CN1297733C - 发动机排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种排气净化装置，具有氧化催化剂(43)、堆积烟灰的微粒过滤器(44)、检测过滤器(44)的上流侧排气温度的温度传感器(53)。发动机(11)的进气系统(13)中设置向进气系统(13)回流排气的EGR阀(23)。微粒过滤器(44)再生时检测出氧化催化剂(43)在活性温度以下时通过推迟发动机(11)的主喷射的喷射时期且增大EGR排气回流量使氧化催化剂(43)升温，在不产生燃料消耗恶化条件下将氧化催化剂升温，有效再燃烧微粒过滤器的烟灰。

Description

发动机排气净化装置
技术领域
本发明涉及一种净化柴油发动机排气的排气净化装置。
背景技术
柴油发动机中作为净化其排气的装置，使用氧化催化剂与微粒过滤器的连续再生式DPF(Diesel Particulate filter)是公知的。这种净化装置通过氧化催化剂将排气中的NO氧化成NO2，利用NO2可以使微粒过滤器中的烟灰(碳为主)在较低温度条件下燃烧。
如果上述连续再生式DPF中在微粒过滤器上烟灰堆积过剩，不仅发动机的功率下降，而且烟灰燃烧时的异常温度可能导致微粒过滤器熔损。因此有必要用一些升温手段对微粒过滤器进行升温，将堆积的烟灰按准确的定时强制燃烧(即强制再生)。作为强制再生的手段，发动机的膨胀行程中喷射燃料(所谓后喷射)的方法也是公知的。
而且特开平07-259533号公报中记载了氧化催化剂置于微粒过滤器中，氧化催化剂表现惰性时(低温时)增加发动机膨胀行程或排气行程中的燃料喷射量，使氧化催化剂升温的技术。
但上述现有技术为了使氧化催化剂升温使用多余的燃料，所以存在燃料消耗恶化的问题。而且存在氧化催化剂温度低的发动机低温或低负荷运转时喷射的燃料难以在氧化催化剂发生反应，得不到良好的升温效果的问题。
本发明的目的是提供可以将氧化催化剂有效升温且可以抑制燃料消耗恶化的排气净化装置。
发明内容
为了达到上述目的，本发明的发动机排气净化装置具有如下构成：进行微粒过滤器的再生处理时设置在该微粒过滤器的上流侧排气通路的氧化催化剂的温度在一定值以下时，发动机的燃料喷射中至少实施滞后主喷射的喷射时期与增大排气回流量中一个方案，之后向氧化催化剂提供能够被氧化催化剂氧化的成分而进行微粒过滤器的再生处理。
根据本发明，提供一种发动机的排气净化装置，具有设置在发动机的排气通路上并在排气中捕集微粒的微粒过滤器，设置在该微粒过滤器的上流侧排气通路的氧化催化剂，能够被该氧化催化剂氧化的碳化氢供给于该氧化催化剂而进行所述微粒过滤器的再生处理的过滤器再生手段，其特征是：
具有控制该发动机的燃料喷射的燃料喷射控制手段与控制所述发动机的进气系统中回流的排气回流量的排气回流控制手段，所述过滤器再生手段包括测定或推断该氧化催化剂温度的催化剂温度检测手段，进行所述再生处理时该催化剂温度检测手段检测的所述催化剂温度在一定温度以下时为了实施推迟所述发动机的燃料喷射中主喷射的喷射时期与增大所述排气回流量中至少一项，控制所述燃料喷射控制手段与所述排气回流控制手段中至少一项，在该控制进行之后，将燃料中的所述碳化氢供给于所述氧化催化剂的控制手段；
所述控制手段为了将所述碳化氢向氧化催化剂供给，控制所述燃料喷射控制手段，实施在所述发动机的膨胀行程或排气行程中喷射燃料的后喷射；以及
所述过滤器的再生手段具有测定或推断所述微粒过滤器附近的排气温度的排气温度检测手段，所述控制手段将该排气温度检测手段检测的排气温度与作为可以再生所述微粒过滤器的温度设定的排气温度进行比较，根据这个比较结果对所述主喷射的喷射时期、所述后喷射的喷射量、所述后喷射的喷射时期及所述排气回流量中至少一项进行反馈控制。
优选地，所述控制手段根据发动机的转速与发动机的负荷设定所述主喷射的喷射时期推迟和/或所述排气回流量的增大。
优选地，所述一定温度设定为所述氧化催化剂的活性温度。
优选地，所述控制手段根据发动机的转速与发动机的负荷设定所述后喷射的喷射量与喷射时期中至少一项。
优选地，所述过滤器再生手段包括推断或检测所述微粒过滤器捕集的所述微粒的捕集量的捕集量检测手段，该捕集量检测手段检测的捕集量超过一定值时进行所述再生处理。
附图说明
图1为表示本发明的实施例1中设置排气净化装置的发动机的简图。
图2为表示本发明的实施例1中排气净化装置的处理内容的工艺流程图。
图3为本发明的实施例1中求排气净化装置的燃料喷射时期的滞后量时使用的图。
图4为本发明的实施例1中求排气净化装置的EGR开度时使用的图。
图5为本发明的实施例1中求排气净化装置的后喷射量时使用的图。
图6为本发明的实施例1中求排气净化装置的后喷射时期时使用的图。
图7为表示本发明的实施例2中排气净化装置的处理内容的图。
图8为本发明的实施例2中求排气净化装置的基本EGR开度时使用的图。
图9为本发明的实施例2中求排气净化装置的EGR的开度校正量时使用的图。
具体实施方式
下面说明将本发明具体化的发动机排气净化装置的实施例1。
图1表示设置排气净化装置10的发动机11的模式。这个发动机11设有发动机主体12、进气系统13及排气系统14、EGR装置15、使用微型计算机等的控制部(控制器)16。
发动机主体12包括活塞20、燃烧室21、燃烧喷射阀22等。EGR装置15包括EGR阀23、EGR冷却器24、致动器25等。控制部16通过控制致动器25可以使EGR阀23的开度正确且响应性良好地变化，可以控制发动机11的进气系统13中回流的排气回流量。
进气系统13包括进气管30、压缩机31、中间冷却器32、节流阀33等。节流阀33可以通过致动器34改变开度。排气系统14包括排气管40、涡轮41、节流板42、氧化催化剂43、微粒过滤器(以下称过滤器)44、外围器45等。
外围器45中装有氧化催化剂43与过滤器44。排气管40与外围器45形成排气通路。而且这个排气通路中氧化催化剂43与过滤器44相比要设置在上流侧。压缩机31与涡轮41互相同步旋转。节流板42通过致动器46可以改变开度。
为了检测过滤器44的前后压差，在过滤器44的上流侧设置第一压力传感器51，在过滤器44的下流侧设置第二压力传感器52。这些传感器51，52是检测压差手段的一例。
氧化催化剂43与过滤器44之间设置本发明中作为检测温度手段的一例的温度传感器53。这个温度传感器53具有检测过滤器入口温度即过滤器44的直上流的排气温度的性能，构成本发明中测定或推断过滤器附近排气温度的排气温度检测手段。根据这个温度传感器53的测定结果也可以推断过滤器44的温度。而且本发明中催化剂温度检测手段，虽然可以采用通过直接测定氧化催化剂43温度的方法，但由根据温度传感器53的测定结果，推断氧化催化剂43温度(入口温度)方法构成。
控制部16由微处理器等具有演算功能的电子部件等构成，含有存储下述图M1，M2，M3，M4的存储器。这个控制部16与作为运转状态检测手段一例的发动机转速传感器54与喷射量检测器55。作为运转状态检测手段，发动机转速传感器54以外，在吸入空气量或排气的空气燃料比中能够检测至少一项也可以。
控制部16推断利用过滤器捕集的烟灰(微粒)的堆积量(捕集量)。为了推断这个堆积量，控制部16以利用压力传感器51、52检测的压差，温度传感器53的检测温度，利用发动机转速传感器54检测的发动机转速为基础，通过预先做好的图(省略图示)求得第一推断堆积量。
而且控制部16以利用发动机转速传感器54检测的发动机转速，喷射量检测器55中输入的燃料喷射量为基础，通过预先做好的图(省略图示)求得第二推断堆积量(前面强制再生完了后开始的累积值)。
控制部16具有控制EGR阀23的致动器25的动作的功能，也具有控制燃料喷射阀22的喷射量及喷射时期的功能。即这个控制部16，具有作为EGR控制手段(排气回流量控制手段)的功能，同时也具有作为控制发动机11的燃料喷射的燃料喷射手段的功能。此外控制部16还具有控制作为燃料喷射控制手段的主喷射及后喷射的功能。
这里所说主喷射是发动机11的运转状态下发动机主体12的压缩行程中喷射燃料的通常的燃料喷射操作。后喷射是发动机主体12的膨胀行程或排气行程中从燃料喷射阀22向燃烧室21内喷射燃料的操作。
下面说明上述排气净化装置10的作用。
发动机11运转时，排气中含有的烟灰被过滤器44捕集。而且排气中的NO通过氧化催化剂43氧化成NO2。通过这个NO2，过滤器44中的烟灰在较低温度条件(例如270℃-350℃左右)燃烧，进行过滤器44的连续再生。即排气中的NO供给于氧化催化剂时这个NO(成分)被氧化催化剂氧化成NO2，通过这个NO2(氧化剂)供给于过滤器44，可以燃烧并除去堆积在过滤器44上的烟灰从而过滤器44可以再生。
氧化催化剂43的氧气的变换效率，在一定温度条件(例如200℃以上的活性温度条件)变得最大，所以排气温度在这个温度条件时利用NO2燃烧烟灰，可以进行连续再生。
排气温度比上述活性温度的最大值稍低时，为了提高氧化催化剂43的变换效率，进行将氧化催化剂43的温度提高到上述最大值附近的控制(连续再生支撑处理)。连续再生支撑处理通过例如适当程度收缩节流板42，提高排气温度而进行。
过滤器44捕集的烟灰的堆积量超过一定值(例如堆积量25克)时(强制再生开始条件成立时)，按图2的工艺流程图进行强制再生。这个实施例中前述第一推断堆积量与第二推断堆积量中至少一项超过该一定值时，可以判断强制再生条件成立，开始强制再生(再生处理)。
进行强制再生时，图2中的步骤S1中可以判断通过温度传感器53检测的排气温度是否在氧化催化剂43的活性温度(例如200℃)以下。在这里排气温度在氧化催化剂43的活性温度以下时会向步骤S2的催化剂升温处理移动。
步骤S2中为了使催化剂升温，在推迟主喷射的喷射时期的操作
(推迟控制)与增大EGR阀23的开度的操作(EGR控制)中至少进行一项。通过推迟控制，活塞20的压缩行程末期燃料喷射阀22喷射的燃料的喷射时期会滞后。这个推迟控制的滞后量以图3所示图M1中的发动机转速与发动机负荷(主喷射)为基础设定。例如发动机转速低且发动机的负荷越大(主喷射量多)，推迟量(滞后量)就设定得越大。而且通过主喷射的喷射时期的推迟，汽缸内的发热高峰推迟而排气温度上升，这个排气温度根据推迟量上升。
另一方面，增大EGR阀23的开度，回到进气系统13的排气回流量会增多。EGR阀23的开度，如图4中的图M2所示，发动机转速与发动机负荷为基准设定的。例如发动机转速低且发动机负荷越小(主喷射量少)，EGR阀23的开度设定得越大。如果EGR排气的回流量增加，到达氧化催化剂43的排气的温度就会上升。
这样步骤S2中施行推迟控制与EGR控制的控制部16，具有本发明的过滤器再生手段的功能。
步骤S3中氧化催化剂43的入口温度(催化剂温度)超过氧化催化剂43的活性温度时，在步骤S4经过若干时间的推迟(延时)后转到步骤S5中。上述步骤S3中氧化催化剂43的入口温度不超过氧化催化剂43的活性温度时要继续进行步骤S2的催化剂升温处理。
步骤S5中作为过滤器44升温的准备，进行后喷射与后喷射时期的设定。这个实施例中后喷射是指燃料在活塞20的膨胀行程或排气行程中喷射。
后喷射量，如图5中图M3所示发动机转速与发动机负荷(主喷射)为基准设定。例如发动机转速低且主喷射量越少，越要增加后喷射量。而且后喷射时期，如图6中图M4所示发动机的转速与发动机的负荷(主喷射)为基准设定。例如发动机的转速大且主喷射量越少，越要增大从上死点开始的滞后量。
即实施例中控制部16也具有控制实施后喷射的燃料喷射控制手段的过滤器再生手段的控制手段功能。
经过上述步骤S5后，步骤S6中开始强制再生。这个强制再生中为了使过滤器44升温，进行后喷射。进行这个后喷射，发动机的膨胀行程或排气行程中燃烧室21内喷射的燃料到达氧化催化剂43，这个燃料(HC)被氧化催化剂43氧化。通过这个氧化催化剂43中的氧化反应，过滤器44升温，与连续旋转相比较高温度条件(例如500℃-550℃)下在过滤器44上烟灰被O2直接氧化(燃烧)。而且未通过氧化催化剂43消耗的燃料(HC)附着在过滤器44上的烟灰上，使燃烧更加活跃。
即进行后喷射，能够被氧化催化剂氧化的成分(HC)供给于氧化催化剂，通过这个成分被氧化催化剂氧化时产生的氧化反应热，使过滤器44升温，过滤器44上的烟灰被燃烧除去而使过滤器44再生。
步骤S7中，强制再生进行一定时间后，温度传感器53的检测结果与微粒过滤器44内的烟灰燃烧的下限目标温度(例如550℃)进行比较。控制部16作为进行比较的比较手段发挥功能。比较结果，以检测值与目标温度之间的偏差为基准，控制前述催化剂升温手段(步骤S2)或微粒过滤器升温手段(步骤S5)中至少一项。
例如，使过滤器44的上流排气温度(温度传感器53的检测值)达到烟灰有氧燃烧必要的最小值，控制主喷射的推迟量或EGR排气回流量。或者控制后喷射的喷射量与喷射时期。
这样过滤器44的上流排气温度设定为有氧燃烧必要的最小值，提高了过滤器44的耐久性。
本实施例的排气净化装置中再生过滤器44时氧化催化剂43比一定温度低时，例如低负荷时，通过推迟主喷射的喷射时期或增大EGR排气的回流量，可以提高氧化催化剂的温度使其达到活性化。之后，被氧化催化剂43氧化的成分(HC)供给于氧化催化剂43上，过滤器44上的烟灰燃烧除去而过滤器44得到再生，没有燃料消耗恶化而可以使过滤器44再生。
上述实施例中为了使氧化催化剂43升温进行主喷射的推迟控制或EGR控制时，氧化催化剂的温度超过一定值后进行后喷射的构成，但开始主喷射的推迟控制或EGR控制经过一定时间后实施后喷射也可以。
下面说明作为实施例2的发动机排气净化装置。
本实施例2中实施上述实施例中强制再生时，随着图7的工艺流程图，通过EGR控制手段(控制部16与致动器25)控制EGR阀23的开度。首先在步骤S12中，图8所示基本EGR开度图M5中设定EGR阀23的基本开度。
这个基本开度是以堆积烟灰约25克时过滤器44的上流排气压力为基础，HC排出量能够保持所需一定值的EGR开度。EGR阀23控制在这个基本开度时氧化催化剂43的上流侧排气中的HC量为氧化催化剂43不产生过剩热量的量，氧化催化剂43温度可以保持适合有氧燃烧的550℃左右。
而且为了使EGR阀23的开度达到从基本EGR开度图M5求得的基本开度，致动器25通过控制部16被控制。例如发动机转速大且燃料喷射量越多，EGR阀23的开度就控制得越小。通过这个基本开度控制，后喷射时到达氧化催化剂43的THC(thermal hydro carbon)保持所需值附近。
之后向步骤S13移动，判断“DPF上流排气温度”是否超过“设定值1+50℃”。在这里“DPF上流排气温度”是指温度传感器53检测的过滤器44的上流侧排气的检测温度。“设定值1”是指烟灰堆积25克时(即后喷射时)过滤器44的上流排气基本目标温度(例如550℃)。
作为目标排气温度设定手段发挥功能的控制部16预先设定通过步骤S13(比较手段)中使用的“设定值1+50℃”即后喷射可能升温的排气温度。而且根据发动机可以使用“50℃”以外的定数。
上述步骤S 13中“DPF上流排气温度”超过“设定值1+50℃”时向步骤S14移动。
步骤S14中算出“DPF上流排气温度”即温度传感器53的检测温度与上述“设定值1”之间的偏差“A factor”。
而且步骤S15中，上述步骤S14中所得偏差“A factor”与图9所示EGR开度校正图M6为基准，求得EGR阀23的开度校正量(-ΔV)，进行EGR阀23的开度校正。这个图M6是根据偏差“A factor”求得EGR开度校正量(-ΔV)的曲线，例如偏差“A factor”的值越大，EGR阀23的开度校正量(-ΔV)就越大。
根据在这里求得的EGR开度校正量(-ΔV)，EGR阀23的开度以上述EGR开度为基准进行校正。通过进行这个EGR开度校正，进气系统13中回流的EGR排气量减少时，为了使排气中的HC量减少，减少氧化催化剂43中供给的排气中的HC量，其结果，微粒过滤器44的上流排气温度下降。
进行步骤S15之后，判断步骤S16中“DPF上流排气温度”与“设定值1”之差是否在设定值2以下。设定值2的一例为50℃，但这个值以外也没关系。在这里“DPF上流排气温度”与“设定值1”之差在设定值2以下时终止上述EGR开度校正。步骤S16中“DPF上流排气温度”与“设定值1”之差比设定值2大时(“NO”时)，继续进行从步骤S14到步骤S15的EGR开度校正。
上述实施例中的排气净化装置10，强制再生中因为一些原因EGR阀23的开度比基本开度变大而EGR回流量增大，或者在基本开度下因为背压的变化而EGR大回流量增大等原因，即使氧化催化剂43的温度超过一定值(例如550℃)，在排气中HC量的减少方向上也可以控制EGR阀23。
因此氧化催化剂43的异常发热被抑制，因为后喷射时的有氧燃烧而达到高温的过滤器44可以避免更加高温的不妥，可以防止过滤器44的熔损。
图7的工艺流程图中上述图M6为基准校正的EGR阀23的开度只根据“DPF上流排气温度”与“设定值1”之差设定的，但是优选EGR开度校正为了使排气温度收敛于目标值(设定值)，进行退火处理等延时处理，可以更迅速收敛于设定值。
而且本发明实施中包括过滤器或氧化催化剂的具体形态，在不脱离本发明的宗旨的范围内当然可以将本发明的构成要素进行各种改变而实施。

Claims (5)

1.一种发动机的排气净化装置，具有设置在发动机的排气通路上并在排气中捕集微粒的微粒过滤器(44)，设置在该微粒过滤器(44)的上流侧排气通路的氧化催化剂(43)，能够被该氧化催化剂(43)氧化的碳化氢供给于该氧化催化剂(43)而进行所述微粒过滤器(44)的再生处理的过滤器再生手段，其特征是：
具有控制该发动机的燃料喷射的燃料喷射控制手段(22)与控制所述发动机的进气系统(13)中回流的排气回流量的排气回流控制手段，所述过滤器再生手段包括测定或推断该氧化催化剂(43)温度的催化剂温度检测手段(53)，进行所述再生处理时该催化剂温度检测手段(53)检测的所述催化剂温度在一定温度以下时为了实施推迟所述发动机的燃料喷射中主喷射的喷射时期与增大所述排气回流量中至少一项，控制所述燃料喷射控制手段(22)与所述排气回流控制手段(15)中至少一项，在该控制进行之后，将燃料中的所述碳化氢供给于所述氧化催化剂(43)的控制手段(16)；
所述控制手段(16)为了将所述碳化氢向氧化催化剂(43)供给，控制所述燃料喷射控制手段(22)，实施在所述发动机的膨胀行程或排气行程中喷射燃料的后喷射；以及
所述过滤器的再生手段具有测定或推断所述微粒过滤器(44)附近的排气温度的排气温度检测手段，所述控制手段(16)将该排气温度检测手段检测的排气温度与作为可以再生所述微粒过滤器(44)的温度设定的排气温度进行比较，根据这个比较结果对所述主喷射的喷射时期、所述后喷射的喷射量、所述后喷射的喷射时期及所述排气回流量中至少一项进行反馈控制。
2.权利要求1所述发动机的排气净化装置，其特征是所述控制手段(16)根据发动机的转速与发动机的负荷设定所述主喷射的喷射时期推迟和/或所述排气回流量的增大。
3.权利要求1所述发动机的排气净化装置，其特征是所述一定温度设定为所述氧化催化剂(43)的活性温度。
4.权利要求1所述发动机的排气净化装置，其特征是所述控制手段(16)根据发动机的转速与发动机的负荷设定所述后喷射的喷射量与喷射时期中至少一项。
5.权利要求1所述发动机的排气净化装置，其特征是所述过滤器再生手段包括推断或检测所述微粒过滤器(44)捕集的所述微粒的捕集量的捕集量检测手段(51、52)，该捕集量检测手段(51、52)检测的捕集量超过一定值时进行所述再生处理。
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