流出的排气气体中包含的NO(由于浓空燃比的排气气体向排气净化催化剂20流入，因此从排气净化催化剂20仅排出少量的NO)没有在捕集器24被净化。结果，从捕集器24流出NOx，NOx传感器49的输出值变大。
以上，根据本实施方式，在排气净化催化剂20的温度处于活性温度以上的预定的温度范围内且从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比为浓空燃比的情况下，基于从二次空气供给装置25向捕集器24断续地供给氧时的NOx传感器49的输出来推定捕集器24上的PM的堆积量。换言之，根据本实施方式，在从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比为浓空燃比时在排气净化催化剂20中生成氢或氨的条件下，基于从二次空气供给装置25向捕集器24断续地供给氧时的NOx传感器49的输出来推定捕集器24上的PM的堆积量。尤其是，NOx传感器49的输出值越高，则推定为捕集器24上的PM的堆积量越多。
如上所述，在从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比为浓空燃比且向排气气体中供给二次空气的情况下，当捕集器24上的PM的堆积量发生变化时，与此相伴地，从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度发生变化。根据本实施方式，在该情况下对从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度进行检测，并基于此来推定PM的堆积量。因此，根据本实施方式，能够通过与以往不同的方法来推定捕集器24上的PM的堆积量。
此外，在上述实施方式中，在捕集器24的排气流动方向下游侧设置有NOx传感器。然而，只要是其输出根据排气气体中的氨的浓度而发生变化那样的检测装置即可，也可以使用氨传感器等其他检测装置。
尤其是，作为这样的传感器，优选使用输出值根据氨的浓度而发生变化、且输出值不根据NOx的浓度而发生变化的氨传感器。从内燃机主体1排出的排气气体中包含的NOx基本上在排气净化催化剂20、捕集器24被净化，但在一部分NOx没有被净化而是残留下来的情况下，若通过NOx传感器检测氨浓度，则残留的NOx会对NOx传感器的输出值造成影响。结果，在氨浓度的推定上产生误差。与此相对，若替代NOx传感器49而使用氨传感器，则能够排除排气气体中的NOx的影响，由此能够更准确地推定PM的堆积量。
《具体的控制》
接着，参照图8，对本实施方式的堆积量推定处理中的具体的控制进行说明。图8是示出本实施方式的堆积量推定处理的控制例程的流程图。图示的控制例程每隔一定的时间间隔便进行。
首先，在步骤S11中，判定推定标志是否为激活(ON)。推定标志是在进行捕集器24的堆积量推定处理的情况下被设定为激活、且在其他情况下被设定为非激活的标志。在步骤S11中判定为推定标志为非激活(OFF)的情况下，进入步骤S12。
在步骤S12中，对捕集器24的堆积量推定处理的执行条件是否成立进行判定。堆积量推定处理的执行条件例如每当内燃机的运转时间经过预定运转时间时成立。或者，堆积量推定处理的执行条件例如每当搭载了内燃机的车辆的行驶距离达到一定距离时成立。由此，捕集器24的堆积量推定处理按一定运转时间间隔、一定行驶距离间隔执行。
另外，也可以通过压差传感器48来推定捕集器24上的PM的堆积量，但基于压差传感器48的堆积量的推定精度不怎么高。因此，也可以在由压差传感器48检测出的压差高到一定程度时，进行本实施方式的堆积量推定处理。在该情况下，堆积量推定处理的执行条件在由压差传感器48检测到的捕集器24的前后压差比预定的界限压差大的情况下成立。
在步骤S12中判定为堆积量推定处理的执行条件不成立的情况下，使控制例程结束。另一方面，在步骤S12中判定为堆积量推定处理的执行条件成立的情况下，进入步骤S13。在步骤S13中，将推定标志设定为激活，使控制例程结束。
当推定标志被设定为激活时，在下一控制例程中从步骤S11进入步骤S14。在步骤S14中，对排气净化催化剂20及捕集器24的温度Tc是否为活性温度Tact(例如300℃)以上进行判定。排气净化催化剂20及捕集器24的温度分别由催化剂温度传感器46及捕集器温度传感器47检测。
如上所述，在排气净化催化剂20的温度Tc低于活性温度Tact的情况下，无法在排气净化催化剂20中生成氢和氨。另外，在捕集器24的温度低于活性温度Tact的情况下，氨、PM与氧的反应几乎不发生。因此，在步骤S14中判定为排气净化催化剂20及捕集器24的温度低于活性温度Tact的情况下，进入步骤S15，进行排气净化催化剂20及捕集器24的升温处理。
作为步骤S15中的排气净化催化剂20的升温处理，例如可举出如下的抖动控制的例子：在多个汽缸中的一部分汽缸中将向燃烧室5供给的混合气的空燃比设定为浓空燃比，在其余的汽缸中将向燃烧室5供给的混合气的空燃比设定为稀空燃比。在进行了抖动控制的情况下，从浓空燃比的汽缸排出的包含未燃HC和CO的排气气体、与从稀空燃比的汽缸排出的包含大量氧的排气气体混合，并在排气净化催化剂20上发生反应。因此，通过此时的反应热使排气净化催化剂20升温，另外，通过此时传递给排气气体的热使捕集器24升温。此外，在排气净化催化剂20及捕集器24的升温处理中，可以替代抖动控制而使用抖动控制以外的现有的升温控制。
当通过排气净化催化剂20及捕集器24的升温处理而排气净化催化剂20及捕集器24的温度Tc上升为活性温度Tact以上时，在下一控制例程中，从步骤S14进入步骤S16。在步骤S16中，进行控制来自燃料喷射阀11的燃料喷射量的浓空燃比控制，以使得从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比成为浓空燃比。此时的目标空燃比例如被设为13.6。
接着，在步骤S17中，通过二次空气供给装置25持续地供给二次空气。二次空气的供给量被设定为使得向捕集器24流入的排气气体的空燃比成为理论空燃比。
接着，在步骤S18中，对推定条件是否成立进行判定。推定条件例如在从以使得从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比成为浓空燃比的方式从燃料喷射阀11开始进行燃料喷射起的时间或排气气体的流量成为预定的第1预定值以上、且从开始进行二次空气的供给起的时间或排气气体的流量成为预定的第2预定值以上时成立。由此，在向捕集器24流入的排气气体稳定且成为理论空燃比之后进行推定。
在步骤S18中判定为推定条件不成立的情况下使控制例程结束。另一方面，在步骤S18中判定为推定条件成立的情况下，进入步骤S19。在步骤S19中，从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度由NOx传感器49检测。接着，在步骤S20中，基于在步骤S19中推定出的氨浓度来推定捕集器24上的PM的堆积量。此外，在本实施方式中，基于NOx传感器49的一次检测值来推定PM的堆积量。然而，也可以基于数次检测值的平均值来推定PM的堆积量。接着，在步骤S21中，将推定标志设定为非激活。
接着，在步骤S22中，对在步骤S20中推定出的PM的堆积量Dpm是否为上述的界限堆积量Dmax以上进行判定。在推定为PM的堆积量Dpm小于界限堆积量Dmax的情况下，进入步骤S23。在步骤S23中，停止浓空燃比控制，将从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比设定为通常运转时的空燃比(例如，维持在理论空燃比附近)。接着，在步骤S24中，使来自二次空气供给装置25的二次空气的供给停止，使控制例程结束。
另一方面，在步骤S22中判定为PM的堆积量Dpm为界限堆积量Dmax以上的情况下，进入步骤S25，将再生标志设定为激活，使控制例程结束。再生标志是在进行捕集器再生的情况下被设定为激活、且在其他情况下被设定为非激活的标志。
接着，参照图9，对本实施方式的捕集器再生处理的具体的控制进行说明。图9是示出本实施方式的捕集器再生处理的控制例程的流程图。图示的控制例程每隔一定时间间隔便执行。
首先，在步骤S31中，对再生标志是否为激活进行判定。再生标志在图8的步骤S25中被设定为激活。在步骤S31中判定为再生标志被设定为非激活的情况下，使控制例程结束。另一方面，在判定为再生标志被设定为激活的情况下，进入步骤S32。
在步骤S32中，对排气净化催化剂20及捕集器24的温度Tc是否为活性温度Tact(例如300℃)以上进行判定。在步骤S32中判定为排气净化催化剂20及捕集器24的温度低于活性温度Tact的情况下，进入步骤S33，与图8的步骤S15同样地进行排气净化催化剂20及捕集器24的升温处理。另一方面，在步骤S32中判定为排气净化催化剂20及捕集器24的温度为活性温度Tact以上的情况下，进入步骤S34。
在步骤S34中，对用于推定捕集器24上的PM的堆积量的推定条件是否成立进行判定。步骤S34中的推定条件例如在向捕集器24流入的排气气体的空燃比成为理论空燃比或浓空燃比时成立，在成为稀空燃比时不成立。由此，仅在能够基于NOx传感器49的输出来推定PM的堆积量的情况下推定条件成立。
在步骤S34中判定为推定条件不成立的情况下，跳过步骤S35～S37。另一方面，在步骤S34中判定为推定条件成立的情况下，进入步骤S35。在步骤S35中，与步骤S19同样，从捕集器24流出的排气气体中的氨浓度由NOx传感器49检测。接着，在步骤S36中，与步骤S20同样，基于在步骤S35中推定出的氨浓度来推定捕集器24上的PM的堆积量。
接着，在步骤S37中，对在步骤S36中推定出的PM的堆积量Dpm是否比再生结束量Dmin多进行判定。再生结束量Dmin是接近零的预先设定了的恒定值。
在步骤S37中判定为PM的堆积量Dpm比再生结束量Dmin多的情况下，进入步骤S38。在步骤S38中，进行浓空燃比控制以使得从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比成为浓空燃比。接着，在步骤S39中，通过二次空气供给装置25断续地供给二次空气。二次空气的供给周期及供给量被设定为，以使得向捕集器24流入的排气气体的空燃比如图7所示那样变动。
之后，当PM的堆积量Dpm减少而成为再生结束量Dmin以下时，在下一控制例程中从步骤S37进入步骤S40。在步骤S40中，停止浓空燃比控制，将从内燃机主体1排出的排气气体的空燃比设定为通常运转时的空燃比(例如，维持在理论空燃比附近)。接着，在步骤S41中，使来自二次空气供给装置25的二次空气的供给停止。接着，在步骤S42中，将再生标志设定为非激活，使控制例程结束。
<第二实施方式>
接着，参照图10和图11，对第二实施方式的内燃机的排气净化装置进行说明。第二实施方式的排气净化装置的构成及控制基本上与第一实施方式的排气净化装置的构成及控制同样。因此，以下，以与第一实施方式的排气净化装置的构成及控制不同的部分为中心进行说明。
在上述第一实施方式中，在搭载了内燃机的车辆的运转过程中进行捕集器再生处理。然而，捕集器再生处理也可以在修配厂等进行。在该情况下，在车辆设置有向驾驶员进行需要捕集器再生处理的意思的警告的警告灯(未图示)，该警告灯经由驱动电路45连接于ECU31的输出端口。警告灯在对捕集器24上的PM的堆积量进行检测且检测到的堆积量为界限堆积量以上的情况下点亮。
在该情况下，若在排气管22设置有用于安装二次空气供给装置的开口(未图示)，则内燃机的排气净化装置也可以不具备二次空气供给装置25。在进行捕集器再生处理时，在修配厂将安装于排气管22的开口的罩卸下，并且在该开口安装二次空气供给装置，将该二次空气供给装置连接于ECU的输出端口。之后，进行捕集器再生处理。
图10是示出第二实施方式的堆积量推定处理的控制例程的流程图。图示的控制例程每隔一定的时间间隔便进行。图10的步骤S51～S64与图8的步骤S11～S24同样，所以省略说明。
在步骤S62中判定为PM的堆积量Dpm为界限堆积量Dmax以上的情况下，进入步骤S65。在步骤S65中，使表示需要捕集器24的再生处理的警告灯点亮，使控制例程结束。
图11是示出第二实施方式的捕集器再生处理的控制例程的流程图。图示的控制例程例如在修配厂中向排气管22的开口安装了二次空气供给装置25之后，每隔一定的时间间隔便执行。
首先，在步骤S71中，对排气净化催化剂20的温度Tc是否为活性温度Tact以上进行判定，在低于活性温度Tact的情况下，进入步骤S72，进行排气净化催化剂20及捕集器24的升温处理。排气净化催化剂20及捕集器24的升温处理既可以与图8的步骤S15同样地进行，例如也可以通过在排气净化催化剂20及捕集器24的周围安装电加热器并向该电加热器供给电力来进行。
之后，当排气净化催化剂20及捕集器24的温度Tc上升至活性温度Tact以上时，在下一控制例程中，从步骤S71进入步骤S73。步骤S73～S80基本上与图9的步骤S34～S41同样，所以省略说明。

Claims (8)

1.一种内燃机的排气净化装置，具备：
配置于内燃机的排气通路内的具有催化剂功能的排气净化催化剂；在比该排气净化催化剂靠排气流动方向下游侧处配置于所述排气通路内的颗粒捕集器；在比所述排气净化催化剂靠排气流动方向下游侧处对向所述颗粒捕集器流入的排气气体中供给包含氧的气体的氧供给装置；检测装置，其输出根据从所述颗粒捕集器流出的排气气体中的氨的浓度而发生变化；以及对所述氧供给装置进行控制并且对所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量进行推定的控制装置，
所述控制装置，在所述排气净化催化剂的温度处于活性温度以上的预定的温度范围内、且从所述内燃机的主体排出的排气气体的空燃比为比理论空燃比浓的浓空燃比的情况下，以使得从所述氧供给装置向所述颗粒捕集器持续或断续地供给氧的方式控制所述氧供给装置，并且基于供给氧时的所述检测装置的输出来推定所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，
所述预定的温度范围为400℃以上且600℃以下。
3.一种内燃机的排气净化装置，具备：
配置于内燃机的排气通路内的具有催化剂功能的排气净化催化剂；在比该排气净化催化剂靠排气流动方向下游侧处配置于所述排气通路内的颗粒捕集器；在比所述排气净化催化剂靠排气流动方向下游侧处对向所述颗粒捕集器流入的排气气体中供给包含氧的气体的氧供给装置；检测装置，其输出根据从所述颗粒捕集器流出的排气气体中的氨的浓度而发生变化；以及对所述氧供给装置进行控制并且对所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量进行推定的控制装置，
所述控制装置，在从所述内燃机的主体排出的排气气体的空燃比为比理论空燃比浓的浓空燃比时在所述排气净化催化剂中生成氢或氨的条件下，以使得从所述氧供给装置向所述颗粒捕集器持续或断续地供给氧的方式控制所述氧供给装置，并且基于供给氧时的所述检测装置的输出来推定所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机的排气净化装置，
所述控制装置，在推定所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量时，以使得向所述颗粒捕集器流入的排气气体的时间平均空燃比成为理论空燃比的方式使所述氧供给装置供给空气。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机的排气净化装置，
所述控制装置，在推定所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量时，以使得向所述颗粒捕集器流入的排气气体的空燃比持续地成为理论空燃比的方式持续地从所述氧供给装置供给氧。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机的排气净化装置，
所述控制装置，在推定所述颗粒捕集器上的粒子状物质的堆积量时，以使得向所述颗粒捕集器流入的排气气体的空燃比在浓空燃比与比理论空燃比稀的稀空燃比之间交替地变化且向所述颗粒捕集器流入的排气气体的时间平均空燃比成为理论空燃比的方式从所述氧供给装置向排气气体中供给空气。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机的排气净化装置，
所述检测装置是对所述排气气体中的NOx进行检测的NOx传感器，该NOx传感器构成为，其输出除根据排气气体中的NOx的浓度发生变化以外还根据氨的浓度发生变化。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机的排气净化装置，
所述控制装置，在粒子状物质向所述颗粒捕集器的堆积量为预先设定了的量以上时，执行将堆积于所述颗粒捕集器的粒子状物质除去的捕集器再生处理。
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