專利名稱：排氣凈化裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用NOx包藏還原催化劑包藏發動機排氣中所含有的NOx而凈化排氣、并且使該催化劑再生的裝置。
背景技術：
現有技術中，公開了這樣的發動機排氣凈化裝置，即，在排氣通道中設有捕捉顆粒用的過濾器，在過濾器再生時，進行過濾器的再生處理(例如參照專利文獻1)。在該發動機排氣凈化裝置中，為了在過濾器的再生處理中獲得一定的目標再生速度，設置了每1個發動機循環進行2次后噴射以及排氣的氧濃度控制的再生處理機構。后噴射由共軌式的燃料噴射裝置進行。另外，利用過濾器的再生處理機構進行的再生處理周期包括前期、中期以及后期。在過濾器中承載有氧化催化劑的場合，前期包括前段和后段，在前段進行將溫度控制到催化劑活性溫度的升溫控制，在后段進行將過濾器的床層溫度控制為第1目標床層溫度的升溫控制，該第1目標床層溫度是顆粒自燃的溫度。在前期的前段中，每1個發動機循環進行用于升高排氣溫度的1次后噴射，在前期的后段中，每1個發動機循環進行用于升高排氣溫度以及用于HC供給的2次后噴射。進而，在中期中，每1個發動機循環進行排氣溫度上升用的1次后噴射，而在后期中，每1個發動機循環進行排氣溫度上升用以及HC供給用的2次后噴射。另外，2次的后噴射中的第1次后噴射時刻設定在從接近主噴射的活塞上死點位置至上死點后60度的范圍內，由該后噴射所噴射的燃料在汽缸內燃燒，直接使排氣溫度上升。而且，2次的后噴射中的第2次后噴射時刻設定在活塞的上死點后60度或其之后，由該后噴射所噴射的燃料幾乎不在汽缸內燃燒，而是作為HC供給至承載于過濾器的氧化催化劑。
在這樣構成的發動機排氣凈化裝置中，首先，在過濾器再生處理周期的前期中，使過濾器的床層溫度迅速上升到第1目標床層溫度。接著，在過濾器再生處理周期的中期，在將過濾器的床層溫度維持在第1目標床層溫度的狀態下，以不使過濾器的床層溫度超過容許最高溫度的方式進行第1氧濃度控制。由此，能夠防止過濾器耐久性的降低。另外，在過濾器再生處理周期的后期，在將過濾器的床層溫度維持在比第1目標床層溫度高的第2目標床層溫度的狀態下，將目標氧濃度設定得比第1氧濃度控制時的氧濃度大，將充分的氧供給至過濾器。由此，在接近再生處理結束的時刻，能夠使殘存在過濾器中的顆粒迅速且可靠地燃盡。其結果，能夠縮短過濾器再生處理周期，同時，能夠大致完全地再生過濾器。
專利文獻1日本特開2004-183525號公報(權利要求1-7，段落 -段落 ，段落 ，段落 )在技術文件1所公開的上述現有的發動機排氣凈化裝置中，由第2次后噴射所噴射的燃料以未燃燒的狀態供給到承載于過濾器的氧化催化劑。然而，若以每1個發動機循環的1次后噴射來噴射該未燃燒燃料的話，則需要一次噴射較多量的燃料。因此，其噴射速度快，噴射燃料會到達汽缸內壁面。因而，在汽缸內壁面上形成潤滑膜的機油會被上述噴射燃料稀釋，所以存在損害發動機的潤滑、不能夠利用后噴射對過濾器供給充分量的燃料的問題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種排氣凈化裝置，其能夠通過進行必要且充分量的燃料的后噴射來高效地再生包藏有NOx的NOx包藏還原催化劑，而不會稀釋汽缸內壁面的機油。
技術方案1的發明提供了具備NOx包藏還原催化劑16和燃料添加機構17的排氣凈化裝置的改良，該NOx包藏還原催化劑16設于發動機11的排氣通道14，承載有NOx吸收劑以及活性金屬，該燃料添加機構17對排氣通道14內的排氣添加燃料15，將燃料15向NOx包藏還原催化劑16供給。
其特征構成在于燃料添加機構17是與朝向發動機11的汽缸22的主噴射接續地按不使燃料15在汽缸22內燃燒的定時進行后噴射的蓄壓型燃料噴射裝置，后噴射在發動機11的膨脹行程的后期分3次至20次進行。
在該技術方案1所述的排氣凈化裝置中，在排氣通過NOx包藏還原催化劑16時，該催化劑16中的NOx吸收劑將排氣中的NOx作為硝酸鹽包藏起來，利用承載于催化劑16中的活性金屬的氧化作用來氧化排氣中的碳氫化合物。當催化劑16的NOx包藏量接近飽和狀態時，蓄壓型燃料噴射裝置17按不使燃料15在汽缸11內燃燒的定時分3次至20次進行后噴射。由此，汽缸22內壁面上的機油不會被燃料稀釋，催化劑16入口的排氣中的碳氫化合物濃度增加。因此，碳氫化合物與排氣中的氧在催化劑16的入口發生反應，由此消耗氧。其結果，催化劑16入口的排氣下游測的排氣的空氣過剩率降低，同時，HC、CO或H2作為還原劑增加。因而，包藏在催化劑16中的NOx與上述HC等反應，變生成N2、CO2及H2O而從催化劑16放出。另外，由于排氣中的HC為適當濃度，所以能夠使這些HC的大部分在催化劑16中作為還原劑起作用。
技術方案2的發明基于技術方案1的發明，進一步的特征在于如圖2以及圖3所示那樣，在將作為發動機11的膨脹行程的開始時刻的活塞26的上死點位置設為曲柄角度0度時，在膨脹行程后期分成3次至20次進行的后噴射中的第1次后噴射在曲柄角度90-120度的范圍內開始進行。
在該技術方案2所述的排氣凈化裝置中，由后噴射所噴射出的燃料15不在發動機11內燃燒，能夠將未燃燒燃料15可靠地供給至催化劑。
技術方案3的發明基于技術方案1的發明，進一步的特征在于如圖1所示那樣，NOx包藏還原催化劑16的NOx包藏量是根據基于發動機負載以及發動機旋轉速度的預測圖而計算得到。
在技術方案3所述的排氣凈化裝置中，可不使用檢測NOx濃度的傳感器就能夠比較準確地預測出催化劑16的NOx包藏量。
另外，優選的是，分為3次至20次進行的后噴射的各次的噴射量相同或者自第1次后噴射起逐漸減小。
如上所述，根據本發明，由于燃料添加機構是與朝向發動機的主噴射接續地按不使燃料在發動機內燃燒的定時進行后噴射的蓄壓型燃料噴射裝置，在發動機的膨脹行程的后期分3次至20次進行該后噴射。因而，排氣中的NOx作為硝酸鹽被包藏在NOx包藏還原催化劑中，排氣中的氫氧化合物被氧化。另外，當催化劑的NOx包藏量接近飽和狀態時，蓄壓型燃料噴射裝置按不使燃料在發動機內燃燒的定時、分3次至20次進行后噴射。據此，可防止汽缸內壁面的機油被燃料稀釋，從而能夠使催化劑入口的排氣中的HC濃度增加。其結果，HC與排氣中的氧在催化劑入口部發生反應而使得氧被消耗，在幾乎無氧的狀態下HC等作為還原劑增加。因此，包藏于催化劑中的NOx與上述HC等反應，生成N2等而從催化劑中被排出，能夠高效地再生催化劑。而且，由于能夠將排氣中的HC設定為適當的濃度，所以能夠使這些HC的大部分在NOx包藏還原催化劑中作為還原劑起作用。
另外，若在曲柄角度90至120度的范圍內開始進行在發動機膨脹行程后期內分3次至20次進行的后噴射中的第1次后噴射的話，則由后噴射所噴出的燃料不會在發動機內燃燒，能夠將未燃燃料可靠地供給到催化劑。
而且，若根據基于發動機負載以及發動機旋轉速度的預測圖來計算NOx包藏還原催化劑的NOx包藏量的話，則可不使用檢測NOx濃度的傳感器即可較為準確地預測出催化劑的NOx包藏量。
圖1為示出本發明第一實施方式的包括發動機的排氣凈化裝置的構成圖。
圖2為示出該發動機的膨脹行程的主要部分的剖視圖。
圖3為示出主噴射與后噴射的時間以及量的圖表。
圖4為表示本發明第二實施方式的與圖3對應的剖視圖。
圖5為表示本發明第三實施方式的與圖3對應的剖視圖。
圖6為表示本發明第四實施方式的與圖3對應的剖視圖。
附圖標記說明11 柴油機14 排氣通道15 燃料16 NOx包藏還原催化劑17 蓄壓型燃料噴射裝置(燃料添加機構)22 汽缸26 活塞具體實施方式
下面，基于附圖對用于實施本發明的最佳實施方式進行說明。
第一實施方式如圖1以及圖2所示那樣，柴油機11的吸氣口12a通過吸氣歧管13a連通連接有吸氣管13b，排氣口12b通過排氣歧管14a連通連接有排氣管14b。在上述排氣管14b的中途部分設置有NOx包藏還原催化劑16。NOx包藏還原催化劑16是包藏流入到排氣管14b的排氣中的NOx、且在排氣中的氫氧化合物(HC)濃度增加時放出上述包藏的NOx而進行再生處理的白金-鋇-氧化鋁催化劑。該催化劑16雖未圖示，但實際上具有堇青石制的整體承載體和涂敷層，該整體承載體在排氣流動的方向上形成有格子狀或蜂窩狀的通路，該涂敷層形成在該整體承載體上、且承載有NOx包藏劑以及貴金屬(活性金屬)。另外，作為活性金屬列舉有白金(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)等。而且，雖未圖示，但在NOx包藏還原催化劑16的排氣下游側的排氣管14b中，設置有帶氧化催化劑的顆粒過濾器、即承載了作為氧化催化劑起作用的活性金屬的顆粒過濾器。作為該活性金屬列舉有白金(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)等。
另一方面，在發動機11中，設置有將燃料15添加至排氣管14b中的排氣、由此將燃料15供給到催化劑16上的燃料添加機構17(圖1以及圖2)。燃料添加機構17是對被噴射至發動機11的燃料15的噴射時間以及噴射量進行調節的蓄壓型燃料噴射裝置。該蓄壓型燃料噴射裝置17具有安裝在汽缸蓋12上的電子控制的噴射器18，經由燃料傳送管19與這些噴射器18連接的共軌20，以及經由燃料供給管21與該共軌20連接的燃料供給泵(未圖示)(圖1以及圖2)。上述噴射器18包括面對汽缸22地被插入在汽缸蓋12中的噴射噴嘴18a，能夠開閉噴射噴嘴18a的噴孔的針閥(未圖示)，以及經由復合活塞以及單向孔板設在噴射噴嘴18a的近端上、使針閥豎直運動的噴射器用的電磁閥18b。在該噴射器用電磁閥18b為斷開狀態時，噴射噴嘴18a的噴孔關閉，當噴射器用電磁閥18b接通時，噴孔打開，燃料15被噴射到汽缸22中。另外，吸氣口12a以及排氣口12b分別以面對汽缸22的方式形成在汽缸蓋12上。吸氣口12a由吸氣閥23可開放地關閉，排氣口12b由排氣閥24可開放地關閉(圖2)。另外，在汽缸22中，能夠上下運動地容納有活塞26。
由負載傳感器27檢測發動機11的負載，由旋轉傳感器28檢測發動機11的旋轉速度(圖1)。另外，在催化劑16的排氣上游側的排氣管14b中，設有檢測在該排氣管14b內流通的排氣的溫度的溫度傳感器29。上述負載傳感器27、旋轉傳感器28以及溫度傳感器29的各檢測輸出與控制器31的控制輸入連接，控制器31的控制輸出與各噴射器用電磁閥18b連接。另外，在控制器31中設有存儲器32。該存儲器32存儲著對基于負載傳感器27所檢測到的發動機負載以及旋轉傳感器28所檢測到的發動機旋轉速度的催化劑16的NOx包藏量進行預測的圖。
對這樣構成的排氣凈化裝置的動作進行說明。
起動發動機11，溫度傳感器29檢測到低于220℃的排氣溫度。控制器31基于負載傳感器27所檢測的發動機負載和旋轉傳感器28所檢測的發動機旋轉速度、根據存儲器32所存儲的NOx包藏量預測圖來計算催化劑16的NOx包藏量。若判斷出該包藏量小于規定量的話，則控制器31不進行燃料15的后噴射并控制各噴射器用電磁閥18b，使得形成為通常的運轉狀態。由此，從發動機11被排出的排氣經過排氣管14b和催化劑16而通過。此時，排氣中所包含的NOx被包藏在上述催化劑16中。作為承載于催化劑16的涂敷層中的NOx吸收劑若使用例如鋇(Ba)的話，則從發動機11排出的NOx在上述催化劑16中與排氣中的O2反應而生成NO2。進而，NO2與催化劑16中的BaO、BaCO3反應而生成[Ba(NO3)2]，并以該狀態由催化劑16包藏。另外，排氣中所包含的HC通過承載于催化劑16的涂敷層上的貴金屬(活性金屬)的氧化作用被氧化。
在溫度傳感器29檢測出220℃以上的排氣溫度的狀態下，若控制器31判斷出催化劑16的NOx包藏量接近飽和狀態，則控制器31控制各噴射器用電磁閥18b，以進行將燃料15噴射到發動機11中的主噴射，同時，與該主噴射連續地按在汽缸22內不使燃料15燃燒的定時分3次至20次、優選5次至10次進行后噴射。另外，在將作為發動機11的膨脹行程的開始時刻的活塞26的上死點位置設為0度的曲柄角度時，在膨脹行程的后期分開進行的后噴射中的第1次后噴射在曲柄角度90至120度、優選100至110度的范圍內開始進行。在該實施方式中，如圖2以及圖3所示那樣，上述后噴射分為3次進行，第1次后噴射在約90度的曲柄角度進行。另外，第2次以及第3次的后噴射在膨脹行程內按等間隔進行。在本實施方式中，按每約30度的曲柄角度進行上述后噴射。進而，從第1次后噴射至第3次后噴射中的各次后噴射的噴射量彼此相同。當將主噴射的噴射量設為100％時，從第1次至第3次后噴射的合計噴射量優選20-100％。這里，之所以分3次至20次進行后噴射是因為，若后噴射的次數不足2次的話，則噴射量增大，燃料的噴射速度變快，燃料到達汽缸內壁面上，存在汽缸內壁面上的機油被燃料稀釋的危險，而若后噴射的次數超過20次的話，則噴射器的針閥的響應性降低。另外，之所以在90-120度的曲柄角度范圍內開始進行第1次后噴射，是為了使后噴射的燃料不在汽缸內燃燒。進而，之所以在主噴射的噴射量為100％時、將后噴射的合計噴射量限定在20-100％的范圍內是因為，若合計噴射量不足20％的話，則催化劑16不能構成充分的還原氣氛，而若合計噴射量超過100％，則機油被稀釋或者催化劑16的溫度上升過度。
如上述那樣，通過按燃料15在汽缸22內不燃燒的定時進行燃料15的后噴射，可以相對地降低催化劑16上的氧濃度。也就是說，降低催化劑16入口處的排氣的空氣過剩率，同時，HC、CO或H2作為還原劑增加。其結果，包藏于催化劑16的NOx如下述那樣從催化劑16被釋放。首先，由上述催化劑16包藏的[Ba(NO3)2]與排氣中的上述還原劑反應，還原成NO2或N2。接著，催化劑16作為選擇性良好的還原催化劑起作用，因而上述NO2與排氣中的CO和HC反應而生成無害的N2、CO2及H2O，被排出至大氣。其結果，由于催化劑16得到再生，因而能夠再次由催化劑16包藏排氣中的NOx，由此能夠降低催化劑16出口處的排氣中所包含的NOx。
另外，由于通過上述燃料15的后噴射而生成的HC為適當的濃度，所以，HC的大部分如上述那樣在催化劑16中作為還原劑起作用。但也有一部分HC不作為還原劑起作用，而是直接通過催化劑16。因而，催化劑16出口處的HC濃度增大。但該未燃的HC由帶催化劑的顆粒過濾器(未圖示)捕捉。對于被該過濾器捕捉的未燃的HC，在不含未燃燃料且空氣過剩率高的貧狀態的排氣流入到過濾器中時，通過承載于該過濾器的貴金屬(Pt、Pd或Rh等活性金屬)的氧化作用被氧化并燃燒。因而，由于過濾器出口的HC濃度被抑制得較低，所以，能夠防止HC向大氣中的排出，同時，能夠利用上述反應的熱量燃燒處理被捕捉在過濾器上的包含煤煙的顆粒。故而，能夠阻止顆粒向大氣的排放。
另外，在該實施方式中，雖然作為發動機列舉了自然吸氣型柴油機。但是，也可以將本發明的凈化排氣的裝置應用在帶渦輪增壓器的柴油機中。
第二實施方式圖4示出了本發明的第二實施方式。
在該實施方式中，如此進行后噴射，使得噴射量從第1次到第3次后噴射逐漸減小。換言之，將3次后噴射中的第1次后噴射的噴射量設定為最大，將第2次后噴射的噴射量設定得比第1次小，將第3次的后噴射的噴射量設定得更小。另外，后噴射的合計噴射量與第一實施方式的后噴射的合計噴射量相同。除上述構成之后，均與第一實施方式相同。
在這樣構成的排氣凈化裝置中，即使第1次后噴射量較多，由于汽缸內的溫度極高，所以噴射燃料在到達汽缸內壁面之前就已蒸發，隨著汽缸內的溫度降低，后噴射量減小。其結果，相比第一實施方式，能夠更加可靠地防止后噴射的燃料附著在汽缸內壁面上。由于除此之外的動作均與第一實施方式相同，故省略重復說明。
第三實施方式圖5示出了本發明的第三實施方式。
在該實施方式中，后噴射分5次進行，第1次后噴射在大約90度的曲柄角度進行。而且，第2-5次的后噴射在膨脹行程內按等間隔進行。在該實施方式中，這些后噴射按每15度左右的曲柄角度進行。另外，后噴射的從第1次至第5次的合計噴射量與第一實施方式的后噴射的從第1次到第3次的合計噴射量相同。除上述構成之后，均與第一實施方式相同。
在這樣構成的排氣凈化裝置中，由于后噴射的各次的噴射量比第一實施方式的后噴射的各次的噴射量少，所以，相比第一實施方式，能夠更加可靠地防止后噴射的燃料附著在汽缸內壁面上。由于除此之外的動作均與第一實施方式相同，故省略重復說明。
第四實施方式圖6示出了本發明的第四實施方式。
在該實施方式中，如此進行后噴射以使得噴射量從第1次到第5次逐漸減小。換言之，將5次后噴射中的第1次后噴射的噴射量設定為最多，將第2次以后的后噴射量設定成逐漸減少。另外，后噴射的合計噴射量與第三實施方式的后噴射的合計噴射量相同。除上述構成之后，均與第三實施方式相同。
在這樣構成的排氣凈化裝置中，即使第1次的后噴射量較多，由于汽缸內的溫度極高，所以噴射燃料在到達汽缸內壁面之前就已蒸發，隨著汽缸內的溫度降低，后噴射量減小。其結果，相比第三實施方式，能夠更加可靠地防止后噴射的燃料附著在汽缸內壁面上。由于除此之外的動作均與第三實施方式相同，故省略重復說明。
工業實用性本發明可不稀釋汽缸內壁面的機油，通過進行必要且充分量的后噴射來高效地再生包藏有NOx的NOx包藏還原催化劑。因而，不僅限于車載用發動機，而且還可適用于工業機械用發動機等。
權利要求
1.一種排氣凈化裝置，所述排氣凈化裝置包括NOx包藏還原催化劑(16)和燃料添加機構(17)；所述NOx包藏還原催化劑(16)設置在發動機(11)的排氣通道(14)中，并承載有NOx吸收劑以及活性金屬；所述燃料添加機構(17)對所述排氣通道(14)內的排氣添加燃料(15)，并由此將所述燃料(15)向所述NOx包藏還原催化劑(16)供給；其特征在于，所述燃料添加機構(17)是與朝向所述發動機(11)的汽缸(22)的主噴射接續地、按不使所述燃料(15)在所述汽缸(22)內燃燒的定時進行后噴射的蓄壓型燃料噴射裝置；所述后噴射在所述發動機(11)的膨脹行程的后期分為3次至20次進行。
2.如權利要求1所述的排氣凈化裝置，其特征在于，在將作為發動機(11)的膨脹行程的開始時刻的活塞(26)的上死點位置設為0度的曲柄角度時，在所述膨脹行程后期分成3次至20次進行的后噴射中的、第1次后噴射在90至120度的曲柄角度范圍內開始進行。
3.如權利要求1所述的排氣凈化裝置，其特征在于，NOx包藏還原催化劑(16)的NOx包藏量是根據基于發動機負載以及發動機旋轉速度的預測圖而積分得到的。
4.如權利要求1所述的排氣凈化裝置，其特征在于，分成3次至20次進行的后噴射的各噴射量彼此相等或者在第1次后噴射以后逐漸減少。
全文摘要
本發明的排氣凈化裝置可不稀釋汽缸內壁面的機油，而是通過進行必要量的充分的后噴射來高效地再生包藏有NOx的NOx包藏還原催化劑。在設于發動機(11)的排氣通道(14)的NOx包藏還原催化劑(16)中承載有NOx吸收劑以及活性金屬，通過由燃料添加機構(17)對排氣通道(14)內的排氣添加燃料，將燃料向NOx包藏還原催化劑(16)供給。該燃料添加機構(17)是與向發動機(11)的汽缸(22)的主噴射接續地按不使燃料在汽缸(22)內燃燒的定時進行后噴射的蓄壓型燃料噴射裝置。另外，蓄壓型燃料噴射裝置(17)所進行的后噴射在發動機(11)的膨脹行程的后期分3次至20次進行。
文檔編號F02M45/02GK101035970SQ20058003381
公開日2007年9月12日 申請日期2005年9月26日 優先權日2004年10月4日
發明者橫田治之 申請人:日野自動車株式會社