KR20050014699A

KR20050014699A - 배기 정화 촉매 장치

Info

Publication number: KR20050014699A
Application number: KR1020040059521A
Authority: KR
Inventors: 기꾸찌세이지; 이와찌도긴이찌; 오오하라히로아끼
Original assignee: 미쯔비시 지도샤 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2005-02-07
Also published as: US20050084427A1; KR100570590B1; DE102004036478B4; US7344684B2; DE102004036478A1

Abstract

배기로(Re)에 배치되어 축 방향(유로 방향)(f)으로 관통하는 관통 구멍(31)을 갖는 담체(32)와, 관통 구멍(31)의 내면에 형성된 내화성 무기 산화물의 담지층(33)으로 이루어지고, 상기 담지층에 귀금속(34)과, 배기 공연비가 희박할 때에 배기 중의 NOx를 흡장하는 NOx 포획제를 담지하고, 배기 공연비가 이론 공연비 또는 농후할 때에 상기 흡장한 NOx를 방출하여 환원 처리하는 배기 정화 촉매 장치에 있어서, 귀금속(34)의 담지량은 담체의 배기로 상류측 영역 쪽이 배기로 하류측 영역보다도 적게 설정되어 있다.

Description

배기 정화 촉매 장치 {EXHAUST PURIFYING CATALYST DEVICE}

본 발명은 배기 가스 정화 장치에 관한 것으로, 특히 NOx를 고효율적으로 정화하는 NOx 흡장 촉매의 기술에 관한 것이다.

최근, 연비의 향상을 도모하기 위해 산소 과잉 분위기 속(희박 공연비)에서의 연소를 가능하게 한 희박 연소 내연 기관이 실용화되고 있다. 이 희박 연소 내연 기관(린번 엔진)에서는 희박 연소시에 배기 가스 중의 NOx를 흡장하여 배기 중의 NOx를 정화하는 NOx 흡장 촉매가 채용되고 있다.

NOx 흡장 촉매로서는, 산소 과잉 분위기 속(희박 공연비)에서는 NOx를 촉매 상으로 흡장시킴으로써 배기 중의 NOx를 정화하고, 산소 농도가 저하되면(이론 공연비 또는 농후 공연비) 흡장한 NOx를 방출하는 기능을 구비하고 있는 것이 알려져 있다. 즉, NOx 흡장 촉매는 산소 농도 과잉 분위기에서는, 배기 중의 NOx로부터 질산염을 생성하고, 이에 의해 NOx를 흡장하는 한편, 산소 농도가 저하된 분위기에서는 NOx 흡장 촉매로 흡장한 질산염과 배기 중의 CO를 반응시켜 탄산염을 생성하고, 이에 의해 NOx를 방출시키도록 되어 있다.

그런데, NOx 흡장 촉매는 희박 운전 중의 산소 과잉 분위기 속에서는 NOx를 촉매 상으로 흡장시키게 되지만, 희박 운전을 연속하여 행하고 NOx의 흡장량이 포화량에 도달하면, 배기 중의 NOx를 흡장할 수 없어 NOx가 대기로 배출되게 된다. 그래서, 통상은 NOx의 흡장량이 포화량에 도달하기 전에 기관의 공연비를 희박 공연비로부터 이론 공연비 또는 농후 공연비로 절환하여 배기를 산소 농도가 저하된 분위기라 하고, 이에 의해 CO 및 HC 등의 환원제를 많이 발생시켜 NOx를 방출 환원시키고, NOx 촉매의 NOx 흡장 능력을 회복시키도록 하고 있다(NOx 퍼지라 함).

이 운전 영역에서는, NOx 흡장 능력을 회복시키기 위해 기관의 공연비를 이론 공연비 또는 농후 공연비로 절환하여 NOx를 방출 환원하는 경우, 공급된 CO 및 HC 등의 환원제는 흡장된 NOx를 방출하기 위해 환원제의 일부가 소비되고, 방출된 NOx를 환원하기 위해 남은 환원제가 소비된다.

그런데, NOx 퍼지시에 CO 및 HC 등의 환원제가 적으면 NOx 흡장 촉매로 흡장된 NOx를 충분히 방출ㆍ환원할 수 없고, 희박 공연비 운전 중의 NOx 흡장 기능이 저하될 뿐만 아니라 재생 빈도가 높아져 연비가 악화된다. 그래서, NOx 흡장 촉매로 흡장된 NOx를 충분히 방출ㆍ환원할 수 있도록, 즉 CO 및 HC 등의 환원제가 충분해지도록 농후한 정도를 이론 공연비보다도 대폭으로 높게 하면, 방출ㆍ환원에 사용되지 않는 CO 및 HC 등의 환원제가 NOx 촉매의 하류로 방출된다.

본 해결법으로서, NOx 흡장 촉매 하류측에 3원 촉매를 구비하고, NOx, CO,HC를 제거하는 것이 알려져 있다(특허 문헌 1 : JP11-002114A). 특허 문헌 1에 개시된 배기 가스 정화 장치에서는 배기로에 따라서 전단 3원 촉매, NOx 촉매, 후단 3원 촉매를 이 차례로 세로로 순차 배치하는 구성을 개시하고 있다.

예를 들어, 직접 분사 린번 엔진에서는 희박 운전 중의 NOx 포획 성능과, 희박 이외의 운전 중의 HC 및 CO 정화 성능을 높게 보유 지지해야 할 필요가 있다. 그래서, 도12의 (a)에 도시한 바와 같이 배기로에 따라서 종배열로 NOx 촉매(100)와, 3원 촉매(110)를 배치한 탠덤 시스템을 이루는 배기 가스 정화 장치가 이용된다.

또한, 도12의 (b)에 도시한 바와 같이 배기로에 따라서 단일의 세라믹 담체를 배치하고, 거기에 NOx 포획 성능과 3원 촉매 성능을 함께 확보하도록 NOx 촉매(100')와 귀금속(110')을 담지한 싱글 시스템을 이루는 배기 가스 정화 장치도 이용되고 있다.

그러나, 도12의 (a)나 특허 문헌 1에 개시된 배기 가스 정화 장치에서는 촉매 수가 증가되어 촉매 용량도 증대함으로써, 배기압 손실이 증대되어 엔진 출력의 저하를 초래한다는 문제가 있다. 한편, 도12의 (b)에 개시된 싱글 시스템을 이루는 배기 가스 정화 장치에서는 용량의 증대화 및 배기압 손실의 증대를 억제할 수 있지만, NOx 포획제와 귀금속이 서로 기능을 억제하도록 작용하는 경향이 있고, NOx 포획 성능과 3원 성능을 함께 충분히 발휘시킬 수 없어 개선이 요구되고 있다.

또한, 배기 가스 정화 장치에 있어서 그 HC 및 CO 정화 성능을 향상시키는 동시에, 희박 운전 중의 NOx 정화 성능을 향상시키기 위해 촉매의 귀금속 담지량을증대시키는 것을 생각할 수 있지만, 이 경우 도리어 NOx 정화 성능이 저하된다는 문제가 발생된다. 이는, 귀금속 담지량의 증대에 수반하는 산화 성능이 높아지기 때문에, 농후 운전에서의 환원제 소비가 증대되는 점에 기인하여, 이하의 현상이 생기기 때문이라고 추측된다.

첫째로, 농후 공연비시에 NOx 흡장 촉매 상으로부터 방출되는 NOx의 환원제가 부족하다.

둘째로, 희박 공연비로부터 농후 공연비로의 절환 직후의 농후시에, 환원제가 부족하기 때문에 산소 피독에 의해 귀금속의 활성이 회복되기 어렵다(귀금속 활성이 저하된 상태가 됨).

셋째로, 농후 공연비시에 환원제가 부족하기 때문에 NOx 포획제로 흡장된 NOx의 방출이 억제되어 NOx 퍼지가 충분히 행해지지 않는다.

본 발명은, 이상의 NOx 정화 성능 저하 요인을 고려하여 배기압 손실 증대에 의한 엔진 출력의 저하를 초래하는 일없이, NOx 포획 기능과 3원 기능을 함께 발휘시켜 배기 가스 정화 효율을 높일 수 있는 배기 정화 촉매 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 3원 촉매 기능에 의한 정화 효율을 높이기 위해 O₂저장 기능(산소 흡장 기능, OSC라고도 함)도 부가하도록 하고 있다. O₂저장 기능은 산소 과잉 분위기 속에 O₂(산소)를 흡장하는 동시에 상기 흡장한 O₂를 산소 농도 저하 분위기 속으로 방출하는 특성을 갖는 기능이며, 예를 들어 산화 세륨(Ce) 등의 O₂저장제(산소흡장제, OSC제)를 첨가함으로써 실현된다.

즉, NOx 흡장 촉매에 3원 촉매 기능과 함께 O₂저장 기능을 부가함으로써, 공연비 운전 혹은 농후 공연비 운전시에 있어서, 예를 들어 O₂피드백 제어의 실시에 의해 배기 공연비가 다소 희박 공연비측 혹은 농후 공연비측이 되어도 촉매 분위기를 공연비 근방에 유지 가능하게 하고 있다. 이에 의해, 3원 촉매 기능이 최대한 발휘되어 NOx뿐만 아니라 HC나 CO도 양호하게 정화 가능하다.

그런데, 상기한 바와 같이 NOx 흡장 촉매에 O₂저장 기능을 부가하는 경우, NOx 흡장 능력의 회복을 도모하기 위해 배기를 산소 농도 저하 분위기로서 NOx 퍼지를 행하면, NOx 흡장 촉매로 공급되는 CO 및 HC 등의 환원제가 O₂저장 기능에 의해 O₂저장제로부터 방출되는 O₂에 의해 산화되어 버리고, 흡장된 NOx의 방출 및 환원이 충분히 실시되어 있지 않다는 문제가 있다. 즉, CO 및 HC 등의 환원제의 대부분이 NOx 흡장 촉매의 상류측으로 방출되는 O₂와의 산화 반응에 소비되어 버리기 때문에 하류측까지 도달하지 않고, NOx 흡장 촉매의 하류측에서는 NOx 퍼지가 거의 실시되지 않아 NOx 흡장 능력이 충분히 회복되지 않다는 문제가 있다(도13의 A부 참조). 그리고, 이러한 문제는 NOx 퍼지 시간이 짧을수록 현저하다.

또한, 촉매 반응을 촉진시키기 위해 NOx 흡장 촉매에 설치된 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등의 귀금속은 O₂가 과잉으로 존재되는 상황하에서는 상기 O₂에 덮여져 버려 활성이 저하(산소 피독)된다는 성질을 갖고 있고, 이 활성의 저하는NOx 퍼지를 행하여 귀금속을 덮은 O₂를 제거함으로써 회복시킬 수 있지만, 상기와 같이 환원제가 흡장된 O₂와의 산화 반응에 소비되어 버리면, 이러한 귀금속의 활성도 충분히 회복시킬 수 없다는 문제도 있다(도13의 B부 참조).

이 경우, NOx 퍼지 공연비의 절환시에 단순히 일시적으로 연료를 증량하고, CO 및 HC 등의 환원제를 NOx 흡장 촉매의 하류측에까지 도달하도록 증가시키는 것도 생각되지만, 기관 출력에 기여하지 않는 연료의 공급은 연비의 악화에 이어져 바람직한 것은 아니다.

또한, 본 발명은 O₂저장 기능을 구비한 NOx 흡장 촉매의 배기 정화 효율이 연비 악화를 수반하는 일없이 높이는 것이 가능한 배기 정화 촉매 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 NOx 포획제와 3원 기능을 함께 발휘시켜 배기 가스 정화 효율을 높일 수 있는 배기 정화 촉매 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 O₂저장 기능을 구비한 NOx 흡장 촉매의 배기 정화 효율이 연비 악화를 수반하는 일없이 높이는 것이 가능한 배기 정화 촉매 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 본 발명의 제1 실시 형태로서의 배기 정화 촉매 장치를 포함하는 배기 정화 장치의 개략 구성도.

도2의 (a) 및 도2의 (b)는 도1의 배기 가스 정화 장치로 이용하는 배기 정화 촉매 장치의 구성 설명도로, 도2의 (a)는 제1 실시 형태, 도2의 (b)는 제2 실시 형태.

도3은 도1의 배기 정화 촉매 장치로 이용하는 담체의 부분 확대 절결 단면도.

도4는 도1의 배기 가스 정화 장치의 구동시의 NOx 농도, 공연비의 시간이 지남에 따른 특성선 도면.

도5는 도1의 배기 가스 정화 장치의 구동시의 NOx 농도, 공연비, 펄스 분사의 모드 설명도.

도6은 도1의 배기 가스 정화 장치가 행하는 퍼지 분사 처리 루틴의 흐름도.

도7은 도1의 배기 가스 정화 장치의 특성치 설정에 있어서 참고로 하여 이용한 배기 정화 촉매 장치에 있어서의, 구동시의 NOx 농도 및 공연비의 시간이 지남에 따른 특성선 도면.

도8은 도1의 배기 가스 정화 장치의 특성치 설정에 있어서 참고로 하여 이용한 배기 정화 촉매 장치의 NOx 정화 효율 특성선 도면.

도9는 본 발명의 제3 실시 형태로서의 배기 정화 촉매 장치를 포함하는 배기 정화 장치의 개략 구성도.

도10은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 배기 정화 촉매 장치를 이용한 경우의 실험 결과를 나타내는 도면.

도11은 본 발명의 제4 실시 형태를 도시하는 도면.

도12의 (a) 및 도12의 (b)는 종래의 배기 정화 촉매 장치의 개략도로, 도12의 (a)는 제1 종래예, 도12의 (b)는 제2 종래예.

도13은 NOx 흡장 촉매에 O₂저장 기능을 부가하는 경우의 종래의 문제점을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 엔진

2 : 실린더 블록

3 : 실린더

4 : 피스톤

5 : 실린더 헤드

6 : 연소실

7 : 연료 분사 밸브

8 : 흡기 밸브

9 : 배기 밸브

11 : 점화 플러그

12 : 캐비티

13 : 흡기 포트

14 : 흡기 매니폴드

15 : 서지 탱크

16 : 트로틀 밸브

17 : 흡입 기관

18 : 에어 클리너

19 : 대기측 개구

20 : 에어 흐름 센서

21 : 포지션 센서

22 : 크랭크각 센서

23 : 배기 포트

24 : 매니폴드

25 : 배기관

26 : 배기 정화 촉매 장치

27 : 하류측 배기관

28 : 온도 센서

29 : 케이싱

30 : 공연비 센서

31 : 관통 구멍

32 : 담체

33 : 담지층

34 : 금속층

35 : ECU

상술의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 배기 정화 촉매 장치는 이하를 구비하고, 배기로에 배치되어 유로(축) 방향으로 관통하는 다수의 관통 구멍을 갖는단일의 담체와, 상기 관통 구멍을 구획하는 내면에 형성된 내화성 무기 산화물의 담지층과, 상기 담지층은 귀금속과, 배기 공연비가 희박할 때에 배기 중의 NOx를 흡장하는 NOx 포획제를 담지하고, 배기 공연비가 이론 공연비 또는 농후할 때에 상기 흡장한 NOx를 방출하여 환원 처리하고, 상기 귀금속의 담지량은 상기 담체의 상기 배기로 상류측 영역 쪽이 상기 배기로 하류측 영역보다도 적게 설정되어 있다.

본 발명의 배기 정화 촉매 장치에 따르면, 단일의 담체에 NOx 포획제와 귀금속을 각각 구비하는 동시에, 이 귀금속의 담지량을 담체의 배기로 상류측 영역 쪽이 배기로 하류측 영역보다도 적게 설정되어 있다. 단일 담체로 인해, 배기압 손실 증대에 의한 엔진 출력 저하를 최소한으로 멈추게 할 수 있다. 또한, 농후 공연비에의 절환시에 있어서, 배기로 상류측 영역의 귀금속에 의한 환원제의 소비가 억제되고, 남은 환원제가 NOx 포획제로부터 방출되는 NOx를 적확하게 환원하기 때문에 NOx 정화 효율을 높일 수 있는 동시에, 농후 퍼지 시간을 비교적 짧게 할 수 있다. 또한, 배기로 상류측 영역의 귀금속 총량이 저감되므로, 농후 퍼지시에 남은 환원제에 의해 배기로 상류측 영역뿐만 아니라 배기로 하류측 영역에서도 귀금속의 산소 피독에 의한 활성 저하를 방지할 수 있다.

게다가, 귀금속 담지량의 저감에 의해 농후 퍼지시의 귀금속에 의한 환원제 소비의 영향을 최소한으로 멈추게 하여 NOx 포획제로부터 NOx를 충분히 방출 환원할 수 있으므로, 희박시에 있어서의 NOx 포획제의 NOx 흡착 기능을 충분히 발휘할 수 있다.

상기 담지층에 보유 지지된 귀금속은 백금, 팔라듐, 로듐 등의 백금족으로부터 선발되는 적어도 1개를 포함하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 배기 정화 촉매 장치에 있어서 상기 담지층은 배기로 상류측 영역이 알카리 금속을 주체로 하고, 배기로 하류측 영역이 알칼리 토류 금속을 주체로 하여 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이 배기 정화 촉매 장치에 따르면, 귀금속의 담지량을 담체의 배기로 상류측 영역 쪽이 배기로 하류측 영역보다도 적게 설정하고, 또한 배기로 상류측 영역이 알카리 금속을 주체로 하여 NOx 촉매부로 구성되고, 배기로 하류측 영역이 비교적 귀금속의 3원 성능 저하에의 영향이 적다고 생각되는 알칼리 토류 금속을 주체로 한 3원 기능을 발휘하는 3원 촉매부로 구성됨으로써, 희박 공연비시에 있어서의 NOx 및 HC의 정화 및 농후 공연비시의 HC 및 CO의 정화에 효과적이다.

바람직하게는, 상기 배기 정화 촉매 장치에 있어서 상기 알카리 금속은 칼륨이며, 상기 알칼리 토류 금속은 바륨인 것을 특징으로 한다.

이 배기 정화 촉매 장치에 따르면, 배기로 상류측 영역의 담지층이 적어도 칼륨을 주체로 하여, 배기로 하류측 영역의 담지층이 적어도 바륨을 주체로 하여 형성되기 때문에, 비교적 고온측에서도 NOx 흡장 능력이 우수한 칼륨을 배기로 상류측 영역에 배치하여 희박시의 NOx 포획 성능을 확보하고, 또한 배기로 하류측 영역의 바륨은 비교적 귀금속의 3원 성능 저하에의 영향이 적기 때문에, 희박시의 HC 성능 및 농후 공연비시의 배기로 하류측 영역의 3원 성능이 유효하게 기능한다.

또한, 바람직하게는 본 발명의 배기 정화 촉매 장치에 따르면, 담지층에 귀금속 및 NOx 흡장 촉매와 함께 산소 흡장제를 담지하고, 상기 산소 흡장제의 담지량을 담체의 배기로 상류측 영역 쪽이 배기로 하류측 영역보다도 적어지도록 하고 있기 때문에, 산소 흡장제에 흡장되는 산소량이 담체의 배기로 상류측 영역에서는 배기로 하류측 영역보다도 적고, 고로 NOx 흡장 촉매의 NOx 흡장 능력의 회복을 도모하도록 NOx 퍼지를 행할 때, 담체의 배기로 상류측 영역에서 CO 및 HC 등의 환원제가 산소 흡장제로부터 방출되는 산소와의 반응에 의해 다 소비되어 버리는 것이 적합하게 방지되고, CO 및 HC 등의 환원제를 확실하게 담체의 배기로 하류측 영역에까지 도달시키도록 할 수 있다.

따라서, 산소 흡장제로부터 방출되는 산소와 환원제와의 반응에 의한 소비분을 고려하여 환원제, 즉 연료를 증량할 필요도 없으며, NOx 흡장 촉매로 흡장된 NOx의 방출과 환원을 담체의 배기로 하류측 영역에 있어서 충분히 실시하도록 할 수 있다. 또한, 담체의 배기로 하류측 영역에 있어서의 귀금속의 산소 피독도 해소할 수 있다.

이에 의해, 간단한 구성으로 하여 연비의 악화 없이 촉매 전체로 하여 효율적으로 NOx 흡장 촉매의 NOx 흡장 능력과 함께 귀금속의 활성을 회복시킬 수 있어 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 바람직하게는 본 발명의 배기 정화 촉매 장치에 따르면, 산소 흡장제의 담지량을 담체의 배기로 상류측 영역으로부터 배기로 하류측 영역을 향해 서서히 증가시키도록 하고 있기 때문에, 보다 한층 효율적으로 NOx 흡장 촉매의 NOx 흡장 능력과 함께 귀금속의 활성을 회복시킬 수 있다.

또한, 바람직하게는 본 발명의 배기 정화 촉매 장치에 따르면, 귀금속의 담지량을 산소 흡장제의 담지량에 따라서 담체의 배기로 상류측 영역 쪽이 배기로 하류측 영역보다도 적어지도록 하고 있기 때문에, 귀금속의 담지량의 최적화를 도모할 수 있다.

즉, 산소 흡장제는 귀금속의 존재에 의해 산소를 흡장할 수 있는 것이 확인되어 있고, 고로 귀금속의 담지량을 산소 흡장제의 담지량에 따라서 담체의 배기로 상류측 영역 쪽이 배기로 하류측 영역보다도 적어지도록 함으로써, 귀금속을 과부족 없이 효과적으로 담지할 수 있다.

그 목적 및 장점뿐만 아니라 본 발명의 본질이 유사한 도면 부호가 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 이후 설명될 것이다.

<제1 실시 형태>

도1은 본 발명의 제1 실시 형태로서의 배기 정화 촉매 장치(26)를 배기계에 구비한 배기 가스 정화 장치(M)와, 상기 장치를 구비하는 내연 기관을 도시하였다. 내연 기관은 통내 분사형 4 사이클 다기통 가솔린 엔진[이후, 간단히 엔진(1)이라 기재함]이다. 이 엔진(1)은 실린더 블록(2) 내의 실린더(3)와, 상기 실린더 내에서 상하 미끄럼 이동하는 피스톤(4)과, 실린더 블록(2)의 상면에 겹쳐 일체적으로 결합되는 실린더 헤드(5)로 둘러쌈으로써 연소실(6)을 구성하고 있다. 상기 연소실(6)은 각각의 기통(도1에는 1개만 도시함)마다 배치된다. 연소실(6)에는 전자식의 연료 분사 밸브(7)가 부착된다. 연료 분사 밸브(7)는 흡기 행정으로 연소실(6)에 연료 분사하는 흡기 행정 분사 모드, 압축 행정으로 연료 분사하는 압축 행정분사 모드, 팽창 행정으로 연료 분사하는 팽창 행정 분사 모드에서의 각 연료 분사가 실시 가능하다.

엔진(1)은 이론 공연비에서의 운전이나 농후 공연비에서의 운전 외, 희박 공연비에서의 운전이 실현 가능해지고 있다. 특히, 압축 행정 분사 모드에서는 흡기 행정에서의 희박 공연비 운전보다도 큰 공연비가 되는 초희박 공연비에서의 운전이 가능해지고 있다.

연료 분사 밸브(7), 흡기 밸브(8), 배기 밸브(9) 및 점화 플러그(11)가 각 연소실(6)에 서로 간섭하지 않는 위치에 각각 부착된다.

실린더(3) 내의 피스톤(7)은 그 피스톤의 정상면에 반구형으로 오목하게 들어간 캐비티(12)가 형성되어 있다. 캐비티(12)는 흡입 포트(13)와 협동하고, 도1에 있어서 시계 방향의 역텀블 유동(S)을 발생시키도록 되어 있다. 실린더 헤드(5)에는, 기통마다 대략 직립 방향으로 흡기 포트가 형성되고, 각 흡기 포트(도1에는 1개만 도시함)(13)에는 흡기계(Ri)를 형성하는 흡기 매니폴드(14), 서지 탱크(15), 트로틀 밸브(16)를 갖는 흡입 기관(17), 에어 클리너(18), 대기측 개구(19)가 이 차례로 연결되어 대기를 흡기로(Ri)에 따라서 흡입 가능하게 형성된다.

트로틀 밸브(16)는 드라이브 바이 와이어(DBW) 방식의 전동 밸브이며, 트로틀 개방도(θth)를 검출하는 트로틀 포지션 센서(21)가 마련되어 있다. 또, 흡기계(Ri)의 에어 클리너(18) 근방에는 흡입 공기량(Qa)을 검출하는 에어 흐름 센서(20)가 마련되어 있다. 엔진(1)에는, 크랭크각을 검출하는 크랭크각 센서(22)가 마련되고, 크랭크각 센서(22)는 엔진 회전 속도(Ne)를 검출 가능하게 되어 있다.

실린더 헤드(5)에는, 기통마다 대략 수평 방향으로 배기 포트(23)가 형성되어 있다. 각 배기 포트(도1에는 1개만 도시함)(23)에는 배기계(Re)를 형성하는 배기 매니폴드(24), 배기관(배기 통로)(25), 배기 가스 정화 장치(M)의 주요부를 이루는 배기 정화 촉매 장치(26), 하류측 배기관(27), 도시하지 않는 머플러가 이 차례로 연결되어 배기를 배기계(Re)에 따라서 외부로 배출 가능하게 형성된다.

배기 정화 촉매 장치(26)의 바로 상류의 배기관(25)에는 배기 온도를 검출하는 온도 센서(28)가 마련되고, 또한 그 상류측에는 공연비를 검출하는 공연비 센서(30)가 마련되어 있다.

도1, 도2의 (a), 도3에 도시한 바와 같이 배기 정화 촉매 장치(26)는, 배기관(25) 및 하류측 배기관(27)에 연속하도록 내경을 확대시킨 형상의 통형의 케이싱(29)과, 케이싱(29) 내에 배치되어 축 방향으로 관통하는 다수의 관통 구멍(31)(도3 참조)을 갖는 단일의 담체(32)와, 각 관통 구멍(31)을 구획하는 내면에 형성된 내화성 무기 산화물의 담지층(33)(도3 참조)과, 담지층(33)에 보유 지지된 귀금속의 촉매 성분(34)(도3 참조)을 갖는다.

단일의 담체(32)는 주성분이 알루미나로 구성되고, 각 관통 구멍(31)을 구획하는 내면의 담지층(33)을 포함하는 벌집형 구조체로서 형성되어 있다.

여기서는, 특히 단일의 담체(32)는 그 축 방향인 배기계(Re)의 유로 방향(f)에 있어서 2개로 구분되고, 배기로 상류측 영역(a)과 배기로 하류측 영역(b)에 있어서의 성분을 다음과 같이 구분하여 설정된다. 게다가, 각 관통 구멍(31)의 내면의 담지층(33)에 담지되는 귀금속 담지량도 배기로 상류측 영역(a)과 배기로 하류측 영역(b)에 있어서 다음과 같이 구분하여 설정된다.

도1, 도2의 (a)의 단일의 담체(32)는, 배기로 상류측 영역(a)의 담지층(33)에 NOx 포획제로서 비교적 고온에서의 NOx 포획 성능이 높은 K(칼륨)을 주체로 하는 알카리 금속이 채용되고, 배기로 하류측 영역(b)의 담지층(33)에 NOx 포획제로서 비교적 귀금속의 3원 성능 저하에의 영향이 적다고 생각되는 Ba(바륨)을 주체로 하는 알칼리 토류 금속이 채용된다.

또, 여기서 배기로 상류측 영역(a) 및 배기로 하류측 영역(b)의 전체 영역의 담지층(33)에 HC 및 CO의 산화 처리 성능이 높은 귀금속(34)인 Pt(백금)이 담지되지만, 여기서는 하기의 이유에 의해 배기로 상류측 영역(a)의 담지량이 배기로 하류측 영역(b)의 담지량보다도 소정량 적어지도록, 또한 후술하는 농후 퍼지 시간(Tr)을 소정치 이하가 되도록 설정된다. 또, 여기서는, 예를 들어 배기로 상류측 영역(a)의 담지량을 3.0 g/L로, 배기로 하류측 영역(b)의 담지량이 5.0 g/L로 설정되고, 퍼지 시간(Tr)을 3.0(초)로 설정한다.

배기로 상류측 영역(a)의 담지량을 배기로 하류측 영역(b)의 담지량보다 적게 한 이유를 설명한다.

본 발명자는, 도1 상당의 구성을 채용하는 엔진을 이용하여 배기 정화 촉매 장치(26)의 성능 시험을 실시하고, 도8 및 도7의 결과를 얻었다.

이에 따르면, 귀금속(34)의 담지량이 배기로 하류측 영역(b)을 5.0 g/L로 하고, 배기로 상류측 영역(a)을 3.0 g/L로 한 경우와, 배기로 하류측 영역(b)을 3.0 g/L로 하고, 배기로 상류측 영역(a)을 5.0 g/L로 한 경우에 있어서의 NOx 정화 효율을 구하였다. 그 결과, 농후 퍼지 시간(Tr)이 3.5(초) 이하에서는 배기로 상류측 영역(a)의 귀금속(34)의 담지량이 적은 3.0 g/L인 경우 쪽이 고레벨을 보유 지지할 수 있는 것이 판명되었다.

또한, 농후 퍼지 시간(Tr)(도5 참조)을 4.0(초)로 설정하는 경우에 있어서의 입구 NOx 농도(ppm)에 대한 출구 NOx 농도(ppm)를 구하였다. 이 경우, 담지층(33)의 배기로 상류측 영역(a)을 Ba/K(촉매 용량 = 1.2 L)로, 배기로 하류측 영역(b)을 Ba(촉매 용량 = 1.1 L)으로 한 경우(파선) 쪽이 담지층(33)의 배기로 상류측 영역(a)을 Ba(촉매 용량 = 1.1 L)으로, 배기로 하류측 영역(b)을 Ba/K(촉매 용량 = 1.2 L)으로 한 경우(1점 쇄선)보다도 출구 NOx 농도(ppm)가 저하되어 있다.

이에 의해, 배기로 상류측 영역(a)을 칼륨(K) 주체, 배기로 하류측 영역(b)을 바륨(Ba) 주체로 한 쪽이 배기로 상류측 영역(a)을 바륨(Ba) 주체, 배기로 하류측 영역(b)을 칼륨(K) 주체로 한 경우보다도, 출구 NOx 농도(ppm)가 저하되는 면에서 유효한 점이 확인되었다. 또한, 배기로 상류측 영역(a)의 귀금속(34)의 담지량을 배기로 하류측 영역(b)의 귀금속(34)의 담지량보다도 많아지도록 설정한 경우, 농후 퍼지 시간(Tr)을 4.0(초)로 하여 운전한 경우에는 절환 초기의 환원제 소비량이 지나치는 것이 확인되었다.

이러한 특성을 고려하면, 배기로 상류측 영역(a)의 귀금속(34)의 담지량을 배기로 하류측 영역(b)의 담지량보다도 적게 설정하고, 배기로 상류측 영역(a)을 K(칼륨) 등의 알카리 금속의 담지층에 설정하는 것이 단시간에 환원제의 소비량을 억제하면서 NOx 정화 효율을 올리기 때문에 유효하다고 판단된다.

또, 담지층(33)에 담지된 귀금속(34)은 Pt(백금)으로 하였지만, 이에 대신에 팔라듐 및 로듐 등의 백금족으로부터 선발되는 적어도 1개를 채용해도 된다. 이 경우도, Pt(백금)과 거의 동일한 기능을 발휘할 수 있다. 또한, 칼륨을 상류측의 담지층에 배치함으로써 바륨보다도 고온까지 NOx 흡장 성능을 발휘할 수 있다.

이와 같이 도1, 도2의 (a)의 배기 정화 촉매 장치(26)의 담체(32)는 배기로 상류측 영역(a)의 담지층(33)을 K(칼륨)을 주체로 하는 알칼리 금속으로 형성하여, 여기에 비교적 소량의 Pt(백금)을 담지시키고, 이에 의해 주로 NOx 포획 성능을 높인 NOx 각 촉매부(E1)로 구성한다. 또한, 배기로 하류측 영역(b)의 담지층(33)을 비교적 귀금속의 3원 성능 저하에의 영향이 적다고 생각되는 Ba(바륨)을 주체로 하는 알칼리 토류 금속으로 형성하고, 여기에 비교적 다량의 Pt(백금)을 담지시키고, 이에 의해 주로 3원 기능을 발휘하는 3원 촉매부(E2)로 구성한다.

이러한 배기 정화 촉매 장치(26)의 상류측의 NOx 촉매부(E1)는, 산소 과잉 분위기가 되는 배기 공연비가 희박 공연비일 때에 있어서 NOx를 일단 흡장시키고, 산소 농도가 저하되어 배기 공연비가 이론 공연비 또는 농후 공연비일 때, 즉 HC 및 CO가 존재되는 환원 분위기 속에 있어서 NOx를 방출하여 N₂(질소)나 CO₂(이산화탄소) 등으로 환원시키는 NOx 방출 환원 기능을 갖는 것이다.

하류측의 3원 촉매부(E2)는 이론 공연비 및 농후한 분위기로 배기 가스 중의 CO 및 HC 및 NOx를 정화하는 3원 기능을 구비한다. 또, 3원 촉매부(E2)는 NOx 촉매부(E1)로부터 방출되고, 상기 촉매부에서 충분히 환원되지 않는 NOx를 환원하는기능도 발휘한다. 또한, 담체(32)의 하류측에는 바륨이 담지되어 있기 때문에, 비교적 귀금속의 3원 성능 저하에의 영향이 적다고 생각되므로, 3원 성능을 효율적으로 기능할 수 있다.

차량에는 엔진 제어 수단인 제어기[이후 간단히 ECU(35)라 기재함]가 마련되고, 이 ECU(35)에는 입출력 장치, 제어 프로그램이나 제어 맵 등의 기억을 행하는 기억 장치, 중앙 처리 장치 및 타이머나 카운터류가 구비되어 있다. ECU(35)에 의해 엔진(1)을 포함한 배기 정화 촉매 장치(26)의 제어가 실시된다. 각종 센서류의 검출 정보는 ECU(35)에 입력된다. ECU(35)는 각종 센서류의 검출 정보를 기초로 하여 연료 공급 제어나 점화 제어를 실행한다. 즉, ECU(35)는 연료 분사 모드나 연료 분사량을 비롯하여 점화 시기 등을 결정하고, 연료 분사 밸브(7)나 점화 플러그(11) 등을 구동 제어한다.

엔진(1)에서는 정상 운전 영역에 있으면 압축 행정 중기 이후에 연료를 분사하여 점화 플러그(11)의 근방으로만 소량의 연료를 모아, 점화 플러그(11)의 근방만을 이론 공연비 또는 농후 공연비(A/F)로 함으로써 안정된 층형 연소(층형 초희박 연소)를 실현하면서 연료 소비를 억제한다. 또한, 고출력을 얻은 경우에는 연료 분사 밸브(7)로부터의 연료를 흡기 행정으로 분사함으로써 연소실(6) 전체적으로 균질 분산시키고, 연소실(6) 내를 이론 공연비(대략 A/F : 15)나 희박 공연비의 혼합기 상태로 시켜 예비 혼합 연소를 행하여 고출력을 얻도록 하고 있다.

ECU(35)의 연료 공급 제어에서는, 트로틀 포지션 센서(21)로부터의 트로틀 개방도(θth)(또는 도시하지 않는 액셀 페달 센서의 조작량)와 크랭크각 센서(22)로부터의 엔진 회전 속도(Ne)를 기초로 하여 엔진 부하에 대응하는 목표 통내압, 즉 목표 평균 유효압(Pe)이 구해진다. 또한, 연료 공급 제어에서는 이 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도(Ne)에 따라서 맵(도시하지 않음)으로부터 연료 분사 모드가 설정된다.

예를 들어, 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도(Ne)가 함께 작을 때에는, 연료 분사 모드는 압축 행정 분사 모드가 되어 연료가 압축 행정으로 분사된다(예를 들어, 도5 중의 부호 PL). 한편, 목표 평균 유효압(Pe)이 커지거나, 혹은 엔진 회전 속도(Ne)가 커지면 연료 분사 모드는 흡기 행정 분사 모드가 되어 연료가 흡기 행정으로 분사된다(예를 들어, 도5 중의 부호 PH). 그리고, 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도(Ne)로부터 각 연료 분사 모드에서의 제어 목표가 되는 목표 공연비가 설정되고, 적정량의 연료 분사량이 이 목표 공연비를 기초로 하여 결정된다.

배기 정화 촉매 장치(26)의 NOx 촉매부(E1)에서는, 배기 가스 중의 공연비가 희박 공연비일 때에 배기 중의 NOx가 질산염으로서 흡장되어 배기의 정화가 행해진다. 한편, 배기 가스 중의 공연비가 이론 공연비 또는 농후 공연비일 때에 NOx 촉매부(E1)로 흡장한 질산염과 배기 중의 CO가 반응하여 탄산염이 생성되는 동시에 NOx가 방출된다. 따라서, NOx 촉매부(E1)로의 NOx 흡장량이 증가되면, 공연비가 농후화(농후 퍼지)의 제어를 실행한다. 이에 의해, 배기 가스 중의 산소 농도를 저하시켜 NOx 촉매부(E1)로 HC 및 CO를 공급하고, NOx 촉매부(E1)로부터 NOx를 방출 환원시켜 NOx 흡장 기능을 유지하는 것이 가능하다.

그래서, ECU(35)에는 상술한 연료 공급 제어 외에 배기 중의 산소 농도를 저하시켜 NOx 촉매부(E1)로부터 NOx를 방출시키기 위한 NOx 방출 수단(A1)으로서의 기능이 구비되어 있다.

NOx 방출 수단(A1)은 NOx 촉매부(E1)로부터 NOx를 방출시키는 농후 퍼지 지령을 기초로 하여, 농후 퍼지 시간(Tr)(예를 들어 2초) 사이의 배기 공연비를 희박 공연비라 하고, 그 후 희박 계속 시간(Lt)(도4 참조 : 예를 들어, 30초) 사이의 배기 공연비를 희박 공연비로 복귀한다고 하는 농후 퍼지 기능을 구비하고 있다.

상술한 배기 가스 정화 장치의 작용을 설명한다.

배기 정화 촉매 장치(26)의 NOx 각 촉매부(E1)에서는, 배기 가스 중의 공연비가 희박 공연비(el)(산소 농도 과잉 분위기 : 도4, 5 참조)일 때 배기 중의 NOx가 산화되어 질산염이 생성되고, 이에 의해 NOx가 흡장되어 배기의 정화가 행해진다. 한편, 배기 가스 중의 공연비가 이론 공연비 또는 농후 공연비(e2)(산소 농도가 저하된 분위기 : 도4, 5 참조)가 될 때, NOx 촉매부(E1)는 흡장한 질산염과 배기 중의 HC 및 CO가 반응하여 탄산염이 생성되고, 이에 의해 NOx가 방출된다.

따라서, NOx 촉매부(E1)로의 NOx의 흡장이 진행되어, 예를 들어 희박 운전의 누적 시간이 희박 계속 시간(Lt)(예를 들어, 30초)을 경과하면, 재생 지령이 NOx 방출 수단(A1)으로 이송되고 NOx 방출 수단(A1)에 의해 공연비를 이론 공연비 혹은 농후 공연비에 제어하여 산소 농도를 저하시키고, NOx 촉매부(E1)로부터 NOx를 방출시켜 NOx 퍼지 처리(재생 처리)가 실행된다.

ECU(35)는 연료 분사 구동 회로(37)를 거쳐서 연료 분사 밸브(7)를 구동한다. 연료 분사 구동 회로(37)는, 일예로 하여 희박 펄스 분사(PL), 공연비 및 희박 펄스 분사(PH) 및 퍼지 펄스 분사(PP)(도5 참조)로 연료 분사 밸브(7)를 구동한다. 이 분사 패턴 차이에 의해, 배기 정화 촉매 장치(26)에서의 연소 후의 배기 가스 처리 특성이 변동된다. 희박 펄스 분사(PL)를 실행시에는, 배기 가스 중의 NOx는 주로 NOx 촉매부(E1)로 흡장된다. 또, 공연비 및 농후 펄스 분사(PH)의 실행시(NOx 퍼지시)에, 또한 퍼지 펄스 분사(PP)를 실행함으로써, NOx 촉매부(E1)로부터 방출된 NOx의 환원제 부족을 보충할 수 있다.

여기서, 희박 펄스 분사(PL)가 실행되면, NOx 촉매부(E1)는 담지층(33)으로 NOx를 흡장하여 NOx 정화를 실행한다. 또한, 농후 펄스 분사(PH)가 실행된 경우, 3원 촉매부(E2)의 전방측의 NOx 촉매부(E1)는 배기 가스가 이론 공연비 근방에 도달하면, 배기 가스 중에 HC 및 CO 등 환원제의 증가가 시작되지만, 이 시점에서는 NOx 촉매부(E1)로부터 방출한 NOx를 환원만 하는 환원제(남은 CO 및 HC 등)가 적으므로,「방출된 NOx 〉환원되는 NOx」가 되고, NOx 촉매부(E1)에 있어서 방출된 NOx를 충분히 환원 처리할 수 없다.

이에 대해, NOx 방출 수단(32)은 희박 운전의 누적 시간이 희박 계속 시간(Lt)을 넘으면, 목표 공연비를 농후 공연비로 하는 농후 펄스 분사(PH)를 지시하는 동시에, 적어도 배기 가스가 이론 공연비 근방으로 절환할 때에 NOx 환원에 부족한 만큼의 환원제 공급으로서 팽창 행정에 있어서 퍼지 펄스 분사(PP)를 지시한다. 이 경우, 연료 분사 구동 회로(37)는 농후 펄스 분사(PH)에다가, 퍼지 펄스 분사(PP)(도5의 펄스 분사 참조)로 연료 분사 밸브(7)를 구동하도록, 연료 분사 구동회로(37) 내의 카운터를 세트한다.

이와 같이, 팽창 행정으로 퍼지 펄스 분사(PP)를 실행함으로써, 연소에 기여하지 않는 미연의 HC(환원제)가 연소실로부터 배기계(Re)로 배출되어 HC 및 CO의 환원제가 되고, 특히 배기 가스가 이론 공연비 근방으로 절환할 때에 NOx 촉매부(E1)로부터 방출되는 NOx의 급증시(도5의 NOx 농도 참조)에 충분한 환원제를 공급할 수 있다. 또, 비교적 다량의 귀금속(34)이 담지되고 또한 3원 성능을 저해하지 않는 3원 촉매부(E2)에 의해, NOx 촉매부(E1)로부터 방출되어 충분히 환원할 수 없는 NOx, CO 및 HC를 정화할 수 있다. 따라서, NOx, CO 및 HC의 대기 방출을 억제할 수 있어, NOx 촉매부(E1)로부터 방출된 NOx가 그대로 대기로 방출되어 버린다고 한 문제도 없어진다.

그 결과, NOx 퍼지 실행시의 농후 공연비로의 절환시, 배기로 상류측 영역(a)의 귀금속(34)에 의한 환원제의 소비가 억제되고, 남은 환원제가 NOx 촉매부(E1)로부터 방출되는 NOx를 적확하게 환원하기 때문에 NOx 정화 효율을 높일 수 있어 농후 퍼지 시간을 비교적 짧게 할 수 있다. 또한, 배기로 상류측 영역(a)의 귀금속(34)의 총량이 저감되므로, 농후 퍼지시에 남은 환원제에 의해 배기로 상류측 영역(a)뿐만 아니라 배기로 하류측 영역(b)에서도 귀금속(34)의 산소 피독에 의한 활성 저하를 방지할 수 있다.

게다가, 귀금속(34)의 담지량의 저감에 의해, 농후 퍼지시의 귀금속(34)에 의한 환원제 소비의 영향을 최소한으로 멈추게 하여 NOx 촉매부(E1)로부터 NOx를 충분히 방출 환원할 수 있으므로, 희박시에 있어서의 NOx 포획제의 NOx 흡착 기능을 충분히 발휘할 수 있다.

상술한 NOx의 방출 환원 제어인 NOx 퍼지 제어에 대해 도6의 흐름도에 기초하여 설명한다.

ECU(35)의 도시하지 않는 메인 루틴 내에서의 연료 공급 제어의 도중에 NOx 퍼지 제어에 도달하는 것으로 한다.

또, 도시하지 않는 메인 루틴의 연료 공급 제어에 있어서 ECU(35)가 지시하는 분사 패턴에 따라서 연료 분사 구동 회로(37)가 분사 시기 및 분사 구동 시간을 도시하지 않는 카운터로 카운트하고, 연료 분사 밸브(7)를 연료 분사 작동시킨다. 예를 들어, 목표 공연비가 희박 공연비(도4 및 도5에 도시하는 부호 se1)인 경우, 희박 운전 지령을 내어 연료 분사 구동 회로(37)는 도4 및 도5에 도시하는 희박 펄스 분사(PL)로 연료 분사 밸브(7)를 구동시킨다. 또한, 목표 공연비가 희박 공연비로부터 공연비 및 농후 공연비로 변경되면, 도5에 도시하는 농후 펄스 분사(PH)로 연료 분사 밸브(7)를 구동시킨다.

한편, NOx 퍼지 제어에서는 제어 최초의 시점이면, 퍼지 중 플러그 PFLG(후술함)가「0」에서 스텝 s2로 진행하고, PFLG = 1에서는 스텝 s5로 진행한다. 스텝 s2에서는, NOx 촉매부(E1) 및 3원 촉매부(E2)의 온도(T)가 Ts(활성 온도) 이상이 되었는지 여부가 판단되고[온도 센서(28)로 검출되는 배기 온도치로 추정], NOx 촉매부(E1) 및 3원 촉매부(E2)의 온도(T)가 Ts 이상이라고 판단된 경우, 스텝 s3에서 희박 모드의 계속 시간(t1)이 희박 계속 시간(Lt) 이상인지 여부가 판단된다.

또, 희박 계속 시간(Lt)은 다음 (1) 내지 (3)의 요건을 충족하도록 설정된다.

(1) 희박 운전을 계속하는 내에 NOx가 NOx 촉매부(E1)로 흡장할 수 없게 되어, 대기 중으로 방출되는 상태까지의 시간 이하인 것이 바람직하다.

(2) 희박 시간이 계속 길어지면 촉매 온도가 저하되기 때문에, 희박 계속 시간(Lt)은 소정치 이하인 것이 바람직하다.

(3) NOx 퍼지 상승시에 있어서 희박으로부터 공연비에 도달하는 데 요하는 NOx 퍼지 낭비 시간(tu)(도5 참조)이 증가되어 연비가 악화되는 것을 방지하기 때문에, 희박 계속 시간(Lt)은 소정치 이하인 것이 바람직하다.

이상의 3개의 조건에 의해 최적의 희박 계속 시간(Lt)으로 하여, 여기서는 예를 들어 30초를 설정하고 있다.

스텝 s3에서의 조건이 성립된 경우(YES인 경우), NOx 촉매부(E1)로부터 흡장된 NOx를 방출하여 환원하는 제어(NOx 퍼지)의 개시 조건이 성립되었기 때문에, 스텝 s4에서 퍼지 펄스 분사(PP)를 행하는 농후 퍼지 시간(Tr) 및 퍼지 펄스 분사(PP)의 분사 시간인 펄스 분사 시간(Ti)을 설정한다.

농후 퍼지 시간(Tr)은 배기 유량, 예를 들어 에어 흐름 센서(20)로부터의 흡입 공기량(Qa)에 의한 맵치와, NOx 촉매부(E1)의 열화 정도, 예를 들어 주행 거리(Km)[누적 거리 검출기(36)보다]의 맵치와의 곱을 기초로 하여 설정된다. 농후 퍼지 시간(Tr)은, 예를 들어 1초 내지 5초 정도로 설정되어 주행 거리가 길어질 수록, 도5에 도시한 바와 같이 NOx 방출 특성선 도면에 있어서의 NOx 방출 속도가 빠른 영역(n)이 좁아짐에 따라서 짧아지고, 이에 의해 연비의 악화 및 미연 HC 및 CO의 방출을 억제한다.

펄스 분사 시간(Ti)은, 예를 들어 0.1초 내지 1초 정도로 설정되어 주행 거리가 길어질수록, 즉 열화 정도가 높아질수록 1/2 정도까지의 짧은 시간이 되도록 설정된다. 펄스 분사 시간(Ti)을 짧게 하는 것은, NOx 촉매(15)의 열화 정도가 높아지면 NOx 방출 특성이 변화되어, NOx 방출 속도가 빠른 영역(n)(도5 참조)이 좁아지기 때문에, 환원제도 소량이 되어 연비의 악화 및 미연 HC의 방출을 억제하고 있다.

스텝 s4에서 농후 퍼지 시간(Tr) 및 펄스 분사 시간(Ti)을 설정하고, 카운트가 시작된 후, 스텝 s5에서 농후 퍼지 시간(Tr)이 경과되었는지 여부가 판단되고, 경과하기 전은 스텝 s6에서 펄스 분사 시간(Ti)에 의한 퍼지 펄스 분사(PP)를 지시한다.

이 결과, 연료 분사 구동 회로(37)는 농후 퍼지 시간(Tr)이 경과되기까지는, 농후 펄스 분사(PH)의 직후에 퍼지 펄스 분사(PP)의 구동을 가한 패턴(도5의 펄스 분사량 참조)으로 연료 분사 밸브(7)를 구동시킨다. 또, 퍼지 펄스 분사(PP)는 적어도 배기 가스가 희박 공연비로부터 이론 공연비 근방으로 절환할 때에 실시함으로써, 방출된 NOx를 유효하게 환원할 수 있다.

즉, 농후 펄스 분사(PH) 후의 퍼지 펄스 분사(PP)는 팽창 행정의 중기로부터 배기 행정의 초기, 특히 팽창 행정의 후기가 바람직하고, 팽창 행정의 후기에 연료를 추가함으로써, 연소하지 않고 미연의 연료(환원제)가 배기 통로에 공급되고(도4의 NOx 농도 참조), 특히 배기 가스가 이론 공연비 근방으로 절환할 때에 NOx 촉매부(E1)로 흡착되어 있었던 NOx의 방출이 급증되지만(도4, 도5의 NOx 농도 참조), 방출된 NOx를 효과적으로 환원 처리할 수 있다.

스텝 s6에서 펄스 분사가 실행된 후, 스텝 7에서 퍼지 중 플러그 PFLG를「1」이라 하고, 이 제어를 종료시켜 메인 루틴에 희박하게 한다. 다시, 스텝 s1에서 PFLG = 1을 판단하여 스텝 s5에 도달하면, 농후 퍼지 시간(Tr) 경과 전은 스텝 s5, 6, 7을 반복하여 농후 펄스 분사(PH) 및 퍼지 펄스 분사(PP)를 연속 실시하고, NOx 촉매부(E1)로부터의 NOx 방출 및 환원 처리를 계속한다.

농후 퍼지 시간(Tr) 경과 후는 스텝 s8에서 PFLG를「0」으로 복귀하고, 스텝 s9에서 농후 펄스 분사(PH) 및 퍼지 펄스 분사(PP)를 해제하여 메인 루틴으로 복귀하고, 이에 의해 ECU(35)의 메인 루틴 내에서의 연료 분사 제어로만 연료 분사를 실행하게 된다.

이와 같이, 단일의 담체(32)를 이용하여 그 배기로 상류측 영역(a)에 있어서 NOx 촉매부(E1)로서 기능하고, 배기로 하류측 영역(b)에 있어서 3원 촉매부(E2)로서 기능하도록 구성하였기 때문에, 배기압 손실 증대에 의한 엔진 출력의 저하를 초래하는 일도 없다.

게다가, 배기로 상류측 영역(a)의 담지량을 3.0 g/L로 하고 배기로 하류측 영역(b)의 담지량을 5.0 g/L로 설정하였기 때문에, 농후 공연비로의 절환시에 있어서, 배기로 상류측 영역(a)의 백금[Pt(귀금속)]에 의한 HC 및 CO(환원제)의 소비가 억제되고, 남은 환원제가 NOx 촉매부(E1) 상으로부터 방출되는 NOx를 적확하게 환원하여 NOx 정화 효율을 높일 수 있다. 즉, 도4에 실선으로 나타내는 입구측 NOx에 대해 일점 쇄선으로 나타내는 출구측 NOx를 보다 작게 할 수 있어, 농후 퍼지 시간을 비교적 짧게 할 수 있다. 이에 의해, 연료 분사량이 감소된다.

이상과 같이, 배기로 상에 배치된 단일의 배기 정화 촉매 장치의 내부에 있어서, 배기로 상류측 영역의 귀금속량을 배기로 하류측 영역의 귀금속량보다도 작게 하고, 또한 배기로 상류측 영역의 담체에 비교적 고온측까지 NOx 흡장 능력을 유지하는 K(칼륨)을 주체로 하는 알카리 금속을 담지하고, 이에 의해 주로 NOx 포획 촉매 기능을 높인 NOx 촉매부로 구성한다. 또, 배기로 하류측 영역의 담체에 비교적 귀금속의 3원 성능 저하에의 영향이 적다고 생각되는 바륨 등을 주체로 하는 알칼리 토류 금속을 담지하고, 또한 배기로 하류측 영역의 귀금속량을 많이 설정함으로써, 주로 3원 기능을 발휘하는 3원 촉매부로 구성한다.

이로 인해, 상류측의 NOx 촉매부(E1)는 희박 운전시에는 NOx를 흡장하는 동시에, 농후 운전(또는, NOx 퍼지)시에는 흡장된 NOx를 방출ㆍ환원한다. 또한, 농후 운전시에 있어서의 배기로 상류측 영역에서는 비교적 귀금속 활성에 악영향을 미치기 쉬워 칼륨의 존재에 의해, 공급된 환원제 소비량의 억제 효과도 있어 남은 환원제에 의해 방출된 NOx를 적확하게 환원할 수 있다. 또, 하류측의 3원 촉매부(E2)는 희박 운전시에는 바륨에 의해 NOx 흡장 촉매로서 기능하고, 농후 운전에 의한 NOx 퍼지시에는 상류측에서 환원제 소비량이 억제됨으로써, 단시간에 환원제를 보다 많이 공급할 수 있어 바로 농후한 분위기가 되므로, NOx 촉매부(E1)로부터 방출되어 충분히 환원할 수 없는 NOx를 효율적으로 정화할 수 있다.

<제2 실시 형태>

도1, 도2의 (a)에 도시하는 배기 정화 촉매 장치(26)는, 단일로 형성된 담체(32)의 담지층(33)의 성분을 배기로 상류측 영역(a)에서는 K(칼륨)을 주체로 하는 알카리 금속으로 하고, 배기로 하류측 영역(b)에서는 Ba(바륨)을 주체로 하는 알칼리 토류 금속으로 설정하였지만, 이에 대신하여 도2의 (b)에 도시하는 배기 정화 촉매 장치(26')를 채용해도 된다.

이 배기 정화 촉매 장치(26')는 단일로 형성된 담체(32)를 구비하고, 그 담체(32)의 담지층(33)의 배기로 상류측 영역(a)과 배기로 하류측 영역(b)의 모두를 HC 정화 성능이 높은 Ba(바륨)을 담지하고, 귀금속(34)을 도2의 (a)의 배기 정화 촉매 장치(26)와 같이 배기로 상류측 영역(a)의 담지량을 3.0 g/L로, 배기로 하류측 영역(b)의 담지량이 5.0 g/L로 설정한다.

이 도2의 (b)에 도시하는 배기 정화 촉매 장치(26')도 도2의 (a)의 배기 정화 촉매 장치(26)와 거의 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다. 즉, 농후 공연비로의 절환시에 있어서 배기로 상류측 영역(a)의 귀금속에 의한 HC 및 CO(환원제)의 소비가 억제되고, 남은 환원제가 NOx 촉매부(E1) 상으로부터 방출되는 NOx를 적확하게 환원하여 NOx 정화 효율을 높일 수 있다.

상술한 실시 형태에서는, 배기 정화 촉매 장치(26)는 담체(32)의 담지층(33)에의 귀금속(34)을 배기로 상류측 영역(a)의 담지량을 3.0 g/L로, 배기로 하류측 영역(b)의 담지량이 5.0 g/L로 영역마다 구분하여 설정되어 있지만, 귀금속(34)의 담지량을 배기로 상류 단부측으로부터 배기로 하류 단부측에 걸쳐 서서히 많게(그레이데이션) 하도록 해도 좋다.

상술한 실시 형태에서는, 단일로 형성된 담체(32)의 담지층(33)의 배기로 상류측 영역(a)에서는 K(칼륨)을 주체로 하는 알카리 금속으로 하고, 배기로 하류측 영역(b)에서는 Ba(바륨)을 주체로 하는 알칼리 토류 금속으로 설정하였다. 그러나, 이에 대신하여 담체(32)의 전체 영역에 K(칼륨) 및 Ba(바륨)을 담지하고, 배기로 상류 단부측에서 K(칼륨)의 비율을 많게(최대 100 ％) 담지하고, 또한 배기로 하류 단부측에서 Ba(바륨)의 비율을 많게(최대 100 ％) 담지하고, 배기로 상류 단부측으로부터 배기로 하류 단부측에 걸쳐 서서히 K(칼륨)의 비율을 적게 또한 Ba(바륨)의 비율을 많게(그레이데이션) 하도록 해도 좋다.

또한, 담체(32)의 전체 영역에 K(칼륨)을 담지하고, 배기로 상류 단부측에서 K(칼륨)의 비율을 많게 담지하고, 또한 배기로 상류 단부측으로부터 배기로 하류 단부측에 걸쳐 서서히 K(칼륨)의 비율을 적게(그레이데이션) 하도록 해도 좋다.

상술한 실시 형태에서는, 팽창 행정에 있어서 퍼지 펄스 분사(PP)를 행하고 있지만, 이에 대신에 이하와 같이 공연비를 절환함으로써, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 즉, NOx 퍼지를 실행하는 경우 농후 펄스 분사(PH)에 의한 공연비를 NOx가 충분히 방출ㆍ환원되는 양으로 제어하는 동시에, 배기 가스가 희박 공연비로부터 이론 공연비 근방으로 절환할 때에 농후한 정도를 이론 공연비보다도 대폭 높게 함으로써, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 실시 형태에서는 배기 가스 정화 장치(M)를 적용하는 내연 기관으로서, 연소실 내에 연료를 직접 분사하도록 한 불꽃 점화식의 기관을 예로 들어 설명하였지만, 디젤 엔진이나 흡입 기관에 연료를 분사하여 혼합기를 연소실에 도입하는 불꽃 점화식의 린번 엔진에 적용하는 것도 가능하다.

상술한 실시 형태에서는, 팽창 행정에 있어서 퍼지 펄스 분사(PP)를 행하고 있지만, 이 흡입 기관(흡기 통로)에 연료를 분사하는 타입의 엔진에서는 이에 대신에, 이하와 같이 공연비를 절환함으로써 상술한 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 상기 엔진에 있어서 NOx 퍼지를 실행하는 경우, 주연료 분사에 의한 공연비를 NOx가 충분히 방출ㆍ환원되는 양으로 제어하는 동시에, 배기 가스가 희박 공연비로부터 이론 공연비 근방으로 절환할 때에 농후한 정도를 이론 공연비보다도 대폭 높게 함으로써, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

<제3 실시 형태>

이하, 본 발명의 제3 실시 형태를 도9 및 도10에 기초하여 설명한다.

도9에 도시하는 제3 실시 형태는, 도1에서 도시하는 제1 실시 형태의 배기 정화 촉매 장치(26) 대신에, 도9에 도시하는 배기 정화 촉매 장치(130)를 채용한 점에서 다르고, 그 밖의 동일한 구성 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다. 배기 정화 촉매 장치(130)는 담체(132)를 배기로 상류측 영역(132a)과 배기로 하류측 영역(132b)으로 이분하여, O₂저장제(134)의 담지량을 담체(132) 중 배기로 상류측 영역(132a) 쪽이 배기로 하류측 영역(32b)보다도 적어지도록 설정되어 있다.

NOx 흡장 촉매 유닛(130)은, 축 방향으로 관통하는 다수의 관통 구멍을 갖는 단일의 담체(132)와 상기 관통 구멍을 구획하는 내면에 형성된 내화성 무기 산화물로 이루어지는 담지층으로 이루어져 있고, 담지층에 활성 귀금속으로서 구리(Cu), 코발트(Co), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 중 어느 하나의 귀금속(136)을 담지하는 동시에, NOx 흡장제로서 알카리 금속[예를 들어, 칼륨(K), 나트륨(Na)]이나 알칼리 토류 금속[예를 들어, 바륨(Ba)]을 담지하고 있다.

이에 의해, NOx 흡장 촉매 유닛(130)은 기본적으로, 배기 공연비가 희박 공연비로 산소 농도가 높은 산소 농도 과잉 분위기에 있을 때에는 NOx를 흡장하고, 배기 공연비가 농후 공연비로 산소 농도가 낮은 산소 농도 저하 분위기에 있을 때에는 상기 흡장한 NOx를 방출하여, 귀금속(136)의 촉매 작용에 의해 환원 제거하는 NOx 흡장 촉매 기능을 구비하고 있다.

또한, 상기 NOx 흡장 촉매 유닛(130)은 담지층에 상기 어느 하나의 귀금속(136)을 담지하고 있음으로써 3원 촉매 기능도 더불어 갖고 있다.

이에 의해, NOx 흡장 촉매 유닛(130)은 배기 공연비가 공연비 혹은 농후 공연비일 때에 있어서, NOx뿐만 아니라 HC 및 CO도 양호하게 정화 가능하다.

또한, 상기 NOx 흡장 촉매 유닛(130)은 O₂저장 기능(산소 흡장 기능 및 OSC라고도 함)도 갖고 있고, 담지층에 예를 들어 산화 세륨(Ce) 등의 O₂저장제(산소 흡장제 및 OSC제)(134)를 담지하고 있다. 즉, NOx 흡장 촉매 유닛(130)은 배기 공연비가 희박 공연비로 산소 농도 과잉 분위기에 있을 때에는 O₂(산소)를 흡장하고, 배기 공연비가 농후 공연비로 산소 농도 저하 분위기에 있을 때에는 상기 흡장한 O₂를 방출하는 기능도 구비하고 있다.

이에 의해, NOx 흡장 촉매 유닛(130)은 목표가 되는 배기 공연비가 공연비 혹은 농후 공연비이며, 예를 들어 상기 O₂센서(3O)에 의해 O₂피드백 제어가 실시되는 경우에 있어서, 배기 공연비가 희박 공연비측 혹은 농후 공연비측으로 변동되었다고 해도, 변동분이 O₂저장제(134)로 흡장되는 O₂에 의해 조정되어 촉매 분위기가 공연비 근방에 양호하게 유지된다. 이에 의해, 상기 3원 촉매 기능이 최대한 발휘된다.

보다 상세하게는, 도9에 모식적으로 도시한 바와 같이 O₂저장제(도트 표시로 나타냄)(134)는 담체(132) 중 배기로 상류측 영역(132a) 쪽이 배기로 하류측 영역(132b)보다도 적어지도록 담지량이 설정되어 있다. 즉, NOx 흡장 촉매 유닛(130)에서는 배기로 하류측 영역(132b)에 있어서의 O₂저장량에 비해 배기로 상류측 영역(132a)에 있어서의 O₂저장량 쪽이 적어지도록 설정되어 있다.

또한, O₂저장제(134)는 귀금속(136)의 존재에 의해 O₂를 흡장할 수 있는 것이 확인되어 있고, 여기서는 역시 도1에 모식적으로 도시한 바와 같이 상기 귀금속(작은 ○표시로 나타냄)(136)의 담지량은 O₂저장제(134)의 담지량에 따라, 담체(132)의 배기로 상류측 영역(132a) 쪽이 배기로 하류측 영역(132b)보다도 적어지도록 설정되어 있다.

이하, 이와 같이 구성된 배기 정화 장치의 작용 및 본 실시예에 관한 배기 정화 촉매 장치의 작용에 대해 설명한다.

예를 들어, NOx 방출 수단(32)이 상기 희박 운전이 계속되고, NOx 흡장 촉매 유닛(130)으로 흡장된 NOx 흡장량이 소정량에 도달하였다고 판정되면, 연료 분사 모드가 NOx 퍼지 모드로 절환되고, 배기 공연비가 농후 공연비가 되어 촉매 분위기의 산소 농도가 낮은 상기 산소 농도 저하 분위기가 된다. 이에 의해, CO 및 HC 등의 환원제가 배기로에 배출되어 NOx 퍼지가 개시된다.

이 때, 상술한 바와 같이 NOx 흡장 촉매 유닛(130)에는 O₂저장제(134)가 담지되어 있지만, 상기 O₂저장제(134)는 담체(132) 중 배기로 상류측 영역(132a) 쪽이 배기로 하류측 영역(132b)보다도 적어지도록 담지량이 설정되어 있다.

따라서, 배기로 하류측 영역(132b)에 있어서의 O₂저장량에 비해 배기로 상류측 영역(132a)에 있어서의 O₂저장량 쪽이 적고, NOx 퍼지를 행한 경우라도 배기로 상류측 영역(132a)에 있어서 CO 및 HC 등의 환원제가 O₂저장제(134)로 흡장된 O₂와 산화 반응을 일으켜 다 소비되어 버리는 것이 적합하게 방지된다.

이에 의해, 배기로 상류측 영역(132a)으로 흡장된 NOx가 방출 환원되는 동시에, CO 및 HC 등의 환원제가 확실하게 배기로 하류측 영역(132b)에까지 도달하게 되고, 특히 CO 및 HC 등의 환원제를 증대시키도록 연료를 증량하는 일 없이, 배기로 하류측 영역(132b)으로 흡장된 NOx가 충분히 방출 환원된다.

또한, O₂가 과잉으로 존재되는 상황하에서는 상기 O₂가 귀금속(136)을 덮고, 상기 귀금속(136)의 활성이 저하된다(산소 피독)는 현상이 일어나는 것이지만, NOx퍼지시에 있어서 CO 및 HC 등의 환원제가 확실하게 배기로 하류측 영역(132b)에까지 도달하게 되면, 귀금속(136)을 덮는 O₂가 배기로 상류측 영역(132a)뿐만 아니라 배기로 하류측 영역(132b)에서도 환원제에 의해 확실하게 제거된다. 이에 의해, 귀금속(136)의 활성에 대해서도 충분히 회복한다.

이와 같이, 본 실시예에 관한 배기 정화 촉매 장치에 따르면, 간단한 구성이면서 짧은 NOx 퍼지 시간에 연비의 악화 없이 촉매 전체적으로 하여 효율적으로 NOx 흡장 촉매 유닛(130)의 NOx 흡장 능력과 함께 귀금속(136)의 활성을 회복시킬 수 있어 배기 정화 효율의 향상을 도모할 수 있다.

즉, 도10을 참조하면 본 실시예에 관한 배기 정화 촉매 장치를 이용한 경우의 NOx 퍼지 후의 실험 결과가 NOx 흡장 촉매 유닛(130)의 출구 NOx 농도로 나타내고 있지만, 담체(132) 중 배기로 상류측 영역(132a) 쪽이 배기로 하류측 영역(132b)보다도 적어지도록 O₂저장제(134)를 담지시킴으로써(실선), O₂저장제(134)를 균일하게 담지한 종래인 경우(파선)에 비해, NOx 흡장 능력을 충분히 회복시켜 NOx 정화 효율을 향상시키고, 나아가서는 배기 정화 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 또, 도10 중에는 NOx 퍼지시의 공연비 및 NOx 흡장 촉매 유닛(130)의 입구 NOx 농도도 더불어 나타내고 있다(일점 쇄선).

또한, 여기서는 귀금속(136)의 담지량을 O₂저장제(134)의 담지량에 따라서 담체(132)의 배기로 상류측 영역(132a) 쪽이 배기로 하류측 영역(132b)보다도 적어지도록 설정되어 있기 때문에, NOx 흡장 촉매 유닛(130)에 비교적 고가의 귀금속(136)을 과부족 없이 효과적으로 담지할 수 있다.

단, 반드시 귀금속(136)의 담지량을 바꿀 필요는 없으며, 귀금속(136)에 대해서는 담체(132)에 균일하게 담지하도록 해도 좋다.

<제4 실시 형태>

이하, 본 발명의 제4 실시 형태를 도11에 기초하여 설명한다.

그런데, 상기 실시 형태에서는 담체(132)를 배기로 상류측 영역(132a)과 배기로 하류측 영역(132b)으로 이분하여 O₂저장제(134)의 담지량을 다르게 하도록 하였지만, 제4 실시 형태로서 도11에 도시한 바와 같이 O₂저장제(134)의 담지량을 배기로 상류측 영역(132a)으로부터 배기로 하류측 영역(132b)에 걸쳐 서서히 증가(그레이데이션)시키는 NOx 흡장 촉매 유닛(130')으로 해도 좋다.

이와 같이 하면, 촉매 전체적으로 하여 보다 한층 효율적으로 NOx 흡장 촉매 유닛(130)의 NOx 흡장 능력과 귀금속(136)의 활성을 회복시킬 수 있다.

또한, 이에 맞춰 상기 도면에 도시한 바와 같이 귀금속(136)의 담지량에 대해서도 배기로 상류측 영역(132a)으로부터 배기로 하류측 영역(132b)에 걸쳐 서서히 증가(그레이데이션)시키도록 해도 된다.

본 발명에 의하면, NOx 포획제와 3원 기능을 함께 발휘시켜 배기 가스 정화 효율을 높일 수 있는 배기 정화 촉매 장치가 제공된다.

Claims

배기로에 배치되어 유로(축) 방향으로 관통하는 다수의 관통 구멍을 갖는 단일 담체와,

상기 관통 구멍을 구획하는 내면에 형성된 내화성 무기 산화물의 담지층을 포함하고,

상기 담지층은 귀금속과, 배기 공연비가 희박할 때에 배기 중의 NOx를 흡장하는 NOx 포획제를 담지하고, 배기 공연비가 이론 공연비 또는 농후할 때에 상기 흡장한 NOx를 방출하여 환원 처리하고, 상기 귀금속의 담지량은 상기 담체의 상기 배기로 상류측 영역 쪽이 상기 배기로 하류측 영역보다도 적게 설정되어 있는 배기 정화 촉매 장치.
제1항에 있어서, 상기 귀금속의 담지량은 상기 담체의 배기로 상류측 영역으로부터 배기로 하류측 영역을 향해 서서히 증가하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 정화 촉매 장치.
제1항에 있어서, 상기 담지층은 배기로 상류측 영역이 알카리 금속을 주체로 하고, 배기로 하류측 영역이 알칼리 토류 금속을 주체로 하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 정화 촉매 장치.
제3항에 있어서, 상기 알카리 금속은 칼륨이며, 상기 알칼리 토류 금속은 바륨인 것을 특징으로 하는 배기 정화 촉매 장치.
제4항에 있어서, 상기 귀금속의 담지량은 상기 담체의 배기로 상류측 영역으로부터 배기로 하류측 영역을 향해 서서히 증가하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 정화 촉매 장치.
제1항에 있어서, 상기 담지층은 산소 흡장제를 담지하고,

상기 산소 흡장제의 담지량은 상기 담체의 배기로 상류측 영역 쪽이 배기로 하류측 영역보다도 적게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 정화 촉매 장치.
제6항에 있어서, 상기 산소 흡장제의 담지량은 상기 담체의 배기로 상류측 영역으로부터 배기로 하류측 영역을 향해 서서히 증가하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 정화 촉매 장치.
제6항에 있어서, 상기 귀금속의 담지량은 상기 산소 흡장제의 담지량에 따라서 상기 담체의 배기로 상류측 영역 쪽이 배기로 하류측 영역보다도 적게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 정화 촉매 장치.
제8항에 있어서, 상기 산소 흡장제의 담지량은 상기 담체의 배기로 상류측영역으로부터 배기로 하류측 영역을 향해 서서히 증가하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 배기 정화 촉매 장치.