內燃機的排氣淨化裝置的製作方法
2023-10-24 13:26:27 3
專利名稱：內燃機的排氣淨化裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及內燃機的排氣淨化裝置。
背景技術：
已知有一種如下所述的內燃機:在內燃機排氣通路內配置有NOx吸留催化劑，該NOx吸留催化劑在流入的廢氣的空燃比為稀空燃比時吸留廢氣中包含的NOx，在流入的廢氣的空燃比為濃空燃比時釋放出所吸留的NOx，在NOx吸留催化劑上遊的內燃機排氣通路內，配置有具有吸附功能的氧化催化劑，當要從NOx吸留催化劑中釋放出NOx時，向氧化催化劑上遊的內燃機排氣通路內供給烴，從而使流入到NOxK留催化劑的廢氣的空燃比變成濃空燃比(例如參照專利文獻I)。在該內燃機中，要從NOx吸留催化劑釋放出NOx時被供給的烴在氧化催化劑中成為氣體狀的烴，氣體狀的烴被送入到NOx吸留催化劑。其結果，從NOx吸留催化劑釋放出的NOx被良好地還原。專利文獻1:日本專利第3969450號但是，存在若NOx吸留催化劑處於高溫，則NOx淨化率降低這一問題。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種內燃機的排氣淨化裝置，其即使在排氣淨化催化劑的溫度處於高溫時，也能夠得到高NOx淨化率。根據本發明，提供了 一種內燃機的排氣淨化裝置，其中，在內燃機排氣通路內配置有用於使廢氣中含有的NOx與重整後的烴發生反應的排氣淨化催化劑，排氣淨化催化劑包括第I催化劑和第2催化劑的混合體，該第I催化劑在載體上擔載有鉬及鹼性層，該第2催化劑在氧化鋯上擔載有銠，排氣淨化催化劑具有如果使流入到排氣淨化催化劑的烴的濃度以預先決定的範圍內的振幅以及預先決定的範圍內的周期振動，則將廢氣中含有的NOx還原的性質，並且具有如果使烴濃度的振動周期比預先決定的範圍長，則廢氣中含有的NOx的吸留量增大的性質，在內燃機運轉時排氣淨化裝置使流入到排氣淨化催化劑的烴的濃度以預先決定的範圍內的振幅以及預先決定的範圍內的周期振動，由此在排氣淨化催化劑中將廢氣中含有的NOx還原。即使排氣淨化催化劑的溫度變成高溫，也能夠得到高NOx淨化率。
圖1是壓縮點火式內燃機的整體圖。圖2A及2B是對催化劑載體的表面部分進行圖解表示的圖。圖3是用於說明排氣淨化催化劑中的氧化反應的圖。圖4是表示向排氣淨化催化劑流入的廢氣的空燃比的變化的圖。圖5是表示NOx淨化率的圖。
圖6A及6B是用於說明排氣淨化催化劑中的氧化還原反應的圖。圖7A及7B是用於說明排氣淨化催化劑中的氧化還原反應的圖。圖8是表示向排氣淨化催化劑流入的廢氣的空燃比的變化的圖。圖9是表示NOx淨化率的圖。圖10是表示向排氣淨化催化劑流入的廢氣的空燃比的變化的時間圖。圖11是表示向排氣淨化催化劑流入的廢氣的空燃比的變化的時間圖。圖12是表示排氣淨化催化劑的氧化能力與要求最小空燃比X的關係的圖。圖13是表示能夠獲得同一 NOx淨化率的、廢氣中的氧濃度與烴濃度的振幅ΛΗ的關係的圖。圖14是表示烴濃度的振幅ΛΗ與NOx淨化率的關係的圖。圖15是表示烴濃度的振動周期Λ T與NOx淨化率的關係的圖。圖16是表示烴供給量W的映射的圖。圖17是表示向排氣淨化催化劑流入的廢氣的空燃比的變化等的圖。圖18是表示排出NOx量NOXA的映射的圖。圖19是表示燃料噴射時間的圖。圖20是表示烴供給量WR的映射的圖。圖21是用於進行NOx淨化控制的流程圖。
具體實施例方式圖1表示了壓縮點火式內燃機的整體圖。參照圖1可知，I表示內燃機主體，2表示各汽缸的燃燒室，3表示用於向各燃燒室2內分別噴射燃料的電子控制式燃料噴射閥，4表示進氣岐管，5表示排氣岐管。進氣岐管4經由進氣管道6與排氣渦輪增壓器7的壓縮機7a的出口連結，壓縮機7a的入口經由進氣量檢測器8與空氣過濾器9連結。在進氣管道6內配置有被步進電動機驅動的節氣門10，並且在進氣管道6周圍配置有用於對在進氣管道6內流動的進氣進行冷卻的冷卻裝置11。在圖1所示的實施例中，內燃機冷卻水被導入到冷卻裝置11內，進氣被內燃機冷卻水冷卻。另一方面，排氣岐管5與排氣渦輪增壓器7的排氣渦輪7b的入口連結。排氣渦輪7b的出口經由排氣管12與排氣淨化催化劑13的入口連結，排氣淨化催化劑13的出口與用於對廢氣中含有的微粒子進行捕集的微粒過濾器14連結。排氣淨化催化劑13上遊的排氣管12內配置有用於供給烴的烴供給閥15，該烴由被用作壓縮點火式內燃機的燃料的輕油等燃料構成。在圖1所示的實施例中，作為從烴供給閥15供給的烴，使用了輕油。另外，本發明也能夠應用於在稀空燃比的基礎上進行燃燒的火花點火式內燃機。該情況下，從烴供給閥15供給由作為火花點火式內燃機的燃料而使用的汽油等燃料構成的烴。另一方面，排氣岐管5和進氣岐管4經由廢氣再循環(以下稱為EGR)通路16相互連結，在EGR通路16內配置有電子控制式EGR控制閥17。另外，在EGR通路16周圍，配置有用於對在EGR通路16內流動的EGR氣體進行冷卻的冷卻裝置18。在圖1所示的實施例中，內燃機冷卻水被導入到冷卻裝置18內，EGR氣體被內燃機冷卻水冷卻。另一方面，各燃料噴射閥3經由燃料供給管19與共軌20連結，該共軌20經由電子控制式的噴出量可變的燃料泵21與燃料貯藏罐22連結。燃料貯藏罐22內貯藏的燃料通過燃料泵21被供給至共軌20內，被供給到共軌20內的燃料經由各燃料供給管19被供給至燃料噴射閥3。電子控制單元30由數字計算機構成，具備通過雙方向性總線31相互連接的ROM (只讀存儲器)32、RAM(隨機存取存儲器)33、CPU (微處理器)34、輸入埠 35和輸出埠 36。在排氣淨化催化劑13的下遊安裝有用於檢測廢氣溫度的溫度傳感器23。該溫度傳感器23以及進氣量檢測器8的輸出信號經由各自對應的AD轉換器37被輸入至輸入埠35。另外，加速器踏板40連接有產生與加速器踏板40的踏入量L成比例的輸出電壓的負載傳感器41,負載傳感器41的輸出電壓經由對應的AD轉換器37被輸入至輸入埠 35。並且，輸入埠 35連接有曲軸轉角傳感器42，該曲軸轉角傳感器42每當曲軸旋轉例如15°時就產生輸出脈衝。另一方面，輸出埠 36經由對應的驅動電路38與燃料噴射閥3、節氣門10的驅動用步進電動機、烴供給閥15、EGR控制閥17及燃料泵21連接。排氣淨化催化劑13的基體例如由堇青石構成，在該基體的表面上形成有由粉體狀的第I催化劑與粉體狀的第2催化劑的混合體構成的塗層。圖2A對該第I催化劑的催化劑載體的表面部分進行圖解表示，圖2B對該第2催化劑的催化劑載體的表面部分進行圖解表示。圖2A所示的第I催化劑的催化劑載體50由氧化鋁Al2O3形成，在該由氧化鋁構成的催化劑載體50上擔載有鉬Pt51、和鹼性層52，其中，該鹼性層52含有從如鉀K、鈉Na、銫Cs那樣的鹼金屬、如鋇Ba、鈣Ca那樣的鹼土類金屬、如鑭系元素那樣的稀土類以及如銀Ag、銅Cu、鐵Fe、銥Ir那樣的能夠對NOx供給電子的金屬中選擇出的至少一種。在圖2A中，53表不鹼性層52的表面部分,該鹼性層52的表面部分53呈鹼性。此外，對於第I催化劑，除了使催化劑載體50上擔載鉬Pt51之外，還可以擔載鈀Pd。另外，作為第I催化劑的催化劑載體50，優選如上述那樣使用氧化鋁Al2O3，但也可以取代氧化招Al2O3而使用氧化錯ZrO2。另一方面，圖2B所示的第2催化劑的催化劑載體55包括氧化鋯ZrO2,在該催化劑載體55上擔載有銠Rh56。由圖2B可知，在該第2催化劑中，催化劑載體55上未擔載圖2A所示那樣的鹼性層。如果從烴供給閥15向廢氣中噴射烴，則該烴在第I催化劑中被重整。在本發明中，使用此時被重整的烴在排氣淨化催化劑13中對NOx進行淨化。圖3對此時在第I催化劑中進行的重整作用進行了圖解表示。如圖3所示那樣，從烴供給閥15噴射出的烴HC由於鉬Pt51而成為碳數少的自由基狀的烴HC。其中，即使從燃料噴射閥3向燃燒室2內噴射燃料、即在膨脹行程的後半程或者排氣行程中噴射烴，該烴也會在燃燒室2內或者第I催化劑中被重整，廢氣中含有的NOx由於排氣淨化催化劑而被該重整後的烴13淨化。因此，在本發明中，也可以取代從烴供給閥15向內燃機排氣通路內供給烴，而在膨脹行程的後半程或者排氣行程中向燃燒室2內供給烴。這樣，在本發明中，還可以向燃燒室2內供給烴，但下面以從烴供給閥15向內燃機排氣通路內噴射烴的情況為例，對本發明進行說明。圖4表示了來自烴供給閥15的烴的供給定時與向排氣淨化催化劑13流入的廢氣的空燃比(A/F)in的變化。其中，由於該空燃比(A/F) in的變化依賴於流入到排氣淨化催化劑13的廢氣中的烴的濃度變化，所以也可以說圖4所示的空燃比(A/F) in的變化表示了烴的濃度變化。不過，由於如果烴濃度變高，則空燃比(A/F) in變小，所以在圖4中空燃比(A/F) in越處於濃側,烴濃度越高。圖5針對排氣淨化催化劑13的各催化劑溫度TC，表示了通過使流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度周期性變化，如圖4所示那樣使向排氣淨化催化劑13流入的廢氣的空燃比(A/F) in變化時的由排氣淨化催化劑13實現的NOx淨化率。本發明人長期間不斷進行與NOx淨化相關的研究，在該研究課程中獲知:如果流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度以預先決定的範圍內的振幅以及預先決定的範圍內的周期進行振動，則如圖5所示那樣，即使在400°C以上的高溫區域也能獲得極高的NOx淨化率。並且獲知:此時含有氮及烴的大量還原性中間體被保持或持續吸附在第I催化劑的鹼性層52的表面部分53上，該還原性中間體在獲得高NOx淨化率上起著核心作用。接下來，參照圖6A以及6B對該情況進行說明。其中，這些圖6A以及6B對第I催化劑I以及第2催化劑II的催化劑載體50、55的表面部分進行了圖解表示，這些圖6A以及6B中表示了推測在使流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度以預先決定的範圍內的振幅以及預先決定的範圍內的周期進行振動時產生的反應。圖6A是表示了流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度低時的圖，圖6B是表示了被從烴供給閥15供給烴、流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度變高時的圖。由於從圖4可知，流入到排氣淨化催化劑13的廢氣的空燃比除了一瞬之外被維持為稀空燃比，所以流入到排氣淨化催化劑13的廢氣通常處於氧過剩的狀態。因此，廢氣中含有的NO如圖6A所示那樣，在鉬51上被氧化而成為NO2,接著，該NO2被從鉬51供給電子而成為NO2'因此，在鉬51上生成大量的NO2'該N02_活性強，以上將該N02_稱為活性NO/。另一方面，如果從烴供給閥15供給烴，則如圖3所示那樣，該烴在第I催化劑中被重整，成為自由基。其結果，如圖6B所示那樣，活性NO/周圍的烴濃度變高。另一方面，此時在第2催化劑II的銠Rh56上，如圖6B所示那樣，由廢氣中含有的一氧化碳CO與水分H2O生成氫H2。如果在生成了活性NO/之後，活性NO/周圍的氧濃度高的狀態繼續一定時間以上，則活性NO/被氧化，以硝酸離子NO3-的形式被吸收到鹼性層52內。但是，如果在該一定時間經過之前活性NO/周圍的烴濃度變高，則如圖6B所示，活性NO/在鉬51上與自由基狀的烴HC以及在第2催化劑II的銠Rh56上生成的氫H2反應，由此生成還原性中間體R_NH2。該還原性中間體R-NH2附著或被吸附在鹼性層52的表面上。這樣，在還原性中間體R-NH2的生成中需要氫H2，該氫H2如圖6B所示那樣由於銠Rh56而由廢氣中含有的CO與H2O生成。該情況下，如果催化劑載體55的鹼性變強，則銠Rh56的還原活性降低。其結果，不能良好地生成氫H2，這樣一來不能良好地生成還原性中間體。因此，在本發明的實施例中，為了不使銠Rh56的還原活性降低，在催化劑載體55上不擔載第I催化劑I中那樣的鹼性層。另一方面，如果如圖6B所示那樣烴HC包圍生成的還原性中間體R-NH2的周圍，則還原性中間體R-NH2被烴HC阻止而不再進行反應。該情況下，使得流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度降低，由此若氧濃度變高，則還原性中間體周圍的烴會被氧化。其結果，如圖6A所示那樣，還原性中間體R-NH2與活性NO/反應。此時，活性NO/與還原性中間體R-NH2反應，成為N2、CO2, H2O,這樣一來，NOx被淨化。這樣，在排氣淨化催化劑13中，通過使流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度提高，來生成還原性中間體，然後通過使流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度降低並提高氧濃度，使得活性NO/與還原性中間體反應，對NOx加以淨化。即，為了利用排氣淨化催化劑13對NOx進行淨化，需要使流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度周期性變化。當然，該情況下，為了生成還原性中間體需要使烴的濃度提高到足夠高的濃度，為了使生成的還原性中間體與活性NO/反應，需要使烴的濃度降低到足夠低的濃度。即，需要使流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度以預先決定的範圍內的振幅振動。其中，該情況下，必須在鹼性層52的表面部分53上保持足夠量的還原性中間體R-NH2，直到生成的還原性中間體與活性NO/反應為止，因此，在第I催化劑I中設置有呈鹼性的鹼性層52。另一方面，如果增長烴的供給周期，則在被供給烴之後到下一次被供給烴的期間，氧濃度變高的期間增長，因此，活性NO/不生成還原性中間體而以硝酸鹽的形式被吸收到鹼性層52內。為了避免該情況，需要使流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度以預先決定的範圍內的周期振動，因此，在本發明的實施例中，烴濃度的振動周期被設為連續生成還原性中間體R-NH2所需的振動周期。順便說明，在圖4所示的例子中，噴射間隔為3秒。如果使烴濃度的振動周期、即烴HC的供給周期比上述的預先決定的範圍內的周期長，則還原性中間體R-NH2從鹼性層52的表面上消失，此時在鉬Pt51上生成的活性NO/如圖7A所示那樣，以硝酸離子NO3-的形式擴散到第I催化劑的鹼性層52內，成為硝酸鹽。SP，此時廢氣中的NOx以硝酸鹽的形式被吸收到第I催化劑的鹼性層52內。另一方面，圖7B表示了在NOx如此地以硝酸鹽的形式被吸收到第I催化劑的鹼性層52內時，流入到排氣淨化催化劑13內的廢氣的空燃比為理論空燃比或者濃空燃比的情況。該情況下，由於廢氣中的氧濃度降低，所以反應向相反方向(N03_ —NO2)進行，這樣一來，被吸收到鹼性層52內的硝酸鹽依次成為硝酸離子NO3-,如圖7B所示那樣被以NO2的形式從鹼性層52釋放出。接下來，釋放出的NO2被廢氣中含有的烴HC以及CO還原。圖8表示了在第I催化劑的鹼性層52的NOx吸收能力剛剛飽和之前，使流入到排氣淨化催化劑13的廢氣的空燃比(A/F) in暫時為濃空燃比的情況。其中，在圖8所示的例子中，該濃空燃比控制的時間間隔為I分鐘以上。該情況下，廢氣的空燃比(A/F)in為稀空燃比時被吸收到鹼性層52內的NOx，在廢氣的空燃比(A/F) in暫時為濃空燃比時，從鹼性層52 一氣釋放出而被還原。因此，該情況下，鹼性層52起到用於暫時吸收NOx的吸收劑的作用。此外，此時還存在鹼性層52暫時吸附NOx的情況，因此，如果使用吸留這一用語作為包括吸收以及吸附這雙方的用語，則此時鹼性層52起到用於暫時吸留NOx的NOx吸留劑的作用。即，該情況下，如果將向內燃機吸氣通路、燃燒室2以及排氣淨化催化劑13上遊的排氣通路內供給的空氣與燃料(烴)之比稱為廢氣的空燃比，則第I催化劑、即排氣淨化催化劑13作為NOx吸留催化劑發揮功能，其在廢氣的空燃比為稀空燃比時吸留NOx，如果廢氣中的氧濃度降低，則釋放出所吸留的NOx。圖9表示了使排氣淨化催化劑13如此作為NOx吸留催化劑發揮功能時的NOx淨化率。其中，圖9的橫軸表示了排氣淨化催化劑13的催化劑溫度TC。在使排氣淨化催化劑13作為NOx吸留催化劑發揮功能的情況下，如圖9所示，當催化劑溫度TC為300°C到400°C時，可獲得極高的NOx淨化率，但如果催化劑溫度TC成為400°C以上的高溫，則NOx淨化率降低。
這樣當催化劑溫度TC變為400°C以上時NOx淨化率降低，其原因在於如果催化劑溫度TC變為400°C以上，則硝酸鹽發生熱分解，以NO2的形式被從第I催化劑釋放出。即，只要以硝酸鹽的形式吸留NOx，則在催化劑溫度TC高時便難以得到高NOx淨化率。但是，在圖4圖6A、6B所示的新的NOx淨化方法中，由圖6A、6B可知，不生成硝酸鹽或者即使生成也極其微量，這樣一來，即使如圖5所示那樣催化劑溫度TC高時，也能獲得高NOx淨化率。鑑於此，在本發明中，在內燃機排氣通路內配置用於使廢氣中含有的NOx與重整後的烴發生反應的排氣淨化催化劑13，排氣淨化催化劑13包括在載體50上擔載有鉬Pt51以及鹼性層52的第I催化劑和在氧化鋯55上擔載有銠Rh56的第2催化劑的混合體，排氣淨化催化劑13具 有如果使流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度以預先決定的範圍內的振幅以及預先決定的範圍內的周期振動，則將廢氣中含有的NOx還原的性質，並且具有如果使烴濃度的振動周期比該預先決定的範圍長，則廢氣中含有的NOx的吸留量增大的性質，在內燃機運轉時使流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度以預先決定的範圍內的振幅以及預先決定的範圍內的周期振動，由此在排氣淨化催化劑13中將廢氣中含有的NOx還原。S卩，可以說圖4 圖6A、6B所示的NOx淨化方法是在使用了形成有擔載貴金屬催化劑且能夠吸留NOx的鹼性層的排氣淨化催化劑時，幾乎不形成硝酸鹽地對NOx進行淨化的新的NOx淨化方法。實際上，在採用了該新的NOx淨化方法的情況下，與使排氣淨化催化劑13作為NOx吸留催化劑發揮功能的情況相比，從鹼性層52檢測出的硝酸鹽極其微量。其中，以下將該新的NOx淨化方法稱為第INOx淨化方法。接下來，參照圖10 圖15對該第INOx淨化方法稍微詳細地進行說明。圖10變化放大表示圖4所示的空燃比(A/F)in的。其中，如前所述，向該排氣淨化催化劑13流入的廢氣的空燃比(A/F) in的變化同時表示了流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度變化。此外，在圖10中，Λ H表示了流入到排氣淨化催化劑13的烴HC的濃度變化的振幅，△ T表示了流入到排氣淨化催化劑13的烴濃度的振動周期。並且，在圖10中，(A/F)b表示了對用於產生內燃機輸出的燃燒氣體的空燃比進行表示的基本(base)空燃比。換言之，該基本空燃比(A/F)b表示停止供給烴時流入到排氣淨化催化劑13的廢氣的空燃比。另一方面，在圖10中，X表示為了使生成的活性NO/不以硝酸鹽的形式被吸留到鹼性層52內而生成還原性中間體所使用的空燃比(A/F) in的上限，為了使活性NO/與重整後的烴發生反應來生成還原性中間體，需要使空燃比(A/F)in比該空燃比的上限X低。若以其他的說法表述，則圖10的X表示使活性NO/與重整後的烴和氫發生反應來生成還原性中間體所需的烴的濃度的下限，為了生成還原性中間體，需要使烴的濃度比該下限X高。該情況下，是否生成還原性中間體由活性NO/周圍的氧濃度與烴濃度的比率、即空燃比(A/F) in決定，以下將為了生成還原性中間體而需要的上述空燃比的上限X稱為要求最小空燃比。在圖10所示的例子中，要求最小空燃比X為濃空燃比，因此，該情況下為了生成還原性中間體，空燃比(A/F) in瞬時為要求最小空燃比X以下、即為濃空燃比。與此相對，在圖11所示的例子中，要求最小空燃比X為稀空燃比。該情況下，通過將空燃比(A/F)in維持為稀空燃比並使空燃比(A/F) in周期性地降低，來生成還原性中間體。該情況下，要求最小空燃比X為濃空燃比還是稀空燃比，依賴於排氣淨化催化劑13的氧化能力。該情況下,對排氣淨化催化劑13而言，例如若使鉬Pt51的擔載量增大則氧化能力變強，如果使酸性增強則氧化能力變強。因此，排氣淨化催化劑13的氧化能力根據鉬Pt51的擔載量、酸性強度的不同而變化。另外，在使用了氧化能力強的排氣淨化催化劑13的情況下，如果如圖11所示那樣將空燃比(A/F) in維持為稀空燃比並且使空燃比(A/F) in周期性地降低，則在空燃比(A/F)in降低時會導致烴被完全氧化，其結果會無法生成還原性中間體。與此相對，在使用了氧化能力強的排氣淨化催化劑13的情況下，如果如圖10所示那樣使空燃比(A/F)in周期性為濃空燃比，則在空燃比(A/F) in為濃空燃比時烴不被完全氧化而被部分氧化，即烴被重整，這樣一來，可生成還原性中間體。因此，在使用了氧化能力強的排氣淨化催化劑13的情況下，需要使要求最小空燃比X為濃空燃比。另一方面，在使用了氧化能力弱的排氣淨化催化劑13的情況下，如果如圖11所示那樣將空燃比(A/F) in維持為稀空燃比並使空燃比(A/F) in周期性地降低，則烴不被完全氧化而被部分氧化，即烴被重整，這樣一來，可生成還原性中間體。與此相對，在使用了氧化能力弱的排氣淨化催化劑13的情況下，如果如圖10所示那樣使空燃比(A/F)in周期性地為濃空燃比，則大量的烴不被氧化而只從排氣淨化催化劑13排出，這樣一來，被無謂消耗的烴量增大。因此，在使用了氧化能力弱的排氣淨化催化劑13的情況下，需要使要求最小空燃比X為稀空燃比。即可知:需要如圖12所示那樣，排氣淨化催化劑13的氧化能力越強則越降低要求最小空燃比X。這樣，要求最小空燃比X根據排氣淨化催化劑13的氧化能力的不同而為稀空燃比或為濃空燃比，下面以要求最小空燃比X為濃空燃比的情況為例，對流入到排氣淨化催化劑13的烴的濃度變化的振幅、流入到排氣淨化催化劑13的烴濃度的振動周期進行說明。另外，如果基本空燃比(A/F)b變大、S卩如果被供給烴前的廢氣中的氧濃度變高，則使空燃比(A/F) in設為要求最小空燃比X以下所需的烴的供給量增大，與之相伴，無助於還原性中間體的生成的過剩的烴量也增大。該情況下，為了對NOx良好地進行淨化，需要如前述那樣使該過剩的烴氧化，因此，為了對NOx良好地進行淨化，過剩的烴量越多，則越需
要大量的氧。該情況下，如果提高廢氣中的氧濃度，則可以增大氧量。因此，為了對NOx良好地進行淨化，需要在被供給烴之前的廢氣中的氧濃度高時，提高烴供給後的廢氣中的氧濃度。即，被供給烴之前的廢氣中的氧濃度越高，越需要增大烴濃度的振幅。圖13表示了可獲得同一 NOx淨化率時的、被供給烴之前的廢氣中的氧濃度與烴濃度的振幅ΛΗ的關係。從圖13可知，為了獲得同一 NOx淨化率，被供給烴之前的廢氣中的氧濃度越高，則越需要使烴濃度的振幅ΛΗ增大。即，為了獲得同一 NOx淨化率，基本空燃比(A/F)b越高，則需要越使烴的濃度的振幅AT增大。如果換成其他說法，則為了對NOx良好地進行淨化，可以使基本空燃比(A/F)b越低，則越減少烴濃度的振幅AT。在此，基本空燃比(A/F)b最低是加速運轉時，此時，如果烴濃度的振幅ΛΗ為200ppm程度，就能夠對NOX良好地進行淨化。基本空燃比(A/F)b通常比加速運轉時大，因此，如果如圖14所示那樣烴濃度的振幅ΛΗ為200ppm以上，就能夠獲得良好的NOx淨化率。另一方面，可知在基本空燃比(A/F)b最高時，如果將烴濃度的振幅ΛΗ設為lOOOOppm程度，則能夠獲得良好的NOx淨化率。因此，在本發明中，烴濃度的振幅被預先決定的範圍設為200ppm到lOOOOppm。另外，如果烴濃度的振動周期△ T變長，則在被供給烴之後，在接下來被供給烴的期間，活性NO/周圍的氧濃度變高。該情況下，如果烴濃度的振動周期AT比5秒程度長，則活性NO/開始以硝酸鹽的形式被吸收到鹼性層52內，因此，如圖15所示那樣，如果烴濃度的振動周期AT比5秒程度長，則NOx淨化率降低。因此，需要烴濃度的振動周期AT為5秒以下。另一方面，如果烴濃度的振動周期Λ T大致為0.3秒以下，則被供給的烴在排氣淨化催化劑13上開始堆積，因此，如圖15所示那樣，如果烴濃度的振動周期△ T大致為0.3秒以下，則NOx淨化率降低。鑑於此，在本發明中，將烴濃度的振動周期設定為0.3秒到5秒之間。在本發明中，通過使來自烴供給閥15的烴供給量以及噴射時間發生變化，來控制成烴濃度的振幅△ H以及振動周期AT成為與內燃機的運轉狀態對應的最佳值。該情況下，在本發明的實施例中，能夠獲得該最佳的烴濃度的振幅ΛΗ的烴供給量W，作為來自燃料噴射閥3的噴射量Q以及內燃機轉速N的函數，以圖16所示那樣的映射的形式被預先存儲在R0M32內。而且，最佳的烴濃度的振動振幅AT、即烴的噴射周期AT也同樣作為噴射量Q以及內燃機轉速N的函數，以映射的形式被預先存儲在R0M32內。接下來，參照圖17 圖20，對使排氣淨化催化劑13作為NOx吸留催化劑發揮功能時的NOx淨化方法具體進行說明。以下將如此使排氣淨化催化劑13作為NOx吸留催化劑發揮功能時的NOx淨化方法稱為第2Ν0χ淨化方法。在該第 2Ν0χ淨化方法中，如圖17所示，當被鹼性層52吸留的吸留NOx量Σ NOX超過了預先決定的允許量MAX時，流入到排氣淨化催化劑13的廢氣的空燃比(A/F) in暫時被設為濃空燃比。如果廢氣的空燃比(A/F) in為濃空燃比，則當廢氣的空燃比(A/F)in為稀空燃比時被吸留到鹼性層52內的NOx從鹼性層52 —氣地釋放出而被還原。由此，NOx被淨化。吸留NOx量Σ NOX例如可以根據從內燃機排出的NOx量來計算。在本發明的實施例中，從內燃機每單位時間排出的排出NOx量NOXA作為噴射量Q以及內燃機轉速N的函數，以圖18所示那樣的映射的形式被預先存儲在R0M32內，根據該排出NOx量NOXA來計算出吸留NOx量ΣΝ0Χ。該情況下，如前所述，廢氣的空燃比(A/F) in為濃空燃比的周期通常為I分鐘以上。在該第2N0x淨化方法中，如圖19所示那樣從燃料噴射閥3向燃燒室2內施加燃燒用燃料Q，通過噴射追加的燃料WR，來使流入到排氣淨化催化劑13的廢氣的空燃比(A/F)in為濃空燃比。其中，圖19的橫軸表示了曲柄角。該追加的燃料WR在雖然燃燒但沒有成為內燃機輸出而展現的時間、即在壓縮上死點後ATDC為90°的稍微近前被噴射。該燃料量WR作為噴射量Q以及內燃機轉速N的函數，以圖20所示那樣的映射的形式被預先存儲在R0M32內。當然，該情況下通過使來自烴供給閥15的烴的供給量增大，也能夠使廢氣的空燃比(A/F)in為濃空燃比。在此，為了使用第INOx淨化方法來淨化N0x，在廢氣中的NOx濃度低時，也需要以短的周期供給一定量以上的烴。因此，在廢氣的NOx濃度低時，NOx淨化效率變差。與此相對，在第2N0x淨化方法中，當廢氣中的NOx濃度低時，為了使吸留NOx量Σ NOX達到允許值MAX為止的時間變長，只是延長廢氣的空燃比(A/F) in為濃空燃比的周期，尤其是NOx淨化效率不變差。因此，可以說當廢氣中的NOx濃度低時，與第INOx淨化方法相比，優選採用第2N0x淨化方法。即，應該使用第INOx淨化方法以及第2N0x淨化方法的哪一個在內燃機的運轉狀態下是變化的。圖21中表示NOx淨化控制程序。該程序基於每隔一定時間的插入而執行。參照圖21，首先在步驟60中，根據溫度傳感器23的輸出信號來判別排氣淨化催化劑13的溫度TC是否超過了活化溫度TX。在TC > TX時、即排氣淨化催化劑13活化時，進入到步驟61，計算出使用了第INOx淨 化方法時的NOx淨化效率F1與使用了第2N0x淨化方法時的NOx淨化效率F2。該NOx淨化效率F1、F2表示了為了獲得單位NOx淨化率所需的單位時間的燃料或者烴的消耗量。該情況下，NOx淨化效率F1根據從圖16的映射計算出的烴供給量W、烴的噴射間隔和圖5所示的NOx淨化率來計算，NOx淨化效率F2根據從圖20的映射計算出的追加的燃料量WR、在圖17中為濃空燃比的定時期間的間隔、和圖9所示的NOx淨化率來計算。接下來，在步驟62中，判別NOx淨化效率F1是否比NOx淨化效率F2高。在F1彡F2時，判斷為應該使用第INOx淨化方法，此時進入到步驟63。在步驟63中，進行對來自烴供給閥15的烴的供給控制。此時，基於第INOx淨化方法執行NOx淨化作用。與此相對，當在步驟60中判斷為TC < TX時、或者在步驟62中判斷為F1 MAX，則進入到步驟67，根據圖20所示的映射計算出追加的燃料量WR，進行追加的燃料的噴射作用。接下來，在步驟68中，Σ NOX被清零。此外，如果排氣淨化催化劑13不活化則不進行圖3所示的烴的自由基化作用，因此，如果排氣淨化催化劑13不活化，則無法使用第INOx淨化方法。與此相對，第2N0x淨化方法雖然不一定淨化效率高，但在排氣淨化催化劑13的溫度TC低時也可以使用。因此，在圖21所示的程序中，當在步驟60中判斷為TC < TX時，進入到步驟64，基於第2N0x淨化方法進行NOx淨化作用。另外，作為其他的實施例，也可以在排氣淨化催化劑13上遊的內燃機排氣通路內
配置用於使烴重整的氧化催化劑。附圖標記的說明:4…吸氣岐管；5…排氣岐管；7…排氣渦輪增壓器；12…排氣管；13…排氣淨化催化劑；14…微粒過濾器；15…烴供給閥。
權利要求
1.一種內燃機的排氣淨化裝置，其中， 在內燃機排氣通路內配置有用於使廢氣中含有的NOx與重整後的烴發生反應的排氣淨化催化劑，該排氣淨化催化劑包括第I催化劑和第2催化劑的混合體，該第I催化劑在載體上擔載有鉬以及鹼性層，該第2催化劑在氧化鋯上擔載有銠，該排氣淨化催化劑具有如果使流入到排氣淨化催化劑的烴的濃度以預先決定的範圍內的振幅以及預先決定的範圍內的周期振動，則將廢氣中含有的NOx還原的性質，並且具有如果使該烴濃度的振動周期比該預先決定的範圍長，則廢氣中含有的NOx的吸留量增大的性質，在內燃機運轉時該排氣淨化裝置使流入到排氣淨化催化劑的烴的濃度以上述預先決定的範圍內的振幅以及上述預先決定的範圍內的周期振動，由此在排氣淨化催化劑中將廢氣中含有的NOx還原。
2.根據權利要求1所述的內燃機的排氣淨化裝置，其中， 上述第I催化劑的鹼性層包含鹼金屬、或鹼土類金屬、或稀土類、或能夠對NOx提供電子的金屬中的至少一種。
3.根據權利要求2所述的內燃機的排氣淨化裝置，其中， 上述第2催化劑的氧化鋯上未擔載鹼性層。
4.根據權利要求1所述的內燃機的排氣淨化裝置，其中， 上述第I催化劑的載體包括氧化鋁。
5.根據權利要求1所述的內燃機的排氣淨化裝置，其中， 上述第I催化劑的載體上除了擔載有鉬以外，還擔載有鈀。
6.根據權利要求1所述的內燃機的排氣淨化裝置，其中， 在上述排氣淨化催化劑內，廢氣中含有的NOx與重整後的烴發生反應，從而生成包含氮以及烴的還原性中間體，上述烴濃度的振動周期是持續生成還原性中間體所需的振動周期。
7.根據權利要求6所述的內燃機的排氣淨化裝置，其中， 上述烴濃度的振動周期在0.3秒 5秒之間。
全文摘要
在內燃機中，內燃機排氣通路內配置有烴供給閥(15)和排氣淨化催化劑(13)。排氣淨化催化劑(13)由在氧化鋁(50)上擔載有鉑(51)以及鹼性層(52)的第1催化劑、和在氧化鋯(55)上擔載有銠(56)的第2催化劑的混合體構成。使流入到排氣淨化催化劑(13)的烴的濃度以200ppm以上的預先決定的範圍內的振幅以及5秒以下的預先決定的範圍內的周期振動，由此廢氣中含有的NOx在排氣淨化催化劑(13)中能夠被還原。
文檔編號F01N3/08GK103154454SQ201080019340
公開日2013年6月12日 申請日期2010年10月4日 優先權日2010年10月4日
發明者渡部雅王, 林孝太郎, 吉田耕平, 美才治悠樹, 梅本壽丈 申請人:豐田自動車株式會社