CN104813001B - 内燃机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内燃机的排气净化装置。在内燃机中，于内燃机排气通道内配置有排气净化催化剂(15)和碳氢化合物供给阀(15)，通过以预先规定的周期从碳氢化合物供给阀(15)喷射碳氢化合物，从而对废气中所包含的(NOx)进行净化。对于来自碳氢化合物供给阀(15)的碳氢化合物的每单位时间的喷射量，在一次喷射期间中的前期和后期之间设置有差异，且在后期喷射期间(Y)中，碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为与前期喷射期间(X)相比而较少的喷射量。

Description

内燃机的排气净化装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机的排气净化装置。
背景技术
公知有一种如下的内燃机，其在内燃机排气通道内配置排气净化催化剂，并且在排气净化催化剂上游的内燃机排气通道内配置碳氢化合物供给阀，在排气净化催化剂的废气流通表面上负载有贵金属催化剂，并且在贵金属催化剂周围形成有碱性的废气流通表面部分，在内燃机运行时，以预先规定的周期从碳氢化合物供给阀喷射碳氢化合物，由此来净化废气中所包含的NOx(例如参照专利文献1)。在该内燃机中，即使排气净化催化剂的温度成为高温，也能够获得较高的NOx净化率。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：WO2011/114499A1
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在该内燃机中，当为了进一步促进NOx的净化作用而增大来自碳氢化合物供给阀的碳氢化合物的喷射量时，有时碳氢化合物会从排气净化催化剂中穿过，在该情况下，增大来自碳氢化合物供给阀的碳氢化合物的喷射量的意义将不复存在。其原因在于，在增大碳氢化合物的喷射量时碳氢化合物穿过了排气净化催化剂，所增大的碳氢化合物未被有效地利用在NOx的净化中。
本发明的目的在于，提供一种能够将从碳氢化合物供给阀被喷射的碳氢化合物有效地利用在NOx净化中，由此而能够在减少碳氢化合物的消耗量的同时获得较高的NOx净化率的内燃机的排气净化装置。
用于解决问题的方法
根据本发明，提供一种内燃机的排气净化装置，其在内燃机排气通道内配置排气净化催化剂，并且在排气净化催化剂上游的内燃机排气通道内配置碳氢化合物供给阀，在该排气净化催化剂的废气流通表面上负载有贵金属催化剂，并且在贵金属催化剂周围形成有碱性的废气流通表面部分，排气净化催化剂具有，在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而使流入排气净化催化剂的碳氢化合物的浓度振动时对废气中所包含的NOx进行还原的性质，并且具有，在碳氢化合物浓度的振动周期与该预先规定的范围相比而较长时，增大废气中所包含的NOx的吸留量的性质，所述内燃机的排气净化装置在内燃机运行时以该预先规定的范围内的周期而从碳氢化合物供给阀喷射碳氢化合物，并由此对废气中所包含的NOx进行净化，其中，对于以该预先规定的范围内的周期从碳氢化合物供给阀反复喷射碳氢化合物时的各次喷射中的每单位时间的碳氢化合物喷射量，在一次的喷射期间中的前期与后期之间设有差异，并且，在前期喷射期间内，碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为，将流入排气净化催化剂的废气的空燃比设为过浓而所需的喷射量，在后期喷射期间内，以碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为与前期喷射期间相比而较少的喷射量的状态，并以与前期喷射期间相比而较长的期间使碳氢化合物的喷射作用持续。
发明效果
能够在减少用于对NOx进行净化的碳氢化合物的消耗量的同时获得较高的NOx净化率。
附图说明
图1为压缩点火式内燃机的整体图。
图2为图解表示催化剂载体的表面部分的图。
图3为用于对排气净化催化剂中的氧化反应进行说明的图。
图4为表示向排气净化催化剂流入的流入废气的空燃比的变化的图。
图5为表示NOx净化率的图。
图6为表示向排气净化催化剂流入的废气中的碳氢化合物浓度和废气的空燃比的变化的图。
图7A、7B以及7C为对排气净化催化剂中的氧化还原反应进行说明的图。
图8为图解表示的喷射泵的整体图。
图9为表示喷射压力等的变化的图。
图10A以及10B为对排气净化催化剂中的氧化还原反应进行说明的图。
图11为表示向排气净化催化剂流入的流入废气的空燃比的变化的图。
图12为表示NOx净化率的图。
图13为表示碳氢化合物的喷射周期ΔT和NOx净化率的关系的图。
图14为表示碳氢化合物的喷射周期ΔT的映射的图。
图15A为表示以及15B表示喷射泵的喷射压力等的图。
图16为表示NOx放出控制的图。
图17为表示排出NOx量NOXA的映射的图。
图18为表示燃料喷射正时的图。
图19为表示碳氢化合物供给量WR的映射的图。
图20为用于实施NOx净化控制的流程图。
具体实施方式
在图1中图示了压缩点火式内燃机的整体图。
如果参照图1，则1表示内燃机主体、2表示各个气缸的燃烧室、3表示用于分别向各个燃烧室2内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经由进气导管6b而与排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口连结，压缩机7a的入口经由进气导管6a以及吸入空气量检测器8而与空气滤清器9连结。在进气导管6b内配置有通过致动器而被驱动的节气门10，在进气导管6b周围配置有用于对流通于进气导管6b内的吸入空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至冷却装置11内，并通过内燃机冷却水而对吸入空气进行冷却。
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而与排气净化催化剂13的入口连结。在排气净化催化剂13的下游处配置有颗粒过滤器14，颗粒过滤器14的出口与排气管12b连结。在排气净化催化剂13上游的排气管12a内配置有碳氢化合物供给阀15，所述碳氢化合物供给阀15用于供给作为压缩点火式内燃机的燃料而被使用的、由轻油或其他燃料构成的碳氢化合物。在图1所示的实施例中，作为从碳氢化合物供给阀15被供给的碳氢化合物而使用了轻油。另外，本发明也能够应用于在过稀空燃比的条件下实施燃烧的火花点火式内燃机中。在该情况下，从碳氢化合物供给阀15被供给作为火花点火式内燃机的燃料而被使用的、由汽油或其他燃料构成的碳氢化合物。
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)通道16而被相互连结，在EGR通道16内配置有电子控制式EGR控制阀17。此外，各个燃料喷射阀3经由燃料供给管18而与共轨19连结，该共轨19经由电子控制式的喷出量可变的燃料泵20而与燃料罐21连结。燃料罐21内所贮蔵的燃料通过燃料泵20而被供给至共轨19内，被供给至共轨19内的燃料经由各个燃料供给管18而向燃料喷射阀3被供给。
另一方面，在颗粒过滤器14下游的排气管12b内配置有通过致动器而被驱动的排气控制阀22，该排气控制阀22与颗粒过滤器14之间的排气管14内经由EGR通道23而与进气管6a连结。在该EGR通道23内配置有电子控制式EGR控制阀24。如此，在图1所示的实施例中，设置有由EGR通道16以及EGR控制阀17构成的废气再循环装置HPL、和由EGR通道23以及EGR控制阀24构成的废气再循环装置LPL这两个废气再循环装置。在该情况下，根据图1可知，在废气再循环装置HPL中，排气歧管5内的废气被再循环，在废气再循环装置LPL中，颗粒过滤器14下游的排气管12b内的废气被再循环。
电子控制单元30由数据计算机构成，并具备通过双向性总线31而被相互连接的ROM(Read only memory：只读存储器)32、RAM(Random access memory：随机存取存储器)33、CPU(Microprocessor：微处理器)34、输入端口35以及输出端口36。在排气净化催化剂13的下游安装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25，该温度传感器25以及吸入空气量检测器8的输出信号分别经由所对应的AD转换器37而被输入至输入端口35。此外，在加速踏板40上连接有产生与加速踏板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的输出电压经由所对应的AD转换器37而被输入至输入端口35。而且，在输入端口35上连接有例如曲轴每旋转30°便产生输出脉冲的曲轴转角传感器42。另一方面，输出端口36经由所对应的驱动回路38而与燃料喷射阀3、节气门10的驱动用致动器、碳氢化合物供给阀15、EGR控制阀17、24、燃料泵20以及排气控制阀22的驱动用致动器连接。
图2以图解的方式图示了排气净化催化剂13的基体上所负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所示在例如由氧化铝构成的催化剂载体50上负载有贵金属催化剂51，而且，在该催化剂载体50上还形成有包含选自如下金属中的至少一种的碱性层53，所述金属为，如钾K、钠Na、铯Cs这样的碱金属、如钡Ba、钙Ca这样的碱土类金属、如镧系这样的稀土类以及如银Ag、铜Cu、铁Fe、铱Ir这样的能够向NOx提供电子的金属。此外，在图2所示的排气净化催化剂13中，在碱性层53内还有铈Ce。
但是，由于废气在催化剂载体50上流动，因此也可以说贵金属催化剂51被负载于排气净化催化剂13的废气流通表面上。此外，由于碱性层53的表面呈碱性，因此碱性层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所示的示例中，贵金属催化剂51由白金Pt构成。另外，在该情况下，在排气净化催化剂13的催化剂载体50上除了能够负载白金Pt之外，还能够负载铑Rh或钯Pd。
当从碳氢化合物供给阀15向废气中喷射碳氢化合物时，该碳氢化合物在排气净化催化剂13中被重整。在本发明中，使用此时被重整了的碳氢化合物而在排气净化催化剂13中对NOx进行净化。图3以图解的方式图示了此时在排气净化催化剂13中所实施的重整作用。如图3所示，从碳氢化合物供给阀15被喷射的碳氢化合物HC通过贵金属催化剂51而成为碳数较少的基团状的碳氢化合物HC。
图4图示了本发明中的来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的供给正时与向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)的变化。另外，由于该空燃比(A/F)的变化依存于向排气净化催化剂13流入的废气中的碳氢化合物的浓度变化，因此也可以说图4所示的空燃比(A/F)的变化表示碳氢化合物的浓度变化。但是，由于当碳氢化合物浓度变高时空燃比(A/F)将变小，因此在图4中空燃比(A/F)越成为过浓侧则碳氢化合物浓度越高。由图4可知，在本发明中，碳氢化合物以周期ΔT而从碳氢化合物供给阀15被反复喷射。
如图4所示，当碳氢化合物从碳氢化合物供给阀15被喷射一次时，与之相对应向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)将发生变化，图6放大表示了此时的、即碳氢化合物的喷射作用实施了一次时的空燃比(A/F)的变化。另外，在图6中还图示了向排气净化催化剂13流入的流入废气中的碳氢化合物的浓度的变化。如图6所示，在本发明中，向排气净化催化剂13流入的流入废气中的碳氢化合物的浓度在一次喷射期间中的前期X与后期Y之间设置有差异，在前期喷射期间X内，碳氢化合物的浓度被设为，将流入排气净化催化剂13的废气的空燃比设为过浓所需的浓度，在后期喷射期间Y内，以碳氢化合物的浓度被设为与前期喷射期间X相比而较少的浓度的状态，并以与前期喷射期间X相比而较长的期间使碳氢化合物的喷射作用持续。
另外，向排气净化催化剂13流入的流入废气中的碳氢化合物的浓度与来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的每单位时间的喷射量成比例。因此，换言之，在本发明中，对于来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的每单位时间的喷射量，在一次的喷射期间中的前期X与后期Y之间设有差异，在前期喷射期间X内，碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为，将流入排气净化催化剂13的废气的空燃比设为过浓所需的喷射量，在后期喷射期间Y内，以碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为与前期喷射期间X相比而较少的喷射量的状态，并以与前期喷射期间X相比而较长的期间使碳氢化合物的喷射作用持续。
此外，在本发明中，如图6所示，在从前期喷射期间X转移到后期喷射期间Y时，向排气净化催化剂13流入的流入废气中的碳氢化合物浓度在降低至后期喷射期间Y中的碳氢化合物浓度之后，被维持于后期喷射期间Y内的碳氢化合物浓度，后期喷射期间Y中的碳氢化合物浓度被维持于几乎相同的浓度。即，换言之，在从前期喷射期间X转移到后期喷射期间Y时，来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的每单位时间的喷射量在降低至后期喷射期间Y的碳氢化合物的每单位时间的喷射量之后，被维持于后期喷射期间Y的碳氢化合物的每单位时间的喷射量，且后期喷射期间Y中的碳氢化合物的每单位时间的喷射量被维持与几乎相同的喷射量。
图5针对于排气净化催化剂13的各个催化剂温度TC而图示了在使向排气净化催化剂13流入的流入碳氢化合物的浓度以及向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)如图6所示那样发生变化时的、排气净化催化剂13的NOx净化率。当向排气净化催化剂13流入的流入碳氢化合物的浓度以及向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)以图6所示的方式而发生变化时，如图5所示，可知即使在400℃以上的高温区域内，也能够获得极高的NOx净化率。
接下来，参照图7A至7C，对在使向排气净化催化剂13流入的流入碳氢化合物的浓度以及向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)以图6所示的方式而发生变化时，被推测为在排气净化催化剂13上发生的反应进行说明。另外，这些图7A至7C以图解的方式图示了排气净化催化剂13的催化剂载体50的表面部分。
图7A图示了流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度较低之时、即在图6中未实施碳氢化合物的喷射之时，图7B图示了从碳氢化合物供给阀15实施碳氢化合物的喷射的前期喷射期间X，图7C图示了从碳氢化合物供给阀15实施碳氢化合物的喷射的后期喷射期间Y。
在未从碳氢化合物供给阀15喷射碳氢化合物时，流入排气净化催化剂13中的废气的空燃比为过稀，从而流入排气净化催化剂13的废气成为氧气过剩的状态。此时，废气中所包含的NO的一部分附着在排气净化催化剂13上，废气中所包含的NO的一部分如图7A所示在白金51上被氧化成NO2，接着，该NO2进一步被氧化成NO3。此外，NO2的一部分成为NO2 -。因此，在白金Pt51上，生成了NO2 -和NO3。在附着于排气净化催化剂13上的NO以及白金Pt51上所生成的NO2 -和NO3活性较強，因此下文将这些NO、NO2 -以及NO3称为活性NOx *。另一方面，此时存在于碱性层53内的铈Ce夺取了废气中的氧而成为二氧化铈CeO2。
另一方面，当从碳氢化合物供给阀15供给了碳氢化合物时，该碳氢化合物的大部分如图3所示而在排气净化催化剂13内被重整，并如图3以及图7B所示而成为基团。此时，即在前期喷射期间X中，从碳氢化合物供给阀15被喷射的碳氢化合物以及被重整了的碳氢化合物，一方面与废气中所包含的氧进行反应而被氧化，另一方面从存在于碱性层53内的二氧化铈CeO2夺取氧而被氧化。如此，在前期喷射期间X中，从碳氢化合物供给阀15被喷射的碳氢化合物主要被用于消耗氧。
另外，如果在活性NOx *被生成之后活性NOx *周围的氧浓度较高的状态持续一定时间以上，则活性NOx *将被氧化并以硝酸离子NO3 -的形式被吸收到碱性层53内。但是，如果在经过该一定时间之前活性NOx *周围的碳氢化合物浓度被设为较高时，则如图7C所示活性NOx *将在白金51上与基团状的碳氢化合物HC进行反应，并由此生成还原性中间体。该还原性中间体被附着或者吸附在碱性层53的表面上。
另外，此时最初生成的还原性中间体被认为是硝基化合物R-NO2。由于该硝基化合物R-NO2一被生成便成为硝酰化合物R-CN而该硝酰化合物R-CN在此状态下仅能够瞬时存在，因此其立即成为异氰酸酯化合物R-NCO。当该异氰酸酯化合物R-NCO加水分解时会成为胺化合物R-NH2。但是，在该情况下，可以认为被加水分解的部分是异氰酸酯化合物R-NCO的一部分。因此，如图7C所示，可以认为被保持或吸附在碱性层53的表面上的还原性中间体的大部分是异氰酸酯化合物R-NCO以及胺化合物R-NH2。
另一方面，如图7C所示，当在所生成的还原性中间体的周围附着有碳氢化合物HC时，还原性中间体将被碳氢化合物HC阻止而无法再进一步进行反应。在该情况下，流入排气净化催化剂13中的碳氢化合物的浓度降低，接着，附着在还原性中间体的周围的碳氢化合物会被氧化而被消除，由此，当还原性中间体周围的氧浓度变高时，如图7A所示，还原性中间体或者与废气中的NOx或活性NOx *进行反应、或者与周围的氧进行反应、或者自己分解。由此，还原性中间体R-NCO或R-NH2如图7A所示将被转换为N2、CO2、H2O，如此一来，使得NOx被净化。
如此，在排气净化催化剂13中，通过升高向排气净化催化剂13流入的碳氢化合物的浓度而生成还原性中间体，并在使向排气净化催化剂13流入的碳氢化合物的浓度降低之后、氧浓度变高时，使还原性中间体与废气中的NOx或活性NOx *或氧进行反应、或者自己分解，由此而使NOx被净化。因此，为了利用排气净化催化剂13来净化NOx，从而需要使向排气净化催化剂13流入的碳氢化合物的浓度周期性地进行变化。
由以上说明可知，在本发明中，对于NOx的净化而言，还原性中间体具有核心作用。在此，对本发明中的还原性中间体的生成的方法稍加以详细说明。即，在从碳氢化合物供给阀15被喷射的碳氢化合物流入到排气净化催化剂13内时，在碳氢化合物的周围存在大量的氧的情况下，也就是在排气净化催化剂13内为氧化气氛的情况下，如图7B所示，碳氢化合物与氧进行反应而被氧化。相对于此，在碳氢化合物的周围不存在氧的情况下，如图7C所示，碳氢化合物与活性NOx *进行反应，由此生成了还原性中间体。即，在生成还原性中间体时，需要将排气净化催化剂13的至少表面上设为还原气氛，因此，在本发明中，如图6所示，在前期喷射期间X中，以使向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比成为过浓的方式使大量的碳氢化合物从碳氢化合物供给阀15被喷射。
当以使流入排气净化催化剂13中的废气的空燃比成为过浓的方式使大量的碳氢化合物从碳氢化合物供给阀15被喷射时，如图7B所示，排气净化催化剂13内的氧将被碳氢化合物消耗。其结果为，在排气净化催化剂13的表面上成为还原气氛，因此如图7C所示通过碳氢化合物而生成了还原性中间体。此时，从碳氢化合物供给阀15仅喷射出生成还原性中间体所需的量的碳氢化合物。为了生成还原性中间体而需要的碳氢化合物的量与在前期喷射期间X内所需的碳氢化合物的量相比而较少，因此如图6所示，后期喷射期间Y内的碳氢化合物的每单位时间的喷射量与前期喷射期间X内的喷射量相比而减少。即，在本发明中，在前期喷射期间X中被喷射的碳氢化合物的喷射量为消耗氧所需要的量，在后期喷射期间Y中的碳氢化合物的每单位时间的喷射量则被设为生成包含氮以及碳氢化合物在内的还原性中间体所需的量。
此外，为了生成足够量的还原性中间体，而需要在某种程度上延长后期喷射期间Y，因此在本发明中，后期喷射期间Y与前期喷射期间X相比而被延长。因此，在本发明中，在后期喷射期间Y内，以碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为与前期喷射期间X相比而较少的喷射量的状态，并以与前期喷射期间X相比而较长的期间使碳氢化合物的喷射作用持续。另外，由于在后期喷射期间Y中，在碳氢化合物的周围存在少量的氧，因此一部分碳氢化合物被用于消耗该氧，故此后期喷射期间Y内的向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)将因排气净化催化剂13内的氧的分压而发生变化。该后期喷射期间Y内的、向排气净化催化剂13流入的流入废气的最佳的空燃比(A/F)预先通过实验而被求出。虽然在图6所示的示例中，该最佳的空燃比(A/F)被设为过稀空燃比，但也存在该最佳的空燃比(A/F)成为理论空燃比或过浓空燃比的情况。
另一方面，在前期喷射期间X内，以使向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)成为过浓的方式使碳氢化合物从碳氢化合物供给阀15被喷射，当通过所喷射的碳氢化合物而消耗掉氧时，则排气净化催化剂13的表面上成为还原气氛。因此，此时如图7B所示，一部分碳氢化合物与活性NOx *反应而生成还原性中间体。即，在后期喷射期间Y内，即使在将向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)维持在与前期喷射期间X相同的过浓空燃比的情况下，也能够生成还原性中间体。但是，如果以此方式将向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)在后期喷射期间Y内也维持于与前期喷射期间X相同的过浓空燃比，则被供给的碳氢化合物的量相对于在生成还原性中间体中所使用的碳氢化合物的量而过剩，其结果为，碳氢化合物将从排气净化催化剂13中穿过。
如果以此方式碳氢化合物从排气净化催化剂13中穿过，则不仅将产生冒白烟的问题，而且还会产生所穿过的碳氢化合物经由废气再循环装置LPL的EGR通道23而被送入至各个气缸的燃烧室2内并由此产生转矩变动的问题。为了阻止这种问题的产生，在后期喷射期间Y内，需要仅供给生成还原性中间体所需的量的碳氢化合物，因此在本发明中，后期喷射期间Y内的碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为与前期喷射期间X相比而较少的喷射量。
接下来，参照图8来对如图6所示的能够喷射碳氢化合物的喷射泵的一个示例进行说明。
如果参照图8，则喷射泵60由调量室61、调节活塞62、致动器63、加压活塞64和弹性部材65构成，其中，所述调量室61被碳氢化合物即燃料充满，所述调节活塞62用于对调量室61的容积进行调节，所述致动器63用于对调节活塞62进行驱动，所述加压活塞64用于对调量室61内的燃料进行加压，所述弹性部材65朝向调量室61按压加压活塞64。在图8所示的示例中，该弹性部材65由压缩弹簧构成。燃料罐21内的燃料通过加压泵66而被加压，被加压的燃料经由仅能够朝向调量室61流通的单向阀67，而一点点地被送入到调量室61内。调量室61内的加压燃料一方面被送入至碳氢化合物供给阀15，另一方面经由能够控制安全压力的安全阀68而被送回至燃料罐21内。当调量室61内的燃料压力超出安全阀68的安全压力时，安全阀68将开阀，由此使调量室61内的燃料压力被维持于安全阀68的安全压力。
在图9中图示了针对于碳氢化合物供给阀15的喷射信号、调量室61内的燃料的压力即碳氢化合物供给阀15的喷射压力的变化、以及来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的每单位时间的喷射量的变化。当产生了喷射信号时，碳氢化合物供给阀15将开阀从而开始实施从碳氢化合物供给阀15的燃料喷射，在产生了喷射信号的期间WT内，持续进行从碳氢化合物供给阀15的燃料喷射。燃料喷射开始之前的调量室61内的燃料压力成为安全阀68的安全压力，因此喷射开始时的碳氢化合物供给阀15的喷射压力也成为该安全压力。此外，在此时加压活塞64克服了弹性部材65的弹簧力而后退至最远离调量室61的位置。
接下来，当燃料喷射开始时，调量室61内的燃料压力下降，随之碳氢化合物供给阀15的喷射压力也下降。但是，当调量室61内的燃料压力降低至由弹性部材65的弹簧力所决定的固定的燃料压力时，加压活塞64将随着调量室61内的燃料量减少而朝向调量室61移动，并且在加压活塞64移动期间，调量室61内的燃料压力几乎被维持在由弹性部材65的弹簧力决定的固定的燃料压力。因此，当燃料喷射开始而使调量室61内的燃料压力下降、且调量室61内的燃料压力降低至由弹性部材65的弹簧力所决定的固定的燃料压力时，而后调量室61内的燃料压力几乎都被维持在由弹性部材65的弹簧力决定的固定的燃料压力上。因此，在加压活塞64移动期间、即在后期喷射期间Y内，如图9所示，来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的每单位时间的喷射量将几乎被维持于相同的喷射量。接下来，当燃料喷射结束时，通过来自加压泵66的加压燃料的供给作用，而使调量室61内的燃料压力开始上升。因此，喷射泵60能够在一次的喷射期间中的前期X和后期Y之间，对来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的每单位时间的喷射量设置差异。
当通过调节活塞62而使调量室61的容积增大时，调量室61内的加压燃料的量将增大，当调量室61内的加压燃料的量增大时，前期喷射期间X内的喷射量将增大。另一方面，在调量室61的容积固定的情况下，由安全阀68的安全压力所决定的调量室61内的燃料压力越高，则前期喷射期间X内的喷射压力越高。因此，前期喷射期间X内的喷射量以及喷射压力能够通过改变安全压力以及调量室61的容积而任意设定。
而且，在如上所述的本发明中，通过所生成的还原性中间体来净化废气中的NOx，在此情况下，为了通过所生成的还原性中间体来良好地净化废气中的NOx，需要将这些还原性中间体保持在碱性层53上、即碱性废气流通表面部分54上，直到所生成的还原性中间体R-NCO或R-NH2与废气中的NOx或活性NOx *或氧进行反应为止、或者直到自己分解为止。因此，在本发明所使用的排气净化催化剂13上，设置有碱性的废气流通表面部分54。
另一方面，如前文所述，如果延长碳氢化合物的喷射周期，则在喷射碳氢化合物之后到下一次喷射碳氢化合物为止的期间内，氧浓度较高的期间将变长，因此活性NOx *并未生成还原性中间体而是以硝酸盐的形式被吸收于碱性层53内。为了避免这种情况，而需要以预先规定的范围内的周期来使流入排气净化催化剂13中的碳氢化合物的浓度进行振动。
因此，在本发明的实施例中，为了使废气中所包含的NOx与被重整的碳氢化合物反应而生成包含氮以及碳氢化合物在内的还原性中间体R-NCO或R-NH2，而在排气净化催化剂13的废气流通表面上负载有贵金属催化剂51，并且，为了将所生成的还原性中间体R-NCO或R-NH2保持于排气净化催化剂13内，而在贵金属催化剂51周围形成有碱性的废气流通表面部分54，被保持于碱性的废气流通表面部分54上的还原性中间体R-NCO或R-NH2被转换为N2、CO2、H2O，且碳氢化合物浓度的振动周期被设为持续生成还原性中间体R-NCO或R-NH2所需的振动周期。顺便说明，在图4所示的示例中，喷射间隔被设为3秒。
当使碳氢化合物浓度的振动周期、即碳氢化合物的喷射周期长于上述的预先规定的范围内的周期时，还原性中间体R-NCO或R-NH2将从碱性层53的表面上被消除，此时在白金Pt 51上所生成的活性NOx *如图10A所示以硝酸离子NO3 -的形式在碱性层53内扩散，并成为硝酸盐。即，此时废气中的NOx以硝酸盐的形式被吸收于碱性层53内。
另一方面，图10B图示了在NOx如此以硝酸盐的形式被吸收于碱性层53内时流入排气净化催化剂13内的废气的空燃比被设为理论空燃比或过浓的情况。在该情况下，为了降低废气中的氧浓度而使反应向反方向(NO3 -→NO2)进行，如此一来，被吸收于碱性层53内的硝酸盐依次成为硝酸离子NO3 -，并如图10B所示以NO2的形式从碱性层53被释放。接下来，被释放的NO2通过废气中所包含的碳氢化合物HC以及CO而被还原。
图11图示了在碱性层53的NOx吸收能力饱和之前使流入排气净化催化剂13中的废气的空燃比(A/F)暂时处于过浓的情况。另外，在图11所示的示例中，该过浓控制的时间间隔在一分钟以上。在该情况下，在废气的空燃比(A/F)过稀时被吸收于碱性层53内的NOx，在废气的空燃比(A/F)被暂时设为过浓时从碱性层53中被一举释放并被还原。因此，在该情况下，碱性层53起到了用于暂时吸收NOx的吸收剂的作用。
另外，此时也存在碱性层53暂时吸附NOx的情况，因此当作为包含吸收以及吸附的双重含义的用语而使用吸留这一用语时，此时的碱性层53起到了用于暂时吸留NOx的NOx吸留剂的作用。即，在该情况下，当将向内燃机进气通道、燃烧室2以及排气净化催化剂13上游的排气通道内被供给的空气以及燃料(碳氢化合物)的比称为废气的空燃比时，排气净化催化剂13将作为在废气的空燃比为过稀时吸留NOx而当废气中的氧浓度降低时释放吸留的NOx的NOx吸留催化剂而发挥功能。
图12图示了使排气净化催化剂13作为这种NOx吸留催化剂而发挥功能时的NOx净化率。另外，图12的横轴表示排气净化催化剂13的催化剂温度TC。在使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂而发挥功能的情况下，如图12所示，在催化剂温度TC为300℃至400℃时，能够获得极高的NOx净化率，而当催化剂温度TC成为400℃以上的高温时，NOx净化率将降低。
这种当催化剂温度TC成为400℃以上时NOx净化率降低的情况是因为，当催化剂温度TC成为400℃以上时，硝酸盐发生热分解从而以NO2的形式从排气净化催化剂13中被释放。即，只要是以硝酸盐的形式来吸留NOx，则在催化剂温度TC较高时就难以获得较高的NOx净化率。但是，在图4至图7C所示的新的NOx净化方法中，根据图7A、7B以及7C可知，硝酸盐未被生成或者即使生成也是极微量，如此一来，如图5所示，即使在催化剂温度TC较高时，也能够获得较高的NOx净化率。
即，可以说，图4至图7C所示的NOx净化方法为，在使用了负载贵金属催化剂且形成能够吸收NOx的碱性层的排气净化催化剂的情况下，在几乎不形成硝酸盐的条件下使NOx净化的新的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吸留催化剂而发挥功能的情况相比，从碱性层53中检测出的硝酸盐为极微量。另外，在下文中，将这种新的NOx净化方法称为第一NOx净化方法。
如前文所述，如果碳氢化合物浓度的振动周期ΔT、即来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的喷射周期变长，则在喷射碳氢化合物之后至下一次碳氢化合物喷射期间内，活性NOx *周围的氧浓度较高的期间将变长。在此情况下，在图1所示的实施例中，如果碳氢化合物的喷射周期ΔT变长到长于5秒左右时，活性NOx *将开始以硝酸盐的形式被吸收于碱性层53内，因此如图13所示，当碳氢化合物的喷射周期ΔT长于5秒左右时，NOx净化率将降低。因此，在图1所示的实施例中，需要将碳氢化合物的喷射周期ΔT设为5秒以下。
另一方面，在本发明的实施例中，当碳氢化合物的喷射周期ΔT几乎成为0.3秒以下时，被喷射的碳氢化合物便开始堆积在排气净化催化剂13的废气流通表面上，因此如图13所示，当碳氢化合物的喷射周期ΔT几乎成为0.3秒以下时，NOx净化率降低。因此，在本发明的实施例中，碳氢化合物的喷射周期被设在0.3秒至5秒之间。
在本发明的实施例中，预先通过实验而求出能够获得良好的NOx净化率的来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的最佳的喷射周期ΔT，且该碳氢化合物的最佳的喷射周期ΔT作为来自燃料喷射阀3的喷射量Q以及内燃机转速N的函数而以图14所示的映射的形式被预先存储于ROM32内。此外，来自燃料喷射阀3的喷射量Q越多，每单位时间从内燃机被排出的NOx量越增大，内燃机转速N越高，每单位时间从内燃机被排出的NOx量越增大。因此，在本发明的实施例中，为了良好地净化从内燃机排出的NOx，而如图15A所示，来自燃料喷射阀3的喷射量Q越多则碳氢化合物供给阀15的喷射压力P越增大，并且内燃机转速N越高则碳氢化合物供给阀15的喷射压力P越增大(P1＜P2＜P3＜P4)，或者，如图15B所示，来自燃料喷射阀3的喷射量Q越多，来自碳氢化合物供给阀15的喷射量W越增大，并且内燃机转速N越高，则来自碳氢化合物供给阀15的喷射量W越增大(W1＜W2＜W3＜W4)。
在本发明的实施例中，以使碳氢化合物供给阀15的喷射压力成为图15A所示的喷射压力P的方式对喷射泵60的安全阀68进行控制，或者，以使来自碳氢化合物供给阀15的喷射量成为图15B所示的喷射量W的方式对喷射泵60的致动器63进行控制。在该情况下，当碳氢化合物供给阀15的喷射压力被增大时，前期喷射期间X内的碳氢化合物的喷射量将增大，在碳氢化合物供给阀15的喷射量被增大的情况下，前期喷射期间X内的碳氢化合物的喷射量也增大。即，在本发明的实施例中，内燃机负载越高，则在前期喷射期间X中被喷射的碳氢化合物的喷射量越被增大。另外，如图6所示的碳氢化合物的喷射量的控制能够通过如下的碳氢化合物供给阀来实施，所述碳氢化合物供给阀在碳氢化合物的喷射中能够使碳氢化合物的喷射量以两阶段的方式而变化。
接下来，参照图16至图19来对使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂而发挥功能时的NOx净化方法进行具体说明。在下文中，将这种使排气净化催化剂13作为NOx吸留催化剂而发挥功能的情况下的NOx净化方法称为第二NOx净化方法。
如图16所示，在该第二NOx净化方法中，在被吸留于碱性层53中的吸留NOx量ΣNOX超出预先规定的容许量MAX时，流入排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F)暂时被设为过浓。当废气的空燃比(A/F)被设为过浓时，在废气的空燃比(A/F)为过稀时被吸留于碱性层53内的NOx将从碱性层53中被一举释放并被还原。由此，使NOx被净化。
吸留NOx量ΣNOX例如根据从内燃机排出的NOx量来进行计算。在本发明的实施例中，每单位时间从内燃机被排出的排出NOx量NOXA作为喷射量Q以及内燃机转速N的函数而以图17所示的映射的形式被预先存储于ROM32内，根据该排出NOx量NOXA而对吸留NOx量ΣNOX进行计算。在此情况下，如前文所述，废气的空燃比(A/F)被设为过浓的周期通常在一分钟以上。
如图18所示，在该第二NOx净化方法中，通过从燃料喷射阀3向燃烧室2内除了喷射燃烧用燃料Q之外，还喷射追加的燃料WR，从而使流入排气净化催化剂13的废气的空燃比(A/F)被设为过浓。另外，图18的横轴表示曲轴转角。该追加的燃料WR虽然发生燃烧，但却是在未出现内燃机输出的正时、即在压缩上止点后ATDC90°的稍前期被喷射。该燃料量WR作为喷射量Q以及内燃机转速N的函数而以图19所示的映射的形式被预先存储于ROM32内。当然，在此情况下，通过增大来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的喷射量，也能够将废气的空燃比(A/F)设为过浓。
图20图示了NOx净化控制程序。该程序以每固定时间的中断而被实施。
如果参照图20，则首先在步骤70中，根据温度传感器25的输出信号，而对排气净化催化剂13的温度TC是否在设定温度TCX、例如400℃以上进行判断。在排气净化催化剂13的温度TC为设定温度TCX以下时，进入步骤71并实施第二NOx净化方法的NOx净化作用。
即，在步骤71中，根据图17所示的映射而对每单位时间的排出NOx量NOXA进行计算。接下来，在步骤72中，通过在ΣNOX上加上排出NOx量NOXA，从而对吸留NOx量ΣNOX进行计算。接下来，在步骤73中，对吸留NOx量ΣNOX是否超出容许值MAX进行判断。当ΣNOX＞MAX时，则进入步骤74并根据图19所示的映射而对追加的燃料量WR进行计算，并实施追加的燃料的喷射作用。接下来，在步骤75中，清除ΣNOX。
另一方面，在步骤70中，在判断为排气净化催化剂13的温度TC超出设定温度TCX时，则进入步骤76并实施通过第一NOX净化方法而实现的NOX净化作用。即、将碳氢化合物供给阀15的喷射压力设为图15A所示的喷射压力P，或者将来自碳氢化合物供给阀15的喷射量设为图15B所示的喷射量W，并以根据图14所示的映射而计算出的喷射周期ΔT，从碳氢化合物供给阀15喷射碳氢化合物。此时，来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的每单位时间的喷射量以图6所示的方式而发生变化。
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道内配置用于重整碳氢化合物的氧化催化剂。
符号说明
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 碳氢化合物供给阀

Claims (8)

1.一种内燃机的排气净化装置，
在内燃机排气通道内配置排气净化催化剂，并且在排气净化催化剂上游的内燃机排气通道内配置碳氢化合物供给阀，在该排气净化催化剂的废气流通表面上负载有贵金属催化剂，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，在以使废气的空燃比成为过浓的方式且以预先规定的范围内的周期而使流入排气净化催化剂的碳氢化合物的浓度振动时对废气中所包含的NOx进行还原的性质，并且具有，在该碳氢化合物浓度的振动周期与该预先规定的范围相比而较长时，增大废气中所包含的NOx的吸留量的性质，所述内燃机的排气净化装置在内燃机运行时以该预先规定的范围内的周期而从碳氢化合物供给阀喷射碳氢化合物，并由此对废气中所包含的NOx进行净化，
其中，对于以该预先规定的范围内的周期从碳氢化合物供给阀反复喷射碳氢化合物时的各次喷射中的每单位时间的碳氢化合物喷射量，在一次的喷射期间中的前期与后期之间设有差异，并且，在前期喷射期间内，碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为，将流入排气净化催化剂的废气的空燃比设为过浓而所需的喷射量，在后期喷射期间内，以碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为与前期喷射期间相比而较少的喷射量的状态，并以与前期喷射期间相比而较长的期间使碳氢化合物的喷射作用持续。
2.如权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在从前期喷射期间转移到后期喷射期间时，来自该碳氢化合物供给阀的碳氢化合物的每单位时间的喷射量在降低至后期喷射期间的碳氢化合物的每单位时间的喷射量之后，被维持于后期喷射期间内的碳氢化合物的每单位时间的喷射量，且后期喷射期间中的碳氢化合物的每单位时间的喷射量被维持于相同的喷射量。
3.如权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中，
内燃机负载越高，则前期喷射期间中被喷射的碳氢化合物的喷射量越被增大。
4.如权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
具备用于向该碳氢化合物供给阀供给被加压了的碳氢化合物的喷射泵，该喷射泵能够对于来自该碳氢化合物供给阀的碳氢化合物的每单位时间的喷射量，而在一次喷射期间中的前期与后期之间设置差异。
5.如权利要求4所述的内燃机的排气净化装置，其中，
该喷射泵具有调量室，所述调量室被用于向碳氢化合物供给阀供给的加压碳氢化合物充满，通过使用弹性部件来按压调量室内的加压碳氢化合物，从而使后期喷射期间中的碳氢化合物的每单位时间的喷射量维持于相同的喷射量。
6.如权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
通过以将后期喷射期间内的碳氢化合物的每单位时间的喷射量设为与前期喷射期间相比而较少的喷射量的状态，并以与前期喷射期间相比而较长的期间使碳氢化合物的喷射作用持续，从而生成用于净化NOx的包含氮以及碳氢化合物在内的还原性中间体，并通过该还原性中间体而对废气中所包含的NOx进行净化。
7.如权利要求6所述的内燃机的排气净化装置，其中，
前期喷射期间中的碳氢化合物的喷射量为将氧消耗而所需的量，后期喷射期间中的碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为生成包含氮以及碳氢化合物在内的还原性中间体而所需的量。
8.如权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
使用了第一NOx净化方法和第二NOx净化方法，所述第一NOx净化方法为，通过以所述预先规定的范围内的周期而从碳氢化合物供给阀喷射碳氢化合物，从而对废气中所包含的NOx进行净化的方法，所述第二NOx净化方法为，通过以与该预先规定的范围内的周期相比而较长的间隔而使流入该排气净化催化剂的废气的空燃比从过稀切换为过浓，从而对NOx进行净化的方法，在使用了第一NOx净化方法时，对于以该预先规定的范围内的周期而从该碳氢化合物供给阀反复喷射碳氢化合物时的各次喷射的每单位时间的碳氢化合物喷射量，在一次的喷射期间中的前期与后期之间设有差异，并且在前期喷射期间内，碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为将流入排气净化催化剂的废气的空燃比设为过浓而所需的喷射量，在后期喷射期间内，以碳氢化合物的每单位时间的喷射量被设为与前期喷射期间相比而较少的喷射量的状态，并以与前期喷射期间相比而较长的期间使碳氢化合物的喷射作用持续。
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