CN1802491A - 压缩点火式内燃机的废气净化装置 - Google Patents

Abstract

一种压缩点火式内燃机的废气净化装置，其中一个燃料添加阀(14)，一个HC吸附和氧化催化剂(11)，以及一个NO_x存储催化剂(12)以朝向下游一侧的顺序而被布置在内燃机的排气通道上。当NO_x从NO_x存储催化剂(12)中释放时，微粒状的燃料从燃料添加阀(14)中被添加到里面。燃料被暂时吸附在HC吸附和氧化催化剂(11)上，并逐渐气化而使流入到NO_x存储催化剂(12)的废气的空燃比变浓。这样，NO_x就从NO_x存储催化剂(12)中释放出来。

Description

压缩点火式内燃机的废气净化装置

技术领域

本发明涉及一种压缩点火式内燃机的废气净化装置。

背景技术

在本技术领域中常见的有一种内燃机，在它的发动机排气通道中布置有一个NO_x存储催化剂，当流入的废气的空燃比较稀时，它就会把废气中含有的NO_x存储起来，而当流入的废气中的氧气浓度下降，它就会释放所存储的NO_x。在这种内燃机中，在一个稀空燃比下燃烧燃料时，NO_x产物就被存储在该NO_x存储催化剂中。

但是，在使用这种NO_x存储催化剂时，必须在该NO_x存储催化剂的NO_x存储能力达到饱和之前使它释放NO_x。在这种情况下，若令流入到NO_x存储催化剂中的废气的空燃比变浓，就可以令NO_x存储催化剂释放NO_x并还原释放的NO_x。因此，在传统的内燃机中，通过令燃烧室内的空燃比变浓或通过将燃料输送到NO_x存储催化剂上游的发动机排气通道中，以令流入到NO_x存储催化剂的废气的空燃比变浓，从而使NO_x存储催化剂释放NO_x。

但是，为了令NO_x存储催化剂较好地释放NO_x，必须要令充分气化的浓空燃比的废气流入到NO_x存储催化剂中。在这种情况下，若令燃烧室内的空燃比变浓，就会有充分气化的浓空燃比的废气流入到NO_x存储催化剂中，这样就可以令NO_x存储催化剂较好地释放NO_x。但是，若令燃烧室内的空气燃料混合物变浓，就会有产生大量烟灰的问题。此外，若在膨胀冲程或排气冲程喷射额外的燃料以使从燃烧室排放出来的废气的空燃比变浓，所喷射的燃料就会粘附在气缸口径的内壁上，即发生冲缸(bore flushing)。

与此相反，若将燃料喷射到NO_x存储催化剂上游的发动机排气通道中，就不会发生上述的产生烟灰或发生冲缸(bore flushing)的问题。但是，当将燃料喷射到NO_x存储催化剂上游的发动机排气通道中，又存在另外一个问题，那就是所喷射的燃料没有被充分气化，因此不能使该NO_x存储催化剂较好地释放NO_x。

另一方面，在本技术领域中常见的有一种内燃机，它在NO_x存储催化剂上游的发动机排气通道中布置有一个碳氢(HC)吸附催化剂，它用于吸附废气中包含的碳氢化合物(见日本待审查的专利公开(Kokai)No.2003-97255)。在这种内燃机中，在稀空燃比下燃烧燃料所产生的碳氢化合物被该HC吸附催化剂吸收，而同时产生的NO_x被储存在NO_x存储催化剂中。

但是，在这种内燃机中，当HC吸附催化剂的温度接近于活性温度时，也就是接近200℃，被吸附的HC的氧化作用变得活跃，这样在废气中的氧气就会被迅速消耗，因此在废气中的氧气浓度迅速下降。因此，此时若额外供应少量燃料，就可以令废气的空燃比变浓。因此，在这种内燃机中，应检测在HC吸附催化剂中是否消耗了足够多的氧气，而当足够多的氧气在HC吸附催化剂中被消耗时是否令废气的空燃比变浓，以至NO_x存储催化剂释放NO_x。

但是，在这种内燃机中，燃烧室内的空燃比也变浓。燃料不是被喷入到发动机排气通道中。因此，仍然存在上述的问题。此外，在这种内燃机中，HC吸附催化剂的温度变得接近于活性温度的时期——即当足够多的氧气在HC吸附催化剂中被消耗的时期被限制，因此，在从NO_x存储催化剂释放NO_x的作用来看所需的时期中，HC吸附催化剂的温度达不到活性温度，从而存在这样的问题，即NO_x存储催化剂在它必须释放NO_x时不能释放NO_x。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种压缩点火式内燃机的废气净化装置，它被设计用于，即使当把燃料输送到NO_x存储催化剂上游的发动机排气通道以令NO_x存储催化剂释放NO_x时，也能够使NO_x存储催化剂较好地释放NO_x。

为了达到上述的目的，根据本发明，提供了一个燃料添加装置，它用于将微粒燃料添加到废气中；一个布置于燃料添加装置下游的发动机排气通道中的HC吸附和氧化催化剂，它用于吸附和氧化废气中的碳氢化合物；一个布置于HC吸附和氧化催化剂下游的发动机排气通道中的NO_x存储催化剂，它用于在流入的废气的空燃比较稀时存储废气中含有的NO_x，在流入的废气的空燃比变为理论空燃比或较浓时释放所存储的NO_x；在令流入到NO_x存储催化剂中的废气的空燃比变浓而使NO_x存储催化剂释放NO_x时，微粒燃料从燃料添加装置中被加入，此时的微粒燃料的附加量被设定为令流入到HC吸附和氧化催化剂的废气的空燃比变为一个浓空燃比，但它小于流入到NO_x存储催化剂中的废气的浓空燃比；在添加的微粒燃料被HC吸附和氧化催化剂吸附后，大部分被吸附的燃料在HC吸附和氧化催化剂中被氧化，流入到NO_x存储催化剂中的废气的空燃比就会在一个较长的时期内变浓，这个期间长于令流入到HC吸附和氧化催化剂中的废气变浓的时期。

附图说明

图1是一个压缩点火式内燃机的纵览图。

图2是压缩点火式内燃机的另一个实施例的纵览图。

图3显示了一个微粒过滤器的结构。

图4是一个NO_x存储催化剂的催化剂载体的表面部分的剖视图。

图5是一个HC吸附和氧化催化剂的侧剖图。

图6是一个HC吸附和氧化催化剂的催化剂载体的表面部分的剖视图。

图7是燃料吸收量的一个视图。

图8是废气中空燃比的变化视图。

图9是燃料添加时间和废气的空燃比A/F、温度升高ΔT、排放的HC量G以及浓空燃比时间之间的关系视图。

图10是废气中空燃比的变化视图。

图11是燃料添加量的视图。

图12是NO_x的释放控制视图。

图13是被存储的NO_x量NOXA的图表等的视图。

图14是废气净化过程的流程图。

图15是燃料添加过程的流程图。

图16是燃料添加过程的流程图。

图17是燃料添加过程的流程图。

具体实施方式

图1显示了一个压缩点火式内燃机的纵览图。

参照图1，1表示发动机体，2为每个气缸内的燃烧室，3为电控燃料喷射器，用于将燃料喷射到每个燃烧室2内，4为进气歧管，5为排气歧管。进气歧管4通过一个进气管6而被连接到排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口上。压缩机7a的入口被连接到一个空气滤清器8上。在进气管6内布置有一个由步进电机驱动的节气门9。此外，在进气管6周围布置有一个冷却装置10，用于冷却流经进气管6内部的进气。在如图1所示的实施例中，发动机冷却水被导入到冷却装置10中。发动机冷却水将进气冷却。另一方面，排气歧管5被连接到排气涡轮增压器7的排气涡轮7b的入口上，而该排气涡轮7b的出口被连接到HC吸附和氧化催化剂11的一个入口上。此外，HC吸附和氧化催化剂11的出口通过一个排气管13而被连接到NO_x存储催化剂12上。排气歧管5配备有一个燃料添加阀14，用于将雾状即微粒状燃料添加到废气中。在本发明的该实施例中，燃料为柴油。

排气歧管5和进气歧管4通过一个废气循环(下面将称之为“EGR”)通道15而相互连接。该EGR通道15设有一个电控EGR控制阀16。此外，在该EGR通道15周围布置有一个冷却装置17，用于冷却流经EGR通道15内部的EGR气体。在如图1所示的实施例中，发动机冷却水被导入到该冷却装置17中。发动机冷却水将EGR气体冷却。另一方面，每个燃料喷射器3通过一个燃料进给管18而被连接到一个共轨19上。该共轨19由一个电控可变排放燃料泵20供燃料。输送到共轨19中的燃料通过每个燃料进给管18而被供应到燃料喷射器3中。

一个电子控制单元30，它由一个数字计算机组成，该数字计算机配有一个ROM(只读存储器)32，一个RAM(随机存储器)33，一个CPU(微处理器)34，一个输入端口35以及一个输出端口36，它们通过一个双向总线31而相互连接。HC吸附和氧化催化剂11的入口配备有一个温度传感器21，用于检测流入到HC吸附和氧化催化剂11中的废气的温度，而排气通道13也配备有一个温度传感器22，用于检测从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的温度。温度传感器21和22的输出信号通过相应的AD转换器37而被输入到输入端口35中。此外，NO_x存储催化剂12配备有一个压差传感器23，用于检测NO_x存储催化剂12前后的压差。压差传感器23的输出信号通过相应的AD转换器37而被输入到输入端口35中。

一个加速器踏板40连接有一个载荷传感器41，它可以产生一个与加速踏板40的压下量L成比例的输出电压。该载荷传感器41的输出电压通过一个相应的AD转换器37而被输入到输入端口35中。此外，输入端口35连接有一个曲柄角传感器42，它可以在曲轴每转动15度就产生一个输出脉冲。另一方面，输出端口36通过相应的驱动电路38而被连接到燃料喷射器3、节气门9的步进电机、燃料添加阀14、EGR控制阀16和燃料泵20上。

图2显示了压缩点火式内燃机的另一个实施例。在该实施例中，HC吸附和氧化催化剂11配备有一个温度传感器25，用于检测HC吸附和氧化催化剂11的温度，而与NO_x存储催化剂12的出口连接的排气通道24在其内部配备有一个空燃比传感器26，用于检测废气的空燃比。

首先，在说明如图1和如图2所示的NO_x存储催化剂12时，该NO_x存储催化剂12被承载于一个三维网状结构的整料载体或片状载体，或被承载于一个蜂窝结构微粒过滤器上。通过这种方式，NO_x存储催化剂12可以被承载于各种类型的载体上，但在下面的说明中，NO_x存储催化剂12是被承载于一个微粒过滤器上。

图3(A)和(B)显示了承载NO_x存储催化剂12的微粒过滤器12a的结构。注意到图3(A)是微粒过滤器12a的正视图，而图3(B)是微粒过滤器12a的侧剖图。如图3(A)和(B)所示，微粒过滤器12a形成了一个蜂窝式结构，并配备有多个排气流动通道60和61，它们相互平行延伸。这些排气流动通道由废气流入通道60和废气流出通道61组成，其中废气流入通道60的下游端部被塞子62密封，而废气流出通道61的上游端部被塞子63密封。注意到图3(A)上的阴影部分为塞子63。因此，废气流入通道60和废气流出通道61通过薄壁隔离物64而交替布置。也就是说，废气流入通道60和废气流出通道61这样布置，使得每个废气流入通道60被四个废气流出通道61包围，而每个废气流出通道61被四个废气流入通道60包围。

微粒过滤器12a由一种多孔材料形成，如堇青石。因此，流入到废气流入通道60中的废气通过周围的隔离物64而流出到相邻的废气流出通道61中，如图3(B)上的箭头所示。

若NO_x存储催化剂12通过这种方式而被承载于微粒过滤器12a上，废气流入通道60和废气流出通道61的外围壁，即，隔离物64两侧的表面和隔离物64的细孔内壁，承载着一种包含氧化铝的催化剂。图4(A)和(B)原理地显示了该催化剂载体45的表面部分的横截面。如图4(A)和(B)所示，该催化剂载体45在其表面上分散地承载着一种贵金属催化剂46。此外，该催化剂载体45在其表面上有一层NO_x吸附剂47。

在本发明的该实施例中，铂Pt被使用作为该贵金属催化剂46。对于形成NO_x吸附剂47的成分，可以使用，例如，从下面元素中选出的至少一种：钾K、钠Na、铯Cs、或其他碱金属，钡Ba、钙Ca、或其他碱土，镧La、钇Y，或其他稀土。

若供应到发动机进气道、燃烧室2、和NO_x存储催化剂12上游的排气通道中的空气和燃料(碳氢化合物)的比率被称为“废气的空燃比”，那么当废气的空燃比较稀时NO_x吸附剂47就会进行存储NO_x的吸收和释放反应，而当废气中的氧气浓度下降时则释放所存储的NO_x。

也就是说，在说明中若使用钡Ba作为形成NO_x吸附剂47的成分，当废气的空燃比较稀时，即，废气中的氧气浓度较高，那么如图4(A)所示，废气中含有的NO就会在铂Pt 46上被氧化而变成NO₂，然后被吸附在NO_x吸附剂47中，并且在与氧化钡BaO结合的同时以硝酸离子NO₃ ^-的形式分散在NO_x吸附剂47中。通过这种方式，NO_x就被吸附在NO_x吸附剂47中。只要废气中的氧气浓度较高，NO₂就会在铂Pt46的表面上产生。只要NO_x吸附剂47的NO_x吸附能力还没有饱和，NO₂就被吸附在NO_x吸附剂47中，并产生硝酸离子NO₃ ^-。

与此相反，通过令废气的空燃比变浓或理论空燃比，由于在废气中的氧气浓度下降，反应就会反方向进行(NO₃ ^-→NO₂)，因此，如图4(B)所示，在NO_x吸附剂47中的硝酸离子NO₃ ^-便以NO₂的形式而从NO_x吸附剂中释放出来。然后，所释放出的NO_x被废气中包含的未燃碳氢化物或CO还原。

通过这种方式，当废气的空燃比较稀时，即，在一个稀空燃比下燃烧燃料时，废气中的NO_x就被吸附在NO_x吸附剂47中。但是，若继续在一个稀空燃比下燃烧燃料，在此期间NO_x吸附剂47的NO_x吸附能力就会变得饱和，NO_x从而就不能再被吸附到NO_x吸附剂47中。因此，在根据本发明的该实施例中，在NO_x吸附剂47的吸附能力变得饱和之前，一种还原剂就会从还原剂供应阀14中被供应，从而暂时令废气的空燃比变浓，从而从NO_x吸附剂47中释放出NO_x。

现在，如上所述，若从燃料添加阀14添加燃料而令废气的空燃比变浓，NO_x吸附剂47就会释放NO_x，而释放出的NO_x被废气中所包含的未燃HC和CO还原。在这种情况下，若添加的燃料为液体状，理论上即使废气的空燃比变浓，NO_x吸附剂47也不会释放NO_x，此外，当燃料为液体状时，NO_x也不会被还原。也就是说，为了使NO_x吸附剂47释放NO_x，并还原被释放的NO_x，必须使流入到NO_x存储催化剂12中的废气中的气态成分的空燃比变浓。

在本发明中，从燃料添加阀14添加的燃料为微粒状。部分燃料变为气体，但是大部分为液态。在本发明中，即使添加的燃料大部分为液态，由于HC吸附和氧化催化剂11被布置在NO_x存储催化剂12的上游，从而使流入到NO_x存储催化剂12中的燃料变为气体。下面将对HC吸附和氧化催化剂11进行说明。

图5是该HC吸附和氧化催化剂11的侧剖图。如图5所示，该HC吸附和氧化催化剂11形成了一个蜂窝式结构，并有多个笔直延伸的排气通道65。该HC吸附和氧化催化剂11由一种在较大相对表面面积上具有多孔结构的材料组成，如沸石。如图5所示的HC吸附和氧化催化剂11的基体由一种沸石、即丝光沸石组成。图6(A)至(D)原理地显示了HC吸附和氧化催化剂11的表面部分的横截面。注意图6(B)显示了图6(A)上的B部分的放大视图，图6(C)显示了如图6(B)所示相同的横截面，而图6(D)显示了图6(C)上的D部分的放大视图。从图6(B)和(C)可以知道，HC吸附和氧化催化剂11的表面形成了一个浮凸、粗糙的表面形状。在具有这种粗糙表面形状的表面上，如图6(D)所示，形成有大量的细孔51，并且分散地载有由铂Pt组成的一种贵金属催化剂52。

当微粒燃料从燃料添加阀14添加时，部分燃料气化并变成气体，但大多数燃料以微粒的形式而被吸附在基体50的表面上。图6(A)和(B)显示了吸收燃料微粒53的状态。当燃料以液态被吸收时，燃料被吸收的比率要远远高于气体燃料被吸收的比率。注意到如图7(A)所示，HC吸附和氧化催化剂11的温度越低，HC吸附和氧化催化剂11所能吸收的微粒燃料的吸收量就越高。此外，若在HC吸附和氧化催化剂11中的废气的流动的空间速度变得越快，即，若废气流动速率变得越快，从燃料添加阀14中被添加的燃料被气化的量和笔直通过HC吸附和氧化催化剂11中的排气通道65的微粒燃料将会增加。因此，如图7(B)所示，空间速度越快，HC吸附和氧化催化剂11能够吸收的微粒燃料吸收量将会下降。

然后，如图6(C)和(D)所示，被吸附在基体50的表面上的燃料微粒53逐渐气化并形成气态燃料。这种气态燃料主要由含有大量碳原子的HC组成。含有大量碳原子的HC在沸石表面或贵金属催化剂52上的酸性点上被裂化，并被转化为含有少量碳原子的HC。被转化的气态HC立即与废气中的氧气反应而被氧化。被吸附在基体50的表面上的燃料微粒53大部分与废气中的氧气反应，因此废气中含有的所有氧气几乎都被耗尽。这样，废气中的氧气浓度下降，NO_x存储催化剂12释放NO_x。

另一方面，此时废气含有残余的气态HC，因此废气的空燃比变浓。这些气态HC流入到NO_x存储催化剂12中，气态HC还原从NO_x存储催化剂12释放出来的NO_x。

图8显示了在发动机低转速、低负荷的运转条件下从燃料添加阀14的燃料添加量和废气的空燃比A/F。注意到在图8上，(A)显示了流入到HC吸附和氧化催化剂11的废气的空燃比A/F，(B)显示了从HC吸附和氧化催化剂11流出并流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比A/F，而(C)显示了从NO_x存储催化剂12流出的废气的空燃比A/F。

在本发明的该实施例中，当NO_x存储催化剂12应该释放NO_x时，如图8所示，由多个连续脉冲组成的驱动信号被输入到燃料添加阀14中。此时，实际上，在这些连续脉冲被输入的过程中，燃料被连续添加。当燃料从燃料添加阀14中供应时，如图8(A)所示，流入到HC吸附和氧化催化剂11的废气的空燃比变为相当浓的空燃比，高达5。

另一方面，当燃料从燃料添加阀14中被添加时，燃料微粒被吸附在HC吸附和氧化催化剂11上，然后这些燃料逐渐从燃料微粒气化，并如上所述那样被裂化并被重组。部分从燃料微粒气化的燃料或被重组的燃料与废气中含有的氧气反应并被氧化，从而使废气中的氧气浓度下降。另一方面，过剩的燃料，即过剩的HC，从HC吸附和氧化催化剂11排出。这样，从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的空燃比A/F变得稍浓。也就是说，燃料逐渐从被吸附在HC吸附和氧化催化剂11上的燃料微粒气化，而从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的空燃比A/F继续变得稍浓，直到被吸附的燃料微粒的量变少。因此，如图8(B)所示，在从燃料添加阀14添加的燃料发生反应之后，从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的空燃比A/F继续在一段相当长的时期内变得稍浓。

若从HC吸附和氧化催化剂11流出并流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比A/F变浓，NO_x就会从NO_x存储催化剂12中被释放出来，而被释放的NO_x又被未燃的HC和CO还原。在这种情况下，如上所述，流入到NO_x存储催化剂12的未燃HC已在HC吸附和氧化催化剂11中被重组。因此，被释放的NO_x可较好地被未燃HC还原。从图8(C)也将可理解，当进行NO_x从NO_x存储催化剂12中的释放作用并还原作用时，从NO_x存储催化剂12流出的废气的空燃比A/F被基本保持为理论空燃比。

通过这种方式，在本发明中，在令流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比变浓而使NO_x存储催化剂12释放NO_x时，微粒燃料从燃料添加阀14中被添加。此时微粒燃料的添加量被设定为这样的一个量，它使得流入到HC吸附和氧化催化剂11的废气的空燃比变浓，但小于流入到NO_x存储催化剂12的废气中的浓空燃比，在如图8所示的例子中，小于所述浓空燃比的一半。

另一方面，此时被添加的微粒燃料被吸附在HC吸附和氧化催化剂11上，然后大部分被吸附的燃料在HC吸附和氧化催化剂11中被氧化，而流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比在一段较长的时间内变浓，这个时间长于流入到HC吸附和氧化催化剂11的废气的空燃比变浓的时间，在如图8所示的例子中，前者是后者的几倍。

通过这种方式，在本发明中，通过一度把从燃料添加阀14添加的微粒燃料吸附并保持在HC吸附和氧化催化剂11中，然后令这些被吸附并被保持的微粒燃料从HC吸附和氧化催化剂11上一次气化一点，从而在较长的一段时间内使流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比是浓的。在这种情况下，为了使NO_x存储催化剂12尽可能多地释放NO_x，令流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比变浓的时间更长就足以了。为了达到这个目的，必须尽可能地增大被吸附和保持在HC吸附和氧化催化剂11上的燃料量。

举个例子，在一个压缩点火式内燃机中，在发动机低转速、低负荷时每秒钟的进气量为10(g)，若从燃料添加阀14中喷射燃料约400毫秒，流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比将会在大约2秒的时间内保持约为14.0的浓空燃比，而此时，NO_x将会较好地从NO_x存储催化剂12释放出来。此时，紧挨燃料添加阀14的下游处的废气的空燃比，即流入到HC吸附和氧化催化剂11的废气的空燃比，变为约为4.4的浓空燃比。

对此进行更加详细的说明，在该压缩点火式内燃机中，在发动机低转速和低负荷运转时，空燃比A/F约为30。这样，由于A/F＝10(g/sec)/F＝30，喷入的燃料量为F＝1/3(g/sec)。另一方面，为了产生一个等于14的浓空燃比，由于A/F＝10(g/sec)/F＝14，就需要5/7(g/sec)的燃料。因此，为了产生一个等于14的浓空燃比，从燃料添加阀14添加的额外燃料为5/7(g/sec)-1/3(g/sec)＝8/21(g/sec)。为了持续2秒钟产生一个等于14的浓空燃比，必须从燃料添加阀14添加16/21(g)燃料。若在400毫秒内添加这些燃料，此时废气的空燃比变为约4.4。

通过这种方式，在该内燃机中，在发动机低转速、低负荷运转时，若试图产生一个持续2秒的等于14的浓空燃比，必须从燃料添加阀14中供应16/21(g)燃料。在这种情况下，若试图在短时间内供应这些燃料，例如，在100毫秒，就必须提高燃料添加阀14的喷射压力。但是，若提高燃料添加阀14的喷射压力，在喷射时燃料就会变得很细小，从而使变成气体的燃料增多，而被吸附在HC吸附和氧化催化剂11上的燃料就会减少。也就是说，若被吸附在HC吸附和氧化催化剂11上的燃料减少，空燃比变浓的时间就会变短。与此相反，在供应16/21(g)燃料时，若减少每单位时间的供应量，例如，若令从燃料添加阀14添加燃料的时间为1000毫秒，每单位时间内从HC吸附和氧化催化剂11气化的燃料量就会变少，而废气的空燃比就会难以变浓。图9显示了这种情况。

也就是说，图9显示了在改变从燃料添加阀14添加燃料的时间τ(毫秒)时，流入到HC吸附和氧化催化剂11的废气的空燃比A/F、从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的温度升高ΔT、从NO_x存储催化剂12中被排出的HC量G，以及流入到NO_x存储催化剂12的废气的浓稠时间。

如上所述，若令从燃料添加阀14添加燃料的时间变短，在HC吸附和氧化催化剂11上被吸附的燃料量就会减少。这样，从HC吸附和氧化催化剂11上气化的燃料变少，因此HC的氧化作用变弱，温度升高ΔT下降，而变浓时间变短。此外，在从燃料添加阀14供应的燃料中被废气流带走的燃料量增多，因此被排出的HC量G增大。

另一方面，若令从燃料添加阀14添加燃料的时间变长，如上所述，在HC吸附和氧化催化剂11上每单位时间内被吸附的燃料量减少。这样，从HC吸附和氧化催化剂11上气化的燃料变少，因此HC的氧化作用变弱，温度升高ΔT下降，而变浓时间变短。另一方面，即使在NO_x存储催化剂12释放NO_x的作用结束后，HC继续从HC吸附和氧化催化剂11上气化，因此被排出的HC量G增多。

在从燃料添加阀14添加燃料时添加的燃料被排出到大气中，因此燃料被完全浪费。因此，必须把添加燃料被排放到大气中的量，即被排出的HC的量G，降低到一个可允许的值G₀或更低。若被排出的HC的量G为一个可允许的值G₀或更小，从另一方面看，这意味着HC在进行氧化反应，氧气被充分消耗。因此，被排除的HC的量G为一个可允许的值G₀或更小，对应着温度升高ΔT至少为一个预设值ΔT₀。

也就是说，在从燃料添加阀14添加燃料时，必须确定额外燃料的添加时间τ，从而使被排出的HC的量G变为可允许值G₀或更小，而温度升高ΔT变为预设值ΔT₀或更大。因此，在本发明的这个实施例中，额外燃料的添加时间τ被设定为从100(毫秒)到700(毫秒)。若通过空燃比A/F来说明，当添加时间τ为100(毫秒)时空燃比A/F约变为1，而添加时间τ为700(毫秒)时空燃比A/F约变为7，因此在本发明的这个实施例中，在发动机低转速低负荷运转时，令NO_x存储催化剂12释放NO_x而从燃料添加阀14添加微粒燃料的添加量被设定为令流入到HC吸附和氧化催化剂11的废气的空燃比约为1到7的一个量。

图10显示了在发动机高转速高负荷运转时在如图8所示同一位置上的空燃比。在发动机高转速高负荷运转时，相对于发动机低转速低负荷运转的情况，HC吸附和氧化催化剂11的温度变得更高，而流经HC吸附和氧化催化剂11的废气的空间速度变得更高，因此，从图7(A)和(B)可以看出，HC吸附和氧化催化剂11能够吸附的燃料量下降得非常可观。因此，若对比图10和图8可以看出，在发动机高转速和高负荷运转时，与发动机低转速低负荷运转时对比，从燃料添加阀14添加的燃料量变少。

注意到如图10所示，在发动机高转速高负荷运转时，空燃比约为20，因此即使添加的燃料减少，废气的空燃比也会变浓。但是，与发动机低转速低负荷运转时对比，废气的空燃比变浓的时间会变得相当短。

图11(A)显示了当NO_x应该从NO_x存储催化剂12释放时从燃料添加阀14添加的燃料量AQ。添加燃料的量以AQ₁、AQ₂、AQ₃、AQ₄、AQ₅和AQ₆的顺序逐渐变小。注意到在图11(A)上，纵坐标TQ为输出扭矩，而横坐标N为发动机速度。因此，输出扭矩TQ越大，即，HC吸附和氧化催化剂11的温度越高，要添加的燃料量AQ变得越小，而当发动机速度N越高，即，废气的流动速率越高，AQ也变得越小。要添加的燃料量AQ预先以如图11(B)所示的图表而被存储在ROM32中。

下面将结合图12和图13而对NO_x释放控制进行说明。

图12(A)显示了在发动机低转速低负荷运转时被存储于NO_x存储催化剂12内的NO_x量∑NOX的变化和用于释放NO_x而使废气的空燃比A/F变浓的时间的变化，而图12(B)显示了在发动机高转速高负荷运转时被存储于NO_x存储催化剂12内的NO_x量∑NOX的变化和用于释放NO_x而使废气的空燃比A/F变浓的时间的变化。

每单位时间内从发动机中排出的NO_x量根据发动机的运转状态而变化，因此每单位时间内被存储于NO_x存储催化剂12中的NO_x量也根据发动机的运转状态而变化。在本发明的这个实施例中，每单位时间内被存储于NO_x存储催化剂12中的NO_x的量被预先以如图13(A)所示图表的形式存储于ROM32中，作为所需扭矩TQ和发动机转速N的函数。通过累加NO_x量NOXA，就可以计算出存储于NO_x存储催化剂12中的NO_x量∑NOX。

另一方面，在图12(A)和(B)中，MAX表示NO_x存储催化剂12能够存储NO_x的最大量，而NX表示可被存储于NO_x存储催化剂12中的NO_x的量的可允许值。因此，如图12(A)和(B)所示，当NO_x量∑NOX达到可允许值NX，流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比A/F暂时变浓，从而使NO_x从NO_x存储催化剂12中被释放出来。

如上所述，在发动机低转速低负荷运转时，HC吸附和氧化催化剂11能够吸附的燃料量增大，因此从燃料添加阀14添加的燃料量也增大。若添加燃料的量以这种方式增加，就可以令NO_x存储催化剂12释放大量的NO_x。也就是说，在这种情况下，即使当NO_x存储催化剂12存储大量的NO_x，所有被存储的NO_x也可以被释放，因此，如图12(A)所示，可允许值NX变为一个较高的值，在如图12(A)所示的实施例中，它变为仅比最大NO_x存储量稍小的一个值。

与此相反，在发动机高转速、高负荷运转时，由HC吸附和氧化催化剂11吸附的燃料量下降，因此，如上所述，从燃料添加阀14添加的燃料也减少。若添加燃料的量以这种方式减少，就只能令NO_x存储催化剂12释放少量的NO_x。也就是说，在这种情况下，在少量NO_x被NO_x存储催化剂12存储后就必须释放被存储的NO_x，如图12(B)所示，可允许值NX变为一个相当低的值，在如图12(B)所示的实施例中，它变为如图12(A)所示在发动机低转速低负荷运转时的可允许值NX的1/3或更低。

图13(B)显示了根据发动机运转状态而设定的可允许值NX。在图13(B)中，可允许值NX以NX₁、NX₂、NX₃、NX₄、NX₅和NX₆的顺序逐渐变小。注意到在图13(B)上所示的可允许值NX被预先以如图13(C)所示图表的形式而存储于ROM32中。

通过这种方式，发动机负荷越高或发动机速度越高，可允许值NX就越小，因此，为了令NO_x存储催化剂12释放NO_x，发动机负荷越高或发动机速度N越高时，从燃料添加阀14添加微粒燃料的频率就越高。也就是说，如图12(A)和(B)所示，在发动机高转速高负荷运转时，与发动机低转速低负荷运转时相比，添加微粒燃料的频率变得相当高。

另一方面，废气中含有的微粒物质被诱捕在载有NO_x存储催化剂12的微粒过滤器12a上，并接连被氧化。但是，若被诱捕的微粒物质变得多于被氧化的微粒物质，这些微粒物质就会逐渐沉积于微粒过滤器12a上。在这种情况下，若微粒物质沉积增多，就会引起发动机输出扭矩的下降。因此，当微粒物质沉积增多，必须清除这些沉积的微粒物质。在这种情况下，若在过量空气的条件下将微粒过滤器12a的温度提高到约600℃，沉积的微粒物质就被氧化并被清除。

因此，在本发明的这个实施例中，当沉积于微粒过滤器12a上的微粒物质超过允许量，就会在一个较稀的废气空燃比下升高微粒过滤器12a的温度，从而使沉积的微粒物质通过氧化而被清除。具体地说，在本发明的这个实施例中，当由差压传感器23检测出的微粒过滤器12a前后的差压ΔP超过可允许值PX，就会判定沉积的微粒物质的量已经超过可允许量。此时，流入到微粒过滤器12a的废气的空燃比保持较稀，燃料从燃料添加阀14添加，而添加的燃料的氧化反应而产生的热在温度升高控制下升高微粒过滤器12a的温度。

图14显示了废气净化处理程序。

参照图14，首先，在步骤100，从如图13(A)所示的图表中计算出每单位时间内被存储的NO_x的量NOXA。然后，在步骤101，NOXA被添加到被存储于NO_x存储催化剂12中的NO_x的量∑NOX上。然后，在步骤102，从如图13(C)所示的图表中计算出可允许值NX。然后，在步骤103，判定被存储的NO_x的量∑NOX是否已经超过可允许值NX。当∑NOX>NX，程序就会转到步骤104，在这进行的处理是从燃料添加阀14添加燃料。这种燃料添加处理的一个基本例子如图15所示。添加量修正的两个例子如图16和17所示。然后，在步骤105，压差传感器23被用于检测微粒过滤器12a前后的压差ΔP。然后，在步骤106，判定压差ΔP是否已经超过可允许值PX。当ΔP>PX，程序就会转到步骤107，在这进行微粒过滤器12a的温度升高控制。

图15显示了NO_x应该从NO_x存储催化剂12中释放时的基本燃料添加处理。在这个基本燃料添加处理中，首先，在步骤150，从如图11(B)所示的图表中计算出要添加的燃料量AQ，然后在步骤151，通过图表而计算出的AQ量的燃料，即柴油，从燃料添加阀14添加。

但是，即使添加了根据发动机运转状态而预定的燃料量AQ，若由于某些原因而使流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比没有变浓，NO_x存储催化剂12也不会释放NO_x。因此，在这种情况下，优选地修正从燃料添加阀14添加的燃料量，从而使流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比变浓。因此，在本发明的另一个实施例中，提供了判断装置，用于在微粒燃料被添加到废气中而使NO_x存储催化剂12释放NO_x时，判断从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的空燃比是否已变浓。当NO_x应该从NO_x存储催化剂12中释放时，根据这个判断装置的判断而添加使从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的空燃比变浓而所需的燃料量。

如上根据图9所述，当流入到NO_x存储催化剂12的废气的空燃比变浓，流经HC吸附和氧化催化剂11的废气的温度升高ΔT变为参考值ΔT₀或更大。因此，在如图1所示的第一个例子中，当由温度传感器21检测的温度和由温度传感器22检测的温度之间的温度差，即，温度升高ΔT，已经超过参考值ΔT₀，就会判定从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的空燃比已经变浓。

另一方面，如图8(B)和(C)或图10(B)和(C)所示，当从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的空燃比A/F变得稍浓，从NO_x存储催化剂12流出的废气的空燃比A/F就基本上变为理论空燃比。因此，在如图2所示的第二个例子中，提供了空燃比传感器26，用于检测从NO_x存储催化剂12流出的废气的空燃比。当由空燃比传感器26检测的废气空燃比基本等于理论空燃比，就判定从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的空燃比已经变浓。

注意在如图1和图2所示的实施例中，当判定从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的空燃比没有变浓，从燃料添加阀14添加的微粒燃料的量就会增加。增加添加的燃料的量的这个操作，例如，可以通过增大脉冲式的燃料添加时间而实现。

另一方面，当判定从HC吸附和氧化催化剂11流出的废气的空燃比没有变浓，从燃料添加阀14添加燃料的操作已经完成。因此，此时，当判定NO_x存储催化剂12应该释放NO_x时，从燃料添加阀14添加的燃料的量被增加。

图16显示了在图1中利用温度传感器21和22检测流经HC吸附和氧化催化剂11的废气的温度升高ΔT的情况下的燃料添加控制。

参照图16，首先，在步骤200，从如图11(B)所示的图表中计算出燃料添加量AQ。然后，在步骤201，燃料添加量AQ与一个修正系数K相乘而计算出最终的燃料添加量AQ(＝AQ*K)。然后，在步骤202，根据最终燃料添加量AQ而从燃料添加阀14添加燃料，即，柴油。

然后，在步骤203，从添加燃料开始等待一定的时间。当这一定的时间过去之后，程序就会转到步骤204，在这儿，基于温度信号21和22的输出而判定温度升高ΔT是否小于一个参考值ΔT₀。当判定ΔT T₀，程序就会转到步骤207，在这儿，∑NOX被清除，然后程序循环结束。当判定ΔT＜ΔT₀，程序就会转到步骤205。

在步骤205，修正系数K被增大一定的值ΔK，然后在步骤206等待一定的时间，即添加的燃料被消耗的时间。当等待时间过去，程序从步骤200执行到步骤201和步骤202，从而使比前次更多的燃料被添加。

图17显示了如图2所示通过一个空燃比传感器26检测从NO_x存储催化剂12流出的废气的空燃比A/F的情况下的燃料添加控制。

在如图17所示的程序中，与如图16所示的程序的唯一不同之处在于步骤204’。因此，将只对图17所示的程序中的步骤204’进行说明。

参照图17，在步骤204’，基于空燃比传感器26的输出信号而判定从NO_x存储催化剂12流出的废气的空燃比A/F是否约等于理论空燃比。当判定它约等于理论空燃比，程序就会转到步骤207，而当判定它不等于理论空燃比，程序就会转到步骤205。

Claims (16)

1.一种用于压缩点火式内燃机的废气净化装置，包含用于将微粒燃料添加到废气中的燃料添加装置；布置于燃料添加装置下游的发动机排气通道中的HC吸附和氧化催化剂，它用于吸附和氧化废气中含有的碳氢化合物；布置于HC吸附和氧化催化剂下游的发动机排气通道中的NO_x存储催化剂，它用于在流入的废气的空燃比较稀时存储废气中含有的NO_x，在流入的废气的空燃比变为理论空燃比或较浓时释放所存储的NO_x，其中在令流入到NO_x存储催化剂中的废气的空燃比变浓而使NO_x存储催化剂释放NO_x时，从燃料添加装置中加入微粒燃料，此时的微粒燃料的添加量被设定为令流入到HC吸附和氧化催化剂的废气的空燃比变为一个浓空燃比，但它小于流入到NO_x存储催化剂时的浓空燃比，在添加的微粒燃料被HC吸附和氧化催化剂吸附后，大部分被吸附的燃料在HC吸附和氧化催化剂中被氧化，流入到NO_x存储催化剂中的废气的空燃比就会在一个较长的时期变浓，这个时期长于令流入到HC吸附和氧化催化剂中的废气变浓的时期。

2.如权利要求1所述的废气净化装置，其中在发动机低转速、低负荷运转时，令NO_x存储催化剂释放NO_x而从所述燃料添加装置添加的微粒燃料的量被设定为令流入到HC吸附和氧化催化剂的废气的空燃比约为1到7的一个量。

3.如权利要求1所述的废气净化装置，其中当HC吸附和氧化催化剂的温度越高，令NO_x存储催化剂释放NO_x而从所述燃料添加装置添加的微粒燃料的量就会减少。

4.如权利要求1所述的废气净化装置，其中当废气的流动速率越大，令NO_x存储催化剂释放NO_x而从所述燃料添加装置添加微粒燃料的量就会减少。

5.如权利要求1所述的废气净化装置，其中与发动机低转速、低负荷运转时相比，在发动机高转速、高负荷运转时，令NO_x存储催化剂释放NO_x而从所述燃料添加装置添加微粒燃料的量变小。

6.如权利要求1所述的废气净化装置，其中当发动机负荷越高，令NO_x存储催化剂释放NO_x而从所述燃料添加装置添加微粒燃料的频率就越高。

7.如权利要求1所述的废气净化装置，其中当存储于NO_x存储催化剂中的的NO_x量超过一个允许值时，就会从所述的燃料添加装置中添加微粒燃料，使NO_x存储催化剂释放NO_x，而当发动机负荷越高，所述的允许值就越低。

8.如权利要求1所述的废气净化装置，其中一种贵金属催化剂被装载在所述的HC吸附和氧化催化剂的基体上。

9.如权利要求1所述的废气净化装置，其中所述的HC吸附和氧化催化剂的基体包含沸石。

10.如权利要求1所述的废气净化装置，其中所述的装置包含判断装置，用于在微粒燃料被添加到废气中而使NO_x存储催化剂释放NO_x时判定从HC吸附和氧化催化剂流出的废气的空燃比是否已经变浓，而在令NO_x存储催化剂释放NO_x时，所述的燃料添加装置根据所述的判断装置的判定而添加使得从HC吸附和氧化催化剂流出的废气的空燃比变浓而所必需的燃料量。

11.如权利要求10所述的废气净化装置，其中能够检测从HC吸附和氧化催化剂流出的废气的温度升高的温度传感器被布置在发动机排气通道中，而所述的判断装置在所述的温度升高超过一个参考值时判定出从HC吸附和氧化催化剂流出的废气的空燃比已经变浓。

12.如权利要求10所述的废气净化装置，其中能够检测从NO_x存储催化剂流出的废气的空燃比的空燃比传感器被布置在NO_x存储催化剂下游的发动机排气通道中，而所述的判断装置在由空燃比传感器检测到的废气的空燃比基本为理论空燃比时判定出从HC吸附和氧化催化剂流出的废气的空燃比已经变浓。

13.如权利要求11或12所述的废气净化装置，其中当所述的判断装置判定出从HC吸附和氧化催化剂流出的废气的空燃比不是浓的时，所述的燃料添加装置增大从燃料添加装置添加的微粒燃料的量。

14.如权利要求13所述的废气净化装置，其中当所述的判断装置判定出从HC吸附和氧化催化剂流出的废气的空燃比不是浓的时，在下一步要判定NO_x应该从NO_x存储催化剂中释放时，所述的燃料添加装置增大从燃料添加装置添加的微粒燃料的量。

15.如权利要求1所述的废气净化装置，其中NO_x存储催化剂被装载于用于捕获和氧化包含在废气中的微粒物质的微粒过滤器上。

16.如权利要求15所述的废气净化装置，其中当沉积于微粒过滤器上的微粒物质的量超过一个允许量时，微粒过滤器的温度在稀的废气空燃比下升高，从而使沉积的微粒物质通过氧化而被清除。

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