用于内燃机的排气净化系统和排气净化方法
阅读：923发布：2020-05-16
专利汇可以提供用于内燃机的排气净化系统和排气净化方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及用于 内燃机 的排气 净化 系统和排气净化方法。提供了设置在内燃机的排气通道(7)中并且净化排气的排气净化设备(10)，和向排气通道(7)中排气净化设备(10)的上游 位置 喷射 燃料 的还原剂喷射 阀 (11)。从还原剂喷射阀(11)喷射燃料的定时被调整为与在内燃机的各 气缸 (2)的 排气冲程 排出的排气到达从还原剂喷射阀喷射燃料的位置时的定时相匹配。根据在各气缸(2)的一个排气冲程排出并到达喷射燃料的位置的燃烧排气的状态改变单次喷射量。，下面是用于内燃机的排气净化系统和排气净化方法专利的具体信息内容。
1.一种用于内燃机的排气净化系统，包括设置在所述内燃机的排气通道(7)中净化排气的排气净化装置(10)，和向所述排气通道(7)中所述排气净化装置的上游位置添加还原剂的还原剂添加装置(11)，所述排气净化系统的特征在于包括：
控制装置(13)，所述控制装置调整从所述还原剂添加装置(11)添加所述还原剂的定时以与在所述内燃机的气缸(2)的排气冲程排出的排气到达从所述还原剂添加装置(11)添加还原剂的位置时的定时相匹配，并且根据在所述气缸(2)的一个排气冲程排出并到达添加还原剂的所述位置的排气的状态改变从所述还原剂添加装置(11)每次还原剂添加的所述还原剂的量。
2.根据权利要求1所述的用于内燃机的排气净化系统，其中：
所述控制装置基于所述气缸(2)与添加还原剂的所述位置之间的距离以及所述内燃机的负载确定燃烧排气的状态。
3.根据权利要求2所述的用于内燃机的排气净化系统，其中：
所述控制装置随着所述气缸(2)与添加还原剂的所述位置之间的所述距离变长而减少每次还原剂添加的所述还原剂的量，并且随着所述内燃机的负载增加而增加所述还原剂的量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于内燃机的排气净化系统，其中：
所述控制装置设定从所述还原剂添加装置(11)每次还原剂添加的所述还原剂的量以在燃烧排气中完全雾化或气化。
5.一种用于内燃机的排气净化方法，其特征在于包括以下步骤：
调整向排气通道中排气净化装置的上游位置添加还原剂的定时以与在所述内燃机的气缸的排气冲程排出的排气到达从还原剂添加装置添加还原剂的位置时的定时相匹配；以及
根据在所述气缸的一个排气冲程排出并到达添加还原剂的所述位置的燃烧排气的状态改变向所述排气通道中所述排气净化装置的上游位置每次还原剂添加的所述还原剂的量。
用于内燃机的排气净化系统和排气净化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于内燃机的排气净化系统和一种排气净化方法，该排气净化系统将还原剂添加到设置在内燃机的排气通道中的排气净化催化剂的上游部分。
背景技术
[0003] 当在排气通道中设有NOx催化剂时，必须在NOx催化剂的NOx存储能力饱和之前通过排出和还原存储在NOx催化剂中的NOx或硫的氧化物(以下称为“SOx”)来除去这类物质。为此，应使得流入NOx催化剂的排气的空燃比变浓(等于或小于理论空燃比)。
[0004] 然而，在柴油机中，包含在排气中的碳氢化合物(以下称为“HC”)和一氧化碳(以下称为“CO”)的量较小，并且排气的空燃比变为等于或小于理论空燃比的机会非常少。因此，很难从由气缸排出的排气中获得用于还原存储在NOx催化剂中的氧化物的还原剂。为了解决这个问题，在排气通道中NOx催化剂的上游设有还原剂喷射阀。还原剂从该还原剂喷射阀中喷射出，从而流入NOx催化剂的排气的空燃比基于所需变得等于或小于理论空燃比。
[0006] 为了更好地添加还原剂，已考虑并且研究了与内燃机的气缸的排气冲程同步以外的各种方法。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种使得能够以更优的方式将还原剂添加到内燃机的排气通道中的技术。
[0008] 一种用于内燃机的排气净化系统包括设置在内燃机的排气通道中并且净化排气的排气净化装置(手段，means)，和向排气通道中该排气净化装置的上游位置添加还原剂的还原剂添加装置。还原剂添加控制装置调整从还原剂添加装置添加还原剂的定时以与在内燃机的气缸的排气冲程排出的排气到达从还原剂添加装置11添加还原剂的位置时的定时相匹配，并且根据在该气缸的一个排气冲程排出并到达添加还原剂的所述位置的排气的状态改变从还原剂添加装置每次还原剂添加的还原剂的量。
[0009] 通过这样的结构，从还原剂添加装置11添加还原剂的定时被调整为与在内燃机的各气缸的排气冲程排出的排气到达从还原剂添加装置添加还原剂的位置时的定时相匹配。即，在还原剂被提供给在排气通道中流动的排气最集中的部分时的定时添加还原剂。每次还原剂添加中还原剂的量根据在气缸的一个排气冲程排出并且到达添加还原剂的位置的燃烧排气的状态而改变。还原剂的量被优化，从而还原剂更好地与排气混合。
[0010] 因此，优化量的还原剂适时地添加到最集中部分的排气中，并且从还原剂添加装置添加还原剂变得有效和高效。
[0011] 燃烧排气的状态根据气缸与添加还原剂的位置之间的距离以及内燃机的负载而变化。
[0012] 随着各气缸与还原剂添加装置添加还原剂的位置之间的距离变长，燃烧排气在排气通道中释放热量的距离变长，并且因此燃烧排气的温度变低。随着燃烧排气的温度变低，获得使还原剂雾化或气化所需的热量变得困难，并且因此还原剂没有得到充分雾化或气化。这使得难以将还原剂与燃烧排气充分混合，并且可与燃烧排气混合的还原剂的量降低。如在此说明的，燃烧排气的状态根据各气缸与从还原剂添加装置添加还原剂的位置之间的距离而变化。
[0013] 随着内燃机的负载变高，燃烧排气的温度变高，并且燃烧排气的量增加。因此，燃烧排气可以与较大量的还原剂混合。燃烧排气的状态根据内燃机的负载而这样变化。
[0014] 因此，还原剂添加控制装置可以基于各气缸与从还原剂添加装置添加还原剂的位置之间的距离以及内燃机的负载确定燃烧排气的状态。这样，通过执行这种基于由控制装置确定的结果的添加，优化量的还原剂被添加到排气中。结果，还原剂被有效和高效地添加到排气中。
[0015] 控制装置可以随着各气缸与添加还原剂的位置之间的距离变长而减少每次还原剂添加的还原剂的量，并且随着内燃机的负载增加而增加还原剂的量。据此，可以考虑燃烧排气的状态如上所述产生的变化来优化从还原剂添加装置添加的还原剂的量。
[0016] 控制装置可以设定从还原剂添加装置每次还原剂添加的还原剂的量，以使还原剂在燃烧排气中完全雾化或气化。据此，不存在任何附着在排气通道的壁上的过剩的还原剂，并且从还原剂添加装置添加的还原剂与排气完全混合。这使得进一步优化添加的还原剂的量成为可能，并且因此还原剂得以更有效地添加。
[0017] 此外，可以执行调整向排气通道中排气净化装置的上游位置添加还原剂的定时以与在内燃机的气缸的排气冲程排出的排气到达从还原剂添加装置添加还原剂的位置时的定时相匹配的步骤。还可以执行根据在气缸的一个排气冲程排出并且到达添加还原剂的位置的燃烧排气的状态改变向排气通道中排气净化装置的上游部分每次还原剂添加的还原剂的量的步骤。根据这些步骤，不存在任何附着在排气通道的壁上的过剩的还原剂，并且从还原剂添加装置添加的还原剂与排气完全混合。这使得进一步优化从还原剂添加装置添加的还原剂的量成为可能，并且因此还原剂得以更有效地添加。
[0019] 通过结合附图阅读下文对本发明的示例性实施例的详细说明，将更好地理解本发明的上述和其它特征、优点、技术和工业意义，其中：
[0020] 图1是示意性示出应用了根据本发明一实施例的排气净化装置的内燃机的结构及其进/排气系统的示图；
具体实施方式
[0022] 图1是示意性示出应用了根据本发明一实施例的排气净化装置的内燃机的结构及其进/排气系统的示图。
[0023] 图1中示出的内燃机1是水冷四冲程柴油机，其包括第一气缸(#1)至第四气缸(#4)的四个气缸，这四个气缸分别表示为2a、2b、2c和2d(下文中一些情况下共同称为“气缸2”)。内燃机1还包括直接喷射燃料到各气缸2的燃烧室中的燃料喷射阀3a、3b、3c和3d(下文中一些情况下共同称为“燃料喷射阀3”)。每个燃料喷射阀3都连接到蓄压器(共轨)4，共轨4经由燃料供给管5与燃料泵6连通。
[0024] 内燃机1的排气通道7由内燃机1的气缸2的排气口、排气歧管以及排气管限定。排气通道7与在排气通道7下游位置的消声器(未示出)连接。在排气通道7的中游，设有涡轮增压器8的涡轮壳9，并且在排气通道7中涡轮壳9下游位置设有用于净化从气缸2排出的排气的排气净化设备10(排气净化装置)。排气净化设备10包括由捕集诸如从内燃机1排出的炭烟的颗粒物质(PM)的过滤器支承的NOx存储还原催化剂。此外，排气净化设备10可以构成为使得过滤器和NOx催化剂布置成一排，或过滤器和NOx催化剂布置为多层。
[0025] 在排气通道7中涡轮壳9的上游设有还原剂喷射阀11(还原剂添加装置)。还原剂喷射阀11供给燃料，该燃料作为还原剂进入在排气通道7中流动的排气中，还原剂喷射阀11通过燃料通道12连接到燃料泵6。
[0027] ECU 13经由导电配线与燃料喷射阀3和还原剂喷射阀11连接。ECU13能够控制燃料供给、燃料供给的停止以及从燃料喷射阀3和还原剂喷射阀11供给的燃料的量。
[0028] 在每隔预定周期执行的基本例程中，ECU 13执行，例如，来自传感器的输出信号的输入以及发动机转速、供给的燃料量、燃料供给的定时的计算等。在基本例程中由ECU 13输入的信号以及由ECU 13计算并且获得的控制值暂时存储在ECU 13的RAM中。
[0029] 在由来自传感器和开关的信号的输入、经过一定时间、或来自曲柄位置传感器的脉冲信号的输入触发的中断时，ECU 13读取存储在RAM中的控制值。然后，ECU 13根据所述控制值控制燃料喷射阀3、还原剂喷射阀11等。
[0030] ECU 13根据存储在ROM中的应用程序工作并且执行从还原剂喷射阀11的燃料喷射。ECU 13使用排气净化设备10执行还原NOx的处理、去除(净化，detoxify)SOx的处理、氧化并除去PM的处理等。
[0031] 在还原NOx的处理中，用作还原剂的燃料从还原剂喷射阀11喷射到排气中，从而流入设置在排气净化设备10中的NOx催化剂的排气的空燃比变浓，由此存储在NOx催化剂中的NOx被排出并被还原。对于去除SOx的处理，当催化剂的温度在600℃至800℃的范围内时，用作还原剂的燃料从还原剂喷射阀11喷射到排气中，从而流入排气净化设备10的NOx催化剂的排气的空燃比变浓，由此存储在NOx催化剂中的SOx被排出并被还原。对于氧化并除去PM的处理，用作还原剂的燃料从还原剂喷射阀11喷射到排气中，从而未燃燃料成分被排气净化设备10的NOx催化剂氧化，并且由氧化产生的热量使过滤器的温度升高，从而由过滤器捕集的PM被除去。
[0032] 当在以上所有处理中燃料从还原剂喷射阀11中喷射出时，优选使喷射出的燃料与排气充分混合。在根据本发明的实施例中，考虑从内燃机1排出的排气的流动，燃料喷射的定时被优化，并且从还原剂喷射阀11单次燃料喷射的量(“单次喷射量”)被优化。
[0033] 换句话说，从还原剂喷射阀11喷射燃料的定时被调整方与在内燃机1的各气缸2的排气冲程排出的排气到达燃料从还原剂喷射阀11喷射出的位置(燃料喷射位置)时的定时相匹配。此外，还原剂喷射阀11的单次喷射量根据在气缸2的一个排气冲程排出并且到达燃料喷射位置的燃烧排气的状态而改变。
[0034] 这里燃烧排气是指在气缸2的一个排气冲程排出并且到达还原剂喷射阀11的燃料喷射位置的排气。
[0035] 燃烧排气的状态根据各气缸2与还原剂喷射阀11的燃料喷射位置之间的距离以及内燃机1的负载而变化。
[0036] 以上的原因如下：随着各气缸2与还原剂喷射阀11的燃料喷射位置之间的距离变长，燃烧排气在排气通道7中释放热量的距离变长，并且因此燃烧排气的温度变低。随着燃烧排气的温度变低，获得使燃料雾化或气化所必需的热量变得困难，并且因此燃料没有得以充分雾化或气化。这使得难以将燃料与燃烧排气充分混合，并且可与燃烧排气混合的燃料的量降低。如在此所说明的，燃烧排气的状态根据各气缸2与还原剂喷射阀11的燃料喷射位置之间的距离而变化。
[0037] 随着内燃机1的负载变高，燃烧排气的温度变高，并且燃烧排气的量增加。因此，燃烧排气可以与较大量的燃料混合。燃烧排气的状态根据内燃机1的负载而这样变化。
[0038] 如上所述，由于燃烧排气的状态变化，随着各气缸2与燃料喷射位置之间的距离变长，从还原剂喷射阀11喷射的燃料的量减少。另一方面，随着内燃机1的负载变大，燃料的量增加。例如，在根据本发明的实施例中，与从第一气缸(#1)2a排出并且到达燃料喷射位置的燃烧排气相比，对于从第四气缸(#4)2d排出并且到达燃料喷射位置的燃烧排气，还原剂喷射阀11的单次喷射量较小。
[0039] 此外，从还原剂喷射阀11喷射出的还原剂的单次喷射量被设定为使得燃料在燃烧排气中完全雾化或气化。通过如上所述设定燃料的量，不存在任何附着在排气通道7的壁上的过剩燃料，并且从还原剂喷射阀11喷射出的燃料与排气完全混合。这使得进一步优化从还原剂喷射阀11喷射出的燃料的量成为可能，并且因此燃料得以更有效地喷射出。
[0040] 如上所述，在燃料喷射到在排气通道7中流动的排气最集中的部分的定时，燃料从还原剂喷射阀11喷射出。单次喷射量根据燃烧排气的状态而变化。单次喷射量被设定为适合于使燃料在燃烧排气中完全雾化或气化的量。
[0041] 具体地，在根据本发明的实施例中，ECU 13根据如图2所示的控制流程执行从还原剂喷射阀11向排气通道7的燃料喷射。该流程示出了由ECU 13执行的例程，该例程作为以一定周期执行的或由来自曲柄传感器的脉冲信号的输入等触发的中断。下面将参照图2所示的流程图说明该流程。
[0042] 控制例程预先存储在ECU 13的ROM中。首先，在步骤(以下简称为“S”)101中，ECU 13判定是否要求从还原剂喷射阀11进行燃料喷射。当要求如上所述的还原NOx的处理、去除SOx的处理、或氧化并除去PM的处理时，判定为“是”，并且处理转到S102。当不要求以上处理时，判定为“否”，并且然后例程终止。
[0043] 在S102中，ECU 13响应于前述各处理的要求计算将从还原剂喷射阀11喷射的“总喷射量”。“总喷射量”表示完成前述处理所必需的从还原剂喷射阀11喷射的燃料的总量。计算出的总喷射量存储在ECU 13的RAM中。
[0044] 在S102之后的S103中，ECU 13计算“单次燃料喷射量”，该“单次燃料喷射量”被喷射到在一个气缸2的排气冲程排出并且到达还原剂喷射阀11的燃料喷射位置的排气中。在根据本发明的实施例中，该单次喷射量是基于当前在燃烧冲程的各气缸2与燃料喷射位置之间的距离、内燃机1的负载以及在燃烧排气中可雾化或可气化的燃料的量而计算的。
因此，单次喷射量根据在气缸2a到2d中哪一气缸排出排气而变化。即使对于相同的气缸，在各燃料喷射中单次喷射量也不同。计算出的单次喷射量存储在ECU 13的RAM中。
因此，单次喷射量根据在气缸2a到2d中哪一气缸排出排气而变化。即使对于相同的气缸，在各燃料喷射中单次喷射量也不同。计算出的单次喷射量存储在ECU 13的RAM中。
[0045] 在S103之后的S104中，ECU 13判定总喷射量是否小于“累积喷射量”与下一周期的单次喷射量的总和(总燃料量＜(累积喷射量+单次喷射量))。该“累积喷射量”通过累积从要求燃料喷射起到目前为止所喷射的燃料量而获得。如果判定为“否”，则处理转到S105。如果判定为“是”，则处理转到S107。
[0046] 在S105中，ECU 13执行燃料喷射的单次喷射量。从还原剂喷射阀11喷射燃料的定时被调整为与在气缸2的排气冲程排出的排气到达还原剂喷射阀11的燃料喷射位置时的定时相匹配。如上所述，各气缸2之间燃料的量不同，并且即使对于相同的气缸，在每次燃料喷射中燃料的量也不同。换句话说，在S103中，当前单次喷射量根据在当前周期的气缸2的给定气缸中的燃烧而计算，并且在当前周期的上述气缸中在爆燃(explosion)后排出的排气到达还原剂喷射阀11的燃料喷射位置时的定时喷射所计算出的燃料的单次喷射量。
[0047] 在S105之后的S106中，ECU 13将已经喷射的单次喷射量增加到累积喷射量中。该累积喷射量存储在ECU 13的RAM中。当S106执行且完成时，处理再次进行到S103。
[0048] 在S107中，ECU 13通过从总喷射量中减去累积喷射量计算下次燃料喷射的“最后喷射量”(最后喷射量＝总喷射量-累积喷射量)。该最后喷射量存储在ECU 13的RAM中。
[0049] 在S107之后的S108中，ECU 13以最后燃料喷射量执行燃料喷射。在内燃机1的各气缸2的排气冲程排出的排气到达还原剂喷射阀11的燃料喷射位置时的定时，从还原剂喷射阀11喷射燃料。换句话说，最后喷射量被计算出，并且所计算出的燃料的最后喷射量在从各气缸2排出的排气到达还原剂喷射阀11的燃料喷射位置时的定时喷射。然后例程终止。
[0050] 如上所述，在排气净化设备10中执行的处理中(还原NOx的处理，去除SOx的处理，以及氧化并除去PM的处理)，当从还原剂喷射阀11喷射燃料时，燃料喷射的定时和燃料的量被优化，从而燃料更有效、高效并且更优地从还原剂喷射阀11喷射。
[0051] 在根据本发明的以上实施例中，提供了用于将燃料喷射到排气通道7中的还原剂喷射阀11。本发明可以应用于这样的燃料喷射，其中在排气从阀中排出时燃料从向内燃机1的气缸2喷射燃料的燃料喷射阀3喷射(“后”喷射)。用于燃料喷射的燃料的量根据内燃机1的负载而确定以使燃料完全雾化或气化。
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