KR20010098647A - 배기가스 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단위 시간당 연소실로부터 방출된 미립자의 양이 미립자 필터 상에 발광 화염을 방출하지 않고 단위 시간당 산화에 의해 제거할 수 있는 미립자의 양보다 적어지는 경우 및 미립자 필터의 온도가 NOx흡수율이 특정 값 이상이 되는 온도 범위에서 유지되는 경우, 배기 통로에 배치되고 NOx를 흡수하는 기능을 갖는 미립자 필터를 포함하는 엔진에 관한 것이다.

Description

배기가스 정화 장치{Exhaust gas purification device}
본 발명은 엔진의 배기가스 정화 장치에 관한 것이다.
관련 기술에서, 디젤 엔진에 있어서, 배기가스에 포함된 미립자는 엔진 배기 통로 내에 특정 필터를 배열하고, 배기가스 중의 미립자를 포집하기 위해 그러한 미립자 필터를 사용하고, 미립자 필터를 재생시키기 위해 미립자 필터 상에 포집된 미립자를 점화 및 연소시킴으로써 제거한다. 그러나, 미립자 필터 상에 포집된 미립자는 온도가 적어도 약 600℃의 고온으로 되지 않는 한 점화되지 않는다. 이에 대립하는 것으로서, 디젤 엔진의 배기가스의 온도는 통상적으로 600℃보다 상당히 낮다. 따라서, 미립자 필터 상에 포집된 미립자를 점화시키기 위해 배기가스의 열을 이용하는 것은 어렵다. 미립자 필터 상에 포집된 미립자를 점화시키는 배기가스의 열을 이용하기 위해, 미립자의 점화 온도를 저하시키는 것이 필수적이다.
그러나, 관련 기술에서, 미립자의 점화 온도는 미립자 필터 상에 촉매를 휴대하는 경우에 감소될 수 있다는 것은 공지되어 있다. 따라서, 미립자의 점화 온도를 감소시키기 위한 촉매를 갖는 여러 가지 미립자 필터들이 당업계에 공지되어 있다.
예를 들면, 일본국의 심사된 특허 공고 제7-106290호는 백금족 금속 및 알칼리 토금속 산화물의 혼합물을 갖는 특정 필터를 포함하는 미립자 필터를 개시하고 있다. 이러한 미립자 필터에서, 미립자는 350℃ 내지 400℃의 비교적 낮은 온도까지는 점화되고, 이후 연속적으로 연소된다.
디젤 엔진에서, 본 발명이 해결해야할 문제점들을 요약하자면, 부하가 높아질 때, 배기가스의 온도는 350℃ 내지 400℃에 도달하고, 따라서, 상기 미립자 필터에 의해, 미립자는 엔진 부하가 높아질 때 배기가스의 열에 의해 점화되고 연소될 수 있는 것으로 보일 수 있다. 그러나, 사실상, 배기가스의 온도가 350℃ 내지 400℃에 달하더라도, 때때로 미립자는 점화하지 않을 것이다. 더욱이, 미립자가 점화되더라도, 미립자의 일부만이 연소되고, 많은 양의 미립자는 연소되지 않은 채로 남을 것이다. 즉, 배기가스에 포함된 미립자의 양이 적을 때, 미립자 필터 상에 침착된 미립자의 양은 적다. 이 때, 배기가스의 온도가 350℃ 내지 400℃에 도달하는 경우, 미립자 필터 상의 미립자는 점화하고, 이후 연속적으로 연소된다.
그러나, 배기가스에 포함된 미립자의 양이 많아지는 경우, 미립자 필터 상에 침착된 미립자가 완전히 연소하기 전에, 다른 미립자가 그 미립자 상에 침착될 것이다. 결과적으로, 미립자는 미립자 필터 상의 층들로 침착된다. 미립자가 이러한 방식으로 미립자 필터 상의 층들에 침작되는 경우, 산소와 용이하게 접촉하는 미립자의 일부는 연소할 것이지만, 산소와 접촉하기 어려운 채로 남아있는 미립자는 연소하지 않을 것이고, 따라서 많은 양의 미립자가 연소되지 않은 채로 남겨질 것이다. 따라서, 배기가스에 포함된 미립자의 양이 많아지는 경우, 많은 양의 미립자는 미립자 필터 상에 연속적으로 침착될 것이다.
다른 한편, 많은 양의 미립자가 특정 필터 상에 침착되는 경우, 침착된 미립자는 점진적으로 점화되고 연소되기 어려워진다. 미립자 중의 탄소는 연소되기 어려운 흑연 등으로 변화하면서 침착되기 때문에 이러한 방식으로 연소되기는 어려워진다. 사실상, 많은 양의 미립자가 미립자 필터 상에 연속적으로 침착되는 경우, 침착된 미립자는 350℃ 내지 400℃의 저온에서 점화되지 않을 것이다. 침착된 미립자의 점화를 유발하기 위해 600℃ 이상의 고온이 필요하다. 그러나, 디젤 엔진에서, 배기가스의 온도는 통상적으로 600℃ 이상의 고온으로 전혀 되지 못한다. 따라서, 많은 양의 미립자가 연속적으로 미립자 필터 상에 침착되는 경우, 배기가스의 열에 의해 침착된 미립자의 점화를 유발하기는 곤란하다.
다른 한편, 이 시점에서, 배기가스의 온도를 600℃ 이상의 고온으로 만들 수 있는 경우, 침착된 미립자는 점화될 수 있지만, 이러한 경우에 다른 문제점이 발생할 수 있다. 즉, 이러한 경우에, 침착된 미립자가 점화되는 경우, 그것은 발광 화염을 발생시키면서 연소할 수 있다. 이러한 시점에서, 특정 필터의 온도는 완성된 침착된 미립자가 연소될 때까지 장시간 동안 800℃ 이상에서 유지될 수 있다. 그러나, 미립자 필터가 이러한 방식으로 장시간 동안 800℃ 이상의 고온에 노출되는 경우, 미립자 필터는 신속히 악화되고, 따라서 새로운 필터로 일찍이 대체되어야 하는 미립자 필터가 갖는 문제점이 발생할 것이다.
더욱이, 침착된 미립자가 연소되는 경우, 그 재는 응축되어 큰 덩어리들을 형성할 것이다. 이들 재 덩어리는 미립자 필터의 미세한 구멍들을 막는다. 막힌 미세한 구멍들의 수는 시간이 경과함에 따라 점차로 증가하고, 그에 따라 미립자 필터 중의 배기가스의 흐름의 압력 손실은 점차로 더 커진다. 배기가스 흐름의 압력 손실이 더 커지는 경우, 엔진의 출력이 떨어지고, 따라서 이로 인해 미립자 필터가 새로운 필터로 신속히 대체되어야 하는 문제점이 마찬가지로 발생한다.
많은 양의 미립자가 이러한 방식으로 층들에 일단 침착되는 경우, 상기한 바의 여러 가지 문제점들이 발생한다. 배기가스에 포함된 미립자의 양과 미립자 필터 상에서 연소될 수 있는 미립자의 양 사이의 밸런스를 고려하면서 층들 내에 많은 양의 미립자가 침착하는 것을 방지하는 것이 필수적이다. 그러나, 상기 공보에 개시된 미립자 필터에 따르면, 배기가스에 포함된 미립자의 양과 미립자 필터 상에서 연소될 수 있는 미립자의 양 사이의 균형에 대한 어떠한 고려도 전혀 없었고, 따라서 상기한 바의 여러 가지 문제점들이 발생한다.
더욱이 상기 공보에 개시된 미립자 필터에 따르면, 배기가스의 온도가 350℃ 이하로 떨어지는 경우, 미립자는 점화되지 않을 것이고, 따라서 미립자는 미립자 필터 상에 침착될 것이다. 이러한 경우에, 침착된 양이 적은 경우, 배기가스의 온도가 350℃ 내지 400℃에 달할 때, 침착된 입자들은 연소되지 않을 것이지만, 많은 양의 미립자가 층들 내에 침착되는 경우, 침착된 미립자는 배기가스의 온도가 350℃ 내지 400℃에 달할 때 점화되지 않을 것이다. 심지어 그것이 점화되더라도, 미립자의 일부는 연소하지 않을 것이고, 따라서 연소되지 않고 남겨질 것이다.
이러한 경우에, 많은 양의 미립자가 층들에 침착되기 전에 배기가스의 온도가 증가하는 경우에, 침착된 미립자를 남김 없이 연소시킬 수 있지만, 상기 공보 문헌에 개시된 미립자 필터에 있어서, 이는 전혀 고려되지 않는다. 따라서, 많은 양의 미립자가 층들에 침착될 때, 배기가스의 온도가 600℃ 이상으로 증가하지 않는 한, 모든 침착된 미립자는 연소될 수 없다.
더욱이, 유입되는 배기가스의 공연비가 희박할 때 배기가스 중의 NOx를 흡수하고, 유입하는 배기가스의 공연비가 화학량론적인 공연비로 되거나 또는 풍부할 때 흡수된 NOx를 방출하고 환원시키는 NOx흡수제는 공지되어 있다. 이러한 NOx흡수제가 엔진 배기 통로에 배치되는 경우, 희박한 공연비 하에 연소 중에 발생된 NOx는 NOx흡수제에 흡수될 수 있다.
그러나, 이러한 NOx흡수제에 의한 NOx의 흡수 작용은 NOx흡수제에 의해 결정된 특정 온도 범위에서만 발생한다. 미립자 필터에 NOx흡수 기능을 제공할 때조차 동일하게 적용된다. 따라서, 미립자 필터에 NOx흡수 기능을 제공할 때, 많은 양의 미립자가 미립자 필터 상에 침착되지 않게 함과 동시에 NOx흡수 작용이 발생하는 온도 범위로 미립자 필터의 온도를 유지할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 신규 방법에 의해 배기가스 중의 미립자 및 NOx를 동시에 제거하도록 설계된 배기가스 정화 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 내연기관의 전체적인 도면.
도 2a 및 2b는 엔진의 필수 토크의 도면.
도 3a 및 3b는 미립자 필터의 도면.
도 4a 및 4b는 미립자의 산화 작용을 설명하는 도면.
도 5a 내지 5c는 미립자의 침착 작용을 설명하는 도면.
도 6은 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자의 양과 미립자 필터의 온도 사이의 관계를 나타내는 도면.
도 7a 및 7b는 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자의 양을 나타내는 도면.
도 8a 내지 8f는 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자의 양(G)의 맵의 도면.
도 9a 및 9b는 배기가스 중의 산소의 농도 및 NOx의 농도의 맵의 도면.
도 10a 및 10b는 방출된 미립자의 양의 도면.
도 11은 미립자 및 NOx동시 처리 영역의 도면.
도 12는 미립자의 산화에 의한 제거 방법을 설명하는 도면.
도 13은 분사 제어를 설명하는 도면.
도 14는 매연의 발생량의 도면.
도 15a 및 15b는 연소실 내의 가스의 온도의 도면.
도 16은 작동 영역 I 및 II의 도면.
도 17은 공연비(A/F)의 도면.
도 18은 스로틀 밸브 등의 개방도의 변화의 도면.
도 19는 엔진의 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 20은 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 21은 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 22는 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 23은 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 24는 NOx흡수량의 맵의 도면.
도 25a 및 25b는 SOx를 방출할 때 공연비 제어의 도면.
도 26은 NOx방출 플래그 및 SOx방출 플래그를 처리하기 위한 흐름도.
도 27 및 28은 엔진 작동의 제어를 위한 흐름도.
도 29는 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 30은 도 3b에 나타낸 미립자 필터의 파티션의 확대 단면도.
도 31a 및 31b는 도 29에 나타낸 미립자 필터의 확대도.
도 32a 내지 32c는 배기 스위칭 밸브의 스위칭 위치와 배기가스의 흐름 간의 관계의 도면.
도 33a 및 33b는 미립자 필터의 파티션(54) 내부의 미립자의 운동 상태의 도면.
도 34는 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 35는 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 36은 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 37은 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 38은 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
도 39는 엔진의 또 다른 실시예의 전체적인 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 엔진 본체 2: 실린더 블록
3: 실린더 헤드 4: 피스톤
5: 연소실 6: 연료 분사기
7: 흡기 밸브 8: 흡기포트
9: 배기 밸브 10: 배기포트
11: 흡기 튜브 12: 서지 탱크
13: 흡기 덕트 14: 배기 터보 과급기
15: 압축기 18, 26: 냉각 장치
20: 배기 파이프 21: 배기 터빈
22: 미립자 필터 23: 케이싱
30: 전자 제어 유니트 32: ROM
33: RAM 34: CPU
35: 입력 포트 37: AD 변환기
40: 액셀러레이터 페달
41: 부하 센서 42: 크랭크각 센서
본 발명에 따라, 배기 통로와, 연소실로부터 배출된 배기가스 중의 미립자를 제거하기 위해 상기 배기 통로에 배치된 미립자 필터를 구비하는 연소실을 갖는 엔진의 배기가스 정화 장치에 있어서, 상기 미립자 필터는 단위 시간당 연소실로부터 방출된 방출 미립자의 양이 미립자 필터 상에 발광 화염을 방출하지 않고 단위 시간당 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양보다 적을 때 발광 화염을 방출하지 않고 배기가스 중의 미립자를 산화에 의해 제거하는 기능, 및 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 희박할 때 배기가스 중의 NOx를 흡수하고 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 화학량론적 공연비로 되거나 또는 풍부할 때 흡수된 NOx를 방출하는 기능을 갖는 미립자 필터이고; 상기 방출된 미립자의 양 및 미립자 필터의 온도는 방출된 미립자의 양이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양보다 적어지고, NOx흡수율이 모든 시점에 특정 값보다 더 커지는 온도 영역 중의 미립자 및 NOx동시 처리 영역 내에서 통상적으로 유지되는 엔진의 배기가스 정화 장치가 제공된다.
본 발명의 이들 목적 및 기타 목적 및 특징들은 수반된 도면을 참조하여 주어진 하기 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 압축 점화형 내연기관에 본 발명을 적용시킨 경우를 나타낸다. 본 발명은 스파크 점화형 내연기관에 적용될 수도 있음에 주의하자.
도 1에 관하여 설명하자면, 1은 엔진 본체, 2는 실린더 블록, 3은 실린더 헤드, 4는 피스톤, 5는 연소실, 6은 전기적으로 제어된 연료 분사기, 7은 흡기 밸브, 8은 흡기포트, 9는 배기 밸브, 그리고 10은 배기포트를 나타낸다. 흡기포트(8)는 대응하는 흡기 튜브(11)를 통해 서지(surge) 탱크(12)에 접속되는 한편, 서지 탱크(12)는 흡기 덕트(13)를 통해 배기 터보 과급기(14)의 압축기(15)에 접속된다. 흡기 덕트(13) 내부에는 스텝 모터(16)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(17)가 배치된다. 더욱이, 냉각 장치(18)는 흡기 덕트(13)를 통해 흐르는 흡입 공기를 냉각시키기 위해 흡기 덕트(13) 둘레에 배치된다. 도 1에 나타낸 실시예에서, 엔진 냉각수는 냉각 장치(18) 내부로 유도되고, 흡입 공기는 엔진 냉각수에 의해 냉각된다. 다른 한편, 배기포트(10)는 배기 매니폴드(19) 및 배기 파이프(20)를 통해 배기 터보 과급기(14)의 배기 터빈(21)에 접속된다. 배기 터빈(21)의 출구는 미립자 필터(22)를 수용하는 케이싱(23)에 접속된다.
배기 매니폴드(19) 및 서지 탱크(12)는 배기가스 재순환(EGR) 통로(24)를 통해 상호 접속된다. EGR 통로(24) 내부에는 전기적으로 제어되는 EGR 제어 밸브(25)가 배치된다. 냉각 장치(26)는 EGR 통로(24) 내부에서 순환하는 EGR 가스를 냉각시키기 위해 EGR 통로(24) 둘레에 배치된다. 도 1에 나타낸 실시예에서, 엔진 냉각수는 냉각 장치(26) 내부로 안내되고, EGR 가스는 엔진 냉각수에 의해 냉각된다. 다른 한편, 연료 분사기(6)는 연료 보급 파이프(6a)를 통해 연료 저장기, 이른바 공통 레일(27)에 접속된다. 연료는 전기적으로 제어되는 가변 방출 연료 펌프(28)로부터 공통 레일(27)로 공급된다. 공통 레일(27)에 공급된 연료는 연료 공급 파이프(6a)를 통해 연료 분사기(6)에 공급된다. 공통 레일(29)은 공통 레일(27) 내의 연료 압력을 검출하기 위해 그에 부착된 연료 압력 센서(29)를 갖는다. 연료 펌프(28)의 방전은 연료 압력 센서(29)의 출력 신호에 기초하여 제어됨으로써 공통 레일(27)의 연료 압력은 타겟 연료 압력으로 된다.
전자 제어 유니트(30)는 판독 전용 메모리(ROM)(32), 랜덤 액세스 메모리(RAM)(33), 마이크로프로세서(CPU)(34), 쌍방향 버스(31)를 통해 서로 접속된 입력 포트(35) 및 출력 포트(16)를 구비한 디지털 컴퓨터로 구성된다. 연료 압력 센서(29)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)로 입력된다. 더욱이, 미립자 필터(22)는 이 미립자 필터(22)를 검출하기 위해 온도 센서(39)를 그에 부착한다. 이러한 온도 센서(39)의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 액셀러레이터 페달(40)은 이 액셀러레이터 페달(40)의 압박량(L)에 비례하는 출력 전압을 발생시키는 부하 센서(41)가 그에 접속된다. 부하 센서(41)의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 더욱이, 입력 포트(35)는 크랭크축이 예를 들면 30도 만큼 회전할 때마다 출력 펄스를 발생시키는 크랭크각 센서(42)가 그에 접속된다. 다른 한편, 출력 포트(36)는 대응하는 구동 회로(38)를 통해, 연료 분사기(6), 스로틀 밸브를 구동시키기 위한 스텝 모터(16), EGR 제어 밸브(25) 및 연료 펌프(28)에 접속된다.
도 2a는 액셀러레이터 페달(40)의 압박량(L)인 필수 토크(TQ)와 엔진 속도(N) 사이의 관계를 나타낸다. 도 2a에서, 곡선은 등가의 토크 곡선을 나타내는 것에 주의하자. TQ=0으로 나타낸 곡선은 토크가 0임을 나타내는 한편, 나머지 곡선들은 TQ=a, TQ=b, TQ=c 및 TQ=d 순으로 점차로 증가하는 필수 토크를 나타낸다. 도 2b에 나타낸 바와 같이 도 2a에 나타낸 필수 토크(TQ)는 액셀러레이터 페달(40)의 압박량(L) 및 엔진 속도(N)의 함수로서 미리 ROM(32)에 저장된다. 본 발명의 이 실시예에서, 액셀러레이터 페달(40)의 압박량(L) 및 엔진 속도(N)에 따른 필수 토크(TQ)는 도 2b에 나타낸 맵으로부터 먼저 산출되고, 이어서, 연료 분사량 등은 필수 토크(TQ)에 기초하여 산출된다.
도 3a 및 3b는 미립자 필터(22)의 구조를 나타낸다. 도 3a는 미립자 필터(22)의 정면도인 한편, 도 3b는 미립자 필터(22)의 측면 단면도임에 주의하자. 도 3a 및 3b에 나타낸 바와 같이, 미립자 필터(22)는 벌집 구조를 형성하고, 서로 병렬로 확장하는 복수개의 배기 순환 통로(50, 51)를 구비한다. 이들 배기 순환 통로는 플러그(52)로 시일링된 하류 단부를 갖는 배기가스 유입 통로(50) 및 플러그(52)로 시일링된 상류 단부를 갖는 배기가스 유출 통로(51)로 구성된다. 도 3a에서 빗금친 부분들은 플러그(53)를 나타낸다. 따라서, 배기가스 유입 통로(50) 및 배기가스 유출 통로(51)는 박막 파티션(54)을 통해 선택적으로 배치된다. 다시 말해, 배기가스 유입 통로(50) 및 배기가스 유출 통로(51)는 각각의 배기가스 유입 통로(50)가 4개의 배기가스 유출 통로(51)에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 각각의배기가스 유출 통로(51)는 4개의 배기가스 유입 통로(50)에 의해 둘러싸인다.
미립자 필터(22)는 예를 들면 코디어라이트(cordierite) 등의 다공성 물질로부터 형성된다. 따라서, 배기가스 유입 통로(50)로 유입되는 배기가스는 도 3b에서 화살표로 나타낸 바와 같이 포위된 파티션(54)을 통해 인접한 배기가스 유출 통로(51)로 흐른다.
본 발명의 본 실시예에서, 예를 들면 알루미늄으로 구성된 캐리어층은 배기가스 유입 통로(50) 및 배기가스 유출 통로(51)의 외부 표면, 즉, 파티션(54)의 양쪽 표면 및 파티션(54) 내의 미세한 구멍의 내벽 상에 형성된다. 캐리어는 산소를 흡수하고 과잉 산소가 주변에 존재할 때 산소를 유지하고 주변의 산소 농도가 떨어질 때 활성 산소 형태로 유지된 산소를 방출하는 활성 산소 방출제 및 귀금속 촉매를 운반하고 있다.
이러한 경우에, 본 발명에 따른 본 실시예에서, 백금(Pt)은 귀금속 촉매로서 사용된다. 활성 산소 방출제로서, 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs) 및 루비듐(Rb) 등의 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 및 스트론튬(Sr) 등의 알칼리 토금속, 란타늄(La), 이트륨(Y) 및 세슘(Cs) 등의 희토류 및 전이 금속 중의 적어도 하나로 이루어진 것이 사용된다.
이러한 경우에, 활성 산소 방출제로서, 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba) 및 스트론튬(Sr) 등의 이온화 경향이 큰 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속으로 이루어진 것이 사용되는 것이 바람직하다.
다음으로, 미립자 필터(22)에 의한 배기가스 중의 미립자의 제거 작용은 캐리어 상에 백금(Pt) 및 칼륨(K)을 소지하는 경우를 예를 들어 설명할 것이지만, 미립자의 제거를 위해 동일한 유형의 제거 작용이 다른 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류 및 전이 금속을 사용할 때 수행된다.
도 1에 나타낸 바의 압축 점화형 내연기관에서, 과잉의 공기 하에서조차 연소가 발생한다. 따라서, 배기가스는 많은 양의 과잉 공기를 함유한다. 즉, 흡기 통로, 연소실(5) 및 배기 통로로 보급되는 공기 및 연료의 비율을 배기가스의 공연비라 칭하는 경우, 도 1에 나타낸 바의 압축 점화형 내연기관에서, 배기가스의 공연비는 희박해진다. 더욱이, 연소실(5)에서, NO가 발생되고, 따라서 배기가스는 NO를 함유하지 않는다. 더욱이, 연료는 황(S)을 함유한다. 이러한 황(S)은 연소실(5)에서 산소와 반응하여 SO2로 된다. 따라서, 연료는 SO2를 함유한다. 따라서, 과량의 산소, NO2및 SO2를 함유하는 배기가스는 미립자 필터(22)의 배기가스 유입 통로(50)로 흐른다.
도 4a 및 4b는 배기가스 유입 통로(50)의 내부 원주 표면 및 파티션(54) 내의 미세한 구멍의 내벽 상에 형성된 캐리어층의 표면의 확대도이다. 도 4a 및 4b에서, 60은 백금(Pt) 입자를 나타내는 한편, 61은 칼륨(K)을 함유하는 활성 산소 방출제를 나타내는 것에 주의하자.
이러한 방식으로, 많은 양의 과잉 산소가 배기가스에 함유되기 때문에, 배기가스가 미립자 필터(22)의 배기가스 유입 통로(50)로 흐르는 경우, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 산소(O2)는 O2 -또는 O2-의 형태로 백금(Pt)의 표면에 부착된다. 다른한편, 배기가스 중의 NO는 백금(Pt)의 표면 상에서 O2 -또는 O2-와 반응하여 NO2(2NO + O2→2NO2)로 된다. 다음으로, 생성되는 NO2의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 활성 산소 방출제(61)에 흡수되고 도 4a에 나타낸 바와 같이 질산염 이온 NO3 -형태로 활성 산소 방출제(61)에 확산된다. 질산염 이온(NO2 -)의 일부는 질산 칼륨(KNO3)을 생성한다.
다른 한편, 상기 설명한 바와 같이, 배기가스는 SO2를 역시 함유한다. 이러한 SO2는 NO의 그것과 유사한 메카니즘에 의해 활성 산소 방출제(61)에 흡수된다. 즉, 상기 방식에서, 산소(O2)는 O2 -또는 O2-의 형태로 백금(Pt) 의 표면에 부착된다. 배기가스 중의 SO2는 백금(Pt) 표면 상에서 O2 -또는 O2-와 반응하여 SO3으로 된다. 다음으로, 생성되는 SO3의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 활성 산소 방출제(61)에 흡수되고, 황산 이온(SO4 2-)의 형태로 활성 산소 방출제(61)에 확산되는 한편 칼륨(K)과 결합하여 황산 칼륨(K2SO4)을 생성한다. 이러한 방식으로, 질산 칼륨(KNO2) 및 황산 칼륨(K2SO4)은 활성 산소 방출제(61) 중에 생성된다.
다른 한편, 주로 탄소로 구성된 미립자가 연소실(5)에서 생성된다. 따라서,배기가스는 이러한 미립자를 함유한다. 도 4b에 나타낸 바와 같이 배기가스가 미립자 필터(22)의 배기가스 유입 통로(50)를 통해 흐를 때 또는 배기가스 유입 통로(50)로부터 배기가스 유출 통로(51)로 향할 때, 배기가스에 포함된 미립자는 캐리어 층의 표면, 예를 들면 활성 산소 방출제(61)의 표면과 접촉하고 그에 부착된다.
미립자(62)가 이러한 방식으로 활성 산소 방출제(61) 표면에 부착되는 경우, 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)의 접촉 표면에서 산소의 농도는 하강한다. 산소의 농도가 떨어지는 경우, 큰 산소 농도 활성 산소 방출제(61)의 내부와 농도차가 발생하고, 따라서 활성 산소 방출제(61) 중의 산소는 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61) 사이의 접촉 표면 쪽으로 이동한다. 결과적으로, 활성 산소 방출제(61) 중에 형성된 질산 칼륨(KNO3)은 칼륨(K), 산소(O) 및 NO로 분해된다. 산소(O)는 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61) 사이의 접촉 표면 쪽으로 향하는 한편, NO는 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 NO는 하류측 백금(Pt) 상에서 산화되고, 다시 활성 산소 방출제(61)에 흡수된다.
다른 한편, 미립자 필터(22)의 온도가 이 시점에서 높은 경우, 활성 산소 방출제(61) 중에 형성된 황산 칼륨(K2SO4)은 칼륨(K), 산소(O) 및 SO2로 분해된다. 산소(O)는 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61) 사이의 접촉 표면 쪽으로 향하는 한편, SO2는 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 SO2는 하류측 백금(Pt) 상에서 산화되고 다시 활성 산소 방출제(61)에 흡수된다.
다른 한편, 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61) 사이의 접촉 표면 쪽으로 향한 산소(O)는 질산 칼륨(KNO3) 또는 황산 칼륨(K2SO4) 등의 화합물로부터 분해된 산소이다. 이들 화합물로부터 분해된 산소(O)는 큰 에너지를 갖고 극도로 큰 활성을 갖는다. 따라서, 미립자(62) 및 활성 산소 방출제(61) 사이의 접촉 표면 쪽으로 향하는 산소는 활성 산소(O)로 된다. 이러한 활성 산소(O)가 미립자(62)와 접촉하는 경우, 미립자(62)의 산화 작용은 촉진되고, 미립자(62)는 몇분 내지 몇십분의 짧은 기간 동안 발광 화염을 방출하지 않고 산화된다. 미립자(62)는 이러한 방식으로 산화되더라도, 다른 미립자는 미립자 필터(22) 상에 연속적으로 침착된다. 따라서, 실제로, 특정량의 미립자는 항상 미립자 필터(22) 상에 침착된다. 이와 같이 침착되는 미립자의 일부는 산화에 의해 제거된다. 이러한 방식으로, 미립자 필터(22) 상에 침착된 미립자(62)는 발광 화염을 방출하지 않고 연속적으로 연소된다.
NOx는 질산염 이온(NO3 -)의 형태로 활성 산소 방출제(61)에 확산되는 것으로 생각되며, 한편 산소 원자들과 반복적으로 결합하고, 그로부터 분리되는 것에 주의하자. 활성 산소는 마찬가지로 이 시점 동안 생성된다. 미립자(62)는 이러한 활성 산소에 의해 역시 산화된다. 더욱이, 미립자 필터(22) 상에 침착된 미립자(62)는 활성 산소(O)에 의해 산화되지만, 미립자(62)는 배기가스 중의 산소에 의해 역시 산화된다.
미립자 필터(22) 상의 층들에 침착된 미립자가 연소될 때, 미립자 필터(22)는 적열되고, 화염을 따라 연소한다. 화염을 따라 이루어지는 이러한 연소는 온도가 높지 않은 한 연속되지 않는다. 따라서, 그러한 화염에 따라 계속 연소시키기 위해, 미립자 필터(22)의 온도는 고온에서 유지되어야 한다.
이와 반대로, 본 발명에서, 미립자(62)는 상기한 바와 같이 발광 화염을 방출하지 않고 산화된다. 이 시점에서, 미립자 필터(22)의 표면은 적열되지 않는다. 즉, 다시 말하자면, 본 발명에서, 미립자(62)는 상당히 저온에서 산화에 의해 제거된다. 따라서, 본 발명에 따라 발광 화염을 방출하지 않고 산화에 의해 미립자(62)를 제거하는 작용은 화염에 의해 수반되는 연소에 의한 미립자의 제거 작용과 완전히 상이하다.
백금(Pt) 및 활성 산소 방출제(61)는 미립자 필터(22)의 온도가 더 높을수록 보다 활성으로 되고, 따라서, 단위 시간 당 활성 산소 방출제(61)에 의해 방출될 수 있는 활성 산소(O)의 양은 미립자 필터(22)의 온도가 더 높아질수록 증가한다. 더욱이, 본래, 미립자는 미립자 자체의 온도가 더 높을수록 미립자는 산화에 의해 보다 용이하게 제거된다. 따라서, 미립자 필터(22) 상에서 발광 화염을 방출하지 않고 단위 시간 당 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양은 미립자 필터(22)의 온도가 더 높아질수록 증가한다.
도 6에서 실선은 발광 화염을 방출하지 않고 단위 시간당 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 나타낸다. 도 6에서 횡좌표는 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 나타낸다. 도 6은 단위 시간이 1초인 경우, 즉, 초당 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 나타내지만, 1분, 10분 또는 임의의 시간이 단위 시간으로서 사용될 수도 있다. 예를 들면, 단위 시간으로서 10분을 사용할 때, 단위 시간당 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 10분당 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 나타낸다. 이러한 경우에 마찬가지로, 미립자 필터(22) 상에서 발광 화염을 발광하지 않고 단위 시간 당 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 도 6에 나타낸 바와 같이, 미립자 필터(22)의 온도가 높아질수록 증가한다.
이하, 단위 시간당 연소실(5)로부터 방출된 미립자의 양을 방출된 미립자의 양(M)이라 칭하는 경우, 방출된 미립자의 양(M)은 동일한 단위 시간 동안 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 적을 때 또는 10분 당 방출된 미립자의 양(M)이 10분당 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 적을 때, 즉, 도 6의 영역(I)에서, 연소실(5)로부터 방출된 모든 미립자는 미립자 필터(22) 상에 발광 화염을 방출하지 않고 단시간 내에 연속적으로 산화에 의해 제거된다.
이와 반대로, 방출된 미립자의 양(M)이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 클 때, 즉, 도 6의 영역 II에서, 활성 산소의 양은 모든 미립자의 연속적인 산화에 충분하지 않다. 도 5a 내지 5c는 이러한 경우에 미립자의 산화 상태를 보여준다.
즉, 활성 산소의 양이 모든 미립자의 연속적인 산화에 충분하지 않을 때, 미립자(62)가 도 5a에 나타낸 바와 같이 활성 산소 방출제(61) 상에 부착되는 경우, 미립자(62)의 일부만이 산화된다. 충분히 산화되지 않는 미립자 부분은 캐리어층 상에 남겨진다. 다음으로, 불충분한 양의 활성 산소의 상태가 계속되는 경우, 연속적으로 산화되지 않는 미립자의 일부는 캐리어층 상에 남겨진다. 결과적으로, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 캐리어층의 표면은 잔류하는 미립자 부분(63)으로 커버된다.
캐리어층의 표면을 커버하는 이러한 잔류 미립자 부분(63)은 점진적으로 산화되기 어려운 흑연으로 변화하고, 따라서 잔류하는 미립자 부분(63)은 쉽게 그대로 남겨진다. 더욱이, 캐리어층의 표면이 잔류하는 미립자부(63)에 의해 커버되는 경우, 백금(Pt)에 의한 NO 및 SO2의 산화 작용 및 활성 산소 방출제(61)로부터 활성 산소의 방출 작용이 억제된다. 결과적으로, 도 5c에 나타낸 바와 같이, 다른 미립자(64)가 잔류하는 미립자부(63) 상에 연속적으로 침착된다. 즉, 미립자는 층들에 침착된다. 미립자가 이러한 방식으로 층들에 침착되는 경우, 미립자는 백금(Pt) 또는 활성 산소 방출제(61)로부터 일정 거리로 분리되는 경우, 심지어 미립자를 용이하게 산화시킬 수 있는 경우, 그것은 활성 산소(O)에 의해 산화되지 않을 것이다. 따라서, 다른 미립자는 미립자(64) 상에 연속적으로 침착된다. 즉, 방출된 미립자의 양(M)이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 많은 상태가 계속되는 경우, 미립자는 미립자 필터(22) 상에 층들 내에 침착되고, 따라서, 배기가스의 온도가 더 높아지지 않거나 또는 미립자 필터(22)의 온도가 더 높아지지 않을 때, 침착된 미립자가 더 이상 점화되거나 연소되지 않게 할 수 있다.
이러한 방식으로, 도 6의 영역 I에서, 미립자는 미립자 필터(22) 상에서 발광 화염을 방출하지 않고 단기간 내에 연소된다. 도 6의 영역 II에서, 미립자가미립자 필터(22) 상의 층들에 침착된다. 따라서, 미립자 필터(22) 상의 층들에 미립자가 침착되는 것을 방지하기 위해, 방출된 미립자의 양(M)은 모든 시점에서 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 작게 유지되어야 한다.
도 6으로부터 잘 이해할 수 있듯이, 본 발명의 본 실시예에 사용된 미립자 필터(22)에 의해, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상당히 낮은 경우조차 미립자가 산화될 수 있다. 따라서, 도 1에 나타낸 압축 점화형 내연기관에서, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 유지함으로써 방출된 미립자의 양(M)은 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 통상적으로 더 적어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 본 실시예에서, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 유지됨으로써, 방출된 미립자의 양(M)은 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 통상적으로 더 적어진다.
방출된 미립자의 양(M)이 이러한 방식으로 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 통상적으로 더 적게 유지되는 경우, 미립자는 미립자 필터(22) 상의 층들에 더 이상 침착되지 않는다. 결과적으로, 미립자 필터(22)의 배기가스의 흐름의 압력 손실은 전혀 많이 변화하지 않는다고 말해질 수 있는 정도까지 실질적으로 최소 압력 손실로 유지된다. 따라서, 엔진 출력의 강하를 최소로 유지할 수 있다.
더욱이, 미립자의 산화에 의한 미립자의 제거 작용은 상당히 낮은 농도에서도 발생한다. 따라서, 미립자 필터(22)의 온도는 그렇게 많이 증가하지 않으며, 결과적으로 미립자 필터(22)의 악화 위험성이 거의 없다. 더욱이, 미립자는 미립자 필터(22) 상에서 층들에 침착되지 않기 때문에, 재로 응고될 위험이 없고, 따라서 미립자 필터(22)가 막힐 위험이 적다.
그러나, 이러한 막힘은 주로 황산 칼슘(CaSO4)으로 인해 발생한다. 즉, 연료 또는 윤활유는 칼슘(Ca)을 함유한다. 따라서, 배기가스는 칼슘(Ca)을 함유한다. 이러한 칼슘(Ca)은 SO3 -의 존재 하에 황산 칼슘(CaSO4)을 생성한다. 이러한 황산 칼슘(CaSO4)은 고체이고, 고온에서조차 열에 의해 분해되지 않을 것이다. 따라서, 황산 칼슘(CaSO4)이 생산되고, 미립자 필터(22)의 미세한 구멍이 이러한 황산 칼슘(CaSO4)에 의해 막히는 경우, 막힘이 발생한다.
그러나, 이러한 경우에, 칼슘(Ca)보다 이온화 경향이 더 큰 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속, 예를 들면 칼륨(K)이 활성 산소 방출제(61)로서 사용되는 경우, 활성 산소 방출제(61) 중에 확산된 SO3은 칼륨(K)과 결합하여 황산 칼륨(K2SO4)을 형성한다. 칼슘(Ca)은 미립자 필터(22)의 파티션(54)을 통해 통과하고, SO3과 결합하지 않고 배기가스 유출 통로(51)에 흐른다. 따라서, 미립자 필터(22)의 미세한 구멍의 임의의 막힘이 더 이상 발생하지 않는다. 따라서, 상기한 바와 같이, 칼슘(Ca)보다 이온화 경향이 더 큰 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속, 예를 들면 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 바륨(Ba) 및 스트론튬(Sr)이 활성 산소 방출제(61)로서 사용되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 본 실시예에서, 본 발명은 방출된 미립자의 양(M)을 모든 작용 상태에서 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 적게 유지하는 것이 기본적이다. 그러나, 실제로, 방출된 미립자의 양(M)을 모든 작동 상태에서 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 작게 유지하는 것이 불가능하다. 예를 들면, 엔진 개시 시점에서, 미립자 필터(22)의 온도는 통상적으로 낮다. 다라서, 이 시점에서, 방출된 미립자의 양(M)은 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(M)보다 더 커진다. 따라서, 본 발명의 본 실시예에서, 방출된 미립자의 양(M)은 엔진 개시 직후 등과 같은 특수한 경우를 제외하고 통상적으로 연속적으로 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 적어진다.
방출된 미립자의 양(M)이 엔진 개시 직후 등과 같이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 많아지는 경우, 미립자 필터(22) 상에서 산화될 수 없는 미립자의 일부가 남기 시작한다. 이러한 방식으로 산화되지 않을 수 있는 미립자의 이러한 부분이 남기 시작할 때 방출된 미립자의 양(M)이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 적어지는 경우, 즉, 미립자 만이 특정 한계 미만으로 침착될 때, 잔류하는 미립자의 일부는 발광 화염을 방출하지 않고 활성 산소(O)에 의해 산화에 의해 제거된다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시예에서, 엔진 개시 직후 등의 특수 작동 상태의 시점에서, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 유지됨으로써, 방출된 미립자의 양(G)이 산화에 의해 제거될 수 있는 미립자의 양(G)보다 더 적어질 때 산화에 의해 제거될 수 있는 특정 한계보다 적은 미립자의 양만이 미립자 필터(22) 상에 침착된다.
더욱이, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 이러한 방식으로 유지되는 경우조차 약간의 이유 또는 다른 이유로 인해 미립자 필터(22) 상의 층들에 미립자가 부착되는 경우들이 때때로 존재한다. 심지어 이러한 경우에, 배기가스의 일부 또는 전부의 공연비가 일시적으로 풍부해지는 경우, 미립자 필터(22) 상에 침착된 미립자는 발광 화염을 방출하지 않고 산화된다. 즉, 배기가스의 공연비가 풍부해지는 경우, 즉, 배기가스 중의 산소의 농도가 저하되는 경우, 활성 산소(O)는 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 한번에 모두 방출된다. 한번에 모두 방출된 활성 산소(O)에 의해 침착된 미립자는 발광 화염을 방출하지 않고 단기간 내에 산화에 의해 제거된다.
다른 한편, 공연비가 희박하게 유지되는 경우, 백금(Pt)의 표면은 산소로 커버되고, 이른바 백금(Pt)의 산소 독성화가 발생한다. 그러한 산소 독성화가 발생하는 경우, NOx의 산화 작용이 떨어짐으로써, NOx흡수 효율이 떨어지고, 따라서 활성 산소 방출제(61)로부터 활성 산소의 방출량이 떨어진다. 그러나, 공연비가 풍부한 경우, 백금(Pt) 표면 상의 산소가 소비되고, 따라서 산소 독성화가 제거된다. 따라서, 공연비가 풍부에서 희박으로 변화되는 경우, NOx의 산화 작용은 보다 더 강력해지고, 그에 따라 NOx흡수 효율이 더 커지고, 따라서 활성 산소 방출제(61)로부터 활성 산소의 방출량이 증가한다.
따라서, 공연비가 희박 상태로 유지될 때 공연비가 때때로 희박한 상태에서 풍부한 상태로 변화되는 경우, 백금(Pt)의 산소 독성화는 매시간 제거된다. 따라서, 공연비가 희박할 때 활성 산소의 방출량은 증가하고, 따라서 미립자 필터(22) 상의 미립자의 산화 작용이 촉진될 수 있다.
이하, 도 6에서, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 미립자 필터(22)의 온도(TF) 만의 함수로서 나타내지만, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 실제로 배기가스 중의 산소의 농도, 배기가스 중의 NOx의 농도, 배기가스 중의 미연소된 탄화수소의 농도, 미립자의 산화 용이도, 미립자 필터(22) 내의 배기가스의 흐름의 공간적인 속도, 배기가스의 압력 등의 함수이다. 따라서, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 포함하는 상기 인자들 모두의 효과를 고려하여 산출하는 것이 바람직하다.
그러나, 이들 중에서 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)에 대한 가장 큰 효과를 갖는 인자는 미립자 필터(22)의 온도(TF)이다. 비교적 많은 효과를 갖는 인자들은 배기가스 중의 산소의 농도 및 NOx의 농도이다. 도 7a는 미립자 필터(22)의 온도(TF) 및 배기가스 중의 산소의 농도가 변화할 때 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)의 변화를 보여준다. 도 7b는 미립자 필터(22)의 온도(TF) 및 배기가스 중의 NOx의 농도가 변화할 때 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)의 변화를 보여준다. 도 7a 및 7b에서, 점선은 배기가스 중의 산소의 농도 및 NOx의 농도가 기준값인 경우를 보여주는 것에 주의하자. 도 7a에서, [O2]1은 배기가스 중의 산소의 농도가 기준값보다 큰 경우를 보여주는 한편, [O2]2는 산소의 농도가 [O2]1보다 더욱 더 큰 경우를 보여준다. 도 7b에서, [NO]1은 배기가스 중의 NOX의 농도가 기준값보다 큰 경우를 보여주는 한편, [NO]2는 NOx의 농도가 [NO]1보다 더욱 더 큰 경우를 보여준다.
배기가스 중의 산소의 농도가 높아지는 경우, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 그만큼만 증가한다. 그러나, 활성 산소 방출제(61)에 흡수된 산소의 양이 더욱 증가하기 때문에, 활성 산소 방출제(61)로부터 방출된 활성 산소 역시 증가한다. 따라서, 도 7a에 나타낸 바와 같이, 배기가스 중의 산소 농도가 더 높을수록, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)이 더욱 증가한다.
다른 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 배기가스 중의 NO는 백금(Pt)의 표면 상에서 산화되어 NO2로 된다. 그에 따라 생성된 NO2의 일부는 활성 산소 방출제(61)에 흡수되는 한편, 나머지 NO2는 백금(Pt)의 표면으로부터 외부로 해리된다. 이 시점에서, 백금(Pt)이 NO2와 접촉하는 경우, 산화 반응은 촉진될 것이다. 따라서, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 배기가스 중의 NOx의 농도가 더 높을수록, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)이 더욱 증가한다. 그러나, NO2만에 의한 미립자의 산화를 촉진시키는 작용이 발생하고, 그 동안 배기가스의 온도는 약 250℃ 내지 약 450℃이고, 따라서, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 배기가스 중의 NOx의 농도가 더 높아지는 경우, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 증가하고, 그 동안 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 약 250℃ 내지 450℃이다.
상기 설명한 바와 같이, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)에 대한 효과를 갖는 인자들 모두를 고려하여 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 산출하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 본 발명의 이러한 실시예에서, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 비교적 큰 효과를 갖는 배기가스 중의 NOx의 농도 및 산소의 농도 및 이들 인자들 사이에서 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)에 대해 가장 큰 효과를 갖는 미립자 필터(22)의 온도(TF)에만 기초하여 산출된다.
즉, 본 발명의 이러한 실시예에서, 도 8a 내지 8f에 나타낸 바와 같이, 여러 온도(TF)(200℃, 250℃, 300℃, 350℃, 400℃ 및 450℃)에서 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 배기가스 중의 산소의 농도[O2]와 배기가스 중의 NOx의 농도[NO]의 함수로서 맵의 형태로 ROM(32)에 미리 저장된다. 미립자 필터(22)의 온도(TF), 산소의 농도[O2] 및 NOx의 농도[NO]에 따라 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 도 8a 내지 8f에 나타낸 맵으로부터 비례 분포에 의해 산출된다.
배기가스 중의 산소의 농도[O2] 및 NOx의 농도[NO]는 산소 농도 센서 및 NOx농도 센서를 사용하여 검출될 수 있음에 주의하자. 그러나, 본 발명의 이러한 실시예에서, 배기가스 중의 산소의 농도[O2]는 필수 토크(TQ) 및 엔진 속도(N)의 함수로서 도 9a에 나타낸 바의 맵의 형태로 ROM(32)에 미리 저장된다. 배기가스 중의 NOx의 농도[NO]는 필수 토크(TQ) 및 엔진 속도(N)의 함수로서 도 9b에 나타낸 바의 맵의 형태로 ROM(32)에 미리 저장된다. 배기가스 중의 산소의 농도[O2] 및 NOx의농도[NO]는 이들 맵으로부터 산출된다.
다른 한편, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)은 엔진 타입에 따라 변화하지만, 일단 엔진 타입이 결정되면, 필수 토크(TQ) 및 엔진 속도(N)의 함수가 된다. 도 10a는 도 1에 나타낸 내연기관의 방출된 미립자의 양(M)을 보여준다. 곡선 M1, M2, M3, M4및 M5는 등가의 방출된 미립자의 양을 보여준다(M1<M2<M3<M4<M5). 도 10a에 나타낸 실시예에서, 필수 토크(TQ)가 더 클수록, 방출된 미립자의 양(M)도 더 증가한다. 도 10a에 나타낸 방출된 미립자의 양(M)은 필수 토크(TQ) 및 엔진 속도(N)의 함수로서 도 10b에 나타낸 맵의 형태로 ROM(32)에 미리 저장된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예에서, 상기한 바와 같이, 알루미늄으로 구성된 캐리어층은 예를 들면 미립자 필터(22)의 파티션(54)의 양 측면 표면 및 파티션(54) 내의 미세한 구멍의 내벽 상에 형성된다. 이러한 캐리어 상에는 귀금속 촉매 및 활성 산소 방출제가 소지된다. 더욱이, 본 발명의 이러한 실시예에서, 캐리어는 귀금속 촉매 및 미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스의 공연비가 희박할 때 배기가스에 함유된 NOx를 흡수하고 미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스의 공연비가 화학량론적 공연비이거나 또는 풍부하게 될 때 흡수된 NOx를 방출하는 NOx흡수제를 소지한다.
본 발명에 따른 이러한 실시예에서, 백금(Pt)은 귀금속 촉매로서 사용된다. NOx흡수제로서, 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs) 및 루비듐(Rb) 등의 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 및 스트론튬(Sr) 등의 알칼리 토금속, 란타늄(La)및 이트륨(Y) 등의 희토류 중의 적어도 하나로 이루어진 것이 사용된다. 상기 활성 산소 방출제를 포함하는 금속에 비교함으로써 이해할 수 있듯이, NOx흡수제를 포함하는 금속 및 활성 산소 방출제를 포함하는 금속이 큰 부분에서 일치하는 것에 주의하자.
이러한 경우에, NOx흡수제 및 활성 산소 방출제로서 상이한 금속을 사용하거나 또는 그와 동일한 금속을 사용할 수 있다. NOx흡수제 및 활성 산소 방출제로서 동일한 금속을 사용할 때, NOx흡수제로서 기능 및 활성 산소 방출제의 기능이 동시에 나타난다.
다음으로, 일 예로써 귀금속 촉매로서 백금(Pt)을 사용하는 경우 및 NOx흡수제로서 칼륨(K)을 사용하는 경우를 취하여 NOx의 흡수 및 방출 작용의 설명이 주어질 것이다.
먼저, NOx의 흡수 작용을 고려하면, NOx는 도 4a에 나타낸 메카니즘과 동일한 메카니즘에 의해 NOx흡수제에 흡수된다. 그러나, 이러한 경우에, 도 4a에서, 참고 번호 61은 NOx흡수제를 나타낸다.
미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스의 공연비가 희박할 때, 많은 양의 과잉 산소가 배기가스에 포함되기 때문에, 배기가스가 미립자 필터(22)의 배기가스 유입 통로(50)로 흐르는 경우, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 산소(O2)는 O2 -또는 O2-의 형태로 백금(Pt)의 표면에 부착된다. 다른 한편, 배기가스 중의 NO는 백금(Pt)의 표면 상에서 O2 -또는 O2-와 반응하여 NO2(2NO + O2→2NO2)로 된다. 다음으로, 생성되는 NO2의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 NOx흡수제(61)에 흡수되고 칼륨(K)과 결합하면서 도 4a에 나타낸 바와 같이 질산염 이온 NO3 -형태로 NOx흡수제(61)에 확산된다. 질산염 이온(NO3 -)의 일부는 질산 칼륨(KNO3)을 생성한다. 이러한 방식으로, NO는 NOx흡수제(61)에 흡수된다.
다른 한편, 미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스가 풍부해질 때, 질산염 이온(NO3 -)은 산소(O) 및 NO로 분해되고, 이어서, NO는 연속적으로 NOx흡수제(61)로부터 방출된다. 따라서, 미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스의 공연비가 풍부해질 때, NO는 NOx흡수제(61)로부터 단기간 내에 방출된다. 더욱이, 방출된 NO는 감소되고, 따라서 어떠한 NO도 대기 중으로 방출되지 않는다.
이러한 경우에, 미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스의 공연비가 화학양론적 공연비인 경우조차, NO는 NOx흡수제(61)로부터 방출되는 것에 주의하자. 그러나, 이러한 경우에, NO는 단지 NOx흡수제(61)로부터 점차로 방출되기 때문에, NOx흡수제(61)에 흡수된 NOx모두를 방출시키는 데 다소 장시간을 필요로 한다.
그러나, 상기한 바와 같이, NOx흡수제 및 활성 산소 방출제로서 상이한 금속을 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 이러한 실시예에서, 동일한 금속이 NOx흡수제 및 활성 산소 방출제로서 사용된다. 이러한 경우에, 앞서 설명한 바와 같이, NOx흡수제의 기능 및 활성 산소 방출제의 기능이 동시에 수행된다. 이들 2가지 기능을 동시에 수행하는 시약은 이하 활성 산소 방출제/NOx흡수제라 칭할 것이다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시예에서, 도 4a에 나타낸 참고 번호 61은 활성 산소 방출제/NOx흡수제를 나타낸다.
그러한 활성 산소 방출제/NOx흡수제를 사용할 때, 미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스의 공연비가 희박할 때, 배기가스에 포함된 NO는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(71)에 포함된다. 배기가스에 포함된 미립자가 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에 부착되는 경우, 미립자는 배기가스에 포함된 활성 산소 및 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출된 활성 산소에 의해 단기간 내에 산화에 의해 제거된다. 따라서, 이 시점에서, 배기가스 중의 미립자 및 NOx모두의 대기로의 방출을 방지할 수 있다.
다른 한편, 미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스의 공연비가 풍부해질 때, NO는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출된다. 이러한 NO는 미연소된 탄화수소 및 채에 의해 감소되고, 따라서, 어떠한 NO도 마찬가지로 이 시점에서 대기중으로 방출되지 않는다. 더욱이, 미립자 필터(22) 상에 침착된 미립자는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출된 활성 산소에 의한 산화에 의해 제거된다.
도 6을 참조하여 이미 설명한 바와 같이, 활성 산소 방출제(61)로부터 활성 산소의 방출 작용은 미립자 필터(22)의 온도가 상당히 낮을 때 시작된다. 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)를 사용할 때조차 동일하게 이루어진다. 이와 반대로, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61) 중의 NOx의 흡수 작용은 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 활성 산소의 방출 시작 온도보다 높아지지 않는 한 시작되지 않는다. 이는 예를 들면 질산 칼륨(KNO3)으로부터 산소를 약탈하는 활성 산소의 방출이 유발되기 때문에 고려되어야 하는 한편, NOx의 흡수 작용은 백금(Pt)이 활성화되지 않는 한 시작되지 않는다.
도 11은 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로서 칼륨(K)을 사용할 때 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G) 및 NOx흡수율을 나타낸다. 도 11로부터, 활성 산소의 방출 작용은 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 200℃ 미만일 때 시작되는 한편, NOx의 흡수 작용은 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 200℃를 넘지 않는 한 시작되지 않음을 알게 된다.
다른 한편, 활성 산소의 방출 작용은 미립자 필터(22)의 온도(TF)보다 더 커진다. 이와는 반대로, NOx흡수 작용은 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 더 높아질때 사라진다. 즉, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 특정 온도를 초과하는 경우, 도 11에 나타낸 실시예에서 500℃ 이상인 경우, 질산염 이온(NO3 -) 또는 질산 칼륨(KNO3)은 가열 하에 분해되고, NO는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출된다. 이러한 상태에서, NO의 방출량은 NOx의 흡수량보다 더 커지고, 따라서, 도 11에 나타낸 바와 같이, NOx흡수율이 떨어진다.
도 11은 NOx흡수제 또는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로서 칼륨(K)을 사용할 때 NOx흡수율을 나타낸다. 이러한 경우에, NOx흡수율이 보다 커지는 경우의 미립자 필터(22)의 온도 범위는 사용된 금속에 따라 상이하다. 예를 들면, NOx흡수제 또는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로서 바륨(Ba)을 사용할 때, NOx흡수율이 보다 커지는 경우의 미립자 필터(22)의 온도 범위는 도 11에 나타낸 칼륨(K)을 사용하는 경우보다 더 좁아진다.
그러나, 상기한 바와 같이, 미립자 필터(22) 상의 층들에 침착됨이 없이 산화에 의해 배기가스 중의 미립자를 제거할 수 있도록, 방출되는 미립자의 양(M)을 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 적게 만들 필요가 있다. 그러나, 방출된 미립자의 양(M)을 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보자 적게 만드는 경우, NOx흡수제 또는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에 의한 NOx의 흡수 작용은 발생하지 않는다. NOx흡수제 또는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에 의한NOx의 흡수 작용을 보장하기 위해, NOx의 흡수 작용이 발생하는 온도 범위 내에서 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 유지할 필요가 있다. 이러한 경우에, NOx흡수 작용이 발생하는 미립자 필터(22)의 온도 범위는 NOx흡수율이 특정 값보다 더 커지는 경우, 예를 들면 50% 이상인 경우의 온도 범위를 가져야 한다. 따라서, NOx흡수제 또는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로서 칼륨(K)을 사용할 때, 도 11로부터 잘 이해할 수 있듯이, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 250℃ 내지 500℃로 유지되어야 한다.
따라서, 본 발명의 이러한 실시예에서, 미립자 필터(22) 상의 층들에 침착시킴 없이 배기가스 중의 미립자를 산화시킴으로써 제거하고 배기가스 중의 NOx를 흡수하기 위해, 방출된 미립자의 양(M)은 연속적으로 산화시킴으로써 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 적게 유지되고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 미립자 필터(22)의 NOx흡수율이 특정 값보다 많아지는 경우의 온도 범위로 유지된다. 즉, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 도 11에서 빗금으로 나타낸 미립자 및 NOx동시 처리 영역에서 유지된다.
방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도가 이러한 방식으로 미립자 및 NOx동시 처리 영역에 유지되는 경우조차, 때때로 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도는 미립자 및 NOx동시 처리 영역 밖에서 종료될 것이다.이러한 경우에, 본 발명의 이러한 실시예에서, 방출된 미립자의 양(M), 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF) 중의 적어도 하나가 제어됨으로써, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도는 미립자 및 NOx동시 처리 영역 내로 된다. 이는 다음에 도 12를 참조하여 설명할 것이다.
먼저, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도가 도 12에 나타낸 미립자 및 NOx동시 처리 영역 밖의 포인트 A에 도달할 때, 즉, 방출된 미립자의 양(M)이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 커지고 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 미립자 및 NOx동시 처리 영역의 하한 온도보다 더 낮아지는 경우를 설명할 것이다. 이러한 경우에, 화살표로 나타낸 바와 같이, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시킴으로써, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 미립자 및 NOx동시 처리 영역 내로 복귀된다.
다음으로, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 도 12에 나타낸 미립자 및 NOx동시 처리 영역 밖의 포인트 B에 도달하는 경우, 즉, 방출된 미립자의 양(M)이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 커지고 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 미립자 및 NOx동시 처리 영역의 온도 범위 내인 경우를 설명할 것이다. 이러한 경우에, 화살표로 나타낸 바와 같이, 방출된 미립자의 양(M)은 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 미립자 및 NOx동시 처리 영역 내로 복귀시키도록 감소된다.
다음으로, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 도 12에 나타낸 미립자 및 NOx동시 처리 영역 밖의 포인트 C에 도달하는 경우, 즉, 방출된 미립자의 양(M)이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 커지고 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 미립자 및 NOx동시 처리 영역의 상한 온도보다 높아지는 경우를 설명할 것이다. 이러한 경우에, 화살표로 나타낸 바와 같이, 방출된 미립자의 양(M)은 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 미립자 및 NOx동시 처리 영역 내로 복귀시키도록 감소된다.
이러한 방식으로, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도가 미립자 및 NOx동시 처리 영역 밖으로 될 때 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키거나 또는 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승 또는 감소시킴으로써, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 미립자 및 NOx동시 처리 영역 내로 복귀한다. 다른 방법으로서, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 증가시킴으로써 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도를 미립자 및 NOx동시 처리 영역 내로 복귀시킬 수도 있다. 따라서, 다음으로, 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키는 방법, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승 또는 하강시키는 방법 및 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 증가시키는 방법에 대한 설명이 주어질 것이다.
미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위해 효과적인 하나의 방법은 압축 행정의 상사점 후로 연료 분사 타이밍을 지연시키는 방법이다. 즉, 통상적으로, 주 연료(Qm)는 도 13에서 (I)에 나타낸 바의 압축 행정의 상사점 근처에 분사된다. 이러한 경우에, 주 연료(Qm)의 분사 타이밍이 도 13의 (II)에 나타낸 바와 같이 지연되는 경우, 후-연소 시간은 보다 길어지고, 따라서 배기가스의 온도는 상승한다. 배기가스의 온도가 상승하는 경우, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승한다. 이러한 경우에, 연료 분사 타이밍의 지연량이 감소되는 경우, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 감소될 수 있다.
더욱이, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위해, 도 13의 (III)에 나타낸 바와 같이, 보조 연료(Qv)는 주 연료(Qm)에 부가하여 흡입 행정의 상사점 근처에 분사될 수 있다. 보조 연료(Qv)가 이러한 방식으로 추가로 분사되는 경우, 연소될 수 있는 연료는 정확히 보조 연료(Qv)에 의해 증가함으로써, 배기가스의 온도가 상승하고, 따라서 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 상승한다.
다른 한편, 보조 연료(Qv)가 이러한 방식으로 흡입 행정의 상사점 근처에 분사되는 경우, 압축 행정 동안 압축열은 보조 연료(Qv)로부터 알데히드, 케톤, 과산화물, 일산화탄소 및 기타 중간 산물을 생산할 것이다. 주 연료(Qm)의 반응은 이들 중간 산물에 의해 가속된다. 따라서, 이러한 경우에, 도 13에서 (III)로 나타낸 바와 같이, 주 연료(Qm)의 분사 타이밍이 크게 지연되는 경우조차, 어떠한 불발도 발생하지 않을 것이고, 양호한 연소가 얻어질 것이다. 즉, 주 연료(Qm)의 분사 타이밍을 이러한 방식으로 큰 정도로 지연시킬 수 있기 때문에, 배기가스의 온도는 상당히 높아지고, 따라서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 신속히 상승할 수 있다. 이러한 경우에, 보조 연료(Qv)의 분사가 중지되거나 또는 보조 연료(Qv)의 분사량이 주 연료(Qm)의 분사 타이밍의 지연량을 감소시킬 수 있도록 감소되는 경우, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 감소될 수 있다.
더욱이, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위해, 도 13의 (IV)로 나타낸 바와 같이, 주 연료(Qm)에 부가하여 확장 행정 또는 방출 행정 동안 보조 연료(Qp)를 분사할 수 있다. 즉, 이러한 경우에, 보조 연료(Qp)의 많은 부분이 연소되지 않고 미연소 탄화수소의 형태로 배기 통로 내부에 방출된다. 미연소 탄화수소는 미립자 필터(22) 상의 과잉 산소에 의해 산화된다. 이러한 시점에 발생된 산화 반응의 열로 인해, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승한다. 이러한 경우에, 보조 연료(Qp)의 분사량이 감소되는 경우, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 감소될 수 있다.
다음으로, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 제어하기 위해 저온 연소를 사용하는 방법의 설명이 주어질 것이다.
도 1에 나타낸 엔진에서, EGR 비율(EGR 가스의 양/(EGR 가스의 양 + 흡기 공기의 양))이 증가하는 경우, 발생되는 매연의 양은 일반적으로 증가하고, 피크에 달한다. EGR 비율이 추가로 상승하는 경우, 매연의 발생량은 신속히 떨어진다. 이는 EGR 가스의 냉각 정도를 변화시킬 때 EGR 비율과 매연 사이의 관계를 나타내는 도 14를 참조하여 설명할 것이다. 도 14에서, 곡선 A는 EGR 가스의 온도를 약 90℃로 유지하기 위해 EGR 가스를 강제로 냉각시키는 경우를 나타내고, 곡선 B는 소형의 냉각 장치에 의해 EGR 가스를 냉각시키는 경우를 나타내고, 곡선 C는 EGR 가스를 강제로 냉각시키지 않는 경우를 나타내는 것에 주의하자.
도 14의 곡선 A로 나타낸 바와 같이, EGR 가스를 강제로 냉각시킬 때, 매연의 발생량은 EGR 비율이 50%보다 약간 낮을 때 피크에 달한다. 이러한 경우에, EGR 비율은 약 55% 이상으로 이루어지는 경우, 거의 어떠한 매연도 더 이상 발생되지 않는다. 다른 한편, 도 14의 곡선 B로 나타낸 바와 같이, EGR 가스를 약간 냉각시킬 때, 매연의 발생량은 EGR 비율이 50%보다 약간 더 커질 때 피크에 이른다. 이러한 경우에, EGR 비율은 약 65% 이상으로 이루어지는 경우, 거의 어떠한 매연도 더 이상 발생되지 않는다. 더욱이, 도 14에서 곡선 C에 의해 나타낸 바와 같이, EGR 가스가 강제로 냉각되지 않을 때, 매연의 발생량은 55%의 EGR 비율 근처에서 피크에 이른다. 이러한 경우에, EGR 비율이 약 70% 이상일 때 거의 어떠한 매연도 더 이상 발생되지 않는다.
EGR 가스 비율이 55% 이상으로 될 때 매연이 더 이상 발생되지 않는 이유는 EGR 가스의 열 흡수 작용으로 인해, 연소 시점에서 연료 및 그의 주변의 가스 온도가 그 높이로 되지 않고, 즉, 저온 연소가 실행되고, 결과적으로 탄화수소가 그을음으로 되지 않기 때문이다.
이러한 저온 연소는 매연의 발생을 억제할 수 있고, 공연비와 무관하게 NOx의 발생량을 감소시킬 수 있는 특성을 갖는다. 즉, 공연비가 풍부해질 때, 연료는 과도하게 많지만, 연소 온도는 저온으로 억제되고, 과잉 연료는 그을음으로 되지 않고, 따라서 어떠한 매연도 발생되지 않는다. 더욱이, 이러한 시점에서, 극도로 적은 양의 NOx만이 생산된다. 다른 한편, 평균 공연비가 희박하거나 또는 공연비가 화학양론적 공연비일 때, 연소 온도가 높은 경우, 적은 양의 그을음이 생성되지만 저온 연소에 의거, 연소 온도는 저온으로 억제되고, 그에 따라 어떠한 매연도 전혀 발생되지 않고, 극도로 적은 양의 NOx만이 발생된다.
다른 한편, 저온 연소가 수행되는 경우, 연료 및 그의 주변의 가스 온도가 낮아지지만, 배기가스의 온도는 상승한다. 이는 도 15a 및 15b를 참조하여 설명할 것이다.
도 15a의 실선은 연소실(5)의 평균 가스 온도(Tg)와 저온 연소가 수행될 때 크랭크 각 사이의 관계를 나타내는 한편, 도 15a의 점선은 연소실(5)의 평균 가스 온도(Tg)와 통상의 연소가 수행될 때 크랭크 각 사이의 관계를 나타낸다. 더욱이, 도 15b의 실선은 연료의 가스 온도와 저온 연소가 수행될 때 그의 주변 사이의 관계를 나타내는 한편, 도 15b의 점선은 연료 및 그 주변의 가스 온도(Tf)와 통상의 연소가 수행될 때 크랭크 각 사이의 관계를 나타낸다.
저온 연소가 수행될 때, EGR 가스의 양은 통상의 연소가 수행될 때보다 더 많아진다. 따라서, 도 15a에 나타낸 바와 같이, 압축 행정의 상사점 전에, 즉, 압축 행정 동안, 실선으로 나타낸 저온 연소 시점에서 평균 가스 온도(Tg)는 점선으로 나타낸 통상의 연소 시점에서 평균 가스 온도(Tg)보다 더 높아진다. 이러한 시점에서, 도 15b에 나타낸 바와 같이, 연료 및 그의 주변의 가스 온도(Tf)는 평균 가스 온도(Tg)와 거의 동일한 온도로 되는 것에 주의하자.
다음으로, 압축 행정의 상사점 근처에서 연소가 시작된다. 이러한 경우에,저온 연소 시점에서, 도 15b의 실선으로 나타낸 바와 같이, EGR 가스의 열 흡수 작용으로 인해, 연료 및 그의 주변의 가스 온도(Tf)는 그러한 높이로 되지 않는다. 이와 반대로, 통상의 연소 시점에서, 도 15b의 점선으로 나타낸 바와 같이 연료 둘레의 많은 양의 산소가 존재하고, 연료 및 그의 주변의 가스 온도(Tf)는 극도로 높아진다. 통상의 연소가 이러한 방식으로 수행될 때, 연료 및 그의 주변의 가스 온도(Tf)는 저온 연소의 경우에 비해 상당히 높아지지만, 대다수 이외의 가스의 온도는 저온 연소가 수행될 때에 비해 통상의 연소가 수행될 때 보다 하강한다. 따라서, 도 15a,에 나타낸 바와 같이, 압축 행정의 상사점 근처의 연소실(5)에서 평균 가스 온도(Tg)는 통상의 연소에 비해 저온 연소 시점에 보다 더 높아진다. 결과적으로, 도 15a에 나타낸 바와 같이, 연소가 완료된 후 연소실(5)에서 이미 연소된 가스의 온도는 통상의 연소에 비해 저온 연소 시점에 보다 높아진다. 따라서, 저온 연소 시점에서, 배기가스의 온도는 높아진다.
저온 연소가 이러한 방식으로 수행되는 경우, 매연의 발생량, 즉, 방출된 미립자의 양(M)은 보다 적어지고, 배기가스의 온도는 상승한다. 따라서, 엔진 오퍼레이션 동안 통상의 연소로부터 저온 연소로 스위칭되는 경우, 방출된 미립자의 양(M)은 감소될 수 있고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 상승할 수 있다. 이와는 반대로, 저온 연소에서 통상의 연소로 스위칭되는 경우, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 떨어진다. 그러나, 이러한 시점에서, 방출된 미립자의 양(M)은 증가한다. 어떠한 경우이든지, 통상의 연소와 저온 연소 사이의 스위칭에 의해, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 제어될 수 있다.
그러나, 엔진의 필수 토크(TQ)가 높아지는 경우, 즉, 연료 분사량이 많아지는 경우, 연소 시점에서 연료 및 그의 주변의 가스 온도는 보다 높아지고, 따라서 저온 연소는 곤란해진다. 즉, 저온 연소는 연소에 의한 열 발생량이 비교적 적은 경우에 엔진 매체 및 저 부하 작동 시점에만 가능해질 수 있다. 도 16에서, 영역 I는 그을음 발생이 피크인 경우의 불활성 가스의 양보다 연소실(5)에 보다 많은 양의 불활성 가스가 존재하는 경우의 제1 연소, 즉, 저온 연소가 수행될 수 있는 작동 영역을 나타내는 한편, 영역 II는 그을음 발생이 피크인 경우의 불활성 가스의 양보다 연소실(5)에 보다 적은 양의 불활성 가스가 존재하는 경우의 제2 연소, 즉, 통상 온도 연소가 수행될 수 있는 작동 영역을 나타낸다.
도 17은 작동 영역 I에서 저온 연소의 경우에 타겟 공연비(A/F)를 나타내는 한편, 도 18은 작동 영역(I)에서 저온 연소 시점에서 필수 토크(TQ)에 따라 스로틀 밸브(17)의 개방도, EGR 제어 밸브(25)의 개방도, EGR 비율, 공연비, 분사 시작 타이밍(θS), 분사 종료 타이밍(θE) 및 분사량을 나타낸다. 도 18은 작동 영역 II에서 수행되는 통상의 연소 시점에서 스로틀 밸브(17)의 개방도를 나타내기도 하는 것에 주의하자.
도 17 및 도 18로부터, 저온 연소가 작동 영역 I에서 수행될 때, EGR 비율은 55% 이상으로 이루어지고, 공연비(A/F)는 15.5 내지 약 18의 희박한 공연비로 이루어짐을 이해할 수 있다. 상기 설명한 바와 같이, 저온 연소가 작동 영역 I에서 수행될 때, 공연비가 풍부해지는 경우조차, 거의 어떠한 매연도 생성되지 않음에 주의하자.
다음으로, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키는 다른 방법의 설명이 주어질 것이다. 도 19는 이러한 방법의 실행에 적합한 엔진을 나타낸다. 도 19를 참조하면, 이러한 엔진에서, 탄화수소 보급 장치(70)는 배기 파이프(20) 내에 배치된다. 탄화수소는 필요에 따라 탄화수소 보급 장치(70)로부터 배기 파이프(20) 내부로 보급된다. 탄화수소가 보급되는 경우, 탄화수소는 미립자 필터(22) 상의 과잉 산소에 의해 산화된다. 이러한 시점에서 산화 반응의 열로 인해, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 상승한다. 이러한 경우에, 탄화수소의 보급량을 감소시킴으로써, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 감소시킬 수 있다. 이러한 탄화수소 보급 장치(70)는 미립자 필터(22)와 배기포트(10) 사이의 임의의 장소에 배치될 수 있음에 주의하자.
다음으로, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키는 또 다른 방법의 설명이 주어질 것이다. 도 20은 이러한 방법의 실행에 적합한 엔진을 나타낸다. 도 20을 참조하면, 이러한 엔진에서, 액추에이터(72)에 의해 구동되는 배기 제어 밸브(73)는 미립자 필터(22) 하류의 배기 파이프(71) 내에 배치된다.
이러한 방법에서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승해야 할 때, 배기 제어 밸브(73)는 실질적으로 완전히 닫혀져 있다. 실질적으로 완전히 폐쇄된 배기 제어 밸브(73)로 인한 엔진 출력 토크의 감소를 방지하기 위해, 주 연료(Qm)의 분사량이 증가된다. 배기 제어 밸브(73)가 실질적으로 완전히 폐쇄되는 경우, 배기 제어 밸브(73) 상류의 배기 통로의 압력, 즉, 역압이 상승한다. 역압이 상승하는 경우, 배기가스가 연소실(5) 내부로부터 배기포트(10) 내부로 배출될 때, 배기가스의 압력은 그 정도로 떨어지지 않는다. 따라서, 온도는 그 정도까지 더 이상 떨어지지 않는다. 더욱이, 이러한 시점에서, 주 연료(Qm)의 분사량이 증가하기 때문에, 연소실(5)에서 이미 연소된 가스의 온도는 높아진다. 따라서, 배기포트(10)로 배기된 배기가스의 온도는 상당히 높아진다. 결과적으로, 미립자 필터(22)의 온도는 신속히 상승하게 된다.
이러한 경우에, 배기 제어 밸브(73)의 개방도를 증가시키고, 미립자 필터(22)의 온도를 감소시킬 수 있도록 주 연료(Qm)의 분사량을 감소시킬 수 있다.
다음으로, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키기 위한 또 다른 방법의 설명이 주어질 것이다. 도 21은 이러한 방법의 실행에 적합한 엔진을 나타낸다. 도 21을 참조하면, 이러한 엔진에서, 액추에이터(75)에 의해 제어되는 중간 게이트 밸브(76)가 배기 터빈(21)을 우회하는 배기 우회 통로(74) 내부에 배치된다. 이러한 액추에이터(75)는 서지 탱크(12) 내부의 압력, 즉, 초 과급 압력에 응답하여 통상적으로 액추에이트되고, 중간 게이트 밸브(76)의 개방도를 제어함으로써 초 과급 압력은 특정 값보다 더 많아지지 않는다.
이러한 방법에서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 증가되어야 할 때, 중간 게이트 밸브(76)는 완전히 개방된다. 배기가스가 배기 터빈(21)을 통해 통과하는 경우, 온도는 떨어지지만, 중간 게이트 밸브(76)가 완전히 개방되는 경우, 많은 부분의 배기가스가 배기 우회 통로(74)를 통해 흐름으로써 온도는 더 이상 하강하지 않는다. 따라서, 미립자 필터(22)의 온도는 상승한다. 이러한 경우에, 중간 게이트 밸브(76)의 개방도를 감소시킴으로써 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 감소시킬 수있다.
다음으로, 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키는 방법의 설명이 주어질 것이다. 즉, 분사되는 연료 및 공기가 보다 충분히 혼합될수록, 분사된 연료 주변의 공기 양이 더 많아지고, 분사된 연료가 보다 잘 연소됨으로써, 보다 적은 미립자가 생성된다. 따라서, 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키기 위해, 분사된 연료 및 공기를 보다 충분히 혼합시킬 수 있다. 그러나, 분사된 연료 및 공기가 잘 혼합되는 경우, 연소가 활성화되기 때문에 NOx의 발생량이 증가한다. 따라서, 다시 말하자면, 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키는 방법은 NOx의 발생량을 증가시키는 방법이라고 할 수도 있다.
어떠한 경우이든지, 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키기 위한 여러 가지 방법이 존재한다. 따라서, 이들 방법을 연속적으로 설명할 것이다.
방출된 미립자의 양(PM)을 감소시키는 방법으로서 상기 저온 연소를 사용할 수도 있지만, 연료 분사를 제어하는 방법 역시 다른 효과적인 방법으로서 언급될 수도 있다. 예를 들면, 연료 분사량이 감소하는 경우, 분사된 연료 근처에 충분한 공기가 존재하게 되고, 따라서 방출된 미립자의 양(M)이 감소된다.
더욱이, 연료 분사가 진전되는 경우, 분사된 연료 근처에 충분한 연료가 존재하게 되고, 따라서 방출된 미립자의 양(M)이 감소된다. 더욱이, 공통 레일(27)의 연료 압력, 즉, 분사 압력이 상승하는 경우, 분사된 연료가 분산되고, 따라서 분사된 연료와 공기 사이의 혼합물이 양호해지고, 따라서 방출된 미립자의 양(M)이감소한다. 더욱이, 보조 연료가 주 연료(Qm)의 분사 직전에 압축 행정의 종료 시에 분사될 때, 즉, 이른바 파일러트 분사가 수행될 때, 연료(Qm) 둘레의 공기는 산소가 보조 연료의 연소에 의해 소비되기 때문에 불충분해진다. 따라서, 이러한 경우에, 방출된 미립자의 양(M)은 파일러트 분사를 중지함으로써 감소된다.
즉, 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키기 위해 연료 분사를 제어할 때, 연료 분사량이 감소되고, 연료 분사 타이밍이 지연되고, 분사 압력이 상승하거나 또는 파일러트 분사가 중단된다.
다음으로, 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키는 다른 방법의 설명이 주어질 것이다. 이러한 방법에서, 방출된 미립자의 양(M)이 감소되어야 할 때, EGR 제어 밸브(25)의 개방도는 EGR 비율을 감소시키기 위해 감소된다. EGR 비율이 떨어지는 경우, 분사된 연료 둘레의 공기의 양은 증가하고, 따라서, 방출된 미립자의 양(M)은 떨어진다.
다음으로, 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키는 또 다른 방법의 설명이 주어질 것이다. 이 방법에서, 방출된 미립자의 양(M)이 감소되어야 할 때, 중간 게이트 밸브(76)(도 21)의 개방도는 초 과급 압력을 증가시키기 위해 감소된다. 초 과급 압력이 증가할 때, 분사된 연료 둘레의 공기의 양은 증가하고, 따라서 방출된 미립자의 양(M)이 하강한다.
다음으로, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 증가시키기 위해 배기가스 중의 산소의 농도를 증가시키는 방법의 설명이 주어질 것이다. 배기가스 중의 산소의 농도가 증가하는 경우, 활성 산소 방출제(61)에 흡수되는 산소의 양이증가하고, 그에 따라 활성 산소 방출제(61)로부터 방출된 활성 산소의 양이 증가하고, 따라서 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)이 증가한다.
이러한 방법을 실행하기 위한 방법으로서, EGR 비율을 제어하는 방법이 언급될 수 있다. 즉, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)이 증가되어야 할 때, EGR 제어 밸브(25)의 개방도는 감소함으로써 EGR 비율이 떨어진다. EGR 비율의 하강은 흡기 공기 중의 흡기 공기량의 비율이 증가함을 의미한다. 따라서, EGR 비율이 하강하는 경우, 배기가스 중의 산소의 농도가 상승한다. 결과적으로, 방출된 미립자의 양(M)이 증가한다. 더욱이, EGR 비율이 하강하는 경우, 상기한 바와 같이, 방출된 미립자의 양(M)이 떨어진다. 따라서, EGR 비율이 떨어지는 경우, 방출된 미립자의 양(M)은 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 신속히 적어진다.
다음으로, 배기가스 중의 산소의 농도를 증가시키기 위해 2차 공기를 사용하는 방법의 설명이 주어질 것이다. 도 22에 나타낸 예에서, 배기 터빈(21)과 미립자 필터(22) 사이의 배기 파이프(77)는 2차 공기 보급 콘딧(78)을 통해 흡기 덕트(13)와 접속되는 한편, 보급 제어 밸브(78)는 2차 공기 보급 콘딧(78) 내에 배치된다. 더욱이, 도 23에 나타낸 실시예에서, 2차 공기 보급 콘딧(78)은 엔진 구동 에어 펌프(80)에 접속된다. 배기 통로로 2차 공기를 보급하기 위한 위치는 미립자 필터(22)와 배기포트(10) 사이의 임의의 장소일 수 있음에 주의하자.
도 22 또는 도 23에 나타낸 엔진에서, 보급 제어 밸브(79)는 배기가스 중의 산소의 농도가 증가되어야 할 때 개방된다. 이 시점에서 2차 공기는 2차 공기 보급 콘딧(78)으로부터 배기 파이프(77)로 공급된다. 따라서, 배기가스 중의 산소의 농도는 증가한다.
다음으로, 상기 설명한 바와 같이, 배기가스의 공연비가 희박할 때, 배기가스 중의 NOx는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에 흡수된다. 그러나, NOx흡수제(61)의 NOx흡수 능력에는 한계가 있다. 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)의 NOx흡수 능력이 포화되기 전에 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 NOx의 방출을 유도할 필요가 있다. 따라서, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에 흡수된 NOx의 양을 추정하는 것이 필수적이다. 따라서, 본 발명의 이러한 실시예에서, 단위 시간당 NOx흡수량은 필수 토크(TQ) 및 엔진 속도(N)의 함수로서 도 24에 나타낸 맵의 형태로 미리 발견하였다. 단위 시간당 NOx흡수량(A)을 누적하여 부가함으로써, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에 흡수된 NOx량(ΣNOX)이 추정될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 이러한 실시예에서, NOx흡수량(ΣNOX)이 소정의 허용되는 최대값(MAXN)을 초과할 때, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로 흐르는 배기가스의 공연비는 일시적으로 풍부해진다. 이로 인해, NOx는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출되게 된다.
그러나, 배기가스는 SOx를 포함한다. 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)는NOx뿐만 아니라 SOx도 흡수한다. 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61) 중의 SOx의 흡수 메카니즘은 NOx의 메카니즘과 동일하다.
즉, NOx의 흡수 메카니즘에 관하여 설명한 바와 동일한 방식으로 캐리어 상에 백금(Pt) 및 칼륨(K)을 소지하는 경우를 일 예로써 취하여 이를 설명하면, 상기 설명한 바와 같이, 산소(02)는 배기가스의 공연비가 희박할 때 O2 -또는 O2-의 형태로 백금(Pt)의 표면에 부착된다. 배기가스 중의 SO2는 백금(Pt) 표면 상에서 O2 -또는 O2-와 반응하여 SO3으로 된다. 다음으로, 생성되는 SO3의 일부는 백금(Pt) 상에서 산화되면서 활성 산소 방출제(61)에 흡수되고, 황산 이온(SO4 2-)의 형태로 활성 산소 방출제(61)에 확산되는 한편 칼륨(K)과 결합하여 황산 칼륨(K2SO4)을 생성한다.
그러나, 이러한 황산염(K2SO4)은 안정되어 있어서 분해되기 어렵다. 상기 설명한 바와 같이, 배기가스의 공연비가 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 NOx를 방출하기 위해 풍부해지는 경우조차, 황산염(K2SO4)은 분해되지 않고 그대로 남아있다. 따라서, 황산염(K2SO4)은 시간에 따라 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에서 증가한다. 따라서, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)가 시간이 지남에 따라 흡수할 수 있는 NOx의 양은 하강한다.
황산염(K2SO4)은 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)의 온도가 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에 의해 결정되는 특정 온도, 예를 들면 약 600℃를 초과할 때 분해된다. 이 시점에서, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로 흐르는 배기가스의 공연비가 풍부해질 때, SOx는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출된다. 그러나, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 SOx의 방출은 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 NOx의 방출에 비해 상당히 오랜 시간을 소요한다.
따라서, 본 발명의 이러한 실시예에서, SOx가 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출되어야 할 때, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)의 온도는 공연비가 희박한 상태를 유지하면서 약 600℃까지 상승하고, 방출된 미립자의 양(M)은 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 적어지고, SOx는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로 흐르는 배기가스의 공연비를 풍부와 희박 사이에 선택적으로 스위칭하면서 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출되게 된다.
이러한 경우에, 활성 산소 방출제(61)의 온도(TF)를 약 600℃로 상승시키는 여러 가지 방법이 존재한다. 본 발명의 이러한 실시예에서, 도 13의 (III)에 나타낸 바와 같이, 보조 연료(Qv)가 분사되고, 주 연료(Qm)의 분사 타이밍이 지연되거나 또는, 도 13의 (IV)에 나타낸 바와 같이, 보조 연료(Qp)는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)의 온도(TF)를 약 600℃로 상승시키기 위해 주 연료(Qm)를 분사한 후에 분사된다.
더욱이, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)의 온도(TF)가 약 600℃로 상승할 때, 공연비가 희박하고, 방출된 미립자의 양(M)이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 작은 상태가 유지된다. 따라서, 이러한 경우에, 미립자가 미립자 필터(22) 상에 침착되는 경우조차, 침착된 미립자가 산화에 의해 제거되고, 그 동안 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)의 온도(TF)는 약 600℃로 상승한다.
다른 한편, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 NOx또는 SOx를 방출하기 위해 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로 흐르는 배기가스의 공연비를 풍부하게 만드는 여러 가지 방법들이 존재한다. 예를 들면, 저온 연소를 수행할 때, 저온 연소 중에 연소실(5)의 공연비를 풍부하게 만듦으로써, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로 흐르는 배기가스의 공연비를 풍부하게 만들 수 있다.
더욱이, 도 13의 (IV)에 나타낸 바와 같이, 주 연료(Qm)의 분사 후 보조 연료(Qp)를 분사하고 보조 연료(Qp)의 양을 증가시킴으로써 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로 흐르는 배기가스의 공연비를 풍부하게 만들 수도 있다. 더욱이, 도 19에 나타낸 바와 같이, 탄화수소 보급 장치(70)를 배치하고, 탄화수소 보급 장치(70)로부터 탄화수소를 분사하고, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로 흐르는배기가스의 공연비를 탄화수소에 의해 풍부하게 만들 수도 있다.
더욱이, 상기 설명한 바와 같이, 배기가스의 공연비가 풍부해질 때, 활성 산소는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 한번에 모두 방출된다. 이로 인해, 미립자 필터(22) 상에 침착된 미립자는 신속히 산화된다. 그러나, 이후 조차, 배기가스의 공연비가 계속 풍부해지는 경우, 산소는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에 저장되지 않는다. 더욱이, 배기가스 중에 어떠한 산소도 거의 존재하지 않는다. 따라서, 미립자는 산화됨이 없이 미립자 필터(22) 상의 층들에 침착된다.
따라서, 본 발명의 이러한 실시예에서, 장기간 동안 풍부한 공연비를 필요로 하는 SOx를 방출할 때, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로 흐르는 배기가스의 공연비는 상기 설명한 바와 같이 풍부한 상태와 희박한 상태 사이에 선택적으로 스위치된다. 이를 행함으로써, 배기가스의 공연비가 희박해질 때, 미립자 필터(22) 상의 미립자는 배기가스 중의 활성 산소 또는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출된 활성 산소에 의한 산화에 의해 제거된다. 따라서, 미립자 필터(22) 상의 층들에 미립자가 침착되는 것을 방지할 수 있다.
도 25a는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 SOx를 방출할 때 연소실(5)에 보급된 연료의 양을 제어함으로써 배기가스의 공연비를 희박한 상태와 풍부한 상태 사이에 선택적으로 스위칭하는 경우를 나타낸다. 도 25b는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 SOx를 방출할 때 배기 파이프(20)로 보급되는 탄화수소의 양을 제어함으로써 배기가스의 공연비를 희박한 상태와 풍부한 상태 사이에 선택적으로 스위칭하는 경우를 나타낸다.
다음으로, 도 26을 참조하여, NOx가 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출되어야 할 때 설정된 NOx방출 플래그 및 SOx가 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 방출되어야 할 때 설정된 SOx방출 플래그의 처리 루틴에 대한 설명이 이루어질 것이다. 이러한 루틴은 특정 기간마다 중단에 의해 실행되는 것에 주의하자.
도 26을 참조하면, 먼저, 단계(100)에서, 단위 시간당 NOx흡수량(A)은 도 24에 나타낸 맵으로부터 산출된다. 다음으로, 단계(101)에서, NOx흡수량(ΣNOX)에 A가 부가된다. 다음으로, 단계(102)에서, NOx흡수량(ΣNOX)이 허용되는 최대값(MAXN)을 초과한 경우를 결정한다. ΣNOX>MAXN일 때, 루틴은 단계(103)로 진행되고, NOx가 방출되어야 하는 것을 나타내는 NOx방출 플래그가 설정된다. 다음으로, 루틴은 단계(104)로 진행된다.
단계(104)에서, 분사량(Q)과 곱해진 상수(k)의 적(k Q)은 ΣSOX에 부가된다. 연료는 특정량의 황(S)을 포함한다. 따라서, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에 흡수된 SOx의 양은 k Q로 나타낼 수 있다. 따라서, k Q를 연속적으로 부가함으로써 얻어진 ΣSOX는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)에 흡수될 것으로 추정되는 SOx의양을 나타낸다. 단계(105)에서, SOx량(ΣSOX)이 허용되는 최대값(MAXs) 이상인 경우가 결정된다. ΣSOX>MAXS일 때, 루틴은 단계(106)로 진행되고, 여기서 SOx방출 플래그가 설정된다.
다음으로, 도 27 및 도 28을 참조하여 동작의 제어에 대한 설명이 주어질 것이다.
도 27 및 도 28을 참조하면, 먼저, 단계(200)에서, SOx방출 플래그가 설정되지 않을 때 SOx방출 플래그가 설정되는 경우가 결정되고, 루틴은 단계(201)로 진행된다. 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 도 11에 빗금으로 나타낸 동시 미립자 및 NOx처리 영역의 하한 온도(Tmin), 예를 들면 250℃보다 낮은 경우가 결정된다. TF<Tmin일 때, 루틴은 단계(202)로 진행되고, 여기서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키는 방법들 중의 하나가 실행된다. 다음으로, 루틴은 단계(207)로 진행된다.
다른 한편, 단계(201)에서 TF≥Tmin인 것으로 결정될 때, 루틴은 단계(203)로 진행되고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 도 11에서 빗금을 나타낸 동시 미립자 및 NOx처리 영역의 상한 온도(Tmax), 예를 들면 500℃보다 더 높아진 경우가 결정된다. TF>Tmax일 때, 루틴은 단계(204)로 진행되고, 여기서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 감소시키는 방법들 중의 하나가 실행된다. 다음으로, 루틴은 단계(207)로 진행된다.
다른 한편, 단계(203)에서 TF≤Tmax인 것으로 결정될 때, 루틴은 단계(205)로 진행되고, 방출된 미립자의 양(M)이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 큰 경우가 결정된다. M>G일 때, 루틴은 단계(206)로 진행되고, 여기서 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키는 방법들 중의 하나 또는 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 증가시키는 방법들 중의 하나가 실행된다. 다음으로, 루틴은 단계(207)로 진행된다.
다른 한편, 단계(205)에서 M≤G인 것으로 결정될 때, 루틴은 단계(207)로 진행된다. 단계(207)에서, NOx플래그가 설정된 경우가 결정된다. NOx방출 플래그가 설정되었을 때, 루틴은 단계(208)로 진행되고, 여기서 스로틀 밸브(17)의 개방도가 제어되고, 이어서, 단계(209)에서, EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 제어된다. 다음으로, 단계(210)에서 연료 분사가 제어된다.
이와 반대로, 단계(207)에서, NOx방출 플래그가 설정된 것으로 판정될 때, 루틴은 단계(211)로 진행되고, 여기서 스로틀 밸브(17)의 개방도가 제어된다. 다음으로, 단계(212)에서, EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 제어된다. 다음으로, 단계(213)에서, 배기가스의 공연비를 일시적으로 풍부하게 만드는 방법들 중의 하나가 NOx를 방출하기 위해 실행되고, NOx방출 플래그가 리셋된다.
다른 한편, 단계(200)에서 SOx방출 플래그가 설정된 것으로 판정될 때, 루틴은 단계(214)로 진행되고, 여기서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 SOx가 방출될 수 있는 온도, 예를 들면 600℃보다 더 높은 경우가 판정된다. TF≤600℃일 때, 루틴은 단계(215)로 진행되고, 스로틀 밸브(17)의 개방도가 제어되고, 이어서 단계(216)에서, EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 제어된다.
다음으로, 단계(217)에서, 방출된 미립자의 양(M)이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 더 많은 경우가 판정된다. M>G일 때, 루틴은 단계(218)로 진행되고, 여기서, 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키는 방법들 중의 하나 또는 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 증가시키는 방법들 중의 하나가 실행된다. 다음으로, 단계(219)에서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 약 600℃로 상승시키는 방법들 중의 하나가 실행된다.
다른 한편, 단계(214)에서 TF>600℃인 것으로 판정될 때, 루틴은 단계(220)로 진행되고, 여기서 스로틀 밸브(17)의 개방도가 제어되고, 이어서 단계(221)에서, EGR 제어 밸브(25)의 개방도가 제어된다. 다음으로, 단계(222)에서, 배기가스의 공연비를 풍부한 상태와 희박한 상태 사이에서 선택적으로 스위칭함으로써, SOx의 방출은 활성 산소 방출제/NOx흡수제(61)로부터 SOx를 방출하도록 제어된다.
다음으로, 단계(223)에서, SOx방출량(△SOx)은 SOx량(ΣSOX)으로부터 감산된다. 이러한 SOx방출량(△SOx)은 특정 값으로 될 수 있거나 또는 엔진 작동 상태에 따라 변화될 수 있다. 다음으로, 단계(224)에서, SOx량(ΣSOX)이 음의 값으로 되는경우가 판정된다. ΣSOX<0일 때, 루틴은 단계(225)로 진행되고, 여기서 NOx방출 플래그 및 SOx방출 플래그가 리셋된다.
그러나, 일반적으로 말하자면, 내연기관에서, 엔진 저 부하 작동 시점에서, 배기가스의 온도가 저하된다. 따라서, 때때로 방출된 미립자의 양(M)보다 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 더 크게 만들기가 곤란하다. 그러나, 저온 연소가 상기한 바와 같이 수행되는 경우, 방출된 미립자의 양(M)은 극도로 적다. 더욱이, 배기가스의 온도는 높기 때문에, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 높아진다. 따라서, 엔진 저 부하 오퍼레이션 동안 조차, 방출된 미립자의 양(M)으로부터 방출된 미립자의 양(M)을 용이하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 저온 연소는 본 발명의 배기가스 정화 장치에 매우 적합하다고 할 수 있다.
그러나, 상기 설명한 바와 같이, 이러한 저온 연소는 도 16에 나타낸 저 부하측 작동 영역(I)에서만 수행되고, 고 부하측 작동 영역(II)에서는 수행되지 않는다. 따라서, 저온 연소를 수행할 때조차, 저온 연소는 엔진 작동 상태가 도 16의 작동 영역(I)에 있을 때만 수행된다. 엔진 작동 상태가 경계 X(N)를 초기화하고 작동 영역(II)으로 이동할 때, 저온 연소는 통상적인 연소로 스위칭된다. 즉, 저온 연소는 작동 영역(I)에서 수행되는 한편, 통상적인 연소는 작동 영역(II)에서 수행된다.
도 29는 미립자 필터(22)를 함유하는 케이싱(23)의 다른 실시예를 나타낸다. 도 29에서, 도 1에 나타낸 것과 유사한 부품들은 동일한 참조 번호가 할당되었음에주의하자.
이러한 실시예에서, 도 3b에 나타낸 미립자 필터와 동일한 구조의 미립자 필터(22)는 도 3b에 나타낸 미립자 필터로부터 90˚회전한 상태로 배치된다. 배기가스는 미립자 필터(22)에서 양방향으로 선택적으로 순환하도록 이루어진다.
더욱이, 이 실시예에서, 도 29에 나타낸 바와 같이, 스위칭 밸브 장치(92)는 케이싱(23) 내부로 확장하는 배기 통로에 배치된다. 본 실시예에서, 스위칭 밸브 장치(92)는 배기 스위칭 밸브로 구성된다. 이러한 배기 스위칭 밸브는 배기 스위칭 밸브 고동(93)에 의해 구동된다. 더욱이, 본 실시예에서, 미립자 필터(22)의 배기가스 유출 및 유입 단부 대향면 중의 하나를 향하여 확장하는 제1 통로(90), 미립자 필터(22)의 배기가스 유출 및 유입 단부 대향면 중의 다른 하나를 향하여 확장하는 제2 통로(91), 및 외부와 소통하는 배기 우회 통로, 즉, 배기 통로(81)가 스위칭 밸브 장치(92)로부터 분지된다. 배기가스의 흐름 방향은 제1 통로(90), 미립자 필터(22) 및 배기 우회 통로(81)를 향한 제2 통로(91)를 통해 통과하는 제1 방향, 즉 순방향 흐름 방향, 제2 통로(91), 미립자 필터(22) 및 배기 우회 통로(81)를 향한 제1 통로(90)를 통해 통과하는 제2 방향, 즉 역방향 흐름 방향, 및 미립자 필터(22)를 통해 통과하지 않고, 직접적으로 배기 우회 통로(81) 쪽으로 향하는 제1 방향 사이에서 스위칭 밸브 장치(92)에 의해 스위칭될 수 있다.
배기가스가 미립자 필터(22)를 통해 순방향 흐름 방향으로 흐르게 될 때, 배기가스는 도 3b에 나타낸 배기 순환 통로(50)로 흐르고, 파티션(54)을 통해 배기 순환 통로(51)로 흐르게 된다. 배기가스가 미립자 필터(22)를 통해 역방향 흐름방향으로 흐를 때, 배기가스는 도 3b의 배기 순환 통로(51)로 흐르고, 이어서 파티션(54)을 통해 통과하고 배기 순환 통로(50)로 흐른다.
도 30은 도 3b에 나타낸 미립자 필터(22)의 파티션(54)의 확대도이다. 도 30에서, 참고 번호(94)는 파티션(54) 내부로 확장하는 배기가스 통로를 나타내고, 95는 미립자 필터의 기판이고, 96은 미립자 필터의 파티션(54)의 표면 상에 소지되는 활성 산소 방출제/NOx흡수제이고, 97은 미립자 필터의 파티션(54) 내부에 소지된 활성 산소 방출제/NOx흡수제이다.
도 31a 및 31b는 도 29에 나타낸 미립자 필터(22)의 확대도이다. 보다 상세하게는, 도 31a는 미립자 필터의 확대 평면도인 한편, 도 31b는 미립자 필터의 확대 측면도이다. 도 32a 내지 도 32c는 배기 스위칭 밸브(92)의 스위칭 파티션과 배기가스의 흐름 사이의 관계의 도면이다. 보다 상세하게는, 도 32a는 배기 스위칭 밸브(92)가 순방향 흐름 위치에 있을 때의 도면이고, 도 32b는 배기 스위칭 밸브(92)가 역방향 흐름 위치에 있을 때의 도면이고, 도 32c는 배기 스위칭 밸브(92)가 우회 위치에 있을 때의 도면이다. 배기 스위칭 밸브(92)가 순방향 흐름 위치에 있을 때, 도 32a에 나타낸 바와 같이, 배기 스위칭 밸브(92)를 통해 통과하고 케이싱(23)으로 흐르는 배기가스는 먼저 제1 통로(90)를 통해 통과하고, 이어서 미립자 필터(22)를 통해 통과하고, 마지막으로 제2 통로(91)를 통해 통과하고, 다시 배기 스위칭 밸브(92)를 통해 통과하고 배기 파이프(81)로 배기된다. 배기 스위칭 밸브(92)가 역방향 흐름 위치에 있을 때, 도 32b에 나타낸 바와 같이, 배기 스위칭밸브(92)를 통해 통과하고 케이싱(23)으로 흐르는 배기가스는 먼저 제2 통로(91)를 통해 통과하고, 이어서 도 32a에 나타낸 경우와 반대 방향의 미립자 필터(22)를 통해 통과하고, 마지막으로 제1 통로(90)를 통해 통과하고, 다시 배기 스위칭 밸브(92)를 통해 통과하고 배기 파이프(81)로 배기된다. 배기 스위칭 밸브(92)가 우회 위치에 있을 때, 도 32c에 나타낸 바와 같이, 제1 통로(90)의 압력 및 제2 통로(91)의 압력은 동일해지고, 따라서, 배기가스를 방출하는 배기 스위칭 밸브(92)는 배기 스위칭 밸브(92)를 통해 통과하고, 제1 통로(90) 또는 제2 통로(91)로 흐르지 않고 그대로 배기 파이프(81) 내부에서 밖으로 흐른다. 배기 스위칭 밸브(92)는 소정의 타이밍, 예를 들면 엔진의 감속 오퍼레이션 마다 스위칭된다.
도 33a 및 33b는 미립자 필터(22)의 파티션(54)에서 미립자가 배기 스위칭 밸브(92)의 위치의 스위칭에 따라 이동할 때의 상태를 나타낸다. 보다 상세하게는, 도 33a는 배기 스위칭 밸브(92)가 순방향 흐름 위치(도 32a)에 있을 때 미립자 필터(22)의 파티션(54)의 확대 단면도인 한편, 도 33b는 배기 스위칭 밸브(92)가 순방향 보급 위치로부터 역방향 보급 위치(도 32b)로 스위칭될 때 미립자 필터(22)의 파티션(54)의 확대 단면도이다. 도 33a에 나타낸 바와 같이, 배기 스위칭 밸브(92)는 순방향 보급 위치로 스위치되고, 배기가스는 상부측에서 하부측으로 흐르고, 파티션(54) 내의 배기가스 통로(95)에 존재하는 미립자(98)는 파티션(54) 내부의 활성 산소 방출제/NOx흡수제(97)로 밀리고, 그곳에 점차로 침착된다. 따라서, 활성 산소 방출제/NOx흡수제(97)와 직접적으로 접촉하지 않는 미립자(98)는 충분히 산화되지 않는다. 다음으로, 도 33b에 나타낸 바와 같이, 배기 스위칭 밸브(92)가 순방향 흐름 위치로부터 역방향 흐름 위치로 스위치되고, 배기가스가 바닥측에서 상부측으로 흐를 때, 파티션(54) 내의 배기가스 통로(94) 내부에 존재하는 미립자(98)는 배기가스의 흐름에 의해 이동한다. 결과적으로, 충분히 산화되지 않은 미립자(98)는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(97)와 직접적으로 접촉하게 되고, 완전히 산화된다. 더욱이, 배기 스위칭 밸브(92)가 순방향 보급 방향(도 3a)에 있을 때, 미립자 필터의 파티션(54)의 표면 상에 존재하는 활성 산소 방출제/NOx흡수제(96) 상에 침착된 미립자의 일부는 순방향 보급 위치로부터 역방향 보급 위치(도 33b)로 스위칭되는 배기 스위칭 밸브(92)에 의해 미립자 필터(22)의 파티션(54)의 표면 상의 활성 산소 방출제/NOx흡수제(97)로부터 해리된다. 미립자의 해리 량은 미립자 필터(22)의 온도가 더 높아질수록 더 커지고, 배기가스의 양이 더 많아질수록 커진다. 미립자의 해리 량은 미립자의 침전을 유발하는 결합제로서 기능하는 SOF 사이의 결합력 때문에 미립자 필터(22)의 온도가 높아질수록 증가하고, 미립자는 미립자 필터(22)의 온도가 더 높아짐에 따라 약화된다.
본 실시예에서, 도 32a에 나타낸 배기 스위칭 밸브(92)의 순방향 흐름 위치로부터 도 32b에 나타낸 역방향 흐름 위치로의 스위칭 및 도 32b에 나타낸 역방향 흐름 위치로부터 도 32a에 나타낸 순방향 흐름 위치로의 스위칭으로 인해, 미립자 필터(22)의 파티션(54)에 포집된 미립자는 미립자 필터(22)의 파티션(54)의 한쪽 측면 및 다른 측면으로 분산된다. 이러한 방식으로 배기 스위칭 밸브(92)를 스위칭함으로써, 산화에 의한 제거 없이 미립자 필터(22)의 파티션(54) 상의 미립자의 침착 가능성을 감소시킬 수 있다. 미립자 필터(22)의 파티션(54)에 포집된 미립자는 미립자 필터(22)의 파티션(54)의 한쪽 측면 및 다른 측면에 실질적으로 동일한 정도로 분산되는 것이 바람직함에 주의하자.
도 29에 나타낸 실시예에서 마찬가지로, 미립자 필터(22) 상에 침착시킴 없이 배기가스 중의 미립자를 산화 및 제거하고, 배기가스 중의 NOx를 흡수하기 위해, 통상적으로, 방출된 미립자의 양(M)은 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)보다 적게 유지되고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 미립자 필터(22)의 NOx흡수율이 특정 값보다 더 커진 온도 범위 내로 유지된다. 즉, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 도 11에서 빗금으로 나타낸 동시 미립자 및 NOx처리 영역 내에 유지된다.
다른 한편, 상기 설명한 바와 같이, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도가 동시 미립자 및 NOx처리 영역에 유지되는 경우조차, 때때로 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도는 동시 미립자 및 NOx처리 영역 밖에 이르기까지 지속될 것이다. 이러한 경우에, 본 실시예에서 마찬가지로, 방출된 미립자의 양(M), 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도(TF) 중의 적어도 하나가 제어됨으로써 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도는 동시 미립자 및 NOx처리 영역 내에 있다. 이러한 경우에, 방출된 미립자의 양(M),산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G) 또는 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 도 13 내지 도 18을 참조하여 상기 설명한 방법에 의해 제어될 수 있다.
도 34 내지 도 39에 나타낸 실시예들은 도 19 내지 도 23에 나타낸 실시예들을 도 29에 나타낸 구조의 케이싱(23)을 갖는 엔진에 적용시킨 경우를 나타낸다.
도 34는 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 증가시키는 데 적절한 엔진을 나타낸다. 이러한 엔진에서, 탄화수소 보급 장치(70, 100 및 101)가 배기 파이프(20), 제1 통로(90) 및 제2 통로(91) 각각에 배치된다. 탄화수소는 필요에 따라 탄화수소 보급 장치(70, 100 및 101)로부터 보급된다. 탄화수소가 보급될 때, 탄화수소는 미립자 필터(22) 상의 과잉 산소에 의해 산화된다. 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 이 시점에서 산화 반응열에 의해 상승한다. 이러한 경우에, 탄화수소 보급량을 감소시킴으로써 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 감소시킬 수 있다. 탄화수소 보급 장치(70)는 미립자 필터(22)와 배기포트(10) 사이의 어느 곳에 배치될 수도 있음에 주의하자. 도 34에서, 참고 번호(102 및 103)는 공연비 센서이다.
도 35는 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키는 데 적절한 엔진을 나타낸다. 이러한 엔진에서, 액추에이터(72)에 의해 구동되는 배기 제어 밸브(73)는 배기 스위칭 밸브(82) 하류의 배기 파이프(81) 내부에 배치된다. 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승할 때, 배기 제어 밸브(73)는 실질적으로 완전히 폐쇄된다. 실질적으로 완전히 폐쇄되는 배기 제어 밸브(73)로 인해 엔진 출력 토크의 감소를 방지하기 위해, 주 연료(Qm)의 분사량이 증가한다. 다른 한편, 배기 제어 밸브(73)의 개방도를 증가시키고, 주 연료(Qm)의 분사량을 감소시킴으로써, 미립자 필터(22)의온도를 감소시킬 수 있다.
도 36은 미립자 필터(22)의 온도(TF)를 상승시키는 데 적합한 다른 엔진을 보여준다. 도 36을 참조하면, 이러한 엔진에서, 액추에이터(75)에 의해 제어되는 중간 게이트 밸브(76)가 배기 터빈(21)을 우회하는 배기 우회 통로(74) 내부에 배치된다. 이러한 액추에이터(75)는 서지 탱크(12) 내부의 압력, 즉, 초과급 압력에 의해 활성화되고, 중간 게이트 밸브(76)의 개방도를 제어함으로써 초과급 압력은 특정 압력보다 더 커지지 않는다. 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상승해야 할 때, 중간 게이트 밸브(76)는 완전히 개방된다.
다른 한편, 중간 게이트 밸브(76)의 개방도를 감소시킴으로써, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 감소될 수 있다.
더욱이, 다른 실시예에서, 배기가스의 온도가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 낮을 때, 그리고 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 낮아지는 가능성이 존재할 때, 배기가스는 도 32c에 나타낸 바와 같이 미립자 필터(22)를 우회하도록 이루어진다. 이로 인해, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지된다. 더욱이, 배기가스의 온도가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 더 높을 때, 그리고, NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉,250℃ 내지 500℃보다 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 높아지는 가능성이 존재할 때, 배기가스는 도 32c에 나타낸 바와 같이 미립자 필터(22)를 우회하도록 이루어진다. 이로 인해, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지된다. 이러한 상태는 예를 들면 고속 가속화를 위한 엔진의 오퍼레이션이다. 이러한 상태에서, 엔진이 고속 가속화 오퍼레이션중인지 여부는 예를 들면 액셀러레이터 페달의 압박량, 크랭크축의 각속도, 엔진 속도, 토크, 배기 온도, 흡기 공기량 등에 기초하여 결정될 수 있다. 다른 한편, 배기가스의 온도가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 이내일 때, 그리고, NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 밖에서 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 종료할 가능성이 존재하지 않을 때, 배기 스위칭 밸브(92)는 도 32a 또는 32b에 나타낸 위치에 유지되고, 배기가스는 미립자 필터(22)를 우회하지 않도록 이루어짐으로써, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지된다. 배기가스의 온도는 실질적으로 측정될 수 있거나 또는 엔진의 작동 조건에 기초하여 추정될 수 있다. 더욱이, 상기 설명한 바와 같이 배기 스위칭 밸브(92)를 스위칭하고 엔진의 작동 상태를 변화시킴으로써, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지될 수 있다.
더욱이, 배기가스의 온도가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 낮고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 상기한 바와 같이 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 낮을 때, 엔진의 작동 상태는 배기가스의 온도를 상승시키기 위해 상기 설명한 바와 같이 변화되고, 배기 스위칭 밸브(92)는 순방향 흐름 위치(도 32a) 또는 역방향 흐름 위치(도 32b)로 스위칭되어 온도가 증가된 배기가스가 미립자 필터(22)로 흐르게 한고, 이어서 배기 스위칭 밸브(92)는 우회 위치(도 32c)로 스위칭되어 온도가 증가된 배기가스를 미립자 필터(22) 내에 밀봉시키고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃까지 증가된다. 이러한 경우에, 온도 센서(39)에 의해 미립자 필터(22)의 온도(TF)의 임의의 변화를 검출할 수 있고, 미립자 필터(22)의 온도 분포를 추정할 수 있고, 이에 기초하여 탄화수소를 공급하기 위해 사용되도록 미립자 필터(22) 및 탄화수소 보급 장치(100, 101)로의 배기가스의 흐름 방향을 선택할 수 있다.
본 실시예에서, 냉각 핀(fin) 또는 기타 냉각 장치(도시하지 않음)가 제2 통로(91)(도 29)에 제공된다. 본 실시예에서, 배기가스의 온도가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내일 때, 그리고, NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃에서 미립자 필터(22)의 온도가 벗어날 가능성이 존재하지 않는 경우, 배기가스를 어떠한 냉각 장치도 없는 제1통로(9)에 전송함으로써, 미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스의 온도는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지되고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지된다. 다른 한편, 배기가스의 온도가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 도 높을 때, 그리고, NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 더 높아질 가능성이 존재할 때, 냉각 장치를 구비한 제2 통로로 배기가스를 전송함으로써, 미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스의 온도는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지되고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지된다.
도 37은 또 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서, 상기 실시예에서와 같이 제2 통로(91) 내에 냉각 장치를 제공하는 대신에, 제2 통로(91)의 배기가스 통로의 길이는 제1 통로(90)의 배기가스 통로의 길이보다 더 길어진다. 본 실시예에서, 배기가스의 온도가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내일 때, 그리고, NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃에서 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 벗어날 가능성이 존재하지 않을 때, 단거리의 배기가스 통로를 갖는 제1 통로(90)로 배기가스를 전송함으로써, 미립자필터(22)로 흐르는 배기가스의 온도는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지되고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지된다. 다른 한편, 배기가스의 온도가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 더 높아질 때, 그리고, NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 더 높아질 가능성이 존재할 때, 긴 배기가스 통로를 갖는 제2 통로로 배기가스를 전송함으로써, 미립자 필터(22)로 흐르는 배기가스의 온도는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지되고, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지된다.
더욱이, 상기 실시예에서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내일 때, 그리고, NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 낮아질 가능성이 존재하고, 연료 보급의 중지 시점에서 배기가스가 미립자 필터(22)로 흐를 때, 배기 스위칭 밸브(92)는 우회 위치(도 32c)로 스위치되고, 배기가스는 미립자 필터(22)를 우회하도록 이루어짐으로써, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로유지된다. 이 시점에서, 연료의 보급이 중지되기 때문에, 배기가스가 미립자 필터(22)를 우회하는 경우조차, NOx는 자동차 밖으로 방출되지 않을 것임에 주의하자. 본 실시예에서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 더 높을 때, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 감소되어야 하고, 배기 스위칭 밸브(92)는 순방향 보급 위치(도 32a) 또는 역방향 흐름 위치(도 32b)로 스위치되고, 연료 보급의 중지 시점에서 비교적 저온의 배기가스가 미립자 필터(22)로 흐르게 됨으로써, 미립자 필터(22)의 온도(TF)는 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃ 내로 유지된다. 이러한 방식으로 배기가스가 미립자 필터(22)를 우회하는 것을 방지하는 경우로서, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 실제로 높아지는 경우에 연료 보급을 중지하는 경우 뿐만 아니라, 미립자 필터(22)의 온도(TF)가 NOx흡수율이 50% 이상으로 되는 온도 범위, 즉, 250℃ 내지 500℃보다 더 높아지기까지 종료하는 배기가스의 우회의 경우가 존재한다.
다른 한편, 상기 설명한 바와 같이, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도가 동시 미립자 및 NOx처리 영역에서 벗어날 때, 방출된 미립자의 양(M) 및 미립자 필터(22)의 온도를 동시 미립자 및 NOx처리 영역 내로 복원하기 위해 방출된 미립자의 양(M)을 감소시키거나 또는 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 증가시킬 수 있다. 이러한 경우에, 방출된 미립자의 양을 감소시키는 방법으로서, 앞서 기재한 여러 가지 방법을 사용할 수 있다. 더욱이, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양(G)을 증가시키도록 배기가스 중의 산소의 농도를 증가시키는 방법으로서, 마찬가지로 앞서 설명한 여러 가지 방법을 사용할 수 있다.
더욱이, 상기 설명한 바와 같이, 배기가스 중의 산소의 농도를 증가시키기 위해 2차 공기를 사용할 수 있다. 도 38에 나타낸 실시예에서, 배기 터빈(21)과 미립자 필터(22) 사이의 배기 파이프(77)는 2차 공기 보급 콘딧(78)을 통해 흡기 덕트(13)에 접속되고, 보급 제어 밸브(79)는 2차 공기 보급 콘딧(78)에 배치된다. 더욱이, 도 39에 나타낸 실시예에서, 2차 공기 보급 콘딧(78)은 엔진 구동 에어 펌프(80)에 접속된다. 배기 통로에 2차 공기를 보급하는 위치는 미립자 필터(22)와 배기포트(10) 사이의 임의의 장소일 수 있음에 주의하자. 도 38 및 도 39에 나타낸 엔진에서, 보급 제어 밸브(79)는 배기가스 중의 산소의 농도가 증가할 때 개방된다. 이러한 시점에서, 2차 공기는 2차 공기 보급 콘딧(78)으로부터 배기 파이프(77)로 보급되고, 따라서 배기가스 중의 산소의 농도는 증가한다.
본 발명은 미립자 필터 상류의 배기 통로에 산화 촉매를 배치하고, 이러한 산화 촉매에 의해 배기가스 중의 NO를 NO2로 변환시키고, 미립자 필터 상에 침착된 미립자 및 NO2를 반응시키고, 미립자를 산화시키기 위해 이러한 NO2를 사용하도록 디자인된 배기가스 정화 장치에 적용될 수도 있음에 주의하자.
본 발명에 따라, 상기 설명한 바와 같이, 배기가스 웰에서 NOx를 정제하면서 미립자 필터 상의 배기가스에서 미립자를 연속적으로 산화시키고 제거할 수 있다.
본 발명은 예시 목적으로 선택한 특정 실시예를 참조하여 기재하였지만, 본 발명의 기본적인 개념 및 범위에서 벗어나지 않는 수많은 변형이 당업계의 숙련자들에 의해 이루어질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (38)

  1. 배기 통로와, 연소실로부터 배출된 배기가스 중의 미립자를 제거하기 위해 상기 배기 통로에 배치된 미립자 필터를 구비하는 연소실을 갖는 엔진의 배기가스 정화 장치에 있어서,
    상기 미립자 필터는 단위 시간당 연소실로부터 방출된 방출 미립자의 양이 미립자 필터 상에 발광 화염을 방출하지 않고 단위 시간당 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양보다 적을 때 발광 화염을 방출하지 않고 배기가스 중의 미립자를 산화에 의해 제거하는 기능, 및 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 희박할 때 배기가스 중의 NOx를 흡수하고 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 화학양론적 공연비로 되거나 또는 풍부할 때 흡수된 NOx를 방출하는 기능을 갖는 미립자 필터이고;
    상기 방출된 미립자의 양 및 미립자 필터의 온도는 방출된 미립자의 양이 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양보다 적어지고, NOx흡수율이 모든 시점에 특정 값보다 더 커지는 온도 영역 중의 동시 미립자 및 NOx처리 영역 내에서 통상적으로 유지되는 배기가스 정화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미립자 필터는 귀금속 촉매를 소지하는 배기가스 정화 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 미립자 필터는 과량의 산소가 주변에 존재할 때 산소를 흡수하여 산소를 유지하고 주변의 산소 농도가 떨어질 때 활성 산소 형태로 유지된 산소를 방출하는 활성 산소 방출제를 소지하고, 활성 산소는 활성 산소 방출제로부터 방출되고, 미립자 필터 상에 부착된 미립자는 미립자가 미립자 필터 상에 부착될 때 방출된 활성 산소에 의해 산화되는 배기가스 정화 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 미립자 필터는 이 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 희박할 때 배기가스 중의 NOx를 흡수하고 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 화학양론적인 공연비로 되거나 또는 풍부할 때 흡수된 NOx를 방출하는 NOx흡수제를 소지하고; 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비는 보편적으로 희박하게 유지됨으로써, 배기가스 중의 NOx는 NOx흡수제에 흡수되고, 공연비 제어 수단은 NOx가 NOx흡수제로부터 방출되어야 할 때 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비를 일시적으로 풍부하게 만들도록 제공되는 배기가스 정화 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 미립자 필터는 과량의 산소가 주변에 존재할 때 산소를 흡수하여 산소를 유지하고 주변의 산소 농도가 떨어질 때 활성 산소 형태로 유지된 산소를 방출하는 활성 산소 방출제의 기능 및 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 희박할 때 배기가스 중의 NOx를 흡수하고 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 화학양론적인 공연비로 되거나 또는 풍부할 때 흡수된 NOx를 방출하는 NOx흡수제의 기능을 갖는 활성 산소 방출제/NOx흡수제를 소지하고; 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비는 보편적으로 희박하게 유지됨으로써, 미립자 필터 상에 부착된 미립자는 산화되고, 배기가스 중의 NOx는 활성 산소 방출제/NOx흡수제에 흡수되고, 공연비 제어 수단은 NOx가 활성 산소 방출제/NOx흡수제로부터 방출되어야 할 때 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비를 일시적으로 풍부하게 만들도록 제공되는 배기가스 정화 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 활성 산소 방출제/NOx흡수제는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 희토류 금속 및 전이 금속 중의 적어도 하나로 구성된 배기가스 정화 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 알칼리 금속 및 알칼리 토금속은 칼슘보다 더 이온화 경향이 큰 금속으로 구성된 배기가스 정화 장치.
  8. 제6항에 있어서, SOx가 활성 산소 방출제/NOx흡수제로부터 방출되어야 할 때 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비를 희박하게 유지하면서 미립자 필터의 온도를 SOx방출 온도까지 상승시키기 위한 온도 상승 수단을 추가로 포함하는 배기가스 정화 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 온도 상승 수단은 주 연료의 분사 타이밍의 지연을 유발하거나 또는 주 연료 외에 보조 연료의 분사를 유발함으로써 미립자 필터의 온도를 상승시키는 배기가스 정화 장치.
  10. 제5항에 있어서, 상기 공연비 제어 수단은 활성 산소 방출제/NOx흡수제로부터 SOx의 방출을 유발할 때 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비를 희박과 풍부 사이에 선택적으로 스위치하는 배기가스 정화 장치.
  11. 제1항에 있어서, 연소실의 평균 공연비는 풍부하거나 또는 연료가 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비를 풍부하게 만들 때 배기 통로에 분사되는 배기가스 정화 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 엔진은 그을음의 발생량이 점차로 증가하고 연소실의 불활성 가스의 양이 증가할 때 피크인 경우 및 연소실의 불활성 가스의 양이 더욱 증가할 때 거의 어떠한 그을음도 더 이상 발생되지 않는 경우의 엔진이고, 연소실의 불활성 가스의 양이 그을음의 발생량이 피크인 경우의 불활성 가스의 양보다 더많고 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 풍부해야 할 때, 연소실의 평균 공연비는 풍부하게 이루어지는 배기가스 정화 장치.
  13. 제1항에 있어서, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양은 미립자 필터의 온도의 함수인 배기가스 정화 장치.
  14. 제13항에 있어서, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양은 미립자 필터의 온도 외에 배기가스 중의 NOX의 농도 및 산소의 농도 중의 적어도 하나의 함수인 배기가스 정화 장치.
  15. 제1항에 있어서, 방출된 미립자의 양, 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양, 및 미립자 필터의 온도 중의 적어도 하나를 제어함으로써 방출된 미립자의 양 및 미립자 필터의 온도는 방출된 미립자의 양 및 미립자 필터의 온도 중의 적어도 하나가 미립자 및 NOx동시 처리 영역에서 벗어날 때 미립자 및 NOx동시 처리 영역내에 있도록 하는 제어 수단을 추가로 포함하는 배기가스 정화 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제어 수단은 연료 분사량 및 연료 분사 타이밍 중의 적어도 하나를 제어함으로써 미립자 필터의 온도를 제어하는 배기가스 정화 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 엔진은 그을음의 발생량이 점차로 증가하고 배기가스 재순환 양이 증가할 때 피크인 경우 및 배기가스 재순환 양이 더욱 증가할 때 거의 어떠한 그을음도 더 이상 발생되지 않는 경우의 엔진이고, 제어 수단은 배기가스 재순환 양을 제어함으로써 미립자 필터의 온도를 제어하는 배기가스 정화 장치.
  18. 제15항에 있어서, 탄화수소 보급 장치는 미립자 필터 상류의 배기 통로에 배치되고, 미립자 필터의 온도는 탄화수소 보급 장치로부터 배기 통로로 보급된 탄화수소의 양을 제어함으로써 제어되는 배기가스 정화 장치.
  19. 제15항에 있어서, 배기 제어 밸브는 미립자 필터 하류의 배기 통로에 배치되고, 배기 제어 밸브의 개방도를 제어하여 미립자 필터의 온도를 제어하는 배기가스 정화 장치.
  20. 제15항에 있어서, 배기 터빈을 우회하는 배기가스의 양을 제어하기 위한 중앙 게이트 밸브를 구비한 배기 터보 과급기를 추가로 포함하고, 중앙 게이트 밸브의 개방도는 미립자 필터의 온도를 제어하도록 제어되는 배기가스 정화 장치.
  21. 제15항에 있어서, 제어 수단은 방출된 미립자의 양이 방출된 미립자의 양 및 미립자 필터의 온도 중의 적어도 하나가 미립자 및 NOx동시 처리 영역에서 벗어날때 제어하고자 하는 방출된 미립자의 양을 감소시키는 배기가스 정화 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제어 수단은 연료 분사량, 연료 분사 타이밍, 연료 분사 압력 및 보조 연료 분사 중의 적어도 하나를 제어함으로써 방출된 미립자의 양을 감소시키는 배기가스 정화 장치.
  23. 제21항에 있어서, 초과급 수단은 흡기를 초과급시키기 위해 제공되고, 상기 제어 수단은 초과급 압력을 증가시킴으로써 방출된 미립자의 양을 감소시키는 배기가스 정화 장치.
  24. 제21항에 있어서, 배기가스 재순환 장치는 흡기 통로 중의 배기가스를 재순환시키기 위해 제공되고, 상기 제어 수단은 배기가스 재순환율을 감소시킴으로써 방출된 미립자의 양을 감소시키는 배기가스 정화 장치.
  25. 제15항에 있어서, 상기 제어 수단은 산화에 의해 제거 가능한 미립자의 양을 제어할 수 있도록 배기가스 중의 산소의 농도를 제어하는 배기가스 정화 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 배기가스 재순환 장치는 흡기 통로의 배기가스를 재순환시키기 위해 제공되고, 상기 제어 수단은 배기가스 중의 산소의 농도를 제어하기 위해 배기가스 재순환율을 제어하는 배기가스 정화 장치.
  27. 제25항에 있어서, 미립자 필터 상류의 배기 통로 내부에 2차 공기를 보급하기 위해 2차 공기 보급 장치가 제공되고, 상기 제어 수단은 배기가스 중의 산소의 농도를 제어하기 위해 미립자 필터 상류의 배기 통로 내부에 2차 공기를 보급하는 배기가스 정화 장치.
  28. 제1항에 있어서, 상기 엔진은 그을음의 발생량이 점차로 증가하여 연소실의 불활성 가스의 양이 증가할 때 피크인 경우 및 연소실의 불활성 가스의 양이 더욱 증가할 때 거의 어떠한 그을음도 더 이상 발생되지 않는 경우의 엔진이고, 연소실의 불활성 가스의 양이 그을음 발생량이 피크인 경우의 불활성 가스의 양보다 더 큰 경우의 제1 연소 및 연소실 중의 불활성 가스의 양이 그을음의 발생량이 피크인 경우의 불활성 가스의 양보다 더 적은 경우의 제2 연소가 선택적으로 수행되는 배기가스 정화 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 배기가스 재순환 장치는 엔진 흡기 통로를 통해 연소실로부터 방출된 배기가스를 재순환시키기 위해 제공되고, 불활성 가스는 배기가스 재순환 가스로 구성되고, 제1 연소가 수행중일 때 배기가스 재순환율은 적어도 약 55%이고, 제2 연소가 수행중일 때 배기가스 재순환율은 약 50% 이하인 배기가스 정화 장치.
  30. 제28항에 있어서, 엔진의 작동 영역은 저 부하 측 제1 작동 영역 및 고 부하 측 제2 작동 영역으로 분할되고, 제1 연소는 제1 작동 영역에서 수행되고, 제2 연소는 제2 작동 영역에서 수행되는 배기가스 정화 장치.
  31. 제1항에 있어서, 제1 방향과 제1 방향에 반대인 제2 방향 사이의 미립자 필터를 통해 흐르는 배기가스의 흐름 방향을 선택적으로 스위치할 수 있는 흐름 방향 스위칭 수단이 추가로 제공되는 배기가스 정화 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 흐름 방향 스위칭 수단은 제1 방향과 제2 방향 사이에 미립자 필터를 통해 흐르는 배기가스의 흐름 방향을 소정의 타이밍만큼 선택적으로 스위치하는 배기가스 정화 장치.
  33. 제31항에 있어서, 상기 흐름 방향 스위칭 수단은 배기 통로에 배치된 스위칭 밸브 장치로 구성되고, 미립자 필터는 그의 양 단부에 배기가스 유출 단부 및 유입 단부를 구비하고; 제1 통로는 미립자 필터의 배기가스 유출 및 유입 단부 중의 하나에 이르기까지 확장하고, 제2 통로는 미립자 필터로부터 배기가스 유출 및 유입 단부 중의 나머지로 확장하고, 외부 공기와 소통하는 배기 우회 통로는 상기 스위칭 밸브 장치로부터 분기되고; 상기 스위칭 밸브 장치는 제1 통로, 미립자 필터 및 배기 우회 통로 쪽의 제2 통로를 통해 통과하는 제1 방향, 제2 통로, 미립자 필터 및 배기 우회 통로 쪽의 제1 통로를 통해 통과하는 제2 방향, 및 미립자 필터를 통해 통과하지 않고, 배기 우회 통로 쪽으로 직접적으로 향한 제3 방향 사이에서 배기가스의 흐름 방향을 스위치할 수 있는 배기가스 정화 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 스위칭 밸브 장치는 배기가스의 흐름 방향을 미립자 필터를 통해 통과하는 제1 방향 또는 제2 방향 및 배기가스가 미립자 필터를 통해 통과하지 못하는 경우의 제3 방향 중의 하나로 스위치함으로써 미립자 필터의 온도는 NOx흡수율이 특정 값보다 더 커지는 경우의 온도 범위로 되는 배기가스 정화 장치.
  35. 제34항에 있어서, 상기 스위칭 밸브 장치는 배기가스의 흐름 방향을 미립자 필터의 온도가 NOx흡수율이 특정 값보다 더 커지는 경우의 온도 범위 밖일 때 제3 방향으로 스위치되는 배기가스 정화 장치.
  36. 제33항에 있어서, 제1 통로 및 제2 통로가 형성됨으로써 제2 통로로부터 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 온도는 제1 통로로부터 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 온도보다 더 낮아지고, 스위칭 밸브 장치는 배기가스의 흐름 방향을 제1 방향 또는 제2 방향 중의 하나로 스위치함으로써 미립자 필터의 온도는 NOx흡수율이 특정 값보다 더 커지는 경우의 온도 범위로 되는 배기가스 정화 장치.
  37. 제33항에 있어서, 상기 스위칭 밸브 장치는 미립자 필터의 온도가 연료 보급을 중지할 때 NOx흡수율이 특정 값보다 더 커지는 경우의 온도 범위보다 낮아질 수 있을 때 제3 방향으로 배기가스의 흐름 방향을 스위치하고, 미립자 필터의 온도가 연료 보급을 중지할 때 NOx흡수율이 특정 값보다 더 커지는 경우의 온도 범위보다 높아질 수 있을 때 배기가스의 흐름 방향을 제1 방향 또는 제2 방향으로 하는 배기가스 정화 장치.
  38. 제31항에 있어서, 과량의 산소가 주변에 존재할 때 산소를 흡수하여 산소를 유지하고 주변의 산소 농도가 떨어질 때 활성 산소 형태로 유지된 산소를 방출하는 활성 산소 방출제의 기능 및 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 희박할 때 배기가스 중의 NOx를 흡수하고 미립자 필터로 흐르는 배기가스의 공연비가 화학양론적인 공연비로 되거나 또는 풍부할 때 흡수된 NOx를 방출하는 NOx흡수제의 기능을 갖는 활성 산소 방출제/NOx흡수제가 미립자 필터 내부에 설치되고; 미립자 필터 내에 포집된 미립자는 흐름 방향 스위칭 수단에 의해 제1 방향 또는 제2 방향으로 스위칭되는 배기가스의 흐름 방향에 의해 이동되는 배기가스 정화 장치.
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