KR100734194B1 - 내연 기관용 배기가스 제어 장치 및 배기가스 제어 방법 - Google Patents

내연 기관용 배기가스 제어 장치 및 배기가스 제어 방법 Download PDF

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Abstract

내연 기관용 배기 가스 제어 장치에는 내연 기관의 배기 통로 (4) 에 배치된 배기 촉매, 상기 배기 촉매를 통과한 배기 가스에 함유된 황산화물 및 황화수소의 합계 농도를 검출할 수 있으며, 또한 상기 황산화물의 농도를 검출할 수 있는 농도 검출유닛 (10); 및 배기 가스가 이론 공연비 또는 농후 공연비 중 하나인 것으로 판정되는 경우, 상기 농도 검출 유닛 (10) 의 검출값에 따라서 연료 중의 황 농도를 추정하는 황 농도 추정 유닛 (15) 이 제공된다.

Description

내연 기관용 배기가스 제어 장치 및 배기가스 제어 방법{EXHAUST GAS CONTROL APPARATUS AND EXHAUST GAS CONTROL METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 배기가스 중의 황 성분을 검출하는 황 농도 센서를 구비한 내연 기관용 배기 가스 제어 장치 및 배기 가스 제어 방법에 관한 것이다.
일본 공개특허공보 2001-303937호에는 흡장환원형 (occlusion reduction type) NOx 촉매의 하류에 배치된 황산화물 (SOx) 센서에 의해 배기 가스의 황 농도를 검출하는 내연 기관용 배기가스 제어 장치가 개시되어 있다. 일본 공개특허공보 평6-173652호 및 일본 공개특허공보 2000-230419호가 본 발명의 선행기술문헌으로서 개시되어 있다.
전술한 바와 같이 일반적으로 채용되는 배기 가스 제어 장치의 구조는 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스에 포함된 황 성분의 농도를 정확하게 검출하지 못할 수도 있다. 배기 가스의 공연비가 희박 (lean) 인 경우, SOx 등의 황 성분은 산화되어, 황산염으로서 흡장환원형 NOx 촉매 등의 배기 촉매에 유지되어 버린다. 배기 가스의 공연비가 농후 (rich) 인 경우, 황 성분은 배기 촉매를 통과한다. 그러나, 배기 촉매를 통과한 황 성분의 대부분은 SOx 센서에 의해 검출 되기 어려운 황화수소(H2S) 로 환원될 수도 있다.
본 발명의 목적은 배기 가스 중의 황 성분 농도의 검출 정밀도를 향상시켜, 배기 촉매의 황피독량 (S-poisoned level) 의 정확한 추정이 가능한 내연 기관용 배기 가스 제어 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 내연 기관용 배기 가스 제어 장치에는 내연 기관의 배기 통로에 배치된 배기 촉매, 배기 촉매를 통과한 배기 가스에 함유된 황산화물 및 황화수소의 합계 농도를 검출할 수 있으며, 또한 황산화물의 농도를 검출할 수 있는 농도 검출 유닛 및 배기 가스가 이론 공연비 또는 농후 공연비 중 하나인 것으로 판정되는 경우, 농도 검출 유닛의 검출값에 따라서 연료 중의 황 농도를 추정하는 황 농도 추정 유닛이 제공된다.
본 발명에 따른 배기 가스 제어 장치는 농도 검출 유닛에 의해 황산화물 및 황화수소의 합계 농도를 검출할 수 있다. 따라서, 배기 가스 중의 황 성분의 농도가 정확하게 검출될 수 있다. 연료 중의 황 농도가 합계 농도에 따라서 추정되므로, 배기 촉매에 부착된 황의 양이 정확하게 추정될 수도 있다.
전술한 배기 가스 제어 장치에서, 배기 가스의 공연비를 이론 공연비 상태 또는 농후 공연비 상태 중 하나로 제어하는 공연비 제어 유닛이 제공될 수도 있다. 이 경우, 배기 가스의 공연비는 공연비 제어 유닛에 의해 변경되어 임의의 시기에 연료 중의 황 농도를 추정한다.
전술한 배기 가스 제어 장치에서, 공연비 제어 유닛은 소정의 주기로 배기 가스의 공연비를 일시적으로 농후 상태로 되게 하는 리치 스파이크 제어를 실시한다. 공연비 제어 유닛에는 배기 가스의 공연비를 리치 스파이크 제어 하에서의 시간보다 더 긴 시간 동안 농후 상태로 유지하는 제어, 또는 배기 가스의 공연비를 리치 스파이크 제어 하에서의 상태 보다 더 농후한 상태로 되게하는 제어 중 적어도 어느 하나의 제어를 실시하는 농후량 증가 유닛이 제공될 수도 있다. 황 농도 추정시에 배기 가스의 공연비를 제어함으로써, 농도 검출 유닛이 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스 중의 황 농도를 정확하게 검출할 수 있다. 리치 스파이크 제어 하에서 취해진 시간 보다 더 긴 시간 동안 농후 상태를 유지하기 위한 제어하에서는, 배기 촉매의 하류의 배기 가스의 공연비는 내연 기관의 운전 상태의 변화를 억제하면서 농후 상태로 될 수도 있다. 배기 가스의 공연비가 리치 스파이크 제어 하에 있는 상태보다 더 농후한 상태로 되게 하는 제어하에서는, 배기 촉매의 하류측을 향해 통과하는 황 성분량이 증가될 수도 있다.
배기 가스 제어 장치에서, 배기 촉매로서는, 흡장환원형의 NOx 촉매가 사용된다. NOx 흡장량 추정 유닛이 NOx 촉매에 흡장된 NOx 량을 추정하기 위해 제공된다. 공연비 제어 유닛은 NOx 흡장량 추정 유닛에 의해 추정된 NOx 흡장량이 소정량 이상으로 판정된 경우에 배기 가스의 공연비를 이론 공연비 상태 또는 농후 공연비 상태 중 어느 하나로 제어하도록 구성될 수도 있다. 배기 촉매로서 NOx 촉매가 제공되는 경우에, NOx 의 흡장량이 소정량 이상이 되면, 배기 가스의 공연비는 이론 공연비 상태 또는 농후 공연비 상태로 설정되어 NOx 촉매에 흡장된 NOx 가 방출되는 즉, NOx 환원이 실행된다. 이는 NOx 환원시에 연료 중의 황 농도를 추정할 수 있게 한다.
내연 기관용 배기 가스 제어 장치에는 배기 촉매의 온도를 검출하는 촉매 온도 검출 유닛이 제공될 수도 있다. 황 농도 추정 유닛은 촉매 온도 검출 유닛에 의해 검출된 온도가 소정 온도 이상인 것으로 판정된 경우에 연료에 함유되는 황 농도의 추정을 금지할 수도 있다. 배기 촉매의 온도가 증가하면, 촉매에 유지되어 있던 황 성분이 방출될 수도 있다. 이 경우, 농도 검출 유닛은 배기 가스중의 황 성분과 촉매로부터 방출된 황 성분을 검출한다. 그 결과 황 농도가 오검출된다. 이 경우, 황 농도의 추정이 금지된다.
여기에서 사용된 용어 "추정의 금지" 는 황 농도의 추정이 금지되는 경우뿐만아니라, 황 농도의 추정이 허용되고 또한 추정된 황 농도의 사용이 금지되는 경우도 포함할 수 있다.
내연 기관의 배기 통로에 배치된 배기 촉매, 배기 촉매를 통과한 배기 가스에 함유된 황산화물 및 황화수소의 합계 농도를 검출할 수 있으며, 또한 황산화물의 농도를 검출할 수 있는 농도 검출 유닛을 구비하는 내연 기관용 배기 가스 제어 방법에 있어서, 연료 중의 황 농도는 배기 가스가 이론 공연비 또는 농후 공연비 중 하나인 것으로 판정되는 경우, 농도 검출 유닛의 검출값에 따라서 추정된다.
본 발명에 따르면, 농도 검출 유닛에 의해서 배기 가스 중의 황 농도를 정확하게 검출할 수 있다. 따라서, 연료 중의 황 농도 추정의 정확도가 더 개선될 수 있다. 이는 배기 촉매의 황피독량을 정확하게 추정함으로써 열화되거나 황피독된 배기 촉매를 재생하는 시기를 추정하는 추정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 전술한 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조로하여 하기의 바람직한 실시예로부터 명확해 질 것이며, 도면에서 동일 부호가 동일 구성요소를 나타내는 데 사용된다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 내연 기관의 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 촉매가 사용되는 황 농도 센서의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3 은 도 2 에 도시된 황 농도 센서의 검출 기능을 도시하는 도면으로, 특히 도 3 의 (a) 는 SOx 농도 검출 유닛의 검출 기능을 도시하며, 도 3 의 (b) 는 합계 농도 검출 유닛의 검출 기능을 각각 나타낸다.
도 4 는 도 1 에 도시된 ECU 에 의해 실행된 연료 중의 황 농도 판정용 제어 루틴을 나타내는 플로우차트이다.
도 5 는 리치 스파이크 제어 하에서 시간 경과에 따른 합계 농도의 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6 은 연료 중의 추정 황 농도의 판정이 이루어지는 기준을 나타내는 도면이다.
도 7 은 도 1 에 도시된 ECU 에 의해 실행된 연료 중의 황 농도 판정용 제어 루틴의 다른 실시예를 나타내는 플로우차트이다.
도 8 의 (a) 내지 도 8 의 (c) 는 농후 변화량이 증가될 때 시간 경과에 따 른 NOx 촉매의 상류측 및 하류측에서의 배기 가스의 공연비의 각각의 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9 는 농후 변화량이 증가될 때 시간 경과에 따른 합계 농도의 변화의 일례를 나타내는 도면이다.
도 1 은 내연 기관으로서의 디젤 엔진 (1) 에 적용된 본 발명의 실시예를 나타내고 있다. 디젤 엔진 (1) 은 차량에 주행용 동력원으로서 탑재되며, 흡기 통로 (3) 및 배기 통로 (4) 에 연결된 실린더 (2) 를 갖는다. 흡기 통로 (3) 에는 흡기 (intake air) 여과용 에어필터 (5), 터보차저 (6) 의 콤프레서 (6a), 및 흡기량 조절용 스로틀 밸브 (7) 가 제공된다. 배기 통로 (4) 에는 터보차저 (6) 의 터빈 (6b) 이 제공된다. 배기 통로 (4) 의 터빈 (6b) 보다도 하류측에는 흡장환원형 NOx 촉매(이하, 촉매라 함)(8) 를 포함하는 배기 가스 제어 유닛 (9) 과, 촉매 (8) 의 하류에서 배기 가스에 함유된 황 성분의 농도를 검출하는 농도 검출 유닛으로서의 황 농도 센서 (10) 가 형성되고 있다. 배기 가스 제어 유닛 (9) 은 배기 가스에 함유된 입자상 물질을 포착하는 디젤 미립 필터 (DPF: diesel particulate filter) 에 NOx 촉매 물질을 담지시켜 형성되거나, 또는 이러한 필터와는 별도로 제공될 수도 있다. 배기 통로 (4) 는 흡기 통로 (3) 에 EGR 통로 (11) 를 통해 접속되며, EGR 통로에는 EGR 쿨러 (12) 및 EGR 밸브 (13) 가 제공된다.
NOx 촉매 (8) 가 제공되는 개소에서의 배기 가스의 공연비는 배기 공연비로불릴 수도 있으며, NOx 촉매 (8) 의 온도는 엔진 제어 유닛 (ECU)(15) 에 의해 제 어된다. ECU (15) 는 실린더 (2) 에 연료를 분사하기 위한 연료 분사 밸브 (16), 연료 분사 밸브 (16) 에 공급되는 연료 압력이 저장되는 커먼 레일 (17) 의 압력 조정 밸브, 또는 전술한 스로틀 밸브 (7), 및 EGR 밸브 (13) 와 같은 각종 장치를 조작함으로써 엔진의 운전 상태를 제어하는 공지의 컴퓨터 유닛이다. ECU (15) 는 실린더 (2) 에 흡입되는 공기와 연료 분사 밸브 (16) 로부터 첨가되는 연료와의 질량비로서 설정된 공연비가 소정의 목표 공연비로 제어되도록 연료 분사 밸브 (16) 의 연료 분사 작동을 제어한다. 통상의 작동 상태에서, 목표 공연비는, 이론 공연비에서의 공기량보다 큰 상태인 희박 상태로 제어된다. NOx 촉매 (8) 에 흡장된 NOx 량이 소정량 이상으로 판정된다면, 배기 공연비가 소정의 주기에서 일시적으로 농후 상태 (리치 스파이크) 로 되도록 연료 분사 밸브 (16) 의 작동이 제어되어, NOx 촉매 (8) 에 흡장되었던 NOx를 환원시킨다. ECU는 공연비 제어 유닛으로서 배기 공연비를 제어한다. ECU (15) 는 다른 장치 (도시하지 않음) 를 제어하도록 구성되어 있다. 엔진 (1) 에는 전술한 각종의 제어 루틴를 실행하기 위한 검출 유닛으로서 배기 가스 온도 센서 및 공연비 센서 (도시하지 않음) 등의 각종의 센서가 제공된다.
황 농도 센서 (10) 의 일례가 도 2 및 도 3 을 참조로 하여 설명된다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 황 농도 센서 (10) 는 배기 가스중의 SOx 농도를 검출하는 SOx 농도 검출 유닛 (20) 및 배기 가스중의 SOx 농도 및 H2S 농도의 합계 농도를 검출하는 합계 농도 검출 유닛 (21) 을 포함한다. 도 3 의 (a) 는 SOx 농 도 검출 유닛 (20) 이 SOx 농도를 어떻게 검출하는지를 나타내며, 도 3 의 (b) 는 합계 농도 검출 유닛 (21) 이 합계 농도를 어떻게 검출하는지를 각각 나타내고 있다. 도 3 의 (a) 에 나타내는 바와 같이, SOx 농도 검출 유닛 (20) 은 산소 이온 전도체 (22) 의 일측 면에 부 전극 (23) 및 검출 전극 (24) 을 포함하고, 산소 이온 전도체 (22) 의 타측 면에 기준 전극 (25) 을 포함한다. 예컨대, 이트리아 안정화 지르코니아가 산소 이온 전도체 (22) 로서 사용되고, 황산염이 부 전극 (23) 으로서 사용되고, 은(Ag)이 검출 전극 (24) 으로서 사용되며, 백금(Pt)이 기준 전극 (25) 으로서 각각 사용된다. 황산염에는, 바람직하게는 황산은(Ag2SO4)과 황산바륨(BaSO4)의 혼합염으로 형성된다. 부 전극 (23) 의 응답 반응에는 황산은이 관여하고, 안정화를 위해 황산바륨이 첨가된다. 검출 전극 (24) 의 응답 반응에는 금속은이 관여한다. 바람직하게는, 전극 강도의 향상를 위해서는 은도금된 백금이 사용된다.
SOx 농도 검출 유닛 (20) 에 의해 실행된 검출에 대해 설명한다. SOx 농도 검출 유닛 (20) 으로 도입된 황산화물(SOx, 대부분은 2산화황(SO2))의 대부분은 산화 촉매 (27A) 에 의해 3산화황(SO3)으로 산화된다. 3산화황(SO3)은 검출 전극 (24) 의 금속은과 반응하여 금속은으로부터 전자의 방출을 야기한다. 잔류 은 이온(Ag+)은 부 전극 (23) 으로 이동한다. 검출 전극 (24) 으로부터 방출된 전자는 외부 회로 (26) 를 경유하여 기준 전극 (25) 에 도입된다. 기준 전극 (25) 에서, 전자가 산소(O2)와 결합되어 산소 이온(O2-)이 발생된다. 산소 이온은 산소 이온 전도체 (22) 를 통과하여 부 전극 (23) 을 향해 이동한다. 은이온과 산소 이온이 부 전극 (23) 상에서 SO3 에 의해 황산은으로 반응된다. 전술한 반응은 산소 분압이 일정한 조건 하에서 검출 전극 (24) 과 기준 전극 (25) 사이에서 기전력을 발생시킨다. SOx 농도는 기전력을 측정함으로써 검출된다. 산화력이 약한 산화 촉매를 통과한 H2S는 거의 산화되지 않는다. 그 결과, SOx 농도 검출 유닛 (20) 에서의 기전력은 H2S 농도를 반영하지 않는다.
도 3 의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 합계 농도 검출 유닛 (21) 은 산화력이 약한 촉매 (27A) 대신에 H2S 에 대한 산화 촉매 활성을 갖는 산화력이 강한 산화 촉매 (27B) 를 포함한다. 그 밖의 구조는, 합계 농도 검출 유닛 (21) 이 SO2 및 H2S 를 산화 촉매 (27B) 를 통해 SO3 로 형성되고, 이렇게 생성된 SO3 와, 배기 가스중에 함유된 SO3 는 부 전극 (23) 상의 은이온과 검출 전극 (24) 상의 은금속에 의해 반응되어, 배기 가스중의 SOx와 H2S 농도의 합계 농도에 대응한 기전력을 발생시키는 점을 제외하고는 SOx 농도 검출 유닛 (20) 과 동일하다. 황 농도 센서 (10) 는 검출 유닛 (20, 21) 에서 검출된 기전력 사이의 차를 검출함으로써, 배기 가스중의 H2S의 농도를 검출한다. 산화 촉매 (27A, 27B) 사이의 산화력의 차이는 촉매로서의 백금(Pt)의 밀도, 촉매 (27A, 27B) 의 용량을 상이하게 하거나, 또 는 촉매 (27A, 27B) 를 형성하기 위해 상이한 재료를 사용함으로써 실현될 수 있다. 더욱 자세하게는, 산화력이 약한 촉매 (27A) 의 Pt 밀도는 작아지고, 즉 Pt 담지양이 더 작아진다. 산화력이 강한 촉매 (27B) 의 Pt 밀도는 커지며, 즉 Pt 담지양이 더 커진다. 선택적으로는, 촉매 (27A, 27B) 의 Pt 밀도를 동일하게 유지하면서 촉매 (27A) 의 용량을 작게 하고, 촉매 (27B) 의 용량을 크게 할 수도 있다.
촉매 (27A) 로서 산화력이 약한 촉매 물질 (예컨대, 팔라듐(Pd)) 이 사용될 수도 있고, 촉매 (27B) 로서 산화력이 강한 촉매물질 (예컨대, 백금(Pt)) 이 사용될 수도 있다. 산화력이 약한 촉매 (27A) 의 온도가 산화력이 강한 촉매 (27B) 의 온도보다도 낮게 제어를 실행하는 것은 촉매 (27A) 의 산화력과 촉매 (27B) 의 산화력을 차별화할 수 있다. 전술한 방법을 결합함으로써 촉매 (27A, 27B) 의 산화력을 차별화해도 된다. 황 농도 센서 (10) 에서는, SOx 농도 및 합계 농도 모두를 검출하는데 산소가 사용된다. 따라서, 반응에 충분한 산소를 포함하는 공기(신기) 가, 배기 공연비를 농후 상태로 제어하기 위한 S 피독 재생처리중에서도 이들의 농도를 확실하게 검출하도록 검출 유닛 (20, 21) 에 공급될 수도 있다. H2S 에 대한 산화 촉매 활성을 갖는 전극이 산화 촉매 (27B) 로서 사용될 수도 있다. 황 농도 센서 (10) 에는 그 온도를 소정의 반응 범위로 유지하기 위한 히터 등의 온도 제어 유닛이 제공될 수도 있다.
NOx 촉매 (8) 가 배기 가스에 함유된 황 성분에 의해 피독 (S-피독) 됨에 따 라, 배기 가스 제어 성능이 서서히 저하된다. ECU (15) 는, 촉매 (8) 에 유입된 황 성분량(S 량)의 적산치가 촉매 (8) 의 정화 성능을 저하킬 수도 있는 소정량 이상이 된 것으로 판정된 경우, 촉매 (8) 로부터 황 성분이 방출되어 가스 제어 성능을 재생시키는 S- 재생 처리를 한다. 촉매 (8) 로 유입하는 S 량은 엔진 (1) 에 공급된 연료량과 이 연료에 포함되는 것으로 가정되는 S 농도 (예상 농도) 에 기초하여 연산된다. 예상 S 농도와 엔진 (1) 에 공급된 연료의 실제 S 농도와의 오차가 비교적 커서, 촉매 (8) 의 S 피독 레벨의 추정 정밀도가 저하되며, S 재생 처리는 적절하게 실시되지 않을 수 있다. ECU (15) 는 연료에 함유된 황 농도가 얻어지도록 도 4 의 플로우차트에 의해 도시된 바와 같이 연료 중의 황 농도를 판정하는 제어 루틴을 실행한다. 도 4 에 도시된 제어 루틴은 엔진 (1) 의 운전 중에 소정의 주기로 반복 실행된다. 이 경우, ECU (15) 는 황 농도 추정 유닛으로서 도 4 에 도시된 제어 루틴을 실행한다.
도 4 에 도시된 제어 루틴의 플로우차트에 대해 언급하면, 우선 단계 S11에서, 엔진 (1) 이 리치 스파이크 제어 하에 있는지의 여부가 판정된다. ECU (15) 는 다른 루틴에서 엔진 (1) 에 공급된 연료량 및 흡입 공기량에 기초하여 NOx 촉매 (8) 에 유입하는 NOx 량을 추정한다. 추정된 NOx 량이 적산되어, NOx 촉매 (8) 에 흡장된 NOx 량이 추정된다. ECU (15) 는 NOx 흡장량 추정 유닛으로서 NOx 촉매 (8) 에 흡장된 NOx 량을 추정한다. 리치 스파이크 제어는 NOx 흡장량의 적산치가 소정치 이상으로 판정된 경우에 실행된다. 소정치는 배기 가스 제어 성능이 저하될 때 검출된 NOx 량으로 설정될 수도 있다. 리치 스파이 크 제어가 실시되지 않는 것으로 판정된 경우는, 제어 루틴이 종료한다. 한편, 리치 스파이크 제어가 실시되는 것으로 판정된 경우는 처리는 단계 S12 로 진행하고, ECU (15) 는 배기 가스 중의 SOx 및 H2S의 합계 농도를 취득한다. 합계 농도의 검출값가 넓게 변한다면, 검출값가 안정화 될 때까지 검출이 복수 회 실행될 수도 있다. 도 5 는 리치 스파이크 제어 하에서 합계 농도의 시간 경과에 따른 변화의 일례를 나타낸다. 또, 도 5 의 (a) 는 배기 공연비의 시간변화를, 도 5 의 (b) 는 연료 중의 황 농도가 높은 경우의 합계 농도의 시간변화를, 도 5 의 (c) 는 연료 중의 황 농도가 낮은 경우의 합계 농도의 시간변화를, 각각 나타내고 있다. 도 5 의 (b), 도 5 의 (c) 에서 분명한 바와 같이, 배기 공연비가 농후 상태로 변화된다면, 배기 가스중의 합계 농도가 검출된다.
단계 S13 에서, ECU (15) 는 취득한 합계 농도에 기초하여 연료에 함유되는 황의 농도를 추정한다. 이후, 이 연료의 추정 황 농도가 연료의 예상 S 농도와 같은지의 여부를 판정한다. 엔진 (1) 의 빈 연료 탱크 (도시하지 않음) 에 공급된 연료 (경유) 가 황 농도가 소정의 범위 내가 되도록 이루어진 경우, 이러한 황 농도는 연료의 예상 S 농도의 초기치로서 설정될 수도 있다. 취득된 합계 농도의 값은, 리치 스파이크 제어의 실행 이전에 공연비 또는 촉매 (8) 에 흡장되었던 산소량에 따라서 변경될 수도 있다. 단계 S13에서는, 합계 농도가 연료의 예상 S 농도로부터 유도된 합계 농도를 중심값으로 하여 상한치와 하한치와의 사이의 허용범위 내에 있다면, 추정 연료 황 농도는 연료의 예상 S 농도와 같다고 판정 될 수도 있다.
추정 연료 황 농도가 연료의 예상 S 농도와 같은 것으로 판정된다면, 제어 루틴을 종료한다. 한편, 추정 연료 황 농도가 연료의 예상 S 농도와 같지 않은 것으로 판정된다면, 처리는 단계 S14 로 진행하여, ECU (15) 가 NOx 촉매 (8) 의 온도가 소정 온도 이상인지의 여부를 판정한다. NOx 촉매 (8) 의 온도는 엔진 (1) 의 운전 상태에 따라서 ECU (15) 에 의해 추정될 수도 있으며, 또는 온도센서에 의해 추정될 수도 있다. 전술한 경우에, ECU (15) 는 촉매 온도 검출 유닛으로서 엔진의 운전 상태에 따라서 NOx 촉매 (8) 의 온도를 추정한다. 촉매 (8) 에 흡장되어 있던 황 성분이 탈리 (desorbing) 를 시작하는 온도가 소정 온도로서 설정된다. 촉매 온도가 소정 온도 이상인 것으로 판정된다면, 제어 루틴을 종료한다. 한편, 촉매 온도가 소정 온도 이상이 아닌 것으로 판정된다면, 처리는 단계 S15 로 진행하여, ECU (15) 가 연료의 예상 S 농도를 변경한다. 이 경우, 예컨대, 단계 S13 에서 추정되었던 추정 연료 황 농도가 연료의 예상 S 농도로 치환된다. ECU (15) 는 상술한 S 재생 처리를 실시하는 시기를 판정하기 위해서, 다른 루틴에 의해서 촉매 (8) 로 유입한 S 량의 적산치를 카운트하여, 촉매 (8) 의 S 피독 레벨을 추정한다. 예컨대, NOx 촉매 (8) 에 유입한 S 량의 카운터값은 추정 연료 황 농도, 추정 연료 황 농도와 연료의 예상 S 농도와의 차 등에 따라서 보정된다. 그 후, 제어 루틴을 종료한다.
도 4 에 도시된 제어 루틴을 실행함으로써, 합계 농도에 따라서 연료에 함유되어 있는 황의 농도를 정확하게 추정할 수 있다. 따라서, NOx 촉매 (8) 의 S 피독량을 보다 정확히 파악할 수 있다. NOx 촉매 (8) 는 배기 에미션의 악화를 방지하기 위해 S 재생 처리된다. 연료의 예상 S 농도는 추정한 연료 황 농도와 연료의 예상 S 농도가 같지 않다고 판정된다면, 즉시 변경되지 않아도 된다. 예컨대, 복수회의 추정을 통해 얻어진 평균 황 농도 조성이 연료의 예상 S 농도와 상이한 것으로 판정된다면, 연료의 예상 S 농도가 변경될 수도 있다. 연료의 예상 S 농도의 변경을 판정하기 위한 기준치가 도 6 에 도시된 허용 범위와는 별도로 제공될 수도 있다. 추정 연료 황 농도가 연료의 예상 S 농도보다도 기준치이상 만큼 벗어나 있는 것으로 판정된다면, 연료의 예상 S 농도가 변경될 수도 있다. 연료의 예상 S 농도의 변경이 전술한 처리에 따라 판정되어 연료의 예상 S 농도의 잘못된 변경을 방지할 뿐만아니라 S 피독량의 추정 정확도를 향상시킨다.
ECU (15) 를 황 농도 추정 유닛으로서 기능시키기 위한 제어 루틴의 다른 예가 도 7 을 참조로 하여 설명된다. 이 루틴은 엔진 (1) 의 운전중에 소정의 주기로 반복 실행된다. 도 4 의 제어 루틴과 동일의 처리에는 동일한 참조 부호를 붙이며, 그에 대한 설명은 생략한다.
도 7 에 도시된 제어 루틴의 플로우차트를 참조하면, ECU (15) 는 단계 S11에서 리치 스파이크 제어가 실행중인지 아닌지의 여부를 판정한다. 리치 스파이크 제어가 실행중인 것으로 판정된다면, 처리는 단계 S 21 및 이하의 스텝으로 진행한다. 한편, 리치 스파이크 제어가 실행중이지 않은 것으로 판정된다면, 제어 루틴을 종료한다. ECU (15) 는 연료 중의 황 농도를 판정하는 판정 요구가 수신되었는지의 여부를 판정한다. 판정 요구는 엔진 (1) 을 탑재한 차량의 주행 거리에 따라서 이루어질 수도 있고, 또는 엔진 (1) 에 의해 소비된 연료량에 따라서 이루어질 수도 있다. 이들 값이 소정량 카운트된 시점마다 판정 요구가 발생하여, 일정한 주기로 연료 중의 황 농도를 추정할 수 있다. 연료가 연료 탱크 (도시하지 않음) 에 공급된다면, 연료 중의 황 농도가 변하여, 따라서, 판정 요구가 이루어질 수도 있다. 판정 요구가 없는 것으로 판정된다면, 제어 루틴을 종료한다. 한편, 판정 요구가 있는 것으로 판정된다면, 처리는 단계 S 22 로 진행하고, ECU (15) 는 배기 공연비를 농후 상태에 변화시키는 농후 변화량을 증가시킨다. 계속되는 단계 S12 이후, 도 4 에 도시된 제어 루틴과 같은 처리가 실행된다. 그 후 제어 루틴을 종료한다.
이하, 농후 변화량의 증가에 관해서 설명한다. NOx 촉매 (8) 의 하류의 배기 공연비가 농후 상태로 변화하는 시간은 NOx 촉매 (8) 에 흡장된 산소량에 따라 리치 스파이크 제어 하에 배기 공연비에서의 변화에 따라 짧아 질수도 있다. 연료 중의 황 농도가 추정될 때, 공연비의 농후 변화량이 리치 스파이크 제어 하에 있는 경우보다도 커지도록 증가되어, NOx 촉매 (8) 의 하류의 배기 공연비가 농후 상태로 되고, 또한 합계 농도가 검출된다. 도 8 의 (a) 내지 도 8 의 (c) 는 농후 변화량을 증가시킨 경우의 NOx 촉매 (8) 의 상류측 및 하류측에서의 배기 공연비의 시간변화의 일례를 각각 나타낸다. 더욱 자세하게는, 도 8 의 (a) 는 배기 공연비가 리치 스파이크 제어 하에 있는 경우에서 보다 더 농후한 상태로 변화된 경우의 NOx 촉매 (8) 의 상류측 및 하류측에서의 배기 공연비의 시간변화의 일례를 도시한다. 도 8 의 (b) 는 배기 공연비가 리치 스파이크 제어 하에 있 는 경우에서 보다 더 긴 시간 동안 농후 상태로 유지된 경우의 NOx 촉매 (8) 의 상류측 및 하류측에서의 배기 공연비의 시간변화의 일례를 도시한다. 도 8 의 (c) 는 리치 스파이크 제어 하에서 NOx 촉매 (8) 의 상류측 및 하류측에서의 배기 공연비의 시간변화의 일례의 비교예를 도시한다. 농후 변화량의 증가는 도 8 의 (a) 에 나타낸 바와 같이 농후 상태로의 공연비에서의 변화량을 증가시킴으로써 이루어질 수도 있고, 또는 도 8 의 (b) 에 나타낸 바와 같이 농후 상태로 배기 공연비를 유지하는 시간을 더 길게 유지하기 위해 취해지는 시간을 증가시킴으로써 이루어질 수도 있다. 선택적으로는, 도 8 의 (a) 및 도 8 의 (b) 에 도시된 처리가 조합될 수도 있다. 도 8 의 (a) 에 나타낸 바와 같이, NOx 촉매 (8) 의 상류측의 배기 공연비가 리치 스파이크 제어 하에 있는 경우보다 더 농후한 상태로 변화될 때, 배기 공연비를 농후 상태로 유지하는 시간이 일정하게 유지될지라도 NOx 촉매 (8) 의 하류측의 배기 공연비를 농후 상태로 되게 하는 시간이 증가될 수도 있다. 농후 변화량이 증가함에 따라, 황 농도 센서 (10) 는 합계 농도를 검출할 수도 있다. 도 8 의 (b) 에 나타낸 바와 같이, 배기 공연비를 농후 상태로 유지하는 시간이 증가되면, 배기 공연비가 농후 상태로 변화하는 것을 억제하면서, NOx 촉매 (8) 의 하류측의 배기 공연비를 농후 상태로 되게 하는 시간이 얻어질 수도 있다. 배기 공연비를 농후 상태로 유지하는 시간이 증가됨에 따라, 엔진 (1) 의 작동 변화를 억제하면서 NOx 촉매 (8) 의 하류측의 배기 공연비를 농후 상태로 되게 할 수도 있다. ECU (15) 는 농후량 증가 유닛으로서 배기 공연비에서의 농후 변화량을 증가시킨다.
도 9 는 농후 변화량을 증가시킨 경우의 합계 농도의 시간 변화의 일례를 나타낸다. 도 9 의 (a) 는 배기 공연비의 시간변화의 일례를 나타내며, 도 9 의 (b) 는 합계 농도의 시간 변화의 일례를 각각 나타내고 있다. 도 9 를 참조하면, 시간 T1 에서는, 배기 공연비의 농후 상태로의 변화량이 증가되며 (도 8 의 (a)), 시간 T2 에서는, 배기 공연비의 농후 상태로의 유지를 위한 시간이 증가되어(도 8 (b)), 농후 변화량을 증가시킨다. 도 9 로부터 분명한 바와 같이, 농후 상태로의 배기 공연비의 변화량이 증가되어 NOx 촉매 (8) 의 하류측을 통과하는 배기 가스의 황 성분을 증가시키며, 따라서 합계 농도의 검출값를 증가시킨다. 이는 연료의 황 농도를 보다 정확하게 추정할 수 있게 한다. 배기 공연비의 농후 상태로의 유지 시간이 증가되어, 합계 농도를 검출하고 있는 시간을 증가시키며, 이는 합계 농도를 정확하게 검출할 수 있게 한다.
연료 중의 황 농도가 추정되는 경우에 농후 변화량이 증가된다. 이는 합계 농도의 검출 정확도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 연료 중의 황 농도가 더욱 정확하게 추정될 수도 있다.
본 발명은 전술한 실시형태에 한정되지 않고, 여러 가지의 형태로 실현될 수도 있다. 예컨대, 본 발명은 디젤 엔진뿐만 아니라, 가솔린 또는 그 밖의 연료를 이용하는 각종 내연 기관에 적용될 수도 있다. 배기 통로에 제공된 배기 촉매는 흡장환원형의 NOx 촉매로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 삼원 촉매 (three-way catalyst) 등 다른 배기 촉매가 제공된 내연 기관에도 적용될 수도 있다. 예컨대, 배기 공연비가 희박 상태에 있는 경우에, 엔진으로부터 배출된 배 기 가스 중의 황 성분이 황산염에 의해 산화되어 삼원 촉매에 부착된다. 따라서, 연료의 황 농도가 전술한 경우에 정확하게 추정될 수 있다.
연료의 황 농도를 추정하는 루틴이 실행되는 시기는 리치 스파이크 제어 중으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 황 농도는 엔진이 고부하로 운전되는 시기에 추정될 수도 있다. 전술한 시기에서는, 스로틀 밸브의 개방도가 크게 설정되어, 배기 공연비가 장시간 동안 농후 상태로 유지된다. 따라서, 합계 농도가 정확하게 검출될 수도 있다.
전술한 형태에서는, 황 농도 센서는 SOx 농도를 검출하는 SOx 농도 검출 부분과 합계 농도를 검출하는 합계 농도 검출 부분을 동시에 갖도록 구성되어 있다. 황 농도 센서는, 농도를 검출하는 전술한 작동이 적당한 주기로 교대로 실행되도록 구성될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 흡장환원형의 NOx 촉매는 NOx 에 임의의 기구 예컨대, 흡수, 흡착 또는 어느 것으로도 유지될 수 있다. SOx의 피독 및 NOx 또는 SOx의 방출은 본 명세서에서 특별히 기입하지 않는다. 본 발명에 있어서 내연 기관의 운전상태의 제어는 실린더 내에서의 연소 제어에 관한 제어로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 배기 통로에서의 연료 첨가나 공기의 첨가와 같은 실린더 이외의 부분에서 실행되는 제어가 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 내연 기관의 배기 통로 (4) 에 배치된 배기 촉매;
    상기 배기 촉매를 통과한 배기 가스에 함유된 황산화물 및 황화수소의 합계 농도를 검출할 수 있으며, 또한 상기 황산화물의 농도를 검출할 수 있는 농도 검출유닛 (10); 및
    배기 가스가 이론 공연비 또는 농후 공연비 중 하나인 것으로 판정되는 경우, 상기 농도 검출 유닛 (10) 의 검출값에 따라서 연료 중의 황 농도를 추정하는 황 농도 추정 유닛 (15) 을 구비한 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 배기 가스의 공연비를 이론 공연비 상태 또는 농후 공연비 상태 중 하나로 제어하는 공연비 제어 유닛 (15) 을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 공연비 제어 유닛 (15) 은 소정의 주기로 배기 가스의 공연비를 일시적으로 농후 상태로 되게 하는 리치 스파이크 제어를 실시하며,
    상기 공연비 제어 유닛 (15) 은 배기 가스의 공연비를 상기 리치 스파이크 제어 하에서의 시간보다 더 긴 시간 동안 농후 상태로 유지하는 제어, 또는 배기 가스의 공연비를 상기 리치 스파이크 제어 하에서의 상태 보다 더 농후한 상태로 되게하는 제어 중 적어도 어느 하나의 제어를 실시하는 농후량 증가 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 제어 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 배기 촉매는 흡장환원형의 NOx 촉매 (8) 를 구비하며, NOx 흡장량 추정 유닛 (15) 이 상기 NOx 촉매 (8) 에 흡장된 NOx 량을 추정하기 위해 제공되며, 상기 공연비 제어 유닛 (15) 은 상기 NOx 흡장량 추정 유닛에 의해 추정된 NOx 흡장량이 소정량 이상으로 판정된 경우에 배기 가스의 공연비를 이론 공연비 또는 농후 공연비 중 어느 하나로 제어하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 제어 장치.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 배기 촉매의 온도를 검출하는 촉매 온도 검출 유닛 (15) 을 구비하며, 상기 황 농도 추정 유닛은, 상기 촉매 온도 검출 유닛 (15) 에 의해 검출된 온도가 소정 온도 이상인 것으로 판정된 경우에 연료에 함유되는 황 농도의 추정을 금지하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 제어 장치.
  6. 내연 기관의 배기 통로 (4) 에 배치된 배기 촉매, 상기 배기 촉매를 통과한 배기 가스에 함유된 황산화물 및 황화수소의 합계 농도를 검출할 수 있으며, 또한 상기 황산화물의 농도를 검출할 수 있는 농도 검출 유닛 (10) 을 구비하는 내연 기관용 배기 가스 제어 방법에 있어서,
    연료 중의 황 농도가 배기 가스가 이론 공연비 또는 농후 공연비 중 하나인 것으로 판정되는 경우, 상기 농도 검출 유닛 (10) 의 검출값에 따라서 추정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 배기 가스의 공연비는 이론 공연비 상태 또는 농후 공연비 상태 중 하나로 제어되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 배기 가스의 공연비를 일시적으로 농후 상태로 되게 하는 리치 스파이크 제어가 소정의 주기로 실시되며, 배기 가스의 공연비를 상기 리치 스파이크 제어 하에서의 시간보다 더 긴 시간 동안 농후 상태로 유지하는 제어, 또는 배기 가스의 공연비를 상기 리치 스파이크 제어 하에서의 상태 보다 더 농후한 상태로 되게 하는 제어 중 적어도 어느 하나의 제어가 실시되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 제어 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 배기 촉매로서 제공된 NOx 촉매 (8) 에 흡장된 NOx 량이 추정되며, 배기 가스의 공연비는 추정된 NOx 의 흡장량이 소정량 이상으로 판정된 경우에 이론 공연비 또는 농후 공연비 중 어느 하나로 제어되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 제어 방법.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 배기 촉매의 온도가 검출되며, 연료 중의 황 농도의 추정은 검출된 온도가 소정 온도 이상인 것으로 판정된 경우에 금지되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 배기 가스 제어 방법.
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