KR100950877B1 - 내연 기관의 배기 정화 장치 및 배기 정화 방법 - Google Patents

내연 기관의 배기 정화 장치 및 배기 정화 방법 Download PDF

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Abstract

내연 기관의 배기 통로 내에 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방이 분산하여 담지되어 있는 SOx 트랩 촉매 (11) 를 배치한다. 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염이 용융 상태가 되는 온도로 유지함으로써, SOx 트랩 촉매 (11) 내의 질산염이 SOx 트랩 촉매 (11) 표면으로 이동하여 응집하는 질산염 이동 응집 작용이 촉진된다. 이 질산염 이동 응집 작용에 의해 SOx 트랩율의 회복을 도모하면서 SOx 를 제거한다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치 및 배기 정화 방법{EXHAUST PURIFIER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF EXHAUST PURIFICATION}
본 발명은 내연 기관의 배기 정화 장치 및 배기 정화 방법에 관한 것이다.
내연 기관에 사용되는 연료 및 윤활유 내에는 황이 함유되어 있고, 따라서 배기 가스 중에는 SOx 가 함유되어 있다. 그런데 이 SOx 는 기관 배기 통로 내에 배치된 배기 가스 정화용 촉매 등의 후처리 장치의 성능이나 내구성을 대폭 저하시키는 작용이 있고, 따라서 배기 가스 중의 SOx 는 제거하는 것이 바람직하다.
그래서, 기관 배기 통로 내에 배기 가스 중에 함유되는 SOx 를 포획할 수 있는 SOx 트랩 촉매를 배치한 내연 기관이 공지되어 있다 (일본 공개특허공보 2005-133610호 참조). 이 SOx 트랩 촉매는 SOx 트랩 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 린(lean)일 때에는 배기 가스 중에 함유되는 SOx 를 포획하고, 배기 가스의 린 공연비하에서 SOx 트랩 촉매의 온도가 상승하면 포획된 SOx 가 서서히 NOx 트랩 촉매의 내부로 확산되고, 그 결과 SOx 트랩율이 회복되는 성질을 갖는다. 따라 서, 이 내연 기관에서는 SOx 트랩 촉매에 의한 SOx 트랩율을 추정하는 추정 수단을 구비하고 있고, SOx 트랩율이 미리 정해진 비율보다 저하되었을 때에는 배기 가스의 린 공연비하에서 SOx 트랩 촉매의 온도를 상승시키고, 그에 따라서 SOx 트랩율을 회복시키도록 하고 있다.
그런데 이와 같은 SOx 트랩 촉매에 대해서 본 발명자가 연구를 거듭한 결과, SOx 트랩율을 회복할 수 있는 새로운 방법을 알아내고, 이 방법을 이용하면 SOx 트랩율을 더욱 양호하게 회복할 수 있는 것이 판명되었다.
발명의 개시
본 발명의 목적은 이 새로운 방법을 이용하여 SOx 트랩율을 양호하게 회복할 수 있도록 한 내연 기관의 배기 정화 장치 및 배기 정화 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 기관 배기 통로 내에 배기 가스 중에 함유되는 SOx 를 포획할 수 있는 SOx 트랩 촉매를 배치한 내연 기관에 있어서, SOx 트랩 촉매 내에는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방이 분산하여 담지되어 있고, 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매의 온도를 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염이 용융 상태가 되는 온도로 유지함으로써, SOx 트랩 촉매 내의 질산염이 SOx 트랩 촉매 표면으로 이동하여 응집하는 질산염 이동 응집 작용이 촉진되고, 질산염 이동 응집 작용에 의해 SOx 트랩율의 회복을 도모하면서 SOx 를 제거하도록 한 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 기관 배기 통로 내에 배치된 SOx 트랩 촉매에 의해 배기 가스 중에 함유되는 SOx 를 제거하도록 한 배기 정화 방법에 있어서, SOx 트랩 촉매 내에 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방을 분산하여 담지시키고, 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매의 온도를 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염이 용융 상태가 되는 온도로 유지함으로써, SOx 트랩 촉매 내의 질산염이 SOx 트랩 촉매 표면으로 이동하여 응집하는 질산염 이동 응집 작용을 촉진시키고, 질산염 이동 응집 작용에 의해 SOx 트랩율의 회복을 도모하면서 SOx 를 제거하도록 한 내연 기관의 배기 정화 방법이 제공된다.
도 1 은 압축 착화식 내연 기관의 전체도이다.
도 2 는 압축 착화식 내연 기관의 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 3 은 압축 착화식 내연 기관의 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 4 는 미립자 필터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5 는 NOx 흡장 촉매의 촉매 담체의 표면 부분의 단면도이다.
도 6 은 SOx 트랩 촉매의 기재의 표면 부분의 단면도이다.
도 7 은 SOx 트랩율을 나타내는 도면이다.
도 8 은 분사 시기를 나타내는 도면이다.
도 9 는 기준 SOx 트랩율을 나타내는 도면이다.
도 10 은 SOx 트랩량 (SOXA, SOXB) 의 맵을 나타내는 도면이다.
도 11 은 SOx 트랩율의 감소량 (RS) 등을 나타내는 도면이다.
도 12 는 SOx 트랩율의 증대량 (IS) 등을 나타내는 도면이다.
도 13 은 SOx 트랩량 (ΣSOX1), 승온 제어를 실시하는 흡장 SOx 량 (SO(n)) 의 관계 등을 나타내는 도면이다.
도 14 는 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 등의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 15 는 SOx 트랩 능력의 회복 처리의 제 1 실시예를 실행하기 위한 플로우차트이다.
도 16 은 SOx 트랩 능력의 회복 처리의 제 1 실시예를 실행하기 위한 플로우차트이다.
도 17 은 SOx 트랩 능력의 회복 처리를 나타내는 타임차트이다.
도 18 은 SOx 트랩 능력의 회복 처리를 나타내는 타임차트이다.
도 19 는 SOx 트랩 능력의 회복 처리의 제 2 실시예를 실행하기 위한 플로우차트이다.
도 20 은 미립자 필터의 승온 제어를 나타내는 타임차트이다.
도 21 은 SOx 방출 제어를 나타내는 타임차트이다.
도 22 는 흡장 NOx 량 (NOXA) 의 맵 등을 나타내는 도면이다.
도 23 은 NOx 흡장 촉매에 대한 처리를 실행하기 위한 플로우차트이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
도 1 에 압축 착화식 내연 기관의 전체도를 나타낸다.
도 1 을 참조하면, 1 은 기관 본체, 2 는 각 기통의 연소실, 3 은 각 연소실 (2) 내에 각각 연료를 분사하기 위한 전자 제어식 연료 분사 밸브, 4 는 흡기 매니폴드, 5 는 배기 매니폴드를 각각 나타낸다. 흡기 매니폴드 (4) 는 흡기 덕트 (6) 를 통해 배기 터보 과급기 (7) 의 압축기 (7a) 의 출구에 연결되고, 압축기 (7a) 의 입구는 공기 정화기 (8) 에 연결된다. 흡기 덕트 (6) 내에는 스텝 모터에 의해 구동되는 스로틀 밸브 (9) 가 배치되어 있고, 또한 흡기 덕트 (6) 주위에는 흡기 덕트 (6) 내를 흐르는 흡입 공기를 냉각하기 위한 냉각 장치 (10) 가 배치된다. 도 1 에 나타나는 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각 장치 (10) 내로 도입되고, 기관 냉각수에 의해 흡입 공기가 냉각된다. 한편, 배기 매니폴드 (5) 는 배기 터보 과급기 (7) 의 배기 터빈 (7b) 의 입구에 연결되고, 배기 터빈 (7b) 의 출구는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 입구에 연결된다. 또한, SOx 트랩 촉매 (11) 의 출구는 배기관 (13) 을 통해 미립자 필터 (12) 에 연결된다. 배기관 (13) 에는 배기관 (13) 내를 흐르는 배기 가스 중에 예를 들어 탄화 수소, 예를 들어 연료를 공급하기 위한 탄화 수소 공급 밸브 (14) 가 부착된다.
배기 매니폴드 (5) 와 흡기 매니폴드 (4) 는 배기 가스 재순환 (이하, EGR 이라 칭한다) 통로 (15) 를 통해 서로 연결되고, EGR 통로 (15) 내에는 전자 제어식 EGR 제어 밸브 (16) 가 배치된다. 또한, EGR 통로 (15) 주위에는 EGR 통로 (15) 내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치 (17) 이 배치된다. 도 1 에 나타나는 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각 장치 (17) 내로 유도되고, 기관 냉각수에 의해 EGR 가스가 냉각된다. 한편, 각 연료 분사 밸브 (3) 는 연료 공급관 (18) 을 통해 커먼 레일 (19) 에 연결된다. 이 커먼 레일 (19) 내에는 전자 제어식의 토출량 가변인 연료 펌프 (20) 로부터 연료가 공급되고, 커먼 레일 (19) 에 공급된 연료는 각 연료 공급관 (18) 을 통해 연료 분사 밸브 (3) 에 공급된다.
전자 제어 유닛 (30) 은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍방향성 버스 (31) 에 의해서 서로 접속된 ROM (리드 온리 메모리) (32), RAM (랜덤 액세스 메모리) (33), CPU (마이크로 프로세서) (34), 입력 포트 (35) 및 출력 포트 (36) 를 구비한다. SOx 트랩 촉매 (11) 에는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (21) 가 부착되고, 미립자 필터 (12) 에는 미립자 필터 (12) 의 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (22) 가 부착된다. 이들 온도 센서 (21, 22) 의 출력 신호는 각각 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력 포트 (35) 에 입력된다. 또한, 미립자 필터 (12) 에는 미립자 필터 (12) 의 전후 차압을 검출하기 위한 차압 센서 (23) 가 부착되어 있고, 이 차압 센서 (23) 의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력 포트 (35) 에 입력된다.
액셀 페달 (40) 에는 액셀 페달 (40) 의 밟음량 (L) 에 비례한 출력 전압이 발생하는 부하 센서 (41) 가 접속되고, 부하 센서 (41) 의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력 포트 (35) 에 입력된다. 또한, 입력 포트 (35) 에는 크랭크 샤프트가 예를 들어 15˚ 회전할 때마다 출력 펄스가 발생하는 크랭크각 센서 (42) 가 접속된다. 한편, 출력 포트 (36) 는 대응하는 구동 회로 (38) 를 통해 연료 분사 밸브 (3), 스로틀 밸브 (9) 구동용 스텝 모터, 탄화 수소 공급 밸브 (14), EGR 제어 밸브 (16) 및 연료 펌프 (20) 에 접속된다.
도 2 에 압축 착화식 내연 기관의 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 탄화 수소 공급 밸브 (14) 가 배기 매니폴드 (5) 의 예를 들어 1 번 기통의 매니폴드 지관 (5a) 내에 형성되어 있다.
도 3 에 압축 착화식 내연 기관의 또 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 배기관 (13) 내에 SOx 트랩 촉매 (11) 로부터 유출된 배기 가스 중의 SOx 농도를 검출하기 위한 SOx 센서 (24) 가 배치되어 있다.
다음으로 도 4(A) 및 (B) 를 참조하면서 미립자 필터 (12) 의 구조에 대하여 설명한다. 도 4(A) 는 미립자 필터 (12) 의 정면도를 나타내고 있고, 도 4(B) 는 미립자 필터 (12) 의 측면 단면도를 나타내고 있다. 도 4(A) 및 (B) 에 나타나는 바와 같이 미립자 필터 (12) 는 허니콤 구조를 이루고 있고, 서로 평행을 이루어 연장되는 복수개의 배기 유통로 (60, 61) 를 구비한다. 이들 배기 유통로는 하류단이 마개 (62) 에 의해 폐색된 배기 가스 유입 통로 (60) 와 상류단이 마개 (63) 에 의해 폐색된 배기 가스 유출 통로 (61) 에 의해 구성된다. 또한, 도 4(A) 에 있어서 해칭한 부분은 마개 (63) 를 나타내고 있다. 따라서 배기 가스 유입 통로 (60) 및 배기 가스 유출 통로 (61) 는 두께가 얇은 격벽 (64) 을 통해 교대로 배치된다. 바꾸어 말하면, 배기 가스 유입 통로 (60) 및 배기 가스 유출 통로 (61) 는 각 배기 가스 유입 통로 (60) 가 4 개의 배기 가스 유출 통로 (61) 에 의해서 포위되고, 각 배기 가스 유출 통로 (61) 가 4 개의 배기 가스 유입 통로 (60) 에 의해서 포위되도록 배치된다.
미립자 필터 (12) 는 예를 들어 코디어라이트와 같은 다공질 재료로 형성되어 있고, 따라서 배기 가스 유입 통로 (60) 내에 유입한 배기 가스는 도 4(B) 에 있어서 화살표로 나타나는 바와 같이 주위의 격벽 (64) 내를 통해 인접하는 배기 가스 유출 통로 (61) 내에 유출된다. 이 때 배기 가스 중에 함유되는 미립자가 격벽 (64) 상에 포집된다. 포집된 일부의 미립자는 격벽 (64) 상에서 산화 연소되고, 나머지 미립자는 격벽 (64) 상에 퇴적된다.
격벽 (64) 상에 퇴적된 미립자는 미립자 필터 (12) 를 승온시킴으로써 때때로 연소 제거되고, 그에 따라 미립자 필터 (12) 가 재생된다. 본 발명에 의한 일 실시예에서는 미립자 필터 (12) 의 재생시에 퇴적된 미립자를 용이하게 연소 제거하기 위해서 미립자 필터 (12) 상에 산화 촉진용 촉매가 담지되어 있다.
또한, 본 발명에 의한 다른 실시예에서는 미립자 필터 (12) 에 유입되는 배기 가스 중에 함유되는 NOx 를 처리하기 위해서 미립자 필터 (12) 상에 NOx 흡장 촉매가 담지되어 있다. 다음으로 이와 같이 NOx 흡장 촉매를 미립자 필터 (12) 상에 담지시킨 경우에 대하여 설명한다.
NOx 흡장 촉매를 미립자 필터 (12) 상에 담지시키도록 한 경우에는, 각 배기 가스 유입 통로 (60) 및 각 배기 가스 유출 통로 (61) 의 주벽면, 즉 각 격벽 (64) 의 양측 표면 상 및 격벽 (64) 내의 세공 내 벽면 상에 예를 들어 알루미나로 이루어지는 촉매 담체가 담지되어 있고, 도 5 는 이 촉매 담체 (45) 의 표면 부분의 단면을 도해적으로 나타내고 있다. 도 5 에 나타나는 바와 같이 촉매 담체 (45) 의 표면 상에는 귀금속 촉매 (46) 가 분산되어 담지되어 있고, 또한 촉매 담체 (45) 의 표면 상에는 NOx 흡수제 (47) 의 층이 형성되어 있다. 도 5 에 나타나는 예에서는 NOx 흡장 촉매는 촉매 담체 (45) 와, 귀금속 촉매 (46) 와, NOx 흡수제 (47) 로 형성되어 있다.
그런데, 도 5 에 나타나는 예에서는 귀금속 촉매 (46) 로서 백금 (Pt) 이 이용되고 있고, NOx 흡수제 (47) 를 구성하는 성분으로는 예를 들어 칼륨 (K), 나트륨 (Na), 세슘 (Cs) 과 같은 알칼리 금속, 바륨 (Ba), 칼슘 (Ca) 과 같은 알칼리 토 류, 란탄 (La), 이트륨 (Y) 과 같은 희토류에서 선택된 적어도 하나가 사용되고 있다.
기관 흡기 통로, 연소실 (2) 및 미립자 필터 (12) 상류의 배기 통로 내에 공급된 공기 및 연료 (탄화 수소) 의 비를 배기 가스의 공연비라고 할 때, NOx 흡수제 (47) 는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 NOx 를 흡수하고, 배기 가스 중의 산소 농도가 저하되면 흡수한 NOx 를 방출하는 NOx 의 흡방출 작용을 실시한다.
즉, NOx 흡수제 (47) 를 구성하는 성분으로서 바륨 (Ba) 을 사용한 경우를 예로 들어 설명하면, 배기 가스의 공연비가 린일 때, 즉 배기 가스 중의 산소 농도가 높을 때에는 배기 가스 중에 함유되는 NO 는 도 5 에 나타나는 바와 같이 백금 (Pt) (46) 상에서 산화되어 NO2 가 되고, 이어서 NOx 흡수제 (47) 내에 흡수되어 산화 바륨 (BaO) 과 결합하면서 질산 이온 (NO3 -) 의 형태로 NOx 흡수제 (47) 내에 확산된다. 이와 같이 하여 NOx 가 NOx 흡수제 (47) 내에 흡수된다. 배기 가스 중의 산소 농도가 높은 한 백금 (Pt) (46) 의 표면에서 NO2 가 생성되고, NOx 흡수제 (47) 의 NOx 흡수 능력이 포화하지 않는 한 NO2 가 NOx 흡수제 (47) 내에 흡수되어 질산 이온 (NO3 -) 이 생성된다.
이에 대해, 탄화 수소 공급 밸브 (14) 로부터 탄화 수소를 공급함으로써 배 기 가스의 공연비를 리치(rich) 또는 이론 공연비로 하면 배기 가스 중의 산소 농도가 저하되기 때문에 반응이 역방향 (NO3 - → NO2) 으로 진행되고, 이렇게 하여 NOx 흡수제 (47) 내의 질산 이온 (NO3 -) 이 NO2 의 형태로 NOx 흡수제 (47) 로부터 방출된다. 이어서 방출된 NOx 는 배기 가스 중에 함유되는 미연 HC, CO 에 의해 환원된다.
이와 같이 배기 가스의 공연비가 린일 때, 즉 린 공연비하에서 연소가 실시되고 있을 때에는 배기 가스 중의 NOx 가 NOx 흡수제 (47) 내에 흡수된다. 그러나 린 공연비하에서 계속하여 연소되면 그 동안에 NOx 흡수제 (47) 의 NOx 흡수 능력이 포화하고, 이렇게 하여 NOx 흡수제 (47) 에 의해 NOx 를 흡수할 수 없게 된다. 따라서 본 발명에 의한 일 실시예에서는 NOx 흡수제 (47) 의 흡수 능력이 포화하기 전에 탄화 수소 공급 밸브 (14) 로부터 탄화 수소를 공급함으로써 배기 가스의 공연비를 일시적으로 리치로 하고, 그에 따라서 NOx 흡수제 (47) 로부터 NOx 를 방출시키도록 하고 있다.
그런데 배기 가스 중에는 SOx, 즉 SO2 가 함유되어 있는데, 이 SO2 가 NOx 흡장 촉매에 유입하면 이 SO2 는 백금 (Pt) (46) 에 있어서 산화되어 SO3 가 된다. 이어서 이 SO3 는 NOx 흡수제 (47) 내에 흡수되어 산화 바륨 (BaO) 과 결합하면서, 황산 이온 (SO4 2 -) 의 형태로 NOx 흡수제 (47) 내에 확산하고, 안정된 황산염 (BaSO4) 을 생성한다. 그러나 NOx 흡수제 (47) 가 강한 염기성을 갖기 때문에 이 황산염 (BaSO4) 은 안정되어 있어 분해하기 어렵고, 배기 가스의 공연비를 단순히 리치로 한 것 만으로는 황산염 (BaSO4) 은 분해되지 않고 그대로 남는다. 따라서 NOx 흡수제 (47) 내에는 시간이 경과함에 따라서 황산염 (BaSO4) 이 증대되고, 이렇게 하여 시간이 경과함에 따라서 NOx 흡수제 (47) 가 흡수할 수 있는 NOx 량이 저하된다. 즉, NOx 흡장 촉매가 유황 피독을 발생시킨다.
그런데 이 경우, 미립자 필터 (12) 의 온도, 즉 NOx 흡장 촉매의 온도를 600℃ 이상의 SOx 방출 온도까지 상승시킨 상태에서 미립자 필터 (12) 에 유입되는 배기 가스의 공연비를 리치로 하면 NOx 흡수제 (47) 로부터 SOx 가 방출된다. 단, 이 경우 NOx 흡수제 (47) 로부터는 조금 밖에 SOx 가 방출되지 않는다. 따라서 NOx 흡수제 (47) 로부터 모든 흡수 SOx 를 방출시키기 위해서는 장시간에 걸쳐 공연비를 리치로 하지 않으면 안 되고, 이렇게 하여 다량의 탄화 수소가 필요해 지는 문제가 있다. 또한, NOx 흡수제 (47) 로부터 방출된 SOx 는 대기 중에 배출되게 되어, 이것도 바람직하지 않다.
따라서 본 발명에서는 NOx 흡장 촉매를 담지한 미립자 필터 (12) 의 상류에 SOx 트랩 촉매 (11) 를 배치하여 이 SOx 트랩 촉매 (11) 에 의해 배기 가스 중에 함유되는 SOx 를 포획하고, 그에 따라서 NOx 흡장 촉매에 SOx 가 섞여 이송되지 않도록 하고 있다. 즉, 미립자 필터 (12) 의 상류에 SOx 트랩 촉매 (11) 를 배치함으로써 NOx 흡장 촉매가 유황 피독을 발생시키지 않도록 하고 있다.
또한, 이와 같은 유황 피독은, 퇴적된 미립자를 용이하게 연소 제거하기 위해서 미립자 필터 (12) 상에 산화 촉진용 촉매를 담지시키도록 한 상기 서술한 실시예에 있어서도 발생한다. 즉, 이 경우에도 SOx 가 미립자 필터 (12) 에 유입되면 산화 촉진용 촉매가 유황 피독을 발생시키고, 그 결과 퇴적된 미립자를 용이하게 연소 제거할 수 없게 된다. 따라서 이 실시예에 있어서도 미립자 필터 (12) 의 상류에 SOx 트랩 촉매 (11) 를 배치함으로써 산화 촉진용 촉매가 유황 피독을 발생시키는 것을 저지할 수 있다.
그 외에도 유황 피독을 발생시키는 선택 환원 촉매, HC 흡착제 등의 여러 가지 후처리 장치가 알려져 있고, 이들 후처리 장치에 대해서도 후처리 장치의 상류에 SOx 트랩 촉매 (11) 를 배치함으로써 후처리 장치가 유황 피독을 발생시키는 것을 저지할 수 있다.
다음으로 이 SOx 트랩 촉매 (11) 에 대해 설명한다. 이 SOx 트랩 촉매 (11) 는 예를 들어 허니콤 구조의 모노리스 촉매로 이루어지고, SOx 트랩 촉매 (11) 의 축선 방향으로 직선으로 연장되는 다수의 배기 가스 유통 구멍을 갖는다. 이와 같이 SOx 트랩 촉매 (11) 를 허니콤 구조의 모노리스 촉매로 형성한 경우에는, 각 배기 가스 유통 구멍의 내주 벽면 상에는, 즉 기재 상에는 예를 들어 알루미나로 이루어지는 미립자 형상 촉매 담체의 집합체인 코트층이 형성되어 있다. 도 6(A) 는 기재 (50) 의 표면 상에 형성된 코트층 (51) 의 단면을 도해적으로 나타내고 있다. 도 6(A) 에 나타나는 바와 같이 이 코트층 (51) 의 표면 상에는 귀금속 촉매 (52) 가 분산되어 담지되어 있다.
본 발명에 의한 실시예에서는 귀금속 촉매 (52) 로서 백금이 이용되고 있고, 코트층 (51) 내에는 촉매 담체 상에 담지되어 있는 촉매가 검은 점으로 나타나는 바와 같이 균일하게 분산되어 있다. 본 발명에서는 코트층 (51) 내에서 균일하게 분산되어 있는 촉매는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방으로 이루어진다. 본 발명에 의한 실시예에서는 알칼리 금속 중 특히 리튬 (Li), 나트륨 (Na), 칼륨 (K) 및 알칼리 토금속 중 특히 칼슘 (Ca), 마그네슘 (Mg) 에서 선택된 적어도 하나가 이용되고 있다.
다음으로 본 발명자의 연구에 의해서 밝혀진 SOx 트랩 촉매 (11) 내에 있어서의 SOx 의 트랩 메커니즘에 대하여 설명한다. 또한, 이하 알칼리 금속인 칼륨 (K) 을 사용한 경우를 예로 들어 SOx 의 트랩 메커니즘에 대하여 설명하는데 다른 알칼리 금속 및 알칼리 토금속을 사용한 경우에서도 동일한 트랩 메커니즘이 된다.
도 6(A) 는 신품일 때의 SOx 트랩 촉매 (11) 를 나타내고 있고, 이 때에는 코트층 (51) 내에 칼륨 (K) 이 균일하게 분산되어 있다. 또한, 이 때에는 코트층 (51) 내의 칼륨 (K) 은 대기 중의 CO2 와 결합하여 탄산염 (K2CO3) 의 형태를 취하고 있다. 기관이 운전되면 배기 가스 중에 다량으로 함유되는 NO 가 백금 (Pt) (52) 에서 산화되고, 이어서 염기성을 나타내고 있는 코트층 (51) 내에 취입되어 질산 이온 (NO3 -) 의 형태로 코트층 (51) 내에 확산한다. 이 질산 이온 (NO3 -) 은 탄산 이온 (CO3 -) 보다 산성이 강하고, 따라서 칼륨 (K) 에 결합되어 있는 탄산 이온 (CO3 -) 이 질산 이온 (NO3 -) 으로 치환하기 위해서 코트 (51) 내에는 질산염 (KNO3) 이 생성된다.
한편, 기관이 운전되면 배기 가스 중에 함유되는 SOx, 즉 SO2 는 도 6(A) 에 나타나는 바와 같이 백금 (Pt) (52) 상에서 산화되고, 이어서 염기성을 나타내고 있는 코트층 (51) 내에 황산 이온 (SO4 2 -) 의 형태로 취입된다. 그런데 배기 가스 중에 함유되는 SOx 의 농도는 NOx 의 농도에 비해 상당히 낮고, 따라서 SOx 가 황산 이온 (SO4 2 -) 의 형태로 코트층 (51) 내에 취입될 때에는 코트층 (51) 내의 대부분의 칼륨 (K) 은 질산염 (KNO3) 이 되어 있다. 따라서 SO2 는 질산염 (KNO3) 이 생성되어 있는 코트층 (51) 내에 황산 이온 (SO4 2 -) 의 형태로 취입되게 된다.
이 경우, 황산 이온 (SO4 2 -) 은 질산 이온 (NO3 -) 보다 산성이 강하고, 따라서 이 때 칼륨 (K) 과 결합하고 있는 질산 이온 (NO3 -) 이 황산 이온 (SO4 2 -) 으로 치환되기 때문에 코트층 (51) 의 표면 부근에는 황산염 (K2SO4) 이 생성된다. 이와 같이 하여 SOx 가 SOx 트랩 촉매 (11) 내에 포획된다.
코트층 (51) 의 표면 부근에 생성되는 황산염 (K2SO4) 이 증대되면 코트층 (51) 의 표면 부근에서 SOx 를 취입할 수 있는 질산염 (KNO3) 이 감소하고, 그 결과 SOx 의 포획 능력이 약해진다. 여기에서 배기 가스 중에 함유되는 SOx 중에서 SOx 트랩 촉매 (11) 에 포획되는 SOx 의 비율을 SOx 트랩율이라 하면, 코트층 (51) 의 표면 부근에 생성되는 황산염 (K2SO4) 이 증대되면 그에 따라 SOx 트랩율이 저하된다. 따라서 도 7(A) 에 나타나는 바와 같이 SOx 트랩율 (TRAP) 은 시간이 경과함에 따라 점차 저하된다.
이와 같은 상황하에서 본 발명자가 연구를 거듭한 결과, 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염, 예를 들어 KNO3 가 용융 상태가 되는 온도로 유지하면, SOx 트랩 촉매 (11) 내의 질 산염 (KNO3) 이 단시간 동안에 도 6(B) 에 나타나는 바와 같이 SOx 트랩 촉매 (11) 의 표면, 즉 코트층 (51) 의 표면으로 이동하여 응집하고, 그에 따라 SOx 트랩율이 회복되는 것을 알아내었다.
즉, SOx 가 코트층 (51) 의 표면 부근에 황산 이온 (SO4 2 -) 의 형태로 취입되면 코트층 (51) 의 표면 부근의 산성이 강해진다. 따라서 질산염 (KNO3) 이 용융 상태로 유지되고 있으면 질산염 (KNO3) 이 코트층 (51) 의 표면을 향하여 이동하여 코트층 (51) 의 표면 부근에 응집한다. 이와 같이 질산염 (KNO3) 이 코트층 (51) 의 표면 부근에 응집하면 도래한 SOx 는 즉시 황산 이온 (SO4 2 -) 의 형태로 취입되고, 이어서 황산염 (K2SO4) 의 형태로 코트층 (51) 내에 포획된다. 이렇게 하여 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염을 용융 상태로 유지하면 SOx 트랩율이 거의 100％ 까지 회복될 수 있게 된다.
또한, 질산염 (KNO3) 은 용융 상태가 아닐 때에도 코트층 (51) 의 표면을 향하여 이동하는 것으로 생각된다. 따라서 정확하게 말하면, 본 발명에서는 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 질산염 (KNO3) 이 용융 상태가 되는 온도로 유지함으로써, SOx 트랩 촉매 (11) 내의 질산염 (KNO3) 이 코트층 (51) 의 표면으로 이동하여 응집하는 질산염 이동 응집 작용이 촉진되고, 이 질산염 이동 응집 작용에 의해 SOx 트랩율이 회복된다.
여기에서 본 발명에 있어서 이용하고 있는 대표적인 알칼리 금속의 탄산염, 질산염, 황산염의 융점을 하기 표에 나타낸다.
탄산염 융점 질산염 융점 질산염 융점
Li2CO3 618℃ LiNO3 261℃ Li2SO4 860℃
Na2CO3 851℃ NaNO3 308℃ Na2SO4 884℃
K2CO3 891℃ KNO3 333℃ K2SO4 1069℃
상기 표로부터, 알칼리 금속의 질산염의 융점은 대략 260℃ 내지 340℃ 사이에 있고, 탄산염 및 황산염의 융점에 비해서 상당히 낮다는 것을 알 수 있다. 따라서 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 질산염이 용융 상태가 되는 온도로 용이하게 유지할 수 있다.
한편, 코트층 (51) 내에 분산되어 있는 촉매로서 칼슘 (Ca) 이나 마그네슘 (Mg) 과 같은 알칼리 토금속을 사용할 수도 있다. 즉, 배기 가스 중에는 수분이 함유되어 있기 때문에 알칼리 토금속의 질산염은 수화물이 되고, 이 알칼리 토금속의 수화물 중에는 융점이 100℃ 이하가 되는 것이 있다. 예를 들어 질산 칼슘 (Ca(NO3)2) 의 4 수화물은 융점이 대략 43℃ 이고, 질산 마그네슘 (Mg(NO3)2) 의 6 수화물은 융점이 대략 95℃ 이다.
이와 같이 알칼리 토금속의 질산염의 수화물 중에는 융점이 낮은 것이 있고, 따라서 코트층 (51) 내에 분산되어 있는 촉매로서 칼슘 (Ca) 이나 마그네슘 (Mg) 을 사용하면 이들 알칼리 토금속의 질산염은 100℃ 이하의 낮은 온도에서도 코트층 (51) 의 표면으로 이동하여 응집되게 된다. 따라서 저온에서도 SOx 트랩율이 회 복된다. 또한, 본 발명에서는 코트층 (51) 내에 분산되어 있는 촉매로서 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 혼합물을 사용할 수도 있다.
도 7(B) 는 SOx 트랩 촉매 (11) 에 담지된 촉매로서 칼륨 (K) 을 사용한 경우의 SOx 트랩율 (TRAP) 의 변화를 나타내고 있다. 상기 표에 나타나는 바와 같이 질산 칼륨 (KNO3) 의 융점은 333℃ 이고, 따라서 도 7(B) 에 나타나는 바와 같이 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 질산 칼륨 (KNO3) 의 융점을 초과하면 질산염 이동 응집 작용이 촉진되어, SOx 트랩율 (TRAP) 이 회복된다.
또한, 질산염 이동 응집 작용을 촉진하기 위해서는 코트층 (51) 내에 SOx 를 취입하지 않으면 안 되고, 이를 위해서는 SO2 를 SO3 으로 산화시키 않으면 안 된다. 이 SO2 의 산화 작용은 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 500℃ 정도까지는 양호하게 실시되지만 500℃ 를 초과하면 서서히 약해진다. 따라서 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 영역이 존재하게 되고, 이 온도 영역의 하한 온도는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염의 융점이고, 이 온도 영역의 상한 온도는 SO2 트랩 촉매 (11) 상에 있어서 SO2 가 산화될 수 있는 상한 온도가 된다.
도 7(B) 에 있어서 I 은 기관 운전 중에 우연히 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내가 된 경우를 나타내고 있 고, 이 때 NOx 트랩율이 회복된다. 그러나 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내가 되지 않은 경우에는 SOx 트랩율 (TRAP) 이 계속 저하된다.
따라서 본 발명에 의한 실시예에서는 도 7(B) 에 있어서 Ⅱ 에 나타나는 바와 같이 기관 운전 중에 있어서 예를 들어 SOx 트랩율 (TRAP) 이 1 ％ 저하되었을 때에는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 승온 제어를 실시하고, 그에 따라서 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내에 유지되도록 하고 있다. 즉, 본 발명에 의한 실시예에서는 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 때때로 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내에 유지함으로써 SOx 트랩율 (TRAP) 을 때때로 회복시키도록 하고 있다.
여기에서 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 상승시키는 방법에 대하여 도 8 을 참조하면서 설명한다.
SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 상승시키는데 유효한 방법 중 하나는 연료 분사 시기를 압축 상사점 이후까지 지각시키는 방법이다. 즉, 통상적으로 주연료 (Qm) 는 도 8 에 있어서, (I) 에 나타나는 바와 같이 압축 상사점 부근에서 분사된다. 이 경우, 도 8 의 (Ⅱ) 에 나타나는 바와 같이 주연료 (Qm) 의 분사 시기가 지각되면 후 연소 기간이 길어지고, 이렇게 하여 배기 가스온이 상승한다. 배기 가스 온이 높아지면 그에 따라서 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도가 상승한다.
또한, SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 상승시키기 위해서 도 8 의 (Ⅲ) 에 나타나는 바와 같이 주연료 (Qm) 에 첨가하여, 흡기 상사점 부근에서 보조 연료 (Qv) 를 분사시킬 수도 있다. 이와 같이 보조 연료 (Qv) 를 추가적으로 분사하면 보조 연료 (Qv) 분 만큼 연소되는 연료가 증가하기 때문에 배기 가스온이 상승하고, 이렇게 하여 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도가 상승한다.
한편, 이와 같이 흡기 상사점 부근에서 보조 연료 (Qy) 를 분사하면 압축 행정 중에 압축열에 의해서 이 보조 연료 (Qv) 로부터 알데히드, 케톤, 퍼옥사이드, 일산화탄소 등의 중간 생성물이 생성되고, 이들 중간 생성물에 의해 주연료 (Qm) 의 반응이 가속된다. 따라서 이 경우에는 도 8 의 (Ⅲ) 에 나타나는 바와 같이 주연료 (Qm) 의 분사 시기를 대폭 늦추어도 실화가 발생하지 않고 양호한 연소가 얻어진다. 즉, 이와 같이 주연료 (Qm) 의 분사 시기를 대폭 늦출 수 있기 때문에 배기 가스온은 상당히 높아지고, 이렇게 하여 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다.
또한, SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 상승시키기 위해서 도 8 의 (Ⅳ) 에 나타나는 바와 같이 주연료 (Qm) 에 추가하여 팽창 행정 중 또는 배기 행정 중에 보 조 연료 (Qp) 를 분사할 수도 있다. 즉, 이 경우, 대부분의 보조 연료 (Qp) 는 연소되지 않고 미연 (未燒) (HC) 형태로 배기 통로 내에 배출된다. 이 미연 (HC) 은 SOx 트랩 촉매 (11) 상에서 과잉 산소에 의해 산화되고, 이 때 발생하는 산화 반응열에 의해 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도가 상승된다.
한편, 도 2 에 나타나는 내연 기관에서는 탄화 수소 공급 밸브 (14) 로부터 탄화 수소를 공급하고, 이 탄화 수소의 산화 반응열에 의해 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 상승시킬 수도 있다. 또한, 도 8 의 (Ⅱ) 내지 (Ⅳ) 에 나타나는 어느 하나의 분사 제어를 실시하면서 탄화 수소 공급 밸브 (14) 로부터 탄화 수소를 공급할 수도 있다. 또한, 어느 방법에 의해 승온된 경우에도 SOx 트랩 촉매 (11) 에 유입되는 배기 가스의 공연비는 리치가 되지 않고 린으로 유지된다.
다음으로 도 9 내지 도 12 를 참조하면서 SOx 트랩율 (TRAP) 의 추정 방법에 대하여 설명한다.
도 9 에 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 을 나타낸다. 이 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 은, 질산염 이동 응집 작용에 의한 SOx 트랩율 (TRAP) 의 회복 작용이 완료되었을 때의 기준이 되는 SOx 트랩율을 나타내고 있고, 이 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 은 SOx 트랩 촉매 (11) 에 포획되어 있는 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 일정치 이하일 때에는 거의 100％ 로 유지된다. 즉, SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 일정치 이하일 때에 는 질산염 이동 응집 작용에 의한 SOx 트랩율의 회복 작용이 완료되면 SOx 트랩율 (TRAP) 은 거의 100％ 까지 회복한다.
그러나 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 일정치 이상이 되면 질산염 이동 응집 작용에 의한 SOx 트랩율의 회복 작용이 행해져도 SOx 트랩율 (TRAP) 은 100％ 까지 회복되지 않고, SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 증대될수록 SOx 트랩율 (TRAP) 의 회복 정도가 저하된다. 따라서 도 9 에 나타나는 바와 같이 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 은 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 일정치 이상이 되면 급격하게 저하된다.
도 9 에 나타나는 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 은 도 10(A) 및 (B) 에 나타내는 맵으로부터 산출된다. 즉, 연료 중에는 일정한 비율로 황이 함유되어 있고, 따라서 배기 가스 중에 함유되는 SOx 량, 즉 SOx 트랩 촉매 (11) 에 포획되는 SOx 량은 연료 분사량에 비례한다. 연료 분사량은 요구 토크 및 기관 회전수의 함수이고, 따라서 SOx 트랩 촉매 (11) 에 포획되는 SOx 량도 요구 토크 및 기관 회전수의 함수가 된다. 본 발명에 의한 실시예에는 SOx 트랩 촉매 (11) 에 단위 시간당 포획되는 SOx 트랩량 (SOXA) 이 요구 토크 (TQ) 및 기관 회전수 (N) 의 함수로서 도 10(A) 에 나타나는 바와 같은 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되어 있다.
또한, 윤활유 내에도 일정한 비율로 황이 함유되어 있고, 연소실 (2) 내에서 연소되는 윤활유량, 즉 배기 가스 중에 함유되어 있고 SOx 트랩 촉매 (11) 에 포획 되는 SOx 량도 요구 토크 및 기관 회전수의 함수가 된다. 본 발명에 의한 실시예에는 윤활유에 함유되어 있고 SOx 트랩 촉매 (11) 에 단위 시간당 포획되는 SOx 의 양 (SOXB) 이 요구 토크 (TQ) 및 기관 회전수 (N) 의 함수로서 도 10(B) 에 나타나는 바와 같은 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기재되어 있고, SOx 트랩량 (SOXA) 및 SOx 트랩량 (SOXB) 의 합을 적산함으로써 SOx 트랩 촉매 (11) 에 포획되어 있는 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 산출된다.
한편, 도 11(A) 는 단위 시간당의 기준이 되는 SOx 트랩율 (TRAP) 의 감소량 (RS) 이 나타나 있다. 이 감소량 (RS) 은 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 증대될수록 커진다. 한편, 이 감소량 (RS) 은 배기 가스량, 즉 흡입 공기량 (Ga) 이 증대하는 만큼 커지고, SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 높아질수록 낮아진다. 이 관계가 즉 감소량 (RS) 에 대한 보정 계수 (K) 가 도 11(B) 에 나타나 있다. 또한, 이 보정 계수 (K) 는 K1, K2, K3 … Ki 의 순으로 작아진다.
이에 대해, 도 12(A) 및 (B) 는 각각 질산염 이동 응집 작용을 실시했을 때의 단위 시간당의 SOx 트랩율 (TRAP) 의 증대량 (IS) 과 증대율 (KS) 을 나타내고 있다.
도 12(A) 를 참조하면, TC1 는 SOx 트랩 촉매 (11) 에 담지되어 있는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염의 융점을 나타내고 있고, TC2 는 SO2 가 양호하게 산화될 수 있는 상한 온도를 나타내고 있고, TC3 는 대략 600℃, 즉 미립자 필터 (12) 의 재생 온도 부근을 나타내고 있다. SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 높아질수록 용융한 질산염의 점도가 낮아지기 때문에 TC1 와 TC2 사이에는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 높아질수록 SOx 트랩율 (TRAP) 의 증대량 (IS) 은 커진다.
한편, TC2 와 TC3 사이에서는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 높아질수록 SOx 의 산화 작용이 약해지기 때문에 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 높아질수록 SOx 트랩율 (TRAP) 의 증대량 (IS) 이 저하된다. 본 발명에 의한 실시예에서는 질산염 이동 응집 작용을 실시해야 할 때에는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 융점 (TC1) 과 미립자 필터 (12) 의 재생 온도 (TC3) 사이에 유지되고, 바람직하게는 융점 (TC1) 과 SO2 를 양호하게 산화할 수 있는 온도 (TC2) 사이에 유지된다.
한편, 질산염이 용융 상태가 되었을 때로부터 시간이 경과할수록 질산염은 코트층 (51) 의 표면에 가까워지므로 단위 시간당의 SOx 트랩율의 증대량 (IS) 은 높아진다. 따라서, 도 12(B) 에 나타나는 바와 같이 질산염이 용융 상태가 되었을 때로부터의 시간이 길어질수록 SOx 트랩율의 증대율 (KS) 이 높아지고, 이 증 대율 (KS) 을 증대량 (IS) 에 승산함으로써 최종적인 단위 시간당의 SOx 트랩율 (TRAP) 의 증대량이 구해진다.
이와 같이 단위 시간당의 SOx 트랩율 (TRAP) 의 감소량은 도 11(A) 로부터 산출되는 기준 감소량 (RS) 에 도 11(B) 로부터 산출되는 보정 계수 (K) 를 승산함으로써 구해지고, 또한 질산염 이동 응집 작용에 의한 단위 시간당의 SOx 트랩율 (TRAP)의 증대량은 도 12(A) 로부터 산출되는 증대량 (IS) 에 도 12(B) 로부터 산출되는 증대율 (KS) 을 승산함으로써 구해진다. 한편, 도 9 로부터 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 이 구해진다. 따라서, 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 로부터 단위 시간당의 SOx 트랩율 (TRAP) 의 감소량 (RS·K) 을 감산하고, 또한 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 에 단위 시간당의 SOx 트랩율의 증대량 (IS·KS) 을 가산함으로써 SOx 트랩율 (TRAP) 을 구할 수 있다.
본 발명에 의한 일 실시예에서는, 이와 같이 하여 산출된 SOx 트랩율 (TRAP) 이 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩율까지 저하되었는지의 여부를 판단하고, SOx 트랩율 (TRAP) 이 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩율까지 저하되었다고 판단되었을 때에는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내까지 상승시켜 이 온도 영역내에 유지하도록 하고 있다.
그런데, 도 9 를 참조하면서 이미 설명한 바와 같이 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 일정치 이하일 때에는 질산염 이동 응집 작용에 의한 SOx 트랩율의 회복 작용이 완료되면 SOx 트랩율 (TRAP) 은 거의 100％ 까지 회복된다. 그러나, SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 일정치 이상이 되면 질산염 이동 응집 작용에 의한 SOx 트랩율의 회복 작용이 행해져도 SOx 트랩율 (TRAP) 은 100％ 까지 회복되지 않고, 도 9 에 나타나는 바와 같이 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 은 급격하게 저하된다.
즉, SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 일정치 이상이 되면 코트층 (51) 의 표면 부근에서의 SOx 농도가 높아지고, 그 결과 SOx 트랩율이 저하된다. 그런데 배기가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매 (11) 의 농도를 600℃ 정도의 SOx 확산 촉진 온도까지 상승시키면 코트층 (51) 내의 표면 근방에 집중적으로 존재하는 SOx 는 코트층 (51) 내에 있어서의 SOx 농도가 균일하게 되도록 코트층 (51) 의 내부를 향하여 확산된다. 이와 같이 코트층 (51) 내의 표면 부근에 존재하는 SOx 가 코트층 (51) 의 내부를 향하여 확산되면 코트층 (51) 의 표면 부근의 SOx 농도가 저하되고, 이렇게 하여 SOx 트랩 촉매 (11) 의 승온 제어가 완료되면 거의 100％ 까지 SOx 트랩율이 회복된다.
따라서, 본 발명에 의한 실시예에서는 질산염 이동 응집 작용에 의한 SOx 트 랩율의 회복 작용을 실시해도 SOx 트랩율이 목표치까지 회복되지 않게 되었을 때에는 SOx 트랩율을 회복하기 위해서 배기가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매의 온도를 SOx 확산 촉진 온도까지 상승시키도록 하고 있다.
또한, 이와 같이 SOx 트랩 촉매 (11) 를 승온했을 때 배기 가스의 공연비가 리치가 되면 SOx 트랩 촉매 (11) 로부터 SOx 가 방출되는 경우가 있다. 따라서 SOx 트랩 촉매 (11) 를 승온했을 때에는 배기 가스의 공연비를 리치로 하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 코트층 (51) 의 표면 부근의 SOx 농도가 높아지면 SOx 트랩 촉매 (11) 를 승온하지 않아도 배기 가스의 공연비를 리치로 하면 SOx 트랩 촉매 (11) 로부터 SOx 가 방출되는 경우가 있다. 따라서 본 발명에 의한 실시예에서는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도가 SOx 방출 온도 이상일 때는 SOx 트랩 촉매 (11) 에 유입되는 배기 가스의 공연비를 리치가 되지 않도록 하고 있다.
본 발명에서는 기본적으로는 차량을 구입하고 나서 폐차할 때까지 SOx 트랩 촉매 (11) 를 교환하지 않고 그대로 사용하는 것을 생각하고 있다. 최근에는 특히 연료 내에 함유되는 황의 양을 감소시킬 수 있고, 따라서 SOx 트랩 촉매 (11) 의 용량을 어느 정도 크게 하면 SOx 트랩 촉매 (11) 를 교환하지 않고 폐차할 때까지 그대로 사용할 수 있다. 예를 들어 차량의 내용 주행 거리를 50만km 로 하 면 SOx 트랩 촉매 (11) 의 용량은, 주행거리가 25만km 정도까지 코트층 (51) 내부로의 SOx 확산을 위한 승온 제어를 하지 않고 높은 SOx 트랩율로 SOx 를 계속 포획할 수 있는 용량이다. 이 경우, SOx 확산을 위한 최초의 승온 제어는 주행거리가 25 만km 정도에서 실시된다.
본 발명에 의한 실시예에서는 도 13 에 나타나는 바와 같이 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 과 SOx 트랩 촉매 (11) 를 SOx 확산을 위해서 승온 처리해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩량 (SO(n)) 의 관계가 미리 기억되어 있고, SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 미리 정해진 SO(n) (n = 1, 2, 3, …) 을 초과했을 때 SOx 확산을 위한 SOx 트랩 촉매 (11) 의 승온 처리가 실시된다. 또한, 도 13 에 있어서는 n 은 몇 회째의 승온 처리인지를 나타내고 있다. 도 13 으로부터 알 수 있는 바와 같이 SOx 트랩율을 회복하기 위한 승온 처리 횟수 (n) 가 증대됨에 따라 미리 정해진 양 SO(n) 이 증대되고, 이 미리 정해진 양 SO(n) 의 증대 비율은 처리 횟수 (n) 가 증대될수록 감소한다. 즉, SO(2) 에 대한 SO(3) 의 증대 비율은 SO(1) 에 대한 SO(2) 의 증대 비율보다 감소한다.
즉, 도 14 의 타임차트에 나타나는 바와 같이 SOx 트랩 촉매 (11) 에 포획된 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 은 허용치 (MAX) 까지 시간의 경과와 함께 계속 증대된다. 또한, 도 14 에 있어서 ΣSOX1 = MAX 가 되었을 때를 주행 거리로 하여 50 만km 정 도이다.
한편, 도 14 에 있어서 SOx 농도는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 표면 부근에 있어서의 SOx 농도를 나타내고 있다. 도 14 로부터 알 수 있는 바와 같이 SOx 트랩 촉매 (11) 의 표면 부근에 있어서의 SOx 농도가 허용치 (SOZ) 를 초과하면 배기 가스의 공연비 (A/F) 가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 를 SOx 확산 촉진 온도까지 상승시키는 승온 제어가 실시된다. 승온 제어를 하면 SOx 트랩 촉매 (11) 의 표면 부근에 있어서의 SOx 농도는 감소하지만 이 SOx 농도의 감소량은 승온 제어를 할 때마다 작아지고, 따라서 승온 제어를 한 후에 승온 제어할 때까지의 기간은 승온 제어를 할 때마다 짧아진다.
또한, 도 14 에 나타나는 바와 같이 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 SO(1), SO(2), … 에 이르는 것은 SOx 트랩 촉매 (11) 의 표면 부근에 있어서의 SOx 농도가 허용치 (SOZ) 에 이른 것을 의미한다.
도 15 및 도 16 은 SOx 트랩 능력의 회복 처리의 제 1 실시예를 실행하기 위한 루틴을 나타내고 있고, 이 루틴은 일정 시간마다 삽입함으로써 실행된다.
도 15 및 도 16 을 참조하면, 먼저 처음에 단계 100 에 있어서 도 10(A), (B) 로부터 각각 단위 시간당 포획되는 SOx 트랩량 (SOXA 및 SOMB) 이 기록된다. 다음으로 단계 101 에서는 이들 (SOXA 및 SOMB) 의 합이 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 에 가산된다.
다음으로 단계 102 에서는 코트층 (51) 내부로의 SOx 확산을 위한 온도 제어 (Ⅱ) 의 실행 중인지의 여부가 판별된다. 온도 제어 (Ⅱ) 의 실행 중이 아닐 때에는 단계 103 으로 진행하고, SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 도 13 에 나타나는 미리 정해진 양 SO(n) (n= 1, 2, 3, …) 에 이르렀는지의 여부가 판별된다. SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 미리 정해진 양 SO(n) 에 이르지 않았을 때에는 단계 104 로 진행한다.
단계 104 에서는 도 9 에 나타내는 관계로부터 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 이 산출된다. 다음으로 단계 105 에서는 도 11(A) 로부터 단위 시간당의 SOx 트랩율 (TRAP) 의 감소량 (RS) 이 산출되고, 도 11(B) 로부터 보정 계수 (K) 가 산출된다. 다음으로 단계 106 에서는 SOx 트랩율의 감소량 (RS) 과 보정 계수 (K) 의 적산치 (RS·K) 가 누적 감소량 (ΔRS) 에 가산된다. 다음으로 단계 107 에서는 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 로부터 누적 감소량 (ΔRS) 을 감산함으로써 SOx 트랩율 (TRAP) 이 산출된다.
다음으로 단계 108 에서는 SOx 트랩율 (TRAP) 이 질산염 이동 응집 작용을 하는 미리 정해진 SOx 트랩율 TRAP0·0.99 까지 저하되었는지의 여부가 판별된다. 이 제 1 실시예에서는 이 미리 정해진 SOx 트랩율은 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 의 99％ 로 되어 있다. 즉, 단계 108 에서는 SOx 트랩율 (TRAP) 이 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 에 대해 1％ 저하되었는지의 여부가 판별된다. 단계 108 에 있어서 TRAP ≥ TRAP0·0.99 라고 판별되었을 때에는 단계 110 로 진행한다. 이에 대해, TRAP ＜ TRAP0·0.99 라고 판단되었을 때에는 질산염 이동 응집 작용을 촉진하기 위한 승온 제어 (I) 가 실행된다. 다음으로 단계 110 으로 진행한다.
단계 110 에서는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내에 있는지가 판별된다. 이 온도 영역은 상기 서술한 바와 같이 TC1 ＜ TC ＜ TC3 이고, 바람직하게는 단계 110 에 기재되어 있는 바와 같이 TC1 ＜ TC ＜ TC2 이다. SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도 (TC) 가 질산염 이동 응집 작용의 촉진되는 온도 영역 내에 있을 때에는 단계 111 로 진행한다.
단계 111 에서는 도 12(A) 로부터 단위 시간당 SOx 트랩율 (TRAP) 의 증대량 (IS) 이 산출되고, 12(B) 로부터 SOx 트랩율 (TRAP) 의 증대율 (KS) 이 산출된다. 다음으로 단계 112 에서는 SOx 트랩율의 증대량 (IS) 과 증대율 (KS) 의 적산치 (IS·KS) 가 누적 감소량 (ΔRS) 으로부터 감산된다. 다음으로 단계 113 에서는 누적 감소량 (ΔRS) 이 부 (負) 인지의 여부, 즉 SOx 트랩율 (TRAP) 이 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 까지 회복되었는지의 여부가 판별된다. ΔRS ＜ 0 일 때에는 단계 114 로 진행하고, ΔRS 가 0 이 된다. 다음으로 단계 115 에서는 승온 제어 (I) 가 실행 중인지의 여부가 판별되고, 승온 제어 (I) 가 실행 중일 때에는 단 계 116 로 진행하고, 승온 제어 (I) 가 정지된다.
한편, 단계 103 에 있어서 SOx 트랩량 (ΣSOX1) 이 미리 정해진 양 SO(n) 에 이르렀다고 판단되었을 때에는 단계 117 로 진행하고, SOx 확산을 위한 승온 제어 (Ⅱ) 가 실행된다. 승온 제어 (Ⅱ) 의 실행 중은 단계 102 로부터 단계 117 로 진행한다. 다음으로 단계 118 에 있어서 승온 제어 (Ⅱ) 가 완료되었다고 판단되었을 때에는 단계 119 로 진행하고, 누적 감소량 (ΔRS) 이 0 이 되고, 기준 SOx 트랩율 (TRAP0) 이 100％ 로 회복된다.
도 17 내지 도 19 에 SOx 트랩 능력을 회복 처리하기 위한 제 2 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 도 3 에 나타나는 바와 같이 SOx 트랩 촉매 (11) 의 하류에 SOx 센서 (24) 가 배치되어 있고, 이 SOx 센서 (24) 에 의해 SOx 트랩 촉매 (11) 로부터 유출된 배기 가스 중의 SOx 농도가 검출된다. 즉, 이 제 2 실시예에서는 도 17 에 나타나는 바와 같이 SOx 센서 (24) 에 의해 검출된 배기 가스 중의 SOx 농도가 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 농도 (SOY1) 를 초과했을 때에는 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내까지 상승시키는 승온 제어 (Ⅰ) 가 실시된다.
또한, 이 제 2 실시예에서는 도 18 에 나타나는 바와 같이 SOx 센서 (24) 에 의해 검출된 배기 가스 중의 SOx 농도가 SOx 의 확산을 촉진하는 미리 정해진 농도 (SOY2) 를 초과했을 때에는 SOx 트랩율을 회복하기 위해서 배기가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도를 SOx 확산 촉진 온도까지 상승시키는 승온 제어 (Ⅱ) 가 실시된다.
도 19 는 이 제 2 실시예를 실행한 경우의 SOx 트랩 능력의 회복 처리 루틴을 나타내고 있다.
도 19 를 참조하면 먼저 처음에 단계 200 에 있어서 SOx 센서 (24) 의 출력 신호, 예를 들어 출력 전압 (V) 이 읽혀 들여진다. 다음으로 단계 201 에서는 코트층 (51) 내로의 SOx 확산을 위한 온도 제어 (Ⅱ) 가 실행 중인지의 여부가 판별된다. 온도 제어 (Ⅱ) 의 실행 중이 아닐 때에는 단계 203 으로 진행하여 SOx 센서 (24) 의 출력 전압 (V) 이 설정치 (VX2) 를 초과했는지의 여부, 즉 배기 가스 중의 SOx 농도가 미리 정해진 농도 (SOY2) 를 초과했는지의 여부가 판별된다. V ≤ VX2 일 때, 즉 배기 가스 중의 SOx 농도가 미리 정해져 있는 농도 (SOY2) 를 초과하지 않았을 때에는 단계 203 으로 진행한다.
단계 203 에서는 질산염 이동 응집 작용을 촉진하기 위한 승온 제어 (Ⅰ) 의 실행 중인지의 여부가 판별된다. 승온 제어 (Ⅰ) 의 실행 중이 아닐 때에는 단계 204 로 진행하여 SOx 센서 (24) 의 출력 전압 (V) 이 설정치 (VX1) 를 초과했는 지의 여부, 즉 배기 가스 중의 SOx 농도가 미리 정해진 농도 (SOY1) 를 초과했는지의 여부가 판별된다. V ＞ VX1 (＜ VX2) 가 되면, 즉 배기 가스 중의 SOx 농도가 미리 정해진 농도 SOY1 (＜ SOY2) 를 초과하면 단계 205 로 진행하여 승온 제어 (I) 가 실행된다. 승온 제어 (Ⅰ) 의 실행 중에는 단계 203 으로부터 단계 206 으로 진행한다. 단계 206 에서는 SOx 센서 (24) 의 출력 전압 (V) 이 미리 정해진 회복 목표치 (V0) 보다 저하되었는지의 여부, 즉 SOx 트랩 촉매 (11) 의 SOx 트랩율이 회복되었는지의 여부가 판별된다. V ≤ V0 이 되면, 즉 SOx 트랩율이 회복되면 단계 209 로 진행하여 승온 제어 (Ⅰ) 가 정지된다.
한편, 단계 2O2 에 있어서 V ＞ VX2 라고 판단되면, 즉 배기 가스 중의 SOx 농도가 미리 정해져 있는 농도 (SOY2) 를 초과하면 단계 208 로 진행하여 SOx 확산을 위한 승온 제어 (Ⅱ) 가 실행된다. 승온 제어 (Ⅱ) 의 실행 중에는 단계 201 로부터 단계 208 로 진행하여 승온 제어 (Ⅱ) 가 계속 실행된다.
다음으로 도 20 내지 도 23 을 참조하면서 미립자 필터 (12) 상에 담지된 NOx 흡장 촉매에 대한 처리에 대하여 설명한다.
본 발명에 의한 실시예에서는 NOx 흡장 촉매에 단위 시간당 흡장되는 NOx 량 (NOXA) 이 요구 토크 (TQ) 및 기관 회전수 (N) 의 함수로서 도 22(A) 에 나타내는 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되어 있고, 이 NOx 량 NOXA 를 적산함으로써 NOx 흡장 촉매에 흡장된 NOx 량 (ΣNOX) 이 산출된다. 본 발명에 의한 실시예에서는 도 20 에 나타나는 바와 같이 이 NOx 량 (ΣNOX) 이 허용치 (NX) 에 이를 때마다 미립자 필터 (12) 에 유입되는 배기 가스의 공연비 (A/F) 가 일시적으로 리치가 되고, 그에 따라서 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 가 방출된다.
또한, 미립자 필터 (12) 에 유입되는 배기 가스의 공연비 (A/F) 를 리치로 할 때 SOx 트랩 촉매 (11) 에 유입되는 배기 가스의 공연비는 린으로 유지해 두는 것이 바람직하다. 따라서 미립자 필터 (12) 상에 NOx 흡장 촉매를 담지하도록 한 실시예에서는 도 1 및 도 3 에 나타나는 바와 같이 SOx 트랩 촉매 (11) 와 미립자 필터 (12) 사이의 배기 통로 내에 탄화 수소 공급 밸브 (14) 를 배치하고, NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출해야 할 때에는 이 탄화 수소 공급 밸브 (14) 로부터 배기 통로 내에 탄화 수소를 공급함으로써 NOx 흡장 촉매에 이송되는 배기 가스의 공연비를 일시적으로 리치가 되도록 하고 있다.
한편, 배기 가스 중에 함유되는 미립자, 즉 입자 형상 물질은 미립자 필터 (12) 상에 포집되고, 순차 산화된다. 그러나 포집되는 입자 형상 물질의 양이 산화되는 입자 형상 물질의 양보다 많아지면 입자 형상 물질이 미립자 필터 (12) 상에 점차 퇴적하고, 이 경우 입자 형상 물질의 퇴적량이 증대하면 기관 출력의 저하를 초래한다. 따라서 입자 형상 물질의 퇴적량이 증대되었을 때에는 퇴적된 입자 형상 물질을 제거해야 한다. 이 경우, 공기 과잉된 상태에서 미립자 필터 (12) 의 온도를 600℃ 정도까지 상승시키면 퇴적된 입자 형상 물질이 산화되고, 제거된다.
그래서 본 발명에 의한 실시예에서는 미립자 필터 (12) 상에 퇴적된 입자 형상 물질의 양이 허용량을 초과했을 때에는 배기가스의 공연비가 린 하에서의 미립자 필터 (12) 의 온도를 상승시키고, 그에 따라 퇴적된 입자 형상 물질을 산화 제거하도록 하고 있다. 구체적으로 말하면, 본 발명에 의한 실시예에서는 차압 센서 (23) 에 의해 검출된 미립자 필터 (12) 의 전후 차압 (ΔP) 이 도 20 에 나타나는 바와 같이 허용치 (PX) 를 초과했을 때 퇴적 입자 형상 물질의 양이 허용량을 초과한 것으로 판단되고, 이 때 미립자 필터 (12) 에 유입되는 배기 가스의 공연비를 린으로 유지하면서 미립자 필터 (12) 의 온도 (T) 를 상승시키는 승온 제어가 실시된다. 또한, 미립자 필터 (12) 의 온도 (T) 가 높아지면 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 가 방출되기 때문에 포획되어 있는 NOx 량 (ΣNOX) 은 감소한다.
미립자 필터 (12) 상에 산화 촉진용 촉매를 담지한 경우에도, 또는 NOx 흡장 촉매를 담지한 경우에도 미립자 필터 (12) 를 재생할 때에는 배기 가스의 공연비를 린으로 유지한 상태에서도 1 내지 도 3 에 나타나는 어느 하나의 탄화 수소 공급 밸브 (14) 로부터 탄화 수소가 공급되거나, 또는 도 8 에 나타나는 (Ⅱ) 내지 (Ⅳ) 중 어느 하나의 패턴으로 연료 분사가 실시된다. 미립자 필터 (12) 의 재생이 개시되면 미립자 필터 (12) 의 온도는 600℃ 이상이 되고, 이 때 SOx 트랩 촉매 (11) 의 온도는 600℃ 보다 약간 낮은 온도, 즉 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역에 유지된다.
한편, SOx 트랩 촉매 (11) 에 의한 SOx 트랩율이 100％ 일 때에는 NOx 흡장 촉매에 SOx 가 전혀 섞여 이송되지 않고, 따라서 이 경우에는 NOx 흡장 촉매에 SOx 가 흡장될 위험성은 전혀 없다. 이에 대해 SOx 트랩율이 100％ 가 아닌 경우에는 비록 SOx 트랩율이 100％ 가까이 되어도 SOx 가 NOx 흡장 촉매에 흡장된다. 단 이 경우, 단위 시간당 NOx 흡장 촉매에 흡장되는 SOx 량은 매우 적다. 그러나, 장시간 경과하면 다량의 SOx 가 NOx 흡장 촉매에 흡장되고, 다량의 SOx 가 흡장되면 흡장된 SOx 를 방출시킬 필요가 있다.
상기 서술한 바와 같이 NOx 흡장 촉매로부터 SOx 를 방출시킬 때에는 NOx 흡장 촉매의 온도를 SOx 방출 온도까지 상승시키고 또한 NOx 흡장 촉매에 이송되는 배기 가스의 공연비를 리치로 할 필요가 있다. 따라서 본 발명에 의한 실시예에서는 도 21 에 나타나는 바와 같이 NOx 흡장 촉매에 흡장되어 있는 SOx 량 (ΣSOX2) 이 허용치 (SX2) 에 이르렀을 때에는 NOx 흡장 촉매의 온도 (TC) 가 NOx 방출 온도 (TX) 까지 상승하고, NOx 흡장 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 리치가 된다. 또한, 단위 시간당 NOx 흡장 촉매에 흡장되는 SOx 량 (SOXZ) 은 요구 토 크 (TQ) 및 기관 회전수 (N) 의 함수로서 도 22(B) 에 나타내는 바와 같은 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되어 있고, 이 SOx 량 (SOXZ) 을 적산함으로써 흡장 SOx 량 (ΣSOX2) 이 산출된다.
NOx 흡장 촉매로부터 SOx 를 방출시킬 때 SOx 트랩 촉매 (11) 에 유입되는 배기 가스의 공연비를 리치로 하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 본 발명에 의한 실시예에서는 NOx 흡장 촉매로부터 SOx 를 방출해야 할 때에는 먼저 처음에 SOx 트랩 촉매 (11) 에 유입되는 배기 가스의 공연비를 린으로 유지하면서, 도 1 및 도 3 에 나타나는 바와 같이 SOx 트랩 촉매 (11) 의 하류에서 탄화 수소 공급 밸브 (14) 로부터 탄화 수소를 공급하여 NOx 흡장 촉매의 온도 (TC) 를 SOx 방출 온도 (TX) 까지 상승시키고, 이어서 SOx 트랩 촉매 (11) 에 유입되는 배기 가스의 공연비를 린으로 유지하면서 탄화 수소 공급 밸브 (14) 로부터의 탄화 수소의 공급량을 증대시켜 NOx 흡장 촉매에 이송되는 배기 가스의 공연비를 리치로 하도록 하고 있다. 또한, 이 경우 NOx 흡장 촉매에 이송되는 배기 가스의 공연비를 교대로 리치와 린으로 전환해도 된다.
도 23 은 NOx 흡장 촉매에 대한 처리 루틴을 나타내고 있다.
도 23 을 참조하면 먼저 처음에 단계 300 에 있어서 도 22(A) 에 나타내는 맵으로부터 단위 시간당 흡장되는 NOx 량 (NOXA) 이 산출된다. 다음으로 단계 301 에서는 이 NOXA 가 NOx 흡장 촉매에 흡장되어 있는 NOx 량 (ΣNOX) 에 가산된다. 다음으로 단계 302 에서는 흡장 NOx 량 (ΣNOX) 이 허용치 (NX) 를 초과했는지의 여부가 판별되고, ΣNOX ＞ NX 가 되었을 때에는 단계 303 으로 진행하여 NOx 흡장 촉매에 이송되는 배기 가스의 공연비를 일시적으로 린에서 리치로 전환하는 리치 처리가 실시되고, ΣNOX 가 클리어된다.
다음으로 단계 304 에서는 차압 센서 (23) 에 의해 미립자 필터 (12) 의 전후 차압 (ΔP) 이 검출된다. 다음으로 단계 305 에서는 차압 (ΔP) 이 허용치 (PX) 를 초과했는지의 여부가 판별되고, ΔP ＞ PX 가 되었을 때에는 단계 306 로 진행하여 미립자 필터 (12) 의 승온 제어가 실시된다. 이 승온 제어는 미립자 필터 (12) 에 유입되는 배기 가스의 공연비를 린으로 유지하면서 탄화 수소 공급 밸브 (14) 로부터 탄화 수소를 공급함으로써 실시된다.
다음으로 단계 307 에서는 도 22(B) 에 나타내는 맵으로부터 단위 시간당 흡장되는 SOx 량 (SOXZ) 이 산출된다. 다음으로 단계 308 에서는 이 SOXZ 가 NOx 흡장 촉매에 흡장되어 있는 SOx 량 ΣSOX2 에 가산된다. 다음으로 단계 309 에서는 흡장SOx 량 (ΣSOX2) 가 허용치 (SX2) 를 초과했는지의 여부가 판별되고, ΣSOX2 ＞ SX2 가 되었을 때에는 단계 310 으로 진행하여 NOx 흡장 촉매의 온도 (TC) 를 SOx 방출 온도 (TX) 까지 상승시키는 승온 제어가 실시된다. 다음으로 단계 111 에서는 NOx 흡장 촉매에 이송되는 배기 가스의 공연비를 리치로 유지하는 리치 처리가 실시되고, ΣSOX2 가 클리어된다.
미립자 필터 (12) 상에는 NOx 흡장 촉매가 담지되어 있지 않고, 산화 촉진용 촉매밖에 담지되어 있지 않은 경우에는 미립자 필터 (12) 의 재생 처리만을 실시하면 되기 때문에 도 23 에 나타내는 루틴 중에서 단계 304 내지 단계 306 만이 실행된다. 이 경우에는 도 2 에 나타나는 바와 같이 SOx 트랩 촉매 (11) 의 상류에 배치된 탄화 수소 공급 밸브 (14) 로부터 탄화 수소를 공급함으로써 미립자 필터 (12)의 승온 작용을 실시할 수 있다.

Claims (24)

  1. 기관 배기 통로 내에 배기 가스 중에 함유되는 SOx 를 포획할 수 있는 SOx 트랩 촉매를 배치한 내연 기관에 있어서, 상기 SOx 트랩 촉매 내에는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방이 분산하여 담지되어 있고, 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매의 온도를 상기 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염이 용융 상태가 되는 온도로 유지함으로써, SOx 트랩 촉매 내의 질산염이 SOx 트랩 촉매 표면으로 이동하여 응집하는 질산염 이동 응집 작용이 촉진되고, 그 질산염 이동 응집 작용에 의해 SOx 트랩율의 회복을 도모하면서 SOx 를 제거하도록 한 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 SOx 트랩 촉매의 온도 영역이 존재하고, 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매의 온도를 때때로 상기 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내에 유지함으로써 SOx 트랩율을 때때로 회복시키도록 한 내연 기관의 배기 정화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 영역의 하한 온도는 상기 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염의 융점이고, 상기 온도 영역의 상한 온도는 SOx 트랩 촉매 상에 있어서 SO2 가 산화될 수 있는 상한 온도인 내연 기관의 배기 정화 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 SOx 트랩 촉매는 SOx 트랩 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 배기 가스 중에 함유되는 SOx 를 포획하고, 배기가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매의 온도가 SOx 확산 촉진 온도까지 상승되면 포획한 SOx 가 점차 SOx 트랩 촉매의 내부로 확산되어 가는 성질을 갖고, 그 질산염 이동 응집 작용에 의한 SOx 트랩율의 회복 작용이 행해져도 SOx 트랩율이 목표치까지 회복되지 않게 되었을 때에는 SOx 트랩율을 회복하기 위해서 배기가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매의 온도가 SOx 확산 촉진 온도까지 상승되는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    SOx 트랩율을 추정하는 추정 수단을 구비하고 있고, 추정된 SOx 트랩율이 SOx 의 확산을 촉진해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩율까지 저하되었을 때에는 SOx 트랩 율을 회복하기 위해서 배기가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매의 온도가 SOx 확산 촉진 온도까지 상승되는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    SOx 트랩 촉매 하류의 배기 통로 내에 배기 가스 중의 SOx 농도를 검출할 수 있는 SOx 센서를 배치하고, 그 SOx 센서에 의해 검출된 배기 가스 중의 SOx 농도가 SOx 의 확산을 촉진해야 하는 미리 정해진 농도를 초과했을 때에는 SOx 트랩율을 회복하기 위해서 배기가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매의 온도가 SOx 확산 촉진 온도까지 상승되는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    SOx 트랩율이 상기 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩율까지 저하되었는지의 여부를 판단하는 판단 수단을 구비하고 있고, SOx 트랩율이 그 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩율까지 저하되었다고 판단되었을 때에는 SOx 트랩 촉매의 온도를 상기 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내까지 상승시켜 그 온도 영역 내에 유지하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    SOx 트랩율을 추정하는 추정 수단을 구비하고 있고, 추정된 SOx 트랩율이 그 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩율까지 저하되었을 때에는 SOx 트랩 촉매의 온도를 상기 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내까지 상승시켜 그 온도 영역 내에 유지하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    SOx 트랩 촉매 하류의 배기 통로 내에 배기 가스 중의 SOx 농도를 검출할 수 있는 SOx 센서를 배치하고, 그 SOx 센서에 의해 검출된 배기 가스 중의 SOx 농도가 상기 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 농도를 초과했을 때에는 SOx 트랩 촉매의 온도를 상기 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내까지 상승시켜 그 온도 영역 내에 유지하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 SOx 트랩 촉매의 하류에 미립자 필터가 배치되어 있고, 상기 온도 영역의 하한 온도는 상기 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염의 융점이고, 상기 온도 영역의 상한 온도는 미립자 필터의 재생 온도인 내연 기관의 배 기 정화 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    미립자 필터의 재생시에 SOx 트랩 촉매의 온도가 상기 온도 영역 내에 유지되는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    SOx 트랩 촉매 하류의 배기 통로 내에, 유입되는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 배기 가스 중에 함유되는 NOx 를 흡장하여 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비 또는 리치가 되면 흡장된 NOx 를 방출하는 NOx 흡장 촉매를 배치함과 함께, SOx 트랩 촉매와 NOx 흡장 촉매 사이의 배기 통로 내에 탄화 수소 공급 장치를 배치하고, NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출해야 할 때에는 탄화 수소 공급 장치로부터 배기 통로 내에 탄화 수소를 공급하여 NOx 흡장 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 일시적으로 리치로 하도록 한 내연 기관의 배기 정화 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 SOx 트랩 촉매는 기재 상에 형성된 코트층과, 코트층 상에 담지된 귀금속 촉매로 이루어지고, 코트층 내에는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일 방이 분산되어 함유되어 있는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  14. 기관 배기 통로 내에 배치된 SOx 트랩 촉매에 의해 배기 가스 중에 함유되는 SOx 를 제거하도록 한 배기 정화 방법에 있어서, 상기 SOx 트랩 촉매 내에 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방을 분산하여 담지시키고, 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매의 온도를 상기 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염이 용융 상태가 되는 온도로 유지함으로써, SOx 트랩 촉매 내의 질산염이 SOx 트랩 촉매 표면으로 이동하여 응집하는 질산염 이동 응집 작용을 촉진시키고, 그 질산염 이동 응집 작용에 의해 SOx 트랩율의 회복을 도모하면서 SOx 를 제거하도록 한 배기 정화 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 SOx 트랩 촉매의 온도 영역이 존재하고, 기관 운전 중에 SOx 트랩 촉매의 온도를 때때로 상기 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내에 유지함으로써 SOx 트랩율을 때때로 회복시키도록 한 배기 정화 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 온도 영역의 하한 온도는 상기 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염의 융점이고, 상기 온도 영역의 상한 온도는 SOx 트랩 촉매 상에 있어서 SO2 가 산화될 수 있는 상한 온도인 배기 정화 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 SOx 트랩 촉매는 SOx 트랩 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 배기 가스 중에 함유되는 SOx 를 포획하고, 배기가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매의 온도가 SOx 확산 촉진 온도까지 상승되면 포획한 SOx 가 점차 NOx 트랩 촉매의 내부로 확산되어 가는 성질을 갖고, 그 질산염 이동 응집 작용에 의한 SOx 트랩율의 회복 작용이 행해져도 SOx 트랩율이 목표치까지 회복되지 않게 되었을 때에는 SOx 트랩율을 회복하기 위해서 배기가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매의 온도가 SOx 확산 촉진 온도까지 상승되는 배기 정화 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    SOx 트랩율을 추정하고, 추정된 SOx 트랩율이 SOx 의 확산을 촉진해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩율까지 저하되었을 때에는 SOx 트랩율을 회복하기 위해서 배기 가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매의 온도가 SOx 확산 촉진 온도까지 상승되는 배기 정화 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    SOx 트랩 촉매 하류의 배기 통로 내에 배치된 SOx 센서에 의해 검출된 배기 가스 중의 SOx 농도가 SOx 의 확산을 촉진해야 하는 미리 정해진 농도를 초과했을 때에는 SOx 트랩율을 회복하기 위해서 배기가스의 공연비가 린 하에서의 SOx 트랩 촉매의 온도가 SOx 확산 촉진 온도까지 상승되는 배기 정화 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    SOx 트랩율이 상기 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩율까지 저하되었는지의 여부를 판단하여, SOx 트랩율이 그 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩율까지 저하되었다고 판단되었을 때에는 SOx 트랩 촉매의 온도를 상기 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내까지 상승시켜 그 온도 영역 내에 유지하는 배기 정화 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    SOx 트랩율을 추정하고, 추정된 SOx 트랩율이 그 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 SOx 트랩율까지 저하되었을 때에는 SOx 트랩 촉매의 온도를 상기 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역 내까지 상승시켜 그 온도 영역 내에 유지하는 배기 정화 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    트랩 촉매 하류의 배기 통로 내에 배치된 SOx 센서에 의해 검출된 배기 가스 중의 SOx 농도가 상기 질산염 이동 응집 작용을 해야 하는 미리 정해진 농도를 초과했을 때에는 SOx 트랩 촉매의 온도를 상기 질산염 이동 응집 작용이 촉진되는 온도 영역까지 상승시켜 그 온도 영역 내에 유지하는 배기 정화 방법.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 온도 영역의 하한 온도는 상기 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 적어도 일방의 질산염의 융점이고, 상기 온도 영역의 상한 온도는 SOx 트랩 촉매 하류에 배치된 미립자 필터의 재생 온도인 배기 정화 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    미립자 필터의 재생시에 SOx 트랩 촉매의 온도가 상기 온도 영역 내에 유지 되는 배기 정화 방법.
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