KR100493996B1 - 내연기관의 배기 정화장치 - Google Patents

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다나카도시아키
이토가즈히로
나카타니고이치로
기무라고이치
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Abstract

본 배기 정화장치는 기관 배기 시스템에 배치된 미립자 필터(70)와 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하기 위한 역전 수단(71)을 구비한다. 미립자 필터에 있어서는 포집한 미립자가 산화되고, 미립자 필터는 미립자를 포집하기 위한 포집벽을 갖고 있다. 포집벽은 제 1 포집면과 제 2 포집면을 갖고 있다. 역전 수단에 의해서 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽이 역전됨으로써 미립자를 포집하기 위하여 포집벽의 제 1 포집면과 제 2 포집면이 교대로 사용된다

Description

내연기관의 배기 정화장치{Exhaust cleaning device for internal combustion engines}
본 발명은 내연기관의 배기 정화장치에 관한 것이다.
내연기관, 특히, 디젤 엔진의 배기 가스 중에는 그을음(soot)을 주성분으로 하는 미립자(particulate)가 포함되어 있다. 미립자는 유해 물질이기 때문에, 대기 방출 이전에 미립자를 포집하기 위한 필터를 기관 배기 시스템에 배치하는 것이 제안되어 있다. 이러한 필터는 막힘(clogging)에 의한 배기 저항의 증가를 방지하기 위해서, 포집한 미립자를 소실시키는 것이 필요하다.
이러한 필터 재생에 있어서, 미립자는 약 600℃가 되면 착화 연소되지만, 디젤 엔진의 배기 가스 온도는 통상시에 있어서 600℃보다 상당히 낮아, 통상은 필터 자체를 가열하는 등의 수단이 필요하다.
일본 특공평 7-106290호 공보에는 백금족 금속과 알칼리토 금속 산화물을 필터에 보유시키면, 필터상의 미립자는 디젤 엔진의 통상시의 배기 가스 온도인 약 400℃에서 연속적으로 소실하는 것이 개시되어 있다.
그러나, 이 필터를 사용하여도, 항상 배기 가스 온도가 400℃ 정도로 되어 있다고는 할 수 없고, 또한, 운전 상태에 따라서는 디젤 엔진으로부터 다량의 미립자가 방출되는 경우도 있어, 각 시간에서 소실할 수 없던 미립자가 필터상에 서서히 퇴적되는 것이다.
이 필터에 있어서 어느 정도 미립자가 퇴적되면 미립자 소실 능력이 극단적으로 저하되기 때문에, 이미 자체로 필터를 재생할 수 없다. 이와 같이, 이 종류의 필터를 단지 기관 배기 시스템에 배치한 것만으로는 비교적 빠르게 막힘이 발생하여 기관 출력이 크게 저하되는 경우가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 배기 정화장치를 구비하는 디젤 엔진의 개략 종단면도.
도 2는 도 1의 연소실의 확대 종단면도.
도 3은 도 1의 실린더 헤드의 저면도.
도 4는 연소실의 측면 단면도.
도 5는 흡배기 밸브 리프트와 연료 분사를 도시하는 도면.
도 6은 스모크 및 NOx의 발생량 등을 도시하는 도면.
도 7a는 공연비가 21 부근에서 스모크의 발생량이 가장 많을 때의 연소압 변화를 도시하는 도면.
도 7b는 공연비가 18 부근에서 스모크의 발생량이 거의 영일 때의 연소압 변화를 도시하는 도면.
도 8은 연료 분자를 도시하는 도면.
도 9는 스모크의 발생량과 EGR율의 관계를 도시하는 도면.
도 10은 분사 연료량과 혼합 가스량의 관계를 도시하는 도면.
도 11은 제 1 운전 영역(Ⅰ) 및 제 2 운전 영역(Ⅱ)을 도시하는 도면.
도 12는 공연비 센서의 출력을 도시하는 도면.
도 13은 스로틀 밸브의 개방도 등을 도시하는 도면.
도 14는 제 1 운전 영역(Ⅰ)에 있어서의 공연비를 도시하는 도면.
도 15a는 스로틀 밸브의 목표 개방도의 맵을 도시하는 도면.
도 15b는 EGR 제어 밸브의 목표 개방도의 맵을 도시하는 도면.
도 16은 제 2 연소에 있어서의 공연비를 도시하는 도면.
도 17a는 스로틀 밸브의 목표 개방도의 맵을 도시하는 도면.
도 17b는 EGR 제어 밸브의 목표 개방도의 맵을 도시하는 도면.
도 18은 기관 배기 시스템에 있어서의 전환부 및 미립자 필터 근방의 평면도.
도 19는 도 18의 측면도.
도 20은 전환부 내의 밸브의 도 18과는 다른 또 하나의 차단 위치를 도시하는 도면.
도 21a는 미립자 필터의 구조를 도시하는 정면도.
도 21b는 미립자 필터의 구조를 도시하는 측면 단면도.
도 22a 및 도 22b는 미립자의 산화 작용을 설명하기 위한 도면.
도 23은 산화 제거 가능 미립자량과 미립자 필터의 온도의 관계를 도시하는 도면.
도 24a, 도 24b, 및 도 24c는 미립자의 퇴적 작용을 설명하기 위한 도면.
도 25는 미립자 필터로의 미립자의 퇴적을 방지하기 위한 제 1 흐름도.
도 26a 및 도 26b는 미립자 잔류시에 있어서의 미립자 필터의 격벽의 확대 단면도.
도 27는 미립자 필터로의 미립자의 퇴적을 방지하기 위한 제 2 흐름도.
도 28은 미립자 필터로의 미립자의 퇴적을 방지하기 위한 제 3 흐름도.
도 29는 미립자 필터의 각부 온도를 도시하는 그래프.
도 30은 미립자 필터로의 미립자의 퇴적을 방지하기 위한 제 4 흐름도.
도 31은 두개의 차단 위치의 한쪽으로부터 다른쪽으로 바꾸는 동안의 밸브 위치를 도시하는 도면.
도 32는 미립자 필터로의 미립자의 퇴적을 방지하기 위한 제 5 흐름도.
따라서, 본 발명의 목적은 미립자 필터에 있어서 포집 미립자를 양호하게 산화 제거하고, 미립자 필터의 막힘을 방지할 수 있는 내연기관의 배기 정화장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 기관 배기 시스템에 배치된 미립자 필터와, 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하기 위한 역전 수단을 구비하고, 상기 미립자 필터에서는 포집한 미립자가 산화되고, 상기 미립자 필터는 미립자를 포집하기 위한 포집벽을 갖고, 상기 포집벽은 제 1 포집면과 제 2 포집면을 갖고, 상기 역전 수단에 의해서 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽이 역전됨으로써 미립자를 포집하기 위하여 상기 포집벽의 상기 제 1 포집면과 상기 제 2 포집면이 교대로 사용되고,상기 포집벽에는 활성 산소 방출제가 보유되고, 상기 활성 산소 방출제로부터 방출되는 활성 산소가 미립자를 산화시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 기관 배기 시스템에 배치된 미립자 필터와 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하기 위한 역전 수단을 구비하고, 상기 미립자 필터는 활성 산소 방출제를 보유하고, 상기 활성 산소 방출제로부터 방출된 활성 산소가 상기 미립자 필터의 포집 미립자를 산화시키고, 상기 활성 산소 방출제는 주위에 과잉 산소가 존재하면 NOx를 산소와 결합시켜서 유지하고 또한 주위의 산소 농도가 저하되면 결합시킨 NOx 및 산소를 NOx와 활성 산소로 분해하여 방출하는 것으로, 상기 미립자 필터는 미립자를 포집하기 위한 포집벽을 갖고, 상기 포집벽은 제 1 포집면과 제 2 포집면을 갖고, 상기 역전 수단에 의해서 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽이 역전됨으로써 미립자를 포집하기 위하여 상기 포집벽의 상기 제 1 포집면과 상기 제 2 포집면이 교대로 사용되고, 때때로, 상기 주위의 산소 농도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치가 제공된다.
도 1은 본 발명에 의한 배기 정화장치를 구비하는 4행정 디젤 엔진의 개략 종단면도를 도시하고 있고, 도 2는 도 1의 디젤 엔진에 있어서의 연소실의 확대 종단면도이며, 도 3은 도 1의 디젤 엔진에 있어서의 실린더 헤드의 저면도이다. 도 1에서 도 3을 참조하면, 도면부호 1은 기관 본체, 2는 실린더 블록, 3은 실린더 헤드, 4는 피스톤, 5a는 피스톤(4)의 정상면 상에 형성된 캐비티, 5는 캐비티(5a) 내에 형성된 연소실, 6은 전기 제어식 연료 분사 밸브, 7은 한 쌍의 흡기 밸브, 8은 흡기 포트, 9는 한 쌍의 배기 밸브, 10은 배기 포트를 각기 도시한다. 흡기 포트(8)는 대응하는 흡기관(11)을 통해서 서지 탱크(12)에 연결되고, 서지 탱크(12)는 흡기 덕트(13)를 통해서 에어 클리너(14)에 연결된다. 흡기 덕트(13) 내에는 전기 모터(15)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(16)가 배치된다. 한편, 배기 포트(10)는 배기 매니폴드(17)에 접속된다.
도 1에 도시되는 바와 같이 배기 매니폴드(17) 내에는 공연비 센서(21)가 배치된다. 배기 매니폴드(17)와 서지 탱크(12)는 EGR 통로(22)를 통해서 서로 연결되고, EGR 통로(22) 내에는 전기 제어식 EGR 제어 밸브(23)가 배치된다. 또한, EGR 통로(22) 주위에는 EGR 통로(22) 내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하기 위한 냉각장치(24)가 배치된다. 도 1에 도시되는 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각장치(24) 내에 유도되어, 기관 냉각수에 의해서 EGR 가스가 냉각된다.
한편, 각 연료 분사 밸브(6)는 연료 공급관(25)을 통해서 연료 저장용기(reservoir), 소위 코먼 레일(common rail: 26)에 연결된다. 이 코먼 레일(26) 내로는 전기 제어식의 토출량 가변인 연료 펌프(27)로부터 연료가 공급되고, 코먼 레일(26) 내에 공급된 연료는 각 연료 공급관(25)을 통해서 연료 분사 밸브(6)에 공급된다. 코먼 레일(26)에는 코먼 레일(26) 내의 연료압을 검출하기 위한 연료압 센서(28)가 설치되고, 연료압 센서(28)의 출력 신호에 근거하여 코먼 레일(26) 내의 연료압이 목표 연료압이 되도록 연료 펌프(27)의 토출량이 제어된다.
도면부호 30은 전자 제어 유닛으로, 공연비 센서(21)의 출력 신호와 연료압 센서(28)의 출력 신호가 입력된다. 또한, 액셀 페달(40)에는 액셀 페달(40)의 밟는 양(L)에 비례한 출력 전압을 발생시키는 부하 센서(41)가 접속되고, 전자 제어 유닛(30)에는 부하 센서(41)의 출력 신호도 입력되고, 또한, 크랭크 샤프트가 예를 들면 30° 회전할 때마다 출력 펄스를 발생시키는 크랭크 각 센서(42)의 출력 신호도 입력된다. 이와 같이 하여, 전자 제어 유닛(30)은 각종 신호에 근거하여, 연료 분사 밸브(6), 전기 모터(15), EGR 제어 밸브(23), 및, 연료 펌프(27)를 작동한다.
도 2 및 도 3에 도시되는 바와 같이, 본 발명에 의한 실시예에서는 연료 분사 밸브(6)가 6개의 노즐구를 갖는 홀 노즐로 이루어지고, 연료 분사 밸브(6)의 노즐구로부터는 수평면에 대하여 약간 하향으로 등각도 간격으로 연료(F)가 분사된다. 도 3에 도시되는 바와 같이 6개의 연료 분무(F) 중에 2개의 연료 분무(F)는 각 배기 밸브(9)의 밸브의 아래쪽면을 따라 비산한다. 도 2 및 도 3은 압축 행정 말기에 연료 분사가 행하여졌을 때를 도시하고 있다. 이 때는 연료 분무(F)는 캐비티(5a)의 내주면을 향하여 진행하고, 이어서 착화 연소된다.
도 4는 배기 행정 중에 있어서 배기 밸브(9)의 리프트 양이 최대일 때 연료 분사 밸브(6)로부터 추가의 연료가 분사된 경우를 도시하고 있다. 즉, 도 5에 도시되는 바와 같이 압축 상사점 부근에서 주분사(Qm)가 행하여지고, 이어서 배기 행정의 중반쯤에서 추가의 연료(Qa)가 분사된 경우를 도시하고 있다. 이 경우, 배기 밸브(9)의 밸브 방향으로 진행하는 연료 분무(F)는 배기 밸브(9)의 베벨(bevel)부 배면과 배기 포트(10) 사이를 향한다. 즉, 다시 말하면 연료 분사 밸브(6)의 6개의 노즐구 중에서 2개의 노즐구는, 배기 밸브(9)가 개방되어 있을 때 추가의 연료(Qa)의 분사가 행하여지면 연료 분무(F)가 배기 밸브(9)의 베벨부 배면과 배기 포트(10) 사이를 향하도록 형성되어 있다. 또, 도 4에 도시하는 실시예에서는 이 때 연료 분무(F)가 배기 밸브(9)의 베벨부 배면에 충돌하고, 배기 밸브(9)의 베벨부 배면에 충돌한 연료 분무(F)는 배기 밸브(9)의 베벨부 배면 상에 있어서 반사하여, 배기 포트(1O) 내를 향한다.
또한, 통상은 추가의 연료(Qa)는 분사되지 않고, 주분사(Qm)만이 행하여진다. 도 6은 기관 저부하 운전시에 있어서 스로틀 밸브(16)의 개방도 및 EGR율을 변화시킴으로써 공연비(A/F; 도 6의 가로축)를 변화시켰을 때의 출력 토크(torque)의 변화, 및 스모크, HC, CO, NOx의 배출량의 변화를 도시하는 실험 예를 도시하고 있다. 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이 이 실험 예에서는 공연비(A/F)가 작아질 수록 EGR율이 커지고, 이론 공연비(≒14.6) 이하일 때는 EGR율은 65퍼센트 이상이 되어 있다.
도 6에 도시되는 바와 같이, EGR율을 증대함으로써 공연비(A/F)를 작게 하면 ECR율이 40퍼센트 부근이 되고 공연비(A/F)가 30 정도가 되었을 때 스모크의 발생량이 증대를 개시한다. 이어서, 더욱 EGR율을 높이고, 공연비(A/F)를 작게 하면 스모크의 발생량이 급격하게 증대하여 피크에 달한다. 이어서 더욱 EGR율을 높이고, 공연비(A/F)를 작게 하면 이번에는 스모크가 급격하게 저하되고, EGR율을 65퍼센트 이상으로 하고, 공연비(A/F)가 15.0 부근이 되면 스모크가 거의 영이 된다. 즉, 그을음이 거의 발생하지 않게 된다. 이 때 기관의 출력 토크는 약간 저하되고, 또한 NOx의 발생량이 상당히 낮아진다. 한편, 이 때 HC 및 CO의 발생량은 증대하기 시작한다.
도 7a는 공연비(A/F)가 21 부근에서 스모크의 발생량이 가장 많을 때의 연소실(5) 내의 연소압 변화를 도시하고 있고, 도 7b는 공연비(A/F)가 18 부근에서 스모크의 발생량이 거의 영일 때의 연소실(5) 내에 있어서의 연소압의 변화를 도시하고 있다. 도 7a와 도 7b를 비교하면 알 수 있는 바와 같이 스모크의 발생량이 거의 영인 도 7b에 도시하는 경우는 스모크의 발생량이 많은 도 7a에 도시하는 경우와 비교하여 연소압이 낮은 것을 알 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시되는 실험 결과로부터 다음과 같이 말할 수 있다. 즉, 우선 제 1 공연비(A/F)가 15.0 이하이고 스모크의 발생량이 거의 영일 때에는 도 6에 도시되는 바와 같이 NOx의 발생량이 상당히 저하한다. NOx의 발생량이 저하되었다는 것은 연소실(5) 내의 연소 온도가 저하되어 있는 것을 의미하고 있고, 따라서 그을음이 거의 발생하지 않을 때에는 연소실(5) 내의 연소 온도가 낮아져 있다고 말할 수 있다. 같은 것을 도 7로부터도 말할 수 있다. 즉, 그을음이 거의 발생하지 않은 도 7b에 도시하는 상태에서는 연소압이 낮아져 있고, 따라서 이 때 연소실(5) 내의 연소 온도는 낮아져 있게 된다.
제 2의 스모크의 발생량, 즉 그을음의 발생량이 거의 영이 되면 도 6에 도시되는 바와 같이 HC 및 CO의 배출량이 증대한다. 이것은 탄화수소가 그을음까지 성장하지 않고 배출되는 것을 뜻하고 있다. 즉, 연료 중에 포함되는 도 8에 도시되는 바와 같은 같은 직사슬형 탄화수소나 방향족 탄화수소는 산소 부족 상태에서 온도 상승되면 열분해하여 그을음의 전구체가 형성되고, 이어서 주로 탄소 원자가 집합한 고체로 이루어지는 그을음이 생성된다. 이 경우, 실제의 그을음의 생성 과정은 복잡하며, 그을음의 전구체가 어떠한 형태를 취할지는 명확하지 않지만 어떻든간에 도 8에 도시되는 바와 같은 탄화수소는 그을음의 전구체를 거쳐 그을음까지 성장하게 된다. 따라서, 상술한 바와 같이 그을음의 발생량이 거의 영이 되면 도 6에 도시되는 같이 HC 및 CO의 배출량이 증대하지만 이 때의 HC는 그을음의 전구체 또는 그 전의 상태의 탄화수소이다.
도 6 및 도 7에 도시되는 실험 결과에 근거하는 이 고찰을 정리하면 연소실(5) 내의 연소 온도가 낮을 때에는 그을음의 발생량이 거의 영이 되고, 이 때는 그을음의 전구체 또는 그 전의 상태의 탄화수소가 연소실(5)로부터 배출되게 된다. 이 것에 대해서 더욱 상세하게 실험 연구를 거듭한 결과, 연소실(5) 내에 있어서의 연료 및 그 주위의 가스 온도가 어떤 온도 이하인 경우에는 그을음의 성장 과정이 도중에 정지하고, 즉 그을음이 전혀 발생하지 않고, 연소실(5) 내에 있어서의 연료 및 그 주위의 온도가 어떤 온도 이하가 되면 그을음이 생성되는 것이 판명된 것이다.
그런데 그을음의 전구체(前驅體)의 상태에서 탄화수소의 생성 과정이 정지할 때의 연료 및 그 주위의 온도, 즉 상술한 어떤 온도는 연료의 종류나 공연비나 압축비 등의 여러가지의 요인에 의해서 변화하기 때문에 몇번인지는 말할 수 없지만, 이 어떤 온도는 NOx의 발생량과 깊은 관계를 갖고 있고, 따라서 이 어떤 온도는 NOx의 발생량으로부터 어느 정도 규정할 수 있다. 즉, EGR율이 증대할 수록 연소시의 연료 및 그 주위의 가스 온도는 저하되고, NOx의 발생량이 저하된다. 이 때 NOx의 발생량이 10p.p.m 전후 또는 그 이하가 되었을 때 그을음이 거의 발생하지 않게 된다. 따라서 상술한 어떤 온도는 NOx의 발생량이 10p.p.m 전후 또는 그 이하가 되었을 때의 온도에 거의 일치한다.
일단, 그을음이 생성되면 이 그을음은 단지 산화 기능을 갖는 촉매를 이용한 후처리로 정화할 수는 없다. 이것에 대하여 그을음의 전구체 또는 그 전의 상태의 탄화수소는 산화 기능을 갖는 촉매를 사용한 후처리로 용이하게 정화할 수 있다. 이와 같이, NOx의 발생량을 저감하고 탄화수소를 그을음의 전구체 또는 그 전의 상태로 연소실(5)로부터 배출시키는 것은 배기 가스의 정화에 극히 유효하다.
그런데, 그을음이 생성되기 전의 상태에서 탄화수소의 성장을 정지시키기 위해서는 연소실(5) 내에 있어서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스 온도를 그을음이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제할 필요가 있다. 이 경우, 연료 및 그 주위의 가스 온도를 억제하기 위해서는 연료가 연소하였을 때의 연료 주위에 있어서의 가스의 흡열 작용이 극히 크게 영향을 미치는 것이 판명되어 있다.
즉, 연료 주위에 공기밖에 존재하지 않으면 증발한 연료는 곧 공기 중의 산소와 반응하여 연소한다. 이 경우, 연료로부터 떨어져 있는 공기의 온도는 그다지 상승하지 않고, 연료 주위의 온도만이 국소적으로 극히 높아진다. 즉, 이 때는 연료로부터 떨어져 있는 공기는 연료의 연소 열의 흡기 작용을 거의 행하지 않는다. 이 경우에는 연소 온도가 국소적으로 극히 높아지기 때문에, 이 연소 열을 받은 미연소 탄화수소는 그을음을 생성하게 된다.
한편, 다량의 불활성 가스와 소량의 공기의 혼합 가스 중에 연료가 존재하는 경우에는 약간 상황이 다르다. 이 경우에는 증발 연료는 주위로 확산하여 불활성 가스 중에 혼재하는 산소와 반응하여 연소하게 된다. 이 경우에는 연소 열은 주위의 불활성 가스에 흡수되기 때문에 연소 온도는 그다지 상승하지 않게 된다. 즉, 연소 온도를 낮게 억제할 수 있게 된다. 즉, 연소 온도를 억제하기 위해서는 불활성 가스의 존재가 중요한 역할을 다하고 있고, 불활성 가스의 흡열 작용에 의해서 연소 온도를 낮게 억제할 수 있게 된다.
이 경우, 연료 및 그 주위의 가스 온도를 그을음이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제하기 위해서는 그러게 하는 데 충분한 열량을 흡수할 수 있을 만큼의 불활성 가스량이 필요하게 된다. 따라서 연료량이 증대하면 필요하게 되는 불활성 가스량은 그에 따라 증대하게 된다. 또, 이 경우, 불활성 가스의 비열이 클 수록 흡열 작용은 강력해지고, 따라서 불활성 가스는 비열이 큰 가스가 바람직하게 된다. 이 점, CO2나 EGR 가스는 비교적 비열이 크기 때문에 불활성 가스로서 EGR 가스를 사용하는 것은 바람직하다고 말 할 수 있다.
도 9는 불활성 가스로서 EGR 가스를 사용하여, EGR 가스의 냉각 정도를 바꾸었을 때의 EGR율과 스모크의 관계를 도시하고 있다. 즉, 도 9에 있어서 곡선 A는 EGR 가스를 강력하게 냉각하여 EGR 가스 온도를 거의 90℃로 유지한 경우를 도시하고 있고, 곡선 B는 소형의 냉각장치로 EGR 가스를 냉각한 경우를 도시하고 있으며, 곡선 C는 EGR 가스를 강제적으로 냉각하지 않은 경우를 도시하고 있다.
도 9의 곡선 A로 도시되는 바와 같이, EGR 가스를 강력하게 냉각한 경우에는 EGR율이 50퍼센트보다도 조금 낮은 곳에서 그을음의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR율을 거의 55퍼센트 이상으로 하면 그을음이 거의 발생하지 않게 된다. 한편, 도 9의 곡선 B로 도시되는 바와 같이 EGR 가스를 조금 냉각한 경우에는 EGR율이 50퍼센트보다도 조금 높은 곳에서 그을음의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR율을 거의 65퍼센트 이상으로 하면 그을음이 거의 발생하지 않게 된다.
또한, 도 9의 곡선 C로 도시되는 바와 같이, EGR 가스를 강제적으로 냉각하지 않은 경우에는 EGR율이 55퍼센트의 부근에서 그을음의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR율을 거의 70퍼센트 이상으로 하면 그을음이 거의 발생하지 않게 된다. 또, 도 9는 기관 부하가 비교적 높을 때의 스모크의 발생량을 도시하고 있고, 기관 부하가 작으면 그을음의 발생량이 피크가 되는 EGR율은 약간 저하되고, 그을음이 거의 발생하지 않게 되는 EGR율의 하한도 약간 저하된다. 이와 같이 그을음이 거의 발생하지 않게 되는 EGR율의 하한은 EGR 가스의 냉각 정도나 기관 부하에 따라서 변화한다.
도 10은 불활성 가스로서 EGR 가스를 사용한 경우에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스 온도를 그을음이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 하기 위해서 필요한 EGR 가스와 공기의 혼합 가스량, 및 이 혼합 가스량 중의 공기의 비율, 및 이 혼합 가스 중의 EGR 가스의 비율을 도시하고 있다. 또, 도 10에 있어서 세로축은 연소실(5) 내에 흡입되는 전체 흡입 가스량을 도시하고 있고, 사슬선(Y)은 과급이 행하여지지 않을 때 연소실(5) 내로 흡입할 수 있는 전체 흡입 가스량을 도시하고 있다. 또한, 가로축은 요구 부하를 도시하고 있고, Z1은 저부하 운전 영역을 도시하고 있다.
도 10을 참조하면 공기의 비율, 즉 혼합 가스 중의 공기량은 분사된 연료를 완전히 연소시키는 데 필요한 공기량을 도시하고 있다. 즉, 도 10에 도시되는 경우에는 공기량과 분사 연료량의 비는 이론 공연비로 되어 있다. 한편, 도 10에 있어서 EGR 가스의 비율, 즉 혼합 가스 중의 EGR 가스량은 분사 연료가 연소되었을 때 연료 및 그 주위의 가스 온도를 그을음이 형성되는 온도보다도 낮은 온도로 하는 데 필요 최저한의 EGR 가스량을 도시하고 있다. 이 EGR 가스량은 EGR율로 나타내면 거의 55퍼센트 이상이고, 도 10에 도시하는 실시예에서는 70퍼센트 이상이다. 즉, 연소실(5) 내에 흡입된 전체 흡입 가스량을 도 10에 있어서 실선(X)으로 하고, 이 전체 흡입 가스량(X) 중의 공기량과 EGR 가스량의 비율을 도 10에 도시하는 바와 같은 비율로 하면 연료 및 그 주위의 가스 온도는 그을음이 생성되는 온도보다도 낮은 온도가 되고, 이와 같이 하여 그을음이 전혀 발생하지 않게 된다. 또한, 이 때의 NOx 발생량은 10p.p.m 전후, 또는 그 이하이고, 따라서 NOx의 발생량은 극히 소량이 된다.
연료 분사량이 증대하면 연료가 연소하였을 때의 발열량이 증대하기 때문에 연료 및 그 주위의 가스 온도를 그을음이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 유지하기 위해서는 EGR 가스에 의한 열의 흡수량을 증대하지 않으면 안된다. 따라서 도 10에 도시되는 바와 같이 EGR 가스량은 분사 연료량이 증대함에 따라서 증대하지 않으면 안된다. 즉, EGR 가스량은 요구 부하가 높아짐에 따라서 증대할 필요가 있다.
한편, 도 10의 부하 영역(Z2)에서는 그을음의 발생을 저지하는 데 필요한 전체 흡입 가스량(X)을 흡입할 수 있는 전체 흡입 가스량(Y)을 넘어 버린다. 따라서 이 경우, 그을음의 발생을 저지하는 데 필요한 전체 흡입 가스량(X)을 연소실(5) 내에 공급하기 위해서는 EGR 가스 및 흡입 공기의 쌍방, 또는 EGR 가스를 과급(過給) 또는 가압할 필요가 있다. EGR 가스 등을 과급 또는 가압하지 않는 경우에는 부하 영역(Z2)에서는 전체 흡입 가스량(X)은 흡입할 수 있는 전체 흡입 가스량(Y)과 일치한다. 따라서 이 경우, 그을음의 발생을 저지하기 위해서는 공기량을 약간 감소시켜 EGR 가스량을 증대시키고 공연비가 풍부한 아래 연료를 연소시키게 된다.
상술한 바와 같이 도 10은 연료를 이론 공연비를 기초로 연소시키는 경우를 도시하고 있지만 도 10에 도시되는 저부하 운전 영역(Z1)에 있어서 공기량을 도 10에 도시되는 공기량보다도 적더라도, 즉 공연비를 풍부하게 하여도 그을음의 발생을 저지하면서 NOx의 발생량을 10p.p.m 전후 또는 그 이하로 할 수 있고, 또한 도 10에 도시되는 저부하 영역(Z1)에 있어서 공기량을 도 10에 도시되는 공기량보다도 많게 하여도, 즉 공연비의 평균치를 17로부터 18의 희박하게 하여도 그을음의 발생을 저지하면서 NOx의 발생량을 10p.p.m 전후 또는 그 이하로 할 수 있다.
즉, 공연비가 풍부해지면 연료가 과잉이 되지만 연소 온도가 낮은 온도로 억제되어 있기 때문에 과잉의 연료는 그을음까지 성장하지 않고, 이와 같이 하여 그을음이 생성되지 않는다. 또한, 이 때는 NOx도 극히 소량밖에 발생하지 않는다. 한편, 평균 공연비가 희박할 때, 또는 공연비가 이론 공연비일 때라도 연소 온도가 높아지면 소량의 그을음이 생성되지만 본 발명에서는 연소 온도가 낮은 온도로 억제되어 있기 때문에 그을음은 전혀 생성되지 않는다. 또한, NOx도 극히 소량밖에 발생하지 않는다.
이와 같이, 기관 저부하 운전 영역(Z1)에서는 공연비에 관계없이, 즉 공연비가 풍부하든, 이론 공연비든, 또는 평균 공연비가 희박하든 그을음이 발생되지 않고, NOx의 발생량이 극히 소량이 된다. 따라서 연료 소비율의 향상을 고려하면, 이 때의 평균 공연비를 희박하게 하는 것이 바람직하다고 말 할 수 있다.
그런데 연소실 내에 있어서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스 온도를 탄화수소의 성장이 도중에 정지하는 온도 이하로 억제할 수 있는 것은 연소에 의한 발열량이 적은 비교적 기관 부하가 낮을 때로 한정된다. 따라서, 본 발명에 의한 실시예에서는 기관 부하가 비교적 낮은 때에는 연소시의 연료 및 그 주위의 가스 온도를 탄화수소의 성장이 도중에 정지하는 온도 이하로 억제하여 제 1 연소, 즉 저온 연소를 행하도록 하고, 기관 부하가 비교적 높을 때에는 제 2 연소, 즉 종래부터 대개 행하여지고 있는 연소를 행하도록 하고 있다. 또, 여기서 제 1 연소, 즉 저온 연소는 지금까지의 설명으로부터 분명한 바와 같이, 그을음의 발생량이 최대가 되는 최악 불활성 가스량보다도 연소실 내의 불활성 가스량이 많고 그을음이 거의 발생하지 않는 연소를 말하고, 제 2 연소, 즉 종래부터 대개 행하여지고 있는 연소는 그을음의 발생량이 최대가 되는 최악 불활성 가스량보다도 연소실 내의 불활성 가스량이 적은 연소를 말한다.
도 11은 제 1 연소, 즉 저온 연소가 행하여지는 제 1 운전 영역(I)과 제 2 연소, 즉 종래의 연소 방법에 의한 연소가 행하여지는 제 2 연소 영역(Ⅱ)을 도시하고 있다. 또, 도 11에 있어서 세로축(L)은 액셀 페달(40)의 밟는 양, 즉 요구 부하를 도시하고 있고, 가로축(N)은 기관 회전수를 도시하고 있다. 또한, 도 11에 있어서 X(N)는 제 1 운전 영역(I)과 제 2 운전 영역(Ⅱ)의 제 1 경계를 도시하고 있고, Y(N)는 제 1 운전 영역(Ⅰ)과 제 2 운전 영역(Ⅱ)의 제 2 경계를 도시하고 있다. 제 1 운전 영역(Ⅰ)으로부터 제 2 운전 영역(Ⅱ)으로의 운전 영역의 변화 판단은 제 1 경계 X(N)에 근거하여 행하여지고, 제 2 운전 영역(Ⅱ)으로부터 제 1 운전 영역(Ⅰ)으로의 운전 영역의 변화 판단은 제 2 경계 Y(N)에 근거하여 행하여진다.
즉, 기관의 운전 상태가 제 1 운전 영역(I)에서 저온 연소가 행하여지고 있을 때 요구 부하(L)가 기관 회전수(N)의 함수인 제 1 경계 X(N)를 넘으면 운전 영역이 제 2 운전 영역(Ⅱ)으로 이동했다고 판단되고, 종래의 연소 방법에 의한 연소가 행하여진다. 이어서 요구 부하(L)가 기관 회전수(N)의 함수인 제 2 경계 Y(N)보다도 낮아지면 운전 영역이 제 1 운전 영역(I)으로 이동했다고 판단되어, 다시 저온 연소가 행하여진다.
도 12는 공연비 센서(21)의 출력을 도시하고 있다. 도 12에 도시되는 바와 같이 공연비 센서(21)의 출력 전류(I)는 공연비(A/F)에 따라서 변화한다. 따라서 공연비 센서(21)의 출력 전류(I)로부터 공연비를 알 수 있다. 다음으로 도 13을 참조하면서 제 1 운전 영역(I) 및 제 2 운전 영역(Ⅱ)에 있어서의 운전 제어에 대해서 개략적으로 설명한다.
도 13은 요구 부하(L)에 대한 스로틀 밸브(16)의 개방도, EGR 제어 밸브(23)의 개방도, EGR율, 공연비, 분사 시기 및 분사량을 도시하고 있다. 도 13에 도시되는 바와 같이 요구 부하(L)가 낮은 제 1 운전 영역(I)에서는 스로틀 밸브(16)의 개방도는 요구 부하(L)가 높아짐에 따라서 완전 폐쇄 가까이로부터 반 개방 정도까지 서서히 증대되고, EGR 제어 밸브(23)의 개방도는 요구 부하(L)가 높아짐에 따라서 완전 폐쇄 가까이로부터 완전 개방까지 서서히 증대된다. 또한, 도 13에 도시되는 예에서는 제 1 운전 영역(I)에서는 EGR율이 거의 70퍼센트로 되어 있고, 공연비는 약간만 희박한 희박 공연비로 되어 있다.
다시 말하면 제 1 운전 영역(I)에서는 EGR율이 거의 70퍼센트가 되고, 공연비가 약간만 희박한 희박 공연비가 되도록 스로틀 밸브(16)의 개방도 및 EGR 제어 밸브(23)의 개방도가 제어된다. 또, 이 때의 공연비는 공연비 센서(21)의 출력 신호에 근거하여 EGR 제어 밸브(23)의 개방도를 보정함으로써 목표 희박 공연비로 제어된다. 또한, 제 1 운전 영역(I)에서는 압축 상사점(TDC) 전에 연료 분사가 행하여진다. 이 경우, 분사 개시 시기(θS)는 요구 부하(L)가 높아짐에 따라서 지연되고, 분사 완료 시기(θE)도 분사 개시 시기(θS)가 느려짐에 따라서 지연된다.
또, 아이들링(idling) 운전시에는 스로틀 밸브(16)는 완전 폐쇄 가까이까지 폐쇄되고, 이 때는 EGR 제어 밸브(23)도 완전 폐쇄 가까이까지 폐쇄된다. 스로틀 밸브(16)를 완전 폐쇄 가까이까지 폐쇄하면 압축 초기의 연소실(5) 내의 압력이 낮아지기 때문에 압축 압력이 작아진다. 압축 압력이 작아지면 피스톤(4)에 의한 압축 일이 작아지기 때문에 기관 본체(1)의 진동이 작아진다. 즉, 아이들링 운전시에는 기관 본체(1)의 진동을 억제하기 위해서 스로틀 밸브(16)가 완전 폐쇄 가까이까지 폐쇄된다.
한편, 기관의 운전 영역이 제 1 운전 영역(Ⅰ)으로부터 제 2 운전 영역(Ⅱ)으로 바뀌면 스로틀 밸브(16)의 개방도가 반 개방 상태로부터 완전 개방 방향으로 스텝 형상으로 증대된다. 이 때 도 13에 도시하는 예에서는 EGR율이 거의 70퍼센트로부터 40퍼센트 이하까지 스텝 형상으로 감소되고, 공연비가 스텝 형상으로 커진다. 즉, EGR율이 다량의 스모크를 발생하는 EGR율 범위(도 9)를 넘기 때문에 기관의 운전 영역이 제 1 운전 영역(Ⅰ)으로부터 제 2 운전 영역(Ⅱ)으로 바뀔 때 다량의 스모크가 발생하지 않는다.
제 2 운전 영역(Ⅱ)에서는 종래부터 행하여지고 있는 연소가 행하여진다. 이 연소 방법에서는 그을음 및 NOx가 약간 발생하지만 저온 연소와 비교하여 열 효율은 높고, 따라서 기관의 운전 영역이 제 1 운전 영역(I)으로부터 제 2 운전 영역(Ⅱ)으로 바뀌면 도 13에 도시되는 바와 같이 분사량이 스텝 형상으로 저감된다.
제 2 운전 영역(Ⅱ)에서는 스로틀 밸브(16)는 일부를 제외하고 완전 개방 상태로 유지되고, EGR 제어 밸브(23)의 개방도는 요구 부하(L)가 높아지면 점차로 작아진다. 이 운전 영역(Ⅱ)에서는 EGR율은 요구 부하(L)가 높아질 수록 낮아지고, 공연비는 요구 부하(L)가 높아질 수록 작아진다. 단, 공연비는 요구 부하(L)가 높아지더라도 희박 공연비가 된다. 또한, 제 2 운전 영역(Ⅱ)에서는 분사 개시 시기(θ)는 압축 상사점(TDC) 부근이 된다.
도 14는 제 1 운전 영역(I)에 있어서의 공연비(A/F)를 도시하고 있다. 도 14에 있어서, A/F=15.5, A/F=16, A/F=17, A/F=18로 도시되는 각 곡선은 각각 공연비가 15.5, 16, 17, 18일 때를 도시하고 있고, 각 곡선간의 공연비는 비례 배분에 의해 정해진다. 도 14에 도시되는 바와 같이 제 1 운전 영역(Ⅰ)에서는 공연비가 풍부해져 있고, 또한 제 1 운전 영역(I)에서는 요구 부하(L)가 낮아질 수록 공연비(A/F)가 풍부해진다.
즉, 요구 부하(L)가 낮아질 수록 연소에 의한 발열량이 적어진다. 따라서 요구 부하(L)가 낮아질 수록 EGR율을 저하시키더라도 저온 연소를 행할 수 있다. EGR율을 저하시키면 공연비는 커지고, 따라서 도 14에 도시되는 바와 같이 요구 부하(L)가 낮아짐에 따라서 공연비(A/F)가 커진다. 공연비(A/F)가 커질 수록 연료 소비율은 향상되고, 따라서 가능한 한 공연비를 희박하게 하기 위해서 본 실시예에서는 요구 부하(L)가 낮아짐에 따라서 공연비(A/F)가 커진다.
또, 공연비를 도 14에 도시하는 목표 공연비로 하는 데 필요한 스로틀 밸브(16)의 목표 개방도(ST)가 도 15a에 도시되는 바와 같이 요구 부하(L) 및 기관 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있고, 공연비를 도 14에 도시하는 목표 공연비로 하는 데 필요한 EGR 제어 밸브(23)의 목표 개방도(SE)가 도 15b에 도시되는 바와 같이 요구 부하(L) 및 기관 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
도 16은 제 2 연소, 즉 종래의 연소 방법에 의한 보통의 연소가 행하여질 때의 목표 공연비를 도시하고 있다. 또, 도 16에 있어서 A/F=24, A/F=35, A/F=45, A/F=60으로 도시되는 각 곡선은 각각 목표 공연비 24, 35, 45, 60을 도시하고 있다. 공연비를 이 목표 공연비로 하는 데 필요한 스로틀 밸브(16)의 목표 개방도(ST)가 도 17a에 도시되는 바와 같이 요구 부하(L) 및 기관 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있고, 공연비를 이 목표 공연비로 하는 데 필요한 EGR 제어 밸브(23)의 목표 개방도(SE)가 도 17b에 도시되는 바와 같이 요구 부하(L) 및 기관 회전수(N)의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
이와 같이 하여, 본 실시예의 디젤 엔진에서는 액셀 페달(40)의 밟는 양(L) 및 기관 회전수(N)에 근거하여, 제 1 연소, 즉, 저온 연소와 제 2 연소, 즉, 보통 연소가 바뀌고, 각 연소에 있어서, 액셀 페달(40)의 밟는 양(L) 및 기관 회전수(N)에 근거하여, 도 15 또는 도 17에 도시하는 맵에 의해서 스로틀 밸브(16) 및 EGR 변의 개방도 제어가 실시된다.
도 18은 배기 정화장치를 도시하는 평면도이며, 도 19는 그 측면도이다. 본 배기 정화장치는 배기 매니폴드(17)의 하류쪽에 배기관(18)을 통해서 접속된 전환부(71)와 미립자 필터(70)와, 미립자 필터(70)의 한쪽 측과 전환부(71)를 접속하는 제 1 접속부(72a)와, 미립자 필터(70)의 다른쪽측과 전환부(71)를 접속하는 제 2 접속부(72b)와, 전환부(71c)의 하류쪽의 배기 통로(73)를 구비하고 있다. 전환부(71)는 전환부(71) 내에서 배기 흐름을 차단하는 것을 가능하게 하는 밸브(71a)를 구비하고 있다. 밸브(71a)는 부압(負厭) 액추에이터 또는 스텝 모터 등에 의해서 구동된다. 밸브(71a)의 한쪽의 차단 위치에 있어서, 전환부(71) 내의 상류쪽이 제 1 접속부(72a)와 연통되고 전환부(71) 내의 하류쪽이 제 2 접속부(72b)와 연통되고, 배기 가스는 도 18에 화살 표시로 도시하는 바와 같이, 미립자 필터(70)의 한쪽으로부터 다른쪽으로 흐른다.
또한, 도 20은 밸브(71a)의 다른쪽의 차단 위치를 도시하고 있다. 이 차단 위치에 있어서, 전환부(71) 내의 상류쪽이 제 2 접속부(72b)와 연통되고 전환부(71) 내의 하류쪽이 제 1 접속부(72a)와 연통되고, 배기 가스는 도 20에 화살 표시로 도시하는 바와 같이, 미립자 필터(70)의 다른쪽 측으로부터 한쪽 측으로 흐른다. 이와 같이 하여, 밸브(71a)를 전환함에 따라, 미립자 필터(70)로 유입되는 배기 가스의 방향을 역전할 수 있고, 즉, 미립자 필터(70)의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하는 것이 가능해진다. 도 18에 있어서, 도면부호 43a는 제 1 접속부(72a) 내의 배기 압력을 검출하기 위한 제 1 압력 센서이고, 43b는 제 2 접속부(72b) 내의 배기 압력을 검출하기 위한 제 2 압력 센서이다. 또한, 도면부호 44a는 미립자 필터(70)의 한쪽의 단부에 있어서의 온도를 검출하기 위한 제 1 온도 센서이며, 44b는 미립자 필터(70)의 다른쪽의 단부에 있어서의 온도를 검출하기 위한 제 2 온도 센서이다.
이와 같이, 본 배기 정화장치는 상당히 간단한 구성에 의해서 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하는 것을 가능하게 한다. 또한, 미립자 필터에 있어서는 배기 가스의 유입을 쉽게 하기 위해서 큰 개구 면적이 필요해지지만, 본 배기 정화장치에서는 도 18 및 19에 도시하는 바와 같이, 차량 탑재성을 악화시키지 않고, 큰 개구 면적을 갖는 미립자 필터를 사용 가능하다.
도 21에 미립자 필터(70)의 구조를 도시한다. 또, 도 21에 있어서, 도 21a는 미립자 필터(70)의 정면도이고, 도 22b는 측면 단면도이다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 본 미립자 필터(70)는 타원 정면 형상을 갖고, 예를 들면, 코디어라이트(cordierite)같은 다공질 재료로 형성된 허니콤(honeycomb) 구조를 이루는 월 플로형이며, 다수의 축선 방향으로 연장하는 격벽(54)에 의해서 세분된 다수의 축선 방향 공간을 갖고 있다. 인접하는 두개의 축선 방향 공간에 있어서, 마개(53)에 의해서, 한쪽은 배기 하류쪽에서 폐쇄되고, 다른쪽은 배기 상류쪽에서 폐쇄된다. 이와 같이 하여, 인접하는 두개의 축선 방향 공간의 한쪽은 배기 가스의 유입 통로(50)가 되고, 다른쪽은 유출 통로(51)가 되며, 배기 가스는 도 21b에 화살 표시로 도시하는 바와 같이, 반드시 격벽(54)을 통과한다. 배기 가스 중의 미립자는 격벽(54)의 미세 구멍의 크기와 비교하여 대단히 작은 것이지만, 격벽(54)의 배기 상류쪽 표면 및 격벽(54) 내의 미세 구멍 표면 상에 충돌하여 포집된다. 이와 같이 하여, 각 격벽(54)은 미립자를 포집하는 포집벽으로서 기능한다. 본 미립자 필터(70)에 있어서, 포집된 미립자를 산화 제거하기 위해서, 격벽(54)의 양측 표면 상, 및, 바람직하게는 격벽(54) 내의 미세 구멍 표면 상에도 알루미나 등을 사용하여 이하에서 설명하는 활성 산소 방출제와 귀금속 촉매가 보유되어 있다.
활성 산소 방출제는 활성 산소를 방출함으로써 미립자의 산화를 촉진하는 것으로, 바람직하게는 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 받아들여 산소를 유지하고 또한 주위의 산소 농도가 저하되면 유지한 산소를 활성 산소의 형태로 방출하는 것이다.
귀금속 촉매로서는 통상, 백금(Pt)이 사용되고 있고, 활성 산소 방출제로서 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs), 리비듐(Rb)과 같은 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr)과 같은 알칼리토류 금속, 란탄(La), 이트륨(Y)과 같은 희토류, 및 천인 금속으로부터 선택된 적어도 하나가 사용되고 있다.
또, 이 경우, 활성 산소 방출제로서는 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 리비듐(Rb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)을 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 이러한 활성 산소 방출제를 보유하는 미립자 필터에 의해서, 포집된 미립자가 어떻게 산화 제거되는 지에 대해서, 백금(Pt) 및 칼륨(K)의 경우를 예로 들어 설명한다. 다른 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리토류 금속, 희토류, 천이 금속을 사용하여도 같은 미립자 제거 작용이 행하여진다.
디젤 엔진에서는 통상 공기 과잉 아래 연소가 행하여지고, 따라서 배기 가스는 다량의 과잉 공기를 포함하고 있다. 즉, 흡기 통로 및 연소실 내에 공급된 공기와 연료의 비를 배기 가스의 공연비라고 하면, 이 공연비는 풍부해져 있다. 또한, 연소실 내에서는 NO가 발생하기 때문에 배기 가스 중에는 NO가 포함되어 있다. 또한, 연료 중에는 유황(S)이 포함되어 있고, 이 유황(S)은 연소실 내에서 산소와 반응하여 SO2이 된다. 따라서 배기 가스 중에는 SO2이 포함되어 있다. 따라서 과잉 산소, NO 및 SO2을 포함한 배기 가스가 미립자 필터(70)의 배기 상류쪽으로 유입하게 된다.
도 22a 및 도 22b는 미립자 필터(70)에 있어서의 배기 가스 접촉면의 확대도를 모식적으로 도시하고 있다. 또, 도 22a 및 도 22b에 있어서, 도면부호60은 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 미립자 필터의 배기 가스 접촉면 내에 접촉하면, 도 22a에 도시되는 바와 같이 이들 산소(O2)가 O2 - 또는 O2­의 형태로 백금(Pt)의 표면에 부착된다. 한편, 배기 가스 중의 NO는 백금(Pt)의 표면 상에서 O2 - 또는 O2-와 반응하여, NO2가 된다(2NO+O2→ 2NO2). 이어서 생성된 NO2의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 활성 산소 방출제(61) 내로 흡수되고, 칼륨(K)과 결합하면서 도 22a에 도시되는 바와 같이 질산이온(NO3 -)의 형태로 활성 산소 방출제(61) 내에 확산되고, 질산칼륨(KNO3)을 생성한다. 이와 같이 하여, 본 실시예에서는 배기 가스에 포함되는 NOx를 미립자 필터(70)에 흡수하고, 대기 중으로의 방출량을 대폭으로 감소시킬 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 배기 가스 중에는 SO2도 포함되어 있고, 이 SO2도 NO와 같은 메커니즘에 의해서 활성 산소 방출제(61) 내에 흡수된다. 즉, 상술한 바와 같이 산소(O2)가 O2 - 또는 O2-의 형태로 백금(Pt)의 표면에 부착되어 있고, 배기 가스 중의 SO2은 백금(Pt)의 표면에서 O2 - 또는 O2­와 반응하여 SO3이 된다. 이어서 생성된 SO3의 일부는 백금(Pt) 상에서 더욱 산화되면서 활성 산소 방출제(61) 내에 흡수되고, 칼륨(K)과 결합하면서 황산 이온(SO4 2-)의 형태로 활성 산소 방출제(61) 내에 확산되어, 황산 칼륨(K2SO4)을 생성한다. 이와 같이 하여 활성 산소 방출 촉매(61) 내에는 질산칼륨(KNO3) 및 황산 칼륨(K2SO4)이 생성된다.
배기 가스 중의 미립자는 도 22b에 있어서 62로 도시되는 바와 같이, 미립자 필터에 보유된 활성 산소 방출제(61)의 표면 상에 부착한다. 이 때, 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면에서는 산소 농도가 저하된다. 산소 농도가 저하되면 산소 농도가 높은 활성 산소 방출제(61)와의 사이에서 농도 차가 생기고, 이와 같이 하여 활성 산소 방출제(61)내의 산소가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하여 이동하려고 한다. 그 결과, 활성 산소 방출제(61) 내에 형성되어 있는 질산칼륨(KNO3)이 칼륨(K)과 산소(Ｏ)와 NO로 분해되고, 산소(Ｏ)가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하고, NO가 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 NO는 하류쪽의 백금(Pt) 상에 있어서 산화되고, 다시 활성 산소 방출제(61) 내에 흡수된다.
한편, 이 때 활성 산소 방출제(61) 내에 형성되어 있는 황산 칼륨(K2SO4)도 칼륨(K)과 산소(Ｏ)와 SO2으로 분해되고, 산소(Ｏ)가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하고, SO2이 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 SO2은 하류쪽의 백금(Pt) 상에서 산화되고, 다시 활성 산소 방출제(61) 내에 흡수된다. 단지, 황산 칼륨(K2SO4)은 안정화되어 있기 때문에, 질산칼륨(KNO3)과 비교하여 활성 산소를 방출하기 어렵다.
한편, 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하는 산소(Ｏ)는 질산칼륨(KNO3)이나 황산 칼륨(K2SO4)과 같은 화합물로부터 분해된 산소이다. 화합물로부터 분해된 산소(Ｏ)는 높은 에너지를 갖고 있고, 극히 높은 활성을 갖는다. 따라서 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하는 산소는 활성 산소(Ｏ)로 되어 있다. 이들 활성 산소(Ｏ)가 미립자(62)에 접촉하면 미립자(62)는 수분에서 수십분의 단시간에 휘염을 발하지 않고 산화된다. 또한, 미립자(62)를 산화하는 활성 산소(Ｏ)는 활성 산소 방출제(61)로 NO 및 SO2이 흡수될 때에도 방출된다. 즉, NOx는 산소 원자의 결합 및 분리를 반복하면서 활성 산소 방출제(61) 내에서 질산이온(NO3 -)의 형태로 확산하는 것이라고 생각되고, 이 동안에도 활성 산소가 발생한다. 미립자(62)는 이 활성 산소에 의해서도 산화된다. 또한, 이와 같이 미립자 필터(70)상에 부착된 미립자(62)는 활성 산소(Ｏ)에 의해서 산화되지만 이들 미립자(62)는 배기 가스 중의 산소에 의해서도 산화된다.
그런데 백금(Pt) 및 활성 산소 방출제(61)는 미립자 필터의 온도가 높아질 수록 활성화하기 때문에 단위 시간당 활성 산소 방출제(61)로부터 방출되는 활성 산소(Ｏ)의 양은 미립자 필터의 온도가 높아질수록 증대한다. 또한, 당연한 일이지만, 미립자 자체의 온도가 높을수록 산화 제거되기 쉬워진다. 따라서 미립자 필터상에 있어서 단위 시간당 휘염을 발하지 않고 미립자를 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량은 미립자 필터의 온도가 높아질수록 증대한다.
도 23의 실선은 단위 시간당 휘염을 발하지 않고 산화에 의해 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량(G)을 도시하고 있으며, 도 23에 있어서 가로축은 미립자 필터의 온도(TF)를 도시하고 있다. 또, 도 23은 단위 시간을 1초로 한 경우의, 즉, 1초당 산화 제거 가능 미립자량(G)을 도시하고 있지만 이 단위 시간으로서는 1분, 10분 등 임의의 시간을 채용할 수 있다. 예를 들면, 단위 시간으로서 10분을 이용한 경우에는 단위 시간당 산화 제거 가능 미립자량(G)은 10분간당 산화 제거 가능 미립자량(G)을 나타내게 되고, 이 경우에도 미립자 필터(70) 상에 있어서 단위 시간당 휘염을 발하지 않고 산화 제거 가능한 미립자량(G)은 도 23에 도시되는 바와 같이, 미립자 필터(70)의 온도가 높아질 수록 증대한다.
그런데, 단위 시간당 연소실로부터 배출되는 미립자의 양을 배출 미립자량(M)이라고 하면 이 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적을 때, 예를 들면, 1초당 배출 미립자량(M)이 1초당 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적을 때, 또는 10분당 배출 미립자량(M)이 10분당 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 적을 때, 즉 도 23의 영역(I)에서는 연소실로부터 배출된 모든 미립자가 미립자 필터(70)상에 있어서 휘염을 발하지 않고 순차 단시간 내에 산화 제거된다.
이것에 대하여, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많을 때, 즉 도 23의 영역(Ⅱ)에서는 모든 미립자를 차례로 산화하기 위해서는 활성 산소량이 부족하다. 도 24a 내지 도 24c는 이러한 경우에 있어서의 미립자의 산화의 모양을 도시하고 있다.
즉, 모든 미립자를 산화하기 위해서는 활성 산소량이 부족한 경우에는 도 24a에 도시하는 바와 같이 미립자(62)가 활성 산소 방출제(61)상에 부착하면 미립자(62)의 일부만이 산화되고, 충분히 산화되지 않은 미립자부분이 미립자 필터의 배기 상류쪽면 상에 잔류한다. 이어서 활성 산소량이 부족한 상태가 계속되면 차례차례로 산화되지 않은 미립자 부분이 배기 상류면 상에 잔류하고, 그 결과 도 24b에 도시되는 바와 같이 미립자 필터의 배기 상류면이 잔류 미립자 부분(63)에 의해서 덮이게 된다.
이러한 잔류 미립자 부분(63)은 점차로 산화되어 어려운 카본질로 변질되고, 또한, 배기 상류면이 잔류 미립자 부분(63)에 의해서 덮이면 백금(Pt)에 의한 NO, SO2의 산화 작용 및 활성 산소 방출제(61)에 의한 활성 산소의 방출 작용이 억제된다. 그것에 의하여, 시간을 들이면 서서히 잔류 미립자 부분(63)을 산화시킬 수 있지만, 도 24c에 도시되는 바와 같이 잔류 미립자 부분(63)의 위에 다른 미립자(64)가 차례차례로 퇴적된다. 즉, 미립자가 적층형에 퇴적되면, 이들 미립자는 백금(Pt)이나 활성 산소 방출제로부터 거리를 두고 있기 때문에, 예를 들어 산화되기 쉬운 미립자가더라도 활성 산소에 의해서 산화되지 않는다. 따라서 이 미립자(64)상에 또한 다른 미립자가 차례차례로 퇴적된다. 즉, 배출 미립자량(M)이 산화 제거 가능 미립자량(G)보다도 많은 상태가 계속되면 미립자 필터상에는 미립자가 적층형으로 퇴적되어 버린다.
이와 같이 도 23의 영역(Ⅰ)에서는 미립자는 미립자 필터상에 있어서 휘염을 발하지 않고 단시간 내에 산화되고, 도 23의 영역(Ⅱ)에서는 미립자가 미립자 필터상에 적층형에 퇴적된다. 따라서, 배출 미립자량(M)과 산화 제거 가능 미립자량(G)의 관계를 영역(Ⅰ)으로 하면, 미립자 필터상으로의 미립자의 퇴적을 방지할 수 있다. 그 결과, 미립자 필터(70)에 있어서의 배기 가스류의 압력 손실은 전혀라고 하여도 좋을 만큼 변화하지 않고 거의 일정한 최소 압력 손실치로 유지된다. 이와 같이 하여 기관의 출력 저하를 최소한으로 유지할 수 있다. 그러나, 이것이 항상 실현된다고는 할 수 없고, 아무 것도 하지 않으면 미립자 필터에는 미립자가 퇴적되는 경우가 있다.
본 실시예에서는 상술한 전자 제어 유닛(30)에 의해 도 25에 도시하는 제 1 흐름도에 따라서 밸브(71a)의 전환 제어를 실시하고, 미립자 필터로의 미립자의 퇴적을 방지하고 있다. 본 흐름도는 소정 시간마다 반복된다. 우선, 스텝(101)에 있어서, 차량의 주행거리 적산치(A)가 산출된다. 이어서, 스텝(102)에 있어서, 이 주행거리 적산치(A)가 설정 주행거리(As) 이상이 되었는지의 여부가 판단된다. 이 판단이 부정될 때에는 그대로 종료하지만, 긍정될 때에는 스텝(103)으로 진행한다. 스텝(103)에 있어서는 주행거리 적산치(A)는 0으로 리셋되고, 스텝(104)에 있어서, 밸브(71a)는 한쪽의 차단 위치로부터 다른쪽의 차단 위치로 전환된다. 즉, 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽이 역전된다.
도 26은 미립자 필터의 격벽(54)의 확대 단면도이다. 차량이 설정 주행거리(As)를 주행하는 동안에는 도 23의 영역(Ⅱ)에서의 운전이 실시되는 경우도 있고, 도 26a에 격자로 도시하는 바와 같이, 배기 가스가 주로 충돌하는 격벽(54)의 배기 상류쪽 표면 및 미세 구멍 내의 배기 가스류 대향면은 한쪽의 포집면으로서 미립자를 충돌 포집하고, 활성 산소 방출제에 의해 산화 제거하지만, 이 산화 제거가 불충분해져서 미립자가 잔류하는 경우가 있다. 이 시점에서는 미립자 필터의 배기 저항은 차량 주행에 악영향을 줄 정도는 아니지만, 더욱 미립자가 퇴적되면, 기관 출력의 대폭적인 저하 등의 문제를 발생시킨다. 제 1 흐름에서는 이 시점에서 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽이 역전된다. 그에 의하여, 격벽(54)의 한쪽의 포집면에 잔류하는 미립자상에는 더욱 미립자가 퇴적되지 않고, 한쪽의 포집면으로부터 방출되는 활성 산소에 의해서 잔류 미립자는 서서히 산화 제거된다. 또한, 격벽의 미세 구멍 내에 잔류하는 미립자는 역 방향의 배기 가스류에 의해서, 도 26b에 도시하는 바와 같이, 용이하게 파괴되어 세분화되고, 하류쪽으로 이동한다.
그것에 의하여, 세분화된 많은 미립자는 격벽의 미세 구멍 내에 분산되고, 즉, 미립자는 유동함으로써, 격벽의 미세 구멍 내 표면에 보유시킨 활성 산소 방출제와 직접적으로 접촉하여 산화 제거될 기회가 많아진다. 이와 같이 하여, 격벽의 미세 구멍 내에도 활성 산소 방출제를 보유시킴으로써, 잔류 미립자를 각별히 산화 제거시키기 쉬워진다. 또한, 이 산화 제거에 더하여, 배기 가스의 역류에 의해서 상류쪽이 된 격벽(54)의 다른쪽의 포집면, 즉, 현재에 있어서 배기 가스가 주로 충돌하는 격벽(54)의 배기 상류쪽 표면 및 미세 구멍 내의 배기 가스류 대향면(한쪽의 포집면과는 반대측의 관계가 된다)에서는 배기 가스 중이 새로운 미립자가 부착하여 활성 산소 방출제로부터 방출된 활성 산소에 의해서 산화 제거된다. 이 산화 제거시 활성 산소 방출제로부터 방출된 활성 산소의 일부는 배기 가스와 함께 하류쪽으로 이동하고, 배기 가스의 역류에 의해서도 여전히 잔류하는 미립자를 산화 제거한다.
즉, 격벽에 있어서의 한쪽의 포집면의 잔류 미립자에는 이 포집면으로부터 방출되는 활성 산소뿐만 아니라, 배기 가스의 역류에 의해서 격벽의 다른쪽의 포집면에서의 미립자의 산화 제거에 사용된 나머지 활성 산소가 배기 가스에 의해서 도래한다. 그것에 의하여, 밸브의 전환 시점에 있어서, 격벽의 한쪽의 포집면에 어느 미립자가 적층형으로 퇴적되어 있다고 해도, 배기 가스를 역류시키면, 잔류 미립자상에 퇴적되는 미립자로도 활성 산소가 도래하는 것에 더하여, 또한 미립자가 퇴적되는 것은 아니기 때문에, 퇴적 미립자는 서서히 산화 제거되고, 다음 번의 역류까지, 어느 정도의 시간이 있으면, 이 동안 충분히 산화 제거 가능하다.
제 1 흐름도에 있어서, 밸브의 전환은 소정 주행거리마다 행하도록 하였지만 설정 시간마다로 하여도 좋다. 물론, 이와 같이 정기적이지 않고, 부정기로 밸브를 전환하도록 하여도 좋다. 어떻든 간에, 밸브의 전환은 미립자 필터상의 잔류 미립자가 산화되기 어려운 카본질로 변질되기 이전에 행하여지도록 기관 시동으로부터 기관 정지 동안에 적어도 일회는 행하는 것이 바람직하다. 또한, 다량의 미립자가 퇴적되기 이전에 미립자를 산화 제거하는 것은 다량의 퇴적 미립자가 한번에 착화 연소하여 다량의 연소 열을 발생시키고, 이 연소 열에 의해 미립자 필터가 용손(溶損)하는 등의 문제를 방지하게도 된다. 또한, 어떠한 요인에 의해서, 밸브의 전환 시점에서 미립자 필터 격벽의 한쪽의 포집면에 다량의 미립자가 퇴적되었다고 해도, 밸브가 전환되면, 퇴적 미립자는 반대 방향의 배기 가스류에 의해서 비교적 용이하게 파괴 및 세분화되기 때문에, 격벽의 미세 구멍 내에서 산화 제거할 수 없었던 일부의 세분화 미립자는 미립자 필터로부터 배출되게 되지만, 미립자 필터의 배기 저항이 더욱 높아져 차량 주행에 악영향을 미치는 경우는 없다. 또한, 미립자 필터 격벽의 다른쪽의 포집면에서는 새로운 미립자의 포집이 가능하다.
도 27은 밸브(71a)의 전환 제어를 위한 제 2 흐름도를 도시하고 있다. 본 흐름도도 소정 시간마다 반복되는 것이다. 우선, 스텝(201)에 있어서, 미립자 필터(70)의 한쪽 측의 배기 압력(P1), 즉, 제 1 접속부(72a; 도 18 참조) 내의 배기 압력을 제 1 접속부(72a)에 배치된 제 1 압력 센서(43a)에 의해서 검출한다. 이어서, 스텝(202)에 있어서, 미립자 필터(70)의 다른쪽측의 배기 압력(P2), 즉, 제 2 접속부(72b; 도 18 참조) 내의 배기 압력을 제 2 접속부(72b)에 배치된 제 2 압력 센서(43b)에 의해서 검출한다.
스텝(203)에서는 스텝(201 및 202)에서 검출된 배기 압력의 차압의 절대치가 설정 압력차(Ps) 이상이 되었는지의 여부가 판단된다. 여기서, 차압의 절대치를 사용하는 것은 제 1 접속부(72a) 및 제 2 접속부(72b) 모두가 배기 상류쪽으로 되어 있더라도 차압의 상승을 파악할 수 있게 하기 위해서이다. 스텝(203)에 있어서의 판단이 부정될 때에는 그대로 종료하지만, 이 판단이 긍정될 때에는 미립자 필터에는 어느 정도의 미립자가 잔류하고 있기 때문에, 스텝(204)에 있어서 밸브(71a)가 전환되어, 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽이 역전되도록 되어 있다.
그에 의하여, 상술한 바와 같이, 잔류 미립자는 미립자 필터로부터 산화 제거된다. 이와 같이 하여, 미립자 필터에 어느 정도의 미립자가 잔류하고 있는 것을 미립자 필터의 양측의 차압을 이용하여 간접적으로 검지하여, 그 이상의 미립자가 퇴적되어 기관 출력을 대폭으로 저하시키는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 물론, 이 차압 이외에도, 예를 들면, 미립자 필터에 있어서의 소정 격벽상의 전기 저항치의 변화를 감시하고, 미립자의 퇴적에 의해서 전기 저항치가 설정치 이하가 되었을 때를, 미립자 필터상에 어느 정도의 미립자가 퇴적되어 있다고 판단하여도 좋고, 또한, 미립자 필터의 소정 격벽에 있어서, 미립자의 퇴적에 의해, 빛의 투과율이 저하되는 것, 또는 빛의 반사율이 저하되는 것을 이용하여, 미립자 필터상에 어느 정도의 미립자가 퇴적된 것을 판단하는 것도 가능하다. 이와 같이, 미립자의 잔류를 직접적으로 판단하여 밸브를 전환함으로써, 더욱 확실하게 기관 출력의 대폭적인 저하를 방지할 수 있다. 또한, 미립자 필터의 양측의 차압은 엄밀하게는 기관 운전 상태마다의 기통 내로부터 배출되는 배기 가스 압력에 의해서도 변화하기 때문에, 미립자의 퇴적의 판단에는 기관 운전 상태를 특정하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하는 것은 잔류 및 퇴적 미립자의 산화 제거를 가능하게 하기 위해서 대단히 유효하며, 특별히 시기를 판단하지 않고 때때로 밸브를 전환하도록 하여도, 다량의 미립자 퇴적에 의한 기관 출력의 대폭적인 저하를 충분히 방지할 수 있다.
또한, 배기 가스의 공연비를 풍부하게 하면, 즉, 배기 가스 중의 산소 농도를 저하시키면, 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 활성 산소(Ｏ)가 단숨에 방출된다. 이 단숨에 방출된 활성 산소(Ｏ)에 의해서, 퇴적 미립자는 산화되기 쉬운 것이 되어 용이하게 산화 제거된다.
한편, 공연비가 희박하게 유지되어 있으면 백금(Pt)의 표면이 산소로 덮이고, 소위 백금(Pt)의 산소 피독이 생긴다. 이러한 산소 피독이 생기면 NOx에 대한 산화 작용이 저하되기 때문에 NOx의 흡수 효율이 저하되고, 이와 같이 하여 활성 산소 방출제(61)로부터의 활성 산소 방출량이 저하된다. 그러나 공연비가 풍부해지면 백금(Pt) 표면 상의 산소가 소비되기 때문에 산소 피독이 해소되고, 따라서 공연비가 풍부로부터 희박으로 바뀌면 NOx에 대한 산화 작용이 강해지기 때문에 NOx의 흡수 효율이 높아지게 되고, 이와 같이 하여 활성 산소 방출제(61)로부터의 활성 산소 방출량이 증대한다.
따라서, 공연비가 희박하게 유지되어 있을 때 공연비를 때때로 희박에서 풍부로 일시적으로 바꾸면 그 때마다 백금(Pt)의 산소 피독이 해소되기 때문에 공연비가 희박일 때의 활성 산소 방출량이 증대하고, 이와 같이 하여 미립자 필터(70)상에 있어서의 미립자의 산화 작용을 촉진할 수 있다.
또한, 이 산소 피독의 해소는 말하자면, 환원 물질의 연소이기 때문에, 발열을 수반하여 미립자 필터를 승온시킨다. 그것에 의하여, 미립자 필터에 있어서의 산화 제거 가능 미립자량이 향상되고, 또한, 잔류 및 퇴적 미립자의 산화 제거가 용이해진다. 밸브(71a)에 의해서 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 바꾼 직후에 배기 가스의 공연비를 풍부하게 하면, 미립자가 잔류하지 않은 미립자 필터 격벽에 있어서의 다른쪽의 포집면에서는 한쪽의 포집면과 비교하여 활성 산소를 방출하기 쉽기 때문에, 더욱 다량으로 방출되는 활성 산소에 의해서, 한쪽의 포집면의 잔류 미립자를 더욱 확실하게 산화 제거할 수 있다. 물론, 밸브(71a)의 전환과는 관계 없이 때때로 배기 가스의 공연비를 풍부하게 하여도 좋고, 그것에 의하여, 미립자 필터로 미립자가 잔류 및 퇴적되기 어려워진다.
배기 가스의 공연비를 풍부하게 하는 방법으로서는 예를 들면, 상술한 저온 연소를 실시하면 좋다. 물론, 통상 연소로부터 저온 연소로 발뀔 때, 또는 그에 앞서 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 바꾸도록 하여도 좋다. 또한, 배기 가스의 공연비를 풍부하게 하기 위해서, 단지 연소 공연비를 풍부하게 하여도 좋다. 또한, 압축 행정에서의 통상의 주연료 분사에 더하여, 기관 연료 분사 밸브에 의해서 배기 행정 또는 팽창 행정에 있어서 기통 내에 연료를 분사(포스트 분사)하여도 좋고, 또는 흡기 행정에 있어서 기통 내에 연료를 분사(비고무 분사)하여도 좋다. 물론, 포스트 분사 또는 비고무 분사는 주 연료 분사 동안에 반드시 인터벌을 형성할 필요는 없다. 또한, 기관 배기 시스템에 연료를 공급하는 것도 가능하다.
도 28은 밸브(71a)의 전환 제어를 위한 제 3 흐름도를 도시하고 있다. 본 흐름도도 소정 시간마다 반복되는 것이다. 우선, 스텝(301)에 있어서, 상술한 어느 하나의 방법에 의해서 현재가 밸브(71a)의 전환 시기인지의 여부가 판단된다. 이 판단이 부정될 때에는 그대로 종료하지만, 긍정될 때는 스텝(302)에 있어서, 제 1 온도 센서(44a) 및 제 2 온도 센서(44b)에 의해서 검출된 미립자 필터(70)의 두개의 단부의 온도에 있어서, 현재의 배기 출구측 단부의 온도(To)가 배기 입구측 단부의 온도(Ti)보다 높은지의 여부가 판단된다.
이 판단이 긍정될 때에는 스텝(304)에 있어서 밸브(71a)를 전환한다. 그러나, 스텝(302)에 있어서의 판단이 부정될 때에는 스텝(303)에 있어서, 밸브(71a)의 전환 시기가 되고 나서의 경과 시간(t)이 설정 시간(t1) 이상이 되었는지의 여부가 판단된다. 이 판단이 긍정될 때에는 미립자 필터 격벽의 현재 상류쪽의 포집면에 다량의 미립자가 퇴적할 가능성이 있고, 스텝(304)으로 진행하여 밸브(71a)를 즉시 전환한다.
한편, 스텝(303)에 있어서의 판단이 부정될 때에는 스텝(302)으로 되돌아간다. 이와 같이 하여, 스텝(302 및 303)에 있어서의 판단이 반복되고, 스텝(302)에 있어서의 판단이 긍정되면, 스텝(304)에 있어서 밸브(71a)를 전환하도록 되어 있다.
본 실시예와 같이 백금 등의 산화 촉매를 보유하는 등 하여 미립자 필터가 산화 기능을 갖고 있는 경우에는 미립자 필터에서 배기 가스 중의 HC 및 CO 등의 환원 물질을 연소시킬 수 있다. 이 연소 열은 미립자 필터를 승온하여 산화 제거 가능 미립자량을 향상시키고 미립자 자체의 온도를 높이기 위해서, 미립자의 산화 제거에 유리해진다.
그런데, 배기 가스는 미립자 필터 격벽의 배기 상류쪽 표면으로부터 배기 하류쪽 표면으로 격벽의 미세 구멍을 통과하여 흐르지만, 미세 구멍을 통과하는 이외에는 배기 상류쪽 표면 또는 배기 하류쪽 표면을 따라 흐른다. 그것에 의하여, 미립자 필터의 배기 입구부(각 격벽의 배기 입구측 단부)에서의 연소 열은 배기 가스와 함께, 미립자 필터의 중앙부(각 격벽의 중앙부)를 통해서 미립자 필터의 배기 출구부(각 격벽의 배기 출구측 단부)로 이동하고, 최종적으로는 미립자 필터로부터 배출된다.
통상의 배기 가스의 공연비는 희박하고, 배기 가스 중에는 환원 물질은 약간밖에 포함되어 있지 않고, 배기 입구부에서는 약간의 연소 열이 배기 가스에 의해서 빼앗기고, 연소 열에 의한 승온은 거의 없다. 한편, 중앙부는 여기서의 연소 열이 배기 가스에 의해서 빼앗기지만, 배기 입구부로부터의 열 이동도 있어서 배기 입구부보다는 승온되고, 배기 출구부는 여기서의 연소 열에 더하여 배기 입구부 및 중앙부로부터의 열 이동에 의해서 가장 잘 승온된다.
이와 같이 하여, 미립자 필터 각부에 온도 차가 초래되면, 각부에 있어서의 산화 촉매의 활성화 정도에 차가 발생하고, 배기 가스 중의 환원 물질은 배기 입구부에서는 거의 연소하지 않고, 주로 배기 출구부에서 연소하게 되고, 미립자 필터 각부의 온도 차는 도 29에 점선으로 도시하는 바와 같이 현저하게 된다.
그러나, 주로 배기 출구부에서 환원 물질을 연소시켜도, 이 연소 열은 미립자 필터의 다른 부분을 승온시키지 않고, 미립자 필터로부터 배출될 뿐이며, 미립자 필터의 산화 제거 가능 미립자량을 향상시키는 데 효과적이지 않다.
제 3 흐름도에 있어서, 통상은 밸브(71a)의 전환 시기가 되었을 때, 상술한 바와 같이 배기 출구부의 온도가 배기 입구부보다 높아져 있고, 스텝(302)에 있어서의 판단이 긍정되어 밸브(71a)의 전환이 실시되고, 상술한 바와 같이 하여, 지금까지 배기 상류쪽이었던 포집면의 잔류 미립자의 산화 제거와 함께, 현재 배기 상류쪽이었던 포집면에서의 새로운 미립자의 포집이 개시된다. 또한, 현재의 배기 입구부는 지금까지의 배기 출구부이기 때문에 비교적 온도가 높고, 배기 가스 중의 환원 물질의 대부분을 연소시키기 위해서, 배기 입구부에서의 연소 열이 증대하고, 어느 정도가 배기 가스에 의해서 중앙부 및 배기 출구부로 이동되어도, 배기 입구부를 비교적 양호하게 승온할 수 있다.
이와 같이 하여, 배기 입구부의 온도는 비교적 높게 유지되고, 잠시 동안은 배기 가스 중의 환원 물질의 대부분을 배기 입구부에서 연소시킬 수 있다. 주로 배기 입구부에서 환원 물질을 연소시키면, 이 연소 열은 배기 입구부를 승온시킬 뿐 아니라, 배기 가스에 의한 열 이동에 의해서 미립자 필터로부터 배출되기 이전에, 중앙부 및 배기 출구부를 승온시키기 위해서, 도 29에 실선으로 도시하는 온도 분포가 되고, 미립자 필터를 전체적으로 승온시킬 수 있다. 그것에 의하여, 배기 가스 중의 환원 물질을 효과적으로 산화 제거 가능 미립자량 향상에 이용할 수 있다.
이와 같이 배기 입구부의 온도가 비교적 높게 유지되는 기간은 통상의 희박 상태의 배기 가스에 있어서, 포함되어 있는 환원 물질의 양이 약간이기 때문에, 그 만큼 오래는 아니고, 서서히 배기 입구부의 온도는 저하되고, 결국은 상술한 바와 같이 도 29에 점선으로 도시하는 온도 분포가 된다. 그렇지만, 배기 가스의 공연비가 풍부해져서 배기 가스 중에 비교적 많은 환원 물질이 포함되어 있으면, 그 동안에 있어서는 배기 입구부로에서 비교적 다량의 연소 열이 발생하고, 배기 입구부의 온도를 비교적 높게 유지할 수 있다.
이와 같이 하여, 만약 밸브(71a)의 전환 시기가 되어도, 미립자 필터에 있어서 배기 입구부의 온도가 배기 출구부보다 높으면, 즉시 배기 입구부와 배기 출구부를 역전하는 것은 배기 가스 중의 환원 물질을 미립자 필터의 승온에 효과적으로 이용할 수 없기 때문에 바람직하지 못하고, 제 3 흐름도의 스텝(303)에 있어서, 밸브의 전환 시기가 되고 나서의 경과 시간(t)이 설정 시간(t1)이 될 때까지의 동안은 밸브(71a)를 전환하지 않도록 되어 있다.
제 3 흐름도에서는 차량 주행거리 등에 근거하여 밸브의 전환 시기가 되었을 때, 미립자 필터의 배기 입구부의 온도와 배기 출구부의 온도를 비교하여 밸브를 실제로 전환하는지의 여부를 판단하도록 하였지만, 물론, 밸브의 전환은 임의의 시기에 실시하여도 효과적이기 때문에, 단지 미립자 필터의 배기 출구부의 온도가 배기 입구부의 온도보다 높아졌을 때 밸브를 전환하도록 하여도 좋다.
또한, 도 30에 도시하는 제 4 흐름도와 같이, 미립자 필터의 배기 출구부의 온도(To)가 배기 입구부의 온도(Ti)보다 높을 때[스텝(401)], 기관 감속시인지의 여부를 판단하고[스텝(402)], 기관 감속시이면 밸브를 전환하도록 하여도 좋다[스텝(403)]. 또한, 미립자 필터의 배기 출구부의 온도(To)가 배기 입구부의 온도(Ti)보다 높아질 때마다, 기관 감속시를 기다려 밸브를 전환하도록 하여도 좋다. 기관 감속시의 판단은 연료차단(fuel cut) 신호를 검출하면 되고, 또한, 차량 주행 중에 있어서 브레이크 패달의 밟는 신호를 검출하도록 하여도 좋고, 또는 차량 주행 중에 있어서 액셀 페달의 개방 신호를 검출하여도 좋다.
본 배기 정화장치의 전환부(71)의 구조로서는 도 31에 도시하는 바와 같이, 밸브(71a)가 두개의 차단 위치의 한쪽으로부터 다른쪽으로 전환되는 동안에 있어서, 일부의 배기 가스가 미립자 필터를 바이패스한다. 기관 감속시는 연료 차단되어 있거나 또는 연료 분사량이 대단히 적기 때문에, 배기 가스 중에 미립자가 거의 포함되어 있지 않다. 그것에 의하여, 이 때 밸브를 전환하면, 일부의 배기 가스가 미립자 필터를 바이패스하여도 대기 중으로 미립자가 방출되지 않는다. 또한, 기관 감속시는 연료차단되어 있거나 또는 연료 분사량이 대단히 적기 때문에, 배기 가스 온도가 대단히 낮아진다. 그것에 의하여, 이 때 밸브를 전환하면, 일부의 배기 가스라도 미립자 필터를 바이패스시킬 수 있고, 미립자 필터의 온도 저하, 즉, 산화 제거 가능 미립자량의 감소를 억제할 수 있다.
밸브(71a)의 전환은 임의의 시기에 실시하여도 효과적이기 때문에, 도 32에 도시하는 제 5 흐름도와 같이, 단지, 연료 차단시와 같은 기관 감속시에 실시하도록 하여도 좋다.
제 3 흐름도 및 제 4 흐름도에서는 실제적으로 미립자 필터의 배기 입구부의 온도와 배기 출구부의 온도를 검출하도록 하였지만, 물론, 기관 운전 상태에 의해 변화하는 배기 가스 온도 및 배기 가스 중의 환원 물질량 등에 근거하여 미립자 필터의 배기 입구부의 온도와 배기 출구부의 온도를 추정하여도 좋고, 또한, 어느 쪽의 온도가 높은지만을 추정하도록 하여도 좋다.
그런데, 배기 가스 중의 칼슘(Ca)은 SO3이 존재하면, 황산칼슘(CaSO4)을 생성한다. 이 황산칼슘(CaSO4)은 산화 제거되기 어렵고, 미립자상에 애시로서 잔류하게 된다. 따라서, 황산칼슘의 잔류에 의한 미립자 필터의 막힘을 방지하기 위해서는 활성 산소 방출제(61)로서 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리토류 금속, 예를 들면 칼륨(K)을 사용하는 것이 바람직하고, 그것에 의하여, 활성 산소 방출제(61) 내에 확산되는 SO3은 칼륨(K)과 결합하여 황산 칼륨(K2SO4 )을 형성하고, 칼슘(Ca)은 SO3과 결합하지 않고 미립자 필터의 격벽을 통과한다. 따라서 미립자 필터가 애쉬에 의해서 막히지 않게 된다. 이와 같이 하여, 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), 리비듐(Rb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)을 사용하는 것이 바람직하게 된다.
또한, 활성 산소 방출제로서 미립자 필터에 백금(Pt)과 같은 귀금속만을 보유시켜도, 백금(Pt)의 표면 상에 유지되는 NO2 또는 SO3으로부터 활성 산소를 방출시킬 수 있다. 단지, 이 경우에는 산화 제거 가능 미립자량(G)을 도시하는 실선은 도 23에 도시하는 실선과 비교하여 약간 오른쪽으로 이동한다. 또한, 활성 산소 방출제로서 세리아를 사용하는 것도 가능하다. 세리아는 배기 가스 중의 산소 농도가 높으면 산소를 흡수하여(Ce203→2CeO2), 배기 가스 중의 산소 농도가 저하되면 활성 산소를 방출하는(2CeO2→Ce203) 것이기 때문에, 미립자의 산화 제거를 위해서, 배기 가스 중의 공연비를 정기적 또는 부정기로 풍부하게 할 필요가 있다. 세리아 대신에, 철 또는 주석을 사용하여도 좋다.
또한, 활성 산소 방출제로서 배기 가스 중의 NOx 정화에 사용되는 NOx 흡장 환원 촉매를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우에 있어서는 NOx 또는 SOx을 방출시키기 위해서 배기 가스의 공연비를 적어도 일시적으로 풍부하게 할 필요가 있고, 이 풍부화 제어를 미립자 필터의 상류쪽과 하류쪽의 역전 후에 실시하는 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서, 미립자 필터 자체가 활성 산소 방출제를 보유하고, 이 활성 산소 방출제가 방출하는 활성 산소에 의해 미립자가 산화 제거되는 것으로 하였지만, 이것은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 예를 들면, 활성 산소 및 활성 산소와 동등하게 기능하는 이산화질소 등의 미립자 산화 물질은 미립자 필터 또는 그것에 보유시킨 물질로부터 방출되어도, 외부로부터 미립자 필터로 유입하도록 하여도 좋다. 미립자 산화 물질이 외부로부터 유입되는 경우에 있어서도, 미립자를 포집하기 위해서, 포집벽의 제 1 포집면과 제 2 포집면을 교대로 사용함으로써, 배기 하류쪽이 된 한쪽의 포집면에서는 새롭게 미립자가 퇴적되지 않고, 이 퇴적 미립자를 다른쪽의 포집면으로부터 유입하는 미립자 산화 성분에 의해서 서서히라도 산화 제거하고, 퇴적 미립자를 어느 정도의 시간으로 충분히 산화 제거하는 것이 가능하다. 이 동안에 있어서, 다른쪽의 포집면에서는 미립자의 포집과 함께 미립자 산화 성분에 의한 산화가 행하여지기 때문에, 상술한 바와 같은 효과도 초래된다. 또한, 이 경우에 있어서도, 미립자 필터의 승온은 미립자 자체의 온도를 높여 산화 제거시키기 쉬워진다.
본 실시예의 디젤 엔진은 저온 연소와 통상 연소를 전환하여 실시하는 것으로 하였지만, 이것은 본 발명을 한정하는 것이 아니고, 물론, 통상 연소만을 실시하는 디젤 엔진, 또는 미립자를 배출하는 가솔린 엔진에도 본 발명은 적용 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 의한 내연기관의 배기 정화장치에 의하면, 기관 배기 시스템에 배치된 미립자 필터와 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하기 위한 역전 수단을 구비하고, 미립자 필터에 있어서는 포집한 미립자가 산화되고, 미립자 필터는 미립자를 포집하기 위한 포집벽을 갖고, 포집벽은 제 1 포집면과 제 2 포집면을 갖고, 역전 수단에 의해서 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽이 역전됨으로써 미립자를 포집하기 위해 포집벽의 제 1 포집면과 제 2 포집면이 교대로 사용되도록 되어 있다. 그것에 의하여, 운전 상태에 따라서는 미립자 필터에서의 미립자의 산화가 불충분해져서 미립자 필터 포집벽의 한쪽의 포집면에는 어느 정도 미립자가 잔류하는 경우가 있지만, 역전 수단에 의한 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽의 역전에 의해서, 포집벽의 이 포집면에는 새롭게 미립자가 퇴적되지 않고, 잔류 미립자를 서서히 산화 제거 가능하다. 동시에, 포집벽의 다른쪽의 포집면에 의해서 미립자의 포집 및 산화가 개시된다. 이와 같이 하여, 미립자의 포집에 제 1 포집면과 제 2 포집면이 교대로 사용되면, 항상 단일한 포집면에서 미립자를 포집하는 경우와 비교하여, 각 포집면에서의 미립자 포집량을 저감할 수 있고, 미립자의 산화 제거에 유리해지기 때문에, 미립자 필터에는 미립자가 퇴적되지 않고, 미립자 필터의 막힘을 방지할 수 있다.

Claims (11)

  1. 기관 배기 시스템에 배치된 미립자 필터와, 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하기 위한 역전 수단을 구비하고, 상기 미립자 필터에서는 포집한 미립자가 산화되고, 상기 미립자 필터는 미립자를 포집하기 위한 포집벽을 갖고, 상기 포집벽은 제 1 포집면과 제 2 포집면을 갖고, 상기 역전 수단에 의해서 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽이 역전됨으로써 미립자를 포집하기 위하여 상기 포집벽의 상기 제 1 포집면과 상기 제 2 포집면이 교대로 사용되고,
    상기 포집벽에는 활성 산소 방출제가 보유되고, 상기 활성 산소 방출제로부터 방출되는 활성 산소가 미립자를 산화시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 산소 방출제는 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 받아들여 산소를 유지하고 또한 주위의 산소 농도가 저하되면 유지한 산소를 활성 산소의 형태로 방출하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서
    상기 역전 수단은 소정 시간마다 또는 소정 주행거리 마다 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서
    상기 역전 수단은 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽의 차압이 설정 차압 이상이 되었을 때, 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서
    상기 역전 수단은 상기 미립자 필터의 미립자 퇴적량이 설정 퇴적량 이상이 되었을 때, 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서
    때때로, 배기 가스 중의 산소 농도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
  8. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서
    상기 미립자 필터는 산화 기능을 갖고, 상기 역전 수단은 상기 미립자 필터의 배기 출구부의 온도가 배기 입구부의 온도보다 높을 때, 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 역전 수단에 의해 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하는 시기가 되어도 상기 미립자 필터의 배기 출구부의 온도가 배기 입구부의 온도보다 높아질 때까지 상기 역전 수단에 의한 상기 역전을 연기하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
  10. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서
    상기 미립자 필터는 산화 기능을 갖고, 상기 역전 수단은 상기 미립자 필터의 배기 출구부의 온도가 배기 입구부의 온도보다 높고 기관 감속시에 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
  11. 기관 배기 시스템에 배치된 미립자 필터와 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽을 역전하기 위한 역전 수단을 구비하고, 상기 미립자 필터는 활성 산소 방출제를 보유하고, 상기 활성 산소 방출제로부터 방출된 활성 산소가 상기 미립자 필터의 포집 미립자를 산화시키고, 상기 활성 산소 방출제는 주위에 과잉 산소가 존재하면 NOx를 산소와 결합시켜 유지하며 또한 주위의 산소 농도가 저하되면 결합시킨 NOx 및 산소를 NOx와 활성 산소로 분해하여 방출하는 것이고, 상기 미립자 필터는 미립자를 포집하기 위한 포집벽을 갖고, 상기 포집벽은 제 1 포집면과 제 2 포집면을 갖고, 상기 역전 수단에 의해서 상기 미립자 필터의 배기 상류쪽과 배기 하류쪽이 역전됨으로써 미립자를 포집하기 위하여 상기 포집벽의 상기 제 1 포집면과 상기 제 2 포집면이 교대로 사용되고, 때때로, 상기 주위의 산소 농도를 저하시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
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