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KR100495206B1 - 내연기관의 배기 정화 장치 - Google Patents

내연기관의 배기 정화 장치 Download PDF

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KR100495206B1
KR100495206B1 KR10-2002-7003777A KR20027003777A KR100495206B1 KR 100495206 B1 KR100495206 B1 KR 100495206B1 KR 20027003777 A KR20027003777 A KR 20027003777A KR 100495206 B1 KR100495206 B1 KR 100495206B1
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신야 히로타
도시아키 다나카
가즈히로 이토
다카미츠 아사누마
고이치로 나카타니
고이치 기무라
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

본 배기 정화 장치는 포집한 미립자를 산화시키는 미립자 필터(70)와, 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측을 역전하기 위한 역전 수단(74)을 구비하고, 미립자 필터는 미립자를 포집하기 위한 포집벽을 갖고 있다. 역전 수단에 의해서 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측이 역전됨으로써, 미립자를 포집하기 위해서, 포집벽의 제 1 포집면과 제 2 포집면이 교대로 사용된다. 미립자 필터는 배기 가스의 유출입을 위한 제 1 개구부 및 제 2 개구부를 갖고, 머플러의 상류측에서 배기관(71)내에 배치되고, 미립자 필터의 제 1 개구부와 제 2 개구부의 한 쌍의 주위부는 적어도 부분적으로, 배기관내의 배기 가스류와 접하고 있다.

Description

내연기관의 배기 정화 장치{Exhaust emission control device of internal combustion engine}
본 발명은 내연기관의 배기 정화 장치에 관한 것이다.
내연기관, 특히, 디젤 기관의 배기 가스 중에는 매연을 주성분으로 하는 미립자(particulate)가 포함되어 있다. 미립자는 유해 물질이기 때문에, 대기 방출 이전에 미립자를 포집(collect)하기 위한 필터를 기관 배기 시스템에 배치하는 것이 제안되어 있다. 이러한 필터는 막힘(clogging)에 의한 배기 저항의 증가를 방지하기 위해서, 포집한 미립자를 소실시키는 것이 필요하다.
이러한 필터 재생에 있어서, 미립자는 약 600℃가 되면 착화 연소하지만, 디젤 기관의 배기 가스 온도는 통상시에 있어서 600℃보다 상당히 낮고, 통상은 필터 자체를 가열하는 등의 수단이 필요하다.
일본 특허 공개 공보 평 7-106290호 공보에는 백금족 금속과 알칼리 토금속 산화물을 필터에 보유시키면, 필터 상의 미립자는 디젤 기관의 통상시의 배기 가스 온도인 약 400℃에서 연속적으로 소실하는 것이 개시되어 있다.
그러나, 상기 필터를 사용하여도, 항상 배기 가스 온도가 400℃ 정도로 되어 있지는 않고, 또한, 운전 상태에 따라서는 디젤 기관으로부터 다량의 미립자가 방출되는 일도 있고, 각 시간에서 소실되지 않았던 미립자가 필터 상에 서서히 퇴적하는 일이 있다.
상기 필터에 있어서, 어느 정도 미립자가 퇴적하면 미립자 소실 능력이 극단적으로 저하하기 때문에, 이미 자체적으로 필터를 재생할 수 없다. 이와 같이, 이러한 종류의 필터를 간단히 기관 배기 시스템에 배치하는 것만으로는 비교적 조기에 막힘이 발생하는 일이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 배기 정화 장치를 구비하는 디젤 기관의 개략 종단면도.
도 2는 도 1의 연소실의 확대 종단면도.
도 3은 도 1의 실린더 헤드의 저면도.
도 4는 연소실의 측면 단면도.
도 5는 흡배기 밸브의 리프트와 연료 분사를 도시하는 도면.
도 6은 스모크 및 NOx의 발생량 등을 도시하는 도면.
도 7a는 공연비가 21 부근에서 스모크의 발생량이 가장 많을 때의 연소압 변화를 도시하는 도면.
도 7b는 공연비가 18 부근에서 스모크의 발생량이 거의 제로일 때의 연소압 변화를 도시하는 도면.
도 8은 연료 분자를 도시하는 도면.
도 9는 스모크의 발생량과 EGR율과의 관계를 도시하는 도면.
도 10은 분사 연료량과 혼합 가스량과의 관계를 도시하는 도면.
도 11은 제 1 운전 영역 I 및 제 2 운전 영역 II를 도시하는 도면.
도 12는 공연비 센서의 출력을 도시하는 도면.
도 13은 스로틀 밸브의 개방도 등을 도시하는 도면.
도 14는 제 1 운전 영역 I에서의 공연비를 도시하는 도면.
도 15a는 스로틀 밸브의 목표 개방도의 맵을 도시하는 도면.
도 15b는 EGR 제어 밸브의 목표 개방도의 맵을 도시하는 도면.
도 16은 제 2 연소에서의 공연비를 도시하는 도면.
도 17a는 스로틀 밸브의 목표 개방도의 맵을 도시하는 도면.
도 17b는 EGR 제어 밸브의 목표 개방도의 맵을 도시하는 도면.
도 18은 본 발명에 의한 내연 기관의 배기 정화 장치를 도시하는 단면 평면도.
도 19는 도 18의 P-P 단면도.
도 20a는 미립자 필터의 구조를 도시하는 정면도.
도 20b는 미립자 필터의 구조를 도시하는 측면 단면도.
도 21a 및 도 21b는 미립자의 산화 작용을 설명하기 위한 도면.
도 22는 산화 제거 가능한 미립자량과 미립자 필터의 온도와의 관계를 도시하는 도면.
도 23a, 도 23b 및 도 23c는 미립자의 퇴적 작용을 설명하기 위한 도면.
도 24는 미립자 필터에의 미립자의 퇴적을 방지하기 위한 제 1 플로 챠트.
도 25a 및 도 25b는 미립자 잔류시에 있어서의 미립자 필터의 격벽의 확대 단면도.
도 26은 미립자 필터에의 미립자의 퇴적을 방지하기 위한 제 2 플로 챠트.
도 27은 미립자 필터에의 미립자의 퇴적을 방지하기 위한 제 3 플로 챠트.
도 28은 도 18의 내연기관의 배기 정화 장치의 변형예를 도시하는 단면 평면도.
따라서, 본 발명의 목적은 미립자 필터에 의해 포집된 미립자를 양호하게 산화 제거하여, 미립자 필터의 막힘을 방지할 수 있는 내연기관의 배기 정화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 포집한 미립자를 산화시키는 미립자 필터와, 상기 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측을 역전하기 위한 역전 수단을 구비하고, 상기 미립자 필터는 미립자를 포집하기 위한 포집벽(collecting wall)을 갖고, 상기 포집벽은 제 1 포집면과 제 2 포집면을 갖고, 상기 역전수단에 의해서 상기 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측이 역전됨으로써, 미립자를 포집하기 위해서 상기 포집벽의 상기 제 1 포집면과 상기 제 2 포집면이 교대로 사용되고, 상기 미립자 필터는 배기 가스의 유출입을 위한 제 1 개구부 및 제 2 개구부를 갖고, 머플러의 상류측에서 배기관내에 배치되고, 상기 미립자 필터의 상기 제 1 개구부와 상기 제 2 개구부 사이의 주위부는 적어도 부분적으로, 상기 배기관내의 배기 가스류와 접하고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명에 의한 배기 정화 장치를 구비하는 4행정 디젤 기관의 개략 종단면도를 도시하고 있고, 도 2는 도 1의 디젤 기관에 있어서의 연소실의 확대 종단면도이고, 도 3은 도 1의 디젤 기관에 있어서의 실린더 헤드의 저면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 부호 1은 기관 본체, 2는 실린더 블록, 3은 실린더 헤드, 4는 피스톤, 5a는 피스톤(4)의 정상면 상에 형성된 캐비티, 5는 캐비티(5a) 내에 형성된 연소실, 6은 전기 제어식 연료 분사 밸브, 7은 한 쌍의 흡기 밸브, 8은 흡기포트, 9는 한 쌍의 배기 밸브, 10은 배기 포트를 각각 도시한다. 흡기 포트(8)는 대응하는 흡기 매니폴드(11)를 거쳐 서지 탱크(12)에 연결되고, 서지 탱크(12)는 흡기 덕트(13)를 거쳐 에어 실린더(14)에 연결된다. 흡기 덕트(13)내에는 전기 모터(15)에 의해 구동되는 스로틀 밸브(16)가 배치된다. 한편, 배기 포트(10)는 배기 매니폴드(17)에 접속된다.
도 1에 도시되는 바와 같이 배기 매니폴드(17)내에는 공연비 센서(21)가 배치된다. 배기 매니폴드(17)와 서지 탱크(12)는 EGR 통로(22)를 거쳐 서로 연결되고, EGR 통로(22)내에는 전기 제어식 EGR 제어 밸브(23)가 배치된다. 또한, EGR 통로(22) 주변에는 EGR 통로(22)내를 흐르는 EGR 가스를 냉각하기 위한 냉각 장치(24)가 배치된다. 도 1에 도시되는 실시예에서는 기관 냉각수가 냉각 장치(24)내로 유도되고, 기관 냉각수에 의해서 EGR 가스가 냉각된다.
한편, 각 연료 분사 밸브(6)는 연료 공급관(25)을 통해 연료 저장소, 소위 코몬 레일(common rail:26)에 연결된다. 상기 코몬 레일(26)내로는 전기 제어식의 토출량 가변인 연료 펌프(27)로부터 연료가 공급되고, 코몬 레일(26)내에 공급된 연료는 각 연료 공급관(25)을 통해 연료 분사 밸브(6)에 공급된다. 코몬 레일(26)에는 코몬 레일(26)내의 연료압을 검출하기 위한 연료압 센서(28)가 부착되고, 연료압 센서(28)의 출력 신호에 근거하여 코몬 레일(26)내의 연료압이 목표 연료압이 되도록 연료 펌프(27)의 토출량이 제어된다.
부호 30은 전자 제어 유닛이고, 공연비 센서(21)의 출력 신호와, 연료압 센서(28)의 출력 신호가 입력된다. 또한, 액셀 페달(accelerator pedal: 40)에는 이 액셀 페달(40)의 밟는 양 L에 비례한 출력 전압을 발생하는 부하 센서(41)가 접속되고, 전자 제어 유닛(30)에는 부하 센서(41)의 출력 신호도 입력되며, 또한, 크랭크샤프트가 예를 들면 30도 회전할 때마다 출력 펄스를 발생하는 크랭크 각 센서(42)의 출력 신호도 입력된다. 이렇게 해서, 전자 제어 유닛(30)은 각종 신호에 근거하여, 연료 분사 밸브(6), 전기 모터(15), EGR 제어 밸브(23) 및 연료 펌프(27)를 작동한다.
도 2 및 도 3에 도시되는 바와 같이 본 발명에 의한 실시예에서는 연료 분사 밸브(6)가 6개의 노즐구를 갖는 홀 노즐로 이루어지고, 연료 분사 밸브(6)의 노즐구로부터는 수평면에 대하여 약간 하향으로 등각도 간격으로 연료 분무 F가 분사된다. 도 3에 도시되는 바와 같이 6개의 연료 분무 F 중에 2개의 연료 분무 F는 각 배기 밸브(9)의 밸브체의 하측면을 따라서 비산한다. 도 2 및 도 3은 압축 행정 말기에 연료 분사가 행하여졌을 때를 도시하고 있다. 이 때에는 연료 분무 F는 캐비티(5a)의 내주면을 향하여 진행하고, 이어서 착화 연소되어진다.
도 4는 배기 행정 중에 있어서 배기 밸브(9)의 리프트량이 최대인 때에 연료 분사 밸브(6)로부터 추가의 연료가 분사된 경우를 도시하고 있다. 즉, 도 5에 도시되는 바와 같이 압축 상사점 부근에서 주분사 Qm이 행하여지고, 이어서 배기 행정의 중반쯤에 추가의 연료 Qa가 분사된 경우를 도시하고 있다. 이 경우, 배기 밸브(9)의 밸브체 방향으로 진행하는 연료 분무 F는 배기 밸브(9)의 우산부 배면(umbrella-like back surface)과 배기 포트(10)와의 사이를 향한다. 즉, 다시 말하면 연료 분사 밸브(6)의 6개의 노즐구 중에서 2개의 노즐구는 배기 밸브(9)가 개방되어 있을 때에 추가의 연료 Qa의 분사가 행하여지면 연료 분무 F가 배기 밸브(9)의 우산부 배면과 배기 포트(1O)와의 사이를 향하도록 형성되어 있다. 또한, 도 4에 도시하는 실시예에서는 이 때에 연료 분무 F가 배기 밸브(9)의 우산부 배면에 충돌하고, 배기 밸브(9)의 우산부 배면에 충돌한 연료 분무 F는 배기 밸브(9)의 우산부 배면상에서 반사하여, 배기 포트(10)내로 향한다.
또한 통상은 추가의 연료 Qa는 분사되지 않고, 주분사 Qm만이 행하여진다. 도 6은 기관 저부하 운전시에 있어서 스로틀 밸브(16)의 개방도 및 EGR 율을 변화시킴으로써 공연비 A/F(도 6의 횡축)를 변화시켰을 때의 출력 토크의 변화 및 스모크, HC, CO, NOx의 배출량의 변화를 도시하는 실험예를 나타내고 있다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 상기 실험예에서는 공연비 A/F가 작아질수록 EGR 율이 커지고, 이론 공연비(≒14.6) 이하일 때에는 EGR 율은 65퍼센트 이상으로 되어 있다.
도 6에 도시되는 바와 같이 EGR 율을 증대함으로써 공연비 A/F를 작게 하여 가면 EGR 율이 40퍼센트 부근이 되어 공연비 A/F가 30정도가 되었을 때에 스모크의 발생량이 증대를 개시한다. 이어서, 또한 EGR 율을 높이고, 공연비 A/F를 작게 하면 스모크의 발생량이 급격히 증대하여 피크에 달한다. 이어서 또한 EGR 율을 높이고, 공연비 A/F를 작게 하면 이번에는 스모크가 급격히 저하하고, EGR 율을 65퍼센트 이상으로 하고, 공연비 A/F가 15.0 부근이 되면 스모크가 거의 제로가 된다. 즉, 매연이 거의 발생하지 않게 된다. 이 때에 기관의 출력 토크는 약간 저하하며, 또한 NOx의 발생량이 상당히 낮게 된다. 한편, 이 때에 HC 및 CO의 발생량은 증대하기 시작한다.
도 7a는 공연비 A/F가 21 부근에서 스모크의 발생량이 가장 많을 때의 연소실(5)내의 연소압 변화를 도시하고 있고, 도 7b는 공연비 A/F가 18 부근에서 스모크의 발생량이 거의 제로인 때의 연소실(5)내에서의 연소압의 변화를 도시하고 있다. 도 7a와 도 7b를 비교하면 알 수 있는 바와 같이 스모크의 발생량이 거의 제로인 도 7b에 도시하는 경우는 스모크의 발생량이 많은 도 7a에 도시하는 경우에 비해 연소압이 낮은 것을 알 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시되는 실험 결과로부터 다음의 것을 말할 수 있다. 즉, 우선 첫째로 공연비 A/F가 15.0 이하로 스모크의 발생량이 거의 제로인 때에는 도 6에 도시되는 바와 같이 NOx의 발생량이 상당히 저하한다. NOx의 발생량이 저하하였다는 것은 연소실(5)내의 연소 온도가 저하하고 있음을 의미하며, 따라서 매연이 거의 발생하지 않은 때에는 연소실(5)내의 연소 온도가 낮게 되어 있다고 말할 수있다. 같은 것이지만 도 7에서도 말할 수 있다. 즉, 매연이 거의 발생하지 않은 도 7b에 도시하는 상태에서는 연소압이 낮게 되어 있고, 따라서 이 때에 연소실(5)내의 연소 온도는 낮게 되어 있는 것으로 된다.
두번째로 스모크의 발생량, 즉 매연의 발생량이 거의 제로가 되면 도 6에 도시되는 바와 같이 HC 및 CO의 배출량이 증대한다. 이것은 탄화수소가 매연까지 성장하지 않고 배출되는 것을 뜻하고 있다. 즉, 연료 중에 포함되는 도 8에 도시되는 바와 같은 직쇄상(straight chain) 탄화수소나 방향족 탄화수소는 산소 부족의 상태에서 온도 상승시키게 되면 열 분해하여 매연의 전구체가 형성되고, 이어서 주로 탄소원자가 집합한 고체로 이루어지는 매연이 생성된다. 이 경우, 실제의 매연의 생성 과정은 복잡하고, 매연의 전구체가 어떠한 형태를 갖는가는 명확하지 않지만 어떻든간에 도 8에 도시되는 바와 같은 탄화수소는 매연의 전구체를 거쳐 매연까지 성장하게 된다. 따라서, 상술한 바와 같이 매연의 발생량이 거의 제로가 되면 도 6에 도시되는 바와 같은 HC 및 CO의 배출량이 증대하지만 이 때의 HC는 매연의 전구체 또는 그 이전 상태의 탄화수소이다.
도 6 및 도 7에 도시되는 실험 결과에 근거하여 이들의 고찰을 정리하면 연소실(5)내의 연소 온도가 낮을 때에는 매연의 발생량이 거의 제로가 되고, 이 때에는 매연의 전구체 또는 그 이전 상태의 탄화수소가 연소실(5)로부터 배출되어지게 된다. 이것에 관해서 더욱 상세히 실험 연구를 거듭한 결과, 연소실(5)내에서의 연료 및 그 주위의 가스 온도가 어느 온도 이하인 경우에는 매연의 성장 과정이 도중에서 정지해 버리고, 즉 매연이 전혀 발생하지 않고, 연소실(5)내에서의 연료 및 그 주위의 온도가 어느 온도 이하로 되면 매연이 생성되는 것으로 판명되었다.
그런데 매연의 전구체의 상태로 탄화수소의 생성 과정이 정지할 때의 연료 및 그 주위의 온도, 즉 상술한 어느 온도는 연료의 종류나 공연비나 압축비 등의 여러가지 요인에 의해서 변화하기 때문에 몇 번이라고는 말할 수 없지만, 어느 온도는 NOx의 발생량과 깊은 관계를 갖고 있으며, 따라서 어느 온도는 NOx의 발생량으로부터 어느 정도 규정할 수 있다. 즉, EGR 율이 증대할수록 연소시의 연료 및 그 주위의 가스 온도는 저하하여, NOx의 발생량이 저하한다. 이 때에 NOx의 발생량이 10ppm 전후 또는 그 이하로 되었을 때에 매연이 거의 발생하지 않게 된다. 따라서 상술한 어느 온도는 NOx의 발생량이 10ppm 전후 또는 그 이하가 되었을 때의 온도에 거의 일치한다.
일단, 매연이 생성되면, 상기 매연은 간단하게 산화 기능을 갖는 촉매를 사용한 후처리에 의해서도 정화할 수 없다. 이에 반해 매연의 전구체 또는 그 이전 상태의 탄화수소는 산화 기능을 갖는 촉매를 사용한 후처리로서 용이하게 정화할 수 있다. 이와 같이, NOx의 발생량을 감소시키며 또한 탄화 수소를 매연의 전구체 또는 그 이전 상태에서 연소실(5)로부터 배출시키는 것은 배기 가스의 정화에 상당히 유효하다.
그런데, 매연이 생성되기 이전의 상태에서 탄화수소의 성장을 정지시키기 위해서는 연소실(5)내에서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스 온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제할 필요가 있다. 이 경우, 연료 및 그 주위의 가스 온도를 억제하기 위해서는 연료가 연소하였을 때의 연료 주위에서의 가스의 흡열 작용이 상당히 크게 영향을 주는 것으로 판명되고 있다.
즉, 연료 주위에 공기밖에 존재하지 않으면 증발한 연료는 즉시 공기 중의 산소와 반응하여 연소한다. 이 경우, 연료로부터 떨어져 있는 공기의 온도는 그다지 상승하지 않고, 연료 주위의 온도만이 국소적으로 상당히 높게 된다. 즉, 이 때에는 연료로부터 떨어져 있는 공기는 연료의 연소열의 흡열 작용을 거의 행하지 않는다. 이 경우에는 연소 온도가 국소적으로 상당히 높게 되기 때문에, 상기 연소열을 받은 미연소 탄화수소는 매연을 생성하게 된다.
한편, 다량의 불활성 가스와 소량 공기의 혼합 가스중에 연료가 존재하는 경우에는 약간 상황이 다르다. 이 경우에는 증발 연료는 주위에 확산하여 불활성 가스 중에 섞여있는 산소와 반응하여, 연소하게 된다. 이 경우에는 연소열은 주위의 불활성 가스에 흡수되기 때문에 연소 온도는 그다지 상승하지 않게 된다. 즉, 연소 온도를 낮게 억제할 수 있게 된다. 즉, 연소 온도를 억제하기 위해서는 불활성 가스의 존재가 중요한 역할을 하고 있고, 불활성 가스의 흡열 작용에 의해서 연소 온도를 낮게 억제할 수 있게 된다.
이 경우, 연료 및 그 주위의 가스 온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 억제하기 위해서는 충분한 열량을 흡수할 수 있을 만큼의 불활성 가스량이 필요하게 된다. 따라서 연료량이 증대하면 필요로 하는 불활성 가스량은 그에 동반하여 증대하게 된다. 또한, 이 경우, 불활성 가스의 비열이 클수록 흡열 작용은 강력해지고, 따라서 불활성 가스는 비열이 큰 가스가 바람직한 것으로 된다. 이점이, CO2나 EGR 가스는 비교적 비열이 크기 때문에 불활성 가스로서 EGR 가스를 사용하는 것은 바람직하다 라고 할 수 있다.
도 9는 불활성 가스로서 EGR 가스를 사용하여, EGR 가스의 냉각 정도를 변경했을 때의 EGR 율과 스모크와의 관계를 도시하고 있다. 즉, 도 9에 있어서 곡선 A는 EGR 가스를 강력하게 냉각하여 EGR 가스 온도를 거의 90℃로 유지한 경우를 도시하고 있고, 곡선 B는 소형의 냉각 장치로 EGR 가스를 냉각한 경우를 도시하고 있고, 곡선 C는 EGR 가스를 강제적으로 냉각하지 않은 경우를 도시하고 있다.
도 9의 곡선 A로 도시되는 바와 같이 EGR 가스를 강력하게 냉각한 경우에는 EGR 율이 50퍼센트 보다도 조금 낮은 지점에서 매연의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR 율을 거의 55퍼센트 이상으로 하면 매연이 거의 발생하지 않게 된다. 한편, 도 9의 곡선 B로 도시되는 바와 같이 EGR 가스를 조금 냉각한 경우에는 EGR 율이 50퍼센트 보다도 조금 높은 지점에서 매연의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR 율을 거의 65퍼센트 이상으로 하면 매연이 거의 발생하지 않게 된다.
또한, 도 9의 곡선 C로 도시되는 바와 같이 EGR 가스를 강제적으로 냉각하지 않은 경우에는 EGR 율이 55퍼센트의 부근에서 매연의 발생량이 피크가 되고, 이 경우에는 EGR 율을 거의 70퍼센트 이상으로 하면 매연이 거의 발생하지 않게 된다. 또한, 도 9는 기관 부하가 비교적 높을 때의 스모크의 발생량을 도시하고 있고, 기관 부하가 작게 되면 매연의 발생량이 피크가 되는 EGR 율은 약간 저하하고, 매연이 거의 발생하지 않게 되는 EGR 율의 하한도 약간 저하한다. 이와 같이 매연이 거의 발생하지 않게 되는 EGR 율의 하한은 EGR 가스의 냉각 상태나 기관 부하에 따라서 변화한다.
도 10은 불활성 가스로서 EGR 가스를 사용한 경우에 있어서 연소시의 연료 및 그 주위의 가스 온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 하기 위해서 필요한 EGR 가스와 공기의 혼합 가스량 및 상기 혼합 가스량 중의 공기의 비율 및 상기 혼합 가스 중의 EGR 가스의 비율을 도시하고 있다. 또한, 도 10에 있어서 종축은 연소실(5)내에 흡입되는 전흡입 가스량을 도시하고 있고, 쇄선 Y는 과급이 행하여지지 않을 때에 연소실(5)내에 흡입할 수 있는 전흡입 가스량을 도시하고 있다. 또한, 횡축은 요구 부하를 도시하고 있고, Z1은 저부하 운전 영역을 도시하고 있다.
도 10을 참조하면 공기의 비율, 즉 혼합 가스 중의 공기량은 분사된 연료를 완전히 연소시키는 데 필요한 공기량을 도시하고 있다. 즉, 도 10에 도시되는 경우에는 공기량과 분사 연료량과의 비는 이론 공연비로 되어 있다. 한편, 도 10에 있어서 EGR 가스의 비율, 즉 혼합 가스 중의 EGR 가스량은 분사 연료가 연소되어졌을 때에 연료 및 그 주위의 가스 온도를 매연이 형성되는 온도보다도 낮은 온도로 하는 데 필요 최저한의 EGR 가스량을 도시하고 있다. 상기 EGR 가스량은 EGR 율로 나타내면 거의 55퍼센트 이상이고, 도 10에 도시하는 실시예에서는 70퍼센트 이상이다. 즉, 연소실(5)내에 흡입된 전흡입 가스량을 도 10에 있어서 실선 X로 하고, 상기 전흡입 가스량 X 중의 공기량과 EGR 가스량과의 비율을 도 10에 도시하는 바와 같은 비율로 하면 연료 및 그 주위의 가스 온도는 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도가 되며, 이렇게 하여 매연이 전혀 발생하지 않게 된다. 또한, 이 때의 NOx 발생량은 10ppm 전후, 또는 그 이하이고, 따라서 NOx의 발생량은 상당히 소량이 된다.
연료 분사량이 증대하면 연료가 연소하였을 때의 발열량이 증대하므로 연료 및 그 주위의 가스 온도를 매연이 생성되는 온도보다도 낮은 온도로 유지하기 위해서는 EGR 가스에 의한 열의 흡수량을 증대하지 않으면 안된다. 따라서 도 10에 도시되는 바와 같이 EGR 가스량은 분사 연료량이 증대함에 따라서 증대시키지 않으면 안된다. 즉, EGR 가스량은 요구 부하가 높아짐에 따라서 증대할 필요가 있다.
한편, 도 10의 부하 영역 Z2에서는 매연의 발생을 저지하는 데 필요한 전흡입 가스량 X를 흡입할 수 있는 전흡입 가스량 Y를 초과하게 된다. 따라서 이 경우, 매연의 발생을 저지하는 데 필요한 전흡입 가스량 X를 연소실(5)내에 공급하기 위해서는 EGR 가스 및 흡입 공기의 쌍방, 혹은 EGR 가스를 과급 또는 가압할 필요가 있다. EGR 가스 등을 과급 또는 가압하지 않은 경우에는 부하 영역 Z2에서는 전흡입 가스량 X는 흡입할 수 있는 전흡입 가스량 Y에 일치한다. 따라서 이 경우, 매연의 발생을 저지하기 위해서는 공기량을 약간 감소시켜 EGR 가스량을 증대함과 함께 공연비가 리치 하에서 연료를 연소시키게 된다.
상술한 바와 같이 도 10은 연료를 이론 공연비하에서 연소시키는 경우를 도시하고 있지만 도 10에 도시되는 저부하 운전 영역 Z1에서 공기량을 도 10에 도시되는 공기량보다도 적게 하여도, 즉 공연비를 리치(rich)로 하여도 매연의 발생을 저지하면서 NOx의 발생량을 10ppm 전후 또는 그 이하로 할 수 있고, 또한 도 10에 도시되는 저부하 영역 Z1에서 공기량을 도 10에 도시되는 공기량보다도 많게 하더라도, 즉 공연비의 평균치를 17 내지 18의 린(lean)으로 하여도 매연의 발생을 저지하면서 NOx의 발생량을 10ppm 전후 또는 그 이하로 할 수 있다.
즉, 공연비가 리치로 되면 연료가 과잉으로 되지만 연소 온도가 낮은 온도로 억제되어 있기 때문에 과잉의 연료는 매연까지 성장하지 않고, 이렇게 하여 매연이 생성되지 않는다. 또한, 이 때에는 NOx도 상당히 소량밖에 발생하지 않는다. 한편, 평균 공연비가 린인 때, 혹은 공연비가 이론 공연비인 때라도 연소 온도가 높아지면 소량의 매연이 생성되지만 본 발명에서는 연소 온도가 낮은 온도로 억제되고 있으므로 매연은 전혀 생성되지 않는다. 또한, NOx도 상당히 소량밖에 발생하지 않는다.
이와 같이, 기관 저부하 운전 영역 Z1에서는 공연비에 관계없이, 즉 공연비가 리치이면, 이론 공연비이면, 혹은 평균 공연비이면 매연이 발생되지 않고, NOx의 발생량이 상당히 소량이 된다. 따라서 연료 소비율의 향상을 생각하면, 이 때의 평균 공연비를 린으로 하는 것이 바람직하다 라고 할 수 있다.
그런데 연소실내에서의 연소시의 연료 및 그 주위의 가스 온도를 탄화수소의 성장이 도중에서 정지하는 온도 이하로 억제할 수 있는 것은 연소에 의한 발열량이 적은 비교적 기관 부하가 낮을 때로 한정된다. 따라서 본 발명에 의한 실시예에서는 기관 부하가 비교적 낮은 때에는 연소시의 연료 및 그 주위의 가스 온도를 탄화수소의 성장이 도중에 정지하는 온도 이하로 억제하여 제 1 연소, 즉 저온 연소를 행하도록 하고, 기관 부하가 비교적 높을 때에는 제 2 연소, 즉 종래부터 대개 행하여지고 있는 연소를 행하도록 하고 있다. 또한, 여기서 제 1 연소, 즉 저온 연소란 지금까지의 설명에서 분명한 바와 같이 매연의 발생량이 최대가 되는 최악 불활성 가스량보다도 연소실내의 불활성 가스량이 많고 매연이 거의 발생하지 않은 연소인 것을 말하고, 제 2 연소, 즉 종래부터 대개 행하여지고 있는 연소란 매연의 발생량이 최대가 되는 최악 불활성 가스량보다도 연소실내의 불활성 가스량이 적은 연소인 것을 말한다.
도 11은 제 1 연소, 즉 저온 연소가 행하여지는 제 1 운전 영역 I와, 제 2 연소, 즉 종래의 연소 방법에 의한 연소가 행하여지는 제 2 연소 영역 II를 도시하고 있다. 또한, 도 11에 있어서 종축 L은 액셀 페달(40)의 밟는 량, 즉 요구 부하를 나타내고 있고, 횡축 N은 기관 회전수를 나타내고 있다. 또한, 도 11에 있어서 X(N)는 제 1 운전 영역 I과 제 2 운전 영역 II와의 제 1 경계를 나타내고 있고, Y(N)는 제 1 운전 영역 I과 제 2 운전 영역 II와의 제 2 경계를 나타내고 있다. 제 1 운전 영역 I로부터 제 2 운전 영역 II에의 운전 영역의 변화 판단은 제 1 경계 X(N)에 근거하여 행하여지고, 제 2 운전 영역 II으로부터 제 1 운전 영역 I에의 운전 영역의 변화 판단은 제 2 경계 Y(N)에 근거하여 행하여진다.
즉, 기관의 운전 상태가 제 1 운전 영역 I에서 저온 연소가 행하여지고 있을 때에 요구 부하 L이 기관 회전수 N의 함수인 제 1 경계 X(N)를 넘으면 운전 영역이 제 2 운전 영역 II로 옮긴 것으로 판단되고, 종래의 연소 방법에 의한 연소가 행하여진다. 이어서, 요구 부하 L이 기관 회전수 N의 함수인 제 2 경계 Y(N)보다도 낮게 되면 운전 영역이 제 1 운전 영역 I로 옮긴 것으로 판단되고, 다시 저온 연소가 행하여진다.
도 12는 공연비 센서(21)의 출력을 도시하고 있다. 도 12에 도시되는 바와 같이 공연비 센서(21)의 출력 전류 I는 공연비 A/F에 따라서 변화한다. 따라서 공연비 센서(21)의 출력 전류 I로부터 공연비를 알 수 있다. 다음에 도 13을 참조하면서 제 1 운전 영역 I 및 제 2 운전 영역 II에서의 운전 제어에 관해서 개략적으로 설명한다.
도 13은 요구 부하 L에 대한 스로틀 밸브(16)의 개방도, EGR 제어 밸브(23)의 개방도, EGR율, 공연비, 분사 시기 및 분사량을 도시하고 있다. 도 13에 도시되는 바와 같이 요구 부하 L의 낮은 제 1 운전 영역 I에서는 스로틀 밸브(16)의 개방도는 요구 부하 L이 높아짐에 따라서 완전 폐쇄 부근부터 완전 개방까지 서서히 증대시키게 되고, EGR 제어 밸브(23)의 개방도는 요구 부하 L이 높아짐에 따라서 완전 폐쇄 부근부터 완전 개방까지 서서히 증대시키게 된다. 또한, 도 13에 도시되는 예에서는 제 1 운전 영역 I에서는 EGR 율이 거의 70퍼센트로 되어 있고, 공연비는 약간만 린인 린공연비로 되어 있다.
다시 말하면 제 1 운전 영역 I에서는 EGR 율이 거의 70퍼센트가 되고, 공연비가 약간만 린인 린 공연비가 되도록 스로틀 밸브(16)의 개방도 및 EGR 제어 밸브(23)의 개방도가 제어된다. 또한, 이 때의 공연비는 공연비 센서(21)의 출력 신호에 근거하여 EGR 제어 밸브(23)의 개방도를 보정함으로써 목표 린 공연비로 제어된다. 또한, 제 1 운전 영역 I에서는 압축 상사점 TDC 전에 연료 분사가 행하여진다. 이 경우, 분사 개시 시기 θS는 요구 부하 L이 높아짐에 따라서 느리게 되고, 분사 완료 시기 θE도 분사 개시 시기 θS가 지연됨에 따라서 지연된다.
또한, 아이들링 운전시에는 스로틀 밸브(16)는 완전 폐쇄 부근까지 폐쇄되고, 이 때에는 EGR 제어 밸브(23)도 완전 폐쇄 부근까지 폐쇄되어진다. 스로틀 밸브(16)를 완전 폐쇄 부근까지 폐쇄하면 압축 초기의 연소실(5)내의 압력이 낮아지기 때문에 압축 압력이 작아진다. 압축 압력이 작게 되면 피스톤(4)에 의한 압축일이 작아지기 때문에 기관 본체(1)의 진동이 작아진다. 즉, 아이들링 운전시에는 기관 본체(1)의 진동을 억제하기 위해서 스로틀 밸브(16)가 완전 폐쇄 부근까지 폐쇄되어진다.
한편, 기관의 운전 영역이 제 1 운전 영역 I로부터 제 2 운전 영역 II로 변하면 스로틀 밸브(16)의 개방도가 절반 개방 상태로부터 완전 개방 방향으로 스텝형상으로 증대되어진다. 이 때에 도 13에 도시하는 예에서는 EGR 율이 거의 70퍼센트로부터 40퍼센트 이하까지 단계적으로 감소되어지고, 공연비가 단계적으로 커지게 된다. 즉, EGR 율이 다량의 스모크를 발생하는 EGR 율 범위(도 9)를 초과하기 때문에 기관의 운전 영역이 제 1 운전 영역 I로부터 제 2 운전 영역 II로 변할 때에 다량의 스모크가 발생하지 않는다.
제 2 운전 영역 II에서는 종래로부터 행하여지고 있는 연소가 행하여진다. 상기 연소 방법에서는 매연 및 NOx가 약간 발생하지만 저온 연소에 비해 열 효율은 높고, 따라서 기관의 운전 영역이 제 1 운전 영역 I로부터 제 2 운전 영역 II로 변하면 도 13에 도시되는 바와 같이 분사량이 단계적으로 저감되어진다.
제 2 운전 영역 II에서는 스로틀 밸브(16)는 일부를 제외하고 완전 개방 상태로 유지되고, EGR 제어 밸브(23)의 개방도는 요구 부하 L이 높아지면 점차로 작아진다. 상기 운전 영역 II에서는 EGR 율은 요구 부하 L이 높아질수록 낮아지고, 공연비는 요구 부하 L이 높아질수록 작아진다. 단지, 공연비는 요구 부하 L이 높아지더라도 린공연비로 된다. 또한, 제 2 운전 영역 I에서는 분사 개시 시기 θS는 압축 상사점 TDC 부근으로 된다.
도 14는 제 1 운전 영역 I에서의 공연비 A/F를 도시하고 있다. 도 14에 있어서, A/F= 15.5, A/F=16, A/F=17, A/F=18로 도시되는 각 곡선은 각각 공연비가 15.5, 16, 17, 18일 때를 도시하고 있고, 각 곡선간의 공연비는 비례 배분에 의해 결정된다. 도 14에 도시되는 바와 같이 제 1 운전 영역 I에서는 공연비가 린으로 되어 있고, 또한 제 1 운전 영역 I에서는 요구 부하 L이 낮아질수록 공연비 A/F가 린으로 된다.
즉, 요구 부하 L이 낮아질수록 연소에 의한 발열량이 적어진다. 따라서 요구 부하 L이 낮아질수록 EGR 율을 저하시키어도 저온 연소를 행할 수 있다. EGR 율을 저하시키면 공연비는 커지며, 따라서 도 14에 도시되는 바와 같이 요구 부하 L이 낮아짐에 따라서 공연비 A/F가 크게 된다. 공연비 A/F가 커질수록 연료 소비율은 향상하며, 따라서 가능한 한 공연비를 린으로 하기 위해서 본 실시예에서는 요구 부하 L이 낮아짐에 따라서 공연비 A/F가 크게 된다.
또한, 공연비를 도 14에 도시하는 목표 공연비로 하는 데 필요한 스로틀 밸브(16)의 목표 개방도 ST가 도 15a에 도시되는 바와 같이 요구 부하 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32)내에 기억되어 있고, 공연비를 도 14에 도시하는 목표 공연비로 하는 데 필요한 EGR 제어 밸브(23)의 목표 개방도 SE가 도 15b에 도시되는 바와 같이 요구 부하 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32)내에 기억되어 있다.
도 16은 제 2 연소, 즉 종래의 연소방법에 의한 보통의 연소가 행하여질 때의 목표 공연비를 도시하고 있다. 또한, 도 16에 있어서 A/F=24, A/F=35, A/F=45, A/F=60으로 나타내는 각 곡선은 각각 목표 공연비(24, 35, 45, 60)를 나타내고 있다. 공연비를 상기 목표 공연비로 하는 데 필요한 스로틀 밸브(16)의 목표 개방도 ST가 도 17a에 도시되는 바와 같이 요구 부하 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32)내에 기억되어 있고, 공연비를 상기 목표 공연비로 하는 데 필요한 EGR 제어 밸브(23)의 목표 개방도 SE가 도 17b에 도시되는 바와 같이 요구 부하 L 및 기관 회전수 N의 함수로서 맵의 형태로 미리 ROM(32)내에 기억되어 있다.
이렇게 해서, 본 실시예의 디젤 기관에서는 액셀 페달(40)의 밟는 양 L 및 기관 회전수 N에 근거하여, 제 1 연소, 즉, 저온 연소와, 제 2 연소, 즉, 보통의 연소로 전환되고, 각 연소에 있어서, 액셀 페달(40)의 밟는 량 L 및 기관 회전수 N에 근거하여, 도 15 또는 도 17에 도시하는 맵에 의해서 스로틀 밸브(16) 및 EGR 밸브의 개방도 제어가 실시된다.
도 18은 배기 정화 장치를 도시하는 단면 평면도이고, 도 19는 도 18의 P-P 단면도이다. 본 배기 정화 장치는 배기 매니폴드(17)의 바로 하류측에 접속되고, 기관 배기 시스템에서, 대기 개구단에 위치하는 머플러로부터 상당히 상류측에 위치하고 있다. 본 배기 정화 장치는 배기관(71)을 갖고, 상기 배기관(71)은 배기 매니폴드(17) 및 하류측 배기 통로의 각각에 접속되는 제 1 소직경 부분(71a) 및 제 2 소직경 부분(71b)과, 제 1 소직경 부분(71a)과 제 2 소직경 부분(71b)과의 사이에 위치하는 대직경 부분(71c)을 갖고 있다. 대직경 부분(71c)의 양단은 절두 원추형상을 갖고 제 1 소직경 부분(71a) 및 제 2 소직경 부분(71b)에 접속되어 있다.
대직경 부분(71c) 내에는 길이 방향으로 연장하는 서로 평행인 2개의 벽부(72a 및 72b)에 의해서 길이 방향으로 3분할되고, 양측에 위치하는 제 1 유로(73a) 및 제 2 유로(73b)와, 중앙에 위치하는 제 3 유로(73c)가 형성되어 있다. 여기서, 제 1 소직경 부분(71a)으로부터 유입하는 배기 가스는 모두 제 3 유로(73c)에 유입하게 되어 있다. 대직경 부분(71c) 내에는 긴원 정면 형상을 갖는 미립자 필터(70)가, 양쪽의 벽부(71a 및 72b)를 관통하여, 미립자 필터의 중심 축선을 대직경 부분(71c)의 중심 축선에 대하여 직교시켜 배치되어 있다.
미립자 필터(70)는 배기 가스의 유출입을 위한 제 1 개구부(70a)와 제 2 개구부(70b)를 갖고, 상기 제 1 개구부(70a)가 제 1 유로(73a)와 연통하고, 제 2 개구부(70b)가 제 2 유로(73b)와 연통하게 되어 있다. 또한, 상술한 미립자 필터의 중심 축선이란, 상기 제 1 개구부(70a) 및 제 2 개구부(70b)를 통과하는 중심 축선을 뜻하고 있다. 미립자 필터(70)의 제 1 개구부(70a) 및 제 2 개구부(70b)는 상세하게는 후술하는 바와 같이, 각각 다수의 개구로 구성되어 있다. 또한, 미립자 필터(70)의 제 1 개구부(70a)와 제 2 개구부(70b) 사이의 주위부에 의해서, 제 3 유로(73c)는 부분적으로 상하로 분할되고, 제 3 유로를 흐르는 배기 가스는 미립자 필터(70)의 주위부(70c)에 접촉하여 흐르게 되어 있다.
또한, 대직경 부분(71c)의 하류측 단부에는 회전 이동 가능한 밸브체(74)가 배치되어 있다. 실선으로 도시하는 밸브체(74)의 제 1 위치에서는 제 3 유로(73c)를 제 1 유로(73a)에 연통시킴과 함께, 제 2 유로(73b)를 제 2 소직경 부분(71b)에 연통시킨다. 그로 인해, 배기 가스는 실선 화살표로 도시하는 바와 같이, 제 3 유로(73c)로부터 제 1 유로(73a)를 거쳐 미립자 필터(70)의 제 1 개구부(70a)로부터 제 2 개구(70b)로 통과하고, 제 2 유로(73b)를 거쳐 제 2 소직경 부분(71b)으로 유출한다. 또한, 일점 쇄선으로 도시하는 밸브체(74)의 제 2 위치에서는 제 3 유로(73c)를 제 2 유로(73b)에 연통시킴과 함께, 제 1 유로(73a)를 제 2 소직경 부분(71b)에 연통시킨다. 그로 인해, 배기 가스는 일점 쇄선 화살표로 도시하는 바와 같이, 제 3 유로(73c)로부터 제 2 유로(73b)를 통해 미립자 필터(70)의 제 2 개구부(70b)로부터 제 1 개구(70a)로 통과하고, 제 1 유로(73a)를 거쳐 제 2 소직경 부분(71b)으로 유출한다.
이렇게 해서, 밸브체(74)를 제 1 위치 및 제 2 위치의 한쪽으로부터 다른쪽으로 전환됨으로써, 미립자 필터(70)의 배기 상류측과 배기 하류측을 역전하는 것이 가능해진다. 또한, 밸브체(74)를 제 1 위치와 제 2 위치 사이의 개방 위치로 함으로써, 배기 가스는 제 3 유로(73c)로부터 미립자 필터(70)를 거치지 않고 제 2 소직경 부분(71b)으로 유출하여, 미립자 필터(70)를 바이패스시키는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 배기 정화 장치는 상당히 간단한 구성으로 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측을 역전하는 것을 가능하게 한다. 또한, 미립자 필터에서는 배기 가스의 유입을 용이하게 하기 위해서 큰 개구 면적이 필요하게 되지만, 본 배기 정화 장치에서는 미립자 필터의 개구부를 배기관의 길이 방향에 배향하였기 때문에, 차량 탑재성을 악화시키지 않고, 큰 개구 면적을 갖는 미립자 필터를 사용할 수 있다.
도 20에 미립자 필터(70)의 구조를 도시한다. 또한, 도 20에 있어서, 도 20a는 미립자 필터(70)의 정면도, 즉, 도 19의 Q에서 바라본 도면이고, 도 20b는 측면 단면도이다. 이들의 도면에 도시하는 바와 같이, 본 미립자 필터(70)는 상술한 바와 같이, 긴 원 정면 형상을 갖고, 예를 들면, 코디어라이트와 같은 다공질 재료로 형성된 허니컴 구조를 이루는 월 플로우(wall flow)형이고, 다수의 축선 방향에 연장하는 격벽(54)에 의해서 세분된 다수의 축선 방향 공간을 갖고 있다. 인접하는 2개의 축선 방향 공간에서, 마개(53)에 의해서, 한쪽은 배기 하류측에서 폐쇄되고, 다른쪽은 배기 상류측에서 폐쇄된다. 이렇게 해서, 인접하는 2개의 축선 방향 공간의 한쪽은 배기 가스의 유입 통로(50)가 되고, 다른쪽은 유입 통로(51)가 되고, 배기 가스는 도 20b에 화살표로 도시하는 바와 같이, 반드시 격벽(54)을 통과한다. 배기 가스 중의 미립자는 격벽(54)의 미세 구멍의 크기에 비교하여 대단히 작은 것이지만, 격벽(54)의 배기 상류측 표면 및 격벽(54)내의 미세 구멍 표면상에 충돌하여 포집된다. 이렇게 해서, 각 격벽(54)은 미립자를 포집하는 포집벽으로서 기능한다. 본 미립자 필터(70)에 있어서, 포집된 미립자를 산화 제거하기 위해서, 격벽(54)의 양측 표면상 및 바람직하게는 격벽(54)내의 미세 구멍 표면상에도 알루미나 등을 사용하여 이하에 설명하는 활성 산소 방출제와 귀금속 촉매가 보유되어 있다.
활성 산소 방출제란, 활성 산소를 방출함으로써 미립자의 산화를 촉진하는 것으로, 바람직하게는 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 받아들여 산소를 유지하며 또한 주위의 산소 농도가 저하하면 유지한 산소를 활성 산소의 형으로 방출하는 것이다.
귀금속 촉매로서는 통상, 백금 Pt이 사용되고 있고, 활성 산소 방출제로서 칼륨 K, 나트륨 Na, 리튬 Li, 세슘 Cs, 루비듐 Rb와 같은 알칼리 금속, 바륨 Ba, 칼슘 Ca, 스트론튬 Sr과 같은 알칼리 토류 금속, 란탄 La, 이트륨 Y와 같은 희토류, 및 전이 금속에서 선택된 적어도 1개가 사용되고 있다.
또한, 이 경우, 활성 산소 방출제로서는 칼슘 Ca보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속, 즉 칼륨 K, 리튬 Li, 세슘 Cs, 루비듐 Rb, 바륨 Ba, 스트론튬 Sr을 사용하는 것이 바람직하다.
다음에, 이러한 활성 산소 방출제를 보유하는 미립자 필터에 의해서, 포집된 미립자 필터가 어떻게 산화 제거되는가에 관해서, 백금 Pt 및 칼륨 K의 경우를 예로 들어 설명한다. 다른 귀금속, 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속, 희토류, 전이 금속을 사용하여도 동일한 미립자 제거 작용이 행하여진다.
디젤 기관에서는 통상 공기 과잉 하에서 연소가 행하여지며, 따라서 배기 가스는 다량의 과잉 공기를 포함하고 있다. 즉, 흡기 통로 및 연소실내에 공급된 공기와 연료와의 비를 배기 가스의 공연비라고 칭하면, 상기 공연비는 린으로 되어 있다. 또한, 연소실내에서는 NO가 발생하기 때문에 배기 가스 중에는 NO가 포함되어 있다. 또한, 연료 중에는 유황 S가 포함되어 있고, 상기 유황 S는 연소실내에서 산소와 반응하여 SO2가 된다. 따라서 배기 가스 중에는 SO2가 포함되어 있다. 따라서 과잉 산소, NO 및 SO2를 포함한 배기 가스가 미립자 필터(70)의 배기 상류측에 유입하게 된다.
도 21a 및 도 21b는 미립자 필터(70)에 있어서의 배기 가스 접촉면의 확대도를 모식적으로 도시하고 있다. 또한, 도 21a 및 도 21b에 있어서 부호 60은 백금 Pt의 입자를 도시하고 있고, 61은 칼륨 K를 포함하고 있는 활성 산소 방출제를 도시하고 있다.
상술한 바와 같이 배기 가스 중에는 다량의 과잉 산소가 포함되어 있기 때문에 배기 가스가 미립자 필터의 배기 가스 접촉면내에 접촉하면, 도 21a에 도시되는 바와 같이 이들 산소 02가 02 - 또는 O2-의 형으로 백금 Pt의 표면에 부착한다. 한편, 배기 가스 중의 NO는 백금 Pt의 표면상에서 O2 - 또는 O2-와 반응하여, NO2가 된다(2NO+02→2NO2). 이어서 생성된 NO2의 일부는 백금 Pt 상에서 산화되면서 활성 산소 방출제(61)내에 흡수되어, 칼륨 K와 결합하면서 도 21a에 도시되는 바와 같이 초산 이온 NO3 ­의 형으로 활성 산소 방출제(61)내에 확산하여, 초산칼륨 KNO3 을 생성한다. 이렇게 하여, 본 실시예에서는 배기 가스에 포함되는 NOx를 미립자 필터(70)에 흡수하여, 대기 중에의 방출량을 대폭 감소시킬 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 배기 가스 중에는 SO2도 포함되어 있고, 상기의 SO2도 NO와 동일 메카니즘에 의해서 활성 산소 방출제(61)내에 흡수된다. 즉, 상술한 바와 같이 산소 02가 02 - 또는 02-의 형으로 백금 Pt의 표면에 부착하고 있고, 배기 가스 중의 SO2는 백금 Pt의 표면에서 02 - 또는 O2-와 반응하여 SO3가 된다. 이어서 생성된 SO3의 일부는 백금 Pt 상에서 더욱 산화되면서 활성 산소 방출제(61)내에 흡수되고, 칼륨 K와 결합하면서 황산 이온 SO4 2-의 형으로 활성 산소 방출제(61)내에 확산하고, 황산칼륨 K2SO4를 생성한다. 이렇게 하여 활성 산소 방출 촉매(61)내에는 초산칼륨 KN03및 황산칼륨 K2SO4가 생성된다.
배기 가스 중의 미립자는 도 21b에서 부호 62로 도시되는 바와 같이, 미립자 필터에 보유된 활성 산소 방출제(61)의 표면상에 부착한다. 이 때, 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)와의 접촉면에서는 산소 농도가 저하한다. 산소 농도가 저하하면 산소 농도가 높은 활성 산소 방출제(61)내와의 사이에서 농도차가 생기고, 이렇게 하여 활성 산소 방출제(61)내의 산소가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)와의 접촉면을 향하여 이동하려고 한다. 그 결과, 활성 산소 방출제(61)내에 형성되어 있는 초산칼륨 KNO3이 칼륨 K와 산소 O와 NO로 분해되어, 산소 O가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)와의 접촉면을 향하고, NO가 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부로 방출된 NO는 하류측의 백금 Pt 상에서 산화되어, 다시 활성 산소 방출제(61)내에 흡수된다.
한편, 이 때 활성 산소 방출제(61)내에 형성되어 있는 황산칼륨 K2SO4도 칼륨 K와 산소 O와 SO2로 분해되어, 산소 0가 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)와의 접촉면을 향하고, SO2가 활성 산소 방출제(61)로부터 외부로 방출된다. 외부에 방출된 SO2는 하류측의 백금 Pt 상에서 산화되고, 다시 활성 산소 방출제(61)내에 흡수된다. 단지, 황산칼륨 K2SO4는 안정화하고 있기 때문에, 초산칼륨 KNO3에 비해 활성 산소를 방출하기 어렵다.
한편, 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)와의 접촉면을 향하는 산소 O는 초산칼륨 KNO3이나 황산칼륨 K2SO4와 같은 화합물로부터 분해된 산소이다. 화합물로부터 분해된 산소 O는 높은 에너지를 갖고 있어, 상당히 높은 활성을 갖는다. 따라서 미립자(62)와 활성 산소 방출제(61)와의 접촉면을 향하는 산소는 활성 산소 O로 되어 있다. 이들 활성 산소 O가 미립자(62)에 접촉하면 미립자(62)는 수분 내지 수십 분의 단시간으로 휘염을 발하지 않고 산화된다. 또한, 미립자(62)를 산화하는 활성 산소 O는 활성 산소 방출제(61)로 NO 및 SO2가 흡수되어 있을 때에도 방출된다. 즉, NOx는 산소 원자의 결합 및 분리를 되풀이하면서 활성 산소 방출제(61)내에서 초산 이온 NO3 ­의 형으로 확산하는 것으로 생각되고, 그 동안에도 활성 산소가 발생한다. 미립자(62)는 상기 활성 산소에 의해서도 산화된다. 또한, 이와 같이 미립자 필터(70) 상에 부착한 미립자(62)는 활성 산소 O에 의해서 산화되지만 이들 미립자(62)는 배기 가스 중의 산소에 의해서도 산화되어진다.
그런데 백금 Pt 및 활성 산소 방출제(61)는 미립자 필터의 온도가 높아질수록 활성화하므로 단위 시간당에 활성 산소 방출제(61)로부터 방출되는 활성 산소 O의 양은 미립자 필터의 온도가 높아질수록 증대한다. 또한, 당연한 일이지만, 미립자 자체의 온도가 높을수록 쉽게 산화 제거된다. 따라서, 미립자 필터 상에서 단위 시간당에 휘염을 발생하지 않고 미립자를 산화 제거 가능한 산화 제거 가능 미립자량은 미립자 필터의 온도가 높아질수록 증대한다.
도 22의 실선은 단위 시간당에 휘염을 발하지 않고 산화 제거를 할 수 있는 산화 제거 가능 미립자량 G를 도시하고 있고, 도 22에 있어서 횡축은 미립자 필터의 온도 TF를 도시하고 있다. 또한, 도 22는 단위 시간을 1초로 한 경우, 즉, 1초당의 산화 제거 가능 미립자량 G를 도시하고 있지만, 상기 단위 시간으로서는 1분, 10분 등 임의의 시간을 채용할 수 있다. 예를 들면, 단위 시간으로서 10분을 사용한 경우에는 단위 시간당의 산화 제거 가능 미립자량 G는 10분당의 산화 제거 가능 미립자량 G를 나타내게 되고, 이 경우에도 미립자 필터(70)상에서 단위 시간 당에 휘염을 발하지 않고 산화 제거를 할 수 있는 산화 제거 가능 미립자량 G는 도 23에 도시되는 바와 같이 미립자 필터(70)의 온도가 높아질수록 증대한다.
그런데, 단위 시간 당에 연소실로부터 배출되는 미립자의 양을 배출 미립자량 M이라고 칭하면 상기 배출 미립자량 M이 산화 제거 가능 미립자량 G보다도 적을 때, 예를 들면, 1초당의 배출 미립자량 M이 1초당의 산화 제거 가능 미립자량 G보다도 적을 때, 혹은 10분 당의 배출 미립자량 M이 10분당의 산화 제거 가능 미립자량 G보다도 적을 때, 즉 도 22의 영역 I에서는 연소실로부터 배출된 모든 미립자가 미립자 필터(70)상에서 휘염을 발하지 않고 차례로 단시간 중에 산화 제거되어진다.
이에 대해, 배출 미립자량 M이 산화 제거 가능 미립자량 G보다도 많을 때, 즉 도 22의 영역 II에서는 모든 미립자를 차례로 산화하기 위해서는 활성 산소량이 부족하다. 도 23a 내지 도 23c는 이러한 경우에의 미립자의 산화의 양태를 도시하고 있다.
즉, 모든 미립자를 산화하기 위해서는 활성 산소량이 부족한 경우에는 도 23a에 도시하는 바와 같이 미립자(62)가 활성 산소 방출제(61)상에 부착하면 미립자(62)의 일부만이 산화되고, 충분히 산화되지 않았던 미립자 부분이 미립자 필터의 배기 상류측면 상에 잔류한다. 이어서 활성 산소량이 부족한 상태가 계속하면 차례로 산화되지 않았던 미립자 부분이 배기 상류면 상에 잔류하고, 그 결과 도 23b에 도시되는 바와 같이 미립자 필터의 배기 상류면이 잔류 미립자 부분(63)에 의해서 덮어지게 된다.
이러한 잔류 미립자 부분(63)은 점차로 산화되기 어려운 카본질로 변질하고, 또한, 배기 상류면이 잔류 미립자 부분(63)에 의해서 피복되면 백금 Pt에 의한 NO, SO2의 산화 작용 및 활성 산소 방출제(61)에 의한 활성 산소의 방출작용이 억제된다. 그로 인해, 시간이 경과하면 서서히 잔류 미립자 부분(63)을 산화시킬 수 있지만, 도 23c에 도시되는 바와 같이 잔류 미립자 부분(63)상에 별도의 미립자(64)가 차례로 퇴적한다. 즉, 미립자가 적층형상으로 퇴적하면, 이들 미립자는 백금 Pt나 활성 산소 방출제로부터 거리를 두고 있기 때문에, 예를 들면 산화되기 쉬운 미립자라도 활성 산소에 의해서 산화되지 않는다. 따라서 상기 미립자(64)상에 또다른 미립자가 차례로 퇴적한다. 즉, 배출 미립자량 M이 산화 제거 가능 미립자량 G보다도 많은 상태가 계속하면 미립자 필터 상에는 미립자가 적층형상으로 퇴적하여 버린다.
이와 같이 도 22의 영역 I에서는 미립자는 미립자 필터 상에서 휘염을 발하지 않고 단시간 중에 산화되어지고, 도 22의 영역 II에서는 미립자가 미립자 필터 상에 적층형상으로 퇴적한다. 따라서, 배출 미립자량 M과 산화 제거 가능 미립자량 G와의 관계를 영역 I로 하면, 미립자 필터 상에의 미립자의 퇴적을 방지할 수 있다. 그 결과, 미립자 필터(70)에서의 배기 가스류의 압력 손실은 전혀 라고 말할 수 있을 정도로 변화하지 않고 거의 일정한 최소 압력 손실치로 유지된다. 이렇게 하여 기관의 출력 저하를 최소한으로 유지할 수 있다. 그렇지만, 이것이 항상 실현되는 것은 아니고, 아무것도 하지 않으면 미립자 필터에는 미립자가 퇴적하는 일이 있다.
본 실시예에서는 상술한 전자 제어 유닛(30)에 의해 도 24에 도시하는 제 1 플로 챠트에 따라서 밸브체(74)의 전환 제어를 실시하고, 미립자 필터에의 미립자의 퇴적을 방지하고 있다. 본 플로 챠트는 소정 시간마다 반복된다. 우선, 스텝 101에서, 차량의 주행 거리 적산치 A가 산출된다. 이어서, 스텝 102에서, 상기 주행 거리 적산치 A가 설정 주행 거리 As 이상이 되었는지 여부가 판단된다. 상기 판단이 부정되는 때에는 그대로 종료하지만, 긍정될 때에는 스텝 103으로 진행한다. 스텝 103에서는 주행 거리 적산치 A는 0에 리셋되고, 스텝 104에서, 밸브체(74)는 제 1 위치 및 제 2 위치의 한쪽으로부터 다른쪽으로 전환된다. 즉, 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측이 역전된다.
도 25는 미립자 필터의 격벽(54)의 확대 단면도이다. 차량이 설정 주행 거리 As를 주행하는 동안에는 도 22의 영역 II에서의 운전이 실시되는 일도 있어, 도 25a에 십자선으로 도시하는 바와 같이, 배기 가스가 주로 충돌하는 격벽(54)의 배기 상류측 표면 및 미세 구멍내의 배기 가스류 대향면은 한쪽의 포집면으로서 미립자를 충돌 포집하고, 활성 산소 방출제에 의해 산화 제거하지만, 상기 산화 제거가 불충분하게 되어 미립자가 잔류하는 일이 있다. 이 시점에서는 미립자 필터의 배기 저항은 차량 주행에 악영향을 줄 정도는 아니지만, 또한 미립자가 퇴적하면, 기관 출력의 대폭적인 저하 등의 문제를 발생한다. 제 1 플로 챠트에서는 이 시점에서 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측이 역전된다. 그로 인해, 격벽(54)의 한쪽의 포집면에 잔류하는 미립자 상에는 또한 미립자가 퇴적하지 않고, 한쪽의 포집면으로부터 방출되는 활성 산소에 의해서 잔류 미립자는 서서히 산화 제거된다. 또한, 격벽의 미세 구멍내에 잔류하는 미립자는 역방향의 배기 가스류에 의해서, 도 25b에 도시하는 바와 같이, 용이하게 파괴되어 세분화되어, 하류측으로 이동한다.
그로 인해, 세분화된 많은 미립자는 격벽의 미세 구멍내에 분산하고, 즉, 미립자는 유동함으로써, 격벽의 미세 구멍 내표면에 보유시킨 활성 산소 방출제와 직접적으로 접촉하여 산화 제거되는 기회가 많아진다. 이렇게 해서, 격벽의 미세 구멍내에도 활성 산소 방출제를 보유시킴으로써, 잔류 미립자를 현저하게 용이하게 산화 제거시키게 된다. 또한, 상기 산화 제거에 부가하여, 배기 가스의 역류에 의해서 상류측이 된 격벽(54)의 다른쪽의 포집면, 즉, 현재 배기 가스가 주로 충돌하는 격벽(54)의 배기 상류측 표면 및 미세 구멍내의 배기 가스류 대향면(한쪽의 포집면과는 반대측의 관계가 된다)에서는 배기 가스 중의 새로운 미립자가 부착하여 활성 산소 방출제로부터 방출된 활성 산소에 의해서 산화 제거된다. 이들의 산화 제거시에 활성 산소 방출제로부터 방출된 활성 산소의 일부는 배기 가스와 함께 하류측으로 이동하고, 배기 가스의 역류에 의해서도 여전히 잔류하는 미립자를 산화 제거한다.
즉, 격벽에서의 한쪽의 포집면의 잔류 미립자에는 상기 포집면으로부터 방출되는 활성 산소 뿐만아니라, 배기 가스의 역류에 의해서 격벽의 다른쪽의 포집면에서의 미립자의 산화 제거에 사용된 나머지의 활성 산소가 배기 가스에 의해서 도래한다. 그로 인해, 밸브체의 전환 시점에서, 격벽의 한쪽의 포집면에 어느 정도 미립자가 적층형상으로 퇴적하고 있다고 해도, 배기 가스를 역류시키면, 잔류 미립자 상에 퇴적하는 미립자에도 활성 산소가 도래하는 것에 부가하여, 더욱더 미립자가 퇴적하는 일이 없기 때문에, 퇴적 미립자는 서서히 산화 제거되고, 다음 번의 역류까지, 어느 정도의 시간이 있으면, 그 동안에 충분히 산화 제거 가능하다.
제 1 플로 챠트에 있어서, 밸브체의 전환은 소정 주행거리마다 행하도록 하였지만 설정 시간마다 하여도 좋다. 물론, 이와 같이 정기적이지 않고, 부정기적으로 밸브체를 전환하도록 하여도 좋다. 어떻든간에, 밸브체의 전환은 미립자 필터 상의 잔류 미립자 필터가 산화되기 어려운 카본질로 변질하기 이전에 행하여지도록 기관 시동으로부터 기관 정지 동안에 적어도 1회는 행하는 것이 바람직하다. 또한, 다량의 미립자가 퇴적하기 이전에 미립자를 산화 제거하는 것은 다량의 퇴적 미립자가 1번에 착화 연소하여 다량의 연소열을 발생시키고, 상기 연소열에 의해 미립자 필터가 녹아 손실되는 등의 문제를 방지하게 된다. 또한, 어떠한 요인에 의해서, 밸브체의 전환 시점에서 미립자 필터 격벽의 한쪽의 포집면에 다량의 미립자가 퇴적하였다고 해도, 밸브체가 전환되면, 퇴적 미립자는 역방향의 배기 가스류에 의해서 비교적 용이하게 파괴 및 세분화되기 때문에, 격벽의 미세 구멍내에서 산화 제거할 수 없었던 일부의 세분화 미립자는 미립자 필터로부터 배출되지만, 미립자 필터의 배기 저항이 더욱 높아져 차량 주행에 악영향을 주지 않는다. 또한, 미립자 필터 격벽의 다른쪽의 포집면에서는 새로운 미립자의 포집이 가능하다.
도 26은 밸브체(75)의 전환 제어를 위한 제 2 플로 챠트를 도시하고 있다. 본 플로 챠트도 소정 시간마다 반복되는 것이다. 우선, 스텝 201에서, 미립자 필터(70)의 한쪽의 배기 압력 P1, 즉, 제 1 유로(73a)(도 18 참조)내의 배기 압력을 압력 센서 등에 의해서 검출한다. 이어서, 스텝 202에서, 미립자 필터(70)의 다른쪽의 배기 압력 P2,즉, 제 2 유로(73b)(도 18 참조)내의 배기 압력을 압력 센서 등에 의해서 검출한다.
스텝 203에서는 스텝 201 및 202에서 검출된 배기 압력의 차압의 절대치가, 설정 압력차 Ps 이상이 되었는지 여부가 판단된다. 여기서, 차압의 절대치를 사용하는 것은 제 1 유로(73a) 및 제 2 유로(73b) 중 어느 하나가 배기 상류측으로 되어 있어도 차압의 상승을 파악할 수 있게 하기 위함이다. 스텝 203에서의 판단이 부정되는 때에는 그대로 종료하지만, 상기 판단이 긍정되는 때에는 미립자 필터에는 어느 정도의 미립자가 잔류하고 있기 때문에, 스텝 204에서 밸브체(74)가 전환되고, 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측이 역전되게 되어 있다.
그로 인해, 상술한 바와 같이, 잔류 미립자는 미립자 필터로부터 산화 제거된다. 이렇게 해서, 미립자 필터에 어느 정도의 미립자가 잔류하고 있는 것을 미립자 필터의 양측의 차압을 이용하여 간접적으로 검지하고, 그 이상의 미립자가 퇴적하여 기관 출력을 대폭 저하하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 물론, 상기 차압 이외에도, 예를 들면, 미립자 필터에서의 소정 격벽 형상의 전기 저항치의 변화를 감시하여, 미립자의 퇴적에 의해서 전기 저항치가 설정치 이하가 되었을 때를, 미립자 필터 상에 어느 정도의 미립자가 퇴적하고 있다고 판단하여도 되고, 또한, 미립자 필터의 소정 격벽에서, 미립자의 퇴적에 의해, 광의 투과율이 저하하는 것, 또는 광의 반사율이 저하하는 것을 이용하여, 미립자 필터 상에 어느 정도의 미립자가 퇴적한 것을 판단하는 것도 가능하다. 이와 같이, 미립자의 잔류를 직접적으로 판단하여 밸브체를 전환함으로써, 더욱 확실하게 기관 출력의 대폭적인 저하를 방지할 수 있다. 또한, 미립자 필터의 양측의 차압은 엄밀하게는 기관 운전 상태의 기통내로부터 배출되는 배기 가스 압력에 의해서도 변화하기 때문에, 미립자의 퇴적의 판단에는 기관 운전 상태를 특정하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측을 역전하는 것은 잔류 및 퇴적 미립자의 산화 제거를 가능하게 하기 때문에 대단히 유효하고, 특히 시기를 판단하지 않고 때때로 밸브체를 전환하도록 하여도, 다량의 미립자 퇴적에 의한 기관 출력의 대폭적인 저하를 충분히 방지할 수 있다.
그런데, 본 실시예의 밸브체(74)의 구조는 상술한 바와 같이, 제 1 위치 및 제 2 위치의 한쪽으로부터 다른 쪽으로의 전환 중에서, 배기 가스의 일부가 미립자 필터(70)를 바이패스하게 된다. 그로 인해, 이 때, 배기 가스 중에 미립자가 포함되어 있으면, 이 미립자는 대기중으로 방출되어지게 된다. 이것을 방지하기 위해서, 도 27에 도시하는 제 3 플로 챠트와 같이, 플로 챠트가 실시되어 있는 때에 밸브체(74)를 전환하도록 하여도 된다. 퓨얼 컷(fuel cut) 시에는 기통내에서 연소가 행하여지지 않기 때문에, 배기 가스 중에는 미립자가 포함되어 있지 않다. 퓨얼 컷 실시의 판단에는 연료 분사 밸브로 주어지는 퓨얼 컷 신호를 이용하여도 되고, 또는 차량 주행 중에 있어서의 브레이크 페달의 밟는 양을 검출하여도 되고, 또는 차량 주행 중에 있어서의 액셀 페달의 개방을 검출하여도 된다.
본 실시예의 배기 정화 장치에서는 밸브체(74)를 전환하여 미립자 필터(70)의 배기 상류측과 배기 하류측을 역전시킴으로써, 비교적 양호하게 미립자 필터에의 미립자의 퇴적을 방지할 수 있다. 또한, 본 배기 정화 장치의 구조에 의하면, 미립자 필터(70)의 주위부(70c)는 제 3 유로(73c)에서 배기 가스와 항상 접촉하고 있기 때문에 배기 가스에 의해서 가열되고, 미립자 필터를 고온도로 할 수 있다. 그로 인하여, 도 22의 그래프에 도시하는 바와 같이, 산화 제거 가능 미립자량은 비교적 높게 유지되고, 미립자 필터에의 미립자 필터의 퇴적을 더욱 확실하게 방지하는 것이 가능해진다. 또한, 미립자 필터가 고온으로 되어 있으면, 연소 공연비가 린이거나 약간이더라도 배기 가스 중에 포함되는 HC 및 CO 등의 환원 성분을 미립자 필터에 보유된 산화 촉매에 의해서 양호하게 연소시킬 수 있고, 또한, 미립자 필터의 온도를 승온시킬 수 있다.
본 실시예의 미립자 필터(70)는 큰 개구부(70a 및 70b)를 갖고 개구부 사이의 길이를 비교적 짧게 하고, 다량의 배기 가스의 통과를 가능하게 하고 있다. 이러한 미립자 필터(70)를, 개구부가 배기관의 길이 방향에 배향하도록 하여, 배기관(71)내에 배치하고 있기 때문에, 본 배기 정화 장치를 소형화할 수 있다. 그로 인하여, 본 배기 정화 장치는 배기 매니폴드의 바로 하류측에 기관 본체에 인접하여 배치 가능하게 되고, 배기 가스의 열을 대단히 유효하게 미립자 필터의 가열에 이용할 수 있다.
또한, 기관 감속시 등에 있어서, 배기 가스 온도가 낮게 될 때에는 밸브체(74)를 개방 위치로 함으로써, 미립자 필터를 바이패스시켜, 배기 가스가 미립자 필터내를 통과하는 것은 방지 가능하지만, 상기 저온도의 배기 가스는 미립자 필터의 주위부에 접촉하여 흐르게 된다. 이렇게 해서, 기관감속시에는 미립자 필터의 온도를 저하시키게 되지만, 기관 감속이 종료하면, 고온도의 배기 가스에 의해서 즉시 미립자 필터는 승온되어진다. 이렇게 해서, 기관 감속 중에는 미립자 필터의 산화 제거 가능 미립자량이 저하하게 되지만, 이 때에는 배기 가스 중에 거의 미립자가 포함되어 있지 않아서, 특별히 문제가 되지는 않는다.
또한, 본 실시예의 미립자 필터는 주위 전체가 배기 가스 흐름으로써 둘러싸여 있기 때문에, 즉, 기체층으로 둘러싸여 있다. 이렇게 해서, 미립자 필터의 주위부가 케이스 등을 거쳐 대기에 인접하는 일반적인 배기 정화 장치에 비교하여, 본 배기 정화 장치에서는 차량 주행 바람 등에 의한 미립자 필터의 방열을 충분히 억제할 수 있으며, 그로 인해서도, 미립자 필터를 고온으로 유지하기 쉽다.
본 실시예에 있어서, 미립자 필터(70)는 단일로 긴 원형 단면을 갖는 것으로 하였지만, 이것은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 예를 들면, 도 28에 도시하는 바와 같이, 원형 단면 등을 갖는 복수의 미립자 필터(70')를, 배기관의 길이 방향에, 필요한 수만큼 인접하게 배치하도록 하여도 된다. 단일의 미립자 필터에서는 특히, 높이 중앙부에서의 격벽 전체의 폭이 길어지기 때문에, 강성에 관해서 다소 약한 것으로 되어 있지만, 이와 같이, 복수의 미립자 필터를 사용함으로써, 각 미립자 필터(70')는 소형화되어 강성이 높아지고, 미립자 필터의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 밸브체(74)는 배기관(71)의 하류측에 배치되어 있고, 이것은 가동부인 밸브체를 고열의 기관 본체로부터 다소라도 멀리하는 데 유리하다. 그러나, 물론, 제 2 소직경 부분(71b)을 배기 상류측으로 하여, 밸브체(74)를 배기관(71)의 상류측에 위치시키는 것도 가능하다. 또한, 본 실시예에 있어서, 미립자 필터(70)의 제 1 개구부 및 제 2 개구부를 통과하는 중심 축선과, 배기관(71)의 대직경 부분(71c)의 중심 축선을 서로 직교하도록 하였지만, 이것은 본 발명을 한정하는 것이 아니라, 예를 들면, 미립자 필터(70)를 대직경 부분(71c)의 중심에 위치시킬 필요는 없고, 또한, 미립자 필터(70)의 개구부를 대직경 부분의 중심 축선에 대하여 경사지도록 하여도 된다. 즉, 미립자 필터의 중심 축선과 확대 부분의 중심 축선과는 평면에서 보아 서로 교차하고 있으면 상술한 효과를 갖는 배기 정화 장치를 구성할 수 있다.
또한, 배기 가스의 공연비를 리치로 하면, 즉, 배기 가스 중의 산소 농도를 저하시키면, 활성 산소 방출제(61)로부터 외부에 활성 산소 O가 단숨에 방출된다. 상기 단숨에 방출된 활성 산소 O에 의해서, 퇴적 미립자는 산화되기 쉬운 것으로 되어 용이하게 산화 제거된다.
한편, 공연비가 린에 유지되어 있으면 백금 Pt의 표면이 산소로 덮이어, 소위 백금 Pt의 산소 피독이 생긴다. 이러한 산소 피독이 생기면 NOx에 대한 산화 작용이 저하하기 때문에 NOx의 흡수 효율이 저하하고, 이렇게 하여 활성 산소 방출제(61)로부터의 활성 산소 방출량이 저하한다. 그렇지만 공연비가 리치로 되면 백금 Pt 표면상의 산소가 소비되기 때문에 산소 피독이 해소되고, 따라서 공연비가 리치로부터 린으로 바뀌면 NOx에 대한 산화 작용이 강해지기 때문에 NOx의 흡수 효율이 높아지고, 이렇게 하여 활성 산소 방출제(61)로부터의 활성 산소 방출량이 증대한다.
따라서, 공연비가 린에 유지되어 있을 때에 공연비를 때때로 린으로부터 리치로 일시적으로 전환하면 그 때마다 백금 Pt의 산소 피독이 해소되기 때문에 공연비가 린일 때의 활성 산소 방출량이 증대하고, 이렇게 하여 미립자 필터(70)상에서의 미립자의 산화 작용을 촉진할 수 있다.
또한, 상기 산소 피독의 해소는 말하자면, 환원 물질의 연소이기 때문에, 발열을 동반하여 미립자 필터를 승온시킨다. 그로 인하여, 미립자 필터에서의 산화 제거 가능 미립자량이 향상하며, 또한, 잔류 및 퇴적 미립자의 산화 제거가 용이하게 된다. 밸브체(74)에 의해서 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측을 전환한 직후에 배기 가스의 공연비를 리치로 하면, 미립자가 잔류하지 않는 미립자 필터 격벽에서의 다른쪽의 포집면에서는, 한쪽의 포집면에 비교하여 활성 산소를 쉽게 방출하기 때문에, 또한 다량의 방출되는 활성 산소에 의해서, 한쪽의 포집면의 잔류 미립자를 더욱 확실하게 산화 제거할 수 있다. 물론, 밸브체(74)의 전환과는 관계없이 때때로 배기 가스의 공연비를 리치로 하여도 되고, 그로 인하여, 미립자 필터에 미립자가 잔류 및 퇴적하기 어렵게 된다.
배기 가스의 공연비를 리치로 하는 방법으로서는 예를 들면, 상술한 저온 연소를 실시하면 된다. 물론, 통상 연소로부터 저온 연소로 전환되었을 때에, 또는 그에 앞서서 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측을 전환하도록 하여도 된다. 또한, 배기 가스의 공연비를 리치로 하기 위해서, 간단히 연소 공연비를 리치로 하여도 된다. 또한, 압축 행정에서의 통상의 주연료 분사에 부가하여, 기관연료, 분사 밸브에 의해서 배기 행정 또는 팽창 행정에서 기통내에 연료를 분사(후분사:post-injection)하여도 되고, 또는 흡기 행정에서 기통내에 연료를 분사(전분사:pre-injection)하여도 된다. 물론, 후분사 또는 전분사는 주연료 분사와의 사이에 반드시 인터벌을 형성할 필요는 없다. 또한, 기관 배기 시스템에 연료를 공급하는 것도 가능하다. 상술한 바와 같이, 저온 연소는 기관 저부하측에서 실시되기 때문에, 기관 감속시 퓨얼 컷 직후에는 저온 연소가 실시된다. 이렇게 해서, 제 3 플로 챠트에 의한 제어에서는 밸브체(74)의 전환 직후에 저온 연소가 실시되고, 배기 가스의 공연비가 리치로 되는 것이 많다.
그런데, 배기 가스 중의 칼슘 Ca는 SO3이 존재하면, 황산칼슘 CaSO4를 생성한다. 상기 황산칼슘 CaS04는 산화 제거되기 어렵고, 미립자 필터 상에 애시로서 잔류하게 된다. 따라서, 황산칼슘의 잔류에 의한 미립자 필터의 막힘을 방지하기 위해서는 활성 산소 방출제(61)로서 칼슘 Ca보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속, 예를 들면 칼륨 K를 사용하는 것이 바람직하고, 그로 인해, 활성 산소 방출제(61)내에 확산하는 SO3은 칼륨 K와 결합하여 황산칼륨 K2SO4 을 형성하고, 칼슘 Ca는 SO3과 결합하지 않고 미립자 필터의 격벽을 통과한다. 따라서 미립자 필터가 애시에 의해서 막히는 일이 없어진다. 이렇게 해서, 상술한 바와 같이 활성 산소 방출제(61)로서는 칼슘 Ca보다도 이온화 경향이 높은 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속, 즉 칼륨 K, 리튬 Li, 세슘 Cs, 루비듐 Rb, 바륨 Ba, 스트론튬 Sr을 사용하는 것이 바람직하게 된다.
또한, 활성 산소 방출제로서 미립자 필터에 백금 Pt와 같은 귀금속만을 보유시켜도, 백금 Pt의 표면상에 유지되는 NO2 또는 SO3으로부터 활성 산소를 방출시킬 수 있다. 단지, 이 경우에는 산화 제거 가능 미립자량 G을 도시하는 실선은 도 22에 도시하는 실선에 비해 약간 우측으로 이동한다. 또한, 활성 산소 방출제로서 세륨을 사용하는 것도 가능하다. 세륨은 배기 가스 중의 산소 농도가 높으면 산소를 흡수(Ce203→2CeO2)하고, 배기 가스 중의 산소 농도가 저하하면 활성 산소를 방출하는 것(2CeO2→Ce203)이기 때문에, 미립자의 산화 제거를 위해서, 배기 가스 중의 공연비를 정기적 또는 부정기적으로 리치로 할 필요가 있다. 세륨을 대신하여, 철 또는 주석을 사용하여도 된다.
또한, 활성 산소 방출제로서 배기 가스 중의 NOx 정화에 사용되는 NOx 흡장 환원 촉매를 사용하는 것도 가능하다. 이러한 경우에는 NOx 또는 SOx를 방출시키기 위해서 배기 가스의 공연비를 적어도 일시적으로 리치로 할 필요가 있고, 상기 리치화 제어를 미립자 필터의 상류측과 하류측과의 역전 후에 실시하는 것이 바람직하다. 본 실시예의 디젤 기관은 저온 연소와 보통 연소를 전환 실시하는 것으로 하였지만, 이것은 본 발명을 한정하는 것이 아니라, 물론, 보통 연소만을 실시하는 디젤 기관, 또는 미립자를 배출하는 가솔린 기관에도 본 발명은 적용가능하다.
본 실시예에 있어서, 미립자 필터 자체가 활성 산소 방출제를 보유하여, 상기 활성 산소 방출제가 방출하는 활성 산소에 의해 미립자가 산화 제거되는 것으로 하였지만, 이것은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 예를 들면, 활성 산소 및 활성 산소와 동등하게 기능하는 이산화질소 등의 미립자 산화물질은 미립자 필터 또는 그것에 보유시킨 물질로부터 방출되어도, 외부로부터 미립자 필터로 유입하도록 하여도 된다. 미립자 산화물질이 외부로부터 유입하는 경우에 있어서도, 미립자를 포집하기 위해서, 포집벽의 제 1 포집면과 제 2 포집면을 교대로 사용함으로써, 배기 하류측이 된 한쪽의 포집면에서는 새롭게 미립자가 퇴적하지 않고, 상기 퇴적 미립자를, 다른쪽의 포집면으로부터 유입하는 미립자 산화 성분에 의해서 서서히 산화 제거하여, 퇴적 미립자를 어느 정도의 시간으로 충분히 산화 제거하는 것이 가능하다. 이러는 동안에, 다른쪽의 포집면에서는 미립자의 포집과 함께 미립자 산화 성분에 의한 산화가 행하여지기 때문에, 상술한 바와 같은 효과가 초래된다. 또한, 이러한 경우에 있어서도, 미립자 필터의 승온은 미립자 자체의 온도를 높여 쉽게 산화 제거시키기 때문에, 본 실시예와 같이 배기 정화 장치를 구성하는 것은 유리하다.
이와 같이, 본 발명에 의한 내연 기관의 배기 정화 장치에 의하면, 포집된 미립자가 산화되는 미립자 필터와, 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측을 역전하기 위한 역전 수단을 구비하고, 미립자 필터는 미립자를 포집하기 위한 포집벽을 갖고, 포집벽은 제 1 포집면과 제 2 포집면을 가지며, 역전 수단에 의해서 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측이 역전됨으로써, 미립자를 포집하기 위해서, 포집벽의 제 1 포집면과 제 2 포집면이 교대로 사용되고, 미립자 필터는 배기 가스의 유출입을 위한 제 1 개구부 및 제 2 개구부를 갖고, 머플러의 상류측에서 배기관내에 배치되어, 미립자 필터의 제 1 개구부와 제 2 개구부와의 사이의 주위부는 적어도 부분적으로, 배기관내의 배기 가스류와 접하고 있다. 그로 인하여, 운전 상태에 따라서는 미립자의 산화가 불충분해져 미립자 필터 포집벽의 제 1 포집면에는 어느 정도 미립자가 잔류하는 일이 있지만, 역전 수단에 의한 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측과의 역전에 의해서, 포집벽의 제 1 포집면에는 새롭게 미립자가 퇴적하지 않고, 상기 잔류 미립자는 서서히 산화 제거된다. 동시에, 포집벽의 제 2 포집면에 의해서 미립자의 포집 및 산화가 개시된다. 이렇게 해서, 미립자의 포집에 제 1 포집면과 제 2 포집면이 교대로 사용되면, 항상 단일의 포집면에서 미립자를 포집하는 경우에 비교하여, 각 포집면에서의 미립자 포집량을 저감할 수 있고, 미립자의 산화 제거에 유리하게 된다. 또한, 미립자 필터의 주위부는 배기 가스류와 접하여 가열되기 때문에, 미립자 필터의 온도를 고온으로 유지하여 미립자를 쉽게 산화시킬 수 있다. 그로 인하여, 미립자 필터의 막힘을 확실하게 방지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 포집한 미립자를 산화시키는 미립자 필터와, 상기 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측을 역전하기 위한 역전 수단을 구비하고, 상기 미립자 필터는 미립자를 포집하기 위한 포집벽을 갖고, 상기 포집벽은 제 1 포집면과 제 2 포집면을 갖고, 상기 역전 수단에 의해서 상기 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측이 역전됨으로써, 미립자를 포집하기 위해서 상기 포집벽의 상기 제 1 포집면과 상기 제 2 포집면이 교대로 사용되고, 상기 미립자 필터는 배기 가스의 유출입을 위한 제 1 개구부 및 제 2 개구부를 갖고, 머플러의 상류측에서 배기관내에 배치되고, 상기 미립자 필터의 상기 제 1 개구부와 상기 제 2 개구부와의 사이의 주위부는 적어도 부분적으로, 상기 배기관내의 배기 가스류와 접하고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 포집벽에는 활성 산소 방출제가 보유되고, 상기 활성 산소 방출제로부터 방출되는 활성 산소가 미립자를 산화시키는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 산소 방출제는 주위에 과잉 산소가 존재하면 산소를 받아들여 산소를 유지하고 또한 주위의 산소 농도가 저하하면 유지한 산소를 활성 산소의 형태로 방출하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 산소 방출제는 주위에 과잉 산소가 존재하면 NOx를 산소와 결합시켜 유지하며 또한 주위의 산소 농도가 저하하면 결합시킨 NOx 및 산소를 NOx와 활성 산소로 분해하여 방출하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 필터의 상기 제 1 개구부 및 상기 제 2 개구부를 통과하는 중심 축선과 상기 배기관의 중심 축선은 평면에서 보아 서로 교차하고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 미립자 필터가, 상기 배기관의 길이 방향에 다수 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 배기관은 길이 방향으로 분할된 제 1 유로와 제 2 유로와 제 3 유로를 갖고, 상기 제 1 유로는 상기 미립자 필터의 상기 제 1 개구부에 연통하고, 상기 제 2 유로는 상기 미립자 필터의 상기 제 2 개구부에 연통하고, 상기 제 3 유로내의 배기 가스류가 상기 미립자 필터의 상기 주위부와 적어도 부분적으로 접하고 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 배기 정화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 역전 수단은 밸브체를 구비하고, 상기 밸브체를 제 1 위치로 함으로써, 상기 제 3 유로와 상기 제 1 유로를 연통시킴과 함께 제 2 유로를 상기 배기관의 배기 상류측 또는 배기 하류측의 한쪽으로 연통시키고, 상기 밸브체를 제 2 위치로 함으로써, 상기 제 3 유로와 상기 제 2 유로를 연통시킴과 함께 상기 제 1 유로를 상기 배기관의 상기 한쪽으로 연통시키고, 상기 밸브체를 상기 제 1 위치 및 상기 제 2 위치의 한쪽으로부터 다른쪽으로 전환함으로써, 상기 미립자 필터의 배기 상류측과 배기 하류측을 역전하는 것을 특징으로 하는 내연기관의 배기 정화 장치.
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