CN1877104B - 内燃机废气净化装置 - Google Patents

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Abstract

通过进行主燃料喷射和副燃料喷射以进行发动机的浓运转而实现NOx催化剂的NOx净化。在NOx净化中，主燃料喷射量和副燃料喷射量之间的比率被可变化地确定在副燃料喷射量的比率相对较大的5∶1到2∶1的范围内，使得当三元催化剂的温度较高时副燃料喷射量的比率更大。

Description

内燃机废气净化装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机排气通道中设置的用于净化废气中含有的NOx的废气净化装置。
背景技术
为了改进燃料燃烧特性和排气特性，诸如缸内喷射型发动机等的稀薄燃烧式发动机在规定的运转区域中以稀薄空燃比也就是比化学计算空燃比稀薄的空燃比运转。
在这样的稀薄燃烧式发动机中，当进行稀薄空气/燃料比运转(以下称为“稀薄运转”)时，废气中含有的NOx(氮氧化物)只用三元催化剂(three-way catalyst)不能在充分的方式下净化。因此，通过提供NOx催化剂，排放到大气中的NOx被减少。在稀薄运转中，NOx催化剂吸收包含在废气中的NOx。在化学计算空燃比运转(以下称为“化学计算运转”)或浓空燃比运转(以下称为“浓运转”)中，NOx催化剂通过用还原剂还原NOx(NOx净化)来排放吸收的NOx和净化该NOx。
当提供三元催化剂和NOx催化剂时，为了保证内燃机在刚启动之后就具有充分的废气净化性能，该三元催化剂设置在内燃机排气通道的上游部分以便在早期被激活。
然而，当三元催化剂设置在NOx催化剂的上游时，诸如HC或CO等的还原剂在NOx净化过程中也被三元催化剂净化，这样会导致NOx净化不能以充分的方式进行的问题。
因此，为了即使在三元催化剂设置在NOx催化剂的上游时也能以充分的方式实现NOx净化，例如，日本未审查专利公报No.2002-4915(以下称为专利文件1)开发和提出了诸如使浓运转时间更长，使浓运转空燃比更高，或在主燃料的燃烧后喷射附加燃料等的技术。
然而，如专利文件1中公开的技术中的使浓运转时间更长或使浓运转空燃比更高将导致内燃机的燃料经济性大幅度下降的问题。
另外，催化剂的净化能力取决于温度，因此还有这样的问题，当三元催化剂变得更活跃时，在NOx净化过程中提供到NOx催化剂的还原剂的数量降低，使NOx催化剂的废气净化性能降低。
发明内容
本发明的一个方面是设置在内燃机中的废气净化装置，该装置包括：将燃料直接喷射进内燃机的燃烧室的燃料喷射装置；设置在内燃机排气通道中，在内燃机的稀薄运转中吸收废气中含有的NOx以及在内燃机的化学计算运转或浓运转中排放和还原所吸收的NOx的NOx催化剂；设置在排气通道中NOx催化剂上游的三元催化剂；用于检测或估计NOx催化剂和三元催化剂中至少任何一个的温度的催化剂温度检测装置；和用于通过控制燃料喷射装置进行主燃料喷射和副燃料喷射进行内燃机的化学计算运转或浓运转，使NOx催化剂排放和还原被吸收的NOx的NOx净化控制装置，主燃料喷射在吸气冲程和压缩冲程的至少任何一个冲程中进行，副燃料喷射在膨胀冲程和排气冲程的至少任何一个冲程中进行，其中，NOx净化控制装置取决于由催化剂温度检测装置检测或估计的温度可变化地确定主燃料喷射量和副燃料喷射量之间的比率。
附图说明
本发明将通过下文的详细叙述和附图得到更全面的理解，叙述和附图仅仅通过说明的方式给出，因此不是对本发明的限制，其中：
图1是显示根据本发明的实施例的内燃机废气净化装置的结构的示意图；
图2是图1的内燃机废气净化装置中由ECU执行的NOx净化控制流程的流程图；
图3是显示当在图1的内燃机废气净化装置中进行NOx净化控制时前级三元催化剂入口侧温度和NOx净化率之间的关系的曲线图；
图4是显示当进行常规NOx净化控制时前级三元催化剂入口侧温度和NOx净化率之间的关系的曲线图；
图5是显示当在图1的内燃机废气净化装置中进行NOx净化控制时和进行常规NOx净化控制时的CO浓度和HC浓度的曲线图；
图6是显示前级三元催化剂的容量和空燃比怎样影响NOx净化率的曲线图。
具体实施方式
下文将参考附图对本发明的实施例进行描述。
图1示意性地显示根据本发明的内燃机废气净化装置的结构。
如图1所示，发动机1(内燃机)是具有喷射器6(燃料喷射装置)和火花塞4的所谓缸内喷射型发动机，喷射器6能够把燃料直接喷射进燃烧室2，火花塞用于点燃喷射器6喷射的燃料。
虽然图1显示了一个燃烧室2，但发动机1包括多个汽缸(例如4缸，6缸等)，所述每个汽缸具有相似的配备喷射器6和火花塞4的燃烧室2。下文对作为代表的燃烧室2的叙述当然也可以用于其他燃烧室2。
进气口8和排气口10被设置成与燃烧室2相连通，所述进气口8与发动机1的高度几乎平行地延伸，所述排气口10与发动机1的宽度几乎平行地延伸。
进气口8配备建立或阻断燃烧室2和进气口8之间的连通的进气阀12。排气口10配备建立或阻断燃烧室2和排气口10之间的连通的排气阀14。
进气口8连接到进气歧管16，排气口10连接到排气歧管18。
与排气歧管18连接到排气管20，废气净化装置30设置在排气管20中。
在废气净化装置30中，前级三元催化剂32(三元催化剂)，NOx催化剂34和后级三元催化剂36从上游侧以前述顺序设置。
具体地，前级三元催化剂32和后级三元催化剂36具有氧化来自发动机1的废气中含有的HC和CO以及还原废气中也含有的NOx的功能。当发动机处于稀薄运转时，NOx催化剂34具有吸收来自发动机1的废气中含有的NOx的功能，当发动机处于化学计算运转或浓运转时，NOx催化剂34具有排放和还原所吸收的NOx的功能，换句话说，进行所谓的NOx净化。
在废气净化装置30的废气入口附近设置温度传感器38(催化剂温度检测装置)。
包括火花塞4和喷射器6的各种装置和包括温度传感器38的各种传感器与ECU(电子控制单元)40(NOx净化控制装置)电连接。ECU40根据来自传感器的信号控制各种装置的工作。
下面将描述如上所述设置的根据本发明的内燃机废气净化装置的功能。
图2是显示根据本发明的内燃机废气净化装置中由ECU40执行的NOx净化的控制流程的流程图。
NOx净化时刻的确定取决于发动机1等的运转状况。这里，作为实例，为了NOx净化，进行每一个30秒的稀薄运转和2秒的空燃比(A/F)为13.0的浓运转。这种方式的NOx净化下文将称为状况A。
如图2所示，在NOx净化中，首先在步骤S1，由温度传感器38检测废气净化装置30的入口侧温度，然后根据该入口侧温度计算废气净化装置30中设置的每个催化剂的温度。例如，前级三元催化剂32的温度可被估计为基本等于由温度传感器38检测的废气净化装置30的入口侧温度，NOx催化剂34的温度可被估计为废气净化装置30的温度加上规定的温度(例如，100℃)。
接下来，在步骤S2，确定对于NOx净化进行的浓运转中主燃料喷射中的燃料喷射量(以下称为主燃料喷射量)和副燃料喷射中的燃料喷射量(以下称为副燃料喷射量)之间的比率。
具体地，在为NOx净化进行的浓运转中，燃料喷射以被分为吸气冲程中的主燃料喷射和膨胀冲程中的副燃料喷射这样的方式进行。
在状况A时的NOx净化中，例如，主燃料喷射量和副燃料喷射量之间的比率被确定为2.5∶1。请注意，对于NOx净化的空燃比是对于包括主燃料喷射和副燃料喷射的全部燃料喷射的空燃比。在状况A时的NOx净化中，状况被设置成在浓运转启动后0.2秒进行0.5秒的副燃料喷射，以及对于2秒的NOx净化的全部空燃比为13.0。
请注意，当步骤S1中检测的前级三元催化剂32的温度在前级三元催化剂32的激活温度范围内时，主燃料喷射量和副燃料喷射量之间的比率被确定在5∶1到2∶1的范围内，此时副燃料喷射量相对较大。
进一步，主燃料喷射量和副燃料喷射量之间的比率被这样确定，即前级三元催化剂32的温度越高，副燃料喷射量的比率越高。结果，当三元催化剂的温度较高时，来自发动机1的废气就含有更大量的HC。与诸如CO等的其他还原剂相比，HC更不容易被前级三元催化剂32净化。因此，即使当前级三元催化剂32被激活时，也能够有足够量的HC被提供到NOx催化剂34。
然后，在步骤S3，校正副燃料喷射的结束时间(以下称为副燃料喷射结束时间)。
具体地，所进行的校正使得当前级三元催化剂32的温度较高时，副燃料喷射结束时间就更大程度地延迟，虽然该校正受到条件的约束，即受到这样的条件的约束，通过副燃料喷射过程喷射的燃料不应当被通过主燃料喷射过程喷射的燃料的燃烧点燃。这样校正的结果是，当三元催化剂32的温度较高时，废气含有的HC的量更大。
在状况A时的NOx净化中，初始副燃料喷射结束时间设定为65°ATDC(上死点之后)。
然后，在步骤S4，利用步骤S2和步骤S3中确定的燃料喷射比率和燃料喷射时间开始进行NOx净化控制，该流程的执行就到此结束。
这里，参见图3至图6。图3是显示当进行本实施例中的NOx净化控制时前级三元催化剂32入口侧温度和NOx净化率之间的关系的曲线图；图4是显示当进行常规NOx净化控制时前级三元催化剂32入口侧温度和NOx净化率之间的关系的曲线图；图5是显示当进行本实施例中的NOx净化控制时和进行常规NOx净化控制时废气中的CO浓度和HC浓度的曲线图。请注意，常规NOx净化控制是在状况A下进行的，主燃料喷射量和副燃料喷射量之间的比率为8.8∶1，副燃料喷射结束时间为89°ATDC。
图3和图4之间的比较显示，当副燃料喷射量比率如同本实施例中的NOx净化控制中一样上升时，NOx净化率就得到很大程度的提高。
进一步，如图5所示，当进行常规NOx净化控制时，废气净化控制装置30的入口周围的废气具有高CO浓度和低HC浓度。同时，当进行本实施例中的NOx净化控制时，废气净化控制装置30的入口周围的废气具有低CO浓度和高HC浓度。
进一步，在本实施例的NOx净化控制中，废气净化控制装置30的入口周围废气具有低CO浓度，在前级三元催化剂32之后该浓度稍许增加。据此可推断，虽然初始时CO比HC更容易被前级三元催化剂净化，但当大量的HC到达前级三元催化剂32时，CO从HC生成，使前级三元催化剂32对CO的净化受到抑制。
因此，如图5所示，与常规NOx净化控制相比，当进行本实施例的NOx净化控制时，不容易被前级三元催化剂32净化的大量HC从发动机1排出，同时，在存在NOx催化剂34的情况下作为还原剂进行良好反应的CO的量也增加。因此，还原剂以更好的方式提供到NOx催化剂34。
因此，即使当前级三元催化剂32处于被激活状态时，通过可变化地确定主燃料喷射量和副燃料喷射量之间的比率而使得当前级三元催化剂32的温度较高时副燃料喷射量的比率在5∶1到2∶1的范围内增加，该范围内副燃料喷射量的比率与常规的情况相比相对较大，而不改变NOx净化中消耗的燃料量，并且通过当前级三元催化剂32的温度较高时较大程度地延迟副燃料喷射量结束时间，足够量的还原剂就能够被提供到NOx催化剂34，使NOx净化能以良好的方式进行。
因此，在抑制NOx净化造成的燃料经济性下降的同时，可以提高废气净化性能。
上文描述了根据本发明的一个实施例的内燃机废气净化装置。然而，本发明不限于所述的实施例。
例如，在NOx净化的浓运转中空燃比的确定取决于前级三元催化剂32的容量。在所述的实施例中，前级三元催化剂32的容量是1.0L(1.0公升)。如图6所示，如果前级三元催化剂32的容量是0.6L，即使当NOx净化的浓运转中空燃比被设定为14.0时，也能够实现足够高的NOx净化率。因此，当前级三元催化剂32的容量较小时，NOx净化的浓运转中空燃比可设定成使燃料经济性下降较小的数值。
进一步，在上述实施例中通过进行浓运转而进行的NOx净化可通过进行化学计算运转而进行。
进一步，上述实施例中在吸气冲程中进行的主燃料喷射可在压缩冲程中进行，上述实施例中在膨胀冲程中进行的副燃料喷射可在排气冲程中进行。
进一步，虽然在上述实施例中，为NOx净化在稀薄运转30秒之后进行浓运转2秒，但NOx净化方式不限于此。NOx净化可在其他条件下进行。
进一步，在所述实施例中，浓运转启动后0.2秒副燃料喷射开始，副燃料喷射周期为0.5秒。当副燃料喷射周期被确定为短于浓运转周期时，虽然副燃料喷射被要求应当在浓运转周期内结束，但副燃料喷射可在浓运转周期内的任意点处开始。
进一步，虽然在上述实施例中，催化剂温度传感器38设置在废气净化装置30的废气入口的附近，但催化剂温度传感器38的设置位置不限于此，其可设置在能够检测催化剂温度的任何位置。这样，前级三元催化剂32的温度和NOx催化剂34的温度通过取决于催化剂温度传感器38的位置校正催化剂温度传感器38的检测输出而获得。
替代使用如催化剂温度传感器38等的直接检测温度的装置，可以使用根据公知方式获得的温度之外的参数估计催化剂温度的装置或计算方法。
进一步，在所述实施例中，根据前级三元催化剂32的温度来确定主燃料喷射量和校正副燃料喷射量之间的比率和校正副燃料喷射结束时间。然而，确定上述比率和校正副燃料喷射结束时间的方法不限于此，例如，该过程可根据NOx催化剂34的温度进行。
后级三元催化剂36不是绝对必要的，可根据需要设置。
通过对本发明的描述，很明显，本发明可采用多种不同方法变化。这样的变化不认为是背离了本发明的精神和范围，并且所有对于本领域熟练的专业人员显而易见的这些修改都将被包括在附后的权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种内燃机废气净化装置，包括：
用于把燃料直接喷射进内燃机燃烧室的燃料喷射装置；
设置在内燃机排气通道中的NOx催化剂，以在内燃机的稀薄运转中吸收废气中含有的NOx，以及在内燃机的化学计算运转或浓运转中排放和还原被吸收的NOx；
设置在排气通道中NOx催化剂上游的三元催化剂；
用于直接检测NOx催化剂和三元催化剂中至少一个的温度的催化剂温度检测装置；和
用于通过控制燃料喷射装置进行主燃料喷射和副燃料喷射执行内燃机的化学计算运转或浓运转，使NOx催化剂排放和还原被吸收的NOx的NOx净化控制装置，主燃料喷射在吸气冲程和压缩冲程中的至少一个冲程中执行，副燃料喷射在膨胀冲程和排气冲程中的至少一个冲程中执行，其中，
所述NOx净化控制装置根据由催化剂温度检测装置检测到的温度可变化地确定主燃料喷射量和副燃料喷射量之间的比率，所述NOx净化控制装置把主燃料喷射量和副燃料喷射量之间的比率确定在5∶1到2∶1的范围内。
2.如权利要求1所述的内燃机废气净化装置，其特征在于，其中
所述NOx净化控制装置通过增加催化剂温度检测装置检测到的温度，把副燃料喷射量相对于主燃料喷射量的比率确定得更大。
3.如权利要求1所述的内燃机废气净化装置，其特征在于，其中
所述NOx净化控制装置通过增加催化剂温度检测装置检测到的温度，来控制所述燃料喷射装置，以便延迟副燃料喷射的结束时间。
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