KR101808473B1 - 내연 기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

내연 기관의 배기 정화 장치 Download PDF

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Abstract

스로틀 개방도가 베이스 스로틀 개방도로부터 농후 제어용 스로틀 개방도로 전환되고 또한 EGR율이 베이스 EGR율로부터 농후 제어용 EGR율로 전환된 상태하에서 팽창 행정 또는 배기 행정에 통내에 추가의 연료가 분사됨으로써 기관 연소실로부터 배출되는 배기가스의 공연비를 일시적으로 저하시키는 농후 제어가 행해진다. 농후 제어를 개시할 때에는, 우선 저압측 EGR 제어 밸브 개방도(VEGRL)가 농후 제어용 저압측 EGR 제어 밸브 개방도(VEGRLR)로 전환된다. 계속해서, 고압측 EGR 제어 밸브 개방도(VEGRH)가 농후 제어용 고압측 EGR 제어 밸브 개방도(VEGRHR)로 전환된다. 계속해서, 스로틀 개방도(VTH)가 제어되고, 계속해서 추가의 연료(Qa)의 분사가 개시된다.

Description

내연 기관의 배기 정화 장치{EXHAUST PURIFICATION DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
기관 흡기 통로와 기관 배기 통로를 배기가스 재순환 통로에 의해 연결함과 함께, 배기가스 재순환율을 제어하는 배기가스 재순환 제어 밸브를 배기가스 재순환 통로 내에 배치하고, 스로틀 개방도가 감소되고 또한 배기가스 재순환율이 저감된 상태하에서 기관 연소실로부터 배출되는 배기가스의 공연비를 일시적으로 저하시키는 농후 제어가 행해지는 내연 기관의 배기 정화 장치이며, 농후 제어를 개시할 때에는 스로틀 개방도가 감소됨과 함께 배기가스 재순환율이 저감되도록 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 감소되는, 내연 기관의 배기 정화 장치가 널리 알려져 있다(특허문헌 1 참조).
또한, 농후 제어에 있어서, 스로틀 개방도가 감소되고 또한 배기가스 재순환율이 저감된 상태하에서 팽창 행정 또는 배기 행정에 통내에 추가 연료가 분사됨으로써 기관 연소실로부터 배출되는 배기가스의 공연비를 일시적으로 저하시키는, 내연 기관의 배기 정화 장치도 널리 알려져 있다. 이 배기 정화 장치에서는, 스로틀 개방도가 감소되고 또한 배기가스 재순환율이 저감된 상태하에서 농후 제어가 행해지므로, 배기가스의 공연비를 농후로 하는 데 필요한 추가의 연료량을 저감할 수 있다.
또한, 기관 배기 통로 내에 배치된 배기 터빈에 의해 스로틀 밸브 상류의 기관 흡기 통로 내에 배치된 컴프레서를 구동하는 배기 터보 과급기와, 배기 터빈 상류의 기관 배기 통로와 스로틀 밸브 하류의 기관 흡기 통로를 연결하는 고압측 배기가스 재순환 통로와, 배기 터빈 하류의 기관 배기 통로와 컴프레서 상류의 기관 흡기 통로를 연결하는 저압측 배기가스 재순환 통로와, 고압측 배기가스 재순환율을 제어하기 위해 고압측 배기가스 재순환 통로 내에 배치된 고압측 배기가스 재순환 제어 밸브와, 저압측 배기가스 재순환율을 제어하기 위해 저압측 배기가스 재순환 통로 내에 배치된 저압측 배기가스 재순환 제어 밸브를 구비한 내연 기관도 공지이다.
일본 특허공개 2005-048724호 공보
고압측 배기가스 재순환 통로 및 저압측 배기가스 재순환 통로를 구비한 내연 기관에 있어서, 농후 제어를 개시할 때 스로틀 개방도와 고압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도 및 저압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 동시에 감소되면, 통내 가스량이 대폭으로 감소되어, 압축단 온도가 대폭으로 낮아지게 된다. 그 결과, 실화 발생의 리스크가 높아져 버린다.
본 발명의 목적은, 농후 제어의 개시 시에 실화 발생의 리스크를 억제할 수 있는 내연 기관의 배기 정화 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 의하면, 기관 배기 통로 내에 배치된 배기 터빈에 의해 스로틀 밸브 상류의 기관 흡기 통로 내에 배치된 컴프레서를 구동하는 배기 터보 과급기와, 배기 터빈 상류의 기관 배기 통로와 스로틀 밸브 하류의 기관 흡기 통로를 연결하는 고압측 배기가스 재순환 통로와, 배기 터빈 하류의 기관 배기 통로와 컴프레서 상류의 기관 흡기 통로를 연결하는 저압측 배기가스 재순환 통로와, 고압측 배기가스 재순환율을 제어하기 위해 고압측 배기가스 재순환 통로 내에 배치된 고압측 배기가스 재순환 제어 밸브와, 저압측 배기가스 재순환율을 제어하기 위해 저압측 배기가스 재순환 통로 내에 배치된 저압측 배기가스 재순환 제어 밸브를 구비하고, 상기 흡기 통로 내에 배치되고 흡입 공기량을 제어하는 스로틀 밸브의 개방도인 스로틀 개방도가 베이스 스로틀 개방도로부터 상기 베이스 스로틀 개방도보다도 작은 농후 제어용 스로틀 개방도로 전환되고 또한 고압측 배기가스 재순환율이 베이스 고압측 배기가스 재순환율로부터 상기 베이스 고압측 배기가스 재순환율과는 상이한 농후 제어용 고압측 배기가스 재순환율로 전환되고 또한 저압측 배기가스 재순환율이 베이스 저압측 배기가스 재순환율로부터 상기 베이스 저압측 배기가스 재순환율과는 상이한 농후 제어용 저압측 배기가스 재순환율로 전환된 상태하에서 팽창 행정 또는 배기 행정에 통내에 추가의 연료가 분사됨으로써 기관 연소실로부터 배출되는 배기가스의 공연비를 일시적으로 저하시키는 농후 제어가 행해지는, 내연 기관의 배기 정화 장치에 있어서, 농후 제어를 개시할 때에는, 우선 저압측 배기가스 재순환율이 농후 제어용 저압측 배기가스 재순환율로 전환되도록 저압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 제어되고, 계속해서 고압측 배기가스 재순환율이 농후 제어용 고압측 배기가스 재순환율로 전환되도록 고압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 제어되고, 계속해서 스로틀 개방도가 농후 제어용 스로틀 개방도로 전환되며, 계속해서 추가의 연료 분사가 개시되는, 내연 기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
농후 제어의 개시 시에 실화 발생의 리스크를 억제할 수 있다.
도 1은, 압축 착화식 내연 기관의 전체도이다.
도 2는, 촉매 담체의 표면 부분을 도해적으로 나타내는 도면이다.
도 3은, 배기 정화 촉매에 있어서의 산화 반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 배기 정화 촉매로의 유입 배기가스의 공연비 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 촉매로의 유입 배기가스의 공연비 변화를 나타내는 도면이다.
도 9는, NOx 정화율을 나타내는 도면이다.
도 10은, 탄화수소의 분사 주기 ΔT와 NOx 정화율과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은, 탄화수소의 분사량을 나타내는 맵이다.
도 12는, NOx 방출 제어를 나타내는 도면이다.
도 13은, 배출 NOx량 NOXA의 맵을 나타내는 도면이다.
도 14는, 연료 분사 시기를 나타내는 도면이다.
도 15는, 추가의 연료량 Qa의 맵을 나타내는 도면이다.
도 16은, 농후 제어가 개시될 때의 타임차트이다.
도 17은, 베이스 저압측 EGR율 REGRLB의 맵을 나타내는 도면이다.
도 18은, 베이스 고압측 EGR율 REGRHB의 맵을 나타내는 도면이다.
도 19는, 베이스 스로틀 개방도 VTHB의 맵을 나타내는 도면이다.
도 20은, 베이스 주 연료량 QmB의 맵을 나타내는 도면이다.
도 21은, 베이스 주 연료 분사 시기 θmB의 맵을 나타내는 도면이다.
도 22는, 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR의 맵을 나타내는 도면이다.
도 23은, 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR의 맵을 나타내는 도면이다.
도 24는, 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR의 맵을 나타내는 도면이다.
도 25는, 농후 제어용 주 연료량 QmR의 맵을 나타내는 도면이다.
도 26은, 농후 제어용 주 연료 분사 시기 θmR의 맵을 나타내는 도면이다.
도 27은, 주 연료의 증량분 dQm의 맵을 나타내는 도면이다.
도 28은, 농후 제어가 종료될 때의 타임차트이다.
도 29는, NOx 정화 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 30은, 제2 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용을 실행하기 위한 흐름도이다.
도 31은, 농후 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 32는, 농후 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 33은, 본 발명에 의한 다른 실시예에 있어서의 농후 제어가 개시될 때의 타임차트이다.
도 34는, 본 발명에 의한 다른 실시예에 있어서의 농후 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 35는, 본 발명에 의한 다른 실시예에 있어서의 농후 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 36은, 본 발명에 의한 다른 실시예에 있어서의 농후 제어를 실행하기 위한 흐름도이다.
도 1에 압축 착화식 내연 기관의 전체도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 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 과급기(7)의 컴프레서(7a)의 출구에 연결되고, 컴프레서(7a)의 입구는 흡입 공기량 검출기(8)가 배치된 흡기 도입관(8a)을 통해 에어 클리너(9)에 연결된다. 흡기 덕트(6) 내에는 액추에이터에 의해 구동되는 스로틀 밸브(10)가 배치되고, 흡기 덕트(6) 주변에는 흡기 덕트(6) 내를 흐르는 흡입 공기를 냉각하기 위한 냉각 장치(11)가 배치된다. 도 1에 도시된 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각 장치(11) 내로 유도되고, 기관 냉각수에 의해 흡입 공기가 냉각된다. 또한, 스로틀 밸브(10) 하류에 위치하는 흡기 매니폴드(4)에는 흡기 매니폴드(4) 내의 압력, 즉 흡기압을 검출하기 위한 압력 센서(4p)가 설치되고, 배기 매니폴드(5)에는 배기 매니폴드(5) 내의 압력, 즉 배기압을 검출하기 위한 압력 센서(5p)가 설치된다. 또한, 배기 매니폴드(5)에는 배기 매니폴드(5) 내의 배기가스 온도를 검출하기 위한 온도 센서(5t)가 설치된다.
한편, 배기 매니폴드(5)는 배기 터보 과급기(7)의 배기 터빈(7b)의 입구에 연결되고, 배기 터빈(7b)의 출구는 배기관(12a)을 통해 배기 정화 촉매(13)의 입구에 연결된다. 본 발명에 의한 실시예에서는, 이 배기 정화 촉매(13)는 NOx 흡장 촉매로 구성된다. 배기 정화 촉매(13)의 출구는 배기관(12b)을 통해 파티큘레이트 필터(14)에 연결된다. 배기 정화 촉매(13) 상류의 배기관(12a) 내에는 압축 착화식 내연 기관의 연료로서 사용되는 경유 또는 다른 연료로 구성된 탄화수소를 공급하기 위한 탄화수소 공급 밸브(15)가 배치된다. 도 1에 도시된 실시예에서는 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 공급되는 탄화수소로서 경유가 사용되었다. 파티큘레이트 필터(14)에는 배기관(12c)이 연결된다. 또한, 본 발명은 희박 공연비 하에서 연소가 행해지는 불꽃 점화식 내연 기관에도 적용할 수 있다. 이 경우, 탄화수소 공급 밸브(15)로부터는 불꽃 점화식 내연 기관의 연료로서 사용되는 가솔린 또는 다른 연료로 구성된 탄화수소가 공급된다.
한편, 배기 터빈(7b) 상류의 배기 매니폴드(5)와 스로틀 밸브(10) 하류의 흡기 매니폴드(4)는 고압측 배기가스 재순환(이하, EGR이라고 함) 통로(16H)를 통해 서로 연결되고, 고압측 EGR 통로(16H) 내에는 전기 제어식의 고압측 EGR 제어 밸브(17H)가 배치된다. 또한, 고압측 EGR 통로(16H) 주변에는 고압측 EGR 통로(16H) 내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치(18H)가 배치된다. 또한, 배기관(12c) 내에는 배기 스로틀 밸브(29)가 배치된다. 배기 스로틀 밸브(29) 상류의 배기관(12c)과 흡입 공기량 검출기(8) 하류의 흡기 도입관(8a)과는 저압측 EGR 통로(16L)를 통해 서로 연결되고, 저압측 EGR 통로(16L) 내에는 전기 제어식의 저압측 EGR 제어 밸브(17L)가 배치된다. 또한, 저압측 EGR 통로(16L) 주변에는 저압측 EGR 통로(16L) 내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치(18L)가 배치된다. 다른 실시예에서는 배기 스로틀 밸브가 생략된다. 흡입 공기량 검출기(8) 하류의 흡기 도입관(8a)에는 흡기 도입관(8a) 내의 압력을 검출하기 위한 압력 센서(8p)가 설치되고, 배기 스로틀 밸브(29) 상류의 배기관(12c)에는 배기관(12c) 내의 압력을 검출하기 위한 압력 센서(12p)가 설치된다.
각 연료 분사 밸브(3)는 연료 공급관(19)을 통해 커먼 레일(20)에 연결되고, 이 커먼 레일(20)은 전자 제어식의 토출량 가변 연료 펌프(21)를 통해 연료 탱크(22)에 연결된다. 연료 탱크(22) 내에 저장되어 있는 연료는 연료 펌프(21)에 의해 커먼 레일(20) 내에 공급되고, 커먼 레일(20) 내에 공급된 연료는 각 연료 공급관(19)을 통해 연료 분사 밸브(3)에 공급된다.
전자 제어 유닛(30)은 디지털 컴퓨터로 이루어지고, 쌍방향성 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) 하류의 배기관(12b)에는 배기 정화 촉매(13)로부터 유출된 배기가스의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(24)가 설치되어 있다. 배기 정화 촉매(13)로부터 유출된 배기가스의 온도는 배기 정화 촉매(13)의 온도를 나타내고 있다. 또한, 파티큘레이트 필터(14)에는 파티큘레이트 필터(14)의 전후 차압을 검출하기 위한 차압 센서(26)가 설치되어 있다. 이들 온도 센서(24), 차압 센서(26), 압력 센서(4p, 5p, 8p, 12p), 온도 센서(5t) 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 L에 비례한 출력 전압을 발생하는 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 발생하는 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 액추에이터, 탄화수소 공급 밸브(15), 고압측 EGR 제어 밸브(17H), 저압측 EGR 제어 밸브(17L), 배기 스로틀 밸브(29), 및 연료 펌프(21)에 접속된다.
도 2는, 도 1에 도시된 배기 정화 촉매(13)의 기체 상에 담지된 촉매 담체의 표면 부분을 도해적으로 나타내고 있다. 이 배기 정화 촉매(13)에서는 도 2에 도시된 바와 같이 예를 들어 알루미나로 이루어지는 촉매 담체(50) 상에는 백금(Pt)으로 이루어지는 귀금속 촉매(51)가 담지되어 있으며, 또한 이 촉매 담체(50) 상에는 칼륨(K), 나트륨(Na), 세슘(Cs)과 같은 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca)과 같은 알칼리 토금속, 란타노이드와 같은 희토류 및 은(Ag), 구리(Cu), 철(Fe), 이리듐(Ir)과 같은 NOx에 전자를 공여할 수 있는 금속으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 염기성 층(53)이 형성되어 있다. 이 염기성 층(53) 내에는 세리아(CeO2)가 함유되어 있으며, 따라서 배기 정화 촉매(13)는 산소 저장 능력을 갖고 있다. 또한, 배기 정화 촉매(13)의 촉매 담체(50) 상에는 백금(Pt)에 추가하여 로듐(Rh) 또는 팔라듐(Pd)을 담지시킬 수 있다. 또한, 배기가스는 촉매 담체(50) 상부를 따라 흐르므로 귀금속 촉매(51)는 배기 정화 촉매(13)의 배기가스 유통 표면 위에 담지되어 있다고 할 수 있다. 또한, 염기성 층(53)의 표면은 염기성을 나타내므로 염기성 층(53)의 표면은 염기성의 배기가스 유통 표면 부분(54)이라 칭해진다.
탄화수소 공급 밸브(15)로부터 배기가스 내에 탄화수소가 분사되면 이 탄화수소는 배기 정화 촉매(13)에 있어서 개질된다. 본 발명에서는 이때 개질된 탄화수소를 사용해서 배기 정화 촉매(13)에 있어서 NOx를 정화하도록 하고 있다. 도 3은 이때 배기 정화 촉매(13)에 있어서 행해지는 개질 작용을 도해적으로 나타내고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 분사된 탄화수소 HC는 귀금속 촉매(51)에 의해 탄소수가 적은 라디칼 형상의 탄화수소 HC로 된다.
도 4는 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소의 공급 타이밍과 배기 정화 촉매(13)로의 유입 배기가스의 공연비 (A/F)in의 변화를 나타내고 있다. 또한, 이 공연비 (A/F)in의 변화는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스 내의 탄화수소의 농도 변화에 의존하고 있으므로 도 4에 도시된 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 농후측으로 될수록 탄화수소 농도가 높아지게 되어 있다.
도 5는, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 주기적으로 변화시킴으로써 도 4에 도시된 바와 같이 배기 정화 촉매(13)로의 유입 배기가스의 공연비 (A/F)in을 주기적으로 농후로 했을 때의 배기 정화 촉매(13)에 의한 NOx 정화율을 배기 정화 촉매(13)의 각 촉매 온도 TC에 대하여 나타내고 있다. 그런데, 장기간에 걸치는 NOx 정화에 관한 연구의 결과, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 미리 정해진 범위 내의 진폭 및 미리 정해진 범위 내의 주기로써 진동시키면, 도 5에 도시된 바와 같이 400℃ 이상의 고온 영역에서도 극히 높은 NOx 정화율이 얻어지는 것이 판명되었다.
또한, 이때에는 질소 및 탄화수소를 함유하는 다량의 환원성 중간체가 염기성 층(53)의 표면 위에, 즉 배기 정화 촉매(13)의 염기성 배기가스 유통 표면 부분(54) 위에 유지 또는 계속해서 흡착되어 있으며, 이 환원성 중간체가 높은 NOx 정화율을 얻는 데 있어서 중심적 역할을 완수하고 있는 것이 판명되었다. 다음으로 이점에 대하여 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 나타내고 있으며, 이들 도 6a 및 도 6b에는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도가 미리 정해진 범위 내의 진폭 및 미리 정해진 범위 내의 주기로써 진동될 때 발생하리라 추측되는 반응이 도시되어 있다.
도 6a는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도가 낮을 때를 나타내고 있으며, 도 6b는 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 탄화수소가 공급되어 배기 정화 촉매(13)로의 유입 배기가스의 공연비 (A/F)in이 농후로 되었을 때, 즉 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 배기가스의 공연비는 순간을 제외하고 희박으로 유지되고 있으므로 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스는 통상 산소 과잉의 상태에 있다. 이때 배기가스 내에 함유되는 NO의 일부는 배기 정화 촉매(13) 상에 부착되고, 배기가스 내에 함유되는 NO의 일부는 도 6a에 도시된 바와 같이 백금(51) 상에서 산화되어 NO2로 되고, 계속해서 이 NO2는 다시 산화되어 NO3으로 된다. 또한, NO2의 일부는 NO2 -로 된다. 따라서 백금(Pt: 51) 상에는 NO2 -와 NO3이 생성되게 된다. 배기 정화 촉매(13) 상에 부착되어 있는 NO 및 백금(Pt: 51) 상에서 생성된 NO2 -와 NO3은 활성이 강하며, 따라서 이하 이들 NO, NO2 - 및 NO3을 활성 NOx *라 칭한다.
한편, 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 탄화수소가 공급되어 배기 정화 촉매(13)로의 유입 배기가스의 공연비 (A/F)in이 농후로 되면 이 탄화수소는 배기 정화 촉매(13)의 전체에 걸쳐서 순차적으로 부착된다. 이들 부착된 탄화수소의 대부분은 순차적으로 산소와 반응하여 연소되고, 부착된 탄화수소의 일부는 순차적으로, 도 3에 도시된 바와 같이 배기 정화 촉매(13) 내에서 개질되어, 라디칼로 된다. 따라서, 도 6b에 도시된 바와 같이 활성 NOx * 주변의 탄화수소 농도가 높아지게 된다. 그런데 활성 NOx *가 생성된 후, 활성 NOx * 주변의 산소 농도가 높은 상태가 일정 시간 이상 계속되면 활성 NOx *는 산화되고, 질산이온(NO3 -)의 형태로 염기성 층(53) 내에 흡수된다. 그러나 이 일정 시간이 경과하기 전에 활성 NOx * 주변의 탄화수소 농도가 높아지면 도 6b에 도시된 바와 같이 활성 NOx *는 백금(51) 상에서 라디칼 형상의 탄화수소 HC와 반응하고, 그것에 의해 환원성 중간체가 생성된다. 이 환원성 중간체는 염기성 층(53)의 표면 위에 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)이 되지만 이 니트릴 화합물(R-CN)은 그 상태에서는 일시적으로만 존속될 수 있으므로 즉시 이소시아네이트 화합물(R-NCO)로 된다. 이 이소시아네이트 화합물(R-NCO)은 가수분해되면 아민 화합물(R-NH2)로 된다. 단 이 경우, 가수분해되는 것은 이소시아네이트 화합물(R-NCO)의 일부라고 생각된다. 따라서 도 6b에 도시된 바와 같이 염기성 층(53)의 표면 위에 유지 또는 흡착되어 있는 환원성 중간체의 대부분은 이소시아네이트 화합물(R-NCO) 및 아민 화합물(R-NH2)이라고 생각된다.
한편, 도 6b에 도시된 바와 같이 생성된 환원성 중간체의 주변에 탄화수소 HC가 부착되어 있을 때에는 환원성 중간체는 탄화수소 HC에 차단되어 그 이상 반응이 진행되지 않는다. 이 경우, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도가 저하되고, 계속해서 환원성 중간체의 주변에 부착되어 있는 탄화수소가 산화되어 소멸되고, 그것에 의해 환원성 중간체 주변의 산소 농도가 높아지게 되면, 환원성 중간체는 배기가스 내의 NOx나 활성 NOx *와 반응하거나, 주위의 산소와 반응하거나, 혹은 자기 분해한다. 그것에 의해 환원성 중간체(R-NCO 및 R-NH2)는 도 6a에 도시된 바와 같이 N2, CO2, H2O로 변환되고, 이렇게 해서 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 저하시킨 후, 산소 농도가 높아질 때 환원성 중간체가 배기가스 내의 NOx 또는 활성 NOx * 또는 산소와 반응하거나, 혹은 자기 분해하고, 그것에 의해 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 생성하는 데 충분히 높은 농도까지 탄화수소의 농도를 높일 필요가 있고, 생성된 환원성 중간체를 배기가스 내의 NOx나 활성 NOx * 또는 산소와 반응시키거나, 혹은 자기 분해시키는 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 중간체(R-NCO 및 R-NH2)가 배기가스 내의 NOx나 활성 NOx * 또는 산소와 반응할 때까지, 혹은 자기 분해될 때까지 이들 환원성 중간체를 염기성 층(53) 상에 즉 염기성 배기가스 유통 표면 부분(54) 상에 유지해두어야만 하고, 그로 인해 염기성의 배기가스 유통 표면 부분(54)이 설치되어 있다.
한편, 탄화수소의 공급 주기를 길게 하면 탄화수소가 공급된 후, 다음에 탄화수소가 공급될 때까지의 동안에 산소 농도가 높아지는 기간이 길어지게 되어, 따라서 활성 NOx *는 환원성 중간체를 생성하지 않고 질산염의 형태로 염기성 층(53) 내에 흡수되게 된다. 이를 회피하기 위해서는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 미리 정해진 범위 내의 주기로써 진동시키는 것이 필요해진다.
따라서 본 발명에 의한 실시예에서는, 배기가스 내에 함유된 NOx와 개질된 탄화수소를 반응시켜 질소 및 탄화수소를 포함하는 환원성 중간체(R-NCO 및 R-NH2)를 생성하기 위해 배기 정화 촉매(13)의 배기가스 유통 표면 위에는 귀금속 촉매(51)가 담지되어 있으며, 생성된 환원성 중간체(R-NCO 및 R-NH2)를 배기 정화 촉매(13) 내에 유지해 두기 위해서 귀금속 촉매(51) 주변에는 염기성의 배기가스 유통 표면 부분(54)이 형성되어 있으며, 염기성의 배기가스 유통 표면 부분(54) 위에 유지된 환원성 중간체(R-NCO 및 R-NH2)는 N2, CO2, H2O로 변환되고, 탄화수소 농도의 진동 주기는 환원성 중간체(R-NCO 및 R-NH2)를 계속해서 생성하는 데 필요한 진동 주기로 된다. 부수적으로, 도 4에 도시된 예에서는 분사 간격이 3초로 되어 있다.
탄화수소 농도의 진동 주기, 즉 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소 HC의 분사 주기를 전술한 미리 정해진 범위 내의 주기보다도 길게 하면 염기성 층(53)의 표면 위로부터 환원성 중간체(R-NCO 및 R-NH2)가 소멸하고, 이때 백금(Pt: 51) 상에서 생성된 활성 NOx *는 도 7a에 도시된 바와 같이 질산이온(NO3 -)의 형태로 염기성 층(53) 내로 확산하여 질산염으로 된다. 즉, 이때에는 배기가스 내의 NOx는 질산염의 형태로 염기성 층(53) 내에 흡수되게 된다.
한편, 도 7b는 이와 같이 NOx가 질산염의 형태로 염기성 층(53) 내에 흡수되고 있을 때 배기 정화 촉매(13) 내에 유입되는 배기가스의 공연비가 이론 공연비 또는 농후로 된 경우를 나타내고 있다. 이 경우에는 배기가스 내의 산소 농도가 저하되기 때문에 반응이 역방향(NO3 -→NO2)으로 진행하고, 이렇게 해서 염기성 층(53) 내에 흡수된 질산염은 순차적으로 질산이온(NO3 -)으로 되어 도 7b에 도시된 바와 같이 NO2의 형태로 염기성 층(53)으로부터 방출된다. 계속해서 방출된 NO2는 배기가스 내에 함유된 탄화수소(HC) 및 CO에 의해 환원된다.
도 8은 염기성 층(53)의 NOx 흡수 능력이 포화되기 바로 전에 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스의 공연비 (A/F)in을 일시적으로 농후로 하도록 한 경우를 나타내고 있다. 또한, 도 8에 도시한 예에서는 이 농후 제어의 시간 간격은 1분 이상이다. 이 경우에는 배기가스의 공연비 (A/F)in이 희박일 때 염기성 층(53) 내에 흡수된 NOx는, 배기가스의 공연비 (A/F)in이 일시적으로 농후로 될 때 염기성 층(53)으로부터 한 번에 방출되어 환원된다. 따라서 이 경우에는 염기성 층(53)은 NOx를 일시적으로 흡수하기 위한 흡수제 역할을 다하고 있다.
또한, 이때 염기성 층(53)이 NOx를 일시적으로 흡착하는 경우도 있으며, 따라서 '흡수' 및 '흡착'의 양쪽을 포함하는 용어로서 '흡장'이라는 용어를 사용하면 이때 염기성 층(53)은 NOx를 일시적으로 흡장하기 위한 NOx 흡장제의 역할을 완수하고 있게 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 배기가스의 공연비라고 칭해지면, 배기 정화 촉매(13)는 배기가스의 공연비가 희박일 때에는 NOx를 흡장하고, 배기가스 내의 산소 농도가 저하되면 흡장한 NOx를 방출하는 NOx 흡장 촉매로서 기능하고 있다.
도 9의 실선은, 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 이와 같이 NOx 흡장 촉매로서 기능시킨 경우에는 도 9에 있어서 실선으로 나타내도록 촉매 온도 TC가 300℃ 내지 400℃일 때에는 극히 높은 NOx 정화율이 얻어지지만 촉매 온도 TC가 400℃ 이상의 고온이 되면 NOx 정화율이 저하된다. 또한, 도 9에는, 도 5에 도시된 NOx 정화율이 파선으로 도시되어 있다.
이와 같이 촉매 온도 TC가 400℃ 이상이 되면 NOx 정화율이 저하되는 것은, 촉매 온도 TC가 400℃ 이상이 되면 질산염이 열 분해하여 NO2의 형태로 배기 정화 촉매(13)로부터 방출되기 때문이다. 즉, NOx를 질산염의 형태로 흡장하고 있는 한, 촉매 온도 TC가 높을 때 높은 NOx 정화율을 얻는 것은 곤란하다. 그러나 도 4 내지 도 6b에 도시된 새로운 NOx 정화 방법에서는 도 6a, 도 6b로부터 알 수 있는 바와 같이 질산염은 생성되지 않거나 혹은 생성되어도 극히 미량이며, 이렇게 해서 도 5에 도시된 바와 같이 촉매 온도 TC가 높을 때라도 높은 NOx 정화율이 얻어지게 된다.
본 발명에 의한 실시예에서는, 이 새로운 NOx 정화 방법을 이용하여 NOx를 정화할 수 있도록, 탄화수소를 공급하기 위한 탄화수소 공급 밸브(15)를 기관 배기 통로 내에 배치하고, 탄화수소 공급 밸브(15) 하류의 기관 배기 통로 내에 배기 정화 촉매(13)를 배치하고, 배기 정화 촉매(13)의 배기가스 유통 표면 위에는 귀금속 촉매(51)가 담지되어 있음과 함께 귀금속 촉매(51) 주변에는 염기성의 배기가스 유통 표면 부분(54)이 형성되어 있고, 배기 정화 촉매(13)는, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 미리 정해진 범위 내의 진폭 및 미리 정해진 범위 내의 주기로써 진동시키면 배기가스 내에 포함되는 NOx를 환원하는 성질을 가짐과 함께, 탄화수소 농도의 진동 주기를 이 미리 정해진 범위보다도 길게 하면 배기가스 내에 함유된 NOx의 흡장량이 증대되는 성질을 갖고 있으며, 기관 운전 시에 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 미리 정해진 주기로써 탄화수소를 분사하고, 그것에 의해 배기가스 내에 포함되는 NOx를 배기 정화 촉매(13)에 있어서 환원하도록 하고 있다.
즉, 도 4 내지 도 6b에 도시된 NOx 정화 방법은, 귀금속 촉매를 담지하고 또한 NOx를 흡수할 수 있는 염기성 층을 형성한 배기 정화 촉매를 사용한 경우에 있어서, 거의 질산염을 형성하지 않고 NOx를 정화하도록 한 새로운 NOx 정화 방법이라 할 수 있다. 실제로, 이 새로운 NOx 정화 방법을 이용한 경우에는 배기 정화 촉매(13)를 NOx 흡장 촉매로서 기능시킨 경우에 비하여, 염기성 층(53)으로부터 검출되는 질산염은 극히 미량이다. 또한, 이 새로운 NOx 정화 방법을 이하, 제1 NOx 정화 방법이라고 칭한다.
그런데, 전술한 바와 같이, 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소의 분사 주기 ΔT가 길어지면 탄화수소가 분사된 후, 다음으로 탄화수소가 분사되는 사이에 있어서, 활성 NOx * 주변의 산소 농도가 높아지는 기간이 길어진다. 이 경우, 도 1에 도시된 실시예에서는, 탄화수소의 분사 주기 ΔT가 5초 정도보다도 길어지면 활성 NOx *가 질산염의 형태로 염기성 층(53) 내에 흡수되기 시작하고, 따라서 도 10에 도시된 바와 같이 탄화수소 농도의 진동 주기 ΔT가 5초 정도보다도 길어지면 NOx 정화율이 저하되게 된다. 따라서 도 1에 도시된 실시예에서는, 탄화수소의 분사 주기 ΔT는 5초 이하로 할 필요가 있다.
한편, 본 발명에 의한 실시예에서는, 탄화수소의 분사 주기 ΔT가 거의 0.3초 이하로 되면 분사된 탄화수소가 배기 정화 촉매(13)의 배기가스 유통 표면 위에 퇴적하기 시작하고, 따라서 도 10에 도시된 바와 같이 탄화수소의 분사 주기 ΔT가 거의 0.3초 이하로 되면 NOx 정화율이 저하된다. 따라서, 본 발명에 의한 실시예에서는, 탄화수소의 분사 주기가 0.3초 내지 5초 사이로 되어 있다.
그런데, 본 발명에 의한 실시예에서는, 탄화수소 공급 밸브(15)로부터의 탄화수소 분사량 및 분사 시기를 변화시킴으로써 배기 정화 촉매(13)로의 유입 배기가스의 공연비 (A/F)in 및 분사 주기 ΔT가 기관의 운전 상태에 따른 최적값이 되도록 제어된다. 이 경우, 본 발명에 의한 실시예에서는, 제1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용이 행해지고 있을 때의 최적의 탄화수소 분사량 W가, 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 11에 도시한 바와 같은 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있으며, 또한 이때의 최적의 탄화수소의 분사 주기 ΔT도 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
다음으로 도 12 내지 도 15를 참조하면서 배기 정화 촉매(13)를 NOx 흡장 촉매로서 기능시킨 경우의 NOx 정화 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 이와 같이 배기 정화 촉매(13)를 NOx 흡장 촉매로서 기능시킨 경우의 NOx 정화 방법을 이하, 제2 NOx 정화 방법이라고 칭한다.
이 제2 NOx 정화 방법에서는 도 12에 도시된 바와 같이 염기성 층(53)에 흡장된 흡장 NOx량 ΣNOX가 미리 정해진 허용량 MAX를 초과했을 때 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스의 공연비 (A/F)in이 일시적으로 농후가 된다. 배기가스의 공연비 (A/F)in이 농후가 되면, 배기가스의 공연비 (A/F)in이 희박일 때 염기성 층(53) 내에 흡장된 NOx가 염기성 층(53)으로부터 한 번에 방출되어 환원된다. 그것에 의해 NOx가 정화된다.
흡장 NOx량 ΣNOX는 예를 들어 기관으로부터 배출되는 NOx량으로부터 산출된다. 본 발명에 의한 실시예에서는 기관으로부터 단위 시간당 배출되는 배출 NOx량 NOXA가 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 13에 도시한 바와 같은 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있으며, 이 배출 NOx량 NOXA로부터 흡장 NOx량 ΣNOX가 산출된다. 이 경우, 전술한 바와 같이 배기가스의 공연비 (A/F)in이 농후로 되는 주기는 통상 1분 이상이다.
이 제2 NOx 정화 방법에서는 도 14에 도시된 바와 같이 연소실(2) 내에 연료 분사 밸브(3)로부터 연소용 연료 즉 주 연료 Qm에 더하여, 추가의 연료 Qa를 분사함으로써 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스의 공연비 (A/F)in이 농후로 된다. 또한, 도 14의 횡축은 크랭크각을 나타내고 있다. 이 추가의 연료 Qa는 예를 들어 압축 상사점 후 ATDC 90°의 바로 앞에서 분사된다. 이 추가의 연료량 Qa는 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 15에 도시한 바와 같은 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
본 발명에 의한 실시예에서는 제1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용과 제2 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용이 선택적으로 행해진다. 제1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용과 제2 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용 중 어느 것을 행할지는 예를 들어 다음과 같이 하여 결정된다. 즉, 제1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용이 행해졌을 때의 NOx 정화율은 도 5에 도시된 바와 같이 배기 정화 촉매(13)의 온도 TC가 한계 온도 TX 이하로 되면 급속하게 저하되기 시작한다. 이에 반하여, 도 9에 도시된 바와 같이 제2 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용이 행해졌을 때의 NOx 정화율은 배기 정화 촉매(13)의 온도 TC가 저하되었을 때 비교적 천천히 저하된다. 따라서 본 발명에 의한 실시예에서는 배기 정화 촉매(13)의 온도 TC가 한계 온도 TX보다도 높을 때에는 제1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용이 행해지고, 배기 정화 촉매(13)의 온도 TC가 한계 온도 TX보다도 낮을 때에는 제2 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용이 행해진다.
그런데, 연소실(2) 내에 공급되는 총 가스량 G에 대한 고압측 EGR 통로(16H)로부터 연소실(2)에 공급되는 EGR 가스량 GeH의 비를 고압측 EGR율 REGRH(=GeH/G)라고 칭하면, 본 발명에 의한 실시예에서는 실제의 고압측 EGR율 REGRH가 산출되고, 실제의 고압측 EGR율 REGRH가 목표 고압측 EGR율 REGRHT에 일치하도록 고압측 EGR 제어 밸브(17H)의 개방도 VEGRH가 제어된다. 또한, 연소실(2) 내에 공급되는 총 가스량 G에 대한 저압측 EGR 통로(16L)로부터 연소실(2)에 공급되는 EGR 가스량 GeL의 비를 저압측 EGR율 REGRL(=GeL/G)이라고 칭하면, 본 발명에 의한 실시예에서는 실제의 저압측 EGR율 REGRL이 산출되고, 실제의 저압측 EGR율 REGRL이 목표 저압측 EGR율 REGRLT에 일치하도록 저압측 EGR 제어 밸브(17L)의 개방도 VEGRL 및 배기 스로틀 밸브(29)의 개방도가 제어된다.
연소실(2) 내에 공급되는 총 가스량 G는 압력 센서(4p)에 의해 검출되는 흡기압에 기초하여 산출된다. 고압측 EGR 통로(16H)로부터의 EGR 가스량 GeH는 압력 센서(4p)에 의해 검출되는 흡기압, 압력 센서(5p)에 의해 검출되는 배기압 및 고압측 EGR 제어 밸브(17H)의 개방도에 기초하여 산출된다. 저압측 EGR 제어 밸브(16L)로부터의 EGR 가스량 GeL은 압력 센서(8p)에 의해 검출되는 압력, 압력 센서(17p)에 의해 검출되는 압력 및 저압측 EGR 제어 밸브(17L)의 개방도에 기초하여 산출된다. 따라서, 고압측 EGR율 REGRH 및 저압측 EGR율 REGRL이 산출된다. 또한, 연소실(2) 내에 공급되는 총 EGR 가스량 Ge는 GeH+GeL로 표현되므로, 연소실(2) 내에 공급되는 총 가스량에 대한 연소실(2) 내에 공급되는 총 EGR 가스량의 비인 EGR율 REGR은 Ge/G로 표현된다.
그런데, 본 발명에 의한 실시예에서는 전술한 바와 같이, 제2 NOx 정화 방법에 있어서 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스의 공연비 (A/F)in을 농후로 하기 위해서, 연소실(2)로부터 배출되는 배기가스의 공연비를 일시적으로 저하시키는 농후 제어가 행해진다. 이 경우, 연소실(2) 내에 추가의 연료 Qa를 분사함으로써, 농후 제어가 행해진다. 또한, 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 탄화수소가 공급되지 않은 경우에는, 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스의 공연비 (A/F)in은 연소실(2)로부터 배출되는 배기가스의 공연비에 일치한다.
도 16은 농후 제어가 개시될 때의 타임차트를 나타내고 있으며, 도 16에 있어서 시간 ta1은 농후 제어를 개시할 신호가 발해진 타이밍을 나타내고 있다.
시간 ta1보다도 전, 즉 농후 제어가 행해지지 않은 통상 제어 시에는, 목표 저압측 EGR율 REGRLT 및 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 각각 베이스 저압측 EGR율 REGRLB 및 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로 설정된다. 즉, 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL이 실제의 저압측 EGR율 REGRL을 베이스 저압측 EGR율 REGRLB로 하는 데 필요한 베이스 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRLB로 되고, 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 실제의 고압측 EGR율 REGRH를 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로 하는 데 필요한 베이스 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHB로 된다. 그 결과, 저압측 EGR율 REGRL 및 고압측 EGR율 REGRH가 각각 베이스 저압측 EGR율 REGRLB 및 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로 된다. 베이스 저압측 EGR율 REGRLB 및 베이스 고압측 EGR율 REGRHB는 각각 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 17 및 도 18에 도시된 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
또한, 스로틀 개방도 VTH가 베이스 스로틀 개방도 VTHB로 설정된다. 그 결과, 흡입 공기량 Ga가 베이스 스로틀 개방도 VTHB에 따라서 정해지는 베이스 흡입 공기량 GaB로 된다. 베이스 스로틀 개방도 VTHB는 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 19에 도시된 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
또한, 추가의 연료량 Qa가 제로로 설정된다. 즉, 추가의 연료 Qa는 분사되지 않는다. 그 결과, 배기가스의 공연비 (A/F)in은 이론 공연비 AFS보다도 희박의 베이스 공연비 AFB로 된다.
또한, 주 연료 Qm이 베이스 주 연료량 QmB로 설정된다. 베이스 주 연료량 QmB는 요구 출력을 발생시키는 데 필요한 연료량이다. 베이스 주 연료량 QmB는 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 20에 도시된 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
또한, 주 연료의 분사 시기 θm이 베이스 분사 시기 θmB로 설정된다. 베이스 분사 시기 θmB는 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 21에 도시된 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
이 경우, 흡기압 Pin은 베이스 흡기압 PinB로 되고, 배기압 Pex는 베이스 배기압 PexB로 된다. 따라서, 배기압 Pex와 흡기압 Pin의 차에 의해 표현되는 펌프 손실 PL(=Pex-Pin)은 베이스 펌프 손실 PLB(=PexB-PinB)로 된다. 또한, 흡기압 Pin 및 배기압 Pex가 스로틀 개방도 VTH, 저압측 EGR율 REGRL 및 고압측 EGR율 REGRH에 따라서 정해지는 것을 생각하면, 베이스 펌프 손실 PLB는 베이스 스로틀 개방도 VTHB, 베이스 저압측 EGR율 REGRLB 및 베이스 고압측 EGR율 REGRHB에 따라서 정해지게 된다.
한편, 압축단 온도 TCE는 베이스 압축단 온도 TCEB로 된다. 또한, 압축단 온도 TCE가 통내 가스량에 따라서 정해지고, 통내 가스량이 스로틀 개방도 VTH, 저압측 EGR율 REGRL 및 고압측 EGR율 REGRH에 따라서 정해지는 것을 생각하면, 베이스 압축단 온도 TCEB는 베이스 스로틀 개방도 VTHB, 베이스 저압측 EGR율 REGRLB 및 베이스 고압측 EGR율 REGRHB에 따라서 정해지게 된다.
시간 ta1에 있어서 농후 제어를 개시할 신호가 발해지면, 우선 목표 저압측 EGR율 REGRLT가 베이스 저압측 EGR율 REGRLB로부터 베이스 저압측 EGR율 REGRLB와는 상이한 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되고, 그것에 의해 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL이 베이스 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRLB로부터 농후 제어용 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRLR로 전환된다. 도 16에 도시된 실시예에서는 목표 저압측 EGR율 REGRLT가 제로까지 작아지게 되고, 따라서 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL이 제로까지 작아지게 된다. 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR은 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 22에 도시된 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
한편, 이때 목표 고압측 EGR율 REGRHT는 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로 유지되고, 그것에 의해 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH는 베이스 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHB로 유지된다. 따라서, 고압측 EGR율 REGRH는 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로 유지된다.
또한, 스로틀 개방도 VTH도 베이스 스로틀 개방도 VTHB로 유지된다. 따라서, 흡입 공기량 Ga는 베이스 흡입 공기량 GaB로 유지된다.
또한, 추가의 연료량 Qa는 제로로 유지된다. 즉, 추가의 연료 Qa의 분사는 아직 개시되지 않는다.
그 결과, EGR 가스량이 감소하므로, 흡기압 Pin이 베이스 흡기압 PinB로부터 저하된다. 또한, EGR 가스량이 감소하므로 배기가스 온도가 상승하고, 따라서 배기압 Pex가 베이스 배기압 PexB로부터 상승한다. 따라서, 펌프 손실 PL이 베이스 펌프 손실 PLB로부터 커지게 된다. 그 결과, 농후 제어의 개시 시에 기관 출력이 일시적으로 저하되고, 기관 출력 변동이 커질 우려가 있다. 따라서 도 16에 도시된 예에서는, 주 연료량 Qm이 베이스 주 연료량 QmB에 대하여 증량분 dQm만큼 증대된다. 그 결과, 농후 제어의 개시 시에 기관 출력 변동이 커지게 되는 것이 저지된다.
증량분 dQm은 베이스 펌프 손실 PLB에 대한 펌프 손실 PL의 편차 dPL(=PL-PLB)에 기초하여 설정된다. 구체적으로는, 편차 dPL이 작아짐에 따라서 적어지도록 증량분 dQm은 설정된다. 증량분 dQm은 도 27에 도시된 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
그 결과, 도 16에 도시된 바와 같이, 배기가스의 공연비 (A/F)in은 주 연료 Qm의 증량분 dQm의 분만큼 저하된다.
또한, 통내 가스량이 감소하므로, 압축단 온도 TCE가 베이스 압축단 온도 TCEB로부터 저하된다. 그 결과, 주 연료 Qm의 연소 시기가 느려진다. 이로 인해, 농후 제어의 개시 시에 기관 출력이 일시적으로 저하되고, 기관 출력 변동이 커질 우려가 있다. 따라서, 도 16에 도시된 예에서는, 주 연료 분사 시기 θm은 베이스 주 연료 분사 시기 θmB로부터 농후 제어용 분사 시기 θmR로 전환된다. 도 16에 도시된 예에서는 주 연료의 분사 시기 θm이 진각(進角)된다. 그 결과, 주 연료 Qm의 연소 시기가 빨라져서, 농후 제어의 종료 직후에 기관 출력 변동이 커지는 것이 저지된다. 농후 제어용 분사 시기 θmR은 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 26에 도시된 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
또한, 도 16에 도시된 예에서는 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR이 제로에 설정된다. 즉, 농후 제어 중에 저압측 EGR 통로(16L)로부터의 EGR 가스 공급이 정지된다. 다른 실시예에서는, 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR이 제로보다도 크게 설정되고, 농후 제어중에 저압측 EGR 통로(16L)로부터 EGR 가스가 공급된다.
계속해서, 시간 ta2에 있어서, 저압측 EGR율 REGRL이 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되면, 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로부터 베이스 고압측 EGR율 REGRHB와는 상이한 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환되고, 그것에 의해 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 베이스 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHB로부터 농후 제어용 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHR로 전환된다. 농후 제어용 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHR은 고압측 EGR율 REGRH를 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 하는 데 필요한 고압측 EGR 제어 밸브 개방도이다. 도 16에 도시된 예에서는 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 작아지게 되어, 따라서 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 작아진다. 그 결과, 고압측 EGR율 REGRH가 저하된다. 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR은 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 23에 도시된 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
그 결과, 펌프 손실 PL이 더 증대되므로, 주 연료 Qm의 증량분 dQm이 더욱 증대된다. 또한, 배기가스의 공연비 (A/F)in이 더욱 저하된다. 또한, 스로틀 개방도 VTH는 여전히 베이스 스로틀 개방도 VTHB로 유지되고 있으며, 추가의 연료 Qa의 분사는 정지되었다.
저압측 EGR 통로(16L)로부터의 EGR 가스량과 고압측 EGR 통로(16H)로부터의 EGR 가스량을 동시에 감소시키면, 통내 가스가 대폭 감소하고, 압축단 온도 TCE가 대폭 저하된다. 그 결과, 실화 발생의 리스크가 높아지게 되어 버린다. 한편, 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL을 저하하고 나서 연소실(2) 내에 공급되는 EGR 가스량이 감소할 때까지 요하는 시간은 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH를 저하되고 나서 연소실(2) 내에 공급되는 EGR 가스량이 감소할 때까지 요하는 시간보다도 길다. 따라서 도 16에 도시된 실시예에서는, 우선 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL이 저하되고, 계속해서 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 저하된다.
또한, 도 16에 도시된 예에서는 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR이 제로보다도 크게 설정된다. 즉, 농후 제어 중에 저압측 EGR 통로(16L)로부터 EGR 가스가 공급된다. 다른 실시예에서는, 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR이 제로로 설정되고, 농후 제어 중에 고압측 EGR 통로(16H)로부터의 EGR 가스 공급이 정지된다.
계속해서, 시간 ta3에 있어서, 고압측 EGR율 REGRH가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환되면, 즉 저압측 EGR율 REGRL 및 고압측 EGR율 REGRH의 양쪽이 각각 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR 및 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환되면, 스로틀 개방도 VTH가 베이스 스로틀 개방도 VTHB로부터 베이스 스로틀 개방도 VTHB보다도 작은 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR로 전환된다. 그 결과, 흡입 공기량 Ga가 농후 제어용 흡입 공기량 GaR까지 감소한다. 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR은 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 24에 도시된 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다.
EGR 가스량과 흡입 공기량 Ga를 동시에 감소시키면, 통내 가스 내에 있어서의 산소 농도가 대폭 감소할 우려가 있다. 그 결과, 실화 발생의 리스크가 높아지게 되어 버린다. 따라서 도 16에 도시된 실시예에서는, 우선 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL 및 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 저하되고, 계속해서 스로틀 개방도 VTH가 저하된다.
계속해서, 시간 ta4에 있어서, 흡입 공기량 Ga가 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR에 따라서 정해지는 농후 제어용 흡입 공기량 GaR로 전환되면, 추가의 연료 Qa의 분사가 개시된다. 이 경우, 흡입 공기량 Ga가 감소되고 EGR율이 저하된 상태에서 추가의 연료 Qa가 분사되므로, 배기가스의 공연비 (A/F)in을 농후로 하는 데 필요한 추가의 연료 Qa를 적게 할 수 있다.
또한, 주 연료량 Qm이 농후 제어용 주 연료량 QmR로 전환된다. 도 16에 도시된 예에서는, 추가의 연료 Qa의 일부가 연소실(2) 내로 연소함으로써 근소한 기관 출력이 발생한다. 따라서, 실제의 기관 출력이 요구 출력에 일치하도록, 농후 제어용 주 연료량 QmR은 베이스 주 연료량 QmB에 비하여 근소하게 감량된다. 농후 제어용 주 연료량 QmR은 액셀러레이터 페달(40)의 답입량 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 도 25에 도시된 맵의 형태로 미리 ROM(32) 내에 기억되어 있다. 또한, 주 연료량 Qm이 농후 제어용 주 연료량 QmR로 전환되면, 증량분 dQm에 의한 주 연료 Qm의 증량이 정지된다.
그 결과, 배기가스의 공연비 (A/F)in이 대폭 저하된다. 도 16에 도시된 예에서는 배기가스의 공연비 (A/F)in이 이론 공연비 AFS보다도 농후로 된다.
도 28은 농후 제어가 종료될 때의 타임차트를 나타내고 있다.
시간 tb1에 있어서 농후 제어를 종료할 신호가 발해지면, 목표 저압측 EGR율 REGRLT 및 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 각각 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR 및 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로부터 베이스 저압측 EGR율 REGRLB 및 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로 복귀되고, 그것에 의해 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL 및 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 각각 농후 제어용 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRLR 및 농후 제어용 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHR로부터 베이스 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRLB 및 베이스 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHB로 복귀된다. 그 결과, 저압측 EGR율 REGRL 및 고압측 EGR율 REGRH가 상승하고, 각각 베이스 저압측 EGR율 REGRLB 및 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로 복귀된다.
또한, 스로틀 개방도 VTH가 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR로부터 베이스 스로틀 개방도 VTHB로 복귀된다. 그 결과, 흡입 공기량 Ga가 증대되고, 베이스 흡입 공기량 GaB로 복귀된다.
또한, 추가의 연료량 Qa가 제로로 된다. 즉, 추가의 연료 Qa의 분사가 정지된다.
또한, 주 연료량 Qm이 농후 제어용 주 연료량 QmR로부터 베이스 주 연료량 QmB로 복귀된다. 또한, 주 연료 분사 시기 θm이 농후 제어용 주 연료 분사 시기 θmR로부터 베이스 주 연료 분사 시기 θmB로 복귀된다. 그 결과, 배기가스의 공연비 (A/F)in이 베이스 공연비 AFB로 복귀된다.
그 결과, 흡기압 Pin이 상승하고, 베이스 흡기압 PinB로 복귀된다. 또한, 배기압 Pex가 저하되고, 베이스 배기압 PexB로 복귀된다. 따라서, 펌프 손실 PL이 감소하고, 베이스 펌프 손실 PLB로 복귀된다. 또한, 압축단 온도 TCE가 상승하고, 베이스 압축단 온도 TCEB로 복귀된다.
이와 같이 하여 농후 제어가 종료되고, 통상 제어가 개시된다.
도 29는 본 발명에 의한 실시예의 NOx 정화 제어를 실행하기 위한 루틴을 나타내고 있다. 이 루틴은 일정 시간마다의 인터럽트에 의해 실행된다.
도 29를 참조하면 우선 처음에 스텝 100에 있어서, 제1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용과 제2 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용 중 어느 것을 행할지가 결정된다. 계속해서 스텝 101에서는 제1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용을 행해야 할 것인지 여부가 판별된다. 제1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용을 행해야 할 때에는 스텝 102로 진행하여 제1 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용이 행해진다. 즉, 탄화수소 공급 밸브(15)로부터는 도 11에 도시된 분사량 W의 탄화수소가 기관의 운전 상태에 따라서 미리 정해져 있는 분사 주기 ΔT로써 분사된다.
스텝 101에 있어서 제2 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용을 실행해야 할 때에는 스텝 103으로 진행하여 제2 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용을 실행하는 루틴이 실행된다. 이 루틴은 도 30에 도시되어 있다.
도 30은 제2 NOx 정화 방법에 의한 NOx 정화 작용을 실행하는 루틴을 나타내고 있다. 이 루틴은 도 29의 스텝 103에서 실행된다.
도 30을 참조하면 우선 처음에 스텝 200에서는 도 13에 도시한 맵으로부터 단위 시간당 배출 NOx량 NOXA가 산출된다. 계속되는 스텝 201에서는 배출 NOx량 NOXA를 적산함으로써 흡장 NOx량 ΣNOX가 산출된다(ΣNOX=ΣNOX+NOXA). 계속해서 스텝 202에서는 흡장 NOx량 ΣNOX가 허용값 MAX를 초과하였는지 여부가 판별된다. ΣNOX≤MAX일 때에는 처리 사이클을 종료한다.
ΣNOX>MAX가 되면 스텝 202로부터 스텝 203으로 진행하고, 농후 제어를 실행하는 루틴이 실행된다. 이 루틴은 도 31 및 도 32에 도시되어 있다. 계속되는 스텝 204에서는 흡장 NOx량 ΣNOX가 클리어된다.
도 31 및 도 32는 농후 제어를 실행하는 루틴을 나타내고 있다. 이 루틴은 도 30의 스텝 203에서 실행된다.
도 31 및 도 32를 참조하면 우선 처음에 스텝 300에서는 플래그 X가 세트되어 있는지 여부가 판별된다. 이 플래그 X는 추가의 연료 Qa의 분사를 행해야 할 때 세트되고(X=1), 그 이외에는 리셋되는(X=0) 것이다. 플래그 X1이 리셋되어 있을 때에는 스텝 300으로부터 스텝 301로 진행한다. 스텝 301에서는 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR이 도 22의 맵으로부터 산출되고, 목표 저압측 EGR율 REGRLT가 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 설정된다. 계속되는 스텝 302에서는 저압측 EGR율 REGRL이 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되었는지 여부가 판별된다. 저압측 EGR율 REGRL이 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되지 않았을 때에는 스텝 302로부터 스텝 303으로 진행한다. 스텝 303에서는 베이스 고압측 EGR율 REGRHB가 도 18의 맵으로부터 산출되고, 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로 설정된다. 계속되는 스텝 304에서는 베이스 스로틀 개방도 VTHB가 도 19의 맵으로부터 산출되고, 스로틀 개방도 VTH가 베이스 스로틀 개방도 VTHB로 설정된다. 계속되는 스텝 305에서는 도 20의 맵으로부터 베이스 주 연료량 QmB가 산출되고, 도 27의 맵으로부터 증량분 dQm이 산출되고, 주 연료량 Qm이 산출된다(Qm=QmB+dQm). 계속해서 스텝 313으로 점프한다.
저압측 EGR율 REGRL이 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되면, 스텝 302로부터 스텝 306으로 진행한다. 스텝 306에서는 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR이 도 23의 맵으로부터 산출되고, 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 설정된다. 계속되는 스텝 307에서는 고압측 EGR율 REGRH가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환된 것인지 여부가 판별된다. 고압측 EGR율 REGRH가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환되지 않았을 때에는 스텝 307로부터 스텝 304로 진행한다. 고압측 EGR율 REGRH가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환되었을 때에는 스텝 307로부터 스텝 308로 진행한다. 스텝 308에서는 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR이 도 24의 맵으로부터 산출되고, 스로틀 개방도 VTH가 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR로 설정된다.
계속되는 스텝 309에서는 흡입 공기량 Ga가 농후 제어용 흡입 공기량 GaR로 전환된 것인지 여부가 판별된다. 흡입 공기량 Ga가 농후 제어용 흡입 공기량 GaR로 전환되지 않았을 때에는 스텝 309로부터 스텝 305로 진행한다. 흡입 공기량 Ga가 농후 제어용 흡입 공기량 GaR로 전환되었을 때에는 스텝 309로부터 스텝 310으로 진행한다. 스텝 310에서는 추가의 연료 Qa의 분사가 행해진다. 계속되는 스텝 311에서는 농후 제어용 주 연료량 QmR이 도 25의 맵으로부터 산출되고, 주 연료량 Qm이 농후 제어용 주 연료량 QmR로 설정된다. 계속되는 스텝 312에서는 플래그 X가 세트된다(X=1). 계속해서 스텝 313으로 진행한다.
스텝 313에서는 농후 제어용 주 연료 분사 시기 θmR이 도 26의 맵으로부터 산출되고, 주 연료 분사 시기 θm이 농후 제어용 주 연료 분사 시기 θmR로 설정된다.
계속되는 스텝 314에서는 농후 제어를 종료해야 할지 여부가 판별된다. 농후 제어를 종료해야 한다고 판별되지 않았을 때에는 스텝 315로 진행한다. 스텝 315에서는 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR이 도 22의 맵으로부터 산출되고, 목표 저압측 EGR율 REGRLT가 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 설정된다. 계속되는 스텝 316에서는 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR이 도 23의 맵으로부터 산출되고, 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 설정된다. 계속되는 스텝 317에서는 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR이 도 24의 맵으로부터 산출되고, 스로틀 개방도 VTH가 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR로 설정된다. 계속되는 스텝 318에서는 농후 제어용 주 연료량 QmR이 도 25의 맵으로부터 산출되고, 주 연료량 Qm이 농후 제어용 주 연료량 QmR로 설정된다. 계속되는 스텝 319에서는 농후 제어용 주 연료 분사 시기 θmR이 도 26의 맵으로부터 산출되고, 주 연료 분사 시기 θm이 농후 제어용 주 연료 분사 시기 θmR로 설정된다. 계속되는 스텝 320에서는 추가의 연료 Qa의 분사가 행해진다.
농후 제어가 예를 들어 일정 시간 행해지면, 농후 제어를 종료해야 한다고 판별된다. 농후 제어를 종료해야 한다고 판별되었을 때에는 스텝 314로부터 스텝 321로 진행한다. 스텝 321에서는 베이스 저압측 EGR율 REGRLB가 도 17의 맵으로부터 산출되고, 목표 저압측 EGR율 REGRLT가 베이스 저압측 EGR율 REGRLB로 설정된다. 계속되는 스텝 322에서는 베이스 고압측 EGR율 REGRHB가 도 18의 맵으로부터 산출되고, 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로 설정된다. 계속되는 스텝 323에서는 베이스 스로틀 개방도 VTHB가 도 19의 맵으로부터 산출되고, 스로틀 개방도 VTH가 베이스 스로틀 개방도 VTHB로 설정된다. 계속되는 스텝 324에서는 베이스 주 연료량 QmB가 도 20의 맵으로부터 산출되고, 주 연료량 Qm이 베이스 주 연료량 QmB로 설정된다. 계속되는 스텝 325에서는 베이스 주 연료 분사 시기 θmB가 도 21의 맵으로부터 산출되고, 주 연료 분사 시기 θm이 베이스 주 연료 분사 시기 θmB로 설정된다. 계속되는 스텝 326에서는 추가의 연료 Qa의 분사가 정지된다. 계속되는 스텝 327에서는 플래그 X가 리셋된다(X=0).
다음으로, 본 발명에 의한 다른 실시예를 설명한다.
도 16에 도시된 실시예에서는, 농후 제어를 개시할 때에는 우선 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL이 농후 제어용 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRLR로 전환되고, 계속해서 저압측 EGR율 REGRL이 베이스 저압측 EGR율 REGRLB로부터 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되면 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 농후 제어용 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHR로 전환된다.
이 경우, 농후 제어가 개시되는 시점에서의 베이스 저압측 EGR율 REGRLB 및 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR은 그 시점에서의 기관 운전 상태에 따라서 정해진다. 따라서, 베이스 저압측 EGR율 REGRLB로부터 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로의 변화량 dREGRL(=REGRLB-REGRLR)이 작은 경우도 있으면 큰 경우도 있다.
그런데, 이 변화량 dREGRL이 클 때에는, 저압측 EGR율 REGRL이 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환될 때까지 장시간을 요하고, 따라서 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 농후 제어용 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHR로 전환될 때까지 장시간을 요하게 된다. 그 결과, 농후 제어를 개시해야 할 신호가 발해지고 나서 추가의 연료 Qa가 분사될 때까지 장시간을 요하게 되고, 따라서 배기가스의 공연비 (A/F)in이 농후로 전환될 때까지 장시간을 요하게 된다.
따라서 본 발명에 의한 다른 실시예에서는, 저압측 EGR율의 변화량 dREGRL이 미리 정해진 한계량 dREGRLX보다도 클 때에는, 목표 저압측 EGR율 REGRLT 및 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 동시에 각각 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR 및 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 설정되고, 그것에 의해 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL 및 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 동시에 각각 농후 제어용 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRLR 및 농후 제어용 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHR로 설정된다. 그 결과, 배기가스의 공연비 (A/F)in이 농후로 전환될 때까지의 시간을 단축할 수 있다.
도 33은 변화량 dREGRL이 한계량 dREGRLX보다도 큰 경우를 나타내고 있다. 시간 tc1에 있어서 농후 제어를 개시해야 할 신호가 발해지면, 목표 저압측 EGR율 REGRLT가 베이스 저압측 EGR율 REGRLB로부터 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되고, 그것에 의해 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL이 베이스 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRLB로부터 농후 제어용 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRLR로 전환된다. 동시에, 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 베이스 고압측 EGR율 REGRHB로부터 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환되고, 그것에 의해 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 베이스 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHB로부터 농후 제어용 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHR로 전환된다. 또한, 이때 주 연료 Qm의 증량이 개시되고, 주 연료 분사 시기 θm이 베이스 주 연료 분사 시기 θmB로부터 농후 제어용 분사 시기 θmR로 전환된다.
도 17에 도시된 예에서는 이어서 시간 tc2로 되면, 고압측 EGR율 REGRH가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환된다. 계속해서, 시간 tc3이 되면 저압측 EGR율 REGRL이 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환된다. 다른 예에서는, 우선 저압측 EGR율 REGRL이 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되고, 계속해서 고압측 EGR율 REGRH가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환된다. 또 다른 예에서는, 저압측 EGR율 REGRL 및 고압측 EGR율 REGRH가 거의 동시에 각각 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR 및 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환된다.
어쨌든, 저압측 EGR율 REGRL 및 고압측 EGR율 REGRH가 각각 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR 및 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환되면, 스로틀 개방도 VTH가 베이스 스로틀 개방도 VTHB로부터 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR로 전환된다.
계속해서, 시간 tc4에 있어서 흡입 공기량 Ga가 농후 제어용 스로틀 개방도 VTHR에 따라서 정해지는 농후 제어용 흡입 공기량 GaR로 전환되면, 추가의 연료 Qa의 분사가 개시된다. 또한, 이때 주 연료 Qm의 증량이 정지되고, 주 연료 Qm이 농후 제어용 주 연료량 QmR로 전환된다.
변화량 dREGRL이 한계량 dREGRLX보다도 작을 때에는 도 16에 도시된 실시예와 마찬가지로, 우선 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRL이 농후 제어용 저압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRLR로 전환되고, 계속해서 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRH가 농후 제어용 고압측 EGR 제어 밸브 개방도 VEGRHR로 전환된다.
도 34 내지 도 36은 본 발명에 의한 다른 실시예에 있어서의 농후 제어를 실행하는 루틴을 나타내고 있다. 이 루틴은 도 30의 스텝 203에서 실행된다.
도 34 내지 도 36에 나타낸 루틴과 도 31 및 도 32에 나타낸 루틴의 상이점에 대하여 설명하자면, 스텝 300에 있어서 플래그가 리셋되어 있을(X=0) 때에는 이어서 스텝 300a로 진행한다. 스텝 300a에서는 베이스 저압측 EGR율 REGRLB가 도 17의 맵으로부터 산출되고, 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR이 도 22의 맵으로부터 산출되고, 변화량 dREGRL이 산출된다(dREGRL=REGRLB-REGRLR). 계속되는 스텝 300b에서는 변화량 dREGRL이 한계량 dREGRLX보다도 큰지 여부가 판별된다. dREGRL≤dREGRLX일 때에는 이어서 스텝 301로 진행한다.
이에 반하여, dREGRL>dREGRLX일 때에는 이어서 스텝 300c로 진행하고, 목표 저압측 EGR율 REGRLT가 스텝 300a에서 산출된 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 설정된다. 또한, 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR이 도 23의 맵으로부터 산출되고, 목표 고압측 EGR율 REGRHT가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 설정된다. 계속되는 스텝 300d에서는 저압측 EGR율 REGRL이 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되고 또한 고압측 EGR율 REGRH가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환되었는지 여부가 판별된다. 저압측 EGR율 REGRL이 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되지 않았거나 또는 고압측 EGR율 REGRH가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환되지 않았을 때에는 이어서 스텝 304로 진행한다. 이에 반하여, 저압측 EGR율 REGRL이 농후 제어용 저압측 EGR율 REGRLR로 전환되고 또한 고압측 EGR율 REGRH가 농후 제어용 고압측 EGR율 REGRHR로 전환되었다고 판별되었을 때에는 스텝 308로 진행한다.
이제까지 설명해 온 본 발명에 의한 각 실시예에서는, 배기 정화 촉매(13)로부터 NOx를 방출시키기 위해 농후 제어가 행해진다. 다른 실시예에서는, 배기 정화 촉매(13)로부터 SOx를 방출시키기 위해서 농후 제어가 행해진다. 이 경우의 농후 제어에서는, 배기 정화 촉매(13)의 온도가 SOx 방출 온도(예를 들어 600℃) 이상으로 유지되면서 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스의 공연비 (A/F)in이 이론 공연비보다도 농후하게 유지된다. 또 다른 실시예에서는, 배기 정화 촉매(13)의 온도를 상승시키기 위해서 농후 제어가 행해진다. 이 경우의 농후 제어에서는 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스의 공연비 (A/F)in이 이론 공연비보다도 희박하게 유지된다.
또한, 다른 실시예로서 배기 정화 촉매(13) 상류의 기관 배기 통로 내에 탄화수소를 개질시키기 위한 산화 촉매를 배치할 수도 있다.
2: 연소실
4: 흡기 매니폴드
5: 배기 매니폴드
10: 스로틀 밸브
12a, 12b, 12c: 배기관
13: 배기 정화 촉매
15: 탄화수소 공급 밸브
16H: 고압측 EGR 통로
16L: 저압측 EGR 통로
17H: 고압측 EGR 제어 밸브
17L: 저압측 EGR 제어 밸브

Claims (9)

  1. 기관 배기 통로 내에 배치된 배기 터빈(7b)에 의해 스로틀 밸브(10) 상류의 기관 흡기 통로 내에 배치된 컴프레서(7a)를 구동하는 배기 터보 과급기(7)와,
    상기 배기 터빈(7b) 상류의 기관 배기 통로와 상기 스로틀 밸브(10) 하류의 기관 흡기 통로를 연결하는 고압측 배기가스 재순환 통로(16H)와,
    상기 배기 터빈(7b) 하류의 기관 배기 통로와 상기 컴프레서(7a) 상류의 기관 흡기 통로를 연결하는 저압측 배기가스 재순환 통로(16L)와,
    고압측 배기가스 재순환율을 제어하기 위해 상기 고압측 배기가스 재순환 통로(16H) 내에 배치된 고압측 배기가스 재순환 제어 밸브(17H)와,
    저압측 배기가스 재순환율을 제어하기 위해 상기 저압측 배기가스 재순환 통로(16L) 내에 배치된 저압측 배기가스 재순환 제어 밸브(17L)
    를 구비하는 내연 기관의 배기 정화 장치이며,
    상기 흡기 통로 내에 배치되어 흡입 공기량을 제어하는 상기 스로틀 밸브(10)의 개방도인 스로틀 개방도가 베이스 스로틀 개방도로부터 상기 베이스 스로틀 개방도보다도 작은 농후 제어용 스로틀 개방도로 전환되고, 또한, 고압측 배기가스 재순환율이 베이스 고압측 배기가스 재순환율로부터 상기 베이스 고압측 배기가스 재순환율과는 상이한 농후 제어용 고압측 배기가스 재순환율로 전환되고, 또한, 저압측 배기가스 재순환율이 베이스 저압측 배기가스 재순환율로부터 상기 베이스 저압측 배기가스 재순환율과는 상이한 농후 제어용 저압측 배기가스 재순환율로 전환된 상태하에서, 팽창 행정 또는 배기 행정에 통내에 추가의 연료가 분사됨으로써 기관 연소실(2)로부터 배출되는 배기가스의 공연비를 일시적으로 저하시키는 농후 제어가 행해지고,
    상기 농후 제어를 개시할 때에는, 첫 번째로 상기 저압측 배기가스 재순환율이 상기 농후 제어용 저압측 배기가스 재순환율로 전환되도록 저압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 제어되고, 두 번째로 상기 고압측 배기가스 재순환율이 상기 농후 제어용 고압측 배기가스 재순환율로 전환되도록 고압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 제어되고, 세 번째로 상기 스로틀 개방도가 상기 농후 제어용 스로틀 개방도로 전환되고, 네 번째로 추가의 연료 분사가 개시되는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저압측 배기가스 재순환율이 상기 농후 제어용 저압측 배기가스 재순환율로 전환되었을 때 상기 고압측 배기가스 재순환율이 상기 농후 제어용 고압측 배기가스 재순환율로 전환되도록 상기 고압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 제어되는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 저압측 배기가스 재순환율이 상기 베이스 저압측 배기가스 재순환율로부터 상기 농후 제어용 저압측 배기가스 재순환율로 전환될 때의 상기 저압측 배기가스 재순환율의 변화량이 미리 정해진 한계량보다도 클 때에는, 상기 저압측 배기가스 재순환율이 상기 농후 제어용 저압측 배기가스 재순환율로 전환되도록 상기 저압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 제어됨과 동시에 상기 고압측 배기가스 재순환율이 상기 농후 제어용 고압측 배기가스 재순환율로 전환되도록 상기 고압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 제어되는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 저압측 배기가스 재순환율이 상기 농후 제어용 저압측 배기가스 재순환율로 전환되었을 때 및 상기 고압측 배기가스 재순환율이 상기 농후 제어용 고압측 배기가스 재순환율로 전환되었을 때 상기 스로틀 개방도가 상기 농후 제어용 스로틀 개방도로 전환되는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스로틀 개방도가 상기 농후 제어용 스로틀 개방도로 전환된 후, 흡입 공기량이 상기 농후 제어용 스로틀 개방도에 따라서 정해지는 농후 제어용 흡입 공기량으로 전환되었을 때, 추가의 연료 분사가 개시되는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 저압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 상기 농후 제어용 저압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도로 전환되고 나서 추가의 연료 분사가 개시될 때까지, 주 연료량이 증량되는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 베이스 스로틀 개방도, 상기 베이스 고압측 배기가스 재순환율 및 상기 베이스 저압측 배기가스 재순환율에 따라서 정해지는 베이스 펌프 손실에 대한 펌프 손실의 편차에 기초하여 주 연료의 증량분이 설정되는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 저압측 배기가스 재순환율이 상기 농후 제어용 저압측 배기가스 재순환율로 전환되도록 상기 저압측 배기가스 재순환 제어 밸브 개방도가 제어될 때, 주 연료 분사 시기가 베이스 주 연료 분사 시기로부터 농후 제어용 주 연료 분사 시기로 전환되는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    기관 배기 통로 내에 배기 정화 촉매(13)를 배치함과 함께 상기 배기 정화 촉매(13) 상류의 기관 배기 통로 내에 탄화수소 공급 밸브(15)를 배치하고,
    상기 배기 정화 촉매(13)의 배기가스 유통 표면 상에는 귀금속 촉매가 담지되어 있음과 함께 상기 귀금속 촉매 주위에는 염기성의 배기가스 유통 표면 부분이 형성되어 있으며,
    상기 배기 정화 촉매(13)는, 상기 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 탄화수소의 농도를 미리 정해진 범위 내의 진폭 및 미리 정해진 범위 내의 주기로써 진동시키면 배기가스 내에 포함되는 NOx를 환원하는 성질을 가짐과 함께, 상기 탄화수소 농도의 진동 주기를 상기 미리 정해진 범위보다도 길게 하면 배기가스 내에 포함되는 NOx의 흡장량이 증대되는 성질을 갖고 있으며,
    상기 탄화수소 공급 밸브(15)로부터 상기 미리 정해진 범위 내의 주기로써 탄화수소를 분사함으로써 배기가스 내에 포함되는 NOx를 정화하는 제1 NOx 정화 방법과, 상기 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스의 공연비를 상기 미리 정해진 범위보다도 긴 주기로써 농후로 함으로써 상기 배기 정화 촉매(13)로부터 흡장 NOx를 방출시켜서 NOx를 정화하는 제2 NOx 정화 방법이 선택적으로 이용되고,
    상기 제2 NOx 정화 방법에 있어서 상기 농후 제어를 실행하여, 상기 배기 정화 촉매(13)에 유입되는 배기가스의 공연비를 이론 공연비보다도 농후로 하는, 내연 기관의 배기 정화 장치.
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