废气净化系统的再生控制方法以及废气净化系统的制作方法

专利名称：废气净化系统的再生控制方法以及废气净化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及在内燃机的排气通路中具备对废气进行净化的废气净化装 置的废气净化系统的再生控制方法以及废气净化系统。
背景技术：
近年来对汽车的废气限制日益严格，仅靠发动机方面的技术开发已经 不能满足要求。利用后处理装置对废气进行净化己变得不可或缺。因此， 对于用来从柴油机和一部分汽油机等内燃机和各种燃烧装置的废气中还原
除去NOx(氮氧化物)的NOx催化剂、用来除去这些废气中的粒子状物质 (颗粒物质，以下称作PM)的发动机颗粒过滤装置(以下称作DPF装置)， 进行了各种研究并提出了各种方案。
其中，作为NOx净化催化剂，提出了 NOx吸藏还原型催化剂和NOx
直接还原型催化剂等。
载持有NOx吸藏还原型催化剂的NOx吸藏还原型催化剂装置通过载 持具有氧化功能的贵金属催化剂、和碱金属等具有NOx吸藏功能的NOx 吸藏材料而构成，由此，根据废气中的氧浓度不同而发挥NOx吸藏和NOx 放出、净化两种功能。
也就是说，在流入到NOx吸藏还原型催化剂装置的废气的空燃比为稀 (lean)状态的情况下，废气中的一氧化氮被贵金属催化剂氧化而变为二氧 化氮，该二氧化氮被NOx吸藏材料以硝酸盐的形式吸藏。另一方面，在废 气的空燃比为浓(rich)状态的情况下，硝酸盐从NOx吸藏材料中分解而 放出N02，并且，该N02借助贵金属催化剂的催化剂作用而被废气中的未 燃烧碳化氢和一氧化碳等还原为氮。因此，如果NOx吸藏材料的NOx吸 藏能力接近饱和，则要进行NOx再生控制，使得废气中的空燃比变为浓的 状态，以恢复NOx吸藏能力。
另外，载持有NOx直接还原型催化剂的NOx直接还原型催化剂装置
5通过在P型沸石等载体上载持作为催化剂成分的铑和钯等金属而构成，对
NOx进行直接还原。在进行该还原时，氧被吸附到作为催化剂的活性物质 的金属上，从而NOx还原性能恶化。因此，为了恢复NOx还原性能，进 行通过使废气的空燃比变为浓的状态而恢复NOx还原性能恢复用的NOx 再生控制，对催化剂的活性物质进行再生而使其活性化。
在这些具备NOx净化催化剂装置的废气净化系统中，进行该空燃比浓 控制的NOx再生装置通常被控制成，当NOx吸藏量、NOx净化率、稀空 燃比持续时间等一个条件达到预先设定的阈值时，自动开始再生。
于是，如果是柴油机等，则不进行NOx再生控制的通常运转状态下的 燃烧是氧过多状态下的稀空燃比状态。因此，为了利用该NOx再生控制来 获得浓空燃比状态，需要进行NOx再生用的空燃比浓控制，或者减少吸气 量，或者增加燃料量，或者同时采取两种措施。
在该减少吸气量的吸气系统空燃比浓控制中，有增加EGR量、废气节 流、和吸气节流等方法。另外，在增加燃料量的燃料系统空燃比浓控制中， 有压力缸内(筒内)喷射中的后喷射、和排气管内直接喷射等方法，该排 气管内直接喷射是指，通过直接向排气管喷射轻油等燃料，而向流入到NOx 净化催化剂装置中的废气中供给HC、 CO等还原剂。
该排气管内直接喷射与后喷射相比有不会对发动机运转状态造成影响 的优点。使用该排气管内直接喷射的内燃机废气净化装置和内燃机的废气 净化系统例如已在日本特开2003 — 269155号公报和日本特开2004 — 346798号公报中提出。
但是，在进行NOx再生控制时，就从稀空燃比状态切换到浓空燃比状 态的排气管内直接喷射而言，即使开始了从还原剂喷射装置向排气管内喷 射还原剂，如果进行的是定量喷射，则由于还原剂喷射装置的特性的原因， 也不会瞬间达到目标供给量。也就是说，会产生响应的时间延迟。因此， 如图4所示，不能使废气中的空燃比状态(空气过剩率入)瞬间达到浓空 燃比状态，而是如图4的A所示那样，空燃比缓慢变化。
结果，在再生控制的初期由于废气中存在着氧，所以供给的还原剂会 被NOx吸藏还原型催化剂的催化金属的催化剂作用氧化而被消耗掉。结果， 不能将从NOx吸藏还原型催化剂放出的NOx充分还原。于是，在该NOx再生时，特别是在再生初期，NOx的放出量较多，所 以如图4的B所示那样，NOx在NOx吸藏还原型催化剂装置的下游侧会 大量地放出(泄漏、7 7°))，尽管这是暂时的，但还会有NOx净化性 能恶化的问题。另外，由于供给的还原剂的消耗量变少，所以还原剂的氧 化所产生的放热不充分，从而NOx吸藏还原型催化剂的升温缓慢，还会产 生催化剂的活性化较慢的问题。
然后，如图4的C所示那样，还原剂量变多而变成极浓空燃比状态， 即使在NOx放出结束之后仍向废气中供给与未被还原的NOx对应的量的 还原剂。因此，如图4的D所示那样，还原剂流出到NOx吸藏还原型催化 剂装置的下游侧，产生HC、 CO泄漏的问题。另外，由于供给了对NOx 的还原没有贡献的还原剂，所以会导致燃料消耗率的恶化。
该还原剂供给的问题，不仅存在于仅有NOx吸藏还原型催化剂装置的 废气净化系统中，在NOx吸藏还原型催化剂装置的上游侧配置有氧化催化 剂的废气净化系统等中也会产生。
本发明人鉴于这些状况进行了实验和模拟计算等，结果得到下述发现。
在NOx再生时，如图3所示，在再生初期，使流入NOx吸藏还原型 催化剂装置的废气中的还原剂浓度迅速达到以空气过剩率换算为0.70 0.90左右的高浓度(E、 F)，然后设成以空气过剩率换算为0.80 1.00左右 的低浓度(G)。由此，能够如图3的H所示，减小再生初期的NOx吸藏 还原型催化剂装置下游侧的NOx浓度的峰值。另外，NOx吸藏还原型催化 剂装置的下游侧的HC浓度和CO浓度在再生初期也有小的峰值(1)，但可 以消除结束时的峰值。
另一方面，还提出了下述废气净化系统，该系统在捕集废气中的PM 的DPF装置中具备载持NOx吸藏还原型催化剂的催化剂载持DPF装置 (CSF)、和其下游侧的NOx吸藏还原型催化剂装置。
在该废气净化系统中，为了避免DPF的过度堵塞，在捕集的PM的堆 积量超过规定的判定值时，进行PM再生控制。在该PM再生控制中，在 流入到催化剂载持DPF装置的废气温度为低温的情况下，升温而使所载持 的催化剂活性化，并且，从还原剂喷射装置向废气中供给燃料等还原剂。 利用载持催化剂的催化剂作用氧化该还原剂，利用该氧化热来使催化剂载持DPF装置升温到PM燃烧开始温度以上，燃烧除去PM。
在现有的系统的，为了使PM再燃烧，首先，利用后喷射等将供给废 气温度升温到设置于上游侧的氧化催化剂的活性化温度，然后，向氧化催 化剂供给燃料，将废气升温到PM再燃烧温度也就是60(TC左右。由此，使 PM燃烧。
这种情况下，由于是使向催化剂供给的所有废气都升温到60(TC，所以 有燃料消耗率恶化的大问题。另外，由于PM燃烧是局部燃烧，所以在废 气的平均温度达到60(TC的高温的情况下，局部的温度将达到800'C左右， 有导致载持催化剂的早期劣化的问题。
而且，如前所述，由于频繁的PM再生会导致燃料消耗率的极大恶化， 所以是在有相当量的PM积存在过滤器内之后才进行PM再生燃烧。因此， 局部温度将变为更高温度，而且，由于PM的积存，排出压力上升，有进 一步导致燃料消耗率恶化的问题。
对于该DPF装置，本发明人也进行了实验和模拟计算等。结果发现 如果在不设置过滤器上游的氧化催化剂的情况下进行PM再生控制，则通 过不进行导致燃料消耗率恶化的全部废气升温，而在PM积存初期的少量 PM积存时进行下述那样的PM再生，能够解决上述问题。
在PM再生控制中，如图6所示，PM积存量越小，则PM再生速度越 快。也就是说，PM燃烧中，PM积存量越小，燃烧速度越快，越能在短时 间内消耗PM，相反，PM积存量变多，则燃烧速度将大幅下降从而燃烧难 以进行。鉴于此，在PM积存初期的PM少量积存时进行PM再生。例如， 优选每进行5至6次NOx再生，进行一次PM再生控制。
因此，在该PM再生控制中，不是使全部废气升温，故而燃料消耗率 的恶化较少，而且，由于是在由PM积存引起的排出压力上升较小的初期 进行PM再生，所以能够防止燃料消耗率增加。
另外，在该PM再生控制中，直接向废气中添加燃料，向催化剂载持 DPF装置(CSF)供给作为还原剂的HC。这种情况下，在PM再生控制的 初期，是以空气过剩率换算为1.5 5.0的燃料较少的稀空燃比状态。然后， 变成以空气过剩率换算为1.0 0.9的浓空燃比状态。然后，再次变成以空 气过剩率换算为1.5 5.0的燃料较少的稀空燃比状态。由此，即便在PM再生中，也能防止NOx放出，同时还能净化HC、 CO，在不使废气过度升 温的情况下完成PM的迅速燃烧。因此，能够防止燃料消耗率的恶化和催 化剂的劣化。
在该最初的稀空燃比状态下，如果HC吸附在催化剂载持DPF装置的 氧化催化剂表面上，则由于有足够的氧，所以能够使少量的积存PM点燃。 通过该点燃，仅氧化催化剂表面局部升温。由于该升温，吸藏在催化剂中 的放出。借助该N02， PM燃烧，N02变成NO。该放出的NO被下游侧 的NOx吸藏还原型催化剂吸藏，从而防止其向大气中放出。
通过在其后使燃料变浓而设成浓空燃比状态，使配置在下游侧的NOx 吸藏还原型催化剂中吸藏的NO放出并且利用氧化催化剂进行还原净化。 在该还原中未使用(过剩)的HC、 CO被NOx吸藏还原型催化剂下游侧的 三元催化剂或者氧化催化剂氧化而净化，或是被吸附而得到净化。另外， 同时向NOx吸藏还原型催化剂的下游侧流出的NOx (泄漏NOx)也得到 净化。并且，通过再次设成燃料较少的稀空燃比状态，得到更高的HC、 CO净化活性。
但是，在现有技术中，在进行这些废气净化装置的再生而供给还原催 化剂时，并没有为了应对再生时废气净化装置的状态的时间性变化而随时 间改变流入到废气净化装置中的废气中的还原剂浓度。因此，希望进行合 适的控制。
专利文献l:日本特开2003—269155号公报 专利文献2:日本特开2004—346798号公报

发明内容
本发明是鉴于上述观点，为了解决上述问题而作出的。其目的在于提 供一种废气净化系统的再生控制方法以及废气净化系统，该再生控制是用 于恢复废气净化装置的净化能力的控制，其中，能够进行与再生时废气净 化装置的状态的时间性变化相对应的再生控制，能以适当量向废气净化装 置供给还原剂从而高效地恢复净化能力，并且能够防止还原剂向废气净化 装置下游侧流出。
用于实现上述目的的废气净化系统的再生控制方法是废气净化系统的控制方法，该废气净化系统在内燃机的排气通路中配置废气净化装置，在 上述废气净化装置的上游侧设置向废气中供给还原剂的还原剂供给装置， 并且具备控制装置，在进行用来恢复上述废气净化装置的净化能力的再生 时，该控制装置进行从上述还原剂供给装置向流入到上述废气净化装置的 废气中供给还原剂的还原剂供给控制，该废气净化系统的再生控制方法的 特征在于，在进行上述废气净化装置的再生而供给还原剂时，对应于再生 时废气净化装置的状态的时间性变化而随时间改变流入到上述废气净化装 置的废气中的还原剂浓度。
根据该方法，在进行用来恢复废气净化装置的净化能力的再生时，能 够始终以适当的量供给还原剂从而控制废气中的还原剂浓度，能高效地恢 复净化能力。另外，能够防止还原剂向废气净化装置的下游侧流出。
另外，在上述废气净化系统的再生控制方法中，其特征在于，上述废 气净化装置是载持NOX吸藏还原型催化剂的废气净化装置，在进行该废气
净化装置的NOx再生而供给还原剂时，在再生初期的0.01s 0.50s期间， 使流入到上述废气净化装置的废气中的还原剂浓度达到以空气过剩率换算 为0.70 0.80的高浓度，并以规定时间维持以空气过剩率换算为0.70 0.90 的高浓度，在其后的规定时间的期间，设成以空气过剩率换算为0.80 1.00 的低浓度，然后停止还原剂的供给。
在废气净化装置是NOx吸藏还原型催化剂装置的情况下，在进行NOx 再生的浓空燃比控制时，在再生初期，由于NOx的放出量多而需要消耗催 化剂表面的吸附02，所以需要迅速消耗并还原该02的消耗和放出的NOx， 从而需要在再生初期迅速达到高浓度。另一方面，其后NOx的放出量变少， 大致为恒定的量，所以需要设成低浓度。
所谓的迅速，是指NOx的再生控制时间每次例如为2s (秒) 5s (秒) 左右。在瞬间，例如0.01 0.50s左右的期间，达到以空气过剩率换算为 0.70 0.80的最高浓度。该最高浓度和以空气过剩率换算为0.70 0.90 (更 优选的范围是以空气过剩率换算为0.75 0.85)的高浓度维持0.10s 2.5s 左右的期间。然后，在0.203 4.03的期间内维持以空气过剩率换算为0.80 1.00 (更优选的范围是0.90 1.00)的低浓度，之后停止还原剂的供给。
另外，如果以占再生控制期间的比例来描述优选例子，则再生控制期间的1% 5%的期间内达到最高浓度，高浓度维持时间占再生控制期间的
20% 40%，低浓度维持期间占再生控制期间的40% 60%，从低浓度向 稀空燃比状态恢复的期间为再生控制期间的剩余时间(15% 40%)。
该废气中的还原剂浓度的时间性变化例如可通过进行下述控制实现 在还原剂供给装置中使用容量大的燃料添加阀，在再生控制的各个期间， 利用占空比控制等改变喷射量。
另外，在废气净化系统的再生控制方法中，其特征在于，上述废弃净 化系统具备载持NOx吸藏还原型催化剂的催化剂载持DPF装置、和配置 在该催化剂载持DPF装置的下游侧的NOx吸藏还原型催化剂装置，在进 行上述废气净化装置的PM再生而供给还原剂时，在再生初期的规定时间 的期间，使流入到上述废气净化装置的废气中的还原剂浓度达到以空气过 剩率换算为1.5 5.0的低浓度，其后的规定时间的期间设成以空气过剩率 换算为0.90 1.00的高浓度，在其后的规定时间的期间，设成以空气过剩 率换算为1.5 5.0的低浓度，然后停止还原剂的供给。
在该再生中，PM再生控制的期间每次例如为10s 240s左右(通常为 2 3分钟)。在再生初期的1.0 60.0s左右的期间里，达到以空气过剩率换 算为1.5 5.0 (更优选的范围是1.10 2.0)的低浓度。该低浓度维持3.0 60.0s左右的期间。然后，在3.0 60.0s左右的期间内维持以空气过剩率换 算为0.90 1.00 (更优选的范围是0.95 1.00)的高浓度。进而，在3.0 60.0s左右的期间内维持以空气过剩率换算为5.0 1.5的低浓度，然后停止 还原剂的供给。
另外，如果以占再生控制期间的比例来描述优选例子，则再生控制期 间的10% 25%的期间内设成低浓度。并且，再生初期的低浓度维持期间 占再生控制期间的30% 50%，高浓度维持时间占再生控制期间的30% 50%，再生结束时的低浓度维持期间为再生控制期间的剩余时间(15% 30%)。
利用该方法，能够始终以适当的量供给还原剂，控制废气中的还原剂 浓度，能高效地恢复净化能力，而且能够防止还原剂向废气净化装置下游 侧流出。
另外，在难以使用能够实现喷射量的短时间内变化的燃料添加阀作为还原剂供给装置的情况下，使用定量喷射等形式的燃料添加阀。由此，在 下述废气净化系统中，能在再生初期迅速地将流入到上述废气净化装置的 废气中的还原剂浓度设成高浓度，然后设成低浓度。
该废气净化系统的再生控制方法特征在于，该废弃净化系统在内燃机 的排气通路中配置废气净化装置，在上述废气净化装置的上游侧设置还原 剂供给装置，并且具备控制装置，在进行用来恢复上述废气净化装置的净 化能力的再生控制时，该控制装置进行从上述还原剂供给装置向流入到上 述废气净化装置的废气中供给还原剂的还原剂供给控制，该废气净化系统 的再生控制方法的特征在于，在上述废气净化装置的上游侧分支上述排气 通路，设置第1分支排气通路和第2分支排气通路并使它们在上述废气净 化装置的上游侧合流，在上述第1分支排气通路中配置上述还原剂供给装 置，并且设置控制上述第1分支排气通路的废气流的流路控制机构，上述
废气净化装置载持NOx吸藏还原型催化剂，在进行该NOx吸藏还原型催 化剂的NOx再生而供给还原剂时，利用上述流路控制机构，停止上述第l 分支排气通路中的废气流，在从上述还原剂供给装置向上述第1分支排气 通路内的废气中供给还原剂之后，维持该还原剂的供给，同时利用上述流 路控制机构，使上述第1分支排气通路的废气流动，并且停止上述第2分 支排气通路的废气流，然后在以规定时间进行还原剂的供给之后停止。
或者，该废弃净化系统在内燃机的排气通路中配置废气净化装置，在 上述废气净化装置的上游侧设置还原剂供给装置，并且具备控制装置，在 进行用来恢复上述废气净化装置的净化能力的再生控制时，该控制装置进 行从上述还原剂供给装置向流入到上述废气净化装置的废气中供给还原剂 的还原剂供给控制，其特征在于，在上述废气净化装置的上游侧分支上述 排气通路，设置第1分支排气通路和第2分支排气通路并使它们在上述废 气净化装置的上游侧合流，在上述第1分支排气通路中配置上述还原剂供 给装置，并且设置控制上述第1分支排气通路的废气流的流路控制机构， 上述废气净化装置载持NOx吸藏还原型催化剂，上述控制装置在进行该 NOx吸藏还原型催化剂的NOx再生而供给还原剂时，利用上述流路控制机 构，停止上述第1分支排气通路中的废气流，在从上述还原剂供给装置向 上述第1分支排气通路内的废气中供给还原剂之后，维持该还原剂的供给，同时利用上述流路控制机构，使上述第1分支排气通路的废气流动，并且 停止上述第2分支排气通路的废气流，然后在以规定时间进行还原剂的供 给之后停止。
根据这些废气净化系统的再生控制方法以及该废气净化系统，在再生
时使废气流流向第2分支排气通路侧，停止第1分支排气通路的废气流，
在该状态下，将还原剂供给到滞留在第1分支排气通路中的废气中。因此， 即使在使用从喷射开始起慢慢增加所供给的还原剂量的燃料添加阀的情况 下，滞留在第1分支排气通路内的末端侧的废气的还原剂浓度也较高，而 其后侧的废气的还原剂浓度较低。
因此，如果之后恢复第1分支排气通路的废气流动，则高浓度的废气
会首先流入到NOx吸藏还原型催化剂装置，然后低浓度的废气流入到NOx 吸藏还原型催化剂装置中。
因此，通过设置第2分支排气通路和流路控制机构，即使使用响应性 差的燃料添加阀，在进行废气净化装置的NOx再生时，也可以在再生初期 使流入到NOx吸藏还原型催化剂装置中的废气中的还原剂浓度迅速达到高 浓度，然后设成低浓度。
并且，优选地，在进行NOx吸藏还原型催化剂的NOx再生而供给还 原剂时，在再生初期的0.01s至0.50s期间，将流入到废气净化装置的废气 中的还原剂浓度设为以空气过剩率换算为0.70 0.80的高浓度，并以规定 时间维持以空气过剩率换算为0.70 0.90的高浓度。在其后的规定时间的 期间，设成以空气过剩率换算为0.80 1.00的低浓度，然后停止还原剂的 供给。由此，能够始终以适当的量供给还原剂，将废气中的还原剂浓度维 持在合适水平。因此，能够高效恢复净化能力，而且能够防止还原剂向废 气净化装置下游侧流出。
另外，可以应用于上述废气净化装置从上游侧起依次具有载持NOx吸 藏还原型催化剂的催化剂载持DPF装置、NOx吸藏还原型催化剂装置、载 持氧化催化剂或三元催化剂的催化剂装置而成的情况，能够获得很好的效 果。
发明效果
根据本发明的废气净化系统的再生控制方法以及废气净化系统，在用于恢复废气净化装置的净化能力的再生控制中，能随时间改变流入到废气 净化装置中的废气的还原剂浓度，进行考虑了再生的机理和再生时废气净 化装置状态的时间性变化的再生控制，所以能够高效恢复净化能力，并且 能够防止还原剂向废气净化装置的下游侧流出。


图1是表示本发明第1实施方式的废气净化系统的整体结构的图。
图2是表示本发明第2实施方式的废气净化系统的整体结构的图。 图3是示意性表示本发明的NOx再生控制时的、流入到废气净化装置
中的空气过剩率的时间性变化和流出的废气中的NOx浓度、HC浓度、CO
浓度的图。
图4是示意性表示现有技术的NOx再生控制中的、流入到废气净化装 置中的空气过剩率的时间性变化和流出的废气中的NOx浓度、HC浓度、 CO浓度的图。
图5是示意性表示本发明的PM再生控制中的、流入到废气净化装置 中的空气过剩率的时间性变化和流出的废气中的NOx浓度、DPF载持催化 剂表面温度、DPF入口废气温度的图。
图6是表示PM积存量和PM再生速度的关系的图。
具体实施例方式
以下，对本发明实施方式的废气净化系统的再生控制方法以及废气净 化系统，以具有载持NOx吸藏还原型催化剂的DPF装置以及NOx吸藏还 原型催化剂装置的废气净化装置为例，参照附图进行说明。
这里所说的废气的浓空燃比状态，是指流入到废气净化装置中的废气 中供给的空气量和燃料量之比接近于理论空燃比的状态(理论空燃比状态) 或燃料量比理论空燃比多的浓燃烧比的状态。
下面对本发明第1实施方式进行说明。图1表示该第1实施方式的废 气净化系统1的结构。在该废气净化系统1中，在发动机(内燃机)E的 排气通路3中配置废气净化装置20。
该废气净化装置20从上游侧起依次具有载持NOx吸藏还原型催化剂
14的催化剂载持DPF装置21、 NOx吸藏还原型催化剂装置22、载持氧化催 化剂或三元催化剂的催化剂装置23。
催化剂载持DPF21通过在整体蜂窝型壁流式过滤器的局部载持由催化 剂金属和NOx吸藏材料(NOx吸藏物质)构成的NOx吸藏还原型催化剂 而构成。该过滤器通过将多孔质陶瓷的蜂窝小室的入口和出口交替地密封 而构成。作为催化剂金属，有铂、钯等，作为NOx吸藏材料，有钯等。
在该催化剂载持DPF21中，利用多孔质陶瓷的壁面捕集废气中的PM (粒子状物质)。与此同时，利用所载持的NOx吸藏还原型催化剂，在氧 浓度高的废气的空燃比稀的状态下，废气中的NOx由NOx吸藏材料吸藏。 另外，在氧浓度低或者为零的废气的空燃比浓的状态下，放出所吸藏的 NOx，并且利用催化剂金属的催化剂作用还原所放出的NOx。由此，防止 NOx向大气流出。
NOx吸藏还原型催化剂装置22通过在整体催化剂上设置氧化铝、氧化 钛等催化剂涂覆层，并在该催化剂涂覆层上载持NOx吸藏还原型催化剂而 构成。该整体催化剂由异性石、碳化硅、极薄板不锈钢等形成。该整体催 化剂的构造材料的载持体具有多个小室，而且，设置在该小室的内壁上的 催化剂涂覆层具有大的表面积，提高了与废气的接触效率。
该NOx吸藏还原型催化剂装置22净化没有被催化剂载持DPF21净化 的NOx。特别是，该装置22起到如下所述的大作用对进行催化剂载持 DPF21的PM再生时从升温后的催化剂载持DPF21的催化剂表面放出的 NOx进行净化，防止NOx向废气净化装置20的下游侧流出。
催化剂装置23在蜂窝状载体的表面上设置催化剂涂覆层，在该催化剂 涂覆层上载持三元催化剂等而形成。该载体由异性石或者耐热钢形成，催 化剂涂覆层由活性氧化铝等形成。另外，三元催化剂由薄、钯、铑等贵金 属构成的氧化催化剂等形成。该催化剂装置23用于将从NOx吸藏还原型 催化剂装置22流出的HC、 CO等氧化而使得这些成分不会向大气中放出。
另外，为了在空燃比浓控制中进行排气管内直接喷射，在废气净化装 置20的上游侧的排气通路3中，设置HC供给阀(燃料添加阀还原剂供 给装置)17。该HC供给阀17供给包含作为NOx的还原剂的碳化氢(HC) 的轻油等燃料F。该HC供给阀17用来将从燃料箱13利用泵14升压后的发动机E的燃料(还原剂)F直接喷射到排气通路3中，将流入到废气净 化装置20中的废气G的空燃比设成浓的状态，是用来利用排气管内直接喷 射进行空燃比浓控制的机构。
另外，在该第1实施方式中，该HC供给阀17由比较大容量的燃料添 加阔形成，该阀能够利用占空比控制等在短时间内改变燃料喷射量。
另外，在吸气通路2中，配置有空气清洁器5、测定吸气量的空气流量 传感器(MAF传感器)6、涡轮增压器7也就是压縮机、用来调节吸气量 的吸气节流阀8。另外，在废气净化装置20上游侧的排气通路3中配置有 还原剂供给装置的燃料添加阀17，在EGR通路4中配置有EGR冷却器11 和调整EGR量的EGR阀12。
另外，为了监视催化剂载持DPF装置21的堵塞状态，在连接废气净 化装置20的上游侧和下游侧的导管中设置有压差传感器31。而且，为了检 测废气的温度，在催化剂载持DPF装置21的上游侧配置第1温度传感器 32，在催化剂载持DPF装置21的下游侧设置第2温度传感器33，进而， 在催化剂装置23的下游侧配置第3温度传感器34。
而且，为了进行空燃比控制，在废气净化装置20的上游侧配置第1氧 浓度传感器35，在废气净化装置20的下游侧配置第2氧浓度传感器36。 进而，为了检测NOx净化率，在废气净化装置20的上游侧配置第1N0x 浓度传感器37，在下游侧配置第2NOx浓度传感器38。
另外，设置有进行发动机E运转的全盘控制并且进行PM再生控制和 NOx再生控制和硫磺排出控制的控制装置(ECU:发动机控制单元)30。 利用该PM再生控制，燃烧除去堆积在催化剂载持DPF装置21上的PM。 利用该NOx再生控制，恢复NOx吸藏还原型催化剂装置22的NOx净化 能力。利用硫磺排出装置，使NOx吸藏还原型催化剂装置22从硫磺中毒 状态恢复。
向该控制装置30中输入压差传感器31、第1至第3温度传感器32、 33、 34、第1以及第2氧浓度传感器35、 36、第1以及第2NOx浓度传感 器37、 38等的检测值。从该控制装置30输出对发动机E的吸气节流阀8、 EGR阀12、共轨15上连接的燃料喷射用共轨电子控制燃料喷射装置的燃 料喷射阀16等进行控制的信号。在该NOx净化系统l中，空气A通过吸气通路2的空气净化器5、空 气流量传感器6。然后，空气A被涡轮增压器7也就是压縮机压縮而升压。 之后，空气A的量被吸气节流阀8调整后经吸气歧管进入压力缸内。然后， 在压力缸内产生的废气G从废气歧管排出到排气通路3中，驱动涡轮增压 器7的涡轮。之后，废气G通过废气净化装置20而变为净化后的废气Gc， 再通过未图示的消声器排出到大气之中。另外，废气G的一部分作为EGR 气体Ge而通过EGR通路4的EGR冷却器11 ，其量受到EGR阀12的调 节而再循环到吸气歧管中。
在该具备载持着NOx吸藏还原型催化剂的催化剂载持DPF21和NOx 吸藏还原型催化剂装置22的废气净化系统1中，通过装入到发动机E的控 制装置30中的催化剂再生控制机构，在NOx吸藏推定积存量达到与NOx 吸藏饱和量相关的规定极限量(判定量)时，进行NOx再生控制，将废气 G的空燃比设成浓的状态，放出吸收的NOx。利用贵金属催化剂来使该放 出的NOx还原。通过该再生处理，恢复NOx吸藏能力。
另外，在本发明中，在进行废气净化装置20的NOx吸藏还原型催化 剂的NOx再生时，进行利用占空比控制等改变HC供给阀17的喷射量的 控制，从而对应于再生的机理的时间性变化，来随时间改变流入到废气净 化装置20中的废气中的还原剂浓度。由此，在再生初期迅速达到规定范围 内的高浓度，然后设成规定范围内的低浓度。使该低浓度维持预先确定的 时间的期间，或者维持到从NOx再生状态的监视得到的结束时间，然后关 闭HC供给阀17，结束还原剂向废气中的供给。
更具体地说，如图3所示，例如，在每次2s (秒) 5s的NOx再生 控制期间，例如在0.01s 0.50s的期间Tl内，为0.70 0.80的最高浓度入 max，该最高浓度入max和以空气过剩率换算为0.70 0.90 (更优选的范围 是0.75 0.85)的高浓度维持0.10s 2.5s的期间T2。然后，在0.20s 4.0s 的期间T3内维持空气过剩率换算为0.80 1，00 (更优选的范围是0.90 1.00)的低浓度，然后停止还原剂的供给。
或者，如果按照占再生控制期间的比例来说，则再生控制期间的1% 5%的期间Tl中达到最高浓度。而高浓度维持期间T2为再生控制期间的 20% 40%，低浓度维持期间T3为再生控制期间的40% 60%，从低浓度向稀状态恢复的期间T4为再生控制期间的剩余时间(15% 40%)。另 夕卜，高浓度以空气过剩率换算为0.70 0.90 (更优选的范围是0.75 0.85)， 低浓度以空气过剩率换算为0.80 1.00 (更优选的范围是0.卯 1.00)。
将与这各个控制期间及还原剂浓度对应的HC供给阀17的控制数据作 为映像数据存储到控制装置30中。该映像数据预先通过实验和模拟计算等 求得。在NOx再生控制中，通过参照这些映像数据，能够容易地实现各控 制期间和还原剂浓度的控制。
即，在废气净化装置20的NOx吸藏还原型催化剂的NOx再生的情况 下，在进行NOx再生的空燃比浓控制时，再生初期NOx的放出量较多， 所以需要迅速还原该放出的NOx。因此，在再生初期迅速达到高浓度。然 后，NOx放出量变少，并达到大致恒定的量，所以设成低浓度。通过进行 该NOx再生控制，能够始终以适当的量供给还原剂，将废气中的还原剂浓 度维持在最佳水平。结果，能够高效地恢复净化能力，而且能够防止还原 剂向废气净化装置下游侧流出。
另外，在具备该催化剂载持DPF装置21的废气净化系统1中，借助 装入在发动机E的控制装置30中的PM再生控制机构，在利用由压差传感 器31检测到的压差推定的PM的推定累积量达到与DPF的堵塞量相关的 规定界限量(判定量)时，进行PM再生控制。在该PM再生控制中，根 据需要使流入到催化剂载持DPF装置21中的废气升温到催化剂活性温度 以上，并且供给还原剂，将催化剂载持DPF装置21升温到PM燃烧开始 温度以上。通过该升温，燃烧除去所捕集的PM，恢复PM捕集能力。
另外，在本发明中，在进行废气净化装置20的PM再生时，进行利用 占空比控制等改变HC供给阀17的喷射量的控制。由此，对应于再生的机 理的时间性变化来随时间改变流入到废气净化装置20中的废气中的还原剂 浓度。在再生初期设为规定范围内的低浓度，然后设成规定范围内的高浓 度，在再生结束时设成规定范围内的低浓度。然后，关闭HC供给阀17， 结束还原剂向废气中的供给。
更具体地说，如图5所示，在每次10s 240s的PM再生控制期间中， 例如在1.0s 60.0s的期间T5内为以空气过剩率换算为1.5 5.0的低浓度， 在3.0s 60.0s的期间T6中维持该低浓度。然后，在3.0s 60.0s的期间T7中维持以空气过剩率换算为0.90 1.00的高浓度。进而，在3.0s 60.0s的 期间T8内维持以空气过剩率换算为1.50 5.0的低浓度，然后停止还原剂 的供给。
或者，根据占再生控制期间的比例，在再生控制期间的10% 25%的 期间T5内为低浓度。而且，再生初期的低浓度维持期间T6占再生控制期 间的30% 50%，高浓度维持期间T7占再生控制期间的30% 50%，再 生结束时的低浓度维持期间(T8+T9)为再生控制期间的其余时间(15% 30% )o
该高浓度维持期间T6是随PM的燃烧除去程度变化的值。因此，该 T6优选在利用压差传感器31监视PM的燃烧除去状态、换言之过滤器堵 塞的恢复状态的同时，适当地重新设定。
另外，再生初期的低浓度以空气过剩率换算为1.5 5.0，中间的高浓度 以空气过剩率换算为0.90 1.00，再生结束时的浓度以空气过剩率换算为 1.5 5.0。
将与这各个控制期间以及还原剂浓度对应的HC供给阀17的控制数据 以映像数据的形式存储在控制装置30中。该映像数据预先通过实验和模拟 计算等求得。在NOx再生控制中通过参照这些映像数据，能够容易地实现 各控制期间和还原剂浓度的控制。
艮口，在废气净化装置20的催化剂载持DPF装置21的PM再生的情况 下，在进行PM再生的废气升温控制时，在再生初期，需要作为点火源而 供给还原剂，使其与氧化催化剂反应，来使氧化催化剂的表面温度上升。 因此，为了使得点火容易进行，需要一定程度的氧，所以将还原剂设为低 浓度。然后，利用催化剂载持DPF装置21的升温，从催化剂载持DPF装 置21的NOx催化剂放出大量的N02。因此，需要利用还原剂还原该N02， 所以增加还原剂的供给而成为高浓度。另外，利用此时放出的N02来使PM 燃烧。进而，在PM再生控制结束时，从催化剂载持DPF装置放出的NOx 的量减少。因此，需要减少废气中的还原剂，所以将还原剂设为低浓度。
利用该PM再生控制，始终以合适的量供给还原剂而将废气中的还原 剂浓度维持在最佳水平。由此，能够高效地恢复净化能力，另外，能够防 止还原剂向废气净化装置的下游侧流出。下面对本发明的第2实施方式进行说明。该第2实施方式的废气净化 系统1A的结构表示在图2中。该废气净化系统1A几乎与第1实施方式的 废气净化系统l是相同的系统结构，但在以下几点上不同。
在第2实施方式中，在废气净化装置20的上游侧将排气通路3分支而 设置第1分支排气通路3A和第2分支排气通路3B，使它们在废气净化装 置20的上游侧合流。在该第1分支排气通路3A中设置HC供给阀(燃料 添加阀还原剂供给装置)17A。
该第2实施方式的HC供给阀17A不必如第1实施方式的HC供给阀 17那样，不必由能通过占空比控制等在短时间内改变燃料喷射量的比较大 容量的燃料添加阀构成，而也可以由进行定量喷射的燃料添加阀和响应性 差的燃料添加阀构成。
另外，设置有控制该第1分支排气通路3A的废气流动的第1开闭阀(流 路控制机构)18A、控制第2分支排气通路3B的废气流动的第2开闭阀(流 路控制机构)19A。另外，如果代替第1开闭阀18A和第2开闭阀19A而 设置切换第1分支排气通路3A和第2分支排气通路3B的三通阀等切换阀 (流路控制机构未图示)，则能够减少阀的数量。
根据该第2实施方式的废气净化系统1A，在进行废气净化装置20的 NOx吸藏还原型催化剂的NOx再生时，与第1实施方式的废气净化系统1 同样，使流入到废气净化装置20中的废气中的还原剂浓度与再生的机理的 时间性变化也就是废气净化装置20的状态的时间性变化相对应地随时间变 化，在再生初期迅速达到高浓度，然后设成低浓度。
但是，并不是如第1实施方式那样使HC供给阀17的喷射量随时间变 化，而是如下面所述，组合进行HC供给阀17A的开闭控制和第1开闭阀 18A、第2开闭阀19A的开闭控制。另夕卜，在HC供给阀17A能够通过占 空比控制等改变喷射量的情况下，其喷射量的变化也一并利用。
在进行废气净化装置20的NOx再生时，利用第1开闭阀18A的关闭， 停止第1分支排气通路3A中的废气流动，并且，利用第2开闭阀19A的 打开来开通第2分支排气通路3B而使废气流动。在关闭该第1开闭阀18A 之后，打开HC供给阀17A而开始还原剂(燃料)F的排气管内直接喷射。 该排气管内直接喷射进行规定的时间。然后，继续进行排气管内直接喷射而维持还原剂的供给，同时打开开
闭阀18A，使废气在第1分支排气通路3A中流动。与此同时，关闭开闭阀 19A，进行停止第2分支排气通路3B的废气流动的控制。
在维持这一状态的同时，进行排气管内直接喷射预先确定的时间，或 者直到根据NOx再生状态的监视获得的结束时间。即，进行规定时间的还 原剂供给。
然后，关闭HC供给阀17A而停止排气管内直接喷射。通过该停止， 流入到废气净化装置20中的废气中的还原剂浓度慢慢减少，返回到NOx 再生之前的状态。
该开闭阀19A关闭后进行排气管内直接喷射的规定时间，是预先通过 实验或计算模拟等得到的、获得合适的废气浓度分布的时间。将该时间以 映像数据等形式存储在控制装置30中。通过在进行NOx再生控制时参照 该映像数据，能够将关闭第1开闭阀18A时第1分支排气通路3A的废气 中的还原剂浓度在前端侧设成规定范围内的高浓度，在后侧设成规定范围 内的低浓度。
结果，通过打开第1开闭阀18A而使具有规定浓度分布的废气流入到 废气净化装置20中，能够与第1实施方式的NOx再生控制同样地，在进 行NOx吸藏还原型催化剂的NOx再生而供给还原剂时，将流入到废气净 化装置20中的废气中的还原剂浓度如下所述般设定。在再生初期的0.01s 0.50s期间，设成以空气过剩率换算为0.70 0.80的高浓度，以规定的时间 维持以空气过剩率换算为0.70 0.90的高浓度。在之后的规定时间的期间， 设成以空气过剩率换算为0.80 1.00的低浓度。然后，停止还原剂的供给。 因此，能够在再生初期迅速达到高浓度，然后设成低浓度，如此这样实现 废气中的浓度的时间性变化。
根据该控制，在进行废气净化装置20的NOx再生时，能够使流入到 废气净化装置20中的废气中的还原剂浓度对应于再生的机理的时间性变 化。因此，能够高效地恢复NOx净化能力，并且能防止还原剂F向废气净 化装置20下游侧的流出。
另外，在第2实施方式中，也可以设成不设置第2开闭阀19A的结构。 这种情况下，设置第1分支排气通路3A和第2分支排气通路3B，以便废气的大部分不是流到第2分支排气通路3B中，而是流到第1分支排气通路
3A中。这种结构可以通过下述方式容易地形成利用现有的排气通路3构 成第1分支排气通路，利用从该排气通路3分支来的旁通通路形成第2分 支排气通路3B。
这种情况下，在进行废气净化装置20的NOx再生时，关闭第1开闭 阀18A而停止第1分支排气通路3A中的废气流动，而使废气流过始终开 通着的第2分支排气通路3B。在关闭该第1开闭阀18A之后，使用HC供 给阀17A开始还原剂F的排气管内直接喷射。该排气管内直接喷射进行规 定的时间。
然后，打开第1开闭阀18A而使第1分支排气通路3A的废气流动。 此时，始终开通着的第2分支排气通路3B中也有废气流动，但废气的大部 分流过第1分支排气通路3A，由于这样构成，所以在再生初期，流入到废 气净化装置20中的废气中的还原剂浓度迅速变为高浓度，然后变为低浓度。
产业实用性
具有上述优异效果的本发明的废气净化系统的再生控制方法以及废气 净化系统可以有效地应用于车载内燃机等许多内燃机的废气净化系统。
权利要求
1、 一种废气净化系统的再生控制方法，是下述废气净化系统的控制方 法，该废气净化系统在内燃机的排气通路中配置废气净化装置，在上述废 气净化装置的上游侧设置向废气中供给还原剂的还原剂供给装置，并且具 备控制装置，在进行用来恢复上述废气净化装置的净化能力的再生时，该 控制装置进行从上述还原剂供给装置向流入到上述废气净化装置的废气中 供给还原剂的还原剂供给控制，该废气净化系统的再生控制方法的特征在 于，在进行上述废气净化装置的再生而供给还原剂时，对应于再生时废气 净化装置的状态的时间性变化而随时间改变流入到上述废气净化装置的废 气中的还原剂浓度。
2、 如权利要求1所述的废气净化系统的再生控制方法，其特征在于， 上述废气净化装置是载持NOx吸藏还原型催化剂的废气净化装置，在进行 该废气净化装置的NOx再生而供给还原剂时，在再生初期的0.01s 0.50s 期间，使流入到上述废气净化装置的废气中的还原剂浓度达到以空气过剩 率换算为0.70 0.80的高浓度，并以规定时间维持以空气过剩率换算为 0.70 0.90的高浓度，在其后的规定时间的期间，设成以空气过剩率换算为 0.80 1.00的低浓度，然后停止还原剂的供给。
3、 如权利要求1所述的废气净化系统的再生控制方法，其特征在于， 上述废弃净化系统具备载持NOx吸藏还原型催化剂的催化剂载持DPF装 置、和配置在该催化剂载持DPF装置的下游侧的NOx吸藏还原型催化剂 装置，在进行上述废气净化装置的PM再生而供给还原剂时，在再生初期 的规定时间的期间，使流入到上述废气净化装置的废气中的还原剂浓度达 到以空气过剩率换算为1.5 5.0的低浓度，其后的规定时间的期间设成以 空气过剩率换算为0.卯 1.00的高浓度，在其后的规定时间的期间，设成 以空气过剩率换算为1.5 5.0的低浓度，然后停止还原剂的供给。
4、 一种废气净化系统的再生控制方法，该废弃净化系统在内燃机的排 气通路中配置废气净化装置，在上述废气净化装置的上游侧设置还原剂供 给装置，并且具备控制装置，在进行用来恢复上述废气净化装置的净化能力的再生控制时，该控制装置进行从上述还原剂供给装置向流入到上述废 气净化装置的废气中供给还原剂的还原剂供给控制，该废气净化系统的再 生控制方法的特征在于，在上述废气净化装置的上游侧分支上述排气通路，设置第1分支排气通路和第2分支排气通路并使它们在上述废气净化装置的上游侧合流，在 上述第1分支排气通路中配置上述还原剂供给装置，并且设置控制上述第1 分支排气通路的废气流的流路控制机构，上述废气净化装置载持NOx吸藏还原型催化剂，在进行该NOx吸藏还原型催化剂的NOx再生而供给还原剂时，利用 上述流路控制机构，停止上述第1分支排气通路中的废气流，在从上述还 原剂供给装置向上述第1分支排气通路内的废气中供给还原剂之后，维持 该还原剂的供给，同时利用上述流路控制机构，使上述第1分支排气通路 的废气流动，并且停止上述第2分支排气通路的废气流，然后在以规定时 间进行还原剂的供给之后停止。
5、 一种废气净化系统，该废弃净化系统在内燃机的排气通路中配置废 气净化装置，在上述废气净化装置的上游侧设置还原剂供给装置，并且具 备控制装置，在进行用来恢复上述废气净化装置的净化能力的再生控制时， 该控制装置进行从上述还原剂供给装置向流入到上述废气净化装置的废气 中供给还原剂的还原剂供给控制，其特征在于，在上述废气净化装置的上游侧分支上述排气通路，设置第1分支排气 通路和第2分支排气通路并使它们在上述废气净化装置的上游侧合流，在 上述第1分支排气通路中配置上述还原剂供给装置，并且设置控制上述第1 分支排气通路的废气流的流路控制机构，上述废气净化装置载持NOx吸藏还原型催化剂，上述控制装置在进行该NOx吸藏还原型催化剂的NOx再生而供给还 原剂时，利用上述流路控制机构，停止上述第l分支排气通路中的废气流， 在从上述还原剂供给装置向上述第1分支排气通路内的废气中供给还原剂 之后，维持该还原剂的供给，同时利用上述流路控制机构，使上述第1分 支排气通路的废气流动，并且停止上述第2分支排气通路的废气流，然后 在以规定时间进行还原剂的供给之后停止。
6、如权利要求5所述的废气净化系统，其特征在于，上述废气净化装 置从上游侧起依次具有载持NOx吸藏还原型催化剂的催化剂载持DPF装 置、NOx吸藏还原型催化剂装置、载持氧化催化剂或三元催化剂的催化剂 装置而成。
全文摘要
废气净化系统(1)在内燃机(E)的排气通路(3)中从上游侧起依次配置还原剂供给装置(17)和废气净化装置(20)，并具备控制装置，该控制装置进行将用来恢复上述废气净化装置(20)的净化能力的还原剂(F)供给到废气(G)中的还原剂供给控制，在该系统中，进行上述废气净化装置(20)的再生时，随时间改变流入到上述废气净化装置(20)的废气(G)中的还原剂浓度。由此，在用来恢复废气净化装置(20)的净化能力的再生控制中，进行考虑了再生的机理的时间性变化的还原剂供给控制，以适当的量供给还原剂(F)而高效地恢复净化能力。另外，与此同时，能够防止还原剂(F)向废气净化装置(20)的下游侧流出。
文档编号F01N3/28GK101313132SQ20068004358
公开日2008年11月26日 申请日期2006年9月20日 优先权日2005年11月21日
发明者我部正志, 长冈大治 申请人:五十铃自动车株式会社