KR100306533B1 - 내연기관의배기가스정화장치 - Google Patents

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Abstract

배기 가스 정화 장치에 있어서, 3원 촉매와, NOX흡수 환원 촉매와, NH3흡착 탈질산 촉매는 내연 기관의 배기 가스 통로에 배치된다. 내연 기관은 각각의 실린더 내로 연료를 직접 분사하는 직접 실린더 분사 밸브를 구비한다. 제어 회로는 분사 밸브에서 분사되는 연료의 양을 제어하여 실린더 내에서의 연소의 공연비가 내연 기관의 정상 운전 중에는 희박 공연비 상태가 되도록 한다. 따라서, 정상 운전 중에는 희박 공연비의 배기 가스가 실린더에서 배출되며, 배기 가스 중의 NOX는 NOX흡수 환원 촉매에 의해 흡수된다. NOX흡수 환원 촉매에 의해 흡수되는 NOX의 양이 소정의 수준을 넘어가는 경우에는, 실린더의 폭발 행정 또는 배기 행정 중에 제어 회로가 추가적인 연료 분사를 수행하여 실린더에서 배출되는 배기 가스의 공연비를 농후 공연비로 조정한다. 실린더에서 배출되는 농후 공연비의 배기 가스는 3원 촉매로 흘러 들어가며 배기 가스 중의 NOX는 3원 촉매에서 NH3로 전환된다. 농후 공연비의 배기 가스가 NOX흡수 환원 촉매를 통해 흐를 때, NOX는 NOX흡수 환원 촉매에서 방출되며 배기 가스 중에서 NH3에 의해서 N2로 환원된다.

Description

내연 기관의 배기 가스 정화 장치
본 발명은 내연 기관의 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본 발명은 희박 연소 기관의 배기 가스에서 고효율로 NOX를 제거할 수 있는 장치에 관한 것이다.
내연 기관의 배기 가스에서 HC, CO 및 NOX를 제거하기 위해서 3원 환원 및 산화 촉매(이하에서 3원 촉매로 참조함)를 사용한 배기 가스 정화 장치가 일반적으로 사용된다(본원에서 NOX는 일반적으로 질소 산화물, 예를 들면 NO, NO2, N2O 및 N2O4등을 의미한다). 3원 촉매는 배기 가스가 이론 공연비를 이룰 때 배기 가스 중의 HC 및 CO를 산화시키고, NOX를 환원시킨다. 즉, 3원 촉매는 동시에 배기 가스의 공연비가 이론 공연비를 이룰 때 배기 가스에서 상기한 유해한 화합물을 제거한다.
그러나, NOX를 환원하기 위한 3원 촉매의 능력은 배기 가스의 공연비가 점점 희박해짐에 따라(즉, 공연비가 점차적으로 이론 공연비 보다 높아짐에 따라) 낮아지게 된다. 따라서, 3원 촉매를 사용하여, 전체적으로 보아 희박 공연비에서 작동되는 희박 연소 기관의 배기 가스에서 NOX를 제거하는 것이 곤란해진다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 일본 특개평 제 4-365920 호에서는 탈질산 반응을 사용하는 배기 가스 정화 장치를 개시하였다.
배기 가스의 공연비가 이론 공연비 보다 낮은 경우(즉, 배기 가스의 공연비가 농후해지는 경우)에 3원 촉매는 배기 가스 중의 NOX의 일부를 NH3로 전환하는 한편, 배기 가스 중의 대부분의 NOX를 환원시키고 이를 N2로 전환한다.'920 공보의 장치는 3원 촉매를 사용하여 배기 가스 중의 NOX에서 NH3를 생성하고, 생성되는 NH3를 배기 가스 중의 NOX와 반응시켜 탈질산 반응에 의해서 NOX를 N2및 H2O로 환원시킨다.
'920 공보에서는, 다중 실린더 내연 기관이 사용되었으며, 내연 기관의 실린더의 한 그룹은 농후 공연비에서 작동되는 한편, 다른 실린더들은 희박 공연비에서 작동되었으며, 내연 기관의 작동 공연비는, 전체적으로 보아, 희박 공연비 상태로 유지되었다. 또한, 고효율로 NOX를 NH3로 전환할 수 있는 3원 촉매는 농후 공연비의 실린더(즉, 농후 공연비 상태에서 작동되는 실린더)에 연결된 배기 가스 통로에 배치된다. 3원 촉매를 통과하여 흐른 이후에, 농후 공연비의 실린더에서의 배기 가스는 희박 공연비의 실린더에서의 배기 가스와 혼합된다. 농후 공연비의 실린더에서의 배기 가스가 3원 촉매를 통과할 때, 배기 가스 중의 NOX의 일부가 NH3로 전환된다. 따라서, 3원 촉매의 하류측의 배기 가스는 상대적으로 많은 양의 NH3를 포함한다. 한편, 희박 공연비의 실린더에서의 배기 가스는 상대적으로 많은 양의 NOX를 포함한다. 따라서, 3원 촉매에서의 배기 가스와 희박 공연비의 실린더에서의 배기 가스를 혼합하는 것에 의해서, 3원 촉매에서의 배기 가스 중의 NH3를 희박 공연비의 실린더에서의 배기 가스 중의 NOX와 반응시켜, 탈질산 반응에 의해 NH3와 NOX는 N2와 H2O를 생성한다. 따라서, '920 공보의 장치에 따르면, NOX가 배기 가스에서 제거된다.
'920 공보에서의 장치에서는, 3원 촉매에 의해 생성되는 NH3의 양은 희박 공연비의 실린더에서의 배기 가스 중의 NOX의 전부를 환원시키기에 충분하여야 한다. 예를 들어, 내연 기관에서 배출된 배기 가스 중의 NOX의 최대 부분은 NO(일산화질소)와 NO2(이산화질소) 성분으로 구성되어 있다. 상기한 NO 및 NO2성분은 하기의 탈질산 반응에 의해서 NH3와 반응하고 N2와 H2O를 생성한다.
4NH3+ 4NO + O2→ 4N2+ 6H2O
8NH3+ 6NO2→ 7N2+ 12H2O
따라서, '920 공보의 장치에서, 희박 공연비의 실린더에서의 배기 가스 중의 전체 NOX를 제거하기 위해서는 NO의 전체 몰수와 NO2의 몰수의 4/3 배와 동등한 NH3양이 필요하다. 배기 가스가 NOX, 예를 들어 N2O4, N2O와 같은 성분이 아닌 경우에, 상기한 성분의 양에 대한 NH3의 이론량이 상술한 NH3의 양에 추가하여 필요하게 된다.
그러나, 내연 기관의 실린더 내에서 생성되는 NOX의 양은 실린더가 희박 공연비 상태(예를 들면, 초과 공기비가 1.2를 초과하는 상태)에서 작동될 때 최대가 되어가며, 실린더가 농후 공연비 상태에서 작동할 때 급속하게 감소한다. '920 공보의 장치가 농후 공연비의 실린더의 배기 가스 중의 NOX를 전환하여 NH3를 생성하기 때문에, 생성된 NH3의 양은 농후 공연비의 실린더에서 생성된 NOX의 양에 의해제한된다. 따라서, '920 공보에서의 장치에서는, 3원 촉매에 의해 생성된 NH3의 양은 희박 공연비의 실린더에서의 배기 가스 중의 전체 NOX를 환원시키기에 충분하지 않으며, 희박 공연비의 실린더에서의 배기 가스 중의 NOX중의 일부는 환원되지 않고 대기 중으로 방출된다.
여기에 추가하여, '920 공보의 장치에서는, 실린더의 한 그룹이 희박 공연비에서 작동되는 한편, 내연 기관의 다른 실린더들은 농후 공연비 상태에서 작동된다. 이는 실린더의 출력 토크의 차이를 초래하며, 기관의 출력 토크에서의 변동을 초래한다.
상술한 바와 같이 관련 기술 분야에서의 문제점을 고찰한 결과, 본 발명의 목적은 충분한 양의 NH3를 생성하고, 배기 가스 중의 NOX와 생성된 NH3를 반응시켜서 배기 가스 중의 NOX를 제거하며 고효율로 희박 연소 기관의 배기 가스 중의 NOX를 제거할 수 있는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 내연 기관이 실린더 내로 연료를 직접 분사하기 위한 직접 실린더 분사 밸브를 구비하고, 실린더 내에서 희박 공연비의 연소에 의해 작동할 수 있는 본 발명에 따른 내연 기관의 배기 가스 정화 장치에 의해 획득된다. 배기 가스 정화 장치는 실린더의 팽창 행정 또는 배기 행정 중에 직접 실린더 분사 밸브에서 실린더 내로 연료를 분사함으로써 실린더 내에서의 희박 공연비의 연소에 생성된 희박 공연비 배기 가스의 공연비를 농후 공연비로 조정하기 위한 배기 가스 공연비조정 수단과, 공연비가 조정된 이후에 배기 가스가 통과하여 흐르는 배기 가스 통로에 배치되고, 배기 가스 중에 포함된 NOX의 최소한 일부를 NH3로 전환하는 것에 의해 NH3를 생성하기 위한 NH3전환 수단과, NH3전환 수단에서의 배기 가스가 흘러 들어가는 배기 가스 통로에 배치되고, NOX를 배기 가스 중의 NH3와 반응시켜 배기 가스 중의 NOX와 NH3의 양자를 정화하기 위한 정화 수단을 포함한다.
본 발명에서, 기관의 실린더 내에서의 연소는 희박 공연비 상태에서 수행된다. 따라서, 실린더 내에서의 연소에 의해 생성되는 NOX의 양은 실린더가 농후 공연비에서 작동될 때의 양 보다는 많다. 따라서 희박 공연비이고 상대적으로 다량의 NOX를 포함하는 배기 가스가 실린더 내에 형성된다. 배기 가스의 공연비 조정 수단은 직접 실린더 분사 밸브를 사용하여 팽창 행정 또는 배기 행정 중에 연료를 분사하여 상기 희박 공연비의 배기 가스에 연료를 첨가한다. 배기 가스에 연료가 첨가되기 때문에, 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 변화된다. 또한, 희박 공연비의 연소에 의해 생성된 NOX의 양이 팽창 또는 배기 행정 중에 연료 분사에 의해 변화하지 않기 때문에, 배기 가스는 여전히 팽창 또는 배기 행정 중에 연료 분사가 수행된 직후라도 상대적으로 많은 양의 NOX를 포함한다. 그러므로, 상대적으로 다량의 NOX를 포함하는 농후 공연비의 배기 가스가 팽창 또는 배기 행정 중에 직접 실린더 분사 밸브에 의해 실린더 내에 형성된다. 상기 농후 공연비의 배기 가스에 포함된NOX의 양은 농후 공연비의 연소에 의해 형성된 배기 가스 중에 포함된 NOX의 양보다는 많다는 것은 명백하다.
농후 공연비이고 상대적으로 다량의 NOX를 포함하는 상기 배기 가스는, 3원 촉매 또는 NOX흡수 환원 촉매와 같은 NH3전환 수단으로 공급된다. 배기 가스 중의 NOX의 양이 많기 때문에, NH3전환 수단에 의해 상당량의 NH3가 생성되고 정화 수단으로 공급된다. 따라서, 배기 가스 중의 NOX를 환원시키기에 충분한 양의 NH3가 정화 수단으로 공급된다.
또한, 팽창 행정 또는 배기 행정 중에 실린더 내로 분사되는 연료가 실린더의 출력 토크를 발생시키지 않기 때문에, 내연 기관의 출력 토크는 팽창 행정 또는 배기 행정 중에 연료의 분사에 의해서 영향을 받지 않는다. 따라서, 본 발명에 따르면, 배기 가스 중의 NOX는 내연 기관의 출력 토크에 변동을 초래하지 않고도 고효율로 정화된다.
도 1은 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 일 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 2는 직접 실린더 분사 밸브를 도시하기 위한 실린더의 단면도.
도 3은 배기 가스의 과잉 공기비의 변화에 따른 3원 촉매의 NH3생성비와 NOX의 전체 전환 효율에서의 통상적인 변화를 도시하는 그래프.
도 4는 실린더 내에서 생성되는 NOX의 양과, 실린더와 배기 가스의 연소 중의 과잉 공기비의 변화에 따른 3원 촉매에 의해 생성되는 NH3의 양의 통상적인 변화를 나타낸 도면.
도 5는 실린더와 배기 가스 중의 연소의 과잉 공기비에서의 변화에 따른 3원 촉매에 의해 생성되는 NH3의 양의 변화를 도시한 도면.
도 6은 도 1의 실시예의 배기 가스 정화 작용을 설명하는 플로우차트.
도 7은 도 6의 배기 가스 정화 작용에서 수행되는 연료 분사 제어 작동을 설명하는 플로우차트.
도 8은 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 9는 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 10은 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 11은 도 10의 실시예에서 배기 가스 정화 작용을 설명하는 플로우차트.
도 12는 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 13은 도 12의 실시예에서 배기 가스 정화 작용을 설명하는 플로우차트.
도 14는 도 12의 배기 가스 정화 작용에서 수행되는 연료 분사 제어 작용을 설명하는 플로우차트.
도 15는 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 16은 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 17은 도 16의 실시예에서 배기 가스 정화 작용을 설명하는 플로우차트.
도 18은 도 16의 배기 가스 정화 작용에서 수행되는 연료 분사 제어 작용을 설명하는 플로우차트.
도 19는 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 20은 도 19의 실시예에서의 배기 가스 정화 작용을 설명하는 플로우차트.
도 21 및 도 22는 도 19의 배기 가스 정화 작용에서 수행되는 연료 분사 제어 작용을 설명하는 플로우차트.
도 23은 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 24는 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 25는 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 26은 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 27은 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하는 개략도.
도 28은 도 23의 실시예에서 배기 가스 정화 작용을 설명하는 플로우차트.
도 29는 도 28의 배기 가스 정화 작용 중에 NOX흡수 환원 촉매에서 흡수된 NOX의 양의 변화를 설명하는 다이어그램.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여, 상세하게, 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다. 첨부된 도면에서, 동일한 참조 부호는 유사한 요소를 지칭한다. 이하에서 설명될 실시예에서, 도 1, 도 8 내지 도 10 및 도 23 내지 도 26은 실린더에서의 모든 배기 가스가 NH3전환 수단을 통해서 흐르는 실시예를 도시하며, 도 12, 도 15, 도 16, 도 19 및 도 27은 특정 실린더(들)에서의 배기 가스만 NH3전환 수단을통해서 흐르며 NH3전환 수단을 통해서 통과한 배기 가스는 다른 실린더에서의 배기 가스와 혼합된다.
또한, 도 1, 도 8 내지 도 10, 도 12, 도 15, 도 16 및 도 19의 실시예에서, 3원 촉매가 NH3전환 수단으로 사용되었다. 상기 실시예 중엣, 도 1, 도 8, 도 12 및 도 15는 NOX흡수 환원 촉매와 NH3흡착 탈질산 촉매의 양자를 정화 수단으로 사용한 경우를 나타내었다. 이에 반해서, 정화 수단으로 도 10에서는 단지 NOX흡수 환원 촉매만을 사용하였으며, 도 10, 도 16 및 도 17에서는 단지 NH3흡착 환원 촉매만을 사용하였다.
추가하여, 도 23 내지 도 27의 실시예에서, NOX흡수 환원 촉매가 NH3전환 수단으로 사용되었다. 말하자면, NOX흡수 환원 촉매가 상기 실시예에서 NH3전환 수단 뿐만 아니라 정화 수단으로 사용되었다.
3원 촉매, NOX흡수 환원 촉매 및 NH3흡착 탈질산 촉매는 상세하게 후술하기로 한다.
이하에서, 각각의 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 차량용 내연 기관에 적용되는 경우의 본 발명의 한 실시예의 일반적인 구조를 도시한다. 도 1에서, 참조 부호 1은 자동차용 다실린더형 내연 기관을 지시한다. 본 실시예에서, 내연 기관(1)은 1번에서 4번까지의 실린더를 가지는 4 실린더 내연 기관이다. 후술하는 바와 같이, 각각의 실린더는 연료를 직접 실린더에 분사하는 직접 실린더 분사 밸브(도 1에서 71 내지 74)를 구비하고 있으며, 내연 기관의 정상 운전 중에는 희박 공연비로 작동한다. 바꿔 말하면, 내연 기관의 정상 운전 중에는, 내연 기관의 실린더 내에서의 연소는 희박 공연비 상태에서 수행된다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 1번 내지 4번 실린더에서의 배기 가스는 배기 가스 매니폴드(133)를 통해서 공통 배기 가스 통로(4)로 흘러 들어간다. 배기 가스 통로(4)에는, 본 실시예에서 NH3전환 수단으로서 작용하는 3원 촉매(5)와, 둘다 정화 수단으로서 작용하는 NOX흡수 환원 촉매(7)와 NH3흡착 탈질산 촉매(9)가 상류측 단부에서 상기한 순서대로 배치되어 있다.
도 1에서 도면 부호 30은 내연 기관(1)의 제어 회로를 지시한다. 제어 회로(30)는, 예를 들어, ROM(판독 전용 메모리), RAM(임의 접근 메모리), CPU(마이크로 프로세서) 등을 포함하는 종래 형식의 마이크로 컴퓨터로 구성된다. 제어 회로(30)는 예를 들어 분사 제어 또는 점화 타이밍 제어와 같은 내연 기관의 기본적인 제어를 수행한다
도 1의 도면 부호 21은 공통 흡기 통로(2)에 대한 각 실린더의 흡입구를 연결하는 흡입 매니폴드이다. 직접 실린더 분사 밸브는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 제어 회로(30)에서의 연료 분사 신호에 응답하여 실린더 내로 연료를 직접 분사한다. 본 실시예에서, 각 실린더의 직접 실린더 분사 밸브는 실린더의 흡입 행정 또는 압축 행정 중에 연료를 분사하여 실린더 내에서 희박 공연비의 공연비로연소되게 한다. 흡입 행정 또는 압축 행정 중에 연료 분사가 수행되어 실린더 내에서 연소되게 하는 이와 같은 것을 이하에서는 "초기 연료 분사"라고 참조한다.
또한, 배기 가스 공연비 조정 수단으로 작용하는 경우, 직접 실린더 분사 밸브는 초기 연료 분사에 추가하여 팽창 행정(적합하게는, 그 후반부에서) 또는 배출 행정 중에 연료를 분사한다. 팽창 행정 또는 배출 행정 중에 연료를 분사함으로써, 실린더 내에서의 희박 공연비의 연소에 의해 생성된 연소 가스에 추가되며, 이에 따라서 실린더를 벗어나는 배기 가스의 공연비는 농후 공연비로 조정된다. 팽창 행정 또는 배출 행정 중에 연료 분사가 수행되어 배기 가스의 공연비를 농후 공연비로 조정하도록 하는 것을 이하에서 "추가 연료 분사"라고 참조한다. 추가 연료 분사에 의해 분사되는 연료는 실린더 내에서 연소되지 않지만, 실린더 내의 연소 가스의 열에 의해 기화하고 실린더 내의 연소 가스와 균일하게 혼합된다. 따라서, 배기 가스와 기화한 연료의 균일한 혼합물이 실린더에서 배출된다. 추가 연료 분사에 의해 분사된 연료가 실린더 내에서 연소되지 않기 때문에, 실린더에서의 출력 토크의 생성에는 기여하지 못한다. 따라서, 각 실린더의 출력 토크는 추가 연료 분사가 수행된다고 하더라도 동일하게 유지된다. 또한, 추가 연료 분사가 단지 내연 기관의 특정 실린더(들)에서만 수행된다고 하더라도, 내연 기관의 출력 토크에서의 변동은 발생하지 않는다.
일반적으로는, 가솔린 또는 디젤 연료와 같은 연료는 상대적으로 큰 분자량을 가진 상당량의 탄화 수소를 포함한다. 이와 같은 연료가 추가 연료 분사에 의해 실린더 내로 분사되는 경우, 실린더 내에서의 고온 및 고압에 의해 중탄화 수소의열분해가 발생하고, 더 작은 분자량을 가진 탄화 수소가 생성된다. 이와 같은 작은 분자량을 가진 탄화 수소는 용이하게 수성 가스 반응에 의해 배기 가스 내에 CO 및 H2를 생성한다. 따라서, 추가 연료 분사가 수행될 때, 실린더를 벗어나는 배기 가스는 상대적으로 다량의 CO, H2및 활성의 경탄화 수소를 포함한다.
본 실시예에서, 초기 연료 분사는 실린더의 흡입 행정 중에 수행되어 실린더 내의 희박 공연비를 가진 균일한 공기 연료 혼합물을 형성하게 된다. 이 경우에, 균일한 공기 연료 혼합물의 희박 공연비의 연소가 실린더 내에서 발생한다. 다르게는, 초기 연료 분사는 흡입 행정의 후반부에서 압축 행정의 전반부의 주기 중에 수행되어 점화 플러그 주위에서 연소 가능한 공기 연료 혼합물을 층상으로 형성한다. 이 경우에, 희박 공연비의 층상 급기 연소가 실린더 내에서 일어난다.
다음으로, 본 실시예에서의 3원 촉매(5)에 대해서 설명한다.
3원 촉매(5)는, 예를 들어 근청석(菫靑石: cordierite)으로 형성된 하니콤형을 사용하며, 촉매에 대해 캐리어로써 작용하는 박막 알루미나층이 코팅되어 있다. 상기 캐리어 상에서는, 귀금속, 예를 들면 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd) 등이 부착되어 있다. 3원 촉매(5)는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비를 이룰 때(즉, 과잉 공기비(λ) = 1.0) 고효율로 배기 가스 중의 HC, CO, NOX를 전환한다. HC 및 CO의 전환비는 공연비가 점차 희박해질(λ > 1.0) 때 이론 공연비의 것보다 더 높아지게 된다. 거꾸로, NOX의 전환비는 공연비가 농후해질(λ < 1.0) 때 이론 공연비의 것보다 더 높아지게 된다.
상술한 바와 같이, 내연 기관(1)으로부터의 배기 가스 중의 대부분의 NOX는 NO로 구성되어 있다. λ가 1.0 보다 작은 경우(즉, 배기 가스의 공연비가 농후해지는 경우), 상기 NO의 일부는 하기의 환원 반응에 의해서 3원 촉매(5)에 의해 전환된다.
2CO + 2NO → N2+ 2CO2, 및
2H2+ 2NO→ N2+ 2H2O.
그러나, 남아 있는 NO는 하기의 반응에 의해 NH3로 전환된다.
5H2+ 2NO→ 2NH3+ 2H2O.
NO의 NH3로의 전환비는 3원 촉매에 포함된 로듐(Rh)의 양이 증가함에 따라 점차적으로 많아지게 된다. 또한, 촉매 성분으로써, 팔라듐(Pd)은 NO의 NH3로의 전환에서 상대적으로 높은 전환비를 나타내며, 또한 HC 및 CO에 대한 높은 산화능을 나타낸다.
본 실시예에서, NH3가 3원 촉매(5)의 하류측의 탈질산 촉매(9) 상에서 NOX를 환원하기 위해서 사용되었기 때문에, 3원 촉매(5)에서 가능한 한 많은 양의 NH3를 생성하는 것이 적합하다. 따라서, 본 실시예의 3원 촉매(5)는 상대적으로 많은 양의 로듐(Rd) 또는 팔라듐(Pd)을 포함한다.
도 3은 NOX의 전체적인 전환비(즉, 촉매로 흘러 들어오는 NOX의 양에 대해서N2와 NH3로 전환되는 NOX의 양의 비)와, 배기 가스의 공연비에서의 변화에 따른 3원 촉매(5)의 NH3생성비(즉, 촉매로 흘러 들어오는 NOX의 양에 대해서 NOX가 NH3로 전환된 양의 비)의 변화를 도시한다. 도 3에서 명백한 바와 같이, NOX의 전체 전환비(도 3에서의 실선)는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비(λ = 1.0) 보다 많아지게 됨에 따라서 급속히 감소한다. 따라서, 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 배기 가스가 희박해지는(λ > 1.0) 경우에는, N2및 NH3로 전환되지 않고 3원 촉매(5)를 통해서 통과하는 NOX의 양이 급속하게 증가하게 된다.
반대로, 공연비가 농후해지는 경우, NOX의 전체 전환비는 증가하게 되고, 배기 가스의 과잉 공기비(λ)가 대략 0.95 보다 작은 경우에 거의 100 %가 된다. 따라서, 배기 가스의 과잉 공기비가 0.95 보다 작은 경우에는, 촉매(5)로 흘러 들어가는 배기 가스 중의 전체 NOX는 N2및 NH3로 전환되며, 촉매(5)에서 빠져 나오는 배기 가스는 NOX를 포함하지 않게 된다.
NH3의 생성비(도 3에서 파선)는 공연비가 이론 공연비 보다 많아지게 되는 경우 거의 영(zero)으로 된다. 그러나, λ < 1.0인 영역에서, NH3의 생성비는 과잉 공기비(λ)이 감소함에 따라서 증가하게 되고, λ ≤ 0.95인 영역에서는 실질적으로 일정하게 된다. 따라서, 배기 가스의 과잉 공기비가 λ ≤ 0.95인 영역에 있는 경우, 전체 NOX는 N2및 NH3로 전환되며, 또한 NH3의 생성비는 최대로 된다.
다음으로, 본 실시예의 NOX흡수 환원 촉매(7)에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에서의 NOX흡수 환원 촉매(7)는, 예를 들어, 캐리어로서 알루미나를 사용하고, 캐리어 상에는, 귀금속, 예를 들어 백금(Pt) 및 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li) 및 세슘(Cs)와 같은 알칼리 금속과; 바륨(Ba) 및 칼슘(Ca)와 같은 알칼리토 금속 및; 란탄(La) 및 이트륨(Y)와 같은 희토류 금속 중에서 선택된 최소한 한 성분을 포함한다. NOX흡수 환원 촉매(7)는 배기 가스의 공연비가 희박할 때(즉, 과잉 공기비(λ)가 1.0 보다 많아지는 경우) 질산 이온의 형태로 배기 가스 중의 NOX를 흡수하고, NOX흡수 환원 촉매를 흘러가는 배기 가스의 과잉 공기비(λ)가 1.0 보다 작아질 때(즉, 공연비가 농후해져갈 때) 흡수한 NOX를 방출한다.
즉, 백금(Pt)과 바륨(Ba)이 NOX흡수 환원 촉매(7) 상에 포함되고, 배기 가스 중의 O2농도가 증가는 경우, 즉 배기 가스의 과잉 공기비(λ)가 1.0 보다 많아지게 되는 경우, 배기 가스 중의 산소(O2)는 백금(Pt)의 표면에 O2 -또는 O2-의 형태로 증착되게 된다. 배기 가스 중의 NO는 백금(Pt) 표면 상의 O2 -또는 O2-와 반응하여 2NO + O2→ 2NO2의 반응에 의해서 NO2로 된다. 이후에, 배기 가스 중의 NO2및 백금(Pt) 상에 생성된 NO2는 추가적으로 백금(Pt) 표면 상에서 산화되고, 촉매 내부로 흡수되는 한편 산화 바륨(BaO)과 결합하고 질산 이온(NO3 -)의 형태로 촉매 내로확산한다. 따라서, 배기 가스 중의 NOX는 배기 가스 중의 과잉 공기비(λ)가 1.0 보다 많아지게 되는 경우 NOX흡수 환원 촉매(7)에 의해 흡수된다.
한편, 배기 가스 중의 산소 농도가 낮아지는 경우, 즉 배기 가스의 과잉 공기비(λ)가 λ ≤ 1.0인 경우에는, 백금(Pt) 표면 상의 NO2의 생성은 감소하게 되며 반응은 역반응으로 진행(NO3 -→ NO2)하며, 따라서 NOX흡수 환원 촉매(7)에서 NO2의 형태로 촉매 중의 질산 이온(NO3 -)이 방출된다.
이 경우에, NH3, CO, H2와 같은 환원 물질 또는 HC, CO2와 같은 물질이 배기 가스 중에 존재하는 경우에는, 방출된 NOX는 상기한 성분에 의해서 백금(Pt) 상에서 환원된다.
상술한 바와 같이, 추가 연료 분사가 수행되는 경우에, 내연 기관(1)의 실린더를 벗어나는 배기 가스는 상당량의 HC, CO 및 CO2뿐만 아니라 수성 가스 반응에 의해 생성된 H2를 포함하게 된다. 또한, 이 경우에서, 배기 가스 중의 NOX의 일부는 3원 촉매(5)에서 배기 가스 중의 H2및 CO와 반응하여 배기 가스 중에 NH3를 생성한다. 따라서, 추가 연료 분사가 수행되는 경우, NOX흡수 환원 촉매(7)에서 방출된 NOX는 배기 가스 중의 HC, CO, H2및 NH3에 의해 N2로 환원된다. 특히, NH3의 환원능이 크기 때문에, 배기 가스 중의 NH3의 농도가 높아짐에 따라서 NOX는 고효율로 환원된다.
또한, NOX흡수 환원 촉매는 배기 가스 중의 NOX를 3원 촉매의 경우에서와 정확히 동일하한 메카니즘에 의해서 NH3로 전환한다. 따라서, NOX흡수 환원 촉매를 3원 촉매 대신에 NH3전환 수단으로 사용해도 좋다. NH3전환 수단으로 NOX흡수 환원 촉매가 사용된 실시예에 대해서는 후술하기로 한다.
다음으로, 본 실시예에서의 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 대해서 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에서의 NH3흡착 탈질산 촉매는, 예를 들어, 근청석으로 형성된 하니콤형 기판을 사용하며, 촉매에 대해 캐리어로 작용하는 알루미나층은 하니콤 기판의 셀 표면에 코팅되어 있다. 상기 캐리어 상에는, 예를 들어, 구리(Cu), 크롬(Cr), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 및 이리듐(Ir) 등의 원소 주기율표 중의 4 주기 또는 8 족에 속하는 원소 중에서 선택된 최소한 하나의 물질이 촉매로서 포함된다. 또한 본 실시예에서, "NH3흡착 물질"은 후술하겠지만, NH3흡착 탈질산 촉매(9) 기판에도 부착되어 촉매(9)가 NH3흡착능을 가지도록 한다.
NH3흡착 탈질산 촉매는 배기 가스가 산화 분위기(즉, λ > 1.0)이고 촉매의 온도가 촉매로써 사용되는 물질에 의해 결정되는 것과 같은 특정 온도 범위 이내이면 촉매를 향해 흐르는 배기 가스 중의 모든 NH3를 N2로 전환할 수 있다. 즉, NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 온도가 특정 범위 이내이고 촉매로 향해 흘러 들어가는 배기 가스의 과잉 공기비(λ)가 1.0 보다 많아지면,
4NH3+ 7O2→ 4NO2+ 7H2O
4NH3+ 5O2 → 4NO + 6H2O
의 산화 반응에 추가하여, 탈질산 반응
8NH3+ 6NO2→ 12H2O + 7N2
4NH3+ 4NO + O2→ 6H2O + 4N2
가 NH3흡착 탈질산 촉매 내에서 발생한다.
상기 탈질산 반응에 의해서, 산화 반응에 의해 생성된 NOX성분은 N2성분으로 즉각적으로 전환된다. 그 결과, 상기한 연속적 반응 중에서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)로 흘러 들어가는 모든 NH3는 N2로 전환된다.
또한, 배기 가스가 NH3에 추가하여 NOX를 포함한다면, NOX는 상술한 탈질산 반응에 의해 N2로 전환된다. 이 경우에, 배기 가스 중의 NH3의 양이 배기 가스 중에 포함된 모든 NOX를 환원하기에 필요한 양보다 많은 경우에는, 잉여 NH3는 상술한 연속적인 산화 및 탈질산 반응에 의해서 N2로 전환되며 NH3흡착 탈질산 촉매(9)를 통해서 통과하지는 않는다. 덧붙여서, NH3에 추가하여 HC 및 CO가 배기 가스 중에 포함되는 경우에는, HC와 CO는 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 의해 산화되며 배기 가스의 과잉 공기비(λ)가 1.0 보다 많아지는 경우에 NH3흡착 탈질산 촉매를 통해서 통과하지 않는다.
상술한 특정 온도 범위는 촉매로써 사용된 물질에 따라 변화한다. 그러나, NH3흡착 탈질산 촉매의 특정 온도 범위는 일반적으로 3원 촉매와 같은 다른 촉매가 사용된 경우보다 온도가 더 낮다. 예를 들어, 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등의 물질을 촉매로써 사용한 경우네는 특정 온도 범위는 대략 100 ℃ 내지 400 ℃이다. 보다 자세하게는, 백금(Pt)이 사용된 경우의 온도 범위는 100℃ 내지 300 ℃가 적합하며, 150 ℃ 내지 250 ℃의 온도 범위가 가장 적합하다. 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh)이 사용된 경우의 온도 범위는 150 ℃ 내지 400 ℃가 보다 적합하며, 150 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위가 가장 적합하다. 또한, 구리(Cu), 크롬(Cr) 및 철(Fe)과 같은 물질이 사용된 경우에는, 특정 온도 범위는 대략 150 ℃ 내지 650 ℃이며, 150 ℃ 내지 500 ℃의 온도 범위가 적합하다.
NH3흡착 탈질산 촉매의 온도가 특정 온도 범위 이상인 경우에는, 촉매 내에서 산화 반응이 지배적이며, 촉매에 의해 산화되는 NH3의 양은 증가한다. 따라서, 배기 가스 중의 NH3의 부족 때문에 촉매 내에서 탈질산 반응은 거의 발생하기 어려우며, 산화 반응에 의해 생성된 NOX는 탈질산 반응에 의해 환원되지 않고 NH3흡착 탈질산 촉매에서 흘러나오게 된다.
한편, NH3흡착 탈질산 촉매의 온도가 특정 온도 범위 보다 낮은 경우에는, 낮은 온도 때문에 산화 반응이 거의 발생하지 않는다. 이는 배기 가스 중의 NH3가 산화 반응에 의해 생성된 NOX가 부족하기 때문에 산화되지 않고 NH3흡착 탈질산 촉매를 통해서 통과하게 되어 버린다.
후술하는 실시예에서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 기관(1)의 작동 중에 상술한 특정 온도 범위 내로 촉매(9)의 온도가 들어가는 지점의 배기 가스 통로(4)에 배치된다. NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 온도를, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 냉각수 재킷 또는 냉각 핀을 제공하여 특정 온도 범위 내로 제어할 수도 있다.
다음으로, 촉매(9)의 기판에 부착된 NH3흡착 물질에 대해서 설명하기로 한다. 산성 무기 물질(여기에는 예를 들어 제올라이트, 실리카(SiO2), 실리카-알루미나(SiO2-Al2O3) 및 티타니아(TiO2)와 같은 브뢴쉬테드 산(Broensted acids) 뿐만 아니라, 구리(Cu), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 철(Fe)와 같은 전이 금속의 산화물을 포함하는 루이스 산(Lewis acids)이 포함된다)이 NH3를 흡착하는 것은 공지되어 있으며, 보다 자세하게는 온도가 낮은 경우에, 상기 물질은 상당량의 NH3를 흡착한다. 본 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 상기 산성 무기 물질이 NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 기판 상에 포함되거나, 기판 자체가 그와 같은 산성 무기 물질로 형성된 다공성 재료에 의해 형성될 수도 있다. 배기 가스 중의 NH3의 농도가 높은 경우, 배기 가스 중의 NH3는 NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 산성 무기 물질에 의해 흡착되며, 또한, 배기 가스 중의 NH3의 농도가 낮아지는 경우에, 산성 무기 물질에 흡착된 NH3는 방출된다. 따라서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 배기 가스 중에 NH3가 존재하지 않는 경우라고 하여도, NH3의 농도가 높았을 때 흡착한 NH3를 사용하여 탈질산 반응에 의해 NOX를 환원할 수 있다.
NH3흡착 탈질산 촉매(9)로 다른 형태의 촉매를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 이온 교환법에 의해 구리(Cu), 철(Fe), 또는 백금(Pt) 등의 금속을 부착시킨(각각 구리-제올라이트 촉매, 철-제올라이트 촉매, 백금-제올라이트 촉매) 제올라이트(ZSM-5)를 사용한 촉매를 NH3흡착 탈질산 촉매로 사용할 수도 있다. 대안으로는, 모르덴 비석(모르덴 비석(沸石), mordenite)과 같은 제올라이트 및 백금(Pt)과 같은 귀금속 및/또는 표면에 부착된(예를 들어, 백금 모르덴 비석 촉매 또는 백금 구리 모르덴 비석 촉매 등) 다른 금속으로 형성된 기판을 NH3흡착 환원 촉매로 사용할 수도 있다. 상기한 제올라이트 NH3흡착 탈질산 촉매는 다공성 제올라이트의 포어(pore)에 배기 가스 중의 NH3, HC 및 CO 성분을 포착하고, 산화 분위기일지라도 상기 포착된 성분(배기 가스 중의 NH3, HC, CO 뿐만 아니라)을 사용하여 배기 가스 중의 NOX를 선택적으로 환원한다.
다음으로, 도 1 실시예의 배기 가스 정화 작용에 대해서 설명하기로 한다.
후술하는 설명에서, "연소 공연비"(또는 "연소의 과잉 공기비")는 상술한 바와 같이 균일한 공기 연료 혼합물의 연소가 실린더 내에서 발생하는 경우의 전체 실린더 내에서의 공기 연료 혼합물의 공연비(과잉 공기비)와, 층상 급기 연소가 실린더 내에서 발생하는 경우에 층상의 공기 연료 혼합물의 공연비(과잉 공기비)를 의미한다.
도 1의 실시예에서, 모든 1번 실린더 내지 4번 실린더는 정상 운전 중에는 희박 공연비로 작동된다. 이 경우에, 각 실린더에서의 연소의 과잉 공기비는 연소에 의해 생성된 NOX의 양이 가능한 한 작게(예를 들어, λ1.4) 될 때의 값으로 설정된다. 또한, 추가 연료 분사는 정상 운전 중에 수행되지 않는다. 따라서, 정상 운전 중에 실린더를 벗어나는 배기 가스는 희박 공연비 상태에 있게 되며, 상대적으로 적은 양의 NOX를 포함한다. 이런 희박 공연비의 배기 가스는 정상 운전 중에 3원 촉매(5)로 흘러 들어가게 된다. 그러나, NOX의 전환 효율이 배기 가스의 공연비가 도 3에서 설명한 바와 같이 급속히 떨어지기 때문에, 배기 가스 중의 상당한 양의 NOX는 환원되지 않고 3원 촉매(5)를 통하여 통과하고 NOX흡수 환원 촉매(7)로 흘러 들어간다. NOX흡수 환원 촉매(7)가 배기 가스의 희박 공연비인 경우에 NOX를 흡수하기 때문에, 3원 촉매(5)를 통하여 통과하는 NOX는 NOX흡수 환원 촉매(7)에서 흡수된다.
즉, 정상 운전 중에 실린더 내에서의 희박 공연비의 연소에 의해 생성된 NOX는 임시적으로 NOX흡수 환원 촉매(7)에 보관된다. 따라서, 내연 기관의 정상 운전이 긴 시간 동안 지속된다면, NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX의 양이 증가하고 이는 NOX흡수 환원 촉매가 흡수된 NOX로 포화된 것처럼 되게 된다. 이런 문제를 해결하기 위해서, NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX의 양이 증가할 때 일시적으로 전체 실린더 상에서 추가 연료 분사가 수행된다. 추가 연료 분사를 수행함으로서, 실린더로부터의 배기 가스 중의 공연비는 농후 공연비로 변하게 되며, 배기 가스 중의 NOX의 일부는 3원 촉매(5)에 의해 NH3로 전환되게 된다. 따라서, 추가 연료 분사가 시작되는 경우, 상대적으로 많은 양의 NH3를 포함하는 농후 공연비의 배기 가스는 NOX흡수 환원 촉매(7)로 흘러 들어가게 되고, 이에 의해서, NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX는 농후 공연비의 배기 가스에 의해서 방출되게 되고 배기 가스 중의 NH3, HC 및 CO에 의해서 환원된다.
상술한 바와 같이, 정상 운전 중의 단시간에 주기적으로 수행되는 추가 연료 분사에 의해 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 변화시키게 됨에 의해서 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX는 방출되고 환원된다. 본 명세서서는, 배기 가스의 공연비를 농후 공연비로 변화시키게 하여 흡수된 NOX를 방출하게 하는 작용을 "농후 스파이크 작용"이라고 지칭한다.
NOX흡수 환원 촉매(7)에서 방출된 모든 NOX를 환원시키기 위해서, 상당량의NH3가 농후 스파이크 작용 중에 필요하게 된다. 따라서 농후 스파이크 작용 중에 실린더 내에서의 연소의 공연비는 연소에 의해 생성된 NOX의 양이 최대가 되는 값(예를 들어, 과잉 공기비(λ)1.4로)으로 설정하여 3원 촉매(5)로 공급되고 그 표면 상에서 NH3로 전환되는 NOX의 양을 증가시키도록 한다. 또한, 추가 연료 분사의 양은, 추가 연료 분사 후의 배기 가스의 공연비가 3원 촉매(5)에 의해 NOX가 NH3로의 전환비가 최대가 되는 값(예를 들어, 과잉 공기비(λ)0.95로)으로 되도록 설정된다.
다음으로, 본 실시예의 NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 기능에 대해서 설명하기로 한다. 본 실시예에서, 상대적으로 많은 양의 NH3가 농후 스파이크 작용 중에 3원 촉매(5)에서 생성된다. 따라서, 어떤 경우에, NOX흡수 환원 촉매(7) 상에서 NOX를 환원하는데 사용되지 못한 과잉 NH3는 NOX흡수 환원 촉매(7)를 통하여 통과하게 된다. 상기 과잉 NH3는 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 의해 흡착되고, 한시적으로 내부에 저장된다. 한편, 적은 양의 NOX도 정상 운전 중에 NOX흡수 환원 촉매(7)를 통하여 통과하고 NH3흡착 탈질산 촉매(9) 내로 흘러 들어가게 된다. 본 실시예에서, 정상 운전 중에 NOX흡수 환원 촉매(7)를 통해서 통과하는 NOX는 농후 스파이크 작용 중에 그 내부에 흡착되고 저장된 NH3를 사용하여 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 의해 환원된다. 따라서, 본 실시예에서의, 전체 NOX전환 효율은 NOX흡수 환원 촉매(7)의 하류측의 배기 가스 통로에 배치된 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 의해 개선된다.
상술한 바와 같이, 3원 촉매(5)에 의해서 생성된 NH3의 양은 추가 연료 분사를 수행함에 의해서 주로 증가하게 된다. 추가 연료 분사에 의해 NH3의 생성량이 증가하는 이유에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4에서, 점선은 과잉 공기비(λ)의 연소에서 변화에 따라 실린더 내에서의 연소에 의해 생성되는 NOX의 양(농도)의 변화를 나타낸다. 도4에서 명백한 바와 같이, NOX생성량은 과잉 공기비(λ)가 λ이 상대적으로 작은 영역에서 많아지게 됨에 따라서 증가한다. 배기 가스 중에 NOX의 생성량은 λ1.2에서 최대값에 도달하며, λ≥1.2인 영역에서는 λ이 증가함에 따라서 NOX의 생성은 감소한다. 도 1의 실시예에서, 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 배기 가스의 과잉 공기비는 추가 연료 분사가 수행되지 않았을 때의 실린더 내에서의 연소의 과잉 공기비와 동일하기 때문에, 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 배기 가스 중의 NOX의 양은 추가 연료 분사가 수행되지 않았을 때의 도 4의 점선에 의해 명백한 바와 같이 과잉 공기비(λ)에 따라 변화한다. 상술한 바와 같이, 3원 촉매(5)에 의한 생성비(즉, NH3으로 전환되는 NOX의 양에 대하여, 촉매(5)로 흘러 들어가는 NOX의 양에 대한 비율)은 도 3에서 명백한 바와 같이 배기 가스의 과잉 공기비에 따라 변화한다. 3원 촉매(5)의 의해 실제로 생성된 NH3의 양이 배기 가스 중의 NOX의 양(도 4의 점선)과 NH3의 생성비(도 3의 점선)의 곱으로 주어지기 때문에, 3원 촉매에서 실제로 생성된 NH3의 양은 도 4의 실선에 의해 명백한 바와 같이 연소의 과잉 공기비(λ)에 따라 변화한다. 즉, 도 4의 실선에서 명백한 바와 같이, 연소의 과잉 공기비(λ)가 1.0 보다 많아지는 경우, 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 상대적으로 많다고 하더라도 NH3는 전혀 생성된지 않는다. 이것과는 반대로, 연소의 λ이 1.0 보다 적은 경우에는, 3원 촉매의 NH3생성비가 증가한다고 해도, 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 상기 λ의 영역에서 적어지기 때문에 3원 촉매(5)에 의해 실제로 생성되는 NOX의 양은 상대적으로 적어지게 된다. 또한, 과잉 공기비(λ)가 0.95 보다 작은 경우에 NH3의 생성비가 최대가 된다고 해도, 배기 가스 중의 NOX의 양이 추가적으로 감소하기 때문에, 연소의 과잉 공기비(λ)가 감소함에 따라서 NH3의 생성량은 감소하게 된다. 따라서, 도 4의 실선에서 명백한 바와 같이, 3원 촉매에 의해 생성된 NH3의 양이 λ0.95에서 최대가 된다고 해도, 실제로 생성되는 NH3의 양은 λ0.95에서 조차 작다.
따라서, 실린더 내의 연소의 과잉 공기비와 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 배기 가스의 과잉 공기비는 동일하며, 연소의 과잉 공기비는 3원 촉매(5)에서 NH3를 생성하기 위해서는 1.0 보다 작은 값으로 설정되어야 한다. 이는 실린더 내에서 생성되는 NOX의 양을 감소시키게 되고, 3원 촉매(5)에서 실제로 생성된 NH3의 양 또한NH3의 생성에 사용되 배기 가스 중의 원재료(NOX)의 감소로 인해서 감소하게 된다.
도 5는 도 4와 유사한 그래프로, 추가 연료 분사가 수행된 경우 3원 촉매(5)에 의해 생성된 NH3의 양에 대해서 도시하고 있다. 추가 연료 분사를 수행함에 의해서, 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 연소 가스의 과잉 공기비를 실린더 내의 연소의 과잉 공기비와 독립적으로 변화시킬 수 있다. 따라서, 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 배기 가스 중의 과잉 공기비는 NH3의 생성비가 최대가 되는 0.95로 설정될 수 있는 반면에, 실린더 내의 연소의 과잉 공기비는 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최대가 되는 1.2로 고정된다. 도 5의 실선은 실린더 내의 연소의 과잉 공기비가 λ - 1.2로 고정되었을 때 3원 촉매(5)에 의해 생성된 NH3의 양을 나타내고 있다. 이 경우에, 촉매(5)에서 생성된 NH3의 양은 도 3의 실선과 유사한 방식으로 변화하게 되며, 촉매(5)로 흘러 들어가는 배기 가스 중의 과잉 공기비가 0.95 보다 작아지게 되는 경우, 상당량의 NH3가 3원 촉매(5)에 의해 생성되게 된다.
또한, 추가 연료 분사가 수행되는 경우에, 추가 연료 분사에 의해 분사된 연료의 열분해에 기인하여 작은 분자량의 탄화 수소의 양이 증가한다. 작은 분자량(경량)의 탄화 수소는 중량 탄화 수소에 비해서 더 높은 활동도를 가지고 있고, 3원 촉매 상에서 수성 가스 반응에 의해 즉각적으로 CO 및 H2를 생성한다. 상술한 바와 같이, CO 및 H2는 NOX를 NH3로 전환하는 데 필요하다. 따라서, CO 및 H2의 양 또한추가 연료 분사에 의해 증가하기 때문에, 3원 촉매에서 생성되는 NH3의 양도 추가 연료 분사에 의해 증가하게 된다. 또한, 배기 가스 중의 경량 탄화 수소, CO 및 H2가 NOX흡수 환원 촉매와 NH3흡착 탈질산 촉매 상에서 스스로에 의해서 NOX를 환원할 수 있다. 따라서, 추가 연료 분사에 의해 생성된 경량 탄화 수소, CO 및 H2는 상술한 성분이 3원 촉매에서 NH3로 전환되지 않는다고 하더라도 NOX흡수 환원 촉매와 NH3흡착 탈질산 촉매에서 NOX를 환원하는 데 사용된다.
도 1의 실시예에서, 실린더 내의 연소의 과잉 공기비는 농후 스파이크 작용에서 λ1.2로 설정되고, 3원 촉매(5)로 흘러 들어오는 배기 가스의 과잉 공기비는 3원 촉매(5)에 의해 생성되는 NH3의 양을 최대로 증가시키기 위해서 추가 연료 분사에 의해 λ0.95로 조정된다.
도 6은 본 실시예의 배기 가스 정화 작용을 설명하기 위한 플로우차트이다. 상기 작용은 소정의 간격으로 제어 회로(30)에 의해서 실행되는 루틴(routine)에 의해 수행된다.
도 6의, 단계(601)에서, 희박 작용 플래그(FL)의 값이 1로 설정되었는지를 결정한다. 희박 작용 플래그(FL)의 값은 농후 스파이크 작용( 및 추가 연료 분사)이 수행되는지를 나타내는 것으로, FL = 1은 농후 스파이크 작용이 수행되어서는 안된다는 것을 의미한다. 단계(601)에서 FL = 1인 경우, 이는 배기 가스의 과잉 공기비가 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 실린더 내의 연소의 것과 동일하다는 것을 의미한다. 플래그(FL)의 값은 후술하는 바와 같이 단계(609 및 617)에서 설정된다.
단계(601)에서 FL = 1인 경우, NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수되고 저장된 NOX의 양(FNOX)을 계산하는 단계(603 및 605)가 수행된다.
본 실시예에서, 단위 시간당 기관(1)에 의해 생성된 NOX의 양(ANOX)는 실제로는 다양한 내연 기관 부하 조건(예를 들면, 공기 흡입량(Q), 내연 기관 속도(N) 등)하에서 실제 내연 기관을 작동시켜서 미리 측정해 두며, 생성된 NOX의 측정된 양은 내연 기관의 공기 흡입량(Q)과 속도(N)를 매개 변수로 하여 수치 테이블의 형태로 ECU(30)의 롬(ROM)에 저장한다. 단계(603)에서, 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성된 NOX의 양(ANOX)는 Q와 N에 기초한 상기 수치 테이블로부터 결정된다. ANOX를 측정하는데 필요한 단위 시간은, 예를 들어, 도 6의 작용을 수행하는데 필요한 루틴의 실행 간격과 동일한 시간으로 설정한다. 단계(605)에서, NOX흡수 환원 촉매에 저장된 NOX의 양(FNOX)는 ANOX의 값을 더함으로써 얻어진다. 단위 시간당 NOX흡수 환원 촉매에 흡수된 NOX의 양은 단위 시간당 촉매로 흘러 들어가는 NOX의 양(즉, ANOX)에 비례한다. FNOX가 ANOX의 합이기 때문에, FNOX의 값은 NOX흡수 환원 촉매에 저장된 NOX의 양을 나타낸다.
FNOX의 양을 계산한 이후에, FNOX의 양, 즉 NOX흡수 환원 촉매(7)에 저장된 NOX의 양이 소정의 값(FNOX0)에 도달했는지를 결정한다. NOX흡수 환원 촉매의 배기가스 중의 NOX를 흡수하는 능력이 감소하기 시작하는 지점에서 흡수된 NOX의 양에 대응하는 값(FNOX0)은, 본 실시예에서, NOX흡수 환원 촉매가 저장할 수 있는 최대 NOX양의 대략 70 % 정도의 값(즉, 포화량의 약 70 % 정도)으로 설정된다. 단계(607)에서 FNOX < FNOX0인 경우에는, NOX흡수 환원 촉매가 여전히 배기 가스 중의 NOX를 흡수하기에 충분한 용량을 가지고 있기 때문에, 작용은 즉각적으로 종료, 즉 내연 기관의 희박 공연비 작용이 시작된다.
그러나, 단계(607)에서 FNOX ≥ FNOX0인 경우에는, 흡수된 NOX의 증가에 따라서 NOX흡수 환원 촉매의 능력이 감소하기 시작하기 때문에, 단계(609)는 희박 작용 플래그(FL)의 값을 0으로 재설정하고, 단계(611)는 농후 스파이크 작용을 수행하기에 필요한 주기의 길이를 나타내는 카운터 값(CT)을 결정하게 된다.
카운터 값(CT), 즉 농후 스파이크 작용을 수행하는 데 필요한 주기의 길이는 농후 스파이크 작용 중에 추가 연료 분사에 의해 생성된 NH3, HC 및 CO의 총량이 NOX흡수 환원 촉매(7)에 저장된 NOX의 양을 환원하기에 충분할 정도로 크도록 설정된다. 농후 스파이크 작용이 시작될 때의 NOX의 양이 고정값(예를 들어, 포화량의 약 70 %)이기는 하지만, 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성되는 NOX및 HC, CO의 양은 농후 스파이크 작용 중에 기관의 운전 조건(공기 흡입량(Q) 및 내연 기관 속도(N))에 따라서 변화하게 된다. 따라서, 단위 시간당 3원 촉매(5)에서 생성된 NH3의 양 또한 내연 기관의 운전 조건에 따라서 변화하게 된다. 그러므로, 본 실시예에서, 농후 스파이크 작용을 수행하는데 필요한 주기의 길이를 내연 기관의 운전 조건에 따라서 변화시켜 NOX흡수 환원 촉매(7)에 저장된 모든 NOX를 환원시키기에 충분한 양의 NH3가 농후 스파이크 작용 중에 생성되게 된다. 예를 들어, 본 실시예에서 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성된 NOX의 양이 작은 경우에, 농후 스파이크 작용(추가 연료 분사)에 필요한 주기의 길이는 더욱 길게 설정되어야 하며, 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성된 NOX의 양이 많다면, 주기의 길이는 더욱 짧게 설정되어야 한다.
본 실시예에서, 카운터(FNOX)의 값(FNOX0)에 상응하는 NOX의 양을 환원시키는데 필요한 NH3의 양은 미리 측정되며, NH3전환 수단 상에 상기 NH3의 양을 생성하는 데 필요한 시간은 다양한 부하 조건하에서 내연 기관을 작동시켜서 측정한다. 값(FNOX0)에 상응하는 NOX의 양을 환원시키는데 필요한 NH3의 양을 생성하는데 요구되는 측정된 시간은 Q와 N을 매개 변수로 하여 수치 테이블의 형태로 제어 회로(30)의 ROM에 저장된다. 단계(611)에서 상기 수치 테이블을 사용하여 Q와 N에서 소요 시간(CT)이 결정된다.
희박 작용 플래그(FL)의 값이 0으로 설정되는 경우(단계(609)), 단계(613)는 다음 작용이 수행될 때 단계(601) 이후에 수행된다. 단계(613 내지 619)에서, 카운터 값(CT)은 작용이 단계(615)에서 수행될 때마다만큼 감소된다(는 작용의실행 간격이다). 시간(CT)이 경과하게 되면, 즉, CT 값이 단계(613)에서 0 보다 작게 되면, 희박 작용 플래그(FL)는 단계(617)에서 1로 설정된다. 또한, NOX흡수 환원 촉매(7)에 저장된 NOX의 양을 나타내는 카운터(FNOX)는 단계(619)에서 0을 재설정된다. 도 6의 작용에 의해서, 농후 스파이크 작용은 기관의 운전 조건에 의해 결정되는 시간 주기(CT) 동안 수행된다. 농후 스파이크 작용 중에, 추가 연료 분사는 배기 가스의 공연비를 농후 공연비로 조정하기 위해서 수행된다. 따라서, 배기 가스는 농후 공연비이고 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 다량의 NOX를 포함하며, 이에 따라, 3원 촉매(5)에서 다량의 NH3가 생성되게 된다. 그러므로, 다량의 NH3를 포함하는 3원 촉매(5)를 통해서 흘러가는 배기 가스는 NOX흡수 환원 촉매(7)로 공급되며, NOX흡수 환원 촉매(7)에서 방출된 NOX는 배기 가스 중의 NH3와 반응하여 환원된다.
소정 시간(CT)이 경과하는 경우에는, 희박 작용 플래그(FL)는 1로 설정되며(단계(617)), 내연 기관의 희박 공연비 작동이 다시 시작된다. 따라서, NOX흡수 환원 촉매(7)는, 흡수한 모든 NOX를 방출하고 환원한 이후에, 다시 배기 가스 중의 NOX를 흡수하기 시작한다.
도 7은 본 실시예의 연료 분사 제어 작용을 설명하는 플로우차트이다. 상기 작용은 내연 기관(1)의 크랭크축의 소정 회전각에서 제어 회로(30)에 의해 실행되는 루틴에 의해 수행된다.
도 7의, 단계(701)에서, 희박 작용 플래그(FL)의 값이 1로 설정되었는지를 결정한다. 연료 분사는 플래그(FL)의 값에 따라서 단계(703 내지 715)에서 수행된다.
단계(701)에서 FL = 1인 경우, 즉 농후 스파이크 작용이 수행되지 않았을 때는, 각 실린더의 연소의 과잉 공기비(λB)는 단계(703)에서 λLL로 설정된다. λLL은 연소에 의해 생성된 NOX의 양이 작아질 때의 연소의 과잉 공기비이며, 본 실시예에서 λLL은 1.4 정도에 설정된다. 단계(701)에서 FL1, 즉 농후 스파이크 작용이 수행되는 경우라면, 각 실린더의 λB는 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최대가 되는(λ1.2) 값(λL)으로 설정된다.
각 실린더의 과잉 공기비(λB)가 단계(703) 또는 단계(705) 중의 하나에서 설정되는 경우라면, λB로 연소의 과잉 공기비를 설정하기에 필요한 연료 분사량은 제어 회로(30)에 의해 수행되는 연료 분사량 계산 작용(도시하지 않음)에 의해 계산된다. 본 실시예에서, 소정의 연료 분사량은 예를 들어, 내연 기관의 단위 회전당 공기 흡입량(Q/N)에 기초하여 계산된다.
이어서, 단계(707)에서, 실린더 중 하나가 초기 연료 분사 타이밍인지 아닌지를 결정한다. 실린더 중 하나가 초기 연료 분사 타이밍이라면, 초기 연료 분사가 그 실린더에서 수행된다. 따라서, 과잉 공기비(λB)의 연소가 실린더에서 수행된다. 실린더 중 어느 하나도 초기 연료 분사 타이밍이 아니라면, 단계(711)에서플래그(FL)의 값에 기초하여 추가 연료 분사가 필요한지 아닌지를 결정한다. 단계(711)에서 FL1이라면, 이는 추가 연료 분사가 필요하다는 것이기 때문에, 단계(713)로 진행하여 실린더 중 하나의 추가 연료 분사에 적합한 타이밍인지를 결정한다. 실린더 중 하나의 추가 연료 분사 타이밍이라면, 단계(715)에서 추가 연료 분사가 그 실린더에서 수행된다. 추가 연료 분사의 양은 제어 회로(30)에 의해 수행되는 작용에 의해 결정되어 실린더를 벗어나는 배기 가스의 과잉 공기비는 3원 촉매(5)에 의해 NH3의 생성비가 최대가 되는 값(λA, 예를 들어 λA= 0.95)으로 된다.
상술한 바와 같이, 도 6 및 도 7에서의 작용에서, NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수되는 NOX의 양이 소정값에 도달하는 매순간마다 추가 연료 분사를 각 실린더 내에서 수행하여, NOX흡수 환원 촉매에서 NOX를 방출하고 이를 환원하도록 한다. 추가 연료 분사를 수행하는데 필요한 주기의 길이는 예를 들어 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성되는 NOX의 양과 같은 내연 기관의 운전 조건에 따라서 결정된다.
또한, 3원 촉매(5)에 의해 생성된 NH3의 총량, 즉 NOX흡수 환원 촉매(7)로 공급되는 NH3의 총량은 추가 연료 분사를 수행하는데 필요한 주기의 길이를 조정함으로써 제어되며, NOX흡수 환원 촉매로 공급되는 NH3의 총량은 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 배기 가스의 공연비를 조정함으로써 제어할 수도 있다. 즉, 도 5에서 명백한 바와 같이, 3원 촉매(5)에서의 NH3의 생성비는 배기 가스의 과잉 공기비를 λ= 0.95 내지 1.0 사이의 범위 내로 변화시켜서 0과 그 최대값 사이에서 변화시킬 수 있다. 단위 시간당 3원 촉매(5)에 의해 생성되는 NH3의 양이 배기 가스의 과잉 공기비에 따라서 변화하기 때문에, 3원 촉매(5)에 의해 생성되는 NH3의 총량은 추가연료 분사를 수행하는데 필요한 주기의 길이를 변화시키지 않고도 배기 가스의 과잉 공기비를 변화시켜 조정할 수 있다. 이 경우에, 예를 들어, CT의 값은 도 6의 단계(611)에서 일정하게 설정된다. 또한, NOX흡수 환원 촉매에 흡수된 NOX의 양을 환원시키는데 필요한 NH3의 양과 고정 시간(CT)에 기초하여 소정의 NH3생성비를 계산한다. 추가 연료 분사량은 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 배기 가스의 과잉 공기비(λB)가 소정의 NH3생성비가 가능한 값이 되는 방식으로 결정된다.
본 실시예에서, 3원 촉매(5), NOX흡수 환원 촉매(7) 및 NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 이 순서대로 배기 가스 통로(4)의 상류측 단부에 배치된다. 상기 배치에서, NOX흡수 환원 촉매(7)는 주로 배기 가스 중의 NOX를 정화하고, NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 NOX흡수 환원 촉매(7)를 통해서 통과하는 작은 양의 NOX만을 정화할 뿐이다. 그러나, NOX흡수 환원 촉매(7) 및 NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 위치는 상호 교환될 수 있다. 즉, 3원 촉매(5), NH3흡착 탈질산 촉매(9) 및 NOX흡수 환원 촉매(7)는 도 8에서 명백한 바와 같이 이 순서대로 배기 가스 통로(4)의 상류측 단부에 배치될 수도 있다. 이 경우에, NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 주로 배기 가스 중의 NOX를 정화한다. 정상 운전 중에는(즉, 농후 스파이크 작용이 수행되지 않았을 때), 3원 촉매(5)로 흘러 들어가는 배기 가스의 공연비가 희박하기 때문에, NH3는 3원 촉매(5)에서 생성되지 않는다. 따라서 NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 흡착하고 저장한 NH3를 사용하여 정상 운전 중에 배기 가스 중의 NOX를 정화한다. 그러므로, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장된 NH3의 양은 내연 기관의 정상 운전 중에는 감소하게 된다. 또한, NOX흡수 환원 촉매(7)는 정상 운전 중에 환원되지 않고 NH3흡착 탈질산 촉매(9)를 통해서 통과하는 NOX를 흡수한다. 그러므로, NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX의 양은 정상 운전 중에는 점차적으로 증가하게 된다. 따라서, 이 경우에, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장된 NH3의 양이 소정값 이하로 감소하는 경우에 농후 스파이크 작용이 수행된다. 농후 스파이크 작용이 수행되는 경우, 3원 촉매에서 NH3가 생성되며 농후 공연비이고 NH3를 포함하는 배기 가스는 NH3흡착 탈질산 촉매(9)로 흘러 들어가게 된다. 이는 NH3흡착 탈질산 촉매(9)가 배기 가스 중의 NH3를 흡착하도록 한다. 또한, 잉여 NH3를 포함하는 농후 공연비의 배기 가스는 NOX흡수 환원 촉매(7)의 하류측으로 흘러 들어가며, NOX흡수 환원 촉매에 흡수된 NOX는 방출되고 NH3를 포함하는 농후 공연비의 배기 가스에 의해 환원된다. 도 8의 실시예의 배기 가스 정화 작용의 상세한 부분에 대해서는 도 11을 사용하여 후술하기 한다.
도 9는 도 1과 유사한 도면으로 본 발명의 다른 실시예의 일반적인 구조를 도시하고 있다. 도 9의 배치는 도 1의 것과는, 도 1의 NH3흡착 탈질산 촉매(9)가 도 9에서는 제거되어 있다는 점에서 차이를 나타낸다. 즉, 단지 3원 촉매(5) 및 NOX흡수 환원 촉매(7) 만이 이 순서대로 도 9의 배기 가스 통로(4)의 상류측 단부에 배치되어 있을 뿐이다. 도 1의 실시예에서의 NH3흡착 탈질산 촉매(9)가 단지 배기 가스 중의 NOX를 정화하는 데 부수적으로만 작용했기 때문에, NOX정화의 효율은 NH3흡착 탈질산 촉매(9)가 제거된다고 하더라도 크게 저하되지는 않았다. 따라서, 도 9에서 명백한 바와 같이 단지 3원 촉매(5)와 NOX흡수 환원 촉매(7) 만을 사용함으로써 배기 가스 정화 장치를 크게 간소화할 수 있다. 도 9의 배기 가스 정화 작용은 도 6 및 도 7에서의 것과 동일하다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예를 도 10을 참조하여 설명하기로 한다. 도 10에서 명백한 바와 같이, NOX흡수 환원 촉매(7)는 본 실시예에서 제공되지 않았으며, 단지 3원 촉매(5)와 NH3흡착 탈질산 촉매(9) 만이 이 순서대로 배기 가스 통로(4)의 상류측 단부에 배치된다.
상술한 바와 같이, NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 NH3를 사용하여 NOX를 반응시켜서 배기 가스 중의 NOX를 환원시킬 수 있다. 또한, NH3흡착 탈질산 촉매가 NOX의환원에 사용되지 않는 배기 가스 중의 NH3를 흡착하고 저장할 수 있기 때문에, NH3흡착 탈질산 촉매는 또한 배기 가스 중에 NH3가 포함되지 않았다고 하더라도 흡착 저장한 NH3를 사용하여 NOX를 환원시킬 수 있다. 본 실시예에서, 농후 스파이크 작용은 3원 촉매(5)에서 NH3를 생성하기 위해서 및 NH3흡착 탈질산 촉매(9)가 NH3를 흡착하고 저장하도록 하기 위해서 수행된다. NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 정상 운전 중에 저장한 NH3를 사용하여 희박 공연비의 배기 가스 중의 NOX를 환원시킨다. 따라서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장된 NH3는 배기 가스 중의 NOX를 환원시키는데 사용되며 정상 운전 중에는 감소하게 된다. 따라서, 저장된 모든 NH3를 소모하기 전에 NH3로 NH3흡착 탈질산 촉매(9)를 보충할 필요가 있다.
본 실시예의 배기 가스 정화 작용에서, 내연 기관의 정상 운전 중에 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장되는 NH3의 양을 추정한다. NH3흡착 탈질산 촉매에 저장된 NH3의 양이 소정값까지 감소하게 되는 경우에는, NH3흡착 탈질산 촉매에 NH3를 보충하기 위해서 농후 스파이크 작용을 수행한다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 배기 가스 중의 NOX를 환원시키기 위해서 필요한 NH3의 부족은 더 이상 발생하지 않게 된다.
도 11은 본 실시예의 배기 가스의 정화 작용을 설명하는 플로우차트이다. 본 작용은 소정의 간격으로 제어 회로(30)에 의해 실행되는 루틴에 의해 수행된다.
도 11의 작용에서는, 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성되는 NOX의 양(ANOX)에 근거하여 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장된 NH3(INH3)의 양을 추정한다. 또한, INH3가 하한값(I0)까지 감소하게 되면, NH3흡착 탈질산 촉매에 저장된 NH3의 양을 포화량(IFUL)에 가까운 값까지 증가시키기 위해서 농후 스파이크 작용을 수행한다.
도 11의, 단계(1101)에서, 희박 작용 플래그(FL)가 1로 설정되었는지를 결정한다. FL = 1인 경우에는, 내연 기관의 희박 공연비 작용이 계속되며, 단계(1103)에서 공기 흡입량(Q)과 내연 기관의 속도(N)에 기초하여 ANOX(단위 시간당 내연 기관에 의해 생성된 NOX의 양)를 계산한다. 단계(1101 및 1103)는 도 6의 단계(601 및 603)과 동일한 작용이다. 단계(1105)에서, INH3(NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장된 NH3의 양)은 INH3= INH3- K × ANOX에 의해 계산된다. 희박 공연비 작용 중에, NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 촉매(9)에 저장된 NH3를 사용하여 배기 가스 중의 NOX를 환원한다. 따라서, 단위 시간당 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NH3의 감소는 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성되는 NOX의 양에 비례하게 된다. 그러므로, 단위 시간당 내연 기관에 의해 NOX의 양(ANOX)이 생성된다면, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지된(저장된) NOX의 양은 단위 시간당 K ×ANOX(여기에서, K는 상수)만큼 감소하게 된다. 따라서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NOX의 양은 단계(1105)에서값(INH3)에서 K ×ANOX를 빼서 얻을 수 있다.
단계(1107)에서, 단계(1105)에서 계산된 INH3의 양이 소정값(I0)까지 감소되었는지를 결정한다. 값(I0)은, 예를 들어, NH3흡착 탈질산 촉매가 유지할 수 있는 최대 NH3값의 20 내지 30 %(즉, 포화량의 20 내지 30 %)로 설정된다. 단계(1107)에서 INH3> I0인 경우라면, 내연 기관의 희박 공연비 작동을 계속하게 된다. 그러나, 단계(1107)에서 INH3< I0인 경우라면, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 NH3를 공급하기 위해서 내연 기관의 농후 스파이크 작용을 수행한다.
이 경우에, 희박 작용 플래그(FL)는 단계(1109)에서 0으로 설정되며, 추가 연료 분사를 수행하는데 필요한 주기의 길이(CTH)는 단계(1111)에서 내연 기관(1)의 공기 흡입량(Q)과 속도(N)에 기초하여 결정된다. 도 6에서 설명한 바와 같이, 농후 스파이크 작용 중에 단위 시간당 3원 촉매(5)에 의해서 생성되는 NH3의 양은 내연 기관의 운전 조건(즉, 단위 시간당 기간에 의해 생성되는 NOX의 양)에 따라 변화한다. 또한, 본 실시예에서, 농후 스파이크 작용 중에 하한값(I0)에서 최대값 (IFUL)까지 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장되는 NH3를 증가시키기에 충분한 양의 NOX를 공급할 필요가 있다. 따라서, 추가 연료 분사를 수행하는데 필요한 주기의 길이(CTH)는 단위 시간당 생성되는 NOX의 양에 근거하여 결정된다. 주기(CTH)는 I0에서 IFUL까지 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장되는 NH3의 양을 증가시키는데 충분한시간이다. CTH의 값은 공기 흡입량(Q) 및 속도(N) 등의 다양한 조건하에서 실제 내연 기관을 작동시켜 미리 측정해두며, Q와 N을 매개 변수로 하여 수치 테이블의 형태로 제어 회로(30)의 ROM에 저장된다. 단계(1111)에서, CTH는 수치 테이블에 기초한 공기 흡입량(Q)와 속도(N)에서 결정된다.
단계(1109)에서 희박 작용 플래그(FL)가 0으로 설정되면, 단계(1113)는 다음 작용이 수행될 때 단계(1101) 다음에 실행되며, 추가 연료 분사는 주기(CTH) 만큼 수행된다. 시간(CTH)가 경과되면(단계(1113)), 희박 작용 플래그(FL)는 1로 설정(단계(1117))되어 추가 연료 분사를 중지하며, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장된 NH3의 양을 나타내는 카운터값(INH3)은 IFUL로 설정된다(단계(1119)). 본 실시예에서 희박 작용 플래그(FL)의 값에 따라서 초기 연료 분사 및/또는 추가 연료 분사를 수행하기 위해서 도 7의 연료 분사 작용도 수행된다.
상술한 바와 같이, 도 11 및 도 7의 작용에서, 각 실린더에서의 추가 연료 분사는 도 7의 연료 분사 작용은, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장된 NH3의 양이 소정값까지 감소하게 될 때 수행되며, NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 NH3의 양을 포화량 부근의 값까지 증가시킨다. 또한, 추가 연료 분사를 수행하는데 필요한 주기는 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성되는 NOX의 양과 같은 내연 기관의 운전 조건에 따라 결정된다.
또한, 상술한 바와 같이, 도 11 및 도 7의 작용은 도 8의 실시예에서도 마찬가지로 수행된다. 추가 연료 분사량을, 추가 연료 분사를 수행하는데 필요한 주기의 길이(CTH) 대신에 도 10의 실시예에서의 내연 기관의 운전 조건에 따라 조정할 수도 있다.
다음으로, 도 1 및 도 8 내지 도 10에서의 실시예와는 다른 실시예를 도 12 내지 도 22를 참조하여 설명하기로 한다. 도 1 및 도 8 내지 도 10의 실시예에서, 전체 실린더에서의 배기 가스는 NH3전환 수단으로 작용하는 3원 촉매(5)를 통해서 흐른다. 그러나, 후술하는 실시예에서, 단지 일부의 실린더에서의 배기 가스가 NH3전환 수단을 통해서 흐른다.
먼저, 도 12의 실시예에서 대해서 설명하기로 한다.
도 12에서 명백한 바와 같이, 내연 기관(1)의 1번 실린더는 배기 가스 통로 (143)를 통해서 3원 촉매(5)에 직접 연결되어 있으며, 2번 내지 4번 실린더는 배기 매니폴드(131)를 통해서 NOX흡수 환원 촉매(7)에 연결되어 있다. 3원 촉매(5)와 NOX흡수 환원 촉매(7)는 각각의 하류측의 배기 가스 통로(142 및 141)를 통해서 공통 배기 가스 통로(4)에 연결되어 있다. NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 공통 배기 가스 통로(4)에 배치되어 있다. 즉, 3원 촉매(5)에 의해 생성되는 NH3는 본 실시예에서 단지 NH3흡착 탈질산 촉매(9)로만 공급된다. 또한, 본 실시예에서 추가 연료 분사는 정상 운전 중에 1번 실린더에서 수행될 뿐만 아니라 내연 기관의 농후 스파이크 작용 중에도 수행된다.
본 실시예에서의 배기 가스 정화 작용에 대해서 이제 설명하기로 한다.
정상 운전 중에, 2번 내지 4번 실린더는 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최소가 되는(예를 들어, 과잉 공기비가 약 1.4) 과잉 공기비에서 작동된다. 따라서, 2번 내지 4번 실린더의 NOX흡수 환원 촉매(7)로 흘러 들어가는 배기 가스의 공연비는 정상 운전 중에는 희박하다. 그러므로, 정상 운전 중에 2번 내지 4번 실린더에서 생성되는 NOX는 NOX흡수 환원 촉매(7)에 의해 흡수되고 배기 가스에서 제거된다.
한편, 본 실시예에서 1번 실린더는 항상 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최대가 되는(예를 들어, 과잉 공기비가 1.2) 과잉 공기비에서 작동된다. 또한, 추가 연료 분사는 항상 1번 실린더에서 수행되어 1번 실린더에서의 배기 가스의 과잉 공기비를 3원 촉매(5)에 의해 생성되는 NH3의 생성비가 최대가 되는(예를 들어, 과잉 공기비가 0.95) 값으로 조정한다. 그러므로, 1번 실린더에서의 배기 가스 중의 NOX의 일부가 3원 촉매(5)에서 환원되며, 남아있는 NOX의 일부는 NH3로 전환된다. 즉, 상대적으로 다량의 NH3가 3원 촉매(5)에서 생성된다.
NOX흡수 환원 촉매(7)에서의 배기 가스 및 3원 촉매(5)에서의 배기 가스는 배기 가스 통로(141 및 142)를 통해서 공통 배기 가스 통로(4)로 흘러 들어가가며, 통로(4)에서 서로 혼합된다. NOX흡수 환원 촉매(7)에서의 배기 가스는 희박 공연비 상태(과잉 공기비는 약 1.4)이고, NOX흡수 환원 촉매(7)를 통해서 통과하는 매우작은 양의 NOX를 포함한다. 3원 촉매(5)에서의 배기 가스는 농후 공연비 상태(과잉 공기비는 약 0.95)이며, 상당량의 NH3를 포함한다. 상기한 배기 가스가 서로 혼합되면, 희박 공연비 상태(과잉 공기비는 1.3)이고 매우 적은 양의 NOX와 다량의 NH3를 포함하는 배기 가스가 형성된다. 이와 같은 배기 가스가 공통 배기 가스 통로(4)의 NH3흡착 탈질산 촉매(9)로 흘러 들어가게 되면, 배기 가스 중의 모든 NOX는 NH3흡착 탈질산 촉매에서 NH3와의 반응에 의해 환원되며, 잉여 NH3의 일부(즉, NOX를 환원하는데 사용되지 못한 NH3)는 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 의해 흡착된다. 또한, NH3흡착 탈질산 촉매(9)로 흘러 들어가는 배기 가스의 공연비가 희박하기 때문에, 남아 있는 NH3는 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에서 정화되며, 이에 의해서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)를 통해서 흐르는 배기 가스는 NOX또는 NH3의 어느 것도 포함하지 않는다.
그러나, 특정 주기 동안 정상 운전이 계속되는 경우에는, NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX의 양은 증가하게 된다. 따라서, NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX의 양이 소정값까지 증가하게 되면, 상술한 실시예에서와 유사한 농후 스파이크 작용이 2번 실린더 내지 4번 실린더에서 수행되어 NOX흡수 환원 촉매(7)에서 NOX를 방출시키게 된다.
도 13은 본 실시예의 배기 가스 정화 작용을 설명하는 플로우차트이다. 본작용은 소정의 간격으로 제어 회로(30)에 의해 실행되는 루틴에 의해 수행된다.
도 13의 플로우차트는 실질적으로 도 6의 플로우차트와 동일하다. 그러나, 도 13에서, 단계(1301, 1309 및 1307)의 FL2는 2번 내지 4번 실린더에서 농후 스파이크 작용이 필요한지 아닌지를 나타내는 플래그이며, FL2 = 1은 농후 스파이크 작용이 필요하지 않다는 점을 나타낸다. 또한, 단계(1311 및 1313)에서의 CT2는 농후 스파이크 작용을 수행하는데 필요한 주기의 길이를 결정하기 위한 카운터이다. 도 6의 CT와 유사하게도, CT2의 값은 단계(1311)에서 내연 기관의 운전 조건에 따라 결정된다. CT2의 값은 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 양(FNOX0)의 NOX를 환원하는데 충분한 시간에 대응하며, CT와 유사하게 실험에 기초하여 결정된다. CT값은 내연 기관의 공기 흡입량(Q)과 속도(N)를 매개 변수로 사용하여 수치 테이블의 형태로 제어 회로(30)의 ROM에 저장된다. 도 13의 작용에서, 농후 스파이크 작용은 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수되는 NOX의 양이 값(FNOX0)에 도달하는 매순간 마다 내연 기관의 운전 조건에 의해 결정되는 주기(CT2) 동안 2번 내지 4번 실린더에서 수행된다. 따라서 NOX는 NOX흡수 환원 촉매(7)의 NOX이 양이 값(FNOX0)에 도달하는 매순간마다 방출되고 환원된다.
도 14는 도 7과 유사한 플로우차트이며, 본 실시예에서의 연료 분사 작용을 설명한다. 본 작용은 내연 기관(1)의 크랭크축의 소정 회전각에서 제어 회로(30)에 의해 실행되는 루틴에 의해 수행된다.
도 14의, 단계(1401)에서, 1번 실린더의 연소의 과잉 공기비(λB: 초기 연료분사에 의해 얻어진 공기 연료 혼합물의 과잉 공기비)는 λL로 설정되며, 1번 실린더를 벗어나는 배기 가스의 과잉 공기비(λ1A: 추가 연료 분사 이후 배기 가스의 과잉 공기비)는 λR로 각각 설정된다. λL은 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최대가 되는 과잉 공기비(예를 들어, λL 1.2)이며, λR은 3원 촉매(5)에 의해 생성되는 NH3의 양이 최대가 되는 과잉 공기비(예를 들어, λR 0.95)이다. 또한, 단계 (1401)에서, 2번 내지 4번 실린더의 과잉 공기비(λ2B및 λ2A)는 각각 λLL및 λRR로 설정된다. λ2B는 2번 내지 4번 실린더의 연소의 과잉 공기비이며, λLL은 연소에 의해 생성되는 NOX가 최소가 되는 과잉 공기비(예를 들어, λLL 1.4)이다. λ2A는 2번 내지 4번 실린더를 벗어나는 배기 가스의 과잉 공기비이고, λRR은 NOX흡수 환원 촉매(7)에서 NOX를 방출하는데 필요한 과잉 공기비이다. 본 실시예에서, λRR은 1.0 보다 낮은 적절한 값으로 설정된다(λRR< 1.0).
단계(1401)에서 실린더의 과잉 공기비를 설정한 이후에는, 1번 실린더의 초기 연료 분사 타이밍인지(단계(1403))와, 1번 실린더의 추가 연료 분사 타이밍인지 (단계(1407))를 결정한다. 1번 실린더의 초기 연료 분사 또는 추가 연료 분사 타이밍이라면, 각각 단계(1403 및 1409)에서 초기 연료 분사 및 추가 연료 분사를 수행한다. 단계(1403 내지 1409)를 실행함으로써, 1번 실린더의 초기 연료 분사는 1번실린더의 연소의 과잉 공기비가 항상 λL로 유지하도록 수행되며, 1번 실린더의 추가 연료 분사는 1번 실린더를 벗어나는 배기 가스의 과잉 공기비가 항상 0.95로 유지되도록 수행된다.
단계(1411 내지 1419)에서, 2번 내지 4번 실린더의 초기 연료 분사 및 추가 연료 분사는 단계(1403 내지 1409)와 유사한 방식으로 수행된다. 그러나, 2번 내지 4번 실린더의 추가 연료 분사는 단지 플래그(FL2)가 0으로 설정된 경우에만 수행된다. 단계(1411 내지 1419)를 실행함에 의해서, 2번 내지 4번 실린더의 연소의 과잉 공기비는 항상 연소에 의해 생성되는 NOX가 작아지게 되는 λLL로 유지되고, 농후 스파이크 작용이 수행되는 경우에는 2번 내지 4번 실린더를 벗어나는 배기 가스의 과잉 공기비는 추가 연료 분사에 의해 λRR로 조정된다.
도 12의 실시예에서 배기 가스 통로(141)에 NOX흡수 환원 촉매(7)가 배치되어 있기는 하지만, NOX흡수 환원 촉매(7)는 NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 상류측의 공통 배기 가스 통로(4)에 배치되어도 좋다. 도 13 및 도 14에서와 동일한 배기 가스 정화 작용이 이 경우에서도 수행될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 대해서 도 15를 참조로 하여 설명하기로 한다.
도 15의 실시예는 도 12의 실시예와 유사하지만, NOX흡수 환원 촉매(7)가 NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 하류측의 공통 배기 가스 통로(4)에 배치되어 있다는 점에서 차이가 있다. 즉, 본 실시예에서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 주로 배기 가스 중의 NOX를 정화하며, NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 하류측의 NOX흡수 환원 촉매(7)는 단지 환원되지 못하고 NH3흡착 탈질산 촉매(9)를 통해서 통과하는 작은 양의 NOX만을 정화한다.
본 실시예에서, 1번 실린더의 추가 연료 분사는 항상 3원 촉매(5)에서 다량의 NH3를 생성하도록 수행된다. 3원 촉매(5)를 통해서 흐르는 배기 가스는 2번 내지 4번 실린더에서의 희박 공연비의 배기 가스와 혼합되고, 전체적으로 보아 희박 공연비의 배기 가스를 형성한다. NH3를 포함하는 상기 희박 공연비의 배기 가스가 NH3흡착 탈질산 촉매(9)로 흘러 들어가게 되면, 배기 가스 중의 NOX는 NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 NH3와 반응하여 N2로 환원된다. 이 경우에, 매우 작은 양의 NOX가 환원되지 못하고 NH3흡착 탈질산 촉매(9)를 통해서 통과한다. 그러나, NOX가 NH3흡착 탈질산 촉매(9)를 통해서 통과한다고 하더라도, 촉매(9)를 통해서 통과하는 NOX는 촉매(9)의 하류측의 NOX흡수 환원 촉매(7)에 의해 흡수되며 배기 가스에서 제거된다. 도 12의 실시예에서와 유사하게도, 본 실시예에서 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX의 양이 소정값에 도달할 때 농후 스파이크 작용을 2번 내지 4번 실린더에서 수행하여, NOX흡수 환원 촉매(7)가 흡수한 NOX로 인해서 포화되는 것을 방지한다.
본 실시예의 배기 가스 정화 작용은 도 13 및 도 14의 것과 동일하며, 상세한 설명은 생략하기로 한다. 그러나, 도 13의 단계(1303 및 1305)에서의 ANOX는 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성되는 전체 NOX의 양 대신에 단위 시간당 환원되지 않고 NH3흡착 탈질산 촉매(9)를 통해서 통과하고, NOX흡수 환원 촉매(7)로 흘러 들어가는 NOX의 양을 나타낸다. 따라서, 본 실시예에서의 ANOX의 값은 도 12에서의 실시예에서 사용된 값보다 훨씬 작다. ANOX의 값은 적합하게는 본 실시예에서도 실험에 기초하여 결정된다.
다음으로, 도 16을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
도 16의 실시예는 도 15의 것과 유사한 배치를 가지지만, 도 15에서의 NOX흡수 환원 촉매(7)가 생략된 것이 차이점이다.
본 실시예에서는, 후술하는 두 가지 형태의 배기 가스 정화 작용 중 어느 것이라도 수행된다.
배기 가스 정화 작용의 제 1 형태는 항상 추가 연료 분사를 1번 실린더에서 수행하여 3원 촉매(5)에서 NH3를 생성하도록 하며, 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 작아지는 과잉 공기비로 2번 내지 4번 실린더를 작동시킨다. 배기 가스 정화 작용의 제 1 형태에서는, 따라서 NOX와 NH3의 양자를 포함하는 희박 공연비의 배기 가스는 항상 NH3흡착 탈질산 촉매(9)로 공급되며, NOX는 NH3와의 반응에 의해 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에서 환원된다. 이 경우에, 1번 실린더의 초기 연료 분사량은 연소의 과잉 공기비가 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최대가 되는 값(즉, λ1.2)으로 되는 값으로 설정되며, 1번 실린더의 추가 연료 분사량은 1번 실린더를 벗어나는 배기 가스의 과잉 공기비가 3원 촉매(5)에 의해 생성되는 NH3의 양이 최대가 되는 값(즉, λ0.95)으로 되는 값으로 설정된다. 농후 스파이크 작용은 2번 내지 4번 실린더에서 수행되지 않는다.
상술한 바와는 정반대로, 배기 정화 작용의 제 2 형태는 내연 기관의 정상 운정 중에는 희박 공연비로 모든 실린더가 작동하며, 배기 가스 중의 NOX는 저장된 NH3를 사용하여 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에서 정화된다. 또한, NH3흡착 탈질산 촉매 (9)에 저장된 NH3의 양이 소정값까지 감소하는 경우에는, 1번 실린더의 농후 스파이크 작용이 수행되어 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 NH3를 보충한다.
도 17은 배기 가스 정화 작용의 제 2 형태를 설명하는 플로우차트이다. 본 작용은 소정의 간격으로 제어 회로(30)에 의해 실행되는 루틴에 의해 수행된다.
본 작용에서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NH3의 양(INH3)은 도 11(단계(1703 및 1705))에서 설명된 바와 동일한 방법에 의해서 계산된다. 이후에, INH3의 양이 소정값(I0)까지 감소된다면, 희박 작용 플래그(FL1)를 0으로 설정한다. FL1은 1번 실린더의 희박 작용 플래그이다. 소정의 주기(CTG) 동안 1번 실린더의 추가 연료 분사를 실행하여 촉매(9) 내의 NH3의 양을 값(IFUL)까지 증가시킨다(단계(1707 내지 1719)). IFUL은, 상술한 바와 같이, NH3흡착 탈질산 촉매(9)의 NH3의 포화량에 가까운 값이다.
도 18은 본 실시예의 연료 분사 제어 작용을 설명하고 있는 플로우차트이다. 본 작용은 내연 기관의 크랭크축의 소정 회전각에서 제어 회로(30)에 의해 실행되는 루틴에 의해 수행된다. 본 작용에서, 2번 내지 4번 실린더의 연소의 과잉 공기비(λ2B)는 항상 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최소가 되는 λLL(λLL 1.4)로 설정된다(단계(1801)). 1번 실린더의 과잉 공기비(λ1B)는 희박 작용 플래그(FL1)의 값에 따라서 결정된다. 즉, 단계(1803)에서 FL1 = 1, 즉 농후 스파이크 작용이 필요하지 않다면, λ1B는 단계(1805)에서 λLL로 설정되며, FL1 = 0, 즉 농후 스파이크 작용이 필요하다면, λ1B는 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최대가 되는 λL(λL 1.2)로 설정된다(단계(1807)). 또한, 단계(1809)에서는, 실린더 중 하나의 초기 연료 분사에 적합한 타이밍인지 아닌지를 결정한다. 타이밍이라면, 초기 연료 분사는 단계(1811)에서 대응하는 실린더 상에서 수행된다. 단계(1809)에서 타이밍이 아니라면, 플래그(FL1)가 1로 설정되었는지를 단계(1813)에서 결정하며, FL1 = 1이라면, 1번 실린더의 추가 연료 분사에 적합한 타이밍으로 1번 실린더의 추가 연료 분사를 수행한다(단계(1815 및 1817)).
도 17 및 도 18에서의 작용에 의해서, 1번 실린더의 농후 스파이크 작용은 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지된 NH3의 양이 소정값까지 감소할 때 수행되며, 이에 의해서 촉매(9) 내의 NH3의 양은 농후 스파이크 작용에 의해 거의 포화량 값 (IFUL)까지 증가된다.
다음으로, 도 19를 참조하여 다른 실시예를 설명하기로 한다. 도 16에서의 실시예에서와 유사하게, 도 19에서의 실시예는 단지 3원 촉매(5)와 NH3흡착 탈질산 촉매(9)만을 사용하여 배기 가스 정화 작용을 수행한다. 그러나, 본 실시예에서, 2번 실린더에서의 배기 가스는 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지된 NH3의 양에 따라서 배기 가스 통로(143: 3원 촉매(5)측) 및 배기 가스 통로(141) 중의 어느 하나로 지향될 수도 있다.
즉, 도 19에서, 1번 실린더의 배기구는 배기 가스 통로(143)에 직접 연결되어 있으며, 2번 실린더의 배기구는 배기 가스 통로(171)에 연결되어 있다. 2번 실린더의 배기 가스 통로(171)는 배기 가스 통로(172 및 173)로 분기된다. 3원 촉매 (5)의 상류측에서, 분기 배기 가스 통로(172)는 배기 가스 통로(141)에 연결되며, 분기 배기 가스 통로(173)는 배기 가스 통로(143)에 연결된다. 분기 통로(172 및 173)이 분기되는 지점의 배기 가스 통로(171)에 전환 밸브(175)가 형성된다. 전환 밸브(175)는 예를 들어, 솔레노이드 액추에이터 또는 진공 액추에이터와 같은 적절한 액추에이터(175a)를 구비하며, 제어 회로(30)에서의 제어 신호에 응하여 배기 가스 통로(171)가 배기 가스 정화 촉매(172: 즉, 3번 및 4번 실린더측 위치)에 연결된 제 1 위치와, 배기 가스 통로(171)가 배기 가스 통로(173: 즉, 3원 촉매(5)측 위치)에 연결된 제 2 위치를 가진다. 따라서, 2번 실린더에서의 배기 가스는 3원촉매(5) 또는 배기 가스 통로(141) 중의 어느 쪽으로라도 지향될 수 있다. 그러므로, 3원 촉매(5)로 공급되는 NOX의 양은 3원 촉매측 및 3번과 4번 실린더측 사이에 배기 가스의 흐름을 전환함으로써 변화시킬 수 있다. 따라서, 3원 촉매(5)에서 생성되는 NH3의 양을 내연 기관의 운전 조건에 따라서 변화시킬 수 있다.
본 실시예에서, 3번 및 4번 실린더에서의 연소의 과잉 공기비(각각 λ3B, λ4B)는 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최소가 되는 λLL(λLL 1.4)로 설정되며, 3번 및 4번 실린더에서의 추가 연료 분사는 수행되지 않는다. 본 실시예에서 NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NH3의 양은 밸브(175)를 전환하여 제어된다. 즉, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NH3의 양이 소정의 한계값(I1) 보다 작아지게 되면, 전환 밸브(175)는 3원 촉매측 위치로 전환되어 1번 및 2번 실린더 양자에서의 배기 가스를 3원 촉매(5)로 공급한다. 이 경우에, 1번 및 2번 실린더의 초기 연료 분사의 과잉 공기비(각각, λ1B, λ2B)는 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최대가 되는 λL(λL 1.2)로 설정된다. 또한, 추가 연료 분사가 1번 및 2번 실린더에서 수행되어 상기한 실린더를 벗어나는 배기 가스의 과잉 공기비를, 3원 촉매(5)에서 생성된 NH3의 양이 최대가 되는 λR(λR 0.95)로 설정한다. 따라서, 1번 실린더와 2번 실린더에 의해서 생성된 NOX는 3원 촉매(5)에서 NH3로 전환되고 3원 촉매(5)에 의해서 생성된 NH3의 양은 증가하게 된다. 상기 다량의 NH3는 3원 촉매(5)의 하류측에 배치된 NH3흡착 탈질산 촉매(9)로 공급되며, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 의해 흡착된 NH3의 양이 순간적으로 증가하게 된다.
NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NOX의 양이 하한값(I1) 보다는 많지만, 포화량 부근의 상한값(IFUL) 보다는 작은 경우, 전환 밸브(175)는 3번과 4번 실린더측 위치로 전환되어 단지 1번 실린더에서의 배기 가스를 3원 촉매(5)로 공급한다. 이 경우에, 2번 실린더의 과잉 공기비(λ2B)는 λLL로 설정되며, 2번 실린더의 추가 연료 분사는 종료된다. 따라서, 1번 실린더에서의 배기 가스 중의 NOX만이 3원 촉매(5)에서 NH3로 전환되며, NH3흡착 탈질산 촉매(9)로 공급되는 NH3의 양은 점점 작아지게 되고, 이에 따라서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NH3의 양은 천천히 증가(또는 감소)하게 된다.
또한, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NH3의 양이 상한값(IFUL)까지 증가하게 되면, 1번 실린더의 추가 연료 분사는 종료되고, 1번 실린더의 초기 연료 분사의 과잉 공기비(λ1B)는 연소에 의해 생성되는 NOX의 양이 최소가 되는 λLL로 설정된다. 이 경우에, 3원 촉매(5)에서 NH3가 생성되지 않기 때문에, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NH3의 양은 상대적으로 짧은 시간에 감소하게 된다.
도 20은 본 실시예의 배기 가스 정화 작용을 설명하는 플로우차트이다. 본 작용은 소정의 간격으로 제어 회로(30)에 의해 실행되는 루틴에 의해 수행된다.
도 20의, 단계(2001)에서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NH3의 양(INH3)이 소정의 값(IFUL: 거의 포화량의 NH3양)에 도달했는지를 결정한다. INH3가 IFUL에 도달했을 때, 즉 단계(2001)에서 INH3> IFUL인 경우, 플래그(FR)의 값을 단계(2003)에서 0으로 설정하고, 내연 기관의 운전 조건(기관의 공기 흡입량(Q) 및 속도(N))에 근거하여 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성되는 NOX의 양(BNOX)을 계산한다. 후술하겠지만, 플래그(FR)의 값이 0으로 설정되는 경우에는, 모든 실린더 1번 내지 4번 실린더의 초기 연료 분사의 과잉 공기비는 λLL로 설정되며, 1번 및 2번 실린더의 추가 연료 분사는 독립적으로 수행되는 제어 회로(30)에 의해 수행되는 연료 분사 제어 작용에 의해 정지된다.
본 실시예에서, 값(BNOX)은 단위 시간당 하나의 실린더에 의해 생산되는 NOX의 양을 나타내는 실험에 의해 이미 얻어진 이전 실시예의 ANOX와는 다르다. 값 (BNOX)은 Q와 N을 매개 변수로 사용하여 수치 테이블의 형태로 제어 회로(30)의 ROM에 저장된다.
스텝(2007)에서, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 저장된 NH3의 양(INH3)은 INH3= INH3- K ×4 ×BNOX로 계산된다. NH3흡착 탈질산 촉매(9) 내의 NH3가 네 개의 실린더에 의해 발생된 NOX를 제거하기 위해 사용되기 때문에, NH3흡착 탈질산 촉매(9) 내의 NOX의 양은 단위 시간당 K ×4 ×BNOX만큼 감소된다.
만약, 스텝(2001)에서 INH3< IFUL이라면, INH3의 양이 하한값(I1)보다 작은지를 결정하기 위해 스텝(2009)으로 진행한다. 만약, 스텝(2009)에서 INH3> I1이라면, 스텝(2011)에서 플래그(FR)의 값을 1로 설정하고, 스텝(2013)에서 전환 밸브 (175)는 3번 및 4번측 위치로 전환한다. 이에 의해서, 단지 1번 실린더로부터의 배기 가스만이 3원 촉매(5)로 공급된다. 스텝(2015)에서, 작용은 2번 내지 4번까지의 실린더 중 실린더 하나당 발생되는 NOX의 양(BNOX)을 계산한다. 더욱이, 동작은 내연 기관(1)의 동작 조건(흡입 공기량(Q) 및 속도(N))에 기초하는 단위 시간당 3원 촉매(5)에 의해 발생된 NH3의 양(BNH3)을 계산한다. 플래그(FR)의 값이 1로 설정되었을 때, 1번 실린더의 초기 연료 분사의 과잉 공기비(λ1B)는 λL으로 설정되고, 1번 실린더에 연료가 추가적으로 분사된다. 이 경우에, 2번 실린더의 초기 연료 분사의 과잉 공기비는 λLL, 즉, 3번 및 4번과 동일한 과잉 공기비로 설정되며, 2번 실린더의 추가 연료 분사는 종료한다. 또한, 스텝(2019)에서 양(INH3)은 INH3= INH3+ K ×3 ×BNOX에 의해 계산된다. 즉, 이 경우에, 양(INH3)은 3원 촉매(5)에 의해 발생된 NH3의 양(BNH3)에 의해 증가되고, 세 개의 실린더에 의해 발생된 NOX를 환원시키기 위해 필요한 양(K ×3 ×BNOX)에 의해 감소된다.
만약, 스텝(2009)에서 INH3≤I1이라면, 작용은 스텝(2021)에서 플래그(FR)의 값을 2로 설정하고, 전환 밸브(175)를 3원 촉매(5)측으로 전환한다. 그러므로, 1번및 2번 실린더 양쪽 모두로부터의 배기 가스는 3원 촉매(5)로 공급된다. 또한, 플래그(FR)의 값이 2로 설정되었을 때는, 2번 실린더의 과잉 공기비(λ2B)는 λL로 설정되고, 2번 실린더 상에도 연료가 추가적으로 분사된다.
부가적으로, 양(INH3)은 스텝(2015 내지 2019)의 계산과 동일한 방식으로 스텝(2025 내지 2029)에서 계산된다. 그러나, 이 경우에서 INH3는 INH3= INH3+ 2 ×BHN3- K ×2 ×BNOX에 의해 계산된다. 즉, 양(INH3)은 두 개의 실린더(1번 및 2번 실린더)에 의해 공급된 NOX로부터 발생된 NH3의 양에 의해 증가되고, 두 개의 실린더(3번 및 4번 실린더)로부터의 배기 가스에 포함된 NOX를 환원시키기 위해 소요되는 양에 의해 감소된다.
도 21 및 도 22는 본 실시예의 연료 분사 제어 작용을 설명하는 플로우차트이다. 이 작용은 크랭크축의 사전 설정된 회전각에서 제어 회로(30)에 의해 실행되는 루틴에 의해 수행된다. 도 21에서, 스텝(2101 내지 2125)은 각각의 실린더의 초기 연료 분사의 제어 작용을 나타낸다. 즉, 3번 및 4번 실린더의 초기연료 분사의 양은 3번 및 4번 실린더 내의 연소의 과잉 공기비(λ3B, λ4B)가 λLL이 되도록 스텝(2101)에서 설정되고, 스텝(2103 및 2105)에서 3번 및 4번 실린더의 초기 연료 분사는 이들 실린더의 연료 분사 시기에 수행된다.
1번 실린더의 초기 연료 분사의 과잉 공기비(λ1B)는 플래그(FR)의 값이 0인지 아닌지에 따라 결정되고, 1번 실린더의 초기 연료 분사는 스텝(2107 내지 2115)에서 연료 분사 시기가 되었을 때 수행된다. 1번 실린더의 과잉 공기비(λ1B)는 FR의 값이 1 또는 2(스텝(2109))일 때 λL로 설정되고, FR의 값이 0(스텝(2111))일 때 λLL로 설정된다.
또한, 2번 실린더의 초기 연료 분사의 과잉 공기비(λ2B)는 플래그(FR)의 값이 1인지 아닌지에 따라 설정되고, 2번 실린더의 초기 연료 분사는 스텝(2117 내지 2125)에서 연료 분사 시기가 되었을 때 수행된다. 2번 실린더의 과잉 공기비(λ2B)는 FR의 값이 1(스텝(2119))일 때 λLL로 설정되고, FR의 값이 2(스텝(2121))일 때 λL로 설정된다.
각각의 실린더의 과잉 공기비를 설정한 이후에, 1번 및 2번 실린더의 추가 연료 분사의 제어가 스텝(2127 내지 2141)에서 수행된다. 즉, 스텝(2127)에서 플래그(FR)의 값이 0인지 아니지가 결정되고, FR = 0이라면, 1번 및 2번 실린더에 추가 연료 분사가 필요하지 않기 때문에, 작용은 즉시 종료된다. 다른 한편으로, 스텝 (2127)에서 FR0이라면(즉, FR이 1이나 2이면), 1번 실린더에 추가 연료 분사가 필요하기 때문에, 1번 실린더의 추가 연료 분사량이 1번 실린더를 벗어나는 배기 가스의 과잉 공기비(λ1A)가 λR이 되는 방식으로 스텝(2129)에서 결정된다. 그후, 추가 연료 분사가 추가 연료 분사 시기에 수행된다(스텝(2131 및 2133)). 또한, 작용은 스텝(2135)에서 플래그(FR)의 값이 1인지 아닌지를 결정하고, 만약, FR = 1이라면(즉, 2번 실린더에 추가적인 연료 분사가 필요하지 않다면), 작용은 즉시 종료된다. 만약, 스텝(2135)에서 FR1이라면(즉, FR = 2), 이는 2번 실린더에 추가 연료 분사가 필요하다는 것을 의미하기 때문에, 작용은 2번 실린더를 벗어나는 배기 가스의 과잉 공기비(λ2B)가 λR이 되는 방식으로 스텝(2137)에서 추가 연료 분사량을 설정하고, 2번 실린더의 추가 연료 분사를 스텝(2139 및 2141)에서 수행한다.
본 실시예에 따라, NH3흡착 탈질산 촉매(9)에 유지되는 NH3의 양이 항상 사전 설정된 범위 내에서 유지되는 방식으로 3원 촉매(5)에서 발생되는 NH3의 양이 제어되기 때문에, 작용을 결정하는 상기 촉매(9)의 NH3의 부족 또는 포화가 발생하지 않는다. 그러므로, 본 실시예에서 배기 가스 내의 NOX는 높은 효율로 정화된다.
이후, 본 발명의 다른 실시예에 대해서 기술하기로 한다. 도 1, 도 8 내지 도 10, 도 12, 도 15, 도 16에서의 앞선 실시예들은 NH3전환 수단으로서 3원 촉매 (5)를 사용한다. 그러나, 하기에 기술될 실시예에서는 3원 촉매 대신 NOX흡수 환원 촉매를 NH3전환 수단으로서 사용한다.
상술한 바와 같이, NOX흡수 환원 촉매는 배기 가스의 공연비가 희박할 때 배기 가스 내의 NOX를 흡수하고, 배기 가스의 공연비가 농후할 때 흡수된 NOX를 방출 및 환원시킨다. 그러나, NOX흡수 환원 촉매도 배기 가스의 공연비가 농후할 때 3원 촉매의 반응과 동일한 반응, 즉, 5H2+ 2NO → 2NH3+2H2O에 의해 NOX를 NH3로 전환하는 것을 알게 되었다. 이 경우에, 배기 가스 내의 NOX와 NOX흡수 환원 촉매내에 흡수된 NOX양쪽 모두가 NH3로 전환된다. 그러므로, NOX흡수 환원 촉매를 NH3전환 수단으로 사용할 때, 배기 가스 내의 NOX에 부가된 NOX흡수 환원 촉매에 흡수된 NOX가 NH3를 발생시키기 위해 사용될 수 있기 때문에, 다른 조건이 동일한 상태로 제공된 3원 촉매에 의해 발생된 NOX의 양에 비해 더 많은 양의 NOX를 발생시킨다.
도 23 내지 도 27은 NOX흡수 환원 촉매를 NH3전환 수단으로서 사용하였을 때, 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 실시예의 일반적인 구조를 도시한다. 도 23 내지 도 26은 내연 기관의 모든 실린더로부터의 배기 가스가 NH3전환 수단으로서 사용된 NOX흡수 환원 촉매를 통해 흐르는 실시예를 도시하고, 도 27은 단지 특정한 실린더로부터의 배기 가스가 NH3전환 수단으로 사용된 NOX흡수 환원 촉매를 통해 흐르는 실시예를 도시한다. 도 23 내지 도 27의 참조 부호는 도 1, 도 8 내지 도 10, 도 12, 도 15, 도 16 및 도 19의 참조 부호와 동일하게 유사한 요소를 지시한다.
먼저, 도 23의 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에서, 1번 및 4번 실린더는 배기 매니폴드(133a)에 의해 분기 배기 가스 통로(4a)에 연결되고, 2번 및 3번 실린더는 배기 매니폴드(133b)에 의해 분기 배기 가스 통로(4b)에 연결된다. 분기 배기 가스 통로(4a, 4b)는 그 하류에서 공통 배기 가스 통로(4)를 형성하도록 서로 합쳐진다. 본 실시예에서, NOX흡수 환원 촉매는 각각의 분기 배기 가스 통로(4a, 4b) 내에 배치된다. 이 NOX흡수 환원 촉매가 NH3전환 수단으로서 사용되기 때문에, 이 NOX흡수 환원 촉매를, 주로 정화 수단으로서 작용하는 NOX흡수 환원 촉매와 구별하기 위해 도 23 내지 도 27에서는 참조 부호(70a 및 70b: 또는 70)로 표시한다. 공통 배기 가스 통로(4)에서, 주로 정화 수단으로서 작용하는 NOX흡수 환원 촉매(7)와 NH3흡착 탈질산 촉매(9)는 상류측 단부 부분으로부터 상술한 순서로 배치된다.
본 실시예에서, 모든 촉매는 항상 동일한 과잉 공기비로 작용한다. 즉, 비록 두 그룹의 실린더가 형성되고, 분기 배기 가스 통로가 각각의 실린더로부터의 배기 가스의 간섭을 회피함에 의해 배기 역류 압력(back pressure)을 감소시키기 위해 각각의 실린더 그룹에 연결된다 하더라도, NH3전환 수단(NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b))이 분기 배기 가스 통로(4a, 4b) 양쪽에 배치되기 때문에 도 23의 실시예의 구조는 도 1의 실시예의 구조와 실질적으로 동일하다.
또한, 본 실시예의 배기 가스 정화 작용은 도 1의 실시예의 작용과 동일하다. 즉, 도 6 및 도 7의 작용도 본 실시예에서 수행된다. 즉, 내연 기관(1)의 모든 실린더는 정상 운전 중에 희박 공연비로 동작한다. 정상 운전 중에, 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)와 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)는 배기 가스 내의 NOX를 흡수한다. 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX의 양이 소정값까지 증가할 때, 농후 스파이크 작용이 모든 실린더에서 수행된다. 그러므로, 상대적으로 많은양의 NOX를 포함한 농후 공연비의 배기 가스는 NH3전환 수단으로 작용하는 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)로 흐른다. 농후 공연비의 배기 가스가 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)로 공급될 때, 촉매(70a, 70b) 내에 흡수된 NOX가 방출된다. 이 방출된 NOX와 내연 기관으로부터의 배기 가스에 포함된 NOX는 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)에서 NH3로 전환되고, 다량의 NH3가 발생된다. 그러므로, 다량의 NH3를 포함하는 농후 공연비의 배기 가스는 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)로 흐르고, 그에 의해, NOX가 촉매(7)에서 방출되며 배기 가스 내의 NH3와 반응하여 N2로 전환된다.
도 6의 작용에서, 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a)는 단지 NH3전환 수단으로서의 기능, 즉, 도 1의 3원 촉매(5)와 동일한 기능만을 수행한다. 그러므로, NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)에 의한 NOX의 흡수 및 방출은 무시된다. 그러나, 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)는 또한 정상 운전 중에 배기 가스 내의 NOX를 흡수하기 때문에, 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX의 실제량은 도 1의 실시예와 비교했을 때 본 실시예의 것이 더 적다. 그러므로, 상류측 NOX흡수 환원 촉매 (70a, 70b)의 흡수 및 방출 작용을 고려하는 것이 바람직하다. 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)의 흡수 및 방출 작용을 고려하는 배기 가스 정화 작용은 후술하기로 한다(도 28).
도 24는 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)가 NH3전환 수단으로서 사용되고, NH3흡착 탈질산 촉매(9)와 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)가 상류측 단부로부터 상술한 순서로 배기 가스 통로(4)에 배치된 실시예를 도시한다. 도 24 및 도 8에 도시된 바와 같이, 도 24의 실시예는 실질적으로 도 8의 실시예와 동일하다. 도 24의 배기 가스 정화 작용 또한 도 8의 실시예의 작용과 동일하기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
도 25는 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)가 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)의 하류측의 배기 가스 통로(4) 상에만 제공된 실시예를 도시하고 있다. 도 26은 NH3흡착 탈질산 촉매(9)가 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)의 배기 가스 통로(4)에만 배치된 실시예를 도시하고 있다. 도 25 및 도 26의 실시예는 각각 도 9 및 도 10의 실시예와 거의 동일하다. 도 25 및 도 26의 실시예의 배기 가스 정화 작용은 또한 도 9 및 도 10의 실시예와 동일하다.
도 27은 특정 실린더로부터의 배기 가스가 NH3전환 수단으로 작용하는 NOX흡수 환원 촉매(7)에만 공급되는 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 도 12 실시예의 3원 촉매(5)를 NOX흡수 환원 촉매(7)로만 대체되고, 또한 도 12 실시예와 거의 동일하다. 도 27의 실시예의 배기 가스 정화 작용은 도 12의 실시예의 작용과 정확하게 동일하다. 더욱이, 도면에 도시되어 있지 않을지라도 도 15, 도 16 및 도19의 실시예의 3원 촉매(5)를 NOX흡수 환원 촉매(7)로 대체할 수 있고, 배기 가스 정화 작용은 3원 촉매(5)가 도 15, 도 16 및 도 19의 실시예의 NOX흡수 환원 촉매 (7)로 대체될 수 있을지라도 변경되지 않는다.
다음에, NOX흡수 환원 촉매가 NH3전환 수단으로 사용되는 배기 가스 정화 작용의 다른 실시예에 대해서 설명하기로 한다. 도 23 내지 도 27의 실시예에서, NOX흡수 환원 촉매가 NH3전환 수단으로 사용될지라도, 배기 가스 정화 작용은 3원 촉매가 NH3전환 수단으로 사용되는 배기 가스 정화 작용과 정확하게 동일하다. 그러나, 3원 촉매만이 NOX를 통과시킬지라도, NOX흡수 환원 촉매는 배기 가스가 희박 공연비일 경우 배기 가스 내의 NOX를 흡수한다. 이 실시예에서, NOX흡수 및 방출 작용은 NOX흡수 환원 촉매가 NH3전환 수단으로 사용된다고 하더라도 효과적으로 활용된다.
도 28은 배기 가스 정화 작용의 실시예를 설명하는 플로우차트이다. 이 배기 가스 정화 작용이 도 23 내지 도 27의 어떤 실시예로 수행될지라도, 도 23의 경우가 실시예는 설명의 목적을 위해 고려된다.
도 28의 작용은 소정 간격으로 제어 회로(30)에 의해 실행되는 루틴으로 수행된다.
도 16의 작용과 유사한 작용에 있어서, 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX양이 계산되고, 계산된 NOX양이 소정 값으로 증가할 때, 농후 스파이크 작용은 NH3을 생성하기 위해 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70)에 의해 수행된다. 그러나, 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)가 정상적인 작용 중에 배기 가스 내의 NOX를 흡수하므로, 하류측 NOX흡수 환원 촉매(70)로 흐르는 배기 가스 내의 NOX양은 도 1의 실시예의 것과 비교하여 매우 적다. 그러나, 이 실시예에서 상류측 NOX흡수 환원 촉매(7)는 크기가 비교적 작고, 그 NOX흡수 용량도 비교적 작다. 공지된 바와 같이, NOX흡수 환원 촉매에 흡수되는 NOX양이 증가할 때, 흡수되지 않고 촉매를 통과하는 NOX양은 흡수된 NOX양이 포화량에 접근할 때까지 점진적으로 증가한다. 따라서, NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b) 내에 흡수된 NOX양이 증가하여 포화량에 접근하면, 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 의해 흡수된 NOX양이 점진적으로 증가한다. 이 실시예에 있어서, 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX양은 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)에 흡수된 양이 작을 때 증가하는 것으로 가정한다. 그 이유로는 배기 가스내의 NOX는 그 내에서 흡수된 NOX량이 작을 때 상류측 촉매(70a, 70b)를 통과하지 않기 때문이다. 더욱이, NOX의 일부는 상류측 촉매(70a, 70b) 내에 흡수된 NOX양이 소정 값에 도달할 때 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)를 통과하기 시작하고 또한 하류측 촉매(7) 내에 흡수된 NOX양이 증가하기 시작한다고 가정한다. 따라서, 이 실시예에서, 상한값까지 증가하는 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX를 위해 요구되는 시간은 도 1에 도시된 시간과 비교하면 길다. 따라서, 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)에 의해 흡수된 NOX양을 고려 하면, 내연 기관의 농후 스파이크 작용간의 간격은 이 실시예에서는 길게 설정된다.
도 28의 플로우차트에 대해서 간단히 설명하기로 한다. 도 28의 플로우차트는 단계(2821 내지 2825)가 도 6에 부가된 것을 제외하고는 도 6의 플로우차트와 유사하다.
이 작용에서, 희박 공연비 작용 중에(단계(2801)) 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성된 NOX양 ANOX는 도 6의 단계 603과 동일한 방법으로 계산된다(단계 (2803)). 단계(2805)에서, 카운터(F1NOX)의 값은 ANOX에 의해 증가된다. 카운터 (F1NOX)는 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)에 흡수된 NOX의 양을 나타낸다. 단계(2807)에서, 상기 작용은 카운터(F1NOX)의 값이 소정값(F1NOX0)에 도달하는지를 결정한다. F1NOX0은 배기 가스 내의 NOX가 그 내부에서 흡수된 NOX양의 증가로 인해 촉매(70a, 70b)를 통과하는 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)에 흡수된 NOX의 양이다. F1NOX0의 값은 도 6의 FNOX0과 대략 동일한 값으로 설정된다(예를 들면, 포화량의 70 %). F1NOX의 양이 단계(2807)에서 값(F1NOX0)에 도달하지 않으면, 상기작용은 즉시 종료된다. 이 경우에, 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX양을 나타내는 카운터(F2NOX)의 값은 증가하지 않는다.
F1NOX의 값이 단계(2807)에서 F1NOX0에 도달한다면, 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)로 흐르는 NOX의 일부가 상류측 촉매(70a, 70b)에 의해 흡수되지 않고 통과하는 것을 의미하기 때문에, 상기 작용은 단계(2811)에서 단위 시간당 상류측 촉매(70a, 70b)를 통과하는 NOX양의 A2NOX를 계산한다. A2NOX의 값은 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)에 흡수된 양이 포화량에 근접할 때까지 커지게 된다. 더욱이, A2NOX의 값은 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성된 NOX양이 증가할 때 증가한다. 이 실시예에 있어서, A2NOX의 양은 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)에 흡수된 NOX의 F1NOX 양과 단위 시간당 내연 기관에 의해 생성된 NOX의 ANOX 양의 여러 가지 조건하에서 미리 측정된다. 이 측정 결과는 매개 변수로 F1NOX 및 ANOX를 사용하는 수치 테이블 형태로 제어 회로(30)의 ROM에 저장된다. A2NOX의 값은 단계(2821)에서 이 수치 테이블을 사용하여 F1NOX 및 ANOX로부터 결정된다. NOX양의 A2NOX가 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)를 통과하고 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 의해 흡수되기 때문에, 하류측 NOX흡수 환원 촉매에 유지된 NOX양은 단위 시간당 A2NOX씩 증가한다. 따라서, 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 NOX양을 나타내는 카운터(F2NOX)의 값은 단계(2823)에서 ANOX만큼씩 증가한다. F2NOX의 값이 단계(2825)에서 소정값(F2NOX0)까지 도달할 때의 작용에서, 실린더의 농후 스파이크 작용은 단계(2809 및 2811)에서 시작한다.
단계(2809: 플래그(FL)의 재설정), 단계(2811: 농후 스파이크 작용 주기(CT)의 설정)는 각각 도 6의 단계(609 및 611)와 정확히 동일한 작용이다. 더욱이, 단계(2813 내지 2819)는 단계(613 내지 619)와 동일한 작용이다. 따라서, 이들 단계의 상세한 설명은 여기에선 생략한다.
도 29는 본 실시예의 배기 가스 정화 작용 중에 하류측 촉매(7)와 상류측 촉매(70a, 70b)에 흡수된 NOX양의 변화를 도시한 도면이다. 도 29에 있어서, 곡선 A는 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)에 흡수된 NOX양의 F1NOX를 나타내고, 곡선 B는 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수되는 NOX양의 F2NOX를 나타낸다. 도 29의 곡선(A)으로부터 보는 바와 같이, F1NOX의 양이 값 F1NOX0(도 20의 시간점(I))에 도달하여 증가할 때, NOX의 일부는 하류측 촉매(70a, 70b)를 통과하기 시작한다. 따라서, 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 흡수된 양 F2NOX는 증가하기 시작한다(도 29의 시간점(I)). 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a, 70b)를 통과하는 NOX양은 양 F1NOX가 증가할 때 증가하고, 양 F1NOX가 촉매(70a, 70b)의 포화량에 도달한 후에 내연 기관에 의해 생성된 모든 NOX는 상류측 촉매(70a, 70b)를 통과하고 하류측 NOX흡수 환원 촉매(7)에 의해 흡수된다. 따라서, 하류측 NOX흡수 환원 촉매에 흡수된NOX양 F2NOX의 증가비는 시간이 경과할 때 크게 된다. 하류측 NOX흡수 환원 촉매 (7)에 흡수된 NOX양(F2NOX)가 F2NOX0양에 도달할 때, 농후 스파이크 작용은 도 28에 도시된 작용에 의해 실행되고(도 29의 시간점(II)), 이에 의해 상류측 촉매 (70a, 70b)와 하류측 촉매(7)에 흡수된 모든 NOX는 방출 환원된다. 따라서, 양 (F1NOX 및 F2NOX)은 농후 스파이크 작용이 완료된 후에 0으로 된다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 농후 스파이크 작용을 수행하는 데 필요한 타이밍이 상류측 NOX흡수 환원 촉매(70a 및 70b, 즉 NH3 전환 수단))의 NOX흡수능에 따라서 정해지기 때문에, 3원 촉매가 NH3 전환 수단으로 사용된 경우와 비교하여 농후 스파이크 작용 사이의 간격을 더 길게 설정할 수 있다.

Claims (18)

  1. 실린더 내로 연료를 직접 분사하기 위한 직접 실린더 분사 밸브를 구비하며, 실린더내에서 희박 공연비의 연소에 의해 작동할 수 있는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치에 있어서,
    실린더의 팽창 행정 또는 배기 행정 중에 직접 실린더 분사 밸브에서 실린더 내로 연료를 분사함으로써 실린더 내에서의 희박 공연비의 연소에 생성된 희박 공연비 배기 가스의 공연비를 농후 공연비로 조정하기 위하 배기 가스 공연비 조정 수단과;
    공연비가 조정된 이후에 배기 가스가 통과하여 흐르는 배기 가스 통로에 배치되고, 배기 가스 중에 포함된 NOX의 최소한 일부를 NH3로 전환하는 것에 의해 NH3를 생성하기 위한 NH3전환 수단과;
    NH3전환 수단에서의 배기 가스가 흘러 들어가는 배기 가스 통로에 배치되고, NOX를 배기 가스 중의 NH3와 반응시켜서 배기 가스 중의 NOX와 NH3의 양자를 정화하기 위한 정화 수단을 포함하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 배기 가스 공연비 조정 수단은 배기 가스의 공연비를 농후 공연비로 조정하기 위한 주기의 길이를 변화시키므로서 NH3전환 수단에 의해 생성된 NH3의 양을 제어하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 배기 가스 공연비 조정 수단은 팽창 또는 배기 행정 중에 직접 연료 분사가 수행되는 실린더의 숫자를 변화시키므로서 NH3전환 수단에 의해 생성된 NH3의 양을 제어하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 배기 가스 공연비 조정 수단은 조정된 이후의 배기 가스의 공연비 값을 변화시키므로서 NH3전환 수단에 의해 생성된 NH3의 양을 제어하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 배기 가스 공연비 조정 수단은 내연 기관의 운전 조건에 따라서 NH3전환 수단에 의해 생성된 NH3의 양을 제어하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 정화 수단은 흡착된 NH3또는 배기 가스 중의 NH3를 사용하여 배기 가스 중의 NH3를 흡착하고 배기 가스 중의 NOX를 환원하는 NH3흡착 탈질산 촉매를 포함하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 정화 수단은 배기 가스가 희박 공연비일 때 배기 가스 내의 NOX를 흡수하며, 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 될 때 흡수한 NOX를 방출하고 NOX를 환원하는 NOX흡수 환원 촉매를 포함하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 정화 수단은 배기 가스 중의 NH3를 흡착하고 흡착한 NH3또는 배기 가스 중의 NH3를 사용하여 배기 가스 중의 NOX를 환원하는 NH3흡착 탈질산 촉매와, 배기 가스가 희박 공연비일 때 배기 가스 중의 NOX를 흡수하며 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 될 때 흡수한 NOX를 방출하고 NOX를 환원하는 NOX흡수 환원 촉매를 포함하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, NOX흡수 환원 촉매는 NH3흡착 탈질산 촉매의 상류측의 배기 가스 통로에 배치되는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, NOX흡수 환원 촉매는 NH3흡착 탈질산 촉매의 하류측의 배기 가스 통로에 배치되는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  11. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 정화 수단은 배기 가스 중의NH3를 흡착하고 흡착한 NH3또는 배기 가스 중의 NH3를 사용하여 배기 가스 중의 NOX를 환원하는 NH3흡착 탈질산 촉매를 포함하며, 배기 가스 공연비 조정 수단은 내연기관으로부터 방출된 NOX의 양에 따라서 NH3전환 수단에 의해 생성된 NH3의 양을 제어하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  12. 제 5 항에 있어서, 정화 수단은 배기 가스 중의 NH3를 흡착하고 흡착된 NH3또는 배기 가스 중의 NH3를 사용하여 배기 가스 중의 NOX를 환원하는 NH3흡착 탈질산 촉매를 포함하며, 배기 가스 공연비 조정 수단은 내연 기관으로부터 방출된 NOX의 양에 따라서 NH3전환 수단에 의해서 생성된 NH3의 양을 제어하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  13. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 정화 수단은 배기 가스가 희박 공연비 상태일 때 배기 가스 중의 NOX를 흡수하며, 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 될 때 흡수한 NOX를 방출하고 NOX를 환원하는 NOX흡수 환원 촉매를 포함하며, 배기 가스 공연비 조정 수단은 내연 기관으로부터 배출된 NOX의 양에 따라서 NH3전환 수단에 의해 생성되는 NH3의 양을 제어하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  14. 제 5 항에 있어서, 정화 수단은 배기 가스가 희박 공연비 상태일 때 배기 가스 중의 NOX를 흡수하며, 배기 가스 공연비가 농후 공연비로 될 때 흡수한 NOX를 방출하고 NOX를 환원하는 NOX흡수 환원 촉매를 포함하며, 배기 가스의 공연비 조정 수단은 내연 기관으로부터 배출된 NOX의 양에 따라서 NH3전환 수단에 의해 생성된 NH3의 양을 제어하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 정화 수단은 배기 가스 중의 NH3를 흡착하고 흡착한 NH3또는 배기 가스 중의 NH3를 사용하여 배기 가스 중의 NOX를 환원하는 NH3흡착 탈질산 촉매를 포함하며, 배기 가스 공연비 조정 수단은 NH3흡착 탈질산 촉매 중에 흡착된 NH3의 양이 소정의 값 보다 작은 값으로 될 때 농후 공연비 상태로 배기 가스를 조정하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 정화 수단은 배기 가스가 희박 공연비일 때 배기 가스 중의 NOX를 흡수하며, 배기 가스의 공연비가 농후 공연비로 될 때 흡수한 NOX를 방출하고 NOX를 환원하는 NOX흡수 환원 촉매를 포함하며, 배기 가스 공연비 조정 수단은 NOX흡수 환원 촉매가 소정 값 보다 큰 값으로 될 때 농후 공연비 상태에서 배기가스를 조정하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  17. 제 1 항에 있어서, NH3전환 수단은 3원 환원 및 산화 촉매를 포함하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, NH3전환 수단은 배기 가스가 희박 공연비 상태일 때 배기 가스 중의 NOX를 흡수하며, 배기 가스 중의 공연비가 농후 공연비로 될 때 흡수한 NOX를 방출하고 이를 환원하는 NOX흡수 환원 촉매를 포함하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치.
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