用於內燃機的排氣控制裝置的製作方法
2023-08-09 14:11:51
專利名稱：用於內燃機的排氣控制裝置的製作方法
1.發明領域本發明涉及一種用於內燃機的排氣控制裝置，該排氣控制裝置具有用於使NOx儲存還原催化劑從由硫成分引起的中毒中恢復的功能。
2.相關技術的說明NOx儲存還原催化劑(下文中，NOx儲存還原催化劑可以稱為「NOx催化劑」)布置在排氣通道中。NOx催化劑可能由於硫氧化物(SOx)而中毒(即可能發生硫中毒)。這時，需要使NOx催化劑從硫中毒中恢復，以便恢復催化劑控制功能。因此，硫中毒恢復處理以給定時間間隔來進行。在硫中毒恢復處理中，NOx催化劑的溫度增大至SOx將釋放的溫度範圍(下文中稱為「SOx釋放溫度範圍」)，且NOx催化劑進入還原溫度。例如，日本專利申請No.JP(A)2000-045753公開了一種排氣控制裝置，其中，根據由布置在NOx催化劑的下遊部分處的SOx傳感器檢測的SOx濃度來計算在NOx催化劑中的SOx積累量；且當積累量超過預定界限時，NOx催化劑的溫度增大至SOx釋放溫度範圍(即大約600℃或更高的溫度範圍)，且排氣的空氣燃料比(下文中稱為「排氣空燃比」)在預定時間內形成為富油，這樣，NOx催化劑從硫中毒中恢復。
還有，在硫中毒恢復處理中，從NOx催化劑中釋放的SOx與烴(HC)和一氧化碳(CO)反應，從而產生硫化氫(H2S)。因為H2S引起硫磺味，因此需要減小釋放的H2S的量。因此，日本專利申請NO.JP(A)2003-035132公開了一種排氣控制裝置，其中，用於檢測H2S的濃度的傳感器布置在NOx儲存還原催化劑的下遊部分處，且硫中毒恢復處理根據該傳感器的輸出值來控制。
但是，在使用日本專利申請No.JP(A)2000-045753所述的SOx傳感器的排氣控制裝置中，因為在硫中毒恢復處理過程中並不檢測釋放的SOx的量，因此即使當幾乎沒有SOx從NOx催化劑中釋放時也可能繼續進行硫中毒恢復，硫中毒恢復處理可能過度進行，且釋放的H2S的量可能並不減少。在使用日本專利申請No.JP(A)2003-035132所述的SOx傳感器的排氣控制裝置中，儘管抑制了H2S的產生，但是在硫中毒恢復處理過程中不能檢測實際釋放的SOx的量，與在日本專利申請No.JP(A)2000-045753所述的排氣控制裝置相同。因此，硫中毒恢復處理可能在SOx並沒有充分釋放時繼續進行。也就是，SOx從NOx催化劑中釋放的狀態並不需要與產生H2S的狀態相匹配。因此，當只根據H2S的濃度來進行硫中毒恢復處理時，硫中毒恢復處理可能不會合適進行。
發明簡介因此，本發明的目的是提供一種用於內燃機的排氣控制裝置，其中，在硫中毒恢復處理過程中準確檢測硫化氫(H2S)的釋放，因此可靠抑制硫化氫(H2S)的釋放，且可靠釋放硫氧化物(SOx)。
本發明的第一方面涉及一種用於內燃機的排氣控制裝置，它包括NOx儲存還原催化劑，該NOx儲存還原催化劑布置在內燃機的排氣通道內；濃度檢測裝置，該濃度檢測裝置的檢測狀態可以在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間轉變，在該第一檢測狀態中檢測經過NOx儲存還原催化劑的排氣中的硫氧化物和硫化氫的總濃度，在該第二檢測狀態中檢測排氣中的硫氧化物的濃度；以及控制器，該控制器能夠執行硫中毒恢復處理，該硫中毒恢復處理控制內燃機的工作狀態，從而使硫氧化物將從NOx儲存還原催化劑中釋放。在由控制器進行的硫中毒恢復處理過程中，當處於第二檢測狀態的濃度檢測裝置檢測到硫氧化物從NOx儲存還原催化劑中釋放之後，濃度檢測裝置的檢測狀態在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間交替轉變，因此，濃度檢測裝置獲得硫氧化物的濃度和硫化氫的濃度。
當進行NOx催化劑的硫中毒恢復處理時，硫氧化物比硫化氫更早地開始釋放。在本發明的第一方面中，當處於第二檢測狀態的濃度檢測裝置檢測到硫氧化物從NOx儲存還原催化劑中釋放之後，濃度檢測裝置的檢測狀態在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間交替轉變。因此，能夠在硫中毒恢復處理過程中可靠抑制硫化氫的釋放。
在本發明的第一方面中，濃度檢測裝置的檢測狀態可以以給定時間間隔在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間轉變。因此，通過以給定時間間隔在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間改變濃度檢測裝置的檢測狀態，可以準確檢測總濃度和硫氧化物的濃度。因此，可以準確獲得硫化氫的濃度。
在本發明的第一方面中，當判斷由濃度檢測裝置檢測的硫氧化物的濃度變化範圍等於或小於預定值時，濃度檢測裝置的檢測狀態可以轉變成第一檢測狀態。這時，當硫氧化物的濃度變化範圍大於預定值時，將阻止濃度檢測裝置的檢測狀態轉變成第一檢測狀態。因此，可以提高硫氧化物的濃度的檢測準確性。因此，根據總濃度和硫氧化物的濃度，可以穩定和準確地獲得硫化氫的濃度。
在本發明的第一方面中，濃度檢測裝置可以包括對於硫化氫具有氧化催化活性的氧化催化劑；處於第一檢測狀態的濃度檢測裝置可以檢測在經過氧化催化劑的排氣中的硫氧化物和硫化氫的濃度，且從濃度檢測裝置的檢測狀態轉變成第一檢測狀態開始直至檢測到總濃度的延遲時期設置成比從濃度檢測裝置的檢測狀態轉變成第二檢測狀態開始直至檢測到硫氧化物濃度的延遲時期更長。與當濃度檢測裝置的檢測狀態從第一檢測狀態轉變成第二檢測狀態時濃度檢測裝置的響應相比，當濃度檢測裝置的檢測狀態從第二檢測狀態轉變成第一檢測狀態時濃度檢測裝置的響應延遲排氣經過氧化催化劑的時間。因此，通過根據當濃度檢測裝置的檢測狀態分別轉變成第一檢測狀態和第二檢測狀態時的響應來設置各延遲時期，可以準確獲得硫化氫的濃度。
而且，在本發明的第一方面中，當控制器判斷在硫中毒恢復處理過程中由濃度檢測裝置獲得的硫化氫的濃度超過允許極限時，控制器可以使得濃度檢測裝置保持在第一檢測狀態，且控制器可以將內燃機的工作狀態控制為使得硫氧化物從NOx儲存還原催化劑中釋放，且釋放的硫氧化物的量處於預定範圍中，硫化氫的濃度降低，控制器可以在總濃度開始降低後將濃度檢測裝置的檢測狀態轉變成第二檢測狀態。通過這樣控制內燃機的工作狀態，可以在硫中毒恢復處理過程中準確和可靠地抑制硫化氫的釋放。
通過執行將排氣空燃比增加至富油空氣燃料比範圍的處理和將NOx儲存還原催化劑的溫度減小至釋放硫氧化物的溫度範圍內的處理中的至少一個，控制器可以控制內燃機的工作狀態，從而降低硫化氫的濃度。通過這樣控制工作狀態，可以抑制由於從NOx儲存還原催化劑中釋放硫氧化物而引起的硫化氫產生。
當控制器判斷硫化氫的濃度低於允許極限時，控制器可以將內燃機的工作狀態控制成使得從NOx儲存還原催化劑中釋放的硫氧化物的量增加。通過這樣控制工作狀態，能夠通過促使儘可能釋放硫氧化物而高效進行硫中毒恢復處理，同時使硫化氫的濃度不超過允許極限。
通過執行減小排氣空燃比的處理和增加NOx儲存還原催化劑的溫度的處理中的至少一個，控制器可以將內燃機的工作狀態控制成使得硫氧化物的釋放量增加。通過這樣控制工作狀態，可以增加從NOx還原儲存催化劑中釋放的硫氧化物的量。
如上所述，根據本發明前述方面的排氣控制裝置包括濃度檢測裝置，該濃度檢測裝置的檢測狀態進行轉變，且該濃度檢測裝置在NOx儲存還原催化劑下遊的部分處檢測硫氧化物的濃度以及在NOx儲存還原催化劑下遊的部分處檢測硫氧化物和硫化氫的總濃度。當執行NOx儲存還原催化劑的硫中毒恢復處理時，首先檢測硫氧化物的濃度，然後在檢測從NOx儲存還原催化劑中釋放的硫氧化物之後交替檢測總濃度和硫氧化物的濃度。因此，可以準確獲得硫化氫的濃度。因此能夠可靠抑制硫化氫的產生。還有，根據硫化氫的濃度和硫氧化物的濃度，內燃機的工作狀態控制成使得硫氧化物釋放，同時硫化氫的濃度減小至等於或低於允許極限。因此，通過在抑制由硫化氫產生的硫磺氣味的同時釋放硫氧化物，能夠可靠進行NOx催化劑功能的恢復。
附圖的簡要說明通過下面參考附圖對實施例的說明，將更清楚本發明的前述和/或其它目的、特徵和優點，附圖中，相同的參考標號用於表示相同元件，且附圖中
圖1是表示應用本發明的內燃機結構的視圖；圖2是表示用於圖1所示的排氣控制裝置中的硫濃度傳感器的結構的示意圖；圖3表示了圖2中的硫濃度傳感器的檢測原理；圖4是表示在SOx的濃度和總濃度(它們由硫濃度傳感器來檢測)、H2S的濃度(根據這些濃度獲得)以及排氣空燃比之間的相應關係的實例的曲線圖；圖5是表示在NOx催化劑的溫度和H2S的濃度之間的相應關係的實例的曲線圖；圖6是表示硫釋放開始的控制程序的流程圖；圖7是表示轉換閥工作的控制程序的流程圖；圖8是表示排氣空燃比的控制程序的流程圖；圖9是表示溫度增加的控制程序的流程圖；圖10是表示硫釋放結束的控制程序的流程圖；以及圖11是表示硫濃度傳感器在第一檢測狀態和第二檢測狀態中的響應特徵的曲線圖。
示例實施例的詳細說明圖1表示了作為內燃機的柴油發動機以及用於該柴油發動機的進氣和排氣系統。發動機1安裝在汽車內，作為運行的動力源。進氣通道3和排氣通道4與發動機1的氣缸2連接。用於過濾吸入空氣的空氣過濾器5、渦輪增壓器6的壓氣機6a以及用於調節吸入空氣量的節流閥7布置在進氣通道3中。渦輪增壓器6的渦輪6b布置在排氣通道4中。包括NOx儲存還原催化劑(下文中稱為「催化劑」)8的排氣控制單元9布置在排氣通道4中並在渦輪6b下遊的部分處。用作濃度檢測裝置以便檢測排氣中的硫成分濃度的硫濃度傳感器10布置在催化劑8下遊的部分中。排氣控制單元9可以有這樣的結構，其中，NOx催化材料由柴油顆粒過濾器(用於捕獲排氣中的顆粒物質)支承。還有，排氣控制單元9可以與該過濾器分開布置。NOx儲存還原催化劑是能夠保持NOx的催化劑。應當知道，在本文中的術語「儲存」的意思是以吸附、粘附、吸收、捕獲、吸留等中的至少一種形式來保持NOx。還有，硫中毒可以以任何方式產生。而且，NOx和SOx可以以任何方式釋放。排氣通道4通過EGR通道11而與進氣通道3連接。EGR冷卻器12和EGR閥13布置在EGR通道11中。
在裝配NOx催化劑8的部分處的空氣燃料比(下文中，該空氣燃料比可以稱為「排氣空燃比」)以及NOx催化劑8的溫度由發動機控制單元(ECU)15來控制。ECU 15是已知的計算機單元，它通過操作各種裝置來控制發動機1的工作狀態，這些裝置例如將燃料噴射向氣缸2的燃料噴射閥16、用於共軌(common rail)17的壓力調節閥(該公共軌道17積累供給燃料噴射閥16的燃料壓力)、用於調節吸入空氣量的節流閥7以及EGR閥13。ECU 15控制燃料噴射閥16的燃料噴射操作，這樣，空氣燃料比(該空氣燃料比是在吸入氣缸2內的空氣品質和由燃料噴射閥16供給的燃料質量之間的比例)控制為預定目標空氣燃料比。在正常工作過程中，目標空氣燃料比控制為貧油的空氣燃料比，至少空氣量大於處在化學當量空氣燃料比時的空氣量。不過，當NOx和SOx從NOx催化劑8中釋放時，排氣空燃比控制為化學當量空氣燃料比或者富油的空氣燃料比(在富油時，燃料量大於處在化學當量空氣燃料比時的燃料量)。還有，因為ECU 15執行圖6至圖9中所示的程序(如後面所述)，因此，ECU 15起到本發明示例實施例的中毒恢復控制裝置。ECU 15控制圖1中未示出的其它各種裝置。還有，為了進行前述各種控制，發動機1提供有各種傳感器例如排氣溫度傳感器和空氣燃料比傳感器，它們都在圖1中未示出。
下面將參考圖2和圖3介紹硫濃度傳感器10的實例。如圖2所示，硫濃度傳感器10包括SOx濃度檢測部分20，該SOx濃度檢測部分20檢測排氣中的SOx的濃度；氧化催化劑21A，該氧化催化劑21A對於排氣中的H2S具有氧化催化活性，並有很高的氧化能力；氧化催化劑21B，該氧化催化劑21B的氧化能力比氧化催化劑21A的氧化能力更低；以及轉換閥22，該轉換閥22能夠在由圖2的箭頭A所示的方向和由圖2的箭頭B所示的方向之間改變排氣在硫濃度傳感器10中的流動方向。氧化催化劑21B的氧化能力能夠將大部分的硫氧化物(SOx，不過大部分的硫氧化物是二氧化硫(SO2))氧化成三氧化硫(SO3)。因為氧化催化劑21B的氧化能力較低，因此，大部分H2S在沒有氧化的情況下經過氧化催化劑21B。氧化催化劑21A的氧化能力和氧化催化劑21B的氧化能力能夠製成為彼此不同，例如通過使得用作催化劑21A中的催化材料的鉑的密度與催化劑21B中的不同，從而使得催化劑21A的能力與催化劑21B的不同，或者通過使得催化劑21A中的催化材料與催化劑21B中的不同。這就是，具有較高氧化能力的催化劑21A中的Pt密度可以設置為較高(即，催化劑21A中的支承Pt的量可以設置為較大)，而在具有較低氧化能力的催化劑21B中的Pt密度可以設置為較低(即，催化劑21B中的支承Pt的量可以設置為較小)。當催化劑21A中的Pt密度和催化劑21B中的Pt密度設置為彼此相等時，催化劑21A的能力也可以設置為較大，而催化劑21B的能力可以設置為較小。還有，具有較高氧化能力的催化材料(例如Pt)可以用於催化劑21A中，而具有較低氧化能力的催化材料(例如鈀(Pd))可以用於催化劑21B中。還可以通過將具有較低氧化能力的催化劑21B的溫度值控制成低於具有較高氧化能力的催化劑21A的溫度，從而使得催化劑21A的氧化能力和催化劑21B的氧化能力可以製成為彼此不同。而且，催化劑21A的氧化能力和催化劑21B的氧化能力可以通過合適組合這些方法而製成為彼此不同。
圖3表示了在SOx濃度檢測部分20中的檢測原理。如圖3所示，在SOx濃度檢測部分20中，子電極24和檢測電極25布置在氧離子導體23的一個表面上，而參考電極26布置在氧離子導體23的另一表面上。例如，氧離子導體23利用氧化釔穩定氧化鋯而製成，子電極24利用硫酸鹽而製成，檢測電極25利用銀(Ag)而製成，而參考電極26利用鉑(Pt)而製成。對於用於製造子電極24的硫酸鹽，優選是採用硫酸銀(Ag2SO4)和硫酸鋇(BaSO4)的混合鹽。硫酸銀負責子電極24中的相應。為了穩定硫酸銀，添加了硫酸鋇。還有，金屬銀負責檢測電極25中的響應。為了提高電極的強度，優選是使用鍍銀的鉑。
在SOx濃度檢測部分20中檢測的原理如下。首先，引導至SOx濃度檢測部分20處的SO3與檢測電極25的金屬銀反應，且電子從金屬銀中釋放。然後，剩下的銀離子(Ag+)運動至子電極24。由檢測電極25釋放的電子通過外部電路27而導向參考電極26。在參考電極26處，電子與氧(O2)組合，並產生氧離子(O2)。氧離子經過氧離子導體23以便到達子電極24。在子電極24中，銀離子和氧離子與SO3反應，從而產生硫酸銀。由於所述反應，在氧的局部壓力恆定的情況下，根據SOx的濃度而在檢測電極25和參考電極26之間產生電動力。通過測量電動力，可以恆定SOx的濃度。
轉換閥22的操作由ECU 15控制。硫濃度傳感器10能夠通過利用轉換閥22沿由圖2中箭頭A所示方向引導排氣而檢測在排氣中的SOx和H2S的總濃度。還有，硫濃度傳感器10能夠通過利用轉換閥22沿由圖2中箭頭B所示方向引導排氣而檢測在排氣中的SOx的濃度。當排氣沿圖2中箭頭A所示方向引導時，在排氣中的SO2和H2S通過氧化催化劑21A而轉變成SO3。產生的SO3和存在於排氣中的SO3導向SOx濃度檢測部分20。因此，與總濃度(該總濃度是SOx的濃度和H2S的濃度的總和)相對應的電動力產生於電極25和26之間。同時，當排氣沿圖2中箭頭B所示方向引導時，大部分H2S在沒有被氧化的情況下導向SOx濃度檢測部分20。因此，產生與排氣中的SOx濃度相對應的電動力。通過這樣利用轉換閥22來改變排氣的流動方向，可以在總濃度檢測和SOx檢測之間改變濃度檢測。下文中，排氣通過氧化催化劑21A導向SOx濃度檢測部分20的狀態(即排氣沿圖2中箭頭A所示方向引導時的狀態)將稱為第一檢測狀態。還有，排氣通過氧化催化劑21B導向SOx濃度檢測部分20的狀態(即排氣沿圖2中箭頭B所示方向引導時的狀態)將稱為第二檢測狀態。在SOx濃度檢測部分20中，氧用於檢測SOx的濃度。因此，引起反應所需的、包含氧的空氣(新鮮空氣)可以供給SOx濃度檢測部分20，這樣，即使在硫中毒恢復處理過程中(在該過程中排氣空燃比控制為富油範圍)，也能夠可靠檢測SOx的濃度。而且，硫濃度傳感器10可以包括用於使它的溫度保持在預定範圍內的溫度控制裝置，例如加熱器。
下面參考圖4概括介紹排氣空燃比的控制，該控制在硫中毒恢復處理過程中由ECU 15來進行。圖4是表示在SOx濃度和總濃度(它們在硫中毒恢復處理過程中由硫濃度傳感器10來檢測)、根據這些濃度獲得的H2S濃度以及排氣空燃比之間的相應關係的實例。當排氣空燃比從化學當量空氣燃料比轉變成富油空氣燃料比時，SOx的濃度立即增加。不過，在SOx的濃度在空氣燃料比X處達到峰值時，SOx的濃度隨著排氣空燃比變得更富油(即隨著排氣空燃比進一步減小)而減少。同時，當排氣空燃比變得更富油時(即排氣空燃比從化學當量空氣燃料比減小時)，總濃度均勻增加，如虛線所示。H2S的濃度等於在這兩個濃度之間的差值。當排氣空燃比控制為在化學當量空氣燃料比附近的值時並不檢測H2S的濃度。H2S的濃度在空氣燃料比X(SOx的濃度在該空氣燃料比X處達到峰值)附近的空氣燃料比處開始進行檢測。然後，當排氣空燃比變得更富油時(即當排氣進一步減小時)，H2S濃度逐漸增加。由NOx催化劑8釋放的SOx量隨著排氣空燃比變得更富油而增加。不過，當排氣空燃比變得比特定值更富油時，SOx的濃度檢測值減小。因此，顯然SOx與HC和CO反應，並產生H2S。在本實施例中，設置H2S濃度的允許水平，以便防止產生硫磺氣味等。ECU 15控制發動機1的工作狀態，這樣，在排氣空燃比的範圍A1中(在該範圍A1中，硫濃度傳感器10檢測SOx)進行硫中毒恢復處理，，且H2S的濃度變得等於或低於允許值。由於該控制，硫中毒恢復處理能夠通過從NOx催化劑8中釋放SOx而可靠進行，同時抑制由H2S引起的硫磺氣味的產生。
如圖5所示，在硫中毒恢復處理過程中產生的H2S的濃度與NOx催化劑8的溫度相關。假定排氣空燃比恆定，那麼當催化劑的溫度超過下限溫度Tlow時(例如大約600℃)，開始產生H2S。然後，當催化劑的溫度增加時，H2S的濃度增加。因此，H2S的濃度能夠通過控制NOx催化劑8的溫度而減小至等於或低於圖4中所示的允許值。也就是，在硫中毒恢復處理過程中，H2S的濃度很可能超過允許值，通過控制發動機1的工作狀態，H2S的濃度能夠減小至等於或低於允許值，這樣，NOx催化劑8的溫度相對減小至SOx釋放溫度範圍內。ECU 15也可以執行該控制。
下面參考圖6至圖10介紹由ECU 15進行的、用於硫中毒恢復處理的各種控制程序。圖6表示了用於確定硫中毒恢復處理的開始正時的硫釋放開始的控制程序。硫釋放開始控制程序由ECU 15來執行。當發動機1工作時，該程序以合適的時間間隔重複進行。在圖6的程序中，首先，在步驟S1中，ECU 15判斷硫中毒計數器的值是否等於或大於預定值。硫中毒計數器用於確定NOx催化劑8通過硫而中毒的量。ECU 15隨後(通過單獨的程序)根據由燃料噴射閥16噴射的燃料量以及包含於燃料中的硫組分估計量來計算NOx催化劑8通過SOx而中毒的量(下文中稱為「硫中毒量」)。硫中毒計數器累加該計算值。用於步驟S1中的預定值設置為用於判斷SOx中毒量是否增加至需要進行硫中毒恢復處理的水平的值。在排氣中的SOx量可以利用布置在NOx催化劑8上遊的部分中的SOx傳感器來檢測，且在NOx催化劑8中的硫中毒量可以通過累加檢測的SOx量來確定。當NOx傳感器布置在NOx催化劑8下遊的部分中時，可以通過根據由NOx傳感器檢測的NOx濃度來確定NOx催化劑8的惡化程度，從而確定是否需要進行硫中毒恢復處理。
當在步驟S1中硫中毒計數器的值小於預定值時，ECU 15判斷SOx中毒並沒有發展至需要進行硫中毒恢復處理的水平，並結束圖6中的程序。而當在步驟S1中硫中毒計數器的值等於或大於預定值時，ECU15判斷SOx中毒量已經達到界限，並在步驟S2中打開硫釋放請求標識。然後ECU 15結束程序。
為了在硫中毒恢復處理過程中準確獲得H2S的濃度，ECU 15以給定時間間隔重複執行圖7中的轉換閥工作控制程序。在圖7中的轉換閥工作控制程序中，首先，ECU 15判斷在步驟S11中硫釋放請求標識是否打開。當硫釋放請求標識打開時，ECU 15執行步驟S12和隨後的步驟。當硫釋放請求標識關閉時，ECU 15跳過步驟S12和隨後的步驟，並結束本程序。在步驟S12中，ECU 15判斷SOx是否穩定地從NOx催化劑8中釋放。例如，當硫中毒恢復處理剛剛開始且並沒有檢測到SOx從NOx催化劑8中的釋放時，或者當H2S的濃度等於或高於圖4中的允許值時，ECU 15判斷SOx並沒有穩定釋放。當判斷SOx穩定釋放時，ECU 15能夠在步驟S13中進行轉換控制。該轉換控制將改變轉換閥22的狀態，這樣，硫濃度傳感器10的檢測狀態在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間以給定時間間隔周期性地交替轉變。隨後，ECU15結束本控制程序。ECU 15通過單獨的程序來執行轉換閥22的轉換控制。H2S的濃度根據利用轉換控制檢測的總濃度和SOx濃度來獲得。
從利用轉換閥22將硫濃度傳感器10的檢測狀態轉變成第一檢測狀態時開始直至檢測到總濃度時的時期(總濃度檢測延遲時期)設置成比從利用轉換閥22將硫濃度傳感器10的檢測狀態轉變成第二檢測狀態時開始直至檢測到SOx濃度時的時期(SOx濃度檢測延遲時期)更長。在硫濃度傳感器10中，在第一檢測狀態在氧化催化劑21A中完成氧化反應(特別是H2S的氧化反應)所花費的時間比在第二檢測狀態在氧化催化劑21B中完成氧化反應所花費的時間更長。此外，因為在催化劑21B中只氧化SOx，而在催化劑21A中需要氧化SOx和H2S，因此在催化劑21A中完成氧化反應將花費更長時間。而且，當催化劑21A的能力(capacity)設置成比催化劑21B的能力更大時，排氣通過催化劑21A所花費的時間比排氣通過催化劑21B所花費的時間更長，因為催化劑21A的能力比催化劑21B的能力更大。例如，如圖11所示，與當硫濃度傳感器10的檢測狀態轉變成第二檢測狀態時的響應延遲時期(例如從檢測開始時的時間t0直至達到90％響應點的時期TD SOx)相比，根據在第一檢測狀態中完成氧化反應所需的時間和在第二檢測狀態中完成氧化反應所需的時間之間的差異，當硫濃度傳感器10的檢測狀態轉變成第一檢測狀態時響應延遲時期TD-H2S+SOx將增加。因此，總濃度檢測延遲時期設置成比SOx濃度檢測延遲時期更長。因此提高了測量總濃度和SOX濃度的準確性。因此，能夠準確獲得H2S的濃度。
下面再介紹圖7中的控制程序。當判斷SOx的釋放不穩定時，ECU15在步驟S14中阻止轉換閥22的轉換控制。然後，結束本控制程序。當SOx的釋放不穩定時，總濃度和SOx濃度的檢測值並不穩定。這時阻止轉換控制。ECU 15根據NOx催化劑8的狀態而利用轉換閥22將硫濃度傳感器10的檢測狀態轉變成第一檢測狀態或第二檢測狀態，然後阻止轉換控制。例如，當剛剛開始硫中毒恢復處理，且沒有檢測到SOx的釋放時，ECU 15利用轉換閥22將硫濃度傳感器10的檢測狀態轉變成第二檢測狀態，然後阻止轉換控制。如圖4所示，當進行硫恢復處理時，SOx比H2S更早地從NOx催化劑8中釋放。因此，硫濃度傳感器10的檢測狀態利用轉換閥22而轉變成第二檢測狀態，然後通過使轉換閥22保持在相同狀態而使得硫濃度傳感器10保持在第二檢測狀態。因此，提高了檢測SOx濃度的準確性。還有，當H2S的濃度等於或高於預定值(允許值)時，ECU 15利用轉換閥22將硫濃度傳感器10的檢測狀態轉變成第一檢測狀態，然後阻止轉換控制。因為通過使轉換閥22保持在相同狀態而使得硫濃度傳感器10保持在第一檢測狀態，因此能夠準確獲得H2S的濃度變化。
通過這樣控制轉換閥22的工作，可以在硫中毒恢復處理過程中準確獲得H2S的濃度。當硫濃度傳感器10的檢測狀態從第二檢測狀態轉變成第一檢測狀態時，只有當在第二檢測狀態中檢測的SOx濃度變化範圍等於或小於預定值時，ECU 15才使得硫濃度傳感器10的檢測狀態轉變成第一檢測狀態。這樣，因為硫濃度傳感器10的檢測狀態只有在SOx的濃度變化範圍等於或小於預定值時才進行轉變，因此能夠提高檢測SOx濃度的精確性。
當硫釋放請求標識打開時，為了進行硫中毒恢復處理，ECU 15以給定時間間隔重複執行圖8中的排氣空燃比控制程序和圖9中的溫度增加控制程序。在圖8中的排氣空燃比控制程序中，首先ECU 15在步驟S21中判斷硫釋放請求標識是否打開。當硫釋放請求標識打開時，ECU 15執行步驟S22和隨後的步驟。當硫釋放請求標識關閉時，ECU15跳過步驟S21和隨後的步驟，並結束本程序。在步驟S22中，發動機1的工作狀態控制為這樣，即排氣空燃比保持在富油範圍內(即燃料量大於處於化學當量空氣燃料比的燃料量)，且NOx催化劑8的溫度增加至SOx釋放溫度範圍，因此進行硫中毒恢復處理。當開始硫中毒恢復處理時，硫中毒恢復處理持續進行。例如通過在進行用於氣缸2中燃燒的主燃料噴射後再從燃料噴射閥16附加噴射燃料(也就是通過進行所謂的後噴射)，從而使排氣空燃比變成富油。當燃料供給閥布置在排氣通道4中並在NOx催化劑8上遊的部分處時，排氣空燃比可以通過從燃料供給閥供給燃料而控制為處於富油範圍。發動機1的工作狀態的控制並不局限於氣缸2中的燃燒控制，而且包括在排氣通道4中的控制(如下文中所述)。
在步驟S22中開始硫中毒恢復處理之後，在步驟S23中判斷由硫濃度傳感器10檢測的SOx濃度是否等於或大於預定值。該預定值設置為最低SOx釋放水平，它是在合適時期結束通過硫中毒恢復處理而使NOx催化劑從硫中毒中恢復所需的最低水平。當SOx的濃度低於預定值時，在步驟S25中以預定階差量減小排氣空燃比。也就是，排氣空燃比變化成這樣的空氣燃料比，其中，空氣量與在執行步驟S25之前的空氣燃料比的空氣量相比更小。排氣空燃比的這種變化並不表示從化學當量空氣燃料比至富油空氣燃料比的變化。排氣空燃比通過例如操作節流閥7和EGR閥13而減小，這樣，吸入空氣量(嚴格的講，氧量)減小。還有，排氣空燃比可以通過增加由後噴射供給的燃料量而減小。
當在步驟S23中SOx的濃度等於或高於預定值時，在步驟S24中判斷通過轉換控制而獲得的H2S濃度是否等於或高於預定值。該預定值設置為圖4中的允許值。不過，為了防止H2S濃度由於控制響應延遲而暫時變得高於允許值，在步驟S24中的預定值可以設置為低於允許值。當H2S的濃度低於預定值時，在步驟S25中減小排氣空燃比。同時，當H2S的濃度等於或高於預定值時，在步驟S26中使排氣空燃比增加預定階差量。也就是，排氣空燃比變化成這樣的空氣燃料比，其中，空氣量與在執行步驟S26之前的空氣燃料比的空氣量相比更大。排氣空燃比的該變化並不表示從化學當量的空氣燃料比變化成貧油空氣燃料比。該排氣空燃比通過例如操作節流閥7和EGR閥13而增加，這樣，吸入空氣量增加。還有，排氣空燃比可以通過減小由後噴射供給的燃料量而增加。這些操作可以認為是內燃機的一種工作狀態控制。當提供用於將空氣引向排氣通道4的空氣噴射裝置以便例如促進NOx催化劑8的加熱時，排氣空燃比可以通過將空氣從空氣噴射裝置引入排氣通道4而增加。當在步驟S25或步驟S26中改變排氣空燃比之後，結束本程序。
同時，在圖9的穩定增加控制程序中，首先在步驟S31中ECU 15判斷硫釋放請求標識是否打開。當硫釋放請求標識打開時，ECU 15執行步驟S32和隨後的步驟。當硫釋放請求標識關閉時，ECU 15跳過步驟S32和隨後的步驟，並結束本程序。在步驟S32中，發動機1的工作狀態控制為使得排氣空燃比保持在富油範圍，且NOx催化劑8的溫度增加至SOx釋放溫度範圍，因此執行硫中毒恢復處理。在步驟S31和步驟S32中的處理與在圖8的步驟S21和步驟S22中的處理相同。在步驟S33中，判斷SOx的濃度是否等於或高於預定值，與圖8中的步驟S23相同。在步驟S34中，判斷H2S的濃度是否等於或高於預定值，與圖8中的步驟S24相同。在步驟S33和S34中使用的預定值分別與在步驟S23和S24中使用的預定值相同。當SOx的濃度低於預定值時，或者當H2S的濃度低於預定值時，在步驟S35中在用於NOx催化劑8的穩定增加控制中的目標溫度增加預定階差量。當SOx的濃度等於或高於預定值，且H2S的濃度等於或高於預定值時，溫度增加控制中的目標溫度減小預定階差量。ECU 15控制發動機1的工作狀態，這樣，在硫中毒恢復處理過程中，NOx催化劑8的溫度通過單獨的程序而變得等於SOx釋放溫度範圍內的目標溫度。在步驟S35和S36的處理中，NOx催化劑8的溫度通過改變成目標溫度而變化。
NOx催化劑8的溫度例如通過增加或減小由後噴射供給的燃料量來調節。當然，當燃料量增加時催化劑的溫度增加。還有，催化劑的溫度可以通過減小由後噴射供給的燃料量而減小。不過，因為NOx催化劑8的溫度與排氣的溫度相關，因此催化劑的溫度也可以這樣調節，即通過改變氣缸2中的、用於燃燒的主噴射的正時，以便改變排氣的溫度。這時，當燃料噴射正時延遲時，催化劑的溫度增加。當延遲的燃料噴射正時提前至初始燃料噴射正時時，催化劑的溫度降低。當在步驟S35或步驟S36中改變催化劑的目標溫度之後，結束本溫度增加控制程序。
圖10表示了用於確定硫中毒恢復處理的結束正時的硫釋放結束控制程序。硫釋放結束控制程序由ECU 15來執行。當發動機1工作時，該程序以合適的時間間隔重複執行。在圖10的程序中，首先在步驟S41中，ECU 15判斷硫中毒計數器的值是否等於或大於預定值。在步驟S41中使用的預定值與在圖6的步驟S1中使用的預定值相同。當硫中毒計數器的值等於或大於預定值時，ECU 15執行步驟S42和隨後的步驟。當硫中毒計數器的值小於預定值時，ECU 15跳過步驟S42和隨後的步驟，並結束本程序。在步驟S42中，判斷是否正在進行硫中毒恢復處理。當正在進行硫中毒恢復處理時，ECU 15執行步驟S43。當並不進行硫中毒恢復處理時，ECU15跳過步驟S43和隨後的步驟，並結束本程序。
在步驟S43中，判斷由硫濃度傳感器10檢測的SOx濃度是否等於或高於預定值。在步驟S43中使用的預定值設置為用於判斷是否應當結束硫中毒恢復處理的界限值。在步驟S43中使用的預定值設置為小於在圖8的步驟S23中使用的預定值和在圖9的步驟S33中使用的預定值，這樣，即使當SOx以進行硫中毒恢復處理所需的最低水平釋放時，也不會結束硫中毒恢復處理。當在步驟S43中判斷SOx的濃度小於預定值時，在步驟S44中使硫釋放請求標識關閉，並結束本程序。當在步驟S43中判斷SOx的濃度等於或高於預定值時，跳過步驟S44，並結束本程序。
因為執行了前述控制，因此當在硫中毒恢復處理過程中SOx的釋放量減小至硫中毒恢復處理所需的最低水平時，排氣空燃比通過圖8的步驟S23和步驟S25中的處理而減小，且催化劑的溫度在圖9的步驟S33和步驟S35的處理中增加。因此，在硫中毒恢復處理過程中，SOx以在硫中毒恢復處理過程中所需的最低水平而從NOx催化劑8中是否，因此可靠進行硫中毒恢復處理。還有，當H2S的濃度等於或低於允許值時，重複執行在圖8的步驟S24和步驟S25中的處理，從而逐漸減小排氣空燃比。此外，重複執行在圖9的步驟S34和步驟S35中的處理，從而逐漸增加催化劑的溫度。同時，當H2S的濃度增加至允許值(允許極限)時，執行圖8的步驟S24和步驟S26中的處理，從而在一定程度上增加排氣空燃比。此外，執行在圖9的步驟S34和步驟S36中的處理，從而在一定程度上降低催化劑的溫度。因此，能夠通過儘可能地促使SOx從NOx催化劑8中釋放而高效進行硫中毒恢復處理，同時將H2S的濃度控制為等於或低於允許值。
在前述實施例中，ECU 15構成執行NOx催化劑8的中毒恢復處理和轉換閥22的轉換控制的控制器。
本發明並不局限於前述實施例。本發明可以以不同實施例來實施。例如，為了在硫中毒恢復處理過程中將SOx的濃度和H2S的濃度控制為在圖4的範圍A1中的值，可以只進行圖8和圖9的控制中的一個。在圖8的步驟S24和圖9的步驟S34中，當H2S的濃度低於預定值時，可以在不執行步驟S25或步驟S35的情況下結束程序。
確定硫中毒恢復處理的結束正時並不局限於如圖10中所示的確定。在圖10的步驟S43中，根據SOx的濃度來判斷硫中毒恢復處理是否應當結束。不過，例如可以當由處於第一檢測狀態的硫濃度傳感器10檢測的總濃度減小至低於預定值時判斷應當結束硫中毒恢復處理。還有，ECU 15可以根據SOx的濃度或總濃度的檢測值來重複計算從NOx催化劑8中釋放的SOx的量，並可以累加計算值，以便獲得從開始硫中毒恢復處理起的累加值，並當在累加值和硫中毒計數器的值之間的差值小於預定值時可以確定應當結束硫中毒恢復處理。而且，本發明並不局限於柴油發動機。本發明可以用於使用汽油和其它燃料的各種內燃機。
權利要求
1.一種用於內燃機的排氣控制裝置，其特徵在於包括NOx儲存還原催化劑，該NOx儲存還原催化劑布置在內燃機的排氣通道內；濃度檢測裝置，該濃度檢測裝置的檢測狀態可以在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間轉變，在該第一檢測狀態中檢測經過NOx儲存還原催化劑的排氣中的硫氧化物和硫化氫的總濃度，在該第二檢測狀態中檢測排氣中的硫氧化物的濃度；以及控制器，該控制器執行硫中毒恢復處理，該硫中毒恢復處理控制內燃機的工作狀態，從而使硫氧化物將從NOx儲存還原催化劑中釋放，其中在由控制器進行的硫中毒恢復處理過程中，當處於第二檢測狀態的濃度檢測裝置檢測到硫氧化物從NOx儲存還原催化劑中釋放之後，濃度檢測裝置的檢測狀態在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間交替轉變，因此，濃度檢測裝置獲得硫氧化物的濃度和硫化氫的濃度。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中濃度檢測裝置的檢測狀態以給定時間間隔在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間轉變。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中當判斷由濃度檢測裝置檢測的硫氧化物的濃度變化範圍等於或小於預定值時，濃度檢測裝置的檢測狀態轉變成第一檢測狀態。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中濃度檢測裝置包括對於硫化氫具有氧化催化活性的氧化催化劑；處於第一檢測狀態的濃度檢測裝置檢測在經過氧化催化劑的排氣中的硫氧化物和硫化氫的濃度，且從濃度檢測裝置的檢測狀態轉變成第一檢測狀態開始直至檢測到總濃度的延遲時期設置成比從濃度檢測裝置的檢測狀態轉變成第二檢測狀態開始直至檢測到硫氧化物濃度的延遲時期更長。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中在由控制器進行的中毒恢復處理過程中，控制器根據NOx儲存還原催化劑的狀態來使得濃度檢測裝置的檢測狀態轉變成第一檢測狀態或第二檢測狀態。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的裝置，其中當控制器判斷在硫中毒恢復處理過程中由濃度檢測裝置獲得的硫化氫的濃度超過允許極限時，控制器使得濃度檢測裝置保持在第一檢測狀態，且控制器將內燃機的工作狀態控制為使得硫氧化物從NOx儲存還原催化劑中釋放，且釋放的硫氧化物的量處於預定範圍中，硫化氫的濃度降低，控制器在總濃度開始降低後將濃度檢測裝置的檢測狀態轉變成第二檢測狀態。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中通過執行將排氣空燃比增加至富油空氣燃料比範圍的處理和將NOx儲存還原催化劑的溫度減小至釋放硫氧化物的溫度範圍內的處理中的至少一個，控制器控制內燃機的工作狀態，從而降低硫化氫的濃度。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的裝置，其中當控制器判斷硫化氫的濃度低於允許極限時，控制器將內燃機的工作狀態控制成使得從NOx儲存還原催化劑中釋放的硫氧化物的量增加。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中通過執行減小排氣空燃比的處理和增加NOx儲存還原催化劑的溫度的處理中的至少一個，控制器可以將內燃機的工作狀態控制成使得硫氧化物的釋放量增加。
10.一種用於內燃機的排氣控制方法，其特徵在於包括執行中毒恢復處理，該中毒恢復處理控制內燃機的工作狀態，從而使硫氧化物從布置於內燃機排氣通道中的NOx儲存還原催化劑中釋放；在中毒恢復處理過程中通過處於第二檢測狀態的濃度檢測裝置來檢測經過NOx儲存還原催化劑的排氣中的硫氧化物的濃度；在由處於第二檢測狀態的濃度檢測裝置檢測硫氧化物的濃度之後，使得濃度檢測裝置的檢測狀態在檢測排氣中的硫氧化物和硫化氫的總濃度的第一檢測狀態和第二檢測狀態之間轉變，並獲得硫氧化物的濃度和硫化氫的濃度。
全文摘要
本發明提供有NOx儲存還原催化劑，該NOx儲存還原催化劑布置在內燃機的排氣通道內；以及濃度檢測裝置，該濃度檢測裝置的檢測狀態可以在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間轉變，在該第一檢測狀態中檢測經過NOx儲存還原催化劑的排氣中的硫氧化物和硫化氫的總濃度，在該第二檢測狀態中檢測排氣中的硫氧化物的濃度。內燃機的工作狀態控制成使得硫氧化物從NOx催化劑中釋放(硫中毒恢復處理)。在硫中毒恢復處理過程中，在保持於第二檢測狀態的濃度檢測裝置檢測硫氧化物從NOx催化劑中釋放之後，濃度檢測裝置的檢測狀態在第一檢測狀態和第二檢測狀態之間交替轉變，從而獲得硫氧化物的濃度和硫化氫的能夠。
文檔編號F02D41/02GK1820129SQ200580000682
公開日2006年8月16日 申請日期2005年6月9日 優先權日2004年6月10日
發明者淺沼孝充 申請人:豐田自動車株式會社