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KR101321294B1 - 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

내연 기관의 배기 정화 장치 Download PDF

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KR101321294B1
KR101321294B1 KR1020117021433A KR20117021433A KR101321294B1 KR 101321294 B1 KR101321294 B1 KR 101321294B1 KR 1020117021433 A KR1020117021433 A KR 1020117021433A KR 20117021433 A KR20117021433 A KR 20117021433A KR 101321294 B1 KR101321294 B1 KR 101321294B1
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exhaust
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exhaust purification
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유우끼 비사이지
고헤이 요시다
미끼오 이노우에
Original Assignee
도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

내연 기관에 있어서, 기관 배기 통로 내에 탄화수소 공급 밸브(15)와, 배기 정화 촉매(13)가 배치된다. 배기 정화 촉매(13) 상에는 백금(Pt)(51)이 담지되어 있고, 염기성층(53)이 형성되어 있다. 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도가 미리 정해진 범위 내의 진폭 및 미리 정해진 범위 내의 주기로 진동되고, 그것에 의해 배기 가스 중에 포함되는 NOx가 배기 정화 촉매(13)에 있어서 환원된다. 이때 배기 정화 촉매(13)의 산화력이 증대될수록 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소의 분사압이 증대된다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치 {EXHAUST PURIFICATION SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
기관 배기 통로 내에, 유입되는 배기 가스의 공연비가 린(lean)일 때에는 배기 가스 중에 포함되는 NOx를 흡장하고 유입되는 배기 가스의 공연비가 리치(rich)로 되면 흡장한 NOx를 방출하는 NOx 흡장 촉매를 배치하고, NOx 흡장 촉매 상류의 기관 배기 통로 내에 흡착 기능을 갖는 산화 촉매를 배치하고, NOx 흡장 촉매로부터 NOx를 방출해야 할 때에는 산화 촉매 상류의 기관 배기 통로 내에 탄화수소를 공급하여 NOx 흡장 촉매에 유입되는 배기 가스의 공연비를 리치로 하도록 한 내연 기관이 공지이다(예를 들어, 특허문헌 1을 참조).
이 내연 기관에서는 NOx 흡장 촉매로부터 NOx를 방출해야 할 때에 공급된 탄화수소가 산화 촉매에 있어서 가스상의 탄화수소로 되고, 가스상의 탄화수소가 NOx 흡장 촉매에 송입된다. 그 결과, NOx 흡장 촉매로부터 방출된 NOx가 양호하게 환원되게 된다.
일본 특허 제3969450호
그러나 NOx 흡장 촉매는 고온으로 되면 NOx 정화율이 저하된다고 하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 배기 정화 촉매의 온도가 고온으로 되어도 높은 NOx 정화율을 얻을 수 있는 내연 기관의 배기 정화 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 탄화수소를 공급하기 위한 탄화수소 공급 밸브를 기관 배기 통로 내에 배치하고, 탄화수소 공급 밸브 하류의 기관 배기 통로 내에 배기 가스 중에 포함되는 NOx와 개질된 탄화수소를 반응시키기 위한 배기 정화 촉매를 배치하고, 배기 정화 촉매의 배기 가스 유통 표면 상에는 귀금속 촉매가 담지되어 있는 동시에 귀금속 촉매 주위에는 염기성의 배기 가스 유통 표면 부분이 형성되어 있고, 배기 정화 촉매는, 탄화수소 공급 밸브로부터 미리 정해진 양의 탄화수소를 미리 정해진 공급 주기로 분사하면 배기 가스 중에 포함되는 NOx를 환원하는 성질을 갖는 동시에, 탄화수소의 공급 주기를 미리 정해진 공급 주기보다도 길게 하면 배기 가스 중에 포함되는 NOx의 흡장량이 증대되는 성질을 갖고 있고, 기관 운전시에 탄화수소 공급 밸브로부터 미리 정해진 양의 탄화수소를 미리 정해진 공급 주기로 분사하고, 이때 배기 정화 촉매의 산화력의 증대에 따라서 탄화수소 공급 밸브로부터의 탄화수소의 공급압을 증대시키도록 한 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
배기 정화 촉매의 온도가 고온으로 되어도 높은 NOx 정화율을 얻을 수 있다.
도 1은 압축 착화식 내연 기관의 전체도이다.
도 2는 촉매 담체의 표면 부분을 도해적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 배기 정화 촉매에 있어서의 산화 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 배기 정화 촉매에의 유입 배기 가스의 공연비의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 NOx 정화율을 나타내는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 배기 정화 촉매에 있어서의 산화 환원 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 배기 정화 촉매에 있어서의 산화 환원 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 배기 정화 촉매에의 유입 배기 가스의 공연비의 변화를 나타내는 도면이다.
도 9는 NOx 정화율을 나타내는 도면이다.
도 10은 배기 정화 촉매에의 유입 배기 가스의 공연비의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 11은 배기 정화 촉매에의 유입 배기 가스의 공연비의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 12는 배기 정화 촉매의 산화력과 요구 최소 공연비 X의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 동일한 NOx 정화율이 얻어지는, 배기 가스 중의 산소 농도와 탄화수소 농도의 진폭 ΔH의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 탄화수소 농도의 진폭 ΔH와 NOx 정화율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 탄화수소 농도의 진동 주기 ΔT와 NOx 정화율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 16은 배기 정화 촉매에의 유입 배기 가스의 공연비 등의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 17은 탄화수소의 분사 시간 WT의 맵을 나타내는 도면이다.
도 18a, 도 18b는 탄화수소의 분사압 WP와 분사 시간 WT의 관계를 나타내는 도면이다.
도 19a, 도 19b는 탄화수소의 분무를 도시하는 도면이다.
도 20은 보정 계수 KP1, KT1의 값과 촉매 온도 TC의 관계를 나타내는 도면이다.
도 21은 보정 계수 KP2, KT2의 값과 유황 피독량 ΣS의 관계 등을 나타내는 도면이다.
도 22는 보정 계수 KP3, KT3의 값과 흡입 공기량 GA의 관계를 나타내는 도면이다.
도 23은 보정 계수 KP4, KT4의 값과 분사량 W의 관계를 나타내는 도면이다.
도 24는 탄화수소의 공급 제어를 행하기 위한 흐름도이다.
도 1에 압축 착화식 내연 기관의 전체도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 부호 1은 기관 본체, 2는 각 기통의 연소실, 3은 각 연소실(2) 내에 각각 연료를 분사하기 위한 전자 제어식 연료 분사 밸브, 4는 흡기 매니폴드, 5는 배기 매니폴드를 각각 나타낸다. 흡기 매니폴드(4)는 흡기 덕트(6)를 통해 배기 터보 챠저(7)의 컴프레서(7a)의 출구에 연결되고, 컴프레서(7a)의 입구는 흡입 공기량 검출기(8)를 통해 에어 클리너(9)에 연결된다. 흡기 덕트(6) 내에는 스텝 모터에 의해 구동되는 스로틀 밸브(10)가 배치되고, 또한 흡기 덕트(6) 주위에는 흡기 덕트(6) 내를 흐르는 흡입 공기를 냉각하기 위한 냉각 장치(11)가 배치된다. 도 1에 도시되는 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각 장치(11) 내로 유도되어, 기관 냉각수에 의해 흡입 공기가 냉각된다.
한편, 배기 매니폴드(5)는 배기 터보 챠저(7)의 배기 터빈(7b)의 입구에 연결된다. 배기 터빈(7b)의 출구는 배기관(12)을 통해 배기 정화 촉매(13)의 입구에 연결되고, 배기 정화 촉매(13)의 출구는 배기 가스 중에 포함되는 미립자를 포집하기 위한 파티큘레이트 필터(14)에 연결된다. 배기 정화 촉매(13) 상류의 배기관(12) 내에는 압축 착화식 내연 기관의 연료로서 사용되는 경유 그 밖의 연료로 이루어지는 탄화수소를 공급하기 위한 탄화수소 공급 밸브(15)가 배치된다. 이 탄화수소 공급 밸브(15)에는 탄화수소 저류기(16)에 저류된 탄화수소가 공급되고, 탄화수소 저류기(16)에는 연료 탱크(17) 내의 연료, 즉 탄화수소가 공급 펌프(18)를 통해 공급된다. 탄화수소 저류기(16)에는 탄화수소 저류기(16) 내의 탄화수소의 압력, 즉 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소의 분사압을 검출하기 위한 압력 센서(19)가 장착되어 있고, 탄화수소의 분사압이 목표압으로 되도록 압력 센서(19)의 출력 신호에 기초하여 공급 펌프(18)가 제어된다.
도 1에 도시되는 실시예에서는 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 공급되는 탄화수소로서 경유가 사용되고 있다. 또한, 본 발명은 린 공연비를 바탕으로 연소가 행해지는 불꽃 점화식 내연 기관에도 적용할 수 있다. 이 경우, 탄화수소 공급 밸브(15)로부터는 불꽃 점화식 내연 기관의 연료로서 사용되는 가솔린 그 밖의 연료로 이루어지는 탄화수소가 공급된다.
한편, 배기 매니폴드(5)와 흡기 매니폴드(4)는 배기 가스 재순환(이하, EGR이라 칭함) 통로(20)를 통해 서로 연결되고, EGR 통로(20) 내에는 전자 제어식 EGR 제어 밸브(21)가 배치된다. 또한, EGR 통로(20) 주위에는 EGR 통로(20) 내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치(22)가 배치된다. 도 1에 도시되는 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각 장치(22) 내로 유도되어, 기관 냉각수에 의해 EGR 가스가 냉각된다. 한편, 각 연료 분사 밸브(3)는 연료 공급관(23)을 통해 커먼 레일(24)에 연결되고, 이 커먼 레일(24)은 전자 제어식의 토출량 가변의 연료 펌프(25)를 통해 연료 탱크(17)에 연결된다. 연료 탱크(17) 내에 저장되어 있는 연료는 연료 펌프(25)에 의해 커먼 레일(24) 내에 공급되고, 커먼 레일(24) 내에 공급된 연료는 각 연료 공급관(23)을 통해 연료 분사 밸브(3)에 공급된다.
전자 제어 유닛(30)은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 양방향성 버스(31)에 의해 서로 접속된 ROM(리드 온리 메모리)(32), RAM(랜덤 액세스 메모리)(33), CPU(마이크로프로세서)(34), 입력 포트(35) 및 출력 포트(36)를 구비한다. 배기 정화 촉매(13)의 하류에는 배기 가스 온도를 검출하기 위한 온도 센서(26)가 장착되어 있고, 파티큘레이트 필터(14)에는 파티큘레이트 필터(14)의 전후의 차압을 검출하기 위한 차압 센서(27)가 장착되어 있다. 이들 온도 센서(26), 차압 센서(27), 압력 센서(19) 및 흡입 공기량 검출기(8)의 출력 신호는 각각 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 또한, 액셀러레이터 페달(40)에는 액셀러레이터 페달(40)의 답입량(L)에 비례한 출력 전압을 발생시키는 부하 센서(41)가 접속되고, 부하 센서(41)의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기(37)를 통해 입력 포트(35)에 입력된다. 또한 입력 포트(35)에는 크랭크 샤프트가 예를 들어 15°회전할 때마다 출력 펄스를 발생시키는 크랭크각 센서(42)가 접속된다. 한편, 출력 포트(36)는 대응하는 구동 회로(38)를 통해 연료 분사 밸브(3), 스로틀 밸브(10)의 구동용 스텝 모터, 탄화수소 공급 밸브(15), 공급 펌프(18), EGR 제어 밸브(21) 및 연료 펌프(25)에 접속된다.
도 2는 배기 정화 촉매(13)의 기체(基體) 상에 담지된 촉매 담체의 표면 부분을 도해적으로 도시하고 있다. 이 배기 정화 촉매(13)에서는 도 2에 도시되는 바와 같이 예를 들어 알루미나로 이루어지는 촉매 담체(50) 상에는 귀금속 촉매(51, 52)가 담지되어 있고, 또한 이 촉매 담체(50) 상에는 칼륨(K), 나트륨(Na), 세슘(Cs)과 같은 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca)과 같은 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 포함하는 염기성층(53)이 형성되어 있다. 배기 가스는 촉매 담체(50) 상을 따라 흐르므로 귀금속 촉매(51, 52)는 배기 정화 촉매(13)의 배기 가스 유통 표면 상에 담지되어 있다고 할 수 있다. 또한, 염기성층(53)의 표면은 염기성을 나타내므로 염기성층(53)의 표면은 염기성의 배기 가스 유통 표면 부분(54)이라 칭해진다.
한편, 도 2에 있어서 귀금속 촉매(51)는 백금(Pt)으로 이루어지고, 귀금속 촉매(52)는 로듐(Rh)으로 이루어진다. 즉, 촉매 담체(50)에 담지되어 있는 귀금속 촉매(51, 52)는 백금(Pt) 및 로듐(Rh)으로 구성되어 있다. 또한, 배기 정화 촉매(13)의 촉매 담체(50) 상에는 백금(Pt) 및 로듐(Rh)에 더하여 또한 팔라듐(Pd)을 담지시킬 수 있고, 혹은 로듐(Rh) 대신에 팔라듐(Pd)을 담지시킬 수 있다. 즉, 촉매 담체(50)에 담지되어 있는 귀금속 촉매(51, 52)는 백금(Pt)과, 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 한쪽에 의해 구성된다.
탄화수소 공급 밸브(15)로부터 배기 가스 중에 탄화수소가 분사되면 이 탄화수소는 배기 정화 촉매(13)에 있어서 개질된다. 본 발명에서는 이때 개질된 탄화수소를 사용하여 배기 정화 촉매(13)에 있어서 NOx를 정화시키도록 하고 있다. 도 3은 이때 배기 정화 촉매(13)에 있어서 행해지는 개질 작용을 도해적으로 도시하고 있다. 도 3에 도시되는 바와 같이 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 분사된 탄화수소(HC)는 촉매(51)에 의해 탄소수가 적은 라디칼상의 탄화수소(HC)로 된다.
도 4는 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소의 공급 타이밍과 배기 정화 촉매(13)에의 유입 배기 가스의 공연비 (A/F)in의 변화를 나타내고 있다. 또한, 이 공연비 (A/F)in의 변화는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기 가스 중의 탄화수소의 농도 변화에 의존하고 있으므로 도 4에 나타내어지는 공연비 (A/F)in의 변화는 탄화수소의 농도 변화를 나타내고 있다고도 할 수 있다. 단, 탄화수소 농도가 높아지면 공연비 (A/F)in은 작아지므로 도 4에 있어서는 공연비 (A/F)in이 리치측으로 될수록 탄화수소 농도가 높아지고 있다.
도 5는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 주기적으로 변화시킴으로써 도 4에 나타내어지는 바와 같이 배기 정화 촉매(13)에의 유입 배기 가스의 공연비 (A/F)in을 변화시켰을 때의 배기 정화 촉매(13)에 의한 NOx 정화율을 배기 정화 촉매(13)의 각 촉매 온도 TC에 대해 나타내고 있다. 본 발명자는 오랜 기간에 걸쳐 NOx 정화에 관한 연구를 거듭하고 있고, 그 연구 과정에 있어서, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 미리 정해진 범위 내의 진폭 및 미리 정해진 범위 내의 주기로 진동시키면, 도 5에 나타내어지는 바와 같이 400℃ 이상의 고온 영역에 있어서도 극히 높은 NOx 정화율이 얻어지는 것이 판명된 것이다.
또한 이때에는 질소 및 탄화수소를 포함하는 다량의 환원성 중간체가 염기성층(53)의 표면 상에, 즉 배기 정화 촉매(13)의 염기성 배기 가스 유통 표면 부분(54) 상에 지지 또는 계속 흡착되고 있어, 이 환원성 중간체가 고(高)NOx 정화율을 얻는 데 있어서 중심적 역할을 하고 있는 것이 판명된 것이다. 다음에 이것에 대해 도 6a 및 도 6b를 참조하면서 설명한다. 또한, 이들 도 6a 및 도 6b는 배기 정화 촉매(13)의 촉매 담체(50)의 표면 부분을 도해적으로 도시하고 있고, 이들 도 6a 및 도 6b에는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도가 미리 정해진 범위 내의 진폭 및 미리 정해진 범위 내의 주기로 진동시켰을 때에 발생한다고 추측되는 반응이 나타내어져 있다.
도 6a는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도가 낮을 때를 나타내고 있고, 도 6b는 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 탄화수소가 공급되어 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도가 높아져 있을 때를 나타내고 있다.
그런데, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기 가스의 공연비는 일순간을 제외하고 린으로 유지되어 있으므로 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기 가스는 통상 산소 과잉의 상태에 있다. 따라서 배기 가스 중에 포함되는 NO은 도 6a에 나타내어지는 바와 같이 백금(51) 상에 있어서 산화되어 NO2로 되고, 이어서 이 NO2는 백금(51)으로부터 전자를 공여 받아 NO2 -로 된다. 따라서 백금(51) 상에는 다량의 NO2 -가 생성되게 된다. 이 NO2 -는 활성이 강해, 이후 이 NO2 -를 활성 NO2 *라 칭한다.
한편, 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 탄화수소가 공급되면 도 3에 도시되는 바와 같이 이 탄화수소는 배기 정화 촉매(13) 내에 있어서 개질되어, 라디칼로 된다. 그 결과, 도 6b에 나타내어지는 바와 같이 활성 NO2 * 주위의 탄화수소 농도가 높아진다. 그런데 활성 NO2 *가 생성된 후, 활성 NO2 * 주위의 산소 농도가 높은 상태가 일정 시간 이상 계속되면 활성 NO2 *는 산화되어, 질산이온(NO3 -)의 형태로 염기성층(53) 내에 흡수된다. 그러나 이 일정 시간이 경과하기 전에 활성 NO2 * 주위의 탄화수소 농도가 높아지면 도 6b에 나타내어지는 바와 같이 활성 NO2 *는 백금(51) 상에 있어서 라디칼상의 탄화수소(HC)와 반응하고, 그것에 의해 환원성 중간체가 생성된다. 이 환원성 중간체는 염기성층(53)의 표면 상에 부착 또는 흡착된다.
또한, 이때 최초에 생성되는 환원성 중간체는 니트로 화합물(R-NO2)이라고 생각된다. 이 니트로 화합물(R-NO2)은 생성되면 니트릴 화합물(R-CN)로 되지만 이 니트릴 화합물(R-CN)은 그 상태에서는 순간밖에 존속할 수 없으므로 즉시 이소시아네이트 화합물(R-NCO)로 된다. 이 이소사이네이트 화합물(R-NCO)은 가수 분해하면 아민 화합물(R-NH2)로 된다. 단, 이 경우, 가수 분해되는 것은 이소시아네이트 화합물(R-NCO)의 일부라고 생각된다. 따라서 도 6b에 나타내어지는 바와 같이 염기성층(53)의 표면 상에 지지 또는 흡착되어 있는 환원성 중간체의 대부분은 이소시아네이트 화합물(R-NCO) 및 아민 화합물(R-NH2)이라고 생각된다.
한편, 도 6b에 도시되는 바와 같이 생성된 환원성 중간체의 주위를 탄화수소(HC)가 둘러싸고 있으면 환원성 중간체는 탄화수소(HC)에 저지되어 그 이상 반응이 진행되지 않는다. 이 경우, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도가 저하되고, 그것에 의해 산소 농도가 높아지면 환원성 중간체 주위의 탄화수소는 산화된다. 그 결과, 도 6a에 나타내어지는 바와 같이 환원성 중간체와 활성 NO2 *가 반응하게 된다. 이때 활성 NO2 *는 환원성 중간체(R-NCO나 R-NH2)와 반응하여 N2, CO2, H2O가 되고, 이리하여 NOx가 정화되게 된다.
이와 같이 배기 정화 촉매(13)에서는, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 높게 함으로써 환원성 중간체가 생성되고, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 낮게 하고 산소 농도를 높게 함으로써 활성 NO2 *가 환원성 중간체와 반응하여 NOx가 정화된다. 즉, 배기 정화 촉매(13)에 의해 NOx를 정화하기 위해서는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 주기적으로 변화시킬 필요가 있다.
물론, 이 경우, 환원성 중간체를 생성시키는 데 충분히 높은 농도까지 탄화수소의 농도를 높일 필요가 있고, 생성된 환원성 중간체를 활성 NO2 *와 반응시키는 데 충분히 낮은 농도까지 탄화수소의 농도를 저하시킬 필요가 있다. 즉, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 미리 정해진 범위 내의 진폭으로 진동시킬 필요가 있다. 또한, 이 경우, 생성된 환원성 중간체가 활성 NO2 *와 반응할 때까지, 충분한 양의 환원성 중간체(R-NCO나 R-NH2)를 염기성층(53) 상에, 즉 염기성 배기 가스 유통 표면 부분(54) 상에 지지해 두어야 하고, 그것을 위해 염기성의 배기 가스 유통 표면 부분(54)이 설치되어 있다.
한편, 탄화수소의 공급 주기를 길게 하면 탄화수소가 공급된 후, 다음에 탄화수소가 공급될 때까지의 사이에 있어서 산소 농도가 높아지는 기간이 길어지고, 따라서 활성 NO2 *는 환원성 중간체를 생성하는 일 없이 질산염의 형태로 염기성층(53) 내에 흡수되게 된다. 이것을 회피하기 위해서는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 미리 정해진 범위 내의 주기로 진동시키는 것이 필요해진다.
따라서 본 발명에 따른 실시예에서는, 배기 가스 중에 포함되는 NOx와 개질된 탄화수소를 반응시켜 질소 및 탄화수소를 포함하는 환원성 중간체(R-NCO나 R-NH2)를 생성하기 위해 배기 정화 촉매(13)의 배기 가스 유통 표면 상에는 귀금속 촉매(51, 52)가 담지되어 있고, 생성된 환원성 중간체(R-NCO나 R-NH2)를 배기 정화 촉매(13) 내에 지지해 두기 위해 귀금속 촉매(51, 52) 주위에는 염기성의 배기 가스 유통 표면 부분(54)이 형성되어 있고, 염기성의 배기 가스 유통 표면 부분(54) 상에 지지된 환원성 중간체(R-NCO나 R-NH2)의 환원 작용에 의해 NOx가 환원되고, 탄화수소 농도의 진동 주기는 환원성 중간체(R-NCO나 R-NH2)를 계속 생성시키는 데 필요한 진동 주기로 된다. 덧붙여 말하면 도 4에 나타내어지는 예에서는 분사 간격이 3초로 되어 있다.
탄화수소 농도의 진동 주기, 즉 탄화수소(HC)의 공급 주기를 상술한 미리 정해진 범위 내의 주기보다도 길게 하면 염기성층(53)의 표면 상으로부터 환원성 중간체(R-NCO나 R-NH2)가 소멸되고, 이때 백금(Pt)(53) 상에 있어서 생성된 활성 NO2 *는 도 7a에 도시되는 바와 같이 질산이온(NO3 -)의 형태로 염기성층(53) 내에 확산되어, 질산염으로 된다. 즉, 이때에는 배기 가스 중의 NOx는 질산염의 형태로 염기성층(53) 내에 흡수되게 된다.
한편, 도 7b는 이와 같이 NOx가 질산염의 형태로 염기성층(53) 내에 흡수되어 있을 때에 배기 정화 촉매(13) 내에 유입되는 배기 가스의 공연비가 이론 공연비 또는 리치로 된 경우를 나타내고 있다. 이 경우에는 배기 가스 중의 산소 농도가 저하되므로 반응이 역방향(NO3 -→NO2)으로 진행되고, 이리하여 염기성층(53) 내에 흡수되어 있는 질산염은 순차 질산이온(NO3 -)으로 되어 도 7b에 도시되는 바와 같이 NO2의 형태로 염기성층(53)으로부터 방출된다. 이어서 방출된 NO2는, 배기 가스 중에 포함되는 탄화수소(HC) 및 CO에 의해 환원된다.
도 8은 염기성층(53)의 NOx 흡수 능력이 포화되기 조금 전에 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기 가스의 공연비 (A/F)in을 일시적으로 리치로 하도록 한 경우를 나타내고 있다. 또한, 도 8에 나타내는 예에서는 이 리치 제어의 시간 간격은 1분 이상이다. 이 경우에는 배기 가스의 공연비 (A/F)in이 린일 때에 염기성층(53) 내에 흡수된 NOx는, 배기 가스의 공연비 (A/F)in이 일시적으로 리치로 되었을 때에 염기성층(53)으로부터 단번에 방출되어 환원된다. 따라서 이 경우에는 염기성층(53)은 NOx를 일시적으로 흡수하기 위한 흡수제의 역할을 하고 있다.
또한, 이때 염기성층(53)이 NOx를 일시적으로 흡착하는 경우도 있고, 따라서 흡수 및 흡착의 양쪽을 포함하는 용어로서 흡장이라고 하는 용어를 사용하면 이때 염기성층(53)은 NOx를 일시적으로 흡장하기 위한 NOx 흡장제의 역할을 하고 있는 것으로 된다. 즉, 이 경우에는, 기관 흡기 통로, 연소실(2) 및 배기 정화 촉매(13) 상류의 배기 통로 내에 공급된 공기 및 연료(탄화수소)의 비를 배기 가스의 공연비라 칭하면, 배기 정화 촉매(13)는, 배기 가스의 공연비가 린일 때에는 NOx를 흡장하고, 배기 가스 중의 산소 농도가 저하되면 흡장한 NOx를 방출하는 NOx 흡장 촉매로서 기능하고 있다.
도 9는 배기 정화 촉매(13)를 이와 같이 NOx 흡장 촉매로서 기능시켰을 때의 NOx 정화율을 나타내고 있다. 또한, 도 9의 횡축은 배기 정화 촉매(13)의 촉매 온도 TC를 나타내고 있다. 배기 정화 촉매(13)를 NOx 흡장 촉매로서 기능시킨 경우에는 도 9에 나타내어지는 바와 같이 촉매 온도 TC가 300℃ 내지 400℃일 때에는 극히 높은 NOx 정화율이 얻어지지만 촉매 온도 TC가 400℃ 이상의 고온으로 되면 NOx 정화율이 저하된다.
이와 같이 촉매 온도 TC가 400℃ 이상으로 되면 NOx 정화율이 저하되는 것은, 촉매 온도 TC가 400℃ 이상으로 되면 질산염이 열분해되어 NO2의 형태로 배기 정화 촉매(13)로부터 방출되기 때문이다. 즉, NOx를 질산염의 형태로 흡장하고 있는 한, 촉매 온도 TC가 높을 때에 높은 NOx 정화율을 얻는 것은 곤란하다. 그러나 도 4 내지 도 6a, 도 6b에 도시되는 새로운 NOx 정화 방법에서는 도 6a, 도 6b로부터 알 수 있는 바와 같이 질산염은 생성되지 않거나 혹은 생성되어도 극히 미량이며, 이리하여 도 5에 나타내어지는 바와 같이 촉매 온도 TC가 높을 때라도 높은 NOx 정화율이 얻어지게 된다.
따라서 본 발명에서는, 탄화수소를 공급하기 위한 탄화수소 공급 밸브(15)를 기관 배기 통로 내에 배치하고, 탄화수소 공급 밸브(15) 하류의 기관 배기 통로 내에 배기 가스 중에 포함되는 NOx와 개질된 탄화수소를 반응시키기 위한 배기 정화 촉매(13)를 배치하고, 배기 정화 촉매(13)의 배기 가스 유통 표면 상에는 귀금속 촉매(51, 52)가 담지되어 있는 동시에 귀금속 촉매(51, 52) 주위에는 염기성의 배기 가스 유통 표면 부분(54)이 형성되어 있고, 배기 정화 촉매(13)는, 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 미리 정해진 양의 탄화수소를 미리 정해진 공급 주기로 분사하면 배기 가스 중에 포함되는 NOx를 환원하는 성질을 갖는 동시에, 탄화수소의 공급 주기를 이 미리 정해진 공급 주기보다도 길게 하면 배기 가스 중에 포함되는 NOx의 흡장량이 증대되는 성질을 갖고 있고, 기관 운전시에 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 미리 정해진 양의 탄화수소를 미리 정해진 공급 주기로 분사하고, 그것에 의해 배기 가스 중에 포함되는 NOx를 배기 정화 촉매(13)에 있어서 환원하도록 하고 있다.
즉, 도 4 내지 도 6a, 도 6b에 도시되는 NOx 정화 방법은, 귀금속 촉매를 담지하고 또한 NOx를 흡수할 수 있는 염기성층을 형성한 배기 정화 촉매를 사용한 경우에 있어서, 거의 질산염을 형성하는 일 없이 NOx를 정화하도록 한 새로운 NOx 정화 방법이라고 할 수 있다. 실제로, 이 새로운 NOx 정화 방법을 사용한 경우에는 배기 정화 촉매(13)를 NOx 흡장 촉매로서 기능시킨 경우에 비해, 염기성층(53)으로부터 검출되는 질산염은 극히 미량이다.
다음에 도 10 내지 도 15를 참조하면서 도 4 내지 도 6a, 도 6b에 도시되는 새로운 NOx 정화 방법에 대해 조금 더 상세하게 설명한다.
도 10은 도 4에 나타내어지는 공연비 (A/F)in의 변화를 확대하여 나타내고 있다. 또한, 전술한 바와 같이 이 배기 정화 촉매(13)에의 유입 배기 가스의 공연비 (A/F)in의 변화는 동시에 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도 변화를 나타내고 있다. 또한, 도 10에 있어서 ΔH는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소(HC)의 농도 변화의 진폭을 나타내고 있고, ΔT는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소 농도의 진동 주기를 나타내고 있다.
또한 도 10에 있어서 (A/F)b는 기관 출력을 발생하기 위한 연소 가스의 공연비를 나타내는 베이스 공연비를 나타내고 있다. 환언하면 이 베이스 공연비 (A/F)b는 탄화수소의 공급을 정지하였을 때에 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기 가스의 공연비를 나타내고 있다. 한편, 도 10에 있어서 X는, 생성된 활성 NO2 *가 질산염의 형태로 염기성층(53) 내에 흡장되는 일 없이 환원성 중간체의 생성을 위해 사용되는 공연비 (A/F)in의 상한을 나타내고 있고, 활성 NO2 *와 개질된 탄화수소를 반응시켜 환원성 중간체를 생성시키기 위해서는 공연비 (A/F)in을 이 공연비의 상한 X보다도 낮게 하는 것이 필요해진다.
바꾸어 말하면, 도 10의 X는 활성 NO2 *와 개질된 탄화수소를 반응시켜 환원성 중간체를 생성시키는 데 필요한 탄화수소의 농도의 하한을 나타내고 있고, 환원성 중간체를 생성시키기 위해서는 탄화수소의 농도를 이 하한 X보다도 높게 할 필요가 있다. 이 경우, 환원성 중간체가 생성되는지 여부는 활성 NO2 * 주위의 산소 농도와 탄화수소 농도의 비율, 즉 공연비 (A/F)in으로 정해지고, 환원성 중간체를 생성하는 데 필요한 상술한 공연비의 상한 X를 이하, 요구 최소 공연비라 칭한다.
도 10에 나타내어지는 예에서는 요구 최소 공연비 X가 리치로 되어 있고, 따라서 이 경우에는 환원성 중간체를 생성하기 위해 공연비 (A/F)in이 순시적으로 요구 최소 공연비 X 이하로, 즉 리치로 된다. 이에 대해, 도 11에 나타내어지는 예에서는 요구 최소 공연비 X가 린으로 되어 있다. 이 경우에는 공연비 (A/F)in을 린으로 유지하면서 공연비 (A/F)in을 주기적으로 저하시킴으로써 환원성 중간체가 생성된다.
이 경우, 요구 최소 공연비 X가 리치로 되는지 린으로 되는지는 배기 정화 촉매(13)의 산화력에 의한다. 이 경우, 배기 정화 촉매(13)는 예를 들어 귀금속(51)의 담지량을 증대시키면 산화력이 강해지고, 산성을 강화하면 산화력이 강해진다. 따라서 배기 정화 촉매(13)의 산화력은 귀금속(51)의 담지량이나 산성의 강도에 따라 변화되게 된다.
그런데, 산화력이 강한 배기 정화 촉매(13)를 사용한 경우에 도 11에 나타내어지는 바와 같이 공연비 (A/F)in을 린으로 유지하면서 공연비 (A/F)in을 주기적으로 저하시키면, 공연비 (A/F)in이 저하되었을 때에 탄화수소가 완전히 산화되어 버려, 그 결과 환원성 중간체를 생성할 수 없게 된다. 이에 대해, 산화력이 강한 배기 정화 촉매(13)를 사용한 경우에 도 10에 나타내어지는 바와 같이 공연비 (A/F)in을 주기적으로 리치로 하면 공연비 (A/F)in이 리치로 되었을 때에 탄화수소는 완전히 산화되는 일 없이 부분 산화되고, 즉 탄화수소가 개질되고, 이리하여 환원성 중간체가 생성되게 된다. 따라서 산화력이 강한 배기 정화 촉매(13)를 사용한 경우에는 요구 최소 공연비 X는 리치로 할 필요가 있다.
한편, 산화력이 약한 배기 정화 촉매(13)를 사용한 경우에는 도 11에 나타내어지는 바와 같이 공연비 (A/F)in을 린으로 유지하면서 공연비 (A/F)in을 주기적으로 저하시키면, 탄화수소는 완전히 산화되지 않고 부분 산화되고, 즉 탄화수소가 개질되고, 이리하여 환원성 중간체가 생성된다. 이에 대해, 산화력이 약한 배기 정화 촉매(13)를 사용한 경우에 도 10에 나타내어지는 바와 같이 공연비 (A/F)in을 주기적으로 리치로 하면 다량의 탄화수소는 산화되는 일 없이 단순히 배기 정화 촉매(13)로부터 배출되게 되고, 이리하여 불필요하게 소비되는 탄화수소량이 증대되게 된다. 따라서 산화력이 약한 배기 정화 촉매(13)를 사용한 경우에는 요구 최소 공연비 X는 린으로 할 필요가 있다.
즉, 요구 최소 공연비 X는 도 12에 나타내어지는 바와 같이 배기 정화 촉매(13)의 산화력이 강해질수록 저하시킬 필요가 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 요구 최소 공연비 X는 배기 정화 촉매(13)의 산화력에 의해 린으로 되거나, 혹은 리치로 되거나 하지만, 이하 요구 최소 공연비 X가 리치인 경우를 예로 들어, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도 변화의 진폭이나 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소 농도의 진동 주기에 대해 설명한다.
그런데, 베이스 공연비 (A/F)b가 커지면, 즉 탄화수소가 공급되기 전의 배기 가스 중의 산소 농도가 높아지면 공연비 (A/F)in을 요구 최소 공연비 X 이하로 하는 데 필요한 탄화수소의 공급량이 증대되고, 그것에 수반하여 환원성 중간체의 생성에 기여하지 않은 잉여의 탄화수소량도 증대된다. 이 경우, NOx를 양호하게 정화하기 위해서는 전술한 바와 같이 이 잉여의 탄화수소를 산화시킬 필요가 있고, 따라서 NOx를 양호하게 정화하기 위해서는 잉여의 탄화수소량이 많을수록 다량의 산소가 필요해진다.
이 경우, 배기 가스 중의 산소 농도를 높이면 산소량을 증대시킬 수 있다. 따라서 NOx를 양호하게 정화하기 위해서는, 탄화수소가 공급되기 전의 배기 가스 중의 산소 농도가 높을 때에는 탄화수소 공급 후의 배기 가스 중의 산소 농도를 높일 필요가 있다. 즉, 탄화수소가 공급되기 전의 배기 가스 중의 산소 농도가 높을수록 탄화수소 농도의 진폭을 크게 할 필요가 있다.
도 13은 동일한 NOx 정화율이 얻어질 때의, 탄화수소가 공급되기 전의 배기 가스 중의 산소 농도와 탄화수소 농도의 진폭 ΔH의 관계를 나타내고 있다. 도 13으로부터 동일한 NOx 정화율을 얻기 위해서는 탄화수소가 공급되기 전의 배기 가스 중의 산소 농도가 높을수록 탄화수소 농도의 진폭 ΔH를 증대시킬 필요가 있는 것을 알 수 있다. 즉, 동일한 NOx 정화율을 얻기 위해서는 베이스 공연비 (A/F)b가 높아질수록 탄화수소 농도의 진폭 ΔH를 증대시키는 것이 필요해진다. 환언하면, NOx를 양호하게 정화하기 위해서는 베이스 공연비 (A/F)b가 낮아질수록 탄화수소 농도의 진폭 ΔH를 감소시킬 수 있다.
그런데 베이스 공연비 (A/F)b가 가장 낮아지는 것은 가속 운전시이고, 이때 탄화수소 농도의 진폭 ΔH가 200ppm 정도이면 NOx를 양호하게 정화할 수 있다. 베이스 공연비 (A/F)b는 통상, 가속 운전시보다도 커, 따라서 도 14에 나타내어지는 바와 같이 탄화수소 농도의 진폭 ΔH가 200ppm 이상이면 양호한 NOx 정화율을 얻을 수 있게 된다.
한편, 베이스 공연비 (A/F)b가 가장 높을 때에는 탄화수소 농도의 진폭 ΔH를 10000ppm 정도로 하면 양호한 NOx 정화율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 탄화수소 농도의 진폭 ΔH가 10000ppm을 초과하면 공연비 (A/F)in이 리치로 될 위험성이 있어, 따라서 도 4 내지 도 6a, 도 6b에 나타내어지는 새로운 NOx 정화 방법을 행할 수 없게 될 위험성이 있다. 따라서, 본 발명에서는 탄화수소 농도의 진폭의 미리 정해진 범위가 200ppm 내지 10000ppm으로 되어 있다.
또한, 탄화수소 농도의 진동 주기 ΔT가 길어지면 탄화수소가 공급된 후, 다음에 탄화수소가 공급되는 동안, 활성 NO2 * 주위의 산소 농도가 높아진다. 이 경우, 탄화수소 농도의 진동 주기 ΔT가 5초 정도보다도 길어지면 활성 NO2 *가 질산염의 형태로 염기성층(53) 내에 흡수되기 시작하고, 따라서 도 15에 나타내어지는 바와 같이 탄화수소 농도의 진동 주기 ΔT가 5초 정도보다도 길어지면 NOx 정화율이 저하되게 된다. 따라서 탄화수소 농도의 진동 주기 ΔT는 5초 이하로 할 필요가 있다.
한편, 탄화수소 농도의 진동 주기 ΔT가 대략 0.3초 이하로 되면 공급된 탄화수소가 배기 정화 촉매(13)의 배기 가스 유통 표면 상에 퇴적되기 시작하여, 따라서 도 15에 나타내어지는 바와 같이 탄화수소 농도의 진동 주기 ΔT가 대략 0.3초 이하로 되면 NOx 정화율이 저하된다. 따라서 본 발명에서는 탄화수소 농도의 진동 주기가 0.3초 내지 5초 사이로 되어 있다.
그런데, 본 발명에서는 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소의 분사량 및 분사 시기를 변화시킴으로써 탄화수소 농도의 진폭 ΔH 및 진동 주기 ΔT가 기관의 운전 상태에 따른 최적값으로 되도록, 즉 새로운 NOx 정화 방법에 의한 양호한 NOx 정화 작용이 행해지도록 제어된다. 이 경우, 본 발명에 따른 실시예에서는 탄화수소의 분사량은 탄화수소 공급 밸브(15)의 탄화수소의 분사압 및 분사 시간을 제어함으로써 행해진다.
도 16은 어느 대표적인 기관 운전 상태에 있어서의, 배기 정화 촉매(13)에의 유입 탄화수소의 농도 변화, 즉 배기 정화 촉매(13)에의 유입 배기 가스의 공연비 (A/F)in의 변화와, 탄화수소의 분사 시간 WT를 나타내고 있고, 새로운 NOx 정화 방법에 의한 양호한 NOx 정화 작용을 확보할 수 있는 탄화수소의 분사 시간 WT는 기관의 운전 상태에 따라서 변화된다. 본 발명에 따른 실시예에서는 탄화수소의 분사압 WP가 기준 분사압 WP0일 때의 탄화수소의 기준 분사 시간 WT0가 기관의 요구 토크(TQ) 및 기관 회전수(N)의 함수로서 도 17에 나타내는 바와 같은 맵의 형태로 미리 R0M(32) 내에 기억되어 있다.
도 18a 및 도 18b는 탄화수소의 분사량이 동일할 때의 분사압 WP와 분사 시간 WT의 관계를 나타내고 있다. 도 18a 및 도 18b로부터 알 수 있는 바와 같이 분사압 WP가 낮아지면 분사 시간 WT가 길어지고, 분사압 WP가 높아지면 분사 시간 WT는 짧아진다. 한편, 도 19a는 도 18a에 나타내는 바와 같이 분사압 WP가 낮을 때에 1회의 분사에 의해 형성되는 탄화수소의 분무 Fa를 나타내고 있고, 도 19b는 도 18b에 나타내는 바와 같이 분사압 WP가 높을 때에 1회의 분사에 의해 형성되는 탄화수소의 분무 Fb를 나타내고 있다. 또한, 도 19a 및 도 19b는 배기 가스의 유속이 동일한 경우를 도시하고 있다. 도 19a 및 도 19b로부터 분사압 WP가 높아지면 분무가 차지하는 용적이 작아져, 분무 내의 탄화수소의 농도가 높아지는 것을 알 수 있다.
그런데, 배기 정화 촉매(13)의 산화력이 강할 때에 도 19a에 도시하는 탄화수소 농도가 낮은 분무 Fa를 형성하면 탄화수소가 완전히 산화되어 버려, 그 결과 환원성 중간체를 생성할 수 없게 된다. 이에 대해, 배기 정화 촉매(13)의 산화력이 강할 때에 도 19b에 도시하는 탄화수소 농도가 높은 분무 Fb를 형성하면 탄화수소는 완전히 산화되는 일 없이 부분 산화되고, 즉 탄화수소가 개질되고, 이리하여 환원성 중간체가 생성되게 된다. 따라서 배기 정화 촉매(13)의 산화력이 강할 때에는 탄화수소 농도가 높은 분무 Fb를 형성하는 것, 즉 분사압 WP를 높이는 것이 바람직한 것으로 된다.
한편, 배기 정화 촉매(13)의 산화력이 약할 때에 도 19a에 도시하는 탄화수소 농도가 낮은 분무 Fa를 형성하면 탄화수소는 완전히 산화되지 않고 부분 산화되고, 즉 탄화수소가 개질되고, 이리하여 환원성 중간체가 생성된다. 이에 대해, 배기 정화 촉매(13)의 산화력이 약할 때에 도 19b에 도시하는 탄화수소 농도가 높은 분무 Fb를 형성하면 다량의 탄화수소는 산화되는 일 없이 단순히 배기 정화 촉매(13)로부터 배출되게 되고, 이리하여 불필요하게 소비되는 탄화수소량이 증대되게 된다. 따라서 배기 정화 촉매(13)의 산화력이 약할 때에는 탄화수소 농도가 낮은 분무 Fa를 형성하는 것, 즉 분사압 WP를 낮게 하는 것이 바람직한 것으로 된다.
따라서 본 발명에서는, 새로운 NOx 정화 방법이 실행되고 있을 때에, 즉 기관 운전시에 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 미리 정해진 양의 탄화수소가 미리 정해진 공급 주기로 분사되고 있을 때에 배기 정화 촉매(13)의 산화력의 증대에 따라서 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소의 분사압 WP를 증대시키도록 하고 있다.
그런데 이 경우, 배기 정화 촉매(13)의 산화력은 배기 정화 촉매(13)의 온도가 높아질수록 증대된다. 따라서 본 발명에 따른 실시예에서는 배기 정화 촉매(13)의 온도의 증대에 따라서 탄화수소의 분사압을 증대시키도록 하고 있다. 구체적으로 말하면 본 발명에 따른 실시예에서는 도 20에 나타내어지는 탄화수소의 기준 분사압 WPO에 대한 보정 계수 KP1과 배기 정화 촉매(13)의 촉매 온도 TC의 관계 및 도 17에 나타내어지는 기준 분사 시간 WT0에 대한 보정 계수 KT1과 배기 정화 촉매(13)의 촉매 온도 TC의 관계가 미리 기억되어 있고, 이들의 관계로부터 구해진 각 보정 계수 KP1 및 KT1을 사용하여 실제의 분사압 WP 및 실제의 분사 시간 WT가 각각 산출된다.
즉, 본 발명에 따른 실시예에서는 도 20으로부터, 촉매 온도 TC가 미리 정해진 기준 온도 TC0보다도 낮을 때에는 실제의 분사압 WP는 기준 분사압 WP0로 되는 동시에 실제의 분사 시간 WT는 도 17에 도시되는 기준 분사 시간 WT0로 되고, 촉매 온도 TC가 미리 정해진 기준 온도 TC0를 넘으면 실제의 분사압 WP는 기준 분사압 WP0보다도 증대되는 동시에 실제의 분사 시간 WT는 기준 분사 시간 WT0보다도 짧아지는 것을 알 수 있다.
또한, 배기 정화 촉매(13)의 산화력은 배기 정화 촉매(13)의 유황 피독량이 증대되면 강해진다. 즉, 배기 가스 중에는 SOx가 포함되어 있고, 이 SOx는 배기 정화 촉매(13) 내에 유입되면 염기성층(53) 내에 황산염의 형태로 흡장되는 경우가 있다. 이 SOx의 흡장 작용은 처음에는 배기 정화 촉매(13)의 상류측 단부에서 발생하고, 따라서 시간이 경과함에 따라 배기 정화 촉매(13)의 상류측 단부에 있어서 염기성층(53) 내에 흡장되는 황산염의 양이 점차 증대되어 간다.
흡장된 황산염의 양이 증대되면 염기성층(53)의 염기성이 약해지고, 그 결과 배기 정화 촉매(13)의 상류측 단부에 있어서의 귀금속(51)의 산화 능력이 증대된다. 이와 같이 배기 정화 촉매(13)의 상류측 단부에 있어서의 귀금속(51)의 산화 능력이 증대되었을 때에 환원성 중간체를 생성시키기 위해서는 도 19b에 도시하는 탄화수소 농도가 높은 분무 Fb를 형성하는 것, 즉 분사압 WP를 높이는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명에 따른 실시예에서는, 배기 정화 촉매(13)의 상류측 단부에 있어서의 유황 피독량의 증대에 따라서 탄화수소의 분사압 WP를 증대시키도록 하고 있다. 구체적으로 말하면 본 발명에 따른 실시예에서는 도 21에 나타내어지는 탄화수소의 기준 분사압 WP0에 대한 보정 계수 KP2와 배기 정화 촉매(13)의 유황 피독량 ΣS의 관계 및 도 17에 나타내어지는 기준 분사 시간 WT0에 대한 보정 계수 KT2와 배기 정화 촉매(13)의 유황 피독량 ΣS의 관계가 미리 기억되어 있고, 이들의 관계로부터 구해진 각 보정 계수 KP2 및 KT2를 사용하여 실제의 분사압 WP 및 실제의 분사 시간 WT가 각각 산출된다.
즉, 이 실시예에서는 도 21로부터, 유황 피독량 ΣS가 미리 정해진 기준 피독량 S0보다도 낮을 때에는 실제의 분사압 WP는 기준 분사압 WP0로 되는 동시에 실제의 분사 시간 WT는 도 17에 나타내어지는 기준 분사 시간 WT0로 되고, 유황 피독량 ΣS가 미리 정해진 기준 피독량 S0를 넘으면 실제의 분사압 WP는 기준 분사압 WP0보다도 증대되는 동시에 실제의 분사 시간 WT는 기준 분사 시간 WT0보다도 짧아지는 것을 알 수 있다.
한편, 배기 가스의 유속이 빨라지면, 즉 흡입 공기량이 증대되면 탄화수소의 분무 내에 있어서의 탄화수소의 농도가 옅어져, 이때 양호하게 환원성 중간체를 생성하기 위해서는 탄화수소의 분무 내에 있어서의 탄화수소의 농도를 짙게 하는 것, 즉 분사압 WP를 높이는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에 따른 실시예에서는 흡입 공기량의 증대에 따라서, 즉 기관 배기 통로 내를 흐르는 배기 가스의 유속의 증대에 따라서 탄화수소의 분사압 WP를 증대시키도록 하고 있다.
구체적으로 말하면 본 발명에 따른 실시예에서는 도 22에 나타내어지는 탄화수소의 기준 분사압 WPO에 대한 보정 계수 KP3과 흡입 공기량 GA의 관계 및 도 17에 나타내어지는 기준 분사 시간 WT0에 대한 보정 계수 KT3과 흡입 공기량 GA의 관계가 미리 기억되어 있고, 이들의 관계로부터 구해진 각 보정 계수 KP3 및 KT3을 사용하여 실제의 분사압 WP 및 실제의 분사 시간 WT가 각각 산출된다.
또한, 도 17에 나타내어지는 기준 분사 시간 WT0는 흡입 공기량 GA가 도 22에 나타내어지는 기준 흡입 공기량 GA0일 때의 값을 나타내고 있고, 따라서 흡입 공기량 GA가 기준 흡입 공기량 GA0일 때에는 각 보정 계수 KP3, KT3의 값은 1.0으로 된다. 또한, 보정 계수 KP3의 값은 흡입 공기량 GA가 증대됨에 따라 커지고, 이에 대해 보정 계수 KT3의 값은 흡입 공기량 GA가 증대됨에 따라서 작아진다.
또한, 예를 들어 파티큘레이트 필터(14)의 재생시에는 파티큘레이트 필터(14)를 승온시키는 것이 필요해지고, 이때에는 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소의 분사량이 증대된다. 그런데 이와 같이 탄화수소의 분사량이 증대되었을 때에 탄화수소의 분사압 WP를 기준 분사압 WP0로 유지해 두면 탄화수소의 분무 내에 있어서의 탄화수소 농도가 극히 높아진다. 그 결과, 분사된 전체 탄화수소를 부분 산화시키는 것이 곤란해지고, 이리하여 일부의 탄화수소가 배기 정화 촉매(13)를 빠져나간다고 하는 사태를 야기시킨다.
따라서 본 발명에 따른 실시예에서는 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소의 분사량의 증대에 따라서 탄화수소의 분사압 WP를 감소시키도록 하고 있다. 구체적으로 말하면 본 발명에 따른 실시예에서는 도 23에 나타내어지는 탄화수소의 기준 분사압 WP0에 대한 보정 계수 KP4와 탄화수소의 분사량 W의 관계 및 도 17에 나타내어지는 기준 분사 시간 WT0에 대한 보정 계수 KT4와 탄화수소의 분사량 W의 관계가 미리 기억되어 있고, 이들의 관계로부터 구해진 각 보정 계수 KP4 및 KT4를 사용하여 실제의 분사압 WP 및 실제의 분사 시간 WT가 각각 산출된다.
즉, 본 발명에 따른 실시예에서는 도 23으로부터, 분사량 W가 미리 정해진 기준 분사량 W0보다도 낮을 때에는 실제의 분사압 WP는 기준 분사압 WP0로 되는 동시에 실제의 분사 시간 WT는 도 17에 나타내어지는 기준 분사 시간 WT0로 되고, 분사량 W가 미리 정해진 기준 분사량 W0를 초과하면 실제의 분사압 WP는 기준 분사압 WP0보다도 저하되는 동시에 실제의 분사 시간 WT는 기준 분사 시간 WT0보다도 길어지는 것을 알 수 있다.
도 24는 탄화수소의 공급 제어 루틴을 나타내고 있고, 이 루틴은 일정 시간마다의 인터럽트에 의해 실행된다.
도 24를 참조하면, 우선 스텝 60에 있어서 도 17에 나타내는 맵으로부터 기관의 운전 상태에 따른 기준 분사 시간 WT0가 산출된다. 이어서 스텝 61에서는 기준 분사압 WP0가 판독된다. 이어서 스텝 62에서는 온도 센서(26)에 의해 검출된 배기 정화 촉매(13)의 촉매 온도 TC를 사용하여 도 20에 나타내는 관계로부터 보정 계수 KP1, KT1의 값이 산출된다. 이어서 스텝 63에서는 유황 피독량 ΣS가 산출된다.
즉, 배기 가스 중에 포함되는 SOx의 양은 기관의 운전 상태가 정해지면 그것에 따라서 정해지고, 단위 시간당 기관으로부터 배출되는 SOx량 SOXA는 기관 운전 상태의 함수로서 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다. 배기 정화 촉매(13)에 흡장되는 SOx량은 기관으로부터 배출되는 SOx량 SOXA에 비례하는 것이라 생각되고, 따라서 스텝 63에서는 SOx량 SOXA와 비례 상수 C의 곱을 ΣS에 가산함으로써 유황 피독량 ΣS가 산출된다. 스텝 64에서는 이 산출된 유황 피독량 ΣS를 사용하여 도 21에 나타내는 관계로부터 보정 계수 KP2, KT2의 값이 산출된다.
이어서 스텝 65에서는 흡입 공기량 검출기(8)에 의해 검출된 흡입 공기량 GA를 사용하여 도 22에 나타내는 관계로부터 보정 계수 KP3, KT3의 값이 산출된다. 이어서 스텝 65에서는 분사량 W에 기초하여 도 23에 나타내는 관계로부터 보정 계수 KP4, KT4의 값이 산출된다. 이어서 스텝 67에서는 기준 분사압 WP0에, 대응하는 전체 보정 계수 KP1, KP2, KP3, KP4의 값을 승산함으로써 최종적인 분사압 WP가 산출되고, 실제의 분사압이 이 최종적인 분사압 WP로 된다. 이어서 스텝 68에서는 기준 분사 시간 WT0에, 대응하는 전체 보정 계수 KT1, KT2, KT3, KT4의 값을 승산함으로써 최종적인 분사 시간 WT가 산출되고, 실제의 분사 시간이 이 최종적인 분사 시간 WT로 된다.
또한, 다른 실시예로서 배기 정화 촉매(13) 상류의 기관 배기 통로 내에 탄화수소를 개질시키기 위한 산화 촉매를 배치할 수도 있다.
4 : 흡기 매니폴드
5 : 배기 매니폴드
7 : 배기 터보 챠저
12 : 배기관
13 : 배기 정화 촉매
14 : 파티큘레이트 필터
15 : 탄화수소 공급 밸브

Claims (8)

  1. 탄화수소를 공급하기 위한 탄화수소 공급 밸브를 기관 배기 통로 내에 배치하고, 탄화수소 공급 밸브 하류의 기관 배기 통로 내에 배기 가스 중에 포함되는 NOx와 개질된 탄화수소를 반응시키기 위한 배기 정화 촉매를 배치하고, 상기 배기 정화 촉매의 배기 가스 유통 표면 상에는 귀금속 촉매가 담지되어 있는 동시에 상기 귀금속 촉매 주위에는 염기성의 배기 가스 유통 표면 부분이 형성되어 있고, 상기 배기 정화 촉매는, 탄화수소 공급 밸브로부터 미리 정해진 양의 탄화수소를 미리 정해진 공급 주기로 분사하면 배기 가스 중에 포함되는 NOx를 환원하는 성질을 갖는 동시에, 탄화수소의 공급 주기를 상기 미리 정해진 공급 주기보다도 길게 하면 배기 가스 중에 포함되는 NOx의 흡장량이 증대되는 성질을 갖고 있고, 기관 운전시에 탄화수소 공급 밸브로부터 상기 미리 정해진 양의 탄화수소를 상기 미리 정해진 공급 주기로 분사하고, 이때 배기 정화 촉매의 산화력의 증대에 따라서 탄화수소 공급 밸브로부터의 탄화수소의 분사압을 증대시키도록 한, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 배기 정화 촉매의 온도의 증대에 따라서 상기 탄화수소의 분사압을 증대시키도록 한, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  3. 제1항에 있어서, 배기 정화 촉매의 상류측 단부에 있어서의 유황 피독량의 증대에 따라서 상기 탄화수소의 분사압을 증대시키도록 한, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 기관 배기 통로 내를 흐르는 배기 가스의 유속의 증대에 따라서 상기 탄화수소의 분사압을 증대시키도록 한, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  5. 제1항에 있어서, 탄화수소 공급 밸브로부터의 탄화수소의 분사량의 증대에 따라서 상기 탄화수소의 분사압을 감소시키도록 한, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 귀금속 촉매에 의해 배기 가스 중에 포함되는 NOx와 개질된 탄화수소가 반응하여 질소 및 탄화수소를 포함하는 환원성 중간체가 생성되는 동시에 생성된 환원성 중간체가 상기 염기성의 배기 가스 유통 표면 부분 상에 지지되고, 상기 염기성의 배기 가스 유통 표면 부분 상에 지지된 환원성 중간체의 환원 작용에 의해 NOx가 환원되고, 상기 탄화수소의 미리 정해진 공급 주기는 환원성 중간체를 계속 생성시키는 데 필요한 공급 주기인, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 귀금속 촉매는 백금(Pt)과, 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 한쪽에 의해 구성되는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 배기 정화 촉매의 배기 가스 유통 표면 상에 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속 또는 희토류 또는 NOx에 전자를 공여할 수 있는 금속을 포함하는 염기성층이 형성되어 있고, 상기 염기성층의 표면이 상기 염기성의 배기 가스 유통 표면 부분을 형성하고 있는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
KR1020117021433A 2010-04-01 2010-04-01 내연 기관의 배기 정화 장치 KR101321294B1 (ko)

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