KR20070010060A - 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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요시나까 다께다
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노부히로 곤도
요시노리 다까하시
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미츠비시 후소 트럭 앤드 버스 코포레이션
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Abstract

배기 정화 촉매의 배기 상류측에 산화 촉매를 구비하고, 상기 산화 촉매의 촉매 용량은 배기 유속을 촉매 용량으로 나눈 값(배기 유속/촉매 용량)과 촉매 활성 정도의 관계에 있어서, 배기 유속이 상기 내연 기관의 아이들 운전 상태 시에 있어서의 배기 유속일 때에 촉매 활성 정도가 최대(소정의 최대 활성 범위)이고 또한 상기 배기 유속을 촉매 용량으로 나눈 값이 최대 혹은 그 근방이 되도록 설정된다.
배기 정화 장치, 산화 촉매, 내연 기관, NOx 촉매, 로우 아이들

Description

내연 기관의 배기 정화 장치{EXHAUST EMISSION CONTROL DEVICE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것으로, 상세하게는 디젤 기관에 있어서 로우 아이들 시에 있어서의 배기 정화 성능의 향상을 도모하는 기술에 관한 것이다.
디젤 기관을 탑재한 차량에서는, 통상 운전 시에는 디젤 기관에 있어서의 공연비가 린(lean) 공연비이므로, NOx가 생성되기 쉽고, 그 NOx 정화로 인해 배기계에 배기 정화 촉매로서 NOx 촉매의 배치가 검토되고 있다. NOx 촉매로서는, 예를 들어 흡장형 NOx 촉매, 선택적 촉매 환원 시스템(SCR 시스템 : Selective catalytic reduction system) 등을 들 수 있다.
그런데, 이러한 흡장형 NOx 촉매에서는 산화 분위기 중에 있어서 NOx를 흡장하고, 환원 분위기 중에서 흡장한 NOx를 환원하는 기능을 갖지만, 상기 NOx의 흡장 기능, 환원 기능(NOx 정화율)은, 도6에 도시한 바와 같이 촉매 온도가 일정 온도 이상이 되지 않으면 활성(라이트 오프)되지 않는다는 특성을 갖고 있다.
따라서, 예를 들어 디젤 기관의 로우 아이들(통상의 아이들 운전) 시에는 연료 분사량이 매우 적어지기 때문에 배기 온도, 나아가서는 촉매 온도가 라이트 오 프 온도보다도 낮아지기 쉽고, 상기 로우 아이들 시에 있어서 NOx 촉매가 충분히 기능하지 않아 NOx 정화 성능이 저하된다는 문제가 있다.
이와 같은 것으로부터, 촉매보다도 배기 상류측의 비교적 배기 온도가 높은 위치(예를 들어, 배기 매니폴드 혹은 터보차저 근방)에 산화 촉매를 별도로 설치하고, 고온 분위기 하이기 때문에 활성되기 쉬운 상기 산화 촉매의 산화 반응열을 이용하여 배기 하류측의 배기 정화 촉매의 승온을 도모하는 기술이 개발되어 있다(예를 들어, 일본 특허 공개 평10-159545호 공보 참조).
그런데, 산화 촉매는, 도7에 도시한 바와 같이 상기 NOx 촉매의 경우와 마찬가지로 촉매 온도가 일정 온도 이상이 되지 않으면 활성(라이트 오프)되지 않아 충분한 HC, CO 정화율을 얻을 수 없다는 특성을 갖고 있다. 상세하게는, 산화 촉매에서는, 라이트 오프 온도에 도달할 때까지는 HC, CO가 흡착에 의해 포착되고, 라이트 오프 온도에 도달하면 상기 포착된 HC, CO가 서서히 산화 반응하기 시작하고, 그 후에는 촉매 온도의 상승에 수반하여 HC, CO의 산화 반응이 가속된다는 특성을 갖고 있다.
그런데, 산화 촉매가 이와 같은 특성을 갖고 있으면, 예를 들어 산화 촉매가 완전 활성 상태가 될 때까지 로우 아이들이 유지되어 완만하게 승온하는 경우에는 좋지만, 예를 들어 산화 촉매의 온도가 라이트 오프 온도 이하인 상태가 장시간 계속되고, 그 후에 디젤 기관이 가속 조작되어서 부하가 증대되고, 로우 아이들 상태를 벗어나게 되면, 부하 증대에 수반하여 산화 촉매의 온도가 라이트 오프 온도를 넘어 급격히 상승하게 되고, 포착된 HC, CO가 한번에 산화 반응하여 대량의 반응열 이 발생하고, 산화 촉매가 과승온에 이른다는 문제가 있다.
이 문제는 산화 촉매의 촉매 용량이 클수록, 또한 라이트 오프 온도에 도달할 때까지 시간이 걸릴수록 산화 촉매로의 HC, CO의 포착량이 많아져 현저한 것이 된다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 아이들 운전 시에 있어서 배기 상류측에 설치한 산화 촉매의 산화 반응열에 의해 배기 정화 촉매를 라이트 오프 온도 이상으로 양호하게 유지할 수 있고, 또한 산화 촉매의 과승온을 방지 가능한 내연 기관의 배기 정화 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 배기 정화 장치에서는 내연 기관의 배기 통로에 설치되어 배기 중의 유해 성분을 정화할 수 있는 배기 정화 촉매와, 상기 배기 정화 촉매의 배기 상류측에 설치된 산화 촉매를 구비하고, 상기 산화 촉매의 촉매 용량은 배기 유속을 촉매 용량으로 나눈 값과 촉매 활성 정도의 관계에 있어서, 배기 유속이 상기 내연 기관의 아이들 운전 상태 시에 있어서의 배기 유속일 때에 촉매 활성 정도가 최대이고 또한 상기 배기 유속을 촉매 용량으로 나눈 값이 최대 혹은 그 근방이 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.
도8을 참조하면, 산화 촉매에 있어서의 배기 유속을 촉매 용량으로 나눈 값(배기 유속/촉매 용량)과 촉매 활성 정도(CO, HC 정화율)의 관계가 나타나 있고, 도8에 따르면, 산화 촉매는 배기 유속/촉매 용량이 작은 범위에서는 촉매 활성 정도가 크고 산화 반응이 촉진되고, 한편 배기 유속/촉매 용량이 커지고, 임의의 일정한 값을 넘으면 촉매 활성 정도가 급격히 감소되어 산화 반응이 감쇠된다는 특성을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 도8에 따르면, 아이들 운전(로우 아이들) 시의 배기 유속에 대해 산화 촉매의 촉매 용량이 클수록 아이들 운전 시의 배기 유속/촉매 용량은 작게 되어 있다.
그러나, 이와 같이 아이들 운전 시의 배기 유속/촉매 용량이 작게 되어 있으면, 내연 기관의 부하가 증대(배기 유속 증대)되었다고 해도, 촉매 활성 정도가 크고, 산화 반응이 촉진된 상태가 잠시 유지되게 된다.
상술한 산화 촉매의 과승온의 문제는 이와 같은 배기 유속/촉매 용량과 촉매 활성 정도의 관계에 의해, 내연 기관의 부하가 증대되어도 산화 반응이 촉진된 상태가 계속되고 있는 것이 하나의 원인이라 사료된다.
본 발명은 이와 같은 지견을 기초로 이루어진 것이고, 따라서 청구항 1의 발명에서는 배기 유속이 내연 기관의 아이들 운전 상태 시에 있어서의 배기 유속일 때에 촉매 활성 정도가 최대(예를 들어, 소정의 최대 활성 범위)이고, 또한 배기 유속을 촉매 용량으로 나눈 값이 최대 혹은 그 근방이 되도록 배기 정화 촉매의 배기 상류측의 산화 촉매의 촉매 용량을 설정한다.
즉, 도2에 도시한 바와 같이 아이들 운전(로우 아이들) 시의 배기 유속/촉매 용량이 촉매 활성 정도의 소정의 최대 활성 범위 내에서 최대 혹은 그 근방이 되도록, 즉 배기 유속/촉매 용량이 감소 개시 직전의 값(활성 한계) 근방이 되도록 배기 유속/촉매 용량을 조정하여 산화 촉매의 촉매 용량을 설정한다.
이와 같이 배기 유속/촉매 용량을 조정하여 산화 촉매의 촉매 용량을 설정하면, 아이들 운전 시에는 촉매 활성 정도가 크기 때문에 산화 촉매의 산화 반응의 반응열에 의해 배기 정화 촉매가 양호하게 승온된다. 한편, 내연 기관의 부하가 증대(배기 유속 증대)되었을 때에는 촉매 활성 정도가 급격히 감소되어 산화 반응이 크게 감쇠된다.
이에 의해, 산화 촉매가 대략 아이들 운전 시에만 기능하고 상기 아이들 운전 시에 있어서 배기 정화 촉매가 라이트 오프 온도 이상으로 양호하게 유지되는 동시에, 예를 들어 시동 직후에 차량을 발진시키는 경우나 감속 후의 가속 시와 같이, 산화 촉매의 온도가 라이트 오프 온도 이하일 때에 내연 기관이 가속 조작되어 부하가 증대되고, 아이들 운전 상태를 벗어나는 경우에는 부하 증대에 수반하여 촉매 온도가 상승하는 한편, 산화 촉매에 있어서의 산화 반응이 크게 감쇠되고, 라이트 오프 온도에 이를 때까지 산화 촉매에 포착된 HC, CO가 한번에 산화 반응되는 일이 없어져, 산화 촉매에서의 대량의 반응열의 발생이 억제된다.
도1은 본 발명에 관한 차량에 탑재된 내연 기관의 배기 정화 장치의 개략 구성도이다.
도2는 배기 유속/촉매 용량과 촉매 활성 정도의 관계에 있어서 본 발명에 관한 로우 아이들 시의 배기 유속/촉매 용량을 도시하는 도면이다.
도3은 본 발명에 관한 로우 아이들 배기 승온 제어의 제어 루틴을 도시하는 흐름도이다.
도4의 (a) 및 도4의 (b)는 스로틀 밸브를 폐쇄 작동시켰을 때의 산화 촉매 온도(a)와 HC, CO 농도(b)를 나타내는 도면이다.
도5는 연료 분사 시기를 지각시킬 때의 주분사 시기와 파일럿 분사 시기를 나타내는 도면이다.
도6은 NOx 촉매의 온도와 NOx 정화율의 관계를 나타내는 도면이다.
도7은 산화 촉매의 온도와 CO, HC 정화율의 관계를 나타내는 도면이다.
도8은 배기 유속/촉매 용량과 촉매 활성 정도의 관계에 있어서 종래의 로우 아이들 시의 배기 유속/촉매 용량을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 첨부 도면을 기초로 설명한다.
도1을 참조하면, 본 발명에 관한 차량에 탑재된 내연 기관의 배기 정화 장치의 개략 구성도가 도시되어 있고, 이하, 도1을 기초로 본 발명에 관한 내연 기관의 배기 정화 장치의 구성을 설명한다.
도1에 도시한 바와 같이, 내연 기관인 엔진(1)은, 예를 들어 커먼 레일식 직렬 4기통의 디젤 엔진이다. 커먼 레일식 디젤 엔진(1)에서는 연소실(2)에 면하여 전자식 연료 분사 노즐(4)이 각 기통마다 설치되어 있고, 각 연료 분사 노즐(4)은 고압 파이프를 거쳐서 커먼 레일(6)에 접속되어 있다. 그리고, 커먼 레일(6)은 도시하지 않지만, 고압 파이프를 거쳐서 고압 펌프에 접속되고, 저압 파이프를 더 거쳐서 연료 탱크에 접속되어 있다. 또한, 엔진(1)이 디젤 엔진이기 때문에 연료로서는 경유가 사용된다.
엔진(1)의 흡기 통로(10)에는 전자식(DC 모터식) 스로틀 밸브(12)가 설치되어 있고, 스로틀 밸브(12)보다도 상류측에는 인터쿨러(14), 터보차저(16)의 압축기를 거쳐서 흡입 공기량(Qa)을 검출하는 에어 플로우 센서(AFS)(18)가 설치되어 있다. 스로틀 밸브(12)는, 예를 들어 나비 밸브로 이루어지고, 에어 플로우 센서(18)는, 여기서는, 예를 들어 열선식 에어 플로우 센서가 채용되지만, 카르만 와류식 에어 플로우 센서 등이라도 좋다.
한편, 배기 통로(20)에는 흡장형 NOx 촉매(배기 정화 촉매)(22)가 개재 장착되어 있다. 흡장형 NOx 촉매(22)는, 예를 들어 백금(Pt) 등의 귀금속 외에, NOx 흡장제인 칼륨(K) 등의 알칼리 금속이나 바륨(Ba) 등의 알칼리 토류 금속을 포함하고 있고, 배기의 공기 과잉률(λ)이 큰(즉, 린 공연비임) 산화 분위기 중에서 배기 중의 NOx(유해 성분)를 흡장하는 한편, 배기의 공기 과잉률(λ)이 작은(즉, 리치 공연비임) 환원 분위기 중에서 흡장한 NOx를 방출하고, 환원(이하, NOx 퍼지)하여 정화하도록 구성되어 있다. 또한, 흡장형 NOx 촉매(22)는 귀금속의 존재에 의해 산화 기능도 더불어 갖고 있고, HC, CO도 정화 가능하다.
배기 통로(20)의 흡장형 NOx 촉매(22)의 직상류에는 NOx 퍼지 시에 있어서 배기의 공기 과잉률(λ)을 작게 하기 위해 환원제(경유 등)를 배기에 혼입시키는 환원제 인젝터(24)가 설치되어 있다.
또한, 배기 통로(20)의 흡장형 NOx 촉매(22)보다도 상류측에는, 터보차저(16)의 터빈의 직하류에 위치하는 소형의 산화 촉매(26)가 개재 장착되어 있다. 또한, 터보차저(16)의 터빈은 엔진(1)의 배기 매니폴드(도시하지 않음)의 직하류에 위치하도록 배치되어 있다.
산화 촉매(26)는 일반적으로 사용되는 산화 촉매이고, 백금(Pt) 등의 귀금속을 갖고 구성되어 있지만, 여기서는 배기 중의 HC, CO 등을 산화 처리하고, 상기 산화 반응의 반응열에 의해 배기 하류측에 위치하는 흡장형 NOx 촉매(22)의 승온을 행하는 것을 목적으로 하여 설치되어 있다. 즉, 산화 촉매(26)는 배기 매니폴드에 근접하고 있으므로 배기 온도가 낮아지는 로우 아이들(아이들 운전) 시에 있어서도 비교적 고온의 배기열에서 활성(라이트 오프) 상태로 유지되기 때문에 배기 중의 HC, CO를 항상 산화 처리 가능하고, 한편, 흡장형 NOx 촉매(22)는 엔진(1)으로부터 먼 위치에 있으므로 로우 아이들 시에는 온도가 저하되기 쉽고 라이트 오프 상태로부터 벗어나는 경향이 있고, 여기서는 흡장형 NOx 촉매(22)의 배기 상류측에 산화 촉매(26)를 배치함으로써 라이트 오프 상태에 있는 상기 산화 촉매(26)의 산화 반응에 의해 발생하는 반응열에 의해 배기 하류측의 흡장형 NOx 촉매(22)의 승온 및 온도 유지를 행하는 것을 가능하게 하고 있다.
그런데, 산화 촉매(26)에 있어서는, 상술한 바와 같이, 예를 들어 엔진(1)의 시동 직후 등에 있어서 차량을 발진시키는 경우나 감속 후의 가속의 경우와 같이 산화 촉매(26)의 온도가 라이트 오프 온도 이하일 때에 엔진(1)이 가속 조작되고 부하가 증대되어 로우 아이들 상태를 벗어나게 되면, 부하 증대에 수반하여 산화 촉매(26)의 온도가 라이트 오프 온도를 넘어 급격히 상승하고, 라이트 오프 온도에 도달할 때까지 산화 촉매(26)에 포착된 HC, CO가 한번에 산화 반응하고 급격하고 또한 대량의 반응열이 발생하여 산화 촉매(26)가 과승온에 이른다는 문제가 있다.
그리고, 이 문제는, 도8에 도시한 바와 같이 로우 아이들 시의 배기 유속에 대해 산화 촉매의 촉매 용량이 클수록 아이들 운전 시의 배기 유속/촉매 용량(배기 유속을 촉매 용량으로 나눈 값)이 작아지고, 상기 도8에 도시하는 배기 유속/촉매 용량과 촉매 활성 정도(CO, HC 정화율)의 관계에 의해, 엔진(1)의 부하가 증대되어도 산화 반응이 촉진된 상태가 계속된다는 것이 하나의 원인이라 사료된다.
이와 같은 것으로부터 산화 촉매(26)에 대해서는 배기 유속/촉매 용량과 촉매 활성 정도의 관계를 기초로 로우 아이들 시에는 촉매 활성 정도가 크고 산화 반응이 촉진된 상태가 되는 한편, 엔진(1)의 부하가 증대되면 산화 반응이 촉진된 상태가 계속되지 않도록 촉매 용량을 설정하도록 하고 있다.
구체적으로는, 도2에 도시한 바와 같이 로우 아이들 시의 배기 유속/촉매 용량이 촉매 활성 정도(CO, HC 정화율)의 소정의 최대 활성 범위 내에서 최대 혹은 그 근방이 되도록, 즉 배기 유속/촉매 용량이 감소 개시 직전의 값(활성 한계) 근방이 되도록 배기 유속/촉매 용량을 조정하여 산화 촉매(26)의 촉매 용량을 설정한다.
상세하게는, 후술하는 바와 같이 로우 아이들 시에는 산화 촉매(26)에 의해 가능한 한 많은 HC, CO를 산화 반응시키도록, 스로틀 밸브(12)를 밸브 폐쇄 작동시키도록 하고 있고, 이와 같이 스로틀 밸브(12)를 밸브 폐쇄 작동시키면, 배기 유량이 변화되어 배기 유속이 작아지기 때문에, 여기서는 스로틀 밸브(12)를 소정 개방도까지 폐쇄 작동시킨 상태에서의 배기 유속을 기초로 하여 로우 아이들 시의 배기 유속/촉매 용량이 촉매 활성 정도의 소정의 최대 활성 범위 내에서 최대 혹은 그 근방이 되도록 산화 촉매(26)의 촉매 용량을 설정한다.
이와 같이 배기 유속/촉매 용량이 조정되어 산화 촉매(26)의 촉매 용량이 설정되어 있으면, 로우 아이들 시에는, 도2에 도시한 바와 같이 촉매 활성 정도가 크기 때문에, 산화 촉매(26)의 산화 반응의 반응열에 의해 배기 하류측의 흡장형 NOx 촉매(22)가 양호하게 승온되게 되어 로우 아이들 시라도 흡장형 NOx 촉매(22)가 라이트 오프 온도 이상으로 유지되고, 흡장형 NOx 촉매(22)에 있어서 NOx의 흡장과 방출 환원이 양호하게 실시되어 NOx 정화 성능의 향상이 도모된다. 한편, 엔진(1)의 부하가 증대(부하 증대)되어 로우 아이들 상태를 벗어났을 때에는, 도2에 도시한 바와 같이 촉매 활성 정도가 급격히 감소되어 산화 반응이 크게 감쇠되게 되고, 라이트 오프 온도에 이를 때까지 산화 촉매(26)에 포착된 HC, CO의 산화 반응에 의한 대량의 반응열의 발생이 억제되어 산화 촉매(26)의 과승온이 방지된다. 이에 의해, 산화 촉매(26)의 연명이 도모된다.
또한, 이와 같이 스로틀 밸브(12)를 소정 개방도까지 폐쇄 작동시킨 상태에서의 배기 유속을 기초로 하여 산화 촉매(26)의 촉매 용량을 설정하도록 하면, 산화 촉매(26)의 촉매 용량을 최대한 작게 설정하여 산화 촉매(26)의 소형화를 도모할 수 있게 되고, 로우 아이들 시의 비교적 저온의 배기열이라도 산화 촉매(26)를 단시간에 라이트 오프 온도로 승온할 수 있고, 라이트 오프 온도에 도달할 때까지 산화 촉매(26)에 포착되는 HC, CO의 양을 저감시키는 것이 가능하다. 이에 의해, 엔진(1)의 부하가 증대한 경우에 있어서의 반응열의 발생이 상기 산화 반응의 감쇠와 더불어 충분히 억제된다.
또한, 이때, 산화 촉매(26)의 담체에 대해서는 열전도율이 높은 메탈 담체로 구성해 두는 것이 좋고, 이에 의해 산화 촉매(26)를 보다 단시간에 라이트 오프 온도로 승온할 수 있고, 엔진(1)의 부하가 증대된 경우에 있어서의 반응열의 발생을 더 억제할 수 있다.
도1에 복귀하면, 배기 매니폴드로부터는 배기의 일부를 EGR 가스로서 흡기계로 환류시키는 EGR 통로(30)가 연장되어 있고, 상기 EGR 통로(30)의 종단부는 흡기 통로(10)의 스로틀 밸브(12)보다도 하류 부분에 접속되어 있다. 그리고, EGR 통로(30)에는 EGR 가스 유량을 조정하기 위해 임의의 개방도로 개방도 조절 가능한 전자식(DC 모터식) EGR 밸브(32)가 개재 장착되어 있다. 또한, ECR 통로(30)의 배기 매니폴드 근처에는 EGR 쿨러(34)가 개재 장착되어 있다.
전자 제어 유닛(ECU)(40)은 엔진(1)의 연료 분사 제어를 포함하여 차량의 다양한 제어를 담당하는 제어 장치이고(기관 제어 수단), 입출력 인터페이스, CPU, 메모리 등으로 구성되어 있다. 그리고, ECU(40)의 입력측에는 상술한 에어 플로우 센서(18) 외에, 예를 들어 엔진(1)의 크랭크각을 기초로 하여 엔진 회전 속도(Ne)를 검출하는 Ne 센서(42), 드라이버의 액셀러레이터 조작을 검출하는 액셀러레이터 센서(43), 흡장형 NOx 촉매(22)의 온도를 검출하는 온도 센서(44) 등의 각종 센서류가 접속되어 있다.
한편, ECU(40)의 출력측에는 상기 연료 분사 노즐(4), 스로틀 밸브(12), 환원제 인젝터(24), EGR 밸브(32) 등의 각종 디바이스류가 접속되어 있다.
이에 의해, 각종 센서류로부터의 입력 정보를 기초로 각종 디바이스류가 작 동 제어되어 엔진(1)이나 차량이 적절하게 운전 제어된다.
이하, 상기와 같이 구성된 내연 기관의 배기 정화 장치의 본 발명에 관한 로우 아이들 시의 배기 승온 제어에 대해 설명한다.
도3을 참조하면, 본 발명에 관한 로우 아이들 배기 승온 제어의 제어 루틴이 흐름도로 도시되어 있고, 이하 상기 흐름도를 따라서 설명한다.
우선, 스텝 S10에서는 엔진(1)이 현재 로우 아이들 상태인지 여부를 판별한다. 구체적으로는, Ne 센서(42)로부터의 정보를 기초로 검출되는 엔진 회전 속도(Ne)가 로우 아이들에 대응한 회전 속도(Ni)인지 여부, 또한 액셀러레이터 센서(43)에 의해 검출되는 액셀러레이터 개방도가 O ％인지 여부를 판별한다. 판별 결과가 아니오이고 로우 아이들이 아니라고 판정된 경우에는 상기 루틴을 뺀다. 한편, 판별 결과가 예이고 로우 아이들이라고 판정된 경우에는 스텝 S12로 진행한다.
스텝 S12에서는 흡장형 NOx 촉매(22)의 온도(Tcat)가 흡장형 NOx 촉매(22)의 라이트 오프 온도(T1)보다 낮은지 여부를 판별한다. 판별 결과가 아니오이고 흡장형 NOx 촉매(22)의 온도(Tcat)가 라이트 오프 온도(T1) 이상이라고 판정된 경우에는, 흡장형 NOx 촉매(22)는 충분히 기능하고 있다고 판단할 수 있어, 상기 루틴을 뺀다. 한편, 판별 결과가 예이고 온도(Tcat)가 라이트 오프 온도(T1)보다 낮다고 판정된 경우에는 흡장형 NOx 촉매(22)의 승온이 필요하다고 판단하여 스텝 S14로 진행한다.
스텝 S14에서는 EGR 밸브(32)를 밸브 폐쇄로 하여 EGR 가스의 흡기계로의 환 류를 금지한다.
그리고, 스텝 S16에서는 스로틀 밸브(12)를 소정 개방도까지 폐쇄 작동시켜 흡입 공기량(Qa)을 작게 교축한다(스로틀 제어 수단).
이와 같이, 스로틀 밸브(12)의 폐쇄 작동에 의해 흡입 공기량(Qa)이 작게 교축되면, EGR 밸브(32)가 밸브 폐쇄되고 EGR 가스의 흡기계로의 환류가 없으므로, 엔진(1)에 있어서 펌핑 손실이 증가되게 되고, 이에 대향하여 로우 아이들을 유지하기 위해 연료 분사량을 증대하게 된다. 또한, 디젤 엔진(1)에서는 통내 압력의 저하에 의해 연료의 착화 시기가 지연된다는 현상이 일어난다. 이에 의해, 엔진(1)의 배기 온도가 상승하고, 산화 촉매(26)의 온도가 고온으로 유지된다.
또한, 이와 같이 착화 시기가 지연되면, 연소가 완만해지고, 도4의 (b)에 도시한 바와 같이 상기 연료 분사량의 증대와 더불어 배기 중의 HC, CO 농도가 증가되고 산화 촉매(26)에서의 HC, CO의 산화 반응에 의한 반응열량이 증대되고, 도4의 (a)에 실선으로 나타낸 바와 같이 산화 촉매(26)가 터보차저(16)의 터빈의 출구 온도(파선)보다도 승온하는 것에 수반하여 흡장형 NOx 촉매(22)가 확실하게 승온하게 된다.
스텝 S18에서는 연료 분사 노즐(4)에 의해 분사하는 연료의 주분사 시기를 로우 아이들 시 이외의 통상 운전 시의 연료 분사 시기보다도 지각(遲角)시킨다(연료 분사 제어 수단). 구체적으로는, 주분사의 연료 분사 시기를 통상 운전 시의 연료 분사 시기(예를 들어, ATDC 5°)로부터 실화 한계점 근방까지 지각시키고, 로우 아이들 시 전용의 연료 분사 시기(예를 들어, ATDC 20°)로 한다.
이와 같이, 주분사의 연료 분사 시기를 실화 한계점 근방까지 지각시키면, 연소가 불완전해져 배기 중의 HC, CO 농도가 증가되고, 산화 촉매(26)에서의 HC, CO의 산화 반응에 의한 반응열량이 더 증대되게 되고, 흡장형 NOx 촉매(22)가 한층 확실하게 승온하게 된다.
또한, 이와 같이 주분사의 연료 분사 시기를 실화 한계점 근방까지 지각시키면, 연료의 착화가 불안정해져 연소 악화를 초래하거나 최악의 경우 실화되거나 하므로, 동시에 주분사 직전에 있어서 파일럿 분사를 실시하도록 한다(연료 분사 제어 수단).
여기에, 파일럿 분사는 주분사의 연료가 안정적으로 착화되도록 상기 주분사에 의한 연료의 불씨로서의 역할을 발휘하는 것이다. 따라서, 파일럿 분사에 대해서는 주분사의 연료량에 비해 극소량으로 한다. 또한, 파일럿 분사는 1회라도 좋지만, 불씨로서의 역할을 고려하면, 복수회 실시하는 것이 바람직하고, 여기서는, 예를 들어 2회 실시한다. 구체적으로는, 도5에 도시한 바와 같이 통내 압력(실선)이 최대가 되는 압축 상사점 근방에서 최초의 파일럿 분사를 행하고, ATDC 1O °근방에서 2회째의 파일럿 분사를 행한다(더블 파일럿 분사).
이에 의해, 주분사의 연료 분사 시기를 실화 한계점 근방까지 지각시켜도, 주분사에 의한 연료가 안정적으로 확실하게 연소하여 실화나 연소 악화가 방지된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 내연 기관의 배기 정화 장치에서는 스로틀 밸브(12)를 소정 개방도까지 폐쇄 작동시킨 상태에서의 배기 유속을 기준으 로 로우 아이들 시의 배기 유속/촉매 용량이 촉매 활성 정도의 소정의 최대 활성 범위 내에서 최대 혹은 그 근방이 되도록 산화 촉매(26)의 촉매 용량을 최대한 작게 설정하도록 하고(도2 참조), 또한, 로우 아이들 배기 승온 제어에 의해 로우 아이들 시에 있어서, 스로틀 밸브(12)를 소정 개방도까지 폐쇄 작동시키는 동시에 연료 분사 시기를 지연시키고, 산화 촉매(26)의 승온과 산화 촉매(26)에 있어서의 산화 반응의 촉진을 도모하고, 흡장형 NOx 촉매(22)의 승온을 촉진하도록 하고 있다(도3조).
따라서, 본 발명에 관한 내연 기관의 배기 정화 장치에 따르면, 엔진(1)이 로우 아이들 상태에 있을 때에만 산화 촉매(26)를 유효하게 기능시키고 상기 산화 촉매(26)의 산화 반응의 반응열에서 흡장형 NOx 촉매(22)를 승온시키고, 흡장형 NOx 촉매(22)의 온도를 라이트 오프 온도 이상으로 양호하게 유지하여 NOx 정화 성능을 향상시킬 수 있는 동시에, 산화 촉매(26)의 온도가 라이트 오프 온도 이하일 때에 엔진(1)이 가속 조작되어 부하가 증대된 경우에 있어서, 산화 촉매(26)에 있어서의 산화 반응을 크게 감쇠시키고, 라이트 오프 온도에 이를 때까지 산화 촉매(26)에 포착된 HC, CO의 산화 반응에 의한 급격하고 또한 대량의 반응열의 발생을 억제하여 산화 촉매(26)의 과승온을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 형태에 대한 설명을 종료하지만, 실시 형태는 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는 스로틀 밸브(12)를 소정 개방도까지 폐쇄 작동시킨 상태에서의 배기 유속을 기준으로 산화 촉매(26)의 촉매 용량을 설정하도 록 하고, 로우 아이들 배기 승온 제어에 의해 로우 아이들 시에 있어서는 스로틀 밸브(12)를 소정 개방도까지 폐쇄 작동시키도록 하였지만, 스로틀 밸브(12)를 갖지 않은 시스템에 있어서는, 혹은 스로틀 밸브(12)를 갖고 있는 경우라도 스로틀 밸브(12)를 폐쇄 작동시키지 않는 통상의 로우 아이들에서의 배기 유속을 기준으로 산화 촉매(26)의 촉매 용량을 설정하고, 로우 아이들 배기 승온 제어, 즉 스로틀 밸브(12)의 폐쇄 작동 및 연료 분사 시기의 지각을 실시하지 않도록 해도 좋고, 이와 같이 해도 충분한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는 흡장형 NOx 촉매(22)의 배기 상류측에 산화 촉매(26)를 배치하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 흡장형 NOx 촉매(22)로 한정되는 것은 아니고, 상기 흡장형 NOx 촉매(22)의 위치에는 어떠한 배기 정화 촉매를 배치하도록 해도 좋고, 예를 들어 선택적 촉매 환원 시스템(SCR 시스템)을 배치해도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는 로우 아이들 배기 승온 제어에 있어서, 스로틀 밸브(12)의 폐쇄 작동과 연료 분사 시기의 지각의 양쪽을 실시하도록 하였지만(스텝 S16 및 스텝 S18), 스로틀 밸브(12)의 폐쇄 작동만을 실시하도록 해도 좋고, 또한 연료 분사 시기의 지각 및 파일럿 분사만을 실시하도록 해도 좋다(스텝 S16 또는 스텝 S18).
또한, 상기 실시 형태에서는 흡장형 NOx 촉매(22)의 온도(Tcat)가 흡장형 NOx 촉매(22)의 라이트 오프 온도(T1)보다 작은 경우에 스로틀 밸브(12)의 폐쇄 작동 및 연료 분사 시기의 지각을 실시하도록 하였지만, 흡장형 NOx 촉매(22)의 온 도(Tcat)에 상관없이 로우 아이들 시에는 항상 스로틀 밸브(12)의 폐쇄 작동 및 연료 분사 시기의 지각을 실시하도록 해도 좋다.

Claims (6)

  1. 내연 기관의 배기 통로에 설치되어 배기 중의 유해 성분을 정화할 수 있는 배기 정화 촉매와,
    상기 배기 정화 촉매의 배기 상류측에 설치된 산화 촉매를 구비하고,
    상기 산화 촉매의 촉매 용량은 배기 유속을 촉매 용량으로 나눈 값과 촉매 활성 정도의 관계에 있어서, 배기 유속이 상기 내연 기관의 아이들 운전 상태 시에 있어서의 배기 유속일 때에 촉매 활성 정도가 최대이고 또한 상기 배기 유속을 촉매 용량으로 나눈 값이 최대 혹은 그 근방이 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배기 정화 촉매는 NOx 촉매를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 내연 기관은 흡기계에 스로틀 밸브를 갖는 디젤 기관이며, 상기 스로틀 밸브의 개폐 작동을 행하는 스로틀 제어 수단을 구비하는 동시에, 상기 디젤 기관의 운전을 제어하는 기관 제어 수단을 갖고,
    상기 스로틀 제어 수단은 상기 내연 기관이 상기 아이들 운전 상태에 있을 때, 상기 스로틀 밸브를 소정 개방도까지 폐쇄 작동시키고,
    상기 산화 촉매의 촉매 용량은 내연 기관이 아이들 운전 상태이며 배기 유속 이 상기 기관 제어 수단에 의해 상기 스로틀 밸브를 상기 소정 개방도까지 폐쇄 작동시킨 상태의 배기 유속일 때에 상기 촉매 활성 정도가 최대이고 또한 상기 배기 유속을 촉매 유량으로 나눈 값이 최대 혹은 그 근방이 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기관 제어 수단은 연료 분사량과 연료 분사 시기를 제어하는 연료 분사 제어 수단을 더 포함하고,
    상기 연료 분사 제어 수단은 상기 내연 기관이 상기 아이들 운전 상태에 있을 때, 주분사의 연료 분사 시기를 통상 시기보다도 지연시키고, 상기 주분사 직전에 상기 주분사보다도 연료 분사량이 적은 파일럿 분사를 적어도 1회 이상 행하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연료 분사 제어 수단은 상기 내연 기관이 상기 아이들 운전 상태에 있을 때, 주분사의 연료 분사 시기를 실화 한계 근방까지 지각시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 내연 기관은 디젤 기관이며, 연료 분사량과 연료 분사 시기를 제어하는 연료 분사 제어 수단을 구비하는 동시에, 상기 디젤 기관의 운전을 제어하는 기관 제어 수단을 갖고,
    상기 연료 분사 제어 수단은 상기 내연 기관이 상기 아이들 운전 상태에 있 을 때, 주분사의 연료 분사 시기를 통상 시기보다도 지연시키고, 상기 주분사 직전에 상기 주분사보다도 연료 분사량이 적은 파일럿 분사를 적어도 1회 이상 행하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
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