CN1820127A - 内燃机的排气净化装置和排气净化方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机的排气净化装置包括执行装置，其中，当在PM消除控制开始后催化剂周围的微粒蓄积量变得小于第一判断值时，所述执行装置执行燃尽控制。停止装置基于所述燃尽控制的结束而停止所述PM消除控制。当从所述催化剂周围的微粒蓄积量降低到第二判断值开始经过的时间达到预定时间时，强制结束装置强制结束所述燃尽控制。所以，该排气净化装置能够完全燃烧PM过滤器中的微粒，并抑制燃料经济性的恶化。

Description

内燃机的排气净化装置和排气净化方法
技术领域
本发明涉及内燃机的排气净化装置和排气净化方法。
背景技术
应用到诸如车辆柴油机的内燃机上的典型排气净化装置包括位于排气***中的PM过滤器(参考日本早期公开专利文献No.2002-227688)。PM过滤器捕集主要由排气中的碳烟构成的微粒(“PM”)。在设有这种排气净化装置的内燃机中，进行PM消除控制来防止PM过滤器被微粒阻塞。在PM消除控制中，微粒被燃烧并去除。
在日本早期公开专利文献No.2002-227688所公开的PM消除控制中，排气空燃比在浓状态和稀状态之间逆转以向PM过滤器的催化剂供应未燃烧的燃料成分和氧气。未燃烧燃料成分的氧化被用来增大催化剂载体的温度并燃烧PM过滤器中的微粒。以能够用最小的未燃烧燃料量增大催化剂中温度的方式来进行PM消除控制中向催化剂供应未燃烧燃料成分的过程。这是为了最小化由于PM消除控制引起的额外燃料消耗。
但是，已经确定在上述PM消除控制中，不能燃烧沉积在PM过滤器的前端(相对于排气流动方向的上游端)处的全部微粒。此现象的原因被认为如下。
PM过滤器的前端容易沉积微粒，并且沉积微粒的量大于下游部分中的沉积量。
其中未燃烧燃料成分和氧气被供应到PM过滤器的PM消除控制不能在单位时间供应足够量的未燃烧燃料成分和氧气来燃烧沉积在PM过滤器前端处的全部微粒。
所以，这意味着即使进行PM消除控制达延长的时间，在PM过滤器的前端处还残留有未燃烧的PM。如果在具有部分残留PM的情况下结束PM消除控制后排气空燃比变浓，则未燃烧燃料成分被供应到PM过滤器，并且未燃烧燃料的氧化使得微粒燃烧，这可能会过分增大PM过滤器的催化剂载体温度。
发明内容
所以，本发明的目的是提供一种内燃机的排气净化装置，其能够完全燃烧PM过滤器中的微粒，并且抑制由于燃烧微粒而很可能引起的燃料经济性恶化。本发明还提供一种内燃机的排气净化方法。
为了实现上述和其他目标并且根据本发明的目的，本发明提供一种内燃机的排气净化装置。所述装置进行PM消除控制，在所述PM消除控制中未燃烧燃料成分被供应到位于所述内燃机的排气***中的催化剂，使得所述催化剂的温度增大并且所述催化剂周围所捕集的微粒被燃烧。所述装置包括执行装置，其中，当在所述PM消除控制开始后所述催化剂周围的微粒蓄积量变得小于第一判断值时，所述执行装置执行燃尽控制，在所述燃尽控制中对所述排气***位于所述催化剂上游的部分的集中间歇燃料添加的进行和停止被重复预定次数。停止装置基于所述燃尽控制的结束而停止所述PM消除控制。当在所述燃尽控制开始后从所述催化剂周围的微粒蓄积量降低到第二判断值开始经过的时间达到预定时间时，强制结束装置强制结束所述燃尽控制。所述第二判断值小于所述第一判断值。
此外，本发明提供了一种内燃机的排气净化方法。所述方法包括进行PM消除控制，在所述PM消除控制中未燃烧燃料成分被供应到位于所述内燃机的排气***中的催化剂，使得所述催化剂的温度增大并且所述催化剂周围所捕集的微粒被燃烧。当在所述PM消除控制开始后所述催化剂周围的微粒蓄积量变得小于第一判断值时执行燃尽控制。在所述燃尽控制中，对所述排气***位于所述催化剂上游的部分的集中间歇燃料添加的进行和停止被重复预定次数。在所述燃尽控制结束的条件下停止所述PM消除控制。当在所述燃尽控制开始后从所述催化剂周围的微粒蓄积量减小到第二判断值开始经过的时间达到预定时间时，强制结束所述燃尽控制。所述第二判断值小于所述第一判断值。
从结合附图通过示例举例说明本发明原理的以下说明，本发明的其他方面和优点将变得清楚。
附图说明
通过结合附图参考以下对本优选实施例的说明，可以最好地理解本发明及其目的和优点，附图中：
图1是图示应用了根据本发明的排气净化装置的内燃机的整体构造的示意图；
图2(a)和2(b)是时序图，图示在燃尽控制期间添加燃料的方式和由于燃料添加引起的排气空燃比的变化；
图3是流程图，示出在PM消除控制的最终阶段用于燃尽控制的过程的执行；
图4(a)至4(d)是时序图，示出与PM消除控制和燃尽控制相关的PM蓄积量的变化、PM消除控制的状态、燃尽控制的状态和计数器C中的变化。
具体实施方式
现在将参照图1至4(d)说明根据本发明优选实施例用于内燃机的排气净化装置。
图1图示应用了根据本实施例的排气净化装置的内燃机10的构造。内燃机10是包括共轨喷油设备和涡轮增压器11的柴油机。发动机10包括进气通道12、燃烧室13和排气通道14。
进气通道12形成内燃机10的进气***。空气滤清器15位于进气通道12的最上游部分。从空气滤清器15开始向着下游侧，在进气通道12中设有空气流量计16、包括在涡轮增压器11中的压缩机17、中冷器18和进气节气门19。进气通道12在位于进气节气门19下游的进气歧管20处分支，并通过进气端口21连接到内燃机10的每个燃烧室13。
在形成内燃机10的排气***一部分的排气通道14中，排气端口22连接到每个燃烧室13。排气端口22通过排气歧管23连接到涡轮增压器11的排气涡轮24。在排气通道14位于排气涡轮24下游的部分中，NOx催化转化器25、PM过滤器26和氧化催化转化器27以此顺序从上游侧开始设置。
NOx催化转化器25承载吸留还原NOx催化剂。NOx催化剂在排气中氧气浓度高时吸留排气中的NOx，并且在排气中氧气浓度低时放出所吸留的NOx。如果在其附近存在足够量的未燃烧燃料成分(其用作还原剂)，NOx催化剂将放出的NOx还原以净化排气。
PM过滤器26由多孔材料制成，并且捕集排气中的微粒(PM)(主要由碳烟构成)。与NOx催化转化器一样，PM过滤器26承载吸留还原NOx催化剂。PM过滤器26的NOx催化剂还原所放出的NOx以净化排气。由NOx催化剂触发的反应燃烧(氧化)并除去所捕集的PM。
氧化催化转化器27承载氧化催化剂。氧化催化剂氧化排气中的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)以净化排气。
在PM过滤器26的上游和下游部分中，分别设置输入气体温度传感器28和输出气体温度传感器29。输入气体温度传感器28检测输入气体温度，其是流入PM过滤器26中的排气的温度。输出气体温度传感器29检测输出气体温度，其是已经通过PM过滤器26的排气的温度。此外，在排气通道14中设置压差传感器30。压差传感器30检测PM过滤器26的上游部分和下游部分之间的压差。氧气传感器31、32分别位于排气通道14在NOx催化转化器25上游的部分中以及排气通道14在PM过滤器26和氧化催化转化器27之间的部分中。氧气传感器31、32检测排气中的氧气浓度。
内燃机10还包括排气再循环设备(EGR设备)，用于将部分排气返回到进气通道12中的空气。EGR设备包括将排气通道14与进气通道12连接起来的EGR通道33。EGR通道33的最上游部分连接到排气通道14中位于排气涡轮24上游的部分。
在EGR通道33中，EGR催化剂34、EGR冷却器35和EGR阀36以此顺序从上游侧开始设置。EGR催化剂34重整再循环排气。EGR冷却器35冷却重整后的排气。EGR阀36调节重整和冷却后的排气的流率。EGR通道33的最下游部分连接到进气通道12中位于进气节气门19下游的部分。
喷油器40设置在内燃机10的每个燃烧室13中来喷射燃料，从而在燃烧室13中燃烧。喷油器40利用高压燃料管41连接到共轨42。高压燃料通过燃料泵43供应到共轨42。共轨42中高压燃料的压力由附装到共轨42的轨压力传感器44检测。燃料泵43能够通过低压燃料管45向加油阀46供应低压燃料。
由电子控制设备50执行内燃机10的各种控制过程。电子控制设备50包括：执行与发动机10的控制相关的各种运算处理的CPU；存储控制所需的程序和数据的ROM；临时存储CPU的运算结果的RAM；以及从外部输入和向外部输出信号的输入和输出端口。
除了上述传感器，电子控制设备50的输入端口还连接到检测发动机10转速的NE传感器51、检测加速踏板的踩压程度的加速踏板传感器52、和检测进气节气门19的开度的节气门传感器53。电子控制设备50的输出端口连接到用于驱动进气节气门19、EGR阀36、喷油器40、燃料泵43和加油阀46的驱动电路。
基于来自上述传感器的检测信号，电子控制设备50掌握发动机10的运行状况。根据所掌握的运行状况，电子控制设备50向连接到输出端口的设备的驱动电路输出命令信号。电子控制设备50执行各种控制过程，例如进气节气门19开度的控制、基于EGR阀36的开度控制的EGR控制、从喷油器40的燃料喷射的量、正时和压力的控制、以及与加油阀46进行的燃料添加相关的控制。
在本实施例中，为了防止NOx催化转化器25和PM过滤器26被PM阻塞，进行PM消除控制，其中由NOx催化转化器25和PM过滤器26捕集的PM被燃烧以净化排气。在PM消除控制中，未燃烧燃料成分被供应到NOx催化转化器25和PM过滤器26的NOx催化剂，使得未燃烧燃料成分在排气中或者在每个催化剂上被氧化以产生热。所以，催化剂被加热到约600到700℃的温度，并且催化剂周围的PM被燃烧。
在PM消除控制期间，未燃烧燃料成分可以在排气冲程或者膨胀冲程中通过副喷射(后喷射)供应到催化剂，该喷射在燃料从喷油器40喷射以在燃烧室13中燃烧之后执行。或者，未燃烧燃料可以通过从加油阀46向排气添加燃料来供应。为了最小化由于PM消除控制引起的额外燃料消耗，在PM消除控制中添加到催化剂的未燃烧燃料成分的量被限制为允许催化剂温度必要增大的最小值。
在此实施例中，当满足以下所有要求时进行PM消除控制。
PM的消除被请求。当基于从发动机运行状况估计的PM过滤器26的PM蓄积量达到并超过容许范围的最高值的事实而识别出PM过滤器26的阻塞时，做出对PM消除的请求。
输入气体温度传感器28的检测值(输入气体温度thci)大于或等于执行PM消除控制的下限温度A(例如150℃)。此外，从发动机运行状况的历史记录估计的NOx催化剂的催化剂载体温度大于或等于执行PM消除控制的下限温度B。下限温度A、B是当供应未燃烧燃料成分时，引起足以增大催化剂载体温度的氧化的排气温度和催化剂载体温度的最低值。
输入气体温度传感器28的检测值小于避免由于PM消除控制产生的热引起催化剂的过度温度增大的温度范围的上限值C。
输出气体温度传感器29的检测值小于避免由于PM消除控制引起催化剂的过度温度增大的温度范围的上限值D。
允许对排气的燃料添加。即，发动机运行状况处于允许对排气添加燃料的范围中。只要发动机10没有熄火、已经区别出气缸并且不限制加速踏板的踩压程度，在内燃机10中就允许对排气添加燃料。
在NOx催化转化器25的上游端和PM过滤器26的上游端，即使进行上述PM消除控制，一些PM仍残留下来。PM残留的原因被认为是PM容易沉积在NOx催化转化器25的排气上游端和PM过滤器26的排气上游端，并且PM消除控制中未燃烧燃料成分的供应不能供应每单位时间足够量的未燃烧燃料成分来完全燃烧PM。特别地，在位于PM过滤器26上游的NOx催化转化器25中，更大量未在PM消除控制中燃烧的PM残留在上游端。
在这点上，在PM消除控制的最终阶段进行燃尽控制来燃烧未能在PM消除控制中被燃烧的PM。将参照图2(a)和2(b)说明燃尽控制的概况。图2(a)示出了加油阀46添加燃料的方式，而图2(b)示出了排气空燃比的变化。
如图2(a)所示，在燃尽控制中反复进行和停止集中的间歇燃料添加。集中的间歇燃料添加将供应到NOx催化转化器25和PM过滤器26的未燃烧燃料成分和氧气的量增大到足以燃烧在PM消除控制中未能燃烧的PM的水平。所以，集中的间歇燃料添加允许PM被燃烧。
但是，集中的间歇燃料添加使得催化剂载体温度显著增大。因此，在本实施例中，周期性地停止燃料添加，由此抑制催化剂载体温度过度增大。结果，间歇的集中燃料添加被反复地进行和停止，并且排气空燃比如图2(b)所示地在浓状态和稀状态之间反复地逆转。当集中的间歇燃料添加的反复进行和停止达到足以燃烧残留在NOx催化转化器25和PM过滤器26中的PM的次数(在本实施例中为三次)时，结束燃尽控制。
PM消除控制基于燃尽控制的结束而停止。
现在将参照示出了燃尽控制例程的图3，来说明用于在PM消除控制的最终阶段处的燃尽控制的过程。燃尽控制例程例如以预定时间间隔由电子控制设备50作为中断来执行。
在例程中，判断当前是否在进行PM消除控制(S101)。如果正在进行PM消除控制，则判断PM蓄积量是否已经降到判断值Da之下(S102)。如果S102的结果为肯定，则进行用于进行燃尽控制的步骤S103至S105。
判断值Da被设定为这样的值，其表示在NOx催化转化器25和PM过滤器26的每一个中，下游侧部分中的PM已经被PM消除控制完全燃烧，而上游侧部分中的PM未被PM消除控制完全燃烧。例如，判断值Da被设定未0.3g。如果在PM残留在NOx催化转化器25和PM过滤器26的下游部分中的情况下执行燃尽控制，并且PM被燃尽控制燃烧，则这些部分的温度可能过度增大。判断值Da的值被设定为防止这些部分的这种过度增大。
燃尽控制中的集中间歇燃料添加不起作用，除非其在添加的燃料被汽化并促进PM燃烧的状态下被执行。所以，在由集中的间歇燃料添加所添加的燃料不被汽化的运行状况下(例如在排气温度不增大的低负荷运行状况下)，优选地中止集中的间歇燃料添加。
因此，在用于进行燃尽控制的步骤S103至S105中，例如基于发动机负荷和发动机转速来判断当前运行状态是否适合于进行集中的间歇燃料添加(S103)。仅仅在S103的结果为肯定时重复进行和停止集中的间歇燃料添加(S104)。如果步骤S103的结果为否定，则燃尽控制进入待用状态(S105)，并且不进行集中的间歇燃料添加。但是，即使在燃尽控制的待用状态中，未燃烧燃料成分基于PM消除控制而继续供应到催化剂。
步骤S106和后续步骤用于结束燃尽控制，并且基于燃尽控制的结束而停止PM消除控制。在这一系列步骤中，当集中的间歇燃料添加的进行和停止的重复次数达到三次(S106处结果为肯定)时，燃尽控制结束(S108)。所以，PM消除控制停止(S109)。但是，如果燃尽控制在重复次数达到三次之前进入待用状态并且待用状态持续延长的时间段，则不可避免的是发动机10的燃料消耗由于在PM消除控制中供应到催化剂的未燃烧燃料成分的量而恶化。
所以，在此实施例中，即使重复次数尚未达到三次(S106处结果为否定)，当从PM蓄积量由燃尽控制达到判断值Db(其小于判断值Da)开始经过的时间达到预定时间t时，也结束燃尽控制(S108)。例如基于计数器C来判断经过时间是否已经达到预定时间t。当PM蓄积量达到预定值Db时，计数器C根据另一个例程从零开始每经过预定时间段就递增。基于计数器C达到与预定时间t相对应的判断值Dc的事实，经过时间被判断为已经达到预定时间t。于是，基于燃尽控制的结束(S108)，停止PM消除控制(S109)。因此，防止了由于燃尽控制的延长待用状态引起的发动机燃料经济性的恶化。
在本实施例中，判断值Db为零。预定时间t被设定为比连续三次重复燃尽控制的集中间歇燃料添加的进行和停止所需时间更长，并且足够短来防止由于在待用状态中进行PM消除控制引起的燃料经济性的恶化超过容许水平。因为通常花费三十至四十秒来进行集中间歇燃料添加的进行和停止的单次循环，所以预定时间t可以被设定为例如180秒。
最后，将参照图4(a)至4(d)的时序图说明PM消除控制和燃尽控制的进行。图4(a)至4(d)是时序图，分别示出PM蓄积量的变化、PM消除控制的状态、燃尽控制的状态和计数器C的变化。
在时间T1，开始PM消除控制。于是，PM蓄积量被减小并且在时间T2降低到判断值Da之下，在该处开始燃尽控制。在燃尽控制期间，如果燃尽控制的待用状态持续达延长时间段，则控制的结束将推迟，如图4(c)中双点划线所示。所以，基于燃尽控制的流率的PM消除控制的结束将被推迟，如图4(b)中双点划线所示。结果，燃料经济性将由于基于PM消除控制而在待用状态中供应到催化剂的未燃烧燃料成分的量而恶化。
但是，在此实施例中，当从PM蓄积量已经由燃尽控制达到零(判断值Db)时开始经过的时间达到预定时间t时，即当计数器C达到判断值Dc时(时间T4)，燃尽控制被强制结束，如图4(c)中实线所示。根据燃尽控制的强制结束，PM消除控制停止，如图4(b)中实线所示。这抑制了发动机燃料经济性的恶化。
上述实施例具有以下优点。
(1)NOx催化转化器25和PM过滤器26的上游部分中的PM(其不能由PM消除控制完全燃烧)由燃尽控制完全燃烧，所述燃尽控制在PM消除控制的最终阶段进行。所以，当在PM消除控制结束后排气空燃比变浓时，没有残留在NOx催化转化器25和PM过滤器26的上游端中的PM被燃烧，因此防止了催化剂温度的过度增大。
(2)当燃尽控制的待用状态延续达延长时间段时，在从PM蓄积量由燃尽控制达到判断值Db(0)开始经过的时间达到预定时间t的条件下，强制停止燃尽控制。所以，即使燃尽控制的待用状态持续达延长时间段，发动机的燃料经济性也不会恶化。
(3)预定时间t被设定为比连续三次重复燃尽控制的集中间歇燃料添加的进行和停止所需时间更长，并且足够短来防止由于在待用状态中进行PM消除控制引起的燃料经济性恶化超过容许水平。所以，如果预期燃尽控制的待用状态将被延长而使得燃料经济性的恶化变得不可容许，则强制结束燃尽控制。所以，将燃料经济性恶化抑制为容许水平。
(4)因为NOx催化转化器25位于排气通道14中PM过滤器26的上游，PM容易蓄积在NOx催化转化器25的上游端。所以，增大了不能由PM消除控制完全燃烧的PM量。在PM未完全燃烧的部分中，减小了催化剂暴露到排气的表面积。这延迟了催化剂的活化。所以，减小了催化剂中在排气净化期间产生的热。结果，减小了从NOx催化转化器25传递到位于下游的PM过滤器26的热。这阻碍了PM过滤器26中催化剂的活化。结果，排气净化性能可能被降低。但是，通过在PM消除控制的最终阶段由燃尽控制完全燃烧NOx催化转化器25上游端残留的PM，消除了这些缺点。
上述实施例可以修改如下。
NOx催化转化器25、PM过滤器26和氧化催化转化器27沿着排气通道14的顺序可以按照需要改变。
在燃尽控制中，集中间歇燃料添加的进行和停止的重复次数不限于三次，只要该次数足以完全燃烧NOx催化转化器25和PM过滤器26中的残留PM。
判断值Da不限于0.3g(在上述实施例中表现为该值)，只要值Da表示在NOx催化转化器25和PM过滤器26下游部分的PM已经被完全燃烧。
判断值Db不必是零，而可以被改变为小于判断值Da的任何值。
本示例和实施例应当被视为举例说明而非限制，并且本发明不限于此处给出的细节，而可以在所附权利要求的范围和等价方案内修改。

Claims (4)

1.一种内燃机的排气净化装置，所述装置进行微粒消除控制，在所述微粒消除控制中未燃烧燃料成分被供应到位于所述内燃机的排气***中的催化剂，使得所述催化剂的温度增大并且所述催化剂周围所捕集的微粒被燃烧，所述装置的特征在于包括：
执行装置，其中，当在所述微粒消除控制开始后所述催化剂周围的微粒蓄积量变得小于第一判断值时，所述执行装置执行燃尽控制，在所述燃尽控制中对所述排气***位于所述催化剂上游的部分的集中间歇燃料添加的进行和停止被重复预定次数；
停止装置，其基于所述燃尽控制的结束而停止所述微粒消除控制；和
强制结束装置，当在所述燃尽控制开始后从所述催化剂周围的微粒蓄积量降低到第二判断值开始经过的时间达到预定时间时，所述强制结束装置强制结束所述燃尽控制，所述第二判断值小于所述第一判断值。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预定时间比连续重复所述预定次数的所述燃尽控制的集中间歇燃料添加的进行和停止所需的时间更长，并且足够短来防止由于所述预定时间中进行所述微粒消除控制引起的燃料经济性恶化。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述催化剂被串联布置在所述排气***中的微粒过滤器和NOx催化转化器所承载。
4.一种内燃机的排气净化方法，所述方法的特征在于：
进行微粒消除控制，在所述微粒消除控制中未燃烧燃料成分被供应到位于所述内燃机的排气***中的催化剂，使得所述催化剂的温度增大并且所述催化剂周围所捕集的微粒被燃烧；
当在所述微粒消除控制开始后所述催化剂周围的微粒蓄积量变得小于第一判断值时执行燃尽控制，其中在所述燃尽控制中，对所述排气***位于所述催化剂上游的部分的集中间歇燃料添加的进行和停止被重复预定次数；
在所述燃尽控制结束的条件下停止所述微粒消除控制；和
当在所述燃尽控制开始后从所述催化剂周围的微粒蓄积量减小到第二判断值开始经过的时间达到预定时间时，强制结束所述燃尽控制，所述第二判断值小于所述第一判断值。
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