內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統及其方法
2023-06-19 03:02:21
專利名稱：內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統及其方法
技術領域：
本發明涉及一種用於加熱設置在內燃機的排氣管中的排氣淨化催化劑的排氣淨化催化劑加熱系統和方法。
背景技術：
在內燃機的排氣系統中設置有排氣淨化催化劑，其將諸如一氧化碳或氧化氮(NOx)等有害成分，通過氧化還原作用從排氣中去除。因為在排氣淨化催化劑至少達到預定溫度(例如350℃)之前，其不會被充分活化，所以在內燃機啟動之後，由於催化劑的溫度在預定溫度之下，可能不會立即有效地將該有害成分從排氣中去除。
鑑於上述說明，例如，公開號為JP-A-2004-108248的日本專利申請描述了一種用於當內燃機啟動時，迅速活化排氣淨化催化劑的二次空氣供應裝置，該裝置將空氣供應到內燃機的排氣管，並且使排氣中未燃燒的燃料進行燃燒。用二次空氣供應裝置，通過促進排氣管中未燃燒的成分的燃燒來增加排氣的溫度，可以迅速提高催化劑的溫度。此外，大氣壓越低，上述二次空氣供應裝置延長空氣供應到排氣管的時間越長。這樣，即使當大氣壓低時，也能使催化劑的溫度增加到活化溫度或高於活化溫度。
公開號為JP-A-2005-16396的日本專利申請描述了一種用於內燃機的控制器，其不僅響應降低的大氣壓而增加內燃機的進氣量，而且噴射響應於該進氣量的量的燃料。根據此內燃機控制器，即使當大氣壓低時，也可以迅速提高催化劑的溫度。
然而，在公開號為JP-A-2004-108248的日本專利申請中描述的二次空氣供應裝置，通過延長空氣供應到排氣管的時間來響應降低的大氣壓，換句話說，通過延長催化劑的加熱的時間，使溫度提高到至少活化溫度。為此，雖然即使在大氣壓低時，也可以使催化劑的溫度提高到活化溫度或高於活化溫度，但是，存在的問題是不能迅速地活化催化劑。
此外，在公開號為JP-A-2005-16396的日本專利申請中，當排氣淨化催化劑被加熱時，內燃機的控制器響應降低的大氣壓而增加進氣量，並且噴射響應於該進氣量的量的燃料。為此，伴隨進氣量和燃料噴射量的增加，發動機的輸出扭矩增加。這樣，當發動機空轉時，發動機速度增加，並且當車輛運行時，車輛以可被司機注意的程度加速。
發明內容
本發明提供了一種內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統，其響應大氣壓的變化，迅速地活化排氣淨化催化劑。
本發明的第一方案涉及一種內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統，該內燃機具有二次空氣供應裝置，該二次空氣供應裝置將空氣供應到排氣淨化催化劑上遊的排氣管，該排氣淨化催化劑設置在內燃機的排氣管中。內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統的特徵在於具有大氣壓檢測裝置，其檢測大氣壓；燃料校正裝置，當排氣淨化催化劑被加熱時，該燃料校正裝置執行校正，使得大氣壓檢測裝置檢測的大氣壓越高，燃料增加度越小；以及控制裝置，當排氣淨化催化劑被加熱時，該控制裝置控制二次空氣供應裝置執行空氣的供應。
即使用二次空氣供應裝置將空氣供應到內燃機的排氣管，由於與燃料的未燃燒成分不充分混合、及排氣溫度降低等，實際上僅有供應的空氣和燃料的未燃燒成分的一部分燃燒。為此，如果二次空氣或未燃燒成分其中的任一個的量降低，未燃燒成分中發生燃燒的量趨於降低，並且如果二次空氣或未燃燒的成分其中的任一個的量增加，未燃燒成分中發生燃燒的量趨於增加。
因此，如果內燃機運行在大氣壓低的環境中，由於空氣密度降低，供應的二次空氣的量極大地降低，並且燃燒的未燃燒成分的量趨於降低。關於此點，根據上述構造，由於使燃料增加度大並且未燃燒成分中發生燃燒的量增加，可以抑制由於大氣壓的降低導致的產生熱量的降低，並且可以迅速活化排氣淨化催化劑。
與上述形成對比，如果內燃機運行在大氣壓高的環境下，由於空氣密度增加，供應的二次空氣的量極大地增加，並且燃燒的未燃燒成分的量也增加。關於此點，根據上述構造，由於大氣壓越高，燃料增加度降低，以致降低未燃燒成分中發生燃燒的量，抑制了由於大氣壓的增加造成的產生熱量的突然增加，而且可以抑制由於過熱造成的排氣淨化催化劑的劣化。
本發明的第二方案涉及一種內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統，該內燃機具有二次空氣供應裝置，該二次空氣供應裝置將空氣供應到排氣淨化催化劑上遊的排氣管，該排氣淨化催化劑設置在內燃機的排氣管中。內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統的特徵在於具有大氣壓檢測裝置，其檢測大氣壓；燃料校正裝置，當排氣淨化催化劑被加熱時，該燃料校正裝置執行校正，使得大氣壓檢測裝置檢測的大氣壓越低，燃料增加度越大；以及控制裝置，當排氣淨化催化劑被加熱時，該控制裝置控制二次空氣供應裝置執行空氣的供應。
通過上述構造，即使該構造是使得在排氣淨化催化劑的加熱中，燃料增加度響應檢測的大氣壓的降低而增加，也能夠獲得與第一方案相同的效果。
本發明的第三方案涉及一種內燃機的排氣淨化催化劑加熱方法。該方法的特徵在於包括檢測大氣壓；當排氣淨化催化劑被加熱時進行校正，使得檢測的大氣壓越高，燃料增加度越小；以及當排氣淨化催化劑被加熱時，將空氣供應到排氣淨化催化劑上遊的排氣管，該排氣淨化催化劑設置在內燃機的排氣管中。
從參考附圖對例舉的實施例進行的如下描述中，本發明的上述和其它目的、特徵和優點將變得很明顯，其中，類似的附圖標記用於表示類似的部件，並且其中圖1為示出根據本發明的實施例的內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統的構造的視圖；圖2為示出排氣淨化催化劑的加熱控制的流程圖；圖3為示出校正係數關於大氣壓改變的變化曲線圖；和圖4為示出校正係數關於大氣壓改變的變化曲線圖。
具體實施例方式
下面參考圖1至圖3，詳細描述本發明例舉的實施例，其中圖1示出了安裝在車輛上的內燃機2的排氣淨化催化劑加熱系統的構造。
首先描述內燃機2的結構。如圖1所示，在內燃機2的氣缸體3內形成多個氣缸3a(在圖1中僅示出了一個)。在氣缸3a(在圖1中僅示出了一個)內設置活塞6，該活塞6能夠沿氣缸3a的方向往復運動。氣缸蓋4設置在氣缸體3的頂部，如圖所示，氣缸體3、氣缸蓋4和活塞6限定出燃燒室10。
在氣缸蓋4內設置有與燃燒室10連接的進氣口11和排氣口12，並且在進氣口11和排氣口12處分別設置有進氣門13和排氣門14。通過打開和關閉進氣門13，進氣口11和燃燒室10在互相連通和互相封閉之間切換，並且通過打開和關閉排氣門14，排氣口12和燃燒室10在互相連通和互相封閉之間切換。
在發動機2中，在每一氣缸3a設置有噴嘴8，用來噴射燃料。噴嘴8是所謂的氣缸噴嘴，其通過輸送管(未示出)與高壓燃料泵(未示出)連接。通過高壓燃料泵、在壓力下傳送的燃料從輸送管被分送到每一噴嘴8，燃料從其噴射口直接噴射到燃燒室10。內燃機2還在每一氣缸3a處具有火花塞9，用於點燃在燃燒室10內的混合氣體。
進氣管31連接到進氣口11。在內燃機2的進氣行程處，進氣門13打開，並且將大氣中的空氣經過進氣管31和進氣口11，吸入到燃燒室10。在此進氣管31處設置有節氣門30，並且改變節氣門的開啟角度，以改變進氣量。
排氣管32連接到排氣口12。排氣淨化催化劑33設置在排氣管32中。在內燃機2的排氣行程處，排氣門14打開，並且燃燒的氣體通過排氣口12和排氣管32供應到排氣淨化催化劑，然後燃燒的氣體被排氣淨化催化劑33淨化，並且噴入空氣中。排氣淨化催化劑33由兩個催化器，三元催化器和NOx存儲還原催化器(這些催化器作為一個催化器在圖1中示出)構成。該三元催化器主要通過其氧化還原作用，去除包含在排氣內的碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)和氧化氮(NOx)。相比之下，當在稀薄空燃比下進行燃燒時，NOx存儲還原催化器吸收和存儲排氣內的NOx，並且在濃空燃比或在理論配比的空燃比下進行燃燒時，通過利用包含在排氣內的HC和CO還原NOx，而還原存儲的NOx。此外，因為除非在排氣淨化催化劑33達到例如活化溫度，否則排氣淨化催化劑33不能被充分活化，所以在諸如發動機剛剛啟動之後，排氣淨化效率降低。
為了更快地活化催化劑，採用如下結構，其中，通過將二次空氣供應到排氣管32，將排氣內未燃燒的成分燃燒，由此通過使包含在排氣內的未燃燒的成分燃燒，來提高溫度。具體地，如圖1所示，設置了作為二次空氣供應裝置的固定排量氣泵60，氣泵60通過氣泵60的通氣道61，將大氣中的空氣供應到排氣管32的部分，其位於排氣淨化催化劑33的上遊更遠處。設定車輛使用地點的大氣壓為參考大氣壓，並且具有與參考大氣壓相稱(commensurate)的排量的氣泵60通常安裝在車輛內，作為實現排氣淨化催化劑的有效活化的條件。在本實施例中，例如，在海平面(0m)的大氣壓可以設定為參考大氣壓。
即使通過氣泵60將空氣供應到內燃機2的排氣管32，僅一部分實際供應的空氣和燃料的未燃燒的成分燃燒。為此，如果二次空氣或未燃燒成分其中的任一個的量降低，則未燃燒燃料中發生燃燒的量趨於降低，並且如果二次空氣或未燃燒的成分其中的任一個的量增加，則未燃燒成分中發生燃燒的量趨於增加。
因此，如果內燃機2運行在大氣壓低於參考大氣壓的環境中，由於未燃燒成分中發生燃燒的量趨於降低，所以再燃燒產生的熱降低，不能迅速活化排氣淨化催化劑。
鑑於上述原因，本實施例的內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統採用克服上述問題的構造。下面詳細描述內燃機的此排氣淨化催化劑加熱系統。
如圖1所示，內燃機2具有用於檢測發動機運行條件等的各種傳感器。例如，在節氣門30的上遊的排氣管中設置空氣流量計51，用於檢測每單位時間流入進氣管31的進氣量的體積，並且設置大氣壓傳感器53來檢測大氣壓。在內燃機2的曲軸(未示出)附近設置有曲軸傳感器56，其用於檢測曲軸的旋轉速度和旋轉位置。在加速踏板(未示出)的附近設置加速傳感器52，其用於檢測加速踏板的壓低量。此外，在氣缸體3內設置有冷卻劑溫度傳感器55，其用於檢測發動機中的冷卻劑的溫度。
來自上述檢測器的檢測信號傳送到發動機控制單元100。發動機控制單元100基於這些檢測信號，對噴嘴8、火花塞9和節氣門30等執行控制，由此對內燃機2進行整體控制。發動機控制單元100具有用於所述各種控制功能的控制程序，需要用於執行的功能圖，以及用於存儲基於其控制結果的存儲器100a。
下面參考圖2，描述通過發動機控制單元100的排氣淨化催化劑33的加熱控制，圖2為排氣淨化催化劑33的加熱控制的流程圖。在每一預定控制周期內，發動機控制單元100反覆執行圖2中的一系列處理步驟。在此處理中，首先，基於啟動後內燃機2的運行狀況，計算燃料噴射量的參考值Qbase(S100)。
具體地，捕捉表示加速傳感器52檢測的加速踏板的壓低量的檢測信號，並且基於檢測信號改變節氣門30的開度，以改變進氣量。然後，捕捉來自空氣流量計51和曲軸傳感器56的檢測信號，並且計算一個循環的進氣量的實際值。基於實際進氣量和發動機空燃比的目標值，計算燃料噴射量的參考值Qbase。發動機空燃比的目標值的設定要考慮內燃機的驅動動力特徵和排氣淨化等。在正常運行條件下，發動機空燃比的目標值設定為所謂理論配比的空燃比的空燃比，在此空燃比，混合的燃料和空氣發生完全燃燒(汽油是14.7)。
然後程序執行到步驟S110，在此步驟判定在內燃機2啟動後是否經過了預定時間T。如果判定從內燃機2的啟動經過了預定時間T，假定排氣淨化催化劑33已經活化，則程序進行到步驟S230，在該步驟，燃料噴射量的參考值設定為最終燃料噴射量，之後，程序進行到步驟S170。
然而，如果判定從內燃機2的啟動尚未經過預定時間T，假定排氣淨化催化劑33尚未充分加熱，並且通過電動驅動氣泵60供應二次空氣(步驟S120)。然後，程序進行到步驟S130，在此步驟，基於發動機運行狀況，來預計排氣淨化催化劑33的加熱狀況，並且響應排氣淨化催化劑33的加熱狀況，來設定加熱增加基值Abase。例如，在發動機控制單元100的存儲器100a內預先存儲一圖，該圖有關用冷卻劑溫度作為參數的排氣淨化催化劑33的溫度，通過在運行中訪問該圖，基於水溫傳感器55檢測的冷卻劑的溫度，預計排氣淨化催化劑33的溫度。排氣淨化催化劑33的預計溫度越高，加熱增加基值Abase的值設定得越小。
然後，大氣壓傳感器53檢測大氣壓Pr(S140)，並且程序進行到步驟S150，在此步驟，基於檢測的實際大氣壓Pr，設定加熱增加基值Abase的校正係數Fadj。
具體地，如圖3所示，大氣壓傳感器53檢測的實際大氣壓Pr越低，相應實際大氣壓Pr設定的校正係數Fadj越大。接下來，採用下面的公式(1)，基於燃料噴射量的參考值Qbase、加熱增加量基值Abase和校正係數Fadj，計算最終燃料噴射量Qinj。
Qinj←Qbase+Abase·Fadj ......公式(1)然後，在步驟S170，噴射計算的最終燃料噴射量Qinj(S170)，在此點程序結束。上述步驟S130至S160相應於本實施例的燃料校正方式。
根據上述實施例，可獲得如下效果。具體地，根據上述實施例的排氣淨化催化劑加熱系統，當加熱排氣淨化催化劑33時，由於校正係數Fadj響應檢測的大氣壓Pr的降低而增加，當加熱排氣淨化催化劑33時，檢測的大氣壓Pr越低，燃料噴射量的增加度越大。為此，通過增加排氣管32的未燃燒的成分的量，再次燃燒產生的熱量趨於增加。這樣，可以抑制由於大氣壓的降低，再次燃燒產生的熱量的降低，並且可以迅速活化排氣淨化催化劑33。
此外，根據上述實施例的排氣淨化催化劑加熱系統，由於校正係數Fadj響應檢測的大氣壓Pr的增加而降低，當加熱排氣淨化催化劑33時，檢測的大氣壓Pr越高，燃料噴射量增加度越小。因此，通過降低排氣管32內的未燃燒的成分，可以抑制由於大氣壓的增加引起的再次燃燒產生的熱突然增加，可以抑制由於過熱造成的排氣淨化催化劑33的劣化。
上述實施例可以如下形式適當地變化和實施。具體地，通過改變加熱增加量基值Abase的校正係數Fadj，噴射到燃燒室10內的燃料的量改變，並且在排氣管32內未燃燒的成分中發生燃燒的量改變。或者，可以採用如下構造，例如，其中，在排氣管32中設置燃料添加閥，並且燃料通過燃料添加閥，直接添加到排氣管32。
在上述實施例中，校正係數Fadj基於實際大氣壓的變化，連續改變。或者如圖4所示，校正係數Fadj可以基於實際大氣壓的變化，分段式改變。
具體地，預先設置關於大氣壓的預定範圍ΔP(i)的預定校正係數Fadj(i)並存儲在存儲器100a內。當執行加熱控制時，確定大氣壓的範圍ΔP(i)，其中，檢測的實際大氣壓Pr下降，讀出相應於大氣壓範圍的校正係數Fadj，並且校正加熱增加量基值Abase。
雖然在上述實施例中，加熱增加量基值Abase通過冷卻劑溫度作為參數來計算，附加參數也可以包括發動機速度或進氣量。此外，雖然在上述實施例中，通過校正係數Fadj乘以加熱增加量基值Abase來計算加熱增加量，但是如果包括校正使得大氣壓越高，燃料增加度變小，或者校正使得大氣壓越低，燃料增加度大，那麼可以一次計算加熱增加量，這兩種方法沒有差別。
權利要求
1.一種內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統，該內燃機具有二次空氣供應裝置(60)，該二次空氣供應裝置(60)將空氣供應到排氣淨化催化劑(33)上遊的排氣管(32)，該排氣淨化催化劑(33)設置在內燃機(2)的排氣管(32)中，該系統的特徵在於包括大氣壓檢測裝置(53)，其檢測大氣壓；燃料校正裝置，當排氣淨化催化劑(33)被加熱時，該燃料校正裝置進行校正，使得大氣壓檢測裝置(53)檢測的大氣壓越高，燃料增加度越小；以及控制裝置(100)，當排氣淨化催化劑(33)被加熱時，該控制裝置控制二次空氣供應裝置(60)供應空氣。
2.如權利要求1所述的內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統，其特徵在於，該燃料校正裝置響應檢測的大氣壓，連續校正燃料增加度。
3.如權利要求1所述的內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統，其特徵在於，該燃料校正裝置響應檢測的大氣壓，分段式校正燃料增加度。
4.如權利要求1所述的內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統，其特徵在於，該控制裝置(100)基於燃料增加度，改變噴向內燃機(2)的燃燒室(10)的燃料噴射量。
5.如權利要求1所述的內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統，其特徵在於，該內燃機(2)的排氣淨化催化劑加熱系統還包括燃料添加閥，其將燃料供應到排氣淨化催化劑(33)上遊的排氣管(32)，在該排氣淨化催化劑加熱系統中控制裝置(100)基於燃料增加度，改變燃料添加閥的燃料噴射量。
6.如權利要求1所述的內燃機的排氣淨化催化劑加熱系統，其特徵在於，該二次空氣供應裝置(60)是固定排量氣泵。
7.一種內燃機的排氣淨化催化劑加熱方法，其特徵在於，包括檢測大氣壓；當排氣淨化催化劑被加熱時進行校正，使得檢測的大氣壓越高，燃料增加度越小；以及當排氣淨化催化劑被加熱時，將空氣供應到排氣淨化催化劑上遊的排氣管，該排氣淨化催化劑設置在內燃機的排氣管中。
8.如權利要求7所述的內燃機的排氣淨化催化劑加熱方法，其特徵在於，響應檢測的大氣壓，連續校正燃料增加度。
9.如權利要求7所述的內燃機的排氣淨化催化劑加熱方法，其特徵在於，響應檢測的大氣壓，分段式校正燃料增加度。
10.如權利要求7所述的內燃機的排氣淨化催化劑加熱方法，其特徵在於，還包括基於燃料增加度，改變噴向內燃機(2)的燃燒室(10)的燃料噴射量。
11.如權利要求7所述的內燃機的排氣淨化催化劑加熱方法，其特徵在於，還包括基於燃料增加度，改變將燃料供應到排氣淨化催化劑(33)上遊的排氣管(32)的燃料噴射量。
全文摘要
一種內燃機(2)的排氣淨化催化劑加熱系統，該內燃機具有氣泵(60)，該氣泵(60)將空氣供應到排氣淨化催化劑(33)上遊，該排氣淨化催化劑(33)設置在內燃機(2)的排氣管(32)中，當排氣淨化催化劑(33)被加熱時，泵供應空氣，並且該系統具有大氣壓傳感器(53)，其檢測大氣壓，其中，執行校正，以使大氣壓傳感器檢測的大氣壓越高，燃料增加度越小。
文檔編號F01N3/22GK101082295SQ200710107369
公開日2007年12月5日 申請日期2007年5月29日 優先權日2006年5月29日
發明者村口智一 申請人:豐田自動車株式會社