KR20130133020A - 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내연 기관의 배기 통로에 있어서의 파티큘레이트 필터(필터)보다 하류 측에 요소 첨가부 및 선택 환원형 NOx 촉매(NOx 촉매)를 설치한 구성에 있어서, 필터보다 더욱 하류 측에 PM 센서를 설치하는 경우에, PM 센서의 열화 및 PM량의 검출 정밀도의 저하를 억제하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에서는, 내연 기관(1)의 배기 통로(2)에 있어서, 필터(3)보다 하류 측에 제 1 NOx 촉매(4)와 제 2 NOx 촉매(5)를 배기의 흐름을 따라 상류 측으로부터 차례로 설치한다. 그리고, 필터(3)와 제 1 NOx 촉매(4)의 사이에 요소 첨가부(6)를 설치하고, 제 1 NOx 촉매(4)와 제 2 NOx 촉매(5)의 사이에 PM 센서(7)를 설치한다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치{EXHAUST PURIFICATION APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
내연 기관의 배기 통로에, 배기 정화 장치로서, 파티큘레이트 필터(particulate filter)(이하, 단지 필터라고 칭하는 경우도 있다)나 선택 환원형 NOx 촉매(이하, 단지 NOx 촉매라고 칭하는 경우도 있다) 등을 설치하는 기술이 알려져 있다. 필터는, 내연 기관에서의 연료의 연소에 의하여 생성된 배기 중의 입자 형상 물질(Particulate Matter:이하, PM이라고 칭하는 경우도 있다)을 포집한다. NOx 촉매는, 암모니아를 환원제로서 배기 중의 NOx를 환원한다.
특허문헌 1에는, 내연 기관의 배기 통로에 필터를 설치하고, 또한, 필터보다 하류 측의 배기 통로에 PM 센서를 설치하는 기술이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 1에는, 필터와 PM 센서의 사이의 배기 통로에 NOx 촉매를 설치하는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 2에는, 배기의 경로에 있어서, 산화 촉매보다 하류 측에 제 1 NOx 촉매(제 1 SCR 촉매)를 설치하고, 제 1 NOx 촉매보다 하류 측에 당해 제 1 NOx 촉매보다 많은 암모니아를 흡착 가능한 제 2 NOx 촉매(제 2 SCR 촉매)를 설치하고, 또한, 제 2 NOx 촉매보다 상류 측에 요소수(尿素水) 공급 수단을 설치하는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 3에는, 배기 통로에 있어서, 제 1 촉매 컨버터보다 하류 측에 당해 제 1 촉매 컨버터보다 용량이 큰 제 2 촉매 컨버터를 설치함과 함께, 제 1 촉매 컨버터와 제 2 촉매 컨버터의 사이에 O2 센서를 설치하는 기술이 개시되어 있다.
일본 공개특허 특개2010-229957호 공보 일본 공개특허 특개2011-052612호 공보 일본 공개특허 특개평08-296430호 공보
배기 통로에 NOx 촉매를 설치한 경우, 환원제인 암모니아를 당해 NOx 촉매에 공급할 필요가 있다. 그 때문에, NOx 촉매보다 상류 측의 배기 중에 요소를 첨가하는 요소 첨가부가 설치된다. 요소 첨가부로부터 첨가된 요소가 가수분해함으로써 생긴 암모니아가 NOx 촉매에 공급된다.
또, 배기 통로에 필터를 설치한 경우, 당해 필터를 통과한 PM량을 검출하기 위해, 당해 필터보다 하류 측에 PM 센서를 설치하는 경우가 있다. PM 센서는, 배기 중의 PM량을 검출하는 센서이다.
여기서, 배기 통로에 있어서의 필터보다 하류 측에 요소 첨가부 및 NOx 촉매를 설치한 구성에 있어서, 필터보다 더욱 하류 측에 PM 센서를 설치하는 경우, 요소 첨가부보다 하류 측에 PM 센서가 배치되면, 요소 첨가 밸브로부터 첨가된 요소에 의해서 PM 센서가 침수될 가능성이 있다. 요소에 의해서 PM 센서가 침수되면, PM 센서의 열화가 촉진될 우려가 있다.
또한, PM 센서에 부착된 요소가 배기에 의해서 가열되면, 뷰렛이나 시아누르산 등의 암모니아 유래 화합물이 생성되는 경우가 있다. 당해 암모니아 유래 화합물이 생성되면, PM 센서가 당해 암모니아 유래 화합물을 PM으로서 검지할 가능성이 있다. PM 센서가 당해 암모니아 유래 화합물을 PM으로서 검지하면, PM 센서에 의해서 본래 검출해야 할, 연료 성분에 의해서 형성된 PM량의 검출 정밀도가 저하될 우려가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 내연 기관의 배기 통로에 있어서의 필터보다 하류 측에 요소 첨가부 및 NOx 촉매를 설치한 구성에 있어서, 필터보다 더욱 하류 측에 PM 센서를 설치하는 경우에, PM 센서의 열화 및 PM량의 검출 정밀도의 저하를 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 내연 기관의 배기 통로에 있어서, 필터보다 하류 측에 제 1 NOx 촉매와 제 2 NOx 촉매를 배기의 흐름을 따라 상류 측으로부터 차례로 설치한다. 그리고, 필터와 제 1 NOx 촉매의 사이에 요소 첨가부를 설치하고, 제 1 NOx 촉매와 제 2 NOx 촉매의 사이에 PM 센서를 설치한다.
더욱 상세하게는, 본 발명에 관련된 내연 기관의 배기 정화 장치는,
내연 기관의 배기 통로에 설치된 파티큘레이트 필터와,
상기 파티큘레이트 필터보다 하류 측의 배기 통로에 설치된 제 1 선택 환원형 NOx 촉매와,
상기 제 1 선택 환원형 NOx 촉매보다 하류 측의 배기 통로에 설치된 제 2 선택 환원형 NOx 촉매와,
상기 파티큘레이트 필터와 상기 제 1 선택 환원형 NOx 촉매의 사이의 배기 통로에 설치되고, 배기 중에 요소를 첨가하는 요소 첨가부와,
상기 제 1 선택 환원형 NOx 촉매와 상기 제 2 선택 환원형 NOx 촉매의 사이의 배기 통로에 설치되고, 배기 중의 입자 형상 물질량을 검출하는 PM 센서
를 구비한다.
여기서, PM 센서는, 배기 중의 PM량(유량)에 대응하는 신호를 출력하는 것이더라도 되고, 또, 자신에게 퇴적한 PM량에 대응하는 신호를 출력하는 것이더라도 된다.
본 발명에 의하면, 요소 첨가부와 PM 센서의 사이에 제 1 NOx 촉매가 배치됨으로써, 요소에 의해서 PM 센서가 침수되기 어려워진다. 그 때문에, PM 센서의 열화를 억제할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, PM 센서가 제 2 NOx 촉매보다 상류 측에 배치됨으로써, 당해 PM 센서가 제 2 NOx 촉매보다 하류 측에 배치된 경우에 비해, 필터에 있어서 PM이 산화되었을 때에 PM 센서가 승온하기 쉬워진다. 그 결과, PM 센서에 퇴적한 암모니아 유래 화합물이 제거되기 쉬워진다. 따라서, PM 센서의 PM량의 검출 정밀도의 저하를 억제할 수 있다.
또한, PM 센서가 제 2 NOx 촉매보다 하류 측에 배치된 경우에 비해, 배기에 의해서 PM 센서가 승온하기 쉬워진다. 그 때문에, 저온 시동 시 등과 같은 PM 센서의 온도가 그 활성 온도보다 낮을 때에, 당해 PM 센서를 더욱 조기에 활성화시킬 수 있다.
또, 본 발명에 있어서는, 제 1 NOx 촉매의 열용량을 제 2 NOx 촉매의 열용량보다 작게 해도 된다. 이것에 의하면, PM 센서가 더욱 승온하기 쉬워진다.
본 발명에 의하면, 배기 통로에 있어서의 필터보다 하류 측에 요소 첨가부 및 NOx 촉매를 설치한 구성에 있어서, 필터보다 더욱 하류 측에 PM 센서를 설치하는 경우에, PM 센서의 열화 및 PM량의 검출 정밀도의 저하를 억제할 수 있다.
도 1은 실시예에 관련된 내연 기관의 배기계(系)의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 실시예에 관련된 PM 센서의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 PM 센서에 있어서의 PM 퇴적량, PM 센서의 전극 사이의 전기 저항 및 PM 센서의 출력값의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에, 본 발명의 구체적인 실시형태에 대해 도면에 의거하여 설명한다. 본 실시예에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은, 특별히 기재가 없는 한은 발명의 기술적 범위를 그들만으로 한정하는 취지의 것이 아니다.
<실시예>
여기서는, 본 발명에 관련된 내연 기관의 배기 정화 장치를, 차량 구동용의 디젤 엔진에 적용한 경우에 대해 설명한다. 다만, 본 발명에 관련된 내연 기관은, 디젤 엔진에 한정되는 것이 아니고, 가솔린 엔진 등이더라도 된다.
[배기계의 개략 구성]
도 1은, 본 실시예에 관련된 내연 기관의 배기계의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 내연 기관(1)은 차량 구동용의 디젤 엔진이다. 내연 기관(1)에는 배기 통로(2)가 접속되어 있다. 또한, 도 1에 있어서의 화살표는, 배기의 흐름 방향을 나타내고 있다.
배기 통로(2)에는 필터(3)가 설치되어 있다. 필터(3)는, 내연 기관(1)에서의 연료의 연소에 의해서 생성된 배기 중의 PM을 포집한다. 또한, 필터(3)에는 산화 촉매, 흡장 환원형 NOx 촉매, 또는 선택 환원형 NOx 촉매 등의 촉매가 담지되어 있어도 된다. 필터(3)에 의해서 PM이 포집됨으로써, 당해 필터(3)에 서서히 PM이 퇴적된다. 배기 온도의 상승 등에 수반하여 필터(3)의 온도가, PM의 산화가 가능한 온도까지 상승했을 때에는, 당해 필터(3)에 뷰렛이나 PM이 산화된다. 또, 필터(3)의 온도를 강제적으로 상승시키는, 소위 필터 재생 처리를 실행함으로써, 당해 필터(3)에 퇴적한 PM을 산화시켜서 제거할 수도 있다.
필터(3)보다 하류 측의 배기 통로(2)에는 제 1 선택 환원형 NOx 촉매(제 1 NOx 촉매)(4)가 설치되어 있다. 제 1 NOx 촉매(4)보다 하류 측의 배기 통로(2)에는 제 2 선택 환원형 NOx 촉매(제 2 NOx 촉매)(5)가 설치되어 있다. 제 1 NOx 촉매(4)의 열용량은, 제 2 NOx 촉매(5)의 열용량에 비해 작다.
필터(3)와 제 1 NOx 촉매(4)의 사이의 배기 통로(2)에는 요소 첨가 밸브(6)가 설치되어 있다. 요소 첨가 밸브(6)는 배기 중에 요소 수용액을 첨가한다. 요소 첨가 밸브(6)에는, 요소 수용액이 저류(貯留)되어 있는 요소 탱크(도시 생략)가 접속되어 있다. 요소 탱크로부터 요소 첨가 밸브(6)에 요소 수용액이 공급된다. 또, 요소 첨가 밸브(6)는, 내연 기관(1)을 제어하기 위한 ECU(도시 생략)에 전기적으로 접속되어 있고, 당해 ECU에 의해서 제어된다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 요소 첨가 밸브(6)가, 본 발명에 관련된 요소 첨가부에 상당한다.
요소 첨가 밸브(6)로부터 배기 중에 요소 수용액이 첨가됨으로써, 제 1 및 제 2 NOx 촉매(4, 5)에 요소가 공급된다. 제 1 또는 제 2 NOx 촉매(4, 5)에 공급된 요소는 각 NOx 촉매(4, 5)에 일단 흡착한다. 그리고, 흡착한 요소가 가수분해함으로써 암모니아가 생긴다. 당해 암모니아가 환원제가 되어 배기 중의 NOx가 환원된다.
그리고, 본 실시예에서는, 제 1 NOx 촉매(4)와 제 2 NOx 촉매(5)의 사이의 배기 통로(2)에, 배기 중의 PM량을 검출하는 PM 센서(7)가 설치되어 있다. 당해 PM 센서(7)는, 자신에게 퇴적한 PM량에 대응하는 전기 신호를 출력하는 센서이다.
여기서, PM 센서(7)의 상세에 대해, 도 2 및 3에 의거하여 설명한다. 도 2는, PM 센서(7)의 센서 소자의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 도 3은, PM 센서(7)에 있어서의 PM 퇴적량과, PM 센서(7)의 전극(7a, 7b) 사이의 전기 저항 및 PM 센서(7)의 출력값과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3에 있어서, 횡축은 PM 센서(7)에 있어서의 PM 퇴적량을 나타내고 있고, 하단 종축(縱軸)은 PM 센서(7)의 전극(7a, 7b) 사이의 전기 저항을 나타내고 있고, 상단 종축은 PM 센서(7)의 출력값을 나타내고 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, PM 센서(7)의 센서 소자는, 한 쌍의 빗살형 전극(7a, 7b)을 가지고 있다. PM 센서(7)에는, 배기 중의 PM이 부착되고, 당해 부착한 PM이 서서히 퇴적한다. PM 센서(7)에 있어서의 PM 퇴적량이 증가함에 따라서, 전극(7a, 7b) 사이에 존재하는 PM의 양이 증가한다.
그 때문에, 도 3에 나타내는 바와 같이, PM 센서(7)에 있어서의 PM 퇴적량이 많을수록, 전극(7a, 7b) 사이의 전기 저항이 낮아진다. 그리고, 전극(7a, 7b) 사이의 전기 저항이 저하될수록, PM 센서(7)의 출력값이 증가한다. 따라서, 당해 PM 센서(7)의 출력값은, PM 센서(7)에 있어서의 PM 퇴적량에 대응한 값이 된다.
또, PM 센서(7)는, 필터(3)보다 하류 측에 설치되어 있다. 그 때문에, PM 센서(7)에는, 필터(3)에 포집되지 않고, 당해 필터(3)를 통과한 PM이 포집된다. 따라서, 당해 PM 센서(7)에 있어서의 PM 퇴적량은, 필터(3)를 통과한 PM량의 적산 값에 대응한 량이 된다.
PM 센서(7)는 ECU에 전기적으로 접속되어 있고, PM 센서(7)의 출력 신호가 당해 ECU에 입력된다. ECU에서는, 당해 PM 센서(7)의 출력값에 의거하여, 필터(3)의 고장 진단이 행해진다. 파손이나 용해 손실 등의 필터(3)의 고장이 발생한 경우, 필터(3)가 정상인 상태의 경우보다 당해 필터(3)를 통과하는 PM량이 증가한다. 그래서, 소정 기간 중에 있어서의 PM 센서(7)의 출력값의 변화량이 소정의 문턱값을 넘은 경우, ECU는, 필터(3)의 고장이 발생했다고 판정한다.
또한, 전극(7a, 7b) 사이에 존재하는 PM의 양이 변화하면, 당해 전극(7a, 7b) 사이를 흐르는 전류 등의 전기 저항 이외의 전기적 특성값도 변화한다. 그 때문에, PM 센서(7)는, 전기 저항 이외의 전기적 특성값에 의거하여, 자신에게 퇴적한 PM량에 대응한 신호를 출력하는 것이더라도 된다. 또한, 본 발명에 관련된 PM 센서는, 자신에게 퇴적한 PM량에 대응하는 신호를 출력하는 것에 한정되는 것이 아니고, 배기 중의 PM량(유량)에 대응하는 신호를 출력하는 것이더라도 된다.
[본 실시예에 관련된 구성의 효과]
배기 통로에 있어서의 요소 첨가 밸브보다 하류 측에 PM 센서가 설치된 경우, 요소 첨가 밸브로부터 첨가된 요소 수용액에 의해서 PM 센서가 침수될 우려가 있다. 그러나, 본 실시예에 있어서는, 요소 첨가 밸브(6)와 PM 센서(7)의 사이에 제 1 NOx 촉매(4)가 배치되어 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 요소 수용액에 의해서 PM 센서(7)가 침수되기 어려워진다. 따라서, PM 센서(7)의 열화를 억제할 수 있다.
또, PM 센서(7)에 부착된 요소가 배기에 의해서 가열되면, 암모니아 유래 화합물(뷰렛이나 시아누르산 등)이 생성되는 경우가 있다. PM 센서(7)에 있어서, 이와 같은 암모니아 유래 화합물이 생성되면, PM 센서(7)가 당해 암모니아 유래 화합물을 PM으로서 검지할 가능성이 있다. 즉, PM 센서(7)에 있어서, 연료 성분에 의해서 형성된 PM에 더하여 암모니아 유래 화합물이 퇴적함으로써, 전극(7a, 7b) 사이의 전기 저항이 PM만이 퇴적된 경우보다 낮아지고, 그 결과, PM 센서(7)가, 당해 PM 센서(7)에 있어서의 PM 퇴적량보다 큰 값을 출력할 가능성이 있다. 이와 같이, PM 센서(7)가 암모니아 유래 화합물을 PM으로서 검지하면, PM 센서(7)에 의해서 본래 검출해야 할, 연료 성분에 의해서 형성된 PM량의 검출 정밀도가 저하될 우려가 있다.
여기서, 제 2 NOx 촉매(5)보다 하류 측의 배기 통로(2)에 PM 센서(7)를 설치한 경우이더라도, 요소 첨가 밸브(6)로부터 첨가된 요소 수용액에 의한 당해 PM 센서(7)의 침수를 억제할 수 있다. 그러나, 본 실시예와 같이, 제 2 NOx 촉매(5)보다 상류 측의 배기 통로(2)에 PM 센서(7)를 배치한 경우, 제 2 NOx 촉매(5)보다 하류 측의 배기 통로(2)에 PM 센서(7)를 배치한 경우에 비해, 필터(3)에 있어서 PM이 산화되었을 때에 발생한 열을 PM 센서(7)가 받기 쉬워진다. 그 때문에, PM 센서(7)가 승온하기 쉬워진다.
PM 센서(7)가 승온하면, 당해 PM 센서(7)에 퇴적한 암모니아 유래 화합물이 산화되어 제거된다. 즉, 제 2 NOx 촉매(5)보다 상류 측의 배기 통로(2)에 PM 센서(7)를 배치한 경우, 제 2 NOx 촉매(5)보다 하류 측의 배기 통로(2)에 PM 센서(7)를 배치한 경우에 비해, PM 센서(7)에 부착된 암모니아 유래 화합물이 제거되기 쉬워진다.
또한, 본 실시예에 있어서는, 제 1 NOx 촉매(4)의 열용량이 제 2 NOx 촉매(5)의 열용량보다 작다. 이것에 의해서, 필터(3)에 있어서 PM이 산화되었을 때에, PM 센서(7)가 더욱 승온하기 쉬워진다. 그 때문에, PM 센서(7)에 부착된 암모니아 유래 화합물의 제거가 더욱 촉진된다.
따라서, 본 실시예에 관련된 구성에 의하면, PM 센서(7)의 PM량의 검출 정밀도의 저하를 억제할 수 있다. 그 결과, 상술한 바와 같은 필터(3)의 고장 진단에 있어서 오(誤)진단이 생기는 것도 억제할 수 있다.
또, 제 2 NOx 촉매(5)보다 상류 측의 배기 통로(2)에 PM 센서(7)를 배치한 경우, 제 2 NOx 촉매(5)보다 하류 측의 배기 통로(2)에 PM 센서(7)를 배치한 경우에 비해, 배기에 의해서 PM 센서(7)가 승온하기 쉬워진다. 또한, 제 1 NOx 촉매(4)의 열용량이 제 2 NOx 촉매(5)의 열용량보다 작음으로써, 필터(3)에 있어서의 PM의 산화열에 의해서 PM 센서(7)가 승온되는 경우와 동일하게, 배기에 의한 PM 센서(7)의 승온도 더욱 촉진되기 쉬워진다. 따라서, 본 실시예에 관련된 구성에 의하면, 저온 시동 시 등과 같은 PM 센서(7)의 온도가 그 활성 온도보다 낮을 때에, 당해 PM 센서(7)를 더욱 조기에 활성화시킬 수 있다.
1: 내연 기관 2: 배기 통로
3: 파티큘레이트 필터 4: 제 1 선택 환원형 NOx 촉매
5: 제 2 선택 환원형 NOx 촉매 6: 요소 첨가 밸브
7: PM 센서

Claims (2)

  1. 내연 기관의 배기 통로에 설치된 파티큘레이트 필터와,
    상기 파티큘레이트 필터보다 하류 측의 배기 통로에 설치된 제 1 선택 환원형 NOx 촉매와,
    상기 제 1 선택 환원형 NOx 촉매보다 하류 측의 배기 통로에 설치된 제 2 선택 환원형 NOx 촉매와,
    상기 파티큘레이트 필터와 상기 제 1 선택 환원형 NOx 촉매의 사이의 배기 통로에 설치되고, 배기 중에 요소를 첨가하는 요소 첨가부와,
    상기 제 1 선택 환원형 NOx 촉매와 상기 제 2 선택 환원형 NOx 촉매의 사이의 배기 통로에 설치되고, 배기 중의 입자 형상 물질량을 검출하는 PM 센서
    를 구비하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 선택 환원형 NOx 촉매의 열용량이 상기 제 2 선택 환원형 NOx 촉매의 열용량보다 작은 내연 기관의 배기 정화 장치.
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