KR100495205B1 - 배기가스 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연소실을 갖는 엔진용 배기가스 정화 장치는 배기 통로와, 산화에 의해 연소실로부터 배출되는 배기가스에서 미립자를 제거하기 위해 배기 통로에 배치되는 미립자 필터와, 미립자 필터로 유입하는 배기가스의 특성을 제어하는 장치를 포함하며, 판정 수단이 미립자 필터가 열에 의해 열화될 것이라고 판단한 경우, 제어 장치가 미립자 필터로 유입하는 배기 가스의 특성을 변화시켜 미립자 필터가 열에 의해 열화되는 것을 방지한다.

Description

배기가스 정화 장치{Exhaust gas purification device}
본 발명은 엔진의 배기가스 정화 장치에 대한 것이다.
디젤 엔진의 관련 기술분야에서, 엔진 배기 통로에 미립자 필터(particulate filter)를 배치하고, 이 미립자 필터를 사용하여 배기가스 내의 미립자를 포집하고, 미립자 필터에 포집된 미립자를 점화연소(igniting and burning)시켜 미립자 필터를 재생하여 배기가스에 포함된 미립자를 제거한다. 그러나, 미립자 필터에 포집된 미립자가 약 600℃ 만큼 높은 온도가 되지 않으면 점화되지 않는다. 그러나, 디젤 엔진 배기가스의 온도는 통상적으로 600℃보다 상당히 낮다. 그러므로, 배기가스의 열을 이용하여 미립자 필터에 포집된 미립자를 점화시키기가 어렵다. 배기가스의 열을 이용하여 미립자 필터에 포집된 미립자를 점화시키기 위해서는, 미립자의 점화 온도를 낮출 필요가 있다.
한편, 당업계에는, 미립자 필터에 촉매가 구비되면, 미립자의 점화 온도가 감소될 수 있음이 공지되어 있다. 그러므로, 미립자의 점화 온도를 낮추기 위해 촉매를 구비하는 다양한 미립자 필터가 당업계에 알려져 있다.
예를 들어, 일본 특허 공보(공고) 제 7-106290호는 백금 계열 금속(Platinum group metal)과 알칼리 토금속 산화물(alkaline-earth metal oxides)의 혼합물을 갖는 미립자 필터를 포함하는 미립자 필터를 공개한다. 이러한 미립자 필터에서, 미립자는 약 350℃ 내지 400℃의 비교적 낮은 온도에서 점화한 다음, 연속적으로 연소된다.
본 발명에 의해 해소되는 문제점들을 요약하면, 디젤 엔진에서, 부하가 높아질 때, 배기가스의 온도가 약 350℃ 내지 400℃에 도달한다, 그러므로, 상기 미립자 필터에서 한눈에 엔진 부하가 높아지게 되면 배기가스의 열에 의해 점화연소하게 되는 것을 볼 수 있다. 그러나, 실제로는, 배기가스의 온도가 350℃ 내지 400℃에 도달하여도, 가끔 미립자가 점화되지 않을 때가 있다. 또한, 미립자가 점화하여도, 미립자의 일부만이 연소하고 미립자의 대부분이 연소되지 않은 상태로 남게 된다.
즉, 배기가스에 포함된 미립자의 양이 적은 경우, 미립자 필터에 퇴적되는 미립자의 양도 적다. 이 때, 배기가스의 온도가 350℃ 내지 400℃에 도달하게 되면, 미립자 필터 상의 미립자가 점화하여 연속적으로 연소된다.
그러나, 배기가스에 포함된 미립자의 량이 보다 많아지면, 미립자 필터에 퇴적된 미립자가 완전히 연소되기 전에 다른 미립자들이 그 미립자 위에 퇴적되게 된다. 결과적으로, 미립자들이 미립자 필터 상에 퇴적되어 층을 이룬다. 미립자들이 미립자 필터 상에 이런 식으로 층을 이루며 퇴적되면, 산소와 용이하게 접촉하는 미립자의 일부는 연소되지만, 산소와 접촉하지 않는 나머지 미립자들은 연소되지 않으므로, 다량의 미립자들이 연소되지 않은 채로 남게 된다. 그러므로, 배기가스 내에 포함된 미립자의 양이 많아지게 되면, 많은 양의 미립자가 미립자 필터 상에 계속 퇴적되게 된다.
한편, 많은 양의 미립자가 미립자 필터 상에 퇴적되면, 퇴적된 미립자들은 점차적으로 점화연소하기 어려워진다. 퇴적되면서 미립자 중의 탄소(carbon)가 연소되기 어려운 흑연(graphite) 등으로 변하기 때문에 이런 식으로는 갈수록 연소되기 어려워질 수 있다. 사실상, 다량의 미립자가 미립자 필터 상에 계속 퇴적되면, 퇴적된 미립자들은 350℃ 내지 400℃의 낮은 온도에서 점화하지 않는다. 퇴적된 미립자들을 점화시키기 위해 600℃이상의 고온이 필요하다. 그러나, 디젤 엔진에서,배기가스의 온도는 통상적으로 600℃이상의 고온에 도달하지 않는다. 그러므로, 다량의 미립자가 미립자 필터에 계속 퇴적되면, 배기가스의 열에 의해 퇴적된 미립자를 점화시키기 어렵다.
한편, 이 때, 배기가스의 온도를 600℃이상의 고온으로 할 수 있다면, 퇴적된 미립자들은 점화될 것이지만, 이 경우 다른 문제점이 발생한다. 즉, 이 경우에, 퇴적된 미립자들이 점화되면, 빛나는 불꽃(luminous flame)을 생성하면서 연소하게 된다. 이 때, 미립자 필터의 온도는 퇴적된 미립자가 연소되는 것을 마칠 때까지 장기간동안 800℃ 이상에서 유지될 수 있다. 그러나, 미립자 필터가 800℃ 이상의 고온에 이런 식으로 장시간 노출되게 되면, 미립자 필터는 빨리 열화(deterioration)되어, 미립자 필터가 새로운 필터로 빈번히 교체되어야 한다는 문제점이 발생한다.
도 1은 내연 기관의 종합도.
도 2a 및 도 2b는 엔진의 필요 토크와 가속 패달을 누른 정도와, 엔진 속도 간의 관계도.
도 3a 및 도 3b는 미립자 필터의 도면.
도 4a 및 도 4b는 미립자의 산화작용의 설명도.
도 5a 내지 도 5c는 미립자의 퇴적 작용의 설명도.
도 6은 산화 제거가능 미립자 양과 미립자 필터의 온도 간의 관계도.
도 7a 및 도 7b는 산화 제거가능 미립자의 양의 도면.
도 8a 내지 도 8f는 산화 제거가능 미립자 량 G의 맵(map)의 도면.
도 9a 및 도 9b는 배기가스 내의 NOx의 농도와 산소 농도의 맵의 도면.
도 10a 및 도 10b는 방출된 미립자 량의 도면.
도 11은 미립자와 NOx 처리 영역을 동시에 나타낸 도면.
도 12는 산화에 의해 미립자를 제거하는 방법의 설명도.
도 13은 매연 생성량의 도면.
도 14a 및 도 14b는 연소실 내의 가스온도의 도면.
도 15는 작동 영역 I와 II의 도면.
도 16은 공연비 A/F의 도면.
도 17은 스로틀 밸브의 개방도(開放度)의 변화 등의 도면.
도 18은 NOx 흡수량의 맵의 도면.
도 19는 NOx 방출 플래그와 SOx 방출 플래그 처리에 대한 순서도.
도 20 및 도 21은 엔진 작동 제어용 순서도.
도 22는 전환 밸브의 회전 위치가 제 1 회전 위치로 설정되어 있는, 바이패스(bypass) 메커니즘의 평면도.
도 23은 도 21에 도시된 바이패스 메커니즘의 측면도.
도 24는 전환 밸브의 회전 위치가 제 2 회전 위치로 설정되어 있는, 바이패스 메커니즘의 평면도.
도 25는 전환 밸브의 회전 위치가 중립 위치로 설정되어 있는, 바이패스 메커니즘의 평면도.
도 26은 퇴적된 미립자를 나타내는 도면.
도 27은 전환 밸브의 회전 위치 제어에 대한 순서도.
도 28은 제 1 실시예의 열적 열화 방지 처리 수행에 대한 순서도.
도 29a 및 도 29b는 안전 영역, 위험 영역, 흡입 공기의 양 및 산소 농도 간의 관계를 나타내는 맵의 도면.
도 30은 안전 계수기(safety counter)를 카운트하는 것에 대한 순서도.
도 31은 제 2 실시예의 열적 열화 방지 처리 수행에 대한 순서도.
도 32는 퇴적된 미립자를 제거하는 것에 대한 순서도.
도 33은 열적 열화를 방지하는 것에 대한 순서도.
도 34는 열적 열화 방지 조건을 만족하는지 판정하는 것에 대한 순서도.
도 35는 다른 실시예에 따라 열적 열화 방지 조건을 만족하는지 판정하는 것에 대한 순서도.
본 발명의 목적은 배기 정화 장치의 미립자 필터가 이 미립자 필터 상에 퇴적된 미립자를 연소시 얻어지는 열에 의해 열화되는 것을 방지하는 것이다.
본 발명에 따르면, 연소실을 갖는 엔진용 배기가스 정화 장치는 배기 통로와, 산화에 의해 연소실로부터 배출되는 배기가스에서 미립자를 제거하기 위해 배기 통로에 배치되는 미립자 필터와, 미립자 필터로 유입하는 배기가스의 특성을 제어하는 장치와, 판정 수단(judging means)을 포함하며, 판정 수단이 미립자 필터가 열(heat)에 의해 열화될 것이라고 판단한 경우, 제어 장치가 미립자 필터로 유입하는 배기 가스의 특성을 변화시켜 미립자 필터가 열에 의해 열화되는 것을 방지한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어 장치는 미립자 필터로 유입하는 배기가스의 량을 제어할 수 있고, 판정 수단이 미립자 필터가 열에 의해 열화될 것이라고 판단한 경우, 제어 장치는 미립자 필터로 유입하는 배기가스의 량을 제 1 임계값보다 작게 하는 제 1 제어 작업과, 미립자 필터로 유입하는 배기가스의 량을 제 2 임계값보다 크게 하는 제 2 제어 작업 중의 하나를 수행하며, 제 2 임계값은 제 1 임계값보다 더 크다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 판정 수단이 미립자 필터가 열에 의해 열화될 것이라고 판단하는 경우, 배기가스의 특성이 제어 장치에 의해 변화되기 전에, 판정 수단이 배기가스의 특성을 변화시켜 미립자 필터의 온도가 소정 온도보다 낮게 될지를 판정하고, 배기가스 내의 산소 농도가 배기가스의 특성을 변화시켜 소정 농도보다 낮게 될지를 판정하며, 제어 장치는 판정 수단이 배기가스의 특성을 변화시켜 미립자 필터가 소정 온도보다 더 낮아질 것이라고 판정한 경우 배기가스의 특성을 변화시켜 미립자 필터의 온도를 소정 온도보다 낮게 하며, 제어 장치는 판정 수단이 배기가스 내의 산소 농도가 소정 농도보다 낮아질 것이라고 판단한 경우 배기가스의 특성을 변화시켜 배기가스 내의 산소 농도가 소정 농도보다 작게 한다.
도 1은 본 발명을 압축점화식 내연기관에 적용하는 것을 나타내고 있다. 본 발명은 불꽃점화식 내연기관에도 적용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 도면부호 1은 엔진 본체, 도면부호 2는 실린더 블록, 도면부호 3은 실린더 헤드, 도면부호 4는 피스톤, 도면부호 5는 연소실, 도면부호 6은 전기제어식 연료 분사기, 도면부호 7은 흡입 밸브, 도면부호 8은 흡입 포트, 도면부호 9는 배기 밸브, 도면부호 10은 배기 포트이다.흡입 포트(8)는 대응하는 흡입 튜브(11)를 통해 서지 탱크(12; surge tank, 調壓 水槽)에 연결되며, 서지 탱크(12)는 흡입 덕트(13)를 통해 배기 과급기(14; exhaust turbocharger)의 압축기(15)에 연결된다. 흡입 공기의 유동율을 측증하는 공기 유량계(13a)가 압축기(15)의 상류측의 흡입 파이프(13b)에 배치되어 있다. 흡입 덕트(13) 내측에는 스텝 모터(16)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(17)가 배치되어 있다. 또한, 흡입 덕트(13)를 통해 유동하는 흡입 공기를 냉각시키기 위해 흡입 덕트(13) 둘레에 냉각 장치(18)가 배치되어 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 엔진 냉매(coolant water)가 냉각 장치(18) 내에서 유동하고 흡입 공기는 엔진 냉매에 의해 냉각된다. 한편, 배기 포트(10)는 배기 다기관(19; exhaust manifold)과 배기 파이프(20)를 통해 배기 과급기(14)의 배기 터빈(21)에 연결되어 있다. 배기 터빈(21)의 배출구는 배기 파이프(20a)를 통해 미립자 필터(22)를 수용하는 케이싱(23; casing)에 연결되어 있다.
배기 다기관(19)과 서지 탱크(12)는 배기가스 재순환 장치(EGR; Exhaust Gas Recirculation)의 통로(24)를 통해 서로 연결되어 있다. EGR 통로(24) 내측에는 전기 제어식 EGR 제어 밸브(25)가 배치되어 있다. EGR 통로(24) 내측에서 순환하는 EGR 가스를 냉각시키기 위해 냉각 장치(26)가 EGR 통로(24) 둘레에 배치되어 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 엔진 냉매가 냉각 장치(26) 내에서 유도되고, EGR 가스는 엔진 냉매에 의해 냉각된다. 한편, 연료 분사기(6)가 연료 공급 파이프(6a)를 통해 연료 저장소(fuel reservoir), 소위 커먼 레일(27; common rail)에 연결되어 있다. 연료는 전기 제어식 가변 토출량(variable discharge) 연료 펌프(28)로부터 커먼 레일(27)로 공급된다. 커먼 레일(27)로 공급된 연료는 연료 공급 파이프(6a)를 통해 연료 분사기(6)에 공급된다. 커먼 레일(27)은 이 커먼 레일(27) 내의 연료 압력을 검출하기 위해 부착되는 연료 압력 센서(29)를 갖는다. 연료 펌프(28)가 방출하는 것은 연료 압력 센서(29)의 출력 신호에 근거하여 제어되어 커먼 레일(27) 내의 연료 압력이 목표 연료 압력이 되게 한다.
전자 제어 유닛(30)은 양방향 버스(31; bidirectional bus)에 의해 상호접속된 읽기전용 메모리(32; ROM), 읽기/쓰기 메모리(33; RAM), 마이크로프로세서(34; CPU), 입력 포트(35), 출력 포트(36)를 갖는 디지털 컴퓨터를 포함한다. 연료 압력 센서(29)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 또한, 미립자 필터(22)는 미립자 필터(22)의 온도 검출용 온도 센서(39)를 자체에 부착하고 있다. 이 온도 센서(39)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 공기 유량계(13a)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 가속 페달(40)은 가속 페달(40)을 누르는 정도(L)에 비례하여 출력 전압을 생성하는 부하 센서(41)에 연결되어 있다. 부하 센서(41)의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 또한, 입력 포트(35)는 크랭크 축이 매번 예를 들어 30도 만큼 회전할 때마다 출력 펄스를 생성하는 크랭크 각도 센서(42)에 연결되어 있다. 한편, 출력 포트(36)는 상응하는 구동 회로(38; drive circuit)를 통해 연료 분사기(6), 스로틀 밸브 구동용 스텝 모터(16), EGR 제어 밸브(25), 연료 펌프(28)에 연결되어 있다.
도 2a는 필요 토크(TQ)와 가속 페달(40)의 누른 정도(L), 엔진 속도(N) 간의 관계를 도시한다. 도 2a에서, 곡선은 등가의 토크 곡선을 나타낸다. TQ = 0으로 도시된 곡선은 토크가 0임을 도시하며, 나머지 곡선들은 점차적으로 증가하는 필요 토크를 TQ = a, TQ = b, TQ = c, TQ = d의 순서로 도시하고 있다. 도 2a에 도시된 필요 토크(TQ)는 도 2b에 도시된 바와 같이 엔진 속도(N)와 가속 페달(40)의 누른 정도(L)의 함수로서 먼저 ROM(32)에 저장된다. 본 발명의 이러한 실시예에서, 엔진 속도(N)와 가속 페달(40)의 누른 정도(L)에 따른 필요 토크(TQ)가 먼저 도 2b에 도시된 맵으로부터 계산된 다음, 연료 분사량 등이 필요 토크(TQ)에 근거하여 계산된다.
도 3a 및 도 3b는 미립자 필터(22)의 구조를 도시한다. 도 3a는 미립자 필터(22)의 전면도(front view)인 반면, 도 3b는 미립자 필터(22)의 측면도이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 미립자 필터(22)는 벌집 구조를 형성하며, 서로에 대해 평행하게 연장하는 다수의 배기가스 순환 통로(50, 51)를 구비한다. 이러한 배기가스 순환 통로는 하류측 단부(downstream end)가 플러그(52)로 밀봉된 배기가스 유입 통로(50)와, 상류측 단부가 플러그(53)로 밀봉된 배기가스 유출 통로(51)를 포함한다. 도 3a에서 해칭된(hatched) 부분이 플러그(53)이다. 그러므로, 배기가스 유입 통로(50)와, 배기가스 유출 통로(51)는 얇은 벽(54) 부분을 거쳐 번갈아 배치되어 있다. 달리 말해, 배기가스 유입 통로(50)와 배기가스 유출 통로(51)는 각각의 배기가스 유입 통로(50)가 네 개의 배기가스 유출 통로(51)에 의해 둘러싸이도록 배치된다.
미립자 필터(22)는 예를 들어, 코디어라이트(cordierite)와 같은 다공성 재료로 형성된다. 그러므로, 배기가스 유입 통로(50)로 유입하는 배기가스는 도 3b에 화살표로 도시된 바와 같이 주위의 격벽(54)을 통해 인접한 배기가스 유출 통로(51)로 유출한다.
본 발명의 실시예에서는, 배기가스 유입 통로(50) 및 배기가스 유출 통로(51)의 주변 표면, 즉 격벽(54)의 두 측면 상, 격벽(54) 내의 미세 구멍의 내벽, 플러그(53)의 외단면 및 플러그(52, 53)의 내단면 상에는 예를 들어 알루미나로 이루어진 캐리어(carrier)의 층이 형성되어 있다. 이 캐리어 상에 귀금속 촉매와, 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 흡수하여 갖고 있고 주위의 산소 농도가 저하하면 갖고 있는 산소를 활성 산소의 형태로 방출하는 활성 산소 방출제가 포함된다.
이 경우, 본 발명에 따른 일 실시예에서, 백금(Pt)이 귀금속 촉매로서 사용된다. 활성 산소 방출제로, 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb)과 같은 알칼리 금속과; 바륨(ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr)과 같은 알칼리 토금속; 란타늄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce)과 같은 희토류와; 철(Fe)과 같은 천이 금속과; 주석(Sn)과 같은 탄소족 원소로부터 선택된 하나 이상이 사용된다.
이 경우에는, 활성 산소 방출제로서, 칼슘(Ca)보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(ba), 스트론튬(Sr)을 사용하는 것이 바람직하다.
다음에, 미립자 필터(22)에 의한 배기가스 중의 미립자 제거 작용에 대해 캐리어 상에 백금(Pt) 및 칼륨(K)을 보유한 경우를 예를 들어 설명하지만, 다른 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류, 천이 금속, 탄소족 원소를 사용하여도 동일한 미립자 제거 작용이 이루어진다.
도 1에 도시한 바와 같은 압축점화식 내연기관에서는 공기과잉 상태에서 연소가 이루어진다. 그러므로 배기가스는 다량의 과잉 공기를 포함한다. 즉, 흡기 통로 및 연소실(5) 내에 공급되는 공기와 연료의 비를 배기가스의 공연비로 칭하면 도 1에 도시한 바와 같은 압축점화식 내연기관에서는 배기가스의 공연비는 희박(lean)하게 된다. 또한, 연소실(5) 내에서는 NO가 발생하므로, 배기가스 중에는 NO가 포함되어 있다. 또한, 연료 중에는 황(S)이 포함되어 있고, 이 황(S)은 연소실(5) 내에서 산소와 반응하여 SO2로 된다. 따라서, 배기가스 중에는 SO2가 포함되어 있다. 따라서, 과잉 산소, NO 및 SO2를 포함한 배기가스가 미립자 필터(22)의 배기가스 유입 통로(50) 내에 유입하게 된다.
도 4a 및 도 4b는 배기가스 유입 통로(50)의 내주면과 격벽(54) 내의 미세 구멍의 내벽 상에 형성된 캐리어층의 표면의 확대도이다. 또한, 도 4a 및 도 4b에서 도면 부호 60은 백금(Pt)의 입자를 나타내며, 도면 부호 61은 칼륨(K)을 포함하고 있는 활성 산소 방출제를 나타낸다.
이러한 방식에서, 다량의 과잉 산소가 배기가스에 함유되어 있기 때문에, 배기가스가 도 4a에 도시된 바와 같이 미립자 필터(22)의 배기가스 유입 통로(50)로 유입하면, 산소(O2)는 O2 - 또는 O2-의 형태로 백금(Pt)의 표면에 붙는다. 한편, 배기가스 내의 NO는 백금(Pt)의 표면 상에서 O2 - 또는 O2-와 반응하여 NO2 로 된다(2NO+O2→2NO2). 다음에, 생성된 NO2의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화된 상태로 활성 산소 방출제(61) 내에 흡수되고, 도 4a에 도시한 바와 같이 질산 이온(NO3 -)의 형태로 활성 산소 방출제(61) 내에 확산한다. 질산 이온(NO3 -)의 일부가 질산칼륨(KNO3 )을 생성한다.
한편, 상술한 바와 같이, 배기가스 중에는 SO2도 포함되어 있고, 이 SO2도 NO와 동일한 메커니즘에 의해 활성 산소 방출제(61) 내에 흡수된다. 즉, 상술한 바와 같이, 산소(O2)가 O2 - 또는 O2-의 형태로 백금(Pt)의 표면에서 O2 - 또는 O2-와 반응하여 SO3으로 된다. 다음에, 생성된 SO3의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 활성 산소 방출제(61) 내에 흡수되고, 칼륨(K)과 결합하면서 황산이온(SO4 2-)을 생성한다. 이와 같이 하여, 활성 산소 방출제(61) 내에는 질산칼륨(KNO3) 및 황산칼륨(K2SO4)이 생성된다.
한편, 연소실(5) 내에서는 주로 탄소(C)로 이루어진 미립자가 생성되므로, 배기가스 중에는 이들 미립자가 함유되어 있다. 배기가스 중에 함유되어 있는 이들 미립자는 배기가스가 미립자 필터(22)의 배기가스 유입 통로(50) 내를 흐르고 있을 때에, 또는 배기가스 유입 통로(50)로부터 배기가스 유출 통로(51)로 이동할 때에 도 4b에서 캐리어층의 표면, 예를 들어 활성 산소 방출제(61)의 표면 상에 접촉하여 붙는다.
미립자(62)가 이런 식으로 활성 산소 방출제(61)의 표면에 붙으면, 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉 표면에서의 산소 농도가 떨어진다. 산소 농도가 낮아지면, 산소 농도가 높은 활성 산소 방출제(61) 내에서 농도차가 발생하므로, 활성 산소 방출제(61) 내의 산소가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향해 이동하게 된다. 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 접촉면으로 항하고, 한편, NO가 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 NO는 하류측의 백금(Pt) 상에서 산화되고, 다시 활성 산소 방출제(61) 내로 흡수된다.
한편 이 때, 미립자 필터(22)의 온도가 높으면, 활성 산소 방출제((61) 내에 형성되어 있는 황산칼륨(K2SO4)도 칼륨(K)과 산소(O)와 SO2로 또한 분해되고, 산소(O)가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면으로 향하고, 한편, SO2가 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 SO2는 하류측의 백금(Pt) 상에서 산화되고, 다시 활성 산소 방출제(61) 내로 흡수된다. 단, 황산칼륨(K2SO4)은 안정적으로 잘 분해되지 않으므로 황산칼륨(K2SO4)은 질산칼륨(KNO3)보다도 활성 산소를 적게 방출한다.
또한, 상술한 바와 같이, 활성 산소 방출제(61)는 NOx를 질산 이온(NO3 -)의 형태로 흡수될 때에도 산소와의 반응 과정에서 활성 산소를 생성 및 방출한다. 유사하게, 활성 산소 방출제(61)는 상술한 바와 같이 SO2를 황산 이온(SO4 2-)의 형태로 흡수할 때에도 산소와의 반응 과정에서 활성 산소를 생성 및 방출한다.
그런데, 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하는 산소(O)는 질산칼륨(KNO3)이나 황산칼륨(K2SO4)과 같은 화합물로부터 분해된 산소이다. 이러한 화합물로부터 분해된 산소(O)는 높은 에너지를 갖고 있고, 매우 높은 활성을 갖는다. 따라서, 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉면을 향하는 산소는 활성 산소(O)가 된다. 유사하게, 활성 산소 방출제(61)에서 NOX 또는 SO2와 산소의 반응 중에 생성되는 산소도 활성 산소(O)가 된다. 이러한 활성 산소(O)가 미립자(62)와 접촉하면, 미립자(62)는 단시간(수초 내지 수십분) 중에 빛나는 불꽃을 내지 않고 산화되어, 완전히 소멸된다. 미립자(62)는 이러한 식으로 산화되는 동안, 다른 미립자들은 미립자 필터(22)에 계속 퇴적된다. 그러므로, 실제로는, 소정의 량의 미립자가 항상 미립자 필터(22)에 퇴적되고 있다. 퇴적된 미립자의 일부는 산화에 의해 제거된다. 이런 식으로, 미립자 필터(22)에 퇴적되는 미립자(62)는 불꽃을 내지 않으면서 연속적으로 연소된다.
NOX는 질산 이온(NO3 -) 형태로 활성 산소 방출제(61)에서 확산하며, 산소 원자와 반복적으로 결합 및 분리하는 것으로 간주된다. 활성 산소 또한 이 때 생성된다. 또한, 미립자(62)는 이 활성 산소에 의해 산화된다. 또한, 미립자 필터(22) 상에 퇴적된 미립자(62)는 활성 산소(O)에 의해 산화되지만, 미립자(62)는 배기가스 내의 산소에 의해서도 산화된다.
또한, 활성 산소 방출제(61)는 미립자를 산화시키기 위한 물질이다.
미립자 필터(22) 상에 적층된 형태로 퇴적된 미립자가 연소되는 경우, 미립자 필터(22)는 적열(red hot)하며, 불꽃을 내며 연소한다. 이러한 불꽃을 내며 연소하는 것은 온도가 높지 않으면 연속적이지 않다. 그러므로, 불꽃을 내며 연속적으로 연소하게 하기 위해서는, 미립자 필터(22)의 온도가 높게 유지되어야 한다.
이에 대해, 본 발명에서는, 미립자(62)는 상술한 바와 같은 빛나는 불꽃을 발하지 않으면서 산화되고, 이 때, 미립자 필터(22)의 표면이 적열하지도 않는다. 즉, 바꿔 말하면, 본 발명에서는, 훨씬 낮은 온도에서도 미립자(62)가 산화제거된다. 따라서, 본 발명에 따라 빛나는 불꽃을 내지 않는 미립자(62)의 산화에 의한 미립자 제거 작용은 화염을 동반한 연소에 의한 미립자 제거 작용과 전혀 상이한 것이다.
그런데, 백금(Pt) 및 활성 산소 방출제(61)는 미립자 필터(22)의 온도가 높아질수록 활성화되므로, 단위시간당 활성 산소 방출제(61)에 의해 방출될 수 있는 활성 산소(O)의 양은 미립자 필터(22)의 온도가 높아질수록 증가한다. 또한, 자연히, 미립자들 자체의 온도가 높아질수록 산화에 의해 미립자들이 보다 용이하게 제거된다. 그러므로, 미립자 필터(22) 상에서 빛나는 불꽃을 내지 않으면서 단위 시간당 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자들의 양은 미립자 필터(22)의 온도가 높을수록 증가한다.
도 6의 실선은 빛나는 불꽃을 내지 않으면서 단위 시간당 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자들의 량(G)을 도시한다. 도 6의 가로축은 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 나타낸다. 도 6은 단위 시간이 1초, 즉 1초당인 경우의 산화 제거가능 미립자 량(G)을 나타내지만 1분, 10분, 또는 임의의 다른 시간이 단위 시간으로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 10분을 단위 시간으로 사용하는 경우, 단위시간당 산화 제거가능 미립자 량(G)은 10분당 산화 제거가능 미립자 량(G)을 표현한다. 이 경우에도 마찬가지로, 도 6에 도시된 바와 같이, 미립자 필터(22) 상에서 빛나는 불꽃을 내지 않고 단위시간당 산화 제거가능 미립자 량(G)은 미립자 필터(22)의 온도가 높을수록 증가한다.
이제, 단위시간당 연소실(5)로부터 방출되는 미립자의 량을 배출 미립자량(M)으로 부른다면, 배출 미립자량(M)이 동일한 단위시간당 산화 제거가능 량(G)보다 작거나(즉, 도 6의 영역 I) 또는 10분당 배출되는 미립자량(M)이 10분당 산화 제거가능 량(G)보다 작으면, 연소실로부터 방출되어 미립자 필터(22)와 접촉하는 모든 미립자가 미립자 필터(22) 상에서 빛나는 불꽃을 내지 않으면서 단시간에 연속적으로 산화제거된다.
이에 반하여, 배출된 미립자의 량(M)이 산화제거가능한 미립자량(G)보다도 많은 경우, 즉, 도 도 6의 영역 II에서, 활성 산소량이 모든 미립자들을 연속적으로 산화시키기에 부족하다. 도 5a 내지 도 5c는 이 경우 미립자들의 산화 상태를 나타낸다.
즉, 활성 산소량이 모든 미립자들을 연속적으로 산화시키기에 충분하지 않은 경우, 미립자(62)가 도 5a에 도시된 바와 같이 활성 산소 방출제(61) 상에 붙으면, 미립자(62)의 일부만이 산화된다. 미립자의 나머지 부분들은 캐리어 층에 충분히 산화되지 않은 채로 남게 된다. 활성 산소량이 부족한 상태가 계속되면, 산화되지 않은 미립자 부분들이 캐리어 층 상에 연속적으로 남게 된다. 결과적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 캐리어 층의 표면은 잔류 미립자 부분(63)으로 덮히게 된다.
캐리어 층의 표면을 덮고 있는 이러한 잔류 미립자 부분(63)은 점차적으로 산화하기 힘든 흑연으로 변하여, 잔류 미립자 부분(63)은 그 상태 그대로 유지되기 쉽다. 또한, 캐리어 층의 표면이 잔류 미립자 부분(63)에 의해 덮혀 있으면, 활성 산소 방출제(61)로부터의 활성 산소 방출 작용과 백금(Pt)에 의한 NO 및 SO2 산화 작용이 억제된다. 결과적으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 다른 미립자(64)가 잔류 미립자 부분(63)에 연속적으로 퇴적된다. 즉, 미립자들이 층을 이루며 퇴적된다. 미립자들이 이런 식으로 층을 이루며 퇴적되면, 미립자들이 백금(Pt) 또는 활성 산소 방출제(61)로부터 거리를 두고 이격되어, 이들이 용이하게 산화될 수 있는 미립자들이라도, 이들은 활성 산소(O)에 의해 산화되지 않을 것이다. 그러므로, 다른 미립자들이 미립자(64) 상에 연속적으로 퇴적된다. 즉, 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 큰 상태가 계속되면, 미립자들은 미립자 필터(22) 상에 층을 이루며 퇴적하므로, 배기가스의 온도가 높게 되거나 또는 미립자 필터(22)의 온도가 높게 되지 않으면, 더 이상 퇴적되는 미립자들이 점화연소되게 할 수 없다.
이런 식으로, 도 6의 영역 I에서, 미립자들은 미립자 필터(22) 상에서 빛나는 불꽃을 내지 않으면서 단시간에 연소된다. 도 6의 영역 II에서, 미립자들은 미립자 필터(22) 상에서 층을 이루면서 퇴적된다. 그러므로, 미립자가 미립자 필터(22) 상에 층을 이루면서 퇴적되는 것을 방지하기 위해서, 배출되는 미립자량(M)은 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 항상 작게 유지되어야 한다.
도 6에서 알 수 있듯이, 본 발명의 상기 실시예의 미립자 필터(22)를 사용하면, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상당히 낮아도 미립자가 산화될 수 있다. 그러므로, 도 1에 도시된 압축 점화 방식의 내연기관에서, 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 정상적으로 작도록 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 유지할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 상기 실시예에서, 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 일반적으로 작아지도록 유지된다.
배출되는 미립자량(M)이 이런 식으로 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 일반적으로 작게 유지되면, 미립자들은 미립자 필터(22) 상에 층을 이루면서 퇴적되지 않는다. 결과적으로, 미립자 필터(22)에서 배기가스 유동의 압력 손실은 압력이 거의 변하지 않을 정도로 실질적으로 일정한 최소 압력 손실로 유지된다. 그러므로, 엔진 출력이 손실을 최소로 유지할 수 있다.
또한, 미립자의 산화에 의한 미립자 제거 작용이 상당히 저온에서도 이루어진다. 그러므로, 미립자 필터(22)의 온도가 전체적으로 거의 상승하지 않고, 따라서 미립자 필터(22)가 열화될 위험이 거의 없다. 또한, 미립자들이 미립자 필터(22) 상에 층을 이루면서 퇴적되지 않으므로, 재(ash)가 응고될 위험이 없어, 미립자 필터(22)가 막힐(clogging) 위험이 적다.
그러나, 이러한 막힘은 주로 황화칼슘(CaSO4)에 의해 일어난다. 즉, 연료 또는 윤활유가 칼슘(Ca)을 함유한다. 그러므로, 배기가스는 칼슘(Ca)을 함유한다. 이 칼슘(Ca)은 SO3이 있으면 황화칼슘(CaSO4)을 생성한다. 이러한 황화칼슘(CaSO4 )은 고체이며, 고온에서도 열에 의해 분해되지 않는다. 그러므로, 황화칼슘(CaSO4)이 생성되어 이 황화칼슘(CaSO4)에 의해 미립자 필터(22)의 미세 구멍이 막히면, 막힘이 일어난다.
그러나, 이 경우, 칼슘(Ca)보다 이온화 경향이 높은, 예를 들어 칼륨(K)이 활성 산소 방출제(61)로 사용되면, 활성 산소 방출제(61)에 확산된 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 칼륨(K)과 결합하여 황산칼륨(K2SO4)을 형성한다. 칼슘(Ca)은 미립자 필터(22)의 격벽(54)을 지나 SO3과 결합하지 않고 배기가스 유출 통로(51)로 유출한다. 따라서, 미립자 필터(22)의 미세 구멍이 더 이상 막히지 않는다. 따라서, 상술한 바와 같이, 활성 산소 방출제(61)로서는 칼슘(Ca)보다 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속, 즉 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr)을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서, 기본적으로, 배출되는 미립자량(M)을 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 모든 작동 조건에서 작게 유지하고자 한다. 그러나, 모든 작동 조건에서 배출되는 미립자량(M)을 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 작게 유지하는 것은 사실상 거의 불가능하다. 예를 들어, 엔진 시동시, 미립자 필터(22)의 온도는 통상 낮다. 따라서, 이 때, 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 커지게 된다. 그러므로, 본 발명의 상기 실시예에서는, 배출되는 미립자량(M)이 엔진 시동 직후와 같은 특수한 경우를 제외하고 정상적으로는 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 연속적으로 작게 된다.
엔진 시동 직후와 같이 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 커지게 되면, 미립자 필터(22) 상에서 산화되지 않은 부분이 남아있게 된다. 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 작게 되면, 이런 식으로 산화되지 않은 미립자 부분들이 남게 될 때, 즉, 미립자들이 소정의 한계 미만으로 퇴적될 때만, 잔류 미립자 부분이 빛나는 불꽃을 내지 않으면서 활성 산소(O)에 의한 산화에 의해 제거된다. 그러므로, 본 발명의 실시예에서, 엔진 시동 직후와 같이 특수한 작동 조건일 때에, 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 작게 되는 경우에 산화에 의해 제거될 수 있는 소정의 한계 미만인 미립자 량만이 미립자 필터(22) 상에 퇴적하도록, 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 유지된다.
또한, 때때로 미립자 필터(22) 상의 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상기 방식으로 유지되어도 몇몇 이유로 미립자 필터(22) 상에서 미립자가 층을 이루며 퇴적되는 경우가 있다. 이러한 경우에도, 배기가스의 일부분 또는 모두의 공연비가 일시적으로 농후하게 되면, 미립자 필터(22) 상에 퇴적된 미립자가 빛나는 불꽃을 내지 않으면서 산화된다. 즉, 배기가스의 공연비가 농후하게 되면, 즉, 배기가스 내의 산소 농도가 낮아지면, 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 활성 산소(O)가 한꺼번에 모두 방출된다. 한꺼번에 모두 방출된 활성 산소(O)에 의해 퇴적된 미립자가 빛나는 불꽃을 내지 않으면서 단시간에 산화된다.
한편, 공연비가 희박한 상태로 유지되면, 백금(Pt)의 표면이 산소로 덮히고, 소위 백금의 산소 중독(oxygen poisoning)이 일어난다. 이러한 산소 중독이 일어나면, NOX의 산화 작용이 떨어져 NOX 흡수 효율이 떨어지므로 활성 산소 방출제(61)로부터 방출되는 활성 산소량이 떨어진다. 그러나, 공연비가 농후하게 되면, 백금 표면 상의 산소가 소비되어, 산소 중독이 없어진다. 그러므로, 공연비가 농후한 상태에서 희박한 상태로 바뀌면, NOX의 산화 작용이 강해지므로, 활성 산소 방출제(61)로부터 방출되는 활성 산소량이 증가한다.
그러므로, 공연비가 희박한 상태로 유지될 때 공연비는 종종 희박한 상태에서 농후한 상태로 전환되면, 백금(Pt)의 산소 중독 현상이 매번 없어진다. 그러므로, 공연비가 희박할 때 활성 산소의 방출량이 증가하므로, 미립자 필터(22) 상의 미립자의 산화 작용이 증진될 수 있다.
도 6에서, 산화 제거가능 미립자 량(G)이 미립자 필터(22)의 온도(TF) 만의 함수로서 도시되어 있지만, 산화 제거가능 미립자 량(G)은 사실상, 배기가스 내의 산소 농도, 배기가스 내의 NOX의 농도, 배기가스 내의 미연소된 탄화수소의 농도, 미립자의 산화 용이도, 미립자 필터(22) 내의 배기가스의 공간 유속(spatial velocity of the flow), 배기가스의 압력 등의 함수이다. 그러므로, 산화 제거가능 미립자 량(G)은 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 포함하는 상술한 인자(factor) 모두를 고려하여 계산되는 것이 바람직하다.
그러나, 이들 중에 산화 제거가능 미립자 량에 가장 큰 영향을 끼치는 인자는 미립자 필터(22)의 온도(TF)이다. 비교적 큰 영향을 미치는 인자는 배기가스 내의 산소 농도와, NOX 농도이다. 도 7a는 미립자 필터(22)의 온도(TF)와 배기가스 내의 산소 농도가 변하는 경우의 산화 제거가능 미립자 량(G)의 변화를 나타낸다. 도7b는 미립자 필터(22)의 온도(TF)와 배기가스 내의 NOX 농도가 변하는 경우의 산화 제거가능 미립자 량(G)의 변화를 나타낸다. 도 7a 및 도 7b에서, 파선(broken line)은 배기가스 내의 NOX 농도와 산소 농도가 기준 값인 경우를 나타낸다. 도 7a에서, [O2]1은 배기가스 내의 산소 농도가 기준 값보다 높은 경우를 나타내며, [O2 ]2는 배기가스 내의 산소 농도가 [O2]1보다 더 높은 경우를 나타낸다. 도 7b에서, [NO]1은 배기가스 내의 NOX 농도가 기준값보다 높은 경우를 나타내며, [NO]2는 NOX 농도가 [NO]1보다 더 높은 경우를 나타낸다.
배기가스 내의 산소 농도가 높아지면, 산화 제거가능 미립자 량(G)이 증가한다. 그러나, 활성 산소 방출제(61)로 흡수되는 산소량이 더 증가하므로, 활성 산소 방출제(61)로부터 방출되는 활성 산소 또한 증가한다. 그러므로, 도 7a에 도시된 바와 같이, 배기가스 내의 산소 농도가 높아질수록, 산화 제거가능 미립자 량(G)도 증가한다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 배기가스 내의 NO가 백금(Pt)의 표면 상에서 산화되어 NO2가 된다. 그러므로, 생성된 NO2의 일부분이 활성 산소 방출제(61)로 흡수되는 한편, 나머지 NO2가 백금(Pt)의 표면으로부터 외부로 해리(disassociation)된다. 이 때, 백금(Pt)이 NO2와 접촉하면, 산화 반응이 촉진된다. 그러므로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 배기가스 내의 NOX의 농도가 높을수록, 산화 제거가능 미립자 량(G)이 증가한다. 그러나, NO2에 의해 입자의 산화가 촉진되는 작용은 배기가스가 약 250℃ 내지 약 450℃ 인 경우에만 일어난다. 그러므로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 약 250℃ 내지 약 450℃일 때, 배기가스 내의 NOX의 농도가 높아지면, 산화 제거가능 미립자 량(G)도 증가한다.
상술한 바와 같이, 산화 제거가능 미립자 량(G)에 영향을 미치는 모든 인자를 고려하여 산화 제거가능 미립자 량(G)을 계산하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 본 실시예에서, 산화 제거가능 미립자 량(G)은 인자들 중에서 가장 큰 영향을 미치는 미립자 필터(22)의 온도(TF)와, 비교적 큰 영향을 미치는 배기가스 내의 NOX의 농도 및 산소의 농도만을 근거로 하여 계산된다.
즉, 본 발명의 본 실시예에서, 도 8a 내지 도 8f에 도시된 바와 같이, 다양한 온도 TF(200℃, 250℃, 300℃, 350℃, 400℃, 450℃)에서의 산화 제거가능 미립자 량(G)은 배기가스 내의 산소[O2] 농도와 배기가스 내의 NOX[NO] 농도의 함수로서 맵(map)의 형태로 ROM(32)에 먼저 저장되어 있다. 미립자 필터(22)의 온도(TF), 산소[O2] 농도, NOX[NO] 농도에 따라 산화 제거가능 미립자 량(G)이 도 8a 내지 도 8f에 도시된 맵으로부터 비례 분포(proportional distribution)에 의해 계산된다.
배기가스 내의 산소[O2] 농도와 NOX[NO] 농도는 산소 농도 센서와 NOX 농도 센서를 사용하여 검출될 수 있다. 그러나, 본 발명의 본 실시예에서, 배기가스 내의 산소[O2] 농도는 도 9a에 도시된 바와 같이 필요 토크(TQ)와 엔진 속도(N)의 함수로서 맵의 형태로 ROM(32)에 먼저 저장되어 있다. 배기가스 내의 NOX[NO] 농도는 도 9b에 도시된 바와 같이 필요 토크(TQ)와 엔진 속도(N)의 함수로서 맵의 형태로 ROM(32)에 먼저 저장되어 있다. 배기가스 내의 산소[O2] 농도와 NOX[NO] 농도는 이들 맵으로부터 계산된다.
한편, 산화 제거가능 미립자 량(G)은 엔진의 타입에 따라 변하지만, 엔진의 타입이 일단 결정되면, 필요 토크(TQ)와 엔진 속도(N)의 함수가 된다. 도 10a는 도 1에 도시된 내연기관의 배출되는 미립자량(M)을 도시한다. 곡선 M1, M2, M3, M4, M5는 동등한 배출되는 미립자량을 도시한다(M1 < M2 < M3 < M4 < M5). 도 10a에 도시된 예에서, 필요 토크(TQ)가 클수록, 배출되는 미립자량(M)이 증가한다. 도 10a에 도시된 배출되는 미립자량(M)은 필요 토크(TQ)와 엔진 속도(N)의 함수로서 도 10b에 도시된 맵의 형태로 ROM(32)에 미리 저장되어 있다.
이제, 본 발명에 따른 실시예에서, 상술한 바와 같이, 알루미늄을 포함하는 캐리어 층은 예를 들어, 미립자 필터(22)의 격벽(54)의 두 개의 측면 상과, 격벽(54)의 미세 구멍의 내벽 상에 형성된다. 귀금속 촉매와 활성 산소 방출제는 상기 캐리어 상에 보유되어 있다. 또한, 본 발명의 상기 실시예에서, 캐리어는 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 공연비가 희박할 때 배기가스에 함유된 NOX를 흡수하고 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 공연비가 이론 공연비가 되거나 또는 농후할 때 흡수한 NOX를 방출하는 NOX 흡수제와, 귀금속 촉매를 보유한다.
본 발명의 상기 실시예에서, 백금(Pt)이 귀금속 촉매로서 사용된다. NOX 흡수제로서는 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb)과 같은 알칼리 금속과; 바륨(ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr)과 같은 알칼리 토금속; 란타늄(La), 이트륨(Y)과 같은 희토류로부터 선택된 하나 이상을 포함한다. 상기 활성 산소 방출제를 포함하는 금속과 비교하여 알 수 있듯이, NOX 흡수제를 포함하는 금속과 활성 산소 방출제를 포함하는 금속과 대부분 일치한다.
이 경우, NOX 흡수제와 활성 산소 방출제로서 상이한 금속을 사용하거나 동일한 금속을 사용할 수 있다. NOX 흡수제와 활성 산소 방출제로서 동일한 금속을 사용하는 경우, NOX 흡수제로서의 기능과 활성 산소 방출제로서의 기능이 동시에 나타난다.
다음에, NOX의 흡수와 방출 작용을 백금(Pt)을 귀금속 촉매로 사용하고 칼륨(K)을 NOX 흡수제로서 사용하는 경우를 예로 들어 설명한다.
우선, NOX 흡수 작용을 고려하면, 도 4a에 도시된 메커니즘과 동일한 메커니즘에 의해 NOX 흡수제에 NOX가 흡수된다. 그러나, 이 경우, 도 4a에서, 도면 부호 61은 NOX 흡수제를 나타낸다.
미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 공연비가 희박할 때, 과잉 산소의 대부분이 배기가스에 함유되어 있으므로, 배기가스가 도 4a에 도시된 바와 같이 미립자 필터(22)의 배기가스 유입 통로(50)로 유입하면, 산소(O2)가 백금(Pt)의 표면에 O2 - 또는 O2-의 형태로 붙는다. 한편, 배기가스 내의 NO는 백금(Pt)의 표면 상에서 O2 - 또는 O2-와 반응하여 NO2가 된다(2NO + O2 → 2NO2). 다음에, 생성된 NO2의 일부는 도 4a에 도시된 바와 같이 NOX 흡수제(61)에 흡수되면서, 백금(Pt) 상에서 산화되고 질산 이온(NO3 -)의 형태로 NOX 흡수제(61)에 확산되고 칼륨(K)과 결합한다. 질산 이온(NO3 -)의 일부는 질산칼륨(KNO3)을 생성한다. 이런 식으로, NO는 NOX 흡수제(61)에 흡수된다.
한편, 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스가 농후해지는 경우, 질산 이온(NO3 -)은 산소(O)와 NO로 분해된 다음, NO는 NOX 흡수제(61)로부터 연속적으로 방출된다. 그러므로, 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 공연비가 농후해지는 경우, NO가 NOX 흡수제(61)로부터 단시간 내에 방출된다. 또한, 방출된 NO가 감소되어 어떠한 NO도 대기중으로 방출되지 않는다.
이 경우, 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 공연비가 이론 공연비라도, NO는 NOX 흡수제(61)로부터 방출된다. 그러나, 이 경우, NO는 NOX 흡수제(61)로부터만 점차적으로 방출되므로, NOX 흡수제(61) 내에 흡수된 모든 NOX가 방출되기에는 다소 긴 시간이 걸린다.
그러나, 상술한 바와 같이, NOX 흡수제와 활성 산소 방출제로서 상이한 금속을 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 상기 실시예에서는, c와 활성 산소 방출제로서 동일한 금속을 사용한다. 이 경우, 앞서 설명한 바와 같이, NOX 흡수제로서의 기능과 활성 산소 방출제로서의 기능이 동시에 수행된다. 이러한 두 기능을 동시에 수행하는 작용제는 이하 활성산소 방출제/NOX 흡수제로 부른다. 그러므로, 본 발명의 상기 실시예에서, 도 4a의 도면부호 61은 활성산소 방출제/NOX 흡수제이다.
이러한 활성산소 방출제/NOX 흡수제를 사용하는 경우, 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 공연비가 희박할 때, 배기가스에 함유된 NO가 활성산소 방출제/NOX 흡수제(71)에 흡수된다. 배기가스에 함유된 미립자들이 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)에 붙으면, 미립자들은 배기가스에 함유된 활성 산소와, 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 방출된 활성 산소에 의해 단시간 내에 산화에 의해 제거된다. 그러므로, 이 때, 배기가스 내의 미립자와 NOx의 대기로의 방출을 모두 방지할 수 있다.
한편, 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 공연비가 농후해지는 경우, NO가 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 방출된다. 이 NO는 미연소된 탄화수소와 CO에 의해 감소되므로, 이 때 마찬가지로 NO가 대기중으로 방출되지 않는다. 또한, 미립자 필터(22) 상에 퇴적된 미립자들은 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 방출된 활성 산소에 의해 산화되어 제거된다.
이미 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 활성산소 방출제(61)로부터의 활성산소 방출 작용은 미립자 필터(22)의 온도가 상당히 낮을 때부터 시작된다. 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)를 사용할 때에도 동일한 작용이 이루어진다. 이에 대하여, 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)의 NOX 흡수 작용은 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 활성 산소의 방출 시작 온도보다 더 높게 되지 않으면 시작하지 않는다. 이는 산소가 예를 들어 질산 칼륨(KNO3)으로부터 빼앗기면 활성 산소의 방출이 일어나, 백금(Pt)이 활성화되지 않으면 NOX의 흡수 작용이 시작하지 않기 때문으로 고려된다.
도 11은 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)로서 칼륨(K)을 사용하는 경우에, 산화 제거가능 미립자 량(G)과 NOX 흡수율을 도시한다. 도 11에서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 200℃ 미만일 때 활성 산소의 방출 작용이 시작되고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 200℃를 넘지 않으면 NOX의 흡수 작용이 시작되지 않음을 알 수 있다.
한편, 활성 산소의 방출 작용은 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 보다 높아지면 더욱 활성화된다. 이에 반하여, NOX의 흡수 작용은 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 보다 높아질 때 사라진다. 즉, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 소정의 온도(도 11에 도시된 예에서 약 500℃)를 초과하면, 질산 이온(NO3 -) 또는 질산칼륨(KNO3)이 가열 하에 분해되고 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 NO가 방출된다. 이 상태에서, NO의 방출량은 NOX의 흡수량보다 크게 되므로, 도 11에 도시한 바와 같이, NOX 흡수율이 떨어진다.
도 11은 칼륨(K)을 NOX 흡수제 또는 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)로서 사용하는 경우에, NOX 흡수율을 도시한다. 이 경우에, NOX 흡수율이 높아지는 경우의 미립자 필터(22)의 온도 범위는 사용되는 금속에 따라 상이하다. 예를 들어, 바륨(Ba)을 NOX 흡수제 또는 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)로서 사용하는 경우에, NOX 흡수율이 높아지는 경우의 미립자 필터(22)의 온도 범위는 도 11에 도시한 칼륨(K)을 사용하는 경우보다 좁아진다.
그러나, 상술한 바와 같이, 배기가스 내의 미립자가 미립자 필터(22) 상에서 층 형상으로 퇴적되지 않으면서 제거될 수 있기 위해서는, 배출 미립자 량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 작을 필요가 있다. 그러나, 배출 미립자 량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 작게만 한다면, NOX 흡수제 또는 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)에 의한 NOX 흡수 작용이 일어나지 않는다. NOX 흡수제 또는 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)에 의한 NOX 흡수 작용을 보장하기 위해서는, 미립자 필터(22)의 온도 범위를 NOX 흡수 작용이 일어나는 온도 범위 내로 유지할 필요가 있다. 이 경우, NOX 흡수 작용이 일어나는 미립자 필터(22)의 온도 범위는 NOX 흡수율이 소정의 값, 예를 들어 50%이상인 온도 범위로 되어야 한다. 그러므로, 칼륨(K)을 NOX 흡수제 또는 활성산소 방출제/NOX 흡수제(61)로서 사용하는 경우에, 도 11로부터 알 수 있는 바와 같이, 미립자 필터(22)의 온도 범위는 약 250℃ 내지 500℃ 사이로 유지되어야 한다.
그러므로, 본 발명의 상기 실시예에서, 배기가스 내의 미립자들을 미립자 필터(22) 상에서 층 형상으로 퇴적되지 않으면서 제거되고 배기가스 내의 NOX가 흡수될 수 있기 위해서는, 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 연속적으로 작아야 하고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 미립자 필터(22)의 NOX 흡수율이 소정의 값 이상이 되는 온도 범위 내로 유지된다. 즉, 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 도 11에 해칭된 것으로 도시된 미립자 및 NOX 동시 처리 영역에 유지되어야 한다.
배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도가 이런 식으로 미립자 및 NOX 동시 처리 영역에 유지되어도, 때때로 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도는 미립자 및 NOX 동시 처리 영역 밖으로 나갈 때가 있다. 이 경우, 본 발명의 상기 실시예에서, 배출되는 미립자량(M), 산화 제거가능 미립자 량(G), 미립자 필터(22)의 온도(TF)가, 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도가 미립자 및 NOX 동시 처리 영역 내로 이동하도록 제어된다. 이는 도 12를 참조하여 다음에 설명한다.
우선, 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도가 도 12에 도시된 미립자 및 NOX 동시 처리 영역 바깥의 지점 A에 도달한 경우, 즉, 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 커지고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 미립자 및 NOX 동시 처리 영역의 하한 온도(lower limit temperature)보다 낮아지는 경우가 설명된다. 이 경우, 화살표로 도시된 바와 같이, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시켜, 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도가 미립자 및 NOX 동시 처리 영역 내로 복귀된다.
다음에, 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도가 미립자 및 NOX 동시 처리 영역 외측의 지점 B에 도달하는 경우, 즉 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 커지고 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 미립자 및 NOX 동시 처리 영역의 온도 범위 안쪽에 있는 경우가 설명된다. 이 경우, 화살표로 도시된 바와 같이, 배출되는 미립자량(M)이 감소되어 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 미립자 및 NOX 동시 처리 영역으로 복귀시킨다.
다음에, 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도가 도 12에 도시된 미립자 및 NOX 동시 처리 영역 외측의 지점 C에 도달하는 경우, 즉 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 커지고 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 미립자 및 NOX 동시 처리 영역의 상한 온도보다 높아지는 경우가 설명된다. 이 경우, 화살표로 도시된 바와 같이, 배출되는 미립자량(M)이 감소되어 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 미립자 및 NOX 동시 처리 영역으로 복귀된다.
이런 식으로, 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 미립자 및 NOX 동시 처리 영역 바깥에 있을 때, 배출되는 미립자량(M)을 감소시키거나 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키거나 낮추어, 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 미립자 및 NOX 동시 처리 영역 안쪽으로 복귀된다. 다른 방법으로서, 산화 제거가능 미립자 량(G)을 증가시켜 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 미립자 및 NOX 동시 처리 영역 안쪽으로 복귀시킬 수도 있다. 그러므로, 다음에, 배출되는 미립자량(M)을 감소시키는 방법과, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키거나 낮추는 방법과, 산화 제거가능 미립자 량(G)을 증가시키는 방법을 설명한다.
다음에, 저온 연소(low temperature combustion)를 사용하여 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 제어하는 방법을 설명한다.
도 1에 도시된 엔진에서, EGR 률(EGR rate)(EGR 가스 량/(EGR 가스량 + 흡입 공기량))이 증가하면, 생성되는 매연 량이 점차 증가되어 최대한도(peak)에 이른다. EGR 률이 더 상승되면, 매연 생성률이 신속히 떨어진다. 이는 EGR 가스의 냉각 정도를 변화시킬 때 EGR 률과 매연 간의 관계를 도시하는 도 13을 참조하여 설명될 것이다. 도 13에서, 곡선 A는 EGR 가스를 약 90℃로 유지하기 위해 EGR 가스를 강제 냉각하는 경우를 도시하며, 곡선 B는 작은 사이즈의 냉각 장치에 의해 EGR 가스를 냉각하는 경우를 도시하며, 곡선 C는 EGR 가스를 강제 냉각시키지 않는 경우를 도시한다.
도 13의 곡선 A에 의해 도시된 바와 같이, EGR 가스를 강제 냉각시키는 경우, 매연 생성량은 EGR 률이 50%보다 약간 낮을 때 최대한도에 도달한다. 이 경우, EGR 률이 약 55% 이상이 되면, 거의 매연이 더 이상 생성되지 않는다. 한편, 도 13의 곡선 B에 도시된 바와 같이, EGR 가스를 약간 냉각시키는 경우, 매연 생성량은 EGR 률이 50%보다 약간 높을 때 최대한도에 도달한다. 이 경우, EGR 률이 약 65% 이상이 되면, 거의 매연이 더 이상 생성되지 않는다. 또한, 도 13의 곡선 C에 도시된 바와 같이, EGR 가스가 강제 냉각되지 않는 경우, 매연 생성량은 약 55%의 EGR 률 부근에서 최대한도에 도달한다. 이 경우, EGR 률이 약 70% 이상이 되면, 거의 매연이 더 이상 생성되지 않는다.
EGR 률이 약 55% 이상이 되면, 거의 매연이 더 이상 생성되지 않는 이유는, EGR 가스의 열 흡수 작용으로 인해, 연소시 연료 및 그 주위의 가스 온도가 그리 높지 않게 되어, 즉 저온 연소가 수행되고, 결과적으로 탄화수소가 그을음(soot)으로 되지 않는다.
이러한 저온 연소는 공연비와 무관하게 매연 생성을 억제하고 NOX 생성량을 감소시킬 수 있는 특징을 갖는다. 즉, 공연비가 농후한 경우, 연료 과잉 상태가 되지만, 연소 온도가 저온으로 억제되므로, 과잉 연료가 그을음이 되지 않아 매연이 생성되지 않는다. 또한, 이 때, 매우 적은 양의 NOX 만이 생성된다. 한편, 평균 공연비가 희박하거나 또는 공연비가 이론 공연비일 때, 연소 온도가 높아지면, 적은 량의 그을음이 생성되지만, 저온 연소 하에서는 연소 온도가 저온으로 억제되므로, 매연이 전혀 생성되지 않고 매우 적은 량의 NOX 만이 생성된다.
한편, 저온 연소가 수행되면, 연료와 그 주변의 가스 온도가 낮아지지만, 배기가스의 온도는 상승한다. 이는 도 14a 및 도 14b를 참조하여 설명된다.
도 14a의 실선은 저온 연소가 수행될 때 연소실(5) 내의 평균 가스 온도(Tg)와 크랭크 각도 간의 관계를 도시하며, 도 14a의 파선은 정상 연소(normal combustion)가 수행될 때의 연소실(5) 내의 평균 가스 온도(Tg)와 크랭크 각도 간의 관계를 도시한다. 또한, 도 14b의 실선은 저온 연소가 수행될 때 연료와 그 주변의 가스 온도와 크랭크 각도 간의 관계를 도시하며, 도 14a의 파선은 정상 연소가 수행될 때의 연료와 그 주변의 가스 온도와 크랭크 각도 간의 관계를 도시한다.
저온 연소가 수행되는 경우, EGR 가스량은 정상연소가 수행되는 경우보다 커진다. 그러므로, 도 14a에 도시된 바와 같이, 압축 행정의 상사점 전에, 즉 압축 행정 중에, 실선으로 도시된 저온 연소시의 평균 가스 온도(Tg)는 파선으로 도시된 정상 연소시의 평균 가스 온도(Tg)보다 높게 된다. 이 때, 도 14b에 도시된 바와 같이, 연료와 그 주변의 가스 온도(Tf)가 평균 가스 온도(Tf)와 동일한 온도가 된다.
다음에, 압축 행정의 상사점 부근에서 연소가 시작된다. 이 경우, 저온 연소가 시작될 때, 도 14b의 실선으로 도시된 바와 같이, EGR 가스의 열 흡수 작용으로 인해, 연료와 그 주변의 가스 온도(Tf)가 그리 높아지지 않는다. 이에 대해, 정상 연소시에는, 도 14b의 파선에 도시된 바와 같이 연료 주위의 다량의 산소가 존재하므로, 연료와 그 주변의 가스 온도(Tf)가 매우 높아진다. 정상 연소가 이런 식으로 수행되는 경우, 연료와 그 주변의 가스 온도(Tf)는 저온 연소의 경우에 비해 상당히 높게 되지만, 대부분을 점유하는 이들 이외의 가스의 온도는 저온 연소가 이루어지는 경우에 비해 통상의 연소가 행해질 때 낮게 된다. 그러므로 도 14a에 도시된 바와 같이, 압축 행정의 상사점 부근에서의 연소실(5) 내의 평균 가스 온도(Tg)는 저온 연소가 이루어질 때, 정상 연소가 이루어지는 경우에 비해 높게 된다. 그 결과, 도 14a에 도시된 바와 같이 연소가 완료된 후의 연소실(5) 내의 기연소된 가스 온도가 저온 연소가 이루어질 때, 정상 연소에 비해 높게 된다. 그러므로, 저온 연소시에, 배기가스의 온도가 높게 된다.
이런 식으로 저온 연소가 수행되면, 매연 생성량, 즉 배출되는 미립자량(M)이 작아지고, 배기가스의 온도가 상승한다. 그러므로, 엔진 작동 중에 정상 연소로부터 저온 연소로 전환하는 경우, 배출되는 미립자량(M)이 감소되고 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승될 수 있다. 이에 대해, 저온 연소로부터 정상 연소로 전환되는 경우, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 떨어진다. 그러나, 이 때, 배출되는 미립자량(M)이 증가된다. 어떠한 경우에도, 저온 연소와 정상 연소 간의 전환에 의해 배출되는 미립자량(M)과 미립자 필터(22)의 온도가 제어될 수 있다.
그러나, 엔진의 필요 토크(TQ)가 높아지면, 즉 연료 분사량이 커지면, 연소시의 연료와 그 주변의 가스 온도가 높아질수록, 저온 연소로 되는 것이 어렵다. 즉, 저온 연소는 연소에 의한 열 생성량이 비교적 적은, 엔진이 중저의 부하 상태에 있을 때만 가능하다. 도 15에서, 영역 I는 연소실(5) 내에 그을음이 최고로 생성되는 경우의 불활성 가스량보다 많은 량의 불활성 가스가 있는 경우의 제 1 연소, 즉 저온 연소가 수행될 수 있는 작동 영역을 도시하며, 영역 II는 연소실(5) 내에 그을음이 최고로 생성되는 경우의 불활성 가스량보다 적은 량의 불활성 가스가 존재하는 경우의 제 2 연소, 즉 정상 온도의 연소가 수행될 수 있는 작동 영역을 도시한다.
도 16은 작동 영역 I에서 저온 연소의 경우의 목표 공연비(A/F)를 도시하며, 도 17은 작동 영역 I에서의 저온 연소시에 필요 토크(TQ)에 따른 분사량, 분사 시작 타이밍(θS), 분사 시작 타이밍(θE), 공연비, EGR 률, EGR 제어 밸브(25)의 개방도(opening degree), 스로틀 밸브(17)의 개방도를 도시한다. 도 17은 작동 영역 II에서 수행되는 정상 연소시의 스로틀 밸브(17)의 개방도를 또한 도시한다.
도 16 및 도 17에서, 작동 영역 I에서 저온 연소가 수행될 때, EGR 률은 55%가 넘게 되고 공연비(A/F)는 15.5 내지 18의 희박한 공연비가 된다. 상술한 바와 같이, 저온 연소가 작동 영역 I에서 수행될 때, 공연비가 농후해져도, 거의 매연이 생성되지 않는다.
다음에, 산화 제거가능 미립자 량(G)을 증가시키기 위해 배기가스 내의 산소 농도를 증가시키는 방법에 대해 설명한다. 배기가스 내의 산소 농도가 증가하면, 활성 산소 방출제(61)에 흡수되는 산소량이 증가하여, 활성 산소 방출제(61)로부터 방출되는 활성 산소량이 증가하므로, 산화 제거가능 미립자 량(G)이 증가한다.
상기 방법을 실시하는 방법으로서, EGR 률을 제어하는 방법이 언급될 수 있다. 즉, 산화 제거가능 미립자 량(G)이 증가될 때, EGR 제어 밸브(25)의 개방도는 EGR 률이 떨어지도록 감소된다. EGR 률이 떨어짐은 흡입공기에서 흡입 공기량의 비가 증가함을 의미한다. 그러므로, EGR 률이 떨어지면, 배기가스 내의 산소 농도가 증가한다. 결과적으로, 배출되는 미립자량(M)이 증가한다. 또한, EGR 률이 떨어지면, 상술한 바와 같이, 배출되는 미립자량(M)이 감소한다. 그러므로, EGR 률이 떨어지면, 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 신속히 작게 된다.
이제, 상술한 바와 같이, 배기가스의 공연비가 희박할 때, 배기가스의 NOX가 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)에 흡수된다. 그러나, NOX 흡수제(61)의 NOX 흡수 능력에는 한계가 있다. 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)의 NOX 흡수 능력이 포화되기 전에 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 NOX를 방출시킬 필요가 있다. 그러므로, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)에 흡수된 NOX의 량을 판단할 필요가 있다. 그러므로, 본 발명의 상기 실시예에서, 단위 시간당 NOX 흡수율이 필요 토크(TQ)와 엔진 속도(N)의 함수로서 도 18에 도시된 맵의 형태로 먼저 설정된다. 단위 시간당 NOX 흡수량을 누적식으로 더하여, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)에 흡수된 NOX의 량을 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 본 실시예에서, NOX 흡수량(∑NOX)이 소정의 허용 최대값(MAXN)을 초과할 때, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로 유입하는 배기가스의 공연비가 일시적으로 농후하게 된다. 이로 인해, NOX가 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 방출되게 된다.
그러나, 배기가스는 SOX를 함유한다. 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)는 NOX만을 흡수하는 것이 아니라, SOX도 흡수한다. 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)의 SOX 흡수 메커니즘은 NOX 흡수 메커니즘과 동일하다.
즉, 상술한 바와 같이 NOX 흡수 메커니즘에 대해 설명한 것과 동일한 방식으로 캐리어 상에 백금(Pt)과 칼륨(K)을 보유하는 경우를 예로 들어 설명하면, 배기가스의 공연비가 희박할 때 산소(O2)가 O2 - 또는 O2-의 형태로 백금(Pt)의 표면에 붙는다. 배기가스 내의 SO2는 백금(Pt) 표면 상에서 O2 - 또는 O2-와 반응하여 SO3이 된다. 다음에, 생성된 SO3의 일부분이 활성 산소 방출제(61)에 흡수되고 백금(Pt) 상에서 산화되고 황산 이온(SO4 2-) 형태로 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)에서 확산되며, 칼륨(K)과 결합하여 황산칼륨(K2SO4)을 생성한다.
이 황산칼륨(K2SO4)은 안정적이며, 분해되기 어렵다. 상술한 바와 같이, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 NOX를 방출하기 위해 배기가스의 공연비가 농후하게 되어도, 황산칼륨(K2SO4)은 시간이 지남에 따라 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61) 내에서 증가한다. 따라서, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)가 흡수할 수 있는 NOX량이 시간이 지남에 따라 감소한다.
황산칼륨(K2SO4)은 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)의 온도가 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)에 의해 정해지는 소정의 온도, 예를 들어 약 600℃를 초과할 때 분해된다. 이 때, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로 유입하는 배기가스의 공연비가 농후하게 되면, SOX가 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 방출된다. 그러나, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 SOX의 방출은 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터의 NOX의 방출에 비해 상당히 오랜 시간이 걸린다.
그러므로, 본 발명의 상기 실시예에서, SOX가 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 방출될 때, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)의 온도는 약 600℃로 상승되며, 공연비가 희박하고 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 작은 상태를 유지한 다음, SOX가 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 방출되고 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로 유입하는 배기가스의 공연비가 농후한 상태와 희박한 상태 간에 번갈아 전환된다.
또한, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)의 온도가 약 600℃로 상승되는 경우, 공연비가 희박하고 배출되는 미립자량(M)이 산화 제거가능 미립자 량(G)보다 작은 상태가 유지된다. 그러므로, 이때, 미립자들이 미립자 필터(22) 상에 퇴적되어도, 퇴적된 미립자들이 산화에 의해 제거되며 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)의 온도(TF)가 약 600℃로 상승된다.
한편, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)의 NOX 또는 SOX를 방출하기 위해 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로 유입하는 배기가스의 공연비가 농후하게 하는 방법은 여러 가지가 있다. 예를 들어, 저온 연소를 수행할 때, 저온 연소 중에 연소실(5) 내의 공연비가 농후하게 하여, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로 유입하는 배기가스의 공연비를 농후하게 할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 배기가스의 공연비가 농후하게 될 때, 활성 산소가 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 한꺼번에 방출된다. 이로 인해, 미립자 필터(22) 상에 퇴적된 미립자들이 신속하게 산화된다. 그러나, 이후에도, 배기가스의 공연비는 계속 농후하게 되어, 산소가 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)에 저장되지 않는다. 또한, 배기가스에 거의 산소가 존재하지 않는다. 그러므로, 미립자들이 산화되지 않고 미립자 필터(22) 상에 층을 이루면서 퇴적된다.
그러므로, 본 발명의 상기 실시예에서, 장기간 동안 공연비가 농후하게 될 필요가 있는 SO를 방출할 때, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로 유입하는 배기가스의 공연비는 상술한 바와 같이 농후한 상태와 희박한 상태 간에 번갈아 전환된다. 이렇게 하여, 배기가스의 공연비가 희박해질 때, 미립자 필터(22) 상의 미립자는 배기가스 내의 활성 산소나 또는 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 방출되는 활성 산소에 의해 산화 제거된다. 그러므로, 미립자들이 미립자 필터(22) 상에 층을 이루면서 퇴적되는 것을 방지할 수 있다.
다음에, 도 26을 참조하여 NOX가 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 NOX방출 플래그 설정(release flag set)의 처리 루틴(processing routine)과, SOX가 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 SOX방출 플래그 설정의 처리 루틴을 설명한다. 이러한 루틴은 매번 소정의 시간 간격(time interval)마다 흐름차단(Interruption)하여 실행된다.
도 19를 참조하면, 먼저 단계 100에서, 단위 시간당 NOX흡수량(A)이 도 19에 도시된 맵으로부터 계산된다. 다음에, 단계 101에서 A가 NOX 흡수량에 더해진다. 다음에, 단계 102에서, NOX 흡수량(∑NOX)이 허용 최대값(MAXN)을 초과했는지를 판정한다. ∑NOX > MAXN일 때, 루틴은 단계 103으로 진행하고, NOX가 방출될 것이라는 나타내는 NOX 방출 플래그가 설정된다. 다음에, 루틴은 단계 104로 진행한다.
단계 104에서, 분사량 Q와 곱해진 정수 k와 적(product) kㆍQ가 ∑SOX에 더해진다. 연료는 소정의 량의 황(S)을 함유한다. 그러므로, 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)에 흡수된 SOX의 량이 kㆍQ로 표현될 수 있다. 그러므로, 계속 kㆍQ를 더해 얻어진 ∑SOX는 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)에 흡수된 것으로 추정되는 SOX의 량을 표현한다. 단계 105에서, SOX 량(∑SOX)이 허용 최대값(MAXs)을 초과하는지를 판정한다. ∑SOX > MAXs일 때, 루틴은 단계 106으로 진행하며, 여기서 SOX 방출 플래그가 설정된다.
다음에, 도 27 및 도 28을 참조하여 작동 제어하는 것에 대해 설명한다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 먼저 단계 200에서, SOX 방출 플래그가 설정되는 지가 판정된다. SOX 방출 플래그가 설정되지 않을 때, 루틴은 단계 201로 진행하며, 여기서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 도 11에 해칭된 것으로 나타낸 미립자 및 NOX 동시 처리 영역의 하한 온도(Tmin), 예를 들어 250℃보다 낮은지를 판정한다. TF < Tmin일 때, 루틴은 단계 202로 진행하고, 여기서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위한 방법 중의 하나가 실행된다. 다음에, 루틴은 단계 207로 진행한다.
한편, 단계 201에서 TF ≥ Tmin인 것으로 판정될 때, 루틴은 단계 203으로 진행하며, 여기서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 도 11에 해칭된 것으로 나타낸 미립자 및 NOX 동시 처리 영역의 상한 온도(Tmax), 예를 들어 500℃보다 낮은지를 판정한다. TF > Tmax인 것으로 판정될 때, 루틴은 단계 204로 진행하며, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 감소시키기 위한 방법 중의 하나가 실행된다. 다음에, 루틴은 단계 207로 진행한다.
한편, 단계 203에서, TF ≤ Tmax인 것으로 판정될 때, 루틴은 단계 205로 진행하며, 여기서, 배출되는 미립자량(M)이 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자 량(G)보다 더 큰지가 판정된다. M > G일 때, 루틴은 단계 206으로 진행하며, 배출되는 미립자량(M)을 감소시키는 방법 중의 하나 또는 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자 량(G)을 증가시키는 방법 중의 하나가 실시된다. 다음에, 루틴은 단계 207로 진행한다.
한편, 단계 205에서 M ≤ G인 것으로 판정될 때, 루틴은 단계 207로 진행한다. 단계 207에서, NOX 방출 플래그가 설정되었는지가 판정된다. NOX 방출 플래그가 설정되었으면, 루틴은 단계 208로 진행하며, 여기서 스로틀 밸브(17)의 개방도가 제어된 다음, 단계 209에서 EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 제어된다. 다음에, 단계 210에서 연료 분사가 제어된다.
이에 대해, 단계 207에서 NOX 방출 플래그가 설정되었다고 판정되면, 루틴은 단계 211로 진행하며, 여기서 스로틀 밸브(17)의 개방도가 제어된다. 다음에, 단계 212에서, EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 제어된다. 다음에, 단계 213에서, 배기가스의 공연비가 일시적으로 농후하게 하는 방법 중의 하나가 수행되어 NOX가 방출되고 NOX 방출 플래그가 재설정된다.
한편, 단계 200에서 SOX 방출 플래그가 설정된 것으로 판정될 때, 루틴은 단계 214로 진행하며, 여기서 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 SOX가 방출될 수 있는 온도, 예를 들어 600℃ 이상인지가 판정된다. TF ≤ 600℃일 때, 루틴은 단계 215로 진행하고, 스로틀 밸브(17)의 개방도가 제어된 다음, 단계 216에서 EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 제어된다.
다음에, 단계 217에서 배출되는 미립자량(M)이 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자 량(G)보다 큰지가 판정된다. M > G일 때, 루틴은 단계 218로 진행하고, 여기서 배출되는 미립자량(M)을 감소시키는 방법 중의 하나 또는 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자 량(G)을 증가시키는 방법 중의 하나가 실시된다. 다음에, 단계 219에서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 약 600℃로 승온시키는 방법 중의 하나가 실시된다.
한편, 단계 214에서 TF > 600℃인 것으로 판정되면, 루틴은 단계 220으로 진행하고, 여기서 스로틀 밸브(17)의 개방도가 제어된 다음, 단계 211에서 EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 제어된다. 다음에, 단계 222에서, 배기가스의 공연비를 농후한 상태와 희박한 상태 간에 번갈아 전환시켜, SOX의 방출이 제어되어 활성 산소 방출제/NOX 흡수제(61)로부터 SOX가 방출된다.
다음에, 단계 223에서, SOX 방출량(ΔSOX)이 SOX량(∑SOX)으로부터 감산(subtract)된다. 이 SOX 방출량(ΔSOX)은 소정의 값으로 되거나 또는 엔진 작동 상태에 따라 변할 수 있다. 다음에, 단계 224에서, SOX량(∑SOX)이 음(-)인지가 판정된다. ∑SOX < 0일 때, 루틴은 단계 225로 진행하며, NOX방출 플래그와 SOX방출 플래그가 재설정된다.
그러나, 일반적으로, 내연기관에서, 엔진의 부하가 낮은 작동 상태에서, 배기가스의 온도는 낮다. 그러므로, 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자 량(G)을 배출되는 미립자량(M)보다 크게 하는 것이 때때로 어렵다. 그러나, 저온 연소가 상술한 바와 같이 수행되면, 배출되는 미립자량(M)은 극히 적다. 또한, 배기 가스의 온도가 높기 때문에, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 높게 된다. 그러므로, 엔진 부하가 낮은 작동 상태에서도, 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자 량(G)을 배출되는 미립자량(M)보다 크게 할 수 있다. 그러므로, 저온 연소가 본 발명의 배기가스 정화장치에 매우 적합하다고 할 수 있다.
그러나, 상술한 바와 같이, 이러한 저온 연소는 도 15에 도시된 저부하측 연소 영역 I에서만 수행되고 고부하측 연소 영역 II에서는 수행되지 않는다. 그러므로, 저온 연소가 수행될 때에도, 저온 연소는 엔진 작동 상태가 도 15의 작동 영역 I에 있을 때만 수행된다. 엔진 작동 상태가 경계 X(N)을 넘어 작동 영역 II로 전환하면, 저온 연소는 정상 연소로 전환된다. 즉, 저온 연소가 작동 영역 I에서 수행되며, 정상 연소는 작동 영역 II에서 수행된다.
도 22 내지 도 25를 참조하여, 본 실시예의 바이패스 메커니즘을 설명한다. 배기 파이프(20a)는 배기 유동 변환 파이프(80; exhaust flow change pipe)에 연결되어 있다. 배기 유동 변환 파이프(80)는 3개의 개구를 갖는다. 이들 개구는 제 1 배기 분기 파이프(81a; exhaust branch pipe), 제 2 배기 분기 파이프(81b), 배기 파이프(82)에 각각 연결되어 있다.
즉, 배기 유동 변환 파이프(80)에서, 한 쌍의 제 1 및 제 2 배기 분기 파이프(81a, 81b)는 배기 파이프(20a)로부터 분기된다. 제 1 배기 분기 파이프(81a)는 미립자 필터(22)의 일단부에 연결되어 있다. 한편, 제 2 배기 분기 파이프(81b)는 미립자 필터(22)의 다른 단부에 연결되어 있다. 즉, 제 1 및 제 2 배기 분기 파이프(81a, 81b)는 서로 연결되어 루프(loop) 형상의 배기 통로를 이룬다.
미립자 필터(22)는 루프 형상의 배기 통로 내에 배치된다. 아래에, 설명의 편의를 위해, 제 1 배기 분기 파이프(81a)에 연결된 미립자 필터(22)의 단부는 제 1 단부로 칭하고, 제 2 배기 분기 파이프(81b)에 연결된 미립자 필터(22)의 단부는 제 2 단부로 칭한다.
전환 밸브(80a)가 배기 유동 변환 파이프(80) 내에 배치된다. 전환 밸브(80a)의 회전 위치를 바꾸어, 배기가스의 유입 방식이, 제 1 배기 분기 파이프(81a)를 지나 미립자 필터(22)의 제 1 단부로의 배기가스의 유입 방식과, 제 2 배기 분기 파이프(81b)를 지나 미립자 필터(22)의 제 2 단부로의 배기가스의 유입 방식과, 미립자 필터를 지나지 않고 배기 파이프(82)로 배기가스가 직접 유입하는 방식 사이에서 변환된다.
전환 밸브(80a)가 도 22에 도시된 바와 같이 제 1 회전 위치에 있을 때, 배기 유동 변환 파이프(80) 상류측의 배기가스가 도 22의 화살표로 도시한 바와 같이 제 1 배기 분기 파이프(81a)를 지나 미립자 필터(22)의 제 1 단부로 유입한다. 미립자 필터(22)의 제 1 단부로 유입하는 배기가스는 미립자 필터(22)의 제 2 단부로부터 제 2 배기 분기 파이프(81b)를 지나 배기 유동 변환 파이프(80) 하류측의 배기 파이프(82)로 유출한다.
또한, 전환 밸브(80a)가 도 24에 도시된 바와 같이 제 2 회전 위치에 있을 때, 배기 유동 변환 파이프(80) 상류측의 배기가스가 제 2 배기 분기 파이프(81b)를 지나 미립자 필터(22)의 제 2 단부로 유입한다. 미립자 필터(22)의 제 2 단부로 유입하는 배기가스는 미립자 필터(22)의 제 1 단부로부터 제 1 배기 분기 파이프(81a)를 지나 배기 유동 변환 파이프(80) 하류측의 배기 파이프(82)로 유출한다.
상기 실시예에서, 하기에 상세히 설명되는 바와 같이, 배기가스의 유입 방향을 미립자 필터(22)로 바꾸기 위해 소정 주기가 경화할 때마다 전환 밸브(80a)의 회전 위치가 제 1 및 제 2 회전 위치 간에 번갈아 바뀐다. 그러므로, 미립자들은 미립자 필터(22) 또는 이 필터의 격벽(54) 내에서 유동하여 미립자들이 산화에 의해 제거된다.
전환 밸브(80a)가 도 25에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 회전 위치 사이의 바로 중간의 중립 위치에 위치할 때, 배기 유동 변환 파이프(80) 상류측의 배기가스가 도 25에 화살표로 도시된 바와 같이 미립자 필터(22)를 지나지 않고 바로 배기 유동 변환 파이프(80) 하류측의 배기 파이프(82)로 유출한다.
중립 위치에서, 미립자 필터(22)의 제 1 단부에서의 배기가스 압력은 일반적으로 미립자 필터(22)의 제 2 단부와 동일하여, 대부분의 배기가스가 미립자 필터(22)로 유입되지 않는다. 그러므로, 배기가스는 미립자 필터(22)를 바이패스하게 되어 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 량이 보통 0이 된다.
미립자들이 상술한 바와 같은 배기가스 정화방법을 사용하여 미립자 필터(22)에서 산화제거되어도, 미립자들은 종종 미립자 필터(22) 표면 상에 퇴적된다. 미립자 필터(22) 표면 상에 퇴적된 미립자들이 그대로 남게 되면, 퇴적된 미립자들이 미립자 필터(22) 표면을 덮게 되므로, 배기가스가 미립자 필터(22)를 지나갈 수 없다.
그러므로, 상기 실시예에서, 미립자 필터(22) 표면 상에 퇴적된 미립자들이 소정 양보다 많아지면, 퇴적된 미립자들이 강제로 산화되거나 또는 점진적으로 연소되어 미립자 필터(22)로부터 미립자들을 제거한다. 미립자 필터(22)의 온도를 소정의 온도(예를 들어, 미립자들이 산화되는 온도)로 승온시켜 퇴적된 미립자들을 강제로 산화시키거나 또는 점진적으로 연소시킬 수 있다.
예를 들어, 미립자 필터(22)에 산소와 탄화수소를 공급한 다음 미립자 필터(22)에서 산소와 탄화수소를 연소시켜 미립자 필터(22)의 온도를 승온시킬 수 있다.
또한, 엔진이 저온 연소를 수행하고 있을 때, 고온을 갖는 배기가스가 엔진으로부터 방출되므로, 저온 연소를 수행하여 미립자 필터(22)의 온도를 승온시킬 수도 있다.
상기 실시예에서, 퇴적된 미립자들의 량이 비교적 많아지면, 미립자 산화 온도와 같은 소정의 온도로 미립자 필터(22)의 온도를 승온시키는 승온 과정이 수행되어 퇴적된 미립자들을 강제 산화시키거나 또는 점진적으로 연소시킨다.
그러나, 승온 과정 중에, 퇴적된 미립자들이 한꺼번에 연소될 수도 있다. 또한, 승온 과정을 수행하지 않고, 미립자 필터(22)의 온도가 빛나는 불꽃을 내지 않고 한꺼번에 점화 연소되는 온도를 초과하는 경우, 퇴적된 미립자들이 한꺼번에 연소될 수 있다. 이 경우, 미립자 필터(22)의 온도는 급속히 상승한다.
그러므로, 미립자들의 연소 열에 의해 미립자 필터(22)의 일부분이 용융되고 열에 의해 손상될 수 있다. 다르게는, 미립자 필터(22) 상에 보유된 활성 산소 방출제가 미립자들의 연소 열에 의해 열화될 수도 있다. 미립자 필터(22)가 용융되거나 또는 활성 산소 방출제가 열화되는 것을 방지하기 위해, 퇴적된 미립자들이 연소되지 않게 하는 것이 바람직하다.
그러나, 퇴적된 미립자들이 연소되지 않으면, 퇴적된 미립자들의 량이 점진적으로 많아져, 미립자 필터(22)의 미립자 산화 작용이 억제된다. 결과적으로, 미립자 필터는 산화에 의해 미립자들을 제거할 수 없게 된다. 또한, 미립자 필터(22)의 격벽(54)의 미세 구멍이 퇴적된 미립자들로 막히면, 배기가스는 미립자 필터(22)를 지나갈 수 없다.
상기 실시예에서, 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되었는지가 판정된다. 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되었다고 판정되면, 전환 밸브(80a)의 회전 위치가 중립으로 설정되어 배기가스가 미립자 필터(22)를 바이패스하게 된다. 이런 식으로, 산소가 미립자 필터(22)에 공급되지 않아 퇴적된 미립자들이 연소되지 않는다.
한편, 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되지 않았다고 판정되면, 전환 밸브(80a)의 회전 위치가 제 1 또는 제 2 위치로 설정되어 배기가스가 미립자 필터(22)로 유입된다. 이런 식으로, 산소가 미립자 필터(22)에 공급되어 강제 산화되거나 또는 점진적으로 연소된다.
상기 실시예에 따라 미립자 필터가 열적으로 열화되었는지 판정하는 방법에 대해 설명한다. 통상적으로, 퇴적된 미립자들이 많을수록 퇴적된 미립자들이 한꺼번에 연소되어 발생되는 열량도 크다. 그러므로, 퇴적된 미립자들의 량이 많을 때, 미립자 필터(22)가 열적으로 열화될 가능성도 크다. 즉, 퇴적된 미립자들의 량에 근거하여 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되었는지 판정할 수 있다.
퇴적된 미립자들의 량은 미립자 필터(22)의 상류측 및 하류측에 배기가스가 존재할 때에 압력차(압력 손실)에 근거하여 추정될 수 있는 것으로 고려된다. 최근의 연구결과에 따르면, 압력차가 작아도, 퇴적된 미립자들의 량은 종종 클 수 있음이 밝혀졌다.
이는 미립자들(PM)이 도 26에 도시된 바와 같이 격벽(54) 상에 퇴적되기 때문에, 퇴적된 미립자들이 격벽(54)의 미세 구멍의 입구를 막지 않는다. 주로 두 가지, 즉 퇴적된 미립자들의 연소에 의해 생성되는 열량이 많음과, 미립자 필터(22)로부터 방사되는 열량이 작음이 미립자 필터(22)의 열적 열화를 일으키는 것으로 생각된다.
미립자 필터(22)로 유입하는 산소량이 많을수록, 퇴적된 미립자들의 연소에 의해 생성되는 열량도 많아진다. 또한, 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 량이 적을수록, 미립자 필터(22)로부터 방사되는 열량도 작아진다.
상기 실시예에서, 미립자 필터(22)의 온도가 미립자 점화 온도보다 높은 조건 하에서 미립자 필터(22)로 유입하는 산소량이 많거나 또는 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 량이 적을 때, 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되는 것으로 판정된다.
한편, 미립자 필터(22)의 온도가 미립자 점화 온도보다 높은 조건 하에서도 미립자 필터(22)로 유입하는 산소량이 적거나 또는 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 량이 많을 때에는, 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되지 않는 것으로 판정된다.
이런 식으로, 미립자 필터(22)의 열적 열화 가능성이 고려되면, 미립자 필터(22)를 열적으로 열화시키지 않고 미립자 필터(22)로부터 상기 퇴적된 미립자들이 제거될 수 있다.
도 27 내지 도 29를 참조하여, 상술한 미립자 필터(22) 열화 방지 및 퇴적된 미립자 제거에 대한 과정을 포함하여 전환 밸브 제어 과정에 대해 상세히 설명한다.
우선, 단계 250에서, 전환 밸브(80a)의 회전 위치를 바꿀 시점인지가 판정된다. 이 시점은 예를 들어 일정한 주기가 경과할 때마다이거나, 또는 미립자 필터(22)로 유입하는 미립자들의 전량(total amount)이 소정의 일정한 양에 도달한 때이거나, 또는 엔진이 감속되는 때이다.
단계 250에서, 전환 밸브(80a)의 회전 위치를 바꿀 시점이라고 판정될 때, 루틴은 단계 251로 진행하고 여기서 전환 밸브(80a)의 회전 위치가 변화된다.
한편, 단계 250에서, 전환 밸브(80a)의 회전 위치를 바꿀 시점이 아니라고 판정될 때, 루틴은 전환 밸브(80a)의 회전 위치를 변화시키지 않고 단계 252로 진행한다.
단계 252에서, 미립자 필터(22)로 유입하는 미립자들의 량(Apm)(이하, 유입 미립자 량으로 언급함)이 소정 양 ApmTH (Apm > ApmTH)을 초과하는지 판정된다. 미립자 필터(22)의 상류측 단부와 하류측 단부 간에 압력 손실이 있거나 또는 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자 량과 방출된 미립자 량 간에 차이가 있거나 또는 미립자의 농도를 검출하기 위해 미립자 필터(22)의 하류측에 배치된 센서의 출력과 차이가 있으면, 미립자 필터(22)에 의해 생기는 압력 손실, 또는 방출된 미립자 량의 적분(integration)을 사용하여 유입 미립자 량이 계산된다.
단계 252에서, Apm > ApmTH로 판정되면, 루틴은 단계 253으로 진행하고 여기서 퇴적된 미립자들을 산화시키기 위해 미립자 필터(22)의 온도를 미립자 산화 온도로 승온시키는 승온과정이 수행된다.
한편, 단계 252에서, 열적 열화 방지 과정이 도 28의 순서도에 따라 수행된다.
도 28을 참조하여 열적 열화 방지 과정에 대해 설명한다. 우선, 단계 300에서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 소정 온도(TFTH)(예를 들어, 미립자 점화 온도)보다 높은지(TF > TFTH) 판정된다.
단계 300에서, TF ≤ TFTH로 판정되면, 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되지 않는 것으로 간주된다. 그 다음에 루틴이 종료된다.
한편, 단계 300에서, TF > TFTH로 판정되면, 루틴은 단계 301로 진행하며 여기서 현재의 엔진 작동 영역 A가 도 29a 및 도 29b의 맵에 근거하여 영역 D 내에 있는지(A = D) 판정된다. 도 29a 및 도 29b의 맵에서, 영역 D는 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되는 위험 영역이고, 영역 S는 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되지 않는 안전 영역이다.
도 29a는 엔진이 희박한 공연비 하에서 작동할 때 사용되는 맵을 도시한다. 도 29a의 맵에 따르면, 흡입 공기량이 작을수록, 미립자 필터(22)를 지나는 배기가스의 량도 작아진다. 그러므로, 미립자 필터(22)로부터 방사되는 열량이 작으면, 엔진 작동 영역 A가 위험 영역 D 내에 있을 가능성이 높다.
또한, 배기가스 내의 산소의 농도 Co가 높을수록, 미립자 필터(22)로 유입하는 산소량도 많아진다. 그러므로, 배기가스 내의 산소의 농도 Co가 높을 때, 엔진 작동 영역 A가 위험 영역 D 내에 있을 가능성이 높다.
배기가스 내의 탄화수소(HC)의 농도 Chc가 높아질수록, 안전 영역 S로부터 위험 영역 D를 분리하는 선 Lds가 안전 영역 S를 향해 이동한다. 즉, 배기가스 내의 탄화수소(HC)의 농도 Chc가 높아질 때 열적 열화가 일어날 가능성이 커진다.
한편, 도 29b는 엔진이 이론 공연비에 매우 가까운 희박한 공연비 또는 이론 공연비에 가깝거나 또는 농후한 상태에서 엔진이 작동될 때 사용되는 맵을 도시한다.
도 29b의 맵에 따르면, 흡입 공기량이 작을수록, 엔진 작동 영역 A가 위험 영역 D 내에 있을 가능성이 높다.
또한, 배기가스 내의 산소의 농도 Co가 높을수록, 엔진 작동 영역 A가 위험 영역 D 내에 있을 가능성이 높다.
배기가스 내의 탄화수소(HC)의 농도 Chc가 높아질수록, 안전 영역 S로부터 위험 영역 D를 분리하는 선 Lds가 위험 영역 D를 향해 이동한다. 즉, 배기가스 내의 탄화수소(HC)의 농도 Chc가 작아질 때 열적 열화가 일어날 가능성이 커진다.
배기가스 내의 HC의 농도 변화에 따라 열적 열화 가능성이 변하는 경향이 공연비에 의존하는 이유는 다음과 같다.
엔진이 희박한 공연비 하에서 작동할 때, 배기가스 내의 산소 농도가 높다. 그러므로, 배기가스 내의 HC 농도가 높게 되어도, 즉, 배기가스 내의 산소가 HC와 반응하여 소비되어도, 배기가스 내에 남아있는 산소량이 단시간 동안 미립자 필터(22)에 퇴적된 미립자들을 연소하기 충분하다.
또한, 배기가스 내의 HC 농도가 커지게 되면, 산소와 반응하는 HC의 량이 커진다. 그러므로, 미립자 필터(22)의 온도가 산소와 HC의 반응에 의해 크게 상승되어, 열적 열화 가능성이 커진다.
한편, 엔진이 이론 공연비에 매우 가까운 희박한 공연비, 또는 이론 공연비, 또는 농후한 공연비 하에서 작동할 때, 배기가스 내의 산소량이 원래 작다. 그러므로, 배기가스 내의 HC 농도가 커질 때, 즉, 배기가스 내의 HC가 산소와 반응할 때, 배기가스 내에 잔류하는 산소량이 퇴적된 미립자들을 한꺼번에 연소시키기에 불충분하여, 희박한 공연비 하에서 엔진이 작동되는 경우에 대해 열적 열화 가능성이 작아진다.
단계 301에서, A = D로 판정될 때, 미립자 필터(22)에 미립자 필터(22)가 열적 열화되는 것으로 간주되고, 루틴은 단계 302로 진행하며 여기서 전환 밸브 제어가 수행되어 전환 밸브의 회전위치가 중립 위치가 되고 그 다음에 루틴은 단계 303으로 진행한다.
단계 303에서, 엔진 작동 영역 A가 안전 영역 S 내에 있는지(A = S) 판정된다. 단계 303에서, A = S로 판정되면, 루틴은 단계 304로 진행한다. 한편, 단계 303에서 A ≠ S, 즉, A = D로 판정될 때, 단계 303은 단계 303에서 A = S로 판정될 때까지 계속 수행된다. 그러므로, 단계 302에서 전환 밸브(80a)의 회전 위치가 중립 위치로 배치된 후에, 단계 303에서 A = S로 판정될 때까지 전환 밸브(80a)의 회전 위치가 중립 위치에 고정된다.
단계 301에서, A ≠ D 즉, A = S로 판정되면, 미립자 필터(22)가 열적 열화되지 않는 것으로 간주되고, 그 다음에 루틴은 단계 304로 진행한다.
단계 303에서 A = S로 판정될 때 도 27에 도시된 전환 밸브 제어를 수행하기 위해 루틴이 종료되어도 미립자 필터(22)가 열적 열화되지 않으므로 미립자 필터(22)가 열적 열화되지 않는 것으로 간주된다. 그러나, 상기 순서도에서, 미립자 필터(22)의 열적 열화를 확실하게 방지하기 위해 단계 304 이후의 단계가 부가된다.
즉, 단계 303에서 엔진 작동 영역 A가 안전 영역 S 내에 있다고 판정될 때에도 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 소정 온도(TFTH)보다 여전히 높다. 또한, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 소정 온도(TFTH)보다 낮을 때 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 국지적으로 높을 수 있다.
이러한 조건 하에서, 도 28의 루틴이 종료되고, 전환 밸브(80a)의 회전 위치가 제 1 및 제 2 회전 위치 사이에서 바뀌고, 배기가스의 유입 방향이 전환 밸브(80a)의 회전 위치를 바꾸어 반복적으로 변환되어, 미립자 필터(22)의 중심 부분에 열이 집중되고 그 다음에 퇴적된 미립자들이 한꺼번에 연소된다.
상기 실시예에서, 퇴적된 미립자들이 한꺼번에 연소되는 것을 방지하기 위해, 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되지 않을 가능성을 가리키는 안전도(safety degree)가 배기가스의 온도 및 량과 미립자 필터(22)로 유입하는 HC 및 산소량에 근거하여 평가되고, 그 다음에 안전도가 높을 때에만 도 28의 루틴이 종료되고 루틴이 도 27의 루틴으로 복귀된다.
이를 위해, 단계 303에서, A = S로 판정되어 미립자 필터(22)가 열적으로 열화되지 않는다고 판정될 때, 루틴은 단계 304로 진행하며 여기서 전환 밸브(80a)의 회전 위치가 제 1 또는 제 2 회전 위치로 배치되고 그 다음에 루틴은 단계 305로 진행한다.
단계 305에서, 도 30의 순서도에 따라 계산되는 안전도 카운터(safety counter) CS가 소정 값 CSTH보다 큰지(CS > CSTH)를 판정한다.
도 30의 순서도에 따라, 우선, 단계 400에서, 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 온도 Tex가 소정 값 TexTH보다 낮은지(Tex < TexTH)를 판정한다.
단계 400에서, Tex < TexTH로 판정될 때, 루틴은 단계 401로 진행하며 여기서 안전도 카운터 CS가 카운트 업(count up)되고 그 다음에 단계 402로 진행한다. 한편, 단계 400에서, Tex ≥ TexTH로 판정될 때, 루틴은 단계 402로 직접 진행한다.
단계 402에서, 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스의 량 Gex가 소정 양 GexTH보다 큰지(Gex > GexTH)를 판정한다.
단계 402에서, Gex > GexTH로 판정될 때, 루틴은 단계 403으로 진행하고 여기서 안전도 카운터 CS가 카운트 업되고, 그 다음에 단계 404로 진행한다. 한편, Gex ≤ GexTH로 판정될 때, 루틴은 단계 404로 직접 진행한다.
단계 404에서, 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스 내의 산소량 Co가 소정 양 CoTH보다 작은 지(Co < CoTH) 판정된다.
단계 404에서, Co < CoTH로 판정될 때, 루틴은 단계 405로 진행하고 여기서 안전도 카운터 CS가 카운트 업되고, 그 다음에 단계 406으로 진행한다. 한편, Co ≥ CoTH로 판정될 때, 루틴은 단계 406으로 직접 진행한다.
단계 406에서, 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스 내의 HC의 농도 Chc가 소정 양 ChcTH보다 작은 지(Chc < ChcTH) 판정된다. 단계 406에서, Chc < ChcTH로 판정되면, 루틴은 단계 407로 진행하고 여기서 안전도 카운터 CS가 카운트 업되고, 종료한다. 한편, 단계 406에서, Chc ≥ ChcTH로 판정되면, 루틴은 종료한다.
도 28의 단계 305에서, 상술한 바와 같이 계산된 안전도 카운터 CS에 근거하여 CS > CSTH로 판정되면, 퇴적된 미립자들이 한꺼번에 연소될 가능성이 거의 0인 것으로 간주되고, 루틴은 단계 306으로 진행하고 여기서 안전도 카운터 CS가 재설정(reset)되고 그 다음에 종료된다.
한편, 단계 305에서, CS ≤ CSTH로 판정되면, 퇴적된 미립자들이 한꺼번에 연소된다고 간주하고, 루틴은 단계 301로 복귀한다. 즉, 퇴적된 미립자들이 한꺼번에 연소될 수 있는 조건 하에서는 엔진 작동 영역 A가 위험 영역 D로 들어갈 수 있으므로, 엔진 작동 영역 A가 위험 영역 D로 들어갈 때에도 미립자 필터(22)의 열적 열화를 확실하게 방지하기 위해 루틴은 단계 301로 복귀된다.
상술한 열적 열화 방지 과정에서, 단계 304에서, 전환 밸브(80a)의 회전 위치가 제 1 또는 제 2 회전 위치로 배치된 후에, 안전도가 현재의 엔진 작동 상태 하에서 소정의 임계값보다 크게 될 때까지 전환 밸브(80a)의 회전 위치가 고정된다.
그러나, 배기 파이프 내에 배치되는 분사기가 미립자 필터(22)의 온도를 낮추기 위해 물 또는 질소를 분사하여, 안전도가 소정의 임계값보다 크게 할 수 있다. 다르게는, 안전도 대신에 미립자 필터(22)의 온도 만을 사용하여 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 소정 온도 TFTH보다 낮게 될 때 또는 소정 온도 TFTH보다 낮은 온도보다 낮게 될 때, 루틴은 도 27의 순서도로 복귀될 수 있다.
다음에, 본 발명의 제 2 실시예의 열적 열화 방지 방법을 설명한다. 이 실시예에서, 엔진 작동 조건이 위험 영역 내에 있다고 판정된 직후, 배기가스는 미립자 필터를 바이패스하지 않게 된다.
이 실시예에서, 엔진 작동 조건이 변할 때 연료비용 또는 필요 엔진 부하와 같은 몇몇 항목을 고려하여 허용된 범위 내의 안전 영역으로 엔진 작동 조건이 이동하는지 판정한다. 엔진 작동 조건이 허용된 범위 내의 안전 영역으로 이동한다고 판정된 경우, 엔진 작동 조건이 변하여 엔진 작동이 안전 영역으로 이동한다.
엔진 작동이 안전 영역 내에 있는지 위험 영역 내에 있는지를 판정하는 매개변수(parameter)는 미립자 필터(22)의 온도, 배기가스 내의 산소 농도, 흡입공기량, 배기가스 내의 HC농도이다.
그러므로, 엔진 작동을 안전 영역으로 이동시키기 위해, 엔진이 비교적 큰 공연비 하에서 작동할 때, 미립자 필터(22)의 온도가 낮춰지거나, 또는 배기가스 내의 산소 농도가 감소되거나, 또는 흡입 공기량이 증가되거나, 또는 배기가스 내의 HC 농도가 감소된다. 또한, 엔진이 비교적 작은 공연비 하에서 작동할 때, 배기가스 내의 HC 농도가 증가된다.
미립자 필터(22)의 온도를 낮추기 위해서는, 예를 들어, 연료 분사기로부터의 연료분사압력이 증가되고 그 타이밍이 지연된다.
흡입공기량을 증가시키기 위해서는, 예를 들어, EGR 률이 감소되거나 또는 필요하다면, EGR 률이 0으로 감소되거나, 또는 엔진이 자동 기어 변속기를 포함한다면 엔진속도를 증가시키기 위해 기어 변속비가 현재의 변속비에 비해 증가된다.
EGR 률이 0으로 감소될 때, 연소실(5) 내의 연료 연소 속도는 매우 급속하게 되므로, 연료 연소로 인한 노이즈의 레벨이 허용 레벨보다 커질 수 있어, 연료가 연소실로 분사되기 전에 소량의 연료를 예비로 분사하는 파일럿 분사(pilot injection)가 수행되거나, 또는 연료 분사로 인한 노이즈 레벨의 증가를 억제하기 위해 연료분사압력이 감소되는 것이 바람직하다.
배기가스 내의 산소농도를 감소시키기 위해서는, 공연비가 감소되거나 또는 EGR 률이 증가된다.
저온 연소가 수행되는 경우와 같이 엔진이 비교적 작은 공연비하에서 작동하는 경우나, 또는 엔진을 작동시키기 위해 연료를 분사하는 연료분사 이외의 압축 행정에서 연료 분사가 수행되는 경우, 공연비가 감소되는 것이 바람직하다.
이런 식으로, 엔진 작동 조건이 변할 때 미립자 필터(22)를 지나지 않고 미립자를 포함하는 배기가스가 대기중으로 직접 방출되는 것을 방지할 수 있다. 엔진 작동 조건이 변하여도 엔진 작동이 안전 영역으로 들어가지 않는 경우, 제 1 실시예의 열적 열화 방지 과정과 유사한 과정이 수행되어 배기가스가 미립자 필터(22)를 바이패스하게 된다.
도 31은 제 2 실시예의 열적 열화 방지 과정을 수행하는 순서도를 도시한다. 도 31에 도시된 순서도에서, 단계 501a 및 단계 501b를 제외한 단계 500 내지 단계 506은 도 28의 단계 300 내지 단계 306에 대응한다.
도 31에 도시된 순서도에서, 단계 501에서 엔진 작동 영역 A가 위험 영역 D 내에 있다(A = D)고 판정된 경우, 루틴은 단계 501a로 진행하고 여기서 엔진 작동 영역 A가 엔진 작동 조건을 바꾸어 안전 영역 S로 이동하는지 판정한다.
단계 501a에서, 엔진 작동 영역 A가 안전 영역 S로 이동한다고 판정된 경우, 루틴은 단계 501b로 진행하고 여기서 엔진 작동 조건이 변화되어 엔진 작동 영역 A가 안전 영역 S로 들어간다.
한편, 단계 501a에서, 엔진 작동 영역 A가 안전 영역 S로 이동할 수 없다고 판정된 경우, 루틴은 단계 502로 진행한다. 나머지 단계는 도 31의 단계와 동일하므로, 그 설명은 생략한다.
미립자 필터(22)에 퇴적된 미립자들을 한꺼번에가 아닌 점진적으로 연소시키기 위해 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스량이 감소되어야 하는 경우, 도 22 내지 도 25에 도시된 바이패스 메커니즘이 사용되어 적은 량의 배기가스가 미립자 필터(22)를 지나게 할 수 있다.
이 경우, 전환 밸브(80a)는 중립 위치로부터 제 1 또는 제 2 회전 위치를 향해 약간 변위된 위치에 배치된다. 이런 식으로, 미립자 필터(22)의 제 1 및 제 2 단에서 압력차가 생겨, 소량의 배기가스가 미립자 필터(22)로 흐른다.
다음에, 도 32를 참조하여 미립자 필터의 열적 열화 방지를 포함하는, 제 3 실시예의 산화에 의해 퇴적된 미립자를 제거하는 과정에 대해 설명한다. 본 실시예의 미립자 필터의 열적 열화 방지 과정은 제 1 및 제 2 실시예에 사용된 몇 가지 개념을 사용하며, 미립자 필터로부터 SOX를 제거하는 과정을 더 포함한다.
도 32에 도시된 순서도에서, 우선, 단계 600에서, 퇴적된 미립자 량 Apm이 소정 양 ApmTH보다 큰지(Apm > ApmTH) 판정된다. 퇴적된 미립자 량 Apm은 예를 들어 엔진 속도 N과 필요 엔진 부하 L의 함수로서 실험에 의해 먼저 얻어진 단위시간당 퇴적된 미립자 량을 적분하여 계산된다.
단계 600에서, Apm > ApmTH로 판정되는 경우, 즉, 퇴적된 미립자들이 산화에 의해 제거되어야 한다고 판정된 경우, 루틴은 단계 601로 진행하고 여기서 미립자 필터(22)의 온도를 미립자가 산화될 수 있는 온도로 상승시키기 위한 승온 과정이 수행되고 그 다음에 단계 602로 진행한다.
예를 들어, 미립자 필터의 온도를 올리기 위해, 저온 연소가 수행된다. 다르게는, 미립자 필터의 온도를 승온시키기 위해, 배기 통로 내에 배치된 배기 스로틀 밸브가 닫혀 필요 엔진 부하를 증가시켜, 분사되는 연료 량을 증가시킨다.
또한, 미립자 필터의 온도를 올리기 위해, 엔진을 작동시키기 위한 연료 이외의 소량의 연료가 압축 행정 중에 분사 및 연소되어 배기가스의 온도를 올릴 수 있다.
한편, 단계 600에서, Apm ≤ ApmTH로 판정되는 경우, 루틴은 바로, 단계 602로 진행한다.
단계 602에서, 열적 열화 방지 과정이 도 33에 도시된 순서도에 따라 수행된다. 도 33에 도시된 순서도에서, 우선, 단계 605에서, 열적 열화 방지 과정이 수행되어야 하는 조건(열적 열화 방지 조건)을 만족하는지가 판정된다. 또한, 이는 도 34에 도시된 순서도에 따라 판정된다.
도 34에 도시된 순서도에서, 우선, 단계 700에서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 소정 온도 TFTH보다 높은지(TF > TFTH) 판정된다. 소정 온도는, 예를 들어 미립자 점화 온도로 설정된다.
단계 700에서, TF > TFTH로 판정될 때, 루틴은 단계 701로 진행하며 여기서 열적 열화 방지 조건을 만족하는지가 판정된다.
한편, 단계 700에서, TF ≤ TFTH로 판정될 때, 열적 열화 방지 조건을 만족하지 않는 것으로 판정되고 루틴이 종료된다.
도 33의 단계 605에서, 열적 열화 방지 조건이 만족되면, 루틴은 단계 606으로 진행하며 여기서 열적 열화 방지 과정이 수행된다.
열적 열화 방지 과정에서, 배기가스는 미립자 필터(22)를 바이패스하게 되어 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스량이 제 1 임계값, 양호하게는 0보다 낮춰지거나, 또는 흡입공기량이 감소되어 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스량이 제 1 임계값보다 낮춰지거나, 또는 엔진 속도가 증가되어 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스량이 제 2 임계값보다 크게 된다.
제 1 임계값은 퇴적된 미립자의 연소를 억제하기에 충분히 작은 배기가스 량이다. 제 2 임계값은 미립자 필터(22)의 열적 열화를 방지하기 위해 퇴적된 미립자들의 연소 열을 방산(radiating)시키기 위해 충분히 큰 배기가스량이다.
열적 열화 방지 과정은 소정 주기가 경과한 후에 정지되고 그 다음에 정상 과정이 수행되기 시작힌다. 소정 주기는 예를 들어, 미립자 필터(22)의 온도를 미립자 산화 온도에 가깝게 낮추기에 충분한 주기이다.
도 32의 단계 603에서, 미립자 필터(22)의 표면에 붙은 황(S)의 량 As이 소정 양 AsTH보다 큰지(As > AsTH) 판정된다.
배기가스에 함유된 황(S)은 미립자 필터(22)의 표면에 붙는다. 미립자 필터(22)가
주위에 산소가 과잉일 때 NOX를 흡수 및 보유하고 주위의 산소농도가 낮아질 때 보유한 NOX를 방출하는 NOX 흡수 및 방출 성능을 갖는 NOX 흡수제를 포함할 때, 부착된 황은 NOX 흡수 및 방출 성능을 억제한다.
그러므로, 이 순서도에서, 단계 603에서, 부착된 황(S)의 량이 비교적 큰 것으로 판정될 때, 미립자 필터(22)로부터 부착된 황(S)을 제거하는 과정이 수행된다.
활성 산소 방출제가 백금(Pt)과 같은 귀금속 촉매와 함께 사용된다. 또한, 활성 산소 방출제로서, 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb)과 같은 알칼리 금속과; 바륨(ba), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr)과 같은 알칼리 토금속; 란타늄(La), 이트륨(Y), 세륨(Ce)과 같은 희토류와; 철(Fe)과 같은 천이 금속과; 주석(Sn)과 같은 탄소족 원소로부터 선택된 하나 이상이 사용된다.
상세하게는, 단계 603에서, As > AsTH로 판단되면, 루틴은 단계 604로 진행하며 여기서 엔진은 농후한 공연비 하에서 운전되어 배기가스의 공연비가 이론 공연비보다도 농후하게 된다. 그리하여, 미립자 필터(22) 내의 산소 농도가 감소되고, 배기가스 내의 탄화수소는 산소와 반응하여 미립자 필터(22)의 온도를 올린다. 그러므로, 미립자 필터(22)에 붙은 황(S)이 미립자 필터(22)로부터 해리된다.
미립자 필터(22)로부터 황(S)을 해리하는 온도는 미립자 산화 온도보다도 높으므로, 에너지 효율 면에서 미립자 필터(22)의 온도가 단계 601에서 미립자 산화 온도로 승온된 후에 미립자 필터(22)의 온도가 황 해리 온도로 높여지는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 이 실시예에서, 퇴적된 미립자 량이 소정 양보다 많은 경우, 승온 과정이 수행된다. 다르게는, 압력손실이 발생하는 경우 미립자 필터(22)의 배기가스 상류측 및 하류측의 압력차(압력 손실)가 소정 레벨보다 높으면 승온 과정이 수행될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 이 실시예에서, 미립자 필터(22)의 온도에 근거하여 열적 열화 방지 과정이 수행되어야 하는지가 판정된다. 다르게는, 미립자 필터(22)의 온도에 부가하여, 열적 열화 방지 과정이 수행되어야 하는지가 판정하기 위해, 연소실로 유입하는 흡입공기량, 또는 미립자 필터(22)로 유입하는 배기가스량이 사용될 수 있다.
도 35는 미립자 필터(22)의 온도 TF와 유입 배기가스량 Gex에 근거하여 열적 열화 방지 조건이 만족되는 지 판정하기 위한 다른 실시예의 순서도를 도시한다.
도 35에 도시된 순서도에서, 우선, 단계 800에서, 미립자 필터(22)의 온도 TF가 소정 온도 TFTH보다 높은지(TF > TFTH) 판정된다.
단계 800에서, TF > TFTH일 때, 루틴은 801로 진행하며 여기서 유입 배기가스량 Gex가 최소량 GexMin보다 크고 최대량 GexMax보다 작은지(GexMin < Gex < GexMax) 판정한다.
단계 801에서, GexMin < Gex < GexMax이면, 즉, 미립자 필터(22)의 온도가 미립자 점화 온도보다 높고 유입 배기가스량이 퇴적된 미립자들의 연소 열을 신속하게 방산시키기에 불충분하고 유입 산소량이 퇴적된 미립자들의 연소를 촉진하기에 충분한 것으로 판정되면, 미립자 필터(22)의 열적 열화가 방지되어야하는 것으로 간주되어, 루틴은 단계 802로 진행하며 여기서 열적 열화 방지 조건이 만족되는 지 판정된다.
본 발명은 미립자 필터의 배기 통로 상류측에 산화 촉매를 배치하도록 설계된 배기가스 정화 장치에 적용되어, 이 산화 촉매에 의해 배기가스 내의 NO를 변환하여, 미립자 필터 상에 퇴적된 미립자들과 NO2가 반응하게 하고 이 NO2를 미립자를 산화시키는데 사용할 수도 있다.
본 발명에 따라, 상술한 바와 같이, 미립자 필터 상의 배기가스 내의 미립자들을 연속적으로 산화 및 제거하고 배기가스 내의 NOX도 정화시킬 수 있다.
본 발명은 예시를 위해 선택된 특정한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자에게는 본 발명의 범위 및 기본 개념을 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다.

Claims (21)

  1. 배기 통로, 산화에 의해 연소실로부터 배기되는 배기가스 내의 미립자를 제거하기 위해 배기 통로 내에 배치되는 미립자 필터, 상기 미립자 필터로 유입하는 배기가스의 특성을 제어하는 장치, 미립자의 산화로 발생하는 열에 의해 미립자 필터가 열화(deterioration)되는 지를 판정하는 수단을 포함하는, 연소실을 갖는 엔진용 배기가스 정화 장치에 있어서,
    상기 판정 수단이 상기 미립자 필터가 열에 의해 열화될 것으로 판정할 때, 제어 장치는 미립자 필터로 유입하는 배기가스의 특성을 변화시켜서 미립자 필터가 열에 의해 열화되는 것을 방지하는 배기가스 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제어 장치가 미립자 필터로 유입하는 배기가스의 양을 제어하며, 판정수단이 미립자 필터가 열에 의해 열화될 것으로 판정할 때, 제어 장치가 미립자 필터로 유입하는 배기가스량을 제 1 임계값보다 작게 하는 제 1 제어 작동과 미립자 필터로 유입하는 배기가스량을 제 1 임계값보다 큰 제 2 임계값보다 더 크게 하는 제 2 제어 작동 중의 하나의 작동을 수행하는 배기가스 정화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    배기가스의 적어도 일부가 미립자 필터를 바이패스(bypass)하게 하는 바이패스 메커니즘을 더 포함하고, 상기 제어 장치는 배기가스의 적어도 일부가 미립자 필터를 바이패스하게 하는 상기 바이패스 메커니즘에 의해 미립자 필터로 유입하는 배기가스량을 제 1 임계값보다 작게 하는 배기가스 정화 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    제어 장치는 연소실로 들어가는 공기량을 감소시켜 미립자 필터로 유입하는 배기가스량을 제 1 임계값보다 작게 하고, 연소실로 들어가는 공기량을 증가시켜 미립자 필터로 유입하는 배기가스량을 제 2 임계값보다 크게 하는 배기가스 정화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제어 장치는 엔진 속도를 감소시켜 연소실로 들어가는 공기량을 감소시키고, 엔진 속도를 증가시켜 연소실로 들어가는 공기량을 증가시키는 배기가스 정화 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    판정 수단은 미립자 필터의 온도가 소정 온도보다 높을 때 미립자 필터가 열에 의해 열화될 것으로 판정하는 배기가스 정화 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 소정 온도는 미립자가 점화되는 온도인 배기가스 정화 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    판정 수단은 미립자 필터의 온도가 소정 온도보다 높고 배기가스 내의 산소 농도가 소정 농도보다 높을 때 미립자 필터가 열에 의해 열화될 것으로 판정하는 배기가스 정화 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 소정 온도는 미립자들이 점화되는 온도인 배기가스 정화 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 소정 농도는 배기가스의 공연비가 희박할 때 배기가스 내의 탄화수소의 농도가 커짐에 따라 작게 설정되고, 배기가스의 공연비가 이론 공연비이거나 또는 농후할 때 배기가스 내의 탄화수소의 농도가 커짐에 따라 크게 되도록 설정되어 있는 배기가스 정화 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 소정 농도는 연소실로 유입되는 공기량이 커짐에 따라 크게 되도록 설정되어 있는 배기가스 정화 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 판정 수단은 배기가스의 특성이 제어 장치에 의해 바뀌기 전에 미립자 필터가 열에 의해 열화될 것으로 판정할 때, 판정 수단은 배기가스의 특성을 바꾸어 미립자 필터의 온도가 소정 온도보다 낮아지는지 판정하고, 배기가스 내의 산소농도가 배기가스의 특성을 바꾸어 소정 농도보다 작아지는지 판정하고, 제어 장치는 판정 수단이 배기가스의 특성을 바꾸어 미립자 필터의 온도가 소정 온도보다 낮아진다고 판정할 때, 배기가스의 특성을 바꾸어 미립자 필터의 온도를 소정 온도보다 낮게 하고, 제어 장치는 판정 수단이 배기가스 내의 산소농도가 소정 농도보다 낮아진다고 판정할 때 배기가스의 특성을 바꾸어 배기가스 내의 산소농도를 소정 농도보다 작게 하는 배기가스 정화 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 엔진 작동 조건을 제어하여 배기가스의 특성을 제어하는 배기가스 정화 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    배기가스의 적어도 일부가 미립자 필터를 바이패스시키기 위한 바이패스 메커니즘을 더 포함하며, 상기 제어 장치는 판정 수단이 배기가스의 특성을 바꾸어 미립자 필터의 온도가 소정 온도보다 낮아지지 않는다고 판정하고 배기가스 내의 산소농도가 소정 농도보다 작아지지 않는다고 판정할 때 바이패스 메커니즘에 의해 배기가스의 적어도 일부가 미립자 필터를 바이패스하게 하는 배기가스 정화 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    미립자 필터로 유입하는 배기가스의 유입방향을 역전시키는 역전 메커니즘(reverse mechanism)을 더 포함하는 배기가스 정화 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    귀금속 촉매가 미립자 필터 상에 보유되어 있는 배기가스 정화 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    주위에 과잉 산소가 있을 때 산소를 흡수하여 보유하고 주위의 산소 농도가 저하하면 보유한 산소를 활성 산소의 형태로 방출하는 활성 산소 방출제가 미립자 필터 상에 유지되어 있고, 활성 산소는 활성 산소 방출제로부터 방출되며 미립자들이 미립자 필터 상에 붙어있을 때 미립자 필터 상에 붙어있는 미립자들이 방출된 활성 산소에 의해 산화되는 배기가스 정화 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    활성 산소 방출제는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류, 천이 금속 및 탄소족 원소 중의 하나 이상을 포함하는 배기가스 정화 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 알칼리 금속과 알칼리 토금속은 칼슘보다 이온화 경향이 더 높은 금속을 포함하는 배기가스 정화 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    미립자 필터 상에 붙어있는 미립자들은 배기가스의 일부 또는 전체의 공연비를 일시적으로 농후하게 하여 산화되는 배기가스 정화 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    주위에 과잉 산소가 있을 때 배기가스 내의 NOX를 흡수하고 주위의 산소농도가 떨어질 때 흡수한 배기가스를 방출하는 NOX 흡수제가 미립자 필터 상에 보유되고; 제어장치가 배기가스의 특성을 변화시킨 후 소정 주기가 경과했을 때 미립자 필터로 유입하는 배기가스의 특성이 원래의 값으로 복귀되고, 미립자 필터 상에 붙어있는 황이 배기가스의 일부 또는 전체의 공연비를 농후하게 하여 미립자 필터로부터 해리되는 배기가스 정화 장치.
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