CN103052772A - 内燃机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

在内燃机中，在内燃机排气通路内从上游按顺序配置有上游侧空燃比传感器(23)、烃供给阀(15)、排气净化催化剂(13)以及下游侧空燃比传感器(24)。在内燃机运转时，基于由上游侧空燃比传感器(23)以及下游侧空燃比传感器(24)检测出的空燃比，对来自烃供给阀(15)的烃的喷射量进行控制，以使流入到排气净化催化剂(13)的烃的浓度变化的振幅成为预先规定的范围内的振幅。

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
公知有一种如下所述的内燃机：在内燃机排气通路内配置有当流入的废气的空燃比稀时吸留废气中所含的NOx、而当流入的废气的空燃比浓时释放出所吸留的NOx的NOx吸留催化剂，在NOx吸留催化剂上游的内燃机排气通路内配置燃料添加阀，在NOx吸留催化剂下游的内燃机排气通路内配置空燃比传感器，在要从NOx吸留催化剂释放出NOx时从燃料添加阀向内燃机排气通路内供给燃料以使得流入到NOx吸留催化剂的废气的空燃比变浓(例如参照专利文献1)。
在该内燃机中，例如若燃料添加阀发生堵塞，则为了释放出NOx而从燃料添加阀供给燃料时的燃料供给量与燃料添加阀未发生堵塞时的燃料供给量相比变少。结果，此时从NOx吸留催化剂流出的废气的空燃比与燃料添加阀未发生堵塞时的空燃比相比处于稀侧。鉴于此，在该内燃机中，利用空燃比传感器来检测为了释放出NOx而从燃料添加阀供给燃料时的废气的空燃比，当由空燃比传感器检测出的废气的空燃比与燃料添加阀未发生堵塞时的空燃比相比处于稀侧时，判断为燃料添加阀发生异常。
专利文献1：日本特开2009-221939号公报
但是，存在着当该NOx吸留催化剂成为高温时NOx净化率降低，因此当NOx吸留催化剂成为高温时无法得到高的NOx净化率的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种即使排气净化催化剂变成高温，也能够得到高的NOx净化率的内燃机的排气净化装置。
根据本发明，提供一种内燃机的排气净化装置，其中，在内燃机排气通路内配置有用于供给烃的烃供给阀，在烃供给阀下游的内燃机排气通路内配置有用于使废气中所含的NOx与重整后的烃发生反应的排气净化催化剂，在排气净化催化剂下游的内燃机排气通路内配置有用于对废气的空燃比进行检测的下游侧空燃比传感器，在排气净化催化剂的废气流通表面上担载有贵金属催化剂，并且在贵金属催化剂周围形成碱性的废气流通表面部分，排气净化催化剂具有如果使流入到排气净化催化剂的烃的浓度以预先规定的范围内的振幅以及预先规定的范围内的周期振动，则对废气中所含的NOx进行还原的性质，并且具有如果使烃浓度的振动周期比预先规定的范围长，则废气中所含的NOx的吸留量增大的性质，在内燃机运转时，该排气净化装置控制来自烃供给阀的烃的喷射周期，以使流入到排气净化催化剂的烃的浓度以预先规定的范围内的周期振动，并且基于下游侧空燃比传感器的输出信号控制来自烃供给阀的烃的喷射量，以使流入到排气净化催化剂的烃的浓度变化的振幅成为预先规定的范围内的振幅。
即使排气净化催化剂变成高温，也能够得到高NOx净化率。
附图说明
图1是压缩点火式内燃机的整体图。
图2是以图解方式表示催化剂载体的表面部分的图。
图3用于说明排气净化催化剂中的氧化反应的图。
图4是表示向排气净化催化剂流入的废气的空燃比的变化的图。
图5是表示NOx净化率的图。
图6A以及6B是用于说明排气净化催化剂中的氧化还原反应的图。
图7A以及7B是用于说明排气净化催化剂中的氧化还原反应的图。
图8是表示向排气净化催化剂流入的废气的空燃比的变化的图。
图9是表示NOx净化率的图。
图10是表示向排气净化催化剂流入的废气的空燃比的变化的时序图。
图11是表示向排气净化催化剂流入的废气的空燃比的变化的时序图。
图12是表示排气净化催化剂的氧化能力与要求最小空燃比x之间的关系的图。
图13表示获得同一NOx净化率的废气中的氧浓度与烃浓度的振幅ΔH之间的关系的图。
图14是表示烃浓度的振幅ΔH与NOx净化率之间的关系的图。
图15是表示烃浓度的振动周期ΔT与NOx净化率之间的关系的图。
图16表示向排气净化催化剂流入的废气的空燃比的变化等的图。
图17是表示排出NOx量NOXA的映射的图。
图18是表示燃料喷射时期的图。
图19是表示追加的燃料量WR的映射的图。
图20A以及20B是表示目标基础(base)空燃比的图。
图21A、21B以及21C是表示烃的喷射周期等的图。
图22A以及22B是表示向排气净化催化剂流入的废气的空燃比的变化的时序图。
图23是表示目标峰值空燃比的图。
图24是表示空燃比传感器的输出的图。
图25用于进行运转控制的流程图。
图26以及27是表示运转控制I的一个实施例的流程图。
图28以及29是表示运转控制I的另一个实施例的流程图。
图30是表示运转控制I的又一个实施例的流程图。
图31是表示从排气净化催化剂流出的废气的空燃比的变化的图。
图32以及33是用于执行浓控制II的流程图。
图34是表示校正系数K的变化的图。
图35是表示在图26以及27所示的流程图中由A围成的部分的另一个实施例的图。
图36A、36B以及36c是表示由下游侧空燃比传感器检测出的空燃比的变化的图。
图37是表示预先规定的区域A以及B的图。
图38是表示在图26以及27所示的流程图中由A围成的部分的又一个实施例的图。
具体实施方式
图1表示压缩点火式内燃机的整体图。
参照图1可知，1表示内燃机主体，2表示各汽缸的燃烧室，3表示用于向各燃烧室2内分别喷射燃料的电子控制式燃料喷射阀，4表示进气歧管，5表示排气歧管。进气歧管4经由进气管道6与排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口连结，压缩机7a的入口经由进气量检测器8与空气过滤器9连结。在进气管道6内配置有被步进马达驱动的节气阀10，并且在进气管道6周围配置有用于对在进气管道6内流动的进气进行冷却的冷却装置11。在图1所示的实施例中，内燃机冷却水被导入到冷却装置11内，进气被内燃机冷却水冷却。
另一方面，排气歧管5与排气涡轮增压器7的排气涡轮7b的入口连结。排气涡轮7b的出口经由排气管12a与排气净化催化剂13的入口连结，排气净化催化剂13的出口经由排气管12b与用于对废气中所含的颗粒进行捕集的颗粒过滤器14连结。
在排气净化催化剂13上游的排气管12a内配置有用于提供烃的烃供给阀15，该烃由被用作压缩点火式内燃机的燃料而使用的轻油等燃料构成。在图1所示的实施例中，作为由烃供给阀15供给的烃，使用了轻油。此外，本发明也能够应用于以稀空燃比为基础来进行燃烧的火花点火式内燃机。该情况下，从烃供给阀15供给由作为火花点火式内燃机的燃料而被使用的汽油等燃料构成的烃。
另一方面，排气歧管5和进气歧管4经由废气再循环(以下称为“EGR”)通路16而相互连结，在EGR通路16内配置有电子控制式EGR控制阀17。而且，在EGR通路16周围配置有用于对在EGR通路16内流过的EGR气体进行冷却的冷却装置18。在图1所示的实施例中，内燃机冷却水被导入到冷却装置18内，利用内燃机冷却水对EGR气体进行冷却。另一方面，各燃料喷射阀3经由燃料供给管19与共轨20连结，该共轨20经由电子控制式的喷出量可变的燃料泵21与燃料箱22连结。燃料箱22内贮藏的燃料通过燃料泵21向共轨20内供给，被供给到共轨20内的燃料经由各燃料供给管19向燃料喷射阀3供给。
电子控制单元30由数字计算机构成，具备由双向总线31相互连接的ROM(只读存储器)32、RAM(随机读取存储器)33、CPU(微处理器)34、输入端口35以及输出端口36。在烃供给阀15上游的排气管12a内，配置有用于对从内燃机排出的废气的空燃比进行检测的上游侧空燃比传感器23，在排气净化催化剂13下游的排气管12b内，配置有用于对从排气净化催化剂13流出的废气的空燃比进行检测的下游侧空燃比传感器24。另外，在排气净化催化剂13的下游配置有用于对排气净化催化剂13的温度进行检测的温度传感器24，在颗粒过滤器14上安装有用于对颗粒过滤器14的前后的压差进行检测的压差传感器26。这些上游侧空燃比传感器23、下游侧空燃比传感器24、温度传感器25、压差传感器26以及进气量检测器8的输出信号分别经由对应的AD变换器37被输入到输入端口35。
而且，加速踏板40连接着产生与加速踏板40的踏入量L成比例的输出电压的负载传感器41，负载传感器41的输出电压经由对应的AD变换器37被输入给输入端口35。并且，输入端口35连接着曲轴例如每旋转15°就产生输出脉冲的曲轴转角传感器42。另一方面，输出端口36经由对应的驱动回路38与燃料喷射阀3、节气阀10的驱动用步进马达、烃供给阀15、EGR控制阀17以及燃料泵21连接。
图2以图解方式表示了在排气净化催化剂13的基体上担载的催化剂载体的表面部分。在该排气净化催化剂13中，如图2所示，例如在由氧化铝构成的催化剂载体50上担载有贵金属催化剂51、52，并且，在该催化剂载体50上形成由包括从钾K、钠Na、铯Cs那样的碱金属、钡Ba、钙Ca那样的碱土类金属、镧那样的稀土类以及银Ag、铜Cu、铁Fe、铱Ir那样的能够对NOx提供电子的金属中选择出的至少一种的碱性层53。由于废气沿着催化剂载体50上流过，所以也可以说贵金属催化剂51、52被担载在排气净化催化剂13的废气流通表面上。另外，由于碱性层53的表面呈碱性，所以碱性层53的表面被称为碱性的废气流通表面部分54。
另一方面，在图2中，贵金属催化剂51由铂Pt构成，贵金属催化剂52由铑Rh构成。即，在催化剂载体50上担载的贵金属催化剂51、52由铂Pt以及铑Rh构成。其中，在排气净化催化剂13的催化剂载体50上除了铂Pt以及铑Rh之外，还可以担载钯Pd，或者取代铑Rh而担载钯Pd。即，在催化剂载体50上担载的贵金属催化剂51、52由铑Rh以及钯Pd中的至少一种和铂Pt构成。
当从烃供给阀15向废气中喷射烃时，该烃在排气净化催化剂13中被重整。在本发明中，使用此时被重整后的烃在排气净化催化剂13中对NOx进行净化。图3以图解方式表示了此时在排气净化催化剂13中进行的重整作用。如图3所示，从烃供给阀15喷射出的烃HC由于催化剂51而成为碳数少的自由基状的烃HC。
图4表示了来自烃供给阀15的烃的供给定时与向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的变化。需要说明的是，由于该空燃比(A/F)in的变化依赖于流入到排气净化催化剂13的废气中的烃的浓度变化，所以也可以说图4所示的空燃比(A/F)in的变化表示了烃的浓度变化。其中，由于当烃浓度变高时空燃比(A/F)in变小，所以在图4中空燃比(A/F)in越位于浓侧烃浓度越高。
图5相对于排气净化催化剂13的各催化剂温度TC表示了通过使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度周期性变化而如图4所示那样使向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in变化时的排气净化催化剂13实现的NOx净化率。本发明人长期致力于与NOx净化相关的研究，在该研究课题中发现了当流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先规定的范围内的振幅以及预先规定的范围内的周期振动时，如图5所示，即使在400℃以上的高温区域中也能够得到极高的NOx净化率。
并且还发现，此时包括氮以及烃的大量还原性中间体被保持或者持续吸附在碱性层53的表面上、即排气净化催化剂13的碱性废气流通表面部分54上，该还原性中间体在获得高NOx净化率方面发挥核心作用。下面，一边参照图6A以及6B一边对此进行说明。其中，这些图6A以及6B以图解方式表示了排气净化催化剂13的催化剂载体50的表面部分，在这些图6A以及6B中表示了使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先规定的范围内的振幅以及预先规定的范围内的周期振动时推测产生的反应。
图6A表示了流入到排气净化催化剂13的烃的浓度低时，图6B表示了从烃供给阀15供给烃而使得流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变高时。
由图4可知，由于流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比除了瞬间之外都维持为稀，所以流入到排气净化催化剂13的废气通常处于氧过剩的状态。因此，废气所含的NO如图6A所示，在铂51上被氧化而变成NO2，接着，该NO2被进一步氧化而成为NO3。另外，NO2的一部分成为NO2 -。该情况下，NO3的生成量远多于NO2 -的生成量。因此，在铂Pt51上生成大量的NO3和少量的NO2 -。这些NO3以及NO2 -活性强，以下将这些NO3以及NO2 -称为活性NOx＊。
另一方面，当从烃供给阀15供给烃时，如图3所示，该烃在排气净化催化剂13内被重整，成为自由基。结果，如图6B所示，活性NOx＊周围的烃浓度变高。如果在生成了活性NOx＊后，活性NOx＊周围的氧浓度高的状态持续一定时间以上，则活性NOx＊被氧化而以硝酸离子NO3 -的形式被吸收在碱性层53内。但是，如果在经过该一定时间之前活性NOx＊周围的烃浓度变高，则如图6B所示，活性NOx＊在铂51上与自由基状的烃HC发生反应，由此生成还原性中间体。该还原性中间体附着或者被吸附在碱性层53的表面上。
其中，认为此时最初生成的还原性中间体是硝基化合物R-NO2。如果生成该硝基化合物R-NO2，则成为腈化合物R-CN，但由于该腈化合物R-CN在该状态下只能瞬时存在，所以立刻变为异氰酸盐化合物R-NCO。该异氰酸盐化合物R-NCO如果水解则成为胺化合物R-NH2。其中，该情况下认为被水解的是异氰酸盐化合物R-NCO的一部分。因此，可认为如图6B所示那样在碱性层53的表面上保持或者吸附的还原性中间体的大部分是异氰酸盐化合物R-NCO以及胺化合物R-NH2。
另一方面，如图6B所示，当烃HC包围生成的还原性中间体的周围时，还原性中间体被烃HC阻止而不再进一步发生反应。该情况下，流入到排气净化催化剂13的烃的浓度降低，由此当氧浓度高时还原性中间体周围的烃被氧化。结果，如图6A所示，还原性中间体与活性NOx＊发生反应。此时活性NOx＊与还原性中间体R-NCO、R-NH2发生反应而成为N2、CO2、H2O，由此NOx被净化。
这样，在排气净化催化剂13中，通过使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变高来生成还原性中间体，通过使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变低使氧浓度提高，由此活性NOx＊与还原性中间体发生反应从而净化NOx。即，为了利用排气净化催化剂13来净化NOx，需要使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度周期性变化。
当然，该情况下为了生成还原性中间体而需要使烃的浓度提高到足够高的浓度，为了使生成的还原性中间体与活性NOx＊发生反应而需要使烃的浓度降低到足够低的浓度。即，需要使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先规定的范围内的振幅振动。其中，该情况下必须将足够量的还原性中间体R-NCO、R-NH2保持在碱性层53上、即碱性废气流通表面部分54上，直到生成的还原性中间体与活性NOx＊发生反应为止，为此设置了碱性的废气流通表面部分54。
另一方面，若延长烃的供给周期，则在烃被供给后到接下来烃被供给为止的期间，氧浓度高的期间变长，因此活性NOx＊不生成还原性中间体而以硝酸盐的形式被吸收在碱性层53内。为了避免该情况需要使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先规定的范围内的周期振动。
鉴于此，在本发明涉及的实施例中，为了使废气中所含的NOx与重整后的烃发生反应而生成含有氮以及烃的还原性中间体R-NCO、R-NH2，在排气净化催化剂13的废气流通表面上担载了贵金属催化剂51、52，为了将生成的还原性中间体R-NCO、R-NH2保持在排气净化催化剂13内，在贵金属催化剂51、52周围形成了碱性的废气流通表面部分54，利用在碱性的废气流通表面部分54上保持的还原性中间体R-NCO、R-NH2的还原作用对NOx＊进行还原，烃浓度的振动周期成为持续生成还原性中间体R-NCO、R-NH2所需的振动周期。因此，在图4所示的例子中，喷射间隔被设为3秒。
当使烃浓度的振动周期、即烃HC的供给周期比上述预先规定范围内的周期长时，还原性中间体R-NCO、R-NH2从碱性层53的表面上消失，此时在铂Pt53上生成的活性NOx＊如图7A所示，以硝酸离子NO3 -的形式向碱性层53内扩散，成为硝酸盐。即，此时废气中的NOx以硝酸盐的形式被吸收在碱性层53内。
另一方面，图7B表示了NOx如此以硝酸盐的形式被吸收在碱性层53内时流入到排气净化催化剂13内的废气的空燃比成为理论空燃比或者浓的情况。该情况下，由于废气中的氧浓度降低，所以反应向逆方向(NO3 -→NO2)进行，由此被吸收在碱性层53内的硝酸盐依次成为硝酸离子NO3 -，如图7B所示那样以NO2的形式被从碱性层53释放出。接着，释放出的NO2被废气中所含的烃HC以及CO还原。
图8表示了碱性层53的NOx吸收能力接近饱和之前流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F)in暂时成为浓的情况。其中，在图8所示的例子中，该浓控制的时间间隔是1分钟以上。该情况下，废气的空燃比(A/F)in为稀时被吸收在碱性层53内的NOx在废气的空燃比(A/F)in暂时变为浓时被从碱性层53一气释放出而被还原。因此，该情况下，碱性层53起到用于暂时吸收NOx的吸收剂的作用。
此外，此时还存在碱性层53暂时吸附NOx的情况，因此，如果使用吸留来作为包括吸收以及吸附这二者的用语，则此时碱性层53起到用于暂时吸留NOx的NOx吸留剂的作用。即，该情况下，若将内燃机进气通路、燃烧室2以及排气净化催化剂13上游的排气通路内被供给的空气以及燃料(烃)之比称为废气的空燃比，则排气净化催化剂13作为在废气的空燃比为稀时吸留NOx，而在废气中的氧浓度降低时释放出所吸留的NOx的NOx吸留催化剂发挥功能。
图9表示了使排气净化催化剂13如此作为NOx吸留催化剂发挥功能时的NOx净化率。其中，图9的横轴表示了排气净化催化剂13的催化剂温度TC。在使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂发挥功能的情况下，如图9所示，在催化剂温度TC从300℃到400℃时能够得到极高的NOx净化率，但在催化剂温度TC变为400℃以上的高温时NOx净化率降低。
若催化剂温度TC变为400℃以上则NOx净化率降低是因为，当催化剂温度TC为400℃以上时，硝酸盐发生热分解而以NO2的形式从排气净化催化剂13释放出。即，只要以硝酸盐的形式吸留NOx，则在催化剂温度TC高时便难以得到高的NOx净化率。但在图4至图6A、6B所示的新的NOx净化方法中，由图6A、6B可知，未生成硝酸盐或者即使生成也极其微量，由此如图5所示，在催化剂温度TC高时也能够得到高的NOx净化率。
鉴于此，在本发明中，将用于供给烃的烃供给阀15配置在内燃机排气通路内，在烃供给阀15下游的内燃机排气通路内配置用于使废气中所含的NOx与重整后的烃发生反应的排气净化催化剂13，在排气净化催化剂13的废气流通表面上担载贵金属催化剂51、52，并且在贵金属催化剂51、52周围形成碱性的废气流通表面部分54，排气净化催化剂13具有如果使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先规定范围内的振幅以及预先规定的范围内的周期振动，则对废气中所含的NOx进行还原的性质，并且具有当使烃浓度的振动周期比预先规定范围长时，废气中所含的NOx的吸留量增大的性质，在内燃机运转时使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先规定的范围内的振幅以及预先规定的范围内的周期振动，由此使废气中所含的NOx在排气净化催化剂13中还原。
即，图4到图6A、6B所示的NOx净化方法可以被称为在使用了担载贵金属催化剂并且形成了能够吸收NOx的碱性层的排气净化催化剂的情况下，几乎不形成硝酸盐地对NOx进行净化的新NOx净化方法。实际上，在使用了该新的NOx净化方法的情况下，与使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂发挥功能的情况相比，从碱性层53检测到的硝酸盐极其微量。其中，以下将该新的NOx净化方法称为“第一NOx净化方法”。
下面，参照图10至图15对该第一NOx净化方法进行稍微详细的说明。
图10放大表示了图4所示的空燃比(A/F)in的变化。如前所述，该向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的变化同时表示了流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变化。其中，在图10中ΔH表示流入到排气净化催化剂13的烃HC的浓度变化的振幅，ΔT表示流入到排气净化催化剂13的烃浓度的振动周期。
并且，在图10中，(A/F)b表示了对用于产生内燃机输出的燃烧气体的空燃比进行表示的基础空燃比。换言之，该基础空燃比(A/F)b表示了在停止烃的供给时流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比。另一方面，在图10中，X表示生成的活性NOx＊不以硝酸盐的形式吸留在碱性层53内而被用于生成还原性中间体的空燃比(A/F)in的上限，为了使活性NOx＊和重整后的烃发生反应来生成还原性中间体，需要使空燃比(A/F)in低于该空燃比的上限X。
换言之，图10的X表示了使活性NOx＊与重整后的烃发生反应来生成还原性中间体所需要的烃的浓度的下限，为了生成还原性中间体，需要使烃的浓度高于该下限X。该情况下，是否生成还原性中间体由活性NOx＊周围的氧浓度与烃浓度的比率、即空燃比(A/F)in决定，以下将生成还原性中间体所需的上述空燃比的上限X称为“要求最小空燃比”。
在图10所示的例子中，要求最小空燃比X为浓，因此，该情况下为了生成还原性中间体而是空燃比(A/F)in瞬时成为要求最小空燃比X以下、即浓。与此相对，在图11所示的例子中，要求最小空燃比X为稀。该情况下，通过一边使空燃比(A/F)in维持为稀一边使空燃比(A/F)in周期性降低，来生成还原性中间体。
该情况下，要求最小空燃比X是浓还是稀由排气净化催化剂13的氧化能力决定。该情况下，在排气净化催化剂13中，例如若增大贵金属51的担载量则氧化能力变强，如果酸性变强则氧化能力变强。因此，排气净化催化剂13的氧化能力根据贵金属51的担载量、酸性的强度而变化。
在使用氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下，如果如图11所示，一边将空燃比(A/F)in维持为稀一边使空燃比(A/F)in周期性降低，则在空燃比(A/F)in降低时烃被完全氧化，结果无法生成还原性中间体。与此相对，在使用了氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下，如果如图10所示那样使空燃比(A/F)in周期性变浓，则在空燃比(A/F)in为浓时一部分烃未被完全氧化而被部分氧化、即烃被重整，由此生成还原性中间体。因此，在使用了氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下，需要使要求最小空燃比X为浓。
另一方面，在使用了氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下，如果如图11所示，一边将空燃比(A/F)in维持为稀一边使空燃比(A/F)in周期性降低，则一部分烃未被完全氧化而被部分氧化、即烃被重整，由此生成还原性中间体。与此相对，在使用了氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下，如果如图10所示那样使空燃比(A/F)in周期性变浓，则大量的烃不被氧化而只是从排气净化催化剂13排出，由此被白白消耗掉的烃量增大。因此，在使用了氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下，需要使要求最小空燃比X为稀。
即可知：需要如图12所示那样，排气净化催化剂13的氧化能力越强则要求最小空燃比X越低。这样，要求最小空燃比X根据排气净化催化剂13的氧化能力而变为稀或者浓，但下面以要求最小空燃比X为浓的情况下为例，来说明流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变化的振幅、流入到排气净化催化剂13的烃浓度的振动周期。
若基础空燃比(A/F)b变大、即烃被供给之前的废气中的氧浓度变高，则使空燃比(A/F)in成为要求最小空燃比X以下所需的烃的供给量增大，与此相伴，无助于还原性中间体的生成的剩余的烃量也增大。该情况下，为了良好地净化NOx需要如前所述那样使该剩余的烃发生氧化，因此，为了良好地净化NOx，剩余的烃量越多便需要越大量的氧。
该情况下，如果提高废气中的氧浓度，则能够增大氧量。因此，为了良好地净化NOx，当烃被供给前的废气中的氧浓度高时，需要提高烃供给后的废气中的氧浓度。即，烃被供给前的废气中的氧浓度越高，则越需要增大烃浓度的振幅。
图13表示了获得同一NOx净化率时烃被供给前的废气中的氧浓度与烃浓度的振幅ΔH之间的关系。从图13可知，为了获得同一NOx净化率，供给烃之前的废气中的氧浓度越高则越需要增大烃浓度的振幅ΔH。即，为了获得同一NOx净化率，基础空燃比(A/F)b越高则越需要增大烃浓度的振幅ΔT。换言之，为了良好地净化NOx，基础空燃比(A/F)b越低则越能够减少烃浓度的振幅ΔT。
基础空燃比(A/F)b最低是加速运转时，如果此时烃浓度的振幅ΔH是200ppm左右，则能够良好地净化NOx。基础空燃比(A/F)b通常比加速运转时大，因此若如图14所示，烃浓度的振幅ΔH为200ppm以上则能够得到良好的NOx净化率。
另一方面，可知若在基础空燃比(A/F)b最高时烃浓度的振幅ΔH为10000ppm左右，则能够得到良好的NOx净化率。因此在本发明中，烃浓度的振幅的预先规定的范围被设为从200ppm到10000ppm。
另外，若烃浓度的振动周期ΔT变长，则在供给烃后到下一次供给烃的期间，活性NOx＊周围的氧浓度变高。该情况下，如果烃浓度的振动周期ΔT长于5秒左右，则活性NOx＊开始以硝酸盐的形式被吸收在碱性层53内，因此如图15所示，若烃浓度的振动周期ΔT长于5秒程度，则NOx净化率降低。因此，需要使烃浓度的振动周期ΔT为5秒以下。
另一方面，当烃浓度的振动周期ΔT大致为0.3秒以下时，被供给的烃开始在排气净化催化剂13的废气流通表面上堆积，因此如图15所示，当烃浓度的振动周期ΔT大致为0.3秒以下时，NOx净化率降低。鉴于此，在本发明中将烃浓度的振动周期设为0.3秒到5秒之间。
下面，参照图16至图19来具体说明使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂发挥功能时的NOx净化方法。下面将如此使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂发挥功能时的NOx净化方法称为“第二NOx净化方法”。
在该第二NOx净化方法中，如图16所示，当被碱性层53吸留的吸留NOx量∑NOX超过了预先规定的允许量MAX时，流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F)in暂时变浓。若废气的空燃比(A/F)in变浓，则废气的空燃比(A/F)in为稀时被吸留在碱性层53内的NOx从碱性层53一气释放出而被还原。由此，NOx被净化。
吸留NOx量∑NOX例如根据从内燃机排出的NOx量来算出。在本发明涉及的实施例中，从内燃机单位时间排出的排出NOx量NOXA作为内燃机输出转矩Te以及内燃机转速N的函数，被以图17所示那样的映射的形式预先存储在ROM32内，根据该排出NOx量NOXA来算出吸留NOx量∑NOX。该情况下，如前所述，废气的空燃比(A/F)in为浓的周期通常为1分钟以上。
在该第二NOx净化方法中，如图18所示，向燃烧室2内除了从燃料喷射阀3喷射输出产生用燃料Q之外，还通过喷射追加的燃料WR来使流入到排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F)in变浓。其中，图18的横轴表示了曲柄角。该追加的燃料WR在虽然进行燃烧但未成为内燃机输出而被体现的时期、即压缩上死点后ATDC90°的稍微之前喷射。该燃料量WR作为内燃机输出扭矩Te以及内燃机转速N的函数，被以图19所示那样的映射的形式预先存储在ROM32内。当然，该情况下通过使来自烃供给阀15的烃的供给量增大，也能够使废气的空燃比(A/F)in变浓。
再次回到第一NOx净化方法的说明，为了使用第一NOx净化方法良好地净化NOx，需要如前所述，恰当地控制烃浓度的振幅ΔH以及振动周期ΔT。即，为了使用第一NOx净化方法良好地净化NOx，需要将烃浓度的振幅ΔH控制成向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in为要求最小空燃比x以下，将烃浓度的振动周期ΔT控制在0.3秒至5秒之间。
该情况下，在本发明中烃浓度的振幅ΔH通过控制来自烃供给阀15的烃的喷射量来进行控制，烃浓度的振动周期ΔT通过控制来自烃供给阀15的烃的喷射周期来进行控制。该情况下，来自烃供给阀15的烃的喷射量能够通过控制来自烃供给阀15的烃的喷射时间或者喷射压力中的至少一个来控制。下面以一边将喷射压力保持为一定一边控制喷射时间来控制喷射量的情况为例，对本发明进行说明。
在本发明涉及的实施例中，与内燃机的运转状态对应的最佳的节气阀10的开度以及最佳的EGR控制阀17的开度预先通过实验而求出，并且，节气阀10以及EGR控制阀17各自为最佳开度时得到的最佳基础空燃比(A/F)b也预先通过实验而求出。在图20A中，该预先通过实验而求出的最佳基础空燃比(A/F)b被表示为内燃机转速N以及内燃机输出转矩Te的函数。其中，图20A中的各实线表示了由各个数值表示的空燃比的等空燃比线。
在内燃机运转时，来自燃料喷射阀3的燃料喷射量被控制成从内燃机排出的废气的空燃比成为图20A所示的最佳的基础空燃比(A/F)b。其中，图20A所示的最佳基础空燃比(A/F)b被作为内燃机转速N以及内燃机输出转矩Te的函数而以图20B所示那样的映射的形式预先存储在ROM32内。
另外，通过实验预先求出了基于第一NOx净化方法进行NOx净化作用时得到最高NOx净化率的最佳烃喷射周期ΔT和最佳的烃喷射时间WT。在图21A中，该通过实验而求出的最佳的烃喷射周期ΔT被表示为内燃机转速N以及内燃机输出转矩Te的函数。其中，图21A中的各实线等表示了烃喷射周期。从图21A可知，内燃机转速N越低、最佳的烃喷射周期ΔT越短，内燃机输出转矩Te越高、最佳的烃喷射周期ΔT越短。
图21A所示的最佳烃喷射周期ΔT被作为内燃机转速N以及内燃机输出转矩Te的函数而以图21B所示那样的映射形式预先存储在ROM32内。另外，通过实验求出的最佳的烃喷射时间WT也被作为内燃机转速N以及内燃机输出转矩Te的函数而以图20C所示那样的映射的形式预先存储在ROM32内。
图22A表示了将烃喷射周期设为图21B所示的最佳烃喷射周期ΔT，将烃喷射时间设为图21C所示的最佳烃喷射时间WT时向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的变化，图22B表示了此时由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比的变化。从图22A以及图22B可知，向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的浓侧峰值空燃比(A/F)r变为浓，与此相对，由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比的浓侧峰值空燃比(A/F)p变为稀。可认为这是由于所供给的烃的一部分在暂时附着于排气净化催化剂13后随着时间差而蒸发，由此从排气净化催化剂13流出的废气的空燃比的变化被平滑化，因此空燃比的峰值变小。
预先通过实验求出烃喷射周期被设为图21B所示那样的最佳的烃喷射周期ΔT，烃喷射时间被设为图21C所示那样的最佳的烃喷射时间WT时由下游侧空燃比传感器24检测出的浓侧峰值空燃比(A/F)p，预先通过实验求出的该浓侧峰值空燃比(A/F)p被作为目标峰值空燃比(A/F)t而针对各内燃机运转状态预先存储。在本发明的实施例中，该目标峰值空燃比(A/F)t作为内燃机转速N以及内燃机输出转矩Te的函数，被以图23所示那样的映射的形式预先存储在ROM32内。
图24中概略性地表示了空燃比传感器23、24的输出电流I与空燃比的关系。从图24可知，空燃比传感器23、24的输出电流I对应于空燃比而变化，因此能够根据空燃比传感器23、24的输出电流I来检测空燃比。
如果烃喷射时间与图21C所示的最佳烃喷射时间WT偏离，则由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比的浓侧峰值空燃比(A/F)p也与图23所示的目标峰值空燃比(A/F)t偏离。此时，如果烃喷射时间被控制成由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比的浓侧峰值空燃比(A/F)p成为图23所示的目标峰值空燃比(A/F)t，则烃喷射时间成为图21C所示的最佳烃喷射时间WT，结果，可确保最大的NOx净化率。
若如此对排气净化催化剂13配置下游侧空燃比传感器24，则能够基于下游侧空燃比传感器24的输出信号将烃喷射时间控制为最佳的烃喷射时间。鉴于此，在本发明中，在排气净化催化剂13下游的内燃机排气通路内配置用于对废气的空燃比进行检测的下游侧空燃比传感器24，基于下游侧空燃比传感器24的输出信号对来自烃供给阀15的烃的喷射量进行控制，以使流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变化的振幅成为预先规定的范围内的振幅。
稍微具体地加以说明，当来自烃供给阀15的烃的喷射周期被控制成如图22A所示，流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先规定的范围内的周期振动时，如图22B所示，由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比也发生振动，该情况下，在本发明涉及的实施例中，当由下游侧空燃比传感器24检测出的浓侧峰值空燃比(A/F)p与预先规定的空燃比(A/F)t相比靠近稀侧时，增大来自烃供给阀15的烃的喷射量，当由下游侧空燃比传感器24检测出的浓侧峰值空燃比(A/F)p与预先规定的空燃比(A/F)t相比靠近浓侧时，减少来自烃供给阀15的烃的喷射量。
下面，说明图25所示的内燃机的运转控制程序。其中，该程序基于规定时间的中断而被执行。
参照图25，首先在步骤60中根据温度传感器25的输出信号判别排气净化催化剂13的温度TC是否超过了活性化温度TC0。当TC＜TC0时、即排气净化催化剂13未活性化时，判断为应该使用第二NOx净化方法，进入到步骤61。在步骤61中，根据图17所示的映射来算出单位时间的排出NOx量NOXA。接着，在步骤62中通过对∑NOX加上排出NOx量NOXA来算出吸留NOx量∑NOX。接着，在步骤63中判别吸留NOx量∑NOX是否超过允许值MAX。
当在步骤63中判断为∑NOX≤MAX时，进入到步骤64，进行来自燃料喷射阀3的燃料喷射处理。此时，按照成为根据内燃机的运转状态确定的预先规定的稀空燃比的方式，从燃料喷射阀3喷射燃料。与此相对，当在步骤63中判别为∑NOX＞MAX时，进入到步骤65，进行浓控制I。即，根据图19所示的映射算出追加的燃料量WR，进行追加的燃料的喷射作用。此时从排气净化催化剂13释放出吸留的NOx。接着，在步骤66中将∑NOX清零。
另一方面，当在步骤60中判断为TC≥TC0时、即排气净化催化剂13活性化时，进入到步骤67，判别在前次中断时是否为TC＜TC0。当在前次中断时TC＜TC0成立时、即当前排气净化催化剂13活性化时，进入到步骤68，执行浓控制II。此时也根据图19所示的映射来算出追加的燃料量WR，进行追加的燃料的喷射作用，从排气净化催化剂13释放出吸留的NOx。接着，在步骤69中将∑NOX清零。
与此对应，当在前次中断时TC≥TC0成立时、即排气净化催化剂13已经活性化时，进入到步骤70来执行运转控制I。在该运转控制I中，进行由本发明涉及的第一NOx净化方法实现的NOx净化作用。即，在排气净化催化剂13未活性化时进行由第二NOx净化方法实现的NOx净化作用，当排气净化催化剂13活性化时，从第二NOx净化方法切换为第一NOx净化方法。
当从第二NOx净化方法切换为第一NOx净化方法时，如果在排气净化催化剂13中吸留有NOx，则吸留的NOx不被还原而从排气净化催化剂13一气释放出。因此，在图25所示的例子中，为了阻止吸留的NOx如此不被还原而从排气净化催化剂13一气释放出，在将要从第二NOx净化方法切换为第一NOx净化方法之前，在步骤68中进行用于利用第二NOx净化方法从排气净化催化剂13释放出吸留NOx的浓控制II。
下面，说明在步骤70中进行的运转控制I、即第一NOx净化方法实现的NOx净化作用。图26以及图27表示了该运转控制I的第一实施例。
参照图26，首先在步骤80中根据图20B所示的映射算出基础空燃比的目标值、即目标空燃比(A/F)b。接着，在步骤81中根据进气量检测器8的输出信号算出进气量GA。接着，在步骤82中根据这些目标空燃比(A/F)b以及进气量GA算出为了将基础空燃比设为目标空燃比(A/F)b所需要的来自燃料喷射阀3的输出产生用燃料喷射量Q。接着，在步骤83中根据该燃料喷射量Q算出燃料喷射时间QT，接着在步骤84中，按照该燃料喷射时间QT来进行从燃料喷射阀3喷射燃料的燃料喷射处理。
接着，在步骤85中根据图21B所示的映射来算出最佳的烃喷射周期ΔT。接着，在步骤86中根据图21C所示的映射来算出最佳的烃喷射时间WT。接着，在步骤87中根据图23所示的映射来算出目标峰值空燃比(A/F)t。接着，在步骤88中根据下游侧空燃比传感器24的输出来检测实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p。
接着，在步骤89中判别实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p是否比对目标峰值空燃比(A/F)t加上了小的一定值α而得到的值大。在(A/F)p＞(A/F)t+α成立时，进入到步骤90，对针对烃喷射时间WT的校正系数K加上一定值ΔK。接着，进入到步骤93，将对烃喷射时间WT乘上校正系数K而得到的值(K·WT)设为最终的烃喷射时间WTO。
另一方面，当在步骤89中判断为(A/F)p＞(A/F)t+α不成立时，进入到步骤91，判别实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p是否小于从目标峰值空燃比(A/F)t减去了一定值α而得到的值。在(A/F)p＜(A/F)t-α成立时，进入到步骤92，从校正系数K减去一定值ΔK，然后进入到步骤93。接着，在步骤94中根据最终的烃喷射时间WTO来进行从烃供给阀15喷射烃的烃喷射处理。
这样，在该实施例中，由于当(A/F)p＞(A/F)t+α成立时增大烃喷射时间，当(A/F)p＜(A/F)t-α成立时减少烃喷射时间，所以可使实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p与目标峰值空燃比(A/F)t一致。结果，能够得到高的NOx净化率。
在该运转控制I的第一实施例中，基于由进气量检测器8检测出的进气量GA，算出为了使基础空燃比成为目标空燃比(A/F)b所需要的输出产生用燃料喷射量Q，并根据该燃料喷射量Q算出燃料喷射时间QT。该情况下，只要进气量检测器8正常动作，基础空燃比便被维持为目标空燃比(A/F)b。但在该情况下，例如若进气量检测器8劣化，进气量检测器8的输出信号无法准确地表示进气量，则基础空燃比与目标空燃比(A/F)b不一致。
另一方面，在运转控制I的第一实施例中，利用下游侧空燃比传感器24对烃供给量进行反馈控制，以使实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p成为目标峰值空燃比(A/F)t，该情况下，即使在基础空燃比与目标空燃比(A/F)b相偏离的情况下，也能控制成实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p成为目标峰值空燃比(A/F)t。即，在该运转控制I的第一实施例中，即使在基础空燃比偏离的情况下，也能控制成实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p成为目标峰值空燃比(A/F)t。
但是，获得最高的NOx净化率的向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的浓侧峰值空燃比(A/F)r相对基础空燃比而确定，该获得最高的NOx净化率的浓侧峰值空燃比(A/F)r随着基础空燃比的变化而变化。因此，在基础空燃比与目标空燃比(A/F)b偏离的情况下，优选使基础空燃比返回到目标空燃比(A/F)b。
鉴于此，在图25的步骤70所示的运转控制I的第二实施例中，使用上游侧空燃比传感器23将基础空燃比控制成目标空燃比(A/F)b。即，在该运转控制I的第二实施例中，利用上游侧空燃比传感器23来检测从内燃机排出的废气的空燃比，按照检测出的空燃比成为目标空燃比(A/F)b的方式对来自燃料喷射阀3的燃料喷射时间QT进行校正。若如此利用上游侧空燃比传感器23，则即使进气量检测器8发生劣化，也能够将基础空燃比维持为目标空燃比(A/F)b。
图28以及图29表示了用于执行运转控制I的第二实施例的程序。其中，在该图28以及图29所示的程序中，步骤100到103与从图26的步骤80到83相同，在图28以及图29所示的程序中，步骤111至120与图26以及图27的步骤85至94相同。
即，参照图28，首先在步骤100中根据图20B所示的映射来算出基础空燃比的目标值、即目标空燃比(A/F)b。接着，在步骤101中根据进气量检测器8的输出信号来算出进气量GA。接着，在步骤102中根据这些目标空燃比(A/F)b以及进气量GA来算出使基础空燃比成为目标空燃比(A/F)b所需要的来自燃料喷射阀3的输出产生用燃料喷射量Q。接着，在步骤103中根据该燃料喷射量Q算出燃料喷射时间QT。
接着，在步骤104中基于上游侧空燃比传感器23的输出来检测从内燃机排出的废气的实际空燃比(A/F)a。接着，在步骤105中判别实际的空燃比(A/F)a是否大于对目标空燃比(A/F)b加上小的一定值β而得到的值。在(A/F)a＞(A/F)b+β成立时，进入到步骤106，对针对燃料喷射时间QT的校正系数G加上一定值ΔG。接着，进入到步骤106，将对燃料喷射时间QT乘以校正系数G而得到的值(G·QT)设为最终的燃料喷射时间QTO。
另一方面，当在步骤105中判断为(A/F)a＞(A/F)b+β不成立时，进入到步骤107，判别从内燃机排出的废气的实际空燃比(A/F)a是否小于从目标峰值空燃比(A/F)b减去一定值β而得到的值。在(A/F)a＜(A/F)b-β成立时，进入到步骤108，从校正系数G减去一定值ΔG，进入到步骤109。接着，在步骤110中根据燃料喷射时间QTO来进行从燃料喷射阀3喷射燃料的燃料喷射处理。
这样，在该实施例中，由于当(A/F)a＞(A/F)b+β成立时增大燃料喷射时间，当(A/F)a＜(A/F)b-β成立时减少燃料喷射时间，所以能够使从内燃机排出的废气的实际的空燃比、即实际的基础空燃比(A/F)a与目标空燃比(A/F)b一致。
接着，在步骤111中根据图21B所示的映射来算出最佳的烃喷射周期ΔT。接着，在步骤112中根据图21C所示的映射来算出最佳的烃喷射时间WT。接着，在步骤113中根据图23所示的映射来算出目标峰值空燃比(A/F)t。接着，在步骤114中根据下游侧空燃比传感器24的输出来检测实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p。
接着，在步骤115中判别实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p是否大于对目标峰值空燃比(A/F)t加上小的一定值α而得到的值。在(A/F)p＞(A/F)t+α成立时，进入到步骤116，对针对烃喷射时间WT的校正系数K加上一定值ΔK。接着，进入到步骤119，将对烃喷射时间WT乘以校正系数K而得到的值(K·WT)设为最终的烃喷射时间WTO。
另一方面，当在步骤115中判断为(A/F)p＞(A/F)t+α不成立时，进入到步骤117，判别实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p是否小于从目标峰值空燃比(A/F)t减去一定值α而得到的值。在(A/F)p＜(A/F)t-α成立时，进入到步骤118，从校正系数K减去一定值ΔK，进入到步骤119。接着，在步骤120中根据最终的烃喷射时间WTO进行从烃供给阀15喷射烃的烃喷射处理。
这样，由于当(A/F)p＞(A/F)t+α成立时增大烃喷射时间，当(A/F)p＜(A/F)t-α成立时烃喷射时间减少，所以能够使实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p与目标峰值空燃比(A/F)t一致。
这样，在该运转控制I的第二实施例中，基于在烃供给阀15上游的内燃机排气通路内配置的上游侧空燃比传感器23的输出信号以及下游侧空燃比传感器24的输出信号双方，将来自烃供给阀15的烃的喷射量控制成流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变化的振幅成为预先规定的范围内的振幅。该情况下，在该运转控制I的第二实施例中，基于上游侧空燃比传感器23的输出信号对内燃机燃烧室2被供给的燃料的量进行控制，以使从内燃机排出的废气的空燃比、即基础空燃比成为预先规定的空燃比、即目标空燃比(A/F)b，基于下游侧空燃比传感器24的输出信号进行控制，以使从排气净化催化剂13流出的废气的浓侧峰值空燃比(A/F)p成为目标峰值空燃比(A/F)t。
即，在该运转控制I的第二实施例中，由于在基础空燃比被维持为目标空燃比(A/F)b的状态下，向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的浓侧峰值空燃比(A/F)r被准确地控制为目标空燃比(A/F)b，所以能够得到高的NOx净化率。
接着，对图25的步骤70所表示的运转控制I的第三实施例进行说明。在该运转控制I的第三实施例中，利用由上游侧空燃比传感器23检测出的实际的空燃比(A/F)a、和由下游侧空燃比传感器24检测出的实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p，基于下述公式，根据由上游侧空燃比传感器23检测出的实际的空燃比(A/F)a与目标空燃比(A/F)b之差、以及由下游侧空燃比传感器24检测出的实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p与目标峰值空燃比(A/F)t之差，算出来自烃供给阀15的烃喷射时间WTO。
WTO←WT·[1+K1·((A/F)a-(A/F)b)+K2·((A/F)p-(A/F)t)]
这里，WT是根据图21C的映射算出的来自烃供给阀15的烃喷射时间，K1以及K2是正的常数。
根据上式可知，在由上游侧空燃比传感器23检测出的实际的空燃比(A/F)a比目标空燃比(A/F)b靠稀侧时增大来自烃供给阀15的烃的喷射量，并且在由上游侧空燃比传感器23检测出的实际的空燃比(A/F)a比目标空燃比(A/F)b靠浓侧时减少来自烃供给阀15的烃的喷射量。并且可知，在由下游侧空燃比传感器24检测出的实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p比目标峰值空燃比(A/F)t靠稀侧时增大来自烃供给阀15的烃的喷射量，并且在由下游侧空燃比传感器24检测出的实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p比目标峰值空燃比(A/F)t靠近浓侧时减少来自烃供给阀15的烃的喷射量。
若对此稍微通常性地加以表现，则在该运转控制I的第三实施例中，当由上游侧空燃比传感器23检测出的空燃比比预先规定的空燃比靠稀侧时增大来自烃供给阀15的烃的喷射量，并且当由上游侧空燃比传感器23检测出的空燃比比预先规定的空燃比靠浓侧时减少来自烃供给阀15的烃的喷射量，当由下游侧空燃比传感器24检测出的浓侧峰值空燃比比预先规定的空燃比靠稀侧时增大来自烃供给阀15的烃的喷射量，并且当由下游侧空燃比传感器24检测出的浓侧峰值空燃比比预先规定的空燃比靠浓侧时减少来自烃供给阀15的烃的喷射量。
图30表示了在图25的步骤70中进行的运转控制I的第三实施例的程序。
参照图30，首先在步骤130中根据图20B所示的映射算出基础空燃比的目标值、即目标空燃比(A/F)b。接着，在步骤131中利用上游侧空燃比传感器23来检测从内燃机排出的废气的实际的空燃比(A/F)a。接着，在步骤132中根据进气量检测器8的输出信号来算出进气量GA。接着，在步骤133中根据这些目标空燃比(A/F)b以及进气量GA算出使基础空燃比成为目标空燃比(A/F)b所需要的来自燃料喷射阀3的输出产生用燃料喷射量Q。接着，在步骤134中根据该燃料喷射量Q来算出燃料喷射时间QT，接着，在步骤135中根据该燃料喷射时间QT来进行从燃料喷射阀3喷射燃料的燃料喷射处理。
接着，在步骤136中根据图21B所示的映射来算出最佳的烃喷射周期ΔT。接着，在步骤137中根据图21C所示的映射来算出最佳的烃喷射时间WT。接着，在步骤138中根据图23所示的映射来算出目标峰值空燃比(A/F)t。接着，在步骤139中根据下游侧空燃比传感器24的输出来检测实际的浓侧峰值空燃比(A/F)p。接着，在步骤140中基于下式算出来自烃供给阀15的烃喷射时间WTO。
WTO←WT·[1+K1·((A/F)a-(A/F)b)+K2·((A/F)p-(A/F)t)]
接着，在步骤141中根据算出的烃喷射时间WTO来进行从烃供给阀15喷射烃的烃喷射处理。
下面，简单地说明排气净化催化剂13的故障诊断。在本发明涉及的实施例中，如图25所示，在即将从第二NOx净化方法切换为第一NOx净化方法之前，进行用于利用第二NOx净化方法使吸留NOx释放出的浓控制II，在进行该浓控制II行时，进行排气净化装置13的故障诊断、即排气净化装置13是否劣化的判别。
图31表示了进行浓控制II时向排气净化装置13流入的废气的空燃比(A/F)a的变化、与来自排气净化装置13的排出废气的空燃比(A/F)c的变化。流入废气的空燃比(A/F)a被设为浓的期间trt是数秒，该期间trt根据吸留NOx的量而变化。(A/F)rt表示了进行浓控制II时的目标浓空燃比，向燃烧室2内供给的追加的燃料量WR被学习控制成每当进行浓控制II时由上游侧空燃比传感器23检测出的实际的空燃比(A/F)a便成为目标浓空燃比(A/F)rt。
另一方面，排气净化装置13具有在催化剂内贮藏氧的能力，在排气净化装置13如此具有氧贮藏能力的情况下，流入废气的空燃比(A/F)a被设为浓时废气中的过剩烃与贮藏的氧发生反应而被氧化。此时，在进行废气中的过剩烃的氧化作用的期间，如由图31的期间ts所示那样，排出废气的空燃比(A/F)c被维持为理论空燃比。该情况下，如果排气净化装置13劣化则氧贮藏能力降低，如果氧贮藏能力降低，则在流入废气的空燃比(A/F)a变浓时，排出废气的空燃比(A/F)c被维持为理论空燃比的期间ts变短。因此，能够根据排出废气的空燃比(A/F)c被维持为理论空燃比的期间ts变短，检测出排气净化装置13发生了劣化。
下面，对表示该浓控制II的图32以及图33进行说明。
参照图32，首先在步骤150中算出图18所示的输出产生用燃料喷射量Q，并且根据图19所示的映射算出追加的燃料量WR。接着，在步骤151中利用上游侧空燃比传感器23来检测实际的流入废气的空燃比(A/F)a。接着，在步骤152中判别流入废气的空燃比(A/F)a是否大于对目标浓空燃比(A/F)rt加上小的一定值d而得到的值。在(A/F)a＞(A/F)rt+d成立时，进入到步骤153，对针对追加的燃料量WR的学习值GR加上一定值ΔGR。接着，进入到步骤156，将对追加的燃料量WR乘以学习值GR而得到的值(GR·WR)设为最终的追加的燃料量WRO。
另一方面，当在步骤152中判断为(A/F)a＞(A/F)rt+d不成立时，进入到步骤154，判别实际的流入废气的空燃比(A/F)a是否小于从目标峰值空燃比(A/F)rt减去一定值α而得到的值。在(A/F)a＜(A/F)rt-d成立时，进入到步骤155，从学习值GR减去一定值ΔGR，进入到步骤156。接着，在步骤157中按照最终的追加的燃料量WRO来进行从燃料喷射阀3喷射在燃料喷射量Q的基础上追加的燃料WRO的燃料喷射处理。
这样，由于在(A/F)a＞(A/F)rt+d成立时增大追加的燃料WR，在(A/F)a＜(A/F)rt-d成立的时减少追加的燃料WR，所以能够使实际的流入废气的空燃比(A/F)a与目标浓空燃比(A/F)rt一致。
接着，在步骤158中利用下游侧空燃比传感器24检测实际的排出废气的空燃比(A/F)c。接着，在步骤159中判别实际的排出废气的空燃比(A/F)c是否小于对理论空燃比加上小的一定值h而得到的值并且大于从理论空燃比减去一定值h而得到的值、即排出废气的空燃比(A/F)c是否大致为理论空燃比。在排出废气的空燃比(A/F)c大致为理论空燃比时，进入到步骤160，对理论空燃比持续时间Ts加上一定时间Δt。
接着，在步骤161中等待了Δt时间后进入到步骤162，判别是否经过了在图31中用trt表示的浓期间。在未经过浓期间时，返回到步骤150。即，在经过浓期间之前，每Δt时间就返回到步骤150。与此相对，在经过了浓期间时，进入到步骤163，判别理论空燃比持续时间Ts是否长于劣化判断基准时间XTs。在Ts＞XTs时，判断为排气净化装置13未劣化，进入到步骤164将Ts清零。与此相对，在Ts≤XTs时，判断为排气净化装置13发生了劣化，进入到步骤165而发出警报。
下面，对排气净化装置、尤其是烃供给阀15的故障诊断进行说明。
在图28以及图29所示的运转控制I的第二实施例中，如前所述，基于上游侧空燃比传感器23的输出信号控制成基础空燃比维持为目标空燃比(A/F)b，这样，由于在基础空燃比被维持为目标空燃比(A/F)b的状态下，基于下游侧空燃比传感器24的输出信号，向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的浓侧峰值空燃比(A/F)r被准确地控制成目标空燃比(A/F)b，所以能够得到高的NOx净化率。
这样，在基础空燃比被维持为目标空燃比(A/F)b，向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的浓侧峰值空燃比(A/F)r被准确地控制成目标空燃比(A/F)b的情况下，若排气净化装置产生异常，则例如在烃供给阀15的烃供给作用产生异常时，该异常的影响敏感地出现在下游侧空燃比传感器24的输出信号中。因此，若在基础空燃比如此被维为持目标空燃比(A/F)b，向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的浓侧峰值空燃比(A/F)r被准确地控制为目标空燃比(A/F)b时进行排气净化装置的故障诊断，则能够准确地发现排气净化装置的故障。
鉴于此，在本发明涉及的实施例中，当基于上游侧空燃比传感器23的输出信号以及下游侧空燃比传感器24的输出信号双方，将来自烃供给阀15的烃的喷射量控制成流入到排气净化催化剂13的烃的浓度变化的振幅成为预先规定的范围内的振幅时，基于下游侧空燃比传感器24的输出信号进行排气净化装置的故障诊断。
下面，作为排气净化装置的故障，以烃供给阀15发生堵塞的情况下为例来说明排气净化装置的故障诊断方法。
当烃供给阀15发生堵塞时，来自烃供给阀15的烃的供给量减少。因此，在基础空燃比被维持为目标空燃比(A/F)b，向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的浓侧峰值空燃比(A/F)r准确地控制成目标空燃比(A/F)b的情况下，即若在执行图28以及图29所示的运转控制I的第二实施例时烃供给阀15发生堵塞而使得来自烃供给阀15的烃的供给量减少，则为了使向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in的浓侧峰值空燃比(A/F)r与目标空燃比(A/F)b一致，增大图29的步骤116、118、119所示的校正系数K。
该情况下，来自烃供给阀15的烃的供给量越减少，校正系数K越增大。即，如图34所示，烃供给阀15的堵塞量越增大，校正系数K越增大。因此，能够根据校正系数K的值来判断烃供给阀15是否发生了堵塞。在本发明涉及的实施例中，烃供给阀15的堵塞量为允许量以上时的校正系数K的值被作为限界值XK而预先存储，在校正系数K的值超过该限界值XK时，发出表示烃供给阀15发生了堵塞的警报。
在使用该故障诊断方法的情况下，取代在图29中由点划线A包围的流程图部分而使用图35所示的流程图部分。该情况下，如图35所示，在步骤120中进行了来自烃供给阀15的烃的喷射处理后，在步骤121中判别校正系数K是否小于限界值XK，当判断为K≥XK时，进入到步骤122而发出警告。
其中，校正系数K的值越增大则来自烃供给阀15的烃的喷射时间越增大，此时若校正系数K超过限界值XK，则烃的喷射时间的增大率也超过与限界值XK对应的预先规定的率。因此，若以其他的说法来表现该故障诊断方法，则在由下游侧空燃比传感器24检测出的浓侧峰值空燃比比预先规定的空燃比靠稀侧时，为了增大来自烃供给阀15的烃的喷射量而增大烃的喷射时间，此时在烃的喷射时间的增大率超过预先规定的率值时，判断为烃供给阀15发生了堵塞。
下面，说明根据下游侧空燃比传感器24的输出信号算出来自烃供给阀15的烃的喷射量，基于该算出的烃的喷射量，来检测烃供给阀15的异常、例如烃供给阀15的堵塞的方法。
图36A表示了基于第一NOx净化方法进行NOx净化作用时由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比的变化。此时，由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比通常如图36的I所示那样，以基础空燃比(A/F)b为基准向浓侧振动。即，在来自烃供给阀15的烃的喷射周期被控制成流入到排气净化催化剂13的烃的浓度以预先规定的范围内的周期振动时，由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比通常以基础空燃比(A/F)b为基准向浓侧振动。
此时用阴影表示的部分的面积S、即由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比与基础空燃比(A/F)b之差的积分值表示了来自烃供给阀15的每次实际的烃喷射量。其中，上述的面积S以及积分值表示了空燃比每次变动的面积S以及积分值，以下也同样。
该面积S能够根据对应于内燃机的运转状态而算出的烃的目标喷射量计算出，将如此根据目标喷射量算出的面积S称为基准面积S0。在目标喷射量与实际喷射出的喷射量相等时，面积S与基准面积S0相等。但在目标喷射量与实际喷射出的喷射量不等时，面积S与基准面积S0不相等，例如在与目标喷射量相比实际喷射出的喷射量较少时，面积S小于基准面积S0。因此，如果将基于下游侧空燃比传感器24的检测信号算出的面积S与根据目标喷射量算出的基准面积S0进行比较，则能够判断是否从烃供给阀15正常地喷射烃。
鉴于此，在本发明涉及的实施例中，基于由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比与基础空燃比(A/F)b之差的积分值，来判断是否从烃供给阀15正常地喷射烃，例如判断烃供给阀15是否堵塞。该情况下，在本发明涉及的具体例中，当面积S小于对基准面积S0乘以一定值C(＜1.0)而得到的值C·S0时，判断为烃供给阀15堵塞。
当来自烃供给阀15的烃的喷射周期变短时，如图36A的II所示那样，由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比在返回到基础空燃比(A/F)b之前会由于接下来的烃的喷射作用而向浓侧变化。这样，若由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比未返回到基础空燃比(A/F)b，则算出的面积S不表示实际的烃喷射量。
鉴于此，在本发明涉及的实施例中，当如图36B的I所示那样，由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比未返回到基础空燃比(A/F)b时，如图36B的II所示，延长来自烃供给阀15的烃的喷射周期，以使由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比返回到基础空燃比(A/F)b。
即，在本发明涉及的实施例中，当基于由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比与基础空燃比(A/F)b之差的积分值来判断烃供给阀15是否堵塞时，在烃的喷射周期对于准确地检测来自烃供给阀15的烃的喷射量来说过短时，延长了烃的喷射周期长。另外，该情况下，增大来自烃供给阀15的每次的烃喷射量，以便使所供给的烃量充足。
另一方面，如图36C的I所示，当来自烃供给阀15的每一次的烃喷射量变大时，一部分烃会穿过排气净化催化剂13。但若烃如此穿过排气净化催化剂13，则存在穿过的烃会导致由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比向稀侧偏离这一问题。即，在空燃比传感器中使废气中的烃与氧在空燃比传感器上反应时会根据剩余或者不足的氧量来检测空燃比，但由于穿过的烃分子量大，所以在空燃比传感器上不发生反应。结果，判断为氧量与实际的氧量相比较多地存在，由此，由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比向稀侧偏离。
这样，当由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比向稀侧偏离时，会无法准确地检测出来自烃供给阀15的烃的喷射量。鉴于此，在本发明涉及的实施例中，在如图36C的I所示那样，来自烃供给阀15的每次的烃喷射量大的情况下，为了使烃不穿过排气净化催化剂13，如图36C的II所示那样，减少来自烃供给阀15的每次的烃喷射量。
即，在本发明涉及的实施例中，当基于由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比与基础空燃比(A/F)b之差的积分值，来判断烃供给阀15是否堵塞时，在烃的喷射量对于准确地检测来自烃供给阀15的烃的喷射量来说过多时，烃的喷射量减少。
其中，如图36B的I所示，由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比有可能返回到基础空燃比(A/F)b的时候是由图37的区域A所示的内燃机低速低中负载运转时。因此，在本发明涉及的具体例子中，当内燃机的运转状态为区域A所示的内燃机低速低中负载运转状态时，如图36B的II所示，来自烃供给阀15的烃的喷射周期延长并且每次的烃喷射量增加。
另一方面，如图36C的I所示，来自烃供给阀15的每次的烃喷射量有可能增大的时候是图37的区域B所示的内燃机高速低负载运转时。因此，在本发明涉及的具体例子中，当内燃机的运转状态是由区域B所示的内燃机高速低负载运转状态时，如图36C的II所示，减少来自烃供给阀15的每次的烃喷射量。
在采用基于图36A、36B、36C以及图37而说明的故障诊断方法的情况下，取代在图29中由点划线A包围的流程图部分而使用图38所示的流程图部分。该情况下，如图38所示，首先在步骤170中判别是否是应该进行故障诊断的时期。在不是应该进行故障诊断的时期时，进入到步骤173，进行来自烃供给阀15的烃的喷射处理。与此相对，在是应该进行故障诊断的时期时，进入到步骤171，判别内燃机的运转状态是否处于图37所示的运转区域A。在内燃机的运转状态不处于图37所示的运转区域A时，进入到步骤172，判别内燃机的运转状态是否处于图37所示的运转区域B。在内燃机的运转状态不处于图37所示的运转区域B时，进入到步骤173。
另一方面，当在步骤171中判别为内燃机的运转状态位于图37所示的运转区域A时，进入到步骤174，对来自烃供给阀15的烃的喷射周期ΔT乘以预先规定的校正值F(＞1.0)。接着，在步骤175中，对在图29的步骤119中算出的来自烃供给阀15的烃喷射时间WTO乘以校正值F。接着，进入到步骤173。此时，来自烃供给阀15的烃的喷射周期变长，每次的烃喷射量增大。
另外，当在步骤172中判别为内燃机的运转状态位于图37所示的运转区域B时，进入到步骤176，对在图29的步骤119中算出的来自烃供给阀15的烃喷射时间WTO乘以校正值J(＜1.0)。接着，进入到步骤173。此时，来自烃供给阀15的每次的烃喷射量减小。
接着，在步骤177中算出由下游侧空燃比传感器24检测出的空燃比与基础空燃比(A/F)b之差的积分值、即图36A所示的空燃比每次变动的面积S。接着，在步骤178中根据烃的目标喷射量算出基准面积S0。接着，在步骤179中判别面积S是否大于对基准面积S0乘以一定值C(＜1.0)而得到的值C·S0。在S＜C·S0成立时，判断为烃供给阀15堵塞，进入到步骤180来发出警告。
另外，作为其他实施例，也可以在排气净化催化剂13上游的内燃机排气通路内配置用于使烃发生重整的氧化催化剂。
附图标记说明：4...进气歧管；5...排气歧管；7...排气涡轮增压器；12a、12b...排气管；13...排气净化催化剂；14...颗粒过滤器；15...烃供给阀。

Claims (14)

1.一种内燃机的排气净化装置，其中，在内燃机排气通路内配置有用于供给烃的烃供给阀，在烃供给阀下游的内燃机排气通路内配置有用于使废气中所含的NOx与重整后的烃发生反应的排气净化催化剂，在该排气净化催化剂下游的内燃机排气通路内配置有用于检测废气的空燃比的下游侧空燃比传感器，在该排气净化催化剂的废气流通表面上担载有贵金属催化剂，并且在该贵金属催化剂周围形成有碱性的废气流通表面部分，该排气净化催化剂具有如果使流入到排气净化催化剂的烃的浓度以预先规定的范围内的振幅以及预先规定的范围内的周期振动，则对废气中所含的NOx进行还原的性质，并且具有如果使该烃浓度的振动周期比该预先规定的范围长，则废气中所含的NOx的吸留量增大的性质，在内燃机运转时该排气净化装置控制来自烃供给阀的烃的喷射周期，以使流入到排气净化催化剂的烃的浓度以预先规定的范围内的周期振动，并且基于该下游侧空燃比传感器的输出信号控制来自烃供给阀的烃的喷射量，以使流入到排气净化催化剂的烃的浓度变化的振幅成为预先规定的范围内的振幅。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在该烃供给阀上游的内燃机排气通路内配置有用于对废气的空燃比进行检测的上游侧空燃比传感器，该排气净化装置基于该上游侧空燃比传感器的输出信号以及上述下游侧空燃比传感器的输出信号双方，控制来自烃供给阀的烃的喷射量，以使流入到排气净化催化剂的烃的浓度变化的振幅成为预先规定的范围内的振幅。
3.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中，
基于该上游侧空燃比传感器的输出信号控制向内燃机燃烧室供给的燃料的量，以使从内燃机排出的废气的空燃比成为预先规定的空燃比。
4.根据权利要求3所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在基于该上游侧空燃比传感器的输出信号以及该下游侧空燃比传感器的输出信号双方来控制来自烃供给阀的烃的喷射量，以使流入到排气净化催化剂的烃的浓度变化的振幅成为空燃比预先规定的范围内的振幅时，基于该下游侧空燃比传感器的输出信号来进行排气净化装置的故障诊断。
5.根据权利要求4所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在控制来自烃供给阀的烃的喷射周期，以使流入到排气净化催化剂的烃的浓度以预先规定的范围内的周期振动时，由该下游侧空燃比传感器检测出的空燃比也发生振动，当由该下游侧空燃比传感器检测出的浓侧峰值空燃比比预先规定的空燃比靠近稀侧时，为了增大来自烃供给阀的烃的喷射量而增大烃的喷射时间，此时当烃的喷射时间的增大率超过预先规定的率值时，判断为烃供给阀发生堵塞。
6.根据权利要求4所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在控制来自烃供给阀的烃的喷射周期，以使流入到排气净化催化剂的烃的浓度以预先规定的范围内的周期振动时，由该下游侧空燃比传感器检测出的空燃比以基础空燃比为基准向浓侧振动，基于由该下游侧空燃比传感器检测出的空燃比与基础空燃比之差的积分值，来判断烃供给阀是否发生堵塞。
7.根据权利要求6所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在要基于由该下游侧空燃比传感器检测出的空燃比与基础空燃比之差的积分值来判断烃供给阀是否发生堵塞的情况下，当烃的喷射周期对于准确地检测来自烃供给阀的烃的喷射量来说过短时，延长烃的喷射周期。
8.根据权利要求6所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在要基于由该下流侧空燃比传感器检测出的空燃比与基础空燃比之差的积分值来判断烃供给阀是否发生堵塞的情况下，当烃的喷射量对于准确地检测来自烃供给阀的烃的喷射量来说过多时，减少烃的喷射量。
9.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在控制来自烃供给阀的烃的喷射周期以使流入到排气净化催化剂的烃的浓度以预先规定的范围内的周期振动时，由该下游侧空燃比传感器检测出的空燃比也发生振动，在由该上游侧空燃比传感器检测出的空燃比比预先规定的空燃比靠近稀侧时，增大来自烃供给阀的烃的喷射量，并且在由该上游侧空燃比传感器检测出的空燃比比预先规定的空燃比靠近浓侧时，减少来自烃供给阀的烃的喷射量，在由该下游侧空燃比传感器检测出的浓侧峰值空燃比比预先规定的空燃比靠近稀侧时，增大来自烃供给阀的烃的喷射量，并且在由该下游侧空燃比传感器检测出的浓侧峰值空燃比比预先规定的空燃比靠近浓侧时，减少来自烃供给阀的烃的喷射量。
10.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在控制来自烃供给阀的烃的喷射周期，以使流入到排气净化催化剂的烃的浓度以预先规定的范围内的周期振动时，由该下游侧空燃比传感器检测出的空燃比也发生振动，在由该下游侧空燃比传感器检测出的浓侧峰值空燃比比预先规定的空燃比靠近稀侧时，增大来自烃供给阀的烃的喷射量，并且在由该下游侧空燃比传感器检测出的浓侧峰值空燃比比预先规定的空燃比靠近浓侧时，减少来自烃供给阀的烃的喷射量。
11.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在上述排气净化催化剂内，废气中所含的NOx和重整后的烃发生反应，生成包含氮以及烃的还原性中间体，上述烃的喷射周期是持续生成还原性中间体所需要的周期。
12.根据权利要求11所述的内燃机的排气净化装置，其中，
上述烃的喷射周期为0.3秒至5秒之间。
13.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
上述贵金属催化剂由铑Rh以及钯Pd中的至少一个和铂Pt构成。
14.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在上述排气净化催化剂的废气流通表面上形成有包含碱金属或者碱土类金属或者稀土类或者能够对NOx提供电子的金属的碱性层，该碱性层的表面形成上述碱性的废气流通表面部分。
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