TWI655361B - 用於內燃機之排氣控制裝置及用於排氣控制裝置之控制方法 - Google Patents

用於內燃機之排氣控制裝置及用於排氣控制裝置之控制方法 Download PDF

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Abstract

提供的是用於內燃機之排氣控制裝置。排氣控制裝置裝配有NOx還原觸媒、還原劑貯槽、還原劑供應器、增壓器、加熱器和電子控制單元。電子控制單元建構成進行提升還原劑溫度到第一目標溫度之控制，使得當排氣能量低於第一閾值時，將還原劑供應器所供應的還原劑在排氣通路中帶到氣液混合狀態。

Description

用於內燃機之排氣控制裝置及用於排氣控制裝置之控制方法
本發明關於用於內燃機的排氣控制裝置及用於排氣控制裝置之控制方法。
日本專利公開案第2006-214337號(JP 2006-214337 A)揭示內燃機的排氣通路設有NOx還原觸媒，並且NOx藉由供應還原劑給NOx還原觸媒而在NOx還原觸媒中還原。於日本專利公開案第2006-214337號(JP 2006-214337 A)，燃料作為還原劑而供應給NOx儲存還原觸媒。
當排氣管中的排氣溫度為低並且排氣能量為低時，供應到排氣管裡的還原劑是在液態下供應給NOx還原觸媒。於日本專利公開案第2006-214337號(JP 2006-214337 A)，因為將高壓泵所加壓的高溫燃料引入排氣管 裡，所以燃料透過降低壓力下的沸騰現象而在早期氣化。描述的是因此可以提高還原NOx的效能。
由於努力研究的結果，本案發明人已經發現：將氣液混合狀態的還原劑供應給NOx還原觸媒，而非供應液態或氣態的還原劑，則NOx可以被更有效的還原。這現象視為基於下面將描述的機制。
當在排氣管中氣化的還原劑流動到NOx還原觸媒裡時，還原成分供應到整個觸媒。尤其，在NOx還原觸媒是NOx儲存還原觸媒的情形，主要使用氣化還原劑而透過與已附著於觸媒之氧的反應來提升觸媒的溫度。另一方面，呈小滴狀態的還原劑可以局部提升還原成分在觸媒上的濃度。因而，觸媒上的氧被氣化的還原劑所移除，並且還原成分在觸媒上的濃度是由小滴狀態的還原劑所局部提升。因此，可以加速NOx儲存還原觸媒中的NOx還原反應。另外，也在NOx還原觸媒是NOx選擇催化還原(selective catalytic reduction，SCR)觸媒的情形，將小滴狀態的尿素水供應給觸媒而局部提高氨在觸媒上的濃度，同時將透過尿素水之水解所產生的氣態氨作為還原劑而供應給整個觸媒，則可以加速SCR觸媒中的NOx還原反應。
本發明提供用於內燃機之排氣控制裝置及用於排氣控制裝置之控制方法，其當排氣通路中的排氣能量為低時，則有可能供應氣液混合狀態的還原劑給NOx還原 觸媒。
本發明的第一方面是用於內燃機之排氣控制裝置。排氣控制裝置包括NOx還原觸媒、還原劑貯槽、還原劑供應器、增壓器、加熱器和電子控制單元。NOx還原觸媒排列於內燃機的排氣通路中。還原劑貯槽儲存還原劑。還原劑供應器建構成在排氣流向之NOx還原觸媒的上游而將還原劑供應給排氣通路。增壓器建構成把從還原劑貯槽供應到還原劑供應器之還原劑的壓力推升到高於排氣通路中的壓力。加熱器建構成加熱從還原劑貯槽供應到還原劑供應器的還原劑。電子控制單元建構成藉由加熱器來控制還原劑的溫度。電子控制單元建構成估計排氣通路中之排氣能量。電子控制單元建構成進行提升還原劑的溫度到第一目標溫度之控制，使得當排氣能量低於第一閾值時，將還原劑供應器所供應的還原劑在排氣通路中帶到氣液混合狀態。
於排氣控制裝置，電子控制單元可以建構成執行排氣通路中之排氣溫度的偵測和估計之中一者。電子控制單元可以建構成基於排氣溫度來估計排氣通路中之排氣能量。
於排氣控制裝置，電子控制單元可以建構成估計排氣通路中之排氣流率。電子控制單元可以建構成基於排氣溫度和排氣流率來估計排氣通路中之排氣能量。
於排氣控制裝置，電子控制單元可以建構成當排氣能量等於或高於第一閾值並且低於第二閾值時，將 還原劑的溫度提升到第二目標溫度。第二目標溫度可以低於第一目標溫度。
於排氣控制裝置，電子控制單元可以建構成藉由逐漸提升還原劑的溫度，而提升還原劑的溫度到第一目標溫度。
於排氣控制裝置，電子控制單元可以建構成藉由還原劑供應器來控制還原劑的供應。在還原劑的溫度上升到第一目標溫度之後，而當排氣能量變成等於或高於第一閾值時，電子控制單元可以建構成供應在第一目標溫度之還原劑給排氣通路，並且供應低於第一目標溫度之還原劑給排氣通路。
於排氣控制裝置，電子控制單元可以建構成執行大氣壓力的偵測和估計之中一者。電子控制單元可以建構成將第一目標溫度和第一閾值之中至少一者設定為當大氣壓力相對為低時乃低於當大氣壓力相對為高時。
本發明的第二方面是用於排氣控制裝置之控制方法。排氣控制裝置設於內燃機中。排氣控制裝置包括NOx還原觸媒、還原劑貯槽、還原劑供應器、增壓器、加熱器和電子控制單元。NOx還原觸媒排列於內燃機的排氣通路中。還原劑貯槽儲存還原劑。還原劑供應器建構成在排氣流向之NOx還原觸媒的上游而將還原劑供應給排氣通路。增壓器建構成將從還原劑貯槽供應到還原劑供應器之還原劑的壓力推升到高於排氣通路中的壓力。加熱器建構成加熱從還原劑貯槽供應到還原劑供應器的還原劑。控制 方法包括：以加熱器來控制還原劑的溫度；以電子控制單元來估計排氣通路中的排氣能量；以及以電子控制單元來提升還原劑的溫度到第一目標溫度，使得當排氣能量低於第一閾值時，將還原劑供應器所供應的還原劑在排氣通路中帶到氣液混合狀態。
根據前述組態，提供了用於內燃機之排氣控制裝置，其當排氣通路中的排氣能量為低時，可以供應氣液混合狀態的還原劑給NOx還原觸媒。
1‧‧‧內燃機
2‧‧‧燃燒室
3‧‧‧燃料注射閥
4‧‧‧進氣歧管
5‧‧‧排氣歧管
6‧‧‧進氣管
7‧‧‧渦輪增壓器(增壓器)
7a‧‧‧壓縮機
7b‧‧‧渦輪
8‧‧‧空氣清淨機
9‧‧‧節流閥
10‧‧‧引擎本體
13‧‧‧冷卻器
14‧‧‧排氣再循環(EGR)通路
15‧‧‧EGR控制閥
17‧‧‧燃料供應管
18‧‧‧共軌
20‧‧‧EGR冷卻器
27‧‧‧排氣管
28‧‧‧NOx儲存還原(NSR)觸媒
28a‧‧‧觸媒載體
28b‧‧‧貴金屬
28c‧‧‧儲存物質
29‧‧‧柴油顆粒過濾器(DPF)
30‧‧‧燃料泵
31‧‧‧燃料貯槽
32‧‧‧燃料配管結構
33‧‧‧洩漏燃料配管結構
34‧‧‧加熱器
35‧‧‧還原劑供應器
36‧‧‧排氣溫度感測器
80‧‧‧電子控制單元(ECU)
81‧‧‧雙向匯流排
82‧‧‧唯讀記憶體(ROM)
83‧‧‧隨機存取記憶體(RAM)
84‧‧‧微處理器(CPU)
85‧‧‧輸入埠
86‧‧‧輸出埠
87‧‧‧類比對數位(AD)轉換器
88‧‧‧驅動電路
101‧‧‧負載感測器
102‧‧‧氣流計
108‧‧‧曲柄角度感測器
120‧‧‧加速踏板
AN‧‧‧抵達NSR觸媒的NOx量
EE‧‧‧排氣能量
EF‧‧‧排氣流率
NE‧‧‧引擎轉速
P‧‧‧泵
Qe‧‧‧燃料注射量
S101~S104‧‧‧本發明第一具體態樣之還原劑供應過程的控制常規步驟
S201~S206‧‧‧本發明第二具體態樣之還原劑供應過程的控制常規步驟
S301~S308‧‧‧本發明第三具體態樣之還原劑供應過程的控制常規步驟
S401~S406‧‧‧本發明第四具體態樣之還原劑供應過程的控制常規步驟
t1~t4‧‧‧時點1~4
T‧‧‧預定溫度
TE‧‧‧排氣溫度
Tr1‧‧‧排氣能量的第一閾值
TT1‧‧‧燃料之第一目標溫度
下面將參考伴隨圖式來描述本發明之範例性具體態樣的特徵、優點以及技術和工業上的重要性，其中圖式的相同數字表示相同的元件，並且其中：圖1是示意顯示內燃機的圖形，其設有根據本發明第一具體態樣而用於內燃機之排氣控制裝置；圖2A是NSR(NOx storage reduction，NOx儲存還原)觸媒的觸媒載體之表面區域的示意截面圖；圖2B是NSR觸媒的觸媒載體之表面區域的示意截面圖；圖3是顯示輕油之氣體壓力曲線的圖形；圖4是供應燃料到排氣管時之引擎轉速和類似者的時間圖；圖5是流程圖，其顯示本發明第一具體態樣之還原劑供應過程的控制常規； 圖6是顯示引擎轉速和來自燃料注射閥的燃料注射量如何關聯於抵達NSR觸媒之NOx量的圖形；圖7是顯示引擎轉速和來自燃料注射閥的燃料注射量如何關聯於排氣通路中之排氣溫度的圖形；圖8是顯示排氣通路中的排氣溫度和排氣流率如何關聯於排氣通路中之排氣能量的圖形；圖9是供應燃料到排氣管時之引擎轉速和類似者的時間圖；圖10是流程圖，其顯示本發明第二具體態樣之還原劑供應過程的控制常規；圖11是流程圖，其顯示本發明第三具體態樣之還原劑供應過程的控制常規；以及圖12是流程圖，其顯示本發明第四具體態樣之還原劑供應過程的控制常規。
下文將參考圖式來詳述本發明的具體態樣。順帶一提，於以下敘述，相同的構件將以相同的參考數字來表示。
下文將參考圖1到8來描述本發明第一具體態樣。
圖1是示意顯示內燃機的圖形，其設有根據本發明第一具體態樣而用於內燃機之排氣控制裝置。圖1所示的內燃機1是壓縮自我點火式內燃機(柴油引擎)。內燃 機1舉例而言安裝在車輛中。
參見圖1，引擎本體是以10來表示，個別汽缸的燃燒室是以2來表示，將燃料分別注射到燃燒室2裡之電子控制的燃料注射閥是以3來表示，進氣歧管是以4來表示，並且排氣歧管是以5來表示。進氣歧管4經由進氣管6而耦合於渦輪增壓器(增壓器)7之壓縮機7a的出口。壓縮機7a的入口經由進氣管6而耦合於空氣清淨機8。由步進馬達所驅動的節流閥9則排列於進氣管6中。再者，用於冷卻流經進氣管6之進入空氣的冷卻器13則排列在進氣管6周圍。於圖1所示的內燃機1，引擎冷媒引入冷卻器13裡，並且進入空氣是由引擎冷媒所冷卻。進氣歧管4和進氣管6形成了將空氣引入燃燒室2裡的進氣通路。
另一方面，排氣歧管5經由排氣管27而耦合於渦輪增壓器7之渦輪7b的入口。渦輪7b的出口經由排氣管27而耦合於NOx儲存還原觸媒28。NOx儲存還原觸媒28經由排氣管27而耦合於柴油顆粒過濾器(diesel particulate filter，DPF)29。排氣歧管5和排氣管27形成了將空氣和燃料的混合物在燃燒室2中燃燒所產生之排氣加以排放的排氣通路。DPF 29收集排氣中的顆粒物質(particulate matter，PM)，並且燒掉所收集的PM以純化排氣。順帶一提，稍後將描述NOx儲存還原觸媒28。
排氣歧管5和進氣歧管4經由排氣再循還(exhaust gas recirculation，EGR)通路14而彼此耦合。電子控制的EGR控制閥15排列於EGR通路14中。另外，用於冷 卻流經EGR通路14之EGR氣體的EGR冷卻器20則排列在EGR通路14周圍。於圖1所示的內燃機1，引擎冷媒引入EGR冷卻器20裡，並且EGR氣體是由引擎冷媒所冷卻。
燃料藉由燃料泵30從燃料貯槽31經由燃料配管結構32而供應到共軌18裡。燃料泵30抽取燃料貯槽31中的燃料，並且推升燃料的壓力。供應到共軌18裡的高壓燃料分別經由燃料供應管17而供應到燃料注射閥3。燃料注射閥3分別注射燃料到燃燒室2裡。
內燃機1的多樣控制是由電子控制單元(electronic control unit，ECU)80所進行。ECU 80建構成為數位電腦。ECU 80裝配有唯讀記憶體(read only memory，ROM)82、隨機存取記憶體(random access memory，RAM)83、微處理器(CPU)84、輸入埠85、輸出埠86，它們經由雙向匯流排81而彼此連接。負載感測器101和氣流計102的輸出分別經由對應的類比對數位(AD)轉換器87而輸入到輸入埠85。
負載感測器101產生輸出電壓，其與加速踏板120的壓下量成正比。據此，負載感測器101偵測引擎負載。氣流計102排列於進氣通路中而在空氣清淨機8和壓縮機7a之間，並且偵測流經進氣管6的空氣流率。再者，每次曲柄軸旋轉例如15°，則連接到輸入埠85的曲柄角度感測器108就產生一輸出脈衝。引擎轉速是由曲柄角度感測器108所偵測。
另一方面，輸出埠86分別經由對應的驅動電 路88而連接到燃料注射閥3、用於驅動節流閥的步進馬達、EGR控制閥15、燃料泵30。
內燃機1可以是具有排列於燃燒室中之點火塞的火花點火式內燃機，特別是貧空氣與燃料混合物燃燒(貧燒式)汽油引擎。內燃機1的具體組態(例如汽缸的排列、進氣和排氣系統的組態、存在/不存在增壓器)可以異於圖1所示的組態。
下文將描述根據本發明第一具體態樣而用於內燃機1之排氣控制裝置的組態。用於內燃機1之排氣控制裝置裝配有NOx還原觸媒，其排列於內燃機1的排氣通路中。於本發明這具體態樣，NOx儲存還原觸媒(下文稱為「NSR觸媒」)28是NOx還原觸媒的範例。NSR觸媒28排列在渦輪增壓器7的渦輪7b和DPF 29之間的排氣管27中，而在內燃機1的排氣通路中。NSR觸媒28可以排列在排氣流向中之DPF 29的下游。另外，NSR觸媒28可以整合於DPF 29。
下文將參考圖2A和2B來簡述NSR觸媒28的組態和操作。圖2A和2B都是NSR觸媒28的觸媒載體28a之表面區域的示意截面圖。NSR觸媒28包括觸媒載體28a、貴金屬28b、儲存物質28c。貴金屬28b和儲存物質28c攜載在觸媒載體28a上。
觸媒載體28a舉例而言是氧化鋁(Al2O3)。貴金屬28b舉例而言是鉑(Pt)。儲存物質28c舉例而言是鹼金屬(例如鉀[K]、鈉[Na]、鋰[Li]或銫[Cs])、鹼土金屬(例如鋇 [Ba]或鈣[Ca])、稀土金屬(例如鑭[La]或釔[Y])中的至少一者。
如圖2A所示，於NSR觸媒28，當氧在排氣中的濃度為高時，亦即當排氣的空氣對燃料比率貧於理論的空氣對燃料比率時，排氣中所包含的氧化氮成分(NO)在貴金屬28b上被氧化，並且由儲存物質28c儲存成NOx。另一方面，如圖2B所示，於NSR觸媒28，當氧在排氣中的濃度為低時，亦即當排氣的空氣對燃料比率富於理論的空氣對燃料比率時，則排放出儲存物質28c所儲存的NOx。排放的NOx在貴金屬28b上被排氣中例如氫(H2)、一氧化碳(CO)、碳氫化物(HC)和類似的還原成分所還原。據此，NSR觸媒28可以透過重複圖2A和2B的狀態而還原排氣中的NOx。
用於內燃機1之排氣控制裝置進一步裝配有還原劑貯槽、還原劑供應器35、增壓器和加熱器34。於本發明這具體態樣，使用燃料作為還原劑。燃料貯槽31是還原劑貯槽的範例。燃料舉例而言是輕油。
於本發明這具體態樣，洩漏燃料配管結構33耦合於個別的燃料注射閥3。已經從共軌18供應到個別燃料注射閥3並且尚未注射到燃燒室2裡的燃料乃作為還原劑，其經由洩漏燃料配管結構33而供應給還原劑供應器35。還原劑供應器35固定於排氣管27的方式則致使在排氣流向之NSR觸媒28的上游而將還原劑供應給排氣通路。具體而言，還原劑供應器35將還原劑供應到在渦輪增壓器7的渦輪7b和NSR觸媒28之間的排氣管27裡。因此，還原劑 供應器35經由排氣管27而供應還原劑給NSR觸媒28。
還原劑供應器35舉例而言是電子控制注射閥，其類似於燃料注射閥3。還原劑供應器35經由對應的驅動電路88而連接到ECU 80的輸出埠86。ECU 80控制來自還原劑供應器35之還原劑的供應時機和從還原劑供應器35所供應的還原劑量。
增壓器將從燃料貯槽31供應到還原劑供應器35之還原劑的壓力推升到高於排氣通路中的壓力。於本發明這具體態樣，燃料泵30是增壓器的範例。燃料泵30將經由洩漏燃料配管結構33供應到還原劑供應器35之燃料的壓力推升到比排氣管27中之壓力(適當而言為101.33千帕的大氣壓力)還高的壓力(譬如1.0百萬帕)。
加熱器34排列於洩漏燃料配管結構33中，並且加熱從燃料貯槽31供應到還原劑供應器35的還原劑。加熱器34固定於洩漏燃料配管結構33的方式舉例而言以致包圍著洩漏燃料配管結構33的外周。順帶一提，加熱器34可以嵌於洩漏燃料配管結構33中。
加熱器34舉例而言是產熱器，其透過供給能量而產生熱。加熱器34經由對應的驅動電路88而連接到ECU 80的輸出埠86。ECU 80控制加熱器34的供給能量，因此控制還原劑在洩漏燃料配管結構33中的溫度。
供應到燃料注射閥3的燃料可以藉由排列於燃料貯槽31中的槽內泵而供應到共軌18，而非藉由燃料泵30來供應到共軌18。在此情形，推升還原劑之壓力的增壓器 可以設於燃料配管結構32或洩漏燃料配管結構33中而與槽內泵分開。還原劑可以經由還原劑配管結構(未顯示，其使燃料貯槽31和還原劑供應器35彼此連接)而供應到還原劑供應器35，而不通過燃料配管結構32和洩漏燃料配管結構33。在此情形，增壓器和加熱器排列於還原劑配管結構中。還原劑可以儲存於與燃料貯槽31分開的還原劑貯槽中。
用於內燃機1之排氣控制裝置藉由ECU 80而進行溫度的控制、排氣能量的估計、還原劑的供應控制。ECU 80控制加熱器34以調整還原劑溫度。ECU 80估計排氣通路(本發明這具體態樣是排氣管27)中的排氣能量。ECU 80控制還原劑供應器35所做的還原劑供應。具體而言，ECU 80控制還原劑從還原劑供應器35到排氣管27裡的供應時機，以及控制從還原劑供應器35供應到排氣管27裡的還原劑量。
下文將描述用於內燃機1之排氣控制裝置的控制。如上所述，於本發明這具體態樣，使用例如輕油的燃料作為還原劑。圖3是顯示輕油之氣體壓力曲線的圖形。輕油包含多樣的成分，其具有不同的沸點。圖3左邊的實線顯示輕油之最低沸點成分的氣體壓力曲線，而圖3右邊的實線顯示輕油之最高沸點成分的氣體壓力曲線。在每個壓力，輕油當溫度低於最低沸點時變成液態、當溫度高於最高沸點時變成氣態、當溫度是在最低沸點和最高沸點之間時變成氣液混合狀態(圖3的斜線部分)。
在排氣管27中的溫度為低並且排氣能量為低的狀態，當低溫燃料注射到排氣管27裡時，注射的燃料不被排氣管27中的排氣能量所氣化。因而，液態燃料供應到NSR觸媒28。
然而，由於努力研究的結果，本案發明人已經發現：將氣液混合狀態的燃料供應給NSR觸媒28，而非對它供應液態燃料或氣態燃料，則NOx可以被更有效的還原。這現象視為基於下面將描述的機制。
當排氣管27中氣化的還原劑流動到NSR觸媒28裡時，還原成分供應到整個觸媒。主要使用氣化的還原劑而透過與已經附著於觸媒之氧的反應來提升觸媒的溫度。另一方面，呈小滴的還原劑可以局部提升還原成分在觸媒上的濃度。因而，藉由呈小滴的還原劑來局部提升還原成分在觸媒上的濃度，同時藉由氣化的還原劑而移除觸媒上的氧，則可以加速NSR觸媒28中還原NOx的反應。
因此，於本發明這具體態樣，就當排氣管27中的排氣能量為低時供應氣液混合狀態的燃料給NSR觸媒28來看，則部分的燃料是在排氣管27中之降低壓力下沸騰。為了在降低壓力下沸騰部分的燃料，燃料泵30將供應到還原劑供應器35之燃料的壓力推升到高於排氣管27中的壓力，並且ECU 80以加熱器34來提升燃料溫度。
具體而言，當估計的排氣能量低於第一閾值時，ECU 80提升燃料溫度到第一目標溫度，使得還原劑供應器35所供應的燃料在排氣管27中帶到氣液混合狀態。第 一閾值舉例而言設定為部分氣化低溫(譬如高達30℃)燃料所需之排氣能量的下限。第一目標溫度是將供應到排氣管27裡之燃料在排氣管27中帶到氣液混合狀態的溫度，亦即在排氣管27之壓力下而在燃料的最高沸點和最低沸點之間的溫度範圍裡的溫度。
舉例而言，如圖3的向右箭號所指，ECU 80以加熱器34來提升洩漏燃料配管結構33中之燃料的溫度。結果，即使在排氣管27中之排氣能量為低的情形，供應到排氣管27裡的燃料仍在降低壓力下、透過沸騰而從液態改變為氣態，如圖3的向下箭號所指。據此，在排氣通路中之排氣能量為低的情形，透過前述控制，根據本發明這具體態樣而用於內燃機1之排氣控制裝置可以供應氣液混合狀態的還原劑給NOx還原觸媒。
ECU 80可以基於偵測燃料溫度之溫度感測器的輸出，而進行加熱器34之供給能量的回饋控制，使得燃料溫度變成等於第一目標溫度。溫度感測器排列於還原劑供應通路中(本發明這具體態樣是洩漏燃料配管結構33)而在加熱器34和還原劑供應器35之間。ECU 80可以基於偵測內燃機1外面空氣溫度之外面空氣溫度感測器或偵測內燃機1冷媒溫度之冷媒溫度感測器的輸出，而估計洩漏燃料配管結構33中的燃料溫度，並且基於估計的燃料溫度來控制加熱器34的供給能量。
下文將參考圖4的時間圖來具體描述用於內燃機1之排氣控制裝置的控制。圖4是供應燃料到排氣管27時 之引擎轉速、存在/不存在供應燃料的要求、加熱器34的開/關狀態、燃料溫度、排氣能量的示意時間圖。
於圖示範例，在時點t1做出供應燃料到排氣管27裡的要求。排氣管27中的排氣能量在時點t1低於第一閾值Tr1。另外，加熱器34是關閉的(未供給能量)，直到在時點t1做出燃料供應的要求為止。因而，燃料溫度在時點t1低於第一目標溫度TT1。在這狀態，當燃料供應到排氣管27裡時，液態燃料供應到NSR觸媒28而不在排氣管27中氣化。
因而，加熱器34在時點t1開啟以提升燃料溫度到第一目標溫度TT1。結果，燃料溫度在時點t2抵達第一目標溫度TT1。
燃料在時點t2藉由還原劑供應器35而供應到排氣管27裡。供應到排氣管27裡的部分燃料在排氣管27中的降低壓力下沸騰。結果，氣液混合狀態的燃料供應到NSR觸媒28。當燃料對排氣管27的供應結束時，加熱器34就再度關閉。
下文將參考圖5的流程圖來描述用於供應還原劑到排氣管27裡的控制。圖5是流程圖，其顯示本發明第一具體態樣之還原劑供應過程的控制常規。在內燃機1開動之後，本控制常規由ECU 80以預定的時間間隔而重複執行。
於步驟S101，ECU 80決定是否有供應還原劑的要求。舉例而言，如果NSR觸媒28中之NOx的儲存量估 計值等於或大於預定值，則ECU 80決定有供應還原劑的要求；以及如果NSR觸媒28中之NOx的儲存量估計值小於預定值，則決定沒有供應還原劑的要求。預定值是小於NSR觸媒28所可以儲存之NOx最大儲存量的數值。
NSR觸媒28中的NOx儲存量舉例而言是將抵達NSR觸媒28的NOx量加以積分而計算。抵達NSR觸媒28的NOx量舉例而言乃透過使用ECU 80之ROM 82中所儲存的圖形或計算公式，而基於引擎轉速和來自燃料注射閥3的燃料注射量來估計。於如圖6所示的圖形，抵達NSR觸媒28的NOx量AN表示成引擎轉速NE和從燃料注射閥3注射之燃料量Qe的函數。
當在步驟S101決定沒有供應還原劑的要求時，本控制常規則結束。另一方面，當在步驟S101決定有供應還原劑的要求時，本控制常規前進到步驟S102。
於步驟S102，ECU 80決定排氣通路中所估計的排氣能量是否低於第一閾值。第一閾值舉例而言設定為部分氣化低溫(譬如高達30℃)燃料所需之排氣能量的下限。
ECU 80偵測或估計排氣通路中的排氣溫度。ECU 80基於偵測或估計的排氣溫度來估計排氣通路中的排氣能量。ECU 80將排氣能量估計成隨著排氣溫度上升而增加的數值，並且當排氣溫度低於第一溫度時決定排氣能量低於第一閾值。第一溫度是對應於排氣能量而作為第一閾值的溫度，舉例而言等於200℃。
ECU 80舉例而言藉由排列於排氣通路中的排氣溫度感測器36而偵測排氣通路中的排氣溫度。於本發明這具體態樣，排氣溫度感測器36排列於排氣通路中，而在排氣流向之NSR觸媒28的上游。具體而言，排氣溫度感測器36排列於排氣管27中而在渦輪增壓器7的渦輪7b和NSR觸媒28之間。
順帶一提，ECU 80可以透過使用ECU 80之ROM 82所儲存的圖形或計算公式，而基於引擎轉速和來自燃料注射閥3的燃料注射量來估計排氣通路中的排氣溫度。於如圖7所示的圖形，排氣通路中的排氣溫度TE表示成引擎轉速NE和來自燃料注射閥3之燃料注射量Qe的函數。
另外，ECU 80可以估計排氣通路中的排氣流率，並且透過使用ECU 80之ROM 82所儲存的圖形或計算公式，而基於偵測或估計的排氣溫度和估計的排氣流率來估計排氣通路中的排氣能量。在此情形，則不須提供排氣溫度感測器36給內燃機1。ECU 80舉例而言基於氣流計102所偵測的進入空氣量而估計排氣通路中的排氣流率。於如圖8所示的圖形，排氣通路中的排氣能量EE表示成排氣通路中之排氣溫度TE和排氣通路中之排氣流率EF的函數。
當在步驟S102決定排氣能量高於第一閾值時，本控制常規則結束。另一方面，當在步驟S102決定排氣能量低於第一閾值時，本控制常規前進到步驟S103。
於步驟S103，ECU 80以加熱器34來提升還原 劑溫度到第一目標溫度，使得還原劑供應器35所供應的還原劑在排氣通路中帶到氣液混合狀態。第一目標溫度設定為供應到排氣通路裡的燃料在排氣通路中帶到氣液混合狀態的溫度，亦即在排氣通路中的壓力下、燃料的最高沸點和最低沸點溫度之間的溫度範圍裡的溫度。在還原劑是輕油的情形，第一目標溫度舉例而言為180到350℃。
後續於步驟S104，ECU 80以還原劑供應器35來供應還原劑給排氣通路，如此以供應還原劑到NSR觸媒28。在步驟S104之後，本控制常規則結束。
根據本發明第二具體態樣而用於內燃機之排氣控制裝置基本上相同於根據本發明第一具體態樣而用於內燃機之排氣控制裝置，但以下方面除外。因而，下文將描述本發明第二具體態樣，而聚焦在異於本發明第一具體態樣的地方。
如從圖4所明白，需要一定時間(從t1到t2)以提升還原劑溫度到第一目標溫度。因而，從做出供應還原劑的要求到還原劑溫度提升到第一目標溫度其間的時間變長。結果，可能無法在適當時機供應還原劑到排氣管27裡。
因此，於本發明第二具體態樣，在提升還原劑溫度到第一目標溫度時，ECU 80逐漸提升還原劑溫度。舉例而言，當供應還原劑被發布時，ECU 80提升還原劑溫度到預定溫度；以及當供應還原劑被要求時，將還原劑溫度從預定溫度提升到第一目標溫度。因此，於本發明第二 具體態樣，可以提升對於供應還原劑之要求的回應性。
下文將具體描述根據本發明第二具體態樣而用於內燃機1之排氣控制裝置的控制。圖9是示意時間圖，其顯示供應燃料到排氣管27時之引擎轉速、存在/不存在供應燃料的發布、存在/不存在供應燃料的要求、加熱器34的開/關狀態、燃料溫度、排氣能量。
於圖示範例，供應燃料到排氣管27裡是在時點t1被發布。因而，在時點t1開啟加熱器34以提升燃料溫度到預定溫度T。結果，燃料溫度在時點t2抵達預定溫度T。在抵達預定溫度T之後，燃料溫度維持等於預定溫度T。
之後，供應燃料到排氣管27裡是在時點t3被要求。排氣管27中的排氣能量在時點t3低於第一閾值Tr1。因而，加熱器34的供給能量在時點t3增加以提升燃料溫度到第一目標溫度TT1。結果，燃料溫度在時點t4抵達第一目標溫度TT1。
燃料在時點t4由還原劑供應器35供應到排氣管27裡。供應到排氣管27裡的部分燃料在排氣管27中的降低壓力下沸騰。結果，氣液混合狀態的燃料供應到NSR觸媒28。當燃料對排氣管27的供應結束時，加熱器34就再度關閉。
圖10是流程圖，其顯示本發明第二具體態樣之還原劑供應過程的控制常規。在內燃機1開動之後，本控制常規由ECU 80以預定的時間間隔而重複執行。
於步驟S101，ECU 80決定是否有供應還原劑的發布。當NSR觸媒28中的NOx儲存量估計值等於或大於第一儲存量時，ECU 80決定有供應還原劑的發布；以及當NSR觸媒28中的NOx儲存量估計值小於第一儲存量時，決定沒有供應還原劑的發布。第一儲存量是小於NSR觸媒28所可以儲存之NOx最大儲存量的數值。
當在步驟S201決定沒有供應還原劑的發布時，本控制常規則結束。另一方面，當在步驟S201決定有供應還原劑的發布時，本控制常規前進到步驟S202。
於步驟S202，ECU 80以加熱器34來預先加熱還原劑。具體而言，ECU 80以加熱器34來提升還原劑溫度到預定溫度。預定溫度是低於第一目標溫度之溫度。在還原劑是輕油的情形，預定溫度舉例而言是80到100℃。
後續於步驟S203，ECU 80決定是否有供應還原劑的要求。當NSR觸媒28中的NOx儲存量估計值等於或大於第二儲存量時，ECU 80決定有供應還原劑的要求；以及當NSR觸媒28中的NOx儲存量估計值小於第二儲存量時，決定沒有供應還原劑的要求。第二儲存量是小於NSR觸媒28所可以儲存之NOx最大儲存量而大於第一儲存量的數值。
因為步驟S204到S206分別相同於圖5的步驟S102到S104，所以將省略其敘述。
根據本發明第三具體態樣而用於內燃機之排氣控制裝置基本上相同於用於根據本發明第一具體態樣而 內燃機之排氣控制裝置，但以下方面除外。因而，下文將描述本發明第三具體態樣，而聚焦在異於本發明第一具體態樣的地方。
在排氣通路中之排氣能量大於第一閾值的情形，因為還原劑可以被排氣能量所部分氣化，所以不須在降低壓力下來沸騰還原劑。然而，在還原劑不被加熱器34加熱的情形，還原劑的黏滯度為高，並且供應到排氣管27裡之還原劑的顆粒直徑為大。結果，還原劑被排氣能量所氣化便受到抑制。因而，即使在排氣通路中之排氣能量大於第一閾值的情形，當排氣能量相對為低時，仍想要加熱還原劑以加速霧化還原劑。
因此，於本發明第三具體態樣，當估計的排氣能量等於或高於第一閾值並且低於第二閾值時，ECU 80提升還原劑溫度到低於第一目標溫度之第二目標溫度。因此，還原劑依據排氣能量來加熱，並且還原劑可以更可靠的成為氣液混合狀態。
圖11是流程圖，其顯示本發明第三具體態樣之還原劑供應過程的控制常規。在內燃機1開動之後，本控制常規由ECU 80以預定的時間間隔而重複執行。
因為步驟S301到S306分別相同於圖10的步驟S201到S206，所以將省略其敘述。
當在步驟S304決定排氣能量等於或高於第一閾值時，本控制常規前進到步驟S307。於步驟S307，ECU 80決定排氣通路中所估計的排氣能量是否低於第二閾值。 第二閾值是高於第一閾值的數值。舉例而言，當排氣溫度低於第二溫度時，ECU 80決定排氣能量低於第二閾值。第二溫度是高於第一溫度的溫度，舉例而言等於250℃。
當在步驟S307決定排氣能量等於或高於第二閾值時，本控制常規前進到步驟S306，並且還原劑供應到排氣通路。另一方面，當在步驟S307決定排氣能量低於第二閾值時，本控制常規前進到步驟S308。
於步驟S308，ECU 80以加熱器34來提升還原劑溫度到低於第一目標溫度之第二目標溫度。第二目標溫度設定為加速還原劑之霧化的溫度。在還原劑是輕油的情形，第二目標溫度舉例而言是100到150℃。在步驟S308之後，還原劑在步驟S306供應到排氣通路。在步驟S306之後，本控制常規則結束。
本控制常規可以省略步驟S301和步驟S302。
第一閾值、第一目標溫度、第二閾值、第二目標溫度中之至少一者可以基於大氣壓力而修正。舉例而言，在大氣壓力於高海拔或類似者而相對為低的情形，還原劑在降低壓力下沸騰的溫度範圍為低。因而，ECU 80可以將第一閾值和第一目標溫度之中至少一者設定為當大氣壓力相對為低時乃低於當大氣壓力相對為高時。藉由相同的表徵，ECU 80可以將第二目標溫度和第二閾值之中至少一者設定為當大氣壓力相對為低時乃低於當大氣壓力相對為高時。ECU 80舉例而言藉由設於內燃機1中的大氣壓力感測器來偵測大氣壓力。ECU 80可以基於進氣管6或類似 者中的壓力來估計大氣壓力。
根據本發明第四具體態樣而用於內燃機之排氣控制裝置基本上相同於根據本發明第一具體態樣而用於內燃機之排氣控制裝置，但以下方面除外。因而，下文將描述本發明第四具體態樣，而聚焦在異於本發明第一具體態樣的地方。
如上所述，當排氣通路中的排氣能量低於第一閾值時，ECU 80提升還原劑溫度到第一目標溫度。然而，因為需要一定時間來提升還原劑溫度，所以當還原劑溫度上升到第一目標溫度時，排氣通路中的排氣能量可以等於或高於第一閾值。在此情形，當在第一目標溫度之還原劑供應到排氣通路裡時，已經供應的整個還原劑可以透過還原劑在降低壓力下沸騰以及排氣通路中的排氣能量而被氣化。
因此，於本發明第四具體態樣，在還原劑溫度上升到第一目標溫度之後而估計的排氣能量變成等於或高於第一閾值時，ECU 80供應在第一目標溫度之還原劑給排氣通路，並且進一步供應低於第一目標溫度之還原劑給排氣通路。具體而言，ECU 80供應尚未由加熱器34加熱的還原劑或已經由加熱器34加熱到低於第一目標溫度之溫度的還原劑來給排氣通路，以及藉由增加還原劑的供應量而供應在第一目標溫度之還原劑來給排氣通路。因此，即使在排氣能量過度上升而同時還原劑溫度也上升的情形，在氣液混合狀態的還原劑仍可以供應到NSR觸媒28。
圖12是流程圖，其顯示本發明第四具體態樣之還原劑供應過程的控制常規。在內燃機1開動之後，本控制常規由ECU 80以預定的時間間隔而重複執行。
因為步驟S401到S403分別相同於圖5的步驟S101到步驟S103，所以將省略其敘述。
在步驟S403之後，本控制常規前進到步驟S404。於步驟S404以及步驟S402，ECU 80決定排氣通路中由ECU 80所估計的排氣能量是否低於第一閾值。
當在步驟S404決定排氣能量低於第一閾值時，本控制常規前進到步驟S406，並且還原劑供應到排氣通路。另一方面，當在步驟S404決定排氣能量等於或高於第一閾值時，本控制常規前進到步驟S405。
於步驟S405，ECU 80增加還原劑的供應量以供應低於第一目標溫度之還原劑以及在第一目標溫度之還原劑來給排氣通路。在步驟S405之後，還原劑在步驟S406供應到排氣通路。在步驟S406之後，本控制常規則結束。
雖然前文已經描述本發明的較佳具體態樣，但是本發明不限於這些具體態樣，而可以在請求項所列的範圍裡受到多樣的修改和更動。舉例而言，可以使用例如生質柴油燃料(biodiesel fuel，BDF)的燃料作為還原劑。NOx還原觸媒可以是NOx選擇催化還原觸媒(SCR觸媒)。在此情形，使用尿素水作為還原劑。順帶一提，第一目標溫度、第一閾值、第二目標溫度、第二閾值依據還原劑的特徵而設定為適當數值，使得還原劑在排氣通路中採取氣液 混合狀態。
本發明前述的具體態樣可以彼此任意組合的進行。舉例而言，圖12的步驟S404和S405可以在圖10的步驟S205和S206之間或在圖11的步驟S305和S306之間來進行。

Claims (7)

  1. 一種用於內燃機之排氣控制裝置，其包括：NOx還原觸媒，其排列於該內燃機的排氣通路中；還原劑貯槽，其儲存還原劑；還原劑供應器，其建構成在排氣流向之該NOx還原觸媒的上游而將該還原劑供應給該排氣通路；增壓器，其建構成把從該還原劑貯槽供應到該還原劑供應器之該還原劑的壓力推升到高於該排氣通路中的壓力；加熱器，其建構成加熱從該還原劑貯槽供應到該還原劑供應器的該還原劑；以及電子控制單元，其建構成藉由該加熱器來控制該還原劑的溫度，該電子控制單元建構成估計該排氣通路中之排氣能量，以及該電子控制單元建構成進行提升該還原劑的該溫度到第一目標溫度之控制，使得當該排氣能量低於第一閾值時，將該還原劑供應器所供應的該還原劑在該排氣通路中帶到氣液混合狀態；其中：該電子控制單元建構成執行大氣壓力的偵測和估計之中一者，以及該電子控制單元建構成將該第一目標溫度和該第一閾值之中至少一者設定為當該大氣壓力相對為低時乃低於當該大氣壓力相對為高時。
  2. 根據申請專利範圍第1項的排氣控制裝置，其中：該電子控制單元建構成執行該排氣通路中之排氣溫度的偵測和估計之中一者，以及該電子控制單元建構成基於該排氣溫度來估計該排氣通路中之該排氣能量。
  3. 根據申請專利範圍第2項的排氣控制裝置，其中：該電子控制單元建構成估計該排氣通路中之排氣流率，以及該電子控制單元建構成基於該排氣溫度和該排氣流率來估計該排氣通路中之該排氣能量。
  4. 根據申請專利範圍第1項的排氣控制裝置，其中：該電子控制單元建構成當該排氣能量等於或高於該第一閾值並且低於第二閾值時，將該還原劑的該溫度提升到第二目標溫度，以及該第二目標溫度低於該第一目標溫度。
  5. 根據申請專利範圍第1項的排氣控制裝置，其中：該電子控制單元建構成藉由逐漸提升該還原劑的該溫度，而將該還原劑的該溫度提升到該第一目標溫度。
  6. 根據申請專利範圍第1到5項中任一項的排氣控制裝置，其中：該電子控制單元建構成藉由該還原劑供應器來控制該還原劑的供應，以及在該還原劑的該溫度上升到該第一目標溫度之後，而當該排氣能量變成等於或高於該第一閾值時，該電子控制單元建構成供應在該第一目標溫度之該還原劑給該排氣通路，並且供應低於該第一目標溫度之該還原劑給該排氣通路。
  7. 一種用於排氣控制裝置之控制方法，該排氣控制裝置設於內燃機中，該排氣控制裝置包括NOx還原觸媒、還原劑貯槽、還原劑供應器、增壓器、加熱器和電子控制單元，該NOx還原觸媒排列於該內燃機的排氣通路中，該還原劑貯槽儲存還原劑，該還原劑供應器建構成在排氣流向之該NOx還原觸媒的上游而將該還原劑供應給該排氣通路，該增壓器建構成將從該還原劑貯槽供應到該還原劑供應器之該還原劑的壓力推升到高於該排氣通路中的壓力，以及該加熱器建構成加熱從該還原劑貯槽供應到該還原劑供應器的該還原劑，該控制方法包括：以該加熱器來控制該還原劑的溫度；以該電子控制單元來估計該排氣通路中的排氣能量，以及以該電子控制單元來控制該加熱器以提升該還原劑的該溫度到第一目標溫度，使得當該排氣能量低於第一閾值時，將該還原劑供應器所供應的該還原劑在該排氣通路中帶到氣液混合狀態；其中該電子控制單元執行大氣壓力的偵測和估計之中一者，且該電子控制單元將該第一目標溫度和該第一閾值之中至少一者設定為當該大氣壓力相對為低時乃低於當該大氣壓力相對為高時。
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