KR0167404B1 - 내연기관용 배기가스 정화 장치 - Google Patents

내연기관용 배기가스 정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에서, 엔진으로부터 나오는 배기 가스는 3방식 환원 및 산화 촉매기를 통과한 후 제1 및 제2분기 배기통로로 분할되고, 상기 두개의 분기 배기통로는 배기 가스 배출 통로와 병합된다. 제1분기 배기통로에 산화 촉매기가 배치되고 탈질화 및 산화 촉매기가 배기 가스 배출 통로에 배치된다.
상기 엔진으로부터 나오는 배기 가스의 NOX모두는 3방식 환원 및 산화 촉매기에 의해 N2및 NH3로 변환되고 상기 3방식 촉매기에 의해 생성된 NH3일부는 제1분기 배기통로로 흐르고 산화 촉매기에 의해 다시 NOX로 변환된다. 산화 촉매기에 의해 생성된 NOX량 및 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 NOX량은 상기 제1 및 제2분기 배기통로의 흐름 분배비에 의해 결정된다. 본 발명에서, 흐름비는 산화 촉매기에 의해 생성된 NOX량 및 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 NH3량이 화학량론되어 N2및 H2O 를 생성시키도록 하는 방식으로 결정된다. 그러므로, 이들 배기 가스가 배기 가스 배출 통로에서 상호 혼합된 후 탈질화 및 산화 촉매기로 흐를 때, NOX및 NH3모두는 어떠한 여분의 NOX또는 NH3를 생성시킴이 없이 탈질화 및 산화 촉매기에 의해 N2및 H2O 로 변환된다.

Description

내연기관용 배기가스 정화 장치
제1도는 자동차 엔진에 적용되는 경우의 본 발명의 일실시예를 도시한 개요도.
제2도는 배기가스의 공기-연료비의 변화에 따른 3방식 환원 및 산화 촉매기(three-way reducing and oxidizing catalyst)의 HC, CO 및 NOx의 변환비의 전형적인 변화를 도시한 그래프.
제3도는 촉매 온도 및 배기가스의 공기-연료비의 변화에 따른 산화 촉매기에 의해 생성된 NOx에서의 NO2양의 비의 전형적인 변화를 도시한 그래프.
제4도는 제1도의 실시예를 따라서 수행되는 배기가스 정화 장치의 일예를 도시한 개요도.
제5도는 제1도의 실시예를 따라서 수행되는 배기가스 정화 장치의 또다른 예를 도시한 개요도.
제6도는 본 발명의 일실시예를 도시한 개요도.
제7도는 본 발명의 일실시예를 도시한 개요도.
제8도는 본 발명의 일실시예를 도시한 개요도.
제9도는 제1도의 장치를 이용한 실험에 의해 얻어진 결과의 일예를 도시한 도면.
제10도는 제5도의 장치를 이용한 실험에 의해 얻어진 결과의 일예를 도시한 도면.
제11도는 본 발명의 일실시예를 도시한 개요도.
제12도는 본 발명의 또다른 일실시예를 도시한 개요도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 멀티플-실린더형 내연기관 2 : 공기흡입 통로
3 : 배기 매니폴드(exhaust manifold) 4 : 배기가스통로
[발명의 배경]
1. 발명의 분야
본 발명은 내연기관용 배기가스 정화 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배기가스로부터 HC, CO 및 NOx를 효율적으로 제거할 수 있는 장치에 관한 것이다.
2. 관련 기술의 설명
3. 방식 환원 및 산화 촉매기를 활용하는 배기가스 정화장치는 통상적으로 내연기관의 배기가스로부터 HC, CO 및 NOx(본 명세서에서, NOx는 일반적으로 NO, NO2,N2O 및 N3O4와 같은 질소 화합물을 의미한다)를 제거하기 위하여 사용한다. 3방식 환원 및 산화 촉매기는 배기가스의 공기-연료비가 화학량론 공기-연료비(stoichiometric air-fuel ratio)일때 배기가스의 HC 및 CO 성분을 산화할 수 있고 NOx 성분을 환원할 수 있다. 즉, 3방식 환원 및 산화 촉매기는 배기가스의 공기-연료비가 화학량론 공기-연료비일 때 배기가스로부터 이들 해로운 성분들을 동시에 제거할 수 있다.
그러나, 배기가스의 공기-연료비가 화학량론 공기-연료비일 때 조차, 3방식 환원 및 산화 촉매기는 배기가스에서 HC, CO 및 NOx 성분을 100% 제거할 수 없기 때문에 소량의 이들 성분이 촉매기를 통과한다.
더구나, 배기가스의 공기-연료비가 풍부할 때(즉, 공기-연료비가 화학량론 공기-연료비보다 낮게 될 때), HC 및 CO 성분을 산화시키는 3방식 환원 및 산화촉매기의 능력은 보다 낮게 된다. 그러나, 배기가스의 공기-연료비가 희박할 때(즉, 공기-연료비가 화학량론 공기-연료비보다 높게 될 때), NOx 성분을 환원시키는 3방식 환원 및 산화 촉매기의 능력 또한 보다 낮게 된다. 그러므로, 배기가스의 공기-연료비가 가령 엔진의 과도 동작에서와 같이 화학량론 공기-연료비로부터 벗어날 때, 촉매기를 통과하는 NOx량 또는 HC 및 CO량은 증가한다.
HC 및 CO 성분이 3방식 환원 및 산화 촉매기를 통과할 때 조차 상기 HC 및 CO 성분이 3방식 환원 및 산화 촉매기의 밑에 산화 촉매기를 배치하므로써 제거될지라도, NOx 성분, 특히, 배기가스로부터 소량의 NOx 성분을 제거하는 것은 어렵다.
그러므로, 3방식 환원 및 산화 촉매기가 사용될 때, 엔진의 배기가스로부터 NOx 성분을 완전하게 제거하는 것은 어렵다.
이 문제를 해결하기 위하여, 일본국 미심사된 특허 공개 공보 제 4-365920호는 탈질화 반응(denitrating reaction)을 이용하는 배기가스 정화장치를 서술하고 있다.
배기가스의 공기-연료비가 화학량론 공기-연료비보다 낮을 때, 3방식 환원 및 산화 촉매기는 배기가스의 NOx 일부분을 NH3성분으로 변환시키는 반면에, 배기가스의 대부분 NOx 성분을 환원시켜 N2성분으로 변환시킨다. NH3는 NOx와 반응하여 탈질화 반응에 의해 N2및 H2O를 생성시킨다는 것이 공지되어 있다.
JPP 4-365920에서, 멀티플-실린더 내연기관이 사용되고, 상기 엔진의 일군의 실린더는 풍부한 공기-연료비로 동작되는 반면, 그외 다른 실린더는 희박한 공기-연료비가 동작된다. 더구나, NOx를 NH3로 변환시키는 고 캐퍼빌리티(high capability)를 갖는 3방식 환원 및 산원 촉매기가 풍부한 공기-연료비 실린더에 접속된 배기가스 통로에 배치된다. 배기가스가 3방식 환원 및 산화 촉매기를 통해 흐른 후, 풍부한 공기-연료비 실린더로부터 나오는 배기가스는 희박한 공기-연료비 실린더로부터 나오는 배기가스와 혼합된다. 풍부한 공기-연료비 실린더로부터 나오는 배기가스가 3방식 환원 및 산화 촉매기를 통해 흐를 때, 배기가스의 NOx 성분 일부분이 NH3성분으로 변환되기 때문에, 3방식 환원 및 산화 촉매기 밑으로 흐르는 배기가스는 상당히 많은 양의 NH3성분을 함유한다. 한편, 희박한 공기-연료비로부터 나오는 배기가스는 상당히 많은 양의 NOx를 함유한다. 그러므로, 3방식 환원 및 산화 촉매기로부터 나오는 배기가스와 희박한 공기-연료비 실린더로부터 나오는 배기가스를 혼합하므로써, 3방식 환원 및 산화 촉매기로부터 나오는 배기가스의 NH3성분은 희박한 공기-연료비 실린더로부터 나오는 배기가스의 NOx 성분과 반응하고, NH3성분 및 NOx 성분은 탈질화 반응에 의해 N2및 H2O를 생성한다. 따라서, JPP 4-365290호의 장치에 따르면, NOx는 배기가스로부터 제거된다.
JPP 4-365290호의 장치에서, 모든 NOx가 이론적으로 배기가스로부터 제거될 수 있을지라도, NH3및 NOx가 상호 반응하여 여분의 NH3또는 NO2를 초래함이 없이 N2및 H2O를 생성시키는 방식으로 배기가스의 NH3및 NOx 양을 정밀하게 제어할 필요가 있다. 예를들어, 내연기관에 의해 생성된 NOx는 주로 NO로 이루어져 있고 이 NO는 NH3와 반응하여 다음과 같은 탈질화 반응에 의해 N2및 H2O를 생성시킨다.
모든 NO 및 NH3를 N2및 H2O로 변환시키고 여분의 NH3및 NO가 대기로 방출되는 것을 방지하기 위하여, NH3및 NOx(이 경우, NO)양을 조정하여 상기 NH3및 NOx 양이 정확하게 화학 양론비가 되도록 하여 N2및 NH3를 생성시킬 필요가 있다.
그러나, JPP 4-365920호의 장치에서, NH3가 풍부한 공기-연료비로 동작되는 실린더로부터 나오는 배기가스의 NOx를 변환하므로써 생성되고 NOx가 희박한 공기-연료비로 동작되는 실린더에 의해 생성되기 때문에, 3방식 환원 및 산화 촉매기에 의해 생성되는 NH3양 및 희박한 공기-연료비로 동작되는 실린더에 의해 생성되는 NOx 양은 정확하게 제어되어 화학양론을 유지한다.
실린더에 의해 생성된 NOx 양이 엔진 부하 및 엔진 속도와 같은 엔진 동작 조건에 따라서 변화하기 때문에, 엔진 동작 조건에 따라서 매우 정확하게 각 실린더의 공기-연료비를 제어하여 필요로 하는 NOx 및 NH3양의 비를 제어할 필요가 있다. 엔진의 실제 동작에서, 엔진의 모든 동작 조건에서 공기-연료비를 정확하게 제어하는 것은 거의 불가능하다.
그러므로, JPP 4-365920호의 장치에서, NH3및 NOx의 화학량론을 유지하는 것은 어렵고 여분의 NH3또는 NOx는 임의 엔진 동작 조건에서 대기로 방출된다.
[발명의 요약]
본 발명의 목적은 배기가스에서 HC, CO 및 NOx 성분을 효과적으로 제거하며, 특히 엔진의 배기가스로부터 NOx 성분을 제거하는 배기가스 정화장치를 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적은 본 발명을 따른 엔진용 배기가스 정화장치에 의해 성취되는데, 상기 배기가스 정화장치는 내연기관의 배기가스 통로에 배치되어 상기 배기가스의 거의 모든 NOx 성분을 N2성분으로 변환시키고 NH3성분을 NOx 성분으로 변환시키는 성분비 결정 수단과, 상기 성분비 결정 수단 아래에 있는 배기 가스 통로상에 배치되어 상기 성분비 결정 수단에 의해 생성된 NOx 성분과 NH3성분을 반응시켜 N2및 H2O 성분을 생성시키는 정화 수단을 구비하는데, 상기 변환에 의해 생성된 NH3성분양 및 NOx 성분양은 화학량론되어 N2및 H2O 성분을 생성시키는 방식으로 조정된다.
본 발명을 따르면, NH3및 NOx 는 배기가스에서 NOx를 변환시키므로써 생성되는데, NH3및 NOx 각각을 생성시키는 대신에, 즉 엔진으로부터 나오는 배기가스에서 대부분의 NOx(예를 들어, NO)가 N2로 변환되고 배기가스에서 나머지 NOx는 NH3및 NOx로 변환되고 NH3및 NOx 양은 화학량론되어 N2및 H2O를 생성시킨다. 그러므로, 엔진에 의해 생성된 전체 NOx 양이 변경될 때 조차, NH3및 NOx의 양의 화학량론이 유지된다.
본 발명의 한 양상을 따르면, 성분비 결정 수단은 배기가스의 거의 모든 NOx 성분을 N2성분 및 NH3성분으로 변환시키는 NH3생성 수단 및 상기 NH3생성 수단에 의해 생성된 NH3성분 일부를 NOx 성분으로 변환시키는 NOx 생성 수단을 구비하는데, 상기 NOx 생성 수단에 의해 생성된 NOx 성분양 및 나머지 NH3성분양은 화학량론되어 N2및 H2O 성분을 생성시키도록 하는 방식으로 조정된다.
본 발명의 이 양상에서, 배기가스의 모든 NOx는 우선 N2및 NH3로 변환되고나서 NH3의 일부는 NOx로 변환된다.
그러므로, 변환된 NOx의 양 및 나머지 NH3양의 비는 손쉽게 제어되고 NOx 및 NH3의 양의 화학량론은 정확하게 유지될 수 있다.
본 발명의 또다른 양상에 따르면, 상기 NOx 생성 수단은 NH3생성수단에 의해 생성된 NH3성분을 함유하면서 배기가스 흐름을 분할하는 제1분기 배기통로 및 제2분기 배기통로와, 상기 제1분기 배기통로를 통해서 흐르는 배기가스의 거의 모든 NH3성분을 NOx 성분으로 변환시키는 상기 제1분기 배기통로상에 배치되는 변환 수단 및 상기 제1 배기통로를 통해서 흐르는 배기가스 배출 통로를 구비하는데, 상기 제1 분기 및 제2분기 배기통로를 병합하는 배기가스 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스는 서로 혼합되며, 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스양 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스양은 상기 변환 수단에 의해 생성된 NOx 성분양 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스의 NH3성분양이 화학량론비(담량비)되어 N2및 H2O 성분을 발생시키는 그러한 방식으로 조정된다.
본 발명의 양상에서, NH3를 함유하는 배기가스는 제1 및 제2분기 배기통로에 의해 분할되고 상기 제1 분기 배기통로로 흐르는 배기가스의 모든 NH3는 NOx로 변환된다.
그러므로, 배기가스 배출 통로에서 혼합된 후의 배기가스의 NOx 및 NH3비는 제1분기 배기통로 및 제2분기 배기통로에서의 흐름 속도비에 의해 결정된다. 따라서, NOx 및 NH3의 화학량론은 제1 및 제2분기 배기통로의 흐름 속도비를 설정하므로써 유지될 수 있다.
지금부터, 첨부한 도면을 참조로 본원 발명을 상세히 설명할 것이다.
[본 실시예의 설명]
제1도는 본 실시예를 배기가스 정화 장치의 일실시예를 도시한 개요도. 제1도에서, (1)은 멀티플-실린더형 내연기관을 나타내고, (2)는 엔진(1)의 공기 흡입 통로를 나타낸다. (3)은 엔진(1)의 각 실린더의 배기 포트를 배기가스 통로(4)에 접속시키는 배기 매니폴드(exhaust manifold)를 나타낸다. 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)는 배기가스 통로(4)에 배치된다.
이 실시예에서, 배기가스 통로(4)는 두 개의 분기 배기통로(4a 및 4b)로 분할된다. 제1 분기 배기통로(4a)에 산화 촉매기가 제공되고 산화 촉매기(13)와 거의 동일하게 흐름을 방해하는 저항체(17)가 제2 분기 배기통로(4b)에 배치된다.
산화 촉매기(13) 및 저항체(17)가 후술된다.
제1 분기 배기통로(4a) 및 제2 분기 배기통로(4b)는 배기가스 배출 통로(5)에서 병합되고 탈질화 및 산화 촉매기(15)는 배기가스 배출 통로(5) 상에 배치된다. 배기가스 배출 통로(5)는 탈질화 및 산화 촉매기(15) 밑의 배기가스 배출통로에 배치되는 머플러(muffler)(도시되지 않음)를 통해서 대기로 개방되어 있다.
제1도에서, (21)은 공기를 산화 촉매기(13) 윗부분에 있는 제1 분기 배기통로(4a)로 분사하는 2차 공기 공급 장치를 나타낸다. 2차 공기 공급 장치(21)는 공기 펌프와 같은 공기 가압원(21C)과, 상기 공급 가압원(21)으로부터 나오는 공기를 분기 배기통로(4a)로 분사하는 공기 분사 노즐(21a) 및 엔진 제어 회로(30)로부터 나오는 제어신호에 따라서 상기 노즐(21a)로부터의 공기 분사 속도를 조정하는 흐름 제어 밸브(21b)를 구비한다.
엔진 제어 회로(30)는 예를들어 RAM, ROM, CPU 및 양방향 버스에 의해 상호 접속되는 입,출력 포트를 구비하는 마이크로 컴퓨터로 이루어져 있다. 제어회로(30)는 연료 분사 제어 및 공기-연료비 제어와 같은 엔진(1)의 기본 제어를 수행한다. 이외에도, 제어 회로(30)는 이 실시예에서 2차 공기 공급 장치(21)의 흐름 제어 밸브(21b)를 제어하므로써 2차 공기의 분사 속도를 제어한다.
이들 제어를 수행하기 위하여, 엔진(1)의 동작 조건을 표시하는 각종 신호는 제어 회로(30)의 입력 포트에 공급된다.
이들 신호는 예를들어 엔진(1)에 공급되는 공기 흡입의 흐름 속도를 표시하는 공기 흡입 통로상에 배치되는 공기-흐름기(도시되지 않음)로부터 나오는 공기 흡입 신호 및 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)의 윗부분에 있는 배기가스 통로(4) 상에 배치되는 공기-연료비 센서(31)로부터 나오는 공기-연료비 신호이다. 상기 센서(31)로부터 나오는 공기-연료비 신호는 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)로 흐르는 배기가스의 공기-연료비를 표시한다. 본 명세서에서, 임의점에서 배기가스의 공기-연료비는 엔진 또는 상기 점의 윗부분 배기통로에 공급된 공기 및 연료비로 규정된다. 그러므로, 공기 또는 연료가 고려점 윗부분의 배기통로에 공급될 때, 상기점에서 배기가스의 공기-연료비는 엔진과 동일한 동작 공기-연료비(즉 엔진의 연소실에 공급되는 공기-연료 혼합의 공기-연료비)가 된다.
더구나, 제어 회로(30)의 출력 포트는 가압 연료를 엔진(1)의 각 실린더의 흡입 포트에 분사하는 연료 분사 벨브(도시되지 않음) 및 흐름 제어 밸브에 접속되어 연료 분사 제어 및 2차 공기 공급 제어를 수행한다.
이 실시예에서, 제어 회로(30)는 예를 들어 λ(과다한 공기비)가 0.98 및 0.995 사이의 범위에 있도록 하는 방식으로 화학량론 공기-연료비보다 다소 낮게 되도록 엔진의 공기-연료비를 제어한다.
제어 회로(30)는 공기 흡입 신호 및 엔진 속도 신호를 토대로 기본 연료 분사량 TAUP를 계산한다. 예를 들어, 제어회로는 엔진 1 회전당 엔진에 공급되는 흡입 공기량(Q/N)을 흡입 공기량 Q 및 엔진 속도 N로부터 계산하고 식 TAUP=(Q/N)xα에 의해 기본 연료 분사량 TAUP를 계산한다.
기본 연료 분사량은 화학량론 공기-연료비(즉, λ=1.0)를 얻는데, 필요로 되는 연료량이다. 더구나, 제어 회로(30)는 식 TAU=TAUP×(1/λT)×FAF에 의해 실제 연료 분사량 TAU를 계산한다.
λT는 과다한 공기비의 목표값이고 후술되는 바와같이 값 λT=0.98 내지 0.995로 설정된다. FAF는 공기-연료비 센서(31)로부터 나오는 공기-연료비 신호를 토대로 결정되는 공기-연료비 보정 팩터이다.
이 실시예에서, 폭넓은 공기-연료비 범위에서 배기가스의 공기-연료비에 대응하는 신호를 출력하는 선형 공기-연료비 센서는 공기-연료비 센서(31)에 사용된다. 제어 회로(30)는 공기-연료비 센서(31)로부터 나오는 공기-연료비 신호를 토대로 배기가스의 실제 과다한 공기비λ를 계산하고 λ가 λT와 동일하게 되도록 및 λT의 값을 토대로 피드백 제어에 의해 보정 팩터 FAF의 값을 결정한다. 이 공기-연료비 제어에 의해, 엔진의 공기-연료비(과다한 공기비)는 목표값에서 정확하게 제어된다.
보정 팩터 FAF의 값을 예를들어 목표값 λT와 λ의 편차량을 토대로 PID(비례, 적분 및 편차) 처리 또는 다른 공지된 형의 피드백 제어에 의해 결정된다. 더구나, 엔진으로부터 나오는 모든 NOx가 N2및 NH3로 변환되도록 하기 위해선, 화학량론 공기-연료비보다 낮게 배기가스의 공기-연료비를 유지시킬 필요가 있다. 그러므로, FAF를 보다 낮은 한계값으로 설정하여 배기가스의 공기-연료비를 화학량론 공기-연료비보다 높게 하는 것이 바람직하다.
예를들어, 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)는 코어디어라이트(cordierite)로 이루어진 허니콤(honeycomb)형 기판을 사용하고 상기 촉매기용 캐리어로서 작용하는 알루미나층은 기판 표면상에 코팅된다. 이 캐리어상에 백금 Pt, 라듐 Ph 및 팔라듐 Pd과 같은 희귀 금속이 운반된다. 제2도는 배기가스의 공기-연료비의 변화에 따라서 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)의 HC, CO 및 NOx의 변환비의 변화를 도시한다. 제2도에 도시한 바와 같이, 배기가스의 공기-연료비가 화학량론 공기-연료비(즉 λ=1.0)일 때, 3방식 환원 및 산화 촉매기는 고효율로 배기가스에서 HC, CO, NOx를 변환시킨다. HC 및 CO의 변환비는 공기-연료비가 희박하게 (λ〉1.0)될 때 화학량론 공기-연료비의 변환비보다 높게 된다. 역으로, NOx의 변환비는 공기-연료비가 풍부하게 (λ〈1.0)될 때 화학량론 공기-연료비의 변환비보다 높게 된다.
상술된 바와 같이, 엔진(1)으로부터 나오는 배기가스의 대부분의 NOx는 NO로 이루어져 있다. λ가 1.0보다 작을 때(즉, 배기가스의 공기-연료비가 풍부할 때, 이 NO의 대부분은 다음과 같이 환원 반응하므로써 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)에 의하여 변환된다.
그러나, 약간의 NO가 환원 반응에 의해 NH3로 변환된다.
NO 대 N2의 변환비는 3방식 환원 및 산화 촉매기에 함유된 라듐 Ph량이 증가함에 따라서 높게 되고 NO 대 NH3의 변환비는 그에 따라서 낮게 된다. 후술되는 바와 같이, 이 실시예는 산화 촉매기와, 3방식 환원 및 산화 촉매기의 아래 부분에 배치된 탈질화 및 산화 촉매기(15)를 사용하여 배기가스에서 NO 및 NH3를 변환시킨다. 그러므로, 촉매기(13 및 15)에 의해 처리되는 NO 및 NH3양을 유지시켜 NOx의 전체 변환비를 가능한한 작게 증가시킨다. 상술된 바를 고려하면, 이 실시예에서 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)는 촉매제로서 상당히 많은 양의 라듐 Rh을 함유하여 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)를 통과한 후의 배기가스에서 NH3및 NOx 양을 감소시킨다. 제2도의 라인(A)은 배기가스 λ 변화에 따라서 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)에 의해 생성되는 NH3량의 변화를 도시한다. NH3의 양은 공기-연료비가 화학량론비보다 낮게 될 때 증가한다. 그러나, 공기-연료비가 화학량론 공기-연료비보다 다소 낮게 될 때(즉, λ=0.98 내지 0.995일 때), 3방식 환원 및 산화 촉매기에 의해 생성된 NH3양은 상당히 작게 되고 모든 NOx는 N2및 소량의 NH3로 변환된다. 따라서, 이 실시예의 3방식 환원 및 산화 촉매기(11) 밑의 배기가스는 소량의 NH3를 함유하고 NOx를 전혀 함유하지 않는다.
3방식 환원 및 산화 촉매기(11) 밑의 부분에서, 배기가스는 두 개의 분기 배기통로(4a 및 4b)로 분산된다. 이 실시예에서, 제1 및 제2 분기 배기통로의 흐름 저항은 제1 및 제2 분기 배기 통로(4a 및 4b)로 흐르는 배기 가스량의 비가 a:b가 되도록 하는 방식으로 선택된다. 흐름 분배비 a:b를 설정하는 것이 후술된다. 이 실시예에서, 제1 및 제2 분기 배기통로의 흐름 저항을 소정값으로 설정하므로써, 3방식 환원 및 산화 촉매기 밑으로 흐르는 배기가스는 복잡한 흐름 제어없이 필요한 비로 분할된다.
배기가스는 제1 분기 배기통로(4a)로 흐르고나서, 산화 촉매기(13)로 흐른다. 2차 공기가 산화 촉매기(13)로 흐르기 전, 2차 공기는 배기가스로 공급되므로써 배기가스의 배기가스의 공기-연료비가 화학량론 공기-연료비보다 높게 되도록 조정된다.
산화 촉매기(13)는 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)의 코어디어라이트와 유사한 코어디어라이트로 이루어진 기판을 사용하고 백금 Pt, 팔라듐 Pd와 같은 산화 촉매 성분이 알루미나층상에 운반된다. 산화 촉매기(13)는 배기가스의 HC 및 CO 성분을 산화하여 H2O 및 CO2로 변환시킨다. 더구나, 산화 촉매기(13)는 배기가스의 NH3성분을 산화하여 다음과 같은 산화 반응에 의해 NO, NO2및 H2O로 변환시킨다.
따라서, 제1분기 배기통로(4a)로 흐르는 배기가스의 모든 NH3는 NOx로 변환된다(이 경우에, NO 및 NO2).
산화 촉매에 의한 NH3의 변환에 의해 생성된 NO 및 NO2양의 비는 산화 촉매기(13) 온도 및 촉매기(13)로 흐르는 배기가스의 공기-연료비에 따라서 변화한다. 제3도는 산화 촉매기(13)에 의한 NH3로부터 변환된 NOx 성분의 NO 및 NO2의 비의 전형적인 변화를 도시한다. 제3도의 수직축은 NH3의 산화에 의해 변화된 전체 NOx량의 NO2성분량의 비를 표시하고 수평축은 산화 촉매기(13)의 온도를 표시한다.
더구나, 제3도의 실선은 촉매기(13)로 흐르는 배기가스의 공기-연료비가 λ=1.02에 대응할 때 전체 NOx 양의 NO2성분비를 표시하고 점선은 공기-연료비가 λ=1.05에 대응할 때 전체 NOx 양의 NO2성분비를 표시한다.
제3도에 도시된 바와같이, 산화 촉매기(13)의 온도가 낮을 때(예를 들어, Tc〈T1), NO 및 NO2성분 둘다는 NH3의 산화에 의해 생성되고 생성된 NOx의 NO2비는 온도 Tc가 높아짐에 따라서 증가한다. 온도 Tc가 중간 영역일 때(예를 들어, λ=1.02 경우에 T1〈Tc〈T2), NO2비는 100%가 되는데, 즉, NO2만이 생성된다. NH3의 산화에 의해 생성된 NOx의 NO 비는 100%에서 NO2비를 감산하므로써 얻어지는 값이다. 한편, 온도 Tc가 높게 될 때, NO2는 온도 Tc가 증가함에 따라서 감소되고 Tc의 고온 영역(예를들어, λ=1.02의 경우에)에서, NO2의 비는 0이 되는데, 즉, 온도 Tc가 고온 영역일 때, 산화 촉매기(13)로 흐르는 모든 NH3는 NO로 변환된다. 온도 T1, T2및 T3는 산화 촉매기형에 따라서 변화한다. 그러나, 일반적으로, T2는 100℃ 및 200℃ 사이에 있고 T3는 350℃ 및 400℃ 사이에 있다.
더구나, 온도가 동일할 때 조차, NOx의 NO 및 NO2의 비는 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기가스의 공기-연료비에 따라서 변화한다. 공기-연료비가 보다 높게 될 때, NO2비는 Tc의 고온 영역에서 보다 높게 된다. 예를들어, λ=1.05 일 때, NO2의 비는 제3도에서 점선으로 도시된 바와 같이 Tc〉T3범위에서 λ=1.02일 때의 비보다 높게 된다. 한편, 중간 및 저온 범위에서, NO2비는 공기-연료비에 관계없이 온도 Tc에 의해서만 결정된다.
공기-연료비가 고온 영역 Tc에서 높게 됨에 따라서 NO2의 비가 높게 되는 이유는 NH3로부터의 NO 및 NO2의 변환비가 반응이 고온 영역에서 신속하게 진행되기 때문에 고온 영역에서 화학적 등가에 의해 결정되기 때문이다. 그러므로, 배기가스에서 O2농도가 보다 높게 될 때(즉, 배기가스의 공기-연료비가 보다 높게 될 때), 많은 양의 NO2는 NH3의 산화에 의해 생성된다. 한편, 화학 반응 속도가 저온 영역에서 낮기 때문에, NH3로부터의 NO 및 NO2의 변환비는 화학 반응 속도에 의하여 결정되고 배기가스의 O2농도는 낮게된다.
그러므로, 변환비는 배기가스의 공기-연료비와 관계없이 저온 영역에서 온도 Tc에 의하여 결정된다.
산화 촉매기(13)로 흐르는 배기가스의 모든 NH3성분을 NO 및 NO2와 같은 NOx로 변환시키기 위하여, 화학량론 공기-연료비보다 가능한한 높게 배기가스의 공기-연료비를 유지시키는 것이 필요하다. 더구나, 배기가스 배출 통로(5)상의 탈질화 및 산화 촉매기(15)에 의해 배기가스의 HC, CO 성분을 H2O, CO2로 변환시키기 위하여, 제1 및 제2분기 배기통로(4a, 4b)로부터 나오는 배기가스의 혼합 공기-연료비를 화학량론 공기-연료비보다 높게 유지시킬 필요가 있다. 그러므로, 2차 공기량을 가능한한 많이 분기 배기통로(4A)에 설정하는 것이 바람직하다. 그러나, 과다한 2차 공기가 분기 배기통로(4A)에 공급되면, 산화 촉매기(13)는 2차 공기에 의해 냉각되고 촉매기(13)에서 NH3산화 반응은 보다 낮게 된다. 그러므로, 이 실시예에서 장치(21)로부터 공급되는 2차 공기량은 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기가스의 과다한 공기비가 약 λ=1.05가 되도록 조정된다. 즉, 이 실시예에서 산화 촉매로 흐르는 배기가스의 과다한 공기비 λ는 상당히 높게 되도록 조정되고, NH3에서 NO2로의 변환비는 고온 영역(제3도 참조)에서 조차 상당히 높게 된다.
제어회로(30)는 공기-연료비 제어의 목표 초과 공기비 λT및 흡입 공기량 Q를 토대로 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기가스의 과다한 공기비 λ를 1.05로 유지시키는데 필요로 되는 2차 공기량을 계산한다. 더구나, 제어 회로(30)는 흐름 제어 밸브(21B)를 제어하여 계산된 2차 공기량이 노즐(21a)로부터 분사되도록 한다. 따라서, 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기가스의 과다한 공기비 λ는 엔진 동작 조건에 관계없이 λ=1.05로 유지된다.
더구나, 센서(31)와 유사한 공기-연료비 센서가 산화 촉매기(13) 밑의 제1분기 배기통로(4a)상에 배치되는 경우, 2차 공기량은 산화 촉매기(13)를 통해 흐르는 배기가스의 공기-연료비에 의해 피드백 제어될 수 있다. 이 경우에, 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기가스의 공기-연료비 및 산화 촉매기(13) 아래로 흐르는 NO 및 NO2비의 정확한 제어가 이루어진다.
상술된 바와같이, 제1분기 배기통로(4a)로 흐르는 배기가스의 모든 NH3성분은 산화 촉매기(13)에 의해 NOx 성분으로 변환된다.
한편, 제2분기 배기통로(4b)로 흐르는 배기가스는 저항체(17)를 통과하고 조성물(composition)의 어떠한 변화없이 배기가스 배출 통로(5)로 흐른다. 그러므로, 제1 및 제2 분기 배기통로로부터 나오는 배기가스가 배기가스 배출 통로(5)에서 상호 혼합된 후, 상기 혼합물은 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)에 의해 생성된 전체 NH3양의 b/(a+b)를 함유하는데, 즉, 배기가스 배출 통로(5)의 NH3양은 제1 및 제2분기 배기 통로 간의 흐름 분배비 a:b에 의해 결정된다.
더구나, 산화촉매기(13)에 의해 생성된 NOx 양(몰)이 산화 촉매기(13)에 의해 변환된 NH3양(몰)과 동일하기 때문에, 제1분기 배기 통로(4a)로부터 배기가스 배출 통로(5)로 흐르는 배기가스는 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)에 의해 생성된 전체 NH3양의 a/(a+b)에 대응한다. 그러므로, 배출가스 배출통로(5)의 배기가스 혼합물의 NOx 및 NH3양의 비는 a:b가 되는데, 즉 제1 및 제2분기 배기통로간의 흐름 분배기와 동일하게 된다.
제1분기 배기통로(4a)로부터 배기가스 배출 통로(5)로 흐르는 배기가스의 과다한 공기비는 λ=0.15로 유지되고 이 배기가스는 λ=0.98 내지 0.995의 과다한 공기비를 갖는 제2분기 배기통로(4b)로부터 나오는 배기가스와 혼합된다.
그러므로, 배기가스 배출 통로(5)에서 배기가스와 혼합되는 과다한 공기비는 희박하게 된다(예를들어, λ=1.01 내지 1.02).
따라서, 질량비가 a:b인 NOx 및 NH3를 함유하는 희박한 공기-연료비의 배기가스는 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐른다.
탈질화 및 산화 촉매기(15)는 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)의 코어디어 라이트와 유사한 코어디어 라이트로 이루어진 기판을 사용하고 바나듐 산화물 V2O5및 티타늄 TiO2과 같은 촉매성분들이 알루미나 층상에 운반된다.
탈질화 및 산화 촉매기(15)는 다음과 같은 산화 반응에 의해 HC, CO 성분을 산화시킨다.
더구나, 탈질화 및 산화 촉매기는 다음과 같은 탈질화 반응에 의해 NH3성분을 산화시킨다.
상기 탈질화 반응에 의하여 배기가스에서 모든 NH3및 NOx 성분을 변환시키기 위하여, NH3및 NOx(NO 및 NO2)의 질량비는 화학량론 질량비로 엄격하게 유지되어야만 한다. 이 실시예에서, 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐르는 배기가스의 NOx 및 NH3의 질량비는 a:b로 유지된다. 그러나, 전체 NOx의 양의 NO 및 NO2질량비는 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기가스의 공기-연료비 및 온도 Tc에 따라서 변화한다.
배기가스의 공기-연료비가 이 실시예에서 산화 촉매기(13)의 흡입구에서 일정하게(즉, λ=0.15로) 유지될지라도, 온도 Tc는 배기가스 온도에 따라서 변화한다. 그러므로, 흐름 분배비 a:b가 고정값으로 설정되면, 배기가스 배출통로(5)의 NOx 및 NH3의 질량비를 화학량론적으로 유지시키기 어렵고 과다한 NOx 또는 NH3가 탈질화 및 산화 촉매기(15)에 의해 생성된다.
예를들어, 산화 촉매기(13)의 온도 Tc가 높을 때, 제1분기 배기통로(4a)로 흐르는 배기가스의 모든 NH3성분은 산화 촉매기(13)에 의해 NO로 변환된다. 이 경우에, 1몰의 NO 및 1몰의 NH3가 화학량론되어 N2및 H2O를 생성하기 때문에, 흐름 분배비 a:b(즉, 이 경우, NO 및 NH3의 질량비)는 1:1로 설정되어야만 된다. 한편, 온도 Tc가 중간 영역(예를들어, 제3도에서 T1≤Tc≤T2)에 있을 때, 제1분기 배기통로(4a)로 흐르는 배기가스의 모든 NH3성분은 산화 촉매기(13)에 의하여 NO2로 변환된다. 1몰의 NO2및 3/4몰의 NH3가 화학량론되어 N2및 H2O를 생성하기 때문에, 이 경우에 제1 및 제2분기 배기통로 a:b의 흐름 분배비(즉, NO2및 NH3의 질량비)를 3:4로 설정할 필요가 있다.
그러나, 엔진 동작 조건이 일정할 때, 배기가스 온도 및 산화 촉매기(13)의 온도 Tc 또한 일정하게 된다. 이와 같은 경우에, 산화 촉매기(13)에 의해 생성된 NO 및 NO2의 비는 또한 일정하게 되고 흐름 분배비 a:b는 고정값으로 설정될 수 있다.
그러므로, 우선, 흐름분배비 a:b가 고정값으로 설정되는 실시예가 설명될 것이다.
제1예에서, 엔진(1)이 동작시에 상당히 낮은 부하 조건으로 동작되는 경우가 고려된다. 이 경우에, 산화 촉매기(13)의 온도 Tc는 항상 중간, 즉 제3도의 T1및 T2사이에 있게 된다. 온도 Tc가 T1및 T2'사이일 때, 모든 NH3성분은 산화 촉매기(13)에 의하여 NO2로 변환된다. 그러므로, 제1 및 제2분기 배기통로의 흐름 분배비는 3:4의 고정값으로 설정된다.
즉, 이 경우에 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)를 통하여 흐르는 배기 가스의 3/7은 제1분기 배기통로(4a)로 흐르고 배기 가스의 4/7는 제2분기 배기통로(4b)로 흐른다. 제1분기 배기통로로 흐르는 배기 가스의 NH3가 NO2와 동등한 질량으로 변환되기 때문에, 배기 가스 배출 통로(5)에서의 배기가스 혼합물에서 NO2및 NH3의 질량비는 정확하게 3:4가 되는데, 즉 화학량론적 질량비가 되어 N2및 H2O를 생성시킨다. 그러므로, 배기 가스 혼합물에서 NO2및 NH3는 탈질화 및 산화 촉매기(15)에서 상호 반응하여 어떠한 여분의 NO2및 NH3를 생성시킴이 없이 N2및 H2O로 변환된다.
또한, 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐르는 배기 가스 혼합물의 공기-연료비가 화학량론적 공기-연료비보다 높게 유지되기 때문에, 배기 가스 혼합물에서 HC 및 CO 성분은 탈질화 및 산화 촉매기(15)에 의해 산화되어 H2O 및 CO2로 변환된다.
그러므로, 탈질화 및 산화촉매기(15) 밑으로 흐르는 배기 가스는 HC, CO, NOx 또는 NH3성분으로부터 거의 자유롭게 된다.
제4도는 상기 실시예의 동작을 설명하는 개요도이다.
제4도에서, 제1도와 동일한 소자에는 동일한 참조 번호가 병기되어 있다. 제4도에서, 엔진(1)으로부터 방출되는 배기 가스는 λ=0.98 내지 0.995의 과다한 공기비를 갖고 상당히 많은 양의 HC, CO 및 NOx(NO)를 함유한다(제4도, 부분 A).
3방식 환원 및 산화 촉매기를 통과한 후의 대부분의 HC 및 CO 성분들은 배기 가스로부터 제거되고 모든 NOx 성분들은 N2및 NH3로 변환된다(제4도, 부분 B). 3방식 환원 및 산화 촉매기(11) 아래로 흐르는 배기 가스는 3:4의 흐름 분배비로 제1 및 제2분기 배기통로로 분산된다. 그리고 나서, 2차 공기비는 제1분기 배기통로(4a)의 배기 가스에 공급되고 배기 가스의 과다한 공기비는 λ=1.05가 된다(제4도, 부분 C)그리고 나서, 배기 가스는 배기 가스의 NH3를 산화하여 NO2로 변화시키는(제4도, 부분 D) 산화 촉매기(13)를 통과한다. 한편, 제2분기 배기통로(4b)를 통해 흐르는 배기 가스의 조성물은 변화되지 않는다(제4도, 부분 E). 그러므로, 제1 및 제2분기 배기통로로부터 나오는 배기 가스가 배기 가스 배출통로(5)에서 상호 혼합될 때, 배기 가스 혼합물의 NO2및 NH3질량비는 3:4가 되는데, 즉 정확하게 화학량론적 질량비가 되고 혼합물의 과다한 공기비는 λ=1.01 내지 1.02가 된다(제4도, 부분 F). 이 배기가스 혼합물은 NO2및 NH3를 상호 반응시켜 어떠한 여분의 NO2및 NH3없이 N2및 H2O를 생성시키는 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐른다. 따라서, 탈질화 및 산화 촉매기 밑으로 흐르는 배기 가스는 실제로 어떠한 HC, CO, NOx 또는 NH3성분을 함유하지 않는다.
지금, 저항체(17)가 제2분기 배기통로(4b)상에 배치되는 이유가 설명된다. 저항체(17)는 제1분기 배기통로(4a) 상의 산화 촉매기(13)의 기판과 동일한 허니콤형 기판을 사용하는 더미 촉매기(dumny catalyst)로 이루어져 있지만, 어떠한 촉매기도 상기 저항체상에 부착되어 있다. 저항체(17)는 산화 촉매기(13)의 흐름 저항과 거의 동일한 흐름 저항을 생성시키기 위하여 사용된다. 단지 흐름 분배기가 소정값으로 설정되는 경우, 분기 배기통로(4a 및 4b)의 단면적만을 조정하면 충분하고 제2분기 배기통로(4b)상에 저항체(17)를 q배치시킬 필요는 없다. 그러나, 엔진(1)의 실제 동작에서, 배기 가스의 펄세이션(pulsation)이 초래되는데, 통로(4a 및 4b)의 흐름 저항 특성이 동일하지 않은 경우, 이 펄세이션으로 인해 제1도에 화살표 R로 도시된 바와 같이 배기 가스의 재순환 분기 배기통로(4a 및 4b)간에서 초래된다.
재순환 흐름 R이 초래되는 경우, 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐르는 배기 가스 혼합물의 NO2및 NH3질량비는 화학량론적 질량비로 유지될 수 없다.
즉, 저항체(17)가 제2분기 배기통로(4b)상에 제공되지 않는 경우, 제2분기 배기통로(4a)에서 배기 가스의 펄세이션은 감쇄없이 통로(4a 및 4b)의 병합점(perging point)에 도달되는 한편, 제1분기 배기통로(4a)에서의 배기 가스의 펄세이션은 산화 촉매기(13)에 의하여 감쇄된다. 더구나, 제1분기 배기통로(4a)를 통해 병합점에 도달되는 펄세이션 위상은 산화 촉매기(13)의 존재로 인해 제2분기 배기 통로(4b)를 통해 병합점에 도달되는 펄세이션의 위상과 서로 다르게된다. 재순환 흐름 R은 위상차 및 펄세이션의 세기로 인해 병합점 근처에서 초래된다. 그러나, 이 실시예에서, 저항체(17)가 제2분기 배기통로(4b)상에 제공되기 때문에, 제2분기 배기통로(4b)의 흐름 저항 특성은 제1분기 배기통로(4a)의 흐름 저항 특성과 거의 동일하게 되는데, 즉 병합점에 도달되는 배기 가스의 펄세이션의 위상 및 세기는 거의 동일하게 된다. 그러므로, 재순환 흐름은 이 실시예에서 초래되지 않는다.
저항체(17)를 제공하는 목적이 제2분기 배기통로(4b)를 통해 흐르는 펄세이션의 감쇄 및 위상을 제1분기 배기통로(4a)를 통해 흐르는 배기 가스의 펄세이션의 감쇄 및 위상과 동일하게 유지시키도록 하는 것이기 때문에, 저항체(17)의 흐름 저항을 산호 촉매기(13)의 흐름 저항과 정확하게 동일하게 되도록 조정할 필요가 없다. 그러므로, 저항체(17)는 산화 촉매기(13)와 거의 동일한 저항을 갖는다.
다음에, 엔진(1)이 대부분의 동작시 높은 부하 조건으로 동작되는 경우가 고려된다. 이 경우에, 산화 촉매기(13)의 온도 Tc는 높게 된다(예를 들어, 제3도에서 T3'보다 높게 됨). 이 경우에, 배기 가스의 모든 NH3성분은 산화 촉매기(13)에 의해 NO로 변환된다. 그러므로, 흐름 분배비 a:b는 1:1로 설정되고 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)로부터 나오는 배기 가스의 1/2는 배기 가스의 NH3를 NO와 동일한 질량으로 변환시키는 제1분기 배기통로(4a)로 흐른다.
즉, 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)에 의해 생성된 NH3의 1/2는 NO와 등가의 질량으로 변환된다. 따라서, 배기 가스 배출 통로(5)에서 배기 가스 혼합물의 NO 및 NH3질량비는 정확하게 1:1이 된다. 제5도는 이 경우에 배기 가스 조성물을 도시하는 개요도이다. 제5도로부터 알 수 있는 바와 같이, 탈질화 및 산화 촉매기 밑으로 흐르는 배기 가스는 이 경우에 HC, CO, NOx 또는 NH3로부터 거의 자유롭게 된다.
다음에, 본 발명의 또다른 실시예가 설명된다. 제1도의 실시예에서, 제1 및 제2분기 배기통로의 흐름 분배비 a:b는 고정값으로 설정된다. 상술된 바와 같이, 산화 촉매기(13)에 의해 생성된 NO 및 NO2비는 산화 촉매기(13)의 온도에 따라서 변화하고, 배기 가스의 과다한 공기비 λ는 변화한다. 그러므로, 흐름 분배비 a:b가 고정되는 경우, 엔진 동작 조건이 변화할 때 NH3및 NO2양의비를 화학량론비로 유지시키는 것은 어렵다. 후술되는 실시예에서, 흐름 분배비 a:b는 산화 촉매기(13)의 온도 Tc 및 배기 가스의 과다한 공기비에 따라서 변화되므로써 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐르는 배기 가스의 NH3및 COx 비가 화학량론비로 유지되도록 한다.
제6도는 본 실시예를 도시하는 제1도와 유사한 개요도이다. 그러나, 이 실시예는 제1 및 제2분기 배기통로(4a 및 4b)의 흐름 분배비를 1:1의 고정값으로 설정하는 제1도의 실시예와 서로 상이하고 가변 트로틀 밸브(51)는 제1분기 배기통로(4a)의 흡입구에 제공된다. 가변 트로틀 밸브(51)는 진공 액츄에이터 또는 스태퍼 모터(stepper motor)와 같은 적절한 형의 액츄에이터 또는 스테퍼 모터(stepper motor)와 같은 적절한 형의 액츄에이터(52)에 의해 액츄에이터되는데, 상기 액츄에이터는 제1분기 배기통로(4a)로 흐르는 배기 가스를 트로틀링하므로써 제1 및 제2분기 배기통로(4a 및 4b)의 흐름 분배비를 조정한다. 이 실시예에서, 가변 트로틀 밸브(51)는 흐름 분배비를 3:4(가변 트로틀 밸브(51)가 완전히 닫힌 경우)에서 1:1(가변 트로틀 밸브(51)와 완전히 개방된 경우)로 조정할 수 있다.
이 실시예에서, 흐름 분배비 a:b(즉, 가변 트로틀 밸브(51) 개방 정도)는 다음과 같이 결정된다.
N몰의 NH3가 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)에 의해 생성된다고 가정하면, 제2분기 배기통로(4a)상의 산화 촉매기(13)로 흘러 이 촉매기에 의해 산화되는 배기 가스에서의 NH3양은 흐름 분배기가 a:b일 때 Nxa/(a+b)몰이 된다.
산화 촉매기(13)에서, 1몰의 NO2또는 NO는 다음과 같은 산화 반응에 의해 생성된다.
그러므로, 전체 Nxa(a+b)몰의 NO2및 NO는 분기 배기통로(4a) 상의 산화 촉매기(13)에 의하여 Nxa/(a+b)몰의 NH3로부터 생성된다. 더구나, 전체 NOx에서 NO2의 비가 X라고 가정하면, 산화 촉매기(13)에 의해 생성된 NO2및 NO몰은 다음과 같이 된다.
화학량론적으로 N2및 H2O를 발생시키기 위한 이들 NO2및 NO와 반응하는 NH3몰은 다음과 같다.
그러므로, 필요로 되는 NH3의 전체 몰은 다음과 같다.
제2분기 배기통로(4b)를 통해 이 NH3양을 공급하기 위하여, 제2분기 배기통로(4b)로 흐르는 배기 가스는 NH3의 (1+X/3)×N×a/(a+b)몰을 함유하여야만 한다. 제1 및 제2분기 배기통로(4a 및 4b)의 흐름 분배비가 a:b이기 때문에, 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)에 의해 생성된 NH3의 N×b(a+b)몰이 제2분기 배기통로(4b)로 흐른다.
그러므로, (1+X/3)×N×a/(a+b)는 N×b(a+b)와 동일하게 되어야만 된다.
따라서, (1+X/3)×N×a(a+b)=N×b/(a+b)이다.
이 관계식을 만족시키기 위하여, b는 (1+X/3)×a, 즉 b=(1+X/3)×a와 동일하게 되어야만 된다.
이것은 산화 촉매기(13)에 의해 생성된 NOx의 NO2비가 X 일 때, 모든 NH3및 NO2가 흐름 분배기 a:b가 1:(1+X/3)인 경우에만 어떠한 여분의 NH3및 NO2없이 탈질화 및 산화 촉매기(15)에 의해 N2및 H2O로 변환된다는 것을 의미한다.
이 실시예에서, 제어 회로(30)는 산화 촉매기(13)의 온도 Tc를 검출하고 2차 공기 공급 장치(21)에서 제1분기 배기통로(4a)로 공급되는 공기량을 토대로 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기 가스의 과다한 공기비를 계산한다. 그리고나서, 제어 회로(30)는 제3도로부터 산화촉매기(13)에 의해 생성된 NOx에서 NO2비 X를 결정한다. 비 X를 결정한 후, 제어 회로(30)는 제1분기 배기통로(4a)의 흐름 저항이 제2분기 배기통로(4b)의 흐름 저항의 (1+X/3)배가 되도록 하는 방식으로 가변 드로틀 밸브(51)를 제어한다. 이 실시예에서, 가변 트로틀 밸브(51)의 개방 정도 및 제1분기 배기통로(4a)의 흐름 저항간의 관계식은 예를 들어 실험에 의해 이미 얻어져서 제어 회로(30)의 ROM에 저장된다. 제2분기 배기통로(4b)의 흐름 저항이 일정하기 때문에, 1:(1+X/3)의 흐름 분배비를 성취하기 위한 가변 드로틀 밸브(51)의 개방 정도의 필요로 되는 값은 이 관계식을 이용하여 손쉽게 얻어진다.
가변 트로틀 밸브(51)의 필요로 되는 개방 정도가 얻어진 후, 제어 회로(30)는 가변 트로틀 밸브(51)가 필요로 되는 개방 정도로 조정되도록 액츄에이터(52)를 제어한다. 따라서, 이 실시예를 따르면 NH3및 NOx는 어떠한 여분의 NH3및 NOx를 생성시킴이 없이 탈질화 및 산화 촉매기(15)에서 상호 반응하여 산화 촉매기(13)의 온도 Tc 및 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기 가스의 과다한 공기비 λ가 변화할 때 조차 N2및 H2O로 변환된다.
산화 촉매기(13)의 온도 Tc는 산화 촉매기(13)의 기판에 온도 센서를 직접 배치하므로써 검출될 수 있다. 그러나, 촉매기(13)의 온도가 배기 가스 온도에 따라 변화하기 때문에, 온도 Tc는 배기 가스 온도로부터 간접적으로 검출될 수 있다.
이 경우에, 촉매기(13)의 온도 Tc 및 배기 가스 온도간의 관계식은 예를들어 실험에 의해 미리 얻어지고 Tc는 이 관계식을 토대로 배기 가스 온도로부터 결정된다. 더구나, 배기 가스 온도는 엔진의 부하 조건에 의해 결정된다.
그러므로, 배기 가스 온도는 엔진 부하 조건으로부터 간접적으로 결정될 수 있다. 이 경우에, 엔진 부하(엔진 1회전당 공기 흡입량 및 엔진 속도와 같은) 및 배기 가스 온도간의 관계식은 예를 들어 실험에 의해 미리 얻어져서 제어 회로(30)의 ROM에 저장된다.
제7도는 제1도 및 제6도에 의해 도시된 실시예에서 산화 촉매기(13) 및 저항체(17)를 수용하기 위하여 사용될 수 있는 컴파운드형 변환기(compound type converter)를 도시한다.
제1도 및 제6도의 실시예에서, 두 개의 분기 배기통로(4a 및 4b)는 산화 촉매기(13) 및 저항체(17) 각각을 수용하는데 필요로 된다. 그러나, 이 장치는 다소 복잡하여 설치하는데 상당히 큰 공간을 필요로 한다. 제7도의 컴파운드형 변환기는 제1도 및 6도의 장치와 동일한 기능을 성취하는데 있어 보다 간단하면서 소형으로 된다.
제7도에서, 컴파운드형 변환기(40)는 하우징(41)을 구비한다. 하우징(41)에는 배기 가스 통로(4)에 접속되는 배기 가스 흡입구(43) 및 배기 가스 배출 통로(5)에 접속되는 배기 가스 출구가 제공되어 있다. 분할 플레이트(47)가 하우징(41)내에 배치된다. 분할 플레이트는 배기 가스 흡입구(43) 및 배기 가스 배출구(45)에 병렬로 접속되는 두 개의 통로(41a 및 41b)를 규정한다. 즉, 배기가스 흡입구(43)로부터 하우징(41)으로 흐르는 배기 가스는 두 개의 흐름 통로(41a 및 41b)로 분산되고 상기 통로(41a 및 41b)를 통과한 후, 배기 가스는 배기 가스 배출 통로(5)에 병합된다. 더구나, 2차 공기 공급 장치(21)의 노즐(21a)은 배기 가스 통로(41a)의 흡입구에 배치된다.
이 실시예에서, 산화 촉매기(13)는 하우징(41)내의 배기 가스 통로(41a)상에 배치되고 저항체(17)는 상기 하우징(41)내의 배기 가스 통로(41b)상에 배치된다. 더구나, 배기 가스 통로(41a)로 흐르는 배기 가스 양을 조정하는 가변 드로틀 밸브(41)는 제7도에서 점선으로 도시된 바와 배기 가스 통로(41a)의 흡입구에 배치된다. 제7도에 도시된 바와 같은, 컴파운드형 변환기를 사용하므로써, 배기 가스 시스템에 분기 배기통로들을 제공할 필요가 없고 이에 따라서 배기 가스 시스템은 간단하면서 소형으로 된다.
다음에, 본 발명의 또다른 실시예가 제8도를 참조하여 설명된다. 상술된 실시예에서, 배기 가스 흐름은 두 개의 흐름 통로로 분할되어 탈질화 및 산화 촉매기에서 NH3및 NO2의 필요로 되는 질량비를 얻는다. 상기 실시예가 NH3및 NO2의 필요로 되는 질량비를 손쉽게 얻고 배기 가스 흐름을 기계적으로 정확하게 분할할지라도, 이들 실시예는 소정비로 배기 가스 흐름을 분할하기 위해선 분기 배기통로 또는 컴파운드형 변환기를 필요로 하는 단점이 있다. 후술되는 실시예는 탈질화 및 산화 촉매기에서 필요로 되는 NH3및 NO2의 질량비를 배기 가스 흐름을 분할함이 없이 얻을 수 있는 장치에 관한 것이다.
제8도는 본 실시예를 도시하는 개요도이다. 제8도에서, 제1도와 동일한 소자에는 동일한 참조 번호가 병기된다.
제8도에 도시되는 바와 같이, 분기 배기통로는 배기 가스 시스템상에 제공되어 있지 않은데, 즉 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)와, 산화 촉매기(13) 및 탈질화 및 산화 촉매기(15)가 순서대로 직렬로 접속되고 2차 공기 공급 장치(21)의 공기 분사 노즐(21a)이 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)및 산화 촉매기(13)를 접속시키는 배기 가스 통로(4c)상에 배치된다. 더구나, 산화 촉매기(13) 및 탈질화 및 산화 촉매기(15)에 접속되는 배기 가스 배출 통로(5)에 공기를 분사하는 또다른 공기 공급 장치(22)가 이 실시예에서 제공된다. 공기 공급 장치(22)는 2차 공기 공급 장치(21)와 유사한 구성을 갖고 가압 공기원(22c), 제어 회로(30)로부터 나오는 제어 신호에 의하여 액츄에이팅되는 흐름 제어 밸브(22b) 및 배기 가스 배출 통로(5)상에 배치되는 공기 분사 노즐(22a)를 포함한다.
이 실시예에서, 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)는 또한 촉매 성분으로서 상당히 많은 양의 라듐 Rh을 함유하여 엔진(1)으로부터 나오는 배기가스의 대부분의 NO 성분을 N2성분으로 변환시킨다. 더구나, 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)는 배기 가스의 잔여 소량의 NO 성분을 NH3성분으로 변환시킨다.
3방식 환원 및 산화 촉매기(11)로부터 나오는 모든 배기 가스가 이 실시예에서 산화 촉매기(13)로 흐르기 때문에, 촉매기(13) 아래로 흐르는 NH3및 NOx의 질량비는 산화 촉매기(13)의 NOx로 NH3의 변환비를 조정하므로써 제어된다.
상술된 바와 같이, 산화 촉매기(13)는 다음과 같은 산화 반응에 의해 NH3를 NO2및 NO로 변환시킨다.
그러므로, 배기가스의 O2양이 배기 가스에서 모든 NH3를 산화하는데 충분치 않다면, 배기 가스의 NH3일부는 산화됨이 없이 산화 촉매기(13)를 통과한다. 더구나, 촉매기(13)를 통과하는 NH3양 대 촉매기(13)로 흐르는 NH3양의 비(즉, NH3의 변환비)는 촉매기(13)로 흐르는 배기 가스의 과다한 공기비 λ에 의해 결정된다. 그러므로, 산화 촉매기(13) 밑으로 흐르는 배기 가스의 NH3및 NO2비는 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기 가스의 과다한 공기비 λ를 변화 시키므로써 제어될 수 있다.
또한, 산화 촉매기(13)에 의해 생성된 NOx의 NO2및 NO의 비는 제3도에서 설명한 바와 같이 산화 촉매기(13)의 온도 Tc에 의해 결정된다. 그러므로, 산화 촉매기(13)의 온도 Tc에 따라서 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기 가스의 과다한 공기비 λ를 조정하므로써, 촉매기(13)에 의해 생성된 NOx(NO2및 NO) 및 촉매기를 통과하는 NH3양은 NH3및 NOx의 양이 화학량론이 되어 N2및 H2O를 생성시키도록 하는 방식으로 조정될 수 있다.
이 실시예에서, 제어 회로(30)는 산화촉매기(13)의 온도 Tc에 따라서 장치(21)로부터 공급되는 2차 공기량을 조정하고 촉매기(13)를 통과하는 NH3양 및 촉매기(13) 밑으로 흐르는 배기 가스의 NOx(NO2및 NO) 양의 비 a:b를 조정하므로써 상기 비 a:b가 화학량론이 되도록 한다.
NH3및 NOx의 화학량론적 질량비를 얻는데 필요로 되는 배기 가스의 과다한 공기비 λ는 산화 촉매기(13)형 및 온도에 따라서 변화한다. 그러므로, 예를들어 배기 가스의 온도 및 과다 공기비의 각종 조건하에서 실제 산화 촉매기를 이용하는 실험에 의해 필요로 되는 과다 공기비 λ를 결정하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 촉매기(13)로 흐르는 배기 가스의 과다 공기비 λ가 1.0이고 촉매기(13)의 온도 Tc가 상당히 높을 때, 이 실시예에서 산화 촉매기(13)는 NH3의 일부를 NO로만 변환시키고 촉매기(13)를 통과하는 NH3및 이 촉매기(13)에 의해 생성되는 NO의 비는 1:1이 된다.
예를 들어, 제8도에서, 엔진(1)으로부터 나오는 배기 가스는 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)를 통해 흐르고 배기 가스의 모든 NH3성분은 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)에 의해 N2및 NH3로 변환된다. 그리고나서, 촉매기 밑으로 흐르는 배기 가스의 과다 공기비 λ는 2차 공기 공급 장치(21)로부터 공급되는 2차 공기에 의해 1.0으로 조정되고 이 배기 가스는 온도 Tc의 산화 촉매기(13)로 흐른다. 상술된 바와 같이, NH3및 NOx(이 경우, NO) 양의 비는 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기 가스의 과다 공기비 λ에 의해 결정된다.
이것은 2차 공기 공급 장치(21)로부터 공급되는 2차 공기량이 가능한한 정확하게 제어되는 것을 의미한다. 그러므로, 산화 촉매기(13)의 아래 부분에 있는 배기 가스 배출 통로(5) 상에 센서(31)와 유사한 공기-연료비 센서를 배치시켜 공기-연료비 센서의 출력을 토대로 2차 공기량을 피드백 제어하므로써 산화촉매기(13)로 흐르는 배기 가스의 과다 공기비 λ를 필요한 값이 되도록 하는 것이 바람직하다. 산화 촉매기(13)로 흐르는 배기 가스의 과다 공기비 λ를 제어하므로써 촉매기(13) 밑으로 흐르는 배기 가스는 NH3및 NO를 함유하고 NH3및 NO의 질량비는 정확하게 1:1이 된다. 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐르기 전, 공기는 공기 공급 장치(22)로부터 배기 가스로 공급된다. 상기 장치(22)로부터 공급되는 공기로 인해, 탈질화 및 산화 촉매기로 흐르는 배기 가스의 과다 공기비 λ는 1.0(즉, 희박한 공기-연료비)보다 크게 되도록 조정된다.
그러므로, 배기 가스에서의 NH3및 NO는 반응하여 어떠한 여분의 NH3및 NO를 발생시킴이 없이 N2및 H2O를 생성시키고 탈질화 및 산화 촉매기(15) 밑으로 흐르는 배기가스는 또한 이 실시예에서 HC, CO 및 NOx 또는 NH3로부터 자유롭게 된다.
제8도에서, 공기 공급 장치(22)로부터 공급되는 공기량의 정확한 제어는 필요치 않다. 배기가스의 공기-연료비가 희박하게 되고 탈질화 및 산화 촉매기가 과도하게 냉각되지 않도록 하는 적절한 범위에서 공기량을 제어할 수 있다. 이 실시예에서, 공기 공급 장치(22)로부터 공급되는 공기량은 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐르는 배기가스의 과다 공기비 λ가 약 1.02로 유지되도록 하는 방식으로 제어된다.
상술된 바와 같이, 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐르는 배기 가스에 함유된 NOx의 NO2및 NO 비는 산화 촉매기(13)의 위로 흐르는 배기 가스에 공급되는 2차 공기의 양을 간단히 조정하므로써 제어될 수 있다. 그러므로, 배기 가스 시스템에 분기 배기통로를 제공함이 없이 배기 가스에서 HC, CO 및 NOx 성분을 동시에 제거할 수 있다.
제9도 및 제10도는 상기 실시예의 배기가스 정화 장치가 실제 내연기관에 적용되는 실험 결과를 도시한다.
제9도 및 제10도는 제1도의 실시예 및 제8도의 실시예 각각에 대응하는 장치의 실험에 대응한다. 이들 실험에서, 2,200㏄ 엔진이 1,600rpm의 엔진 속도 및 40Nm의 출력 토크에서 사용된다. 이 실험에서, 온도 Tc는 약 325℃로 유지되는데, 즉 배기 가스의 NH3는 N2및 NO로 변환된다. 더구나, 엔진의 과다 공기비 λ는 λ=1.02에서 피드백 제어된다.
제9도 및 제10도에서, 심볼(Ⅰ) 내지 (Ⅵ)은 제1도 및 8도의 심볼(Ⅰ) 내지 (Ⅵ)로 표시된 부분들에 대응한다.
예를 들어, 엔진으로부터 나오는 배기가스는 제1도의 실시예 경우에 엔진(제9도(Ⅰ)) 배출구에서 2,000ppm의 NOx의 많은 양의 HC 및 CO를 함유한다. 3방식 환원 및 산화 촉매기(11)의 배출구에서, 배출가스의 모든 NOx는 N2및 NH3로 변환되고 HC 및 CO의 양은 또한 감소된다(제9도,(II)).
3방식 환원 및 산화 촉매기(11) 밑으로 흐르는 배기 가스는 분기 배기 통기(4a 및 4b)로 분산되고 전체 배기가스량의 3/4은 산화 촉매기(13)(제9도(Ⅲ))으로 흐른다. 배기가스가 2차 공기에 의해 희석되기 때문에, 각 성분들의 농도는 산화 촉매기(13)의 흡입구에서 보다 낮게 된다. 산화 촉매기(13)에서, 배기가스의 모든 NH3(95ppm)는 촉매기에 의해 산화되어 동일한 NO2량(95ppm)이 생성된다(제9도, (Ⅳ)). 그리고나서, 이 배기가스는 NH3를 함유하는 분기 배기통로(46)를 통과하는 배기가스와 혼합되어 4:3의 질량비를 갖는 NH3및 NO2를 함유하는 배기가스 혼합물을 형성한다(제9도,(Ⅴ)). 배기가스 혼합물의 공기-연료비는 화학량론 공기-연료비(λ=1.02)가 희박한 측에 유지된다. 탈질화 및 산화 촉매기(15)를 통과한 후, 거의 모든 HC, CO 및 NOx 성분 뿐만 아니라 NH3성분 또한 배기가스로부터 제거된다(제9도,(Ⅵ)). 더구나, 제10도로부터 알 수 있는 바와 같이, 유사한 결과가 제8도의 실시예에서 탈질화 및 산화 촉매기(15)의 배출구에서 얻어진다.
상술된 실시예에 따르면, 엔진에 의해 생성된 모든 NO 성분은 우선 N2및 NH3로 변환되고 이 NH3일부는 NOx로 다시 변환된다. 그러므로, 엔진에 의해 생성된 NO 량이 충전될지라도, NH3및 NOx의 질량비를 소정비로 손쉬우면서 정확하게 유지될 수 있다. 따라서, 어떠한 여분의 NH3및 NO3를 생성시킴이 없이 탈질화 및 산화 촉매기에 의해 배기가스의 모든 NH3및 NOx를 N2및 H2O로 변환시킬 수 있다.
다음에, 본 발명의 또다른 실시예가 제11도를 참조하여 설명된다. 제11도의 실시예는 NH3분해 촉매기(61)에 탈질화 및 산화 촉매기(15) 밑에 있는 배기가스 통로상에 제공된다는 점에서 제1도의 실시예와 상이하다. 제1도와 동일한 제11도의 소자에는 동일한 참조번호가 병기되어 있다. 더구나, 제1 및 제2분기 배기통로(4a 및 4b)의 흐름 분배기는 이 실시예에서 3:4의 고정값으로 설정된다.
NH3분해 촉매기(61)는 예를 들어 지오라이트(zeolite) ZSM5로 이루어진 대체물을 갖고 구리 Cu 및 플라티늄 Pt과 같은 촉매 성분들은 기판상에 고팅된다. NH3분해 촉매기(61)는 산소의 존재하에서 NH3산화하고 NOx를 생성시킴이 없이 NH3를 N2및 NH3로 분해한다.
이 실시예에서, 분기 배기통로(4a 및 4b)의 흐름 분배기가 3:4로 고정되기 때문에, 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐르는 배기가스의 NH3및 NOx의 질량비는 배기가스의 모든 NH3가 산화 촉매기(13)에 의해 NO2로 변환되어야만 화학량론이 된다. 그러나, PH3가 예를들어 산화 촉매기(13)의 온도 Tc로 변화로 인해 산화 촉매기(13)에 의해 NO2및 NO로 변환되는 경우 여분의 NH3는 탈질화 및 산화 촉매기(15)에 의해 생성된다. 상술된 바와 같이, 1몰의 NO는 NH3와 반응하는 한편, 1몰의 NO2는 3/4몰의 NH3와 반응한다. 그러므로, 통로(4a 및 4b)의 흐름 분배비가 이 실시예에서 3:4로 고정되기 때문에, 탈질화 및 산화 촉매기(15)로 흐르는 NOx양을 NO2뿐만 아니라 NO가 산화 촉매기(13)에 의하여 생성되는 경우 모든 NH3와 반응하는데 불충분하게 되고 여분의 NH3은 탈질화 및 산화 촉매기(15)로부터 방출된다. 이 경우에서 조차, 탈질화 및 산화 촉매기(15)밑에 배치된 산화 촉매기를 이용하여 여분의 NH3를 산화시킬 수 있다. 그러나, 산화 촉매기가 사용되는 경우, NH3는 산화 촉매기에 의해 다시 NOx로 변환되고 대기로 방출되는 NOx양은 증가한다.
이 실시예에서, 이 문제는 NH3분해 촉매기(61)를 탈질화 및 산화 촉매기(15) 밑의 배기가스 통로상에 제공하므로써 해결된다. 탈질화 및 산화 촉매기(15)로부터 방출되는 NH3및 NOx를 생성시킴이 없이 NH3분해 촉매기(61)로 N2및 H2O로 분해되기 때문에, NH3분해 촉매기(61) 밑으로 흐르는 배기가스는 NO가 산화 촉매기(13)에 의해 생성될 때 조차도 NOx로 자유롭게 된다. 그러므로, 통로(4a 및 4b)의 흐름 분배비가 이 실시예에서 고정값으로 설정될 지라도, NOx는 산화 촉매기(13)의 광온도 범위에 걸쳐 배기가스로부터 제거된다. 이 실시예에서, 2차 공기 공급 장치(21)로부터 나오는 2차 공기량이 목표값으로부터 벗어난 경우, NO는 또한 산화 촉매기(13)에 의해 생성되고 여분의 NH3는 탈질화 및 산화 촉매기(15)에 의해 생성될 것이다. 그러나, NH3분해 촉매기(61)를 탈질화 및 산화 촉매기(15) 밑에 배치시키므로써, 여분의 NH3는 이 경우에 또한 NH3분해 촉매기(61)에 의해 N2및 H2O로 분해되어 배기가스로부터 완전하게 제거된다.
제12도는 NH3분해 촉매기(61)가 제8도의 실시예에 적용되는 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예에서, 2차 공기 공급 장치로부터 나오는 2차 공기량은 산화 촉매기(13)에 필요로 되는 고정값으로 설정되어 전체 NH3의 3/7을 NOx로 변환시킨다. 산화 촉매기(13)의 온도가 변화될 때 NO가 산화 촉매기(13)에 의해 생성될지라도, 탈질화 및 산화 촉매기(15)에 의해 생성된 여분의 NH3는 NH3분해 촉매기(61)에 의해 N2및 H2O로 분해된다.
엔진이 상기 실시예에서 풍부한 공기-연료비로 동작될지라도, 본 발명은 희박한 공기-연료비로 동작되는 엔진에 적용될 수 있다. 이 경우에, 배기가스의 공기-연료비는 3방식 환원 및 산화 촉매기로 흐르는 공기-연료비가 화학량론 공기-연료비(예를 들어, λ=0.995) 보다 다소 낮게 되도록 하는 방식으로 연료, 가스 또는 액화 액체 탄화 수소와 같은 공기-연료비 조정제를 공급하므로써 조정된다.

Claims (30)

  1. 내연기관용 배기가스 정화 장치에 있어서, 내연기관의 배기가스 통로에 배치되어 상기 배기가스의 거의 모든 NOx 성분을 N2성분, NH3성분 및 NOx 성분으로 변환시키는 성분비 결정 수단으로서, 상기 변환에 의해 생성된 NH3성분량 및 NOx 성분량은 상기 NH3성분량 및 NOx 성분량이 화학량론적으로 되어 N2및 H2O 성분을 생성시키는 방식으로 조정되는 상기 성분비 결정 수단 및, 상기 성분비 결정 수단 밑의 배기가스 통로상에 배치되어 상기 성분비 결정 수단에 의해 생성된 NOx 성분과 NH3성분을 반응시켜 N2및 H2O 성분을 생성시키는 정화 수단을 구비하는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변환에 의해 생성된 NOx 성분은 반드시 NO2로 이루어지고, 상기 변환에 의해 생성된 상기 NO2및 NH3량의 비는 질량비면에서 3:4인 내연기관용 배기가스 정화장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 변환에 의해 생성된 NOx 성분은 반드시 NO로 이루어지고, 상기 변환에 의해 생성된 상기 NO2및 NH3량의 비는 질량비면에서 1:1인 내연기관용 배기가스 정화장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 변환에 의해 생성된 NOx 성분은 NO2및 NO의 혼합물로 이루어지고, 상기 전체 NO2및 NO의 몰 및 NH3의 몰의 비는 3/4보다 크고 1보다 작은 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 성분비 결정 수단은; 배기가스의 거의 모든 NOx 성분을 N2성분 및 NH3성분으로 변환시키는 NH3생성 수단 및 상기 NH3생성 수단에 의해 생성된 NH3성분 일부를 NOx 성분으로 변환시키는 NOx 생성 수단으로서, 상기 NOx 생성 수단에 의해 생성된 NOx 성분량 및 잔여 NH3성분량은 상기 NOx 성분량 및 잔여 NH3성분량이 화학량론적으로 되어 N2및 H2O 성분을 생성시키는 방식으로 조정되는 상기 NOx 생성 수단을 구비하는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 NOx 생성 수단은 상기 NH3생성 수단에 의해 생성된 NH3성분량이 3/7을 NO2성분으로 변환시키는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 NOx 생성 수단은 상기 NH3생성 수단에 의해 생성된 NH3성분량의 1/2을 NO성분으로 변환시키는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 NOx 생성 수단은 상기 NH3생성 수단에 의해 생성되는 NH3성분량의 3/7 및 1/2 간에서 NO2및 NO 성분으로 변환시키는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 NOx 생성 수단은; 상기 NH3생성수단에 의해 생성된 NH3성분을 함유하는 배기가스 흐름을 분할하는 제1분기 배기통로 및 제2분기 배기통로와, 상기 제1분기 배기통로상에 배치되어 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스의 거의 모든 NH3성분을 NOx 성분으로 변환시키는 변환 수단 및 상기 제1 및 제2분기 배기통로를 병합하는 배기 가스 배출 통로로서, 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스는 서로 혼합되는 상기 배기 가스 배출 통로를 구비하며, 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스량은 상기 변환 수단에 의해 생성된 NOx 성분량 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스의 NH3성분량이 화학량론적으로 되어 N2및 H2O 성분을 생성시키도록 하는 방식으로 조정되는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 변환 수단은 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스의 거의 모든 NH3성분을 NO2성분으로 변환시키고, 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스량비가 3:4 인 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 변환 수단은 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스의 거의 모든 NH3성분을 NO 성분으로 변환시키고, 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스량 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스량 비는 1:1 인 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 변환 수단은 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스의 거의 모든 NH3성분을 NO2및 NO 성분으로 변환시키고, 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기가스량비는 3:4 보다 크고 1:1 보다 작은 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 NOX생성 수단은 상기 제2분기 배기통로상에 배치되어 상기 제1분기 배기통로의 상기 변환 수단에 의해 생성된 흐름 저항과 거의 동일한 흐름 저항을 생성시키는 흐름 저항 수단을 더 구비하는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 NOX생성 수단은 상기 제2분기 배기통로에 배치되어 상기 제1분기 배기통로의 상기 변환 수단에 의해 생성된 흐름 저항과 거의 동일한 흐름 저항을 생성시키는 흐름 저항 수단을 더 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  15. 제5항에 있어서, 상기 NH3생성 수단은 상기 배기 가스 통로에 배치되는 3방식 환원 및 산화 촉매기를 구비하며, 상기 NOX생성 수단은 상기 3방식 환원 및 산화 촉매기 밑의 배기 가스 통로에 배치되는 산화 촉매기를 구비하고 상기 정화 수단은 상기 산화 촉매기 밑의 배기 가스 통로에 배치되는 탈질화 및 산화 촉매기를 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  16. 제8항에 있어서, 상기 NH3생성 수단은 상기 배기 가스 통로에 배치되는 3방식 환원 및 산화 촉매기를 구비하며, 상기 NOX생성 수단은 상기 3방식 환원 및 산화 촉매기 밑의 배기 가스 통로에 배치되는 산화 촉매기를 구비하고 상기 정화 수단은 상기 산화 촉매기 밑의 배기 가스 통로에 배치되는 탈질화 및 산화 촉매기를 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 NOX생성 수단은 상기 산화 촉매기의 온도에 따라서 상기 NH3생성 수단에 의해 생성된 NH3량의 3/7 및 1/2 간의 범위에서 상기 NOX생성 수단에 의해 변환되는 NH3량을 조정하는 가변 수단을 더 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  18. 제9항에 있어서, 상기 NH3생성 수단은 상기 배기 가스 통로에 배치되는 3방식 환원 및 산화 촉매기를 구비하며, 상기 변환 수단은 상기 제1분기 배기통로에 배치되는 산화 촉매기를 구비하고 상기 정화 수단은 상기 배기 가스 배출 통로에 배치되는 탈질화 및 산화 촉매기를 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  19. 제13항에 있어서, 상기 NH3생성 수단은 상기 배기 가스 통로에 배치되는 3방식 환원 및 산화 촉매기를 구비하며, 상기 변환 수단은 상기 제1분기 배기통로에 배치되는 산화 촉매기를 구비하고 상기 정화 수단은 상기 배기 가스 배출 통로에 배치되는 탈질화 및 산화 촉매기를 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  20. 제14항에 있어서, 상기 NH3생성 수단은 상기 배기 가스 통로에 배치되는 3방식 환원 및 산화 촉매기를 구비하며, 상기 변환 수단은 상기 제1분기 배기통로에 배치되는 산화 촉매기를 구비하고 상기 정화 수단은 상기 배기 가스 배출 통로에 배치되는 탈질화 및 산화 촉매기를 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 NOX생성 수단은 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량의 비를 상기 산화 촉매기의 온도에 따라서 3/4 및 1 간의 범위에서 조정하는 가변 수단을 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 NOX생성 수단은 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량의 비를 상기 산화 촉매기의 온도에 따라서 3/4 및 1 간의 범위에서 조정하는 가변 수단을 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  23. 제19항에 있어서, 상기 NOX생성 수단은 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량의 비를 상기 산화 촉매기로 흐르는 배기 가스의 공기-연료비에 따라서 3/4 및 1 간의 범위에서 조정하는 가변 수단을 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  24. 제20항에 있어서, 상기 NOX생성 수단은 상기 제1분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량 및 상기 제2분기 배기통로를 통해 흐르는 배기 가스량의 비를 상기 산화 촉매기로 흐르는 배기 가스의 공기-연료비에 따라서 3/4 및 1 간의 범위에서 조정하는 가변 수단을 구비하는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 엔진은 화학량론 공기-연료비보다 낮은 공기-연료비로 동작되는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  26. 제5항에 있어서, 상기 엔진은 화학량론 공기-연료비보다 낮은 공기-연료비로 동작되는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  27. 제9항에 있어서, 상기 엔진은 화학량론 공기-연료비보다 낮은 공기-연료비로 동작되는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  28. 제15항에 있어서, 상기 엔진은 화학량론 공기-연료비보다 낮은 공기-연료비로 동작되는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  29. 제16항에 있어서, 상기 엔진은 화학량론 공기-연료비보다 낮은 공기-연료비로 동작되는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
  30. 제18항에 있어서, 상기 엔진은 화학량론 공기-연료비보다 낮은 공기-연료비로 동작되는 내연기관용 배기 가스 정화 장치.
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