KR20110003375A - 배기가스 정화 촉매의 난기방법 및 시스템 - Google Patents

배기가스 정화 촉매의 난기방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기(暖機)시스템은, 과급기(1)를 구비한 엔진(2)의 배기 유로(3)에 배치된 배기가스 정화 촉매(4)를 난기하는 배기가스 정화 촉매의 난기시스템으로, 과급기(1)의 터빈(1t)에 접속된 전동 모터(1m)와, 배기가스 정화 촉매(4)의 난기시에 전동 모터(1m)를 작동시켜서 터빈(1t)에 역토크(reverse torque)를 발생시키는 제어수단(5)을 갖는다.

Description

배기가스 정화 촉매의 난기방법 및 시스템{Method and system for warming up exhaust gas purifying catalyst}
본 발명은 배기가스를 정화하는 배기가스 정화 촉매의 난기(暖機)방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히, 과급기를 구비한 내연기관의 배기가스 정화 촉매를 조기 활성화할 수 있는 배기가스 정화 촉매의 난기방법 및 시스템에 관한 것이다.
디젤엔진이나 가솔린엔진 등의 내연기관을 사용한 자동차 등에는, 배기가스를 정화하는 삼원촉매 등의 촉매가 설치되어 있다. 이러한 배기가스 정화 촉매는, 온도가 상승함에 따라 환원능력이 활성화되어 작용하는 것이기 때문에, 그 온도관리가 중요해진다. 그러나, 엔진 시동 직후는 배기가스의 온도가 낮기 때문에, 배기가스 정화 촉매를 활성화시킬 때까지 일정 시간(난기시간)을 필요로 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 배기가스 정화 촉매를 히터로 가열하는 방법이나 엔진 시동 직후의 아이들 회전수를 높게 설정하는 방법 등이 채용되고 있다.
또한, 내연기관에는 출력 증대를 위해 과급기(터보 차저)를 설치한 것이 있다. 이러한 과급기는, 배기가스의 에너지를 터빈으로 회수하여 컴프레서를 작동시키고, 압축공기를 엔진에 공급하여 출력 증대를 도모하는 장치이다. 과급기 부착 내연기관의 경우, 배기가스 정화 촉매는, 과급기의 하류측에 배치되는 것이 일반적이다. 그 결과, 과급기 부착 내연기관의 경우는, 과급기의 배기 에너지의 회수와 과급기 자신의 열용량의 관계에서, 배기가스 정화 촉매에 공급되는 열량이 감소하여, 과급기가 없는 내연기관보다도 난기시간이 길어지는 경향이 있다. 따라서, 과급기 부착 내연기관에 있어서는, 난기시간을 어떻게 짧게 하는지가 중요해진다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 촉매 컨버터의 난기 필요시를 판정하여, 촉매 컨버터의 난기 필요시에는 터빈의 회전수를 제어하여 터빈측의 배기 유입압력과 배기 유출압력의 압력차를 소정 범위내로 감소시키는 제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 터보 차저 제어수단이 개시되어 있다. 이러한 타보 차저 제어수단에 의하면, 촉매 컨버터의 난기 필요시에 제어수단이 터보 차저의 터빈측의 배기 유입압력과 배기 유출압력의 압력차를 소정 범위내로 감소시키기 때문에, 배기의 흐름에 대한 터빈의 저항이 경감되어 터빈을 회전시키기 위한 배기 열에너지가 감소한다. 이것에 의해, 터빈에 의한 배기 열에너지의 소비가 억제되어, 촉매 컨버터의 난기 필요시에 충분한 온도를 갖는 배기를 촉매 컨버터에 공급할 수 있어, 촉매 컨버터를 단시간에 효율적으로 난기하여 그 난기효율을 향상시킬 수 있다.
특허문헌 1: 일본국 특허공개 제2007-278252호 공보
그러나, 특허문헌 1에 기재된 터보 차저 제어수단은, 내연기관에서 발생한 열량의 손실을 가능한 한 감소시키고, 그 만큼을 배기가스 정화 촉매의 난기에너지로 충당하고자 하는 것을 기술적 사상으로 하고 있어, 열량의 손실량의 감소에는 한계가 있다. 또한, 터빈측의 배기 유입압력과 배기 유출압력의 압력차를 단시간 내에 최대한 제로에 가까운 상태로 제어하기 위해서는 복잡한 처리를 필요로 한다. 또한, 터빈측의 배기 유입압력과 배기 유출압력의 압력차를 단시간 내에 최대한 제로에 가까운 상태로 할 때까지 일정 시간을 필요로 하여, 난기시간의 단축에 한계가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 간편한 방법으로 배기가스 정화 촉매의 난기시간을 단축하여, 배기가스 정화 촉매를 조기 활성화할 수 있는 배기가스 정화 촉매의 난기방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 과급기를 구비한 내연기관의 배기 유로에 배치된 배기가스 정화 촉매를 난기하는 배기가스 정화 촉매의 난기방법으로서, 상기 과급기의 터빈에 역토크를 부하하여 배기가스의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 한다.
역토크 부하시에, 상기 터빈의 상류측으로부터 상기 과급기의 컴프레서의 하류측에 상기 배기가스를 순환시키도록 해도 된다.
상기 과급기가 터빈 유량 조정수단을 갖는 경우에는, 역토크 부하시에 배기가스의 에너지 손실이 적어지도록 상기 터빈 유량 조정수단을 제어해도 되고, 상기 터빈의 상류측으로부터 상기 과급기의 컴프레서의 하류측에 상기 배기가스를 순환시키도록 상기 터빈 유량 조정수단을 제어해도 된다.
또한 본 발명은, 과급기를 구비한 내연기관의 배기 유로에 배치된 배기가스 정화 촉매를 난기하는 배기가스 정화 촉매의 난기시스템으로서, 상기 과급기의 터빈에 접속된 부하수단과, 상기 배기가스 정화 촉매의 난기시에 상기 부하수단을 작동시켜서 상기 터빈에 역토크를 발생시키는 제어수단을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 제어수단은, 상기 터빈의 회전수 또는 상기 배기 유로의 압력을 검지하는 센서의 출력을 토대로 상기 부하수단을 제어하도록 해도 된다.
상기 배기가스 정화 촉매의 난기시스템은, 상기 터빈의 상류측으로부터 상기 과급기의 컴프레서의 하류측에 상기 배기가스를 순환시키는 배기가스 재순환장치와, 상기 배기가스 정화 촉매의 난기시에 상기 배기가스 재순환장치를 작동시켜서 상기 배기가스를 순환시키는 제어수단을 가지고 있어도 된다.
상기 배기가스 정화 촉매의 난기시스템은, 상기 터빈의 배기가스 유량을 조정하는 터빈 유량 조정수단과, 상기 배기가스 정화 촉매의 난기시에 상기 터빈 유량 조정수단을 작동시켜서 배기가스의 에너지 손실이 적어지도록 제어하는 제어수단을 가지고 있어도 된다.
상기 배기가스 정화 촉매의 난기시스템은, 상기 터빈의 상류측으로부터 상기 과급기의 컴프레서의 하류측에 상기 배기가스를 순환시키는 배기가스 재순환장치와, 상기 터빈의 배기가스 유량을 조정하는 터빈 유량 조정수단과, 상기 배기가스 정화 촉매의 난기시에 상기 배기가스 재순환장치 및 상기 터빈 유량 조정수단을 작동시켜서 상기 배기가스를 순환시키는 제어수단을 가지고 있어도 된다.
본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기방법 및 시스템에 의하면, 엔진 시동시 등과 같이 배기가스 정화 촉매의 난기가 필요한 경우에, 과급기의 터빈에 역토크를 부하하면 내연기관으로부터 배출된 배기가스는 흐르기 어려워져, 내연기관으로부터 터빈간의 배기 유로 내에서 배기가스의 온도를 상승시킬 수 있다. 따라서, 고온의 배기가스를 배기가스 정화 촉매에 공급할 수 있어, 난기시간을 단축할 수 있으므로, 배기가스 정화 촉매를 조기 활성화할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 터빈에 역토크를 부하할 뿐이기 때문에, 압력 제어와 같은 복잡한 처리가 불필요하여, 간편한 제어에 의해 배기가스 정화 촉매를 조기 활성화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기시스템의 제1 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 터빈 회전수와 배기가스온도의 시간변화를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 제1 실시형태의 제1 변형예를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 제1 실시형태의 제2 변형예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기시스템의 제2 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
도 6은 본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기시스템의 제3 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
도 7은 본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기시스템의 제4 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
도 8은 본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기시스템의 제5 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
도 9는 본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기시스템의 제6 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
도 10은 본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기시스템의 제7 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도 1~도 10을 사용하여 설명한다. 여기서, 도 1은 본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기시스템의 제1 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다.
도 1에 나타낸 본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기시스템은, 과급기(1)를 구비한 내연기관(엔진(2))의 배기 유로(3)에 배치된 배기가스 정화 촉매(4)를 난기하는 배기가스 정화 촉매의 난기시스템으로, 과급기(1)의 터빈(1t)에 접속된 부하수단(전동 모터(1m))과, 배기가스 정화 촉매(4)의 난기시에 부하수단(전동 모터(1m))을 작동시켜서 터빈(1t)에 역토크를 발생시키는 제어수단(5)을 갖는다.
과급기(1)는 배기가스의 에너지를 터빈(1t)으로 회수하여 컴프레서(1c)를 작동시키고, 압축공기를 엔진(2)에 공급하여 출력 증대를 도모하는 장치이다. 컴프레서(1c)는, 입구측이 외부의 공기를 흡기하는 흡기 유로(6)에 접속되고, 출구측이 압축공기를 엔진(2)에 공급하는 엔진 흡기 유로(6e)에 접속되어 있다. 엔진 흡기 유로(6e)에는, 압축공기를 냉각하는 인터쿨러가 배치되어 있어도 된다. 또한, 터빈(1t)은 입구측이 엔진(2)의 배기가스를 송기하는 엔진 배기 유로(3e)에 접속되고, 출구측이 외부에 배기가스를 방출하는 배기 유로(3)에 접속되어 있다.
도 1에 나타낸 과급기(1)는, 터빈(1t)의 회전수를 조정 가능한 전동 모터(1m)를 가져, 터빈(1t)에 공급되는 배기가스 유량에 의존하지 않고, 과급기(1)를 작동할 수 있도록 구성되어 있다. 일반적으로, 전동 모터(1m)는, 배기가스 유량으로는 충분한 터빈(1t)의 회전수가 얻어지지 않는 경우(예를 들면, 엔진(2)의 시동시 등)에, 전동 모터(1m)를 강제적으로 컴프레서(1c)의 흡기량을 증대시키는 방향(도면의 P방향)으로 터빈(1t)을 회전시키는 것이다. 그러나, 본 발명에서는, 배기가스 정화 촉매(4)의 난기시에, 터빈(1t)에 역토크가 발생하도록 전동 모터(1m)를 작동시키고 있다. 구체적으로는, 터빈(1t)의 정회전방향인 P방향의 반대방향인 N방향으로 토크가 발생하도록 전동 모터(1m)를 조작한다. 터빈(1t)에 역토크를 발생시키면 터빈(1t)은 회전하기 어려워져, 터빈(1t)은 배기 유로(3)를 흐르는 배기가스의 저항이 된다. 따라서, 엔진(2)으로부터 배출된 배기가스는, 엔진 배기 유로(3e) 내에서 체류하면서 서서히 터빈(1t)의 하류의 배기 유로(3)로 송기된다. 이와 같이 엔진 배기 유로(3e) 내에 배기가스를 체류시킴으로써, 배기가스의 온도를 효과적으로 상승시킬 수 있어, 배기 유로(3)를 흐르는 배기가스의 온도를 단시간에 상승시킬 수 있다. 즉, 터빈(1t)에 역토크를 부하한다고 하는 간편한 수법에 의해, 배기가스 정화 촉매를 조기 활성화할 수 있다.
또한, 터빈(1t)에는 회전수를 검지하는 센서(1s)(예를 들면, 로터리 인코더 등)가 배치되어 있다. 센서(1s)는 제어수단(5)과 전기적으로 접속되어 있어, 제어수단(5)은 센서(1s)의 출력을 토대로 전동 모터(1m)를 제어하여, 터빈(1t)이 소정의 회전수가 되도록 역토크를 부하한다. 또한, 엔진(2)의 시동시에는 정격 운전이기 때문에, 엔진(2)이나 과급기(1)의 형식이나 사이즈별로 터빈(1t)에 부하하는 역토크량을 사전에 설정해 두고, 센서(1)를 생략하도록 해도 된다.
엔진(2)은, 예를 들면, 자동차 등에 탑재된 디젤엔진이나 가솔린엔진이다. 엔진(2)은 운전상황에 따라 압축공기나 연료의 공급량이 제어된다. 이러한 제어는, 차재(車載)된 전자 제어 유닛(ECU)에 의해 행해진다. 엔진(2)의 제어는, 공연비(공기질량/연료질량)에 의해 제어된다. 예를 들면, 통상 운전시에는, 배기가스 정화 촉매(4)를 효과적으로 작용시키기 위해 이론 공연비(공기 중의 산소와 연료가 과부족 없이 반응하는 상태)에 가까운 공연비가 되도록 제어된다. 또한, 연비의 향상과 배기가스 중의 유해물질의 저감을 도모하기 위해, 이론 공연비보다도 낮은 공연비(경제 공연비)가 되도록 제어되는 경우도 있다. 또한, 엔진(2)의 시동시에는, 출력의 증대를 도모하기 위해, 연료 리치 공연비가 되도록 제어된다. 또한, 이 전자 제어 유닛(ECU)은, 본 발명의 난기시스템에 있어서의 제어수단(5)으로서의 역할도 담당하고 있다.
배기가스 정화 촉매(4)는, 예를 들면 삼원촉매이다. 삼원촉매는, 배기가스 중에 포함되는 유해물질(주로 탄화수소, 일산화탄소, 질소산화물)을 제거하는 배기가스 정화 촉매(4)인데, 본 발명에 사용되는 배기가스 정화 촉매(4)는, 삼원촉매에 한정되는 것은 아니다. 배기가스 정화 촉매(4)에는, 활성화되었는지 여부를 검출하는 검출기(4s)가 설치되어 있다. 검출기(4s)는, 예를 들면, 온도계나 산소농도 검출기이다. 검출기(4s)로서 온도계를 채용한 경우는, 배기가스 정화 촉매(4)가 활성화되는 온도(삼원촉매의 경우에는 200~300℃)에 도달했는지 여부를 검출한다. 또한, 배기가스 정화 촉매(4)의 온도는 배기가스의 온도에 따라 정해지기 때문에, 배기가스 정화 촉매(4)의 바로 앞 또는 바로 뒤의 배기가스의 온도를 검출하도록 검출기(4s)를 배치해도 된다. 검출기(4s)로서 산소농도 검출기를 채용한 경우는, 배기가스 정화 촉매(4)가 기능하고 있는지 여부를 검출한다. 이 경우, 배기가스 정화 촉매(4)의 바로 뒤에 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 이산화탄소 등의 산소 이외의 가스농도를 검출하도록 해도 된다.
제어수단(5)은, 구체적으로는, 전술한 전자 제어 유닛(ECU)이다. 제어수단(5)은, 엔진(2)을 시동시키는 이그니션키(7)와 전기적으로 접속되어 있어, 엔진(2)이 시동된 것을 검지할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 제어수단(5)은, 엔진(2)의 연료 공급수단과 전기적으로 접속되어 있어, 엔진(2)이 목적하는 공연비가 되도록 엔진(2)에 연료를 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 제어수단(5)은, 전동 모터(1m)와 전기적으로 접속되어 있어, 전동 모터(1m)의 구동·정지·회전수 제어 등을 행할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 제어수단(5)은, 검출기(4s)와 전기적으로 접속되어 있어, 배기가스 정화 촉매(4)가 활성화되었는지 여부를 감지할 수 있도록 구성되어 있다. 그리고, 제어수단(5)은 이그니션키(7)의 조작에 의해 엔진(2)의 시동을 감지하면, 전동 모터(1m)와 터빈(1t)의 클러치를 접속하여, 터빈(1t)에 역토크가 발생하도록 전동 모터(1m)를 작동시킨다. 전동 모터(1m)에 의해 터빈(1t)에 부하되는 역토크량은, 예를 들면, 센서(1s)의 출력에 의해 제어된다. 또한, 제어수단(5)은, 검출기(4s)의 신호에 의해 배기가스 정화 촉매(4)가 활성화되었는지 여부를 검출하고, 배기가스 정화 촉매(4)가 활성화된 경우에는 전동 모터(1m)를 정지하고 클러치를 해제한다.
여기서, 도 2는 터빈 회전수와 배기가스온도의 시간변화를 나타내는 도면이다. 본 도면에 있어서, 가로축은 시간(분), 왼쪽 세로축은 터빈 회전수(rpm), 오른쪽 세로축은 배기가스온도(℃)를 나타내고 있다. 또한, 종래예 1의 데이터를 일점쇄선(F1, T1)으로 나타내고, 종래예 2의 데이터를 이점쇄선(F2, T2)으로 나타내며, 본 발명의 데이터를 실선(F3, T3)으로 나타내고 있다.
종래예 1은, 터빈에 전동 모터가 접속되어 있지 않은 통상의 과급기를 채용한 배기가스 정화 촉매의 난기시스템이다. 이러한 종래예 1에서는, 난기시에 있어서의 터빈 회전수는, 도 2에 있어서 일점쇄선의 곡선(F1)으로 나타내는 커브를 그리고, 아이들링 회전수(p)는 높게 설정되어 있다(예를 들면, 3만~5만 회전 정도). 종래예 1에서는, 엔진의 배기가스에 의해 과급기를 작용시키고 있기 때문에, 엔진 시동시에 터빈 회전수를 단시간에 상승시킬 수 없어, 터빈 회전수가 아이들링 회전수(p)에 도달할 때까지 일정 시간이 소요되고 있었다. 그 결과, 도 2에 있어서 일점쇄선의 직선(T1)으로 나타내는 바와 같이, 배기가스 정화 촉매가 활성화되는 온도(α)(예를 들면, 200~300℃)에 도달할 때까지 일정 아이들링시간(t1)(예를 들면, 5~6분 정도)이 소요되고 있었다.
종래예 2는, 터빈에 전동 모터가 접속된 전동 어시스트 과급기를 채용한 배기가스 정화 촉매의 난기시스템이다. 이러한 종래예 2에서는, 난기시에 있어서의 터빈 회전수는, 도 2에 있어서 이점쇄선의 곡선(F2)으로 나타내는 커브를 그리고, 아이들링 회전수(p)는 종래예 1과 동일하게 높게 설정되어 있지만, 전동 모터에 의해 터빈을 적극적으로 회전시키고 있기 때문에, 엔진 시동시에 터빈 회전수를 단시간에 상승시킬 수 있어, 터빈 회전수가 아이들링 회전수(p)에 도달할 때까지의 시간을 단축할 수 있다. 그러나, 종래예 2에서는 종래예 1과 동일하게 배기가스 에너지의 손실 등이 커서, 도 2에 있어서 이점쇄선의 직선(T2)으로 나타내는 바와 같이, 배기가스 정화 촉매가 활성화되는 온도(α)(예를 들면, 200~300℃)에 도달할 때까지 일정 아이들링 시간(t2)(예를 들면, 4~5분 정도)이 소요되고 있었다.
한편, 도 1에 나타낸 본 발명의 배기가스 정화 촉매(4)의 난기시스템에서는, 난기시에 터빈(1t)에 역토크를 부하하고 있기 때문에, 터빈 회전수는, 도 2에 있어서 실선의 곡선(F3)으로 나타내는 커브를 그리고, 아이들링 회전수(q)는 종래의 아이들링 회전수(p)보다도 낮게 설정된다. 구체적으로는, 아이들링 회전수(q)는, 종래의 아이들링 회전수(p)의 1/3~2/3 정도(예를 들면, 1만~3만 회전 정도)로 설정된다. 이와 같이 터빈(1t)에 역토크를 부하하고, 터빈(1t)을 배기가스의 저항이 되도록 제어함으로써, 엔진(2)으로부터 배출된 배기가스를 엔진 배기 유로(3e) 내에서 체류시키면서 서서히 터빈(1t) 하류의 배기 유로(3)에 송기할 수 있어, 엔진 배기 유로(3e) 내에서 배기가스의 온도를 효과적으로 상승시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 난기방법에 의하면, 과급기(1)의 터빈(1t)에 역토크를 부하하여 배기가스의 온도를 상승시킴으로써, 도 2에 있어서 실선의 직선(T3)으로 나타낸 바와 같이, 배기가스 정화 촉매(4)가 활성화되는 온도(α)(예를 들면, 200~300℃)에 도달할 때까지의 아이들링 시간(t3)을 1~2분 정도까지 단축할 수 있다.
전술한 설명에서는, 터빈(1t)의 회전수에 의해 역토크의 부하량을 제어하는 경우에 대해서 설명하였으나, 배기 유로(3)(엔진 배기 유로(3e)를 포함)의 압력을 검지함으로써 터빈(1t)에 부하하는 역토크량을 제어하도록 해도 된다. 여기서, 도 3은 도 1에 나타낸 제1 실시형태의 제1 변형예를 나타내는 도면이고, 도 4는 제2 변형예를 나타내는 도면이다. 또한, 각 도면에 있어서, 제1 실시형태와 동일한 구성부품에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략한다.
도 3에 나타낸 제1 변형예는, 배기 유로(3)에 배기가스 정화 촉매(4)의 입구측의 압력을 검지하는 센서(31)를 배치한 것이다. 센서(31)는 제어수단(5)과 전기적으로 접속되어 있어, 제어수단(5)은 센서(31)의 출력을 토대로 전동 모터(1m)를 제어한다. 센서(31)는, 터빈(1t)의 출구측의 압력을 계측하도록 해도 된다. 이러한 제1 변형예에서는, 제어수단(5)에 의해, 압력센서(31)의 출력이 역토크를 부하하지 않는 경우의 압력의 10~30% 정도 감소하도록 터빈(1t)에 역토크를 부하한다.
도 4에 나타낸 제2 변형예는, 배기 유로(3)의 일부인 엔진 배기 유로(3e)에 터빈(1t)의 입구측의 압력을 검지하는 센서(31)를 배치한 것이다. 센서(31)는 제어수단(5)과 전기적으로 접속되어 있어, 제어수단(5)은 센서(31)의 출력을 토대로 전동 모터(1m)를 제어한다. 센서(31)는 엔진의 출구측의 압력을 계측하도록 해도 된다. 이러한 제2 변형예에서는, 제어수단(5)에 의해, 압력 센서(31)의 출력이 역토크를 부하하지 않는 경우의 압력의 10~30% 정도 증가하도록 터빈(1t)에 역토크를 부하한다.
그런데, 터빈(1t)의 회전수를 억제하면 컴프레서(1c)의 회전수가 저하되어, 엔진(2)에 공급되는 압축공기량이 줄어, 엔진(2)에 공급되는 연료도 줄게 되기 때문에, 배기가스 에너지의 열량이 저하되어, 배기가스 정화 촉매(4)의 조기 활성화에는 바람직하지 않다고 일반적으로는 생각된다. 본 발명은, 이러한 일반적인 통념에 반하여, 엔진(2)에 의해 부여되는 배기가스 에너지의 열량이 저하되어도, 터빈(1t)을 배기가스의 저항이 되도록 이용함으로써 엔진(2)에 의해 부여되는 배기가스 에너지의 열량을 축적하여 배기가스의 온도를 단시간에 효과적으로 상승시킬 수 있다고 하는 지견(知見)에 기초하는 것이다. 따라서, 본 발명은 배기가스 정화 촉매(4)를 조기 활성화할 수 있을 뿐 아니라, 엔진(2)의 연비를 향상시키는 것도 가능하다. 또한, 배기가스 정화 촉매(4)를 조기 활성화할 수 있기 때문에, 배기가스 정화 촉매(4)의 열용량(heat mass)을 작게 할 수 있어, 배기가스 정화 촉매(4)의 사용량을 줄일 수 있고, 비용 절감을 도모할 수 있으며, 보다 난기시간을 단축할 수 있는 등의 효과도 나타낸다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시형태에 대해서 설명한다. 여기서, 도 5는 본 발명의 배기가스 정화 촉매의 난기시스템의 제2 실시형태를, 도 6은 제3 실시형태를, 도 7은 제4 실시형태를, 도 8은 제5 실시형태를, 도 9는 제6 실시형태를, 도 10은 제7 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다. 또한, 각 도면에 있어서, 제1 실시형태와 동일한 구성부품에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략한다.
도 5에 나타내는 제2 실시형태는, 터빈(1t)의 상류측으로부터 컴프레서(1c)의 하류측에 배기가스를 순환시키는 배기가스 재순환장치(EGR:Exhaust gas Recirculation)와, 배기가스 정화 촉매(4)의 난기시에 배기가스 재순환장치를 작동시켜서 배기가스를 순환시키는 제어수단(5)을 갖는 것이다. 배기가스 재순환장치는, 엔진 배기 유로(6e)와 엔진 흡기 유로(3e)를 접속하는 EGR 유로(41)와, 재순환 유로(41)에 배치된 EGR 밸브(42)를 갖는다. EGR 밸브(42)는 제어수단(5)과 전기적으로 접속되어 있어, 임의의 타이밍으로 EGR 밸브(42)를 개폐할 수 있도록 구성되어 있다. 제어수단(5)은, 예를 들면, 이그니션키(7)의 조작에 의해 엔진(2)의 시동을 감지했을 때, 엔진(2)의 시동으로부터 일정 시간 경과했을 때, 터빈(1t)의 회전수가 소정의 회전수가 되었을 때, 배기 유로(3)의 압력이 소정의 압력이 되었을 때에, EGR 밸브(42)를 열림상태로 하여 배기가스를 EGR 유로(41)에 의해 순환시킨다. 이와 같이 엔진 배기 유로(3e) 내의 배기가스를 순환시킴으로써, 효과적으로 배기가스의 온도를 상승시킬 수 있다. 또한, 제어수단(5)은, 예를들면, 배기가스 정화 촉매(4)가 활성화된 것을 검지했을 때에 EGR 밸브(42)를 닫힘상태로 전환한다. 또한, 배기가스 재순환장치에는, 일반적으로 쿨러 등의 냉각기구가 접속되어 있으나, 본 발명에 있어서 배기가스를 순환시키는 경우에는, 배기가스의 온도를 상승시킬 필요가 있기 때문에, 냉각기구는 작동시키지 않도록 한다.
도 6에 나타내는 제3 실시형태는, 터빈(1t)의 배기가스 유량을 조정하는 터빈 유량 조정수단과, 배기가스 정화 촉매(4)의 난기시에 터빈 유량 조정수단을 작동시켜서 터빈 유량 조정수단에 있어서의 배기가스의 에너지 손실이 적어지도록 제어하는 제어수단(5)을 갖는 것이다. 구체적으로는, 터빈(1t)의 배기가스의 입구부에 터빈 유량 조정수단인 가변 노즐(1n)이 배치되어 있다. 따라서, 도시한 과급기(1)는, 소위 가변 용량식 과급기를 구성하고 있다. 가변 용량식 과급기의 경우는, 터빈(1t)에 공급되는 배기가스의 유량을 가변 노즐(1n)의 개폐에 의해 제어할 수 있고, 그것에 의해 엔진(2)에 공급되는 압축공기의 유량을 제어할 수 있어, 하나의 과급기(1)로 엔진(2)의 넓은 운전범위를 커버하여 높은 과급효율을 확보할 수 있다. 가변 노즐(1n)은, 과급기(1)를 가변 용량식으로 할 수 있는 기구의 전부를 포함하는 의미로, 예를 들면, 플랩식이나 베인식의 것이 존재하고 있다. 또한, 가변 노즐(1n)은, 제어수단(5)과 전기적으로 접속되어 있어, 임의의 타이밍으로 가변 노즐(1n)을 개폐할 수 있도록 구성되어 있다. 그리고, 가변 노즐(1n)은, 난기시에 제어수단(5)에 의해 터빈(1t)에 있어서의 배기가스의 에너지 손실이 적어지도록 제어된다. 구체적으로는, 이그니션키(7)의 조작에 의해 제어수단(5)이 엔진(2)의 시동을 감지하면, 가변 노즐(1n)을 열림상태, 바람직하게는 전개(全開)상태로 한다. 가변 노즐(1n)을 열림상태로 한 경우에는, 가변 노즐(1n)에 있어서의 배기가스의 저항을 적게 할 수 있어, 가변 노즐(1n)에 있어서의 배기가스의 에너지 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 도시하지 않으나, 터빈 유량 조정수단은 웨이스트게이트 밸브여도 된다.
도 7에 나타내는 제4 실시형태 및 도 8에 나타내는 제5 실시형태는, 터빈(1t)의 상류측으로부터 컴프레서(1c)의 하류측에 배기가스를 순환시키는 배기가스 재순환장치(EGR)와, 터빈(1t)의 배기가스 유량을 조정하는 터빈 유량 조정수단과, 배기가스 정화 촉매(4)의 난기시에 배기가스 재순환장치 및 터빈 유량 조정수단을 작동시켜서 배기가스를 순환시키는 제어수단(5)을 갖는 것이다. 배기가스 재순환장치는, 제2 실시형태와 동일하게, 엔진 배기 유로(6e)와 엔진 흡기 유로(3e)를 접속하는 EGR 유로(41)와, 재순환 유로(41)에 배치된 EGR 밸브(42)를 갖고, 제어수단(5)에 의해 제2 실시형태와 동일하게 제어된다. 한편, 터빈 유량 조정수단은, 엔진 배기 유로(3e) 내의 압력을 상승시키도록 작용하여, 엔진 배기 유로(3e) 내의 배기가스를 순환시키기 쉽게 하도록 기능한다.
도 7에 나타내는 제4 실시형태는, 터빈 유량 조정수단이 가변 노즐(1n)인 경우를 나타내고 있다. 예를 들면, 이그니션키(7)의 조작에 의해 제어수단(5)이 엔진(2)의 시동을 감지하여 EGR 밸브(42)를 열림상태로 한 경우, 터빈(1t)에 역토크를 부하한 것만으로는 엔진 배기 유로(3e) 내의 압력을 효과적으로 상승시킬 수 없기 때문에, 가변 노즐(1n)을 닫힘상태에 가까운 상태로 하고, 배기가스 재순환장치가 기능할 수 있는 상태가 되면 가변 노즐(1n)을 열림상태로 이행시켜서 배기가스 에너지의 감소를 억제한다. 이 가변 노즐(1n)의 개도(開度) 조정은, 엔진(2)의 시동 개시로부터의 경과시간에 따라 사전에 설정해 두어도 되고, 엔진 배기 유로(3e) 및 엔진 흡기 유로(6e)의 압력을 감시하면서 행하도록 해도 된다.
도 8에 나타내는 제5 실시형태는, 터빈 유량 조정수단으로서 웨이스트게이트 밸브(1w)를 채용한 경우를 나타내고 있다. 웨이스트게이트 밸브(1w)는, 엔진 흡기 유로(6e)에 접속된 분기 유로(51)와, 터빈(1t)의 하류측의 배기 유로(3)에 접속된 바이패스 유로(52)를 갖는다. 이러한 웨이스트게이트 밸브(1w)는, 엔진 흡기 유로(6e)를 흐르는 압축공기의 압력이 지나치게 높아진 경우에, 웨이스트게이트 밸브(1w)를 열림상태로 하여, 배기가스가 터빈(1t)을 바이패스하도록 송기함으로써, 컴프레서(1c)의 흡기 유량을 감소시켜서 압축공기의 압력을 저하시키는 장치이다. 또한, 웨이스트게이트 밸브(1w)는, 제어수단(5)과 전기적으로 접속되어 있어, 임의의 타이밍으로 웨이스트게이트 밸브(1w)를 개폐할 수 있도록 구성되어 있다. 그리고, 예를 들면, 이그니션키(7)의 조작에 의해 제어수단(5)이 엔진(2)의 시동을 감지하여 EGR 밸브(42)를 열림상태로 한 경우, 터빈(1t)에 역토크를 부하한 것 만으로는 엔진 배기 유로(3e) 내의 압력을 효과적으로 상승시킬 수 없기 때문에, 웨이스트게이트 밸브(1w)를 닫힘상태에 가까운 상태로 하여, 배기가스 재순환장치가 기능할 수 있는 상태가 되면 웨이스트게이트 밸브(1w)를 열림상태로 이행시켜서 배기가스 에너지의 감소를 억제한다. 이 웨이스트게이트 밸브(1w)의 개도 조정은, 엔진(2)의 시동 개시로부터의 경과시간에 따라 사전에 설정해 두어도 되고, 엔진 배기 유로(3e) 및 엔진 흡기 유로(6e)의 압력을 감시하면서 행하도록 해도 된다.
도 9에 나타내는 제6 실시형태 및 도 10에 나타내는 제7 실시형태는, 부하수단으로서 발전기(1g)를 채용한 경우를 나타내고 있다. 제1 실시형태에 나타낸 전동 모터(1m)를 발전기(1g)로 치환해도 제1 실시형태와 동일하게 터빈(1t)에 역토크를 부하할 수 있다. 발전기(1g)는 축전지(61)에 접속되어 있어, 발전기(1g)가 발전한 전기를 저축할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 축전지(61)에 저축된 전기의 용도는, 제6 실시형태 및 제7 실시형태에 기재된 것에 한정되는 것은 아니다.
도 9에 나타내는 제6 실시형태는, 과급기(1)에 전동 부스터(62)를 배치한 것이다. 전동 부스터(62)는, 흡기 유로(6)에 배치된 컴프레서(62c)와, 컴프레서(62c)를 구동시키는 전동 모터(62m)를 갖는다. 전동 모터(62m)는, 축전지(61)로부터 공급되는 전기에 의해 구동된다. 또한, 전동 모터(62m)는, 제어수단(5)과 전기적으로 접속되어 있어, 엔진(2)의 시동시 등에 구동되도록 제어된다. 이러한 전동 부스터(62)를 배치함으로써, 터빈(1t)에 역토크를 부하한 경우에도 일정 흡기량을 확보할 수 있어, 엔진(2)에 공급할 수 있는 연료를 늘릴 수 있고, 배기가스 에너지의 열량을 증대시킬 수 있어, 배기가스 정화 촉매(4)의 난기시간을 보다 단축할 수 있다.
도 10에 나타내는 제7 실시형태는, 과급기(1)의 터빈(1t)과 컴프레서(1c)를 분리하여, 터빈(1t)에 발전기(1g)를 접속하고, 컴프레서(1c)에 전동 모터(1m)를 접속한 것이다. 발전기(1g) 및 전동 모터(1m)는, 축전지(61)에 접속되어 있어, 발전기(1g)로 발생한 전기를 축전지(61)에서 저축하고, 축전지(61)의 전기를 전동 모터(1m)에 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 터빈(1t)과 컴프레서(1c)를 개별적으로 구동시킬 수 있어, 터빈(1t)에 역토크가 부하된 경우에도, 컴프레서(1c)에 의해 일정 흡기량을 확보할 수 있다. 따라서, 엔진(2)에 공급할 수 있는 연료를 늘릴 수 있고, 배기가스 에너지의 열량을 증대시킬 수 있어, 배기가스 정화 촉매(4)의 난기시간을 보다 단축할 수 있다. 또한, 터빈(1t)과 컴프레서(1c)를 분리한 것으로 인해, 기기 레이아웃 상의 제약이 적어, 범용성이 우수한 등의 효과도 나타낸다.
본 발명은 전술한 실시형태에 한정되지 않고, 제2~제7 실시형태에 있어서 센서(31)를 배치하여 배기 유로(3)의 압력을 검출하도록 해도 되며, 제6 및 제7 실시형태에 있어서 배기가스 재순환장치나 터빈 유량 조정수단(가변 노즐(1n), 웨이스트게이트 벨브(1w) 등)을 배치해도 되는 등, 본 발명의 취지에서 벗어나지 않는 범위에서 각종 변경이 가능한 것은 물론이다.
1 과급기
1t 터빈
1c 컴프레서
1m 전동 모터
1s 센서
1n 가변 노즐
1w 웨이스트게이트 밸브
1g 발전기
2 엔진
3 배기 유로
3e 엔진 배기 유로
4 배기가스 정화 촉매
4s 검출기
5 제어수단
6 흡기 유로
6e 엔진 흡기 유로
7 이그니션키
31 센서
41 EGR 유로
42 EGR 밸브
51 분기 유로
52 바이패스 유로
61 축전지
62 전동 부스터
62c 컴프레서
62m 전동 모터

Claims (9)

  1. 과급기를 구비한 내연기관의 배기 유로에 배치된 배기가스 정화 촉매를 난기(暖機)하는 배기가스 정화 촉매의 난기방법으로서,
    상기 과급기의 터빈에 역토크를 부하하여 배기가스의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 촉매의 난기방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈의 상류측으로부터 상기 과급기의 컴프레서의 하류측에 상기 배기가스를 순환시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 촉매의 난기방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 과급기가 터빈 유량 조정수단을 갖는 경우에, 배기가스의 에너지 손실이 적어지도록 상기 터빈 유량 조정수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 촉매의 난기방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 과급기가 터빈 유량 조정수단을 갖는 경우에, 상기 터빈의 상류측으로부터 상기 과급기의 컴프레서의 하류측에 상기 배기가스를 순환시키도록 상기 터빈 유량 조정수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 촉매의 난기방법.
  5. 과급기를 구비한 내연기관의 배기 유로에 배치된 배기가스 정화 촉매를 난기하는 배기가스 정화 촉매의 난기시스템으로서,
    상기 과급기의 터빈에 접속된 부하수단과, 상기 배기가스 정화 촉매의 난기시에 상기 부하수단을 작동시켜서 상기 터빈에 역토크를 발생시키는 제어수단을 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 촉매의 난기시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 터빈의 회전수 또는 상기 배기 유로의 압력을 검지하는 센서의 출력을 토대로 상기 부하수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 촉매의 난기시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 터빈의 상류측으로부터 상기 과급기의 컴프레서의 하류측에 상기 배기가스를 순환시키는 배기가스 재순환장치와, 상기 배기가스 정화 촉매의 난기시에 상기 배기가스 재순환장치를 작동시켜서 상기 배기가스를 순환시키는 제어수단을 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 촉매의 난기시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 터빈의 배기가스 유량을 조정하는 터빈 유량 조정수단과, 상기 배기가스 정화 촉매의 난기시에 상기 터빈 유량 조정수단을 작동시켜서 배기가스의 에너지 손실이 적어지도록 제어하는 제어수단을 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 촉매의 난기시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 터빈의 상류측으로부터 상기 과급기의 컴프레서의 하류측에 상기 배기가스를 순환시키는 배기가스 재순환장치와, 상기 터빈의 배기가스 유량을 조정하는 터빈 유량 조정수단과, 상기 배기가스 정화 촉매의 난기시에 상기 배기가스 재순환장치 및 상기 터빈 유량 조정수단을 작동시켜서 상기 배기가스를 순환시키는 제어수단을 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화 촉매의 난기시스템.
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