KR19990066960A - 내연기관용 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

내연기관용 배기 가스 정화 장치 Download PDF

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다카아키 이토우
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와다 아끼히로
도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

배기 가스 제어 장치(124)의 최적 재생 동작을 얻기 위하여, 자동차 운항 시스템(141, 841) 등으로부터 얻은 미래 구동 조건 정보에 기초하여 촉매(125, 812)에 흡수된 산화 질소량(C)과 배기 가스 온도(T)가 예측되며, 촉매(125, 812)의 흡수량이 크다고 예상되며 배기 가스 온도(T)는 소정의 온도 범위내에 있다고 예상될 때 적절한 재생 시간이 결정된다. 재생 시점에 도달할 때, 배기 가스는 풍부하게 되며 산화 질소는 촉매를 재생시키기 위하여 촉매(125, 812)로부터 배출된다. 촉매(125, 812)로부터 배출된 산화 질소는 배기 가스 등에서 불완전 연소 탄화수소에 의하여 무독성 물질로 감소된다. 이 장치가 디젤 엔진의 미립자 필터(814)에 적용될 때, 배기 가스 온도(T)를 상승시키는 동작을 할 수 있는 기회가 감소하여, 연료 소비의 악화가 억제될 수 있다.

Description

내연기관용 배기 가스 정화 장치
내연기관으로부터 배출된 배기 가스를 정화하기 위하여 배기 가스의 특성에 따라 여러 가지 형태의 배기 가스 정화 시스템이 사용되며, 그들중 대부분은 배기 가스내에 포함된 유독성 성분을 포획하여 적절한 시간 간격으로 재생 동작을 요구한다.
예를 들어, 가솔린 엔진이나 특히, 가속 시기나 이와 유사한 시기를 제외하고 대부분의 운행 시기동안 희박 연소(lean burning)를 수행하며, 이 희박 연소 시기에는 산화 질소를 흡수하고 상대적으로 짧은 완전 연소 시기에는 흡수된 산화 질소를 방출하는 가솔린 엔진용 배기 가스 정화 시스템이 이미 제안되어 있다(국제공개 번호 제 WO93/07363 호 참고).
상술한 배기 정화 시스템은, 배기 가스에 포함된 산화 질소를 운행 시기의 대부분을 차지하는 희박 연소동안 배기 가스 정화 시스템내에 부착된 흡수제에서 흡수하며, 흡수제의 흡수력이 저하되었다고 측정될 때 공연비(air-fuel ratio)를 증가시키기 위하여 연료량을 증가시키므로써 흡수제로부터 산화 질소를 방출하는 재생 동작을 수행한다. 재생 동작동안 방출된 산화 질소는 불완전 연소 탄화수소와 일산화 탄소에 의하여 환원되어 높은 공연비를 갖는 배기 가스내에서 질소 가스, 이산화 탄소, 수분으로 전환되기 때문에 공기내로 직접 배출되지 않음을 유념한다. 재생 동작동안 방출된 산화 질소는 배기 가스내에서 불완전 연소 탄화수소에 의하여 환원되며, 그것의 공연비가 높아져 질소 가스, 이산화 탄소, 수분으로 전환된다. 그 결과 산화 질소는 공기중에 방출되지 않는다.
그러나 흡수제의 남은 흡수력이 배기 가스에서의 이산화 질소량에 비례하는 흡입 공기 유동율과 엔진 부하의 곱의 적분값에 기초하거나, 더 간단하게는 엔진 속도의 적분값에 기초하여 계산되고, 남은 흡수력이 고정 레벨 이하로 감소한다고 결정될 때 재생 동작이 수행된다면, 산화 질소가 배기 가스 온도에 따라 공기중에 방출되는 것을 피할 수 없다.
공연비가 희박 상태로부터 성층 상태(rich state)로 제어될 때 흡수제의 공연비가 점점 희박 상태로부터 성층 상태로 변화하기 때문에, 산화 질소는 완전히 환원되지 않으며 실제 공연비가 성층 상태로 완전히 전달되기 전에 공기중에 방출될 수 있다.
그러나, 공연비를 성층으로부터 희박으로 스위칭할 때 산화 질소의 배출량은 주로 흡수제의 온도에 따르며, 흡수제의 온도가 200oC보다 낮을 때 거의 "0"이 된다고 알려져 있다.
그 결과 본 출원인은, 흡수제(또는 배기 가스)의 온도가 재생 동작이 수행되는 온도 이상으로 상승할 때 흡수제가 잔류 흡수력을 갖는 한 재생 동작을 멈춘다고 이미 제안하였다.
그러나 흡수제의 현재 온도에 기초한 배기 가스 정화 시스템의 재생 동작은 항상 최적은 아니다.
즉 배기 가스 정화 시스템의 재생 시기가 엔진 속도의 적분값과 배기 가스의 현재 온도에 기초하여 제어될 때 조차도, 배기 가스 정화 시스템이 재생하고 있는 동안에 배기 가스 온도가 갑자기 상승할 때와 산화 질소가 흡수되고 있는 동안에 배기 가스 온도가 재생 동작이 수행되는 온도가 될 때, 산화 질소는 공기중으로 방출될 수 있으며, 연료 소비는 불필요할 정도로 증가되어 공연비를 높이게 된다.
한편, 배기 가스에 포함된 미립자(탄소 입자)를 포획하기 위하여 미립자 필터가 주기적으로 재생되는 디젤 엔진용 배기 가스 정화 시스템이 제안되어 있다(미심사된 일본특허 공개 번호 제 1-318715 호).
즉 디젤 엔진에 대하여, 가스가 대기에 배출되기 전에 배기 가스로부터 미립자를 제거하기 위하여 배기 시스템에 미립자 필터가 설치된다. 미립자 필터의 포획력(trapping power)이 제한되어 있기 때문에, 적절한 시기에 미립자를 제거할 필요가 있다.
그 결과 상술한 배기 가스 정화 시스템은, 미립자 필터내에 촉매를 첨가하여 미립자들의 자연적인 연소 제거를 촉진할 뿐만 아니라, 배기 가스 온도가 그렇게 높지 않을 때 미립자 필터의 상류에 삽입된 산화 촉매에 의하여 일산화 질소로부터 전환된 이산화 질소와 미립자들을 계속하여 반응시키므로써 미립자들의 연소 제거를 촉진시킨다.
산화 촉매에 의하여 일산화 질소를 이산화 질소로 전환하지만 배기 가스 온도가 소정 범위내일 것을 요구하기 때문에, 배기 가스 온도가 소정 범위밖에 있을 때 미립자들은 연소 제거될 수 없다.
그 결과 배기 가스 온도가 디젤 엔진의 회전 속도와 부하에 기초하여 소정 범위밖에 있다고 결정될 때, 배기 가스 온도를 소정의 온도 범위로 상승시키거나, 경유 버너(light oil burner) 또는 전기 히터로 가열하거나, 흡입 공기를 폐쇄하거나, 이들의 조합으로써 미립자들의 연소 제거를 촉진시킨다고 제안되어 있다.
그럼에도 불구하고, 배기 가스 온도가 소정 범위내로 이동하여 경유 버너나 이와 유사한 장치에 의하여 가열하지 않고도 미립자를 제거할 수 있게 될 때, 배기 가스 온도가 소정 범위밖에 있기 때문에 경유 버너나 이와 유사한 장치에 의한 가열이 필요하다고 결정된 후에 불필요한 가열 때문에 연료 소비율은 불가피하게 악화된다.
본 발명은 내연기관용 배기 가스 정화 시스템(exhaust gas purifying system for an internal combustion engine)에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 배기 가스내의 유독성 가스를 포획, 저장하여 주기적으로 제거하는 내연기관용 배기 가스 정화 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가솔린 엔진용 배기 가스 정화 시스템의 실시예를 도시한 배치도.
도 2는 가솔린 엔진용 배기 가스 정화 시스템을 위한 계획 루틴의 순서도.
도 3은 재생 동작 시기 결정 루틴의 순서도.
도 4는 재생 동작 루틴의 순서도.
도 5는 재생 수행 루틴의 순서도.
도 6은 연료 분사 루틴의 순서도.
도 7은 본 발명의 효과를 설명하는 다이아그램.
도 8은 본 발명에 따른 디젤 엔진용 배기 가스 정화 시스템의 실시예를 도시한 배치도.
도 9는 미립자들을 제거하기 위한 동작 영역을 도시한 다이아그램.
도 10은 디젤 엔진용 배기 가스 정화 시스템을 위한 계획 루틴의 순서도.
도 11은 제 2 재생 동작 계획 루틴의 순서도.
도 12는 제 2 재생 수행 루틴의 순서도.
도 13은 배기 가스 정화 시스템이 미립자 필터인 경우의 효과를 설명하는 다이아그램.
따라서 본 발명의 목적은, 네비게이션 시스템(Navigation system)이나 이와 유사한 장치로부터 인출된 정보에 따라서 배기 가스의 미래 상태를 예측하므로써 연료 소비율을 악화시키지 않고도 재생 동작을 최적으로 수행할 수 있는 내연기관용 배기 가스 정화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 배기 가스 정화 시스템은 내연기관으로부터 배출된 배기 가스에 포함된 유독 성분을 포획하기 위한 포획 수단과, 상기 포획 수단에 의하여 포획된 유독 성분을 포획 수단으로부터 제거하기 위한 제거 수단과, 내연기관으로부터 배출된 배기 가스의 미래 상태를 예측하기 위한 배기 가스 상태 예측 수단과, 상기 배기 가스 상태 예측 수단에 의하여 예측된 배기 가스의 상태에 기초하여 상기 제거 수단을 사용하여 상기 포획 수단을 재생시키는 재생 시기를 결정하기 위한 재생 시기 결정 수단과, 상기 재생 시기 결정 수단에 의하여 결정된 재생 시기에서 상기 제거 수단에 의하여 상기 포획 수단의 재생을 수행하는 재생 수행 수단을 포함한다.
도 1은 가솔린 엔진에 적용된, 본 발명에 따른 배치도이다.
가솔린 엔진(10)에 있어서, 흡입 공기는 에어 크리너(air cleaner;111)와, 흡입 파이프(112)와, 서지 탱크(surge tank;113)와, 분류 파이프(branch pipe;114)와, 흡입 밸브(115)를 통하여 공급된다.
가솔린 엔진(10)에 공급된 흡입 공기량을 제어하기 위하여 흡입 파이프(112)내에 스로틀 밸브(116)가 장착된다. 또한 흡입 공기내로 연료를 분사하기 위하여 분류 파이프(114)에 연료 분사 밸브(117)가 장착된다.
피스톤(102)이 상승 이동하는 동안 피스톤(102)의 상승에 의하여 연소실(101)에 공급된 혼합물이 압축되며, 상사점 근처에서 연소하도록 점화 플러그(103)에 의하여 점화되어 피스톤(102)이 하강 이동하고 이로 인하여 구동력이 발생한다.
연소 후에, 배출 밸브(121)와, 배출 매니폴드(exhaust manifold;122)와, 배출 파이프(123)를 통하여 배기 가스 정화 장치(124)에 배기 가스가 공급되어 정화 장치(124)내에서 정화된다.
배기 가스 정화 장치(124)는 산화 질소 흡수제(125)를 포함한다. 배기 가스에서 잔류 산소량이 적을 때 산화 질소가 흡수되며, 배기 가스에서 잔류 산소량이 많을 때 흡수된 산화 질소가 방출된다.
이러한 배기 가스 정화 장치(124)는 마이크로 컴퓨터 시스템인 제어 장치(13)에 의하여 제어된다. 상기 제어 장치(13)는 버스(bus;131)뿐만 아니라 CPU(132)와, 메모리(133)와, 입력 인터페이스(134)와 출력 인터페이스(135)를 구성한다.
입력 인터페이스(134)에, 스로틀 밸브(116)의 개방을 검색하는 스로틀 개방 센서(136)와, 서지 탱크(113)에서의 압력을 검색하는 흡입 공기 압력 센서(137)와, 가솔린 엔진(10)의 회전 속도를 검색하는 크랭크각 센서(138)와, 배기 가스 정화 장치(124)에 포함된 흡수제(125)의 온도를 검색하는 흡수제 온도 센서(139)를 연결한다.
또한 자동차 네비게이션 시스템(141)과 차량 정보 및 통신 시스템 리시버(142)중 적어도 하나는 입력 인터페이스와 연결되며, 자동차 네비게이션 시스템(141)과 차량 정보 및 통신 시스템 리시버(142)로부터 얻은 운행 조건에 관련한 정보는 제어 장치(13)내로 인출된다.
출력 인터페이스(135)에 점화 플러그(103)와 연료 분사 밸브(117)가 연결되어, 제어 장치(13)로부터 출력된 연료 분사 밸브 개방 명령과 점화 명령에 의하여 제어된다.
도 2는 차량이 운행되기 전에 제어 장치(13)에서 수행된 계획 루틴(scheduling routine)의 순서도이며, 스텝(21)에서는 운행 거리, 도로 형태(고속 도로 또는 일반 도로), 운행 고도 등과 같은 자동차 운항 시스템(141)에 의하여 발견된 루틴에 관한 정보가 인출된다.
스텝(22)에서는 차량 정보 및 통신 시스템 리시버(142)에 의하여 수용된 교통 혼잡 예보(traffic congestion forecast)와 교통 제어 정보 등이 인출된다.
스텝(23)에서, 목적지까지의 루틴은 정보와 교통 혼잡 예보에 따라서 imax구역으로 나뉘어, 운행 거리(D(i)), 운행 속도(S(i)), 가솔린 엔진의 부하(L(i)), 발생된 산화 질소량(C(i)), 흡수제의 온도(T(i)) 등이 각 운행 구역(i(1≤i≤imax))에 대하여 예측된다.
스텝(24)에서 모든 운행 구역에 대하여 배기 가스 정화 시스템의 재생 시기를 결정하기 위해서 운행 구역 인덱스(is)는 초기값으로서 "1"로 셋팅되며, 스텝(25)에서 배기 가스 정화 시스템에 대한 재생 동작 계획 루틴이 수행되며 그 결과 루틴을 종료한다.
도 3은 스텝(25)에서 수행된 재생 동작 시기 결정 루틴의 순서도이다. 운행 구역(is)에서 발생된 산화 질소(C(is))의 예측량이 앞의 운행 구역에서 운행하는 배기 가스 정화 시스템에 의하여 흡수된 산화 질소량(Q)에 추가되어, 운행 구역(is)에서 운행한 후에 배기 가스 정화 시스템에 의하여 흡수된 산화 질소량(Q)이 결정된다.
구역(is)을 통하여 운행한 후에 산화 질소량(Q)이 최소 흡수량(Qmin;예를 들어 10%)보다 더 낮은지 아닌지가 결정된다.
스텝(252)에서의 결정이 부(-)이면, 즉 산화 질소가 배기 가스 정화 시스템에 흡수되지 않는다고 결정되면, 운행 구역(is)에 대해서는 재생 동작이 필요하지 않기 때문에 운행 구역(is)에 대한 재생 동작 플래그(regeneration operation flag;R(is))가 "0"으로 셋팅되는 스텝(253)으로 제어가 진행한다.
스텝(252)에서의 결정이 정(+)이면, 즉 산화 질소가 배기 가스 정화 시스템에 흡수된다고 결정되면, 운행 구역(is)에 대한 흡수제의 온도(T(is))가 재생 동작이 수행되는 온도(Tallow)보다 낮아지는지 아닌지가 결정되는 스텝(254)으로 제어가 진행한다.
이러한 결정이 행해지는 이유는, 상술한 바와 같이 흡수제의 온도가 활성 온도보다 더 높을 필요가 있을지라도, 흡수제의 온도가 재생 동작이 수행되는 온도(Tallow) 이상으로 올라갈 때 재생 동작에 의하여 산화 질소가 공기중에 방출될 수 있기 때문이다.
운행 구역에 대한 흡수제의 온도(T(is))가 재생 동작이 수행되는 온도 이상이다고 예측되기 때문에 스텝(254)에서의 결정이 부일 때, 운행 구역(is)에서 운행한 후에 흡수된 산화 질소량이 최대 흡수량(Qmax;예를 들어 70%)보다 더 큰지 아닌지가 결정되는 스텝(255)으로 제어가 진행한다.
스텝(255)에서의 결정이 부일 때, 즉 흡수력이 여분을 가질 때, 재생 동작이 수행되지 않는 스텝(253)으로 제어가 진행한다.
스텝(255)에서의 결정이 정일 때, 즉 운행 구역(is)을 완전히 운행한 후에 산화 질소량(Q)이 최대 흡수량(Qmax)을 초과할 때 그리고 스텝(254)에서의 결정이 정일 때, 즉 재생 동작이 운행 구역(is)에 대하여 수행될 때, 그리고 나서 운행 구역(is)에 대하여 재생 동작 플래그(R(is))를 "1"에 셋팅하며 산화 질소량(Q)을 리셋하는 스텝(256)으로 제어가 진행한다.
스텝(253, 256)에서 완전한 프로세싱 후에, 운행 구역 인덱스(is)는 스텝(257)에서 최대값(imax)에 도달하는지 아닌지가 결정되며, 스텝(257)에서의 결정이 부일 때 스텝(258)에서 구역 인덱스가 증가된 후에 스텝(251)으로 제어가 귀환한다. 스텝(257)에서의 결정이 정일 때 이 루틴은 바로 종료됨을 주목한다.
도 4는 차량이 운행하기 시작한 후에 수행된 재생 동작 루틴의 순서도이며, 이 루틴은 소정의 매 시간 간격마다 인터럽트 루틴(interrupt routine)으로서 수행된다.
차량이 운행되기 시작한 후의 실제 운행 거리(Dr)가, 예를 들어 스텝(41)에서의 트립 미터(trip meter)로부터 판독되며, 구역(it)에 대하여 실제 운행 거리가 예측 운행 거리(Ds(it))보다 더 큰지 아닌지가 결정된다. 운행 구역(it)과 예측된 운행 거리(Ds)가 도시하지 않은 초기화 루틴내에서 "0"으로 셋팅된다.
스텝(42)에서의 결정이 정일 때, 즉 운행 구역(it)이 완전히 포함될 때, 예측 거리(Ds)는 다음 수학식 1로 갱신되며 구역 인덱스(it)는 스텝(43)에서 증가된 후에 스텝(44)으로 제어가 진행하다.
Ds← Ds+ D(it)
it← it+ 1
스텝(42)에서의 결정이 부일 때, 제어는 스텝(44)으로 바로 진행함을 주목한다.
운행 구역(it)에 대한 재생 수행 플래그(R(it))가 스텝(44)에서 "1"인지 아닌지가 결정된다. 스텝(44)에서의 결정이 부일 때, 즉 차량이 재생 동작이 수행되지 않은 운행 구역에서 운행할 때, 희박 연소를 수행하기 위하여 공연비 정정 계수(K)가 "1.0"보다 낮은 값(KL;예를 들어 "0.7")으로 셋팅되며 연소 상태 플래그(XF)는 희박 연소가 수행되고 있는 것을 지적하는 "0"으로 셋팅된 후에 스텝(48)으로 제어가 진행한다.
스텝(44)에서의 결정이 정일 때, 즉 재생 동작이 수행되는 구역에서 차량이 운행되고 있을 때, 스텝(47)에서 재생 동작이 수행된 후에 스텝(48)으로 제어가 진행한다.
차량이 예측된 계획대로 이동하는지 아닌지가 결정된다.
이 결정은 속도의 실제값들과, 가솔린 엔진 부하(예를 들어 흡입 메니폴드 압력)와, 흡수제 온도가 소정의 제한내에서 상응하는 예측값과 일치하는지 아닌지를 결정하므로서 실시된다.
스텝(48)에서의 결정이 부일 때, 즉 차량이 계획에 따라 운행되지 않을 때, 루틴은 도 3에 도시한 계획 루틴이 스텝(49)에서 다시 수행된 후에 종료된다. 스텝(48)에서의 결정이 정일 때, 즉 차량이 계획에 따라 운행할 때, 이 루틴은 바로 종료된다.
도 5는 스텝(47)에서 수행된 재생 수행 루틴의 순서도이다. 연소 상태 플래그(XF)가 스텝(471)에서 "0"인지 아닌지를 결정한다.
스텝(471)에서의 결정이 정일 때, 즉 연소가 희박 상태하에 있을 때, 스텝(472)에서 공연비 정정 계수(K)가 "1.0"보다 더 큰 값(KR;예를 들어 "1.3")으로 셋팅되며 연소 상태 플래그(XF)는 성층 연소가 수행되고 있는 것을 지적하는 "1"로 셋팅된 후에 루틴은 종료된다.
스텝(471)에서의 결정이 부일 때, 즉 재생 동작이 이미 시작되었을 때, 스텝(474)에서 재생 동작에 대한 필요한 시간이 경과하였는지 아닌지가 결정된다. 결정이 부일 때 스텝(472)으로 제어가 진행하며, 결정이 정일 때 스텝(475)으로 제어가 진행한다.
즉 재생 동작이 완전하다고 간주될 때, 스텝(475)에서 연소 상태를 희박 연소로 저장하기 위하여 공연비 정정 계수(K)가 "KL"로 셋팅된 후에 이 루틴은 종료되며, 스텝(476)에서 연소 상태 플래그(XF)는 희박 연소가 수행된다는 것을 지적하는 "0"으로 셋팅된다.
도 6은 연료 분사 밸브(117)로부터 분사된 연료량, 다시 말해서 연료 분사 밸브(117)의 개방 시기를 결정하기 위한 연료 분사 루틴의 순서도이며, 스텝(61)에서 가솔린 엔진의 회전 속도(Ne)와 흡입 파이프 압력(PM)이 인출된다.
기본 연료 분사 기간(TP)은 가솔린 엔진의 회전 속도(Ne)와 흡입 메니폴드 압력(PM)의 함수인 다음 수학식 2로서 계산된다.
TP ← TP(Ne, PM)
기본 연료 분사 기간(TP)은 화학양론적 공연비(stoichiometric air-fuel ratio)로 연소에 필요한 연료량을 공급하기 위하여 연료 분사 밸브의 개방 기간으로서 결정된다.
스텝(63)에서, 연료 분사 기간(TAU)을 계산하기 위하여 다음 수학식 3에서 처럼 기본 연료 분사 기간(TP)에 공연비 정정 계수(K)를 곱한다.
TAU ← K·TP
결과적으로 공연비 정정 계수(K)가 KL로 셋팅되는 한, 가솔린 엔진은 희박 연소 상태내에 있으며, 그것이 KR로 셋팅되는 한, 가솔린 엔진은 성층 연소 상태내에 존재한다.
도 7은 가솔린 엔진에 적용된, 본 발명의 효과를 설명하는 다이아그램이며, 여기서 횡좌표는 시간을 표시한다.
(a)는 자동차 네비게이션 시스템(141)과 차량 정보 및 통신 시스템 리시버(142)로부터 얻은 교통 혼잡 예보와 루틴에 대한 정보 그리고 상기 정보에 기초하여 예측된 차량 속도를 도시한다.
(b)는 가솔린 엔진의 부하와 흡수제 온도 그리고 제어 장치(13)에 의해 예측된 산화 질소 농도를 도시한다.
(c)는 흡수제에 흡수된 산화 질소량과 제어 장치(13)에 의하여 예측된 흡수제로부터 방출된 산화 질소량을 도시한다.
즉 흡수제가 그것의 흡수력을 유지하는 한 산화 질소가 결코 배출될 수 없는 온도 범위로 흡수제의 온도가 이동할 때까지, 재생 동작은 배기 가스 정화 시스템내에서 연기되며, 한편 흡수제에 흡수된 산화 질소량이 최대가 된다고 결정될 때 산화 질소가 배출될 수도 있는 온도 범위내에 흡수제의 온도가 존재한다.
(d)는 가솔린 엔진의 종래 배기 가스 정화 시스템에 의하여 수행된 재생 동작을 도시한다. 즉 흡수제에 흡수된 산화 질소량이 최대가 된다고 결정될 때, 흡수제의 온도에 관계없이 재생 동작이 수행된다. 그러므로 흡수제의 온도가 높을 때, 산화 질소는 공기중에 불가피하게 배출된다.
그 결과 본 발명에 따른 가솔린 엔진의 배기 정화 시스템에서, 재생 동작 회수가 감소할뿐만 아니라 차량으로부터의 산화 질소 배출도 억제된다.
도 8은 본 발명이 디젤 엔진에 적용될 때의 실시예를 도시한 배치도이다. 각 도면번호는 디젤 엔진(81)과, 흡입 메니폴드(82)와, 흡입 메니폴드(82)의 합류점에 연결된 흡입 덕트(83)와, 흡입 덕트(83)에 배치된 스로틀 밸브(84)와, 배출 메니폴드(86)와, 배출 파이프(87)와, 경유 공급 장치(88)와, 전기 히터(810) 하우징용 케이싱(89)과, 산화 촉매(812)를 포함하는 촉매 컨버터(811)와, 하니컴 미립자 필터(814)를 포함하는 필터 케이싱(813)과, 배출 파이프(815)를 표시한다. 경유 공급 장치(88)는 디젤 엔진에 의하여 구동되는 경유 공급 펌프(816)와 제 2 공기 공급 펌프(817)에 연결되며, 경유과 제 2 공기는 필요하다면 경유 공급 장치(88)로부터 배출 파이프(87)내로 공급된다. 다르게는 산화 촉매(812)내에 전기 히터(810)가 삽입될 수도 있다.
제어 장치(830)는 메모리(832)와, CPU(833)와, 버스(831)에 연결된 입력 포트(834) 및 출력 포트(835)를 포함하는 마이크로 컴퓨터 시스템이다. 미립자 필터(814)의 상류쪽과 하류쪽 사이의 압력차에 비례하는 신호를 발생하는 차분 압력 센서(818)가 미립자 필터(814)에 삽입되며, 차분 압력 센서(818)가 입력 포트(834)에 연결된다. 게다가 상류 및 하류쪽에 배기 가스 온도를 검출하도록 한 쌍의 온도 센서(819, 820)가 삽입되며, 또한 이들 온도 센서(819, 820)가 입력 포트(834)에 연결된다.
또한 액셀러레이터 페달(821)의 눌림량에 비례하는 신호를 발생시키는 부하 센서(822)를 갖는 액셀러레이터 페달(821)이 설치되며, 이 부하 센서(822)는 입력 인터페이스(834)에 연결된다. 게다가 내연기관의 회전 속도(Ne)를 나타내는 펄스를 출력하는 엔진 속도 센서(823)가 입력 포트(834)에 연결된다.
한편 액츄에이터(85)와, 경유 공급 장치(88)와, 전기 히터(810)와, 제 2 공기 공급 펌프(817)가 출력 포트(835)에 연결된다.
게다가 차량 동작 상황의 정보를 인출하기 위하여, 자동차 네비게이션 시스템(841)과 차량 정보 및 통신 시스템 리시버(842)가 입력 포트(834)에 연결된다.
산화 촉매(812)가 흡수제를 갖기 때문에, 배기 가스가 디젤 엔진이나 이와 유사한 다른 장치에서 많은 일산화 질소량을 포함한다면, 배기 가스에 포함된 일산화 질소는 배기 가스의 온도가 낮을 때 흡수되며 산화 질소 흡수제에 흡수된 이산화 질소는 배기 가스의 온도가 비교적 높을 때 방출된다.
그 결과 비록 자연 발화를 일으킬 정도로 충분하게 높지는 않지만 배기 가스의 온도가 상대적으로 높을 때, 산화 촉매로부터 방출된 이산화 질소로써 엔진의 하류쪽에 배치된 미립자 필터(814)내에 잡힌 미립자들을 제거할 수 있게 된다.
도 9에 도시한 배기 가스 정화 시스템의 동작을 이하에서 설명한다. 스로틀 밸브(84)는 완전히 개방되며 경유 공급 장치(88)와 전기 히터(810)는 정상 동작 조건하에서 정지된다.
도 9는 미립자들을 제거한 동작 영역을 설명하는 다이아그램이다. 종좌표는 엔진 부하를, 횡좌표는 엔진 속도를 나타낸다.
배기 가스 온도(Tg)가 약 230oC 내지 450oC 범위내에 있을 때, 즉 동작 영역이 "3"일 때, 산화 촉매(812)에서 일산화 질소로부터 이산화 질소로의 변화율은 증가한다. 이 동작 영역에서, 미립자들은 이산화 질소와 반응하며 경버너(88)나 이와 유사한 장치에 의하여 배기 가스 온도를 강제로 상승시키지 않고도 연소에 의하여 제거된다.
동작 조건이 동작 영역 "5"에 속할 때는, 미립자들은 이산화 질소와 반응하지 않고도 자연적으로 연소한다.
역으로 동작 영역이 "1"이나 "2"일 때, 일산화 질소에서 이산화 질소로의 변화율과 배기 가스 온도가 너무 낮아서 미립자들은 연소에 의하여 제거될 수 없다.
또한 동작 영역 "4"에서, 일산화 질소로부터 이산화 질소로의 변화율은 낮으며 배기 가스 온도는 미립자들이 자연적으로 연소할 정도로 높지는 않다.
그 결과 동작 영역 "4"에서, 배기 가스 온도를 상승시키기 위하여 스로틀 밸브(84)을 약간 폐쇄하므로써 미립자들을 연소하여 제거할 수 있다.
동작 영역 "2"에서, 미립자들은 전기 히터(810)로 배기 가스 온도를 상승시키거나 스로틀 밸브(84)를 약간 폐쇄하므로써 제거될 수 있다.
또한 동작 영역 "1"에서, 미립자들은 배기 가스 온도를 상승시키기 위하여 전기 히터(810)나 경유 공급 장치(88)를 사용하여 경유를 연소하므로써 제거될 수 있다.
즉, 동작 영역 "3" 또는 "5"에서, 연료 소비율을 악화시키지 않고도 미립자 필터(814)에 대한 재생 동작을 수행할 수 있으며, 반면에 남은 동작 영역에서 미립자 필터(814)에 대한 재생 동작은 전기 히터(10)와 경유 공급 장치(88)의 사용이나 스로틀 밸브(84)의 폐쇄로 인하여 연료 소비율을 악화시킨다.
그 결과 동작 영역 "3" 또는 "5"에서 미립자 필터(814)의 재생을 수행하기 위한 계획을 수립할 필요가 있다.
도 10은 차량의 운행 전에 제어 장치(13)에 의하여 수행된 제 2 계획 루틴의 순서도이며, 스텝(101)에서 예를 들어 이동 거리와, 도로 형태(고속 도로나 일반 도로)와, 고도 등과 같은 자동차 네비게이션 시스템(841)에 의하여 탐색된 루틴의 정보가 인출된다.
스텝(102)에서는 차량 정보 및 통신 시스템 리시버(842)에 의하여 교통 혼잡 예보와 교통 제어 정보 등이 수용된다.
스텝(103)에서, 목적지까지의 루틴은 정보 및 교통 혼잡 예보에 따라서 imax구역으로 나뉘어, 각 구역(i(1≤i≤imax))에 대하여 이동 거리(D(i))와, 운행 속도(S(i))와, 디젤 엔진 부하(L(i))와, 발생된 미립자량(C(i))과, 배기 가스 온도(Tg(i)) 등이 예측된다.
스텝(104)에서는 모든 구역에 대한 배기 가스 정화 시스템의 재생 시기를 결정하기 위하여 구역 인덱스(is)가 초기값으로서 "1"로 셋팅되며, 미립자 필터에 대한 재생 계획 루틴이 스텝(105)에서 수행되어 그 결과 루틴을 종료한다.
도 11은 스텝(105)에서 수행된 미립자 필터 재생 계획 루틴의 순서도이다. 스텝(105a)에서는 차량이 구역(is)에서의 운행을 완료할 때 포획된 미립자량(S)을 결정하기 위하여, 차량이 앞 구역에서의 운행을 완료한 후에 미립자 필터(814)에 의하여 포획된 미립자량(S)에 차량이 현재 구역(is)에서 운행할 때 발생된 미립자량(C(is))이 추가되며, 스텝(105b)에서는 구역(is)의 동작 영역이 결정된다.
스텝(105b)에서, 운행 구역(is)의 동작 영역이 "1"이나 "2"로 결정될 때, 제어는 미립자의 포획량(S)이 최대량(Smax;예를 들어 120%)보다 더 큰지 아닌지가 결정되는 스텝(105c)으로 진행한다.
스텝(105c)에서의 결정이 부일 때, 즉 미립자 필터(814)가 여분의 포획힘을 가질 때, 구역(is)에 대한 재생 동작 플래그(R(is))는 경유 연소나, 전기 히터로 가열하거나 스로틀 밸브의 폐쇄와 같은 임의의 재생 동작이 수행되지 않는다는 것을 지적하는 "0"으로 셋팅된다.
스텝(105c)에서의 결정이 정일 때, 즉 미립자 필터(814)가 여분의 포획힘을 갖지 않을 때, 구역(is)에 상응하는 동작 영역이 "1" 또는 "2"인지 아닌지가 결정된다. 스텝(105f)에서 동작 영역이 "1"이면, 재생 동작 플래그(R(is))는 경유의 연소에 의한 가열과 전기 히터에 의한 가열이 동시에 사용된다는 것을 표시하는 "3"으로 셋팅된다. 한편 동작 영역이 "2"일 때, 재생 동작 플래그(R(is))는 전기 히터에 의한 가열과 스로틀 밸브의 폐쇄가 동시에 사용된다는 것을 표시하는 "2"로 셋팅된다.
스텝(105b)에서 구역(is)에 대한 동작 영역이 "3"이나 "5"다고 결정될 때, 미립자들이 재생 동작없이도 제거될 수 있기 때문에 구역(is)에 대한 재생 동작 플래그(R(is))는 "0"으로 셋팅되는 스텝(105h)으로 제어가 진행한다.
스텝(105b)에서 구역에 대한 동작 영역이 "4"라고 결정될 때, 미립자의 포획량(S)이 중간량(Smid;예를 들어 100%)보다 더 큰지 아닌지가 결정되는 스텝(105i)으로 제어가 진행한다.
스텝(105i)에서의 결정이 정일 때, 즉 미립자의 포획량(S)이 중간량(Smid)보다 더 적지 않을 때, 미립자 필터(814)의 재생 동작은 동작 영역 "4"에서 연료 소비율을 악화시키지 않고도 가능하다. 미리 재생 동작을 수행하기 위하여, 재생 동작 플래그(R(is))는 스로틀 밸브가 약간 스로틀되는 것을 지적하는 "1"로 셋팅된다.
스텝(105i)에서의 결정이 부일 때, 즉 미립자의 포획량(S)이 중간량(Smid)보다 작을 때, 구역(is)에 대한 재생 동작 플래그(R(is))는 미립자 필터(814)가 여분의 포획힘을 갖기 때문에 재생 동작이 수행되지 않는 것을 지적하는 "0"으로 셋팅된다.
스텝(105f, 105g, 105h, 105i)에서의 프로세싱을 완료한 후에, 포획된 미립자량(S)이 스텝(105l)에서 리셋된 후에 스텝(105m)으로 제어가 진행한다.
스텝(105d, 105k)에서의 프로세싱을 완료한 후에, 제어는 미립자 필터의 재생 동작이 수행되지 않기 때문에 포획된 미립자량(S)을 리셋하지 않고도 스텝(105m)으로 바로 진행한다.
스텝(105m)에서, 모든 구역에 대한 예측, 즉 구역 인덱스(is)가 최대값(imax)에 도달하는지 아닌지가 결정된다.
스텝(105m)에서의 결정이 부일 때, 스텝(105n)에서 구역 인덱스(is)가 증가된 후에 스텝(105a)으로 제어가 귀환한다. 반대로 스텝(105m)에서의 결정이 정일 때, 이 루틴은 바로 종료한다.
도 12는 차량이 운행되기 시작한 후에 수행된 제 2 재생 동작 루틴의 순서도이다. 이 루틴은 소정의 매 간격 마다 인터럽트 루틴으로서 수행된다.
차량이 운행되기 시작한 후에, 예를 들어 스텝(120)에서 트립 미터로부터 실제 이동 거리가 판독되며, 구역(it)에 대해서 실제 이동 거리는 예측된 이동 거리(Ds(it))보다 크다. 구역(it)과 예측 거리(Ds)는 도시하지 않은 초기 루틴에서 "0"으로 셋팅된다고 추측된다.
스텝(121)에서의 결정이 정일 때, 즉 구역(it)이 완전히 포함될 때, 제어는 예측 거리(Ds)가 다음 수학식 4로 갱신된 후에 스텝(123)으로 진행하며, 구역 인덱스(it)는 스텝(122)에서 증가된다.
Ds← Ds+ D(it)
it← it+ 1
스텝(121)에서의 결정이 부일 때, 제어는 스텝(123)으로 바로 진행함을 주목한다.
스텝(123)에서 재생 수행 플래그(R(it))가 "0"인지 아닌지가 결정되며, 결정이 정일 때 제어는 임의의 프로세스를 수행하지 않고도 스텝(128)으로 진행한다.
스텝(123)에서의 결정이 부일 때, 재생 수행 플래그(R(it))의 값을 판단하기 위한 스텝(124)으로 제어가 진행한다.
스텝(124)에서 재생 수행 플래그(R(it))의 값이 "1"이다고 결정될 때, 스텝(125)에서 스로틀 밸브(84)를 약간 폐쇄한 후에 스텝(128)으로 제어가 진행한다.
스텝(124)에서 재생 수행 플래그(R(it))의 값이 "2"다고 결정될 때, 스텝(126)에서 스로틀 밸브(84)를 약간 폐쇄하며 전기 히터(810)을 작동시키는 스텝(128)으로 제어가 진행한다.
스텝(124)에서 재생 수행 플래그(R(it))의 값이 "3"이다고 결정될 때, 스텝(127)에서 전기 히터(810)가 작동되어 경유 공급 장치(88)로부터 배출 파이프(87)에 경유가 공급된 후에 스텝(128)으로 제어가 진행한다.
스텝(128)에서, 차량은 재생 계획 루틴에서 계산된 계획에 따라서 구동되는지 아닌지가 결정된다.
이러한 결정은 속도의 실제값이나, 디젤 엔진 부하(예를 들어 액셀러레이터 페달의 눌림량)나, 배기 가스 온도가 속도나 디젤 엔진 부하나 배기 가스 온도의 예측값과 소정 범위내에서 일치하는지 아닌지를 결정하므로써 실시될 수 있다.
스텝(128)에서의 결정이 정일 때, 즉 차량이 계획에 따라 구동될 때, 이 루틴은 바로 종료된다.
스텝(128)에서의 결정이 부일 때, 즉 차량이 계획에 따라 구동되지 않을 때, 이 루틴은 재생 동작이 스텝(129)에서 재계획된 후에 종료된다.
재생 동작이 도 11에 도시한 계획 루틴을 재수행하므로써 재계획될 수 있다.
도 13은 디젤 엔진의 미립자 필터에 적용된 본 발명의 효과를 설명하는 다이아그램이다. 횡좌표는 시간을 표시하며 종좌표는 예측된 엔진 부하와, 예측된 배기 가스 온도(실선)와, 발생된 미립자들의 예측량과, 포획된 미립자량과, 연료 소비율의 악화 정도를 표시한다.
포획된 미립자량과 연료 소비율의 악화 정도에 대하여, 실선은 본 발명이 적용될 때를 나타내며, 점선은 종래 기술이 적용된 때를 나타낸다.
특히 예측된 엔진 부하가 "2"→"1"→"4"→"5"로 변화함에 따라서, 예측된 배기 가스 온도와 발생된 미립자의 예측량도 변화한다. 예측된 엔진 부하에서의 도면부호는 도 9의 동작 영역을 지적한다.
종래 기술에서와 같이 재생 동작이 계획되지 않을 때는, 예측된 엔진 부하가 "4"일 때 미립자 필터에 의하여 포획된 미립자량이 100%에 도달하기 때문에, 배기 가스의 온도를 상승시키기 위하여 스로틀 밸브(94)를 폐쇄하므로서 미립자를 연소 제거할 필요가 있다. 이 경우에 연료 소비율은 스로틀 밸브(94)의 폐쇄 결과로서 악화된다.
반대로 본 발명이 적용될 때, 예측된 엔진 부하가 "4"인 경우 포획된 미립자량이 100%에 도달할 때 조차도, 미립자 필터가 최대 포획력에 대하여 예를 들어 120%의 여분을 갖기 때문에 재생 동작은 수행되지 않는다.
다음 구역에서, 동작 영역은 "5"가 되며, 배기 가스 온도가 높기 때문에 미립자는 자연스럽게 연소 제거된다. 이 경우에 스로틀 밸브(94)는 폐쇄되지 않으며, 그결과 연료 소비율은 악화되지 않는다.

Claims (9)

  1. 내연기관용 배기 가스 정화 시스템에 있어서,
    내연기관으로부터 배출된 배기 가스의 유독 성분을 포획하는 포획 수단과,
    상기 포획 수단에서 포획된 유독 성분을 제거하므로써 상기 포획 수단을 재생시키는 제거 수단과,
    현재 이후에 차량의 운행 조건을 예측하는 운행 조건 예측 수단과,
    상기 운행 조건 예측 수단에 의하여 예측된 차량 운행 조건에 기초하여 내연기관으로부터 배출된 배기 가스의 성질을 예측하는 배기 가스 성질 예측 수단과,
    상기 배기 가스 성질 예측 수단에 의하여 예측된 배기 가스 성질에 따라서 상기 포획 수단이 상기 제거 수단에 의하여 재생되는 시기를 결정하는 재생 시기 결정 수단과,
    상기 재생 시기 결정 수단에 의하여 시기가 결정되면 상기 제거 수단에 의하여 상기 포획 수단의 재생을 수행하는 재생 수행 수단을 포함하는 내연기관용 배기 가스 정화 시스템.
  2. 가솔린 엔진용 배기 가스 정화 시스템에 있어서,
    배기 가스가 희박 상태에 있을 때, 상기 가솔린 엔진으로부터 배출된 배기 가스에서 산화 질소를 포획하는 촉매와,
    상기 촉매에 포획된 산화 질소를 방출하므로써 상기 촉매를 재생시키기 위하여 배기 가스를 증가시키는 증가 수단(enriching means)과,
    현재 이후에 차량의 운행 조건을 예측하는 운행 조건 예측 수단과,
    상기 운행 조건 예측 수단에 의하여 예측된 차량 운행 조건에 기초하여 내연기관으로부터 배출된 배기 가스 온도를 예측하는 배기 가스 온도 예측 수단과,
    상기 배기 가스 온도 예측 수단에 의하여 예측된 배기 가스 온도에 기초하여 상기 증가 수단으로 상기 촉매를 재생시키는 시기를 결정하는 증가 시기 결정 수단과,
    상기 증가 시기 결정 수단에 의하여 증가 시기가 결정될 때 상기 증가 수단으로 배기 가스를 증가시키므로써 상기 촉매를 재생시키는 재생 수행 수단을 포함하는 가솔린 엔진용 배기 가스 정화 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 증가 시기 결정 수단은 상기 배기 가스 온도 예측 수단에 의하여 예측된 배기 가스 온도가 소정의 재생 온도보다 더 낮을 때 촉매 발생 시기로서 시점을 결정하는 가솔린 엔진용 배기 가스 정화 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 운행 조건 예측 수단에 의하여 예측된 운행 조건이 실제 운행 조건과 일치하는지 아닌지를 판단하며, 또 상기 배기 가스 온도 예측 수단에 의하여 예측된 배기 가스 온도가 실제 배기 가스 온도와 일치하는지 아닌지를 판단하는 일치 판단 수단과,
    현재 이후에 상기 운행 조건 예측 수단에 의하여 차량 운행 조건을 재예측하며, 상기 일치 판단 수단이 불일치라고 판단하면 상기 재예측된 차량 운행 조건에 기초하여 가솔린 엔진으로부터 배출된 배기 가스의 온도를 재예측하는 재예측 수단을 추가로 포함하는 가솔린 엔진용 배기 가스 정화 시스템.
  5. 디젤 엔진용 배기 가스 정화 시스템에 있어서,
    상기 디젤 엔진으로부터 배출된 미립자를 포획하는 미립자 필터와,
    상기 미립자 필터에 포획된 미립자를 연소 제거하므로써 상기 미립자 필터를 재생시키기 위하여 배기 가스 온도를 상승시키는 배기 가스 온도 상승 수단과,
    현재 이후에 차량 운행 조건을 예측하는 운행 조건 예측 수단과,
    상기 운행 조건 예측 수단에 의하여 예측된 차량 운행 조건에 기초하여 상기 디젤 엔진으로부터 배출된 배기 가스의 온도를 예측하는 배기 가스 온도 예측 수단과,
    상기 배기 가스 온도 예측 수단에 의하여 예측된 배기 가스 온도에 기초하여 상기 배기 가스 온도 상승 수단에 의하여 상기 미립자 필터의 재생 시기를 결정하는 배기 가스 온도 상승 시기 결정 수단과,
    상기 배기 가스 온도 상승 시기 결정 수단에 의하여 배기 가스 온도 상승 시기가 결정되면 상기 배기 가스 온도 상승 수단에 의하여 배기 가스 온도를 상승시키므로써 상기 미립자 필터의 재생을 수행하는 재생 수행 수단을 포함하는 디젤 엔진용 배기 가스 정화 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 배기 가스 온도 상승 수단은 스로틀 밸브를 미소하게 폐쇄하는 수단과, 전기 발생 히터로 배기 가스를 가열하는 전기 히터와, 배기 가스를 가열하기 위하여 배기 가스내에서 연료를 연소하는 연료 공급 수단 중 적어도 하나인 디젤 엔진용 배기 가스 정화 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 미립자 필터는 미립자들을 자연스럽게 연소 제거하는 촉매를 포함하며,
    상기 재생 수행 수단은 배기 가스 온도가 약 600oC보다 더 높을 때 상기 배기 가스 온도 상승 수단을 작동하지 않고도 자연 연소에 의하여 상기 미립자 필터의 재생을 수행하는 디젤 엔진용 배기 가스 정화 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서, 배기 가스 온도가 약 250oC보다 낮을 때 배기 가스에 포함된 일산화 질소를 흡수하며, 배기 가스 온도가 약 250oC와 400oC사이에 있을 때 이산화 질소를 방출하기 위하여 일산화 질소를 이산화 질소로 전환하는, 상기 미립자 필터의 상류쪽에 배치된 산화 촉매를 추가로 포함하며,
    상기 재생 수행 수단은 배기 가스 온도가 약 250oC 와 400oC 사이에 있을 때 상기 배기 가스 온도 상승 수단을 작동시키지 않고도 이산화 질소에 의하여 미립자를 산화시키므로써 상기 미립자 필터의 재생을 수행하는 디젤 엔진용 배기 가스 정화 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 운행 조건 예측 수단에 의하여 예측된 운행 조건이 실제 운행 조건과 일치하는지 아닌지를 판단하며, 상기 배기 가스 온도 예측 수단에 의하여 예측된 배기 가스 온도가 실제 배기 가스 온도와 일치하는지 아닌지를 판단하는 일치 판단 수단과,
    상기 운행 조건 예측 수단에 의하여 현재 이후에 차량 운행 조건을 재예측하며, 상기 일치 판단 수단이 불일치를 판단하면 상기 재예측 운행 조건에 기초하여 디젤 엔진으로부터 배출된 배기 가스의 온도를 재예측하는 재예측 수단을 추가로 포함하는 디젤 엔진용 배기 가스 정화 시스템.
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