KR20020043173A - 내연기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

배기 시스템에 설치된 배기 정화용 촉매(20)와, 상기 배기 정화용 촉매(20)에 환원제로서 연료를 첨가하는 연료 첨가 장치(28)와, 상기 연료 첨가 장치(28)에 연료를 공급하는 연료 공급원(6)과, 상기 연료 공급원(6)을 연료 첨가 장치(28)에 접속하는 연료 공급 경로(29)에 설치한 긴급 차단 밸브(31)와, 긴급 차단 밸브(31)가 폐쇄 위치에 있는 것을 검출하는 차단 밸브 위치 검출 수단을 구비한다. 긴급 차단 밸브(31)에 작용하는 상류측의 연료압이 하류측보다도 커졌을 때는, 긴급 차단 밸브(31)가 개방하지 않도록 제어한다. 이 때 연료 첨가 지시를 하여도 배기 공연비가 리치측으로 변화하지 않을 때는, 긴급 차단 밸브(31) 하류의 첨가 연료 누설을 검출할 수 있다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치{Exhaust gas purifying device for internal combustion engine}
본 발명은 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것으로, 특히 연료 등의 환원제를 촉매에 첨가하는 형태의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
흡장 환원형 촉매에 흡수되어 있는 NOx를 방출 환원시키기 위해서 연료 등의 환원제를 첨가하는 배기 정화 장치로서, 예를 들면, 일본 특개평 제11-98641호에 개시된 장치가 알려져 있다.
상기 장치는 공연비 린 상태에서 연소시키는 내연기관으로부터 배출되는 배기 가스를 배기 통로에 통과시켜, 배기 통로에 설치한 촉매에 의해 정화하는 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, 배기 통로가 도중에 제 1 배기 통로와 제 2 배기 통로로 분기되어, 배기 가스 온도가 고온으로부터 저온으로 변화하고 있는 때에는 제 2 배기 통로에 배기 가스를 유통시키고, 그 이외의 때에는 제 1 배기 통로에 배기 가스를 유통시키도록 배기 가스의 유로를 전환하는 유로 전환 수단과, 제 1 배기 통로에 설치되고, 유입 배기 가스의 공연비가 린인 때에 NOx를 흡수하여 유입 배기 가스의 산소 농도가 저하하였을 때에 흡수한 NOx를 방출하는 흡장 환원형 촉매와, 제 2 배기 통로에 설치되어, 산소 과잉의 분위기에서 탄화수소의 존재하에서 NOx를 환원 또는 분해하는 선택 환원형 촉매와, 흡장 환원형 촉매에 흡수되어 있는 NOx를 방출 환원시키기 위해, 제 2 배기 통로에 배기 가스를 유통시키고 있는 동안에 흡장 환원 촉매에 환원제를 첨가하는 환원제 첨가 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치이다.
이러한 장치에서는, 환원제로서 내연기관의 연료를 사용할 수 있지만, 그 경우, 내연기관의 연료 공급 펌프로부터 분기하여, 연료 첨가 장치에 연료를 공급하는 것이 일반적이다.
이러한 장치에서는, 연료 공급 펌프로부터 연료 첨가 장치에 도달하는 부위에 있어서 연료 누설 등의 발생을 생각할 수 있지만, 연료 첨가 장치의 연료 누설에 관한 검출 방법은 제안되어 있지 않다.
만일, 첨가 장치의 연료 누설이 발생하면, 촉매에 환원제로서의 연료가 공급되지 않기 때문에 NOx 정화율이 나쁘게 되며, 또한 촉매에 대하여 연료가 계속해서 분사되는 사태가 생겨 촉매의 파손을 초래할 우려가 있다. 따라서, 배기 연료 첨가 장치의 연료 누설이 발생한 경우에는, 이것을 적절히 검출하여 연료 공급을 강제적으로 차단하는 등의 수단이 필요하게 된다.
도 1은 본 발명의 각 실시예에 따른 환원제 공급 장치의 이상 검출 장치를 적용하는 내연기관과 그 흡배기 시스템의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 2a는 흡장 환원형 NOx 촉매의 NOx 흡장 메카니즘을 설명하는 도면.
도 2b는 흡장 환원형 NOx 촉매의 NOx 방출 메카니즘을 설명하는 도면.
도 3은 ECU의 내부 구성을 도시하는 블록도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예의 주요부를 도시하는 구성 예.
도 5는 긴급 차단 밸브의 구성도.
도 6은 긴급 차단 밸브의 구동 제어의 순서를 도시하는 플로 챠트.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 긴급 차단 밸브의 구성도.
도 8은 도 7의 긴급 차단 밸브의 구동 제어의 순서를 도시하는 플로 챠트도.
본 발명의 목적은, 연료를 환원제로 하여 배기 정화 촉매에 첨가하는 장치에 있어서, 환원제로서 첨가되는 연료의 누설을 검출하는 것이 가능한 배기 정화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태는 배기 시스템에 설치된 배기 정화용 촉매와, 상기 배기 정화용 촉매에 환원제로서 연료를 첨가하는 연료 첨가 장치와, 상기 연료 첨가 장치에 연료를 공급하는 연료 공급원과, 상기 연료 공급원을 연료 첨가 장치에 접속하는 연료 공급 경로에 설치한 긴급 차단 밸브와, 상기 긴급 차단 밸브가 폐쇄위치에 있는 것을 검출하는 차단 밸브 위치 검출 수단을 구비한 내연 기관이다. 상기 내연 기관에서는 상기 긴급 차단 밸브에 작용하는 상류측의 연료압이 하류측보다도 커졌을 때는, 개방 지시가 있어도 긴급 차단 밸브가 개방하지 않도록 제어된다.
상기 제 1 양태에서는, 상기 긴급 차단 밸브에 작용하는 상류측의 연료압이 하류측보다도 커졌을 때는, 긴급 차단 밸브의 하류에 연료 누설이 발생한 것으로 예상된다. 그래서 긴급 차단 밸브를 강제적으로 폐쇄 상태로 유지함으로써, 그 이상의 연료 누설의 확대를 저지하는 것이 가능하다.
이 때 상기 긴급 차단 밸브에 개방 지시를 부여한 후, 긴급 차단 밸브가 개방 위치에 있는지 여부를 검출한다. 밸브 개방 지시를 부여하였음에도 불구하고, 긴급 차단 밸브가 폐쇄 위치에 있다고 판단되었을 때는, 긴급 차단 밸브의 하류에 첨가 연료 누설이 생겼기 때문에, 상기 긴급 차단 밸브에 작용하는 상류측의 연료압이 하류측보다도 커졌다고 판단할 수 있다.
또한 긴급 차단 밸브가 폐쇄 위치에 있는지 여부를 검출하는 것으로서, 배기 공연비를 검출하는 배기 공연비 검출 수단을 구비하는 경우에는, 상기 배기 공연비 검출 수단에 의해 긴급 차단 밸브시의 배기 공연비를 검출함과 함께, 그 후, 긴급 차단 밸브의 개방 지시를 행하며, 또한, 연료의 첨가 지시를 한 이후의 배기 공연비를 순차 검출하여, 검출된 배기 공연비가 시계열을 따라서 서서히 리치측으로 변화하지 않는 경우, 긴급 차단 밸브 하류의 첨가 시스템에서의 연료 누설이라고 판단할 수 있다. 즉 연료 첨가 지시를 하여도 배기 공연비가 리치로 되지 않은 것이, 배기 공연비 검출 수단에 의해 판단됨으로써, 긴급 차단 밸브 하류의 첨가 연료 누설이 검출된다.
또한, 긴급 차단 밸브가 개방 위치에 있는지 여부를 검출하기 위해서는, 상술한 수단 외에, 센서에 의한 차단 밸브의 위치 검출, 배기 온도의 검출, 또는 배기 정화 촉매의 정화 능력 저하의 검출 등에 의해서도 가능하다.
상기 긴급 차단 밸브로서는 제 1 구동 수단과 제 2 구동 수단으로 이루어지는 2단 구성으로서, 정상시는 제 1 구동 수단의 구동력으로 개폐 구동되고, 상기 긴급 차단 밸브의 상류측의 연료의 압력이 하류측의 압력보다도 커졌을 때, 제 1 구동 수단의 구동력으로는 개방 불가능이지만, 제 2 구동 수단에 의한 구동력을 부가했을 때 개방 가능하게 한 형태의 것이 적합하다.
또한 구동 수단이 2단 구성의 긴급 차단 밸브에 있어서, 상기 배기 공연비 검출 수단에 의해 상기 긴급 차단 밸브 개방시의 배기 공연비를 검출함과 함께, 그 후, 긴급 차단 밸브를 폐쇄 지시하고, 또한, 연료의 첨가를 지시한 이후의 배기 공연비를 순차 검출하고, 이들의 검출된 배기 공연비가 시계열을 따라서 서서히 리치측으로 변화하지 않는 경우, 긴급 차단 밸브는 정상적으로 폐쇄되었다고 판단하고, 제 2 구동 수단에 의해 긴급 차단 밸브를 개방하도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 배기 정화 장치의 각 실시예에 관해서 도면을 참조하여 설명한다. 여기서는, 본 발명을 차량 구동용 디젤 기관에 적용한 경우를 예로 들어 설명한다.
도 1은, 본 발명의 배기 정화 장치를 적용한 내연 기관과 그의 흡배기 시스템의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 내연 기관(1)은, 4개의 기통(2)을 갖는 수냉식의 4 행정 사이클 디젤 기관이다.
내연기관(1)은 각 기통(2)의 연소실에 직접 연료를 분사하는 연료 분사 밸브(3)를 구비하고 있다. 각 연료 분사 밸브(3)는, 연료를 소정압까지 축압하는 축압실(코먼 레일 4)과 접속되어 있다. 상기 코먼 레일(4)에는, 이 코먼 레일(4)내의 연료의 압력에 대응한 전기 신호를 출력하는 코먼 레일압 센서(4a)가 장착되어 있다.
상기 코먼 레일(4)은 연료 공급관(5)을 통해 연료 펌프(6)와 연결되어 있다. 상기 연료 펌프(6)는, 내연기관(1)의 출력축(크랭크 샤프트)의 회전 토크를 구동원으로 하여 작동하는 펌프이고, 상기 연료 펌프(6)의 입력축에 장착된 펌프 풀리(6a)가 내연기관(1)의 출력축(크랭크 샤프트)에 장착된 크랭크 풀리(1a)와 벨트(7)를 통해 연결되어 있다.
이와 같이 구성된 연료 분사 시스템에서는, 크랭크 샤프트의 회전 토크가 연료 펌프(6)의 입력축에 전달되면, 연료 펌프(6)는, 크랭크 샤프트로부터 상기 연료펌프(6)의 입력축에 전달된 회전 토크에 따른 압력으로 연료를 토출한다.
상기 연료 펌프(6)로부터 토출된 연료는, 연료 공급관(5)을 통해 코먼 레일(4)에 공급되고, 코먼 레일(4)에서 소정압까지 축압되어 각 기통(2)의 연료 분사 밸브(3)로 분배된다. 그리고, 연료 분사 밸브(3)에 구동 전류가 인가되면, 연료 분사 밸브(3)가 개방하고, 그 결과, 연료 분사 밸브(3)로부터 기통(2)내로 연료가 분사된다.
다음에, 내연기관(1)에는 흡기 매니폴드(8)가 접속되어 있고, 흡기 매니폴드(8)의 각 매니폴드는 각 기통(2)의 연소실과 도시하지 않은 흡기 포트를 통해 연결되어 있다.
상기 흡기 매니폴드(8)은 흡기관(9)에 접속되고, 상기 흡기관(9)은 에어 클리너 박스(10)에 접속되어 있다. 상기 클리너 박스(10)보다 하류의 흡기관(9)에는, 상기 흡기관(9)내를 흐르는 흡기의 질량에 대응한 전기 신호를 출력하는 공기 유량계(11)와, 상기 흡기관(9)내를 흐르는 흡기의 온도에 대응한 전기 신호를 출력하는 흡기 온도 센서(12)가 장착되어 있다.
상기 흡기관(9)에서의 흡기 매니폴드(8)의 바로 상류에 위치하는 부위에는, 상기 흡기관(9)내를 흐르는 흡기의 유량을 조절하는 흡기 스로틀 밸브(13)가 설치되어 있다. 상기 흡기 스로틀 밸브(13)에는, 스텝퍼 모터 등으로 구성되어 상기 흡기 스로틀 밸브(13)를 개폐 구동하는 흡기 스로틀용 액추에이터(14)가 장착되어 있다.
상기 공기 유량계(11)와 상기 흡기 스로틀 밸브(13)와의 사이에 위치하는 흡기관(9)에는, 배기의 열 에너지를 구동원으로 하여 작동하는 원심 과급기(터보 챠져)(15)의 컴프레서 하우징(15a)이 설치되고, 컴프레서 하우징(15a)보다 하류의 흡기 매니폴드(9)에는, 상기 컴프레서 하우징(15a) 내에서 압축되어 고온으로 된 흡기를 냉각하기 위한 인터쿨러(16)가 설치되어 있다.
이와 같이 구성된 흡기 시스템에서는, 에어 클리너 박스(10)에 유입한 흡기는, 상기 에어 클리너 박스(10)내의 도시하지 않은 에어 클리너에 의해서 흡기 중의 먼지 등이 제거된 후, 흡기관(9)을 통해 컴프레서 하우징(15a)에 유입한다.
컴프레서 하우징(15a)에 유입한 흡기는, 상기 컴프레서 하우징(15a)에 내장된 컴프레서 휠의 회전에 의해서 압축된다. 상기 컴프레서 하우징(15a) 내에서 압축되어 고온이 된 흡기는, 인터쿨러(16)로 냉각된 후, 필요에 따라서 흡기 스로틀 밸브(13)에 의해서 유량이 조절되어 흡기 매니폴드(8)로 유입된다. 흡기 매니폴드(8)에 유입한 흡기는, 각 매니폴드을 통해 각 기통(2)의 연소실로 분배되어, 각 기통(2)의 연료 분사 밸브(3)로부터 분사된 연료를 착화원으로 하여 연소된다.
한편, 내연기관(1)에는 배기 매니폴드(18)가 접속되고, 배기 매니폴드(18)의 각 매니폴드가 도시하지 않은 배기 포트를 통해 각 기통(2)의 연소실과 연결되어 있다.
상기 배기 매니폴드(18)은, 상기 원심 과급기(15)의 터빈 하우징(15b)과 접속되어 있다. 상기 터빈 하우징(15b)은, 배기관(19)과 접속되고, 상기 배기관(19)은, 하류에서 도시하지 않은 머플러에 접속되어 있다.
상기 배기관(19)의 도중에는, 배기 중의 유해 가스 성분을 정화하기 위한 배기 정화 촉매(20)가 배치되어 있다. 배기 정화 촉매(20)보다 하류의 배기관(19)에는, 상기 배기관(19)내를 흐르는 배기의 공연비에 대응한 전기 신호를 출력하는 공연비 센서(23)와, 상기 배기관(19)내를 흐르는 배기의 온도에 대응한 전기 신호를 출력하는 배기 온도 센서(24)가 장착되어 있다.
상기한 공연비 센서(23) 및 배기 온도 센서(24)보다 하류의 배기관(19)에는,상기 배기관(19)내를 흐르는 배기의 유량을 조절하는 배기 스로틀 밸브(21)가 설치되어 있다. 상기 배기 스로틀 밸브(21)에는, 스텝퍼 모터 등으로 구성되어 상기 배기 스로틀 밸브(21)를 개폐 구동하는 배기 스로틀용 액추에이터(22)가 장착되어 있다.
이와 같이 구성된 배기 시스템에서는, 내연 기관(1)의 각 기통(2)에서 연소된 혼합기(이미 연소된 가스)가 배기 포트를 통해 배기 매니폴드(18)로 배출되고, 이어서 배기 매니폴드(18)로부터 원심 과급기(15)의 터빈 하우징(15b)으로 유입한다. 터빈 하우징(15b)에 유입한 배기는, 상기 배기가 갖는 열 에너지를 이용하여 터빈 하우징(15b) 내에 회전 가능하게 지지된 터빈 휠을 회전시킨다. 그 때, 터빈 휠의 회전 토크는, 상술한 컴프레서 하우징(15a)의 컴프레서 휠로 전달된다.
상기 터빈 하우징(15b)에서 배출된 배기는, 배기관(19)을 통해 배기 정화 촉매(20)로 유입하여, 배기 중의 유해 가스 성분이 제거 또는 정화된다. 배기 정화 촉매(20)로서 유해 가스 성분을 제거 또는 정화된 배기는, 필요에 따라서 배기 스로틀 밸브(21)에 의해서 유량이 조절된 후에 머플러를 통해 대기중으로 방출된다.
또한, 배기 매니폴드(18)과 흡기 매니폴드(8)은, 배기 매니폴드(18)내를 흐르는 배기의 일부를 흡기 매니폴드(8)에 재순환시키는 배기 재순환 통로(EGR 통로)(25)를 거쳐 연결되어 있다. 상기 EGR 통로(25)의 도중에는, 전자 밸브 등으로 구성되어, 인가 전류의 크기에 따라서 상기 EGR 통로(25)내를 흐르는 배기(이하, EGR 가스라 함)의 유량을 변경하는 유량 조정 밸브(EGR 밸브)(26)가 설치되어 있다.
상기 EGR 통로(25)에서 EGR 밸브(26)보다 상류의 부위에는, 상기 EGR 통로(25)내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하는 EGR 쿨러(27)가 설치되어 있다.
이와 같이 구성된 배기 재순환 구성에서는 EGR 밸브(26)가 개방되면, EGR 통로(25)가 도통 상태로 되고, 배기 매니폴드(18)내를 흐르는 배기의 일부가 상기 EGR 통로(25)내로 유입하여, EGR 쿨러(27)를 거쳐 흡기 매니폴드(8)로 유입된다.
그때, EGR 쿨러(27)에서는 EGR 통로(25) 내를 흐르는 EGR 가스와 소정의 냉매와의 사이에서 열교환이 행하여져, EGR 가스가 냉각되어지게 된다.
EGR 통로(25)를 통해 배기 매니폴드(18)로부터 흡기 매니폴드(8)로 환류된 EGR 가스는 흡기 매니폴드(8)의 상류에서 유입된 새로운 공기와 혼합되면서 각 기통(2)의 연소실로 유입되고, 연료 분사 밸브(3)로부터 분사되는 연료를 착화원으로 하여 연소된다.
여기서, EGR 가스에는 물(H20)이나 이산화탄소(C02) 등과 같이, 스스로가 연소하지 않고, 또한, 흡열성을 갖는 불활성 가스 성분이 포함되어 있기 때문에, EGR 가스가 혼합기 중에 함유되면, 혼합기의 연소 온도가 저하되고, 이로써 질소산화물(NOx)의 발생량이 억제된다.
더욱이, EGR 쿨러(27)에서 EGR 가스가 냉각되면, EGR 가스 자체의 온도가 저하함과 동시에 EGR 가스의 체적이 축소되기 때문에, EGR 가스가 연소실내에 공급되었을 때에 상기 연소실내의 분위기 온도가 불필요하게 상승하는 것이 없어짐과 함께, 연소실내에 공급되는 새로운 공기의 양(새로운 공기의 부피)이 불필요하게 감소하지도 않는다.
다음에, 본 발명의 각 실시예에 따른 배기 정화 촉매(20)에 관해서 구체적으로 설명한다.
배기 정화 촉매(20)는 환원제의 존재하에서 배기 중의 질소 산화물(NOx)을 정화하는 NOx 촉매이다. 이러한 NOx 촉매로서는, 선택 환원형 NOx 촉매나 흡장 환원형 NOx 촉매 등을 예시할 수 있지만, 여기서는 흡장 환원형 NOx 촉매를 예로 들어 설명한다. 이하, 배기 정화 촉매(20)를 흡장 환원형 NOx 촉매(20)라 칭하기로 한다.
흡장 환원형 NOx 촉매(20)는, 예를 들면, 알루미나(A1203)를 캐리어로 하여, 상기 캐리어상에 예를 들면 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs)과 같은 알칼리 금속과, 바륨(Ba), 칼륨(Ca)과 같은 알칼리 토류와, 랜턴(La), 이트륨(Y)과 같은 희토류 중에서 선택한 적어도 1개와, 백금(Pt)과 같은 귀금속을 보유하여 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 흡장 환원형 NOx 촉매(20)는, 상기 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 유입하는 배기의 공연비(이하, 배기 공연비라 칭함)가 린 공연비일 때는 배기 중의 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 유입 배기의 산소 농도가 저하하며 또한 환원제가 존재할 때는 흡장하고 있던 질소산화물(NOx)을 방출하면서 환원 및 정화한다.
또한, 여기서 말하는 배기 공연비란, 배기 정화 촉매보다 상류의 배기 통로, 연소실, 흡기 통로 등에 공급된 공기량의 합계와 연료(탄화수소)량의 합계와의 비를 의미하는 것으로 한다. 따라서, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)보다 상류의 배기 통로내에 연료 환원제, 또는 공기가 공급되지 않는 한, 배기 공연비는 연소실에 공급되는 혼합기의 연료비와 일치한다.
여기서, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)의 NOx 흡방출 메카니즘에 관해서, 알루미나로 이루어지는 캐리어상에 백금(Pt) 및 바륨(Ba)일 때 유지된 흡장 환원형 NOx 촉매를 예에 들어 설명한다. 이 명세서중에서 사용되는 "흡장"은 흡착, 부착, 흡수, 보충, 저장, 기타 중에서 적어도 하나의 형태에 의하여 물질(고체, 액체, 기체분자)를 유지하는 것을 의미하는 것이다.
흡장 환원형 NOx 촉매(20)의 NOx 흡방출 작용은 대략 도 2에 도시하는 바와 같은 메카니즘으로 행하여지는 것으로 생각되고 있다.
우선, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)는 상기 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 유입하는 배기의 공연비가 린 공연비가 되어 배기 중의 산소 농도가 높아지면, 도 2a에 도시하는 바와 같이, 배기 중의 산소(02)가 02 -또는 02-의 형으로 백금(Pt)의 표면 상에 부착하여, 배기 중의 일산화질소(NO)가 백금(Pt)의 표면상에서 02 -또는 02-와 반응하여 이산화질소(NO2)를 형성한다(2NO+02→2NO2). 이산화질소(NO2)는, 백금(Pt)의 표면상에서 산화되면서 산화바륨(BaO)과 결합하여 초산이온(NO3 -)을 형성한다. 이와 같이 배기 중의 질소산화물(NOx)은, 초산이온(NO3 -)으로서 흡장 환원형 NOx 촉매에 흡장된다.
상기한 바와 같은 NOx 흡장 작용은, 유입 배기의 공연비가 리치이고, 또한 흡장 환원형 NOx 촉매의 NOx 흡장 능력이 포화하지 않는 한 계속된다.
이에 반해, 도 2b에 도시하는 바와 같이, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)는, 유입 배기의 산소 농도가 저하하면, 이산화질소(NO2)의 생성량이 감소하기 때문에, 산화 바륨(BaO)과 결합하고 있던 초산이온(NO3 -)이 반대로 이산화질소(NO2)나 일산화질소(NO)로 되어 흡장 환원형 NOx 촉매로부터 이탈한다.
즉, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 유입하는 배기의 산소 농도가 저하하면, 초산이온(NO3 -)의 형으로 흡장 환원형 NOx 촉매에 흡장되어 있던 질소 산화물(NOx)이 이산화질소(NO2)나 일산화질소(NO)로 되어 흡장 환원형 NOx 촉매로부터 방출되어지게 된다.
흡장 환원형 NOx 촉매(20)로부터 방출된 질소산화물(NOx)은, 도 2b에 도시하는 바와 같이, 배기 중에 포함되는 환원 성분(예를 들면, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)의 백금(Pt)상의 산소 02 -또는 02-와 반응하여 부분 산화한 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO) 등의 활성종)와 반응하여 질소(N2) 등으로 환원된다.
즉, 배기 중의 탄화수소(HC) 및 일산화탄소(CO)는 백금(Pt)상에서 02 -또는 02-와 반응하여 산화되고, 그것에 의하여 백금(Pt)상의 02 -또는 02-가 소비되어도 또한 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)가 잔존하고 있으면, 그들의 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)가 흡장 환원형 NOx 촉매(20)로부터 방출된 질소산화물(NOx) 및 내연 기관(1)으로부터 배출된 질소산화물(NOx)과 반응하여, 그 결과, 질소산화물(NOx)이 질소(N2)로 환원된다.
따라서, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 유입하는 배기의 공연비를 이론 공연비 또는 리치 공연비로 함으로써, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 흡장되어 있던 질소산화물(NOx)을 방출시키면서 환원하는 것이 가능해진다.
그런데, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)의 NOx 흡장 능력에는 한계가 있기 때문에, 장기간에 걸쳐 리치 공연비의 배기가 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 유입하면, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)의 NOx 흡장 능력이 포화하여, 배기 중의 질소 산화물(NOx)이 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에서 제거 또는 정화되지 않고 대기 중에 방출되어 버리게 된다.
그렇지만, 내연기관(1)과 같은 디젤 기관에서는, 대부분의 운전 영역에서 린공연비의 혼합기가 연소되며, 그것에 따라서 대부분의 운전 영역에서 배기의 공연비가 린 공연비가 되기 때문에, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)의 NOx 흡장 능력이 포화하기 쉽다.
따라서, 디젤 기관과 같은 희박 연소식 내연 기관에 흡장 환원형 NOx 촉매(20)를 적용하는 경우는, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)의 NOx 흡장 능력이 포화하기 전에 소정의 타이밍으로 배기의 공연비를 이론 공연비 또는 리치 공연비로 할 필요가 있다.
이에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 내연기관(1)은, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)보다 상류의 배기 통로를 흐르는 배기 중에 환원제인 연료(경유)를 첨가하는 환원제 공급 기구를 구비하도록 하였다.
상기 환원제 공급 기구는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 그 분사 구멍이 배기매니폴드(18)내에 임하도록 내연기관(1)의 실린더 헤드에 장착되고, 소정의 개방 밸브압 이상의 연료가 인가되었을 때에 개방하여 연료를 분사하는 환원제 분사 밸브(28)와, 상술한 연료 펌프(6)로부터 토출된 연료를 상기 환원제 분사 밸브(28)로 유입하는 환원제 공급로(29)와, 상기 환원제 공급로(29)의 도중에 설치되어 상기 환원제 공급로(29)내를 흐르는 연료의 유량을 조정하는 유량 조정 밸브(30)와, 상기 유량 조정 밸브(30)보다 상류의 환원제 공급로(29)에 설치되어 상기 환원제 공급로(29)내의 연료의 흐름을 차단하는 긴급 차단 밸브(31)와, 상기 유량 유량 조정 밸브(30)보다 하류의 환원제 공급로(29)에 장착되어 상기 환원제 공급로(29)내의 압력에 대응한 전기 신호를 출력하는 환원제 압력 센서(32)를 구비하고 있다.
또한, 환원제 분사 밸브(28)는, 상기 환원제 분사 밸브(28)의 분사 구멍이 배기 매니폴드(18)에서의 EGR 통로(25)와의 접속 부위보다 하류이고, 배기 매니폴드(18)에서의 4개의 매니폴드의 집합부에 가장 가까운 기통(2)의 배기 포트에 돌출함과 함께, 배기 매니폴드(18)의 집합부를 향하도록 실린더 헤드에 장착되는 것이 바람직하다.
이것은 환원제 분사 밸브(28)로부터 분사된 환원제(미연의 연료 성분)가 EGR 통로(25)로 유입하는 것을 방지함과 함께, 환원제가 배기 매니폴드(18)내에서 막히지 않고 원심 과급기의 터빈 하우징(15b)에 도달하도록 하기 위해서이다.
또한, 도 1에 도시하는 예에서는, 내연 기관(1)의 4개의 기통(2) 중 1번(＃ 1) 기통(2)이 배기 매니폴드(18)의 집합부와 가장 가까운 위치에 있기 때문에, 1번(# 1)기통(2)의 배기 포트에 환원제 분사 밸브(28)가 장착되어 있지만, 1번(# 1) 기통(2) 이외의 기통(2)이 배기 매니폴드(18)의 집합부와 가장 가까운 위치에 있을 때는, 그 기통(2)의 배기 포트에 환원제 분사 밸브(28)가 장착되도록 한다.
또한, 상기 환원제 분사 밸브(28)는, 실린더 헤드에 형성된 도시하지 않은 워터쟈켓을 관통, 또는 워터쟈켓에 근접하여 장착되도록 하여, 상기 워터쟈켓을 흐르는 냉각수를 이용하여 환원제 분사 밸브(28)를 냉각하도록 하여도 된다.
이러한 환원제 공급 기구에서는, 유량 조정 밸브(30)가 개방되면, 연료 펌프(6)로부터 토출된 고압의 연료가 환원제 공급로(29)를 통해 환원제 분사 밸브(28)로 인가된다. 그리고, 환원제 분사 밸브(28)에 인가되는 연료의 압력이 개방 밸브압 이상에 달하면, 상기 환원제 분사 밸브(28)가 개방하여 배기 매니폴드(18)내로 환원제로서의 연료가 분사된다.
환원제 분사 밸브(28)로부터 배기 매니폴드(18)내로 분사된 환원제는, 배기 매니폴드(18)의 상류에서 유입된 배기와 함께 터빈 하우징(15b)으로 유입한다. 터빈 하우징(15b) 내에 유입한 배기와 환원제는, 터빈 휠의 회전에 의해 교반되어 균질하게 혼합되고, 이론 공연비 또는 리치 공연비의 배기를 형성한다.
이렇게 하여 형성된 이론 공연비 또는 리치 공연비의 배기는, 터빈 하우징(15b)으로부터 배기관(19)을 통해 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 유입하고, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 흡장되어 있던 질소산화물(NOx)을 방출시키면서 질소(N2)로 환원하게 된다.
그 후, 유량 조정 밸브(30)가 개방되어 연료 펌프(6)로부터 환원제 분사 밸브(28)에의 환원제의 공급이 차단되면, 환원제 분사 밸브(28)에 인가되는 연료의 압력이 상기 개방 밸브압 미만이 되고, 그 결과, 환원제 분사 밸브(28)가 개방하여, 배기 매니폴드(18)내에의 환원제의 첨가가 정지된다.
상기한 바와 같이 구성된 내연기관(1)에는, 상기 내연기관(1)을 제어하기 위한 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit)(35)이 병설되어 있다.
상기 ECU(35)는 내연기관(1)의 운전 조건이나 운전자의 요구에 따라서 내연 기관(1)의 운전 상태를 제어하는 유닛이다.
ECU(35)에는 코먼 레일압 센서(4a), 공기 유량계(11), 흡기 온도 센서(12), 흡기관 압력 센서(17), 공연비 센서(23), 배기 온도 센서(24), 환원제 압력 센서(32), 크랭크 포지션 센서(33), 수온 센서(34), 액셀레이터 개방도 센서(36) 등의 각종 센서가 전기 배선을 통해 접속되고, 상기한 각종 센서의 출력 신호가 ECU(35)에 입력되게 되어 있다.
한편, ECU(35)에는, 연료 분사 밸브(3), 흡기 스로틀용 액추에이터(14), 배기 스로틀용 액추에이터(22), EGR 밸브(26), 유량 조정 밸브(30), 긴급 차단 밸브(31) 등이 전기 배선을 통해 접속되고, 상기한 각각의 부분을 ECU(35)가 제어하는 것이 가능하게 되어 있다.
여기서, ECU(35)는 도 3에 도시하는 바와 같이, 쌍방향성 버스(350)에 의해서 상호 접속된 CPU(351)와, ROM(352)과, RAM(353)과, 백 업 RAM(354)과, 입력 포트(356)와, 출력 포트(357)를 구비함과 함께, 상기 입력 포트(356)에 접속된 A/D 컨버터(A/D)(355)를 구비하고 있다.
또한, 환원제 첨가 제어에서는, CPU(351)는, 우선, 환원제 첨가 조건이 성립하고 있는지 여부를 판별한다. 상기 환원제 첨가 조건으로서는, 예를 들면, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)가 활성 상태에 있고, 배기 온도 센서(24)의 출력 신호치(배기 온도)(3)가 소정의 상한치 이하인, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)의 SOx 피독 등을 회복하기 위해 승온 제어나 SOx 피독 재생 제어 등이 실행되지 않는, 등의 조건을 예시할 수 있다.
CPU(351)는 상기한 바와 같은 환원제 첨가 조건이 성립하고 있다고 판정한 경우는, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 유입하는 배기의 공연비가 비교적 짧은 주기로 스파이크적으로 이론 공연비 또는 리치 공연비가 되도록 유량 조정 밸브(30)를 제어함으로써, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 흡장된 질소 산화물(NOx)을 단주기적으로 방출 및 환원한다.
그 때, CPU(351)는, RAM(353)에 기억되어 있는 기관 회전수, 액셀레이터 개방도 센서(36)의 출력 신호(액셀레이터 개방도), 공기 유량계(11)의 출력 신호(유입 공기량 연료 분사량 등을 판독한다. CPU(351)는, 상기한 기관 회전수, 액셀레이터 개방도, 흡입 공기량, 및 연료 분사량을 파라미터로서 ROM(352)의 유량 조정 밸브 제어 맵으로 액세스하여, 유량 조정 밸브(30)의 개방 시기를 산출한다. CPU(351)는, 상기 개방 밸브 시기에 따라서 유량 조정 밸브(30)를 개방시킨다.
이 경우, 연료 펌프(6)로부터 토출된 고압의 연료가 환원제 공급로(29)를 통해서 환원제 분사 밸브(28)로 공급되고, 그것에 의해 환원제 분사 밸브(28)에 인가되는 연료의 압력이 개방 밸브압 이상에 달하면, 상기 환원제 분사 밸브(28)가 개방하여 배기 매니폴드(18)내로 환원제로서의 연료를 분사한다.
환원제 분사 밸브(28)로부터 배기 매니폴드(18)내로 분사된 환원제는, 배기 매니폴드(18)의 상류에서 유입된 배기와 서로 혼합되면서 이론 공연비 또는 리치 연료비의 배기를 형성하고, 그와 같은 이론 공연비 또는 리치 공연비의 배기가 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 유입하게 된다.
이와 같이, 이론 공연비 또는 리치 공연비의 배기가 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 유입하면, 흡장 환원형 NOx 촉매(20)에 흡장되어 있던 질소산화물(N) Ox)이 방출되면서 질소(N2) 등으로 환원된다.
다음에, 도 4에 본 발명의 제 1 실시예에 따른 장치의 주요부를 도시한다. 여기서 연료 펌프(6)로부터 환원제 분사 밸브(28)에 환원제로서의 연료를 공급하기위한 연료 공급 경로로서, 상기한 환원제 공급로(29)가 설치되어 있다. 상기 환원제 공급로(29)는, 상기 유량 조정 밸브(30)를 통해, 연료 첨가 장치를 구성하는 환원제 분사 밸브(28)에 연료를 공급한다. 유량 조정 밸브(30)는 연료 첨가용 조정밸브로서, 상기와 같이 미리 개방도를 설정하여 공급 연료량을 일정하게 조량하고 있다. 단지, 개방도를 조정할 수 있게 하는 것도 좋다.
또한, 도 1에서의 연료 펌프(6)의 하류측으로서 유량 조정 밸브(30)의 상류측에, 긴급 차단 밸브(31)가 설치되어 있다. 상기 긴급 차단 밸브(31)는, 도 5에도시한 바와 같이, 환원제 통로(29)에 선단부가 개재하도록 구성되는 가동 철심(52)을 갖는 전자식 밸브이다. 상기 가동 철심(52)은, 솔레노이드 코일(51)에 의해서 발생하는 전자력으로 구동된다. 가동 철심(52)의 선단부는, 선단에, 상류측에의 출구에 접촉하여 환원제 공급 통로(29)의 연료의 흐름을 차단하는 차단면을 갖고, 그 차단면의 반대측에, 환원제 공급 통로(29)의 상류측에서의 연료압을 받는 수압면을 갖고 있다.
솔레노이드 코일(51)의 전자력은, 긴급 차단 밸브(31)의 입구측 연료압 P1과 출구측 연료압 P2가 동일할 때, 가동 철심(52)을 구동할 수 있고, 즉, 밸브의 개폐를 가능하게 하지만, 입구측 연료압 P1이 출구측 연료압 P2보다 클 때, P1-P2의 압력에 의해서, 폐쇄에서 개방으로 가동할 수 없는 전자력으로 설정하고 있다.
또한 공연비 센서(23)는 ECU(35)의 입력 포트에 접속되고, 상기 공연비 센서(23)로부터의 출력 데이터에 따라서, 연료 누설의 판정을 행하는 연료 누설 판정 수단이 ROM(352)에 기억되어 있다. 또한, 상기 연료 누설 판정 수단이 연료 누설이 생기고 있다고 판정하였을 때, 그 이상을 알리기 위해서 점등하는 경고 램프가, 운전석 전면의 인스트루먼트 패널상에 설치되어 있다.
또한, 긴급 차단 밸브(31)도 또한 구동 제어 수단으로서의 ECU(35)에 의해 구동 제어된다.
그 구동 제어예를, 도 6의 플로 챠트를 참조하여 설명한다.
우선, 스텝 101에서 연료 첨가 시스템에 이상이 있는지 여부를 판정한다. 즉, 전회의 루틴의 실행시에 연료 첨가 시스템의 이상 플래그에 1이 세트되어 있었는지 여부를 판정한다. 이상 플래그에 1이 세트되어 있으면, 이상이라고 판정한다. 연료 첨가 시스템의 이상 플래그에 1이 세트되어 있지 않은 경우는 이상이 없으므로, 스텝 102로 이행하여 연료 첨가 실행 플래그 1이 세트되어 있는지 여부를 판정한다.
한편, 연료 첨가 시스템의 이상 플래그에 1이 세트되어 있는 경우는, 스텝 112로 이행하여, 전회 실행시에 1이었던 연료 첨가 시스템의 이상 플래그를 1로 유지하고, 경고 램프를 스텝 113에서 점등 상태로 한다.
스텝 102에서, 연료 첨가 실행 플래그가 1이 아닌 경우, 즉 연료 첨가 실행명령이 나오지 않은 경우는 스텝 103으로 이행하고, 공연비 센서(23)로 검출한 배기 가스의 공연비와 엔진 공연비(흡기 공연비)를 입력한다. 스텝 102에서 연료 첨가 실행 플래그가 1인 경우, 스텝 114로 이행하여, 배기 연료 첨가를 실시한다.
다음에, 스텝 115에서는 배기 가스의 공연비와 흡기의 공연비를 입력한다. 그 후 스텝 116으로 이행하여, 배기 공연비가 소정치 Y 예를 들면 엔진 베이스 공연비보다 작은지 여부를 판정하여, 작은 경우는 그대로 처리를 종료한다. 부정인 경우는 연료 첨가에서의 환원제 공급 불량이라고 판단하여, 스텝 112로 이행한다. 상기 연료 첨가에서의 환원제의 공급 불량이란, 그 원인은 첨가 노즐의 막힘, 첨가 라인의 외부 누설에 의한 연료 공급의 연료압 부족, 긴급 차단 밸브의 개방 불량, 첨가 조정 밸브의 개방 이상 등을 생각할 수 있다.
계속해서, 스텝 103에서, 배기 가스의 공연비와 엔진 공연비가 입력되면 스텝 104으로 이행하여, 배기 공연비가 소정치 X, 예를 들면 이론 공연비인스토이키(stoichiometric)보다 작은지 여부를 판정한다. 배기 공연비가 소정치 X보다도 작은 경우는 스텝 112로 이행하고, 연료 첨가 시스템 이상 플래그에 1을 세트한다. 스토이키보다도 공연비가 작은 경우란, 예를 들면 연료가 배기관 내에 계속해서 분사되는 경우이고, 예를 들면 그 원인으로서는, 유량 조절 밸브(30)가 이상인 경우 등을 생각할 수 있다. 스텝 104에서 배기 공연비가 소정치보다 큰 경우는 긴급 차단 밸브(31)를 폐쇄한다(스텝 105).
다음에, 스텝 106에서, 카운터 C에 1을 더한다. 상기 스텝 106에 의한 카운터의 가산은, 스텝 107에서 소정의 값 Cb 이상으로 될 때까지 반복된다. 카운터의 값이 Cb 이상으로 된 경우, 스텝 108로 이행하여 긴급 차단 밸브(31)를 개방한다. 즉 상기의 스텝 105 내지 108에서는 소정 시간에 걸쳐 긴급 차단 밸브(31)를 폐쇄한 후에 개방하게 된다. 이 경우는, 긴급 차단 밸브(31)의 제 1 전자 밸브(솔레노이드 코일(51))를 사용한다. 여기서, 만일 연료 누설이 연료 첨가 시스템이었던 경우, 긴급 차단 밸브(31)의 입구측 연료압 P1보다 출구측 연료압 P2가 낮아지고, P1-P2의 압력에 의해서, 가동 철심(52)이 가동되지 않고, 긴급 차단 밸브(31)는 폐쇄 상태인 채로 개방할 수 없다.
스텝 108에서 긴급 차단 밸브(31)가 개방되어 있는 것을 전제로, 스텝 109에서는 배기 연료 첨가의 실행 플래그에 1을 세트하면 연료 첨가가 실행된다. 그 후 스텝 110에서 연료 첨가시의 배기 공연비를 시계열로 입력한다.
다음의 스텝 111에서, 연료 누설 판정 수단으로서, 시계열로 입력한 배기 공연비가 서서히 작아지게 되어 있는지 여부를 판단한다. 배기 공연비가 서서히 작아지지 않는 경우는, 배기 공연비가 리치측으로 변화하지 않는 것을 나타낸다. 즉 연료 누설이 생겨, 긴급 차단 밸브(31)의 입구측 연료압 P1보다 출구측 연료압 P2가 낮아지고, P1-P2의 압력에 의해서, 가동 철심(52)을 가동할 수 없고, 긴급 차단 밸브(31)가 폐쇄 상태로 된 채로, 첨가용 연료가 공급되지 않게 된 것을 의미한다.
그래서, 그 경우는 스텝 112로 이행하여, 연료 첨가 시스템의 이상 플래그에 1을 세트한다.
한편, 스텝 111에서 배기 공연비가 순차 시계열에 따라서 작게 되어 있는 경우는, 그대로 정상인 것으로 하여 처리를 종료한다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 연료 누설이 생기면, 긴급 차단 밸브(31)의 입구측 연료압 P1보다 출구측 연료압 P2가 낮게 되어, P1-P2의 압력에 의해서, 가동 철심(52)을 가동할 수 없고, 긴급 차단 밸브 폐쇄 상태로 되기 때문에, 연료 누설에 의한 부적당함이 그 이상 확대하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 촉매(20)의 하류측의 공연비 센서(23)의 검출치로부터, 연료 누설이 생겼는지 여부를 검출할 수 있다.
이러한 수법에 의하면, 연료 첨가 시스템에 또한 압력 센서를 설치하는 경우보다도 간편하며, 또한 염가로 연료 누설을 검출하는 것이 가능해진다.
다음에 본 발명의 제 2 실시예에 관해서 설명한다.
여기서는 도 7에 도시하는 바와 같이, 긴급 차단 밸브(31)의 구성이, 제 1 전자 밸브와 제 2 전자 밸브(제 1 솔레노이드 코일(51a)과 제 2 솔레노이드 코일(51b))과의 2단 구성으로 되어 있는 점에서 제 1 실시예와 다르다. 환원제 공급로(29)에 선단부가 개재하도록 구성되는 가동 철심(52)을 갖는 전자식 벌브이고, 가동 철심(52)은, 정상시, 제 1 솔레노이드 코일(51a)에 의해서 발생하는 전자력으로 구동된다. 제 1 실시예와 마찬가지로 가동 철심(52)의 선단부는, 선단에, 하류측에의 출구에 접촉하여 환원제 공급로(29)의 연료의 흐름을 차단하는 차단면을 갖고, 그 차단면의 반대측에, 환원제 공급로(29)의 상류측에서의 연료압을 받는 수압 면을 갖고 있다.
제 1 솔레노이드 코일(51a)의 전자력은, 긴급 차단 밸브(31)의 입구측 연료압 P1과 출구측 연료압 P2가 동일할 때, 가동 철심(52)을 구동할 수 있고, 즉, 밸브의 개폐를 가능하게 하지만, 입력측 연료압 P1이 출구측 연료압 P2보다 클 때, P1-P2의 압력에 의해서 폐쇄에서 개방으로 가동할 수 없는 전자력으로 설정하고 있다.
이 상태에서, 강제적으로 긴급 차단 밸브(31)를 개방할 필요가 생긴 경우, 가동 철심(52)을 구동하기 위해서, 제 2 솔레노이드 코일(51b)에 전류를 인가하면, 제 2 솔레노이드 코일(51b)에 의한 전자력에 의해서, P1-P2의 압력에 저항하여 가동 철심(52)이 밸브를 폐쇄에서 개방으로 구동된다.
상기 제 2 실시예의 첨가 연료 누설의 판정 제어 예는 도 8에 도시하는 플로 챠트를 따라서 행하여진다.
우선 스텝 201에서 연료 첨가 시스템의 이상 플래그에 1이 세트되어 있는지 여부를 판정한다. 즉 연료 첨가 시스템 이상 플래그에 1이 세트되어 있을 때는 스텝 212으로 이행하여, 이상 플래그를 1에 유지하고, 경고 램프를 점등시키고(스텝213),이 처리를 일단, 종료한다.
한편, 스텝 201에서 이상 플래그가 1이 세트되어 있지 않은 경우, 즉 이상이 아니라고 하는 경우에는, 연료 첨가 실행 플래그에 1이 세트되어 있는지 여부를 판정한다. 연료 첨가 실행 플래그에 1이 세트되어 있는 경우는, 연료 첨가 실행 명령이 있는 것으로 하여 스텝 214로 이행하여, 배기 연료 첨가를 실시한다. 그 후 스텝 215에서 배기 공연비 및 엔진 공연비를 입력한다. 여기서 배기 공연비가 소정의 값 Y, 예를 들면 엔진 베이스 공연비보다도 작은지 여부를 판정하고(스텝 216), 이것이 작은 경우는 그대로 처리를 종료한다. 반대로, 배기 공연비가 엔진 베이스 공연비보다도 작지 않은 경우는, 연료 첨가에서의 환원제 공급 불량이라고 판단되어 스텝 212로 이행한다.
한편, 스텝 202에서, 연료 첨가 실행 플래그가 1이 아닌 경우, 즉 연료 첨가가 아직 실행되지 않고, 또는 실행 명령이 없는 경우에는 스텝 203으로 이행하여, 배기 공연비와 엔진 공연비를 입력한다. 다음에, 배기 공연비가 소정치 X, 예를 들면 이론 공연비(스토이키)보다 작은지 여부를 판정한다(스텝 204). 여기서, 스텝 204에서 배기 공연비가 스토이키보다 작은 경우, 이상인 것으로 하여 스텝 212로 이행한다. 이 경우의 원인은 앞의 제어 예의 경우와 동일하다.
이어서, 배기 공연비가 스토이키 이상인 경우, 스텝 205로 이행하고, 긴급 차단 밸브(31)를 폐쇄한다. 그 후 스텝 206 및 207에서는 상기 제어예와 마찬가지로 카운터의 값을 증분시킨다. 카운터의 값이 스텝 207에서 소정의 값 Cb 이상이라고 판정된 경우에는, 스텝 208에서 긴급 차단 밸브(31)를 개방한다. 즉 소정 시간에 걸쳐 긴급 차단 밸브(31)를 폐쇄한 후에 이것을 개방하게 된다. 이 경우는, 긴급 차단 밸브(31)의 제 1 전자 밸브(제 1 솔레노이드 코일(51a))를 사용한다. 여기서, 만일 연료 누설이 연료 첨가 시스템이었던 경우, 긴급 차단 밸브(31)의 입구측 연료압 P1보다 출구측 연료압 P2가 낮게 되어, P1-P2의 압력에 의해서, 가동 철심(52)을 가동할 수 없고, 긴급 차단 밸브(31)는 폐쇄 상태 그대로 개방할 수 없다.
스텝 208에서 긴급 차단 밸브(31)를 개방한 후, 스텝 209에서는 배기 연료 첨가 플래그를 1에 설정한다. 그리고 스텝 210에서 연료 첨가시의 배기 공연비를 시계열로 입력한다. 스텝 211에서는, 시계열에 입력한 공연비가 서서히 작게 되어 있는지 여부를 판정하여, 혹시 작게 되어 있지 않으면 연료 첨가하였음에도 불구하고, 배기 공연비가 리치측으로 변화하지 않고 있으므로, 연료 첨가 시스템에 이상이 있었던 것으로 하여, 스텝 212에서 이상 플래그에 1을 세트한다.
또한 시계열로 공연비가 작게 되어 있는 경우는 공연비가 리치로 변화하여 이상이 없다고 판단되기 때문에, 스텝 217로 이행하여, 제 1 솔레노이드 코일(51a)의 전자력으로 긴급 차단 밸브(31)를 폐쇄한다. 다음의 스텝 218에서, 긴급 차단 밸브(31)를 폐쇄한 상태에서 연료 첨가 지령을 온으로 한다. 즉 배기 연료 첨가 실시 플래그에 1을 세트한다.
계속해서 스텝 219에서는 연료 첨가 실시시의 공연비를 모니터하여, 연료를 첨가하여도 배기 공연비가 린으로 되면 긴급 차단 밸브(31)가 정상적으로 폐쇄되어 있는 것으로 판단한다. 연료 첨가시의 배기 공연비가 리치이면, 긴급 차단밸브(31)의 폐쇄 불량이라고 판단한다. 즉 스텝 220에서 배기 공연비가 서서히 작게 되어 있는지 여부를 판단하여, 작게 되어 있는 경우는, 스텝 212에서 이상 플래그를 세트하고, 배기 공연비가 서서히 작게 되면, 스텝 221로 이행하여, 긴급 차단 밸브(31)를 제 2 전자 밸브(제 2 솔레노이드 코일(51b))의 전자력에 의해서 개방한다(스텝 221).
즉, 제 1 실시예의 경우의 스텝 111과 달리, 이 경우는 스텝 217에서 미리 긴급 차단 밸브(31)를 폐쇄하고, 이것을 전제로 환원제 분사 밸브(28)를 개방하여 연료 첨가를 실시하고 있기 때문에, 정상적으로 긴급 차단 밸브(31)가 폐쇄되어 있으면, 스텝 220에서 배기 공연비는 서서히 작아지지 않는다(리치로 변화하지 않는다).
스텝 220에서 배기 공연비가 서서히 작아지지 않는 경우, 긴급 차단 밸브(31)의 동작은 정상이었던 것으로 되지만, 그 경우, 스텝 217에서 긴급 차단 밸브(31)를 폐쇄하고 있는 것을 전제로, 환원제 분사 밸브(28)를 개방하고 있기 때문에, 긴급 차단 밸브(31)의 입구측 연료압 P1보다 출구측 연료압 P2가 낮게 되어, P1-P2의 압력에 의해서, 가동 철심(52)을 가동할 수 없어, 긴급 차단 밸브(31)는 폐쇄 상태 그대로 개방할 수 없다. 그래서, 스텝 221에서는, 제 2 솔레노이드 코일(51b)에 의해 전자력을 부가하여 가동 철심(52)을 구동하는 것으로 하고 있다.
즉, 긴급 차단 밸브(31)를 개방한 상태에서, 연료 첨가를 실시한 경우, 라인중의 연료가 첨가되면, 그 후는 연료가 공급되지 않게 되어 첨가 지령을 보내더라도 배기 공연비의 변화는 볼 수 없다. 그러나, 여기서 혹시 배기 공연비 센서(23)의 출력에 변화를 볼 수 있었던 경우, 긴급 차단 밸브(31)가 누설된(폐쇄 불량) 상태라고 판단할 수 있다. 긴급 차단 밸브(31)가 정상인 경우, 긴급 차단 밸브(31)의 개방 상태로부터 연료 첨가를 실시하면 다음에 긴급 차단 밸브(31)를 개방할 수 없게 되지만, 금회의 2단 전자 밸브 구조를 채용하면, 긴급 차단 밸브(31)의 입구측 연료압 P1과 출구측 연료압 P2의 압력차에 관계없이, 긴급 차단 밸브(31)의 개폐가 가능해진다.
이상과 같이, NOx 촉매에 연료를 공급하여 NOx를 저감하는 기술에 있어서 연료 공급 장치의 고장(누설, 막힘 등)이 장해가 되지만, 앞의 실시예에서는 연료 누설을, 다른 실시예에서는 긴급 차단 밸브의 개방 불량을 검출할 수 있다.
본 발명의 각 실시예에 의하면, 연료 누설시에 라인을 차단하는 긴급 차단 밸브를 상기 구조의 밸브로 하여, 긴급 차단 밸브의 특징으로서, 폐쇄 시에 전후의 압력차가 생기면 개방 신호를 보내더라도 개방하지 않으므로, 연료 누설 발생시에 차단 밸브를 강제적으로 폐쇄 상태로 유지할 수 있다. 따라서, 그 이상의 부적당함의 확대를 방지할 수 있다. 이에 부가하여, 배기 시스템에 설치한 기존의 공연비 센서에 의해 연료 누설, 인젝터(노즐)의 막힘을 검출할 수 있게 된다.

Claims (11)

  1. 배기 시스템에 설치된 배기 정화용 촉매(20)와,
    상기 배기 정화용 촉매(20)에 환원제로서 연료를 첨가하는 연료 첨가 장치(28)와,
    상기 연료 첨가 장치(28)에 연료를 공급하는 연료 공급원(6)과,
    상기 연료 공급원(6)을 연료 첨가 장치(28)에 접속하는 연료 공급 경로(29)에 설치한 긴급 차단 밸브(31)와,
    상기 긴급 차단 밸브(31)가 폐쇄 위치에 있는 것을 검출하는 차단 밸브 위치 검출 수단(35)을 구비한 내연기관의 배기 정화 장치에 있어서,
    상기 긴급 차단 밸브(31)에 작용하는 상류측의 연료압이 하류측보다도 커졌을 때는, 개방 지시가 있어도 긴급 차단 밸브(31)가 개방하지 않도록 제어되는 것을 특징으로 하는 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 배기 공연비를 검출하는 배기 공연비 검출 수단(23)을 구비하고, 상기 배기 공연비 검출 수단(23)에 의해 긴급 차단 밸브(31) 폐쇄시의 배기 공연비를 검출함과 함께, 그 후, 긴급 차단 밸브(31)를 개방 지시하며, 또한, 연료 첨가의 첨가 지시한 이후의 배기 공연비를 순차 검출하여, 검출된 배기 공연비가 시계열에 따라서 서서히 리치측으로 변화하지 않는 경우, 긴급 차단 밸브(31) 하류의 첨가 시스템에서의 연료 누설이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 배기 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 긴급 차단 밸브(31)는 제 1 구동 수단(51a)과 제 2 구동 수단(51b)으로 이루어지는 2단 구성으로서, 정상시는 제 1 구동 수단(51a)의 구동력으로 개폐 구동되고, 상기 긴급 차단 밸브(31)의 입력과 출력과의 압력차가 생겼을 때에는, 제 2 구동 수단(51b)에 의한 구동력을 부가했을 때에 개방 가능하게 한 것을 특징으로 하는 배기 정화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 배기 공연비를 검출하는 배기 공연비 검출 수단(23)을 구비하고, 상기 배기 공연비 검출 수단(23)에 의해 긴급 차단 밸브(31) 개방시의 배기 공연비를 검출함과 함께, 그 후, 긴급 차단 밸브(31)의 폐쇄 지시를 행하며, 또한, 연료 첨가의 첨가 지시한 이후의 배기 공연비를 순차 검출하고, 검출된 배기 공연비가 시계열에 따라서 서서히 리치측으로 변화하지 않는 경우, 긴급 차단 밸브(31)는 정상적으로 폐쇄된 것으로 판단하고, 제 2 구동 수단에 의해 긴급 차단 밸브(31)를 개방하는 것을 특징으로 하는 배기 정화 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 긴급 차단 밸브(31)의 개방은 소정 시간에 걸쳐 상기 긴급 차단 밸브(31)를 폐쇄한 후에 실행되는 것을 특징으로 하는 배기 정화 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 배기 공연비를 검출하는 배기 공연비 검출 수단(23)을 구비하고, 상기 배기 공연비 검출 수단(23)에 의해 긴급 차단 밸브(31) 폐쇄시의 배기 공연비를 검출함과 함께, 그 후, 긴급 차단 밸브(31)를 개방 지시하며, 또한, 연료 첨가의 첨가 지시한 이후의 배기 공연비를 순차 검출하여, 검출된 배기 공연비가 시계열에 따라서 서서히 리치측으로 변화한 경우, 긴급 차단 밸브(31)의 폐쇄 지시를 행하고, 또한, 연료 첨가의 첨가 지시한 이후의 배기 공연비를 순차 검출하여, 검출된 배기 공연비가 시계열에 따라서 서서히 리치측으로 변화하지 않는 경우, 긴급 차단 밸브(31)는 정상적으로 폐쇄된 것으로 판단하고, 제 2 구동 수단(51b)에 의해 긴급 차단 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 배기 정화 장치.
  7. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 연료의 첨가의 실행 전에 배기 공연비가 제 1 소정치보다 작은지 여부를 판정하고, 상기 배기 공연비가 제 1 소정치보다 작은 경우는 연료 첨가 시스템의 이상을 판단하는 것을 특징으로 하는 배기 정화 장치.
  8. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 연료 첨가의 첨가 지시를 한 이후의 배기 공연비가 제 2 소정치보다 작은지 여부를 판정하고, 상기 배기 공연비가 제 2 소정치 이상인 경우는 연료 첨가에서의 환원제 공급 불량이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 배기 정화 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 긴급 차단 밸브(31)는 솔레노이드 코일(51)에 의해서 발생하는 전자력으로 구동되고, 상기 전자력은 상기 긴급 차단 밸브(31)에 작용하는 상류측의 연료압이 하류측보다도 커졌을 때에 긴급 차단 밸브(31)가 개방하지 않도록 제어되는 것을 특징으로 하는 배기 정화 장치.
  10. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 구동 수단(51a)과 제 2 구동 수단(51b)은 각각 전자력에 의해서 상기 긴급 차단 밸브(31)를 구동하고,
    제 1 구동 수단(51a)에 의한 전자력은 상기 긴급 차단 밸브에 작용하는 상류측의 연료압이 하류측보다도 커졌을 때에 긴급 차단 밸브(31)가 개방하지 않도록 제어되고,
    제 2 구동 수단(51b)에 의한 전자력은 상기 긴급 차단 밸브(31)에 작용하는 상류측의 연료압이 하류측보다도 커졌을 때에 긴급 차단 밸브(31)를 개방 가능하게 제어되는 것을 특징으로 하는 배기 정화 장치.
  11. 배기 시스템에 설치된 배기 정화용 촉매(20)와, 상기 배기 정화용 촉매(20)에 환원제로서 연료를 첨가하는 연료 첨가 장치(28)와, 상기 연료 첨가 장치(28)에 연료를 공급하는 연료 공급원(6)과, 상기 연료 공급원(6)을 연료 첨가 장치(28)에 접속하는 연료 공급 경로(29)에 설치되고, 상류측의 연료압이 하류측보다도 커졌을 때는, 개방 지시가 있어도 개방하지 않는 긴급 차단 밸브(31)와, 배기 공연비를 검출하는 배기 공연비 검출 수단(23)을 구비한 내연 기관의 이상 검지 방법에 있어서,
    상기 배기 공연비 검출 수단(23)에 의해 긴급 차단 밸브(31) 폐쇄시의 배기 공연비를 검출함과 함께, 그 후, 긴급 차단 밸브(31)를 개방 지시하고, 또한, 연료 첨가의 첨가 지시한 이후의 배기 공연비를 순차 검출하여, 검출된 배기 공연비가 시계열에 따라서 서서히 리치측으로 변화하지 않는 경우, 긴급 차단 밸브(31) 하류의 첨가 시스템에서의 연료 누설이라고 판단하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 이상 검지 방법.
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