KR20080046281A - 내연기관의 배기정화장치 - Google Patents

내연기관의 배기정화장치 Download PDF

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Abstract

내연기관의 배기정화장치는, 배기통로(15)에 분기하여 접속되고, 배기가스 중의 입자형상 물질을 포집하는 복수의 DPF(30a, 30b)와, 이들 DPF(30a, 30b)의 상류측에 오존을 각각 공급 가능한 오존공급수단을 구비한다. 장치는 복수의 DPF(30a, 30b) 사이에서의 배기가스의 공급량의 비율 및 오존의 공급량의 비율을 각각 변경시킨다.

Description

내연기관의 배기정화장치{EXHAUST CLEANER FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 배기정화장치에 관한 것으로, 특히, 디젤엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 입자형상 물질을 포집/산화함으로써 정화하는 배기정화장치에 관한 것이다.
일반적으로, 디젤엔진의 배기가스에는, 탄소를 주성분으로 하는 입자형상 물질[이하, PM(Particulate Matter)이라 한다]이 함유되어, 대기오염의 원인이 되는 것이 알려져 있다. 그래서, 배기가스로부터, 이들 입자형상 물질을 포착하여 제거하기 위한 장치 또는 방법이 여러가지 제안되어 있다.
예를 들면, 연료를 강제적으로 분사 공급함으로써 디젤 파티큘레이트 필터(DPF)의 온도를 상승시켜 포집한 PM을 산화/연소시키는 것, 배기가스 중의 일산화질소(NO)로부터 이산화질소(NO2)를 생성시키고, NO2에 의해 PM을 산화시키는 것(예를 들면, 일본국 특표2002-531762호 공보), 또는 촉매화 DPF를 사용하여 PM의 산화를 도모하는 것(예를 들면, 일본국 특개평6-272541호 공보, 특개평9-125931호 공보) 등이 제안되어 있다. 그러나, 연료를 강제적으로 분사 공급하는 것에서는, 연비의 악화를 초래함과 동시에, PM의 급격한 연소의 결과인 온도 상승에 의한 DPF 의 파손의 문제, 일본국 특표2002-531762호 공보에 기재한 것에서는, NO2에 의한 PM의 산화속도가 충분하지 않기 때문에, 엔진에서 배출되는 PM을 완전하게 산화제거하는 것이 곤란하다는 문제, 그리고, 일본국 특개평6-272541호 공보, 특개평9-125931호 공보에 기재된 촉매화 DPF를 사용하는 것에서는, 촉매 및 PM이 모두 고체이기 때문에, 양자가 충분하게 접촉하지 않아 PM의 산화반응이 불충분하다는 문제 등을 가지고 있다.
그래서, 최근, NO2와 비교하여 산화력이 강한 오존(O3)을 사용하여, PM을 산화하여 처리하는 기술이 개시되어 있다(예를 들면, 특개2005-502823호 공보). 상기 일본국 특개2005-502823호 공보에 기재된 디젤엔진의 배출가스를 후처리하는 방법 및 장치에서는, 파티큘레이트 필터의 상류에, 플라즈마에 의해, 배출가스로부터 산화제로서의 오존 또는 NO2를 생성하는 장치를 설치하고, 배출가스의 온도에 따라, 저온시에는 오존 및 NO2를, 고온시에는 NO2를 선택적으로 사용함으로써, 파티큘레이트 필터에 포집된 매연을 산화제거한다고 하고 있다.
그런데, 일본국 특개2005-502823호 공보에 기재된 디젤엔진의 배출가스를 후처리하는 방법 및 장치에서는, NO2와 비교하여 산화력이 강한 오존을 사용하고 있기 때문에 PM의 산화제거능력의 향상에 대해서는 평가할 수 있다. 그러나, 일본국 특개2005-502823호 공보에 기재된 것은, 배출가스의 성분인 산소로부터 플라즈마에 의해 오존을 생성하고, 이 생성된 오존과 함께 NOx 등을 함유하는 배기가스를 파티 큘레이트 필터에 도입하도록 하고 있으므로, 오존의 생성량이 충분하다고는 할 수 없는 것, 또, 산화력이 강한 오존은, 파티큘레이트 필터에 들어가기 전에 배기가스 중의 NOx 등과 반응하여 소비될 우려가 있고, PM의 산화제거에 사용할 수 있는 오존의 양이 적어져, 충분한 정화 효율이 얻어지지 않고, PM의 산화속도가 저하될 우려가 있다는 문제를 가지고 있다.
그래서, 본 발명의 목적은, 오존을 사용하여 PM을 산화제거 할 때에, 오존을 효율적으로 사용 가능하게 하는 내연기관의 배기정화장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 내연기관의 배기정화장치는, 배기통로에 분기하여 접속되고, 배기가스 중의 입자형상 물질을 포집하는 복수의 입자형상 물질 포집장치와, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 상류측에 오존을 각각 공급 가능한 오존공급수단과, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치 사이에서 배기가스의 공급량의 비율 및 오존의 공급량의 비율을 각각 변경시키는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 내연기관의 배기정화장치에 의하면, 복수의 입자형상 물질 포집장치 사이에서의 배기가스의 공급량의 비율을 변경할 수 있도록 하였기 때문에, 배기가스의 공급량의 비율이 작아진 입자형상 물질 포집장치에서는, 배기가스 중의 NOx나 HC 등의 소정 물질에 의한 오존의 소비를 억제할 수 있고, 또 배기가스의 열에 의한 오존의 분해를 억제할 수 있다. 따라서, 오존을 효율적으로 사용 가능하게 하고, 오존에 의한 PM의 정화효율을 향상하는 것이 가능해진다.
본 발명에 의한 장치는, 적합하게는, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치 보다도 상류측의 상기 배기통로 내에 배치되어 배기가스 중의 소정 물질을 제거하는 적어도 하나의 촉매장치를 더 구비한다.
본 발명에 의한 장치는, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 포집량을 개별적으로 검출하는 포집량 검출수단과, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 온도를 개별적으로 검출하는 온도검출수단을 더 구비하고, 상기 제어수단은, 상기 포집량 검출수단에 의해 검출된 포집량에 의거하여 배기가스의 공급량의 비율을 제어함과 동시에, 상기 온도검출수단에 의해 검출된 온도에 의거하여 오존의 공급량의 비율을 제어하여도 된다. 이 경우에는, PM의 산화제거의 필요성이 높은 입자형상 물질 포집장치에 대하여, PM의 산화제거를 우선하여 실행할 수 있다.
상기 제어수단은, 배기가스의 공급량의 비율이 비교적 작게 되어 있는 상기 입자형상 물질 포집장치에 대한 오존의 공급량의 비율을 비교적 크게 하는 것이 바람직하다. 여기에서 말하는 「배기가스의 공급량의 비율이 비교적 작게 되어 있다」란, 다른 입자형상 물질 포집장치의 적어도 하나보다도 배기가스의 공급량의 비율이 적은 상태를 나타낸다. 마찬가지로, 「오존의 공급량의 비율을 비교적 크게 한다」란, 다른 입자형상 물질 포집장치의 적어도 하나보다도 오존의 공급량의 비율을 크게 하는 것을 나타낸다.
본 발명에 의한 장치는, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치에 대한 배기가스의 통로를 개별적으로 완전 폐쇄 가능하고, 또한 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치에 대한 오존의 통로를 개별적으로 완전 폐쇄 가능한 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 장치는, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 포집량을 개별적으로 검출하는 포집량 검출수단을 더 구비하고, 상기 제어수단은, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치 중 포집량이 낮은 입자형상 물질 포집장치를 배기가스의 공급지로서 선택하여도 된다. 여기에서 말하는 「포집량이 낮다」란, 다른 입자형상 물질 포집장치의 적어도 하나보다도 포집량이 낮은 상태를 나타낸다.
상기 제어수단은, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치 중 상기 포집량이 비교적 큰 입자형상 물질 포집장치의 상기 온도가 소정의 저온측 기준값을 밑도는 경우에, 상기 입자형상 물질 포집장치에 대한 오존공급량을 소정의 최대량으로 설정하고, 상기 입자형상 물질 포집장치의 상기 온도가 상기 저온측 기준값을 웃도는 경우에, 상기 입자형상 물질 포집장치에 대한 오존공급량을 배기가스 중의 NOx 농도에 의거하여 설정하여도 된다. 여기에서 말하는 「포집량이 비교적 크다」란, 다른 입자형상 물질 포집장치의 적어도 하나보다도 포집량이 큰 상태를 나타낸다.
상기 제어수단은, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치 중 상기 포집량이 비교적 큰 입자형상 물질 포집장치의 상기 온도가 소정의 저온측 기준값을 밑도는 경우에, 상기 포집량이 비교적 작은 입자형상 물질 포집장치를 오존의 공급지로서 선택하여도 된다. 여기에서 말하는 「포집량이 비교적 크다」란, 다른 입자형상 물질 포집장치의 적어도 하나보다도 포집량이 큰 상태를 나타내고, 또 「포집량이 비교적 작은 입자형상 물질 포집장치」란, 상기 포집량이 비교적 큰 입자형상 물질 포집장치 이외의 적어도 하나의 입자형상 물질 포집장치를 나타낸다.
상기 제어수단은, 상기 온도가 소정의 고온 기준값을 웃도는 경우에, 상기 오존공급수단으로부터의 오존의 공급을 정지하여도 된다.
본 발명에 의한 장치에서는, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치는 승온수단을 더 구비하고, 상기 제어수단은, 상기 승온수단을 제어하여, 배기가스의 공급지로서 선택되는 상기 입자형상 물질 포집장치의 상기 온도가 소정의 고온 기준값을 웃도는 경우에, 상기 입자형상 물질 포집장치를 승온시켜도 좋다.
본 발명에 의한 장치가 적어도 하나의 촉매장치를 구비하는 경우에는, 그 촉매장치의 온도를 검출하는 촉매온도 검출수단을 더 구비하고, 상기 제어수단은, 상기 적어도 하나의 촉매장치의 온도에 의거하여 상기 오존공급수단을 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 장치는, 상기 배기통로의 분기점에, 배기가스의 공급량의 비율을 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 사이에서 변경 가능한 배기제어밸브를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에서의 상기 오존공급수단은, 단일의 오존공급원으로부터의 오존의 공급량의 비율을 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 사이에서 변경 가능한 오존제어밸브를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 형태는, 상기 입자형상 물질 포집장치가, 단일의 케이싱 내에 서로 인접하여, 또한 배기가스 흐름 방향에 대하여 병렬로 구획 형성된 복수의 필터실과, 이들 필터실에 각각 배치된 필터부재와, 배기가스가 유입하는 상기 필터실을 전환하는 밸브수단을 구비하고, 상기 오존공급수단은, 상기 복수의 필터실에 각각 배치되고, 상기 밸브수단은, 상기 오존공급수단의 상류측에 배치되어 있는 것이 적절하다.
이 본 발명의 하나의 형태에 의하면, 오존공급수단에 의한 오존공급이 실행되는 필터실을 밸브수단에 의해 폐지하고, 그 필터실에 대한 배기가스의 유입을 억제할 수가 있다. 따라서, 배기가스 중의 NOx 등에 의해 공급 오존이 쓸데없이 소비되는 것이 방지되어, 오존의 더욱 많은 양을, 필터 부재에 퇴적한 PM의 산화제거에 사용할 수 있다. 따라서 오존을 효율적으로 사용하는 것이 가능해진다.
이 경우에는, 상기 필터실이, 상기 케이싱 내의 중앙부 및 바깥 둘레부에 두개 형성되는 것이 바람직하다.
상기 밸브수단은, 상기 오존공급수단으로부터의 오존공급이 실행되는 상기 필터실에 배기가스가 유입하지 않고, 상기 오존공급수단으로부터의 오존공급이 실행되지 않는 상기 필터실에 배기가스가 유입하도록, 상기 필터실을 전환하는 것이 바람직하다.
상기 밸브수단은, 상기 복수의 필터실 중 일부의 필터실을 개폐하는 제 1 밸브체와, 상기 복수의 필터실 중 나머지 필터실을 개폐하는 제 2 밸브체와, 오존공급이 실행되는 상기 필터실에 대응하여, 상기 제 1 밸브체 및 제 2 밸브체가 교대로 개폐하도록 상기 제 1 밸브체 및 제 2 밸브체를 구동하는 구동수단을 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 장치는, 적어도 하나의 상기 필터부재에 유입되는 가스 또는 상기 필터부재의 온도를 검출하는 적어도 하나의 온도검출수단과, 이 검출된 온도에 따라, 상기 필터부재에 대응하는 상기 오존공급수단으로부터의 오존공급을 제어하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 오존에 의해 필터부재의 PM 산화제거를 행하는 경우, 필터부재에 유입되는 가스 또는 필터부재의 온도가, 오존에 의한 PM 산화를 유효하게 행할 수 있는 적절한 온도범위 내에 있을 때에 행하는 것이 바람직하다. 이 바람직한 형태에 의하면, 검출된 온도가 적절한 온도범위 내에 있을 때만 오존공급을 실행할 수 있고, 부적절한 온도범위에서 공급 오존이 쓸데없이 소비되는 것이 방지된다.
이 경우에는, 상기 적어도 하나의 필터부재와 상기 밸브수단과의 사이에 배치되고, 상기 필터부재에 그 상류측으로부터 냉각가스를 공급 가능한 냉각가스 공급수단과, 상기 검출된 온도에 따라, 상기 냉각가스 공급수단으로부터의 냉각가스공급을 제어하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 이 바람직한 형태에 의하면, PM 산화제거를 행하는 필터부재에 대응하는 온도가 적절한 온도범위보다 높은 경우, 공기공급수단으로부터 냉각공기의 공급을 행하여, 그 온도를 적절한 온도범위까지 저감시킬 수 있다. 이에 따라 적절한 온도범위 내에서 오존공급을 실행할 수 있고, 부적절한 온도범위에서 공급 오존이 쓸데없이 소비되는 것이 방지된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 내연기관의 배기정화장치를 개략적으로 나타내는 시스템도,
도 2는 DPF의 월 플로우형 허니콤 구조체를 나타내는 단면도,
도 3a는 흡장환원형 NOx 촉매에서의 NOx 흡방출의 메커니즘을 설명하기 위한 개략도,
도 3b는 흡장환원형 NOx 촉매에서의 NOx 흡방출의 메커니즘을 설명하기 위한 개략도,
도 4는 선택환원형 NOx 촉매의 구조를 나타내는 개략도,
도 5는 제 1 실시형태의 ECU에서의 처리의 일례를 나타내는 플로우도,
도 6은 제 1 실시형태에 관련하여 행하여진 실험의 실험장치 전체를 나타내는 도,
도 7은 도 6의 실험장치에 의한 실험결과를 나타내는 그래프,
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 내연기관의 배기정화장치를 개략적으로 나타내는 시스템도,
도 9는 제 2 실시형태의 ECU에서의 처리의 일례를 나타내는 플로우도,
도 10은 제 2 실시형태에 관련하여 행하여진 실험의 실험결과를 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 내연기관의 배기정화장치를 개략적으로 나타내는 시스템도,
도 12는 제 3 실시형태에서의 온도영역의 설정 예를 나타내는 개념도,
도 13은 제 3 실시형태의 ECU에 있어서의 처리의 일례를 나타내는 플로우도,
도 14는 제 1, 제 2 또는 제 3 실시형태의 변형예를 나타내는 개념도,
도 15는 본 발명의 제 4 실시형태에 관한 내연기관의 배기정화장치를 개략적으로 나타내는 시스템도,
도 16은 필터부재를 나타내는 측면 단면도,
도 17은 중앙 밸브체와 바깥 둘레 밸브체를 나타내는 개략정면도,
도 18a는 구동장치를 나타내는 개략측면도,
도 18b는 구동장치를 나타내는 개략측면도,
도 19a는 제 4 실시형태의 배기정화장치의 작동을 설명하기 위한 도,
도 19b는 제 4 실시형태의 배기정화장치의 작동을 설명하기 위한 도,
도 20은 오존에 의한 PM 산화를 행한 경우의 온도와 PM 산화속도와의 관계를 나타내는 그래프,
도 21은 실험장치 전체를 나타내는 도,
도 22는 비교예 1의 구성을 나타내는 도,
도 23은 제 4 실시형태에 관한 실험결과를 나타내는 그래프,
도 24는 본 발명의 제 5 실시형태에 관한 내연기관의 배기정화장치를 개략적으로 나타내는 시스템도,
도 25는 제 5 실시형태에 관한 실험결과를 나타내는 그래프
도 26은 본 발명의 다른 실시형태의 개략정면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 설명한다.
(제 1 실시형태)
도 1은, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 내연기관의 배기정화장치를 개략적으로 나타내는 시스템도이다. 도면 중 10은, 압축 착화식 내연기관, 즉 디젤엔진 이고, 11은 흡기 포트에 연통되어 있는 흡기 매니폴드, 12는 배기 포트에 연통되어 있는 배기 매니폴드, 13은 연소실이다. 본 실시형태에서는, 도시 생략한 연료탱크로부터 고압펌프(17)로 공급된 연료가, 고압펌프(17)에 의해 커먼레일(18)에 압송되어 고압상태에서 축압되고, 상기 커먼레일(18) 내의 고압연료가 연료분사밸브(14)로부터 연소실(13) 내에 직접 분사공급된다. 디젤엔진(10)으로부터의 배기가스는, 배기 매니폴드(12)로부터 터보차저(19)를 거친 후에 그 하류의 배기통로(15)로 흘러보내져, 뒤에 설명하는 바와 같이 정화처리된 후, 대기에 배출된다. 또, 디젤엔진의 형태로서는 이러한 커먼레일식 연료분사장치를 구비한 것에 한정하지 않는다. 또 EGR 장치 등의 다른 배기정화장치를 포함하는 것도 임의이다.
배기통로(15)에는, 배기가스 중의 NOx를 정화하는 NOx 촉매(20)와, 배기가스 중의 입자형상 물질(PM)을 포집하는 입자형상 물질 포집장치로서의 디젤 파티큘레이트 필터(이하, DPF라 한다)(30a, 30b)가 배치되어 있다. DPF(30a, 30b)는, NOx 촉매(20)의 하류측의 배기통로(15)에, 배기제어밸브(V1)를 거쳐, 분기하여 접속되어 있다.
그리고 NOx 촉매(20)와 DPF(30a, 30b)와의 사이, 다시 말하면 NOx 촉매(20) 및 배기제어밸브(V1)의 하류측 또한 DPF(30a, 30b)의 상류측에, DPF(30a, 30b)에 오존을 공급 가능한 오존공급수단으로서의 오존공급노즐(40a, 40b)이 배치되어 있다. 오존공급노즐(40a, 40b)에는 오존공급원으로서의 오존발생기(41)가, 오존제어밸브(V2)를 거쳐 분기되어 접속되어 있다. 오존발생기(41)에서 발생한 오존이, 오존제어밸브(V2) 및 오존공급통로(42a, 42b)를 거쳐 오존공급노즐(40a, 40b)에 공급됨과 동시에, 상기 오존공급노즐(40a, 40b)로부터, 하류측에 인접하는 DPF(30a, 30b)를 향하여 배기통로(15) 내에 분사공급된다.
오존공급노즐(40a, 40b)은, 이것으로부터 분사공급된 오존이 배기가스 중의 NOx나 미연소 성분(CO, HC 등)과 반응하여 쓸데없이 소비되지 않도록, DPF(30a, 30b)의 직상류 위치에 배치되고, 그곳으로부터 DPF(30a, 30b)를 향하여 오존을 공급한다. 또, DPF(30a, 30b)의 상류 끝면 전체에 빠짐없이 오존을 공급할 수 있도록, DPF(30a, 30b)의 상류 끝면의 전체 직경에 미치는 복수의 오존공급구(41)를 가지고 있다. 오존공급노즐(40a, 40b)은, 케이싱(31a, 31b)의 직경 방향으로 연장하여 케이싱(31a, 31b)에 고정된다. DPF(30a), 케이싱(31a) 및 오존공급노즐(40a)은 유닛(A)을 구성한다. DPF(30b), 케이싱(31b) 및 오존공급노즐(40b)은 유닛(B)을 구성한다. 또한, 오존공급수단의 형태는 이러한 오존공급노즐(40a, 40b) 이외에도 여러가지 형태가 가능하고, 예를 들면 하나의 오존공급구 밖에 가지지 않는 경우는, 오존공급구와 DPF의 상류 끝면과의 거리를, 그 상류 끝면 전체에 빠짐없이 오존이 골고루 퍼지는 거리만큼 이간시키는 것이 좋다.
오존발생기(41)로서는, 고전압을 인가 가능한 방전관 내에 원료가 되는 건조한 공기 또는 산소를 흘리면서 오존을 발생시키는 형태나 다른 임의의 형식의 것을 사용할 수 있다. 여기서 원료가 되는 건조한 공기 또는 산소는, 일본국 특개2005-502823호 공보의 경우와 달리, 배기통로(15) 밖으로부터 도입되는 기체, 예를 들면 외기에 함유되는 기체이고, 상기 공보와 같이 배기통로(15) 내의 배기가스에 함유되는 기체는 아니다. 오존발생기(41)에서는, 고온의 원료 기체를 사용하는 것보다도 저온의 원료 기체를 사용한 쪽이 오존의 생성 효율이 높다. 따라서 이와 같이 배기통로(15) 밖의 기체를 사용하여 오존을 생성함으로써, 상기 공보의 경우와 비교하여, 오존생성 효율을 향상하는 것이 가능하다. 또한, 본원 발명에 사용하는 공기 또는 산소는, 건조상태로 한정하는 것은 아니다.
배기제어밸브(V1) 및 오존제어밸브(V2)는, 어느 것이나 솔레노이드를 포함하여 구성된 3방향 밸브로서, 하류측의 각각 2방향의 토출구 중 한쪽을 완전 폐쇄, 또한 다른쪽을 완전 개방으로 하는 것이 가능한 전환밸브이다.
DPF(30a, 30b)는, 양쪽 끝부가 원뿔대형상으로 형성된 대략 원통형의 금속제 케이싱(31a, 31b) 내에 도시 생략한 지지부재를 거쳐 지지되어 있다. 지지부재는, 절연성, 내열성, 완충성 등을 구비하고 있고, 예를 들면 알루미나 매트로 구성되어 있다. DPF(30a)와 오존공급노즐(40a) 및 DPF(30b)와 오존공급노즐(40b)은, 각각 금속 케이싱(31a, 31b)에 저장된 유닛(A, B)을 이루고 있고, 본 실시형태에서는 이와 같은 유닛(A, B)이 복수 병렬로 설치되어 있게 된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, DPF(30a, 30b)는, 다공질 세라믹으로 이루어지는 허니콤 구조체(32)를 구비한 이른바 월플로우형이고, 허니콤 구조체(32)는, 코디어라이트, 실리카, 알루미나 등의 세라믹 재료로 형성된다. 배기가스는 화살표로 나타내는 바와 같이 도면 중 왼쪽에서 오른쪽을 향하여 흐른다. 허니콤 구조체(32)에는, 상류측에 폐쇄마개(closing plug)(33)가 설치된 제 1 통로(34)와, 하류측에 폐쇄마개(35)가 설치된 제 2 통로(36)가 교대로 구획형성되어, 허니콤형상을 이루고 있다. 이들 통로(34, 36)는 셀이라고도 불리우며, 어느 것이나 배기가스의 흐름 방향에 평행하다. 배기가스가 도면 중 왼쪽에서 오른쪽을 향해 흐르면, 배기가스는 제 2 통로(36)로부터 다공질 세라믹의 유로 벽면(37)을 통과하여 제 1 통로(34)로 유입되고, 하류측으로 흐른다. 이 때, 배기가스 중의 PM은 다공질 세라믹에 의해 포집되어, PM의 대기로의 방출이 방지된다. 이와 같이 배기가스가 유로 벽면을 통과하고, 그 때 PM을 여과포집하는 필터형식이 월플로우형이라 불리운다.
NOx 촉매(20)도, DPF(30a, 30b)와 마찬가지로, 양쪽 끝부가 원뿔대형상으로 형성된 대략 원통형의 금속제 케이싱(21) 내에, 도시 생략한 지지부재를 거쳐 지지되어 있다. 지지부재는, 절연성, 내열성, 완충성 등을 구비하고 있고, 예를 들면 알루미나 매트로 구성되어 있다.
NOx 촉매(20)는, 바람직하게는, 흡장환원형 NOx 촉매(NSR : NOx Storage Reduction) 또는 선택환원형 NOx 촉매(SCR : Selective Catalytic Reduction) 중 어느 하나로 이루어진다.
흡장환원형 NOx 촉매의 경우, NOx 촉매(20)는, 알루미나(Al₂O₃) 등의 산화물로 이루어지는 기재 표면에, 촉매성분으로서의 백금(Pt)과 같은 귀금속과, NOx 흡수성분이 담지되어 구성되어 있다. NOx 흡수성분은, 예를 들면 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs)과 같은 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca)과 같은 알칼리토류, 란탄(La), 이트륨(Y)과 같은 희토류로부터 선택된 적어도 하나로 이루어진다.
흡장환원형 NOx 촉매(20)는, 이것에 유입되는 배기가스의 공연비가 소정값(전형적으로는 이론공연비)보다 희박한 때에는 NOx를 흡수하고, 이것에 유입되는 배기가스 중의 산소 농도가 저하하면 흡수한 NOx를 방출한다고 하는, NOx의 흡방출 작용을 행한다. 본 실시형태에서는 디젤엔진이 사용되고 있기 때문에, 통상시의 배기공연비는 희박하고, NOx 촉매(20)는 배기 중의 NOx의 흡수를 행한다. 또, NOx 촉매(20)의 상류측에서 환원제가 공급되고, 유입 배기가스의 공연비가 농후해지면, NOx 촉매(20)는 흡수한 NOx의 방출을 행한다. 그리고 이 방출된 NOx는 환원제와 반응하여 환원정화된다.
상기 NOx의 흡방출 및 환원정화는 도 3a 및 도 3b에 나타내는 바와 같이 이하의 메커니즘에 의거하여 행하여지고 있다고 생각된다. 상기 메커니즘에 대하여, 알루미나(Al₂O₃)로 이루어지는 기재 표면에, 백금(Pt) 및 칼륨(K)을 담지시킨 흡장환원형 NOx 촉매의 경우를 예로 들어 설명한다. 또한 다른 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리토류, 희토류를 사용하여도 동일한 메커니즘이 된다.
먼저 도 3a에 나타나는 바와 같이, 유입 배기가스가 희박해지면 유입 배기가스 중의 산소농도 및 NOx 농도가 증대하고, 이들 산소(O₂)가 O₂- 또는 O²-의 형으로 백금(Pt)의 표면에 부착된다. 한편, 유입 배기가스 중의 NO는 백금(Pt)의 표면상에서 O₂- 또는 O²-와 반응하여, NO₂가 된다(2NO + O₂→ 2NO₂). 이어서 생성된 NO₂는 흡수성분인 칼륨(K)에 흡수되어 질산염, 즉 질산칼륨(KNO₃)의 형태가 되어 K에 흡수된다. 유입 배기가스 중의 산소농도가 높은 한 백금(Pt)의 표면에서 NO₂가 생성되고, K의 NOx 흡수능력이 포화하지 않는 한 NO₂가 K에 흡수되어 간다. 이에 대하여 유입 배기가스 중의 산소농도가 저하하여 NO₂의 생성량이 저하하면 반응이 역방향(NO₃→ NO₂)으로 진행하고, 이렇게 해서 K 내의 질산칼륨(KNO ₃)이 NO₂의 형으로 흡수제로부터 방출된다. 즉, 유입 배기가스 중의 산소농도가 저하하면 K로부터 NOx가 방출되게 된다. 유입 배기가스의 희박의 정도가 낮아지면 유입 배기가스 중의 산소농도가 저하하고, 따라서 유입 배기가스의 희박의 정도를 낮추면 K로부터 NOx가 방출되게 된다.
한편, 이때 유입 배기가스의 공연비를 농후하게 하면, 유입 배기가스 중의 HC, CO는 백금(Pt) 상의 산소(O₂- 또는 O²-)와 반응하여 산화된다. 또, 유입 배기가스의 공연비를 농후하게 하면 유입 배기가스 중의 산소농도가 극도로 저하하기 때문에 K에서 NO₂가 방출되고, 이 NO₂는 도 3b에 나타나는 바와 같이, 백금(Pt)을 반응의 창구로 하여 미연소 HC, CO와 반응하여 N₂, O₂와 같이 환원정화된다. 이렇게 하여 백금(Pt)의 표면상에 NO₂가 존재하지 않게 되면 K로부터 차례로 NO₂가 방출된다. 따라서 유입 배기가스의 공연비를 농후하게 하면 단시간 내에 K로부터 NOx가 방출되어 환원정화되게 된다.
여기서 사용하는 환원제로서는, 배기 중에서 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO) 등의 환원성분을 발생하는 것이면 되고, 수소, 일산화탄소 등의 기체, 프로판, 프로필렌, 부탄 등의 액체 또는 기체의 탄화수소, 가솔린, 경유, 등유 등의 액체 연료 등을 사용할 수 있다. 본 실시형태에서는 저장, 보급 등을 할 때의 번잡함을 피하기 위하여 디젤엔진의 연료인 경유를 환원제로서 사용하고 있다. 상기 환원제로서의 경유를 NOx 촉매(20)로 공급하는 방법으로서는, 예를 들면, NOx 촉매(20)의 상류측의 배기통로(15)에 따로 설치된 환원제 분사밸브에서 경유를 분사하거나, 연 료분사밸브(14)로부터 연소실(13)에 팽창행정후기 또는 배기행정에서 경유를 분사하는 이른바 포스트분사를 행하는 방법이 가능하다. 또한, 이와 같이 NOx 촉매(20)에서의 NOx의 방출 환원을 목적으로 하는 환원제의 공급을 리치스파이크라 한다.
다음에, 선택환원형 NOx 촉매의 경우, NOx 촉매(20)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제올라이트 또는 알루미나 등의 기재 표면에 Pt 등의 귀금속을 담지한 것이나, 그 기재 표면에 Cu 등의 천이금속을 이온 교환하여 담지시킨 것, 그 기재 표면에 티타니야/바나듐 촉매(V2O5/WO₃/TiO₂)를 담지시킨 것 등을 예시할 수 있다. 이 선택환원형 NOx 촉매에서는, 유입 배기가스의 공연비가 희박하다는 조건하에서, 배기가스 중의 HC, NO가 정상적으로 또한 동시에 반응되어 N₂, CO₂, H₂O 와 같이 정화된다. 단 NOx의 정화에는 HC의 존재가 필수이다. 공연비가 희박하여도, 배기가스 중에는 미연소 HC가 반드시 함유되어 있기 때문에, 이것을 이용하여 NOx의 환원정화가 가능하다. 또, 상기 흡장환원형 NOx 촉매와 같이 리치스파이크를 실시하여 환원제를 공급해도 된다. 이 경우, 환원제로서는 상기에 예시한 것 외에, 암모니아나 요소를 사용할 수도 있다.
도 1로 되돌아가서, 본 실시형태에서는, DPF(30a, 30b)에서의 PM의 포집량 내지 막힘 정도를 검출하는 수단이 설치되어 있다. 즉, DPF(30a, 30b)의 상류측 및 하류측의 배기통로(15)에 각각 배기압력을 검출하는 배기압센서(51a, 51b, 52a, 52b)가 설치되고, 이들은 제어수단으로서의 ECU(100)에 접속되어 있다. ECU(100)는, 상류측 배기압센서(51a, 51b)에 의해 검출된 상류측 배기압과, 하류측 배기압 센서(52a, 52b)에 의해 검출된 하류측 배기압과의 편차에 의거하여, DPF(30a, 30b)에서의 PM의 포집량 내지 막힘 정도를 판단한다.
또한, 상류측 배기압센서(51a, 51b)는, 본 실시형태에서는 NOx 촉매(20)의 하류측이고 또한 오존공급노즐(40a, 40b)의 상류측에 배치되어 있으나, 오존공급노즐(40a, 40b)의 하류측에 배치되어도 된다. 또, 본 실시형태에서는 DPF(30a, 30b)의 상하류측의 차압에 의해 PM의 포집량 내지 막힘 정도를 검출하나, DPF(30a, 30b)의 각 상류측에 배치된 하나의 배기압센서에 의해서만 포집량 내지 막힘 정도를 검출해도 된다. 또한, DPF 상류측에 배치된 매연센서의 매연 신호의 시간적인 적분을 구함으로써 막힘 정도를 검출할 수도 있다. 마찬가지로, 매연 생성에 관한, ECU 내에 보존된 엔진 특성 맵 데이터를 평가하여, 시간적으로 적분할 수도 있다.
또, 본 실시형태에서는, DPF(30a, 30b)에 유입되는 배기가스의 공연비를 검출하는 수단이 설치되어 있다. 즉, NOx 촉매(20)의 하류측이고 또한 DPF(30a, 30b)의 상류측에 공연비센서(도시 생략)가 설치되고, 이 공연비센서(54)의 검출신호에 의거하여 ECU(100)는 배기공연비를 산출한다. 본 실시형태에서, 공연비센서(54)는 오존공급노즐(40a, 40b)의 상류측의 배기공연비를 검출한다. 이들 센서(51, 52, 53)는 모두 케이싱(31)에 설치된다.
또, 배기제어밸브(V1) 및 오존제어밸브(V2)는, ECU(100)의 출력측에 접속되어 있고, ECU(100)의 제어출력에 의해 동작한다.
이상과 같이 구성된 본 실시형태의 동작의 일례에 대하여 설명한다. 도 5에서, 먼저, ECU(100)는, DPF(30a, 30b)에 대한 차압(A, B)을 비교한다(S10). DPF(30a)에 대한 차압(A)은, DPF(30a) 전후의 배기압센서(51a, 52a)의 검출값(Pua, Pla)의 차(Pua - Pla)에 의해 산출된다. DPF(30b)에 대한 차압(B)은, DPF(30b) 전후의 배기압센서(51b, 52b)의 검출값(Pub, Plb)의 차(Pub - Plb)에 의해 산출된다. 편차 A, B의 값이 클수록, PM의 포집량 내지 막힘 정도가 크다고 생각할 수 있다.
단계 S10에서의 비교의 결과, 차압(A) < 차압(B)인 경우에는, DPF(30b)의 포집량 내지 막힘 정도가 더욱 크다고 생각할 수 있다. 이 경우에는, 다음에 ECU(100)는, 차압(A)이 소정의 기준값을 웃돌고 있는지를 판정한다(S20). 긍정인 경우에는, ECU(100)는, 배기제어밸브(V1)를 제어하어, 유닛(A)을 배기가스의 공급지로서 선택[즉 유닛(A)측의 배기통로를 완전 개방 또는 유닛(B)측의 배기통로를 완전 폐쇄]한다(S30).
다음에 ECU(100)는, 오존제어밸브(V2)를 제어하여, 유닛(B)을 오존의 공급지로서 선택[즉 유닛(A)측의 오존공급통로(42a)를 완전 폐쇄, 또한 유닛(B)측의 오존공급통로(42b)를 완전 개방]함과 동시에, 오존발생기(41)를 온으로 한다(S40). 유닛(B)의 DPF(30b)에 대한 오존의 공급은, 차압(A)이 소정의 기준값 이하가 될때까지의 사이에, 계속하여 실행되고, 기준값 이하인 경우에는 단계 S40의 처리는 스킵된다.
또, 차압(A) ≥ 차압(B)인 경우에는, DPF(30a)의 포집량 내지 막힘 정도가 더욱 크다고 생각할 수 있다. 이 경우에는, 다음에 ECU(100)는, 차압(B)이 소정의 기준값을 웃돌고 있는지를 판정한다(S50). 긍정인 경우에는, ECU(100)는, 배기제어밸브(V1)를 제어하여, 유닛(B)을 배기가스의 공급지로서 선택[즉 유닛(A)측의 배기 통로를 완전 폐쇄, 또한 유닛(B)측의 배기통로를 완전 개방]한다(S60).
다음에 ECU(100)는, 오존제어밸브(V2)를 제어하여, 유닛(A)을 오존의 공급지로서 선택[즉 유닛(A)측의 오존공급통로(42a)를 완전 개방, 또한 유닛(B)측의 오존공급통로(42b)를 완전 폐쇄]함과 동시에, 오존발생기(41)를 온으로 한다(S70). 유닛(A)의 DPF(30a)에 대한 오존의 공급은, 차압(B)이 소정의 기준값 이하가 될 때까지의 사이에, 계속하여 실행되고, 기준값 이하인 경우에는 단계 S70의 처리는 스킵된다.
이상의 처리는, 엔진이 동작하고 있는 동안 반복하여 실행되고(S80), 엔진이 정지된 것을 조건으로 종료한다.
이상의 처리의 결과, 본 실시형태에서는, DPF(30a, 30b) 중 PM의 포집량 내지 막힘 정도가 큰 쪽에 대하여, 배기가스의 공급이 정지된 상태에서, 오존의 공급이 실행된다. 그때, PM의 포집량 내지 막힘 정도가 작은 쪽의 DPF에 대해서는, 전량의 배기가스의 공급이 행하여지는 한편, 오존의 공급은 실행되지 않는다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 다음과 같은 작용효과가 발휘된다. 즉, 배기제어밸브(V1)를 제어하여 복수의 DPF(30a, 30b)의 사이에서 배기가스의 공급량의 비율을 변경할 수 있도록 하였기 때문에, 배기가스의 공급량의 비율이 작아진 DPF에서는, 배기가스 중의 NOx나 HC 등의 소정 물질에 의한 오존의 소비를 억제할 수 있고, 또 배기가스의 열에 의한 오존의 분해를 억제할 수 있다. 따라서, 오존을 효율적으로 사용 가능하게 하고, 오존에 의한 PM의 정화효율을 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 여기에서 말하는「배기가스의 공급량의 비율이 작게 되어 있다」란, 다른 DPF의 적어도 하나보다도 배기가스의 공급량의 비율이 작은 상태를 나타낸다.
또, 배기제어밸브(V1)에 의해 배기가스의 공급량의 비율이 비교적 작아진 DPF에 대한 오존의 공급량의 비율을 비교적 크게 하도록, 오존제어밸브(V2)를 제어하기 때문에, 오존의 소비 및 오존의 분해를 더욱 억제할 수 있다. 여기에서 말하는 「오존의 공급량의 비율을 비교적 크게 한다」란, 다른 DPF의 적어도 하나보다도 오존의 공급량의 비율을 크게 하는 것을 나타낸다.
또, 배기제어밸브(V1)는 복수의 DPF(30a, 30b)에 대한 배기가스의 통로를 개별적으로 완전 폐쇄 가능하고, 오존제어밸브(V2)는 복수의 DPF(30a, 30b)에 대한 오존의 통로를 개별적으로 완전 폐쇄 가능한 것으로 하였기 때문에, 간단한 구성에 의해 본 발명에 소기의 효과를 얻을 수 있다.
또, 복수의 DPF(30a, 30b)의 포집량을 개별적으로 검출하는 포집량 검출수단을 더 구비하고, ECU(100)는, 복수의 DPF(30a, 30b) 중 포집량이 낮은 DPF를 배기가스의 공급지로서 선택하는 것으로 하였기 때문에, PM의 산화제거의 필요성이 높은 DPF에 대하여, PM의 산화제거를 우선하여 실행할 수 있다. 여기에서 말하는 「포집량이 낮다」란, 다른 DPF의 적어도 하나보다도 포집량이 낮은 상태를 나타낸다.
또, DPF(30a, 30b)의 PM 포집량 또는 막힘 정도가 소정의 기준값을 상회한 경우에만 오존의 공급을 실행하는 것으로 하였기 때문에, PM의 산화제거를 그 필요성이 높은 경우에 한정하여 실행할 수 있고, 오존의 사용량을 절약할 수 있다.
다음에, 상기 제 1 실시형태에 관하여 행한 실험의 결과를 이하에 나타낸다.
(1) 실험장치
도 6에 실험장치의 개요를 나타낸다. 산소봄베(67)로부터 공급된 기체산소(O₂)는 유량제어유닛(68)에 의해 이분기되고, 그 한쪽에서 오존발생기(69)에 공급된다. 그리고 오존발생기(69)에서는 산소가 선택적으로, 또한 부분적으로 오존(O₃)이 되고, 이들 산소 및 오존(또는 산소만)이 오존분석계(70)에 이른다. 또, 분기의 다른쪽에서, 산소는 유량이 제어된 후, 오존발생기(69)로부터 공급된 가스와 혼합하여, 오존분석계(70)에 이른다. 오존분석계(70)에서는, 이것에 유입하여 온 가스, 즉 DPF(30a, 30b)에 공급하는 공급가스의 오존농도가 계측되고, 이 후, 공급가스는, 유량제어유닛(71)으로 유량이 제어된다. 질소봄베(72)로부터 공급된 질소(N₂)는, 유량제어유닛(73)으로 유량이 제어되고, 유량제어유닛(71)의 하류측에 공급된다. 잉여의 공급가스는 도시 생략한 배기덕트로부터 외부로 배출되고, 유량이 제어된 공급가스는, 오존제어밸브(V2)를 경유하여, DPF(30a) 또는 DPF(30b)에 공급된다.
DPF(30a, 30b)의 하류측에는, HC, CO, NOx 농도계측용 배기가스분석기(77)와, CO₂ 농도계측용 배기가스분석기(78)와, 오존농도계측용 오존분석계(79)가, 각각 상류측으로부터 직렬로 배치되어 있다.
(2) 실험조건
엔진(10)은 배기량 2000cc의 디젤엔진을 사용하였다.
전처리촉매(120)는, 직경 103mm, 길이 155mm, 셀 수 400cpsi(cells per square inch)인 코디어라이트로 만든 허니콤 구조체에, Ce-Zr 복합산화물 200g/L을 코팅하고, Pt를 Ce-Zr 복합산화물 중량에 대하여 3wt% 담지시킨 것을 사용하였다.
DPF(30a, 30b)는, 직경 103mm, 길이 155mm, 셀 수 300cpsi인 코디어라이트로 만든 DPF(촉매는 코팅하지 않음)를 사용하였다.
오존발생기(69)로부터 나오는 공급가스의 조성은 오존(O₃)이 18700ppm, 나머지부가 O₂이다. 단 이것은 오존발생기(69)를 온으로 하여 오존공급을 행하는 경우의 조성이다. 오존발생기(69)를 오프로 하고, 오존공급을 행하지 않은 경우, 공급가스는 O₂만이 된다. 공급가스의 유량은 30L(리터)/min이다.
(3) 실험방법
미리 DPF를 150℃에서 2시간 건조시키고, 중량을 측정하여 둔다. DPF를 배기관에 배치하고, 30분간 배기가스를 유통시킨 후, 배기관으로부터 꺼내어 150℃에서 2시간 건조시켜 그 중량을 측정한다. 이 중량의 차분을 PM 퇴적량으로 한다. 30분간의 배기가스의 유통 후에, PM 산화를 행하지 않은 경우의 PM 퇴적량은 3.1g/hL이었다.
실시예 및 비교예에 대해서는, 30분간의 배기가스의 유통 후에, PM 산화를 실시하고, DPF를 배기관으로부터 꺼내어 150℃에서 2시간 건조시켜 그 중량을 측정하였다. 먼저 구한 PM 퇴적량과의 차분에 의하여, PM 퇴적량을 구하였다.
또한, 실시예에 대해서는, CO₂계 및 CO계로 계측한 총 카본량으로부터도 PM의 산화속도를 개산(槪算)한 바, 그 값은, DPF의 중량을 경량하여 구한 값과 오차범위 내에서 일치하였다. 비교예에 대해서는, 배기가스 중의 CO₂농도가 높고(약 7%), 계측 정밀도상 PM 산화에 의해 발생한 CO₂량을 분리하여 정량할 수 없었다.
(4) 실시예 및 비교예/실시예
유닛(A)에 30분간, 엔진(10)으로부터의 배기가스를 유입시켜, PM을 퇴적시킨 후, 배기제어밸브(V1)를 유닛(B)측으로 전환하여, 유닛(A)에 배기가스가 유입되지 않도록 하여, 여기에 오존발생기(69)로부터의 가스(O₂+ O₃)를 120L/min의 N₂로 희석하고 유닛(A)에 첨가하여, 10분간 PM을 산화시켰다.
ㆍ 비교예
유닛(A)에 30분간, 엔진(10)으로부터의 배기가스를 유입시켜, PM을 퇴적시킨 후, 유닛(A)에 배기가스가 유입되어 있는 상태 그대로, 유닛(A)에 오존발생기(69)로부터의 가스(O₂+ O₃)를 첨가하여, 10분간 PM을 산화시켰다. N₂에 의한 희석은 행하지 않는다. PM 산화 중에 엔진으로부터 유입되는 PM의 양을 고려하여 산화속도를 산출하였다.
(5) 실험결과
실시예와 비교예와의 PM 산화속도의 비교를 도 7에 나타낸다. 도면 중, 세로축의 PM 산화속도의 단위(g/hL)는, DPF 1리터당, 또한 1시간당에 산화된 PM의 그램수를 나타낸다. 보이는 바와 같이, 실시예와 비교예와의 비교에 의해, 유닛(A)에 대한 배기가스의 공급정지에 의한 효과를 알 수 있다. 즉, 유닛(A)에 대한 배기가스의 공급을 정지한 경우에, 오존공급에 의한 PM 산화가 촉진된다.
(제 2 실시형태)
다음에, 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 도 8은, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 내연기관의 배기정화장치를 개략적으 로 나타내는 시스템도이다. 도시된 바와 같이, 상기 제 2 실시형태에서는, DPF(30a, 30b)의 DPF 바닥 온도를 검출하는 수단이 설치되어 있다. 즉, DPF(30a, 30b)에 온도센서(53a, 53b)가 설치되고, 이 온도센서(53a, 53b)의 검출신호에 의거하여 ECU(100)는 DPF(30a, 30b)의 바닥 온도를 개별적으로 산출한다. 온도센서(53a, 53b)의 온도검출부(열전대의 경우, 그 선단)는, DPF(30a, 30b) 내부의 바닥 온도를 검출하기 위하여 DPF(30a, 30b) 내부에 매립되어 있으나, 온도센서(53)의 온도검출부는 DPF(30a, 30b)의 상류 끝면의 중심 부근에 배치되어도 된다. 또한, 제 2 실시형태의 잔여의 기계적 구성은 상기 제 1 실시형태와 동일하기 때문에, 동일부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 구성된 제 2 실시형태의 동작의 일례에 대하여 설명한다. 도 9에서, 우선, ECU(100)는, DPF(30a, 30b)에 대한 차압(A, B)을 비교한다(S110). 단계 S110에서의 비교의 결과, 차압(A) < 차압(B)인 경우에는, DPF(30b)의 포집량 내지 막힘 정도가 더욱 크다고 생각할 수 있다. 이 경우에는, 다음에 ECU(100)는, 차압(A)이 소정의 기준값을 웃돌고 있는지를 판정한다(S120). 긍정인 경우에는, ECU(100)는, 배기제어밸브(V1)를 제어하여, 유닛(A)을 배기가스의 공급지로서 선택[즉 유닛(A)측의 배기통로를 완전 개방, 또한 유닛(B)측의 배기통로를 완전 폐쇄]한다(S130). 이상의 처리는, 상기한 제 1 실시형태에서의 단계 S10에서 S30까지의 처리와 동일하다.
다음에 ECU(100)는, DPF(30b)의 바닥 온도(Tb)가 적절한 온도범위, 즉 오존을 효율적으로 이용할 수 있는 온도범위(디젤엔진의 경우, 예를 들면 150∼250℃) 에 있는지를 판정한다(S140). 그리고 긍정인 경우에는, ECU(100)는, 오존제어밸브(V2)를 제어하여, 유닛(B)을 오존의 공급지로서 선택[즉 유닛(A)측의 오존공급통로(42a)를 완전 폐쇄, 또한 유닛(B)측의 오존공급통로(42b)를 완전 개방]함과 동시에, 오존발생기(41)를 온으로 한다(S150). 유닛(B)의 DPF(30b)에 대한 오존의 공급은, 차압(A)이 소정의 기준값 이하가 되거나 바닥 온도(Tb)가 적절한 온도범위로부터 벗어날 때까지의 사이에, 계속해서 실행되고, 단계 S120 또는 S140에서 부정인 경우에는 단계 S150의 처리는 스킵된다.
또, 차압(A) ≥ 차압(B)인 경우에는, 다음에 ECU(100)는, 차압(B)이 소정의 기준값을 웃돌고 있는지를 판정하고(S160), 긍정인 경우에는, 배기제어밸브(V1)를 제어하여, 유닛(B)을 배기가스의 공급지로서 선택[즉 유닛(A)측의 배기통로를 완전 폐쇄, 또한 유닛(B)측의 배기통로를 완전 개방]한다(S170).
다음에 ECU(100)는, DPF(30a)의 바닥 온도(Ta)가 적절한 온도범위, 즉 오존을 효율적으로 이용할 수 있는 온도범위(디젤엔진의 경우 예는 들면 150∼250℃)에 있는지를 판정한다(S180). 그리고 긍정인 경우에는, ECU(100)는, 오존제어밸브(V2)를 제어하여, 유닛(A)을 오존의 공급지로서 선택[즉 유닛(A)측의 오존공급통로(42a)를 완전 개방, 또한 유닛(B)측의 오존공급통로(42b)를 완전 폐쇄]함과 동시에, 오존발생기(41)를 온으로 한다(S190). 유닛(A)의 DPF(30a)에 대한 오존의 공급은, 차압(B)이 소정의 기준값 이하가 되거나 바닥 온도(Ta)가 적절한 온도범위로부터 벗어날 때까지의 사이에, 계속해서 실행되고, 단계 S160 또는 S180에서 부정인 경우에는 단계 S190의 처리는 스킵된다.
이상의 처리는, 엔진이 동작하고 있는 동안 반복하여 실행되고(S200), 엔진이 정지된 것을 조건으로 종료한다.
이상의 처리의 결과, 제 2 실시형태에서는, DPF 바닥 온도(Ta, Tb)가 적절한 온도범위 내에 있는 경우에만 오존의 공급이 실행되고, 적절한 온도범위로부터 벗어난 경우에는 오존의 공급은 행하여지지 않게 된다.
이상과 같이 제 2 실시형태에서는, DPF 바닥 온도(Ta, Tb)가 적절한 온도범위 내에 있는 경우에만 오존의 공급을 실행하는 것으로 하였기 때문에, PM의 산화제거를 이것에 적절한 경우에 한정하여 실행할 수 있고, 오존의 사용량을 절약할 수 있다. 또, DPF의 바닥 온도(Ta, Tb)가 적절한 온도범위 내에 없는 경우의 대기중에(S140, S180), 목적으로 하는 DPF에 대한 배기가스의 공급을 억제하는 것으로 하였기 때문에(S130, S170), 바닥 온도가 높은 경우에 그 온도 강하 또는 냉각을 촉진할 수 있다.
다음에, 이 제 2 실시형태에 관하여 행한 실험의 결과를 이하에 나타낸다.
(1) 실험장치
실험장치는 도 6에 나타낸 제 1 실시형태의 것과 동일하다.
(2) 실험조건
제 1 실시형태의 것과 동일하다.
(3) 실험방법
제 1 실시형태의 것과 동일하다.
(4) 실시예 및 비교예/실시예
PM을 퇴적시킨 후, 유닛(A)에 배기가스가 유입하지 않도록 하는 점까지는 제 1 실시형태의 것과 동일하다. 이 상태에서, 유닛(A)에 N₂가스를 공급하여, 온도를 조정한다. DPF의 입구(상류측의 단부)에 배치한 온도센서의 검출값이, 목표온도의 상하 5℃의 범위 내에 있는 동안에, 오존발생기로부터의 가스(O₂+ O₃)를 첨가하여, PM을 산화시켰다. 또한, 25℃의 경우는 O₃의 도입개시로부터 10분간의 PM 산화속도를 산출하였다.
(5) 실험결과
실시예의 PM 산화속도를 도 10에 나타낸다. 상기 도 10에 의해, 오존으로 PM을 산화시키는 경우에는 적절한 온도 윈도우가 있는 것을 알 수 있다. 즉, 유닛(A)에 대한 배기가스의 공급을 정지한 상태에서, DPF 바닥 온도가 적정한 온도로 오존을 공급함으로써, PM 산화가 촉진된다.
(제 3 실시형태)
다음에, 본 발명의 제 3 실시형태에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 도 11은, 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 내연기관의 배기정화장치를 개략적으로 나타내는 시스템도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 장치에는, DPF(30a, 30b)의 DPF 바닥 온도를 검출하는 수단이 설치되어 있다. 즉, DPF(30a, 30b)에 온도센서(53a, 53b)가 설치되고, 이 온도센서(53a, 53b)의 검출신호에 의거하여 ECU(100)는 DPF(30a, 30b)의 바닥 온도를 개별적으로 산출한다. 온도센서(53a, 53b)의 온도검출부(열전대의 경우, 그 선단)는, DPF(30a, 30b) 내부의 바닥 온도를 검출하기 위하여 DPF(30a, 30b) 내부에 매립되어 있으나, 온도센서(53) 의 온도검출부는 DPF(30a, 30b)의 상류 끝면의 중심 부근에 설치되어도 된다.
NOx 촉매(20)에는, 촉매 바닥 온도를 검출하기 위한 온도센서(54)가 설치되어 있다. 또, 케이싱(31a, 31b) 내에는, 연료첨가 인젝터(도시 생략)가 각각 설치되어 있다. 이 연료첨가 인젝터는, 가능한 한 케이싱(31a, 31b)의 상류측에 설치되는 것이 바람직하고, 첨가한 연료를 DPF(30a, 30b)를 향해 공급함으로써 승온시키기 위하여 사용된다. 연료첨가 인젝터는, ECU(100)의 출력측에 접속되어 있고, ECU(100)의 제어출력에 의해 동작한다. 또한, 제 3 실시형태의 잔여의 기계적 구성은 상기 제 1 실시형태와 동일하기 때문에, 동일부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
도 12에 나타나는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 온도영역이 기준값(Ta, Tb, Tc)에 의해 영역(A, B, C, D)으로 구분되어 있고, 뒤에 설명하는 바와 같이, DPF의 온도영역에 따라 최적의 PM 제거방법이 선택된다.
이상과 같이 구성된 제 3 실시형태의 동작의 일례에 대하여 설명한다. 도 13의 처리 루틴은, 엔진의 동작중에 소정시간 피치로 반복하여 실행된다. 먼저, ECU(100)는, DPF(30a, 30b)에 대한 차압(ΔP1, ΔP2)을 비교한다(S201). DPF(30a)에 대한 차압(ΔP1)은, DPF(30a) 전후의 배기압센서(51a, 52a)의 검출값(Pua, Pla)의 차(Pua-Pla)에 의해 산출된다. DPF(30b)에 대한 차압(ΔP2)은, DPF(30b)의 전후의 배기압센서(51b, 52b)의 검출값(Pub, Plb)의 차(Pub-Plb)에 의해 산출된다. 차압(ΔP1, ΔP2)의 값이 클수록, PM의 포집량 내지 막힘 정도가 크다고 생각할 수 있다.
단계 S201에서의 비교의 결과, 부정, 즉 차압(ΔP1)≥ 차압(ΔP2)인 경우에는, 먼저 포집량이 더욱 큰 DPF(30a)가 우선적으로 재생되고, 그 경우에 있어서, 상기 DPF(30a)의 온도가 낮은 경우에는, 상기 DPF(30a)의 재생에 더하여, 다른쪽 DPF(30b)의 재생이 행하여진다(S202∼S221). 단계 S201에서 긍정, 즉 차압(ΔP1) < 차압(ΔP2)인 경우에는, 단계 S202∼S221과 마찬가지로, 또한 DPF(30a, 30b)를 교체한 것에 상당하는 처리[우선 포집량이 더욱 큰 DPF(30b)가 우선적으로 재생되고, 그 경우에 있어서, 상기 DPF(30b)의 온도가 낮은 경우에는, 상기 DPF(30b)의 재생에 더하여, 다른쪽 DPF(30a)의 재생이 행하여지는 일련의 처리]가 행하여진다(S222). 상기 일련의 처리내용은, 단계 S202∼S221의 처리에서의 DPF(30a, 30b)를 단순히 교체한 것이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
단계 S201에서의 비교의 결과, 부정, 즉 차압(ΔP1)≥ 차압(ΔP2)인 경우에는, DPF(30a)의 포집량 내지 막힘 정도가 더욱 크다고 생각할 수 있다. 이 경우에는, 다음에 ECU(100)는, 차압(ΔP1)이 소정의 기준값(ΔP0)을 웃돌고 있는지를 판정한다(S202). 이 기준값(ΔP0)은, DPF에 PM이 재생을 필요로 할 정도로 막혀 있는지를 나타내는 것으로, 차압(ΔP1)이 이 값을 밑도는 경우는 재생의 필요가 없다고 생각할 수 있다. 따라서 단계 S202에서 부정인 경우에는, 처리가 리턴된다.
단계 S202에서 긍정인 경우에는, ECU(100)는, 온도센서(53a)에 의해 검출되는 DPF(30a)의 온도(T1)가, 소정의 기준값(Ta)을 웃돌고 있는지를 판정한다(S203). 이 기준값(Ta)은, PM을 오존에 의해 소정값 이상의 속도로 처리 가능한지의 여부에 대응하여 정하여진 저온측 기준값(예를 들면 100℃)이다.
단계 S203에서 긍정인 경우에는, DPF(30a)의 온도가 영역 B, C 또는 D에 있는 경우이기 때문에, 다음에, ECU(100)는, 온도(T1)가 소정의 기준값(Tb)을 밑돌고 있는지를 판정한다(S204). 이 기준값(Tb)은, 온도가 PM의 오존에 의한 재생과, NO₂에 의한 재생과의 어느 쪽에 적합한지에 대응하여 정해진 값(예를 들면 250℃)이다. 온도(T1)가 기준값(Tb)을 밑도는 경우에는, 처리는 단계 S205로 이행하고, ECU(100)는 NOx 촉매(20)의 온도(T3)가, 미리 정해진 기준(T0)보다 큰지를 판정한다. 긍정인 경우에는, 처리는 단계 S207로 이행하고, ECU(100)는, 막힘 정도가 더욱 작은 DPF(30b)에 배기가스를 공급하도록, 배기제어밸브(V1)에 의해 TRAP2 즉 DPF(30b)를 선택한다. 또 ECU(100)는, 오존제어밸브(V2)에 의한 TRAP1 즉 DPF(30a)의 선택, 미리 정해진 오존공급량 맵에 의거하는 오존공급량의 산출 및 산출된 공급량의 오존의 공급을 행한다. 따라서, TRAP1 즉 DPF(30a)에는, 배기가스가 공급되지 않은 상태에서, 오존이 공급되게 된다.
단계 S205에서 부정, 즉 촉매온도가 낮은 경우에는, 오존의 가산량이 산출되고(S206), 이 가산량은 계속되는 단계 S207에서 산출되는 오존공급량에 가산되게 된다. 이 때문에 촉매온도가 낮은 경우에도 배기가스 중의 NO를 잘 정화할 수 있다.
오존공급량 맵은, 엔진의 운전상태, 즉, 엔진회전수 및 흡입공기량과, NOx 배출량 및 소요 오존량과의 관계, 오존과 PM 산화속도의 관계 및 DPF 상류와 하류의 차압인 ΔP와 PM 퇴적량의 관계를 대응시키고 기억시켜 이루어지는 데이터 테이블이다. ECU(100)는, 크랭크축 센서(도시 생략)에 의해 검출되는 엔진회전수 및 에 어 플로우 미터(도시 생략)에 의해 검출되는 흡입공기량의 검출값에 의하여, 오존공급량 맵을 참조함으로써, 소요 오존량을 산출할 수 있다.
단계 S204에서 부정, 즉 온도(T1)가 영역 C 또는 D에 있는 경우에는, 다음에 ECU(100)는, 온도(T1)가 소정의 기준값(Tc)을 웃돌고 있는지를 판정한다(S208). 이 기준값(Tc)은, 온도가 PM의 NO₂에 의한 재생과, 배기경로에 대한 연료 첨가에 의한 재생과의 어느 쪽에 적합한지에 대응하여 정해진 고온측 기준값(예를 들면 350∼400℃)이다.
온도(T1)가 기준값(Tc)을 밑도는 경우에는, 처리는 단계 S209로 이행하고, ECU(100)는, 막힘 정도가 더욱 큰 DPF(30a)에 배기가스를 공급하도록, 배기제어밸브(V1)에 의해 TRAP1을 선택한다. 또, 오존제어밸브(V2)에 의한 TRAP1 즉 DPF(30a)의 선택, 미리 정해진 오존공급량 맵에 의거하는 오존공급량의 산출 및 산출된 공급량의 오존의 공급이 행하여진다. 따라서, TRAP1 즉 DPF(30a)에는, 배기가스가 공급되어 있는 상태에서, 오존이 공급되게 된다. 또, 이 단계 S209의 처리가 행하여지는 온도의 영역 C에서는, 단계 S207의 경우(영역 B)와는 달리, 오존공급량 맵에서의 오존의 공급량은, 오존과 NO의 반응에 의해 생성되는 NO₂에 의한 PM 정화속도를 고려하여 설정되어 있다.
단계 S208에서, 온도(T1)가 기준값(Tc)을 웃도는 경우에는, 처리는 단계 S210로 이행하고, ECU(100)는 촉매온도(T3)가 기준값(T0)보다 큰지를 판정한다. 그리고 부정인 경우에는 처리는 단계 S209로, 또 긍정인 경우에는 단계 S211로 이행한다. 단계 S211에서는, ECU(100)는, 막힘 정도가 더욱 큰 DPF(30a)에 배기가스를 공급하도록, 배기제어밸브(V1)에 의해 TRAP1을 선택한다. 또 ECU(100)는, 오존발생기(41)의 운전을 정지시킨다. 또, 미리 정해진 연료첨가량 맵에 의거하는 연료첨가량의 산출 및 산출된 양의 연료의 첨가가 행하여진다. 따라서, TRAP1 즉 DPF(30a)에는, 배기가스가 공급되어 있는 상태에서, 연료가 첨가되게 된다.
또한, 연료첨가량 맵은, DPF 상류와 하류의 차압인 ΔP와 온도(T)를 가미하여, 엔진의 운전상태, 즉 엔진회전수 및 흡입공기량과, NOx 배출량 및 소요연료 첨가량을 대응시키고 기억시켜 이루어지는 데이터 테이블이다. ECU(100)는 엔진회전수 및 흡입공기량의 검출값에 의해 연료첨가량 맵을 참조함으로써, 소요연료 첨가량을 산출할 수 있다.
단계 S203에서 부정, 즉 온도(T1)가 기준값(Ta)을 밑돌아 영역 A에 있는 경우에는, DPF(30a)의 재생이 소정값 이상의 속도로 행하여지는 것을 기대할 수 없다고 생각된다. 이 경우에는 처리는 단계 S212로 이행하고, ECU(100)는, 막힘 정도가 더욱 큰 DPF(30b)에 배기가스를 공급하도록, 배기제어밸브(V1)에 의해 TRAP2를 선택한다. 또, 오존제어밸브(V2)에 의한 TRAP1 즉 DPF(30a)의 선택, 미리 정해진 최대 공급량의 오존의 공급 및 운전자에 대한 「주의」의 경보출력(예를 들면, 차 실내의 도시 생략한 디스플레이장치에서의 문자 메시지의 표시)이 행하여진다. 따라서, TRAP1 즉 DPF(30a)에는, 배기가스가 공급되어 있지 않은 상태에서, 오존이 공급되게 된다. 이 최대량의 오존의 공급은 소정시간에 걸쳐 연속적으로 행하여지고, 소정시간의 경과를 조건으로, 처리는 단계 S213 이하로 이행한다.
또한, 이후의 처리에서는 TRAP2, 즉 막힘 정도가 더욱 작은 DPF(30b)의 재생 처리가 행하여지거나, 또는 처리를 행하는 것이 검토되게 된다. 먼저 단계 S213에서, ECU(100)는, 온도센서(53b)에 의해 검출되는 DPF(30b)의 온도(T2)가, 상기한 소정의 기준값(Ta)을 웃돌고 있는지를 판정한다(S203).
단계 S213에서 긍정인 경우에는, DPF(30b)의 온도가 영역 B, C 또는 D에 있는 경우이기 때문에, 다음에, ECU(100)는, 온도(T2)가 상기한 소정의 기준값(Tb)을 밑돌고 있는지를 판정한다(S2l4). 온도(T2)가 기준값(Tb)을 밑도는, 즉 영역 B에 있는 경우에는, 처리는 단계 S215로 이행하고, ECU(100)는, 막힘 정도가 더욱 큰 DPF(30a)에 배기가스를 공급하도록, 배기제어밸브(V1)에 의해 TRAP1을 선택한다. 또, 오존제어밸브(V2)에 의한 TRAP2 즉 DPF(30b)의 선택, 상기의 오존공급량 맵에 의거하는 오존공급량의 산출 및 산출된 공급량의 오존의 공급이 행하여진다. 따라서, TRAP2 즉 DPF(30b)에는, 배기가스가 공급되지 않은 상태에서, 오존이 공급되게 된다.
단계 S214에서 부정, 즉 온도(T2)가 영역 C 또는 D에 있는 경우에는, 다음에 ECU(100)는, 온도(T2)가 상기한 소정의 기준값(Tc)을 웃돌고 있는지를 판정한다(S216).
온도(T2)가 기준값(Tc)을 밑도는 경우에는, 다음에 ECU(100)는 촉매온도(T3)가 기준값(T0)보다 큰지를 판정한다. 부정인 경우에는, 처리는 단계 S218로, 또 긍정인 경우에는 단계 S219로 이행한다. 단계 S218에서는, ECU(100)는, 막힘 정도가 더욱 작은 DPF(30b)에 배기가스를 공급하도록, 배기제어밸브(V1)에 의해 TRAP2를 선택한다. 또, 오존제어밸브(V2)에 의한 TRAP2 즉 DPF(30b)의 선택, 상기한 오존공 급량 맵에 의거하는 오존공급량의 산출 및 산출된 공급량의 오존의 공급이 행하여진다. 따라서, TRAP2 즉 DPF(30b)에는, 배기가스가 공급되어 있는 상태에서, 오존이 공급되게 된다. 또, 이 단계 S218의 처리가 행하여지는 온도의 영역 C에서는, 단계 S215의 경우(영역 B)와는 달리, 오존공급량 맵에서의 오존의 공급량은, 오존과 NO의 반응에 의해 생성되는 NO₂에 의한 PM 정화속도를 고려하여 설정되어 있다.
단계 S219에서는, ECU(100)는, 막힘 정도가 더욱 작은 DPF(30b)에 배기가스를 공급하도록, 배기제어밸브(V1)에 의해 TRAP2를 선택한다. 또 ECU(100)는, 오존발생기(41)의 운전을 정지시킨다. 또, 상기한 연료첨가량 맵에 의거하는 연료첨가량의 산출 및 산출된 양의 연료의 첨가가 행하여진다. 따라서, TRAP2 즉 DPF(30b)에는, 배기가스가 공급되어 있는 상태에서, 연료가 첨가되게 된다.
단계 S213에서 부정인 경우, 즉, 막힘이 비교적 큰 쪽의 DPF(30a)의 온도(T1) 및 막힘이 비교적 작은 쪽의 DPF(30b)의 온도(T2)가, 어느 쪽이나 저온측 기준값(Ta)보다 낮은 불활성 상태에 있는 경우에는, 전자의 차압(ΔP1)이, 차압의 상한 기준값(ΔPmax)보다 작은지가 판정된다(S220).
단계 S220에서 부정인 경우, 즉 DPF(30a, 30b)가 어느 것이나 저온이고, 또한 차압(ΔP1)이 차압의 상한 기준값(ΔPmax)보다 큰 경우에는, 처리는 단계 S221로 이행하고, ECU(100)는, 상기 DPF(30a)에 배기가스를 공급하도록, 배기제어밸브(V1)에 의해 TRAP1을 선택하고, 또한, 상기 DPF(30a)에 오존을 공급하도록, 오존제어밸브(V2)에 의해 TRAP1을 선택한다. 또한 ECU(100)는, 온도(T1)가 저온측 기준 값(Ta)을 웃도는 소정의 승온운전을 지시한다. 이 승온운전은, 예를 들면 엔진를 제어하기 위한 엔진 ECU(도시 생략)에 대한 엔진회전수 증대 요구 및 공연비의 리치 스파이크 요구를 포함한다. 또 ECU(100)는, 운전자에 대한「경고」의 경보출력(예를 들면, 차 실내의 도시 생략한 디스플레이장치에서의 문자 메시지의 표시)를 행한다.
단계 S220에서 긍정인 경우, 즉 DPF(30a, 30b)가 어느 것이나 저온이고, 또한 차압(ΔP1)이 차압의 상한 기준값(ΔPmax)보다 작은 경우에는, 단계 S212의 처리가 다시 실행된다. 이에 따라, 막힘 정도가 더욱 큰 DPF(30b)에 배기가스와 최대 공급량의 오존이 공급되어, PM의 정화가 촉진되게 된다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 다음과 같은 작용효과가 발휘된다. 즉, 배기제어밸브(V1)를 제어하여 복수의 DPF(30a, 30b)의 사이에서의 배기가스의 공급량의 비율을 변경할 수 있도록 하였기 때문에, 배기가스의 공급량의 비율이 작아진 DPF에서는, 배기가스 중의 NOx나 HC 등의 소정물질에 의한 오존의 소비를 억제할 수 있고, 또 배기가스의 열에 의한 오존의 분해를 억제할 수 있다. 따라서, 오존을 효율적으로 사용 가능하게 하고, 오존에 의한 PM의 정화효율을 향상하는 것이 가능하게 된다.
또, ECU(100)는, 배기압센서(51a, 51b, 52a, 52b)에 의해 포집량을 검출하고, 검출된 포집량에 의거하여 배기제어밸브(V1)를 제어하므로, PM의 산화제거의 필요성이 높은 DPF(30a, 30b)에 대하여, PM의 산화제거를 우선해서 실행할 수 있고, 포집량에 따라 적절한 처리를 행하는 것이 가능하게 된다.
또, ECU(100)는, 온도센서(53a, 53b)에 의해 검출된 온도에 따라 오존공급수단을 제어하므로, DPF(30a, 30b)의 온도에 따라 적절한 처리를 행하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 실시형태에서는, 오존공급수단이, 단일 오존공급원인 오존발생기(41)와 오존제어밸브를 가지는 것으로 하였기 때문에, 간단한 구성에 의해 본 발명에 소기의 효과를 얻을 수 있다.
또 본 실시형태에서는, 배기제어밸브(V1)는 복수의 DPF(30a, 30b)에 대한 배기가스의 통로를 개별적으로 완전 폐쇄 가능하고, 오존제어밸브(V2)는 복수의 DPF(30a, 30b)에 대한 오존의 통로를 개별적으로 완전 폐쇄 가능하게 하였으므로, 간단한 구성에 의해 본 발명에 소기의 효과를 얻을 수 있다.
또 본 실시형태에서는, ECU(100)는, 배기제어밸브(V1)에 의해 선택되는 DPF와, 오존제어밸브(V2)에 의해 선택되는 DPF와의 조합을, 온도에 따라 변경하기 때문에, 온도에 따라 적절한 처리를 행하는 것이 가능하게 된다.
또 본 실시형태에서는, ECU(100)는, 복수의 DPF 중 포집량이 비교적 큰 DPF의 온도가 소정의 저온측 기준값(Ta)을 밑도는 경우에, 상기 DPF에 대한 오존공급량을 소정의 최대량으로 설정하고, 상기 DPF의 온도가 저온측 기준값(Ta)을 웃도는 경우에, 상기 DPF에 대한 오존공급량을 배기가스 중의 NOx 농도에 의거하여 설정하는 것으로 하였기 때문에(S212), 온도에 따라 적절한 처리를 행하는 것이 가능하게 된다. 여기에서 말하는 「포집량이 비교적 크다」란, 다른 DPF의 적어도 하나보다도 포집량이 큰 상태를 나타낸다.
또 본 실시형태에서는, ECU(100)는, 복수의 DPF 중 포집량이 비교적 큰 DPF의 온도가 소정의 저온측 기준값(Ta)을 밑도는 경우에, 포집량이 비교적 작은 DPF를 오존제어밸브(V2)에 의한 오존의 공급지로서 선택하는 것으로 하였기 때문에, 온도가 비교적 높은 DPF를 우선하여 재생함으로써 오존 등의 재생용 자원을 유효하게 활용하는 것이 가능하게 된다. 여기에서 말하는 「포집량이 비교적 크다」란, 다른 DPF의 적어도 하나보다도 포집량이 큰 상태를 나타내고, 또 「포집량이 비교적 작은 DPF」란, 상기 포집량이 비교적 큰 DPF 이외의 적어도 하나의 DPF를 나타낸다.
또 본 실시형태에서는, ECU(100)는, DPF의 온도가 소정의 고온 기준값(Tc)을 웃도는 경우에, 오존공급원[오존발생기(41)]으로부터의 오존의 공급을 정지하기 때문에, 고온시의 오존의 분해를 피하여 오존을 효율적으로 이용할 수 있다.
또 본 실시형태에서는, 복수의 DPF 상류에는 승온수단으로서의 연료첨가 인젝터를 구비하고, ECU(100)는, 연료첨가 인젝터를 제어하여, 배기제어밸브(V1)에 의해 선택되는 DPF의 온도가 소정의 고온 기준값(Tc)을 웃도는 경우에, 상기 DPF를 승온시키는 것으로 하였기 때문에, 고온시의 오존의 분해를 피하여 오존을 효율적으로 이용할 수 있다. 또, 승온수단을 사용하는지의 여부의 문턱값으로서의 고온 기준값은, 오존의 공급을 정지하는지의 여부의 문턱값으로서의 고온 기준값과 다른 값이어도 된다.
또한, 온도영역의 설정 및 배기제어밸브(V1)에 의해 선택되는 DPF와 오존제어밸브(V2)에 의해 선택되는 DPF와의 조합은, 제 3 실시형태의 것에 한정되지 않는 다.
또, 승온수단으로서 연료첨가 인젝터를 이용하는 것으로 하였으나, 본 발명에서의 승온수단으로서는 DPF(30a, 30b)의 내부나 주위에 설치한 전열선 등, 다른 수단을 사용하여도 된다.
또한, 상기 각 실시형태에서는 촉매장치(20)를 단일로 하고, 그 하류측에 분기점인 배기제어밸브(V1)를 설치하였으나, 예를 들면 도 14에 나타나는 바와 같이, 본 발명에서의 촉매장치(120a, 120b)는 복수 병렬로 하여도 되고, 또 이들 병렬로 된 촉매장치(120a, 120b)의 상류측에 분기점인 배기제어밸브(V1)를 설치하여도 된다. 또, 상기 각 실시형태에서는 촉매장치(20)로서 단일 종류의 촉매를 사용하였으나, 복수 종류의 촉매를 직렬로 설치하여도 된다. 또 DPF와 오존공급노즐을 포함하는 유닛은 3세트 이상 병렬로 설치하여도 된다.
또, DPF(30a, 30b)에 유입되는 배기가스에, 오존과의 반응을 생성시키는 불필요한 성분이 함유되어 있지 않은 것을, PM 산화를 실행하기 위한 조건으로 하여도 된다. 이 불필요한 성분이란, 예를 들면 NOx이며, 또 미연소 HC도 오존과 반응하여 오존의 쓸데없는 소비를 일으킨다. 이러한 불필요한 성분이 함유되어 있는지의 여부는, 예를 들면 배기제어밸브(V1)와 오존공급노즐(40a, 40b)과의 사이에 공연비센서를 설치함으로써 검출되는 배기공연비로부터 추정 가능하다. 따라서 ECU(100)는, 검출된 배기공연비에 의거하여, 불필요한 성분이 함유되어 있다고 판단한 경우는 오존발생기(41)를 오프로 하여, 오존의 공급을 정지한다. 한편, ECU(100)는, 불필요한 성분이 함유되어 있지 않다고 판단한 경우, 오존발생기(41) 를 온으로 하여, 오존의 공급을 실행한다.
또, 상기 각 실시형태에서는 배기제어밸브(V1) 및 오존제어밸브(V2)의 동작을 완전 개방 또는 완전 폐쇄의 2 상태로 하였으나, 이러한 단계적인 변경 대신, 배기측의 두 방향에 대한 배출량의 비율을 연속적으로 가변할 수 있는 배기제어밸브 및 오존제어밸브를 이용하여도 된다.
또한, 상기 각 실시형태에서는, 오존공급시에 오존발생기(41)를 온으로 하여 생성된 오존을 즉시 공급하나, 오존을 미리 생성, 저류하여 두고, 밸브를 변환함으로써 오존을 공급하도록 하여도 된다. 또 펌프나 컴프레서 등으로 오존을 가압하여 공급하는 것도 가능하다. 또, 상기 각 실시형태에서는 단일의 오존공급원을 이용하였으나, 오존공급원은 복수이어도 된다.
또, 상기 각 실시형태에서는 PM 포집장치로서 월플로우형 DPF를 채용하였으나, 그 외에도 여러가지 필터구조를 채용할 수 있다. 예를 들면, 정전포집식의 스트레이트 플로우형 필터로서, 이것은, 배기가스 중에 존재하는 한 쌍의 전극 사이에 직류전압을 인가하여 방전을 생성하고, PM을 예를 들면 마이너스로 대전시키고, 정전기력으로 플러스측 또는 어스측의 전극에 흡착시키는 것이다. 따라서 PM 포집장치는 플러스측 또는 어스측의 전극으로서 형성된다. 기재의 형상 내지 구조도, 상기한 바와 같은 허니콤형상 외에, 판형상, 통형상, 펠릿형상, 메시형상 등이 가능하다.
(제 4 실시형태)
다음에, 본 발명의 제 4 실시형태에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 설명한 다. 도 15에서, 배기통로(15)에는, 배기가스 중의 입자형상 물질(PM)을 포집하는 입자형상 물질 포집장치로서의 디젤 파티큘레이트 필터(이하, DPF라 한다)(220)가 설치되어 있다. 도면 중, DPF(220)는 단면으로 표시된다.
DPF(220)는, 단일의 금속제 케이싱(221)과, 이 케이싱(221) 내에 구획 형성된 복수(본 실시형태에서는 두개)의 필터실(110, 210)과, 이들 필터실(110, 210)에 각각 배치된 필터부재(130, 230)와, 이들 필터실(110, 210)에 각각 배치되고, 필터부재(130, 230)에 그 상류측으로부터 오존(O₃)을 공급 가능한 오존공급수단으로서의 오존공급노즐(140, 240)과, 이들 오존공급노즐(140, 240)의 상류측에 배치되고, 배기가스가 유입되는 필터실(110, 210)을 변환하는 밸브수단(50)으로 구성되어 있다.
케이싱(221)은, 배기통로(15)를 구획 형성하는 배기관(22)의 도중에 설치되고, 배기가스 흐름 방향으로 연장되는 대략 원통형상을 가짐과 동시에, 그 양쪽 끝부(221a)가 원뿔대형상으로 형성되어 있다. 한쪽의 필터실(110)은 케이싱(221) 내의 중앙부 또는 중심부에 설치되고, 다른 쪽의 필터실(210)은 케이싱(221) 내의 바깥 둘레부에 설치된다. 이들 필터실(110, 210)은 원통형의 격벽(23)으로 나뉘어지고, 전체로서 이중관 구조를 이루게 되어 있다. 이하, 중앙부의 필터실(110)을 중앙 필터실, 바깥 둘레부의 필터실(210)을 바깥 둘레 필터실 등으로 부른다. 격벽(23)은, 케이싱(221)의 입구 및 출구로부터 소정거리 이간되어 있다. 필터부재(130, 230)는 중앙 필터실(110) 및 바깥 둘레 필터실(210)의 축방향 중앙부에 위치된다. 필터부재(130, 230)의 상류 끝면 내지 전단면으로부터 격벽(23)의 상류단 내지 전단까지의 사이에, 오존공급노즐(140, 240)이 설치된다.
오존공급노즐(140, 240)에는, 오존발생수단으로서의 오존발생기(41)가 오존공급통로(42)를 거쳐 접속된다. 오존공급통로(42)는 도중에서 이분기되고, 그 분기부에 변환밸브(43)가 설치된다. 변환밸브(43)는, 오존발생기(41)로부터 보내져 온 오존을 오존공급노즐(140, 240) 중 어느 한쪽에 공급하도록 변환된다. 오존공급노즐(140, 240)의 공급구(141, 241)로부터, 오존이, 하류측의 필터부재(130, 230)를 향하여 분사공급된다.
필터부재(130, 230)는, 필터실(110, 210) 내에 도시 생략한 지지부재를 거쳐 지지되어 있다. 지지부재는, 절연성, 내열성, 완충성 등을 구비하고 있고, 예를 들면 알루미나 매트로 구성되어 있다.
도 16에 나타내는 바와 같이, 필터부재(130, 230)는, 다공질 세라믹으로 이루어지는 허니콤 구조체(32)를 구비한 이른바 벽 관통형이고, 허니콤 구조체(32)는, 코디어라이트, 실리카, 알루미나 등의 세라믹 재료로 형성된다. 배기가스는 화살표로 나타내는 바와 같이 도면 중 왼쪽에서 오른쪽을 향하여 흐른다. 허니콤 구조체(32)에는, 상류측에 폐쇄마개(33)가 실시된 제 1 통로(34)와, 하류측에 폐쇄마개(35)가 실시된 제 2 통로(36)가 교대로 구획 형성되어, 허니콤 형상을 이루고 있다. 이들 통로(34, 36)는 셀이라고도 불리우고, 어느 것이나 배기가스의 흐름 방향에 평행하다. 배기가스가 도면 중 왼쪽에서 오른쪽을 향하여 흐르면, 배기가스는 제 2 통로(36)로부터 다공질 세라믹의 유로 벽면(37)을 통과하여 제 1 통로(34)에 유입하고, 하류측으로 흐른다. 이 때, 배기가스 중의 PM은 다공질 세라믹에 의해 포집되어, PM의 대기로의 방출이 방지된다. 이와 같이 배기가스가 유로 벽면을 통과하고, 그 때에 PM을 여과 포집하는 필터형식이 월플로우형이라 불리운다.
오존발생기(41)로서는, 고전압을 인가 가능한 방전관 내에 원료가 되는 건조한 공기 또는 산소를 흘리면서 오존을 발생시키는 형태나 다른 임의의 형식의 것을 사용할 수 있다. 여기서 원료가 되는 건조한 공기 또는 산소는, 일본 특개2005-502823호 공보의 경우와 달리, 배기통로(15) 밖에서 도입되는 기체, 예를 들면 외기에 함유되는 기체이고, 상기 공보와 같이 배기통로(15) 내의 배기가스에 함유되는 기체는 아니다. 오존발생기(41)에서는, 고온의 원료 기체를 사용하는 것보다도 저온의 원료 기체를 사용한 쪽이 오존의 생성효율이 높다. 따라서 이와 같이 배기통로(15) 밖의 기체를 사용하여 오존을 생성함으로써, 상기 공보의 경우와 비교하여, 오존 생성효율을 향상하는 것이 가능하다.
오존공급노즐(140, 240)은, 필터부재(130, 230)의 상류 끝면 전체에 빠짐없이 오존을 공급할 수 있도록, 필터부재(130, 230)의 상류 끝면의 모든 지름방향 범위에 미치는 복수의 오존공급구(41)를 가지고 있다. 오존공급노즐(140, 240)은 케이싱(221) 내에 고정된다. 또한, 오존공급수단의 형태는 이러한 오존공급노즐(140, 240) 이외에도 여러가지의 형태가 가능하고, 예를 들면 하나의 오존공급구(41) 밖에 가지지 않은 경우는, 오존공급구(41)와 필터부재(130, 230)의 상류 끝면과의 거리를, 그 상류 끝면 전체에 빠짐없이 오존이 골고루 퍼지는 거리만큼 이간시키는 것이 좋다.
밸브수단(50)은, 중앙 필터실(110) 및 바깥 둘레 필터실(210)의 입구부에 각 각 설치되어 이들 필터실(110, 210)을 개폐하는 중앙 밸브체(제 1 밸브체)(151) 및 바깥 둘레 밸브체(제 2 밸브체)(251)와, 이들 밸브체(151, 251)가 교대로 개폐하도록 밸브체(151, 251)를 구동 가능한 구동수단으로서의 구동장치(352)를 구비하고 있다.
도 17에 나타내는 바와 같이, 중앙 밸브체(151)는, 단면 원형의 중앙 필터실(110)의 형상에 맞춰 원형으로 형성되고, 다른 쪽, 바깥 둘레 밸브체(251)는, 단면 링형상의 바깥 둘레 필터실(210)의 형상에 맞춰 링형으로 형성되어 있다. 바깥 둘레 밸브체(251)는 상하로 동일하게 이분할되어 두개의 밸브체 부재(251a, 251b)로 구성되어 있고, 이들 밸브체 부재(251a, 251b)가 이중 여닫이문 또는 여닫이창 형상으로(like a double hinged door or a double casement window) 개폐하도록 되어 있다.
도 18a 및 도 18b에도 나타내는 바와 같이, 구동장치(352)는, 중앙 밸브체(151)와 밸브체 부재(251a, 251b)에 각각 접속 고정된 3개의 회전축(353, 353a, 353b)을 구비한다. 이들 회전축(353, 353a, 353b)은 케이싱(221)의 높이 중심부에서 수평으로 또한 서로 평행하게, 케이싱(221) 밖으로 연장 돌출된다. 회전축(353)은 중앙 밸브체(151)의 높이 중심위치에 접속 고정되고, 회전축(353a, 353b)은 각각 밸브체 부재(251a, 251b)의 하단부 및 상단부에 접속 고정된다. 이들 회전축(353, 353a, 353b)의 중심이 중앙 밸브체(151)와 밸브체 부재(251a, 251b)와의 회전중심이 되고, 이들 회전축(353, 353a, 353b)의 90° 회전에 의해 중앙 밸브체(151)와 밸브체 부재(251a, 251b)가 개폐한다. 중앙 밸브체(151) 및 그 회전 축(353)은, 밸브체 부재(251a, 251b) 및 이들의 회전축(353a, 353b)에 대하여, 배기가스 흐름 방향(도 18a 및 도 18b에 화살표)에 오프셋(offset)되고, 특히 본 실시형태에서는 하류측에 오프셋된다.
도 18a 및 도 18b에 나타내는 바와 같이 회전축(353, 353a, 353b)에는 동일 톱니수의 피구동기어(354, 354a, 354b)가 설치되고, 서보모터 등의 구동원(도시 생략)에 연결된 구동기어(355, 355ab)가, 중앙 밸브체(151)의 피구동기어(354)와, 상측 밸브체 부재(251a)의 피구동기어(354a)에 각각 맞물린다. 상측 밸브체 부재(251a)의 피구동기어(354a)는 하측 밸브체 부재(251b)의 피구동기어(354b)에 맞물린다. 구동기어(355, 355ab)는 개별적으로 회전되고, 따라서 중앙 밸브체(151) 및 바깥 둘레 밸브체(251)도 독립적으로 개폐 가능하다.
단, 뒤에 설명하는 필터 재생시에는 중앙 밸브체(151) 및 바깥 둘레 밸브체(251)는 교대로 개폐된다. 즉, 도 18a에 나타내는 바와 같이, 중앙 밸브체(151)가 닫힘 일 때, 바깥 둘레 밸브체(251)의 밸브체 부재(251a, 251b)는 열림 상태에 있다. 이 상태에서 구동원을 작동시켜 도 18b에 나타내는 바와 같이 구동기어(355, 355ab)를 회전시키고, 피구동기어(354, 354a, 354b) 및 회전축(353, 353a, 353b)을 90°씩 화살표 방향으로 회전시키고, 중앙 밸브체(151)를 열림으로 하고, 바깥 둘레 밸브체(251)의 밸브체 부재(251a, 251b)를 닫힘으로 한다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 오존발생기(41), 변환밸브(43) 및 구동장치(352)의 구동원은, 제어수단으로서의 전자제어 유닛(이하, ECU라 한다)(500)에 접속되고, 각각의 작동이 ECU(500)에 의해 제어된다.
또, 본 실시형태에서는, 필터부재(130, 230)에서의 PM의 포집량 내지 막힘 정도를 검출하는 수단이 설치되어 있다. 케이싱(221)의 상하류 끝부(221a), 즉 양 필터실(110, 210)에서 상하류측의 합류부에, 각각 배기압력을 검출하는 배기압센서(61, 62)가 설치되고, ECU(500)가, 이들 배기압센서(61, 62)에 의해 검출된 상류측 배기압 및 하류측 배기압의 배기압 편차에 의거하여, 필터부재(130, 230)에서의 PM의 포집량 내지 막힘 정도를 판단한다. 본 실시형태에서는, 그 배기압 편차가 소정값을 넘었을 때, 2개의 필터부재(130, 230)가 양쪽 다 막혔다고 판단하여, 양쪽의 필터부재(130, 230)의 PM 제거 처리, 즉 필터 재생처리를 동일 타이밍으로 행한다. 그러나, 하나하나의 필터부재(130, 230) 또는 필터실(110, 210)마다 일일이 배기압 편차를 검출하고, 일일이 필터재생처리를 실행하여도 상관없다.
또한, 본 실시형태에서는 필터부재(130, 230)의 상하류측의 차압에 의해 PM의 포집량 내지 막힘 정도를 검출하나, 필터부재(130, 230)의 상류측에 배치된 하나의 배기압센서만에 의하여 포집량 내지 막힘 정도를 검출하여도 된다. 또한, 필터부재 상류측에 배치된 매연센서의 매연 신호의 시간적인 적분을 구함으로써 막힘 정도를 검출할 수도 있다. 마찬가지로, 매연 생성에 관한, ECU 내에 보존된 엔진 특성 맵 데이터를 평가하고, 시간적으로 적분할 수도 있다.
또, DPF(220)의 상류측의 배기통로(15)에, 배기가스 중의 NOx를 정화하는 NOx 촉매나, 배기가스 중의 HC, CO 등의 미연소 성분을 정화하는 산화촉매 등을 설치하여도 된다. NOx 촉매로서는, 흡장환원형 NOx 촉매(NSR : NOx Storage Reduction)이어도 되고, 선택환원형 NOx 촉매(SCR : Selective Catalytic Reduction)이어도 된다.
흡장환원형 NOx 촉매는, 이것에 유입되는 배기가스의 공연비가 소정값(전형적으로는 이론공연비)보다 희박한 때 NOx를 흡수하고, 이것에 유입되는 배기가스 중의 산소농도가 저하하면 흡수한 NOx를 방출한다고 하는, NOx의 흡방출 작용을 행한다. 본 실시형태에서는 디젤엔진이 사용되고 있기 때문에, 통상시의 배기공연비는 희박하고, NOx 촉매는 통상시, 배기중의 NOx의 흡수를 행한다. 다른 한편, NOx 촉매의 상류측에서 환원제가 공급되고, 유입 배기가스의 공연비가 농후해지면, NOx 촉매는 흡수한 NOx의 방출을 행한다. 그리고 이 방출된 NOx는 환원제와 반응하여 환원정화된다. 환원제로서는, 배기중에서 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO) 등의 환원성분을 발생하는 것이면 되고, 수소, 일산화탄소 등의 기체, 프로판, 프로필렌, 부탄 등의 액체 또는 기체의 탄화수소, 가솔린, 경유, 등유 등의 액체연료 등을 사용할 수 있다. 디젤엔진의 경우, 저장, 보급 등의 시의 번잡함을 피하기 위하여 연료인 경유를 사용하는 것이 바람직하다. 환원제 공급방법으로서는, 예를 들면 NOx 촉매의 상류측의 배기통로(15)에 따로 설치된 환원제 분사밸브로부터 경유를 분사하거나, 연료분사밸브(14)로부터 연소실(13)에 팽창행정 후기 또는 배기행정에서 경유를 분사하는 이른바 포스트분사를 행하는 방법이 가능하다. 또한, 이와 같이 NOx 촉매에서의 NOx의 방출환원을 목적으로 하는 환원제의 공급을 리치스파이크라 한다.
선택환원형 NOx 촉매는, 유입 배기가스의 공연비가 희박하다는 조건하에서, 배기가스 중의 HC, NO를 정상적으로 또한 동시에 반응시키고, N₂, O₂, H₂O와 같 이 정화하는 것이다. NOx의 정화에는 HC의 존재가 필수적이다. 공연비가 희박하여도, 배기가스 중에는 미연소 HC가 반드시 함유되어 있으므로, 이것을 이용하여 NOx의 환원정화가 가능하다. 또, 흡장환원형 NOx 촉매와 같이 리치 스파이크를 실시하여 환원제를 공급하여도 된다. 이 경우, 환원제로서는 상기에 예시한 것 외에, 암모니아나 요소를 사용할 수도 있다.
산화촉매는, HC, CO 등의 미연소 성분을 O₂와 반응시켜 CO, CO₂, H₂O 등으로 하는 촉매이다.
제 4 실시형태의 잔여 기계적 구성은 상기 제 1 실시형태와 마찬가지이므로, 동일부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
그런데, 본 실시형태에 관한 배기정화장치에서는, 중앙측의 오존공급노즐(140)로부터 오존을 공급하여 중앙측의 필터부재(130)에 퇴적한 PM을 산화(연소) 제거하거나, 또는, 바깥 둘레측의 오존공급노즐(240)로부터 오존을 공급하여 바깥 둘레측의 필터부재(230)에 퇴적한 PM을 산화제거한다.
이것을 구체적으로 설명한다. ECU(500)는, 배기압센서(61, 62)에 의해 검출된 상류측 배기압 및 하류측 배기압의 배기압 편차가 소정값을 넘었을 때, 필터부재(130, 230)에 퇴적한 PM의 산화제거, 즉 재생이 필요하다고 판단한다. 그리고, 구동장치(352)의 구동원을 작동시켜, 중앙 밸브체(151) 및 바깥 둘레 밸브체(251) 중 어느 한쪽을 닫힘, 다른 쪽을 열림으로 한다. 본 실시형태에서는 중앙측의 필터부재(130)의 재생을 먼저 행하는 것으로 하고, 도 19a에 나타내는 바와 같이, 중앙 밸브체(151)를 닫힘으로 하고, 바깥 둘레 밸브체(251)를 열림으로 한다. 이에 따 라, 중앙 필터실(110)에 대한 배기가스의 유입이 규제되고, 배기가스는 실질적으로 바깥 둘레 필터실(210) 및 바깥 둘레 필터부재(230)만을 통과하게 된다. 이 때 배기가스 중의 PM의 포집은 바깥 둘레 필터부재(230)만에 의해 행하여진다.
다음에 ECU(500)는, 변환밸브(43)를 중앙측으로 변환함과 동시에 오존발생기(41)를 온으로 하고, 중앙측의 오존공급노즐(140)로부터, 오존발생기(41)에서 생성된 오존을 공급한다. 이 오존에 의해 중앙측의 필터부재(130)에 퇴적한 PM이 산화제거된다.
소정시간이 경과하면, 도 19b에 나타내는 바와 같이, 구동장치(352)의 구동원을 작동시켜 중앙 밸브체(151)를 열림으로 하고, 바깥 둘레 밸브체(251)를 닫힘으로 한다. 이에 따라, 바깥 둘레 필터실(210)에 대한 배기가스의 유입이 규제되고, 배기가스는 실질적으로 중앙 필터실(110) 및 중앙 필터부재(130)만을 통과하게 된다. 그리고 ECU(500)는, 변환밸브(43)를 바깥 둘레측으로 변환하고, 바깥 둘레측의 오존공급노즐(240)로부터의 오존공급을 개시함과 동시에, 중앙측의 오존공급노즐(140)로부터의 오존공급을 정지한다. 공급된 오존에 의하여, 바깥 둘레측의 필터부재(230)에 퇴적한 PM이 산화제거된다.
소정시간이 경과하여 바깥 둘레측 필터부재(230)의 재생이 종료하면, 오존발생기(41)를 오프로 하여 오존공급을 정지함과 동시에, 구동장치(352)의 구동원을 작동시켜 바깥 둘레 밸브체(251)를 열림으로 한다. 이에 따라, 바깥 둘레 필터실(210)에 대한 배기가스의 유입이 허용되게 되고, 배기가스는 중앙 필터실(110) 및 바깥 둘레 필터실(210)의 양쪽을 통과하고, 양 필터부재(130, 230)에서 PM의 포 집이 이루어지게 된다.
이와 같이, 본 실시형태에 관한 배기정화장치에 의하면, 오존이 공급되는 쪽의 필터실이 밸브수단(50)에 의해 닫혀지므로, 그 필터실에 대한 배기가스의 유입이 방지되고, 배기가스 중의 NOx 및 HC 등에 의해 공급 오존이 쓸데없이 소비되는 것이 방지되어, 오존의 더욱 많은 양을, 필터부재에 퇴적한 PM의 산화제거에 사용할 수 있다. 따라서 오존에 의한 PM의 정화효율을 향상하는 것이 가능하게 된다.
여기서, NOx와 오존과의 반응소비에 대하여 더욱 자세하게 설명한다. 가령 오존(O₃)과, 배기가스 중의 NOx, 특히 NO가 반응하였다고 하면, 그 반응식은 다음 식으로 나타낸다.
NO + O₃→ NO₂+ O₂
이 반응에 의해 생성된 NO₂는, 또한 오존(O₃)과 다음 식과 같이 반응한다.
NO₂+ O₃→ NO₃+ O₂
그리고 또한 이 반응에 의해 생성된 NO₃는, 오존(O₃)의 영향으로 다음 식과 같이 분해된다.
2NO₃→ 2NO₂+ O₂
여기서, 반응식(1)에 주목하면, NO의 산화에 오존(O₃)이 소비되고 있고, 또, 반응식(2)에 주목하면, NO₂의 산화에 오존(O₃)이 소비되고 있다. 그리고 반 응식(3)에 주목하면, 우변의 NO₂는 반응식(2) 좌변의 NO₂가 되고, 따라서 이 반응식(2) 좌변의 NO₂를 산화하기 위해 오존(O₃)이 소비된다.
이와 같이, NOx와 오존은 연쇄적으로 반응을 반복한다. 따라서 가령 필터부재(130, 230)의 직전에서 오존을 공급하였다고 하여도, 그 위치의 배기가스 중에 NOx가 함유되어 있으면, NOx의 산화, 분해에 많은 오존이 소비되어, 필터부재(130, 230)에 공급할 수 있는 오존량이 현저하게 감소된다. 오존발생기(41)에서 오존을 생성하기 위해서는 전력을 필요로 하기 때문에, 이러한 오존의 쓸데없는 소비는 전력의 쓸데없는 소비로 이어지고, 나아가서는 연비의 악화를 초래할 가능성도 있다.
다른 한편, HC가 존재하는 배기가스 분위기 중에 오존을 공급하면, 오존(O₃)이 HC를 부분 산화하고, CO, CO₂, H₂O라는 HC 산화물을 생성한다는 반응이 일어난다. 이렇게 되면, 그 반응 소비분만큼 오존을 필터부재에 공급할 수 없게 되어, 상기와 동일한 문제가 발생한다.
이에 대하여, 본 실시형태와 같이, 오존이 공급되는 쪽의 필터실을 닫도록 하면, 그 필터실에 대한 배기가스의 유입이 방지되고, 공급된 오존이 NOx 및 HC과의 반응을 위하여 소비되는 것이 방지되어, 필터부재의 PM의 산화제거를 위해 유효하게 사용 가능하게 된다. 여기서, 오존이 공급되는 쪽의 필터실에는, 오존, 오존생성의 원료 및 오존의 희석에 사용된 가스(공기 등)만이 실질적으로 흐르게 된다.
또, 다른 이점으로서는, 2개의 필터실(110, 210)을 격벽(23)을 사이에 두고 서로 인접하여 병렬로 설치하였기 때문에, 한쪽의 필터실의 필터부재의 재생중에, 다른쪽의 필터실에 흐르는 배기가스의 열을 이용하여, 한쪽의 필터실의 온도를, 오 존에 의한 PM 산화를 유효하게 행할 수 있는 적절한 온도범위 내로 유지할 수 있어, 비교적 높은 효율로 오존에 의한 PM 산화를 행할 수 있다.
즉, 가령 단일의 케이싱에 필터부재 및 오존공급노즐을 설치하고, 배기가스의 흐름을 멈추고 오존공급을 행하였다고 해도, 오존공급을 행하여 가는 사이에 케이싱 안이 오존이나 외기의 영향으로 냉각되어 가서, 적절한 온도범위보다도 저온이 될 가능성이 있다. 본 실시형태에 의하면, 다른쪽의 필터실에 흐르는 배기가스의 열을, 격벽(23)을 통하여 한쪽의 필터실로 전달할 수 있고, 한쪽의 필터실의 온도가 저하하는 것을 억제할 수 있음과 동시에, 한쪽의 필터실의 온도를 적절한 온도범위 내로 유지할 수 있다.
도 20은, 오존이 공급되는 필터부재의 온도(가로축)와, 소정시간 내에 있어서의 PM 산화속도(세로축)와의 관계를 나타낸다. 또한 세로축의 PM 산화속도의 단위(g/hL)는, 필터부재 1리터당, 또한 1시간당 산화되는 PM의 그램수를 나타낸다. 보이는 바와 같이, 온도의 상승에 따라, PM 산화속도는 150℃ 부근에서 일단 피크를 맞이한 후, 서서히 저하한다. 그리고 300℃ 부근에서 오존의 열분해가 개시되고, 350℃를 넘으면 충분한 PM 산화속도를 확보하기 어려워진다. 이 결과에서, 효율적인 PM 산화를 위해서는 필터부재 또는 그 분위기 온도가 150∼350℃의 범위 내에 있는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 디젤엔진의 경우, 배기온도는 통상 200∼300℃ 이하이기 때문에, 인접하는 필터실을 PM 산화에 적절한 온도범위 내로 유지하는 데 적합하다. 또, 본 실시형태와 같이 오존이 공급되는 쪽의 필터실을 닫으면, 배기가스의 열로 오존이 분해되는 것도 방지할 수 있다.
또한, 오존이 공급되는 쪽의 필터실을 닫는 이점으로서, 가스의 흐름이 저속이 되므로 오존과 PM과의 접촉확률이 높아짐과 동시에 반응 시간이 길어지고, PM 산화효율을 향상할 수 있는 점을 들 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 오존공급시에 오존발생기(41)를 온으로 하여 생성된 오존을 즉시 공급하나, 오존을 미리 생성, 저장해 두고, 그 공급/정지를 밸브로 변환하도록 하여도 된다. 또 펌프나 컴프레서 등으로 오존을 가압하여 공급하는 것도 가능하다.
다음에, 이 제 4 실시형태의 효과를 확인하기 위한 실험을 행하였으므로, 그 결과를 이하에 나타낸다.
(1) 실험장치
도 21에는 실험장치의 전체를 나타낸다. 디젤엔진(10)으로부터 배출된 배기가스는 배기관(22)을 통하여 촉매(70) 및 DPF(220)를 순서대로 통과한 후, 대기에 방출된다. 촉매(70)는, 상기한 NOx 촉매(흡장환원형 또는 선택환원형) 및 산화촉매 중 적어도 하나로 이루어진다. 변환밸브(43)에는, 오존가스(O₃), 산소가스(O₂) 및 질소가스(N₂)의 혼합가스인 공급가스가 공급된다.
산소봄베(71)로부터 공급된 산소가스(O₂)는, 유량제어유닛(72)에 의하여 오존발생기(73)에 공급되는 유량이 제어된다. 나머지 산소가스는 오존발생기(73)를 바이패스한다. 그리고 오존분석계(74)로 오존농도가 계측되고, 이 후 오존과 산소와의 혼합가스는 유량제어유닛(75)으로 유량이 제어되고, 잉여분은 도시 생략한 배기덕트로부터 외부로 배출된다. 유량이 제어된 혼합가스는, 질소봄베(76)로부터 보 내져 유량제어유닛(77)에 의해 유량이 제어된 질소가스(N₂)와 혼합되고, 이것에 의해 생긴 공급가스가 변환밸브(43)로 보내진다.
DPF(220)에서, 중앙 필터실(110)과 바깥 둘레 필터실(210)의 출구부[필터부재(130, 230)의 하류측]에, 각각 추출관(178, 278)이 삽입 설치되어 있고, 이들 추출관(178, 278)은 변환밸브(79)로 변환되어, 중앙 필터실(110)과 바깥 둘레 필터실(210) 중 어느 한쪽의 배기가스의 샘플을 추출할 수 있게 되어 있다. 추출된 샘플가스는, 상류측으로부터 직렬 설치된 HC, CO, NOx 농도계측용 배기가스분석기(80)와, CO₂농도계측용 배기가스분석기(81)와, 오존농도계측용 오존분석계(82)에 의해 계측 처리된다.
(2) 실험조건
엔진(10)에는 배기량 2000cc의 디젤엔진를 사용하였다. 또 엔진(10)을, 회전수 2200rpm, 토크 46Nm의 운전조건에서 정상운전하였다.
중앙 필터부재(130)에 관하여, 직경 120mm, 길이 177mm, 체적 2L(리터), 셀 수 300cpsi(cells per square inch)인 코디어라이트로 만든 필터재료(촉매는 코팅하지 않는다)를 사용하고, 이 필터재료의 바깥 둘레부를 기계가공에 의해 절삭하여 직경을 60mm까지 삭감하고, 이것을 중앙 필터실(110)에 배치하였다.
바깥 둘레 필터부재(230)에 관하여, 직경 120mm, 길이 177mm, 체적 2L(리터), 셀 수 300cpsi인 코디어라이트로 만든 필터재료(촉매는 코팅하지 않는다)를 사용하고, 이 필터재료의 중심부에 직경 80mm의 구멍을 뚫은 것을 바깥 둘레 필터실(210)에 배치하였다.
촉매(70)에 대해서는, 직경 103mm, 길이 155mm, 체적 1.3L(리터), 셀 수 400cpsi인 코디어라이트로 만든 허니콤 구조체에, Ce-Zr 복합산화물을 코팅량 200g/L으로 코팅하고[단 분모의 L(리터)는 촉매 1L당을 의미한다], Pt를 Ce-Zr 복합산화물 중량에 대하여 3wt% 담지한 것을 사용하였다. 여기서, 촉매(70)가 없으면 미연소의 HC량이 많고, 이 HC와 오존이 반응하여 PM 산화속도에 영향을 미치기 때문에, 촉매(70)를 설치하였다.
오존첨가량에 대해서는, 유량제어유닛(75)으로부터 나오는 오존과 산소와의 혼합가스가, 오존농도 1870Oppm, 나머지부가 산소가스, 유량 30L/min이고, 이것에 유량 120L/min인 질소가스가 가해져서 희석된 가스, 즉 공급가스가 변환밸브(43)에 공급된다.
(3) PM 산화속도 산출방법
배기가스분석기(80, 81)로 계측한 총 카본량으로부터 PM 산화속도를 개산하였다.
(4) 실시예 및 비교예
ㆍ 실시예 1
바깥 둘레 밸브체(251)를 닫고, 중앙 밸브체(151)를 열어, 엔진으로부터의 배기가스를 중앙필터실(110)에만 흘리고, 이 상태를 30분간 계속한다. 그 동안, 중앙 필터부재(130)에 PM이 퇴적된다. 이후, 바깥 둘레 밸브체(251)를 열고, 중앙 밸브체(151)를 닫아, 엔진으로부터의 배기가스가 흐르는 필터실을 바깥 둘레 필터실(210)로 변환함과 동시에, 중앙 필터실(110)에 오존을 함유하는 공급가스를 공급 하여, 중앙 필터부재(130)에 퇴적된 PM을 10분간 산화시킨다.
한편, 이것과는 반대의 작동도 행한다. 즉, 중앙 밸브체(151)를 닫고, 바깥 둘레 밸브체(251)를 열어, 엔진으로부터의 배기가스를 바깥 둘레 필터실(210)에만 흘리고, 이 상태를 30분간 계속한다. 그 동안, 바깥 둘레 필터부재(230)에 PM이 퇴적된다. 이후, 중앙 밸브체(151)를 열고, 바깥 둘레 밸브체(251)를 닫아, 엔진으로부터의 배기가스가 흐르는 필터실을 중앙 필터실(110)로 변환함과 동시에, 바깥 둘레 필터실(210)에 오존을 함유하는 공급가스를 공급하여, 바깥 둘레 필터부재(230)에 퇴적된 PM을 10분간 산화시켰다.
ㆍ 비교예 1
오존이 공급되는 한쪽의 필터실을, 다른 쪽의 필터실에 흐르는 배기가스의 열로 보온한다고 하는 본 실시형태의 효과를 분명하게 하기 위하여, 도 22에 나타내는 바와 같은 비교예를 사용하였다. 또한 본 실시형태와 동일한 구성에는 동일부호를 붙이고, 상세한 설명을 생략한다.
이 비교예에서는, 촉매(70)의 하류측에서 변환밸브(85)을 거쳐 배기통로가 이분기되어 있고, 이들 배기통로에 일일이 DPF(186, 286)가 설치되어 있다. 따라서, 케이싱(187, 287)도 별개 독립으로 설치되고, 이들 케이싱(187, 287)에 일일이 필터부재(188, 288) 및 오존공급노즐(189, 289)이 설치된다. 변환밸브(85)는 배기통로를 한쪽의 DPF(186)측 또는 다른쪽의 DPF(286)측으로 변환한다. 이 구성에서는, 한쪽의 DPF의 재생시, 다른쪽의 케이싱 내를 흐르는 배기가스의 열에 의해, 한쪽의 케이싱 내를 보온할 수는 없다.
이 경우, 변환밸브(85)를 한쪽의 DPF(186)측으로 변환하고, 이것에 30분간, 배기가스를 유입시켜 PM 포집을 행하게 한 후, 변환밸브(85)를 다른쪽 DPF(286)측으로 변환하고, 한쪽의 DPF(186)에 배기가스가 흐르지 않도록 하여, 오존공급노즐(189)로부터 공급가스를 공급하고, 한쪽의 필터부재(188)에 퇴적된 PM을 10분간 산화시켰다.
(5) 실험결과
이들 실시예 1 및 비교예 1의 PM 산화속도의 비교를 도 23에 나타낸다. 보이는 바와 같이, 실시예 1의 경우, 비교예 1보다도 PM 산화속도가 향상되어 있고, 이에 따라, 배기열을 이용하는 본 실시형태의 효과가 분명하게 된다. 또한, 실시예 1에서, 중앙측과 바깥 둘레측과의 PM 산화속도에는 거의 차가 없다.
(제 5 실시형태)
다음에, 본 발명의 제 5 실시형태를 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 상기 제 1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 도면 중 동일부호를 붙이고, 상세한 설명을 생략한다.
도 24는, 본 발명의 제 5 실시형태에 관한 내연기관의 배기정화장치를 개략적으로 나타내는 시스템도이다. 도시된 바와 같이, 이 제 5 실시형태에서는, 중앙 필터부재(130) 및 바깥 둘레 필터부재(230)의 온도(바닥 온도)를 각각 검출하는 온도센서(190, 290)가 추가되어 설치되어 있다. 이들 온도센서(190, 290)는 ECU(500)에 접속된다. 이들 온도센서(190, 290)의 측온부(선단부)는, 각 필터부재(130, 230)의 온도를 정확하게 검출하도록 각 필터부재(130, 230)의 중심부에 매립되어 있다.
또한, 이들 온도센서(190, 290)는, 중앙 필터부재(130) 및 바깥 둘레 필터부재(230)의 상류측의 중앙 필터실(110) 및 바깥 둘레 필터실(210)에 각각 측온부가 설치되고, 그들 필터부재(130, 230)에 유입되는 배기가스의 온도를 검출하는 것이어도 좋다.
또, 중앙 필터부재(130) 및 바깥 둘레 필터부재(230)의 상류측의 중앙 필터실(110) 및 바깥 둘레 필터실(210)에는, 각각, 냉각가스로서의 냉각공기를 공급하는 냉각가스 공급수단으로서의 공기공급노즐(191, 291)이 배치되어 있다. 공기공급노즐(191, 291)의 구성은 오존공급노즐(141, 241)과 동일하다. 본 실시형태에서는 공기공급노즐(191, 291)은 오존공급노즐(141, 241)의 상류측에 설치된다. 공기공급노즐(191, 291)은, 오존공급노즐(141, 241)과 마찬가지로, 필터부재(130, 230)의 상류 끝면 전체에 빠짐없이 공기를 공급할 수 있도록, 필터부재(130, 230)의 상류 끝면의 모든 지름방향 범위에 미치는 복수의 공기공급구(192, 292)를 가지고 있고, 케이싱(221) 내에 고정된다. 또한, 냉각가스 공급수단의 형태는 이러한 공기공급노즐(191, 291)에 한정되지 않고, 하나의 냉각가스 공급구밖에 가지지 않는 것도 가능하고, 또 냉각가스로서 공기 이외의 가스를 이용하는 것도 가능하다.
공기공급노즐(191, 291)에는, 냉각가스원으로서의 에어탱크(93)가 공기공급통로(94)를 거쳐 접속된다. 공기공급통로(94)는 도중에서 이분기되고, 그 분기부로 변환밸브(95)가 설치된다. 변환밸브(95)는, 에어탱크(93)로부터 보내져 온 공기를 공기공급노즐(191, 291) 중 어느 한쪽에 공급하거나, 또는 전혀 공급을 행하지 않 도록, ECU(500)에 의해 변환된다. 공기공급노즐(191, 291)의 공기공급구(192, 292)로부터, 공기가, 하류측의 필터부재(130, 230)를 향하여 분사공급된다.
상기 제 5 실시형태에서는, 중앙 필터부재(130) 또는 바깥 둘레 필터부재(230)의 오존에 의한 재생시에, 대응하는 온도센서(190, 290)에 의해 검출된 온도에 따라, 대응하는 공기공급노즐(191, 291)로부터의 공기 공급이, ECU(500)에 의해 제어된다. 즉, 상기 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 필터부재의 재생은, 필터온도 또는 분위기 온도가, 오존에 의한 PM 산화를 유효하게 행할 수 있는 적절한 온도범위 내에 있을 때에 행하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 제 5 실시형태에 의하면, 온도센서(190, 290)의 검출값에 따라 온도가 적절한 온도범위 내에 있는지의 여부를 판단하고, 적절한 온도범위 내에 있으면 필터재생을 실행하고, 적절한 온도범위 내에 없으면 필터재생을 중지할 수 있다. 이에 따라, 부적절한 온도범위에서 공급 오존이 쓸데없이 소비되는 것이 방지된다.
예를 들면 중앙 필터부재(130)의 재생을 예로 들면, ECU(500)는, 필터부재(130)의 재생 타이밍이 도래하여도, 예를 들면 고부하 운전 직후 등에서 중앙 필터부재(130)의 검출온도가 소정의 상한온도(예를 들면 350℃)보다 높으면, 공급 오존이 필터부재(130)에 도달하기 전에 열분해될 우려가 있으므로, 오존공급을 중지하고[즉, 오존발생기(41)를 온 하지 않는다], 다른 한편, 예를 들면 냉간 운전시 등에서 중앙 필터부재(130)의 검출온도가 소정의 하한온도(예를 들면 150℃) 미만이면, 공급 오존에 의한 PM 산화가 효율적으로 행하여지지 않을 우려가 있으므로, 오존공급을 중지한다. 또 다른 한편, 중앙 필터부재(130)의 검출온도가 상한온도 이하, 하한온도 이상의 범위 내에 있으면, 공급오존에 의한 PM 산화를 효율적으로 행할 수 있으므로, 중앙 오존공급노즐(141)로부터의 오존공급을 실행한다.
한편, 중앙 필터부재(130)의 검출온도가 상한온도보다 높은 경우, ECU(500)는 변환밸브(95)를 중앙 공기공급노즐(191)측으로 변환하고, 이 공기공급노즐(191)로부터 냉각공기의 공급을 행하여, 중앙 필터부재(130)를 냉각한다. 이에 따라 중앙 필터부재(130)의 온도가 저하하여 상한온도 이하의 적절한 온도범위 내가 된다. 이렇게 되면 ECU(500)가 중앙 오존공급노즐(141)로부터의 오존공급을 실행한다. 이상과 같은 제어방법은 바깥 둘레 필터부재(230)의 재생에 대해서도 동일하다.
이와 같이, 본 제 5 실시형태에 의하면, 상기 제 1 실시형태와 동일한 작용효과에 더하여, 부적절한 온도범위 특히 과잉 고온에서의 오존공급을 방지할 수 있고, 오존의 더욱 효율적인 사용을 달성할 수 있다.
이 제 5 실시형태에 관해서도, 효과를 확인하기 위한 실험을 행하였으므로, 그 결과를 이하에 나타낸다.
(1) 실험장치
제 1 실시형태와 동일하다.
(2) 실험조건
엔진(10)의 운전조건을 회전수 2400rpm, 토크 77Nm으로 변경한 점을 제외하고, 제 1 실시형태와 동일하다. 여기서 더욱 고부하측의 운전조건으로 한 것은 배기온도를 상승시키기 위해서이다. 이 운전조건의 경우, 배기가스온도는 300수십℃에 이른다.
(3) PM 산화속도 산출방법
제 1 실시형태와 동일하다.
(4) 실시예 및 비교예
ㆍ 실시예 2
바깥 둘레 밸브체(251)를 닫고, 중앙 밸브체(151)를 열어, 엔진으로부터의 배기가스를 중앙 필터실(110)에만 흘리고, 이 상태를 30분간 계속한다. 그 동안, 중앙 필터부재(130)에 PM이 퇴적되고, 중앙 필터부재(130)가 비교적 고온까지 온도 상승한다. 이후, 바깥 둘레 밸브체(251)를 열고, 중앙 밸브체(151)를 닫아, 배기가스를 바깥 둘레 필터실(210)에만 흘림과 동시에, 중앙 필터실(110)에 대한 배기가스유입을 차단한다. 이 상태에서, 중앙 공기공급노즐(191)로부터 중앙 필터실(110)에 공기를 공급하고, 중앙 온도센서(190)로 검출되는 온도를 245∼255℃의 범위가 되도록 제어한다. 이 상태에서 중앙 필터실(110)에 오존을 함유하는 공급가스를 공급하고, 중앙 필터부재(130)에 퇴적된 PM을 10분간 산화시킨다.
ㆍ 비교예 2
이 비교예 2는 실시예 2와 동일한 실험장치를 이용하나, 이하의 점에서 실시예 2와 다르다. 즉, 배기가스유입을 바깥 둘레 필터실(210)로부터 중앙 필터실(110)로 변환한 후, 중앙 공기공급노즐(191)로부터의 공기공급을 행하지 않고, 온도제어하지 않고, 중앙 필터실(110)에 공급가스를 공급하여, 중앙 필터부재(130)에 퇴적된 PM을 10분간 산화시킨다. 이 때의 온도는 295∼283℃이었다.
(5) 실험결과
이들 실시예 2 및 비교예 2의 PM 산화속도의 비교를 도 25에 나타낸다. 보이는 바와 같이, 실시예 2의 경우, 비교예 2보다도 PM 산화속도가 향상되어 있고, 이에 따라, 공기공급에 의해 적절한 온도범위 내에서 오존공급을 행하는 본 실시형태의 효과가 분명해진다.
이상, 본 발명의 제 4 및 제 5 실시형태에 대하여 설명하여 왔으나, 본 발명은 다른 실시형태를 채용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 26에 나타내는 바와 같이, 케이싱(221) 내를 축방향에 따른 평면에서 세로로 자른 형상으로 이분할하여 필터실(110A, 210A)을 형성하도록 하여도 된다. 이 경우, 필터실(110A, 210A)에 각각 필터부재(130A, 230A), 오존공급노즐(도시 생략) 등의 상기의 각 구성요소가 배치된다. 그리고 반원 형상의 하나의 밸브체(51A)가, 오존공급을 행하는 필터실에 대응하여, 회전축(353A)에 의해 180°회전되고, 교대로 필터실(110A, 210A)을 개폐한다. 오존공급을 행하지 않을 때는 밸브체(51A)가 수평으로 유지되고, 양 필터실(110A, 210A)에 대한 배기가스유입이 허용된다. 이 세로로 자른 형상의 구조와 상기 실시형태의 이중관 구조를 비교하면, 이중관 구조의 경우, 한쪽의 필터실로부터 다른쪽의 필터실에 대한 열전달을 전체 둘레 방향의 넓은 범위에서 행할 수 있는 점에서 세로로 자른 형상의 구조보다 유리하나, 구조가 약간 복잡해지는 점에서 세로로 자른 형상의 구조보다 불리하다.
상기 제 4 및 제 5 실시형태에서는 필터실 및 이것에 대응하는 구성요소를 2개로 하였으나, 3개 이상으로 하는 것도 가능하다. 또 PM 포집장치로서 월플로우형 DPF를 채용하였으나, 그 외에도 여러가지 필터구조를 채용할 수 있다. 예를 들면, 정전포집식 스트레이트 플로우형 필터로서, 이것은, 배기가스 중에 존재하는 한 쌍의 전극사이에 직류 전압을 인가하여 방전을 생성하고, PM을 예를 들면 마이너스로 대전시키고, 정전기력으로 플러스측 또는 어스측의 전극에 흡착시키는 것이다. 따라서 PM 포집장치는 플러스측 또는 어스측의 전극으로서 형성된다.
또, 상기 각 실시형태에서는 변환밸브(43) 및 밸브수단(50)의 동작을 완전 개방 또는 완전 폐쇄의 두 상태로 하였으나, 이러한 단계적인 변경 대신, 배기측의 두방향에 대한 배출량의 비율을 연속적으로 가변할 수 있는 변환밸브 및 밸브수단을 이용하여도 된다.
또한, 상기 각 실시형태에서는, 본 발명을 어느 정도의 구체성을 가지고 설명하였으나, 본 발명에 대해서는, 특허청구의 범위에 기재된 발명의 정신이나 범위로부터 벗어나지 않게, 여러가지 개변이나 변경이 가능한 것은 이해되어야 한다. 즉, 본 발명은 특허 청구의 범위 및 그 등가물의 범위 및 취지에 포함되는 수정 및 변경을 포함하는 것이다.
본 발명은, 압축 착화식 내연기관으로서의 디젤엔진 이외에도, PM 발생의 가능성이 있는 모든 내연기관에 적용할 수 있다. 예를 들면, 직화의 불꽃 점화식 내연기관, 더욱 구체적으로는 직화 린 번 가솔린 엔진이다. 이 엔진에서는 통 내 연소실에 연료가 직접 분사되나, 연료분사량이 많은 고부하역에서는 연료가 다 연소되지 않고, PM이 발생할 가능성이 있다. 이러한 엔진에 본 발명을 적용하여도, 상기와 동일한 작용효과를 충분히 기대할 수 있다.
본 발명은 오존을 사용하여 PM을 산화제거 할 때에, 오존을 효과적으로 사용 가능하게 하기 위하여 이용할 수 있다.

Claims (19)

  1. 배기통로에 분기하여 접속되고, 배기가스 중의 입자형상 물질을 포집하는 복수의 입자형상 물질 포집장치와,
    상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 상류측에 오존을 각각 공급 가능한 오존공급수단과,
    상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 사이에서 배기가스의 공급량의 비율 및 오존의 공급량의 비율을 각각 변경시키는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 입자형상 물질 포집장치보다도 상류측의 상기 배기통로 내에 배치되어 배기가스 중의 소정물질을 제거하는 적어도 하나의 촉매장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 포집량을 개별적으로 검출하는 포집량 검출수단과,
    상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 온도를 개별적으로 검출하는 온도검출수단을 더 구비하고,
    상기 제어수단은, 상기 포집량 검출수단에 의해 검출된 포집량에 의거하여 배기가스의 공급량의 비율을 제어함과 동시에, 상기 온도검출수단에 의해 검출된 온도에 의거하여 오존의 공급량의 비율을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어수단은, 배기가스의 공급량의 비율이 비교적 작게 되어 있는 상기 입자형상 물질 포집장치에 대한 오존의 공급량의 비율을 비교적 크게 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 입자형상 물질 포집장치에 대한 배기가스의 통로를 개별적으로 완전 폐쇄 가능하고, 또한 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치에 대한 오존의 통로를 개별적으로 완전 폐쇄 가능한 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 포집량을 개별적으로 검출하는 포집량 검출수단을 더 구비하고,
    상기 제어수단은, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치 중 포집량이 낮은 입자형상 물질 포집장치를 배기가스의 공급지로서 선택하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기정화장치.
  7. 제 3항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 복수의 입자형상 물질 포집장치 중 상기 포집량이 비교적 큰 입자형상 물질 포집장치의 상기 온도가 소정의 저온측 기준값을 밑도는 경우에, 상기 입자형상 물질 포집장치에 대한 오존공급량을 소정의 최대량으로 설정하고,
    상기 입자형상 물질 포집장치의 상기 온도가 상기 저온측 기준값을 웃도는 경우에, 상기 입자형상 물질 포집장치에 대한 오존공급량을 배기가스 중의 NOx 농도에 의거하여 설정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  8. 제 3항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치 중 상기 포집량이 비교적 큰 입자형상 물질 포집장치의 상기 온도가 소정의 저온측 기준값을 밑도는 경우에, 상기 포집량이 비교적 작은 입자형상 물질 포집장치를 오존의 공급지로서 선택하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  9. 제 3항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 온도가 소정의 고온 기준값을 웃도는 경우에, 상기 오존공급수단으로부터의 오존의 공급을 정지하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  10. 제 3항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 입자형상 물질 포집장치는 승온수단을 더 구비하고,
    상기 제어수단은, 상기 승온수단을 제어하여, 배기가스의 공급지로서 선택되는 상기 입자형상 물질 포집장치의 상기 온도가 소정의 고온 기준값을 웃도는 경우에, 상기 입자형상 물질 포집장치를 승온시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  11. 제 2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 촉매장치의 온도를 검출하는 촉매온도 검출수단을 더 구비하고,
    상기 제어수단은, 상기 적어도 하나의 촉매장치의 온도에 의거하여 상기 오존공급수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기통로의 분기점에, 배기가스의 공급량의 비율을 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 사이에서 변경 가능한 배기제어밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오존공급수단은, 단일의 오존공급원으로부터의 오존의 공급량의 비율을 상기 복수의 입자형상 물질 포집장치의 사이에서 변경 가능한 오존제어밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 입자형상 물질 포집장치는, 단일의 케이싱 내에 서로 인접하며, 또한 배기가스 흐름 방향에 대하여 병렬로 구획 형성된 복수의 필터실과, 이들 필터실에 각각 배치된 필터부재와, 배기가스가 유입되는 상기 필터실을 변환하는 밸브수단을 구비하고,
    상기 오존공급수단은, 상기 복수의 필터실에 각각 배치되고,
    상기 밸브수단은, 상기 오존공급수단의 상류측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 필터실이, 상기 케이싱 내의 중앙부 및 바깥 둘레부에 2개 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,
    상기 밸브수단이, 상기 오존공급수단으로부터의 오존공급이 실행되는 상기 필터실에 배기가스가 유입되지 않고, 상기 오존공급수단으로부터의 오존공급이 실행되지 않는 상기 필터실에 배기가스가 유입되도록, 상기 필터실을 변환하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  17. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브수단이, 상기 복수의 필터실 중 일부의 필터실을 개폐하는 제 1 밸브체와, 상기 복수의 필터실 중 나머지 필터실을 개폐하는 제 2 밸브체와, 오존공급이 실행되는 상기 필터실에 대응하여, 상기 제 1 밸브체 및 제 2 밸브체가 교대로 개폐하도록 상기 제 1 밸브체 및 제 2 밸브체를 구동하는 구동수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  18. 제 14항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 필터부재에 유입되는 가스 또는 상기 필터부재의 온도를 검출하는 적어도 하나의 온도검출수단과, 이 검출된 온도에 따라, 상기 필터부재에 대응하는 상기 오존공급수단으로부터의 오존공급을 제어하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 필터부재와 상기 밸브수단과의 사이에 배치되어, 상기 필터부재에 그 상류측에서 냉각가스를 공급 가능한 냉각가스 공급수단과, 상기 검 출된 온도에 따라, 상기 냉각가스 공급수단으로부터의 냉각가스공급을 제어하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
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