CN102149905B - 内燃发动机的排气控制设备 - Google Patents
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Abstract
一种内燃发动机的排气控制设备具有净化排气的排气处理设备(55)。该排气控制设备形成为通过燃料添加阀(15)将未燃烧燃料供给到排气中，并且未燃烧燃料通过电热塞(51)点燃由此产生到达排气处理设备(55)的上游端的火焰(60)。使未燃烧燃料在所产生的火焰到达排气处理设备之前就附着于排气处理设备的上游端。然后附着于排气处理设备的上游端的未燃烧燃料借助于所述火焰燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃发动机的排气控制设备。
背景技术
诸如柴油发动机或汽油发动机等的内燃发动机的排气中包含例如诸如一氧化碳(CO)、未燃烧燃料(HC)、氮氧化物(NOX)和颗粒物(PM)等成分。
为了净化这些成分，内燃发动机中安装有排气处理设备。排气处理设备具有例如用于氧化CO等的氧化催化剂、用于去除氮氧化物的NOX储存催化剂或NOX选择还原催化剂、以及用于去除颗粒物的颗粒过滤器。
内燃发动机的排气净化设备中有火焰产生是常见特征。PCT申请No.8-509044(JP-A-8-509044)的日文公布译文公开了一种包括燃料供体和燃料管路的设备，燃料管路设在发动机排气的气体排放管路中并供给在低温下点燃的燃料。该设备还具有空气泵，空气泵将助燃空气经由空气管路供给到排气的气体管路中。排气气流中的颗粒污染物在位于用于去除颗粒污染物的粒子过滤器上游的排气管中燃尽。
PCT申请No.2000-514911(JP-A-2000-514911)的日文公布译文公开了一种燃烧室，该燃烧室具有第一催化反应器以及与第一催化反应器串联设置的第二催化反应器。将第一催化反应器加热至点燃温度或点燃温度以上。然后，将燃料和空气的混合物注入第一催化反应器中。于是在第一催化反应器中开始催化燃烧。当在第一催化反应器处点燃之后空气-燃料(A/F)混合物的流量增大，并且催化燃烧转移到第二催化反应器，由此加热设在第二催化反应器下游的用于加热的热交换器。
排气处理设备的温度能够通过排气处理设备上游的火焰产生而在短时间内升高。排气的温度通过火焰产生而升高，因此能够利用产生的高温排气使排气处理设备的温度升高。例如，能够通过氧化催化剂上游的火焰产生而在短时间内使氧化催化剂的温度升高到活化温度。
为了在排气通道中产生火焰，能够通过例如加热供给到排气管中的未燃烧燃料而产生火焰。排气处理设备上游的火焰产生能够使排气温度升高，而且还使得对正在燃烧的燃料进行重整。例如，火焰产生能够将重质未燃烧燃料重整成轻质未燃烧燃料。因此当需要将还原剂供给到排气处理设备中时，能够供给具有极好还原能力的轻质还原剂。
通过燃料燃烧产生的火焰导致火焰中具有高反应性物质(活性物质)。这些物质包括例如基团和中间产物。这些活性物质具有强的氧化或还原能力，因此适用于排气处理设备中的氧化反应和还原反应。然而，火焰中的活性物质不稳定并在火焰外立即转变成稳定的最终产物。火焰产生的活性物质在现有技术中一直被忽视，而没有进行充分的开发利用。
发明内容
本发明提供了一种内燃发动机的排气控制设备，该排气控制设备具有反应能力提高的排气处理设备。
在本发明的一个方面中，该内燃发动机的排气控制设备设有：排气处理设备，所述排气处理设备设置在排气通道中并净化排气；火焰产生单元，所述火焰产生单元通过点燃排气中包含的未燃烧燃料而产生火焰并使所产生的火焰到达所述排气处理设备的上游端；以及控制单元，所述控制单元控制所述火焰产生单元。所述控制单元构造成执行控制以在所述火焰产生单元产生的火焰到达所述排气处理设备之前使所述未燃烧燃料附着于所述排气处理设备的上游端，并通过火焰使附着于所述排气处理设备的上游端的所述未燃烧燃料燃烧。这种构造使得能够增强排气处理设备的反应能力。
在上述方面中，所述火焰产生单元可包括电热塞和燃料供给单元，所述燃料供给单元将所述未燃烧燃料供给到所述电热塞上游的所述排气通道中。为了使所述未燃烧燃料附着于所述排气处理设备的上游端，所述控制单元可构造成执行控制以在通过给所述电热塞通电而使所述电热塞的温度达到所述未燃烧燃料的点燃温度之前使所述燃料供给单元供给所述未燃烧燃料。
在上述方面中，所述火焰产生单元可包括电热塞和燃料供给单元，所述燃料供给单元将所述未燃烧燃料供给到所述电热塞上游的所述排气通道中。为了使所述未燃烧燃料附着于所述排气处理设备的上游端，所述控制单元可构造成执行控制以在通过给所述电热塞通电而使所述电热塞的温度达到所述未燃烧燃料的点燃温度之后使所述燃料供给单元以比产生火焰所需的最小量大的量供给所述未燃烧燃料。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制从而以间歇的方式多次产生火焰。这种构造使得能够抑制未燃烧燃料溜过排气处理设备。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制以在多次火焰产生中相对于第一次火焰产生时附着于所述排气处理设备的所述未燃烧燃料的量减少第二次火焰产生和后续火焰产生中任何一次时附着于所述排气处理设备的所述未燃烧燃料的量。这种构造能够减小火焰产生期间的燃料消耗。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制以在多次火焰产生中相对于第一次火焰产生的持续时间延长第二次火焰产生以及后续火焰产生中任何一次的持续时间。这种构造使得能够在排气处理设备中在短时间内实施想要的处理。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制以在多次火焰产生中相对于第一次火焰产生时的火焰温度升高第二次火焰产生以及后续火焰产生中任何一次时的火焰温度。这种构造使得能够在排气处理设备中在短时间内实施想要的处理。
在上述方面中，所述排气控制设备可包括：吸附所述未燃烧燃料的氧化催化剂和第一温度传感器，所述第一温度传感器检测所述氧化催化剂的温度。所述控制单元可构造成执行控制以随着所述氧化催化剂的检测温度升高而减少所述未燃烧燃料的吸附量。这种构造使得能够防止供给的未燃烧燃料通过氧化催化剂而未被吸附于其上。
在上述方面中，所述排气处理设备可包括吸附所述未燃烧燃料的氧化催化剂和检测附着于所述氧化催化剂的所述未燃烧燃料的量的附着量检测单元。所述控制单元可构造成执行控制以随着附着于所述氧化催化剂的所述未燃烧燃料的量增加而降低火焰的温度。这种构造使得能够防止未燃烧燃料伴随着火焰产生而大量解除吸附并被排放出氧化催化剂。
在上述方面中，所述排气处理设备可包括NOX储存催化剂。当流入所述NOX储存催化剂中的排气的空燃比稀时，所述NOX储存催化剂可储存排气中包含的NOX，当所述空燃比为化学计量空燃比或浓空燃比时，所述NOX储存催化剂可释放所储存的NOX，并且所述NOX储存催化剂在储存NOX时连同NOX一起储存SOX而且当所述NOX储存催化剂的温度升高到释放SOX的温度时并且当所述空燃比变为化学计量空燃比或浓空燃比时释放所储存的SOX。所述控制单元可构造成执行控制以在进行用于从所述NOX储存催化剂释放NOX的NOX释放控制或者进行用于从所述NOX储存催化剂释放SOX的SOX释放控制时使所述火焰产生单元产生火焰并使所述空燃比变浓。这种构造能够显著地使排气的空燃比变浓。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制以在进行所述NOX释放控制或者进行所述SOX释放控制时以间歇的方式使所述空燃比变浓。这种构造能够在显著地使排气的空燃比变浓的同时抑制未燃烧燃料溜掉。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制以在进行所述NOX释放控制或者进行所述SOX释放控制时在火焰产生之前或者在火焰产生期间增加供给到所述火焰产生单元的排气中的氧浓度。这种构造能够增加活性物质的量。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制以在进行所述NOX释放控制或者进行所述SOX释放控制时在火焰产生之前或者在火焰产生期间降低供给到所述火焰产生单元的排气中的氧浓度。这种构造允许向NOX储存催化剂供给具有低氧浓度的适合的还原剂。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制以在进行所述NOX释放控制或者进行所述SOX释放控制时在火焰产生期间或者在火焰产生之后减小排气的流量。这种构造能够延长NOX储存催化剂中的活性物质的反应时间。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制以在火焰产生期间增加通过所述燃料供给单元供给的所述未燃烧燃料的量。这种构造能够增加NOX储存催化剂中的反应量。
上述方面中的内燃发动机的排气控制设备可进一步具有活性物质检测单元，所述活性物质检测单元检测火焰产生的活性物质的量。所述控制单元可构造成执行控制以与当所述活性物质检测单元检测到的所述活性物质的量大于判断值时的火焰产生的次数相比，当所述活性物质检测单元检测到的所述活性物质的量等于或小于所述判断值时增加火焰产生的次数。这种构造允许根据活性物质的量产生最优火焰。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制以与当执行所述NOX释放控制或者执行所述SOX释放控制时的所述空燃比及所述排气的流量相比，在所述NOX释放控制或者所述SOX释放控制之后使所述空燃比变稀并且增大所述排气的流量。这种构造允许从NOX储存催化剂内部去除残留的一氧化碳等。
在上述方面中，所述NOX储存催化剂可具有活性SOX释放温度，在所述活性SOX释放温度下，在火焰到达所述NOX储存催化剂时SOX通过活性物质而被释放。所述控制单元可构造成执行控制以在所述NOX释放控制的过程中使所述NOX储存催化剂的上游端处的温度升高至等于或者高于所述活性SOX释放温度的温度。
在上述方面中，所述排气处理设备可包括俘获SOX的SOX吸附催化剂。所述SOX吸附催化剂在所述排气通道中可设置在所述NOX储存催化剂的下游。这种构造能够抑制大量SOX突然释放到大气中。
上述方面中的内燃发动机的排气控制设备可进一步具有第二温度传感器，所述第二温度传感器检测所述SOX吸附催化剂的温度。所述控制单元可构造成执行控制以当所述SOX吸附催化剂的检测温度低于判断值时限制火焰的产生。这种构造能够防止SOX通过SOX吸附催化剂。
上述方面中的内燃发动机的排气控制设备可进一步具有还原剂供给单元，所述还原剂供给单元向所述排气通道供给尿素或氨。所述排气处理设备可包括氧化催化剂和NOX选择还原催化剂，所述NOX选择还原催化剂设置在所述氧化催化剂下游并通过氨选择性地还原排气中包含的NOX。在这种情况下，所述还原剂供给单元可设置在所述NOX选择还原催化剂上游，并且所述控制单元可构造成执行控制以通过使所述还原剂供给单元供给尿素或氨而补充被吸附至所述NOX选择还原催化剂并在火焰产生期间被消耗的氨。
在上述方面中，所述控制单元可构造成执行控制以在火焰产生之前或者在火焰产生之后使所述还原剂供给单元供给尿素或氨，使得被吸附至所述NOX选择还原催化剂的氨的量等于或大于预定量。这种构造能够避免尿素或氨因与火焰接触而重整。
上述方面中的内燃发动机的排气控制设备可进一步具有中毒检测单元，所述中毒检测单元检测所述NOX选择还原催化剂的HC中毒量。所述控制单元可构造成执行控制以当所述中毒检测单元检测到的所述HC中毒量等于或高于判断值时使所述火焰产生单元产生火焰。以上构造允许对HC中毒容易地进行再生。
在上述方面中，所述排气处理设备可包括颗粒过滤器，所述颗粒过滤器俘获排气中的颗粒物。所述控制单元可构造成执行控制以在通过升高排气的温度使所述颗粒物燃烧而从所述颗粒过滤器去除所述颗粒物时产生火焰。这种构造允许在比未产生火焰时的温度低的温度下实施颗粒过滤器再生。
上述方面中的内燃发动机的排气控制设备可进一步具有：还原剂供给单元，所述还原剂供给单元向NOX选择还原催化剂供给尿素；以及中毒检测单元，所述中毒检测单元检测所述NOX选择还原催化剂的HC中毒量。所述排气处理设备可包括：氧化催化剂或颗粒过滤器，所述颗粒过滤器俘获排气中的颗粒物；以及所述NOX选择还原催化剂，所述NOX选择还原催化剂设置在所述颗粒过滤器下游或者所述氧化催化剂下游并借助于由尿素产生的氨而选择性地还原排气中包含的NOX。所述控制单元可构造成执行控制以当所述中毒检测单元检测到的所述HC中毒量等于或高于判断值时产生火焰并以比当所述HC中毒量小于所述判断值时的供给量小的供给量供给尿素。这种构造能够防止NOX通过NOX选择还原催化剂。
上述方面中的内燃发动机的排气控制设备可进一步具有火焰状态判定单元，所述火焰状态判定单元判定火焰是否产生。所述控制单元可构造成当火焰产生时执行火焰产生控制而当火焰未产生时执行火焰未产生控制。所述控制单元可构造成基于所述火焰状态判定单元做出的火焰是否产生的判定来选择所述火焰产生控制或者选择所述火焰未产生控制。这种构造允许根据火焰产生或火焰未产生而进行最优控制。
上述方面中的内燃发动机的排气控制设备可进一步具有沉积量检测单元，所述沉积量检测单元检测沉积在所述火焰产生单元和所述排气处理设备至少其中之一上的炭烟的量。所述控制单元可构造成执行控制以当所述沉积量检测单元检测到的炭烟沉积量超过容许值时产生火焰。这种构造允许容易地去除沉积在各种不同位置处的炭烟。
根据本发明上述方面的内燃发动机的排气控制设备使得能够提供一种排气处理设备的反应能力得以提高的内燃发动机的排气控制设备。
附图说明
本发明的特征、优点及其技术和工业意义将在以下参考附图对本发明的示例性实施方式的详细描述中加以说明，附图中相同的附图标记指示相同的元件，并且附图中：
图1是第一实施方式中的内燃发动机的排气净化设备的示意图；
图2是第一实施方式的排气净化设备的部分排气管的放大示意性横截面图；
图3是在未燃烧燃料的燃烧过程中产生的物质的说明图；
图4是第一实施方式中的第一操作控制的时间图；
图5是第一实施方式中的第二操作控制的时间图；
图6是第一实施方式中的作为对照例的第三操作控制的时间图；
图7是第一实施方式中的第四操作控制的时间图；
图8是第一实施方式中的第五操作控制的时间图；
图9是第一实施方式中的第七操作控制的时间图；
图10是说明在火焰产生期间空燃比传感器的输出电流的变化的图；
图11是第一实施方式中的另外的排气净化设备的排气管部分的放大示意性横截面图；
图12是燃烧室中的喷射模式的说明图；
图13是第三实施方式中的内燃发动机的排气净化设备的示意图；
图14是第三实施方式中的第一操作控制的时间图；
图15是第三实施方式中的作为对照例的第二操作控制的时间图；
图16是第三实施方式中的第三操作控制的时间图；
图17是第三实施方式中的第四操作控制的时间图；
图18是说明在NOX释放控制期间第三实施方式的NOX储存催化剂中的温度分布的图；
图19是第四实施方式的内燃发动机的示意图；
图20是第四实施方式中的第一操作控制的时间图；以及
图21是第四实施方式中的第二操作控制的时间图。
具体实施方式
下面参照附图1至12对第一实施方式中的内燃发动机的排气净化设备进行说明。
图1示出了该实施方式中的压缩点火式内燃发动机的总图。将基于柴油发动机的示例来说明该实施方式。内燃发动机设有发动机本体1和排气净化设备(排气控制设备)。发动机本体1具有位于相应气缸中的燃烧室2、用于将燃料喷射到相应燃烧室2中的电子控制的燃料喷射阀3、进气歧管4和排气歧管5。
进气歧管4经由进气管道6连接至排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口。压缩机7a的进口经由进气量检测器8连接至空气滤清器9。进气管道6内设有由步进电机驱动的节气门10。围绕进气管道6进一步设有冷却设备11，以冷却流动通过进气管道6的进气。在图1中所示的示例中，发动机冷却水被引导入冷却设备11中，在冷却设备处进气被发动机冷却水冷却。
排气歧管5连接至排气涡轮增压器7的排气涡轮机7b的入口。排气涡轮机7b的出口经由排气管12连接至排气处理设备55。排气处理设备55是能够净化从发动机本体1排放的排气的设备。排气处理设备55的示例包括例如氧化催化剂、HC吸附催化剂、颗粒过滤器、NOX储存催化剂或NOX选择还原催化剂。
在排气处理设备55上游的排气通道中，即在排气管12中，设有作为燃料供给单元的燃料添加阀15，用于向排气管12中供入新的未通过发动机本体1的未燃烧燃料。燃料添加阀15形成为具有供给燃料和停止燃料供给的燃料供给动作。在燃料添加阀15与排气处理设备55之间设有作为加热部的电热塞51。电热塞51形成为能够加热周围环境和能够停止加热。电热塞51具有点燃通过燃料添加阀15喷射的燃料的功能。加热部并不限于电热塞，而是可以任意形成，只要其能够加热周围环境即可。例如，加热部可包括火花塞。
在进气歧管5与排气歧管4之间设有用于排气再循环的排气再循环(EGR)通道18。EGR通道18中设有电子控制的EGR控制阀19。围绕EGR通道18设有用于冷却流动通过EGR通道18的EGR气体的冷却设备20。在图1所示的示例中，发动机冷却水被引导入冷却设备20中，EGR气体在冷却设备处被发动机冷却水冷却。
燃料喷射阀3经由燃料供给管21连接至共轨22。共轨22经由电子控制的可变容量燃料泵23连接至燃料罐24。储存在燃料罐24中的燃料由燃料泵23供给到共轨22中。供给到共轨22中的燃料经由相应的燃料供给管21供至燃料喷射阀3。
电子控制单元30具有数字计算机。本实施方式中的电子控制单元30用作排气净化设备的控制单元。电子控制单元30具有只读存储器(ROM)32、随机存取存储器(RAM)33、中央处理单元(CPU)(微处理器)34、以及通过双向总线31彼此连接的输入端口35和输出端口36。
排气处理设备55的下游设置有第一温度传感器26，该第一温度传感器26用于检测排气处理设备55的温度。排气处理设备55的下游设置有空燃比传感器56，该空燃比传感器56用于检测作为经过发动机本体1的排气中的未燃烧燃料的碳氢化合物(HC)的浓度。在该实施方式中，如下所述，能够基于空燃比传感器56的输出来判定是否有火焰产生。第一温度传感器26和空燃比传感器56的输出信号经由对应的AD转换器37输入到输入端口35。
进气量检测器8的输出信号经由对应的AD转换器37输入到输入端口35。负载传感器41连接于加速器踏板40。负载传感器41产生输出电压，该输出电压与加速器40的下压量L成比例。负载传感器41的输出电压经由对应的AD转换器37输入到输入端口35。输入端口35上进一步连接有曲柄角传感器42，例如曲轴每旋转15°该曲柄角传感器42就产生一个输出脉冲。
输出端口36经由相应的驱动电路38连接至燃料喷射阀3、用于驱动节气门10的步进电机、EGR控制阀19和燃料泵23。输出端口36还经由对应的驱动电路38连接至燃料添加阀15和电热塞51。该实施方式的燃料添加阀15和电热塞51由电子控制单元30控制。
图2示出了排气管12的示意性横截面图，排气管中设置有该实施方式的排气净化设备的燃料添加阀15和电热塞51。排气管12呈管形形状。燃料添加阀15设在排气处理设备55和电热塞51的上游。该实施方式的燃料添加阀15形成为以向外辐射的方式喷射燃料。燃料添加阀15还形成为以雾的形式喷射燃料。该实施方式的排气净化设备形成为使得通过燃料添加阀15喷射作为发动机本体1的燃料的柴油。其燃料并非局限于此，而是可以供给与发动机本体1的燃料不相同的燃料。
电热塞51设置成用于加热由燃料添加阀15供给的燃料。电热塞51具有使温度升高的生热部分51a。该示例性设备中的生热部分51a形成在电热塞51的前端。生热部分51a可设置在不同于加热部的前端的其它位置处。该实施方式中的燃料添加阀15形成为朝向该生热部分51a喷射燃料。燃料添加阀15的喷射口瞄准电热塞51的生热部分51a。电热塞51设置在使得生热部分51a能够与燃料添加阀15所喷射的燃料接触的位置处。该实施方式的电热塞51和燃料添加阀15的形状构造成棒状，但是其形状并非局限于此，而是可以构造成任意其它形状。
该实施方式的内燃发动机的排气净化设备具有火焰产生单元，该火焰产生单元通过点燃排气中的未燃烧燃料而产生火焰60，并且使产生的火焰到达排气处理设备55的上游端。该实施方式中的火焰产生单元包括作为加热部的电热塞51和设置在比电热塞51更靠近上游的燃料添加阀15。电热塞51设置在排气处理设备55附近，使得所产生的火焰60到达排气处理设备55的上游端。火焰产生单元不限于以上构造，而是可以任意形成，只要能够通过点燃排气中的未燃烧燃料产生火焰即可。
从发动机本体1排放的排气沿排气管12延伸的方向流动，如箭头90所指。当排气中的氧浓度等于或大于预定值并且当排气的流量不超过预定值时就能够产生火焰60。产生的火焰60沿排气流动的方向移动。在该实施方式中，火焰60到达排气处理设备55的上游端。具体地，由燃料添加阀15供给的排气与未燃烧燃料的混合气体以燃烧的状态到达排气处理设备55。火焰60很热，因此由于火焰60到达排气处理设备55而能够使排气处理设备55的温度升高。特别是在必须使排气处理设备55的温度升高的情况下，能够借助于火焰在短时间内使温度升高至目标温度。
图3示出了在未燃烧燃料的燃烧过程中由火焰产生的物质的说明图。由于未燃烧燃料燃烧使得温度升高而导致产生基团和中间产物。基团是电离的物质。中间产物是在转化成最终产物之前过渡性存在的物质。这些最终产物包括水、二氧化碳以及可燃性还原剂。在该实施方式中，活性物质是指由火焰暂时性产生并使排气净化设备中的氧化反应或还原反应的反应能力得到提高的物质。
基团在此包括诸如OH基团或O基团之类的具有氧化能力的氧化剂和诸如H基团等具有还原能力的还原剂。中间产物包括例如充当氧化剂的HO2、H2O2或者充当还原剂的CN、HCN等。最终产物包括例如充当可燃性还原剂的H2、CO等。
基团和中间产物是具有极好的氧化能力的适合的氧化剂或者具有极好的还原能力的适合的还原剂。但是，当温度降低到可产生火焰的区域以外时基团就变成稳定的物质。中间产物是反应过程中中途产生的不稳定的物质，并且因此当温度降低到可产生火焰的区域之外时就会变成稳定的物质。
在本发明中，火焰产生单元中所产生的火焰可直接供给至排气处理设备55，因此活性物质能够被供给至排气处理设备55。结果，这样能够促进排气处理设备55中的氧化反应或还原反应。
图4示出了该实施方式中的排气净化设备的第一操作控制的时间图。该排气净化设备控制成使得大量活性物质被供给至排气处理设备55。在该实施方式中，使未燃烧燃料在火焰到达排气处理设备之前就附着于排气处理设备的上游端。本发明的本实施方式中的未燃烧燃料的附着意味着至少一部分未燃烧燃料以暴露状态粘附到目标物体上。附着在本文中既包括物理吸附又包括化学吸附。
在未燃烧燃料因此附着于排气处理设备55的上游端的情况下，火焰60到达排气处理设备55的上游端使附着的未燃烧燃料燃烧并由此产生新的活性物质。在排气处理设备55的入口处产生活性物质使得能够在活性物质耗尽之前将大量活性物质供给到排气处理设备55中。这些活性物质在排气处理设备55内诱发氧化反应或还原反应。
下面将参照附图4和2说明在时刻t1通过燃料添加阀15供给未燃烧燃料的情况。该实施方式中的燃料添加阀15以类似脉冲的方式供给未燃烧燃料。此时此刻，电热塞51尚未通电，并且排气温度低于由燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的点燃温度。未燃烧燃料与排气一起朝排气处理设备55流动。未燃烧燃料附着到排气处理设备55的上游端。未燃烧燃料可通过燃料的预先供给而在火焰产生之前变成这样附着。
接着，在时刻t2时给电热塞51通电。通过给电热塞51通电，生热部分51a的温度升高。于是在由燃料添加阀15所供给的燃料点燃之前使电热塞15预热。在该实施方式中，电热塞的预热一直进行到生热部分51a的温度等于或高于由燃料添加阀15所供给的未燃烧燃料能够点燃的温度。这样能够通过电热塞的预热而使电热塞的生热部分51a周围的氛围温度升高。
一旦电热塞51的生热部分51a的温度达到点燃温度，燃料添加阀15在时刻t3供给燃料以产生火焰。火焰产生在电热塞的下游。流入排气处理设备55中的排气的温度突然升高。于是，排气处理设备55的温度也能够在短时间内升高。在时刻t4停止通过燃料添加阀15的燃料供给。同样在时刻t4停止给电热塞51通电，于是产生的火焰60熄灭。流入排气处理设备55中的排气的温度回复至初始排气温度。可以如上所述实施单次火焰产生。
在该实施方式中，间歇地多次实施火焰产生。也就是说，通过***不产生火焰的时段而多次产生火焰。从时刻t5至时刻t8的时段是产生二次火焰的时段，并且在该时段中以与从时刻t1至时刻t4的相同的方式执行控制。
通过由燃料添加阀15在时刻t1预先供给燃料，使未燃烧燃料在点燃之前能够附着于排气处理设备55的上游端。时刻t3的火焰产生使附着的未燃烧燃料能够燃烧。特别地，由于火焰中存在强氧化性OH基团和O基团使得附着于该上游端的未燃烧燃料能够燃烧。上述燃烧使温度升高并进一步导致活性物质的生成。在该实施方式中，从排气处理设备55的该端至排气处理设备55内部的距离短，因此火焰进入到排气处理设备55中。因此，产生于排气处理设备55该端处的活性物质能够供给到排气处理设备55内部。供给的活性物质具有高的氧化能力或还原能力。这促进了排气处理设备55中的氧化反应或还原反应。
图5是该实施方式中的第二操作控制的时间图。在第二操作控制中，在时刻t1开始给电热塞通电。通过燃料添加阀15的燃料的预先供给发生在时刻t2。在该预先供给中，以脉冲形式供给未燃烧燃料。在未燃烧燃料的预先供给与用于火焰产生的未燃烧燃料的供给之间***一段不供给未燃烧燃料的时段。因此，从开始给电热塞通电直至电热塞的温度达到未燃烧燃料的点燃温度，通过燃料添加阀15供入的未燃烧燃料变得附着于排气处理设备55的上游端。
电热塞51的预热导致温度升高，直至电热塞51的温度达到未燃烧燃料的点燃温度。一旦电热塞51的温度达到未燃烧燃料可点燃的温度，在时刻t3通过由燃料添加阀15供给未燃烧燃料而产生火焰。火焰产生持续进行至时刻t4。在时刻t4停止向电热塞51通电。此后***无火焰产生期，然后从时刻t5至时刻t8以相同的方式重复火焰产生。
如图4和5中示出的，可以在未燃烧燃料点燃和火焰到达之前实施用于使未燃烧燃料附着于排气处理设备55的上游端的未燃烧燃料的预先供给。可选择未燃烧燃料点燃的时段，例如，从电热塞51开始通电之时直至从该时刻起经过预定时间。
图6示出了该实施方式中的第三操作控制的时间图。第三操作控制是操作控制的对照例。在第三操作控制中，燃料通过燃料添加阀供给以使未燃烧燃料变得附着于排气处理设备的上游端，之后电热塞通电开始。然后在时刻tx点燃，并且火焰产生持续至时刻ty。在该对照例中，火焰只产生一次，而不是多次。火焰产生时间通过火焰的连续产生而延长。例如，一旦当排气处理设备中实施氧化反应或还原反应时，仅产生一次火焰。
在作为对照例的第三操作控制中，附着于排气处理设备上游端的未燃烧燃料在火焰产生期间中途耗尽。也就是说，附着于排气处理设备上游端的未燃烧燃料完全燃尽，因此供给到排气处理设备中的活性物质较少。此外，连续的火焰产生使排气处理设备内的氧被耗尽。这导致通过排气处理设备并被排放出排气处理设备的未燃烧燃料的排放量逐渐增大。
通过比较，在第一操作控制或第二操作控制中间歇地多次产生火焰，如图4和5所示。一旦在排气处理设备55中实施氧化反应或还原反应时，间歇地多次产生火焰。以上述方式进行控制允许在每次火焰产生之前所需量的未燃烧燃料附着到排气处理设备55的上游端，并且使得能够防止附着于排气处理设备55上游端的未燃烧燃料在每次火焰产生期间中途耗尽。因此，能够将大量活性物质稳定地供给到排气处理设备55。
而且，间歇性地多次实施火焰产生使得能够在不产生火焰的期间从排气中摄取氧。因此，这能够显著地减少未在排气处理设备55中燃烧并被排放出排气处理设备55的未燃烧燃料的量。因此，优选间歇地多次实施火焰产生。
图7示出了该实施方式中的第四操作控制的时间图。在第四操作控制中，在多次火焰产生中，在第二和后续火焰产生中任何一次时附着于排气处理设备55的未燃烧燃料的量都少于在第一次火焰产生时附着于排气处理设备55的未燃烧燃料的量。具体地，第二和后续火焰产生时的未燃烧燃料的预先供给量Qp设定成小于第一次火焰产生时未燃烧燃料的预先供给量Qp。在该实施方式中，随着火焰产生次数的增加，附着于排气处理设备55的上游端的未燃烧燃料的量Qp逐渐减少。在时刻tx1实施第一次火焰产生的点燃，在时刻tx2实施第二次火焰产生的点燃，并且在时刻tx3实施第三次火焰产生的点燃。
在间歇式火焰产生中，前次火焰产生的一些残留附着的未燃烧燃料会继续存在而未在单次火焰产生中完全消耗。诸如上述预先供给的预先供给使未燃烧燃料能够在火焰产生期间一直附着于排气处理设备55的上游端。因此能够在整个火焰产生期间从附着的未燃烧燃料产生活性物质。
然而，一些附着于排气处理设备55的上游端的未燃烧燃料在第一次火焰产生之后可继续存在。因此，在自第二次火焰产生起的任何一次火焰产生中，在火焰产生之前供给的未燃烧燃料的预先供给量被减少。通过以上方式进行控制使得能够防止排气处理设备55上游端处的未燃烧燃料在火焰产生期间耗尽，同时避免未燃烧燃料过量附着。因此可以减少通过排气处理设备55的未燃烧燃料的量。可替代地，通过以上方式进行控制能够减少氧化反应、还原反应期间燃料的消耗以及排气处理设备55中的温度升高。
图8示出了该实施方式中的第五操作控制的时间图。在第五操作控制中，在多次火焰产生中，在第二和后续火焰产生中任何一次时的火焰产生的时间设定成长于第一次火焰产生时的火焰产生的时间。在该实施方式中，随着火焰产生的次数增加，单次火焰产生时间逐渐增长。在时刻tx1、tx2或tx3发生点燃。各次火焰产生进行的时间LF从第一次火焰产生至第三火焰产生逐渐变长。
排气处理设备55的温度(床温)升高可促进排气处理设备55中的氧化反应和还原反应。例如，在排气处理设备55包括氧化催化剂的情况下，较高的温度使排气处理设备55中的氧化反应加速。在第五操作控制中，火焰产生时间与排气处理设备55中的温度升高相呼应地延长。排气处理设备55的温度的升高导致排气处理设备55中的反应速度更快。这使得即使在火焰产生延长的情况下仍然能够抑制未燃烧燃料溜掉。因此，火焰产生时间可以延长，使得期望的反应能够在排气处理设备55中在很短的时间内发生。
可替代地，可以执行控制以使得在火焰产生期间所产生的火焰的温度升高。在该实施方式的第六操作控制中，第二以及后续火焰产生中任何一次中的火焰温度都升高得高于第一次火焰产生中的火焰温度。在第二以及后续火焰产生中任何一次中，通过燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的量相对于第一次火焰产生中通过燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的量有所增加。例如，能够通过在由燃料添加阀15所供给的未燃烧燃料完全燃烧的范围内供给最大量的未燃烧燃料来提高火焰温度。更高的温度导致更快的反应速度，进而能够抑制未燃烧燃料溜掉。
执行控制而提高火焰温度使得能够减少通过排气处理设备55的未燃烧燃料，并使得能够在短时间内提高排气处理设备55的温度。因此能够向排气处理设备55供给高温火焰，从而能够从附着于排气处理设备55的上游端的未燃烧燃料生成大量活性物质。由于可向排气处理设备55供给大量活性物质，因此期望的反应可在短时间内发生。可通过排气处理设备55中发生氧化反应时产生的氧化热使排气处理设备55的温度快速升高。
图9示出了该实施方式中的第七操作控制的时间图。在第七操作控制中，在电热塞51的温度达到未燃烧燃料的点燃温度之后，通过燃料添加阀15供给比火焰产生所需的最小量大的未燃烧燃料量。
在时刻t1，通过经由燃料添加阀15的预先燃料供给使燃料附着于排气处理设备55的上游端。预先燃料供给以脉冲的形式进行。在时刻t2开始给电热塞51通电。电热塞51的温度升高。当电热塞51的温度达到未燃烧燃料的点燃温度时，在时刻t3，点燃由燃料添加阀15所供给的未燃烧燃料。
在于时刻t3点燃未燃烧燃料时，以比火焰产生所需的最小量大的量供给未燃烧燃料。例如，以使得一些未燃烧燃料在未完全燃烧的情况下到达排气处理设备55的量供给未燃烧燃料。一些未燃烧燃料会变得附着于排气处理设备55的上游端。除已经预先供给的附着燃料之外，其它未燃烧燃料在早期燃烧期间变得附着于排气处理设备55的上游端。
产生的火焰的温度在点燃后的即刻相对较低，因此大量供给未燃烧燃料使得未燃烧燃料能够以尚未完全燃烧的未燃烧燃料的形式到达排气处理设备55。除了别的以外，在例如当排气管12周围的温度不是足够高时，通过排气管12的温度的影响，燃料也会以未燃烧燃料的状态到达排气处理设备55。因此，除已经附着于排气处理设备55的未燃烧燃料之外，还有更多未燃烧燃料可变得附着于排气处理设备55。
在时刻t4减少通过燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的量。火焰产生从时刻t4持续到时刻t5，并在时刻t5停止。接下来为无火焰产生间隔，此后重复火焰产生过程。从时刻t6至时刻t10以与从时刻t1至时刻t5相同的方式执行控制。因此在第七操作控制中，大量未燃烧燃料可变得附着于排气处理设备55的上游端面。此时，火焰产生允许将活性物质供给至排气处理设备55。
接下来对排气净化设备中是否有火焰产生的判定加以说明。该实施方式的内燃发动机的排气净化设备具有判定是否产生了火焰的火焰状态判定单元。参见图1，火焰状态判定单元具有空燃比传感器56。在该实施方式中，火焰状态判定单元通过检测来自空燃比传感器56的输出信号来判定是否产生了火焰。
图10是说明来自空燃比传感器56的输出信号的图。X轴代表时间，Y轴代表空燃比传感器56的输出电流。该实施方式中的空燃比传感器56为全区域式空燃比传感。供给到进气通道、燃烧室或排气通道的排气中的空气与燃料(碳氢化合物)之间的比率被称为排气的空燃比。随着排气的空燃比变小(随着排气的空燃比变得更浓)，空燃比传感器56的输出电流减小。该实施方式中的空燃比传感器56是线性空燃比传感器，其能够检测排气的各个状态中的空燃比。
图10示出了当通过燃料添加阀15供给燃料时产生火焰的情形和未产生火焰的情形。当未产生火焰时，未燃烧燃料变得以液体形式附着于排气处理设备55，因此很少的未燃烧燃料通过排气处理设备55。曲线的对应形状基本上为倒置的小丘形状，其中输出电流的减小量I1较小。相比之下，当产生火焰时，未燃烧燃料燃烧，另外，附着于排气处理设备55的未燃烧燃料从排气处理设备55燃烧，因此大量的未燃烧燃料从排气处理设备55流出。空燃比传感器56的输出电流的减少量I2变得较大。例如，预先设定针对空燃比传感器56的减少量的判断值Ix。当通过燃料添加阀15供给燃料时，如果空燃比传感器56的减少量小于该判断值Ix，则能够判定产生了火焰，而当该减少量大于判断值Ix时则判定未产生火焰。当排气处理设备55包括氧化催化剂时，火焰产生导致催化剂温度升高，由此催化剂被活化，并且还导致排气中的氧被消耗。因此检测到的空燃比变得更小。
因此在该实施方式中，通过在排气处理设备55下游布置空燃比传感器56来判定点燃。然而，火焰状态判定单元并不局限于此，而是可以采用任意其它手段来判定火焰产生。火焰状态判定单元可以例如具有NOX传感器、氧传感器、或者排气温度传感器。
在安装NOX传感器来判定火焰产生状态的情况下，检测当由燃料添加阀15所供给的未燃烧燃料点燃时对应于点燃的预定量的NOX。相比之下，当由燃料添加阀15所供给的燃料未点燃时，来自NOX传感器的输出信号基本恒定。当NOX传感器的输出信号等于或大于判断值时可以判定火焰产生发生。当NOX传感器的输出信号小于判断值时可以判定火焰产生未发生。
在安装氧传感器时，为了判定火焰产生状态，能够以同样的方式实施空燃比传感器56中的判定。在安装用于检测排气温度的温度传感器以便判定火焰产生状态的情况下，火焰产生必然导致高排气温度，而火焰未产生必然导致低排气温度。在从燃料添加阀15供给未燃烧燃料时，当排气温度等于或高于判断值时就可以判定火焰产生。当排气温度低于判断值时则可判定火焰未产生。
该实施方式的内燃发动机的排气净化设备形成为使得当火焰产生时能够进行火焰产生控制，并且当火焰未产生时能够进行火焰未产生控制。该实施方式的排气净化设备形成为使得火焰状态判定单元判定火焰是否产生，基于此，排气净化设备选择火焰产生控制或者火焰未产生控制。
如此选择以上控制模式允许恰当地检测根据火焰是否产生而变化的值。例如，当电子控制单元30中存储有用于计算从排气处理设备55的上游端到下游端的床温的映射时，那么分别存储有火焰产生情况下的映射和火焰未产生的情况下的映射。通过根据火焰是否产生而在这些映射之间切换能够精确地计算从排气处理设备55的上游端直至下游端的床温。
可替代地，当例如电子控制单元30中存储有用于计算排气处理设备55中的氧化或还原反应的量的映射或者存储有用于计算在去除排气处理设备55处的沉积物时的净化量的映射时，那么分别存储有火焰产生的情况下的映射和火焰未产生的情况下的映射，使得能够通过根据火焰产生状态在这些映射之间进行切换而更精确地进行计算。通过储存判断值、容许偏差等作为在火焰产生的情况下的值和在火焰未产生的情况下的值，并通过根据火焰产生状态而在这些值之间切换，能够更准确地执行控制。
实施方式的内燃发动机的排气净化设备具有检测沉积在火焰产生单元或排气处理设备55上的炭烟量的沉积量检测单元。火焰产生会导致炭烟沉积在例如电热塞51和排气处理设备55上。例如，在排气处于低温的连续低温操作的条件下或者紧随燃料添加阀15增大未燃烧燃料的供给量之后，炭烟会沉积。此外，例如紧随发动机速度提高之后以及在内燃发动机连续怠速运转的条件下炭烟也会沉积。同样，在颗粒过滤器再生之后在从发动机本体1排放预定量的颗粒物的条件下炭烟也会沉积。
实施方式中的沉积量检测单元基于内燃发动机的运行状态史检测炭烟的沉积量。例如，在内燃发动机低温运行的情况下，沉积量检测单元通过计算排气处于或低于预定温度时所经历的时间来检测炭烟的沉积量。可替代地，沉积量检测单元通过检测由燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的供给量的增加来检测炭烟的沉积量。沉积量检测单元并不限于以上构型，而是可以以任意方式形成，只要其能够感测沉积在预定位置处的炭烟量即可。
在该实施方式中，当检测到的沉积炭烟的量超过容许值时通过火焰产生单元产生火焰。可以通过火焰产生烧掉沉积在预定位置处的炭烟。在其它控制模式中，还可通过多次进行火焰产生烧掉沉积在预定位置处的炭烟。
可替代地，火焰产生可以省略，并且可以通过源于给电热塞51通电而产生的热和/或辐射烧掉沉积的炭烟。例如，可以通过在预热电热塞51的过程中增加给电热塞51通电的次数或者通过延长点燃之前电热塞51的通电时间而烧掉沉积的炭烟。
图11示出了实施方式的内燃发动机的另外的排气净化设备的放大的示意性横截面图。图11是排气净化设备中的部分排气管12的放大示意性横截面图。内燃发动机的该另外的排气净化设备具有突出管12a。突出管12a连接至排气管12并形成为延伸出排气管12。燃料添加阀15设在突出管12a的外端处。燃料添加阀15设置成沿突出管12a延伸的方向喷射燃料。电热塞51的生热部分51a设置在突出管12a延伸方向的延长部分处。
通过燃料添加阀15供给的未燃烧燃料在突出管12a的壁上朝生热部分51a反射，如箭头91所示。未燃烧燃料在突出管12a的壁上的反射使未燃烧燃料变得微细。当未燃烧燃料到达生热部分51a时，较大颗粒尺寸的未燃烧燃料会使电热塞51的生热部分51a的温度因未燃烧燃料的蒸发热而降低。较微细的未燃烧燃料能够减小生热部分51a的温度降低，并由此能够提高可燃性。
可以通过沿突出管12a供给未燃烧燃料而抑制由燃料添加阀15供给的燃料的分散。从而能够使所供给的未燃烧燃料紧凑地保持在一起。此外，能够增大电热塞51的生热部分51a处的未燃烧燃料的密度，使得未燃烧燃料集中在生热部分51a周围。所以，当燃烧时，燃料能够即刻气化，火焰剧烈膨胀。因此，火焰能够遍及整个排气管12。因此，能够在设置于电热塞51下游的排气处理设备55的整个端面范围上供给均匀的火焰。
在该另外的排气处理设备中，在电热塞51与排气处理设备55之间设有扰流搅拌器。在图11所示设备的示例中，设置旋流器52作为搅拌器。旋流器52由例如粗糙的丝网形成。旋流器52形成为能够扰动所产生火焰的流动。如箭头92所示，设置旋流器52具有散布火焰的效果，使得火焰能够供给到排气处理设备55的整个上游端面。
因此能够通过在火焰产生点与排气处理设备55之间布置用于扰动火焰流动的搅拌器而在排气处理设备55的整个端面上供给火焰。由此能够将活性物质供给到整个排气处理设备55。搅拌器不限于旋流器，而是可以为任何扰动火焰流动的装置。例如，搅拌器可形成为产生涡旋流。可替代地，可插置弯管部分，或者可形成圆锥形部分使得管径逐渐变化，从而扰动火焰流动并使得能够在排气处理设备55的整个上游端面上供给火焰。
可在电热塞51的下游设置小型氧化催化剂。该小型氧化催化剂的横截面积小于排气管12的横截面积。该小型氧化催化剂的形状构造成例如蜂窝状，其中设置有多个基本上平行于排气管12的延伸方向延伸的通道。该小型氧化催化剂基本上设置在排气管12内部的中央部分处，从而在小型氧化催化周围形成排气的流动路径。这样设置的小型氧化催化剂能够充当扰动火焰流动的搅拌器，同时可在小型氧化催化剂内重整未燃烧燃料。可以通过将小型氧化催化剂的出口温度设定成等于或大于预定温度而烧掉从小型氧化催化剂流出的气体。这样做允许并促进小型氧化催化剂的出口处的火焰产生。
在该另外的排气净化设备中，炭烟会附着于突出管12a的壁面。附着于突出管12a壁面的炭烟有损于突出管12a的未燃烧燃料的反射和雾化功能。在这种情况下，给电热塞51通电以使得能够依赖于生热部分51a的辐射热烧掉炭烟。
在该实施方式中，在电热塞51被预热预定时间之后进行点燃，但是该实施方式并不局限于此，而是能够基于检测到的排气温度或流量改变电热塞51的预热时间。具体地，可以在电热塞51通电之后改变通过燃料添加阀15供给的用于火焰产生的燃料供给时段。当排气温度高时，电热塞51的温度升高快，而当排气温度低时，电热塞51的温度升高慢。当排气流量小时，电热塞51的温度升高快，而当排气流量大时，电热塞51的温度升高慢。当电热塞51的温度升高快时，可执行控制以便缩短电热塞51的预热时间。
在该实施方式中，在供给用于火焰产生的未燃烧燃料之前，由燃料添加阀15以脉冲方式供给燃料，以便使未燃烧燃料附着于排气处理设备55的上游端。然而，该实施方式并不局限于此，用于未燃烧燃料附着的燃料供给和用于火焰产生的燃料供给可以连续实施。
排气温度可通过例如设在排气处理设备55下游的温度传感器来检测。可以例如基于发动机本体1的进气量或基于EGR量来计算排气的流量。可以例如通过存储检测到的排气温度与排气流量之间的函数关系的预热时间映射来选择预热时间。此外，还可基于排气的流量和/或温度通过计算电热塞51的生热部分的温度或生热部分51a周围的排气温度来选择燃料点燃的时段。
该实施方式中的燃料供给单元包括燃料添加阀15，但不限于此，而是可以以任意方式实施，只要其形成为能够将未燃烧燃料供给到排出通道中即可。例如，可通过改变燃烧室2中的喷射模式而将未燃烧燃料供给到排气通道中。
图12示出了该实施方式中的在将未燃烧燃料供给到排气通道中的过程中的喷射模式。图12是燃料室2中的燃料喷射模式。在普通操作中，主喷射FM基本上发生在压缩上止点TDC。当曲柄角基本上为0°时发生主喷射FM。在主喷射FM之前进行先导喷射FP，以便在主喷射FM期间稳定燃烧。除普通操作期间的燃料喷射模式之外，在向排气通道供给未燃烧燃料的情况下，在主喷射FM之后还进行后喷射FPO。在燃烧室2中无燃料燃烧的时段实施后喷射FPO。例如在压缩上止点后在曲柄角基本上介于90°与120°之间实施后喷射FPO。后喷射FPO允许未燃烧燃料被供给到排气通道中。供给到排气通道中的未燃烧燃料的量可通过调节后喷射FPO的喷射量进行调整。
在该实施方式的燃料供给单元中，通过一个燃料添加阀15供给未燃烧燃料。但是燃料供给单元并不局限于此，而是可以在多个位置设置多种类型的未燃烧燃料供给设备。例如，可通过由一个燃料添加阀以多种燃料喷射模式通过排气的供给而将未燃烧燃料供给到排气通道中。
参见图1，下面对第二实施方式的内燃发动机的排气净化设备加以说明。该实施方式的说明描述了排气处理设备55在其于第一实施方式中火焰到达的端面处设有具有HC吸附能力的氧化催化剂、颗粒过滤器、或者NOX选择还原催化剂的情形。
首先参照图1说明排气处理设备55设有具有HC吸附能力的氧化催化剂的情形。氧化催化剂是一种用于实施排气净化的具有氧化能力的催化剂。氧化催化剂设有例如管状壳体，在管状壳体内设置有基质，基质具有沿排气的流动方向延伸的分隔壁。例如，基质由堇青石形成并且具有蜂窝状结构。该实施方式中的氧化催化剂具有形成在基质表面上的用于吸附未燃烧燃料的HC吸附层。HC吸附层由例如吸附未燃烧燃料的诸如沸石等材料形成。HC吸附层的表面上层叠有由多孔氧化物粉末构成的氧化层。氧化层载有诸如铂(Pt)等的贵金属催化剂。
排气中的CO或HC在氧化层中被氧化成诸如水和二氧化碳等物质。氧化层具有活化温度，在该活化温度或高于活化温度时发生氧化反应。HC在低温下吸附到HC吸附层上。当该HC吸附层的温度上升至预定温度时，被吸附的HC释放。当氧化催化剂的温度低时，HC吸附层吸附HC，由此去除排气中的HC。当达到高温时，氧化催化剂的氧化层被活化，此时被吸附的HC从HC吸附层释放并被氧化层的贵金属催化剂氧化。
在该实施方式中，通过氧化催化剂上游的火焰产生单元产生火焰。氧化催化剂的温度因氧化催化剂上游产生的火焰到达氧化催化剂的上游端面而快速升高。在温度低于活化温度时，氧化催化剂的温度会因此而快速升高。一旦氧化催化剂处于活化温度或高于活化温度，氧化反应就随着氧化催化剂的温度增加而更加活跃。通过使氧化催化剂的温度升高能够提高氧化催化剂的氧化能力。而且，氧化催化剂中的氧化反应产生反应热。氧化催化剂的温度因这种反应热而升高得更快。
在该实施方式中，在火焰产生之前，使未燃烧燃料附着于氧化催化剂的上游端，然后产生火焰使得火焰到达氧化催化剂。火焰中的活性物质被供给至氧化催化剂，而附着于氧化催化剂一端的未燃烧燃料的燃烧也产生能够供给至氧化催化剂的活性物质。
活性物质包括具有强氧化能力的物质，因而能够在比没有供给活性物质的情况下的活化温度低的温度下触发氧化反应。具体地，活性物质能够降低氧化催化剂被活化的温度，并能够在短时间内升高氧化催化剂的温度。当在氧化催化剂下游设置需要温度升高的另外的排气处理设备55时，活性物质也使该另外的排气处理设备55的温度快速升高。当例如在排气处理设备55下游设置有颗粒过滤器时，该颗粒过滤器的温度也能够在短时间内升高，从而烧掉沉积在颗粒过滤器上的颗粒物。
该实施方式的氧化催化剂具有HC吸附能力。将HC吸附能力给予排气处理设备55使得更多的未燃烧燃料能够附着至排气处理设备55，并使得能够减少通过排气处理设备55的未燃烧燃料的量。排气净化设备设有温度检测单元，该温度检测单元检测氧化催化剂的温度。参见图1，该实施方式的温度检测单元具有第一温度传感器26，该第一温度传感器26设在具有氧化催化剂的排气处理设备55的下游。可通过第一温度传感器26检测氧化催化剂的温度。
在该实施方式中执行控制使得当氧化催化剂的温度高时附着于氧化催化剂的未燃烧燃料的量减少。具体地，实施控制使得当氧化催化剂的温度高时通过燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的量减少。HC吸附层的温度越低必然导致未燃烧燃料吸附得越多，而未燃烧燃料的吸附量随着温度升高而减少。因此，控制实施成使得当氧化催化剂的温度高时减少附着的未燃烧燃料的量。
电子控制单元30中可例如以将供给量与氧化催化剂的温度关联起来的映射函数的形式存储通过燃料添加阀15供给的用于使未燃烧燃料附着于氧化催化剂一端的燃料供给量。在检测氧化催化剂的温度之后，可基于上述映射选择未燃烧燃料的供给量。可替代地，可提前设定用于未燃烧燃料的预先供给的氧化催化剂标准温度，使得针对高于标准温度的温度供给预定的少量未燃烧燃料。在标准温度或低于标准温度的温度下，可供给比上述预定的少量多的未燃烧燃料。此处，HC吸附层释放被吸附的未燃烧燃料的温度可用作标准温度。所使用的标准温度可以是在从250℃至300℃的范围内的温度。以上控制能够防止供给以附着于氧化催化剂的未燃烧燃料会溜过氧化催化剂。
该实施方式的排气净化设备具有附着量检测单元，该附着量检测单元检测附着于氧化催化剂的未燃烧燃料的量。可以例如基于将氧化催化剂的温度与通过燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的量关联起来的映射函数来计算附着于氧化催化剂的未燃烧燃料的量。可替代地，可以从映射计算在内燃发动机低温运行期间从发动机本体1排放的HC气体排放量。空燃比传感器56设置在氧化催化剂下游，从而检测从氧化催化剂流出的HC流出量。可通过从自发动机本体1排放的HC量中减去流出氧化催化剂的HC量来检测氧化催化剂中的HC附着量。
在该实施方式的排气净化设备中，高温火焰在点燃的同时到达氧化催化剂。因此，当附着于氧化催化剂的未燃烧燃料的量等于或大于预定量时，大量的未燃烧燃料可能在燃烧时突然地解除吸附并溜过氧化催化剂。
因此，在该实施方式中，控制执行成使得当附着于氧化催化剂的未燃烧燃料的量较大时降低火焰温度。附着于氧化催化剂的未燃烧燃料的量可通过附着量检测单元检测。当附着于氧化催化剂的未燃烧燃料的量少时，HC吸附能力过剩。这样即使在高火焰温度下也能够防止大量未燃烧燃料突然地解除吸附。当附着于氧化催化剂的未燃烧燃料的量很大时，HC吸附能力极少过剩。因此，降低火焰温度，从而抑制未燃烧燃料大量地解除吸附。
例如，控制执行成当检测到的附着于氧化催化剂的未燃烧燃料的量等于或大于判断值时，火焰温度变得低于预定温度。控制还可执行成当附着于氧化催化剂的未燃烧燃料的量小于判断值时火焰温度变得等于或高于预定温度。如上所述，火焰温度可通过调节火焰产生时由燃料添加阀供给的燃料的量来进行控制。当附着的未燃烧燃料的量较大时，例如可通过减少由燃料添加阀15供给的燃料量来降低火焰温度。
下面对图1的排气处理设备55具有颗粒过滤器的情形加以说明。颗粒过滤器是去除排气中的颗粒物(微粒)比如碳微粒或诸如硫酸盐等离子型微粒的过滤器。颗粒过滤器具有例如蜂窝状结构，其中多个流动通道沿气体流动的方向延伸。所述多个流动通道包括多个下游端密封的流动通道，和与之交替地成的多个上游端密封的流动通道。分隔这些流动通道的壁由诸如堇青石的多孔材料形成。当排气通过这些分隔壁时颗粒被俘获。
连续的操作使得颗粒物沉积在颗粒过滤器上。可基于将发动机速度与喷射到燃烧室2的燃料量关联起来的函数映射确定每单位时间沉积在颗粒过滤器上的颗粒物的量。可通过对基于上述映射得到的每单位时间沉积的颗粒物的量进行积分来计算任意时间的颗粒物的沉积量。因此能够判定颗粒物的量是否超过容许值。可替代地，设置有压差传感器，该压差传感器检测颗粒过滤器之前与颗粒过滤器之后的压差，因此当压差传感器检测到的前后压差超过容许值时，能够判定沉积在颗粒过滤器上的颗粒物超过容许值。
当颗粒物的沉积量超过容许值时，通过氧化去除沉积的颗粒物而使颗粒过滤器再生。为了再生颗粒过滤器，使排气的空燃比变稀，使颗粒过滤器的温度上升至再生温度，并通过氧化去除沉积的颗粒物。
在该实施方式中，提前使未燃烧燃料附着于颗粒过滤器上游端。之后，产生火焰使得火焰到达颗粒过滤器的上游端。颗粒过滤器的温度会因到达颗粒过滤器的火焰而快速升高。
此外，大量活性物质可被供给到颗粒过滤器。这些活性物质包括具有强氧化能力的物质，因而能够在比没有供给活性物质的情况下的再生温度低的温度下触发氧化反应。特别是，作为活性物质的OH基团和O基团具有降低颗粒物燃烧温度的效果。因此，能够在短时间内使颗粒过滤器再生，或者如果颗粒过滤器再生相同的时间，则能够去除更大量颗粒物，从而能够延长颗粒过滤器再生的时间间隔。
可基于例如火焰产生的次数、火焰产生的时间、或者颗粒过滤器的温度史来选择颗粒过滤器的再生时间或颗粒过滤器再生的时间间隔。
当颗粒过滤器下游设置有需要升高温度的另外的排气处理设备55时，可通过将颗粒过滤器的温度升高至或超过颗粒物的燃烧温度而去除颗粒物。可利用颗粒物的燃烧热来升高下游排气处理设备55的温度。因此，可在短时间内使下游排气处理设备55的温度升高。
下面对图1的排气处理设备55具有NOX选择还原催化剂(SCR：选择催化还原)的情形加以说明。此处，在排气通道中在NOX选择还原催化剂上游设置有用于供给尿素或氨的还原剂供给单元。在该实施方式中，设置有用于供给尿素水溶液的尿素供给阀。还原剂供给单元还可形成为供给氨水。
NOX选择还原催化剂是能够利用氨作为还原剂选择性地还原NOX的催化剂。可以使用例如在沸石、氧化铝等基质的表面上载有诸如铂的贵金属的催化剂作为NOX选择还原催化剂。所使用的催化剂也可以是例如通过离子交换使其表面承载有诸如铜等过渡金属的基质。
尿素供给阀将尿素供给到流动通过排气通道的排气中，藉此由尿素生成氨。在NOX选择还原催化剂中，通过将生成的氨供给到NOX选择还原催化剂而将排气中的NOX选择性地还原成氮气。
NOX选择还原催化剂的选择性NOX还原作用只有在温度达到预定温度或高于预定温度的情况下才表现出来。也就是说，NOX选择还原催化剂具有活化温度。可以通过在火焰产生之前使未燃烧燃料附着于NOX选择还原催化剂然后产生火焰使得火焰到达NOX选择还原催化剂的上游端而在短时间内使NOX选择还原催化剂的温度升高至或高于活化温度。
对此实施方式的说明重点集中在设置单个排气处理设备55的情形。然而，可以在火焰到达的排气处理设备55的下游设置另外的排气处理设备。例如，可在火焰到达的氧化催化剂的下游设置颗粒过滤器和NOX储存还原催化剂。
其它特征、效果和结果与第一实施方式的相同，因此省略对其重复说明。
下面参照图13至18对根据第三实施方式的内燃发动机的排气净化设备加以说明。在该实施方式的内燃发动机的排气净化设备中，火焰到达的排气处理设备17为NOX储存催化剂。
图13是该实施方式的内燃发动机的示意图。该实施方式的内燃发动机的排气净化设备具有NOX储存催化剂17，其作为火焰到达的排气处理设备17并且设置在电热塞51下游。NOX储存催化剂17下游设置有SOX吸附催化剂57。
NOX储存催化剂17下游设置有用于检测NOX储存催化剂17的温度的第一温度传感器26。NOX储存催化剂17下游还设置有空燃比传感器56。SOX吸附催化剂57下游设置有用于检测SOX吸附催化剂57的温度的第二温度传感器27。第一温度传感器26、第二温度传感器27以及空燃比传感器56的输出信号经由对应的A/D转换器37(图1)输入到电子控制单元30的输入端口35。
NOX储存催化剂(NSR)17具有承载在基质上的由例如氧化铝构成的催化剂载体。贵金属催化剂分散承载在催化剂载体的表面上。催化剂载体的表面上形成有NOX吸收剂层。贵金属催化剂采用例如铂(Pt)。用于构成NOX吸收剂的组分可以是选自于诸如钾(K)、钠(Na)或铯(Cs)等碱金属、诸如钡(Ba)或钙(Ca)等碱土金属、或者诸如镧(La)或钇(Y)等稀土金属中的至少一种组分。
NOX储存催化剂17暂时地储存从发动机本体1排放的排气中所含的NOX，释放储存的NOX，并在释放储存的NOX时将NOX转化成N2。当排气的空燃比稀时NOX储存催化剂17储存NOX。当NOX储存量达到容许值时，通过使排气的空燃比达到浓空燃比或化学计量空燃比而使储存的NOX释放。当排气的空燃比为浓空燃比或化学计量空燃比时，排气中大量存在诸如未燃烧燃料等还原剂，因此可将释放的NOX还原成N2。就这样以上述方式实施NOX释放控制。
内燃发动机的排气可能包含硫氧化物(SOX)。在这种情况下，NOX储存催化剂17在储存NOX的同时还储存SOX。SOX的储存减少了能够储存的NOX的量。此外，NOX储存催化剂17还受到所谓的硫中毒的影响。进行释放SOX的硫中毒恢复以消除硫中毒。SOX在NOX储存催化剂17中比NOX储存得更稳定。因此，在硫中毒恢复中，要使NOX储存催化剂17达到高温，并且在高温状态下，使排气的空燃比达到浓空燃比或化学计量空燃比，从而诱使SOX释放。就这样以上述方式实施SOX释放控制。
在该实施方式中用于SOX释放控制的温度升高期间，在火焰到达NOX储存催化剂17之前通过燃料添加阀15进行预先燃料供给，以使未燃烧燃料附着于NOX储存催化剂17的上游端。此后，通过由燃料添加阀15供给未燃烧燃料并通过给电热塞51通电而产生火焰，并且火焰到达NOX储存催化剂17的上游端。火焰到达NOX储存催化剂17的上游端使NOX储存催化剂17的温度得以快速升高。
NOX储存催化剂17承载用于在NOX储存过程中氧化NOX的氧化催化剂。因此在NOX储存催化剂17中发生的氧化反应的反应热使NOX储存催化剂17的温度升高得更快。特别地，通过在火焰产生之前使未燃烧燃料附着于该上游端使大量活性物质被供给至NOX储存催化剂17。活性物质的氧化反应使得NOX储存催化剂17的温度能够快速地升高。
下面对变浓控制加以说明，在变浓控制中，在NOX储存催化剂17的NOX释放控制和SOX释放控制期间使排气的空燃比变浓。在该实施方式中，控制排气的空燃比使其大大变浓。通过控制排气的空燃比使其大大变浓能够提高还原效率。
图14示出了该实施方式的内燃发动机的排气净化设备的第一操作控制的时间图。图14是该实施方式中的NOX释放控制的时间图。以下说明主要与NOX释放控制有关，尽管排气的空燃比也能够通过以与NOX释放相同的方式控制SOX释放而变浓。
通过借助于燃料添加阀15的预先燃料供给使未燃烧燃料附着于NOX储存催化剂17的上游端。然后在时刻tx产生火焰。在该实施方式中，流入NOX储存催化剂17中的排气的空燃比在与火焰产生相同的时间变浓。在该实施方式中，通过未燃烧燃料的间歇供给来使排气的空燃比变浓。可通过多次供给未燃烧燃料而对应地多次产生火焰。
在该实施方式中，火焰中的活性物质可供给到NOX储存催化剂17。通过附着于NOX储存催化剂17的上游端的未燃烧燃料的由火焰诱发的燃烧而将大量活性物质供给到NOX储存催化剂17。这些活性物质含有高还原能力的还原剂，因此这些活性物质具有极佳的NOX释放和NOX还原性能。因此，与流入NOX储存催化剂17中的排气不含活性物质的情况相比，能够在相同的时间内释放和还原更大量的NOX。
图15示出了该实施方式中的在NOX释放控制期间的第二操作控制的时间图。图15是对照例的时间图。对照例的内燃发动机的排气净化设备具有燃料添加阀15但是没有电热塞51。因此，在对照例中，流入NOX储存催化剂17的排气的空燃比通过燃料添加阀15供给的未燃烧燃料而变浓，但是没有火焰产生。
在对照例的排气净化设备的NOX释放控制或SOX释放控制期间，供给未燃烧燃料使得流入NOX储存催化剂的排气的空燃比变为化学计量空燃比或略浓于化学计量空燃比。尽管通过燃料添加阀15间歇地供给燃料，但是例如由于未燃烧燃料附着于排气管12的壁面而使流入NOX储存催化剂17中的排气的空燃比均匀。也就是说，流入NOX储存催化剂17中的排气的空燃比基本上是恒定的。
相比之下，在图14所示的第一操作控制中，能够将高还原活性物质供给到NOX储存催化剂17，因而能够使流入NOX储存催化剂17中的排气的空燃比大大变浓。此处，燃料供给成使得排气的空燃比大大变浓，因而可能导致通过NOX储存催化剂17的未燃烧燃料的量更多。在第一操作控制中，为了抑制未燃烧燃料溜过NOX储存催化剂17，延长燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的时间间隔。也就是说，未燃烧燃料供给中断的时间被延长。因此，以间歇的方式使流入NOX储存催化剂17中的排气的空燃比变浓。可替代地，中间插置有流入NOX储存催化剂17中的排气的空燃比稀的时段。以上控制在允许排气的空燃比大大变浓的同时抑制了未燃烧燃料溜过NOX储存催化剂。
在对图14所示的示例的说明中，NOX释放控制执行一次，但是NOX释放控制可执行数次，这取决于要释放的NOX和/或SOX的量。在对上述示例的说明中，排气的空燃比控制成大大变浓，但是该实施方式并不局限于此，也可使排气的空燃比变为化学计量空燃比，或者略微浓于化学计量空燃比。
在第一操作控制中，在间歇的火焰产生期间排气的流量减小。排气的流量可通过减小流入发动机本体1中的进气量而减小。较低的流量使火焰能够在排气通道中散布，从而实现更好的可燃性。这使得能够延长NOX储存催化剂17中的反应时间，并提高NOX储存催化剂17中的反应能力。附着于NOX储存催化剂17的未燃烧燃料等的还原能力也通过基团的活性而提高。因此活性物质能够改善NOX的还原性能。
可通过减小排气的流量而降低在未燃烧燃料的燃烧过程中的氧浓度，由此还能够减少火焰中的残留氧，使得能够将氧基本上耗尽的火焰供给到NOX储存催化剂17。因此，能够将具有更高还原能力的还原剂供给到NOX储存催化剂17，从而能够进一步提高NOX储存催化剂17的NOX还原性能。在该实施方式中通过减小排气的流量来降低氧浓度。然而，该实施方式并不局限于此，也可以以任意其它方式降低排气中的氧浓度。
在图14所示的示例中，在火焰产生期间降低排气中的氧浓度，但是上述操作控制并不局限于此，而是可以执行成在火焰产生之前降低排气中的氧浓度。此外，当在火焰产生期间减小排气的流量时可使排气的流量变为零。可例如通过停止发动机本体1而使排气的流量变为零。在内燃发动机安装在汽车中的情况下，可在汽车停止的情况下停止发动机本体1。可替代地，在除发动机本体1之外还设有驱动马达的混合动力汽车等的情况下能够在预定操作状态下停止发动机本体1。
图16示出了该实施方式的内燃发动机的排气净化设备的第三操作控制的时间图。在第三操作控制中，执行NOX释放控制以在火焰产生之前增大排气的流量。执行控制从而增大流出发动机本体1的排气的流量。在该实施方式中，流入发动机本体1的进气量增加。排气流量的增加导致排气中的氧浓度更高。氧浓度增加使得能够提高火焰产生期间的未燃烧燃料的可燃性。这能够增加由火焰产生的诸如基团等活性物质的量，并因此能够提高NOX储存催化剂17的NOX释放及NOX还原性能。
在第三操作控制中，在火焰产生之前提高排气中的氧浓度，但是该操作控制不限于此，也可以执行成在火焰产生期间提高氧浓度。在该实施方式中通过增大排气流量而提高氧浓度，但是该实施方式并不局限于此，也可以通过以任意其它方式执行控制来提高氧浓度。
图17示出了该实施方式的内燃发动机的排气净化设备的第四操作控制的时间图。第四操作控制在以下方面与该实施方式的第一操作控制相同：对于NOX释放控制，在通过燃料添加阀15预先供给燃料之后在时刻tx产生火焰。
在第四操作控制中，执行控制以在火焰产生期间增加通过燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的量。具体地，在通过燃料添加阀15间歇地供给燃料的次数中，在第二及后续火焰产生的任何一次中增加通过燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的供给量。在第四操作控制中，在时刻tz增加通过燃料添加阀15的供给量。NOX储存催化剂17的温度在火焰产生期间升高。较高的NOX储存催化剂17温度使NOX释放和NOX还原性能提高。因此可通过增大供给至NOX储存催化剂17的燃料量而增大反应量。
在该实施方式中，在火焰产生期间将供给增大给定量，并且此后连续地供给恒定的量。然而，该操作控制并不局限于此，未燃烧燃料的供给量可变化任意次数。可替代地，未燃烧燃料的供给量可随着火焰产生数目的增加而逐渐增大。
而且，在第四操作控制中，与执行NOX释放控制时的排气的空燃比和流量相比，一旦NOX释放控制结束，就使排气的空燃比较稀，并且使排气的流量增大。在该实施方式中的NOX释放控制期间，流入NOX储存催化剂17的排气的空燃比大大变浓。因此，NOX储存催化剂17中会留有残余的一氧化碳和/或未燃烧燃料。这些残留物不利于NOX释放控制之后正常操作期间的NOX储存。
例如，一氧化碳可保持附着于贵金属表面。在NOX释放控制之后，可通过增大排气的流量来增加流入NOX储存催化剂17中的氧量。NOX储存催化剂17中残留的一氧化碳和/或未燃烧燃料可被氧化从而被去除。这因此能够提高NOX储存催化剂17的NOX储存能力。在SOX释放控制以后也以同样的方式使排气的空燃比较稀并增大排气的流量，由此能够去除NOX储存催化剂17中的残留一氧化碳等。
该实施方式的内燃发动机的排气净化设备具有检测由火焰产生的活性物质的量的活性物质检测单元。如图13所示，该实施方式中的活性物质检测单元具有设在NOX储存催化剂17下游的第一温度传感器26。电子控制单元30中存储有作为NOX储存催化剂17的温度的函数的活性物质的量。可通过检测NOX储存催化剂17的温度来计算活性物质的量。活性物质检测单元并不局限于以上情形，而是可采用能够检测活性物质的量的任意装置。
在该实施方式中，通过确定由活性物质检测单元检测出的活性物质的量来选择使排气的空燃比变浓的次数。在该实施方式中，当通过活性物质检测单元检测出的活性物质的量不高于判断值时执行补充的NOX释放控制或SOX释放控制。与当活性物质的量大于判断值时相比，当活性物质的量等于或少于判断值时，增加用于NOX释放控制或SOX释放控制的火焰产生的数目。例如，可执行控制使得在NOX释放控制期间当活性物质的量等于或少于判断值时，判定来自NOX储存催化剂17的NOX的释放量不足，此时使排气的空燃比变浓，并补充火焰产生。
在从NOX储存催化剂17释放SOX的SOX释放控制期间，NOX储存催化剂17的温度必须上升至使SOX能够释放的温度。在没有火焰生成的活性物质供给到NOX储存催化剂17的情况下，SOX释放温度例如为600℃。在SOX释放控制中，温度升高至SOX释放温度或高于该温度，并且使排气的空燃比为化学计量空燃比或使其变浓。储存在NOX储存催化剂17中的SOX在NOX储存催化剂17内沿上游到下游的方向迁移。SOX以其到达NOX储存催化剂17的下游端的顺序被排出。因此，必须经过预定的时间直至储存在NOX储存催化剂17的上游部分中的SOX被排出。
在该实施方式中，活性物质供给到NOX储存催化剂17能够降低可释放SOX的温度。活性SOX释放温度为在将活性物质供给到NOX储存催化剂17的情况下的释放温度，该温度为例如450℃。在该实施方式的NOX释放控制过程中可使NOX储存催化剂17的上游端处的温度达到活性SOX释放温度或高于活性SOX释放温度。例如，通过调节由燃料添加阀15供给的未燃烧燃料的供给量和/或通过调节电热塞51的位置而使火焰产生期间NOX储存催化剂17的上游端处的温度达到活性SOX释放温度或高于活性SOX释放温度。在NOX储存催化剂17上游端处的温度未达到活性SOX释放温度的情况下，可通过例如补充火焰产生而使该温度升高。
图18是用于说明NOX释放控制期间NOX储存催化剂17中的温度分布的图。X轴代表从电热塞51到NOX储存催化剂17的下游端的位置。排气的温度借助于电热塞51的火焰产生而升高。NOX储存催化剂17的温度在其上游端处最高。NOX储存催化剂17的温度朝其下游端降低。在该实施方式中，NOX储存催化剂17的上游端处的温度等于或高于活性SOX释放温度。因此储存在NOX储存催化剂17的上游部分处的SOX向下游转移。
在NOX释放控制期间可使NOX储存催化剂17的上游端处的SOX向下游转移。这能够缩短SOX释放控制过程中SOX向下游转移的时间。因此可在短时间内实施SOX释放控制，因为NOX储存催化剂17的上游部分处的SOX的储存量减少了。在预热的过程中，例如在内燃发动机的起动过程中，温度从NOX储存催化剂17的上游端侧开始升高。因此，能够从NOX储存催化剂17的上游端开始储存NOX，在NOX储存催化剂17的上游端处SOX的储存量小。因此可在短时间内开始NOX的储存。
在该实施方式中，用于俘获SOX的SOX吸附催化剂57设置在NOX储存催化剂17下游，如图13所示。可以使用通过储存含在排气中的SOX而从排气中去除SOX的催化剂作为SOX吸附催化剂57。
SOX吸附催化剂57例如可具有置于基质上的由氧化铝或氧化硅构成的催化剂载体，贵金属催化剂分散承载在该催化剂载体的表面上。催化剂载体表面上形成有SOX吸收剂层。可使用铂(Pt)等作为贵金属催化剂。SOX吸收剂含有能够形成硫酸盐的物质。能够用于构成SOX吸收剂的成分包括例如碱金属、碱土金属、稀土金属以及过渡金属中的一种或多种金属。
如上所述，通过给NOX储存催化剂17供给活性物质而执行SOX释放控制，能够提高SOX的可释放能力。由此在比通常情况低的温度下释放SOX。因此，在SOX释放控制中，存在储存在NOX储存催化剂17中的SOX会突然大量释放的可能性。在该实施方式中，在NOX储存催化剂17下游设置SOX吸附催化剂57能够将SOX暂时储存在SOX吸附催化剂57中。这能够抑制大量SOX突然释放。
在现有技术中，由于在SOX释放控制过程中NOX储存催化剂17和SOX吸附催化剂57的温度都升高，因此即使在NOX储存催化剂17下游设置SOX吸附催化剂57，SOX仍然难于被SOX吸附催化剂57所俘获。在该实施方式中能够降低NOX储存催化剂17的SOX释放温度。因此，能够防止SOX吸附催化剂57的温度超过SOX解除吸附的温度。因此能够将SOX俘获在SOX吸附催化剂57中。
可以通过升高排气温度而释放附着于SOX吸附催化剂57的SOX。可替代地，可通过升高排气温度并使排气的空燃比变浓而释放SOX。例如，当内燃发动机的负荷高时排气温度升高，从而能够在这种时期释放SOX。
该实施方式的内燃发动机的排气净化设备具有检测SOX吸附催化剂57的温度的温度检测单元。该检测SOX吸附催化剂57的温度的温度检测单元包括第二温度传感器27。在该实施方式中，通过火焰产生单元实现的火焰产生在SOX吸附催化剂57的温度低于判断值时受到限制。SOX吸附催化剂57具有SOX吸附能力急剧降低的温度。例如，当温度低于350℃时SOX吸附能力降低。因此可将该温度作为判断值。
在该实施方式中，当SOX吸附催化剂57的温度低于判断值时，限制火焰产生，从而减少流出NOX储存催化剂17的SOX的量。在进行使排气的空燃比变浓的控制时，例如，使排气的空燃比变浓但无火焰产生。可替代地，在间隙式火焰产生的情况下延长火焰产生的时间间隔。在SOX释放控制已经进行的情况下，可临时中断SOX释放控制。以上述方式执行控制能够防止在SOX吸附催化剂57的SOX吸附能力低的情况下SOX通过SOX吸附催化剂57并释放到大气中。
其它特征、效果和结果与第一实施方式或第二实施方式中的相同，因此将省略对其重复说明。
接下来参照图19至21对根据第四实施方式的内燃发动机的排气净化设备加以说明。该实施方式的内燃发动机的排气净化设备具有设置在上游的氧化催化剂13和设置在下游的NOX选择还原催化剂58。该实施方式的排气净化设备形成为使得排气中所含的NOX在NOX选择还原催化剂58中进行处理。
图19是该实施方式的内燃发动机的示意图。该实施方式的内燃发动机的排气净化设备具有氧化催化剂13，该氧化催化剂13作为火焰到达的排气处理设备并设置在电热塞51下游。
NOX选择还原催化剂58设置在氧化催化剂13下游。NOX选择还原催化剂58下游设置有用于检测NOX选择还原催化剂58的温度的温度传感器28。NOX选择还原催化剂58的下游设置有NOX传感器59。温度传感器28和NOX传感器59的输出信号通过电子控制单元30(图1)的对应的AD转换器37输入到输入端口35。NOX选择还原催化剂58上游设置有用于将尿素供给到排气通道中的尿素添加阀53。尿素添加阀53充当还原剂供给单元，其将用于NOX还原的还原剂供给到NOX选择还原催化剂58。
该实施方式在以下方面与第一实施方式相同：在火焰产生之前预选供给燃料以使未燃烧燃料附着于氧化催化剂13的上游端。在排气净化设备中，当例如使氧化催化剂13的温度升高时，火焰到达氧化催化剂13的上游端。伴随着火焰产生的是排气中的NOX量增加。在NOX选择还原催化剂58中处理源于火焰产生的NOX增加。NOX选择还原催化剂58将NOX还原成N2。
图20示出了该实施方式中的第一操作控制的时间图。在该实施方式中，通过尿素添加阀53间歇地供给尿素。在该实施方式中供给尿素以补偿在火焰产生期间在NOX选择还原催化剂58中消耗的氨。
在第一操作控制中，尿素添加阀53在火焰产生的时刻tx之前供给尿素。在火焰产生之前，供给尿素使得氨以等于或大于预定量的量被吸附至NOX选择还原催化剂58。在第一操作控制中，尿素添加阀53以对应于火焰产生所消耗的氨的量供给尿素。尿素添加阀53供给预定量的氨。因此能够在火焰产生之前使氨以等于或大于预定量的量吸附于NOX选择还原催化剂58，从而充分处理由火焰产生引起的NOX增加。
图21是该实施方式中的第二操作控制的时间图。在该第二操作控制中，在火焰产生结束后供给尿素，以补偿在火焰产生时段中所消耗的氨。在时刻tX产生火焰，在时刻tY结束火焰产生。在该实施方式中自时刻tY起增加尿素的供给量。在火焰产生之后供给的尿素量多于在火焰产生之前供给的尿素量。在该实施方式中，在火焰产生之前和火焰产生之后都供给预定量的尿素。
在火焰产生期间处理增加的NOX。因此NOX选择还原催化剂58中吸附的氨量减小。在第二操作控制中，可在火焰产生结束之后补充火焰产生期间消耗的氨量。这允许在火焰产生之后补充用于处理因火焰产生而增加的NOX所消耗的吸附氨。
在该实施方式的排气净化设备中，如图19所示，尿素添加阀53设置在氧化催化剂13下游，使得由尿素添加阀53所供给的尿素不与火焰接触。因此，尿素供给不限于在火焰产生之前或在火焰产生之后，也可以在火焰产生期间供给尿素。
内燃发动机的排气净化设备还可具有吸附量检测单元，该吸附量检测单元检测吸附到NOX选择还原催化剂58上的氨量。吸附量检测单元可基于例如通过温度传感器28检测的NOX选择还原催化剂58的温度、通过尿素添加阀53供给的尿素量以及流入NOX选择还原催化剂58中的NOX的量来计算任意时刻氨的吸附量。
在排气净化设备中设置吸附量检测单元能够检测吸附至NOX选择还原催化剂58的氨量，从而允许更准确地控制。例如，计算在火焰产生期间所消耗的氨量，从而在火焰产生之后可供给对应于火焰产生期间所消耗的氨的尿素量。可替代地，可以提前设定NOX选择还原催化剂58中的氨的最大吸附量，从而在氨的吸附量达到该最大值时控制尿素的供给而使其中断。
存在未能在NOX选择还原催化剂58上游的排气处理设备中完全被氧化的未燃烧燃料流入NOX选择还原催化剂中并附着于NOX选择还原催化剂的情形。附着于NOX选择还原催化剂58的未燃烧燃料防止氨吸附到NOX选择还原催化剂58上，因此NOX净化率降低，即，NOX选择还原催化剂58遭受到所谓的HC中毒。可通过升高NOX选择还原催化剂的温度而使附着于NOX选择还原催化剂58的未燃烧燃料从NOX选择还原催化剂58上解除吸附。
该实施方式的内燃发动机的排气净化设备具有中毒检测单元，其检测NOX选择还原催化剂58中的HC中毒量。该实施方式中的中毒检测单元具有设置在NOX选择还原催化剂58下游的NOX传感器59。由于NOX传感器59检测在预定操作状态下流出NOX选择还原催化剂58而未接受处理的NOX的量，因此能够检测NOX选择还原催化剂58的HC中毒。然而，中毒检测单元并不局限于此，而是可以采用允许检测HC中毒的任意装置。例如，中毒检测单元可以形成为基于操作状态史来检测HC中毒量。
在该实施方式的第三操作控制中，当通过HC中毒检测单元检测出的HC中毒量等于或大于判断值时进行HC中毒恢复。在该第三操作控制中，通过火焰产生单元产生火焰。火焰产生使氧化催化剂13的温度和排气的温度升高。排气温度的升高使得NOX选择还原催化剂58的温度得以升高，并由此使得附着于NOX选择还原催化剂58的HC能够从NOX选择还原催化剂58上解除吸附。
使NOX选择还原催化剂58的温度升高以从HC中毒状态恢复具有使氨更不太可能吸附到NOX选择还原催化剂58上的效果。此外，NOX选择还原催化剂58的温度升高使所吸附的氨更易于以氨或NOX的形式排放掉。在该实施方式中，在用于HC中毒恢复的火焰产生期间减少通过尿素添加阀53供给的尿素的供给量。尿素的供给量减至低于当HC中毒量低于判断值时供给的量。但是，由于在HC中毒恢复期间NOX仍会流入NOX选择还原催化剂58中，因此会继续供给尿素。优选地，以处理因火焰产生导致的NOX增加所需的最低需要量供给尿素。
对该实施方式的说明针对火焰到达的排气处理设备具有氧化催化剂13的情形。然而，也可使用颗粒过滤器作为排气处理设备。在颗粒过滤器的情况下，温度升高至颗粒物能够燃烧的温度，由此使NOX选择还原催化剂58的温度升高。可以利用颗粒物产生的燃烧热来升高NOX选择还原催化剂58的温度。
其它特征、效果和结果与第一至第三实施方式中任一个的相同，因此将省略对其重复说明。
以上实施方式可彼此适当组合。在附图中，相同部分或对应部分用同样的附图标记指示。上述实施方式实质上是示例性而不以任何方式限制本发明。另外，在以上实施方式中，应当理解，本文使用的“储存”意指以吸附、附着、吸收、俘获、包藏等至少一种形式保持物质(固体、液体、气体分子)。
Claims (26)
1.一种内燃发动机的排气控制设备，包括：
排气处理设备(55)，所述排气处理设备(55)设置在排气通道中并净化排气；
火焰产生装置，所述火焰产生装置用于通过点燃排气中包含的未燃烧燃料而产生火焰并使所产生的火焰到达所述排气处理设备的上游端；以及
控制装置(30)，所述控制装置(30)用于控制所述火焰产生装置，
所述排气控制设备的特征在于，
所述控制装置构造成执行控制以在所述火焰产生装置产生的火焰到达所述排气处理设备之前使所述未燃烧燃料附着于所述排气处理设备的上游端，并通过火焰使附着于所述排气处理设备的上游端的所述未燃烧燃料燃烧，
所述控制装置构造成执行控制从而以间歇的方式多次产生火焰。
2.如权利要求1所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述火焰产生装置包括电热塞和燃料供给装置，所述燃料供给装置将所述未燃烧燃料供给到所述电热塞上游的所述排气通道中，并且
为了使所述未燃烧燃料附着于所述排气处理设备的上游端，所述控制装置构造成执行控制以在通过给所述电热塞通电而使所述电热塞的温度达到所述未燃烧燃料的点燃温度之前使所述燃料供给装置供给所述未燃烧燃料。
3.如权利要求1所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述火焰产生装置包括电热塞和燃料供给装置，所述燃料供给装置将所述未燃烧燃料供给到所述电热塞上游的所述排气通道中，并且
为了使所述未燃烧燃料附着于所述排气处理设备的上游端，所述控制装置构造成执行控制以在通过给所述电热塞通电而使所述电热塞的温度达到所述未燃烧燃料的点燃温度之后使所述燃料供给装置以比产生火焰所需的最小量大的量供给所述未燃烧燃料。
4.如权利要求1所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述控制装置构造成执行控制以在多次火焰产生中相对于第一次火焰产生时附着于所述排气处理设备的所述未燃烧燃料的量减少第二次火焰产生和后续火焰产生中任何一次时附着于所述排气处理设备的所述未燃烧燃料的量。
5.如权利要求1所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述控制装置构造成执行控制以在多次火焰产生中相对于第一次火焰产生的持续时间延长第二次火焰产生以及后续火焰产生中任何一次的持续时间。
6.如权利要求1所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述控制装置构造成执行控制以在多次火焰产生中相对于第一次火焰产生时的火焰温度升高第二次火焰产生以及后续火焰产生中任何一次时的火焰温度。
7.如权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机的排气控制设备，进一步包括：
第一温度传感器(26)，
其中，所述排气处理设备包括吸附所述未燃烧燃料的氧化催化剂，
所述第一温度传感器检测所述氧化催化剂的温度，并且
所述控制装置构造成执行控制以随着所述氧化催化剂的检测温度升高而减少所述未燃烧燃料的吸附量。
8.如权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述排气处理设备包括吸附所述未燃烧燃料的氧化催化剂和检测附着于所述氧化催化剂的所述未燃烧燃料的量的附着量检测装置，并且
所述控制装置构造成执行控制以随着附着于所述氧化催化剂的所述未燃烧燃料的量增加而降低火焰的温度。
9.如权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述排气处理设备包括NOX储存催化剂，其中当流入所述NOX储存催化剂中的排气的空燃比稀时，所述NOX储存催化剂储存排气中包含的NOX，当所述空燃比为化学计量空燃比或浓空燃比时，所述NOX储存催化剂释放所储存的NOX，并且所述NOX储存催化剂在储存NOX时连同NOX一起储存SOX而且当所述NOX储存催化剂的温度升高到释放SOX的温度时并且当所述空燃比变为化学计量空燃比或浓空燃比时释放所储存的SOX；并且
所述控制装置构造成执行控制以在进行用于从所述NOX储存催化剂释放NOX的NOX释放控制或者进行用于从所述NOX储存催化剂释放SOX的SOX释放控制时使所述火焰产生装置产生火焰并使所述空燃比变浓。
10.如权利要求9所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述控制装置构造成执行控制以在进行所述NOX释放控制或者进行所述SOX释放控制时以间歇的方式使所述空燃比变浓。
11.如权利要求9所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述控制装置构造成执行控制以在进行所述NOX释放控制或者进行所述SOX释放控制时在火焰产生之前或者在火焰产生期间增加供给到所述火焰产生装置的排气中的氧浓度。
12.如权利要求9所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述控制装置构造成执行控制以在进行所述NOX释放控制或者进行所述SOX释放控制时在火焰产生之前或者在火焰产生期间降低供给到所述火焰产生装置的排气中的氧浓度。
13.如权利要求9所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述控制装置构造成执行控制以在进行所述NOX释放控制或者进行所述SOX释放控制时在火焰产生期间或者在火焰产生之后减小排气的流量。
14.如权利要求9所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述控制装置构造成执行控制以在火焰产生期间增加通过所述燃料供给装置供给的所述未燃烧燃料的量。
15.如权利要求9所述的内燃发动机的排气控制设备，进一步包括：
活性物质检测装置，所述活性物质检测装置用于检测火焰产生的活性物质的量，
其中，所述控制装置构造成执行控制以与当所述活性物质检测装置检测到的所述活性物质的量大于判断值时的火焰产生的次数相比，当所述活性物质检测装置检测到的所述活性物质的量等于或小于所述判断值时增加火焰产生的次数。
16.如权利要求9所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述控制装置构造成执行控制以与当执行所述NOX释放控制或者执行所述SOX释放控制时的所述空燃比及所述排气的流量相比，在所述NOX释放控制或者所述SOX释放控制之后使所述空燃比变稀并且增大所述排气的流量。
17.如权利要求9所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述NOX储存催化剂具有活性SOX释放温度，在所述活性SOX释放温度下，在火焰到达所述NOX储存催化剂时SOX通过活性物质而被释放，并且
所述控制装置构造成执行控制以在所述NOX释放控制的过程中使所述NOX储存催化剂的上游端处的温度升高至等于或者高于所述活性SOX释放温度的温度。
18.如权利要求9所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述排气处理设备包括俘获SOX的SOX吸附催化剂，并且
所述SOX吸附催化剂在所述排气通道中设置在所述NOX储存催化剂的下游。
19.如权利要求18所述的内燃发动机的排气控制设备，进一步包括：
第二温度传感器(27)，所述第二温度传感器(27)检测所述SOX吸附催化剂的温度，
其中，所述控制装置构造成执行控制以当所述SOX吸附催化剂的检测温度低于判断值时限制火焰的产生。
20.如权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机的排气控制设备，进一步包括：
还原剂供给装置，所述还原剂供给装置用于向所述排气通道供给尿素或氨；
其中，所述排气处理设备包括氧化催化剂和NOX选择还原催化剂，所述NOX选择还原催化剂设置在所述氧化催化剂下游并通过氨选择性地还原排气中包含的NOX，并且
所述还原剂供给装置设置在所述NOX选择还原催化剂上游，以及
所述控制装置构造成执行控制以通过使所述还原剂供给装置供给尿素或氨而补充被吸附至所述NOX选择还原催化剂并在火焰产生期间被消耗的氨。
21.如权利要求20所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述控制装置构造成执行控制以在火焰产生之前或者在火焰产生之后使所述还原剂供给装置供给尿素或氨，使得被吸附至所述NOX选择还原催化剂的氨的量等于或大于预定量。
22.如权利要求20所述的内燃发动机的排气控制设备，进一步包括：
中毒检测装置，所述中毒检测装置用于检测所述NOX选择还原催化剂的HC中毒量，
其中，所述控制装置构造成执行控制以当所述中毒检测装置检测到的所述HC中毒量等于或高于判断值时使所述火焰产生装置产生火焰。
23.如权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机的排气控制设备，其中，
所述排气处理设备包括颗粒过滤器，所述颗粒过滤器俘获排气中的颗粒物，并且
所述控制装置构造成执行控制以在通过升高排气的温度使所述颗粒物燃烧而从所述颗粒过滤器去除所述颗粒物时产生火焰。
24.如权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机的排气控制设备，进一步包括：
还原剂供给装置，所述还原剂供给装置用于向NOX选择还原催化剂供给尿素；以及
中毒检测装置，所述中毒检测装置用于检测所述NOX选择还原催化剂的HC中毒量，
其中，所述排气处理设备包括：氧化催化剂或颗粒过滤器，所述颗粒过滤器俘获排气中的颗粒物；以及所述NOX选择还原催化剂，所述NOX选择还原催化剂设置在所述颗粒过滤器下游或者所述氧化催化剂下游并借助于由尿素产生的氨而选择性地还原排气中包含的NOX，并且
所述控制装置构造成执行控制以当所述中毒检测装置检测到的所述HC中毒量等于或高于判断值时产生火焰并以比当所述HC中毒量小于所述判断值时的供给量小的供给量供给尿素。
25.如权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机的排气控制设备，进一步包括：
火焰状态判定装置，所述火焰状态判定装置用于判定火焰是否产生，
其中，所述控制装置构造成当火焰产生时执行火焰产生控制而当火焰未产生时执行火焰未产生控制，并且
所述控制装置构造成基于所述火焰状态判定装置做出的火焰是否产生的判定来选择所述火焰产生控制或者选择所述火焰未产生控制。
26.如权利要求1至3中任一项所述的内燃发动机的排气控制设备，进一步包括：
沉积量检测装置，所述沉积量检测装置用于检测沉积在所述火焰产生装置和所述排气处理设备至少其中之一上的炭烟的量，
其中，所述控制装置构造成执行控制以当所述沉积量检测装置检测到的炭烟沉积量超过容许值时产生火焰。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131016 Termination date: 20200113 |