废气净化机构和系统.pdf

一种用于内燃机的废气净化机构，其具有用于净化废气中包含的NOx的净化装置(52)(选择性还原型催化器)、用于将还原剂(例如尿素水)添加到废气中的添加装置(62)和用于控制所述添加装置(62)的运行的电子控制单元(80)。当排气管(40)的内壁温度低时，为了抑制由所述还原剂引起的内壁上的附着物，用于添加所述还原剂的所述添加装置(62)的开关操作频率被增大，或者用于所述还原剂的注入压力被降低。

1.  一种用于内燃机(10)的废气净化机构，包括：
设置在所述内燃机(10)的排气管(40)中用于净化废气中包含的氮氧化物的净化装置(52)；
设置在所述排气管(40)中所述净化装置(52)的上游侧用于将还原剂添加到废气中的添加装置(62)；
用于控制所述添加装置(62)的运行以使所述还原剂的添加量被调节的电子控制单元(80)；以及
用于检测与所述内燃机(10)的排气系统(40)的温度(TEX)相关联的参数值(TIW)的检测装置(58)，
其中所述电子控制单元(80)具有改变部分(S28、S30、S32、S28a、S30a、S32a)，用于在所述排气管(40)的内壁的温度(TIW)低时基于所述参数值(TIW)改变所述添加装置(62)的运行状态，以便降低到达所述排气管(40)的内壁的表面的所述还原剂的量。

2.  一种用于内燃机(10)的废气净化机构，包括：
设置在所述内燃机(10)的排气管(40)中用于净化废气中包含的氮氧化物的净化装置(52)；
设置在所述排气管(40)中所述净化装置(52)的上游侧用于将还原剂添加到废气中的添加装置(62)；
用于控制所述添加装置(62)的运行以使所述还原剂的添加量被调节的电子控制单元(80)；以及
用于检测与所述内燃机(10)的排气系统(40)的温度(TEX)相关联的参数值(TIW)的检测装置(58)，
其中所述电子控制单元(80)具有用于基于所述参数值(TIW)改变所述添加装置(62)的运行状态的改变部分(S28、S30、S32)，以及
所述改变部分(S28、S30、S32)在所述排气管(40)的内壁的温度(TIW)低时缩短所述添加装置(62)的一次循环运行的阀打开时长。

3.  根据权利要求2的废气净化机构，其特征在于，
所述改变部分(S28、S30、S32)在一个运行周期的阀打开时长缩短时增大所述添加装置(62)的开关操作频率，其中所述频率被定义为所述还原剂的添加时间间隔的倒数。

4.  一种用于内燃机(10)的废气净化机构，包括：
设置在所述内燃机(10)的排气管(40)中用于净化废气中包含的氮氧化物的净化装置(52)；
设置在所述排气管(40)中所述净化装置(52)的上游侧用于将还原剂添加到废气中的添加装置(62)；
用于控制所述添加装置(62)的运行以使所述还原剂的添加量被调节的电子控制单元(80)；以及
用于检测与所述内燃机(10)的排气系统(40)的温度(TEX)相关联的参数值(TIW)的检测装置(58)，
其中所述电子控制单元(80)具有用于基于所述参数值(TIW)改变所述添加装置(62)的运行状态的改变部分(S28a、S30a、S32a)，以及
所述改变部分(S28a、S30a、S32a)在所述排气管(40)的内壁的温度(TIW)低时降低用于所述添加装置(62)注入的所述还原剂的注入压力。

5.  根据权利要求1至4中任一项的废气净化机构，其特征在于，
所述电子控制单元(80、S24)基于对应于所述参数值和环境温度的废气温度(TEX)计算所述排气管(40)的内壁的温度(TIW)，以及
所述改变部分(S28、S30、S32、S28a、S30a、S32a)改变所述添加装置(62)的运行状态。

6.  根据权利要求5的废气净化机构，其特征在于，
所述内燃机(10)是车载内燃机，以及
车速与通过所述改变部分(S28、S30、S32、S28a、S30a、S32a)执行以改变所述添加装置(62)的运行状态的改变操作相结合。

7.  根据权利要求1至4中任一项的废气净化机构，其特征在于，
在所述排气管(40)中所述净化装置(52)的上游侧设置有涡旋生成装置(72)，用于在废气中生成涡旋。

8.  根据权利要求1至4中任一项的废气净化机构，其特征在于，
所述还原剂是尿素水。

9.  一种用于内燃机的废气净化系统，包括：
根据权利要求1至4中任一项限定的废气净化机构。

10.  一种在用于内燃机(10)的废气净化机构中使用的方法，所述废气净化机构包括：
设置在所述内燃机(10)的排气管(40)中用于净化废气中包含的氮氧化物的净化装置(52)；
设置在所述排气管(40)中所述净化装置(52)的上游侧用于将还原剂添加到废气中的添加装置(62)；以及
用于控制所述添加装置(62)的运行以使所述还原剂的添加量被调节的电子控制单元(80)，
所述方法通过所述电子控制单元(80)执行、用于控制所述添加装置(62)的运行，并包括以下步骤：
检测与所述内燃机(10)的排气系统(40)的温度(TEX)相关联的参数值(TIW)的检测步骤(S24)；
比较所述参数值(TIW)和预定值(γ)的比较步骤(S26)；
选择所述添加装置(62)的开关操作的频率以使得在所述参数值(TIW)低于所述预定值(γ)时较高的频率被选择的选择步骤(S28、S30)；以及
依据通过所述选择步骤(S28、S30)选择的频率计算阀打开时长的计算步骤(S32)。

11.  一种在用于内燃机(10)的废气净化机构中使用的方法，所述废气净化机构包括：
设置在所述内燃机(10)的排气管(40)中用于净化废气中包含的氮氧化物的净化装置(52)；
设置在所述排气管(40)中所述净化装置(52)的上游侧用于将还原剂添加到废气中的添加装置(62)；以及
用于控制所述添加装置(62)的运行以使所述还原剂的添加量被调节的电子控制单元(80)，
所述方法通过所述电子控制单元(80)执行、用于控制所述添加装置(62)的运行，并包括以下步骤：
检测与所述内燃机(10)的排气系统(40)的温度(TEX)相关联的参数值(TIW)的检测步骤(S24)；
比较所述参数值(TIW)和预定值(γ)的比较步骤(S26)；
选择用于所述添加装置(62)注入的所述还原剂的注入压力以使得在所述参数值(TIW)低于所述预定值(γ)时较低的注入压力被选择的选择步骤(S28a、S30a)；以及
依据通过所述选择步骤(S28a、S30a)选择的注入压力计算阀打开时长的计算步骤(S32)。

废气净化机构和系统
技术领域
本发明涉及用于车辆/交通工具的废气净化机构和具有这种废气净化机构的废气净化系统。本发明适用于具有净化装置(例如催化器)和添加装置的废气净化机构，其中所述净化装置设置在内燃机的排气管中以净化废气中包含的氮氧化物，所述添加装置用于在所述净化装置的上游侧将还原剂添加到废气中。所述废气净化机构(和净化系统)通过操作添加装置控制还原剂的添加量，以便通过所述净化装置控制氮氧化物的净化。
背景技术
近来，正在进行用于废气净化系统(即，尿素SCR系统，SCR＝选择性催化还原)的发展，并且一些这样的系统被投入到实际应用中。根据这种尿素SCR系统，选择性还原型催化器被用在具有内燃机(特别是柴油机发动机)的车辆中，以用于通过使用尿素水做还原剂而选择性地净化包含在废气中的氮氧化物(NOx)。
根据尿素SCR系统，选择性还原型NOx催化器设置在与内燃机相连接的排气管中，并且尿素水添加阀设置在NOx催化器的上游侧，以用于将尿素水溶液(作为NOx还原剂)添加到排气管中。
根据以上尿素SCR系统，尿素水通过尿素水添加阀添加到排气管中，以使得包含在废气中的NOx通过NOx催化器被选择性地脱氧及去除。也就是说，尿素水通过废气的热量水解，从而产生氨(NH₃)，所述氨被NOx催化器吸收。脱氧反应(还原反应)通过NOx催化器上的氨进行。如上所述，NOx被脱氧和净化。
在来自发动机的废气温度低的情况下，从尿素水到氨的水解效率降低。因此，在排气管中可能分离出尿素水的热分解产物，例如三聚氰酸。
例如，如在日本专利公报No.2007-327377中所公开的那样，为了克服以上缺点，设置了旁路通道，以使得仅有少量的废气流经排气管。在旁路通道中设置用于尿素水的水解催化器，以及加热装置。根据这种传统系统，为了抑制或避免排气管中的尿素水的热分解产物的分离，氨在废气温度低时从流经旁路通道的尿素水中被提取，并且所述被提取的氨被供给至NOx催化器。
以上传统系统设有硬件，例如旁路通道、水解催化器、加热装置等。因此，不可避免地降低了性价比。另外，因为加热装置，所以增加了能耗。
发明内容
因此，本发明针对前述问题而完成，并且具有提供用于内燃机的废气净化机构和具有所述机构的废气净化系统的目的。所述废气净化机构和/或系统具有电子控制添加阀，所述电子控制添加阀用于在净化装置上游侧将还原剂添加到废气中，以使得包含在废气中的氮氧化物被所述净化装置净化。根据本发明，抑制了部件数量的增加，并适当抑制了粘附于排气管上的附着物。
为了解决以上问题，本发明具有下面特征和优点。
根据本发明的一个特征，用于内燃机10的废气净化机构具有设置在内燃机10的排气管40中的用于净化废气中包含的氮氧化物的净化装置52、设置在排气管40中所述净化装置52上游侧的用于将还原剂添加到废气中的添加装置62、用于控制所述添加装置62的运行以使还原剂的添加量被调节的电子控制单元80、以及用于检测与内燃机10的排气系统40的温度(TEX)相关联的参数值(TIW)的检测装置58。
电子控制单元80具有改变部分S28、S30、S32、S28a、S30a、S32a，用于在排气管40的内壁的温度(TIW)低时基于参数值(TIW)改变添加装置62的运行状态，以便降低到达所述内壁的表面的还原剂的量。
根据以上特征，在由还原剂引起的排气管内壁的附着物可能出现的运行状态下，到达排气管40的内壁的表面的还原剂的量被减少。因此，抑制了部件数量的增加，并且适当抑制了排气管的附着物。
根据本发明的另一个特征，用于内燃机10的废气净化机构具有设置在内燃机10的排气管40中的用于净化废气中包含的氮氧化物的净化装置52、设置在排气管40中所述净化装置52上游侧的用于将还原剂添加到废气中的添加装置62、用于控制所述添加装置62的运行以使还原剂的添加量被调节的电子控制单元80、以及用于检测与内燃机10的排气系统40的温度(TEX)相关联的参数值(TIW)的检测装置58。
所述电子控制单元80具有用于基于参数值(TIW)改变添加装置62的运行状态的改变部分S28、S30、S32，并且所述改变部分S28、S30、S32在排气管40的内壁的温度(TIW)低时缩短添加装置62的一个运行周期的阀打开时长。
本申请的发明人已经发现，随着添加装置的一个运行周期的阀打开时长设定得更短，从所述添加装置注入/喷射(添加)的还原剂变得更加不太可能附着于排气管的内壁上。因此，根据以上特征，在由还原剂引起的排气管内壁的附着物可能因为排气管内壁的温度低而出现的这种运行状态下，添加装置的一个运行周期的阀打开时长设定得更短。因此，同样抑制了部件数量的增加，并且适当抑制了排气管的附着物。
根据本发明的另一个特征，当一个运行周期的阀打开时长缩短时，所述改变部分S28、S30、S32增大添加装置62的开关操作的频率，其中，所述频率被定义为还原剂的添加时间间隔的倒数。
根据以上特征，即使当阀打开时长改变时，一定添加时长的还原剂总添加量也被控制在所需的量(即，基于发动机的运行状态计算的还原剂的要求的量)。优选基于废气的NOx浓度计算还原剂的要求的量。
根据本发明的另一个特征，用于内燃机10的废气净化机构具有设置在内燃机10的排气管40中的用于净化废气中包含的氮氧化物的净化装置52、设置在排气管40中所述净化装置52上游侧的用于将还原剂添加到废气中的添加装置62、用于控制所述添加装置62的运行以使还原剂的添加量被调节的电子控制单元80、以及用于检测与内燃机10的排气系统40的温度(TEX)相关联的参数值(TIW)的检测装置58。
所述电子控制单元80具有用于基于参数值(TIW)改变添加装置62的运行状态的改变部分S28a、S30a、S32a，并且所述改变部分S28a、S30a、S32a在排气管40的内壁的温度(TIW)低时降低用于添加装置62注入还原剂的注入压力。
随着用于添加装置的还原剂的注入压力变得更低，因为从添加装置注入的还原剂移动的能量变得更低，所以到达排气管内壁的还原剂的量减少。
根据以上特征，在由还原剂引起的排气管内壁的附着物可能因为排气管内壁的温度低而出现的这种运行状态下，用于添加装置注入的还原剂的注入压力被降低。因此，同样抑制了部件数量的增加，适当抑制了排气管的附着物。
根据本发明的另一个特征，电子控制单元80、S24基于对应参数值和环境温度的废气温度(TEX)计算排气管40的内壁的温度(TIW)，并且所述改变部分S28、S30、S32、S28a、S30a、S32a改变添加装置62的运行状态。
因为排气管的内壁通过废气加热，所以排气管的内壁的温度与废气温度相关联。此外，因为从排气管内壁到外部的热辐射量取决于排气管与外部之间的温度梯度，所以排气管的内壁的温度与环境温度相关联。因此，根据以上特征，排气管内壁的温度可以基于参数值(废气温度)和环境温度适当地被计算。
根据本发明的另一个特征，内燃机10是车载内燃机，并且车速与改变操作结合，所述改变操作通过改变部分S28、S30、S32、S28a、S30a、S32a执行以改变添加装置62的运行状态。
当车速变得更高时，因为单位时间内吹向内燃机的空气量增加，所以由排气管壁吸收的热量增加。因此，车速是与排气管内壁的温度相关联的一个参数。根据以上特征，车速包括在参数中，以使得排气管内壁的温度可以被更精确地计算。
根据本发明的另一个特征，涡旋生成装置72设置在排气管40中净化装置52的上游侧，用于在废气中生成涡旋。
根据以上特征，还原剂可以通过涡旋生成装置广泛散布，从而适当抑制由还原剂引起的排气管的附着物。并且因为废气中产生的涡旋增加了排气管40接收的热量，所以可以进一步适当抑制排气管的附着物。
根据本发明的另一个特征，还原剂是尿素水。
已知在排气管未被足够加热的情况下，尿素水热分解的产物可能在排气管中被分离出来。因此，当尿素水被用作还原剂时，改变用于尿素添加的频率或改变用于尿素水的注入压力是有利的。
根据本发明的另一个特征，具有上面提到的特征的废气净化装置适用于内燃机的废气净化系统。
因为废气净化机构具有如上说明的改变部分，所以废气净化系统变得更可靠。
附图说明
根据以下参考附图所做出的详细描述，本发明的以上和其他目的、特征和优点将变得更清楚。
图1是示出根据本发明的第一实施方式的系统结构的示意图；
图2是示出根据第一实施方式的涡旋生成装置的示意图；
图3是用于说明第一实施方式的原理的图；
图4是示出根据第一实施方式的用于控制NOx净化操作的过程的流程图；
图5A和5B是用于示出根据第一实施方式的尿素水添加阀的运行状态的时间图；
图6A至6G是示出用于控制NOx净化操作的运行状态的时间图；
图7是示出根据第二实施方式的用于控制NOx净化操作的过程的流程图；
图8是示出根据以上实施方式的涡旋生成装置的变化形式的示意图；以及
图9A和9B是示出根据以上实施方式的涡旋生成装置的另一个变化形式的示意图。
具体实施方式
(第一实施方式)
下面将参考附图说明根据本发明的第一实施方式的用于内燃机的废气净化机构。
柴油发动机10是具有往复式发动机结构的内燃机。空气清洁器14设置在柴油发动机10的进气管12的上游侧。用于检测进气温度的温度传感器16和用于检测进气量的空气流量计18设置在空气清洁器14处。涡轮增压器20设置在空气清洁器14的下游侧。由涡轮增压器20的增压空气通过中冷器22冷却，并被供应到进气管12的下游侧。空气通过节流阀24和进气阀26被供应到燃烧室28，其中所述节流阀24用于控制进气管12的打开面积，进气阀26用于打开和关闭燃烧室28和进气管12之间的通道。
供应到燃烧室28中的空气被压缩并与通过燃料喷射阀30喷射的高压(例如，数十至200MPa)燃料(柴油)一起燃烧。燃料喷射阀30具有伸进燃烧室28中的前端。通过燃烧产生的能量借助于活塞32转化为用于曲轴34转动的能量。邻近曲轴34设置曲柄角的角度传感器36，用于检测其转动的角度位置。
在燃烧室28中燃烧的空气和燃料根据排气阀38的打开操作作为废气排放到排气管40中。排气管40在涡轮增压器20的上游侧通过EGR(废气再循环)管42与进气管12相连。排放到排气管40中的一部分废气依据EGR阀46的打开程度供应(再循环)到进气管12，EGR阀46控制EGR管42的流动通道的打开面积。通过EGR管42再循环的废气在EGR冷却器44处被冷却。
在排气管40中涡轮增压器20的下游侧设置有后处理装置。后处理装置由氧化催化器50、选择性还原型尿素催化器52(以下称为尿素SCR 52)和氨逃逸(ammonia-slip)催化器54构成，其中这些催化器按此顺序从排气管40的上游到下游布置。氨逃逸催化器54是用于除去过量氨的催化器，所述过量氨在尿素SCR 52处不与NOx反应并在尿素SCR 52下游侧被排进排气管40中。例如，氨逃逸催化器54由氧化催化器构成。
用于检测废气的NOx浓度的上游侧NOx传感器56和用于检测废气温度的温度传感器58设置在排气管40中氧化催化器50和尿素SCR 52之间。用于检测NOx浓度的下游侧NOx传感器60设置在排气管40中尿素SCR 52和氨逃逸催化器54之间。所述后处理装置还具有用于捕获废气中包含的微粒物质(PM)的DPF(柴油微粒过滤器)(未示出)。DPF可以与氧化催化器50整体形成，或可以设置在排气管40中氧化催化器50的下游侧。
尿素水添加阀62设置在排气管40中氧化催化器50和尿素SCR 52之间。尿素水添加阀62是电子控制阀装置，其将从尿素水箱64供应的尿素水注入排气管40中，以将尿素水添加到废气中。尿素水箱64由具有盖子的密闭封闭容器制成。预定浓度(例如32.5％)的尿素水储存在尿素水箱64中。尿素水箱64通过尿素水输送管66与尿素水添加阀62相连。在尿素水输送管66中设置电子控制型尿素水泵68，用于从尿素水箱64抽取尿素水并将加压的尿素水供应到尿素水添加阀62中。在尿素水输送管66中尿素水泵68的的下游侧设置压力传感器70，用于检测尿素水的压力。
为了在排气管40中流动的废气中生成涡旋流，在排气管40中尿素水添加阀62的上游侧设置涡旋生成装置72。涡旋生成装置72通过改变排气管40的流道的横截面结构在废气中生成涡旋流。涡旋生成装置72的结构在图2中示出。如图2所示，涡旋生成装置72具有由多个叶片(在该实施方式中为八个叶片)构成的叶片部分72a。叶片部分72a可以具有这种构造，所述构造将废气的一部分流动能量转化到具有沿排气管40的圆周方向的流动分量的流动中。在附图中，椭圆形形状被示出为叶片部分72a的结构，其中在每个叶片的中间部分处形成凹入部分。
在由尿素SCR 52、尿素水添加阀62等构成的尿素SCR系统中，尿素水通过尿素水添加阀62供应(添加)到排气管40中，以使得尿素水与废气一起被供应到尿素SCR 52中。因此，在尿素SCR 52中实现NOx的脱氧反应以净化废气。
更详细地，从尿素水添加阀62注入的尿素水通过废气的热量被水解，并且根据下面的公式(c1)的化学反应产生氨(NH₃)作为还原剂：
(NH₂)₂CO+H₂O→2NH₃+CO₂...(c1)
当废气流经尿素SCR 52时，废气中包含的NOx被氨选择性地脱氧以净化废气。
4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O...(c2)
6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O...(c3)
NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O..(c4)
电子控制单元(ECU)80是用于控制例如为用于柴油发动机10的燃料喷射阀30各种致动器的控制单元。ECU 80接收来自以上说明的各种用于检测柴油发动机10的运行状态的传感器的检测信号、来自用于检测通过汽车驾驶员作出的加速踏板的操作行程的加速度传感器82的检测信号、来自用于检测车速的车速传感器84的检测信号等，以使得ECU 80基于以上输入信号控制用于柴油发动机10的控制量(转矩、废气特征等)。
为了控制从排气管40排放的废气的特征(如以上控制量中的一个)，ECU 80通过控制尿素水添加阀62和尿素水泵68控制利用尿素SCR 52的NOx净化操作。通过以预定周期向尿素水添加阀62输出阀打开命令脉冲而实现尿素水添加阀62的控制。也就是说，根据输出的脉冲，驱动电流被供应到尿素水添加阀62的驱动部分(电磁阀部分)，以使得尿素水添加阀62被打开以注入(添加)尿素水。如上所述，ECU 80控制尿素水添加阀62的开关操作。
当柴油发动机10的排气系统(包括排气管40)的温度低时，从尿素水到氨的水解效率降低。因此，例如为三聚氰酸的尿素水的热分解产物可能在排气管40的内壁表面处被分离出来。根据本实施方式，当排气管40的内壁表面温度低时，尿素水添加阀62的运行模式改变，以便抑制由尿素水添加阀62注入的尿素使其不能到达排气管40的内壁表面。
图3示出了尿素的注入距离(渗透度)和每次通过尿素水添加阀62进行的尿素注入的阀打开时长之间的关系的实验结果。如图所示，随着阀打开时长变得更长，渗透度增加。因此，随着阀打开时长变得更长，到达排气管40的内壁表面的尿素量增加。在这种情况下，当排气管40的内壁表面的温度低时，尿素可能附着在排气管40的内壁表面。
因此，根据本实施方式，当排气管40的内壁表面的温度低时，通过尿素水添加阀62进行的每次注入的阀打开时长变得更短。图4示出了根据本实施方式的用于控制NOx净化操作的过程。所述过程通过ECU 80以预定控制周期重复进行。
首先，在步骤S10中，ECU 80确定柴油发动机10的转速是否高于预定速度“α”。执行步骤S10的过程以确定柴油发动机10是否运行。当步骤S10中的确定结果为“是”时，ECU 80在步骤S12中确定是否将用于允许添加尿素水的标记(尿素添加允许标记)打开。当步骤S12中的确定结果为“否”时，ECU 80在步骤S14中确定由废气的温度传感器58测得的废气温度(废气温度“TEX”)是否高于用于开始尿素水添加操作的预定温度“β”(尿素添加起始温度“β”)。执行步骤S14中的过程以确定是否到了允许添加尿素水的定时。尿素添加起始温度“β”设置为尽可能低的值(例如180℃)。然而，尿素添加起始温度“β”高于较低的极限温度，尿素SCR 52在所述较低的极限温度以上具有NOx净化的能力。当废气温度“TEX”高于尿素添加起始温度“β”时，尿素添加允许标记在步骤S16中打开。
当步骤S12中的确定结果为“是”时，ECU 80在步骤S18中确定废气温度“TEX”是否低于阈值温度。执行步骤S18中的过程以确定是否到了禁止添加尿素水的定时。阈值温度设定为比尿素添加起始温度“β”低预定值“ΔT”的值。为了避免振动现象，预定值“ΔT”对应于最大迟滞误差(hysteresis error)，其中尿素水添加的允许和禁止经常重复。当步骤S18中的确定结果为“是”时，尿素添加允许标记在步骤S20关闭。
当步骤S18中的确定结果为“否”，或者当步骤S16中的过程结束时，在步骤S22中，ECU 80基于燃烧室28的排放物NOx浓度计算要求的尿素量。上游侧NOx传感器56的检测值用作排放物NOx浓度。更详细地，基于排放物NOx浓度和在尿素SCR 52吸收的氨量计算要求的尿素量，其中吸收的氨量以公知的方法推定。当步骤S22中的过程结束时，过程进行到步骤S24。
在步骤S24中，ECU 80基于废气温度“TEX”、环境温度和车速推定排气管40内壁表面的温度(以下称为内壁温度“TIW”)。因为随着废气温度“TEX”更高，从废气传导到排气管40内壁的热量被认为变得更大，所以内壁温度“TIW”被推定为较高的值。另一方面，因为随着环境温度更低，从排气管40内壁流出到外部的热量被认为增加，所以内壁温度“TIW”被推定为较低的值。此外，因为随着车速更高，吹向排气管40壁表面的环境空气的流量被认为增加，所以内壁温度“TIW”被推定为较低的值。基于排气管40的壁表面的比热等，利用用于热的“给予-和-接收”的热学模式执行以上推定。根据本实施方式，通过进气温度传感器16测得的进气温度用作以上环境温度。
当内壁温度“TIW”被推定时，ECU 80在步骤S26中确定所推定的内壁温度“TIW”是否高于预定温度“γ”。执行步骤S26中的过程以确定是否处于在排气管40的内壁处可能发生由尿素引起附着物的运行状态下。以上预定温度“γ”设置为对应温度上限的值，在此温度下尿素被分离。然后，在步骤S28或步骤S30中，根据在步骤S26中的确定结果，ECU 80选择尿素添加的频率(尿素水添加阀62的开关操作的频率)，所述频率是通过尿素水添加阀62添加尿素水间隔的倒数。
根据本实施方式，当内壁温度“TIW”高于预定温度“γ”时，选择尿素添加的第一频率“f1”，而当内壁温度“TIW”低于预定温度“γ”时，选择尿素添加的第二频率“f2”，尿素添加的第二频率“f2”设置为高于尿素添加的第一频率“f1”的值。这是因为，即使当尿素水添加阀62的一次循环运行的阀打开时长减少时，步骤S22中计算的要求的尿素量也被保持。换句话说，一次循环运行(阀打开操作)的尿素添加量随着阀打开时长变得更短而减少。因此，为了将一定尿素添加时长的尿素添加量保持在相同的水平，随着阀打开时长变得更短，有必要缩短添加尿素的间隔。
当步骤S28或S30中的过程结束时，ECU 80基于尿素添加的要求的尿素量和选择的频率而在步骤S32中计算尿素水添加阀62的一次循环运行的阀打开时长。图5A和5B分别示出了用于尿素添加的第一和第二频率的阀打开时长，其中每种情况的要求的尿素量彼此相同。为了使得针对所述一定尿素添加时长的尿素添加量在频率“f1”和“f2”下彼此相等，针对在第二频率“f2”下进行的尿素添加操作中所述一定尿素添加时长的阀打开时长总和优选设定为大于针对在第一频率“f1”下进行的尿素添加操作中所述一定尿素添加时长的阀打开时长总和。阀打开时长的总和(在频率“f1”和“f2”下进行的操作)是彼此不相同的，如上所述。这是因为当尿素水添加阀62在阀打开的定时时的注入比例(之前的注入比例)与在所述阀打开后的定时的注入比例(之后的注入比例)比较时，之后的注入比例可能大于之前的注入比例。
当图4中所示的步骤S32中的过程结束时，在步骤S34中，通过操作尿素水添加阀62执行尿素添加的操作。当步骤S10或S14中的确定结果为“否”时，或当步骤S20或S34中的过程结束时，图4的整个过程终止。
图6A至6G分别示出了用于根据图4所示的以上过程执行的尿素添加的运行状态。更详细地，图6A示出了车速的转变，图6B示出了环境温度的转变，图6C示出了废气温度“TEX”的转变，图6D示出了排气管的内壁温度“TIW”的转变，图6E示出了排放物NOx浓度的转变，图6F示出了尿素添加量的转变，图6G示出了用于尿素添加的频率的转变。
如图6A至6G所示，即使当废气温度高于尿素添加起始温度“β”并且因此尿素SCR 52准备净化NOx时，仍然存在排气管内壁温度“TIW”变得低于预定温度“γ”的状态。在这样的运行状态下，由尿素引起的附着物可能在排气管40中出现。因此，根据本实施方式，在时间点t4选择用于尿素添加的第二频率“f2”，以使得由尿素引起的附着物能够被适当抑制。
排气管40内壁表面的附着物在高于300℃时会蒸发从而产生氨，所述附着物是尿素聚合物。因此，当所述附着物粘附在排气管40上时，尿素SCR 52的氨吸收量的推定值的精确度可能下降，或者氨泄露到尿素SCR 52的下游侧的氨逃逸现象可能发生。然而，根据本实施方式，这种不利的情况可以通过着重注意排气管内壁温度“TIW”以适宜的方式避免。
为了抑制排气管40的附着物，也可以独立于排气管内壁温度“TIW”选择第二频率“f2”。然而，在这种情况下，增加了通过尿素添加阀62注入的次数。因此，尿素水添加阀62的磨损速度可能增加，从而降低产品的可靠性。
根据本实施方式，可以获得以下优点。
(1)当排气管40内壁温度低时，用于每个操作循环的尿素水添加阀62的阀打开时长缩短。因此，抑制了部件数量的增加，并且适当防止了由尿素引起的排气管40内壁上的附着物。
(2)当用于每个操作循环的尿素添加阀62的阀打开时长缩短时，定义为尿素添加时间间隔的倒数的尿素添加的频率增大。因此，针对一定添加时长的尿素添加量可以保持在要求尿素量的值。
(3)排气管40的内壁温度“TIW”基于废气温度“TEX”和环境温度而被推定。因此，内壁温度“TIW”可以被适当地推定。
(4)车速与排气管40的内壁温度“TIW”的推定结果相结合。因此，内壁温度“TIW”可以以更高的精确度推定。
(5)在排气管40中尿素SCR 52的上游侧设置有使废气形成涡旋的涡旋生成装置72。因此，尿素水广泛散布，以使得由尿素引起的排气管40内壁的附着物被适当抑制。
(第二实施方式)
本发明的第二实施方式将通过着重相对第一实施方式的不同点参考附图进行说明。
图7示出了用于根据第二实施方式控制NOx净化操作的过程。所述过程通过ECU 80以预定控制循环重复进行。在图7中，相同的附图标记用于与图4中的步骤相对应的步骤。
根据图7的过程，由尿素水添加阀62注入(添加)的尿素水的注入压力依据在步骤S26中排气管的内壁温度“TIW”是否高于预定温度“γ”的确定结果而改变。更详细地，当内壁温度“TIW”高于预定温度“γ”时，选择用于尿素添加的第一注入压力“p1”(在步骤S28a中)，而当内壁温度“TIW”低于预定温度“γ”时，选择用于尿素添加的第二注入压力“p2”(在步骤S30a中)，并且第二注入压力“p2”设置为比第一注入压力“p1”更低的值。在由尿素引起的附着物可能在排气管40的内壁处出现的这种情况下，这是为了降低由尿素水添加阀62注入的尿素水的注入的初始速率。
当步骤S28a或S30a中的过程结束时，ECU基于要求的尿素量和选择的注入压力计算阀打开时长。根据本实施方式，在较高的注入压力(“p1”)的情况下的阀打开时长设定为比在较低的注入压力(“p2”)的情况下的阀打开时长更短的值，以使得尿素添加量在一定添加时长内保持在相同的水平。
为了抑制排气管40的附着物，也可以独立于排气管的内壁温度“TIW”选择第二注入压力“p2”。然而，随着注入压力变得更低，注入的尿素喷雾的颗粒尺寸变得更大。因此，NOx净化效果可能降低。因此，根据本实施方式，为了在抑制排气管40内壁的由尿素引起的附着物的同时提高NOx净化效果，依据运行状态适当选择第一注入压力“p1”和第二注入压力“p2”。
根据第二实施方式，除了第一实施方式的已经说明的优点(2)至(5)外，还可以获得下面优点(6)。
(6)当内壁温度“TIW”低时，由尿素水添加阀62注入(添加)的尿素水的注入压力被设定为更低。因此，抑制了部件数量的增加的同时，适当抑制了由尿素引起的排气管40内壁的附着物。
(变化形式)
上述说明的实施方式可以按以下方式变化。
在以上第一实施方式中，依据排气管内壁温度“TIW”是否高于预定温度“γ”的确定结果而选择用于尿素添加的两个不同频率中的一个。然而，用于尿素添加的频率不应当局限于所述两个不同频率。例如，随着排气管内壁温度“TIW”变得更低，用于尿素添加的频率可以通过多于两步的步骤以逐步的方式增加，或者可以连续增加。
在以上第二实施方式中，依据排气管内壁温度“TIW”是否高于预定温度“γ”的确定结果而选择用于尿素添加的两个不同注入压力中的一个。然而，用于尿素添加的注入压力不应当局限于这两个不同的注入压力。例如，随着排气管内壁温度“TIW”变得更低，用于尿素添加的注入压力可以通过多于两步的步骤以逐步的方式降低，或者可以连续降低。
在以上第一实施方式中，当排气管内壁温度“TIW”低于预定温度“γ”时，为了降低从尿素水添加阀62注入的尿素喷雾的颗粒尺寸，不仅增大用于尿素添加的频率，而且增加用于尿素添加的注入压力。通过降低注入的尿素喷雾的颗粒尺寸促进氨的产生。因此，即使在NOx净化的性能可能变得更低的低排气管内壁温度下，也变得可以保持NOx净化的高性能。
然而，当用于尿素添加的注入压力增加时，可能存在到达排气管40内壁表面的尿素量可能增加的风险。因此，为了避免这种不利情形，用于尿素添加的频率可以优选增大到高于第二频率“f2”，以使得一次循环的阀打开时长更短。
在以上实施方式中，排气管40的内壁温度“TIW”基于指示柴油发动机10的运行状态的参数(例如车速、废气温度“TEX”等)而被推定。排气管40的内壁温度“TIW”可以通过特别设计用于检测内壁温度“TIW”的硬件装置检测。
在以上实施方式中，为了控制尿素添加装置(由尿素水添加阀62和尿素水泵68构成)，检测(推定)排气管40的内壁温度“TIW”。然而，本发明不局限于这种基于排气管40的内壁温度“TIW”控制尿素添加装置的方法。例如，可以基于废气温度“TEX”和阈值之间的比较结果控制尿素添加装置，并且所述阈值可以依据环境温度改变。利用这种变化形式，可以正确地确定排气管40内壁温度是否低于预定值。并且基于排气管40内壁温度是否低于预定值的所述确定结果可以控制尿素添加装置。在以上变化形式中，当车速与用于改变阈值的过程结合时，可以更为精确地执行所述确定(排气管40内壁温度是否低于预定值)。
在以上实施方式中，基于尿素SCR 52处吸收的氨量计算要求的尿素量。然而，例如，可以基于NOx净化比率计算要求的尿素量。NOx净化比率由以下方式定义和计算。尿素SCR 52上游侧的排放物NOx浓度(基于上游侧NOx传感器56)减去尿素SCR 52下游侧的排放物NOx浓度(基于下游侧NOx传感器60)，从而获得减少的NOx浓度。然后，用所述减少的NOx浓度除以SCR 52上游侧的排放物NOx浓度，从而获得NOx净化比率。
在以上实施方式中，来自燃烧室28的排放物NOx浓度通过上游侧NOx传感器56检测。然而，来自燃烧室28的排放物NOx浓度也可以基于指示柴油发动机10的运行状态的参数(例如，燃料喷射量和发动机转速)推定。
在以上实施方式中，进气温度传感器16的检测值被用作环境温度。也可以设置另一个温度传感器用于直接检测环境温度。
在以上实施方式中，废气温度“TEX”通过废气温度传感器60检测。然而，废气温度“TEX”也可以基于指示柴油发动机10的运行状态的参数(例如，燃料喷射量、发动机转速、进气量和进气温度)推定。
本发明不局限于图2所示的用于在废气中生成涡旋的涡旋生成装置72。例如，涡旋生成装置可以形成为如图8中所示的装置90，其中叶片部分90a的每个叶片由等边三角形的薄板构件形成。
此外，涡旋生成装置可以形成为如图9A中所示的装置92。如图9A所示，涡旋生成装置92具有用于将排气管40的排气通道划分成多个小通道区92d的多个分隔壁构件92c。在每个小通道区92d中，以这样的方式设置偏转构件92a或92b，以使得所述偏转构件向垂直于废气流动的方向偏转。如图9B所示，偏转构件92b(布置在排气管40的外围侧)的偏转角“θ2”被设定为大于偏转构件92a(布置在排气管40的中心)的偏转角“θ1”。根据这种结构，因为排气管40外围侧的废气流速慢于中心部分的废气流速，所以废气中产生的涡旋增加了通过排气管40接收的热量。因此，更适当抑制了由尿素引起的排气管40内壁的附着物。
本发明不局限于静态地改变排气管40的横截面的固定装置的涡旋生成装置。所述涡旋生成装置可以由叶轮形成，当废气吹向叶轮时，所述叶轮转动。
本发明不局限于用于净化废气中包含的氮氧化物的尿素SCR 52。例如，选择性还原型催化器可以用作净化装置，其中将还原剂而不是尿素水添加到废气中。当存在由还原剂引起的附着物可能在低温度的排气管40的内壁上出现的风险时，本发明有效地适用于以上催化器。
本发明不局限于例如为柴油发动机的压燃式内燃机。当选择性还原型催化器用于净化NOx时，本发明可以适用于例如为直喷式汽油发动机的火花点火式内燃机。