CN105102779B - 内燃机的排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

在内燃机中，于排气通道内配置有排气净化催化剂(13)、碳氢化合物供给阀(15)以及颗粒过滤器(14)。在实施通过以预先规定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含有的NOX进行净化的第一NOX净化方法的同时，为了去除颗粒过滤器上所捕集到的粒状物质而应该实施使颗粒过滤器升温的升温控制时，以所述预先规定的周期而实施用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射，并且在不实施用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射的期间中实施用于升温控制的碳氢化合物喷射。与颗粒过滤器的实际的温度较高时相比，在颗粒过滤器的实际的温度较低时，将用于升温控制的碳氢化合物喷射量设定得较多。

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，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进行振动时对废气中所含有的NOX进行还原的性质，并且具有在将该碳氢化合物浓度的振动周期设为与该预先规定的范围相比而较长时废气中所含有的NOX的吸留量增大的性质，其实施通过以该预先规定的范围内的周期从碳氢化合物供给阀喷射碳氢化合物从而对废气中所含有的NOX进行净化的第一NOX净化方法(例如参照专利文献1)。在该内燃机中，在排气净化催化剂下游的内燃机排气通道内还配置有用于对废气中的粒状物质进行捕集的颗粒过滤器。
另一方面，还公知有一种如下的内燃机，其实施为了对颗粒过滤器上所捕集到的粒状物质进行氧化去除而在过稀空燃比的情况下使颗粒过滤器的温度上升的升温控制。在专利文献1所记载的内燃机中，能够通过从碳氢化合物供给阀喷射碳氢化合物以使向颗粒过滤器流入的流入废气的空燃比成为过稀，从而实施升温控制。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2011/114499号
发明内容
发明所要解决的课题
然而，为了可靠地实施第一NOX净化方法而需要良好地使流入排气净化催化剂的碳氢化合物浓度进行振动，因此，需要在比较高的喷射压的条件下从碳氢化合物供给阀喷射用于第一NOX净化方法的碳氢化合物。
另一方面，上述升温控制例如在颗粒过滤器上所捕集到粒状物质的量超出了容许上限量时被实施。因此，在实施第一NOX净化方法时粒状物质捕集量超出了容许上限量时，需要在实施第一NOX净化方法的同时实施升温控制。
然而，在该情况下，如果将用于升温控制的碳氢化合物追加在用于第一NOX净化方法的碳氢化合物上而进行喷射时，大量的碳氢化合物会在较高的喷射压的条件下向排气净化催化剂喷射。其结果为，碳氢化合物的一部分将穿过排气净化催化剂，因而有可能无法有效地实施第一NOX净化方法。此外，由于从碳氢化合物供给阀喷射出的碳氢化合物难以向排气净化催化剂或颗粒过滤器的半径方向上扩散，因此颗粒过滤器的温度有可能不均匀。在该情况下，有可能无法可靠地对颗粒过滤器上的粒状物质进行去除或较大的热应力会过度地作用于颗粒过滤器上。
如此，难以同时实施第一NOX净化方法以及升温控制。在专利文献1中并未提及此点。
本发明的目的在于，提供一种能够在实施良好的NOX净化的同时实施良好的升温控制的内燃机的排气净化装置。
用于解决课题的方法
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进行振动时对废气中所含有的NOX进行还原的性质，并且具有在将该碳氢化合物浓度的振动周期设为与该预先规定的范围相比而较长时废气中所含有的NOX的吸留量增大的性质，所述内燃机的排气净化装置实施通过以该预先规定的范围内的周期从碳氢化合物供给阀喷射碳氢化合物从而对废气中所含有的NOX进行净化的第一NOX净化方法，并且还在内燃机排气通道内配置用于对废气中的粒状物质进行捕集的颗粒过滤器，在实施第一NOX净化方法的同时，于为了去除颗粒过滤器上所捕集到的粒状物质而应当实施对颗粒过滤器进行升温的升温控制时，以所述预先规定的范围内的周期而实施用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射，并且在不实施用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射的期间中实施用于升温控制的碳氢化合物喷射，且与颗粒过滤器的实际的温度较高时相比，在颗粒过滤器的实际的温度较低时，将用于升温控制的碳氢化合物喷射量设定得较多。
发明效果
能够在实施良好的NOX净化的同时实施良好的升温控制。
附图说明
图1为压燃式内燃机的整体图。
图2为图解性地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变化的图。
图5为表示NOX净化率的图。
图6A以及6B为用于对排气净化催化剂中的氧化还原反应进行说明的图。
图7A以及7B为用于对排气净化催化剂中的氧化还原反应进行说明的图。
图8为表示向排气净化催化剂流入的流入废气的空燃比变化的图。
图9为表示NOX净化率的图。
图10为表示碳氢化合物的喷射周期ΔT与NOX净化率的关系的图。
图11为表示碳氢化合物的喷射量的映射图。
图12为表示NOX释放控制的图。
图13为表示排出NOX量NOXA的映射图的图。
图14为表示燃料喷射正时的图。
图15为表示燃料供给量WR的映射图的图。
图16为表示排气净化催化剂的温度TC、颗粒过滤器的温度TF以及废气的空燃比(A/F)in的变化的时序图。
图17为对偏差ΔTF进行说明的时序图。
图18为表示用于升温控制的碳氢化合物喷射量qTR的映射图的图。
图19为用于实施NOX净化控制的流程图。
图20为用于实施第一NOX净化方法的流程图。
图21为用于实施第二NOX净化方法的流程图。
图22为用于实施标识XTR的控制的流程图。
具体实施方式
图1表示压燃式内燃机的整体图。
参照图1，1表示内燃机主体，2表示各气缸的燃烧室，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经由进气导管6而与排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口连结，压缩机7a的入口经由进气量检测器8而与空气滤清器9连结。在进气导管6内配置有由致动器驱动的节气门10，在进气导管6周边配置有用于对在进气导管6内流通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冷却装置11内，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的入口连结。在本发明的实施例中，该排气净化催化剂13由NOX吸留催化剂构成。排气净化催化剂13的出口经由排气管12b而与颗粒过滤器14连结。在其它的实施例中，颗粒过滤器14被配置于排气净化催化剂13的上游。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用于供给作为压燃式内燃机的燃料而使用的轻油或由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以过稀空燃比而实施燃烧的火花点火式内燃机中。在此情况下，从碳氢化合物供给阀15供给作为火花点火式内燃机的燃料而使用的汽油或由其他燃料组成的碳氢化合物。
另一方面，排气歧管5与进气歧管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，在EGR通道16的周边配置有用于对在EGR通道16内流通的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至冷却装置18内，通过内燃机冷却水而对EGR气体进行冷却。各燃料喷射阀3经由燃料供给管19而与共轨装置20连结，该共轨装置20经由电子控制式的喷出量可变的燃料泵21而与燃料罐22连结。被贮存于燃料罐22内的燃料通过燃料泵21而被供给至共轨装置20内，被供给至共轨装置20内的燃料经由各燃料供给管19而被供给至燃料喷射阀3。
电子控制单元30由数字计算机构成，并具备通过双向性总线31而被相互连接的ROM(只读存储器)32、RAM(随机存取存储器)33、CPU(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下游的排气管12b中安装有用于对从排气净化催化剂13流出的废气的温度进行检测的温度传感器24。由温度传感器24检测出的废气温度表示排气净化催化剂13的温度。此外，在颗粒过滤器14下游的排气管12c中安装有用于对从颗粒过滤器14流出的废气温度进行检测的温度传感器25。由温度传感器25检测出的废气温度表示颗粒过滤器14的温度。并且，在颗粒过滤器14上安装有用于对颗粒过滤器14的前后差压进行检测的差压传感器26。这些温度传感器24、25、差压传感器26以及进气量检测器8的输出信号各自经由所对应的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的踩踏量L成比例的输出电压的负载传感器41，负载传感器41的输出电压通过所对应的AD转换器37而向输入端口35输入。而且，在输入端口35上连接有例如曲轴每旋转15°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通过所对应的驱动电路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以及燃料泵21连接。
图2图解性地图示了图1所示的排气净化催化剂13的基体上所负载的催化剂载体的表面部分。如图2所示的那样，在该排气净化催化剂13中，例如在由铝构成的催化剂载体50上负载有由铂Pt构成的贵金属催化剂51，而且在该催化剂载体50上形成有碱性层53，该碱性层53含有选自钾K、钠Na、铯Cs之类的碱金属，钡Ba、钙Ca之类的碱土类金属、镧系元素之类的稀土类以及银Ag、铜Cu、铁Fe、铱Ir之类的能够向NOx提供电子的金属中的至少一种金属。在该碱性层53内含有二氧化铈CeO2，因此，排气净化催化剂13具有储氧能力。此外，在排气净化催化剂13的催化剂载体50上除了铂Pt以外还能够负载铑Rh或者钯Pd。另外，由于废气沿着催化剂载体50上流通，因此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。
当从碳氢化合物供给阀15向废气中喷射碳氢化合物时，该碳氢化合物将在排气净化催化剂13中被重整。在本发明中，使用在此时被进行了重整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图解性地图示了此时在排气净化催化剂13中所进行的重整作用。如图3所示，从碳氢化合物供给阀15喷射出的碳氢化合物HC因贵金属催化剂51而成为碳数较少的自由基状的碳氢化合物HC。
图4表示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)in的变化。另外，由于该空燃比(A/F)in的变化依存于向排气净化催化剂13流入的流入废气中的碳氢化合物的浓度变化，因此可以说图4所示的空燃比(A/F)in的变化表示了碳氢化合物的浓度变化。但是，由于在碳氢化合物浓度增高时空燃比(A/F)in减小，因此在图4中空燃比(A/F)in越靠过浓侧，则碳氢化合物浓度越高。
图5将通过使流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度周期性地变化从而如图4所示那样使向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)in周期性地设为过浓时的、排气净化催化剂13的NOx净化率相对于排气净化催化剂13的各催化剂温度TC而进行图示。并且，长期对NOX净化进行研究的结果表明，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使流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度进行振动时，如图5所示在400℃以上的高温区域内也能够获得极高的NOX净化率。
而且，明确了此时含有氮以及碳氢化合物的大量的还原性中间体被持续保持或吸附于碱性层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净化率方面具有核心的作用。接下来，参照图6A以及6B对此进行说明。另外，该图6A以及6B图解性地图示了排气净化催化剂13的催化剂载体50的表面部分，该图6A以及6B图示了如下的反应，即，被推测为在使流入排气净化催化剂13的碳氢化合物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进行振动时将会发生的反应。
图6A图示了流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度较低时的情况，图6B图示了在从碳氢化合物供给阀15供给碳氢化合物从而向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)in被设为过浓时的情况，即流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度变高时的情况。
并且，由图4可知，由于向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比除了一瞬间之外均被维持在过稀状态，因此向排气净化催化剂13流入的废气通常处于氧过剩的状态。此时，废气中所包含的NO的一部分附着于排气净化催化剂13上，废气中所包含的NO的一部分如图6A所示，在铂51上被氧化而成为NO2，接下来，该NO2进一步被氧化而成为NO3。此外，NO2的一部分成为NO2 -。因此，在铂Pt51上生成NO2 -和NO3。附着在排气净化催化剂13上的NO以及在铂Pt51上所生成的NO2 -和NO3活性较强，因此，以下将该NO、NO2 -以及NO3称为活性NOX *。
另一方面，当从碳氢化合物供给阀15供给碳氢化合物从而向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)in被设为过浓时，该碳氢化合物将依次附着在排气净化催化剂13的整体上。这些所附着的碳氢化合物的大部分依次与氧发生反应而燃烧，所附着的碳氢化合物的一部分依次如图3所示那样在排气净化催化剂13内被重整，从而成为自由基。因此，如图6B所示，活性NOX *周边的碳氢化合物浓度增高。然而，在生成了活性NOX *之后，活性NOX *周边的氧浓度较高的状态持续固定时间以上时，活性NOX *将被氧化，并以硝酸离子NO3 -的形式而被吸收在碱性层53内。但是，如果在经过该固定时间之前活性NOX *周边的碳氢化合物浓度较高，则如图6B所示那样，活性NOX *将在铂51上与自由基状的碳氢化合物HC发生反应，由此生成还原性中间体。该还原性中间体被附着或吸附于碱性层53的表面上。
另外，认为此时最初生成的还原性中间体为硝基化合物R-NO2。当该硝基化合物R-NO2被生成时，将成为腈类化合物R-CN，但是由于该腈类化合物R-CN的状态只能瞬时存在，因此会立即成为异氰酸酯化合物R-NCO。当该异氰酸酯化合物R-NCO水解时，将成为胺类化合物R-NH2。但是在此情况下，认为被水解的是异氰酸酯化合物R-NCO的一部分。因此，认为如图6B所示的那样被保持或吸附于碱性层53的表面上的还原性中间体的大部分为异氰酸酯化合物R-NCO以及胺类化合物R-NH2。
另一方面，如图6B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阻止而不再继续发生反应。在此情况下，流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度降低，接下来附着于还原性中间体的周围的碳氢化合物被氧化而消失，由此当还原性中间体周围的氧浓度增高时，还原性中间体将与废气中的NOX或活性NOX *发生反应、或者与周围的氧发生反应、或者自我分解。由此，还原性中间体R-NCO或R-NH2如图6A所示被转换为N2、CO2、H2O，从而净化了NOX。
以此方式，在排气净化催化剂13中，通过使流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度增高从而生成还原性中间体，并在使流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度降低之后，在氧浓度增高时使还原性中间体与废气中的NOX或活性NOX *或氧发生反应、或者自我分解，由此使NOX被净化。即，为了通过排气净化催化剂13来对NOX进行净化，需要使流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度周期性地变化。
当然，在此情况下，需要将碳氢化合物的浓度提高至用于生成还原性中间体的足够高的浓度，并且需要将碳氢化合物的浓度降低至为了使所生成的还原性中间体与废气中的NOX或活性NOX *或氧发生反应或者自我分解的足够低的浓度。即，需要以预先规定的范围内的振幅而使流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度进行振动。另外，在此情况下，至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 *或氧发生反应、或者自我分解为止，必须将这些还原性中间体保持在碱性层53上、即保持在碱性废气流通表面部分54上，为此而设置了碱性的废气流通表面部分54。
另一方面，当使碳氢化合物的供给周期延长时，在供给了碳氢化合物之后到接下来供给碳氢化合物为止的期间，氧浓度增高的期间变长，因此，活性NOX *不会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。为了避免此种现象而需要以预先规定的范围内的周期使流入排气净化催化剂13的碳氢化合物的浓度进行振动。
因此，在本发明的实施例中，为了使废气中所含有的NOX与被进行了重整的碳氢化合物发生反应以生成含有氮以及碳氢化合物的还原性中间体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，为了将所生成的还原性中间体R-NCO或R-NH2保持在排气净化催化剂13内，而在贵金属催化剂51周边形成有碱性的废气流通表面部分54，被保持在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，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所需要的振动周期。顺带提及，在图4所示的示例中，喷射间隔被设为3秒。
在将碳氢化合物浓度的振动周期即来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物HC的喷射周期设为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的表面上消失，此时，在铂Pt53上所生成的活性NOX *如图7A所示的那样，以硝酸离子NO3 -的形式扩散到碱性层53内，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7B图示了像这样NOX以硝酸盐的形式被吸收在碱性层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。在此情况下，为了降低废气中的氧浓度而使反应朝向相反方向(NO3 -→NO2)进行，这样一来被吸收在碱性层53内的硝酸盐依次成为硝酸离子NO3 -，且如图7B所示那样，以NO2的形式而从碱性层53被释放出。接下来，所释放出的NO2被废气中所含有的碳氢化合物HC以及CO还原。
图8图示了在碱性层53的NOX吸收能力即将饱和之前将向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in临时性地设为过浓的情况。另外，在图8所示的示例中，该过浓控制的时间间隔在1分钟以上。在此情况下，在废气的空燃比(A/F)in为过稀时被吸收在碱性层53内的NOX在废气的空燃比(A/F)in临时性地被设为过浓时，将从碱性层53一举被释放出并被还原。因此，在此情况下，碱性层53起到用于临时性地吸收NOX的吸收剂的作用。
另外，此时也会有碱性层53临时性地吸附NOX的情况，因此，如果作为包括吸收以及吸附双方的用语而使用吸留这一用语，则此时，碱性层53起到用于临时性地吸留NOX的NOX吸留剂的作用。即，在此情况下，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作为在废气的空燃比为过稀时对NOX进行吸留、并在废气中的氧浓度降低时对所吸留的NOX进行释放的NOX吸留催化剂而发挥作用。
图9的实线表示使排气净化催化剂13如上述那样作为NOX吸留催化剂而发挥作用时的NOX净化率。另外，图9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如上述那样作为NOX吸留催化剂而发挥作用的情况下，如图9中实线所示，在催化剂温度TC为300℃至400℃时将获得极高的NOX净化率，而在催化剂温度TC为400℃以上的高温时，NOx净化率将降低。另外，在图9中使用虚线来表示图5所示的NOX净化率。
如此在催化剂温度TC达到400℃以上时NOX净化率降低的原因在于，当催化剂温度TC达到400℃以上时硝酸盐将热分解而以NO2的形式从排气净化催化剂13被释放出。即，只要以硝酸盐的形式对NOX进行吸留，便难以在催化剂温度TC较高时获得较高的NOX净化率。但是，在图4至图6B所示的新的NOX净化方法中，如图6A、6B所示，硝酸盐不被生成或者即使生成也是极微量，这样一来便如图5所示那样，即使在催化剂温度TC较高时也能够获得较高的NOX净化率。
在本发明的实施例中，为了能够使用该新的NOX净化方法而对NOX进行净化，将用于供给碳氢化合物的碳氢化合物供给阀15配置在内燃机排气通道内，并在碳氢化合物供给阀15下游的内燃机排气通道内配置排气净化催化剂13，且在排气净化催化剂13的废气流通表面上负载有贵金属催化剂51并且在贵金属催化剂51周边形成有碱性的废气流通表面部分54，排气净化催化剂13具有当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13的碳氢化合物的浓度进行振动时，对废气中所含有的NOX进行还原的性质，并且具有当将碳氢化合物浓度的振动周期设定为与该预先规定的范围相比较长时，废气中所含有的NOX的吸留量增大的性质，通过在内燃机运行时以预先规定的范围内的周期从碳氢化合物供给阀15喷射碳氢化合物，从而在排气净化催化剂13中对废气中所含有的NOX进行还原。
即，图4至图6B所示的NOX净化方法可以说是一种在使用了负载贵金属催化剂且形成了可吸收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对NOX进行净化的新的NOX净化方法。实际上，在使用该新的NOX净化方法的情况下，与使排气净化催化剂13作为NOX吸留催化剂而发挥作用的情况相比，从碱性层53检测出的硝酸盐为极微量。另外，以下将该新的NOX净化方法称为第一NOX净化方法。
此外，如前文所述，当从碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的喷射周期ΔT变长时，在喷射了碳氢化合物之后到接下来喷射碳氢化合物的期间内，活性NOX *周边的氧浓度增高的期间变长。在此情况下，在图1所示的实施例中，在碳氢化合物的喷射周期ΔT长于5秒左右时，活性NOX *将开始以硝酸盐的形式被吸收在碱性层53内，因此，如图10所示，在碳氢化合物浓度的振动周期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，碳氢化合物的喷射周期ΔT需要被设为5秒以下。
另一方面，在本发明的实施例中，在碳氢化合物的喷射周期ΔT为大致0.3秒以下时，喷射出的碳氢化合物将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10所示，在碳氢化合物的喷射周期ΔT为大致0.3秒以下时，NOX净化率将降低。因此，在本发明的实施例中，碳氢化合物的喷射周期被设为0.3秒至5秒之间。
并且，在本发明的实施例中以如下方式进行控制，即，通过使来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物喷射量以及喷射时期变化从而使向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)in以及喷射周期ΔT成为与内燃机的运行状态对应的最佳值。在此情况下，在本发明的实施例中，实施基于第一NOX净化方法的NOX净化作用时最佳碳氢化合物喷射量W作为加速踏板40的踩踏量L以及内燃机转速N的函数而以图11所示的映射图的形式被预先存储于ROM32内，此外，此时最佳的碳氢化合物的喷射周期ΔT也作为加速踏板40的踩踏量L以及内燃机转速N的函数而以映射图的形式被预先存储于ROM32内。
接下来，参照图12至图15，对使排气净化催化剂13作为NOX吸留催化剂而发挥作用的情况下的NOX净化方法进行具体说明。以下，将以此方式使排气净化催化剂13作为NOX吸留催化剂而发挥作用的情况下的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12所示，在被吸留在碱性层53中的吸留NOX量ΣNOX超出了预先规定的容许量MAX时，向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in临时被设为过浓。当废气的空燃比(A/F)in被设为过浓时，在废气的空燃比(A/F)in为过稀时被吸留于碱性层53内的NOX将从碱性层53集中被释放并被还原。由此，NOX被净化。
吸留NOX量ΣNOX例如根据从内燃机排出的NOX量而被计算。在本发明的实施例中，每单位时间从内燃机排出的排出NOX量NOXA作为加速踏板40的踩踏量L以及内燃机转速N的函数而以图13所示的映射图的形式被预先存储于ROM32内，根据该排出NOX量NOXA而计算吸留NOX量ΣNOX。在此情况下，如前文所述，废气的空燃比(A/F)in被设为过浓的周期通常为1分钟以上。
在该第二NOX净化方法中，如图14所示，通过在从燃料喷射阀3向燃烧室2内喷射燃烧用燃料Q的基础上，再喷射追加的燃料WR，从而使向排气净化催化剂13流入的废气的空燃比(A/F)in被设为过浓。另外，图14的横轴表示曲轴转角。该追加的燃料WR在虽然进行燃烧但尚未表现为内燃机输出的正时、即压缩上止点后ATDC90°稍靠前的时刻被喷射出。该燃料量WR作为加速踏板40的踩踏量L以及内燃机转速N的函数而以图15所示的映射图的形式被预先吸存储于ROM32内。当然，在此情况下，也能够通过使来自碳氢化合物供给阀15的碳氢化合物的喷射量增大，从而将废气的空燃比(A/F)in设为过浓。
并且，在本发明的实施例中，选择性地实施基于第一NOX净化方法的NOX净化作用和基于第二NOX净化方法的NOX净化作用。实施基于第一NOX净化方法的NOX净化作用与基于第二NOX净化方法的NOX净化作用例如是以如下方式而决定的。即，实施基于第一NOX净化方法的NOX净化作用时，NOX净化率如图9的虚线所示，当排气净化催化剂13的温度TC为临界温度TX以下时开始急速地下降。相对于此，如图9的实线所示，实施基于第二NOX净化方法的NOX净化作用时NOX净化率在排气净化催化剂13的温度TC下降时较缓慢地降低。因此，在本发明的实施例中，在排气净化催化剂13的温度TC与临界温度TX相比而较高时实施基于第一NOX净化方法的NOX净化作用，在排气净化催化剂13的温度TC与临界温度TX相比而较低时实施基于第二NOX净化方法的NOX净化作用。
然而，在废气中含有主要由固体碳组成的粒状物质。当废气流入颗粒过滤器14内时，粒状物质将被捕集于颗粒过滤器14上。另一方面，在燃烧室2中，在氧过剩的条件下进行了燃烧。因此，只要不从燃料喷射阀3以及碳氢化合物供给阀15供给二次燃料，则颗粒过滤器14就将处于氧化环境。此外，在颗粒过滤器14上负载有具有氧化功能的催化剂。其结果为，由颗粒过滤器14捕集到的粒状物质将被依次氧化。并且，当每单位时间捕集到的粒状物质的量与每单位时间被氧化的粒状物质的量相比而较多时，被捕集于颗粒过滤器14上的粒状物质的量将随着内燃机运转时间的经过而增大。其结果为，颗粒过滤器14的压力损失增大，从而内燃机背压增大。
因此，在本发明的实施例中，对颗粒过滤器14上的粒状物质捕集量是否与容许上限量相比而较多进行判断，当判断为粒状物质捕集量与容许上限量相比而较多时，为了从颗粒过滤器14中去除粒状物质而在过稀空燃比的条件下实施使颗粒过滤器14的温度上升至预先规定的设定温度以上并维持的升温控制。该设定温度为能够对粒状物质进行氧化的温度，例如为600℃。其结果为，粒状物质被氧化并从颗粒过滤器14中被去除。另外，在本发明的实施例中，在颗粒过滤器14的前后差压与容许上限相比而较高时，判断为颗粒过滤器14上的粒状物质捕集量与容许上限量相比而较多。
在本发明的实施例中，为了实施升温控制，从碳氢化合物供给阀15喷射碳氢化合物以使向颗粒过滤器14流入的流入废气的空燃比成为过稀。即，喷射出的碳氢化合物在排气净化催化剂13中进行燃烧，从而使流入颗粒过滤器14的废气的温度上升，其结果为，颗粒过滤器14的温度升高。或者，喷射出的碳氢化合物在颗粒过滤器14中进行燃烧，其结果为，颗粒过滤器14的温度升高。另外，在本发明的实施例中，向颗粒过滤器14流入的流入废气的空燃比与向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比(A/F)in一致。
此外，在本发明的实施例的升温控制中，颗粒过滤器14的目标温度被设定为上述预先规定的设定温度以上，从碳氢化合物供给阀15供给碳氢化合物以使颗粒过滤器14的温度上升至目标温度并维持于此。该目标温度例如被设定为650℃。另外，目标温度与图9所示的临界温度TX相比而较高。
即，如图16所示，对颗粒过滤器14的实际温度TF相对于目标温度TFT的偏差ΔTF(＝TFT－TF)进行计算。接下来，根据偏差ΔTF而对用于升温控制的喷射压PHCTR进行设定。具体而言，如图17所示，随着偏差ΔTF减小，用于升温控制的每一次碳氢化合物喷射的碳氢化合物量qHC被设定得较少。其结果为，颗粒过滤器14的温度TF被维持为目标温度TFT。这样一来，能够将为了升温控制而所需的碳氢化合物量维持为较少。另外，在图16中，TFS表示上述被预先规定的设定温度。
接下来，参照图18，对本发明的实施例的升温控制进行详细说明。图18模式化地图示了排气净化催化剂13的温度TC、颗粒过滤器14的温度TF以及废气的空燃比(A/F)in的时间性变化。
在图18中，箭头X表示产生应该实施升温控制信号的正时。在图18所示的示例中，当产生应该实施升温控制的信号时，排气净化催化剂13的温度TC与临界温度TX相比而较低，因此，此时实施第二NOX净化方法。在应当于实施第二NOX净化方法的同时实施升温控制时，如图18中箭头TR所示，实施用于升温控制的碳氢化合物喷射。其结果为，排气净化催化剂13的温度TC以及颗粒过滤器14的温度TF上升。另外，如上文所述，为了从排气净化催化剂13释放NOX，废气空燃比(A/F)in被暂时性地设为过浓的过浓控制的时间间隔为1分钟以上，并且较长。因此，在图18所示的示例中，未图示基于过浓控制的废气空燃比(A/F)in的变化。
接下来，如图18中箭头Y所示，当排气净化催化剂13的温度TC超过临界温度TX时，结束第二NOX净化方法，并开始实施第一NOX净化方法。即，图18中N1所示，根据上述的周期ΔT而实施用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射。在该情况下，以使废气的空燃比(A/F)in成为过浓的方式而实施碳氢化合物喷射。此外，在不实施用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射的期间，即在从上一次用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射起至下一次用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射为止的期间内，如图18中TR所示，实施用于升温控制的碳氢化合物喷射。在该情况下，以废气的空燃比(A/F)in维持为过稀的方式实施碳氢化合物喷射。其结果为，能够在实施良好的NOX净化的同时实施良好的升温控制。
接下来，如图18中箭头Z所示，颗粒过滤器14的温度TF上升至目标温度TFT并被维持为目标温度TFT。
在基于本发明实施例的升温控制中，如上文所述根据偏差ΔTF而对碳氢化合物喷射量qHC进行设定。即，如图18所示，随着偏差ΔTF减小，即随着颗粒过滤器14的温度TF靠近目标温度TFT而使碳氢化合物喷射量qHC减少。另外，也可以在颗粒过滤器14的温度TF上升至目标温度TFT时，使用于升温控制的碳氢化合物喷射停止。
本发明实施例中的碳氢化合物喷射阀15能够对喷射压以及喷射时间进行变更。在图18所示的示例中，在无需实施第一NOX净化方法但应该实施升温控制的情况下，即应当在实施第二NOX净化方法的同时实施升温控制的情况下，在将喷射压维持在比较高的固定压的同时，以控制喷射时间的方式而对碳氢化合物喷射量qHC进行控制。如此，能够从碳氢化合物喷射阀15供给大量的碳氢化合物，从而能够使颗粒过滤器14的温度TF迅速地上升。相对于此，在应当于实施第一NOX净化方法的同时实施升温控制的情况下，在将喷射时间维持为固定的同时通过对喷射压进行控制而对碳氢化合物喷射量qHC进行控制。通过采用这种方式，喷射出的碳氢化合物将向排气净化催化剂13或颗粒过滤器14的半径方向良好地扩散，其结果为，能够对颗粒过滤器14的温度不均匀的情况进行抑制。此外，能够对颗粒过滤器14的温度的波动进行抑制。因此，能够实施良好的升温控制。
另一方面，用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射在与用于升温控制的碳氢化合物喷射相比而较高的喷射压的条件下实施。通过采用这种方式，能够使流入排气净化催化剂13的碳氢化合物浓度良好地振动。因此，能够实施良好的NOX净化。即，在应当于实施第一NOX净化方法的同时实施升温控制的情况下，能够在实施良好的NOX净化的同时实施良好的升温控制。
在本发明的实施例中，用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射时间还被设定为与用于升温控制的碳氢化合物喷射时间相比而较短。其结果为，能够使流入排气净化催化剂13的碳氢化合物浓度良好地进行振动，因此，能够实施更良好的NOX净化。反过来看，用于升温控制的碳氢化合物喷射时间被设定为与用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射时间相比而较长。其结果为，能够更可靠地对颗粒过滤器14的温度成为不均匀的情况进行抑制，并能够更可靠地对颗粒过滤器14的温度的波动进行抑制，因此，能够实施更良好的升温控制。
图19表示实施基于本发明实施例的NOX净化控制的程序。该程序以每隔被预先规定的固定时间的中断而被执行。
参照图19，在步骤100中，决定是否实施基于第一NOX净化方法的NOX净化作用或基于第二NOX净化方法的NOX净化作用中的任意一个。接下来，在步骤101中，对是否应该实施基于第一NOX净化方法的NOX净化作用进行判断。在应该实施基于第一NOX净化方法的NOX净化作用时，进入步骤102，并执行用于实施第一NOX净化方法的程序。该程序如图20所示。在步骤101中，在应该实施基于第二NOX净化方法的NOX净化作用时，接下来进入步骤103，并实施用于实施第二NOX净化方法的程序。该程序如图21所示。
图20表示用于实施第一NOX净化方法的程序。
参照图20，在步骤120中，根据图11而对喷射量W进行计算。在接下来的步骤121中，根据内燃机运转状态而对喷射周期ΔT进行计算。在接下来的步骤122中，从上一次用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射起所经过的经过时间Δt被增加固定値dt(Δt＝Δt+dt)。在接下来的步骤123中，对经过时间Δt是否在喷射周期ΔT以上进行判断。在Δt＜ΔT时，进入步骤124，并对是否设置了标识XTR进行判断。该标识XTR在应该实施升温控制时被设置(XTR＝1)，除此之外被清零(XTR＝0)。在标识XTR未被设置时，即不应该实施升温控制时，结束处理循环。在标识XTR已被设置时，即应该实施升温控制时，接下来进入步骤125，并使用图18的映射图而对用于升温控制的碳氢化合物喷射量qHC进行设定。在接下来的步骤125中，仅从碳氢化合物供给阀15喷射qHC的碳氢化合物，因此，实施用于升温控制的碳氢化合物喷射。
在步骤123中，当Δt≥ΔT时，接下来进入步骤127，并仅从碳氢化合物供给阀15喷射W的碳氢化合物，因此，实施用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射。在接下来的步骤128中，将经过时间Δt清零(Δt＝0)。
图21表示用于实施第二NOX净化方法的程序。
参照图21，在步骤130中，根据图13所示的映射图而对每单位时间的排出NOX量NOXA进行计算。接下来在步骤131中，通过使ΣNOX与排出NOX量NOXA相加从而对吸留NOX量ΣNOX进行计算(ΣNOX＝ΣNOX+NOXA)。接下来在步骤132中，对吸留NOX量ΣNOX是否超出了容许値MAX进行判断。在ΣNOX≤MAX时，跳转至步骤135。在ΣNOX＞MAX时，进入步骤133，并根据图15所示的映射图而对追加的燃料量WR进行计算，且实施追加的燃料的喷射作用。此时，将流入排气净化催化剂13的流入废气空燃比(A/F)in设为过浓。接下来，在步骤134中清空ΣNOX。接下来，进入步骤135。
在步骤135中，对在应该实施升温控制时被设置的标识XTR是否已被设置进行判断。在未设置标识XTR时，即不应该实施升温控制时，结束处理循环。在已设置了标识XTR时，即应该实施升温控制时，接下来进入步骤136，使用图18的映射图而对用于升温控制的碳氢化合物喷射量qHC进行设定。在接下来的步骤137中，仅从碳氢化合物供给阀15喷射qHC的碳氢化合物，因此，实施用于升温控制的碳氢化合物喷射。
图22表示对标识XTR进行控制的程序。该程序以每隔被预先规定的固定时间的中断而被执行。
参照图22，在步骤200中，对标识XTR是否已被设置进行判断。在标识XTR被清零时，接下来进入步骤201，并对颗粒过滤器14的前后差压ΔPF是否与容许上限ΔPFU相比而较大进行判断。在ΔPF≤ΔPFU时结束处理循环。在ΔPF＞ΔPFU时，接下来进入步骤202，并设置标识XTR。因此，实施升温控制。当标识XTR已被设置时，从步骤200进入步骤203，并对颗粒过滤器14的前后差压ΔPF是否与容许下限ΔPFL相比而较小进行判断。在ΔPF≥ΔPFL时结束处理循环。在ΔPF＜ΔPFL时接下来进入步骤204，并将标识XTR清零。因此，升温控制结束。
另外，作为其它实施例，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使碳氢化合物重整的氧化催化剂。
至此，在所述的基于本发明的实施例中，对颗粒过滤器14的实际温度TF相对于目标温度TFT的的偏差ΔTF进行计算，并随着偏差ΔTF减小而将用于升温控制的碳氢化合物喷射量设定得较少。在该情况下，在目标温度TFT为固定的情况下，颗粒过滤器14的实际的温度TF表示偏差ΔTF。因此，在基于本发明的其它实施例中，随着颗粒过滤器14的实际温度TF降低而将用于升温控制的碳氢化合物喷射量设定得较多。通过这种方式，从而无需进行偏差ΔTF的计算。
因此，总而言之，与颗粒过滤器14的实际温度TF较高时相比，在颗粒过滤器14的实际温度TF较低时，将用于升温控制的碳氢化合物喷射量设定得较多。
符号说明
4 进气歧管
5 排气歧管
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 (6)

1.一种内燃机的排气净化装置，其中，
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进行振动时对废气中所含有的NOX进行还原的性质，并且具有在将该碳氢化合物浓度的振动周期设为与该预先规定的范围相比而较长时废气中所含有的NOX的吸留量增大的性质，所述内燃机的排气净化装置实施通过以该预先规定的范围内的周期从碳氢化合物供给阀喷射碳氢化合物从而对废气中所含有的NOX进行净化的第一NOX净化方法，并且还在内燃机排气通道内配置用于对废气中的粒状物质进行捕集的颗粒过滤器，在实施第一NOX净化方法的同时，当为了去除颗粒过滤器上所捕集到的粒状物质而应当实施对颗粒过滤器进行升温的升温控制时，以所述预先规定的范围内的周期而实施用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射，并且在不实施用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射的期间中实施用于升温控制的碳氢化合物喷射，且与颗粒过滤器的实际的温度较高时相比，在颗粒过滤器的实际的温度较低时，将用于升温控制的每一次碳氢化合物喷射的碳氢化合物量设定得较多。
2.如权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在升温控制中颗粒过滤器的温度被上升至目标温度且被维持于目标温度，并且随着颗粒过滤器的实际温度相对于该目标温度的偏差变小而将用于升温控制的每一次碳氢化合物喷射的碳氢化合物量设定得较少。
3.如权利要求1或2所述的内燃机的排气净化装置，其中，
以使向排气净化催化剂流入的流入废气的空燃比成为过浓的方式，来实施用于第一NOX净化方法的碳氢化合物喷射。
4.如权利要求1或2所述的内燃机的排气净化装置，其中，
以使向颗粒过滤器流入的流入废气的空燃比成为过稀的方式，来实施用于升温控制的碳氢化合物喷射。
5.如权利要求1或2所述的内燃机的排气净化装置，其中，
选择性地使用所述第一NOX净化方法和第二NOX净化方法，所述第二NOX净化方法为，通过以与该预先规定的范围相比而较长的周期而将流入排气净化催化剂的废气的空燃比设为过浓，从而使吸留NOX从排气净化催化剂中释放并对NOX进行净化的方法。
6.如权利要求5所述的内燃机的排气净化装置，其中，
在排气净化催化剂的温度与临界温度相比而较低时实施第二NOX净化方法，在排气净化催化剂的温度与临界温度相比而较高时实施第一NOX净化方法。
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