KR20010015118A - 내연기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 내연기관 배기 정화 장치에 있어서, 효율 좋게 촉매 장치로부터 유황 성분을 이탈시키는 것으로 연비의 악화를 제어하면서 촉매 장치의 재생을 가능하게 하기 위해서 흡장형 NOx 촉매의 촉매 온도가 설정 온도 이상으로 된 경우에, 흡장형 NOx 촉매를 승온하여 SOx을 방출시킨다.
이때, 설정 온도는 SOx 이탈 처리의 빈도에 의거하여 설정되면 좋고, 또한 흡장형 NOx 촉매는 예를 들면 점화 시기 리타드(retard)에 의해 승온할 수 있다.

Description

내연기관의 배기 정화 장치{Exhaust purge apparatus of internal combustion engine}
본 발명은 배기통로에 흡장형 NOx 촉매를 갖는 내연기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
근년에, 내연기관의 린(lean ; 희박) 공연비로 운전하여 연비의 향상을 도모하도록 한 희박 연소 내연기관이 실용화되고 있다. 이 희박 연소 내연기관에서는 린 공연비로 운전하면, 3원 촉매가 그 정화 특성으로부터 배기 가스중의 NOx(질소산화물)을 충분히 정화하지 않는다는 문제가 있고, 최근에는 린 공연비로 운전중에 배기 가스중의 NOx을 흡장하며, 이론 공연비 또는 리치(rich ; 농후) 공연비로 운전중에 흡장된 NOx을 방출 환원하는 흡장형 NOx 촉매가 채용되고 있다.
이 흡장형 NOx 촉매는 내연기관의 산소 과잉 상태로 배기 가스중의 NOx을 초산염(X-NO3)으로서 흡장하고, 흡장한 NOx을 일산화탄소(CO)의 과잉 상태로 방출하여 질소(N2)로 환원시키는 특성(동시에 탄산염 X-CO3가 생성된다)을 갖는 촉매이다. 그런데, 연료중에는 유황(S) 성분이 함유되어 있고, 이 S 성분은 산소와 반응하여 유황산화물(SOx)로 되며, 이 SOx이 NOx 대신에 유산염으로서 초산염 대신에 흡장형 NOx 촉매에 흡장되고 말며, 촉매의 정화 효율이 저하한다고 하는 문제가 있다. 그러나, 촉매에 흡장된 SOx은 공연비를 리치(rich) 상태로 하여 촉매를 고온 상태로 하는 것으로 제거(S 퍼지)되는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 일본국 특개평7-217474호 공보에는 촉매에 흡장되는 SOx량을 추정하고, 이 SOx의 흡장량이 허용량을 초과하며, 촉매 온도가 미리 설정된 소정 온보 보다도 낮을 때에, 촉매를 승온시킴과 동시에 공연비를 일시적으로 리치로 하는 것으로, SOx을 방출하여 흡장형 NOx 촉매의 정화 효율을 회복시키도록 하고 있다.
그런데, 상술한 공보에서는 촉매로서 SOx 흡장량이 허용량을 초과하고, 또한 온도가 낮은 것을 조건으로 하여 내연기관의 운전 상태에 관계없이, 촉매를 승온하여 공연비를 리치로 하는 것으로, 흡장형 NOx 촉매로부터의 SOx의 방출을 실현하고 있다.
그 때문에, 예를들면, 차량이 시가지와 같은 장소에서 가감속을 반복하는 운전 상태일때에는 흡장형 NOx 촉매가 SOx을 방출하는 것에 필요한 고온 상태로 안정하기 어렵고, 결과로서 SOx은 그다지 방출이 불가능함에도 불구하고, 흡장형 NOx 촉매의 SOx 방출 수단을 장기간 작동시키는 것으로 되고 만다. 즉, 흡장형 NOx 촉매가 승온하기 어려운 조건에서도 승온시키기 위해서, 예를들면 촉매가 어느 정도 고온으로 되는 안정한 주행시에서의 승온에 비해서 긴 시간에 걸쳐서 리치화 및 촉매 승온을 행할 필요가 있고, 승온 정도도 크게 하지 않으면 안되며, 연비를 악화시켜버린다고 하는 문제가 있다.
또한, 촉매에 흡장되는 SOx량은 촉매 온도, 배기 공연비, 연료중 S 농도(연료 종류), 기관 운전 상태 등의 각종 요인에 의해 크게 변화한다. 그 때문에, 실제로는 촉매에서의 SOx 흡장량을 정밀도 좋게 추정하는 것은 곤란하다. 상술한 공보와 같이, 촉매에 흡장되는 SOx량을 추정하고, 이 SOx 흡장량에 의거하여 흡장형 NOx 촉매로부터 SOx을 방출시키는 경우, 촉매에서의 SOx 흡장량을 정밀도 좋게 추정할 수 없었을 때에는, 배기 가스 특성이 악화할 우려가 있다. 또한, 배기 가스 특성이 악화하지 않도록 SOx 흡장량의 추정 오차를 예측하여 설정한 경우에는 SOx의 방출이 불필요할 때에 SOx 방출 제어를 실행하여 버리고, 연비가 악화하고 만다는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하는 것으로, 안정한 촉매 장치의 재생을 가능하게 한 내연기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하는 것으로, 효율 좋게 촉매 장치로부터 유황 성분을 이탈시키는 것으로 연비의 악화를 제어하면서 안정한 촉매 장치의 재생을 가능하게 한 내연기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 관한 내연기관의 배기 정화 장치의 개략 구성도.
도 2는 본 실시예의 배기 정화 장치에 의한 S 퍼지(purge) 제어의 플로우챠트.
도 3은 S 퍼지 제어의 타이 챠트.
도 4는 S 재생 빈도에 대한 승온 설정 온도를 나타내는 그래프.
도 5는 촉매 온도 추정값에 대한 반영 계수를 나타내는 그래프.
도 6은 S 재생 빈도와 NOx 배출량과의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 S 재생 A/F에 대한 S 재생후의 회복한 NOx 흡장 촉매를 나타내는 그래프.
도 8은 일반주행에 있어서 본 실시예를 사용한 때와 사용하지 않은 때의 촉매 온도의 시간 빈도를 나타내는 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11 : 엔진 12 : 실리더 헤드
13 : 점화 플러그 14 : 연료 분사 밸브
15 : 연소실 17 : 스로틀 밸브
18 : 스로틀 센서 20 : 크랭크각 센서
21 : 배기관 23 : 배기 정화 촉매 장치
24 : 고온 센서 28 : ECU
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 내연기관의 배기 정화 장치는 내연기관의 배기 통로에 설치되어 배기 공연비가 적어도 린 공연비 일때에 배기 가스중의 유황 성분을 흡장하는 촉매 장치와, 상기 촉매 장치의 온도가 흡장된 유황 성분을 이탈가능한 범위로 결정된 설정 온도 이상으로 된 경우에 상기 촉매 장치를 승온시켜서 상기 유황 성분을 상기 촉매 장치로부터 이탈시키는 재생 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 재생 수단은 촉매를 승온시키기 위해 점화 시기를 제어하는 점화시기 제어 수단과, 내연기관의 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 포함하고, 상기 촉매 장치의 온도가 상기 설정 온도 이상으로 된 경우에 점화 시기 제어 수단에 의해 점화시기를 지각시키는 것에 의해 촉매를 승온시키며, 상기 공연비 제어 수단에 의해 공연비를 연료 과농측으로 변경하도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우, 재생 수단 작동후 소정 기간이 경과하여도 유황 성분을 이탈시키기 위해 가장 적합한 촉매 온도에 도달하지 않았을 경우, 재생 수단의 작동을 정지하는 정지 수단을 설정하여도 좋다.
또한, 흡장된 유황 성분이 방출되는 상태로 된 빈도를 추정하는 빈도추정 수단과, 이 빈도추정 수단의 출력에 의거하여 상기 재생 수단의 작동을 제어하는 작동 제어 수단을 설치하면 좋다. 이 경우 빈도 추정 수단은 유황 성분이 이탈하는 특정 촉매 온도에 있어서의 촉매 장치의 재생 시간과 주행 거리에 의거하여 빈도를 산출하는 이탈 빈도 산출 수단을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 이경우 빈도 추정 수단의 출력이 적고, 또한 재생 수단의 부동태 상태가 소정 기간 계속한 경우 작동 제어 수단에 의해 재생 수단을 작동시키면 좋다. 또한 빈도 추정 수단의 출력에 따라서 설정 온도를 변경하는 설정 온도 변경 수단을 설치하여도 좋다. 이 경우 설정 온도 변경 수단은 빈도가 증대함에 따라 설정 온도를 높게하기도 하고, 또한 배기 통로에서 배기 온도를 검출하는 센서를 설치하며, 작동 제어 수단은 이 센서 출력으로부터 추정되는 촉매 장치의 촉매 온도가 설정 온도를 초과한 경우, 재생 수단을 작동시키는 것이 양호하다.
또한, 상기 촉매 장치의 유황 성분에 의한 피독 상태를 검지하는 피독 정보 검지 수단과, 이 피독 정보 검지 수단의 출력에 의거하여 상기 재생 수단의 작동을 제어하는 작동 제어 수단을 설치하면 좋다. 이 경우 또한, 상기 작동 제어 수단은 상기 피독 정보 검지 수단에 의해 검지된 피독량이 미리 설정된 설정값 보다 큰 경우에 상기 재생 수단을 작동시키도록 구성하면 좋다.
이하, 첨부 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1에 본 발명의 일실시예에 관한 내연기관의 배기 정화 장치의 개략 구성, 도 2에 본 실시예의 배기 정화 장치에 의한 S 퍼지(purge) 제어의 플로우챠트, 도 3에 S 퍼지 제어의 타임챠트, 도 4에 S 재생 빈도에 대한 승온 설정 온도를 나타내는 그래프, 도 5에 촉매 온도 추정값에 대한 반영 계수를 나타내는 그래프, 도 6에 S 재생 빈도와 NOx 배출량과의 관계를 나타내는 그래프, 도 7에 S 재생 A/F에 대한 S 재생후의 회복한 NOx 흡장 촉매를 나타내는 그래프, 도 8에 일반 주행에 있어서 본 실시예를 사용하였을 때와 사용하지 않았을 때의 촉매 온도의 시간 빈도를 나타내는 그래프를 도시한다. 본 실시예의 내연기관(이하, 엔진이라 한다)은 예를들면 연료 분사 모드(운전 모드)를 절환하는 것으로, 흡기행정에서의 연료 분사(흡기 행정 분사 모드) 또는 압축 행정에서의 연료 분사(압축 행정 분사 모드)를 실시 가능한 통내 분사형 불꽃 점화식 직열 4기통 가솔린 엔진이다. 그리고, 이 통내 분사형 엔진(11)은 용이하게 하여 이론 공연비에서의 운전이나 리치 공연비에서의 운전(리치 공연비 운전) 이외에, 린 공연비에서의 운전(린 공연비 운전)이 실현가능하게 되며, 특히 압축 행정 분사 모드에서는 초(超)린 공연비에서의 운전이 가능하게 되어 있다.
본 실시예에 있어서, 도 1에 도시한 바와 같이 엔진(11)의 실린더 헤드(12)에는 각 기통 마다에 점화 플러그(13)와 함께 전자식 연료 분사 밸브(14)가 부착되어 있고, 이 연료 분사 밸브(14)에 의해 연소실(15)내에 연료를 직접 분사 가능하게 되어 있다. 이 연료 분사 밸브(14)에는 도시하지 않은 연료 파이프를 거쳐서 연료 탱크를 끼운 연료 공급 장치(연료 펌프)가 접속되어 있고, 연료 탱크내의 연료가 고연압으로 공급되며, 이 연료를 연료 분사 밸브(14)로부터 연소실(15)내로 향해서 소망의 연압으로 분사한다. 이때 연료 분사량은 연료 펌프의 연료 토출압과 연료 분사 밸브(14)의 밸브 개방 시간(연료 분사 시간)으로부터 결정된다.
실린더 헤드(12)에는 각 기통 마다에 대략 직립 방향으로 흡기 포트가 형성되어 있고, 각 흡기 포트와 연통하도록 하여 흡기 매니폴드(16)의 일단이 각각 접속되어 있다. 그리고, 흡기 매니폴드(16)의 타단에는 드라이브 바이 와이어(DBW ; drive-by-wire) 방식의 전동 스로틀 밸브(17)가 접속되어 있으며, 이 스로틀 밸브(17)에는 스로틀 개방도(θth)를 검출하는 스로틀 센서(18)가 설치되어 있다. 또한, 실린더 헤드(12)에는 각 기통 마다에 대략 수평방향으로 배기 포트가 형성되어 있고, 각 배기 포트와 연통하도록 하여 배기 매니폴드(19)의 일단이 각각 접속되어 있다.
그리고, 엔진(11)에는 크랭크각을 검출하는 크랭크각 센서(20)가 설치되어 있고, 이 크랭크각 센서(20)는 엔진 회전수(Ne)를 검출 가능하게 되어 있다. 또한 상술한 통내 분사형 엔진(11)은 이미 공지의 것으로, 그 구성의 상세에 대해서는 여기에선 설명을 생략한다.
또한, 엔진(11)의 배기 매니폴드(19)에는 배기관(배기통로 ; 21)이 접속되어 있고, 이 배기관(21)에는 엔진(11)에 근접한 소형의 3원 촉매(22) 및 배기 정화 촉매 장치(23)를 거쳐서 도시하지 않은 머플러(muffler)가 접속되어 있다. 그리고, 이 배기관(21)에 있어서의 3원 촉매(22)와 배기 정화 촉매 장치(23)와의 사이의 부분에는 배기 정화 촉매 장치(23)의 바로 상류, 즉 후술하는 흡장형 NOx 촉매(25)의 바로 상류에 위치하여 배기 온도를 검출하는 고온 센서(24)가 설치되어 있다.
이 배기 정화 촉매 장치(23)는 흡장형 NOx 촉매(25)와 3원 촉매(26)와의 2개의 촉매를 갖고서 구성되어 있고, 3원 촉매(26) 쪽이 흡장형 NOx 촉매(25) 보다도 하류측에 배설되어 있다. 또한, 흡장형 NOx 촉매(25)가 3원 촉매의 기능을 충분히 갖고 있는 경우에는 이 흡장형 NOx 촉매(25) 만이어도 좋다. 이 흡장형 NOx 촉매(25)는 산화 분위기에 있어서 NOx을 일단 흡장시키고, 주체로서 CO의 존재하는 환원 분위기중에 있어서 NOx을 방출하여 N2(질소) 등으로 환원시키는 기능을 갖는 것이다. 상세하게는 흡장형 NOx 촉매(25)는 귀금속으로서 백금(Pt), 로듐(Rh) 등을 갖는 촉매로 구성되어 있고, 흡장제로서는 바륨(Ba) 등의 알카리 금속, 알카리 토류 금속이 채용되고 있다. 그리고, 배기 정화 촉매 장치(23)의 하류에는 NOx 농도를 검출하는 NOx 센서(27)가 설치되어 있다.
또한, 입출력 장치, 기억 장치(ROM, RAM, 불휘발성 RAM 등), 중앙 처리 장치(CPU), 타이머 카운트 등을 갖는 ECU(전자 콘트롤 유니트 ; 28)가 설치되어 있고, 이 ECU(28)에 의해 엔진(11)을 포함한 본 실시예의 배기 정화 장치의 종합적인 제어가 행해진다. 즉, ECU(28)의 입력측에는 상술한 고온 센서(24)나 NOx 센서(27) 등의 각종 센서류가 접속되어 있고, 이들 센서류로부터의 검출 정보가 입력된다. 한편, ECU(28)의 출력측에는 점화 코일을 거쳐서 상술한 점화 플러그(13)나 연료 분사 밸브(14)등이 접속되어 있고, 이들 점화 코일, 연료 분사 밸브(14) 등에는 각종 센서류로부터의 검출 정보에 의거하여 연산된 연료 분사량이나 점화시기 등의 최적값이 각각 출력된다. 이들에 의해, 연료 분사 밸브(14)로부터 적정량의 연료가 적정한 타이밍으로 분사되고, 점화 플러그(13)에 의해 적합한 타이밍으로 점화가 실시된다.
실제로, ECU(28)에서는 스로틀 센서(18)로부터의 스로틀 개방도 정보(θth)와 크랭크각 센서(20)로부터의 엔진 회전 속도 정보(Ne)에 의거하여 엔진 부하에 대응하는 목표 통내압, 즉 목표 평균 유효압(Pe)을 구하도록 되어 있고, 또한 이 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도 정보(Ne)에 대응하여 맵(도시 생략)에서 연료 분사 모드를 설정하도록 되어있다. 예를들면, 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도 정보(Ne)가 함께 작아 질때에는, 연료 분사 모드는 압축 행정 분사 모드로 되어 연료가 압축 행정에서 분사되는 한편, 목표 평균 유효압(Pe)이 크게 되거나, 또는 엔진 회전 속도 정보(Ne)가 크게 되면 연료 분사 모드는 흡기 행정 분사 모드로 되어 연료가 흡기 행정에서 분사된다.
그리고, 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도 정보(Ne)로부터 제어 목표로 되는 목표 공연비(목표 A/F)가 설정되고, 적정량의 연료분사량이 이 목표 A/F에 의거하여 결정된다. 또한, 고온 센서(24)에 의해 검출된 배기 온도 정보로부터는 촉매 온도(Tcat)가 추정된다. 상세하게는, 고온 센서(24)와 흡장형 NOx 촉매(25)가 다소 떨어져서 배치되어 있는 것에 기인하는 오차를 보정하기 위하여 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도 정보(Ne)에 따라서 온도차 맵이 미리 실험 등에 의해 설정되며, 촉매 온도(Tcat)는 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도 정보(Ne)가 결정되면 하나로 추정되도록 된다.
이하, 이와 같이 구성된 본 실시예의 내연기관의 배기 정화 장치의 작용에 대하여 설명한다. 배기 정화 촉매 장치(23)의 흡장형 NOx 촉매(25)에서는 린 모드에 있어서의 초(超)린 연소 운전시와 같은 산소 농도 과잉 분위기에서 배기중의 NOx로부터 초산염이 생성되고, 이에 의해 NOx이 흡장되어 배기의 정화가 행해진다. 한편, 3원 촉매(26)에서는 산소 농도가 저하한 분위기에서 흡장형 NOx 촉매(25)에 흡장된 초산염과 배기중의 CO가 반응하여 탄산염이 생성됨과 동시에 NOx이 방출된다. 따라서, 흡장형 NOx 촉매(25)로의 NOx의 흡장이 진척되면, 공연비의 리치화 또는 추가의 연료 분사를 행하는 것으로서 산소 농도를 저하시켜서 CO를 배기중에 공급하여 흡장형 NOx 촉매(25)로부터 NOx을 방출시켜서 기능을 유지한다.
그런데, 연료나 윤활유내에 함유된 유황 성분(SOx)도 배기중에 존재하고, 흡장형 NOx 촉매(25)는 산소 농도 과잉 분위기에서 NOx의 흡장과 동시에 SOx도 흡장한다. 즉, 유황 성분은 산화되어 SOx로 되고, 이 SOx의 일부는 흡장형 NOx 촉매(25)상에 더 원래 NOx 흡장용인 흡장제와 반응하여 유산염으로 되어 NOx 대신에 흡장형 NOx 촉매(25)에 흡장된다.
또한, 흡장형 NOx 촉매(25)는 산소 농도가 저하하면 흡장된 SOx을 방출하는 기능을 갖고 있다. 즉, 산소 농도가 저하하여 CO가 과잉으로 된 분위기에서는 흡장형 NOx 촉매(25)에 흡장된 유산염의 일부와 배기중의 CO가 반응하여 탄산염이 생성됨과 동시에 SOx이 이탈된다. 그러나, 유산염은 초산염 보다도 염으로서의 안정도가 높고, 산소 농도가 저하한 분위기로 된 것 만으로는 그 일부만 분해되지 않기 때문에, 흡장형 NOx 촉매(25)에 잔류하는 유산염의 량은 시간에 따라 증가한다. 이것에 의해 흡장형 NOx 촉매(25)의 흡장 능력이 시간에 따라 저하하고, 흡장형 NOx 촉매(25)로서의 기능이 악화하는 것으로 된다(S 피독).
NOx 흡장 능력을 재생하기 위해서는 흡장형 NOx 촉매(25)에 흡장된 SOx량을 추정하여 S 피독 상황을 추정하고, S 피독이 어느 정도 이상 진행하면, SOx을 방출하도록 하는 방법도 있지만, SOx 흡장량은 촉매 온도, 배기 공연비, 연료중 S 농도(연료 종별), 엔진 운전 상태등의 각종 요인에 의해 영향을 받기 때문에, 정확한 SOx 흡장량을 추정하는 것은 곤란을 수반한다. 이때문에, 본 실시예에서는 흡장형 NOx 촉매(25)에 흡장된 SOx 흡장량을 추정하지 않으며, 촉매 온도(Tcat)가 설정 온도 이상으로 된 경우에, 재생 수단이 촉매를 승온시키고, 또한 공연비를 리치화하여 흡장한 SOx을 방출하며, NOx 흡장 능력을 회복하도록 하고 있다. 이 재생 수단은 흡장형 NOx 촉매(25)로부터 SOx을 방출하는 재생 정도가 소정 범위에 유지되도록 제어한다. 즉, 흡장형 NOx 촉매(25)의 온도가 활성 온도(예를 들면 250-350℃) 보다 높고 또한 흡장된 SOx을 이탈하는 것에 적합한 온도(예를 들면 650℃) 또는 그 보다 낮게 설정된 설정 온도(예를 들면 600-800℃) 이상으로 된 경우에, 흡장형 NOx 촉매(25)를 승온시킴과 동시에 공연비를 리치화하여 SOx을 방출하도록 하고 있다. 즉, 어느 정도 촉매 온도가 높을 때에 어시스트적으로 조금 승온 수단을 작동시키는 것에 이해 S 재생 속도를 빠른 촉매 온도 영역에 도달시키며, 적은 승온 정도(즉, 적은 연비 악화 정도)로 효율 좋게 SOx을 방출시키는 것이다.
여기서, S 퍼지 제어에 대해서, 도 2에 도시한 플로우챠트 및 도 3에 도시하는 타임챠트에 의거하여 상세히 설명한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 스텝 S1에서는 고온 센서(24)에 의해 검출된 배기 온도 정보로부터 흡장형 NOx 촉매(25)의 촉매 온도(Tcat)를 추정한다. 이 경우, 상술한 바와 같이 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도 정보(Ne)에 따라 설정된 온도차 맵에 의거하여 온도 센서(24)와 실제의 촉매 온도와의 오차가 보정된다.
다음에, 스텝 S2에서, 흡장형 NOx 촉매(25)의 S 피독으로부터 재생(S 재생) 정도를 나타내는 S 재생 빈도를 산출하지만(이탈 빈도 검지 수단), 이하에서 그 산출 방법에 대해서 설명한다. 이 S 재생 빈도는 하기 식(1)의 의거하여 산출된다.
S 재생 빈도(s/km) = 700℃ 환산 S 재생 시간/주행거리 . . . (1)
여기서, 700℃ 환산 S 재생 시간은 추정된 촉매 온도(Tcat)에 있어서의 S 재생 시간을 흡장형 NOx 촉매(25)의 촉매 온도(Tcat)가 700℃ 일때의 S 재생 신간으로 환산한 시간의 합계이며, 이 700℃ 환산 S 재생 시간을 주행 거리로 제산하는 것으로, 주행 거리 1km 부근의 S 재생 시간, 즉 S 재생 빈도를 구할 수 있고, 이 S 재생 빈도가 크게되면 SOx이 양호하게 방출(퍼지)되며, S 피독으로부터 양호하게 재생된다.
이 700℃ 환산 S 재생 시간의 구체적인 산출 방법으로서는 하기 식(2)에 의거하여 산출한다.
700℃ 환산 S 재생 시간(n) = 700℃ 환산 S 재생 시간(n-1) + S 재생 속도 계수 × 계산 주기 × A/F계수 . . . (2)
여기서, S 재생 속도 계수는 흡장형 NOx 촉매(25)의 온도에 의해 S 재생 속도가 다른 것을 보정하기 위한 것으로, 각 촉매 온도에서의 S 재생 시간을 700℃ 상당의 S 재생 시간으로 환산하기 위한 것이다. S 재생 속도는 흡장형 NOx 촉매(25)의 온도가 높게되는 것에 동반하여 지수 함수적으로 증가하는 것으로, 흡장형 NOx 촉매(25)의 촉매 온도(Tcat)가 580℃ 이하의 저온시에는 0으로 하고, 그 보다도 고온시에서는 지수 함수에 의해 유사한 하기 식(3)을 갖고서 산출한다.
S 재생 속도 계수 = exp{-kk×(1/T1) - (1/T0)} . . . (3)
여기서, kk는 흡장형 NOx 촉매(25)의 S 재생 반응에 따라 설정되는 소정 계수, T1은 흡장형 NOx 촉매(25)의 촉매 온도(Tcat)(K), T0는 973(700+273)(K)이다.
또한, 본 실시예에서는 ECU(28)내에서는 지수 함수에 의한 계산을 행하지 않고 미리 계산한 값을 기억한 촉매 온도에 대한 S 재생 속도 계수 맵으로부터 구하도록 하고 있다. 또한, 상술한 A/F 계수는 A/F에 의한 재생 정도를 나타내는 것으로, 공연비가 린 모드 또는 연료 커트시에는 0으로 하고, 그 이외의 모드에서는 1로 한다. 또한, S 재생 빈도는 소정값(D)(예를들면 1.5s/km) 이상에서 재설정되고, 700℃ 환산 S 재생 시간을 0s, 주행 거리를 0km로 한다. 즉, S 재생 빈도가 소정값(D) 이상이면, 흡장형 NOx 촉매(25)는 충분히 퍼지되고 있는 것으로 하여 재생을 정지한다. S 재생 빈도를 재설정할때의 임계값(D)의 설정 방법으로서는 다음 과 같이 하면 좋다. 즉, 도 6에 도시한 바와 같이, S 재생 빈도가 높을수록 NOx 배출값은 적게되는 것을 알았으며, NOx의 배출 규제값 이하로 되도록 S 재생 빈도를 설정하면 좋다. 이 임계값(D)은 촉매 특성이나 NOx 배출 규제값에도 영향이 있지만, 일반적으로 대략 1.5s/km 이상으로 설정하면 좋은 것으로 알려져 있다.
이와 같이, S 재생 빈도가 구해지기 때문에, 스텝 S3에서 승온 설정 온도 ZSTEMP(℃)를 산출한다. 이 경우 도 4에 도시한 바와 같이, S재생 빈도에 대한 ZSTEMP의 맵이 미리 설정되어 있다. 이 맵에 의하면, S 재생 빈도가 낮을 때에는 ZSTEMP는 600℃로 설정되고, S 재생 빈도의 상승에 따라 ZSTEMP가 상승하며, 소정값(D)에서 800℃로 하고 있다. 즉, 승온 설정 온도 ZSTEMP는 S 재생 빈도(이탈 빈도 검지 수단의 이탈 빈도 정보)에 의거하여 변경되도록 되어 있다(설정 온도 변경 수단).
그리고, 스텝 S4에 있어서, 흡장형 NOx 촉매(25)의 촉매 온도(Tcat)가 ZSTEMP 이상인지 어떤지를 판정하고, 촉매 온도(Tcat)가 ZSTEMP 보다 낮으면 아무것도 하지 않고서 이 루틴을 빠져나간다. 한편, 촉매 온도(Tcat)가 ZSTEMP 이상이라면 S 재생 빈도가 어느 정도 낮음과 동시에 흡장형 NOx 촉매(25)가 어느 정도 승온되고, S 퍼지하기 쉬운 상태에 있다고 판정되기 때문에, 스텝 S5로 이행하고, 제어 모드를 S 퍼지 모드로 절환한다(작동 제어 수단). 이것에 의해 흡장형 NOx 촉매(25)에 흡장된 SOx의 제거(S 퍼지)가 개시된다.
즉, 스텝 S6에서는 점화 시기를 제어, 즉 리타드(지각)시키는 것으로 흡장형 NOx 촉매(25)를 승온한다(점화 시기 제어 수단). 즉, 점화 시기 리타드에 의해 흡장형 NOx 촉매(25)에 유입하는 배기를 충분히 가열시키는 것에 의해 흡장형 NOx 촉매(25)는 S 퍼지에 적합한 온도(예를 들면 650-800℃)까지 신속하게 승온되는 것으로 된다. 이 경우, 점화 시기는 하기 식(4)에 의해 리타드하도록 설정된다.
점화 시기 = 베이스 점화 시기 - ZSSA × 반영 계수 . . . (4)
여기서, ZSSA는 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도 정보(Ne)에 따라 설정된 리타드 맵에 의거하여 설정되는 것이고, 연소 한계로 되는 리타드 량에 여유량을 고려한 량으로 하여 설정된다. 또한, 반영 계수는 도 5에 도시한 바와 같이 촉매 온도 추정 값, 즉 촉매 온도(Tcat)에 대응한 맵에 의거하여 설정된다. 또한, 이 반영 계수는 연료의 커트시나 스로틀 개방도가 소정값 이상일 때에는 0으로 하고 있다.
계속해서, 스텝 S7에서는 공연비를 제어한다. 즉, 린 운전을 금지하고, 이론 공연비 F/B 또는 오픈 루프(open-loop)의 리치 운전만으로 하며, 공연비가 이론 공연비 또는 리치로 되도록 한다. 도 7에서 S 재생 정도(S 재생후 회복한 NOx 흡착량)와 S 재생시의 공연비(S 재생 A/F)의 함수를 도시하지만, 린 이외, 즉 이론 공연비 또는 리치이면 S 재생하고, 이론 공연비-리치사이에서는 S 재생시의 공연비로의 의존성은 적은 것을 알았다. 다만, 리치 정도가 클수록 연비의 악화 정도가 크게되고 또한 리치 정도가 크면 환기의 원으로 되는 H2S의 발생 정도가 크게 된다. 그 때문에, S 재생시의 공연비는 이론 공연비에 근접한 쪽이 적합하지만, 제어 오차도 예상하여 아주 조금 리치(슬라이트 리치)로 설정하는 것이 좋고, 즉 14-14.7로 하는 것이 좋다. 통상, 도 7로부터 S 재생시의 흡장형 NOx 촉매(25)의 온도가 600℃일때에는 650℃나 700℃의 10배 시간을 들임에도 불구하고 S 재생 정도가 작고, 또한 700℃ 일때에는 S 재생 정도가 상당히 크게되며, S 재생 정도에는 S 재생시의 촉매 온도의 영향이 큰 것을 알았다.
그리고, 스텝 S8에서는 촉매 온도(Tcat)가 소정값(K ; 예를들면 650℃) 보다도 낮은 상태가 소정 설정 시간(C ; 예를드면 45sec) 경과한다면, 흡장형 NOx 촉매(25)의 승온을 중지시킴과 동시에 공연비를 린화하여 이 루틴을 빠져나간다. 즉, S 퍼지 모드로 하여도 촉매 온도(Tcat)가 유황 성분의 이탈에 가장 적합한 온도(예를 들면 650℃ 이상)로 좀처럼 접근하지 않는 경우에, 연비 악화를 제어하기 위해 S 퍼지 모드를 정지시키도록(정지 수단) 하고 있다. 한편, 촉매 온도(Tcat)가 소정 시간(C)이 경과할 때까지 소정값(K) 이상으로 되면, 흡장형 NOx 촉매(25)의 승온 및 공연비의 리치화를 계속한다.
이와 같이 하여 S 퍼지 모드에서는 S 퍼지 제어의 루틴을 반복하지만, 흡장형 NOx 촉매(25)에 흡장된 SOx이 방출되면, 흡장형 NOx 촉매(25)의 S 재생 빈도가 크게되고, 도 4의 맵에 의거하여 ZSTEMP도 상승한다. 그리고, ZSTEMP가 촉매 온도(Tcat)를 초과하면, 스텝 S4에 있어서 흡장형 NOx 촉매(25)의 촉매 온도(Tcat)가 ZSTEMP 보다 낮게 되어 이 루틴을 빠져나가고, S 퍼지 모드를 정지한다.
여기서, 상술한 S 퍼지 모드로의 절환 제어를 구체적으로 설명한다. 도 3에 도시한 바와 같이, S 퍼지 모드가 OFF이고, S 재생 빈도가 낮을때에, 승온 설정 온도 ZSTEMP는 600℃로 설정되어 있다. 그리고, 드라이버의 운전 상태, 예를들면 가속시 또는 고속도로나 산악도로 등을 주행하여 촉매 온도(Tcat)가 상승하고, 이 촉매 온도(Tcat)가 ZSTEMP를 초과하면, S 퍼지 모드가 ON(스텝 S4에서 YES)으로 된다. 그러면, 점화 시기를 리타드하여 흡장형 NOx 촉매(25)를 승온함과 동시에 공연비를 리치화하기 위해 흡장형 NOx 촉매(25)에 흡장된 SOx이 방출된다. 그리고, S 퍼지 모드가 계속하면 S 재생이 진행하고, 700℃ 환산 S 재생 시간이 증가하여 S 재생 빈도가 크게되며, 이 S 재생 빈도가 크게 되면, 도 4의 맵에 의거하여 ZSTEMP가 상승하고, 촉매 온도(Tcat)를 초과한다.
그러면, S 퍼지 모드가 OFF(스텝 S4에서 NO)로 되고, 흡장형 NOx 촉매(25)의 승온을 중지하기 때문에, 촉매 온도(Tcat)가 저하한다. 그 후, 촉매 온도(Tcat)가 낮은 상태로 주행 거리가 연장하면, S 재생 빈도가 작게 됨과 동시에, ZSTEMP가 저하하여 600℃로 복귀한다.
또한 드라이버의 운전 상태에 의해 촉매 온도(Tcat)가 다시 상승하고, 촉매 온도(Tcat)가 ZSTEMP를 초과하면 S 퍼지 모드가 ON(스텝 S4에서 YES)된다. 이때, 드라이버가 시가지와 같은 장소에서 가감속을 반복하는 운전상태를 행하면, 흡장형 NOx 촉매(25)는 SOx을 방출하는 것에 필요한 고온 상태로 되기 쉽다. 즉, 이 경우 촉매 온도(Tcat)는 최초 ZSTEMP(600℃)를 초과하였지만 650℃ 보다도 낮은 상태가 계속되게 되며, 이 온도 영역에서는 S 재생은 되지만 S 재생 효율이 낮다. 그 때문에, 이 상태의 계속 시간이 설정 시간(C)을 경과한다면, S 퍼지 모드를 OFF(스텝 S4에서 NO)로 하는 것으로, 점화 시기 리타드 및 리치화를 중지하여 S 재생 효율이 낮은 온도 영역에서는 연비의 악화를 제어할 수 있다.
또한, S 퍼지 모드에서, 공연비를 리치 공연비 모드로 하여 린 공연비 모드로의 이행을 금지하고 있지만, 흡장형 NOx 촉매(25)가 고온에 있을 때에는 흡장형 NOx 촉매(25)의 열(熱)열화 대책을 위해 이미 린 공연비 모드는 금지되어 있는 경우도 있다.
또한, S 퍼지를 행할때에 점화 시기 리타드에 따라서 스로틀 밸브(17)를 작동하여 베이스 스로틀 개방도에 대해서 스로틀 개방도(θth)를 조정하고, 흡입 공기량을 조작하여 두며, 이것에 의해 점화 시기 리타드에 의한 토오크 저하분을 보조 토오크가 거의 일정하게 되도록 제어하고 있다. 이 경우, 스로틀 개방도는 하기 식(5)에 의해 설정된다.
스로틀 개방도 = 베이스 스로틀 개방도 - ZSETVP × 반영 계수 . . . (5)
여기서, ZSETV는 목표 평균 유효압(Pe)과 엔진 회전 속도 정보(Ne)에 따라서 설정된 스로틀 개방도 보정 맵에 의거하여 설정되는 것이고, 또한 반영 계수는 상술한 바와 같이, 도 5에 도시한 맵에 의거하여 설정된다. 또한, 이 경우 보정된 점화 시기(리타드 후의 점화 시기)에 대한 스로틀 개방도(θth)의 맵에 의해 설정되어도 좋다.
이와 같은 본 실시예에서는, 흡장형 NOx 촉매(25)로부터 SOx을 방출하는 재생 정도가 소정 범위로 유지되도록 제어 즉, 흡장형 NOx 촉매(25)의 촉매 온도(Tcat)가 활성 온도(예를들면, 250-350℃) 보다 높고 또한 흡장된 SOx을 이탈하는 것에 적합한 온도(예를들면 650-800℃) 또는 그보다 낮게 설정된 승온 설정 온도 ZSTEMP 이상으로 된 경우, 점화 시기를 리타드하여 흡장형 NOx 촉매(25)를 승온시킴과 동시에 공연비를 리치화하여 SOx을 방출한다.
따라서, 흡장형 NOx 촉매(25)가 어느 정도 고온 상태에 있을때에, 어시스트적으로 흡장형 NOx 촉매(25)를 승온하여 S 재생 속도의 느린 SOx 방출 속도에 적합한 촉매 온도 영역에 있어서 SOx을 방출하여 재생하고 있다. 그때문에, 흡장형 NOx 촉매(25)가 저온 상태로 SOx의 방출에 가장 적합한 온도까지 승온하는 것에 장시간을 요구하는 경우에 무리하게 S 재생을 실시하는 것이 아니다. 이것에 의해 장시간의 리치화 및 점화시기 리타드 및 저온으로부터 크게 승온하지 않으면 않되기 때문에 대폭적인 리타드를 행할 필요가 없고 연비의 악화를 제어할 수 있다.
도 8에 일반적인 주행시에 있어서 본 실시예에 의한 어시스트적인 승온에 의한 재생 제어를 사용했을 때와, 사용하지 않았을 때의 흡장형 NOx 촉매(25)의 촉매 베드 온도의 시간 빈도의 비교를 나타낸다. 본 제어를 사용하는 것에 의해 S 재생 속도가 빠른 S 재생에 적합한 650℃ 이상의 시간 반도가 크게 증가하고, 또한 S 재생 속도의 빠른 700℃ 이상의 시간 빈도도 증가하여 효율 좋게 S 재생할 수 있는 것을 알았다.
또한, S 퍼지 모드로 촉매 온도(Tcat)가 유황 성분의 이탈에 적합한 온도(예를들면 650℃ 이상)에 가깝지 않는 경우, 설정 시간(C)을 경과한 후에 S 퍼지 모드를 정지시키도록 하고 있다. 따라서, 예를들면 차량이 시가지와 같은 장소에서 가감속을 반복하는 운전 상태일때는, 흡장형 NOx 촉매(25)가 SOx을 방출하는 것에 적합한 고온 상태로 되기 어렵기 때문에, 설정 시간(C)의 경과를 기다려서 S 퍼지 모드를 중지시키며, 이것에 의해 S 재생 효율이 좋지 않은 온도대에서는 리치화 및 승온의 계속으로 제한을 설치하는 것에 의해 연비의 악화를 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 흡장형 NOx 촉매(25)의 온도가 활성 온도를 250℃-350℃로 하고, 흡장된 SOx을 이탈하는 것에 적합한 온도를 650℃로부터 800℃(보다 적합하게는 700℃ 이상), 승온 설정 온도 ZSTEMP를 600℃로부터 개새하여 S 재생 빈도에 의해 변화시키도록 하지만, 각 온도는 흡장형 NOx 촉매(25)의 특성 또는 엔진 형태나 배기 온도 등에 의해 적합하게 설정하면 좋은 것이다. 본 발명은 재생 수단의 작동을 추정 빈도에 의거하여 제어하는 것이 특징이기 때문에, 본 실시예와 같은 재생 수단(승온 수단)의 작동을 개시하는 조건으로 온도 조건을 설정하지 않아도 좋다. 즉, 추정 빈도가 적은 유황 성분의 방출 상태로 되지 않는 운전이 계속된 경우에 촉매 온도에 관계없이 재생 수단을 작동시키도록 하여도 좋다. 또한, 본 발명의 승온 수단도 상술한 실시예에 어떤 한정되는 것은 아니고, 예를들면 팽창 행정에 추가 연료 분사를 행하는 2단 분사나 흡장형 NOx 촉매(25)의 상류의 배기관(21)내에 직접 연료를 분사하도록 하는 것이어도 좋으며, 또한 전기 가열 촉매 등의 가열 수단을 사용하여도 좋다. 또한 리치화 수단으로서도 상술한 2단 분사 또는 배기관(21)내로의 직접 연료 분사를 사용하여도 좋다. 또한 운전 상태에 의해서는 이미 촉매가 고온으로 되어 있는 경우에는 승온 수단을 새로이 작동시키도 좋은 경우도 있고, 이미 리치로 되어 있는 경우에는 새로이 리치화 수단을 작동시키지 않아도 좋은 경우도 있다.
또한 흡장형 NOx 촉매(25)로부터 SOx을 방출하는 재생 정도가 소정 범위로 유지되도록 S 퍼지를 행하도록 하지만, 이것에 더하여 종래와 같은 흡장형 NOx 촉매(25)에 흡장된 SOx 량을 추정하여 S 퍼지를 행하는 장치를 병설하여도 좋다. 이 경우 종래의 S 퍼지를 행하는 장치는 부차적으로 사용하는 것이 바람직하고, 예를들면 본 발명의 S 퍼지 제어로 들어가는 운전을 드라이버가 행하지 않았을 때에만 촉매의 재생을 목적으로 하여 강제적으로 또는 SOx 량의 추정 결과에 의거하여 작동시키는 것이 연비등의 면에서 바람직하다. 또한, 상술한 실시예에서는 엔진(11)을 통내 분사형 불꽃 점화식 직열 가솔린 엔진으로 했지만, 엔진(11)은 흡장형 NOx 촉매를 갖는 것이면 흡기관 분사형의 린-번 엔진 또는 디젤 엔진이어도 좋다.
이상, 실시예에 있어서 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명의 내연기관의 배기 정화 장치에 의하면 안정한 촉매 장치의 재생이 가능하고, 촉매 장치의 열화에 의한 배기가스특성의 악화를 방지할 수 있다.

Claims (9)

  1. 내연기관의 배기 통로에 설치되어 배기 공연비가 적어도 린 공연비 일때에 배기 가스 중의 유황 성분을 흡장하는 촉매 장치(25)와,
    상기 촉매 장치(25)의 온도가 흡장된 유황 성분을 이탈가능한 범위로 결정된 설정 온도 이상으로 된 경우에 상기 촉매 장치(25)를 승온시켜서 상기 유황 성분을 상기 촉매 장치(25)로부터 이탈시키는 재생 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 재생 수단은 촉매를 승온하기 위해 점화시기를 제어하는 점화 시기 제어 수단과, 내연기관의 공연비를 제어하는 공연비 제어 수단을 포함하고,
    상기 촉매 장치(25)의 온도가 상기 설정 온도 이상으로 된 경우에, 상기 점화 시기 제어에 의해 점화시기를 지각시키며, 상기 공연비 제어 수단에 의해 공연비를 연료과능측으로 변경하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 재생 수단 작동후, 소정 기간이 경과하여도 유황 성분을 이탈시키기 위한 가장 적합한 촉매 온도 범위에 도달하지 않은 경우, 상기 재생 수단의 작동을 정지하는 정지수단을 설치한 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 흡장된 유황 성분이 방출되는 상태로 된 빈도를 추정하는 빈도 추정 수단과,
    상기 빈도 추정 수단의 출력에 의거하여 상기 재생 수단의 작동을 제어하는 작동 제어 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 빈도 추정 수단은 유황 성분이 이탈되는 특정 촉매 온도에 있어서의 상기 촉매 장치의 재생 시간과 주행 거리에 의거하여 상기 빈도를 산출하는 이탈 빈도 검출 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 빈도 추정 수단의 출력이 적고, 또한 상기 재생 수단의 작동 불능 상태가 소정 기간 계속된 경우 상기 작동 제어 수단에 의해 상기 재생 수단을 작동시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 빈도 추정 수단의 출력에 따라서 상기 설정 온도를 변경하는 설정 온도 변경 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 설정 온도 변경 수단은 상기 빈도가 증대하는 것에 따라 상기 설정 온도를 높게하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 배기 통로에 설치된 배기 온도를 검출하는 센서를 설치하고, 상기 작동 제어 수단은 상기 센서의 출력으로부터 추정되는 상기 촉매 장치의 촉매 온도가 상기 설정 온도를 초과한 경우 상기 재생 수단을 작동시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
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