KR20120015356A - 내연 기관의 배기 가스 처리 방법 및 장치 - Google Patents

내연 기관의 배기 가스 처리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

Early Post 분사 후, 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지의 사이에, 미연 HC 성분이 외부로 대량으로 방출되는 것을 방지하는 것이 과제이다. 본 발명은, 오일 통로(72)에 설치된 가변 스로틀 기구(77)의 스로틀 개방도가 저하되거나, 또는 가변 스로틀 기구(77)의 하류측에 설치된 유압 센서(78)에 의해 검출하는 유압 레벨의 설정값을 올림으로써, Early Post 분사 개시시 t1까지 오일 순환 펌프(74)의 동력을 증대시킨다. 이에 의해, 디젤 기관(10)의 부하를 증대시키고, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서의 배기 가스 승온 구배를 증대시킴으로써, 전단 산화 촉매(50)가 활성 온도에 도달할 때까지 외부로 방출되는 미연 HC 성분을 억제한다.

Description

내연 기관의 배기 가스 처리 방법 및 장치{EXHAUST GAS TREATMENT METHOD AND DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관, 특히, 예를 들어 포크리프트 등의 구동 기관에 적용되는 디젤 기관의 배기 가스 통로에, 전단 산화 촉매와 입자상 물질을 포집하는 필터를 구비한 배기 가스 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.
디젤 기관의 배기 가스 규제에서는, NOX 저감과 마찬가지로 중요한 것이 입자상 물질(PM;Particulate Matter. 이하 「PM」이라고 함)의 저감이다. 배기 가스로부터 PM을 제거하는 유효한 수단으로서, DPF 필터(Diesel Particulate Filter)라고 칭해지는 필터를 사용한 PM 포집 수단이 알려져 있다.
DPF는, 배기 가스 온도가 낮은 운전 상태에서는, DPF에 PM이 계속해서 저류되므로, 배기 가스의 온도를 강제적으로 상승시켜서, PM을 연소 제거하는 강제 재생을 행할 필요가 있다.
이 강제 재생 공정을 도 11 및 도 12에 의해 설명한다. DPF 필터의 상류측 배기 가스 통로에는, 전단 산화 촉매(DOC;Diesel Oxidation Catalyst)가 설치된다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 연소 실린더에 연료가 주분사되고, 주분사된 연료가 연소하여 엔진 출력을 발생한다. 주분사 후, 연료가 Early Post 분사된다. 도 12에 도시하는 바와 같이, Early Post 분사는, 강제 재생 공정의 개시 시점 t1로 행해진다. Early Post 분사된 연료는, 연소 실린더 내의 고온 분위기에서 연소하고, 이 연소에서 발생한 고온에 의해, 전단 산화 촉매가 활성 온도(예를 들어 250℃ 이상)까지 승온된다.
다음에, 하사점의 전방(도 12 중, t2의 시점)에서 또한 연료를 Late Post 분사한다. Late Post 분사된 연료는, 활성화된 전단 산화 촉매의 촉매 작용으로 산화되고, 그때 발생하는 반응열로 배기 가스의 온도를 예를 들어 600℃ 이상으로 승온한다. 배기 가스의 온도를 600℃ 이상으로 함으로써, DPF 필터로 포집된 PM이 연소하고, DPF 필터로부터 제거된다.
특허 문헌 1에는, 디젤 기관의 배기 가스 통로에 전단 산화 촉매 및 DPF 필터 장치를 구비하고, 배기 가스 중의 PM을 DPF 필터 장치로 포집하는 동시에, 포집된 PM을 전술한 수단에서 강제 재생하는 배기 가스 정화 장치가 개시되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2006-29092호 공보
이러한 배기 가스 처리 장치에서는, 도 12에 도시하는 바와 같이, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서, 연료를 Early Post 분사한 후, 전단 산화 촉매를 활성 온도 이상으로 승온시킬 때까지, 대량의 미연 HC 성분이 머플러 출구로부터 방출되는 경우가 있다. 즉, 디젤 기관이 저온 환경에 있는 경우나, 저부하 운전시에, 배기 가스 온도가 낮은 상태로 된다.
이와 같은 경우, 전단 산화 촉매가 활성 온도까지 승온될 때까지 시간이 걸려, 그 사이에 대량의 미연 HC 성분이 머플러 출구로부터 방출되게 된다고 하는 문제가 있다. 특히, 오퍼레이터가, 디젤 기관을 아이들링 상태로 하여, 수동으로 행하는 강제 재생시에, 배기 가스 온도가 낮아, 미연 HC 성분이 대량으로 방출되게 된다.
본 발명은, 이러한 종래 기술의 과제를 감안하여, 내연 기관의 배기 가스 통로에 전단 산화 촉매 및 DPF 필터를 설치하고, 배기 가스 중의 PM을 제거하는 배기 가스 처리 장치에 있어서, Early Post 분사 후, 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지의 사이에, 미연 HC 성분이 외부로 대량으로 방출되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 내연 기관의 배기 가스 처리 방법은,
내연 기관으로부터 배출된 배기 가스 중의 입자상 물질을 필터로 포집하는 포집 공정과, 연료를 포스트 분사하고, 전단 산화 촉매로 배기 가스를 입자상 물질의 연소 온도까지 승온시키고, 승온한 배기 가스로 상기 필터에 포집된 입자상 물질을 연소 제거하는 강제 재생 공정으로 이루어지는 내연 기관의 배기 가스 처리 방법에 있어서,
상기 강제 재생 공정의 개시시까지, 보조 동력을 증대시켜 내연 기관의 부하를 증대시키는 부하 증대 스텝과,
증대한 부하에 의해 강제 재생 공정에 있어서의 배기 가스의 승온 구배를 증대시키고, 상기 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지 방출되는 미연 탄화수소량을 저감하는 배기 가스 승온 스텝으로 이루어지는 것이다.
본 발명 방법에서는, 필터의 강제 재생 공정 개시 시점까지, 내연 기관의 보조 동력을 증대시켜 내연 기관의 부하를 증대시키도록 한다. 이에 의해, 내연 기관의 연료 분사량을 증대시키고, 상기 재생 공정에서의 배기 가스의 승온 구배를 증대시킬 수 있기 때문에, 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지 방출되는 미연 HC 성분을 저감할 수 있다.
또한, 내연 기관의 통상 운전시에는, 상기 부하 증대 스텝을 행하지 않으므로, 보조 동력을 저감한 저연비 운전이 가능하게 된다.
본 발명 방법에 있어서, 상기 부하 증대 스텝이, 내연 기관의 윤활유 통로에 스로틀을 설치하여 윤활유의 유동 저항을 증대시키고, 이에 의해, 윤활유 순환 펌프의 동력을 증대시키는 것이면 된다.
이에 의해, 이미 설명한 내연 기관의 윤활유 순환 계통에, 가변 스로틀 기구의 부설 등, 소규모인 개조를 추가한 것만으로, 본 발명 방법을 실시할 수 있게 되어, 개조 비용이 저렴하게 된다.
강제 재생 공정이, 내연 기관이 아이들링 상태를 포함하는 저부하 운전 상태일 때에, 오퍼레이터의 매뉴얼 조작으로 행해지는 것일 때, 본 발명 방법에 의해 강제 재생 공정을 실시함으로써, 미연 HC 성분의 방출을 저감할 수 있다.
상기 본 발명 방법의 실시에 직접 사용 가능한 본 발명의 내연 기관의 배기 가스 처리 장치는,
내연 기관의 배기 가스 통로에 전단 산화 촉매 및 필터를 구비하고, 배기 가스 중의 입자상 물질을 상기 필터로 포집하는 동시에, 연료를 포스트 분사하고, 상기 전단 산화 촉매로 배기 가스를 입자상 물질의 연소 온도까지 승온시키고, 승온한 배기 가스로 상기 필터에 포집된 입자상 물질을 연소 제거하는 내연 기관의 배기 가스 처리 장치에 있어서,
보조 동력을 증대시켜 내연 기관의 부하를 증대시키는 부하 증대 수단과, 상기 부하 증대 수단을 제어하는 컨트롤러를 구비하고,
상기 컨트롤러에 의해 상기 부하 증대 수단을 제어하여, 상기 포스트 분사의 개시시까지 보조 동력을 증대시킴으로써, 내연 기관의 부하를 증대시키도록 구성한 것이다.
본 발명 장치에서는, 포스트 분사의 개시시(강제 재생 공정의 개시시)까지에, 내연 기관의 부하를 증대시켜, 강제 재생 공정에 있어서의 배기 가스의 승온 구배를 증대시키고, 상기 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지 방출되는 미연 탄화수소량을 저감할 수 있다. 또한, 내연 기관의 통상 운전시에는, 보조 동력을 저감한 저연비 운전이 가능하게 된다.
본 발명 장치에 있어서, 상기 부하 증대 수단이, 내연 기관의 윤활유 통로에 설치된 가변 스로틀 기구와, 상기 가변 스로틀 기구의 하류측 윤활유 통로에 설치된 유압 센서를 구비하고, 상기 컨트롤러가, 상기 가변 스로틀 기구로 윤활유 통로의 개방도를 교축하여 윤활유의 유동 저항을 증대시키면서, 상기 유압 센서에 의해 검출하는 유압 레벨을 설정값 이상으로 유지하도록 윤활유 순환 펌프의 동력을 증대시키는 것이면 된다.
이에 의해, 이미 설명한 내연 기관의 윤활유 순환 계통에, 가변 스로틀 기구 및 유압 센서의 부설 등, 소규모인 개조를 추가한 것만이어도 되어, 개조 비용이 저렴하게 된다.
본 발명 장치에 있어서, 유압 센서에 의해 검출되는 유압 레벨의 설정값을 윤활유 통로의 개방도를 교축하지 않을 때의 유압 레벨로 유지하도록 하면 된다. 이에 의해, 상기 유압 레벨을 바꾸지 않고, 가변 스로틀 기구의 스로틀 개방도를 저하시키면서, 내연 기관이 적정한 부하로 된 시점에서, 상기 스로틀 개방도를 고정하면 된다. 그로 인해, 컨트롤러에 의한 스로틀 개방도의 선택이 용이해진다.
이 조작을 행하는 경우, 가변 스로틀 기구는, 2단계의 개방도 제어만이 가능한 간단한 구성의 가변 스로틀 기구를 사용할 수 있어, 저비용으로 된다.
본 발명 장치에 있어서, 윤활유 통로의 윤활유의 유온을 검출하는 유온 센서를 구비하고, 상기 컨트롤러가, 상기 유온 센서의 검출값에 따라서 상기 유압 레벨의 설정값을 바꾸거나, 또는 상기 유온 센서의 검출값에 따라서 상기 가변 스로틀 기구의 스로틀 개방도를 조정하는 것이면 된다.
윤활유는, 유온에 의해 점도가 상이하고, 점도가 상이하면, 유동 저항이 상이하다. 내연 기관이 저온 환경에 있는 경우, 윤활유의 점도가 증대되고, 유동 저항이 증대되어, 유압이 높아진다. 그로 인해, 저온 환경에서는, 통상보다 설정 유압 레벨을 높게 하여 내연 기관의 부하를 증대시킬 필요가 있다. 고온 환경에 있는 경우는, 반대로, 설정 유압 레벨을 저하시켜도, 내연 기관의 부하를 증대할 수 있다.
윤활유의 유온에 의해, 설정 유압 레벨을 조정하는 대신에, 가변 스로틀 기구의 윤활유 통로의 스로틀 개방도를 조정하도록 해도 된다. 이와 같이, 윤활유의 유온에 의해 설정 유압 레벨 또는 윤활유 통로의 스로틀 개방도를 조정함으로써, 내연 기관의 부하를 적절한 부하로 하고, 이에 의해, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서의 전단 산화 촉매의 승온 구배를 증대시켜, 미연 HC 성분의 방출을 억제할 수 있다.
본 발명 장치에 있어서, 상기 컨트롤러가, 전단 산화 촉매를 통과하는 배기 가스의 공간 속도[배기 가스의 유량(㎥/h)/전단 산화 촉매 충전 체적(㎥)]를 구하고, 상기 공간 속도와 전단 산화 촉매의 반응 속도로부터 전단 산화 촉매의 출구 배기 가스 온도를 추정하고, 이 추정값과 상기 출구 배기 가스 온도를 비교하여 전단 산화 촉매의 열화도를 판정하는 것이어도 된다.
전단 산화 촉매는, 경년 열화가 발생하여, 그것에 의해 산화 기능이 열화되고, 초기의 온도까지 배기 가스를 승온할 수 없게 된다. 그로 인해, 전단 산화 촉매가 열화된 경우, 전단 산화 촉매에 유입하는 배기 가스의 온도를 올리거나, 혹은 유압 센서에 의해 검출되는 설정 유압 레벨을 높게 하거나, 혹은 윤활유 통로의 스로틀 개방도를 저하시킬 필요가 있다.
배기 가스의 공간 속도와 전단 산화 촉매의 하류측 배기 가스 온도는 상관 관계가 있다. 배기 가스의 공간 속도가 저하되면, 전단 산화 촉매의 하류측 배기 가스의 온도 상승은 커지고, 전단 산화 촉매의 상하류측 배기 가스 온도차는 증가된다. 한편, 배기 가스의 공간 속도가 증가되면, 전단 산화 촉매의 하류측 배기 가스의 온도 상승은 작아져, 전단 산화 촉매의 상하류측 배기 가스 온도차는 저감된다.
마찬가지로, 전단 산화 촉매의 반응 속도와 전단 산화 촉매의 하류측 배기 가스 온도는 상관 관계가 있어, 전단 산화 촉매의 반응 속도가 빠르면, 전단 산화 촉매의 하류측 배기 가스의 온도 상승은 커져, 전단 산화 촉매의 상하류측 배기 가스 온도차는 증가된다. 한편, 전단 산화 촉매의 반응 속도가 느리면, 전단 산화 촉매의 하류측 배기 가스의 온도 상승은 작아져, 전단 산화 촉매의 상하류측 배기 가스 온도차는 저감된다.
그로 인해, 전단 산화 촉매의 공간 속도와 기지의 열화 전의 반응 속도로부터, 전단 산화 촉매의 열화 전의 하류측 배기 가스 온도를 추정할 수 있다. 이 추정 온도에 대해, 실측 온도가 추정 온도보다 낮으면, 전단 산화 촉매에 경년 열화가 일어나게 되고, 그로 인해, 추정 온도와 실측 온도를 비교함으로써, 전단 산화 촉매의 경년 열화도를 판정할 수 있다.
이렇게 하여, 추정 온도와 실측 온도의 차에 기초하여, 전단 산화 촉매의 경년 열화도를 알 수 있다. 그로 인해, 판정한 경년 열화도에 따라서, 보조 동력을 증대시킴으로써, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서의 전단 산화 촉매의 승온 구배를 증대시켜, 미연 HC 성분의 배출량을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명 장치에 있어서, 상기 컨트롤러가, 기온, 기압, 내연 기관의 회전수, 부하 및 운전 시간 및 필터에 포집된 입자상 물질의 연소 제거에 필요로 한 적산 시간으로부터 윤활유의 열화도를 판정하고, 판정된 윤활유의 열화도에 따라서, 윤활유 순환 펌프의 동력을 증대시키는 것이면 된다.
Late Post 분사에 의한 연료의 일부는, 실린더의 내벽에 부착되어, 피스톤이 하강할 때에, 피스톤 링에 의해 긁어 떨어져 오일 팬에 도달한다. 연료가 오일 팬의 윤활유에 섞임으로써, 윤활유가 희석되는 현상, 소위 오일 희석(Dilution)이 발생한다. 오일 희석이 진행되면, 윤활유의 점도가 내려 윤활성이 저하된다. 덧붙여, 윤활유량이 증가되어, 윤활유의 분출 등의 문제가 생긴다.
이와 같은 오일 희석이나, 윤활유의 열 열화가 진행된 경우, 윤활유의 점도가 저하되어, 윤활유 통로를 흐르는 유압이 저하된다. 이와 같은 경우, 윤활유 통로를 흐르는 윤활유에 스로틀을 추가해도, 설정 유압 레벨에 도달하지 않을 우려가 있다.
그로 인해, DPF 필터의 재생에 필요로 한 적산 시간으로부터, 오일 희석에 의한 점도 저하도를 산출한다. 또한, 기온 및 기압으로부터 연소 실린더에 공급되는 흡기의 온도 및 압력을 연산하고, 이들 연산값과, 내연 기관의 회전수, 부하 및 운전 시간으로부터, 윤활유의 열 열화도를 산출한다.
산출된 윤활유의 점도 저하도 및 열 열화도에 따라서, 윤활유 순환 펌프의 동력을 조정함으로써, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에서의 전단 산화 촉매의 승온 구배를 증대시켜, 미연 HC 성분의 방출을 억제할 수 있다.
상기 구성에 더하여, 윤활유의 교환 시기를 검출하는 센서를 설치하고, 상기 컨트롤러가, 상기 센서에 의해 윤활유의 교환 시기를 검출하였을 때, 윤활유의 열화도를 리셋하는 것이면 된다.
내연 기관의 윤활유를 교환한 시점에서, 윤활유의 열화도는 리셋된다. 그로 인해, 상기 센서에 의해 윤활유의 교환 시기를 검출하고, 윤활유의 교환이 이루어졌을 때에, 컨트롤러에 의해 윤활유의 열화도를 리셋함으로써, 윤활유 순환 펌프의 동력을 윤활유의 성상(性狀)에 맞는 최적의 값으로 할 수 있다. 이에 의해, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에서의 전단 산화 촉매의 승온 구배를 증대시켜, 미연 HC 성분의 방출을 억제할 수 있다.
본 발명 방법에 따르면, 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스 중의 입자상 물질을 필터로 포집하는 포집 공정과, 연료를 포스트 분사하고, 전단 산화 촉매로 배기 가스를 입자상 물질의 연소 온도까지 승온시키고, 승온한 배기 가스로 상기 필터에 포집된 입자상 물질을 연소 제거하는 강제 재생 공정으로 이루어지는 내연 기관의 배기 가스 처리 방법에 있어서, 강제 재생 공정의 개시시까지, 보조 동력을 증대시켜 내연 기관의 부하를 증대시키는 부하 증대 스텝과, 증대한 부하에 의해 강제 재생 공정에 있어서의 배기 가스의 승온 구배를 증대시키고, 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지 방출되는 미연 탄화수소량을 저감하는 배기 가스 승온 스텝으로 이루어지므로, 재생 공정에서의 배기 가스의 승온 구배를 증대시키고, 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지 방출되는 미연 HC 성분을 저감할 수 있는 동시에, 내연 기관의 통상 운전시에는, 부하 증대 스텝을 행하지 않으므로, 보조 동력을 저감한 저연비 운전이 가능하게 된다.
본 발명 장치에 따르면, 내연 기관의 배기 가스 통로에 전단 산화 촉매 및 필터를 구비하고, 배기 가스 중의 입자상 물질을 상기 필터로 포집하는 동시에, 연료를 포스트 분사하고, 상기 전단 산화 촉매로 배기 가스를 입자상 물질의 연소 온도까지 승온시키고, 승온한 배기 가스로 상기 필터에 포집된 입자상 물질을 연소 제거하는 내연 기관의 배기 가스 처리 장치에 있어서, 보조 동력을 증대시켜 내연 기관의 부하를 증대시키는 부하 증대 수단과, 상기 부하 증대 수단을 제어하는 컨트롤러를 구비하고, 상기 컨트롤러에 의해 상기 부하 증대 수단을 제어하여, 포스트 분사의 개시시까지 보조 동력을 증대시킴으로써, 내연 기관의 부하를 증대시키도록 구성하였으므로, 상기 본 발명 방법과 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명 방법 및 장치의 제1 실시 형태에 관한 디젤 기관의 계통도다.
도 2는 상기 디젤 기관의 윤활유의 순환 계통을 도시하는 계통도이다.
도 3은 상기 제1 실시 형태의 미연 HC 성분의 방출 억제 수순을 도시하는 선도이다.
도 4는 본 발명 방법 및 장치의 제2 실시 형태에 관한 미연 HC 성분의 방출 억제 수순을 도시하는 선도이다.
도 5는 본 발명 방법 및 장치의 제3 실시 형태에 관한 미연 HC 성분의 방출 억제 수순을 도시하는 선도이다.
도 6은 본 발명 방법 및 장치의 제4 실시 형태에 관한 미연 HC 성분의 방출 억제 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명 방법 및 장치의 제5 실시 형태에 관한 미연 HC 성분의 방출 억제 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 8은 윤활유의 열 열화에 의한 점도 저하를 도시하는 선도이다.
도 9는 윤활유의 희석에 의한 점도 저하를 도시하는 선도이다.
도 10은 본 발명 방법 및 장치의 제6 실시 형태에 관한 미연 HC 성분의 방출 억제 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 11은 디젤 기관의 연료 분사 공정을 도시하는 선도이다.
도 12는 디젤 기관의 DPF 필터의 재생 공정을 도시하는 선도이다.
이하, 본 발명을 도면에 도시한 실시 형태를 사용하여 상세하게 설명한다. 단, 이 실시 형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것에만 한정되는 취지는 아니다.
(제1 실시 형태)
본 발명 방법 및 장치를, 예를 들어 포크리프트 등에 탑재되는 디젤 기관에 적용한 제1 실시 형태를 도 1 내지 도 3에 의해 설명한다. 도 1에 있어서, 디젤 기관(10)의 연소 실린더(12)의 내부에 피스톤(14)이 내장되고, 피스톤(14)의 상방에 연소실(16)이 형성되어 있다. 연소 실린더(12)의 실린더 헤드에는, 흡기관(18) 및 배기관(20)이 접속되고, 이들의 접속부에는, 흡기 밸브(22) 및 배기 밸브(24)가 설치되어 있다.
또한, 실린더 헤드의 상부 중앙에는, 연료를 연소실(16)에 분사하는 인젝터(26)가 설치되어 있다. 인젝터(26)에는, 인젝터 펌프(28)로부터, 커먼 레일(축압기)(30)을 통하여 경유나 중유 등의 연료가 고압으로 공급되고, 연료가 연소실(16)에 분사된다. 연료의 분사 시기 및 분사량은, ECU(32)에 의해 정밀하게 제어되어 있다. 분사된 연료는, 흡기관(18)으로부터 공급된 공기와 혼합하고, 그 혼합기는, 연소실(16) 내로 압축되어 착화 연소한다.
디젤 기관(10)은, 배기관(20) 내에 배치된 배기 터빈(36)과, 흡기관(18) 내에 배치되고 상기 배기 터빈(36)과 동축으로 구동되는 컴프레서(38)로 이루어지는 배기 터보 과급기(34)를 구비하고 있다. 배기 터보 과급기(34)의 컴프레서(38)로부터 토출된 공기 a는, 흡기관(18)을 통과하여 인터 쿨러(40)로 냉각된 후, 흡기실(42)에 들어간다. 흡기실(42)의 입구측에는, 흡기관(18)의 개방도 제어를 행하는 스로틀 밸브(44)가 설치되어 있다. 또한, 흡기실(42)에는, 흡기압 센서(46) 및 흡기 온도 센서(48)가 설치되어 있다.
배기 터빈(36)의 하류측 배기관(20)에는, 전단 산화 촉매(50)와, 전단 산화 촉매(50)의 하류측에 DPF 필터 장치(52)가 설치되어 있다. 연소실(16)에서 연소한 연소 가스, 즉, 배기 가스 e는, 배기관(20)에 배출되고, 배기 터보 과급기(34)의 배기 터빈(36)을 구동하여 컴프레서(38)의 동력원으로 된다. 그 후, 배기 가스 e는, 전단 산화 촉매(50) 및 DPF 필터 장치(52)를 통과하고, DPF 필터 장치(52)에서 배기 가스 e 중에 포함되는 PM이 포집된다. DPF 필터 장치(52)에서 PM이 제거된 배기 가스 e는, 도시 생략된 머플러 출구로부터 외부로 배출된다.
또한, 전단 산화 촉매(50)의 입구측 및 DPF 필터 장치(52)의 입구측 및 출구측의 배기관(20)에는, 각각 배기 가스 e의 온도를 검출하는 배온 센서(54, 56 및 58)가 설치되어 있다. 또한, 전단 산화 촉매(50)의 입구측 배기관(20)에 배기 가스 e의 압력을 검출하는 배압 센서(59)가 설치되어 있다. 또한, DPF 필터 장치(52)의 입구와 출구의 배기 가스 e의 압력차를 검출하는 차압 센서(66)가 설치되고, 흡기관(18)의 입구부에는, 흡기 유량계(68)가 설치되어 있다.
흡기관(18)과 배기관(20) 사이에는, EGR관(60)이 접속되어 있다. EGR관(60)에는, EGR 쿨러(62) 및 EGR관(60)의 개방도를 제어하는 EGR 밸브(64)가 설치되어 있다. 배기 가스 e의 일부는, EGR관(60)을 통과하고, EGR 쿨러(62)로 냉각된 후, 흡기실(42)로 복귀된다. 이에 의해, 흡기 중의 산소량을 줄이고, 피크시의 연소 온도를 내려, NOX의 발생을 억제하고 있다.
배온 센서(54, 56, 58), 배압 센서(59), 차압 센서(66) 및 흡기 유량계(68)의 검출값은 ECU(32)에 보내어지고, 이들의 검출값에 기초하여, ECU(32)가, 인젝터(26), 인젝터 펌프(28), 스로틀 밸브(44) 및 EGR 밸브(64) 등을 제어한다.
DPF 필터 장치(52)에 포집된 PM을 연소 제거하는 강제 재생 공정은, ECU(32)가, 인젝터(26), 인젝터 펌프(28), 스로틀 밸브(44)를 조작하여, 자동적으로 다음의 수순으로 행해진다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 연소실(16)에 연료를 주분사한 후, 강제 재생 공정의 개시점 t1에서, 연료를 Early Post 분사한다. Early Post 분사된 연료는, 연소실(16)의 온도로 연소하고, 도 12에 도시하는 바와 같이, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에서, 전단 산화 촉매(50)를 250℃ 이상의 활성 온도까지 승온한다.
다음에, 하사점의 전방(도 12 중, t2의 시점)에서 연료를 Late Post 분사한다. Late Post 분사된 미연 HC 성분은, 전단 산화 촉매(50)의 촉매 작용으로 산화하고, 그때 발생하는 반응열에 의해 배기 가스 e의 온도를 600℃ 이상으로 승온한다.
배기 가스 e를 600℃ 이상으로 함으로써, DPF 필터 장치(52)의 포집된 PM이 연소되어, DPF 필터 장치(52)로부터 제거된다.
Early Post 분사를 행해도 전단 산화 촉매(50)가 활성 온도 이상으로 되지 않을 때에는, 스로틀 밸브(44)에 의한 흡기관(18)의 스로틀 및 Early Post 분사 조건의 변화에 의해, 전단 산화 촉매(50)를 승온시키도록 한다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 전단 산화 촉매(50)가 활성 온도 이상으로 되어도, 스로틀 밸브(44)에 의한 스로틀 및 Early Post 분사 조건의 변화를 계속해서 행한다.
도 2에 있어서, 오일 통로(72)에 오일 순환 펌프(74)가 설치되고, 오일 순환 펌프(74)에 의해 오일 팬(70)으로부터 윤활유를 퍼 올린다. 오일 순환 펌프(74)의 하류측에, 오일 통로(72)의 스로틀 개방도를 조절 가능한 가변 스로틀 기구(77)가 설치되고, 가변 스로틀 기구(77)의 하류측에, 오일 통로(72)를 흐르는 윤활유의 유압을 검출하는 유압 센서(78)가 설치되어 있다. 가변 스로틀 기구(77)와 유압 센서(78)에 의해 부하 증대 수단(76)을 구성하고 있다.
오일 통로(72)를 흐르는 윤활유는, 오일 필터(80), 오일 쿨러(82) 및 배기 터보 과급기(34)를 거쳐, 오일 팬(70)으로 복귀된다. 윤활유의 일부는, 오일 분기로(84)로부터, 디젤 기관(10)의 실린더 헤드, 밸브 구동 기구, 캠, 피스톤, 크랭크축, 기어 등의 미끄럼 이동부를 지나, 오일 팬(70)으로 복귀된다. 또한, 배기 터보 과급기(34)를 통과한 윤활유의 일부는, 브리더(86)를 지나, 디젤 기관(10)의 실린더 헤드 등에 도달한다. 또한, 가변 스로틀 기구(76)의 하류측에는 안전 밸브(88)가 설치되고, 오일 쿨러(82)의 하류측에는, 릴리프 밸브(90)가 설치되어 있다. 또한, 오일 팬(70)에 저류된 윤활유의 유온을 검출하는 유온 센서(92)가 설치되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 본 실시 형태에서는, 전단 산화 촉매 승온 스테이지의 개시 시점 t1에 맞추어, 도 3에 도시하는 바와 같이, 가변 스로틀 기구(77)에 의해 오일 통로(72)의 개방도가 A％로 되도록 교축한다. 동시에, 유압 센서(78)에 의해 검출되는 유압이, 오일 통로(72)의 개방도 100％시에 검출되는 유압 레벨 S1로 되도록, 오일 순환 펌프(74)의 동력을 증대시킨다.
이에 의해, 디젤 기관(10)의 부하가 증대되므로, 인젝터(26)에 공급되는 연료 분사량이 증대된다.
그로 인해, 연소실(16)로부터 배기관(20)에 배출되는 배기 가스 e의 온도가, 화살표로 나타내는 바와 같이 상승한다. 따라서, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서의 전단 산화 촉매(50)의 승온 구배 패턴 X1은, 오일 통로(72)의 개방도가 100％인 경우의 승온 구배 패턴 Y1에 비해, 승온 구배가 증대된다.
또한, DPF 필터 장치(52)를 통과하는 배기 가스 e의 승온 구배 패턴에서도, 오일 통로(72)를 교축한 경우의 승온 구배 패턴 X2가 개방도 100％인 경우의 승온 구배 패턴 Y2에 비해, 승온 구배가 증대된다.
이와 같이, 디젤 기관(10)의 부하를 증대시키고, 배기 가스 e의 온도 상승 구배를 증대시킴으로써, 전단 산화 촉매(50)가 빠른 시기에 활성 온도에 도달하기 위해, Early Post 분사에 의해 분사된 연료가 빠른 단계로 산화 연소된다. 그로 인해, 머플러로 방출되는 미연 HC 성분을 대폭으로 저감할 수 있다(Y3→X3).
또한, 디젤 기관(10)의 통상 운전시에는, 가변 스로틀 기구(77)에서의 스로틀을 행하지 않으므로, 보조 동력을 저감한 저연비 운전이 가능하게 된다.
상기 제1 실시 형태에 있어서의 강제 재생 공정은, ECU(32)에 의해 자동적으로 행해진 것이다. 이에 대해, 강제 재생 공정이 디젤 기관(10)이 아이들링 상태 등의 저부하 운전 상태일 때에, 오퍼레이터의 매뉴얼 조작으로 행해지는 경우라도, 본 발명 방법을 채용함으로써, 미연 HC 성분의 방출을 효과적으로 저감할 수 있다.
(제2 실시 형태)
다음에, 본 발명 방법 및 장치의 제2 실시 형태를 도 4에 의해 설명한다. 본 실시 형태는, 제1 실시 형태와 장치 구성은 동일하다. 본 실시 형태는, 윤활유의 유온을 고려하고, 이에 따라서 설정 유압 레벨을 S1보다 증대시키고, 이에 의해, 디젤 기관(10)의 부하를 증대시키도록 한 것이다.
디젤 기관(10)이 저온 환경에 있을 때, 윤활유의 점도가 높아진다. 그로 인해, 유압 센서(78)에 의해 검출하는 유압을 S1보다 높게 하지 않으면, 디젤 기관(10)의 부하를 증대시킬 수 없다. 그로 인해, 유온 센서(92)에 의해 윤활유의 온도를 검출하고, 이 검출값을 ECU(32)에 입력한다. ECU(32)에 의해 윤활유의 유온이 낮다고 판정한 경우에는, 유압 센서(78)에 의해 검출하는 유압 레벨을 통상의 설정 유압 레벨 S1보다 높은 S2로 설정한다. 그리고, 이 유압 레벨 S2로 되도록, 디젤 기관(10)의 부하를 증대시킨다. 또한, 고온 환경의 경우는, 반대로, 설정 유압 레벨을 S1보다 낮은 유압 레벨을 설정한다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 윤활유의 유온에 따라서 설정 유압 레벨을 변경하도록 하였으므로, 디젤 기관(10)의 부하 증대량을 적정하게 설정할 수 있다. 이에 의해, 배기 가스 e의 온도 상승 구배가 증대되고, 전단 산화 촉매(50)가 빠른 시기에 활성 온도에 도달하므로, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서의 미연 HC 성분의 방출량을 억제할 수 있다.
(제3 실시 형태)
다음에, 본 발명 방법 및 장치의 제3 실시 형태를 도 5에 의해 설명한다. 본 실시 형태에서는, 디젤 기관(10)이 저온 환경에 있을 때, 유온 센서(92)에 의해 윤활유 온도를 검출하고, 이 검출값이 낮으면, 가변 스로틀 기구(76)의 스로틀 개방도를 A％보다 더 작은 B％로 설정한다. 이 스로틀 개방도를 기초로, 유압 센서(78)에 의해 검출되는 유압이 설정 유압 레벨 S1로 되도록, 디젤 기관(10)의 부하를 증대시키도록 한다. 이에 의해, 디젤 기관(10)의 부하를 적정하게 증대시킬 수 있다.
또한, 고온 환경시에는, 반대로, 가변 스로틀 기구(76)의 스로틀 개방도를 A％보다 큰 스로틀 개방도로 함으로써, 디젤 기관(10)의 부하를 적정하게 할 수 있다.
본 실시 형태에 따르면, 윤활유의 유온에 따라서 가변 스로틀 기구(76)의 스로틀 개방도를 변경하도록 하였으므로, 상기 제2 실시 형태와 마찬가지로, 디젤 기관(10)의 부하 증대량을 적정하게 설정할 수 있다. 그로 인해, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서의 미연 HC 성분의 방출량을 억제할 수 있다.
(제4 실시 형태)
다음에, 본 발명 방법 및 장치의 제4 실시 형태를 도 6에 의해 설명한다. 전단 산화 촉매(50)는 경년 열화에 의해 산화 기능이 저하되므로, 배기 가스 e를 승온시키는 기능이 저하된다. 그로 인해, 전단 산화 촉매(50)의 경년 열화를 고려하여, 디젤 기관(10)의 부하를 증대시킬 필요가 있다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 배온 센서(54)에 의해 그 운전 상태에 있어서의 전단 산화 촉매(50)의 입구 배기 가스 온도를 검출한다. 다음에, ECU(32)의 SV 산출 수단(320)에서, 상기 DOC 입구 배기 가스 온도, 온도 흡기 유량계(68)에 의해 검출한 흡기 유량, Late Post 분사량을 포함한 연료 분사량 및 배압 센서(59)에 의해 검출한 전단 산화 촉매(50)의 입구 배기 가스 압력으로부터, 배기관(20)을 흐르는 배기 가스 e의 공간 속도 SV[SV=배기 가스의 유량(㎥/h)/전단 산화 촉매 충전 체적(㎥)]를 구한다.
다음에, DOC 출구 배기 가스 온도 추정 수단(322)에서, SV 산출 수단(320)에서 구한 SV값과, 전단 산화 촉매(50)의 반응 속도로부터, 전단 산화 촉매(50)의 출구 배기 가스 온도를 추정한다. 전술한 바와 같이, SV값과 전단 산화 촉매(50)의 열화 전의 반응 속도로부터, 전단 산화 촉매(50)의 하류측 배기 가스 온도를 추정할 수 있고, 이 추정 온도와 실측 온도를 비교함으로써, 전단 산화 촉매(50)의 경년 열화도를 판정할 수 있다.
DOC 출구 배기 가스 온도 추정 수단(322)에서 추정한 추정 온도를, 배온 센서(56)에 의해 검출한 전단 산화 촉매(50)의 출구 배기 가스 온도의 실측값과 도시 생략된 비교기로 비교한다. 추정 온도가 실측 온도보다 크면, 전단 산화 촉매(50)가 경년 열화되어 있는 것을 알 수 있고, 이들의 차에 의해 경년 열화도를 판정할 수 있다. 전단 산화 촉매(50)가 열화되어 있는 것을 알았을 때, ECU(32)에 의해, 유압 센서(78)에 의해 검출되는 유압 레벨의 설정값을 높게 하거나, 혹은 가변 스로틀 기구(77)에 의한 오일 통로(72)의 스로틀 개방도를 저하시킨다.
이에 의해, 오일 순환 펌프(74)의 동력이 증대되고, 디젤 기관(10)의 부하가 증대되므로, 인젝터(26)에 공급되는 연료 분사량이 증대된다. 그로 인해, 연소실(16)로부터 배기관(20)에 배출되는 배기 가스 e의 온도가 상승되고, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서, 전단 산화 촉매(50)가 빠른 시기에 활성 온도에 도달한다. 또한, 추정 온도와 실측 온도가 동등하면, 전단 산화 촉매(50)의 경년 열화가 없다고 판정하고, 유압 레벨의 설정값 또는 오일 통로(72)의 스로틀 개방도를 변경하지 않는다.
따라서, 전단 산화 촉매(50)가 열화되어 있을 때라도, 머플러로 방출되는 미연 HC 성분을 억제할 수 있다.
본 실시 형태에 따르면, 전단 산화 촉매(50)의 경년 열화도에 따라서, 디젤 기관(10)의 부하 증대량을 조정함으로써, 전단 산화 촉매(50)의 입구 배기 가스 온도를 상기 경년 열화도에 상응한 온도로 할 수 있다. 그로 인해, 전단 산화 촉매(50)가 경년 열화된 경우라도, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서의 미연 HC 성분의 방출량을 억제할 수 있다.
(제5 실시 형태)
다음에, 본 발명 방법 및 장치의 제5 실시 형태를 도 7 내지 도 9에 의해 설명한다. 전술한 바와 같이, 포스트 분사 등에 의해 오일 희석이 진행된 경우나, 윤활유의 열 열화가 진행된 경우, 윤활유의 점도가 저하된다. 그로 인해, 유압 센서(78)에 의해 검출하는 유압 레벨이 저하된다. 따라서, 상기 유압 레벨을 증대시키려고 하여, 디젤 기관(10)의 부하를 불필요하게 증대시키게 될 우려가 있다. 본 실시 형태는, 이 문제를 해소하기 위해, 윤활유의 열화도를 판정하고, 윤활유의 열화도에 따라서, 설정 유압 레벨 또는 가변 스로틀 기구(76)의 스로틀 개방도를 조정하도록 한 것이다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 디젤 기관 주위의 기압, 기온, 디젤 기관(10)의 회전수, 부하(액셀러레이터 개방도) 및 운전 시간 및 DPF 필터 장치(52)의 재생 공정 적산 시간으로부터, 윤활유의 열화도를 판정한다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 윤활유의 점도 저하는 디젤 기관(10)의 운전 시간과 상관을 이루고 있다. 또한, 도 9에 도시하는 바와 같이, 윤활유의 희석에 의한 점도 저하는, DPF 필터 장치(52)의 재생 공정 적산 시간과 상관하고 있다. 따라서, 상기 파라미터에 의해 윤활유의 열화도를 판정할 수 있다.
판정한 열화도로부터, 윤활유가 열화되어 있지 않을 때에는, 설정 유압 레벨 또는 가변 스로틀 기구(76)의 스로틀 개방도를 조정하지 않는다. 윤활유가 열화되어 있을 때에는, 열화도에 따라서 설정 유압 레벨을 저하시키거나, 혹은 가변 스로틀 기구(76)의 스로틀 개방도를 증대시킨다.
이에 의해, 디젤 기관(10)의 부하를 과도하게 증대시키는 일이 없어지므로, 전단 산화 촉매(50)의 입구 배기 가스 온도를 적정하게 보유 지지할 수 있어, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서의 미연 HC 성분의 방출을 억제할 수 있다. 또한, 디젤 기관(10)의 에너지 절약 운전이 가능하게 된다.
(제6 실시 형태)
다음에, 본 발명 방법 및 장치의 제6 실시 형태를 도 10에 의해 설명한다. 윤활유는 정기적으로 교환됨으로써, 그 열화도는 리셋되어, 열화되지 않는 신선한 윤활유로 된다. 본 실시 형태는, 제5 실시 형태에서 사용된 파라미터에, 또한 윤활유의 교환 시기를 추가하도록 한 것이다. 즉, 윤활유의 교환 시기를 검출하는 센서를 설치하고, 윤활유의 열화도 판정시에, 윤활유의 교환 시기를 고려하도록 하고 있다.
상기 센서는, 예를 들어, 도 2에 도시되는 오일 팬(70)의 덮개 개폐를 검출하는 센서이어도 된다. 상기 센서에 의해 윤활유의 교환시에 행해지는 덮개의 개폐를 검출함으로써, 윤활유의 교환 시기를 검출한다.
본 실시 형태에 따르면, 상기 제5 실시 형태에서 얻어지는 작용 효과에 더하여, 윤활유의 교환 시기를 고려함으로써, 윤활유의 열화도를 보다 정확하게 판정할 수 있다. 그로 인해, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서 배기 가스 온도를 적절하게 승온할 수 있어, 미연 HC 성분의 방출을 억제할 수 있다.
본 발명에 따르면, 내연 기관, 특히 디젤 기관에 있어서, 전단 산화 촉매 승온 스테이지에 있어서의 미연 HC 성분의 방출을 저감하여, 가일층의 배기 가스의 정화를 가능하게 하여, 환경 오염을 해소할 수 있다.

Claims (10)

  1. 내연 기관으로부터 배출된 배기 가스 중의 입자상 물질을 필터로 포집하는 포집 공정과, 연료를 포스트 분사하고, 전단 산화 촉매로 배기 가스를 입자상 물질의 연소 온도까지 승온시키고, 승온한 배기 가스로 상기 필터에 포집된 입자상 물질을 연소 제거하는 강제 재생 공정으로 이루어지는 내연 기관의 배기 가스 처리 방법에 있어서,
    상기 강제 재생 공정의 개시시까지, 보조 동력을 증대시켜 내연 기관의 부하를 증대시키는 부하 증대 스텝과,
    증대한 부하에 의해 강제 재생 공정에 있어서의 배기 가스의 승온 구배를 증대시키고, 상기 전단 산화 촉매가 활성 온도에 도달할 때까지 방출되는 미연 탄화수소량을 저감하는 배기 가스 승온 스텝으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 배기 가스 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부하 증대 스텝이, 내연 기관의 윤활유 통로에 스로틀을 설치하여 윤활유의 유동 저항을 증대시키고, 이에 의해, 윤활유 순환 펌프의 동력을 증대시키는 것인 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 배기 가스 처리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 강제 재생 공정이, 내연 기관이 아이들링 상태를 포함하는 저부하 운전 상태일 때에, 매뉴얼 조작으로 행해지는 것인 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 배기 가스 처리 방법.
  4. 내연 기관의 배기 가스 통로에 전단 산화 촉매 및 필터를 구비하고, 배기 가스 중의 입자상 물질을 상기 필터로 포집하는 동시에, 연료를 포스트 분사하고, 상기 전단 산화 촉매로 배기 가스를 입자상 물질의 연소 온도까지 승온시키고, 승온한 배기 가스로 상기 필터에 포집된 입자상 물질을 연소 제거하는 내연 기관의 배기 가스 처리 장치에 있어서,
    보조 동력을 증대시켜 내연 기관의 부하를 증대시키는 부하 증대 수단과, 상기 부하 증대 수단을 제어하는 컨트롤러를 구비하고,
    상기 컨트롤러에 의해 상기 부하 증대 수단을 제어하여, 상기 포스트 분사의 개시시까지 보조 동력을 증대시킴으로써, 내연 기관의 부하를 증대시키도록 구성한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 배기 가스 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 부하 증대 수단이, 내연 기관의 윤활유 통로에 설치된 가변 스로틀 기구와, 상기 가변 스로틀 기구의 하류측 윤활유 통로에 설치된 유압 센서를 구비하고,
    상기 컨트롤러가, 상기 가변 스로틀 기구로 윤활유 통로의 개방도를 교축하여 윤활유의 유동 저항을 증대시키면서, 상기 유압 센서에 의해 검출하는 유압 레벨을 설정값 이상으로 유지하도록 윤활유 순환 펌프의 동력을 증대시키는 것인 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 배기 가스 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유압 레벨의 설정값을 윤활유 통로의 개방도를 교축하지 않을 때의 유압 레벨로 유지하도록 한 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 배기 가스 처리 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 윤활유 통로의 윤활유의 유온을 검출하는 유온 센서를 구비하고, 상기 컨트롤러가, 상기 유온 센서의 검출값에 따라서 상기 유압 레벨의 설정값을 바꾸거나, 또는 상기 유온 센서의 검출값에 따라서 상기 가변 스로틀 기구의 스로틀 개방도를 조정하는 것인 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 배기 가스 처리 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 컨트롤러가, 전단 산화 촉매를 통과하는 배기 가스의 공간 속도를 구하고, 상기 공간 속도와 전단 산화 촉매의 반응 속도로부터 전단 산화 촉매의 출구 배기 가스 온도를 추정하고, 이 추정값과 상기 출구 배기 가스 온도를 비교하여 전단 산화 촉매의 열화도를 판정하는 것인 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 배기 가스 처리 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 컨트롤러가, 기온, 기압, 내연 기관의 회전수, 부하 및 운전 시간 및 상기 필터에 포집된 입자상 물질의 연소 제거에 필요로 한 적산 시간으로부터 윤활유의 열화도를 판정하고, 판정된 윤활유의 열화도에 따라서 윤활유 순환 펌프의 동력을 증대시키는 것인 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 배기 가스 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    윤활유의 교환 시기를 검출하는 센서를 더 설치하고, 상기 컨트롤러가, 상기 센서에 의해 윤활유의 교환 시기를 검출하였을 때 윤활유의 열화도를 리셋하는 것인 것을 특징으로 하는, 내연 기관의 배기 가스 처리 장치.
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