CN1502794A - 内燃机的排气净化装置及排气净化方法 - Google Patents

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Abstract

排气净化装置(1)在排气通路(3)中具备有微粒过滤器(4)、氧化催化剂(5)、前氧化催化剂(7)、旁路通路(8)、和流路切换装置(9)。前氧化催化剂(7)设置在氧化催化剂(5)的上游侧。旁路通路(8)使前氧化催化剂(7)的上游和下游成为旁路。流路切换装置(9)把排气(E)流切换至前氧化催化剂(7)侧或者旁路通路(8)侧。过滤器(4)强制再生时，排气(E)被升温，通过前氧化催化剂(7)。氧化催化剂(5)活化后，通过流路切换装置(9)排气(E)被切换流向，通过旁路通路(8)。

Description

内燃机的排气净化装置及排气净化方法
技术领域
本发明涉及一种具备用于捕集从内燃机排出的微粒的过滤器及用于恢复该过滤器功能的再生装置的内燃机的排气净化装置、以及排气净化方法。
背景技术
作为内燃机的一例，有柴油发动机(diesel engine)。在柴油发动机的排气通路具备排气净化装置。该排气净化装置具备有微粒过滤器(DPF：Diesel Particulates filter)。DPF用于捕集排气中所含的黑烟、油烟、HC等所说的微粒(particulates)。再生装置被设置在DPF的上游，用于维持DPF的功能。再生装置具有氧化催化剂，使排气中所含的NO和O2反应生成NO2。生成的NO2与微粒反应。结果，被过滤器捕集的微粒被除去，使DPF再生。
微粒在氛围温度约550℃以上与O2反应，在氛围温度约250℃以上与NO2反应。当发动机维持在一定转数以上连续运转状态时，排气温度保持在250℃以上。在该连续运转状态下，如果通过再生装置供给NO2，PDF可以实现捕集微粒的同时使微粒燃烧，即所谓的连续再生状态。
但是，如果连续轻负载运转，则排气温度低。其结果，设置在PDF上游的氧化催化剂的温度很难维持在活化温度，因此出现DPF的再生变得不充分的情况。排气净化装置如果再生功能低，则DPF成为过剩捕集的状态，由于微粒而引起堵塞。其结果，排气压力增大，使发动机的行驶里程及动力性能下降。
其中，通过控制发动机的运转状态，使NO的排出量增加从而增加NO2的量，并且使排气的温度上升从而促进NO2和微粒的反应的再生装置在特开2001-115822号公报上被公开。该再生装置，通过排气传感器(exhaust gas sensor)、发动机旋转传感器、发动机负载传感器、发动机可动定时器、吸气量传感器、NOx传感器、O2传感器、排气温度传感器中的任何一个，估计被DPF捕集的微粒的堆积量。然后，再生装置对燃料喷射装置的燃料喷射时期及喷射量、EGR(Exhaust GusRe-circulation)装置的EGR阀的开启度、涡轮增压器的吸气量、设置在各汽缸上的吸气阀及排气阀的开闭时期及上升(lift)量、设置在吸气通路上的吸气节流阀的开启度中的任何一项进行控制。
此外，具备用于将燃料喷射到PDF上游的燃料喷射装置的排气微粒净化装置在特开平7-259533号公报上被公开。该排气微粒净化装置具备催化剂被覆盖(coated)的过滤器(filter)、检测该过滤器温度的温度传感器、和根据温度传感器的温度信号将燃料喷射到过滤器上游的燃料喷射装置。排气微粒净化装置根据温度传感器所检测的温度来判断过滤器的再生时期，控制燃料的喷射时期及喷射量。此外，该排气微粒净化装置在膨胀冲程中，将燃料追加喷射到汽缸(cylinder)内、使汽缸内残留的剩余空气的氧和燃料反应，使排气的温度上升。温度上升了的排出气体使附着催化剂的过滤器升温到催化剂的活化温度。然后，被升温的催化剂使追加喷射的燃料氧化。被过滤器捕集的微粒利用燃料被氧化时的反应热进行燃烧。当过滤器的温度成为微粒的点火温度以上的状态，超过规定时间时，从膨胀冲程到排气冲程之间的燃料喷射停止，过滤器的再生结束。
然而，为了过滤器的再生，通过使发动机的负载变动从而使排气升温到氧化催化剂变为活化的温度，即实施所谓的强制再生的情况，与通常运转条件的排气相比，排气中包含较多的微粒。然后，在直到达到氧化催化剂活化温度之间产生的微粒附着在氧化催化剂上。如果反复进行强制再生，那么氧化催化剂逐渐被微粒覆盖，从而变得不能充分发挥其功能。其结果，排气净化装置中过滤器的连续再生功能下降。
人们期望有一种既能维持用于捕集内燃机排气中包含的微粒的过滤器的连续再生功能又能提高强制再生功能的内燃机的排气净化装置。
发明内容
本发明涉及的内燃机的排气净化装置具备有微粒过滤器、氧化催化剂和强制再生控制装置。微粒过滤器设置在内燃机的排气通路上，用于捕集排气中的微粒。氧化催化剂设置在排气通路中微粒过滤器的上游侧。强制再生控制装置，当微粒过滤器强制再生时，在实行了通过使内燃机的排气温度上升，从而使氧化催化剂变活化的催化剂升温控制以后，实行通过向所述氧化催化剂供给未燃烧燃料，从而使所述过滤器升温的过滤器升温控制。
排气净化装置还具备有前(front)氧化催化剂、旁路(bypass)通路和流路切换装置。前氧化催化剂设置在排气通路中所述氧化催化剂的上游侧。旁路通路设置在所述排气通路中使所述前氧化催化剂成为旁通状态。流路切换装置，用于把排气流向所述前氧化催化剂侧或者旁路通路侧切换。当实行所述催化剂升温控制时，所述流路把装置切换排气流切换至所述前氧化催化剂侧，当实行所述过滤器升温控制时，所述流路把装置切换排气流切换至所述旁路通路侧。
过滤器强制再生的时，当实行催化剂升温控制时，流路切换装置把排气流切换至前氧化催化剂侧。与氧化催化剂相比位于上游侧的前氧化催化剂在短时间升温，并且通过催化剂反应的热量，促进流向下游的氧化催化剂的排气温度的上升。氧化催化剂被高效活化的同时，从发动机排出的油烟，通过伴随发动机排气温度的上升而变成较高温度的前氧化催化剂而氧化燃烧。因此，可以防止油烟附着于氧化催化剂的同时，可以利用油烟燃烧产生的热量更促进氧化催化剂的活化。
然后，执行过滤器升温控制时，流路切换装置把排气流切换至旁路通路侧。因此，排气净化装置可以使未燃烧燃料借助于氧化催化剂确实燃烧，可以使过滤器高效地升温从而高效地再生。
作为优选的实施方式，可以使前氧化催化剂比下游的氧化催化剂容量小。在这种情况下，前氧化催化剂容量越小，当实行催化剂升温控制时，前氧化催化剂升温到充分的温度的时间越被缩短。
此外，作为优选实施方向的流路切换装置，为了防止通常运转时内燃机的排压上升，在催化剂升温控制以外时，切换流向，排气流向旁路通路侧。为了高效实施过滤器的强制再生，也可以在氧化催化剂和过滤器之间设置温度检测器。优选的是通过该温度检测器，检测过滤器的入口的温度，根据检测的温度，由强制再生控制装置使流路切换装置动作。此外，为了使排气的流量和压力不发生变化，优选考虑压损后，决定前氧化催化剂的流路截面积和旁路通路的流路截面积。在流路切换装置中分别在前氧化催化剂侧和旁路通路侧具备阀，可以各自独立开闭。
根据本发明涉及的内燃机的排气净化方法，使用上述的排气净化装置，具有当实行催化剂升温控制时，流路切换装置把排气流切换至前氧化催化剂侧的步骤；当实行过滤器升温控制时，流路切换装置把排气流切换至旁路通路侧的步骤。此外，也可以具有在催化剂升温控制以外时，流路切换装置把排气流切换至旁路通路侧的步骤。
附图说明
本说明书附加的图是用于说明本发明的优选实施例的图。
图1是表示本发明涉及的第1实施例的排气净化装置的图。
图2是表示图1的排气净化装置在催化剂升温控制时的状态的图。
图3是表示图1的排气净化装置的再生周期的流程图。
图4是表示图1的排气净化装置的再生周期的时序图。
具体实施方式
参照图1至图4说明本发明涉及的一个实施方式的排气净化装置1。如图1所示的排气净化装置1设置在内燃机中，具体而言是柴油发动机2的排气通路3中。排气净化装置1具备有过滤器4、氧化催化剂5、温度检测器6、前氧化催化剂7、旁路通路8、流路切换装置9和控制装置10。
过滤器4用于捕集从发动机2排出的排气E中所含的黑烟、油烟、HC等微粒。氧化催化剂5设置在过滤器4的上游侧，通过催化剂反应使排气E中所含的NO和O2的氧化反应活化。由此生成NO2。
温度检测器6设置在过滤器4的上游侧并在氧化催化剂5的下游侧，用于检测过滤器4的入口的排气温度K。该温度检测器6，具体而言，是测温电阻体、热敏电阻或者将热电偶插入不锈钢外壳的屏蔽式热电偶等可以将温度变化作为电的变化量输出的装置。此外，温度检测器6也可以是设定为按照预先设定的温度条件输出信号的双金属元件。
前氧化催化剂7在排气通路3中氧化催化剂5的上游，设置排气歧管和排气管的连接部或者排气歧管的内部等接近发动机2的位置。前氧化催化剂7是具有同等或强于氧化催化剂5的氧化力的催化剂，比氧化催化剂5容积小。旁路通路8连通在前氧化催化剂7的上游侧的排气通路3和与在前氧化催化剂7的下游侧而在氧化催化剂5的上游侧的排气通路3。
流路切换装置9设置在排气通路3和旁路通路8的分支部。流路切换装置9具备催化剂侧阀A和旁路通路侧阀B。催化剂侧阀A用于遮断通过前氧化催化剂7的路径。旁路通路侧阀B用于遮断通过旁路通路8的路径。各自的阀A、B例如是蝶形阀，分别独立动作。此外，流路切换装置9也可以是通过滑阀等，使前氧化催化剂7侧和旁路通路8侧中的任一个与排气通路3连通的切换阀。
控制装置10作为强制再生控制装置的一例，实行催化剂升温控制和过滤器升温控制。在催化剂升温控制中，控制装置10使流路切换装置9动作，使排气通路3与前氧化催化剂7侧连通。换言之，如图2所示催化剂侧阀A开启，旁路通路侧阀B关闭。由此，排气E通过前氧化催化剂7送向氧化催化剂5。在过滤器升温控制中，控制装置10使流路切换装置9动作，使排气通路3与旁路通路8侧连通。换言之，如图1所示催化剂侧阀A关闭，旁路通路侧阀B开启。
此外，控制装置10内置用于计测时间的定时器，预先设定强制再生时间间隔t1和再生时间t2。强制再生时间间隔t1是预测过滤器4中堆积的微粒量变成饱和状态的时间而预先设定的时间。强制再生时间间隔t1是根据发动机2设置的情况设定的最适当的时间。再生时间t2是向微粒捕集容量呈饱和状态的过滤器4添加未燃烧的燃料，用于该过滤器4再生的必需的时间。控制装置10更进一步设定温度K1、K2。温度K1是氧化催化剂5活化后使未燃烧的燃料氧化的充分的温度。此外，温度K2是过滤器4中捕集的微粒被氧化除去的温度。
如上述结构的排气净化装置1执行图3所示的动作。当发动机2是通常运转状态时(S1)，催化剂侧阀A关闭，旁路通路侧阀B开启。因此，如图1所示，排气E通过旁路通路8流向催化剂5。氧化催化剂5氧化排气E中包含的NO后生成NO2。在温度K超过NO2和微粒的反应温度的情况下，被过滤器4捕集的微粒与NO2反应，从过滤器4除去。
控制装置10通过内置的定时器计测时间t(S2)。当计测时间t经过强制再生时间间隔t1时，为了使过滤器4强制再生，控制装置10开始催化剂升温控制(S3)。控制装置10使流路切换装置9动作，催化剂侧阀A开启，旁路侧阀B关闭(S4)。其结果，如图2所示，排气变成通过前氧化催化剂7。
然后，通过控制从发动机2的燃料喷射喷嘴(未图示)供给燃料的时序等，使排气E的温度上升。前氧化催化剂7设置在排气通路3中靠近发动机2的位置。因此，从发动机2排出的排气E温度没有降低就到达前氧化催化剂7。此外，由于前氧化催化剂7比氧化催化剂5容积小，与氧化催化剂5相比温度可以在短时间内上升。
其结果，由于微粒在前氧化催化剂7中被氧化燃烧，可以防止微粒附着在氧化催化剂5上。此外，通过微粒燃烧，更加使排气E的温度上升。因此，在催化剂升温控制中，通过温度升高的排气E使氧化催化剂5升温。
氧化催化剂5如果达到规定的温度就变活化，活化的氧化催化剂5，通过氧化反应更进一步产生热，温度上升。控制装置10，确认由温度检测器6检测的作为氧化催化剂5温度的温度K达到氧化催化剂5活化后使未燃烧燃料氧化的充分的温度K1(S5)。然后，如果确认温度K与再生温度K1相同或者比它高，控制装置10结束催化剂升温控制(S6)。
然后，控制装置10开始过滤器升温控制(S7)。控制装置10使流路切换装置9动作，催化剂侧阀A关闭，旁路侧阀B开启(S8)。由此，如图1所示，从发动机2排出的排气E通过旁路通路8流向氧化催化剂5。使流路切换装置9动作后，控制装置10，例如实施在排气冲程中从燃料喷射喷嘴(未图示)供给燃料的后(或次)喷射，或者从在氧化催化剂5以前的排气通路3上另外设置的喷嘴供给燃料。由此，实施未燃烧燃料的添加(S9)，使氧化催化剂5的上游中排气E包含有未燃烧燃料。未燃烧燃料在被催化剂升温控制而升温的氧化催化剂5中被燃烧。换言之，温度K1在未燃烧燃料的氧化燃烧温度以上。通过未燃烧燃料的燃烧，过滤器4的入口处排气E的温度上升。如果氛围温度变成约550℃以上，则微粒与O2反应燃烧。因此，如果排气E的温度K上升到微粒被O2氧化的温度K2，即约550℃以上，那么被过滤器4中捕集的微粒与O2反应，而强制燃烧，所以微粒从过滤器中被高效地除去。
控制装置10利用定时器计测由温度检测器6检测的温度K维持在温度K2或者其以上的温度的时间t(S10)。如果计测时间经过再生时间t2，则控制装置10停止添加未燃燃料(S11)。由于再生时间t2设定为是被过滤器4捕集的微粒燃烧完的充分的时间，所以被过滤器4捕集的微粒确实被除去。此外，再生时间t2可以是根据燃烧温度变化的变量。此外，再生时间t2也可以是根据反映速度和排气E中的成分而变化的变量。
控制装置10在停止添加未燃燃料以后，结束过滤器升温控制(S12)。然后，发动机2恢复通常运转状态(S1)。此外，控制装置10再次进行强制再生时间间隔的时间t1的计测(S2)。
此外，开始过滤器4的再生的间隔，也可以由温度检测器6检测的温度K和由定时器计测的强制再生时间间隔的时间t1的信息相结合来决定。此外，在通常运转状态中，排气净化装置1，利用通过氧化催化剂5的排气E变成利用NO2使微粒燃烧的温度以上，使过滤器4连续再生。此外，图4是表示上述一系列控制的时序图。
如上述，排气净化装置1，在氧化催化剂5上游的排气通路3中设置前氧化催化剂7，并且设置连通前氧化催化剂7的上游侧和下游侧的旁路通路8。当过滤器4强制再生时，使发动机2的排气E的温度上升，使流路切换装置9动作，从而使该排气E通过前氧化催化剂7，一边利用前氧化催化剂7氧化排气E中的微粒一边使氧化催化剂5升温。由于前氧化催化剂7设置在靠近发动机2一侧并且与氧化催化剂5相比容积小，所以短时间升温，由于使排气温度上升而产生的微粒，借助于前氧化催化剂7高效的燃烧，因此，不会附着于氧化催化剂5上。此外，借助于前氧化催化剂7的反应热将排气E更进一步升温，因此促进氧化催化剂5的升温。然后，如果氧化催化剂5的温度升温到使未燃燃料氧化的充分的温度，排气通路3从前氧化催化剂7侧切换到旁路通路8侧，更进一步，把未燃燃料供给到氧化催化剂5的上游，由于氧化催化剂5升温到微粒的燃烧温度以上，所以被过滤器4捕集的微粒高效地燃烧而被除去。即，排气净化装置1被高效的再生。

Claims (8)

1.一种内燃机的排气净化装置(1)，具有：
设置在内燃机的排气通路(3)中，用于捕集排气(E)中的微粒的微粒过滤器(4)；
位于该过滤器(4)的上游侧并设置在所述排气通路(3)中的氧化催化剂(5)；和
强制再生控制装置(10)，在所述过滤器(4)强制再生时，使所述内燃机的排气温度上升从而执行使所述氧化催化剂(5)活化的催化剂升温控制(S3-S6)，然后将未燃燃料供给所述氧化催化剂(5)从而执行使所述过滤器(4)升温的过滤器升温控制(S7-S12)，其特征在于：
还具有位于所述氧化催化剂(5)的上游侧并设置在所述排气通路(3)中的前氧化催化剂(7)；
设置在所述排气通路(3)中，使所述前氧化催化剂(7)成为旁路的旁路通路(8)；和
流路切换装置(9)，用于把排气(E)流切换至所述前氧化催化剂(7)或者旁路通路(8)侧，
当实行所述催化剂升温控制时，所述流路切换装置(9)把排气(E)流切换至所述前氧化催化剂(7)侧；当实行所述过滤器升温控制时，所述流路切换装置(9)把排气(E)流切换至所述旁路通路(8)侧。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置(1)，其特征在于：所述前氧化催化剂(7)比所述氧化催化剂(5)的容积小。
3.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置(1)，其特征在于：所述前氧化催化剂(7)设置在比所述氧化催化剂(5)更接近所述内燃机的位置。
4.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置(1)，其特征在于：所述流路切换装置(9)在所述催化剂升温控制以外时，切换到所述旁路通路(8)侧。
5.一种内燃机的排气净化方法，所用的排气净化装置具备有：设置在内燃机的排气通路(3)中，用于捕集排气(E)中的微粒的微粒过滤器(4)；位于该过滤器(4)的上游侧并设置在所述排气通路(3)中的氧化催化剂(5)；和强制再生控制装置(10)，在所述过滤器(4)强制再生时，使所述内燃机的排气温度上升从而执行使所述氧化催化剂(5)活化的催化剂升温控制(S3-S6)，然后将未燃燃料供给所述氧化催化剂(5)从而执行使所述过滤器(4)升温的过滤器升温控制(S7-S12)，其特征在于，还具有：
位于所述氧化催化剂(5)的上游侧并设置在所述排气通路(3)中的前氧化催化剂(7)；设置在所述排气通路(3)中，使所述前氧化催化剂(7)成为旁路的旁路通路(8)；和流路切换装置(9)，用于把排气(E)流切换至所述前氧化催化剂(7)或者旁路通路(8)侧；以及
当实行所述催化剂升温控制时，所述流路切换装置(9)把排气(E)流切换至所述前氧化催化剂(7)侧的步骤；
当实行所述过滤器升温控制时，所述流路切换装置(9)把排气(E)流切换至所述旁路通路(8)侧的步骤。
6.根据权利要求5所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：所述前氧化催化剂(7)比所述氧化催化剂(5)容积小。
7.根据权利要求5所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：所述前氧化催化剂(7)设置在比所述氧化催化剂(5)更接近所述内燃机的位置。
8.根据权利要求5所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于，具有：所述流路切换装置(9)在所述催化剂升温控制以外时切换到所述旁路通路(8)侧的步骤。
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