KR20070064653A - 내연기관용 배기 가스 정화 장치 - Google Patents

내연기관용 배기 가스 정화 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20070064653A
KR20070064653A KR1020077009841A KR20077009841A KR20070064653A KR 20070064653 A KR20070064653 A KR 20070064653A KR 1020077009841 A KR1020077009841 A KR 1020077009841A KR 20077009841 A KR20077009841 A KR 20077009841A KR 20070064653 A KR20070064653 A KR 20070064653A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sox
exhaust gas
reduction catalyst
fuel ratio
nox
Prior art date
Application number
KR1020077009841A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100876564B1 (ko
Inventor
겐지 가토
시게마사 히로오카
Original Assignee
도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 filed Critical 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Publication of KR20070064653A publication Critical patent/KR20070064653A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100876564B1 publication Critical patent/KR100876564B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/011—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 having two or more purifying devices arranged in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/0807—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0828—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents characterised by the absorbed or adsorbed substances
    • F01N3/085—Sulfur or sulfur oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/0807—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by using absorbents or adsorbents
    • F01N3/0871—Regulation of absorbents or adsorbents, e.g. purging
    • F01N3/0885—Regeneration of deteriorated absorbents or adsorbents, e.g. desulfurization of NOx traps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N9/00—Electrical control of exhaust gas treating apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • F01N13/107—More than one exhaust manifold or exhaust collector
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/02—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/02—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor
    • F01N2560/027—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor for measuring or detecting SOx
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D2041/147—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being a hydrogen content or concentration of the exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)

Abstract

배기가스 중의 NOx 를 정화하기 위해서, 엔진 (1) 의 배기통로 (2) 에 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 를 배치한다. 엔진의 전자 제어 유닛 (ECU) (30) 은, 촉매 (7) 에 SOx 가 소정량 흡장될 때 마다 배기가 고온이며 농후한 공연비로 되는 운전 상태에서 엔진을 운전하고, 촉매 (7) 로부터 SOx 를 분리시키는 SOx 피독 회복 처리를 실행한다. ECU 는 촉매 (7) 의 상류측의 배기 통로에 배치된 H2 센서 (31) 에서 검출된 배기가스 중의 H2 농도가 소정의 범위로 되도록 엔진의 공연비를 제어한다. 이에 의해, SOx 피독 회복 처리 동안에 촉매 (7) 에 적절한 양의 수소가 공급된다. 그래서, SOx 피독 회복 처리 동안에, 수소의 적절한 양이 촉매 (7) 에 공급되어, H2S 의 생성이 억제됨과 동시에 효율적인 SOx 피독 회복 처리가 실행된다.

Description

내연기관용 배기 가스 정화 장치{EXHAUST GAS PURIFICATION APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관용 배기 가스 정화 장치, 특히, NOx 흡장 및 환원 촉매를 사용하는 내연 기관용 배기 가스 정화 장치에 관한 것이다.
NOx 흡장 및 환원 촉매를 사용한 공지된 내연 기관용 배기 정화 장치에서, 상기 촉매 내로 유입하는 배기 가스의 공연비가 희박할 때, 상기 배기 가스의 NOx 성분은 흡장되며 (본 명세서에서 "흡장" 이란 용어는 "흡수" 및 "흡착" 을 모두 포함하는 개념으로 사용된다), 상기 촉매 내로 유입하는 배기 가스의 공연비가 이론공연비 또는 농후 공연비일 때, 상기 배기 가스 중의 환원 성분을 사용하여 상기 흡장된 NOx 는 환원 및 정화된다.
상기 배기 가스의 SOx (황 산화물) 의 존재하에서, NOx 흡장 및 환원 촉매는, 배기가스의 공연비가 희박한 경우에 NOx 와 정확히 동일한 방법으로 SOx 를 흡장한다고 알려져 있다.
상기 SOx 는 상기 흡장된 NOx 성분과 높은 친화력을 가지고, 또한 매우 안정적인 화합물을 생성시킨다. 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 SOx 가 흡장되면, 농후 공연비로 상기 배기가스의 공연비를 단순히 설정함으로써, 상기 흡장된 SOx 는 상기 NOx 흡장 및 산화 촉매로부터 실질적으로 분리되지 않기 때문에, SOx 는 상기 촉매에서 점진적으로 축적된다.
다시 말하면, NOx 환원에 의한 흡장 및 정화에 대한 일반적인 처리에서, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장된 상기 SOx 는 실질적으로 분리되지 않는다. 흡장된 SOx 의 양이 증가됨에 따라, 상기 NOx 흡장 및 산화 촉매의 상기 NOx 흡장 능력 (상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 의해 흡장될 수 있는 최대 NOx 양) 은 흡장된 상기 SOx 양에 따라 감소한다. 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 의해 흡장된 SOx 의 양이 증가함에 따라, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매는 상기 배기가스에 포함된 상기 NOx 를 실질적으로 더이상 흡장할 수 없어, 상기 NOx 정화율이 현저하게 감소하는 소위 황 피독 현상 (SOx 피독) 이 발생한다.
상기 NOx 흡장 및 환원 촉매의 상기 SOx 피독을 방지하기 위해서는, 상기 흡장된 SOx 를 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 분리시켜, 흡장된 SOx 의 양을 감소시키는 피독 회복 처리가 필요하다.
그러나, 상기 설명된 바와 같이, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장된 SOx 는 NOx 보다 더 안정적인 화합물을 형성하여, 실질적으로 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 분리될 수 없기 때문에, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 상기 배기 가스의 공연비를 농후한 공연비로 단순히 설정하여 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 SOx 를 충분히 분리할 수 없다.
따라서, 일반적으로 상기 피독 처리는, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매를 높은 온도 영역에서 유지시키면서 상기 배기 가스를 농후한 공연비로 설정하는 방식으로 실행된다.
그러나, 상기 설명된 바와 같이, SOx 는 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 분리되기 어렵고, 농후한 공연비로 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매를 고온 분위기에서 유지시키는 상기 피독 회복 처리만으로는 짧은 시간 내에 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 충분히 분리될 수 없다. 한편, 상기 피독 회복 처리를 연장하면, 촉매가 고온에 노출되는 기간이 증가하게 되어 상기 촉매의 열적 열화를 초래할 수 있다는 문제가 발생된다.
다른 한편, 피독 회복 처리 동안에, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입되는 배기 가스에 수소가 포함된다면, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 SOx 가 분리되는 속도가 증대하여, 비교적 짧은 시간에 효율적으로 피독 회복 처리를 종료할 수 있다.
일반적으로, 외부 용기에 저장된 수소를 상기 배기 가스에 공급하는 방법 이외에, 수소를 상기 배기 가스에 공급하는 방법은, 수성 가스 시프트 반응 (water-gas-shift reaction) 에 의해 상기 배기 가스에 포함된 HC, CO 또는 H2O 로부터 수소를 생성시키는 방법을 포함한다.
엔진의 배기가스의 공연비가 농후한 경우에는, 예컨대, 수성 가스 시프트 반응 (CO + H20 -> CO2 + H2) 또는 수증기 개질 (HC + H20 -> CO2 + H2) 이 일어나, 연소 시에 발생된 HC, CO 또는 H20 로부터 수소가 생성된다. 이러한 반응은 삼원 촉매 등에 의해 더욱 촉진된다. 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매의 배기 경로 상류 에서 스타트 촉매로서 삼원 촉매를 구비한 통상의 내연 기관에서는, 상기 피독 회복 처리 또는 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장된 NOx 의 환원 시에 상기 배기가스 공연비가 농후하게 된다면, 예컨대, 상기 배기가스에 비교적 많은 수소가 발생한다.
상기 삼원 촉매 이외에도, 수성 가스 시프트 반응 또는 수증기 개질을 효과적으로 행하게 하는 수소 발생 촉매를 상기 배기 경로에 배치시켜 농후한 공연비로 엔진을 작동시킬 시에 수소를 발생시킬 수 있다.
일본 미심사 특허 문헌 (공개) 제 2002-47919 ('919 공보) 에는, 예컨대, 상기 SOx 피독 회복 처리가 설명되어 있지 않지만, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장된 상기 NOx 의 환원에 의한 정화 시에 상기 배기 가스에 발생된 수소 성분을 사용하여 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매의 열화를 판정한다.
상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장된 상기 NOx 의 환원에 의한 정화 시에는, NOx 를 환원시키기 위하여 배기 가스 중의 수소를 소비하기 때문에, 상기 촉매에 흡장된 NOx 가 남아있을 때에는 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매의 하류로 수소가 유출되지 않는다.
상기 NOx 흡장 및 환원 촉매 하류의 배기 가스 내로 수소가 유출하기 시작하는 시점은, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장된 상기 NOx 의 전체 양이 환원에 의해 정화되는 시점이라 생각할 수 있다. 따라서, 흡장된 NOx 의 환원에 의해 정화가 시작되고 나서 하류측에 상기 수소 성분이 검출될 때까지의 시간은 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 의해 흡장된 NOx 의 양에 대응한다.
상기 '919 공보에 따르면, 상기 배기가스의 수소를 검출하기 위한 H2 센서는 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매의 상류 및 하류의 상기 배기 경로에 배치되며, 상기 흡장된 NOx 의 환원에 의한 정화 과정 동안에, 상류측 H2 센서에 의한 수소의 검출시로부터 하류측 H2 센서에 의한 수소의 검출시까지의 시간에 근거하여, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 의해 흡장된 NOx 의 양의 저하 유무 (상기 NOx 흡장 및 환원 촉매의 열화 유무) 를 판정한다.
상기 설명된 바와 같이, 상기 피독 회복 처리는 상기 SOx 피독 회복 처리 동안에 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스 내로 수소를 공급하여 효과적으로 실행될 수 있다.
그러나, 이를 위해서는, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장된 SOx 의 전체양이 상기 촉매로부터 분리되는 수소의 충분한 양이 상기 피독 회복 처리 동안에 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 공급될 것을 필요로 한다. 또한, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 충분한 수소의 양을 공급하기 위해서는, 배기가스의 상기 수소 성분의 농도가 낮을 시에 긴 시간의 SOx 피독 회복 처리를 해야한다.
또한, 상기 피독 회복 처리 동안에, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 공급된 배기가스의 수소 성분의 농도가 규정된 값을 초과하는 경우에, 과잉의 SOx 가 수소와 반응하여 H2S (황화 수소) 를 생성시킨다는 문제가 있다. 황화 수소는 특유의 냄새를 가질 뿐만 아니라 유해하기 때문에, 상기 피독 회복 처리를 실행할 때마다 황화 수소를 생성하는 것은 바람직하지 않다.
이러한 이유로, 한편으로는, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 의해 흡장된 상기 SOx 가 분리 및 감소되도록 충분한 수소의 양을 상기 NOx 에 공급할 수 있으며, 다른 한편으로는, 상기 배기 가스의 수소 성분의 농도가 황화 수소를 발생시키기 위한 값보다 낮게 되도록, 상기 SOx 피독 회복 처리 동안에 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 공급되는 배기 가스의 수소 성분의 농도와, 상기 피독 회복 처리의 존속기간을 설정해야 한다. 다시 말하면, 상기 SOx 피독 회복 처리 동안의 상기 배기가스의 수소 성분 농도 및 상기 피독 회복 처리의 존속기간이 상기 사항을 고려하여 적절한 범위로 제어되어야 한다.
그러나, 종래 기술은 상기 SOx 피독 회복 처리 동안의 배기가스의 수소 성분의 농도와, 상기 수소 성분의 농도와 관련된 상기 피독 회복 처리의 존속기간을 제어하는 것을 고려하지 않았다. 상기 '919 공보가 H2 센서를 사용하여, 상기 배기가스의 상기 수소 성분을 검출하는 것이지만, SOx 피독 회복 처리 동안에 수소를 사용하여 효율적으로 회복 처리를 행하는 것이나 이 때에 수소 성분 농도를 검출하여 수소 성분 농도 그 자체라든가 회복 처리의 존속기간을 제어하는 것이 전혀 고려되어 있지 않다.
결과적으로, 종래 기술에서는, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매의 상기 SOx 피독 회복 처리가 효과적으로 실행될 수 없다.
본 발명은 상기 문제점의 관점에서 개발된 것이며, 수소를 이용하여 NOx 흡장 및 환원 촉매의 SOx 피독 회복 처리를 실행하는 경우에, 효율적으로 피독 회복 처리를 실행할 수 있는 내연기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스의 공연비가 희박 공연비일 때에 배기가스 중의 NOx 를 흡수 또는 흡착 혹은 그 양방에 의해 흡장하고, 상기 촉매 내로 유입하는 배기가스의 공연비가 이론 공연비 또는 농후 공연비 일 때에는 흡장된 NOx 를 배기가스 중의 환원 성분을 사용하여 환원시켜 정화하기 위해서 내연기관의 배기 통로에 배치된 NOx 흡장 및 환원 촉매와, 배기가스 중의 수소 성분 농도를 검출하기 위해서 그 NOx 흡장 및 환원 촉매 상류측의 배기 통로에 배치된 H2 센서를 구비한 내연기관의 배기 정화 장치이며, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 NOx 와 함께 흡장된 황산화물을 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 방출시키기 위해서, NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스 공연비를 농후 공연비로 설정하면서 배기가스 온도를 상승시키는 SOx 피독 회복 처리를 실행할 시에, 상기 H2 센서에 의해 검출된 NOx 흡장 및 환원 촉매 상류측 배기가스 중의 수소 성분 농도에 근거하여 SOx 피독 회복 처리 실행 동안에 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스의 공연비와 SOx 피독 회복 처리 계속 시간의 적어도 일방을 제어하는, 내연기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
즉, 본 발명에 따르면 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스 중의 수소 성분 농도를 H2 센서에 의해 검출하고, 이 검출된 수소 성분 농도에 따라 배기 공연비와 SOx 피독 회복 처리의 계속 시간과의 일방 혹은 양방을 제어한다.
기관 배기가스 중의 수소 성분 농도는, 배기 공연비에 따라 변화하고, 농후 공연비의 범위에서 배기 공연비가 낮게 (농후하게) 되면 될수록 수소 성분의 농도는 증대한다. 이 때문에, 배기가스 중의 수소 성분 농도에 따라서 배기가스 공연비를 변경함으로써, NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스 중의 수소 성분 농도를, 황화수소가 발생하지 않고 더구나 비교적 단시간에 SOx 피독 회복 처리를 종료시킬 수 있는 수소 성분 농도 범위로 조정할 수 있다.
또한, H2 센서로 검출된 수소 성분 농도 (즉, 실제로 NOx 흡장 및 환원 촉매내로 유입하는 배기가스 중의 수소 성분 농도) 를 검출하여, 검출된 수소 성분 농도에 따라 피독 회복 처리를 계속하는 시간을 변경함으로써, NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장되는 SOx 의 전체량을 분리 환원하는데 충분한 양의 수소를 NOx 흡장 및 환원 촉매에 공급할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 또한, SOx 트랩 내로 유입하는 배기가스의 공연비가 희박 공연비일 시에 배기가스 중의 SOx 를 흡장하고, 상기 SOx 트랩 내로 유입하는 배기가스 공연비가 이론 공연비 또는 농후 공연비일 시에는 흡장된 SOx 를 방출시키기 위해서, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매의 상류측및 H2 센서 하류측의 배기 통로에 배치된 SOx 트랩을 구비하는, 내연기관용 배기가스 정화 장치가 제공된다.
즉, 이러한 양태의 발명에서는 SOx 트랩이 NOx 흡장 및 환원 촉매의 상류측에 배치되어 있으며, H2 센서는 SOx 트랩 내로 유입하는 배기가스 중의 수소 성분 농도를 검출하며, SOx 트랩은 배기 공연비가 희박 공연비일 시에 배기 중의 SOx 를 흡장한다. 따라서, NOx 흡장 및 환원 촉매의 상류측에 SOx 트랩을 설치함으로써, NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스로부터 미리 SOx 를 제거할 수 있으며, NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장되는 SOx 량을 큰 폭으로 저감할 수 있다.
그런데, NOx 흡장 및 환원 촉매 상류측에 SOx 트랩을 설치하여 배기가스 중의 SOx 를 제거하도록 한 경우에는, SOx 피독 회복 처리 동안에 고온이며 농후 공연비의 배기가스가 SOx 트랩을 통과하면, SOx 트랩에 흡장된 SOx 가 분리되어, SOx 트랩의 하류측에 위치된 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 비교적 고농도의 SOx 가 유입한다.
이와 같이, 비교적 고농도의 SOx 를 포함하는 배기가스가 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 경우에, 배기가스가 농후하게 되더라도 배기가스 중의 SOx 의 일부가 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장되어 버리는 경우가 있으며, NOx 흡장 및 환원 촉매의 SOx 피독이 발생한다.
이 경우에도, 배기가스 중에 환원력이 강한 수소가 포함되면, SOx 트랩으로부터의 SOx 의 분리가 촉진될 뿐만 아니라, 수소의 존재하에서는 SOx 트랩으로부터 분리된 SOx 가 하류측의 NOx 흡장 및 환원 촉매에 재흡장되는 것이 방지되게 된다.
또한, 이 경우도 청구항 1 의 발명과 동일하게, 필요로 하는 수소 농도와 피독 회복 처리 계속 시간에는 최적의 범위가 존재하기 때문에, 배기가스 공연비와 피독 회복 처리 계속 시간의 적어도 일방을 H2 센서에 의해 검출하는 수소 성분 농도에 따라 제어함으로써, 효율적인 피독 회복 처리를 행할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, H2 센서에 의해 검출된 배기 중의 수소 성분 농도가 NOx 흡장 및 환원 촉매에서 황화수소가 생성되는 수소 성분 농도보다 낮게 되도록, 상기 SOx 피독 회복 처리 실행 동안에, NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스의 공연비를 제어한다.
즉, 본 발명의 이러한 양태에서는, H2 센서에 의해 검출된 배기가스 중의 수소 성분 농도가 황화수소가 생성되지 않는 농도 범위로 되도록 배기가스 공연비가 제어된다. 이 결과, SOx 피독 회복 처리 동안에 황화수소가 생성되는 것이 방지된다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, H2 센서에 의해 검출된 배기가스 중의 수소 성분 농도가 0.1% ~ 2.0% 로 되도록, 상기 SOx 피독 회복 처리 실행 동안에, NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스의 공연비를 제어한다.
즉, 본 발명의 이러한 양태에서 배기가스 중의 수소 성분 농도는 0.1% ~ 2.0% 가 되도록 배기 공연비가 제어된다. 여기서, 수소 성분 농도 2.0% 는 NOx 흡장 및 환원 촉매의 SOx 피독 회복 처리시에 황화수소가 생성되지 않는 일반적인 상한치이며, 수소 성분 농도 0.1% 는 SOx 피독 회복 처리가 가능한 배기 공연비의 상한치 (이론 공연비) 에 상당하는 값이다. 이에 의해, 청구항 4 의 발명에 따르면, 확실히 황화수소의 생성을 방지하면서 SOx 피독 회복 처리를 행할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스 중의 수소 성분 농도가 SOx 피독 회복 처리 개시시에 높고, 이 이후에 점진적으로 저하하도록 상기 SOx 피독 회복 처리 실행 동안에, 배기 공연비를 억제한다.
즉, 본 발명의 이러한 양태에서는 NOx 흡장 및 환원 촉매에 제공된 배기가스 중의 수소 성분 농도가 피독 회복 처리 개시시에는 높고, 그 이후에는 저하하게 된다. SOx 피독 회복 처리 동안에 배기가 농후 공연비 또는 고온으로 되면, NOx 흡장 및 환원 촉매 및 SOx 트랩으로부터 최초에 비교적 다량의 SOx 가 방출되며, 그 이후에 SOx 방출량은 점차 저하한다.
이 때문에, 방출된 SOx 의 NOx 흡장 및 환원 촉매로의 재흡장을 방지하여 효율적으로 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터의 분리를 행하기 위해서는, SOx 피독 회복 처리 개시시에 비교적 다량의 수소를 NOx 흡장 및 환원 촉매에 공급할 필요가 있다. 따라서, 분리된 SOx 양은 감소되어, 공급된 수소의 양이 대응되게 감소될 수 있다.
청구항 5 의 발명에서는, SOx 피독 회복 처리 개시시에 배기중의 수소 성분농도를 높게 (배기 공연비를 낮게) 설정하고, 그 이후에 수소 성분 농도가 점차 저하 (배기 공연비가 점차 증대) 하도록 배기 공연비를 제어함으로써, 항상 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 SOx 를 분리시키는데 충분한 수소를 NOx 흡장 및 환원 촉매에 공급하면서, 과잉 수소가 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다 (배기 공연비가 필요이상으로 농후하게 되는 것이 방지된다).
본 발명의 다른 양태에 의하면, NOx 흡장 및 환원 촉매 하류측의 배기 통로에, 배기가스 중의 황산화물 농도를 검출하는 SOx 센서를 더 구비하고, 상기 H2 센서에 의해 검출된 수소 성분 농도와, 상기 SOx 센서에 의해 검출된 SOx 농도에 근거하여, SOx 피독 회복 처리 실행 동안에 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스의 공연비와 SOx 피독 회복 처리 계속시간의 적어도 일방을 제어한다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상기 H2 센서에 의해 검출된 수소 성분 농도가 미리 정해진 제 1 의 값 이상이며, 또한 상기 SOx 센서에 의해 검출된 황산화물 농도가 미리 정해진 제 2 의 값 이하로 된 때에, 상기 SOx 피독 회복 처리를 종료한다.
즉, 본 발명의 이러한 양태에서, NOx 흡장 및 환원 촉매 상류측에 배치된 H2 센서 이외에 NOx 흡장 및 환원 촉매의 하류측에 배치된 SOx 센서가 배치되어 있다. NOx 흡장 및 환원 촉매의 SOx 피독 회복 처리 실행 동안에 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 SOx 가 분리되어, NOx 흡장 및 환원 촉매 하류측의 배기가스 내에는 SOx 가 포함된다. 한편, SOx 분리가 완료하면, NOx 흡장 및 환원 촉매 하류측의 배기가스에는 SOx 가 포함되지 않게 된다. 이 때문에, NOx 흡장 및 환원 촉매 하류측에 배치된 SOx 센서의 출력에 근거하여, SOx 피독 회복 처리의 완료 타이밍 (SOx 피독 회복 처리의 계속시간) 을 결정할 수 있다.
즉, NOx 흡장 및 환원 촉매 상류측의 H2 센서에 의해 검출된 수소 성분 농도가 소정값보다 높고, 본래 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 흡장된 SOx 가 분리되어야 하는 상황에도 불구하고, 하류측의 SOx 센서에 의해 검출된 SOx 농도가 낮게 된 경우에는, 이제 분리되어야 할 SOx 가 더이상 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장되지 않는다. 즉, SOx 피독 회복 처리가 완료했다고 판정된다.
상기 설명된 바와 같이, 본 발명의 이러한 양태에 따르면, NOx 흡장 및 환원 촉매 상류측의 H2 센서 이외에 이 NOx 흡장 및 환원 촉매의 하류측에 SOx 센서를 배치하고, 이들에서 검출된 수소 성분 농도와 SOx 농도에 의해, 배기 공연비, 피독 회복 처리의 계속시간을 제어함으로써, 효율적인 피독 회복 처리를 실행할 수 있다.
도 1 은 차량의 내연기관에 적용되는 본 발명의 실시형태의 일반적인 구성을 설명하는 도면.
도 2 는 배기 공연비와 발생된 H2 양의 관계를 나타내는 도면.
도 3 은 H2 센서를 사용한 SOx 피독 회복 처리의 예를 나타내는 순서도.
도 4 는 피독 회복 처리시의 H2 농도 목표치의 설정예를 나타내는 도면.
도 5 는 H2 센서를 사용한 SOx 피독 회복 처리를 나타내는 도 3 과는 다른 실시형태의 순서도.
도 6 은 차량 내연기관에 적용된 도 1 과는 다른 실시형태의 일반적인 구성을 설명하는 도면.
도 7 은 차량의 내연기관에 적용된 도 1 및 도 6 과는 다른 실시형태의 일반적인 구성을 설명하는 도면.
도 8 은 H2 센서 및 SOx 센서를 사용한 SOx 피독 회복 처리의 예를 나타내는 순서도.
첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시형태를 이하에서 설명한다. 도 1 은 본 발명을 차량의 내연기관에 적용하는 경우를 나타내는 본 발명의 실시형태의 일반적인 구성을 설명하는 도면이다.
도 1 에서, 도면부호 "1" 은 차량의 내연기관을 나타낸다. 이러한 실시형태에 따르면, 상기 엔진 (1) 은 각각의 실린더의 흡기 포트에 연료를 분사하기 위하여 각각의 연료 인젝션 밸브 (111 ~ 114) 를 구비한 네 개의 실린더 (#1 ~ #4) 를 가지는 4 기통 가솔린 엔진이다. 본 실시형태에 따르면, 엔진 (1) 은 공연비를 농후 상태에서 희박 상태로 폭넓은 범위에 걸쳐 작동시킬 수 있으며 또한 대부분의 작동 범위에서 린번 (lean-burn) 공연비로 작동하는 린번 엔진이다.
또한, 본 실시형태에 따르면, 실린더 (#1 ~ #4) 는 점화 타이밍이 연속적이지 않은 두 실린더 군으로 나누어져 있다 (도 1 에 도시된 실시형태에 따르면, 예컨대, #1, #3, #4 및 #2 순으로 실린더가 점화되며, 실린더 #1, #4 또는 실린더 #2, #3 은 동일 실린더 군을 형성한다). 또한, 각각의 실린더의 배기 포트는 한편, 각 실린더 군을 위한 배기 매니폴드에 접속되며, 다른 한편, 각 실린더 군을 위한 배기통로에 접속되어 있다.
도 1 에서, 도면부호 "21a" 는 실린더 (#1, #4) 를 포함하는 실린더 군의 배기 포트를 개별 배기 통로 (2a) 에 연결시키기 위한 배기 매니폴드를 나타내며, 도면부호 "21b" 는 실린더 (#2, #4) 를 포함하는 상기 실린더 군의 배기 포트를 개별 배기 통로 (2b) 에 연결시키기 위한 배기 매니폴드를 나타낸다. 이러한 실시형태에 따르면, 각각 삼원 촉매로 이루어진 스타트 촉매 (5a, 5b) 가 각기 개별 배기 통로 (2a, 2b) 에 배치되어 있다. 또한, 각각의 배기 통로 (2a, 2b) 는 상기 스타트 촉매의 하류에서 공통의 배기 통로 (2) 로 합쳐진다. 하기에 설명될 케이싱에 수용된 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매를 지닌 변환기 (70) 가 공통 배기 통로 (2) 에 배치되어 있다.
또한, 도 1 에서, 도면부호 "31" 은 배기가스의 수소 (H2) 성분의 농도를 검출하기 위하여 변환기 (70) 의 입구 근처의 배기 통로 (2) 에 배치된 H2 센서를 나타낸다.
또한, 도 3 의 도면부호 "30" 은 엔진 (1) 의 전자 제어 유닛 (ECU) 을 나타낸다. 상기 ECU (30) 는 엔진 (1) 의 점화 타이밍 제어 및 연료 분사 제어를 포함하는 기본 제어 작동이 실행되도록 이러한 실시형태에 따라 램, 롬, 및 CPU 를 구비한 공지된 구성의 마이크로 컴퓨터이다.
또한, 본 실시형태에 따르면, 상기 언급된 기본 제어 작동 이외에 ECU (30) 은 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장된 NOx 의 양이 규정된 양으로 증가될 때, 인젝션 밸브 (111 ~ 114) 의 연료 분사량을 증가시켜, 엔진이 짧은 시간 동안 농후한 공연비로 작동되는 리치 스파이크 (rich spike) 작동을 수행하며, 이로써, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 의해 흡장된 상기 NOx 을 환원시켜 분리 및 정화가 이루어진다.
또한, 이러한 실시형태에 따르면, ECU (30) 는, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 흡장된 황 산화물 (SOx) 의 양이 규정된 값을 초과하여 증가할 때에 배기 가스 온도가 증가하도록 엔진을 농후 공연비로 작동시킨다. 이러한 방법으로, 상기 SOx 피독 회복 처리는 농후 공연비가 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 공급되어, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 로부터 상기 흡장된 SOx 가 분리되어 실행된다.
이하에서 설명될 바와 같이, SOx 피독 회복 처리가 실행되는 동안에, 상기 ECU (30) 는 H2 센서 (31) 에 의해 검출된 배기 가스의 수소 성분의 농도에 근거하여 상기 배기 공연비 및 상기 처리 시간의 길이를 제어한다.
이러한 제어를 실행하기 위해서, ECU (30) 의 입력 포트에는, 엔진 흡기 매니폴드 (도시 안됨) 에 배치된 흡기압 센서 (33) 로부터의 엔진 흡기압에 해당하는 신호와, 엔진 크랭크 샤프트 (도시 안됨) 의 근처에 배치된 회전 속도 센서 (35) 로부터의 엔진 속도에 해당하는 신호 및, 운전자에 의해 설정된 가속 페달 각도 (액셀러레이터 개도) 를 나타내며, 엔진 (1) 의 액셀러레이터 페달 (도시 안됨) 의 근처에 배치된 가속 페달 각 센서 (37) 로부터 송신된 신호와 같은 엔진의 작동 조건을 나타내는 신호들이 제공된다. 또한, ECU (30) 에는 NOx 흡장 및 환원 촉 매 (7) 의 입구에서의 배기 가스의 H2 농도가 H2 센서 (31) 로부터 제공된다.
한편, ECU (30) 의 출력 포트는 각각의 실린더에 대한 연료 분사량 및 연료 분사 타이밍이 제어되도록 연료 분사 회로 (도시 안됨) 를 통하여 실린더의 연료 분사 밸브 (111 ~ 114) 로 연결된다.
다음으로, 이러한 실시형태에 따른 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 를 설명한다.
이러한 실시형태를 따른 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 는 예컨대, 허니컴 형상으로 형성된 근청석 등의 담체를 사용하며, 이 담체 표면에 알루미나의 코팅을 형성하고, 알루미나층 위에, 예를 들면, 칼륨 (K), 나트륨 (Na), 리튬 (Li), 세슘 (Cs) 과 같은 알칼리 금속, 바륨 (Ba), 칼슘 (Ca) 와 같은 알칼리토류, 란탄 (La), 세슘 (Ce), 이트륨 (Y) 과 같은 희토류로부터 선택된 적어도 1 종의 성분과, 백금 (Pt) 와 같은 귀금속을 담지시킨 것이다. 상기 촉매 내로 유입하는 배기 가스가 희박 공연비인 경우에, NOx 흡장 및 환원 촉매는 배기 가스의 NOx (NO2, NO) 를 질산 이온 (NO3 -) 의 형태로 흡수하며, 촉매로 유입하는 배기가스 중의 산소농도가 저하하면 흡장한 NOx 를 방출하는 NOx 의 흡방출 작용을 행한다.
구체적으로, 엔진이 희박 공연비로 작동되고, NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기 가스가 희박 공연비인 경우에는, 배기가스의 NOx (NO) 는 백금 (Pt) 상에서 산화되어 예컨대 NO2 로 되며, 더욱 산화되어 질산 이온을 생성한다. 흡수제로서 BaO 가 사용되는 경우에는, 예컨대, 상기 질산 이온은 산화 바륨 (BaO) 과 결합하면서 상기 흡수제 내로 흡수되고, 질산 이온 (NO3 -) 형태로 상기 흡수제에서 확산한다. 결과적으로, 희박 분위기에서, 배기 가스의 NOx 는 NOx 흡수제에서 질산염의 형태로 흡장된다.
또한, 배기가스의 산소 농도가 큰폭으로 감소하면 (즉, 배기 공연비가 이론 공연비 또는 농후 공연비인 경우), 백금 Pt 상에서 발생된 질산 이온의 양이 감소하기 때문에 반응이 역방향으로 진행된다. 그래서, 상기 흡수제의 질산 이온 (NO3 -) 이 NO2 의 형태로 상기 흡수제로부터 방출된다. 이 경우에, CO 또는 H2 와 같은 환원제로서 기능하는 성분 또는 또는 HC 성분이 배기 가스에 존재한다면, 백금 (Pt) 상에서 이러한 성분에 의해 NO2 가 환원된다.
NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 는 희박 공연비에서 상기와 같은 메카니즘으로 배기가스 중의 NOx 를 흡수제 (예컨대 BaO) 에 질산 이온의 형태로 흡장한다. 이 때문에, 흡수제 중의 질산 이온 농도가 증대함에 따라 새로운 질산 이온이 흡수제 내로 흡장되기 어렵게 되어, 배기가스 중의 NOx 의 정화율이 저하한다. 그래서, NOx 흡장 및 환원 촉매에 의해 흡장된 NOx 량이 소정의 상한치에 도달하면 (흡수제 중의 질산 이온 농도가 증대하여, 포화 농도에 도달하면) 배기가스 중의 NOx 는 전혀 흡장되지 못하게 된다.
본 실시형태에 따르면, ECU (30) 는 엔진 흡기압, 회전속도, 액셀러레이터 개방도와 같은 엔진 운전 상태를 나타내는 파라미터를 근거로 하여, 미리 실험 등 에 의해 구해둔 관계를 이용하여 엔진 (1) 으로부터 발생하는 단위시간 당의 NOx 량을 추정한다. 그래서, 엔진으로부터 발생된 NOx 량 중 소정 비율의 양을 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 흡장된 NOx 량으로 하여 일정 시간마다 누적 계산한다. 이 누적 계산 값 (이하, NOx 카운터라 함) 은 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 흡장된 NOx 량에 대응한다.
ECU (30) 은 또한, 이 NOx 카운터가 소정값에 도달할 때 마다 엔진 (1) 을 단시간 동안 농후 공연비로 운전하여 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 농후 공연비의 배기가스를 공급하는 리치 스파이크 제어를 실행한다. 이로써, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 로부터 흡장된 NOx 를 분리시킴과 동시에 분리된 NOx 를 배기가스 중의 환원성분에 의해 환원해 정화한다. 결과적으로, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 는 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 의해 흡장된 NOx 의 양이 항상 비교적 낮은 상태로 NOx 의 흡장을 항상 실행하기 때문에, NOx 흡장 및 환원 촉매의 NOx 정화율을 높게 유지할 수 있다.
또한, 상기와 같이 NOx 카운터를 이용하여 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 NOx 흡장량을 추정하는 대신에, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 하류측의 배기가스 통로에 배기가스 중의 NOx 농도를 검출하는 NOx 센서를 배치하여, 하류측 배기가스 중의 NOx 농도가 소정값까지 증대했을 때에 (즉, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 흡장된 NOx 흡장량이 증대했기 때문에 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 NOx 정화능력이 저하하고, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 흡장되지 못하고 삼원 촉매 하류측에 도달한 NOx 성분이 증대했다고 판단될 때에), 상기 리치 스파이크를 실행하도록 해도 좋다.
상기와 같이, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 흡장된 NOx 는 리치 스파이크 제어를 실행함으로써 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 로부터 비교적 쉽게 분리될 수 있다.
그러나, 배기가스 중에 SOx 가 포함되어 있다면, 희박 공연비 하에서는 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 의한 NOx 와 정확히 동일한 메카니즘에 의해 SOx 가 흡장된다.
더구나, SOx 는 흡장된 NOx 성분과의 친화력이 강하다. 따라서, NOx 흡장 및 환원 촉매에 일단 SOx 가 흡장되면, 상술한 리치 스파이크 제어 정도로는 SOx 가 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 실질적으로 분리되지 못하고, 촉매내에 SOx 가 점진적으로 축적되어지게 된다. SOx 의 흡장량이 증대하면, 상대적으로 NOx 흡장에 관여할 수 있는 흡수제의 량이 감소한다. 따라서, NOx 흡장량의 상한이 저하하여 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 흡장 능력이 저하한다 (즉, SOx 피독이 발생한다). 여기서, NOx 흡장 및 환원 촉매를 사용한 경우에는, 통상 촉매에 흡장된 SOx 가 어느 정도 증대할 때마다 SOx 피독 회복 처리를 행하며, NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 SOx 를 분리시킨다.
SOx 피독 회복 처리에서는, 배기 온도가 상승하는 운전 상태에서 엔진을 농후한 공연비로 운전하여, NOx 흡장 및 환원 촉매를 고온이며 또한 농후한 공연비 분위기로 유지한다.
즉, SOx 피독 회복 처리에서는 NOx 흡장 및 환원 촉매 온도를 상승시킴으로 써 생성된 황화물을 분해하며 촉매로부터 SOx 를 분리시켜, NOx 흡장 및 환원 촉매를 농후한 공연비로 유지함으로써 분리된 SOx 가 NOx 흡장 및 환원 촉매에 재흡장되는 것을 억제하는 것이다. 그러나, 실제에서는 전술한 바와 같이 SOx 는 NOx 흡장 성분과의 친화력이 강하기 때문에, 공연비가 농후하게 유지되더라도 NOx 흡장 및 환원 촉매의 상류 부분으로부터 분리된 SOx 가 하류측 부분에서 다시 흡장되는 문제가 발생한다. 결과적으로, NOx 흡장 및 환원 촉매의 상류측에 흡장된 SOx 는 분리와 재흡장을 반복하면서 서서히 하류측 부분으로 이동하게 된다. 따라서, 촉매로부터 완전히 분리되기까지는 비교적 긴 시간이 요구된다.
이 때문에, SOx 피독 회복 처리에 비교적 긴 시간이 요구되며, 엔진의 연비가 악화된다던지, NOx 흡장 및 환원 촉매가 고온에 처하는 시간이 길게 되어 촉매의 열화를 발생시키는 문제가 발생한다.
그런데, 상기 SOx 피독 회복 처리를 효율적으로 행하는데는 수소 (H2) 를 NOx 흡장 및 환원 촉매에 공급하는 것이 유효하다고 알려져 있다. H2 는 환원력이 매우 강하기 때문에, 이 H2 는 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터의 SOx 의 분리를 촉진시킴과 동시에, 일단 분리된 SOx 가 NOx 흡장 및 환원 촉매에 재흡장되는 것을 억제하는 작용을 갖는다. 이 때문에, 피독 회복 처리 동안에 NOx 흡장 및 환원 촉매에 H2 를 공급함으로써, 단시간에 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 SOx 를 완전히 분리시킬 수 있다.
NOx 흡장 및 환원 촉매에 H2 를 공급하는 방법으로서는, 전술한 바와 같이, 외부로부터 배기 가스에 H2 를 첨가하는 방법 또는 삼원 촉매 또는 수소 생성 촉매를 동시에 이용하면서, 내연기관을 농후한 공연비로 운전하는 방법이 있다.
본 실시형태에서는, 도 1 에 도시된 바와 같이, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 상류측에는 스타트 촉매 (5a, 5b) 로서 삼원 촉매가 배치되어 있다. 이 때문에, 엔진 (1) 이 SOx 피독 회복 처리를 위하여 농후 공연비로 운전되면, 스타트 촉매 (5a, 5b) 에서는 수소가 발생하게 된다.
도 2 는, 배기 공연비와 H2 생성량과의 관계를 나타내는 도이다. 도 2 는 스타트 촉매 (5a, 5b) 에서 발생된 H2 생성량을 개략적으로 나타낸다. 삼원 촉매에서 발생된 H2 생성량은, 도 2 에 실선 (1) 으로 나타낸 바와 같이 공연비가 농후하게 됨에 따라서 (공연비가 낮게 됨에 따라서) 거의 직선적으로 증대한다. 양적인 차이는 있더라도, 엔진 자체에 의해 발생된 H2 의 양 또는 H2 생성 촉매에 의해 발생된 H2 의 양은 공연비가 낮게 됨에 따라서 거의 직선적으로 증대한다.
따라서, 도 1 의 실시형태에 따르면, 엔진 (1) 의 운전 공연비를 변화시킴으로써 H2 생성량 (배기가스 중의 수소 성분 농도) 을 변화시킬 수 있다.
SOx 피독 회복 처리 동안에 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 단위 시간당 분리되는 SOx 량 (SOx 분리 속도) 은, 배기가스 중의 수소 성분 농도에 비례한다. 이 때문에, SOx 분리 속도 또한 도 2 의 실선 (1) 으로 나타낸 바와 같이 공연비에 따라 거의 직선적으로 변화한다. 이 때문에, NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 SOx 를 단시간에 분리시키는 것만을 고려하면, 배기가스 중의 수소 성분 농도는 높을수록 바람직하다.
그러나, 실제에서는 SOx 피독 회복 처리 동안에 H2 농도가 어느 정도 이상 높게 되면, 분리된 SOx 가 더욱 H2 와 반응하여 황화 수소 (H2S) 가 생성되어 버리는 문제가 있다. 도 2 에 점선 (2) 로 나타낸 것은, SOx 피독 회복 처리 동안의 배기 공연비 (즉, H2 농도) 와 NOx 흡장 및 환원 촉매에서의 H2S 생성량과의 관계를 나타낸다. 도 2 에서, 점선 (2) 으로 나타낸 바와 같이, 배기가스 중의 H2 농도 (배기 공연비) 가 소정의 임계값 (도 2 에 HRS 로 나타냄) 을 초과하면, NOx 흡장 및 환원 촉매에서 급격하게 H2S 가 생성되게 되며, 이 후는 H2 농도가 증대함에 따라서 생성되는 H2S 량이 증대한다. 따라서, SOx 피독 회복 처리 동안의 배기가스 중의 H2 농도는 H2S 생성의 임계값 (HRS) 보다 낮게 유지되어야 한다.
한편, 배기가스의 수소 성분 농도가 너무 낮은 경우에는, SOx 의 분리 속도가 낮게 되어 피독 회복 처리에 필요한 시간이 증대되는 문제가 있다.
즉, 효율적으로 NOx 흡장 및 환원 촉매의 SOx 피독 회복 처리를 실행하기 위해서는, NOx 흡장 및 환원 촉매에 공급되는 배기가스 중의 수소 성분 농도를 적절한 범위로 제어할 필요가 있다.
본 실시형태에서는, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 입구에 배치된 H2 센서 (31) 에 의해 배기가스 중의 수소 성분 농도 (H2 농도) 를 검출하며, 검출된 H2 농도를 근거로 하여, SOx 피독 회복 처리를 행함으로써, 효율적으로 NOx 흡장 및 환원 촉매의 SOx 피독 회복 처리를 실행한다.
본 실시형태의 H2 센서 (31) 는, 예컨대, 수소에만 특이적으로 반응하는 Pd/Ni 합금과 같은 재료를 사용할 수 있다.
이러한 종류의 H2 센서는, 예컨대 "H2scan" 의 상품명으로 주식회사 도요다 마이크로 시스템 (도쿄) 에 의해 시판되고 있다. 그러나, 본 발명에 사용가능한 H2 센서는 이에 한정되지 않고, H2 농도를 응답성이 양호하게 연속 모니터링 할 수 있는 것이라면 형식에 관계없이 사용가능하다.
다음으로, 본 실시형태의 H2 센서를 사용한 SOx 피독 회복 처리의 제어에 대하여 설명한다.
도 3 은 H2 센서를 사용한 SOx 피독 회복 처리 동작의 일례를 나타내는 순서도이다. 이러한 동작은 ECU (30) 에 의해 일정 시간마다 루틴으로서 실행된다.
이러한 동작에서, ECU (30) 는, SOx 피독 회복 처리 동안에, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 입구에 있는 H2 센서 (31) 로 검출된 배기가스의 H2 농도 HR 가 미리 설정된 목표치 (HR0) 가 되도록 엔진의 공연비 (배기 공연비) 를 제어한다. 또 한, H2 농도 HR 가 어떠한 원인으로 H2S 를 생성시키는 임계값을 초과하는 경우에는 공연비를 증대 (희박 상태 방향으로 변화시킴) 하여 H2S 의 생성을 방지하도록 한다.
즉, 도 3 의 동작이 시작되면, 단계 (301) 에서는 우선 현재 SOx 피독 회복 처리를 실행중인지 아닌지 여부를 판정한다. 본 실시형태에 따르면, ECU (30) 는 도시되지 않은 SOx 흡장량 연산 동작을 통하여, 전술한 NOx 카운터와 동일한 방법으로 SOx 흡장량에 대응한 SOx 카운터를 누적 계산하여, 이 SOx 카운터가 소정값에 도달할 때마다 SOx 피독 회복 처리를 실행한다. SOx 카운터를 이용하는 대신에 예컨대, 일정 시간 엔진이 운전될 때마다, 또는 차량의 일정 주행 거리 마다 일정 시간 SOx 피독 회복 처리를 실행하도록 해도 좋다.
단계 (301) 에서는, 현재 이 SOx 피독 회복 처리가 행해지고 있는지 여부를 판정하며, 상기 SOx 피독 회복 처리 실행중이 아닌 경우에는 단계 (315) 에서, 엔진의 연료분사량 (FIN) 을 FINC 으로 설정한다. FINC 는, ECU (30) 에 의해 실행되는 도시되지 않는 연료분사량 연산 동작에 의해, 엔진 운전 상태 (액셀레이터 개방도, 엔진 회전수 등) 에 근거하여 연산된 연료 분사량이다. 즉, SOx 피독 회복 처리가 행해지지 않는 경우에는, 연료 분사량은 통상의 값으로 설정된다.
한편, 단계 (301) 에서 현재 SOx 피독 회복 처리가 실행중인 경우에는, 다음 단계 (303) 에서 연료분사량 FIN 은 FINC 에 대하여 소정값 FINS 만큼 증량된다. FINS 는, 엔진 배기 온도를 상승시키며 또한 농후 공연비로 하기에 충분한 양으로서 미리 설정되어 있다. 즉, SOx 피독 회복 처리 실행 동안에 엔진은 배기 온도가 높고, 또한 배기 공연비가 농후 공연비가 되는 조건에서 운전된다.
다음으로, 단계 (305) 에서는 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 입구에서 배기가스의 H2 농도 (HR) 가 H2 센서 (31) 로부터 판독되며, 단계 (307) 에서는 이 H2 농도 (HR) 가 H2S 이 생성되는 하한값 (HRS) 이상이 되었는지 여부를 판정한다. HR≥HRS 인 경우에는 단계 (311) 로 진행하여, SOx 피독 회복 처리 동안의 연료 증량 값 (FINS) 을 소정치 △F 만큼 감량한다.
이러한 동작의 결과로서, 상기 H2S 농도가 H2S 생성의 임계값보다 높은 경우에는, H2 농도가 H2S 생성 임계값 밑으로 감소될 때까지 본 동작 실행마다 연료 분사량이 일정량 △F 씩 감량되게 된다.
단계 (307) 에서 HR < HRS 인 경우에는, 다음 단계 (309) ~ 단계 (313) 의 동작에 의해, H2 농도 (HR) 가 미리 정해진 목표값 (HR0) 가 되도록 연료 분사량의 증량값 (FINS) 이 △F 씩 변화게 된다. 이에 의해, SOx 피독 회복 처리 실행 동안에 엔진 공연비는 H2S 가 발생하지 않는 범위에서 목표값 (HR0) 근방으로 유지된다.
이러한 실시형태에 따르면, SOx 피독 회복 처리는 미리 설정된 시간만큼 계속되며, 소정의 시간이 경과하면 피독 회복 처리는 종료하여 단계 (315) 에 의해 공연비는 통상 운전시의 값으로 복귀한다. 그래서, 피독 회복 처리 동안의 H2 농도 목표치 (HR0) 는 상기 피독 회복 처리 동안에 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 흡장된 SOx 의 전체량을 분리시키는데 충분한 농도로 설정되어 있다.
목표 농도 (HR0) 는, SOx 피독 회복 처리의 실행 빈도 (피독 회복 처리 개시의 NOx 흡장 및 환원 촉매의 SOx 흡장량) 와 상기 SOx 피독 회복 처리의 계속 시간에 따라 정해진다. 그러나, 피독 회복 처리 동안의 공연비는 적어도 이론 공연비 이하 (농후 공연비) 인 것이 필요하며, 또한, H2 농도의 상한은 H2S 생성에 대한 임계 H2 농도 값보다 낮아야 한다. 그래서, H2 농도의 목표값 (HR0) 는 0.1% ~ 2.0% 의 범위가 된다.
이러한 경우에, 0.1% 의 H2 농도는 실질적으로 배기 공연비가 이론 공연비인 경우에 상당하고, 2.0% 는 NOx 흡장 및 환원 촉매에서 H2S 가 생성되기 시작하는 H2 농도에 상당하는 값이다.
또한, 피독 회복 처리 동안의 H2 농도 목표값 (HR0) 는, 일정값으로 해도 좋지만, 도 4 에 도시된 바와 같이 피독 회복 처리 개시로부터 소정 시간 높은 값으로 유지하고, 그 후 서서히 저하하도록 해도 좋다.
통상, SOx 피독 회복 처리가 개시되어, 고온이며 농후한 공연비의 배기가스가 NOx 흡장 및 환원 촉매에 공급되면, BaO 등의 흡장제에 의해 황화물의 형태로 흡장된 SOx 가 분리되기 전에, 백금 등의 표면에 흡착된 SOx 가 급격하게 분리된 다. 이 때문에, SOx 피독 회복 처리 개시 직후에는 비교적 다량의 SOx 가 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 분리되고, 그 후 분리된 SOx 의 양은 서서히 감소하게 된다.
이 때문에, SOx 피독 회복 처리 개시 시에 NOx 흡장 및 환원 촉매에 비교적 다량의 H2 를 공급함으로써, 초기에 분리되는 비교적 다량의 SOx 가 NOx 흡장 및 환원 촉매에 재흡장되는 것을 방지할 수 있어, 단시간에 SOx 피독 회복 처리를 완료할 수 있다.
이 때문에, 예컨대, 도 4 에 도시된 바와 같이 H2 농도의 목표값 (HR0) 을 피독 회복 처리 개시시에 높게 설정하고, 그 이후에는 시간의 경과와 함께 저감하도록 설정한다. 이러한 방식으로, SOx 의 분리 상태에 따라 적절한 양의 H2 를 과부족하지 않게 NOx 흡장 및 환원 촉매에 공급할 수 있다. 그래서, 연비의 증대를 방지하는 한편 효율적으로 NOx 흡장 및 환원 촉매의 SOx 피독 회복 처리를 실행할 수 있다.
도 5 는, 도 3 에 도시된 실시형태와는 상이한 다른 실시형태에 따른 SOx 피독 회복 처리를 나타내는 순서도이다.
또한, 도 5 에 도시된 동작은 ECU (30) 에 의해 일정 시간 간격으로 루틴으로서 실행된다.
전술의 도 3 의 처리 제어에서, SOx 피독 회복 처리의 계속시간은 미리 일정한 시간으로 설정되며, 그 시간 내에 NOx 흡장 및 환원 촉매에 흡장된 SOx 의 전체 량을 분리시키도록 H2 농도 목표값 (HR0) 이 설정되어 있다.
이에 반하여, 도 5 의 제어에서, H2 농도는 H2S 의 생성의 임계값 미만의 값으로 제한되었지만, 상기 H2 농도는 목표치 (HR0) 에서는 제어되지 않고, 그 때의 운전 조건에 따른 값이다. 상기 설명된 바와 같이, 도 5 의 동작에서는, 상기 운전 조건에 따라 변화하는 H2 농도를 H2 센서 (31) 로 검출하여, 이 H2 농도로부터 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 공급되는 H2 양을 결정한다. 이 후에, 공급된 H2 양의 합계가 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 흡장된 SOx 의 전체량을 분리시키는데 충분한 값에 도달할 때까지 상기 SOx 피독 회복 처리를 계속한다.
이러한 방식으로, 도 5 의 처리에서는, SOx 피독 회복 처리의 계속시간이 H2 센서 (31) 에서 검출된 H2 농도에 의해 제어된다.
도 5 의 처리가 개시되면, 단계 (501) 에서는 플래그 S 의 값이 1 로 설정되어있는지 여부를 판정한다. 플래그 S 는 SOx 피독 회복 처리 실행 여부를 나타내는 플래그이며, EUC (30) 의 별도 실행에 의해, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 흡장된 SOx 량이 소정값에 도달했다고 판정된 경우 (예컨대, 전술의 SOx 카운터의 값이 소정값에 도달한 경우) 에 1 로 설정된다. 또한, 플래그 S 의 값은 본 동작에 의해 SOx 피독 회복 처리가 완료했다고 판정된 단계 (515) 에서 0 으로 설정된다.
단계 (501) 에서 S ≠ 1 인 경우, 즉 현재 SOx 피독 회복 처리를 실행할 필 요가 없는 경우에는, 단계 (519) 가 실행되며, 엔진 (1) 의 연료 분사량 (FIN) 은 ECU (30) 에 의해 실행되는 연료 분사량 연산 조작에 의해 산출된 값 (FINC) 으로 설정된다.
또한, 단계 (501) 에서 S = 1 인 경우에는, SOx 피독 회복 처리의 실행이 요구되기 때문에, 단계 (503) 으로 진행하여 연료 분사량을 FINS 만큼 증량하여, 배기 가스가 농후 공연비이며 또한 온도가 높은 상태에서 엔진을 운전한다. 단계 (503) 의 FINS 는 단계 (303) 에서와 유사한 양이다.
다음으로, 단계 (505) 에서는 H2 센서 (31) 로부터 NOx 흡장 및 환원 촉매 입구에서의 배기가스 중의 H2 농도 (HR) 을 판독하며, 단계 (507) 에서는, H2 농도 (HR) 에 엔진 흡입 공기량 (G) 을 곱한 값을 적산하여, 적산값 (THR) 을 구한다. 흡입 공기량 G 은 거의 배기 유량에 대응하고 있기 때문에, H2 농도 (HR) 에 G 를 곱한 값은 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 단위 시간당 유입하는 H2 의 양에 대한 값이 된다. 또한, 적산값 (THR) 은 SOx 피독 회복 처리 완료 시에 단계 (517) 에서 0 으로 설정된다. 따라서, 단계 (507) 에서 연산된 적산값 (THR) 은 이번 SOx 피독 회복 처리 개시시로부터 현재까지 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 공급된 수소 성분의 전체 량에 대응하는 값이 된다.
또한, 흡입 공기량 (G) 는 ECU (30) 에 의해 별도 실행되는 도시되지 않은 연산 조작에 의해, 흡입압 센서 (33) 에서 검출된 흡기관 압력과 회전 속도 센서 (35) 에 의해 검출된 엔진 속도에 근거하여 산출된다.
단계 (507) 에서 적산값 (THR) 을 산출 후, 다음 단계 (509) 에서는 산출된 적산값 (THR) 이 미리 정해진 판정값 (THR0) 에 도달했는지 여부를 판정하고, 도달된 경우 (THR ≥ THR0) 에는, 단계 (515) 와 단계 (517) 에서 플래그 (S) 와 적산값 (THR) 을 0 으로 설정한다. 이에 의해, 도 5 에 도시된 다음 동작에서, 단계 (519) 는 단계 (501) 이후에 실행되게 되어, SOx 피독 회복 처리는 종료한다.
여기서, 판정값 (THR0) 은, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 의해 흡장된 SOx 의 전체량을 분리, 환원하는데 충분한 H2 의 양에 대응한 값이며, 이 판정값 (THR0) 은 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 종류, SOx 피독 회복 처리의 실행 빈도 (SOx 피독 회복 처리를 개시할 때의 SOx 흡장량) 등에 의해 정해진다. 따라서, 상기 판정값 (THR0) 은 실제의 NOx 흡장 및 환원 촉매와 엔진을 이용한 실험에 의해 결정하는 것이 바람직하다.
단계 (509) 에서, THR < THR0 인 경우에는, 즉 SOx 피독 회복 처리가 아직 완료하지 않았기 때문에, 단계 (511) 와 단계 (513) 를 실행 후 이번 제어를 종료한다.
단계 (511, 513) 는 도 3 의 단계 (307, 311) 와 동일 제어이며, 이에 의해 배기가스 중의 H2 농도가 H2S 생성의 임계값을 초과하지 않도록 배기 공연비가 제어된다.
또한, 도 5 의 동작에서는 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 유입하는 수소 성 분량의 적산값에 근거하여 SOx 피독 회복 처리의 계속 시간을 정한다. 다른 안으로서, 배기가스 중의 H2 농도와 SOx 피독 회복 처리의 계속 시간의 관계를 미리 정해 두어, H2 센서 (31) 에 의해 검출된 H2 농도 HR 로부터 직접 SOx 피독 회복 처리의 계속 시간을 결정하는 것도 가능하다.
다음으로, 도 1 에 도시된 장치와 상이한 본 발명에 따른 배기가스 정화 장치의 구성 예를 도 6 을 참조로 설명한다.
도 6 은 도 1 과 유사한 도면이며, 본 발명을 자동차용 내연기관에 적용한 경우의 개략 구성을 나타낸다. 도 6 에 있어서, 도 1 과 동일한 도면 부호는 동일 요소를 나타낸다.
도 6 의 구성에서는, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 상류측 및 H2 센서 (31) 하류측의 배기 통로에 SOx 트랩 (73) 이 설치되어 있는 점만이 도 1 의 구성과 상이하다.
SOx 트랩 (73) 은 이 SOx 트랩 내로 유입하는 배기가스의 공연비가 희박일 시에 배기가스 중의 SOx 를 흡장하고, 상기 SOx 트랩 내로 유입하는 배기가스의 공연비가 농후할 시에 흡장한 SOx 를 예컨대, SO2 의 형태로 배기가스 내로 방출하는 것이다.
SOx 트랩 (73) 은, 알루미나 담체를 사용하며, 칼륨 (K), 나트륨 (Na), 리튬 (Li), 세슘 (Cs) 등과 같은 알칼리 금속, 칼슘 (Ca) 등과 같은 알칼리토류로부터 선택된 적어도 하나는, 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 로듐 (Rh) 또는 이리듐 (Ir) 과 같은 귀금속과 함께 상기 알루미나 담체에 담지된다.
SOx 트랩 (73) 은, 이 SOx 트랩에서 황산 이온 (SO4 -) 또는 황화물의 형태로 SOx 를 불안정한 상태로 유지시킨다.
예컨대, 담체 상에 백금 (Pt) 와 칼슘 (Ca) 를 담지시킨 경우를 예로 들면, 배기 공연비가 희박 시에는, 배기가스 중의 SOx (예컨대 SO2) 가 백금 (Pt) 의 표면에서 산화되면서 황산 이온 (SO4 2 -) 의 형태로 산화 칼슘 (CaO) 내에 흡장되어 확산하여, 황산 칼슘 (CaSO4) 를 형성한다. 그런데, 황산 칼슘은 비교적 안정성이 낮고, 유입하는 배기 가스의 공연비가 농후 공연비가 되어 배기 가스 중의 산소 농도가 저하하면, 이 황산 칼슘은 일정 온도 이상에서 용이하게 분해되고 (CaSO4 -> Ca2+ + SO4 2 -), 황산 이온 (SO4 2 -) 이 SOx (SO2) 의 형태로 SOx 트랩으로부터 방출된다.
이와 같은 SOx 트랩 (73) 을 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 상류측에 배치함으로써, 배기 공연비가 희박 시에는 배기가스 중의 SOx 의 대부분이 SOx 트랩 (73) 에 흡장되며, 하류측의 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에는 SOx 성분이 거의 도달하지 않게 된다.
결과적으로, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 대한 SOx 피독 회복 처리의 빈도를 낮게 유지할 수 있다. 그래서, 고온의 농후 공연비의 배기가스를 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 제공하기 위하여 증가된 연료 소비량 및 고온에 의한 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 열화를 억제할 수 있다.
또한, 도 6 에서는 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 와 SOx 트랩 (73) 을 동일 케이싱 (71) 내에 근접 배치한 경우를 나타낸다. 하지만, H2 센서 (31) 와 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 사이의 위치라면, SOx 트랩 (73) 은 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 와는 별도의 케이싱에 수납하여 배치되도록 해도 좋다.
상기에 설명된 바와 같이, SOx 트랩 (73) 을 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 상류측에 설치함으로써 엔진의 연료 소비량의 증대나 촉매의 열화를 억제할 수 있다. 그러나, 이 경우에도 SOx 피독 회복 처리 동안에 SOx 재흡장의 문제가 발생한다.
즉, SOx 피독 회복 처리 동안에 SOx 트랩 (73) 으로부터 비교적 고농도의 SOx 가 방출되면, 하류측의 NOx 흡장 및 환원 촉매에서 공연비가 농후이더라도 SOx 가 NOx 흡장 및 환원 촉매에 재흡장되어 버린다. 그래서, NOx 흡장 및 환원 촉매로의 재흡장과 분리를 반복하면서 서서히 NOx 흡장 및 환원 촉매를 통하여 상기 SOx 가 점차 하류측으로 이동하기 때문에, SOx 피독 회복 처리에 비교적 긴 시간을 필요로 하는 문제가 발생한다.
따라서, 도 6 과 같이 NOx 흡장 및 환원 촉매 상류측에 SOx 트랩을 설치한 경우도, SOx 피독 회복 처리 동안에 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 수소를 공급함으로써, NOx 흡장 및 환원 촉매로의 SOx 의 재흡장을 방지할 수 있다.
또한, 도 6 의 구성에 있어서도 상기 SOx 피독 회복 처리 동안에 엔진 공연비 또는 SOx 피독 회복 처리 계속 시간을 제어함으로써, 더욱 효과적인 SOx 피독 회복 처리를 행할 수 있다. 또한, 도 6 의 구성에서의 H2 농도에 근거한 피독 회복 처리의 제어는 도 3 의 구성에서의 제어와 동일한 것이기 때문에 설명을 생략한다.
다음으로, 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치의 구성의 또 다른 예를 도 7 을 참조로 하여 설명한다.
도 7 은 도 1 과 유사한 도면이며, 본 발명을 자동차용 내연기관에 적용한 경우의 개략 구성을 나타낸다. 도 7 에서, 도 1 과 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 7 의 구성에서는, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 상류측에 배치된 H2 센서 (31) 외에 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 의 하류측의 배기 통로에 배치된 배기가스의 황산화물 농도 (SOx 농도) 를 검출가능한 SOx 센서 (90) 가 설치되어 있는 점만이 도 1 의 구성과 상이하다.
이러한 실시형태에서 사용되는 SOx 센서 (90) 은 응답성이 양호하게 연속적으로 배기 가스 중의 SOx 농도를 검출할 수 있어야 한다. 그러나, 현재 이 요구를 만족시키는 SOx 센서는 시중에서 판매되지 않는다. 본 실시형태는 장래 이와 같은 SOx 센서가 실용화된 경우에 실시가능하게 된다.
이러한 실시형태에 따르면, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 상류측에서 H2 센서 (31) 에 의해 검출된 배기 가스 H2 농도 이외에, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 하류측에 배치된 SOx 센서 (90) 에 의해 검출된 SOx 농도를 이용하여, SOx 피독 회복 처리시의 공연비 제어나 SOx 피독 회복 처리 계속 시간의 제어를 행한다.
즉, 본 실시형태에서는 상류측 H2 센서 (31) 출력에 근거하여 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스 중의 H2 농도가 소정의 범위가 되도록 배기 공연비를 제어함과 동시에, 상류측 H2 농도가 소정 범위에 있을 때에 하류측 SOx 센서 (90) 에 의해 검출된 SOx 농도가 소정값 이하가 된 경우에 SOx 피독 회복 처리가 완료됐다고 판단한다.
SOx 피독 회복 처리 동안에는 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 H2 성분을 포함하는 배기가스를 공급하여, 분리된 SOx 의 재흡장이 억제되기 때문에 분리된 SOx 는 배기가스와 함께 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 하류측에 배출된다. 이 때문에, 배기 가스 중의 H2 농도가 소정 값 이상인 경우에는 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 로부터의 SOx 의 분리가 계속되고 있는 한, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 하류측에서는 배기 가스에서 SOx 가 검출된다.
결과적으로, 배기 가스 중의 H2 농도가 소정 값 이상임에도 불구하고 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 하류측에서 SOx 센서 (90) 에 의해 SOx 가 거의 검출되지 않는 상태가 된 경우에는 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 에 흡장된 SOx 의 분리가 완료됐다고 판단할 수 있다.
이러한 실시형태에 따르면, SOx 피독 회복 처리 개시후에 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 하류측에서 SOx 센서에 의해 검출된 SOx 농도가 소정값 이하로 된 경우에 SOx 피독 회복 처리는 종료된다.
이에 의해, SOx 피독 회복 처리의 완료를 정확하게 결정할 수 있어, 적절하게 SOx 피독 회복 처리를 종료할 수 있다. 그래서, SOx 의 분리가 불충분한 상태에서 SOx 피독 회복 처리를 종료함에 따른 SOx 피독의 진행 또는, 필요 이상으로 장시간 SOx 피독 회복 처리를 실행함에 따른 엔진 연료 소비량의 증대와 NOx 흡장 및 환원 촉매의 열화를 억제할 수 있다.
도 8 은, 본 실시형태에 따른 SOx 피독 회복 처리를 설명하는 순서도이다.
이러한 동작 또한, 도 5 의 제어와 동일하게 ECU (30) 에 의해 일정 시간 마다 실행되는 루틴으로 실행된다.
도 8 의 동작에서는, 우선 단계 (801) 에서 플래그 (S) 의 값에 근거하여 SOx 피독 회복 처리의 실행 여부가 결정되고, SOx 피독 회복 처리의 실행이 필요하지 않은 경우 (S ≠ 1) 에는 단계 (821) 에서 통상의 연료분사가 행해진다. 또한, SOx 피독 회복 처리를 실행할 필요가 있는 경우 (S = 1) 에는, 단계 (803) 에서 엔진 (1) 의 연료 분사량이 FINS 만큼 증량된다. 단계 (801, 803, 821) 의 동작은 각각 도 5 에 도시된 단계 (501, 503, 519) 의 동작과 동일하다.
단계 (803) 에서 SOx 피독 회복 처리가 실행되 경우에, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 상류측에서 H2 센서 (31) 로부터 H2 농도 HR 을 판독하며 (단계 (805)), 이 H2 농도 HR 가 H2S 의 생성 임계 농도 (HRS) 와 제 1 의 소정값 (HR1) 의 사이의 범위에서 유지되도록 (단계 807, 811), 증량값 (FINS) 의 값을 일정량 △F1 (단계 (809)) 와, △F2 (단계 (813)) 씩 증감한다.
그래서, 단계 (811) 에서 HR ≥ HR1 이 성립하고 있는 경우에는, 단계 (815) 로 진행하여 NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 하류측에 배치된 SOx 센서 (90) 로부터 촉매 하류측 배기가스 중의 SOx 농도 (SR) 을 판독하며, 단계 (817) 에서 SOx 농도 (SR) 가 미리 정해진 제 2 의 소정값 (SR2) 이하로 된 경우에는, 즉, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 로부터의 SOx 분리가 완료되었다고 판단할 수 있는 경우에는, 단계 (819) 에서 플래그 (S) 의 값을 0 으로 설정하여 이번 제어를 종료한다.
따라서, 이러한 동작이 다음 회에, 단계 (801) 의 후에 단계 (821) 가 실행되어, SOx 피독 회복 처리가 종료한다. 또한, 단계 (817) 에서 SR > SR2 인 경우에는, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 로부터의 SOx 의 분리가 아직 계속되고 있기 때문에, S 의 값을 1 로 유지한 채로 이번 동작을 종료한다. 이에 의해 다음 본 동작이 실행된 경우에도 단계 (803) 이하의 SOx 피독 회복 처리가 실행되게 된다.
또한, 단계 (811) 의 소정값 (HR1) 은 0.1% (이론 공연비 상당) ~ 2.0% (H2S 생성 한계) 의 범위의 적절한 값으로 설정가능하다. 하지만, 작은 값으로 설정할수록 SOx 피독 회복 처리의 계속시간이 길게 되며, 큰 값으로 설정할수록 H2S 생 성 한계에 근접하게 된다. 따라서, 이러한 값은 실제의 촉매를 사용한 실험에 의해 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 단계 (817) 의 판정값 (SR2) 는, 실용상 NOx 흡장 및 환원 촉매 중의 잔존 SOx 량이 실용상 문제가 없는 정도로 저하했을 시의 SOx 분리량에 상당하는 값이다. 값 (SR2) 에 대해서도 실험에 의해 결정하는 것이 바람직하다.
도 7 의 구성에서는 SOx 트랩을 배치하지 않는 경우에 대해서 설명하였다. 그러나, 도 6 과 같이 SOx 트랩을 배치한 경우에도, NOx 흡장 및 환원 촉매 (7) 하류측의 배기통로에 SOx 센서를 제공함으로써, 도 8 과 동일한 SOx 피독 회복 처리가 가능하다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, NOx 흡장 및 환원 촉매의 SOx 피독 회복 처리에 수소를 사용한 경우에, 효율적으로 피독 회복 처리를 실행할 수 있다는 이점을 가진다.

Claims (7)

  1. NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스 공연비가 희박 공연비일 때에 배기가스 중의 NOx 를 흡수 또는 흡착 또는 그 양방에 의해 흡장하고, 상기 촉매 내로 유입하는 배기가스 공연비가 이론 공연비 또는 농후 공연비일 때에는 흡장된 NOx 를 환원하여 정화시키기 위해서, 내연기관의 배기통로에 배치된 NOx 흡장 및 환원 촉매와,
    배기가스 중의 수소 성분 농도를 검출하기 위해서, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매 상류측의 배기 통로에 배치된 H2 센서를 구비한 내연기관용 배기가스 정화 장치이며,
    상기 NOx 흡장 및 환원 촉매에 NOx 와 함께 흡장된 황산화물을, 이 NOx 흡장 및 환원 촉매로부터 방출시키기 위해서, NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스 공연비를 농후 공연비로 유지하면서 배기가스 온도를 상승시키는 SOx 피독 회복 처리를 실행하며,
    NOx 흡장 및 환원 촉매 상류측에서 상기 H2 센서에 의해 검출된 배기가스 중의 수소 성분 농도에 근거하여, SOx 피독 회복 처리 실행 동안에 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스 공연비와 SOx 피독 회복 처리 계속 시간의 적어도 일방을 제어하는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    SOx 트랩 내로 유입하는 배기가스 공연비가 이론 공연비일 때에 배기가스 중의 SOx 를 흡장하고, SOx 트랩 내로 유입하는 배기가스 공연비가 이론 공연비 또는 농후 공연비일 때에는 흡장된 SOx 를 방출하기 위해, 상기 NOx 흡장 및 환원 촉매의 상류측 및 H2 센서 하류측의 배기통로에 배치된 SOx 트랩을 더 포함하는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    H2 센서에 의해 검출된 배기가스 중의 수소 성분 농도가 NOx 흡장 및 환원 촉매에서 황화수소가 생성되는 수소 성분 농도보다 낮게 되도록, 상기 SOx 피독 회복 처리 실행 동안에, NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스의 공연비를 제어하는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    H2 센서에 의해 검출된 배기가스 중의 수소성분 농도가 0.1% ~ 2.0% 가 되도록, 상기 SOx 피독 회복 처리 실행 동안에, NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스의 공연비를 제어하는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스 중의 수소성분 농도가 SOx 피독 회복 처리 개시 시에 높고, 그 이후 완만히 저하하도록, 상기 SOx 피독 회복 처리 실행 동안에 배기 공연비를 제어하는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    배기가스 중의 황산화물 농도를 검출하기 위하여 NOx 흡장 및 환원 촉매 하류측의 배기 통로에 배치된 SOx 센서를 더 포함하고, 상기 H2 센서에 의해 검출된 수소 성분 농도와, 상기 SOx 센서에 의해 검출된 SOx 농도에 근거하여, SOx 피독 회복 처리 중에 NOx 흡장 및 환원 촉매 내로 유입하는 배기가스의 공연비와 SOx 피독 회복 처리 계속 시간의 적어도 일방을 제어하는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 H2 센서에 의해 검출된 수소 성분의 농도가 미리 정해진 제 1 값 이상이며, 상기 SOx 센서에 의해 검출된 황산화물 농도가 미리 정해진 제 2 의 값 이하로 될 때에, 상기 SOx 피독 회복 처리를 종료하는 내연기관용 배기가스 정화 장치.
KR1020077009841A 2005-03-04 2006-03-03 내연기관용 배기 가스 정화 장치 KR100876564B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2005-00060869 2005-03-04
JP2005060869A JP4192905B2 (ja) 2005-03-04 2005-03-04 内燃機関の排気浄化装置
PCT/JP2006/304678 WO2006093357A1 (en) 2005-03-04 2006-03-03 Exhaust gas purification apparatus for internal combustion engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070064653A true KR20070064653A (ko) 2007-06-21
KR100876564B1 KR100876564B1 (ko) 2008-12-31

Family

ID=36293370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077009841A KR100876564B1 (ko) 2005-03-04 2006-03-03 내연기관용 배기 가스 정화 장치

Country Status (7)

Country Link
US (1) US7694512B2 (ko)
EP (1) EP1853798B1 (ko)
JP (1) JP4192905B2 (ko)
KR (1) KR100876564B1 (ko)
CN (1) CN101052791B (ko)
DE (1) DE602006019383D1 (ko)
WO (1) WO2006093357A1 (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4371114B2 (ja) 2006-02-28 2009-11-25 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
RU2400638C1 (ru) 2007-04-03 2010-09-27 Тойота Дзидося Кабусики Кайся Устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания
WO2009013600A2 (en) * 2007-07-24 2009-01-29 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Apparatus and method for detecting abnormalair-fuel ratio variation among cylinders of multi-cylinder internal combustion engine
US8650863B2 (en) 2009-03-31 2014-02-18 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust gas purification system for an internal combustion engine
US20100251700A1 (en) * 2009-04-02 2010-10-07 Basf Catalysts Llc HC-SCR System for Lean Burn Engines
WO2013153611A1 (ja) * 2012-04-09 2013-10-17 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
WO2013153610A1 (ja) * 2012-04-09 2013-10-17 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
US9266092B2 (en) 2013-01-24 2016-02-23 Basf Corporation Automotive catalyst composites having a two-metal layer
KR101505575B1 (ko) * 2013-07-19 2015-03-24 삼성중공업 주식회사 배기가스 유해물질 저감시스템
JP6187439B2 (ja) * 2014-12-03 2017-08-30 トヨタ自動車株式会社 ガス検出装置
KR101868921B1 (ko) * 2016-05-18 2018-06-20 한국생산기술연구원 고온부식 방지 연소장치

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0560991B9 (en) 1991-10-03 2005-01-26 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Device for purifying exhaust of internal combustion engine
JP2605553B2 (ja) 1992-08-04 1997-04-30 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
JP2745985B2 (ja) 1992-08-13 1998-04-28 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
EP0892159A3 (en) * 1997-07-17 2000-04-26 Hitachi, Ltd. Exhaust gas cleaning apparatus and method for internal combustion engine
JP3446815B2 (ja) 1998-12-01 2003-09-16 三菱自動車工業株式会社 内燃機関の排気浄化装置
JP3642273B2 (ja) 1999-10-21 2005-04-27 日産自動車株式会社 排気ガス浄化システム
US6519933B2 (en) * 2000-03-21 2003-02-18 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Internal combustion engine having variable valve control system and NOx catalyst
DE10017940C2 (de) 2000-04-11 2003-01-23 Omg Ag & Co Kg Verfahren zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit eines Stickoxid-Speicherkatalysators
DE10147491A1 (de) 2001-09-26 2003-04-24 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses für einen Verbrennungsmotor
JP3896923B2 (ja) 2002-08-01 2007-03-22 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置及び排気浄化方法
JP2004068700A (ja) * 2002-08-06 2004-03-04 Toyota Motor Corp 排気ガス浄化方法
JP3945350B2 (ja) * 2002-08-30 2007-07-18 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
US6758035B2 (en) 2002-09-18 2004-07-06 Arvin Technologies, Inc. Method and apparatus for purging SOX from a NOX trap
US6832473B2 (en) 2002-11-21 2004-12-21 Delphi Technologies, Inc. Method and system for regenerating NOx adsorbers and/or particulate filters
JP4288942B2 (ja) * 2002-12-20 2009-07-01 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気浄化装置
FR2850881B1 (fr) * 2003-02-07 2007-05-11 Renault Sa Catalyseur a base de metaux precieux et ses utilisations dans le traitement des gaz d'echappement

Also Published As

Publication number Publication date
KR100876564B1 (ko) 2008-12-31
EP1853798B1 (en) 2011-01-05
JP2006242124A (ja) 2006-09-14
DE602006019383D1 (de) 2011-02-17
WO2006093357A1 (en) 2006-09-08
EP1853798A1 (en) 2007-11-14
CN101052791A (zh) 2007-10-10
CN101052791B (zh) 2011-12-14
US7694512B2 (en) 2010-04-13
JP4192905B2 (ja) 2008-12-10
US20080028745A1 (en) 2008-02-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100876564B1 (ko) 내연기관용 배기 가스 정화 장치
EP1353048B1 (en) An exhaust gas purification device for an internal combustion engine
EP1213460B1 (en) Emission control apparatus of internal combustion engine
JPH1193744A (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JPWO2011114499A1 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP4462107B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP2007255342A (ja) ＮＯｘ浄化システムの制御方法及びＮＯｘ浄化システム
JP6015760B2 (ja) 火花点火式内燃機関の排気浄化装置
JP2001303937A (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP3436134B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP6988648B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP2002038943A (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP3552603B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP3514152B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP3487269B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP4144584B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP3414323B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP3478135B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP2007113497A (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP4265123B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP4175031B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP2004144072A (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP2006322399A (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP2009024521A (ja) 内燃機関の排気浄化装置
JP4325606B2 (ja) 内燃機関の排気浄化装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121130

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131210

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141205

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151118

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161123

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee