KR20030094340A - 내연기관의 배기정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기통로(1)에 흡장촉매(2)를 설치한 내연기관(100)에 관한 것으로, 상기 배기통로(1)의 흡장촉매(2)의 하류측에 산소센서(3)를 설치하고, 리치스파이크 실행시에 상기 산소센서(3)의 출력전압값이 최고값을 기록하기 전의 작은 변화량의 전압값을 기록하는 시간의 길이에 따라 NOX흡장환원촉매(2)의 열화상태를 판정하는 판정수단을 구비한다.

Description

내연기관의 배기정화장치{Exhaust gas cleaner for internal combustion engine}
배기통로에 NOX흡장환원촉매(이하, 흡장촉매라고 함)를 구비한 내연기관에 서는 흡장촉매에 NOX가 있는 정도까지 흡장되면, 공연비를 일시적이고 급격하게 린(lean)에서 리치(rich)로 바꾸는 리치스파이크(rich spike)라고 불리는 조작을 행하여, 흡장된 NOX를 환원하여 제거하고 있다.
이 리치스파이크에 의하여 흡장촉매를 재생하는 방법의 발명으로 본 출원인이 출원한 일본 특허공개 제 2000-45752호"내연기관에서 질소산화물 흡장환원촉매의 정화방법"이 있다. 일본 특허공개 제 2000-45752호의 발명에서는, 다음의 2단계를 거쳐 흡장촉매의 흡장능력을 충분히 발휘할 수 있도록 배려하고 있다. 제 1단계에서는 흡장촉매의 NOX의 흡장가능용량을 파악하고, 제 2단계에서는 흡장촉매에 유입된 NOX의 적산(積算)값이 흡장가능용량에 이르면(또는 이르기 직전에) 리치스파이크를 실행하여 흡장촉매를 정화한다.
그러나, 흡장촉매는 배기가스 중에 함유된 유황성분에 의하여 해를 입기 때문에, 시간이 경과함에 따라 열화(劣化)하여 NOX의 흡장가능용량이 감소하여 버린다. 해를 입은 흡장촉매로부터 유황성분을 제거하는 방법으로는, 본 출원인이 출원한 일본 특허공개 제 2000-8909호"내연기관의 제어방법"이 있다. 이 일본 특허공개 제 2000-8909호의 발명에는 내연기관의 운전시간이 소정의 시간(예컨대 100분)을 경과하면, 공연비를 린으로부터 리치로 바꾸어 배기온도가 600℃이상의 환경하에서 소정의 시간(10분정도)동안 운전함으로써 흡장촉매를 재생시키고 있다.
이와 같이, 종래는 흡장촉매가 유황성분에 의하여 어느 정도 해를 입었는지를 내연기관의 운전시간으로부터 추측할 뿐이었다. 결국, 흡장촉매의 실제 열화상태를 파악할 수 없어서, 소정 시간이 경과하면 기계적으로 재생작업을 행하고 있다. 여기서, "흡장촉매의 열화"는 유황성분에 의한 해를 입는 것과 열열화(熱劣化)에 의한 흡장촉매의 정화성능의 저하를 의미하고 있다.
본 발명은 배기통로에 NOX흡장(吸藏)환원촉매를 구비한 내연기관의 배기정화장치에 관한 것이다.
도 1은 청구항 1의 발명을 실시한 내연기관의 정면개략도이다.
도 2는 산소센서의 출력전압의 파형을 나타낸 그래프이다.
도 3은 흡장촉매의 상류측과 하류측의 CO농도의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 흡장촉매의 하류측이 CO농도를 일정하게 유지할 때 상류측의 CO농도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 흡장촉매의 온도와 NOX흡장가능용량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 청구항 7 및 청구항 8의 발명을 실시한 내연기관의 정면개략도이다.
도 7은 청구항 4의 발명을 실시한 내연기관의 정면개략도이다.
도 8은 도 7에 도시된 내연기관의 운전상태가 변화할 때 배기가스온도의 시간변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 기관부하와 기관회전수에 따른 흡장촉매의 온도분포를 나타낸 그래프이다.
도 10은 흡장촉매의 재생속도와 공연비(λ)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11은 청구항 6의 발명을 실시한 내연기관의 정면개략도이다.
도 12는 흡장촉매의 재생속도와 온도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 13은 공연비(λ)와 흡장촉매하류측의 CO농도 및 NOX농도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 14는 흡장촉매가 별로 열화하지 않은 경우와 어느 정도 열화가 진행한 경우에 흡장촉매상류측의 설정된 CO농도와 재생완료시간의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 목적은 흡장촉매의 실제 열화상태를 파악함과 동시에, 단시간에 흡장촉매를 재생할 수 있는 내연기관의 배기정화장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 성취하기 위해, 배기통로에 흡장촉매를 설치한 내연기관에 있어서, 상기 배기통로의 흡장촉매의 하류측에 산소센서를 설치하고, 리치스파이크 실행시에 상기 산소센서의 출력전압값이 최고값을 기록하기 전의 작은 변화량의 전압값을 기록하는 시간의 길이에 따라 흡장촉매의 열화상태를 판정하는 판정수단을 구비한다.
또한, 상기 판정수단에 의하여 판정된 흡장촉매의 열화의 정도가 크게 될수록 흡장촉매의 재생시에 흡장촉매보다 상류측 배기통로내의 CO농도가 높게 되도록 설정하는 공연비설정수단을 구비한다.
또, 흡장촉매의 재생시에 상기 흡장촉매보다 하류측의 배기통로내의 CO농도가 일정하게 되도록 흡장촉매보다 상류측의 배기통로내의 공연비를 설정하도록 한다.
배기가스유량 검출수단과 배기가스 중의 NOX농도를 검출하는 NOX농도검출수단 및 흡장촉매의 온도를 검출하는 온도센서를 구비하고, 상기 배기가스유량 검출수단과 NOX농도검출수단에 의하여 얻어진 배기가스유량과 NOX농도로부터 흡장촉매에 유입된 단위시간 당 NOX량을 산출하는 산출수단을 구비하며, 상기 온도센서에 의하여 상기 흡장촉매의 NOX흡장가능용량을 추정하여, 흡장촉매에 유입된 적산NOX량이 흡장가능량에 이르면 흡장촉매의 재생을 행하도록 한다.
열화된 흡장촉매의 NOX흡장가능용량을 추정하여, 이 NOX흡장가능용량에 따라리치스파이크의 실행간격을 설정하도록 한다.
또한, 흡장촉매의 하류측의 배기통로내에 2차공기공급통로와 산화촉매를 배치하고, 흡장촉매를 통과한 CO를 상기 산화촉매내에서 산화시키도록 한다.
또, 흡장촉매의 상류측의 배기통로내에 산소흡장기능과 산화기능을 갖는 삼원촉매를 배치한다.
이, 삼원촉매와 흡장촉매를 일체로 유니트화하여, 배기통로의 상류측에 삼원촉매가 오도록 상기 유니트를 배치하도록 한다.
이에 따라, 메모리(5)에 기억된 열화되지 않은 흡장촉매(2)에 의한 산소센서(3)의 출력전압데이터와, 리치스파이크 실행시에 실측한 산소센서(3)의 출력전압값의 파형을 CPU(4)가 비교함으로써, 흡장촉매(2)의 열화의 진행정도를 추정할 수 있다. 그러므로, 흡장촉매(2)를 NOX흡장기능을 충분히 발휘할 수 있는 상태로 유지할 수 있어서, 우수하게 NOX를 정화할 수 있다.
흡장촉매(2)의 열화의 정도에 따라, 흡장촉매(2)보다 상류측의 배기통로(배기관(1))내의 CO농도를 설정하는 공연비설정수단(연료공급량 조정밸브(10))을 구비하기 때문에, 양호하게 흡장촉매(2)를 재생시킬 수 있어서, 상당히 우수하게 NOX를 정화할 수 있다.
흡장촉매(2)보다 하류측의 CO농도가 일정하게 되도록 흡장촉매(2)보다 상류측의 공연비(λ)를 설정하도록 하기 때문에, 배출된 CO농도를 환경기준값내의 소정농도로 억제하면서 흡장촉매(2)의 재생시간을 최대한 짧게 할 수 있다. 그러므로,열효율을 높게 유지할 수 있다.
흡장촉매(2)의 NOX흡장가능용량을 추정하여, 흡장촉매(2)에 유입되는 NOX량의 총량(적산NOX량)이 NOX흡장가능용량에 이르면 흡장촉매(2)의 재생을 행하도록 하기 때문에, 흡장촉매(2)의 흡장능력을 최대한 유효하게 활용할 수 있다.
내연기관의 회전수와 부하 등의 운전환경의 변화에 관계없이, 배출된 NOX의 총량을 산출하도록 하기 때문에, 흡장촉매(2)의 재생시간을 적절히 판단할 수 있고, 우수한 정화성능을 발휘할 수 있다.
흡장촉매(2)의 열화정도에 따라 NOX의 흡장가능용량을 추정하여, 리치스파이크의 실행간격을 설정하도록 하기 때문에, 흡장촉매(2)의 열화정도에 따라 필요한 최소한의 재생을 할 수 있고, 공연비(λ)가 리치상태에서의 운전시간을 최대한 짧게 하는 것이 가능하여, CO의 배출을 최소한으로 억제할 수 있음과 더불어, 열효율을 높게 유지할 수 있다.
흡장촉매(2)의 하류측의 배기통로(배기관(1))에 산화촉매(20)를 배치하기 때문에, 흡장촉매(2)를 재생시킬 때에 사용되었던 CO가 대기중에 배출되는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 즉, 재생에 유효한 CO를 다량으로 흐르게 하더라도, 흡장촉매(2)를 통과한 CO(재생에 사용되었던 분량의 CO)는 산화촉매(20)로 산화처리할 수 있기 때문에, 대기중에 CO를 배출하는 것이 방지될 수 있다.
흡장촉매(2)의 상류측의 배기통로(배기관(1))에 삼원촉매(19)를 설치하고, 흡장촉매(2)의 재생시에 흡장촉매(2)의 상류측에서 삼원촉매(19)에 의해 산소를 흡장시키도록 하기 때문에, 흡장촉매(2)를 양호하게 재생시킬 수 있고, 우수한 정화성능을 발휘할 수 있다.
삼원촉매(19)와 흡장촉매(2)를 유니트화하여 배기통로(배기관(1))에 설치하도록 하기 때문에, 삼원촉매(19)와 흡장촉매(2)의 사이에서 배기가스의 온도가 저하하는 것을 방지할 수 있고, 고온에서 흡장촉매(2)를 재생할 수 있다. 그러므로, 확실하게 흡장촉매(2)를 재생할 수 있으며, 흡장촉매(2)는 양호하게 NOX를 정화시킬 수 있다.
청구항 1의 발명의 실시예
도 1은 청구항 1의 발명을 실시한 내연기관(100)의 정면개략도이다. 내연기관(100)의 배기관(1)에는 유니트화된 NOX흡장환원촉매(2;이하 흡장촉매라 한다)가 설치되어 있다. 흡장촉매(2)의 하류측의 배기통로(배기관(1))에는 산소센서(3)가 설치되어 있다. 또한, 흡장촉매(2)의 상류측의 배기통로(배기관(1))에는 배기가스의 공연비(λ)를 정밀하게 검출하기 위한 산소센서(3a)가 설치되어 있다.산소센서(3,3a)는 각각 신호선(6,6a)을 매개로 하여 CPU(4)와 접속되어 있다. 산소센서(3,3a)에서 검출한 검출신호는 신호선(6,6a)을 매개로 하여 CPU(4)로 전달된다. 또한, CPU(4)는 상세하게 후술할 메모리(5)에 접속가능하게 되어 있다.
도 2는 산소센서(3)의 출력전압의 파형을 나타낸 그래프이다. 도 1에 도시된 흡장촉매(2)는 배기관(1)내를 흐르는 배기가스 중의 NOX를 흡장하지만, 흡장량이 흡장가능용량에 이르면 그 이상 흡장할 수 없게 된다. 그래서, 흡장량이 흡장가능용량의 예컨대 90%에 이르면, 공연비(λ)를 이론공연비보다 약간 리치한 측에 설정하는 리치스파이크라고 부르는 조작을 행한다.
도 2에서 리치스파이크는 시간 t1으로부터 시간 t2까지 행해지고 있다. 내연기관(100;도 1 참조)의 통상적인 운전시, 공연비(λ)는 린(λ=1.3 ~ 1.5)에 설정되어 있다. 공연비(λ)의 값이 크게 될수록(즉, 희박하게 될수록) 산소농도는 높게 된다. 산소센서(3)의 출력전압값은 산소농도가 높게 될수록 낮게 된다. 그러므로, 도 2에 도시된 바와 같이 리치스파이크의 실행 중에는 산소농도가 낮게 되기 때문에 출력전압은 높게 되어 있다.
그런데, 도 2에서 시간 t3으로부터 시간 t4까지의 사이는 전압값이 EA에서 대부분 변화하지 않고(청구항 1의 "작은 변화량의 전압값", 시간 t4를 지나면 다시 급격하게 상승하고 있는 것을 알 수 있다. 공연비(λ)가 린인 경우에 흡장촉매(2)는 NOX를 흡장함과 동시에 산소도 흡장한다. 리치스파이크를 실행하면, 흡장촉매(2)에흡장된 산소가 방출되기 때문에, 흡장촉매(2)의 하류측의 배기관(1)내에 있는 산소농도가 일시적으로 높게 되고, 흡장된 산소가 다 방출되기까지는 리치스파이크의 실행중에도 관계없이, 시간 t3으로부터 시간 t4까지의 사이에는 산소농도가 대부분 변화하지 않아서, 이것이 산소센서(3)의 출력전압값에도 반영되고 있다.
리치스파이크는 예컨대 5초간 행하여지고, 흡장촉매(2)가 신품(新品)인 경우에는 시간 t4에서 흡장하고 있던 산소를 다 방출한다. 흡장촉매(2)의 열화가 진행되면, 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이 시간 t4에 이르기 직전의 시간 t5에서 흡장하고 있던 산소를 다 방출한다.
흡장촉매(2)가 신품으로 흡장능력이 높을 때에는, NOX와 함께 산소도 다량으로 흡장된다. 그러나, 흡장촉매(2)가 장시간 사용되어 열화(황성분에 의한 해를 입음)가 진행되면, 흡장능력이 저하되어 리치스파이크를 실행할 때에 방출된 산소량도 적게 된다. 이 때문에, 흡장촉매(2)가 열화되면 도 2에 도시된 시간 t4에서 산소가 모두 다 방출되고, 전압값은 비교적 조기에 최고값 EB까지 상승한다. 그러므로, 이 산소센서(3)의 출력전압의 파형에 의하여, 흡장촉매(2)의 열화의 진행정도를 알 수 있다. 그러므로, 미리 NOX흡장촉매(2)의 산소흡장량(NOX흡장량)과 전압파형과의 상관관계를 실험에 의하여 구하여 두고, 도 1의 메모리(5)에 기억시켜 둔다. 메모리(5)에 기억된 데이타와, 리치스파이크 실행시에 실측된 산소센서(3)의 출력전압값의 파형을 CPU(4)가 비교하여 흡장촉매(2)의 열화의 진행정도를 추정할 수 있다.
청구항 2의 발명의 실시예
도 1에 도시된 바와 같이, 공기공급관(7)과 연료공급관(9)이 혼합기(8)에 접속되어 있다. 혼합기(8)에서 생성된 혼합기체는 혼합기(8)로부터 혼합기체공급관(11)을 매개로 하여 내연기관(100)의 연소실(도시되지 않음)에 공급되고, 연소실에서 연소가 행해진다.
연소실로 공급된 혼합기체의 공연비(λ)는 연료공급관(9)의 도중에 설치한 연료공급량 조정밸브(10)의 개방정도를 조정하여 변경시킬 수 있다. 즉, 개방정도를 작게하면, 연료의 공급량이 감소하여서 공연비(λ)는 크게 되고(린으로 됨), 반대로 개방정도를 크게 하면 공연비(λ)는 작게 된다(리치로 된다). 이 공연비(λ)의 변화는, λ=1 부근에서는 산소센서(3a)에 의하여 정밀하게 검출된다.
도 13은 공연비(λ)와 CO농도 및 NOX농도의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 공연비(λ)가 리치하게 될수록 흡장촉매 하류측의 CO농도는 높게 되어 NOX농도는 낮게 된다. 반대로 공연비(λ)가 린으로 되면, CO농도는 낮게 되어 NOX농도는 높게 된다. CO와 NOX양쪽의 농도가 비교적 낮게 되는 공연비(λ)의 영역을 정화윈도우라 한다.
열화된 흡장촉매(2)에서 유황성분을 제거하는 작업을 "재생"이라 한다. 흡장촉매(2)를 재생하면 흡장촉매(2)에서 유황성분이 제거되고, NOX의 흡장가능용량이 신품일 때의 흡장가능용량에 접근한다.
도 10에 도시된 바와 같이, CO농도가 높게 될수록 재생속도가 빠르게 된다.CO농도가 높게 될수록 유황성분을 제거하는 것에 유리하기 때문에, 연료공급량 조정밸브(10;공연비설정수단)의 개방정도를 조정하여 재생시에는 공연비(λ)를 정화윈도우의 리치또의 단부(λ= 0.99 ~ 0.997)로 설정하고, 배기가스의 온도가 재생이 가능한 온도가 되도록 내연기관(100)을 운전한다. 이 때의 배기가스온도는 600℃이상으로 되는 것이 좋다.
도 3에 도시된 바와 같이 촉매상류의 CO농도를 일정하게 유지하면, 흡장촉매 하류측의 CO농도는 초기에 낮게 되는데, 시간 tA가 되면 소정의 값까지 상승한다. 흡장가능용량이 큰 신품의 흡장촉매가 흡장한계까지 NOX와 산소를 흡장하면, 흡장촉매환원시 CO에 반응시킨 NOX와 산소량이 많게 된다. 그러므로, CO의 반응하는 대상물(NOX와 산소)이 없어져서, CO농도가 소정의 값까지 상승하는 데에 시간이 걸린다. 그러나, 해를 입은 흡장촉매는 흡장가능한 용량이 적어서, 흡장한 NOX량 및 산소량이 적기 때문에, 흡장촉매환원시 CO와 반응시킨 NOX와 산소량이 적어서, CO농도는 시간 tB전의 시간 tA가 되면 소정의 값까지 상승한다.
도 4에 도시된 바와 같이 재생초기에는 CO농도가 높게 되도록 설정하여도 흡장촉매의 하류측에 CO가 벼로 흐르지 않는다. 그러므로, 재생의 정도에 따라 흡장촉매 상류측의 CO농도를 낮게 설정할 수 있다면, 흡장촉매 하류측의 CO농도를 낮게 억제함과 동시에 흡장촉매의 재생시간을 단축할 수 있다.
도 4에서는 흡장촉매 하류측의 CO농도를 배출가능한 환경기준치내로 설정하여, 흡장촉매재생 중의 흡장촉매 하류측의 CO농도가 그 설정값으로 되도록 흡장촉매 상류측의 CO농도를 설정한다. 흡장촉매 하류측의 CO농도가 환경기준치를 초과하지 않도록 재생 중의 흡장촉매 상류측의 CO농도를 미리 높게 함으로써, 배기가스 중의 CO농도를 낮게 억제함과 동시에 흡장촉매의 재생시간을 단축할 수 있다.
도 14는 흡장촉매가 별로 열화되지 않은 경우와 어느 정도 열화가 진행된 경우에 흡장촉매 상류측의 설정된 CO농도와 재생완료시간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 설정된 CO농도가 같아지면 열화가 진행될수록 해를 입은 량이 많게 되기 때문에 재생이 완료하는 데에 시간이 걸린다. 또한, 재생시간을 나우면, 별로 열화하지 않은 경우에는 재생시의 CO농도를 낮게 설정할 수 있다.
청구항 3의 발명의 실시예
청구항 2의 발명의 실시예에 있어서, 흡장촉매(2)를 재생하고 있는 동안은 흡장촉매(2)의 하류측에 있는 배기관(1)내의 CO농도가 일정하게 되도록 흡장촉매(2)의 상류측의 공연비(λ)를 설정한다.
흡장촉매(2)의 열화의 정도마다 패턴을 나누어서, 설정된 하류측 CO농도와, 조정된 상류측 CO농도와의 관계를 미리 조사하여 지도를 작성하고, 그 지도를 메모리(5)에 기억시켜 둔다.
산소센서(3)의 출력전압파형(도 2참조)에서 흡장촉매(2)의 열화정도를 추정하고, 하류측 CO농도의 설정값을 선정함으로써, CPU(4)는 메모리(5)에 기억된 지도를 참조하여 상류측 C0농도를 적절하게 조정할 수 있도록 연료공급량 조정밸브(10)의 개방정도를 조정한다.
청구항 4의 발명의 실시예
도 7에 도시된 바와 같이 내연기관(102)에는 기관회전수검출장치(13)와 기관부하검출장치(14)가 설치되어 있다. 여기에서 검출된 검출신호는 CPU(4)에 보내어진다. 또한, 배기관(1)에는 온도센서(15)가 설치되어 있다. CPU(4)는 온도센서(15)로 검출한 배기가스의 온도로부터 흡장촉매(2)의 온도를 추정한다.
도 5는 흡장촉매(2)의 온도와 NOX흡장가능용량의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 흡장촉매(2)가 신품이거나 열화하고 있더라도 온도가 상승하면 NOX의 흡장가능용량이 변화한다. 그러므로, 흡장촉매(2)의 열화정도와 온도로부터 흡장가능한 용량을 구할 수 있다.
우선, 흡장촉매(2)의 열화정도마다 온도와 흡장가능량의 관계를 미리 실험하여 구하여 두고, 지도를 작성하여 메모리(5)에 기억시켜 둔다. 내연기관(102)의 운전상태에 따라 흡장촉매(2)의 온도는 변화하는데, 그 온도는 온도센서(15)로 검출하고, 검출신호를 CPU(4)에 전송한다. 덧붙여서, 도 9에 도시된 바와 같이 기관부하 및 기관회전수 중 어느 것이 크게 되어도 배기가스온도(흡장촉매(2)의 온도)는 상승함을 알 수 있다.
흡장촉매(2)의 열화정도는 도 2의 산소센서(3)의 출력전압파형으로부터 추정할 수 있다. 그러므로, 이로부터 현재의 흡장촉매(2)에 의한 NOX의 흡장가능용량을 파악할 수 있다.
다음에, 상기 흡장촉매(2)에 어느 정도의 농도를 갖는 NOX가 유입하고 있는지를 조사한다. 내연기관(100)의 운전상황은 공연비(λ)와 기관회전수검출장치(13) 및 기관부하검출장치(14)로 검출한 기관회전수와 기관부하로부터 파악할 수 있다. 이들에 의하여 배기가스유량과 배기가스 중의 NOX농도를 검출할 수 있다.
배기가스유량검출수단, NO X 농도검출수단
흡장촉매(2)에 유입되는 단위시간 당 NOX량을 CPU(4; NOX량 산출수단)에 의하여 산출한다. CPU(4)는 위에서 구한 현재의 흡장촉매(2)의 흡장가능용량이 예컨대 90% ~ 95%에 이르면, 리치스파이크를 행하여 흡장된 NOX를 환원제거한다. 이렇게 하여서, 흡장촉매(2)의 열화정도에 따라 흡장능력을 충분히 발휘시킬 수 있고, 배기가스의 정화를 우수하게 이행할 수 있다.
물론, CPU(4)가 산출한 NOX의 총량(적산NOX량이 흡장촉매(2)의 흡장가능용량의 100%에 이르기까지 흡장을 행하여, 그 후에 리치스파이크를 실행하여도 좋지만, 대기로 배출하는 배기가스 중에 함유된 NOX량이 증가할 염려가 있기 때문에, 상기와 같이 흡장가능용량의 90% ~ 95% 정도를 흡장상한으로 설정하는 것이 바람직하다.
청구항 5의 발명의 실시예
청구항 4의 발명의 실시예에 있어서는, 흡장촉매(2)의 흡장가능용량의 90% ~ 95%정도를 흡장상한으로 설정하는데, 흡장한 NOX를 환원제거할 때에는 CPU(4)가 산출한 적산NOX량에 상당한 NOX가 환원제거되는 것에 필요한 시간만큼 리치스파이크를 행하도록 한다.
즉, 흡장촉매(2)의 흡장가능용량(또는 흡장가능용량의 90% ~ 95%)에 상당한 NOX가 흡장되는 린운전시간이 경과하면 리치스파이크를 행하도록 한다.
이와 같이 리치스파이크를 행하면, 흡장촉매를 우수하게 정화할 수 있을 뿐만 아니라, 공연비(λ)를 리치로 되게 함으로써 배출된 CO량을 필요한 최소한으로 억제할 수 있고, 열효율의 저하를 최소한으로 억제할 수 있다.
청구항 6의 발명의 실시예
도 11은 청구항 6의 발명을 실시한 내연기관(104)의 정면개략도이다. 전술한 청구항 2 및 청구항 3의 발명에서는, 흡장촉매(2)를 재생할 때의 흡장촉매(2)보다 상류측의 배기관(1)내의 CO농도가 높게 되도록 공연비(λ)를 설정하고 있다. 그러나, 배기가스 중의 NOX, SOX등의 정화에 기여하지 않는 CO가 대기 중에 배출되지 않게 하는 조치가 필요하다. 그래서, 내연기관(104)에는 흡장촉매(2)보다 하류측의 배기통로(배기관(1))에 산화촉매(20)를 배치한다.
더욱이 내연기관(104)에는 산화촉매(20) 상류의 배기통로내에 2차공기를 공급하는 펌프(21)가 설치되어 있다. 이 펌프(21)와 흡장촉매(2)의 사이에 산소센서(3b)가 설치되어 있다. 산소센서(3b)는 2차공기내의 산소를 검출하지 않도록 반드시 펌프(21)보다도 상류측에 설치한다. 산소센서(3b)는 흡장촉매(2)를 통과하는 산소만을 검출하고, 흡장촉매(2)의 흡장용량을 감시하는 역할을 한다. 내연기관(104)의 그 외의 구성은 내연기관(100)의 구성과 동일하다. 펌프(21)에 의해 공급된 공기는 산화촉매(20)내에서 CO를 산화(즉 정화)시킨다.
덧붙여서 청구항 2 및 청구항 3의 발명에서는 CO를 과잉으로 공급함으로써 CO가 대기중에 배출되는 것을 회피할 필요가 있다. 즉, 대기중에 배출하는 NOX량 또는 CO량을 최소로 억제하기 위해서는 어느 정도 엄격한 공연비의 관리가 필요하다.
청구항 6의 발명에서는 다소 CO를 공급하여 통과하여도 산화촉매(20)로 정화할 수 있기 때문에, 공연비의 관리는 좋아지고 있다. 즉, 내연기관(104)에서는 산소센서(3a)를 생략할 수 있다.
청구항 7과 청구항 8의 발명의 실시예
도 6은 청구항 7 및 청구항 8의 발명을 실시한 내연기관(103)의 정면개략도이다. 내연기관(103)에는 흡장촉매(2)의 상류측에 삼원촉매(19)를 배치한 점만이 내연기관(100)과 서로 다르고, 그 외의 구성은 내연기관(100)의 구성과 동일하다.
공연비(λ)를 제어할 때, 산소센서(3a)의 출력전압값이 급격하게 변동할 때까지 연료공급량 조정밸브(10)를 조작하고, 이 연료공급량조정밸브(10)의 조작량으로 조작 전의 공연비(λ)를 검출한다. 이 조작을 린스파이크(lean spike)라고 한다.
흡장촉매(2)를 재생할 때에는 먼저 린스파이크를 행하여, 현재의 공연비(λ)가 어떠한 값으로 되어 있는 지를 검출한 후에 공연비(λ)를 재생에 필요한 양만큼 리치측으로 변경시키다.
산소가 존재하면 흡장촉매(2)의 재생에 지장을 초래한다. 그 때문에, 재생작업을 개시하기 전에 린스파이크를 실행할 때에 발생한 산소를 제거할 필요가 있다.그러므로, 흡장촉매(2)의 상류측에 배치한 삼원촉매(19)에 의하여 산소를 흡장하고, 산소가 하류측의 흡장촉매(2)로 흐르지 않도록 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 삼원촉매(19)와 흡장촉매(2)를 유니트화하여 배기통로(배기관(1))에 설치하면, 삼원촉매(19)와 흡장촉매(2)의 사이에서 배기가스의 온도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 12는 흡장촉매(2)의 재생속도와 온도의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 흡장촉매(2)의 재생속도는 고온으로 될수록 빠르게 됨을 알 수 있다. 그러므로, 내연기관(103)은 고온의 배기가스에 의하여 흡장촉매(2)를 고온상태에서 단시간에 재생할 수 있다.
본 발명은 배기통로에 NOX흡장환원촉매를 설치한 육상 및 선박용 내연기관에 적용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 배기통로(1)에 NOX흡장환원촉매(2)를 설치한 내연기관(100)에 있어서,
    상기 배기통로(1)의 흡장촉매(2)의 하류측에 산소센서(3)를 설치하고, 리치스파이크 실행시에 상기 산소센서(3)의 출력전압값이 최고값을 기록하기 전의 작은 변화량의 전압값을 기록한 시간의 길이에 따라 흡장촉매(2)의 열화상태를 판정하는 판정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 판정수단에 의하여 판정된 흡장촉매(2)의 열화의 정도가 크게 될수록 흡장촉매(2)의 재생시에 흡장촉매(2)보다 상류측에 있는 배기통로(1)내의 CO농도가 높게 되도록 설정하는 공연비설정수단을 구비하는 내연기관의 배기정화장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 흡장촉매(2)의 재생시, 상기 흡장촉매(2)보다 하류측에 있는 배기통로(1)내의 CO농도가 일정하게 되도록 흡장촉매(2)보다 상류측에 있는 배기통로(1)내의 공연비를 설정하도록 되는 내연기관의 배기정화장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스유량 검출수단과, 배기가스중의 NOX농도를 검출하는 NOX농도검출수단 및, 흡장촉매(2)의 온도를 검출하는 온도센서(15)를 구비하고서, 상기 배기가스유량 검출수단과 NOX농도검출수단에 의해 얻어진 배기가스유량과 NOX농도로부터 흡장촉매(2)에 유입된 단위시간 당 NOX량을 산출하는 산술수단을 구비하며, 상기 온도센서(15)에 의하여 상기 흡장촉매(2)의 NOX흡장가능용량을 추정하여, 흡장촉매(2)에 유입된 적산NOX량이 흡장가능량에 이르면 흡장촉매(2)의 재생을 행하도록 되는 내연기관의 배기정화장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 열화한 흡장촉매(2)의 NOX흡장가능용량을 추정하여, 상기 NOX흡장가능용량에 따라 리치스파이크의 실행간격을 설정하도록 되는 내연기관의 배기정화장치.
  6. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 흡장촉매(2)의 하류측의 배기통로(1)내에 2차공기공급통로와 산화촉매를 배치하고, 흡장촉매(2)를 통과한 CO를 상기 산화촉매내에서 산화시키는 내연기관의 배기정화장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 흡장촉매(2)의 상류측의 배기통로(1)내에 산소흡장기능과 산화기능을 갖는 삼원촉매(19)를 배치한 내연기관의 배기정화장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 삼원촉매(19)와 흡장촉매(2)를 일체로 유니트화하여, 배기통로(1)의 상류측에 삼원촉매(19)가 오도록 상기 유니트를 배치하게 된 내연기관의 배기정화장치.
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