CN1751171A - 内燃机的排气净化方法及排气净化装置 - Google Patents

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Abstract

在内燃机的排气通道内配置NOx吸收分解催化剂(20)。当在稀空燃比的状态下进行燃烧时，一氧化氮被NOx吸收分解催化剂(20)吸收分解，这时分解后的氧以氧离子O－的形式保持在NOx吸收分解催化剂(20)上。当通过加浓空燃比而清除所述一部分氧离子O－时，则其余的氧离子O－也被清除，这样即可恢复NOx吸收分解催化剂(20)的NOx净化性能。

Description

内燃机的排气净化方法及排气净化装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机的排气净化方法及排气净化装置。
背景技术
当在稀空燃比状态下进行燃烧时，作为用于净化废气中所含的NOx的催化剂，公知的催化剂是，在催化剂载体的表面上形成由碱金属或碱土类构成的NOx吸收剂层，并在载体表面上载持铂之类的贵金属的NOx催化剂(参照专利第2600492号公报)。利用该催化剂，在废气的空燃比稀薄时，废气中所含的NOx被铂氧化之后以硝酸或亚硝酸的形式被吸收到NOx吸收剂内。接着，若通过向燃烧室内或废气提供还原剂而在短时间内加浓废气的空燃比，则其间被NOx吸收剂吸收了的NOx被释放出来并被还原，然后，当废气的空燃比再次变得稀薄时，则重新将NOx吸收到NOx吸收剂内。
然而，废气中所含的NOx大部分是一氧化氮，因此，利用上述催化剂，从加浓废气的空燃比之后到下次加浓废气的空燃比的期间内生成的NO，即其间从燃烧室排出的NO以硝酸或亚硝酸的形式被NOx吸收剂所吸收。当提供还原剂而加浓废气的空燃比时，NOx吸收剂内的硝酸或亚硝酸被还原剂分解，从NOx吸收剂中释放还原。也就是说，当废气的空燃比加浓时，从NOx吸收剂中释放并还原与还原剂量相对应的NO。
然而，由于还原剂对硝酸或亚硝酸的分解能力实际并非100％，因而为了还原NOx吸收剂所吸收的NO，需要比还原NOx吸收剂中所吸收的NO所需的还原剂量还要多的还原剂。因此，在实际使用上述催化剂的情况下，为从NOx吸收剂中释放NO而提供的还原剂量应大于还原从上次提供还原剂之后到此次提供还原剂的期间内流入催化剂中的NO所需的还原剂量。
当内燃机高速运转时，由于燃烧温度上升，因而NOx的生成量增大，这样一来废气中的NOx浓度也随之增大。而且，当内燃机高速运转时，催化剂可保持的NO量减少。如上所述，由于内燃机高速运转时废气中的NO浓度增大而催化剂可保持的NO量减少，因而NOx吸收剂的NOx吸收能力在短时间内即完全饱和。因此，为了防止内燃机在稀空燃比状态下高速运转时出现NOx吸收剂的NOx吸收能力饱和，必须频频提供还原剂。
因此即使通过在稀空燃比状态下燃烧来节约燃料费，结果却由于频频提供还原剂，与在理论空燃比状态下持续燃烧时的燃料费并无太大差别，而且由于在理论空燃比状态下持续燃烧时可改善废气排放性，因而使在稀空燃比状态下进行燃烧变得毫无意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即使内燃机在稀空燃比状态下高速运转，也可确保节约燃料费并获得高NOx净化率的内燃机的排气净化方法以及排气净化装置。
为了实现上述目的，在本发明中，使内燃机燃烧室内的燃烧气体或已燃气体以及从内燃机燃烧室排出的废气与NOx吸收分解催化剂接触，在稀空燃比状态下进行燃烧时，上述气体中所含的氮氧化物被NOx吸收分解催化剂吸附并分解成氧和氮，将此时分解的氧保持在NOx吸收分解催化剂上，并且使此时分解的氮脱离NOx吸收分解催化剂，通过向NOx吸收分解催化剂提供将保持在NOx吸收分解催化剂上的部分氧从NOx吸收分解催化剂上清除所需的能量，从而从吸收分解催化剂上清除保持在NOx吸收分解催化剂上的一部分氧，在该清除作用的激发下，可将保持在吸收分解催化剂上的其余氧从NOx吸收分解催化剂上清除。
此外，在本发明中，在内燃机燃烧室内或内燃机排气通道内配置了NOx吸收分解催化剂，当在稀空燃比状态下进行燃烧时吸附燃烧气体或已燃气体中所含的氮氧化物并分解为氮和氧，保持此时分解出的氧并使分解出的氮脱离；具有能量提供装置，向NOx吸收分解催化剂提供将保持在NOx吸收分解催化剂上的部分氧从NOx吸收分解催化剂上清除所需能量的；通过向NOx吸收分解催化剂提供将保持在NOx吸收分解催化剂上的部分氧从NOx吸收分解催化剂上清除所需的能量，将保持在NOx吸收分解催化剂上的一部分氧从NOx吸收分解催化剂上清除，并在该清除作用的激发下，将保持在NOx吸收分解催化剂上的其余氧从NOx吸收分解催化剂上清除。
此外，在本发明的内燃机中，在内燃机排气通道内配置排气净化催化剂，当在稀空燃比状态下持续燃烧时，通过以周期性尖峰信号状加浓废气的空燃比来净化废气中的NOx，其中，采用NOx吸收分解催化剂作为上述排气净化催化剂，当在稀空燃比状态下进行燃烧时使一氧化氮分解并保持氧；通过周期性地向内燃机燃烧室内或处于NOx吸收分解催化剂上游的排气通道内提供还原剂，以周期性尖峰信号状加浓废气的空燃比；周期性提供的还原剂量，少于还原从上次提供还原剂后到此次提供还原剂的期间内流入NOx吸收分解催化剂中的一氧化氮所需的还原剂的量。
此外，在本发明的内燃机中，在内燃机排气通道内配置排气净化用催化剂，当在稀空燃比状态下持续燃烧时，通过以周期性尖峰信号状加浓废气的空燃比来净化废气中的NOx，其中，采用NOx吸收分解催化剂作为上述排气净化催化剂，当在稀空燃比状态下进行燃烧时使一氧化氮分解并保持氧；通过周期性地向内燃机燃烧室内或处于NOx吸收分解催化剂上游的内燃机排气通道内提供还原剂，以周期性尖峰信号状加浓废气的空燃比；从加浓废气的空燃比之后到下次加浓废气的空燃比的时间间隔，随NOx吸收分解催化剂的温度升高而增大。
附图说明
图1是火花点火式内燃机的整体图。
图2A～图2C是用于说明发现超强碱性点的情况的图。
图3A～图3D是用于说明一氧化氮的吸附和分解情况的图。
图4表示应提供的能量的量与NOx吸收分解催化剂的温度之间的关系。
图5是表示废气中的一氧化氮量的图像的图。
图6是表示所提供的能量的图。
图7是用于控制能量提供的流程图。
图8是表示空燃比的加浓控制的图。
图9是表示氧浓度和NOx浓度的变化的时间图。
图10是表示应提供的还原剂量与NOx吸收分解催化剂的温度之间的关系的图。
图11是表示空燃比的加浓控制的图。
图12是用于控制还原剂供给的流程图。
图13是进行硝酸根离子以及一氧化氮还原处理的流程图。
图14是表示经过时间的图。
图15是用于控制还原剂供给的流程图。
图16是表示火花点火式内燃机的另一实施例的整体图。
图17是用于控制还原剂供给的流程图。
图18是表示火花点火式内燃机的又一实施例的整体图。
图19是表示火花点火式内燃机的又一实施例的整体图。
图20是表示压燃式内燃机的整体图。
图21A及图21B是表示微粒过滤器的图。
图22是表示烟雾产生量的图。
图23A及23B是表示燃烧室内的气体温度等的图。
图24是表示运转区域I、II的图。
图25是表示空燃比A/F的图。
图26是表示节气门开度等的变化的图。
具体实施方式
图1表示将本发明应用于火花点火式内燃机时的情况。而本发明同样可适用于压燃式内燃机。
从图1可知，1是内燃机主体，2是汽缸体、3是汽缸盖、4是活塞、5是燃烧室、6是电控式燃料喷射阀、7是火花塞、8是进气阀、9是进气口、10是排气阀、11是排气口。进气口9通过所对应的进气管支管12与稳压箱13连接，稳压箱13通过进气管道14与空气过滤器15连接。在进气管道14内配置了由步进电动机16驱动的节气门17、还在进气管道14内配置了用于检测吸入空气的质量流量的吸入空气量传感器18。另一方面，排气口11通过排气歧管19与内置有NOx吸收分解催化剂20的催化净化器21连接。
排气歧管19和稳压箱13通过废气再循环(下文称为EGR)通道22彼此连接，在EGR通道22内配置了电控式EGR控制阀23。此外，还在EGR通道22周围配置了用于冷却在EGR通道22内流动的EGR气体的冷却装置24。在图1所示的实施例中，内燃机冷却水被引入冷却装置24内，利用内燃机冷却水冷却EGR气体。另一方面，各燃料喷射阀6通过燃料供给管25与油箱、即所谓的公共供油管26连接。由排出量可变的电控式燃料泵27向该公共供油管26内提供燃料，提供给公共供油管26内的燃料通过各燃料供给管25提供给燃料喷射阀6。在公共供油管26上安装了用于检测公共供油管26内的燃料压力的燃料压力传感器28，根据燃料压力传感器28的输出信号控制燃料泵27的排出量，以便使公共供油管26内的燃料压力达到目标燃料压力。
由于电子控制单元30由数字计算机构成，具有通过双向总线31彼此连接的ROM(只读存储器)32、RAM(随机存取存储器)33、CPU(微处理机)34、输入口35以及输出口36。吸入空气量传感器18和燃料压力传感器28的输出信号通过所对应的AD变换器37输入到输入口35。此外，在加速踏板40上连接着产生与加速踏板的下踏量L成比例的输出电压的负载传感器41，负载传感器41的输出电压通过所对应的AD变换器37输入到输入口35。输入口35上还连接着曲轴转角传感器42，例如曲轴每转动30°即产生输出脉冲。另外，输出口36通过所对应的驱动电路38而与燃料喷射阀6、火花塞7、用于驱动节气门的步进电动机16、EGR控制阀23以及燃料泵27连接。
在活塞4的顶面上形成有空腔43，当内燃机低负载运转时，从燃料喷射阀6朝空腔43内喷射燃料F。该燃料F被空腔43的底面引导向火花塞7，从而在火花塞7的周围形成混合气体。接着该混合气体被火花塞7点燃，进行成层燃烧。此时燃烧室5内的平均空燃比变得稀薄，因而废气的空燃比也变得稀薄。
当内燃机中等负载运转时，分为进气行程初期和压缩行程末期两次喷射燃料。通过进气行程初期的燃料喷射可在燃烧室5内形成扩散到整个燃烧室5内的稀薄混合气体，通过压缩行程末期的燃料喷射可在火花塞7的周围形成构成火种的混合气体。此时燃烧室内5的平均空燃比仍然稀薄，因而废气的空燃比自然也稀薄。
另外，当内燃机高负载运转时，在进气行程初期喷射燃料，由此可以在燃烧室5内形成均匀的混合气体。这时，燃烧室5内的空燃比可以是稀空燃比、理论空燃比或浓空燃比中的任何一种。由于内燃机通常在低负载或中负载状态下运转，因而通常可在稀空燃比状态下持续进行燃烧。
在本发明中，当在稀空燃比状态下进行燃烧时，利用NOx吸收分解催化剂20净化从燃烧室5排出的NOx，因而下面首先对该NOx吸收分解催化剂20加以说明。
该NOx吸收分解催化剂20的载体具有图2A所示的氧化锆(ZrO2)的晶体结构，在本发明中使用的NOx吸收分解催化剂20中，该晶体结构中的部分锆(Zr)被从镧(La)、钕(Nd)以及钐(Sm)中选择出的三价稀土类金属置换，载体中还添加了碱金属。利用三价稀土类金属，例如镧(La)置换构成上述氧化锆(ZrO2)的锆(Zr)，如图2B所示，形成晶格内不存在氧(O2-)的氧缺陷。
此外，如上述，载体内还添加了铯(Cs)之类的碱金属，如图2C所示，利用该铯(Cs)向氧缺陷提供电子(e-)。被提供以电子(e-)的氧缺陷具有极强的碱性，因此下文中将被提供以电子(e-)的氧缺陷称为超强碱性点。图2C示出本发明中使用的NOx吸收分解催化剂20的载体的晶体结构，在整个载体上均具有该晶体结构。因此，本发明中使用的NOx吸收分解催化剂20具有均匀分布在其整体上的无数个超强碱性点。而且在本发明中使用的NOx吸收分解催化剂20的载体上，还添加了具有热稳定性的铝(Al)，具有氧化还原作用、特别是具有促进还原作用的铂(Pt)之类的贵金属，以及铯等作为三元催化剂而发挥功能的金属。
下面对稀空燃比状态下进行燃烧时的NOx吸收分解催化剂20的NOx净化作用加以说明。关于NOx吸收分解催化剂20的NOx净化作用的机理虽然尚不十分明了，但可以认为是通过下述机理来净化NOx的。
也就是说，当在稀空燃比状态下进行燃烧时，废气中含有一氧化氮(NO)以及二氧化氮(NO2)等氮氧化物(NOx)和过剩的氧(O2)。在此情况下，如上所述，废气含有的大部分氮氧化物(NOx)是一氧化氮(NO)，因此下文以此为例对一氧化氮(NO)的净化机理加以说明。
如上所述，本发明中使用的NOx吸收分解催化剂20具有超强碱性点。一旦存在此种超强碱性点，则本身呈酸性的一氧化氮(NO)不论NOx吸收分解催化剂20的温度是高是低均可被超强碱性点吸引，其结果是一氧化氮(NO)以图3A或图3B所示的某种形式被NOx吸收分解催化剂20的超强碱性点所捕获。在此情况下，由于上述NOx吸收分解催化剂20的整个载体上均匀布满无数个超强碱性点，因而NOx吸收分解催化剂20可吸附极大数量的一氧化氮。
一氧化氮(NO)一被超强碱性点吸附，即产生一氧化氮(NO)分解作用和一氧化氮(NO)的氧化反应。因此首先对一氧化氮(NO)的分解作用加以说明。
如上所述，废气中的一氧化氮(NO)受NOx吸收分解催化剂20上的超强碱性点的吸引而被超强碱性点吸附并捕获。这时可向一氧化氮(NO)提供电子(e-)。当向一氧化氮(NO)提供的电子(e-)时，则一氧化氮(NO)的N-O结合很容易断裂，在此情况下，NOx吸收分解催化剂20的温度越高，该N-O结合越容易断裂。事实上，一氧化氮(NO)一吸附到超强碱性点上该N-O结合很快就会断裂，并分解为氮(N)和氧(O)，这时，如图3C所示，氧以氧离子(O-)的形式继续保持在超强碱性点上，而氮(N)则脱离超强碱性点在NOx吸收分解催化剂20上移动。
在NOx吸收分解催化剂20上移动的氮(N)与被NOx吸收分解催化剂20的其它超强碱性点吸附的一氧化氮(NO)的氮(N)或在NOx吸收分解催化剂20上移动的其它氮(N)结合后生成氮分子(N2)，脱离NOx吸收分解催化剂20。这样即可净化NOx。
然而，由于一氧化氮(NO)一吸附到超强碱性点上，该一氧化氮(NO)很快就分解。氧以氧离子(O-)的形式被超强碱性点捕获，因而存在于NOx吸收分解催化剂20上的超强碱性点会逐渐被氧离子(O-)掩埋。如上所述，超强碱性点一旦被氧离子(O-)掩埋，则废气中的一氧化氮(NO)即与吸附到超强碱性点上的一氧化氮(NO)中的氮(N)结合，结果生成N2O。
下面对NOx吸收分解催化剂20上的一氧化氮(NO)的氧化反应加以说明。
当在稀空燃比状态下进行燃烧时，废气中含有过剩的氧(O2)。因此，被吸附到超强碱性点上的一氧化氮(N-O-)被该过剩氧(O2)所氧化，并因此形成硝酸根离子(NO3 -)。也就是说，当废气中的氧浓度高时，反应朝生成硝酸根离子(NO3 -)的方向进行，因此在稀空燃比状态下进行燃烧时，在部分超强碱性点上生成并保持硝酸根离子(NO3 -)。而硝酸根离子(NO3 -)也可通过一氧化氮(NO)与构成晶体的氧离子(O2-)结合而生成，此外，所生成的硝酸根离子(NO3 -)有时也以吸附到构成晶体的锆(Zr4+)上的形式保持在NOx吸收分解催化剂20之上。
但该硝酸根离子(NO3 -)一旦温度升高即分解，变为一氧化氮(NO)释放出来。因此，NOx吸收分解催化剂20的温度一升高，则在NOx吸收分解催化剂20上几乎不存在硝酸根离子(NO3 -)。因此，若把NOx吸收分解催化剂20上几乎不存在硝酸根离子(NO3 -)时的NOx吸收分解催化剂20的下限温度称为基准温度，则该基准温度由NOx吸收分解催化剂20决定，在本发明中使用的NOx吸收分解催化剂20的情况下，该基准温度大体为600℃，也就是说，当NOx吸收分解催化剂20的温度低于该基准温度时，NOx吸收分解催化剂20上就会生成硝酸根离子(NO3 -)，当NOx吸收分解催化剂20的温度高于该基准温度时，则NOx吸收分解催化剂20上几乎不存在硝酸根离子(NO3 -)。
另外，当在稀空燃比状态下进行燃烧时，载持在NOx吸收分解催化剂20上的铈(Ce)之类的金属被过剩氧(O2)氧化( )，因而可储存在NOx吸收分解催化剂20上。由于该储存的氧稳定进入了晶构之内，因而即使NOx吸收分解催化剂20的温度上升，该储存的氧也不会从NOx吸收分解催化剂20上脱离。
综上所述，当在稀空燃比状态下进行燃烧且NOx吸收分解催化剂20的温度高于基准温度时，NOx吸收分解催化剂20上的超强碱性点上保持着氧离子(O-)或尚未分解的一氧化氮(NO)，此外，在NOx吸收分解催化剂20上还保持着所储存的氧。但此时，在NOx吸收分解催化剂20上几乎不存在硝酸根离子(NO3 -)。
与之相反，即使在稀空燃比状态下进行燃烧且NOx吸收分解催化剂20的温度低于基准温度时，在NOx吸收分解催化剂20上的超强碱性点上仍保持着氧离子(O-)或尚未分解的一氧化氮(NO)，此外，NOx吸收分解催化剂20上还保持着所储存的氧。但此时，在NOx吸收分解催化剂20上生成了大量的硝酸根离子(NO3 -)。
换言之，当NOx吸收分解催化剂20的温度低于基准温度时，排气出体中的一氧化氮(NO)在NOx吸收分解催化剂20上变为硝酸根离子(NO3 -)，因此，虽然这时在NOx吸收分解催化剂20上存在大量的硝酸根离子(NO3 -)，但是保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)相对较少。
与之相反，当NOx吸收分解催化剂20的温度低于基准温度时，即便生成硝酸根离子(NO3 -)也会马上分解，因而NOx吸收分解催化剂20上几乎不存在硝酸根离子(NO3 -)。此外，由于这时吸附到NOx吸收分解催化剂20的超强碱性点上的一氧化氮(NO)分解作用活跃，因而被超强碱性点捕获的氧离子(O-)的量逐渐增加。
下面对NOx吸收分解催化剂20的NOx净化性能的恢复处理过程加以说明。由于该恢复处理随着NOx吸收分解催化剂20的温度而变化，因而首先对NOx吸收分解催化剂20的温度高于基准温度的情况加以说明。
当以稀空燃比状态进行燃烧且NOx吸收分解催化剂20的温度高于基准温度时，如上所述，在NOx吸收分解催化剂20的超强碱性点上可保持被分解的氧离子(O-)。因此如果在稀空燃比状态下持续燃烧，则NOx吸收分解催化剂20的超强碱性点就会逐渐被氧离子(O-)掩埋，这样一氧化氮(NO)的超强碱性点的个数逐渐减少。其结果是NOx的净化率逐渐下降。
这时，如果使保持在超强碱性点上的氧离子(O-)脱离，即清除保持在超强碱性点上的氧离子(O-)，则NOx吸收分解催化剂20就会变为如图3D所示向氧缺陷提供电子(e-)的原始形式，这样可以获得很高的NOx净化率。
但是从图3C可知，超强碱性点位于电性为正的金属离子之间，因而电性为负的氧离子(O-)很容易保持在这些金属离子之间。但由于该氧离子(O-)和金属离子间的结合力很弱，因而氧离子(O-)处于极不稳定的状态。因此，如果将保持在超强碱性点上的氧离子中的一部分氧离子(O-)从超强碱性点上清除，则受该清除作用的激发，保持在超强碱性点上的其余氧离子(O-)也可被一并清除。但此时并不能清除储存在NOx吸收分解催化剂20上的氧。
如上所述，虽然对于在部分氧离子的清除作用激发下一并清除其余的氧离子(O-)的机理尚不明了，但可以认为是利用被清除的部分氧离子形成稳定的氧分子时所释放出的能量将其余的氧离子(O-)一并清除掉的。事实上，已通过实验证明了，通过向NOx吸收分解催化剂20提供将保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)清除所需的能量，从而将保持在NOx吸收分解催化剂20上的部分氧离子从NOx吸收分解催化剂20上清除，则在该清除作用激发下将保持在NOx吸收分解催化剂20上的其余氧离子(O-)一并从NOx吸收分解催化剂20上清除掉。而一旦提供该能量，则促进超强碱性点上的一氧化氮(NO)的分解作用，因而也可将从吸附的一氧化氮(NO)中分解出来的氧离子(O-)清除。
也就是说，为了清除保持在NOx吸收分解催化剂20上的所有氧离子(O-)，由于并不需要提供清除所有氧离子(O-)所需的能量，而只需要提供清除所有氧离子(O-)中的一部分氧离子(O-)所需的能量即可，因而优点在于，可减少用于清除氧离子(O-)的能量。
而作为应提供的能量有各种能量。例如若提高废气的温度或NOx吸收分解催化剂20的温度，则可以清除保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)。因此，作为可提供的能量，可使用热能。
NOx吸收分解催化剂20的温度越高，保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)越容易脱离。因而如图4所示，将保持在NOx吸收分解催化剂20上的一部分氧离子(O-)从NOx吸收分解催化剂20上清除所需的能量E，随着NOx吸收分解催化剂20的温度TC升高而减少。
如上所述，当NOx吸收分解催化剂20的温度高于基准温度时，若在稀空燃比状态下继续燃烧，则NOx吸收分解催化剂20上的超强碱性点会逐渐被氧离子(O-)掩埋，这样一来一氧化氮(NO)可吸附的超强碱性点的数量会逐渐减少。其结果是，NOx的净化率逐渐下降。因此在采用本发明的实施例中，设定为为了在NOx吸收分解催化剂20被氧离子(O-)掩埋之前即将保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)从NOx吸收分解催化剂20上清除掉，周期性地向NOx吸收分解催化剂20提供能量。
在此情况下，可每隔一定时间或内燃机的转速的累计值每超过设定值时，或车辆的行驶距离每超过一定距离时即提供能量。此外，在此情况下，可以随着NOx吸收分解催化剂20的温度升高而加大向NOx吸收分解催化剂20提高能量之后到下次提供能量间的时间间隔。
此外，还可推算出保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)和一氧化氮(NO)的总量，当该推算总量超过设定量时提供能量。也就是说，废气中包含的一氧化氮(NO)以原有形式或分解后的氧离子(O-)的形式保持在NOx吸收分解催化剂20上。因此，保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)和一氧化氮(NO)的总量为废气中所含的一氧化氮(NO)的累计量。而废气中所含的一氧化氮(NO)的量取决于内燃机的运转状态，在图5中作为内燃机负载L和内燃机转速N的函数，以图像形式表示出通过实验求出的每单位时间内由内燃机排出的一氧化氮量Q(NO)。
当使用上述图像的情况下，保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)和一氧化氮(NO)的总量可根据图5所示的一氧化氮量Q(NO)的累计值推算出。因此在本发明的实施例中，把图5所示的一氧化氮量Q(NO)的累计值作为保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)和一氧化氮(NO)的推算总量使用。
图6示出NOx吸收分解催化剂20的温度高于基准温度时的图5所示的Q(NO)的累计值∑Q、NOx吸收分解催化剂20的温度TC以及所提供的能量之间的关系。
从图6可知，当保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)和一氧化氮(NO)的累计量∑Q超过设定量Qx时则提供能量。这时即可将保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)清除掉。此外，一提供能量，则促进吸附在NOx吸收分解催化剂20上的一氧化氮(NO)的分解作用，这时分解后的氧离子(O-)也可被清除掉。此外如上所述，由于NOx吸收分解催化剂20的温度越高，提供能量时氧离子(O-)越容易被清除，因此当保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)的数量相同的情况下，NOx吸收分解催化剂20的温度越高，清除所有氧离子(O-)所需的能量越少。因此如图6所示，提供给NOx吸收分解催化剂20的能量的量，随着NOx吸收分解催化剂20的温度TC升高而减少。
图7示出能量的供给控制过程。
从图7可知，首先在步骤100中根据图5所示的图像计算出一氧化氮量Q(NO)。接着在步骤101中通过在∑Q上累加Q(NO)而计算出累计量∑Q。接着在步骤102中判定累计量∑Q是否超过设定量Qx，当∑Q＞Qx时进入步骤103，计算出应提供的能量。接着在步骤104中进行提供能量的处理，接着在步骤105中将∑Q清零。
下面对第2实施例加以说明，其中，利用提供给燃烧室5内或废气中的还原剂生成应提供的能量，在稀空燃比状态下进行燃烧，且NOx吸收分解催化剂20温度高于由NOx吸收分解催化剂20决定的基准温度时，在从NOx吸收分解催化剂20上清除保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)时，通过向燃烧置5内或废气中提供还原剂，以尖峰信号状加浓燃烧室5内的空燃比或废气的空燃比。
在此情况下，可以通过提供还原剂，以周期性加浓燃烧室5内的空燃比或废气的空燃比，例如每隔一定时间，或内燃机的转速的累计值每超过设定值时，或车辆的行驶距离每超过一定距离时即加浓空燃比。
另外，在该第2实施例中也可根据保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)和一氧化氮(NO)的累计总量进行空燃比的加浓控制。图8示出进行此种加浓控制时的情况。
即，如图8所示，当保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)和一氧化氮(NO)的累加总量∑Q超过设定量Qx时，则通过向燃烧室5内或废气中提供还原剂而以尖峰信号状加浓燃烧室5内或废气的空燃比A/F，这样即可清除保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)。
在第2实施例中，作为还原剂使用了含烃等的燃料，在此情况下，作为还原剂起作用的燃料是相对于理论空燃比过剩的燃料部分。也就是说，就图8而言，以剖面线表示的浓于理论空燃比一侧的部分表示还原剂量Qr。该还原剂可以通过增加燃料喷射阀6的喷射量而提供到燃烧室5内，也可以提供给从燃烧室5排出的废气中。
当在稀空燃比状态下进行燃烧，且NOx吸收分解催化剂20的温度高于由NOx吸收分解催化剂20决定的基准温度时，若向NOx吸收分解催化剂20提供使保持在NOx吸收分解催化剂20上的部分氧脱离NOx吸收分解催化剂20所需的还原剂，则可将保持在NOx吸收分解催化剂20上的其余氧从NOx吸收分解催化剂20上清除掉。参照图9更为详细地对此进行说明。
图9示出当把流入NOx吸收分解催化剂20的废气的空燃比A/F维持在稀空燃比状态下时和以尖峰信号状加浓时从NOx吸收分解催化剂20流出的废气中的氧浓度(％)的变化和NOx浓度(p.p.m.)的变化。
如上所述，当通过在稀空燃比状态下进行燃烧，NOx吸收分解催化剂20的温度高于基准温度时，NOx吸收分解催化剂20上保持着氧离子(O-)和一氧化氮(NO)，此外，NOx吸收分解催化剂20上还保持着所储存的氧。但在NOx吸收分解催化剂20上却几乎不存在硝酸根离子(NO3 -)。
若在此状态下将空燃比由稀切换为浓，则保持在NOx吸收分解催化剂20上的一部分氧离子(O-)就会脱离超强碱性点，在这些氧离子(O-)的脱离作用的激发下，其余的氧离子(O-)也会一并脱离。一般而言，虽然在空燃比A/F浓的情况下废气中仍含有未燃氧，但是如果忽略此种未燃氧，则空燃比A/F由稀切换为浓时，如果是通常的催化剂，则从催化剂中流出的废气的氧浓度为零。
然而本发明中所使用的NOx吸收分解催化剂20，由于将空燃比A/F由稀切换为浓时，保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)脱离，因而此时从NOx吸收分解催化剂20流出的废气中的氧浓度如图9所示，受脱离的氧离子(O-)的影响并不为零。也就是说，当将空燃比A/F由稀切换为浓时，虽然脱离的一部分氧离子(O-)被还原，但脱离的大部分氧离子(O-)并未被还原剂还原，而是以氧分子(O2)的形式从NOx吸收分解催化剂20中排出，因而如图9所示，当把空燃比A/F从稀切换为浓时，从NOx吸收分解催化剂20中流出的废气中的氧浓度为一定量。由于脱离的氧离子(O-)的量随着时间变少，其氧浓度如图9所示逐渐减少到零，一旦减少到零，在之后的空燃比A/F处于浓空燃比的期间内，将氧浓度维持在零上。
另外，当将空燃比由稀切换为浓时，保持在NOx吸收分解催化剂20的超强碱性点上的部分一氧化氮(NO)被分解，分解后的氧离子(O-)脱离。此外，此时其余的一氧化氮(NO)被还原剂所还原，分解为氮和二氧化碳，另外，储存在NOx吸收分解催化剂20中的氧(O2-)也被还原剂还原。因而如图9所示，在空燃比处于浓空燃比的期间内，从NOx吸收分解催化剂20中流出的废气中的NOx浓度为零。
如上所述，一提供还原剂即可将一部分氧离子(O-)从NOx吸收分解催化剂20上清除，在该清除作用的激发下，也可将保持在NOx吸收分解催化剂20上的其余氧离子(O-)从NOx吸收分解催化剂20上一并清除。此外，一提供还原剂，即可将吸附在NOx吸收分解催化剂20上的一氧化氮(NO)还原。因而可以说利用还原剂生成应提供的能量极其理想。
图10表示以当量比表示的还原剂量Qr与NOx吸收分解催化剂20的温度TC之间的关系，用于为了恢复NOx吸收分解催化剂20的净化性能而加浓空燃比加浓时。其中，在利用还原剂还原一氧化氮时，将还原从暂时加浓燃烧室5内的空燃比或废气的空燃比后到下次加浓燃烧室5内的空燃比或废气的空燃比的期间内所生成的一氧化氮(NO)所需的还原剂量称为还原剂/NO的当量比为1的还原剂量Qr。换言之，架设当废气中的一氧化氮(NO)全部以硝酸根离子(NO3 -)的形式被NOx吸收分解催化剂20所吸收时，将理论上还原该被吸收的硝酸根离子(NO3 -)所需的还原剂的量Qr称为当量比＝1的还原剂量。
从图10可知，当NOx吸收分解催化剂20的温度TC高于基准温度Ts时，还原剂量的当量比小于1.0。换言之，当NOx吸收分解催化剂的温度TC高于基准温度Ts时，为了清除保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)而加浓燃烧室内5内的空燃比或废气的空燃比时的还原剂量Qr少于还原从上次加浓燃烧室5内的空燃比或废气的空燃比到此次加浓燃烧室5内的空燃比或废气的空燃比的期间内所生成的一氧化氮(NO)所需的还原剂量，即少于当量比为1.0的还原剂量。
在本发明的实施例中，可在NOx吸收分解催化剂20的温度TC为1000℃左右的高温下净化NOx，当在NOx吸收分解催化剂20的温度TC为1000℃的高温下加浓空燃比时，提供当量比为1.0以下的量的还原剂即可恢复NOx吸收分解催化剂20的净化性能。也就是说，通过提供少于还原进入NOx吸收分解催化剂20中的一氧化氮(NO)所需量的还原剂即可恢复NOx吸收分解催化剂20的净化性能，因而可减少用于恢复NOx净化性能的燃料消耗量。
因此，从图10可知，加浓空燃比时应提供的还原剂的量Qr，当NOx吸收分解催化剂20的温度TC为800℃左右时，只需要还原流入NOx吸收分解催化剂20的废气中所含的一氧化氮(NO)所需的还原剂量的三分之一左右，即当量比为1.0的还原剂量的三分之一左右，当NOx吸收分解催化剂20的温度TC为900℃左右时只需要还原流入NOx吸收分解催化剂20的废气中所含的一氧化氮(NO)所需还原剂量的四分之一左右，当NOx吸收分解催化剂20的温度TC为1000℃左右时，只需要还原流入吸收分解催化剂20的废气中所含的一氧化氮(NO)所需还原剂量的六分之一左右。也就是说，从图8及图10可知，为了清除保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)而提供的还原剂量Qr可随着NOx吸收分解催化剂20的温度TC升高而减少。
另外，当NOx吸收分解催化剂20的温度TC低于基准温度Ts时，如图9所示加浓空燃比时应提供的还原剂的量Qr为当量比为1.0以上的还原剂量。也就是说，如上文所述，当在稀空燃比状态下进行燃烧且NOx吸收分解催化剂20的温度低于基准温度Ts时，在NOx吸收分解催化剂20的超强碱性点上仍保持着氧离子(O-)和一氧化氮(NO)，此外，在NOx吸收分解催化剂20上仍保持着储存的氧。不过，这时废气中的一氧化氮(NO)在NOx吸收分解催化剂20上变成硝酸根离子(NO3 -)，因此，NOx吸收分解催化剂20上有大量硝酸根离子(NO3 -)，而保持在NOx吸收分解催化剂上的氧离子(O-)和一氧化氮(NO)很少。即，当NOx吸收分解催化剂的温度低于基准温度Ts时，废气中的一氧化氮(NO)中的大部分以硝酸根离子(NO3 -)的形式被NOx吸收分解催化剂20所吸收，因而，可净化废气中的NOx。
这时若加浓空燃比，则可将NOx吸收分解催化剂20所吸收的硝酸根离子(NO3 -)以及一氧化氮(NO)还原。然而由于此时采用还原剂进行的硝酸根离子(NO3 -)的还原效率并非100％，因而为了还原NOx吸收分解催化剂20所吸收的硝酸根离子(NO3 -)需要比还原NOx吸收分解催化剂20吸收的硝酸根离子(NO3 -)以及一氧化氮(NO)所需的还原剂量还要多的还原剂。因而如上所述，加浓空燃比时提供的还原剂量Qr可设定为当量比为1.0以上的还原剂量。
即使在NOx吸收分解催化剂20的温度TC低于基准温度Ts时仍可累加根据图5所示的图像计算出的一氧化氮量Q(NO)，如图11所示，当该累计量∑Q(NO)超出允许量MAX时，可暂时加浓空燃比。这样即可恢复NOx吸收分解催化剂20的净化性能。比较图11及图12可知，此时的还原剂量Qr与图8所示的情况相比增多了许多。此外，还可看出，此时的还原剂Qr并不依赖于NOx吸收分解催化剂20的温度TC。
图12表示还原剂的供给控制过程。
从图12可知，首先在步骤200中判定NOx吸收分解催化剂20上的温度TC是否高于基准温度Ts。当TC＞Ts时则进入步骤201，清除保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧。也就是说在步骤201中根据图5所示的图像计算出一氧化氮量Q(NO)。接着在步骤203中通过将Q(NO)累加到∑Q上而计算出累计量∑Q。接着在步骤204中判定累计量∑Q是否超过设定量QX，当∑Q＞QX时则进入步骤205，计算出应提供的还原剂量。接着在步骤206中通过提供还原剂进行处理以加浓空燃比，然后在步骤207中将∑Q清零。
另外，当在步骤200中判定为TC≤Ts时，则进入步骤208，进行还原处理，以还原NOx吸收分解催化剂20所吸收的硝酸根离子(NO3 -)以及一氧化氮(NO)的NO。该NO还原处理如图13所示。从图13可知，首先在步骤210中根据图5所示的图像累加一氧化氮量Q(NO)，接着在步骤211中通过将Q(NO)累加到∑Q(NO)上而计算出累计量∑Q(NO)。接着在步骤212中判定累计量∑Q(NO)是否超过允许量(MAX)，当∑Q(NO)＞MAX时进入步骤213，计算出应提供的还原剂量。接着在步骤215中将∑Q(NO)清零。
不过如上文所述，当NOx吸收分解催化剂20的温度TC高于基准温度Ts时，可根据NOx吸收分解催化剂20的温度TC的升高程度相应减少加浓空燃比时的还原剂量Qr。这意味着，在还原剂量Qr大体恒定的情况下，可根据NOx吸收分解催化剂20的温度TC的升高程度相应延长加浓空燃比之后到下次加浓空燃比为止的时间间隔。
因而如图14所示，在采用本发明的第3实施例中，将为了清除保持在NOx吸收分解催化剂20上的氧离子(O-)而加浓燃烧室5内的空燃比或废气的空燃比之后到下次加浓燃烧室5内的空燃比或废气的空燃比的时间间隔tX随着NOx吸收分解催化剂20的温度TC的升高程度相应增大。
图15表示用于实行第3实施例的还原剂的供给控制过程。
从图15可知，首先在步骤220中判定NOx吸收分解催化剂20的温度TC是否高于基准温度Ts。当TC＞Ts时进入步骤221，将从上次处理循环到此次处理循环的时间Δt累加到∑t上，由此计算出经过时间∑t。接着在步骤222中根据图13计算出目标经过时间tX。接着在步骤223中判定经过时间∑t是否超过目标经过时间tX，当∑t＞tX时进入步骤224，计算出应提供的还原剂量。接着在步骤225中通过提供还原剂进行加浓空燃比的处理，接着在步骤226中将∑t清零。
另外，当在步骤220中判定为TC≤Ts时，进入步骤208，实施图13所示的NO还原处理。
图16示出第4实施例。如图16所示，在该实施例中，在处于NOx吸收分解催化剂20下游的排气管43内配置用于检测NOx吸收分解催化剂20的废气中的NOx浓度的NOx浓度传感器44。
在NOx吸收分解催化剂20的超强碱性点尚未被氧离子(O-)掩埋的期间内，由于废气中所含的NOx被NOx吸收分解催化剂20捕获，因而从NOx吸收分解催化剂20中流出的废气中几乎不含NOx。然而，一旦NOx吸收分解催化剂20的超强碱性点中有相当一部分被氧离子(O-)掩埋，则未被NOx吸收分解催化剂20捕获，而直接通过NOx吸收分解催化剂20的NOx量会逐渐增大。因而在该第4实施例中，当从NOx吸收分解催化剂20中流出的废气中的NOx浓度超过允许值时，则判断为超强碱性点有相当一部分已被氧离子(O-)掩埋，使流入NOx吸收分解催化剂20的废气的空燃比以尖峰脉冲状由稀变浓。
图17表示用于实施该第4实施例的还原剂的供给控制过程。
从图17可知，首先在步骤230中利用NOx浓度传感器44检测出从NOx吸收分解催化剂20中流出的废气中的NOx浓度De。接着在步骤231中判定NOx浓度传感器44所检测出的NOx浓度De是否大于允许值DX。当De≤DX时结束该处理循环。与之相反，当De＞Dx时，则进入步骤232，判定NOx吸收分解催化剂20的温度TC是否高于基准温度Ts。当TC＞Ts时进入步骤233，计算出应提供的还原剂量。接着在步骤234中通过提供还原剂进行加浓空燃比的处理。此时提供的还原剂的量少于当量比＝1时。
另一方面，当在步骤232中判断出TC≤Ts时，则进入步骤235，计算出应提供的还原剂量。接着，在步骤236中通过提供还原剂进行加浓空燃比的处理。此时提供的还原剂的量多于当量比＝1时。
图18示出另一实施例。在本实施例中，如虚线所示，将NOx吸收分解催化剂50载持在汽缸盖3的内壁面以及活塞4的顶面等燃烧室5的内壁面上，或将NOx吸收分解催化剂51载持在排气口11的内壁面以及排气歧管19的内壁面等排气通道的内壁面上。当将NOx吸收分解催化剂50载持在燃烧室5的内壁面上时，燃烧室5内的燃烧气体或已燃气体中与NOx吸收分解催化剂50接触，上述燃烧气体或已燃气体中所含的氮氧化物，主要是一氧化氮NO，吸附到NOx吸收分解催化剂50上之后分解为氮(N)和氧(O)，当将NOx吸收分解催化剂51载持于排气通道的内壁面上时，从燃烧室5排出的废气与NOx吸收分解催化剂51接触，该废气中所含的一氧化氮(NO)吸附到NOx吸收分解催化剂51上之后分解为氮(N)和氧(O)。
在图19所示的实施例中，在处于NOx吸收分解催化剂20上游排气歧管19内配置还原剂供给阀52，当需要加浓废气的空燃比时，由该还原剂供给阀52向废气提供还原剂。
20表示将本发明应用于压燃式内燃机时的情况。在图20中，以相同标号表示与图1所示的火花点火式内燃机相同的构成。在图20中，1是内燃机主体，5是各汽缸的燃烧室，6是用于分别向各个燃烧室5内喷射燃料的电控式燃料喷射阀，13a是进气歧管，19是排气歧管。进气歧管13a经由进气管道14与排气涡轮增压器53的压缩机53a的出口连接，压缩机53a的入口与空气过滤器15连接。在进气管道14内配置节气门17，并在进气管道14周围配置用于冷却在进气管道14内流动的吸入空气的冷却装置54。另外，排气歧管19与排气涡轮增压器53的排气涡轮53b的入口连接，排气涡轮53b的出口与内置有NOx吸收分解催化剂20的催化净化器21连接。在排气歧管19的集合部出口上配置还原剂供给阀55，为了加浓废气的空燃比而提供由烃之类构成的还原剂。排气歧管19和进气歧管13a经由EGR通道22彼此连接，在EGR通道22内配置电控式EGR控制阀23。而且，在EGR通道22周围配置用于冷却在EGR通道22内流动的EGR气体的冷却装置24。另外，各燃料喷射阀6经由燃料供给管25与公共供油管26连接，由排出量可变的电控式燃料泵27向该公共供油管26内提供燃料。
在该压燃式内燃机中，在稀空燃比状态下持续进行燃烧，当为了恢复NOx吸收分解催化剂20的净化性能而使废气的空燃比以周期性尖峰信号状加浓时，由还原剂供给阀55向废气中提供还原剂。
而在该压燃式内燃机中，当NOx吸收分解催化剂20的温度TC高于由NOx吸收分解催化剂20决定的基准温度Ts时，周期性提供的还原剂的量少于还原从上次提供还原剂之后到此次提供还原剂的期间内流入NOx吸收分解催化剂20的NOx所需的还原剂量；当NOx吸收分解催化剂20的温度TC低于由NOx吸收分解催化剂20决定的基准温度Ts时，周期性提供的还原剂的量多于还原从上次提供还原剂之后到此次提供还原剂的期间内流入NOx吸收分解催化剂20的NOx所需的还原剂量。
下面对图20所示的实施例加以说明，其中，配置微粒过滤器以代替NOx吸收分解催化剂20，在该微粒过滤器上形成NOx吸收分解催化剂层。
图21A及图21B示出该微粒过滤器的结构。图21A是微粒过滤器的正面图，图21B是微粒过滤器的侧剖面图。如图21A及图21B所示，微粒过滤器具有蜂窝式结构，具有彼此平行延伸的多个排气通道60、61。这些排气通道包括：下游端被旋塞62封闭的废气流入通道60和上游端被旋塞63封闭的废气流出通道61。图21A中带剖面线的部分表示旋塞63。因此废气流入通道60和废气流出通道61彼此通过薄壁的隔板64交替配置。换言之，配置废气流入通道60和废气流出通道61，使得各个废气流入通道60被4个废气流出通道61包围，各个废气流出通道61同样被4个废气流入通道60包围。
微粒过滤器例如由堇青石之类的多孔质材料形成，因此，如图21中箭头所示，流入到废气流入通道60内的废气穿过周围的隔板64后，从相邻的废气流出通道61中流出。在该实施例中，在各废气流入通道60以及各废气流出通道61的周围壁面，即各隔板64的两侧表面上以及隔板64内的微孔内壁面上均形成NOx吸收分解催化剂层。
在该实施例中，当需要恢复NOx吸收分解催化剂的NOx净化性能时，同样可加浓废气的空燃比。而且，在该实施例中，废气中所含的微粒被微粒过滤器捕获，可利用废气的热量使被捕获的微粒依次燃烧。当有大量的微粒堆积在微粒过滤器上时，则提供还原剂并使废气升温，由此使堆积的微粒点火燃烧。
下面说明一种低温燃烧法，该低温燃烧法适用于在压燃式内燃机中为了恢复NOx吸收分解催化剂的NOx净化性能而加浓燃烧室内的空燃比时。
在图20所示的压燃式内燃机中，若增大EGR率(EGR气体量/(EGR气体量+吸入空气量))，则烟雾的发生量逐渐增大并达到峰值，若进一步提高EGR率，则烟雾的发生量反而急剧下降。参照图22进行说明，图22表示EGR气体的冷却程度改变时的EGR率与烟雾之间的关系。图22中的曲线A表示强力冷却EGR气体并将EGR气体温度维持在90℃左右时的情况，曲线B表示利用小型冷却装置来冷却EGR气体时的情况，曲线C表示未强制冷却EGR气体时的情况。
如图22的曲线A所示，在强力冷却EGR气体的情况下，在EGR率稍微低于50％的位置上，烟雾发生量达到峰值；这时若将EGR率大致设定在55％以上，则几乎不产生烟雾。另外，如图22的曲线B所示，在稍微冷却EGR气体的情况下，在EGR率稍高于50％的位置上烟雾发生量达到峰值；这时若将EGR率大致设定在65％以上，则几乎不产生烟雾。此外，如图22的曲线C所示，在未强制冷却EGR气体的情况下，在EGR率为55％的位置附近，烟雾发生量达到峰值；此时若将EGR率大致设定在70％以上，则几乎不产生烟雾。
如上所述，若将EGR率设定为55％以上则几乎不产生烟雾，其原因在于，由于EGR气体的吸热作用，燃烧时的燃料及周围的气体温度并不太高，即，进行低温燃烧，其结果是，碳氢化合物未能生成煤烟。
该低温燃烧具有下述特征：与空燃比无关，可以抑制煤烟产生，并可以减少NOx的产生量。也就是说，当加浓空燃比时虽然燃料过剩，但由于将燃烧温度控制在低温，因而过剩的燃料不产生煤烟，所以不会产生烟雾。而且，这时，NOx的产生量也极少。另外，当平均空燃比稀薄时，或者当空燃比为理论空燃比时，虽然随着燃烧温度的升高而产生少量的煤烟，但是由于在低温燃烧下可以将燃烧温度控制在较低温度，因而完全不产生烟雾，NOx也产生极少。
另外，当进行该低温燃烧时，虽然燃料及其周围的气体温度变低，但是废气的温度却升高。参照图23A及图23B对此进行说明。
图23A的实线表示进行低温燃烧时的燃烧室5内的平均气体温度Tg与曲轴转角之间的关系；图23A的虚线表示进行正常燃烧时的燃烧室5内的平均气体温度Tg与曲轴转角之间的关系。图23B的实线表示进行低温燃烧时的燃料及其周围的气体温度Tf与曲轴转角之间的关系；图23B的虚线表示进行正常燃烧时的燃料及其周围的气体温度Tf与曲轴转角之间的关系。
进行低温燃烧时与进行正常燃烧时相比，EGR气体量大，因此如图23A所示，在压缩上止点之前，即压缩行程期间，以实线表示的低温燃烧时的平均气体温度Tg高于以虚线表示的正常燃烧时的平均气体温度Tg。而此时，如图23B所示，燃料及其周围的气体温度Tf与平均气体温度Tg大体相同。
接着在压缩上止点附近开始燃烧，当在此情况下进行低温燃烧时，如图23B的实线所示，由于EGR气体的吸热作用，燃料及其周围的气体温度Tf并不太高。与之相反，在进行正常燃烧的情况下，由于燃料周围存在大量氧，所以如图23B的虚线所示，燃料及其周围的气体温度Tf极高。如上所述，虽然正常燃烧时燃料及其周围的气体温度Tf比低温燃烧时高出许多，但占大部分的其余气体的温度反而是正常燃烧时低于低温燃烧时，因此如图23A所示，压缩上止点附近的燃烧室5内的平均气体温度Tg，在低温燃烧时高于正常燃烧时。其结果是，如图23A所示，燃烧结束后的燃烧室5内的已燃气体温度，在低温燃烧时高于正常燃烧时，因而在进行低温燃烧时废气温度上升。
不过，若内燃机的要求转矩TQ变高，即燃料喷射量增加，则由于燃烧时的燃料及周围的气体温度升高，因而很难进行低温燃烧。也就是说，低温燃烧仅限于燃烧产生的发热量较少的内燃机中低负载运转时。在图24中，区域I表示可以进行第1燃烧即低温燃烧的运转区域，其中所述第1燃烧为，燃烧室5的非活性气体量多于煤烟产生量达到峰值时的非活性气体量；区域II表示只能进行第2燃烧即正常燃烧的运转区域，其中所述第2燃烧为，燃烧室的非活性气体量少于煤烟产生量达到峰值时的非活性气体量。
图25示出在运转区域I中进行低温燃烧时的目标空燃比A/F，图26示出在运转区域I中进行低温燃烧时与要求转矩TQ对应的节气门17的开度、EGR控制阀23的开度、EGR率、空燃比、喷射开始时间θS、喷射结束时间θE以及喷射量。另外，在图26中还一并表示出在运转区域II内进行正常燃烧时的节气门17的开度等。
从图25及图26可知，当在运转区域I内进行低温燃烧时，可以将EGR率设定在55％以上，空燃比A/F可设定为15.5到18左右的稀空燃比。如上述，在运转区域I内进行低温燃烧时，即使加浓空燃比也几乎不产生烟雾。
如上所述，当进行低温燃烧时，可以加浓空燃而几乎不产生烟雾。因此，当为恢复NOx吸收分解催化剂的NOx净化作用而需要加浓空燃比时，可进行低温燃烧，从而在低温燃烧状态下加浓空燃比。
此外，如上所述，当进行低温燃烧时，则废气温度上升。因而，当为了使堆积的微粒点火燃烧而需要升高废气温度时，也可以进行低温燃烧。
如上所述，若采用本发明，既可确保节约燃油费用又可得到高的NOx净化率。

Claims (29)

1.一种内燃机的排气净化方法，其特征在于：使内燃机燃烧室内的燃烧气体或已燃气体或者从内燃机燃烧室排出的废气与NOx吸收分解催化剂接触，在稀空燃比状态下进行燃烧时所述气体中所含有的氮氧化物吸附在NOx吸收分解催化剂上并分解成氧和氮，将此时分解的氧保持在NOx吸收分解催化剂上，并且使此时分解的氮脱离NOx吸收分解催化剂，向NOx吸收分解催化剂提供将保持在NOx吸收分解催化剂上的一部分氧从NOx吸收分解催化剂上清除所需的能量，从而将保持在NOx吸收分解催化剂上的一部分氧从NOx吸收分解催化剂上清除，在该清除作用的激发下，将保持在NOx吸收分解催化剂上的其余氧从NOx吸收分解催化剂上清除。
2.如权利要求1所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：当NOx吸收分解催化剂的温度高于由NOx吸收分解催化剂决定的基准温度时，如果向NOx吸收分解催化剂提供使保持在NOx吸收分解催化剂上的一部分氧脱离NOx吸收分解催化剂所需的能量，则将保持在NOx吸收分解催化剂上的其余氧从NOx吸收分解催化剂上清除。
3.如权利要求1所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：向NOx吸收分解催化剂载体所形成的氧缺陷提供电子而形成超强碱性点，气体中所含有的一氧化氮吸附在超强碱性点上并分解成氮和氧。
4.如权利要求3所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：NOx吸收分解催化剂的载体具有氧化锆的晶体结构，利用从镧、钕以及钐中选出的三价稀土类金属置换该晶体结构中的一部分锆，向载体内添加碱金属，利用三价稀土类金属置换构成氧化锆的锆而形成氧缺陷，并由碱金属向氧缺陷提供电子。
5.如权利要求1所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：为了周期性地从NOx吸收分解催化剂上清除保持在NOx吸收分解催化剂上的氧，周期性地向NOx吸收分解催化剂提供所述能量。
6.如权利要求5所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：当吸附在NOx吸收分解催化剂上的一氧化氮的总量超出预定的设定量时，向NOx吸收分解催化剂提供所述能量。
7.如权利要求5所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：提供给NOx吸收分解催化剂的能量的量，随着NOx吸收分解催化剂的温度升高而减少。
8.如权利要求5所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：从向NOx吸收分解催化剂提供能量之后到下次提供能量的时间间隔，随着NOx吸收分解催化剂的温度升高而增大。
9.如权利要求5所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：检测出通过NOx吸收分解催化剂的废气中的NOx浓度，当该NOx浓度超过允许值时，向NOx吸收分解催化剂提供所述能量。
10.如权利要求5所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：所述能量是热能。
11.如权利要求5所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：所述能量由提供给燃烧室内或废气中的还原剂生成，当从NOx吸收分解催化剂上清除保持在NOx吸收分解催化剂上的氧时，向燃烧室内或废气中提供还原剂而加浓燃烧室内的空燃比或废气中的空燃比。
12.如权利要求11所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：当为了清除保持在NOx吸收分解催化剂上的氧而加浓燃烧室内的空燃比或废气中的空燃比时，此时的还原剂的量少于还原从上次加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比到此次加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比的期间内所生成的一氧化氮所需的还原剂的量。
13.如权利要求12所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：为了清除保持在NOx吸收分解催化剂上的氧而提供的还原剂的量，随着NOx吸收分解催化剂的温度升高而减少。
14.如权利要求11所述的内燃机的排气净化方法，其特征在于：为了清除保持在NOx吸收分解催化剂上的氧而加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比之后到下次加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比的时间间隔，随着NOx吸收分解催化剂温度升高而增大。
15.一种内燃机的排气净化装置，其特征在于：在内燃机燃烧室内或内燃机排气通道内配置NOx吸收分解催化剂，当在稀空燃比状态下进行燃烧时，该NOx吸收分解催化剂吸附燃烧气体或已燃气体中所含有的氮氧化物并分解成氮和氧，保持此时分解出的氧并使分解出的氮脱离；具有能量提供装置，向NOx吸收分解催化剂提供将保持在NOx吸收分解催化剂上的一部分氧从NOx吸收分解催化剂上清除所需的能量；向NOx吸收分解催化剂提供将保持在NOx吸收分解催化剂上的一部分氧从NOx吸收分解催化剂上清除所需的能量，从而将保持在NOx吸收分解催化剂上的一部分氧从NOx吸收分解催化剂上清除，并在该清除作用的激发下，将保持在NOx吸收分解催化剂上的其余氧从NOx吸收分解催化剂上清除。
16.如权利要求15所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：当NOx吸收分解催化剂的温度高于由NOx吸收分解催化剂决定的基准温度时，如果向NOx吸收分解催化剂提供使保持在NOx吸收分解催化剂上的一部分氧脱离NOx吸收分解催化剂所需的能量，则可以将保持在NOx吸收分解催化剂上的其余氧从NOx吸收分解催化剂上清除。
17.如权利要求15所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：在NOx吸收分解催化剂的载体上形成氧缺陷，向各氧缺陷提供电子而形成超强碱性点，燃烧气体或已燃气体中所含有的一氧化氮吸附到超强碱性点上并分解成氮和氧。
18.如权利要求17所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：NOx吸收分解催化剂的载体具有氧化锆的晶体结构，利用从镧、钕以及钐中选出的三价稀土类金属置换该晶体结构中的一部分锆，向载体内添加碱金属，利用三价稀土类金属置换构成氧化锆的锆而形成氧缺陷，并由碱金属向氧缺陷提供电子。
19.如权利要求15所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：所述能量由提供给燃烧室或废气中的还原剂生成，为了周期性地从NOx吸收分解催化剂上清除保持在NOx吸收分解催化剂上的氧，周期性地向燃烧室内或废气中提供还原剂而周期性地加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比。
20.如权利要求19所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：当为了清除保持在NOx吸收分解催化剂上的氧而加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比时，此时的还原剂的量少于还原从上次加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比之后到此次加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比的期间内所生成的一氧化氮所需的还原剂的量。
21.如权利要求20所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：为了清除保持在NOx吸收分解催化剂上的氧而提供的还原剂的量，随着NOx吸收分解催化剂的温度升高而减少。
22.如权利要求19所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：当吸附在NOx吸收分解催化剂上的一氧化氮的总量超过预定的设定量时，向燃烧室内或废气中提供还原剂而加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比。
23.如权利要求19所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：为了清除保持在NOx吸收分解催化剂上的氧而加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比之后到下次加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比的时间间隔，随着NOx吸收分解催化剂的温度升高而增大。
24.如权利要求19所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：具备NOx浓度传感器，用于检测通过NOx吸收分解催化剂的废气中的NOx浓度；当NOx浓度传感器所检测出的NOx浓度超出允许值时，向燃烧室内或废气中提供还原剂而加浓燃烧室内的空燃比或废气的空燃比。
25.如权利要求15所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：在内燃机排气通道内配置用于处理废气中的微粒的微粒过滤器，将NOx吸收分解催化剂载持在微粒过滤器上。
26.一种内燃机的排气净化装置，所述内燃机在内燃机排气通道内配置排气净化用催化剂，当在稀空燃比状态下持续燃烧时，通过以周期性尖峰信号状加浓废气的空燃比来净化废气中的NOx，其特征在于：采用NOx吸收分解催化剂作为所述排气净化用催化剂，当在稀空燃比状态下进行燃烧时使一氧化氮分解并保持氧；通过周期性地向内燃机燃烧室内或处于NOx吸收分解催化剂上游的排气通道内提供还原剂，以周期性尖峰信号状加浓废气的空燃比；周期性提供的还原剂的量，少于还原上次提供还原剂后到此次提供还原剂的期间内流入NOx吸收分解催化剂中的一氧化氮所需的还原剂的量。
27.如权利要求26所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：NOx吸收分解催化剂的温度高于由NOx吸收分解催化剂决定的基准温度。
28.如权利要求27所述的内燃机的排气净化装置，其特征在于：当NOx吸收分解催化剂的温度低于由NOx吸收分解催化剂决定的基准温度时，NOx吸收分解催化剂在稀空燃比状态下进行燃烧时吸收一氧化氮，周期性地提供的还原剂的量多于还原上次提供还原剂之后到此次提供还原剂的期间内流入NOx吸收分解催化剂中的一氧化氮所需的还原剂量。
29.一种内燃机的排气净化装置，所述内燃机在内燃机排气通道内配置排气净化用催化剂，当在稀空燃比状态下持续燃烧时，通过以周期性尖峰信号状加浓废气的空燃比来净化废气中的NOx，其特征在于：采用NOx吸收分解催化剂作为所述排气净化催化剂，当在稀空燃比状态下进行燃烧时使一氧化氮分解并保持氧；通过周期性地向内燃机燃烧室内或处于NOx吸收分解催化剂上游的内燃机排气通道内提供还原剂，以周期性尖峰信号状加浓废气的空燃比；从加浓废气的空燃比之后到下次加浓废气的空燃比的时间间隔，随NOx吸收分解催化剂的温度升高而增大。
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