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KR100629205B1 - 엔진의 배가스 정화장치 - Google Patents

엔진의 배가스 정화장치 Download PDF

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KR100629205B1
KR100629205B1 KR1020050027048A KR20050027048A KR100629205B1 KR 100629205 B1 KR100629205 B1 KR 100629205B1 KR 1020050027048 A KR1020050027048 A KR 1020050027048A KR 20050027048 A KR20050027048 A KR 20050027048A KR 100629205 B1 KR100629205 B1 KR 100629205B1
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미네히로 무라타
야스히로 츠츠이
노부히로 콘도
요시노리 타카하시
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미츠비시 후소 트럭 앤드 버스 코포레이션
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Abstract

본 발명의 목적은 리치 스파이크 제어와 S퍼지 운전을 효율 좋게 실시할 때에 리치 스파이크 동작에 따른 촉매의 과승온을 방지하는 것에 있다.
이를 위해, 엔진(20)의 배기통로(40)에 설치된 NOx흡장촉매(42)와, 배기통로(40) 내에 리치 스파이크 동작 또는 S퍼지 운전시에 HC를 포함하는 환원제 성분을 공급하는 배기 경유 첨가 인젝터(41)와, 공연비를 리치측으로 제어하는 리치 스파이크 동작을 소정 시간마다 행하고, NOx흡장촉매(42)에 HC성분을 가함과 아울러 S퍼지 온도(T)이상으로 가열함으로써 NOx흡장촉매(42)에 흡장된 유황분을 제거하는 S퍼지 운전을 행하는 제어부(100)와, NOx흡장촉매(42)의 온도를 계측하는 촉매온도 계측센서(101)를 구비하고, 제어부(100)는 촉매온도 계측센서(101)에 의해 계측된 온도에 대한 S퍼지 온도(T)와의 편차에 근거해서 리치 스파이크 동작의 동작 주기를 제어한다.
엔진, 배가스 정화장치

Description

엔진의 배가스 정화장치{EXHAUST GAS CLEANING DEVICE FOR ENGINE}
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 엔진의 배가스 정화장치의 구성을 도시하는 블록도,
도 2는 단위 시간당의 CO, HC공급량과 촉매온도의 관계를 나타내는 도면,
도 3은 리치 스파이크 주기 및 리치 스파이크 기간과 단위 시간당의 CO, HC공급량의 관계를 나타내는 도면,
도 4는 동(同)엔진의 배가스 정화장치에 있어서의 리치 스파이크 신호의 타이밍, S퍼지 운전을 행하기 위한 S퍼지 신호의 타이밍, 배기배관 중에 공급되는 CO, HC공급량, 및 촉매온도(촉매 출구 가스 온도)의 시간변화를 나타내는 설명도,
도 5는 동엔진의 배가스 정화장치에 있어서의 리치 스파이크 신호의 타이밍, S퍼지 운전을 행하기 위한 S퍼지 신호의 타이밍, 배기배관 중에 공급되는 CO, HC공급량, 및 촉매온도(촉매 출구 가스 온도)의 시간변화를 나타내는 설명도,
도 6은 종래의 배가스 정화장치에 있어서의 리치 스파이크 신호의 타이밍, S퍼지 운전을 행하기 위한 S퍼지 신호의 타이밍, 배기배관 중에 공급되는 CO, HC공급량, 및 촉매온도(촉매 출구 가스 온도)의 시간변화를 나타내는 설명도.
[부호의 설명]
10 : 엔진 시스템 20 : 디젤 엔진
30 : 흡기배관 40 : 배기배관
41 : 배기 경유 첨가 인젝터 42 : NOx흡장촉매
50 : EGR배관 52 : EGR밸브
60 : 과급기 100 : 제어부
101 : 촉매온도 계측센서
본 발명은 내연기관의 배기(排氣)에 포함된 유해 성분을 정화하는 배기 정화기능을 갖춘 엔진의 배가스 정화장치에 관한 것으로, 특히 S퍼지 운전시의 촉매 승온제어에 관한 것이다.
종래, 엔진의 배기관에 NOx흡장촉매가 설치된 배가스 정화장치가 알려져 있다. 이러한 NOx촉매를 사용한 배가스 정화장치는 흡장한 NOx를 방출ㆍ환원하기 위해서 NOx환원 촉매의 배기 상류측에 경유 등의 환원제를 공급함으로써 촉매에 들어가는 가스의 공기과잉율(이하, 「촉매전λ」라고 함)을 1이하로 저하시키는 리치 스파이크(rich spike)를 정기적(예를 들면, 1분에 1회)으로 행할 필요가 있다. 구체적으로는 엔진의 흡기계의 제어나 포스트 분사(post injection) 등에 의해 λ를 저하시킴과 아울러 촉매 상류의 배기관에 연료를 분사해서 리치 스파이크가 행해진다.
또한, 리치 스파이크를 실시할 경우에 촉매온도에 따라서 린 연소의 정도와 리치 연소의 정도를 변경하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌1 참조).
한편, NOx흡장촉매는 연료 중의 유황분에 의해 유황 피독이 발생한다. 이 유황의 제거를 위해 정기적(예를 들면, 5000km주행에 1회)으로 유황분을 제거하기 위한 방출의 S퍼지 운전을 1분 정도 행할 필요가 있다. S퍼지 운전은, 예를 들면 600℃(S퍼지 온도)이상(以上)의 촉매온도가 필요하다. 이 때문에 배기배관 중에 경유를 첨가하거나, 포스트 분사 등에 의해 HC의 공급을 행함으로써 NOx흡장촉매의 온도를 상승시키는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌1 참조).
[특허문헌1] 일본 특허 공개 평11-270382호 공보
상술한 엔진의 배가스 정화장치에서는 다음과 같은 문제가 있었다. 도 6의 그래프 H1∼그래프 H4는, 배가스 정화장치에 있어서의 리치 스파이크 동작을 행하기 위한 리치 스파이크 신호의 타이밍, S퍼지 운전을 행하기 위한 S퍼지 신호의 타이밍과, 배기배관 중에 공급되는 CO,HC공급량과, 촉매온도(촉매 출구 가스 온도)의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
그래프 Hl, H2로부터 알 수 있는 바와 같이, 리치 스파이크 제어와 S퍼지 제어는 독립적으로 행해지고 있기 때문에 리치 스파이크 동작과 S퍼지 운전이 동시에 행해지는 것이었다. 리치 스파이크 동작과 S퍼지 운전은 모두 배기 경유 첨가나 포스트 분사에 의한 HC공급에 의한 것이기 때문에 타이밍에 따라서는 촉매에 공급되는 HC공급이 과잉이 되고, 촉매의 과승온이 생길 우려가 있었다.
이 때문에, S퍼지 운전시의 CO,HC공급량을 줄임으로써 HC공급이 과잉이 되지 않도록 하는 것이 생각되지만, 반대로 S퍼지 온도에 도달하는 시간이 길어지거나, S퍼지 온도에 도달하지 않는다고 하는 문제가 있었다.
여기에서, 본 발명은 리치 스파이크 제어와 S퍼지 운전을 효율 좋게 행함과 아울러, 리치 스파이크 동작에 따른 촉매의 과승온을 방지할 수 있는 엔진의 배가스 정화장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 엔진의 배가스 정화장치는 다음과 같이 구성되어 있다.
(1) 엔진의 배기통로에 설치되어 상기 배기통로에 유입되는 배가스 중의 NOx를 흡장하고 상기 배가스의 공연비가 리치가 될 때에 NOx가 환원 처리되는 촉매와, 상기 배기통로 내에 HC를 포함하는 환원제 성분을 공급하는 환원제 공급부와, 상기 환원제 공급부를 작동시켜서 공연비를 일시적으로 리치측으로 제어하는 리치 스파이크 동작을 소정 시간마다 행하는 리치 스파이크 제어부와, 상기 촉매에 HC성분을 가함과 아울러 소정의 온도이상으로 가열함으로써 촉매에 흡장된 유황분을 제거하는 S퍼지 운전의 필요와 불필요를 판정하는 S퍼지 제어부와, 상기 촉매의 온도를 계측하는 촉매온도 계측센서를 구비하고, 상기 S퍼지 제어부에 의해 S퍼지가 필요하다고 판정되었을 경우에 상기 리치 스파이크 제어부는 상기 촉매온도 계측센서에 의해 계측된 온도에 대한 상기 소정 온도와의 편차에 근거해서 상기 리치 스파이크 동작의 동작 주기를 제어하는 것을 특징으로 한다.
(2) 상기 (1)에 기재된 엔진의 배가스 정화장치로서, 상기 편차가 큰 만큼 상기 주기를 짧게 하는 것을 특징으로 한다.
(3) 엔진의 배기통로에 설치되어 상기 배기통로에 유입되는 배가스 중의 NOx를 흡장하고 상기 배가스의 공연비가 리치가 될 때에 NOx가 환원처리되는 촉매와, 상기 배기통로 내에 HC를 포함하는 환원제 성분을 공급하는 환원제 공급부와, 상기환원제 공급부를 작동시켜서 공연비를 일시적으로 리치측으로 제어하는 리치 스파이크 동작을 소정 시간마다 행하는 리치 스파이크 제어부와, 상기 촉매에 HC성분을 가함과 아울러 소정의 온도이상으로 가열함으로써 촉매에 흡장한 유황분을 제거하는 S퍼지 운전의 필요와 불필요를 판정하는 S퍼지 제어부와, 상기 촉매의 온도를 계측하는 촉매온도 계측센서를 구비하고, 상기 S퍼지 제어부에 의해 S퍼지가 필요하다고 판정되었을 경우에 상기 리치 스파이크 제어부는 상기 촉매온도 계측센서에 의해 계측된 온도에 대한 상기 소정 온도와의 편차에 근거해서 상기 리치 스파이크 동작의 동작 기간을 제어하는 것을 특징으로 한다.
(4) 상기 (3)에 기재된 엔진의 배가스 정화장치로서, 상기 편차가 큰 만큼 상기 주기를 길게 하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 의한 엔진의 배가스 정화장치(10)의 구성을 도시하는 도면, 도 2는 단위 시간당의 CO, HC공급량과 촉매온도의 관계를 나타내는 도면, 도 3은 리치 스파이크 주기 및 리치 스파이크 기간과 단위 시간당의 CO, HC공급량의 관계를 나타내는 도면, 도 4의 그래프 G1∼그래프 G4는 배가스 정화장치에 있어서의 리치 스파이크 동작을 행하기 위한 리치 스파이크 신호의 타이밍, S퍼지 운전을 행하기 위한 S퍼지 신호의 타이밍과, 배기배관 중에 공급되는 CO, HC 공 급량과, 촉매온도(촉매 출구 가스 온도)의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
엔진 시스템(10)은 디젤 엔진(20)을 구비하고 있다. 디젤 엔진(20)의 흡기측에는 흡기배관(30)이 접속되고 배기측에는 배기배관(40)이 접속되어 있다. 또한, 디젤 엔진(20)의 배기측과 흡기배관(30)은 배가스(EGR가스)를 흡기배관(30)에 환류하는 EGR배관(50)으로 접속되어 있다. 또한, 도 3 중 60은 과급기, 100은 제어장치를 나타내고 있다.
흡기배관(30)에는 흡기측으로부터 에어플로우 센서(31), 과급기(60)의 컴프레서(61)와, 인터쿨러(32)와, 흡기 스로틀(33)과, EGR배관(50)의 접속부(34)가 설치되어 있다.
배기배관(40)에는 디젤 엔진(20)측으로부터 과급기(60)의 터빈(62)과, 배기배관(40) 내에 경유를 공급하는 배기 경유 첨가 인젝터(41)와, NOx흡장촉매(42)가 설치되어 있다. NOx흡장촉매(42)는 배기배관(40)에 유입되는 배가스 중의 NOx를 흡장하고, 배가스가 리치로 될 때에 흡장한 NOx를 환원 처리한다.
EGR배관(50)에는 배기배관(40)측으로부터 배가스를 냉각하는 EGR쿨러(51)와, 배가스의 유량을 조절하는 EGR밸브(52)가 설치되어 있다.
제어부(100)에는 배기배관(40)의 NOx흡장촉매(42)의 출구측에 배치된 촉매온도 계측센서(101)의 출력이 접속되고, NOx흡장촉매(42)의 촉매온도가 항상 피드백되고 있다.
이와 같이 구성된 엔진 시스템(10)에서는 다음과 같은 동작으로 S퍼지 운전을 행한다. 즉, 통상의 엔진 운전 중에는 소정의 간격으로 리치 스파이크 동작이 행해지고 있고, 엔진의 연소제어 및 배기 경유 첨가 인젝터(41)로부터 배기배관(40) 내부에 HC를 포함하는 경유 첨가에 의해 실시된다. 이 때, S퍼지 운전의 요구가 있으면, 배기배관(40) 내에 배기 경유 첨가 인젝터(41)로부터 HC공급을 행함으로써 NOx흡장촉매(42)의 승온을 행한다. 이 때, 촉매온도가 S퍼지 온도(T에) 도달하지 않고 있을 경우에는 승온속도가 증대하는 방향, 즉 리치 스파이크 동작의 주기(도 4 중 M)가 짧아지는 바와 같이 리치 스파이크 동작이 제어된다.
촉매온도가 S퍼지 온도(T)에 도달하면, 리치 스파이크 동작을 원래의 간격으로 되돌린다. 이 때문에, 촉매온도가 S퍼지 온도(T) 전후를 추이하고, 과승온이 되지 않는다. 또한, 촉매온도가 S퍼지 온도(T)보다 높을 경우에는 리치 스파이크 주기를 길게 하는 바와 같이 제어해도 좋다. 또한, S퍼지 운전이 종료해 통상의 엔진 운전으로 되돌아가면, 리치 스파이크 동작은 통상의 주기로 되돌아가게 된다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 의한 엔진 시스템(10)에 있어서는, S퍼지 운전이 개시되면, S퍼지 온도(T)에 대한 촉매온도의 편차가 큰 만큼 리치 스파이크 주기를 짧게 함으로써 HC공급을 늘리고, 단시간에 촉매온도가 S퍼지 온도(T)에 도달하도록 제어할 수 있다.
이것은 도 2 및 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 리치 스파이크 주기를 짧게 하는 만큼 단위 시간당의 CO,HC의 공급량이 증대하고, 결과적으로 촉매의 온도상승량을 크게 할 수 있는 것을 의미한다. 이 때문에, 리치 스파이크를 실시하면서 S퍼지 운전에 의한 NOx흡장촉매(42)에 흡장된 유황분 제거를 원활하게 행할 수 있음과 아울러 과승온을 방지할 수 있다.
도 5의 그래프 L1∼L4는 엔진 시스템(10)의 변형예에 의한 배가스 정화장치에 있어서의 리치 스파이크 동작을 행하기 위한 리치 스파이크 신호의 타이밍, S퍼지 운전을 행하기 위한 S퍼지 신호의 타이밍과, 배기배관 중에 공급되는 CO, HC공급량과, 촉매온도(촉매 출구 가스 온도)의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
상술한 예에서는 리치 스파이크 동작의 주기를 조정하도록 하고 있지만, 본 변형예에서는 리치 스파이크 기간(1회당의 리치 스파이크를 행하고 있는 시간)을 조정하는 것이다. 즉, 통상의 엔진 운전 중에는 소정의 간격으로, 그리고 일정한 기간의 리치 스파이크 동작이 행해지고 있다. 이 때, S퍼지 운전의 요구가 있으면, 배기배관(40) 내에 HC공급을 행함으로써 NOx흡장촉매(42)의 승온을 행한다. 이 때, 촉매온도가 S퍼지 온도(T)에 도달하지 않고 있을 경우에는, 승온속도가 증대하는 방향, 즉 리치 스파이크 동작의 기간(도 5 중 N)이 길어지는 바와 같이 리치 스파이크 동작이 제어된다.
촉매온도가 S퍼지 온도(T)에 도달하면, 리치 스파이크 기간이 원래의 길이로 되돌아간다. 이 때문에, 촉매온도가 S퍼지 온도(T) 전후를 추이하고, 과승온이 되지 않는다. 또한, 촉매온도가 S퍼지 온도(T)보다 높을 경우에는 리치 스파이크 기간을 짧게 하도록 제어해도 좋다. 또한, S퍼지 운전이 종료해 통상의 엔진 운전으로 되돌아오면, 리치 스파이크 기간은 통상의 길이로 되돌아가게 된다. 본 변형예에 있어서도, 상술한 리치 스파이크 주기를 제어할 경우와 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 상술한 예에서는 리치 스파이크 주기, 리치 스파이크 기간의 어느 하나를 제어하고 있지만, 양자를 동시에 제어하도록 해도 좋다. 이 외에, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변형 실시 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 의하면, 리치 스파이크 제어와 S퍼지 운전을 효율 좋게 실시할 수 있음과 아울러 리치 스파이크 동작에 따른 촉매의 과승온을 방지하는 것이 가능해진다.

Claims (5)

  1. 엔진의 배기통로에 설치되어 상기 배기통로에 유입되는 배가스 중의 NOx를 흡장하고, 상기 배가스의 공연비가 리치가 될 때에 NOx가 환원 처리되는 촉매;
    상기 배기통로 내에 HC를 포함하는 환원제 성분을 공급하는 환원제 공급부;
    상기 환원제 공급부를 작동시켜서 공연비를 일시적으로 리치측으로 제어하는 리치 스파이크 동작을 소정 시간마다 행하는 리치 스파이크 제어부;
    상기 촉매에 HC성분을 가함과 아울러, 소정의 온도이상으로 가열함으로써 촉매에 흡장한 유황분을 제거하는 S퍼지 운전의 필요와 불필요를 판정하는 S퍼지 제어부; 및
    상기 촉매의 온도를 계측하는 촉매온도 계측센서를 구비하고:
    상기 S퍼지 제어부에 의해 S퍼지가 필요하다고 판정되었을 경우에 상기 리치 스파이크 제어부는 상기 촉매온도 계측센서에 의해 계측된 온도에 대한 상기 소정 온도와의 편차에 근거해서 상기 리치 스파이크 동작의 형태를 변경하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배가스 정화장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 리치 스파이크 제어부는 상기 촉매온도 계측센서에 의해 계측된 온도에 대한 상기 소정 온도와의 편차에 근거해서 상기 리치 스파이크 동작의 동작주기를 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배가스 정화장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 편차가 크게 됨에 따라, 상기 주기를 짧게 하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배가스 정화장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 리치 스파이크 제어부는 상기 촉매온도 계측센서에 의해 계측된 온도에 대한 상기 소정 온도와의 편차에 근거해서 상기 리치 스파이크 동작의 동작기간을 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배가스 정화장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 편차가 크게 됨에 따라, 상기 기간을 길게 하는 것을 특징으로 하는 엔진의 배가스 정화장치.
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