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KR100362357B1 - 엔오엑스 흡장 환원형 촉매에 의한 내연기관의 배가스 정화장치 및 정화방법 - Google Patents

엔오엑스 흡장 환원형 촉매에 의한 내연기관의 배가스 정화장치 및 정화방법 Download PDF

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KR100362357B1
KR100362357B1 KR1019990020845A KR19990020845A KR100362357B1 KR 100362357 B1 KR100362357 B1 KR 100362357B1 KR 1019990020845 A KR1019990020845 A KR 1019990020845A KR 19990020845 A KR19990020845 A KR 19990020845A KR 100362357 B1 KR100362357 B1 KR 100362357B1
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야마시타유키히로
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가부시키가이샤 덴소
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Abstract

엔진 배기관에는 NOx 촉매가 배설되고, 이 NOx 촉매의 상류쪽에는 A/F 센서가 배설되며, 이 NOx 촉매의 하류쪽에는 O2센서가 배설되어 있다. ECU 내의 CPU는 린 연소(lean combustion) 제어를 실행하여 린 연소시에 배출되는 배가스중의 NOx를 NOx 촉매에 의해 흡장(吸藏)하도록 한다. 더욱이 CPU는 리치 연소(rich combustion) 제어를 일시적으로 실행하여 흡장된 NOx를 NOx 촉매로부터 방출시킨 다. 또한 CPU는 NOx 촉매의 열화(劣化)를 검출하여, 열화발생이 검출되었을 때에 린 연소에 대한 리치 연소의 비율을 증가시킴으로써 NOx 촉매의 온도를 상승시킨 다. 그리고 촉매 온도가 상승한 후에는 공기-연료비를 이론 공기-연료비로 제어하여 NOx 촉매를 재생시킨다.

Description

엔오엑스 흡장 환원형 촉매에 의한 내연기관의 배가스 정화장치 및 정화방법{ENGINE EXHAUST PURIFICATION SYSTEM AND METHOD HAVING NOx OCCLUDING AND REDUCING CATALYST}
본 발명은 공기-연료비(air-fuel ratio) 린(lean) 영역에서의 린 연소(lean combustion)를 수행하는 내연기관의 공기-연료비 제어 시스템에 적용되며, 린 연소시에 발생하는 배가스중의 질소 산화물(NOx)을 정화하기 위한 NOx 흡장(吸藏) 환원형 촉매를 가진 내연기관의 배가스 정화장치 및 방법에 관한 것이다.
근년에 있어서의 내연기관의 공기-연료비 제어 시스템에서는 연료소비를 개선하고자 이론 공기-연료비 보다도 린쪽의 공기-연료비에서 연료를 연소시키는 소위 린 번(lean burn) 제어를 실시하는 기술이 더 한층 사용되고 있다. 이러한 린 연소를 시킬 경우에 있어서 내연기관으로부터 배출되는 배가스에는 다량의 NOx가함유되므로 이 NOx를 정화하기 위한 NOx 촉매를 필요로 한다. 한편, 연료와 윤활유는 황을 함유하므로 내연기관으로부터 배출되는 배가스중에는 황이 함유되며, 이 황이 NOx와 더불어 상기 NOx 촉매에 흡착된다. NOx 촉매에 황이 흡착되면 NOx 흡착능력이 저하하므로 NOx 촉매에 흡착된 황을 제거하기 위한 기술이 종래부터 제안되어 있다.
예컨대 담체위에 백금(Pt) 및 바륨(Ba)을 담지시켰을 경우, NOx 촉매에 황이 흡착됨으로써 안정한 황산염(BaSO4)을 생성하게 된다. 그리고 NOx 촉매위에 황산염(BaSO4)의 양이 증가하면 이 NOx 촉매가 흡장할 수 있는 NOx 흡장량이 점차로 저하된다.
일본국 특허공개 평10-54274호 공보에 의하면 황흡착량이 소정량을 초과하면 공기-연료비를 리치쪽(rich side)으로 제어함과 아울러 배가스의 발열량을 증가시키도록 하고 있다. 그 구체적인 한가지 수단으로서 소정기간 동안 린 실화(失火)(lean misfire)를 발생시키고, 이 실화후에 공기-연료비를 리치쪽으로 제어하고 있다. 이렇게 함으로써 미연소 성분을 NOx 촉매에 보내어 이 촉매내에서 미연소 성분을 연소시킴으로써 촉매의 온도를 상승시키고 있다. 그 구체적인 두번째 수단으로서 공기-연료비를 리치쪽으로 제어함과 아울러 점화시기를 지연시킴으로써 배가스의 온도를 상승시키도록 하고 있다.
그러나 상기한 공보의 배가스 정화장치는 아래에 나온 문제가 생긴다. 즉,린 실화를 강제적으로 발생시키면 예기치 아니한 토오크(torque) 변동이 생기고, 이 토오크 변동에 따라 드라이버빌리티(drivability)가 악화된다. 더욱이 실화에 따라 HC 및 CO 등의 미연소 성분이 대기로 방출될 우려가 있다. 그리고 점화시기를 지연시킬 경우에 있어서는 출력 토오크를 확보하기 위하여 흡기량을 증대시킬 필요가 있고, 이에 따라 배가스량이 증대하여 더욱이는 HC, CO, NOx 등의 유해성분의 총량이 증대할 우려가 있다.
본 발명은 상기한 문제에 착안하여 된 것으로서, 그 목적으로 하는 것은 토오크 변동이나 배기배출 증가 등의 결점을 피하면서 촉매에 흡착된 황을 방출할 수 있는 내연기관의 배가스 정화장치 및 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 의한 공기-연료비 제어 시스템의 전체구성을 나타낸 블록도.
도 2는 제1실시형태에서의 연료분사 제어 루틴을 나타낸 플로우 차아트.
도 3은 제1실시형태에 목표 공기-연료비의 설정 루우틴을 나타낸 플로우 차아트.
도 4는 엔진운전 상태에 따라 리치(rich) 시간을 설정하기 위한 맵(map).
도 5는 엔진운전 상태에 따라 린(lean) 목표 공기-연료비를 설정하기 위한 맵.
도 6은 제1실시형태에서의 공기-연료비 제어 거동을 나타낸 타이밍 차아트.
도 7은 제1실시형태에서의 NOx량 추정 루틴을 나타낸 플로우 차아트.
도 8a 및 도 8b는 NOx량 산출에 사용되는 관계도.
도 9는 제1실시형태에서의 촉매 열화 검출 루틴을 나타낸 플로우 차아트의 일부.
도 10은 촉매 열화 검출 루틴을 나타낸 플로우 차아트의 또 다른 일부.
도 11은 리어(rear) O2센서출력 적산값의 산출 루틴을 나타낸 플로우 차아트.
도 12는 리치 가스(rich gas) 적산값의 산출 루틴을 나타낸 플로우 차아트.
도 13은 열화 판정치와 NOx 정화율 사이의 관계를 나타낸 도면.
도 14는 NOx 정화율과 촉매 열화도 사이의 관계를 나타낸 도면.
도 15는 촉매 열화 검출동작을 설명하기 위한 타이밍 차아트.
도 16은 제1실시형태에서의 촉매재생 루틴을 나타낸 플로우 차아트.
도 17은 제1실시형태에서의 재생처리 완료후에 실시되는 처리를 나타낸 플로우 차아트.
도 18은 린(lean) 시간/리치(rich) 시간과 촉매온도 상승폭 사이의 관계를 나타낸 도면.
도 19는 제1실시형태에서의 촉매재생 처리를 설명하기 위한 타이밍 차아트.
도 20a 및 도 20b는 촉매 열화전과 촉매 열화후에 있어서 센서출력 파형을 나타낸 도면.
도 21은 제1실시형태의 변형에 의한 처리를 나타낸 플로우 차아트.
도 22는 본 발명의 제2실시형태에 의한 촉매 열화 검출 루틴을 나타낸 플로우 차아트.
도 23은 NOx 흡장량과 촉매 열화도 사이의 관계를 나타낸 맵.
도 24a 및 도 24b는 촉매 열화전과 촉매 열화후에 있어서 센서출력 파형을 나타낸 도면.
도 25는 본 발명의 제3실시형태를 나타낸 개략 블록도.
도 26은 3원(三元)촉매 열화도와 리치(rich) 제어량 사이의 관계를 나타낸 도면.
도 27a 및 도 27b는 제3실시형태에서의 촉매 열화 검출동작을 설명하기 위한 타이밍 차아트.
도 28은 본 발명의 제4실시형태를 나타낸 블록도.
도 29는 O2센서출력과 리치(rich) 과잉량 사이의 관계를 나타낸 그래프.
도 30은 공기-연료비와 리치 과잉량 사이의 관계를 나타낸 그래프.
본 발명의 배가스 정화장치 및 방법에 의하면, NOx 촉매가 흡장할 수 있는 NOx 흡장량이 소정치보다도 저하했을때, 공기-연료비를 린 및 리치로 교대로 제어하여 온도를 상승시키기 위한 파라메터를 가변적으로 설정한다. NOx 촉매의 온도 상승 처리완료후에 공기-연료비를 이론 공기-연료비 혹은 리치쪽으로 제어하여 NOx 촉매를 재생시킨다.
이 경우에 있어서, 린 연소 제어에 대한 리치 연소 제어의 비율을 증가시키거나, 린 연소 제어와 리치 연소 제어 사이의 시간비(린 시간/리치 시간)를 감소시키거나, 또는 리치 연소 제어 타임에서의 리치 정도를 증대시키면 촉매온도가 상승한다.
본 발명에 의하면, NOx 촉매의 열화를 추가로 검출한다. NOx 촉매의 열화발생이 검출되면 린 연소 제어와 리치 연소 제어를 교대로 하는 대신에 공기-연료비를 이론 공기-연료비쪽으로 또는 보다 리치쪽의 공기-연료비쪽으로 계속하여 제어함으로써 촉매를 재생시킨다. 촉매의 재생처리는 촉매가 열화될 때에만 한정되는 것이 아니므로 공기-연료비 린 연소 제어에 있어서의 빈번한 중단 등의 기타 제어에 미치는 영향을 극소화할 수 있다.
촉매 열화를 다른 방법으로도 검출할 수 있으며, 이러한 촉매 열화 검출은 촉매재생 처리 조작과는 독립하여 이용해도 좋다.
이하, 본 발명을 구체화한 각 실시형태를 도면에 따라 설명한다. 각 도면에서 동일 참조숫자를 사용하여 동일 부품을 나타낸 각 실시형태에서의 공기-연료비 제어 시스템에서는 내연기관에 공급하는 혼합기(混合氣)의 목표 공기-연료비를 이론 공기-연료비 보다도 린쪽으로 설정하고, 이 목표 공기-연료비에 근거하여 린 연소를 시키는, 소위 린 번(lean burn) 제어를 실시한다. 이 시스템의 주된 구성으로서 내연기관의 배기계 통로의 도중에는 NOx 흡장 환원형 촉매(이하, 간단히 NOx 촉매라 함)가 설치되며, NOx 촉매의 상류쪽에는 한계전류식의 공기-연료비 센서(A/F센서)가 배치되고, 그 하류쪽에는 산소 센서(O2센서)가 배치된다.
[제1실시형태]
도 1에 나온 바와 같이 내연기관은 4기통 4사이클의 불꽃 점화식(spark ignition type)의 엔진이다. 그 흡입공기는 상류로부터 에어 클리너(2), 흡기관(3), 드로틀 밸브(4), 서어지 탱크(surge tank)(5) 및 인테이크메니포울드(intake manifold)(6)를 통과하여 인테이크 메니포울드(6) 내에서 각 기통 마다의 연료분사 밸브(7)로부터 분사된 연료와 혼합된다. 그리고, 소정의 공기-연료비의 혼합기(混合氣)로 하여 각 기통에 공급된다.
엔진(1)의 각 기통에 설치된 점화 플러그(8)에는 점화회로(9)로부터 공급되는 고전압이 디스트리뷰터(distributor)(10)를 통해 분배공급되며, 점화 플러그(8)는 상기 각 기통의 혼합기를 소정의 타이밍에서 점화한다. 혼합기의 연소후에 각 기통으로부터 배출되는 배가스는 배기 메니포울드(exhaust manifold)(11) 및 배기관(12)을 거쳐 배기관(12)에 설치된 NOx 촉매(14)를 통과한 후 대기로 배출된다. 이 NOx 촉매(14)는 린(lean) 공기-연료비의 혼합기(混合氣)의 연소시에 배가스중의 NOx를 주로 흡장하는 한편, 리치 공기-연료비의 혼합기의 연소시에 상기 흡장된 NOx를 리치 성분(CO, HC등)으로써 환원하여 방출한다.
흡기관(3)에는 흡기온도 센서(21) 및 흡기압력 센서(22)가 설치되고, 흡기온도 센서(21)는 흡입공기의 온도[흡기온(吸氣溫) Tam]를, 그리고 흡기압력 센서(22)는 드로틀 밸브(4)의 하류쪽의 흡기관내의 부압(負壓)[흡기압(吸氣壓) PM]을 각각 검출한다. 상기 드로틀 밸브(4)에는 이 밸브(4)의 개구도(트로틀 개구도 TH)를 검출하기 위한 드로틀 센서(23)가 설치되고, 이 드로틀 센서(23)는 드로틀 개구도 TH에 따른 아날로그 신호를 출력한다. 드로틀 센서(23)는 아이들 스위치(idle switch)를 내장해 있어 드로틀 밸브(4)가 거의 폐쇄되어 있음을 나타내는 검출신호를 출력한다.
엔진(1)의 실린더 블럭에는 수온(水溫) 센서(24)가 설치되어 있는데, 이 수온센서(24)는 엔진(1)속을 순환하는 냉각수의 온도(냉각수온 Thw)를 검출한다. 상기한 디스트리뷰터(10)에는 엔진(1)의 회전수(엔진 회전수 Ne)를 검출하기 위한 회전수 센서(25)가 설치되어 있고, 이 회전수 센서(25)는 엔진(1)의 2회전, 즉 720℃ CA마다 등간격으로 24개의 펄스신호를 출력한다.
더욱이 배기관에 있어서 NOx 촉매(14)의 상류쪽에는 한계전류식의 A/F센서 (26)가 설치되어 있는데, 이 센서(26)는 엔진(1)으로부터 배출되는 배가스의 산소농도(또는 미연소 가스중의 CO농도)에 비례하여 광역의 리니어(linear)한 공기-연료비 신호(AF)를 출력한다. 또한 배기관(12)의 NOx 촉매(14)의 하류쪽에는 O2센서(27)가 설치되어 있는데, 이 센서(27)는 배가스의 공기-연료비가 리치인가 또는 린인가에 따라 상이한 기전력 신호(VOX2)를 출력한다.
ECU(30)는 CPU(31), ROM(32), RAM(33), 백업 RAM(34) 등을 중심으로 하여 이론연산 회로로서 구성되며, 상기 각 센서의 검출신호를 입력하는 입력 포오트(35) 및 각 액츄에이터(actuator) 등에 제어신호를 출력하는 출력 포오트(36)에 대해 버스(bus)(37)를 통해 접속되어 있다. ECU(30)는 상기한 각종 센서의 검출신호(흡기온 Tam, 흡기압 PM, 드로틀 개구도 TH, 냉각수온 Thw, 엔진 회전수 Ne, 공기-연료비 신호 등)를 입력 포오트(35)를 통해 입력한다. 그리고 이들의 각 검출값에 근거하여 연료분사량 TAU 및 점화시기 Ig 등의 제어신호를 발생하고, 더욱이 이들 제어신호를 출력 포오트(36)를 통해 연료분사 밸브(7) 및 점화회로(9) 등에 각각 출력한다.
CPU(31)는 도 2에 나온 연료분사 제어 루틴을 실행하는데, 이 루틴은 각 기통의 연료분사때 마다(180°CA 마다) 실행된다.
도 2의 루틴이 개시하면, CPU(31)는 먼저 스텝 101에서 엔진운전 상태를 나타내는 센서검출 결과(엔진 회전수 Ne, 흡기압 PM, 냉각수온 Thw등)를 읽고, 이어서 스텝 102에서 ROM(32)내에 미리 저장되어 있는 기본 분사 맵(map)을 이용하여 그때마다의 엔진 회전수 Ne 및 흡기압 PM에 따른 기본 분사량 Tp를 산출한다. 또한 CPU(31)는 스텝 200에서 다음에 설명되는 도 3의 루틴에 따라 목표 공기-연료비 AFTG를 설정한다.
그 후, CPU(31)는 스텝 103에서 그때마다의 실제의 공기-연료비 AF(센서 계측치)와 목표 공기-연료비 AFTG의 편차에 근거하여 공기-연료비 보정계수 FAF를 설정한다. 본 실시형태에서는 현대 제어이론에 근거하여 공기-연료비 F/B 제어를 실행하는데, 예컨대 일본국 특허공개 평1-110853호 공보 등에 개시된 설정수순에 따라 FAF 값을 설정한다.
FAF 값의 설정후 CPU(31)는 스텝 104에서 아래의 수식을 이용하여 기본 분사량 Tp, 공기-연료비 보정계수 FAF 및 기타의 보정계수 FALL(수온, 에어콘 부하등의 각종 보정계수)로부터 최종적인 연료분사량 TAU를 산출한다.
TAU = TpㆍFAFㆍFALL
연료분사량 TAU를 산출한 후 이 TAU 값에 상당하는 제어신호를 연료분사 밸브(7)에 출력하여 루틴을 일단 종료한다.
여기서 상기한 F/B 제어는 F/B 조건이 충족되면 실행되는 반면, F/B 조건이충족되지 않으면 공기-연료비 오픈 루우프 제어(open-loop control)가 실행된다( FAF=1.0으로 함). F/B 조건은 냉각수온 Tw이 소정온도 이상일 때, 엔진(1)이 고회전 상태도 아니고 고부하 상태도 아닐때, A/F 센서(26)가 활성상태에 있을때 등의 경우에 충족된다.
이어서 목표 공기-연료비 AFTG의 설정루틴(상기 스텝 200에서의 처리)에 대해 도 3에 나온 플로우 차아트를 이용하여 설명한다. 이 처리에서는 린 연소의 실시도중에서 일시적으로 리치 연소가 실시되도록 목표 공기-연료비 AFTG가 적절히 설정된다. 즉, 본 실시형태에서는 연료분사때 마다 계수되는 주기 카운터 PC의 값에 근거하여 소정의 시간비가 되도록 린 시간 TL과 리치 시간 TR이 설정되며, 이들 각각의 시간 TL 및 TR에 따라 린 연소와 리치 연소가 교대로 실시된다.
도 3의 처리를 순서를 따라 설명한다. CPU(31)는, 먼저 스텝 201에서 지금 현재의 주기 카운터 PC가 "0"인가 아닌가를 판별하여, 주기 카운터 PC=0인 것을 조건으로 하여 스텝 202에서 엔진 회전수 Ne 및 흡기압 PM에 근거하여 린 시간 TL 및 리치 시간 TR을 설정한다. 스텝 201이 NO이면(주기 카운터 PC≠0인 경우), CPU(31)는 스텝 202의 처리를 뛰어 넘는다.
이 경우에 있어서 린 시간 TL과 리치 시간 TR은 각각 린 공기-연료비에서의 연료분사 회수, 리치 공기-연료비에서의 연료분사 회수에 각각 상당하는 것으로서, 기본적으로 엔진 회전수 Ne가 높을수록 또는 흡기압 PM이 높을수록 큰 값으로 설정된다. 본 실시형태에서는 도 4의 관계에 근거한 맵 검색(map retrieval)에 의해 리치 시간 TR이 구해진다. 이에 대하여 린 시간 TL은 상기한 리치 시간 TR과 소정의계수 α로부터
TL=TRㆍα
로서 구해진다.
계수 α는 약 50의 고정값으로 설정하면 좋으며, 엔진 회전수 Ne, 흡기압 PM 등의 엔진 운전상태에 따라 가변적으로 설정해도 좋다.
그 후, CPU(31)는 스텝 203에서 주기 카운터 PC를 "1"증분(increment)하고, 그 다음의 스텝 204에서 주기 카운터 PC의 값이 상기 린 시간 TL에 상당하는 값에 도달했는가 아닌가를 판별한다. 주기 카운터 PC<TL인 경우, CPU(31)는 스텝 205로 진행하여 그때의 엔진 회전수 Ne 및 흡기압 PM에 근거하여 목표 공기-연료비 AFTG를 린 제어값으로 설정한다. AFTG 값의 설정후 CPU(31)는 이 루틴을 종료하여 원래의 도 2의 루틴으로 되돌아간다.
AFTG 값은, 예컨대 도 5에 나온 목표 공기-연료비 맵으로부터의 데이터 검색에 의하여 구해진다. AFTG 값으로서, 예컨대 A/F=20∼30에 상당하는 값이 설정된다(그러나 정상 운전상태가 아닌 등의 린 연소의 실시조건이 성립하지 않을 경우에는 이론적인 비 근방에서 AFTG 값이 설정된다.). 이 경우에 있어서 상기 스텝 205에서 설정된 AFTG 값에 의해 공기-연료비가 린쪽으로 제어된다.
그리고 주기 카운터 PCTL인 경우, CPU(31)는 스텝 206으로 진행하여 목표 공기-연료비 AFTG를 리치 제어값으로서 설정한다. AFTG 값은 리치 영역에서의 고정값으로 해도 좋고, 엔진 회전수 Ne 또는 흡기압 PM에 근거하여 맵 데이터 검색하여 가변적으로 설정해도 좋다. 맵 검색의 경우, 엔진 회전수 Ne가 높을수록 또는 흡기압 PM이 높을수록 그 리치정도가 증가하도록 AFTG 값이 설정된다.
그 후, CPU(31)는 스텝 207에서 주기 카운터 PC의 값이 린 시간 TL과 리치 시간 TR의 합계시간 "TL+TR"에 상당하는 값에 도달했는가 아닌가를 판별하여, 주기 카운터 PC<TL+TR이면, 그대로 이 루틴을 종료하여 원래의 도 2의 루틴으로 복귀한다. 이 경우에 있어서 상기 스텝 206에서 설정된 AFTG 값에 의해 공기-연료비가 리치가 되도록 제어한다.
한편, 주기 카운터 PCTL+TR이고 스텝 207이 긍정(YES)으로 판별될 경우는 CPU(31)는 스텝 208에서 주기 카운터 PC를 클리어(clear)하여 0으로 하고, 그 후 이 루틴을 종료하여 원래의 도 2의 루틴으로 복귀한다. 주기 카운터 PC의 클리어에 따라 다음회의 처리시간에는 스텝 201이 긍정판별(YES)되므로 린 시간 TL 및 리치 시간 TR이 새롭게 설정된다. 그리고 이 린 시간 TL 및 리치 시간 TR에 근거하여 다시 위에 나온 공기-연료비의 린 제어와 리치 제어가 실시된다.
도 6에 나온 바와 같이 시각(時刻) t1∼t2의 기간(주기 카운터가 0∼TL인 기간)에서는 공기-연료비가 린 제어되어 배가스중의 NOx가 NOx 촉매(14)에 흡장된다. 그리고 시각 t2∼t3의 기간(주기 카운터가 TL∼TL+TR인 기간)에서는 공기-연료비가 리치 제어되어 배가스중의 미연소 가스성분(HC, CO)에 의해 NOx 촉매(14)에 흡장된 NOx가 정화되어 방출된다. 이렇게 하여, 공기-연료비의 린 연소 제어와 리치 연소 제어가 린 시간 TL과 리치 시간 TR에 따라 반복하여 실시된다.
제1실시형태에서는 NOx 촉매(14)에 의한 NOx 정화량과 이 촉매(14)쪽으로의 NOx 유입량 사이의 비로부터 "NOx 정화율(=NOx 정화량/NOx 유입량)"을 구하고, 이 NOx 정화율에 따라 NOx 촉매(14)의 열화를 검출한다.
"NOx 정화량"은 NOx 정화에 소요된 실제의 리치 가스량으로서 구할 수가 있다. 이 경우에 있어서 리치 연소시에 있어서 NOx 촉매의 하류쪽과 상류쪽에서의 공기-연료비를 모니터링하여 리치 가스 유입량과 잉여 가스량의 차이를 구하고, 이 리치 가스 유입량과 잉여 가스량의 차이로부터 NOx 정화량을 구한다. 실제로는 리치 연소시에 있어서 촉매 상류쪽의 A/F 센서(26)의 출력 AF를 적산하여 리치 가스 적산값 AFAD(리치 가스 유입량)를 산출함과 아울러 마찬가지로 리치 연소시에 있어서 촉매 하류쪽의 O2센서(27)의 출력 VOX2(편의상 이것을 "리어(rear) O2센서출력" 이라 함)를 적산하여 리어 O2센서출력 적산값 VOX2AD(잉여 가스량)를 산출한다. 그리고 리치 가스 적산값 AFAD와 리어 O2센서출력 적산값 VOX2AD의 차이를 NOx 정화량으로 사용한다(NOx 정화량=AFAD-VOX2AD).
그리고 "NOx 유입량"은 NOx 촉매(14)에 공급된 NOx량으로 하여 구할 수 있다. 실제로는 린 연소시에 있어서 엔진 운전상태(Ne, PM 및 A/F)에 근거하여 NOx 유입량으로서의 NOx 적산량 CNOXAD를 산출한다
그리고 (AFAD-VOX2AD)/CNOXAD의 연산결과를 "NOx 정화율"로 하고, 이 NOx 정화율을 열화판정 파라메터로 하여 NOx 촉매(14)의 열화를 검출한다.
NOx 촉매(14)의 열화검출과 관련한 CPU(31)의 제어동작을 도 7 및 도 9 내지 도 12의 플로우 차아트를 사용하여 설명한다. 도 7은 NOx 촉매(14)의 NOx 적산값을 추정하는 순서를 나타내며, 도 9 및 도 10은 촉매 열화의 검출순서를 나타낸다.
도 7에 있어서 CPU(31)는 먼저 스텝 301에서 현재의 A/F 센서(26)의 출력 AF(촉매의 상류쪽의 공기-연료비)가 린값(lean value)인가 아닌가를 판별하여, 스텝 301에서 긍정판별(YES)되는 것을 조건으로 하여 스텝 302로 진행한다. 스텝 302에서 CPU(31)는 배가스중에 함유된 NOx량 CNOX(몰)를 엔진운전 상태에 따라 추정한다. CNOX 값의 추정시에 있어서, 예컨대 도 8a의 맵을 사용하여 그때 그때의 엔진 회전수 Ne와 흡기압 PM에 따른 NOx 기본량을 구함과 아울러 도 8b의 관계를 이용하여 그때 그때의 공기-연료비에 따른 A/F 보정값을 구한다. 그리고 NOx 기본량과 A/F 보정값을 곱하여 그 적(product)을 CNOX 값으로 사용한다(CNOX=NOx 기본량ㆍA/F 보정값)
도 8a에서는 엔진 회전수 Ne가 높을수록 혹은 흡기압 PM이 클수록 NOx 기본량이 큰 값으로 설정된다. 그리고 도 8b에서는 이론 공기-연료비(λ=1)에서 A/F 보정값=1.0이 설정되고, 이 이론 공기-연료비에 대해 린쪽에서는 "1.0" 이상의 A/F 보정값이 설정된다. 단, 어떤 공기-연료비의 린쪽(예컨대 A/F>16)에서는 연소온도가 내려가므로 그 이상의 증가쪽의 보정이 필요없게 되어 A/F 보정값은 소정의 값으로 수렴된다.
그 후, CPU(31)는 스텝 303에서 NOx 적산량 CNOXAD를 산출한다. 이때, 상기 스텝 302에서 산출된 CNOX 값을 CNOXAD 값의 전번회의 값에 가산하여 그 합을 CNOXAD 값의 이번회의 값으로 한다(CNOXAD=CNOXAD+CNOX).
한편, 도 9의 촉매 열화 검출 루틴에서는 CPU(31)는 먼저 스텝 401에서 카운터 CCATDT가 "0"인가 아닌가를 판별하고, CCATDT=0인 것을 조건으로 하여 스텝 402로 진행한다. 그리고 CPU(31)는 스텝 402에서 리치 연소 제어 개시의 타이밍인가 아닌가를 판별한다.
스텝 402가 NO이면 CPU(31)는 스텝 403으로 진행하여 현재 린 연소 제어중인가 아닌가를 판별한다. 린 연소 제어중인 경우, CPU(31)는 스텝 404에서 리어 O2센서출력 VOX2로부터 출력 보정값 VOX2SM을 산출한다. 즉,
VOX2SM=(31/32)VOX2SM+(1/31)VOX2
라는 연산식을 이용하여 O2출력 보정값을 산출한다.
그리고 상기 스텝 402가 YES이면 CPU(31)는 스텝 405로 진행하여 카운터 CCATDT에 소정의 값 "KCCATDT"를 설정한다. 소정의 값 KCCATDT는 리치 시간 TR에 대해 약 3배 정도의 시간이면 좋다. 소정의 값 KCCATDT가 설정되면 그 다음회부터는 스텝 401이 NO로 되고, CPU(31)는 스텝 406에서 카운터 CCATDT를 "1"감분(decrement)한 다음 스텝 500으로 진행한다.
그리고 CPU(31)는 스텝 500에서 후술하는 도 11의 루틴에 따라 리어 O2센서 출력 적산값 VOX2AD를 산출한다. 그리고 CPU(31)는 스텝 600에서 후술하는 도 12의 루틴에 따라 리치 가스 적산값 AFAD를 산출한다.
그 후, CPU(31)는 도 10의 스텝 407로 진행하여 카운터 CCATDT가 "0"인가 아닌가를 판별한다. CCATDT≠0이면 CPU(31)는 그대로 이 루틴을 종료한다. 그리고 상기 스텝 406에서의 카운트다운에 따라 CCATDT=0이 되면 CPU(31)는 스텝 408로 진행하여,
NOXCONV=CNOXAD/(AFAD-VOX2AD)
라는 연산식을 사용하여 열화 판정값 NOXCONV를 산출한다.
그 후, CPU(31)는 스텝 409에서 도 13의 관계를 이용하여 상기 NOXCONV 값으로부터 NOx 정화율을 산출함과 아울러 도 14의 관계를 이용하여 NOx 정화율에 근거하여 촉매 열화도를 판정한다. 도 14에서는 NOx 정화율이 높을수록 촉매 열화도가 적어지고, 역으로 NOx 정화율이 낮을수록 촉매 열화도가 커지는 관계가 나타나 있다. 이 경우에 열화도가 도 14의 사선영역에 있으면 "열화있음"으로 판정된다.
그리고 스텝 410에서 "열화있음"으로 판정되면, CPU(31)는 스텝 411에서 열화검출 플랙(flag) XCAT에 "1"을 세트한다. 최후로 CPU(31)는 스텝 412에서 CNOXAD, VOX2AD 및 AFAD의 각 값을 "0"으로 클리어하고 이 루틴을 종료한다.
이어서 리어 O2센서출력 적산값 VOX2AD의 산출순서(상기한 스텝 500에서의 처리)에 대하여 도 11의 플로우 차아트를 사용하여 설명한다. 이 처리에 있어서 CPU(31)는 먼저 스텝 501에서 그때 그때의 리어 O2출력 VOX2로부터 O2출력 보정값 VOX2SM(상기한 도 9에서 스텝 404에서의 산출값)을 감산하여 그 차이를 O2출력편차 VOX2DV로 한다(VOX2DV=VOX2-VOX2SM). 그리고 CPU(31)는 스텝 502에서 O2출력편차 VOX2DV의 절대값이 0.02V 이상인가, 즉 그때의 리어 O2센서출력 VOX2가 린 연소시에 계측한 O2출력 보정값 VOX2SM에 대해 "0.02V" 이상 리치쪽으로 변화해 있는가 아닌가를 판별한다.
｜VOX2DV｜<0.02V인 경우(스텝 502가 NO), CPU(31)는 그대로 이 루틴을 종료하고 원래의 도 9 및 도 10의 루틴으로 복귀한다. 그리고 ｜VOX2DV｜0.02V인 경우(스텝 502가 YES), CPU(31)는 스텝 503에서 상기 O2출력편차 VOX2DV와 흡입공기량 QA의 적(積)으로부터 "VOX2DV1 값"을 산출한다(VOX2DV1=VOX2DVㆍQA). 그리고 흡입공기량 QA는 그때 그때의 엔진 회전수 Ne 및 흡기압 PM에 근거하여 연산된다.
더욱이 CPU(31)는 스텝 504에서 리어 O2센서출력 적산값 VOX2AD를 산출하고, 그 후 이 루틴을 종료하여 원래의 도 9 및 도 10의 루틴으로 복귀한다. 스텝 504에서는 VOX2AD 값의 전번회의 값에 상기 산출된 VOX2DV1 값을 가산하고, 그 합을 VOX2AD 값의 이번회의 값으로 한다(VOX2AD=VOX2AD+VOX2DV1).
리치 가스 적산값 AFAD의 산출순서(상기 스텝 600의 처리)에 대해 도 12의 플로우차아트를 사용하여 설명한다. 이 처리에 있어서, CPU(31)는 먼저, 스텝 601에서 공기-연료비 기준값 AFSD(예컨대 이론 공기-연료비 λ=1.0)로부터 A/F센서(26)의 출력 AF(실제의 공기-연료비)를 감산하여 그 차이를 리치 편차 AFDV로 한다(AFDV =AFSD-AF). 그리고 CPU(31)는 스텝 602에서 "AFDV>0"인가 아닌가, 즉 그때의 실제의 공기-연료비 AF가 공기-연료비 기준값 AFSD 보다도 리치쪽인가 아닌가를 판별한다.
AFDV0인 경우(스텝 602가 NO), CPU(31)는 그대로 이 루틴을 종료하고 원래의 도 9 및 도 10의 루틴으로 복귀한다. 그리고 AFDV>0인 경우(스텝 602가 YES), CPU(31)는 스텝 603에서 상기한 리치 편차 AFDV와 흡입공기량 QA의 적으로부터 리치 가스량 AFDV1을 산출한다(AFDV1=AFDVㆍQA).
더욱이 CPU(31)는 스텝 604에서 리치 가스 적산값 AFAD를 산출한 후 이 루틴을 종료하고 원래의 도 9 및 도 10의 루틴으로 복귀한다. 스텝 604에서는 AFAD 값의 전번회의 값에 상기 산출된 AFDV1 값을 가산하여 그 합을 AFAD 값의 이번회의 값으로 한다(AFAD=AFAD+AFDV1).
도 15에 나온 바와 같이 시각 t11 이전에 공기-연료비 린 연소 제어가 실시되어 있고, 그때 그때의 리어 O2센서출력 VOX2로부터 O2출력 보정값 VOX2SM이 산출된다(상기한 도 9에서의 스텝 404).
시각 t11에서는 공기-연료비 리치 연소 제어가 개시되고 카운터 CCATDT에 소정의 값 KCCATDT가 세트된다. 그리고 NOx 적산량 CNOXAD는 촉매 상류쪽의 공기-연료비가 리치쪽으로 될때까지의 기간(시각 t12까지의 기간)에서 산출된다(도 7에서의 처리).
시각 t11 이후부터 카운터 CCATDT가 "0"이 되는 시각 t13까지는 도면의 S1부에 상당하는 리치 가스 적산값 AFAD와, 도면의 S2부에 상당하는 리어 O2센서출력 적산값 VOX2DA가 산출된다(상기한 도 9에서의 스텝 600 및 500). 그리고 시각 t13에서 CCATDT=0이 되면 CNOXAD 값, AFAD 값 및 VOX2AD 값으로부터 열화 판정값 NOXCONV가 산출되고, 이 NOXCONV 값에 따라 열화검출이 실행된다(상기한 도 10에서의 스텝 408, 409). 시각 t13 이후는 다시 O2출력 보정값 VOX2SM이 산출된다.
도 15에 있어서 NOx 촉매(14)의 열화가 진행한다고 가정하면 이 촉매(14)의NOx 흡장능력이 저하하므로 리치 가스 적산값 AFAD(도면에서 S1부)에 대해 리어 O2센서출력 적산값 VOX2AD(도면에서 S2부)가 커지게 되어, 그 결과로서 NOx 정화율이 저하한다. 그리고 NOx 정화율의 저하에 의해 촉매 열화가 검출된다.
그런데 연료나 윤활유중에 함유된 황에 의해 NOx 촉매(14)가 피독(被毒)되면 이 촉매(14)의 NOx 흡장능력이 저하하여 도 9 및 도 10에서의 처리에 있어서 열화발생이 검출된다. 이 실시형태에서는 NOx 촉매(14)의 열화가 검출되었을 때에 촉매성능의 재생을 도모하고자 린 연소 도중의 리치 연소의 비율을 증가시켜 NOx 촉매(14)의 온도(촉매온도)를 상승시킴과 아울러 공기-연료비 λ=1에서의 이론제어 또는 약간의 리치쪽 제어를 실시한다. NOx 촉매(14)를 고온으로 한 상태에서 이 촉매(14)에 리치 성분(HC, CO)을 공급하면 황피독에 의해 생성된 황산염(BaSO4)이 환원되어 황이 방출된다.
도 16에 나온 바와 같이 CPU(31)에 의해, 예컨대 1초 주기로 촉매재생 처리가 실행된다. 도 16에서 CPU(31)는 먼저, 스텝 701에서 열화검출 플랙(flag) XCAT에 "1"이 세트되어 있는가 아닌가를 판별한다. 상기 도 9 및 도 10의 처리에 의해 촉매 열화 발생이 검출되어 XCAT=1이면, CPU(31)는 촉매재생 처리가 필요한 것으로 간주하여 스텝 702로 진행하여 촉매재생 처리가 실시중인 것을 나타내는 재생처리 플랙 XSRET가 "1"인가 아닌가를 판별한다.
XSRET=0인 경우, CPU(31)는 스텝 703 및 704를 실행한 후 스텝 705로 진행한다. XSRET=1인 경우, CPU(31)는 그대로 스텝 705로 점프한다. 즉, XSRET=0인 경우,CPU(31)는 스텝 703에서 카운터 CSRET에 소정의 값 "KCSRET"을 세트함과 아울러 그 다음의 스텝 704에서 재생처리 플랙 XSRET에 "1"을 세트한다. 소정의 값 KCSRET는, 예컨대 약 1분의 시간이면 충분하다.
그 후, CPU(31)는 스텝 705에서 카운터 CSRET를 "1" 감분(decrement)하고, 다음 스텝 706에서 카운터 CSRET가 "0"인가 아닌가를 판별한다. CSRET≠0이면, CPU(31)는 스텝 707에서 린 시간과 리치 시간 사이의 시간비를 "5:1"로 세트한다. 이 경우에 있어서 린 시간과 리치 시간 사이의 시간비를 통상적인 비 "50:1"로부터 "5:1"로 변경함으로써 리치 연소의 비율이 증대되어 NOx 촉매(14)의 온도는 점차로 상승한다.
한가지 예로서 "린 시간/리치 시간"과 촉매온도의 상승폭은 도 18의 관계에 있다는 것이 확인되어 있으며, "린 시간/리치 시간=5"로 할 경우, 약 90℃ 정도의 온도상승이 예측된다. 그리고 도 18로부터 리치 시간의 비를 증대함으로써 촉매온도의 상승폭이 증대함을 알 수 있다.
스텝 705에서의 카운트다운에 따라 CSRET=0이 되면 CPU(31)는 스텝 708로 진행한다. 그리고 CPU(31)는 스텝 708에서 다른 카운터 CSRICH를 "1" 증분하여 스텝 709에서 카운터 CSRICH가 소정의 값 "KCSRICH"에 도달하였는가 아닌가를 판별한다. 소정의 값 KCSRICH는, 예컨대 약 3분이면 충분하다. CSRICHKCSRICH이면, CPU(31)는 스텝 710으로 진행하여 공기-연료비 λ=1에서의 이론 제어를 실시한다. 단, 스텝 710에서는 공기-연료비를 약간 리치 쪽에서 제어해도 좋다.
카운터 CSRICH가 소정의 KCSRICH에 도달하면 CPU(31)는 스텝 711로 진행하여재생처리 플랙 XSRET을 "0"으로 클리어 함과 아울러 카운터 CSRICH를 "0"으로 클리어한다. 즉, 일련의 촉매재생 처리가 완료된 것으로 간주되고, 재생처리 플랙 XSRET의 클리어에 따라 린 시간과 리치 시간 사이의 시간비를 "50:1"로 설정하는 통상의 공기-연료비 제어가 재개된다.
한편, 상기 스텝 701이 NO인 경우(XCAT=0), CPU(31)는 스텝 712로 진행하여 XSRET, CSRET 및 CSRICH를 각각 "0"으로 클리어 한 다음, 이 루틴을 종료한다.
단, 상기 도 16의 처리에 따라 공기-연료비가 제어될 경우(스텝 707 및 710이 실시될 경우), 이 제어가 상기 도 3의 처리에 따른 공기-연료비 제어 보다도 우선한다. 예컨대 재생처리 플랙 XSRET에서 "1"이 세트되는 기간에 한하여 상기 도 3에 의해 설정되는 목표 공기-연료비 AFTG를 무효로 하고 상기 도 16의 스텝 707 및 710의 처리에 따라 공기-연료비가 제어되면 좋다.
상기 도 16에 의한 촉매재생 처리가 실행된 후에는 이 재생처리에 의해 황피독이 해소되었는가의 여부를 판별하기 위해 도 17의 처리가 실시된다. 즉, CPU(31)는 스텝 801에서 재생 처리후에 상기 도 9 및 도 10에 나온 촉매 열화의 검출처리가 실시되었는가 아닌가를 판별한다. 또한, CPU(31)는 스텝 802에서 이상발생 플랙 XSDGLMP가 "0"인가 아닌가를 판별하고, 스텝 803에서 열화검출 플랙 XCAT가 "1"인가 아닌가를 판별한다.
스텝 801∼803이 모두 YES인 경우, CPU(31)는 스텝 804로 진행한다. CPU(31)는 스텝 804에서 이상 경고등(MIL: Malfunction Indicator Light)을 점등하여 이상 발생을 운전자에서 경고함과 동시에 스텝 805에서 이상발생 플랙 XSDGLMP에 "1"을세트한다. 즉, 상기 도 16에 의한 재생처리에 불구하고 NOx 촉매(14)의 열화 상태가 계속하여 검출되면 이 촉매(14)가 재생 불가능인 상태에 있다고 간주되어 최종적으로 이상발생이라 판단된다. 최종적으로 이상 발생으로 판단되었을 경우에는 그 이후의 린 연소 제어가 금지되어, 예컨대 이론비 λ=1에서의 이론 제어가 실시된다.
상기 제어동작을 도 19의 타임 차아트를 사용하여 설명한다. 도 19에 있어서 시각 t21 이전은 통상의 린/리치 연소 제어가 실시되며, 예컨대 "50:1"의 시간비에서 린 연소 제어와 리치 연소 제어가 반복하여 실행된다. 그리고 도 9 및 도 10의 순서에 따라 그때 그때의 NOx 정화율에 의거하여 NOx 촉매(14)의 열화검출 처리가 실행된다.
그리고 시각 t21에서 촉매 열화 발생이 검출되면 열화검출 플랙 XCAT에 "1"이 세트된다(상기 도 10의 스텝 411). 그 후, 시각 t22에서는 상기 도 16의 촉매재생 처리가 가동되고, 이 촉매재생 처리의 실행에 따라 재생처리 플랙 XSRET에 "1"이 세트된다(상기 도 16의 스텝 704). 시각 t22 이후는 "5:1"의 시간비에서 린 연소 제어와 리치 연소 제어가 반복하여 실행된다(도 16의 스텝 707).
시각 t22에서 리치 연소 제어의 비가 증가되면, 배가스중의 리치 성분(미연소 HC)이 과잉으로 된다. 따라서 NOx 촉매(14)에서 미연소 HC가 산화될 때에 생기는 발열량이 증가하여 촉매온도가 상승한다. 본 실시형태의 경우에 있어서 리치 연소 제어의 비를 "5:1"로 증대함으로써 90℃ 정도의 온도상승이 달성된다.
재생처리를 개시한 후 소정의 값 KCSRET에 상당하는 시간이 경과하는 시각t23에서는 목표 공기-연료비 AFTG를 "1.0"으로 세트하는 이론비에서의 제어가 개시된다(도 16의 스텝 710).
그 후, 소정의 값 KCSRICH에 상당하는 시간이 경과하는 시각 t24에서는 재생처리 플랙 XSRET가 "0"으로 클리어됨과 아울러 린 연소 제어와 리치 연소 제어 사이의 시간비를 "50:1"로 하는 통상의 공기-연료비 제어가 재개된다.
시각 t24 이후 상기 도 9 및 도 10의 촉매 열화 검출 처리가 새로 실행되어 NOx 촉매(14)의 NOx 흡장능력이 회복되었는가 아닌가를 판정한다. 이 때, NOx 흡장능력이 회복되어 있으면 도면에 나온 바와 같이 열화검출 플랙 XCAT가 "0"으로 클리어된다. 이에 대하여 NOx 흡장능력이 회복되어 있지 않으면 열화검출 플랙 XCAT가 "1"로 유지된다.
그리고 재생 처리후에 도 18의 처리가 실행되어 NOx 흡장능력의 회복이 되어 있지 않으면(XCAT=1), 도면에 도시되어 있지 아니한 이상발생 플랙 XSDGLMP에 "1"이 세트된다. 더욱이 이상 경고등이 점등되어 이상발생이 운전자에게 경고된다.
그리고 본 실시형태에서는 상기 도 16의 스텝 707이 특허청구의 범위에 기재된 승온수단에 상당하며, 스텝 710이 촉매재생 수단에 상당하다. 또한 상기 도 9 및 도 10의 처리가 열화검출 수단에 상당하다.
이 제1실시형태에 의하면 아래에 나오는 효과를 얻을 수 있다.
NOx 촉매(14)의 열화발생이 검출되었을 때, 즉 이 NOx 촉매(14)의 NOx 흡장량이 소정의 값 이하로 감소하였다고 판단되었을 때에 린 연소에 대한 리치 연소의 비율을 증가시켜 촉매온도를 상승시킨다. 촉매온도의 상승 후, 공기-연료비를 이론공기-연료비(λ=1)로 제어하여 NOx 촉매(14)를 재생시키도록 한다. 이 경우에 있어서 종래의 장치와는 달리 린 실화(lean misfire) 및 점화 타이밍 지연을 강제적으로 일어나도록 하는 일이 없으므로 예기치 아니한 토오크 변동이나 이미션(emission) 악화를 초래하는 일이 없다. 그 결과, 종래의 단점을 피하면서 NOx 촉매(14)에 흡착한 황을 적절히 방출할 수 있다.
이상과 같이 NOx 촉매(14)의 재생처리가 실행됨으로써 이 촉매(14)에 의해 NOx 정화를 적절히 할 수 있어 배기 방출을 양호한 상태로 유지할 수가 있다.
NOx 촉매(14)의 열화 발생시에 이 촉매(14)의 재생 처리를 실시함으로써 황피독에 의해 촉매가 열화 상태로 되더라도 그 상태가 즉시 해소된다. 또한, 촉매 열화시에만 재생처리를 함으로써 공기-연료비 린 연소 제어가 빈번히 중단되는 등의 기타의 제어에 미치는 영향을 극소화할 수 있다.
더욱이 촉매재생 처리가 실시된 후, NOx 촉매(14)의 NOx 흡장능력이 회복되었는가 아닌가를 판정하여, NOx 흡장능력이 회복되어 있지 않으면 이 촉매가 이상이 있음을 판정한다. 예컨대 NOx 촉매가 고열에 노출되어 열열화(熱劣化)될 경우에는 상기 재생처리를 하더라도 NOx 흡장능력이 회복하지 않는다. 따라서 이 경우에 있어서 이상발생을 판정하여 이 이상발생을 경고하여 부품교체 등을 촉구하도록 한다.
상기 도 9 및 도 10에 나온 촉매 열화의 검출처리에 의하면 NOx 촉매(14)에 공급된 배가스가 실제로 어느 만큼 리치로 되는가, 혹은 리치 정도가 어느 정도로 되는가를 반영하면서 정확히 NOx 흡장능력을 판정할 수 있다. 따라서 NOx촉매(14)의 열화를 정확히 검출할 수가 있다.
본 발명의 제1실시형태를 다음과 같이 변경할 수 있다.
즉, 상기한 실시형태에서는 상기 도 9 및 도 10의 처리에 따라 NOx 촉매(14)의 열화를 검출하였으나, 이 검출을 변경한다. 리치 연소시에 있어서의 리어 O2센서 출력 VOX2(촉매의 하류쪽의 O2센서(27)의 출력)의 크기에 따라 NOx 촉매(14)의 NOx 흡장능력을 추정하고, 이 NOx 흡장능력으로부터 촉매 열화도(劣化度)를 검출한다. 보다 구체적으로는 리어 O2센서출력 VOX2 피이크값, 시간 적분값(면적) 또는 궤적에 근거하여 NOx 촉매(14)의 NOx 흡장능력을 추정한다. 즉, 도 20에 나온 바와 같이 NOx 촉매(14)의 열화도가 다르면, 예컨대 리어 O2센서출력 VOX2의 피이크값이 달라진다. 도 20b에서 피이크값이 도 20a의 피이크값보다 크므로 촉매 열화가 진행하고 있다고 판단할 수 있다.
다른 한편으로는 특단의 사정이 없는 한 촉매 열화는 시간 경과에 따라 어느 정도 동일한 속도로 진행한다고 생각할 수 있다. 따라서 소정 시간이 경과한 시점 혹은 차량이 소정거리를 주행한 시점에서 NOx 흡장능력이 저하한 것으로 간주하여 촉매재생 처리를 실시한다.
상기한 실시형태에서는 촉매재생 처리(도 16의 처리)를 실시한 후에 NOx 흡장능력이 회복되었는가 아닌가를 판정하여, NOx 흡장능력이 회복되어 있지 않으면 촉매가 열(熱)열화 등의 재생불능인 상태로 들어간 것으로 간주하여 이상발생을 판정하였으나, 이 구성을 변경할 수 있다.
촉매재생 처리후에 있어서 NOx 흡장능력이 회복되어 있지 않다고 판정될 경우, 촉매재생 처리를 다시 실시하고, 그 후, NOx 흡장능력이 회복되었는가 아닌가를 다시 판정한다(재생처리 실시 회수는 최대 10회 정도로 한다). 복수회의 재생처리를 실시할 경우, 그 다음의 재생처리에서는 린 연소 제어와 리치 연소 제어 사이의 시간비를 단축함으로써 촉매의 온도 상승폭을 크게하여(도 18 참조), 재생처리의 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 재생처리 전후에서 촉매 열화도(NOx 흡장능력)가 변하였는가 아닌가를 판정하여, 촉매 열화도가 감소되어 있으면 재생 가능성이 있기 때문에 재생처리의 재실시를 허가하고, 촉매 열화도가 변하지 않았으면 재생의 가능성이 없는 것으로 간주하여 최종적으로 이상발생을 판정한다(재생처리를 그 이상 계속하지 않음). 이 경우에 있어서, 보다 신뢰성이 있는 촉매재생 처리를 실현할 수 있다. 구체적으로는 도 21의 처리를 실행한다. 도 21의 처리는 도 17의 처리의 일부를 변경한 것인데, 도 17과 다른 점만에 대해 아래에서 설명한다.
즉, 스텝 801∼803의 실행후에 CPU(31)는 스텝 901에서 재생처리 전후에 각각 기억한 촉매 열화도의 값에 근거하여 촉매 열화도가 감소하였는가 아닌가를 판별한다. 그리고 촉매 열화도가 감소해 있지 않으면 이상발생을 판정한다(스텝 804 및 805). 촉매 열화도가 감소해 있으면 CPU(31)는 스텝 902로 진행하여 촉매재생 처리(도 16의 처리)를 다시 실행한다.
촉매재생 처리를 실시할 때에 리치 연소 제어시의 리치 정도를 공기-연료비 제어 파라메터로 사용하여 이 리치 정도를 증가시킴으로써 촉매온도를 상승시킬 수도 있다. 혹은 리치 시간과 린 시간 사이의 시간비와 리치 정도의 두가지 파라메터를 사용하여 촉매온도를 상승시킬 수도 있다. 요컨대, 린 연소와 리치 연소 사이의 비율을 가변으로 설정하여 촉매온도를 상승시킬 수 있는 구성이면 좋다. 어느 경우이더라도 앞서 설명한 바와 같이 예기치 아니한 토오크 변동이나 이미션 악화를 피하면서 소망의 촉매온도 상승 작용을 얻을 수 있다.
[제2실시형태]
제2실시형태에서는 도 22에 나온 바와 같이 촉매 열화 검출을 실행한다.
CPU(31)는 먼저, 스텝 2301에서 열화검출을 실행하기 위한 조건이 성립되는가 아닌가를 판별한다. 열화검출을 실행하기 위한 조건으로서 리치 시간이 소정의 시간보다 짧아야 한다. 예컨대 도 20의 상태에서는 리어 O2센서출력 VOX2의 피이크값을 판정할 수 있기 때문에 이들 조건은 성립된다. 도 24의 상태에서는 리어 O2센서출력 VOX2의 피이크값을 판정할 수 없기 때문에 이들 조건은 성립되지 않는다. 아래에 나온 실행 조건을 포함해도 좋다.
·리치 정도는 소정의 범위이내 이어야 한다.
·린 연소의 경우에는 린 시간 또는 리치 시간은 소정의 범위내에 있어야 한다.
·촉매 온도가 350℃ 부근인 정상 운전상태에 있어야 한다.
상기한 실행 조건이 성립되었을 때는 CPU(31)는 스텝 2302로 진행하고, 성립되지 않을 때는 이 루틴은 그대로 즉시에 종료된다.
그 후, CPU(31)는 스텝 2302에서 카운터 CCATDT가 "0"인가 아닌가를 판정하며, CCATDT=0인 조건이면 CPU(31)는 스텝 2303으로 진행한다. CPU(31)는 스텝 2303에서 리치 연소 제어의 개시 타이밍인가 아닌가를 판정하여, 스텝 2303에서 긍정판정(YES)이면 CPU(31)는 스텝 2304로 진행하여 카운터 CCATDT에 소정의 값 "KCCATDT"를 세트한다. 이 리치 시간 TR이 장시간인 한 소정의 값 KCCATDT를 약 3배의 시간으로 세트하면 좋다.
예컨대, 도 6의 시각 t2에서 CPU(31)는 스텝 2303에서 리치 연소 제어(YES)의 개시 타이밍을 판정하여 소정의 값 KCCATDT를 시각 t2에 세트한다. 스텝 2303에서 NO인 경우에는 CPU(31)는 이 루틴을 즉시 종료한다.
소정의 값 KCCATDT가 상기한 리치 연소 제어 개시 때에 세트되면 CPU(31)는 그 다음 시각에서부터 스텝 2302에서 NO를 판정한다. CPU(31)는 스텝 2305에서 카운터를 "1" 감분(decrement)하고 스텝 2306으로 진행한다.
이어서 CPU(31)는 스텝 2306에서 카운터 CCATDT가 "0"인가 아닌가를 판정하여, CCATDT0인 경우에는 CPU(31)는 스텝 2307로 진행하여 리어 O2센서출력 VOX2가 이전의 시각이 될 때까지 최대가 되는 값 Vmax 보다 큰 값인가를 판정한다. VOX2＞Vmax인 경우에는 CPU(31)는 스텝 2308로 진행하여 그 때의 리어 O2센서출력 VOX2에 대해 최대값 Vmax를 갱신(update)한다. VOX2Vmax인 경우에는 CPU(31)는 이 루틴을 즉시 종료한다. 즉, 스텝 2307 및 2308을 반복하여 실행함으로써 리어 O2센서출력 VOX2의 피이크값을 얻을 수 있다.
다른 한편으로는 스텝 2306에서 CCATDT=0이고 YES인 경우, CPU(31)는 스텝 2309로 진행하여 리어 O2센서출력의 산출된 최대값 Vmax(리어 O2센서출력 피이크 값)에 근거하여 NOx 촉매(14)의 NOx 흡장량을 추정한다. 이 때, 리어 O2센서출력 최대값 Vmax이 클수록 NOx 흡장량이 적어진다고 추정한다.
그 후, 스텝 2310에서 CPU(31)는 추정된 NOx 흡장량에 근거하여 도 23의 관계를 이용하여 NOx 촉매(14)의 열화도를 판정한다. 도 23은 추정된 NOx 흡장량이 증가함에 따라(리어 O2센서출력 피이크값이 감소함에 따라) 촉매 열화도는 저하하게 되고, 이에 반하여 NOx 흡장량이 감소함에 따라(리어 O2센서출력 피이크값이 증가함에 따라) 촉매 열화도가 높아지게 되는 관계를 나타낸 것이다. 이 경우에 있어서 도 23의 사선 영역에서 열화발생이 판정된다.
스텝 2310에서 열화발생이 판정되면 CPU(31)는 스텝 2311에서 이상 경고등(MIL: Malfunction Indicator Light)을 점등하여 이상발생을 운전자에게 경고함과 아울러 NOx 흡장능력을 회복하기 위한 재생처리를 실시한다. 최후에 CPU(31)는 스텝 2312에서 리어 O2센서출력의 최대값 Vmax을 "0"으로 클리어하고, 그 후 이 루틴을 종료한다.
그리고 스텝 2311의 재생처리에서는, 예컨대 촉매 열화의 주된 원인인 황피독을 회복시키기 위한 처리가 실행된다. 재생처리에 대해서는 이 경우에서의 요지가 아니므로 상세한 설명을 생략하지만, 그 개요를 간단히 설명하면 린 연소 도중의 리치 연소의 비율을 증가시킴으로써 NOx 촉매(14)의 온도(촉매온도)를 상승시킴과 아울러 공기-연료비(λ=1)에서의 이론 제어 또는 약간의 리치 제어를 실시한 다. NOx 촉매(14)를 고온으로 한 상태에서 이 촉매(14)에 리치 성분(HC, CO)을 공급하면 황피독에 의해 생성된 황산염(BaSO4)이 정화되어 황이 방출된다. 따라서 NOx 촉매(14)가 재생된다.
그리고 촉매재생 처리에도 불구하고 NOx 촉매(14)의 열화 상태가 계속하여 검출되면 이 촉매(14)가 재생 불가능인 상태로 간주되어 최종적으로 이상발생으로 판단된다. 최종적으로 이상발생으로 판단되면, 그 이후의 린 연소 제어가 금지되어, 예컨대 공기-연료비 λ=1에서의 이론비 제어가 실행된다. 또한, 최종적으로 이상 발생이 판단된 후에는 상기 이상 경고등을 점등하여도 좋다.
본 실시형태에서는 리치 연소시에서의 리어 O2센서출력 VOX2의 피이크값에 근거하여 NOx 촉매(14)의 NOx 흡장능력을 추정하고, 추정한 NOx 흡장능력에 근거하여 이 촉매(14)의 열화를 검출한다. 이러한 구성으로 함으로써 NOx 촉매(14)에 공급된 배가스가 실제로 얼마만큼 리치로 되는가, 혹은 리치 정도가 어느 정도로 되는가 등을 반영시키면서 NOx 흡장능력을 정확히 판단할 수 있다. 이 경우에 있어서 공기-연료비의 리치화에 따라 흡장 NOx가 정화되기 전에 극히 소량의 리치 성분이 촉매 하류쪽으로 유출하여 센서출력 값이 리치쪽으로 변화한다 하더라도 그때 그때의 촉매 열화 상태에 따라 적절한 센서출력 정보를 얻을 수 있다. 그 결과, NOx촉매(14)의 열화를 정확히 검출할 수가 있다.
그리고 열화검출의 실시조건을 설정하고, 예컨대 리치 시간이 소정의 값 보다 짧은 경우에만 NOx흡장능력을 추정한다. 이 경우에 있어서, 리치 가스량이 소정의 값보다 적을 경우에만 열화검출을 실시함으로써 그 신뢰성을 높일 수 있다.
[제3실시형태]
도 25에 나온 바와 같이 제3실시형태에서는 NOx 촉매(14)의 상류쪽에 스타트 촉매(start catalyst)로서 기능을 하는 삼원(三元) 촉매(15)가 배설되어 있다. 더욱 구체적으로는 이 삼원 촉매(15)는 NOx촉매(14)에 비하여 그 용량이 적고 엔진(1)의 저온 시동후에 조기에 활성화 되어 유해가스를 정화한다. 그리고 이 삼원 촉매(15)의 상류쪽에는 A/F 센서(26)가 설치되어 있고, NOx촉매(14)의 하류쪽에는 O2센서(27)가 설치되어 있다.
이 경우에 있어서 상류쪽의 삼원 촉매(15)는 린 연소시에 배가스중의 산소를 일시적으로 저장(storage)한다. 따라서 리치 연소시에는 리치 성분(HC, CO)과 삼원 촉매(15)에서 저장된 산소가 반응한다. 이 반응이 종료한 후에는 리치 성분이 NOx 촉매(14)에 공급된다. 그리고 삼원 촉매(15)의 산소저장 능력은 이 삼원 촉매(15)의 열화도에 따라 변화하며, 예컨대 촉매 열화가 진행하면 산소저장 능력이 저하하는 것은 알려져 있다.
따라서 본 실시형태에서는 삼원 촉매(15)의 열화도를 검출하여, 이 촉매의 열화도에 따라 공기-연료비 리치 제어를 실시한다. 이 경우에 있어서 CPU(31)는, 도 26의 관계를 이용하여 그때 그때의 촉매 열화도에 따라 리치 연소 제어량을 결정한다. 도 26에서는 촉매 열화도가 적으면 삼원 촉매(15)의 산소 저장 능력이 높기 때문에 비교적 큰 리치 연소 제어량이 설정된다. 즉, 리치 연소 제어의 계속시간이 비교적 길게 설정된다. 촉매 열화도가 높으면 삼원 촉매(15)의 산소저장 능력이 적기 때문에 비교적 적은 리치 연소 제어량이 설정된다. 즉, 리치 연소 제어의 계속시간은 비교적 짧게 설정된다.
상기한 바와 같이 삼원 촉매(15)의 열화도에 따라 리치 연소 제어량(리치 시간)이 설정되면 NOx촉매(14)에 대하여 항상 일정량의 리치 가스량을 공급할 수 있게 되므로 리어 O2센서출력 VOX2에 근거하여 이 촉매(14)의 열화를 검출할 수 있다. 이 경우에 있어서 도 9 및 도 10의 촉매 열화 검출 처리 순서를 이용하여 리치 연소시에서의 리어 O2센서출력 VOX2의 피이크값에 따라 NOx촉매(14)의 열화도를 검출한다.
삼원 촉매(15)의 열화도를 검출하는 방법으로서는, 예컨대 본원의 출원인에 의한 일본국 특허 공개 평8-338286호 공보에 개시된 방법을 적용할 수 있다. 이 촉매 열화 검출방법을 간단히 설명한다. 즉, CPU(31)는 리어 O2센서출력 VOX2(촉매 하류쪽의 O2센서(27)의 출력)가 목표치와 일치하도록 피이드백(feed back) 제어를 실시함과 아울러 리어 O2센서출력 VOX2에 대해 그 편차의 적분값을 구한다. 그리고 VOX2 편차의 적분값에 근거하여 삼원 촉매(15)의 열화도를 검출한다. 이 경우에 있어서 VOX2 편차의 적분값이 적을 수록 촉매 열화도가 높다는 것을 검출한다.
본 실시형태의 작용을 도 27a 및 27b의 타이밍 차아트를 사용하여 설명한다.도 27a 및 27b는 삼원 촉매(15)의 신품(new)때와 이 촉매(15)의 열화때에 있어서의 공기-연료비 등의 변화를 나타낸 것이다. 도 27a에서 시각 t21에서는 그때의 삼원 촉매(15)의 열화도에 근거하여 리치 연소 제어의 계속시간이 설정되며, 이 계속시간에 맞추어 리치 연소 제어가 개시된다.
그 후, 시각 t22에서는 삼원 촉매(15)의 상류쪽과 하류쪽의 공기-연료비가 이론 공기-연료비(λ=1)에 도달한다. 이 때, 삼원 촉매(15)의 상류쪽 공기-연료비는 이론비에 대해 리치쪽으로 즉시 이동하더라도 삼원 촉매(15)에는 린 연소 제어시에 저장된 산소가 존재하므로 이 저장된 산소와 배가스중의 리치 성분(HC, CO 등)이 반응하여 삼원 촉매(15)의 하류쪽의 공기-연료비는 이론 공기-연료비에서 일단 유지된다. 그리고 저장된 산소와 리치 성분의 반응이 완료된 후에는 삼원 촉매(15)의 하류쪽의 공기-연료비가 리치쪽으로 이동한다(시각 t23). 시각 t23 이후는 리치 성분이 NOx촉매(14)쪽으로 공급되므로 이 촉매(14)에 흡장된 NOx가 정화되어 방출된다.
시각 t24에서는 린 연소 제어가 재개되고, 삼원 촉매(15)의 하류쪽의 공기-연료비는, 상류쪽에서 공급되는 배가스중의 린 성분과 이 촉매(15)에 저장되어 있는 리치 성분이 반응하는 소정의 기간(시각 t25∼t26) 만큼 이론 공기-연료비로 유지된 다음, 공기-연료비는 린 연소 제어 값으로 복귀한다.
한편, 삼원 촉매(15)의 열화시에는 도 27b에 나온 바와 같이 시각 t31에서 공기-연료비가 린쪽으로부터 리치쪽으로 스위치됨과 아울러 삼원 촉매(15)의 열화도에 따라 리치 연소 제어의 계속시간이 설정된다. 이 경우에 있어서 삼원 촉매(15)의 열화가 진행하고 있으므로 비교적 적은 리치 연소 제어량이 주어진다(도 26 참조) .
삼원 촉매(15)의 상류쪽과 하류쪽의 공기-연료비가 이론 공기-연료비(λ=1)에 도달하는 시각 t32에서는 삼원 촉매(15)의 하류쪽의 공기-연료비는 이론 공기-연료비에서 일단 유지되지만, 삼원 촉매(15)가 열화되어 있기 때문에 촉매에 저장된 산소량은 적고, 상기 도 27a의 경우보다 신속하게 이 공기-연료비가 리치쪽으로 이동한다(시각 t33). 즉, 삼원 촉매(15)의 저장 산소와 배가스중의 리치 성분이 서로 반응하는 시간인 도 27b에서의 시각 t32∼t33은 도 27a에서의 시각 t22∼t23에 비해 짧아진다. 시각 t33 이후는 리치성분이 NOx촉매(14)쪽에 공급되므로, 이 촉매(14)에 흡장된 NOx가 정화되어 방출된다. 그 후, 시각 t34에서 공기-연료비는 린값(lean value)으로 복귀된다.
도 27a 및 도 27b에 의하면 삼원 촉매(15)의 열화도에 따라 리치 시간이 제어되기 때문에 리치 연소 제어시에는 삼원 촉매(15)의 열화의 유무에 불구하고 항상 필요량의 리치 가스가 공급되고, 또한 NOx촉매(14)의 하류쪽의 리치 가스량이 촉매의 열화 검출이 가능한 값에서 규제된다.
제3실시형태에서는 NOx촉매(14)의 상류쪽에 삼원 촉매(15)를 설치하고 있으나, 상기한 각 실시형태와 마찬가지로 NOx 촉매(14)의 열화를 정확히 검출할 수 있다.
그리고 본 실시형태에서는 삼원 촉매(15)의 상류쪽에 A/F 센서(26)를 배설함으로써 엔진(1)과 센서(26)의 거리가 단축되고, 공기-연료비가 변화한 후부터 센서출력이 변화하기 까지의 응답시간이 단축된다. 따라서 과도 운전(transient operation)시에 있어서의 센서검출 정밀도를 높일 수 있다.
[제4실시형태]
제4실시형태에서는 제3실시형태와 마찬가지로 NOx촉매(14)의 상류쪽에 스타트 촉매로서 삼원 촉매(15)를 설치하고, 공기-연료비 제어 시스템은 도 28에서와 같이 구성된다. 도 28이 도 25와 다른점은 도 28에서는 삼원 촉매(15)의 하류쪽[촉매(14 및 15) 사이]에 A/F 센서(26)가 설치되어 있다는 것이다.
제3실시형태에서는 제2실시형태에서 설명한 바와 같이 NOx촉매(14)의 NOx정화율에 근거하여 이 촉매(14)의 열화도를 검출한다. 즉, 도 7의 처리순서에 따라 NOx촉매(14)로 유입하는 NOx적산량 CNOXAD을 산출한다. 도 9 및 도 10의 처리순서에 따라 NOx촉매(14)에서의 NOx정화에 소요된 실제의 리치 가스량(리치 가스 적산값 AFAD-리어 O2센서출력 적산값 VOX2D)을 산출함과 아울러 AFAD-VOX2AD/CNOXAD에 의해 구해지는 NOx정화율에 따라 NOx촉매(14)의 열화도를 검출한다.
NOx정화율을 열화판정 파라메터로 사용할 경우에 있어서 NOx촉매(14)에 유입하는 리치 가스량을 소정의 값으로 규제하지 않더라도 촉매 열화를 검출할 수 있다. 따라서 상기 제3실시형태에서 설명한 바와 같이 삼원 촉매(15)의 열화검출을하고, 그 검출결과에 따라 리치 연소 제어량을 조절하는 처리는 필요하지 않다.
이러한 구성에서는 위에서 설명한 바와 같이 삼원 촉매(15)의 열화도에 따라 산소저장 능력이 변동하더라도 산소저장 능력에 관계없이 NOx정화에 소요된 실제의 리치 가스량과 린 연소시의 NOx유입량으로부터 NOx정화율을 정확히 구할 수 있다. 즉, 삼원 촉매(15)의 열화도에 의하여 영향을 받음이 없이 NOx촉매(14)의 열화를 정확히 검출할 수가 있다.
[제5실시형태]
제3 및 제4실시형태에서는 산소저장 능력을 가진 삼원 촉매(15)를 NOx촉매(14)의 상류쪽에 배설하고 있으나, 이 제5실시형태에서는 삼원 촉매를 산소저장 능력이 없거나 산소저장 능력이 낮은 촉매로 변경한다. 즉, 제5실시형태에서는 삼원 촉매를, 산소저장 능력이 없는 귀금속(백금 Pt)만을 담체에 담지시켜 구성한다. 구체적으로는 스테인레스강 또는 코디에라이트(cordierite)등의 세라믹스로 된 담체에 다공질의 알루미나(Al2O3)의 표면에 백금(Pt)만을 담지시켜 구성된 촉매층이 코우팅되어 있다.
이 경우에 있어서 삼원 촉매(15)에 저장된 산소와 배가스중의 리치 성분(HC, CO)이 반응하여 이 반응에 상응한 양만큼 하류쪽으로의 리치 성분의 공급량이 감소하지 않게 된다. 삼원 촉매(15)의 상류쪽과 하류쪽에서의 공기-연료비의 거동은 서로간에 거의 일치한다. 따라서 제3실시형태와 같이 삼원 촉매(15)의 열화도에 따라리치 연소 제어량을 가변으로 설정하기 위한 처리가 필요없게 된다. 더욱이 NOx촉매(14)의 열화검출 방법은 도 22에 의한 것 또는 도 9 및 도 10에 의한 것중 어느 것이라도 적용할 수 있다.
본 발명의 각 실시형태를 다음과 같이 변경할 수 있다. 즉, 린 시간 TL 및 리치 시간 TR이 비교적 짧은 경우에만 열화검출 실시조건이 성립하는 것으로 하여, 이 조건 성립시에만 리어 O2센서출력 VOX2을 사용한 열화검출을 실시하고 있으나, 이 구성을 변경할 수도 있다. 예컨대, 소정의 시간주기로 열화검출을 실시하고, 열화검출을 실시할때 린 시간 TL 및 리치 시간 TR을 강제적으로 짧게 한다.
즉, NOx흡장능력을 추정하여 이 추정치에 의해 촉매 열화를 검출할 때에는 리치 연소시의 리치 시간 또는 리치 정도를 소정의 값 이하로 제한한다. 이 구성에 의하면 촉매 열화가 없을 경우와 촉매 열화가 있을 경우에서의 리어 O2센서출력 VOX2에 명백한 차이가 생기고, 그 결과로서 신뢰성이 높은 촉매 열화 검출을 실현할 수 있다.
제1실시형태에서는 리어 O2센서출력 VOX2의 피이크값에 따라 NOx촉매(14)의 NOx 흡장능력을 추정하고, 이 NOx흡장능력에 근거하여 이 촉매(14)의 열화를 검출하고 있으나, 이것을 아래의 (1) 및 (2)에 기재된 바와 같이 변경할 수도 있다.
(1) VOX2의 시간 적산값(면적)으로부터 NOx흡장능력을 추정하고, 이 NOx흡장능력에 근거하여 촉매 열화를 검출한다. 구체적으로는 리치 연소 제어시의 리어 O2센서출력 VOX2에 근거하여 리어 O2센서출력 적산값 VOX2AD를 산출하고, 이 리어 O2센서출력 적산값 VOX2AD에 따라 NOx흡장능력을 추정한다.
이 경우에 있어서, VOX2AD 값이 클수록 NOx촉매(14)의 NOx흡장능력이 저하하여 이 촉매(14)의 열화가 진행하고 있는 것으로 간주할 수 있다.
(2) 리치 연소 제어시에 리어 O2센서출력 VOX2의 단위 시간 마다의 변화량을 적산함으로써 출력값의 궤적을 구한다. 그리고 VOX2의 궤적으로부터 NOx 흡장능력을 추정하고, 이 NOx 흡장능력에 근거하여 촉매 열화를 검출한다. 이 경우에 있어서 VOX2의 궤적이 클수록 NOx 촉매(14)의 NOx 흡장능력은 저하하여 이 촉매(14)의 열화가 진행하고 있는 것으로 간주할 수 있다.
상기한 각 실시형태에서는 NOx 촉매(14)의 하류쪽에 O2센서(27)를 배설하고, 이 센서(27)의 출력(리어 O2센서출력 VOX2)을 사용하여 NOx 촉매(14)의 열화를 검출하고 있으나, O2센서(27)를 한계 전류식의 A/F 센서로 변경하고, 이 A/F 센서출력을 사용하여 아래의 (가) 및 (나)와 같이 촉매 열화를 검출한다.
(가) NOx 촉매(14)의 하류쪽에 배치한 A/F 센서(27)의 출력의 피이크값 또는 이 출력의 시간 적분값(면적)으로부터 촉매 열화를 검출한다. 이것은 도 22에서의 스텝 2307∼2309에서 사용된 리어 O2센서출력 VOX2를 "리어 A/F 센서출력"으로 변경함으로써 도 7의 처리에 준하여 검출을 실시하면 좋다.
(나) 도 9 및 도 10의 처리에 있어서 리어 O2센서출력 적산값 VOX2AD 대신에 촉매의 하류쪽의 A/F 센서의 출력 적산값을 산출한다. 즉, 촉매 하류쪽의 잉여 가스량으로서 A/F 센서의 출력 적산값을 산출한다. 이 경우에 있어서 리치 연소시의 촉매 상류쪽의 A/F 센서의 출력 적산값과, 리치 연소시의 촉매 하류쪽의 A/F 센서의 출력 적산값의 차이로부터 NOx 촉매(14)에서의 NOx 정화량(NOx 정화에 소요된 리치 가스량)을 산출한다. 그리고 이 NOx 정화량에 따라 촉매 열화를 검출한다.
O2센서와 A/F 센서(27)의 출력을 물리량으로 변환하여 사용한다. 예컨대 도 29의 관계를 이용하여 O2센서출력을 리치 과잉량(몰)으로 변환하고, 이 리치 과잉량의 피이크값, 시간 적분값(면적) 및 궤적 중의 어느 한가지의 데이터를 사용하여 NOx 촉매(14)의 열화 검출을 실시한다.
혹은 도 30의 관계를 이용하여 A/F 센서의 출력을 리치 과잉량(몰)으로 변환하고, 이 리치 과잉량의 피이크값, 시간 적분값(면적) 및 궤적 중의 어느 한가지의 데이터를 사용하여 NOx 촉매(14)의 열화검출을 실시한다.
제3실시형태에서의 삼원 촉매(15)의 열화검출 방법을 변경할 수도 있다. 예컨대 본원 출원인에 의한 일본국 특허 공개 평9-31612호 공보에 개시된 방법을 적용한다. 이 방법에서는 엔진이 시동하고나서 삼원 촉매가 가온되기 까지에 있어서 이 촉매내에서 처리되는 가스 성분의 량(미처리 가스 성분의 양을 반영하는 데이터)을 산출하고, 이 미처리 가스 성분의 양에 근거하여 삼원 촉매의 열화도를 검출한다. 이 경우에 있어서 촉매의 활성화 전의 배가스 방출의 증가를 고려하면서 촉매 열화를 고정밀도로 검출할 수 있다. 그리고 삼원 촉매의 가온전에는 촉매 열화도의 차이에 따른 정화율의 차이가 커서 촉매 열화를 용이하고도 정확하게 검출할 수 있다.
제5실시형태에 있어서 산소저장 능력이 적은 삼원 촉매(15)로서 아래의 구성을 적용할 수 있다.
·산소저장 능력이 큰 조촉매를 담체에 담지시키지 않거나 또는 이 조촉매의 담지량을 적게하여 담지시킴으로써 삼원 촉매를 구성한다. 이 경우에 있어서 산소 저장 능력이 큰 조촉매로서는 세리아(CeO2), 바륨(Ba), 란탄(La) 등이 알려져 있다.
·산소저장 능력이 있는 귀금속(Rh, Pd)의 담지량을 적게 하여 삼원 촉매를 구성한다. 특히 로듐(Rh)의 경우에 있어서 0.2g/리터 이하, 팔라듐(Pd)의 경우에 있어서는 2.5g/리터 이하를 사용하는 것이 바람직하다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명은 개시된 각 실시형태 및 변경예에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 취지 및 범위를 일탈하지 않는 한 기타 여러가지 방법으로 실시할 수도 있다. 예컨대 개시된 촉매 열화 검출을 촉매 온상 상승조작 및 촉매 재생 조작과는 별도로 이용할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 NOx 흡장 환원형 촉매를 가진 내연기관의 배가스 정화장치 및 방법에 의하여 토오크 변동이나 배기 방출의 증가라는 불편을 피하면서 촉매에 흡착된 황을 방출할 수 있어 실화(misfire)에 따른 HC, CO등의 미연소 성분이나 NOx 등의 유해성분이 대기에 방출될 우려가 없이 높은 정화율을 발휘함과 아울러 린(lean) 연소를 시키는 내연기관의 공기-연료비를 유효적절히 달성할 수 있다.

Claims (23)

  1. 내연기관의 배기계에 설치되고, 내연기관으로부터 배출되는 NOx를 흡장하여 공기-연료비가 이론비에 또는 리치쪽에 있을 때 흡장된 NOx를 정화하는 기능을 가진, NOx 촉매가 구비된 내연기관의 배가스 정화장치에 있어서, NOx 촉매가 흡장할 수 있는 NOx 흡장량이 소정의 값보다 적을 때에 공기-연료비를 이론비에 대해 린 및 리치로서 교대로 제어하기 위한 공기-연료비 제어 파라메터를 가변으로 설정하여 NOx 촉매의 온도를 상승시키는 승온수단과,
    승온수단에 의한 승온처리 후 공기-연료비를 이론비 혹은 리치쪽으로 제어하여 NOx 촉매를 재생시키는 촉매 재생수단을 구비한 것을 특징으로 하는 내연관의 배가스 정화장치.
  2. 제1항에 있어서, 승온 수단은, 린 연소 제어와 리치 연소 제어 사이의 비율을 공기-연료비 제어 파라메터로 사용하여 린 연소 제어에 대한 리치 연소 제어의 비율을 증가시킴으로써 촉매온도를 상승시키는 내연기관의 배가스 정화장치.
  3. 제1항에 있어서, 승온 수단은, 린 연소 제어를 위한 린 시간과 리치 연소 제어를 위한 리치 시간 사이의 린 시간/리치 시간으로 정의되는 시간비를 공기-연료비 제어 파라메터로 하여 이 시간비를 단축시킴으로써 촉매 온도를 상승시키는 내연기관의 배가스 정화장치.
  4. 제1항에 있어서, 승온 수단은, 리치 연소 제어시의 리치 정도를 공기-연료비 제어 파라메터로 하여 이 리치 정도를 증가시킴으로써 촉매온도를 상승시키는 내연기관의 배가스 정화장치.
  5. 제1항에 있어서, NOx 촉매의 열화를 검출하는 열화 검출 수단을 구비하고, NOx 촉매의 열화가 검출되었을 때는 승온 수단 및 촉매 재생 수단을 동작시키는 내연기관의 배가스 정화장치.
  6. 제5항에 있어서, Nox 촉매의 하류쪽에 배설되어 배가스중의 산소농도를 검출하는 산소농도 센서를 구비하고, 상기 열화검출 수단은 공기-연료비가 리치쪽에 있을 때 산소농도 센서의 출력에 근거하여 NOx 촉매의 NOx 흡장능력을 추정하는 추정수단을 구비하며, 상기 추정한 NOx 촉매의 NOx 흡장능력에 근거하여 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 추정 수단은 산소농도 센서의 출력값이 클수록 NOx 촉매의 NOx 흡장능력이 적어지는 것을 추정하고,
    상기 열화 검출 수단은 NOx 촉매의 흡장능력이 적을수록 촉매의 열화가 많이 진행하는 것을 판정하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 추정수단은 공기-연료비가 리치쪽에 있을 때 리치 가스량을 예측하고, 리치 가스량이 소정의 값 이하일 때만 NOx 흡장능력을 추정하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 추정수단은 NOx 흡장능력을 추정할 때 공기-연료비가 리치쪽에 있을 경우 리치 가스량을 소정의 값 이하로 제한하는 수단을 가진 내연기관의 배가스 정화장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 열화 검출 수단은, 린 연소 제어시에 NOx 촉매에 유입하는 NOx 유입량과 리치 연소 제어시에 NOx 촉매에 의해 NOx를 정화하는데 소요된 리치 가스량 사이의 비율로부터 NOx 촉매에 의한 NOx 정화율을 산출하는 NOx 정화율 산출수단을 구비하며, 산출된 NOx 정화율에 근거하여 NOx 촉매의 열화를 검출하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 열화 검출 수단은 NOx 정화율이 저하할 수록 NOx 촉매의 열화도가 높은 것을 판정하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  12. 제10항에 있어서, NOx 촉매의 상류쪽에 배설되어 배가스중의 산소농도를 검출하는 상류쪽 센서와, NOx 촉매의 하류쪽에 배설되어 배가스중의 산소농도를 검출하는 하류쪽 센서를 구비하고, 상기 NOx 정화율 산출수단은, 상류쪽 센서의 검출결과에 근거하여 린 연소 제어시에 NOx 촉매에 유입하는 NOx 유입량 A를 산출하는 수단과, 상류쪽 센서의 검출결과에 근거하여 리치 연소 제어시에 NOx 촉매에 유입하는 리치 가스의 유입량 B를 산출하는 수단과, 하류쪽 센서의 검출결과에 근거하여 리치 연소 제어시에 NOx 촉매로부터 배출되는 잉여 리치 가스량 C를 산출하는 수단을 구비하며,
    상기 NOx 정화율 산출수단은 상기 산출된 린 연소 제어시의 NOx 유입량 A와 리치 가스 유입량 B 및 잉여 가스량 C에 근거하여 NOx 정화율을 산출하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 촉매 재생 수단에 의한 재생 처리가 실시된 후 NOx 촉매의 NOx 흡장능력이 회복하였는가 아닌가를 판정하여, NOx 흡장능력이 아직 회복해 있지 않으면 NOx 촉매가 이상이 있는 것을 판정하는 이상 판정 수단을 추가로 포함하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 촉매 재생 수단에 의한 재생처리의 전후에서 NOx 촉매의 NOx 흡장량이 변하였는가 아닌가를 판정하여, NOx 흡장량이 증가해 있으면 재생처리의 재실시를 허가하고, NOx 흡장량이 변하지 않았으면 NOx 촉매가 이상이 있는 것을 판정하는 이상 판정 수단을 추가로 포함하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  15. 내연기관의 배기계에 설치되고, 내연기관으로부터 배출되는 NOx를 흡장하여공기-연료비가 이론비에 또는 리치쪽에 있을 때 흡장된 NOx를 정화하는 기능을 가진, NOx 촉매가 구비된 내연기관의 배가스 정화장치에 있어서,
    NOx 촉매의 하류쪽에 배설되어 배가스중의 산소농도를 검출하는 산소농도 센서와,
    공기-연료비가 리치쪽에 있으면 산소농도 센서의 출력에 근거하여 NOx 촉매의 NOx 흡장능력을 추정하는 추정수단, 및
    상기 추정한 NOx 촉매의 NOx 흡장능력에 근거하여 NOx 촉매의 열화를 검출하는 열화 검출 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 추정 수단은 산소농도 센서의 출력값이 클수록 NOx 촉매의 NOx 흡장능력이 적어지는 것을 추정하고,
    상기 열화 검출 수단은 NOx 촉매의 흡장능력이 적을수록 촉매의 열화가 많이 진행하는 것을 판정하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 추정수단은 공기-연료비가 리치쪽에 있을 때 리치 가스량을 예측하고, 리치 가스량이 소정의 값 이하일 때만 NOx 흡장능력을 추정하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 추정수단은 NOx 흡장능력을 추정할 때 공기-연료비가 리치쪽에 있을 경우 리치 가스량을 소정의 값 이하로 제한하는 수단을 가진 내연기관의 배가스 정화장치.
  19. 내연기관의 배기계에 설치되고, 내연기관으로부터 배출되는 NOx를 흡장하여 공기-연료비가 이론비에 또는 리치쪽에 있을 때 흡장된 NOx를 정화하는 기능을 가진, NOx 촉매가 구비된 내연기관의 배가스 정화장치에 있어서,
    린 연소 제어시에 NOx 촉매에 유입하는 NOx 유입량과 리치 연소 제어시에 NOx 촉매에 의해 NOx 정화에 소요된 리치 가스량 사이의 비율로부터 NOx 촉매에 의한 NOx 정화율을 산출하는 NOx 정화율 산출수단과,
    상기 산출한 NOx 정화율에 근거하여 NOx 촉매의 열화를 검출하는 열화 검출 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 열화 검출 수단은 NOx 정화율이 저하할 수록 NOx 촉매의 열화도가 높은 것을 판정하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  21. 제19항에 있어서, NOx 촉매의 상류쪽에 배설되어 배가스중의 산소농도를 검출하는 상류쪽 센서와,
    NOx 촉매의 하류쪽에 배설되어 배가스중의 산소농도를 검출하는 하류쪽 센서를 구비하고,
    상기 NOx 정화율 산출수단은,
    상류쪽 센서의 검출결과에 근거하여 린 연소 제어시에 NOx 촉매에 유입하는NOx 유입량 A를 산출하는 수단과,
    상류쪽 센서의 검출결과에 근거하여 리치 연소 제어시에 NOx 촉매에 유입하는 리치 가스의 유입량 B를 산출하는 수단과,
    하류쪽 센서의 검출결과에 근거하여 리치 연소 제어시에 NOx 촉매로부터 배출되는 과잉 리치 가스량 C를 산출하는 수단을 구비하며,
    상기 NOx 정화율 산출수단은 상기 산출된 린 연소 제어시의 NOx 유입량 A와 리치 가스 유입량 B 및 잉여 가스량 C에 근거하여 NOx 정화율을 산출하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배가스 정화장치.
  22. 배기계에 NOx 촉매가 배설된 내연기관의 배가스 정화방법에 있어서,
    내연기관에 공급되는 혼합기(混合氣)의 공기-연료비를 린 연소와 리치 연소 사이의 소정의 비에서 린비(lean ratio)와 리치비(rich ratio)로 교대로 제어하는 단계와,
    상기 제어단계후에 소정의 비를, 린 연소와 리치 연소를 교대로 유지하면서 리치 연소를 증대시켜 NOx 촉매의 온도를 상승시키는 비로 변경시키는 단계와,
    상기 변경단계후에 혼합기의 공기-연료비를, 린 연소와 리치 연소의 교대를 중단시키면서 이론비 부근으로 제어하여 NOx 촉매를 재생시키는 단계를 포함하는 내연기관의 배가스 정화방법.
  23. 제22항에 있어서, NOx 촉매가 열화되어 있는가를 검출하여 NOx 촉매의 열화가 검출될 때에만 변경단계를 중단시키는 단계를 추가로 포함하는 배가스 정화방법.
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