KR100522215B1 - 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 부분적으로 기통을 휴지시킬 경우에도, 배기 가스의 악화를 방지할 수 있는 내연 기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 내연 기관(1)의 배기 정화 장치는, 내연 기관(1)의 운전 상태에 따라 복수 기통 중의 일부에 설정된 휴지 기통의 연소를 휴지하도록 제어하는 휴지 기통 운전 제어부(36), 상기 휴지 기통에 접속된 제 1의 배기 통로(24), 상기 휴지 기통과 다른 가동 기통에 접속된 제 2의 배기 통로(26), 상기 제 2의 배기 통로(26)에 설치된 제 2의 배기 정화 촉매(30), 및 상기 제 1의 배기 통로(24)에 설치되고 상기 제 2의 배기 정화 촉매(30)보다 높은 배기 정화 성능을 갖는 제 1의 배기 정화 촉매(28)를 구비한다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치{EXHAUST EMISSION CONTROL DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
(종래의 기술)
이러한 종류의 배기 정화 장치에 관한 기술로서는, 예를 들면 일본 특허공개 평7-133716호 공보에 기재된 가변 기통 엔진의 배기 정화 장치를 들 수 있다. 상기 공지의 배기 정화 장치는, 특정한 운전 조건이 되면 부분적으로 기통군을 휴지(休止)시켜 부분 기통 운전을 행하는 가변 기통 엔진에 적용되고 있다. 해당 장치는, 부분 기통 운전시에 가동 기통으로부터 배출되는 배기 가스를 제 1의 촉매에 통과시킴과 함께, 제 1의 촉매를 통과한 배기 가스와 휴지 기통으로부터 배출되는 신선한 공기와의 혼합기를 제 2의 촉매로 통과시킨다. 그리고, 해당 장치는, 부분 기통 운전시에는 가동 기통의 공연비를 리치측으로 제어함으로써, 제 1의 촉매를 통과한 후의 미연 성분을 신선한 공기와 반응시키고, 그 열로 제 2의 촉매의 온도 저하를 방지한다.
그러나, 상술한 부분 기통 운전시에는 휴지 기통으로부터 다량의 신선한 공기가 배출되기 때문에, 예를 들어 가동 기통의 공연비를 리치측으로 제어하여 전체로서는 배기 가스의 공연비가 린으로 된다. 이 때문에 공지의 배기 가스 정화 장치에서는, 최종적으로 제 2의 촉매에 도입되는 배기 가스의 공연비가 린으로 되는 결과, 부분 기통 운전시에 배기 가스의 악화를 초래한다는 문제가 있다.
본 발명은, 부분적으로 기통을 휴지시킬 경우에도, 배기 가스의 악화를 방지 할 수 있는 내연 기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 내연 기관의 배기 정화 장치는, 내연 기관의 운전 상태에 따라 복수 기통 중의 일부에 설정된 휴지 기통의 연소를 휴지하도록 제어하는 휴지 기통 운전 제어부, 상기 휴지 기통에 접속된 제 1의 배기 통로, 상기 휴지 기통과 다른 가동 기통에 접속된 제 2의 배기 통로, 상기 제 2의 배기 통로에 설치된 제 2의 배기 정화 촉매, 및 상기 제 1의 배기 통로에 설치되고 상기 제 2의 배기 정화 촉매보다 높은 배기 정화 성능을 갖는 제 1의 배기 정화 촉매를 구비한다.
가동 기통측의 제 2의 배기 정화 촉매는, 보통의 운전 조건에 따른 충분한 정화 성능을 갖고 있지만, 휴지 기통측의 제 1의 배기 정화 촉매는 이 제 2의 배기 정화 촉매보다 높은 배기 정화 성능을 갖고 있기 때문에, 휴지 기통 운전으로의 이행시에 휴지 기통으로부터 신선한 공기가 배출된다 하더라도 배기 가스의 악화가 유효하게 방지된다.
도 1은, 예를 들면 차량에 탑재된 내연 기관의 배기 정화 장치를 개략적으로 도시하고 있다. 단, 본 발명은 차량용의 내연 기관뿐만 아니라 그 밖의 용도에도 적용 가능하다
본 실시 형태에 있어서, 내연 기관인 엔진(1)은, 예를 들면 V형 6기통의 실린더 레이아웃을 갖고 있다. 이 엔진(1)은, 예를 들면 연료 분사 모드(운전 모드)를 전환함으로써 흡기 행정에서의 연료 분사(흡기 행정 분사 모드) 또는 압축 행정에서의 연료 분사(압축 행정 분사 모드)를 실시 가능한 실린더 분사형 불꽃 점화식 가솔린 엔진이다. 그리고, 엔진(1)은 이론 공연비(스토이키)에서의 운전이나 리치 공연비에서의 운전(리치 공연비 운전) 외에, 린 공연비에서의 운전(린 공연비 운전)을 용이하게 실현 가능하고, 특히 압축 행정 분사 모드에서는, 초린 공연비에서의 연소를 실현 가능하다.
엔진(1)은, 실린더 블록이 2개의 뱅크(2, 4)로 나뉘어 있고, 각 뱅크(2, 4)에 기통군(예를 들면, 3기통마다)이 하나의 통합으로 배열된다. 차량용 엔진(1)은 엔진 룸에 배치 사정상, 한쪽의 뱅크(2)가 프런트측에 위치를 차지하고, 다른쪽의 뱅크(4)가 리어측에 위치를 차지하고 있다. 그 때문에 이하의 설명에서는, 편의상, 2개의 뱅크(2, 4)를 각각 프런트 뱅크(2), 리어 뱅크(4)라고 칭한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 프런트 뱅크(2) 및 리어 뱅크(4)의 각 실린더 헤드(6, 8)에는, 그 기통마다 점화 플러그(10)와 함께 전자식 연료 분사 밸브(12)가 부착되어 있고, 이로써, 각 연소실(14) 내로 연료를 직접 분사 가능하게 되어 있다. 또한, 점화 플러그(10)에는 각각 이그니션 코일(16)이 접속되어 있다.
연료 분사 밸브(12)에는, 연료 파이프를 통하여 연료 탱크를 가지고 있는 연료 공급 장치(모두 도시 생략)가 접속되어 있다. 보다 상세하게는, 연료 공급 장치는 저압 연료 펌프 및 고압 연료 펌프를 갖고 있고, 이들 2종류의 연료 펌프로부터 저압 또는 고압의 연료가 연료 분사 밸브(12)에 공급되고, 공급된 연료가 연료 분사 밸브(12)로부터 연소실(14) 내로 분사된다.
각 실린더 헤드(6, 8)에는, 기통마다 그 축선 방향으로 연장된 흡기 포트가 형성되어 있고, 이들 흡기 포트와 연통하도록 하여 흡기 매니폴드(18)가 각각 접속되어 있다. 흡기 매니폴드(18)의 상류단에는 전자 스로틀 밸브(20)가 마련되어 있고, 이 전자 스로틀 밸브(20)는, 예를 들면 모터(22)에 의해 원하는 개방도로 개폐 작동시킬 수 있다.
또한 각 실린더 헤드(6, 8)에는, 기통마다 배기 포트가 형성되어 있고, 이들 배기 포트와 연통하도록 하여 프런트 배기 매니폴드(제 1의 배기 통로)(24) 및 리어 배기 매니폴드(제 2의 배기 통로)(26)의 일단이 각각 접속되어 있다. 이들 프런트 배기 매니폴드(24) 및 리어 배기 매니폴드(26)에는, 각각 3원 촉매(28(제 1의 배기 정화 촉매), 30(제 2의 배기 정화 촉매))가 설치되어 있다. 그리고, 프런트 배기 매니폴드(24) 및 리어 배기 매니폴드(26)는, 각 3원 촉매(28, 30)의 하류측에서 하나의 배기관(32)으로 모인다. 또한, 배기관(32)에는 후단 촉매를 통하여 머플러(모두 도시 생략)가 접속되어 있다.
이들 3원 촉매(28, 30)는, 어느 것이나 엔진(1)에 근접하여 설치되어 있기 때문에, 엔진(1)이 냉태 상태에 있는 시동 직후라도 급속하게 활성화되고, 이로 인해 엔진(1)의 냉태 시동 직후부터, HC(탄화 수소)나 CO(일산화탄소)를 양호하게 정화하는 성능을 갖고 있다. 또한, 이들 3원 촉매(28, 30)는, 그 촉매 반응에 의해 발생한 반응열에 의해 상술한 후단 촉매를 조기에 승온시키는 기능도 갖고 있다.
프런트 뱅크(2)를 구성하는 각 기통의 흡기 및 배기 밸브 작동 기구에는, 밸브 작동 정지 장치(38)가 마련되어 있다. 이 밸브 작동 정지 장치(38)는, 필요에 따라 흡기 및 배기 밸브의 작동을 정지시키는 것으로, 예를 들면, 로커 아암으로부터 밸브로의 밸브 개방 동작을 전달하거나 또는 차단하는 전환 가능한 장치이다. 또한, 해당 장치는 공지의 것으로 그 상세 설명을 생략한다.
엔진(1)에는, 그 운전을 제어하기 위한 전자 제어 유닛(이하, 「ECU」라고 칭한다)(34)이 접속되어 있다. ECU(34)는, 예를 들면 전기적인 입출력 장치나 기억 장치, 중앙 처리 장치(CPU), 타이머 카운터 등을 구비하고 있고, 이 ECU(34)에 의해 엔진(1)의 종합적인 제어가 행하여진다. ECU(34)에는, 상술한 이그니션 코일(16)이나 연료 분사 밸브(12), 모터(22) 등이 접속되어 있고, ECU(34)는 이들 기기류에 제어 신호를 출력할 수 있다. 예를 들면, 이그니션 코일(16)이나 연료 분사 밸브(12)로는, 그 내부에서 연산된 연료 분사량이나 점화 시기 등의 최적치가 각각 출력된다. 이로써, 연료 분사 밸브(12)로부터 적정량의 연료가 적정한 타이밍으로 분사되고, 또한 점화 플러그(10)에 의해 적정한 타이밍으로 점화가 실시된다. 또한, ECU(34)에는, 후술하는 휴지 기통 운전을 제어하는 휴지 기통 운전 제어부(36)가 마련되어 있다. 휴지 기통 운전 제어부(36)는, 엔진(1)의 운전 상태에 따라 프런트 뱅크(2)의 연료 분사 밸브(12)나 밸브 작동 정지 장치(38)를 제어한다.
이상의 구성으로부터 분명한 바와 같이, 엔진(1)의 운전중, 2개의 3원 촉매(28, 30)에는, 프런트 배기 매니폴드(24) 및 리어 배기 매니폴드(26)의 각각을 흐르는 배기가 별개로 도입된다. 따라서 프런트 뱅크(2)를 구성하는 기통으로부터 배출되는 배기 가스는 프런트측의 3원 촉매(28)를 통과하고, 한편, 리어 뱅크(4)를 구성하는 기통으로부터 배출되는 배기 가스는 리어측의 3원 촉매(30)를 통과하여 각각 정화된다.
여기서, 본 실시 형태에서는 프런트측의 3원 촉매(28)쪽이 리어측의 3원 촉매(30)보다 귀금속의 함유량이 많고, 그 때문에, 프런트측의 3원 촉매(28)의 쪽이 리어측의 3원 촉매(30)보다 높은 배기 정화 성능을 갖고 있다. 또한 공지된 바와 같이, 3원 촉매(28, 30)에 사용되는 귀금속으로서는, 예를 들면 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) 등을 들 수 있고, 이들 귀금속은 담체상으로 담지되어 있다.
다음에, ECU(34)의 휴지 기통 운전 제어부(36)에 의한 엔진(1)의 휴지 기통 운전 제어에 관해 설명한다. 상술한 휴지 기통 운전 제어부(36)는, 도시하지 않은 액셀 포지션 센서나 크랭크각 센서, 스로틀 개방도 센서, 차속 센서 등으로부터 각종 센서 정보를 처리함으로써, 엔진(1)의 운전 상태를 검출할 수 있다. 이 때, 예를 들면 차속이 저속역이며 엔진(1)이 비교적 저부하의 운전 상태이거나, 또는 차량이 정지중이며 아이들 운전 상태인 경우, 이들 운전 상태에 따라 휴지 기통 운전 제어부(36)는 엔진(1)의 휴지 기통 운전 제어를 실시한다.
구체적으로는, 휴지 기통 운전 제어부(36)는 프런트 뱅크(2)에 마련된 연료 분사 밸브(12)의 작동을 우선 정지시켜서 프런트 뱅크(2)를 구성하는 기통으로의 연료 공급을 정지한다. 다음에, 휴지 기통 운전 제어부(36)는 연료 공급 정지의 소정 시간 후에, 밸브 작동 정지 장치(38)를 제어하여 프런트 뱅크(2)측의 흡기 및 배기 밸브의 작동을 정지시킨다. 이로써, 프런트 뱅크(2)를 구성하는 기통은 휴지 기통으로 되고, 리어 뱅크(4)를 구성하는 기통만이 가동 기통으로 되어 엔진(1)의 운전이 행하여진다. 이와 같은 휴지 기통 운전 제어를 실시함에 있어서, 프런트 뱅크(2)측의 기통에 의한 연소가 급격하게 정지되면 토오크 쇼크가 생길 우려가 있기 때문에, 이와 같은 쇼크 대책으로서, 휴지 기통 운전 제어부(36)는 소정 시간 내에는 연료 공급이 정지되어도 흡기 및 배기 밸브를 작동시키도록 되어 있다.
상술한 소정 기간에 있어서는, 프런트 뱅크(2)를 구성하는 기통군에 있어서 연소를 수반하지 않는 공기 사이클(신선한 공기를 흡입하여 그대로 배기한다)이 실행되고, 배기 가스의 공연비가 린으로 된다. 그 결과, 프런트측의 3원 촉매(28)는 산소 과잉 상태로 되고, 산소가 촉매 중에 흡착된다. 그 후, 프런트 뱅크(2)를 구성하는 기통군의 연소가 재개될 때에, 흡착된 산소의 존재에 의해, 특히 NOx의 환원 정화 성능이 저하된다.
그러나, 상술한 바와 같이 본 실시 형태에서는 프런트측의 3원 촉매(28)의 배기 가스 정화 성능이 리어측의 3원 촉매(30)의 배기 가스 정화 성능과 비교하여 높게 되어 있기 때문에, 일시적인 배기 가스의 악화가 유효하게 방지된다. 또한, 리어측의 3원 촉매(30)는, 보통의 운전 상태에서 충분한 정화 성능을 갖고 있고, 그 때문에, 휴지 기통 운전 제어중이라도 리어 뱅크(4)를 구성하는 기통군으로부터의 배기 가스는 3원 촉매(30)에 의해 계속해서 정화된다. 또한, 상술한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 프런트측의 3원 촉매(28)에 관해서만 귀금속량을 늘렸기 때문에, 양쪽의 3원 촉매(28, 30)를 일률적으로 고성능화하는 경우와 비교하여 가격의 상승이 억제된다.
상술한 실시 형태에서는, 프런트측 및 리어측과 함께 3원 촉매(28, 30)를 이용하고 있지만, 프런트측에 NOx 흡장형 촉매를 이용하여도 좋다. N0x 흡장형 촉매는, 예를 들면 귀금속으로서 백금(Pt)이나 로듐(Rh) 등을 갖는 것과 함께, 흡장재로서 바륨(Ba) 등의 알칼리 금속, 알칼리토류 금속을 갖고 있다. 이 경우, 휴지 기통 운전이 종료되고 연료 분사를 시작한 때, 일시적으로 NOx의 환원 정화 성능이 저하되지만, NOx는 NOx 흡장형 촉매에 흡장되기 때문에, 배기 가스의 악화는 생기지 않는다.
또한, 리어측의 3원 촉매(30)의 촉매 용량이 예를 들면 0.5리터로 설정되어 있는 경우, 프런트측의 3원 촉매(28)의 촉매 용량을 예를 들면 1.0리터로 하여 리어측의 3원 촉매(30)의 촉매 용량보다 크게 설정되어 있어도 좋다. 이 경우도, 프런트측의 3원 촉매(28)의 배기 가스 정화 성능이 리어측의 3원 촉매(30)의 배기 가스 정화 성능과 비교하여 높아진다.
상술한 설명으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 내연 기관의 배기 정화 장치는, 휴지 기통측과 가동 기통측의 배기 정화 촉매가 각각 적절한 정화 성능으로 설정됨으로써, 배기 가스의 악화나 가격의 상승을 확실하게 억제할 수 있다.
또한, 내연 기관의 구체적인 구성은 상술한 실시 형태의 것에 한하지 않고, 예를 들면, 엔진(1)은 직렬형이나 대향형의 실린더 레이아웃을 갖는 것이라도 좋다. 이 경우에도, 휴지 기통으로 되는 기통과 기타의 기통에서 별도의 배기 통로를 마련하고, 이들에 2개의 촉매를 별개로 설치함으로써 본 발명을 구성할 수 있다. 또한, 엔진(1)은 흡기관 분사형의 엔진이라도 좋다.
도 1은 본 발명의 한 실시 형태의 배기 정화 장치를 개략적으로 도시한 도면.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
1 : 엔진 2 : 프런트 뱅크
4 : 리어 뱅크 6, 8 : 실린더 헤드
10 : 점화 플러그 12 : 연료 분사밸브
14 : 연소실 16 : 이그니션 코일

Claims (7)

  1. 내연 기관(1)의 배기 정화 장치에 있어서,
    내연 기관(1)의 운전 상태에 따라, 복수 기통 중의 일부에 설정된 휴지 기통의 연소를 휴지하도록 제어하는 휴지 기통 운전 제어부(36)와,
    상기 휴지 기통에 접속된 제 1의 배기 통로(24)와,
    상기 휴지 기통과는 다른 가동 기통에 접속된 제 2의 배기 통로(26)와,
    상기 제 2의 배기 통로(26)에 설치된 제 2의 3원 촉매(30)와, 그리고
    상기 제 1의 배기 통로(24)에 설치되고, 상기 제 2의 3원 촉매(30)보다 높은 NOx, HC 배기 정화 성능을 갖는 제 1의 3원 촉매(28)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 휴지 기통 운전 제어부(36)는, 상기 휴지 기통의 연소가 휴지될 때에, 상기 휴지 기통의 연료 공급을 우선 정지하고, 연료 공급 정지의 소정 시간 후에 상기 휴지 기통의 흡기 밸브 및 배기 밸브중 적어도 한쪽의 작동을 정지시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 3원 촉매(28)는, 상기 제 2의 3원 촉매(30)보다 귀금속의 함유량이 많은 촉매인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 3원 촉매(28)는, 배기 가스 중의 NOx를 흡장 가능한 NOx 흡장형 촉매인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1의 3원 촉매(28)는, 상기 제 2의 3원 촉매(30)보다 촉매 용량이 큰 촉매인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    내연 기관은 V형 내연 기관인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 휴지 기통은 상기 V형 내연 기관의 한쪽의 뱅크(2)를 구성하는 기통이고, 상기 가동 기통은 상기 V형 내연 기관의 다른쪽의 뱅크(4)를 구성하는 기통인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
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