KR100289916B1 - 내연기관 - Google Patents

Abstract

(과제) 매연 및 NO_X의 발생을 동시에 저지한다.

(해결수단) 기관부하가 비교적 낮은 때에 매연의 발생량이 피크로 되는 불활성가스량보다도 연소실내의 불활성가스량을 많게 함으로써, 연소실 (5) 내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제한다. 그럼으로써 연소실 (5) 내에서 매연 및 NO_X가 생성되는 것을 저지한다.

Description

내연기관

본 발명은 내연기관에 관한 것이다.

종래부터 내연기관, 예를 들면 디젤기관에 있어서는 NO_X의 발생을 억제하기 위하여 기관배기통로와 기관흡기통로를 배기가스 재순환 (이하, EGR 이라 함) 통로에 의해 연결하여, 이 EGR 통로를 통해 배기가스, 즉 EGR 가스를 기관흡기통로내로 재순환시키도록 하고 있다. 이 경우, EGR 가스는 비교적 비열이 높고, 따라서 다량의 열을 흡수할 수 있기 때문에, EGR 가스량을 증대시킬수록, 즉 EGR 율 (EGR 가스량/(EGR 가스량＋흡입공기량)) 을 증대시킬수록 연소실내에서의 연소온도가 저하한다. 연소온도가 저하하면 NO_X의 발생량이 저하하며, 따라서 EGR 율을 증대시키면 시킬수록 NO_X의 발생량은 저하된다.

이와 같이 종래부터 EGR 율을 증대시키면 NO_X의 발생량을 저하시킬 수 있음은 알고 있다. 그러나, EGR 율을 증대시켜 가면 EGR 율이 어느 한도를 넘었을 때에 매연의 발생량, 즉 스모크가 급격하게 증대하기 시작한다. 이 점에 관해 종래부터, 그 이상 EGR 율을 증대시키면 스모크가 한없이 증대하는 것으로 생각되고 있으며, 따라서 스모크가 급격하게 증대하기 시작하는 EGR 율이 EGR 율의 최대허용한계로 생각되어지고 있다.

따라서, 종래부터 EGR 율은 이 최대허용한계를 넘지 않는 범위내로 정해져 있다. 이 EGR 율의 최대허용한계는 기관의 형식이나 연료에 따라 많이 달라지는데, 약 30 퍼센트에서 50 퍼센트이다. 따라서, 종래의 디젤기관에서는 EGR 율은 최대라 해도 30 퍼센트에서 50 퍼센트 정도로 억제되어 있다.

이와 같이 종래에는 EGR 율에 대하여 최대허용한계가 존재한다고 생각되어지고 있었기 때문에, 종래부터 EGR 율은 이 최대허용한계를 넘지 않는 범위내에서 NO_X및 스모크의 발생량이 가능한 한 적어지도록 정해져 있었다. 그러나, 이와 같이 하여 EGR 율을 NO_X및 스모크의 발생량이 가능한 한 적어지도록 정해도 NO_X및 스모크의 발생량 저하에는 한계가 있어, 실제로는 여전히 상당한 양의 NO_X및 스모크가 발생하는 것이 현재의 상황이다.

그런데, 본 발명자는 디젤기관의 연소에 관한 연구과정에서 EGR 율을 최대허용한계보다도 크게 하면 상술한 바와 같이 스모크가 급격하게 증대하지만, 이 스모크의 발생량에는 피크가 존재하며, 이 피크를 넘어 EGR 율을 더욱 크게하면 이번에는 스모크가 급격하게 감소하기 시작하고, 아이들링 운전시에 있어 EGR 율을 70 퍼센트 이상으로 하면, 또한 EGR 가스를 강력하게 냉각시킨 경우에는 EGR 율을 거의 55 퍼센트 이상으로 하면 스모크가 거의 영으로 됨, 즉 매연이 거의 발생하지 않음을 발견한 것이다. 또한, 이 때에는 NO_X의 발생량이 매우 소량으로 되는 것도 판명하였다. 그 후, 이 지식에 의거하여 매연이 발생하지 않는 이유에 대하여 검토를 계속하였으며, 그 결과 지금까지 없었던 매연 및 NO_X의 동시저감이 가능한 새로운 연소시스템을 구축하기에 이르른 것이다. 이 새로운 연소시스템에 대해서는 뒤에 상세하게 설명하겠으나, 간단히 말하면 탄화수소가 매연으로 성장하기까지의 도중단계에서 탄화수소의 성장을 정지시키는 것을 기본으로 하고 있다.

즉, 실험연구를 거듭한 결과 판명된 것은, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도가 어느 온도 이하인 때에는 탄화수소의 성장이 매연에 이르기 전의 도중단계에서 정지하고, 연료 및 그 주위의 가스온도가 어느 온도 이상으로 되면 탄화수소는 한번에 매연까지 성장한다는 것이다. 이 경우, 연료 및 그 주위의 가스온도는 연료가 연소한 때의 연료 주변의 가스의 흡열작용이 크게 영향을 미치며, 연료연소시의 발열량에 따라 연료 주변의 가스의 흡열량을 조정함으로써 연료 및 그 주위의 가스온도를 제어할 수 있다.

따라서, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 탄화수소의 성장이 도중에서 정지하는 온도 이하로 억제하면 매연이 발생하지 않게 되고, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 탄화수소의 성장이 도중에서 정지하는 온도 이하로 억제하는 것은 연료 주변의 가스의 흡열량을 조정함으로써 가능해진다. 한편, 매연에 이르기 전에 성장이 도중에서 정지한 탄화수소는 산화촉매 등을 이용한 후처리에 의해 용이하게 정화할 수 있다. 이것이 새로운 연소시스템의 기본적인 방법이다.

본 발명은 이 새로운 연소시스템의 기본이 되는 새로운 연소원리에 관한 것이다.

도 1 은 압축착화식 내연기관의 전체도이다.

도 2 는 스모크 (Smoke) 및 NO_X의 발생량 등을 나타내는 도면이다.

도 3 은 연소압을 나타내는 도면이다.

도 4 는 연료분자를 나타내는 도면이다.

도 5 는 스모크의 발생량과 EGR 율의 관계를 나타내는 도면이다.

도 6 은 분사연료량과 혼합가스량의 관계를 나타내는 도면이다.

도 7 은 분사연료량과 혼합가스량의 관계를 나타내는 도면이다.

도 8 은 분사연료량과 혼합가스량의 관계를 나타내는 도면이다.

도 9 는 분사연료량과 혼합가스량의 관계를 나타내는 도면이다.

도 10 은 분사기간을 나타내는 도면이다.

도 11 은 공연비 (Air-Fuel Ratio) 센서의 출력을 나타내는 도면이다.

도 12 는 기관의 운전을 제어하기 위한 플로우차트이다.

도 13 은 분사연료량과 혼합가스량의 관계를 나타내는 도면이다.

도 14 는 압축착화 (Compression Ignition) 식 내연기관의 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.

도 15 는 흡기밸브 구동용 액츄에이터의 측면단면도이다.

도 16 은 스로틀 (throttle) 밸브의 열림정도 (開度) 등을 나타내는 도면이다.

도 17 은 흡기밸브의 밸브개폐시기를 나타내는 도면이다.

도 18 은 분사기간을 나타내는 도면이다.

도 19 는 냉각장치로 공급되는 냉각수량을 나타내는 도면이다.

도 20 은 압축착화식 내연기관의 또 다른 예를 나타내는 전체도이다.

도 21 은 NO_X의 흡방출작용을 설명하기 위한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

6 : 연료분사밸브 16 : 스로틀밸브

19 : 산화촉매 22 : EGR 통로

즉, 본 발명의 제 1 발명에서는 연소실내의 불활성가스량을 증대시켜 가면 매연의 발생량이 점차 증대하여 피크에 달하는 내연기관으로서, 매연의 발생량이 피크가 되는 불활성가스량보다도 연소실내의 불활성가스량을 많게 하므로써, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제하고, 그러므로써 연소실내에서 매연이 생성되는 것을 저지하도록 하고 있다.

제 2 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도는 배기가스중의 NO_X량이 10 p.p.m 전후 또는 그 이하로 되는 온도이다.

제 3 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도는 기관부하가 미리 정해진 부하보다도 낮을 때에만 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제된다.

제 4 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 미연탄화수소가 매연의 형태가 아니라 매연의 전구체 또는 그 이전의 형태로 연소실에서 배출된다.

제 5 발명에서는 제 4 발명에 있어서, 연소실로 부터 배출된 미연탄화수소를 산화하기 위하여 기관배기통로내에 산화기능을 갖는 촉매를 배치하고 있다.

제 6 발명에서는 제 5 발명에 있어서, 촉매가 산화촉매, 삼원촉매 또는 NO_X흡수제 중 적어도 한 개로 이루어진다.

제 7 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 연료의 연소열을 주로 연소실내의 불활성가스에 의해 흡수하여, 불활성가스량을 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도가 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도가 되도록 설정하고 있다.

제 8 발명에서는 제 7 발명에 있어서, 연소실로 부터 배출된 배기가스를 기관흡기통로내로 재순환시키는 배기가스 재순환장치를 구비하며, 불활성가스가 기관흡기통로내로 재순환된 재순환 배기가스로 이루어진다.

제 9 발명에서는 제 8 발명에 있어서, 배기가스 재순환율이 거의 55 퍼센트 이상이다.

제 10 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 연소실내에 있어서의 공연비가 이론공연비이거나, 혹은 이론공연비에 비해 약간 린 (lean) 한 린공연비이거나, 혹은 리치 (rich) 공연비로 된다.

제 11 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 기관부하가 미리 정해진 부하보다도 낮을 때에, 연소실내로 공급되는 연료량에 관계없이, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 유지하는 연소온도 제어수단을 구비하고 있다.

제 12 발명에서는 제 11 발명에 있어서, 연소온도 제어수단이 연소실로 부터 배출된 배기가스를 기관흡기통로내로 재순환시키는 배기가스 재순환장치로 이루어지고, 기관흡기통로내로 재순환되는 재순환 배기가스량은 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 증대된다.

제 13 발명에서는 제 11 발명에 있어서, 연소온도 제어수단이 기관배기통로로 부터 기관흡기통로로 재순환되는 재순환 배기가스의 냉각장치로 이루어지고, 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 냉각장치의 냉각능력이 높아진다.

제 14 발명에서는 제 11 발명에 있어서, 연소온도 제어수단은 기관의 압축비를 제어하여, 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 기관의 압축비를 저하시킨다.

제 15 발명에서는 제 11 발명에 있어서, 연소온도 제어수단이 기관흡기통로내에 배치된 흡기제어밸브로 이루어지고, 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 흡기제어밸브의 열림정도가 저하된다.

제 16 발명에서는 제 11 발명에 있어서, 연소온도 제어수단이 흡기밸브구동용 액츄에이터로 이루어지고, 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 흡기밸브의 밸브닫힘열림시기가 액츄에이터에 의해 늦어진다.

제 17 발명에서는 제 11 발명에 있어서, 연소온도 제어수단은 연소실내로 분사되는 연료의 분사시기를 제어하며, 연료의 분사시기는 연소실내로 공급되는 연료량이 적을 때에는 압축행정말기로 되고, 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 늦어진다.

제 18 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 유입하는 배기가스의 공연비가 린인 때에는 배기가스중에 포함되는 NO_X를 흡수하고 또한 유입하는 배기가스의 공연비가 이론공연비 또는 리치로 되면 흡수한 NO_X를 방출하는 NO_X흡수제를 기관배기통로내에 배치하고, NO_X흡수제로 부터 NO_X를 방출해야 할 때에는 기관저부하 운전시에 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제함과 동시에 연소실내에 있어서의 공연비를 이론공연비 또는 리치로 한다.

제 19 발명에서는 제 18 발명에 있어서, NO_X흡수제 상류의 기관배기통로내에 산화촉매를 배치하고 있다.

제 20 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 내연기관이 디젤기관으로 이루어지고, 적어도 압축행정말기에 연소실내를 향해 연료가 분사된다.

제 21 발명에서는 제 20 발명에 있어서, 압축행정말기에 더하여 흡기행정초기에도 연소실내를 향해 연료가 분사된다.

발명의 실시형태

도 1 은 본 발명을 4 행정 (스트로크 : stroke) 압축착화식 내연기관에 적용한 경우를 나타낸다.

도 1 을 참조하면, 부호 (1) 은 기관본체, 부호 (2) 는 실린더블록, 부호 (3) 은 실린더헤드, 부호 (4) 는 피스톤, 부호 (5) 는 연소실, 부호 (6) 은 전기제어식 연료분사밸브, 부호 (7) 은 흡기밸브, 부호 (8) 은 흡기포트 (an intake port), 부호 (9) 는 배기밸브, 부호 (10) 은 배기포트를 각각 나타낸다. 흡기포트 (8) 는 대응하는 흡기다기관 (11) 을 거쳐 서지탱크 (a surge tank;12) 에 연결되고, 서지탱크 (12) 는 흡기덕트 (13) 를 거쳐 에어클리너 (14) 에 연결된다. 흡기덕트 (13) 내에는 전기모터 (15) 에 의해 구동되는 스로틀밸브 (16) 가 배치된다. 한편, 배기포트 (10) 는 배기매니폴드 (17) 및 배기관 (18) 을 거쳐 산화기능을 갖는 촉매 (19) 를 내장한 촉매컨버터 (20) 에 연결되고, 배기매니폴드 (17) 내에는 공연비 센서 (21) 가 배치된다.

배기매니폴드 (17) 와 서지탱크 (12) 는 EGR 통로 (22) 를 거쳐 서로 연결되고, EGR 통로 (22) 내에는 전기제어식 EGR 제어밸브 (23) 가 배치된다. 각 연료분사밸브 (6) 는 연료공급관 (24) 을 거쳐 연료리저버 (fuel reservoir), 소위 코먼레일 (25) 에 연결된다. 이 코먼레일 (25) 내로는 전기제어식 토출량 가변(可變) 의 연료펌프 (26) 로부터 연료가 공급되며, 코먼레일 (25) 내로 공급된 연료는 각 연료공급관 (24) 을 거쳐 연료분사밸브 (6) 로 공급된다. 코먼레일 (25) 에는 코먼레일 (25) 내의 연료압을 검출하기 위한 연료압 센서 (27) 가 부착되며, 연료압 센서 (27) 의 출력신호에 의거하여 코먼레일 (25) 내의 연료압이 목표연료압으로 되도록 연료펌프 (26) 의 토출량이 제어된다.

전자제어유닛 (30) 은 디지털컴퓨터로 이루어지며, 쌍방향성 버스 (31) 에 의해 서로 접속된 ROM (리드 온리 메모리) (32), RAM (랜덤 액세스 메모리) (33), CPU (마이크로 프로세서) (34), 입력포트 (35) 및 출력포트 (36) 를 구비한다. 공연비 센서 (21) 의 출력신호는 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력포트 (35) 로 입력된다. 또한, 연료압 센서 (27) 의 출력신호도 대응하는 AD 변환기 (37) 를 거쳐 입력포트 (35) 로 입력된다. 액셀페달 (40) 에는 액셀페달 (40) 의 답입량 (L) 에 비례한 출력전압을 발생하는 부하센서 (41) 가 접속되고, 부하센서 (41) 의 출력전압은 대응하는 AD 변환기 (37) 를 거쳐 입력포트 (35) 로 입력된다. 그리고, 입력포트 (35) 에는 크랭크샤프트가, 예를 들면 30°회전할 때마다 출력펄스를 발생하는 크랭크각 센서 (42) 가 접속된다. 한편, 출력포트 (36) 는 대응하는 구동회로 (38) 를 거쳐 연료분사밸브 (6), 전기모터 (15), EGR 제어밸브 (23) 및 연료펌프 (26) 에 접속된다.

도 2 는 기관저부하 운전시에 있어서 스로틀밸브 (16) 의 열림정도 및 EGR 율을 변화시킴으로써 공연비 (A/F) (도 2 의 가로축) 를 변화시켰을 때의 출력토크의 변화 및, 스모크, HC, CO, NO_X의 배출량의 변화를 나타내는 실험예를 나타내고 있다. 도 2 에서 알 수 있는 바와 같이 이 실험예에서는 공연비 (A/F) 가 작아질수록 EGR 율이 커지고, 이론공연비 (≒14.6) 이하인 때에는 EGR 율은 65 퍼센트 이상이 된다.

도 2 에 나타나는 바와 같이 EGR 율을 증대시킴으로써 공연비 (A/F) 를 작게해 가면 EGR 율이 40 퍼센트 부근으로 되며 공연비 (A/F) 가 30 정도로 되었을 때에 스모크의 발생량이 증대를 개시한다. 이어서, EGR 율을 더욱 높여서 공연비 (A/F) 를 작게하면 스모크의 발생량이 급격하게 증대하여 피크에 달한다. 이어서 EGR 율을 더욱 높여서 공연비 (A/F) 를 작게하면 이번에는 스모크가 급격하게 저하되어 EGR 율을 65 퍼센트 이상으로 하고, 공연비 (A/F) 가 15.0 부근으로 되면 스모크가 거의 영으로 된다. 즉, 매연이 거의 발생하지 않게 된다. 이 때, 기관의 출력토크는 약간 저하하며, 또한 NO_X의 발생량이 상당히 낮아진다. 한편, 이 때 HC, CO 의 발생량은 증대하기 시작한다.

도 3(A) 는 공연비 (A/F) 가 18 부근이며 스모크의 발생량이 가장 많은 때의 연소실 (5) 내의 연소압변화를 나타내고, 도 3(B) 는 연료비 (A/F) 가 13 부근이며 스모크의 발생량이 거의 영인 때의 연소실 (5) 내의 연소압의 변화를 나타낸다. 도 3(A) 와 도 3(B) 를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 스모크의 발생량이 거의 영인 도 3(B) 에 나타낸 경우에는 스모크의 발생량이 많은 도 3(A) 에 나타낸 경우에 비하여 연소압이 낮음을 알 수 있다.

도 2 및 도 3 에 나타나는 실험결과에서 다음 사항을 알 수 있다. 즉, 우선 첫째로 공연비 (A/F) 가 15.0 이하이며 스모크의 발생량이 거의 영인 때에는 도 2 에 나타나는 바와 같이 NO_X의 발생량이 상당히 저하된다. NO_X의 발생량이 저하되었다는 것은 연소실 (5) 내의 연소온도가 저하됨을 의미하고 있으며, 따라서 매연이 거의 발생하지 않을 때에는 연소실 (5) 내의 연소온도가 낮아진다고 말할 수 있다. 동일한 것을 도 3 에서도 알 수 있다. 즉, 매연이 거의 발생하지 않는 도 3(B) 에 나타내는 상태에서는 연소압이 낮아지며, 따라서 이 때 연소실 (5) 내의 연소온도는 낮아지게 된다.

둘째로 스모크의 발생량, 즉 매연의 발생량이 거의 영으로 되면 도 2 에 나타나는 바와 같이 HC 및 CO 의 배출량이 증대된다. 이것은 탄화수소가 매연까지 성장하지 않고 배출됨을 의미한다. 즉, 연료중에 포함되는 도 4 에 나타나는 바와 같은 직쇄상 탄화수소나 방향족 탄화수소는 산소부족상태에서 온도상승되면 열분해하여 매연의 전구체가 형성되고, 이어서 주로 탄소원자가 집합한 고체로 이루어지는 매연이 생성된다. 이 경우, 실제 매연의 생성과정은 복잡해서 매연의 전구체가 어떤 형태를 취할지는 명확하지는 않지만, 어쨌든 도 4 에 나타나는 바와 같은 탄화수소는 매연의 전구체를 거쳐 매연까지 성장하게 된다. 따라서, 상술한 바와 같이 매연의 발생량이 거의 영으로 되면 도 2 에 나타나는 바와 같이 HC 및 CO 의 배출량이 증대하지만 이 때의 HC 는 매연의 전구체 또는 그 전 상태의 탄화수소이다.

도 2 및 도 3 에 나타나는 실험결과에 의거하는 이러한 고찰을 정리하면 연소실 (5) 내의 연소온도가 낮을 때에는 매연의 발생량이 거의 영으로 되고, 이 때 매연의 전구체 또는 그 전 상태의 탄화수소가 연소실 (5) 로 부터 배출된다. 이 점에 대하여 더욱 상세하게 실험연구를 거듭한 결과, 연소실 (5) 내에서의 연료 및 그 주위의 가스온도가 어느 온도 이하인 경우에는 매연의 성장과정이 도중에서 정지되고, 즉 매연이 전혀 발생하지 않고, 연소실 (5) 내에서의 연료 및 그 주위의 온도가 어느 온도 이상으로 되면 매연이 생성됨이 판명된 것이다.

그런데, 매연의 전구체 상태에서 탄화수소의 생성과정이 정지할 때의 연료 및 그 주위의 온도, 즉 상술한 어느 온도는 연료의 종류나 공연비나 압축비 등의 여러 가지 요인에 의해 변화하므로 몇도라고는 말할 수 없으나, 이 어느 온도는 NO_X의 발생량과 깊은 관계를 갖고 있으며, 따라서 이 어느 온도는 NO_X의 발생량으로부터 어느 정도 규정할 수 있다. 즉, EGR 율이 증대할수록 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도는 저하되며, NO_X의 발생량이 저하된다. 이 때, NO_X의 발생량이 10 p.p.m 전후 또는 그 이하로 되었을 때에 매연이 거의 발생하지 않게 된다. 따라서, 상술한 어느 온도는 NO_X의 발생량이 10 p.p.m 전후 또는 그 이하로 되었을 때의 온도와 거의 일치한다.

일단, 매연이 생성되면 이 매연은 산화촉매 등을 이용한 후처리로 정화할 수는 없다. 이에 비하여 매연의 전구체 또는 그 전 상태의 탄화수소는 산화촉매 등을 사용한 후처리로 용이하게 정화할 수 있다. 이와 같이 산화촉매 등에 의한 후처리를 고려하면 탄화수소를 매연의 전구체 또는 그 전 상태로 연소실 (5) 에서 배출시킬 것인지 아니면 매연의 형태로 연소실 (5) 에서 배출시킬 것인지에 대해서는 매우 큰 차가 있다. 본 발명에 의한 연소시스템은 연소실 (5) 내에서 매연을 생성시키지 않고, 이 탄화수소를 전구체 또는 그 전 상태로 연소실 (5) 에서 배출시키고, 이 탄화수소를 산화촉매 등에 의해 산화시키는 것을 핵으로 하고 있다.

그런데, 매연이 생성되기 전의 상태에서 탄화수소의 성장을 정지시키기 위해서는 연소실 (5) 내에 있어서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제할 필요가 있다. 이 경우, 연료 및 그 주위의 가스온도를 억제하기 위해서는 연료가 연소되었을 때의 연료 주변의 가스의 흡열작용이 매우 크게 영향을 미침이 판명되었다.

즉, 연료 주변에 공기만 존재하면 증발한 연료는 바로 공기중의 산소와 반응하여 연소된다. 이 경우, 연료로 부터 떨어져 있는 공기의 온도는 별로 상승하지 않고, 연료 주변의 온도만이 국소적으로 매우 높아진다. 즉, 이 때에는 연료에서 떨어져 있는 공기는 연료의 연소열의 흡열작용을 거의 하지 않는다. 이 경우에는 연소온도가 국소적으로 매우 높아지기 때문에, 이 연소열을 받은 미연탄화수소는 매연을 생성하게 된다.

한편, 다량의 불활성가스와 소량의 공기의 혼합가스중에 연료가 존재하는 경우에는 약간 상황이 달라진다. 이 경우에는 증발연료는 주위로 확산되어 불활성가스중에 혼재하는 산소와 반응하여 연소하게 된다. 이 경우, 연소열은 주변의 불활성가스로 흡수되기 때문에 연소온도는 별로 상승하지 않게 된다. 즉, 연소온도를 낮게 억제할 수 있게 된다. 즉, 연소온도를 억제하기 위해서는 불활성가스의 존재가 중요한 역할을 하고 있으며, 불활성가스의 흡열작용에 의해 연소온도를 낮게 억제할 수 있게 된다.

이 경우, 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제하기 위해서는 그러기에 충분한 열량을 흡수할 수 있는 만큼의 불활성가스량이 필요하게 된다. 따라서, 연료량이 증대하면 필요해지는 불활성가스량은 그에 따라 증대된다. 그리고, 이 경우 불활성가스의 비열이 클수록 흡열작용은 강력해지며, 따라서 불활성가스는 비열이 큰 가스가 바람직하게 된다. 이 점에서 CO₂나 EGR 가스는 비교적 비열이 크기 때문에, 불활성가스로서 EGR 가스를 사용하는 것은 바람직하다고 할 수 있다.

도 5 는 불활성가스로서 EGR 가스를 사용하며, EGR 가스의 냉각정도를 변경하였을 때의 EGR 율과 스모크의 관계를 나타낸다. 즉, 도 5 에 있어서 곡선 A 는 EGR 가스를 강력하게 냉각하여 EGR 가스온도를 거의 90 ℃ 로 유지한 경우를 나타내고, 곡선 B 는 소형의 냉각장치로 EGR 가스를 냉각한 경우를 나타내고, 곡선 C 는 EGR 가스를 강제적으로 냉각하지 않은 경우를 나타낸다.

도 5 의 곡선 A 로 나타나는 바와 같이, EGR 가스를 강력하게 냉각한 경우에는 EGR 율이 50 퍼센트보다도 약간 낮은 시점에서 매연의 발생이 피크로 되며, 이 경우에는 EGR 율을 거의 55 퍼센트 이상으로 하면 매연이 거의 발생하지 않게 된다.

한편, 도 5 의 곡선 B 로 나타나는 바와 같이 EGR 가스를 약간 냉각한 경우에는 EGR 율이 50 퍼센트보다도 약간 높은 시점에서 매연의 발생량이 피크로 되며, 이 경우에는 EGR 율을 거의 65 퍼센트 이상으로 하면 매연이 거의 발생하지 않게 된다.

또한, 도 5 의 곡선 C 로 나타나는 바와 같이 EGR 가스를 강제적으로 냉각하지 않은 경우에는 EGR 율이 55 퍼센트 부근에서 매연의 발생이 피크로 되며, 이 경우에는 EGR 율을 거의 70 퍼센트 이상으로 하면 매연이 거의 발생하지 않게 된다.

그리고, 도 5 는 기관부하가 비교적 높은 때의 스모크의 발생량을 나타내고 있으며, 기관부하가 작아지면 매연의 발생량이 피크로 되는 EGR 율은 약간 저하하고, 매연이 거의 발생하지 않게 되는 EGR 율의 하한도 약간 저하된다. 이와 같이 매연이 거의 발생하지 않게 되는 EGR 율의 하한은 EGR 가스의 냉각정도나 기관부하에 맞게 변화한다.

도 6 은 불활성가스로서 EGR 가스를 사용한 경우에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 하기 위하여 필요한 EGR 가스와 공기의 혼합가스량 및, 이 혼합가스량중의 공기의 비율 및, 이 혼합가스중의 EGR 가스의 비율을 나타낸다. 그리고, 도 6 에 있어서 세로축은 연소실 (5) 내로 흡입되는 전흡입가스량을 나타내고, 쇄선 Y 는 과급이 이루어지지 않을 때에 연소실 (5) 내로 흡입할 수 있는 전흡입가스량을 나타낸다. 또한, 가로축은 요구부하를 나타내고, Z1 은 저부하 운전영역을 나타낸다.

도 6 을 참조하면 공기의 비율, 즉 혼합가스중의 공기량은 분사된 연료를 완전히 연소시키기는 데에 필요한 공기량을 나타낸다. 즉, 도 6 에 나타나는 경우에는 공기량과 분사연료량의 비는 이론공연비로 되어 있다. 한편, 도 6 에 있어서 EGR 가스의 비율, 즉 혼합가스중의 EGR 가스량은 분사연료가 연소되었을 때에 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 형성되는 온도보다도 낮은 온도로 하는 데 필요최저한의 EGR 가스량을 나타내고 있다. 이 EGR 가스량은 EGR 율로 표시하면 55 퍼센트 이상, 도 6 에 나타내는 실험예에서는 70 퍼센트 이상이다. 즉, 연소실 (5) 내로 흡입된 전흡입가스량을 도 6 에 있어서 실선 X 로 하고, 이 전흡입가스량 (X) 중 공기량과 EGR 가스량의 비율을 도 6 에 나타내는 비율로 하면, 연료 및 그 주위의 가스온도는 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 되며, 이와 같이 하여 매연이 전혀 발생하지 않게 된다. 또한, 이 때의 NO_X발생량은 10 p.p.m 전후 또는 그 이하이며, 따라서 NO_X의 발생량은 매우 소량으로 된다.

연료분사량이 증대하면 연료가 연소되었을 때의 발열량이 증대하기 때문에 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 유지하기 위해서는 EGR 가스에 의한 열의 흡수량을 증대하여야만 한다. 따라서, 도 6 에 나타나는 바와 같이 EGR 가스량은 분사연료량이 증대됨에 따라 증대되어야만 한다. 즉, EGR 가스량은 요구부하가 높아짐에 따라 증대될 필요가 있다.

한편, 도 6 의 부하영역 (Z2) 에서는 매연의 발생을 저지하는 데 필요한 전흡입가스량 (X) 이 흡입할 수 있는 전흡입가스량 (Y) 을 넘는다. 따라서, 이 경우 매연의 발생을 저지하는 데 필요한 전흡입가스량 (X) 을 연소실 (5) 내로 공급하기 위해서는 EGR 가스 및 흡입공기의 쌍방, 혹은 EGR 가스를 과급 또는 가압할 필요가 있다. EGR 가스 등을 과급 또는 가압하지 않은 경우에는 부하영역 (Z2) 에서는 전흡입공기량 (X) 은 흡입할 수 있는 전흡입공기량 (Y) 과 일치한다. 따라서, 이 경우 매연의 발생을 저지하기 위해서는 공기량을 약간 감소시켜 EGR 가스량을 증대시킴과 동시에 공연비가 리치인 상태에서 연료를 연소시키게 된다.

상술한 바와 같이 도 6 은 연료를 이론공연비인 상태에서 연소시키는 경우를 나타내고 있으나, 도 6 에 나타나는 저부하 운전영역 (Z1) 에서 공기량을 도 6 에 나타나는 공기량보다 적게 해도, 즉 공연비를 리치로 하여도 매연의 발생을 저지하면서 NOx 의 발생량을 10 p.p.m 전후 또는 그 이하로 할 수 있고, 또한 도 6 에 나타나는 저부하영역 (Z1) 에서 공기량을 도 6 에 나타나는 공기량보다 많게 하여도, 즉 공연비의 평균치를 17 에서 18 의 린으로 하여도 매연의 발생을 저지하면서 NO_X의 발생량을 10 p.p.m 전후 또는 그 이하로 할 수 있다.

즉, 공연비가 리치로 되면 연료가 과잉으로 되지만, 연소온도가 낮은 온도로 억제되어 있기 때문에 과잉된 연료는 매연까지 성장하지 않으며, 이와 같이 하여 매연이 생성되는 경우가 없다. 또한, 이 때 NO_X도 매우 소량밖에 발생하지 않는다. 한편, 평균공연비가 린인 때 혹은 공연비가 이론공연비인 때에도 연소온도가 높아지면 소량의 매연이 생성되는데, 본 발명에서는 연소온도가 낮은 온도로 억제되어 있기 때문에 매연은 전혀 생성되지 않는다. 그리고, NO_X도 매우 소량밖에 발생하지 않는다.

이와 같이 본 발명에 있어서는, 기관저부하 운전영역 (Z1) 에서는 공연비에 관계없이, 즉 공연비가 리치이거나, 이론공연비이거나, 아니면 평균공연비가 린이면 매연이 생성되지 않으며, NO_X의 발생량이 매우 소량으로 된다. 따라서, 연료소비율의 향상을 고려하면 이 때 평균공연비를 린으로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

도 7 및 도 8 은 흡입가스량을 연소실 (5) 내로 흡입할 수 있는 최대가스량으로 한 경우를 나타낸다. 그리고, 도 7 은 요구부하에 관계없이 EGR 율을 70 퍼센트 이상의 거의 일정율로 유지하도록 한 경우를 나타내며, 이 경우에는 요구부하가 작아질수록 과잉된 공기량이 증대된다. 한편, 도 8 은 요구부하에 관계없이 공연비를 일정한 리치공연비 혹은 이론공연비 또는 평균공연비를 일정한 린 공연비로 유지하도록 한 경우를 나타내며, 이 경우에는 요구부하가 작아질수록 EGR 율이 증대된다. 단, 이 경우 EGR 율은 가장 낮은 때라도 거의 70 퍼센트 이상으로 된다. 도 7 및 도 8 에 나타나는 모든 경우에도 매연은 전혀 생성되지 않으며, NO_X의 발생량은 매우 소량으로 된다.

이어서, 도 9 내지 도 12 를 참조하면서 기관저부하 운전시에 있어서의 운전제어의 구체적인 일례에 대하여 설명한다.

도 9 는 요구부하에 대한 연료분사량, 흡입공기량 및 EGR 가스량과, 이들 흡입공기량 및 EGR 가스량을 얻기 위한 스로틀밸브 (16) (도 1) 및 EGR 제어밸브 (23) (도 1) 의 열림정도를 나타내고 있다. 그리고, 도 9 에 있어서 Y 는 도 6 의 Y 와 동일한 값을 나타낸다. 이 구체예에서는 요구부하가 가장 낮은 때, 즉 아이들링 운전시를 제외하고 EGR 제어밸브 (23) 는 완전열림상태로 유지되고, 아이들링 운전시를 제외하고 스로틀밸브 (16) 는 요구부하의 증대에 따라 반열림상태에서 완전열림상태까지 서서히 증대된다. 기관부하가 높아지면 종래부터 사용되고 있는 통상의 연소상태로 된다. 즉, 스로틀밸브 (16) 는 완전열림상태로 되고, EGR 제어밸브 (23) 는 닫힌다.

도 9 에 나타나는 바와 같이 아이들링 운전시에는 스로틀밸브 (16) 는 완전닫힘 가까이까지 닫히고, 이 때 요구부하에 대응한 최적의 EGR 가스량이 얻어지도록 EGR 제어밸브 (23) 도 완전닫힘 가까이까지 닫힌다. 스로틀밸브 (16) 를 완전닫힘 가까이까지 닫으면 압축초기의 연소실 (5) 내의 압력이 낮아지기 때문에 압축압력이 작아진다. 압축압력이 작아지면 피스톤 (4) 에 의한 압축일이 작아지기 때문에 기관본체 (1) 의 진동이 작아진다. 즉, 아이들링 운전시에는 기관본체 (1) 의 진동을 억제하기 때문에 스로틀밸브 (16) 가 완전닫힘 가까이까지 닫힌다.

도 10(A) 의 사선은 연료분사밸브 (6) 로부터의 연료분사기간을 나타낸다. 도 10(A) 에 나타나는 바와 같이 분사개시시기는 요구부하가 높아짐에 따라 압축상사점전 (BTDC) 14°정도부터 서서히 느려진다. 그리고, 도 10(B) 에 나타내는 바와 같이 흡기행정의 초기와 압축행정의 말기의 2 회로 나누어 연료분사를 실행할 수도 있다.

도 11 은 공연비 센서 (21) 의 출력을 나타낸다. 도 11 에 나타나는 바와 같이 공연비 센서 (21) 의 출력전류 (I) 는 공연비 (A/F) 에 따라 변화한다. 따라서, 공연비 센서 (21) 의 출력전류 (I) 로부터 공연비를 알 수 있다.

도 12 는 저부하 운전시에 있어서의 기관의 운전제어루틴을 나타낸다. 도 12 를 참조하면 우선 처음에 스텝 (50) 에서 스로틀밸브 (16) 가 도 9 에 나타낸 열림정도가 되도록 제어된다. 이어서, 스텝 (51) 에서는 EGR 제어밸브 (23) 가 도 9 에 나타나는 열림정도로 되도록 제어된다. 이어서, 스텝 (52) 에서는 연료압 센서 (27) 의 출력신호에 의거하여 코먼레일 (25) 내의 연료압이 목표연료압으로 제어된다. 이어서, 스텝 (53) 에서는 분사시간이 산출된다. 이어서, 스텝 (54) 에서는 공연비 센서 (21) 의 출력신호에 의거하여 공연비가 목표공연비로 되도록 액셀페달 (40) 의 답입량 및 기관회전수로부터 정해지는 기본분사량이 보정된다.

기관저부하 운전시에는 매연이 전혀 발생하지 않으며, NO_X는 거의 발생하지 않고, 배기가스중에 매연의 전구체 또는 그 전 상태의 탄화수소가 포함되어 있는 경우에는 이 탄화수소는 촉매 (19) 에 의해 산화된다.

촉매 (19) 로서는 산화촉매, 삼원촉매 또는 NO_X흡수제를 사용할 수 있다. NO_X흡수제는 연소실 (5) 내에 있어서의 평균공연비가 린인 때에 NO_X를 흡수하고, 연소실 (5) 내에 있어서의 평균공연비가 리치로 되면 NO_X를 방출하는 기능을 갖는다.

이 NO_X흡수제는 예를 들면 알루미나를 담체 (擔體) 로 하고, 이 담체상에 예를 들면 칼륨 (K), 나트륨 (Na), 리튬 (Li), 세슘 (Cs) 과 같은 알칼리금속, 바륨 (Ba), 칼슘 (Ca) 과 같은 알칼리토류, 란타늄 (La), 이트늄 (Y) 과 같은 희토류에서 선택된 적어도 1 개와, 백금 (Pt) 과 같은 귀금속이 담지되어 있다.

산화촉매는 물론 삼원촉매 및 NO_X흡수제도 산화기능을 갖고 있으며, 따라서 상술한 바와 같이 삼원촉매 및 NO_X흡수제를 촉매 (19) 로서 사용할 수 있다.

도 13 은 기관저부하 운전시에 있어서의 운전제어의 구체적인 다른 예를 나타낸다. 이 구체예에서는 흡입공기량 및 EGR 가스량이 분사연료량의 증대에 따라 증대되도록 요구부하의 증대에 따라 스로틀밸브 (16) 의 열림정도 및 EGR 제어밸브 (23) 의 열림정도가 증대된다.

도 14 내지 도 19 는 기관저부하 운전시에 있어서 매연의 발생량을 한층 저감시키는 데 이용할 수 있고, 또한 매연의 발생량이 거의 영으로 되는 운전영역을 고부하측으로 확대하는 데에도 이용할 수 있는 여러 가지 실시예를 나타낸다.

도 14 를 참조하면 EGR 통로 (22) 주위로는 냉각장치 (60) 가 배치되어 있다. 이 냉각장치 (60) 는 냉각수 취입구 (61) 와 냉각수 배출구 (62) 를 갖는다. 냉각수 취입구 (61) 는 냉각수 배출통로 (63) 를 거쳐 라디에이터 (도시생략) 의 냉각수 출구에 접속되어 있고, 냉각수 배출구 (62) 는 냉각수 배출통로 (64) 를 통해, 예를 들면 워터펌프 (도시생략) 의 입구에 접속되어 있다. 냉각수 공급통로 (63) 내에는 냉각장치 (60) 내로 공급되는 냉각수량을 제어하기 위한 유량제어밸브 (65) 가 배치되어 있다.

또한, 흡기밸브 (7) 의 정부 (頂部) 에는 흡기밸브 구동용 액츄에이터 (70) 가 배치되어 있다. 도 15 는 이 흡기밸브 구동용 액츄에이터 (70) 의 확대도를 나타낸다. 도 15 를 참조하면, 부호 (71) 는 흡기밸브 (7) 의 정부에 부착된 원판상 철편, 부호 (72, 73) 는 철편 (71) 의 양측에 배치된 솔레노이드, 부호 (74, 75) 는 철편 (71) 의 양측에 배치된 압축스프링을 각각 나타낸다. 솔레노이드 (73) 가 작동되면 철편 (71) 이 상승하여 흡기밸브 (7) 가 닫힌다. 이에 비하여 솔레노이드 (72) 가 작동되면 철편 (71) 이 하강하여 흡기밸브 (7) 가 열린다. 따라서, 각 솔레노이드 (72,73) 의 작동 타이밍을 제어함으로써 흡기밸브 (7) 를 임의의 시기에 열거나 닫을 수 있다.

불활성가스, 예를 들면 EGR 가스의 흡열작용에 의한 연소온도의 저하작용에 더하여 다른 방법에 의한 연소온도의 저하작용을 병용하면 연소온도가 더욱 저하되며, 따라서 매연은 더욱 발생하지 않게 된다. 또한, 이와 같이 연소온도를 더욱 저하시키면 매연이 거의 발생하지 않는 운전영역을 고부하측으로 확대할 수 있다. 이 경우, 고부하로 될수록, 즉 연료연소시의 발열량이 증대될수록 연소온도의 저하작용을 강화할 필요가 있다.

도 16 은 스로틀밸브 (16) 의 열림정도를 작게 함으로써 연소온도를 저하시키도록 한 경우를 나타낸다. 즉, 스로틀밸브 (16) 의 열림정도를 작게하면 압축 초기의 연소실 (5) 내의 압력이 낮아지기 때문에 압축행정말기에 있어서의 연소실 (5) 내의 압력이 낮아지고, 이와 같이 하여 연소온도가 저하된다. 그리고, 도 16 에 나타나는 예에서는 기관부하가 높아질수록 연소온도의 저하작용을 강화하기 때문에, 아이들링 운전시를 제외하고 요구부하가 높아짐에 따라 스로틀밸브 (16) 의 열림정도가 작아진다.

도 17 은 흡기밸브 (7) 의 닫힘시기를 늦춤으로써 연소온도를 저하시키도록 한 경우를 나타낸다. 즉, 흡기밸브 (7) 의 닫힘시기를 늦추면 실압축비가 작아지고, 이와 같이 하여 연소온도가 저하된다. 그리고, 도 17 에 나타나는 예에서는 기관부하가 높아질수록 연소온도의 저하작용을 강화하기 때문에, 요구부하가 높아짐에 따라 액츄에이터 (70) 에 의해 흡기밸브 (7) 의 닫힘시기가 서서히 늦어진다. 그리고, 압축비를 변경하기 위한 가변압축장치는 여러 가지 형식의 것이 공지되어 있으며, 이들 가변압축장치를 사용하여 기관부하가 높아질수록 압축비를 저하시킬 수도 있다.

도 18 은 분사시기를 늦춤으로써 연소온도를 저하시키도록 한 경우를 나타낸다. 즉, 분사시기를 압축상사점에 가깝게 하거나 혹은 압축상사점 이후로 하면 연소압이 저하되어 연소온도가 저하된다. 그리고, 도 18 에 나타내는 예에서는 기관부하가 높아질수록 연소온도의 저하작용을 강화하기 때문에, 요구부하가 높아짐에 따라 분사시기가 압축상사점전에서 압축상사점후까지 서서히 늦어진다.

도 19 는 냉각장치 (60) 에 의해 EGR 가스를 냉각함으로써 연소온도를 저하시키도록 한 경우를 나타낸다. 그리고, 도 19 에 나타내는 예에서는 기관부하가 일정부하 이하인 때에는 냉각장치 (60) 에 의한 냉각작용은 중지되고, 기관부하가 일정부하 이상으로 되면 기관부하가 높아질수록 연소온도의 저하작용을 강하하기 때문에 요구부하가 높아짐에 따라 냉각장치 (60) 로 공급되는 냉각수량이 증대되도록, 즉 냉각장치 (60) 의 냉각능력이 높아지도록 유량제어밸브 (65) 가 제어된다.

이어서, 촉매 (19) 로서 NO_X흡수제를 사용한 경우에 대하여 설명한다. 그리고, 도 20 에 나타내는 바와 같이 촉매 (19) 로서 산화촉매를 사용하고, 산화촉매 (19) 하류의 배기통로내에 NO_X흡수제 (80) 를 배치할 수도 있다. 기관흡기통로 및 NO_X흡수제(도 1 의 19 또는 도 20 의 80) 상류의 배기통로내로 공급된 공기 및 연료 (탄화수소) 의 비를 NO_X흡수제 (19,80) 로의 흡입배기가스의 공연비라 하면, 이 NO_X흡수제 (19,80) 는 유입배기가스의 공연비가 린인 때에는 NO_X를 흡수하고, 유입배기가스의 공연비가 이론공연비 또는 리치로 되면 흡수한 NO_X를 방출하는 NO_X의 흡방출작용을 실행한다.

NO_X흡수제 (19,80) 를 기관배기통로내에 배치하면, 이 NO_X흡수제 (19,80) 는 실제로 NO_X의 흡방출작용을 실행하는데, 이 흡방출작용의 상세한 메카니즘에 대해서는 명확하지 않은 부분도 있다. 그러나, 이 흡방출작용은 도 21 에 나타내는 바와 같은 메카니즘으로 실행되는 것이라고 생각된다. 이어서, 이 메카니즘에 대하여 담체상에 백금 (Pt) 및 바륨 (Ba) 을 담지시킨 경우를 예로 들어 설명하지만, 다른 귀금속, 알칼리금속, 알칼리토류, 희토류를 사용해도 동일한 메카니즘으로 된다.

도 1 및 도 20 에 나타내는 압축착화식 내연기관에서는 고부하 운전시에는 공연비가 린인 상태에서 연소가 행해진다. 이와 같이 공연비가 린인 상태에서 연소가 실행되는 경우에는 배기가스중의 산소농도는 높으며, 이 때에는 도 21(A) 에 나타나는 바와 같이 이들 산소 (O₂₎가 O₂ ^-또는 O^2-의 형태로 백금 (Pt) 의 표면에 부착된다. 한편, 유입배기가스중의 NO 는 백금 (Pt) 의 표면상에서 O₂ ^-또는 O^2-와 반응하여 NO₂로 된다 (2NO＋O₂→2NO₂). 이어서 생성된 NO₂의 일부는 백금 (Pt) 상에서 산화되면서 흡수제내로 흡수되어 산화바륨 (BaO) 과 결합하면서 도 21(A) 에 나타낸 바와 같이 질산이온 NO₃ ^-의 형태로 흡수제내로 확산된다. 이와 같이 하여 NO_X가 NO_X흡수제 (19,80) 내로 흡수된다. 유입배기가스중의 산소농도가 높은 한 백금 (Pt) 의 표면에서 NO₂가 발생되고, 흡수제의 NO_X흡수능력이 포화되지 않는 한 NO₂가 흡수제내로 흡수되어 질산이온 NO₃ ^-이 생성된다.

한편, 기관저부하 운전시로 되면 매연의 발생을 저지하기 위하여 연소온도가 저하되며, 이 때 공연비가 리치로 된다. 공연비가 리치로 되며, 유입배기가스중의 산소농도가 저하되어 NO₂의 생성율이 저하되면 반응이 역방향 (NO₃ ^-→NO₂) 으로 진행되며, 이와 같이 하여 흡수제내의 질산이온 NO₃ ^-이 NO₂의 형태로 흡수제로 부터 방출된다. 이 때, NO_X흡수제 (19,80) 에서 방출된 NO_X는 도 21(B) 에 나타낸 바와 같이 유입배기가스중에 포함되는 다량의 미연 HC, CO 와 반응하여 환원된다. 이와 같이 하여 백금 Pt 의 표면상에 NO₂가 존재하지 않게 되면 흡수제에서 차례차례로 NO₂가 방출된다. 따라서, 공연비가 리치로 되면 단시간내에 NO_X흡수제 (19,80) 로부터 NO_X가 방출되며, 또한 이 방출된 NO_X가 환원되기 때문에 대기중으로 NO_X가 배출되는 것을 저지할 수 있게 된다.

이와 같이 이 실시예에서는 NO_X흡수제 (19,80) 의 NO_X의 흡방출작용을 이용하여 NOx 가 대기로 방출되는 것이 저지되며, 또한 NOx 흡수제 (19,80) 로 부터 NOx 를 방출하기 위하여 기관저부하 운전시에 공연비가 리치로 되어도 매연이 거의 발생하지 않게 된다.

그리고, 저부하운전시에 있어서의 공연비를 통상은 거의 린으로 해두고, NO_X흡수제 (19,80) 로 부터 NOx 를 방출해야 할 때에만 공연비를 리치로 할 수도 있다. 그리고 NO_X흡수제 (19,80) 는 환원촉매의 기능도 갖고 있기 때문에, NO_X를 방출해야 할 때에 공연비를 이론공연비로 하여도 NO_X흡수제 (19,80) 로 부터 방출된 NO_X가 환원된다. 그러나, 공연비를 이론공연비로 한 경우에는 NO_X흡수제 (19,80) 로 부터 NOx 가 서서히로밖에 방출되지 않기 때문에, NO_X흡수제 (19,80) 로 흡수되어 있는 전 NO_X를 방출시키기 위해서는 약간 긴 시간을 필요로 한다.

지금까지 본 발명을 압축착화식 내연기관에 적용한 경우에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 가솔린기관에도 적용할 수 있다.

매연 및 NO_X의 발생을 동시에 저지할 수 있다.

Claims (21)

1. 연소실내의 불활성가스량을 증대시켜 가면 매연의 발생량이 점차 증대하여 피크에 달하는 내연기관으로서, 매연의 발생량이 피크로 되는 불활성가스량보다도 연소실내의 불활성가스량을 많게 함으로써, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제하고, 그럼으로써 연소실내에서 매연이 생성되는 것을 저지하도록 한 내연기관.
2. 제 1 항에 있어서, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도는 배기가스중의 NO_X량이 10 p.p.m 전후 또는 그 이하로 되는 온도인 내연기관.
3. 제 1 항에 있어서, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도는 기관부하가 미리 정해진 부하보다도 낮을 때에만 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제되는 내연기관.
4. 제 1 항에 있어서, 미연탄화수소가 매연의 형태가 아니라 매연의 전구체 또는 그 이전의 형태로 연소실에서 배출되는 내연기관.
5. 제 4 항에 있어서, 연소실에서 배출된 미연탄화수소를 산화하기 위하여 기관배기통로내에 산화기능을 갖는 촉매를 배치한 내연기관.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 촉매가 산화촉매, 삼원촉매 또는 NO_X흡수제 중 적어도 한 개로 이루어지는 압축착화식 내연기관.
7. 제 1 항에 있어서, 연료의 연소열을 주로 연소실내의 불활성가스에 의해 흡수하여, 불활성가스량을 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도가 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도가 되도록 설정한 내연기관.
8. 제 7 항에 있어서, 연소실에서 배출된 배기가스를 기관흡기통로내로 재순환시키는 배기가스 재순환장치를 구비하며, 불활성가스가 기관흡기통로내로 재순환된 재순환 배기가스로 이루어지는 내연기관.
9. 제 8 항에 있어서, 배기가스 재순환율이 거의 55 퍼센트 이상인 압축착화식 내연기관.
10. 제 1 항에 있어서, 연소실내에 있어서의 공연비가 이론공연비이거나, 혹은 이론공연비에 비해 약간 린 (lean) 한 린공연비이거나, 혹은 리치 (rich) 공연비로 되는 내연기관.
11. 제 1 항에 있어서, 기관부하가 미리 정해진 부하보다도 낮을 때에, 연소실내로 공급되는 연료량에 관계없이, 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 유지하는 연소온도 제어수단을 구비한 내연기관.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 연소온도 제어수단이 연소실에서 배출된 배기가스를 기관흡기통로내로 재순환시키는 배기가스 재순환장치로 이루어지고, 기관흡기통로내로 재순환되는 재순환 배기가스량은 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 증대되는 내연기관.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 연소온도 제어수단이 기관배기통로에서 기관흡기통로로 재순환되는 재순환 배기가스의 냉각장치로 이루어지고, 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 상기 냉각장치의 냉각능력이 높아지는 내연기관.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 연소온도 제어수단은 기관의 압축비를 제어하여, 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 기관의 압축비를 저하시키는 내연기관.
15. 제 11 항에 있어서, 상기 연소온도 제어수단이 기관흡기통로내에 배치된 흡기제어밸브로 이루어지고, 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 흡기제어밸브의 열림정도가 저하되는 내연기관.
16. 제 11 항에 있어서, 상기 연소온도 제어수단이 흡기밸브구동용 액츄에이터로 이루어지고, 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 흡기밸브의 닫힘열림시기가 액츄에이터에 의해 늦어지는 내연기관.
17. 제 11 항에 있어서, 상기 연소온도 제어수단은 연소실내로 분사되는 연료의 분사시기를 제어하며, 연료의 분사시기는 연소실내로 공급되는 연료량이 적을 때에는 압축행정말기로 되고, 연소실내로 공급되는 연료량이 증대됨에 따라 늦어지는 내연기관.
18. 제 1 항에 있어서, 유입하는 배기가스의 공연비가 린일 때에는 배기가스중에 포함되는 NO_X를 흡수하고 유입하는 배기가스의 공연비가 이론공연비 또는 리치로 되면 흡수한 NO_X를 방출하는 NO_X흡수제를 기관배기통로내에 배치하고, NO_X흡수제로 부터 NO_X를 방출해야 할 때에는 기관저부하 운전시에 연소실내에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제함과 동시에 연소실내에 있어서의 공연비를 이론공연비 또는 리치로 하는 내연기관.
19. 제 18 항에 있어서, NO_X흡수제 상류의 기관배기통로내에 산화촉매를 배치한 내연기관.
20. 제 1 항에 있어서, 내연기관이 디젤기관으로 이루어지고, 적어도 압축행정말기에 연소실내를 향해 연료가 분사되는 내연기관.
21. 제 20 항에 있어서, 압축행정말기에 더하여 흡기행정초기에도 연소실내를 향해 연료가 분사되는 내연기관.