專利名稱：廢氣凈化設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于除去內(nèi)燃機(jī)的廢氣中所含有的有害成分及微粒等的廢氣凈化設(shè)備。
背景技術(shù)：
對于諸如柴油機(jī)等可稀薄燃燒內(nèi)燃機(jī)，在其發(fā)動機(jī)的排氣通道中配備有具有凈化氮氧化物(NOx)廢氣功能的NOx催化劑，在所述內(nèi)燃機(jī)中通過燃燒具有高氣燃比的混合氣(貧氛圍氣)來使發(fā)動機(jī)在很寬的操作范圍內(nèi)運(yùn)行。作為NOx催化劑，例如可以采用下述的催化劑，在所述催化劑中將在氧氣存在下具有存儲NOx能力的NOx存儲劑及具有使烴類(HC)氧化的能力的貴金屬催化劑組合負(fù)載在由多孔陶瓷等構(gòu)成的并具有蜂窩式結(jié)構(gòu)的載體上。
當(dāng)廢氣的空燃比不小于理論空燃比時(下文中將此狀態(tài)稱為“貧”態(tài))，NOx催化劑具有存儲NOx的性質(zhì)，并且當(dāng)廢氣的空燃比不大于理論空燃比時(下文中將此狀態(tài)稱為“富”態(tài))，所述催化劑具有釋放NOx的性質(zhì)。當(dāng)將NOx釋放至廢氣而且廢氣中存在HC、CO等時，由于貴金屬催化劑可以促進(jìn)HC及CO的氧化反應(yīng)，因而上述成分間可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其中NOx作為氧化成分，而HC和CO作為還原成分。由此將HC及CO氧化成CO2和H2O，并將NOx還原為N2。
即使當(dāng)廢氣處于貧態(tài)時，若NOx催化劑已經(jīng)存儲了預(yù)定極限量的NOx，則NOx催化劑將不再存儲更多的NOx。因此，通常在NOx催化劑中NOx的存儲量達(dá)到極限量之前，以預(yù)定間隔重復(fù)進(jìn)行恢復(fù)操作控制，通過所述恢復(fù)操作控制，由還原劑供給單元來供給在排氣通道中NOx催化劑的上游側(cè)用作燃料的輕油等還原劑，以釋放存儲在NOx催化劑中的NOx并將其還原凈化，從而再生NOx催化劑的NOx存儲能力。
然而，由于在內(nèi)燃機(jī)的燃料(輕油)中含有硫成分，因此源自燃料中的這些硫成分的硫氧化物(SOx)與NOx一起存在于廢氣中。由于NOx催化劑也可以存儲廢氣中存在的SOx，而且即使處在適合于排出催化劑中所存儲的NOx的條件下(富廢氣的條件下)，所述SOx也不易從催化劑中釋放，因此當(dāng)發(fā)動機(jī)持續(xù)運(yùn)行時，廢氣中的SOx逐漸存儲在NOx催化劑中造成S(硫)中毒。
作為可以有效地分解并除去存儲于NOx催化劑中的微粒及SOx的方法，已知有這樣的操作控制(下文稱為“硫中毒恢復(fù)控制”)其中增加對發(fā)動機(jī)的燃料噴射量，同時降低吸氣量以增大廢氣的空燃比并使其略大于理論空燃比(化學(xué)計(jì)量比)，并且通過還原劑供給單元將燃料加入至NOx催化劑上游的排氣通道中以將NOx催化劑的溫度增大至例如600℃或更高的目標(biāo)溫度。通過執(zhí)行該硫中毒恢復(fù)控制，已經(jīng)被調(diào)整至化學(xué)計(jì)量比或略大于化學(xué)計(jì)量比的廢氣中的還原成分，就可以在高溫條件下分解并除去存儲在催化劑中的SOx。然而，即使是在廢氣中的還原成分除去已存儲于催化劑中的SOx等時，由于還原成分的反應(yīng)熱持續(xù)對催化劑進(jìn)行加熱，因此催化劑將會過度升溫并超過催化劑或催化劑載體的極限溫度。
盡管使用NOx存儲式催化劑，在貧空燃比控制時可以存儲NOx，但如果長時間持續(xù)貧燃料燃燒操作，則由于催化劑的NOx存儲量存在上限，當(dāng)NOx存儲量達(dá)到飽和時，廢氣中的NOx將不再存儲在催化劑中并釋放至大氣中。因此在NOx存儲式催化劑的存儲量達(dá)到飽和之前，應(yīng)當(dāng)實(shí)施其中定期切換至富空燃比操作的所謂富尖峰(rich spike)的操作，在所述操作中控制空燃比使其不大于理論空燃比。
JP-A-2001-304011中披露了當(dāng)NOx存儲式催化劑的溫度不低于預(yù)定溫度時設(shè)定廢氣的空燃比逐漸朝向富態(tài)側(cè)。
盡管NOx存儲式催化劑即使是在溫度低于或等于可還原溫度時也能夠存儲NOx，但是如果在對NOx存儲式催化劑進(jìn)行硫中毒恢復(fù)控制的過程中升高催化劑的溫度，則由于熱離解作用，已存儲的NOx會釋放，并且在向硫中毒恢復(fù)控制轉(zhuǎn)換時NOx未經(jīng)凈化而排出，即，發(fā)生NOx逃逸。NOx存儲式催化劑能夠存儲NOx的溫度包括從低廢氣溫度至高廢氣溫度的很寬的范圍，具體地說，發(fā)生上述現(xiàn)象的原因估計(jì)是在低溫時所存儲的NOx的釋放。
盡管JP-A-2001-304011中披露了當(dāng)NOx存儲式催化劑的溫度不低于預(yù)定溫度時設(shè)定廢氣的空燃比逐漸朝向富態(tài)一側(cè)，但是并未考慮催化劑的熱離解溫度。
另一方面，JP-A-2003-120373披露了在NOx存儲式催化劑的溫度升高時多次添加添加劑。
盡管NOx存儲式催化劑即使是在不高于可還原溫度下也可以實(shí)現(xiàn)存儲，但是當(dāng)在對NOx存儲式催化劑實(shí)施硫中毒恢復(fù)控制的過程中升高催化劑的溫度時，已存儲的NOx會在達(dá)到催化劑的活化溫度之前因熱解離而釋放，并且在向硫中毒恢復(fù)控制轉(zhuǎn)換時NOx未經(jīng)凈化而排出，即發(fā)生NOx逃逸。并且，如果將溫度立即升至可以進(jìn)行硫中毒恢復(fù)的溫度，則催化劑將會過度升溫并超過催化劑或催化劑載體的極限溫度。
盡管JP-A-2003-120373披露了在NOx存儲式催化劑的溫度升高時多次添加添加劑，但是并未考慮催化劑的可反應(yīng)溫度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種廢氣凈化設(shè)備，該設(shè)備可以在硫中毒恢復(fù)控制過程中防止NOx存儲式催化劑的突然升溫，以限制由于熱離解所導(dǎo)致的NOx的逃逸。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，廢氣凈化設(shè)備包括NOx存儲還原式催化劑，所述催化劑放置在可稀薄燃燒的內(nèi)燃機(jī)的排氣通道中，所述NOx存儲還原式催化劑在所流入的廢氣的空燃比為貧態(tài)時存儲NOx，并且在所流入的廢氣的空燃比為富態(tài)時釋放所存儲的NOx；改變所述空燃比的空燃比改變單元；還原劑供給單元，該單元將還原劑添加至所述NOx存儲還原式催化劑中；溫度檢測單元，該單元檢測所述NOx存儲還原式催化劑的溫度；中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元，該單元對執(zhí)行SOx中毒恢復(fù)處理的時機(jī)進(jìn)行判定，所述SOx中毒恢復(fù)處理即從所述NOx存儲還原式催化劑中釋放SOx的處理；和控制單元，當(dāng)所述中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元判定執(zhí)行SOx中毒恢復(fù)控制處理的時機(jī)已經(jīng)來臨時，所述控制單元控制所述還原劑供給單元以添加還原劑，并且，在所述溫度檢測單元所檢測的溫度低于所述NOx存儲還原式催化劑的熱離解溫度并高于能夠進(jìn)行NOx還原反應(yīng)的溫度時，所述控制單元控制所述空燃比改變單元以將所述空燃比變成富態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)所述中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元判定用于執(zhí)行該處理的時機(jī)已經(jīng)來臨時，使從所述還原劑供給單元添加的還原劑的添加量逐步增加。因此催化劑的升溫速率也將是逐步的。并且，如果在還原劑添加量的增加過程中，由所述溫度檢測單元檢測的溫度低于所述NOx存儲還原式催化劑的熱離解溫度，則對所述空燃比改變單元進(jìn)行控制以使空燃比變成富態(tài)。因此在NOx存儲還原式催化劑達(dá)到其熱離解溫度之前可以將存儲在該NOx存儲還原式催化劑中的NOx還原，從而減少當(dāng)達(dá)到熱離解溫度時所出現(xiàn)的NOx逃逸的量。并且，由于催化劑的升溫速率是逐步的，所以NOx存儲還原式催化劑的溫度的過度升高(過度升溫)也可得到抑制。
圖1是顯示本發(fā)明實(shí)施方式的廢氣凈化設(shè)備及安裝有該設(shè)備的發(fā)動機(jī)的布置圖；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施方式中的中毒恢復(fù)期、還原劑供給量、催化劑溫度和富尖峰實(shí)施時機(jī)的關(guān)系的線形圖；圖3是本發(fā)明第一實(shí)施方式中由控制單元控制的實(shí)施方式的流程圖；圖4是本發(fā)明第二實(shí)施方式中的中毒恢復(fù)期、還原劑供給量、催化劑溫度和富尖峰實(shí)施時機(jī)的關(guān)系的線形圖；和圖5是本發(fā)明第二實(shí)施方式中由控制單元控制的實(shí)施方式的流程圖。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施方式圖1顯示了本發(fā)明實(shí)施方式的廢氣凈化設(shè)備。該廢氣凈化設(shè)備適用于內(nèi)燃發(fā)動機(jī)(下文稱為“發(fā)動機(jī)”)1。發(fā)動機(jī)1是四缸發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)配置有燃料供應(yīng)系統(tǒng)2、燃燒室3、吸氣系統(tǒng)4、排氣系統(tǒng)5等主要部件。燃料供應(yīng)系統(tǒng)2配備有供給泵9、共用導(dǎo)軌6及噴嘴7，這些部件是主要的噴射單元并起到空燃比改變單元的功能。供給泵9由發(fā)動機(jī)1驅(qū)動，對從未示出的燃料箱中抽出的燃料施加高壓，并且通過發(fā)動機(jī)燃料通道8將燃料供給公用導(dǎo)軌6。公用導(dǎo)軌6起到壓力積累室的作用，用于容納在預(yù)定壓力下由供給泵9供給的高壓燃料(積累該高壓燃料的壓力)，并在噴嘴7之間分配所述的積累有壓力的燃料，將各個噴嘴7如此配置使其面向各個氣缸的燃燒室3。
各個噴嘴7均為在其內(nèi)部裝配有所示的電磁螺線管的已知類型的電磁閥。無論是在發(fā)動機(jī)1的吸氣過程或是壓縮過程中，各個噴嘴7均根據(jù)發(fā)動機(jī)1的操作狀態(tài)直接向相應(yīng)的氣缸提供燃料，且用于獲得驅(qū)動力的基本噴射量通過未示出的圖表來確定。
吸氣系統(tǒng)4形成了用于將所吸入的空氣提供至各個燃燒室3的通道(吸氣通道)，而排氣系統(tǒng)5則形成了用于使廢氣從各個燃燒室3排出的通道(排氣通道)。發(fā)動機(jī)1裝備有已知類型的渦輪增壓器10。渦輪增壓器10配備有通過軸11相連的旋轉(zhuǎn)體12和13。其中一個旋轉(zhuǎn)體是暴露在排氣系統(tǒng)5內(nèi)的廢氣中的渦輪機(jī)葉輪12，另一個旋轉(zhuǎn)體是暴露在吸氣系統(tǒng)4內(nèi)所吸入的空氣中的壓縮機(jī)葉輪13。渦輪增壓器10具有如此布置，以便使其能夠利用渦輪機(jī)葉輪12所接收的廢氣流(廢氣壓力)來進(jìn)行已知形式的渦輪增壓，以旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)葉輪13并增大吸氣壓力。在相對于壓縮機(jī)葉輪13的吸氣的上游側(cè)安裝有氣流傳感器28，該氣流傳感器28可以輸出與導(dǎo)入至吸氣系統(tǒng)4的空氣(吸入空氣)的流速(吸氣速度)相應(yīng)的檢測信號。
在吸氣系統(tǒng)4中渦輪增壓器10的下游側(cè)安裝有中間冷卻器14，該中間冷卻器14可以對通過渦輪增壓而升溫的所吸入的空氣進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。安裝在中間冷卻器14的更下游側(cè)的節(jié)流閥15是電控開/關(guān)閥，起到空燃比改變單元的作用，使用該節(jié)流閥15可以用無級的方式調(diào)節(jié)開口，并且具有在預(yù)定條件下通過改變吸入空氣的流路面積來調(diào)整吸入空氣的供給速率(流速)的功能。
在發(fā)動機(jī)1中形成有EGR(廢氣再循環(huán))通道16，該EGR通道16可以作為廢氣的回流通道，分路并聯(lián)燃燒室3的上游側(cè)(吸氣系統(tǒng)4)和下游側(cè)(排氣系統(tǒng)5)。EGR通道16具有在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⒉糠謴U氣返回吸氣系統(tǒng)4的功能。在EGR通道16中安裝有通過電控制以無級方式開放/關(guān)閉的EGR閥17和對流經(jīng)(回流)EGR通道16的廢氣進(jìn)行冷卻的EGR冷卻器18，所述EGR閥17使得可以對流經(jīng)該通道的廢氣(EGR氣體)的流速進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，并且還可以起到空燃比改變單元的作用。
在渦輪機(jī)葉輪12的廢氣流出方向的下游側(cè)的排氣通道50中安裝有還原劑噴嘴21，該噴嘴用于向流經(jīng)排氣通道50的廢氣中提供并添加作為還原劑的燃料；以及NOx存儲還原式催化劑(下文稱為“NOx催化劑”)20，所述NOx催化劑20容納在套管27中并對廢氣進(jìn)行凈化。
還原劑噴嘴21經(jīng)由燃料添加通道23與供給泵9相連，由此，從燃料箱中泵出的部分燃料被供應(yīng)給還原劑噴嘴21。在燃料添加通道23中安裝有電磁調(diào)節(jié)閥24，用于調(diào)節(jié)燃料從供給泵9至還原劑噴嘴21的流速以及打開和關(guān)閉燃料添加通道23。電磁調(diào)節(jié)閥24開放/關(guān)閉的時機(jī)由控制單元25進(jìn)行控制，并向NOx催化劑20的上游側(cè)的排氣通道50里的廢氣提供并添加作為還原劑的燃料。
在NOx催化劑20的上游側(cè)的排氣通道50中安裝有空燃比(A/F)傳感器30。空燃比(A/F)傳感器30輸出隨套管27上游側(cè)的廢氣中的氧氣濃度而不斷變化的檢測信號。在NOx催化劑20下游側(cè)的排氣通道50中安裝有廢氣溫度傳感器32及NOx傳感器31，所述廢氣溫度傳感器32可以作為檢測NOx催化劑20的溫度的溫度檢測單元。NOx傳感器31輸出隨NOx催化劑20下游側(cè)的廢氣中的NOx濃度而不斷變化的檢測信號。將加速器位置傳感器33安裝在發(fā)動機(jī)1的未示出的加速器踏板上并且輸出與踏板的壓下量相對應(yīng)的檢測信號。每次當(dāng)發(fā)動機(jī)1的輸出軸(曲軸)旋轉(zhuǎn)了固定角度時，曲柄角傳感器34就輸出檢測信號(脈沖)。傳感器30～34均電連接至控制單元25的輸入端。
控制單元25由配備有中央處理器(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、備用RAM和定時計(jì)數(shù)器等的已知計(jì)算機(jī)構(gòu)成?？刂茊卧?5通過未示出的外部輸入線路輸入各種傳感器的檢測信號，基于這些信號，可以執(zhí)行涉及下述操作的控制噴嘴7的閥門開/關(guān)操作、EGR閥17的開口調(diào)節(jié)、節(jié)流閥15的開口調(diào)節(jié)以及與發(fā)動機(jī)1的操作狀態(tài)有關(guān)的各種其他控制。
將NOx催化劑20裝入套管27中并安裝在排氣通道50上。NOx催化劑20具有呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)的載體，載體的表面上攜帶有作為NOx存儲劑的諸如鉀(K)、鈉(Na)、鋰(Li)或銫(Cs)等堿金屬、諸如鋇(Ba)或鈣(Ca)等堿土金屬或諸如鑭(La)或釔(Y)等稀土金屬，并攜帶有作為氧化催化劑(貴金屬催化劑)的諸如鉑(Pt)等貴金屬。
NOx存儲劑具有當(dāng)廢氣處于貧態(tài)時存儲NOx、且當(dāng)廢氣處于富態(tài)時釋放NOx的性質(zhì)。當(dāng)將NOx釋放至廢氣，并且廢氣中存在HC、CO等時，由于貴金屬催化劑可以促進(jìn)HC及CO的氧化反應(yīng)，因而上述成分間可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其中NOx作為氧化成分，而HC和CO作為還原成分。由此將HC及CO氧化成CO2和H2O，并將NOx還原為N2。
由于在已經(jīng)存儲了預(yù)定極限量的NOX之后，即使當(dāng)廢氣處于貧態(tài)時，NOx存儲劑也無法存儲更多的NOx，所以必須將已存儲的NOx如上所述在還原氣氛中還原為N2等并除去。因此對于本廢氣凈化設(shè)備，以預(yù)定周期、預(yù)定長度的時間實(shí)施所謂的富尖峰，從而在NOx存儲式催化劑20的內(nèi)部強(qiáng)制創(chuàng)造CO過量狀態(tài)，即，還原氣氛，從而釋放、還原并除去所存儲的NOx(NOx凈化)，實(shí)施所述的富尖峰的方法是通過由EGR或吸氣節(jié)流閥來降低空氣吸入量、增加發(fā)動機(jī)噴射量，并將燃料噴入廢氣管道中來進(jìn)行富空燃比操作。實(shí)際上，上述預(yù)定周期是通過ECU(電子控制裝置)25內(nèi)部的定時計(jì)數(shù)器來進(jìn)行定時的，并且由ECU25來控制EGR閥17、節(jié)流閥15、噴嘴7及還原劑噴嘴21。盡管該預(yù)定周期是基于推測的在正常的發(fā)動機(jī)操作下存儲在NOx存儲式催化劑20中的NOx達(dá)到飽和量所花費(fèi)的時間來設(shè)定的，但該周期也可以通過例如車輛的行駛距離來估算。即，富空燃比操作(富尖峰)可以在行駛預(yù)定距離后執(zhí)行。
基于各種傳感器的檢測信號所確定的發(fā)動機(jī)1的操作狀態(tài)，ECU25通過噴嘴7進(jìn)行燃料噴射控制。這里燃料噴射控制涉及通過相應(yīng)的噴嘴7將燃料噴入各個燃燒室3中，該控制是一系列的處理，其中對諸如燃料噴射量、噴射定時、噴射模式等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并基于這些設(shè)定參數(shù)執(zhí)行各個噴嘴7的閥門開/關(guān)操作。在發(fā)動機(jī)1的運(yùn)轉(zhuǎn)中，ECU25在預(yù)定時間內(nèi)反復(fù)執(zhí)行這樣一系列的處理?；诩铀倨魈ぐ宓膲合铝考鞍l(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速(可基于曲柄角傳感器的脈沖信號算得的參數(shù))并參考已預(yù)先設(shè)定的未示出的圖表，可以確定燃料噴射量和噴射定時。
對于燃料噴射模式的設(shè)定，ECU25可以通過在壓縮上死點(diǎn)附近向各個氣缸進(jìn)行作為主噴射的燃料噴射以獲得發(fā)動機(jī)的輸出，并且在適當(dāng)?shù)乃x的時機(jī)對選定的氣缸進(jìn)行主噴射之前的燃料噴射(下文稱為“引燃噴射”)及主噴射之后作為輔助噴射的燃料噴射(下文稱為“后噴射”)。
將通過后噴射而噴入燃燒室3的燃料改性為燃燒氣中的輕HC并排放至排氣系統(tǒng)5。即，將作為還原劑的輕HC通過后噴射加入至排氣系統(tǒng)5中，由此增大廢氣中還原成分的濃度。加入至排氣系統(tǒng)的還原成分通過NOx催化劑20與NOx催化劑所釋放的NOx及廢氣中所含有的其他氧化成分發(fā)生反應(yīng)。此過程中產(chǎn)生的反應(yīng)熱將使NOx催化劑的床溫(溫度)升高。作為富空燃比操作(富尖峰)，在每次預(yù)定周期中，可以進(jìn)行后噴射來取代通過噴嘴7對主噴射的噴射量的控制。
基于由各種傳感器的檢測信號所確定的發(fā)動機(jī)1的操作狀態(tài)，ECU25可以進(jìn)行EGR控制。EGR控制是指安裝在EGR通道16中的EGR閥17的驅(qū)動與操作，其目的是調(diào)整流經(jīng)EGR通道16的氣體的流速，即，由排氣系統(tǒng)5再循環(huán)至吸氣系統(tǒng)4的廢氣的流速。
作為目標(biāo)的EGR閥17的開啟量(下文稱為“目標(biāo)閥門開啟量”)基本上是根據(jù)發(fā)動機(jī)1的諸如負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等操作狀態(tài)來確定，并且可以參考預(yù)先確定的未示出的圖表來確定。在發(fā)動機(jī)1運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，ECU25以每次預(yù)定的時間間隔更新該目標(biāo)閥門開啟量，并且不斷向EGR閥17的驅(qū)動電路輸出指令信號，以便使EGR閥17的實(shí)際閥門開啟量與更新后的目標(biāo)閥門開啟量相匹配。
與采用后噴射的情況相似，通過將燃料(還原劑)經(jīng)由還原劑噴嘴21直接加入至排氣系統(tǒng)5中，可以增大廢氣中還原成分的濃度并升高NOx催化劑20的床溫。與通過后噴射加入的燃料相比，通過還原劑噴嘴21加入的燃料更傾向于以大分子狀態(tài)存在并在廢氣中不均勻地分布。并且，通過還原劑噴嘴21進(jìn)行燃料添加時，對于可以同時添加的燃料量的自由度及添加時機(jī)的自由度，均大于后噴射情況下的自由度。
下面將對硫中毒恢復(fù)控制進(jìn)行概括性的描述。由于上述的后噴射和燃料添加控制均可以通過在預(yù)定間隔內(nèi)重復(fù)執(zhí)行其中任何一種控制而增加廢氣中的還原成分，因此可以將存儲于NOx催化劑20中的NOx釋放并進(jìn)行還原凈化，從而使NOx催化劑20存儲NOx的能力得以恢復(fù)。
當(dāng)發(fā)動機(jī)1持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時為了除去逐漸積累在NOx催化劑中的SOx等成分，ECU25執(zhí)行富集控制(下文稱為“硫中毒恢復(fù)控制”)，其中如圖2所示當(dāng)將NOx催化劑20的溫度升高至不低于目標(biāo)溫度(例如，大約600℃)時，將催化劑之前的空燃比設(shè)定為不大于理論空燃比。通過執(zhí)行硫中毒恢復(fù)控制，在高溫條件下，提供給NOx催化劑20的大量的還原成分就可以除去已存儲在催化劑中的SOx。作為硫中毒恢復(fù)控制的一部分，ECU25執(zhí)行上述的后噴射或廢氣燃料添加控制以便將NOx催化劑20的溫度升高至目標(biāo)溫度。在本實(shí)施方式里，執(zhí)行這樣的控制(下文稱為“還原成分供給控制”)，其中將比釋放并還原凈化存儲于NOx催化劑20中的NOx所需的燃料更多量的燃料(還原成分)通過還原劑噴嘴21提供至NOx催化劑20的上游側(cè)。
在硫中毒恢復(fù)控制中，如圖2所示當(dāng)在硫中毒恢復(fù)控制所必需的硫清除目標(biāo)溫度(600℃)下建立維持NOx催化劑20溫度的條件時，可以將大量的還原成分提供至排氣系統(tǒng)中NOx催化劑的上游側(cè)。然而，盡管在高溫條件下，提供給排氣系統(tǒng)的大量還原成分表現(xiàn)出可以除去存儲在NOx催化劑20中的SOx等的功能，但它還具有進(jìn)一步升高NOx催化劑20溫度的特性。因而在正常操作條件下，當(dāng)將大量的還原成分持續(xù)提供至排氣系統(tǒng)中NOx催化劑的上游側(cè)時，NOx催化劑20會過熱并且所存儲的NOx會由于熱離解而放出。
因此ECU25具有中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元42，當(dāng)中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元42判定執(zhí)行恢復(fù)處理的時機(jī)已經(jīng)來臨時，ECU25可以使由還原劑噴嘴21添加的還原劑的添加量逐漸增大，并且，如果來自廢氣溫度傳感器32的檢測溫度為低于NOx催化劑20的熱離解溫度的預(yù)定溫度(圖2)，則控制EGR閥17、節(jié)流閥15、噴嘴7和還原劑噴嘴21以執(zhí)行使空燃比變成富態(tài)的富尖峰。即，如果富尖峰的預(yù)定周期到來時溫度低于熱離解溫度，則執(zhí)行富尖峰，同時如果溫度低于熱離解溫度的狀態(tài)相對于預(yù)定的時間間隔來說在時間上發(fā)生偏移，則在溫度低于熱離解溫度時，忽略預(yù)定周期并強(qiáng)制執(zhí)行富尖峰。
中毒恢復(fù)定時判定單元42可以判斷NOx催化劑20的硫中毒是否正在進(jìn)行。在本實(shí)施方式中，中毒恢復(fù)定時判定單元42由來自NOx傳感器31的檢測信號的歷史記錄來對恢復(fù)時機(jī)進(jìn)行判斷，并且若其識別到NOx催化劑20的NOx凈化功能正在下降，則輸出硫清除信號，該信號表示執(zhí)行硫中毒恢復(fù)控制的時機(jī)。
由還原劑噴嘴21所添加的還原劑的加入量預(yù)先通過試驗(yàn)來確定并作圖，以便使該加入量如圖2所示從輸出硫清除信號的點(diǎn)起隨時間增加。
下面將根據(jù)圖3所示的流程圖對具有這樣的布置的廢氣凈化設(shè)備的硫中毒恢復(fù)控制進(jìn)行描述，在步驟S1中，對是否輸出硫清除信號進(jìn)行判斷，若該信號已輸出，則進(jìn)入步驟S2，通過ECU25來控制電磁調(diào)節(jié)閥24，將作為還原劑的燃料通過還原劑噴嘴21以設(shè)定低于正常量的燃料噴射量(添加量)通過噴射將其加入至廢氣中。在排氣系統(tǒng)5中，如圖2所示，NOx催化劑20的溫度因所添加的燃料而逐漸升高。ECU25接收由溫度傳感器32所發(fā)出的信號，并且如果在步驟S3中，所檢測到的催化劑的溫度不低于能夠發(fā)生NOx還原反應(yīng)的溫度且低于預(yù)定溫度(比熱離解溫度低預(yù)定量的溫度)，則進(jìn)入步驟S4并執(zhí)行富尖峰。
因此當(dāng)從中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元42輸出表示執(zhí)行中毒恢復(fù)時機(jī)的硫清除信號時，由于對電磁調(diào)節(jié)閥24的開/關(guān)進(jìn)行控制以逐漸增加由還原劑噴嘴21所添加的還原劑的添加量，因此催化劑的升溫將是逐步的。并且，在還原劑的加入量增加的過程中，如果來自廢氣溫度傳感器32的檢測溫度是低于NOx催化劑20熱離解溫度的預(yù)定溫度，則將空燃比變?yōu)楦粦B(tài)，存儲于NOx催化劑20中的NOx就可以在NOx催化劑20達(dá)到熱離解溫度之前被還原。因此當(dāng)NOx催化劑20的溫度因廢氣而升高并達(dá)到熱離解溫度時出現(xiàn)的NOx逃逸的量將會減少。并且，由于催化劑的升溫速度是逐步的，因此可以抑制NOx催化劑20溫度的過度升高(過度升溫)，從而減少熱分解并提高耐用性。
圖2中，一長兩短交替的虛線表明當(dāng)添加劑通過還原劑噴嘴21以能夠使NOx催化劑20的溫度立即升至硫清除目標(biāo)溫度的量噴射時，NOx的逃逸量及NOx催化劑20的升溫情況，實(shí)線則表明在本實(shí)施方式中，當(dāng)來自還原劑噴嘴21的添加劑量逐漸增加且在達(dá)到熱離解溫度前執(zhí)行一次富尖峰時，NOx的逃逸量及催化劑的升溫特征。圖2清晰地顯示，當(dāng)在低于熱離解溫度的預(yù)定溫度下執(zhí)行富尖峰時，NOx逃逸量顯著減少。
第二實(shí)施方式下面，將對本發(fā)明的第二實(shí)施方式進(jìn)行描述。如圖4所示，在該第二實(shí)施方式中，在硫中毒恢復(fù)控制中，當(dāng)在硫中毒恢復(fù)控制所必需的硫清除目標(biāo)溫度(600℃)建立維持NOx催化劑20的溫度的條件時，可以將大量的還原成分提供至排氣系統(tǒng)中NOx催化劑的上游側(cè)。然而，盡管在高溫條件下，提供給排氣系統(tǒng)的大量還原成分表現(xiàn)出可以除去存儲在NOx催化劑20中的SOx等的功能，但它還具有進(jìn)一步升高NOx催化劑20的溫度的特性。因此當(dāng)將大量的還原成分持續(xù)提供至排氣系統(tǒng)中NOx催化劑的上游側(cè)時，NOx催化劑20會過度升溫并且所存儲的NOx會由于熱離解而放出，并且，如果在達(dá)到可反應(yīng)溫度(HC點(diǎn)火溫度)(在此溫度下NOx催化劑20的效能最低)之前將添加劑HC添加至廢氣中，則未燃燒的HC可能釋放入氣氛中或HC會被吸附至催化劑中，并且該HC會在催化劑溫度達(dá)到能夠進(jìn)行催化反應(yīng)的溫度后立即燃燒從而導(dǎo)致過度的升溫。
因此ECU25具有中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元42，并且當(dāng)中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元42判斷出執(zhí)行恢復(fù)處理的時機(jī)已經(jīng)到來時，如圖4中的符號A所示，通過還原劑噴嘴21來完成第一次還原劑添加(第一次添加)以便使來自廢氣溫度傳感器32的檢測溫度t0不低于能夠進(jìn)行NOx催化劑20的還原反應(yīng)的溫度t2但低于熱離解溫度t4，當(dāng)來自廢氣溫度傳感器的檢測溫度t0超過能夠進(jìn)行還原反應(yīng)的溫度t2時，執(zhí)行富尖峰來使空燃比變?yōu)楦粦B(tài)，在該富尖峰執(zhí)行之后，如圖4中符號B所示，控制還原劑噴嘴21以進(jìn)行第二次還原劑添加(第二次添加)，以便使來自廢氣溫度傳感器32的檢測溫度t0等于NOx催化劑20的SOx中毒恢復(fù)目標(biāo)溫度t3。在執(zhí)行富尖峰中，EGR閥17、節(jié)流閥15、噴嘴7及還原劑噴嘴21均受到控制。
并且，當(dāng)來自廢氣溫度傳感器32的檢測溫度t0低于HC的點(diǎn)火溫度t1(所述點(diǎn)火溫度t1為能夠進(jìn)行催化反應(yīng)的溫度)時，ECU25執(zhí)行發(fā)動機(jī)1的升溫控制，以便使來自廢氣溫度傳感器32的檢測溫度t0等于HC的點(diǎn)火溫度t1。
中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元42判斷NOx催化劑20的硫中毒是否正在進(jìn)行。在本實(shí)施方式中，中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元42由來自NOx傳感器31的檢測信號的歷史記錄來對恢復(fù)時機(jī)進(jìn)行判斷，并且若其識別到NOx催化劑20的NOx凈化功能正在下降，則輸出硫清除信號，該信號表示執(zhí)行硫中毒恢復(fù)控制的時機(jī)。
如圖4所示，由還原劑噴嘴21所添加的還原劑的加入量預(yù)先通過試驗(yàn)來確定并作圖，以使得在第一次添加的噴射中，催化劑的溫度不低于能夠進(jìn)行NOx還原反應(yīng)的溫度但低于NOx催化劑的熱離解溫度，并且使得在執(zhí)行了富尖峰之后的第二次添加的噴射中，添加劑的量能夠使催化劑的溫度達(dá)到SOx中毒恢復(fù)的目標(biāo)溫度。將HC的點(diǎn)火溫度t1、能夠進(jìn)行還原發(fā)應(yīng)的溫度t2及SOx中毒恢復(fù)溫度t3的相應(yīng)信息存儲并設(shè)定在ECU25的ROM中。在本實(shí)施方式中，假定可反應(yīng)溫度t1為200℃、能夠進(jìn)行還原反應(yīng)的溫度t2為250℃，該溫度高于HC的點(diǎn)火溫度t1并低于熱離解溫度t4，并且假定SOx中毒恢復(fù)目標(biāo)溫度t3為600℃。
對于本實(shí)施方式，當(dāng)由發(fā)動機(jī)1來進(jìn)行升溫控制時，通過增加空載轉(zhuǎn)速、關(guān)閉吸氣節(jié)流閥等來控制發(fā)動機(jī)的燃燒從而使廢氣溫度升高。
下面將根據(jù)圖5所示的流程圖對具有如此布置的廢氣凈化設(shè)備的硫中毒恢復(fù)控制進(jìn)行描述。在步驟S1中，判斷來自廢氣溫度傳感器32的檢測信號(催化劑溫度t0)是否高于能夠進(jìn)行催化反應(yīng)的溫度t1，若催化劑溫度t0低于能夠發(fā)生催化反應(yīng)的溫度t1，則進(jìn)入步驟S2并執(zhí)行發(fā)動機(jī)廢氣升溫控制。通過該控制，當(dāng)對NOx催化劑進(jìn)行加熱并且使催化劑溫度t0超過能夠進(jìn)行催化反應(yīng)的溫度(HC點(diǎn)火溫度)t1時，進(jìn)入步驟S3。在步驟S3中，判斷是否輸出硫清除信號，若輸出該信號，則進(jìn)入步驟S4，由ECU25來控制電磁調(diào)節(jié)閥24，由還原劑噴嘴21將第一次添加的還原劑噴入廢氣中。通過該噴射，在NOx催化劑20中發(fā)生燃燒且催化劑的溫度升高，并且使NOx催化劑20在很長的廢氣流動方向上的溫度分布在低于熱離解溫度的溫度下變得均勻。
在步驟S5中，判斷催化劑溫度t0是否已達(dá)到能夠進(jìn)行還原反應(yīng)的溫度t2，如果達(dá)到了能夠進(jìn)行還原反應(yīng)的溫度t2，則進(jìn)入步驟S6，并且通過控制EGR閥17、節(jié)流閥15和還原劑噴嘴21來執(zhí)行富尖峰，然后進(jìn)入步驟S7。當(dāng)在步驟S6中執(zhí)行富尖峰時，由于能夠進(jìn)行還原反應(yīng)的溫度t2不高于熱離解溫度t4，因此在NOx催化劑20達(dá)到熱離解溫度前可以減少存儲于NOx催化劑20中的NOx。
在步驟S7中，ECU25控制電磁調(diào)節(jié)閥24，以使通過還原劑噴嘴21噴射的第二次添加的還原劑進(jìn)入排氣通道50中的廢氣里，并且在步驟S8中，添加還原劑直至催化劑溫度t0等于SOx中毒恢復(fù)目標(biāo)溫度t3。通過還原劑的噴射，在NOx催化劑20內(nèi)發(fā)生充分燃燒，并且由于將溫度升高至目標(biāo)溫度t3，因此可以除去存儲于NOx催化劑20中的SOx。
由于在執(zhí)行從NOx催化劑20中釋放SOx的SOx中毒恢復(fù)處理時，通過還原劑噴嘴21來進(jìn)行第一次還原劑添加，以便使來自廢氣溫度傳感器32的檢測溫度t0成為能夠進(jìn)行還原反應(yīng)的溫度t2，該溫度不低于NOx催化劑20的能夠進(jìn)行催化反應(yīng)的溫度t1但低于熱離解溫度t4，并且當(dāng)它超過能夠進(jìn)行還原反應(yīng)的溫度t2時，將空燃比調(diào)成富態(tài)，因此可以有效地還原存儲于NOx催化劑20中的NOx并且可以減少因熱離解而產(chǎn)生的NOx逃逸。并且當(dāng)通過還原劑噴嘴21進(jìn)行第二次還原劑添加，以便在控制空燃比之后，使來自廢氣溫度傳感器32的檢測溫度t0等于NOx存儲還原式催化劑的SOx中毒恢復(fù)目標(biāo)溫度t3時，由催化劑的溫度分布已經(jīng)穩(wěn)定的狀態(tài)將催化劑的溫度升高至SOx中毒恢復(fù)目標(biāo)溫度t3，因此可以執(zhí)行SOx中毒恢復(fù)處理并同時抑制NOx催化劑20的過度升溫。
此外對于本實(shí)施方式，由于當(dāng)催化劑的溫度t0小于能夠進(jìn)行催化反應(yīng)的溫度t1時，進(jìn)行由發(fā)動機(jī)1的燃燒控制而產(chǎn)生的升溫，因此，與將還原劑直接加入至排氣通道50的情況相比，可以減少吸附在催化劑上的HC的量，并且可以減少未燃燒的HC的逃逸量。
在圖4中，一長兩短交替的虛線表示由還原劑噴嘴21噴射的添加劑達(dá)到一定的量以致于NOx催化劑20的溫度立即升至硫清除目標(biāo)溫度時，NOx的逃逸量和NOx催化劑的升溫情況，實(shí)線則代表在本實(shí)施方式中當(dāng)分兩個階段由還原劑噴嘴21噴射添加劑并且在第一次添加和第二次添加之間執(zhí)行富尖峰操作時，NOx逃逸量及催化劑的升溫特征。圖4清晰地顯示，當(dāng)在催化劑溫度升至能夠發(fā)生還原反應(yīng)的溫度t2(該溫度低于熱離解溫度)的狀態(tài)下執(zhí)行富尖峰操作時，通過第一次添加，NOx的逃逸量急劇減少。
權(quán)利要求
1.一種廢氣凈化設(shè)備，該廢氣凈化設(shè)備包括NOx存儲還原式催化劑，該催化劑放置在可稀薄燃燒的內(nèi)燃機(jī)的排氣通道內(nèi)，當(dāng)所流入的廢氣的空燃比為貧態(tài)時，所述NOx存儲還原式催化劑存儲NOx，并且當(dāng)所流入的廢氣的空燃比為富態(tài)時，所述NOx存儲還原式催化劑釋放已存儲的NOx；改變所述空燃比的空燃比改變單元；還原劑供給單元，該單元將還原劑加入至所述NOx存儲還原式催化劑內(nèi)；溫度檢測單元，該單元檢測所述NOx存儲還原式催化劑的溫度；中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元，該單元對執(zhí)行SOx中毒恢復(fù)處理的時機(jī)進(jìn)行判斷，所述SOx中毒恢復(fù)處理即對由所述NOx存儲還原式催化劑釋放SOx的處理；和控制單元，當(dāng)所述中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元判斷執(zhí)行SOx中毒恢復(fù)控制處理的時機(jī)已經(jīng)到來時，所述控制單元控制所述還原劑供給單元以添加還原劑；并且，在所述溫度檢測單元所檢測的溫度低于所述NOx存儲還原式催化劑的熱離解溫度并高于能夠進(jìn)行NOx還原反應(yīng)的溫度時，所述控制單元對所述空燃比改變單元進(jìn)行控制，從而將所述空燃比變成富態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的廢氣凈化設(shè)備，其中，當(dāng)所述中毒恢復(fù)時機(jī)判定單元判斷執(zhí)行所述SOx中毒恢復(fù)處理的時機(jī)已經(jīng)到來時，所述控制單元使由所述還原劑供給單元添加的還原劑的添加量逐漸增多，并且，如果所述溫度檢測單元所檢測的溫度低于所述NOx存儲還原式催化劑的熱離解溫度并高于能夠進(jìn)行NOx還原反應(yīng)的溫度，則所述控制單元對所述空燃比改變單元進(jìn)行控制，從而使所述空燃比變成富態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的廢氣凈化設(shè)備，所述廢氣凈化設(shè)備還包括以下的控制單元在由所述NOx存儲還原式催化劑釋放SOx的SOx中毒恢復(fù)處理中，該控制單元對所述空燃比改變單元及還原劑供給單元進(jìn)行控制，以通過所述還原劑供給單元執(zhí)行第一次還原劑添加，從而使所述溫度檢測單元所檢測的溫度變至以下的溫度范圍內(nèi)高于能夠使所述NOx存儲還原式催化劑進(jìn)行還原反應(yīng)的溫度并低于所述NOx存儲還原式催化劑的熱離解溫度，并且當(dāng)所述溫度檢測單元所檢測的溫度為處于該范圍內(nèi)的溫度時，通過所述空燃比改變單元將所述空燃比設(shè)為富態(tài)，并通過所述還原劑供給單元執(zhí)行第二次還原劑添加，從而使所述溫度檢測單元所檢測的溫度等于所述NOx存儲還原式催化劑的SOx中毒恢復(fù)目標(biāo)溫度。
4.如權(quán)利要求3所述的廢氣凈化設(shè)備，其中，當(dāng)所述溫度檢測單元所檢測的溫度低于該催化劑的可反應(yīng)溫度時，所述控制單元執(zhí)行該內(nèi)燃機(jī)的升溫控制以便使所述溫度檢測單元所檢測的溫度等于所述的可反應(yīng)溫度。
5.如權(quán)利要求3所述的廢氣凈化設(shè)備，其中，在所述第二次還原劑添加中的還原劑添加量高于所述第一次還原劑添加中的還原劑添加量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種廢氣凈化設(shè)備，該設(shè)備包括NO
文檔編號F01N3/20GK1676893SQ200510059868
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者村田峰啟, 筒井泰弘, 近藤暢宏, 高橋嘉則 申請人:三菱扶?？蛙囍晔綍?