KR20020002429A - 배기 가스 정화 방법 - Google Patents

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Abstract

내연 기관의 배기 통로 내에, 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 받아들여 산소를 보유하고, 또한 주위의 산소 농도가 저하되면 보유한 산소를 활성 산소 형태로 방출하는 활성 산소 방출제를 담지한 미립자 필터(22)가 배치된다. 미립자 필터(22)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 통산 린 상태로 유지되고, 때때로 일시적으로 리치 상태로 전환된다. 배기 가스의 공연비가 리치 상태로 전환되었을 때에는 활성 산소 방출제로부터 방출되는 활성 산소에 의해 미립자 필터상의 미립자 산소 반응이 촉진되고, 그에 의해서 배기 가스 중의 미립자를 미립자 필터(22)상에서 휘염을 발하지 않고 연속적으로 산화 제거된다.

Description

배기 가스 정화 방법{Exhaust gas cleaning method}
종래부터 디젤 기관에서는 배기 가스 중에 포함되는 미립자를 제거하기 위해서 기관 배기 통로 내에 미립자 필터(particulate filter)를 배치하고, 이 미립자 필터에 의해 배기 가스 중의 미립자를 일단 모으고, 미립자 필터상에 모인 미립자를 착화 연소시킴으로써 미립자 필터를 재생하도록 하고 있다. 그런데, 미립자 필터상에 모인 미립자는 600℃ 정도 이상의 고온이 되지 않으면 착화되지 않고, 이것에 대하여 디젤 기관의 배기 가스 온도는 통상, 600℃보다도 상당히 낮다. 따라서, 배기 가스 열로 미립자 필터상에 모인 미립자를 착화시키는 것은 곤란하고, 배기 가스 열로 미립자 필터상에 모인 미립자를 착화시키기 위해서는 미립자의 착화 온도를 낮게 해야만 한다.
그런데 종래부터 미립자 필터상에 촉매를 담지하면 미립자의 착화 온도를 저하시킬 수 있는 것이 알려져 있고, 따라서 종래부터 미립자의 착화 온도를 저하시키기 위해서 촉매를 담지한 여러가지의 미립자 필터가 알려져 있다.
예를 들면, 일본 특공평 7-106290호 공보에는 미립자 필터상에 백금족 금속 및 알칼리토류 금속 산화물의 혼합물을 담지시킨 미립자 필터가 개시되어 있다.이 미립자 필터에서는 거의 350℃에서 400℃의 비교적 저온으로 미립자가 착화되고, 이어서 연속적으로 연소된다.
디젤 기관에서는 부하가 높아지면 배기 가스 온도가 350℃에서 400℃에 도달하고, 따라서 상술한 미립자 필터에서는 일견한 바 기관 부하가 높아졌을 때 배기 가스 열에 의해서 미립자를 착화 연소시킬 수 있는 것처럼 보인다. 그러나 실제로는 배기 가스 온도가 350℃에서 400℃에 달하여도 미립자가 착화되지 않는 경우가 있고, 또한 가령 미립자가 착화되었다고 해도 일부의 미립자밖에 연소하지 않고, 다량의 미립자가 연소하다 남는 문제가 생긴다.
즉, 배기 가스 중에 포함되는 미립자량이 적을 때에는 미립자 필터상에 부착되는 미립자량이 적고, 이 때는 배기 가스 온도가 350℃에서 400℃가 되면 미립자 필터상의 미립자는 착화되고, 이어서 연속적으로 연소된다.
그러나 배기 가스 중에 포함되는 미립자량이 많아지면 미립자 필터상에 부착된 미립자가 완전히 연소하기 전에 이 미립자의 위에 다른 미립자가 퇴적되고, 그 결과 미립자 필터상에 미립자가 적층형으로 퇴적된다. 이와 같이 미립자 필터상에 미립자가 적층형으로 퇴적되면 산소와 접촉하기 쉬운 일부의 미립자는 연소되지만 산소와 접촉하기 어려운 나머지 미립자는 연소하지 않으므로 다량의 미립자가 연소하다 남게 된다. 따라서 배기 가스 중에 포함되는 미립자량이 많아지면 미립자상에 다량의 미립자가 계속 퇴적되게 된다.
한편, 미립자 필터상에 다량의 미립자가 퇴적되면 이들 퇴적된 미립자는 점차로 착화 연소되기 어려워진다. 이와 같이 연소되기 어려운 것은 아마 퇴적되어있는 동안에 미립자 중의 탄소가 연소되기 어려운 그래파이트 등으로 변화하기 때문이라고 생각된다. 사실, 미립자 필터상에 다량의 미립자가 계속 퇴적되면 350℃에서 40O℃의 저온에서는 퇴적된 미립자가 착화되지 않고, 퇴적된 미립자를 착화되기 위해서는 600℃ 이상의 고온이 필요하게 된다. 그러나 디젤 기관에서는 통상, 배기 가스 온도가 600℃ 이상의 고온이 되는 경우가 없고, 따라서 미립자 필터상에 다량의 미립자가 계속 퇴적되면 배기 가스 열에 의해서 퇴적된 미립자를 착화시키는 것이 곤란해진다.
한편, 이 때 배기 가스 온도를 600℃ 이상의 고온으로 할 수 있다고 하면 퇴적된 미립자는 착화되지만 이 경우에는 다른 문제가 생긴다. 즉, 이 경우, 퇴적된 미립자는 착화되면 휘염(luminous flames)을 발하여 연소하고, 이 때 미립자 필터의 온도는 퇴적된 미립자의 연소가 완료할 때까지 장시간에 걸쳐 800℃ 이상으로 유지된다. 그러나 이와 같이 미립자 필터가 장시간에 걸쳐 800℃ 이상의 고온에 노출되면 미립자 필터가 조기에 열화되고, 이와 같이 하여 미립자 필터를 신품으로 조기에 교환해야 된다는 문제가 생긴다.
또한, 퇴적된 미립자가 연소되면 애시(ash)가 응축하여 큰 덩어리가 되고, 이 애시의 덩어리에 의해서 미립자 필터의 미세 구멍이 막히게 된다. 막힌 미세 구멍의 수는 시간의 경과와 함께 점차로 증대하고, 이와 같이 하여 미립자 필터에서의 배기 가스류의 압력 손실이 점차로 커진다. 배기 가스류의 압력 손실이 커지면 기관의 출력이 저하되고, 이와 같이 하여 이 점으로부터도 미립자 필터를 신품으로 조기에 교환해야 된다고 하는 문제가 생긴다.
이와 같이 다량의 미립자가 일단 적층형으로 퇴적되면 상술한 바와 같은 여러가지의 문제가 생기고, 따라서 배기 가스 중에 포함되는 미립자량과 미립자 필터상에서 연소할 수 있는 미립자량의 밸런스를 생각하여 다량의 미립자가 적층형으로 퇴적되지 않도록 할 필요가 있다. 그러나 상술한 공보에 기재된 미립자 필터에서는 배기 가스 중에 포함되는 미립자량과 미립자 필터상에서 연소할 수 있는 미립자량의 밸런스에 대해서는 아무런 고려도 없고, 이와 같이 하여 상술한 바와 같이 여러가지의 문제가 발생하게 된다.
또한, 상술한 공보에 기재된 미립자 필터에서는 배기 가스 온도가 350℃ 이하가 되면 미립자는 착화되지 않고, 이와 같이 하여 미립자 필터상에 미립자가 퇴적된다. 이 경우, 퇴적량이 적으면 배기 가스 온도가 350℃에서 400℃가 되었을 때 퇴적된 미립자가 연소되지만 다량의 미립자가 적층형으로 퇴적되면 배기 가스 온도가 350℃에서 400℃가 되었을 때에 퇴적된 미립자가 착화되지 않고, 가령 착화되었다고 해도 일부의 미립자는 연소하지 않기 때문에 연소하다 남은 잔애가 생긴다.
이 경우, 다량의 미립자가 적층형으로 퇴적되기 전에 배기 가스 온도를 상승시키면 퇴적된 미립자를 연소하다 남기지 않고 연소시킬 수 있지만 상술한 공보에 기재된 미립자 필터에서는 이러한 것은 조금도 고려하지 않으므로, 다량의 미립자가 적층형으로 퇴적된 경우에는 배기 가스 온도를 600℃ 이상으로 상승시키지 않은 한, 퇴적된 모든 미립자를 연소시킬 수 없다.
본 발명은 배기 가스 정화 방법에 관한 것이다.
도 1은 내연 기관의 전체도.
도 2a 및 도 2b는 기관의 요구 토크(torque)를 도시하는 도면.
도 3a 및 도 3b는 미립자 필터를 도시하는 도면.
도 4a 및 도 4b는 미립자의 산화 작용을 설명하기 위한 도면.
도 5a 내지 도 5c는 미립자의 퇴적 작용을 설명하기 위한 도면.
도 6은 산화 제거 가능 미립자량과 미립자 필터의 온도의 관계를 도시하는 도면.
도 7a 및 도 7b는 산화 제거 가능 미립자량을 도시하는 도면.
도 8a 내지 8f는 산화 제거 가능 미립자량(G)의 맵을 도시하는 도면.
도 9a 및 도 9b는 배기 가스 중의 산소 농도 및 NOx농도의 맵을 도시하는도면.
도 10a 및 도 10b는 배출 미립자량을 도시하는 도면.
도 11은 기관의 운전을 제어하기 위한 플로 차트.
도 12는 분사 제어를 설명하기 위한 도면.
도 13은 스모그의 발생량을 도시하는 도면.
도 14a 및 도 14b는 연소실 내의 가스 온도 등을 도시하는 도면.
도 15는 내연 기관의 다른 실시예를 도시하는 전체도.
도 16은 내연 기관의 또 다른 실시예를 도시하는 전체도.
도 17은 내연 기관의 또 다른 실시예를 도시하는 전체도.
도 18은 내연 기관의 또 다른 실시예를 도시하는 전체도.
도 19는 내연 기관의 또 다른 실시예를 도시하는 전체도.
도 20a 내지 도 20c는 미립자의 퇴적 농도 등을 도시하는 도면.
도 21은 기관의 운전을 제어하기 위한 플로 차트.
본 발명의 목적은 배기 가스 중의 미립자를 미립자 필터상에서 연속적으로 산화 제거할 수 있는 배기 가스 정화 방법을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 배기 가스 중의 미립자를 미립자 필터상에서 연속적으로 산화 제거할 수 있고 또한 동시에 배기 가스 중의 NOx를 제거할 수 있는 배기 가스 정화 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 연소실로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 미립자 필터상에, 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 받아들여 산소를 보유하고 또한 주위의 산소 농도가 저하되면 보유한 산소를 활성 산소 형태로 방출하는 활성 산소 방출제를 담지시켜, 미립자 필터에 유입되는 배기 가스의 공연비를 통상은 린(lean) 상태로 유지하는 동시에 때때로 일시적으로 리치(rich) 상태로 전환하여 배기 가스의 공연비가 리치 상태로 전환되었을 때에는 활성 산소 방출제로부터 방출되는 활성 산소에 의해 미립자 필터상의 미립자의 산화 반응을 촉진시키고, 그것에 의하여 미립자 필터상의 미립자가 휘염을 발하지 않고 산화 제거되는 배기 가스 정화 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 연소실로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 미립자 필터상에, 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 받아들여 산소를 보유하고 또한 주위의 산소 농도가 저하되면 보유한 산소를 활성 산소 형태로 방출하는 동시에, 미립자 필터에 유입되는 배기 가스의 공연비가 린 상태일 때는 배기 가스 중의 NOx를 흡수하여 미립자 필터에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론공연비 또는 리치 상태로 되면 흡수한 NOx를 방출하는 활성 산소 방출·NOx흡수제를 담지시켜, 미립자 필터에 유입되는 배기 가스의 공연비를 통상은 린 상태로 유지하는 동시에 때때로 일시적으로 리치 상태로 전환하여 배기 가스의 공연비가 리치 상태로 전환되었을 때에는 활성 산소 방출·NOx흡수제로부터 방출되는 활성 산소에 의해 미립자 필터상의 미립자의 산화 반응을 촉진시키는 동시에, 활성 산소 방출·NOx흡수제로부터 방출되는 NOx를 환원시키고, 그것에 의하여 미립자 필터상의 미립자가 휘염을 발하지 않고 산화 제거되는 동시에, 동시에 배기 가스 중의 NOx가 제거되는 배기 가스 정화 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명을 압축 착화식 내연 기관에 적용한 경우를 도시하고 있다. 또, 본 발명은 불꽃 점화식 내연 기관에도 적용할 수도 있다.
도 1을 참조하면, 1은 기관 본체, 2는 실린더 블록, 3은 실린더 헤드, 4는 피스톤, 5는 연소실, 6은 전기 제어식 연료 분사 밸브, 7은 흡기 밸브, 8은 흡기 포트, 9는 배기 밸브, 10은 배기 포트를 각각 도시한다. 흡기 포트(8)는 대응하는 흡기 브랜치관(11)을 통해서 서지 탱크(12)에 연결되고, 서지 탱크(12)는 흡기 덕트(13)를 통해서 배기 터보차저(14; turbocharger)의 압축기(15; compressor)에 연결된다. 흡기 덕트(13) 내에는 스텝 모터(16)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(17)가 배치되고, 또한 흡기 덕트(13) 주위에는 흡기 덕트(13) 내를 흐르는 흡입 공기를 냉각하기 위한 냉각 장치(18)가 배치된다. 도 1에 도시되는 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각장치(18) 내로 유도되어, 기관 냉각수에 의해서 흡입 공기가 냉각된다. 한편, 배기 포트(10)는 배기 매니폴드(19) 및 배기관(20)을 통해서 배기 터보차저(14)의 배기 터빈(21)에 연결되고, 배기 터빈(21)의 출구는 미립자 필터(22)를 내장한 케이싱(23)에 연결된다.
배기 매니폴드(19)와 서지 탱크(12)는 배기 가스 재순환(이하, EGR이라고 한다) 통로(24)를 통해서 서로 연결되고, EGR 통로(24) 내에는 전기 제어식 EGR 제어 밸브(25)가 배치된다. 또한, EGR 통로(24) 주위에는 EGR 통로(24) 내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하기 위한 냉각장치(26)가 배치된다. 도 1에 도시되는 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각장치(26) 내에 유도되고, 기관 냉각수에 의해서 EGR 가스가 냉각된다. 한편, 각 연료 분사 밸브(6)는 연료 공급관(6a)을 통해서 연료 리저버(reservoir), 이른바 공통 레일(27)에 연결된다. 이 공통 레일(27) 내로는 전기 제어식의 토출량 가변의 연료 펌프(28)로부터 연료가 공급되고, 공통 레일(common rail ; 27) 내에 공급된 연료는 각 연료 공급관(6a)을 통해서 연료 분사 밸브(6)에 공급된다. 공통 레일(27)에는 공통 레일(27) 내의 연료압을 검출하기 위한 연료압 센서(29)가 설치되고, 연료압 센서(29)의 출력 신호에 근거하여 공통 레일(27) 내의 연료압이 목표 연료압이 되도록 연료 펌프(28)의 토출량이 제어된다.
전자 제어 유닛(30)은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍방향성 버스(31)에 의해서 서로 접속된 ROM(32; 판독 전용 메모리), RAM(33; 랜덤 액세스 메모리), CPU(34; 마이크로 프로세서), 입력 포트(35) 및 출력 포트(36)를 구비한다. 연료압 센서(29)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(37)를 통해서 입력 포트(35)에 입력된다. 또한, 미립자 필터(22)에는 미립자 필터(22)의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(39)가 설치되고, 이 온도 센서(39)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(37)를 통해서 입력 포트(35)에 입력된다. 액셀 페달(40)에는 액셀 페달(40)의 밟는 양(L)에 비례한 출력 전압을 발생시키는 부하 센서(41)가 접속되고, 부하 센서(41)의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기(37)를 통해서 입력 포트(35)에 입력된다. 또한 입력 포트(35)에는 크랭크 샤프트가 예를 들면 30° 회전할 때마다 출력 펄스를 발생시키는 크랭크 각 센서(42)가 접속된다. 한편, 출력 포트(36)는 대응하는 구동회로(38)를 통해서 연료 분사 밸브(6), 스로틀 밸브 구동용 스텝 모터(16), EGR 제어 밸브(25), 및 연료 펌프(28)에 접속된다.
도 2a는 요구 토크(TQ)와, 액셀 페달(40)의 밟는 양(L)과, 기관 회전수(N)의 관계를 도시하고 있다. 또, 도 2a에 있어서 각 곡선은 등토크 곡선을 도시하고 있고, TQ=0으로 도시되는 곡선은 토크가 영인 것을 나타내고 있고, 나머지 곡선은 TQ=a, TQ=b, TQ=c, TQ=d의 순서로 점차로 요구 토크가 높아진다. 도 2a에 도시되는 요구 토크(TQ)는 도 2b에 도시되는 바와 같이 액셀 페달(40)의 밟는 양(L)과 기관 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다. 본 발명에 따른 실시예에서는 도 2b에 도시하는 맵으로부터 액셀 페달(40)의 밟는 양(L) 및 기관 회전수(N)에 따른 요구 토크(TQ)가 우선 처음에 산출되고, 이 요구 토크(TQ)에 근거하여 연료 분사량 등이 산출된다.
도 3a 및 도 3b에 미립자 필터(22)의 구조를 도시한다. 또, 도 3a는 미립자 필터(22)의 정면도를 도시하고 있고, 도 3b는 미립자 필터(22)의 측면 단면도를 도시하고 있다. 도 3a 및 도 3b에 도시되는 바와 같이 미립자 필터(22)는 허니콤 구조를 하고 있고, 서로 평행을 이루어 연장되는 복수개의 배기 유통로(50, 51)를 구비한다. 이 배기 유통로는 하류 끝이 마개(52)에 의해 폐색된 배기 가스 유입 통로(50)와, 상류 끝이 마개(53)에 의해 폐색된 배기 가스 유출 통로(51)로 구성된다. 또, 도 3a에 있어서 빗금친 부분은 마개(53)를 도시하고 있다. 따라서 배기 가스 유입 통로(50) 및 배기 가스 유출 통로(51)는 얇은 두께의 격벽(54)을 통해서 교대로 배치된다. 다시 말하면 배기 가스 유입 통로(50) 및 배기 가스 유출 통로(51)는 각 배기 가스 유입 통로(50)가 4개의 배기 가스 유출 통로(51)에 의해서 포위되고, 각 배기 가스 유출 통로(51)가 4개의 배기 가스 유입 통로(50)에 의해서 포위되도록 배치된다.
미립자 필터(22)는 예를 들면 코어디어라이트 같은 다공질 재료로 형성되어 있고, 따라서 배기 가스 유입 통로(50) 내에 유입된 배기 가스는 도 3b에 있어서 화살 표시로 나타내는 바와 같이 주위의 격벽(54) 내를 통과하여 인접하는 배기 가스 유출 통로(51) 내로 유출된다.
본 발명에 따른 실시예에서는 각 배기 가스 유입 통로(50) 및 각 배기 가스유출 통로(51)의 주위 벽면, 즉 각 격벽(54)의 양측 표면상 및 격벽(54) 내의 미세 구멍내 벽면상에는 예를 들면 알루미나로 이루어지는 캐리어의 층이 형성되어 있고, 이 캐리어상에 귀금속 촉매, 및 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 받아들여 산소를 보유하고 또한 주위의 산소 농도가 저하되면 보유한 산소를 활성 산소 형태로 방출하는 활성 산소 방출제가 담지되어 있다.
이 경우, 본 발명에 따른 실시예에서는 귀금속 촉매로서 백금(Pt)이 사용되고 있고, 활성 산소 방출제로서 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 같은 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 같은 알칼리토류 금속, 란탄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce) 같은 희토류, 및 주석(Sn), 철(Fe)과 같은 천이 금속으로부터 선택된 적어도 하나가 사용되고 있다.
또, 이 경우 활성 산소 방출제로서는 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)을 사용하거나, 또는 세륨(Ce)을 사용하는 것이 바람직하다.
다음에 미립자 필터(22)에 의한 배기 가스 중의 미립자 제거 작용에 대해서 캐리어상에 백금(Pt) 및 칼륨(K)을 담지시킨 경우를 예로 들어 설명하지만 다른 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리토류 금속, 희토류, 천이 금속을 사용하여도 같은 미립자 제거 작용이 행하여진다.
도 1에 도시되는 바와 같은 압축 착화식 내연 기관에서는 공기 과잉을 기초로 연소가 행하여지고, 따라서 배기 가스는 다량의 과잉 공기를 포함하고 있다.즉, 흡기 통로, 연소실(5) 및 배기 통로 내로 공급된 공기와 연료의 비를 배기 가스의 공연비라고 칭하면 도 1에 도시되는 바와 같은 압축 착화식 내연 기관에서는 배기 가스의 공연비는 린 상태가 된다. 또한, 연소실(5) 내에서는 NO가 발생하기 때문에 배기 가스 중에는 NO가 포함되어 있다. 또한, 연료 중에는 유황(S)이 포함되어 있고, 이 유황(S)은 연소실(5) 내에서 산소와 반응하여 SO2이 된다. 따라서 배기 가스 중에는 SO2이 포함되어 있다. 따라서 과잉 산소, NO 및 SO2을 포함한 배기 가스가 미립자 필터(22)의 배기 가스 유입 통로(50) 내로 유입되게 된다.
도 4a 및 4b는 배기 가스 유입 통로(50)의 내주면 및 격벽(54) 내의 미세 구멍내 벽면상에 형성된 캐리어층의 표면의 확대도를 모식적으로 나타내고 있다. 또, 도 4a 및 4b에 있어서 60은 백금(Pt)의 입자를 도시하고 있고, 61은 칼륨(K)을 포함하고 있는 활성 산소 방출제를 도시하고 있다.
상술한 바와 같이 배기 가스 중에는 다량의 과잉 산소가 포함되어 있기 때문에 배기 가스가 미립자 필터(22)의 배기 가스 유입 통로(50) 내로 유입되면 도 4a에 도시되는 바와 같이 이들 산소(O2)가 02 -또는 02-의 형태로 백금(Pt)의 표면에 부착된다. 한편, 배기 가스 중의 NO는 백금(Pt)의 표면상에서 02 -또는 02와 반응하여, NO2가 된다(2NO+02→2NO2). 이어서 생성된 NO2의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 활성 산소 방출제(61) 내로 흡수되고, 칼륨(K)과 결합하면서 도 4a에 도시되는 바와 같이 질산 이온(NO3 -)의 형태로 활성 산소 방출제(61) 내로 확산되고, 일부의 질산 이온(NO3 -)은 질산 칼륨(KNO3)을 생성한다.
한편, 상술한 바와 같이 배기 가스 중에는 SO2도 포함되어 있고, 이 SO2도 NO와 같은 메카니즘에 의해서 활성 산소 방출제(61) 내로 흡수된다. 즉, 상술한 바와 같이 산소(O2)가 02 -또는 02-의 형태로 백금(Pt)의 표면에 부착되어 있고, 배기 가스 중의 SO2는 백금(Pt)의 표면에서 02 -또는 02-와 반응하여 SO3이 된다. 이어서 생성된 SO3의 일부는 백금(Pt) 상에서 더욱 산화되면서 활성 산소 방출제(61) 내로 흡수되고, 칼륨(K)과 결합하면서 황산 이온(SO4 2-)의 형태로 활성 산소 방출제(61) 내로 확산되어, 황산 칼륨(K2SO4)을 생성한다. 이렇게 하여 활성 산소 방출 촉매(61) 내에는 질산 칼륨(KNO3) 및 황산 칼륨(K2SO4)이 생성된다.
한편, 연소실(5) 내에서는 주로 카본(C)으로 이루어지는 미립자가 생성되고, 따라서 배기 가스 중에는 이들 미립자가 포함되어 있다. 배기 가스 중에 포함되어 있는 이들 미립자는 배기 가스가 미립자 필터(22)의 배기 가스 유입 통로(50) 내를 흐르고 있을 때, 또는 배기 가스 유입 통로(50)로부터 배기 가스 유출 통로(51)를 향할 때 도 4b에 있어서 62로 도시되는 바와 같이 캐리어층의 표면, 예를 들면 활성 산소 방출제(61)의 표면상에 접촉하여 부착된다.
이와 같이 미립자(62)가 활성 산소 방출제(61)의 표면상에 부착되면 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면에서는 산소 농도가 저하된다. 산소 농도가 저하되면 산소 농도가 높은 활성 산소 방출제(61) 내와의 사이에서 농도 차가 생기고, 이와 같이 하여 활성 산소 방출제(61) 내의 산소가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하여 이동하려고 한다. 그 결과, 활성 산소 방출제(61) 내에 형성되어 있는 질산 칼륨(KNO3)이 칼륨(K)과 산소(O)와 NO로 분해되어, 산소(O)가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하고, NO가 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 NO는 하류측의 백금(Pt) 상에서 산화되고, 다시 활성 산소 방출제(61) 내로 흡수된다.
한편, 이 때 활성 산소 방출제(61) 내에 형성되어 있는 황산 칼륨(K2SO4)도 칼륨(K)과 산소(O)와 SO2으로 분해되어, 산소(O)가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉을 향하고, SO2이 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 SO2은 하류측의 백금(Pt) 상에서 산화되고, 다시 활성 산소 방출제(61) 내로 흡수된다.
한편, 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하는 산소(O)는 질산 칼륨(KNO3)이나 황산 칼륨(K2SO4)과 같은 화합물로부터 분해된 산소이다. 화합물로부터 분해된 산소(O)는 높은 에너지를 갖고 있고, 극히 높은 활성을 갖는다. 따라서 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하는 산소는 활성 산소(O)로 되어 있다. 이 활성 산소(O)가 미립자(62)에 접촉하면 미립자(62)의 산화 작용이 촉진되고, 미립자(62)는 수분에서 수십분의 단시간 내에 휘염을 발하지 않고 산화된다. 이와 같이 미립자(62)가 산화되고 있는 동안에 다른 미립자가 계속해서 미립자 필터(22)에 부착된다. 따라서 실제로는 미립자 필터(22)상에는 어느 정도의 양의 미립자가 상시 퇴적되어 있고, 이 퇴적되어 있는 미립자 중의 일부의 미립자가 산화 제거되게 된다. 이와 같이 하여 미립자 필터(22)상에 부착된 미립자(62)가 휘염을 발하지 않고 연속적으로 연소된다.
또, NOx는 산소 원자의 결합 및 분리를 반복하면서 활성 산소 방출제(61) 내에서 질산 이온(NO3 -)의 형태로 확산되는 것으로 생각되고, 이 동안에도 활성 산소가 발생한다. 미립자(62)는 이 활성 산소에 의해서도 산화된다. 또한, 이와 같이 미립자 필터(22)상에 부착된 미립자(62)는 활성 산소(O)에 의해서 산화되지만 이들 미립자(62)는 배기 가스 중의 산소에 의해서도 산화된다.
미립자 필터(22)상에 적층형으로 퇴적된 미립자가 연소될 때에는 미립자 필터(22)가 적열(red heat)하여, 화염을 수반하여 연소한다. 이러한 화염을 수반하는 연소는 고온이 아니면 지속되지 않고, 따라서 이와 같은 화염을 수반하는 연소를 지속시키기 위해서는 미립자 필터(22)의 온도를 고온으로 유지하지 않으면 안된다.
이것에 대하여 본 발명에서는 미립자(62)는 상술한 바와 같이 휘염을 발하지 않고 산화되고, 이 때 미립자 필터(22)의 표면이 적열하지도 않는다. 즉, 다시 말하면 본 발명에서는 상당히 낮은 온도로 미립자(62)가 산화 제거되고 있다. 따라서 본 발명에 따른 휘염을 발하지 않는 미립자(62)의 산화에 의한 미립자 제거 작용은 화염을 수반하는 연소에 의한 미립자 제거 작용과 전혀 다르다.
그런데, 백금(Pt) 및 활성 산소 방출제(61)는 미립자 필터(22)의 온도가 높아질수록 활성화하기 때문에 단위 시간당 활성 산소 방출제(61)가 방출할 수 있는 활성 산소(O)의 양은 미립자 필터(22)의 온도가 높아질수록 증대한다. 또한 당연한 일이지만 미립자는 미립자 자체의 온도가 높을수록 산화 제거되기 쉬워진다. 따라서 미립자 필터(22)상에서 단위 시간당 휘염을 발하지 않고 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량은 미립자 필터(22)의 온도가 높아질수록 증대한다.
도 6의 실선은 단위 시간당 휘염을 발하지 않고 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량(G)을 도시하고 있고, 도 6의 횡축은 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 도시하고 있다. 또, 도 6은 단위 시간을 1초로 한 경우의, 즉 1초당 산화 제거 가능 미립자량(G)을 도시하고 있지만 이 단위 시간으로서 1분, 10분 등 임의의 시간을 채용할 수 있다. 예를 들면 단위 시간으로서 10분을 사용한 경우에는 단위 시간당 산화 제거 가능 미립자량(G)은 10분당 산화 제거 가능 미립자량(G)을 나타내게 되고, 이 경우에도 미립자 필터(22)상에서 단위 시간당 휘염을 발하지 않고 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량(G)은 도 6에 도시되는 바와 같이 미립자 필터(22)의 온도가 높아질수록 증대한다.
그런데, 단위 시간당 연소실(5)로부터 배출되는 미립자의 양을 배출 미립자량(M)이라고 칭하면 이 배출 미립자량(M)이 같은 단위 시간당 산화 제거 가능 미립자(G)보다도 적을 때, 예를 들면 1초당 배출 미립자량(M)이 1초당 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적을 때, 또는 10분당 배출 미립자량(M)이 10분당 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적을 때, 즉 도 6의 영역(I)에서는 연소실(5)로부터 배출된 모든 미립자가 미립자 필터(22)상에서 휘염을 발하지 않고 순차 단시간 내에 산화 제거된다.
이것에 대하여, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많을 때, 즉 도 6의 영역(Ⅱ)로서는 모든 미립자를 순차 산화하기 위해서는 활성 산소량이 부족하다. 도 5a 내지 도 5c는 이러한 경우의 미립자의 산화의 모양을 도시하고 있다.
즉, 모든 미립자를 순차 산화하기 위해서는 활성 산소량이 부족한 경우에는 도 5a에 도시되는 바와 같이 미립자(62)가 활성 산소 방출제(61)상에 부착되면 미립자(62)의 일부만이 산화되고, 충분히 산화되지 않은 미립자 부분이 캐리어층상에 잔류한다. 이어서 활성 산소량이 부족한 상태가 연달아 계속되면 산화되지 않은 미립자 부분이 캐리어층 상에 잔류하고, 그 결과도 5b에 도시되는 바와 같이 캐리어층의 표면이 잔류 미립자 부분(63)으로 덮이게 된다.
캐리어층의 표면을 덮는 이 잔류 미립자 부분(63)은 점차로 산화되기 어려운 카본질로 변질되고, 이와 같이 하여 이 잔류 미립자 부분(63)은 그대로 잔류하기 쉬워진다. 또한, 캐리어층의 표면이 잔류 미립자 부분(63)으로 덮이면 백금(Pt)에 의한 NO, SO2의 산화 작용 및 활성 산소 방출제(61)로부터의 활성 산소의 방출 작용이 억제된다. 그 결과, 도 5c에 도시되는 바와 같이 잔류 미립자 부분(63)의 위에다른 미립자(64)가 계속해서 퇴적된다. 즉, 미립자가 적층형으로 퇴적되게 된다. 이와 같이 미립자가 적층형으로 퇴적되면 이들 미립자는 백금(Pt)이나 활성 산소 방출제(61)로부터 거리를 두고 있기 때문에 가령 산화되기 쉬운 미립자이더라도 이미 활성 산소(O)에 의해서 산화되지 않고, 따라서 이 미립자(64)상에 또 다른 미립자가 계속해서 퇴적된다. 즉, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많은 상태가 계속되면 미립자 필터(22)상에는 미립자가 적층형으로 퇴적되고, 이와 같이 하여 배기 가스 온도를 고온으로 하거나, 혹은 미립자 필터(22)의 온도를 고온으로 하지 않는 한, 퇴적된 미립자를 착화 연소시킬 수 없게 된다.
이와 같이 도 6의 영역(I)에서는 미립자는 미립자 필터(22)상에서 휘염을 발하지 않고 단시간 내에 산화되고, 도 6의 영역(Ⅱ)로서는 미립자가 미립자 필터(22)상에 적층형으로 퇴적된다. 따라서 미립자가 미립자 필터(22)상에 적층형으로 퇴적되지 않도록 하기 위해서는 배출 미립자량(M)을 상시 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적게 하여 둘 필요가 있다.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 실시예에서 사용되고 있는 미립자 필터(22)에서는 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상당히 낮아도 미립자를 산화시키는 것이 가능하며, 따라서 도 1에 도시하는 압축 착화식 내연 기관에서 배출 미립자량(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지도록 유지하는 것이 가능하다. 따라서 본 발명에 따른 실시예에서는 기본적으로 배출 미립자량(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지도록 유지하고 있다.
이와 같이 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지도록 유지하면 미립자 필터(22)상에 미립자가 적층형으로 퇴적되지 않게 된다. 그 결과, 미립자 필터(22)에서의 배기 가스류의 압력 손실은 완전히라고 말하여도 좋을 만큼 변화하지 않고 거의 일정한 최소 압력 손실치로 유지된다. 이와 같이 하여 기관의 출력 저하를 최소한으로 유지할 수 있다.
또한, 미립자의 산화에 의한 미립자 제거 작용은 상당히 저온으로 행하여진다. 따라서 미립자 필터(22)의 온도는 그다지 상승하지 않고, 이와 같이 하여 미립자 필터(22)가 열화될 위험성은 거의 없다. 또한, 미립자 필터(22)상에 미립자가 적층형으로 퇴적되지 않기 때문에 애시가 응집할 위험성이 적고, 따라서 미립자 필터(22)가 막힐 위험성이 적어진다.
그런데 이 막힘은 주로 황산 칼슘(CaSO4)에 의해서 생긴다. 즉, 연료나 윤활유는 칼슘(Ca)을 포함하고 있고, 따라서 배기 가스 중에 칼슘(Ca)이 포함되고 있다. 이 칼슘(Ca)은 SO3이 존재하면 황산 칼슘(CaS04)을 생성한다. 이 황산 칼슘(CaSO4)은 고체로서 고온이 되어도 열 분해되지 않는다. 따라서 황산 칼슘(CaSO4)이 생성되고, 이 황산 칼슘(CaSO4)에 의해서 미립자 필터(22)의 미세 구멍이 폐색되면 막힘이 발생하게 된다.
그러나 이 경우, 활성 산소 방출제(61)로서 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속, 예를 들면 칼륨(K)을 사용하면 활성 산소 방출제(61) 내로 확산되는 SO3은 칼륨(K)과 결합하여 황산 칼륨(K2SO4)을 형성하고,칼슘(Ca)은 SO3과 결합하지 않고 미립자 필터(22)의 격벽(54)을 통과하여 배기 가스 유출 통로(51) 내로 유출된다. 따라서 미립자 필터(22)의 미세 구멍은 막히지 않게 된다. 따라서 상술한 바와 같이 활성 산소 방출제(61)로서는 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)을 사용하는 것이 바람직하게 된다.
그런데, 본 발명에 따른 실시예에서는 기본적으로 모든 운전상태에서 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지도록 유지하고 있다. 그러나 실제로는 이와 같이 모든 운전 상태에서 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지도록 유지하더라도 기관의 운전 상태의 급격한 변화 등의 어떠한 이유에 의해서 배출 미립자량(M) 쪽이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많아지는 경우가 있다. 이와 같이 배출 미립자량(M) 쪽이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많아지면 상술한 바와 같이 미립자 필터(22)상에 산화되지 않은 미립자 부분이 잔류하기 시작한다.
이 때, 배출 미립자량(M) 쪽이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많은 상태가 계속되면 상술한 바와 같이 미립자가 미립자 필터(22)상에 적층형으로 퇴적되어 버린다. 그러나 이와 같이 산화되지 않은 미립자 부분이 잔류하기 시작되고 있을 때, 즉 미립자가 일정 한도 이하밖에 퇴적되지 않았을 때 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지면 이 잔류 미립자 부분은 활성 산소(O)에 의해서 휘염을 발하지 않고 산화 제거된다. 즉, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다 많아졌다고 해도 미립자가 적층형으로 퇴적되기 전에 배출 미립자량(M)을 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적게 하면 미립자가 적층형으로 퇴적되지 않게 된다.
그래서 본 발명에 따른 실시예에서는 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많아졌을 때에는 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지도록 하고 있다.
또, 이와 같이 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많아졌을 때에는 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지도록 하고 있더라도 어떠한 이유에 의해 미립자 필터(22)상에 미립자가 적층형으로 퇴적되는 경우가 있다. 그런데 이러한 경우에도 배기 가스의 일부 또는 전체의 공연비가 일시적으로 리치 상태로 되면 미립자 필터(22)상에 퇴적된 미립자는 휘염을 발하지 않고 산화된다. 즉, 배기 가스의 공연비가 리치 상태로 되면, 즉 배기 가스 중의 산소 농도가 저하되면 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 활성 산소(O)가 일시에 방출되고, 이 일시에 방출된 활성 산소(O)에 의해서 퇴적된 미립자가 휘염을 발하지 않고 단시간에 연소 제거된다.
한편, 공연비가 린 상태로 유지되어 있으면 백금(Pt)의 표면이 산소로 덮이고, 소위 백금(Pt)의 산소 피독이 생긴다. 이러한 산소 피독이 생기면 NOx에 대한 산화 작용이 저하되기 때문에 NOx의 흡수 효율이 저하되고, 이와 같이 하여 활성 산소 방출제(61)로부터의 활성 산소 방출량이 저하된다. 그러나 공연비가 리치 상태로 되면 백금(Pt) 표면상의 산소가 소비되기 때문에 산소 피독이 해소되고, 따라서공연비가 리치 상태로부터 린 상태로 전환되면 NOx에 대한 산화 작용이 강해지기 때문에 NOx의 흡수 효율이 높아지고, 이와 같이 하여 활성 산소 방출제(61)로부터의 활성 산소 방출량이 증대한다.
따라서 공연비가 린 상태로 유지되어 있을 때 공연비를 때때로 린 상태로부터 리치 상태로 일시적으로 전환하면 그 때마다 백금(Pt)의 산소 피독이 해소되기 때문에 공연비가 린 상태일 때의 활성 산소 방출량이 증대하고, 이와 같이 하여 미립자 필터(22)상에서의 미립자의 산화 작용을 촉진할 수 있다.
또한, 세륨(Ce)은 공연비가 린 상태일 때에는 산소를 받아들이고(Ce2O3→ 2CeO2), 공연비가 리치 상태로 되면 활성 산소를 방출하는(2CeO2→CeO3) 기능을 갖는다. 따라서 활성 산소 방출제(61)로서 세륨(Ce)을 사용하면 공연비가 린 상태일 때에는 미립자 필터(22)상에 미립자가 부착되면 활성 산소 방출제(61)로부터 방출된 활성 산소에 의해서 미립자가 산화되고, 공연비가 리치 상태로 되면 활성 산소 방출제(61)로부터 다량의 활성 산소가 방출되기 때문에 미립자가 산화된다. 따라서 활성 산소 방출제(61)로서 세륨(Ce)을 사용한 경우에도 공연비를 때때로 린 상태로부터 리치 상태로 일시적으로 전환하면 미립자 필터(22)상에서의 미립자의 산화 반응을 촉진할 수 있다.
그런데, 도 6에 있어서는 산화 제거 가능 미립자량(G)이 미립자 필터(22)의 온도(TF)만의 함수로서 나타내고 있지만 이 산화 제거 가능 미립자량(G)은 실제로는 배기 가스 중의 산소 농도, 배기 가스 중의 NOx농도, 배기 가스 중의 미연소 HC농도, 미립자의 산화의 용이함의 정도, 미립자 필터(22) 내에서의 배기 가스류의 공간 속도, 배기 가스 압력 등의 함수이기도 하다. 따라서 산화 제거 가능 미립자량(G)은 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 포함하는 상술한 모든 인자의 영향을 고려하여 산출하는 것이 바람직하다.
그러나 이 인자 중에 산화 제거 가능 미립자량(G)에 가장 큰 영향을 주는 것은 미립자 필터(22)의 온도(TF)이며, 비교적 큰 영향을 주는 것은 배기 가스 중의 산소 농도와 NOx농도이다. 도 7a는 미립자 필터(22)의 온도(TF) 및 배기 가스 중의 산소가 변화하였을 때의 산화 제거 가능 미립자량(G)의 변화를 도시하고 있고, 도 7b는 미립자 필터(22)의 온도(TF) 및 배기 가스 중의 NOx농도가 변화하였을 때의 산화 제거 가능 미립자량(G)의 변화를 도시하고 있다. 또, 도 7a 및 도 7b에 있어서 파선은 배기 가스 중의 산소 농도 및 NOx농도가 기준치일 때를 도시하고 있고, 도 7a에 있어서 〔O2〕1은 기준치보다도 배기 가스 중의 산소 농도가 높을 때, 〔O2〕2는 〔O2〕1보다도 더욱 산화 농도가 높을 때를 각각 도시하고 있고, 도 7b 에 있어서 〔NO〕1은 기준치보다도 배기 가스 중의 NOx농도가 높을 때, 〔NO〕2는 〔NO〕1보다도 더욱 NOx농도가 높을 때를 각각 도시하고 있다.
배기 가스 중의 산소 농도가 높아지면 그 만큼이라도 산화 제거 가능 미립자량(G)이 증대하지만 활성 산소 방출제(61) 내에 받아들여지는 산소량이 증대하기 때문에 활성 산소 방출제(61)로부터 방출되는 활성 산소도 증대한다. 따라서 도7a에 도시되는 바와 같이 배기 가스 중의 산소 농도가 높아질 수록 산화 제거 가능 미립자량(G)은 증대한다.
한편, 배기 가스 중의 NO는 상술한 바와 같이 백금(Pt)의 표면상에서 산화되어 NO2가 된다. 이와 같이 하여 생성된 NO2의 일부는 활성 산소 방출제(61) 내로 흡수되고, 나머지 NO2는 백금(Pt)의 표면으로부터 외부로 이탈한다. 이 때 미립자는 NO2와 접촉하면 산화 반응이 촉진되고, 따라서 도 7b에 도시되는 바와 같이 배기 가스 중의 NOx농도가 높아질 수록 산화 제거 가능 미립자량(G)은 증대한다. 단, 이 NO2에 의한 미립자의 산화촉진 작용은 배기 가스 온도가 거의 250℃에서 거의 450℃의 사이에서 밖에 생기지 않기 때문에 도 7b에 도시되는 바와 같이 배기 가스 중의 NOx농도가 높아지면 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 거의 250℃에서 450℃ 사이일 때 산화 제거 가능 미립자량(G)이 증대한다.
상술한 바와 같이 산화 제거 가능 미립자량(G)은 산화 제거 가능 미립자량(G)에 영향을 주는 모든 인자를 고려하여 산출하는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명에 따른 실시예에서는 이 인자 중에서 산화 제거 가능 미립자량(G)에 가장 큰 영향을 주는 미립자 필터(22)의 온도(TF)와, 비교적 큰 영향을 주는 배기 가스 중의 산소 농도 및 NOx농도에만 근거하여 산화 제거 가능 미립자량(G)을 산출하도록 하고 있다.
즉, 본 발명에 따른 실시예에서는 도 8a 내지 도 8f에 도시되는 바와 같이미립자 필터(22)의 각 온도(TF)(200℃, 250℃, 300℃, 350℃, 400℃, 450℃)에서의 산화 제거 가능 미립자량(G)이 각각 배기 가스 중의 산소 농도〔O2〕와 배기 가스 중의 NOx농도〔NO〕의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있고, 각 미립자 필터(22)의 온도(TF), 산화 농도〔O2〕 및 NOx농도〔NO〕에 따른 산화 제거 가능 미립자량(G)이 도 8a 내지 도 8f에 도시되는 맵으로부터 비례 배분에 의해 산출된다.
또, 배기 가스 중의 산소 농도〔O2〕 및 NOx농도〔NO〕는 산소 농도 센서 및 NOx농도 센서를 사용하여 검출할 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 실시예에서는 배기 가스 중의 산소 농도〔O2〕가 요구 토크(TQ) 및 기관 회전수(N)의 함수로서 도 9a에 도시하는 바와 같은 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있고, 배기 가스 중의 NOx농도〔NO〕도 요구 토크(TQ) 및 기관 회전수(N)의 함수로서 도 9b에 도시하는 바와 같은 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있고, 이의 맵으로부터 배기 가스 중의 산소 농도〔O2〕 및 NOx농도〔NO〕가 산출된다.
한편, 배출 미립자량(M)은 기관의 형식에 따라서 변화하지만 기관의 형식이 정해지면 요구 토크(TQ) 및 기관 회전수(N)의 함수가 된다. 도 10a는 도 1에 도시되는 내연 기관의 배출 미립자량(M)을 도시하고 있고, 각 곡선(M1, M2, M3, M4, M5)은 등배출 미립자량(M1<M2<M3<M4<M5)을 도시하고 있다. 도 10a에 도시되는 예에서는요구 토크(TQ)가 높아질수록 배출 미립자량(M)이 증대한다. 또, 도 10a에 도시되는 배출 미립자량(M)은 요구 토크(TQ) 및 기관 회전수(N)의 함수로서 도 10b에 도시하는 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 실시예에서는 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)을 넘었을 때에는 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지도록 배출 미립자량(M) 또는 산화 제거 가능 미립자량(G)의 적어도 한쪽이 제어된다.
또, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다 다소 많아도 미립자 필터(22)상에 퇴적되는 미립자량은 그다지 많지 않다. 따라서 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)에 작은 일정치(α)를 가산한 허용량(G+α)보다도 커졌을 때 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지도록 배출 미립자량(M) 및 산화 제거 가능 미립자량(G)의 적어도 한쪽을 제어하도록 하여도 좋다.
다음에 도 11을 참조하여 운전 제어 방법에 대해서 설명한다.
도 11을 참조하면 우선 처음에 스텝(100)에서 스로틀 밸브(17)의 개방도가 제어되고, 이어서 스텝(101)에서는 EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 제어된다. 이어서 스텝(102)에서는 연료 분사 밸브(6)로부터의 분사 제어가 행하여진다. 이어서 스텝(103)에서는 도(10b)에 도시되는 맵으로부터 배출 미립자량(M)이 산출된다. 이어서 스텝(104)에서는 도 8a에서 도 8f에 도시되는 맵으로부터 미립자 필터(22)의 온도(TF), 배기 가스 중의 산소 농도〔O2〕 및 배기 가스 중의 NOx농도〔NO〕에따른 산화 제거 가능 미립자량(G)이 산출된다.
이어서 스텝(105)에서는 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 커진 것을 도시하는 플래그가 세트되어 있는지의 여부가 판별된다. 플래그가 세트되어 있지 않을 때에는 스텝(106)으로 진행하여 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많아졌는지의 여부가 판별된다. M≤G일 때, 즉 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(M)과 같거나, 또는 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적을 때에는 처리 사이클을 완료한다.
이것에 대하여 스텝(106)에서 M>G라고 판별되었을 때, 즉 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많아졌을 때에는 스텝(107)으로 진행하여 플래그가 세트되고, 이어서 스텝(108)으로 진행한다. 플래그가 세트되면 그 후의 처리 사이클에서는 스텝(105)에서 스텝(108)으로 점프한다.
스텝(108)에서는 배출 미립자량(M)과, 산화 제거 가능 미립자량(G)에서 일정치(β)를 뺀 제어 해제치(G-β)가 비교된다. M≥G-β일 때, 즉 배출 미립자량(M)이 제어 해제치(G-β)보다도 클 때는 스텝(109)으로 진행하여 미립자 필터(22)에서 미립자의 연속 산화 작용을 속행하기 위한 제어가 행하여진다. 즉 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적어지도록 배출 미립자량(M) 및 산화 제거 가능 미립자량(G)의 적어도 한쪽이 제어된다.
이어서 스텝(108)에서 M<G-β가 되었다고 판단되면, 즉 배출 미립자량(M)이 제어 해제치(G-β)보다도 적어지면 스텝(110)으로 진행하여 원래의 운전 상태로 서서히 복귀하는 제어가 행하여지고, 플래그가 리셋된다.
도 11의 스텝(109)에서 행하여지는 연속 산화 속행 제어 및 도 11의 스텝(110)에서 행하여지는 복귀 제어는 여러가지 방식이 있고, 따라서 다음에 이들 연속 산화 속행 제어 및 복귀 제어의 여러가지 방식에 대해서 순차 설명한다.
M>G가 되었을 때 배출 미립자량(M)을 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적게 하는 방법의 하나는 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키는 방법이다. 그래서 우선 처음에 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키는 방법에 대해서 설명한다.
미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키는데 유효한 방법의 하나는 연료 분사 시기를 압축 상사점 이후까지 지연시키는 방법이다. 즉, 통상 주연료(Qm)는 도 12에 있어서 (Ⅰ)로 도시되는 바와 같이 압축 상사점 부근에서 분사된다. 이 경우, 도 12의 (Ⅱ)로 도시되는 바와 같이 주연료(Qm)의 분사 시기가 지연되면 후연소 기간이 길어지고, 이와 같이 하여 배기 가스 온도가 상승한다. 배기 가스 온도가 높아지면 그에 따라 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 높아지고, 그 결과 M<G의 상태가 된다.
또한, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위해서 도 12의 (Ⅲ)으로 도시되는 바와 같이 주연료(Qm)에 더하여, 흡기 상사점 부근에서 보조 연료(Qv)를 분사할 수도 있다. 이와 같이 보조 연료(Qv)를 추가적으로 분사하면 보조 연료(Qv)분만큼 연소되는 연료가 증가하기 때문에 배기 가스 온도가 상승하고, 이와 같이 하여 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승한다.
한편, 이와 같이 흡기 상사점 부근에서 보조 연료(Qv)를 분사하면 압축 행정 중에 압축 열에 의해서 이 보조 연료(Qv)로부터 알데히드, 케톤, 퍼옥사이드, 일산화탄소 등의 중간 생성물이 생성되고, 이 중간 생성물에 의해서 주연료(Qm)의 반응이 가속된다. 따라서 이 경우에는 도 12의 (Ⅲ)으로 도시되는 바와 같이 주연료(Qm)의 분사 시기를 대폭으로 늦추더라도 실화가 발생시키지 않고 양호한 연소를 얻을 수 있다. 즉, 이와 같이 주연료(Qm)의 분사 시기를 대폭으로 늦출 수 있기 때문에 배기 가스 온도는 꽤 높아지고, 이와 같이 하여 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 신속하게 상승시킬 수 있다.
또, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위해서 도 12의 (IV)에 도시되는 바와 같이 주연료(Qm)에 더하여, 팽창 행정 중 또는 배기 행정 중에 보조 연료(Qp)를 분사할 수도 있다. 즉, 이 경우, 대부분의 보조 연료(Qp)는 연소하지 않고 미연소 HC의 형태로 배기 통로 내로 배출된다. 이 미연소 HC는 미립자 필터(22)상에서 과잉 산소에 의해 산화되고, 이 때 발생하는 산화 반응 열에 의해서 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승된다.
지금까지 설명한 예에서는 예를 들면 도 12의 (Ⅰ)로 도시되는 바와 같이 주연료(Qm)가 분사되고 있을 때 도 11의 스텝(106)에서 M>G가 되었다고 판단되면 도 11의 스텝(109)에서 도 12의 (Ⅱ) 또는 (Ⅲ) 또는 (Ⅳ)에 도시되는 바와 같이 분사 제어된다. 이어서 도 11의 스텝(108)에서 M<G-β가 되었다고 판단되면 스텝(110)에서 도 12의 (I)에 도시하는 분사 방법에 복귀하기 위한 제어가 행하여진다.
다음에 M<G의 상태로 하기 위해서 저온 연소를 사용하는 방법에 대해서 설명한다.
즉, EGR율을 증대시키면 스모그의 발생량이 점차로 증대하여 피크에 도달하고, 더욱 EGR율을 높이면 이번에는 스모그의 발생량이 급격히 저하되는 것이 알려져 있다. 이것에 대해서 EGR 가스의 냉각 정도를 바꾸었을 때의 EGR율과 스모그의 관계를 도시하는 도 13을 참조하여 설명한다. 또, 도 13에 있어서 곡선 (A)는 EGR 가스를 강력하게 냉각하여 EGR 가스 온도를 거의 90℃로 유지한 경우를 도시하고 있고, 곡선 (B)는 소형의 냉각장치로 EGR 가스를 냉각한 경우를 도시하고 있고, 곡선(C)은 EGR 가스를 강제적으로 냉각하지 않고 있는 경우를 도시하고 있다.
도 13의 곡선 (A)로 도시되는 바와 같이 EGR 가스를 강력하게 냉각한 경우에는 EGR율이 50퍼센트보다도 조금 낮은 곳에서 스모그의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR율을 거의 55퍼센트 이상으로 하면 스모그가 거의 발생하지 않게 된다. 한편, 도 13의 곡선 (B)로 도시되는 바와 같이 EGR 가스를 조금 냉각한 경우에는 EGR율이 50퍼센트보다도 조금 높은 곳에서 스모그의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR율을 거의 65퍼센트 이상으로 하면 스모그가 거의 발생하지 않게 된다. 또한, 도 13의 곡선 (C)로 도시되는 바와 같이 EGR 가스를 강제적으로 냉각하지 않은 경우에는 EGR율이 55퍼센트의 부근에서 스모그의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR율을 거의 70퍼센트 이상으로 하면 스모그가 거의 발생하지 않게 된다.
이와 같이 EGR 가스율을 55퍼센트 이상으로 하면 스모그가 발생하지 않게 되는 것은 EGR 가스의 흡열 작용에 의해서 연소시에서의 연료 및 주위의 가스 온도가 그다지 높아지지 않고, 즉 저온 연소가 행하여지고, 그 결과 탄화수소가 용매까지 성장하지 않기 때문이다.
이 저온 연소는 공연비에 관계없이 스모그의 발생을 억제하면서 NOx의 발생량을 저감할 수 있는 특징을 갖는다. 즉, 공연비가 리치 상태로 되면 연료가 과잉이 되지만 연소 온도가 낮은 온도로 억제되어 있기 때문에 과잉의 연료는 매연까지 성장하지 않으므로, 스모그가 발생하지 않는다. 또한, 이 때 NOx도 극히 소량밖에 발생하지 않는다. 한편, 평균 공연비가 린 상태일 때, 혹 공연비가 이론 공연비일의 때라도 연소 온도가 높아지면 소량의 매연이 생성되지만 저온 연소 하에서는 연소 온도가 낮은 온도로 억제되고 있기 때문에 스모그는 전혀 발생하지 않고, NOx도 지극히 소량밖에 발생하지 않는다.
한편, 이 저온 연소를 행하면 연료 및 그 주위의 가스 온도는 낮아지지만 배기 가스 온도는 상승한다. 이것에 대해서 도 14a 및 14b를 참조하여 설명한다.
도 14a의 실선은 저온 연소가 행하여졌을 때의 연소실(5) 내의 평균 가스 온도(Tg)와 크랭크 각의 관계를 도시하고 있고, 도 14a의 파선은 통상의 연소가 행하여졌을 때의 연소실(5) 내의 평균 가스 온도(Tg)와 크랭크 각의 관계를 도시하고 있다. 또한, 도 14b의 실선은 저온 연소가 행하여졌을 때의 연료 및 그 주위의 가스 온도(Tf)와 크랭크 각의 관계를 도시하고 있고, 도 14b의 파선은 통상의 연소가행하여졌을 때의 연료 및 그 주위의 가스 온도(Tf)와 크랭크 각의 관계를 도시하고 있다.
저온 연소가 행하여지고 있을 때에는 통상의 연소가 행하여지고 있을 때와 비교하여 EGR 가스량이 많고, 따라서 도 14a에 도시되는 바와 같이 압축 상사점 전은 즉 압축 공정 중은 실선으로 도시하는 저온 연소시에서의 평균 가스 온도(Tg) 쪽이 파선으로 도시하는 통상의 연소시에서의 평균 가스 온도(Tg)보다도 높아지고 있다. 또, 이 때 도 14b에 도시되는 바와 같이 연료 및 그 주위의 가스 온도(Tf)는 평균 가스 온도(Tg)와 거의 같은 온도로 되어 있다.
이어서 압축 상사점 부근에서 연소가 개시되지만 이 경우, 저온 연소가 행하여지고 있을 때에는 도 14b의 실선이 도시되는 바와 같이 연료 및 그 주위의 가스 온도(Tf)는 그다지 높아지지 않는다. 이것에 대하여 통상의 연소가 행하여지고 있는 경우에는 연료 주위에 다량의 산소가 존재하기 때문에 도 14b의 파선으로 도시되는 바와 같이 연료 및 그 주위의 가스 온도(Tf)는 지극히 높아진다. 이와 같이 통상의 연소가 행하여진 경우에는 연료 및 그 주위의 가스 온도(Tf)는 저온 연소가 행하여지고 있는 경우와 비교하여 상당히 높아지지만 대부분을 차지하는 그 이외의 가스의 온도는 저온 연소가 행하여지고 있는 경우와 비교하여 통상의 연소가 행하여지고 있는 쪽이 낮아지고, 따라서 도 14a에 도시되는 바와 같이 압축 상사점 부근에서의 연소실(5) 내의 평균 가스 온도(Tg)는 저온 연소가 행하여지고 있는 쪽이 통상의 연소가 행하여지고 있는 경우와 비교하여 높아진다. 그 결과, 도 14a에 도시되는 바와 같이 연소가 완료된 후의 연소실(5) 내의 기연 가스 온도는 저온 연소가 행하여진 경우 쪽이 통상의 연소가 행하여진 경우와 비교하여 높아지고, 이와 같이 하여 저온 연소를 행하면 배기 가스 온도가 높아진다.
이와 같이 저온 연소가 행하여지면 스모그의 발생량, 즉 배출 미립자량(M)이 적어지고, 배기 가스 온도가 상승한다. 따라서 M>G가 되었을 때 통상의 연소에서 저온 연소로 전환하면 배출 미립자량(M)은 감소하고, 더욱이 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승하여 산화 제거 가능 미립자량(G)이 증대하기 때문에 용이하게 M<G의 상태로 할 수 있다. 이 저온 연소를 사용하는 경우에는 도 11의 스텝(106)에서 M>G라고 판단되면 스텝(109)에서 저온 연소로 전환되고, 이어서 스텝(108)에서 M<G-β라고 판단되면 스텝(110)에서 통상의 연소로 전환된다.
다음에 M<G의 상태로 하기 위해서 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위한 또 다른 방법에 대해서 설명한다. 도 15는 이 방법을 실행하기에 적합한 내연 기관을 도시하고 있다. 도 15를 참조하면 이 내연 기관에서는 배기관(20) 내로 탄화수소 공급장치(70)가 배치되어 있다. 이 방법에서는 도 11의 스텝(106)에서 M>G라고 판별되면 스텝(109)에서 탄화수소 공급장치(70)로부터 배기관(20) 내에 탄화수소가 공급된다. 이 탄화수소는 미립자 필터(22)상에서 과잉 산소에 의해 산화되고, 이 때의 산화 반응 열에 의해서 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승된다. 이어서 도 11의 스텝(108)에서 M<G-β라고 판단되면 스텝(110)에서 탄화수소 공급장치(70)에서의 탄화수소의 공급이 정지된다. 또, 이 탄화수소 공급장치(70)는 미립자 필터(22)와 배기 포트(10)의 사이이면 어디에 배치하여도 좋다.
다음에 M<G의 상태로 하기 위해서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위한 또 다른 방법에 대해서 설명한다. 도 16은 이 방법을 실행하는 데 적합한 내연 기관을 도시하고 있다. 도 16을 참조하면 이 내연 기관에서는 미립자 필터(22) 하류의 배기관(71) 내에 액추에이터(72)에 의해 구동되는 배기 제어 밸브(73)가 배치되어 있다.
이 방법에서는 도 11의 스텝(106)에서 M>G라고 판별되면 스텝(109)에서 배기 제어 밸브(73)가 거의 전부 폐쇄되고, 배기 제어 밸브(73)를 거의 전부 폐쇄로 함으로써 기관 출력 토크의 저하를 저지하기 위해서 주연료(Qm)의 분사량이 증대된다. 배기 제어 밸브(73)를 거의 전부 폐쇄로 하면 배기 제어 밸브(73) 상류의 배기 통로 내의 압력, 즉 배압(背壓)이 상승한다. 배압이 상승하면 연소실(5) 내로부터 배기 가스가 배기 포트(10) 내로 배출될 때 배기 가스의 압력이 그다지 저하되지 않고, 따라서 온도도 그다지 저하되지 않게 된다. 더욱이 이 때 주연료(Qm)의 분사량이 증대되고 있기 때문에 연소실(5) 내의 기연 가스 온도가 높아지고, 따라서 배기 포트(10) 내로 배출된 배기 가스의 온도는 상당히 높아진다. 그 결과, 미립자 필터(22)의 온도가 급속히 상승된다.
이어서 도 11의 스텝(108)에서 M<G-β라고 판단되면 스텝(110)에서 배기 제어 밸브(73)가 전부 개방되고, 주연료(Qm)의 분사량의 증량 작용이 정지된다.
다음에 M<G의 상태로 하기 위해서 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위한 또 다른 방법에 대해서 설명한다. 도 17은 이 방법을 실행하기에 적합한 내연 기관을 도시하고 있다. 도 17을 참조하면 이 내연 기관에서는 배기 터빈(21)을우회하는 배기 바이패스 통로(74) 내에 액추에이터(75)에 의해 제어되는 웨스트 게이트 밸브(76)가 배치되어 있다. 이 액추에이터(75)는 통상 서지 탱크(12) 내의 압력, 즉 과급(supercharging) 압력에 응동하여 과급 압력이 일정 압력 이상이 되지 않도록 웨스트 게이트 밸브(76)의 개방도를 제어하고 있다.
이 방법에서는 도 11의 스텝(106)에서 M>G라고 판별되면 스텝(109)에서 웨스트 게이트 밸브(76)가 전부 개방된다. 배기 가스는 배기 터빈(21)을 통과하면 온도가 저하되지만 웨스트 게이트 밸브(76)를 전부 개방으로 하면 대부분의 배기 가스는 배기 바이패스 통로(74) 내를 흐르기 때문에 온도가 저하되지 않게 된다. 이와 같이 하여 미립자 필터(22)의 온도가 상승하게 된다. 이어서 도 11의 스텝(108)에서 M<G-β라고 판단되면 스텝(110)에서 웨스트 게이트 밸브(76)가 밸브 폐쇄되고, 과급 압력이 일정 압력을 넘지 않도록 웨스트 게이트 밸브(76)의 개방도가 제어된다.
다음에 M<G의 상태로 하기 위해서 배출 미립자량(M)을 저하시키는 방법에 대해서 설명한다. 즉, 분사 연료와 공기를 충분히 혼합하면 할 수록, 즉, 분사 연료 주위의 공기량이 많아질수록 분사 연료는 양호하게 연소되기 때문에 미립자는 발생하지 않게 된다. 따라서 배출 미립자량(M)을 저하시키기 위해서는 분사 연료와 공기가 더 한층 충분히 혼합되도록 하면 된다. 단, 분사 연료와 공기의 혼합을 잘 하면 연소가 활발해지기 때문에 NOx의 발생량이 증대한다. 따라서 배출 미립자량(M)을 저하시키는 방법은 다른 말로 하면 NOx의 발생량을 증대시키는 방법이라고 할 수 있다.
어떻든간에 배출 미립자량(PM)을 저하시키는 방법도 여러가지 방법이 있고, 따라서 이들 방법에 대해서 순차 설명한다.
배출 미립자량(PM)을 저하시키는 방법으로서 상술한 저온 연소를 사용할 수도 있지만 그 외의 유효한 방법으로서는 연료 분사를 제어하는 방법을 들 수 있다. 예를 들면 연료 분사량을 저하시키면 분사 연료 주위에 충분한 공기가 존재하게 되고, 이와 같이 하여 배출 미립자량(M)이 저감된다.
또한, 분사 시기를 진각(spark advance)하면 분사 연료 주위에 충분한 공기가 존재하게 되고, 이와 같이 하여 배출 미립자량(M)이 저감된다. 또한, 공통 레일(27) 내의 연료압, 즉 분사 압력을 높이면 분사 연료가 분산되기 때문에 분사 연료와 공기의 혼합이 양호해지고, 이와 같이 하여 배출 미립자량(M)이 저감된다. 또한, 주연료(Qm)의 분사 직전의 압축 행정 말기에 보조 연료를 분사하도록 하고 있는 경우, 소위 파일럿 분사를 행하고 있는 경우에는 보조 연료의 연소에 의해 산소가 소비되기 때문에 중심 연료(Qm) 주위의 공기가 불충분해진다. 따라서 이 경우에는 파일럿 분사를 정지함으로써 배출 미립자량(M)이 저감된다.
즉, 연료 분사를 제어함으로써 배출 미립자량(M)을 저감하도록 한 경우에는 도 11의 스텝(106)에서 M>G라고 판별되면 스텝(109)에서 연료 분사량이 저하되거나, 또는 연료 분사 시기가 진각되거나, 또는 분사 압력이 높여지거나, 또는 파일럿 분사가 정지되고, 그것에 의하여 배출 미립자량(M)이 저감된다. 이어서 도 11의 스텝(108)에서 M<G-β라고 판단되면 스텝(110)에서 원래의 연료 분사 상태로 복귀된다.
다음에 M<G로 하기 위해서 배출 미립자량(M)을 저감하기 위한 다른 방법에 대해서 설명한다. 이 방법에서는 도 11의 스텝(106)에서 M>G라고 판별되면 스텝(109)에서 EGR율을 저하시키기 위해서 EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 저하된다. EGR율이 저하되면 분사 연료 주위의 공기량이 증대하고, 이와 같이 하여 배출 미립자량(M)이 감소한다. 이어서 도 11의 스텝(108)에서 M<G-β라고 판단되면 스텝(110)에서 EGR율이 원래의 EGR율까지 상승된다.
다음에 M<G로 하기 위해서 배출 미립자량(M)을 저감하기 위한 또 다른 방법에 대해서 설명한다. 이 방법에서는 도 11의 스텝(106)에서 M>G라고 판단되면 스텝(109)에서 과급 압력을 증대하기 위해서 웨스트 게이트 밸브(76; 도 17)의 개방도가 감소된다. 과급 압력이 증대하면 분사 연료 주위의 공기량이 증대하고, 이와 같이 하여 배출 미립자량(M)이 감소한다. 이어서 도 11의 스텝(108)에서 M<G-β라고 판단되면 스텝(110)에서 과급 압력이 원래의 과급 압력으로 되돌려진다.
다음에 M<G로 하기 위해서 배기 가스 중의 산소 농도를 증대시키는 방법에 대해서 설명한다. 배기 가스 중의 산소 농도가 증대하면 그 만큼이라도 산화 제거 가능 미립자량(G)이 증대하지만 더욱 활성 산소 방출제(61) 내에 받아들여지는 산소량이 증대하기 때문에 활성 산소 방출제(61)로부터 방출되는 활성 산소량이 증대하고, 이와 같이 하여 산화 제거 가능 미립자량(G)이 증대한다.
이 방법을 실행하기 위한 방법으로서는 EGR율을 제어하는 방법을 들 수 있다. 즉, 도 11의 스텝(106)에서 M>G라고 판별되면 스텝(109)에서 EGR율이 저하되도록 EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 감소된다. EGR율이 저하된다는 것은 흡입 공기 중에서의 흡입 공기량의 비율이 증대하는 것을 의미하고 있고, 이와 같이 하여 EGR율이 저하되면 배기 가스 중의 산소 농도가 상승한다. 그 결과, 산화 제거 가능 미립자량(G)이 증대한다. 또한, EGR율이 저하되면 상술한 바와 같이 배출 미립자량(M)이 감소한다. 따라서 EGR율이 저하되면 급속하게 M<G가 된다. 이어서 도 11의 스텝(108)에서 M<G-β라고 판단되면 스텝(110)에서 EGR율이 원래의 EGR율로 되돌려진다.
다음에 배기 가스 중의 산소 농도를 증대시키기 위해서 2차 공기를 사용하는 방법에 대해서 설명한다. 도 18에 도시하는 예에서는 배기 터빈(21)과 미립자 필터(22) 사이의 배기관(77)이 2차 공기 공급도관(78)을 통해서 흡기 덕트(13)에 연결되고, 2차 공기 공급도관(78) 내에 공급 제어 밸브(79)가 배치된다. 또한, 도 19에 도시하는 예에서는 2차 공기 공급도관(78)이 기관 구동의 에어 펌프(80)에 연결되어 있다. 또, 배기 통로 내로의 2차 공기의 공급 위치는 미립자 필터(22)와 배기 포트(10) 사이에 있으면 어디라도 좋다.
도 18 또는 도 19에 도시하는 내연 기관에서는 도 11의 스텝(106)에서 M>G라고 판단되면 스텝(109)에서 공급 제어 밸브(79)가 폐쇄된다. 그 결과, 2차 공기 공급도관(78)으로부터 배기관(77)으로 2차 공기가 공급되고, 이와 같이 하여 배기 가스 중의 산소 농도가 증대된다. 이어서 도 11의 스텝(108)에서 M<G-β라고 판단되면 스텝(110)에서 공급 제어 밸브(79)가 폐쇄된다.
다음에 미립자 필터(22)상에서 단위 시간당 산화되는 산화 제거 미립자량(GG)을 차차 산출하고, 배출 미립자량(M)이 산출된 산화 제거 미립자량(GG)을 넘었을 때에는 M<GG가 되도록 배출 미립자량(M) 또는 산화 제거 가능 미립자량(G)의 적어도 어느 한쪽을 제어하도록 한 실시예에 대해서 설명한다.
상술한 바와 같이 미립자가 미립자 필터(22)상에 부착되면 이 미립자는 단시간 내에 산화되지만 이 미립자가 완전히 산화 제거되기 전에 다른 미립자가 계속해서 미립자 필터(22)에 부착된다. 따라서 실제로는 미립자 필터(22)상에는 어느 정도의 양의 미립자가 상시 퇴적되어 있고, 이 퇴적되어 있는 미립자 중의 일부의 미립자가 산화 제거된다. 이 경우, 단위 시간당 산화 제거되는 미립자(GG)가 배출 미립자량(M)과 같으면 배기 가스 중의 모든 미립자는 미립자 필터(22)상에서 산화 제거된다. 그러나 배출 미립자량(M)이 단위 시간당 산화 제거되는 미립자량(GG) 양보다도 많아지면 미립자 필터(22)상의 퇴적 미립자량은 점차로 증대되고, 드디어는 미립자가 적층형으로 퇴적되어 낮은 온도에서는 착화할 수 없게 된다.
이와 같이 배출 미립자량(M)이 산화 제거 미립자량(GG)과 같거나 또는 산화 제거 미립자량(GG)보다도 적으면 배기 가스 중의 모든 미립자를 미립자 필터(22)상에서 산화 제거시킬 수 있다. 따라서 이 실시예에서는 배출 미립자량(M)이 산화 제거 미립자량(GG)을 넘었을 때에는 M<GG가 되도록 미립자 필터(22)의 온도(TF)나 배출 미립자량(M) 등을 제어하도록 하고 있다.
그런데 산화 제거 미립자량(GG)은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다
여기서 C는 정수, E는 활성화 에너지, R은 가스 정수, T는 미립자 필터(22)의 온도(TF), 〔PM〕은 미립자 필터(22)상에서의 미립자의 퇴적 농도(mol/㎠), 〔O2〕는 배기 가스 중의 산소 농도, 〔NO〕는 배기 가스 중의 NOx농도를 각각 나타내고 있다.
또, 산화 제거 미립자량(GG)은 실제로는 배기 가스 중의 미연소 HC 농도, 미립자의 산화의 용이함의 정도, 미립자 필터(22) 내에서의 배기 가스류의 공간 속도, 배기 가스 압력 등의 함수이기도 하지만 여기서는 이것들의 영향을 생각하지 않기로 한다.
위의 식으로부터 알 수 있는 바와 같이 산화 제거 미립자량(GG)은 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승하면 지수 함수적으로 증대한다. 또한, 미립자의 퇴적 농도〔PM〕가 증대하면 산화 제거되는 미립자가 증대하기 때문에 〔PM〕이 증대할 수록 산화 제거 미립자량(GG)은 증대한다. 그러나 미립자의 퇴적 농도〔PM〕가 높아질 수록 산화되기 어려운 위치에 퇴적되는 미립자량이 증대하기 때문에 산화 제거 미립자량(GG)의 증대율은 점차로 감소한다. 따라서 미립자의 퇴적 농도[PM]와 위의 식 중의〔PM〕1의 관계는 도 20a에 도시되는 바와 같이 된다.
한편, 배기 가스 중의 산소 농도〔O2〕가 높아지면 상술한 바와 같이 그만큼이라도 산화 제거 미립자량(GG)은 증대하지만 더욱 활성 산소 방출제(61)로부터 방출되는 활성 산소량이 증대한다. 따라서 배기 가스 중의 산소 농도〔O2〕가 높아지면 그것에 비례하여 산화 제거 미립자량(GG)은 증대하고, 이와 같이 하여 배기 가스 중의 산소 농도〔O2〕와 위의 식 중의 〔O2〕m의 관계는 도 20b에 도시되는 바와 같이 된다.
한편, 배기 가스 중의 NOx농도〔NO〕가 높아지면 상술한 바와 같이 NO2의 발생량이 증대하기 때문에 산화 제거 미립자량(GG)은 증대한다. 그러나 NO에서 NO2로의 변환은 상술한 바와 같이 배기 가스 온도가 거의 250℃에서 거의 450℃ 사이에서밖에 생기지 않는다. 따라서 배기 가스 중의 NOx농도〔NO〕와 위의 식 중의 〔NO〕n의 관계는 배기 가스 온도가 거의 250℃에서 450℃ 사이일 때에는 도 20c의 실선〔NO〕N 1로 도시되는 바와 같이 〔NO〕가 증대함에 따라서 〔NO〕n이 증대하지만, 배기 가스 온도가 거의 250℃ 이하 또는 거의 450℃ 이상에서는 도 20c의 실선 〔NO〕N O으로 도시되는 바와 같이 〔NO〕에 관계없이 〔NO〕N O은 거의 영이 된다.
이 실시예에서는 일정 시간 경과할 때마다 위의 식에 근거하여 산화 제거 미립자량(GG)이 산출된다. 이 때 퇴적되어 있는 미립자량을 PM(g)로 하면 이 미립자 중 산소 제거 미립자량(GG)에 상당하는 미립자가 제거되고, 새롭게 배출미립자량(M)에 상당하는 미립자가 미립자 필터(22)상에 부착된다. 따라서 최종적인 미립자의 퇴적량은 다음의 식으로 표시되게 된다.
다음에 도 21을 참조하여 운전 제어 방법에 대해서 설명한다.
도 21을 참조하면 우선 처음에 스텝(200)에서 스로틀 밸브(17)의 개방도가 제어되고 이어서 스텝(201)에서는 EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 제어된다. 이어서 스텝(202)에서는 연료 분사 밸브(6)로부터의 분사 제어가 행하여진다. 이어서 스텝(103)에서는 도 10b에 도시되는 맵으로부터 배출 미립자량(M)이 산출된다. 이어서 스텝(204)에서는 다음의 식에 근거하여 산화 제거 미립자량(GG)이 산출된다.
이어서 스텝(205)에서는 다음의 식에 근거하여 최종적인 미립자의 퇴적량(PM)이 산출된다.
이어서 스텝(206)에서는 배출 미립자량(M)이 산화 제거 미립자량(GG)보다도 커진 것을 나타내는 플래그가 세트되어 있는 지의 여부가 판별된다. 플래그가 세트되어 있지 않을 때에는 스텝(207)으로 진행하여 배출 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자량(GG)보다도 커졌는지의 여부가 판별된다. M≤GG시, 즉 배출 미립자량(M)이 산화 제거 미립자량(GG)보다도 적을 때에는 처리 사이클을 완료한다.
이것에 대하여 스텝(207)에서 M>GG라고 판별되었을 때, 즉 배출 미립자량(M)이 산화 제거 미립자량(GG)보다도 많아졌을 때에는 스텝(208)으로 진행하여 플래그가 세트되고, 이어서 스텝(209)으로 진행한다. 플래그가 세트되면 그 후의 처리 사이클에서는 스텝(206)으로부터 스텝(209)으로 점프한다.
스텝(209)에서는 배출 미립자량(M)과, 산화 제거 미립자량(GG)에서 일정치(β)를 뺀 제어 해제치(GG-β)가 비교된다. M≥GG-β일 때, 즉 배출 미립자량(M)이 제어 해제치(GG-β)보다도 클 때는 스텝(210)으로 진행하여 미립자 필터(22)에서 미립자의 연속 산화 작용을 속행하기 위한 제어, 즉 상술한 바와 같이 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위한 제어, 또는 배출 미립자량(M)을 저하시키기 위한 제어, 또는 배기 가스 중의 산소 농도를 높이기 위한 제어가 행하여진다.
이어서 스텝(209)에서 M<GG-β가 되었다고 판단되면, 즉 배출 미립자량(M)이 제어 해제치(GG-β)보다도 적어지면 스텝(211)으로 진행하여 원래의 운전 상태로 서서히 복귀하는 제어가 행하여지고, 플래그가 리셋된다.
그런데, 지금까지 설명한 실시예에서는 미립자 필터(22)의 각 격벽(54)의 양측 면상 및 격벽(54) 내의 미세 구멍내 벽면상에 예를 들면 알루미나로 이루어지는 캐리어 층이 형성되어 있고, 이 캐리어상에 귀금속 촉매 및 활성 산소 방출제가 담지되어 있다. 이 경우, 이 캐리어상에 미립자 필터(22)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 린 상태일 때에는 배기 가스 중에 포함되는 NOx를 흡수하여 미립자필터(22)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비 또는 리치 상태로 되면 흡수한 NOx를 방출하는 NOx흡수제를 담지시킬 수도 있다.
이 경우, 귀금속으로서는 상술한 바와 같이 백금(Pt)이 사용되고, NOx흡수제로서는 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb)과 같은 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr)과 같은 알칼리토류, 란탄(La), 이트륨(Y)과 같은 희토류로부터 선택된 적어도 하나가 사용된다. 또, 상술한 활성 산소 방출제를 구성하는 금속과 비교하면 알 수 있는 바와 같이 NOx흡수제를 구성하는 금속과, 활성 산소 방출제를 구성하는 금속은 대부분이 일치하고 있다.
이 경우, NOx흡수제 및 활성 산소 방출제로서 각각 다른 금속을 사용할 수도 있고, 동일한 금속을 사용할 수도 있다. NOx흡수제 및 활성 산소 방출제로서 동일한 금속을 사용한 경우에는 NOx흡수제로서의 기능과 활성 산소 방출제로서의 기능의 쌍방의 기능을 동시에 발휘하게 된다.
다음으로 귀금속 촉매로서 백금(Pt)을 사용하고, NOx흡수제로서 칼륨(K)을 사용한 경우를 예로 들어 NOx의 흡수 방출 작용에 대해서 설명한다.
우선 처음에 NOx의 흡수 작용에 대해서 검토하면 NOx는 도 4a에 도시하는 메카니즘과 같은 메카니즘을 갖고 NOx흡수제로 흡수된다. 단지, 이 경우 도 4a에 있어서 부호(61)는 NOx흡수제를 도시한다.
즉, 미립자 필터(22)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 린 상태일 때에는 배기 가스 중에 다량의 과잉 산소가 포함되어 있기 때문에 배기 가스가 미립자 필터(22)의 배기 가스 유입 통로(50) 내에 유입되면 도 4a에 도시되는 바와 같이 이들 산소(O2)가 O2 -또는 O2­의 형태로 백금(Pt)의 표면에 부착된다. 한편, 배기 가스 중의 NO는 백금(Pt)의 표면상에서 O2 -또는 O2­와 반응하여, NO2가 된다(2NO+O2→2NO2). 이어서 생성된 NO2의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 NOx흡수제(61) 내로 흡수되어, 칼륨(K)과 결합하면서 도 4a에 도시되는 바와 같이 질산 이온(NO3 -)의 형태로 NOx흡수제(61) 내로 확산되고, 일부의 질산 이온(NO3 -)은 질산 칼륨(KNO3)을 생성한다. 이와 같이 하여 NO가 NOx흡수제(61) 내로 흡수된다.
한편, 미립자 필터(22)에 유입되는 배기 가스가 리치 상태로 되면 질산 이온(NO3 -)은 산소(0)와 NO로 분해되고, 계속해서 NOx흡수제(61)로부터 NO가 방출된다. 따라서 미립자 필터(22)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 리치 상태로 되면 단시간 내에 NOx흡수제(61)로부터 NO가 방출되고, 더욱이 이 방출된 NO가 환원되기 때문에 대기 중으로 NO가 배출되는 경우는 없다.
또, 이 경우, 미립자 필터(22)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 이론 공연비로 하여도 NOx흡수제(61)로부터 NO가 방출된다. 그러나 이 경우에는 NOx흡수제(61)로부터 NO가 서서히 밖에 방출되지 않기 때문에 NOx흡수제(61)에 흡수되어 있는 모든 NOx를 방출시키기 위해서는 약간 긴 시간을 요한다.
그런데 상술한 바와 같이 NOx흡수제 및 활성 산소 방출제로서 각각 다른 금속을 사용할 수도 있고, NOx흡수제 및 활성 산소 방출제로서 동일한 금속을 사용할 수도 있다. NOx흡수제 및 활성 산소 방출제로서 동일한 금속을 사용한 경우에는 상술한 바와 같이 NOx흡수제로서의 기능과 활성 산소 방출제로서의 기능의 쌍방의 기능을 동시에 다하게 되고, 이와 같이 쌍방의 기능을 동시에 다하는 것을 이하, 활성 산소 방출·NOx흡수제라고 한다. 이 경우에는 도 4a에 있어서의 부호(61)는 활성 산소 방출·NOx흡수제를 도시하게 된다.
이와 같은 활성 산소 방출·NOx흡수제(61)를 사용한 경우, 미립자 필터(22)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 린 상태일 때에는 배기 가스 중에 포함되는 NO는 활성 산소 방출·NOx흡수제(61)에 흡수되고, 배기 가스 중에 포함되는 미립자가 활성 산소 방출·NOx흡수제(61)에 부착되면 이 미립자는 활성 산소 방출·NOx흡수제(61)로부터 방출되는 활성 산소 등에 의해서 단시간 내에 산화 제거된다. 따라서 이 때 배기 가스 중의 미립자 및 NOx의 쌍방이 대기 중에 배출되는 것을 저지할 수 있게 된다.
한편, 미립자 필터(22)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 리치 상태로 되면 활성 산소 방출·NOx흡수제(61)로부터 NO가 방출된다. 이 NO는 미연소 HC, CO에 의해 환원되고, 이와 같이 하여 이 때에도 NO가 대기 중으로 배출되지 않는다. 또한, 이 때 미립자 필터(22)상에 미립자가 퇴적되어 있는 경우에는 이 미립자는 활성 산소 방출·NOx흡수제(61)로부터 방출되는 활성 산소에 의해서 산화 제거된다.
또, NOx흡수제 또는 활성 산소 방출·NOx흡수제가 사용된 경우에는 NOx흡수제 또는 활성 산소 방출·NOx흡수제의 NOx흡수 능력이 포화되기 전에, NOx흡수제 또는 활성 산소 방출·NOx흡수제로부터 NOx를 방출하기 위해서 미립자 필터(22)에 유입되는 배기 가스의 공연비가 일시적으로 리치 상태가 된다. 즉, 린 상태의 공연비를 기초로 연소가 행하여지고 있을 때에 때때로 공연비가 일시적으로 리치 상태가 된다.
또한, 본 발명은 미립자 필터(22)의 양측 면상에 형성된 캐리어의 층상에 백금(Pt)과 같은 귀금속만을 담지한 경우에도 적용할 수 있다. 단, 이 경우에는 산화 제거 가능 미립자량(G)을 도시하는 실선은 도 5에 도시하는 실선과 비교하여 약간 오른쪽으로 이동한다. 이 경우에는 백금(Pt)의 표면상에 보유되는 NO2또는 SO3으로부터 활성 산소가 방출된다.
또한, 활성 산소 방출제로서 NO2또는 SO3을 흡착 보유하고, 이들 흡착된 NO2또는 SO3으로부터 활성 산소를 방출할 수 있는 촉매를 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명은 미립자 필터 상류의 배기 통로 내에 산화 촉매를 배치하여 이 산화 촉매에 의해 배기 가스 중의 NO를 NO2로 변환하고, 이 NO2와 미립자 필터상에 퇴적된 미립자를 반응시켜 이 NO2에 의해 미립자를 산화하도록 한 배기 가스 정화 장치에도 적용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 연소실로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 미립자 필터상에, 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 받아들여 산소를 보유하고 또한 주위의 산소 농도가 저하되면 보유한 산소를 활성 산소 형태로 방출하는 활성 산소 방출제를 담지시켜, 미립자 필터에 유입되는 배기 가스의 공연비를 통상은 린 상태로 유지하는 동시에 때때로 일시적으로 리치 상태로 전환하여 배기 가스의 공연비가 리치 상태로 전환되었을 때에는 활성 산소 방출제로부터 방출되는 활성 산소에 의해 미립자 필터상의 미립자의 산화 반응을 촉진시켜, 그것에 의하여 미립자 필터상의 미립자가 휘염(luminous flames)을 발하지 않고 산화 제거되는 배기 가스 정화 방법.
  2. 연소실로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 미립자 필터상에, 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 받아들여 산소를 보유하고 또한 주위의 산소 농도가 저하되면 보유한 산소를 활성 산소 형태로 방출하는 동시에, 미립자 필터에 유입되는 배기 가스의 공연비가 린 상태일 때에는 배기 가스 중의 NOx를 흡수하여 미립자 필터에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비 또는 리치 상태로 되면 흡수한 NOx를 방출하는 활성 산소 방출·NOx흡수제를 담지시켜, 미립자 필터에 유입되는 배기 가스의 공연비를 통상은 린 상태로 유지하는 동시에 때때로 일시적으로 리치 상태로 전환하여 배기 가스의 공연비가 리치 상태로 전환되었을 때에는 활성 산소 방출·NOx흡수제로부터 방출되는 활성 산소에 의해 미립자 필터상의 미립자의 산화 반응을 촉진시키는 동시에, 활성 산소 방출·NOx흡수제로부터 방출되는 NOx를 환원시키고, 그것에 의하여 미립자 필터상의 미립자가 휘염을 발하지 않고 산화 제거되는 동시에, 배기 가스 중의 NOx가 제거되는 배기 가스 정화 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 미립자 필터는 단위 시간당 연소실로부터 배출되는 배출 미립자량이 미립자 필터상에서 단위 시간당 휘염을 발하지 않고 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량보다도 적을 때에는 미립자를 미립자 필터상에서 휘염을 발하지 않고 산화 제거하고, 해당 배출 미립자량이 해당 산화 제거 가능 미립자량을 넘었다고 해도 배기 가스의 공연비를 때때로 일시적으로 리치 상태로 전환함으로써 미립자가 미립자 필터상에서 휘염을 발하지 않고 산화 제거되도록 해당 배출 미립자량 및 해당 산화 제거 가능 미립자량을 유지하도록 한 배기 가스 정화 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    해당 산화 제거 가능 미립자량이 미립자 필터의 온도의 함수인 배기 가스 정화 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    해당 산화 제거 가능 미립자량은 미립자 필터의 온도에 더하여, 배기 가스 중의 산소 농도 또는 NOx농도의 적어도 하나의 함수인 배기 가스 정화 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    해당 산화 제거 가능 미립자량이 적어도 미립자 필터의 온도의 함수로서 미리 기억되어 있는 배기 가스 정화 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    해당 배출 미립자량이 해당 산화 제거 가능 미립자량을 넘었을 때에는 해당 배출 미립자량이 해당 산화 제거 가능 미립자량보다도 적어지도록 배출 미립자량과 산화 제거 가능 미립자량의 적어도 한쪽을 제어하도록 한 배기 가스 정화 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    해당 배출 미립자량이 해당 산화 제거 가능 미립자량을 미리 정해진 양 이상 넘었을 때에는 해당 배출 미립자량이 해당 산화 제거 가능 미립자량보다도 적어지도록 배출 미립자량과 산화 제거 가능 미립자량의 적어도 한쪽을 제어하도록 한 배기 가스 정화 방법
  9. 제 7 항에 있어서,
    미립자 필터의 온도를 상승시킴으로써 해당 배출 미립자량을 해당 산화 제거 가능 미립자량보다도 적게 하도록 한 배기 가스 정화 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    해당 배출 미립자량을 감소시킴으로써 해당 배출 미립자량을 해당 산화 제거 가능 미립자량보다도 적게 하도록 한 배기 가스 정화 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    배기 가스 중의 산소 농도를 높임으로써 해당 배출 미립자량을 해당 산화 제거 가능 미립자량보다도 적게 하도록 한 배기 가스 정화 방법.
  12. 제 3 항에 있어서,
    미립자 필터상에서 단위 시간당 휘염을 발하지 않고 산화 제거되는 산화 제거 미립자량을 산출하고, 해당 배출 미립자량이 해당 산화 제거 미립자량을 넘었을 때에는 해당 배출 미립자량이 해당 산화 제거 미립자량보다도 적어지도록 해당 배출 미립자량 또는 해당 산화 제거 가능 미립자량의 적어도 한쪽을 제어하도록 한 배기 가스 정화 방법.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    미립자 필터상에 귀금속 촉매를 담지한 배기 가스 정화 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    미립자 필터상에 귀금속 촉매에 더하여, 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속 또는 희토류 또는 천이 금속을 담지한 배기 가스 정화 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 알칼리 금속 및 알칼리토류 금속이 칼슘보다도 이온화 경향이 높은 금속으로 이루어지는 배기 가스 정화 방법.
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