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KR100997224B1 - 내연기관 - Google Patents

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KR100997224B1
KR100997224B1 KR1020087013303A KR20087013303A KR100997224B1 KR 100997224 B1 KR100997224 B1 KR 100997224B1 KR 1020087013303 A KR1020087013303 A KR 1020087013303A KR 20087013303 A KR20087013303 A KR 20087013303A KR 100997224 B1 KR100997224 B1 KR 100997224B1
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고헤이 요시다
신야 히로타
다카미츠 아사누마
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

본 발명에 따른 후처리장치는 SOx포획촉매(11), NOx흡장환원촉매가 지지되는 입자상필터(13) 및 NOx흡장환원촉매(15)를 포함하여 이루어지고, 상기 후처리장치 안으로 후처리용 연료를 공급하기 위한 연료공급밸브(17)는 엔진배기통로 내에 배치된다. 엔진이 주어진 기간 동안 운전될 때마다, 대기 중으로 방출되는 유해 성분의 양을 규제값 이하의 값으로 유지하면서, 상기 엔진의 운전 파라미터값과 후처리용 연료공급방법이 재설정되어, 연소용 연료 및 후처리용 연료의 전체 연료의 연료소비량이 최소가 되도록 한다.

Description

내연기관{INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관에 관한 것이다.
유입되는 배기가스의 공연비가 린(lean)일 때 배기가스 내에 함유된 NOx를 흡장하고, 상기 유입되는 배기가스의 공연비가 이론공연비(stoichiometric ratio) 또는 리치(rich)가 될 때에는 상기 흡장된 NOx를 방출시키는 NOx흡장환원촉매가 엔진배기통로에 배치되는 내연기관이 공지되어 있다(예컨대, 일본특허공보 (A) 제2003-129829호 참조). 이러한 내연기관에서는, 린 공연비 하에 연소가 행해질 때, 발생된 NOx는 NOx흡장환원촉매에서 흡장된다. 다른 한편으로, NOx흡장환원촉매의 NOx 흡장력이 포화상태에 접근하면, 배기가스의 공연비가 일시적으로 리치가 되어, NOx가 NOx흡장환원촉매로부터 방출되어 환원된다.
하지만, 연소실로부터 배출되는 NOx의 양이 증가한다면, NOx흡장환원촉매로부터 NOx를 방출하도록 배기가스의 공연비를 리치로 만들기 위해 공급되는 후처리용 연료의 소비량이 증가하고, 상기 NOx흡장환원촉매의 열화도가 증가함에 따라, 상기 후처리용 연료의 소비량도 증가한다. 다른 한편으로, 엔진의 운전 파라미터 중 한 가지, 예컨대 연료분사시기가 진각(advanced timing)이라면, 연소 온도가 상승하므로, NOx 발생량이 증가하지만, 연소 효율이 높아지므로, 연료분사량, 즉 연 소용 연료의 연소량이 감소하게 된다.
이러한 방식으로 연소실에 발생되는 NOx의 양이 증가하는 상태로 운전 상태가 이루어진다면, 연소용 연료의 소비량이 감소하지만, 후처리용 연료의 소비량이 증가한다. 이와는 대조적으로, 연소실에 발생되는 NOx의 양이 감소하는 상태로 운전 상태가 이루어진다면, 연소용 연료의 소비량이 증가하지만, 후처리용 연료의 소비량은 감소한다. 이러한 경우에는, 대기 중에 배출되는 NOx의 양을 규제값 이하로 유지하는 것이 절대 조건이다. 이러한 조건 하에 가장 필요한 것은 연료의 일정 주행 거리당 연소용 연료와 후처리용 연료의 총소비량이 가능한 한 감소되어야 한다는 점이다. 즉, 엔진이 일정 주행 거리당 연료의 총소비량이 최소가 되는 운전 상태, 다시 말해 일정 주행 거리당 배출되는 CO2의 양이 최소가 되는 운전 상태로 설정되어야만 한다.
이 경우, 상술된 바와 같이, NOx흡장환원촉매의 열화도가 높을 수록, 후처리용 연료의 소비량이 많아져, 연료의 총소비량이 최소가 되는 운전 상태가 NOx흡장환원촉매의 열화도에 따라 변한다. 이러한 방식으로, 유해 성분의 배기가스를 정화할 때, 후처리용 연료의 소비량 뿐만 아니라 연소용 연료의 소비량도 포함하는 연료의 총소비량을 고려할 필요가 있다. 과거에는, 연료의 총소비량이 전혀 고려되지 않았다. 그러므로, 과거에는 일정 주행 거리당 연료의 소비량, 즉 일정 주행 거리당 배출되는 CO2의 양이 최소화될 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 일정 주행 거리당 사용되는 연료의 총소비량, 즉 일정 주행 거리당 배출되는 CO2의 양을 최소화할 수 있는 내연기관을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 배기가스의 후처리시스템이 엔진배기통로에 배치되는 내연기관이 제공되고, 엔진 출력을 발생시키기 위해 연소실 안으로 공급되는 연소용 연료 이외에 상기 후처리시스템의 배기가스 내의 유해 성분을 처리하기 위한 후처리용 연료가 공급되며, 상기 엔진의 운전 파라미터의 값이 상기 엔진의 운전 상태에 따라 미리 설정되고, 상기 후처리용 연료를 공급하는 방법이 미리 설정되되, 상기 엔진의 운전 기간이 사전설정된 기간을 경과할 때마다, 상기 운전 파라미터의 값과 상기 후처리용 연료를 공급하는 방법이 재설정되어, 대기 중에 배출되는 배기가스 내의 유해 성분량을 규제값 이하로 유지하면서, 상기 연료의 일정 주행 거리당 상기 연소용 연료 및 후처리용 연료의 전체 소비량이 최소가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 압축점화식 내연기관의 전체도;
도 2는 입자상필터(particulate filter)의 구조를 도시한 도면;
도 3은 NOx흡장환원촉매의 촉매 담체(carrier)의 표면부분의 단면도;
도 4는 SOx포획촉매의 촉매 담체의 표면부분의 단면도;
도 5는 SOx포획율을 도시한 도면;
도 6은 분사시기를 도시한 도면;
도 7은 SOx 안정화 처리를 도시한 시간도;
도 8은 흡장된 NOx량 NOXA의 맵을 도시한 도면;
도 9는 입자상필터의 승온제어 및 NOx방출제어를 도시한 시간도;
도 10은 SOx방출제어를 도시한 시간도;
도 11은 운전 파라미터들과 NOx의 발생량 등의 관계를 도시한 도면;
도 12는 후처리용 연료의 연소량을 도시한 도면;
도 13은 운전 파라미터의 값들을 재설정하기 위한 흐름도;
도 14는 흡장된 NOx량의 변동량 △NOXA의 맵을 도시한 도면;
도 15는 SOx 안정화 처리를 실행하기 위한 흐름도; 및
도 16은 후처리시스템의 제어를 위한 흐름도이다.
* 참조번호의 일람표 *
4 흡기매니폴드
5 배기매니폴드
7 배기터보차저
11 SOx포획촉매
13 입자상필터
15 NOx흡장환원촉매
17 연료공급밸브
도 1은 압축점화식 내연기관의 전체도를 보여준다.
도 1을 참조하면, 1은 엔진본체를 나타내고, 2는 실린더의 연소실, 3은 연소실(2) 안으로의 연료 분사를 위한 전자제어식 연료분사기, 4는 흡기매니폴드 및 5는 배기매니폴드를 나타낸다. 상기 흡기매니폴드(4)는 흡기덕트(6)를 통해 배기터보차저(7)의 컴프레서(7a)의 출구에 연결되는 한편, 상기 컴프레서(7a)의 입구는 에어클리너(8)에 연결된다. 상기 흡기덕트(6)는 그 내부에 배치된 스텝모터에 의해 구동되는 스로틀밸브(9)를 구비한다. 또한, 흡기덕트(6) 주위에는, 상기 흡기덕트(6)의 내부를 통해 유동하는 흡기를 냉각시키기 위한 냉각시스템(10)이 배치된다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 엔진냉각수는 냉각시스템(10) 안으로 유도되는 데, 여기서 엔진냉각수가 흡기를 냉각시키게 된다.
다른 한편으로, 배기매니폴드(5)는 배기터보차저(7)의 배기터빈(7b)의 입구에 연결되는 한편, 상기 배기터빈(7b)의 출구는 SOx포획촉매(11)의 입구에 연결된다. 또한, 상기 SOx포획촉매(11)의 출구는 배기관(12)을 통해 입자상필터(13)의 입구에 연결된다. 상기 입자상필터(13)의 출구는 배기관(14)을 통해 NOx흡장환원촉매(15)에 연결된다. 상기 배기관(12)의 내부를 통해 유동하는 배기가스 내의 후처리용 연료를 공급하기 위한 연료공급밸브(17)는 배기관(12) 내에 배치된다. 또한, 각각의 배기관(12, 14)과 NOx흡장환원촉매(15)의 출구에 연결된 배기관(16) 내부에는, 공연비센서, O2 센서, NOx 센서 또는 SOx 센서로 이루어진 센서(18, 19, 20)들이 배치되어 있다.
상기 배기매니폴드(5) 및 흡기매니폴드(4)는 배기가스재순환(이하, "EGR"이 라고 함) 통로(21)를 통해 연결된다. 상기 EGR 통로(21)는 그 내부에 배치된 전자제어식 EGR 제어밸브(22)를 구비한다. 또한, EGR 통로(21) 주위에는, EGR 통로(21)를 통해 유동하는 EGR 가스를 냉각시키기 위한 냉각시스템(23)이 배치된다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 엔진냉각수는 엔진냉각수가 EGR 가스를 냉각시키는 냉각시스템(23) 안으로 유도된다. 다른 한편으로, 각각의 연료분사기(3)는 연료공급관(24)을 통해 공통 레일(25)에 연결된다. 이러한 공통 레일(25)에는 전자제어식 가변배출연료펌프(26)로부터 연료가 공급된다. 상기 공통 레일(25) 안으로 공급되는 연료는 각각의 연료공급관(24)을 통해 연료분사기(3)로 공급된다.
전자제어유닛(30)은 디지털컴퓨터로 구성되고, ROM(read only memory)(32), RAM(random access memory)(33), CPU(microprocessor)(34), 입력포트(35) 및 양방향 버스(31)를 통해 서로 연결된 출력포트(36)가 제공된다. 상기 센서(18, 19, 20)의 출력 신호들은 대응하는 AD 컨버터(37)를 통해 입력포트(35)로 입력된다. 또한, 상기 입자상필터(13)는 입자상필터(13)가 부착되기 전후의 차동압력을 검출하기 위한 차동압력센서(27)를 구비한다. 이러한 차동압력센서(27)의 출력 신호는 대응하는 AD 컨버터(37)를 통해 입력포트(35)로 입력된다.
액셀러레이터페달(40)은 부하센서(41)에 연결된 액셀러레이터페달(40)의 감압 정도(L)에 비례하여 출력 전압을 발생시키는 부하센서(41)를 구비한다. 상기 부하센서(41)의 출력 전압은 대응하는 AD 컨버터(37)를 통해 입력포트(35)로 입력된다. 또한, 상기 입력포트(35)는 크랭크축이 크랭크각센서에 연결되어 예컨대 15°만큼 회전할 때마다 출력 펄스를 발생시키는 크랭크각센서(42)를 구비한다. 다른 한편으로, 출력포트(36)는 대응하는 구동회로(38)를 통하여 연료분사기(3), 스로틀밸브(9)구동용 스텝모터, 연료공급밸브(17), EGR 제어밸브(22) 및 연료펌프(26) 각각에 연결된다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, NOx흡장환원촉매(15)의 상류측에 배치된 입자상필터(13) 또한 NOx흡장환원촉매를 지닌다. 그러므로, 우선 입자상필터(13)의 구조를 설명한 다음, NOx흡장환원촉매(15) 및 상기 입자상필터(13) 상에 탑재된 NOx흡장환원촉매를 설명하기로 한다.
도 2(A) 및 (B)는 NOx흡장환원촉매를 탑재한 입자상필터(13)의 구조를 보여준다. 도 2(A)는 입자상필터(13)의 정면도인 한편, 도 2(B)는 입자상필터(13)의 측단면도를 보여준다는 점에 유의한다. 도 2(A) 및 도 2(B)에 도시된 바와 같이, 입자상필터(13)는 허니콤 구조를 형성하고, 서로 평행하게 연장되는 복수의 배기유로(60, 61)가 제공된다. 이들 배기유로는 플러그(62)에 의해 폐쇄된 하류단을 구비한 배기가스유입통로(60) 및 플러그(63)에 의해 폐쇄된 상류단을 구비한 배기가스유출통로(61)로 이루어진다. 도 2(A)의 빗금친 부분들은 플러그(63)를 보여준다는 점에 유의한다. 그러므로, 배기가스유입통로(60) 및 배기가스유출통로(61)는 얇은 격벽(64)을 통해 교대로 배치된다. 다시 말해, 배기가스유입통로(60) 및 배기가스유출통로(61)는 각각의 배기가스유입통로(60)가 4개의 배기가스유출통로(61)에 의해 둘러싸이고, 각각의 배기가스유출통로(61)가 4개의 배기가스유입통로(60)에 의해 둘러싸이도록 배치된다.
상기 입자상필터(13)는 예컨대 코디어라이트(cordierite)와 같은 다공질 재 료로 형성된다. 그러므로, 배기가스유입통로(60) 안으로 유동하는 배기가스는, 도 2(B)에 화살표로 도시된 바와 같이, 둘러싸고 있는 격벽(64)을 통과하여, 인접한 배기가스유출통로(61) 안으로 유동한다. 이러한 입자상필터(13)에서는, NOx흡장환원촉매가 배기가스유입통로(60) 및 배기가스유출통로(61)의 주변 벽, 즉 격벽(64)의 두 표면과 격벽(64) 내의 세공내벽면 상에 탑재된다.
상기 입자상필터(13) 상에 탑재된 NOx흡장환원촉매 및 NOx흡장환원촉매(15)에서는, 예컨대 알루미나로 이루어진 촉매 담체가 베이스부재 상에 탑재된다. 도 3은 이러한 촉매 담체(45)의 표면부분의 단면을 개략적으로 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이, 촉매 담체(45)의 표면은 그 위에서 확산되는 귀금속 촉매(46)를 탑재한다. 또한, 촉매 담체(45)의 표면에는 NOx 흡수제(47)의 층이 형성된다.
본 발명에 따른 실시예에 있어서는, 귀금속 촉매(46)로서 백금 Pt이 사용된다. NOx 흡수제(47)를 형성하는 성분으로는, 예컨대 칼륨(K), 나트륨(Na), 세슘(Cs) 및 기타 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 및 기타 알칼리 토류, 란탄(La), 이트륨(Y) 및 기타 희토류로부터 선택된 1이상의 요소가 사용된다.
엔진흡기통로, 연소실(2) 및 입자상필터(13) 상류의 배기통로 안으로 공급되는 공기와 연료(탄화수소)의 비를 "배기가스의 공연비"라고 한다면, 배기가스의 공연비가 린일 때 NOx 흡수제(47)가 NOx를 흡수하고, 상기 배기가스 내의 산소의 농도가 떨어질 때에 상기 흡수된 NOx를 방출하도록 NOx의 흡수 및 방출 작용이 수행된다.
즉, NOx 흡수제(47)를 형성하는 성분으로서 바륨(Ba)을 이용하는 경우를 일 례로 들어 이를 설명하면, 배기가스의 공연비가 린이면, 즉 배기가스 내의 산소의 농도가 높으면, 상기 배기가스 내에 함유된 NO가 백금 Pt(46) 상에서 산화되어, 도 3에 도시된 바와 같이 NO2가 된 다음, 이는 NOx 흡수제(47)에 흡수되어, 상기 NOx 흡수제(47) 내의 질산이온 NO3 - 의 형태로 확산하면서 바륨 산화물 BaO와 결합한다. 이러한 방식으로, NOx가 NOx 흡수제(47)에 흡수된다. 배기가스 내의 산소의 농도가 높기만 하면, NO2는 백금 Pt(46)의 표면 상에 형성된다. NOx 흡수제(47)가 NOx 흡수력에 있어서 포화되지 않는 한, NO2가 NOx 흡수제(47)에 흡수되어, 질산이온 NO3 - 이 발생된다.
이와는 반대로, 연료공급밸브(17)에 의해 연료를 공급하여 배기가스의 공연비를 리치 또는 이론공연비로 만든다면, 상기 배기가스 내의 산소의 농도가 떨어져, 반응이 역방향으로 진행되므로(NO3 -→NO2), NOx 흡수제(47) 내의 질산이온 NO3 - 이 NOx 흡수제(47)로부터 NO2의 형태로 방출된다. 다음으로, 방출된 NOx는 배기가스에 함유된 연소되지 않은 HC 및 CO에 의해 환원된다.
이러한 방식으로 배기가스의 공연비가 린이면, 즉 린 공연비 하에 연소가 수행되면, 배기가스 내의 NOx는 NOx 흡수제(47)에 흡수된다. 하지만, 린 공연비 하에 계속해서 연소가 수행된다면, NOx 흡수제(47)는 결국 그 NOx 흡수력에서 포화되게 되므로, NOx 흡수제(47)가 더 이상 NOx를 흡수할 수 없게 된다. 그러므로, 본 발명 에 따른 실시예에서는, NOx 흡수제(47)가 흡수력에 있어 포화되기 전, 배기가스의 공연비를 일시적으로 리치로 만들기 위하여 연료공급밸브(17)로부터 연료가 공급되어, NOx 흡수제(47)가 NOx를 방출하도록 만든다.
하지만, 배기가스는 SOx, 즉 SO2를 함유한다. 이러한 SO2가 입자상필터(13) 및 NOx흡장환원촉매(15) 안으로 유동하면, 상기 SO2는 백금 Pt(46)에서 산화되어 SO3가 된다. 다음으로, 상기 SO3는 NOx 흡수제(47)에 흡수되어, 안정된 황산염 BaSO4를 형성하기 위하여 NOx 흡수제(47)에서 황산이온 SO4 2-의 형태로 확산되면서, 바륨 산화물 BaO과 결합한다. 하지만, NOx 흡수제(47)는 강염기를 가지므로, 상기 황산염 BaSO4이 안정하여 브레이크 다운(break down)되기 어렵다. 단지 배기가스의 공연비를 리치로 만듦으로써, 황산염 BaSO4는 브레이크 다운되지 않으면서도 그대로 남는다. 그러므로, NOx 흡수제(47)에서는, 황산염 BaSO4가 시간의 경과와 함께 증가하므로, 시간이 경과함에 따라, NOx 흡수제(47)가 흡수할 수 있는 NOx의 양이 떨어지게 된다.
이 경우, NOx흡장환원촉매의 온도를 600℃ 이상의 SOx 방출 온도로 상승시킨 상태에서, NOx흡장환원촉매 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 리치로 만든다면, SOx가 NOx 흡수제(47)로부터 방출될 것이라는 점에 유의한다. 하지만, 이 경우, SOx는 단지 소정 시간에 약간 NOx 흡수제(47)로부터 방출될 것이다. 그러므로, NOx 흡수제(47)가 흡수된 SOx 모두를 방출시키도록 하기 위해서는, 오랜 기간에 걸쳐 공연비를 리치가 되도록 하는 것이 필요하다. 그러므로, 대량의 연료가 필요하게 된다. 그러므로, 도 1에 도시된 실시예에서는, SOx포획촉매(11)가 입자상필터(13)의 상류에 배치되고, 이러한 SOx포획촉매(11)는 배기가스 내에 함유된 SOx를 포획하는 데 사용되어, SOx가 입자상필터(13) 및 NOx흡장환원촉매(15) 안으로 유동하는 것이 방지된다. 다음으로, 이러한 SOx포획촉매(11)를 설명하기로 한다.
상기 SOx포획촉매(11)는 예컨대 SOx포획촉매(11)의 축방향으로 직선으로 연장되는 수많은 배기가스유동구멍을 구비한 허니콤 구조의 모놀리스식 촉매로 구성된다. 이러한 방식으로 허니콤 구조의 모놀리스식 촉매로부터 SOx포획촉매(11)를 형성하는 경우, 예컨대 알루미나로 이루어진 촉매 담체는 배기가스유동구멍의 내주벽 상에 탑재된다. 도 4는 이러한 촉매 담체(50)의 표면부분의 단면을 예시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 촉매 담체(50)의 표면에는 코팅층(51)이 형성된다. 이러한 코팅층(51)의 표면은 그곳에서 확산되는 귀금속 촉매(52)를 탑재한다.
도 1에 도시된 실시예에서는, 귀금속 촉매(52)로서 백금이 사용된다. 코팅층(51)을 형성하는 성분으로는, 예컨대 칼륨(K), 나트륨(Na), 세슘(Cs) 및 기타 알칼리 금속, 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 및 기타 알칼리 토류, 란탄(La), 이트륨(Y) 및 기타 희토류로부터 선택된 1이상의 요소가 사용된다. 즉, SOx포획촉매(11)의 코팅층(51)은 강염기를 나타낸다.
이하, 배기가스에 함유된 SOx, 즉 SO2는 도 4에 도시된 바와 같이, 백금 Pt(52)으로 산화된 다음, 코팅층(51)에 포획된다. 즉, SO2는 코팅층(51)에서 황산이온 SO4 2-의 형태로 확산되어 황산염을 형성하게 된다. 상술된 바와 같이, 코팅층(51)은 강염기를 나타내므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 배기가스에 함유된 SO2의 일부가 직접 코팅층(51)에 포획된다.
도 4의 코팅층(51)의 음영은 포획된 SOx의 농도를 보여준다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 코팅층(51)의 SOx 농도는 상기 코팅층(51)의 표면 부근에서 최고가 되고, 내부로 멀어질 수록 점진적으로 감소한다. 코팅층(51)의 표면 부근의 SOx 농도가 더욱 높아진다면, 상기 코팅층(51)의 표면은 염기성이 더욱 약해져, SOx를 포획하는 능력이 약화된다. 여기서, 배기가스에 포함된 SOx에 대한 SOx포획촉매(11)에 의해 포획된 SOx의 비를 "SOx포획율"이라고 한다면, 코팅층(51)의 표면의 염기성이 더욱 약해지는 경우, SOx포획율도 이와 함께 떨어질 것이다.
도 5는 시간에 따른 SOx포획율의 변화를 보여준다. 도 5에 도시된 바와 같이, SOx포획율은 우선 100 퍼센트에 근접하지만, 시간이 경과함에 따라, SOx포획율이 급속하게 떨어진다. 그러므로, 도 5에 도시된 바와 같이, SOx포획율이 소정율 이상으로 떨어지면, 승온제어가 수행되어 배기가스의 린 공연비 하에 SOx포획촉매(11)의 온도를 상승시켜, SOx포획율을 회복시키게 된다.
즉, 배기가스의 린 공연비 하에 SOx포획촉매(11)의 온도를 상승시킨다면, 상기 코팅층(51)의 표면 부근에 집중되어 존재하는 SOx가 코팅층(51)의 내부로 확산되므로, 상기 코팅층(51)의 SOx 농도가 균일하게 된다. 즉, 코팅층(51)에 형성된 질산염은 코팅층(51)의 표면 부근에 집중되는 불안정한 상태에서 전체 코팅층(51) 전반에 걸쳐 균일하게 확산되는 안정한 상태로 변한다. 코팅층(51)의 표면 부근에 존재하는 SOx가 상기 코팅층(51)의 내부를 향해 확산된다면, 상기 코팅층(51)의 표면 부근의 SOx의 농도가 떨어지므로, SOx포획촉매(11)의 승온제어가 종료되면, 도 5에 도시된 바와 같이, SOx포획율이 회복된다.
SOx포획촉매(11)의 승온제어를 수행하는 경우, SOx포획촉매(11)의 온도를 대략 450℃ 정도로 만든다면, 상기 코팅층(51)의 표면 부근의 SOx가 코팅층(51) 내부에서 확산하도록 이루어질 수 있다. SOx포획촉매(11)의 온도를 600℃ 정도로 상승시킨다면, 상기 코팅층(51) 내부의 SOx의 농도가 상당히 균일하게 될 수 있다. 그러므로, SOx포획촉매(11)의 승온제어 시에는, 배기가스의 린 공연비 하에 SOx포획촉매(11)의 온도를 600℃ 정도로 상승시키는 것이 바람직하다.
SOx포획촉매(11)의 온도를 상승시킬 때 배기가스의 공연비를 리치로 만든다면, 상기 SOx포획촉매(11)는 결국 SOx를 방출시키게 된다는 점에 유의한다. 그러므로, SOx포획촉매(11)의 온도를 상승시키는 경우에는, 배기가스의 공연비가 리치가 되어서는 안된다. 또한, 코팅층(51)의 표면 부근의 SOx 농도가 높아지면, SOx포획촉매(11)의 온도를 상승시키지 않는 경우에도, 배기가스의 공연비가 리치를 만든다면, SOx포획촉매(11)가 결국 SOx를 방출시킬 것이다. 그러므로, SOx포획촉매(11)의 온도가 SOx를 방출시킬 수 있는 온도 이상이면, 상기 SOx포획촉매(11) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비는 리치가 되지 않게 된다.
도 1에 도시된 실시예에서, SOx포획촉매(11)는 기본적으로 차량의 구입에서 그 폐차 시까지 교체없이 그대로 사용될 것이라는 점을 고려한다. 최근에는, 특히 연료에 함유된 황의 양이 감소되어 왔다. 그러므로, SOx포획촉매(11)의 용량을 사전설정된 크기로 증가시킨다면, SOx포획촉매(11)가 폐차할 때까지 교체없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 차량의 지속적인 주행 거리가 500,000 km 가 된다면, SOx포획촉매(11)의 용량은 주행 거리가 250,000 km 정도가 될 때까지 승온제어없이 높은 SOx포획율로 SOx가 계속해서 포획될 수 있도록 하는 용량을 이루게 된다. 이 경우, 초기 승온제어는 주행 거리가 250,000 km 정도가 될 때 수행된다.
SOx포획촉매(11)의 온도는, 연소용 주연료 Qm, 팽창 행정이나 배기 행정 시의 후처리용 보조 연료 Qp 이외에도, 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이, 분사에 의해 상승된다. 즉, 이 경우, 보조 연료 Qp의 대부분(major part)은 연소되지 않은 HC의 형태로 연소되지 않고도 배기통로 안으로 배출된다. 이러한 연소되지 않은 HC는 SOx포획촉매(11) 상의 과도한 산소에 의해 산화된다. 이 때의 산화 반응의 열이 SOx포획촉매(11)의 온도를 상승시킨다.
도 7은 SOx포획촉매(11)에서의 SOx 안정화 처리의 일례의 시간도를 보여준다. 이 예시에서, SOx센서는 SOx포획촉매(11)의 하류에 배치된 센서(18)로 사용된다. 상기 SOx센서(18)는 SOx포획촉매(11)로부터 밖으로 유동하는 배기가스 내의 SOx 농도를 검출한다. 즉, 상기 예시에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, SOx센서(18)에 의해 검출되는 배기가스 내의 SOx 농도가 사전설정된 농도 SOY를 초과하는 경우, SOx포획율은 소정율 밑으로 떨어진 것으로 판정한다. 이 때, 승온제어가 수행되어 SOx포획율을 회복시키기 위하여 배기가스의 린 공연비 A/F 하에 SOx포획 촉매(11)의 온도를 상승시킨다.
다음으로, 입자상필터(13) 상에 탑재된 NOx흡장환원촉매 및 NOx흡장환원촉매(15)의 처리를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하기로 한다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 상기 입자상필터(13) 상에 탑재된 NOx흡장환원촉매의 NOx흡수제(47) 및 상기 NOx흡장환원촉매(15)의 NOx흡수제(47)에서의 단위시간당 흡수되는 NOx양 NOXA는 도 8에 도시된 맵의 형태로 요구토크 TQ 및 엔진속도 N의 함수로 사전에 미리 ROM(32)에 저장된다. 이러한 NOx양 NOXA는 NOx 흡수제(47)에 흡수된 NOx양 ΣNOX를 산출하도록 적분된다. 또한, 상기 실시예에서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 NOx양 ΣNOX가 허용가능한 값 NX에 도달할 때마다 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비 A/F가 일시적으로 리치가 되어 NOx 흡수제(47)가 NOx를 방출시킨다.
입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비 A/F를 리치로 만들 때, SOx포획촉매(11) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비는 린으로 유지되어야 한다는 점에 유의한다. 그러므로, 도 1에 도시된 실시예에서는, 연료공급밸브(17)가 SOx포획촉매(11)와 입자상필터(13) 사이의 배기관(12)에 배치된다. NOx 흡수제(47)가 NOx를 방출하여야 하는 경우, 상기 연료공급밸브(17)는 배기관(12)에 연료, 즉 후처리용 연료를 공급하여, 상기 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 일시적으로 리치로 만들게 된다.
다른 한편으로, 배기가스 내에 함유된 입자상, 즉 입자상물질은 상기 입자상필터(13) 상에 포획되어 연속해서 산화된다. 하지만, 포획된 입자상물질의 양이 산 화된 입자상물질의 양보다 많게 되면, 상기 입자상물질이 점진적으로 입자상필터(13) 상에 퇴적된다. 이 경우, 입자상물질의 퇴적량이 증가한다면, 결국에는 엔진 출력의 강하가 초래된다. 그러므로, 입자상물질의 퇴적량이 증가하면, 퇴적된 입자상물질을 제거할 필요가 있다. 이 경우, 입자상필터(13)의 온도를 공기의 과잉 하에 대략 600℃ 정도로 상승시킨다면, 퇴적된 입자상물질이 산화되어 제거되게 된다.
그러므로, 도 1에 도시된 실시예에서는, 입자상필터(13) 상에 퇴적된 입자상물질의 양이 허용가능한 양을 초과하면, 상기 입자상필터(13)의 온도가 배기가스의 린 공연비 하에 상승되어, 퇴적된 입자상물질이 산화에 의해 제거되게 된다. 구체적으로는, 차동압력센서(27)에 의해 검출되는 입자상필터(13) 전후의 차동압력 △P이 도 9에 도시된 바와 같이 허용가능한 값 PX을 초과하면, 퇴적된 입자상물질의 양이 허용가능한 양을 초과한 것으로 판정한다. 이 때, 입자상필터(13)의 온도 T를 상승시키면서, 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 린으로 유지하도록 승온제어가 수행된다. 입자상필터(13)의 온도 T가 상승하면, NOx가 NOx 흡수제(47)로부터 방출되므로, 포획된 NOx양 ΣNOX이 감소한다는 점에 유의한다.
입자상필터(13)의 온도를 상승시키면, SOx포획촉매(11)의 온도를 상승시킬 필요가 없다. 그러므로, 입자상필터(13)의 온도를 상승시키면, 배기가스의 공연비가 린으로 유지될 수 있는 범위 내에서 연료, 즉 후처리용 연료가 연료공급밸브(17)로부터 공급된다. 이러한 연료의 산화 반응의 열은 입자상필터(13)의 온도 T를 상승시키는 데 사용된다.
다른 한편으로, SOx포획촉매(11)에 의한 SOx포획율이 100 퍼센트이면, SOx가 NOx 흡수제(47) 안으로 전혀 유동하지 않는다. 그러므로, 이 경우 SOx를 흡수하는 NOx 흡수제(47)가 전혀 위험하지 않다. 이와는 대조적으로, SOx포획율이 100 퍼센트가 아니면, SOx포획율이 100 퍼센트에 근접하는 경우에도, NOx 흡수제(47)에 의해 SOx가 흡수될 것이다. 하지만, 이 경우, 단위시간당 NOx흡수제(47)에 흡수되는 SOx의 양은 극히 적다. 이는 장시간이 경과한다면, 대량의 SOx가 NOx 흡수제(47)에 의해 흡수될 것이라는 것을 말한다. 대량의 SOx가 흡수된다면, 흡수된 SOx가 방출되어야만 할 것이다.
상술된 바와 같이, NOx 흡수제(47)가 SOx를 방출시키도록 하기 위해서는, NOx 흡수제(47)의 온도를 SOx 방출 온도까지 상승시키고, 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 리치로 만들어야 한다. 그러므로, 도 10에 도시된 예시에서는, NOx 흡수제(47)에 흡수되는 SOx양 ΣSOX가 허용가능한 값 SX에 도달하는 경우, 상기 NOx 흡수제(47)의 온도 T가 SOx 방출 온도 TX로 상승하게 되어, 상기 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비가 리치가 된다. 이러한 예시에서는, 센서(18) 이외에도, 센서(20) 또한 SOx센서로 이루어진다는 점에 유의한다. 단위시간당 NOx 흡수제(47)에 흡수되는 SOx양 SOXZ는 SOx센서(18)에 의해 검출되는 SOx 농도와 SOx센서(20)로부터 검출되는 SOx 농도간의 차이로부터 구한다. 이러한 SOx양 SOXZ를 누적으로 더함으로써, 흡수된 SOx양 ΣSOX가 산출된다.
NOx 흡수제(47)가 SOx를 방출하도록 하는 경우에는, SOx포획촉매(11) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 리치로 만드는 것이 불가능하다. 그러므로, 도 1에 도시된 실시예에서는, NOx 흡수제(47)가 SOx를 방출하여야 하는 경우, 우선 SOx포획촉매(11) 및 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 린으로 유지하면서, 연료공급밸브(17)가 연료, 즉 후처리용 연료를 공급하여, NOx 흡수제(47)의 온도 T를 SOx 방출 온도 TX로 상승시킨 다음, SOx포획촉매(11) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 린으로 유지하면서, 연료공급밸브(17)가 연료, 즉 후처리용 연료의 공급량을 증가시켜, 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 리치로 만들게 된다. 이 경우, 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 리치와 린 사이에서 교대로 전환시킬 수도 있다는 점에 유의한다.
이러한 방식으로, 본 발명의 상기 실시예에서는, 다양한 후처리용 연료가 NOx, SOx 또는 입자상을 처리하는 데 사용된다. 이 경우, 서두에 설명된 바와 같이, 예컨대 연소실(2)에서 발생되는 NOx양이 증가하는 운전 상태로 엔진을 설정한다면, 연소용 연료의 소비량이 감소하지만, 후처리용 연료의 소비량은 증가하며, 그와는 달리 연소실(2)에서 발생되는 NOx양이 감소하는 운전 상태로 엔진을 설정한다면, 연소용 연료의 소비량이 증가하지만, 후처리용 연료의 소비량은 감소한다.
하지만, 대기로 배출되는 NOx 및 기타 유해 성분의 양을 규제값 이하로 유지하는 것은 절대 조건이다. 다른 한편으로, 일정 주행 거리당 연료소비량은 가능한 한 감소되어야만 한다. 그러므로, 본 발명에서, 사전설정된 주행 거리당 연소용 연료와 후처리용 연료의 총소비량은, 이러한 방식으로 배기가스 내의 유해 성분을 규제값 이하로 유지하는 절대 조건 하에 최소화된다.
본 발명의 설명 시, 우선 연소실(2)에서 발생되는 유해성분량과 연소용 연료 의 소비량간의 관계를 도 11(A) 및 (B)를 참조하면서 설명하기로 한다. 유해 성분으로는, 연소되지 않은 HC, CO, NOx, 입자상 등이 있지만, 도 11(A) 및 (B)는 유해 성분들을 대표하는 것으로 NOx 및 입자상물질 PM을 도시하고 있다는 점에 유의한다. 다른 한편으로, 연소실에서 발생되는 유해성분량 및 연소용 연료의 소비량은 엔진 운전 파라미터들의 함수가 된다. 각종 운전 파라미터들도 있지만, 도 11(A) 및 (B)는 연소용 연료의 분사시기 및 배기가스재순환율, 즉 EGR율의 대표적인 운전 파라미터들을 보여준다.
상기 엔진의 운전 파라미터값의 표준값은 도 11(C)에 도시된 요구토크 TQ 및 엔진속도 N으로부터 결정된 흑점에 대해 설정된다. 도 11(A) 및 (B)의 B는 도 11(C)의 사전설정된 흑점들에서의 운전 파라미터의 표준값, 즉 점화시기의 표준값과 EGR율의 표준값을 보여준다. 도 11(C)의 흑점들간의 운전 파라미터값들은 비례 분포에 의해 구한다는 점에 유의한다.
연소용 연료의 분사시기를 진각시키고(advancing injection timing), 연소온도가 상승한다면, 도 11(A)에 도시된 바와 같이, NOx의 발생량이 증가하지만, 연소 효율이 상승하여, 동일한 출력을 발생시키기 위한 연소용 연료 FUEL의 소비량이 감소하고, 입자상물질 PM의 발생량 또한 감소한다. 이와는 대조적으로, 연소용 연료의 분사시기를 지각시키고(retarding injection timing), 연소 온도가 떨어진다면, NOx의 발생량이 감소하지만, 연소 효율이 저하되어, 동일한 출력을 발생시키기 위한 연소용 연료 FUEL의 소비량이 증가하고, 입자상물질 PM의 발생량 또한 증가한다.
정확하게 도 11(A)의 "a" 만큼 분사시기를 진각시킬 때의 NOx의 증가량 △Na, 연소용 연료 FUEL의 감소량 △Fa, 입자상물질 PM의 감소량 △Pa 및 ,정확하게 "b" 만큼 분사시기를 지각시킬 때의 감소량 △Nb, 연소용 연료 FUEL의 증가량 △Fb, 입자상 PM의 증가량 △Pb가 도 11(C)의 흑점에 대해 사전에 미리 저장된다.
다른 한편으로, EGR율을 감소시킨다면, 연소 온도가 상승하므로, 도 11(B)에 도시된 바와 같이, NOx의 발생량이 증가하지만, 연소 효율이 상승하므로, 동일한 출력을 발생시키기 위한 연소용 연료 FUEL의 소비량이 감소하고, 입자상물질 PM의 발생량이 감소한다. 이와는 대조적으로, EGR율을 증가시킨다면, 연소 온도가 저하하므로, NOx의 발생량이 감소하지만, 동일한 출력을 발생시키기 위한 연소용 연료 FUEL의 소비량은 증가하고, 입자상물질 PM의 발생량도 증가한다.
정확하게 도 11(B)의 "c" 만큼 EGR율을 감소시킬 때의 NOx의 증가량 △Nc, 연소용 연료 FUEL의 감소량 △Fc, 입자상물질 PM의 감소량 △Pc 및, 정확하게 "d" 만큼 EGR율을 증가시킬 때의 NOx의 감소량 △Nd, 연소용 연료 FUEL의 증가량 △Fd, 입자상 PM의 증가량 △Pd가 도 11(C)의 흑점에 대해 사전에 미리 저장된다.
실제로, 연소되지 않은 HC, CO 등과 같은 기타 유해 성분의 발생량과 분사시기간의 관계, 연소되지 않은 HC, CO 등과 같은 기타 유해 성분의 발생량과 EGR율간의 관계 및 수온과 기타 운전 파라미터간의 관계, 연소용 연료 FUEL의 소비량 및 NOx, PM, HC, CO 등의 발생량은 도 11(C)의 흑점에 대해 사전에 미리 저장된다는 점에 유의한다.
본 발명에 있어서, 도 11(C)의 흑점에서의 운전 파라미터의 값들을 재설정하 는 경우, 분사시기, EGR율 등과 같은 운전 파라미터값들을 다양한 방식으로 증가 방향 또는 감소 방향으로 변경시킬 때의 유해 성분의 발생량과 연소용 연료 FUEL의 소비량은 미리 설정된 차량주행모드에 의해 엔진의 운전을 가정할 때 운전 상태에 대한 도 11(A) 및 (B)에 도시된 관계들로부터 구한다. 그 후, 미리 설정된 차량주행모드에서의 운전이 완료된 때의 연소용 연료 FUEL의 총소비량과 배기가스 내의 유해 성분의 발생량의 총량은 다양한 방식으로 운전 파라미터값들을 변경하는 경우들에 대하여 구한다.
도 12는 이들 유해 성분의 총발생량, 연소용 연료 FUEL의 총소비량 및 후처리용 연료의 소비량간의 관계들의 대표예들을 보여준다. 즉, 도 12(A)는 연소실(2)에서 발생되는 NOx의 총량과 후처리용 연료의 소비량간의 관계를 보여주고, 도 12(B)는 후처리용 연료의 소비량과 연소실(2)에서 발생되는 입자상물질 PM의 총량간의 관계를 보여주며, 도 12(C)는 후처리용 연료의 소비량과 연소용 연료 FUEL의 소비량의 총량간의 관계를 보여준다.
도 12(A), (B) 및 (C)에서, 실선은 후처리시스템이 새로운 것일 때의 후처리용 연료의 소비량을 보여주는 한편, 쇄선 I, II 및 III는 후처리시스템이 열화된 때의 후처리용 연료의 소비량을 보여준다는 점에 유의한다. 여기서, 쇄선 II는 후처리시스템의 열화도가 쇄선 I 보다 높은 경우를 보여주는 한편, 쇄선 III는 후처리시스템의 열화도가 쇄선 II 보다 높은 경우를 보여준다.
연소실(2)에서 발생되는 NOx의 양이 증가한다면, 후처리시스템의 NOx 흡수제(47)가 NOx를 방출시키도록 만들기 위하여 연료공급밸브(17)가 연료를 공급하는 빈도가 더욱 많아지게 된다. 그 결과, 도 12(A)에 도시된 바와 같이, 후처리용 연료의 소비량이 증가하게 된다. 또한, 후처리시스템의 열화도가 보다 높아진다면, 연료 공급 시 NOx 흡수제(47)로부터 방출되는 NOx의 환원력이 더욱 약해지므로, 대량의 연료가 방출되는 NOx를 충분히 환원시키는 데 필요하게 된다. 그러므로, 도 12(A)에 도시된 바와 같이, 후처리시스템의 열화도가 높을 수록, 후처리용 연료의 소비량이 많아지게 된다.
다른 한편으로, 연소실(2)에서 발생되는 입자상물질 PM의 양이 증가한다면, 후처리시스템, 즉 입자상필터(13)의 온도를 상승시키기 위하여 연료를 공급하는 연료공급밸브(17)의 빈도가 많아진다. 그 결과, 도 12(B)에 도시된 바와 같이, 후처리용 연료의 소비량이 증가하게 된다. 또한, 후처리시스템, 즉 입자상필터(13)가 열화된다면, 퇴적된 입자상물질이 연소되기 어려워진다. 이 경우, 퇴적된 입자상물질을 연소시키기 위해서는, 입자상필터(13)의 온도를 더욱 상승시킬 필요가 있다. 그러므로, 도 12(B)에 도시된 바와 같이, 후처리시스템의 열화도가 높을 수록, 후처리용 연료의 소비량이 많아지게 된다.
다른 한편으로, 연료는 소정비의 황을 함유한다. 그러므로, 연소용 연료 FUEL의 총소비량이 많을 수록, 연소실(2)로부터 배출되는 SOx의 양이 많아진다. 연소실(2)로부터 배출되는 SOx의 양이 증가한다면, 후처리시스템의 NOx 흡수제(47)로부터 SOx를 방출하기 위하여 연료공급밸브(17)가 연료를 공급하는 빈도가 더욱 많아지게 되고, 그 결과 도 12(C)에 도시된 바와 같이, 후처리용 연료의 소비량이 증가하게 된다. 또한, 후처리시스템의 열화도가 더욱 높아진다면, NOx 흡수제(47)가 SOx를 방출하기 어렵게 된다. 이 경우, NOx 흡수제(47)가 SOx를 방출시키도록 하기 위해서는, NOx 흡수제(47)의 온도를 더욱 상승시킬 필요가 있게 된다. 그러므로, 도 12(C)에 도시된 바와 같이, 후처리시스템의 열화도가 높을 수록, 후처리용 연료의 연소량이 많아지게 된다.
본 발명에서는, 운전 파라미터값이 재설정되어야 하는 경우, 도 11(A) 및 (B)에 도시된 관계 등으로부터 구한 연소용 연료의 소비량과 도 12(A), (B) 및 (C)에 도시된 관계들로부터 구한 후처리용 연료의 소비량을 조합한, 일정 주행 거리당 연료의 총소비량은 운전 파라미터들의 값들을 다양한 방식으로 변경시킬 때 최소가 된다. 하지만, 이 경우에는 상술된 바와 같이, 대기 중으로 배출되는 배기가스 내의 유해성분량을 규제값 이하로 유지하는 것이 절대 조건이다. 이 경우, 유해성분의 규제로는, 대기로의 유해 성분의 배출량을 상이한 운전 상태에서 규제하는 경우와 차량이 미리 설정된 차량주행모드로 운전될 때 대기로의 유해 성분의 총배출량을 규제하는 경우가 있다. 전자의 경우, 규제값은 대기로의 유해 성분의 배출량이 상이한 운전 상태에서 설정되는 한편, 후자의 경우에는 규제값이 차량이 미리 설정된 차량주행모드로 운전될 때 대기로의 유해 성분의 총배출량에 대해 설정된다.
대기로 배출되는 유해성분량은 NOx, HC, CO, 입자상물질 PM 등을 검출할 수 있는 몇 가지 센서(20)에 의해 검출될 수 있다. 또한, 운전 파라미터 등을 입력한다면, 대기 중으로 배출되는 유해성분량을 출력하는 차량 모델을 이용하여 대기 중으로 배출되는 유해성분량을 산출할 수 있게 된다. 본 발명의 이러한 실시예에 있어서, 상이한 운전 상태로 대기 중으로의 유해성분의 배출량과 차량이 미리 설정된 차량주행모드로 구동될 때의 대기 중으로의 유해성분의 총배출량은 상기 차량 모델을 이용하여 산출된다.
다음으로, 운전 파라미터값들을 재설정하기 위한 처리 루틴을 도 13을 참조하면서 설명하기로 한다.
도 13을 참조하면, 우선 단계 100에서, 엔진의 운전 기간이 사전설정된 기간을 경과하였는지를 판정한다. 이 경우, 본 발명의 이러한 실시예에서는, 차량의 누적 주행 시간, 차량의 누적 주행 거리 또는 엔진의 누적 회전수가 사전설정된 설정값을 초과한 경우, 엔진의 운전 기간이 사전설정된 기간을 경과한 것으로 판정한다.
단계 100에서, 엔진의 운전 기간이 사전설정된 기간을 경과한 것으로 판정하는 경우, 루틴은 단계 101로 진행되어, 예컨대 SOx포획촉매(11), 입자상필터(13) 및 NOx흡장환원촉매(15)로 이루어진 후처리시스템의 열화도가 센서(20)의 출력 신호를 토대로 검출된다. 센서(20)로서 SOx센서를 이용하면, 연료가 린 공연비 하에 연소될 때 후처리시스템으로부터 밖으로 유동하는 배기가스 내의 SOx 농도가 높을 수록, 후처리시스템의 열화도가 더욱 높은 것으로 판정한다. 다음으로, 상기 루틴은 단계 102로 진행된다.
후처리시스템의 열화도는 계속해서 검출될 수도 있다는 점에 유의한다. 이 경우, 후처리시스템의 열화도가 단계 100에서 사전설정된 열화도를 초과하면, 엔진의 운전 기간이 사전설정된 시간을 경과한 것으로 판정할 수 있게 된다. 이 경우, 후처리시스템의 열화도가 사전설정된 열화도를 초과하면, 상기 루틴이 단계 102로 진행된다.
단계 102에서, 운전 파라미터들의 값은 사전설정된 규칙에 따라 약간만 변경된다. 예를 들어, 도 11(C)에 도시된 흑점들간의 사전설정된 흑점에서의 분사시기는 진각이다. 다음으로, 단계 103에서는, 도 11(A), (B)에 도시된 관계를 토대로 미리 설정된 차량주행모드로 차량이 구동될 때의 연소실(2) 내의 NOx의 발생량의 총량, 연소실(2) 내의 입자상물질 PM의 발생량의 총량 및 연소용 연료의 소비량의 총량 등이 산출된다.
다음으로, 단계 104에서, 미리 저장된 차량 모델을 이용하여, 상이한 운전 상태로 대기로의 유해 성분의 배출량과 차량이 미리 설정된 차량주행모드로 구동될 때의 대기로의 유해 성분의 총배출량이 산출된다. 다음으로, 단계 105에서, 이들 유해 성분의 배출량과 총배출량이 규제값 이하인 지를 판정한다. 규제값 이하이면, 루틴이 단계 106으로 진행된다. 이와는 대조적으로, 이들 유해 성분의 배출량과 총배출량이 규제값을 초과하면, 루틴은 단계 102로 진행되어, 운전 파라미터의 값들이 변경된다.
단계 106에서, 후처리시스템의 열화도에 대응하는 후처리용 연료의 연소량은 도 12(A), (B) 및 (C)에 도시된 관계들로부터 산출된다. 다음으로, 단계 107에서, 연소용 연료의 총소비량과 후처리용 연료의 소비량을 조합한, 일정 주행 거리당 연료의 총소비량이 산출된다. 다음으로, 단계 108에서, 운전 파라미터의 값들을 사전설정된 범위 내에서 변경시키는 모든 운전들이 커버된 모든 운전 파라미터들에 대해 완료되었는 지의 여부를 판정한다. 모든 운전이 완료되지 않았으면, 루틴은 단 계 102로 되돌아가, 운전 파라미터의 값들이 변경된다. 모든 운전이 완료되면, 루틴이 단계 109로 진행된다.
단계 109에서, 일정 주행 거리당 연료의 최소 소비량이 결정된다. 다음으로, 단계 110에서, 일정 주행 거리당 연료의 소비량이 최소가 될 때, 도 11(C)의 흑점들에서의 운전 파라미터의 값들이 결정된다. 그 후, 재설정된 처리가 다시 수행될 때까지, 이들 결정된 운전 파라미터값들에 의해 엔진이 운전된다.
이 경우, 그 때까지 사용된 운전 파라미터값들이 계속해서 그대로 사용되는 경우에는, 도 8에 도시된 단위시간당 NOx 흡수량 NOXA 또한 계속해서 그대로 사용된다. 이와는 대조적으로, 운전 파라미터값들이 변경되면, 연소실(2)에서 발생되는 NOx량 또한 변경되므로, 단위시간당 NOx 흡수량 NOXA 또한 도 8에 도시된 NOx 흡수량 NOXA과 상이한 값이 된다. 본 발명의 실시예에서는, 단계 111에서 운전 파라미터의 값들이 변경된 때의 도 8에 도시된 NOx 흡수량 NOXA에 대한 변동량 △NOXA이 산출된다. 이러한 변동량 △NOXA은 도 14에 도시된 맵의 형태로 요구토크 TQ 및 엔진속도 N의 함수로 저장된다.
도 15는 SOx포획촉매(11)에 흡수되는 SOx의 안정화를 위한 루틴을 보여준다.
도 15를 참조하면, 우선 단계 200에서, SOx센서(18)의 출력 신호, 예컨대 출력 전압 V가 판독된다. 다음으로, 단계 201에서, SOx센서(18)의 전력 전압 V가 설정값 VX를 초과하는 지, 즉 배기가스 내의 SOx 농도가 사전설정된 농도 SOY를 초과하는 지를 판정한다. V > VX 이면, 즉 배기가스 내의 SOx 농도가 사전설정된 농도 SOY를 초과하면, 루틴이 단계 202로 진행되어, SOx포획촉매(11)의 승온제어가 수행 된다.
도 16은 후처리시스템의 제어 루틴을 보여준다.
도 16을 참조하면, 우선 단계 300에서, 단위시간당 저장된 NOx량 NOXA가 도 8에 도시된 맵으로부터 산출된다. 다음으로, 단계 301에서, 단위시간당 저장된 NOx량의 변동량 △NOXA는 도 14에 도시된 맵으로부터 산출된다. 다음으로, 단계 302에서, 이들 NOXA 및 △NOXA가 NOx흡장촉매에 저장된 NOx량 ΣNOX에 더해진다. 다음으로, 단계 303에서, 저장된 NOx량 ΣNOX가 허용가능한 값 NX를 초과하였는 지의 여부를 판정한다. ΣNOX > NX 이면, 루틴이 단계 304로 진행되어, NOx흡장촉매(15) 및 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 일시적으로 린에서 리치로 전환시키도록 리치 처리가 수행되고, ΣNOX가 클리어된다.
다음으로, 단계 305에서, 입자상필터(13) 전후의 차동압력 △P이 차동압력센서(27)에 의해 검출된다. 다음으로, 단계 306에서, 차동압력 △P이 허용가능한 값 PX를 초과하였는 지를 판정한다. △P > PX 이면, 루틴이 단계 307로 진행되어, 입자상필터(13)의 승온제어가 수행된다. 이러한 승온제어는 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 린으로 유지하면서 연료공급밸브(17)로부터 연료를 공급시켜 수행된다.
다음으로, 단계 308에서, SOx센서(18, 20)에 의해 검출되는 단위시간당 저장된 SOx량 SOXZ의 누적값 ΣSOX이 허용가능한 값 SX를 초과하였는 지를 판정한다. ΣSOX > SX 이면, 루틴이 단계 309로 진행되어, NOx 흡수제(47)의 온도 T를 SOx 방출 온도 TX로 상승시키기 위하여 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연 비를 린으로 유지하면서 연료공급밸브(17)로부터 연료를 공급하도록 승온제어가 수행된다. 다음으로, 단계 310에서, 연료공급밸브(17)로부터 공급되는 연료에 의해 입자상필터(13) 안으로 유동하는 배기가스의 공연비를 리치로 유지하도록 리치 처리가 수행되고, ΣSOX가 클리어된다.
각각의 운전 상태에서의 운전 파라미터의 값들이 재설정되면, 연소실(2) 내의 NOx, HC, CO, 입자상 PM 등의 발생량이 변하고, 연료공급밸브(17)로부터의 연료의 공급량과 공급 빈도가 변한다. 즉, 후처리용 연료의 공급량과 공급 빈도, 즉 공급 방법이 재설정된다.

Claims (12)

  1. 배기가스의 후처리시스템이 엔진배기통로에 배치되고, 엔진 출력을 발생시키기 위해 연소실 안으로 공급되는 연소용 연료 이외에 상기 후처리시스템의 배기가스 내의 유해 성분을 처리하기 위한 후처리용 연료가 공급되며, 상기 엔진의 운전 파라미터의 값이 상기 엔진의 운전 상태에 따라 사전 설정되고, 상기 후처리용 연료를 공급하는 방법이 사전 설정되는 내연기관에 있어서,
    상기 엔진의 운전 기간이 사전설정된 기간을 경과할 때마다, 상기 후처리시스템의 열화도에 대응하는 후처리용 연료의 소비량을 구하고, 상기 운전 파라미터의 값을 변경할 때의 상기 배기가스 내의 유해 성분량의 변화 및 상기 연소용 연료의 소비량의 변화를 토대로, 또는 상기 후처리시스템의 열화도 및 유해 성분량의 변화에 따른 후처리용 연료의 소비량의 변화를 토대로, 상기 운전 파라미터의 값과 상기 후처리용 연료를 공급하는 방법이 재설정되어, 대기 중에 배출되는 배기가스 내의 유해 성분량을 규제값 이하로 유지하면서, 상기 연료의 일정 주행 거리당 상기 연소용 연료 및 후처리용 연료의 전체 소비량이 최소가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제1항에 있어서,
    차량의 누적 운전 시간, 상기 차량의 누적 주행 거리 또는 상기 엔진의 누적 회전수가 미리 설정된 값을 초과할 때, 상기 엔진의 운전 기간이 사전설정된 기간을 경과한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 후처리시스템의 열화도가 사전설정된 열화도를 초과할 때, 상기 엔진의 운전 기간이 사전설정된 기간을 경과한 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 운전 파라미터의 값을 변경할 때, 상기 배기가스 내의 유해 성분량의 변화 및 상기 연소용 연료의 소비량의 변화는 사전에 미리 저장되고, 상기 유해 성분량이 변화할 때의 상기 후처리용 연료의 변화는 상기 후처리시스템의 열화도의 함수로서 저장되며, 상기 엔진의 운전 기간이 사전설정된 기간을 경과할 때마다, 여러 방식으로 상기 운전 파라미터를 변경할 때의 연소용 연료의 소비량 및 상기 배기가스 내의 유해 성분의 변화와 이 때의 후처리시스템의 열화도에 따른 후처리용 연료의 소비량이 구해지고, 상기 운전 파라미터의 값과 상기 후처리용 연료를 공급하는 방법이 재설정되어, 후처리용 연료의 소비량 및 상기 연소용 연료의 소비량을 토대로, 대기 중에 배출되는 배기가스의 유해 성분량을 규제값 이하로 유지하면서, 일정 주행 거리당 연료소비량이 최소가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 운전 파라미터들 중 하나는 상기 연소용 연료의 분사 시기이고, 상기 분사시기가 진각이 됨에 따라, 상기 연소용 연료의 소비량과 상기 연소실로부터 배출되는 입자상물질의 양은 감소되며, 상기 연소실로부터 배출되는 NOx의 양은 증가되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 운전 파라미터들 중 하나는 배기가스재순환율이고, 상기 배기가스재순환율이 증가됨에 따라, 상기 연소용 연료의 소비량과 상기 연소실로부터 배출되는 입자상물질의 양은 증가되며, 상기 연소실로부터 배출되는 NOx의 양은 감소되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 후처리시스템은, 유입되는 배기가스의 공연비가 린일 때 상기 배기가스 내에 함유된 NOx를 흡장하고, 상기 유입되는 배기가스의 공연비가 이론공연비 또는 리치가 될 때 상기 흡장된 NOx를 방출시키는 NOx흡장환원촉매를 구비하고, 상기 NOx흡장환원촉매로부터 NOx를 방출시키기 위하여 상기 NOx흡장환원촉매로 유입되는 배기가스의 공연비를 이론공연비 또는 리치로 만들 때 상기 NOx흡장환원촉매 상류의 배기통로 또는 연소실 내로 상기 후처리용 연료가 공급되며, 상기 후처리용 연료의 소비량은 상기 연소실로부터 배출되는 NOx의 양이 증가할 수록 증가되고, 상기 NOx흡장환원촉매의 열화도가 높아질 수록 증가되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 후처리시스템은 상기 배기가스 내에 함유된 입자상을 포획하기 위한 입자상필터를 구비하고, 상기 입자상필터 상에 포획된 입자상물질을 연소할 때 상기 입자상필터 상류의 배기통로 또는 연소실 안으로 후처리용 연료가 공급되며, 후처 리용 연료의 소비량은 상기 연소실로부터 배출되는 입자상물질의 양이 증가할 수록 증가되고, 상기 입자상필터의 열화도가 높아질 수록 증가되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 NOx흡장환원촉매는 상기 입자상필터 상에 탑재되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 후처리시스템은 상기 NOx흡장환원촉매 상류의 배기통로에 배치되어 상기 배기가스 내의 SOx를 포획할 수 있는 SOx포획촉매를 구비하고, 상기 SOx포획촉매는 상기 SOx포획촉매의 온도가 상기 배기가스의 린 공연비 하에 상승할 때 포획된 SOx가 상기 SOx포획촉매 내부로 점진적으로 확산하는 성질을 가지며, 상기 후처리용 연료는 상기 SOx포획촉매의 SOx포획율을 회복시키기 위하여 상기 SOx포획촉매의 온도를 상승시킬 때 상기 SOx포획촉매 상류의 배기통로 또는 연소실 안으로 공급되고, 상기 후처리용 연료의 소비량은 상기 연소실로부터 배출되는 SOx의 양이 증가할 수록 증가되며, 상기 SOx포획촉매의 열화도가 높아질 수록 증가되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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