KR100484342B1 - 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

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나카니시기요시
다나카도시아키
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Abstract

기관 배기 통로 내에 연소실(5)로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 파티큘레이트 필터(22)를 배치한다. 파티큘레이트 필터가 배기 가스를 통과시킬 수 있는 격벽(54)을 구비한다. 격벽의 내부에서 배기 가스 중의 미립자를 산화 제거할 수 있다. 격벽 내부에서 미립자를 유동시키도록 한다.

Description

배기 가스 정화 장치{Exhaust gas cleaning device}
본 발명은 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다.
종래부터 디젤 기관에서는, 배기 가스 중에 포함되는 미립자를 제거하기 위해서 기관 배기 통로 내에 파티큘레이트 필터를 배치하여 상기 파티큘레이트 필터에 의해 배기 가스 중의 미립자를 일단 포집하고, 파티큘레이트 필터 상에 포집된 미립자를 착화 연소시킴으로써 파티큘레이트 필터를 재생하도록 하고 있다.
그런데, 파티큘레이트 필터 상에 포집된 미립자는 600℃ 정도 이상의 고온이 되지 않으면 착화 연소하지 않으며, 이에 반하여 디젤 기관의 배기 가스 온도는 통상적으로, 600℃보다도 상당히 낮다. 따라서 배기 가스열에 의해 파티큘레이트 필터 상에 포집된 미립자를 착화 연소시키는 것은 곤란하다. 이 때문에 파티큘레이트 필터 상에 미립자가 퇴적해버려, 파티큘레이트 필터에서 단위 시간 당에 처리할 수 있는 미립자의 양이 적어지게 된다.
그래서 본 발명의 목적은 파티큘레이트 필터를 구비하는 배기 가스 정화 장치에 있어서 파티큘레이트 필터가 미립자를 단위 시간당에 처리할 수 있는 능력을 높게 유지하는 것에 있다.
도 1은 내연기관의 전체도.
도 2a 및 도 2b는 파티큘레이트 필터를 도시하는 도면.
도 3a 및 도 3b는 미립자의 산화 작용을 설명하기 위한 도면.
도 4a 내지 도 4c는 미립자의 퇴적 작용을 설명하기 위한 도면.
도 5는 산화 제거 가능 미립자량과 파티큘레이트 필터의 온도와의 관계를 도시하는 도면.
도 6은 내연기관의 운전을 제어하기 위한 플로우차트.
도 7은 배기 맥동 방법을 설명하기 위한 도면.
도 8a 및 도 8b는 다른 배기 맥동 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9a 및 도 9b는 다른 배기 맥동 방법을 설명하기 위한 도면.
도 10은 다른 배기 맥동 방법을 실행할 수 있도록 구성된 내연기관의 전체도.
도 11은 다른 배기 맥동 방법을 실행할 수 있도록 구성된 내연기관의 전체도.
도 12는 다른 배기 맥동 방법을 실행할 수 있도록 구성된 내연기관의 전체도.
도 13은 퇴적 미립자를 산화 제거하기 위한 플로우차트.
도 14는 파티큘레이트 필터의 격벽의 단면도.
도 15는 복수개의 파티큘레이트 필터를 병렬로 나열한 경우를 도시하는 도면.
도 16은 퇴적 미립자를 산화 제거하기 위한 플로우차트.
도 17a 및 도 17b는 파티큘레이트 필터를 도시하는 도면.
도 18은 다른 형태의 파티큘레이트 필터를 도시하는 평면도.
도 19는 다른 형태의 파티큘레이트 필터를 도시하는 측면도.
도 20은 다른 형태의 파티큘레이트 필터의 일부를 도시하는 평면도.
도 21은 파티큘레이트 필터를 물리적으로 진동할 수 있도록 구성된 내연기관의 전체도.
도 22는파티큘레이트 필터를 물리적으로 진동할 수 있도록 구성된 다른 실시예의 내연기관의 전체도.
제 1 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위해서, 연소실로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 파티큘레이트 필터가 배기 통로 내에 배치되고, 상기 파티큘레이트 필터가 배기 가스를 통과시킬 수 있는 격벽을 구비하며, 상기 격벽의 내부에는 미립자를 산화하기 위한 산화물질이 담지되어 있고, 상기 격벽의 내부에서 배기 가스 중의 미립자를 산화 제거할 수 있는 배기 가스 정화 장치에 있어서, 배기 가스를 맥동시키고 상기 맥동되어진 배기 가스를 상기 격벽 내에 유입시킴으로써 상기 격벽 내부에 유지된 미립자를 박리하여 유동화시키기 위한 미립자 유동화 수단을 구비한다.
제 2 발명에서는 연소실로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 파티큘레이트 필터가 배기 통로 내에 배치되고, 상기 파티큘레이트 필터가 배기 가스를 통과시킬 수 있는 격벽을 구비하며, 상기 격벽의 내부에는 미립자를 산화하기 위한 산화물질이 담지되어 있고, 상기 격벽의 내부에서 배기 가스 중의 미립자를 산화 제거할 수 있는 배기 가스 정화 장치에 있어서, 상기 격벽 내부를 흐르는 배기 가스의 흐름 방향을 역전시킴으로써 상기 격벽 내부에 유지된 미립자를 박리하여 유동화시키기 위한 미립자 유동화 수단을 구비한다.
제 3 발명에서는 연소실로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 파티큘레이트 필터가 배기 통로 내에 배치되고, 상기 파티큘레이트 필터가 배기 가스를 통과시킬 수 있는 격벽을 구비하며, 상기 격벽의 내부에는 미립자를 산화하기 위한 산화물질이 담지되어 있고, 상기 격벽의 내부에서 배기 가스 중의 미립자를 산화 제거할 수 있는 배기 가스 정화 장치에 있어서, 상기 파티큘레이트 필터를 진동시킴으로써 상기 격벽 내부에 유지된 미립자를 박리하여 유동화시키기 위한 미립자 유동화 수단을 구비한다.
제 4 발명에서는 제 1 발명 내지 제 3 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 산화물질이 활성 산소를 방출한다.
제 5 발명에서는 제 4 발명에 있어서, 상기 산화물질이 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 취입하여 유지하고, 또한 미립자가 격벽의 벽면에 부착하면 활성인 산소를 방출한다.
제 6 발명에서는 제 4 발명에 있어서, 상기 산화물질은 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 취입하여 산소를 유지하고, 또한 주위의 산소 농도가 저하하면 유지한 산소를 활성 산소의 형태로 방출한다.
제 7 발명에서는 제 6 발명에 있어서, 상기 산화물질이 알칼리 금속 및 알칼리토류 금속 및 희토류 및 천이 금속 및 탄소족 원소 중 적어도 하나로 이루어진다.
제 8 발명에서는 제 7 발명에 있어서, 상기 알칼리 금속 및 알칼리토류 금속이 칼슘보다도 이온화 경향이 높은 금속으로 이루어진다.
제 9 발명에서는 제 6 발명에 있어서, 배기 가스의 일부 또는 전체의 공연비를 일시적으로 리치로 함으로써 미립자를 산화시킨다.
제 1O 발명에서는 제 1 발명 내지 제 3 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 산화물질은 귀금속 촉매이다.
제 11 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 배기 가스 중에 압력이 상이한 부분을 형성함으로써 배기 가스를 맥동시킨다.
제 12 발명에서는 제 11 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 기관 배기 통로 내에 연료와 공기를 공급하고, 이들 연료와 공기를 반응시킴으로써 배기 가스 중에 압력이 상이한 부분을 형성한다.
제 13 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 파티큘레이트 필터를 복수개 구비하고, 이들 파티큘레이트 필터가 서로 병렬로 배치되며, 상기 미립자 유동화 수단은 이들 파티큘레이트 필터 중 적어도 하나에 유입하는 배기 가스의 양을 적게 하고, 나머지의 파티큘레이트 필터에 유입하는 배기 가스의 양을 많게 함으로써 배기 가스를 맥동시킨다.
제 14 발명에서는 제 1 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 내연기관의 작동 파라미터를 변경함으로써 배기 가스를 맥동시킨다.
제 15 발명에서는 제 14 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 내연기관을 구동하기 위한 연료를 분사한 후에 추가의 연료를 분사하고, 상기 추가의 연료를 연소시키도록 내연기관의 작동 파라미터를 변경한다.
제 16 발명에서는 제 14 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 배기 밸브의 개방 시기가 빨라지도록 내연기관의 작동 파라미터를 변경한다.
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제 18 발명에서는 제 2 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 파티큘레이트 필터의 배기 가스가 유입하는 측과 유출하는 측을 변경하지 않고 격벽 내부를 흐르는 배기 가스의 흐름 방향을 역전시킨다.
제 19 발명에서는 제 2 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 파티큘레이트 필터의 배기 가스가 유입하는 측과 유출하는 측을 역전시킴으로써 격벽 내부를 흐르는 배기 가스의 흐름 방향을 역전시킨다.
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제 21 발명에서는 제 3 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 초음파 진동자에 의해 파티큘레이트 필터를 진동시킨다.
제 22 발명에서는 제 21 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 파티큘레이트 필터를 진동 가능하게 유지한다.
제 23 발명에서는 제 3 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 내연기관을 진동시킴으로써 파티큘레이트 필터를 진동시킨다.
제 24 발명에서는 제 1 발명 내지 제 3 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 파티큘레이트 필터 상에 미립자가 퇴적하는 것이 예상되었을 때에 미립자를 유동화시킨다.
제 25 발명에서는 제 1 발명 내지 제 3 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 파티큘레이트 필터 상에 미립자가 퇴적하고 있는 것이 검출되었을 때에 격벽 내부에 퇴적하고 있는 미립자를 박리하여 유동화시킨다.
제 26 발명에서는 제 1 발명 내지 제 3 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 미리 정해지는 간격으로 미립자를 유동화시킨다.
제 27 발명에서는 제 1 발명 내지 제 3 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 격벽이 다공질 재료로 이루어진다.
제 28 발명에서는 제 27 발명에 있어서, 배기 가스가 유입하는 측에서의 상기 격벽의 미세 구멍의 평균 직경이 배기 가스가 유출하는 측에서의 상기 격벽의 미세 구멍의 평균 직경보다도 크다.
제 29 발명에서는 제 1 발명 내지 제 3 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 복수의 격벽이 서로 평행을 이루어 배치되고, 파티큘레이트 필터내에 서로 평행을 이루어 연장되는 복수개의 배기 유통로를 형성하고, 인접하는 배기 유통로의 한쪽은 상류단이 마개에 의해 폐쇄됨과 동시에 인접하는 배기 유통로의 다른쪽은 하류단이 마개에 의해 폐쇄된다.
제 30 발명에서는 제 1 발명 내지 제 3 발명 중 어느 한 발명에 있어서, 상기 파티큘레이트 필터로서, 단위 시간 당 연소실로부터 배출되는 배출 미립자량이 파티큘레이트 필터 상에서 단위 시간 당 휘염을 발하지 않고 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량보다도 적을 때에는 파티큘레이트 필터에 유입하는 배기 가스 중의 미립자를 휘염을 발하지 않고 산화 제거하며, 상기 배출 미립자량이 일시적으로 상기 산화 제거 가능 미립자량보다 많아졌다고 해도 파티큘레이트 필터 상에 미립자가 일정 한도 이하 밖에 퇴적하지 않을 때에는 상기 배출 미립자량이 상기 산화 제거 가능 미립자량보다도 적어졌을 때에 파티큘레이트 필터에 유입하는 배기 가스 중의 미립자를 휘염을 발하지 않고 산화 제거하는 파티큘레이트 필터가 사용되고, 상기 산화 제거 가능 미립자량이 파티큘레이트 필터의 온도에 의존하고 있고, 상기 배출 미립자량이 상기 산화 제거 가능 미립자량보다도 통상적으로 적어지며, 또한 상기 배출 미립자량이 일시적으로 상기 산화 제거 가능 미립자량보다 많아졌다고 해도 그 후, 상기 배출 미립자량이 상기 산화 제거 가능 미립자량보다 적어졌을 때에 산화 제거할 수 있는 일정 한도 이하의 양의 미립자 밖에 파티큘레이트 필터 상에 퇴적하지 않도록 상기 배출 미립자량 및 파티큘레이트 필터의 온도를 유지하기 위한 수단을 구비하고, 그것에 의해 배기 가스 중의 미립자를 파티큘레이트 필터 상에서 휘염을 발하지 않고 산화 제거하도록 한다.
이하, 도시한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명한다. 도 1은 본 발명을 압축 착화식 내연기관에 적용한 경우를 예시하고 있다. 또한 본 발명은 불꽃 점화식내연기관에도 적용 가능하다.
도 1을 참조하면, 1은 기관 본체, 2는 실린더 블록, 3은 실린더 헤드, 4는 피스톤, 5는 연소실, 6은 전기 제어식 연료 분사 밸브, 7은 흡기 밸브, 8은 흡기 포트, 9는 배기 밸브, 10은 배기 포트를 각각 나타낸다. 흡기 포트(8)는 대응하는 흡기 가지관(11)을 통해 서지 탱크(12)에 연결되고, 서지 탱크(12)는 흡기 덕트(13)를 통해 배기 터보 차저(14)의 컴프레서(15)에 연결된다. 컴프레서(15)의 상류측의 흡기관(13b)에는 흡입되는 공기의 질량 유량을 검출하기 위한 질량 유량계(13a)가 장착된다. 흡기 덕트(13)내에는 스텝 모터(16)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(17)가 배치되고, 또한 흡기 덕트(13) 주위에는 흡기 덕트(13)내를 흐르는 흡입 공기를 냉각하기 위한 냉각 장치(18)가 배치된다. 도 1에 도시한 실시예에서는 냉각 장치(18)내에 기관 냉각수가 도입되고, 이 기관 냉각수에 의해 흡입 공기가 냉각된다. 한편, 배기 포트(10)는 배기 매니폴드(19) 및 배기관(20)을 통해 배기 터보 차저(14)의 배기 터빈(21)에 연결되고, 배기 터빈(21)의 출구는 파티큘레이트 필터(22)를 내장한 케이싱(23)에 연결된다.
배기 매니폴드(19)와 서지 탱크(12)는 배기 가스 재순환(이하, EGR)통로(24)를 통해 서로 연결되고, EGR 통로(24)내에는 전기 제어식 EGR 제어 밸브(25)가 배치된다. 또한 EGR 통로(24) 주위에는 EGR 통로(24)내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치(26)가 배치된다. 도 1에 도시한 실시예에서는 냉각 장치(26) 내에 기관 냉각수가 도입되고, 이 기관 냉각수에 의해 EGR 가스가 냉각된다. 한편, 각 연료 분사 밸브(6)는 연료 공급관(6a)을 통해 연료 리저버, 소위 커먼 레일(27)에 연결된다. 상기 커먼 레일(27)내에는 전기 제어식의 토출량 가변 연료 펌프(28)로부터 연료가 공급되고, 커먼 레일(27)내에 공급된 연료는 각 연료 공급관(6a)을 통해 연료 분사 밸브(6)에 공급된다. 커먼 레일(27)에는 커먼 레일(27)내의 연료압을 검출하기 위한 연료압 센서(29)가 장착되고, 연료압 센서(29)의 출력 신호에 의거하여 커먼 레일(27)내의 연료압이 목표 연료압이 되도록 연료 펌프(28)의 토출량이 제어된다.
전자 제어 유닛(30)은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍방향성 버스(31)에 의해 서로 접속된 ROM(리드 온리 메모리)(32), RAM(랜덤 액세스 메모리)(33), CPU(마이크로프로세서)(34), 입력 포트(35) 및 출력 포트(36)를 구비한다. 연료압 센서(29)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 또한 파티큘레이트 필터(22)에는 파티큘레이트 필터(22)의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(39)가 장착되고, 상기 온도 센서(39)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 또한 질량 유량계(13a)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 액셀레이터 페달(40)에는 액셀레이터 페달(40)의 밟는 양(L)에 비례한 출력 전압을 발생하는 부하 센서(41)가 접속되고, 부하 센서(41)의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 또한 입력 포트(35)에는 크랭크 샤프트가 예를 들면 30°회전할 때마다 출력 펄스를 발생하는 크랭크 각 센서(42)가 접속된다. 한편, 출력 포트(36)는 대응하는 구동 회로(38)를 통해 연료 분사 밸브(6), 스로틀 밸브 구동용 스텝 모터(16), EGR 제어 밸브(25), 및 연료 펌프(28)에 접속된다.
도 2a 및 도 2b에 파티큘레이트 필터(22)의 구조를 도시한다. 또한 도 2a는 파티큘레이트 필터(22)의 정면도이고, 도 2b는 파티큘레이트 필터(22)의 측면단면도이다. 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 파티큘레이트 필터(22)는 허니콤 구조를 이루고 있고, 서로 평행을 이루어 연장되는 복수개의 배기 유통로(50, 51)를 구비한다. 이들 배기 유통로는 하류단이 마개(52)에 의해 폐쇄된 배기 가스 유입 통로(50)와, 상류단이 마개(53)에 의해 폐쇄된 배기 가스 유출 통로(51)로 구성된다.
또한 도 2a에서 빗금친 부분은 마개(53)를 도시하고 있다. 따라서 배기 가스 유입 통로(50) 및 배기 가스 유출 통로(51)는 두께가 얇은 격벽(54)을 통해 교대로 배치된다. 바꿔 말하면 배기 가스 유입 통로(50) 및 배기 가스 유출 통로(51)는 각 배기 가스 유입 통로(50)가 네개의 배기 가스 유출 통로(51)에 의해 포위되고, 각 배기 가스 유출 통로(51)가 네개의 배기 가스 유입 통로(50)에 의해 포위되도록 배치된다.
파티큘레이트 필터(22)는 예를 들면 코디어라이트(cordierite)와 같은 다공질 재료로 형성되어 있고, 따라서 배기 가스 유입 통로(50)내에 유입한 배기 가스는 도 2b에서 화살표로 도시한 바와 같이 주위의 격벽(54)내를 통과하여 인접하는 배기 가스 유출 통로(51)내에 유출한다.
본 발명의 실시예에서는 각 배기 가스 유입 통로(50) 및 각 배기 가스 유출 통로(51)의 주위 벽면, 즉 각 격벽(54)의 양측 표면 위, 마개(53)의 외측 단면 및 마개(52, 53)의 내측 단면상에는 전면에 걸쳐 예를 들면 알루미나로 이루어지는 담체의 층이 형성되어 있고, 이 담체상에 귀금속 촉매와, 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 취입하여 산소를 유지하며 또한 주위의 산소 농도가 저하하면 유지한 산소를 활성 산소의 형태로 방출하는 활성 산소 방출제가 담지되어 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 각 격벽(54)의 미세 구멍의 벽면 상에도 전면에 걸쳐 예를 들면 알루미나로 이루어지는 담체의 층이 형성되어 있고, 상기 담체상에 귀금속 촉매와, 상술한 활성 산소 방출제가 담지되어 있다.
본 발명의 실시예에서는 귀금속 촉매로서 백금(Pt)이 사용되고 있고, 활성 산소 방출제로서 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(L), 세슘(Cs), 루비듐(Rb)과 같은 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr)과 같은 알칼리토류 금속, 란탄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce)과 같은 희토류, 철(Fe)과 같은 천이 금속, 및 주석(Sn)과 같은 탄소족 원소로부터 선택한 적어도 하나가 사용되고 있다.
또한 활성 산소 방출제로서는 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)을 사용하는 것이 바람직하다.
다음에 파티큘레이트 필터(22)에 의한 배기 가스 중의 미립자 제거 작용에 관해서 담체 상에 백금(Pt) 및 칼륨(K)을 담지시킨 경우를 예로 들어 설명하지만 다른 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리토류 금속, 희토류, 천이 금속을 사용하여도 동일의 미립자 제거 작용이 행하여진다.
도 1에 도시한 바와 같은 압축 착화식 내연기관에서는 공기 과잉 하에서 연소가 행하여지며, 따라서 배기 가스는 다량의 과잉 공기를 포함하고 있다. 즉, 흡기 통로 및 연소실(5)내에 공급된 공기와 연료와의 비를 배기 가스의 공연비라고 칭하면 도 1에 도시한 바와 같은 압축 착화식 내연기관에서는 배기 가스의 공연비는 린으로 되어 있다. 또한 연소실(5)내에서는 NO가 발생하기 때문에 배기 가스 중에는 NO가 포함되어 있다. 또한 연료 중에는 유황 성분(S)이 포함되어 있고, 이 유황 성분(S)은 연소실(5)내에서 산소와 반응하여 SO2가 된다. 따라서 배기 가스 중에는 SO2가 포함되어 있다. 따라서 과잉 산소, NO 및 SO2를 포함한 배기 가스가 파티큘레이트 필터(22)의 배기 가스 유입 통로(50) 내에 유입하게 된다.
도 3a 및 도 3b는 배기 가스 유입 통로(50)의 내측 주위면 상에 형성된 담체층의 표면의 확대도를 모식적으로 도시하고 있다. 또한 도 3a 및 도 3b에서 60은 백금(Pt)의 입자를 도시하고 있고, 61은 칼륨(K)을 포함하고 있는 활성 산소 방출제를 도시하고 있다.
상술한 바와 같이 배기 가스 중에는 다량의 과잉 산소가 포함되어 있기 때문에 배기 가스가 파티큘레이트 필터(22)의 배기 가스 유입 통로(50)내에 유입하면 도 3a에 도시한 바와 같이 이들 산소(O2)가 O2 - 또는 O2-의 형태로 백금(Pt)의 표면에 부착한다. 한편, 배기 가스 중의 NO는 백금(Pt)의 표면상에서 O2 - 또는 O2- 와 반응하여, NO2가 된다(2NO+O2→2NO2). 이어서 생성된 NO2의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 활성 산소 방출제(61)내에 흡수되어, 칼륨(K)과 결합하면서 도 3a에 도시한 바와 같이 초산이온(NO3 -)의 형태로 활성 산소 방출제(61)내에 확산하여, 초산칼륨(KNO3)을 생성한다.
한편, 상술한 바와 같이 배기 가스 중에는 SO2도 포함되어 있고, 상기 SO2도 NO와 같은 메카니즘에 의해 활성 산소 방출제(61)내에 흡수된다. 즉, 상술한 바와 같이 산소(O2)가 O2 - 또는 O2-의 형으로 백금(Pt)의 표면에 부착하고 있어, 배기 가스 중의 SO2는 백금(Pt)의 표면에서 O2 - 또는 O2-와 반응하여 SO3가 된다. 이어서 생성된 SO3의 일부는 백금(Pt) 상에서 또한 산화되면서 활성 산소 방출제(61)내에 흡수되어, 칼륨(K)과 결합하면서 황산이온(SO4 2-)의 형태로 활성 산소 방출제(61) 내에 확산하고, 황산칼륨(K2SO4)을 생성한다. 이렇게하여 활성 산소 방출 촉매(61)내에는 초산칼륨(KNO3) 및 황산칼륨(K2SO4)이 생성된다.
한편, 연소실(5)내에서는 주로 카본(C)으로 이루어지는 미립자가 생성되고, 따라서 배기 가스 중에는 이들 미립자가 포함되어 있다. 배기 가스 중에 포함되어 있는 이들 미립자는 배기 가스가 파티큘레이트 필터(22)의 배기 가스 유입 통로(50)내를 흐르고 있을 때, 혹은 배기 가스 유입 통로(50)로부터 배기 가스 유출 통로(51)를 향할 때에 도 3b에서 62로 도시한 바와 같이 담체층의 표면, 예를 들면 활성 산소 방출제(61)의 표면상에 접촉하여 부착한다.
이와 같이 미립자(62)가 활성 산소 방출제(61)의 표면상에 부착하면 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면에서는 산소 농도가 저하한다. 산소 농도가 저하하면 산소 농도가 높은, 활성 산소 방출제(61)내와의 사이에서 농도차가 생기고, 이렇게 하여 활성 산소 방출제(61)내의 산소가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)와의 접촉면을 향하여 이동하고자 한다. 그 결과, 활성 산소 방출제(61)내에 형성되어 있는 초산칼륨(KNO3)이 칼륨(K)과 산소(O)와 NO로 분해되어, 산소(O)가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하고, 그 한쪽에서 NO가 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 NO는 하류측의 백금(Pt) 상에서 산화되고, 다시 활성 산소 방출제(61)내에 흡수된다.
또한, 이 때 활성 산소 방출제(61) 내에 형성되어 있는 황산칼륨(K2SO4)도 칼륨(K)과 산소(O)와 SO2로 분해되고, 산소(O)가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)와의 접촉면을 향하고, 그 한쪽에서 SO2가 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 SO2는 하류측의 백금(Pt) 상에서 산화되고, 다시 활성 산소 방출제(61)내에 흡수된다. 단지 황산칼륨(K2SO4)은 안정화하고 있기 때문에 초산칼륨(KNO3)에 비해 활성 산소를 방출하기 어렵다.
또한 활성 산소 방출제(61)는 상술한 바와 같이 NOx를 초산이온(NO3 -)의 형태로 흡수할 때에도 산소와의 반응 과정에서 활성인 산소를 생성하여 방출한다. 마찬가지로 활성 산소 방출제(61)는 상술한 바와 같이 SO2를 초산이온(SO4 2-) 형태로 흡수할 때에도 산소와의 반응 과정에서 활성인 산소를 생성하여 방출한다.
그런데 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)와의 접촉면을 향하는 산소(O)는 초산칼륨(KNO3)이나 황산칼륨(K2SO4)과 같은 화합물로부터 분해된 산소이다. 화합물로부터 분해된 산소(O)는 높은 에너지를 가지고 있고, 상당히 높은 활성을 갖는다.따라서 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)와의 접촉면을 향하는 산소는 활성 산소(O)로 되어 있다.
마찬가지로 활성 산소 방출제(61)에 있어서의 NOx와 산소와의 반응 과정, 혹은 SO2와 산소와의 반응 과정에서 생성되는 산소도 활성 산소로 되어 있다.
이들 활성 산소(O)가 미립자(62)에 접촉하면 미립자(62)는 단시간(수초 내지 수십분) 중에 휘염을 발하지 않고 산화시키고, 미립자(62)는 완전히 소멸한다. 따라서 미립자(62)가 파티큘레이트 필터(22)상에 퇴적하는 일은 거의 없다. 즉 활성 산소 방출제(61)는 미립자를 산화하기 위한 산화물질이다.
종래와 같이 파티큘레이트 필터(22)상에 적층형상으로 퇴적한 미립자가 연소되었을 때에는 파티큘레이트 필터(22)가 적열(赤熱)하고, 화염을 동반하여 연소한다. 이러한 화염을 동반하는 연소는 고온이 아니면 지속하지 않으며, 따라서 이러한 화염을 동반하는 연소를 지속시키기 위해서는 파티큘레이트 필터(22)의 온도를 고온으로 유지하지 않으면 안된다.
이에 반해 본 발명에서는 미립자(62)는 상술한 바와 같이 휘염을 발하지 않고 산화시키고, 이 때 파티큘레이트 필터(22)의 표면이 적열하지 않는다. 즉 바꿔 말하면 본 발명에서는 종래에 비해 상당히 낮은 온도로써 미립자(62)가 산화 제거되고 있다. 따라서 본 발명에 의한 휘염을 발하지 않는 미립자(62)의 산화에 의한 미립자 제거 작용은 화염을 동반하는 종래의 연소에 의한 미립자 제거 작용과 완전히 다르다.
그런데 백금(Pt) 및 활성 산소 방출제(61)는 파티큘레이트 필터(22)의 온도가 높아질수록 활성화하기 때문에 파티큘레이트 필터(22)상에서 단위 시간 당에 휘염을 발하지 않고 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량은 파티큘레이트 필터(22)의 온도가 높아질수록 증대한다.
도 5의 실선은 단위 시간당 휘염을 발하지 않고 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량(G)을 도시하고 있다. 또한 도 5에 있어서 횡축은 파티큘레이트 필터(22)의 온도(TF)를 도시하고 있다. 단위 시간 당에 연소실(5)로부터 배출되는 미립자의 양을 배출 미립자량(M)이라고 칭하면 상기 배출 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자(G)보다도 적을 때, 즉 도 5의 영역(I)에 있을 때에는 연소실(5)로부터 배출된 모든 미립자가 파티큘레이트 필터(22)에 접촉하면 단시간(수초 내지 수십분) 중에 파티큘레이트 필터(22)상에서 휘염을 발하지 않고 산화 제거시킨다.
이에 반해, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많을 때, 즉 도 5의 영역(II)에 있을 때에는 모든 미립자를 산화하기 위해서는 활성 산소량이 부족하다. 도 4a 내지 도 4c는 이러한 경우의 미립자의 산화의 모양을 도시하고 있다.
즉, 모든 미립자를 산화하기 위해서는 활성 산소량이 부족한 경우에는 도 4a에 도시한 바와 같이 미립자(62)가 활성 산소 방출제(61)상에 부착하면 미립자(62)의 일부만이 산화되고, 충분히 산화되지 않은 미립자 부분이 담체층상에 잔류한다. 이어서 활성 산소량이 부족하고 있는 상태가 계속되면 잇달아 차례차례 산화되지 않은 미립자 부분이 담체층 상에 잔류하고, 그 결과, 도 4b에 도시한 바와 같이 담체층의 표면이 잔류 미립자 부분(63)에 의해 덮여지게 된다.
담체층의 표면을 덮는 상기 잔류 미립자 부분(63)은 점차로 산화되기 어려운 카본 재질로 변질하고, 이렇게 하여 상기 잔류 미립자 부분(63)은 그대로 잔류하기쉽게 된다. 또한 담체층의 표면이 잔류 미립자 부분(63)에 의해서 덮여지면 백금(Pt)에 의한 N0, SO2의 산화 작용 및 활성 산소 방출재(61)에 의한 활성 산소의 방출 작용이 억제된다. 그 결과, 도 4c에 도시하는 바와 같이 잔류 미립자 부분(63)상에 다른 미립자(64)가 잇달아 차례차례 퇴적한다. 즉 미립자가 적층형상으로 퇴적하게 된다. 이와 같이 미립자가 적층형상으로 퇴적하면 이들 미립자는 백금(Pt)이나 활성 산소 방출재(61)로부터 거리를 두고 있기 때문에 가령 산화되기 쉬운 미립자일지라도 이미 활성 산소(O)에 의해서 산화되지 않으며, 따라서 상기 미립자(64)상에 또다른 미립자가 잇달아 차례차례 퇴적한다. 즉, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많은 상태가 계속하면 파티큘레이트 필터(22)상에는 미립자가 적층형상으로 퇴적하고, 이렇게 하여 배기 가스 온도를 고온으로 하거나, 혹은 파티큘레이트 필터(22)의 온도를 고온으로 하지 않는 한, 퇴적한 미립자를 착화 연소시킬 수 없게 된다.
이와 같이 도 5의 영역(I)에서는 미립자는 파티큘레이트 필터(22)상에서 휘염을 발하지 않고 단시간 동안에 산화시키고, 도 5의 영역(II)에서는 미립자가 파티큘레이트 필터(22)상에 적층형상으로 퇴적한다. 따라서 미립자가 파티큘레이트 필터(22)상에 적층형상으로 퇴적하지 않도록 하기 위해서는 배출 미립자량(M)을 항상, 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적게 하여 놓을 필요가 있다.
도 5에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에서 사용되고 있는 파티큘레이트 필터(22)에서는 파티큘레이트 필터(22)의 온도(TF)가 상당히 낮더라도 미립자를 산화시키는 것이 가능하며, 따라서 도 1에 도시한 압축 착화식 내연기관에 있어서 배출 미립자량(M) 및 파티큘레이트 필터(22)의 온도(TF)를 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 항상, 적어지도록 유지하는 것이 가능하다.
그래서 본 발명의 제 1 실시예에 있어서는 배출 미립자량(M) 및 파티큘레이트 필터(22)의 온도(TF)를 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 항상, 적게 유지하도록 하고 있다. 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 항상 적으면 파티큘레이트 필터(22)상에 미립자가 거의 퇴적하지 않으며, 이렇게 하여 배압이 거의 상승하지 않는다. 따라서 기관 출력은 거의 저하하지 않는다.
한편, 상술한 바와 같이 일단, 미립자가 파티큘레이트 필터(22)상에서 적층형상으로 퇴적하면 예를 들어, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적게 되었다고 해도 활성 산소(O)에 의해 미립자를 산화시키는 것은 곤란하다. 그러나 산화되지 않은 미립자 부분이 잔류하기 시작하고 있을 때에, 즉 미립자가 일정 한도 이하 밖에 퇴적하지 않을 때에 배기 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적게 되면 상기 잔류 미립자 부분은 활성 산소(O)에 의해 휘염을 발하지 않고 산화 제거시킨다.
그래서 본 발명의 제 2 실시예에서는 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 통상적으로 적어지며, 또한 배출 미립자량(M)이 일시적으로 산화 제거 가능 미립자량(G)보다 많아졌다고 해도 도 4b에 도시한 바와 같이 담체층의 표면이 잔류 미립자 부분(63)에 의해 덮히지 않도록, 즉 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다 적어졌을 때에 산화 제거할 수 있는 일정 한도 이하 양의 미립자 밖에 파티큘레이트 필터(22)상에 적층하지 않도록 배출 미립자량(M) 및 파티큘레이트 필터(22)의 온도(TF)를 유지하도록 하고 있다.
특히, 기관 시동 직후는 파티큘레이트 필터(22)의 온도(TF)는 낮으며, 따라서 이때에는 배출 미립자량(M) 쪽이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많아진다. 따라서 실제의 운전을 생각하면 제 2 실시예의 쪽이 현실에 적합하다고 생각된다.
한편, 제 1 실시예 또는 제 2 실시예를 실행할 수 있도록 배출 미립자량(M) 및 파티큘레이트 필터(22)의 온도(TF)를 제어하였다고 해도 파티큘레이트 필터(22) 상에 미립자가 적층형상으로 퇴적하는 경우가 있다. 이러한 경우에는 배기 가스의 일부 또는 전체의 공연비를 일시적으로 리치로 함으로써 파티큘레이트 필터(22)상에 퇴적한 미립자를 휘염을 발하지 않고 산화시킬 수 있다.
즉, 배기 가스의 공연비가 린인 상태가 일정 기간에 걸쳐 계속하면 백금(Pt) 상에 산소가 다량으로 부착하고, 이 때문에 백금(Pt)의 촉매 작용이 저하하게 된다. 그런데 배기 가스의 공연비를 리치로 하여 배기 가스 중의 산소 농도를 저하시키면 백금(Pt)으로부터 산소가 제거되고, 이렇게 하여 백금(Pt)의 촉매 작용이 회복한다. 이로써 배기 가스의 공연비를 리치로 하면 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 활성 산소(O)가 단숨에 방출되기 쉽게 된다. 이렇게 하여 단숨에 방출된 활성 산소(O)에 의해 퇴적하고 있는 미립자가 산화되기 쉬운 상태로 변질되어짐과 동시에 미립자가 활성 산소에 의해 휘염을 발하지 않고 산화 제거시킨다. 이렇게 하여 배기 가스의 공연비를 리치로 하면 전체적으로 산화 제거 가능 미립자량(G)이 증대한다. 또한, 이 경우, 파티큘레이트 필터(22)상에서 미립자가 적층형상으로 퇴적하였을 때에 배기 가스의 공연비를 리치로 하여도 되고, 미립자가 적층형상으로 퇴적하고 있는지의 여부에 관계없이 주기적으로 배기 가스의 공연비를 리치로 하여도 된다.
배기 가스의 공연비를 리치로 하는 방법으로서는 예를 들면 기관 부하가 비교적 낮을 때에 EGR 율[EGR 가스량/(흡입 공기량+EGR 가스량)]이 65 퍼센트 이상이 되도록 스로틀 밸브(17)의 개도 및 EGR 제어 밸브(25)의 개도를 제어하고, 이 때 연소실(5)내에서의 평균 공연비가 리치가 되도록 분사량을 제어하는 방법을 사용할 수 있다.
이상 설명한 내연기관의 운전 제어 루틴의 일례를 도 6에 도시하였다.
도 6을 참조하면, 먼저 처음에 스텝 100에서 연소실(5)내의 평균 공연비를 리치로 해야할 것인지의 여부가 판별된다. 연소실(5)내의 평균 공연비를 리치로 할 필요가 없을 때에는 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적게 되도록 스텝 101에서 스로틀 밸브(17)의 개도가 제어되고, 스텝 102에서 EGR 제어 밸브(25)의 개도가 제어되고, 스텝 103에서 연료 분사량이 제어된다.
한편, 스텝 100에서 연소실(5)내의 평균 공연비를 리치로 해야 한다고 판별되었을 때에는 EGR 율이 65 퍼센트 이상으로 되도록 스텝 104에서 스로틀 밸브(17)의 개도가 제어되고, 스텝 105에서 EGR 제어 밸브(25)의 개도가 제어되며, 연소실(5)내의 평균 공연비가 리치가 되도록 스텝 106에서 연료 분사량이 제어된다.
그런데 상술한 바와 같이 파티큘레이트 필터(22)의 배기 유통로(50, 51)를 분할하는 격벽(54)은 다공질 재료로 형성되어 있고, 상기 격벽(54)의 미세 구멍내의 벽면에도 백금(Pt) 및 활성 산소 방출제(61)가 담지되어 있다. 배기 가스는 이 격벽(54)의 미세 구멍을, 통과하여 흐르고, 배기 가스 유입 통로(50)로부터 배기 가스 유출 통로(51)로, 이와 같이 배기 가스가 미세 구멍내를 통과하는 동안에 미립자는 산화 제거된다. 그런데 미립자가 미세 구멍내에 퇴적하여, 미세 구멍이 막힘을 일으키기도 한다. 그리고 퇴적하는 미립자의 양이 많아지면 격벽(54)의 미세 구멍이 폐쇄되어 버린다. 이렇게 되면, 그 이후에는, 미립자를 산화 제거할 수 없게 된다. 그래서 본 발명에서는 후술하는 몇개의 방법에 의해 격벽(54)의 미세 구멍 내에 퇴적하고 있는 미립자를 강제적으로 격벽 내부에서 유동시켜 산화 제거하도록 한다.
산화 제거되지 않고 격벽(54)의 미세 구멍의 벽면상, 혹은 미세 구멍의 벽면상에 잔류한 잔류 미립자 상에 부착하고 있는 미립자를 이와 같이 격벽(54)의 미세 구멍내에서 유동시키면, 상기 미립자가 미세 구멍의 다른 벽면상에 있는 활성 산소 방출제와 접촉하는 기회가 증가하여, 산화 제거 성능이 현격하게 향상한다. 또한 이와 같이 격벽의 미세 구멍내에서 미립자를 유동시키고, 미세 구멍의 다른 벽면을 이용하여 미립자를 산화 제거하도록 하면 격벽의 미세 구멍내의 벽면 전체를 균등하게 사용할 수 있으며, 따라서 파티큘레이트 필터의 산화 제거 가능 미립자량을 높게 유지할 수 있다.
다음에 격벽의 미세 구멍내에서 미립자를 유동시키는 구체적인 방법에 관해서 설명한다. 본 발명에서는 미립자를 유동시키는 구체적인 방법으로서는 크게 세개가 있다. 즉, 배기 가스를 맥동한 후에 격벽의 미세 구멍 내에 유입시키는 배기 맥동 방법과, 격벽의 미세 구멍내에 유입하는 배기 가스의 흐름 방향을 역전시키는 배기류 역전 방법과, 파티큘레이트 필터 자체를 물리적으로 진동시키는 물리 진동 방법이다. 이하, 이들 방법을 차례로 설명한다.
첫번째 배기 맥동 방법에 의하면 격벽(54)의 미세 구멍내에 퇴적하고 있는 미립자가 배기 가스의 맥동에 의해 진동되어진다. 상기 진동에 의해 미립자는 격벽(54)의 미세 구멍의 벽면으로부터 강제적으로 박리되어, 미세 구멍내를 유동한다. 또한 이와 같이 배기 가스를 맥동시키기 위해서는 배기 가스 중에 압력이 상이한 부분을 부분적으로 형성하면 된다. 본 발명에서는 도 1에 도시한 바와 같이 배기 터빈(21)과 촉매 컨버터(23) 사이의 배기 통로(20a)에 배기 맥동 발생 장치(39a)를 배치하고, 상기 배기 맥동 발생 장치(39a)로부터 배기 가스의 압력보다도 높은 압력의 가스를 상당히 짧은 주기로 배기 가스 중에 도입한다. 이렇게 하여 배기 가스를 맥동시킬 수 있다.
또한 이것과는 다른 방법으로서 배기 맥동 발생 장치(39a)에 의해 가스를 상당히 짧은 주기로 흡인하는 방법을 채용하여도 배기 가스를 맥동시킬 수 있다. 또다른 방법으로서 배기 맥동 발생 장치(39a) 내에 배기 가스를 흡인하고, 그리고 상기 흡인한 배기 가스를 배기 맥동 발생 장치(39a)로부터 방출하는 것, 즉 배기 가스의 흡방출을 상당히 짧은 주기로 반복하는 방법을 채용하여도 배기 가스를 맥동시킬 수 있다.
또다른 방법으로서 도 7에 도시한 바와 같이 배기 터빈(21) 상류측의 배기 통로(20)와 그 하류측의 배기 통로(20a)를 바이패스 통로(20b)에 의해 접속하고, 상기 바이패스 통로(20b)에 바이패스 제어 밸브(20c)를 배치하고, 바이패스 제어 밸브(20c)를 개방하면 배기 가스가 바이패스 통로(20b)를 통해 배기 터빈(21)을 바이패스할 수 있도록 내연 기관을 구성하면, 바이패스 제어 밸브(20c)의 개방과 폐쇄를 반복하는 방법을 채용하여도 배기 가스를 맥동시킬 수 있다. 또한 이러한 경우에, 바이패스 제어 밸브(20c)는 대응하는 구동 회로(38)를 통해 출력 포트(36)에 접속된다.
또다른 방법으로서 내연기관이 복수의 연소실(5)을 구비하는 경우에는 일부의 연소실(5)에만 연료 분사 밸브(6)로부터 연료를 분사하고, 이로써 각 연소실(5)로부터 배출되는 배기 가스의 압력에 차를 생기게 하는 방법을 채용하여도 배기 가스를 맥동시킬 수 있다.
또다른 방법으로서 내연기관을 구동하기 위해서 연료 분사 밸브(6)로부터 연소실(5)내에 연료를 분사한 후에 팽창 행정 후반 또는 배기 행정에서 연료 분사 밸브(6)로부터 연소실(5)내에 연료를 분사하는 방법을 채용하여도 배기 가스를 크게 맥동시킬 수 있다. 상기 방법에 의하면 팽창 행정 후반 또는 배기 행정에서 연소실(5)내에 분사된 연료는 연소실(5)내에서 연소하지만 그 출력은 내연기관의 구동에는 소비되지 않고, 이렇게 하여 연소실(5)로부터 배기 포트에 배출되었을 때의 배기 가스의 압력이 통상 기관 운전시에 비해 커지고, 이렇게 하여 배기 가스가 크게 맥동되어진다. 이것을 도시하면 도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같이 된다.
즉, 도 8a에 도시한 바와 같이 통상적인 기관 운전시에는 내연기관을 구동하기 위한 연료분사[이하, 주분사(主噴射)]가 참조 부호 Im으로 도시한 바와 같이 압축 행정 후반에 실행된다. 이 때 연소실(5)내의 압력(이하, 통내압)은 곡선 C1으로 도시한 바와 같이 변화한다. 즉 통내압은 압축 상사점(TDC)에 근접함에 따라서 서서히 커지고, 압축 상사점(TDC)을 넘으면 서서히 작게 된다. 이와 같이 통내압이 서서히 작아지게 되는 동안에 배기 밸브(9)가 개방되어지며, 이렇게 배기 포트(10)에 배출되는 배기 가스의 압력(이하, 배기압)은 곡선 C2에 도시한 바와 같이 변화한다. 이 때 배기 가스는 최대 압력 Pmax 1로써 배기 포트(10)에 배출된다.
한편, 도 8b에 도시한 바와 같이 배기 가스를 크게 맥동시켜야만 하는 기관운전시에는 주분사(Im)가 실행된 후에 참조 부호 Ip로 도시한 바와 같이 팽창 행정 후반 또는 배기 행정에서 연료 분사[이하, 부분사(副噴射)]가 실행된다. 이 때 통내압은 곡선 C3으로 도시한 바와 같이 변화한다. 즉 통내압은 압축 상사점(TDC)에 가까이 감에 따라서 서서히 커지고, 압축 상사점(TDC)을 넘으면 서서히 작아지게 되지만, 통상 기관 운전시와는 달리, 부분사(Ip)가 실행된 직후에 일시적으로 통내압은 일정을 유지하며, 그 후, 다시 서서히 작아지게 된다. 그리고 배기 밸브(9)는 통내압이 일정을 유지하고 있는 동안에 개방되어진다. 이 때문에 배기 가스는 통상 기관 운전시의 최대 배기압 Pmax 1보다 큰 최대 기압 Pmax 2로 배기 포트(10)에 배출된다. 이와 같이 배기 가스가 크게 맥동되어진다.
또한 내연기관이 복수의 연소실(5)을 갖는 경우에는 상술한 부분사를 모든 연소실(5)에서 실행하도록 하여도 되고, 또는 일부의 연소실(5)에서만 실행하도록 하여도 된다. 어느 형태를 채용할 것인가는 소망의 배기 맥동 특성, 혹은 소망의 크기의 배기 맥동을 얻기 위해서 부분사에 의해 분사해야 할 연료의 양, 혹은 부분사에 의해 분사된 연료가 연소실(5)의 내벽면에 부착하게 되는 지의 여부, 혹은 퇴적하고 있는 미립자의 양 등에 따라서 결정하면 된다.
또한 배기 행정 후반에서 부분사를 실행하도록 한 경우에는 부분사에 의해 분사된 연료는 연소실(5)내에서 연소하지 않고, 배기 포트(10)에 배출될 가능성도 있다. 그렇지만 이러한 경우에는 배기 포트(10)에 배출된 미연의 연료가 파티큘레이트 필터(22)에 유입하기 전에 연소시키도록 수단을 강구하면 배기 가스를 맥동시킨다고 하는 관점에서는 충분히 그 목적을 달성할 수 있다.
또다른 방법으로서 배기 밸브(9)의 개방 시기를 통상의 개방 시기보다도 빠르게 하는 방법을 채용하여도 배기 가스를 크게 맥동시킬 수 있다. 상기 방법에 의하면 통내압은 압축 상사점 후에서는 빠른 시기일수록 높으며, 따라서 배기 밸브(9)를 빠른 시기에 개방할 수록 배기 포트(10)에 배출되는 배기 가스의 압력은 크고, 이렇게 하여 배기 가스는 크게 맥동되어진다. 이것을 도시하면 도 9a 및 도 9b에 도시한 바와 같다.
즉, 도 9a에 도시한 바와 같이 통상적인 기관 운전시에는 시기 tno에 있어서 배기 밸브(9)가 개방되어지고, 시기 tnc에 있어서 폐쇄되어진다. 이와 같이 배기 밸브(9)가 개폐되면 배기 가스가 최대 압력 Pmax 3으로 배기 포트(10)에 배출된다. 한편, 도 9b에 도시한 바와 같이 배기 가스를 크게 맥동시켜야만 하는 기관 운전시에는 배기 밸브(9)는 상기 시기 tno보다 빠른 시기 tso에서 개방되어지고, 상기 시기 tnc보다 빠른 시기 tsc에서 폐쇄되어진다. 이와 같이 배기 밸브(9)가 개방되면 배기 가스가 상기 최대 압력 Pmax 3보다 큰 최대 압력 Pmax 4로 배기 포트(10)에 배출된다. 이렇게 하여 배기 가스가 크게 맥동되어진다.
또한 내연기관이 복수의 연소실(5)을 갖는 경우에는 배기 밸브(9)의 개방 시기를 모든 연소실(5)에서 빠르게 하여도 되고, 또는 일부의 연소실(5)에서만 빠르게 하여도 된다. 어느 형태를 채용할 것인가는 소망의 배기 맥동 특성, 혹은 퇴적하고 있는 미립자의 양 등에 따라서 결정하면 된다.
또다른 방법으로서 도 10에 도시한 바와 같이 배기 터빈(21) 상류에 공기를 분사하기 위한 공기 분사 밸브(39b)를 장착하고, 상기 공기 분사 밸브(39b)로부터 공기를 배기 가스 중에 도입하는 방법을 채용하여도 배기 가스를 크게 맥동시킬 수 있다. 이것에 의하면 배기 가스 중의 가연성의 미연소 연료와 공기 분사 밸브(39b)로부터 분사된 공기가 고온의 배기 가스의 영향으로 연소하고, 이렇게 하여 배기 가스의 압력이 증대되어진다. 또한 공기 분사 밸브(39b)는 대응하는 구동 회로(38)를 통해 출력 포트(36)에 접속된다.
또한 상기 방법은 상술한 부분사를 실행하는 방법이나 배기 밸브의 개방 시기를 빠르게 하는 방법에 비하면 배기 가스의 압력을 증대시키는 간격을 비교적 자유롭게 선택할 수 있다고 하는 이점이 있다. 또한 배기 가스 중에 포함되는 미연소 연료가 비교적 적은 경우에는 팽창 행정 후반 또는 배기 행정에서 부분사를 실행하여도 된다.
또한 상기 방법을 기관 감속시에 사용하는 경우에는 다음과 같은 제어를 실행한다. 즉, 기관 감속시에 배기 가스를 크게 맥동시켜야 할 때에는 내연기관을 구동하지 않은 시기에 연소실(5)에 연료를 분사하고, 이와 동시에 공기 분사 밸브(39b)로부터 공기를 분사한다. 이것에 의하면 내연기관을 구동하지 않은 시기에 분사된 연료는 연소실(5)로부터 배출되고, 공기 분사 밸브(39b)로부터 분사된 공기와 반응하여, 배기 가스의 압력을 높인다. 이렇게 하여 배기 가스가 크게 맥동되어진다.
또한, 특히 기관 감속시에 배기 가스를 크게 맥동시키면 퇴적 미립자를 파티큘레이트 필터(22)내에서 유동시키기 위해서는 효과적이다. 왜냐하면 기관 감속시에서는 내연기관을 구동하기 위한 연료는 분사되지 않기 때문에 배기 가스의 압력은 본질적으로 낮고, 이것에 특히 배기 가스에 압력이 높은 부분을 형성하면 파티큘레이트 필터(22)에 유입하는 배기 가스의 변동 폭이 대단히 커지기 때문이다.
또다른 방법으로서 도 11에 도시한 바와 같이 공기 분사 밸브(39b)를 배기 터빈(21)과 파티큘레이트 필터(22)와의 사이에 장착하고, 또한 공기 분사 밸브(39b)의 하류측으로서 파티큘레이트 필터(22) 상류에 점화 마개(39c)를 장착하고, 공기 분사 밸브(39b)로부터 공기를 배기 가스 중에 도입하고, 그와 동시에 점화 마개(39c)를 작동하고, 배기 가스 중의 미연의 연료를 공기 분사 밸브(39b)로부터 분사된 공기와 반응시키는 방법을 채용하여도 된다. 이것에 의하면 배기 가스 중에 포함되어 있는 미연 연료가 공기 분사 밸브(39b)로부터 분사된 공기와의 반응에 의해 연소되어지고, 이 때에 배기 가스의 압력이 부분적으로 증대되어지며, 이렇게 배기 가스가 맥동되어진다. 또한 공기 분사 밸브(39b) 및 점화 마개(39c)는 대응하는 구동 회로(38)를 통해 출력 포트(36)에 접속된다.
또한 상기 방법은 상술한 배기 터빈(21) 상류에서 배기 가스 중에 공기를 도입하는 방법에 비하면 파티큘레이트 필터(22) 근방에서 배기압을 증대시킬 수 있기 때문에 배기 가스를 보다 크게 맥동시킬 수 있다고 하는 이점이 있다. 또한 이방법을 사용하면 기관 감속시일지라도 내연기관을 구동하지 않은 시기에 연소실에 연료를 분사하지 않아도 배기 가스를 크게 맥동시킬 수 있다.
또다른 방법으로서 도 12에 도시한 바와 같이 배기 터빈(21)과 파티큘레이트 필터(22)와의 사이에 연료를 분사하기 위한 제 2 연료 분사 밸브(6b)를 장착하고, 상기 제 2 연료 분사 밸브(6b)를 커먼 레일(27)에 접속하여, 연료를 배기 가스 중에 도입하는 방법을 채용하여도 배기 가스를 크게 맥동시킬 수 있다. 이것에 의하면 제 2 연료 분사 밸브(6b)로부터 분사된 연료가 배기 가스 중의 산소와 반응하여 연소하고, 이 때에 배기 가스의 압력이 증대되어지고, 이렇게 하여 배기 가스가 크게 맥동되어진다. 또한 제 2 연료 분사 밸브(6b)는 대응하는 구동 회로(38)를 통해 출력 포트(36)에 접속된다.
또한 제 2 연료 분사 밸브(6b)로부터 분사된 연료가 연소하는 데 충분한 양의 산소가 배기 가스 중에 포함되어 있지 않은 경우에는 제 2 연료 분사 밸브(6b)의 상류에 공기 분사 밸브를 장착하고, 이로써 배기 가스 중에 공기를 도입하면 된다. 또한 배기 가스의 온도가 제 2 연료 분사 밸브(6b)로부터 분사된 연료를 연소시키는 데 충분히 높지 않은 경우에는 제 2 연료 분사 밸브(6b)의 하류에 점화 마개를 장착하고, 이로써 배기 가스 중의 연료를 점화하면 된다.
이상 설명한 배기 맥동 발생 장치를 이용하는 방법, 배기 가스에 배기 터빈을 바이패스시키는 방법, 부분사를 이용하는 방법, 배기 밸브의 개방 시기를 빠르게 하는 방법, 공기 분사 밸브를 이용하는 방법, 점화 마개를 이용하는 방법, 제 2 연료 분사 밸브를 이용하는 방법을 각각의 작용 및 그 수단 이점을 고려하여, 적절히 조합하여 이용하도록 하여도 된다.
이상 설명한 퇴적 미립자 산화 제거 처리 루틴의 일례를 도 13에 도시한다.
도 13을 참조하면 우선 처음에 스텝 200에서 파티큘레이트 필터(22)에 의한 압력 손실(P)이 미리 정해진 값(PTH)보다 큰지의 여부(P＞PTH)가 판별된다. 여기서 압력 손실이란 파티큘레이트 필터(22)의 상류측에서의 배기 가스의 압력과 하류측에서의 배기 가스의 압력과의 차이다. 스텝 200에서 P＞PTH라고 판별되었을 때에는 압력 손실(P)이 비교적 크기 때문에 파티큘레이트 필터(22)의 격벽(54)의 미세 구멍내에 미립자가 비교적 많게 퇴적하고 있다고 추정하고, 이들 미립자를 산화 제거할 필요가 있다고 판단하여, 배기 가스를 맥동시키기 위해서 스텝 201에서 상술한 방법 중 어느 하나에 의한 배기 가스 맥동 처리를 실행한다.
한편, 스텝 200에서 P≤PTH라고 판별되었을 때에는 배기 가스 맥동 처리를 실행할 필요가 없다고 판단하여, 처리가 종료된다.
또한 도 15에 도시한 바와 같이 복수개의 파티큘레이트 필터(22)를 병렬로 배치한 구성에 있어서는 상술한 배기 맥동 발생 장치(39a)를 사용하는 방법과는 다른 방법에 의해서도 배기 가스를 맥동시킬 수 있다. 즉, 이러한 경우에는 각 파티큘레이트 필터(22)의 상류측에 차단 밸브(22a)를 각각 배치하고, 이들 차단 밸브(22a) 중 일부의 차단 밸브(22a)의 개방과 폐쇄를 상당히 짧은 주기로 반복하면 나머지 차단 밸브(22a)의 하류측의 파티큘레이트 필터(22)에 유입하는 배기 가스의 량이 상당히 짧은 주기로 많아지거나 적어지기도 한다. 이와 같이 배기 가스를 맥동시킬 수 있다.
또한 이 경우, 일부의 파티큘레이트 필터(22)에는 통상보다도 다량의 배기 가스가 유입한다. 따라서 배기 가스의 유속이 지나치게 빨라서 활성 산소 방출제(61)내에 NOx를 흡수할 수 없거나, 활성 산소 방출제(61)의 표면상에 미립자를 포착할 수 없거나 할 가능성이 있다. 이것을 방지하기 위해서 배기 가스 중에 미립자나 NOx 등의 성분이 포함되어 있지 않은 기관 감속시에만 일부의 차단 밸브(22a)의 개방과 폐쇄를 반복하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 배기 가스를 맥동해야만 하는 때로서 기관 감속시에만 일부의 차단 밸브(22a)의 개방과 폐쇄를 반복하도록 한다.
이상 설명한 도 15에 도시한 구성에 있어서의 퇴적 미립자 유동 처리 루틴의 일례를 도 16에 도시한다.
도 16을 참조하면 우선 처음에 스텝 300에서 파티큘레이트 필터(22)에 의한 압력 손실(P)이 미리 정해진 값(PTH)보다 큰지의 여부(P＞PTH)가 판별된다. 스텝 300에서 P＞PTH라고 판별되었을 때에는 스텝 301로 진행하여 기관 감속시 인지의 여부가 판별된다. 스텝 301에서 기관 감속시라고 판별되었을 때에는 배기 가스 맥동 처리를 실행하여도 되는 상황이라고 판단하고, 배기 가스를 맥동시키기 위해서 스텝 302에서 배기 가스 맥동 처리를 실행한다. 한편, 스텝 300에서 P≤ PTH라고 판별되었을 때에는 퇴적 미립자를 산화 제거할 필요가 없다고 판단하여, 처리가 종료된다. 또한 스텝(301)에서 기관 감속시가 아니라고 판별되었을 때에는 배기 가스 맥동 처리를 실행하면 안된다고 판단하여, 처리가 종료된다.
그런데 두번째의 배기류 역전 방법에 의하면 격벽(54)의 미세 구멍 내에 퇴적하고 있는 미립자에 흐름의 방향이 다른 배기 가스가 충돌한다. 이러한 배기 가스의 충돌에 의해 미립자는 격벽(54)의 미세 구멍의 벽면으로부터 강제적으로 박리되어져, 미세 구멍내를 유동한다. 또한 이와 같이 배기 가스의 흐름의 방향을 역전시키는 구체적인 방법으로서는 여러가지 고려할 수 있지만 이하의 2가지 방법을 예로 설명한다.
제 1 방법에서는 배기 가스가 파티큘레이트 필터(22)에 유입하는 측을 변경하지 않고 배기 가스의 흐름을 역전시킨다. 제 1 방법을 실시하기 위해서는 도 17a 및 도 17b에 도시한 바와 같이 파티큘레이트 필터(22)를 구성하면 된다. 즉, 도 17a 및 도 17b를 참조하면 배기 유통로의 단부는 마개(52, 53)가 아니라 도 17a에 도시한 바와 같은 플레이트(70)를 사용하여 폐쇄된다. 플레이트(70)에는 복수의 개구(71)가 형성되어 있고, 상기 플레이트(70)를 도 17b에 도시한 바와 같이 파티큘레이트 필터(22)의 양단을 폐쇄하도록 배치한다. 여기서 플레이트(70)는 파티큘레이트 필터(22)의 양단에 접하고 있는 것만으로 고정 장착은 되지 않는다.
즉, 파티큘레이트 필터(22)는 플레이트(70)로부터 독립하여 이동할 수 있게 되어 있다. 한쪽의 플레이트(70)의 개구(71)에 정렬하는 배기 유통로는 배기 가스 유입 통로(50)를 구성하고, 다른쪽의 플레이트(70)의 개구(71)에 정렬하는 배기 유통로(50)는 배기 가스 유출 통로(51)를 구성한다. 각 플레이트(70)는 배기 가스 유입 통로(50)와 배기 가스 유출 통로(51)와는 교대로 배치되도록, 바꿔 말하면 배기 가스 유입 통로(50)가 4개의 배기 가스 유출 통로(51)에 의해 포위되고, 배기 가스 유출 통로(51)가 네개의 배기 가스 유입 통로(50)에 의해 포위되도록 파티큘레이트 필터(22)의 양단에 배치된다.
또한 파티큘레이트 필터(22)의 외벽면상에 기어(72)를 장착하고, 상기 기어(72)를 기어(73)와 결합시킨다. 기어(73)는 모터(74)에 접속되어 있고, 상기 모터(74)에 의해 기어(73)를 회전할 수 있다.
이러한 구성에 있어서 격벽(54)의 미세 구멍 내의 미립자를 유동시킬 필요가 있다고 판단하였을 때에는 모터(74)를 구동하고, 파티큘레이트 필터(22)를 플레이트(70)에 대하여 상대적으로 빠르게 예를 들면 90도 회전한다. 이와 같이 파티큘레이트 필터(22)를 회전하면 회전하는 동안에 통상은 배기 가스 유출 통로인 통로에 배기 가스가 유입한다. 따라서 배기 가스는 상당히 짧은 시간만 격벽(54)내를 통상의 방향과는 반대의 방향으로 흐른다. 이렇게 하여 격벽(54)내에서 미립자를 유동시킬 수 있다.
또한 제 2 방법에서는 배기 가스가 파티큘레이트 필터(22)에 유입하는 측을 역전시킴으로써 배기 가스의 흐름의 방향을 역전한다. 상기 제 2 방법을 실시하기 위해서는 파티큘레이트 필터(22)를 예를 들면 도 18 내지 도 20에 도시한 구성으로 하면 된다. 도 18 및 도 19를 참조하면 배기 통로(20a)는 배기류 전환관(80)에 접속되어 있다. 배기류 전환관(80)은 3개의 개구를 갖고, 이들 개구는 제 1 배기관(81a), 제 2 배기관(81b), 배기관(82)과 접속된다. 제 1 배기관(81a)은 파티큘레이트 필터(22)의 한쪽의 단부에 접속되고, 제 2 배기관(81b)은 파티큘레이트 필터(22)의 다른쪽의 단부에 접속된다. 이하, 설명의 편의를 위해 제 1 배기관(81a)이 접속되는 파티큘레이트 필터(22)의 단부를 제 1 단부라고 칭하고, 제 2 배기관(81b)이 접속되는 파티큘레이트 필터(22)의 단부를 제 2 단부라고 칭한다.
배기류 전환관(80) 내에는 전환 밸브(80a)가 배치된다. 배기류 전환관(80)은 전환 밸브(80a)의 회전 이동 위치를 조절함으로써 배기 가스를 파티큘레이트 필터(22)가 다른 두개의 단부, 즉 제 1 단부 또는 제 2 단부 중 어느 한쪽으로부터 파티큘레이트 필터(22)에 유입시킬 수 있다.
즉, 전환 밸브(80a)가 도 18에 도시한 제 1 회전 이동 위치에 위치 결정되었을 때에는 배기 가스는 도 18의 화살표로 도시한 바와 같이 배기류 전환관(80)으로부터 제 1 배기관(81a)을 통해 파티큘레이트 필터(22)의 제 1 단부로부터에서 파티큘레이트 필터(22)에 유입한다. 그리고 배기 가스는 파티큘레이트 필터(22)의 제 2 단부로부터 유출하고, 제 2 배기관(81b)을 통해 배기류 전환관(80)에 유입한다. 그리고 최종적으로는 배기 가스는 배기류 전환관(80)으로부터 배기관(82)에 배출된다.
한편, 전환 밸브(80b)가 도 20에 도시한 제 2 회전 이동 위치에 위치 결정되었을 때에는 배기 가스는 도 20의 화살표로 도시한 바와 같이 배기류 전환관(80)으로부터 제 2 배기관(81b)을 통해 파티큘레이트 필터(22)의 제 2 단부로터 파티큘레이트 필터(22)에 유입한다. 그리고 배기 가스는 파티큘레이트 필터(22)의 제 1 단부로부터 유출하고, 제 1 배기관(81a)을 통해 배기류 전환관(80)에 유입한다. 그리고 최종적으로는 배기 가스는 배기류 전환관(80)으로부터 배기관(82)에 배출된다.
이와 같이 전환 밸브(80a)의 회전 이동 위치를 변경함으로써 배기 가스가 파티큘레이트 필터(22)에 유입하는 측을 역전시킬 수 있다. 상기 전환 밸브(80a)의 회전 이동 위치의 변경을 예를 들면 미리 정해진 시간 간격마다 행하면 파티큘레이트 필터(22)의 격벽(54)내를 통과하는 배기 가스의 방향을 정기적으로 변경할 수 있다. 따라서 격벽(54)의 미세 구멍의 벽면에 퇴적하고 있는 미립자를 미세 구멍 내에서 유동시킬 수 있다. 이렇게 하여 격벽(54)내에서의 미립자의 산화 제거를 촉진할 수 있다.
그런데, 세번째의 물리 진동 방법에 의하면 파티큘레이트 필터(22)를 물리적으로 진동시키고, 이로써 퇴적 미립자가 격벽(54)의 미세 구멍의 벽면으로부터 박리시킨다. 이로 인해 미립자가 격벽(54)의 미세 구멍 내에서 유동하게 된다. 또한 이와 같이 파티큘레이트 필터(22)를 물리적으로 진동시키는 방법으로서는 여러가지 고려할 수 있지만 이하의 방법을 예로 들 수 있다.
즉, 도 21에 도시한 바와 같이 촉매 컨버터(23)의 외측 주위 벽면상에 진동 발생 장치(23a)를 장착하고, 상기 진동 발생 장치(23a)에 의해 촉매 컨버터(23)를 진동시키며, 이와 같이 파티큘레이트 필터(22)를 진동시킨다. 진동 발생 장치(23a)로서는 초음파 진동자나 모터 구동식의 바이브레이터 등을 이용하여 진동을 발생하는 장치를 채용할 수 있다. 또한 진동 발생 장치(23a)는 대응하는 구동회로(38)를 통해 출력 포트(36)에 접속된다.
또한 상술한 미립자를 유동화시키기 위한 방법에 부가하여 예를 들면 내연기관이 복수의 연소실(5)을 갖는 경우에는 일부의 연소실(5)에서만 기관 구동용 연료를 분사하여 연소시키고, 기관 연소 밸런스를 억지로 흩뜨리고, 이것에 의해 내연기관 자체를 진동시키고, 이렇게 하여 촉매 컨버터(23)를 진동시키도록 하여도 된다.
또한 도 22에 도시한 바와 같이 진동 발생 장치(23a)를 이용함과 동시에 가요성을 갖는 파이프(20b)에 의해 촉매 컨버터(23)를 그 양단에서 유지하도록 하여도 된다. 이것에 의하면 촉매 컨버터(23)가 쉽게 진동하게 되며, 이와 같이 파티큘레이트 필터(22)가 쉽게 진동하게 된다.
또한 이상 설명한 바와 같이 격벽의 미세 구멍 내에서 미립자를 유동시키는 처리(이하, 미립자 유동 처리)를 실행하는 시기로서는 상술한 바와 같이 격벽의 미세 구멍내에 퇴적하고 있는 미립자의 량이 미리 정해진 량 이상이 되었을 때 이외의 시기를 채용하여도 된다. 예를 들면, 격벽 상에 미립자가 퇴적하고 있는 것이 검출되었을 때에 미립자 유동 처리를 실행하여도 된다. 또한 격벽의 미세 구멍내에 미립자가 퇴적할 것으로 예상되었을 때에 미립자 유동 처리를 실행하여도 된다. 여기서 격벽의 미세 구멍내에 미립자가 퇴적할 것으로 예상되는 것은 예를 들면 배기 가스의 온도가 비교적 낮을 때, 배출 미립자량이 많을 때, 기관 가속시, 기관 시동시 등이다. 이들의 경우에는 격벽의 미세 구멍내에 퇴적하고 있는 미립자의 양에 관계없이 미립자 유동 처리가 실행된다. 이 경우, 가령 격벽의 미세 구멍내에 퇴적하고 있는 미립자가 전혀 없다고 해도 파티큘레이트 필터(22)에서의 통상의 미립자 산화 제거 작용을 저해하지 않고, 오히려 격벽의 미세 구멍내에 유입한 미립자가 미세 구멍의 벽면 전체에 걸쳐 분산되어질 가능성이 높아지기 때문에 미립자의 산화 제거 작용을 높이게 된다.
또한 미립자 유동 처리를 실행하는 시기로서 어떤 조건을 만족한 정기적인 시기를 채용할 수도 있다. 즉, 미립자 유동 처리를 예정되는 간격마다 실행하도록 하여도 된다. 이 정기적인 시기로서는 예를 들면 소정 시간이 경과하였을 때, 혹은 주행 거리가 소정 주행 거리에 달하였을 때, 혹은 기관 운전 정지시가 있다. 물론 미립자 유동 처리를 항상 실행하도록 하여도 된다.
그런데 배기 가스가 유입하는 상류측에서 파티큘레이트 필터(22)의 격벽(54)의 미세 구멍이 미립자에 의해 폐쇄되어 버리면 하류측의 미세 구멍 내로 미립자가 유입할 수 없게 된다. 이러한 경우, 하류측의 미세 구멍의 벽면을 미립자를 산화 제거하기 위해서 사용할 수 없기 때문에 파티큘레이트 필터(22)의 산화 제거 가능 미립자량(G)이 전체적으로 저하하게 된다. 이것을 피하기 위해서 본 발명에서는 도 14에 도시한 바와 같이 파티큘레이트 필터(22)의 격벽(54)의 미세 구멍(54a)의 직경을 배기 가스가 유출하는 하류측에 비해 배기 가스가 유입하는 상류측 편을 크게 하고 있다. 이렇게 하면 격벽(54)의 미세 구멍(54a)이 그 상류측에서 먼저 폐쇄되고 버려 그 하류측의 미세 구멍의 벽면을 미립자의 산화 제거를 위해 사용할 수 없는 것을 피할 수 있다. 즉 이것에 의하면, 격벽(54)의 벽면 모두를 미립자의 산화 제거를 위해 유효하게 이용할 수 있다.
또한, 상술한 배기 맥동 방법을 실시하는 경우에 있어서 격벽(54)의 미세 구멍 내에 퇴적한 미립자량이 대단히 많아, 미세 구멍이 완전히 폐쇄되었을 때에는 맥동된 배기 가스의 최고 압력보다도 높은 압력의 배기 가스를 파티큘레이트 필터(22)에 유입시키도록 한다. 이렇게 해서 격벽(54)의 미세 구멍을 막고 있는 미립자를 격벽(54)내에서 강제적으로 유동시키면 미립자를 산화 제거할 수 있다.
물론 상술한 배기류 역전 방법을 실시하는 경우에는 배기 가스의 흐름 방향을 역전시키면 격벽(54)의 미세 구멍 내에 퇴적한 미립자량이 상당히 많아도 격벽(54)의 미세 구멍을 막고 있는 미립자를 격벽(54)내에서 강제적으로 유동시킬 수 있다.
그런데 연료나 윤활유는 칼슘(Ca)을 포함하고 있으며, 따라서 배기 가스 중에 칼슘(Ca)이 포함되어 있다. 이 칼슘(Ca)은 SO3이 존재하면 황산칼슘(CaSO4)을 생성한다. 상기 황산칼슘(CaSO4)은 고체이고 고온으로 되어도 열분해하지 않는다. 따라서 황산칼슘(CaSO4)이 생성되면, 황산 칼슘(CaSO4)에 의해서 파티큘레이트 필터(22)의 미세 구멍이 폐쇄되어, 결과적으로, 배기 가스가 파티큘레이트 필터(22)내를 흐르기 어렵게 된다.
이 경우, 활성 산소 방출제(61)로서 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속, 예를 들면 칼륨(K)을 사용하면 활성 산소 방출제(61)내에 확산하는 SO3는 칼륨(K)과 결합하여 황산칼륨(K2SO4)을 형성하고, 칼슘(Ca)은 SO3와 결합하지 않고 파티큘레이트 필터(22)의 격벽(54)을 통과하여 배기 가스 유출 통로(51)내에 유출한다. 따라서 파티큘레이트 필터(22)의 미세 구멍이 막히지 않게 된다. 따라서 상술한 바와 같이 활성 산소 방출제(61)로서는 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)을 사용하는 것이 바람직하게 된다.
또한 본 발명은 파티큘레이트 필터(22)의 양측면상에 형성된 담체의 층상에 백금(Pt)과 같은 귀금속만을 담지한 경우에도 적용할 수 있다. 단지 이 경우에는 산화 제거 가능 미립자량(G)을 도시하는 실선은 도 5에 도시하는 실선에 비해 약간, 오른쪽으로 이동한다. 이 경우에는 백금(Pt)의 표면상에 유지되는 NO2 또는 SO3로부터 활성 산소가 방출된다.

Claims (30)

  1. 연소실로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 파티큘레이트 필터가 배기 통로 내에 배치되고, 상기 파티큘레이트 필터가 배기 가스를 통과시킬 수 있는 격벽을 구비하며, 상기 격벽의 내부에는 미립자를 산화하기 위한 산화물질이 담지되어 있고, 상기 격벽의 내부에서 배기 가스 중의 미립자를 산화 제거할 수 있는 배기 가스 정화 장치에 있어서,
    배기 가스를 맥동시키고 상기 맥동되어진 배기 가스를 상기 격벽 내에 유입시킴으로써 상기 격벽 내부에 유지된 미립자를 박리하여 유동화시키기 위한 미립자 유동화 수단을 구비하는 배기 가스 정화 장치.
  2. 연소실로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 파티큘레이트 필터가 배기 통로 내에 배치되고, 상기 파티큘레이트 필터가 배기 가스를 통과시킬 수 있는 격벽을 구비하며, 상기 격벽의 내부에는 미립자를 산화하기 위한 산화물질이 담지되어 있고, 상기 격벽의 내부에서 배기 가스 중의 미립자를 산화 제거할 수 있는 배기 가스 정화 장치에 있어서,
    상기 격벽 내부를 흐르는 배기 가스의 흐름 방향을 역전시킴으로써 상기 격벽 내부에 유지된 미립자를 박리하여 유동화시키기 위한 미립자 유동화 수단을 구비하는 배기 가스 정화 장치.
  3. 연소실로부터 배출된 배기 가스 중의 미립자를 제거하기 위한 파티큘레이트 필터가 배기 통로 내에 배치되고, 상기 파티큘레이트 필터가 배기 가스를 통과시킬 수 있는 격벽을 구비하며, 상기 격벽의 내부에는 미립자를 산화하기 위한 산화물질이 담지되어 있고, 상기 격벽의 내부에서 배기 가스 중의 미립자를 산화 제거할 수 있는 배기 가스 정화 장치에 있어서,
    상기 파티큘레이트 필터를 진동시킴으로써 상기 격벽 내부에 유지된 미립자를 박리하여 유동화시키기 위한 미립자 유동화 수단을 구비하는 배기 가스 정화 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화물질은 활성 산소를 방출하는 배기 가스 정화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 산화물질은 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 취입하여 유지하고, 또한 미립자가 격벽의 벽면에 부착하면 활성인 산소를 방출하는 배기 가스 정화 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 산화물질은 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 취입하여 산소를 유지하고, 또한 주위의 산소 농도가 저하하면 유지한 산소를 활성 산소의 형태로 방출하는 배기 가스 정화 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 산화물질이 알칼리 금속 및 알칼리토류 금속 및 희토류 및 천이 금속 및 탄소족 원소 중 적어도 하나로 이루어지는 배기 가스 정화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 알칼리 금속 및 알칼리토류 금속이 칼슘보다도 이온화 경향이 높은 금속으로 이루어지는 배기 가스 정화 장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 배기 가스의 일부 또는 전체의 공연비를 일시적으로 리치로 함으로써 미립자를 산화시키는 배기 가스 정화 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화물질은 귀금속 촉매인 배기 가스 정화 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 배기 가스 중에 압력이 상이한 부분을 형성함으로써 배기 가스를 맥동시키는 배기 가스 정화 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 기관 배기 통로 내에 연료와 공기를 공급하고, 이들 연료와 공기를 반응시킴으로써 배기 가스 중에 압력이 상이한 부분을 형성하는 배기 가스 정화 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 파티큘레이트 필터를 복수개 구비하고, 이들 파티큘레이트 필터가 서로 병렬로 배치되며, 상기 미립자 유동화 수단은 이들 파티큘레이트 필터 중 적어도 하나에 유입하는 배기 가스의 양을 적게 하고, 나머지의 파티큘레이트 필터에 유입하는 배기 가스의 양을 많게 함으로써 배기 가스를 맥동시키는 배기 가스 정화 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 내연기관의 작동 파라미터를 변경함으로써 배기 가스를 맥동시키는 배기 가스 정화 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 내연기관을 구동하기 위한 연료를 분사한 후에 추가의 연료를 분사하고, 상기 추가의 연료를 연소시키도록 내연기관의 작동 파라미터를 변경하는 배기 가스 정화 장치.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 배기 밸브의 개방 시기가 빨라지도록 내연기관의 작동 파라미터를 변경하는 배기 가스 정화 장치.
  17. 삭제
  18. 제 2 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 파티큘레이트 필터의 배기 가스가 유입하는 측과 유출하는 측을 변경하지 않고 격벽 내부를 흐르는 배기 가스의 흐름 방향을 역전시키는 배기 가스 정화 장치.
  19. 제 2 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 파티큘레이트 필터의 배기 가스가 유입하는 측과 유출하는 측을 역전시킴으로써 격벽 내부를 흐르는 배기 가스의 흐름 방향을 역전시키는 배기 가스 정화 장치.
  20. 삭제
  21. 제 3 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 초음파 진동자에 의해 파티큘레이트 필터를 진동시키는 배기 가스 정화 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 파티큘레이트 필터를 진동 가능하게 유지하는 배기 가스 정화 장치.
  23. 제 3 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 내연기관을 진동시킴으로써 파티큘레이트 필터를 진동시키는 배기 가스 정화 장치.
  24. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 파티큘레이트 필터 상에 미립자가 퇴적하는 것이 예상되었을 때에 미립자를 유동화시키는 배기 가스 정화 장치.
  25. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 파티큘레이트 필터 상에 미립자가 퇴적하고 있는 것이 검출되었을 때에 격벽 내부에 퇴적하고 있는 미립자를 박리하여 유동화시키는 배기 가스 정화 장치.
  26. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 유동화 수단은 미리 정해지는 간격으로 미립자를 유동화시키는 배기 가스 정화 장치.
  27. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격벽이 다공질 재료로 이루어지는 배기 가스 정화 장치.
  28. 제 27 항에 있어서, 배기 가스가 유입하는 측에서의 상기 격벽의 미세 구멍의 평균 직경이 배기 가스가 유출하는 측에서의 상기 격벽의 미세 구멍의 평균 직경보다도 큰 배기 가스 정화 장치.
  29. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 격벽이 서로 평행을 이루어 배치되고, 파티큘레이트 필터내에 서로 평행을 이루어 연장되는 복수개의 배기 유통로를 형성하고, 인접하는 배기 유통로의 한쪽은 상류단이 마개에 의해 폐쇄됨과 동시에 인접하는 배기 유통로의 다른쪽은 하류단이 마개에 의해 폐쇄되는 배기 가스 정화 장치.
  30. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파티큘레이트 필터로서, 단위 시간 당 연소실로부터 배출되는 배출 미립자량이 파티큘레이트 필터 상에서 단위 시간 당 휘염을 발하지 않고 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량보다도 적을 때에는 파티큘레이트 필터에 유입하는 배기 가스 중의 미립자를 휘염을 발하지 않고 산화 제거하며, 상기 배출 미립자량이 일시적으로 상기 산화 제거 가능 미립자량보다 많아졌다고 해도 파티큘레이트 필터 상에 미립자가 일정 한도 이하 밖에 퇴적하지 않을 때에는 상기 배출 미립자량이 상기 산화 제거 가능 미립자량보다도 적어졌을 때에 파티큘레이트 필터에 유입하는 배기 가스 중의 미립자를 휘염을 발하지 않고 산화 제거하는 파티큘레이트 필터가 사용되고, 상기 산화 제거 가능 미립자량이 파티큘레이트 필터의 온도에 의존하고 있고, 상기 배출 미립자량이 상기 산화 제거 가능 미립자량보다도 통상적으로 적어지며, 또한 상기 배출 미립자량이 일시적으로 상기 산화 제거 가능 미립자량보다 많아졌다고 해도 그 후, 상기 배출 미립자량이 상기 산화 제거 가능 미립자량보다 적어졌을 때에 산화 제거할 수 있는 일정 한도 이하의 양의 미립자 밖에 파티큘레이트 필터 상에 퇴적하지 않도록 상기 배출 미립자량 및 파티큘레이트 필터의 온도를 유지하기 위한 수단을 구비하고, 그것에 의해 배기 가스 중의 미립자를 파티큘레이트 필터 상에서 휘염을 발하지 않고 산화 제거하도록 한 배기 가스 정화 장치.
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