内燃机的排气净化系统 【技术领域】
本发明涉及内燃机的排气净化系统。背景技术 已知有在内燃机的排气通路中设置排气烟尘过滤器 ( 下面简单地称之为 “过滤 器”)，以便包含在内燃机的排气中的粒子状物质 ( 下面，称之为 PM) 不向大气排放的技 术。
利用该过滤器，排气中的 PM 一度被捕集，但是，由于当被该过滤器捕集的 PM 的量变多时，过滤器上游的排气压力上升，所以，存在诱发内燃机的输出降低、燃料消 耗恶化的可能。 这时，可以通过使堆积在过滤器上的 PM 氧化来除去该 PM。 将这样除 去被过滤器捕集的 PM 称为过滤器的再生。
为了进行过滤器的再生，在比过滤器更靠上游侧设置具有氧化能力的催化剂， 或者在该过滤器自身中携带具有氧化能力的催化剂。 并且，通过向该催化剂添加燃料， 使过滤器的温度上升，进行过滤器的再生。
另外，在吸留还原型 NOx 催化剂 ( 下面称之为 NOx 催化剂 ) 中，包含在燃料中 的硫磺成分也与 NOx 同样地被吸留。 被这样吸留的硫磺成分比 NOx 更难以被排出，蓄 积在 NOx 催化剂内。 这被称为硫磺中毒。 由于这种硫磺中毒， NOx 催化剂的 NOx 净 化率降低，因此，在适当的时期，有必要进行使其从硫磺中毒中恢复的硫磺中毒恢复处 理。 这种硫磺中毒恢复处理，通过将 NOx 催化剂变成高温，并且使理论空燃比或者富空 燃比的排气在 NOx 催化剂中流动来进行。 并且，通过在这种 NOx 催化剂中添加燃料， 使该 NOx 催化剂的温度上升，可以将该 NOx 催化剂变成高温。
在此，为了向催化剂添加燃料，例如，可以在排气通路中配备燃料添加阀，从 该燃料添加阀向排气中添加燃料 ( 下面，称之为排气添加 )。 另外，通过于在气缸内进行 燃料的主喷射之后的膨胀冲程中或排气冲程中进行再次喷射燃料的副喷射 ( 继后喷射或 者后补喷射 )，也可以向催化剂中添加燃料。
并且，已知有副喷射和排气添加并用、进行催化剂及过滤器的温度控制的技术 ( 例如，参照专利文献 1( 特开 2005-83350 号公报 )、专利文献 2( 特开 2005-83352 号公 报 )、专利文献 3( 特开 2005-83351 号公报 ))。
这里，在像副喷射那样向气缸内进行多次燃料喷射的场合，存在在最初的燃料 喷射时产生的燃料压力的脉动对后面的燃料喷射时的燃料压力产生影响的情况。 因此， 副喷射与排气添加相比，存在难以进行燃料量的正确控制的情况。 另外，若进行副喷 射，则存在由燃料附着于气缸壁面、冲洗润滑油的所谓气缸洗涤使得润滑油被稀释的危 险。 进而，在配备有 EGR 装置的情况下，存在燃料流入该 EGR 装置，EGR 冷却器堵塞 或者 EGR 阀变得难以动作的危险。 另外，若从燃烧室到排气净化装置的距离长，则即使 以使排气净化装置的温度与目标值相一致的方式调节副喷射量，由于到排气净化装置的 温度变化为止需要花费时间，所以，副喷射量的控制还是困难。
但是，由于通过副喷射供应的燃料处于气化或者容易发生反应的状态，所以， 具有容易在催化剂中反应的优点。
另一方面，由于通过排气添加供应的燃料保持液体状态不变地到达催化剂，所 以，若只进行排气添加，则存在发生 HC 附着在催化剂的上游端侧的 HC 中毒的情况。 另 外，存在由于保持液体状态不变地到达催化剂的燃料因催化剂而蒸发，使得该催化剂的 上游端侧的温度降低的危险。 因此，存在当进行排气添加时，引起催化剂的上游端的堵 塞或者整个催化剂变成活性温度以下，过滤器不能再生的危险。
但是，燃料添加不会像副喷射那样使润滑油稀释，并且可以与内燃机的运转状 态无关地在宽的运转区域中供应燃料。 另外，如果在紧靠排气净化催化剂的上游设置燃 料添加阀，则由于当为了使排气净化装置的温度与目标值相一致而调节排气添加量时， 排气净化装置的温度立即变化，所以，容易进行排气添加量的控制。
即，副喷射及排气添加各有优点和缺点。 并且，由于只利用副喷射难以进行对 燃料量的正确控制，所以，难以使过滤器或 NOx 催化剂的温度与目标值相一致。 发明内容 本发明是鉴于上述问题完成的，其目的是提供一种在内燃机的排气净化系统 中，即使在进行副喷射及排气添加的情况下，也能够向排气净化装置中供应恰当量的燃 料，更易于使排气净化装置的温度与目标值相一致的技术。
为了完成上述课题，根据本发明的内燃机的排气净化系统，其特征在于，包 括：
排气净化装置，所述排气净化装置设置在内燃机的排气通路中，通过燃料的供 应来恢复净化能力，
燃料添加阀，所述燃料添加阀在比所述排气净化装置更靠上游的排气通路中向 排气中添加燃料，
未燃烧燃料排出机构，所述未燃烧燃料排出机构从所述内燃机的燃烧室向排气 通路排出包含未燃烧燃料的气体，
在向所述排气净化装置供应燃料以使该排气净化催化剂的温度成为目标值时， 通过反馈控制调节利用所述燃料添加阀供应的燃料量，通过开环控制调节利用所述未燃 烧燃料排出机构供应的燃料量。
这里，排气净化装置通过在净化能力恢复时被供应燃料而温度上升。 所谓净化 能力恢复时，例如，可以列举出 ：被 NOx 催化剂吸留的 NOx 被还原时， NOx 催化剂的 硫磺中毒被复原时，或者，使堆积在排气烟尘过滤器中的颗粒状物质氧化时 ( 即，进行 过滤器的再生时 ) 等。 并且，在恢复排气净化装置的净化能力时，从燃料添加阀对该排 气净化装置供应燃料，或者从未燃烧燃料排出机构对该排气净化装置供应燃料。 另外， 来自燃料添加阀的燃料供应和来自未燃烧燃料排出机构的燃料供应可以同时进行，也可 以只进行其中之一。
并且，从未燃烧燃料排出机构供应的燃料量，由于受到燃料压力的脉动，所以 难以与目标值相一致。 即，即使检测出排气净化装置的温度并以使该温度接近于目标值 的方式对燃料供应量进行反馈控制，也难以正确地调节未燃烧燃料排出机构的燃料供应
量。 因此，利用反馈控制使温度与目标值相一致变得困难。
与此相对，在本发明中，对于未燃烧燃料排出机构的燃料供应量进行开环控 制。 即，供应预定量的燃料。 该预定量可以根据内燃机的运转状态 ( 例如，内燃机转速 或内燃机负荷 ) 进行变更。
另一方面，对于从燃料添加阀供应的燃料量，与从未燃烧燃料排出机构供应的 燃料量相比较，能够更正确地进行调节。 即，通过对从燃料添加阀供应的燃料量进行反 馈控制，能够进行对燃料供应量的正确修正。 因此，能够迅速地使排气净化装置的温度 与目标值相一致。
另外，在本发明中，所述排气净化装置配备有催化剂，在该催化剂的温度在活 性温度以上的情况下，可以停止所述未燃烧燃料排出机构的燃料供应。
这里，供应给燃烧室内的燃料，由于暴露在高温的燃烧气体中，所以，大部分 以气化的状态或者被改性的状态从内燃机排出。 因此，从内燃机排出的燃料易于在排气 净化装置中进行反应。
另一方面，从燃料添加阀添加的燃料，由于被添加到比燃烧室内温度低的排气 中，所以，与供应给气缸内的燃料相比较，难以气化。 因此，存在保持液体状态不变地 到达排气净化装置的情况。 另外，即使气化，由于不进行扩散，所以，存在局部空燃比 低的状态的排气到达排气净化装置的情况。 在这种情况下，即使从燃料添加阀添加燃 料，排气净化装置的温度也难以上升。
不过，若从未燃烧燃料排出机构供应燃料，则存在引起气缸洗涤或者燃料消耗 恶化的危险。 另一方面，如果催化剂的温度在活性温度以上，则即使从燃料添加阀供应 燃料，也可以使之在该催化剂中进行反应。 即，在催化剂的温度在活性温度以上的情况 下，通过停止由未燃烧燃料排出机构进行的燃料供应，只进行由燃料添加阀进行的燃料 供应，可以既抑制引起气缸洗涤，又使排气净化装置的温度上升。 另外，在催化剂的温 度比活性温度低的情况下，可以同时采用来自燃料添加阀的燃料供应和来自未燃烧燃料 排出机构的燃料供应，另外，也可以只进行来自未燃烧燃料排出机构的燃料供应。
另外，在本发明中，即使在利用所述燃料添加阀供应燃料时，也可以利用所述 未燃烧燃料排出机构在每个规定的期间供应燃料。
这里，若只从燃料添加阀供应燃料，则存在燃料附着在排气净化装置的上游端 侧，或者上游端侧的温度降低的情况。 从而，存在在上游端侧发生堵塞或者整个排气净 化装置的温度降低的情况。 与此相对，若定期地进行由未燃烧燃料排出机构进行的燃料 添加，则由于能够向排气净化装置供应易于进行反应的燃料，所以，可以使该上游端侧 的温度上升。 从而，可以抑制排气净化装置的上游端侧的堵塞或者整个排气净化装置的 温度的降低。
另外，所述规定的期间，例如，可以是作为从燃料添加阀添加的燃料附着在排 气净化装置上的燃料变成阈值以上的期间，或预定的一定的期间。 这时，可以根据内燃 机的运转状态变更规定的期间的值。
如上面说明的那样，根据本发明，在内燃机的排气净化系统中，即使在进行副 喷射及排气添加的情况下，也能够向排气净化装置供应恰当量的燃料，使排气净化装置 的温度更容易与目标值相一致。附图说明 图 1 是表示应用根据实施例的内燃机的排气净化系统的内燃机和其进气系统及 排气系统的简略结构的图示。
图 2 是表示实施例中的过滤器的再生时的温度上升控制的流程的流程图。
具体实施方式
下面，基于附图说明根据本发明的内燃机的排气净化系统的具体的实施形式。
( 实施例 1)
图 1 是表示应用根据本实施例的内燃机的排气净化系统的内燃机 1 和其进气系统 及排气系统的简略结构的图示。 图 1 所示的内燃机 1 是水冷式的四冲程的柴油发动机。
在内燃机 1 上连接有进气通路 2 及排气通路 3。 在该进气通路 2 的途中设置有节 气门 4。 该节气门 4 由电动促动器进行开闭。 在比节气门 4 更靠上游的进气通路 2 中设 置有空气流量计 5，该空气流量计 5 输出与在该进气通路 2 内流通的进气的流量相对应的 信号。 借助该空气流量计 5 测定内燃机 1 的吸入的新的气体的量。 另一方面，在排气通路 3 的途中，从内燃机 1 侧起依次配备有第一氧化催化剂 15、第二氧化催化剂 16、排气烟尘过滤器 6( 下面称之为过滤器 6)。 该过滤器 6 也可以 载有氧化催化剂、三元催化剂或者吸留还原型 NOx 催化剂。 另外，在本实施例中，第二 氧化催化剂 16 及过滤器 6 相当于本发明中的排气净化装置。
进而，在本实施例中，配备有燃料添加阀 7，所述燃料添加阀 7 向在比第一氧化 催化剂 15 更靠下游且比第二氧化催化剂 16 更靠上游的排气通路 3 中流通的排气中添加作 为还原剂的燃料 ( 轻油 )。 这里，燃料添加阀 7 根据来自于后面描述的 ECU20 的信号打 开阀，喷射燃料。 并且，从燃料添加阀 7 向排气通路 3 内喷射的燃料与从排气通路 3 的 上游流来的排气一起流入第二氧化催化剂 16，由该第二氧化催化剂 16 氧化。 借助这时的 反应热，过滤器 6 的温度上升。
并且，在内燃机 1 中配备有 EGR 装置 8，所述 EGR 装置 8 使在排气通路 3 内流通 的排气的一部分向进气通路 2 再循环。 该 EGR 装置 8 具有 EGR 通路 81 及 EGR 阀 82。
EGR 通路 81 将比第一氧化催化剂 15 更靠上游侧的排气通路 3 和比节气门 4 更 靠下游的进气通路 2 连接起来。 并且，通过排气在该 EGR 通路 81 中流通，使排气再循 环。 另外，EGR 阀 82 通过调整 EGR 通路 81 的通路截面面积，调整在该 EGR 通路 81 中 流动的 EGR 气体的量。
另外，在比过滤器 6 更靠下游的排气通路 3 中安装有下游侧温度传感器 9 和空燃 比传感器 10，所述下游侧温度传感器 9 输出与在该排气通路 3 内流动的排气的温度相对应 的信号，所述空燃比传感器 10 输出与在该排气通路 3 内流动的排气的空燃比相对应的信 号。 根据该下游侧温度传感器 9 的输出信号，检测出过滤器 6 的温度。 进而，在第一氧 化催化剂 15 与第二氧化催化剂 16 之间的排气通路 3 中安装有上游侧温度传感器 17，所述 上游侧温度传感器 17 输出与在该排气通路 3 内流动的排气的温度相对应的信号。
进而，在内燃机 1 中，配备有向该内燃机 1 的气缸内供应燃料的燃料喷射阀 11。
在如上所述构成的内燃机 1 中同时设置有 ECU20，所述 ECU20 是用于控制该内
燃机 1 的电子控制单元。 该 ECU20 是对应于内燃机 1 的运转条件、驾驶员的要求控制内 燃机 1 的运转状态的单元。
另外，在该 ECU20 上，除上述传感器之外，还经由电配线连接有加速踏板开度 传感器 13 及曲轴位置传感器 14，所述加速踏板开度传感器 13 输出对应于驾驶员踩下加速 器踏板 12 的量的电信号、可以检测内燃机的负荷，所述曲轴位置传感器 14 检测内燃机的 转速，这些各种传感器的输出信号被输入 ECU20。 另一方面，在 ECU20 上，经由电配线 连接着燃料喷射阀 11 及燃料添加阀 7。 并且，借助 ECU20 控制燃料喷射阀 11 及燃料添 加阀 7 的开闭正时。
并且，在本实施例中，在进行过滤器的再生时，向第二氧化催化剂 16 供应燃 料，使排气的温度上升，通过使该温度上升了的排气在过滤器 6 中流动，使该过滤器 6 的 温度上升。 在过滤器 6 的温度上升到为了使 PM 氧化所需要的温度时，通过停止燃料的 供应，维持该过滤器 6 的温度。 即使在使过滤器 6 的温度上升时，由于在排气中含有氧 气，所以，被该过滤器 6 捕集的 PM 被氧化。
另外，在过滤器 6 载有吸留还原型 NOx 催化剂的情况下，与进行该 NOx 催化剂 的硫磺中毒恢复处理时同样，向第二氧化催化剂 16 添加燃料，使过滤器 6 的温度上升到 硫磺中毒恢复所需要的温度。 之后，通过间歇地添加燃料，进行硫磺中毒恢复处理。 这样，为了向第二氧化催化剂 16 供应燃料，可以通过从燃料添加阀 7 喷射燃料 来进行，另外也可以通过降低从内燃机 1 排出的气体的空燃比来进行。 即，通过借助这 些手段向第二氧化催化剂 16 供应燃料，可以进行过滤器 6 的再生或者硫磺中毒恢复。
这里，通过在从燃料喷射阀 11 进行主喷射之后的膨胀冲程中或者排气冲程中， 进行再次喷射燃料的副喷射 ( 继后喷射或者后补喷射 )，可以从内燃机 1 排出含有燃料的 气体。 与此同时，也可以使吸入空气量减少，或者使 EGR 气体量增加。 另外，在本实 施例中，进行副喷射的 ECU20 相当于本发明中的未燃烧燃料排出机构。
这里，通过使节气门 4 向关闭侧运动，可以使吸入空气量减少。 另外，通过使 EGR 阀 82 向打开侧运动，可以使 EGR 气体量增加。
另外，以下，将从燃料添加阀 7 喷射燃料称为 “排气添加”。
这里，当从燃料喷射阀 11 进行用于产生转矩的主喷射时，通过向该燃料喷射阀 11 供应的燃料的压力急剧地降低，可以引起燃料压力的脉动。 并且，当在刚刚进行主喷 射之后就立即进行副喷射时，由于通过该副喷射所喷射的燃料受到由主喷射产生的燃料 压力的脉动的影响，所以存在喷射量不稳定的情况。 在这种情况下，即使进行为了使利 用下游侧温度传感器 9 测定的温度接近于目标温度而调节副喷射量的反馈控制，也存在 着难以使该测定的温度接近于目标温度的危险。
另一方面，由于排气添加以比利用燃料喷射阀 11 进行的主喷射与副喷射之间 的间隔长的间隔进行，而且燃料的压力低，所以，不容易受到燃料压力的脉动造成的影 响。 因此，当进行为了使利用下游侧温度传感器 9 测定的温度接近于目标温度而调节排 气添加量的反馈控制时，容易使该测定的温度接近于目标温度。
因此，在本实施例中，利用开环控制调节副喷射量，利用反馈控制调节排气添 加量。
这里，由于通过副喷射供应的燃料借助在燃烧室内燃烧的气体的热而蒸发，所
以易于因第二氧化催化剂 16 而反应。 另一方面，在进行副喷射时，通过燃料附着在气缸 壁面上，润滑油与燃料混合，该润滑油会被稀释。 进而，当通过副喷射向排气通路 3 排 出的燃料流入 EGR 通路 81 并附着于 EGR 阀 82 时，存在着该 EGR 阀 82 难以动作的危 险。
另一方面，由于可以几乎不受内燃机 1 的负荷的影响地进行排气添加，所以， 能够在比副喷射更宽范围的运转区域中进行排气添加。 但是，由于燃料扩散难、或者燃 料附着在排气通路 3 的壁面上，所以，存在 NOx 还原效率变差的运转区域。
因此，在本实施例中，在排气添加的燃料最初到达的催化剂 ( 在本实施例中为 第二氧化催化剂 16) 达到活性温度、并且成为能够使燃料充分反应的温度 ( 例如，从 25℃ 到 300℃ ) 的情况下，不进行副喷射，只进行排气添加。 即，如果燃料能够在第二氧化 催化剂 16 中反应，则进行排气添加。 从而，由于燃料在第二氧化催化剂 16 中反应，所 以，可以使过滤器 6 的温度上升。 另外，通过不进行副喷射，可以抑制气缸洗涤。
这样，即使是在利用排气添加保持过滤器 6 的温度或者使之上升时，也可以定 期地进行副喷射。 这里，即使是在第二氧化催化剂 16 达到活性温度之后，也存在当进行 排气添加时，液体燃料附着在第二氧化催化剂 16 的上游端侧而发生 HC 中毒的危险。 另 外，存在伴随着附着在第二氧化催化剂 16 的上游端侧的燃料的气化，该第二氧化催化剂 16 的上游端侧的温度变得比活性温度低的危险。 在发生这种问题时，存在着在第二氧化 催化剂 16 的上游端侧发生堵塞或者整个第二氧化催化剂 16 的温度变得比活性温度低的危 险性。 与此相对，如果定期地进行副喷射，则由于可以定期地对第二氧化催化剂 16 供 应反应性高的燃料，所以，可以抑制该第二氧化催化剂 16 的温度降低。 另外，能够通过 利用排气添加使附着在第二氧化催化剂 16 的上游端侧的燃料反应而将其除去。 例如，可 以通过实验等预先求出引起第二氧化催化剂 16 堵塞的时间，在成为该时间时，作为进行 副喷射的正时。 另外，可以由排气添加量、排气流量、排气温度等推定第二氧化催化剂 16 的 HC 中毒量，在该 HC 中毒量达到阈值时，进行副喷射。 进而，也可以每隔规定的 时间进行副喷射。
其次，对于本实施例中的过滤器 6 再生时的温度上升控制进行说明。 图 2 是表 示本实施例中的过滤器 6 的再生时的温度上升控制的流程的流程图。 本程序每隔过滤器 6 再生时的规定时间反复地执行。 另外，在 NOx 催化剂的硫磺中毒恢复时也可以进行同 样的温度上升控制。
在步骤 S101，排气温度增高。 在本步骤中，第一氧化催化剂 15 的温度上升。 通过使第一氧化催化剂 15 的温度上升到活性温度，副喷射的燃料能够因第一氧化催化剂 15 而反应。 另外，由于第一氧化催化剂 15 与第二氧化催化剂 16 相比容积小，所以，即 使该第一氧化催化剂 15 达到活性温度，由副喷射所喷射的燃料的一部分也不发生反应而 原样向下游流动。
在本步骤中，通过进行使由燃料喷射阀 11 进行的主喷射的正时推迟的延迟喷 射，或者进行继后喷射，在燃烧室内使燃料燃烧，使排气温度上升。 同时，通过关闭 EGR 阀 82 或者关闭节气门 4，可以进一步使排气温度上升。 另外，在配备有排气节气门 的情况下，也可以控制该排气节气门的开度。 这些构件也可以根据与内燃机转速及内燃
机负荷相关联的设定表进行控制。
在步骤 S102，判定流入第二氧化催化剂 16 的排气温度是否在例如 250℃以上。 该温度是排气添加的燃料能够因第二氧化催化剂 16 而进行反应的温度，例如，是第二氧 化催化剂 16 的活性温度。 排气温度可以利用上游侧温度传感器 17 获得。
在于步骤 S102 中作出肯定的判断的情况下，进入步骤 S104，另一方面，在作出 否定的判断的情况下，进入步骤 S103。
在步骤 S103，进行后补喷射。 对于该后补喷射的燃料喷射量，利用开环控制进 行控制。 如果第一氧化催化剂 15 达到活性温度，则由于由后补喷射排出的燃料的一部分 因第一氧化催化剂 15 而反应，所以，排气温度上升。 例如， ECU20 决定燃料喷射阀 11 的开阀正时及开阀时间，以便成为与内燃机转速及内燃机负荷相关联、预先通过实验等 获得的燃料喷射量。 然后，返回步骤 S102。
在步骤 S104，进行排气添加。 在本步骤中，由于第二氧化催化剂 16 的温度充 分上升，所以，使得通过排气添加的燃料因该第二氧化催化剂 16 而反应。 根据所要求的 发热量决定这时的排气添加量。 根据若通过排气添加产生多少热才能够达到目标温度来 决定所要求的发热量。 这要根据利用上游侧温度传感器 17 获得的排气温度、第二氧化催 化剂 16 和过滤器 6 的热容量以及排气流量来决定。
并且，进行调节排气添加量、以便使利用下游侧温度传感器 9 获得的过滤器 6 的 温度成为目标温度的反馈控制。 目标温度是过滤器 6 的再生所必需的温度。 这时，对排 气添加量进行学习修正，适应在下次以后的排气添加中学习修正的排气添加量。 这里， 当同时进行利用开环控制进行的副喷射和利用反馈控制进行的排气添加时，排气添加量 受到副喷射量的变动的影响。 但是，由于排气添加从添加燃料之后直到过滤器 6 的温度 上升为止的响应快，所以，利用排气添加能够充分地进行过滤器 6 的温度控制。 另外， 在进行排气添加量的学习控制的情况下，也受到副喷射量的变动的影响，但是，通过长 时间的学习或者多次学习，可以减少这种影响。
如上面所说明的那样，根据本实施例，在进行副喷射时，由于不进行反馈控 制，在进行排气添加时进行反馈控制，所以，可以容易地使过滤器 6 的温度与目标温度 相一致。 另外，由于在第二氧化催化剂 16 的温度例如上升到活性温度之后停止副喷射， 所以，能够抑制润滑油被燃料稀释等。 进而，通过即使在第二氧化催化剂 16 的温度例如 变成活性温度以上之后，也定期地进行副喷射，可以抑制该第二氧化催化剂 16 的温度下 降或堵塞。