專利名稱：內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)排氣通道中設(shè)置的用于凈化廢氣中含有的NOx的廢氣凈化裝置。
背景技術(shù)：
為了改進(jìn)燃料燃燒特性和排氣特性，諸如缸內(nèi)噴射型發(fā)動機(jī)等的稀薄燃燒式發(fā)動機(jī)在規(guī)定的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域中以稀薄空燃比也就是比化學(xué)計算空燃比稀薄的空燃比運(yùn)轉(zhuǎn)。
在這樣的稀薄燃燒式發(fā)動機(jī)中，當(dāng)進(jìn)行稀薄空氣/燃料比運(yùn)轉(zhuǎn)(以下稱為“稀薄運(yùn)轉(zhuǎn)”)時，廢氣中含有的NOx(氮氧化物)只用三元催化劑(three-way catalyst)不能在充分的方式下凈化。因此，通過提供NOx催化劑，排放到大氣中的NOx被減少。在稀薄運(yùn)轉(zhuǎn)中，NOx催化劑吸收包含在廢氣中的NOx。在化學(xué)計算空燃比運(yùn)轉(zhuǎn)(以下稱為“化學(xué)計算運(yùn)轉(zhuǎn)”)或濃空燃比運(yùn)轉(zhuǎn)(以下稱為“濃運(yùn)轉(zhuǎn)”)中，NOx催化劑通過用還原劑還原NOx(NOx凈化)來排放吸收的NOx和凈化該NOx。
當(dāng)提供三元催化劑和NOx催化劑時，為了保證內(nèi)燃機(jī)在剛啟動之后就具有充分的廢氣凈化性能，該三元催化劑設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)排氣通道的上游部分以便在早期被激活。
然而，當(dāng)三元催化劑設(shè)置在NOx催化劑的上游時，諸如HC或CO等的還原劑在NOx凈化過程中也被三元催化劑凈化，這樣會導(dǎo)致NOx凈化不能以充分的方式進(jìn)行的問題。
因此，為了即使在三元催化劑設(shè)置在NOx催化劑的上游時也能以充分的方式實(shí)現(xiàn)NOx凈化，例如，日本未審查專利公報No.2002-4915(以下稱為專利文件1)開發(fā)和提出了諸如使?jié)膺\(yùn)轉(zhuǎn)時間更長，使?jié)膺\(yùn)轉(zhuǎn)空燃比更高，或在主燃料的燃燒后噴射附加燃料等的技術(shù)。
然而，如專利文件1中公開的技術(shù)中的使?jié)膺\(yùn)轉(zhuǎn)時間更長或使?jié)膺\(yùn)轉(zhuǎn)空燃比更高將導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性大幅度下降的問題。
另外，催化劑的凈化能力取決于溫度，因此還有這樣的問題，當(dāng)三元催化劑變得更活躍時，在NOx凈化過程中提供到NOx催化劑的還原劑的數(shù)量降低，使NOx催化劑的廢氣凈化性能降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)中的廢氣凈化裝置，該裝置包括將燃料直接噴射進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的燃料噴射裝置；設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)排氣通道中，在內(nèi)燃機(jī)的稀薄運(yùn)轉(zhuǎn)中吸收廢氣中含有的NOx以及在內(nèi)燃機(jī)的化學(xué)計算運(yùn)轉(zhuǎn)或濃運(yùn)轉(zhuǎn)中排放和還原所吸收的NOx的NOx催化劑；設(shè)置在排氣通道中NOx催化劑上游的三元催化劑；用于檢測或估計NOx催化劑和三元催化劑中至少任何一個的溫度的催化劑溫度檢測裝置；和用于通過控制燃料噴射裝置進(jìn)行主燃料噴射和副燃料噴射進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)的化學(xué)計算運(yùn)轉(zhuǎn)或濃運(yùn)轉(zhuǎn)，使NOx催化劑排放和還原被吸收的NOx的NOx凈化控制裝置，主燃料噴射在吸氣沖程和壓縮沖程的至少任何一個沖程中進(jìn)行，副燃料噴射在膨脹沖程和排氣沖程的至少任何一個沖程中進(jìn)行，其中，NOx凈化控制裝置取決于由催化劑溫度檢測裝置檢測或估計的溫度可變化地確定主燃料噴射量和副燃料噴射量之間的比率。


本發(fā)明將通過下文的詳細(xì)敘述和附圖得到更全面的理解，敘述和附圖僅僅通過說明的方式給出，因此不是對本發(fā)明的限制，其中圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是圖1的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置中由ECU執(zhí)行的NOx凈化控制流程的流程圖；圖3是顯示當(dāng)在圖1的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置中進(jìn)行NOx凈化控制時前級三元催化劑入口側(cè)溫度和NOx凈化率之間的關(guān)系的曲線圖；圖4是顯示當(dāng)進(jìn)行常規(guī)NOx凈化控制時前級三元催化劑入口側(cè)溫度和NOx凈化率之間的關(guān)系的曲線圖；圖5是顯示當(dāng)在圖1的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置中進(jìn)行NOx凈化控制時和進(jìn)行常規(guī)NOx凈化控制時的CO濃度和HC濃度的曲線圖；圖6是顯示前級三元催化劑的容量和空燃比怎樣影響NOx凈化率的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下文將參考附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。
圖1示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置的結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，發(fā)動機(jī)1(內(nèi)燃機(jī))是具有噴射器6(燃料噴射裝置)和火花塞4的所謂缸內(nèi)噴射型發(fā)動機(jī)，噴射器6能夠把燃料直接噴射進(jìn)燃燒室2，火花塞用于點(diǎn)燃噴射器6噴射的燃料。
雖然圖1顯示了一個燃燒室2，但發(fā)動機(jī)1包括多個汽缸(例如4缸，6缸等)，所述每個汽缸具有相似的配備噴射器6和火花塞4的燃燒室2。下文對作為代表的燃燒室2的敘述當(dāng)然也可以用于其他燃燒室2。
進(jìn)氣口8和排氣口10被設(shè)置成與燃燒室2相連通，所述進(jìn)氣口8與發(fā)動機(jī)1的高度幾乎平行地延伸，所述排氣口10與發(fā)動機(jī)1的寬度幾乎平行地延伸。
進(jìn)氣口8配備建立或阻斷燃燒室2和進(jìn)氣口8之間的連通的進(jìn)氣閥12。排氣口10配備建立或阻斷燃燒室2和排氣口10之間的連通的排氣閥14。
進(jìn)氣口8連接到進(jìn)氣歧管16，排氣口10連接到排氣歧管18。
與排氣歧管18連接到排氣管20，廢氣凈化裝置30設(shè)置在排氣管20中。
在廢氣凈化裝置30中，前級三元催化劑32(三元催化劑)，NOx催化劑34和后級三元催化劑36從上游側(cè)以前述順序設(shè)置。
具體地，前級三元催化劑32和后級三元催化劑36具有氧化來自發(fā)動機(jī)1的廢氣中含有的HC和CO以及還原廢氣中也含有的NOx的功能。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于稀薄運(yùn)轉(zhuǎn)時，NOx催化劑34具有吸收來自發(fā)動機(jī)1的廢氣中含有的NOx的功能，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于化學(xué)計算運(yùn)轉(zhuǎn)或濃運(yùn)轉(zhuǎn)時，NOx催化劑34具有排放和還原所吸收的NOx的功能，換句話說，進(jìn)行所謂的NOx凈化。
在廢氣凈化裝置30的廢氣入口附近設(shè)置溫度傳感器38(催化劑溫度檢測裝置)。
包括火花塞4和噴射器6的各種裝置和包括溫度傳感器38的各種傳感器與ECU(電子控制單元)40(NOx凈化控制裝置)電連接。ECU 40根據(jù)來自傳感器的信號控制各種裝置的工作。
下面將描述如上所述設(shè)置的根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置的功能。
圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置中由ECU 40執(zhí)行的NOx凈化的控制流程的流程圖。
NOx凈化時刻的確定取決于發(fā)動機(jī)1等的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。這里，作為實(shí)例，為了NOx凈化，進(jìn)行每一個30秒的稀薄運(yùn)轉(zhuǎn)和2秒的空燃比(A/F)為13.0的濃運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方式的NOx凈化下文將稱為狀況A。
如圖2所示，在NOx凈化中，首先在步驟S1，由溫度傳感器38檢測廢氣凈化裝置30的入口側(cè)溫度，然后根據(jù)該入口側(cè)溫度計算廢氣凈化裝置30中設(shè)置的每個催化劑的溫度。例如，前級三元催化劑32的溫度可被估計為基本等于由溫度傳感器38檢測的廢氣凈化裝置30的入口側(cè)溫度，NOx催化劑34的溫度可被估計為廢氣凈化裝置30的溫度加上規(guī)定的溫度(例如，100℃)。
接下來，在步驟S2，確定對于NOx凈化進(jìn)行的濃運(yùn)轉(zhuǎn)中主燃料噴射中的燃料噴射量(以下稱為主燃料噴射量)和副燃料噴射中的燃料噴射量(以下稱為副燃料噴射量)之間的比率。
具體地，在為NOx凈化進(jìn)行的濃運(yùn)轉(zhuǎn)中，燃料噴射以被分為吸氣沖程中的主燃料噴射和膨脹沖程中的副燃料噴射這樣的方式進(jìn)行。
在狀況A時的NOx凈化中，例如，主燃料噴射量和副燃料噴射量之間的比率被確定為2.5∶1。請注意，對于NOx凈化的空燃比是對于包括主燃料噴射和副燃料噴射的全部燃料噴射的空燃比。在狀況A時的NOx凈化中，狀況被設(shè)置成在濃運(yùn)轉(zhuǎn)啟動后0.2秒進(jìn)行0.5秒的副燃料噴射，以及對于2秒的NOx凈化的全部空燃比為13.0。
請注意，當(dāng)步驟S1中檢測的前級三元催化劑32的溫度在前級三元催化劑32的激活溫度范圍內(nèi)時，主燃料噴射量和副燃料噴射量之間的比率被確定在5∶1到2∶1的范圍內(nèi)，此時副燃料噴射量相對較大。
進(jìn)一步，主燃料噴射量和副燃料噴射量之間的比率被這樣確定，即前級三元催化劑32的溫度越高，副燃料噴射量的比率越高。結(jié)果，當(dāng)三元催化劑的溫度較高時，來自發(fā)動機(jī)1的廢氣就含有更大量的HC。與諸如CO等的其他還原劑相比，HC更不容易被前級三元催化劑32凈化。因此，即使當(dāng)前級三元催化劑32被激活時，也能夠有足夠量的HC被提供到NOx催化劑34。
然后，在步驟S3，校正副燃料噴射的結(jié)束時間(以下稱為副燃料噴射結(jié)束時間)。
具體地，所進(jìn)行的校正使得當(dāng)前級三元催化劑32的溫度較高時，副燃料噴射結(jié)束時間就更大程度地延遲，雖然該校正受到條件的約束，即受到這樣的條件的約束，通過副燃料噴射過程噴射的燃料不應(yīng)當(dāng)被通過主燃料噴射過程噴射的燃料的燃燒點(diǎn)燃。這樣校正的結(jié)果是，當(dāng)三元催化劑32的溫度較高時，廢氣含有的HC的量更大。
在狀況A時的NOx凈化中，初始副燃料噴射結(jié)束時間設(shè)定為65°ATDC(上死點(diǎn)之后)。
然后，在步驟S4，利用步驟S2和步驟S3中確定的燃料噴射比率和燃料噴射時間開始進(jìn)行NOx凈化控制，該流程的執(zhí)行就到此結(jié)束。
這里，參見圖3至圖6。圖3是顯示當(dāng)進(jìn)行本實(shí)施例中的NOx凈化控制時前級三元催化劑32入口側(cè)溫度和NOx凈化率之間的關(guān)系的曲線圖；圖4是顯示當(dāng)進(jìn)行常規(guī)NOx凈化控制時前級三元催化劑32入口側(cè)溫度和NOx凈化率之間的關(guān)系的曲線圖；圖5是顯示當(dāng)進(jìn)行本實(shí)施例中的NOx凈化控制時和進(jìn)行常規(guī)NOx凈化控制時廢氣中的CO濃度和HC濃度的曲線圖。請注意，常規(guī)NOx凈化控制是在狀況A下進(jìn)行的，主燃料噴射量和副燃料噴射量之間的比率為8.8∶1，副燃料噴射結(jié)束時間為89°ATDC。
圖3和圖4之間的比較顯示，當(dāng)副燃料噴射量比率如同本實(shí)施例中的NOx凈化控制中一樣上升時，NOx凈化率就得到很大程度的提高。
進(jìn)一步，如圖5所示，當(dāng)進(jìn)行常規(guī)NOx凈化控制時，廢氣凈化控制裝置30的入口周圍的廢氣具有高CO濃度和低HC濃度。同時，當(dāng)進(jìn)行本實(shí)施例中的NOx凈化控制時，廢氣凈化控制裝置30的入口周圍的廢氣具有低CO濃度和高HC濃度。
進(jìn)一步，在本實(shí)施例的NOx凈化控制中，廢氣凈化控制裝置30的入口周圍廢氣具有低CO濃度，在前級三元催化劑32之后該濃度稍許增加。據(jù)此可推斷，雖然初始時CO比HC更容易被前級三元催化劑凈化，但當(dāng)大量的HC到達(dá)前級三元催化劑32時，CO從HC生成，使前級三元催化劑32對CO的凈化受到抑制。
因此，如圖5所示，與常規(guī)NOx凈化控制相比，當(dāng)進(jìn)行本實(shí)施例的NOx凈化控制時，不容易被前級三元催化劑32凈化的大量HC從發(fā)動機(jī)1排出，同時，在存在NOx催化劑34的情況下作為還原劑進(jìn)行良好反應(yīng)的CO的量也增加。因此，還原劑以更好的方式提供到NOx催化劑34。
因此，即使當(dāng)前級三元催化劑32處于被激活狀態(tài)時，通過可變化地確定主燃料噴射量和副燃料噴射量之間的比率而使得當(dāng)前級三元催化劑32的溫度較高時副燃料噴射量的比率在5∶1到2∶1的范圍內(nèi)增加，該范圍內(nèi)副燃料噴射量的比率與常規(guī)的情況相比相對較大，而不改變NOx凈化中消耗的燃料量，并且通過當(dāng)前級三元催化劑32的溫度較高時較大程度地延遲副燃料噴射量結(jié)束時間，足夠量的還原劑就能夠被提供到NOx催化劑34，使NOx凈化能以良好的方式進(jìn)行。
因此，在抑制NOx凈化造成的燃料經(jīng)濟(jì)性下降的同時，可以提高廢氣凈化性能。
上文描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置。然而，本發(fā)明不限于所述的實(shí)施例。
例如，在NOx凈化的濃運(yùn)轉(zhuǎn)中空燃比的確定取決于前級三元催化劑32的容量。在所述的實(shí)施例中，前級三元催化劑32的容量是1.0L(1.0公升)。如圖6所示，如果前級三元催化劑32的容量是0.6L，即使當(dāng)NOx凈化的濃運(yùn)轉(zhuǎn)中空燃比被設(shè)定為14.0時，也能夠?qū)崿F(xiàn)足夠高的NOx凈化率。因此，當(dāng)前級三元催化劑32的容量較小時，NOx凈化的濃運(yùn)轉(zhuǎn)中空燃比可設(shè)定成使燃料經(jīng)濟(jì)性下降較小的數(shù)值。
進(jìn)一步，在上述實(shí)施例中通過進(jìn)行濃運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)行的NOx凈化可通過進(jìn)行化學(xué)計算運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)行。
進(jìn)一步，上述實(shí)施例中在吸氣沖程中進(jìn)行的主燃料噴射可在壓縮沖程中進(jìn)行，上述實(shí)施例中在膨脹沖程中進(jìn)行的副燃料噴射可在排氣沖程中進(jìn)行。
進(jìn)一步，雖然在上述實(shí)施例中，為NOx凈化在稀薄運(yùn)轉(zhuǎn)30秒之后進(jìn)行濃運(yùn)轉(zhuǎn)2秒，但NOx凈化方式不限于此。NOx凈化可在其他條件下進(jìn)行。
進(jìn)一步，在所述實(shí)施例中，濃運(yùn)轉(zhuǎn)啟動后0.2秒副燃料噴射開始，副燃料噴射周期為0.5秒。當(dāng)副燃料噴射周期被確定為短于濃運(yùn)轉(zhuǎn)周期時，雖然副燃料噴射被要求應(yīng)當(dāng)在濃運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)結(jié)束，但副燃料噴射可在濃運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)的任意點(diǎn)處開始。
進(jìn)一步，雖然在上述實(shí)施例中，催化劑溫度傳感器38設(shè)置在廢氣凈化裝置30的廢氣入口的附近，但催化劑溫度傳感器38的設(shè)置位置不限于此，其可設(shè)置在能夠檢測催化劑溫度的任何位置。這樣，前級三元催化劑32的溫度和NOx催化劑34的溫度通過取決于催化劑溫度傳感器38的位置校正催化劑溫度傳感器38的檢測輸出而獲得。
替代使用如催化劑溫度傳感器38等的直接檢測溫度的裝置，可以使用根據(jù)公知方式獲得的溫度之外的參數(shù)估計催化劑溫度的裝置或計算方法。
進(jìn)一步，在所述實(shí)施例中，根據(jù)前級三元催化劑32的溫度來確定主燃料噴射量和校正副燃料噴射量之間的比率和校正副燃料噴射結(jié)束時間。然而，確定上述比率和校正副燃料噴射結(jié)束時間的方法不限于此，例如，該過程可根據(jù)NOx催化劑34的溫度進(jìn)行。
后級三元催化劑36不是絕對必要的，可根據(jù)需要設(shè)置。
通過對本發(fā)明的描述，很明顯，本發(fā)明可采用多種不同方法變化。這樣的變化不認(rèn)為是背離了本發(fā)明的精神和范圍，并且所有對于本領(lǐng)域熟練的專業(yè)人員顯而易見的這些修改都將被包括在附后的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置，包括用于把燃料直接噴射進(jìn)內(nèi)燃機(jī)燃燒室的燃料噴射裝置；設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)排氣通道中的NOx催化劑，以在內(nèi)燃機(jī)的稀薄運(yùn)轉(zhuǎn)中吸收廢氣中含有的NOx，以及在內(nèi)燃機(jī)的化學(xué)計算運(yùn)轉(zhuǎn)或濃運(yùn)轉(zhuǎn)中排放和還原被吸收的NOx；設(shè)置在排氣通道中NOx催化劑上游的三元催化劑；用于檢測或估計NOx催化劑和三元催化劑中至少任何一個的溫度的催化劑溫度檢測裝置；和用于通過控制燃料噴射裝置進(jìn)行主燃料噴射和副燃料噴射執(zhí)行內(nèi)燃機(jī)的化學(xué)計算運(yùn)轉(zhuǎn)或濃運(yùn)轉(zhuǎn)，使NOx催化劑排放和還原被吸收的NOx的NOx凈化控制裝置，主燃料噴射在吸氣沖程和壓縮沖程中的至少任何一個沖程中執(zhí)行，副燃料噴射在膨脹沖程和排氣沖程中的至少任何一個沖程中執(zhí)行，其中，所述NOx凈化控制裝置根據(jù)由催化劑溫度檢測裝置檢測或估計的溫度可變化地確定主燃料噴射量和副燃料噴射量之間的比率。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置，其特征在于，其中所述NOx凈化控制裝置把主燃料噴射量和副燃料噴射量之間的比率確定在5∶1到2∶1的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置，其特征在于，其中當(dāng)由催化劑溫度檢測裝置檢測或估計的溫度變得較高時，所述NOx凈化控制裝置把副燃料噴射量相對于主燃料噴射量的比率確定得更大。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)廢氣凈化裝置，其特征在于，其中所述NOx凈化控制裝置控制所述燃料噴射裝置，使得當(dāng)由催化劑溫度檢測裝置檢測或估計的溫度變得較高時更大程度地延遲副燃料噴射的結(jié)束時間。
全文摘要
通過進(jìn)行主燃料噴射和副燃料噴射以進(jìn)行發(fā)動機(jī)的濃運(yùn)轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)NOx催化劑的NOx凈化。在NOx凈化中，主燃料噴射量和副燃料噴射量之間的比率被可變化地確定在副燃料噴射量的比率相對較大的5∶1到2∶1的范圍內(nèi)，使得當(dāng)三元催化劑的溫度較高時副燃料噴射量的比率更大。
文檔編號F01N3/08GK1877104SQ200610091519
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月6日
發(fā)明者田辺健, 太原弘明, 巖知道均一 申請人:三菱自動車工業(yè)株式會社