内燃机的排气净化装置 【技术领域】
本发明涉及内燃机的排气净化装置。背景技术 通过向氧化催化剂供给还原剂， 能够产生热而使排气的温度上升。已知由此使位 于下游侧的催化剂的温度上升的技术 ( 例如， 参照专利文献 1)。
然而， 在内燃机冷起动时， 氧化催化剂的温度低， 所以还原剂几乎不发生反应。因 此， 通过加热器等对氧化催化剂进行加热。但是， 由于排气通过氧化催化剂， 通过加热器等 产生的热被排气夺去， 所以氧化催化剂的温度上升变得缓慢。 与此相对， 如果要产生比被排 气夺去的热更多的热， 则需要使氧化催化剂大型化、 使加热器等的消耗电力量增加。
专利文献 1 ： 日本特开 2005-127257 号公报
专利文献 2 ： 日本特开 2004-162611 号公报
专利文献 3 ： 日本特开平 6-106068 号公报
专利文献 4 ： 日本特开 2003-120264 号公报
专利文献 5 ： 日本特开 2006-161629 号公报
专利文献 6 ： 日本特开平 9-504349 号公报
发明内容 本发明是鉴于上述的问题而完成的发明， 其目的在于提供一种在内燃机的排气净 化装置中能够通过使位于上游侧的催化剂的温度迅速上升、 从而使位于下游侧的催化剂的 温度迅速上升的技术。
为了达成上述课题， 本发明的内燃机的排气净化装置采用以下的手段。 即， 本发明 的内燃机的排气净化装置的其特征在于， 包括 ：
排气净化催化剂， 其设置于内燃机的排气通路， 对排气进行净化 ；
多个催化剂， 其相比于所述排气净化催化剂而位于更靠上游侧， 具有氧化能力 ；
燃料供给装置， 其向所述具有氧化能力的多个催化剂中位于最上游的一个催化剂 供给燃料 ； 以及
加热装置， 其对所述一个催化剂进行加热，
所述具有氧化能力的多个催化剂在排气通路内在排气的流动方向上串列式设置， 越是上游侧的催化剂， 其与排气通路的中心轴正交的切断面的截面积越小。
在此， 对于多个具有氧化能力的催化剂， 越是下游侧的催化剂， 其截面积越大， 所 以通过位于上游侧的催化剂的内部的气体、 和通过位于上游侧的催化剂的外部的气体会流 入下游侧的催化剂。对于通过了位于上游侧的催化剂的内部的气体， 燃料在该催化剂中发 生反应， 其温度升高。另外， 在该气体中含有还没有反应的燃料。进一步， 由于在位于上游 侧的催化剂的内部消耗氧， 所以从该催化剂流出的气体的氧浓度下降。 因此， 在通过了上游 侧的催化剂的内部的气体中， 能够在下游侧的催化剂中进行反应的燃料变少。 另一方面， 在
通过了位于上游侧的催化剂的外部的气体中， 含有较多的氧。通过将该气体取入下游侧的 催化剂， 能够在该下游侧的催化剂中促进燃料的氧化。
在此， 一个催化剂的容积较小， 所以通过加热装置， 其温度迅速上升。 并且， 当通过 加热装置使一个催化剂的温度上升时， 则能够在该一个催化剂中使燃料发生反应。 由此， 从 一个催化剂流出的排气的温度上升， 所以位于该一个催化剂的下游侧的催化剂的温度也上 升。就是说， 在下游侧的催化剂中， 因从上游侧的催化剂给予的热、 和在下游侧的催化剂产 生的热， 其温度急剧上升。 这样一来， 能够通过使多个催化剂的温度依次上升而将下游侧的 催化剂设为高温。 并且， 能够在具有氧化能力的多个催化剂产生较多的热， 所以最终能够使 排气净化催化剂的温度上升。
在本发明中， 可以为 ： 所述排气净化催化剂构成为包含将尿素或者氨作为还原剂 利用的选择还原型 NOx 催化剂， 所述排气净化装置具备喷射装置， 所述喷射装置向从所述 具有氧化能力的多个催化剂中位于最下游的另一催化剂流出的排气喷射所述还原剂。
在本发明中， 能够使位于最下游的另一催化剂的温度迅速上升， 并且该另一催化 剂变为高温。 由此， 从另一催化剂流出的排气的温度也变为高温， 所以通过向从另一催化剂 流出的排气喷射还原剂， 能够促进该还原剂的蒸发。 另外， 能够使还原剂向排气中的广阔的 范围分散。可以使另一催化剂的截面积小于排气通路的截面积。 在本发明中， 可以为 ： 具备测定或者推定从所述另一催化剂流出的排气的温度的 单元， 在从所述另一催化剂流出的排气的温度为预定值以上的情况下， 使所述喷射装置喷 射还原剂。
所谓预定值， 可以设为能够使还原剂蒸发的温度或者能够使还原剂有效地分散的 温度。 就是说， 在从另一催化剂流出的排气的温度较低时即使喷射还原剂， 不仅不能期待还 原剂的蒸发或者分散， 反而有可能导致还原剂附着于排气净化催化剂。 因此， 在从另一催化 剂流出的排气的温度为预定值以上的情况下喷射还原剂。
在本发明中， 可以为 ： 在所述内燃机起动前， 从所述燃料供给装置向所述一个催化 剂供给燃料， 并且通过所述加热装置对所述一个催化剂进行加热。
就是说， 从内燃机起动之前使一个催化剂的温度上升。 相反地， 可以设为从使一个 催化剂的温度上升到规定的温度时开始起动内燃机。 由此， 能够从开始起动内燃机起， 使比 该一个催化剂更靠下游的催化剂的温度迅速上升。 由此， 能够在排气净化催化剂中， 使排气 的净化提前。
在本发明中， 可以为 ： 在开始起动内燃机之后， 与经过时间相应地使来自所述燃料 供给装置的燃料供给量增加。
就是说， 随着一个催化剂的温度、 其下游的具有氧化能力的催化剂的温度上升， 具 有氧化能力的多个催化剂中的能够氧化的燃料量增加。当与此相应地使燃料供给量增加 时， 则能够使在具有氧化能力的多个催化剂产生的热量增加， 所以能够使排气净化催化剂 的温度迅速上升。另外， 能够使向排气净化催化剂供给还原剂提前。
在本发明中， 可以为 ： 具备测定或者推定所述排气净化催化剂的温度的单元， 在所 述排气净化催化剂的温度上升到了规定的温度的情况下， 停止从所述燃料供给装置向所述 一个催化剂供给燃料， 并且停止通过所述加热装置加热所述一个催化剂。
当能够在排气净化催化剂中使还原剂反应时， 则不需要使具有氧化能力的催化剂
的温度上升。如果停止供给燃料、 停止通过加热装置进行的加热， 则能够使燃料经济性提 高。另外， 能够抑制催化剂的过热。
在本发明中， 可以为 ： 在从所述燃料供给装置供给燃料时， 在排气的量变为了规定 的量以上的情况下， 限制来自所述燃料供给装置的燃料供给量。
所谓该规定的量， 可以设为有可能导致由燃料供给装置供给的燃料向排气净化催 化剂附着的量。 就是说， 当排气的量增加时， 则燃料通过具有氧化能力的多个催化剂的时间 变短， 所以变得难以在该催化剂中使燃料氧化。就是说， 在具有氧化能力的多个催化剂中 没有被氧化而直接穿过的燃料量变多。这样， 如果穿过了具有氧化能力的催化剂的燃料附 着于排气净化催化剂， 则有可能导致使该排气净化催化剂的净化能力下降。 与此相对， 通过 限制燃料供给量， 能够抑制燃料附着于排气净化催化剂。可以与排气的量相应地减少燃料 的供给量。 此时， 可以与排气的量相应地连续减少燃料供给量， 也可以阶段性减少燃料供给 量。另外， 也可以在排气的量变为了规定的量以上时， 停止从燃料供给装置供给燃料。
根据本发明的内燃机的排气净化装置， 能够通过使位于上游侧的催化剂的温度迅 速上升， 使位于下游侧的催化剂的温度迅速上升。 附图说明 图 1 是表示应用实施例的内燃机的排气净化装置的内燃机和其排气系统的概略 结构的图。
图 2 是升温装置的结构图。
图 3 是表示实施例的内燃机起动时的 NOx 催化剂的升温控制的流程的流程图。
图 4 是表示实施例的内燃机起动后的 NOx 催化剂的升温控制的流程的流程图。
标号说明
1： 内燃机
2： 排气通路
3： 升温装置
4： 选择还原型 NOx 催化剂
5： ECU
11 ： 曲轴角传感器
12 ： 开关
13 ： 第二温度传感器
14 ： 加速踏板
15 ： 加速踏板开度传感器
31 ： 第一催化剂
32 ： 第二催化剂
33 ： 第三催化剂
34 ： 第四催化剂
35 ： 第一喷射阀
36 ： 加热器
37 ： 第二喷射阀
38 ： 第一温度传感器具体实施方式
下面， 基于附图对本发明的内燃机的排气净化装置的具体实施方式进行说明。
实施例 1
图 1 是表示应用本实施例的内燃机的排气净化装置的内燃机和其排气系统的概 略结构的图。图 1 所示的内燃机 1 是水冷式的四冲程柴油发动机。
在发动机 1 连接有排气通路 2。 在排气通路 2 的途中， 从上游侧按顺序设有升温装 置 3 和选择还原型 NOx 催化剂 4( 下面， 称为 NOx 催化剂 4)。NOx 催化剂 4 通过作为还原剂 供给尿素或者氨， 从而选择性地将排气中的 NOx 还原。在本实施例中， NOx 催化剂 4 相当于 本发明中的排气净化催化剂。
图 2 是升温装置 3 的结构图。 在升温装置 3， 从上游侧按顺序分别隔开距离地具备 第一催化剂 31、 第二催化剂 32、 第三催化剂 33、 第四催化剂 34 这四个氧化催化剂。氧化催 化剂至少具备 2 个即可。另外， 这些催化剂具有氧化能力即可， 可以是三元催化剂或者吸藏 还原型 NOx 催化剂。这四个氧化催化剂分别为圆柱形状， 各个催化剂的中心轴位于排气通 路 2 的中心轴上。并且， 越是上游侧的催化剂， 其以与排气通路 2 的中心轴正交的面切断时 的截面积越小。就是说， 第一催化剂 31 的截面积最小， 第四催化剂 34 的截面积最大。第四 催化剂 34 的截面积比排气通路 2 的流路截面积小。另外， 越是下游侧的氧化催化剂， 其容 积越大。并且， 在第二催化剂 32、 第三催化剂 33、 第四催化剂 34， 形成有从各个催化剂的外 周向上游侧延伸的筒状的引导部 321、 331、 341。该引导部 321、 331、 341 延伸到比位于各个 催化剂的很近的上游侧的催化剂的下游端更靠上游一侧。在本实施例中， 第一催化剂 31、 第二催化剂 32、 第三催化剂 33、 第四催化剂 34 相当于本发明中的具有氧化能力的多个催化 剂。 在第一催化剂 31 的上游侧， 设有喷射燃料的第一喷射阀 35。第一喷射阀 35 的喷 孔朝向第一催化剂 31 的上游端面的中心。另外， 在第一催化剂 31 设有用于加热该第一催 化剂 31 的加热器 36。该加热器 36 通过电力的供给而发热。就是说， 第一喷射阀 35 相比于 最上游的氧化催化剂而更靠上游地设置， 加热器 36 安装于最上游的氧化催化剂。第一喷射 阀 35 的喷孔也可以朝向通过加热器 36 加热的部位。在本实施例中， 第一催化剂 31 相当于 本发明中的一个催化剂。另外， 在本实施例中， 第一喷射阀 35 相当于本发明中的燃料供给 装置。进一步， 在本实施例中， 加热器 36 相当于本发明中的加热装置。
在第四催化剂 34 附近的排气通路 2 上， 设有喷射包含尿素或者氨的液体的第二喷 射阀 37。包含尿素或者氨的液体在 NOx 催化剂 4 中作为还原剂起作用。第二喷射阀 37 的 喷孔朝向从第四催化剂 34 流出的排气。在本实施例中， 第四催化剂 34 相当于本发明中的 另一催化剂。另外， 在本实施例中， 第二喷射阀 37 相当于本发明中的喷射装置。
另外， 在第四催化剂 34 的下游， 设有测定排气的温度的第一温度传感器 38。通过 该第一温度传感器 38， 测定第四催化剂 34 的温度或从第四催化剂 34 流出的排气的温度。 通过第一温度传感器 38， 也能够测定升温装置 3 的温度或者流入 NOx 催化剂 4 的排气的温 度。另外， 在比 NOx 催化剂 4 更靠下游的排气通路 2 上， 设有测定排气的温度的第二温度传 感器 13。 通过该第二温度传感器 13， 也能够测定 NOx 催化剂 4 的温度。 在本实施例中， 第一
温度传感器 38 相当于本发明中的测定或者推定另一催化剂的温度的单元。另外， 在本实施 例中， 第二温度传感器 13 相当于本发明中的测定或者推定排气净化催化剂的温度的单元。
进一步， 在内燃机 1 安装有测定该内燃机 1 的转速的曲轴角传感器 11。
在如上所述那样构成的内燃机 1， 并设有作为用于控制该内燃机 1 的电子控制单 元的 ECU5。该 ECU5 是根据内燃机 1 的运行条件和 / 或驾驶者的要求控制内燃机 1 的运行 状态的单元。
在 ECU5， 除了上述传感器之外， 还经由电气配线连接有加速踏板开度传感器 15 和 开关 12， 所述加速踏板开度传感器 15 能够输出与驾驶者踩下加速踏板 14 的量相应的电信 号、 检测内燃机负荷， 所述开关 12 用于使内燃机 1 起动， 这些各种传感器的输出信号被输入 至 ECU5。通过驾驶者操作开关 12， ECU5 使内燃机 1 起动。
另一方面， 在 ECU5， 经由电气配线连接有第一喷射阀 35 和第二喷射阀 37， 通过该 ECU5 控制这些设备。
通过如本实施例那样配置四个氧化催化剂 31、 32、 33、 34， 通过了上游侧的氧化催 化剂的排气的大部分流入下游侧的氧化催化剂。就是说， 从各个氧化催化剂流出的气体在 形成于下游侧的氧化催化剂的引导部的内侧流动而向该下游侧的氧化催化剂流入。 另一方 面， 在上游侧的氧化催化剂与下游侧的氧化催化剂的引导部之间具有间隙， 所以通过了上 游侧的氧化催化剂的外侧的排气的一部分流入下游侧的氧化催化剂。 在此， 当对加热器 36 通电并且从第一喷射阀 35 喷射燃料时， 通过燃料在第一催化 剂 31 发生反应， 从而产生热。由此， 排气的温度上升。并且， 当该排气向第二催化剂 32 流 入时， 该第二催化剂 32 的温度上升。 在向该第二催化剂 32 流入的排气中， 在第一催化剂 31 没有发生反应或者反应不充分的燃料也会流入。但是， 在排气通过第一催化剂 31 内时， 在 该第一催化剂 31 中氧与燃料发生反应， 所以在从该第一催化剂 31 流出的排气中， 氧较少。 另一方面， 通过了第一催化剂 31 的外侧的排气的一部分也会流入第二催化剂 32。 该通过了 第一催化剂 31 的外侧的排气中含有较多的氧。就是说， 从第一催化剂 31 流出的燃料和由 于通过了第一催化剂 31 的外侧而含有较多的氧的排气流入第二催化剂 32。 因此， 在第二催 化剂 32 中也是燃料与氧发生反应而产生热。由此， 排气的温度进一步上升。在第三催化剂 33 以及第四催化剂 34 也发生这样的情况。
就是说， 通过在各个氧化催化剂取入氧， 在各个氧化催化剂中， 排气的温度上升。 由此， 能够使下游侧的氧化催化剂的温度也进一步上升。与例如具备容积与四个氧化催化 剂合起来的容积相同的一个氧化催化剂、 并且供给相同量的燃料的情况相比， 能够提高到 达 NOx 催化剂 4 的排气的温度。即， 根据本实施例， 能够通过少量的燃料使 NOx 催化剂 4 的 温度迅速上升。
另外， 在本实施例中， 通过向从第四催化剂 34 流出的排气喷射从第二喷射阀 37 喷 射的还原剂， 能够促进还原剂的蒸发， 使还原剂分散到广阔的范围。在此， 由于在位于上游 侧的三个催化剂产生的热和在第四催化剂 34 产生的热， 该第四催化剂 34 的温度变高。因 此， 通过向从该第四催化剂 34 流出的排气喷射还原剂， 能够使还原剂迅速蒸发、 分散。仅限 于在能充分进行还原剂的蒸发以及分散的情况下， 可以从第二喷射阀 37 喷射还原剂。就是 说， 在从第四催化剂 34 流出的排气的温度为阈值以上的情况下， 设为能充分进行还原剂的 蒸发以及分散， 可以喷射还原剂。该阈值预先通过实验等求出。
并且， 在本实施例中， 在内燃机 1 冷起动时等 NOx 催化剂 4 的温度比活性温度的下 限值低的情况下， 为了使该 NOx 催化剂 4 的温度迅速上升， 进行以下的控制。
图 3 是表示本实施例的内燃机起动时的 NOx 催化剂 4 的升温控制的流程的流程 图。本例程在内燃机 1 起动时执行。在本实施例中， 即使驾驶者要起动内燃机 1 而操作开 关， 也不立即使内燃机 1 起动， 而是首先使第一催化剂 31 的温度上升。
在步骤 S101 中， ECU5 判定 NOx 催化剂 4 的温度是否比活性温度的下限值 ( 例如 150℃ ) 低。就是说， 判定是否处于无法通过 NOx 催化剂 4 还原 NOx 的状态。例如， 在由第二 温度传感器 13 得到的温度比阈值低时， 设为 NOx 催化剂 4 的温度比活性温度的下限值低。
当在步骤 S101 中作出了肯定判定时， 进入步骤 S102， 另一方面当作出了否定判定 时， 使本例程结束。 在使本例程结束了的情况下， 立即起动内燃机 1。 并且， 不伴随着通过升 温装置 3 进行的排气的升温地从第二喷射阀 37 喷射还原剂而净化 NOx。
在步骤 S102 中， ECU5 开始对加热器 36 通电以及从第一喷射阀 35 喷射燃料。此 时， 内燃机 1 不工作， 所以没有排气的流动。因此， 能够抑制在第一催化剂 31 产生的热被排 气夺去， 所以该第一催化剂 31 的温度迅速上升。
在步骤 S103 中， ECU5 使内燃机 1 起动。就是说， 向内燃机 1 的燃烧室内供给燃料。 也可以执行步骤 S102、 在第一催化剂 31 的温度达到了规定的温度时使内燃机 1 起动。另 外， 也可以在从执行步骤 S101 起经过了规定的时间时使内燃机 1 起动。 在步骤 S104 中， ECU5 执行对加热器 36 的通电控制以及第一喷射阀 35 的喷射控 制。在本步骤中， 根据内燃机转速、 内燃机负荷以及从开始执行本步骤起的经过时间， 控制 加热器 36 以及第一喷射阀 35。就是说， 进行对加热器 36 通电， 停止对加热器 36 通电， 调节 来自第一喷射阀 35 的喷射量。 在此， 各催化剂的发热量和 / 或温度与内燃机转速、 内燃机负 荷以及从开始本步骤起的经过时间相应地会发生变化， 所以与这些相应地调节发热量。通 常， 经过时间越长， 各个氧化催化剂的活性度变得越高， 所以越使来自第一喷射阀 35 的喷 射量增加。在此， 从第一喷射阀 35 间歇地进行燃料喷射。并且， 通过延长喷射时间或者缩 短喷射间隔的任意一方来增加来自第一喷射阀 35 的燃料喷射量。并且， 与来自第一喷射阀 35 的燃料喷射匹配地对加热器 36 进行通电。可以是燃料喷射量越多， 使对加热器 36 的通 电时间越长。
在步骤 S105 中， ECU5 判定 NOx 催化剂 4 的温度是否变为活性温度的下限值以上。 就是说， 判定是否不需要通过升温装置 3 进行的加热。 当在步骤 S105 中作出了肯定判定时， 进入步骤 S106， 另一方面当作出了否定判定时， 返回步骤 S104。
在步骤 S106 中， ECU5 停止对加热器 36 通电以及停止从第一喷射阀 35 喷射燃料。 就是说， 使通过升温装置 3 进行的排气温度的上升停止。然后， 通过从第二喷射阀 37 喷射 还原剂， 通过 NOx 催化剂 4 将 NOx 还原。
也可以在供给了与产生所需的热量相应的燃料时停止对加热器 36 通电、 并且使 来自第一喷射阀 35 的燃料喷射停止。
另外， 当在内燃机转速高时从第一喷射阀 35 喷射燃料时， 则排气的流量变多， 所 以燃料有可能会穿过氧化催化剂。当燃料穿过氧化催化剂时， 有可能会附着于 NOx 催化剂 4 而使 NOx 的净化能力下降。因此， 也可以在发动机转速为阈值以上时， 或者排气的量为阈 值以上时， 停止对加热器 36 通电、 并且使来自第一喷射阀 35 的燃料喷射停止。另外， 也可
以减少燃料喷射量。此时， 可以根据发动机转速或者排气的量来调节对加热器 36 的通电量 以及来自第一喷射阀 35 的燃料喷射量。就是说， 可以是发动机转速越高， 或者排气的流量 越多， 则越减少对加热器 36 的通电量、 并且越减少来自第一喷射阀 35 的燃料喷射量。
在 NOx 催化剂 4 的温度变为了活性温度的下限值以上之后， 根据内燃机 1 的运行 状态， 也有温度变得低于活性温度的下限值的情况。此时， 再次进行对加热器 36 通电以及 从第一喷射阀 35 喷射燃料， 使 NOx 催化剂 4 的温度上升。
图 4 是表示本实施例的内燃机起动后的 NOx 催化剂的升温控制的流程的流程图。 每预定的时间而重复执行本例程。 相对于图 3 所示的流程， 只是没有步骤 S102 和步骤 S103， 所以省略说明。
如以上所说明的那样， 根据本实施例， 通过具备越是下游侧、 其截面积越大的四个 氧化催化剂， 能够以较少的燃料更迅速地使 NOx 催化剂 4 的温度上升。另外， 能够将第四催 化剂 34 的温度设为高温， 所以能够促进还原剂的蒸发以及分散。即， 能够一边使 NOx 催化 剂 4 的温度迅速上升到活性温度的下限值， 一边向该 NOx 催化剂 4 均匀供给还原剂， 所以能 够提高 NOx 的净化能力。
在本实施例中， 四个氧化催化剂各自的中心轴位于排气通路 2 的中心轴上， 但这 些催化剂的中心轴也可以从排气通路 2 的中心轴偏离。另外， 各个氧化催化剂的中心轴也 可以不在同一线上。就是说， 只要是通过了上游侧的氧化催化剂的内侧的排气和通过了外 侧的排气向下游侧的氧化催化剂流入的构造即可。另外， 也可以没有引导部 321、 331、 341。