KR101615866B1 - 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

기관 배기 통로 내에, 삼원 촉매(20)와, NOx 흡장 촉매(22)가 배치된다. 미리 정해진 기관 저부하 운전 영역에서는, 연소실(5) 내에 있어서 베이스 공연비가 린에 근거하여 연소가 행하여짐과 함께, NOx 흡장 촉매(22)로부터 NOx를 방출해야 할 때에는 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 된다. 미리 정해진 기관 고부하 운전 영역에서는, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 이론 공연비로 피드백 제어된다. 미리 정해진 기관 중부하 운전 영역에서는, 기관 저부하 운전 영역에 있어서의 베이스 공연비보다도 작은 베이스 공연비에 근거하여 연소실(5) 내에 있어서의 연소가 행하여짐과 함께, 기관 저부하 운전 영역에 있어서의 NOx 방출을 위한 공연비의 리치 주기보다도 짧은 주기로 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 된다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치{EXHAUST PURIFICATION DEVICE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
기관 배기 통로 내에 삼원 촉매를 배치함과 함께, 삼원 촉매 하류의 기관 배기 통로 내에 유입하는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 배기 가스 중의 NOx를 흡장하고, 유입하는 배기 가스의 공연비가 리치로 되면 흡장한 NOx를 방출하는 NOx 흡장 촉매를 배치하고, 기관의 운전 모드를 기관의 운전 상태에 따라, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지는 린 공연비 운전 모드와 이론 공연비에 근거하여 연소가 행하여지는 이론 공연비 운전 모드 중 어느 한쪽으로 전환하도록 한 내연 기관이 공지되어 있다(예를 들어 특허문헌 1을 참조).
이러한 내연 기관에서는, 린 공연비에 근거하여 연소를 행하는 경우의 쪽이, 이론 공연비에 근거하여 연소를 행하는 경우에 비해 연료 소비량이 적고, 따라서, 이러한 내연 기관에서는, 통상, 가능한 한 넓은 운전 영역에 있어서, 린 공연비에 근거하여 연소를 행하도록 하고 있다. 그러나, 기관 부하가 높아졌을 때에 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지면, NOx 흡장 촉매의 온도가 높아지고, 그 결과 NOx 흡장 촉매의 NOx 흡장 능력이 저하되기 때문에 NOx 정화율이 저하되게 된다. 따라서, 이러한 내연 기관에서는, NOx 정화율이 저하되지 않도록, 기관 부하가 높아졌을 때에는, 운전 모드를 린 공연비 운전 모드로부터 이론 공연비 운전 모드로 전환하도록 하고 있다.
일본 특허 공개 제2008-38890호 공보
그러나, 이와 같이, 운전 모드가 이론 공연비 운전 모드로 전환되어 이론 공연비에 근거하여 연소가 행하여지면, 연료 소비량이 증대된다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 높은 NOx 정화율을 확보하면서 연료 소비량을 저감할 수 있는 내연 기관의 배기 정화 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 기관 배기 통로 내에 삼원 촉매와, 유입하는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 배기 가스 중의 NOx를 흡장하고, 유입하는 배기 가스의 공연비가 리치로 되면 흡장한 NOx를 방출하는 NOx 흡장 촉매를 배치한 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, 기관의 운전 영역이, 기관 저부하 운전측의 미리 정해진 기관 저부하 운전 영역과, 기관 고부하 운전측의 미리 정해진 기관 고부하 운전 영역과, 기관 저부하 운전 영역 및 기관 고부하 운전 영역 사이에 위치하는 미리 정해진 기관 중부하 운전 영역으로 이루어지고, 미리 정해진 기관 저부하 운전 영역에서는 연소실 내에 있어서 베이스 공연비가 린에 근거하여 연소가 행하여짐과 함께, NOx 흡장 촉매로부터 NOx를 방출해야 할 때에는 연소실 내에 있어서의 공연비가 리치로 되고, 미리 정해진 기관 고부하 운전 영역에서는 연소실 내에 있어서의 공연비가 이론 공연비로 피드백 제어되고, 미리 정해진 기관 중부하 운전 영역에서는, 기관 저부하 운전 영역에 있어서의 베이스 공연비보다도 작은 베이스 공연비에 근거하여 연소실 내에 있어서의 연소가 행하여짐과 함께, 기관 저부하 운전 영역에 있어서의 NOx 방출을 위한 공연비의 리치 주기보다도 짧은 주기로 연소실 내에 있어서의 공연비가 리치로 되는 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
NOx를 정화하면서 린 공연비에 근거하여 연소를 행할 수 있는 기관 중부하 운전 영역을 형성함으로써, 높은 NOx 정화율을 확보하면서 연료 소비량을 저감할 수 있다.
도 1은 내연 기관의 전체도이다.
도 2는 삼원 촉매의 기체의 표면 부분을 도해적으로 나타내는 도면이다.
도 3a 및 3b는 NOx 흡장 촉매의 촉매 담체의 표면 부분 등을 도해적으로 나타내는 도면이다.
도 4a 및 4b는 NOx 흡장 촉매에 있어서의 산화 환원 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 NOx 방출 제어를 나타내는 도면이다.
도 6은 배출 NOx량 NOXA의 맵을 나타내는 도면이다.
도 7은 NOx 정화율을 나타내는 도면이다.
도 8a 및 8b는 NOx 흡장 촉매에 있어서의 산화 환원 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 9b는 NOx 흡수능 및 NO 흡착능을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 및 10b는 NOx 흡수능 및 NO 흡착능을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a, 11b 및 11c는 기관으로부터 배출되는 배기 가스의 공연비의 변화를 나타내는 타임 차트이다.
도 12는 삼원 촉매 및 NOx 흡장 촉매에의 유입 배기 가스의 공연비의 변화를 나타내는 타임 차트이다.
도 13은 NOx 정화율을 나타내는 도면이다.
도 14는 기관의 운전 영역을 나타내는 도면이다.
도 15는 기관 운전시에 있어서의 연료 분사량 등의 변화를 나타내는 타임 차트이다.
도 16은 기관의 운전 제어를 행하기 위한 플로우 차트이다.
도 1에 불꽃 점화식 내연 기관의 전체도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 1은 기관 본체, 2는 실린더 블럭, 3은 실린더 헤드, 4는 피스톤, 5는 연소실, 6은 점화 플러그, 7은 흡기 밸브, 8은 흡기 포트, 9는 배기 밸브, 10은 배기 포트를 각각 나타낸다. 도 1에 나타내어지는 바와 같이, 각 기통은 연소실(2) 내를 향해 연료를 분사하기 위한 전자 제어식 연료 분사 밸브(11)와, 흡기 포트(8) 내를 향해 연료를 분사하기 위한 전자 제어식 연료 분사 밸브(12)로 이루어지는 한 쌍의 연료 분사 밸브를 구비한다. 각 기통의 흡기 포트(8)는, 흡기 지관(13)을 통해 서지 탱크(14)에 연결되고, 서지 탱크(14)는 흡기 덕트(15)를 통해 에어 클리너(16)에 연결된다. 흡기 덕트(15) 내에는 흡입 공기량 검출기(17)와, 액추에이터(18a)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(18)가 배치된다.
한편, 각 기통의 배기 포트(10)는, 배기 매니폴드(19)를 통해 삼원 촉매(20)의 입구에 연결되고, 삼원 촉매(20)의 출구는 배기관(21)을 통해 NOx 흡장 촉매(22)의 입구에 연결된다. NOx 흡장 촉매(22)의 출구는, NOx 선택 환원 촉매(23)에 연결된다. 한편, 배기관(21)과 서지 탱크(14)는 배기 가스 재순환(이하, EGR이라 칭함) 통로(24)를 통해 서로 연결된다. EGR 통로(24) 내에는 전자 제어식 EGR 제어 밸브(25)가 배치되고, 또한, EGR 통로(24) 주위에는 EGR 통로(24) 내를 흐르는 배기 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치(26)가 배치된다. 도 1에 나타내어지는 실시예에서는, 기관 냉각수가 냉각 장치(26) 내로 유도되고, 기관 냉각수에 의해 배기 가스가 냉각된다.
전자 제어 유닛(30)은, 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 양방향성 버스(31)에 의해 서로 접속된 ROM(리드 온리 메모리)(32), RAM(랜덤 액세스 메모리)(33), CPU(마이크로 프로세서)(34), 입력 포트(35) 및 출력 포트(36)을 구비한다. 삼원 촉매(20)의 상류에는, 기관으로부터 배출되는 배기 가스의 공연비를 검출하기 위한 공연비 센서(27)가 설치되어 있고, 삼원 촉매(20)의 하류에는 배기 가스 중의 산소 농도를 검출하기 위한 산소 농도 센서(28)가 설치되어 있다. 이들 공연비 센서(27), 산소 농도 센서(28) 및 흡입 공기량 검출기(17)의 출력 신호는 각각 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 또한, 액셀러레이터 페달(40)에는, 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L에 비례한 출력 전압을 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, 30° 회전할 때마다 출력 펄스를 발생하는 크랭크각 센서(42)가 접속된다. 한편, 출력 포트(36)는, 대응하는 구동 회로(38)를 통해 점화 플러그(6), 연료 분사 밸브(11, 12), 스로틀 밸브 구동용 액추에이터(18a) 및 EGR 제어 밸브(25)에 접속된다.
도 2는, 삼원 촉매(20)의 기체(50)의 표면 부분을 도해적으로 나타내고 있다. 도 2에 나타내어지는 바와 같이, 촉매 담체(50) 상에는 상부 코트층(51)과 하부 코트층(52)이 적층 형상으로 형성되어 있다. 상부 코트층(51)은 로듐 Rh와 세륨 Ce를 포함하고, 하부 코트층(52)은 백금 Pt와 세륨 Ce를 포함한다. 또한, 이 경우, 상부 코트층(51)에 포함되는 세륨 Ce의 양은, 하부 코트층(52)에 포함되는 세륨 Ce의 양보다도 적다. 또한, 상부 코트층(51) 내에는 지르코니아 Zr을 함유하게 할 수 있고, 하부 코트층(52) 내에는 팔라듐 Pd를 함유하게 할 수도 있다.
이 삼원 촉매(20)는, 연소실(5) 내에 있어서 이론 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때, 즉, 기관으로부터 배출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비일 때에, 배기 가스 중에 포함되는 유해 성분 HC, CO 및 NOx를 동시에 저감하는 기능을 갖고 있다. 따라서, 연소실(5) 내에 있어서, 이론 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때에는, 배기 가스 중에 포함되는 유해 성분 HC, CO 및 NOx는 삼원 촉매(20)에 있어서 정화되게 된다.
또한, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비를 완전히 이론 공연비로 계속해서 유지하는 것은 불가능하고, 따라서, 실제로는, 연소실(5)로부터 배출된 배기 가스의 공연비가 거의 이론 공연비로 되도록, 즉, 연소실(5)로부터 배출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비를 중심으로 하여 변동되도록, 연료 분사 밸브(11, 12)로부터의 분사량이 공연비 센서(27)의 검출 신호에 기초하여 피드백 제어된다. 또한, 이 경우, 배기 가스의 공연비의 변동의 중심이 이론 공연비로부터 어긋났을 때에는, 산소 농도 센서(28)의 출력 신호에 기초하여 배기 가스의 공연비의 변동의 중심이 이론 공연비로 복귀되도록 조정된다. 이와 같이 연소실(5)로부터 배출되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비를 중심으로 하여 변동되었다고 해도, 세륨 Ce에 의한 삼원 촉매(20)의 산소 저장 능력에 의해, 배기 가스 중에 포함되는 유해 성분 HC, CO 및 NOx는 삼원 촉매(20)에 있어서 양호하게 정화된다.
도 3a는, NOx 흡장 촉매(22)의 기체(55)의 표면 부분을 도해적으로 나타내고 있다. 도 3a에 나타내어지는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)에 있어서도 기체(55) 상에는 코트층(56)이 형성되어 있다. 이 코트층(56)은, 예를 들어, 분체의 집합체로 이루어지고, 도 3b는 이 분체의 확대도를 나타내고 있다. 도 3b를 참조하면, 이 분체의, 예를 들어, 알루미나로 이루어지는 촉매 담체(60) 상에는 귀금속 촉매(61, 62)가 담지되어 있고, 또한, 이 촉매 담체(60) 상에는 칼륨 K, 나트륨 Na, 세슘 Cs와 같은 알칼리 금속, 바륨 Ba, 칼슘 Ca와 같은 알칼리 토류 금속, 란타노이드와 같은 희토류 및 은 Ag, 구리 Cu, 철 Fe, 이리듐 Ir과 같은 NOx에 전자를 공여할 수 있는 금속으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 염기성층(63)이 형성되어 있다.
한편, 도 3b에 있어서, 귀금속 촉매(61)는 백금 Pt로 이루어지고, 귀금속 촉매(62)는 로듐 Rh로 이루어진다. 또한, 이 경우, 어느 귀금속 촉매(61, 62)도 백금 Pt로 구성할 수 있다. 또한, 촉매 담체(60) 상에는 백금 Pt 및 로듐 Rh에 더하여 팔라듐 Pd를 더 담지시킬 수 있고, 또는, 로듐 Rh 대신에 팔라듐 Pd를 담지시킬 수 있다. 즉, 촉매 담체(60)에 담지되어 있는 귀금속 촉매(61, 62)는, 백금 Pt, 로듐 Rh 및 팔라듐 Pd 중 적어도 하나를 포함하여 구성된다.
다음으로, NOx 흡장 촉매(22)의 NOx의 흡방출 작용에 대해, 도 3b의 확대도를 나타내는 도 4a 및 4b를 참조하면서 설명한다.
그런데, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때에는, 즉 배기 가스의 공연비가 린일 때에는, 배기 가스 중의 산소 농도가 높고, 따라서, 이때 배기 가스 중에 포함되는 NO는, 도 4a에 나타내어지는 바와 같이, 백금 Pt(61) 상에 있어서 산화되어 NO2로 되고, 계속해서 염기성층(63) 내에 흡수되어 질산 이온 NO3-의 형태로 염기성층(63) 내에 확산되어, 질산염으로 된다. 이와 같이 하여, 배기 가스 중의 NOx가 질산염의 형태로 염기성층(63) 내에 흡수되게 된다. 배기 가스 중의 산소 농도가 높은 한, 백금 Pt(61)의 표면에서 NO2가 생성되고, 염기성층(63)의 NOx 흡수 능력이 포화되지 않는 한, NOx가 염기성층(63) 내에 흡수되어 질산염이 생성된다.
이에 반해, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 되면, NOx 흡장 촉매(22)에 유입하는 배기 가스 중의 산소 농도가 저하되기 때문에, 반응이 역방향(NO3-→NO2)으로 진행하고, 이리하여 염기성층(63) 내에 흡수되어 있는 질산염은 순차적으로 질산 이온 NO3-로 되어, 도 4b에 나타내어지는 바와 같이 NO2의 형태로 염기성층(63)으로부터 방출된다. 계속해서, 방출된 NO2는 배기 가스 중에 포함되는 탄화수소 HC 및 CO에 의해 환원된다.
또한, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때에는, 즉, 배기 가스의 공연비가 린일 때에는, NO가 백금 Pt(61)의 표면에 흡착되고, 따라서, 배기 가스 중의 NO는 이 흡착 작용에 의해서도 NOx 흡장 촉매(22)에 보유 지지되게 된다. 이 백금 Pt(61)의 표면에 흡착된 NO는, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 되면, 백금 Pt(61)의 표면으로부터 탈리된다. 따라서, 흡수 및 흡착의 양쪽을 포함하는 용어로서 흡장이라는 용어를 사용하면, 염기성층(63)은 NOx를 일시적으로 흡장하기 위한 NOx 흡장제의 역할을 달성하고 있게 된다. 따라서, 기관 흡기 통로, 연소실(5) 및 NOx 흡장 촉매(22) 상류의 배기 통로 내에 공급된 공기 및 연료(탄화수소)의 비를 배기 가스의 공연비라 칭하면, NOx 흡장 촉매(22)는, NOx 흡장 촉매(22)에 유입하는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 NOx를 흡장하고, NOx 흡장 촉매(22)에 유입하는 배기 가스의 공연비가 리치로 되면 흡장한 NOx를 방출하게 된다.
이와 같이 배기 가스의 공연비가 린일 때, 즉, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때에는, 배기 가스 중의 NOx가 NOx 흡장 촉매(22)에 흡장된다. 그러나, 린 공연비에 근거한 연소가 계속해서 행하여지면, 그 동안에 NOx 흡장 촉매(22)의 NOx 흡장 능력이 포화되어 버리고, 그 결과 NOx 흡장 촉매(22)에 의해 NOx를 흡장할 수 없게 되어 버린다. 따라서, NOx 흡장 촉매(22)의 NOx 흡장 능력이 포화되기 전에 연소실(5) 내에 있어서의 공연비를 일시적으로 리치로 하여, 그것에 의해 NOx 흡장 촉매(22)로부터 NOx를 방출시키도록 하고 있다.
도 5는, 본 발명에 따른 실시예에 있어서 사용되고 있는 NOx 흡장 촉매(22)로부터의 NOx 방출 제어를 나타내고 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예에서는, NOx 흡장 촉매(22)에 흡장된 흡장 NOx량 ΣNOX가 미리 정해진 제1 허용 NOx 흡장량 MAXⅠ을 초과하였을 때에 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)가 일시적으로 리치로 된다. 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)가 리치로 되면, 즉, NOx 흡장 촉매(22)에 유입하는 배기 가스의 공연비가 리치로 되면, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때에, NOx 흡장 촉매(22)에 흡장된 NOx가 NOx 흡장 촉매(22)로부터 단숨에 방출되어 환원된다. 그것에 의해 NOx가 정화된다.
흡장 NOx량 ΣNOX는, 예를 들어, 기관으로부터 배출되는 NOx량으로부터 산출된다. 본 발명에 따른 실시예에서는 기관으로부터 단위 시간당 배출되는 배출 NOx량 NOXA가 요구 부하 L 및 기관 회전수 N의 함수로서, 도 6에 나타내는 바와 같은 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있고, 이 배출 NOx량 NOXA로부터 흡장 NOx량 ΣNOX가 산출된다. 이 경우, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 되는 주기는 통상 1분 이상이다.
도 7은, 도 5에 나타내는 바와 같은, NOx 흡장 촉매(22)의 NOx의 흡장 방출 작용에 의해 NOx를 정화하도록 한 경우의 NOx 정화율을 나타내고 있다. 또한, 도 7의 횡축은 NOx 흡장 촉매(22)의 촉매 온도 TC를 나타내고 있다. 이 경우에는, 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 촉매 온도 TC가 300℃에서 400℃일 때에는 극히 높은 NOx 정화율이 얻어지지만, 촉매 온도 TC가 400℃ 이상의 고온으로 되면 NOx 정화율이 저하된다. 이와 같이 촉매 온도 TC가 400℃ 이상으로 되면 NOx 정화율이 저하되는 것은, 촉매 온도 TC가 400℃ 이상으로 되면 NOx가 흡장되기 어려워지고, 또한, 질산염이 열분해하여 NO2의 형태로 NOx 흡장 촉매(22)로부터 방출되기 때문이다. 즉, NOx를 질산염의 형태로 흡장하고 있는 한, 촉매 온도 TC가 높을 때에 높은 NOx 정화율을 얻는 것은 곤란해진다.
그런데, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때에는, 이론 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때에 비해, 연료 소비량이 적어진다. 따라서, 연료 소비량을 저감하기 위해서는, 가능한 한, 린 공연비에 근거하여 연소를 행하는 것이 바람직하다. 그러나, 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아지면, NOx 정화율이 저하된다. 이에 반해, 이론 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때에는, 삼원 촉매(20)의 온도 TC가 높아져도, NOx 정화율이 저하되지 않는다. 따라서, 종래부터, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 낮은 기관 저부하 운전시에는, 린 공연비에 근거하여 연소를 행하고, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아지는 기관 고부하 운전시에는, 이론 공연비에 근거하여 연소를 행하도록 하고 있다.
그런데, 이러한 상황 중에, 본 발명자들은, NO의 흡착 작용에 주목하여 검토를 거듭한 결과, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높을 때에 린 공연비에 근거하여 연소를 행했다고 해도, 높은 NOx 정화율을 얻을 수 있는 새로운 NOx 정화 방법을 발견한 것이다. 즉, 종래부터 NOx 흡장 촉매(22)에 NO가 흡착되고 있는 것은 알고 있다. 그러나, 흡착 NO의 거동에 대해서는, 지금까지 거의 추구되는 경우는 없었다. 따라서, 본 발명자들은, 이 흡착 NO의 거동을 추구하여, 이 흡착 NO의 흡착 특성을 이용하면, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높을 때에 린 공연비에 근거하여 연소를 행했다고 해도, 높은 NOx 정화율을 확보할 수 있는 것을 밝혀낸 것이다. 이 새로운 NOx 정화 방법은, NO의 흡착 작용을 이용하고 있으므로, 이하에서는 이 새로운 NOx 정화 방법을, 흡착 NO 이용의 NOx 정화 방법이라 칭한다. 따라서, 우선, 이 흡착 NO 이용의 NOx 정화 방법에 대해, 도 8a 내지 도 13을 참조하면서 설명한다.
도 8a 및 8b는, 도 3b의 확대도, 즉, NOx 흡장 촉매(22)의 촉매 담체(60)의 표면 부분을 나타내고 있다. 또한, 도 8a는, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때를 나타내고 있고, 도 8b는, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 되었을 때를 나타내고 있다. 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때에는, 즉, 배기 가스의 공연비가 린일 때에는, 상술한 바와 같이 배기 가스 중에 포함되는 NOx는 염기성층(63) 내에 흡수되지만, 배기 가스 중에 포함되는 NO의 일부는 도 8a에 나타내어지는 바와 같이, 백금 Pt(61)의 표면에 해리하여 흡착된다. 이 백금 Pt(61)의 표면에의 NO의 흡착량은 시간의 경과와 함께 증대되고, 따라서, 시간의 경과와 함께 NOx 흡장 촉매(22)에의 NO 흡착량은 증대되게 된다.
한편, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 되면, 연소실(5)로부터는 다량의 일산화탄소 CO가 배출되고, 따라서, NOx 흡장 촉매(22)에 유입하는 배기 가스 중에는 다량의 일산화탄소 CO가 포함되게 된다. 이 일산화탄소 CO는, 도 8b에 나타내어지는 바와 같이, 백금 Pt(61)의 표면 상에 해리 흡착되어 있는 NO와 반응하여, 이 NO는, 한쪽에서는 N2로 되고, 다른 쪽에서는 환원성 중간체 NCO로 된다. 이 환원성 중간체 NCO는, 생성 후, 당분간, 염기성층(63)의 표면 상에 계속해서 보유 지지 또는 흡착된다. 따라서, 염기성층(63) 상의 환원성 중간체 NCO의 양은, 시간의 경과와 함께 점차 증대되어 가게 된다. 이 환원성 중간체 NCO는, 배기 가스 중에 포함되는 NOx와 반응하고, 그것에 의해 배기 가스 중에 포함되는 NOx가 정화된다.
이와 같이, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때에는, 즉 배기 가스의 공연비가 린일 때에는, 한쪽에서는 도 4a에 나타내어지는 바와 같이, 배기 가스 중에 포함되는 NOx는 NOx 흡장 촉매(22)에 흡수되고, 다른 쪽에서는 도 8a에 나타내어지는 바와 같이, 배기 가스 중에 포함되는 NO는 NOx 흡장 촉매(22)에 흡착된다. 즉, 이때 배기 가스 중에 포함되는 NOx는 NOx 흡장 촉매(22)에 흡장되게 된다. 이에 반해, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 되면, NOx 흡장 촉매(22)에 흡수 또는 흡착되어 있던 NOx, 즉, NOx 흡장 촉매(22)에 흡장되어 있던 NOx가 NOx 흡장 촉매(22)로부터 방출되게 된다.
도 9a는, 도 5에 나타내는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)에의 NOx의 흡장 방출 작용을 이용하여 NOx를 정화하고 있는 경우에 있어서의 NOx 흡수능과 NO 흡착능을 나타내고 있다. 또한, 도 9a에 있어서, 종축은, NOx 흡수능과 NO 흡착능의 합인 NOx의 흡장능을 나타내고 있고, 횡축은 NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC를 나타내고 있다. 도 9a로부터 알 수 있는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 거의 400℃보다도 낮을 때에는, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC와 무관하게, NOx 흡수능 및 NO 흡착능은 일정하고, 따라서, NOx 흡수능과 NO 흡착능의 합인 NOx의 흡장능도, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC와 무관하게 일정해진다.
한편, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아지면, 백금 Pt(61)의 표면 상에 있어서의 NOx의 산화 반응(NO→NO2)은 빨라진다. 그러나, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아지면, NO2가 질산 이온 NO3-으로 되는 반응[NO2+Ba(CO3)2→Ba(NO3)2+CO2]이 느려지고, 그 결과, NOx가 NOx 흡장 촉매(22)에 흡장되기 어려워진다. 또한, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아지면, 질산염이 열분해하여 NO2의 형태로 NOx 흡장 촉매(22)로부터 방출된다. 따라서, 도 9a에 나타내어지는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아져 400℃ 이상의 고온으로 되면, NOx 흡수능이 급격하게 저하된다. 이에 반해, 백금 Pt(61)의 표면에의 NO의 흡착량은, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC의 영향을 거의 받지 않는다. 따라서, 도 9a에 나타내어지는 바와 같이, NO 흡착능은 NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아져도 거의 변화하지 않는다.
다음으로, 도 10a 및 10b를 참조하면서, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때의 배기 가스 중의 산소 농도와, NO 흡착능, NOx 흡수능과의 관계에 대해 설명한다. 우선, 백금 Pt(61)의 표면에의 흡착에 대해 생각해 보면, 백금 Pt(61)의 표면에는 NO와 O2가 경쟁 흡착된다. 즉, 배기 가스 중에 포함되는 NO의 양이 O2의 양에 비해 많아지면 질수록, 백금 Pt(61)의 표면에 흡착되는 NO의 양은 O2의 양에 비해 많아지고, 이것과는 반대로, 배기 가스 중에 포함되는 O2의 양이 NO의 양에 비해 많아지면 질수록, 백금 Pt(61)의 표면에 흡착되는 NO의 양은 O2의 양에 비해 적어진다. 따라서, NOx 흡장 촉매(22)에 있어서의 NO 흡착능은, 도 10a에 나타내어지는 바와 같이, 배기 가스 중의 산소 농도가 높아질수록 저하된다.
한편, 배기 가스 중의 산소 농도가 높아지면 질수록, 배기 가스 중의 NO의 산화 작용이 촉진되어, NOx 흡장 촉매(22)에의 NOx의 흡수가 촉진된다. 따라서, 도 10b에 나타내어지는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)에 있어서의 NOx 흡수능은, 배기 가스 중의 산소 농도가 높아지면 질수록, 높아진다. 또한, 도 10a 및 10b에 있어서, 영역 X는, 도 5에 나타내는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)에의 NOx의 흡장 방출 작용을 이용하여, NOx를 정화하고 있는 경우에 있어서, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때를 나타내고 있다. 이때에는, NO 흡착능이 낮고, NOx 흡수능이 높은 것을 알 수 있다. 상술한 도 9a는, 이때의 NO 흡착능과 NOx 흡수능을 나타내고 있다.
그런데, 도 9a를 참조하면서 이미 설명한 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아져 400℃ 이상의 고온으로 되면, NOx 흡수능이 급격하게 저하된다. 이에 반해, NO 흡착능은, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아져도 거의 변화하지 않는다. 따라서, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아져 400℃ 이상의 고온으로 되었을 때에는, NOx의 흡수 작용을 이용한 NOx 정화 방법을 중지하고, 그 대신 NO의 흡착 작용을 이용한 NOx 정화 방법을 사용하면, NOx를 정화할 수 있는 것이 아닐까라고 하는 것이 추측된다. 그러나, 도 9a로부터 알 수 있는 바와 같이, NO 흡착능은 낮아, 연료 소비량의 증대를 초래하는 일 없이 NO의 흡착 작용을 이용하여 NOx를 정화하기 위해서는, NO 흡착능을 증대시킬 필요가 있다.
이 경우, NO 흡착능을 증대시키기 위해서는, 도 10a로부터 알 수 있는 바와 같이, 배기 가스 중의 산소 농도를 저하시키면 되게 된다. 이때에는, 도 10b에 나타내어지는 바와 같이, NOx 흡수능은 저하된다. 도 10a 및 10b에 있어서, 배기 가스 중의 산소 농도를 영역 Y까지 저하시켰을 때의 NOx 흡수능 및 NO 흡착능이 도 9b에 나타내어져 있다. 이와 같이 배기 가스 중의 산소 농도를 저하시킴으로써, NO 흡착능을 증대시킬 수 있다. 배기 가스 중의 산소 농도를 저하시킨다라고 하는 것은, 린 공연비에 근거하여 연소가 행하여지고 있을 때의 공연비(베이스 공연비라 칭함)를 저하시키는 것을 의미하고 있고, 따라서, 베이스 공연비를 저하시킴으로써 NO 흡착능을 증대시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에서는, NO의 흡착 작용을 이용하여 NOx를 정화할 때에는, 즉, 흡착 NO 이용의 NOx 정화 방법에 있어서는, 베이스 공연비를 저하시키도록 하고 있다. 다음으로, 이것에 대해, 도 11a 내지 도 11c를 참조하면서 설명한다. 도 11a는, 도 5에 나타내는 경우와 마찬가지로, NOx 흡장 촉매(22)에의 NOx의 흡장 방출 작용을 이용하여 NOx를 정화하고 있는 경우의 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)의 변화를 나타내고 있다. 또한, 도 11a에 있어서, (A/F)b는 베이스 공연비를 나타내고 있고, Δ(A/F)r은 공연비의 리치 정도를 나타내고 있고, ΔT는 공연비의 리치 주기를 나타내고 있다. 한편, 도 11b는, NO의 흡착 작용을 이용하여 NOx를 정화하도록 한 경우의 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)의 변화를 나타내고 있다. 또한, 도 11b에 있어서도, (A/F)b는 베이스 공연비를 나타내고 있고, Δ(A/F)r은 공연비의 리치 정도를 나타내고 있고, ΔT는 공연비의 리치 주기를 나타내고 있다.
도 11a와 도 11b를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 도 11b에 나타내어지는 바와 같이, NO의 흡착 작용을 이용하여 NOx를 정화하도록 한 경우에는, 도 11a에 나타내어지는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)에의 NOx의 흡장 방출 작용을 이용하여 NOx를 정화하고 있는 경우에 있어서의 베이스 공연비(A/F)b보다도 작은 베이스 공연비(A/F)b에 근거하여 연소실(5) 내에 있어서의 연소가 행하여짐과 함께, 도 11a에 나타내어지는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)에의 NOx의 흡장 방출 작용을 이용하여 NOx를 정화하고 있는 경우에 있어서의 NOx 방출을 위한 공연비의 리치 주기 ΔT보다도 짧은 주기로 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 된다. 한편, 도 11c는, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 이론 공연비로 피드백 제어되고 있는 경우의 연소실(5) 내에 있어서의 공연비의 변화를 나타내고 있다.
도 12는, 도 11b에 나타내어지는 바와 같이, NO의 흡착 작용을 이용하여 NOx를 정화하도록 한 경우의 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)의 변화와, NOx 흡장 촉매(22)에 유입하는 배기 가스의 공연비(A/F)in의 변화를 나타내고 있다. 이 경우에는, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)가 리치로 되면, 삼원 촉매(20)에서는 저장되어 있는 산소가 방출되어, 시간 t1 동안 이론 공연비로 유지되고, 그것에 의해, HC, CO 및 NOx가 동시에 저감된다. 이 동안, 도 12에 나타내어지는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)에 유입하는 배기 가스의 공연비(A/F)in은 이론 공연비로 유지된다. 계속해서, 삼원 촉매(20)의 저장 산소가 소비되면, NOx 흡장 촉매(22)에 유입하는 배기 가스의 공연비(A/F)in이, 시간 t2 동안 리치로 된다. 이때 도 8b에 나타내어지는 바와 같이, 백금 Pt(61)의 표면 상에 해리 흡착되어 있는 NO는, 한쪽에서는 N2로 되고, 다른 쪽에서는 환원성 중간체 NCO로 된다. 이 환원성 중간체 NCO는, 생성 후, 당분간, 염기성층(63)의 표면 상에 계속해서 보유 지지 또는 흡착된다.
계속해서, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)가 다시 린으로 복귀되면, 이번에는 삼원 촉매(20)에 산소가 저장된다. 이때 삼원 촉매(20)의 촉매 표면에서는, 공연비가, 시간 t3 동안 이론 공연비로 유지되고, 그것에 의해, 이때도 HC, CO 및 NOx가 동시에 저감된다. 계속해서, 시간 t4 동안, 배기 가스 중에 포함되어 있는 NOx는, 염기성층(63)의 표면 상에 보유 지지 또는 흡착되어 있는 환원성 중간체 NCO와 반응하여 환원성 중간체 NCO에 의해 환원된다. 계속해서, 시간 t5 동안, 배기 가스 중에 포함되는 NO는, 도 8a에 나타내어지는 바와 같이, 백금 Pt(61)의 표면에 해리하여 흡착된다.
이와 같이, 도 11b에 나타내어지는 바와 같이, NO의 흡착 작용을 이용하여 NOx를 정화하도록 한 경우에는, NO의 흡착 작용을 이용한 NOx의 정화 작용과, 삼원 촉매(20)에서의 산소 저장 기능을 이용한 NOx의 정화 작용의 두 개의 정화 작용이 행하여진다. 이때의 NOx 정화율이 도 13에 나타내어져 있다. 도 13에 나타내어지는 바와 같이, 이 경우에는, NOx 흡장 촉매(22)의 온도 TC가 높아져 400℃ 이상의 고온으로 되어도, NOx 정화율이 저하되지 않는 것을 알 수 있다.
다음으로, 기관의 운전 제어의 개요에 대해 설명한다. 본 발명에서는, 도 14에 나타내어지는 바와 같이, 기관 저부하 운전측의 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ과, 기관 고부하 운전측의 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ과, 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ 및 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ 사이에 위치하는 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ가 미리 설정되어 있다. 또한, 도 14의 종축 L은 요구 부하를 나타내고 있고, 횡축 N은 기관 회전 수를 나타내고 있다. 이 경우, 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ에서는, 도 11a에 나타내어지는 바와 같이, NOx 흡장 촉매(22)에의 NOx의 흡장 방출 작용을 이용하여 NOx를 정화하도록 한 NOx의 정화 작용이 행하여지고, 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ에서는, 도 11b에 나타내어지는 바와 같이, NO의 흡착 작용을 이용하여 NOx를 정화하도록 한 NOx의 정화 작용이 행하여진다. 또한, 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ에서는, 도 11c에 나타내어지는 바와 같이, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 이론 공연비로 피드백 제어된다.
즉, 본 발명에서는, 기관 배기 통로 내에 삼원 촉매(20)와, 유입하는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 배기 가스 중의 NOx를 흡장하고, 유입하는 배기 가스의 공연비가 리치로 되면 흡장한 NOx를 방출하는 NOx 흡장 촉매(22)를 배치한 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, 기관의 운전 영역이, 기관 저부하 운전측의 미리 정해진 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ과, 기관 고부하 운전측의 미리 정해진 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ과, 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ 및 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ 사이에 위치하는 미리 정해진 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ로 이루어지고, 미리 정해진 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ에서는 연소실(5) 내에 있어서 베이스 공연비가 린에 근거하여 연소가 행하여짐과 함께 NOx 흡장 촉매(22)로부터 NOx를 방출해야 할 때에는 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 되고, 미리 정해진 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ에서는 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 이론 공연비로 피드백 제어되고, 미리 정해진 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ에서는, 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ에 있어서의 베이스 공연비보다도 작은 베이스 공연비에 근거하여 연소실(5) 내에 있어서의 연소가 행하여짐과 함께, 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ에 있어서의 NOx 방출을 위한 공연비 리치 주기보다도 짧은 주기로 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 된다.
또한, 도 11a 내지 도 11c로부터 알 수 있는 바와 같이, 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ에 있어서의 베이스 공연비는, 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ에 있어서의 베이스 공연비와 이론 공연비의 중간값이며, 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ에 있어서 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 되었을 때의 공연비의 리치의 정도는, 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ에 있어서 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 되었을 때의 공연비의 리치의 정도에 비해 작다.
다음으로, 저부하 운전으로부터 고부하 운전으로 이행할 때를 나타내는 도 15를 참조하면서, NOx 정화 방법에 대해 설명한다. 또한, 도 15에는, 연소실(5) 내에의 연료 분사량의 변화와, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)의 변화와, 흡장 NOx량 ΣNOX의 변화를 나타내고 있다. 또한, 도 15에 있어서, MAXⅠ은 제1 허용 NOx 흡장량을 나타내고 있고, MAXⅡ는 제2 허용 NOx 흡장량을 나타내고 있다. 도 15로부터 명백한 바와 같이, 제2 허용 NOx 흡장량 MAXⅡ는 제1 허용 NOx 흡장량 MAXⅠ에 비해 작은 값으로 되어 있다.
그런데, 도 15에 있어서, 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ에 있어서는, 흡장 NOx량 ΣNOX가 제1 허용 NOx 흡장량 MAXⅠ을 초과하면, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 일시적으로 리치로 된다. 한편, NOx 흡장 촉매(22)에 NOx가 흡장되어 있는 상태에서, 도 11b에 나타내어지는, NO의 흡착 작용을 이용한 NOx의 정화 방법으로 전환되면, NO의 흡착 작용을 이용한 NOx의 정화로 전환된 직후에, NOx 흡장 촉매(22)에 흡장되어 있는 NOx의 일부가 환원되는 일 없이 방출된다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는, 도 15에 나타내어지고 있는 바와 같이, 기관의 운전 상태가 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ로부터 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ로 이행하였을 때에는, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)가 일시적으로 리치로 된다.
기관 중부하 운전 영역 Ⅱ에서는 도 15에 나타내어지는 바와 같이, 흡장 NOx량 ΣNOX가 제2 허용 NOx 흡장량 MAXⅡ를 초과하면, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 일시적으로 리치로 된다. 이 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ에서는, NOx 흡장 촉매(22)의 온도가 높기 때문에, NOx 흡장 촉매(22)에 NOx가 거의 흡수되지 않아, 대부분의 NOx는 흡착 NO로 이루어진다. 따라서, 다른 식으로 표현하면, NOx 흡장 촉매(22)에 흡착되어 있는 NO 흡착량이 산출되어 있고, 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ에 있어서 기관의 운전이 행하여지고 있을 때에, NO 흡착량 ΣNOX가 미리 정해진 허용 NO 흡착량 MAXⅡ를 초과하였을 때에 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)가 리치로 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 실시예에서는, NOx 흡장 촉매(22)에 흡장되어 있는 NOx 흡장량 ΣNOX가 산출되어 있고, 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ에 있어서 기관의 운전이 행하여지고 있을 때에, NOx 흡장량 ΣNOX가 미리 정해진 제1 허용 NOx 흡장량 MAXⅠ을 초과하였을 때에 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)가 리치로 되고, 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ에 있어서 기관의 운전이 행하여지고 있을 때에, NOx 흡장량 ΣNOX가 미리 정해진 제2 허용 NOx 흡장량 MAXⅡ를 초과하였을 때에 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)가 리치로 되고, 제2 허용 NOx 흡장량 MAXⅡ는 제1 허용 NOx 흡장량 MAXⅠ에 비해 작은 값으로 되어 있다.
한편, NOx 흡장 촉매(22)에 NOx가 흡장되어 있는 상태에서, 도 11c에 나타내어지는, 이론 공연비로의 피드백 제어에 의한 NOx의 정화 방법으로 전환되면, 이론 공연비로의 피드백 제어에 의한 NOx의 정화 방법으로 전환된 직후에, NOx 흡장 촉매(22)에 흡장되어 있는 NOx의 일부가 환원되는 일 없이 방출된다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는, 도 15에 나타내어지고 있는 바와 같이, 기관의 운전 상태가 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ로부터 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ으로 이행하였을 때에는, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비(A/F)가 일시적으로 리치로 된다.
기관 고부하 운전 영역 Ⅲ에서는, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 이론 공연비로 되도록, 공연비 센서(27)의 출력 신호에 기초하여 각 연료 분사 밸브(11, 12)로부터의 분사량이 피드백 제어된다. 이때에는, 배기 가스 중에 포함되는 유해 성분 HC, CO 및 NOx는 삼원 촉매(20)에 있어서 동시에 정화된다.
또한, 도 15에 나타내어지는 바와 같이, 공연비가 리치로 되면, 이때 암모니아가 발생하는 경우가 있다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예에서는, 이 암모니아는 NOx 선택 환원 촉매(23)에 흡착된다. 이 NOx 선택 환원 촉매(23)에 흡착된 암모니아는 배기 가스 중에 포함되는 NOx와 반응하여, NOx를 환원하기 위해 사용된다.
도 16에 운전 제어 루틴을 나타낸다. 이 루틴은 일정 시간마다의 인터럽트에 의해 실행된다.
도 16을 참조하면, 우선, 스텝 80에 있어서, 기관의 운전 상태가 도 14에 나타내어지는 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ인지의 여부가 판별된다. 기관의 운전 상태가 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ이 아닐 때에는 스텝 81로 진행하여, 도 6에 나타내는 맵으로부터 단위 시간당의 배출 NOx량 NOXA가 산출된다. 계속해서, 스텝 82에서는 ΣNOX에 배출 NOx량 NOXA를 가산함으로써 흡장 NOx량 ΣNOX가 산출된다. 계속해서, 스텝 83에서는, 기관의 운전 상태가 도 14에 나타내어지는 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ인지의 여부가 판별된다. 기관의 운전 상태가 도 14에 나타내어지는 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ일 때에는 스텝 84로 진행한다.
스텝 84에서는, NOx 흡장량 ΣNOX가 제1 허용 NOx 흡장량 MAXⅠ을 초과하였는지의 여부가 판별되고, NOx 흡장량 ΣNOX가 제1 허용 NOx 흡장량 MAXⅠ을 초과하고 있지 않을 때에는, 스텝 85로 진행하여, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가, 기관의 운전 상태에 따라 미리 정해져 있는 린 공연비로 된다. 이때에는, 베이스 공연비가 린에 근거하여 연소가 행하여진다. 이에 반해, 스텝 84에 있어서, NOx 흡장량 ΣNOX가 제1 허용 NOx 흡장량 MAXⅠ을 초과하였다고 판단되었을 때에는, 스텝 86으로 진행하여, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 일시적으로 리치로 되어, ΣNOX가 클리어된다. 이때, NOx 흡장 촉매(22)에 흡장되어 있던 NOx가 NOx 흡장 촉매(22)로부터 방출된다.
한편, 스텝 83에 있어서, 기관의 운전 상태가 도 14에 나타내어지는 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ이 아니라고 판단되었을 때, 즉 기관의 운전 상태가 도 14에 나타내어지는 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ라고 판단되었을 때에는, 스텝 87로 진행하여, 지금, 기관의 운전 상태가 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ로부터 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ로 이행하였는지의 여부가 판별된다. 지금, 기관의 운전 상태가 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ로부터 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ로 이행하였을 때에는 스텝 88로 진행하여, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 일시적으로 리치로 된다. 이에 반해, 이미, 기관의 운전 상태가 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ로부터 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ로 이행하고 있을 때에는 스텝 89로 진행한다.
스텝 89에서는, NOx 흡장량 ΣNOX가 제2 허용 NOx 흡장량 MAXⅡ를 초과하였는지의 여부가 판별된다. NOx 흡장량 ΣNOX가 제2 허용 NOx 흡장량 MAXⅡ를 초과하고 있지 않을 때에는, 스텝 90으로 진행하여, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가, 기관의 운전 상태에 따라 미리 정해져 있는 린 공연비로 된다. 이때, 베이스 공연비가 린에 근거하여 연소가 행하여진다. 또한, 이때의 베이스 공연비는, 기관 저부하 운전 영역 Ⅰ에 있어서의 베이스 공연비보다도 작다. 이에 반해, 스텝 89에 있어서, NOx 흡장량 ΣNOX가 제2 허용 NOx 흡장량 MAXⅡ를 초과하였다고 판단되었을 때에는, 스텝 91로 진행하여, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 일시적으로 리치로 되어, ΣNOX가 클리어된다. 이때, NOx 흡장 촉매(22)에 흡장되어 있던 NOx가 NOx 흡장 촉매(22)로부터 방출된다.
한편, 스텝 80에 있어서, 기관의 운전 상태가 도 14에 나타내어지는 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ이라고 판단되었을 때에는, 스텝 92로 진행하여, 지금, 기관의 운전 상태가 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ로부터 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ으로 이행하였는지의 여부가 판별된다. 지금, 기관의 운전 상태가 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ로부터 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ으로 이행하였을 때에는 스텝 93으로 진행하여, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 일시적으로 리치로 된다. 이에 반해, 이미, 기관의 운전 상태가 기관 중부하 운전 영역 Ⅱ로부터 기관 고부하 운전 영역 Ⅲ으로 이행하고 있을 때에는 스텝 94로 진행한다. 스텝 94에서는, 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 이론 공연비로 피드백 제어된다.
5 : 연소실
6 : 점화 플러그
11, 12 : 연료 분사 밸브
14 : 서지 탱크
19 : 배기 매니폴드
20 : 삼원 촉매
22 : NOx 흡장 촉매

Claims (12)

  1. 내연 기관의 배기 정화 장치이며,
    상기 내연 기관은 배기 통로(19, 21)를 포함하고, 상기 배기 통로(19, 21)는 삼원 촉매(20) 및 NOx 흡장 촉매(22)를 포함하고, 상기 NOx 흡장 촉매(22)는 상기 NOx 흡장 촉매(22)에 유입하는 배기 가스의 공연비가 린인 때에는 상기 배기 가스 중의 NOx를 흡장하고, 상기 NOx 흡장 촉매에 유입하는 상기 배기 가스의 공연비가 리치일 때에는 흡장한 NOx를 방출하고,
    전자 제어 유닛(30)은, 상기 내연 기관이 미리 정해진 저부하 운전 영역에서 운전할 때에, 상기 내연 기관의 연소실(5)에 있어서 베이스 공연비가 린으로 되도록 상기 내연 기관의 연소를 제어하고,
    상기 전자 제어 유닛(30)은 상기 내연 기관이 미리 정해진 상기 저부하 운전 영역에서 운전하고, 또한, 상기 NOx 흡장 촉매로부터 NOx를 방출할 때에는, 상기 연소실(5)에 있어서 소정의 주기로 공연비가 리치로 되도록 상기 내연 기관의 연소를 제어하고,
    상기 전자 제어 유닛(30)은, 상기 내연 기관이 미리 정해진 고부하 운전 영역에서 운전할 때에, 상기 연소실(5)에 있어서 공연비가 이론 공연비로 되도록 상기 내연 기관의 연소를 피드백 제어하고,
    상기 전자 제어 유닛(30)은, 상기 내연 기관이 미리 정해진 중부하 운전 영역에서 운전할 때에, 상기 연소실(5)에 있어서 공연비가 상기 저부하 운전 영역에서 운전할 때의 베이스 공연비보다도 작은 베이스 공연비로 되도록 상기 내연 기관의 연소를 제어하고,
    상기 전자 제어 유닛(30)은, 상기 내연 기관이 미리 정해진 상기 중부하 운전 영역에서 운전하고, 또한, 상기 NOx 흡장 촉매로부터 NOx를 방출할 때에는, 상기 연소실(5)에 있어서 상기 저부하 운전 영역에서 운전할 때의 공연비의 상기 소정의 주기보다도 짧은 주기로 공연비가 리치로 되도록 상기 내연 기관의 연소를 제어하고,
    상기 중부하 운전 영역은 상기 저부하 운전 영역과 상기 고부하 운전 영역의 사이의 부하의 운전 영역인, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛(30)은 상기 NOx 흡장 촉매(22)에 흡장되어 있는 NOx 흡장량을 산출하고,
    상기 전자 제어 유닛(30)은 상기 내연 기관이 상기 중부하 운전 영역에 있어서 운전하고 있을 때에, 상기 NOx 흡장량이 미리 정해진 허용 NOx 흡장량을 초과하였을 때에 상기 연소실(5)에 있어서의 공연비가 리치로 되도록 상기 내연 기관의 연소를 제어하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛(30)은 상기 NOx 흡장 촉매(22)에 흡착되어 있는 NOx 흡장량을 산출하고,
    상기 전자 제어 유닛(30)은 상기 내연 기관이 상기 저부하 운전 영역에 있어서 운전하고 있을 때에, 상기 NOx 흡장량이 미리 정해진 제1 허용 NOx 흡장량을 초과하였을 때에 상기 연소실(5)에 있어서의 공연비가 리치로 되도록 상기 내연 기관의 연소를 제어하고,
    상기 전자 제어 유닛(30)은 상기 내연 기관이 상기 중부하 운전 영역에 있어서 운전하고 있을 때에, 상기 NOx 흡장량이 미리 정해진 제2 허용 NOx 흡장량을 초과하였을 때에 상기 연소실(5) 내에 있어서의 공연비가 리치로 되도록 상기 내연 기관의 연소를 제어하고, 상기 제2 허용 NOx 흡장량은 상기 제1 허용 NOx 흡장량보다도 작은 값인, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중부하 운전 영역에 있어서의 베이스 공연비는, 상기 저부하 운전 영역에 있어서의 베이스 공연비와 이론 공연비의 중간값인, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중부하 운전 영역에 있어서 상기 연소실(5)에 있어서의 공연비를 리치로 할 때의 공연비의 리치의 정도는, 상기 저부하 운전 영역에 있어서 연소실(5)에 있어서의 공연비를 리치로 할 때의 공연비의 리치의 정도에 비해 작은, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛(30)은 기관의 운전 상태가 상기 저부하 운전 영역으로부터 상기 중부하 운전 영역으로 이행하였을 때에, 상기 연소실(5)에 있어서의 공연비가 일시적으로 리치로 되도록 상기 내연 기관의 연소를 제어하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛(30)은 기관의 운전 상태가 상기 중부하 운전 영역으로부터 상기 고부하 운전 영역으로 이행하였을 때에, 상기 연소실(5)에 있어서의 공연비가 일시적으로 리치로 되도록 상기 내연 기관의 연소를 제어하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 NOx 흡장 촉매(22)의 촉매 담체 상에는, 귀금속 촉매가 담지되어 있고, 또한, 이 촉매 담체 상에는 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속, 희토류 및 NOx에 전자를 공여할 수 있는 금속으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 염기성층이 형성되어 있는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 알칼리 금속은 칼륨 K, 나트륨 Na, 세슘 Cs로부터 선택된 적어도 하나의 금속인, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 알칼리 토류 금속은 바륨 Ba, 칼슘 Ca로부터 선택된 적어도 하나의 금속인, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 희토류는 란타노이드인, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 NOx에 전자를 공여할 수 있는 금속은 Ag, 구리 Cu, 철 Fe, 이리듐 Ir로부터 선택된 적어도 하나의 금속인, 내연 기관의 배기 정화 장치.
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