CN104603418A

CN104603418A - 内燃机的排气净化装置

Info

Publication number: CN104603418A
Application number: CN201280045800.4A
Authority: CN
Inventors: 美才治悠树; 吉田耕平; 井上三树男; 中村昂章
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: US9517436B2; EP2894309A1; EP2894309A4; JPWO2014038088A1; EP2894309B1; JP5664802B2; WO2014038088A1; US20150224446A1; CN104603418B

Abstract

在内燃机中，在内燃机排气通路内配置排气净化催化剂(15)和烃供给阀（15），通过从烃供给阀（15）以预先设定的周期喷射烃来净化废气中所含的NO_x。从烃供给阀（15）向内燃机排气通路的上游侧喷射烃，在从烃供给阀（15）以预先设定的周期喷射烃时，烃的喷射压在各喷射的喷射期间中从喷射开始时向喷射结束时逐渐降低。

Description

内燃机的排气净化装置

技术领域

本发明涉及内燃机的排气净化装置。

背景技术

公知有一种内燃机，在内燃机排气通路内配置排气净化催化剂并且在排气净化催化剂上游的内燃机排气通路内配置烃供给阀，在排气净化催化剂的废气流通表面上担载贵金属催化剂并且在贵金属催化剂周围形成碱性的废气流通表面部分，在内燃机运转时从烃供给阀以预先设定的周期喷射烃，由此净化废气中所含的NO_x（例如参照专利文献1）。在该内燃机中，即使排气净化催化剂的温度成为高温也能够得到较高的NO_x净化率。

【专利文献1】WO2011／114499A1

在该内燃机中，为了在降低从烃供给阀喷射的烃的消耗量的同时对NO_x进行良好净化，可以说优选尽可能收集在内燃机排气通路内从烃供给阀喷射的烃，即尽可能提高废气中的烃的浓度。但是在上述的内燃机中，对这一方面没有进行充分研究。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够在降低用于净化NO_x的烃的消耗量的同时得到较高NO_x净化率的内燃机的排气净化装置。

根据本发明，提供一种内燃机的排气净化装置，在内燃机排气通路内配置有排气净化催化剂，并且在排气净化催化剂上游的内燃机排气通路内配置有烃供给阀，在排气净化催化剂的废气流通表面上担载有贵金属催化剂，并且在贵金属催化剂周围形成有碱性的废气流通表面部分，排气净化催化剂具有当使流入排气净化催化剂的烃的浓度以预先设定的范围内的振幅以及预先设定的范围内的周期振动时对废气中所含的NO_x进行还原的性质，并且具有当使烃浓度的振动周期长于预先设定的范围时废气中所含的NO_x的吸留量增大的性质，所述内燃机的排气净化装置在内燃机运转时从烃供给阀以预先设定的周期喷射烃，由此对废气中所含的NO_x进行净化，在该内燃机的排气净化装置中，从烃供给阀向内燃机排气通路的上游侧喷射烃，在从烃供给阀以所述预先设定的周期喷射烃时，使烃的喷射压在各喷射的喷射期间中从喷射开始时向喷射结束时逐渐降低。

能够在减少用于净化NOx的烃的消耗量的同时得到较高NO_x净化率。

附图说明

图1是压缩点火式内燃机的整体图。

图2是图解表示催化剂担载体的表面部分的图。

图3是用于说明排气净化催化剂中的氧化反应的图。

图4是表示向排气净化催化剂流入的流入废气的空燃比的变化的图。

图5是表示NO_x净化率的图。

图6A以及图6B是用于说明排气净化催化剂中的氧化还原反应的图。

图7是烃喷射控制装置的整体图。

图8是表示喷射压PX的变化的图。

图9A以及图9B是用于说明从烃供给阀喷射的烃组的动作的图。

图10A以及图10B是用于说明排气净化催化剂中的氧化还原反应的图。

图11是表示向排气净化催化剂流入的流入废气的空燃比的变化的图。

图12是表示NO_x净化率的图。

图13是表示向排气净化催化剂流入的流入废气的空燃比的变化的时间图。

图14是表示向排气净化催化剂流入的流入废气的空燃比的变化的时间图。

图15是表示排气净化催化剂的氧化能力和要求最小空燃比X之间的关系的图。

图16是表示得到相同NO_x净化率的废气中的氧浓度和烃浓度的振幅ΔH之间的关系的图。

图17是表示烃浓度的振幅ΔH和NO_x净化率之间的关系的图。

图18是表示烃浓度的振动周期ΔT和NO_x净化率之间的关系的图。

图19A、图19B以及图19C是表示喷射压PX和废气的流量GA等之间的关系的图。

图20A、图20B以及图20C是表示喷射期间WT等的图。

图21是表示NOx释放控制的图。

图22是表示排出NO_x量NOXA的映射的图。

图23是表示燃料喷射正时的图。

图24是表示追加的燃料量WR的映射的图。

图25是表示喷射压PX的变化的图。

图26是用于说明从烃供给阀喷射的烃组的动作的图。

图27是表示第1NOx净化方法和颗粒过滤器的再生控制的图。

图28是表示第2NOx净化方法和SO_x释放控制的图。

图29是用于进行NO_x净化控制的流程图。

具体实施方式

图1表示压缩点火式内燃机的整体图。

参照图1可知，1表示内燃机主体，2表示各气缸的燃烧室，3表示用于向各燃烧室2内分别喷射燃料的电子控制式燃料喷射阀，4表示进气歧管，5表示排气歧管。进气歧管4经由进气导管6与排气涡轮增压器7的压缩机7a的出口连结，压缩机7a的入口经由进气量检测器8与空气滤清器9连结。进气导管6内配置由致动器驱动的节气门10，在进气导管6周围配置用于对在进气导管6内流动的进气进行冷却的冷却装置11。在图1所示的实施例中内燃机冷却水被导入冷却装置11内，由内燃机冷却水对进气进行冷却。

另一方面，排气歧管5与排气涡轮增压器7的排气汽轮机7b的入口连结，排气汽轮机7b的出口经由排气管12与排气净化催化剂13的入口连结。排气净化催化剂13的出口与颗粒过滤器14连结。在排气净化催化剂13上游的排气管12内配置有用于供给由作为压缩点火式内燃机的燃料使用的轻油等燃料构成的烃的烃供给阀15，在本发明中，从该烃供给阀15向排气管12内的上游侧喷射烃。另外，在图1所示的实施例中，作为从烃供给阀15供给的烃使用轻油。另一方面，本发明也能够应用于在稀空燃比的基础上进行燃烧的火花点火式内燃机。此时，从烃供给阀15供给由作为火花点火式内燃机的燃料使用的汽油等燃料构成的烃。

另一方面，排气歧管5和进气歧管4经由废气再循环（以下称为“EGR”）通路16相互连结。在EGR通路16内配置电子控制式EGR控制阀17，并且在EGR通路16周围配置用于对在EGR通路16内流动的废气进行冷却的冷却装置18。在图1所示的实施例中，内燃机冷却水被导入冷却装置18内，由内燃机冷却水对废气进行冷却。另外，各燃料喷射阀3经由燃料供给管19与共轨20连结，该共轨20经由电子控制式的排出量可变的燃料泵21与燃料箱22连结。燃料箱22内贮藏的燃料通过燃料泵21供给至共轨20内，供给至共轨20内的燃料经由各燃料供给管19供给至燃料喷射阀3。

电子控制单元30由数字计算机构成，具备通过双向性总线31相互连接的ROM（只读存储器）32、RAM（随机存取存储器）33、CPU（微型处理器）34、输入端口35以及输出端口36。在排气净化催化剂13的下游安装有用于检测排气净化催化剂13的温度的温度传感器23，在颗粒过滤器14安装有用于检测颗粒过滤器14的前后压力差的压力差传感器24。这些温度传感器23、压力差传感器24以及进气检测器8的输出信号经由分别对应的AD转换器37输入至输入端口35。另外，加速器踏板40连接有产生与加速器踏板40的踏入量L成正比的输出电压的负荷传感器41，负荷传感器41的输出电压经由对应的AD转换器37输入至输入端口35。并且输入端口35连接有曲轴例如每旋转15°就产生输出脉冲的曲轴角传感器42。另一方面，输出端口36经由对应的驱动电路38与燃料喷射阀3、节气门10驱动用致动器、烃供给阀15、EGR控制阀17以及燃料泵21连接。

图2图解表示在排气净化催化剂13的基体上担载的催化剂担载体的表面部分。在该排气净化催化剂13上如图2所示，例如在由氧化铝构成的催化剂担载体50上担载有贵金属催化剂51、52，并且在该催化剂担载体50上形成有碱性层53，该碱性层53包含从钾K、钠Na、铯Cs那样的碱金属、钡Ba，钙Ca那样的碱土类金属、镧系元素那样的稀土类以及银Ag、铜Cu、铁Fe、铱Ir那样的能够向NO_x供给电子的金属中选择的至少一种。由于废气沿催化剂担载体50上流动，因此可以说贵金属催化剂51、52担载于排气净化催化剂13的废气流通表面上。另外，由于碱性层53的表面呈碱性，因此碱性层53的表面被称为碱性的废气流通表面部分54。

另一方面，在图2中贵金属催化剂51由铂Pt构成，贵金属催化剂52由铑Rh构成。另外此时，任意的贵金属催化剂51、52都可以由铂Pt构成。另外，在排气净化催化剂13的催化剂担载体50上，除了铂Pt以及铑Rh之外还可以担载有钯Pd，或者可以代替铑Rh而担载钯Pd。即，在催化剂担载体50担载的贵金属催化剂51、52由铂Pt、铑Rh以及钯Pd的至少一种构成。

若从烃供给阀15向废气中喷射烃，则该烃在排气净化催化剂13中被重整。在本发明中，利用此时重整后的烃在排气净化催化剂13中对NO_x进行净化。图3图解表示此时在排气净化催化剂13中进行的重整作用。如图3所示，从烃供给阀15喷射的烃HC由于催化剂51而成为碳数较少的自由基状的烃HC。

图4表示来自烃供给阀15的烃的供给时机和向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比（A／F）in的变化。另外，该空燃比（A／F）in的变化由于依赖于流入排气净化催化剂13的废气中的烃的浓度变化，因此也可以说图4所示的空燃比（A／F）in的变化表示烃的浓度变化。其中，若烃浓度变高，则空燃比（A／F）in变小，因此在图4中空燃比（A／F）in越成为浓空燃比侧则烃浓度越高。

图5针对排气净化催化剂13的各催化剂温度TC示出因流入排气净化催化剂13的烃的浓度周期性变化而如图4所示那样使向排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比（A／F）in变化时的基于排气净化催化剂13的NO_x净化率。本发明人长期进行了与NO_x净化相关的研究，在该研究课程中，明确了若使流入排气净化催化剂13的烃的浓度以预先设定的范围内的振幅以及预先设定的范围内的周期振动，则如图5所示那样在400℃以上的高温区域也能够得到极高的NO_x净化率。

并且明确了此时包含氮以及烃的大量的还原性中间体在碱性层53的表面上，即排气净化催化剂13的碱性废气流通表面部分54上被持续保持或者吸附，该还原性中间体在得到高NO_x净化率方面起着重要的作用。下面参照图6A以及图6B对上述情况进行说明。另外，上述图6A以及图6B图解表示排气净化催化剂13的催化剂担载体50的表面部分，在上述图6A以及图6B中，示出了被推测为在流入排气净化催化剂13的烃的浓度以预先设定的范围内的振幅以及预先设定的范围内的周期振动时产生的反应。

图6A表示流入排气净化催化剂13的烃的浓度较低时，图6B表示从烃供给阀15供给烃从而流入排气净化催化剂13的烃的浓度变高时。

根据图4可知，流入排气净化催化剂13的废气的空燃比除了瞬时之外被维持为稀空燃比，因此流入排气净化催化剂13的废气通常处于氧过剩的状态。此时废气中所含的NO的一部分附着于排气净化催化剂13上，废气中所含的NO的一部分如图6A所示那样在铂51上被氧化从而成为NO₂，接着该NO₂进一步被氧化从而成为NO₃。另外，NO₂的一部分成为NO₂ ^-。因此在铂Pt51上生成NO₂ ^-和NO₃。附着于排气净化催化剂13上的NO以及在铂Pt51上生成的NO₂ ^-和NO₃活性较强，因此下面将这些NO、NO₂ ^-以及NO₃称为活性NO_x ^*。

另一方面，若从烃供给阀15供给烃，则该烃遍布排气净化催化剂13整体地依次附着。这些附着的烃的大部分依次与氧反应而燃烧，附着的烃的一部分依次如图3所示那样在排气净化催化剂13内被重整，成为自由基。因此，如图6B所示那样活性NO_x ^*周围的烃浓度变高。另外，在活性NO_x ^*被生成后，若活性NO_x ^*周围的氧浓度高的状态持续一定时间以上，则活性NO_x ^*被氧化，以硝酸离子NO₃ ^-的形式被吸收至碱性层53内。但是，若在该一定时间经过前活性NO_x ^*周围的烃浓度变高，则如图6B所示那样活性NO_x ^*在铂51上与自由基状的烃HC进行反应，由此生成还原性中间体。该还原性中间体附着或吸附于碱性层53的表面上。

另外，此时认为最初生成的还原性中间体是硝基化合物R-NO₂。虽然该硝基化合物R-NO₂若被生成则成为腈化合物R-CN，但由于该腈化合物R-CN在该状态下只是瞬时存在，因此立即成为异氰酸盐化合物R-NCO。若该异氰酸盐化合物R-NCO发生水解，则成为胺化合物R-NH₂。其中，在该情况下，认为被水解的是异氰酸盐化合物R-NCO的一部分。因此认为如图6B所示那样在碱性层53的表面上保持或者吸附的还原性中间体的大部分是异氰酸盐化合物R-NCO以及胺化合物R-NH₂。

另一方面，在如图6B所示那样生成的还原性中间体的周围附着有烃HC时，还原性中间体被烃HC阻碍从而不再进行反应。此时，若流入排气净化催化剂13的烃的浓度降低，接着在还原性中间体的周围附着的烃被氧化从而消失，由此还原性中间体周围的氧浓度变高，则还原性中间体与废气中的NO_x或活性NO_x ^*进行反应，或者与周围的氧进行反应，或者自分解。由此还原性中间体R-NCO、R-NH₂如图6A所示那样转换成N₂、CO₂、H₂O，由此NO_x被净化。

这样，在排气净化催化剂13中，通过使流入排气净化催化剂13的烃的浓度变高，生成还原性中间体，在使流入排气净化催化剂13的烃的浓度降低后，在氧浓度变高时还原性中间体与废气中的NO_x或活性NO_x ^*或氧进行反应，或者自分解，由此NO_x被净化。即，在通过排气净化催化剂13对NO_x进行净化时，需要使流入排气净化催化剂13的烃的浓度按周期性变化。

当然，此时为了生成还原性中间体，需要使烃的浓度升高到充分高的浓度，为了使生成的还原性中间体与废气中的NO_x或活性NO_x ^*或氧进行反应，或者自分解，需要使烃的浓度降低到充分低的浓度。即，需要使流入排气净化催化剂13的烃的浓度以预先设定的范围内的振幅振动。另外，此时，到生成的还原性中间体R-NCO或R-NH₂与废气中的NO_x或活性NO_x ^*或氧进行反应为止，或者到自分解为止，必须使这些还原性中间体保持在碱性层53上即保持碱性废气流通表面部分54上，因此设置碱性的废气流通表面部分54。

另一方面，若使烃的供给周期变长则在烃被供给后，在下一次烃被供给之前的期间氧浓度变高的期间变长，因此活性NO_x ^*不是生成还原性中间体而是以硝酸盐的形式被吸收至碱性层53内。为了避免该情况，需要使流入排气净化催化剂13的烃的浓度以预先设定的范围内的周期振动。

于是，在本发明的实施例中，为了使废气中所含的NO_x和重整后的烃进行反应来生成包含氮以及烃的还原性中间体R-NCO、R-NH₂，在排气净化催化剂13的废气流通表面上担载贵金属催化剂51、52，为了使生成的还原性中间体R-NCO、R-NH₂保持在排气净化催化剂13内，在贵金属催化剂51、52周围形成碱性的废气流通表面部分54，在碱性的废气流通表面部分54上保持的还原性中间体R-NCO、R-NH₂被转换成N₂、CO₂、H₂O，烃浓度的振动周期设为持续生成还原性中间体R-NCO、R-NH₂所需要的振动周期。另外，在图4所示的例子中喷射间隔设为3秒。

另外，根据上述的说明可知，为了良好地净化NO_x，在生成还原性中间体时需要使烃的浓度升高到充分高的浓度。此时，如果烃的供给量增大则烃的浓度能够变高，但是若烃的供给量增大则伴随于此烃的消耗量增大。于是本发明人找出能够在抑制烃的消耗量的同时为了生成还原性中间体而使烃的浓度升高至充分高的浓度的烃的供给方法。接着，参照图7至图9B说明该烃的供给方法。

图7示出图1所示的烃供给阀15周围的放大图和图解表示的烃喷射控制装置60的一例。参照图7可知，烃喷射控制装置60由装满烃、即装满燃料的调量室61a、用于调整调量室61a的容积的调整活塞61b和用于驱动调整活塞61b的致动器61c构成。燃料箱22内的燃料被加压泵62加压，加压后的燃料经由仅能够向调量室61a流通的单向阀63而一点一点地被送入调量室61a内。调量室61a内的加压燃料一部分被送入烃供给阀15，另一部分经由能够控制减压的安全阀65返回至燃料箱22内。若调量室61a内的燃料压超过安全阀65的减压则安全阀65开阀，由此调量室61a内的燃料压被维持为安全阀65的减压。

在图8中，示出了针对烃供给阀15的喷射信号和送入烃供给阀15内的燃料的压力、即烃供给阀15的喷射压PX的变化。若产生喷射信号，则烃供给阀15开阀从而开始从烃供给阀15进行燃料喷射，在产生喷射信号的期间WT，来自烃供给阀15的燃料喷射持续进行。燃料喷射开始前的调量室61a内的燃料压成为安全阀65的减压，因此，喷射开始时的烃供给阀15的喷射压PX也成为该减压。接着，若燃料喷射开始则调量室61a内的燃料压降低，伴随于此烃供给阀15的喷射压PX也降低。喷射压PX的降低持续至来自烃供给阀15的燃料喷射结束时，若燃料喷射结束，则通过来自加压泵62的加压燃料的供给作用，调量室61a内的燃料压开始上升。

若通过调整活塞61b而调量室61a的容积增大，则调量室61a内的加压燃料的量增大，若调量室61a内的加压燃料的量增大，则喷射了一定量时的调量室61a内的燃料压的降低量变少。因此，若调量室61a的容积增大，则进行了燃料喷射时的调量室61a内的燃料压的降低变缓，因此从喷射开始至喷射结束的喷射压PX的降低速度变慢。另一方面，在调量室61a的容积固定的情况下，由安全阀65的减压决定的调量室61a内的燃料压越高，则喷射开始时的喷射压PX越高。因此，喷射开始时的喷射压PX以及从喷射开始至喷射结束的喷射压PX的降低速度通过改变减压以及调量室61a的容积而能够被任意设定。

接着，参照图9A以及图9B，对能够在抑制烃的消耗量的同时提高烃的浓度的烃的供给方法进行说明。图9A将基于来自烃供给阀15的在先喷射的烃的集合区域、例如喷射期间的初期喷射出的烃的集合区域作为烃组G进行图解表示。另一方面，图9B示出了在喷射开始后不久，基于在先喷射的烃组G随着废气的流动接近烃供给阀15时、例如喷射期间的末期从烃供给阀15进行了在后喷射的情况。此时，如图9B所示，如果黑点所示的基于在后喷射的烃与虚线所示的基于在先喷射的烃组G重合，则烃的浓度高，其结果能够生成足够量的还原性中间体。

此时，为了使基于在后喷射的烃与基于在先喷射的烃组G重合，需要使基于在后喷射的烃的穿透力比基于在先喷射的烃的穿透力低，为了使喷射的烃的穿透力低需要降低喷射压PX。于是在本发明中，为了使基于在后喷射的烃与基于在先喷射的烃组G重合，使在后喷射时的喷射压PX与在先喷射时的喷射压PX相比降低。具体而言，在本发明中，如图8所示那样，使烃的喷射压PX在喷射期间WT中从喷射开始时向喷射结束时逐渐降低，以使得喷射结束时的喷射压PX与喷射开始时的喷射压PX相比降低。

另外，在图7和图8所示的例子中，喷射开始时的喷射压PX在表压从0.4MPa成为0.5MPa，喷射结束时的喷射压PX大致为大气压。即，在图7和图8所示的例子中，对减压以及调量室61a的容积进行调整，以使得喷射开始时的喷射压PX在表压从0.4MPa成为0.5MPa，喷射结束时的喷射压PX大致成为大气压。此时，基于在后喷射的烃与基于在先喷射的烃组G重合，其结果，能够在抑制烃的消耗量的同时提高烃的浓度。这样，在本发明中，将喷射开始时的烃的喷射压PX和喷射结束时的烃的喷射压PX设定为在后喷射的烃与在先喷射的烃组G重合的喷射压PX。

另外，流入排气净化催化剂13内的废气中的烃浓度的振动周期被设为持续生成还原性中间体R-NCO、R-NH₂所需的振动周期、即前述预先设定的范围内的周期。此时，若使烃浓度的振动周期、即烃HC的供给周期长于该预先设定的范围内的周期，则还原性中间体R-NCO、R-NH₂从碱性层53的表面上消失，此时在铂Pt53上生成的活性NO_x ^*如图10A所示那样以硝酸离子NO₃ ^-的形式在碱性层53内扩散，成为硝酸盐。即，此时废气中的NO_x以硝酸盐的形式被吸收至碱性层53内。

另一方面，图10B示出在这样NO_x以硝酸盐的形式被吸收至碱性层53内时流入排气净化催化剂13内的废气的空燃比成为理论空燃比或者浓空燃比的情况。此时，由于废气中的氧浓度降低，反应向反方向（NO₃ ^-→NO₂）进行，由此碱性层53内所吸收的硝酸盐依次成为硝酸离子NO₃ ^-，从而如图10B所示那样以NO₂的形式从碱性层53释放。接着释放的NO₂被废气中所含的烃HC以及CO还原。

图11示出在碱性层53的NO_x吸收能力将要饱和之前流入排气净化催化剂13的废气的空燃比（A／F）in暂时成为浓空燃比的情况。另外，在图11所示的例子中，该浓空燃比控制的时间间隔在1分以上。在这种情况下，在废气的空燃比（A／F）in为稀空燃比时被吸收至碱性层53内的NO_x在废气的空燃比（A／F）in暂时成为浓空燃比时从碱性层53一起释放并还原。因此此时碱性层53起到了用于暂时吸收NO_x的吸收剂的作用。

另外，此时也存在碱性层53暂时吸附NO_x的情况，因此在使用吸藏这一用语作为包含吸收以及吸附双方的用语时，碱性层53起到了用于暂时吸藏NO_x的NO_x吸藏剂的作用。即，此时，若将供给至内燃机进气通路、燃烧室2以及排气净化催化剂13上游的排气通路内的空气以及燃料（烃）的比称为废气的空燃比，则排气净化催化剂13作为在废气的空燃比为稀空燃比时吸藏NO_x并且若废气中的氧浓度降低则释放所吸藏的NO_x的NO_x吸藏催化剂发挥作用。

图12示出使排气净化催化剂13如此地作为NO_x吸藏催化剂发挥作用时的NO_x净化率。另外，图12的横轴表示排气净化催化剂13的催化剂温度TC。在使排气净化催化剂13作为NO_x吸藏催化剂发挥作用时，如图12所示那样，在催化剂温度TC为300℃至400℃时能够得到极高的NO_x净化率，但是若催化剂温度TC成为400℃以上的高温则NO_x净化率降低。

如这样若催化剂温度TC成为400℃以上则NO_x净化率降低是因为若催化剂温度TC成为400℃以上，则NO_x难以被吸藏，另外硝酸盐进行热分解从而以NO₂的形式从排气净化催化剂13释放。即，只要将NO_x以硝酸盐的形式吸藏，则在催化剂温度TC较高时难以得到较高的NO_x净化率。但是在图4至图6A、6B所示的新的NO_x净化方法中，如图6A、图6B所示那样，硝酸盐不被生成或者即使生成也是极其微量，由此如图5所示那样，即使在催化剂温度TC较高时也能够得到较高的NO_x净化率。

在本发明中，在内燃机排气通路内配置排气净化催化剂13并且在排气净化催化剂13上游的内燃机排气通路内配置烃供给阀15，在排气净化催化剂13的废气流通表面上担载贵金属催化剂51、52并且在贵金属催化剂51、52周围形成碱性的废气流通表面部分54，排气净化催化剂13具有若使流入排气净化催化剂13的烃的浓度以预先设定的范围内的振幅以及预先设定的范围内的周期振动则对废气中所含的NO_x进行还原的性质，并且具有若使烃浓度的振动周期长于该预先设定的范围则废气中所含的NO_x的吸藏量增大的性质，在内燃机运转时从烃供给阀15以该预先设定的周期喷射烃，由此对废气中所含的NO_x进行净化的内燃机的排气净化装置中，从烃供给阀15向内燃机排气通路的上游侧喷射烃，在从烃供给阀15以上述的预先设定的周期喷射烃时，使烃的喷射压在各喷射的喷射期间中从喷射开始时向喷射结束时逐渐降低，以使得在抑制烃的消耗量的同时能够利用该新的NO_x净化方法对NO_x进行净化。

即，图4至图6A、图6B所示的NO_x净化方法可以说是在使用形成有担载贵金属催化剂且能够吸收NO_x的碱性层的排气净化催化剂的情况下，几乎不形成硝酸盐来对NO_x进行净化的新的NO_x净化方法。实际上，在使用该新的NO_x净化方法的情况下，与将排气净化催化剂13作为NO_x吸藏催化剂来使其发挥作用的情况相比，从碱性层53检测的硝酸盐是极其微量的。另外，下面将该新的NO_x净化方法称为第1NOx净化方法。

接着参照图13至图18对该第1NOx净化方法进一步详细说明。

图13放大表示图4所示的空燃比（A／F）in的变化。另外，如前述那样，向该排气净化催化剂13流入的流入废气的空燃比（A／F）in的变化同时表示流入排气净化催化剂13的烃的浓度变化。另外，在图13中ΔH表示流入排气净化催化剂13的烃HC的浓度变化的振幅，ΔT表示流入排气净化催化剂13的烃浓度的振动周期。

并且在图13中（A／F）b表示示出用于产生内燃机输出的燃烧气体的空燃比的基础空燃比。换句话说，该基础空燃比（A／F）b表示在烃的供给停止时流入排气净化催化剂13的废气的空燃比。另一方面，在图13中X表示生成的活性NO_x ^*不是以硝酸盐的形式吸藏于碱性层53内而是被用于生成还原性中间体的空燃比（A／F）in的上限，为了使活性NO_x ^*和重整后的烃进行反应从而生成还原性中间体，需要使空燃比（A／F）in低于该空燃比的上限X。

换句话说，图13的X表示为了使活性NO_x ^*和重整后的烃进行反应从而生成还原性中间体所需的烃的浓度的下限，为了生成还原性中间体，需要使烃的浓度高于该下限X。此时，还原性中间体是否被生成取决于活性NO_x ^*周围的氧浓度和烃浓度的比率、即取决于空燃比（A／F）in，下面将生成还原性中间体时所需的上述空燃比的上限X称为要求最小空燃比。

在图13所示的例子中，要求最小空燃比X成为浓空燃比，因此此时为了生成还原性中间体而使空燃比（A／F）in瞬时成为在要求最小空燃比X以下，即成为浓空燃比。相对于此，在图14所示的例子中，要求最小空燃比X成为稀空燃比。此时通过将空燃比（A／F）in维持为稀空燃比并且使空燃比（A／F）in周期性降低来生成还原性中间体。

此时，要求最小空燃比X成为浓空燃比还是成为稀空燃比取决于排气净化催化剂13的氧化能力。此时，如果排气净化催化剂13例如增大贵金属51的担载量则氧化能力加强，若提高酸性则氧化能力加强。因此排气净化催化剂13的氧化能力根据贵金属51的担载量或酸性的强度而变化。

另外，在使用氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下，如图14所示那样，若使空燃比（A／F）in维持为稀空燃比且使空燃比（A／F）in周期性降低，则在空燃比（A／F）in降低时烃被完全氧化，其结果无法再生成还原性中间体。相对于此，在使用氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下，如图13所示那样，若使空燃比（A／F）in周期性成为浓空燃比，则在空燃比（A／F）in成为浓空燃比时一部分烃不会被完全氧化而是被部分氧化，即烃被重整，由此生成还原性中间体。因此在使用氧化能力强的排气净化催化剂13的情况下需要使要求最小空燃比X为浓空燃比。

另一方面，在使用氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下，如图14所示那样，若使空燃比（A／F）in维持为稀空燃比且使空燃比（A／F）in周期性降低，则一部分烃不会被完全氧化而是被部分氧化，即烃被重整，由此生成还原性中间体。相对于此，在使用氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下，如图13所示那样，若使空燃比（A／F）in周期性成为浓空燃比，则大量的烃不会被氧化而是单纯地从排气净化催化剂13排出，由此被白白消耗掉的烃量增大。因此在使用氧化能力弱的排气净化催化剂13的情况下需要使要求最小空燃比X为稀空燃比。

即，可知要求最小空燃比X如图15所示那样，排气净化催化剂13的氧化能力越强则越需要降低。这样要求最小空燃比X根据排气净化催化剂13的氧化能力或成为稀空燃比或成为浓空燃比，下面以要求最小空燃比X为浓空燃比的情况为例，对流入排气净化催化剂13的烃的浓度变化的振幅和流入排气净化催化剂13的烃浓度的振动周期进行说明。

另外，若基础空燃比（A／F）b变大，即烃被供给前的废气中的氧浓度变高，则使空燃比（A／F）in为要求最小空燃比X以下所需要的烃的供给量增大，伴随于此无助于生成还原性中间体的多余的烃量也增大。此时，为了良好地净化NO_x，如前述那样需要使该多余的烃氧化，因此为了良好地净化NO_x，多余的烃量越多则需要越多量的氧。

此时，如果废气中的氧浓度增高则能够增大氧量。因此为了良好地净化NO_x，需要在烃被供给前的废气中的氧浓度较高时提高烃供给后的废气中的氧浓度。即，烃被供给前的废气中的氧浓度越高，则越需要增大烃浓度的振幅。

图16表示能够得到相同的NO_x净化率时的、烃被供给前的废气中的氧浓度和烃浓度的振幅ΔH的关系。根据图16可知，为了得到相同的NO_x净化率，烃被供给前的废气中的氧浓度越高则越需要增大烃浓度的振幅ΔH。即，为了得到相同的NO_x净化率，基础空燃比（A／F）b越高则越需要增大烃浓度的振幅ΔT。换句话说，为了良好地净化NO_x，基础空燃比（A／F）b越低越能够减少烃浓度的振幅ΔT。

另外，基础空燃比（A／F）b最低的时候是加速运转时，此时如果烃浓度的振幅ΔH为200ppm左右则能够良好地净化NO_x。基础空燃比（A／F）b通常时比加速运转时大，因此如图17所示那样，如果烃浓度的振幅ΔH在200ppm以上则能够得到良好的NO_x净化率。另一方面，可知如果在基础空燃比（A／F）b最高时使烃浓度的振幅ΔH为10000ppm左右，则能够得到良好的NO_x净化率。因此在本发明中烃浓度的振幅的预先设定的范围为200ppm至10000ppm。

另外，若烃浓度的振动周期ΔT变长则在烃被供给后至下次烃被供给的期间，活性NO_x ^*周围的氧浓度变高的期间变长。此时，在图1所示的实施例中，若烃浓度的振动周期ΔT比5秒左右长，则活性NO_x ^*开始以硝酸盐的形式被吸收至碱性层53内，因此如图18所示那样，若烃浓度的振动周期ΔT比5秒左右长，则NO_x净化率降低。因此在图1所示的实施例中，需要使烃浓度的振动周期ΔT在5秒以下。

另一方面，在本发明的实施例中，若烃浓度的振动周期ΔT大约在0.3秒以下，则供给的烃开始在排气净化催化剂13的废气流通表面上堆积，因此如图18所示那样，若烃浓度的振动周期ΔT大约在0.3秒以下则NO_x净化率降低。于是在本发明的实施例中，烃浓度的振动周期设为0.3秒至5秒的期间。

另外，若废气的流量增大则废气的流速变高，在废气的流速变高时，为了使在后喷射的烃与在先喷射的烃组G重合，与废气的流速较低时相比，必须使在先喷射的烃被送入更靠上游。此时，为了使在先喷射的烃被送入更靠上游，必须使在先喷射的烃的穿透力增高，因此需要使在先喷射的烃的喷射压PX升高。于是在本发明的实施例中，如图19A所示那样，随着废气的流量即进气的流量GA增大，升高喷射开始时的喷射压PX。

此时，对于喷射结束时的喷射压PX而言，即使废气的流量增大，也被维持为与废气的流量少时相同的喷射压PX。因此，在本发明的实施例中，废气的流量越增大，则喷射开始时的烃的喷射压PX和喷射结束时的烃的喷射压PX的压力差越大。

另一方面，若废气的温度变高则喷射的烃的蒸发量增大。此时，喷射压PX越高则从烃供给阀15喷射的烃的粒径越小，从烃供给阀15喷射的烃的粒径越小则基于蒸发作用的粒径的减少作用越大。即，在废气的温度变高时，在喷射压PX较低时从烃供给阀15喷射的烃的粒径并不那么小。相对于此，在废气的温度变高时，在喷射压PX较高时从烃供给阀15喷射的烃的粒径非常小。若喷射的烃的粒径变小，则向上游喷射的烃的到达距离变短。即，在废气的温度变高时，喷射压PX越高，则向上游喷射的烃的到达距离越短。

此时，为了使在后喷射的烃与在先喷射的烃组G重合，需要使向上游先喷射的烃的到达距离变长。为了使向上游先喷射的烃的到达距离变长，必须使先喷射的烃的穿透力增大，因此需要使先喷射的烃的喷射压PX升高。于是在本发明的实施例中，如图19B所示那样，随着废气的温度GT变高，升高喷射开始时的喷射压PX。

此时，对于喷射结束时的喷射压PX而言，即使废气的温度GT变高，也被维持为与废气的温度较低时相同的喷射压PX。因此，在本发明的实施例中，废气的温度越高，则喷射开始时的烃的喷射压PX与喷射结束时的烃的喷射压PX的压力差变大。另外，该喷射开始时的喷射压PX作为进气量GA以及废气的温度GT的函数以图19C所示那样的映射的形式预先存储于ROM32内。

另一方面，对于为了通过第1NOx净化方法来良好地净化NO_x所需的烃的喷射量而言，存在对应于内燃机运转状态的最佳值，该喷射量的最佳值预先通过实验求出。在本发明的实施例中，该烃的喷射量成为该最佳值且后喷射的烃能够与先喷射的烃组G重合的喷射时间WT与调量室61a的容积调整用致动器61c的驱动电压VO被预先存储。例如，喷射时间WT作为来自燃料喷射阀3的喷射量Q以及内燃机转速N的函数以图20A所示那样的映射的形式预先存储于ROM32内，致动器61c的驱动电压VO作为喷射时间WT以及喷射压PX的函数以图20B所示那样的映射的形式预先存储于ROM32内。另外，来自烃供给阀15的最佳的烃的喷射周期ΔT也作为来自燃料喷射阀3的喷射量Q以及内燃机转速N的函数以图20C所示那样的映射的形式预先存储于ROM32内。

接着参照图21至图24对将排气净化催化剂13作为NO_x吸藏催化剂来发挥作用时的NO_x净化方法进行具体说明。下面将这样使排气净化催化剂13作为NO_x吸藏催化剂发挥作用时的NO_x净化方法称为第2NOx净化方法。

在该第2NOx净化方法中，如图21所示那样，在碱性层53所吸藏的吸藏NO_x量ΣNOX超过预先设定的允许量MAX时流入排气净化催化剂13的废气的空燃比（A／F）in暂时成为浓空燃比。若废气的空燃比（A／F）in成为浓空燃比，则在废气的空燃比（A／F）in为稀空燃比时碱性层53内所吸藏的NO_x从碱性层53一气释放并被还原。由此来净化NO_x。

吸藏NO_x量ΣNOX例如根据从内燃机排出的NO_x量来算出。在本发明的实施例中，从内燃机每单位时间排出的排出NO_x量NOXA作为喷射量Q以及内燃机转速N的函数以图22所示那样的映射的形式预先存储于ROM32内，根据该排出NO_x量NOXA来算出吸藏NO_x量ΣNOX。此时，如前述那样废气的空燃比（A／F）in成为浓空燃比的周期通常在1分钟以上。

在该第2NOx净化方法中，如图23所示那样，在燃烧室2内从燃料喷射阀3除了喷射燃烧用燃料Q之外，还喷射追加的燃料WR，由此使流入排气净化催化剂13的废气的空燃比（A／F）in成为浓空燃比。另外，图23的横轴表示曲轴角。该追加的燃料WR在虽然燃烧但是还没有表现为内燃机输出的时期，即压缩上止点后ATDC90°的近前被喷射。该燃料量WR作为喷射量Q以及内燃机转速N的函数以图24所示那样的映射的形式预先存储于ROM32内。当然，此时通过增大来自烃供给阀15的烃的喷射量，也能够使废气的空燃比（A／F）in成为浓空燃比。

另外，在本发明的实施例中，在再生颗粒过滤器14时进行颗粒过滤器14的升温控制，在从排气净化催化剂13释放贮藏的SO_x时也进行排气净化催化剂13的升温控制。上述颗粒过滤器14以及排气净化催化剂13的升温控制通过使从烃供给阀15喷射的烃在氧过剩的基础上在颗粒过滤器14以及排气净化催化剂13上进行氧化反应来进行。图25表示进行颗粒过滤器14或排气净化催化剂13的升温控制时针对烃供给阀15的喷射信号和烃供给阀15的喷射压PX的变化，图26表示此时来自烃供给阀15的烃的喷射的状况。

另外，为了在颗粒过滤器14以及排气净化催化剂13的升温控制时使从烃供给阀15喷射的烃在氧过剩的基础上在颗粒过滤器14以及排气净化催化剂13上良好地进行氧化反应，必须以使得在从烃供给阀15喷射的烃的粒子周围存在大量氧的方式进行喷射。即，虽然在通过第1NOx净化方法对NO_x进行净化时如前述那样使从烃供给阀15喷射的烃相互聚集来提高烃的浓度，但是在使颗粒过滤器14以及排气净化催化剂13升温时，与其相反地，必须使从烃供给阀15喷射的烃分散。此时，若烃供给阀15的喷射压PX降低，则喷射的烃的粒子的直径变大，烃分散使得在烃的周围存在大量的氧。因此，在进行颗粒过滤器14以及排气净化催化剂13的升温控制时，如图25所示那样，与进行基于第1NOx净化方法的NO_x的净化作用时相比，即与从烃供给阀15以预先设定的周期喷射烃时相比，使喷射开始时的烃供给阀15的喷射压PX降低。

另外，在本发明的实施例中，在内燃机负荷较低时进行基于第2NOx净化方法的NO_x的净化作用，若内燃机负荷变高则进行基于第1NOx净化方法的NO_x的净化作用。图27表示进行基于第1NOx净化方法的NO_x的净化作用时以及进行颗粒过滤器14的再生控制时的、烃供给阀15的喷射期间WT、烃供给阀15的喷射开始时的喷射压PX、来自燃料喷射阀3的追加的喷射燃料量WR以及流入排气净化催化剂13的废气的空燃比（A／F）in的变化，图28表示进行基于第2NOx净化方法的NO_x的净化作用时以及进行来自排气净化催化剂13的SO_x释放控制时的、烃供给阀15的喷射期间WT、烃供给阀15的喷射开始时的喷射压PX、来自燃料喷射阀3的追加的喷射燃料量WR以及流入排气净化催化剂13的废气的空燃比（A／F）in的变化。

如图27所示，在进行颗粒过滤器14的再生控制时，与进行基于第1NOx净化方法的NO_x的净化作用时相比，烃供给阀15的喷射期间WT以及喷射周期ΔT变短并且烃供给阀15的喷射开始时的喷射压PX降低。另外，根据图27可知，在进行颗粒过滤器14的再生控制时，在使流入排气净化催化剂13的废气的空燃比（A／F）in维持为稀空燃比的同时进行来自烃供给阀15的烃的喷射作用。

另一方面，如图28所示那样，在进行来自排气净化催化剂13的SO_x释放控制时，交替反复进行t1处所示的排气净化催化剂13的升温控制或者将排气净化催化剂13的温度维持为600℃左右的温度维持控制、和t2处所示的为了从排气净化催化剂13释放SO_x而从燃料喷射阀3喷射追加的喷射燃料WR从而使流入排气净化催化剂13的废气的空燃比（A／F）in成为浓空燃比的浓空燃比控制。在进行t1处所示的排气净化催化剂13的升温控制或将排气净化催化剂13的温度维持为600℃左右的温度维持控制时，与进行图27所示的颗粒过滤器14的再生控制时同样，与进行基于第1NOx净化方法的NO_x的净化作用时相比，烃供给阀15的喷射期间WT以及喷射周期ΔT变短并且烃供给阀15的喷射开始时的喷射压PX降低，在将流入排气净化催化剂13的废气的空燃比（A／F）in维持为稀空燃比的同时进行来自烃供给阀15的烃的喷射作用。

图29表示NO_x净化控制流程。该流程通过每隔一定时间的中断而被执行。

参照图29可知，首先在开始的步骤70中，判别由压力差传感器24检测的颗粒过滤器14的前后压力差ΔP是否超过了允许值PZ。在颗粒过滤器14的前后压力差ΔP没有超过允许值PZ时进入步骤71来算出排气净化催化剂13中贮藏的SO_x量ΣSOX。在从燃料喷射阀3喷射的燃料内含有一定比例的硫黄，因此在步骤71中通过对来自燃料喷射阀3的燃料喷射量Q与常数K相乘得到的值进行累计来算出排气净化催化剂13贮藏的SO_x量ΣSOX。接着，进入步骤72。

在步骤72中，判别贮藏SO_x量ΣSOX是否超过了允许SO_x量SZ。在贮藏SO_x量ΣSOX没有超过允许SO_x量SZ时进入步骤73来判别内燃机的运转状态是否是预先设定的高负荷运转区域。在内燃机的运转状态不是预先设定的高负荷运转区域时进入步骤74来进行基于第2NO_x净化方法的NO_x净化作用。

即，在步骤74中根据图22所示的映射算出每单位时间的排出NO_x量NOXA。接着在步骤75中通过对ΣNOX加上排出NO_x量NOXA来算出吸藏NO_x量ΣNOX。接着在步骤76中判别吸藏NO_x量ΣNOX是否超过了允许值MAX。若ΣNOX＞MAX则进入步骤77来根据图24所示的映射算出追加的燃料量WR，由燃料喷射阀3进行追加的燃料的喷射作用。接着在步骤78中对ΣNOX清零。

相应地，当在步骤73中判别为内燃机的运转状态是高负荷运转区域时进入步骤79，进行图27所示的基于第1NO_x净化方法的NO_x净化作用。另一方面，在步骤70中，在判断为颗粒过滤器14的前后压力差ΔP超过了允许值PZ时进入步骤80，进行图27所示的颗粒过滤器14的再生控制。另外，当在步骤72中判断为贮藏SO_x量ΣSOX超过了允许SO_x量SZ时进入步骤81，进行图28所示的来自排气净化催化剂13的SO_x释放控制。

另外，作为其他的实施例，也可以在排气净化催化剂13上游的内燃机排气通路内配置用于重整烃的氧化催化剂。

图中附图标记说明：

4…进气歧管；5…排气歧管；7…排气涡轮增压器；12…排气管；13…排气净化催化剂；14…颗粒过滤器；15…烃供给阀

Claims

1.一种内燃机的排气净化装置，在内燃机排气通路内配置有排气净化催化剂，并且在排气净化催化剂上游的内燃机排气通路内配置有烃供给阀，在该排气净化催化剂的废气流通表面上担载有贵金属催化剂，并且在该贵金属催化剂周围形成有碱性的废气流通表面部分，该排气净化催化剂具有当使流入排气净化催化剂的烃的浓度以预先设定的范围内的振幅以及预先设定的范围内的周期振动时对废气中所含的NO_x进行还原的性质，并且具有当使该烃浓度的振动周期长于该预先设定的范围时废气中所含的NO_x的吸留量增大的性质，所述内燃机的排气净化装置在内燃机运转时从烃供给阀以该预先设定的周期喷射烃，由此对废气中所含的NO_x进行净化，在该内燃机的排气净化装置中，

从该烃供给阀向内燃机排气通路的上游侧喷射烃，在从烃供给阀以所述预先设定的周期喷射烃时，使烃的喷射压在各喷射的喷射期间中从喷射开始时向喷射结束时逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，

将所述喷射开始时的烃的喷射压和所述喷射结束时的烃的喷射压设定成在后喷射的烃与在先喷射的烃组重叠的喷射压。

3.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中，

废气的流量越增大，所述喷射开始时的烃的喷射压和所述喷射结束时的烃的喷射压之间的压力差越大。

4.根据权利要求2所述的内燃机的排气净化装置，其中，

废气的温度越高，所述喷射开始时的烃的喷射压和所述喷射结束时的烃的喷射压之间的压力差越大。

5.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，

在内燃机排气通路内配置有颗粒过滤器，在为了使该颗粒过滤器升温而从烃供给阀喷射烃时，与从烃供给阀以所述预先设定的周期喷射烃时相比，所述喷射开始时的烃的喷射压低。

6.根据权利要求1所述的内燃机的排气净化装置，其中，

在为了使所述排气净化催化剂升温而从烃供给阀喷射烃时，与从烃供给阀以所述预先设定的周期喷射烃时相比，所述喷射开始时的烃的喷射压低。