KR20020008745A - 내연기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 운전 상황에 적합한 촉매의 온도 상승을 제어하여, NOx 촉매의 S 피독 회복을 감속시나 아이들시의 흡입 공기량이 적을 때에 실시함으로써 첨가하는 연료를 감소시켜 연비를 향상시키는 것에 관한 것이다. 그를 위해 배기를 정화하는 촉매(4)와, 내연기관(1)의 기관 운전 상태를 검출하는 기관 운전 상태 검출 수단(15)과, 촉매(4)의 온도를 상승시키는 복수의 촉매 온도 상승 수단과, 촉매(4)가 온도 상승할 때 기관 운전 상태 검출 수단(15)의 검출치에 의거하여 복수의 촉매 온도 상승 수단으로부터 1개를 선택하는 촉매 온도 상승 선택 수단(11)을 구비하며, 촉매 온도 상승 수단은 소부하 영역에서는 내연기관(1)에 공급하는 연료의 주분사를 증량하여 이론 공연비에 근접하게 하며 또한 배기 통로(3)에 연료를 첨가하고, 중부하 영역에서는 주분사 후에 추가 연료를 분사하며 또한 배기 통로(3)에 연료를 첨가하고, 대부하 영역에서는 배기 통로(3)에 연료를 첨가한다.

Description

내연기관의 배기 정화 장치{System for purifying an exhaust gas of internal combustion engine}
본 발명은, 내연기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
디젤 엔진이나 가솔린 엔진 등의 내연기관으로부터의 배기를 정화하는 배기정화 장치로서, 린(lean) NOx 촉매, 3원 촉매 등의 촉매나, 배기 중의 미립자 등의미립자를 제거하는 미립자 필터 등이 공지되어 있다.
린 NOx 촉매는 디젤 엔진이나 린번 가솔린 엔진 등 희박 연소 가능한 내연기관으로부터 배출되는 배기를 정화할 수 있는 촉매이며, 예로서는 선택 환원형 NOx 촉매나 흡장 환원형 NOx 촉매 등을 들 수 있다.
흡장 환원형 NOx 촉매(이하, 간단히 NOx 촉매)는 예를 들면 알루미나(Al208)를 캐리어로 하고, 상기 담체 상에 예를 들면 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs) 등과 같은 알칼리 금속과, 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 등과 같은 알칼리 토류와, 란턴(La) 이트륨(Y) 등과 같은 희토류 중에서 선택한 적어도 1개와, 백금(Pt) 등과 같은 귀금속을 소지하여 구성되어 있다.
상기 NOx 촉매는 유입 배기의 공연비가 린(lean)일 때는 질소 산화물(이하, NOx)을 흡수하여, 유입 배기의 산소 농도가 저하하면 흡수하고 있던 NOx를 방출하면서 N2로 환원하는 NOx의 흡방출 작용을 행한다.
상기 흡장 환원형 NOx 촉매인 경우, 해당 내연기관에서는 통상 운전시의 배기의 공연비가 린으로 되기 때문에, 배기 중의 NOx가 NOx 촉매에 흡수되어지게 된다. 그러나, 린 공연비의 배기가 NOx 촉매에 계속해서 공급되면, NOx 촉매의 NOx 흡수 능력이 포화하여 더 이상 NOx를 흡수할 수 없게 되고, NOx가 누출된다. 따라서, NOx 촉매에서는 NOx 흡수 능력이 포화하기 전에 소정의 타이밍으로 유입 배기의 산소 농도를 저하시킴과 동시에 배기 중의 HC 성분량을 증가시켜 NOx 촉매에 흡수되어 있던 NOx를 방출하면서 N2로 환원하여, NOx 촉매의 NOx 흡수 능력을 회복시킬 필요가 있다.
이와 같이 린 NOx 촉매를 이용한 배기 정화 장치에서는 NOx가 정화되기 때문에 간헐적으로 배기의 공연비를 이론 공연비 또는 리치 공연비로 할 필요가 있다.
또한, 흡장 환원형 NOx 촉매에는 연료에 포함되는 유황 성분이 연소하여 생성되는 유황산화물(SOx)도 또한 NOx와 동일한 메카니즘으로 흡수된다. 상기 흡수된 SOx는 NOx보다도 방출되기 어렵고, NOx 촉매 내에 축적된다. 이것을 이하, S 피독이라고 칭하기로 한다. 이러한 S 피독이 생기면 NOx 정화율이 저하하기 때문에, 적절한 시기에 NOx 촉매를 S 피독으로부터 회복시키는 피독 회복 처리를 실시할 필요가 있다.
상기 피독 회복 처리는 NOx 촉매를 고온(예를 들면, 600 내지 650℃ 정도)의 상태로 유지하면서 이론 공연비 또는 리치 공연비의 배기를 NOx 촉매로 흘림으로써 실행된다.
한편, 디젤 기관에 있어서, 배기 중에 포함되는 촉매 등의 미립자를 제거하기 위해서 기관 배기 통로 내에 미립자 필터가 배치되어 있다. 상기 필터에 의해 배기 중의 미립자가 일단 포집되고, 필터 상에 포집된 미립자를 착화 연소시킴으로써 필터가 재생된다. 또한, 상기 필터에는, 촉매 등의 미립자의 제거 뿐만 아니라 배기 중의 유해 성분(HC, CO, NOx)도 동시에 정화 가능하도록, 촉매(3원 촉매나 린 NOx 촉매)를 소유한 것이 있다. 이러한 경우에도 상술된 바와 같은 이유로 인해, 배기의 공연비를 통상보다도 작게하거나, 이론 공연비 또는 리치 공연비로 하는 방법이 널리 행하여진다.
상술된 바와 같은 NOx 촉매를 소유한 미립자 필터상에 있어서는 포집된 미립자는 예를 들면 500℃ 정도 이상의 고온이 되지 않으면 착화하지 않고, 착화되지 않은 미립자는 필터에 퇴적해 버린다. 디젤 기관의 배기 온도는 통상적으로 이것보다도 낮기 때문에 필터를 온도 상승시켜 미립자를 연소 제거시킬 필요가 있다.
또한, 희박 연소 운전시의 배기열은 낮기 때문에, S 피독의 회복 혹은 퇴적된 미립자가 연소하도록 촉매를 온도 상승시키는 것은 곤란하지만, 배기 통로로 연료의 첨가를 행함으로써 촉매의 온도를 상승시키는 기술이 공지되어 있다.
예를 들면, 일본 특개평 11-229855호 공보의 기술에 의하면, 엔진의 출력에 영향을 주기 어려운 팽창 행정 중에 추가의 연료 분사를 행하여 이것을 연소시킴으로써, 배기 공연비를 리치로 하여 NOx 촉매에 HC나 CO를 공급하여 촉매를 고온으로 하여 흡수 저장한 SOx를 방출하고 있다.
그러나, 상술한 일본 특개평11-229855호 공보에서는 기관 운전 상태를 고려하지 않고 S 피독 회복을 행하고 있기 때문에, 운전 상태에 따라서는 NOx 촉매의 온도 상승 속도가 느린 경우가 있다. 온도 상승 속도가 느리면, 온도 상승을 위해 연료를 많이 소비하기 때문에 연비 악화가 초래되며, 또한, S 피독 회복의 적절한 실시 시기를 놓쳐 S 피독 회복 처리가 지연되는 등의 문제가 생길 수 있다.
한편, S 피독 회복 처리를 위해 기관의 운전 상태를 전혀 고려하지 않고 공연비를 리치로 한 경우, 디젤 엔진에서는 통상의 운전시에 기관 내에서의 연소를리치 공연비로 실시하면 연비가 악화하고, 또한 스모크의 발생이나 실화의 원인이 되어 운전 상태가 악화된다. 또한, 감속시에 연료를 분사하면 연소가 기관 출력으로 변화되어 감속감이 손상된다.
또한, 공연비를 이론 공연비에 근접하게 하는 수단으로서 전자 제어의 스로틀에 의한 흡기의 압축을 행하는 방법이 있다. 그러나, 상기 전자 스로틀을 개폐하는 모터는 스텝의 폭이 크기 때문에 미소한 개폐 제어를 행할 수 없고, 신선한 공기량이 적은 상태로 이론 공연비 부근의 연소를 실시하려고 해도 스로틀 개방도의 제어 범위 내에서는 흡입 공기의 변화량이 많아 공연비가 어긋나게 되어 이론 공연비 부근에서의 운전이 곤란하게 된다.
본 발명은 이상의 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 본 발명이 해결하려고 하는 과제는 운전 상태에 적합한 촉매의 온도 상승 수단을 선택하여 실행함으로써 촉매의 온도 상승을 빠른 시기에 행할 수 있는 내연기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 달성하기 위해서, 본 발명의 내연기관의 배기 정화 장치는 다음 수단을 채용하였다.
즉, 내연기관의 배기 통로에 설치되어 유입하는 배기를 정화하는 촉매와,
상기 내연기관의 기관 운전 상태를 검출하는 기관 운전 상태 검출 수단과,
상기 촉매의 온도를 상승시키는 복수의 촉매 온도 상승 수단과,
상기 촉매를 온도 상승시킬 때 상기 기관 운전 상태 검출 수단의 검출치에 근거하여 복수의 상기 촉매 온도 상승 수단으로부터 하나를 선택하는 촉매 온도 상승 선택 수단을 구비하며,
상기 촉매 온도 상승 수단은 소부하 영역에서는 상기 내연기관에 공급하는 연료의 주분사를 증량하여 이론 공연비 부근으로 하며 또한 상기 배기 통로에 연료를 첨가하고, 중부하 영역에서는 주분사 후에 추가 연료를 분사하며 또한 배기 통로에 연료를 첨가하고, 대부하 영역에서는 배기 통로에 연료를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
상기 촉매 온도 상승 수단은 상기 촉매의 S 피독을 회복하기 위해 온도 상승시킬 때로서, 또한 기관 운전 상태가 가속 또는 정상 운전 상태에 있을 때에 작동할 수 있다.
상기 내연기관에 흡입되는 새로운 공기량을 감소시키는 새로운 공기량 감소 수단을 구비하고, S 피독을 회복해야 할 때에는 새로운 공기의 량을 감소시켜 이론 공연비에 근접하게 하고, 또한 배기 통로에 연료를 첨가하여 촉매에 흐르는 배기 가스의 배기 공연비를 리치로 할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 기관 운전 상태 검출 수단에 의해 기관 운전 상태를 검출하고, 복수의 촉매의 온도 상승 수단 중에서 그 때의 운전 상태에 적합한 온도 상승 수단을 촉매 온도 상승 선택 수단에 의해 선택하여 조기의 촉매의 온도 상승을 꾀한다. 그 결과, 흡입 공기량이 적을 때 과도의 연료를 첨가하게 되는 온도 상승 수단의 채용이 없어져 첨가 연료량의 적정화와 연비의 향상을 실현할 수 있다.
또한 본 발명에 있어서는, 새로운 공기량 감소 수단으로서, 예를 들면 흡기스로틀 밸브나 배기 스로틀 밸브를 사용할 수 있어, 연료 첨가 만이 아니라 새로운 공기를 저감하는 수단을 연료 첨가와 더불어 실행함으로써, 보다 소량의 연료로 공연비를 리치로 할 수 있다.
도 1은 내연기관의 전체도.
도 2는 본 발명에 따른 배기 정화의 흐름도.
도 3은 운전 상황에 따른 온도 상승 제어 방법을 도시하는 개념도.
도 4는 미립자 필터를 도시하는 도면.
도 5는 미립자의 산화 작용을 도시하는 개념도.
도 6은 미립자의 퇴적 작용을 도시하는 개념도.
도 7은 산화 제거 가능 미립자량과 미립자 필터의 온도와의 관계를 도시하는 도면.
도 8은 NOx의 정화 작용을 도시하는 개념도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1… 엔진 본체
2… 흡기 통로
3… 배기 통로(필터 이전)
4… 미립자 필터
5… 배기 통로(필터 이후)
6… 공기 유량계
8… 연료 분사 밸브
9… 연료 공급관
10… 연료 펌프
11… ECU
15… 크랭크각 센서
16… 공연비 센서
17… 스로틀
18… 액셀러레이터 개방도 센서
61… 활성 산소 방출·NOx 흡수제(NOx 흡수제, 활성 산소 방출제)
본 발명에 따른 내연기관의 배기 정화 장치의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명을 차량용 디젤 엔진에 적용한 경우를 도시하고 있다.
도 1에 있어서, 도면 부호 1은 엔진 본체, 도면 부호 2는 흡기 통로, 도면 부호 3은 배기 통로, 도면 부호 4는 미립자 필터, 도면 부호 5는 배기 통로, 도면 부호 8은 환원제로서 연료를 분사하는 연료 분사 밸브, 도면 부호 9는 연료 공급관, 도면 부호 10은 연료 펌프, 도면 부호 11은 엔진 컨트롤용 전자 제어 유닛(이하, ECU로 한다)을 각각 도시한다. 필터(4)에는 흡장 환원형 NOx 촉매가 담지되어 있다.
필터(4) 하류의 배기 통로(5)에는 필터(4) 직후의 배기 공연비를 검출하는 공연비 센서(16)가 설치되어 있다. 한편, 흡기 통로(2)에는 엔진(1)에 흡입되는 흡기 공연량을 계측하는 공기 유량계(6), 흡입 공기량을 조정하는 전자 스로틀(17)이 설치되어 있다.
ECU(11)는 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍방향성 패스에 의해서 서로 접속된 ROM(read only memory), RAM(random access memory), CPU(microprocessor), 입력 포트 및 출력 포트를 구비한다.
공연비 센서(16)는 검출한 공연비에 따른 신호를 ECU(11)에 출력한다.
또한, 공기 유량계(6)는 새로운 공기의 공기량에 따른 출력 신호를 ECU(11)로 출력하고, ECU(11)는 공기 유량계(6)의 출력 신호에 근거하여 흡입 공기량을 연산한다.
또한, 크랭크 샤프트가 회전할 때마다 출력 펄스를 발생하는 크랭크 각 센서(15), 액셀러레이터의 개방도에 따른 신호를 출력하는 액셀러레이터 개방도 센서(18)가 ECU(11)에 접속되어 있다.
<필터의 구조>
도 4에 필터(4)의 구조를 도시한다. 또한, 도 4(a)에서는 필터(4)의 정면도를 도시하고 있고, 도 4(b)는 필터(4)의 측면 단면도를 도시하고 있다. 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시되는 바와 같이 필터(4)는 허니콤 구조를 이루고 있고, 서로 평행을 이루어 연장하는 복수개의 배기 유통로(50, 51)를 구비하는 소위 월플로우형이다. 이들 배기 유통로는 하류단이 마개(52)에 의해 폐쇄된 배기 유입 통로(50)와, 상류단이 마개(53)에 의해 폐쇄된 배기 유출 통로(51)로 구성된다. 또한, 도 4(a)에 있어서 사선이 쳐진 부분은 마개(53)를 도시하고 있다. 따라서, 배기 유입 통로(50) 및 배기 유출 통로(51)는 얇은 두께의 격벽(54)을 통해 교대로 배치된다. 다시말하면 배기 유입 통로(50) 및 배기 유출 통로(51)는 각 배기 유입 통로(50)가 4개의 배기 유출 통로(51)에 의해서 포위되고, 각 배기 유출 통로(51)가 4개의 배기 유입 통로(50)에 의해서 포위되도록 배치된다.
필터(4)는, 예를 들면, 코디어라이트(cordierite)와 같은 다공질 재료로 형성되어 있고, 따라서 배기 유입 통로(50) 내로 유입된 배기는 도 4(b)에 있어서 화살표로 도시되는 바와 같이 주위의 격벽(54) 내를 통과하여 인접하는 배기 유출 통로(51) 내로 유출한다.
본 발명에 의한 실시예에서는 각 배기 유입 통로(50) 및 각 배기 유출 통로(51)의 주위 벽면, 즉 각 격벽(54)의 양측 표면 위 및 격벽(54) 내의 미세 구멍 내벽면 위에는 예를 들면 알루미나로 이루어지는 담체의 층이 형성되어 있고, 상기 담체상에 귀금속 촉매와, 주위에 과잉의 산소가 존재하면 산소를 유입하여 유지하며 또한 주위의 산소 농도가 저하하면 유지한 산소를 활성 산소의 형태로 방출하는 활성 산소 방출제와, 유입하는 배기의 공연비가 린일 때 NOx를 흡수하여 유입하는 배기 중의 산소 농도가 저하하면 흡수한 NOx를 방출하는 NOx 흡수제가 담지되어 있다.
여기서, NOx 흡수제에 유입하는 배기의 공연비란, 흡기 통로(2), 연소실(도시하지 않음) 및 NOx 흡수제 상류에서의 배기 통로 내로 공급된 공기와 연료의 비를 말한다.
상기 귀금속 촉매로서는 백금(Pt)을 사용할 수 있다.
상기 활성 산소 방출제는, 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 등과 같은 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 등과 같은 알칼리 토류 금속, 란탄(La), 이트륨(Y) 등과 같은 희토류, 및 전이 금속으로부터 선택된 적어도 하나로 구성할 수 있다.
또한, 이 경우, 활성 산소 방출제로서는 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 NOx 흡수제는, 예를 들면, 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 등과 같은 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 등과 같은 알칼리 토류, 란탄(La), 이트륨(Y) 등과 같은 희토류로부터 선택한 적어도 하나로 구성할 수 있다.
또한, 이 경우, NOx 흡수제로서는 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)을 사용하는 것이 바람직하다.
활성 산소 방출제를 구성하는 금속과 NOx 흡수제를 구성하는 금속을 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 이들을 구성하는 금속은 대부분이 일치하고 있다.
따라서, 활성 산소 방출제 및 NOx 흡수제로서 각각 다른 금속을 사용할 수도 있으며, 동일의 금속을 사용할 수도 있다. 활성 산소 방출제 및 NOx 흡수제로서 동일의 금속을 사용한 경우에는, 해당 금속은 활성 산소 방출제로서의 기능과 NOx 흡수제로서의 기능의 쌍방의 기능을 동시에 달성하게 된다. 이와 같이, 활성 산소 방출제의 기능과 NOx 흡수제의 기능의 쌍방의 기능을 동시에 달성하는 것에 대해, 이하, 「활성 산소 방출·Nox 흡수제」라고 칭한다.
그리고, 상기 실시예에서는, 알루미나 등의 담체상에, 귀금속 촉매로서 백금(Pt)과, 활성 산소 방출·NOx 흡수제로서 칼륨(K)을 소유한 경우를 예로 들어설명한다.
상술한 바와 같이, 활성 산소 방출·NOx 흡수제로서의 칼륨(K)은, 활성 산소 방출제로서의 기능과 NOx 흡수제로서의 기능의 쌍방의 기능을 동시에 달성함으로써, 상기 배기 정화 장치에서는 활성 산소 방출제로서의 기능을 이용하여 배기 중의 미립자의 산화 제거 촉진을 꾀하여 NOx 흡수제로서의 기능을 이용하여 배기 중의 NOx를 정화하고 있다.
이하, 각각의 기능에 착안하여 상기 배기 정화 장치에 있어서의 정화 메카니즘을 설명한다.
<필터에 의한 미립자의 연속 산화 처리···활성 산소 방출제로서의 기능>
활성 산소 방출·NOx 흡수제의 활성 산소 방출제로서의 기능을 이용한 필터(4)에 의한 배기 중의 미립자 제거 작용에 관해서 설명한다. 또한, 상기 활성 산소 방출제로서의 기능은 활성 산소 방출제로서 다른 알칼리 금속, 알칼리토류 금속, 희토류, 및 전이 금속을 사용하여도 동일 메카니즘으로 미립자 제거 작용이 행하여진다.
도 1에 도시된 바와 같은 디젤 엔진에서는 공기 과잉의 상태에서 연소가 행하여지며, 따라서 배기는 다량의 과잉 공기를 포함하고 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같은 디젤 엔진에서는 배기의 공연비는 린으로 되어 있다. 또한, 연소실 내에서는 고온의 연소에 의해 NOx가 발생하기 때문에 배기 중에는 NOx가 포함되어 있다. 또한, 연료 중에는 유황(S)이 포함되어 있고, 상기 유황(S)은 연소실 내에서 산소와 반응하여 SO2가 된다. 따라서 배기 중에는 SO2가 포함되어 있다. 따라서과잉 산소, NOx 및 SO2를 포함한 배기가 필터(4)의 배기 유입 통로(50) 내로 유입하게 된다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 배기 유입 통로(50)의 내측 주위면 및 격벽(54) 내의 미세 구멍 내벽면 위에 형성된 담체층의 표면의 확대도를 모식적으로 도시하고 있다. 또한, 도 5(a) 및 도 5(b)에 있어서 도면 부호 60은 백금(Pt)의 입자를 도시하고 있고, 도면 부호 61은 칼륨(K)을 포함하고 있는 활성 산소 방출·NOx 흡수제를 도시하고 있다.
상술한 바와 같이 배기 중에는 다량의 과잉 산소가 포함되어 있기 때문에 배기가 필터(4)의 배기 유입 통로(50) 내로 유입하면 도 5(a)에 도시된 바와 같이 이들 산소 O2가 02 -또는 02-의 형으로 백금(Pt)의 표면에 부착한다. 한편, 배기 중의 NO는 백금(Pt)의 표면상에서 02 -또는 02-과 반응하여, NO2가 된다(2NO+02→ 2NO2). 이어서 생성된 NO2의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 흡수되어, 칼륨(K)과 결합하면서 도 5(a)에 도시된 바와 같이 초산 이온 NO3 -의 형으로 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 확산하여, 일부의 초산 이온 NO3 -는 초산 칼륨(KNO3)을 생성한다.
한편, 상술한 바와 같이 배기 중에는 SO2도 포함되어 있고, 상기 SO2도 NO와동일 메카니즘에 의해서 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 흡수된다. 즉, 상술한 바와 같이 산소(02)가 02 -또는 02-의 형으로 백금(Pt)의 표면에 부착하고 있고, 배기 중의 SO2는 백금(Pt)의 표면에서 02 -또는 02-와 반응하여 SO3가 된다.
이어서 생성된 SO3의 일부는 백금(Pt) 상에서 또한 산화되면서 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 흡수되어, 칼륨(K)과 결합하면서 황산 이온 SO4 2-의 형으로 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 확산하여, 황산 칼륨(K2SO4)을 생성한다. 이렇게 하여 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에는 초산 칼륨(KNO3) 및 황산 칼륨(K2SO4)이 생성된다.
한편, 연소실 내에서는 주로 카본(C)으로 이루어지는 미립자가 생성되고, 따라서 배기 중에는 이들 미립자가 포함되어 있다. 배기 중에 포함되어 있는 이들 미립자는 배기가 필터(4)의 배기 유입 통로(50) 내를 흐르고 있을 때, 혹은 배기 유입 통로(50)로부터 배기 유출 통로(51)를 향할 때 도 5(b)에서 도면 부호 62로 도시된 바와 같이 담체층의 표면, 예를 들면 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)의 표면상에 접촉하여 부착한다.
이와 같이 미립자(62)가 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)의 표면상에 부착하면 미립자(62)와 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)와의 접촉면에서는 산소 농도가 저하한다. 산소 농도가 저하하면 산소 농도가 높은 활성 산소 방출·NOx흡수제(61) 내의 사이에서 농도차가 생기며, 이렇게 하여 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내의 산소가 미립자(62)와 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)와의 접촉면을 향하여 이동하려고 한다. 그 결과, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 형성되어 있는 초산 칼륨(KNO3)이 칼륨(K)과 산소(O)와 NO로 분해되어, 산소(O)가 미립자(62)와 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)와의 접촉면을 향하고, NO가 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 NO는 하류측의 백금(Pt) 상에서 산화되어, 다시 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 흡수된다.
한편, 이 때 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 형성되어 있는 황산 칼륨(K2SO4)도 칼륨(K)과 산소(O)와 SO2로 분해되어, 산소(O)가 미립자(62)와 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)와의 접촉면으로 향하고, SO2가 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 SO2는 하류측의 백금(Pt) 상에 있어 산화되어, 다시 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 흡수된다.
한편, 미립자(62)와 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)와의 접촉면으로 향하는 산소(O)는 초산 칼륨(KNO3)이나 황산 칼륨(K2SO4) 등과 같은 화합물로부터 분해된 산소이다. 화합물로부터 분해된 산소(O)는 높은 에너지를 가지며, 대단히 높은 활성을 갖는다. 따라서 미립자(62)와 활성 산소 방출·Nox 흡수제(61)와의 접촉면으로 향하는 산소는 활성 산소(O)로 되어 있다. 이들 활성 산소(O)가 미립자(62)에 접촉하면 미립자(62)는 단시간 중에 휘염(輝炎)을 발하지 않게 산화시키고, 미립자(62)는 완전히 소멸한다. 따라서 미립자(62)는 필터(4)상에 퇴적하지 않는다.
종래와 같이 필터(4)상에 적층 형상으로 퇴적한 미립자가 연소되었을 때에는 필터(4)가 빨갛게 뜨거워지고, 화염을 수반하여 연소한다. 이러한 화염을 수반하는 연소는 고온이 아니면 지속하지 않고, 따라서 이러한 화염을 수반하는 연소를 지속시키기 위해서는 필터(4)의 온도를 고온으로 유지해야 한다.
이에 반해 본 발명에서는 미립자(62)는 상술한 바와 같이 휘염을 발하지 않고 산화시키며, 이 때 필터(4)의 표면이 빨갛게 뜨거워지지 않는다. 즉, 다시 말하면 본 발명에서는 종래에 비교하여 상당히 낮은 온도에서 미립자(62)가 산화제거되어지고 있다. 따라서 본 발명에 의한 휘염을 발하지 않는 미립자(62)의 산화에 의한 미립자 제거 작용은 화염을 수반하는 종래의 연소에 의한 미립자 제거 작용과 전혀 다르다.
또한, 미립자의 산화에 의한 미립자 제거 작용은 상당히 저온에서 행하여진다. 따라서 필터(4)의 온도는 그다지 상승하지 않으며, 이렇게 하여 필터(4)가 열화할 위험성은 거의 없다. 또한, 필터(4)상에 미립자가 전혀 퇴적하지 않기 때문에 미립자의 연소 가스인 재가 응집할 위험성이 적으며, 따라서 필터(4)가 막힐 위험성이 적어진다.
그런데 상기 막힘은 주로 황산 칼슘(CaSO4)에 의해서 발생한다. 즉, 연료나 윤활유는 칼슘(Ca)을 포함하고 있고, 따라서 배기 중에 칼슘(Ca)이 포함되어 있다. 상기 칼슘(Ca)은 SO3가 존재하면 황산 칼슘(CaSO4)을 생성한다. 상기 황산칼슘(CaSO4)은 고체로서 고온으로 되어도 열분해되지 않는다. 따라서 황산 칼슘(CaSO4)이 생성되고, 상기 황산 칼슘(CaSO4)에 의해서 필터(4)의 미세 구멍이 폐쇄되면 막힘이 생기게 된다.
그렇지만 이 경우, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로서 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속, 예를 들면 칼륨(K)을 사용하면 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 확산하는 SO3은 칼륨(K)과 결합하여 황산 칼륨(K2SO4)을 형성하고, 칼슘(Ca)은 SO3와 결합하지 않고, 필터(4)의 격벽(54)을 통과하여 배기 유출 통로(51) 내로 유출한다. 따라서 필터(4)의 미세 구멍의 막힘이 없어진다. 따라서 상술한 바와 같이 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로서는 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 바륨(Ba)을 사용하는 것이 바람직하게 된다.
그런데 백금(Pt) 및 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)는 필터(4)의 온도가 높게 될수록 활성화하기 때문에 단위 시간당에 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)를 방출할 수 있는 활성 산소(O)의 양은 필터(4)의 온도가 높게 될수록 증대한다. 따라서 필터(4)상에서 단위 시간당에 휘염을 발하지 않고 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량은 필터(4)의 온도가 높게 될수록 증대한다.
도 7의 실선은 단위 시간당에 휘염을 발하지 않고 산화 제거할 수 있는 산화 제거 가능 미립자량(G)을 도시하고 있다. 또한, 도 7에 있어서 횡축은 필터(4)의 온도(TF)를 도시하고 있다. 단위 시간당 연소실로부터 배출되는 미립자량을 배출미립자량(M)이라고 칭하면 상기 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자(G)보다도 적을 때, 즉 도 7의 영역(I)에서는 연소실로부터 배출된 모든 미립자가 필터(4)에 접촉하거나 접촉하지 않거나 단시간 동안에 필터(4)상에서 휘염을 발하지 않고 산화 제거시킨다.
이에 반해, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많을 때, 즉 도 7의 영역(II)에서는 모든 미립자를 산화하기 위해서는 활성 산소량이 부족하고 있다. 도 6(a) 내지 도 6(c)는 이러한 경우의 미립자의 산화의 상태를 도시하고 있다.
즉, 모든 미립자를 산화하기 위해서는 활성 산소량이 부족한 경우에는 도 6(a)에 도시하는 바와 같이 미립자(62)가 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)상에 부착하면 미립자(62)의 일부만이 산화되고, 충분히 산화되지 않은 미립자 부분이 담체층 상에 잔류한다. 이어서 활성 산소량이 부족한 상태가 계속되면 차례차례로 산화되지 않은 미립자 부분이 담체층 상에 잔류하여, 그 결과도 6(b)에 도시된 바와 같이 담체층의 표면이 잔류 미립자 부분(63)에 의해서 덮히게 된다.
담체층의 표면을 덮는 상기 잔류 미립자 부분(63)은 점차로 산화되기 어려운 카본질로 변질하고, 이렇게 하여 상기 잔류 미립자 부분(63)은 그대로 쉽게 잔류하게 된다. 또한, 담체층의 표면이 잔류 미립자 부분(63)에 의해서 덮히면 백금(Pt)에 의한 NO, SO2의 산화 작용 및 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)에 의한 활성 산소의 방출 작용이 억제된다. 그 결과, 도 6(c)에 도시된 바와 같이 잔류 미립자 부분(63)상에 별도의 미립자(64)가 차례차례로 퇴적한다. 즉, 미립자가 적층 형상으로 퇴적하게 된다. 이와 같이 미립자가 적층형상으로 퇴적하면 이들 미립자는 백금(Pt)이나 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 거리를 두고 있기 때문에 가령 쉽게 산화되는 미립자이라도 역시 활성 산소(O)에 의해서 산화되지 않고, 따라서 상기 미립자(64)상에 또다른 미립자가 차례차례로 퇴적한다. 즉, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자(G)보다도 많은 상태가 계속되면 필터(4)상에는 미립자가 적층형상으로 퇴적하게 된다.
이와 같이 도 7의 영역(I)에서는 미립자는 필터(4)상에서 휘염을 발하지 않고 단시간 동안에 산화되어지고, 도 7의 영역(II)에서는 미립자가 필터(4)상에 적층형상으로 퇴적한다. 따라서 미립자가 필터(4)상에 적층 형상으로 퇴적하지 않도록 하기 위해서는 배출 미립자량(M)을 항시 산화 제거 가능 미립자량(G)의 관계를 영역(I)의 범위로 하는 것이 바람직하다.
그렇지만 실제로는 모든 운전 상태에 있어서 배출 미립자량(M)을 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적게하는 것은 거의 불가능하다. 예를 들면 기관 시동시에는 통상 필터(4)의 온도는 낮고, 따라서 이 때에는 통상 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(C)보다도 많아진다. 기관 시동 직후에서와 같이 배출 미립자량(M) 쪽이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많아지면 필터(4)상에 산화되지 않은 미립자 부분이 잔류하기 시작한다.
이와 같이 운전 상황에 따라서는 배출 미립자량(M)을 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 증대하여 필터(4)상에 미립자가 적층상에 퇴적하는 경우가 있다.
또한, 필터(4)상에 미립자가 퇴적한 경우는, 배기의 일부 또는 전체의 공연비를 일시적으로 리치로 함으로써, 퇴적한 미립자가 휘염을 발하지 않고 산화되어진다. 배기의 공연비가 리치로 되면, 즉 배기 중의 산소 농도가 저하되면, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 외부로 활성 산소(O)가 일시에 방출되고, 이들 일시에 방출된 활성 산소(O)에 의해서 퇴적한 미립자가 휘염을 발하지 않고 일시에 단시간에 연소 제거된다.
이상이 활성 산소 방출·NOx 흡수제의 활성 산소 방출제로서의 기능을 이용한 미립자 정화 메카니즘이다.
<활성 산소 방출·NOx 흡수제에 의한 NOx 정화 처리···NOx 흡수제로서의 기능>
다음에, 활성 산소 방출·NOx 흡수제의 NOx 흡수제로서의 기능을 이용한 NOx 정화 작용에 관해서 설명한다. 또한, 상기 NOx 흡수제로서의 기능은 NOx 흡수제로서 다른 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속, 희토류를 사용하여도 동일 메카니즘으로 NOx 정화 작용이 행하여진다.
활성 산소 방출·NOx 흡수제의 NOx 정화 작용은 도 8에 도시된 바와 동일 메카니즘으로 행하여지고 있는 것으로 생각되고 있다. 또한, 도 8(a) 및 도 8(b)에 있어서 도면 부호 60은 백금(Pt)의 입자를 나타내고 있고, 도면 부호 61은 칼륨(K)을 포함하고 있는 활성 산소 방출·NOx 흡수제를 나타내고 있다.
우선, 유입 배기의 공연비가 상당히 린이 되면 유입 배기 중의 산소 농도가 대폭으로 증대하여, 도 8(a)에 도시된 바와 같이 산소(O2)가 O2 ­또는 O2-의 형으로 백금(Pt)의 표면에 부착한다. 한편, 유입 배기에 포함되는 NO는 백금(Pt)의 표면상에서 02 -또는 02-와 반응하고, NO2가 된다(2NO+02→2NO2).
이어서, 생성된 NO2는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 흡수되어 칼륨(K)과 결합하면서, 도 8(a)에 도시된 바와 같이 초산 이온 NO3 -의 형으로 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내로 확산한다. 이와 같이 하여 NOx가 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내에 흡수된다.
유입 배기 중의 산소 농도가 높을 때에만 한 백금(Pt)의 표면에서 NO2가 생성되고, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)의 NOx 흡수 능력이 포화하지 않을 때에만, NO2가 활성 산소 방출·NOX 흡수제(61) 내에 흡수되어 초산 이온(NO3 -)이 생성된다.
이에 반해, 배기 공연비가 이론 공연비 또는 리치가 되면 유입 배기 중의 산소 농도가 저하하기 때문에, NO2의 생성량이 저하하여 반응이 역방향(NO3 ­→ NO2)으로 진행하고, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61) 내의 초산 이온(NO3 -)이 NO2또는 NO의 형으로 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 방출된다. 즉, 유입 배기 중의 산소 농도가 저하하면, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 NOx가 방출되어지게 된다.
한편, 이 때, 배기 중의 HC, CO는, 백금(Pt) 상의 산소 O2 -또는 02-과 반응하여 산화된다. 또한, 유입 배기 중의 산소 농도의 저하에 의해 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 방출된 NO2또는 NO는 도 8(b)에 도시된 바와 같이 미연소 HC, CO와 반응하여 환원되어 N2로 된다.
즉, 유입 배기 중의 HC, CO는 우선 백금(Pt) 상의 산소 O2 -또는 02-로 즉각 반응하여 산화되어지고, 이어서 백금(Pt) 상의 산소 O2 -또는 02-가 소비되더라도 아직 HC, CO가 남아 있으면, HC, CO에 의해서 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 방출된 NOx 및 내연기관으로부터 배출된 NOx가 N2로 환원된다.
이렇게 하여 백금(Pt)의 표면상에 NO2또는 NO가 존재하지 않게 되면, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 차례차례로 NO2또는 NO가 방출되고, 또한 N2로 환원된다. 따라서, 배기의 공연비를 이론 공연비 또는 리치로 하면 단시간 중에 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 NOx가 방출되어 N2로 환원된다.
이와 같이, 배기의 공연비가 린이 되면 NOx가 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)에 흡수되고, 배기의 공연비를 이론 공연비 또는 리치로 하면 NOx가 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 단시간 중에 방출되어 N2로 환원된다. 따라서, 대기중에의 NOx의 배출을 저지할 수 있다.
그런데, 상술한 바와 같이 상기 디젤 엔진에서는, 통상은 화학량론(이론 공연비, A/F= 14.6)보다도 훨씬 린역에서 연소가 행하여지기 때문에, 통상의 기관 운전 상태에서는 필터에 유입하는 배기{즉, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)에 유입하는 배기}의 공연비는 대단히 린이고, 배기 중의 NOx는 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)에 흡수되어, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 방출되는 NOx 량은 대단히 적다.
따라서, 디젤 엔진에서는 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)의 NOx 흡수 능력이 포화하기 전에 소정의 타이밍으로 배기 중에 환원제를 공급하여 배기 중의 산소 농도를 저하시키고, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)에 흡수된 NOx를 방출시켜 N2로 환원할 필요가 있다.
그러므로, 상기 실시예에서는, ECU(11)가 내연기관의 운전 상태의 이력으로부터 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)에 흡수된 NOx량을 추정하여, 그 추정 NOx 량이 미리 설정한 소정치에 달하였을 때, 배기의 공연비를 일시적으로 리치로 하고 산소 농도를 저하시키면서 동시에 환원제를 공급하도록 하고 있다. 이와 같이 배기의 공연비를 일시적으로 리치로 하는 것을 일반적으로 리치 스파이크라고 칭하고 있다.
상기 실시예에서는, 리치 스파이크는 필터(4)에서 상류의 배기 통로(3) 내에 연료를 공급함으로써 실현하고 있다.
이와 같이, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)의 NOx 흡수 능력이 포화하기 전에 소정의 타이밍으로 리치 스파이크를 실행함으로써, 배기 중의 NOx를 연속하여정화할 수 있고, NOx를 대기로 방출시키는 것을 저지할 수 있다.
이상이 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)의 NOx 흡수제로서의 기능을 이용한 NOx 정화 메카니즘이다.
따라서, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)를 사용한 경우, 필터(4)에 유입하는 배기의 공연비가 린인 경우, 배기 중에 포함되는 NOx는 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)에 흡수되고, 배기 중에 포함되는 미립자가 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)에 부착하면 상기 미립자는 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)에서 방출되는 활성 산소에 의해서 단시간 중에 산화 제거되어진다. 요컨대, 이 때에는 배기 중의 미립자 및 NOX의 쌍방이 대기중에 배출되는 것을 저지할 수 있게 된다.
한편, 필터(4)에 유입하는 배기의 공연비가 리치가 되면, 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 NOx가 방출된다. 상기 NOx는 미연소 HC, CO에 의해 환원되며, 따라서 이 때에도 NOx가 대기 중으로 배출되지 않는다. 또한, 이 때 필터(4)상에 미립자가 퇴적하고 있는 경우, 상기 미립자는 활성 산소 방출·NOx 흡수제(61)로부터 방출되는 활성 산소에 의해서 산화 제거된다.
그런데, 일반적으로, 내연기관의 연료에는 유황 성분이 포함되어 있고, 내연기관에서 연료를 연소하면, 연료 중의 유황 성분이 연소하여 SO2나 SO3등의 유황산화물(SOx)이 발생한다. 상기 NOx 촉매는 NOx의 흡수 작용을 행하는 것과 동일 메카니즘으로 배기 중의 SOx의 흡수를 행하기 때문에 내연기관의 배기 통로에 NOx 촉매를 배치할 경우 촉매에서는 NOx 뿐만 아니라 SOx도 흡수된다.
그런데, 상기 NOx 촉매에 흡수된 SOx는 시간 경과와 함께 안정적인 황산염을형성하기 때문에, NOx 촉매로부터 NOx의 방출·환원을 행하도록 하는 조건하에서는, 분해, 방출되기 어려운 NOx 촉매 내에 쉽게 축적되는 경향이 있다. NOx 촉매내의 SOx 축적량이 증대하면, 촉매의 NOx 흡수 용량이 감소하여 배기 중의 NOx의 제거를 충분히 행할 수 없게 되어 NOx 정화 효율이 저하한다. 이것이 S 피독(유황 피독이라고도 한다)이다. 그래서, NOx 촉매의 NOx 정화 능력을 장기간에 걸쳐 높게 유지하기 위해서는, 촉매에 흡수되어 있는 SOx를 적절한 타이밍으로 방출시켜, NOx 촉매를 S 피독으로부터 회복시킬 필요가 있다.
NOx 촉매를 S 피독으로부터 회복시키기 위해서는, NOx 촉매의 촉매 상온을 NOx의 방출·환원시보다도 높은 소정의 고온(예를 들면, 600 내지 650℃)으로 하며, 또한, 유입 배기의 공연비를 화학량론 또는 리치로 하는 것이 효과적이라고 생각되고 있다. 이와 같이 하면, NOx 촉매에 흡수되어 있던 황산염은 분해되어 SO3가 되고, 또한 상기의 SO3이 배기 중의 미연소 HC, CO에 의해서 환원되어 SO2가 되어 방출된다.
다음에, 본 실시예에서의 연료 첨가 제어에 관해서, 도 2의 제어 흐름도를 참고하여 설명한다.
<스텝 101> S 피독 회복 제어를 시작할 것인지의 여부를 판단한다.
엔진(1)의 부하{액셀러레이터 개방도 센서(18)로부터의 신호}와 회전수{크랭크각 센서(15)로부터 발생하는 펄스}에 근거하여 단위 시간당의 NOx 흡수제로의 SOx의 흡수량을 미리 ECU(11)의 ROM에 격납한 수치 맵으로부터 산출한다. SOx의산출치가 소정치 이상이 되었는가를 판단한다. 또한, 크랭크각 센서(15)로부터 얻은 엔진(1)의 회전수의 변화율로부터 차량이 가속 상태 또는 정상 상태인가를 판단한다. 상기 SOx의 산출치가 소정치 이상이면 스텝(102)으로 진행하고, 소정치 이하이면 상기 처리를 종료한다.
또한 차량이 가속 상태 또는 정상 상태이면 스텝(102)으로 진행하고, 이들 상태가 아닌, 즉 감속 상태, 아이들링 상태이면 상기 처리를 종료한다
<스텝 102> 스텝(102)으로 진행하는, 즉 S 피독 회복 제어를 시작한다고 판단한 경우, 필터(4)의 온도 상승 제어를 개시한다.
예를 들면, 도 3에 도시된 온도 상승 제어 맵에 의해 현재의 엔진의 운전 상태에 근거하여 적절한 온도 상승 방법을 선택한다. 엔진의 운전 상태는 액셀러레이터 개방도 센서(18)로부터의 신호와 크랭크각 센서(15)로부터 발생하는 펄스에 의해서 구해지는 연료 분사량(Q)과 기관 회전수(NE)에서 판단된다.
① 소부하 영역일 때
엔진(1)의 실린더 내로 분사하는 연료를 증량하여, 공연비를 린(예를 들면 A/F= 20이상)으로부터 약한 린(예를 들면 A/F= 16 내지 18)으로 함과 동시에, 배기 통로(3)로 연료를 첨가한다. 소부하 영역의 경우는 실린더 내를 약한 린으로 운전하여도 촉매 등의 발생은 적다. 약한 린으로 운전하면 연소량이 증가하기 때문에 배기온도가 높아져 필터(4)는 온도 상승한다. 동시에 배기 통로(3)로 연료를 첨가하면, 연료가 필터(4)에서 산화함으로써 필터(4)가 가열되어 촉매는 더욱 온도 상승한다.
② 중부하 영역일 때
엔진(1)의 실린더 내로 연료를 주분사하여 연소한 후에, 팽창 행정에서 추가 연료를 분사(이하, 포스트 분사로 한다)하며 동시에 배기 통로(3)에 연료를 첨가한다. 그 이유는 실린더 내 주분사만으로 공연비를 내리면 스모크 등의 문제가 발생하기 때문이다. 또한, 연료가 기관 출력이 되기 때문에 토크의 변동이 발생하여 운전 상태가 악화한다. 따라서, 연료 주분사 후에 기관 출력에 영향받기 어려운 시기(예를 들면 팽창 행정)에서 포스트 분사하고, 상기 추가 연료를 연소시킴으로써 배기 온도를 상승시킨다. 동시에, 배기 통로(5)에 연료를 첨가하여, 필터(4)에서 산화시킴으로써 의해 필터(4)를 온도 상승시킨다.
③ 대부하 영역일 때
배기 통로(5)에 연료를 첨가한다. 대부하시는 실린더 내에서의 연소량이 많은 배기 온도가 높기 때문에 배기 통로(5)에 연료를 첨가하고, 필터(4)에서 산화시키는 것만으로 필터(4)를 온도 상승시킬 수 있다.
또한, 상기 ① 내지 ③에 있어서, 배기 통로(3)에 첨가한 연료가 촉매로 연소하기 위해서는 촉매상에 충분한 산소가 필요하며, 따라서 배기 통로(3)에 연료를 첨가한 후의 촉매를 흐르는 배기는 배기 공연비가 이론 공연비보다도 린 공연비인 것이 바람직하다.
④ 고회전, 대부하 영역일 때
통상 연소를 한다. 상기 영역에서는 실린더 내에서의 연소량이 ③의 영역보다도 더욱 많아지게 되어 통상 연소만으로 필터(4)의 온도 상승이 가능하다. 상기영역에서 필터(4)에의 연료의 첨가를 행하면, 필터(4)의 온도가 지나치게 올라서 촉매가 열적열화를 일으키는 일이 있다.
<스텝 103> S 피독 회복 제어를 개시하는 조건이 갖추어져 있는가를 판단한다.
촉매의 온도 상승이 S 피독 회복에 적합한 소정 온도 범위 내(예를 들면 550 내지 700℃)이고, 또한 흡입 공기량이 미리 결정하여 놓은 소정치 이하인가를 판단한다.
필터(4)의 온도가 소정 범위 내에 없을 때는 S 피독 회복은 행하지 않고 스텝(102)으로 되돌아간다. 또한, 흡입 공기량이 많으면 연료가 다량으로 필요하게 되기 때문에 스텝(102)으로 되돌아가서 흡입 공기량이 소정치 이하가 될 때까지 S 피독 회복은 행하지 않는다.
<스텝 104> S 피독 회복 제어를 개시하는 조건이 구비되어 있으면, S 피독 회복 제어를 개시한다.
일반적으로 디젤 엔진에서는, 통상적인 운전시에 기관 내에서의 연소를 리치 공연비로 실시하면 연비가 악화하며 또한 스모크의 발생이나 실화의 원인이 되어 운전 상태가 악화한다. 또한, 감속시에 연료를 분사하면 연소가 기관 출력으로 변하여 감속감이 손상된다.
그런데, 공연비를 이론 공연비에 근접하게 하는 수단으로서 전자 제어의 스로틀(17)에 의한 흡기의 압축을 행하는 방법이 있다. 그러나, 상기 전자 스로틀(17)을 개폐하는 모터는 스텝의 폭이 크기 때문에 미소한 개폐 제어를 행할 수 없고, 새로운 공기량이 적은 상태로 이론 공연비 부근의 연소를 실시하려고 하여도 스로틀 개방도의 제어 범위 내에서는 흡입 공기의 변화량이 많아서 공연비가 어긋나게 되어 이론 공연비 부근에서의 운전이 곤란하게 된다.
그래서, 스로틀(17)에 기인하는 공연비의 변동이 있더라도 실린더 내 공연비가 린으로 되도록 엔진(1)의 실린더 내 공연비를 약한 린(예를 들면 A/F=16 내지 18)으로 한다. 그리고, 연료 분사 밸브(8)로부터 연료를 첨가하여, 최종적으로 배기 공연비를 리치 공연비 부근으로 하여 S 피독 회복을 행한다.
또한, 배기 통로(5)에 설치한 공연비 센서(16)에 의해서 공연비를 계측하여 배기 공연비가 약한 린으로 되도록 연료 분사 밸브(8)로부터 분사하는 연료량을 피드백 제어함으로써 정밀도 양호한 S 피독 회복 제어를 행할 수 있다.
<스텝 105> 필터(4)의 온도가 소정 온도(예를 들면 600 내지 700℃)이고, 또한 S 피독 회복 제어를 행하고 있는 시간이 소정 시간보다도 짧은지의 여부를 판단한다.
상기 조건에 적합하면, 즉 소정 시간보다도 짧으면 또한 S 피독을 회복하기 위해 스텝(103)으로 되돌아간다.
한편, 필터(4)의 온도가 소정 범위에 없고 필터(4)의 온도가 지나치게 상승하면 열 열화의 우려가 있기 때문에 이 때는 제어를 종료한다. 또한, 온도가 내려 가면 S 피독이 회복하지 않기 때문에 이 때도 제어를 중지한다.
또한, 소정 시간이 경과하면 S 피독은 회복한 것으로 하여 제어를 종료한다.
본 출원에 따른 내연기관의 배기 정화 장치에 의하면, 복수의 온도 상승 수단으로부터 그 때의 기관 운전 상태에 적합한 온도 상승 수단이 선택되어 조기에촉매의 온도 상승을 꾀할 수 있다.

Claims (3)

  1. 내연기관의 배기 통로에 설치되어 유입하는 배기를 정화하는 촉매와,
    상기 내연기관의 기관 운전 상태를 검출하는 기관 운전 상태 검출 수단과,
    상기 촉매의 온도를 상승시키는 복수의 촉매 온도 상승 수단과,
    상기 촉매를 온도 상승시킬 때 상기 기관 운전 상태 검출 수단의 검출치에 근거하여 복수의 상기 촉매 온도 상승 수단으로부터 1개를 선택하는 촉매 온도 상승 선택 수단을 구비하고,
    상기 촉매 온도 상승 수단은 소부하영역에서는 상기 내연기관에 공급하는 연료의 주분사를 증량하여 이론 공연비 부근으로 하며 또한 상기 배기 통로에 연료를 첨가하고, 중부하 영역에서는 주분사 후에 추가 연료를 분사하며 또한 배기 통로에 연료를 첨가하고, 대부하 영역에서는 배기 통로에 연료를 첨가하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매 온도 상승 수단은 상기 촉매의 S 피독을 회복하기 위해 온도 상승시킬 때와, 또한 기관 운전 상태가 가속 또는 정상 운전 상태에 있을 때에 작동하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 내연기관에 흡입되는 새로운 공기의 양을 감소시키는 새로운 공기량 감소 수단을 구비하고, S 피독을 회복해야 할 때에는 새로운 공기의 량을 감소시켜 이론 공연비에 근접하게 하며, 또한 배기 통로에 연료를 첨가하여 촉매로 흐르는 배기 가스의 배기 공연비를 리치로 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
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