JP2011052610A - 排気ガス浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気ガスに含まれるＮＯｘに対する尿素水による浄化性能を向上させながら小型化を図る排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】排気ガス浄化装置１０１は、排気ガスが流通する経路の途中に設けられた第一酸化触媒層１２と、第一酸化触媒層１２の下流に設けられたＤＰＦ本体１３Ｄと、ＤＰＦ本体１３Ｄと一体に設けられ、アンモニアを吸着可能なＳＣＲ触媒１４と、ＤＰＦ本体１３Ｄと一体に設けられ、所定の温度以上でアンモニアの酸化作用を有する第二酸化触媒１５と、ＳＣＲ触媒１４の上流に尿素水を供給するための噴射バルブ１８とを備え、第二酸化触媒１５の温度が所定の温度未満の場合でのみ、噴射バルブ１８によって尿素水が供給される。
【選択図】図２

Description

この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特にディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒を使用した排気ガス浄化装置に関する。
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための尿素ＳＣＲシステムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水の加水分解により生成されたアンモニア（ＮＨ３）とＮＯｘとの化学反応によってＮＯｘを窒素（Ｎ２）及び水（Ｈ２Ｏ）に変換して浄化するために、選択還元触媒である（尿素）ＳＣＲ触媒と呼ばれる触媒が用いられる。
尿素ＳＣＲシステムでは、ＳＣＲ触媒は、エンジンとマフラーとの間の排気通路に設けられている。さらに、この排気通路において、ＳＣＲ触媒よりエンジン側となる上流側には、排気ガス中のハイドロカーボン（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化すると共に一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化するのを促進するための酸化触媒、及び排気ガス中に尿素水を噴射するための噴射バルブが設けられている。
また、尿素ＳＣＲシステムの他に、エンジンとマフラーとの間の排気経路には、排気ガスに含まれるカーボン等の粒子状物質（パティキュレートマター：ＰＭ）を減少させるためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置が設けられている。
このように、エンジン及びマフラーの間には、尿素ＳＣＲシステム及びＤＰＦ装置を構成する多くの構成部品が設けられるため、車両への搭載スペースの確保が問題となる。
そして、尿素ＳＣＲシステムには、小型であることの他に、尿素水の使用量に対するＮＯｘの高い変換率が求められる。
特許文献１には、排気ガスの経路上に、排気ガスに含まれるＰＭのフィルター機能を有する白金含有プレ触媒と、白金含有プレ触媒の下流に配置されたＳＣＲ触媒とを有し、さらに、白金含有プレ触媒の上流にアンモニア又は尿素を供給するための第１の供給導入部を配置し、白金含有プレ触媒及びＳＣＲ触媒の間に第２の供給導入部を配置した排ガス浄化装置が記載されている。なお、白金含有プレ触媒は、約２５０℃未満の温度範囲では還元触媒として機能し且つ約２５０℃以上の温度範囲では酸化触媒として機能する特性を有し、ＳＣＲ触媒は、約２５０℃以上の温度範囲で還元触媒として活性化する特性を有している。
この排ガス浄化装置では、２２０〜２７０℃である温度Ｔ１より排気ガス温度が低い場合、第１の供給導入部からアンモニア又は尿素が供給され、白金含有プレ触媒において、アンモニア又は尿素が加水分解されて生成したアンモニアが、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元浄化する。さらに、温度Ｔ１より排気ガス温度が高くなると、第２の供給導入部からアンモニア又は尿素が供給され、ＳＣＲ触媒において、アンモニア又は尿素が加水分解されて生成したアンモニアが、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元浄化する。
そして、この排ガス浄化装置では、温度Ｔ１より排気ガス温度が高い場合に第２の供給導入部からアンモニア又は尿素を供給することにより、白金含有プレ触媒によってアンモニアが酸化分解されることを防いでいる。これにより、この排ガス浄化装置は、供給されるアンモニア又は尿素を効率よく窒素酸化物の還元浄化に使用している。
特表２００６−５１９３３１号公報
しかしながら、特許文献１の排ガス浄化装置では、第１の供給導入部及び第２の供給導入部のいずれから尿素が供給される場合であっても、供給された尿素のそれぞれがアンモニアに加水分解される反応時間を確保するために、供給されてから白金含有プレ触媒又はＳＣＲ触媒に到達するまでの尿素の滞留時間が必要になる。このため、第１の供給導入部から白金含有プレ触媒まで、及び第２の供給導入部からＳＣＲ触媒までの２つの区間において、尿素の加水分解反応時間が確保されるような距離が必要になるので、装置全長が長くなり小型化を図ることが困難になるという問題がある。
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、排気ガスに含まれるＮＯｘに対する尿素水による浄化性能を向上させながら小型化を図る排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、この発明に係る排気ガス浄化装置は、排気ガスが流通する経路の途中に設けられた第一酸化触媒と、第一酸化触媒の下流に設けられた粒子状物質捕集手段と、粒子状物質捕集手段と一体に設けられ、アンモニアを吸着可能なＳＣＲ触媒と、粒子状物質捕集手段と一体に設けられ、所定の温度以上でアンモニアの酸化作用を有する第二酸化触媒と、ＳＣＲ触媒の上流に尿素水を供給するための尿素水供給手段とを備え、第二酸化触媒の温度が所定の温度未満の場合でのみ、尿素供給手段によって尿素水が供給される。
これにより、ＳＣＲ触媒及び第二酸化触媒を粒子状物質捕集手段と一体に設けているため、排気ガス浄化装置の小型化を図ることができる。また、尿素水供給手段によって供給された尿素水は、第一酸化触媒等によってアンモニアを生成するが、尿素水は第二酸化触媒が酸化作用を有さない所定の温度未満で供給されるので、生成したアンモニアが、第二酸化触媒によって、酸化分解されることはない。すなわち、第二酸化触媒が酸化作用を有さない所定の温度未満の温度である場合、排気ガスに含まれる窒素酸化物は、供給された尿素水の加水分解により生成し且つ排気ガスに含まれているアンモニアによって、ＳＣＲ触媒の作用のもと、還元浄化される。さらに、窒素酸化物を還元しなかった余剰のアンモニアがＳＣＲ触媒に吸着される。一方、第二酸化触媒が所定の温度以上の温度である場合、尿素水が供給されず、排気ガスに含まれる窒素酸化物は、ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニアによって、ＳＣＲ触媒の作用のもと、還元浄化される。よって、尿素水から生成したアンモニアが、高い効率で窒素酸化物の還元浄化に使用されるため、排気ガス浄化装置では、尿素水の使用量に対する窒素酸化物の浄化効率が向上、すなわち、窒素酸化物の浄化性能が向上している。
排気ガス浄化装置は、第二酸化触媒を流通する排気ガスの温度を検出する排気温度センサをさらに備え、第二酸化触媒の温度は、排気温度センサの検出する温度により代用されてもよい。これにより、第二酸化触媒の温度に基づいた、尿素供給手段からの尿素水の供給の制御が容易になる。
尿素水供給手段は、第一酸化触媒の上流に尿素水を供給してもよい。これにより、第一酸化触媒を通過する尿素水は、排気ガスに含まれる一酸化窒素から二酸化窒素への酸化反応熱及び排気ガスにより付加される熱といった第一酸化触媒に含まれる熱を利用することができる。このため、第一酸化触媒を通過する尿素水は、高い効率で加水分解されることが可能になる。さらに、第一酸化触媒の上流に尿素水を供給することによって、ＳＣＲ触媒に到達するまでの尿素水の滞留時間が長くなるため、尿素水の流通過程における加水分解の効率が高くなる。よって、尿素水からアンモニアへの加水分解の効率が高くなっているため、排気ガス浄化装置の窒素酸化物の浄化性能が向上している。また、尿素水の加水分解の効率が向上しているため、第一酸化触媒とＳＣＲ触媒すなわち粒子状物質捕集手段との間の距離を短くすることができ、排気ガス浄化装置の小型化を図ることが可能になる。
第二酸化触媒は、粒子状物質捕集手段によって捕集された排気ガスに含まれていた粒子状物質を燃焼する間の温度を低下させる触媒であってもよい。これにより、ＳＣＲ触媒における触媒機能は、粒子状物質捕集手段の再生のために、捕集されている粒子状物質の燃焼を行う際に、燃焼熱により受ける影響が低減される。このため、排気ガス浄化装置は、ＳＣＲ触媒の触媒機能、すなわち窒素酸化物の浄化性能の耐久性を向上することが可能になる。
排気ガス浄化装置は、第一酸化触媒と、粒子状物質捕集手段と、ＳＣＲ触媒と、第二酸化触媒と、尿素水供給手段とを有する筐体を備えてもよい。これにより、第一酸化触媒と、粒子状物質捕集手段と、ＳＣＲ触媒と、第二酸化触媒と、尿素水供給手段とが１つの筐体内に収められているため、排気ガス浄化装置の小型化を図ることが可能になる。
排気ガス浄化装置は、エンジンアセンブリに取り付けられてもよい。これにより、排気ガス浄化装置には、エンジンアセンブリから排出された温度低下の少ない高温の排気ガスが供給される。また、排気ガス浄化装置は、エンジンアセンブリの熱をその外部から受けることができる。よって、コールドスタート時においても、排気ガス浄化装置を尿素水の加水分解可能な温度にまで上昇させる時間、及びＳＣＲ触媒をその活性化する温度にまで上昇させる時間を短縮することができる。従って、排気ガス浄化装置は、コールドスタート時から短時間で窒素酸化物の浄化を開始することができるため、窒素酸化物の浄化性能を向上させることが可能になる。
この発明に係る排気ガス浄化装置によれば、排気ガスに含まれる窒素酸化物に対する尿素水による浄化性能を向上させながら小型化を図ることが可能になる。
この発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置及びその周辺の構成を示す模式図である。 図１の排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態
図１及び２を用いて、この発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置１０１及びその周辺の構成を説明する。なお、この実施形態では、ディーゼルエンジンを搭載する車両に排気ガス浄化装置を使用した場合の例について説明する。
まず、図１を参照すると、エンジン本体１には、吸入された吸入空気を複数のシリンダ１ａのそれぞれに分配するための吸気マニフォールド（インテークマニフォールド）４が、複数の吸気ポート１ｂに対して接続されている。
吸気マニフォールド４における吸入空気の入口４ａには、エンジン吸気管３が接続され、さらに、エンジン吸気管３は、ターボチャージャ８のコンプレッサハウジング８ａに接続されている。また、コンプレッサハウジング８ａには、外気を吸入するための吸気管２が接続されている。
一方、エンジン本体１の複数の排気ポート１ｃのそれぞれには、排気ポート１ｃから排出される排気ガスを１つに集約するための排気マニフォールド（エキゾーストマニフォールド）５が接続されている。さらに、排気マニフォールド５における排気ガスの出口５ａには、ターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂが接続されている。また、タービンハウジング８ｂには、略円筒形をした排気ガス浄化装置１０１が接続され、排気ガス浄化装置１０１はエンジン本体１の側部に隣接するようにして配置されている。そして、排気ガス浄化装置１０１には、排気管６が接続されており、さらに、排気管６の下流側の端部には、消音器（マフラー）７が接続されている。よって、図示しない車両における吸気系統は、吸気管２、ターボチャージャ８、エンジン吸気管３及び吸気マニフォールド４によって構成され、排気系統は、排気マニフォールド５、ターボチャージャ８、排気ガス浄化装置１０１、排気管６及び消音器７によって構成されている。ここで、エンジン本体１、エンジン吸気管３、吸気マニフォールド４、排気マニフォールド５、及びターボチャージャ８は、エンジンアセンブリ１０を構成している。
次に、図２を参照すると、排気ガス浄化装置１０１は、略円筒形をした筐体１１を有している。筐体１１における上流側の端面１１ａには、ターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂの出口８ｂ２が接続されており、筐体１１の下流側の端面１１ｂには、排気管６の上流側の端部６ａが接続されている。そして、筐体１１の内部は、タービンハウジング８ｂの内部及び排気管６の内部に連通している。
円筒状をした筐体１１の内部には、上流側から下流側に向かって、第一酸化触媒が担持された第一酸化触媒層１２及びディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）本体１３Ｄが順次設けられている。そして、ＤＰＦ本体１３Ｄは、粒子状物質捕集手段を構成している。なお、第一酸化触媒層１２及びＤＰＦ本体１３Ｄは、筐体１１の円筒部１１ｃの中心軸に垂直な方向に延びる層状の形態をして、円筒部１１ｃの内側を塞ぐようにして形成されている。また、第一酸化触媒層１２及びＤＰＦ本体１３Ｄは、互いに離して配置されており、これらの間には空間１６が形成されている。
なお、第一酸化触媒層１２は、排気ガスに含まれるハイドロカーボン（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化すると共に、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化するのを促進する酸化触媒が担持された層である。第一酸化触媒層１２の第一酸化触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），銀（Ａｇ），鉄（Ｆｅ），銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），金（Ａｕ）等、及びそれら２種以上の混合体等が好ましい。
ＤＰＦ本体１３Ｄは、セラミック等の多孔質性の材料によって形成されており、排気ガスに含まれる粒子状物質（パティキュレートマター：ＰＭ）を捕集するためのものである。そして、ＤＰＦ本体１３Ｄは、捕集したＰＭの蓄積による機能低下を防ぐために、蓄積したＰＭの燃焼を必要とする。
さらに、ＤＰＦ本体１３Ｄには、選択還元触媒であるＳＣＲ触媒１４がコーティング等の手段によって担持され、ＤＰＦ本体１３ＤとＳＣＲ触媒１４とは一体になり触媒付ＤＰＦ１３を構成している。
なお、選択還元触媒は特定の物質同士に対して選択的に化学反応をもたらす触媒であり、選択還元触媒の中でも尿素ＳＣＲ触媒（以下、ＳＣＲ触媒と称す）は、窒素酸化物（ＮＯｘ）とアンモニア（ＮＨ３）との間で作用してＮＯｘの還元をもたらすものである。そして、ＮＯｘは還元されると窒素（Ｎ２）及び水に分解される。詳細は後述するが、ＳＣＲ触媒１４は、上述のような作用を有するＳＣＲ触媒であり、アンモニアの吸着性が高く、低温から触媒活性を有するものが好ましい。そこで、ＳＣＲ触媒１４としては、例えば、アンモニアの吸着性が２０ｍｇ／ｌ以上、つまり、ＳＣＲ触媒１４が担持された基材における体積１リットル当たり２０ｍｇ以上のアンモニアが吸着可能であり、１５０℃以上の温度範囲で触媒活性を有するものが好ましい。このようなＳＣＲ触媒１４としては、例えば、鉄置換のゼオライトの触媒等が好ましい。そして、ＳＣＲ触媒１４が活性化するとは、アンモニアによるＮＯｘの還元速度が急速に高まることを意味する。
また、ＳＣＲ触媒１４が担持されたＤＰＦ本体１３Ｄには、ＤＰＦ本体１３Ｄが捕集したＰＭの燃焼温度、すなわち、燃焼している間におけるＰＭの温度を低下させるための第二酸化触媒１５が、コーティング等の手段によって担持されている。そして、ＤＰＦ本体１３Ｄと第二酸化触媒１５とは一体になり触媒付ＤＰＦ１３を構成している。よって、触媒付ＤＰＦ１３は、ＤＰＦ本体１３Ｄ、ＳＣＲ触媒１４、及び第二酸化触媒１５によって構成されている。
また、第二酸化触媒１５は、燃焼している間におけるＰＭの温度を、４００〜６５０℃の範囲に低減するものが好ましい。
さらに、第二酸化触媒１５は、ＰＭの燃焼温度の低下能力を有しているだけでなく、所定の温度Ｔｐ℃以上の温度範囲でアンモニアの酸化分解活性を有し、所定の温度Ｔｐ℃未満の温度範囲ではアンモニアの酸化分解活性を有していない。すなわち、所定の温度Ｔｐ℃とは、第二酸化触媒１５が活性化する温度である。なお、上述の酸化触媒が活性化するとは、一般的には対象物質の５０％が所定の状態に酸化されることである。
そして、触媒が活性化する温度は、触媒の構成物質の割合や担持されている部位における触媒の濃度によって変動するため、第二酸化触媒１５が活性化する温度Ｔｐ℃は１５０〜２５０℃の温度範囲を取り得る。なお、このような第二酸化触媒１５として、セリア（ＣｅＯ２）に銀（Ａｇ）を担持したＡｇ／ＣｅＯ２触媒が挙げられる。
また、ＳＣＲ触媒１４及び第二酸化触媒１５は、いずれを先にＤＰＦ本体１３Ｄへ担持させてもよい。さらに、ＳＣＲ触媒１４及び第二酸化触媒１５を混合した状態でＤＰＦ本体１３Ｄに担持させてもよい。なお、ＤＰＦ本体１３Ｄの後段にＳＣＲ触媒１４の触媒層を配置することによって、ＤＰＦ本体１３ＤとＳＣＲ触媒１４とを一体に設け、さらにＤＰＦ本体１３Ｄに第二酸化触媒１５を担持させてもよい。
また、筐体１１の円筒部１１ｃには、第一酸化触媒層１２の上流側の位置に、電磁弁である噴射バルブ１８が設けられている。そして、噴射バルブ１８は、尿素水供給手段を構成している。さらに、噴射バルブ１８は、図示しない車両に設けられた尿素水タンク１９に連通しており、尿素水タンク１９から供給される尿素水を筐体１１の内部における第一酸化触媒層１２（ＳＣＲ触媒１４）の上流に噴射する。
さらに、噴射バルブ１８は、ドージングコントロールユニット（ＤＣＵ）２０に電気的に接続されており、ＤＣＵ２０の制御によって噴射バルブ１８の開閉が行われる。また、尿素水タンク１９は、内部の尿素水を噴射バルブ１８に供給するための電動ポンプを備えており、この電動ポンプは、ＤＣＵ２０に電気的に接続され、ＤＣＵ２０の制御によってその稼動が制御される。なお、ＤＣＵ２０は個別に設置してもよく、また図示しない車両ＥＣＵと一体にしてもよい。
また、触媒付ＤＰＦ１３の上流側の端面１３ａには、排気ガスに含まれる物質を端面１３ａ全体に均等に分布させるための、円柱状をしたミキサ１７が設けられている。ミキサ１７としては、特表平６−５０９０２０号公報、特開２００６−９６０８号等に開示されものを使用することができる。なお、特表平６−５０９０２０号公報に開示されるミキサは、ガスの流路を格子状に仕切り、各格子を通過したガスに対して渦状の流れ及び隣接する格子の方向に向かう流れを発生させることにより、ガスに含まれる物質を流路全体に分布させるものである。また、特開２００６−９６０８号に開示されるミキサは、ガスの流路の方向に垂直な分散板を複数設けることによって流通するガスを蛇行させ、ガスに含まれる物質を均等に分布させるものである。
また、筐体１１における上流側の端面１１ａの上流側には、排気ガスの温度を検出するための排気温度センサ３１が設けられている。排気温度センサ３１は、ＤＣＵ２０に電気的に接続されており、検出した排気ガスの温度情報をＤＣＵ２０に送る。
上述より、排気ガス浄化装置１０１は、ＳＣＲ触媒による排気ガスの浄化装置とＤＰＦによる排気ガスの浄化装置とを一体としてエンジンアセンブリ１０に取り付けられ、エンジン本体１に隣接して配置される構成を有している。（図１参照）
次に、図１及び２を用いて、この発明の実施の形態に係る排気ガス浄化装置１０１及びその周辺の動作を説明する。
図１を参照すると、エンジン本体１が稼動することによって、吸気管２を介して、ターボチャージャ８のコンプレッサハウジング８ａに外気である吸入空気が吸入される。さらに、吸入空気は、コンプレッサハウジング８ａ内の図示しないコンプレッサホイールにより過給されて、エンジン吸気管３に送られる。送られた吸入空気は、エンジン吸気管３及び吸気マニフォールド４を経由して、エンジン本体１のシリンダ１ａの内部に流入する。そして、シリンダ１ａの内部の吸入空気は、シリンダ１ａの内部に供給された燃料（軽油）と混合されて、自己着火により燃焼する。
燃焼した吸入空気及び燃料は、排気ガスとして複数の排気ポート１ｃから排気マニフォールド５に排出され、さらに、排気マニフォールド５内の流通過程で１つに集約されて、ターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂに流入する。流入した排気ガスは、タービンハウジング８ｂ内の図示しないタービンホイール及びタービンホイールに連結されたコンプレッサホイールの回転を上昇させつつ、排気ガス浄化装置１０１に排出される。さらに、排気ガスは、排気ガス浄化装置１０１の内部を流通した後、排気管６及び消音器７を経由して、図示しない車両の外部に排出される。
さらに、図２を参照すると、排気ガス浄化装置１０１内に導入された排気ガスの全ては、まず、第一酸化触媒層１２を通過する。第一酸化触媒層１２を通過する過程において、排気ガスに含まれるハイドロカーボン及び一酸化炭素が水及び二酸化炭素に酸化されると共に、ＮＯの一部が、より還元作用を受けやすいＮＯ２に酸化される。次に、第一酸化触媒層１２を通過した排気ガスは、ミキサ１７を通過して触媒付ＤＰＦ１３に流入する。そして、触媒付ＤＰＦ１３のＤＰＦ本体１３Ｄによって、排気ガスに含まれるＰＭが捕集される。
また、このとき、ＤＣＵ２０は、排気温度センサ３１から送られる温度情報に基づき、次の（１）及び（２）に示すように、２つの動作のいずれかを行う。
（１）排気温度センサ３１から送られる排気ガス温度Ｔが、第二酸化触媒１５が活性化する温度である所定の温度Ｔｐ℃未満の場合

ここで、触媒付ＤＰＦ１３の第二酸化触媒１５の温度は、排気温度センサ３１により検出される排気ガス温度Ｔで代用することができる。このため、排気ガス温度Ｔが、所定の温度Ｔｐ℃以上の温度範囲を示すことは、第二酸化触媒１５がアンモニアの酸化分解活性を有する温度範囲にあることを示しているとみなされる。
また、以下では、所定の温度Ｔｐ℃を２５０℃として説明する。
そして、排気ガス温度Ｔが２５０℃未満の時、ＤＣＵ２０は、尿素水タンク１９内の電動ポンプを稼働させると共に噴射バルブ１８を開弁させる。これにより、尿素水タンク１９の尿素水が、噴射バルブ１８から筐体１１の内部における第一酸化触媒層１２の上流に噴射される。
噴射された尿素水は、排気ガスの流れに乗って排気ガスと共に、第一酸化触媒層１２を通過する。このとき、第一酸化触媒層１２は、流通する排気ガスにより付加された熱と排気ガスに含まれるＮＯ等の酸化反応による反応熱とを含んでいる。このため、第一酸化触媒層１２を通過する尿素水は、この第一酸化触媒層１２の有する熱及び第一酸化触媒層１２を流通する排気ガスの熱により、その大部分が加水分解されてアンモニア及び二酸化炭素を生成する。
次に、第一酸化触媒層１２を通過した、尿素水及びアンモニアを含む排気ガスは、空間１６を通過してミキサ１７に送られ、ミキサ１７の通過の際に分散されて、触媒付ＤＰＦ１３に流入する。
このとき、第一酸化触媒層１２において加水分解されなかった排気ガスに含まれる尿素水は、ＳＣＲ触媒１４を一体に含む触媒付ＤＰＦ１３に到達するまでの間に、一緒に流通する排気ガスの熱により加水分解されてアンモニアを生成する。なお、この尿素水は、第一酸化触媒層１２、空間１６及びミキサ１７を通過するため、その通過過程における滞留時間が、尿素水の加水分解に要する反応時間を十分に満足しており、高い変換効率で加水分解される。
上述に示すように、噴射バルブ１８から噴射された尿素水は、第一酸化触媒層１２において加水分解されるだけでなく、触媒付ＤＰＦ１３までの流通過程でも加水分解されるため、高い変換効率でアンモニアに加水分解される。このため、排気ガス浄化装置１０１は、第一酸化触媒層１２と触媒付ＤＰＦ１３との距離、すなわち空間１６の距離を短く設定することができ、装置の小型化を可能にしている。
また、触媒付ＤＰＦ１３に流入した排気ガスに含まれるアンモニアは、触媒付ＤＰＦ１３のＳＣＲ触媒１４の温度状態に応じて、次の（１Ａ）及び（１Ｂ）に示すように、２つの作用のいずれかを行う。なお、ＳＣＲ触媒１４の温度は、第二酸化触媒１５の温度と同等であり、排気温度センサ３１により検出される排気ガス温度Ｔで代用することができる。
（１Ａ）ＳＣＲ触媒１４の温度が、ＳＣＲ触媒１４の活性化する温度Ｔｓ℃未満である場合
ここで、以下の説明において、ＳＣＲ触媒１４が活性化する温度Ｔｓ℃は一般的な活性化温度である１５０℃であるものとする。
ＳＣＲ触媒１４の温度が１５０℃未満の時にはＳＣＲ触媒１４は活性化していないため、触媒付ＤＰＦ１３に供給された排気ガスに含まれるアンモニアは、排気ガスに含まれるＮＯ及びＮＯ２からなるＮＯｘに対して還元反応を起こさず、ＳＣＲ触媒１４によって吸着される。そして、触媒付ＤＰＦ１３を通過して有害なアンモニアが除去された排気ガスが、排気ガス浄化装置１０１から排出される。
このため、ＳＣＲ触媒１４は、有害なアンモニアが図示しない車両の外部に排出されることを防ぐために、アンモニアの吸着性の高いものが好ましい。
（１Ｂ）ＳＣＲ触媒１４の温度が、ＳＣＲ触媒１４の活性化する温度Ｔｓ℃（１５０℃）以上である場合
触媒付ＤＰＦ１３に供給された排気ガスに含まれるアンモニアは、ＳＣＲ触媒１４の作用によって、排気ガスに含まれるＮＯｘをＮ２に還元浄化する。さらに、ＮＯｘの還元反応において消費されなかった余剰のアンモニアは、ＳＣＲ触媒１４に吸着される。そして、触媒付ＤＰＦ１３を通過してＮＯｘが浄化され且つ有害なアンモニアが除去された排気ガスが、排気ガス浄化装置１０１から排出される。
なお、ＳＣＲ触媒１４は、活性化する温度Ｔｓ℃が低温であるほど、排気ガスに含まれるＮＯｘに対して還元浄化可能な温度範囲が広くなるため、活性化する温度Ｔｓ℃が低いものが好ましい。
また、上述の（１Ａ）及び（１Ｂ）のいずれの場合においても、触媒付ＤＰＦ１３の第二酸化触媒１５は、その触媒温度が、排気温度センサ３１により検出される排気ガス温度Ｔと同等であり、アンモニアの酸化分解活性を有さない２５０℃未満の温度となっている。このため、第二酸化触媒１５は、触媒付ＤＰＦ１３を流通する排気ガスに含まれるアンモニアを酸化分解することはない。
よって、噴射バルブ１８から噴射された尿素水が加水分解されて生成したアンモニアは、第二酸化触媒１５によって酸化分解されず、排気ガスに含まれるＮＯｘの還元浄化又はＳＣＲ触媒１４への吸着に高い効率で使用される。
（２）排気温度センサ３１から送られる排気ガス温度Ｔが、第二酸化触媒１５が活性化する温度である所定の温度Ｔｐ℃（２５０℃）以上の場合

ＤＣＵ２０は、尿素水タンク１９内の電動ポンプを停止させると共に噴射バルブ１８を閉弁させる。これにより、噴射バルブ１８からの尿素水の噴射が停止される。
このため、筐体１１に導入された排気ガスは、尿素水及び尿素水が加水分解されたアンモニアを含まない状態で、第一酸化触媒層１２を通過してミキサ１７に送られ、触媒付ＤＰＦ１３に流入する。
また、触媒付ＤＰＦ１３のＳＣＲ触媒１４には、排気ガス温度Ｔが２５０℃未満の時に供給されて吸着したアンモニアが多量に存在する。さらに、ＳＣＲ触媒１４は、排気ガス温度Ｔが２５０℃以上の温度範囲では活性状態となっている。
このため、触媒付ＤＰＦ１３に流入した排気ガスに含まれるＮＯｘは、ＳＣＲ触媒１４の作用のもと、ＳＣＲ触媒１４に吸着されているアンモニアによって還元浄化される。そして、触媒付ＤＰＦ１３を通過してＮＯｘが浄化され且つ有害なアンモニアを含んでいない排気ガスが、排気ガス浄化装置１０１から排出される。
また、触媒付ＤＰＦ１３の第二酸化触媒１５は、その触媒温度が、アンモニアの酸化分解活性を有する２５０℃以上の温度となっている。しかしながら、アンモニアは、触媒付ＤＰＦ１３を流通する排気ガスに含まれておらず、ＳＣＲ触媒１４に吸着されているもののみである。そして、ＳＣＲ触媒１４に吸着されているアンモニアは上述のようにＮＯｘの還元浄化に使用されるので、第二酸化触媒１５によって酸化分解されない。よって、排気ガス温度Ｔが２５０℃以上の場合でも、排気ガス浄化装置１０１において尿素水から生成したアンモニアは、第二酸化触媒１５によって酸化分解されず、排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化に高い効率で使用される。
また、図１を参照すると、エンジン本体１に隣接して配置される排気ガス浄化装置１０１には、ターボチャージャ８、すなわち、エンジン本体１から排出された直後の温度低下の少ない排気ガスが流入する。また、エンジン本体１に隣接して配置される排気ガス浄化装置１０１には、稼動中にエンジン本体１の発生する熱が、排気ガス浄化装置１０１の筐体１１（図２参照）の外側に付与され、付与された熱は、筐体１１を伝導して筐体１１の内部に伝達する。
図２を参照すると、筐体１１の内部の第一酸化触媒層１２及び触媒付ＤＰＦ１３は、上述の温度低下の少ない排気ガスの熱や付与された熱によって加熱されるため、温度が上昇しやすくなる。これにより、排気ガス浄化装置１０１では、エンジン本体１のコールドスタート時において、第一酸化触媒層１２の酸化触媒、及び触媒付ＤＰＦ１３におけるＳＣＲ触媒１４の温度の上昇速度が向上しており、各触媒が活性化に至る時間が短縮されている。よって、排気ガス浄化装置１０１は、エンジン本体１のコールドスタート時から短時間でＮＯｘの浄化を開始することができるため、ＮＯｘの浄化能力が向上している。
このように、この発明に係る排気ガス浄化装置１０１は、排気ガスが流通する経路の途中に設けられた第一酸化触媒層１２と、第一酸化触媒層１２の下流に設けられたＤＰＦ本体１３Ｄと、ＤＰＦ本体１３Ｄと一体に設けられ、アンモニアを吸着可能なＳＣＲ触媒１４と、ＤＰＦ本体１３Ｄと一体に設けられ、所定の温度以上でアンモニアの酸化作用を有する第二酸化触媒１５と、ＳＣＲ触媒１４の上流に尿素水を供給するための噴射バルブ１８とを備え、第二酸化触媒１５の温度が所定の温度未満の場合でのみ、噴射バルブ１８によって尿素水が供給される。
これによって、ＳＣＲ触媒１４及び第二酸化触媒１５をＤＰＦ本体１３Ｄと一体に設けているため、排気ガス浄化装置１０１の小型化を図ることができる。また、噴射バルブ１８によって供給された尿素水は、第一酸化触媒１２等によってアンモニアを生成するが、尿素水は第二酸化触媒１５が酸化作用を有さない所定の温度未満で供給されるので、生成したアンモニアが、第二酸化触媒１５によって、酸化分解されることはない。すなわち、第二酸化触媒１５が酸化作用を有さない所定の温度未満の温度である場合、排気ガスに含まれるＮＯｘは、供給された尿素水の加水分解により生成し且つ排気ガスに含まれているアンモニアによって、ＳＣＲ触媒１４の作用のもと、還元浄化される。さらに、ＮＯｘを還元しなかった余剰のアンモニアがＳＣＲ触媒１４に吸着される。一方、第二酸化触媒１５が所定の温度以上の温度である場合、尿素水が供給されず、排気ガスに含まれるＮＯｘは、ＳＣＲ触媒１４に吸着されているアンモニアによって、ＳＣＲ触媒１４の作用のもと、還元浄化される。よって、尿素水から生成したアンモニアが、高い効率でＮＯｘの還元浄化に使用されるため、排気ガス浄化装置１０１は、尿素水の使用量に対するＮＯｘの浄化効率を向上させる、すなわち、ＮＯｘの浄化性能を向上させることが可能となる。
排気ガス浄化装置１０１に第二酸化触媒１５を流通する排気ガスの温度を検出する排気温度センサ３１を設け、第二酸化触媒１５の温度を排気温度センサ３１の検出する温度により代用することによって、第二酸化触媒１５の温度に基づいた噴射バルブ１８からの尿素水の供給の制御が容易になる。
噴射バルブ１８が第一酸化触媒層１２の上流に尿素水を供給することによって、第一酸化触媒層１２を通過する尿素水は、排気ガスに含まれる一酸化窒素から二酸化窒素への酸化反応熱及び排気ガスにより付加される熱といった第一酸化触媒層１２に含まれる熱を利用することができる。このため、第一酸化触媒層１２を通過する尿素水は、高い効率で加水分解されることが可能になる。さらに、第一酸化触媒層１２の上流に尿素水を供給することによって、ＳＣＲ触媒１４に到達するまでの尿素水の滞留時間が長くなるため、尿素水の流通過程における加水分解の効率が高くなる。よって、尿素水からアンモニアへの加水分解の効率が高くなっているため、排気ガス浄化装置１０１のＮＯｘの浄化性能が向上している。また、尿素水の加水分解の効率が向上しているため、第一酸化触媒層１２とＳＣＲ触媒１４を含む触媒付ＤＰＦ１３との間の距離を短くすることができ、排気ガス浄化装置１０１の小型化を図ることが可能になる。
また、第二酸化触媒１５は、ＤＰＦ本体１３Ｄによって捕集されたＰＭを燃焼する間の温度を低下させる触媒であるため、ＳＣＲ触媒１４における触媒機能は、ＤＰＦ本体１３Ｄの再生のために、捕集されているＰＭの燃焼を行う際に、燃焼熱により受ける影響が低減される。このため、排気ガス浄化装置１０１は、ＳＣＲ触媒１４の触媒機能、すなわちＮＯｘの浄化性能の耐久性を向上することが可能になる。
さらに、第一酸化触媒層１２と、触媒付ＤＰＦ１３（ＤＰＦ本体１３Ｄ、ＳＣＲ触媒１４及び第二酸化触媒１５）と、噴射バルブ１８とが１つの筐体１１内に収められているため、排気ガス浄化装置１０１の小型化を図ることが可能になる。
また、排気ガス浄化装置１０１がエンジンアセンブリ１０に取り付けられることによって、排気ガス浄化装置１０１には、エンジンアセンブリ１０から排出された温度低下の少ない高温の排気ガスが供給される。さらに、稼動中にエンジン本体１の発生する熱が、排気ガス浄化装置１０１の筐体１１内に付与される。よって、コールドスタート時においても、排気ガス浄化装置１０１を尿素水の加水分解可能な温度にまで上昇させる時間、及びＳＣＲ触媒１４をその活性化する温度にまで上昇させる時間を短縮することができる。従って、排気ガス浄化装置１０１は、コールドスタート時から短時間でＮＯｘの浄化を開始することができるため、ＮＯｘの浄化性能を向上させることが可能になる。
また、実施の形態において、排気ガス浄化装置１０１は、ターボチャージャ８を備えるエンジンアセンブリ１０に設けられていたが、これに限定されるものではない。ターボチャージャ８を備えないエンジンアセンブリ１０では、排気マニフォールド５の出口５ａに排気ガス浄化装置１０１を直接接続するようにしてもよい。また、排気ガス浄化装置１０１は、エンジンアセンブリ１０から離れた位置に設けられてもよい。
また、実施の形態の排気ガス浄化装置１０１おいて、噴射バルブ１８は、第一酸化触媒層１２の上流側に尿素水を供給していたが、これに限定されるものではなく、第一酸化触媒層１２の下流側に尿素水を供給してもよい。これにより、尿素水が加水分解されて生成したアンモニアが、第一酸化触媒層１２の有する酸化作用によって酸化分解されることを防止することができる。
また、実施の形態において、排気ガス浄化装置１０１の筐体１１は円筒状の形状を有していたが、これに限定されるものではない。筐体１１は、四角柱等の多角柱状の形状、または、球状若しくは楕円体状の形状であってもよい。
また、実施の形態の排気ガス浄化装置１０１において、排気温度センサ３１が筐体１１の端面１１ａの上流側に設けられていたが、これに限定されるものではない。排気温度センサ３１は、第二酸化触媒１５における上流側の直前の位置に設けられてもよく、第二酸化触媒１５における下流側の直後の位置に設けられてもよい。
また、実施の形態において、排気ガス浄化装置１０１はミキサ１７を有していたが、これは省略してもよい。
１０ エンジンアセンブリ、１１ 筐体、１２ 第一酸化触媒層（第一酸化触媒）、１３ 触媒付ＤＰＦ、１３Ｄ ＤＰＦ本体（ディーゼルパティキュレートフィルタ本体、粒子状物質捕集手段）、１４ ＳＣＲ触媒、１５ 第二酸化触媒、１８ 噴射バルブ（尿素水供給手段）、３１ 排気温度センサ、１０１ 排気ガス浄化装置。

Claims (6)

  1. 排気ガスが流通する経路の途中に設けられた第一酸化触媒と、
    前記第一酸化触媒の下流に設けられた粒子状物質捕集手段と、
    前記粒子状物質捕集手段と一体に設けられ、アンモニアを吸着可能なＳＣＲ触媒と、
    前記粒子状物質捕集手段と一体に設けられ、所定の温度以上でアンモニアの酸化作用を有する第二酸化触媒と、
    前記ＳＣＲ触媒の上流に尿素水を供給するための尿素水供給手段と
    を備え、
    前記第二酸化触媒の温度が前記所定の温度未満の場合でのみ、前記尿素供給手段によって尿素水が供給される排気ガス浄化装置。
  2. 前記第二酸化触媒を流通する排気ガスの温度を検出する排気温度センサをさらに備え、
    前記第二酸化触媒の温度は、前記排気温度センサの検出する温度により代用される
    請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
  3. 前記尿素水供給手段は、前記第一酸化触媒の上流に尿素水を供給する
    請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
  4. 前記第二酸化触媒は、前記粒子状物質捕集手段によって捕集された排気ガスに含まれていた粒子状物質を燃焼する間の温度を低下させる触媒である
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
  5. 前記第一酸化触媒と、前記粒子状物質捕集手段と、前記ＳＣＲ触媒と、前記第二酸化触媒と、前記尿素水供給手段とを有する筐体を備える
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
  6. エンジンアセンブリに取り付けられる
    請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
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