KR101147587B1 - 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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미키오 이노우에
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Abstract

내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, HC 가 과잉으로 공급되는 것을 억제하면서 필터의 재생과 NOx 의 정화를 양립시킨다. NOx 를 정화하는 제 1 배기 정화 장치와, 제 1 배기 정화 장치와 직렬로 형성되고 PM 을 포집하는 제 2 배기 정화 장치와, 제 1 배기 정화 장치 및 제 2 배기 정화 장치의 각각에 HC 를 공급하는 HC 공급 수단과, 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급과 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급 중 어느 것의 우선도가 높은 것인지 결정하는 우선도 결정 수단을 구비하고, 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구와 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구가 겹치는 경우에는, 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량을 HC 공급 요구가 겹치지 않는 경우보다 감소시킨다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치{INTERNAL COMBUSTION ENGINE EXHAUST AIR PURIFICATION DEVICE}
본 발명은, 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
내연 기관의 배기 통로에 흡장 환원형 NOx 촉매 (이하, 단순히 NOx 촉매라고 한다) 를 배치하는 기술이 알려져 있다. 이 NOx 촉매는, 유입되는 배기 산소 농도가 높을 때에 배기 중의 NOx 를 흡장하고, 유입되는 배기 산소 농도가 저하되거나 또한 환원제가 존재할 때에 흡장되어 있던 NOx 를 환원시킨다.
또, NOx 촉매에는 연료에 포함되는 황 성분도 NOx 와 마찬가지로 흡장된다. 이와 같이 흡장된 황 성분은 NOx 보다 방출되기 어려워, NOx 촉매 내에 축적된다. 이것을 황 피독이라고 한다. 이 황 피독에 의해 NOx 촉매에서의 NOx 정화율이 저하되기 때문에, 적절한 시기에 황 피독으로부터 회복시키는 황 피독 회복 처리를 실시할 필요가 있다. 이 황 피독 회복 처리는, NOx 촉매를 고온으로 하고, 또한 이론 공연비 또는 리치 공연비의 배기를 NOx 촉매에 유통시켜 실시된다. 예를 들어 NOx 촉매에 연료를 첨가함으로써, 그 연료가 NOx 촉매에 의해 반응하여 그 NOx 촉매가 고온이 된다. 이 상태에서 추가로 연료를 첨가하여 배기 공연비를 리치 공연비로 함으로써, 황 피독을 회복시킬 수 있다.
또, 산화능을 갖는 촉매를 담지 또는 상류에 구비한 파티큘레이트 필터 (이하, 단순히 필터라고 한다) 를 구비하고, 배기 중의 입자 형상 물질 (이하, PM 이라고 한다) 을 포집하는 기술이 알려져 있다. 필터에 포집된 PM 량이 일정량에 이르면, 산화능을 갖는 촉매에 환원제를 공급하고, 그 필터의 온도를 상승시킴으로써 PM 을 산화시켜 제거할 수 있다. 이와 같이 PM 을 제거하는 것을 필터의 재생이라고 한다. 이하, 황 피독 회복 처리를 S 재생이라고 하고, PM 을 산화시킴으로써 그 PM 을 제거하는 것을 PM 재생이라고 한다.
그리고, 배기 통로의 상류측으로부터, HC 첨가 밸브와 산화 촉매와 파티큘레이트 필터와 HC 첨가 밸브와 흡장 환원형 NOx 촉매와 우레아 선택 환원형 NOx 촉매를 순서대로 구비하는 기술이 알려져 있다 (예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1 : 일본 공표특허공보 2006－512529호
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
PM 재생과 S 재생이 겹쳤을 경우, 상류측의 HC 첨가 밸브와 하류측의 HC 첨가 밸브로부터 각각 독립적으로 HC 를 첨가하면, HC 의 공급량이 과잉이 되어 촉매에 의해 완전히 반응되지 못하고 대기 중으로 방출될 우려가 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, HC 가 과잉으로 공급되는 것을 억제하면서 필터의 재생과 NOx 의 정화를 양립시킬 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 의한 내연 기관의 배기 정화 장치는 이하의 수단을 채용하였다. 즉, 본 발명에 의한 내연 기관의 배기 정화 장치는,
NOx 를 정화하는 기능을 갖는 제 1 배기 정화 장치와,
상기 제 1 배기 정화 장치와 직렬로 형성되고, 배기 중의 입자 형상 물질을 포집하는 기능을 갖는 제 2 배기 정화 장치와,
상기 제 1 배기 정화 장치 및 상기 제 2 배기 정화 장치의 각각에 형성되고, 상기 제 1 배기 정화 장치 및 상기 제 2 배기 정화 장치에 각각 HC 를 공급하는 HC 공급 수단과,
상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급과 상기 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급 중 어느 것의 우선도가 높은 것인지 결정하는 우선도 결정 수단을 구비하고,
상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구와 상기 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구가 겹치는 경우에는, 상기 우선도 결정 수단에 의해 결정되는 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량을, HC 공급 요구가 겹치지 않는 경우보다 감소시키는 것을 특징으로 한다.
제 1 배기 정화 장치는, NOx 를 정화하기 위한 촉매를 적어도 포함하고, 추가로 다른 촉매가 조합되어 있어도 된다. 그리고, 제 1 배기 정화 장치에 HC 를 공급함으로써, 예를 들어 NOx 를 정화하거나 NOx 의 정화 능력을 회복시키거나 NOx 의 정화 능력을 높이거나 할 수 있다.
제 2 배기 정화 장치는, 예를 들어 파티큘레이트 필터에 산화 능력을 갖는 촉매를 담지시킨 것이어도 되고, 파티큘레이트 필터보다 상류측에 산화 능력을 갖는 촉매를 구비하고 있어도 된다. 또, 다른 촉매가 조합되어 있어도 된다. 그리고, 제 2 배기 정화 장치에 HC 를 공급함으로써, 예를 들어 파티큘레이트 필터에 포집된 입자 형상 물질을 산화시킬 수 있다. 그리고, 제 1 배기 정화 장치와 제 2 배기 정화 장치는 직렬로 배치되어 있다. 이 경우, 어느 것이 상류측이어도 상관없다.
그리고, 제 1 배기 정화 장치 또는 제 2 배기 정화 장치에 HC 를 공급하는 시기가 되었을 때에 HC 공급 요구가 이루어진다. 그리고, HC 공급 요구가 있고 또한 다른 조건도 만족시키고 있으면, 각 HC 공급 수단으로부터 HC 가 공급된다.
「상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구와 상기 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구가 겹치는 경우」란, 제 1 배기 정화 장치 및 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구가 동시에 이루어지는 것을 말한다. 이 때에는, 각각의 HC 공급 요구의 적어도 일부가 겹쳐져 있으면 된다.
상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급과 상기 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급 중 어느 것의 우선도가 높은 것인지는, 예를 들어, HC 를 공급하는 목적, 제 1 배기 정화 장치 또는 제 2 배기 정화 장치의 온도, 또는 내연 기관 (1) 의 운전 상태에 따라 결정된다.
그리고, 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량을 감소시킴으로써, 우선도가 높은 것에 대한 HC 의 공급을 주체적으로 실시할 수 있다. 이 때에는, 우선도가 높은 것에 대한 HC 의 공급량 또는 공급 시기는, 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급에 관계없이 결정할 수 있다. 그 때문에, 우선도가 높은 것에서는 최적량의 HC 를 공급할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 상기 우선도 결정 수단은 HC 의 공급에 의해 환원 분위기로 하는 것의 우선도가 높다고 결정할 수 있다.
「HC 의 공급에 의해 환원 분위기로 하는 것」은, 환원 분위기로 할 필요가 있는 것으로 해도 되고, 환원 분위기로 함으로써 배기를 정화시키거나 배기의 정화 능력을 향상시키거나 또는 배기의 정화 능력을 회복시키거나 하는 것으로 해도 된다. 즉, HC 의 공급에 의해 환원 분위기로 하는 것의 우선도가 높다고 하여 우선적으로 HC 를 공급함으로써, 배기의 정화 능력을 높이는 것 등을 할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 상기 우선도 결정 수단은, HC 를 공급하지 않으면 배기 정화 기능의 저하 정도가 커지는 것의 우선도가 높다고 결정할 수 있다.
여기서, 배기 정화 장치의 종류에 따라서는, HC 의 공급이 약간 정지되어도 곧바로 배기의 정화 능력이 저하되지 않는 것도 있다. 한편, HC 의 공급이 정지되면 곧바로 배기의 정화 능력이 저하되는 것도 있다. 즉, 배기의 정화 능력의 저하를 초래하기 쉬운 것에 우선적으로 HC 를 공급함으로써, 시스템 전체로서의 배기 정화 능력의 저하를 억제할 수 있다.
예를 들어 우레아 선택 환원형 NOx 촉매는, 그 온도가 낮으면 NOx 의 정화 성능이 낮아진다. 그 때문에, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매의 온도가 낮을 때에는, 상온 (床溫) 을 상승시키기 위한 HC 를 공급하지 않으면 배기 정화 기능의 저하 정도가 크다. 또, 예를 들어 암모니아 생성 촉매와 선택 환원 촉매를 구비하고, 그 암모니아 생성 촉매에 HC 를 공급함으로써 암모니아를 발생시켜, NOx 의 선택 환원을 실시하는 경우에는, HC 를 공급하지 않으면 암모니아가 생성되지 않는다. 즉, HC 를 공급하지 않으면 NOx 의 정화 기능이 저하되기 때문에, 배기 정화 기능의 저하 정도가 크다. 이에 반해, 파티큘레이트 필터에서는, HC 를 공급하지 않는 경우에는 입자 형상 물질을 산화시킬 수 없지만, 입자 형상 물질의 포집을 실시하는 기능이 저하되는 것은 아니다. 즉, HC 를 공급하지 않을 때의 배기 정화 기능의 저하 정도는 비교적 작다.
본 발명에 있어서는, 상기 우선도 결정 수단은, 상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급의 우선도가 높다고 결정할 수 있다.
즉, NOx 를 정화하기 위한 NOx 촉매 등에서는, HC 를 공급함으로써 NOx 를 환원시키거나 황 피독 회복을 실시하거나 한다. 그 때문에, HC 의 공급이 제한되면, NOx 를 환원시킬 수 없게 되거나 NOx 를 흡장할 수 없게 되어, 그 NOx 촉매로부터 NOx 가 유출될 우려가 있다. 한편, 입자 형상 물질을 포집하는 파티큘레이트 필터 등에서는, HC 의 공급이 제한되었다 하더라도, 그 파티큘레이트 필터로부터 입자 형상 물질이 유출될 우려는 거의 없다. 즉, 배기의 정화에 대해 고려하면, 제 1 배기 정화 장치에 우선적으로 HC 를 공급하는 것이 좋다. 이로써, NOx 의 유출을 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 상기 제 1 배기 정화 장치 또는 상기 제 2 배기 정화 장치 중 어느 일방에 HC 를 공급할 때에는, 타방에 대한 HC 의 공급을 정지시킬 수 있다.
즉, 「상기 우선도 결정 수단에 의해 결정되는 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량을, HC 공급 요구가 겹치지 않는 경우보다 감소시키는 것」에는, 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급을 정지하는 것을 포함하고 있다. 이로써, 우선도가 높은 것에만 HC 가 공급되기 때문에, 과잉의 HC 의 공급에 의해 HC 가 빠져나가는 것을 억제할 수 있다. 그리고, 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급은, 우선도가 높은 것에 대한 HC 의 공급이 정지되었을 때에 한해서 실시할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구와 상기 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구가 겹치고, 우선도가 높은 것에 HC 를 공급한 후에, 우선도가 낮은 것에 HC 를 공급할 때에는, 우선도가 높은 것에 HC 를 공급할 때에 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량이 감소된 만큼을 더하여 공급할 수 있다.
우선도가 높은 것에 HC 를 공급할 때에는, 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량이 감소되어 있다. 그리고, 그 후에 우선도가 높은 것의 HC 의 공급이 종료되면, HC 공급 요구가 겹치지 않게 되기 때문에, 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량을 감소시킬 필요가 없어진다. 우선도가 높은 것에 HC 를 공급할 때에는, 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량이 감소되어 있기 때문에, 이 사이의 우선도가 낮은 것에 대한 HC 공급량은 요구량보다 적어진다. 즉, 우선도가 낮은 것에 HC 를 공급할 때에, HC 의 공급량을 단순히 요구량에 맞추는 것만으로는, 우선도가 낮은 것에 공급되는 HC 의 총량이 적어지게 된다. 그 때문에, HC 의 부족에 의한 HC 공급 효과를 충분히 얻을 수 없게 될 우려가 있다. 이것에 대해, 우선도가 낮은 것에 HC 를 공급할 때에, 감소된 만큼의 HC 를 요구량에 더하여 공급함으로써, 그 우선도가 낮은 것에 공급되는 HC 의 총량의 감소를 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 상기 우선도가 낮은 것에 HC 를 공급할 때에 그 우선도가 낮은 것의 온도를 상승시키기 위한 HC 요구량이 증가된 경우에는, 그 온도를 상승시키기 위한 HC 요구량이 증가된 것의 우선도를 높게 할 수 있다.
이로써, 우선도가 바뀌기 때문에, 지금까지 우선도가 높았던 것에 대한 HC 의 공급 시기가 되어도, 지금까지 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급이 계속하여 실시된다. 여기서, 내연 기관의 부하가, 예를 들어 높아짐으로써 흡입 공기량이 증가되면, HC 를 보다 많이 공급하지 않으면 안된다. 이것은 흡입 공기량이 많아짐으로써, 공연비를 저하시키기 위해서 보다 많은 HC 가 필요해지거나 배기 정화 장치의 온도를 상승시키기 위해서 보다 많은 HC 가 필요해지기 때문이다. 즉, HC 요구량이 많아진다. 그러나, 그 때에 HC 의 공급량을 증가시키면, 배기 공연비가 과잉으로 낮아져 HC 가 배기 정화 장치를 빠져나갈 우려가 있다. 또, HC 공급 수단이 단위 시간당 공급할 수 있는 HC 량에 제한이 있는 경우에는, 요구량의 HC 를 공급할 수 없게 된다. 즉, 우선도가 낮은 것의 온도를 상승시키기 위한 HC 요구량이 증가함으로써, HC 의 공급 기간이 연장되는 경우가 있다. 그러나, 우선도가 높은 것에 대한 HC 의 공급 시기가 되어 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량을 감소시키면, 그 우선도가 낮은 것의 온도가 낮아진다. 즉, HC 공급 효과가 현저하게 저하될 우려가 있다.
이것에 대해, 우선도가 높은 것과 낮은 것으로 우선도를 바꿈으로써, 지금까지 우선도가 낮았던 것에 우선적으로 HC 를 공급할 수 있기 때문에 HC 가 부족한 것을 억제할 수 있다. 또, 지금까지 우선도가 높았던 것에서는 HC 의 공급량이 감소되는데, 이로써 그 우선도가 높았던 것의 온도가 저하되기 때문에, 그 후에 보다 많은 HC 를 공급할 수 있다. 즉, HC 의 공급량을 감소시킨 것에 의한 그 HC 공급 효과의 저하는, 그 후의 HC 의 공급량을 증가시키거나 공급 기간을 연장시키거나 함으로써 회복할 수 있다.
본 발명에 있어서는, HC 요구량이 소정치 이하로 감소될 때까지, 상기 온도를 상승시키기 위한 HC 요구량이 증가한 것의 우선도를 높게 할 수 있다.
즉, HC 요구량이 적어진 경우에는, 우선도를 바꾼 채로 할 이유가 없어지기 때문에, 우선도를 원래대로 되돌린다. 즉, 여기서의 소정치란, 상기 HC 의 부족을 해소하였다고 할 수 있는 HC 요구량으로 할 수 있다. 또, 소정치는 대략 0 이어도 된다.
본 발명에 있어서는, 상기 내연 기관으로부터의 배기 공연비가 소정치 이하인 경우에는, 환원 분위기로 하기 위한 HC 의 공급을 실시하는 것의 우선도를, 상기 온도를 상승시키기 위한 HC 요구량이 증가한 것의 우선도보다 높게 할 수 있다.
예를 들어 내연 기관으로부터의 배기 공연비가 리치는 되지 않지만 저하된 경우에는, HC 의 공급에 의해 공연비를 리치 공연비까지 저하시키기 위해서 필요로 하는 HC 의 공급량이 적어도 된다. 그리고, 환원 분위기로 하는 것의 우선도를 높게 함으로써, HC 의 공급량을 줄일 수 있기 때문에, HC 에 의한 온도 상승을 억제할 수 있거나, 배기 정화 장치를 빠져나가는 HC 량을 감소시키거나 할 수 있다. 여기서 공연비가 소정치 이하란, HC 공급 수단으로부터의 HC 의 공급량을 충분히 감소할 수 있는 공연비로 되어 있는 것을 의미한다.
본 발명에 있어서는, 상기 제 1 배기 정화 장치는, 흡장 환원형 NOx 촉매를 포함하여 구성되어 있어도 된다.
이 경우의 HC 의 공급은, NOx 의 환원시 및 황 피독 회복시에 실시된다. 황 피독 회복에서는, 흡장 환원형 NOx 촉매의 온도를 상승시킬 때와 그 흡장 환원형 NOx 촉매를 환원 분위기로 할 때에 HC 가 공급된다.
본 발명에 있어서는, 상기 제 1 배기 정화 장치는, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매를 포함하여 구성되어 있어도 된다.
이 경우의 HC 의 공급은, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매의 온도를 NOx 의 환원에 필요한 온도까지 상승시킬 때 실시된다.
본 발명에 있어서는, 상기 제 1 배기 정화 장치는, 흡장 환원 기능 및 암모니아 선택 환원 기능을 별체 또는 일체적으로 구비하는 NOx 촉매를 포함하여 구성되어 있어도 된다.
예를 들어 하층에 흡장 환원형 NOx 촉매, 상층에 제올라이트와 같은 흡착층을 일체적으로 구비하는 NOx 촉매여도 된다. 이 경우, HC 를 과잉으로 첨가했을 때에 흡장 환원형 NOx 촉매에 의해 암모니아가 생성되고, 또한 암모니아가 흡착층에 흡착된다. 따라서, NOx 의 흡장 환원과 흡착 암모니아의 재방출에 의한 선택 환원을 실시할 수 있기 때문에, 보다 넓은 운전 영역에서 NOx 의 정화가 가능해진다. 또한, HC 의 첨가에 의해 암모니아를 생성하는 촉매를 NOx 촉매의 상류측에 구비하고 있어도 된다. 또, 흡장 환원형 NOx 촉매와 선택 환원형 NOx 촉매를 따로 따로 구비하고 있어도 된다. 이와 같은 경우의 HC 의 공급은, NOx 촉매의 암모니아 흡착시, NOx 의 환원시, 황 피독 회복시, 또는 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매의 승온시에 실시된다.
본 발명에 있어서는, 상기 제 2 배기 정화 장치는, 파티큘레이트 필터와 산화 능력을 갖는 촉매를 포함하여 구성되어 있어도 된다.
이 경우의 HC 의 공급은, 파티큘레이트 필터의 온도를 상승시키기 위해서 실시된다. 즉, 산화 능력을 갖는 촉매에 의해 HC 를 반응시키고, 이 때에 발생되는 열에 의해 입자 형상 물질을 산화시킨다. 또한, 이 때에는, 파티큘레이트 필터를 산화 분위기로 유지하도록 HC 를 공급해도 된다.
본 발명에 있어서는, 상기 제 1 배기 정화 장치는 흡장 환원형 NOx 촉매를 포함하여 구성되고, 상기 제 2 배기 정화 장치는 파티큘레이트 필터와 산화 능력을 갖는 촉매를 포함하여 구성되고, 상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구란 상기 흡장 환원형 NOx 촉매의 황 피독 회복을 위한 HC 공급 요구이고, 상기 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구란 상기 파티큘레이트 필터에 포집된 입자 형상 물질의 산화를 위한 HC 공급 요구이어도 된다.
즉, 흡장 환원형 NOx 촉매의 황 피독 회복시에는, HC 의 공급에 의해 환원 분위기로 할 필요가 있다. 또, 파티큘레이트 필터에 포집된 입자 형상 물질을 산화시키기 위해서는, HC 의 공급에 의해 그 파티큘레이트 필터의 온도를 상승시킬 필요가 있다. 또한, 파티큘레이트 필터에 산화 능력을 갖는 촉매를 담지시키거나, 또는 파티큘레이트 필터보다 상류에 산화 능력을 갖는 촉매를 구비한다. 이로써, 산화 능력을 갖는 촉매에 의해 HC 와 배기 중의 산소를 반응시켜 파티큘레이트 필터의 온도를 상승시킬 수 있다. 이 입자 형상 물질의 산화는 산화 분위기에서 실시된다.
본 발명에 있어서는, 상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구는, 목표 온도까지 상승시키기 위한 승온 단계와 목표 온도까지 상승된 후의 재생 단계로 나누어지고,
상기 승온 단계시에는, 상기 우선도에 의하지 않고 상기 제 1 배기 정화 장치 및 상기 제 2 배기 정화 장치의 각각의 HC 공급 요구에 따라 HC 를 공급하고,
상기 재생 단계시에는, 상기 우선도 결정 수단에 의해 결정되는 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량을, HC 공급 요구가 겹치지 않는 경우보다 감소시킬 수 있다.
여기서 말하는 목표 온도란, HC 의 공급에 의해 제 1 배기 정화 장치의 정화 능력을 향상시키거나 정화 능력을 회복시키거나 NOx 의 환원을 실시하거나 할 수 있는 온도이고, 예를 들어, NOx 촉매의 활성 온도, 또는 황 피독 회복에 필요한 온도이다. 승온 단계에서는, 제 1 배기 정화 장치의 온도를 목표 온도까지 상승시키기 위해서 HC 가 공급된다. 또, 재생 단계에서는, 실제로 제 1 배기 정화 장치의 정화 능력이 향상된 상태에서 배기 정화를 실시하거나 정화 능력을 회복시키거나 NOx 의 환원을 실시한다.
여기서, 승온 단계에서는 제 1 배기 정화 장치의 온도를 상승시키는 것만으로 충분하기 때문에 환원 분위기로 할 필요는 없다. 즉, 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급은, 산화 분위기를 유지한 채 실시할 수 있다. 그 때문에, HC 가 하류로 유출될 우려는 거의 없기 때문에, 제 1 배기 정화 장치 및 제 2 배기 정화 장치의 각각에 독립적으로 HC 를 공급할 수 있다. 즉, 우선도에 관계없이 HC 를 공급할 수 있다.
한편, 재생 단계에서는, 제 1 배기 정화 장치를 환원 분위기로 하기 위해, 제 2 배기 정화 장치에 요구량의 HC 를 공급하면, 촉매에 의해 HC 를 완전히 산화할 수 없을 우려가 있다. 즉, 우선도에 따라 HC 를 공급함으로써, HC 가 빠져나가는 것을 억제할 수 있다.
발명의 효과
본 발명에 관련된 내연 기관의 배기 정화 장치에 의하면, HC 가 과잉으로 공급되는 것을 억제하면서 필터의 재생과 NOx 의 정화를 양립시킬 수 있다.
도 1 은 실시예에 관련된 내연 기관과 그 배기계의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 실시예 1 에 의한 제 1 첨가 밸브 및 제 2 첨가 밸브로부터의 단위 시간당 HC 첨가량의 추이를 나타낸 타임 차트이다.
도 3 은 실시예 1 에 의한 HC 첨가 제어의 플로우를 나타낸 플로우 차트이다.
도 4 는 실시예 2 에 의한 제 1 첨가 밸브 및 제 2 첨가 밸브로부터의 단위 시간당 HC 첨가량 및 각 첨가 밸브로부터의 첨가량 적산치, 요구 첨가량 적산치의 추이를 나타낸 타임 차트이다.
도 5 는, 실시예 3 에 의한 제 1 첨가 밸브 및 제 2 첨가 밸브로부터의 단위 시간당 HC 첨가량 및 각 첨가 밸브로부터의 첨가량 적산치, 요구 첨가량 적산치의 추이를 나타낸 타임 차트이다.
도 6 은 실시예 4 에 의한 제 1 첨가 밸브 및 제 2 첨가 밸브로부터의 단위 시간당 HC 첨가량 및 각 첨가 밸브로부터의 첨가량 적산치, 요구 첨가량 적산치의 추이를 나타낸 타임 차트이다.
도 7 은 실시예 7 에 의한 제 1 첨가 밸브 및 제 2 첨가 밸브로부터의 단위 시간당 HC 첨가량의 추이를 나타낸 타임 차트이다.
도 8 은 흡장 환원형 NOx 촉매 대신에 우레아 선택 환원형 NOx 촉매를 구비한 배기계의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 9 는 암모니아 생성 촉매와 NOx 촉매를 구비한 배기계의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 10 은 흡장 환원형 NOx 촉매와 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매를 구비한 배기계의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
부호의 설명
1 내연 기관
2 배기 통로
5 제 1 첨가 밸브
6 제 2 첨가 밸브
7 ECU
8 공연비 센서
9 온도 센서
30 흡장 환원형 NOx 촉매
31 우레아 선택 환원형 NOx 촉매
32 NOx 촉매
33 암모니아 생성 촉매
34 산화 촉매
35 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매
36 산화 촉매
37 NO2 생성 촉매
41 파티큘레이트 필터
42 산화 촉매
51 우레아 첨가 밸브
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명에 관련된 내연 기관의 배기 정화 장치의 구체적 실시양태에 대해 도면에 기초하여 설명한다.
실시예 1
도 1 은, 본 실시예에 관련된 내연 기관 (1) 과 그 배기계의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 도 1 에 나타내는 내연 기관 (1) 은, 수냉식의 4 사이클?디젤 엔진이다.
내연 기관 (1) 에는, 연소실로 통하는 배기 통로 (2) 가 접속되어 있다. 이 배기 통로 (2) 는, 하류에서 대기로 통하고 있다.
상기 배기 통로 (2) 의 도중에는, 내연 기관 (1) 측으로부터 순서대로, 흡장 환원형 NOx 촉매 (30) (이하, NOx 촉매 (30) 라고 한다) 와, 파티큘레이트 필터 (41) (이하, 필터 (41) 라고 한다) 가 형성되어 있다. 또, 필터 (41) 에는 산화 촉매 (42) 가 담지되어 있다.
NOx 촉매 (30) 는, 유입되는 배기 산소 농도가 높을 때는 배기 중의 NOx 를 흡장하고, 유입되는 배기 산소 농도가 낮고 또한 환원제가 존재할 때에는 흡장되어 있던 NOx 를 환원시키는 기능을 갖는다. 또한, 본 실시예에 있어서는 NOx 촉매 (30) 가, 본 발명에 있어서의 제 1 배기 정화 장치에 상당한다. 또, 본 실시예에서는 필터 (41) 및 산화 촉매 (42) 가, 본 발명에 있어서의 제 2 배기 정화 장치에 상당한다. 여기서, NOx 촉매 (30) 에는 다른 촉매가 조합되어 있어도 된다. 또, 산화 촉매 (42) 는, 필터 (41) 에 담지되지 않고 그 필터 (41) 의 상류측에 형성되어 있어도 된다. 산화 촉매 (42) 는, 산화능을 갖는 촉매이면 되고, 예를 들어 삼원 촉매 또는 NOx 촉매이어도 된다.
NOx 촉매 (30) 보다 상류의 배기 통로 (2) 에는, 그 배기 통로 (2) 를 유통하는 배기 중에 환원제인 HC (경유) 를 첨가하는 제 1 첨가 밸브 (5) 를 구비하고 있다. 또, NOx 촉매 (30) 보다 하류에서 또한 산화 촉매 (42) 보다 상류의 배기 통로 (2) 에는, 그 배기 통로 (2) 를 유통하는 배기 중에 환원제인 HC (경유) 를 첨가하는 제 2 첨가 밸브 (6) 를 구비하고 있다. 또한, 본 실시예에 있어서는 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 가, 본 발명에 있어서의 HC 공급 수단에 상당한다.
제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 는 후술하는 ECU (7) 로부터의 신호에 의해 밸브가 열려 배기 중에 HC 를 분사한다. 제 1 첨가 밸브 (5) 또는 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 배기 통로 (2) 내에 분사된 HC 는, 배기 통로 (2) 의 상류로부터 흘러 온 배기 공연비를 저하시킨다.
그리고, NOx 촉매 (30) 에 흡장되어 있는 NOx 의 환원시에는, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 를 첨가함으로써, NOx 촉매 (30) 에 유입되는 배기 공연비를 비교적으로 짧은 주기로 스파이크적 (단시간) 으로 리치로 하는, 소위 리치 스파이크 제어를 실행한다. 또한, 1 회의 리치 스파이크를, 복수회의 HC 의 첨가에 의해 형성해도 된다. 그 밖에도, NOx 촉매 (30) 의 황 피독을 회복시킬 때에 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 그 NOx 촉매 (30) 에 HC 가 첨가된다.
또한, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복은, NOx 촉매 (30) 의 온도를 황 피독 회복에 필요한 온도까지 상승시키는 승온 단계와, 그 후에 NOx 촉매 (30) 로부터 황분을 방출시키는 재생 단계에 의해 구성되어 있다. 승온 단계에서는, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 소량의 HC 를 간헐적으로 분사하고, NOx 촉매 (30) 에 유입되는 배기 공연비가 린 공연비가 되도록 한다. 이로써, NOx 촉매 (30) 에 의해 HC 와 산소가 반응하여 그 NOx 촉매 (30) 의 온도가 상승된다. 또, 재생 단계에서는, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 를 첨가하여 소정의 리치 공연비로 되어 있다. 이 때에는, NOx 촉매 (30) 의 온도가 과잉으로 상승되지 않게, 간헐적으로 리치 공연비로 되어 있다.
또, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 분사시킴으로써 산화 촉매 (42) 에 의해 HC 를 반응시키면, 필터 (41) 의 온도가 상승된다. 필터 (41) 의 재생시에는, 필터 (41) 의 온도가 PM 의 산화에 필요한 온도까지 상승된 후에 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 간헐적으로 분사시켜, 그 PM 의 산화에 필요한 온도를 유지한다. 이 때에, 필터 (41) 에 유입되는 배기 공연비가 린이 되도록 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 분사시킴으로써, 필터 (41) 에 포집되어 있는 PM 이 산화된다.
이상에서 서술한 바와 같이 구성된 내연 기관 (1) 에는, 그 내연 기관 (1) 을 제어하기 위한 전자 제어 유닛인 ECU (7) 가 병설되어 있다. 이 ECU (7) 는, 내연 기관 (1) 의 운전 조건이나 운전자의 요구에 따라 내연 기관 (1) 의 운전 상태를 제어하는 유닛이다.
또, NOx 촉매 (30) 와 산화 촉매 (42) 사이의 배기 통로에는, 배기 공연비를 측정하는 공연비 센서 (8) 와 배기 온도를 측정하는 온도 센서 (9) 가 장착되어 있다.
그리고, ECU (7) 에는 공연비 센서 (8) 및 온도 센서 (9) 가 전기 배선을 통하여 접속되고, 이들 센서의 출력 신호가 ECU (7) 에 입력되도록 되어 있다.
한편, ECU (7) 에는, 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 가 전기 배선을 통하여 접속되고, 그 ECU (7) 에 의해 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 가 제어된다.
그리고 본 실시예에서는, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복 처리와 필터 (41) 의 재생 처리가 동시기에 실시되는 경우에, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 첨가를 실시할 때에는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가를 정지시킨다. 즉, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가를 우선시킴으로써, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복을 우선적으로 실시한다. 이것은, 공연비를 제어하는 측, 또는 환원 분위기로 하는 측, 또한 HC 를 첨가하지 않으면 이미션이 악화되는 측의 HC 첨가를 우선시키도록 해도 된다. 또한, 본 실시예에서는 NOx 촉매 (30) 에 대한 HC 첨가를 우선시키는 ECU (7) 가 본 실시예에 있어서의 우선도 결정 수단에 상당한다.
NOx 촉매 (30) 의 온도가 황 피독 회복에 필요한 온도에 도달한 후에 있어서, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 리치 스파이크 제어를 실시할 때는, 필터 (41) 에 유입되는 배기 공연비가 간헐적으로 리치해진다. 이 리치해졌을 때 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가하더라도, 배기 중의 산소가 부족하기 때문에 산화 촉매 (42) 에 의해 HC 를 완전히 산화할 수 없다. 이와 같이 완전히 산화할 수 없었던 HC 는 필터 (41) 로부터 유출된다.
이것에 대해, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 를 첨가할 때에는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가하지 않게 하면, HC 가 필터 (41) 로부터 흘러나오는 것을 억제할 수 있다.
여기서 도 2 는, 본 실시예에 의한 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량의 추이를 나타낸 타임 차트이다. 이 타임 차트는, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복과 필터 (41) 의 재생이 동시기에 실시되고 있는 경우의 것이다. 단위 시간당 HC 첨가량은, 소정 기간에 있어서의 HC 첨가량을 그 소정 기간으로 나눈 값으로 해도 된다. 즉, HC 첨가를 간헐적으로 실시하고 있는 경우에는, 평균치를 사용해도 된다.
도 2 중의 A 로 나타내는 시간에 있어서, NOx 촉매 (30) 의 온도가 황 피독 회복에 필요한 온도 (즉, 목표 온도) 에 도달한다. 그리고, 이 시간에 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 황 피독 회복을 위한 HC 첨가가 개시된다. 이 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가는 B 로 나타내는 시간까지 실시된다. 이 A 로부터 B 까지의 기간은, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 우선되어 실시되는 기간이고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가는 정지된다.
그리고, B 로 나타내는 시간에 있어서, 예를 들어 NOx 촉매 (30) 의 온도가 과열될 우려가 있는 온도가 되어, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지된다. 그 때문에, 우선도가 낮은 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 개시된다. 여기서, A 부터 B 까지의 기간에 있어서 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지되기 때문에, 필터 (41) 의 온도가 저하되어 있다. 그 때문에, 필터 (41) 의 재생이 곤란해질 우려가 있다.
그래서, B 로 나타내는 시간 이후에 있어서, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가량을 통상보다 많게 한다. 통상적인 HC 첨가량이란, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복과 필터 (41) 의 재생이 겹치지 않은 경우에 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 첨가되는 HC 량이다. 예를 들어, 간헐적으로 HC 를 첨가할 때의 간격을 짧게 하거나 HC 의 분사 압력을 높이거나 함으로써, HC 첨가량을 통상보다 많게 할 수 있다. 이 때에는, 필터 (41) 의 온도 저하를 억제할 수 있는 만큼 HC 첨가량을 많게 한다.
한편, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 첨가가 실시되고 있을 때는, NOx 촉매 (30) 에 HC 가 첨가되어 있지 않기 때문에, 그 NOx 촉매 (30) 의 온도가 저하된다. 그리고, C 로 나타내는 시간에 있어서, NOx 촉매 (30) 의 온도가 HC 첨가를 실시해도 과열될 우려가 없는 온도까지 저하된다. 즉, B 부터 C 의 기간에 있어서 NOx 촉매 (30) 의 온도가 목표 온도가 되도록 조절된다. 그리고, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 를 첨가한 것이 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가한 것보다 우선도가 높기 때문에, C 로 나타내는 시간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 개시되면, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지된다.
여기서, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복은 환원 분위기로 하는 기간이 필요하다. 그리고, 이 기간을 확보할 수 없기 때문에 황 피독 회복을 실시할 수 없게 되면, NOx 의 정화가 곤란해지기 때문에, NOx 촉매 (30) 보다 하류에 NOx 가 유 출될 우려가 있다. 한편, 필터 (41) 의 재생에서는 HC 첨가를 잠깐 정지시켜, 그 필터 (41) 의 온도가 저하되었다고 하더라도 필터 (41) 로부터 PM 이 유출되는 경우는 거의 없다. 즉, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가를 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가보다 우선적으로 실시해도 PM 의 유출은 억제할 수 있다.
그러나, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 를 첨가할 때에 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가를 정지시키면, 필터 (41) 의 온도가 저하된다. 그 후, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 첨가되는 HC 량을, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가를 정지시키지 않았던 경우와 동일하게 하면, 필터 (41) 의 온도 상승이 불충분해져 그 필터 (41) 의 재생이 곤란해질 우려가 있다. 그 때문에, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가시킬 때는, 그 제 2 첨가 밸브 (6) 가 정지했던 기간 만큼 HC 첨가량을 증가시킨다.
또한, NOx 촉매 (30) 의 온도를 황 피독 회복에 필요한 온도까지 상승시킬 동안 (이하, 승온 단계라고 한다) 은, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 를 첨가하고 있어도, 그 NOx 촉매 (30) 를 통과하는 배기 공연비는 리치해지지 않는다. 그 때문에, 제 1 첨가 밸브 (5) 와 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 동시에 HC 를 첨가했다고 하더라도, 산화 촉매 (42) 에 의해 대부분의 HC 를 반응시킬 수 있기 때문에 그 필터 (41) 보다 하류에 HC 가 유출되는 경우는 거의 없다. 즉, NOx 촉매 (30) 의 승온 단계에서는, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복과 필터 (41) 의 재생을 각각 독립적으로 실시해도 된다. 즉, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가와 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가를 동시에 실시해도 된다. 단, 내연 기관 (1) 으로부터의 배기 공연비 또는 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가량에 따라서는, 산화 촉매 (42) 에 의해 리치 공연비가 되는 경우도 생각되기 때문에, 이들을 고려하여 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가를 실시하는 시기를 결정해도 된다.
다음으로 도 3 은, 본 실시예에 의한 HC 첨가 제어의 플로우를 나타낸 플로우 차트이다. 본 루틴은 소정 시간마다 반복 실행된다.
단계 101 에서는, PM 재생 요구 및 S 재생 요구가 있는지의 여부가 판정된다. PM 재생 요구가 있다는 것은, 필터 (41) 의 재생이 필요하다는 것을 의미한다. 또, S 재생 요구가 있다는 것은, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복이 필요하다는 것을 의미한다.
단계 101 에서 긍정 판정이 이루어진 경우에는 단계 102 로 진행되고, 한편 부정 판정이 이루어진 경우에는 본 루틴을 일단 종료시킨다.
단계 102 에서는, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 첨가를 실시함으로써 NOx 촉매 (30) 의 온도를 상승시킨다. 즉, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복이 가능한 온도까지 그 NOx 촉매 (30) 의 온도를 상승시킨다. 이 때에는, 배기 공연비가 린이 되도록 HC 첨가량이 조절된다.
단계 103 에서는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 첨가를 실시함으로써 필터 (41) 의 온도를 상승시킨다. 즉, 필터 (41) 의 재생이 가능한 온도까지 그 필터 (41) 의 온도를 상승시킨다. 이 때에는, 배기 공연비가 린이 되도록 HC 첨가량이 조절된다.
단계 104 에서는, S 재생 조건이 성립되었는지의 여부가 판정된다. S 재 생 조건이란, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복에 필요한 조건이다. 예를 들어 NOx 촉매 (30) 의 온도가 600 ℃ 이상이 되었는지의 여부가 판정된다.
단계 104 에서 긍정 판정이 이루어진 경우에는 단계 105 로 진행되고, 한편 부정 판정이 이루어진 경우에는 단계 102 로 돌아와, 계속해서 NOx 촉매 (30) 및 필터 (41) 의 온도가 상승된다. 또한, 긍정 판정이 이루어졌을 때가 도 2 중의 A 로 나타내는 시간이 된다.
단계 105 에서는, S 재생 첨가 조건이 성립되었는지의 여부가 판정된다. S 재생 첨가 조건이란, HC 첨가에 의해 이상이 생길 우려가 없는 조건이다. 예를 들어, HC 첨가에 의해 NOx 촉매 (30) 가 과열될 우려가 없는지의 여부가 판정된다.
단계 105 에서 긍정 판정이 이루어진 경우에는 단계 106 으로 진행되고, 한편 부정 판정이 이루어진 경우에는 단계 108 로 진행된다.
단계 106 에서는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지된다. 즉, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복을 우선시키기 때문에, 필터 (41) 의 온도 상승을 위한 HC 첨가가 정지된다.
단계 107 에서는, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 허가된다. 즉, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 개시된다. 이것은, 배기 공연비를 리치로 하여 NOx 촉매 (30) 로부터 황분을 방출시키기 위한 HC 첨가이다. 또한, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 개시되는 것과 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지되는 것을 동시에 실시하면, 배기 중의 HC 량이 일시적으로 과잉될 우려가 있다. 그 때문에, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지된 후에 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가를 개시한다. 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가의 정지 후, 예를 들어 100 ms 경과하고 나서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가를 허가해도 된다.
단계 108 에서는, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지된다. 즉, NOx 촉매 (30) 가 과열될 우려가 있기 때문에, NOx 촉매 (30) 의 온도 상승을 위한 HC 첨가가 정지된다.
단계 109 에서는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 허가된다. 즉, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 개시된다. 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가는 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가보다 우선도가 낮기 때문에, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지되었을 때에 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 실시된다. 이로써, 필터 (41) 의 온도가 상승된다.
이상 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복과 필터 (41) 의 재생을 동시에 실시할 때, NOx 촉매 (30) 에 대한 HC 첨가를 주체적으로 실시함으로써, 대기 중으로의 HC 의 방출을 억제할 수 있다.
실시예 2
본 실시예에서는, NOx 촉매 (30) 의 온도가 과도하게 상승되지 않게, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지되었을 때에는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 분사를 등간격으로 실시한다.
예를 들어, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지되는 기간을 추정하 고, 이 기간 중의 요구 첨가량과 첨가 가능 횟수를 산출하여, 각 회의 첨가에서 동일한 양의 HC 를 첨가시킨다.
여기서 도 4 는, 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량 및 각 첨가 밸브로부터의 첨가량 적산치, 요구 첨가량 적산치의 추이를 나타낸 타임 차트이다.
A 로 나타내는 시간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 개시되고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지된다. B 로 나타내는 시간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지되고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 개시된다. C 로 나타내는 시간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 개시되고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지된다.
도 4 중의 실선은, 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량을 나타내고 있다. 단위 시간당 HC 첨가량은, 소정 기간에 있어서의 전체 HC 첨가량을 그 소정 기간으로 나눈 값으로 해도 된다. 즉, HC 첨가를 간헐적으로 실시하고 있는 경우에는, 평균치를 사용해도 된다.
도 4 중의 일점쇄선은 각각의 첨가 밸브의 첨가량 적산치이다. 첨가량 적산치란, 각각의 첨가 밸브로부터 실제로 첨가되는 단위 시간당 HC 량을 적산한 것이다. 제 1 첨가 밸브 (5) 의 첨가량 적산치를 이하, 제 1 첨가량 적산치 (Qadsum1) (㎣) 로 하고, 제 2 첨가 밸브 (6) 의 첨가량 적산치를 이하, 제 2 첨가량 적산치 (Qadsum2) (㎣) 로 한다.
또, 도 4 중의 파선은 각각의 첨가 밸브의 요구 첨가량 적산치이다. 요구 첨가량 적산치란, 각각의 첨가 밸브에 첨가가 요구되는 단위 시간당 HC 량을 적산한 것이다. 제 1 첨가 밸브 (5) 의 요구 첨가량 적산치를 이하, 제 1 요구 첨가량 적산치 (Qrqsum1) (㎣) 로 하고, 제 2 첨가 밸브 (6) 의 요구 첨가량 적산치를 이하, 제 2 요구 첨가량 적산치 (Qrqsum2) (㎣) 로 한다.
그리고, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지되는 기간은 이하의 식에 의해 추정할 수 있다.
Tlean1=(Qadsum1－Qrqsum1)/Qrq1 … (1)
단, Tlean1 은, 추정 기간 (sec), Qrq1 은 제 1 첨가 밸브 (5) 의 단위 시간당 요구 첨가량 (이하, 제 1 요구 첨가량 순시치라고 한다) (㎣/sec) 이다. 이 추정 기간 Tlean1 은, 현시점으로부터 다음번 제 1 첨가 밸브 (5) 에 의한 HC 첨가가 개시되기 직전까지의 기간의 추정치이다. 이 기간은, NOx 촉매 (30) 에 유입되는 배기량 또는 온도, 또는 NOx 촉매 (30) 의 목표 온도 또는 현시점에서의 온도 등에 의해 바뀐다. 그 때문에, 이들 값을 파라미터로 하여 제 1 요구 첨가량 적산치 (Qrqsum1) 이 설정된다. 이들 파라미터와 제 1 요구 첨가량 적산치 (Qrqsum1) 의 관계는 미리 실험 등에 의해 구해 둔다.
즉, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 첨가가 정지되는 것은, NOx 촉매 (30) 의 온도를 목표 온도에 맞추기 위한 것이기 때문에, NOx 촉매 (30) 의 온도에 관계하는 파라미터에 기초하여 제 1 요구 첨가량 적산치 (Qrqsum1) 를 설정하고 있다. 그리고, 식 (1) 은 NOx 촉매 (30) 의 온도가 어느 정도 기간에 목표 온도까지 저 하되는지를 산출하고 있다.
다음으로, 현시점으로부터 제 1 첨가 밸브 (5) 에 있어서 HC 첨가가 개시되기 직전까지의 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 요구 첨가량의 총량 (이하, 추정 전체 요구 첨가량이라고 한다) Qadsum2' (㎣) 은, 이하의 식에 의해 구할 수 있다.
Qadsum2' = Qadsum2＋Qrq2×Tlean1
단, Qrq2 는 제 2 첨가 밸브 (6) 의 단위 시간당 요구 첨가량 (이하, 제 2 요구 첨가량 순시치라고 한다) (㎣/sec) 이다.
즉, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 개시되고 나서 지금까지의 실제 첨가량의 총합 (제 2 첨가량 적산치 (Qadsum2)) 과 나머지 기간에 첨가될 예정의 HC 량의 총합을 더함으로써, 추정 전체 요구 첨가량 Qadsum2' 를 산출한다.
그리고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량 Qad2 (㎣/sec) 는, 이하의 식에 의해 구할 수 있다.
Qad2 = Qadsum2'/Tlean1
또한, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가는 간헐적으로 실시된다. 이것은, 예를 들어 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 계속 첨가하면, HC 의 분사 압력이 저하되어, HC 의 첨가량이 안정되지 않기 때문이다. 또, 예를 들어 내연 기관 (1) 의 회전에 동기시켜 HC 를 첨가함으로써, 배기의 흐름에 HC 를 실을 수 있기 때문이다. 이들에 기초하여, 현시점으로부터 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 개시되기 직전까지의 기간에 있어서 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 첨가가 가능한 횟수 (이하, 첨가 가능 횟수라고 한다 ; Nad) 를 산출한다.
그리고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 1 회 첨가당 HC 량 (이하, 제 2 최종 첨가량이라고 한다) Qadf2 (㎣/회) 는, 이하의 식에 의해 구할 수 있다.
Qadf2 = Qad2/Nad
그리고, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지되어 있는 기간에 있어서, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 제 2 최종 첨가량 (Qadf2) 의 HC 를 등간격으로 첨가 가능 횟수 (Nad) 반복 분사한다. 이로써, 제 1 첨가 밸브 (5) 의 HC 첨가 개시로부터 다음번 HC 첨가 개시 직전까지의 사이에 있어서의 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 분사량의 총량을, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복과 필터 (41) 의 재생이 겹치지 않았던 경우와 동일하게 할 수 있다. 이로써, 필터 (41) 의 온도가 저하되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 그 필터 (41) 의 재생을 신속하게 완료시킬 수 있다.
또한, 일반적으로 사용되고 있는 HC 첨가 밸브에는, 첨가할 수 있는 HC 의 하한치가 설정되어 있다. 이 하한치보다 적은 양의 HC 를 첨가시키려고 해도, 첨가량의 정밀도가 저하되기 때문에, 이와 같은 경우에는 HC 첨가를 실시하지 않는다.
그 때문에, 제 2 첨가 밸브 (6) 에 설정되어 있는 하한치보다 제 2 최종 첨가량 (Qadf2) 이 적은 경우에는, 첨가 간격을 보다 넓게 하고 또한 1 회당 첨가량을 증가시킨다. 예를 들어 첨가 가능 횟수 (Nad) 마다 제 2 최종 첨가량 (Qadf2) 을 적산하고, 이 적산치가 하한치보다 적은 경우에는 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가를 실시하지 않고, 하한치 이상이 되었을 때에 그 적산치의 양의 HC 를 첨가한다.
이 때의 첨가 간격 N 을 이하의 식에 의해 구해도 된다.
N = Qadmn2/Qadf2
단, Qadmn2 는 제 2 첨가 밸브 (6) 에 설정되어 있는 HC 첨가량의 하한치 (㎣/회) 이다. 또한, 소수점 이하는 올림한다.
그리고, 변경 후의 첨가 가능 횟수 (Nad') 는 이하의 식에 의해 구할 수 있다.
Nad' = Nad/N
이와 같이 하여, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가 간격을 보다 넓게 함으로써, HC 첨가가 가능해진다.
실시예 3
여기서, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가하는 도중 (간헐적인 분사에 있어서의 분사 정지시를 포함한다) 에 있어서 내연 기관 (1) 의 부하가 높아지면, 제 1 요구 첨가량 적산치 (Qrqsum1) (㎣) 가 많아지는 경우가 있다. 이로써, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가의 개시 시기가 앞당겨지는 경우가 있다. 그리고, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가의 개시 시기가 추정보다 빨라지면, 필터 (41) 로부터의 HC 의 유출을 억제하기 위해서 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가를 정지시켜야 하기 때문에, 필터 (41) 의 온도가 저하될 우려가 있다.
이것에 대해 본 실시예에서는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가 초기에 HC 첨가량을 가급적으로 증가시킨다. 이 때의 첨가량은, 예를 들어, 필터 (41) 로부터 HC 가 유출되지 않는 첨가량, 흰 연기가 발생되지 않는 첨가량, 또는 필터 (41) 에 유입되는 배기 공연비가 소정의 공연비 (예를 들어 16) 가 되는 첨가량으로 할 수 있다. 이 때에 필터 (41) 에 유입되는 배기 공연비를 한계 공연비로 칭한다.
도 5 는, 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량 및 각 첨가 밸브로부터의 첨가량 적산치, 요구 첨가량 적산치의 추이를 나타낸 타임 차트이다.
도 5 중의 실선은, 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량을 나타내고 있다. 일점쇄선은 각각의 첨가 밸브로부터 실제로 첨가되는 단위 시간당 HC 량을 적산한 값인 첨가량 적산치이다. 파선은 각각의 첨가 밸브에 첨가가 요구되는 단위 시간당 HC 량을 적산한 값인 요구 첨가량 적산치이다.
A 로 나타내는 시간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 개시되고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지된다. B 로 나타내는 시간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지되고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 개시된다. C 로 나타내는 시간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 개시되고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지된다. D 로 나타내는 시간에서는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가량이 통상적인 첨가량으로 되어 있다. 즉, B 부터 D 의 기간에 있어서 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가량이 가급적으로 증가되고 있다.
여기서, 한계 공연비는 이하의 식으로 나타낼 수 있다.
한계 공연비 = 흡입 공기량/(통 내 분사량 ＋ 제 2 첨가 밸브 첨가량)
단, 흡입 공기량이란 내연 기관 (1) 에 흡입되는 공기량이고, 통 내 분사량이란 내연 기관 (1) 의 기통 내에 분사되는 HC 량이다. 제 2 첨가 밸브 첨가량이란, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량 (㎣/sec) 이다.
즉, 제 2 첨가 밸브 첨가량은, 이하의 식에 의해 구할 수 있다.
제 2 첨가 밸브 첨가량 = (흡입 공기량/한계 공연비) － 통 내 분사량
이 제 2 첨가 밸브 첨가량에 따라 HC 첨가를 실시하고, 제 2 첨가량 적산치 (Qadsum2) 가 제 2 요구 첨가량 적산치 (Qrqsum2) 와 동일해졌을 때에, 통상적인 첨가량으로 바뀐다. 이 통상적인 첨가량이란, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복과 필터 (41) 의 재생이 겹치지 않는 경우의 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가량이다. 제 2 첨가 밸브 첨가량의 증가는, 1 회당 HC 분사 시간을 길게 하거나 또는 HC 의 분사 압력을 높게 함으로써 실시할 수 있다.
또한, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 첨가된 HC 가 배기 통로 (2) 에 부착되는 정도, 및 그곳으로부터 증발되는 정도, 또는 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 첨가된 HC 가 배기 통로 (2) 에 부착되는 정도 및 그곳으로부터 증발되는 정도에 기초하여 제 2 첨가 밸브 첨가량을 보정해도 된다.
이와 같이 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 첨가를 실시하는 초기의 HC 첨가량을 가급적으로 증가시킴으로써, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가할 수 없었던 기간 만큼의 HC 를 신속하게 공급할 수 있다. 즉, 내연 기관 (1) 의 부하가 높아짐으로써 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 도중에 정지되었다 하더라도, 필터 (41) 의 온도 저하를 억제할 수 있다.
실시예 4
본 실시예에서는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 첨가를 실시할 때 내연 기관 (1) 의 부하 변화 등에 의해 HC 첨가의 요구량이 증가했을 경우, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 완료될 때까지는 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가를 정지시켜 둔다.
예를 들어 가속에 의해 흡입 공기량이 증가하여 제 2 첨가 밸브 (6) 의 요구 첨가량이 증가했을 경우에 제 1 첨가 밸브 (5) 가 정지된 나머지의 기간이 짧으면 제 2 첨가 밸브 (6) 의 요구 첨가량의 증가에 맞추어 HC 첨가를 실시하는 것이 곤란해진다. 즉, 배기 공연비가 리치해지거나 제 2 첨가 밸브 (6) 가 첨가 가능한 단위 시간당 HC 첨가량을 초과할 우려가 있다. 그러나, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량을 제한하면, 제 1 첨가 밸브 (5) 의 HC 첨가 개시까지 제 2 첨가 밸브 (6) 의 요구 첨가량을 완전히 첨가할 수 없게 될 우려가 있다. 이와 같이 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 를 완전히 첨가할 수 없는 경우에 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가를 정지시키고 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가를 개시하면, 필터 (41) 의 온도가 저하되어 그 필터 (41) 의 재생이 곤란해질 우려가 있다.
이것에 대해 본 실시예에서는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가량의 잔량이 소정치 이하가 될 때까지는 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가를 금지하 고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가를 계속한다. 이 때의 소정치는, 필터 (41) 의 재생을 계속할 수 있는 값으로서 실험 등에 의해 미리 구해 둔다.
이 때에는 황 피독 회복을 실시할 수 없게 되지만, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가를 금지한 기간에 NOx 촉매 (30) 의 온도가 저하되기 때문에, 그 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 첨가를 실시할 수 있는 시간이 길어진다. 즉, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가의 시간을 연장하여 황 피독 회복을 실시할 수 있기 때문에, 시스템 전체로서의 디메리트는 작다.
도 6 은, 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량 및 각 첨가 밸브로부터의 첨가량 적산치, 요구 첨가량 적산치의 추이를 나타낸 타임 차트이다.
도 6 중의 실선은, 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량을 나타내고 있다. 일점쇄선은 각각의 첨가 밸브로부터 실제로 첨가되는 단위 시간당 HC 량을 적산한 값인 첨가량 적산치이다. 파선은 각각의 첨가 밸브에 첨가가 요구되는 단위 시간당 HC 량을 적산한 값인 요구 첨가량 적산치이다.
A 로 나타내는 시간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 개시되고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지된다. B 로 나타내는 시간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지되고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 개시된다. C 로 나타내는 시간은, 내연 기관 (1) 의 부하가 변하지 않았다고 했을 경우에 있어서 NOx 촉매 (30) 의 온도가 과열될 우려가 없는 온도가 된다고 추정되는 시간이다. E 로 나타내는 시간에 있어서, 내연 기관 (1) 의 부하가 증가되고 있다. 그 때문에, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가량이 증가되고 있다. F 로 나타내는 시간에 있어서 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지된다. 즉, C 부터 F 의 기간만큼 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가 기간이 연장되어 있다. 또, E 부터 F 의 기간에서는, B 부터 E 의 기간보다 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가량이 증가되고 있다.
이와 같이 하여 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가를 우선시킴으로써, 시스템 전체로서의 기능 저하를 억제하면서, 필터 (41) 의 재생을 촉진시킬 수 있다.
한편, 예를 들어 가속에 의해 기통 내에 분사되는 HC 량이 증가되면, 내연 기관 (1) 으로부터의 배기 공연비 (이하, 연소 공연비라고 한다) 가 저하된다. 이 경우, 연소 공연비가 저하된 만큼, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가량을 감소시켜도 요구되는 리치 공연비로 할 수 있기 때문에, 황 피독 회복을 실시할 수 있다. 그래서 본 실시예에서는, 연소 공연비가 소정치 (예를 들어 20 에서 16) 이하가 되었을 경우에 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가를 개시한다. 이 때에는, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지되지만, 이 때에 완전히 첨가할 수 없었던 나머지 HC 는, 다음번의 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가에 더하여진다.
이와 같이 하여, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가에 의한 NOx 촉매 (30) 의 온도 상승을 작게 할 수 있다. 또, NOx 촉매 (30) 를 빠져나가는 HC 를 줄일 수 있다. 이들에 의해, 필터 (41) 의 온도 변동을 억제하거나 NOx 촉 매 (30) 또는 산화 촉매 (42) 의 온도를 활성 온도의 범위 내로 유지할 수 있다.
실시예 5
본 실시예에서는, NOx 촉매 (30) 에 의해 NOx 를 환원시키기 위한 HC 첨가와 필터 (41) 의 재생을 위한 HC 첨가가 겹치는 경우에 대해 설명한다.
도 7 은, 본 실시예에 의한 제 1 첨가 밸브 (5) 및 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 단위 시간당 HC 첨가량의 추이를 나타낸 타임 차트이다. 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가는, NOx 촉매 (30) 를 환원시키기 위한 리치 스파이크이다. NOx 흡장량 적산치란, NOx 촉매 (30) 에 흡장된 NOx 의 전체량을 나타내고 있다. NOx 흡장량 적산치에 있어서의 임계치란, 예를 들어 NOx 촉매 (30) 에 흡장되어 있는 NOx 가 포화될 우려가 있는 NOx 흡장량 또는 이것에 여유를 갖게 한 값이며, NOx 흡장량 적산치가 임계치 이상이 된 경우에 NOx 를 환원시킨다. 도 7 중의 제 2 첨가 밸브 첨가량 및 제 2 첨가 밸브 적산치에 대해서는, 도 4 와 동일한 의미로 사용하고 있다. 그리고, A 부터 B 의 기간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 실시되고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 정지된다. 또, B 부터 C 의 기간에 있어서 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지되고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가가 실시된다.
NOx 의 환원과 필터 (41) 의 재생이 겹친 경우에는, 황 피독 회복의 경우와 동일하게 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가를 우선시킨다. 그리고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가량을 통상보다 증량한다. 여기서, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터의 HC 첨가가 정지된 기간, 즉 B 부터 C 의 기간을, NOx 흡장량 적 산치에 기초하여 추정한다. 예를 들어, 내연 기관 (1) 의 운전 상태 (예를 들어 기관 회전수 및 기관 부하) 에 기초하여 그 내연 기관 (1) 으로부터 배출되는 NOx 량을 추정하고, 이 값에 기초하여 NOx 흡장량 적산치를 구할 수 있다. 이와 같이 하여 구해지는 NOx 흡장량 적산치가 임계치에 도달했을 때가 C 로 나타내는 시간이 된다. 그 후는, 전술한 실시예와 동일하게 하여 각각의 첨가 밸브를 제어한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면, NOx 의 환원과 필터 (41) 의 재생이 겹쳤을 경우라도, NOx 의 환원을 우선시킴으로써, NOx 의 유출을 억제할 수 있다. 또, 필터 (41) 의 재생에 대해서는, 황 피독 회복과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
실시예 6
전술한 본 실시예에서는, NOx 촉매 (30) 가 필터 (41) 보다 상류측에 설치되어 있지만, NOx 촉매 (30) 보다 필터 (41) 가 상류측에 설치되어 있어도 된다.
또, 전술한 실시예에서는 흡장 환원형 NOx 촉매를 구비하고 있는데, 이것 대신에 우레아 선택 환원형 NOx 촉매를 구비하고 있어도 된다. 우레아 선택 환원형 NOx 촉매는, 배기 중에 우레아를 첨가함으로써 NOx 를 정화하는 촉매이다.
도 8 은, 흡장 환원형 NOx 촉매 대신에 우레아 선택 환원형 NOx 촉매를 구비한 배기계의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 내연 기관 (1) 의 배기 통로 (2) 에는, 내연 기관 (1) 측 (즉, 상류측) 으로부터 순서대로, 우레아 첨가 밸브 (51), 제 1 첨가 밸브 (5), 산화 촉매 (34), 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31), 제 2 첨 가 밸브 (6), 산화 촉매 (42) 를 담지한 필터 (41) 가 형성되어 있다. 또한, 우레아 첨가 밸브 (51) 와 제 1 첨가 밸브 (5) 는 차례를 바꿀 수 있다. 또, 산화 촉매 (34) 는, 산화 능력을 갖는 다른 촉매 (예를 들어 삼원 촉매) 이어도 된다. 이와 같은 구성에서는, 산화 촉매 (34) 및 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 가, 본 발명에 있어서의 제 1 배기 정화 장치에 상당한다.
우레아 첨가 밸브 (51) 는, ECU (7) 로부터의 신호에 의해 밸브가 열려, 배기 중에 우레아 용액을 첨가한다. 우레아가 가수 분해 또는 열분해됨으로써 암모니아가 생성된다. 이 암모니아가 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 에 의해 배기 중의 NOx 에 선택적으로 작용하여 그 NOx 가 환원된다.
그런데, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 에는, NOx 의 환원을 실시하는 데에 적합한 온도 영역이 있고, 그 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 의 온도가 지나치게 낮으면 NOx 의 정화 기능이 저하된다. 그 때문에 본 실시예에서는, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 의 온도가 NOx 의 환원을 실시하는 데에 적합한 온도 영역보다 낮은 경우에는, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 첨가를 실시한다. 첨가된 HC 가 산화 촉매 (34) 에 의해 산화됨으로써 열이 발생하여, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 의 온도가 상승한다.
여기서, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 의 온도를 상승시키는 요구가 있음에도 불구하고 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 를 첨가하지 않으면, 배기 정화 기능의 저하 정도가 커진다. 즉, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 HC 를 첨가하지 않으면 NOx 를 정화하는 것이 곤란해진다. 한편, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 연 료를 첨가하지 않아도 필터 (41) 로부터 PM 이 유출되는 경우는 거의 없다. 그 때문에, 본 실시예에서는, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 에 대한 HC 첨가의 우선도가, 필터 (41) 에 대한 HC 첨가보다 높다고 하여, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 에 대한 HC 첨가를 우선적으로 실시한다. 즉, 필터 (41) 의 재생 요구와 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 의 온도 상승 요구가 겹친 경우에는, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매 (31) 에 대한 HC 첨가를 우선하여 실시한다. 이것은, HC 의 공급에 의해 환원 분위기로 하는 것의 우선도가 높다고도 할 수 있다.
또, 전술한 실시예에서는 흡장 환원형 NOx 촉매를 구비하고 있는데, 이것 대신에 이하의 구성으로 해도 된다. 도 9 는, 암모니아 생성 촉매 (33) 와 NOx 촉매 (32) 를 구비한 배기계의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 내연 기관 (1) 의 배기 통로 (2) 에는, 내연 기관 (1) 측 (즉, 상류측) 으로부터 순서대로, 제 1 첨가 밸브 (5), 산화 촉매 (42) 를 담지한 필터 (41), 제 2 첨가 밸브 (6), 암모니아 생성 촉매 (33), NOx 촉매 (32) 가 형성되어 있다. 이와 같은 구성에서는, 암모니아 생성 촉매 (33) 및 NOx 촉매 (32) 가, 본 발명에 있어서의 제 1 배기 정화 장치에 상당한다.
암모니아 생성 촉매 (33) 는 HC 를 과잉으로 첨가함으로써 암모니아를 생성하는 촉매이고, 예를 들어 삼원 촉매이다. NOx 촉매 (32) 는 하층에 흡장 환원형 NOx 촉매를, 상층에, 예를 들어 제올라이트와 같은 흡착층을 일체적으로 구비하는 NOx 촉매이다. 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 가 첨가되면, 암모니아 생성 촉매 (33) 에 의해 암모니아가 생성되고, 이 암모니아는 NOx 촉매 (32) 의 흡착층 에 흡착된다. 이 암모니아가 배기 중의 NOx 에 선택적으로 작용하여 그 NOx 가 환원된다. 또, NOx 촉매 (32) 의 하층에 있어서는, NOx 가 흡장된다. 그리고, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터의 HC 첨가에 의해 흡장되어 있는 NOx 가 환원된다.
이와 같은 NOx 촉매 (32) 의 경우에는, 암모니아 생성 촉매 (33) 에 의해 암모니아를 생성하는 경우 및 흡장 환원형 NOx 촉매에 흡장되어 있는 NOx 를 환원시키는 경우에 있어서 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가할 필요가 있다. 여기서, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가시키는 요구가 있음에도 불구하고 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가하지 않으면, 배기 정화 기능의 저하 정도가 커진다. 즉, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가하지 않으면 NOx 를 정화하는 것이 곤란해진다. 한편, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 연료를 첨가하지 않아도 필터 (41) 로부터 PM 이 유출되는 경우는 거의 없다. 그 때문에, 본 실시예에서는, NOx 촉매 (32) 또는 암모니아 생성 촉매 (33) 에 대한 HC 첨가의 우선도가, 필터 (41) 에 대한 HC 첨가보다 높다고 하여, NOx 촉매 (32) 또는 암모니아 생성 촉매 (33) 에 대한 HC 첨가를 우선적으로 실시한다. 즉, 필터 (41) 의 재생 요구와 NOx 를 환원시키는 요구가 겹친 경우에는, NOx 촉매 (32) 또는 암모니아 생성 촉매 (33) 에 대한 HC 첨가를 우선하여 실시한다. 이것은, HC 의 공급에 의해 환원 분위기로 하는 것의 우선도가 높다고도 할 수 있다.
또한, 전술한 실시예에서는 흡장 환원형 NOx 촉매를 구비하고 있는데, 이것 대신에 이하의 구성으로 해도 된다. 도 10 은, 흡장 환원형 NOx 촉매 (30) 와 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매 (35) 를 구비한 배기계의 개략 구성을 나타내는 도 면이다. 내연 기관 (1) 의 배기 통로 (2) 에는, 내연 기관 (1) 측 (즉 상류측) 으로부터 순서대로, 제 1 첨가 밸브, 산화 촉매 (42), 필터 (41), 제 2 첨가 밸브 (6), 흡장 환원형 NOx 촉매 (30), NO2 생성 촉매 (37), 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매 (35), 산화 촉매 (36) 가 형성되어 있다. 이와 같은 구성에서는, 흡장 환원형 NOx 촉매 (30), NO2 생성 촉매 (37), 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매 (35) 및 산화 촉매 (36) 가, 본 발명에 있어서의 제 1 배기 정화 장치에 상당한다.
여기서, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 흡장 환원형 NOx 촉매 (30) 에 HC 를 과잉으로 첨가하면, 그 흡장 환원형 NOx 촉매 (30) 에 의해 암모니아를 생성할 수 있다. 이 암모니아는 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매 (35) 에 흡착된다. 그리고, 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매 (35) 에서는, 암모니아가 배기 중의 NOx 에 선택적으로 작용하여 그 NOx 가 환원된다. 또, NO2 생성 촉매 (37) 는, 배기 중의 NO2 의 비율을 높게 함으로써, 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매 (35) 에 있어서 NOx 를 보다 환원시키기 쉽게 한다. 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매 (35) 로부터 유출된 HC 나 암모니아는 하류의 산화 촉매 (36) 에 의해 산화된다.
이와 같이 구성된 배기 정화 장치에서는, 흡장 환원형 NOx 촉매 (30) 에 흡장되어 있는 NOx 를 환원시킬 때, 또는 암모니아 선택 환원형 NOx 촉매 (35) 에 암모니아를 공급할 때에 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 흡장 환원형 NOx 촉매 (30) 에 HC 가 첨가된다. 여기서, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가시키는 요구가 있음에도 불구하고 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가하지 않으면, 배기 정화 기능의 저하 정도가 커진다. 즉, 제 2 첨가 밸브 (6) 로부터 HC 를 첨가하지 않으면 NOx 를 정화하는 것이 곤란해진다. 한편, 제 1 첨가 밸브 (5) 로부터 연료를 첨가하지 않아도 필터 (41) 로부터 PM 이 유출되는 경우는 거의 없다. 그 때문에, 본 실시예에서는, 흡장 환원형 NOx 촉매 (30) 에 대한 HC 첨가의 우선도가, 필터 (41) 에 대한 HC 첨가보다 높다고 하여 흡장 환원형 NOx 촉매 (30) 에 대한 HC 첨가를 우선적으로 실시한다. 즉, 필터 (41) 의 재생 요구와 NOx 를 환원시키는 요구가 겹친 경우에는, 흡장 환원형 NOx 촉매 (30) 에 대한 HC 첨가를 우선하여 실시한다. 이것은, HC 의 공급에 의해 환원 분위기로 하는 것의 우선도가 높다고도 할 수 있다.
또한, 전술한 본 실시예에서는, 제 1 첨가 밸브 (5) 또는 제 2 첨가 밸브 (6) 중 어느 일방으로부터 HC 를 첨가하고 있을 때에는 타방으로부터의 HC 첨가를 정지하는데, 이것 대신에, 타방으로부터의 HC 첨가량을 통상보다 감소시켜도 된다. 통상적인 첨가량이란, NOx 촉매 (30) 의 황 피독 회복 또는 NOx 촉매 (30) 에 있어서의 NOx 의 환원과 필터 (41) 의 재생이 동시에 실시되지 않을 때의 HC 첨가량이다.

Claims (15)

  1. NOx 를 정화하는 기능을 갖는 제 1 배기 정화 장치와,
    상기 제 1 배기 정화 장치와 직렬로 형성되고, 배기 중의 입자 형상 물질을 포집하는 기능을 갖는 제 2 배기 정화 장치와,
    상기 제 1 배기 정화 장치 및 상기 제 2 배기 정화 장치의 각각에 형성되고, 상기 제 1 배기 정화 장치 및 상기 제 2 배기 정화 장치에 각각 HC 를 공급하는 HC 공급 수단과,
    HC 를 공급하는 목적, 제 1 배기 정화 장치 또는 제 2 배기 정화 장치의 온도, 또는 내연 기관의 운전 상태에 따라, 상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급과 상기 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급 중 어느 것의 우선도가 높은 것인지 결정하는 ECU 를 구비하고,
    상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구와 상기 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구가 겹치는 경우에는, 상기 ECU 에 의해 결정되는 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량을, HC 공급 요구가 겹치지 않는 경우보다 감소시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 ECU 는, HC 의 공급에 의해 환원 분위기로 하는 것의 우선도가 높다고 결정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 ECU 는, HC 를 공급하지 않으면 배기 정화 기능의 저하 정도가 커지는 것의 우선도가 높다고 결정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 ECU 는, 상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 의 공급의 우선도가 높다고 결정하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 배기 정화 장치 또는 상기 제 2 배기 정화 장치 중 어느 일방에 HC 를 공급할 때에는, 타방에 대한 HC 의 공급을 정지시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구와 상기 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구가 겹치고, 우선도가 높은 것에 HC 를 공급한 후에, 우선도가 낮은 것에 HC 를 공급할 때에는, 우선도가 높은 것에 HC 를 공급할 때에 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량이 감소된 만큼을 더하여 공급하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 우선도가 낮은 것에 HC 를 공급할 때에 그 우선도가 낮은 것의 온도를 상승시키기 위한 HC 요구량이 증가한 경우에는, 그 온도를 상승시키기 위한 HC 요구량이 증가한 것의 우선도를 높게 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    HC 요구량이 소정치 이하로 감소할 때까지, 상기 온도를 상승시키기 위한 HC 요구량이 증가한 것의 우선도를 높게 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 내연 기관으로부터의 배기 공연비가 소정치 이하인 경우에는, 환원 분위기로 하기 위한 HC 의 공급을 실시하는 것의 우선도를, 상기 온도를 상승시키기 위한 HC 요구량이 증가한 것의 우선도보다 높게 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 배기 정화 장치는, 흡장 환원형 NOx 촉매를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 배기 정화 장치는, 우레아 선택 환원형 NOx 촉매를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 배기 정화 장치는, 흡장 환원 기능 및 암모니아 선택 환원 기능을 별체 또는 일체적으로 구비하는 NOx 촉매를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 배기 정화 장치는, 파티큘레이트 필터와 산화 능력을 갖는 촉매를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 배기 정화 장치는 흡장 환원형 NOx 촉매를 포함하여 구성되고, 상기 제 2 배기 정화 장치는 파티큘레이트 필터와 산화 능력을 갖는 촉매를 포함하여 구성되고, 상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구란 상기 흡장 환원형 NOx 촉매의 황 피독 회복을 위한 HC 공급 요구이고, 상기 제 2 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구란 상기 파티큘레이트 필터에 포집된 입자 형상 물질의 산화를 위한 HC 공급 요구인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배기 정화 장치에 대한 HC 공급 요구는, 목표 온도까지 상승시키기 위한 승온 단계와 목표 온도까지 상승된 후의 재생 단계로 나누어지고,
    상기 승온 단계시에는, 상기 우선도에 의하지 않고 상기 제 1 배기 정화 장치 및 상기 제 2 배기 정화 장치의 각각의 HC 공급 요구에 따라 HC 를 공급하고,
    상기 재생 단계시에는, 상기 ECU 에 의해 결정되는 우선도가 낮은 것에 대한 HC 의 공급량을, HC 공급 요구가 겹치지 않는 경우보다 감소시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
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