KR100495969B1 - 내연기관의 배기 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 희박 연소 가능한 내연기관의 배기 통로에 형성되어, 흡수한 NOx를 환원제에 의해서 방출하여 환원하는 NOx 촉매(17)와, 이 NOx 촉매(17)의 상류의 배기 통로에 설치된 환원제 공급수단(19)과, 내연기관(1)의 부하를 검출하는 부하 검출수단과, 내연기관(1)의 부하에 근거하여 환원제 첨가 기간과 환원제 첨가 간격을 제어하는 환원제 첨가 제어수단을 구비한다. 내연기관(1)의 배기의 유속이나 온도에 의한 배기 통로 내에서의 환원제의 벽면 부착의 정도 등을 고려하면서 환원제의 첨가 기간 및 간격을 컨트롤하여, 운전상황에 관계 없이, NOx 촉매측에 충분한 환원제를 공급한다. 따라서 내연기관의 운전상태가 변화하더라도, 항상 NOx 촉매에 적절한 양의 환원제를 공급할 수 있다.

Description

내연기관의 배기 정화장치{EXHAUST EMISSION CONTROL DEVICE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 희박 연소 가능한 내연기관으로부터 배출되는 배기가스를 정화하는 배기 정화장치에 관한 것이다.

디젤 엔진이나 린 번 가솔린 엔진 등 희박 연소 가능한 내연기관으로부터 배출되는 배기가스를 정화하는 배기 정화장치로서, 선택 환원형 NOx 촉매나 흡장 환원형 NOx 촉매 등의 NOx 촉매가 있다.

선택 환원형 NOx 촉매는 산소 과잉의 분위기에 있어서 탄화수소(HC)의 존재 하에서 NOx를 환원 또는 분해하는 촉매로, 이 선택 환원형 NOx 촉매로 NOx를 정화하기 위해서는 적량의 HC 성분(이하, 환원제라고 함)이 필요시 된다.

이 선택 환원형 NOx 촉매를 상기 내연기관의 배기 정화에 사용하는 경우, 내연기관의 통상 운전 시의 배기 중의 HC 성분의 양은 지극히 적기 때문에, 통상 운전 시에 NOx를 정화하기 위해서는 선택 환원형 NOx 촉매로 환원제로서, 예를 들면 연료인 경유를 공급할 필요가 있다.

한편, 흡장 환원형 NOx 촉매는 유입 배기가스의 공연비가 희박(린)(lean)일 때는 NOx를 흡수하고, 유입 배기가스의 산소 농도가 저하하면 흡수한 NOx를 방출하여서, N₂로 환원하는 촉매이다.

이 흡장 환원형 NOx 촉매를 상기 내연기관의 배기 정화에 사용하는 경우에, 이 내연기관에서는 통상 운전 시의 배기가스의 공연비가 희박하기 때문에, 배기가스 중의 NOx가 NOx 촉매에 흡수되게 된다. 그러나, 희박 공연비의 배기가스를 NOx 촉매에 계속 공급하면, NOx 촉매의 NOx 흡수 능력이 포화되어 그 이상 NOx를 흡수할 수 없게 되어, 배기 중의 NOx를 누출시키게 된다.

그래서 흡장 환원형 NOx 촉매에서는, NOx 흡수 능력이 포화되기 전에, 소정의 타이밍으로 유입 배기가스의 공연비를 농후(rich)(리치)하게 함으로써 산소 농도를 저하시키고, NOx 촉매에 흡수되어 있는 NOx를 방출하여 N₂로 환원하여, NOx 촉매의 NOx 흡수 능력을 회복시킬 필요가 있다. 이하, 이와 같이 유입 배기가스의 공연비를 일시적으로 농후로 하는 것을 농후 스파이크라고 한다.

한편, 이들 NOx 촉매의 NOx 흡수 능력을 회복시키기 위해서는, 적정하게 배기의 공연비를 농후로 할 필요가 있다. 그래서 종래에는 환원제로서의 연료 첨가 패턴 및 목표 연료 첨가 압력을, 내연기관의 회전수와 분사량의 관계를 실험에 의해서 구한 맵에 근거하여 설정하도록 하였다.

그런데 내연기관의 배기 포트에 있어서 환원제를 공급하는 경우에, 통상, 배기 포트와 NOx 촉매의 거리가 떨어져 있고, 내연기관의 운전 조건에 따라서는 배기류에 환원제가 들어가기 어려워, 환원제의 공급 효율이 나쁜 경우가 생긴다. 구체적으로는 내연기관이 저회전이며 저부하인 영역에서는 배기의 유속이 느리고, 또한 배기 온도가 낮기 때문에 첨가되는 환원제의 일부가 배기 통로 내에서 벽면에 부착하고, 그 결과, 배기 포트에 있어서의 농후 스파이크와 NOx 촉매에서의 농후 스파이크의 정도가 달라진다. 다시 말하면, 배기 포트측에서의 농후 스파이크가 목표로 하는 공연비에 달하더라도, NOx 촉매측에서는 상기한 벽면 부착에 의해서 NOx 촉매에 도달하는 환원제의 양이 감소하여 농후의 정도가 저하한다. 또한 순간적으로 실시한 농후 스파이크가 NOx 촉매측에서는 반응의 지연이 생기는 결과, 농후의 기간이 연장되어, 목표로 하는 공연비보다도 농후의 정도가 약해진다.

예를 들면, 배기 포트에 있어서의 농후 스파이크의 정도를 도 6a에 도시하는 정도의 것으로 하더라도, NOx 촉매로는 도 6b에 도시하는 바와 같이 농후의 정도가 저하한다. 따라서 NOx 촉매로는 목표로 하는 공연비가 되지 않고, NOx 방출, 환원이 충분히 행하여지지 않게 된다. 그렇게 하면 NOx 촉매의 NOx 흡수 능력이 포화되어 회복할 수 없는 상태가 발생하는 경우가 있고, 배기 중의 NOx가 누출될 우려가 있다.

본 발명은 이러한 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 내연기관의 운전상태가 변화하더라도 NOx 촉매에 적절한 양의 환원제를 공급할 수 있는 내연기관의 배기 정화장치를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 내연기관의 배기 정화장치의 개략 구성도.

도 2a 및 2b는 흡장 환원형 NOx 촉매의 NOx 흡방출 작용을 설명하기 위한 도면.

도 3a 및 3b는 연료 첨가의 분사 기간과 기관 회전수 및 연료 분사량의 관계를 도시하는 도면.

도 4a 및 4b는 연료 첨가의 첨가 간격과 기관 회전수 및 연료 분사량의 관계를 도시하는 도면.

도 5는 연료 첨가 루틴을 도시하는 흐름도.

도 6a 및 6b는 배기 포트와 NOx 촉매에서의 농후 스파이크의 공연비를 도시하는 도면.

본 발명은,

희박 연소 가능한 내연기관의 배기 통로에 형성되어, 흡수한 NOx를 환원제에 의해서 방출하여 환원하는 NOx 촉매와,

이 NOx 촉매의 상류의 배기 통로에 설치된 환원제 공급수단과,

내연기관의 부하를 검출하는 부하 검출수단과,

내연기관의 부하에 근거하여 환원제 첨가 기간과 환원제 첨가 간격을 제어하는 환원제 첨가 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 차량의 운전상태에 따라서 환원제 첨가의 가부(可否)를 판단하는 첨가 가부 판단수단을 또한 구비하고, 상기 첨가 가부 판단수단에 의해 첨가 가능이라고 판단되었을 때에는 상기 부하 검출수단에 의해 검출된 부하에 근거하여 환원제 첨가량과 환원제 첨가 간격을 제어하는 것이 바람직하다.

이 첨가 가부 판단수단에 의해 NOx 촉매가 활성 온도에 있는지의 여부, 내연기관의 운전영역이 환원제 첨가 가능한 범위에 있는지의 여부 등을 판단하여, NOx를 방출, 환원시키는 것이 가능할 때에만 환원제가 공급되도록 하여, 환원제가 NOx 촉매를 빠져나가는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

또한, 내연기관의 부하가 작을 때에는 내연기관의 부하가 클 때와 비교하여 첨가하는 환원제의 양을 많게 하고, 또한 환원제 첨가 간격을 길게 할 수 있다.

더욱이 본 발명은,

희박 연소 가능한 내연기관의 배기 통로에 형성되어서, 흡수한 NOx를 환원제에 의해서 방출하여 환원하는 NOx 촉매와,

이 NOx 촉매의 상류의 배기 통로에 설치된 환원제 공급수단과,

내연기관의 부하 및 회전수를 검출하는 운전상태 검출수단과,

검출한 내연기관의 부하 및 회전수에 근거하여 환원제 첨가 기간과 환원제 첨가 간격을 제어하는 환원제 첨가 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 내연기관의 저부하, 저회전 시는 배기의 유속이 느리고, 환원제가 배기류에 들어가기 어렵기 때문에, 기관 부하나 기관 회전수의 정도에 따라서 첨가하는 환원제의 첨가 기간 및 첨가 간격을 제어한다. 즉 내연기관의 저부하, 저회전 시는 환원제의 첨가 기간 및 첨가 간격을 길게 하고, 한편으로는 기관 부하가 높아짐에 따라서 환원제의 첨가 기간 및 첨가 간격을 짧게 한다. 여기서 연료의 첨가 기간과 첨가량은 환원제의 첨가 압력(연압(燃厭))이 변화하지 않으면 일정한 관계이기 때문에, 환원제의 첨가량은 첨가 기간에 비례한다.

이와 같이 본 발명에서는 내연기관의 배기 유속이나 온도에 의한 배기 통로 내에서의 환원제의 벽면 부착의 정도 등을 고려하면서, 환원제의 첨가 기간 및 첨가 간격을 컨트롤하여, 운전상태에 관계 없이, 항상 NOx 촉매측에 충분한 환원제를 공급할 수 있도록 한다.

또한, 내연기관의 저부하, 저회전 시에는 NOx의 발생량도 적기 때문에, 첨가 간격을 길게 함으로써, 배기의 유속이 느린 상황 하에서 이전의 첨가 환원제와 다음번의 환원제가 서로 간섭하여, 농후의 정도가 불필요하게 커지는 것을 피할 수 있다.

본 발명의 배기 정화장치에 있어서, 희박 연소 가능한 내연기관으로서는 통 내 직접 분사식의 린 번 가솔린 엔진이나 디젤 엔진을 예시할 수 있다.

또한 상기 운전상태 검출수단에 의한 부하의 검출은 예를 들면 엑셀 개방도 센서의 출력신호, 또는 에어프로미터에 의한 흡입 공기량을 도시하는 출력신호에 근거하여 부하의 정도를 구할 수 있다. 기관 회전수의 검출은 예를 들면 크랭크각 센서의 출력 펄스에 근거하여 연산된다.

본 발명의 배기 정화장치에 있어서의 배기 정화장치에 있어서의 NOx 촉매로서는, 흡장 환원형 NOx 촉매나 선택 환원형 NOx 촉매를 예시할 수 있다.

흡장 환원형 NOx 촉매는 유입하는 배기가스의 공연비가 희박일 때 NOx를 흡수하고, 유입하는 배기가스 중의 산소 농도가 저하하면 흡수한 NOx를 방출하여, N₂로 환원하는 촉매이다. 이 흡장 환원형 NOx 촉매는 예를 들면 알루미늄을 담체로 하고, 이 담체상에 예를 들면 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs)과 같은 알칼리금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca)과 같은 알칼리토류, 란탄(La), 이트륨(Y)과 같은 희토류로부터 선택된 적어도 하나와, 백금(Pt)과 같은 귀금속이 보유되어 이루어진다.

선택 환원형 NOx 촉매는 산소 과잉의 분위기에서 탄화수소의 존재 하에서 NOx를 환원 또는 분해하는 촉매를 말하고, 제올라이트에 Cu 등의 천이금속을 이온 교환하여 보유한 촉매, 제올라이트 또는 알루미늄에 귀금속을 보유한 촉매 등이 포함된다.

본 발명의 배기 정화장치에 있어서, 환원제 첨가수단은 환원제 공급 펌프와 배기 통로에 설치한 환원제 분사 노즐 등으로 구성할 수 있다.

본 발명의 내연기관의 배기 정화장치에 의하면, 환원제의 첨가 위치와 NOx 촉매가 떨어져 있는 경우에도, 첨가 환원제의 첨가 기간 및 첨가 간격을 컨트롤함으로써, 적절한 환원제가 공급된다. 특히, 내연기관이 저회전, 저부하일 때는 첨가 환원제의 첨가 기간 및 첨가 간격을 길게 함으로써, 일부 환원제의 배기 통로 내에서의 벽면 부착이 생기더라도, 충분한 환원제를 배기류에 실어 NOx 촉매에 도달시킬 수 있다.

이와 같이 내연기관의 운전상태에 관계 없이, 적절한 양의 환원제를 NOx 촉매에 도달시켜, 효율 좋은 NOx 환원을 할 수 있다. 따라서 NOx 촉매에 있어서의 NOx 흡장량을 항상 거의 0의 상태로 유지하는 것이 실제로 가능해져서, NOx의 고정화율을 달성할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 내연기관의 배기 정화장치의 실시예를 도 1에서 도 6b의 도면에 근거하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시예는 본 발명에 따른 내연기관의 배기 정화장치를 차량 구동용 디젤엔진에 적용한 예이다.

도 1은 이 실시예에 있어서의 내연기관의 배기 정화장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 있어서, 엔진(1)은 직렬 4기통 디젤 엔진이고, 각 기통의 연소실에는 흡기 매니폴드(2) 및 흡기관(3)을 통해서 흡기가 도입된다. 흡기관(3)의 끝에는 에어 클리너(4)가 설치되고, 흡기관(3)의 도중에는 에어프로미터(5), 터보 과급기(6; turbo-charger)의 압축기(6a; compressor), 인터쿨러(7; intercooler), 스로틀 밸브(8; throttle valve)가 설치되어 있다.

에어프로미터(5)는 에어 클리너(4)를 통해서 흡기관(3)으로 유입되는 새로운 공기량에 따른 출력신호를 엔진 컨트롤용 전자 제어 유닛(9; ECU)에 출력하고, ECU(9)는 에어프로미터(5)의 출력신호에 근거하여 흡입 공기량을 연산한다.

또한, 엔진(1)의 각 기통의 연소실에는 각각 연료 분사 밸브(10)로부터 연료(경유)가 분사된다. 각 연료 분사 밸브(10)는 코먼레일(11)에 접속되어 있고, 코먼레일(11)에는 연료 펌프(12)로부터 연료가 공급된다. 연료 펌프(12)는 엔진(1)의 도시하지 않은 크랭크축에 의해서 구동된다. 각 연료 분사 밸브(10)의 개방 시기 및 개방 기간은 엔진(1)의 운전상태에 따라서 ECU(9)에 의해서 제어된다.

또한, 엔진(1)의 각 기통의 연소실에서 생긴 배기가스는 배기 매니폴드(14)를 통해서 배기관(16)에 배출되어, 도시하지 않은 소음기(muffler)를 통해서 대기로 배출된다. 배기 매니폴드(14)로 배출된 배기가스의 일부는 배기 환류관(23)을 통해서 흡기 매니폴드(2)에 재순환 가능하게 되어 있고, 배기 환류관(23)의 도중에는 EGR 쿨러(24)와 EGR 밸브(25)가 설치되어 있다. EGR 밸브(25)는 엔진(1)의 운전상태에 따라서 ECU(9)에 의해서 개방도가 제어되고, 배기 환류량을 제어한다.

배기관(16)의 도중에는 터보 과급기(6)의 터빈(6b), 흡장 환원형 NOx 촉매(희박 NOx 촉매)를 수납한 케이싱(18)이 설치되어 있다. 터빈(6b)은 배기가스에 의해서 구동되어, 터빈(6b)에 연결된 압축기(6a)를 구동하여 흡기를 승압한다.

또한 엔진(1)의 실린더 헤드(30)에는 4번기통의 배기 포트(13)에 당면하여 연료 첨가 노즐(19; 환원제 첨가장치의 첨가구)이 설치되어 있다. 연료 첨가 노즐(19)에는 연료 펌프(12)로 펌프 업된 연료가 연료 파이프(20) 및 실린더 헤드(30)에 설치된 연료 통로(21)를 통해서 공급 가능하게 되어 있고, 연료 파이프(20)의 도중에 설치된 제어 밸브(22)에 의해서 첨가량의 제어가 행하여진다. 또, 제어 밸브(22)는 ECU(9)에 의해서 개폐 및 개방도 제어가 행하여진다. 이 연료 첨가 노즐(19)은 연료가 배기 집합관(15)을 향하여 분사되도록 부착되어 있다. 또, 이 실시예에 있어서 연료 펌프(12), 연료 첨가 노즐(19), 연료 파이프(20), 연료 통로(21), 제어 밸브(22), 환원제 첨가장치를 구성한다.

또한 EGR관(23)의 도중에는 EGR 쿨러(24)와 EGR 밸브(25)가 설치되어 있다. EGR 밸브(25)는 엔진(1)의 운전상태에 따라서 ECU(9)에 의해서 개방도 제어되고, 배기 환류량을 제어한다. EGR관(23)과 EGR 쿨러(24)와 EGR 밸브(25)는 배기 재순환장치(EGR)를 구성한다.

또한 배기관(16)에 있어서 케이싱(18)의 바로 하류에는 케이싱(18)으로부터 유출되는 배기 온도에 대응한 출력신호를 ECU(9)에 출력하는 배기 온도 센서(26)가 설치되어 있다.

ECU(9)는 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍방향 버스에 의해서 서로 접속된 ROM(리드 온리 메모리), RAM(램덤 액세스 메모리), CPU(센트럴 프로세서 유닛), 입력 포트, 출력 포트를 구비하여, 엔진(1)의 연료 분사량 제어 등의 기본 제어를 행한다.

이들 제어를 위해서, ECU(9)의 입력 포트에는 엑셀 개방도 센서(28)로부터의 입력신호와, 크랭크각 센서(27)로부터의 입력신호가 입력된다. 엑셀 개방도 센서(28)는 엑셀 개방도에 비례한 출력전압을 ECU(9)에 출력하고, ECU(9)는 엑셀 개방도 센서(28)의 출력신호에 근거하여 엔진 부하를 연산한다. 크랭크각 센서(27)는 크랭크축이 일정 각도 회전할 때마다 출력 펄스를 ECU(9)에 출력하고, ECU(9)는 이 출력 펄스에 근거하여 기관 회전수를 연산한다. 이들 엔진 부하와 기관 회전수에 의해서 엔진 운전상태가 판별되고, ECU(9)는 엔진 운전상태에 따른 연료 분사량을 분사량 맵(도시하지 않음)을 참조하여 산출하며, 산출된 연료 분사량에 대응하는 연료 분사 밸브(10)의 개방 기간을 산출하여, 연료 분사 밸브(10)의 작동을 제어한다.

다음으로, 케이싱(18)에 수납된 흡장 환원형 NOx 촉매(이하, NOx 촉매라고 하는 경우도 있음)에 대해서 설명한다.

흡장 환원형 NOx 촉매는 예를 들면 알루미늄(Al₂O₃)을 담체로 하고, 이 담체상에 예를 들면 칼륨(K), 나트륨(Na), 리튬(Li), 세슘(Cs)과 같은 알칼리금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca)과 같은 알칼리토류, 란탄(La), 이트륨(Y)과 같은 희토류로부터 선택된 적어도 하나와 백금(Pt)과 같은 귀금속류가 보유되어 이루어진다.

이 NOx 촉매는 유입 배기의 공연비(이하, 배기 공연비라고 함)가 이론 공연비보다도 희박일 때는 NOx를 흡수하고, 배기 공연비가 이론 공연비 또는 그것보다도 농후로 되어 유입 배기가스 중의 산소 농도가 저하하면 흡수한 NOx를 NO₂ 또는 NO로서 방출하는 NOx의 흡방출 작용을 행한다. 그리고, NOx 촉매로부터 방출된 NOx(NO₂또는 NO)는 즉시 배기가스 중의 미연소 HC나 CO와 반응하여 N₂로 환원된다. 따라서, 배기 공연비를 적당하게 제어하면 배기가스 중의 HC, CO, NOx를 정화할 수 있게 된다.

또 배기 공연비는, 여기서는 NOx 촉매의 상류측의 배기 통로나 엔진 연소실, 흡기 통로 등에 각각 공급된 공기량의 합계와 연료(탄화수소)량의 합계의 비를 의미하는 것으로 한다. 따라서, NOx 촉매보다도 상류의 배기 통로 내에 연료, 환원제 또는 공기가 공급되지 않는 경우에는 배기 공연비는 엔진 연소실 내에 공급되는 혼합기의 공연비와 일치한다.

그런데, 디젤 엔진의 경우는 스토이키(이론 공연비, A/F=14 내지 15)보다도 훨씬 희박 영역에서 연소가 행하여지기 때문에, 통상의 기관 운전상태에서는 NOx 촉매에 유입되는 배기가스의 공연비는 상당히 희박하고, 배기가스 중의 NOx는 NOx 촉매에 흡수되어, NOx 촉매로부터 방출되는 NOx량은 지극히 적다.

또한, 가솔린 엔진의 경우에는 연소실에 공급하는 혼합기를 스토이키 또는 농후 공연비로 함으로써 배기가스의 공연비를 이론 공연비 또는 농후 공연비로 하여, 배기가스 중의 산소 농도를 저하시켜, NOx 촉매에 흡수되어 있는 NOx를 방출시킬 수 있지만, 디젤 엔진의 경우에는 연소실에 공급하는 혼합기를 스토이키 또는 농후 공연비로 하면, 연소할 때 그을음이 발생하는 등의 문제가 있어 이 방법을 채용할 수는 없다.

따라서, 디젤 엔진에서는 NOx 촉매의 NOx 흡수 능력이 포화되기 전에 소정의 타이밍으로, 배기가스 중으로 환원제를 공급하여 배기가스 중의 산소 농도를 저하시키고, NOx 촉매에 흡수된 NOx를 방출하여 환원할 필요가 있다. 또한, 상기 환원제로서는 일반적으로, 디젤 엔진의 연료인 경유를 사용할 수 있다.

그 때문에, 이 실시예에서는 ECU(9)에 의해 엔진(1)의 운전상태의 이력으로부터 NOx 촉매에 흡수된 NOx량을 추정하고, 그 추정 NOx량이 미리 설정한 소정치에 달하였을 때에, 소정 시간만큼 제어 밸브(22)를 개방하여 소정량의 연료를 연료 첨가 노즐(19)로부터 배기 중으로 분사하고, NOx 촉매에 유입되는 배기 중의 산소 농도를 저하시키고, NOx 촉매에 흡수된 NOx를 방출시켜 N₂로 환원하도록 하고 있다.

여기서 연료 첨가 노즐(19)은 연료를 배기 집합관(15)을 향해서 분사하기 때문에, 첨가된 연료는 배기 집합관(15)에 부드럽게 흐른다. 그리고, 연료 첨가 노즐(19)은 4번기통의 배기 포트(13)에 설치되어 있고, 한편, 배기 매니폴드(14)에 있어서의 EGR관(23)의 접속 부위는 1번기통에 근접한 위치이기 때문에, 연료 첨가 노즐(19)로부터 첨가된 연료가 EGR관(23)으로 들어가는 경우는 적다.

상술한 바와 같이, NOx 촉매(17)를 배기 통로 내에 배치하면, 이것에 보유된 NOx 흡수제가 NOx의 흡방출 작용을 행한다. 이 NOx 흡수·환원의 메커니즘은 도 2에 도시한 바와 같은 것이라고 생각되고 있다. 도시한 것은 담체상에 백금(Pt) 및 바륨(Ba)을 보유시킨 경우이지만, 다른 귀금속, 알칼리금속, 알칼리토류, 희토류를 사용하여도 동일한 메커니즘이 된다. 이 개략은 다음과 같은 것이다.

우선, 유입 배기가스의 희박의 상태가 진행하면, 유입 배기가스 중의 산소 농도가 증대하고, 도 2a에 도시되는 바와 같이, 증대한 산소(O₂)는 O₂ ^- 또는 O^2-로서 백금(Pt)의 표면에 부착한다. 이 O₂ ^- 또는 O^2-와 유입 배기가스 중의 NO가 반응하여 NO₂가 된다(2NO+O₂→2NO₂). 이렇게 하여 생성된 NO₂의 일부는 백금(Pt) 상에서 더욱 산화되면서, NOx 흡수제 내에 흡수되어 산화바륨(BaO)과 결합한다. 그 결과, 도 2a에 도시하는 바와 같이 질산이온(NO₃ ^-)으로서 NOx 흡수제 내에 확산된다. 이상과 같이 하여 NOx가 NOx 흡수제 내에 흡수된다.

유입 배기가스 중의 산소 농도가 높은 동안은 백금(Pt)의 표면에서 NO₂가 생성되어, NOx 흡수제의 흡수 능력이 포화할 때까지는 NO₂는 NOx 흡수제 내에 계속 흡수되어 질산이온(NO₃ ^-)이 생성된다.

이것에 대하여 유입 배기가스 중의 산소 농도가 저하하여 NO₂의 생성량이 저하하면, 반응이 역방향(NO₃ ^-→NO₂)으로 진행하여, NOx 흡수제 내의 질산이온(NO₃ ^-)이 NO₂로서 NOx 흡수제로부터 방출된다. 즉, 유입 배기가스 중의 산소 농도가 저하하면 NOx 흡수제로부터 NOx가 방출되게 되지만, 유입 배기가스의 희박의 정도가 낮을 때는 유입 배기가스 중의 산소 농도가 저하한다.

한편, 유입 배기가스의 공연비를 농후로 하면, HC, CO는 백금(Pt) 상의 산소 O₂ ^- 또는 O^2-와 반응하여 산화된다. 또한 유입 배기가스의 공연비가 농후이면 유입 배기가스 중의 산소 농도가 극도로 저하하기 때문에, NOx 흡수제로부터 NO₂가 방출되고, 이 NO₂는 도 2b에 도시되는 바와 같이 미연소의 HC, CO와 반응하여 환원 정화된다. 이렇게 하여 백금(Pt)의 표면에 NO₂가 존재하지 않게 되면 NOx 흡수제로부터 차례차례로 NO₂가 방출된다.

따라서 유입 배기가스의 공연비를 농후로 하면, 단시간 내에 NOx 흡수제로부터 NOx가 방출되어 환원 정화된다.

이 실시예에서는 디젤 엔진이 사용되고 있기 때문에 통상 운전 시의 배기 공연비는 희박하고, NOx 흡수제는 배기 중의 NOx를 흡수한다. 또한, NOx 촉매(17)의 상류측의 배기 포트로 환원제가 공급되면, 이 NOx 촉매(17)를 통과하는 배기가스의 공연비는 농후가 되어, NOx 흡수제로부터의 NOx의 방출과 환원이 된다.

또, 여기서 말하는 배기의 공연비는 NOx 흡수제의 상류측의 배기 포트와 엔진 연소실 또는 흡기 통로에 공급된 공기와 연료의 비율을 말한다. 따라서 배기 포트에 공기나 환원제가 공급될 때는 배기 공연비는 엔진의 운전 공연비(엔진 연소실 내의 연소 공연비)와 같아진다.

또한, 본 발명에서 사용하는 환원제는 배기 중에서 탄화수소나 일산화탄소 등의 환원 성분을 발생시키는 것이면 되고, 수소, 일산화탄소 등의 기체, 프로판, 프로필렌, 부탄 등의 액체 또는 기체의 탄화수소, 가솔린, 경유, 등유 등의 액체 연료 등을 사용할 수 있다. 여기서는 저장, 보급 시의 번잡함을 피하기 위해서, 상술한 바와 같이 엔진(1)의 연료인 경유를 환원제로서 사용한다.

또 일반적으로는 환원제의 공급 조건으로서, 환원제(이 실시예에서는 연료)의 공급 압력(나아가서는 분사 압력), 공급 기간, 공급 간격이 있고, 이것은 결국은 연료의 공급량이다. 여기서는 운전 조건에 의해서 첨가 연료의 첨가 기간 및 첨가 간격을 컨트롤 하는 것으로, 효율적인 NOx의 방출, 환원을 실행한다.

이하, 배기 포트(13)에 있어서 연료 첨가 노즐(19)로부터 환원제를 공급할 때, 엔진(1)의 부하 상태를 판단하고, 특히 배기의 유속에 따라서 환원제로서의 연료(경유)의 첨가 기간 및 첨가 간격을 제어하는 경우에 대해서 설명한다.

이 제어는 우선 엔진(1)의 운전 조건이 ECU(9)에 의해서 판독된다. 상술한 바와 같이 ECU(9)는 엑셀 개방도 센서(28)의 출력신호에 근거하여 엔진 부하를 연산하고, 크랭크각 센서(27)의 출력 펄스에 근거하여 기관 회전수를 연산한다. 이들 엔진 부하와 기관 회전수에 의해서 엔진 운전상태가 판별되고, ECU(9)는 엔진 운전상태에 따른 연료 분사량을 분사량 맵(도시하지 않음)을 참조하여 산출한다.

이어서, ECU(9)에 의해 엔진(1)의 운전상태의 이력으로부터 NOx 촉매에 흡수된 NOx량을 추정하고, 그 추정 NOx량이 미리 설정한 소정치에 달하였을 때에, 연료를 연료 첨가 노즐(19)로부터 배기 중으로 분사한다.

또한 ECU(9)는 상술한 바와 같이 하여 엔진 부하를 연산하고, 또한 NOx 촉매(17)의 하류에 설치한 배기 온도 센서(26)로부터의 신호에 근거하여, 이것을 NOx 촉매(17)의 상온(bed temperature)으로서 채용한다. 이 NOx 촉매(17)의 상온은 환원제를 공급할지의 여부를 판단하는 요소가 되고, 소정의 온도 범위에 없을 때, 즉 NOx 촉매(17)가 활성 범위에 없을 때는 환원제의 공급을 행하지 않는다.

또한 ECU(9)는 엔진(1)에 대한 연료 분사량(Q)과 기관 회전수(Ne)에 근거하는 운전 조건에 의해, 환원제로서의 연료의 첨가 기간(P)을 결정한다. 이 첨가 기간(P)은 엔진(1)에 대한 연료 분사량(Q) 및 기관 회전수(Ne)의 함수로서, 도 3b에 도시하는 바와 같은 맵의 형태로 미리 실험에 의해 구하여 ECU(9)의 ROM에 기억하여 둔다.

상기 연료 첨가 기간(P)은 도 3a에 도시하는 바와 같이, 연료 분사량(Q)이 적을 수록, 환원제로서의 연료 첨가 기간(P)은 길어지고, 연료 분사량(Q)이 증대함에 따라서 첨가 기간(P)은 짧아진다. 연료 분사량(Q)이 소량인 경우는 기관 회전수(Ne)가 상승하더라도 첨가 기간(P)은 거의 일정하지만, 연료 분사량(Q)이 증대함에 따라서, 기관 회전수(Ne)의 상승에 의해 첨가 기간(P)은 더욱 짧아진다.

한편, 도 4a에 도시하는 바와 같이 연료의 첨가 간격(I)은 엔진(1)에 대한 연료 분사량(Q)이 적을 수록, 첨가 간격(I)은 길어지고, 연료 분사량(Q)이 증대함에 따라서 첨가 간격(I)은 짧아지도록 정해져 있다.

또한 환원제의 첨가 간격(I)은 기관 회전수(Ne) 및 연료 분사량(Q)의 함수로서, 도 4b에 도시하는 바와 같은 맵의 형태로 미리 ECU(9)의 ROM에 배치하여 둔다. 통상은 기관 회전수(Ne)가 낮으면 첨가 간격(I)은 길지만, 기관 회전수(Ne)가 상승함에 따라서 첨가 간격(I)은 짧아지도록 정해진다.

또, 연료 첨가 노즐(19)로부터 분사되는 환원제에 작용하는 압력이 일정하면, 첨가 기간(P)과 환원제의 분사량은 일정한 관계에 있다. 따라서 상술한 바와 같이 환원제의 첨가 기간(P)의 장단을 컨트롤 하는 것은 엔진(1)의 운전상태에 따라서 환원제의 분사량을 증감시키는 것이 된다.

이 환원제 첨가 제어는 도 5에 도시하는 환원제 첨가 루틴에 따라서 실행되고, 이 처리 루틴은 ECU(9)의 ROM에 미리 기억되어 있으며, CPU에 의해서 반복하여 실행되는 루틴이다.

우선, 스텝(100)에서는 NOx 환원, 방출 시기인지의 여부가 판단된다. 운전 이력으로부터 추정되는 NOx 촉매(17)에서의 NOx 흡장량, 기관 운전 상황, 촉매 상온(bed temperature) 등으로부터 보아 NOx 환원, 방출 시기가 아니라고 판단하였을 때는 일단, 이 루틴을 종료한다.

한편, 상기한 운전 이력 등으로부터 보아 NOx 환원, 방출 시기라고 판단되었을 때는 스텝(101)으로 진행한다.

스텝(101)에서는 ECU(9)는 엔진 부하와 기관 회전수 등의 엔진(1)의 운전 조건을 판독한다.

다음으로 스텝(102)에서는 ECU(9)가 스텝(101)에서 판독한 엔진(1)의 운전 조건에 근거하여 환원제로서의 연료의 첨가 기간 및 첨가 간격을 산출한다.

스텝(103)에서는 산출한 연료의 첨가 기간 및 첨가 간격에 근거하여 연료 첨가를 실행한다.

상술한 실시예에서는 본 발명을 디젤 엔진에 적용한 예로 설명하였지만, 본 발명을 희박 연소 가능한 가솔린 엔진에 적용할 수도 있다.

본 발명의 내연기관의 배기 정화장치는 디젤 엔진 등의 희박 연소 기관으로부터 배출되는 배기 가스 중의 NOx를 효율적으로 정화할 수 있기 때문에, 특히 자동차 탑재용의 희박 연소기관에 폭 넓게 이용할 수 있다.

Claims (8)

1. 희박 연소 가능한 내연기관의 배기 통로에 형성되어, 흡수한 NOx를 환원제에 의해서 방출하여 환원하는 NOx 촉매와,

   이 NOx 촉매의 상류의 배기 통로에 설치된 환원제 공급수단과,

   내연기관의 부하를 검출하는 부하 검출수단과,

   내연기관의 부하에 근거하여 환원제 첨가 기간과 환원제 첨가 간격을 제어하는 환원제 첨가 제어수단을 구비하고,

   내연기관의 부하가 작을 때에는 내연기관의 부하가 클 때와 비교하여 첨가하는 환원제의 양을 많게 하고, 또한 환원제 첨가 간격을 길게 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   차량의 운전상태에 따라서 환원제 첨가의 가부를 판단하는 첨가 가부 판단수단을 또한 구비하고, 상기 첨가 가부 판단수단에 의해 첨가 가능이라고 판단되었을 때에는 상기 부하 검출수단에 의해 검출된 부하에 근거하여 환원제 첨가량과 환원제 첨가 간격을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
3. 삭제
4. 희박 연소 가능한 내연기관의 배기 통로에 형성되어, 흡수한 NOx를 환원제에 의해서 방출하여 환원하는 NOx 촉매와,

   이 NOx 촉매의 상류의 배기 통로에 설치된 환원제 공급수단과,

   내연기관의 부하 및 회전수를 검출하는 운전 조건 검출수단과,

   검출한 내연기관의 부하 및 회전수에 근거하여 환원제 첨가 기간과 환원제 첨가 간격을 제어하는 환원제 첨가 제어수단을 구비하며,

   내연기관의 부하가 작고 회전수가 낮을 때에는 내연기관의 부하가 크고 회전수가 높을 때와 비교하여 첨가하는 환원제의 양을 많게 하고, 또한 환원제 첨가 간격을 길게 하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.
5. 삭제
6. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 NOx 촉매는 흡장 환원형 NOx 촉매인 내연기관의 배기 정화장치.
7. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 환원제 공급수단은 환원제를 NOx 촉매 상류의 배기로에 분사하는 환원제 분사 노즐인 내연기관의 배기 정화장치.
8. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 내연기관의 부하가 작을 때에는, 상기 환원제 첨가 간격을, 전회(前回)의 첨가환원제와 다음회의 첨가환원제가 서로 간섭하지 않는 간격까지 길게하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화장치.