CN1540143A - 内燃机的排气净化装置 - Google Patents

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梅泽克则
弘
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Abstract

一种内燃机的排气净化装置，进行微粒过滤器的再生的强制再生要素，包括：设在所述微粒过滤器上游的氧化催化剂(23、24a)；以及设在该氧化催化剂的上游、能对利用点火使燃料喷雾燃烧而使排气通路内的排气升温的燃烧模式和不点火仅将燃料喷雾向排气通路供给的燃料供给模式进行切换进行工作的燃烧器(30)，在使该燃烧器以燃烧模式工作后，切换成燃料供给模式进行工作。采用本发明，可使微粒过滤器作成简单、廉价的结构，且高效。

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，详细地说，涉及对排气中的微粒物质进行捕捉的微粒过滤器的再生技术。
背景技术
在从搭载在汽车、卡车等上的柴油发动机排出的排气中，除了HC、CO、NOx等以外，还包含许多作为微粒子的微粒物质(以下，简称作“PM”)。因此，作为柴油发动机的后处理装置，在将PM捕捉后、利用燃烧器等的外部热源将该捕捉到的PM直接焚烧除去结构的柴油微粒过滤器(以下，适当地简称作“DPF”)已被开发而实用化。
又，例如，开发了如下结构的装置即、利用燃烧式加热器，用燃烧热量使排气升温乃至DPF升温，并在高温的排气温度的基础上，将利用该燃烧式加热器发生的燃烧气体或将汽化燃料作为添加剂，向排气净化要素(例如，有氧化功能的DPF)供给，利用在该DPF上产生的反应热量将PM除去(例如，参照日本专利特开2000-186545号公报)。
又，在最近，还开发了在DPF的上游侧另外设置生成PM氧化除去用的氧化剂(NO2)的氧化催化剂，不使用外部热源而连续地对DPF上的PM进行处理的连续再生式DPF。
可是，在上述连续再生式DPF中，发动机温度低的场合等，因运转条件而不能完全将在DPF中所捕捉的PM除去，使PM堆积，故即使在具有连续再生式DPF的场合，还需要设置将在DPF中所捕捉到的PM强制地焚烧除去的外部热源等的装置。
但是，在利用上述燃烧器等的外部热源直接将PM焚烧除去的方式中，由于利用火焰直接对DPF进行加热，是简单且廉价的结构，而另一方面存在因PM的燃烧产生不匀而不能充分除去DPF外周部的PM的问题。又，当这样使DPF直接暴露于火焰中时，还存在因DPF过热而熔损的可能性高的问题。
又，在利用上述专利文献1所记载的燃烧式加热器的技术的场合，由于燃烧式加热器基本上将发动机的冷却水的升温作为目的，故在使DPF升温中热损失大，相反，若优先考虑DPF的升温时，存在着在外气温度高的夏季等时冷却水温度变得过高而对发动机施加无用的热负荷的问题。又，在该燃烧式加热器中，具有与点火电热塞分体的汽化电热塞，在燃烧式加热器的非工作时，对该汽化电热塞进行通电而使燃料汽化，还存在使装置变得复杂并使能量效率成为极差的问题。
发明内容
本发明，是为了解决这样的问题而作成的，其目的在于，提供使微粒过滤器作成简单且廉价的结构并能高效率再生的内燃机的排气净化装置。
为了达到上述目的，本发明的内燃机的排气净化装置，具有：夹装在内燃机的排气通路中、捕捉排气中的微粒物质的微粒过滤器；以及将在所述微粒过滤器中所捕捉的微粒物质强制地焚烧并进行所述微粒过滤器的再生的强制再生要素，其特点在于，所述强制再生要素，包括：设在所述微粒过滤器的上游的氧化催化剂(23、24a)；以及设在所述氧化催化剂的上游、能对利用点火使燃料喷雾燃烧而使排气通路内的排气升温的燃烧模式和不点火地仅将燃料喷雾向排气通路供给的燃料供给模式进行切换并可工作的燃烧器，在使所述燃烧器以燃烧模式进行工作后，切换成燃料供给模式进行工作。
因此，采用本发明的内燃机的排气净化装置，在微粒过滤器的强制再生时，首先使燃烧器以燃烧模式进行工作，使排气通路内的排气升温而使氧化催化剂活性化，然后，由于使燃烧器以燃料供给模式不点火地进行工作，仅将燃料喷雾向排气通路进行供给，故利用燃烧器的余热，将被充分促进雾化的燃料喷雾向上述活性化的氧化催化剂供给，能在氧化催化剂中生成氧化反应，利用该氧化反应的反应热量，可使微粒过滤器迅速地加热升温，能将在微粒过滤器中所捕捉到的PM良好地焚烧除去。
由此，虽然是使用燃烧器的简单且廉价的结构，但既不会因燃烧器的火焰而产生PM的燃烧不匀、或使微粒过滤器熔损，也不会对内燃机施加无用的负荷，并且，可排除热损失，能量使用不浪费，高效地进行微粒过滤器的再生。
这时，所述强制再生要素最好是，反复地实施利用燃烧模式的工作和利用燃料供给模式的工作。
由此，即使因燃料供给模式的工作使燃烧器的余热减少而使燃烧器的温度下降，也能通过以反复燃烧模式使燃烧器工作，在强制再生中能将燃烧器维持在对促进燃料喷雾的雾化足够的温度，在氧化催化剂中能可靠地生成氧化反应，能继续对微粒过滤器进行加热升温。
所述强制再生要素最好是，包括对所述氧化催化剂的温度进行检测的氧化催化剂温度检测要素，在所述燃烧器以燃烧模式的工作中，在利用所述氧化催化剂温度检测要素检测出所述氧化催化剂的温度到达活性温度时，将所述燃烧器切换成燃料供给模式进行工作。
由此，氧化催化剂，在燃烧模式的基础上，利用燃烧器足够地升温到达活性温度、即进行氧化反应的温度，在氧化催化剂成为该活性温度的时刻就迅速地从燃烧模式切换成燃料供给模式，利用充分活性化的氧化催化剂，能高效地使燃料喷雾氧化。
这里，所述氧化催化剂最好是，由在所述微粒过滤器的上游部分所包含的氧化催化剂部构成。
由此，利用在氧化催化剂部中所生成的氧化反应的反应热量，能迅速且高效地对微粒过滤器进行加热升温。
又，所述氧化催化剂最好是，由在所述微粒过滤器的上游部分所包含的氧化催化剂部和配设在所述微粒过滤器的上游的氧化催化剂变换器构成。
因此，能由氧化催化剂变换器和微粒过滤器构成连续再生式DPF，通常能对PM进行连续地焚烧并进行微粒过滤器的再生，能将因燃烧器引起的强制再生的实施频度抑制成所需的最小限度。又，由于利用燃烧器的燃烧热量能使氧化催化剂部以及氧化催化剂变换器升温而活性化，故能用氧化催化剂部和氧化催化剂变换器氧化催化剂可靠地使燃料喷雾进行氧化。
又，所述氧化催化剂最好是，由在所述微粒过滤器的上游部分所包含的氧化催化剂部和配设在所述微粒过滤器的上游的氧化催化剂变换器构成，所述燃烧器，被设在所述微粒过滤器与所述氧化催化剂变换器之间。
因此，能由氧化催化剂变换器和微粒过滤器构成连续再生式DPF，能将因燃烧器引起的强制再生的实施频度抑制成所需的最小限度，并能抑制氧化催化剂变换器的过热，能利用在氧化催化剂部所生成的氧化反应的反应热量，将微粒过滤器高效地加热升温。
附图说明
图1是本发明的内燃机的排气净化装置的概略结构图；
图2是表示本发明的DPF的强制再生控制程序的流程图；
图3是强制再生控制的时间图；
图4是表示DPF的下游温度的时间变化的图；
图5是表示DPF的中央外周温度的时间变化的图；
图6是表示在同一时间(例如，10分钟)、将本发明与对燃烧器连续燃烧时的DPF的再生比率进行比较的图；
图7的表示本发明的另一实施形态的图。
具体实施方式
图1中，概略地表示本发明的内燃机的排气净化装置。
发动机1，例如是柴油发动机，具有串联4汽缸型的缸布局。在发动机1的吸气通路3上装有涡轮增压器2，利用涡轮增压器2供给的吸气通过内冷却器4流向吸气总管6。
发动机1的燃烧供给系统，例如由共用导轨系统构成，虽未图示，但在该系统中具有共用导轨和每一汽缸上的喷射器。又，共用导轨系统是公知的，对于该共用导轨系统的详细结构，在这里省略说明。
发动机1的各汽缸的排气孔，通过排气总管10与集合成1个的排气管12连接着。又，在排气总管10与吸气总管6之间设有EGR通路14，在EGR通路14上夹装有EGR阀16。
在排气管12上连接有排气后处理装置20。排气后处理装置20，在圆筒状的壳体22的内部收容有对PM(微粒物质)进行捕捉的DPF(柴油微粒过滤器)24，并在该DPF24的排气上游侧配设氧化催化剂(氧化催化剂变换器)23。
详细地说，氧化催化剂23，具有生成NO2的功能，由该氧化催化剂23和DPF24构成上述的连续再生式DPF。由此，在排气温度比某种程度高的规定温度大的通常运转时，能够经常将由氧化催化剂23所生成的NO2作为氧化剂堆积在DPF24上的PM燃烧除去。即，能连续地再生DPF24。
又，在DPF24的排气上游部分设有氧化催化剂部24a。所以，DPF24能对HC、CO等的排气成分进行氧化处理。
又，与DPF24的氧化催化剂部24a对应地设有对DPF24的温度进行检测的温度传感器26，在氧化催化剂23的排气上游侧，设有对排气管12内的排气压力进行检测的排气压力传感器19。
在排气后处理装置20的上游侧，燃烧气体通路18从排气管12分支而延伸，在该燃烧气体通路18的终端，例如设有发动机1和利用同一燃料(轻油等)发生燃烧火焰的燃烧器30。燃烧气体通路18与燃烧器30用凸缘36接合。
燃烧器30，由喷射器32和作为点火装置的点火器34构成为自己点火式的燃烧器。详细地说，喷射器32和点火器34与ECU(电子控制装置)40电气连接，燃烧器30，根据来自ECU40的信号，从喷射器32喷射规定量的燃料，利用点火器34就能对该所喷射的燃料瞬时地进行点火。也就是说，燃烧器30，能使从喷射器所喷射的燃料燃烧(燃烧模式的工作)、及不进行由点火器34的点火而仅从喷射器32喷射燃料(供给燃料模式的工作)。
ECU40，是对具有发动机1的本发明的内燃机的排气净化装置进行综合控制用的控制装置，由CPU、存储器、时间计数器等构成。
在ECU40的输入侧，连接着上述排气压力传感器19、温度传感器26等各种传感器，在输出侧，连接着燃料喷射阀及喷射器32、点火器34等的其它各种设备。
以下，对这样构成的排气净化装置的本发明的DPF强制再生控制(强制再生要素)进行说明。
图2是表示进行ECU40的DPF24的强制再生控制程序的流程图，图3是表示该强制再生控制的时间图。以下，参照时间图对DPF强制再生控制按照流程图进行说明。
首先，在步骤S10中，对PM堆积量是否超过规定量(PM堆积量＞规定量)进行判别。详细地说，DPF24的PM堆积量增加造成过滤器堵塞时，排气的流动变差，由于排气压力上升，这里，根据来自排气压力传感器19的排气压力信息，若排气压力超过规定压力，则将PM堆积量判定为超过规定量。又，若排气温度在规定温度以下那样低的场合，由于氧化催化剂23不呈活性状态而不能进行DPF24的连续再生，故根据在排气温度低的区域中的发动机1的总运转时间来推定DPF24的PM堆积量，也可以进行上述判别。
步骤S10的判别结果为No，在PM堆积量判定为规定量以下时，不管怎样都离开该程序。该场合，如果排气温度较高而超过规定温度，如上所述，可以认为DPF24在氧化催化剂23所生成的NO2的作用下能进行良好的连续再生。
另一方面，步骤S10的判别结果为Yes，在PM堆积量判定为超过规定量时，进入下一步骤S12。
在步骤S12中，以燃烧模式使燃烧器30工作。也就是说，喷射器32和点火器34都ON，将规定量的燃料从喷射器32进行喷射并进行由点火器34的点火，通过燃烧气体通路18、排气管12将燃烧器30的燃烧气体向排气后处理装置20引导。该场合，燃烧火焰不会到达排气后处理装置20，利用成为高温的燃烧气体使氧化催化剂23和DPF24进行升温。
在步骤S14中，在以燃烧模式使燃烧器30  作后，对经过时间t是否经过了规定时间t1进行判别。这里，规定时间t1，预先设定成例如DPF24的氧化催化剂部24a到达活性温度的时间(例如，2分钟)。又，根据来自温度传感器26的信息，在燃烧器30以燃烧模式的工作中也可以对DPF24的氧化催化剂部24a是否到达活性温度直接进行判别(氧化催化剂温度检测要素)。又，对于氧化催化剂23，也可设置温度传感器，对该氧化催化剂23的温度进行判别。
在步骤S14的判别结果为No、判定为还未经过规定时间t1时，继续以燃烧模式的工作。另一方面，在步骤S14的判别结果为Yes、判定为经过了规定时间t1时，进入步骤S16。
在步骤S16中，经过规定时间t int1(例如，30秒)，停止燃烧器30的工作、即停止燃料喷射。由此，熄灭燃烧火焰，并利用燃烧器30的余热促进燃料喷雾的雾化，等待下降至适当的温度。
在步骤S18中，以燃料供给模式使燃烧器30工作。也就是说，仅喷射器32为ON而另一方的点火器34为OFF，不用点火器进行点火而仅将规定量的燃料从喷射器32进行喷射，将利用燃烧器30的余热形成良好喷雾的燃料喷雾(HC)，通过燃烧气体通路18、排气管12引导至排气后处理装置20。
被这样引导至排气后处理装置20中的燃料喷雾，在升温活性化的氧化催化剂23和DPF24的氧化催化剂部24a中进行良好的氧化反应。并且，利用该氧化反应的反应热量使DPF24加热升温，将堆积在DPF24上的PM良好地焚烧除去。这时，在燃烧器30刚以燃烧模式工作之后，由于处于加热状态而有余热，利用该余热，从喷射器32所喷射的燃料能充分地促进雾化。因此，上述燃料喷雾在氧化催化剂23和DPF24的氧化催化剂部24a中就迅速地进行氧化反应，故DPF24急速地加热升温，PM被充分地焚烧除去。
在步骤S20中，在燃烧器30以燃料供给模式进行工作后，对经过时间t是否经过了规定时间t2进行判别。这里，规定时间t2，例如被设定成将燃烧器30的余热作为燃料的汽化热使用、燃烧器30降低至不能充分促进燃料喷雾的雾化的温度的时间(例如，45秒)。判定结果为No，在判定为还未经过规定时间t2时，继续以燃料供给模式的工作。另一方面，判别结果为Yes，在判定为经过了规定时间t2时，进入步骤S22。
在步骤S22中，经过规定时间t int2(例如，15秒)，停止燃烧器30的工作、即停止燃料喷射。由此，等待将燃烧气体通路18内的燃料喷雾净化。
在步骤S24中，步骤S12中最初使燃烧器30以燃烧模式进行工作后、即开始强制再生后，对经过时间t是否经过了规定时间t max进行判别。这里，规定时间t max，例如被设定成在将堆积在DPF24上的上述规定量的PM完全焚烧除去时所拟制的时间(例如，10分钟)。也就是说，这里，判定为强制再生的结束。判别结果为No，在判定为还未经过规定时间t max时，进入步骤S26。
在步骤S26中，燃烧器30再以燃烧模式进行工作。也就是说，应使降低至不能充分促进燃料喷雾的雾化的温度的燃烧器30再次升温，从喷射器32喷射规定量的燃料并用点火器34进行点火。由此，燃烧器30能保持在充分促进燃料喷雾的雾化的温度，又，利用燃烧器30的燃烧气体对氧化催化剂23及DPF24进一步加热，使DPF24继续加热升温，能将堆积在DPF24上的PM良好地焚烧除去。
在步骤S28中，在燃烧器30再次以燃烧模式进行工作后，对经过时间t是否经过了规定时间t3进行判别。这里，规定时间t3，例如被设定成使燃烧器30上升至充分促进燃料喷雾的雾化的温度、而氧化催化剂23及DPF24不过热程度的时间(例如，45秒)。判别结果为No，在判定为还未经过规定时间t3时，继续以燃烧模式的工作。另一方面，判别结果为Yes，在判定为经过了规定时间t3时，进入步骤S30。
步骤S30中，经过规定时间t int3(例如，15秒)，停止燃烧器30的工作、即停止燃料喷射。由此，等待燃烧火焰熄灭。又，之所以使上述规定时间t int3比上述规定时间t int1较短为好，是考虑到燃烧器30的燃烧时间短、熄火的时间和至燃烧器30成为促进上述雾化的适当温度所需要的时间短的缘故。
在燃烧器30以燃烧模式工作后，回到步骤S18，再次使燃烧器30以燃料供给模式进行工作。并且，对在步骤S24中是否经过了规定时间t max进行判别，判别结果为Yes，在判定为经过了规定时间t max时，进入步骤S32，使上述PM堆积量复位并离开该程序。由此，强制再生结束。
另一方面，步骤S24的判别结果为No，在判定为未经过规定时间t max时，其后，至经过规定时间t max反复进行燃烧模式和燃料供给模式。
这样，当在途中一边控制燃烧器30的停止时间、一边反复进行燃烧模式和燃料供给模式时，图4表示DPF24的下游温度的时间变化，图5表示DPF24的中央外周温度的时间变化，相对以往的如使燃烧器30进行连续燃烧的场合(虚线)中温度平缓地上升来说，随着燃料喷雾的供给，在DPF24的下游和中央外周都周期地成为高温状态(实线)。由此，能使DPF24整体且良好地促进DPF24上所捕捉到的PM的焚烧除去，能早期地达到DPF24的再生。
图6中，表示分别将以往的燃烧器30连续燃烧时与本发明、即反复进行燃烧模式与燃料供给模式时的DPF24的再生比率(焚烧PM/捕捉PM)在同一时间(例如，10分钟)中各自所作的比较，如该图所示，通过反复进行燃烧模式和燃料供给模式，就能实现使燃烧器30进行连续燃烧时的约2倍的再生比率。
也就是说，采用本发明的排气净化装置，虽然是使用燃烧器30的简单且廉价的结构，但在强制再生时，不会使因燃烧器30的火焰而引起PM的燃烧不匀的DPF24熔损，也不会对发动机1施加无用的负荷，还不会使能量使用浪费，能将堆积在DPF24上的PM进行焚烧除去，能进行高效的DPF24的再生。
又，在燃烧器30以燃烧模式的工作中，当DPF24的氧化催化剂部24a到达活性温度时，切换成燃料供给模式，在使DPF24至氧化催化剂部24a的活性温度、即至氧化反应充分进行的温度而足够升温后，由于供给燃料喷雾，故能利用氧化催化剂部24a使该燃料喷雾高效地进行氧化。
又，由于由氧化催化剂23和DPF24构成连续再生式DPF，故能将燃烧器30引起的强制再生的实施频度抑制成所需的最小限度。又，由于将燃烧器30设置成向氧化催化剂23的上游侧供给燃烧气体的状态，故还能利用燃烧器30的燃烧热量使氧化催化剂23也升温而实现活性化，不仅DPF24的氧化催化剂部24a、而且氧化催化剂23也能使用，使燃料喷雾可靠地进行氧化。
又，通过反复地实施燃烧模式和燃料供给模式，即使在燃料供给模式中，燃烧器30的余热减少，使燃烧器30的温度降低，也能在强制再生中促进燃料喷雾的雾化而将燃烧器30维持在足够的温度，在氧化催化剂部24a和氧化催化剂23中，能可靠地生成氧化反应，并能使DPF24良好地继续加热升温。
以上，结束对实施形态的说明，但本发明不限定于上述实施形态。
例如，在上述实施形态中，将燃烧器30设置成能将燃烧气体向氧化催化剂23的上游侧供给，而作为其它的实施形态，如图7所示，也可以将燃烧器30设置成能在DPF24的正上游、即在氧化催化剂23与DPF24之间供给燃烧气体。若这样做，能抑制氧化催化剂23的过热，并在燃料供给模式时利用DPF24的氧化催化剂部24a，能良好地促进燃料喷雾的氧化反应，能利用该氧化反应的反应热量高效地对DPF24进行加热升温。由此，与上述同样能高效地进行堆积在DPF24上的PM的焚烧除去。
又，在上述实施形态中，设置氧化催化剂23而进行DPF24的连续再生，但不一定需要设置氧化催化剂23。该场合，DPF24利用在氧化催化剂部24a中生成的氧化反应的反应热量，就能迅速且高效地进行加热升温，利用DPF24的氧化催化剂部24a，能充分地达到本发明的效果。
又，在上述实施形态中，在燃烧模式与燃料供给模式之间设定使燃烧器30停止的间隔期间(t int1、t int2、t int3)，但若能迅速地将燃烧模式与燃料供给模式进行切换，就不一定需要设定这样的间隔期间。
又，在上述实施形态中，作为发动机1采用了柴油发动机，但只要是需要将PM除去的微粒过滤器的发动机，发动机1不限定于柴油发动机。

Claims (6)

1、一种内燃机的排气净化装置，具有：
夹装在内燃机(1)的排气通路(12)中、捕捉排气中的微粒物质的微粒过滤器(24)；以及
将由所述微粒过滤器所捕捉的微粒物质强制焚烧、进行所述微粒过滤器的再生的强制再生要素，其特征在于，
所述强制再生要素包括：
设在所述微粒过滤器上游的氧化催化剂(23、24a)  以及
设在所述氧化催化剂的上游、能对利用点火使燃料喷雾燃烧而使排气通路内的排气升温的燃烧模式和不点火仅将燃料喷雾向排气通路供给的燃料供给模式进行切换并可工作的燃烧器(30)，
在使所述燃烧器以燃烧模式进行工作后，切换成燃料供给模式进行工作。
2、如权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述强制再生要素，反复实施利用燃烧模式的工作和利用燃料供给模式的工作。
3、如权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述强制再生要素，包括对所述氧化催化剂的温度进行检测的氧化催化剂温度检测要素(26)，
在所述燃烧器的燃烧模式的工作中，在利用所述氧化催化剂温度检测要素检测出所述氧化催化剂的温度到达活性温度时，将所述燃烧器切换成燃料供给模式进行工作。
4、如权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述氧化催化剂由在所述微粒过滤器的上游部分所包含的氧化催化剂部(24a)构成。
5、如权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述氧化催化剂，由在所述微粒过滤器的上游部分所包含的氧化催化剂部(24a)和配设在所述微粒过滤器上游的氧化催化剂变换器(23)构成。
6、如权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于，所述氧化催化剂，由在所述微粒过滤器上游部分所包含的氧化催化剂部和配设在所述微粒过滤器上游的氧化催化剂变换器构成，
所述燃烧器被设在所述微粒过滤器与所述氧化催化剂变换器之间。
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