專(zhuān)利名稱(chēng)：內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
來(lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)的排氣包含諸如NOx(氮氧化物)的有害物質(zhì)。為了降低這些有害物質(zhì)的排放，已知在內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中設(shè)置用于凈化排氣中的NOx的NOx催化劑。在這種技術(shù)中，當(dāng)NOx催化劑的溫度很低時(shí)，可能存在NOx凈化效率降低的情況。因此，NOx催化劑的溫度需要升高至排氣中的NOx能夠被充分凈化的溫度。
另一方面，來(lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)的排氣包括主要成分是碳的顆粒物質(zhì)(PM)。一種防止這些顆粒物質(zhì)排放入大氣的已知技術(shù)包括設(shè)置具有用于捕集(清除)顆粒物質(zhì)的顆粒過(guò)濾器(下文中將被簡(jiǎn)稱(chēng)為[過(guò)濾器])的內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)。
在這種類(lèi)型的過(guò)濾器中，當(dāng)捕集的顆粒物質(zhì)的沉積量增大時(shí)，由于過(guò)濾器的堵塞，排氣中的背壓升高，并且發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)升高導(dǎo)入到過(guò)濾器中的排氣的溫度使過(guò)濾器的溫度升高，并且捕集的顆粒物質(zhì)通過(guò)氧化被除去，因而意圖再生過(guò)濾器的排氣凈化性能(下文中將被簡(jiǎn)稱(chēng)為[PM再生處理])。
在上述PM再生處理中，當(dāng)過(guò)濾器的溫度很低時(shí)，可能存在不能充分氧化除去由過(guò)濾器捕集的顆粒物質(zhì)的情況。因此，也在這種情況下，過(guò)濾器溫度需要升高至由過(guò)濾器捕集的顆粒物質(zhì)能夠被充分氧化除去的溫度。
在這方面，如日本專(zhuān)利申請(qǐng)未審定公報(bào)No.2003-166417中所公開(kāi)的，提出了這樣一種技術(shù)，即設(shè)置過(guò)濾器、布置在過(guò)濾器上游側(cè)的氧化催化劑、以及旁路——排氣經(jīng)由該旁路繞過(guò)(bypass)氧化催化劑，并且當(dāng)通過(guò)切換排氣應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)的是旁路還是氧化催化劑而執(zhí)行PM再生處理時(shí)，過(guò)濾器盡快地暖機(jī)。可替換地，如在專(zhuān)利申請(qǐng)No.2003-533626的PCT國(guó)際公布的發(fā)行的日文翻譯中所公開(kāi)的，提出了一種技術(shù)，其中在過(guò)濾器的上游設(shè)置了催化劑式燃燒器和燃料添加設(shè)備，并且PM再生處理可以確實(shí)地以低成本執(zhí)行。
這里，在前者的技術(shù)中，存在這樣的情況當(dāng)排氣經(jīng)過(guò)所述旁路時(shí)，排氣的溫度降低，并且過(guò)濾器溫度很難有效地上升。此外，在后者的技術(shù)中，在內(nèi)燃機(jī)通常工作期間，催化劑式燃燒器消耗大量的排氣熱，并且存在過(guò)濾器溫度會(huì)降低的可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種技術(shù)，該技術(shù)能夠在具有更簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的情況下更有效地或更確定地升高內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中排氣凈化設(shè)備的溫度。
以下是用于實(shí)現(xiàn)上述目的的本發(fā)明的最重要的特征。在排氣凈化設(shè)備的上游側(cè)內(nèi)燃機(jī)的排氣通路由單個(gè)排氣管形成，并且構(gòu)成排氣所經(jīng)過(guò)的通路的部分和設(shè)置有通過(guò)在被供以還原劑時(shí)放出熱而使排氣升溫的催化劑的部分在排氣管中彼此平行地設(shè)置。在流過(guò)排氣管的排氣中，經(jīng)過(guò)使排氣升溫的所述催化劑的排氣的量和經(jīng)過(guò)所述通路的排氣的量的分配被設(shè)定為可變化。
更具體地，在一種內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化系統(tǒng)中，包括排氣凈化設(shè)備，所述排氣凈化設(shè)備設(shè)置在所述內(nèi)燃機(jī)的排氣通路中，用于凈化經(jīng)過(guò)所述排氣通路的排氣，并且被升溫至預(yù)定溫度或更高溫度從而其凈化能力提高；排氣升溫裝置，所述排氣升溫裝置設(shè)置在所述排氣通路中所述排氣凈化設(shè)備的上游側(cè)；以及還原劑添加裝置，所述還原劑添加裝置設(shè)置在所述排氣通路中所述排氣升溫裝置的上游側(cè)并且添加還原劑到經(jīng)過(guò)所述排氣通路的排氣中，
改進(jìn)的特征在于，所述排氣升溫裝置包括排氣升溫催化劑，所述排氣升溫催化劑設(shè)置在構(gòu)成所述排氣通路的單個(gè)排氣管中使得留出排氣應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)的排氣流通區(qū)域，被供以從所述還原劑添加裝置添加的還原劑并且由此放出熱；以及排氣流量(流率，flow rate)控制設(shè)備，所述排氣流量控制設(shè)備控制在經(jīng)過(guò)所述排氣管的排氣中，經(jīng)過(guò)所述排氣流通區(qū)域的排氣的量和經(jīng)過(guò)所述排氣升溫催化劑的排氣的量的分配。
這里，在由設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中的NOx催化劑凈化排氣中的NOx的情況下，NOx催化劑的溫度需要等于或高于活性化溫度，在該活性化溫度下NOx可以被吸留。此外，在對(duì)設(shè)置在排氣系統(tǒng)中的過(guò)濾器執(zhí)行PM再生處理的情況下，要求過(guò)濾器的溫度保持等于或高于一溫度，在該溫度下由過(guò)濾器捕集的顆粒物質(zhì)能夠通過(guò)氧化被除去。
為此，可能存在采用這樣一種方法的情況用于升高流入NOx催化劑或過(guò)濾器的排氣的溫度的排氣升溫催化劑設(shè)置在NOx催化劑或過(guò)濾器的上游側(cè)，并且流入NOx催化劑或過(guò)濾器的排氣的溫度通過(guò)供給還原劑到該排氣升溫催化劑產(chǎn)生的反應(yīng)熱而升高。
在這種情況下，如果排氣升溫催化劑本身的保溫性不夠，則即使當(dāng)供給還原劑到排氣升溫催化劑時(shí)，也存在流入NOx催化劑或過(guò)濾器的排氣的溫度不能充分地升高的可能性。
此外，例如，如果NOx催化劑或過(guò)濾器的溫度很高，可能發(fā)生這樣的情況沒(méi)有經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑的排氣直接流入NOx催化劑或過(guò)濾器。為此，考慮與排氣管分開(kāi)地設(shè)置一旁路，經(jīng)由該旁路排氣繞過(guò)排氣升溫催化劑。然而，在這種情況下，排氣通路具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且存在在車(chē)輛上的可安裝性下降或難以降低成本的可能性。
鑒于此，根據(jù)本發(fā)明，在排氣通路中排氣凈化設(shè)備的上游側(cè)設(shè)置排氣升溫裝置。在該排氣升溫裝置中，在構(gòu)成排氣通路的單個(gè)排氣管中設(shè)置排氣升溫催化劑使得該排氣升溫催化劑占用排氣管的部分截面，并且排氣管的截面的剩余區(qū)域被設(shè)定為排氣所經(jīng)過(guò)的排氣流通區(qū)域。排氣流量控制設(shè)備可以控制流過(guò)排氣管的排氣中經(jīng)過(guò)排氣流通區(qū)域的排氣的量和經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑的排氣的量的分配。
通過(guò)這種設(shè)計(jì)，排氣升溫催化劑和排氣流通區(qū)域可以彼此平行地在構(gòu)成排氣通路的單個(gè)排氣管的內(nèi)部形成，因此排氣升溫催化劑和排氣通路的外部的接觸面積可以降低至最大可能程度。此外，當(dāng)排氣經(jīng)過(guò)排氣流通區(qū)域時(shí)，排氣的熱可以有效地傳遞至排氣升溫催化劑。作為其結(jié)果，可以提高排氣升溫催化劑的保溫性。
此外，可以在單個(gè)排氣管中設(shè)置排氣升溫催化劑和排氣所經(jīng)過(guò)的排氣流通區(qū)域兩者，因此可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，由此可以提高排氣凈化系統(tǒng)在車(chē)輛上的可安裝性，并且還可以實(shí)現(xiàn)成本的降低。
此外，根據(jù)本發(fā)明，所述排氣流通區(qū)域在所述排氣管中垂直于排氣流通方向的截面內(nèi)可以布置在中央部分，并且所述排氣升溫催化劑在所述截面內(nèi)可以布置在所述排氣流通區(qū)域的外側(cè)。
這里，如果被排氣升溫催化劑升溫的排氣均一地流入排氣凈化設(shè)備的上游側(cè)端面，則排氣凈化設(shè)備的溫度趨向于在其中央部分很高并且隨著接近其邊緣部分而變得較低。這是由于從排氣凈化設(shè)備的外邊緣部分向外部空氣的熱釋放造成的。
相反地，根據(jù)本發(fā)明，排氣所經(jīng)過(guò)的排氣流通區(qū)域在排氣管中垂直于排氣流通方向的截面內(nèi)布置在中央部分，并且排氣升溫催化劑在該截面內(nèi)布置在排氣流通區(qū)域的外側(cè)。通過(guò)這種布置，排氣升溫催化劑可以在排氣管中垂直于排氣流通方向的截面中的外圍部分上分布。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，被排氣升溫催化劑升溫的排氣可以集中地供給到排氣凈化設(shè)備的外圍部分，即使當(dāng)熱從排氣凈化設(shè)備的外圍部分釋放到外部空氣中時(shí)，排氣凈化設(shè)備的溫度也可以均一地升高。
此外，根據(jù)本發(fā)明，所述排氣流量控制設(shè)備可以設(shè)定為，通過(guò)控制所述分配，能夠選擇流過(guò)所述排氣管的排氣的基本全部量經(jīng)過(guò)所述排氣流通區(qū)域的狀態(tài)、流過(guò)所述排氣管的排氣的基本全部量經(jīng)過(guò)所述排氣升溫催化劑的狀態(tài)以及流過(guò)所述排氣管的排氣經(jīng)過(guò)所述排氣流通區(qū)域和所述排氣升溫催化劑兩者的狀態(tài)。
通過(guò)這種設(shè)計(jì)，排氣流量控制設(shè)備選擇流過(guò)排氣管的排氣的基本全部量經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑的狀態(tài)，并且還原劑添加裝置添加還原劑到排氣中，由此排氣的全部量供給到排氣升溫催化劑并且排氣升溫催化劑能夠進(jìn)行通過(guò)還原劑產(chǎn)生的還原反應(yīng)。這使得只有高溫排氣流入排氣凈化設(shè)備。
此外，排氣流量控制設(shè)備選擇流過(guò)排氣管的排氣的基本全部量經(jīng)過(guò)排氣流通區(qū)域的狀態(tài)，由此排氣能夠在沒(méi)有經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑的情況下直接流入排氣凈化設(shè)備。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，如果從內(nèi)燃機(jī)排出的排氣的排氣溫度很高，例如當(dāng)在高負(fù)荷工作時(shí)，排氣凈化設(shè)備可以被排氣的熱能升溫。此外，當(dāng)排氣凈化設(shè)備的溫度很高并且在低負(fù)荷工作時(shí)，可以通過(guò)使相對(duì)低溫的排氣直接流入排氣凈化設(shè)備來(lái)抑制排氣升溫催化劑的溫度過(guò)高。
此外，如果從內(nèi)燃機(jī)排出的排氣的溫度很高例如當(dāng)在高負(fù)荷工作，和如果排氣升溫催化劑的溫度已經(jīng)很高時(shí)，可以抑制高溫排氣進(jìn)一步流入排氣升溫催化劑。這使得抑制排氣升溫催化劑的溫度過(guò)高成為可能。此外，如果從內(nèi)燃機(jī)排出的排氣的溫度很低，例如在低負(fù)荷工作時(shí)，能夠抑制低溫排氣流入排氣升溫催化劑。這使得抑制排氣升溫催化劑的溫度降低變得可行。
此外，排氣流量控制設(shè)備選擇流過(guò)排氣管的排氣經(jīng)過(guò)排氣流通區(qū)域和排氣升溫催化劑兩者的狀態(tài)，由此由于經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑被升溫的排氣和沒(méi)有經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑的排氣可以以其適當(dāng)混合的狀態(tài)流入排氣凈化設(shè)備。這使得能夠提高排氣凈化設(shè)備的溫度的可控制性。
此外，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)使所述排氣凈化設(shè)備升溫時(shí)，所述還原劑添加裝置可以添加還原劑到經(jīng)過(guò)所述排氣通路的排氣中，并且所述排氣流量控制設(shè)備可以控制所述分配，以使得流過(guò)所述排氣管的排氣的基本全部量經(jīng)過(guò)所述排氣升溫催化劑；以及在從所述還原劑添加裝置添加的還原劑到達(dá)所述排氣升溫催化劑后，所述排氣流量控制設(shè)備可以控制所述分配，以便減小流過(guò)所述排氣管的排氣中經(jīng)過(guò)所述排氣升溫催化劑的排氣的量。
即，在如上所述使排氣凈化設(shè)備升溫的情況下，希望高溫排氣流入排氣凈化設(shè)備。為此，還原劑添加裝置添加還原劑到流過(guò)排氣通路的排氣中，并且排氣流量控制設(shè)備控制所述分配，以便使排氣升溫催化劑容許流過(guò)排氣管的排氣的基本全部量通過(guò)。在這種控制下，從還原劑添加裝置添加的還原劑可以有效地導(dǎo)入到排氣升溫催化劑中。
然后，在從還原劑添加裝置添加的還原劑到達(dá)排氣升溫催化劑后，排氣流量控制設(shè)備控制所述分配，以便減小流過(guò)排氣管的排氣中經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑的排氣的量。通過(guò)這樣控制所述分配，在還原劑到達(dá)排氣升溫催化劑后，經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑的排氣的流量減小，并且因此可以抑制還原劑原封不動(dòng)地(intact)經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑。然后，還原劑可以在排氣升溫催化劑中滯留充分長(zhǎng)的時(shí)間。結(jié)果，在排氣升溫催化劑中可以產(chǎn)生充分的還原反應(yīng)，并且從排氣升溫催化劑排出的排氣的溫度可以更確定地升高。
此外，根據(jù)本發(fā)明，在安裝有所述內(nèi)燃機(jī)的車(chē)輛的減速工作期間，所述排氣流量控制設(shè)備可以控制所述分配，以便減小流過(guò)所述排氣管的排氣中經(jīng)過(guò)所述排氣升溫催化劑的排氣的量。
這里，在內(nèi)燃機(jī)的減速工作期間，存在從內(nèi)燃機(jī)排出的排氣的溫度降低的情況。從而，在這種情況下，當(dāng)?shù)蜏嘏艢饨?jīng)過(guò)排氣升溫催化劑時(shí)，排氣升溫催化劑的溫度降低，并且可能排氣的溫度很難有效地升高。這里，排氣升溫催化劑通常具有比排氣凈化設(shè)備小的熱容量，并且因此存在許多情況，尤其是其溫度由于低溫排氣的通過(guò)而趨向于降低。
相反地，(根據(jù)本發(fā)明，)在安裝有內(nèi)燃機(jī)的車(chē)輛的減速工作期間，排氣流量控制設(shè)備可以減小流過(guò)排氣管的排氣中經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑的排氣的量。通過(guò)這種操作，如果從內(nèi)燃機(jī)排出的排氣的溫度很低，則減小經(jīng)過(guò)排氣升溫催化劑的排氣的量并且抑制排氣升溫催化劑的溫度的降低成為可能。
應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明中解決問(wèn)題的裝置可以通過(guò)盡可能地將這些裝置組合進(jìn)行使用。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的內(nèi)燃機(jī)并示出排氣系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)的視圖；圖2是示出在本發(fā)明的第一實(shí)施例中的排氣凈化設(shè)備升溫例程的流程圖；圖3是示出在本發(fā)明的第一實(shí)施例中的排氣凈化設(shè)備升溫例程的另一例子的流程圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的排氣升溫設(shè)備并示出排氣凈化設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)的視圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的排氣升溫設(shè)備并示出排氣凈化設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)的另一模式的視圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的排氣升溫設(shè)備并示出排氣凈化設(shè)備的概略結(jié)構(gòu)的又一模式的視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖以示例的方式對(duì)實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
<第一實(shí)施例>
圖1是示出根據(jù)第一實(shí)施例的內(nèi)燃機(jī)并示出排氣系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)的視圖。圖1中示出的內(nèi)燃機(jī)1被歸類(lèi)為柴油機(jī)。注意在圖1中省略了內(nèi)燃機(jī)1的內(nèi)部及其進(jìn)氣系統(tǒng)。
在圖1中，從內(nèi)燃機(jī)1排出的排氣所流過(guò)的排氣管5與內(nèi)燃機(jī)1連接，并且還在下游與未示出的消聲器連接。此外，在排氣管5中在下游布置有凈化排氣中的NOx和顆粒物質(zhì)(例如，炭煙)的排氣凈化設(shè)備10。在排氣管5中排氣凈化設(shè)備10的上游布置有排氣升溫設(shè)備11，該排氣升溫設(shè)備11通過(guò)升高流入排氣凈化設(shè)備10的排氣的溫度而升高排氣凈化設(shè)備10的溫度。
該排氣升溫設(shè)備11被分隔管11a分隔為內(nèi)管部分11b和外管部分11c，該分隔管11a具有與排氣管5的直徑大致相同的直徑。內(nèi)管部分11b設(shè)置有流量控制閥11d，該流量控制閥11d通過(guò)改變可經(jīng)過(guò)內(nèi)管部分11b的排氣的流量來(lái)確定流過(guò)內(nèi)管部分11b的排氣的流量和流過(guò)外管部分11c的排氣的流量如何進(jìn)行分配。此外，外管部分11c設(shè)置有具有氧化能力的氧化催化劑11e，從而外管部分11c充滿(mǎn)了氧化催化劑11e。此外，在排氣管5中排氣升溫設(shè)備11的上游側(cè)布置有燃料添加閥12，該燃料添加閥12用于添加作為還原劑的燃料到流過(guò)排氣管5的排氣中。
這里，排氣升溫設(shè)備11對(duì)應(yīng)于排氣升溫裝置。此外，氧化催化劑11e對(duì)應(yīng)于排氣升溫催化劑。此外，內(nèi)管部分11b對(duì)應(yīng)于排氣流通區(qū)域。燃料添加閥12對(duì)應(yīng)于還原劑添加裝置。此外，流量控制閥11d構(gòu)成排氣流量控制設(shè)備。
第一實(shí)施例中的排氣凈化設(shè)備10是這樣構(gòu)造的設(shè)備，即由多孔基材構(gòu)成的壁流型過(guò)濾器支承以鉑(Pt)為代表的氧化催化劑和以鉀(K)和銫(Cs)為代表的NOx吸留劑。然而，排氣凈化設(shè)備10沒(méi)有必要必須是支承NOx吸留劑的設(shè)備，其中，例如，NOx催化劑可以分開(kāi)獨(dú)立設(shè)置在排氣管5中。
在如此構(gòu)造的內(nèi)燃機(jī)1及其排氣系統(tǒng)中，設(shè)置有用于控制內(nèi)燃機(jī)1和排氣系統(tǒng)的電子控制單元(ECU)35。該ECU 35是這樣一個(gè)單元，該單元除了根據(jù)內(nèi)燃機(jī)1的工作條件并且響應(yīng)于駕駛員的請(qǐng)求控制內(nèi)燃機(jī)1的工作狀態(tài)等之外，還用于執(zhí)行包括排氣凈化設(shè)備10、排氣升溫設(shè)備11以及燃料添加閥12的排氣凈化系統(tǒng)的控制。
與內(nèi)燃機(jī)1的工作狀態(tài)控制相關(guān)的未示出的傳感器，例如空氣流量計(jì)、曲軸位置傳感器以及加速器位置傳感器，經(jīng)由電氣配線與ECU 35連接，這些傳感器的輸出信號(hào)輸入至ECU 35。另一方面，內(nèi)燃機(jī)1中用于燃燒的未示出的燃料噴射閥等經(jīng)由電氣配線與ECU 35連接，并且除此之外，第一實(shí)施例中的流量控制閥11d、燃料添加閥12等經(jīng)由電氣配線與ECU 35連接，由此這些元件被控制。
此外，ECU 35配備有CPU(中央處理單元)、ROM(只讀存儲(chǔ)器)、RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)等，其中ROM預(yù)安裝了用于執(zhí)行內(nèi)燃機(jī)1的各種控制的程序并且存儲(chǔ)了記錄有數(shù)據(jù)的脈譜圖。作為程序的一個(gè)種類(lèi)，預(yù)安裝在ECU 35的ROM中的程序包括用于再生排氣凈化設(shè)備10的PM捕集(清除)能力的PM再生處理例程(省略其說(shuō)明)；用于還原并且因此凈化排氣凈化設(shè)備10中吸留在NOx催化劑中的NOx的NOx還原處理例程；類(lèi)似地用于還原并且因此凈化排氣凈化設(shè)備10中吸留在NOx催化劑中的SOx的SOx再生處理例程(省略其說(shuō)明)；以及除此之外，將在下文中進(jìn)行說(shuō)明的第一實(shí)施例中的排氣凈化設(shè)備升溫例程。
順便提及，當(dāng)根據(jù)第一實(shí)施例的內(nèi)燃機(jī)1啟動(dòng)時(shí)，如果排氣凈化設(shè)備10的溫度很低，可能存在排氣凈化設(shè)備10中的NOx催化劑還沒(méi)有到達(dá)活性化溫度并且因此不能充分凈化從內(nèi)燃機(jī)1排出的排氣中的NOx的情況。從而，從內(nèi)燃機(jī)1排出的排氣在排氣中的NOx沒(méi)有被凈化的情況下被釋放，并且會(huì)引起排放惡化的可能性。
鑒于此，第一實(shí)施例采用這樣的設(shè)計(jì)當(dāng)內(nèi)燃機(jī)1啟動(dòng)時(shí)，如果排氣凈化設(shè)備10的溫度很低，則經(jīng)過(guò)內(nèi)管部分11b的排氣的量通過(guò)將流量控制閥11d驅(qū)動(dòng)至閥關(guān)閉側(cè)而減小或變?yōu)榱?，并且作為還原劑的燃料從燃料添加閥12添加。
通過(guò)這種設(shè)計(jì)，從燃料添加閥12添加的燃料被有效地供給到氧化催化劑11e，并且在氧化催化劑11e中有效地發(fā)生還原反應(yīng)，由此升高了從氧化催化劑11e排出的排氣的溫度。該操作使得高溫排氣流入排氣凈化設(shè)備10，由此排氣凈化設(shè)備10可以立即暖機(jī)。
此時(shí)，在第一實(shí)施例中，排氣升溫設(shè)備11布置在排氣管5內(nèi)，而構(gòu)成排氣通路的排氣管不存在分支。具體地，內(nèi)管部分11b和外管部分11c設(shè)置在排氣管5內(nèi)，并且氧化催化劑11e布置為使得外管部分11c充滿(mǎn)了氧化催化劑11e。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，與分支為包含氧化催化劑的排氣通路和旁路的結(jié)構(gòu)相比，排氣升溫設(shè)備11能夠在整體上減小尺寸，并且能夠提高在車(chē)輛上的可安裝性。此外，可以達(dá)到降低成本的目的。更進(jìn)一步，排氣升溫設(shè)備11形成的結(jié)構(gòu)使得在氧化催化劑11e中產(chǎn)生的反應(yīng)熱向外散發(fā)比分支為包含氧化催化劑的排氣通路和旁路的結(jié)構(gòu)中困難，并且因此能夠提高氧化催化劑11e的保溫性。
此外，在第一實(shí)施例中，氧化催化劑11e布置在排氣管5內(nèi)的外管部分11c中，并且因此高溫排氣能夠集中地供給到排氣凈化設(shè)備10的前端面的外圍部分。結(jié)果，能夠抑制排氣凈化設(shè)備10的前端面的中央部分比在外圍部分具有過(guò)高的溫度，由此排氣凈化設(shè)備10能夠整體上均一地暖機(jī)。
下面，將說(shuō)明第一實(shí)施例中在排氣凈化設(shè)備10暖機(jī)時(shí)的詳細(xì)控制。圖2示出了第一實(shí)施例中的排氣凈化設(shè)備升溫例程，這是用于當(dāng)排氣凈化設(shè)備10的NOx催化劑還沒(méi)有達(dá)到活性化溫度時(shí)將NOx催化劑的溫度升高至活性化溫度的例程。在內(nèi)燃機(jī)1的工作期間，由ECU 35以預(yù)定的時(shí)間間隔執(zhí)行該例程。
在執(zhí)行該例程時(shí)，從S101開(kāi)始，獲得定義為排氣凈化設(shè)備10的NOx催化劑溫度的催化劑溫度T。該催化劑溫度T可以以通過(guò)使用未示出的冷卻水溫度傳感器檢測(cè)內(nèi)燃機(jī)1的冷卻水溫度的方式推測(cè)出，并且從排氣凈化設(shè)備10排出的排氣的溫度也可以通過(guò)未示出的排氣溫度傳感器直接檢測(cè)出。可替換地，預(yù)先獲得自?xún)?nèi)燃機(jī)1的啟動(dòng)開(kāi)始經(jīng)過(guò)的時(shí)間與催化劑溫度T之間的關(guān)系，并且催化劑溫度T也可以由自?xún)?nèi)燃機(jī)1的啟動(dòng)開(kāi)始經(jīng)過(guò)的時(shí)間推測(cè)出。當(dāng)完成S101中的處理時(shí)，工作轉(zhuǎn)到S102。
在S102中，判斷催化劑溫度T是否等于或高于排氣凈化設(shè)備10中的NOx催化劑的活性化溫度。然后，當(dāng)判斷出催化劑溫度T等于或高于排氣凈化設(shè)備10中的NOx催化劑的活性化溫度時(shí)，判定排氣凈化設(shè)備10處于能夠凈化從內(nèi)燃機(jī)1排出的排氣中的NOx的狀態(tài)，因此工作轉(zhuǎn)到S107。
在S107中，流量控制閥11d完全打開(kāi)。通過(guò)這樣的閥打開(kāi)，從內(nèi)燃機(jī)1排出的排氣直接流入排氣凈化設(shè)備10中并且在那里凈化NOx。
而另一方面，當(dāng)在S102中判斷出催化劑溫度T低于活性化溫度時(shí)，催化劑溫度T必須盡快上升至等于或高于活性化溫度，因此工作轉(zhuǎn)到S103。在S103中，流量控制閥11d完全關(guān)閉。該操作之后，來(lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)1的排氣的基本全部量流入氧化催化劑11e。當(dāng)S103中的處理完成時(shí)，工作轉(zhuǎn)到S104。
在S104中，用作還原劑的燃料從燃料添加閥12添加到流過(guò)排氣管5的排氣中。這樣添加燃料之后，從燃料添加閥12添加的燃料與開(kāi)始流入氧化催化劑11e的基本全部量的排氣一起被傳送并且因此供給到氧化催化劑11e。當(dāng)S104中的處理完成時(shí)，工作轉(zhuǎn)到S105。
在S105中，判斷從燃料添加閥12添加的燃料是否到達(dá)氧化催化劑11e。這里，從燃料添加閥12添加的燃料到達(dá)氧化催化劑11e的判斷可以通過(guò)讀入在氧化催化劑11e的緊上游設(shè)置的未示出的空燃比傳感器向ECU35的輸出而作出，并且還可以通過(guò)知道氧化催化劑11e的溫度開(kāi)始突然升高而作出。此外，內(nèi)燃機(jī)1的工作狀態(tài)和直到從燃料添加閥12添加的燃料到達(dá)氧化催化劑11e的時(shí)間段之間的關(guān)系被預(yù)先作成脈譜圖，并且上述判斷可以基于自燃料從燃料添加閥12添加起是否經(jīng)過(guò)根據(jù)當(dāng)執(zhí)行排氣凈化設(shè)備升溫例程時(shí)內(nèi)燃機(jī)1的工作狀態(tài)從該脈譜圖讀出的時(shí)間而作出。
如果在S105中判斷出燃料還沒(méi)有到達(dá)氧化催化劑11e，則工作返回到S105的處理之前的情況，在S105中再次判斷從燃料添加閥12添加的燃料是否到達(dá)氧化催化劑11e。然后，重復(fù)執(zhí)行S105中的處理，直到判斷出燃料到達(dá)氧化催化劑11e。隨后，當(dāng)在S105中判斷出燃料到達(dá)氧化催化劑11e時(shí)，工作轉(zhuǎn)到S106。
在S106中，流量控制閥11d的完全關(guān)閉被解除，并且流量控制閥11d打開(kāi)至預(yù)定開(kāi)度。通過(guò)這樣的閥打開(kāi)，流入氧化催化劑11e的排氣的流量減小。這樣工作，能夠抑制到達(dá)氧化催化劑11e的燃料在短時(shí)間內(nèi)原封不動(dòng)地經(jīng)過(guò)氧化催化劑11e并且能夠使得其在氧化催化劑11e內(nèi)滯留充分的時(shí)間。結(jié)果，經(jīng)過(guò)氧化催化劑11e后的排氣的溫度可以充分升高，并且排氣凈化設(shè)備10可以迅速升溫。此外，可以減小使排氣凈化設(shè)備10升溫的燃料消耗。
這里，所述預(yù)定的開(kāi)度是能夠充分抑制到達(dá)氧化催化劑11e的燃料原封不動(dòng)地經(jīng)過(guò)氧化催化劑11e并且能夠供給在氧化催化劑11e中升溫的排氣到排氣凈化設(shè)備10中以便升高排氣凈化設(shè)備10的溫度的開(kāi)度。該預(yù)定的開(kāi)度可以預(yù)先與內(nèi)燃機(jī)1的工作狀態(tài)相關(guān)地作成脈譜圖并且當(dāng)執(zhí)行S106時(shí)可以從該脈譜圖讀出在此時(shí)與內(nèi)燃機(jī)1的工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的開(kāi)度而得到。當(dāng)S106中的處理完成時(shí)，本例程暫時(shí)結(jié)束。
如以上所討論的，第一實(shí)施例中的催化劑升溫例程是，如果排氣凈化設(shè)備10中的NOx催化劑的溫度低于活性化溫度，則流量控制閥11d完全關(guān)閉，燃料從燃料添加閥12添加到排氣中，由此使得確保對(duì)于添加的燃料到達(dá)氧化催化劑11e足夠的輸送性成為可能。
此外，在燃料到達(dá)氧化催化劑11e后，流量控制閥11d打開(kāi)，來(lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)1的排氣流入外管部分11c和內(nèi)管部分11b兩者，由此能夠抑制在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)氧化催化劑11e的燃料原封不動(dòng)地經(jīng)過(guò)氧化催化劑11e，并且已通過(guò)氧化催化劑11e中的還原反應(yīng)升溫的排氣能夠更確定地供給到排氣凈化設(shè)備10中。
注意在以上所述的排氣凈化系統(tǒng)中，如果內(nèi)燃機(jī)1的工作狀態(tài)處于減速狀態(tài)，則在從燃料添加閥12添加的燃料到達(dá)氧化催化劑11e后，流量控制閥11d可以打開(kāi)至更大的開(kāi)度，并且從內(nèi)燃機(jī)1排出的排氣流入氧化催化劑11e的流入量因此可以減小至更大程度。這樣操作后，可以抑制在內(nèi)燃機(jī)1的減速狀態(tài)下低溫排氣流入氧化催化劑11e，并且還可以抑制氧化催化劑11e被冷卻。
圖3示出了在該情況下排氣凈化設(shè)備升溫例程的例子。本例程中的控制和圖2中的控制之間的不同點(diǎn)在于，在本例程中在S105中判斷出燃料到達(dá)氧化催化劑11e后，工作不是轉(zhuǎn)到S106而是轉(zhuǎn)到S201。在S201中判斷內(nèi)燃機(jī)1是否處于減速狀態(tài)。具體地，未示出的加速器位置傳感器的輸出被讀入ECU 35中，并且可以判斷從該值獲得的加速器踩踏量是否為零。加速器沒(méi)有被踩踏的狀態(tài)可以定義為減速狀態(tài)。
當(dāng)在S201中判斷出內(nèi)燃機(jī)1處于減速狀態(tài)時(shí)，判斷如果如圖2中說(shuō)明的流量控制閥11d被打開(kāi)至預(yù)定開(kāi)度并且來(lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)1的排氣供給到內(nèi)管部分11b和包含氧化催化劑11e的外管部分11c兩者中，則相反地氧化催化劑11e被冷卻。因此，工作轉(zhuǎn)到S107，其中流量控制閥11d完全打開(kāi)。而如果在S201中判斷出內(nèi)燃機(jī)1不處于減速狀態(tài)，則如圖2所述工作轉(zhuǎn)到S106。
如果這樣做，則即使在內(nèi)燃機(jī)1處于減速狀態(tài)并且由于從燃料添加閥12添加的燃料在氧化催化劑11e中發(fā)生還原反應(yīng)的情況下，抑制氧化催化劑11e被低溫排氣冷卻的狀況發(fā)生也是可行的。結(jié)果，排氣凈化設(shè)備10更確定地暖機(jī)。應(yīng)當(dāng)注意，在第一實(shí)施例中，當(dāng)在S201中內(nèi)燃機(jī)1被判斷為是在減速狀態(tài)時(shí)，在S107中流量控制閥11d完全打開(kāi)之后，低溫排氣直接流入排氣凈化設(shè)備10。然而，也在這種情況下，排氣凈化設(shè)備10具有比氧化催化劑11e大的熱容量，因此認(rèn)為很難發(fā)生排氣凈化設(shè)備10本身迅速冷卻至低溫的問(wèn)題。
此外，除了以上所述的，在第一實(shí)施例中內(nèi)燃機(jī)1的暖機(jī)完成后并且當(dāng)沒(méi)有執(zhí)行排氣凈化設(shè)備升溫例程時(shí)，如果內(nèi)燃機(jī)1進(jìn)入減速狀態(tài)，也可以進(jìn)行流量控制閥11d完全打開(kāi)這樣的控制。由于這樣進(jìn)行該控制，在完成內(nèi)燃機(jī)1的暖機(jī)后，抑制低溫排氣流入達(dá)到或高于活性化溫度的氧化催化劑11e并且還抑制至少達(dá)到活性化溫度或高于活性化溫度的氧化催化劑11e被冷卻成為可能。
<第二實(shí)施例>
下面，將說(shuō)明本發(fā)明的第二實(shí)施例。第二實(shí)施例將舉例說(shuō)明圖1中說(shuō)明的排氣升溫設(shè)備11的另一結(jié)構(gòu)。
圖4是示出了第二實(shí)施例中的排氣升溫設(shè)備11的概略結(jié)構(gòu)的視圖。第二實(shí)施例的第一模式是如圖4(A)中所示出的，排氣凈化設(shè)備20和排氣升溫設(shè)備21其直徑基本相同并且設(shè)置在具有相同直徑的管內(nèi)。根據(jù)第一模式，排氣可以更平滑地流入排氣凈化設(shè)備20中而不會(huì)擾亂從排氣升溫設(shè)備21排出的排氣的流動(dòng)。此外，尤其當(dāng)氧化催化劑21e設(shè)置在外管部分21c中時(shí)，從氧化催化劑21e排出的高溫排氣可以更確定地流入排氣凈化設(shè)備20的外圍部分，結(jié)果排氣凈化設(shè)備20的溫度可以更確定均一地升高。此外，根據(jù)第一模式，圖4(A)中的臺(tái)階部分21f不是布置在排氣升溫設(shè)備21和排氣凈化設(shè)備20之間。因此可能抑制由于從氧化催化劑21e排出的排氣流向臺(tái)階部分21f導(dǎo)致大量的熱從排氣管5向外散發(fā)。
此外，圖4(B)示出了第二實(shí)施例的另一模式。在圖4(B)中，氧化催化劑21e不是設(shè)置在外管部分21c中而是設(shè)置在內(nèi)管部分21b中。通過(guò)這種布置，氧化催化劑21e不與排氣管5的外部鄰接，由此可以進(jìn)一步提高氧化催化劑21e的保溫性。
此外，如圖5所示，可以采取這樣的模式，即排氣凈化設(shè)備20部分地插入到內(nèi)管部分21b中。圖5(A)示出了流量控制閥21d打開(kāi)的狀態(tài)，而圖5(B)示出了流量控制閥21d完全關(guān)閉的狀態(tài)。根據(jù)本模式，即使排氣凈化設(shè)備20具有很大的容量，也可以減小包括排氣升溫設(shè)備21和排氣凈化設(shè)備20的整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸，并且可以提高在車(chē)輛上的可安裝性。
此外，圖6示出了第二實(shí)施例的又一模式。在圖6(A)中，在氧化催化劑21e中設(shè)置了電熱式加熱器21g。當(dāng)使排氣凈化設(shè)備20升溫時(shí)，首先，電熱式加熱器21g被通電以放出熱，由此升高氧化催化劑21e本身的溫度。當(dāng)這樣做時(shí)，更確定地將氧化催化劑21e本身的溫度升高至活性化溫度以上并且更可靠地升高流入排氣凈化設(shè)備20的排氣的溫度是可行的。
此外，在圖6(B)中，在氧化催化劑21e的緊上游設(shè)置了電熱塞(glowplug)21h。當(dāng)使排氣凈化設(shè)備20升溫時(shí)，首先，電熱塞21h被通電以放出熱，氧化催化劑21e本身的溫度升高，并且經(jīng)過(guò)外管部分21c的排氣的溫度上升。然后，從燃料添加閥12添加燃料。通過(guò)該操作，可以更確定地將氧化催化劑21e本身的溫度升高至活性化溫度以上，并且從氧化催化劑21e排出的排氣的溫度可以進(jìn)一步升高。因此，可以更可靠地升高流入排氣凈化設(shè)備20的排氣的溫度。
需要注意，以上討論的實(shí)施例舉例說(shuō)明了當(dāng)內(nèi)燃機(jī)1啟動(dòng)時(shí)對(duì)排氣凈化設(shè)備10或20進(jìn)行暖機(jī)的情況。除此之外，在以上討論的實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)和控制可以應(yīng)用于在排氣凈化設(shè)備10或20中的SOx中毒恢復(fù)處理和過(guò)濾器的PM再生處理中升高NOx催化劑或過(guò)濾器的溫度的情況。
此外，以上討論的實(shí)施例舉例說(shuō)明了從燃料添加閥12添加燃料作為還原劑的例子，然而，這些實(shí)施例可以應(yīng)用于包括使用尿素水作為還原劑的排氣凈化系統(tǒng)中。此外，這些實(shí)施例還可以應(yīng)用于柴油機(jī)以外的內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化系統(tǒng)中。此外，這些實(shí)施例還可以應(yīng)用于通過(guò)執(zhí)行諸如VIGOM噴射、POST噴射等的副噴射從內(nèi)燃機(jī)的燃料噴射閥添加燃料作為還原劑的排氣凈化系統(tǒng)中。
此外，根據(jù)本發(fā)明的排氣凈化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不限于以上討論的實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)并且可以作出修改，只要這些修改在本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)。例如，在以上討論的實(shí)施例中的流量控制閥11d的完全關(guān)閉狀態(tài)并不一定意味著閥的完全關(guān)閉狀態(tài)。其可以包括流量控制閥11d關(guān)閉至足夠小的開(kāi)度使得來(lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)1的排氣的基本全部量都能夠流入氧化催化劑11e中的狀態(tài)。
工業(yè)應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)中的排氣凈化設(shè)備的溫度可以更有效地或更確定地升高。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化系統(tǒng)，包括排氣凈化設(shè)備，所述排氣凈化設(shè)備設(shè)置在所述內(nèi)燃機(jī)的排氣通路中，用于凈化經(jīng)過(guò)所述排氣通路的排氣，并且其溫度被升高至預(yù)定溫度或更高溫度從而其凈化能力提高；排氣升溫裝置，所述排氣升溫裝置設(shè)置在所述排氣通路中所述排氣凈化設(shè)備的上游側(cè)；以及還原劑添加裝置，所述還原劑添加裝置設(shè)置在所述排氣通路中所述排氣升溫裝置的上游側(cè)并且添加還原劑到經(jīng)過(guò)所述排氣通路的排氣中，其中所述排氣升溫裝置包括排氣升溫催化劑，所述排氣升溫催化劑設(shè)置在構(gòu)成所述排氣通路的單個(gè)排氣管中使得留出排氣應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)的排氣流通區(qū)域，被供以從所述還原劑添加裝置添加的還原劑并且由此放出熱；以及排氣流量控制設(shè)備，所述排氣流量控制設(shè)備控制在經(jīng)過(guò)所述排氣管的排氣中，經(jīng)過(guò)所述排氣流通區(qū)域的排氣的量和經(jīng)過(guò)所述排氣升溫催化劑的排氣的量的分配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化系統(tǒng)，其中所述排氣流通區(qū)域在所述排氣管中垂直于排氣流通方向的截面內(nèi)布置在中央部分，并且所述排氣升溫催化劑在所述截面內(nèi)布置在所述排氣流通區(qū)域的外側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化系統(tǒng)，其中所述排氣流量控制設(shè)備通過(guò)控制所述分配，能夠選擇流過(guò)所述排氣管的排氣的基本全部量經(jīng)過(guò)所述排氣流通區(qū)域的狀態(tài)、流過(guò)所述排氣管的排氣的基本全部量經(jīng)過(guò)所述排氣升溫催化劑的狀態(tài)以及流過(guò)所述排氣管的排氣經(jīng)過(guò)所述排氣流通區(qū)域和所述排氣升溫催化劑兩者的狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化系統(tǒng)，其中當(dāng)升高所述排氣凈化設(shè)備的溫度時(shí)，所述還原劑添加裝置添加還原劑到經(jīng)過(guò)所述排氣通路的排氣中，并且所述排氣流量控制設(shè)備控制所述分配，以使得流過(guò)所述排氣管的排氣的基本全部量經(jīng)過(guò)所述排氣升溫催化劑，以及在從所述還原劑添加裝置添加的還原劑到達(dá)所述排氣升溫催化劑后，所述排氣流量控制設(shè)備控制所述分配，以便減小流過(guò)所述排氣管的排氣中經(jīng)過(guò)所述排氣升溫催化劑的排氣的量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化系統(tǒng)，其中在安裝有所述內(nèi)燃機(jī)的車(chē)輛的減速工作期間，所述排氣流量控制設(shè)備控制所述分配，以便減小流過(guò)所述排氣管的排氣中經(jīng)過(guò)所述排氣升溫催化劑的排氣的量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)的排氣凈化系統(tǒng)。該內(nèi)燃機(jī)的排氣通路由單個(gè)排氣管(5)形成。構(gòu)成排氣所經(jīng)過(guò)的通路的部分(11b)和設(shè)置有通過(guò)在被供以還原劑時(shí)放出熱而使排氣升溫的催化劑(11e)的部分(11c)平行布置，這兩部分在該單個(gè)排氣管(5)中排氣凈化設(shè)備(10)的上游側(cè)(11)彼此共用該排氣管的截面。在流過(guò)排氣管(5)的排氣中，經(jīng)過(guò)催化劑(11e)的排氣的量和經(jīng)過(guò)通路(11b)的排氣的量的分配被設(shè)定為可變。
文檔編號(hào)F01N3/025GK101080557SQ200680001358
公開(kāi)日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2006年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月28日
發(fā)明者杉山宏石, 小田富久 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社