发动机废气清除设备.pdf

本发明公开了一种发动机废气清除设备。当在装有NOx收集催化转化器的柴油机中执行高峰值控制时，有时会出现NOx解吸附量太少或太多的情况。根据稀燃运转期间所计算的NOx积聚量确定高峰值控制的起始时限，并且根据NOx积聚量和NOx解吸附率确定结束高峰值控制的结束时限。由于在高峰值控制期间可根据NOx解吸附率估计保留在NOx收集催化转化器中的NOx的实际量，因此当保留的NOx量达到指定目标值时可结束高峰值控制。

1.  一种发动机废气清除设备，所述设备包括：
NOx收集催化转化器，所述NOx收集催化转化器被设置在发动机的排气通道中；
NOx积聚量计算区，所述NOx积聚量计算区被构成得用于在稀燃状态期间计算NOx收集催化转化器中的NOx积聚量；
NOx解吸附率确定区，所述NOx解吸附率确定区被构成得用于确定在富燃状态期间积聚的NOx从NOx收集催化转化器中解吸附的NOx解吸附率；以及
高峰值控制区，所述高峰值控制区被构成得用于通过减小废气的过量空气系数而执行高峰值控制以解吸附NOx收集催化转化器中所积聚的NOx，
所述高峰值控制区还被构成得用于根据已计算的NOx积聚量确定开始高峰值控制的起始时限，并且用于根据已计算的NOx积聚量和NOx解吸附率确定结束高峰值控制的结束时限。

2.  如权利要求1中所述的发动机废气清除设备，其特征在于，
所述NOx解吸附率确定区被构成得用于根据在高峰值控制期间发动机的燃料喷射量和转动速度估计NOx的解吸附率。

3.  如权利要求2中所述的发动机废气清除设备，其特征在于，
所述NOx解吸附率确定区被构成得用于根据在高峰值控制期间的过量空气系数调节所估计的NOx解吸附率。

4.  如权利要求3中所述的发动机废气清除设备，其特征在于，
所述NOx解吸附率确定区被构成得用于通过施加加权调节而调节NOx解吸附率，以使得当在高峰值控制期间过量空气系数变小时，NOx解吸附率变大。

5.  如权利要求1中所述的发动机废气清除设备，其特征在于，
所述NOx解吸附率确定区被构成得用于根据在高峰值控制期间NOx收集催化转化器出口附近的废气温度估计NOx解吸附率。

6.  如权利要求1中所述的发动机废气清除设备，其特征在于，
所述NOx解吸附率确定区被构成得用于在根据高峰值控制期间废气流率估计NOx解吸附率。

7.  如权利要求1中所述的发动机废气清除设备，其特征在于，
所述NOx解吸附率确定区被构成得用于在根据高峰值控制期间还原剂的排出量估计NOx解吸附率。

8.  如权利要求1中所述的发动机废气清除设备，其特征在于，
所述高峰值控制区被构成得用于当通过从开始高峰值控制时存在的NOx积聚量中减去根据已计算的NOx解吸附率被解吸附的NOx量所获得的结果达到参考值或降到参考值之下时结束高峰值控制。

9.  如权利要求2中所述的发动机废气清除设备，其特征在于，
所述高峰值控制区被构成得用于当通过从开始高峰值控制时存在的NOx积聚量中减去根据已计算的NOx解吸附率被解吸附的NOx量所获得的结果达到参考值或降到参考值之下时结束高峰值控制。

10.  一种发动机废气清除设备，所述设备包括：
NOx收集装置，所述装置用于从发动机中排出的废气中收集NOx；
NOx积聚量计算装置，所述NOx积聚量计算装置用于在稀燃状态期间计算NOx收集装置中积聚的NOx量；
NOx解吸附率计算装置，所述NOx解吸附率计算装置用于计算在富燃状态期间积聚的NOx从NOx收集装置中解吸附的NOx解吸附率；以及
高峰值控制装置，所述高峰值控制装置用于执行高峰值控制以便于通过减小废气的过量空气系数以解吸附NOx收集装置中所积聚的NOx，
所述高峰值控制装置用于根据已计算的NOx积聚量确定开始高峰值控制的起始时限，并且用于根据已计算的NOx积聚量和NOx解吸附率确定结束高峰值控制的结束时限。

11.  一种用于清除发动机废气的方法，所述方法包括：
从发动机排出的废气中收集NOx；
计算在稀燃状态期间被收集的NOx积聚量；
计算在富燃状态期间积聚的NOx量被解吸附的NOx解吸附率；
执行高峰值控制以通过减小废气的过量空气系数而解吸附所积聚的NOx；以及
根据已计算的NOx积聚量确定开始高峰值控制的起始时限，并且根据已计算的NOx积聚量和NOx解吸附率确定结束高峰值控制的结束时限。

发动机废气清除设备
技术领域
本发明通常涉及用于发动机的发动机废气清洁设备。更具体地说，本发明涉及对于用于柴油机的发动机废气清除设备的改进，所述柴油机在排气系统中具有NOx收集催化转化器。
背景技术
在内燃机(诸如柴油机)中，废气再循环系统(EGR系统)被广泛地使用，其中一部分废气被再循环以降低燃烧温度从而减少氧化氮(NOx)的排放。NOx收集催化转化器在废气中的空气-燃料比处于低范围时收集废气中的NOx并且当空气-燃料比处于高范围时净化(释放)所收集的NOx。当NOx吸附和保持量达到指定上限值时沉积在NOx收集催化转化器中的NOx通常被净化。
在NOx收集催化转化器中，当已积聚了一定量的NOx时，废气的过量空气系数λ暂时改变为较高值以便于从吸附剂中吸附NOx和使之脱氧。暂时将过量空气系数λ的数值改变为较高值的这种控制被称为“高峰值控制(rich spike control)”。柴油机通常在稀燃状态下使用约为2到3的过量空气系数λ运转，这对应于低空气-燃料比。在高峰值控制中，过量空气系数λ的数值被改变为约0.8。通常在非规则时限下根据发动机运转状态执行高峰值控制以处理在NOx收集催化转化器中积聚的NOx。换句话说，高峰值控制并非是根据驾驶员所发出的命令而执行的。
在日本专利申请No.2600492中披露了传统的高峰值控制方法。在该传统的高峰值控制方法中，根据发动机运转状态累积在稀燃运转期间积聚在NOx收集催化转化器中的NOx的量，并且当NOx积聚量的积分计算值达到某一限制值时，执行高峰值控制从而对应于NOx积聚量在一段时间内降低过量空气系数。
考虑到上述原因，本领域普通技术人员应从该描述中明白的是，存在对于改进的发动机废气清除设备的需求。本发明致力于解决本领域中的该需求以及其他需求，本领域普通技术人员将从该描述中明白所述需求。
发明内容
已经披露了在传统系统中，根据NOx积聚量的积分计算值的结果确定执行高峰值控制的时间周期并且通过在固定时期内与实际NOx解吸附率无关地降低过量空气系数λ而执行高峰值控制。换句话说，在不用顾及保留在NOx收集催化转化器中的NOx的量的情况下执行高峰值控制，因此，会存在过度处理或不足处理的情况。
本发明的一个目的是提供一种避免这些问题的发动机废气清除设备。换句话说，本发明的发动机废气清除设备基本被设想为用于具有高峰值控制的柴油机的设备，所述设备被构成得降低废气的过量空气系数以便于解吸附收集在NOx收集催化转化器中的NOx。
考虑到前述问题，本发明提供了用于发动机的发动机废气清除设备，所述废气清除设备通常包括NOx收集催化转化器、NOx积聚量计算区、NOx解吸附率确定区以及高峰值控制区。NOx收集催化转化器被设置在发动机的排气通道中。NOx积聚量计算区被构成得用于在稀燃状态期间计算NOx收集催化转化器中的NOx积聚量。NOx解吸附率确定区被构成得用于确定在富燃状态期间积聚的NOx从NOx收集催化转化器中解吸附的NOx解吸附率。所述高峰值控制区被构成得用于通过减小废气的过量空气系数而执行高峰值控制以解吸附NOx收集催化转化器中所积聚的NOx。所述高峰值控制区还被构成得用于根据已计算的NOx积聚量确定开始高峰值控制的起始时限，并且用于根据已计算的NOx积聚量和解吸附率确定结束高峰值控制的结束时限。
本领域普通技术人员将从以下的详细描述中明白本发明的这些和其他目的、特征和优点，所述详细描述结合附图披露了本发明的优选
实施例。
附图说明
现在参照附图，所述附图构成基本描述的一部分：
图1是本发明一个实施例所涉及的用于内燃机(例如，柴油机)的废气清除设备或系统的简图；
图2是示出了为了确定何时更新(还原)NOx收集催化转化器而由本发明所涉及的废气清除设备或系统的控制单元所执行的控制操作的第一流程图；
图3是示出了为了更新NOx收集催化转化器而由本发明所涉及的废气清除设备或系统的控制单元所执行的高峰值控制的控制操作的第二流程图；
图4是用于根据过量空气系数λ获得修正系数Reg-spd-hos的储存图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的选定实施例。本领域普通技术人员应从该描述中明白的是，对于本发明实施例的以下描述仅是解释性的而非出于如所附权利要求及其等价物那样限制本发明的目的。
首先参照图1，其中示出了本发明第一实施例所涉及的用于内燃机(诸如增压柴油机1)的废气清除设备或系统。本发明所涉及地废气清除设备可适用于用在汽车等中的其他内燃机。
如图1中所示的，发动机1包括有公用燃油油轨2的公用油轨燃料喷射系统、多个燃料喷射阀3、以及高压燃料泵(未示出)以便于被供以加压燃料。燃料泵(未示出)将燃料泵送到公用燃油油轨2，加压燃料在公用燃油油轨2处积聚，并且当打开燃料喷射阀3时高压燃料被输送到燃烧室的内部。因此，燃料喷射阀3将燃料直接喷射到每个气缸的各个燃烧室(未示出)中。
燃料喷射阀3被构成和布置得在主喷射之前执行预喷射或在主喷射之后执行补充喷射。通过改变公用燃油油轨2的积聚压力，以可变的方式控制燃料喷射压力。
具有压缩机4a的涡轮增压器(增压器)4被布置在进气系统的进气通道5中。压缩机4a用于使得进入空气增压。由流过排气通道6的废气驱动的涡轮机4b使得压缩机4a转动。增压器4被布置在发动机1的进气通道5中的空气流量计7的下游。增压器4最好是具有设在涡轮机4b上的可变喷嘴的可变电容类型的增压器。通过使用可变电容类型的增压器4，当发动机1在低速区中运转时可收缩可变喷嘴以增加涡轮机效率。当发动机1在高速区中运转时可打开增压器4的可变喷嘴以增加涡轮机容量(capacity)。因此，这种布置可在大范围的运转状态下获得高增压效果。
进气节流阀8在压缩机4a的下游位置处被安装在进气通道5的内侧。进气节流阀8起到可控制吸入到发动机1中的进气量的作用。进气节流阀8例如是使用步进马达可自由地改变其开口程度的电子控制节流阀。
排气通道6装有从发动机1与涡轮机4b之间的位置分支的废气再循环(EGR)通道9。EGR通道9与进气节流阀8下游的进气通道5相连接。
排气系统装有安置于EGR通道9中的废气再循环(EGR)控制阀10。EGR控制阀10用于根据发动机运转状态控制废气再循环量。使用步进马达对EGR阀10进行电控制以使得EGR阀10的开口程度调节再循环到进气系统的废气的流量，即，吸入到发动机1中的EGR量。最好对EGR阀10进行反馈(闭环)控制以便于以这种方式调节EGR量，即，根据运转状态获得EGR比率设定。例如，通过将目标进气量与由空气流量计7测量并输出的实际进气量进行比较，可对EGR比率进行反馈控制。
废气系统还装有顺序布置在涡轮增压器4的涡轮机4b下游位置处的排气通道6中的具有HC吸附功能的氧化催化转换器11、具有NOx收集功能的NOx收集催化转化器12、以及废气微粒俘获过滤器(DPF＝柴油机颗粒过滤器)13。
氧化催化转换器11具有当温度较低时吸附废HCs以及当温度较高时释放HCs的特性并且当处于活性状态时用于使得HCs和CO氧化。当过量空气系数λ大于1时，即，当空气燃料混合较低时，NOx收集催化转化器12吸附或俘获包含在废气中的NOx，而当过量空气系数λ较高时释放NOx。当处于活性状态时NOx收集催化转化器12还用于使得NOx脱氧。微粒过滤器13俘获包含在废气中的微粒(PM＝颗粒物质)并且所俘获的PM通过使用更新控制升高废气温度而被燃烧。
提供控制单元20以控制本发明的废气清除设备。具体地，控制单元20根据来自于用于检测发动机1的操作状态的各种传感器(如下所述)的检测信号确定并设定进气量Qa、燃料喷射量Qf以及喷射时限IT，并且根据这些信号执行所述控制。因此，控制单元20还根据来自于各种传感器(如下所述)的检测信号控制燃料喷射阀3的驱动、控制进气节流阀8和EGR阀10的开口程度。
控制单元20是由中央处理单元(CPU)和其他外围设备构成的微电脑。控制单元20还可包括其他传统部件，诸如输入接口电路、输出接口电路、以及诸如ROM(只读存储器)装置和RAM(随机存取存储器)装置的存储装置。控制单元20最好包括用于控制下述各种部件的发动机控制程序。控制单元20从用于检测发动机1的操作状态的各种传感器(如下所述)中接收输入信号并且根据这些信号执行前述控制。本领域普通技术人员从该描述中将明白的是，用于控制单元20的精确结构和运算法则可为执行本发明功能的硬件和软件的任意组合。换句话说，用在说明书和权利要求中的“方法加功能”条款应包括可用于执行本发明“方法加功能”条款的功能的任何结构或硬件和/或运算法则或软件。
由空气流量计7检测进气量Qa，所述空气流量计7向控制单元20输出表示进气量Qa的信号。控制单元20还与转动速度传感器14、加速器位置传感器15、发动机冷却剂温度传感器16、轨压力传感器17、多个排气系统温度传感器21、22和23、以及废气传感器或氧气传感器24可操作地连接。转动速度传感器14被构成和布置得用于检测发动机1的发动机转动速度Ne，并且向控制单元20输出表示发动机1的发动机转动速度Ne的信号。加速器位置传感器15被构成和布置得用于检测加速器位置APO，并且向控制单元20输出表示加速器位置APO的信号。
冷却剂温度传感器16被构成和布置得用于检测发动机冷却剂的温度Tw，并且向控制单元20输出表示发动机冷却剂温度Tw的信号。油轨压力传感器17被构成和布置得用于检测公用燃油油轨2内部中的燃料压力(燃料喷射压力)，并且向控制单元20输出表示公用燃油油轨2内部中的燃料压力(燃料喷射压力)的信号。温度传感器21、22和23被构成和布置得用于分别检测氧化催化转换器11、NOx收集催化转化器12和微粒过滤器13的出口附近的废气温度。温度传感器21、22和23被构成和布置得用于向控制单元20输出分别表示检测氧化催化转换器11出口附近的废气温度、NOx收集催化转化器12出口附近的废气温度和废气微粒俘获过滤器13的出口附近的废气温度的信号。废气传感器24被构成和布置在涡轮机4b上游位置处的排气通道6中以检测废气的空气燃料比或氧浓度。废气传感器24被构成和布置得用于向控制单元20输出表示废气的空气燃料比或氧浓度的信号。
因此，控制单元20控制NOx收集催化转化器12和微粒过滤器13的更新。换句话说，控制单元20根据来自于各种传感器的检测信号设定燃料喷射量Qf和喷射时限IT并且控制燃料喷射阀3是如何被驱动的。控制单元20还控制进气节流阀8和EGR阀10的开口程度。控制单元20还根据各种发动机运转状态控制进气节流阀8和EGR阀10的开口程度。换句话说，控制单元20控制燃料喷射阀3以调节由燃料喷射阀3输送的燃料喷射量Qf，控制燃料喷射阀3以调节燃料喷射阀3的喷射时限IT、以及控制进气节流阀8和EGR阀10以调节进气量Qa。控制单元20还根据各种发动机操作状态(例如，加速器位置)运转。
具体地，如本发明所述的，控制单元20执行高峰值控制以更新NOx收集催化转化器12(即，使其解吸附或释放NOx)。如稍后所述的，根据稀燃操作期间所计算的NOx积聚量确定高峰值控制起始时限并且根据NOx积聚量和NOx解吸附率确定高峰值控制结束时限。NOx解吸附率是每单位时间解吸附的NOx量并且可根据至少使用高峰值控制期间的发动机转动速度、燃料喷射量和/或其他发动机运转状态计算NOx解吸附率。因此，由于可根据高峰值控制期间的NOx解吸附率估计出保留在NOx收集催化转化器12中的实际NOx量，因此当保留的NOx量达到指定目标值时可结束高峰值控制。因此，不会出现保留太多或太少NOx的情况并且可在全部时间内有效地使用NOx收集过滤器。此外，由于可在最小程度的需求下执行高峰值控制，因此可改进燃料效率和废气排放。关于本发明，控制单元20执行高峰值控制区、NOx积聚量计算区以及NOx解吸附率确定区的功能。
当发动机1根据某些预定发动机操作状态运转时，例如，当发动机1在包括空转的低负载、低速状态中运转时，在指定的固定时间间隔下以循环的方式周期性地执行图2和图3的这些控制程序。现在，将描述用于由控制单元20执行高峰值控制的图2和图3的控制程序。
在步骤S11中，控制单元20从图1中所示的各个传感器中读入表示包括(但不局限于)发动机转动速度Ne、加速器位置APO、燃料喷射量、以及发动机冷却剂的温度的发动机运转状态的各种信号。换句话说，通过控制单元20从图1中所示的各个传感器中接收信号而确定发动机1的发动机运转状态，例如，负载状态和转动速度状态。
在步骤S12中，控制单元20使用来自于图1传感器的这些信号计算积聚(吸附)在NOx收集催化转化器12中的NOx量。存在计算NOx积聚量的各种已知方法。例如，可根据表示诸如发动机转动速度Ne、燃料喷射量Qf、以及冷却剂温度Tw的运转状态的信号估计NOx量，和/或可通过根据运转历史数据求NOx量的积分而计算NOx积聚量。
在步骤S13中，控制单元20比较所计算的NOx积聚量NOx0与参考值NOx1。如果NOx积聚量NOx0等于或小于NOx1的话，那么控制单元20在没有执行高峰值控制的情况下结束程序的当前循环。如果NOx积聚量NOx0大于NOx1的话，那么控制单元20继续前进到步骤S14，在步骤S14，控制单元将sp标记设定为数值1，以指示高峰值控制在进行中。接着，在步骤S15中，控制单元20执行高峰值控制程序。
图3示出了高峰值控制程序。在步骤S21中，控制单元20执行控制以减小进气节流阀8和EGR阀10的开口程度，从而将发动机1的过量空气系数λ控制为理论配比的空气燃料比之下的较高值。在某些情况中，为了满足获得目标过量空气系数λ的需要，执行补充燃料喷射以便于在燃烧冲程晚期和排气冲程之间的周期期间增加燃料。由于来自于高峰值控制的浓化的过量空气系数λ值，导致在发动机使用大过量空气系数λ在稀燃下运转时积聚在NOx收集催化转化器12中的NOx从NOx吸附剂中被解吸附，并且所解吸附的NOx通过在催化剂中进行的脱氧处理被清除。
在步骤S22(NOx解吸附率确定区)，控制单元20计算NOx解吸附率Reg-spd。NOx解吸附率Reg-spd是每个时间间隔或每单位时间从NOx收集催化转化器12中解吸附的NOx量。在该实施例中，时间单位是一个控制周期。NOx解吸附率基本是由发动机运转状态确定的，即，在本实施例中，是由燃料喷射量Qf和发动机转动速度Ne确定的。因此，在本实施例中，通过相对于燃料喷射量Qf和发动机转动速度Ne查找与Reg-spd数值相配的用实验方法准备的数据的表或图而找到Reg-spd的数值。
在步骤S23中，为了获得更精确的NOx解吸附率，控制单元20根据过量空气系数λ确定修正系数Reg-spd-hos。修正系数Reg-spd-hos是通过根据过量空气系数λ查找图4中所示的预存储图而确定的。修正系数Reg-spd-hos用于加权NOx解吸附率Reg-spd并且其特性在于使得NOx解吸附率随过量空气系数λ减小而增加。使用空气燃料比传感器24直接检测过量空气系数λ的数值或者根据发动机运转状态计算过量空气系数λ的数值。然而，图5中所示的修正系数Reg-spd-hos特性仅仅是一般特性并且更精确的修正系数Reg-spd-hos特性取决于发动机特性和其他因素。因此，为了简单起见，在图5中修正系数Reg-spd-hos特性被示为线性函数。修正系数Reg-spd-hos特性最好是非线性函数。将以示例为基础用实验方法获得修正系数Reg-spd-hos特性，从而更新控制使得积聚NOx的过度处理和不足处理的情况最小化。
在步骤S24中，控制单元20使所计算的NOx解吸附率Reg-spd与修正系数Reg-spd-hos相乘并且从图2中所示的程序中确立的NOx积聚量NOx0中减去所获得的结果，即，在那个时间点已解吸附的NOx量以获得新NOx积聚量(即，保留的NOx量)。然后控制单元20通过用新NOx积聚量代替NOx积聚量NOx0而更新其数值。
在步骤25中，控制单元20将通过在前面步骤中减去NOx积聚量所获得的NOx积聚量NOx0与最终参考值NOx2相比较。如果NOx0大于NOx2的话，控制单元返回到步骤S22并且重复递减步骤。控制单元20重复递减步骤直到NOx0等于或小于NOx2，在该时间点它继续前进到步骤S26并结束高峰值控制。在结束了高峰值控制之后，控制单元继续前进到步骤S27并且将sp标记设定为0。然后控制单元20返回到图2中所示的程序。
尽管在前述高峰值控制中NOx解吸附率Reg-spd通过根据过量空气系数λ的加权修正系数Reg-spd-hos被修正，但是也可使用其他方法确立NOx解吸附率。例如，通过基于NOx收集催化转化器12相关参数(诸如床温度、出口废气温度、废气流率以及排出的脱氧剂(HC、CO等)的量执行的所述修正可获得更精确的NOx解吸附率。也就是说，由于NOx解吸附率具有以下特征，即，它随床温度和出口废气温度增加或随废气流率和排出的脱氧剂量增加而增加，因此可根据这些参数执行修正。换句话说，图3控制程序的步骤S22(NOx解吸附率确定区)可根据(1)高峰值控制期间NOx收集催化转化器的出口附近的废气温度；(2)高峰值控制期间废气流率；或(3)高峰值控制期间排出的还原剂量中的任意一个由用以估计NOx解吸附率的估计步骤代替。
词语“构成”用在文中描述包括硬件和/或软件的装置的部件、区域或部分，所述硬件和/或软件被构成和/或编程序以执行期望功能。而且，在权利要求中以“方法加功能”形式表示的词语应包括可用于执行本发明部分的功能的任何结构。文中所使用的诸如“基本上”、“大约”和“近似于”等程度词语表示所修饰的词语偏差的适当量，以使得最终结果不会明显改变。例如，如果该偏差没有否定其所修饰的词语的本义，这些词语可被解释成包括所修饰词语的至少±5％的偏差。
本申请要求日本专利申请No.2003-282100的优先权。在这里合并参考日本专利申请No.2003-282100的全部内容。
虽然只是选择选定的实施例来描述本发明，但是本领域普通技术人员应该从所述描述中明白的是，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下可作出各种改变和修正。此外，本发明所涉及的实施例的前述描述仅是用于进行解释，而不是如出于如所附权利要求及其等价物那样限制本发明的目的。因此，本发明的范围不局限于所述实施例。