KR100497829B1 - 내연기관의 배기정화장치 - Google Patents

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Abstract

내연기관의 배기관 (22) 내에 배기제어밸브 (24) 를 배치한다. 기관 시동 및 워밍업 운전시에 배기제어밸브 (24) 를 거의 완전히 폐쇄시키고, 주연료의 분사량을 배기제어밸브의 완전 개방시 가장 바람직한 분사량보다 증량시키고, 팽창 행정 중에 부연료를 추가 분사하고, 그럼으로써 기관 시동 및 워밍업 운전시에 대기 중으로 배출되는 미연 HC 를 대폭 저감시킨다.

Description

내연기관의 배기정화장치{EXHAUST EMISSION CONTROL DEVICE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 배기정화장치에 관한 것이다.
디젤 기관에서는 기관의 저속 저부하 운전시, 특히 기관의 워밍업 (暖機) 운전시에는 연소실 내의 온도가 낮아져 그 결과 다량의 미연 HC 가 발생된다. 그래서, 기관 배기통로 내에 배기제어밸브를 배치하고, 기관의 저속 저부하 운전시에 배기제어밸브를 폐쇄함과 동시에 연료분사량을 대폭 증량시킴으로써 연소실 내의 온도를 높여 분사연료를 연소실 내에서 완전히 연소시키고, 그럼으로써 미연 HC 의 발생량을 억제하도록 한 디젤 기관이 공지되어 있다 (일본 공개특허공보 소49-80414 호 참조).
또, 기관 배기통로 내에 배기정화용 촉매를 배치한 경우에는 촉매온도가 충분히 높아지지 않으면 촉매에 의한 양호한 배기정화 작용은 실행되지 않는다. 그래서, 기관 출력을 발생시키기 위한 주연료 분사에 추가로 부연료를 팽창 행정 중에 분사하며 부연료를 연소시킴으로써 배기가스온도를 상승시키고, 그럼으로써 촉매 온도를 상승시키려고 한 내연기관이 공지되어 있다 (일본 공개특허공보 평8-303290 호 및 일본 공개특허공보 평10-212995 호 참조).
또한, 종래부터 미연 HC 를 흡착할 수 있는 촉매가 알려져 있다. 이 촉매는 주위 압력이 높아질수록 미연 HC 의 흡착량이 증대되고, 주위 압력이 낮아지면 흡착된 미연 HC 를 방출하는 성질을 갖는다. 그래서, 이 성질을 이용하여 촉매에서 방출된 미연 HC 에 의해 NOX 를 환원시키기 위해서, 기관 배기통로 내에 이 촉매를 배치함과 동시에 촉매 하류의 기관 배기통로 내에 배기제어밸브를 배치하고, NOX 의 발생량이 적은 기관의 저속 저부하 운전시에는 기관출력의 발생을 위한 주연료에 추가로 소량의 부연료를 팽창 행정 중 또는 배기 행정 중에 분사하여 다량의 미연 HC 를 연소실에서 배출시키고, 또한 이 때 기관의 출력 저하가 허용 범위 내에 포함되도록 배기제어밸브를 비교적 작은 개방도까지 폐쇄함으로써 배기통로 내의 압력을 높여 연료실에서 배출되는 다량의 미연 HC 를 촉매 내에 흡착시키고, NOX 의 발생량이 많은 기관 고속 또는 고부하 운전시에는 배기제어밸브를 완전히 개방하여 배기통로 내의 압력을 저하시키고 이 때 촉매에서 방출되는 미연 HC 에 의해 NOX 를 환원시키도록 한 내연기관이 공지되어 있다 (일본 공개특허공보 평10-238336 호 참조).
그런데, 현재 디젤 기관은 원래 불꽃점화식 내연기관에서도 기관 저부하 운전시, 특히 기관의 워밍업 운전시에 발생되는 미연 HC 의 양을 어떻게 해서 저감하여야 할지가 큰 문제로 되어 있다. 그래서, 본 발명자들은 이 문제를 해결하기 위해서 실험 연구를 하면서, 그 결과 기관의 워밍업 운전시 등에 대기 중에 배출되는 미연 HC 의 양을 대폭 저감시키기 위해서는, 연소실 내의 미연 HC 의 발생량을 저감시키고 동시에 배기통로 내의 미연 HC 의 저감량을 증대시켜야 한다는 것을 판명한 것이다.
구체적으로 말하면, 팽창 행정 중 또는 배기 행정 중에 연소실 내에 부연료를 추가 분사하여 이 부연료를 연소시키고, 기관 배기포트 출구에서 상당히 거리를 둔 기관 배기통로 내에 배기제어밸브를 설치하고 이 배기제어밸브를 거의 완전히 폐쇄시키면, 이들 부연료의 연소와 배기제어밸브에 의한 배기 스로틀작용과의 상승 (相乘) 작용에 의해 연소실 내의 미연 HC 의 발생량이 저감됨과 동시에 배기통로 내의 미연 HC 의 저감량이 증대되며, 그리하여 대기 중에 배출되는 미연 HC 의 양을 대폭 저감시킬 수 있음이 판명된 것이다.
조금 더 상세하게 말하면 부연료가 분사되면 부연료 자체가 연소될 뿐아니라 주연료의 타다 남은 미연 HC 가 연소실 내에서 연소된다. 따라서, 연소실 내에서 발생되는 미연 HC 의 양이 대폭 저감될 뿐아니라 주연료의 타다 남은 미연 HC 및 부연료가 연소되어 기연 (旣燃) 가스온도가 상당히 고온으로 된다.
한편, 배기제어밸브가 거의 완전히 폐쇄되면 기관의 배기포트에서 배기제어밸브에 이르는 배기통로 내의 압력, 즉 배압이 상당히 높아진다. 배압이 높다는 것은 연소실 내에서 배출된 배기가스온도가 그다지 저하되지 않음을 의미하고 있으며, 따라서 배기포트 내의 배기가스온도는 상당히 고온으로 되어 있다. 한편, 배압이 높다는 것은 배기포트 내로 배출된 배기가스의 유속이 늦다는 것을 의미하며, 따라서 배기가스는 고온 상태에서 배기제어밸브 상류의 배기통로 내에 장시간에 걸쳐 체류하게 된다. 이 사이에 배기가스 중에 함유된 미연 HC 가 산화되며, 그리하여 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양이 대폭 저감되게 된다.
이 경우 만일 부연료를 분사하지 않은 경우에는 주연료의 타다 남은 미연 HC 가 그대로 잔존하므로 연료실 내에서 다량의 미연 HC 가 발생한다. 또, 부연료를 분사하지 않은 경우에는 연소실 내의 기연가스온도가 그다지 높아지지 않기 때문에 이 때 비록 배기제어밸브를 거의 완전히 폐쇄시켜도 배기제어밸브 상류의 배기통로 내에서의 미연 HC 의 충분한 산화작용은 기대할 수 없다. 따라서, 이 때에는 다량의 미연 HC 가 대기 중으로 배출되게 된다.
한편, 배기제어밸브에 의한 배기 스로틀 작용을 하지 않는 경우라도 부연료를 분사하면 연소실 내에서 발생되는 미연 HC 의 발생량은 저감되고, 연소실 내의 기연가스온도는 높아진다. 그러나, 배기제어밸브에 의한 배기 스로틀 작용을 하지 않는 경우에는 연소실에서 배기가스가 배출되자마자 배기가스압력은 바로 저하되며, 그리하여 배기가스온도도 바로 저하된다. 따라서, 이 경우에는 배기통로 내의 미연 HC 의 산화작용은 거의 기대할 수 없으며, 그리하여 이 때에도 다량의 미연 HC 가 대기 중으로 배출되게 된다.
즉, 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양을 대폭 저감시키기 위해서는, 부연료를 분사하며 동시에 배기제어밸브를 거의 완전히 폐쇄해야 한다.
상술한 일본 공개특허공보 소49-80414 호에 기재된 디젤 기관에서는 부연료가 분사되지 않고 주연료 분사량이 대폭 증대되기 때문에, 배기가스온도는 상승되지만 매우 많은 양의 미연 HC 가 연소실 내에서 발생된다. 이렇게 연소실 내에서 매우 많은 양의 미연 HC 가 발생되며 비록 배기통로 내에서 미연 HC 의 산화작용이 실행되었다고 해도 일부의 미연 HC 밖에 산화되지 않아 다량의 미연 HC 가 대기 중으로 배출되게 된다.
한편, 상술한 일본 공개특허공보 평8-303290 호 또는 일본 공개특허공보 평10-212995 호에 기재된 내연기관에서는 배기제어밸브에 의한 배기 스로틀 작용이 실행되지 않아 배기통로 내의 미연 HC 의 산화작용은 거의 기대할 수 없다. 따라서, 이 내연기관에서도 다량의 미연 HC 가 대기 중으로 배출되게 된다.
또, 상술한 일본 공개특허공보 평10-238336 호에 기재된 내연기관에서는 기관의 출력 저하가 허용 범위 내에 포함되도록 배기제어밸브가 비교적 작은 개방도까지 폐쇄되며, 따라서 이 내연기관에서는 배기제어밸브가 완전히 개방되어 있을 때와 폐쇄되어 있을 때에 주연료의 분사량은 동일 분사량으로 유지된다. 그러나, 기관의 출력 저하가 허용 범위 내에 포함될 정도의 배기제어밸브의 밸브폐쇄량에서는 배압은 그만큼 높아지지 않는다.
또한, 이 내연기관에서는 촉매에 흡착되는 미연 HC 를 발생시키기 위해서, 소량의 부연료가 팽창 행정 중 또는 배기 행정 중에 분사된다. 이 경우 부연료가 양호하게 연소되면 미연 HC 가 발생되지 않아 내연기관에서는 부연료가 양호하게 연소되지 않도록 부연료의 분사 제어를 실행하고 있는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 이 내연기관에서는 소량의 부연료가 기연가스온도의 온도 상승에는 그다지 기여하고 있지 않는 것으로 볼 수 있다.
이렇게 이 내연기관에서는 다량의 미연 HC 가 연소실 내에서 발생되고, 또한 배압은 그다지 높아지지 않아 기연가스온도도 그다지 상승되지 않는 것으로 볼 수 있어 배기통로 내에서도 미연 HC 는 그다지 산화되지 않은 것으로 볼 수 있다. 이 내연기관에서는 되도록 다량의 미연 HC 를 촉매에 흡착시키는 것을 목적으로 하고 있으며, 따라서 이렇게 생각하는 것이 이치에 맞다고 할 수 있다.
도 1 은 내연기관의 전체도이다.
도 2 는 연소실의 측면 단면도이다.
도 3 은 배기제어밸브의 일실시예를 나타내는 도면이다.
도 4 는 분사량, 분사 시기 및 공연비를 나타내는 도면이다.
도 5 는 분사 시기를 나타내는 도면이다.
도 6 은 미연 HC 의 농도를 나타내는 도면이다.
도 7 은 주연료의 분사량을 나타내는 도면이다.
도 8 은 주연료의 분사량과 부연료의 분사량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9 는 주연료의 분사량과 배기제어밸브의 개방도 변화를 나타내는 도면이다.
도 10 은 주연료의 분사량과 배기제어밸브의 개방도 변화를 나타내는 도면이다.
도 11 은 운전 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 12 는 내연기관의 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 13 은 내연기관의 또 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 14 는 내연기관의 또 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 15 는 운전 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 16 은 내연기관의 또 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 17 은 내연기관의 또 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 18 은 운전 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 19 는 운전 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 20 은 운전 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 21 은 액셀 페달의 가압량과 배기제어밸브의 개방도 등의 관계를 나타내는 도면이다.
도 22 는 주연료의 분사량과 배기제어밸브의 개방도를 나타내는 도면이다.
도 23 은 내연기관의 또 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 24 는 부연료 (Qa) 의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 25 는 운전 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 26 은 부연료의 분사 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 27 은 부연료 (Qa) 의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 28 은 부연료의 분사 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 29 는 부연료 (Qa) 의 변화를 나타내는 타임차트이다.
도 30 은 부연료의 분사 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 31 은 내연기관의 또 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 32 는 내연기관의 또 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 33 은 내연기관의 또 다른 실시예를 나타내는 전체도이다.
도 34 는 도 13 에 나타낸 내연기관의 측면 단면도이다.
도 35 는 내연기관의 또 다른 실시예를 나타내는 측면 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
5 : 연소실 6 : 연료분사밸브
7 : 점화전(点火栓) 11 : 배기포트
13 : 서지탱크 18 : 스로틀 밸브
19,20,90 : 배기 매니폴드 21,21a,22 : 배기관
24 : 배기제어밸브 70,71,72 : 촉매
발명의 개시
본 발명의 목적은 기관의 안정된 운전을 확보하면서 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양을 대폭 저감시킬 수 있는 내연기관의 배기정화장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 기관의 배기포트 출구에 접속된 배기통로 내에 배기포트 출구에서 미리 정해진 거리를 두고 배기제어밸브가 배치되고, 대기 중으로의 미연 HC 의 배출량을 저감하여야 한다고 판단되었을 때에는 연소실 내에서의 미연 HC 의 발생량이 저하하고, 또한 배기포트내 및 배기제어밸브 상류의 배기통로내에 있어서의 미연 HC 의 산화반응이 촉진되도록 배기제어밸브가 거의 완전히 폐쇄됨과 동시에 기관 출력을 발생하기 위해서 연소실 내로 분사된 주연료를 공기 과잉하에서 연소시키는 것에 추가로 부연료가 부연료의 연소 가능한 팽창 행정 중 또는 배기 행정 중의 미리 정해진 시기에 연소실 내에 추가 분사되고, 배기제어밸브가 거의 완전히 폐쇄되었을 때에는 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브가 완전히 개방된 경우 기관의 발생 토크에 가까워지도록 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브가 완전히 개방된 경우에 비하여 주연료의 분사량이 증량되는 내연기관의 배기정화장치가 제공된다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
도 1 및 도 2 는 본 발명을 성층연소식 내연기관에 적용한 경우를 나타내고 있다. 그러나, 본 발명은 균일 린 공연비하에서 연소가 실행되는 불꽃점화식 내연기관 및 공기 과잉하에서 연소가 실행되는 디젤 기관에도 적용할 수 있다.
도 1 을 참조하면 1 은 기관 본체를 나타내고, 기관 본체 (1) 는 1번 기통 (＃1), 2번 기통 (＃2), 3번 기통 (＃3) 및 4번 기통 (＃4) 으로 이루어진 네 기통을 구비한다. 도 2 는 각 기통 (＃1, ＃2, ＃3, ＃4) 의 측면 단면도를 나타내고 있다. 도 2 를 참조하면, 도면부호 2 는 실린더 블럭, 도면부호 3 은 실린더 헤드, 도면부호 4 는 피스톤, 도면부호 5 는 연소실, 도면부호 6 은 실린더 헤드 (3) 의 내벽면 주연부에 배치된 연료분사밸브, 도면부호 7 은 실린더 헤드 (3) 의 내벽면 중앙부에 배치된 점화전, 도면부호 8 은 흡기밸브, 도면부호 9 는 흡기포트, 도면부호 10 은 배기밸브, 도면부호 11 은 배기포트를 각각 나타낸다.
도 1 및 도 2 를 참조하면, 흡기포트 (9) 는 대응하는 흡기지관기관 (12) 을 통하여 서지탱크 (13) 에 연결되고, 서지탱크 (13) 는 흡기덕트 (14) 및 에어플로우미터 (15) 를 통하여 에어클리너 (16) 에 연결된다. 흡기덕트 (14) 내에는 스텝모터 (17) 에 의해 구동되는 스로틀 밸브 (18) 가 배치된다. 한편, 도 1 에 나타낸 실시예에서는 점화 순서가 1-3-4-2 로 되어 있어 도 1 에 나타낸 바와 같이 점화 순서가 하나 건너뛴 기통 ＃1, ＃4 의 배기포트 (11) 는 공통된 제 1 배기 매니폴드 (19) 에 연결되고, 점화 순서가 하나 건너뛴 나머지 기통 ＃2, ＃3 의 배기포트 (11) 는 공통된 제 2 배기 매니폴드 (20) 에 연결된다. 이들 제 1 배기 매니폴드 (19) 와 제 2 배기 매니폴드 (20) 는 공통된 배기관 (21) 에 연결되고, 배기관 (21) 은 또 다른 배기관 (22) 에 연결된다. 배기관 (22) 내에는 부압 (負壓) 다이어프램장치 또는 전기모터로 구성된 액추에이터 (23) 에 의해 구동되는 배기제어밸브 (24) 가 배치된다.
도 1 에 나타낸 바와 같이 배기관 (21) 과 서지탱크 (13) 는 배기가스 재순환 (이하, EGR 이라고 함) 통로 (25) 를 통해 서로 연결되며, EGR 통로 (25) 내에는 전기제어식 EGR 제어밸브 (26) 가 배치된다. 연료분사밸브 (6) 는 공통의 연료리저버(reservoir), 이른바 코먼레일 (27) 에 연결된다. 이 코먼레일 (27) 내로는 연료탱크 (28) 내의 연료가 전기제어식 토출량 가변의 연료펌프 (29) 를 통해 공급되고 코먼레일 (27) 내에 공급된 연료가 각 연료분사밸브 (6) 에 공급된다. 코먼레일 (27) 에는 코먼레일 (27) 내의 연료압을 검출하기 위한 연료압센서 (30) 가 장착되어, 연료압센서 (30) 의 출력신호에 따라 코먼레일 (27) 내의 연료압이 목표 연료압이 되도록 연료펌프 (29) 의 토출량이 제어된다.
전자제어유닛 (40) 은 디지털컴퓨터로 구성되고, 쌍방향성 버스 (41) 에 의해 서로 접속된 ROM (리드 온리 메모리 : 42), RAM (랜덤 액세스 메모리 : 43), CPU (마이크로프로세서 : 44), 입력포트 (45) 및 출력포트 (46) 를 구비한다. 에어플로우미터 (15) 는 흡입 공기량에 비례한 출력 전압을 발생시키고, 이 출력 전압은 대응하는 AD 변환기 (47) 를 통해 입력포트 (45) 에 입력된다. 기관 본체 (1) 에는 기관냉각수온도를 검출하기 위한 수온센서 (31) 가 장착되고, 이 수온센서 (31) 의 출력신호는 대응하는 AD 변환기 (47) 를 통해 입력포트 (45) 에 입력된다. 또한, 입력포트 (45) 에는 연료압센서 (30) 의 출력신호가 대응하는 AD 변환기 (47) 를 통해 입력된다.
또, 액셀 페달 (50) 에는 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 에 비례한 출력 전압을 발생시키는 부하센서 (51) 가 접속되고, 부하센서 (51) 의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기 (47) 를 통해 입력포트 (45) 에 입력된다. 또한, 입력포트 (45) 에는 크랭크 샤프트가 예컨대 30°회전할 때마다 출력펄스를 발생시키는 크랭크각 센서 (52) 가 접속된다. 한편, 출력포트 (46) 는 대응하는 구동회로 (48) 를 통해 연료분사밸브 (6), 점화전 (7), 스로틀 밸브 제어용 스텝모터 (17), 배기제어밸브 제어용 액추에이터 (23), EGR 제어밸브 (26) 및 연료펌프 (29) 에 접속된다.
도 4 는 연료분사량 (Q1,Q2,Q(=Q1+Q2)), 분사개시 시기 (θS1, θS2), 분사완료 시기 (θE1, θE2) 및 연소실 (5) 내에서의 평균공연비 (A/F) 를 나타내고 있다. 또 도 4 에서 횡축 (L) 은 액셀 페달 (50) 의 가압량, 즉 요구 부하를 나타내고 있다.
도 4 에서 알 수 있듯이 요구 부하 (L) 가 L1 보다 낮을 때에는 압축 행정 말기의 θS2 로부터 θE2 사이에서 연료분사 (Q2) 가 실행된다. 이 때에는 평균공연비 (A/F) 는 상당히 린하게 되어 있다. 요구 부하 (L) 가 L1 과 L2 사이일 때에는 흡기 행정 초기의 θS1 로부터 θE1 사이에서 제 1 회째의 연료분사 (Q1) 가 실행되고, 이어서 압축 행정 말기의 θS2 로부터 θE2 사이에서 제 2 회째의 연료분사 (Q2) 가 실행된다. 이 때에도 평균공연비 (A/F) 는 린으로 되어 있다. 요구 부하 (L) 가 L2 보다 클 때에는 흡기 행정 초기의 θS1 로부터 θE1 사이에서 연료분사 (Q1) 가 실행된다. 이 때에는 요구 부하 (L) 가 낮은 영역에서는 평균공연비 (A/F) 가 린으로 되어 있고, 요구 부하 (L) 가 높아지면 평균공연비 (A/F) 가 이론공연비로 되며, 요구 부하 (L) 가 더 높아지면 평균공연비 (A/F) 가 리치로 된다. 또, 압축 행정 말기에만 연료분사 (Q2) 가 실행되는 운전 영역, 2회에 걸쳐 연료분사 (Q1 및 Q2) 가 실행되는 운전 영역 및 흡기 행정 초기에만 연료분사 (Q1) 가 실행되는 운전 영역은 요구 부하 (L) 만으로 정해지는 것이 아니라 실제로는 요구 부하 (L) 및 기관회전수에 따라 정해진다.
도 2 는 요구 부하 (L) 가 L1 (도 4) 보다 작을 때에, 즉 압축 행정 말기에만 연료분사 (Q2) 가 실행되는 경우를 나타내고 있다. 도 2 에 나타낸 바와 같이 피스톤 (4) 의 정상면 상에는 캐비티 (4a) 가 형성되어 있어 요구 부하 (L) 가 L1 보다 작을 때에는 연료분사밸브 (6) 에서 캐비티 (4a) 의 바닥벽면쪽으로 압축 행정 말기에 연료가 분사된다. 이 연료는 캐비티 (4a) 의 둘레벽면에 의해 안내되어 점화전 (7) 을 향하고 그럼으로써 점화전 (7) 주위에 혼합가스 (G) 가 형성된다. 이어서, 이 혼합가스 (G) 는 점화전 (7) 에 의해 점화된다.
한편, 상술한 바와 같이 요구 부하 (L) 가 L1 과 L2 사이에 있을 때에는 2회로 나누어 연료분사가 실행된다. 이 경우 흡기 행정 초기에 실행되는 제 1 회째의 연료분사 (Q1) 에 의해 연소실 (5) 내에 희박한 혼합가스가 형성된다. 이어서, 압축 행정 말기에 실행되는 제 2 회째의 연료분사 (Q2) 에 의해 점화전 (7) 주위에 가장 바람직한 농도의 혼합가스가 형성된다. 이 혼합가스가 점화전 (7) 에 의해 점화되고 이 점화 화염에 의해 희박 혼합가스가 연소된다.
한편, 요구 부하 (L) 가 L2 보다 클 때에는 도 4 에 나타낸 바와 같이 연소실 (5) 내에는 린 공연비 또는 이론공연비 또는 리치 공연비의 균일 혼합가스가 형성되어 이 균일 혼합가스가 점화전 (7) 에 의해 점화된다.
이어서, 도 5 를 참조하면서 우선 처음에 본 발명에 의한 미연 HC 의 저감방법에 대해서 개략적으로 설명한다. 또, 도 5 에서 횡축은 크랭크각을 나타내고, BTDC 및 ATDC 는 각각 상사점 전 및 상사점 후를 나타내고 있다.
도 5 의 A 는 본 발명에 따른 방법으로 특히 미연 HC 를 저감시킬 필요가 없는 경우로 요구 부하 (L) 가 L1 보다 작을 때의 연료분사 시기를 나타내고 있다. 도 5 의 A 에 나타낸 바와 같이 이 때에는 압축 행정 말기에 주연료 (Qm) 만 분사되고 이 때 배기제어밸브 (24) 는 완전 개방상태로 유지되어 있다.
반면에, 본 발명에 따른 방법으로 미연 HC 를 저감시킬 필요가 있는 경우에는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되고, 또한 도 5(B) 에 나타낸 바와 같이 기관 출력을 발생시키기 위한 주연료 (Qm) 의 분사에 추가로 팽창 행정 중에 도 5(B) 에 나타낸 예에서는 압축 상사점 후 (ATDC) 60°부근에서 부연료 (Qa) 가 추가 분사된다. 또, 이 경우 주연료 (Qm) 연소 후, 부연료 (Qa) 를 완전히 연소시키기는 데에 충분한 산소가 연소실 (5) 내에 잔존하도록 주연료 (Qm) 는 공기 과잉하에서 연소된다. 또, 도 5 의 A 및 도 5 의 B 는 기관 부하와 기관회전수가 동일할 때의 연료분사기간을 나타내며, 따라서 기관 부하와 기관회전수가 동일한 경우에는 도 5 의 B 에 나타낸 경우의 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 5 의 A 에 나타낸 경우의 주연료 (Qm) 의 분사량에 비해 증량되어 있다.
도 6 은 기관 배기통로의 각 위치에서 배기가스 중의 미연 HC 의 농도 (ppm) 의 일례를 나타내고 있다. 도 6 에 나타낸 예에서 흑색 삼각 표시는 배기제어밸브 (24) 를 완전히 개방시킨 상태에서 도 5 의 A 에 나타낸 바와 같이 압축 행정 말기에 주연료 (Qm) 를 분사한 경우의 배기포트 (11) 출구에서 배기가스 중의 미연 HC 의 농도 (ppm) 를 나타내고 있다. 이 경우에는 배기포트 (11) 출구에서 배기가스 중의 미연 HC 의 농도는 6000ppm 이상의 매우 높은 값이 된다.
한편, 도 6 에 나타낸 예에서 흑색 원과 실선 표시는 배기제어밸브 (24) 를 거의 완전히 폐쇄로 하여, 도 5 의 B 에 나타낸 바와 같이 주연료 (Qm) 및 부연료 (Qa) 를 분사한 경우의 배기가스 중의 미연 HC 의 농도 (ppm) 를 나타내고 있다. 이 경우에는 배기포트 (11) 출구에서 배기가스 중의 미연 HC 의 농도는 2000ppm 이하가 되고, 배기제어밸브 (24) 부근에서는 배기가스 중의 미연 HC 의 농도는 150ppm 정도까지 감소된다. 따라서, 이 경우에는 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양이 대폭 저감되는 것을 알 수 있다.
이렇게 배기제어밸브 (24) 상류의 배기통로 내에서 미연 HC 가 감소되는 것은 미연 HC 의 산화반응이 촉진되어 있기 때문이다. 그러나, 도 6 의 흑색 삼각 표시로 표시되는 바와 같이 배기포트 (11) 출구에서 미연 HC 의 양이 많은 경우, 즉 연소실 (5) 내에서 미연 HC 의 발생량이 많은 경우에는 비록 배기통로 내에서 미연 HC 의 산화반응을 촉진시켜도 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양은 그다지 저감되지 않는다. 즉, 배기통로 내에서 미연 HC 의 산화반응을 촉진시킴으로써 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양을 대폭 저감할 수 있는 것은 도 6 의 흑색 원 표시로 표시된 바와 같이 배기포트 (11) 출구에서 미연 HC 의 농도가 낮을 때에, 즉 연소실 (5) 내에서 미연 HC 의 발생량이 적을 때이다.
이렇게 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양을 저감시키기 위해서는 연소실 (5) 내에서 미연 HC 의 발생량을 저감시키며 또한 배기통로 내에서 미연 HC 의 산화반응을 촉진시킨다는 두가지 요구를 동시에 만족시킬 필요가 있다. 그래서, 우선 처음에 2 번째의 요구, 즉 배기통로 내에서 미연 HC 의 산화반응을 촉진시키는 점부터 설명한다.
본 발명에 따르면 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양을 저감하여야 할 때에는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄로 된다. 이렇게 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄로 되면 배기포트 (11) 내, 배기 매니폴드 (19,20) 내, 배기관 (21) 내 및 배기제어밸브 (24) 상류의 배기관 (22) 내의 압력, 즉 배압은 상당히 높아진다. 배압이 높아진다는 것은 연소실 (5) 내에서 배기포트 (11) 내로 배기가스가 배출되었을 때에 배기가스의 압력이 그다지 저하되지 않아, 따라서 연소실 (5) 에서 배출된 배기가스온도도 그다지 저하되지 않는 것을 의미한다. 따라서, 배기포트 (11) 내로 배출된 배기가스온도는 상당히 고온으로 유지되어 있다. 한편, 배압이 높다는 것은 배기가스의 밀도가 높다는 것을 의미하고, 배기가스의 밀도가 높다는 것은 배기포트 (11) 에서 배기제어밸브 (24) 에 이르는 배기통로 내에서의 배기가스의 유속이 느리다는 것을 의미한다. 따라서, 배기포트 (11) 내로 배출된 배기가스는 고온하에서 장시간에 걸쳐 배기제어밸브 (24) 상류의 배기통로 내에 체류하게 된다.
이렇게 배기가스가 고온하에서 장시간에 걸쳐 배기제어밸브 (24) 상류의 배기통로 내에 체류하게 되면 그 사이에 미연 HC 의 산화반응이 촉진된다. 이 경우 본 발명자에 의한 실험에 따르면 배기통로 내에서 미연 HC 의 산화반응을 촉진시키기 위해서는, 배기포트 (11) 출구에서 배기가스온도를 약 750℃ 이상, 바람직하게는 800℃ 이상으로 할 필요가 있음이 판명되었다.
또, 고온 배기가스가 배기제어밸브 (24) 상류의 배기통로 내에 체류하는 시간이 길어질수록 미연 HC 의 저감량은 증대된다. 이 체류시간은 배기제어밸브 (24) 위치가 배기포트 (11) 출구에서 멀어지면 멀어질수록 길어지고, 따라서 배기제어밸브 (24) 는 배기포트 (11) 출구에서 미연 HC 를 충분히 저감시키는 데에 필요한 거리를 두고 배치할 필요가 있다. 배기제어밸브 (24) 를 배기포트 (11) 출구에서 미연 HC 를 충분히 저감시키는 데에 필요한 거리를 두고 배치하면 도 6 의 실선으로 나타낸 바와 같이 미연 HC 의 농도는 대폭 저감된다. 또, 본 발명자에 의한 실험에 따르면 미연 HC 를 충분히 저감시키기 위해서는 배기포트 (11) 출구에서 배기제어밸브 (24) 까지의 거리를 30㎝ 이상으로 하는 것이 바람직함이 판명되었다.
그런데, 상술한 바와 같이 배기통로 내에서 미연 HC 의 산화반응을 촉진시키기 위해서는 배기포트 (11) 출구에서 배기가스온도를 약 750℃ 이상, 바람직하게는 800℃ 이상으로 할 필요가 있다. 또, 대기 중에 배출되는 미연 HC 의 양을 저감시키기 위해서는 상술한 첫번째의 요구를 만족시켜야 한다. 즉, 연소실 (5) 내에서 미연 HC 의 발생량을 저하시킬 필요가 있다. 그래서, 본 발명에서는 기관 출력을 발생시키기 위한 주연료 (Qm) 에 추가로 주연료 (Qm) 분사 후에 부연료 (Qa) 를 추가 분사하여 부연료 (Qa) 를 연소실 (5) 내에서 연소시키도록 한다.
즉, 부연료 (Qa) 를 연소실 (5) 내에서 연소시키면 부연료 (Qa) 의 연소시에 주연료 (Qm) 의 타다 남은 다량의 미연 HC 가 연소된다. 또한, 이 부연료 (Qa) 는 고온 가스 중에 분사되기 때문에 부연료 (Qa) 는 양호하게 연소되고, 따라서 부연료 (Qa) 의 타다 남은 미연 HC 는 그다지 발생하지 않게 된다. 그리하여 최종적으로 연소실 (5) 내에서 발생되는 미연 HC 의 양은 상당히 적어진다.
또, 부연료 (Qa) 를 연소실 (5) 내에서 연소시키면 주연료 (Qm) 자체 및 부연료 (Qa) 자체의 연소에 의한 발열에 추가로 주연료 (Qm) 의 타다 남은 미연 HC 의 연소열이 추가적으로 발생하므로 연소실 (5) 내의 기연가스온도는 상당히 높아진다. 이렇게 주연료 (Qm) 에 추가로 부연료 (Qa) 를 추가 분사하여 부연료 (Qa) 를 연소시킴으로써 연소실 (5) 내에서 발생되는 미연 HC 의 양을 저감시키고 또한 배기포트 (11) 출구에서 배기가스온도를 750℃ 이상, 바람직하게는 800℃ 이상으로 할 수 있다.
이렇게 본 발명에서는 부연료 (Qa) 를 연소실 (5) 내에서 연소시킬 필요가 있고, 그 때문에 부연료 (Qa) 의 연소시에 연소실 (5) 내에 충분한 산소가 잔존할 필요가 있고, 또한 분사된 부연료 (Qa) 가 연소실 (5) 내에서 양호하게 연소되는 시기에 부연료 (Qa) 를 분사할 필요가 있다.
그래서, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 부연료 (Qa) 의 연소시에 연소실 (5) 내에 충분한 산소가 잔존할 수 있도록 주연료 (Qm) 는 공기 과잉하에서 연소되며, 이 때 부연료 (Qa) 도 공기 과잉하에서 연소된다. 이 경우 주연료 (Qm) 의 연소시에 연소실 (5) 내의 평균공연비는 약 30 이상인 것이 바람직하고, 부연료 (Qa) 의 연소시에 연소실 (5) 내의 평균공연비는 약 15.5 이상인 것이 바람직함이 판명되었다.
또, 도 2 에 나타낸 성층연소식 내연기관에서 분사된 부연료 (Qa) 가 연소실 (5) 에서 양호하게 연소되는 분사 시기는 도 5 에서 화살표시 (Z) 로 표시되는 압축 상사점 후 (ATDC) 약 50°내지 90° 의 팽창 행정이며, 따라서 도 2 에 나타낸 성층연소식 내연기관에서는 부연료 (Qa) 는 압축 상사점 후 (ATDC) 약 50° 내지 90°의 팽창 행정에서 분사된다. 또, 압축 상사점 후 (ATDC) 약 50° 내지 90°의 팽창 행정에서 분사된 부연료 (Qa) 는 기관의 출력 발생에는 그다지 기여하지 않는다.
그러나, 본 발명자에 의한 실험에 따르면 도 2 에 나타낸 성층연소식 내연기관에서는 부연료 (Qa) 가 압축 상사점 후 (ATDC) 60°내지 70°부근에서 분사되었을 때에 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양은 가장 적어진다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는 도 5(B) 에 나타낸 바와 같이 부연료 (Qa) 의 분사 시기는 거의 압축 상사점 후 (ATDC) 60°부근이 된다.
부연료 (Qa) 의 가장 바람직한 분사 시기는 기관 형식에 따라 다르며, 예컨대 디젤 기관에서는 부연료 (Qa) 의 가장 바람직한 분사 시기는 팽창 행정 중 또는 배기 행정 중이 된다. 따라서, 본 발명에서는 부연료 (Qa) 의 연소 분사는 팽창 행정 중 또는 배기 행정 중에 실행된다.
한편, 연소실 (5) 내의 기연가스온도는 주연료 (Qm) 의 연소실과 부연료 (Qa) 의 연소실 쌍방의 영향을 받는다. 즉, 연소실 (5) 내의 기연가스온도는 주연료 (Qm) 의 분사량이 증대할수록 높아지고, 부연료 (Qa) 의 분사량이 증대할 수록 높아진다. 또한, 연소실 (5) 내의 기연가스온도는 배압 영향을 받는다. 즉, 배압이 높아질수록 연소실 (5) 내에서 기연가스가 유출되기 어려워져 연소실 (5) 내에 잔류하는 기연가스온도가 높아지며, 그리하여 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되면 연소실 (5) 내의 기연가스온도가 상승하게 된다.
그러나, 배기제어밸브 (24) 가 거의 폐쇄되고 그럼으로써 배압이 높아지면, 부연료 (Qa) 가 추가 분사되었다 하더라도 기관의 발생 토크가 가장 바람직한 요구 발생 토크에 대해서 감소된다. 그래서, 본 발명에서는 도 5(B) 에 나타낸 바와 같이 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되었을 때에는 도 5(A) 에 나타낸 바와 같이 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방된 경우의 기관의 요구 발생 토크에 가까워지도록 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방된 경우에 비하여 주연료 (Qm) 의 분사량이 증량하게 된다. 또, 본 발명에 따른 실시예에서는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되었을 때에는 이 때 기관의 발생 토크가 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방된 경우의 기관의 요구 발생 토크에 일치하도록 주연료 (Qm) 가 증량된다.
도 7 은 요구 부하 (L) 에 대해서 기관의 요구 발생 토크를 얻는 데에 필요한 주연료 (Qm) 의 변화를 나타내고 있다. 또, 도 7 에서 실선은 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄된 경우를 나타내고, 파선은 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방된 경우를 나타내고 있다.
한편, 도 8 은 배기제어밸브 (24) 를 거의 완전히 폐쇄한 경우에 배기포트 (11) 출구에서 배기가스온도를 약 750℃ 내지 800℃ 로 하는 데에 필요한 주연료 (Qm) 와 부연료 (Qa) 의 관계를 나타내고 있다. 상술한 바와 같이 주연료 (Qm) 를 증량시켜도 연소실 (5) 내의 기연가스온도는 높아지고, 부연료 (Qa) 를 증량시켜도 연소실 (5) 내의 기연가스온도는 높아진다. 따라서, 배기포트 (11) 출구에서 배기가스온도를 약 750℃ 내지 800℃ 로 하는 데에 필요한 주연료 (Qm) 와 부연료 (Qa) 의 관계는 도 8 에 나타낸 바와 같이 주연료 (Qm) 를 증대시키면 부연료 (Qa) 는 감소되고, 주연료 (Qm) 를 감소시키면 부연료 (Qa) 는 증대되는 관계가 된다.
단, 주연료 (Qm) 및 부연료 (Qa) 를 동일량 증대시킨 경우에 부연료 (Qa) 를 증량시킨 경우가 주연료 (Qm) 를 증량시킨 경우에 비하여 연소실 (5) 내의 온도 상승량이 훨씬 커진다. 따라서, 연료 소비량의 저감이라는 관점에서 보면 부연료 (Qa) 를 증대시킴으로써 연소실 (5) 내의 기연가스온도를 상승시키는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는 배기제어밸브 (24) 를 거의 완전히 폐쇄시켰을 때에 기관의 발생 토크를 요구 발생 토크까지 상승시키는 데에 필요한 분만큼 주연료 (Qm) 를 증량시키고, 주로 부연료 (Qa) 의 연소열에 의해 연소실 (5) 내의 기연가스온도를 상승시키도록 한다.
이렇게 배기제어밸브 (24) 를 거의 완전히 폐쇄시키고 배기포트 (11) 출구에서 배기가스를 약 750℃ 이상, 바람직하게는 약 800℃ 이상으로 하는 데에 필요한 양의 부연료 (Qa) 를 분사하면 배기포트 (11) 에서 배기제어밸브 (24) 에 이르는 배기통로 내에서 미연 HC 의 농도를 대폭 감소시킬 수 있다. 이 때 배기포트 (11) 에서 배기제어밸브 (24) 에 이르는 배기통로 내에서 도 6 에 나타낸 바와 같이 미연 HC 의 농도를 약 150p.p.m 정도까지 저하시키기 위해서는 배기제어밸브 (24) 상류의 배기통로 내의 압력을 게이지압으로 약 60KPa 내지 80KPa 로 할 필요가 있다. 이 때 배기제어밸브 (24) 에 의한 배기통로 단면적의 폐쇄 비율은 95% 전후이다.
따라서, 도 1 에 나타낸 실시예에서는 대기 중으로의 미연 가스의 배출량을 대폭 저감시킬 때에는 배기제어밸브 (24) 에 의한 배기통로 단면적의 폐쇄 비율이 약 95% 전후가 되도록 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄된다. 또, 이 경우 도 3 에 나타낸 바와 같이 배기제어밸브 (24) 의 밸브체에 관통홀 (24a) 을 뚫어 형성해 두고, 배기제어밸브 (24) 를 완전히 폐쇄할 수도 있다.
한편, 배기포트 (11) 에서 배기제어밸브 (24) 에 이르는 배기통로 내에서 미연 HC 를 600p.p.m 내지 800p.p.m 정도까지 감소시키면 충분한 경우에는 배기제어밸브 (24) 상류의 배기통로의 압력을 게이지압으로 약 30KPa 정도로 하면 충분하고, 이 때 배기제어밸브 (24) 에 의한 배기통로 단면적의 폐쇄 비율은 약 90% 가 된다.
내연기관에서 다량의 미연 HC 가 발생하는 것은 연소실 (5) 내의 온도가 낮을 때이다. 연소실 (5) 내의 온도가 낮을 때에는 기관 시동 및 워밍업 운전시 및 기관 저부하시이며, 따라서 기관 시동 및 워밍업 운전시 및 기관 저부하시에 다량의 미연 HC 가 발생되게 된다. 이렇게 연소실 (5) 내의 온도가 낮을 때에는 비록 배기통로 내에 산화기능을 갖는 촉매를 배치해 두어도 촉매가 활성화 온도 이상으로 되어 있는 경우를 제외하고 이 때에 발생되는 다량의 미연 HC 를 촉매로 산화시키는 것은 어렵다.
그래서, 본 발명에 따른 실시예에서는 기관 시동 및 워밍업 운전시 및 기관 저부하시에는 배기제어밸브 (24) 를 거의 완전히 폐쇄시키고 주연료 (Qm) 를 증량함과 동시에 부연료 (Qa) 를 추가 분사하고 그럼으로써 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양을 대폭 저감시키도록 한다.
도 9 는 기관 시동 및 워밍업 운전시에 주연료 (Qm) 변화의 일례 및 배기제어밸브 (24) 의 개방도 변화를 나타내고 있다. 또, 도 9 에서 실선 (X) 은 배기제어밸브 (24) 를 거의 완전히 폐쇄한 경우 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량을 나타내고, 파선 (Y) 은 배기제어밸브 (24) 를 완전히 개방한 경우의 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량을 나타내고 있다. 도 9 에서 알 수 있듯이 기관이 시동되면 배기제어밸브 (24) 가 완전 개방상태에서 거의 완전 폐쇄상태로 전환되고, 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방된 경우의 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량 (Y) 보다 주연료 (Qm) 의 분사량 (X) 이 증량되고 또한 부연료 (Qa) 가 추가 분사된다.
도 10 은 기관 저부하시에 주연료 (Qm) 변화의 일례 및 배기제어밸브 (24) 의 개방도 변화를 나타내고 있다. 또, 도 10 에서 실선 (X) 은 배기제어밸브 (24) 를 거의 완전히 폐쇄로 한 경우의 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량을 나타내고, 파선 (Y) 은 배기제어밸브 (24) 를 완전히 개방으로 한 경우 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량을 나타내고 있다. 도 10 에서 알 수 있듯이 기관 저부하시에는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되고, 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방된 경우의 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량 (Y) 보다 주연료 (Qm) 의 분사량 (X) 이 증량되고 또한 부연료 (Qa) 가 추가 분사된다.
도 11 은 운전 제어 루틴을 나타내고 있다.
도 11 을 참조하면 우선 처음에 단계 100 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시인지의 여부가 판별된다. 기관 시동 및 워밍업 운전시가 아닐 때에는 단계 102 로 점프하여 기관 저부하시인지의 여부가 판별된다. 기관 저부하시가 아닐 때에는 단계 103 으로 진행되어 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방되고, 이어서 단계 104 로 진행되어 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 이 때 부연료 (Qa) 의 분사는 실행되지 않는다.
한편, 단계 100 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시라고 판단되었을 때에는 단계 101 로 진행되어 기관 시동 후 미리 정해진 설정 기간이 경과되었지의 여부가 판별된다. 설정 기간이 경과되지 않은 경우에는 단계 105 로 진행된다. 한편, 설정 기간이 경과된 경우에는 단계 102 로 진행되고, 이 때 단계 102 에서 기관 저부하시라고 판별되었을 때에도 단계 105 로 진행된다. 단계 105 에서는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되고, 이어서 단계 106 에서는 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 즉, 기관 시동 및 워밍업 운전시라면 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 9 에 나타낸 X 로 되고, 기관 저부하시라면 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 10 에 나타낸 X 로 된다. 이어서, 단계 107 에서는 부연료 (Qa) 의 분사 제어가 실행된다.
도 12 는 액추에이터 (23) 로서 부압 작동형 액추에이터를 사용한 경우를 나타내고 있다. 또, 도 12 에 나타낸 예에서는 부압 작동형 액추에이터로서 배기제어밸브 (24) 에 연결된 다이어프램 (60), 다이어프램 부압실 (61) 및 다이어프램 누름용 압축스프링 (62) 으로 이루어진 부압 다이어프램장치가 사용되고 있다. 또한, 도 12 에 나타낸 예에서는 부압 탱크 (63) 가 설치되어 있고, 이 부압 탱크 (63) 는 일측에서는 서지 탱크 (13) 를 향해서만 유통 가능한 역지밸브 (64) 를 통해서 서지 탱크 (13) 내에 연결되어 있고, 타측에서는 대기에 연통 가능한 전환밸브 (65) 를 통해서 다이어프램 부압실 (61) 에 연결되어 있다.
서지 탱크 (13) 내의 부압이 부압 탱크 (63) 내의 부압보다 커지면 역지밸브 (64) 가 개방되며, 그리하여 부압 탱크 (63) 내는 서지 탱크 (13) 내에서 발생되는 최대 부압으로 유지된다. 전환밸브 (65) 의 전환작용에 의해 다이어프램 부압실 (61) 이 대기로 개방되어 있을 때에는 배기제어밸브 (24) 는 완전 개방상태가 되고, 전환밸브 (65) 의 전환작용에 의해 다이어프램 부압실 (61) 이 부압 탱크 (63) 내에 연결되면 배기제어밸브 (24) 는 거의 완전히 폐쇄된다.
기관 정지시에는 배기제어밸브 (24) 는 폐쇄상태에서 고착되지 않도록 완전 개방상태로 유지된다. 이어서, 기관 시동시에 배기제어밸브 (24) 는 완전 개방상태에서 거의 완전 폐쇄상태로 전환된다. 도 12 에 나타낸 예에서는 기관 정지시에도 부압 탱크 (63) 내에는 부압이 축적되어 있으며, 따라서 기관 시동시에 다이어프램 부압실 (61) 을 부압 탱크 (63) 에 연결함으로써 배기제어밸브 (24) 를 확실히 완전 개방상태에서 거의 완전 폐쇄상태로 전환할 수 있다.
도 13 에 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 배기제어밸브 (24) 상류의 배기관 (22) 내에 촉매 (70) 가 배치된다. 이렇게 배기제어밸브 (24) 상류의 배기관 (22) 내에 촉매 (70) 가 배치되어 있는 경우에는 부연료 (Qa) 가 추가 분사되고, 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전 폐쇄로 되어 있을 때에 촉매 (70) 는 고온 배기가스에 의해 강력하게 가열된다. 따라서, 기관 시동 및 워밍업 운전시에 촉매 (70) 를 조기에 활성화시킬 수 있다.
배기관 (22) 내에 배치된 촉매 (70) 로서는 산화촉매, 삼원촉매, NOX 흡수제 또는 HC 흡착 촉매를 사용할 수 있다. NOX 흡수제는 연소실 (5) 내에서의 평균공연비가 린일 때에 NOX 를 흡수하고, 연소실 (5) 내에서의 평균공연비가 리치가 되면 NOX 를 방출하는 기능을 갖는다.
이 NOX 흡수제는 예컨대 알루미나를 담체로 하고, 이 담체 상에 예컨대 칼륨 (K), 나트륨 (Na), 리튬 (Li), 세륨 (Cs) 과 같은 알칼리금속, 바륨 (Ba), 칼슘 (Ca) 과 같은 알칼리토류, 란탄 (La), 이트륨 (Y) 과 같은 희토류에서 선택된 하나 이상과 백금 (Pt) 과 같은 귀금속이 담지되어 있다.
한편, HC 흡착 촉매에서는 예컨대 제올라이트, 알루미나 (Al2O3), 실리카알루미나 (SiO2 ·Al2O3), 활성탄, 티타니아 (TiO2) 와 같은 다공질 담체 상에 백금 (Pt), 파라듐 (Pd), 로듐 (Rh), 이리듐 (Ir) 과 같은 귀금속 또는 구리 (Cu), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni) 과 같은 전이금속이 담지되어 있다.
이러한 HC 흡착 촉매에서는 배기가스 중의 미연 HC 가 촉매 내에 물리 흡착되고, 미연 HC 의 흡착량은 촉매 온도가 낮을수록 증대되고 촉매를 유통시키는 배기가스의 압력이 높아질수록 증대된다. 따라서, 도 13 에 나타낸 실시예에서는 촉매 (70) 온도가 낮고 또한 배기제어밸브 (24) 의 배기 스로틀 작용에 의해 배압이 높아질 때에, 즉 기관 시동 및 워밍업 운전시 및 기관 저부하시에 배기가스 중에 함유된 미연 HC 가 HC 흡착 촉매에 흡착된다. 따라서, 대기 중에 방출되는 미연 HC 의 양을 더 저하시킬 수 있다. 또, HC 흡착 촉매에 흡착된 미연 HC 는 배압이 낮아졌을 때 또는 HC 흡착 촉매 온도가 높아졌을 때에 HC 흡착 촉매에서 방출된다.
도 14 에 또 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 배기제어밸브 (24) 상류의 배기관 (22) 내에 NOX 흡수제 또는 HC 흡착 촉매로 이루어진 촉매 (70) 가 배치되고, 제 1 배기 매니폴드 (19) 와 배기관 (21) 사이 및 제 2 배기 매니폴드 (20) 와 배기관 (21) 사이에는 각각 산화촉매나 삼원촉매와 같은 산화기능을 갖는 촉매 (71,72) 가 배치된다. 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되고 또 부연료 (Qa) 가 분사되어 있을 때에는, 각 배기 매니폴드 (19,20) 출구에서 배기가스온도는 상당히 높으며, 따라서 이렇게 각 배기 매니폴드 (19,20) 출구에 각각 촉매 (71,72) 를 배치하면 이들 촉매 (71,72) 는 기관 시동후 빠른 시기에 활성화된다. 그 결과 촉매 (71,72) 에 의한 산화반응의 촉진작용에 의해 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양을 더 저감시킬 수 있다.
그런데, 도 14 에 나타낸 바와 같이 기관 배기통로 내에 산화기능을 갖는 촉매 (71,72) 를 배치한 경우 기관 저부하 운전시라도 기관 저부하 운전이 장기간에 걸쳐 계속되지 않는 한 촉매 (71,72) 는 활성화 온도 이상으로 유지된다. 또, 기관 정지후 단시간 동안에 기관이 재시동된 경우에는 기관의 워밍업 운전시라도 촉매 (71,72) 가 활성화 온도 이상으로 유지되어 있는 경우가 있다. 촉매 (71,72) 가 활성화되어 있으면 배기가스 중의 미연 HC 는 촉매 (71,72) 에 의해 정화되며, 따라서 연료 소비량의 증대를 초래하는 부연료 (Qa) 분사를 실행할 필요가 없어진다.
그래서, 또 다른 실시예에서는 도 14 에 나타낸 바와 같이 촉매 (71,72) 온도를 검출하기 위한 온도센서 (73,74) 를 각각 촉매 (71,72) 에 장착하여, 온도센서 (73,74) 의 출력신호에 따라 어떠한 촉매 (71,72) 도 활성화 온도 이상으로 되었을 때에는 워밍업 운전시 또는 기관 저부하 운전시였다 해도 배기제어밸브 (24) 를 완전히 개방하여 부연료 (Qa) 의 분사를 정지시키도록 한다.
도 15 는 이러한 경우의 운전 제어 루틴을 나타내고 있다.
도 15 를 참조하면 우선 처음에 단계 200 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시인지의 여부가 판별된다. 기관 시동 및 워밍업 운전시가 아닐 때에는 단계 201 로 진행되어 기관 저부하시인지의 여부가 판별된다. 기관 저부하시가 아닐 때에는 단계 202 로 진행되어 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방되고, 이어서 단계 203 으로 진행되어 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 이 때 부연료 (Qa) 의 분사는 실행되지 않는다.
한편, 단계 200 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시라고 판단되었을 때 또는 단계 201 에서 기관 저부하시라고 판별되었을 때에는 단계 204 로 진행되어 온도센서 (73) 로 검출된 촉매 (71) 의 온도 T1 및 온도센서 (74) 에 의해 검출된 촉매 (72) 의 온도 T2 가 모두 활성화 온도 T0 보다 높은지의 여부가 판별된다. T1≤T0 또는 T2≤T0 일 때에는 단계 205 로 진행되어 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되고, 이어서 단계 206 에서는 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 즉, 기관 시동 및 워밍업 운전시라면 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 9 에 나타낸 X 로 되고, 기관 저부하시라면 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 10 에 나타낸 X 로 된다. 이어서, 단계 207 에서는 부연료 (Qa) 의 분사 제어가 실행된다.
반면에, 단계 204 에서 T1＞T0 이고 T2＞T0 라고 판단되었을 때, 즉 어떠한 촉매 (71,72) 도 활성화되었을 때에는 단계 202 로 진행되어 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방되고, 이어서 단계 203 으로 진행되어 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다.
한편, 상술한 바와 같이 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양을 대폭 저감시키기 위해서는 배기포트 (11) 출구에서 배기가스온도를 약 750℃ 이상으로 할 필요가 있으며, 이를 위해서는 배압을 약 60KPa 내지 80KPa 로 유지할 필요가 있다. 그러나, 예컨대 배기관 (22) 내의 퇴적물에 의해 배기제어밸브 (24) 를 목표 개방도까지 폐쇄할 수 없게 되어 그 결과 배압이 충분히 높아지지 않게 될 위험성이 있고, 또한 배기제어밸브 (24) 를 목표 개방도까지 폐쇄하였다 하더라도 퇴적물에 의해 배기가스의 유로 면적이 작아져 그 결과 배압이 너무 높아질 위험성이 있다.
그래서, 이하에 서술한 실시예에서는 대기 중으로의 미연 HC 의 배출량을 저감하여야 할 때에는 배기제어밸브 (24) 상류의 배기통로 내에서 배기가스의 압력 또는 온도가 목표값이 되도록 연소실 (5) 내에서의 연소를 제어하도록 한다. 구체적으로 말하면 주연료 (Qm) 또는 부연료 (Qa) 중 적어도 어느 한쪽의 분사량을 증대시키면 연소실 (5) 내에서의 연소압력 및 연소온도가 높아지며, 그리하여 배압 및 배기가스온도가 상승된다. 또한, 흡입 공기량을 증대시키면 배기가스량이 증대되어 배압 및 배기가스온도가 상승된다.
그래서, 도 16 에 나타낸 실시예에서는 배압을 검출하기 위한 압력센서 (80) 를 배기관 (22) 에 장착하여, 배압이 목표값보다 낮을 때에는 주연료 (Qm) 의 분사량 또는 부연료 (Qa) 의 분사량 또는 흡입 공기량을 증대시키고, 배압이 목표값보다 높을 때에는 주연료 (Qm) 의 분사량 또는 부연료 (Qa) 의 분사량 또는 흡입 공기량을 감소시키도록 하고 있다.
또, 도 17 에 나타낸 실시예에서는 배기포트 (11) 출구에서의 배기가스온도를 검출하기 위한 온도센서 (81) 를 제 1 배기 매니폴드 (19) 의 지관에 장착하여, 온도센서 (81) 로 검출된 배기가스온도가 목표값보다 낮을 때에는 주연료 (Qm) 의 분사량 또는 부연료 (Qa) 의 분사량 또는 흡입 공기량을 증대시키고, 온도센서 (81) 로 검출된 배기가스온도가 목표값보다 높을 때에는 주연료 (Qm) 의 분사량 또는 부연료 (Qa) 의 분사량 또는 흡입 공기량을 감소시키도록 하고 있다.
또, 배기제어밸브 (24) 는 도 17 에 나타낸 바와 같이 배기관 (22) 의 입구부에 배치할 수도 있고, 배기관 (21) 의 출구부에 배치할 수도 있다.
도 18 은 주연료 (Qm) 를 제어함으로써 배압을 제어하도록 한 경우 운전 제어 루틴을 나타내고 있다.
도 18 을 참조하면 우선 처음에 단계 300 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시인지의 여부가 판별된다. 기관 시동 및 워밍업 운전시가 아닐 때에는 단계 302 로 점프하여 기관 저부하시인지의 여부가 판별된다. 기관 저부하시가 아닐 때에는 단계 303 으로 진행되어 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방되고, 이어서 단계 304 로 진행되어 주연료 (Qm) 의 분사제어가 실행된다. 이 때 부연료 (Qa) 의 분사는 실행되지 않는다.
한편, 단계 300 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시라고 판단되었을 때에는 단계 301 로 진행되어 기관 시동 후 미리 정해진 설정기간이 경과되었는지의 여부가 판별된다. 설정기간이 경과되지 않은 경우에는 단계 305 로 진행된다. 한편, 설정기간이 경과된 경우에는 단계 302 로 진행되고, 단계 302 에서 기관 저부하시라고 판별되었을 때에도 단계 305 로 진행된다. 단계 305 에서는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄된다.
이어서, 단계 306 에서는 기관의 운전상태에 따라 미리 정해져 있는 주연료 (Qm) 의 분사량 (도 9 및 도 10 의 X) 이 산출된다. 계속해서, 단계 307 에서는 압력센서 (80) 로 검출된 배압 (P) 이 목표값 (P0) 보다 일정값 (α) 만큼 작은 값 (P0-α) 보다 낮은지의 여부가 판별된다. P＜P0-α일 때에는 단계 308 로 진행되어 주연료 (Qm) 에 대한 보정값 (ΔQm) 에 일정값 (km) 이 가산된다. 한편, P≥P0-α일 때에는 단계 309 로 진행되어 배압 (P) 이 목표값 (P0) 보다 일정값 (α) 만큼 큰 값 (P0+α) 보다 높은지의 여부가 판별된다. P＞P0+α일 때에는 단계 310 으로 진행되어 보정값 (ΔQm) 에서 일정값 (km) 이 감산된다.
이어서, 단계 311 에서는 Qm 에 ΔQm 을 가산한 값이 최종적인 주연료의 분사량 (Qmo) 으로 된다. 즉, P＜P0-α일 때에는 주연료가 증량되고, P＞P0+α일 때에는 주연료가 감량되며 그럼으로써 배압 (P) 이 P0-α＜P＜P0+α가 되도록 제어된다. 이어서, 단계 312 에서는 부연료 (Qa) 의 분사 제어가 실행된다.
도 19 는 부연료 (Qa) 를 제어함으로써 배압을 제어하도록 한 경우 운전 제어 루틴을 나타내고 있다.
도 19 를 참조하면 우선 처음에 단계 400 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시인지의 여부가 판별된다. 기관 시동 및 워밍업 운전시가 아닐 때에는 단계 402 로 점프하여 기관 저부하시인지의 여부가 판별된다. 기관 저부하시가 아닐 때에는 단계 403 으로 진행되어 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방되고, 이어서 단계 404 로 진행되어 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 이 때 부연료 (Qa) 의 분사는 실행되지 않는다.
한편, 단계 400 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시라고 판단되었을 때에는 단계 401 로 진행되어 기관 시동 후 미리 정해진 설정 기간이 경과되었는지의 여부가 판별된다. 설정 기간이 경과되지 않은 경우에는 단계 405 로 진행된다. 한편, 설정 기간이 경과된 경우에는 단계 402 로 진행되고, 단계 402 에서 기관 저부하시라고 판별되었을 때에도 단계 405 로 진행된다. 단계 405 에서는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되고, 이어서 단계 406 에서는 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 즉, 기관 시동 및 워밍업 운전시라면 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 9 에 나타낸 X 로 되고, 기관 저부하시라면 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 10 에 나타낸 X 로 된다.
이어서, 단계 407 에서는 기관의 운전상태에 따라 미리 정해져 있는 부연료 (Qa) 의 분사량이 산출된다. 이어서, 단계 408 에서는 압력센서 (80) 로 검출된 배압 (P) 이 목표값 (P0) 보다 일정값 (α) 만큼 작은 값 (P0-α) 보다 낮은지의 여부가 판별된다. P＜P0-α일 때에는 단계 409 로 진행되어 부연료 (Qa) 에 대한 보정값 (ΔQa) 에 일정값 (ka) 이 가산된다. 한편, P≥P0-α일 때에는 단계 410 으로 진행되어 배압 (P) 이 목표값 (P0) 보다 일정값 (α) 만큼 큰 값 (P0+α) 보다 높은지의 여부가 판별된다. P＞P0+α일 때에는 단계 411 로 진행되어 보정값 (ΔQa) 에서 일정값 (ka) 이 감산된다.
이어서, 단계 412 에서는 Qa 에 ΔQa 를 가산한 값이 최종적인 부연료의 분사 (Qao) 가 된다. 즉, P＜P0-α일 때에는 부연료가 증량되고, P＞P0+α일 때에는 부연료가 감량되며 그럼으로써 배압 (P) 이 P0-α＜P＜P0+α가 되도록 제어된다.
도 20 은 흡입 공기량을 제어함으로써 배압을 제어하도록 한 경우 운전 제어 루틴을 나타내고 있다.
도 20 을 참조하면 우선 처음에 단계 500 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시인지의 여부가 판별된다. 기관 시동 및 워밍업 운전시가 아닐 때에는 단계 502 로 점프하여 기관 저부하시인지의 여부가 판별된다. 기관 저부하시가 아닐 때에는 단계 503 으로 진행되어 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방되고, 이어서 단계 504 로 진행되어 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 이 때 부연료 (Qa) 분사는 실행되지 않는다.
한편, 단계 500 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시라고 판단되었을 때에는 단계 501 로 진행되어 기관 시동 후 미리 정해진 설정 기간이 경과되었는지의 여부가 판별된다. 설정 기간이 경과되지 않은 경우에는 단계 505 로 진행된다. 한편, 설정 기간이 경과된 경우에는 단계 502 로 진행되고, 단계 502 에서 기관 저부하시라고 판별되었을 때에도 단계 505 로 진행된다. 단계 505 에서는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄된다.
이어서, 단계 506 에서는 기관의 운전상태에 따라 미리 정해져 있는 스로틀 밸브 (18) 의 목표 개시 (θ) 가 산출된다. 이어서, 단계 507 에서는 압력센서 (80) 로 검출된 배압 (P) 이 목표값 (P0) 보다 일정값 (α) 만큼 작은 값 (P0-α) 보다 낮은지의 여부가 판별된다. P＜P0-α일 때에는 단계 508 로 진행되어 스로틀 밸브 (18) 의 목표 개방도 (θ) 에 대한 보정값 (Δθ) 에 일정값 (k) 이 가산된다. 한편, P≥P0-α일 때에는 단계 509 로 진행되어 배압 (P) 이 목표값 (P0) 보다 일정값 (α) 만큼 큰 값 (P0+α) 보다 높은지의 여부가 판별된다. P＞P0+α일 때에는 단계 510 으로 진행되어 보정값 (Δθ) 에서 일정값 (k) 이 감산된다.
이어서, 단계 511 에서는 θ에 Δθ을 가산한 값이 최종적인 스로틀 밸브 (18) 의 목표 개방도 (θo) 로 된다. 즉, P＜P0-α일 때에는 스로틀 밸브 (18) 의 개방도가 증대되기 때문에 흡입 공기량이 증량되고, P＞P0+α일 때에는 스로틀 밸브 (18) 의 개방도가 감소되기 때문에 흡입 공기량이 증량되며 그럼으로써 배압 (P) 이 P0-α＜P＜P0+α가 되도록 제어된다. 이어서, 단계 512 에서는 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 즉, 기관 시동 및 워밍업 운전시라면 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 9 에 나타낸 X 로 되고, 기관 저부하시라면 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 10 에 나타낸 X 로 된다. 이어서, 단계 513 에서는 부연료 (Qa) 의 분사 제어가 실행된다.
또, 상술한 바와 같이 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되어 주연료 (Qm) 의 분사량 (X) 이 증량되고 부연료 (Qa) 가 추가 분사되면, 기관의 발생 토크가 감소되지 않고 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양을 대폭 저감시킬 수 있다. 그러나, 워밍업 운전 중에 기관의 요구 부하가 높아졌을 때에 배기제어밸브 (24) 를 거의 완전 폐쇄상태로 유지해 두면 기관의 발생 토크가 요구값에 대하여 저하되며, 따라서 워밍업 운전 중에 기관의 요구 부하가 높아졌을 때에는 배기제어밸브 (24) 를 개방시킬 필요가 있다.
그러나, 이 경우 배기제어밸브 (24) 를 완전히 개방시키면 기관의 발생 토크 저하는 저지되지만, 배기통로 내에서의 미연 HC 의 산화반응은 진행되지 않으며, 따라서 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양이 증대하게 된다. 따라서, 기관의 요구 부하가 높아졌을 때에 배기제어밸브 (24) 를 완전히 개방시키는 것은 바람직하지 않다. 그래서, 도 21 및 도 22 에 나타낸 실시예에서는 기관의 요구 부하를 대표하는 대표값이 높아졌을 때에는 대표값이 높아짐으로써 배기제어밸브 (24) 의 개방도를 크게 하고, 그럼으로써 기관의 발생 토크 저하를 억제하면서 대기 중으로 미연 HC 를 배출하는 것을 억제하도록 하고 있다.
이 실시예에서는 요구 토크를 대표하는 대표값으로 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 이 사용되고, 이 경우 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 과 배기제어밸브 (24) 의 개방도의 관계가 도 21 에 나타나 있다. 도 21 에 나타낸 바와 같이 이 실시예에서는 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 이 미리 정해진 제 1 가압량 (Lm) 보다 작을 때에는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되고, 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 이 미리 정해진 제 2 가압량 (Ln(＞Lm)) 보다 커지면 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방되고, 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 이 제 1 가압량 (Lm) 과 제 2 가압량 (Ln) 사이에 있을 때에는 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 이 증대함에 따라 배기제어밸브 (24) 의 개방도가 커지게 된다.
즉, 제 1 가압량 (Lm) 과 제 2 가압량 (Ln) 사이에서는 배기제어밸브 (24) 의 개방도는 기관의 발생 토크가 요구 발생 토크에 대하여 거의 저하되지 않고 배압이 가장 높아지는 가장 작은 개방도로 정해져 있다. 따라서, 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 이 제 1 가압량 (Lm) 과 제 2 가압량 (Ln) 사이에 있을 때에는 배기제어밸브 (24) 의 개방도가 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 에 대응한 도 21 에 나타낸 개방도로 되면 기관의 발생 토크는 거의 감소되지 않고 배기통로 내의 미연 HC 의 산화반응이 촉진되어 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양을 저감시킬 수 있게 된다.
또, 도 21 에서 알 수 있듯이 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 이 L＜Lm 에서 Lm＜L＜Ln 이 되는 완만 가속 운전시에는 배기제어밸브 (24) 는 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 에 따른 개방도까지 개방되지만, 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 이 L＜Lm 에서 L＞Ln 으로 되는 급가속 운전시에는 배기제어밸브 (24) 는 완전히 개방된다. 따라서, 가속 정도에 따라 배기제어밸브 (24) 의 개방도가 변화되고, 가속 정도가 높아질수록 배기제어밸브 (24) 의 개방도가 커지게 된다.
한편, 동일한 기관의 운전상태에서 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방되어 있는 경우 요구 발생 토크에 대한 발생 토크의 감소량은 배기제어밸브 (24) 의 개방도가 커질수록 작아진다. 따라서, 이 실시예에서는 제 1 가압량 (Lm) 과 제 2 가압량 (Ln) 사이에서는 도 21 에 나타낸 바와 같이 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방된 경우의 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량 (Y) 에 대한 주연료 (Qm) 의 분사량 (X) 의 증량값이 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 의 증대에 따라 감소하게 된다.
또, 도 21 에 나타낸 바와 같이 부연료 (Qa) 의 분사량은 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 이 증대할수록 감소되어 도 21 에 나타낸 실시예에서는 L＞Ln 이 되면 부연료 (Qa) 의 분사가 정지된다.
또한, 이 실시예에서도 도 10 에 나타낸 바와 같이 기관 저부하시에는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되어 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방된 경우의 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량 (Y) 보다 주연료 (Qm) 의 분사량 (X) 이 증량되고, 또한 부연료 (Qa) 가 추가 분사된다. 이어서, 기관 저부하 운전상태가 아니면 배기제어밸브 (24) 는 바로 완전히 개방된다.
도 22 는 운전 제어 루틴을 나타내고 있다.
도 22 를 참조하면 우선 처음에 단계 600 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시인지의 여부가 판별된다. 기관 시동 및 워밍업 운전시일 때에는 단계 601 로 진행되어 기관 시동후 미리 정해진 설정 기간이 경과되었는지의 여부가 판별된다. 설정 기간이 경과되지 않은 경우에는 단계 602 로 진행된다. 한편, 단계 600 에서 기관 시동 및 워밍업 운전시가 아니라고 판별되었을 때 또는 단계 601 에서 설정 기간이 경과되었다고 판별되었을 때에는 단계 605 로 진행되어 기관 부하가 설정 부하보다 낮은지의 여부, 즉 저부하 운전시인지의 여부가 판별된다. 저부하 운전시에는 단계 602 로 진행된다.
단계 602 에서는 배기제어밸브 (24) 의 개방도가 제어된다. 즉, 기관 시동 및 워밍업 운전시일 때에는 배기제어밸브 (24) 의 개방도가 도 21 에 나타낸 액셀 페달 (50) 의 가압량 (L) 에 따른 개방도로 된다. 반면에, 단계 605 에서 저부하 운전시라고 판단되었을 때에는 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄된다. 이어서, 단계 603 에서는 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 즉, 기관 시동 및 워밍업 운전시라면 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 21 에 나타낸 X 로 되고, 단계 605 에서 저부하시라고 판단되었을 때에는 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 10 에 나타낸 X 로 된다. 이어서, 단계 604 에서는 부연료 (Qa) 의 분사 제어가 실행된다.
한편, 단계 605 에서 기관 저부하시가 아니라고 판단되었을 때에는 단계 606 으로 진행되어 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방되고, 이어서 단계 607 로 진행되어 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 이 때 부연료 (Qa) 분사는 실행되지 않는다.
그런데, 지금까지 서술한 실시예에서는 기관이 시동되자마자 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되어 주연료 (Qm) 가 중량되고 부연료 (Qa) 가 추가 분사된다. 그러나, 기관 시동시에는 기관 온도가 낮아서 이 때 부연료를 분사하면 부연료가 충분히 연소되지 않아 따라서 오히려 미연 HC 의 발생량이 증대될 위험성이 있다. 그래서, 이하에 서술한 실시예에서는 기간 시동시에 다량의 미연 HC 가 발생되지 않도록 기관 시동시에 부연료의 분사를 제어하고 있다.
도 23 은 이 때에 사용되는 내연기관의 전체도를 나타내고 있다. 도 23 에서 알 수 있듯이 이 내연기관에서는 이그니션 스위치 (53) 의 작동 신호 및 스타터 스위치 (54) 의 작동 신호가 입력포트 (45) 에 입력되어 있다.
이어서, 기관 시동시에 다량의 미연 HC 가 발생되지 않도록 기관 시동시에 기관이 자력 운전을 개시한 후에 부연료의 분사량을 서서히 증대시키도록 한 실시예에 대해서 도 24 를 참조하면서 설명한다. 또, 도 24 는 이그니션 스위치 (53) 의 작동, 배기제어밸브 (24) 의 개방도 변화, 스타터 스위치 (54) 의 작동, 기관회전수 (N), 주연료의 분사량 (Qm) 의 변화 및 부연료의 분사량 (Qa) 의 변화를 각각 나타내고 있다.
도 24 에 나타낸 바와 같이 이그니션 스위치 (53) 가 오프로 되어 있는 동안에는 배기제어밸브 (24) 는 완전히 개방상태로 유지되어 있어, 이그니션 스위치 (53) 가 오프에서 온으로 전환되면 배기제어밸브 (24) 는 완전 개방상태에서 거의 완전 폐쇄상태로 전환된다. 이어서, 스타터 스위치 (54) 가 온으로 되면 주연료 (Qm) 의 분사가 개시된다. 이 때 주연료 (Qm) 의 분사량 변화가 도 24 에서 실선 (X) 으로 표시되어 있다.
즉, 도 24 의 실선 (X) 은 배기제어밸브 (24) 를 거의 완전히 폐쇄한 경우 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량을 나타내고, 파선 (X0) 은 배기제어밸브 (24) 를 완전히 개방으로 한 경우 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량을 나타내고 있다. 따라서, 이 실시예에서도 기관 시동 및 워밍업 운전시에는 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방된 경우 가장 바람직한 주연료 (Qm) 의 분사량 (X0) 보다 주연료 (Qm) 의 분사량 (X) 이 증량됨을 알 수 있다.
스타터 모터로 기관이 구동되는 동안에는 기관회전수 (N) 는 200r.p.m 정도의 거의 일정 회전수로 유지되고, 기관이 자력 운전을 개시하면 기관회전수 (N) 는 급격히 상승한다. 이 경우 이 실시예에서는 기관회전수 (N) 가 미리 정해진 회전수, 예컨대 400r.p.m 을 초과하였을 때에 기관이 자력 운전을 개시한 것으로 판단된다. 기관이 자력 운전을 개시한 것으로 판단되면 주연료 (Qm) 의 분사량 (X) 이 급격히 감소하게 된다.
한편, 도 24 에서 파선 (Y0) 은 기관의 운전상태에 따라 미리 정해져 있는 부연료 (Qa) 의 목표 분사량을 나타내고 있다. 이 목표 분사량 (Y0) 은 배기포트 (11) 출구에서의 배기가스온도를 목표온도, 예컨대 800℃ 로 유지하는 데에 필요한 부연료의 분사량을 나타내고, 이 목표 분사량 (Y0) 은 주연료의 분사량 (X) 이 감소됨에 따라 증대된다. 부연료 (Qa) 의 목표 분사량 (Y0) 은 요구 부하 (L) 및 기관회전수 (N) 의 함수로서 미리 ROM42 내에 기억되어 있다.
도 24 에서 실선 (Y) 은 부연료 (Qa) 의 실제 분사량을 나타내고 있다. 도 24 에 나타낸 바와 같이 이 실시예에서는 기관이 자력 운전을 개시한 것으로 판단되면 부연료 (Qa) 의 분사가 개시되고, 이어서 부연료 (Qa) 의 분사량 (Y) 은 목표 분사량 (Y0) 을 향하여 서서히 증대하게 된다.
기관이 자력 운전을 개시한 직후에는 기관 본체 (1) 의 온도가 낮으며 따라서 이 때 다량의 부연료 (Qa) 를 분사하면 전체 분사연료가 양호하게 연소되지 않아 다량의 미연 HC 가 발생된다. 따라서, 이 때에는 소량의 부연료 (Qa) 가 분사된다. 한편, 기관이 자력 운전을 개시한 후에는 기관 본체 (1) 의 온도가 차츰 높아지며, 그리하여 부연료 (Qa) 의 분사량을 증대시켜도 부연료 (Qa) 가 양호하게 연소하게 된다. 따라서, 기관이 자력 운전을 개시한 후에는 도 24 에 나타낸 바와 같이 부연료 (Qa) 의 분사량 (Y) 은 목표 분사량 (Y0) 을 향하여 서서히 증대하게 된다.
도 25 는 운전 제어 루틴을 나타내고 있다.
도 25 를 참조하면 우선 처음에 단계 700 에서 이그니션 스위치 (53) 가 오프에서 온으로 전환되었는지의 여부가 판별된다. 이그니션 스위치 (53) 가 오프에서 온으로 전환되었을 때에는 단계 701 로 진행되어 배기제어밸브 (24) 가 완전 개방상태에서 거의 완전 폐쇄상태로 전환된다. 이어서, 단계 702 에서는 기관 운전이 개시되고서 예컨대 기관이 자력 운전을 개시하고서 미리 정해진 설정 기간이 경과되었는지의 여부가 판별된다.
설정 기간이 경과되지 않은 경우에는 단계 703 으로 진행되어 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 즉, 주연료 (Qm) 의 분사량이 도 24 에 나타낸 X 로 된다. 이어서, 단계 704 에서는 부연료 (Qa) 의 분사 제어가 실행된다. 즉, 부연료 (Qa) 의 분사량이 도 24 에 나타낸 Y 로 된다. 한편, 단계 702 에서 설정 기간이 경과된 것으로 판단되었을 때에는 단계 705 로 진행되어 배기제어밸브 (24) 가 완전히 개방되고, 이어서 단계 706 으로 진행되어 주연료 (Qm) 의 분사 제어가 실행된다. 이 때 부연료 (Qa) 의 분사는 실행되지 않는다.
도 26 은 도 24 에 나타낸 실시예를 실행하기 위해서 도 25 의 단계 704 에서 실행되는 부연료의 분사 제어를 나타내고 있다.
도 26 을 참조하면 우선 처음에 단계 800 에서 기관회전수 (N) 가 400r.p.m 이상으로 되었는지의 여부, 즉 기관이 자력 운전을 개시했는지의 여부가 판별된다. N≤400r.p.m 일 때에는 단계 804 로 진행되어 부연료 (Qa) 의 분사량이 0 으로 된다. 즉, 부연료 분사가 정지된다. 반면에, N＞400r.p.m 이 되면 단계 801 로진행되어 부연료 (Qa) 의 분사량에 일정값 (ΔQ) 이 가산된다. 이어서, 단계 802 에서는 부연료 (Qa) 의 분사량인 도 24 에서 Y0 으로 표시되는 기관의 운전상태에 따른 목표 분사량 (XQa) 보다 커졌는지의 여부가 판별된다. Qa＞XQa 가 되면 단계 803 으로 진행되어 Qa 가 XQa 로 된다. 따라서, 기관이 자력 운전을 개시하면 부연료 (Qa) 의 분사량은 목표 분사량 (XQa) 을 향하여 서서히 증대되고, 부연료 (Qa) 의 분사량이 목표 분사량 (XQa) 에 도달하면 그 후 부연료 (Qa) 의 분사량은 목표 분사량 (XQa) 으로 유지된다.
도 27 에 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 도 27 에서 실선 (Y) 으로 표시된 바와 같이 기관이 자력 운전을 개시하기 전부터, 즉 스타터 스위치 (54) 가 오프에서 온으로 전환되었을 때부터 부연료 (Qa) 의 분사량이 서서히 증대되고, 부연료 (Qa) 의 분사량은 기관이 자력 운전을 개시한 후에 목표 분사량 (Y0) 에 도달한다.
도 28 은 도 27 에 나타낸 실시예를 실행하기 위해서 도 25 의 단계 704 에서 실행되는 부연료의 분사 제어를 나타내고 있다.
도 28 을 참조하면 우선 처음에 단계 900 에서 스타터 스위치 (54) 가 오프에서 온으로 전환되었는지의 여부가 판별된다. 스타터 스위치 (54) 가 오프에서 온으로 전환되었을 때에는 단계 901 로 진행되어 스타터 플러그가 세팅되고, 이어서 단계 902 로 진행된다.
단계 902 에서는 스타터 플러그가 세팅되어 있는지의 여부가 판별된다. 스타터 플러그가 세팅되어 있지 않을 때, 즉 기관이 정지되어 있을 때에는 단계 906 으로 진행되어 부연료 (Qa) 의 분사량이 0 으로 된다. 즉, 부연료의 분사가 정지된다. 반면에, 스타터 플러그가 세팅되어 있을 때에는 단계 903 으로 진행되어 부연료 (Qa) 의 분사량에 일정값 (ΔQ) 이 가산된다. 이어서, 단계 904 에서는 부연료 (Qa) 의 분사량이 도 27 에서 Y0 으로 표시된 기관의 운전 상태에 따른 목표 분사량 (XQa) 보다 커졌는지의 여부가 판별된다. Qa＞XQa 가 되면 단계 905 로 진행되어 Qa 가 XQa 로 된다. 따라서, 스타터 스위치 (54) 가 오프에서 온으로 전환되면 부연료 (Qa) 의 분사량은 목표 분사량 (Qa) 을 향하여 서서히 증대하게 되고, 부연료 (Qa) 의 분사량이 목표 분사량 (Qa) 에 도달하면 그 후 부연료 (Qa) 의 분사량은 목표 분사량 (XQa) 으로 유지된다.
도 29 에 또 다른 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서는 도 29 에서 실선 (Y) 으로 나타낸 바와 같이 기관이 자력 운전을 개시하고서 일정 시간을 경과한 후에 목표 분사량 (Y0) 으로 부연료 (Qa) 의 분사가 개시된다. 즉, 이 실시예에서는 목표 분사량 (Y0) 으로 부연료 (Qa) 를 분사해도 전체 연료가 양호하게 연소되는 시기에 부연료 (Qa) 의 분사가 개시된다.
도 30 은 도 29 에 나타낸 실시예를 실행하기 위해서 도 25 의 단계 704 에서 실행되는 부연료의 분사 제어를 나타내고 있다.
도 30 을 참조하면 우선 처음에 단계 1000 에서 기관회전수 (N) 가 400r.p.m 이상이 되었는지의 여부, 즉 기관이 자력 운전을 개시했는지의 여부가 판별된다. N＞400r.p.m 일 때에는 단계 1001 로 진행되어 N＞400r.p.m 이 되고서 일정 시간이 경과되었지의 여부가 판별된다. 단계 1000 에서 N≤400r.p.m 로 판별되었을 때 또는 단계 1001 에서 N＞400r.p.m 이 되고서 일정 시간을 경과하지 않은 것으로 판단되었을 때에는 단계 1005 로 진행되어 부연료 (Qa) 의 분사량이 0 으로 된다. 즉, 부연료의 분사가 정지된다.
반면에, 단계 1101 에서 N＞400r.p.m 가 되고서 일정 시간이 경과된 것으로 판단되었을 때에는 단계 1002 로 진행되어 부연료 (Qa) 의 분사량에 일정값 (ΔQ) 이 가산된다. 이어서, 단계 1003 에서는 부연료 (Qa) 의 분사량이 도 29 에서 Y0 으로 표시되는 기관의 운전상태에 따른 목표 분사량 (XQa) 보다 커졌는지의 여부가 판별된다. Qa＞XQa 가 되면 단계 1003 으로 진행되어 Qa 가 XQa 로 된다. 따라서, 기관이 자력 운전을 개시하고서 일정 시간을 경과하면 부연료 (Qa) 의 분사량은 목표 분사량 (XQa) 까지 서서히 증대하게 되고, 그 후 부연료 (Qa) 의 분사량은 목표 분사량 (XQa) 으로 유지된다. 이 경우 ΔQ=XQa 로 해 두면 도 29 에 나타낸 바와 같이 기관이 자력 운전을 개시하고서 일정 시간을 경과하였을 때에 부연료 (Qa) 의 분사량은 목표 분사량 (XQa) 까지 한번에 증대하게 되고, 그 후 부연료 (Qa) 의 분사량은 목표 분사량 (XQa) 로 유지된다.
이어서, 배기통로 내에서의 미연 HC 의 산화작용을 촉진시키도록 한 실시에에 대해서 설명한다.
도 31 에 나타낸 실시예에서는 각 기통 (＃1, ＃2, ＃3, ＃4) 의 배기포트가 배기 매니폴드 (90) 의 각각 대응하는 지관 (90a) 에 접속되어 있고, 각 지관 (90a) 내에는 각각 배기포트의 단면적보다 훨씬 큰 단면적을 갖는 용적확대실 (91) 이 형성되어 있다. 이렇게 배기 매니폴드 (90) 의 각 지관 (90a) 내에 각각 용적확대실 (91) 을 형성하면 이들 용적확대실 (91) 내에서 배기가스의 유속이 늦어지며, 그리하여 배기포트에서 배출된 배기가스는 고온하에서 장시간에 걸쳐 배기제어밸브 (24) 상류의 배기통로 내에 체류하게 된다. 배기가스가 고온하에서 장시간에 걸쳐 배기제어밸브 (24) 상류의 배기통로 내에 체류하면 배기통로 내에서의 미연 HC 의 산화작용이 촉진되며, 그리하여 대기 중으로 배출되는 미연 HC 의 양이 더 저감하게 된다.
이 경우 배기제어밸브 (24) 상류의 배기통로 내의 배기가스의 체류시간이 길어질수록 미연 HC 의 저감량은 증대되고, 이 체류시간은 용적확대부 (91) 의 용적이 클수록 길어진다. 도 31 에 나타낸 실시예에서는 배기가스의 체류시간을 길게 하기 위해서 용적확대부 (91) 의 단면적이 배기포트 단면적의 2배 이상으로 되고, 용적확대부 (91) 의 축선방향 길이가 용적확대부 (91) 의 직경과 거의 동등하거나 또는 용적확대부 (91) 의 직경 이상으로 되어 있다.
상술한 바와 같이 배기 매니폴드 (90) 의 각 지관 (90a) 내에 용적확대실 (91) 을 설치하면 배기가스 중의 미연 HC 의 산화반응이 촉진되고, 따라서 이들 용적확대실 (91) 은 미연 HC 의 산화반응 촉진수단을 구성하고 있다. 도 32 는 이 산화반응 촉진수단의 다른 예를 나타내고 있다. 도 32 에 나타낸 예에서는 각 기통의 배기포트에 접속되고 또 전체 기통에 대해서 공통된 용적확대실 (92) 이 각 배기포트 출구에 인접하여 설치되어 있다. 이 예에서는 배기가스 유속은 용적확대실 (92) 내에서 늦어지며, 그리하여 미연 HC 의 산화반응이 촉진된다.
한편, 배기가스를 보온함으로써 배기가스 중의 미연 HC 의 산화반응을 촉진시킬 수 있다. 도 33 및 도 34 는 이렇게 배기가스를 보온함으로써 미연 HC 의 산화반응을 촉진시키는 산화반응 촉진수단의 일례를 나타내고 있다.
도 33 및 도 34 를 참조하면 배기통로 내에는 이중벽 구조의 배기 매니폴드 또는 리액터 (93) 가 설치되고, 이 배기 매니폴드 또는 리액터 (93) 는 이중벽 구조의 지관 (94) 을 통해 각 기통의 배기포트 (11) 에 연결된다. 즉, 배기 매니폴드 또는 리액터 (93) 는 라이너 (93b) 와 라이너 (93b) 로부터 간격을 두고 라이너 (93b) 를 포위하는 외부 프레임 (93a) 으로 이루어지고, 지관 (94) 은 라이너 (94b) 와 라이너 (94b) 로부터 간격을 두고 라이너 (94b) 를 포위하는 외부 프레임 (94a) 으로 이루어진다. 도 34 에 나타낸 바와 같이 라이너 (94b) 는 대응하는 배기포트 (11) 내까지 연장되어 있고, 배기포트 (11) 내에서도 라이너 (94b) 주위에는 공극이 형성되어 있다. 즉, 배기포트 (11) 내도 이중벽 구조로 되어 있다.
또한, 도 33 에 나타낸 바와 같이 배기관 (21), 촉매 컨버터 (70a) 및 배기관 (21a) 도 이중벽 구조로 되어 있다. 따라서, 연소실 (5) 에서 배출된 배기가스는 이중벽 구조에 의한 단열작용으로 고온으로 유지되며, 그리하여 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되었을 때에 배기가스 중의 미연 HC 의 산화작용이 대폭 촉진되게 된다. 또, 도 33 및 도 34 에 나타낸 예에서는 배기 매니폴드 또는 리액터 (93) 가 용적확대실을 형성하고 있어, 따라서 추가로 미연 HC 의 산화반응이 촉진되게 된다.
배기가스를 보온함으로써 미연 HC 의 산화반응을 촉진시키는 다른 산화반응 촉진수단으로는 배기 매니폴드나 배기관을 열전도율이 낮은 재료로 형성하거나 또는 배기 매니폴드나 배기관을 보온재로 포위하는 등과 같은 방법이 존재한다.
도 35 는 산화반응 촉진수단의 또다른 실시예를 나타내고 있다. 이 실시예에서는 도 35 에 나타낸 바와 같이 하류측쪽으로 배기가스온도 (TE) 가 상승되는 영역 I 에서는 하류측쪽으로 배기가스의 유로 단면적이 서서히 증대하게 되고, 하류측쪽으로 배기가스온도 (TE) 가 감소되는 영역 II 에서는 하류측쪽으로 배기가스의 유로 단면적이 서서히 감소하게 된다. 구체적으로 말하면 영역 I 에서는 배기포트 (11) 의 유로 단면적 및 배기 매니폴드 (95) 의 지관 (96) 의 유로 단면적이 하류측쪽으로 서서히 증대하게 되고, 영역 II 에서는 배기 매니폴드 (95) 의 지관 (96) 의 유로 단면적이 하류측쪽으로 서서히 감소하게 된다.
즉, 상술한 바와 같이 배기제어밸브 (24) 가 거의 완전히 폐쇄되어 부연료 (Qa) 가 분사되면 연소실 (5) 내에서 배출된 배기가스 중의 미연 HC 는 하류측쪽으로 흐르는 동안에 서서히 산화하게 된다. 그 결과 연소실 (5) 에서 배출된 배기가스온도 (TE) 는 도 35 에 나타낸 바와 같이 미연 HC 의 산화반응열에 의해 하류로 감에 따라 서서히 상승된다. 이어서, 또한 하류로 가면 외기에 의한 냉각작용에 의해 배기가스온도 (TE) 는 차츰 저하된다. 즉, 배기가스온도 (TE) 가 상승되고 있는 영역 I 에서는 미연 HC 의 산화반응이 활발하고, 영역 II 에서는 미연 HC 의 산화반응은 그다지 활발하지 않게 된다.
이 경우 미연 HC 의 산화반응을 촉진시키기 위해서는 영역 I 에서 미연 HC 의 산화반응을 더 활발하게 하는 것이 효과적이다. 산화반응을 활발하게 하기 위해서는 고온하에서의 배기가스의 체류시간을 길게 하면 되고, 이를 위해서 배기가스의 유로 단면적을 크게 하면 된다. 그래서, 영역 I 에서는 하류측쪽으로 유로 단면적을 서서히 크게 하도록 하고 있다. 또, 하류측쪽으로 유로 단면적을 서서히 증대시키면 배기가스류는 배기포트 (11) 및 배기 매니폴드 지관 (96) 의 내벽면에서 박리되도록 되기 때문에, 배기가스에 대한 냉각작용이 약해지며, 그리하여 미연 HC 의 산화반응을 한층 더 촉진시킬 수 있다.
한편, 영역 II 에서는 원래 미연 HC 의 산화반응은 그다지 활발하지 않으며, 따라서 영역 II 에서 미연 HC 의 산화반응을 촉진시켜도 큰 미연 HC 의 저감 효과를 얻을 수 없다. 또, 영역 II 에서 배기가스의 유로 단면적을 하류측쪽으로 증대시키면 배기계의 치수가 매우 커진다는 문제가 있을 뿐아니라 배기 맥동이 삭감되어 기관 출력이 저하된다는 문제를 발생시킨다. 그래서, 영역 II 에서는 배기가스의 유로 면적을 하류측쪽으로 서서히 감소시키도록 하고 있다.
또, 도 31 내지 도 35 에 나타낸 실시예에서 미연 HC 의 산화반응을 더 촉진시키기 위해서 배기포트 내 또는 배기 매니폴드 내 또는 배기 매니폴드 지관 내에 산화기능을 갖는 촉매를 배치할 수도 있다.

Claims (33)

  1. 기관의 배기포트 출구에 접속된 배기통로 내에, 배기포트 출구로부터 미리 정해진 거리를 두고 배기제어밸브가 배치되고, 대기 중으로의 미연 HC 의 배출량을 저감하여야 한다고 판단되었을 때에는 연소실 내에서의 미연 HC 의 발생량이 저하되고, 또한 배기포트내 및 배기제어밸브 상류의 배기통로내에 있어서의 미연 HC 의 산화반응이 촉진되도록 배기제어밸브가 기관출력 허용범위내의 개방도로 폐쇄됨과 동시에 기관 출력을 발생시키기 위해서 연소실 내로 분사된 주연료를 공기 과잉하에서 연소시키는 것에 추가로 부연료가 부연료의 연소 가능한 팽창 행정 중 또는 배기 행정 중의 미리 정해진 시기에 연소실 내에 추가 분사되고, 배기제어밸브가 기관출력 허용범위내의 개방도로 폐쇄되었을 때에는 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브가 완전히 개방된 경우의 기관의 발생 토크에 가까워지도록 동일한 기관의 운전상태하에서 배기제어밸브가 완전히 개방된 경우에 비하여 주연료의 분사량이 증량되는 내연기관의 배기정화장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 기관의 워밍업 운전이 실행되고 있을 때에는 대기 중으로의 미연 HC 의 배출량을 저감하여야 한다고 판단되는 내연기관의 배기정화장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 기관 저부하 운전이 실행되고 있을 때에는 대기 중으로의 미연 HC 의 배출량을 저감하여야 한다고 판단되는 내연기관의 배기정화장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 대기 중으로의 미연 HC 의 배출량을 저감하여야 한다고 판단되었을 때에는 주연료의 분사량이 증대됨에 따라 부연료의 분사량이 감소되는 내연기관의 배기정화장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 주연료에 추가로 부연료도 공기 과잉하에서 연소되는 내연기관의 배기정화장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 주연료에 의해 연소실 내의 한정된 영역 내에 형성된 혼합기가 점화 마개로 점화되고, 그 후 부연료가 추가 분사되는 내연기관의 배기정화장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 배기통로 내에 촉매를 배치한 내연기관의 배기정화장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 촉매가 산화촉매, 삼원촉매, NOX 흡수제 또는 HC 흡착 촉매로 이루어진 내연기관의 배기정화장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 촉매가 활성화 온도보다 높은지의 여부를 판단하는 판단수단을 구비하고, 상기 촉매가 활성화 온도보다 낮고 기관의 워밍업 운전이 실행되고 있을 때에 대기 중으로의 미연 HC 의 배출량을 저감시키는 것으로 판단되는 내연기관의 배기정화장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 촉매가 활성화 온도보다 높은지의 여부를 판단하는 판단수단을 구비하고, 상기 촉매가 활성화 온도보다 낮고 기관 저부하 운전이 실행되고 있을 때에 대기 중으로의 미연 HC의 배출량을 저감하여야 한다고 판단되는 내연기관의 배기정화장치.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 촉매가 배기제어밸브 상류의 배기통로 내에 배치되어 있는 내연기관의 배기정화장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 대기 중으로의 미연 HC 의 배출량을 저감하여야 할 때에는 배기제어밸브 상류의 배기통로 내에서의 배기가스 압력 또는 온도 중 어느 한쪽이 목표값이 되도록 연소실 내에서의 연소가 제어되는 내연기관의 배기정화장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 주연료의 분사량 또는 부연료의 분사량 또는 흡입 공기량 중 적어도 하나를 제어함으로써 연소실 내에서의 연소가 제어되는 내연기관의 배기정화장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 배기제어밸브 상류의 배기통로 내에 있어서의 배기가스 압력 또는 온도 중 어느 한쪽이 목표값보다 낮을 때에는 주연료의 분사량 또는 부연료의 분사량 또는 흡입 공기량 중 적어도 하나가 증대되는 내연기관의 배기정화장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 배기제어밸브는 기관 시동시에 완전 개방상태에서 기관출력 허용범위내의 개방도의 폐쇄상태로 전환되는 내연기관의 배기정화장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 부압을 축적하는 부압 탱크 및 배기제어밸브를 구동시키기 위한 부압 작동형 액추에이터를 구비하고, 이 액추에이터는 부압 탱크 내에 축적된 부압에 의해 작동되는 내연기관의 배기정화장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 기관 시동후 미리 정해진 기간이 경과될 때까지의 사이에 요구 부하를 대표하는 대표값이 미리 정해진 값보다 낮을 때에는 배기제어밸브가 기관출력 허용범위내의 개방도로 폐쇄되고, 기관 시동후 미리 정해진 기간이 경과될 때까지 사이에 이 대표값이 미리 정해진 값보다 높아졌을 때에는 이 대표값이 커짐에 따라 배기제어밸브의 개방도가 커지게 되는 내연기관의 배기정화장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 기관 시동후 미리 정해진 기간이 경과될 때까지의 사이에는 배기제어밸브의 개방도가 커짐에 따라 주연료의 분사량의 증량값이 감소되는 내연기관의 배기정화장치.
  19. 제 17 항에 있어서, 기관 시동후 미리 정해진 기간이 경과될 때까지의 사이에는 배기제어밸브의 개방도가 커짐에 따라 부연료의 분사량이 감소되는 내연기관의 배기정화장치.
  20. 제 17 항에 있어서, 기관 시동후 미리 정해진 기간이 경과된 후에는 요구 부하가 설정 부하보다 낮을 때에 배기제어밸브가 기관출력 허용범위내의 개방도로 폐쇄되고, 또 기관 개시후 미리 정해진 기간이 경과된 후에는 요구 부하가 설정 부하보다 높아졌을 때에 배기제어밸브가 완전히 개방되는 내연기관의 배기정화장치.
  21. 제 1 항에 있어서, 기관의 운전 개시시에 기관이 자력 운전을 개시한 후에 부연료의 분사량이 기관의 운전상태에 따라 미리 정해져 있는 목표 분사량으로 되는 내연기관의 배기정화장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 부연료의 분사량을 이 목표 분사량으로 할 때에 부연료의 분사량이 이 목표 분사량을 향하여 서서히 증대되는 내연기관의 배기정화장치.
  23. 제 22 항에 있어서, 기관이 자력 운전을 개시한 후에 부연료의 분사량이 이 목표 분사량을 향하여 서서히 증대되는 내연기관의 배기정화장치.
  24. 제 22 항에 있어서, 기관이 자력 운전을 개시하기 전에 부연료의 분사량이 이 목표 분사량을 향하여 서서히 증대되는 내연기관의 배기정화장치.
  25. 제 21 항에 있어서, 부연료의 분사량을 상기 목표 분사량으로 할 때에 부연료의 분사량이 이 목표 분사량까지 한번에 증대되는 내연기관의 배기정화장치.
  26. 제 1 항에 있어서, 기관의 배기포트에 또는 배기통로의 적어도 상류부에 배기가스 중의 미연 HC의 산화반응을 촉진시키기 위한 산화반응 촉진수단이 설치되어 있는 내연기관의 배기정화장치.
  27. 제 26 항에 있어서, 산화반응 촉진수단은 배기가스 유속을 저하시킴으로써 배기가스 중 미연 HC의 산화반응을 촉진시키는 내연기관의 배기정화장치.
  28. 제 27 항에 있어서, 산화반응 촉진수단이 배기통로 내에 설치된 용적확대실로 이루어진 내연기관의 배기정화장치.
  29. 제 26 항에 있어서, 산화반응 촉진수단은 배기가스를 보온함으로써 배기가스 중의 미연 HC 의 산화반응을 촉진시키는 내연기관의 배기정화장치.
  30. 제 29 항에 있어서, 산화반응 촉진수단이 이중벽 둘레벽면 구조로 이루어진 내연기관의 배기정화장치.
  31. 제 30 항에 있어서, 배기제어밸브 상류의 배기통로 내에 용적확대실이 설치되어 있고, 배기포트 내에서 용적확대실에 이를 때까지 이중벽 구조로 되어 있는 내연기관의 배기정화장치.
  32. 제 20 항에 있어서, 산화반응 촉진수단은 하류측으로 향하여 서서히 유로 단면적이 증대된 후에 하류측으로 향하여 서서히 유로 단면적이 감소되는 배기포트 또는 배기통로로 이루어지는 내연기관의 배기정화장치.
  33. 제 26 항에 있어서, 기관의 배기포트 내 또는 배기제어밸브 상류의 배기통로 내 중 어느 한쪽에 촉매가 배치되어 있는 내연기관의 배기정화장치.
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