KR20170022911A - 내연 기관의 배기 정화 장치 및 배기 정화 방법 - Google Patents

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Abstract

촉매 장치(30)의 유황 흡장량이 규정의 개시 판정값 이상일 때에, 재생 제어를 개시한다. 이 재생 제어를, 연료 분사 밸브(19)에 의한 포스트 분사의 실행을 통하여 승온 처리를 행하면서, 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복하는 제 1 제어 모드에서의 제어와, 촉매 장치(30) 내에서 환원성 중간체를 생성 가능한 제 1 규정 범위 내의 진폭 및 제 2 규정 범위 내의 주기로 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 진동시키도록 연료 첨가 밸브(29)에 의한 배기로의 미연 연료 첨가를 행함으로써 승온 처리를 행하면서, 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복하는 제 2 제어 모드에서의 제어를 통하여 행함과 함께, 재생 제어의 도중에 제 1 제어 모드에서의 제어로부터 제 2 제어 모드에서의 제어로 제어를 전환하도록 했다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치 및 배기 정화 방법{EMISSION CONTROL SYSTEM AND EMISSION CONTROL METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관의 배기 정화 장치 및 배기 정화 방법에 관한 것이다.
내연 기관의 배기 정화 장치로서, NOx 흡장 환원형의 촉매 장치를 구비하는 것이 있다. 이 종류의 촉매 장치는, 린 공연비로 연소된 기연(旣燃) 가스가 유입되었을 때에는 배기 중의 질소 산화물(NOx)을 흡장하고, 이론 공연비보다 진한 리치 공연비로 연소된 기연 가스가 유입되었을 때에는 흡장한 NOx를 방출한다. 또한, 이 종류의 촉매 장치는, NOx 방출 시에 탄화수소(HC)를 공급하면, 그 탄화수소를 환원제로서 방출한 NOx를 환원 정화한다. 따라서, NOx 흡장 환원형의 촉매 장치를 구비하는 배기 정화 장치에서는, 린 공연비하에서의 NOx의 흡장과, 리치 공연비하에서의 NOx의 방출 환원을 번갈아 반복함으로써, 외기(外氣)로의 NOx의 배출을 억제할 수 있다.
일본 특허 제4893876에는, NOx 흡장 환원형의 촉매 장치에 유입되는 배기 중의 HC의 농도를, 규정 범위 내의 진폭 및 규정 범위 내의 주기로 진동시키도록, 배기 중에 간헐적으로 연료를 첨가하는 연속 정화 첨가를 행함으로써, 린 공연비하에서의 NOx의 연속 정화를 가능하게 하는 내연 기관의 배기 정화 장치가 개시되어 있다.
NOx 흡장 환원형의 촉매 장치에는, NOx와 함께 배기 중의 유황도 흡장된다. 촉매 장치에 흡장된 유황은, 통상의 NOx 방출 시의 온도 조건으로는 방출할 수 없기 때문에, 상기 NOx의 흡장과 방출 환원의 반복에 의한 NOx 정화를 단지 계속하는 것만으로는, 촉매 장치에 흡장된 유황의 양(유황 흡장량)이 점차 증가해 버린다. 그리고, 흡장된 유황이 촉매 장치의 NOx 흡장 능력을 압박하여, NOx 정화 성능의 저하를 초래한다. 이 때문에, 이러한 촉매 장치를 구비하는 배기 정화 장치에서는, 유황 흡장량이 어느 정도까지 증가한 경우, 흡장된 유황을 방출하여 촉매 장치를 재생하는 재생 제어를 행한다. 재생 제어는, 포스트 분사 등에 의해 배기 중에 공급한 미연 연료를 촉매 장치 내에서 연소시킴으로써, 유황을 방출 가능한 온도까지 촉매 장치를 승온시키는 승온 처리와, 공연비를 리치화하여 유황을 방출시키는 방출 처리를 번갈아 행함으로써 실시된다.
또한, 유황을 방출 가능한 온도는, NOx를 흡장 가능한 온도 영역보다 높기 때문에, 재생 제어의 승온 처리 중에는, NOx를 흡장할 수 없게 된다. 한편, 상기 서술한 바와 같은 연료 첨가에 의한 린 공연비하에서의 NOx의 연속 정화는, 고온 영역에서도 행할 수 있기 때문에, 연속 정화 첨가를 통하여 승온 처리를 행하면, 승온 처리 중에도 NOx의 정화를 계속할 수 있다.
그런데, 린 공연비하에서의 NOx의 연속 정화를 행하기 위해서는, 연료 첨가를 어느 정도 긴 주기로 행할 필요가 있어, 첨가와 첨가의 사이의 기간에, 배기가 직접 분사되어 닿는 촉매 장치의 상류측 단부가 차가워져 버린다. 이 때문에, 연속 정화 첨가에 의한 승온 처리에서는, 촉매 장치의 상류측 단부가 승온 부족이 되어 불충분한 재생밖에 행할 수 없는 경우가 있다.
본 발명은, 재생 제어 중의 질소산화물의 배출을 억제하면서, 유황 피독에 의해 저하된 촉매 장치의 질소산화물의 정화 능력을 적합하게 회복하는 것이 가능한 내연 기관의 배기 정화 장치 및 배기 정화 방법을 제공한다.
제 1 제어 모드에서의 제어에서는, 연료 분사 밸브에 의한 포스트 분사를 실행함으로써, 승온 처리가 행해진다. 이 때에는, 내연 기관의 각 기통이 배기 행정을 맞이할 때마다 미연(未然) 연료 성분을 포함한 배기가 배기 통로에 배출되기 때문에, 비교적 짧은 주기로 촉매 장치에 미연 연료 성분이 유입되는 것이 되어, 배기가 직접 분산되어 닿는 촉매 장치의 상류측 단부도 승온시키기 쉬워진다. 다만, 유황의 방출에는, 질소산화물을 흡장 가능한 온도 영역보다 촉매 온도를 높게 할 필요가 있기 때문에, 제 1 제어 모드에서의 제어에서는, 승온 처리 중에 질소산화물(NOx)을 흡장할 수 없게 되어, 외기로의 NOx의 배출을 억제할 수 없게 된다. 또한, 제 1 제어 모드에서의 제어 중은, 촉매 장치의 상류측 단부로부터 방출된 유황이 배기에 의해 촉매 장치의 하류측의 부분으로 운반된다. 이 때문에, 유황 피독의 재생은, 촉매 장치의 전단(前端)측에서 개시되어, 시간의 경과와 함께 후단측으로 이동하도록 하여 진행한다.
이에 대하여, 제 2 제어 모드에서의 제어에서는, 촉매 장치에 유입되는 배기의 HC 농도를 규정 범위 내의 진폭 및 규정 범위 내의 주기로 진동시키도록 연료 첨가 밸브의 미연 연료 첨가를 실행함으로써, 배기 중의 NOx를 환원 가능한 상태를 유지한 채 승온 처리가 행해진다. 이 때의 NOx의 환원은, 고온 영역에서도 행할 수 있기 때문에, 승온 처리 중에도, 외기로의 NOx의 배출을 억제할 수 있다. 다만, NOx의 환원 가능한 상태를 유지하기 위해서는, 어느 정도의 간격을 두고 미연 연료를 첨가할 필요가 있어, 배기가 직접 분사되어 닿는 촉매 장치의 상류측 단부가, 첨가와 첨가의 사이의 기간에 차가워져 버려, 승온하기 어려워진다. 이 때문에, 제 2 제어 모드에서의 제어에서는, 촉매 장치의 상류측 단부의 유황 피독을 충분하게 재생할 수 없어, 재생 제어에 의한 촉매 장치의 NOx 정화 능력의 회복이 불충분해질 우려가 있다. 따라서, 제 2 제어 모드의 제어만으로 재생 제어를 행한 경우에는, 제 1 제어 모드의 제어만으로 재생 제어를 행한 경우에 비해, 재생 제어 중의 NOx 배출량은 적어지지만, 재생 제어 후의 NOx 배출량은 많아지는 경우가 있다.
그 점, 상기 내연 기관의 배기 정화 장치에서는, 재생 제어 중에, 제 1 제어 모드에서의 제어가 행해진 후, 제 2 제어 모드에서의 제어가 실시된다. 이러한 경우, 제 2 제어 모드의 제어에서는 재생하기 어려운 촉매 장치의 상류측 단부에 흡장된 유황을, 제 1 제어 모드의 제어로 방출한 후, 남겨진 촉매 장치의 하류측의 부분의 유황을 제 2 제어 모드의 제어로 방출함으로써, 촉매 장치 전체를 유황 피독으로부터 적합하게 회복된다. 게다가, 제 2 제어 모드에서의 제어 중은, NOx의 환원 정화가 가능하기 때문에, 제 1 제어 모드의 제어만으로 재생 제어를 행하는 경우보다 제어 중의 NOx 배출량을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 내연 기관의 배기 정화 장치에서는, 재생 제어 중의 NOx의 배출을 억제하면서, 유황 피독에 의해 저하된 촉매 장치의 NOx의 정화 능력을 적합하게 회복할 수 있다.
상기 서술한 바와 같이 제 2 제어 모드의 제어에서는, 촉매 장치의 상류측 단부의 유황 피독을 재생하기 어렵기 때문에, 제 2 제어 모드의 제어로의 전환은, 제 1 제어 모드의 제어에 있어서 촉매 장치의 상류측 단부의 피독 방출이 충분히 진행된 시점에서 행하는 것이 바람직하다. 한편, 재생의 진행 상황은, 재생 제어의 개시로부터의 유황 흡장량의 저하량으로부터 파악 가능하다.
본 발명의 예시적인 실시 형태의 특징, 이점, 및 기술적 그리고 산업적 중요성이 첨부 도면을 참조하여 하기에 기술될 것이며, 첨부 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
도 1은, 내연 기관의 배기 정화 장치의 일 실시 형태의 구성을 모식적으로 나타내는 약도이다.
도 2는, 상기 실시 형태의 배기 정화 장치에 설치된 촉매 장치의 기체(基體)에 있어서의 배기 유로의 표면 근방의 단면 구조를 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 3은, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 시의 연료 첨가 밸브에 의한 배기로의 미연 연료의 첨가 패턴과, 그 첨가에 의해 발생되는 배기 공연비의 변화를 나타내는 타임 차트이다.
도 4는, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 시의 NOx 정화율과 촉매 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 촉매 장치에 유입되는 배기의 HC 농도가 낮을 때의 촉매 담체의 표면 부분의 상태를 도해적으로 나타내는 약도이다.
도 6은, 촉매 장치에 있어서의 HC의 개질 작용을 도해적으로 나타내는 약도이다.
도 7은, 촉매 장치에 유입되는 배기의 HC 농도가 높을 때의 촉매 담체의 표면 부분의 상태를 도해적으로 나타내는 약도이다.
도 8은, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 시의 배기 공연비의 변화 패턴의 일례를 나타내는 타임 차트이다.
도 9는, 촉매 장치의 산화력과 요구 최소 공연비의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은, 요구 최소 공연비가 이론 공연비보다 린측의 값인 경우에 있어서의, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 시의 배기 공연비의 변화 패턴의 일례를 나타내는 타임 차트이다.
도 11은, 연료 첨가 밸브에 의한 미연 연료 첨가 전의 배기의 산소 농도와, 규정의 NOx 정화율이 얻어지는 HC 농도의 진동 진폭의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는, 베이스 공연비 최소 시 및 베이스 공연비 최대 시의 각각에 있어서의 HC 농도의 진동 진폭과 촉매 장치의 NOx 정화율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은, 촉매 장치에 유입되는 배기의 HC 농도의 진동 주기와 촉매 장치의 NOx 정화율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는, 촉매 장치에 유입되는 배기의 HC 농도의 진동 주기를 규정 범위보다 길게 했을 때의 촉매 담체의 표면 부분의 상태를 도해적으로 나타내는 약도이다.
도 15는, NOx가 질산염의 형태로 염기성층 내에 흡수된 상태에서 배기 공연비를 리치화했을 때의 촉매 담체의 표면 부분의 상태를 도해적으로 나타내는 약도이다.
도 16은, 제 2 NOx 정화 방법에 의해 NOx를 정화할 때의 배기 공연비의 변화 패턴의 일례를 나타내는 타임 차트이다.
도 17은, 제 2 NOx 정화 방법에 의해 NOx를 정화하고 있을 때의 촉매 온도와 촉매 장치의 NOx 정화율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은, 제 1 승온 방법에 의해 승온 처리를 행할 때의 연료 분사 밸브에 의한 연료의 분사 패턴의 일례를 나타내는 타임 차트이다.
도 19는, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 시의 연료 첨가 밸브의 첨가 패턴과, 그에 따른 배기 공연비의 변화를 나타내는 타임 차트이다.
도 20은, 제 2 승온 방법에 의한 승온 처리 중의 연료 첨가 밸브의 첨가 패턴과, 그에 따른 배기 공연비의 변화를 나타내는 타임 차트이다.
도 21은, 제 1 제어 모드만으로 재생 제어를 행하는 경우, 제 2 제어 모드만으로 재생 제어를 행하는 경우, 및 본 실시 형태의 경우의 각각에 있어서의 촉매 장치의 유황 흡장량 및 NOx 정화율의 추이를 나타내는 타임 차트이다.
도 22는, 상기 실시 형태의 배기 정화 장치에 있어서 실행되는 판정 루틴의 플로우 차트이다.
도 23은, 연료 분사량 및 엔진 회전수와 피독 단위량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 24는, 유황 흡장량과 방출 단위량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 25는, 상기 실시 형태의 배기 정화 장치에 있어서 실행되는 재생 제어 루틴의 플로우 차트이다.
도 26은, 상기 실시 형태의 배기 정화 장치에 있어서의 재생 제어의 실시 중의 촉매 장치의 유황 흡장량 및 NOx 정화율의 추이를 나타내는 타임 차트이다.
도 27은, 재생 제어의 개시 시, 제어 모드의 전환 시, 및 재생 제어의 종료 시의 각 시점에 있어서의 촉매 장치 각부의 유황 흡장량을 나타내는 그래프이다.
이하, 내연 기관의 배기 정화 장치의 일 실시 형태를, 도 1~도 27을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선, 본 실시 형태의 내연 기관의 배기 정화 장치의 구성을 설명한다. 본 실시 형태의 배기 정화 장치는, 배기 터빈식의 과급기를 구비하는 차량 탑재용의 디젤 기관에 적용된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 배기 정화 장치가 적용되는 디젤 기관은, 혼합기의 연소가 행해지는 복수의 기통(11)을 가진다. 도 1에서는, 4개의 기통(11)을 가지는 디젤 기관을 나타내고 있지만, 기통(11)의 수는 이 예에 한정되지 않는다. 그리고, 디젤 기관은, 각 기통(11)이 내부에 형성된 기관 본체(12), 각 기통(11)에 도입되는 흡기가 흐르는 흡기 통로(13), 각 기통(11)으로부터 배출된 배기가 흐르는 배기 통로(14), 및 배기 통로(14) 내로부터 흡기 통로(13) 내로 배기를 재순환시키기 위한 재순환 배기 통로(EGR 통로(15))를 구비한다. 또한, 디젤 기관은, 흡기 통로(13)에 설치된 컴프레서(16)와, 배기 통로(14)에 설치된 터빈(17)을 가진 배기 터빈식의 과급기(18)를 구비한다. 터빈(17)은, 배기 통로(14)를 흐르는 배기의 유세(流勢)에 의해 회전되어, 컴프레서(16)를 구동한다. 그리고, 컴프레서(16)는, 그 구동에 따라 흡기를 압축하여 토출한다.
기관 본체(12)의 각 기통(11)에는, 기통(11) 내에 연료를 분사하는 연료 분사 밸브(19)가 각각 설치되어 있다. 각 기통(11)의 연료 분사 밸브(19)는, 커먼 레일(20)에 각각 연결되어 있다. 커먼 레일(20)은, 토출량을 변경 가능한 전자 제어식의 연료 펌프(21)를 개재하여 연료 탱크(22)에 연결되어 있다. 연료 펌프(21)는, 연료 탱크(22) 내의 연료를 흡인하고 가압하여 커먼 레일(20)에 공급한다. 그리고, 각 연료 분사 밸브(19)에는, 그 커먼 레일(20)로부터 연료가 분배 공급되도록 되어 있다.
흡기 통로(13)에 있어서의 상기 컴프레서(16)보다 상류측의 부분에는, 흡기 중의 이물을 여과하는 에어 클리너(23)와, 흡기 통로(13)를 흐르는 흡기의 유량(흡입 공기량(GA))을 검출하기 위한 공기 유량계(24)가 설치되어 있다. 또한, 흡기 통로(13)에 있어서의 컴프레서(16)의 하류측의 부분에는, 컴프레서(16)에 의한 압축에 의해 고온이 된 흡기를 냉각하는 인터 쿨러(25)와, 흡입 공기량(GA)의 조정용의 밸브인 스로틀 밸브(26)가 설치되어 있다. 그리고, 흡기 통로(13)는, 기관 본체(12)에 연결된 흡기 매니폴드(27)에 있어서, 기통(11)마다 분기되어 있다.
배기 통로(14)는, 기관 본체(12)에 연결된 배기 매니폴드(28)를 구비하고, 그 배기 매니폴드(28)에 있어서 각 기통(11)으로부터 배출된 배기가 합류하도록 되어 있다. 상기 터빈(17)은, 배기 통로(14)에 있어서의 배기 매니폴드(28)보다 하류측의 부분에 설치되어 있다.
이러한 디젤 기관의 배기 정화 장치는, 배기 통로(14) 내를 흐르는 배기 중에 미연 연료를 첨가하는 연료 첨가 밸브(29)와, 배기 중의 질소산화물(NOx)을 정화 하기 위한 촉매 장치(30)와, 배기 중의 입자 형상 물질(PM)을 포집하는 PM 필터(31)를 구비한다. 연료 첨가 밸브(29)는, 배기 통로(14)에 있어서의 터빈(17)의 하류측의 부분에 설치되고, 촉매 장치(30)는, 배기 통로(14)에 있어서의 연료 첨가 밸브(29)보다 하류측의 부분에 설치되어 있다. 그리고, PM 필터(31)는, 배기 통로(14)에 있어서의 촉매 장치(30)보다 하류측의 부분에 설치되어 있다. 또한, 배기 통로(14)에는, 촉매 장치(30)를 통과한 직후의 배기의 온도(촉매 후 배기 온도(T1))를 검출하기 위한 배기 온도 센서(32), 및 PM 필터(31)의 통과 전후의 배기의 차압(差壓)을 검출하기 위한 차압 센서(33)가 설치되어 있다. 또한, 배기 통로(14)의 배기 매니폴드(28)에는, 각 기통(11)에서 연소된 혼합기의 공연비를 검출하기 위한 공연비 센서(34)가 장착되어 있다.
이 디젤 기관에서는, EGR 통로(15)는, 배기 매니폴드(28)와 흡기 매니폴드(27)를 연결하도록 설치되어 있다. EGR 통로(15)에는, 그 내부를 통하여 배기 통로(14) 내로부터 흡기 통로(13) 내로 재순환되는 배기(EGR 가스)를 냉각하는 EGR 쿨러(35)와, EGR 가스의 유량을 조정하는 EGR 밸브(36)가 설치되어 있다.
또한, 본 실시 형태의 배기 정화 장치는, 전자 제어 유닛(37)을 구비한다. 전자 제어 유닛(37)은, 배기 정화 장치의 제어를 위한 각종 연산 처리를 행하는 중앙 연산 처리 장치, 제어용의 프로그램이나 데이터가 기억된 판독 전용 메모리, 중앙 연산 처리 장치의 연산 결과나 센서의 검출 결과 등을 일시적으로 기억하는 판독 가능 메모리, 입력 포트 및 출력 포트를 구비한다. 전자 제어 유닛(37)의 입력 포트에는, 상기 서술의 공기 유량계(24), 배기 온도 센서(32), 차압 센서(33), 공연비 센서(34)의 출력 신호가 입력되어 있다. 또한, 전자 제어 유닛(37)의 입력 포트에는, 운전자의 엑셀 페달의 밟음량을 검출하기 위한 엑셀 페달 센서(38)나, 디젤 기관의 출력축인 크랭크 샤프트의 회전에 따른 펄스 신호를 출력하는 크랭크각 센서(39)의 출력 신호가 입력되어 있다. 한편, 전자 제어 유닛(37)의 출력 포트에는, 연료 분사 밸브(19)나 연료 펌프(21), 스로틀 밸브(26), 연료 첨가 밸브(29), EGR 밸브(36)의 구동 회로가 접속되어 있다. 또한, 전자 제어 유닛(37)은, 크랭크각 센서(39)의 출력 신호로부터 엔진 회전수(NE)를, 엑셀 페달 센서(38) 등의 출력 신호로부터 엔진 부하율(KL)을, 각각 연산하여 구하고 있다.
또한, 전자 제어 유닛(37)은, 배기 온도 센서(32)에 의해 검출된 촉매 후 배기 온도(T1)로부터 촉매 장치(30)의 온도(촉매 온도(TC))를 구하고 있다. 구체적으로는, 외기온이나 디젤 기관이 탑재된 차량의 주행 속도 등으로부터, 촉매 장치(30)를 통과한 후 배기 온도 센서(32)의 설치 개소에 이를 때까지의 배기 온도의 저하량을 구하고, 촉매 후 배기 온도(T1)로부터 그 저하량분을 감산한 값으로서 촉매 온도(TC)를 산출하고 있다.
이어서, 상기 배기 정화 장치에 설치된 촉매 장치(30)에 대하여 상세하게 설명한다. 촉매 장치(30)는, 배기가 유통되는 배기 유로를 포함하는 기체를 구비하고, 배기 유로의 표면에는, 촉매 담체가 담지되어 있다.
도 2는, 촉매 장치(30)의 기체에 있어서의 배기 유로의 표면 근방의 확대 단면 구조를 나타내고 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 배기 유로의 표면에 담지된 촉매 담체(40) 상에는, 귀금속의 촉매 입자(41, 42)가 담지되어 있다. 본 실시 형태에서는, 이러한 귀금속의 촉매 입자(41, 42)로서, 백금(Pt)의 촉매 입자(41)와, 로듐(Rh)의 촉매 입자(42)가 촉매 담체(40) 상에 담지되어 있다. 덧붙여서, 촉매 담체(40) 상에 담지시키는 귀금속의 촉매 입자로서는, 팔라듐(Pd)의 촉매 입자를 이용하는 것도 가능하고, 상기 백금 및 로듐의 촉매 입자(41, 42)에 추가하여 더 팔라듐의 촉매 입자를 담지시키거나, 로듐의 촉매 입자(42)대신에 팔라듐의 촉매 입자를 담지시키거나 해도 된다.
한편, 촉매 담체(40)는, 예를 들면 알루미나로 이루어져 있고, 그 표면 상에는, 염기성층(43)이 형성되어 있다. 염기성층(43)은, 칼륨(K), 나트륨(Na), 세슘(Cs) 등의 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 등의 알칼리 토류 금속, 란타노이드와 같은 희토류 및 은(Ag), 구리(Cu), 철(Fe), 이리듐(Ir)과 같은 NOx에 전자를 공여할 수 있는 금속으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고 있다.
이 촉매 장치(30)에서는, 배기 유로의 표면에 담지된 촉매 담체(40)의 표면을 따라 배기가 흐르기 때문에, 상기 촉매 입자(41, 42)는, 촉매 장치(30)의 배기 유통 표면 상에 담지되어 있는 것이 된다. 또한, 염기로서의 성질을 나타내는 염기성층(43)의 표면은, 염기성의 배기 접촉 표면 부분(44)으로 되어 있다.
그런데, 이러한 촉매 장치(30)에서는, 다음 2가지의 방법에 의해, 배기 중의 NOx를 정화할 수 있다. 제 1 NOx 정화 방법은, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 배기로의 미연 연료의 첨가를 통하여, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 탄화수소(HC)의 농도를 규정 범위 내의 진폭 및 규정 범위 내의 주기로 진동시킴으로써, 배기 중의 NOx를 정화한다. 제 2 NOx 정화 방법은, 촉매 장치(30)를 NOx 흡장형의 촉매 장치로서 이용함으로써, NOx를 정화한다.
이하의 설명에서는, 베이스 공연비(AFB)와 배기 공연비(AFI)의 2개의 지표값을 이용한다. 베이스 공연비(AFB)는, 기통(11)에서 연소되는 혼합기 중의 연료에 대한 공기의 질량비를 나타낸다. 한편, 배기 공연비(AFI)는, 배기가 촉매 장치(30)에 도달할 때까지의 흡기 통로(13), 기통(11), 및 배기 통로(14)에 있어서의 촉매 장치(30)보다 상류측의 부분에 있어서 공급된 공기 및 연료의 총 질량의 비(공급된 공기의 총 질량/공급된 연료의 총 질량)을 나타낸다. 즉, 배기 공연비(AFI)는, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기가, 기통(11)에서의 연소 전에 포함하고 있던 공기의 질량에 대해서의, 기통(11)에 있어서 연료 분사 밸브(19)에 의한 연료 분사로 부가된 연료, 및 배기 통로(14)에 있어서 연료 첨가 밸브(29)에 의한 연료 첨가로 부가된 연료의 총 질량의 비를 나타낸다. 따라서, 연료 첨가 밸브(29)에 의해 배기에 미연 연료가 첨가되어 있지 않은 상태에서는, 베이스 공연비(AFB)의 값과 배기 공연비(AFI)의 값은 일치하는 것이 된다. 이러한 배기 공연비(AFI)의 값은, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도의 변화에 대응하여 변화된다.
먼저, 촉매 장치(30)에 있어서 실시 가능한 제 1 NOx 정화 방법에 대하여 설명한다. 도 3에, 제 1 NOx 정화 방법으로 NOx를 정화할 때의 연료 첨가 밸브(29)에 의한 배기로의 미연 연료의 첨가 패턴과, 그 첨가에 의해 발생되는 배기 공연비(AFI)의 변화를 나타낸다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 이 때에는, 연료 첨가 밸브(29)에 의해, 일정한 주기마다 일정량의 미연 연료의 첨가가 행해지고, 이에 따라, 배기 공연비(AFI)가, 나아가서는 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도가, 일정한 진폭 및 일정한 주기로 진동되고 있다. 이러한 배기의 HC 농도의 진동을, 규정 범위 내의 진폭 및 규정 범위 내의 주기로 행함으로써, 도 4에 나타내는 바와 같이, 400℃ 이상의 고온 영역에 있어서도 매우 높은 NOx 정화율이 얻어지는 것이 확인되고 있다.
이러한 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx의 정화 시에는, 질소(N) 및 탄화수소(HC)를 포함하는 다량의 환원성 중간체가 염기성층(43)의 표면 상에, 즉 촉매 장치(30)에 있어서의 염기성을 이룬 배기 접촉 표면 부분(44)에 유지 또는 계속 흡착되고 있다. 그리고, 이 환원성 중간체가 NOx 정화에 크게 기여하고 있는 것이 확인되고 있다.
도 5는, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도가 낮을 때의 촉매 담체(40)의 표면 부분의 상태를 도해적으로 나타내고 있다. 상기 서술한 바와 같이, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx의 정화 시에는, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가 직후의 순간을 제외하고는, 배기 공연비(AFI)는 린인 상태로 되어 있고, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기는 산소 과다인 상태로 되어 있다. 이 때의 촉매 장치(30)에 있어서는, 이러한 배기에 포함되는 NO는, 백금의 촉매 입자(41) 상에 있어서 산화되어 NO2가 되고, 또한 그 NO2은, 백금의 촉매 입자(41)로부터 전자를 공여하여 NO2 -가 된다. 이렇게 하여 촉매 입자(41) 상에 다량으로 생성되는 NO2 -는, 강한 활성을 가지고 있다. 이하의 설명에서는, 이러한 NO2 -를 활성 NO2 *라고 기재한다.
또한, 활성 NO2 *가 생성된 후, 활성 NO2 * 주위의 산소 농도가 높은 상태가 일정 시간 이상 계속되면 활성 NO2 *는 산화되어, 질산 이온 NO3 -의 형태로 염기성층(43) 내에 흡수된다. 다만, 여기서는, 이 일정 시간이 경과되기 전에, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가에 의해, 활성 NO2 * 주위의 탄화수소 농도가 높아지도록 하고 있다.
연료 첨가 밸브(29)로부터 배기에 미연 연료가 첨가되면, 첨가된 미연 연료 중의 탄화수소(HC)가 촉매 장치(30)에 있어서 개질된다. 도 6은, 이 때의 촉매 장치(30)에 있어서의 HC의 개질 작용을 도해적으로 나타낸 것이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 연료 첨가 밸브(29)로부터 첨가된 미연 연료 중의 HC는, 촉매 입자(41)에 의해, 탄소수가 보다 적은 라디칼상의 탄화수소가 된다. 그리고 그 결과, 활성 NO2 * 주위의 HC 농도가 높아진다.
도 7은, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도가 높을 때의 촉매 담체(40)의 표면 부분의 상태를 도해적으로 나타내고 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 활성 NO2 * 주위의 HC 농도가 높아지면, 활성 NO2 *는, 백금의 촉매 입자(41) 상에 있어서 라디칼상의 탄화수소와 반응하고, 이에 따라 환원성 중간체가 생성된다. 이 환원성 중간체는 염기성층(43)의 표면 상에 부착 또는 흡착된다.
또한, 이 때 최초에 생성되는 환원성 중간체는 니트로 화합물 R-NO2라고 생각된다. 이 니트로 화합물 R-NO2는 생성되면 니트릴 화합물 R-CN이 된다. 다만, 이 니트릴 화합물 R-CN은, 그 상태에서는 순시(瞬時)밖에 존속할 수 없고, 즉시 이소시아네이트 화합물 R-NCO가 된다. 이 이소시아네이트 화합물 R-NCO는, 가수 분해하면 아민 화합물 R-NH2가 된다. 다만 이 경우, 가수 분해되는 것은 이소시아네이트 화합물 R-NCO의 일부라고 생각된다. 따라서, 이 때의 염기성층(43)의 표면 상에 유지 또는 흡착되는 환원성 중간체의 대부분은, 이소시아네이트 화합물 R-NCO 및 아민 화합물 R-NH2라고 생각된다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 생성된 환원성 중간체의 주위를 탄화수소가 둘러싸고 있으면, 그 탄화수소에 저지되어 환원성 중간체의 반응은 더 이상 진행되지 않게 된다. 이 상태에서 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도가 저하되어, 배기의 산소 농도가 높아지면, 환원성 중간체 주위의 탄화수소는 산화된다. 그 결과, 도 5에 나타내는 바와 같이, 활성 NO2 *는, 환원성 중간체인 이소시아네이트 화합물 R-NCO나 아민 화합물 R-NH2와 반응하여, N2, CO2, H2O가 되고, 이상으로 NOx가 정화되게 된다.
이와 같이 제 1 NOx 정화 방법에서는, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 높게 했을 때에 생성된 환원성 중간체를, 배기의 HC 농도를 낮게, 산소 농도를 높게 했을 때에 활성 NO2 *와 반응시킴으로써, NOx를 정화하고 있다. 즉, 제 1 NOx 정화 방법에서는, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 주기적으로 변화시킴으로써, 배기 중의 NOx를 정화하고 있다.
또한, 이 때의 환원성 중간체의 생성에는, 배기의 HC 농도를 충분히 높일 필요가 있고, 생성된 환원성 중간체를 활성 NO2 *와 반응시키기 위해서는, 배기의 HC 농도를 충분히 저하시킬 필요가 있다. 즉, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 미리 정해진 범위 내의 진폭으로 진동시킬 필요가 있다. 또한, 높은 NOx 정화율을 확보하기 위해서는, 생성된 환원성 중간체가 활성 NO2 *와 반응할 때까지, 충분한 양의 환원성 중간체(R-NCO, R-NH2)를 염기성층(43) 상에 유지해 둘 필요가 있다. 촉매 장치(30)에 있어서의 염기성의 배기 접촉 표면 부분(44)은, 이러한 환원성 중간체의 유지를 위해 설치되어 있다.
한편, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가 주기를 길게 하면, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도가 높아진 후 HC 농도가 다음으로 높아질 때까지의, 산소 농도가 높아지는 기간도 길어진다. 그리고, 이러한 산소 농도가 높은 기간이 어느 정도를 초과하여 길어지면, 활성 NO2 *는, 환원성 중간체를 생성하지 않고, 질산염의 형태로 염기성층(43) 내에 흡수되어 버린다. 이것을 회피하기 위해서는, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 미리 정해진 범위 내의 주기로 진동시키는 것이 필요해진다.
도 8은, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 시의 배기 공연비(AFI)의 변화 패턴의 일례를 나타내고 있다. 또한, 도 8에 있어서, 「ΔH」는 배기 공연비(AFI)의 진동 진폭을, 「ΔT」는 배기 공연비(AFI)의 진동 주기를, 각각 나타내고 있다. 또한, 상기 서술한 바와 같이, 배기 공연비(AFI)의 값은, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도의 변화에 대응하여 변화된다. 따라서, 배기 공연비(AFI)의 진동 진폭(ΔH)은, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도의 진동 진폭에 대응하고, 배기 공연비(AFI)의 진동 주기(ΔT)는, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도의 진동 주기에 대응하고 있다.
또한, 상기 서술한 바와 같이 환원성 중간체는, HC 농도가 높아졌을 때에 생성되지만, 이 때의 활성 NO2 * 주위의 산소 농도가 어느 정도보다 높은 경우, 활성NO2 *와 반응하기 전에 탄화수소가 완전히 산화되어 버려, 환원성 중간체가 생성되지 않게 되어 버린다. 이 때문에, 환원성 중간체의 생성에는, 배기 공연비(AFI)를 일정한 값보다 낮게 할 필요가 있다. 도 8에 있어서의 「X」는, 환원성 중간체의 생성에 필요한 배기 공연비(AFI)의 상한값을 나타내고, 이하의 설명에서는 이 「X」를 「요구 최소 공연비」라고 기재한다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 요구 최소 공연비(X)의 값은, 촉매 장치(30)의 산화력에 의해 변화되고, 촉매 장치(30)의 산화력이 강할수록 리치측의 값이 된다. 이 때문에, 촉매 장치(30)의 산화력에 따라서는, 요구 최소 공연비(X)의 값은, 이론 공연비보다 리치측의 값이 되는 경우도, 이론 공연비보다 린측의 값이 되는 경우도 있다. 도 8의 예에서는, 요구 최소 공연비(X)가 이론 공연비보다 리치측의 값으로 되어 있다. 이 경우, 환원성 중간체를 생성시키기 위해서는, 배기 공연비(AFI)가 순시적으로 이론 공연비보다 리치측의 값이 되도록, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 진동시킬 필요가 있다.
도 10은, 요구 최소 공연비(X)가 이론 공연비보다 린측의 값인 경우에 있어서의, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 시의 배기 공연비(AFI)의 변화 패턴의 일례를 나타내고 있다. 이 경우에는, 배기 공연비(AFI)가 이론 공연비보다 린측의 값으로 유지되는 범위 내에서 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 진동시킴으로써도, 환원성 중간체의 생성이 가능하다.
덧붙여서, HC 농도의 진동 진폭을 지나치게 크게 하면, HC가 잉여되어, 산화되지 않고 그대로 촉매 장치(30)로부터 배출되어 버려, 연료 소비량의 불필요한 악화를 초래한다. 따라서, HC 농도의 진동 진폭은, 배기 공연비(AFI)가 순시적으로 요구 최소 공연비(X)보다 낮은 값이 되는 범위에서, 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다.
또한, 베이스 공연비(AFB)가 높아지면, 배기 공연비(AFI)를 순시적으로 요구 최소 공연비(X)보다 작게 하기 위해, 배기 공연비(AFI)를 보다 큰 진폭으로 진동시킬 필요가 있다. 즉, 베이스 공연비(AFB)가 높을수록, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도의 진동 진폭을 크게 할 필요가 있다.
도 11은, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료 첨가 전의 배기의 산소 농도와, 규정의 NOx 정화율이 얻어지는 HC 농도의 진동 진폭의 관계를 나타낸다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 규정의 NOx 정화율을 얻기 위해서는, 미연 연료 첨가 전의 배기의 산소 농도가 높을수록, HC 농도의 진동 진폭을 크게 할 필요가 있다. 바꿔 말하면, 베이스 공연비(AFB)가 낮을 때에는, HC 농도의 진동 진폭을 작게 해도 된다. 덧붙여서, HC 농도의 진동 진폭이 커질수록, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가량을 많게 할 필요가 있어, 연료 소비량이 증가한다. 이 때문에, HC 농도의 진동 진폭은, 환원성 중간체의 생성이 가능한 범위 내에서 베이스 공연비(AFB)에 따라 조정하는 것이 바람직하다.
도 12에, 본 실시 형태의 배기 정화 장치가 적용되는 디젤 기관에 있어서 베이스 공연비(AFB)가 가장 낮아질 때(베이스 공연비 최소 시)와, 베이스 공연비(AFB)가 가장 높게 될 때(베이스 공연비 최대 시)의 각각에 있어서의 HC 농도의 진동 진폭과 촉매 장치(30)의 NOx 정화율의 관계를 나타낸다. 베이스 공연비(AFB)가 최소가 되는 것은, 디젤 기관의 가속 운전 시이며, 이 때에는, HC 농도의 진동 진폭을 200ppm보다 크게 하면, NOx의 양호한 정화가 가능해진다. 한편, 베이스 공연비(AFB)가 가장 높게 될 때에는, 양호한 NOx 정화율을 얻기 위해서는, HC 농도의 진동 진폭을 10000ppm 정도로 할 필요가 있다. 다만, HC 농도의 진동 진폭이 10000ppm을 초과하면, 배기 공연비(AFI)가 너무 리치가 되어, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx의 정화를 적절히 행할 수 없게 될 우려가 있다. 이 때문에, 본 실시 형태의 배기 정화 장치에서는, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 시에는, 200ppm~10000ppm의 범위 내의 진폭으로 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 진동시키고 있다.
도 13에, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도의 진동 주기와 촉매 장치(30)의 NOx 정화율의 관계를 나타낸다. HC 농도의 진동 주기가 길어지면, 연료 첨가 밸브(29)에 의해 미연 연료가 첨가된 후, 다음으로 첨가가 행해질 때까지의 동안, 활성 NO2 * 주위의 산소 농도가 높아진다. 이 경우, HC 농도의 진동 주기가 5초 정도보다 길어지면 활성 NO2 *가 질산염의 형태로 염기성층(43) 내에 흡수되기 시작한다. 따라서, HC 농도의 진동 주기가 5초 정도보다 길어지면, NOx 정화율은 저하된다. 한편, HC 농도의 진동 주기가 대략 0.3초 이하가 되면, 촉매 장치(30)에 유입된 배기 중의 HC가 촉매 장치(30)의 배기 접촉 표면 부분(44) 상에 퇴적하기 시작한다. 따라서, HC 농도의 진동 주기가 0.3초 이하가 되어도, NOx 정화율은 저하된다. 이 때문에, 본 실시 형태의 배기 정화 장치에서는, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 시에는, 0.3초~5초의 범위 내의 주기로 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 진동시키고 있다.
계속해서, 촉매 장치(30)에 있어서 실시 가능한 제 2 NOx 정화 방법에 대하여 설명한다. 도 14는, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도의 진동 주기를, 즉 연료 첨가 밸브(29)에 의한 배기로의 미연 연료 첨가의 주기를, 상기 서술의 규정 범위(0.3초~5초의 범위)보다 길게 했을 때의 촉매 담체(40)의 표면 부분의 상태를 도해적으로 나타내고 있다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 이러한 경우, 환원성 중간체인 R-NCO나 R-NH2가 촉매 장치(30)의 염기성층(43)의 표면 상으로부터 소멸되어 버린다. 한편, 이 때의 촉매 입자(41) 상에서 생성된 활성 NO2 *는, 질산 이온NO3 -의 형태로 염기성층(43) 내에 확산되어, 질산염이 된다. 즉, 이 때의 배기 중의 NOx는 질산염의 형태로 염기성층(43) 내에 흡수된다.
도 15는, NOx가 질산염의 형태로 염기성층(43) 내에 흡수된 상태에서 배기 공연비(AFI)가 이론 공연비 또는 그것 보다 리치측의 값으로 했을 때의 촉매 담체(40)의 표면 부분의 상태를 도해적으로 나타내고 있다. 이 때에는, 배기 중의 산소 농도가 저하되기 때문에, 도 14의 경우와 역 방향으로 반응이 진행되고, 염기성층(43) 내에 흡수되어 있던 질산염이 순차적으로, 질산 이온 NO3 -이 되며, 또한 NO2가 되어 배기 중에 방출된다. 그리고, 배기 중의 HC나 CO에 의해, 방출된 NO2가 환원된다.
이와 같이, 촉매 장치(30)에서는, 배기 공연비(AFI)를 이론 공연비보다 린측의 값으로 일정 시간 이상 유지하여 배기 중의 NOx를 흡장한 후, 일시적으로 이론 공연비보다 리치측으로 하는 것에 의해, 흡장한 NOx를 환원함으로써도, NOx를 정화할 수 있다. 여기서는, 이러한 NOx의 흡수와, 흡수한 NOx의 방출 및 그 환원의 반복에 의한 NOx 정화의 방법을 제 2 NOx 정화 방법이라고 한다.
또한, 이 때 염기성층(43)은, NOx를 일시적으로 흡착하는 경우도 있다. 여기서는, 흡수, 흡착의 쌍방을 포함하는 용어로서 「흡장」이라는 용어를 이용한다. 제 2 NOx 정화 방법에서는, 촉매 장치(30)의 염기성층(43)을, NOx를 일시적으로 흡장하는 NOx 흡장제로서 이용하고 있다. 그리고, 이 때의 촉매 장치(30)는, 배기 공연비(AFI)가 이론 공연비보다 린측의 값일 때에 NOx를 흡장하고, 배기의 산소 농도가 저하되었을 때에 흡장한 NOx를 방출하는 NOx 흡장형의 촉매 장치로서 기능한다.
도 16은, 제 2 NOx 정화 방법에 의해 NOx를 정화할 때의 배기 공연비(AFI)의 변화 패턴의 일례를 나타내고 있다. 여기서는, 배기 공연비(AFI)를 이론 공연비보다 린측의 값으로 유지한 상태에서, 촉매 장치(30)의 염기성층(43) 내에 NOx를 흡수시킴과 함께, 염기성층(43)의 NOx 흡장 능력이 포화되기 조금 전에 배기 공연비(AFI)를 일시적으로 이론 공연비보다 리치측의 값으로 하도록 하고 있다. 또한, 이 때의 배기 공연비(AFI)의 리치화는, 연료 분사 밸브(19)에 의한 연료 분사량을 증량함으로써 행해지고 있다. 또한, 도 16의 예에서는, 이 때의 배기 공연비(AFI)의 리치화의 시간 간격은, 1분 이상으로 하고 있다.
도 17에, 제 2 NOx 정화 방법에 의해 NOx를 정화하고 있을 때의 촉매 온도(TC)와, 촉매 장치(30)의 NOx 정화율의 관계를 나타낸다. 도 17에 나타내는 바와 같이, 제 2 NOx 정화 방법에서는, 촉매 온도(TC)가 300℃~400℃일 때에는 매우 높은 NOx 정화율이 얻어진다. 한편, 촉매 온도(TC)가 400℃ 이상의 고온 영역에 들어가면, NOx 정화율은 저하된다. 이것은, 촉매 온도(TC)가 400℃ 이상으로 높아지면, 질산염이 열분해되어 버려, NO2의 형태로 촉매 장치(30)로부터 방출되어 버리기 때문이다. 즉, NOx를 질산염의 형태로 흡장하고 있는 이상, 제 2 NOx 정화 방법에서는, 촉매 온도(TC)가 400℃를 초과하는 고온 영역에 있어서 높은 NOx 정화율을 얻는 것은 곤란하다. 한편, 상기 서술한 바와 같이 제 1 NOx 정화 방법에서는, 질산염은 거의 생성되지 않고, 또한 생성되어도 극미량으로서, NOx의 정화 프로세스에는 영향을 주지 않는다. 이 때문에, 이전의 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 제 1 NOx 정화 방법에서는, 촉매 온도(TC)가 400℃를 초과하는 고온 영역에 있어서도, 높은 NOx 정화율이 얻어진다.
따라서, 본 실시 형태의 배기 정화 장치에서는, 디젤 기관의 운전 중, 제 1 NOx 정화 방법에 의해 배기 중의 NOx를 정화하도록 하고 있다. 구체적으로는, 전자 제어 유닛(37)은, 디젤 기관의 운전 중에, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 배기로의 미연 연료의 첨가를 주기적으로 행하도록 하고 있다. 이 때의 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가는, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도의 진동 진폭 및 진동 주기가, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화에 최적인 진폭 및 주기가 되도록 제어되고 있다.
이어서, 재생 제어에 대하여 설명한다. 그런데, 촉매 장치(30)의 염기성층(43)에는, 배기 중의 유황산화물(SOx)이 황산염의 형태로 흡장되는 경우가 있다. 이러한 염기성층(43)의 SOx의 흡장은 먼저, 촉매 장치(30)에 있어서의 상류측의 가장자리의 부분으로부터 시작된다. 그리고, SOx의 흡장량이 증대한 부분에서는, 염기성층(43)의 염기성이 약해지게 된다. 이 때문에, SOx의 흡장이 진행되면, 촉매 장치(30)에 있어서의 상류측의 단부에서는, 촉매 입자(41)의 산화 능력이 그 주위의 염기성층(43)의 염기성이 약해짐에 따라 증대한다. 또한, 이와 함께, 촉매 장치(30) 내에 있어서 NOx의 환원이 주로 행해지는 장소가 하류측으로 이동하게 된다. 이러한 경우의 촉매 장치(30)에서는, 촉매 입자(41)의 산화 능력이 증대한 상류측의 가장자리의 부분에 있어서 탄화수소가 많이 산화되어 버리기 때문에, NOx의 환원이 주로 행해지는 장소에 도달하는 탄화수소의 양이 감소하게 된다. 그리고 그 결과, 촉매 장치(30)의 NOx 환원 능력의 저하가, 이른바 촉매 장치(30)의 유황 피독이 발생하게 된다.
따라서, 전자 제어 유닛(37)은, 촉매 장치(30)의 유황 흡장량이 증대하면, 흡장된 유황을 방출하기 위한 재생 제어를 행하도록 하고 있다. 재생 제어는, 촉매 장치(30)에 흡장된 유황의 방출에 필요한 온도까지 촉매 장치(30)를 승온시키는 승온 처리와, 기통(11)에서 연소되는 혼합기의 공연비(베이스 공연비(AFB))를 촉매 장치(30)에 흡장된 유황의 방출에 필요한 값으로 하는 방출 처리를 번갈아 반복 실시함으로써 행해진다. 또한, 전자 제어 유닛(37)은, 촉매 장치(30)의 유황 흡장량을 추정함과 함께, 그 추정한 유황 흡장량이 규정의 개시 판정값 이상일 때에 재생 제어를 개시하도록 하고 있다.
이러한 재생 제어에 있어서의 승온 처리에서의 촉매 장치(30)의 승온은, 촉매 장치(30)로의 탄화수소의 유입량(HC 유입량)을 증대시켜, 탄화수소의 산화 반응에 의한 발열량을 증가시킴으로써 행할 수 있다. 한편, 이 배기 정화 장치에서는, 촉매 장치(30)로의 HC 유입량의 증대는, 다음 2개의 방법으로 행하는 것이 가능하다. 즉, 연료 분사 밸브(19)에 의한 포스트 분사의 실행을 통하여 촉매 장치(30)의 HC 유입량을 증대시키는 제 1 승온 방법과, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료 첨가의 실행을 통하여 촉매 장치(30)의 HC 유입량을 증대시키는 제 2 승온 방법이다.
도 18은, 제 1 승온 방법에 의해 승온 처리를 행할 때의 연료 분사 밸브(19)에 의한 연료의 분사 패턴의 일례를 나타내고 있다. 도 18에 나타내는 예에서는, 기통(11) 내에서 연소되는 연료를 공급하기 위한 연료 분사를 3회로 분할하여 분사하고 있다. 즉, 압축 행정 후기에 실시되는 파일럿 분사(FP)와, 연소 행정에 들어간 직후에 실시되는 메인 분사(FM), 및 연소 행정에 있어서의 메인 분사(FM)의 실시 후에 실시되는 애프터 분사(FA)이다. 또한, 이 때에는, 이들 기통(11) 내에서 연소되는 연료의 공급을 위한 연료 분사와는 별도로, 촉매 장치(30)의 HC 유입량을 증대시키기 위해 행해지는 배기 행정 중의 연료 분사인 포스트 분사(FPO)를 실시하고 있다. 배기 행정 중의 포스트 분사에 의해 분사된 연료는, 기통(11) 내에서 연소되지 않고, 배기와 함께 촉매 장치(30)에 유입된다. 이 때문에, 포스트 분사를 실시함으로써, 촉매 장치(30)의 HC 유입량을 증대시켜, 촉매 온도(TC)를 상승시킬 수 있다.
도 19는, 상기 서술한 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx의 정화를 위해 행해지는 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가 패턴과, 이에 따른 배기 공연비(AFI)의 변화를 나타내고 있다. 이 때에는, 상기 서술한 규정 범위 내의 진폭(200ppm∼10000ppm), 및 규정 범위 내의 주기(0.3초∼5초)로 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 진동시킴으로써, 촉매 장치(30) 내에서 환원성 중간체가 생성되어, 높은 NOx 정화율이 얻어지도록, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가가 실시된다.
또한, 이 때의 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가의 직후에는, 촉매 장치(30)의 HC 유입량이 증대되어, 탄화수소의 산화 반응에 의한 발열로 촉매 온도(TC)가 일시적으로 상승한다. 다만, 이 때에 상승한 촉매 온도(TC)는, 다음의 미연 연료의 첨가에 의해 HC 유입량이 다시 증대할 때까지의 기간에, 상대적으로 저온의 배기에 의한 냉각 때문에, 배기의 온도까지 저하된다. 이 때문에, 이 때의 촉매 온도(TC)는, 배기의 온도에 가까운 온도로 유지된다. 즉, 이 때의 미연 연료의 첨가의 주기, 즉 HC 농도의 진동 주기는, 촉매 온도(TC)가 점차 상승하지 않도록, 상기 규정 범위 내에 있어서 어느 정도보다 긴 시간(예를 들면 3초 정도)으로 설정되어 있다.
도 20은, 제 2 승온 방법에 의해 승온 처리를 행할 때의 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가 패턴과, 이에 따른 배기 공연비(AFI)의 변화를 나타내고 있다. 도 20에 나타내는 바와 같이, 이 때의 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가의 주기는, 도 19의 경우보다 짧아진다. 이 때에는, 미연 연료의 첨가에 따른 HC 유입량의 증대에 의해 상승된 촉매 온도(TC)가 배기의 온도까지 저하되기 전에, 다음의 미연 연료의 첨가가 실시된다. 이 때문에, 촉매 온도(TC)는 점차 상승하게 된다. 다만, 이 때의 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가의 주기는, 도 19의 경우보다 짧다고는 해도, 상기 규정 범위 내의 주기로 되어 있다. 또한, 이 때의 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가의 양은, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도가 상기 규정 범위 내의 진폭으로 진동하도록 설정되어 있다. 이 때문에, 이 때에도, 촉매 장치(30) 내에서의 환원성 중간체의 생성은 계속되게 된다. 또한, 이 때의 첨가 1회당의 미연 연료의 첨가량은, 단위 시간당에 첨가되는 미연 연료의 총량의 증가를 억제하기 위해, 도 19의 경우보다 적어진다.
한편, 승온 처리에 의해 촉매 온도(TC)가 유황의 방출에 필요한 온도보다 높아진 상태에서 배기 공연비(AFI)를 이론 공연비, 또는 그 이론 공연비보다 리치측의 값까지 낮게 하면, 촉매 장치(30)의 염기성층(43)에 황산염의 형태로 흡장된 유황이, 흡장 시와는 반대의 반응에 의해, 배기 중에 방출되게 된다. 다만, 배기 공연비(AFI)를 리치화한 상태를 장시간 계속하면, 외기로의 미연 연료 성분(HC, CO 등)의 방출량이 증대해 버린다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는, 연료 분사 밸브(19)에 의한 연료 분사량을 일시적으로 증대시켜, 베이스 공연비(AFB)를 일시적으로 이론 공연비보다 낮게 하는 리치 스파이크를, 규정의 기간, 주기적으로 실시함으로써 방출 처리를 행하도록 하고 있다.
이상과 같이, 이 배기 정화 장치에서는, 제 1 승온 방법에 의해 승온 처리를 행하면서, 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복하는 제 1 제어 모드에서의 제어, 및 제 2 승온 방법에 의해 승온 처리를 행하면서, 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복하는 제 2 제어 모드에서의 제어의 2가지의 제어에 의해 피독 회복 제어를 행할 수 있다. 다만, 어느 제어 모드에도, 다음과 같은 문제가 있다.
상기 서술한 바와 같이, 제 2 NOx 정화 방법에 의한 NOx의 정화는, 촉매 온도(TC)가 400℃ 이상의 고온 영역에 들어가면 불능이 된다. 또한, 제 1 제어 모드에서의 제어 시에는, 디젤 기관의 각 기통(11)에 있어서 포스트 분사가 실시될 때마다, 배기의 HC 농도가 높아지고, 이에 따라 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도가 진동한다. 이 때의 HC 농도의 진동 주기는, 상기 서술한 환원성 중간체를 생성 가능한 규정 범위 내의 주기보다 짧다. 이 때문에, 제 1 제어 모드로 재생 제어를 행하는 경우, 승온 처리의 도중에 촉매 장치(30)에 의해 NOx를 정화할 수 없게 되어 버린다.
이에 대하여, 제 2 제어 모드에서의 제어 시에는, 승온 처리 중에도 제 2 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화를 계속할 수 있다. 다만, 이 경우에는, 환원성 중간체를 생성시키기 위해, 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도의 진동 주기를 상기 규정 범위 내의 주기로 할 필요가 있다. 이 때의 HC 농도의 진동 주기는, 제 1 승온 방법에 의해 승온 처리를 행하는 경우의 진동 주기보다 길어진다. 즉, 촉매 장치(30)의 HC 유입량의 증대에 따른 탄화수소의 산화 반응에 의한 발열로 촉매 온도(TC)가 상승된 후, 다음으로 HC 유입량이 증대할 때까지의 시간 간격이 길어진다. 이러한 경우, 배기가 직접 분사되어 부착되는 촉매 담체(40)의 상류측 단부에서는, HC 유입량의 증대에 따라 촉매 온도(TC)가 상승해도, 다음으로 HC 유입량이 증대할 때까지의 기간에, 상대적으로 저온인 배기의 분사에 의해 냉각되어, 상승한 촉매 온도(TC)가 저하되어 버린다. 이 때문에, 제 2 제어 모드에서의 제어 시에는, 승온 처리에 있어서, 촉매 담체(40)의 상류측 단부의 촉매 온도(TC)를, 유황을 방출 가능한 온도까지 상승시킬 수 없어, 이러한 촉매 담체(40)의 상류측 단부의 유황 흡장량을 충분히 저감할 수 없을 우려가 있다. 즉, 제 2 제어 모드에서는, 재생 제어의 실시 후에, 제 1 제어 모드의 경우 정도의 촉매 장치(30)의 유황 흡장량을 저감할 수 없는 경우가 있다.
도 21에는, 제 1 제어 모드만으로 재생 제어를 행하면서 디젤 기관을 운전했을 때, 및 제 2 제어 모드만으로 재생 제어를 행하면서 디젤 기관을 운전했을 때의 각각에 있어서의 촉매 장치(30)의 NOx 정화율 및 유황 흡장량의 추이가 나타나 있다. 또한, 도 21의 예에서는, 제 2 제어 모드만으로 재생 제어를 행하는 경우에도, 제 1 제어 모드만으로 재생 제어를 행한 경우와 동일한 정도까지 촉매 장치(30)의 유황 흡장량이 저감된 것으로 하여 유황 흡장량을 추정하고 있고, 그 추정 결과에 의거하여 재생 제어를 실시하고 있다.
도 21에 나타내는 바와 같이, 어느 경우에도, 시간의 경과와 함께 촉매 장치(30)의 유황 흡장량이 증가되고, 그 증가에 따라 NOx 정화율은 저하된다. 그리고, 유황 흡장량의 추정값이 개시 판정값에 도달하면, 재생 제어가 개시된다. 제 1 제어 모드만으로 재생 제어를 행하는 경우, 승온 처리 중에 촉매 장치(30)에 의해 NOx를 정화할 수 없게 되기 때문에, 재생 제어 중의 NOx 정화율은 낮아진다. 한편, 제 2 제어 모드만으로 재생 제어를 행하는 경우에는, 승온 처리 중에도 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx의 정화를 계속할 수 있기 때문에, 재생 제어 중에도 높은 NOx 정화율이 얻어진다. 다만, 제 2 제어 모드만으로 재생 제어를 행한 경우, 촉매 담체(40)의 상류측 단부에 흡장된 유황의 방출이 불충분해지기 때문에, 재생 제어 후에도 방출할 수 없어 촉매 장치(30)에 흡장된 채의 유황의 양은, 제 1 제어 모드만으로 재생 제어를 행한 경우보다 많아진다. 이 때문에, 제 2 제어 모드만으로 재생 제어를 행한 경우, 재생 제어 후에 있어서의 촉매 장치(30)의 NOx 정화율은, 제 1 제어 모드만으로 재생 제어를 행한 경우보다 낮아진다. 이와 같이, 제 1, 제 2 제어 모드에서의 재생 제어에는 각각 일장 일단이 있어, 장기적으로 본 토탈의 NOx 배출량을 삭감하는데 있어서 아직 개선의 여지가 있다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 이하의 양태로 재생 제어를 행함으로써, 재생 제어 중의 NOx의 배출을 억제하면서, 촉매 장치(30)의 유황 피독을 적합하게 재생하는 것을, 나아가서는 장기적으로 본 토탈의 NOx 배출량의 삭감을 더 가능하게 하고 있다.
도 22에, 본 실시 형태의 배기 정화 장치에서의 재생 제어와 관련된 각종 판정을 행하기 위한 판정 루틴의 플로우 차트를 나타낸다. 루틴의 처리는, 디젤 기관의 운전 중에, 전자 제어 유닛(37)에 의해, 규정의 제어 주기마다 반복 실행된다.
본 루틴의 처리가 개시되면, 우선 단계 S100에 있어서, 피독 단위량 SINC이 산출된다. 피독 단위량은, 상기 제어 주기분의 시간에 촉매 장치(30)에 흡장되는 유황의 양을, 즉 촉매 장치(30)의 유황의 흡장 속도를 나타낸다. 본 실시 형태에서는, 디젤 기관의 연료 분사량(Q) 및 엔진 회전수(NE)에 의거하여 피독 단위량(SINC)을 산출하고 있다. 구체적으로는, 연료 분사량(Q) 및 엔진 회전수(NE)의 승산값에 비례한 값으로서 피독 단위량(SINC)의 값이 산출되고 있다.
도 23은, 여기서 산출되는 피독 단위량(SINC)과, 연료 분사량(Q) 및 엔진 회전수(NE)의 관계를 나타내고 있다. 피독 단위량은, 상기 제어 주기분의 시간에 있어서 촉매 장치(30)에 유입되는 배기 중의 유황의 양(유황 유입량)이 많을수록, 즉 제어 주기분의 시간에 있어서 연소된 연료의 양이 많을수록 많아진다. 이 때문에, 도 23에 나타내는 바와 같이, 연료 분사량(Q)이 많을수록, 혹은 엔진 회전수(NE)가 높을수록 큰 값이 되도록 피독 단위량(SINC)의 값은 산출되고 있다.
계속해서, 단계 S101에 있어서, 방출 처리가 실시 중인지 여부가 판정된다. 여기서, 방출 처리의 실시 중이 아니면(NO), 단계 S102에 있어서, 유황 흡장량(SX)의 값이, 유황 흡장량(SX)의 그때까지의 값에 피독 단위량(SINC)을 가산한 값으로 갱신된 후, 단계 S105로 처리가 진행된다. 한편, 방출 처리가 실시 중이면(YES), 단계 S103에 있어서 방출 단위량(SDEC)이 산출되고, 단계 S104에 있어서, 유황 흡장량(SX)의 값이, 유황 흡장량(SX)의 그때까지의 값에 피독 단위량(SINC)을 가산하고, 또한 방출 단위량(SDEC)을 감산한 값으로 갱신된 후, 단계 S105로 처리가 진행된다. 방출 단위량(SDEC)은, 방출 처리에 있어서 제어 주기분의 시간에 방출되는 유황의 양을, 즉 방출 처리에 있어서의 유황의 방출 속도를 나타낸다. 본 실시 형태에서는, 유황 흡장량(SX)에 의거하여 방출 단위량(SDEC)의 값이 산출되고 있다.
도 24는, 여기서 산출되는 방출 단위량(SDEC)과 유황 흡장량(SX)의 관계를 나타내고 있다. 촉매 장치(30)의 유황 흡장량이 많을수록, 촉매 장치(30)로부터의 유황의 방출 속도는 빨라진다. 이 때문에, 도 24에 나타내는 바와 같이, 유황 흡장량(SX)이 많을수록 큰 값이 되도록 방출 단위량(SDEC)의 값이 산출되고 있다.
단계 S105로 처리가 진행되면, 그 단계 S105에 있어서, 유황 흡장량(SX)이 규정의 개시 판정값(SMAX) 미만인지 여부가 판정된다. 여기서, 유황 흡장량(SX)이 개시 판정값(SMAX) 이상이면(NO), 단계 S106에 있어서 실행 플래그가 세트된 후, 단계 S107로 처리가 진행된다. 한편, 유황 흡장량(SX)이 개시 판정값(SMAX) 미만이면(YES), 그대로 단계 S107로 처리가 진행된다. 또한, 실행 플래그는, 재생 제어의 개시 시에 세트되고, 재생 제어의 종료 시에 클리어되는 플래그이다.
단계 S107로 처리가 진행되면, 그 단계 S107에 있어서, 실행 플래그가 세트되어 있는지 여부가 판정된다. 여기서, 실행 플래그가 세트되어 있지 않으면(NO), 그대로 이번의 본 루틴의 처리가 종료된다. 한편, 실행 플래그가 세트되어 있으면(YES), 단계 S108로 처리가 진행된다.
단계 S108로 처리가 진행되면, 그 단계 S108에 있어서, 유황 흡장량(SX)이 규정의 전환 판정값(SMID)을 초과하고 있는지 여부가 판정된다. 전환 판정값(SMID)에는, 상기 서술의 개시 판정값(SMAX)보다 작은 값으로 설정되어 있다. 여기서, 유황 흡장량(SX)이 전환 판정값(SMID) 이하이면(NO), 단계 S109에 있어서 전환 플래그가 세트된 후, 단계 S110으로 처리가 진행된다. 한편, 유황 흡장량(SX)이 전환 판정값(SMID)을 초과하고 있으면(YES), 그대로 단계 S110으로 처리가 진행된다. 또한, 전환 플래그는, 제 1 제어 모드에서의 제어로부터 제 2 제어 모드에서의 제어로 재생 제어에서의 제어가 전환될 때에 세트되고, 재생 제어가 종료될 때에 클리어되는 플래그이다.
단계 S110으로 처리가 진행되면, 그 단계 S110에 있어서, 유황 흡장량(SX)이 규정의 종료 판정값(SMIN)을 하회하고 있는지 여부가 판정된다. 종료 판정값(SMIN)에는, 상기 서술의 전환 판정값(SMID)보다 더 작은값으로 설정되어 있다. 여기서 유황 흡장량(SX)이 종료 판정값(SMIN) 이상이면(NO), 그대로 이번의 본 루틴의 처리가 종료된다. 한편, 유황 흡장량(SX)이 종료 판정값(SMIN)을 하회하고 있으면(YES), 단계 S111에 있어서 실행 플래그 및 전환 플래그가 각각 클리어된 후, 이번의 본 루틴의 처리가 종료된다.
도 25에, 본 실시 형태의 배기 정화 장치에 있어서의 재생 제어의 실시와 관련된 재생 제어 루틴의 플로우 차트를 나타낸다. 루틴의 처리도, 디젤 기관의 운전 중에, 전자 제어 유닛(37)에 의해, 규정의 제어 주기마다 반복 실행된다.
본 루틴의 처리가 개시되면, 우선 단계 S200에 있어서, 실행 플래그가 세트되어 있는지 여부가 판정된다. 여기서, 실행 플래그가 세트되어 있으면(YES), 단계 S201로 처리가 진행되고, 실행 플래그가 세트되어 있지 않으면(NO), 그대로 이번의 본 루틴의 처리가 종료된다.
단계 S201로 처리가 진행되면, 그 단계 S201에 있어서, 방출 완료 플래그가 세트되어 있는지 여부가 판정된다. 방출 완료 플래그는, 재생 제어에 있어서 승온 처리와 번갈아 실시되는 방출 처리가 종료될 때마다 세트되고, 승온 처리가 종료될 때마다 클리어되는 플래그이다. 여기서, 방출 완료 플래그가 세트되어 있으면(YES), 단계 S210으로 처리가 진행되고, 그 단계 S210 이후의 처리에 있어서, 승온 처리가 실시된다. 한편, 방출 완료 플래그가 세트되어 있지 않으면(NO), 단계 S220으로 처리가 진행되고, 그 단계 S220 이후의 처리에 있어서, 방출 처리가 실시된다.
단계 S210으로 처리가 진행되면, 그 단계 S210에 있어서, 상기 서술의 전환 판정 플래그가 세트되어 있는지 여부가 판정된다. 여기서, 전환 판정 플래그가 세트되어 있지 않으면(S210: NO), 단계 S211에 있어서, 상기 서술의 제 1 승온 방법에 의해 촉매 온도(TC)를 상승시키기 위한 연료 분사 밸브(19)에 의한 포스트 분사의 실시가 지시된 후, 단계 S213으로 처리가 진행된다. 한편, 전환 판정 플래그가 세트되어 있으면(S210:YES), 단계 S212에 있어서, 상기 서술의 제 2 승온 방법에 의해 촉매 온도(TC)를 상승시키기 위한 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가가 지시된 후, 단계 S213으로 처리가 진행된다.
단계 S213으로 처리가 진행되면, 그 단계 S213에 있어서, 촉매 온도(TC)가 승온 처리에 있어서의 목표 온도를 상회하고 있는지 여부가 판정된다. 목표 온도는, 촉매 장치(30)에 흡장된 유황의 방출에 필요한 온도보다 약간 높은 온도로 설정되어 있다. 여기서, 촉매 온도(TC)가 목표 온도를 상회하고 있으면(YES), 단계 S214에 있어서 방출 완료 플래그가 클리어된 후, 이번의 본 루틴의 처리가 종료되고, 촉매 온도(TC)가 목표 온도 이하이면(NO), 그대로 이번의 본 루틴이 종료된다.
한편, 방출 완료 플래그가 세트되어 있지 않고(S201: NO), 단계 S220으로 처리가 진행된 경우, 우선 단계 S220에 있어서, 촉매 장치(30)에 흡장된 유황을 방출하기 위한 주기적인 리치 스파이크의 실시가 지시된다. 그리고, 단계 S221에 있어서, 이번의 방출 처리의 실시 시간을 나타내는 카운터인 방출 시간(TS)의 값이 인크리먼트된다.
계속해서, 단계 S222에 있어서, 방출 시간(TS)이 규정의 기준 방출 시간 이상이 되었는지 여부가 판정된다. 여기서, 방출 시간(TS)이 기준 방출 시간 이상이면(YES), 단계 S223에 있어서, 방출 완료 플래그가 세트됨과 함께, 방출 시간(TS)의 값이 「0」으로 리셋된 후, 이번의 본 루틴의 처리가 종료된다. 한편, 방출 시간(TS)이 기준 방출 시간에 충족하지 않으면(NO), 그대로 이번의 본 루틴의 처리가 종료된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 상기 판정 루틴 및 재생 제어 루틴의 처리를 실행하는 전자 제어 유닛(37)이 재생 제어부에 상당하는 구성으로 되어 있다. 이어서, 이상과 같이 구성된 본 실시 형태의 내연 기관의 배기 정화 장치의 작용을 설명한다.
상기한 바와 같이 촉매 장치(30)에 유입되는 배기 중의 유황이 염기성층(43)에 흡장되면, 염기성층(43)의 염기성이 약해져, 촉매 장치(30)의 NOx 정화율이 저하된다. 본 실시 형태에서는, 촉매 장치(30)의 유황 흡장량(SX)이 규정의 개시 판정값(SMAX) 이상이 되면, 촉매 장치(30)에 흡장된 유황을 방출시키기 위한 재생 제어가 개시된다.
재생 제어가 개시되면, 촉매 장치(30)에 흡장된 유황의 방출에 필요한 온도까지 촉매 장치(30)를 승온시키는 승온 처리와, 기통(11)에서 연소되는 혼합기의 공연비를 촉매 장치(30)에 흡장된 유황의 방출에 필요한 값으로 하는 방출 처리가 번갈아 반복 실시된다. 본 실시 형태에서는, 유황 흡장량(SX)이 전환 판정값(SMID)을 하회할 때까지 저하될 때까지는, 연료 분사 밸브(19)에 의한 포스트 분사의 실시를 통한 제 1 승온 방법에 의한 승온 처리를 행하면서, 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복하는 제 1 제어 모드에서의 제어에 의해 재생 제어가 실시된다. 그리고, 유황 흡장량(SX)이 전환 판정값(SMID)을 하회한 후는, 제 2 승온 방법에 의한 승온 처리를 행하면서, 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복하는 제 2 제어 모드에서의 제어에 의해 재생 제어가 실시된다. 즉, 이 제 2 제어 모드로의 제어의 전환 후는, 환원성 중간체를 생성 가능한 규정 범위 내의 진폭 및 규정 범위 내의 주기로 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 진동시키도록 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료 첨가를 실행함으로써 승온 처리가 실시된다. 그리고, 유황 흡장량(SX)이 종료 판정값(SMIN)을 하회했을 때에 재생 제어가 종료된다. 즉, 본 실시 형태에서는, 재생 제어의 개시부터 종료까지의 기간에 있어서의 제 1 제어 모드에서의 제어가 행해진 후의 기간에 제 2 제어 모드에서의 제어가 실시되고 있다.
도 26에는, 이러한 재생 제어의 실시 중의 촉매 장치(30)의 유황 흡장량(SX) 및 NOx 정화율의 추이가 나타나 있다. 도 26에서는, 시각(t1)에 재생 제어가 개시되고, 시각(t2)에 제 1 제어 모드에서의 제어로부터 제 2 제어 모드에서의 제어로의 전환이 행해지고, 시각(t3)에 재생 제어가 종료되고 있다. 또한, 도 26의 「S1」은, 제 1 승온 방법에 의한 승온 처리가 실시되고 있는 기간을, 「S2」는, 제 2 승온 방법에 의한 승온 처리가 실시되고 있는 기간을, 「H」는, 방출 처리가 실시되고 있는 기간을 각각 나타내고 있다.
제 1 승온 방법에 의한 승온 처리의 실시 중에 촉매 온도(TC)가 400℃ 이상의 고온 영역까지 상승하면, 염기성층(43)에 흡장된 질산염이 열분해되어 방출되어 버리는 점에서, 배기 중의 NOx를 촉매 장치(30)에 흡장할 수 없게 된다. 이 때문에, 제 1 승온 방법에 의해 승온 처리를 행하는 경우에는, 그 도중에서 높은 NOx 정화율을 유지할 수 없게 된다.
한편, 제 2 승온 방법에 의한 승온 처리의 실시 중에는, 촉매 온도(TC)가 400℃ 이상의 고온 영역까지 상승해도, 제 1 NOx 정화 방법에 의한 NOx의 정화를 계속할 수 있다. 이 때문에 제 2 승온 방법에 의해 승온 처리를 행하는 경우, 승온 처리의 개시부터 종료까지, 높은 NOx 정화율이 유지된다.
도 27에, 재생 제어의 개시 시(시각(t1)), 제어 모드의 전환 시(시각(t2)), 재생 제어의 종료 시(시각(t3))의 각 시점에 있어서의 촉매 장치(30)의 각부의 유황 흡장량을 나타낸다.
상기 서술한 바와 같이, 제 2 승온 방법에 의한 승온 처리에서는, 촉매 장치(30)로의 HC 유입 간격이 길어, 배기가 직접 분사되어 닿는 촉매 장치(30)의 상류측 단부의 온도가 상승되기 어려워진다. 이에 대하여, 제 1 승온 방법에 의한 승온 처리에서는, 촉매 장치(30)의 상류측 단부의 온도도 충분히 높일 수 있다. 한편, 촉매 장치(30)의 전체가, 유황의 방출에 필요한 온도 이상의 온도가 된 상태에서 방출 처리가 행해지면, 촉매 장치(30)의 상류측 단부로부터 유황의 방출이 개시된다. 이 때문에, 재생 제어의 개시 후의 제 1 제어 모드에서의 제어가 행해지고 있는 기간에는, 유황의 방출은 주로 촉매 장치(30)의 상류측 단부에 있어서 행해지게 된다. 따라서, 제 1 제어 모드에 의한 제어로부터 제 2 제어 모드에서의 제어로의 전환 시에는, 촉매 장치(30)의 상류측 단부의 유황 흡장량이 저하되게 된다. 덧붙여서, 촉매 장치(30)의 상류측 단부로부터 방출된 유황은, 배기와 함께 촉매 장치(30)에 있어서의 하류측의 부분으로 이동하기 때문에, 이 때의 촉매 장치(30)의 하류측 단부의 유황 흡장량은, 재생 제어의 개시 시보다 증가하게 된다.
한편, 제 2 제어 모드에서의 제어로 전환되면, 제 2 승온 방법에 의해 승온 처리가 행해지게 된다. 이 때에는, 촉매 장치(30)의 상류측 단부의 온도를 높이기 어려워진다. 다만, 이 시점에서는, 이러한 촉매 장치(30)의 상류측 단부의 유황 흡장량은 이미 저하되고 있고, 이 때에도, 나머지의 촉매 장치(30)의 하류측 부분에서는 유황을 양호하게 방출할 수 있다. 이 때문에, 상기한 바와 같이, 재생 제어의 개시부터 종료까지의 기간에 있어서의 제 1 제어 모드에서의 제어가 행해진 후의 기간에 제 2 제어 모드에서의 제어를 실시함으로써, 유황 흡장량이 촉매 장치(30)의 전체에 있어서 바람직하게 저하되게 된다.
상기 서술한 도 21에는, 본 실시 형태의 양태에서 재생 제어를 행하면서 디젤 기관을 운전했을 때의 촉매 장치의 NOx 정화율 및 유황 흡장량의 추이가 함께 나타나 있다. 본 실시 형태에서는, 제 2 제어 모드의 제어만으로 재생 제어를 행한 경우에 비해, 재생 제어에 있어서 촉매 장치(30)에 흡장된 유황이 보다 양호하게 방출되어 촉매 장치(30)의 NOx 정화 성능이 보다 양호하게 회복되게 된다. 이 때문에, 도 21에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 배기 정화 장치에서는, 제 2 제어 모드의 제어만으로 재생 제어를 행한 경우보다, 재생 제어 후의 NOx 정화율이 높아진다. 게다가, 제 1 제어 모드에서의 제어로부터 제 2 제어 모드에서의 제어로의 전환 후는, 승온 처리 중에도 높은 NOx 정화율을 유지할 수 있다. 이 때문에, 도 21에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 배기 정화 장치에서는, 제 1 제어 모드의 제어만으로 재생 제어를 행한 경우보다 재생 제어 중의 NOx 정화율이 높아진다. 덧붙여서, 본 실시 형태에 있어서 상기 서술의 전환 판정값(SMID)은, 촉매 장치(30)의 상류측 단부의 유황 흡장량이 충분히 저하된 시점에서 제어 모드가 전환되도록, 그 값이 설정되어 있다.
이상 설명한 본 실시 형태의 내연 기관의 배기 정화 장치에 의하면, 이하의 효과를 나타낼 수 있다. (1)본 실시 형태에서는, 연료 분사 밸브(19)에 의한 포스트 분사의 실행을 통하여 승온 처리를 행하면서, 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복하는 제 1 제어 모드에서의 제어와, 환원성 중간체를 생성 가능한 규정 범위 내의 진폭 및 규정 범위 내의 주기로 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 HC 농도를 진동시키도록 연료 첨가 밸브(29)의 미연 연료 첨가를 실행함으로써 승온 처리를 행하면서, 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복하는 제 2 제어 모드에서의 제어를 통하여 재생 제어를 행하고 있다. 그리고, 재생 제어의 개시부터 종료까지의 기간에 있어서의 제 1 제어 모드에서의 제어가 행해진 후의 기간에 제 2 제어 모드에서의 제어를 실시하고 있다. 이 때문에, 재생 제어 중의 NOx의 배출을 억제하면서, 유황 피독에 의해 저하된 촉매 장치(30)의 NOx 정화 능력을 적합하게 회복할 수 있다.
(2) 상기 서술한 바와 같이 제 2 제어 모드의 제어에서는, 촉매 장치(30)의 상류측 단부의 유황 방출이 어렵기 때문에, 제 2 제어 모드의 제어로의 전환은, 제 1 제어 모드의 제어에 있어서 촉매 장치(30)의 상류측 단부의 유황 방출이 충분히 진행된 시점에서 행하는 것이 바람직하다. 한편, 재생의 진행 상황은, 재생 제어의 개시로부터의 유황 흡장량(SX)의 저하량으로부터 파악 가능하다. 그 점, 본 실시 형태에서는, 재생 제어 중에, 개시 판정값(SMAX)보다 작은값으로 설정된 규정의 전환 판정값(SMID)까지 촉매 장치(30)의 유황 흡장량(SX)이 저하되었을 때에, 제 1 제어 모드에서의 제어로부터 제 2 제어 모드에서의 제어로의 전환을 행하고 있다. 이 때문에, 촉매 장치(30)의 상류측 단부의 유황 방출이 충분히 진행된 시점에서 제어 모드를 전환하여, 촉매 장치(30) 전체의 유황 흡장량을 확실히 저하시키는 것이 가능해진다.
(3)본 실시 형태에서는, 기통(11)에서 연소시키는 혼합기의 공연비를 일시적으로 리치화하는 리치 스파이크를 일정한 시간 간격을 두고 주기적으로 행함으로써 방출 처리를 행하고 있다. 이 때문에, 배기 공연비(AFI)를 이론 공연비 또는 이론 공연비보다 낮은 값으로 유지하여 방출 처리를 행하는 경우보다, 방출 처리 중에 있어서의 외기로의 미연 연료 성분의 배출을 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태는, 아래와 같이 변경하여 실시할 수도 있다. 상기 실시 형태에서는, 연료 분사 밸브(19)에 의한 연료 분사의 양을 일시적으로 증량하는 리치 스파이크를 일정한 시간 간격을 두고 반복함으로써 방출 처리를 실시하고 있었지만, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가에 의해 배기 공연비(AFI)를 간헐적, 또는 계속적으로 낮게 함으로써 방출 처리를 실시하도록 해도 된다. 또한, 연료 분사 밸브(19)에 의한 연료 분사의 양을 계속적으로 증량하여, 베이스 공연비(AFB)를 이론 공연비 또는 이론 공연비보다 낮은 값으로 유지함으로써, 방출 처리를 실시하는 것도 가능하다.
상기 실시 형태에서는, 디젤 기관의 운전 상황(연료 분사량(Q), 엔진 회전수(NE))에 의거하여, 촉매 장치(30)의 유황 흡장량(SX)을 추정함과 함께, 그 추정한 유황 흡장량(SX)에 의거하여 재생 제어의 개시 시기를 결정하고 있었다. 재생 제어의 개시 시기를, 예를 들면 연료 분사량(Q)의 적산값 등, 다른 파라미터에 의거하여 결정하도록 해도 된다.
상기 실시 형태에서는, 상기 추정한 유황 흡장량(SX)에 의거하여, 재생 제어 중에 있어서의 제 1 제어 모드의 제어로부터 제 2 제어 모드의 제어로의 전환 시기나 재생 제어의 종료 시기를 결정하고 있었지만, 재생 제어의 개시로부터의 경과 시간 등 다른 파라미터에 의거하여 그들의 시기를 결정하도록 해도 된다.
상기 실시 형태에서는, 재생 제어 중에 있어서, 제 1 제어 모드의 제어 종료 후, 즉시 제 2 제어 모드의 제어를 실시하도록 하고 있었지만, 이들 사이에 다른 제어 모드에서의 제어를 실시하도록 해도 된다. 예를 들면, 연료 분사 밸브(19)에 의한 포스트 분사와, 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료의 첨가의 쌍방을 통하여 승온 처리를 행하면서, 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복하는, 제 1 제어 모드와 제 2 제어 모드의 중용(中庸)의 제어를, 제 1 제어 모드에서의 제어와 제 2 제어 모드에서의 제어의 사이에 실시하도록 하는 것을 생각할 수 있다.

Claims (3)

  1. 내연 기관의 배기 정화 장치로서,
    상기 내연 기관은 기통(11)과 배기 통로(14)를 포함하고, 상기 기통(11)으로부터 배출된 배기는 상기 배기 통로(14) 내를 흐르며,
    상기 배기 정화 장치는,
    포스트 분사를 실행하도록 구성되는 연료 분사 밸브(19) - 상기 포스트 분사는 상기 내연 기관에 있어서의 연소 행정 후의 상기 기통(11) 내로의 연료 분사임 - 와,
    상기 배기 통로(14)에 설치되는 연료 첨가 밸브(29) - 상기 연료 첨가 밸브(29)는 상기 배기 중에 미연 연료를 첨가하도록 구성됨 - 와,
    상기 배기 통로(14)에 있어서의 상기 연료 첨가 밸브(29)보다 하류측에 설치되는 촉매 장치(30) - 상기 촉매 장치(30)는 상기 배기 중의 질소산화물과 개질된 탄화수소와의 반응에 의해 상기 질소산화물을 환원하도록 구성되고, 상기 촉매 장치(30)는 상기 배기와의 접촉 표면에 귀금속 촉매(41, 42)가 담지되며, 상기 귀금속 촉매(41, 42)의 주위에 배기 접촉 표면(44)을 포함하고, 상기 배기 접촉 표면(44)은 염기성 표면이며, 상기 촉매 장치(30)는, 상기 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 탄화수소 농도를 제 1 규정 범위 내의 진폭, 및 상기 내연 기관의 아이들 운전 시에 있어서의 상기 배기의 상기 배기 통로(14)로의 유입 주기보다 긴 제 2 규정 범위 내의 주기로 진동시킴으로써 배기 중의 질소산화물을 환원하는 성질과, 상기 배기의 탄화수소 농도의 진동 주기를 상기 제 2 규정 범위보다 길게 함으로써 질소산화물의 흡장량이 증대되는 성질을 가짐 - 및
    전자 제어 유닛(37)을 포함하고,
    상기 전자 제어 유닛은,
    상기 촉매 장치(30)의 유황 흡장량이 규정의 개시 판정값 이상일 때에, 상기 촉매 장치(30)의 피독 재생 제어를 실행하고;
    상기 재생 제어에 있어서 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복 실시하며 - 상기 승온 처리는 상기 촉매 장치(30)에 흡장된 유황의 방출에 필요한 온도까지 상기 촉매 장치(30)를 승온시키는 처리이고, 상기 방출 처리는 상기 기통(11)에서 연소되는 혼합기의 공연비를 상기 촉매 장치(30)에 흡장된 상기 유황의 방출에 필요한 값으로 하는 처리임 - ;
    제 1 제어 모드에서의 제어와 제 2 제어 모드에서의 제어에 의해 상기 재생 제어를 실행하고 - 상기 제 1 제어 모드는 상기 연료 분사 밸브(19)에 의한 상기 포스트 분사의 실행을 통하여 상기 승온 처리를 행하면서 상기 승온 처리와 상기 방출 처리를 번갈아 반복하는 모드이며, 상기 제 2 제어 모드는 상기 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 탄화수소 농도를 상기 제 1 규정 범위 내의 진폭 및 상기 제 2 규정 범위 내의 주기로 진동시키도록 상기 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료 첨가를 실행함으로써 상기 승온 처리를 행하면서 상기 승온 처리와 상기 방출 처리를 번갈아 반복하는 모드임 - 그리고,
    상기 재생 제어의 개시로부터 종료까지의 기간에 있어서의 상기 제 1 제어 모드에서의 제어가 행해진 후의 기간에 상기 제 2 제어 모드에서의 제어를 실시하도록 구성되는 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛(37)은 상기 재생 제어 중에, 규정의 전환 판정값까지 상기 유황 흡장량이 저하되었을 때에, 상기 제 1 제어 모드에서의 상기 제어로부터 상기 제 2 제어 모드에서의 상기 제어로 전환하도록 구성되고, 상기 규정의 전환 판정값은 상기 개시 판정값보다 작은 값인 배기 정화 장치.
  3. 내연 기관의 배기 정화 방법으로서,
    상기 내연 기관은 배기 정화 장치, 기통(11) 및 배기 통로(14)를 포함하고, 상기 기통(11)으로부터 배출된 배기는 상기 배기 통로(14) 내를 흐르며,
    상기 배기 정화 장치는,
    포스트 분사를 실행하도록 구성되는 연료 분사 밸브(19) - 상기 포스트 분사는 상기 내연 기관에 있어서의 연소 행정 후의 상기 기통(11) 내로의 연료 분사임- 와,
    상기 배기 통로(14)에 설치되는 연료 첨가 밸브(29) - 상기 연료 첨가 밸브(29)는 상기 배기 중에 미연 연료를 첨가하도록 구성됨- 와,
    상기 배기 통로(14)에 있어서의 상기 연료 첨가 밸브(29)보다 하류측에 설치되는 촉매 장치(30) - 상기 촉매 장치(30)는 상기 배기 중의 질소산화물과 개질된 탄화수소와의 반응에 의해 상기 질소산화물을 환원하도록 구성되고, 상기 촉매 장치(30)는, 상기 배기와의 접촉 표면에 귀금속 촉매(41, 42)가 담지되며, 상기 귀금속 촉매(41, 42)의 주위에 배기 접촉 표면(44)을 포함하고, 상기 배기 접촉 표면(44)은 염기성 표면이며, 상기 촉매 장치(30)는, 상기 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 탄화수소 농도를 제 1 규정 범위 내의 진폭, 및 상기 내연 기관의 아이들 운전 시에 있어서의 상기 배기의 상기 배기 통로(14)에의 유입 주기보다 긴 제 2 규정 범위 내의 주기로 진동시킴으로써 배기 중의 질소산화물을 환원하는 성질과, 상기 배기의 탄화수소 농도의 진동 주기를 상기 제 2 규정 범위보다 길게 함으로써 질소산화물의 흡장량이 증대되는 성질을 가짐 - 를 포함하고,
    상기 배기 정화 방법은,
    상기 촉매 장치(30)의 유황 흡장량이 규정의 개시 판정값 이상일 때에, 상기 촉매 장치(30)의 피독 재생 제어를 실행하는 것;
    상기 재생 제어에 있어서 승온 처리와 방출 처리를 번갈아 반복 실시하는 것 - 상기 승온 처리는 상기 촉매 장치(30)에 흡장된 유황의 방출에 필요한 온도까지 상기 촉매 장치(30)를 승온시키는 처리이고, 상기 방출 처리는 상기 기통(11)에서 연소되는 혼합기의 공연비를 상기 촉매 장치(30)에 흡장된 상기 유황의 방출에 필요한 값으로 하는 처리임 - ;
    제 1 제어 모드에서의 제어와 제 2 제어 모드에서의 제어에 의해 상기 재생 제어를 실행하는 것 - 상기 제 1 제어 모드는 상기 연료 분사 밸브(19)에 의한 상기 포스트 분사의 실행을 통하여 상기 승온 처리를 행하면서 상기 승온 처리와 상기 방출 처리를 번갈아 반복하는 모드이며, 상기 제 2 제어 모드는 상기 촉매 장치(30)에 유입되는 배기의 탄화수소 농도를 상기 제 1 규정 범위 내의 진폭 및 상기 제 2 규정 범위 내의 주기로 진동시키도록 상기 연료 첨가 밸브(29)에 의한 미연 연료 첨가를 실행함으로써 상기 승온 처리를 행하면서 상기 승온 처리와 상기 방출 처리를 번갈아 반복하는 모드임 - 및
    상기 재생 제어의 개시로부터 종료까지의 기간에 있어서의 상기 제 1 제어 모드에서의 제어가 행해진 후의 기간에 상기 제 2 제어 모드에서의 제어를 실시하는 것을 포함하는 배기 정화 방법.
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