KR100878747B1 - 내연기관 - Google Patents

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KR100878747B1
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고헤이 요시다
다카미츠 아사누마
신야 히로타
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

기관배기통로에는, SOx 포획 촉매(11), NOx 흡장 환원 촉매를 지닌 입자상필터(13)와 NOx 흡장 환원 촉매(15)로 이루어진 후처리유닛 및 상기 후처리유닛에 후처리용 연료를 공급하기 위한 연료공급밸브(17)가 배치되어 있다. 여하한의 촉매의 열화도가 소정의 열화도를 초과하면, 후처리용 연료를 공급하는 방법은, 배기가스정화에 필요한 후처리용 연료가 최저 열화도의 촉매에 공급되도록 재설정되어, 상기 최저 열화도의 촉매가 배기가스의 정화 작용을 처리하도록 한다.

Description

내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관에 관한 것이다.
배기가스의 후처리시스템이 기관배기통로 내에 직렬로 배치된 복수의 배기정화촉매로 이루어지고, 각각의 촉매의 열화도(a degree of degradation)를 찾아, 전체로서 상기 후처리시스템의 열화도를 상기 촉매들에서 찾은 열화도로부터 찾는 내연기관이 종래기술로 공지되어 있다(예컨대, 일본특허공보(A) 제2004-76681호 참조).
하지만, 이 경우 양호한 배기정화작용을 보장하기 위해서는, 상기 촉매들 가운데 최저 열화도를 갖는 촉매가 배기가스의 정화 작용을 처리하도록 해야 한다. 다시 말해, 예컨대 배기가스 내의 유해성분을 처리할 때 후처리용 연료를 공급하는 경우, 최저 열화도를 갖는 촉매가 배기가스의 정화 작용을 처리하도록 한다면, 양호한 배기정화작용이 보장될 수 있고, 또한 후처리용 연료의 소비량도 감소시킬 수 있다. 하지만, 상기 내연기관에서는 이것이 전혀 고려되지 않고 있다.
본 발명의 목적은 양호한 배기정화작용을 보장하여 연료 소비량을 줄일 수 있는 내연기관을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 배기가스의 후처리시스템이 기관배기통로 내에 배치되고, 배기가스 내의 유해성분을 처리하기 위한 후처리용 연료가 상기 후처리시스템에 공급되며, 후처리용 연료를 공급하는 방법이 미리 설정된 내연기관에 있어서, 상기 후처리시스템은 상기 배기통로 내에 직렬로 배치된 복수의 배기정화촉매를 구비하고, 여하한의 촉매가 소정의 열화도(degree of degradation)를 초과하는 열화도를 갖는 경우, 상기 후처리용 연료를 공급하는 방법은, 상기 배기가스의 정화에 필요한 후처리용 연료가 최저 열화도를 갖는 촉매 안으로 공급될 수 있어, 상기 최저 열화도를 갖는 촉매가 상기 배기가스의 정화 작용을 처리하도록 재설정되는 것을 특징으로 하는 내연기관이 제공된다.
도 1은 연소점화식 내연기관의 개요도;
도 2는 입자상 필터의 구조를 도시한 도면;
도 3은 NOx 흡장/환원촉매의 촉매 캐리어의 표면부의 단면도;
도 4는 SOx 포획 촉매의 촉매 캐리어의 표면부의 단면도;
도 5는 흡장된 NOx 양(NOXA)의 맵을 도시한 도면;
도 6은 입자상 필터의 승온제어 및 NOx 방출제어를 도시한 타임차트;
도 7은 연료공급밸브로부터 연료를 첨가하기 위한 처리를 도시한 타임차트;
도 8은 연료공급밸브로부터 연료를 첨가하기 위한 처리를 도시한 타임차트;
도 9는 연료공급밸브로부터 연료를 첨가하기 위한 처리를 도시한 타임차트;
도 10은 후처리시스템의 제어를 위한 흐름도; 및
도 11은 연소점화식 내연기관의 또다른 실시예를 도시한 개요도이다.
* 참조 부호 목록 *
4 흡기매니폴드
5 배기매니폴드
7 배기터보차저
11 SOx 포획 촉매
13 입자상 필터
15 NOx 흡장/환원촉매
17 연료공급밸브
도 1은 연소점화식 내연기관의 개요도를 보여준다.
도 1을 참조하면, 1은 기관본체, 2는 실린더의 연소실, 3은 연소실(2) 안으로 연료를 분사하기 위한 전자제어식 연료분사장치, 4는 흡기매니폴드 및 5는 배기매니폴드를 나타낸다. 상기 흡기매니폴드(4)는 흡기덕트(6)를 통해 배기터보차저(7)의 컴프레서(7a)의 출구에 연결되는 한편, 상기 컴프레서(7a)의 입구는 에어클리너(8)에 연결된다. 상기 흡기덕트(6)는 그 내부에 배치된 스텝모터에 의해 구동되는 스로틀밸브(9)를 구비한다. 또한, 흡기덕트(6) 주위에는, 상기 흡기덕트(6)의 내부를 통과하는 흡기를 냉각하기 위한 냉각시스템(10)이 배치되어 있다. 도 1에 도시된 실시예에서는, 기관냉각수가 냉각시스템(10) 안으로 유도되어, 상기 기관냉각수가 흡기를 냉각시키게 된다.
다른 한편으로, 배기매니폴드(5)는 배기터보차저(7)의 배기터빈(7b)의 입구에 연결되는 한편, 상기 배기터빈(7b)의 출구는 SOx 포획 촉매(11)의 입구에 연결된다. 또한, 상기 SOx 포획 촉매(11)의 출구는 배기관(12)을 통해 입자상 필터(13)의 입구에 연결된다. 상기 입자상 필터(13)의 출구는 배기관(14)을 통해 NOx 흡장/환원촉매(15)에 연결된다. 상기 배기관(12)에는 배기관(12)의 내부를 통과하는 배기가스에 후처리용 연료를 공급하기 위한 연료공급밸브(17)가 제공된다. 또한, 배기관(12, 14) 및 NOx 흡장/환원촉매(15)의 출구에 연결된 배기관(16) 각각의 내부에는, 공연비센서, O2 센서, NOx 센서 또는 SOx 센서로 이루어진 센서(18, 19, 20)들이 배치되어 있다.
상기 배기매니폴드(5) 및 흡기매니폴드(4)는 배기가스순환(이하, "EGR"이라 함)통로(21)를 통해 연결된다. 상기 EGR 통로(21)는 그 내부에 배치된 전자제어식 EGR 제어밸브(22)를 구비한다. 또한, 상기 EGR 통로(21) 주위에는 EGR 통로(21)를 통과하는 EGR 가스를 냉각하기 위한 냉각시스템(23)이 배치되어 있다. 도 1에 도시된 실시예에서는, 기관냉각수가 냉각시스템(23) 안으로 유도되어, 상기 기관냉각수가 EGR 가스를 냉각하게 된다. 다른 한편으로, 각각의 연료분사장치(3)는 연료공급관(24)을 통해 공통 레일(25)에 연결된다. 이러한 공통 레일(25)에는 전자제어식 배출량가변연료펌프(26)로부터 연료가 공급된다. 상기 공통 레일(25) 안으로 공급되는 연료는 각각의 연료공급관(24)을 통해 연료분사장치(3)로 공급된다.
전자제어유닛(30)은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, ROM(read only memory)(32), RAM(random access memory)(33), CPU(마이크로프로세서)(34), 입력포트(35) 및 출력포트(36)와 같은 양방향 버스(31)를 통해 서로 연결된 구성요소들이 제공된다. 상기 센서(18, 19, 20)들의 출력 신호는 대응하는 AD 컨버터(37)를 통해 입력포트(35)로 입력된다. 또한, 상기 입자상 필터(13)는 거기에 부속되는 입자상 필터(13) 전후의 차동 압력을 검출하기 위한 차동압력센서(27)를 구비한다. 이러한 차동압력센서(27)의 출력 신호는 대응하는 AD 컨버터(37)를 통해 입력포트(35)로 입력된다.
액셀러레이터 페달(40)은 그것에 연결된 액셀러레이터 페달(40)을 밟는 정도(L)에 비례하는 출력 전압을 생성하는 부하센서(41)를 구비한다. 상기 부하센서(41)의 출력 전압은 대응하는 AD 컨버터(37)를 통해 입력포트(35)로 입력된다. 또한, 상기 입력포트(35)는 그것에 연결된 크랭크축이 예컨대 15°만큼 회전할 때마다 출력 펄스를 생성하는 크랭크각센서(42)를 구비한다. 다른 한편으로, 상기 출력포트(36)는 대응하는 구동회로(38)를 통해 각각의 연료분사장치(3), 스로틀밸브(9)구동용 스텝모터, 연료공급밸브(17), EGR 제어밸브(22) 및 연료펌프(26)에 연결된다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, NOx 흡장/환원촉매(15)의 상류측에 배치된 입자상 필터(13) 또한 NOx 흡장/환원촉매를 지닌다. 그러므로, 우선, 입자상 필터(13)의 구조를 설명한 다음, NOx 흡장/환원촉매(15) 및 상기 입자상 필터(13) 상에 있는 NOx 흡장/환원촉매를 설명하기로 한다.
도 2의 (a) 및 (b)는 NOx 흡장/환원촉매를 지니는 입자상 필터(13)의 구조를 보여준다. 도 2의 (a)는 입자상 필터(13)의 정면도인 한편, 도 2의 (b)는 입자상 필터(13)의 측단면도를 보여준다는 점에 유의한다. 도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 입자상 필터(13)는 허니콤 구조를 형성하고, 서로 병렬로 연장되는 복수의 배기유로(60, 61)가 제공된다. 이들 배기유로는 플러그(62)에 의해 폐쇄되는 하류 단부를 구비한 배기가스유입통로(60) 및 플러그(63)에 의해 폐쇄되는 상류 단부를 구비한 배기가스유출통로(61)로 이루어진다. 도 2의 (a)의 빗금친 부분은 플러그(63)를 도시한다는 점에 유의한다. 그러므로, 배기가스유입통로(60) 및 배기가스유출통로(61)는 얇은 격벽(64)을 통해 교대로 배치되어 있다. 다시 말해, 배기가스유입통로(60) 및 배기가스유출통로(61)는 4개의 배기가스유출통로(61)에 의해 둘러싸인 각각의 배기가스유입통로(60)와 4개의 배기가스유입통로(60)에 의해 둘러싸인 각각의 배기가스유출통로(61)로 배치된다.
상기 입자상 필터(13)는 예컨대 코디어라이트(cordierite)와 같은 다공질재료로 형성된다. 그러므로, 도 2의 (b)에 화살표로 도시된 바와 같이, 배기가스유입통로(60) 안으로 흐르는 배기가스는 둘러싸인 격벽(64)을 통과하여, 인접한 배기가스유출통로(61) 안으로 흐른다. 이러한 입자상 필터(13)에서는, NOx 흡장/환원촉매가 배기가스유입통로(60)와 배기가스유출통로(61)의 주변벽, 즉 격벽(64)의 두 면과 상기 격벽(64) 내의 세공의 내벽면 상에 있게 된다.
상기 입자상 필터(13) 상에 있는 NOx 흡장/환원촉매 및 NOx 흡장/환원촉매(15)에서는, 예컨대 알루미나로 이루어진 촉매 캐리어가 베이스부재 상에 있게 된다. 도 3은 상기 촉매 캐리어(45)의 표면부의 단면을 개략적으로 보여준다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 촉매 캐리어(45)의 표면은 그 위에서 확산되는 귀금속 촉매(46)를 지닌다. 또한, 상기 촉매 캐리어(45)의 표면에는 NOx 흡수제(47)의 층이 형성된다.
본 발명에 따른 실시예에 있어서는, 백금(Pt)이 귀금속 촉매(46)로 사용된다. NOx 흡수제(47)를 형성하는 성분으로는, 예컨대 칼륨(K), 나트륨(Na), 세슘(Cs), 및 기타 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 및 기타 알칼리 토류, 란탄(La), 이트륨(Y) 및 기타 희토류 중 하나 이상이 사용된다.
기관흡기통로, 연소실(2) 및 입자상 필터(13) 상류의 배기통로 안으로 공급되는 공연(탄화수소)의 비를 "배기가스의 공연비"라 한다면, 상기 NOx 흡수제(47)는 배기가스의 공연비가 린(lean)일 때 NOx를 흡장시키고, 배기가스 내의 산소의 농도가 떨어질 때, 즉 NOx의 흡장 및 환원 작용이 수행될 때 상기 흡장된 NOx를 환원시킨다.
즉, NOx 흡수제(47)를 형성하는 성분으로서 바륨(Ba)을 이용하는 경우를 일 례로 들어 설명하면, 배기가스의 공연비가 린일 때, 즉 배기가스 내의 산소의 농도가 높을 때, 상기 배기가스 내에 함유된 NO가 백금(Pt)(46) 상에서 산화되어, 도 3에 도시된 바와 같이 NO2가 된 다음, NOx 흡수제(47)에 흡수되어, 상기 NOx 흡수제(47)에서 질산이온(NO3 -)의 형태로 확산하면서 바륨산화물(BaO)과 결합한다. 이러한 방식으로, NOx가 NOx 흡수제(47)에 흡수된다. 배기가스 내의 산소 농도가 높기만 하면, NO2가 백금(Pt)(46)의 표면 상에 형성된다. NOx 흡수제(47)가 NOx 흡수력 에 포화되지 않는 한, NO2가 NOx 흡수제(47)에 흡수되고, 질산이온(NO3 -)이 생성된다.
이와는 반대로, 배기가스의 공연비를 리치(rich) 또는 이론(stoichiometric) 공연비를 만들기 위해 연료를 공급하도록 연료공급밸브(17)를 이용한다면, 상기 배기가스 내의 산소의 농도가 떨어져, 반응이 역방향으로 진행되므로(NO3 -→NO2), NOx 흡수제(47) 내의 질산이온(NO3 -)이 NOx 흡수제(47)로부터 NO2의 형태로 환원된다. 다음으로, 상기 환원된 NOx는 배기가스 내에 함유된 연소되지 않은 HC 및 CO로 환원된다.
배기가스의 공연비가 이러한 방식으로 린인 경우, 즉 린 공연비 하에 연소가 수행되면, 상기 배기가스 내의 NOx가 NOx 흡수제(47)에 흡수된다. 하지만, 린 공연비 하에 계속해서 연소가 수행된다면, NOx 흡수제(47)는 결국 그 NOx 흡수력에 있어 포화될 것이므로, NOx 흡수제(47)가 더 이상 NOx를 흡수할 수 없게 된다. 그러므로, 본 발명에 따른 실시예에서는, NOx 흡수제(47)가 흡수력에 있어 포화되기 전, 배기가스의 공연비를 일시적으로 리치로 만들어 NOx 흡수제(47)가 NOx를 환원시키도록 하기 위해 연료공급밸브(17)로부터 연료가 공급된다.
하지만, 배기가스는 SOx, 즉 SO2를 함유한다. 이러한 SO2가 입자상 필터(13) 및 NOx 흡장/환원촉매(15) 안으로 유동하면, 상기 SO2는 백금(Pt)(46)에서 산화되어 SO3가 된다. 다음으로, 상기 SO3는 NOx 흡수제(47)에 흡수되어, 안정된 황산염(BaSO4)을 형성하기 위해, NOx 흡수제(47) 내의 황산이온(SO4 2-)의 형태로 확산되면서 바륨산화물(BaO)과 결합한다. 하지만, NOx 흡수제(47)는 강염기성이므로, 상기 황산염(BaSO4)은 안정하고 분해되기 어렵다. 단지 배기가스의 공연비를 리치로 만듦으로써, 상기 황산염(BaSO4)이 분해되지 않고도 남아 있다. 그러므로, NOx 흡수제(47)에서는, 시간의 경과와 함께 황산염(BaSO4)이 증가하므로, 시간이 경과함에 따라, NOx 흡수제(47)가 흡수할 수 있는 NOx 양이 줄어든다.
그러므로, 도 1에 도시된 실시예에서는, SOx 포획 촉매(11)가 입자상 필터(13)의 상류에 배치되고, 상기 SOx 포획 촉매(11)는 배기가스 내에 함유된 SOx를 포획하는 데 사용되어, SOx가 입자상 필터(13) 및 NOx 흡장/환원촉매(15) 안으로 유동하는 것이 방지된다. 다음으로, 상기 SOx 포획 촉매(11)를 설명하기로 한다.
상기 SOx 포획 촉매(11)는 예컨대 SOx 포획 촉매(11)의 축방향으로 직선으로 연장되는 수많은 배기가스연통구멍을 구비한 허니콤 구조의 모놀리스식 촉매로 이루어진다. 이러한 방식으로 허니콤 구조의 모놀리스식 촉매로부터 SOx 포획 촉매(11)를 형성하는 경우, 예컨대 알루미나로 이루어진 촉매 캐리어는 배기가스유동구멍의 내주벽 상에 있게 된다. 도 4는 상기 촉매 캐리어(50)의 표면부의 단면을 예시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 촉매 캐리어(50)의 표면은 코팅층(51)으로 형성된다. 상기 코팅층(51)의 표면은 그 내부에서 확산되는 귀금속 촉매(52)를 지닌 다.
도 1에 도시된 실시예에서는, 귀금속 촉매(52)로서 백금이 사용된다. 코팅층(51)을 형성하는 성분으로는, 예컨대 칼륨(K), 나트륨(Na), 세슘(Cs), 또는 또다른 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 또는 또다른 알칼리 토류, 란탄(La), 이트륨(Y) 또는 또다른 희토류로부터 선택된 1이상의 원소가 사용된다. 즉, 상기 SOx 포획 촉매(11)의 코팅층(51)은 강염기성을 나타낸다.
이제, 도 4에 도시된 바와 같이, 배기가스 내에 함유된 SOx, 즉 SO2는 백금(Pt)(52)에서 산화된 다음, 코팅층(51)에 포획된다. 즉, SO2는 코팅층(51)에서 황산이온(SO4 2-)의 형태로 확산되어 황산염을 형성하게 된다. 상술된 바와 같이, 코팅층(51)은 강염기성을 나타내므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 배기가스 내에 함유된 SO2의 일부는 상기 코팅층(51)에 직접 포획된다는 점에 유의한다.
도 4의 코팅층(51) 내의 음영은 포획된 SOx의 농도를 보여준다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 코팅층(51) 내의 SOx 농도는 상기 코팅층(51)의 표면 근처에서 가장 높게 되고, 내부로 갈수록 점차 감소한다. 코팅층(51)의 표면 부근의 SOx 농도가 더욱 높아진다면, 상기 코팅층(51)의 표면의 강염기성은 더욱 약해지고, SOx를 포획하는 능력이 약화된다. SOx를 포획하는 능력이 약화된다면, 배기가스 내에 함유된 SOx의 일부가 입자상 필터(13) 안으로 유동하기 시작하여, NOx 흡수제(47)가 SOx를 흡수하기 시작한다.
다음으로, 입자상 필터(13) 상에 있는 NOx 흡장/환원촉매 및 NOx 흡장/환원 촉매(15)의 처리를 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1에 도시된 실시예에서는, NOx 흡장/환원촉매(15)의 NOx 흡수제(47) 및 입자상 필터(13) 상에 있는 NOx 흡장/환원촉매의 NOx 흡수제(47) 내의 단위 시간당 흡수된 NOx 양(NOXA)이 도 5에 도시된 맵의 형태로 소요 토크(TQ) 및 엔진 속도(N)의 함수로서 사전에 미리 ROM(32)에 저장된다. 이러한 NOx 양(NOXA)은 NOx 흡수제(47)에 흡수된 NOx 양(∑NOX)을 계산하도록 적분된다. 또한, 상기 실시예에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 입자상 필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비(A/F)는, 상기 NOx 양(∑NOX)이 허용가능한 값(NX)에 도달할 때마다 일시적으로 리치가 되어, NOx 흡수제(47)가 NOx를 환원시킨다.
입자상 필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비(A/F)를 리치로 만드는 경우, 상기 SOx 포획 촉매(11) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비는 린으로 유지되게 해야 한다는 점에 유의한다. 그러므로, 도 1에 도시된 실시예에서는, 연료공급밸브(17)가 SOx 포획 촉매(11)와 입자상 필터(13) 사이의 배기관(12)에 배치된다. NOx 흡수제(47)가 NOx를 환원하여야 하는 경우, 상기 연료공급밸브(17)는 배기관(12)에 연료, 즉 후처리용 연료를 공급하여, 상기 입자상 필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 일시적으로 리치로 만들게 된다.
다른 한편으로, 입자상, 즉 배기가스 내에 함유된 입자 물질은 입자상 필터(13) 상에 포획되어, 연속적으로 산화된다. 하지만, 포획된 입자량이 산화된 입자량보다 크게 되면, 상기 입자는 점진적으로 입자상 필터(13) 상에 형성된다. 이 경우, 입자의 형성량이 증가한다면, 결국 엔진 출력의 강하(drop)가 발생하게 된다. 그러므로, 입자의 형성량이 증가하면, 형성된 입자를 제거할 필요가 있다. 이 경우, 과잉 공기 하에 입자상 필터(13)의 온도를 대략 600℃로 높인다면, 형성된 입자가 산화되어 제거된다.
그러므로, 도 1에 도시된 실시예에서는, 입자상 필터(13) 상에 형성되는 입자량이 허용가능한 양을 초과하면, 상기 입자상 필터(13)의 온도가 배기가스의 린 공연비 하에 상승되어, 형성된 입자가 산화에 의해 제거되게 된다. 구체적으로는, 차동압력센서(27)에 의해 검출된 입자상 필터(13) 전후의 차동 압력(△P)이 도 6에 도시된 바와 같이 허용가능한 값(PX)을 초과하는 경우, 상기 형성된 입자량은 허용가능한 양을 초과한 것으로 판정된다. 이 때, 입자상 필터(13)의 온도(T)를 높이면서 상기 입자상 필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 린으로 유지하기 위해 승온제어가 수행된다. 입자상 필터(13)의 온도(T)가 상승하면, NOx가 NOx 흡수제(47)로부터 환원되어, 포획된 NOx 양(∑NOX)이 감소하게 된다는 점에 유의한다.
입자상 필터(13)의 온도를 높이는 경우, SOx 포획 촉매(11)의 온도를 반드시 높일 필요는 없다. 그러므로, 입자상 필터(13)의 온도를 높일 때, 배기가스의 공연비가 린으로 유지될 수 있는 범위 내에서, 연료, 즉 후처리용 연료가 연료공급밸브(17)로부터 공급된다. 상기 연료의 산화반응열이 입자상 필터(13)의 온도(T)를 높이는 데 사용된다.
이제, 본 발명에 따른 실시예에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 후처리시스 템이 배기통로 내에 직렬로 배치된 복수의 배기정화촉매, 즉 SOx 포획 촉매(11), 입자상 필터(13) 상에 있는 NOx 흡장/환원촉매 및 NOx 흡장/환원촉매(15)를 구비한다. 상기 촉매의 열화도가 각각의 촉매에 대해 검출되고, 후처리용 연료를 공급하는 방법이 상기 촉매들의 열화도에 따라 재설정된다.
이 경우, 본 발명에 따른 실시예에서는, SOx 포획 촉매(11), 입자상 필터(13) 상에 있는 NOx 흡장/환원촉매 및 NOx 흡장/환원촉매(15) 중 여하한의 촉매가 소정의 열화도를 초과하는 열화도를 가질 때, 후처리용 연료를 공급하는 방법이 재설정되어, 최저 열화도를 갖는 촉매가 배기가스의 정화 작용을 처리하도록 하기 위해, 상기 배기가스의 정화에 필요한 후처리용 연료가 최저 열화도를 갖는 촉매 안으로 공급될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 실시예에서는, 여하한의 촉매가 소정의 열화도를 초과하는 열화도를 갖는 경우, 최저 열화도를 가져 배기의 정화에 가장 효과적으로 활용될 수 있는 촉매가 선택되고, 상기 선택된 촉매는 배기가스를 정화하기 위해 선택된 촉매에 가장 적합한 방법에 의해 후처리용 연료를 공급하여 배기가스의 정화 작용을 처리하게 된다. 이렇게 함으로써, 후처리용 연료의 소비량을 최소화하면서, 배기가스의 정화율을 높게 유지하는 것이 가능하다.
다음으로, 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 실시예에 있어서는, 시간이 경과함에 따라, SOx가 점진적으로 SOx 포획 촉매(11) 및 NOx 흡수제(47) 내에 흡장된다. 이 경우, SOx 중독, 즉 촉매 열화가 상류측 촉매로부터 연속적으로 발생한다. 도 1에 도시된 예시에서는, 센서(18, 19, 20)로서, SOx 센서들이 사용된다. 촉매들이 열화되었는 지의 여부는 SOx 센서(18, 19, 20)의 출력 신호들에 의해 검출된다. 즉, SOx 센서(18)에 의해 검출된 SOx 농도가 소정의 농도를 초과하면, SOx 포획 촉매(11)가 열화되었다고 판정된다. SOx 센서(19)에 의해 검출된 SOx 농도가 소정의 농도를 초과하면, 입자상 필터(13) 상의 NOx 흡장/환원 촉매가 열화되었다고 판정된다. SOx 센서(20)에 의해 검출된 SOx 농도가 소정의 농도를 초과하면, NOx 흡장/환원 촉매(15)가 열화되었다고 판정된다.
다음으로, NOx 흡장/환원촉매로부터의 NOx의 환원을 위한 제어가 설명될 것이지만, 이하 설명에서는 입자상 필터(13) 상에 있는 NOx 흡장/환원촉매를 "상류측 NOx 흡장/환원촉매(13)"라고 하는 한편, 상기 NOx 흡장/환원촉매(15)는 "하류측 NOx 흡장/환원촉매(15)"라고 한다. 하지만, 상술된 바와 같이, NOx 흡수제(47)가 NOx로 포화되기 전, NOx 흡수제(47)가 NOx를 환원시킨다. 도 7은 상류측 NOx 흡장/환원촉매(13) 또는 하류측 NOx 흡장/환원촉매(15) 어느 것도 열화되지 않았을 때 NOx의 환원을 위한 제어를 보여준다.
이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 연료가 연료공급밸브(17)로부터 첨가되어, NOx 흡수제(47)가 NOx를 환원시킨다면, 상류측 NOx 흡장/환원촉매(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비가 일시적으로 리치가 된다. 이 때, NOx를 환원시키는 상류측 NOx 흡장/환원촉매(13)의 작용이 수행된다. 이 경우, 연료공급밸브(17)로부터 첨가된 모든 연료는 상기 상류측 NOx 흡장/환원촉매(13)로부터 NOx를 환원 및 감소시키는 작용에 사용된다.
다른 한편으로, 상류측 NOx 흡장/환원촉매(13)가 열화되었다고 판정되면, 하류측 NOx 흡장/환원촉매(15)가 배기가스의 정화 작용을 처리하도록 되어 있는데, 이 때 배기가스 내의 NOx의 흡장 및 환원의 작용이 하류측 NOx 흡장/환원촉매(15)에서 수행된다. 이 경우, 연료공급밸브(17)가 연료를 첨가하도록 상류측 NOx 흡장/환원촉매(13)가 열화되지 않았을 때와 동일한 도 7에 도시된 패턴을 이용한다면, 상기 첨가된 연료는 결국 하류측 NOx 흡장/환원촉매(15)에 도달하기 전에 소산되어, 결국에는 상기 하류측 NOx 흡장/환원촉매(15) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비가 더 이상 리치가 되지 않게 된다.
그러므로, 본 발명에 따른 상기 실시예에서는, 연료공급밸브(17)가 연료를 첨가하여 하류측 NOx 흡장/환원촉매(15) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 리치로 만들 때, 상기 배기가스의 공연비의 리치도(a degree of richness)가 도 7에 도시된 경우에 비해 높게 된다.
이 경우, 연료의 소비량이 증가하지 않도록 배기가스의 공연비의 리치도를 높이는 경우, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 공연비의 리치 시간이 더욱 짧게 된다는 점에 유의한다. 대안적으로, 배기가스의 공연비의 리치도를 높이고, 상기 공연비의 리치 시간을 변경하지 않는 경우에는, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 공연비가 리치가 되는 간격들이 더욱 길어지게 된다.
하지만, NOx 흡장/환원촉매가 열화되었다면, NOx 흡장/환원촉매는 선택환원촉매로서만의 기능을 한다. 이 경우, 배기가스의 공연비가 린인 상태로 연료공급밸브(17)가 연료를 첨가한다면, 배기가스 내의 NOx가 선택적으로 환원되도록 연소되지 않은 HC가 사용된다. 상기 NOx 정화율은 높지 않고, NOx가 소정의 정도로 정화될 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 상기 실시예에 있어서는, 상류측 NOx 흡장/환원촉매(13) 이외에도, 하류측 NOx 흡장/환원촉매(15)가 열화되었을 때, 도 9에 도시된 린 범위 내에서 유지되는 배기가스의 공연비를 갖는 상태로, 상기 연료공급밸브(17)가 간헐적으로 연료를 첨가하게 된다.
도 10은 후처리시스템의 제어 루틴을 보여준다.
도 10을 참조하면, 우선 단계 100에서, 하류측 NOx 흡장/환원촉매(15)가 열화되었는 지의 여부가 판정된다. 하류측 NOx 흡장/환원촉매(15)가 열화되지 않은 경우, 상기 루틴은 도 5에 도시된 맵이 단위 시간당 저장된 NOx 양(NOXA)을 산출하는 데 사용되는 단계 101로 진행된다. 다음으로, 단계 102에서는, 상기 NOXA가 NOx 흡수제(47)에 흡수된 NOx 양(∑NOX)에 첨가된다.
다음으로, 단계 103에서는, 흡장된 NOx 양(∑NOX)이 허용가능한 값(NX)을 초과하였는 지의 여부가 판정된다. ∑NOX≤NX 이면, 루틴은 단계 107로 점프한다. 이와는 달리, ∑NOX>NX 이면, 루틴은 단계 104로 진행되어, 여기서 상류측 NOx 흡장/환원촉매(13)가 열화되었는 지의 여부가 판정된다. 상류측 NOx 흡장/환원촉매(13)가 열화되었다면, 상기 루틴은 단계 105로 진행되어, 여기서 도 7에 도시된 리치 처리 I이 수행된 다음, 상기 루틴이 단계 107로 진행한다. 이와는 달리, 상류측 NOx 흡장/환원촉매(13)가 열화되었다고 판정되면, 루틴이 단계 106으로 진행되어, 도 8의 (a) 또는 도 8의 (b)에 도시된 리치 처리 II가 수행된 다음, 상기 루틴이 단계 107로 진행된다.
단계 107에서, 차동압력센서(27)는 입자상 필터(13) 전후의 차동 압력(△P)을 검출하는 데 사용된다. 다음으로, 단계 108에서, 차동 압력(△P)이 허용가능한 값(PX)을 초과하였는 지의 여부가 판정된다. △P>PX 이면, 루틴은 단계 109로 진행되어, 입자상 필터(13)의 온도를 높이는 제어가 수행된다. 이러한 승온제어는 연료공급밸브(17)가 연료를 공급하면서 입자상 필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 린으로 유지하도록 수행된다. 다른 한편으로, 단계 100에서 하류측 NOx 흡장/환원촉매(13)가 열화되었다고 판정되면, 루틴은 단계 110으로 진행되어, 도 9에 도시된 바와 같이 연료를 첨가하도록 처리가 수행된다.
도 11은 연소점화식 내연기관의 또다른 실시예를 보여준다. 이러한 실시예에서는, SOx 포획 촉매 대신에, NOx 흡장/환원촉매(11')가 배치된다. 또한, 본 실시예에서는, 예컨대 배기매니폴드(5)의 제1실린더의 매니폴드 분기관에 연료공급밸브(17)가 배치된다. 본 실시예에서는, NOx 흡장/환원촉매(11'), 입자상 필터(13) 상에 있는 NOx 흡장/환원촉매 또는 NOx 흡장/환원촉매(15)가 NOx를 환원하여야만 하는 경우, 연료공급밸브(17)가 연료를 공급한다. 본 실시예에서도 마찬가지로, 여하한의 NOx 흡장/환원촉매의 열화도가 더욱 높아지면, 최저 열화도를 갖는 NOx 흡장/환원촉매가 더욱 하류에 위치하고, NOx를 환원시킬 때 배기가스의 리치도가 더욱 높아진다.

Claims (6)

  1. 배기가스의 후처리시스템이 기관배기통로 내에 배치되고, 배기가스 내의 유해성분을 처리하기 위한 후처리용 연료가 상기 후처리시스템에 공급되며, 후처리용 연료를 공급하는 방법이 미리 설정된 내연기관에 있어서,
    상기 후처리시스템은 상기 배기통로 내에 직렬로 배치된 복수의 배기정화촉매를 구비하고, 여하한의 촉매가 소정의 열화도(degree of degradation)를 초과하는 열화도를 갖는 경우, 상기 후처리용 연료를 공급하는 방법은, 상기 배기가스의 정화에 필요한 후처리용 연료가 최저 열화도를 갖는 촉매 안으로 공급될 수 있어, 상기 최저 열화도를 갖는 촉매가 상기 배기가스의 정화 작용을 처리하도록 재설정되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기관배기통로 내에 직렬로 배치된 복수의 촉매는, 유입되는 배기가스의 공연비가 린(lean)인 경우에는 상기 배기가스 내에 함유된 NOx를 흡장하고, 상기 유입되는 배기가스의 공연비가 이론 공연비 또는 리치(rich)가 되는 경우에는 상기 흡장된 NOx를 방출하는 NOx 흡장/환원촉매로 이루어지고, 상기 NOx 흡장/환원촉매가 NOx를 방출하도록 상기 NOx 흡장/환원촉매 안으로 흐르는 상기 배기가스의 공연비를 리치로 만들 때, 최상류측에 위치한 상기 NOx 흡장/환원촉매 상류의 배기통로에 또는 연소실에 후처리용 연료가 공급되고, 이 때 최저 열화도를 갖는 촉매가 더 욱 하류에 위치할 수록, 상기 배기가스의 공연비의 리치도가 더욱 높아지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배기가스의 공연비의 리치도를 높일 때, 상기 공연비의 리치 시간은 더욱 짧아지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 배기가스의 공연비의 리치도를 높일 때, 상기 공연비가 리치가 되는 간격들이 더욱 길어지는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 NOx 흡장/환원촉매들 모두의 열화도가 소정의 열화도를 초과하고, 상기 NOx 흡장/환원촉매가 선택환원촉매로서만의 기능을 하는 경우, 상기 배기가스의 공연비가 린 범위 내에서 유지되는 상태로, 상기 최상류측에 위치한 상기 NOx 흡장/환원촉매 상류의 배기통로에 또는 연소실에 후처리용 연료가 공급되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 최상류측에 위치한 상기 NOx 흡장/환원촉매 상류의 배기통로는 그 안에 배치된 배기가스 내에 SOx를 포획할 수 있는 SOx 포획 촉매를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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