KR960002348B1 - 내연기관의 배기정화장치 - Google Patents

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도시아끼 다나까
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신야 히로따
기요시 고바시
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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
내연기관의 배기정화장치
[도면의 간단한 설명]
제1도는 내연기관의 전체도.
제2도는 기본연료분사 시간의 맵(map)을 도시하는 다이어그램.
제3도는 수정계수(K)의 변화를 도시하는 다이어그램.
제4도는 배기가스중의 불완전 연소된 HC 및 CO와 엔진으로 부터 배출된 산소의 농도를 개략 도시한 그래프.
제5도는 NOx의 흡수 및 방출조작을 설명하는 다이어그램.
제6도는 NOx의 흡수율을 도시하는 다이어그램.
제7도는 공연비의 제어를 도시하는 다이어그램.
제8도는 인터럽션 루틴을 도시하는 흐름도.
제9도는 연료분사 시간(TAU)을 계산하기 위한 흐름도.
제10도는 내연기관의 다른 실시예를 도시하는 전체도.
제11도는 공연비 센서의 출력을 도시하는 그래프.
제12도는 피드백 수정계수(F)를 계산하기 위한 흐름도.
제13도는 연료분사 시간(TAU)을 계산하기 위한 흐름도.
제14도는 내연기관의 또다른 실시예를 도시하는 전체도.
제15도는 내연기관의 또다른 실시예를 도시하는 전체도.
제16도는 내연기관의 또다른 실시예를 도시하는 전체도.
제17도는 인터럽션 루틴을 도시하는 흐름도.
제18도는 주루틴을 도시하는 흐름도.
제19도는 내연기관의 또다른 실시예를 도시하는 전체도.
제20도는 NOn방출처리 공정을 수행하기 위한 흐름도.
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 내연기관의 배기정화장치에 관한 것이다.
[배경기술]
엔진배기통로가 NOx 정화통 한쌍의 배기분기통로로 분기되어 있고, 전환밸브가 전환밸브의 전환기능에 의해 배기가스를 배기분기 통로들중 하나로 선택적으로 안내하도록 이들 배기분기 통로의 분기된 부분에 배치되어 있으며, NOx를 산화시켜 흡수할 수 있는 촉매제가 각각 배기분기 통로내에 배치되어 있는 디젤 엔진은 주지되어 있다(일본국 특개소 62-106826호 참조). 이 디젤 엔진에 있어서 하나의 배기분기 통로 안으로 도입되는 배기가스내의 NOx는 이 배기분기 통로내에 배치된 촉매제에 의해 산화되어 흡수된다. 산화 및 흡수시 다른 배기분기 통로로의 배기가스의 유입은 정지되며 동시에 가스상 환원제는 이 배기분기 통로안으로 공급된다. 이 배기분기 통로내에 배치된 촉매제내에 축적된 NOx는 이 환원제에 의해 환원된다. 이에 따라, 잠시 후에 배기가스가 이미 도입되어 있던 배기분기 통로로의 배기가스의 도입은 전환밸브의 전환기능에 의해 정지되고, 배기가스의 도입이 이미 정지되어 있던 배기분기 통로의 배기가스의 도입은 재차 개시된다.
그러나, 한쌍의 배기분기 통로로의 배기가스의 도입이 선택적으로 정지될때, 배기가스의 도입이 정지되어 있던 쪽의 배기분기 통로내의 촉매제의 온도는 배기가스의 도입이 정지된 시기에서 점차적으로 내려가고 배기가스의 도입이 재차 개시되는 시점에 접근했을 때 상당히 낮은 온도로 까지 내려간다. 촉매제의 온도가 이러한 방식으로 낮아지면, 촉매제의 촉매기능이 떨어져 NOx의 산화 및 흡수기능이 충분히 수행되지 않는 문제점이 발생한다. 배기가스의 도입이 개시되는 시점으로부터 촉매제온도가 상승하는 시점까지의 시기에 NOx는 촉매제에 의해 흡수되지 않으므로 대기로 배출된다.
또한, 이 디젤 엔진에는 한쌍의 배기분기 통로가 반드시 구비되어야하며 전환밸브도 필요하게 된다. 그러므로 구조가 복잡해진다. 더욱이 전환밸브는 항상 고온의 배기가스에 노출되므로 전환밸브 내구성에 문제가 생긴다. 또한, NOx 흡수의 관점에서 볼 때 하나의 촉매제는 항상 유휴상태로 있게 되므로 제공되는 촉매제전체가 NOx 흡수에 유효하게 사용되지 않는 또다른 문제가 발생한다.
[발명의 개시
본 발명의 목적은 배기 시스템의 복잡한 구조 없이도 NOx를 효과적으로 흡수할 수 있으며 필요에 따라 흡수된 NOx를 방출할 수 있는 배기정화장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 유입배기가스의 공연비가 희박할때 NOx를 흡수하는 반면에 유입배기 가스의 산소농도가 낮아질때 흡수된 NOx를 방출하는 NOx흡수재가 엔진배기 통로내에 배치되어 있으며, 배기가스는 엔진작동중에 NOx 흡수재 안으로 연속해서 유동하며, 그리고 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스가 희박해질 때 NOx 흡수재에 흡수되는 NOx는 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 산소농도가 낮아질 때 NOx 흡수재로 부터 방출되는 그러한 내연기관의 배기정화장치가 제공된다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
제1도는 본 발명이 가솔린 엔진에 적용되어 있는 경우를 도시하고 있다.
제1도를 참조하면, 1은 엔진몸체, 2는 피스톤, 3은 연소실, 4는 점화플러그, 5는 흡기밸브, 6은 흡기구, 7은 배기밸브, 그리고 8은 배기구를 각각 나타낸다. 흡기구(6)는 대응분기파이프(9)를 경유하여 서지탱크(10)에 연결되어 있으며, 흡기구(6) 내부쪽으로 연료를 분사하는 연료분사기(11)는 각각의 분기파이프(9)에 부착되어 있다. 서지탱크(10)는 흡기덕트(12)와 공기유량계(13)를 경유하여 에어크리너(14)에 연결되어 있으며 스로틀밸브(15)는 흡기덕트(12)내에 배치되어 있다. 다른 한편 배기구(8)는 배기다기관(16)과 배기파이프(17)를 경유하여 내부에 NOx 흡수재(18)를 포함하고 있는 케이싱(19)에 연결되어 있다.
전자 제어유니트(30)는 디지털 컴퓨터를 포함하고 있으며, 2방향성 버스(31)에 의해 상호연결된 ROM(32 ; 판독전용메모리), RAN(33 ; 임의 액세스메모리), CPU(34 ; 마이크로세서), 입력포트(35) 및 출력포트(36)를 구비하고 있다. 공기유량계(13)는 흡기량에 비례한 출력전압을 발생시키며, 이 출력전압은 AD변환기(37)을 경유하여 입력포트(35)에 입력된다. 배기온도에 비례한 출력전압을 발생시키는 온도센서(20)는 케이싱(19) 상류쪽 배기 파이프(17)내에 부착되어 있으며, 이 온도센서(20)의 출력전압은 AD 변환기(38)를 경유하여 입력포트(35)로 입력된다. 또한 엔진속도를 나타내는 출력펄스를 발생시키는 엔진속도센서(21)는 입력포트(35)에 연결되어 있다. 다른 한편 출력포트(36)는 대응 구동회로(39 및 40)를 경유하여 점화플러그(4) 및 연료분사기(11)에 각각 연결되어 있다.
제1도에 도시된 내연기관에 있어서, 연료분사 시간(TAU)은 예컨대 다음 식에 따라 계산된다.
TAU=TP·K
여기에서, TP는 기본연료분사시간, K는 수정계수이다. 기본연료분사시간(TP)은 엔진실린더 안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 화학량론 공연비가 되도록 하는데 필요한 연료분사 시간을 도시한다. 이 기본연료분사시간(TP)은 실험에 의해 미리 구해져 엔진부하(Q/N ; 흡기량 Q/엔진속도 N)와 엔진속도(N)의 함수로서 제2도에 도시되어 있는 바와같이 맵의 형태로 ROM(32)내에 미리 저장된다. 수정계수(K)는 엔진실린더 안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비를 제어하기 위한 계수이며, K=1.0이라면 엔진실린더 안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 화학량론 공연비가 된다. 이와는 반대로 K가 1.0보다 작아질때 엔진실린더 안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 화학량론 공연비보다 커지며 적 희박해지며, K가 1.0보다 커질때 엔진실린더 안으로 공급되는 공기 연료 혼합물의 공연비는 화학량론 공연비보다 작아진다 즉 농후해진다.
이 수정계수(K)는 엔진의 작동상태에 따라 제어된다. 제3도는 이 수정계수(K) 제어의 실시예를 도시한다. 제3도에 도시된 실시예에 있어서, 워밍업 작동중에 수정계수(K)는 엔진 냉각수 온도가 높아짐에 따라 점차 낮아진다. 워밍업이 완료되면 수정계수(K)는 1.0보다 작은 일정값으로 유지되는데 즉, 엔진실린더 안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 희박한 상태로 유지된다. 따라서, 가속작동이 수행될 때 수정계수(K)는 예컨대 1.0이 되는데 즉, 엔진실린더 안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 화학량론 공연비가 된다. 전부하 작동이 수행될 때 수정계수(K)는 1.0보다 크게된다. 즉, 엔진실린더로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 농후해진다. 제3도로 부터 알 수 있는 바와같이 제3도에 도시된 실시예에 있어서, 워밍업 작동시간, 가속작동시간, 및 전부하 작동시간을 제외한 시간에 엔진실린더로 공급되는 공기 연료 혼합물의 공연비는 일정하게 희박한 공연비로 유지되며 따라서 희박공기연료 혼합물은 엔진작동구역 대부분에서 연소된다.
제4도는 연소실(3)로부터 배출되는 배기가스내의 대표적인 성분들의 농도를 도시한다. 제4도로부터 알수 있는 바와 같이 연소실로 부터 배출되는 배기가스내의 불완전 연소된 HC 및 CO의 농도는 연소실(3)안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 농후해짐에 따라 증가되고 연소실(3)로 부터 배출되는 배기가스내의 산소(O2)의 농도는 연소실(3)안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 희박해짐에 따라 증가된다.
케이싱(19)내에 수용된 NOx 흡수재(18)는 담체로서 예컨대 알루미나를 사용한다. 이 담체상에는 예컨대 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs)등의 알칼리금속 ; 예컨대 바륨(Ba), 칼슘(Ca)등의 알카리 토금속 ; 예컨대 란탄(La), 이트륨(Y)등의 희토류 금속 ; 및 백금(Pt)등과 같은 귀금속으로부터 선택되어진 적어도 하나의 물질이 함유된다. 엔진의 흡기통로와 NOx 흡수재(18) 상류쪽의 배기통로 안으로 공급되는 공기와 연료(탄화수소)간의 비를 NOx 흡수재(18)로의 유입배기가스의 공연비로 간주할 때 이 NOx 흡수재(18)는 유입배기가스의 공연비가 희박해질 때, NOx를 흡수함으로써 NOx의 흡수 및 방출조작을 수행하는 반면, 유입배기가스내의 산소농도가 떨어질 때는 흡수된 NOx를 방출한다. 연료(탄화수소) 또는 공기가 NOx 흡수재(18)의 상류쪽 배기통로 안으로 공급되지 않는 위치에서 유입흡기가스의 공연비가 연소실(3)안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 일치하므로 따라서 이 경우에 NOx 흡수재(18)는 연소실(3)안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 희박할 때 NOx를 흡수하고 연소실(3)안으로 공급되는 공기연료 혼합물내의 산소농도가 낮아질 때 흡수된 NOx를 방출한다는 점에 주의해야 한다.
상기 NOx 흡수재(18)가 엔진의 배기통로내에 배치될때 이 NOx 흡수재(18)는 NOx의 흡수 및 방출조작을 실제로 수행하지만 이 흡수 및 방출조작의 정확한 메카니즘이 불분명한 구간이 존재한다. 그러나, 이 흡수 및 방출조작은 제5도에 도시된 바와같은 메카니즘에 의해 수행되는 것으로 간주될 수 있다. 이 메카니즘은 백금(Pt)과 바륨(Ba)이 담체상에서 함유되는 경우를 한 예로 사용함으로써 설명될 것이지만 다른 귀금속, 알칼리금속, 알킬리토금속 또는 희토류 금속이 사용되더라도 유사한 메카니즘은 이루어진다.
즉, 유입배기가스가 상당히 희박해지면 유입배기가스내의 산소농도는 매우 증가된다. 제5a도에 도시된 바와같이 산소(O2)는 O2 -의 형태로 백금(Pt) 표면상에 부착된다. 다른 한편 유입배기가스내의 NO는 백금(Pt)의 표면상에 있는 O2 -와 반응하여 NO2가 된다(2NO+O2→2NO2). 따라서 발생된 NO2의 일부는 백금(Pt)상에서 산화되어 흡수재 안으로 흡수된다. 이들은 산화바륨(BaO)과 결합된 상태에서 제5a도에 도시된 바와같이 질산이온(NO3 -)의 형태로 흡수재내에 확산된다. 이러한 방식으로 NOx는 NOx 흡수재(18)안으로 흡수된다.
유입배기가스내에 산소농도가 높은 상태인 한 NOx는 백금(Pt) 표면상에서 발생되며, 또 흡수재의 NOx 흡수능력이 포화상태가 되지 않는 한 NOx는 흡수재 안으로 흡수되어 질산이온(NO3 -)이 발생된다. 이와는 반대로 유입흡기가스내의 산소농도가 낮아져 NO2의 발생이 줄어들때 이 반응은 역방향으로 진행되므로 (NO3 -→NO2) 흡수재내의 질산이온(NO3 -)은 흡수재로 부터 NO2의 형태로 방출된다. 즉, 유입배기가스내의 산소농도가 낮나질 때 NOx는 NOx 흡수재(18)로 부터 방출된다. 제4도에 도시된 바와같이, 유입배기가스의 희박도가 낮아지면 유입배기가스내의 산소농도는 낮아지며 따라서 유입배기가스의 희박도가 낮아질 때 NOx는 유입배기가스의 공연비가 희박하더라도 NOx 흡수재로 부터 방출된다.
한편, 이때에 연소실(3)안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 농후해지고 유입 배기가스의 공연비가 제4도에 도시된 바와같이 농후해지면 불완전 연소된 많은 양의 HC 및 CO가 엔진으로부터 방출되고 이들 불완전연소된 HC 및 CO는 백금(Pt)상의 산소(O2 -)와 반응하여 산화된다. 또한 유입배기가스의 공연비가 농후해지면 유입배기가스내의 산소농도는 극히 낮아지므로 NO2는 흡수재로 부터 방출된다. 이 NO2는 제5b도에 도시된 바와같이 불완전 연소된 HC 및 CO와 반응하여 환원된다. 이러한 방식으로, 더 이상의 NO2가 백금(Pt) 표면상에 존재하지 않게되면 NO2는 흡수재로 부터 연속적으로 방출된다. 따라서, 유입배기가스의 공연비가 농후해질때 NOx는 단시간에 NOx 흡수재(18)로 부터 방출된다.
즉, 유입배기가스의 공연비가 농후해지면 무엇보다도 먼저 불완전 연소된 HC 및 CO가 백금(Pt)상의 O2 -와 반응하여 산화되고 따라서 백금(Pt)상의 O2 -가 소멸되었음에도 불구하고 불완전 연소된 HC 및 CO가 여전히 남아 있다면 흡수재로 부터 방출되는 NOx와 엔진으로부터 배출되는 NOx는 이들 불완전 연소된 HC 및 CO에 의해 환원된다. 따라서 유입배기가스의 공연비가 농후해지면 NOx 흡수재(18)내에 흡수된 NOx는 단시간내에 방출되고 이와 더불어 이 방출된 NOx는 환원되어 NOx의 대기로의 배출은 차단된다. 또한, NOx 흡수재(18)가 환원촉매제기능을 가지고 있으므로 유입배기가스의 공연비가 화학량론 공연비가 되더라도 NOx 흡수재(18)로부터 방출되는 NOx는 환원될 수 있다. 그러나 유입배기가스의 공연비가 화학량론 공연비가 되는 위치에서 NOx는 단지 NOx 흡수재(18)로부터 점차적으로 방출되므로 NOx 흡수재(18)내에 흡수된 모든 NOx를 방출하는데는 약간 긴 시간이 필요하게 된다.
유입배기가스의 희박도가 앞서 설명한 것과 같이 낮아지면 유입배기가스의 공연비가 희박하더라도 NOx는 NOx 흡수재(18)로 부터 방출된다. 따라서, NOx 흡수재(18)로부터 NOx를 방출하기 위해서 유입배기가스내의 산소농도가 낮아지면 충분하다. NOx는 NOx 흡수재(18)로부터 방출되더라도 유입배기가스의 공연비가 희박할 때는 NOx가 NOx 흡수재(18)내에서 환원되지 않으며 따라서 이 경우에 NOx 흡수재(18) 하류쪽의 NOx를 환원시킬 수 있는 촉매제를 제공하거나 또는 NOx 흡수재(18) 하류쪽에 환원제를 공급할 필요가 있게 된다는 점에 주의해야 한다. 물론, 이러한 방식으로 NOx 흡수재(18) 하류쪽의 NOx를 환원시키는 것도 또한, 가능하지만 NOx가 NOx 흡수재(18)내에서 환원되는 것이 보다 바람직하다. 따라서 본 발명에 따른 실시예에 있어서, NOx가 NOx 흡수재(18)로부터 방출될때 유입배기가스의 공연비는 화학량론 공연비가 되거나 또는 농후해지며, 이에 따라 NOx 흡수재(18)로부터 방출되는 NOx는 NOx 흡수재(18)내에서 환원된다.
제6도는 유입배기가스의 공연비가 희박할때 NOx 흡수재(19) 안으로 흡수되는 NOx의 흡수율(R)을 도시한다. 가로축(T)은 NOx 흡수재(18)의 온도를 나타낸다. 실제로, NOx 흡수재(18)의 온도(T)는 NOx 흡수재(18)안으로 유동하는 배기가스의 온도와 거의 동일하게 된다. 제16도로부터 알 수 있듯이, NOx 흡수재(18)의 온도가 T1으로 표시된 200℃보다 낮을 때 NOx의 산화기능(2NO+O2→2NO2)은 약화되며 그러므로 NOx 흡수율(R)은 낮아진다. 더욱이 이때에 NOx의 방출조작(NO3 -→NO2)은 약화되고 따라서 유입배기가스의 공연비가 화학량론 공연비가 되거나 또는 농후해지더라도 NOx 흡수재(18)로부터 NOx를 원활하게 방출하는 것은 불가능하다. 다른 한편 NOx 흡수재(18)의 온도가 T2로 표시된 약 500℃ 부근 보다 더 높아질때 NOx 흡수재(18)내에 흡수재된 NOx는 분해되고 당연히 NOx 흡수재(18)로부터 방출되므로 NOx 흡수율은 낮아진다. 따라서, NOx는 NOx 흡수재(18)의 온도(T)가 소정의 온도 범위내에 있을 때 (T1＜T＜T2) NOx 흡수재(18) 안으로 원활하게 흡수된다.
제3도에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 실시예에 있어서 연소실(3) 안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 워밍업 작동시에 그리고 전부하 작동시에 농후해지며, 가속 작동시에는 화학양론 공연비가 되지만 희박한 공기연료 혼합물은 이 시간들을 제외한 나머지 대부분의 작동구역에서는 연소실(3)내에서 연소된다. 이 경우 연소실(3)내에서 연소되는 공기연료 혼합물의 공연비는 18.0보다 대체로 크다. 제1도에 도시된 실시예에서는 20 내지 24의 공연비를 갖는 희박한 공기 연료 혼합물이 연소된다. 공연비가 18.0 보다 커지면 3원 촉매제는 공연비가 희박한 상태에서 환원성능을 갖더라도 NOx를 충분히 환원시킬 수 없으며 따라서 3원 촉매제는 공연비가 이와같이 희박한 상태에서 NOx를 환원시키기 위해 사용될 수 없다. 또한, 공연비가 18.0보다 크더라도 NOx를 환원시킬 수 있는 촉매제로서는 Cu-제오라이트 촉매제가 있으나 이 Cu-제오라이트 촉매제는 내열성이 부족하므로 이러한 Cu-제오라이트 촉매제의 사용은 실용상으로 바람직하지 못하다. 따라서 결국에는 공연비가 18.0보다 클때에 본발명에 사용되는 NOx 흡수재(18)를 사용하는 방법 외에는 NOx를 정화시킬 방법이 전혀없다.
상기한 바와같은 본발명에 따른 실시예에 있어서 연소실(3)안으로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 전부하 작동시에 농후해지며, 가속작동시에는 화학량론 공연비가 되므로 NOx는 전부하 작동시에 그리고 가속작동시에 NOx 흡수재(18)로 부터 방출된다. 그러나 이러한 전부하 작동 또는 가속작동의 빈도가 낮으면 NOx가 전부하 작동과 가속작동시에만 NOx 흡수재(18)로부터 방출되더라도 NOx 흡수재(18)에 의한 NOx의 흡수능력은 희박한 공기연료 혼합물이 연소되는 시기중에 포화되어 이에 따라 NOx는 NOx 흡수재(18)에 의해 더이상 흡수되지 않는다. 따라서 본 발명에 따른 실시예에 있어서 희박한 공기연료 혼합물이 제7a도에 도시된 바와같이 연속해서 연소되면 유입배기가스의 공연비는 제7b도에 도시된 바와같이 주기적으로 농후해지거나 또는 주기적으로 화학량론 공연비가 된다. 또한, 이 경우에, 제7c도에 도시된 바와같이, 희박도를 주기적으로 낮추는 것이 가능하나, 이경우에, NOx는 NOx 흡수재(18)내에서 환원되지 않아서, 상기한 바와같이, NOx는 NOx 흡수재(18)의 하류쪽에서 환원되어야 한다.
제7a도에 도시된 바와같이, 유입배기가스의 공연비가 주기적으로 농후하게 되는 경우를 살펴보면, 유입배기가스의 공연비가 농후하게 되는 시간(t2)은 희박한 공연비의 공기연료 혼합물이 연소되는 시간(t1)보다 훨씬 더 짧다. 구체적으로 말하면, 유입배기가스의 공연비가 농후하게 되는 시간(t2)은 약 10초 보다 더 짧지만, 희박한 공연비의 공기연료 혼합물이 연소되는 시간(t1)은 10여분 내지 한시간 또는 그이상이다. 즉, 환언하면, t2는 t1의 50배 또는 그보다 길다. 또한 이러한 것은 제7b도 및 제7c도에 도시된 경우에도 알 수가 있다.
NOx 흡수재로 부터 NOx를 방출하는 조작은 일정량의 NOx가 NOx 흡수재(18)로 흡수될 때, 예를들어 NOx가 NOx 흡수재의 흡수능력의 50% 흡수될때 행하여 진다. NOx 흡수재(18)로 흡수된 NOx량은 엔진에서 배출된 배기가스량 및 배기가스에서의 NOx 농도에 비례한다.
이 경우에, 배기가스량은 흡입공기량에 비례하고 배기가스중의 NOx 농도는 엔진부하에 비례하며, 따라서 NOx 흡수재(18)로 흡수되는 NOx량은 흡기량 및 엔진부하에 정확하게 비례한다. 따라서, NOx 흡수재(18)내에 흡수된 NOx량은 엔진부하와 흡입공기량의 산출 누계치로부터 추정될 수 있으나, 본발명에 따른 실시예에 있어서는 단순화되어, NOx 흡수재(18)내에 흡수된 NOx량이 엔진속도의 누계치로부터 추정될 수 있다.
본 발명에 의한 NOx 흡수재의 흡수 및 방출제어의 한 실시예는 제8도 및 제9도를 참조하여 이하에 설명될 것이다.
제8도는 소정의 시간간격으로 실행된 인터럽션 루틴을 도시하고 있다.
제8도를 참조하면, 먼저, 기본연료분사 시간(TP)에 대하 수정계수(K)가 1.0보다 더 작은지 또는 아닌지, 즉, 희박한 공연비의 공기연료 혼합물이 연소되었는지 또는 아닌지의 단계(100)에서 판단된다. K＜1.0이면, 즉 희박한 공연비의 공기연료 혼합물이 연소되었으면, 처리공정 루틴은 단계(101)로 진행하며, 여기에서 현재 엔진속도 NE에 ∑NE를 더한 결과는 ∑NE로 정의된다. 따라서, 이 ∑NE는 엔진속도 NE의 누계치를 나타내고 있다. 계속하여, 단계(102)에서, 누계엔진속도(∑NE)가 일정치(SNE)보다 큰지 또는 아닌지가 판단된다. 이 일정치(SNE)는 예를들어 NOx 흡수능력의 50%의 NOx가 NOx 흡수재에 의하여 흡수된다고 평가되는 누계엔진속도를 도시하고 있다. ∑NE≤SNE이면, 처리공정 사이클은 완료되고, ∑NE＞SNE이면, 즉 NOx 흡수재(18)의 NOx 흡수능력의 50%량의 NOx가 흡수된다고 평가되면, 처리공정 루틴은 단계(103)으로 진행된다. 단계(103)에서, 배기온도(T)가 일정치(T1), 예를들면 200℃보다 낮은지 또는 아닌지가 판단된다. T＜T1이면, 처리공정 사이클은 완료되고, T≥T1이면, 처리공정 루틴은 NOx 방출 플래그가 설치되는 단계(104)로 진행된다. NOx 방출 플래그가 설치되면, 후술하는 바와같이, 엔진실린더에 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 농후하게 된다.
계속하여, 단계(105)에서, 계수(C)는 정확히 "1"씩 증가한다. 계속하여, 단계(106)에서 계수(C)가 일정치(CO) 보다 더 크게 되는지 또는 아닌자, 즉, 예를들어 5초가 경과하는지 아닌지가 판단된다. C≤CO이면, 처리공정 루틴은 완료되고, C가 CO보다 더 크게되면, 처리공정 루틴은 NOx 방출 플래그가 재설정되는 단계(107)로 진행된다. NOx 방출 플래그가 재설정되면, 후술하는 바와같이, 엔진실린더로 공급되는 공기연료혼합물의 공연비는 농후한 상태에서 희박한 상태로 전환되어, 엔진실린더로 공정되는 공기연료 혼합물의 공연비가 5초동안 농후하게 된다. 계속하여, 단계(108)에서, 누계엔진속도(∑NE) 및 계수(C)는 0으로 된다.
다른 한편, 단계(100)에서, K≥1.0으로 결정되면, 즉 엔진실린더로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 화학량론 공연비 또는 농후하게 되면, 처리공정 루틴은 단계(109)로 진행되며, 여기에서 K≥1.0의 상태가 일정시간, 예를들어 10초 동안 계속되는지 또는 아닌지가 판단된다.
K≥1.0의 상태가 소정시간 동안 계속되지 않으면, 처리공정 사이클은 완료되고, K≥의 상태가 소정시간 동안 계속되면, 처리공정 루틴은 단계(110)로 진행되어, 여기에서 누계엔진속도(∑NE)가 0으로 된다.
즉, 엔진실린더로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 화학량은 공연비 또는 농후하게 만들어지는 시간이 약 10초 동안 계속되면, NOx 흡수재(18)내에 흡수된 NOx의 대부분은 방출된 것으로 인식될 수 있으며, 따라서, 이 경우에 누계엔진속도(∑NE)는 단계(110)에서 0으로 된다. 또한, 단계(103)에서, T＜T1이면 엔진실린더로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 농후하게 만들어질 지라도, NOx 흡수재(18)의 온도는 낮고, 따라서 NOx는 NOx 흡수재(18)에서 방출되지 않는다. 따라서, T＜T1이면, 처리공정은 T가 T1과 같거나 또는 그보다 더 크게 될때까지 지연되고, T가 T1과 같거나 또는 그보다 더크면, 엔진실린더에 공급된 공기연료 혼합물의 공연비는 농후하게 만들어진다.
제9도는 연료분사 시간(TAU)의 계산루틴을 도시하고 있다. 이 루틴은 반복 실행된다.
제9도를 참조하면, 먼저, 단계(200)에서, 기본연료분사 시간(TP)은 제2도에 표시되어 있는 맵으로 부터 계산된다. 계속하여, 단계(201)에서, 이 작동상태가 희박한 공연비의 공기연료 혼합물이 연소되어야만 하는 상태인지 또는 아닌지가 판단된다. 희박한 공연비의 공기연료 혼합물이 연소되어야만 하는 작동상태가 아닐때, 즉, 워밍업작동, 가속작동, 또는 전부하작동 시기일때, 처리공정 루틴은 단계(202)로 진행되며, 여기에서 수정계수(K)가 계산된다. 엔진 워밍업 작동 시기에, 이 수정계수(K)는 엔진냉각수 온도의 함수이며 또한 엔진 냉각수 온도가 K≥1.0으로 표시된 범위내에서 보다 높게 됨에 따라 더 작아진다. 또한, 가속 작동 시기에 수정계수(K)는 1.0으로 되며 전부하작동 시기에 수정계수(K)는 1.0보다 더 큰 값으로 만들어진다. 계속하여, 단계(203)에서, 수정계수(K)는 Kt로 되며, 그리고 계속하여 단계(204)에서, 연료분사 시간(TAU(=TP·Kt))이 계산된다. 이 때에 엔진실린더에 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 화학량론 공연비로 또는 농후하게 된다.
다른 한편, 단계(201)에서, 작동상태가 희박한 공연비의 공기연료 혼합물이 연소되어야만 하는 상태임이 판단되며, 처리공정 루틴은 단계(205)로 진행되며, 여기에서 NOx 방출 플래그가 설정되었는지 또는 아닌지가 판단된다. NOx 방출 플래그가 설정되지 않았으면, 처리공정 루틴은 단계(206)로 진행되며, 여기에서 수정계수(K)는 예를들어 0.6으로 되고, 그리고 계속하여, 단계(207)에서 수정계수(K)는 Kt로 변경되며, 다음 처리공정 루틴은 단계(204)로 진행된다. 따라서, 이때, 희박한 공연비의 공기연료 혼합물은 엔진실린더로 공급된다. 다른 한편, NOx 방출 플래그가 설정되는 것이 단계(205)에서 결정되면, 처리공정 루틴은 단계(208)로 진행되며, 여기에서 예정치(KK)는 Kt로 변경되며, 그리고 계속하여 처리공정 루틴은 단계(204)로 진행된다. 이값(KK)은 엔진실린더로 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 약 12.0 내지 13.5로 됨에 따라 약 1.1 내지 1.2의 값이다. 따라서, 이때문에, 농후한 공연비의 공기연료 혼합물이 엔진실린더로 공급되어, 이에 의해 NOx 흡수재(18)내에 흡수된 NOx는 방출된다. NOx 방출시 공기연료 혼합물은 화학량론 공연비로 되며, KK의 값은 1.0으로 된다.
제10도는 다른 하나의 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 제1도에 도시된 것과 동일한 구성요소는 동일한 참조번호로 표시되어 있다.
제10도에 도시된 바와같이, 이 실시예에서, 공연비를 광범위하게 검출할 수 있는 공연비 센서(22)는 배기다기관(16)에 배치되어 있다. 이 공연비 센서(22)는 제11도에 도시된 바와같이 공연비(A/F)에 따른 출력전압(V)을 발생시킨다. 따라서, 이 공연비는 이 출력전압(V)으로 부터 알 수 있다. 출력전압(V)은 제10도에 도시된 바와같이 AD 변환기(41)를 경유하여 입력포트(35)로 입력된다.
제1도에 도시되어 있는 실시예에서, 수정계수(K)의 값은 오픈 루프로 제어되며, 따라서 희박한 공기연료 혼합물의 연소시의 희박한 공연비와 NOx 방출시의 농후한 공연비가 노화로 인해 표준공연비에서 벗어날 위험성이 있다. 제10도에 도시된 바와같이, 공연비 센서(22)를 사용하여 피드백 제어되어, 이에 의해 이 희박한 공연비와 농후한 공연비가 표준공연비와 항상 일치된다.
즉, 제10도에 도시된 바와같이, 공연비 센서(22)가 사용되면, 연료분사시간(TAU)은 다음의 방정식에 기초해서 계산될 수 있다.
TAU=TP·K·F·G
여기에서, 기본연료분사 시간(TP) 및 수정계수(K)는 제1도 내지 제9도에 도시된 실시예에 사용된 것과 동일하며, 피드백 수정계수(F) 및 러어닝(learning) 계수(G)가 여기에 새로이 더해져 있다. 이 피드백 수정계수(F)는 공연비가 공연비 센서의 출력전압(V)에 기초한 목표공연비와 일치하도록 변동하며 그리고 러어닝 계수(G)는 1.0 근처에서의 변동이 발생하도록 변환된다. 또한 이 실시예에서, 제8도에 도시된 루틴은 NOx 방출 플래그를 제어하기 위하여 사용된다.
제12도는 피드백 수정계수(F)를 계산하는 루틴을 도시하고 있으며, 이 루틴은 소정된 시간 간격에서 인터럽션에 의해 실행된다.
제12도를 참조하면, 먼저 단계(300)에서는 NOx 방출 플래그가 설정되었는지 또한, 아닌지를 판단한다. NOx 방출 플래그가 설정되지 않으면, 진행루틴은 단계(301)로 진행되며, 여기에서 수정계수(K)에 상응하는 목표공연비(A/F)O가 계산된다. 계속해서, 단계(302)에서, 현 공연비(A/F)는 공연비센서(22)의 출력전압(V)으로 부터 계산된다. 계속해서 단계(303)에서, 목표공연비(A/F)O는 현 공연비(A/F)와 비교된다. (A/F)O＞(A/F)이면, 처리공정 루틴은 단계(304)로 진행되며, 여기에서 일정값(α)은 피드백 수정계수(F)에 감산된다. 그결과, 연료분사시간(TAU)은 감소되어 공연비가 더 작아진다. 이러한 방식으로, 공연비(A/F)는 목표공연비(A/F)O에서 유지된다.
계속해서, 단계(306)에서, 피드백 수정계수(F)의 소정된 시기내의 평균값은 러어닝계수(G)로서 정의된다. 다른 한편, 단계(300)에서, NOx 방출 플래그가 설정되었으면, 처리공정 루틴은 단계(307)로 진행되며, 여기에서 피드백 수정계수(F)는 1.0에 고정된다.
제13도는 연료분사시간(TAU)의 계산루틴을 도시하고 있으며, 이 루틴은 반복되어 실행된다. 이 루틴은 단계(404)를 제외하고는 제9도에 도시된 루틴과 동일하다.
즉, 제13도를 참조하면, 먼저 단계(400)에서 기본연료분사시간(TP)는 제2도에 도시된 맵에서 계산될 수 있다. 계속하여, 단계(401)에서는, 작동상태가 희박한 공기연료 혼합물이 연소되어야 하는 상태인지 또는 아닌지가 판단된다. 작동상태가 희박한 공기연효 혼합물의 연소되어야 하는 상태가 아니면, 즉 워밍업작동, 가속작동, 또는 전부하 작동시, 처리공정 루틴은 단계(402)로 진행되며, 여기에서 수정계수(K)가 계산된다. 계속하여, 단계(403)에서, 수정계수(K)는 Kt로 되며, 그리고 계속하여, 단계(404)에서는 연료분사시간(TA(=TP·Kt·F·G))이 계산된다. 이때, 엔진실린더에 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 화학량론 공연비 또는 농후한 공연비를 갖도록 만들어진다.
다른 한편, 단계(401)에서 작동상태가 희박한 공기연료의 혼합물이 연소되어야 하는 상태인 것이 판단되며, 처리공정 루틴은 단계(405)로 진행되며, 여기에서 NOx 방출 플래그가 설정되는지 또는 아닌지가 판단된다. NOx 방출 플래그가 설정되지 않으면, 처리공정 루틴은 단계(406)로 진행되며, 여기에서 수정계수(K)는 예를들어 0.6으로 변환하며, 계속해서 수정계수(K)가 단계(407)에서 Kt로 된 후, 처리공정 루틴은 단계(404)로 진행된다. 따라서, 이때에 희박한 공기연료 혼합물이 엔진실린더로 공급된다. 다른 한편, 단계(405)에서 NOx 방출 플래그가 설정되었으면, 처리공정 루틴은 단계(408)로 진행되며, 여기에서 예정치(KK)는 Kt로 설정되며, 계속하여 처리공정 루틴은 단계(404)로 진행된다. 이 값(KK)은 약 1.1 내지 1.2의 값이다. 따라서, 이때에 농후한 공기연료 혼합물은 엔진실린더로 공급되어, 이에 의해 NOx 흡수재내에 흡수된 NOx가 방출된다.
상기한 바와같이, 러어닝계수(G)는 소정된 시기내에서 피드백 수정계수(F)의 평균값을 표시한다. 이 피드백 수정계수(F)는 본래 1.0 근처에서 변동한다. 예를들어, 침전물이 연료분사기(11)의 노즐포트내에 축적된다고 가정하면, 피드백 수정계수(F)는 공연비(A/F)를 목표공연비(A/F)O로 유지하기 위하여, 1.0 보다 더 크게 된다. 이 방식에서, 피드백 수정계수(F)가 1.0보다 더 크게되면, 러어닝계수(G)는 이것에 더하여 더 크게되어, 피드백 수정계수(F)는 항상 1.0 근처에서 변동한다. 따라서, 이 경우에, 피드백 수정계수(F)가 1.0에 고정되면, 공연비(A/F)는 수정계수(K)에 상응하는 목표공연비와 일치한다. 제10도에 도시된 실시예에 있어서, 제12도에 도시된 바와같이, NOx 방출 플래그가 설정되면, 피드백 수정계수(F)는 1.0에 고정된다. 따라서, 이때에 엔진실린더에 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비는 KK에 상응하는 공연비로 수정일치된다.
제14도는 다른 하나의 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 케이싱(19)의 출력측은 배기파이프(23)를 경유하여 3원 촉매제(24)를 갖춘 촉매변환기(25)와 연결되어 있다. 이 3원 촉매제(24)는 잘 공지된 바와같이, 공연비가 대략 화학량론 공연비에서 유지될때 CO, HC, 및 NOx에 대하여 고정화 효율을 나타내지만, 이 3원 촉매(24)는 공연비가 임의의 정도로 농후하게 될때 조차도 NOx에 대하여 고정화 효율을 갖는다. 제14도에 도시된 실시예에 있어서, 3원 촉매제(24 : 는 이러한 특징을 이용하여 NOx를 정화하기 위하여 NOx 흡수재(18)의 하류에 제공된다.
즉, 상기한 바와같이, 엔진실린더에 공급되는 공기연료 혼합물의 공연비가 NOx 흡수재(18)로 부터 NOx를 방출하기 위하여 농후하게 될때, NOx 흡수재에 흡수된 NOx는 NOx 흡수재(18)로 부터 갑자기 방출된다. 이때, NOx는 방출시 환원되지만, NOx 모두가 환원되지 않을 가능성이 있다. 그러나, 3원 촉매제(24)가 NOx 흡수재(18)의 하루에 배치되면, 방출시 환원되지 않은 NOx는 3원 촉매제(24)에 의해 환원된다. 따라서, 3원 촉매제(24)를 NOx 흡수재(18)의 하류에 배치함으로써, NOx 정화작용은 보다 더 개선될 수 있다.
제15도는 다른 하나의 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 3원 촉매제(26)를 포함하고 있는 다른 하나의 촉매 변환기(27)가 배기다기관(16)과 배기파이프(17)의 사이에 배치되어 있다. 이 방식에 있어서, 3원 촉매제(26)가 배기구(8)의 근처에 배치되어 있으며, 이 3원 촉매제(26)는 NOx 흡수재 및 3원 촉매제(24)에 비하여 고온의 배기가스와 접촉하면, 따라서, 3원 촉매제(26)는 엔진시동후의 온도가 NOx 흡수재(18) 및 3원 촉매제(24)에 비하여 갑자기 상승한다. 따라서, 이러한 3원 촉매제(26)가 제공되며, 엔진시동후의 초기에 3원 촉매제(26)에 의한 엔진워밍업 작동중 대량 발생된 불완전 연소된 HC 및 CO를 정화하는 것이 가능하게 된다.
상기의 실시예들에 있어서, NOx 흡수재와 같이, 알칼리금속, 알칼리 토금속, 희토류금속, 및 귀금속으로 부터 선택된 적어도 하나의 물질이 알루미나상에 함유되어 있는 흡수재(18)가 사용된다. 그러나, 이러한 NOx 흡수재(18)의 대용으로, 알칼리 토금속과 구리의 합성 산화물, 즉, Ba-Cu-O계 NOx 흡수재를 사용하는 것이 가능하다. 이러한 알칼리 토금속과 구리의 합성 산화물과 같은 예를들어 MnO2·BaCuO2의 사용이 가능하다. 이 경우에 백금(Pt) 또는 세슘(Ce)이 추가될 수 있다.
이 MnO2·BaCuO2계 NOx 흡주재에 있어서, 구리(Cu)는 상기 NOx 흡수재(18)의 백금(Pt)과 동일한 촉매기능을 한다. 공연비가 희박하면, NOx는 구리(Cu)에 의해 산화되면(2ND+O2→2NO2)그리고 질산이온(NO3 -)의 형태로 흡수재내에 확산된다.
다른 한편, 공연비가 농후하면, 유사하게 NOx는 흡수재로 부터 방출되고 이 NOx는 구리(Cu)의 촉매기능에 의해 환원된다. 그러나, 구리(Cu)의 NOx 환원력은 백금(Pt)의 NOx 환원력에 비하여 더 약하며, 따라서 Ba-Cu-O계 흡수재가 사용되는 곳에서 NOx 방출시 환원되지 않는 NOx 량은 상기의 NOx 흡수재(18)에 비하여 조금씩 증가된다.
따라서, Ba-Cu-O계 흡수재가 사용되는 곳에서, 제14도 및 제15도에 도시된 바와같이, 바람직하게도 3원 촉매(24)는 흡수재의 하류에 배치되어 있다.
제16도 및 제17도는 본발명이 디젤엔진에 적용된 경우를 도시하고 있다.
제16도 및 제17도에서, 제1도의 구성요소와 동일한 구성요소는 동일한 참조번호로 도시되어 있다.
디젤엔진에 있어서, 통상 모든 작동상태에서 연소는 과잉공기비가 1.0보다 더큰 상태, 즉, 연소실(3)내의 공기연료 혼합물의 평균 공연비가 희박한 상태에서 실행된다. 따라서, 이때 배출된 NOx는 NOx 흡수재(18)내로 흡수된다. 다른 한편, NOx가 NOx 흡수재(18)로 부터 방출되어야 할때, NOx 흡수재(18)로의 유입배기 가스의 공연비는 농후하게 된다. 이 경우에 제16도에 도시된 실시예에 있어서, 연소실(3) 내의 공기연료 혼합물의 평균 공연비는 농후하게 되어 이에 의해 NOx 흡수재(18)로의 유입배기가스의 공연비가 농후하게 된다. 제19도에 도시된 실시예에 있어서, 연소실내의 공기연료 혼합물의 평균 공연비는 희박하게 되며, 그리고 탄화수소는 NOx 흡수재(18)의 엔진 상류의 배기통내로 공급되어, 이에 의해 NOx 흡수재(18)로의 유입배기가스의 공연비가 농후하게 된다. 제19도에 도시된 실시예에 있어서, 연소실내의 공기연료 혼합물의 평균 공연비는 희박하게 되며, 그리고 탄화수소는 NOx 흡수재(18)의 엔진 상류의 배기통로내로 공급되어, 이에 의해 NOx 흡수재(18)로의 유입배기가스의 공연비가 농후하게 된다.
제16도를 참조하면, 이 실시예에 있어서, 가속기 폐달(50)에 대한 가압량에 비례하는 출력전압을 발생시키는 부하센서(51)가 구비되어 있으며, 이 부하센서(51)의 출력전압은 AD 변환기(52)를 경유하여 입력포트(35)로 입력된다. 또한, 이 실시예에 있어서, 스로틀 밸브(53)는 흡기덕트(12)내에 배치되어 있으며, 이 스로틀 밸브(53)는 진공다이어프램장치(54)의 다이어프램(55)에 연결되어 있다. 진공다이어프램장치(54)의 다이어프램 진공실(56)은 전자전환밸브(57)를 경유하여 대기 또는 진공탱크(58)와 선택적으로 연결되어 있는 반면, 전자제어유니트(30)의 출력포트(36)는 구동회로(59)를 경유하여 전자전환밸브(57)에 연결되어 있다. 전자전환밸브(57)에 대하여, 다이어프램 진공실(56)이 대기와 연통되는 시간과 진공탱크(58)와 연통되는 시간 사이의 비는 즉 총효율비(DUTY)는 제어된다. 이 총효율비(DUTY)가 더 커짐에 따라, 스로틀 밸브(53)의 개구도는 보다 더 작어진다.
이 실시예에 있어서, NOx가 NOx 흡수재(18)로 부터 방출되어야 할 때, 연료분사기(11)로 부터의 분자량은 최상의 연소로 얻어지는 필요분사량에 관하여 일정량(ΔQ)으로만 증가되고 동시적으로 스로틀 밸브(53)는 소정된 개방도로 개방되어 연소실(3)내의 공기 연료 혼합물의 평균 공연비가 농후하게 되도록 한다. 즉, 연료분사기(11)로 부터의 분사량이 최상의 연소로 얻어지는 필요분사량에 관하여 단지 일정량(ΔQ)으로만 증가되면, 이 증가된 양의 값(ΔQ)은 잘 연소되지 않으며 불완전 연소된 HC와 CO의 형태에서 배기구(8)의 내부로 배출된다. 또한, 이때에, 연소실(3)로 공급된 공기량은 스로틀 밸브(53)의 개방 작동에 의해 감소되어 배출구(8)의 내부로 배출된 배기가스의 공연비는 농후하게 된다. 따라서, NOx 흡수재(18)안으로 유동하는 유입배기가스의 공연비는 농후하게 되고 그 결과 NOx는 NOx 흡수재(18)로부터 방출된다. NOx가 NOx 흡수재(18)로 부터 방출되어야 할때 연료증가량(ΔQ)과 스로틀 밸브(53)의 개방량은 실험에 의해서 예비적으로 얻게된다.
제17도는 상기 언급된 제어를 실행하기 위해 소정된 시간 사이에서 실행되는 인터럽션 루틴을 도시하고 있다.
제17도를 참조하면, 먼저, 단계(500)에서 현 엔진 속도(NE)에 ∑NE를 더하여 얻게되는 결과는 ∑NE로서 정의된다. 따라서, 이 ∑NE는 엔진속도 NE의 누계치를 나타낸다. 계속하여, 단계(501)에서, 누계엔진속도(∑NE)가 소정된 값(SNE) 보다 큰지 또는 아닌지 판단된다. 이 소정된 값(SNE)은 예를들어 NOx 흡수재(18)의 NOx 흡수능력의 50%의 양에서 NOx가 NOx 흡수재에 흡수되는 것으로 평가되는 누계엔진속도를 나타낸다. ∑NE≤SNE이면 처리공정 사이클은 완결되며, ∑NE＞SNE이면, 즉 NOx 흡수재(18)의 NOx 흡수능력의 50%양에서 NOx가 NOx 흡수재에서 흡수된다고 평가될때 처리공정 루틴은 단계(502)으로 진행된다. 단계(502)에서 배기온도(T)가 소정의 값(T1), 예를들면 200℃보다 낮은지 아닌지가 판단된다. T＜T1이면 처리공정 사이클은 완결되며, T≥T1이면 처리공정 루틴은 단계(503)으로 진행하여 여기에서 NOx 방출 플래그(flag)가 설정된다. NOx 방출 플래그가 설정되면, 나중에 언급되는 바와같이 연료분사량은 증가되고 스로틀 밸브(53)는 일정 개방도로 개방된다.
계속하여, 단계(504)에서, 계수값(C)은 정확하게 "1"씩 증가된다. 계속하여, 이것은 단계(505)에서 계수값(C)이 소정된 값(CO)보다 큰지 또는 아닌지, 즉 예를들어 5초가 경과되었는지 또는 아닌지가 판단된다. C≤CO이면 처리공정 루틴은 완결되며, C가 CO보다 크게되면, 처리과정 루틴은 단계(506)으로 진행하여 여기에서 NOx 방출 플래그가 재설정된다. NOx 방출 플래그가 재설정될때, 나중에 언급되는 바와같이, 연료분자량을 증가시키는 작동은 정지되고, 스로틀 밸브(53)는 완전히 개방된다. 따라서, NOx 흡수재(18)안으로 유동하는 배출가스의 공연비는 5초 동안 농후하게 된다. 계속하여, 단계(507)에서 누계엔진속도(∑NE)와 계수값(C)은 0이 된다.
제18도는 주루틴을 도시하고 있다.
제18도를 참조하면 먼저, 단계(600)에서, 연료분사량(Q)은 엔진속도센서(21)와 부하센서(51)로부터의 출력신호를 근거하여 계산된다. 계속하여, NOx 방출 플래그가 설정되었는지 또는 아닌지가 단계(601)에서 판단된다. NOx 방출 플래그가 설정되지 않으면, 처리공정 루틴은 단계(607)로 진행하여 총효율비(DUTY)를 0으로 되게 하고, 계속하여 처리공정 루틴은 단계(605)로 진행하여 스로틀 밸브(53)의 제어가 수행된다. 이때에, 총 효율비(DUTY)는 0으로 되고 그결과 스로틀 밸브(53)는 완전개방 상태에서 유지된다. 계속하여, 단계(606)에서, 연료분사 처리공정은 수행하고 동시에 분사량은 단계(600)에서 계산된 분자량(Q)이 된다.
다른 한편으로는 NOx 방출 플래그가 설정되었는지가 단계(601)에서 결정될때 처리공정 루틴은 단계(602)로 진행하여 여기에서 분사량 증가치(ΔQ)가 계산된다. 계속하여, 단계(603)에서, 증가치(ΔQ)는 새로운 분사량(Q)를 얻도록 분사량(Q)에 더하여 진다. 계속하여, 단계(604)에서 총효율(DUTY)는 계산된다.
계속하여, 단계(605)에서 스로틀 밸브(53)는 총효율비(DUTY)에 의해 결정된 개방도로 개방되고, 계속하여 단계(606)에서 연료는 단계(603)에서 계산된 분사량(Q)에 따라 연료분사기(11)로 부터 분사된다.
제19도에서 도시된 실시예에서, 환원제공급밸브(60)는 배기파이프(17)에 배치되며, 이 환원제공급밸브(60)는 공급펌프(61)를 경유하여 환원제탱크(62)와 연결되어 있다. 전자제어유니트(30)의 출력포트(36)는 구동회로(63, 64) 각각을 경유하여 환원제공급 밸브(60)와 공급펌프(61)에 연결된다. 환원제탱크(62)에는 액상에서 저장될 수 있는 부탄, 프로판등과 같은 탄화수소 또는 가솔린, 이소옥탄, 헥산, 헵탄, 경유, 등유등과 같은 탄화수소가 채워져 있다.
본 실시예에서, 연소실(3)에 있는 공기연료 혼합물은 과잉공기상태 하에서, 즉 평균 공연비가 희박한 상태에서 연소된다. 이때에 엔진으로 부터 배출된 NOx는 NOx 흡수재(18) 안으로 흡수된다. NOx가 NOx 흡수재(18)로 부터 방출될때, 공급펌프(61)는 구동되고, 이와 동시에 환원제공급밸브(60)는 개방되고, 이에 의해 환원제탱크(62)에 채워진 탄화수소는 소정된 시간동안, 예를들면 약 5초 내지 20초 동안 환원제공급밸브(60)로부터 배기파이프(17)로 공급된다. 이때에 탄화수소의 공급량은 NOx 흡수재(18) 안으로 유동하는 유입배기 가스의 공연비가 농후하게 되도록 결정된다. 따라서, 이때에, NOx는 NOx 흡수재(18)로부터 방출된다.
제20도는 NOx 방출처리 공정은 실행하는 루틴을 도시하고 있으며, 이 NOx 방출처리 과정 루틴은 매 소정된 시간에서 인터럽션에 의해 실행된다.
제20도를 참조하면, 먼저 단계(7000)에서, 현 엔진속도(NE)에 ∑NE를 더하여 얻어지는 결과가 ∑NE로써 정의된다. 따라서, 이 ∑NE는 엔진속도(NE)의 누계치를 나타낸다. 계속하여, 단계(701)에서, 누계엔진속도(∑NE)가 소정된 값(SNE) 보다 큰지 또는 아닌지가 판단된다. 이 소정된 값(SNE)은 NOx 흡수재(18)의 NOx 흡수능력의 50%의 양에서 NOx가 흡수되는 것으로 평가되는 누계엔진속도를 나타낸다. ∑NE≤SNE이면, 처리공정 사이클은 완료되고, ∑NE＞SNE이면, 즉 NOx 흡수재(18)의 NOx 흡수능력의 50%양에서 NOx가 흡수되는 것으로 평가될때, 처리공정 루틴은 단계(702)로 진행한다. 단계(702)에서 배기온도(T)가 소정된 값(T1) 예를들면 200℃보다 낮은지 또는 아닌지가 판단된다. T＜T1이면 처리공정 사이클은 완료되고, T≥T1이면, 처리공정 루틴은 단계(703)로 진행하여 여기에서 공급펌프(61)는 소정된 시간동안, 예를들면 약 5초 내지 20초 동안 구동된다. 계속하여, 단계(704)에서, 환원제공급밸브(60)는 소정된 시간동안, 예를 들면 약 5초 내지 20초 동안 개방되고 계속하여, 단계(705)에서 누계엔진속도(∑NE)는 0으로 된다.
앞에서 언급된 바와같이, 온도가 내려가면, NOx 흡수재(18)는 NOx를 흡수할 수 없게 된다. 그러나 지금까지 언급된 모든 실시예에 있어서, 배기가스는 엔진작동중 NOx 흡수재(18) 안에서 항상 유동하며, 그 결과 NOx 흡수재(18)는 비교적 높은 온도에서 유지된다. 따라서, 엔진작동중 발생된 NOx가 NOx 흡수재(18)에 잘 흡수되도록 하는 것이 가능하게 된다.

Claims (33)

  1. 배기통로 및 엔진으로부터의 배기가스의 공연비를 제어하는 수단을 포함하고 상기 배기통로내에 배치된 NOx 흡수재를 구비하는 내연기관의 배기정화장치에 있어서, 공연비 제어수단이 NOx 흡수재안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 희박하게 할 경우에는 NOx 흡수재가 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스내에 포함된 NOx를 흡수하고, NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스내의 산소농도가 낮을 경우에는 흡수된 NOx 를 방출하도록 하는 것과, 엔진이 가동중인 전시간에 걸쳐, 엔진의 작동중 배기가스가 NOx 흡수재 안으로 계속 유동하게 하여, NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스내의 산소농도가 낮을 경우 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 공연비가 희박할 동안에 NOx 흡수재내에 흡수된 NOx가 NOx 흡수재로부터 방출하도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 농후하게 만듬으로써 NOx 흡수재에 흡수된 NOx를 방출하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 화학량론 공연비로 만듬으로써 NOx 흡수재에 흡수된 NOx를 방출하도록 작동하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 제1예정시간에 있어서는 NOx 흡수재안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 유지시키고 제2예정시간에 있어서는 NOx를 흡수재로부터 방출하도록 하기 위하여 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스내의 산소농도를 감소시키며, 여기서 상기 제1예정시간이 상기 제2예정시간의 적어도 50배 정도 긴 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  5. 제1항에 있어서, NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 공연비는 NOx가 NOx흡수재 안으로 흡수될때 18.0 보다 큰 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  6. 제1항에 있어서, NOx 흡수재는 칼륨, 나트륨, 리튬 또는 세슘으로 구성된 알칼리금속, 바륨 또는 칼슘으로 구성된 알칼리토금속, 란탄 또는 이트륨으로 구성된 희토류금속 그리고 백금으로 부터 선택된 적어도 하나의 물질을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  7. 제1항에 있어서, NOx 흡수재는 바륨과 구리의 합성산화물로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 엔진연소실에서 형성된 공기연료 혼합물의 공연비를 제어하여 NOx 흡수재 안으로의 NOx 흡수와 NOx 흡수재로 부터의 NOx 방출이 상기 엔진연소실에 형성된 공기연료 혼합물의 공연비를 제어함으로써 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx가 NOx 흡수재 안으로 흡수될때 연소실에 형성된 공기연료 혼합물의 공연비를 희박하게 하고 그리고 NOx과 NOx 흡수재로 부터 방출될때 연소실에 형성된 공기연료 혼합물의 공연비를 화학량은 공연비로 또는 농후하게 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  10. 제9항에 있어서, 내연기관은 가솔린 기관으로 구성되어 있고 그리고 상기 공연비 제어수단은 엔진에 공급된 연료량을 제어함으로써 NOx 흡수재로 부터 NOx를 방출하고 NOx 흡수재 안으로 NOx를 흡수하는 것을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx가 NOx 흡수재 안으로 흡수될 때 연소실에 형성된 공기연료 혼합물의 공연비를 거의 18.0 보다 큰 일정 희박공연비로 유지하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  12. 제10항에 있어서, 엔진의 작동상태에 따라 결정된 연료의 양을 사전에 저장하는 메모리 수단을 더 포함하며, 상기 공연비 제어수단은 상기 메모리 수단에 저장된 연료량을 근거로 하여 엔진에 공급된 연료량을 결정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  13. 제10항에 있어서, 엔진의 작동상태에 따라 결정된 기본연료량을 사전에 저장하는 메모리 수단과 엔진의 배기통로에 제공되어 배기통로에서 유동하는 배기가스의 공연비를 검출하는 공연비 센서를 더 포함하며, 상기 공연비 제어수단은 기본 연료량을 수정하여 배기가스의 공연비가 상기 공연비 센서의 출력신호에 따라 변화되는 피드백 수정계수에 의해 목표 공연비로 되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx가 NOx 흡수재 안으로 흡수될때 배기가스의 공연비가 피드백 수정계수에 의해 목표공연비로 되도록 기본 연료량을 수정하고 동시에 상기 피드백 수정계수가 참조값 주위에서 변동하도록 러어닝 계수에 의해 상기 피드백 수정계수를 수정하며, 그리고 상기 공연비 제어수단은 NOx가 NOx 흡수재로 부터 방출될 때 상기 참조값에 피드백 수정값을 고정함과 동시에 러어닝 계수와 기본연료양을 근거로하여 엔진에 공급되도록 연료의 양을 결정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  15. 제9항에 있어서, 내연기관은 연소실 안으로 연료를 분사하는 연료분사기와 엔진의 흡기통로에 배치된 스로틀 밸브로 구비된 디젤엔진으로 구성되며, 그리고 상기 공연비 제어수단은 연료분사기로 부터의 분사량과 스로틀 밸브의 개방도를 제어함으로써 NOx 흡수재 안으로 NOx 흡수와 NOx 흡수재로 부터의 NOx 방출을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx가 NOx 흡수재로 부터 방출될때 분사량을 증가시키고 스로틀 밸브의 개방도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 엔진 연소실로 부터 배출되어 엔진의 배기통로에 있는 NOx 흡수재안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 제어하며, NOx 흡수재 안으로의 NOx의 흡수와 NOx 흡수재로 부터의 NOx의 방출은 상기 공연비 제어수단에 의해 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 제어함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx과 NOx 흡수재 안으로 흡수될 때 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 희박하게 만드는 한편, NOx가 NOx 흡수재로 부터 방출될때 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 화학량론 공연비로 또는 농후하게 만드는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx가 NOx 흡수재로 부터 방출될때 엔진의 배기통로 내부에 환원제를 공급하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 환원제는 탄화수소로 만들어진 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 탄화수소는 가솔린, 이소옥탄, 헥산, 헵탄, 부탄, 프로판, 경유 및 등유로 부터 선택된 적어도 하나의 구성원으로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  22. 제11항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 희박하게 하여 NOx과 NOx 흡수재 안으로 흡수되는 시기가 예비적으로 결정된 제1설정 시기를 초과할때 NOx 흡수재로 부터 NOx를 방출하도록 예비적으로 결정된 제2설정 시기 동안에만 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스에서의 산소농도를 낮게하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx과 NOx 흡수재로 부터 방출될때 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 화학량론 공연비로 또는 농후하게 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  24. 제22항에 있어서, 상기 공연비 제어수단을 NOx 흡수재 안으로 흡수된 NOx양을 평가하는 NOx양 평가수단으로 구비되어 있고, 그리고 상기 NOx 방출제어수단은 NOx양 평가수단에 의해 평가된 NOx의 양이 예비적으로 결정된 설정 양을 초과할때 상기 제1설정 시기가 경과되었는지를 결정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 NOx양 평가수단은 엔진속도의 누계치가 예비적으로 결정된 설정치를 초과할때 NOx 흡수재에 흡수된 NOx의 양이 상기 설정 양을 초과하는지를 결정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 NOx양 평가수단은 엔진 연소실에 형성된 공기연료 혼합물의 공연비가 화학량론 공연비로 유지되거나 또는 소정된 시간이상 동안 농후하게 될 때 NOx 흡수재에 흡수된 모든 NOx가 방출되었는지를 결정하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  27. 제33항에 있어서, 상기 제2설정 시기는 20초 보다 작은 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  28. 제22항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 온도를 검출하는 온도센서를 구비하고, 그리고 상기 NOx 방출제어수단은 NOx 흡수재안으로 유동하는 배기가스의 온도가 NOx 흡수재에 의해 흡수될 수 있는 NOx의 제한온도 보다 낮게될 때 NOx가 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스에서의 산소농도가 낮게 되는 것을 방지하는 방지수단으로 구비된 것을 특징으로하는 내연기관의 배기정화장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 공연비 제어수단은 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기 가스에서의 산소농도가 상기 방지수단에 의해 낮게된 후 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스의 온도가 상기 제한온도 보다 높게될때 NOx 흡수재 안으로 유동하는 배기가스에서의 산소농도를 즉시 낮게하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  30. 제1항에 있어서, 적어도 NOx를 환원시킬 수 있는 촉매제는 NOx 흡수재의 하류쪽엔진 배기통로에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 촉매제는 3원 촉매제로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  32. 제1항에 있어서, 불완전연소된 HC와 CO를 정화할 수 있는 촉매제는 NOx 흡수재 상류쪽 엔진의 배기통로에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 촉매제는 3원 촉매제로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기정화장치.
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