KR20030022687A - 내연기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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시바타다이스케
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하야시고타로
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Abstract

본 발명은 내연기관의 배기 시스템에 설치된 NOx 촉매의 배기 정화 기능을, 효율적으로 활용할 수 있는 내연기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것으로서, 엔진(1)에 탑재된 ECU(80)는 환원제 첨가 밸브(17)를 통하여 배기 시스템(40)의 NOx 촉매(41) 상류에 주기적으로 환원제를 첨가 공급하고, 촉매(41)에 일시적으로 흡장된 NOx의 환원 및 정화를 도모한다. 또한 이 때, 환원제 첨가 밸브(17)나 계량 밸브(16)의 동작을 제어함으로써, 배기 시스템(40)에 첨가 공급되는 환원제에, 입자 직경 50㎛ 정도의 액적(液滴)으로 이루어지는 분무를 형성시킨다.

Description

내연기관의 배기 정화 장치{Exhaust emission control system of internal combustion engine}
본 발명은 희박 연소 가능한 내연기관의 배기 시스템 내에서, 그 배기 시스템 내에 설치된 NOx 촉매 상류에 환원제를 공급하여, 배기 중의 유해 성분의 정화를 촉진하는 내연기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
디젤 엔진이나, 희박 연소 가능한 가솔린 엔진에서는 높은 공연비(린 분위기)의 혼합기를 연소에 제공하여 기관 운전을 행하는 운전 영역이, 전체 운전 영역의 대부분을 차지한다. 이러한 종류의 엔진(내연기관)에서는 일반적으로, 린 분위기에서 질소산화물(NOx)을 흡수할 수 있는 NOx 흡수제(NOx 촉매)가 그 배기 시스템에 구비된다.
NOx 촉매는 일반적으로, 배기 중의 환원 성분 농도가 낮은 상태에서는 NOx를 흡수하고, 배기 중의 환원 성분 농도가 높은 상태에서는 NOx를 방출하는 특성을 갖는다. 덧붙여서 말하면 배기 중에 방출된 NOx는 배기 중에 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO) 등의 환원 성분이 존재하고 있으면, 그들 환원 성분과 빠르게 반응하여 질소(N2)로 환원된다. 또한, NOx 촉매를 유지(흡장)할 수 있는 NOx의 양에는 한계량(포화량)이 존재하여, 상기 촉매가 어느 정도의 양을 상회하는 NOx를 흡장하고 있는 경우에는 배기 중의 환원 성분 농도가 낮은 상태에 있더라도 그 이상 NOx를 흡수하지 않게 된다.
그래서, 예를 들면 일본특허 제2845056호 공보에 기재된 배기 정화 장치는 내연기관의 배기 시스템에 환원제를 공급하기 위한 첨가 밸브를 구비하고, 상기 NOx 촉매의 NOx 흡장량이 소정량에 달하기 전에, 동촉매에 유입하는 배기에 환원제를 첨가 공급하는 제어를 소정의 인터벌로 반복한다. 이러한 장치를 이용하여, 첨가 밸브를 통하여 배기 시스템에 환원제를 공급한 경우, 그 환원제는 안개형태로 확산함으로써 배기 중의 환원 성분 농도를 높여, NOx 촉매에 흡장되어 있는 NOx(이하, 흡장 NOx)를 방출 및 환원 정화함과 동시에, NOx 촉매의 NOx 흡수 능력을 회복시킨다.
이와 같이, 첨가 밸브를 통하여 행하는 배기 시스템에의 환원제 공급 방식에 의하면, NOx 촉매에 유입하는 배기 중의 환원 성분을, 소망의 시기에 소망의 타이밍으로 증량할 수 있어, NOx 촉매의 배기 정화 효율을 항상 높게 유지하는 것이 가능해진다.
그런데, 상기 공보 기재의 장치에 의한 것과 같이, 첨가 밸브를 통하여 배기 시스템에 공급된 환원제는 안개 형태로 확산하면서 이송되어, NOx 촉매를 통과할 때에 흡장 NOx에 작용하게 된다.
그런데, NOx 촉매에 도달한 안개 형태의 환원제 중, 동촉매의 표면에 접촉하여, 흡장 NOx에 실질적으로 작용하는 것은 일부만이고, 그 밖의 부분은 동촉매를 그냥 지나쳐, 과잉분으로서 하류에 방출된다. 덧붙여서 말하면, NOx 촉매의 하류에 산화 촉매를 형성하여 이러한 환원제의 과잉분을 정화(산화)하는 방법도 고려할 수 있다. 그러나, 환원제가 확산 혼합된 배기는 산소 성분을 많이 포함하지 않기 때문에(전체적으로 리치 분위기), 산화 촉매에 의해서 상기 환원제의 과잉성분을 정화하기는 어렵다.
본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 점은 내연기관의 배기 시스템에 설치된 NOx 촉매의 배기 정화 기능을, 효율적으로 활용할 수 있는 내연기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것에 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 디젤 엔진 시스템을 도시하는 개략 구성도.
도 2는 제 1 실시예에 따른 환원제 첨가 제어 순서를 도시하는 플로우차트.
도 3은 환원제 첨가 제어의 실시시에 촉매 하류의 공연비 센서의 출력에 기초해서 산출되는 공연비의 추이를 도시하는 타임차트.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 환원제 첨가 제어 순서를 도시하는 플로우차트.
도 5는 첨가되는 환원제의 입자 직경과, NOx 정화율과의 관계를 도시하는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 디젤 엔진(내연기관)10 : 연료 공급 시스템
11 : 서플라이 펌프12 : 커먼 레일
13 : 연료 분사 밸브14 : 차단 밸브
16 : 계량 밸브17 : 환원제 분사 밸브
20 : 연소실30 : 흡기 시스템
31 : 인터쿨러32 : 스로틀 밸브
40 : 배기 시스템41 : 흡장 환원형 NOx 촉매(NOx 촉매)
42 : 촉매 케이싱50 : 터보 차저
51 : 샤프트52 : 배기측 터빈 휠
53 : 흡기측 터빈 휠60 : EGR 통로
61 : EGR 밸브62 : EGR 쿨러
70 : 레일압 센서71 : 연료압 센서
72 : 에에플로미터73 : 공연비(A/F) 센서
74 : 배기 온도 센서75 : NOx 센서
76 : 액셀러레이터 포지션 센서77 : 크랭크각 센서
80 : 전자 제어 장치(ECU)81 : 중앙 처리 장치(CPU)
82 : 판독 전용 메모리(ROM)86 : 외부 입력 회로
87 : 외부 출력 회로88 : 쌍방향성 버스
P1 : 기관 연료 통로 P2 : 첨가 연료 통로
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 내연기관의 배기 시스템에 설치되고, 배기 중의 환원 성분 농도가 높아지면 NOx의 환원 반응을 촉진하는 특성을 구비한 NOx 촉매와, 상기 배기 시스템을 통하여 상기 NOx 촉매에 유입하는 배기 중에 환원제를 첨가하는 환원제 첨가 수단을 구비한 내연기관의 배기 정화 장치에 있어서, 상기 환원제 첨가 수단을 제어하여, 상기 배기 중에 액적상(液滴狀)의 환원제를 첨가시키는 제어 수단을 갖는 것을 요지로 한다.
또한, 상기 NOx 촉매는 배기 중의 환원 성분 농도가 낮을 때에 NOx를 흡수하고, 상기 배기 중의 환원 성분 농도가 높아지면 흡수한 NOx를 방출하면서 그 환원 반응을 촉진하는 특성을 구비하는 것이 바람직하다.
여기서, 액적상의 환원제란, 대략 1O 내지 1OO㎛ 정도(엄밀하지는 않음)의 입자 직경을 갖는 액체 입자로서, 배기 중에 안개 형태로 확산한 상태에 있는 환원제를 말하는 것으로 한다. 또한, 상기 액적상의 환원제를 구성하는 각 입자의 입자 직경은 기능적으로 언급하면, 상기 NOx 촉매에 도달한 각 입자가 상기 촉매의 표면에 조밀(粗密)한 상태로 부착하는 데 적절한 크기에 상당한다. 그리고 이 적절한 크기는 적용되는 환원제의 물리적, 화학적 특성, 배기의 성상(性狀), 혹은 NOx 촉매의 특질이나 상태에 따라서 다르다.
상기 구성에 의하면, 배기 중에 첨가된 환원제의 확산이 억제되어, 첨가된 환원제가, 배기 중에 비교적 짙은 안개 형태의 덩어리(국소적인 리치 분위기)를 형성하면서 상기 NOx 촉매까지 이송되게 된다. NOx 촉매에 이송된 환원제는 구성 입자의 입자 직경이 큰 것에 기인하며, 상기 촉매의 표면에 비교적 빠르게 부착하여, NOx를 환원하게 된다. 즉, 배기 중에 첨가된 환원제의 대부분이 NOx 촉매를 그냥 지나치지 않고 유효하게 작용하기 때문에, NOx 촉매에 대하여 필요 최소량의 환원제를 효율적으로 작용시켜 NOx의 환원 정화를 할 수 있게 된다.
또한, 배기 중에 국소적인 리치 분위기를 형성하면서, 총체적으로는 상기 배기를 린 분위기로 유지할 수 있다. 따라서, NOx 촉매의 하류에, 예를 들면, 린 분위기에서 환원제의 산화를 촉진하는 산화 촉매를 분배함으로써, NOx 촉매를 그냥 지나친 환원제의 과잉분을 확실히 정화할 수 있게 된다.
또한, 상기 액적상의 환원제는 1O㎛ 이상의 입자 직경을 갖는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의하면, 배기 중에 첨가된 환원제에 의해 국소적인 리치 분위기가 형성되는 현상이 입자 직경이 1O㎛ 미만의 작은 액체 입자로 형성되는 환원제의 분무와 비교하여 현저하게 다른 현상으로서 나타나게 된다.
또한, 상기 제어 수단은 상기 NOx 촉매의 상온(床溫; floor temperature)에 따라서 상기 액정상 환원제의 입자 직경을 변경하는 것이 바람직하다.
또한 이 경우, 상기 제어 수단은 상기 NOx 촉매의 상온이 높아질 수록 상기 액적상 환원제의 입자 직경을 크게 하는 것이 바람직하다.
상기 액적상 환원제의 입자 직경과 함께, 상기 NOx 촉매의 상온은 동촉매 표면에 대한 상기 액적상 환원제의 부착하기 용이함을 결정짓는 지배적인 파라미터이다. 즉, 액적상 환원제는 그 입자 직경이 소정 범위에서 커질 수록, NOx 촉매 표면에 부착하기 용이하게 되는 한편, 상기 NOx 촉매의 상온이 높아지면, 액적상 환원제는 물리적으로 상기 촉매 표면에 부착하기 어렵게 된다. 동 구성에 의하면, NOx 촉매에 대하여 필요 최소한의 환원제를 효율적으로 작용시켜 NOx의 환원 정화를 행한 후에, 최적의 조건이 용이하게 설정되어지게 된다.
또한, 상기 제어 수단은 상기 액적상 환원제의 입자 직경과 함께, 배기 중에서의 액적상 환원제의 확산의 용이함을 결정짓는 지배적인 파라미터인 배기의 온도에 따라서, 상기 액적상 환원제의 입자 직경을 변경하여도 된다.
(제 1 실시예)
이하, 본 발명에 따른 내연기관의 배기 정화 장치를, 디젤 엔진 시스템에 적용한 제 1 실시예에 관해서 설명한다.
도 1에 있어서, 내연기관(이하, 엔진)(1)은 연료 공급 시스템(10), 연소실 (20), 흡기 시스템(30) 및 배기 시스템(40) 등을 주요부로 하여 구성되는 직렬 4기통의 디젤 엔진 시스템이다.
우선, 연료 공급 시스템(10)은 서플라이 펌프(11), 커먼 레일(12), 연료 분사 밸브(13), 차단 밸브(14), 계량 밸브(16), 환원제 첨가 밸브(17), 기관 연료 통로(P1) 및 첨가 연료 통로(P2) 등을 구비하여 구성된다.
서플라이 펌프(11)는 연료 탱크(도시 생략)로부터 퍼올린 연료를 고압으로 하여, 기관 연료 통로(P1)를 통해 커먼 레일(12)에 공급한다. 커먼 레일(12)은 서플라이 펌프(11)로부터 공급된 고압 연료를 소정 압력으로 유지(축압)하는 축압실로서의 기능을 갖고, 상기 축압한 연료를 각 연료 분사 밸브(13)에 분배한다. 연료분사 밸브(13)는 그 내부에 전자 솔레노이드(도시 생략)를 구비한 전자 밸브이고, 적절히 개방하여 연소실(20) 내에 연료를 분사 공급한다.
한편, 서플라이 펌프(11)는 연료 탱크에서 퍼올린 연료의 일부를 첨가 연료 통로(P2)를 통해 환원제 첨가 밸브(17)에 공급한다. 첨가 연료 통로(P2)에는 서플라이 펌프(11)로부터 환원제 첨가 밸브(17)를 향하여 차단 밸브(14) 및 계량 밸브(16)가 순차 배치되어 있다. 차단 밸브(14)는 긴급시에 첨가 연료 통로(P2)를 차단하고, 연료 공급을 정지한다. 계량 밸브(16)는 환원제 첨가 밸브(17)에 공급하는 연료의 압력(연료압; PG)를 제어한다. 환원제 첨가 밸브(17)는 연료 분사 밸브(13)와 동일하게 그 내부에 전자 솔레노이드(도시 생략)를 구비한 전자 밸브이고, 환원제로서 기능하는 연료를, 적절한 양, 적절한 타이밍으로 배기 시스템(40)의 촉매 케이싱(42) 상류에 첨가 공급한다.
흡기 시스템(30)은 각 연소실(20)내에 공급되는 흡입 공기의 통로(흡기 통로)를 형성한다. 한편, 배기 시스템(40)은 각 연소실(20)로부터 배출되는 배기가스의 통로(배기 통로)를 형성한다.
또한, 상기 엔진(1)에는 주지의 과급기(터보 차저)(50)가 설치되어 있다. 터보 차저(50)는 샤프트(51)를 통해 연결된 2개의 터빈 휠(52, 53)을 구비한다. 한쪽의 터빈 휠(흡기측 터빈 휠)(52)은 흡기 시스템(30)내의 흡기에 노출되고, 다른쪽의 터빈 휠(배기측 터빈 휠)(53)은 배기 시스템(40) 내의 배기에 노출된다. 이러한 구성을 갖는 터보 차저(50)는 배기측 터빈 휠(52)이 받는 배기류(배기압)를 이용하여 흡기측 터빈 휠(53)을 회전시켜, 흡기압을 높이게 하는 소위 과급을 행한다.
흡기 시스템(30)에 있어서, 터보 차저(50)에 설치된 인터쿨러(31)는 과급에 의해서 승온한 흡입 공기를 강제 냉각한다. 인터쿨러(31)보다도 또한 하류에 설치된 스로틀 밸브(32)는 그 개방도를 무단계로 조절할 수 있는 전자 제어식의 개폐 밸브이고, 소정의 조건하에서 흡입 공기의 유로 면적을 좁히여, 동 흡입 공기의 공급량을 조정(저감)하는 기능을 갖는다.
또한, 엔진(1)에는 연소실(20)의 상류[흡기 시스템(30)] 및 하류[배기 시스템(40)]를 바이패스하는 배기 환류 통로(EGR 통로)(60)가 형성되어 있다. 상기 EGR 통로(60)는 배기의 일부를 적절히 흡기 시스템(30)에 되돌리는 기능을 갖는다. EGR 통로(60)에는 전자 제어에 의해서 무단계로 개폐되고, 동 통로를 흐르는 배기 유량을 자유 자재로 조정할 수 있는 EGR 밸브(61)와, EGR 통로(60)를 통과(환류)하는 배기를 냉각하기 위한 EGR 쿨러(62)가 설치되어 있다.
또한, 배기 시스템(40)에 있어서, 동 배기 시스템(40) 및 EGR 통로(60)의 연락부위의 하류에는 흡장 환원형 NOx 촉매(이하, 간단히 촉매라 한다)(41)를 수용한 촉매 케이싱(42)이 설치되어 있다. 촉매 케이싱(42)에 수용된 촉매(41)는 예를 들면 알루미나(A12O3)를 캐리어로 하고, 상기 캐리어상에 예를 들면 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs) 등과 같은 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 등과 같은 알칼리 토류, 란탄(La) 혹은 이트륨(Y) 등과 같은 희토류와, 백금(Pt)과 같은 귀금속이 보유됨으로써 구성된다.
상기 촉매(41)는 배기 중에 다량의 산소가 존재하고 있는 상태에서는 NOx를흡수하고, 환원 성분[예를 들면 연료의 미연소 성분(HC)]이 다량으로 존재하고 있는 상태에서는 NOx를 NO2혹은 NO로 환원하여 방출한다. NO2나 NO로서 방출된 NOx는 배기 중의 HC 나 CO와 빠르게 반응함으로써 또한 환원되어 N2가 된다. 덧붙여서 말하면 HC 나 CO는 NO2나 NO를 환원함으로써, 자체는 산화되어 H2O 나 CO2가 된다. 즉, 촉매 케이싱(42)[촉매(41)]에 도입되는 배기 중의 산소 농도나 HC 성분을 적절히 조정하면, 배기 중의 HC, CO, NOx를 정화할 수 있게 된다.
또한, 엔진(1)의 각 부위에는 각종 센서가 장착되어 있고, 상기 부위의 환경조건이나, 엔진(1)의 운전 상태에 관한 신호를 출력한다.
즉, 레일압 센서(70)는 커먼 레일(12)내에 구비되어 있는 연료의 압력에 따른 검출 신호를 출력한다. 연료압 센서(71)는 첨가 연료 통로(P2)내를 유통하는 연료 중, 계량 밸브(16)를 통해 환원제 첨가 밸브(17)에 도입되는 연료의 압력(연료압; PG)에 따른 검출 신호를 출력한다. 에어플로미터(72)는 흡기 시스템(30)내의 스로틀 밸브(32)하류에서 흡입 공기의 유량(흡기량; Ga)에 따른 검출 신호를 출력한다. 공연비(A/F) 센서(73)는 배기 시스템(40)의 촉매 케이싱(42) 하류에서 배기 중의 산소 농도에 따라서 연속적으로 변화하는 검출 신호를 출력한다. 배기 온도 센서(74)는 동일하게 배기 시스템(40)의 촉매 케이싱(42) 하류에서 배기의 온도(배기온도; TEX)에 따른 검출 신호를 출력한다. NOx 센서(75)는 동일하게 배기 시스템(40)의 촉매(41)하류에서 배기 중의 NOx 농도 CNOx에 따라서 연속적으로 변화하는 검출 신호를 출력한다.
또한, 액셀러레이터 포지션 센서(76)는 엔진(1)의 액셀러레이터 페달(도시 생략)에 장착되어, 동 페달의 밟는 양(ACC)에 따른 검출 신호를 출력한다. 크랭크각 센서(77)는 엔진(1)의 출력축(크랭크 샤프트)이 일정 각도 회전할 때마다 검출 신호(펄스)를 출력한다. 이들 각 센서(70 내지 77)는 전자 제어 장치(ECU)(80)와 전기적으로 접속되어 있다.
ECU(80)는 중앙 처리 장치(CPU)(81), 판독 전용 메모리(ROM)(82), 랜덤 액세스 메모리(RAM)(83) 및 백업 RAM(84), 타이머 카운터(85) 등을 구비하고, 이들 각 부재(81 내지 85)와, A/D 변환기를 포함하는 외부 입력 회로(86)와, 외부 출력 회로(87)가 쌍방향성 버스(88)에 의해 접속되어 구성되는 논리 연산 회로를 구비한다.
이와 같이 구성된 ECU(80)는 상기 각종 센서의 검출 신호를 외부 입력 회로를 통해 입력하고, 이들 신호에 기초해서 엔진(1)의 연료 분사 등에 대한 기본제어를 행하는 외에, 환원제(환원제로서 기능하는 연료)의 첨가에 따른 첨가 타이밍이나 공급량의 결정 등에 관한 환원제 첨가 제어 등, 엔진(1)의 운전 상태에 관한 각종 제어의 실시를 담당한다.
여기서, 연료 분사 밸브(13)를 통하여 각 기통에 연료를 공급하는 외에, 환원제 첨가 밸브(17)를 통하여 배기 시스템(40)에 연료를 첨가하는 기능을 구비한 연료 공급 시스템(10), 배기 시스템(40)에 구비된 촉매(41) 및 이들 연료 공급 시스템(10)이나 촉매(41)의 기능을 제어하는 ECU(80) 등은 동시에 본 실시예에 따른 엔진(1)의 배기 정화 장치를 구성한다. 상기 환원제 첨가 제어는 상기 제어에 관한지령 신호를 출력하는 ECU(80)를 포함하고, 상기 배기 정화 장치를 구성하는 각종 부재가 작동함으로써 이루어진다.
다음에, 본 실시예에 따른 환원제 첨가 제어의 기본 원리나 제어 순서 등에 관해서 상세히 기술한다.
일반적으로, 디젤 엔진에서는 연소실내에서 연소에 제공되는 연료 및 공기의 혼합기의 산소 농도가 대부분의 운전 영역에서 고농도 상태에 있다.
연소에 제공되는 혼합기의 산소 농도는 연소에 제공된 산소를 빼고 그대로 배기 중의 산소 농도에 반영되는 것이 통상적이며, 혼합기 중의 산소 농도(공연비)가 높으면, 배기 중의 산소 농도도 기본적으로는 마찬가지로 높게 된다(배기 중의 환원 성분량은 낮게 된다). 한편, 상술한 바와 같이, 흡장 환원형 NOx 촉매는 배기 중의 산소 농도가 높으면 NOx를 흡수하고, 산소 농도가 낮으면(환원 성분량이 높으면) NOx를 NO2혹은 NO로 환원하여 방출하는 특성을 갖기 때문에, 배기 중의 산소가 고농도 상태에 있는 한 NOx를 흡수하게 된다. 단지, 상기 촉매의 NOx 흡수량에 한계량이 존재하고, 동 촉매가 한계량의 NOx를 흡수한 상태에서는 배기 중의 NOx가 동촉매에 흡수되지 않고 촉매 케이싱을 그대로 지나치게 되어, 촉매(41) 하류에서의 NOx 농도가 증대한다.
그래서, 엔진(1)과 같이 환원제 첨가 밸브(17)를 구비한 내연기관에서는 적절한 시기에 환원제 첨가 밸브(17)를 통하여 배기 시스템(40)의 촉매(41) 상류에 환원제로서 기능하는 연료를 첨가함으로써, 일시적으로 배기 중의 환원 성분량(HC등)을 증대시킨다. 그러면 촉매(41)는 지금까지 흡수한 NOx를 NO2혹은 NO로 환원하여 방출하고, 자체의 NOx 흡수 능력을 회복(재생)하게 되며, 한편으로, 방출된 NO2나 NO가 HC 나 CO와 반응하여 빠르게 N2로 환원되는 것은 상술한 바와 같다.
그런데, 배기 시스템(40)내에 첨가 공급되는 환원제(연료)는 그것이 어떠한 상태로 배기 시스템(40)에 첨가되는 가에 따라서, 배기 시스템(40)내를 이동하여 촉매(41)에 달하기까지의 동태나, 촉매(41)에 미치는 작용이 다르다. 예를 들면, 환원제 첨가 밸브(17)를 통하여 첨가되는 분무의 구성 입자가 비교적 작고, 그 입자 직경이 10㎛를 하회하게 되는 경우, 배기 시스템(40)내에 첨가된 환원제는 배기 중에 빠르게 확산하면서 촉매(41)에 이송되어지게 된다. 한편, 환원제 첨가 밸브(17)를 통하여 첨가되는 분무가, 대략 1O㎛ 이상의 입자 직경의 액적에 의해 형성되어 있는 경우, 상기 액적에 의해서 형성된 분무는 배기 중에서 짙은 안개 형태의 덩어리(국소적인 리치 분위기)를 형성하면서 촉매 케이싱(42)에 유입한다. 촉매 케이싱(42)에 유입한 환원제는 그 구성 입자(액체 입자)의 입자 직경이 큰 것에 기인하여, 그 대부분이 촉매(41)의 표면에 빠르게 부착한다. 즉, 배기 중에 첨가된 환원제의 대부분이 NOx 촉매를 그냥 지나치지 않고 유효하게 작용하기 때문에, NOx 촉매에 대하여 필요 최소량의 환원제를 효율적으로 작용시켜 NOx의 환원 정화를 행할 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 배기 정화 장치는 연료 공급 시스템(10) 등의 각종 구성 부재를 제어하여, 환원제 첨가 밸브(17)를 통하여 배기 시스템(40)에 첨가 공급되는 환원제에, 액적상의 입자의 분무를 형성시킨다.
이하, 본 실시예에 따른 배기 정화 장치가 실시하는 「환원제 첨가 제어」에 관하여, 그 구체적인 처리 순서에 관해서 플로우차트를 참조하여 설명한다.
도 2에는 배기 시스템(40)에 환원제 첨가를 행함에 있어서, 그 첨가량이나 첨가 시기를 제어하기 위해서 실시되는 「환원제 첨가 제어 루틴」의 처리 내용을 도시한다. 상기 루틴 처리는 ECU(80)를 통하여 엔진(1)의 시동과 동시에 그 실행이 개시되어, 소정 시간마다 반복된다.
처리가 상기 루틴으로 이행하면, ECU(80)는 우선, 스텝 S101에서, 촉매(41)하류의 NOx 농도 CNOx나 배기 온도(TEX)의 이력, 기관 회전수(NE), 혹은 액셀러레이터 페달의 밟는 양(ACC) 등과 같은 엔진(1)의 운전 상태를 파악한다.
계속해서 스텝 S102에서 ECU(80)는 상기 스텝 S101에서 파악한 엔진(1)의 운전 상태에 관하여, 환원제 첨가의 실행 조건, 예를 들면 이하의 조건 (A1), (A2), (A3)의 모두가 성립하고 있는지 여부를 판단한다.
(A1) NOx 센서(75)의 검출 신호가 상승하여 소정치를 상회한 것. 이것은 NOx 촉매(41)의 흡장 NOx가 소정량을 상회하고, 이것을 방출 및 환원할 필요가 생긴 것을 의미한다.
(A2) 배기온도(TEX)가 소정 온도(예를 들면 250℃)를 상회하고 있는 것. 이것은 촉매(41)가 충분히 활성화된 상태가 되는 조건에 상당한다.
(A3) 기관 회전수(NE) 및 액셀러레이터 페달의 밟는 양(ACC)의 관계 등으로부터 엔진(1)의 운전 상태가 환원제 첨가에 적합하다고 판단되는 것.
상기 조건(A1 내지 A3)의 모두가 성립하고 있으면, ECU(80)는 그 처리를 스텝 S103으로 이행하고, 상기 조건(A1 내지 A3) 중 어느 한쪽이라도 성립하지 않으면, 본 루틴을 일단 빠져나간다.
스텝 S103에서는 환원제 첨가 밸브(17)의 개방량을 조정함으로써, 배기 시스템(40)에의 환원제 첨가를 실시한다.
여기서, 환원제 첨가 밸브(17)를 통하여 첨가되는 첨가 연료량(총량; Q)은 기본적으로는 환원제 첨가 밸브(17)의 개방 시간(T)(밀리초; ms), 및 그 개방 시간 중 연료 통로(P2)를 통하여 환원제 첨가 밸브(17)에 부여되는 연료압(PG)의 함수로서, 다음 식(i)에 의해서 결정된다.
Q = f(T, PG)···(i)
즉, ECU(80)는 상기 결정한 첨가 연료량(Q)의 연료가 배기 시스템에 첨가 공급되도록, 첨가 연료 통로(P2)내를 유통하는 연료의 연료압(PG)에 기초해서 개방 시간(T)을 연산한다. 그리고 동일하게 상기 결정된 첨가 패턴에 따라서 연료가 첨가되도록, 소정의 타이밍으로, 계속적, 혹은 단속적으로 환원제 첨가 밸브(17)를 통전 제어함으로써, 총계 시간(개방 시간)(T)에 걸쳐 동 밸브(17)를 개방시킨다.
또한, 본 실시예에 따른 배기 정화 장치에서는 환원제 첨가 밸브(17)를 통하여 첨가되는 환원제가 입자 직경 50㎛ 정도의 액적으로 이루어지는 분무를 형성하 도록, 계량 밸브(16)의 개방량을 조정한다[연료압(PG)을 제어한다].
스텝 S103을 거친 후, ECU(80)는 본 루틴을 일단 빠져나간다.
도 3에는 NOx 촉매 하류에 설치된 A/F 센서(73)의 출력 신호에 기초해서 산출되는 공연비의 추이에 관해서, 종래의 환원제 첨가 제어를 실시한 경우에 관측되는 추이(도 3a)와, 본 실시예에 따른 환원제 첨가 제어를 실시한 경우에 관측되는 추이(도 3b)를 동일 시간축 상에 도시하는 타임차트이다. 또한, 두 도면에서 시간축 상에 도시하는 시간(ti)은 환원제의 첨가 개시 타이밍에 상당한다. 또한, 본 실시예에 따른 제어와 종래의 제어에서, 환원제 첨가 밸브를 통하여 단위 시간당에 첨가되는 환원제의 양은 동등인 것으로 한다.
일반적으로, 배기 시스템내에 환원제가 첨가되면, 배기 중의 환원 성분량이 증대하여 산소량이 감소하기 때문에, 배기 시스템에 설치된 A/F 센서의 출력 신호에 기초해서 파악되는 공연비(이하, 간단히 공연비라고 한다)는 일시적으로 저하(리치 근방으로 이행한다)하게 된다.
여기서, 종래의 제어에 의한 것과 같이, 입자 직경 1O㎛ 미만의 작은 액체 입자로 형성되는 분무로서 환원제를 첨가 공급하여, 흡장 NOx를 환원하는 경우, 공연비가 이론 공연비보다도 하회하는 상태(리치가 되는 상태)를 유지하도록 환원제의 첨가를 소정 시간(T1) 계속할 필요가 있다(도 3a).
이에 반해, 본 실시예에 의한 것과 같이, 입자 직경의 큰 액적으로부터 형성되는 분무로서 환원제를 첨가 공급하는 경우, 공연비가 이론 공연비보다도 높은 상태에서, 게다가 비교적 단시간(T2) 환원제의 첨가를 행하는 것만으로, 흡장 NOx의 환원에 관해서 충분한 효과가 얻어지는 것이, 발명자들에 의해서 확인되어 있다(도 3b 참조).
또한, 종래의 제어에 동반하는 공연비의 추이(도 3a)와, 본 실시예에 따른제어에 동반하는 공연비의 추이(도 3b)를 비교한 경우, 본 실시예에서의 제어에서는 환원제의 첨가 개시 타이밍인 시간(ti) 이후, 리치 근방으로 이행하는 공연비의 저하속도(제어의 실행에 대한 공연비의 응답 속도에 상당)가, 종래의 제어에 동반하는 공연비의 저하 속도에 비해 크다.
즉, 본 실시예에 따른 환원제 첨가 제어에서는 상기 제어에 동반하는 외견상의 공연비의 저하량은 적어도(주위가 린 분위기), 액적의 입자(비교적 대형의 입자)로 형성되는 분무로서 배기 시스템에 첨가된 환원제가 배기 중에 국소적인 리치 분위기를 형성하고, 상기 국소적인 리치 분위기가 직접적 또한 급속하게(순간적으로) NOx 촉매에 작용한다. 이 결과, NOx 촉매에 대하여 필요 최소량의 환원제를 효율적으로 작용시켜 흡장 NOx의 환원 정화를 행할 수 있게 된다.
또한 부언하면, 본 실시예에 따른 제어를 실시함으로써 배기 중에 국소적인 리치 분위기가 형성되어 있어도 그 주위는 린 분위기로 유지되기 때문에, NOx 촉매의 하류에, 예를 들면 린 분위기에서 환원제의 산화를 촉진하는 산화 촉매를 분배함으로써, NOx 촉매를 그냥 지나친 환원제의 과잉분을 확실히 정화하게 하는 구성으로 구축하는 것도 용이하다.
또한, 상기 환원제 첨가 제어에 있어서 채용하는 액적(환원제)의 입자 직경으로서는 적용되는 환원제의 물리적·화학적 특성, 배기의 성상, 혹은 촉매(41)의 특질이나 상태에 따라서도 다르지만, 적어도 10㎛ 이상, 바람직하게는 20㎛ 내지 100㎛ 정도, 더욱 바람직하게는 50㎛ 근방의 값이 채용된다.
(제 2 실시예)
다음에, 본 발명을 구체화한 제 2 실시예에 관해서, 상기 제 1 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
또한, 상기 제 2 실시예에 따른 배기 정화 장치는 제 1 실시예에 따른 엔진(1)(도 1)과 동일 기능 및 구조를 갖는 내연기관을 적용 대상으로 한다. 이로 인하여, 적용 대상이 되는 내연기관이나 배기 정화 장치의 구성 요소로서 공통의 기능을 갖는 것에 대해서는 제 1 실시예에서 사용한 부호와 동일의 부호를 사용하고, 여기서의 중복하는 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 배기 정화 장치는 환원제 첨가 밸브(17)를 통하여 첨가되는 환원제의 분무를 형성하는 액적의 입자 직경을, NOx 촉매(41)의 상온에 따라서 변경하게 한 점에서, 제 1 실시예와는 다른 환원제 첨가 제어를 행한다.
도 4에는 본 실시예에 따른 ECU(80)가, 배기 시스템(40)에 환원제 첨가를 행함에 있어서 그 첨가량이나 첨가 시기를 제어하기 위해서 실시하는 「환원제 첨가 제어 루틴」의 처리 내용을 도시한다.
본 루틴에서, 스텝 S201, S202 각각에서의 처리 내용은 제 1 실시예에 따른「환원제 첨가 제어 루틴」(도 2)의 스텝 S101, S102 각각에서의 처리 내용과 기본적으로는 동등하다. 단지, 스텝 S201에서는 엔진(1)의 운전 상태로서, 촉매(41) 하류의 NOx 농도 CNOx 나 배기 온도(TEX)의 이력, 기관 회전수(NE), 혹은 액셀러레이터 페달의 밟는 양(ACC)에 추가하여, NOx 촉매(41)의 상온을 파악한다. NOx 촉매의 상온은 촉매 케이싱(42)에 온도 센서를 설치하여 실측하는 것으로서도 가능하고, 배기 온도(TEX)를 기초로 액셀러레이터 페달의 밟는 양(ACC) 등 다른 파라미터를가미하여 추정하도록 하여도 된다.
계속되는 스텝 S202에서, 환원제 첨가의 실행 조건의 모두가 성립하고 있다고 판단한 경우, ECU(80)는 스텝 S203에서, 상기 스텝 S201에서 파악한 NOx 촉매(41)의 상온에 기초해서, 현재의 환원제 첨가에 채용하는 환원제(액적)의 입자 직경을 결정한다.
예를 들면 도 5에는 액적상의 환원제로 형성되는 분무를 배기 시스템(40)에 첨가하여 촉매(41)내의 흡장 NOx를 환원 및 정화하는 경우, 분무를 형성하는 액적(환원제)의 입자 직경과, NOx의 환원 효율(정화 효율)간의 관계를 도시하는 그래프이다. 또한, 동 도면 중에서, 실선은 촉매(41)의 상온이 상대적으로 낮은 조건(예를 들면 250℃)에 상당하는 것이고, 파선은 촉매(41)의 상온이 상대적으로 높은 조건(예를 들면 400℃)에 상당하는 것이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, NOx 정화효율을 최적화하는 액적의 입자 직경은 촉매(41)의 상온에 따라서 다르다(점 Q, R을 참조).
그래서, 본 실시예에 따른 배기 정화 장치[ECU(80)]는 NOx의 정화 효율을 최적화하는 액적(환원제)의 입자 직경을 촉매(41)의 상온에 대응하는 수치로 하여 예를 들면 ROM(82)에 기억해 놓고, 상기 스텝 S203에서는 상기 맵을 참조하여 현재의 환원제 첨가에 채용하는 환원제(액적)의 입자 직경을 결정한다.
이것에 계속해서 ECU(80)는 제 1 실시예에 따른 「환원제 첨가 제어 루틴」(도 2)의 스텝 S103과 마찬가지로 환원제 첨가 밸브(17)나 계량 밸브(16)를 구동함으로써, 소망의 입자 직경의 액적으로 형성되는 환원제의 분무를 배기 시스템(40)에 첨가 공급한다(스텝 S204).
스텝 S204를 거친 후, ECU(80)는 본 루틴을 일단 종료한다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 배기 정화 장치에 의하면, 액적상의 환원제를 활용한 흡장 NOx의 환원 정화시에, NOx 촉매의 정화 효율을 결정짓는 2개의 지배적인 파라미터(액적의 입자 직경 및 촉매 반응의 온도 조건)의 관계로부터, NOx 촉매의 정화 효율이 최적화되어지게 된다. 따라서, NOx 촉매의 기능에 대하여 지배적인 환경 조건(온도 조건)이 변동하였다고 해도, 액적상의 환원제의 분무를 적용하여 얻어지는 높은 배기 정화율이 항상 확보되어지게 된다. 이것은 린 분위기의 혼합기를 기관 연소에 제공하게 하는 기회가 많고, 배기 온도의 변동이 심한 이러한 종류의 내연기관에 있어서, 상기 제 1 실시예에서 설명한 액적상 환원제의 첨가에 의한 효능이, 현저하게 높여지는 것을 의미한다.
또한, 본 실시예에 있어서는 촉매(41)의 상온에 따라서 환원제 첨가 밸브를 통하여 첨가하는 액적(환원제)의 입자 직경을 변경하는 것으로 하였지만, 이것을 대신하여, 혹은 이것에 추가하여, 배기 온도(TEX)에 따라서 액적의 입자 직경을 변경하는 제어 구조를 적용하여도 된다.
또한, 상기 각 실시예에 있어서는 환원제로서 디젤 엔진의 연료(경유)를 적용하는 것으로 하였지만, NOx를 환원하는 기능을 갖는 환원 성분으로서, 배기 중에 액적으로서 존재할 수 있는 것이면, 다른 환원제, 예를 들면 가솔린, 등유 등을 사용하여도 관계없다.
또한, 상기 각 실시예에서는 연료 탱크로부터 커먼 레일(12)에 연료를 공급하는 서플라이 펌프(11)를 사용하여, 서플라이 펌프(11)가 퍼올린 연료의 일부를 배기 시스템(40)내에 첨가 공급하는 장치 구성을 적용하는 것으로 하였다. 그러나, 이러한 장치 구성에 한정하지 않고, 예를 들면 첨가 연료를 연료 탱크, 혹은 다른 연료(환원제) 공급원으로부터 공급하는 독립한 공급 시스템을 구비하는 장치 구성을 적용하여도 된다.
또한, 상기 각 실시예에서는 본 발명의 배기 정화 장치를 내연기관으로서의 직렬 4 기통의 디젤 엔진(1)에 적용하는 것으로 하였지만, 희박 연소를 행하는 가솔린 엔진에도 적합하게 본 발명을 사용할 수 있다. 또한, 직렬 4 기통의 내연기관에 한정하지 않고, 탑재 기통수가 다른 내연기관에도 본 발명을 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 배기 중에 첨가된 환원제의 확산이 억제되어, 첨가된 환원제가, 배기 중에 비교적 짙은 안개 형태의 덩어리(국소적인 리치 분위기)를 형성하면서 상기 NOx 촉매까지 이송되어지기 때문에, NOx 촉매에 대하여 필요 최소량의 환원제를 효율적으로 작용시켜 NOx의 환원 정화를 행할 수 있게 된다.
또한, NOx 촉매를 그냥 지나친 환원제의 과잉분을 확실히 정화하는 것이 용이하게 된다.
또한, NOx 촉매에 대하여 필요 최소량의 환원제를 효율적으로 작용시켜 NOx의 환원 정화를 행한 후에, 적합한 조건이 용이하게 설정되게 된다.

Claims (4)

  1. 내연기관의 배기 시스템에 설치되며, 배기 중의 환원 성분 농도가 높아지면 NOx의 환원 반응을 촉진하는 특성을 구비한 NOx 촉매와,
    상기 배기 시스템을 통하여 상기 NOx 촉매에 유입하는 배기 중에 환원제를 첨가하는 환원제 첨가 수단을 구비한 내연기관의 배기 정화 장치에 있어서,
    상기 환원제 첨가 수단을 제어하여, 상기 배기 중에 액적상(液滴狀)의 환원제를 첨가시키는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액적상의 환원제는 10㎛ 이상의 입자 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 NOx 촉매의 상온(床溫; floor temperature)에 따라서 상기 액적상 환원제의 입자 직경을 변경하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 NOx 촉매의 상온이 높아질 수록 상기 액적상 환원제의 입자 직경을 크게 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
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