KR20060056271A - 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

내연 기관의 배기 통로 내에 하류 측을 향하여 순서대로 연료 첨가 밸브 (14) 와, HC 흡착 산화 촉매 (11) 와, NOx 흡장 촉매 (12) 를 배치한다. NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 를 방출해야 할 때에는 연료 첨가 밸브(14) 로부터 미립자 형상의 연료가 첨가된다. 이 연료는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 일단 흡착되고, 그 후 서서히 증발하여 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 배기 가스의 공연비를 리치로 한다. 그에 따라 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 가 방출된다.

Description

압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치{EXHAUST EMISSION PURIFICATION APPARATUS OF COMPRESSION IGNITION INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
배기 가스 중에 포함되는 NOx 를 정화하기 위해서, 유입하는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 배기 가스 중에 포함되는 NOx 를 흡장(吸藏)하고, 유입하는 배기 가스 중의 산소 농도가 저하하면 흡장된 NOx 를 방출하는 NOx 흡장 촉매를 기관 배기 통로 내에 배치한 내연 기관이 공지이다. 이 내연 기관에서는 린 공연비 하에서 연소가 실시되고 있을 때에 발생하는 NOx 가 NOx 흡장 촉매에 흡장된다.
그런데, 이러한 NOx 흡장 촉매를 사용하였을 때에는 NOx 흡장 촉매의 NOx 흡장 능력이 포화하기 전에 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출시킬 필요가 있고, 이 경우 NOx 흡장 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비를 리치로 하면 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출시키고 또한 방출한 NOx 를 환원할 수 있다. 그래서, 종래의 내연 기관에서는 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출하기 위해서 연소실 내에서의 공연비를 리치로 하거나, 또는 NOx 흡장 촉매 상류의 기관 배기 통로 내에 연료를 공급하여 NOx 흡장 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비를 리치로 하도록 하고 있다.
그런데, NOx 흡장 촉매로부터 양호하게 NOx 를 방출시키기 위해서는 충분히 가스화한 리치인 공연비의 배기 가스를 NOx 흡장 촉매에 유입시켜야 한다. 이 경우, 연소실 내에서의 공연비를 리치로 하면 충분히 가스화한 리치인 공연비의 배기 가스가 NOx 흡장 촉매에 유입하기 때문에 NOx 흡장 촉매로부터 양호하게 NOx 를 방출시킬 수 있다. 그러나, 연소실 내에서 혼합기를 리치로 하면, 다량의 그을음이 발생한다는 문제가 있고, 또한, 팽창 행정이나 배기 행정 중에 추가 연료를 분사함으로써 연소실로부터 배출되는 배기 가스의 공연비를 리치로 하면, 분사 연료가 실린더 보어 내 벽면상에 부착한다는, 이른바 보어 플러싱(bore flushing) 을 발생한다.
이에 대하여, NOx 흡장 촉매 상류의 기관 배기 통로 내에 연료를 분사하도록 한 경우에는 상기 기술한 바와 같이 그을음이 발생하거나, 또는 보어 플러싱를 발생하는 일은 없어진다. 그러나, NOx 흡장 촉매 상류의 기관 배기 통로 내에 연료를 분사하도록 한 경우에는 분사한 연료가 충분히 가스화하지 않고, 이렇게 하여 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 양호하게 방출시킬 수 없다는 문제가 있다.
한편, NOx 흡장 촉매 상류의 기관 배기 통로 내에 배기 가스 중에 포함되는 탄화수소, 즉 HC 를 흡착하기 위한 HC 흡착 촉매를 배치한 내연 기관이 공지이다 (일본 공개특허공보 2003-97255호 참조). 이 내연 기관에서는 린 공연비 하에서 연소가 실시되고 있을 때에 발생하는 HC 는 HC 흡착 촉매에 흡착되고, 이때 발생하는 NOx 는 NOx 흡장 촉매에 흡장된다.
그런데, 이 내연 기관에서는 HC 흡착 촉매의 온도가 활성화 온도 부근, 즉, 200℃ 부근이 되면 흡착되고 있는 HC 의 산화 반응이 활발해지고, 그 결과 배기 가스 중의 산소가 급격히 소비되기 때문에 배기 가스 중의 산소 농도가 급격히 저하한다. 따라서, 이때에는 소량의 연료를 추가 공급하면 배기 가스의 공연비를 리치로 할 수 있다. 그래서, 이 내연 기관에서는 HC 흡착 촉매에서 충분한 양의 산소가 소비되고 있는지 여부를 검출하고, HC 흡착 촉매에서 충분한 양의 산소가 소비되고 있을 때에 배기 가스의 공연비를 리치로 하여 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출시키도록 하고 있다.
그러나, 이 내연 기관에서는 연소실 내에서의 공연비를 리치로 하도록 하고 있어, 기관 배기 통로 내에 연료를 분사하도록 하고 있지는 않기 때문에, 상기 기술한 바와 같은 문제를 발생시킨다. 또한, 이 내연 기관에서는 HC 흡착 촉매의 온도가 활성화 온도 부근이 되는 시기, 즉, HC 흡착 촉매에서 충분한 양의 산소가 소비되는 시기는 한정되어 있기 때문에, NOx 흡장 촉매로부터의 NOx 방출 작용에서 보아 필요한 시기에 HC 흡착 촉매의 온도가 활성화 온도가 되지 않고, 이렇게 하여 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출하는 것이 필요해 졌을 때에 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출할 수 없다는 문제가 있다.
발명의 개시
본 발명의 목적은, NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출해야 할 때에, NOx 흡장 촉매 상류의 기관 배기 통로 내에 연료를 공급하도록 한 경우라도 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 양호하게 방출할 수 있도록 한 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의하면, 미립자 형상의 연료를 배기 가스 중에 첨가하기 위한 연료 첨가 수단과, 연료 첨가 수단 하류의 기관 배기 통로 내에 배치되어 배기 가스 중에 포함되는 탄화수소를 흡착하고, 또한 산화하는 HC 흡착 산화 촉매와, HC 흡착 산화 촉매 하류의 기관 배기 통로 내에 배치되어 유입하는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 배기 가스 중에 포함되는 NOx 를 흡장하여, 유입하는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비 또는 리치가 되면 흡장한 NOx 를 방출하는 NOx 흡장 촉매를 구비하고, NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출시키기 위해서 NOx 흡장 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비를 리치로 할 때에는 미립자 형상의 연료가 연료 첨가 수단으로부터 첨가됨과 함께, 이 때의 미립자 형상 연료의 첨가량은 HC 흡착 산화 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비가 NOx 흡장 촉매에 유입하는 리치시의 공연비보다도 작은 리치 공연비가 되는 양으로 설정되어 있고, 첨가된 미립자 형상 연료는 HC 흡착 산화 촉매에 흡착된 후에 흡착한 연료의 대부분이 HC 흡착 산화 촉매 내에서 산화되어 HC 흡착 산화 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비가 리치가 되는 것 보다도 긴 시간에 걸쳐 NOx 흡장 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비를 리치로 하도록 하고 있다.
도 1 은 압축 착화식 내연 기관의 전체도이다.
도 2 는 압축 착화식 내연 기관의 별도의 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 3 은 파티큘레이트 필터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4 는 NOx 흡장 촉매의 촉매 담체의 표면 부분의 단면도이다.
도 5 는 HC 흡착 산화 촉매의 측면 단면도이다.
도 6 은 HC 흡착 산화 촉매의 촉매 담체의 표면 부분의 단면도이다.
도 7 은 연료 흡착량을 나타내는 도면이다.
도 8 은 배기 가스의 공연비의 변화를 나타내는 도면이다.
도 9 는 연료 첨가 시간과 배기 가스의 공연비 A/F, 온도 상승량 (ΔT), 배출 HC 량 (G) 및 리치 시간과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10 은 배기 가스의 공연비의 변화를 나타내는 도면이다.
도 11 은 연료 첨가량을 나타내는 도면이다.
도 12 는 NOx 방출 제어를 나타내는 도면이다.
도 13 은 흡장 NOx 량 NOXA 의 맵 등을 나타내는 도면이다.
도 14 는 배기 정화 처리를 실시하기 위한 플로우차트이다.
도 15 는 연료 첨가 처리를 실시하기 위한 플로우차트이다.
도 16 은 연료 첨가 처리를 실시하기 위한 플로우차트이다.
도 17 은 연료 첨가 처리를 실시하기 위한 플로우차트이다.
부호의 설명
4 : 흡기 매니폴드(manifold)
5 : 배기 매니폴드
7 : 배기 터보차져
11 : HC 흡착 산화 촉매
12 : NOx 흡장 촉매
14 : 연료 첨가 밸브
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
도 1 에 압축 착화식 내연 기관의 전체도를 나타낸다.
도 1 을 참조하면, 1 은 기관 본체, 2 는 각 기통의 연소실, 3 은 각 연소실 (2) 내에 각각 연료를 분사하기 위한 전자 제어식 연료 분사 밸브, 4 는 흡기 매니폴드, 5 는 배기 매니폴드를 각각 나타낸다. 흡기 매니폴드 (4) 는 흡기 덕트 (6) 를 통해 배기 터보챠저 (7) 의 콤프레서 (7a) 의 출구에 연결되고, 콤프레서 (7a) 의 입구는 에어 클리너 (8) 에 연결된다. 흡기 덕트 (6) 내에는 스텝 모터에 의해 구동되는 스로틀 밸브 (9) 가 배치되고, 또한, 흡기 덕트 (6) 주위에는 흡기 덕트 (6) 내를 흐르는 흡입 공기를 냉각하기 위한 냉각 장치 (10) 가 배치된다. 도 1 에 나타나는 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각 장치 (10) 내로 도입되고, 기관 냉각수에 의해서 흡입 공기가 냉각된다. 한편, 배기 매니폴드 (5) 는 배기 터보챠저 (7) 의 배기 터빈 (7b) 의 입구에 연결되고, 배기 터빈 (7b) 의 출구는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 입구에 연결된다. 또한, HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 출구는 배기관 (13) 을 통해 NOx 흡장 촉매 (12) 에 연결된다. 배기 매니폴드 (5) 에는 미스트 형상의, 즉, 미립자 형상의 연료를 배기 가스 중에 첨가하기 위한 연료 첨가 밸브 (14) 가 부착된다. 본 발명에 의한 실시예에서는 이 연료는 경유로 이루어진다.
배기 매니폴드 (5) 와 흡기 매니폴드 (4) 란, 배기 가스 재순환 (이하, EGR 이라 칭한다) 통로 (15) 를 통해 서로 연결되고, EGR 통로 (15) 내에는 전자 제어식 EGR 제어 밸브 (16) 가 배치된다. 또한, EGR 통로 (15) 주위에는 EGR 통로 (15) 내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치 (17) 가 배치된다. 도 1 에 나타나는 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각 장치 (17) 내로 도입되고, 기관 냉각수에 의해서 EGR 가스가 냉각된다. 한편, 각 연료 분사 밸브 (3) 는 연료 공급관 (18) 을 통해 커먼 레일 (19) 에 연결된다. 이 커먼 레일 (19) 내에는 전자 제어식의 토출량 가변인 연료 펌프 (20) 로부터 연료가 공급되고, 커먼 레일 (19) 내에 공급된 연료는 각 연료 공급관 (18) 을 통해 연료 분사 밸브 (3) 에 공급된다.
전자 제어 유닛 (30) 은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍방향성 버스 (31) 에 의해서 서로 접속된 R0M (리드 온리 메모리; 32), RAM (랜덤 액세스 메모리 ;33), CPU (마이크로프로세서; 34), 입력 포트 (35) 및 출력 포트 (36) 를 구비한다. HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 입구에는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 유입하는 배기 가스의 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (21) 가 배치되고, 배기관 (13) 내에는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출한 배기 가스의 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (22) 가 배치된다. 이들 온도 센서 (21, 22) 의 출력 신호는 각각 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력 포트 (35) 에 입력된다. 또한, NOx 흡장 촉매 (12) 에는 NOx 흡장 촉매 (12) 의 전후 차압을 검출하기 위한 차압 센서 (23) 가 부착되어 있고, 이 차압 센서 (23) 의 출력 신호는 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력 포트 (35) 에 입력된다.
엑셀 패달 (40) 에는 엑셀 패달 (40) 의 밟음량 (L) 에 비례한 출력 전압을 발생하는 부하 센서 (41) 가 접속되고, 부하 센서 (41) 의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기 (37) 를 통해 입력 포트 (35) 에 입력된다. 또한, 입력 포트 (35) 에는 크랭크샤프트가, 예를 들어, 15°회전할 때마다 출력 펄스를 발생하는 크랭크각 센서 (42) 가 접속된다. 한편, 출력 포트 (36) 는 대응하는 구동 회로 (38) 를 통해 연료 분사 밸브 (3), 스로틀 밸브 (9) 구동용 스텝 모터, 연료 첨가 밸브 (14), EGR 제어 밸브 (16) 및 연료 펌프 (20) 에 접속된다.
도 2 에 압축 착화식 내연 기관의 별도의 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 온도를 검출하기 위한 온도 센서 (25) 가 설치되어 있고, NOx 흡장 촉매 (12) 의 출구에 연결된 배기관 (24) 내에 배기 가스의 공연비를 검출하기 위한 공연비 센서 (26) 가 배치되어 있다.
먼저, 처음에 도 1 및 도 2 에 나타나는 NOx 흡장 촉매 (12) 에 대하여 설명하면, 이들 NOx 흡장 촉매 (12) 는 3 차원 매쉬 구조의 모노리스 담체 또는 펠릿 형상 담체 상에 담지(擔持)되어 있거나, 또는 벌집 구조를 이루는 파티큘레이트(particulate) 필터 상에 담지되어 있다. 이와 같이 NOx 흡장 촉매 (12) 는 여러 가지의 담체상에 담지시킬 수 있으나, 이하 NOx 흡장 촉매 (12) 를 파티큘레이트 필터 위에 담지한 경우에 대하여 설명한다.
도 3 (A) 및 (B) 는 NOx 흡장 촉매 (12) 를 담지한 파티큘레이트 필터 (12a) 의 구조를 나타내고 있다. 또한, 도 3 (A) 는 파티큘레이트 필터 (12a) 의 정 면도를 나타내고 있고, 도 3 (B) 는 파티큘레이트 필터 (12a) 의 측면 단면도를 나타내고 있다. 도 3 (A) 및 (B) 에 나타나는 바와 같이 파티큘레이트 필터 (12a) 는 벌집 구조를 이루고 있고, 서로 평행을 이루어 연장되는 복수개의 배기 유통로 (60, 61) 를 구비한다. 이들 배기 유통로는 하류단이 마개 (62) 에 의해 폐색된 배기 가스 유입 통로 (60) 와, 상류단이 마개 (63) 에 의해 폐색된 배기 가스 유출 통로 (61) 에 의해 구성된다. 또한, 도 3 (A) 에 있어서 해칭한 부분은 마개 (63) 를 나타내고 있다. 따라서, 배기 가스 유입 통로 (60) 및 배기 가스 유출 통로 (61) 는 박육의 격벽 (64) 을 통해 교대로 배치된다. 바꾸어 말하면, 배기 가스 유입 통로 (60) 및 배기 가스 유출 통로 (61) 는 각 배기 가스 유입 통로 (60) 가 4 개의 배기 가스 유출 통로 (61) 에 의해서 포위되고, 각 배기 가스 유출 통로 (61) 가 4 개의 배기 가스 유입 통로 (60) 에 의해서 포위되 도록 배치된다.
파티큘레이트 필터 (12a) 는 예를 들어 근청석과 같은 다공질 재료로 형성되어 있고, 따라서 배기 가스 유입 통로 (60) 내에 유입한 배기 가스는 도 3 (B) 에서 화살표로 나타나는 바와 같이 주위의 격벽 (64) 내를 통해 인접하는 배기 가스 유출 통로 (61) 내에 유출한다.
이와 같이, NOx 흡장 촉매 (12) 를 파티큘레이트 필터 (12a) 상에 담지시킨 경우에는, 각 배기 가스 유입 통로 (60) 및 각 배기 가스 유출 통로 (61) 의 주벽면, 즉, 각 격벽 (64) 의 양측 표면 상 및 격벽 (64) 내의 세공 내벽면상에는, 예를 들어, 알루미나로 이루어지는 촉매 담체가 담지되어 있고, 도 4 (A) 및 (B) 는 이 촉매 담체 (45) 의 표면 부분의 단면을 도해적으로 나타내고 있다. 도 4 (A) 및 (B) 에 나타나는 바와 같이 촉매 담체 (45) 의 표면 상에는 귀금속 촉매 (46) 가 분산하여 담지되어 있고, 또한 촉매 담체 (45) 의 표면 상에는 NOx 흡수제 (47) 의 층이 형성되어 있다.
본 발명에 의한 실시예에서는 귀금속 촉매 (46) 로서 백금 (Pt) 이 사용되고 있고, NOx 흡수제 (47) 를 구성하는 성분으로서는 예를 들어 칼륨 (K), 나트륨 (Na), 세슘 (Cs) 과 같은 알칼리 금속, 바륨 (Ba), 칼슘 (Ca) 과 같은 알칼리 토류, 란탄 (La), 이트륨 (Y) 과 같은 희토류에서 선택된 적어도 하나가 사용되고 있다.
기관 흡기 통로, 연소실 (2) 및 NOx 흡장 촉매 (12) 상류의 배기 통로 내에 공급된 공기 및 연료 (탄화 수소) 의 비를 배기 가스의 공연비라고 칭하면, NOx 흡수제 (47) 는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 NOx 를 흡수하고, 배기 가스 중의 산소 농도가 저하하면 흡수한 NOx 를 방출하는 NOx 의 흡방출 작용을 실시한다.
즉, NOx 흡수제 (47) 를 구성하는 성분으로서 바륨 (Ba) 을 사용한 경우를 예로 들어 설명하면, 배기 가스의 공연비가 린의 때, 즉 배기 가스 중의 산소 농도가 높을 때에는 배기 가스 중에 포함되는 NO 는 도 4 (A) 에 나타나는 바와 같이 백금 (Pt; 46) 상에서 산화되어 NO2 로 되고, 이어서 NOx 흡수제 (47) 내에 흡수되어 산화 바륨 (Ba0) 과 결합하면서 질산 이온 NO3 - 의 형태로 NOx 흡수제 (47) 내에 확산한다. 이렇게 하여 NOx 가 NOx 흡수제 (47) 내에 흡수된다. 배기 가스 중의 산소 농도가 높은 한 백금 (Pt; 46) 의 표면에서 N02 가 생성되고, NOx 흡수제 (47) 의 NOx 흡수 능력이 포화하지 않는 한 NO2 가 NOx 흡수제 (47) 내에 흡수되어 황산 이온 (NO3)- 이 생성된다.
이에 대해, 배기 가스의 공연비가 리치 또는 이론 공연비로 되면 배기 가스 중의 산화 농도가 저하하기 때문에 반응이 역방향 (NO3 -→NO2) 으로 진행하고, 이렇게 하여 도 4 (B) 에 나타나는 바와 같이 NOx 흡수제 (47) 내의 질산 이온 NO3 - 가 N02 의 형태로 NOx 흡수제 (47) 로부터 방출된다. 이어서 방출된 NOx 는 배기 가스 중에 포함되는 미연 HC, CO 에 의해 환원된다.
이와 같이 배기 가스의 공연비가 린일 때, 즉 린 공연비 하에서 연소가 실시되고 있을 때에는 배기 가스 중의 NOx 가 NOx 흡수제 (47) 내에 흡수된다. 그러나 린 공연비 하에서 계속하여 연소되면 그 사이에 NOx 흡수제 (47) 의 NOx 흡수 능력이 포화하고, 이렇게 하여 NOx 흡수제 (47) 에 의해 NOx 를 흡수할 수 없게 된다. 그래서 본 발명에 의한 실시예에서는 NOx 흡수제 (47) 의 흡수 능력이 포화하기 전에 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 연료를 첨가함으로써 배기 가스의 공연비를 일시적으로 리치로 하고, 그에 따라서 NOx 흡수제 (47) 로부터 NOx 를 방출시키도록 하고 있다.
그런데, 전술한 바와 같이 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 연료를 첨가함으로써 배기 가스의 공연비를 리치로 하면 NOx 흡수제 (47) 로부터 NOx 가 방출되어, 방출된 NOx 가 배기 가스 중에 포함되는 미연 HC, CO 에 의해서 환원된다. 이 경우, 첨가된 연료가 액상이었다고 하면 이론상으로는 배기 가스의 공연비가 리치로 되었다고 해도 NOx 흡수제 (47) 로부터 NOx 가 방출하지 않는다. 또한, 연료가 액상인 경우에는 NOx 의 환원도 실시되지 않는다. 즉, NOx 흡수제 (47) 로부터 NOx 를 방출시키고 또한 방출된 NOx 를 환원하기 위해서는 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 배기 가스 중의 가스 형상 성분의 공연비를 리치로 해야 한다.
본 발명에서는 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가되는 연료는 미립자 형상이고, 일부의 연료는 가스 형상으로 되어 있지만 대부분은 액상으로 되어 있다. 본 발명에서는 첨가된 연료의 대부분이 액상이었다고 해도 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 연료가 가스 형상으로 되도록 NOx 흡장 촉매 (12) 의 상류에 HC 흡착 산화 촉매 (11) 가 배치되어 있다. 다음으로 이 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 대해서 설명한다.
도 5 는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 측면 단면도를 나타내고 있다. 도 5 에 나타나는 바와 같이 HC 흡착 산화 촉매 (11) 는 벌집 형상 구조를 이루고 있고, 곧바르게 연장되는 복수개의 배기 가스 유통로 (65) 를 구비한다. 이 HC 흡착 산화 촉매 (11) 는 제오라이트와 같은 세공 구조를 갖는 비(比)표면적이 큰 재료로 구성되어 있고, 도 5 에 나타내는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 기체는 제오라이트의 일종인 모데나이트로 이루어진다. 도 6 (A) 부터 (D) 는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 표면 부분의 단면을 도해적으로 나타내고 있다. 또, 도 6 (B) 은 도 6 (A) 에서의 B 부분의 확대도를 나타내고 있고, 도 6 (C) 은 도 6 (B) 과 같은 단면을 나타내고 있고, 도 6 (D) 는 도 6 (C) 에 있어서의 D 부분의 확대도를 나타내고 있다. 도 6 (B) 및 (C) 로부터 알 수 있듯이 HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 표면은 올록볼록한 거친 표면 형상을 보이고 있고, 이 거친 표면 형상을 갖는 표면 상에는 도 6 (D) 에 나타나는 바와 같이 다수의 세공 (51) 이 형성됨과 함께 백금 (Pt) 으로 이루어지는 귀금속 촉매 (52) 가 분산하여 담지되어 있다.
연료 첨가 밸브 (14) 로부터 미립자 형상의 연료가 첨가되면 일부의 연료는 증발하여 가스 형상이 되지만 대부분은 미립자의 형태로 기체 (50) 의 표면 상에 흡착한다. 도 6 (A) 및 (B) 는 연료 미립자 (53) 가 흡착하는 모양을 나타내고 있다. 이와 같이 액상의 형태로 연료가 흡착할 때의 연료 흡착 비율은 가스 형상 연료의 흡착 비율에 비해 상당히 높아진다. 또, HC 흡착 산화 촉매 (11) 가 흡착할 수 있는 미립자 형상 연료의 흡착량은 도 7 (A) 에 나타나는 바와 같이 HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 온도가 낮아질수록 증대한다. 또한, HC 흡착 산화 촉매 (11) 에서의 배기 가스류의 공간 속도가 빨라지면, 즉 배기 가스의 유속이 빠르게 되면, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가되는 연료 중, 가스화하는 것의 양 및 NOx 흡착 산화 촉매 (11) 내의 배기 유통로 (65) 내를 그냥 지나치는 미립자 형상 연료의 량이 증대한다. 따라서, HC 흡착 산화 촉매 (11) 가 흡착할 수 있는 미립자 형상 연료의 흡착량은 도 7 (B) 에 나타나는 바와 같이 공간 속도가 빨라질수록 감소한다.
이어서 도 6 (C), (D) 에 나타나는 바와 같이 기체 (50) 의 표면 상에 흡착 한 연료 미립자 (53) 는 서서히 증발하여 가스 형상 연료로 된다. 이 가스 형상 연료는 주로 탄소수가 많은 HC 로 이루어진다. 이 탄소수가 많은 HC 는 증발할 때에 제오라이트 표면 상의 산점 또는 귀금속 촉매 (52) 상에서 크래킹되고, 탄소수가 적은 HC 로 개질된다. 이 개질된 가스 형상의 HC 는 곧 배기 가스 중의 산소와 반응하여 산화된다. 이렇게 하여 기체 (50) 의 표면 상에 흡착한 연료 미립자 (53) 의 대부분은 배기 가스 중의 산소와 반응하기 때문에 배기 가스 중에 포함되는 거의 모든 산소는 소비된다. 그 결과, 배기 가스 중의 산소 농도가 저하하고, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 가 방출된다.
한편, 이 때 배기 가스 중에는 가스 형상의 HC 가 잔존하고 있고, 배기 가스의 공연비는 리치가 되어 있다. 이 가스 형상의 HC 는 NOx 흡장 촉매 (12) 내에 유입하고, 이 가스 형상의 HC 에 의해 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 방출된 NOx 가 환원된다.
도 8 은 기관 저속 저부하 운전시에서의 연료 첨가 밸브 (14) 로부터의 연료의 첨가량과, 배기 가스의 공연비 A/F 를 나타내고 있다. 또, 도 8 에 있어서 (A) 는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 유입하는 배기 가스의 공연비 A/F 를 나타내고 있고, (B) 는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출하여 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 배기 가스의 공연비 A/F 를 나타내고 있고, (C) 는 N0x 흡장 촉매 (12) 로부터 유출하는 배기 가스의 공연비 A/F 를 나타내고 있다.
본 발명에 의한 실시예에서는 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 를 방출해야 할 때에는 도 8 에 나타나는 바와 같이 복수회의 연속 펄스로 이루어지는 구동 신 호가 연료 첨가 밸브 (14) 에 공급되고, 이 때 실제로는 이들 연속 펄스가 공급되어 있는 사이, 연료가 연속적으로 계속 첨가된다. 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 연료가 공급되는 사이, HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 유입하는 배기 가스의 공연비는 도 8 (A) 에 나타나는 바와 같이 5 이하의 상당히 리치한 공연비로 된다.
한편, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 연료가 첨가되면 연료 미립자는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 흡착되고, 이어서 이 연료 미립자로부터 연료가 서서히 증발하여 상기 기술한 바와 같이 크래킹되고, 개질된다. 연료 미립자로부터 증발한 연료 또는 개질된 연료의 일부는 배기 가스 중에 포함되는 산소와 반응하여 산화되고, 그에 따라 배기 가스 중의 산소 농도가 저하한다. 한편, 잉여의 연료, 즉 잉여의 HC 가 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 배출되고, 그 결과 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출하는 배기 가스의 공연비 A/F 는 약간 리치로 된다. 즉, HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 흡착된 연료 미립자로부터는 연료가 서서히 증발하고, 흡착된 연료 미립자가 소량으로 될 때까지, HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출하는 배기 가스의 공연비 A/F 는 약간 리치로 계속된다. 따라서 도 8 (B) 에 나타나는 바와 같이 연료 첨가 밸브 (14) 로부터의 연료의 첨가 작용이 완료한 후에 상당한 시간에 걸쳐 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출하는 배기 가스의 공연비 A/F 는 약간 리치로 계속된다.
HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출하여 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 배기 가스의 공연비 A/F 가 리치가 되면 N0x 흡장 촉매 (12) 로부터 N0x 가 방출되고, 방출된 NOx 가 미연 HC, C0 에 의해 환원된다. 이 경우, 전술한 바와 같이 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 미연 HC 은 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에서 개질되어 있고, 따라서 방출된 NOx 는 미연 HC 에 의해 양호하게 환원된다. 도 8 (C) 로부터 알 수 있는 바와 같이 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터의 NOx 의 방출 작용과 환원 작용이 실시되고 있는 사이, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 유출하는 배기 가스의 공연비 A/F 는 거의 이론 공연비로 유지된다.
이와 같이 본 발명에서는 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 를 방출시키기 위해 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 배기 가스의 공연비를 리치로 할 때에는 미립자 형상의 연료가 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가됨과 함께 이 때의 미립자 형상 연료의 첨가량은 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 유입하는 배기 가스의 공연비가 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 리치시의 공연비보다 작은, 도 8 에 나타내는 예에서는 반절 이하의 리치 공연비로 되는 양으로 설정되어 있다.
한편, 이 때 첨가된 미립자 형상 연료는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 흡착된 후에 흡착한 연료의 대부분이 HC 흡착 산화 촉매 (11) 내에서 산화되고, HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 유입하는 배기 가스의 공연비가 리치가 되는 시간보다 긴 시간, 도 8 에 나타내는 예에서는 수배의 시간에 걸쳐 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 배기 가스의 공연비가 리치로 된다.
이와 같이 본 발명에서는 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가된 미립자 형상 연료를 일단 HC 흡착 산화 촉매 (11) 내에 흡착 유지하고, 이어서 흡착 유지된 미립자 형상 연료를 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 조금씩 증발시킴으로써, 긴 시간에 걸쳐 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 배기 가스의 공연비를 리치로 하도록 하 고 있다. 이 경우, N0x 흡장 촉매 (12) 로부터 가능한 한 다량의 NOx 를 방출시키기 위해서는 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 배기 가스의 공연비가 리치로 되는 시간을 길게 하면 되고, 그것을 위해 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 흡착 유지되는 연료량을 가능한 한 증대하는 것이 필요하게 된다.
일례를 들면, 예를 들어 기관 저속 저부하 운전시에 1 초간 당 흡입 공기량이 10 (g) 으로 되는 압축 착화식 내연 기관에 있어서, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 400msec 정도, 미립자 형상 연료를 분사하면 N0x 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 배기 가스의 공연비는 2 초 정도에 걸쳐 14.0 정도의 리치 공연비가 되고, 이 때 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 가 양호하게 방출되는 것이 판명되어 있다. 이 때 연료 첨가 밸브 (14) 의 바로 하류에서의 배기 가스의 공연비, 즉 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 유입하는 배기 가스의 공연비는 4.4 정도의 리치 공연비로 된다.
좀더 자세히 설명하면, 이 압축 착화식 내연 기관에서는 기관 저속 저부하 운전시에는 공연비 A/F 가 30 정도이고, 따라서 A/F=10(g/sec)/F=30 이므로 연료 분사량은 F=1/3(g/sec) 이 된다. 한편, 14 의 리치 공연비를 생성하기 위해서는 A/F=10(g/sec)/F=14 이므로 5/7(g/sec) 의 연료가 필요하게 된다. 따라서, 14 의 리치 공연비를 생성하는데 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가해야 하는 추가 연료량은 5/7(g/sec)-1/3(g/sec)=8/21(g/sec) 이 되고, 2 초간에 걸쳐 14 의 리치 공연비를 생성하기 위해서는 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 16/21 (g) 의 연료를 첨가해야 한다. 이 연료를 400msec 으로 하여 첨가하면, 그 때 배기 가스의 공연비는 거의 4.4 가 된다.
이와 같이 이 내연 기관에서 기관 저속 저부하 운전시에 14 의 리치 공연비를 2 초간에 걸쳐 생성하려고 하면 연료 첨가 밸브 (14) 로 부터 16/21 (g) 의 연료를 공급해야 한다. 이 경우, 이 연료량을 보다 짧은 시간, 예를 들어 100msec 로 공급하려고 하면 연료 첨가 밸브 (14) 의 분사압을 높이지 않으면 안된다. 그러나 연료 첨가 밸브 (14) 의 분사압을 높이면 분사시의 연료의 미립화가 촉진되기 때문에 가스화하는 연료량이 증대하고, 이렇게 해서 HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 흡착되는 연료량이 감소한다. 이와 같이 HC흡착 산화 촉매 (11) 에 대한 흡착 연료량이 감소하면 공연비가 리치로 되는 시간이 짧아진다. 이에 대해, 16/21 (g) 의 연료를 공급함에 따라 단위 시간 당의 공급량을 적게하면, 예를 들어 연료 첨가 밸브 (14) 로부터의 연료 첨가 시간을 1000msec 로 하면 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터의 단위 시간당의 연료 증발량이 적어져, 배기 가스의 공연비가 리치로 되기 어렵게 된다. 도 9 는 이것은 나타내고 있다.
즉, 도 9 는 연료 첨가 밸브 (14) 로부터의 연료 첨가 시간 τ(msec) 를 바꾸었을 때, HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 유입하는 배기 가스의 공연비 A/F, HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출한 배기 가스의 온도 상승량 (ΔT), NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 배출되는 배출 HC 량 (G), 및 NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입되는 배기 가스의 리치 시간을 나타내고 있다.
상기 기술한 바와 같이, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터의 연료 첨가 시간을 짧게 하면, HC 흡착 산화 촉매 (11) 로의 흡착 연료량이 감소한다. 그 결과, HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터의 연료의 증발량이 적어지기 때문에, HC 의 산화 작용 은 약해지고, 온도 상승량 (ΔT) 이 저하함과 함께 리치 시간이 짧아진다. 또한 이 때, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 공급되는 연료 중에서 배기 가스류에 의해 없어지는 연료량이 증대하기 때문에 배출 HC 량 (G) 이 증대한다.
한편, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터의 연료 첨가 시간을 길게 하면, 상기 기술한 바와 같이 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로의 단위 시간당 흡착 연료량이 감소한다. 그 결과, HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터의 연료의 증발량이 적어지기 때문에, HC 의 산화 작용은 약해지고, 온도 상승량 (ΔT) 이 저하함과 함께 리치 시간이 짧아진다. 한편, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터의 NOx 방출 작용이 완료한 후에도 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 HC 가 계속 증발하기 때문에, 배출 HC 량 (G) 이 증대한다.
연료 첨가 밸브 (14) 로부터 연료를 첨가하였을 때에 첨가한 연료가 대기 중으로 배출되면, 이 연료는 전혀 쓸모가 없어지고, 따라서 첨가한 연료의 대기 중으로의 배출량, 즉 배출 HC 량 (G) 은 허용치 (Go) 이하로 억제할 필요가 있다. 배출 HC 량 (G) 이 허용치 (Go) 이하라는 것은, 별도의 견해로는 HC 가 산화 반응을 하여 산소를 충분히 소비하고 있다는 것을 의미하고 있고, 따라서 배출 HC 량 (G) 이 허용치 (Go) 이하라는 것은, 온도 상승량 (ΔT) 이 미리 정해진 설정치 (ΔTo) 이상이라는 것에 대응하고 있다.
즉, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 연료를 첨가할 때에는 배출 HC 량 (G) 이 허용치 (Go) 이하가 되고, 온도 상승량 (ΔT) 이 설정치 (ΔTo) 이상이 되도록 첨가 연료의 첨가 시간 (τ) 을 정하는 것이 필요하고, 따라서 본 발명에 의한 실시 예에서는, 첨가 연료의 첨가 시간 (τ) 이 대략 100 (msec) 에서 대략 700 (msec) 사이로 설정되어 있다. 이것을 공연비 A/F 로 나타내면, 첨가 시간 (τ) 이 100 (msec) 일 때의 공연비 A/F 는 대략 1 이고, 첨가 시간 (τ) 이 700 (msec) 일 때의 공연비 A/F 는 대략 7 이기 때문에, 본 발명에 의한 실시예에서는 기관 저속 저부하 운전시에 있어서, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 를 방출시키기 위하여, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가되는 미립자 형상 연료의 첨가량은, HC 흡착 산화 촉매 (11) 에 유입되는 배기 가스의 공연비가 대략 1 에서 대략 7 이 되는 양으로 설정되어 있게 된다.
도 10 은, 기관 고속 고부하 운전시에서의 도 8 과 동일 장소에서의 공연비를 나타내고 있다. 기관 고속 고부하 운전시에는 기관 저속 저부하 운전시에 비교하여 HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 온도가 높아지고, HC 흡착 산화 촉매 (11) 를 유통하는 배기 가스의 공간 속도가 높아지기 때문에, 도 7 (A), (B) 로부터 알 수 있듯이, HC 흡착 산화 촉매 (11) 가 흡착할 수 있는 연료량이 상당히 감소한다. 따라서 도 10 과 도 8 을 비교하면 알 수 있듯이, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가되는 연료량은, 기관 고속 고부하 운전시에는 기관 저속 저부하 운전시에 비교하여 작게 된다.
또, 도 10 에 나타나는 바와 같이 기관 고속 고부하 운전시에는 공연비가 대략 20 정도이기 때문에, 첨가되는 연료가 감소되더라도 배기 가스의 공연비를 리치로 할 수 있다. 그러나 배기 가스의 공연비를 리치로 할 수 있는 시간은 기관 저속 저부하 운전시에 비교하여 상당히 짧아진다.
도 1 (A) 은, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 를 방출해야 할 때에 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가되는 연료량 (AQ) 을 나타내고, 첨가되는 연료량은 AQ1, AQ2, AQ3, AQ4, AQ5, AQ6 의 순으로 점차 적어진다. 또, 도 11 (A) 에 있어서 세로축 (TQ) 은 출력 토크를, 가로축 (N) 은 기관 회전수를 나타내고, 따라서 첨가해야 할 연료량 (AQ) 은 출력 토크 (TQ) 가 증대할수록, 즉 HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 온도가 높아질수록 적어지고, 기관 회전수 (N) 가 높아질수록, 즉 배기 가스의 유량이 증대할수록 적어진다. 이 첨가해야 할 연료량 (AQ) 은, 도 11 (B) 에 나타나는 바와 같은 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되어 있다.
다음으로 도 12 및 도 13 을 참조하면서 NOx 방출 제어에 대해서 설명한다.
도 12 (A) 는, 기관 저속 저부하 운전시에 있어서 NOx 흡장 촉매 (12) 에 흡장된 NOx 량 (ΣNOX) 의 변화와, NOx 방출을 위하여 배기 가스의 공연비 A/F 를 리치로 하는 타이밍을 나타내고 있고, 도 12 (B) 는, 기관 고속 고부하 운전시에 있어서 NOx 흡장 촉매 (12) 에 흡장된 NOx 량 (ΣNOX) 의 변화와, NOx 방출을 위하여 배기 가스의 공연비 A/F 를 리치로 하는 타이밍을 나타내고 있다.
기관으로부터 단위 시간당 배출되는 NOx 량은 기관의 운전 상태에 따라 변화하고, 따라서 단위 시간당 NOx 흡장 촉매 (12) 내에 흡장되는 NOx 량도 기관의 운전 상태에 따라 변화한다. 본 발명에 의한 실시예에서는 NOx 흡장 촉매 (12) 에 단위 시간당 흡장되는 NOx 량 (NOXA) 이 요구 토크 (TQ) 및 기관 회전수 (N) 의 함수로서 도 13 (A) 에 나타내는 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되고, 이 NOx 량 (NOXA) 을 적산함으로써 NOx 흡장 촉매 (12) 에 흡장된 NOx 량 (ΣNOX) 이 산출된다.
한편, 도 12 (A), (B) 에 있어서 MAX 는 NOx 흡장 촉매 (12) 가 흡장할 수 있는 최대 NOx 흡장량을 나타내고 있고, NX 는 NOx 흡장 촉매 (12) 에 흡장시킬 수 있는 NOx 량의 허용치를 나타내고 있다. 따라서 도 12 (A), (B) 에 나타나는 바와 같이 NOx 량 (ΣNOX) 이 허용치 (NX) 에 달하면, NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입하는 배기 가스의 공연비 A/F 가 일시적으로 리치로 되고, 그에 따라 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 가 방출된다.
전술한 바와 같이, 기관 저속 저부하 운전시에는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 가 흡착할 수 있는 연료량이 증대하기 때문에, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터의 연료 첨가량이 증대된다. 이와 같이 연료 첨가량이 증대되면, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 다량의 NOx 를 방출시킬 수 있다. 즉, 이 경우에는 NOx 흡장 촉매 (11) 에 다량의 NOx 가 흡장된 경우라도 흡장된 전체 NOx 를 방출할 수 있기 때문에, 도 12 (A) 에 나타나는 바와 같이 허용치 (NX) 는 높은 값, 도 12 (A) 에 나타나는 실시예에서는 최대 NOx 흡장량보다 약간 낮은 값이 된다.
이에 대하여, 기관 고속 고부하 운전시에는 HC 흡착 산화 촉매 (11) 의 연료 흡착량이 감소하기 때문에, 전술한 바와 같이 연료 첨가 밸브 (14) 로부터의 연료 첨가량이 감소된다. 이와 같이 연료 첨가량이 감소되면, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터는 소량의 NOx 밖에 방출시킬 수 없다. 즉, 이 경우에는 NOx 흡장 촉매 (11) 에 소량의 NOx 가 흡장되면, 흡장된 NOx 를 방출해야 하기 때문에, 도 12 (B) 에 나타나는 바와 같이 허용치 (NX) 는 상당히 낮은 값, 도 12 (B) 에 나타나는 예에서는, 도 12 (A) 에 나타내는 기관 저속 저부하 운전시에 있어서의 허용치 (NX) 의 1/3 이하의 값이 되어 있다.
도 13 (B) 은, 기관의 운전 상태에 따라 정해져 있는 허용치 (NX) 를 나타내고 있고, 도 13 (B) 에 있어서 허용치 (NX) 는 NX1, NX2, NX3, NX4, NX5, NX6 의 순으로 점차 작아진다. 또, 도 13 (B) 에 있어서 세로축 (TQ) 은 기관의 출력 토크를 나타내고 있고, 가로축 (N) 은 기관 회전수를 나타내고 있다. 따라서 도 13 (B) 로부터 허용치 (NX) 는 출력 토크 (TQ) 가 높아질수록, 즉 기관 부하가 높아질수록 낮아지고, 기관 회전수 (N) 가 높아질수록 낮아지는 것을 알 수 있다. 또, 도 13 (B) 에 나타나는 허용치 (NX) 는, 도 13 (C) 에 나타내는 맵의 형태로 미리 ROM (32) 내에 기억되어 있다.
이와 같이 기관 부하가 높아질수록, 또는 기관 회전수가 높아질수록 허용치 (NX) 가 낮아지기 때문에, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 를 방출시키기 위하여 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 미립자 형상 연료가 첨가되는 빈도는 기관 부하가 높아질수록, 또는 기관 회전수 (N) 가 높아질수록 높아진다. 즉, 도 12 (A), (B) 에 나타나는 바와 같이, 기관 고속 고부하 운전시에는 기관 저속 저부하 운전시에 비교하여 미립자 형상 연료가 첨가되는 빈도는 상당히 높아진다.
한편, 배기 가스 중에 포함되는 입자 형상 물질은, NOx 흡장 촉매 (12) 를 담지하고 있는 파티큘레이트 필터 (12a) 상에 포집되고, 순차 산화된다. 그러 나 포집되는 입자 형상 물질의 양이 산화되는 입자 형상 물질의 양보다 많아지면, 입자 형상 물질이 파티큘레이트 필터 (12a) 상에 점차 퇴적하고, 이 경우 입자 형상 물질의 퇴적량이 증대하면, 기관 출력의 저하를 초래한다. 따라서 입자 형상 물질의 퇴적량이 증대하였을 때에는, 퇴적한 입자 형상 물질을 제거해야 한다. 이 경우, 공기가 과잉된 상태에서 파티큘레이트 필터 (12a) 의 온도를 60℃ 정도까지 상승시키면, 퇴적한 입자 형상 물질이 산화되고, 제거된다.
그래서 본 발명에 의한 실시예에서는, 파티큘레이트 필터 (12a) 상에 퇴적한 입자 형상 물질의 양이 허용량을 초과하였을 때에는, 배기 가스의 공연비가 린을 토대로 파티큘레이트 필터 (12a) 의 온도를 상승시키고, 그에 따라 퇴적한 입자 형상 물질을 산화 제거하도록 하고 있다. 구체적으로 말하면, 본 발명에 의한 실시예에서는 차압 센서 (23) 에 의해 검출된 파티큘레이트 필터 (12a) 의 전후 차압 (ΔP) 이 허용치 (PX) 를 초과하였을 때에 퇴적 입자 형상 물질의 양이 허용량을 초과하였다고 판단되어, 이 때 파티큘레이트 필터 (12a) 에 유입되는 배기 가스의 공연비를 린으로 유지하면서 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 연료를 첨가하고, 이 첨가된 연료의 산화 반응열에 의해 파티큘레이트 필터 (12a) 의 온도를 상승시키는 승온 제어가 실시된다.
도 14 는 배기 정화 처리 루틴을 나타내고 있다.
도 14 를 참조하면, 우선 처음에 단계 (100) 에 있어서 도 13 (A) 에 나타내는 맵으로부터 단위 시간당 흡장되는 NOx 량 (NOXA) 이 산출된다.
이어서 단계 101 에서는, 이 NOXA 가 NOx 흡장 촉매 (12) 에 흡장되어 있는 NOx 량 (ΣNOX) 에 가산된다. 이어서 단계 102 에서는 도 13 (C) 에 나타내는 맵으로부터 허용치 (NX) 가 산출된다. 이어서 단계 103 에서는 흡장 NOx 량 (ΣNOX) 이 허용치 (NX) 를 초과하였는지의 여부가 판별되고, ΣNOX>NX 가 되었을 때에는, 단계 (104) 로 진행하여 연료 첨가 밸브 (14) 로부터의 연료 첨가 처리가 실시된다. 이 연료 첨가 처리의 기본적인 예가 도 15 에 나타나 있고, 첨가량을 보정하도록 한 2 개의 예가 각각 도 16 및 도 17 에 나타나 있다. 이어서 단계 (105) 에서는 차압 센서 (23) 에 의해 파티큘레이트 필터 (12a) 의 전후 차압 (ΔP) 이 검출된다. 이어서 단계 106 에서는 차압 (ΔP) 이 허용치 (PX) 를 초과하였는지의 여부가 판별되고, ΔP>PX 가 되었을 때에는, 단계 (107) 로 진행하여 파티큘레이트 필터 (12a) 의 승온 제어가 실시된다.
도 15 는, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 를 방출해야 할 때의 기본적인 연료 첨가 처리를 나타내고 있다. 이 기본적인 연료 첨가 처리에 있어서는, 우선 처음에 단계 150 에 있어서, 도 11 (B) 에 나타내는 맵으로부터 첨가해야 할 연료량 (AQ) 이 산출되고, 이어서 단계 151 에서는 맵으로부터 산출된 양 (AQ) 의 연료, 즉 경유가 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가된다.
그러나, 기관의 운전 상태에 따라 미리 정해져 있는 양 (AQ) 의 연료를 첨가하였다고 해도, NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입되는 배기 가스의 공연비가 어떠한 이유에 의해 리치로 되지 않은 경우에는, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 가 방출되지 않고, 따라서 이러한 경우에는, NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입되는 배기 가스의 공연비가 리치로 되도록 연료 첨가 밸브 (14) 로부터의 연료 첨가량을 보정하는 것 이 바람직하다. 그래서 본 발명에 의한 그 밖의 실시예에서는, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 를 방출하기 위해, 배기 가스 중에 미립자 형상의 연료가 첨가되었을 때에 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 리치가 되었는지 여부를 판단하는 판단 수단을 구비하고 있고, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 를 방출해야 할 때에, 이 판단 수단에 의한 판단에 따라 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출되는 배기 가스의 공연비를 리치로 하는데 필요한 양의 연료를 첨가하도록 하고 있다.
도 9 에 따라서 이미 설명한 바와 같이, NOx 흡장 촉매 (12) 에 유입되는 배기 가스의 공연비가 리치로 되어 있을 때에는, HC 흡착 산화 촉매 (11) 를 유통한 배기 가스의 온도 상승량 (ΔT) 은 기준치 (ΔTo) 이상이 된다. 따라서 도 1 에 나타나는 제 1 예에서는 온도 센서 (21) 에 의해 검출된 온도와 온도 센서 (22) 에 의해 검출된 온도의 온도차, 즉 온도 상승량 (ΔT) 이 기준치 (ΔTo) 를 초과하였을 때에는, HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 리치가 되어 있다고 판단하도록 하고 있다.
한편, 도 8 (B), (C) 또는 도 10 (B), (C) 에 나타나는 바와 같이, HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출하는 배기 가스의 공연비 A/F 가 약간 리치가 되어 있을 때에는, NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 유출되는 배기 가스의 공연비 A/F 는 대략 이론 공연비가 된다. 따라서, 도 2 에 나타내는 제 2 예에서는 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 유출되는 배기 가스의 공연비를 검출할 수 있도록 공연비 센서 (26) 가 배치되어 있고, 이 공연비 센서 (26) 에 의해 검출된 배기 가스의 공연비가 대 략 이론 공연비일 때에, HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 리치로 되어 있다고 판단된다.
또, 도 1 및 도 2 에 나타내는 실시예에 있어서, HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 리치가 되어 있지 않다고 판단되었을 때에는, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가되는 미립자 형상의 연료량이 증량된다. 이 연료 첨가량의 증량 작용은, 예를 들어 펄스 형상의 연료 첨가 기간을 증대함으로써 행해진다.
한편, 이와 같이 HC 흡착 산화 촉매 (11) 로부터 유출되는 배기 가스의 공연비가 리치로 되어 있지 않다고 판단되었을 때에는, 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 연료 첨가 작용은 이미 완료되어 있다. 따라서 이 때에는, 다음으로 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 NOx 를 방출해야 한다고 판단되었을 때에 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 첨가되는 미립자 형상의 연료량이 증량된다.
도 16 은, 도 1 에서 온도 센서 (21, 22) 에 의해 HC 흡착 산화 촉매 (11) 를 유통한 배기 가스의 온도 상승량 (ΔT) 을 검출하도록 한 경우에서의 연료 첨가 제어를 나타내고 있다.
도 16 을 참조하면 우선 처음에 단계 200 에서 도 11 (B) 에 나타내는 맵으로부터 연료 첨가량 (AQ) 이 산출된다. 이어서 단계 201 에서는 연료 첨가량 (AQ) 에 보정 계수 (K) 를 승산함으로써 최종적인 연료 첨가량 (AQ (=AQㆍK)) 이 산출된다. 이어서 단계 202 에서는 최종적인 연료 첨가량 (AQ) 에 따라서 연료 첨가 밸브 (14) 로부터 연료, 즉 경유가 첨가된다.
이어서 단계 203 에서는 연료가 첨가되고 나서 일정 시간 경과할 때까지 대기하고, 일정 시간 경과하였을 때에 단계 204 로 진행하고 온도 센서 (21, 22) 의 출력 신호에 근거하여 온도 상승량 (ΔT) 이 기준치 (ΔTo) 보다 낮은지 여부가 판별된다. ΔT≥ΔTo 라고 판별되었을 때에는 단계 207 로 진행하여 ΣNOX 를 클리어한 후에 처리 사이클을 완료하고, ΔT＜ΔTo 라고 판별되었을 때에는 단계 205 로 진행한다.
단계 205 에서는 보정 계수 (K) 에 일정치 (ΔK) 가 가산되고, 이어서 단계 206 에서는 미리 정해진 대기 시간이 경과할 때까지, 즉 첨가된 연료가 소비될 때까지 대기한다. 대기 시간이 경과하면 단계 200 을 거쳐 단계 201, 단계 202 로 진행하고, 전회보다도 다량의 연료가 첨가된다.
도 17 은, 도 2 에 나타나는 바와 같이 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 유출한 배기 가스의 공연비 A/F 를 공연비 센서 (26) 에 의해 검출하도록 한 경우에서의 연료 첨가 제어를 나타내고 있다.
도 17 에 나타내는 루틴에 있어서 도 16 에 나타내는 루틴과 다른 것은 단계 204' 뿐이고, 따라서 도 17 에 나타내는 루틴에 대해서는 단계 204' 에 대해서만 설명한다.
도 17 을 참조하면 이 단계 204' 에서는 공연비 센서 (26) 의 출력 신호에 근거하여 NOx 흡장 촉매 (12) 로부터 유출한 배기 가스의 공연비 A/F 가 거의 이론 공연비인지 여부가 판별된다. 대략 이론 공연비라고 판별되었을 때에는 단계 207 로 진행하고, 대략 이론 공연비가 아니라고 판별되었을 때에는 단계 205 로 진 행한다.

Claims (16)

  1. 미립자 형상의 연료를 배기 가스 중에 첨가하기 위한 연료 첨가 수단과, 그 연료 첨가 수단 하류의 기관 배기 통로 내에 배치되어 배기 가스 중에 포함되는 탄화 수소를 흡착하고, 또한 산화하는 HC 흡착 산화 촉매와, 그 HC 흡착 산화 촉매 하류의 기관 배기 통로 내에 배치되어 유입하는 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 배기 가스 중에 포함되는 NOx 를 흡장하여 유입하는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비 또는 리치가 되면 흡장한 NOx 를 방출하는 NOx 흡장 촉매를 구비하고, NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출시키기 위해 NOx 흡장 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비를 리치로 할 때에는 미립자 형상의 연료가 상기 연료 첨가 수단으로부터 첨가됨과 함께 이 때의 미립자 형상 연료의 첨가량은 HC 흡착 산화 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비가 NOx 흡장 촉매에 유입하는 리치시의 공연비보다 작은 리치 공연비가 되는 양으로 설정되어 있고, 첨가된 미립자 형상 연료는 HC 흡착 산화 촉매에 흡착된 후에 흡착한 연료의 대부분이 HC 흡착 산화 촉매 내에서 산화되어 HC 흡착 산화 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비가 리치가 되는 시간보다도 긴 시간에 걸쳐 NOx 흡장 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비를 리치로 하도록 한 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기관 저속 저부하 운전시에 있어서 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출시키기 위해서 상기 연료 첨가 수단으로부터 첨가되는 미립자 형상 연료의 첨가량은 HC 흡착 산화 촉매에 유입하는 배기 가스의 공연비가 대략 1 내지 대략 7 이 되는 양으로 설정되어 있는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출시키기 위해 상기 연료 첨가 수단으로부터 첨가되는 미립자 형상 연료의 첨가량은 HC 흡착 산화 촉매의 온도가 높아질수록 감소되는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출시키기 위해서 상기 연료 첨가 수단으로부터 첨가되는 미립자 형상 연료의 첨가량은 배기 가스의 유량이 증대할수록 감소되는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출시키기 위해서 상기 연료 첨가 수단으로부터 첨가되는 미립자 형상 연료의 첨가량은 기관 저속 저부하 운전일 때에 비교하여 기관 고속 고부하 운전일 때에 적어지는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출시키기 위해서 상기 연료 첨가 수단으로부터 미립자 형상 연료가 첨가되는 빈도는 기관 부하가 높아질수록 높아지는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    NOx 흡장 촉매에 흡장된 NOx 흡장량이 허용치를 초과했을 때에 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출하기 위해 상기 연료 첨가 수단으로부터 미립자 형상 연료가 첨가되고, 그 허용치는 기관 부하가 높아질수록 낮아지는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 HC 흡착 산화 촉매의 기판 상에 귀금속 촉매가 담지되어 있는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 HC 흡착 산화 촉매의 기체가 제올라이트를 포함하는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출할 수 있도록 배기 가스 중에 미립자 형상 의 연료가 첨가되었을 때에 HC 흡착 산화 촉매로부터 유출하는 배기 가스의 공연비가 리치가 되었는지 여부를 판단하는 판단 수단을 구비하고, 상기 연료 첨가 수단은, NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출해야 할 때 그 판단 수단에 의한 판단에 따라서 HC 흡착 산화 촉매로부터 유출하는 배기 가스의 공연비를 리치로 하는데 필요한 양의 연료를 첨가하는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    기관 배기 통로 내에 HC 흡장 산화 촉매로부터 유출하는 배기 가스의 온도 상승량을 검출할 수 있는 온도 센서를 배치하고, 상기 판단 수단은 그 온도 상승량이 기준치를 넘었을 때에 HC 흡착 산화 촉매로부터 유출하는 배기 가스의 공연비가 리치가 되어 있다고 판단하는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    NOx 흡장 촉매 하류의 기관 배기 통로 내에 NOx 흡장 촉매로부터 유출하는 배기 가스의 공연비를 검출할 수 있는 공연비 센서를 배치하고, 그 공연비 센서에 의해 검출된 배기 가스의 공연비가 거의 이론 공연비일 때에 상기 판단 수단은 HC 흡착 산화 촉매로부터 유출하는 배기 가스의 공연비가 리치가 되어 있다고 판단하는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 판단 수단에 의해 HC 흡착 산화 촉매로부터 유출하는 배기 가스의 공연비가 리치가 되어 있지 않다고 판단되었을 때에는, 상기 연료 첨가 수단은 연료 첨가 수단으로부터 첨가되는 미립자 형상의 연료량을 증량하는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 판단 수단에 의해 HC 흡착 산화 촉매로부터 유출하는 배기 가스의 공연비가 리치가 되어 있지 않다고 판단되었을 때에는, 상기 연료 첨가 수단은, 다음으로 NOx 흡장 촉매로부터 NOx 를 방출해야 한다고 판단되었을 때에 연료 첨가 수단으로부터 첨가되는 미립자 형상의 연료량을 증량하는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    NOx 흡장 촉매가 배기 가스 중에 포함되는 입자 형상 물질을 포획하여 산화시키기 위한 파티큘레이트 필터 상에 담지되어 있는 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    파티큘레이트 필터 상에 퇴적된 입자 형상 물질의 양이 허용량을 초과하였을 때에는, 배기 가스의 공연비가 린인 상태에서 파티큘레이트 필터의 온도를 상승시 키고, 그럼으로써 퇴적한 입자 형상 물질을 산화 제거하도록 한 압축 착화식 내연 기관의 배기 정화 장치.
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