JP2013189900A

JP2013189900A - 排気ガス浄化装置

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Publication number: JP2013189900A
Application number: JP2012056026A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Osumi; 和生大角
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-09-26
Also published as: WO2013137309A1; EP2826974A1; EP2826974B1; US20150047348A1; EP2826974A4; CN104169537A

Abstract

【課題】ＤＰＦの入口側の排気ガス温度を高くできる排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】エンジン１０の排気ポート３０ｐからターボチャージャ１３との間の排気経路３０にＤＯＣ３１とＤＰＦ３２を設置し、そのＤＰＦ３２の上流側に尿素噴射ノズル３３を配置し、ターボチャージャ１３下流側の排気管にＳＣＲ３４を配置したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどから排出される排気ガス中のＰＭやＮＯｘを除去するための排気ガス浄化装置に関するものである。

地球環境保全の観点から、自動車の排出ガス規制が一段と進んでいる。

特にディーゼルエンジンではＰＭ（Particulate Matter；粒子状物質）やＮＯｘの低減が求められており、ＰＭの低減はＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＮＯｘの低減は尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）やＨＣ−ＳＣＲ（Hydro Carbon-Selective Catalytic Reduction）、ＬＮＴ（Lean NOx Trap）等が用いられる。

従来のターボチャージャ付きディーゼルエンジンの吸排気システムにおける排気ガス浄化装置を図１０により説明する。

ディーゼルエンジン１０の吸気マニホールド１１と排気マニホールド１２は、ターボチャージャ１３のコンプレッサ１４とタービン１５にそれぞれ連結され、エアクリーナ１７より空気が、上流側吸気管１６ａを通してコンプレッサ１４に吸引されて昇圧され、下流側吸気管１６ｂのインタークーラ１８を通って冷却されて吸気マニホールド１１からディーゼルエンジン１０に供給される。ディーゼルエンジン１０からの排気ガスは、タービン１５を駆動した後、排気管２０に排気される。また排気管２０と上流側吸気管１６ａには排気ガスの一部をエンジン１０の吸気系に戻してＮＯｘを低減するためのＥＧＲ管２１が接続され、そのＥＧＲ管２１にＥＧＲクーラ２２とＥＧＲバルブ２３とが接続される。

排気管２０には、前段の酸化触媒（ＤＯＣ）２４と後段のＤＰＦ２５からなるＰＭ除去装置２６とＳＣＲ２７とが設けられ、そのＳＣＲ２７の上流側の排気管２０に尿素噴射ノズル２８が設けられる。

タービン１５から排出され排気管２０を通る排気ガスは、前段の酸化触媒（ＤＯＣ）２４で、排気ガス中のＣＯ・ＨＣ浄化、ＮＯ酸化、ＳＯＦ分が燃焼され、後段のＤＰＦ２５でＰＭが捕集除去された後、尿素噴射ノズル２８から噴射された尿素水が、ＳＣＲ２７で尿素が加水分解されてＮＨ₃とされ、そのＮＨ₃により、排気ガス中のＮＯｘが、窒素と酸素に還元されて浄化されるようになっている。

この排気ガス浄化装置においては、ＰＭの捕集でＤＰＦ２５に目詰まりが生じ、その前後の差圧が一定値以上となったときには、ディーゼルエンジン１０でポスト噴射又はディーゼルエンジン１０下流側で排気管噴射を行って排気ガス温度を再生可能な温度まで上昇してＤＰＦ２５に堆積したＰＭを燃焼させる再生運転を行うようにしている。

特開２００９−２９９４９９号公報特開２０１１−６９２２６号公報特開平０８−１８９３３６号公報

ところで最近では、エンジンの燃焼改良が進み、燃費向上とともにＰＭ、ＮＯｘの総排出量も低減してきているが、背反して排気ガス温度が低くなっている。

このため、ＤＰＦ２５での入口温度が、連続再生できる温度（２５０℃〜５００℃）に維持することができず、自動再生運転間隔が短くなってしまう問題がある。

また、尿素の分解（融点）温度は、１３２．７℃であり、排気ガス温度が１７５℃以下の低温では、尿素の分解が促進しないため、ＳＣＲ２７に尿素を噴射できず、ＮＯｘの浄化率も低下してしまう問題がある。

さらに、従来の排気ガスを計測するモードのＪＥ０５、ＮＥＤＣ（New European Driving Cycle）等から、ＷＨＤＣ（Worldwide harmonized Heavy Duty Certification）に切り替われば、さらにコールドモードや高温高流量での排気ガス低減技術が必要となる。

その対応として、後処理装置のエンジン近接化（ターボ直下配置）や後処理装置の熱容量低減（小型化等）、後処理装置の断熱・保温等が検討されているが、現状では後処理装置の大型化は避けられない。そのため、設置場所の確保や重量増加による燃費影響、コスト上昇などの問題が生じている。

ＮＯｘ低減のため、特許文献１では、２ステージターボのターボチャージャとしたり、特許文献２に示されるように、ターボチャージャのタービンの上流側の排気マニホールドからの排気ガスを吸気マニホールドに排気再循環（ＥＧＲ）する高圧ＥＧＲと、タービン下流側の排気ガスをターボチャージャ側のコンプレッサに排気再循環する低圧ＥＧＲとをエンジン負荷状況に応じて切り換えてＮＯｘの低減を図ることも提案されている。

しかし、特許文献１のように、２つのターボチャージャ間にＤＰＦを設置した場合、エンジンに及ぼす影響が大きくなる問題がある。また特許文献２では、排気ガス温度が低下するターボチャージャの下流側にＤＰＦを設置しなければならない問題がある。

特許文献３では、排気マニホールド内にＤＰＦを直接設置することが提案されているが、排気マニホールドをセラミックス材料とするなど構造が複雑になる問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＤＰＦの入口側の排気ガス温度を高くできる排気ガス浄化装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、エンジンの排気ポートからターボチャージャとの間の排気経路にＤＯＣとＤＰＦを設置し、そのＤＰＦの上流側に尿素噴射ノズルを配置し、ターボチャージャ下流側の排気管にＳＣＲを配置したことを特徴とする排気ガス浄化装置である。

請求項２の発明は、エンジンの各排気ポートにＤＯＣを配置し、排気マニホールドとターボチャージャ間にＤＰＦを配置すると共にそのＤＰＦの上流側に尿素噴射ノズルを配置し、ターボチャージャ下流側の排気管にＳＣＲを配置したことを特徴とする排気ガス浄化装置である。

請求項３の発明は、エンジンの各排気ポートに前段ＤＯＣを配置し、排気マニホールドとターボチャージャ間に、後段ＤＯＣとＤＰＦを配置し、その後段ＤＯＣとＤＰＦ間に尿素噴射ノズルを配置し、ターボチャージャ下流側の排気管にＳＣＲを配置したことを特徴とする排気ガス浄化装置である。

請求項４の発明は、前記前段ＤＯＣ内の触媒層が、ＣＯ浄化に優れるＯＳＣを有する材料と酸化物半導体を含む触媒を配置して形成され、前記後段ＤＯＣ内の触媒層が、ＨＣ浄化に優れる金属触媒を配置して形成される請求項３記載の排気ガス浄化装置である。

請求項５の発明は、前記前段ＤＯＣ内の触媒層が、ＯＳＣを有する酸化物と酸化物半導体を混在した触媒を触媒を配置して形成され、前記後段ＤＯＣ内の触媒層が、ＨＣ吸着材と貴金属触媒が混在した触媒を配置して形成される請求項３記載の排気ガス浄化装置である。

請求項６の発明は、前記ＯＳＣを有する酸化物がＣｅを含む酸化物で、酸化物半導体がＴｉＯ₂、ＺｎＯ、Ｙ₂Ｏ₃である請求項４又は５記載の排気ガス浄化装置である。

請求項７の発明は、排気マニホールドの排気ガスをエンジンの吸気側に戻す高圧ＥＧＲ管と、前記ＳＣＲ下流側の排気ガスをターボチャージャのコンプレッサの吸気側に戻す低圧ＥＧＲ管を備えた請求項１〜６のいずれかに記載の排気ガス浄化装置である。

請求項８の発明は、前記尿素噴射ノズルで噴射し、尿素から生成したアンモニアの一部が排気ガス中のＳＯｘと反応して硫酸アンモニウムが生成され、さらに後段のＤＰＦでＰＭを燃焼させた後に生じる灰分成分である炭酸カルシウムと前記硫酸アンモニウムとが反応して炭酸アンモニウムと硫酸カルシウムが生成され、かつ生成した炭酸アンモニウムが熱分解されて生成したアンモニアが前記ＳＣＲでのＮＯｘ浄化反応に使用される請求項１〜６のいずれかに記載の排気ガス浄化装置である。

本発明によれば、以下の優れた効果を発揮する。

（１）ＤＰＦをターボチャージャより上流側に設置することでＤＰＦの温度を従来より高温に保てるため、連続再生の頻度を増やすことができる。さらにＤＯＣのＨＣ吸着・酸化制御を加えることで、自動再生の間隔を延ばすことができる。加えて、ＤＰＦの小型化により再生時の昇温時間を短縮できる。これらの結果、ＤＰＦ再生時のＣＯ₂排出量を低減できる。

（２）ＤＰＦをターボチャージャより上流側に設置することで、小型化が可能となりレイアウトの自由度が増える。

（３）ターボチャージャよりエンジン上流側にＤＰＦを設置することで、ターボチャージャのオイル由来の灰分の影響を受けないためＤＰＦの目詰まりにも有利である。

（４）ターボチャージャ前のＤＯＣ直後およびエンジン近接ＳＣＲ直後からＥＧＲの排気ガスを取り出すことができるので、ＥＧＲ経路の短縮が可能である。さらに、ＥＧＲの防汚対策に有効である。

（５）排気ガスの熱を有効に利用する排気ガス浄化装置を提供できる。

本発明の一実施の形態を示す図である。本発明の他の実施の形態を示す図である。本発明と従来例におけるＤＰＦ径の減少率に対する各種の特性を示し、（ａ）はＤＰＦ径の減少率とＤＰＦ圧力損失の関係、（ｂ）はＤＰＦ径の減少率とエキゾーストマニホールド圧の関係、（ｃ）はＤＰＦ径の減少率とトルクの関係を示す図である。本発明と従来例におけるＪＥ０５モード中のＤＰＦ入口温度の経時変化を示す図である。本発明と従来例におけるＤＰＦ昇温時間を示す図である。本発明において、ＤＰＦの連続再生制御のフローチャートを示す図である。本発明と従来例におけるＤＰＦ再生間隔とＣＯ₂排出量を比較した図である。本発明と従来例におけるアンモニア生成率とＮＯｘ浄化率を比較した図である。本発明の図１と図２の実施例におけるアンモニア生成率とＮＯｘ浄化率を比較した図である。従来の排気ガス浄化装置を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の排気ガス浄化装置の一実施の形態を示たもので、ディーゼルエンジン１周りの吸排気の構成は図１０と同じであり、同一符号を用いて図１の吸排気の基本構成を説明する。

ディーゼルエンジン１０の吸気マニホールド１１と排気マニホールド１２は、ターボチャージャ１３のコンプレッサ１４とタービン１５にそれぞれ連結され、エアクリーナ１７より空気が、上流側吸気管１６ａを通してコンプレッサ１４に吸引されて昇圧され、下流側吸気管１６ｂのインタークーラ１８を通って冷却されて吸気マニホールド１１からディーゼルエンジン１０に供給される。ディーゼルエンジン１０からの排気ガスは、タービン１５を駆動した後、排気管２０に排気される。また排気管２０と上流側吸気管１６ａには排気ガスの一部をエンジン１０の吸気系に戻してＮＯｘを低減するための高圧ＥＧＲ管２１Ｈが接続され、そのＥＧＲ管２１ＨにＥＧＲクーラ２２ＨとＥＧＲバルブ２３Ｈとが接続される。

本発明においては、エンジン１０の排気側からターボチャージャ１３に至る排気経路３０にＤＯＣ３１とＤＰＦ３２を配置し、そのＤＰＦ３２の上流側に尿素噴射ノズル３３が配置され、タービン１５の下流側の排気管２０にＳＣＲ３４を配置して構成するものである。

より具体的には、排気経路３０の上流側となるディーゼルエンジン１０の上流側の各排気ポート３０ｐには、ＤＯＣ３１が接続され、その各ＤＯＣ３１の下流側の排気ポート３０ｐが排気マニホールド１２で合流され、その排気マニホールド１２とターボチャージャ１３を接続する排気管３０ｔにＤＰＦ３２が接続され、ＤＰＦ３２の上流側に尿素水をＤＰＦ３２内に噴射する尿素噴射ノズル３３が設けられる。またＳＣＲ３４は、選択還元触媒が充填されるだけで、その直前には尿素噴射ノズルは配置されず、ＤＰＦ３２の上流側の尿素噴射ノズル３３がアンモニア供給源とされる。

また、図１においては、排気マニホールド１２と吸気マニホールド１１を接続する高圧ＥＧＲ管２１Ｈとされ、ＳＣＲ３４の下流側の排気管２０と上流側吸気管１６ａを結んで低圧ＥＧＲ管２１Ｌが接続され、そのＥＧＲ管２１ＬにＥＧＲクーラ２２ＬとＥＧＲバルブ２３Ｌとが接続される。

ＤＯＣ３１内の触媒層には、ＨＣ酸化やＣＯ浄化に優れたＯＳＣ（Oxygen Storage Capacity）を有する材料（ＣｅＯ₂、ＺｒＯ₂等）と酸化物半導体を含む触媒が設けられる。

次に図２により本発明の他の実施の形態を説明する。

この図２に示した排気ガス浄化装置は、図１と基本的には同じであるが、ディーゼルエンジン１０の各排気ポート３０ｐに接続するＤＯＣを前段ＤＯＣ３１ｐとし、排気マニホールド１２とターボチャージャ１３を接続する排気管３０ｔに、後段ＤＯＣ３１ｔを配置し、その後段ＤＯＣ３１ｔと一体にＤＰＦ３２ｔを設け、その後段ＤＯＣ３１ｔとＤＰＦ３２ｔ間に、尿素水をＤＰＦ３２ｔ内に噴射する尿素噴射ノズル３３ｔを設けたものである。

前段ＤＯＣ３１ｐの触媒層には、排気ガス中のＣＯ浄化に優れるＯＳＣを有する材料（ＣｅＯ₂、ＺｒＯ₂等）と酸化物半導体（ＴｉＯ₂、ＺｎＯ、Ｙ₂Ｏ₃等）を含む触媒を配置し、後段ＤＯＣ３１ｔの触媒層には、ＨＣ浄化に優れるＰｔ触媒を配置することで低温活性に優れる触媒構成が得られる。

次に本発明の排気ガス浄化を説明する。

ディーゼルエンジン１０から排気ガスは、ＤＯＣ３１（３１ｐ、３１ｔ）を通って、排気ガス中のＨＣが吸着され、後段のＤＰＦ３２（３２ｔ）で排ガス中のＰＭが捕集される。

ＤＰＦ３２（３２ｔ）の上流側では尿素噴射ノズル３３、３３ｔから尿素水が噴射され、尿素が加水分解してアンモニア（ＮＨ₃）が生成される。このＤＰＦ３２（３２ｔ）は、ＰＭを捕集するためのセラミックフィルタなどで形成されるが、尿素の酸化を防止するために、セラミックフィルタには、強力な酸化触媒（例えば貴金属触媒）を塗布しない構成としたり、また尿素の加水分解を促進するために加水分解触媒を塗布するようにする。

ＤＰＦ３２（３２ｔ）で分解したアンモニアは、ターボチャージャ１３で撹拌され、ＳＣＲ３４に供給されてＮＯｘを還元除去する。

またＤＰＦ３２（３２ｔ）の上流側で噴射されて分解された、アンモニアの一部は、排気ガス中に含まれるＳＯｘと、
２ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ＋ＳＯ₃→（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄
の反応で、硫酸アンモニウム（硫安）が生成する。

この硫酸アンモニウムは、後段のＤＰＦ３２（３２ｔ）でＰＭを燃焼させた後に生じる灰分成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）と（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄が
（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄＋ＣａＣＯ₃→（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃＋ＣａＳＯ₄
の反応を生じ、炭酸アンモニウムが生成する。

炭酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃）は、尿素の加水分解温度（１３２．７℃）より低い５８℃で分解し、
（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃→２ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂
の反応で、ＮＨ₃が生成する。

このアンモニアは、後段のＳＣＲ３４で捕捉されて、ＮＯｘ浄化反応に使用される。

このように、従来では、ＳＣＲの上流側で、尿素水を噴射し、排気ガスのもつ温度で加水分解してアンモニアを生成していたため、排気ガスの温度が低いときには尿素噴射が行えず十分なＮＯｘ除去率が得られない場合があるが、本発明では、ＤＰＦ３２（３２ｔ）の上流側で尿素を噴射することで、尿素を分解するに十分な温度が得られる。また生成したアンモニアの一部は、ＤＰＦ３２（３２ｔ）の再生で生じ、ＤＰＦ３２（３２ｔ）内に捕集されている炭酸カルシウムと反応することで、硫酸カルシウムと炭酸アンモニウムとなり、硫酸カルシウムはそのままＤＰＦ３２（３２ｔ）内に残り、炭酸アンモニウムが熱分解することで、アンモニアを生成でき、これをＳＣＲ３４でのＮＯｘ浄化に用いることができる。

また本発明では、ＤＯＣ３１（３１ｐ、３１ｔ）に吸着させたＨＣは、ＤＰＦ３２（３２ｔ）の再生時のディーゼルエンジン１０のポスト噴射（或いは排気管噴射）により排気ガス温度を上昇させたときの脱離・酸化を利用してＤＰＦ３２（３２ｔ）の再生時の補助熱に利用することができるものである。

これにより、ＤＰＦ３２（３２ｔ）は、従来のＤＰＦに比べてその容積を小さくすることが可能となる。

図３は、ＤＰＦ径の減少率と、ＤＰＦ圧力損失、トルク、エキゾーストマニホールド圧力等の本発明と従来例の関係を示したもので、図３（ａ）はＤＰＦ径の減少率とＤＰＦ圧力損失の関係、図３（ｂ）はＤＰＦ径の減少率とエキゾーストマニホールド圧の関係、図３（ｃ）はＤＰＦ径の減少率とトルクの関係を示したものである。

この図３から分かるように、エンジン性能に及ぼす影響を同一にした場合、本発明は、タービン膨張比の影響がない分、従来例と比較して、ＤＰＦ圧力損失、トルク、エキゾーストマニホールド圧に及ぼす影響は相対的に少なくでき、従来例に比べて同一長さで４０％ほどＤＰＦの直径を小さくできる。

すなわち、従来においてはタービンの下流側にＤＰＦを配置しているため、ＤＰＦ圧損が生じ、このためＤＰＦの容積も大きくなるが、本発明では、タービンの上流側にＤＰＦが配置されるためタービン出口圧の低下分、ＤＰＦの容積を減少できる。

次に、図４は、本発明と従来例でのＤＰＦの入口温度の経時変化を示したものである。

この図４より、本発明は、ＤＰＦをターボチャージャの上流に設置することで従来例よりＤＰＦをエンジンに近接できるため、従来例の２５０℃以下のＤＰＦ入口温度に比べてＤＰＦ入口の温度を１００℃以上高く保つことができる。

ＤＰＦの連続再生領域は排気ガス温度が２５０〜５００℃で、自動再生領域は５００℃を超える温度で行うが、本発明では、排気ガスの温度が、連続再生可能な２５０℃以上となる頻度が高く、これによりＤＰＦの自動再生間隔を延ばすことができる。

また本発明は、図５のように従来例に比べて所定温度までの昇温時間を短縮できる。

このように、本発明は、これらの優位性を踏まえて、ＤＯＣのＨＣ吸着・酸化制御を行いＤＰＦの連続再生（ＤＰＦ入口温度２５０℃〜５００℃）ができる頻度を向上させることができる。

この連続再生制御のフローチャートを図６により説明する。

先ず、図６（ａ）に示すように、ＤＯＣの入口側とＤＰＦ出口側の差圧（ΔＰ）を差圧測定し、この差圧ΔＰから、連続再生判定差圧（ΔＰ_L）と自動再生判定差圧（ΔＰ_H）を設定し、またＤＰＦ入口（Ｔ）温度を測定し、連続再生制御開始温度（Ｔ_L）、連続再生制御終了温度（Ｔ_H）、自動再生開始温度（Ｔ_A）を設定しておく。

この差圧と温度設定により、図６（ｂ）に示すように、ステップＳ１で連続再生制御開始を行う際に、ステップＳ２でＴとΔＰの測定を行い、ステップＳ３の判断でΔＰ≧ΔＰ_Lかどうかを判断する。ステップＳ３で、差圧（ΔＰ）が、連続再生判定差圧（ΔＰ_L）を下回るとき（Ｎｏ）にはステップＳ２のＴとΔＰの測定を引き続き行い、連続再生判定差圧（ΔＰ_L）以上のとき（Ｙｅｓ）には、ステップＳ４の判断でΔＰ≦ΔＰ_Hかどうかを判断する。ステップＳ４で、差圧（ΔＰ）が、自動再生判定差圧（ΔＰ_H）以下のときには、ステップＳ５の判断で、Ｔ≦Ｔ_Hかどうかを判断する。ステップＳ５で、ＤＰＦ入口（Ｔ）温度が、連続再生制御終了温度（Ｔ_H）以下のとき（Ｙｅｓ）には、ステップＳ４でポスト噴射（又は排気管噴射）を行って排気ガス温度を上げて連続再生を行い、ステップＳ７の判断で、Ｔ≦Ｔ_Lかどうかを判断し、下回るときには、ステップＳ６のポスト噴射を継続して連続再生を行い、ステップＳ７で、連続再生制御開始温度（Ｔ_L）を超えるとき（Ｙｅｓ）のときには、ステップＳ８で、ΔＰ≦ΔＰ_Lかどうかを判断する。ステップＳ８の判断で、差圧（ΔＰ）が、自動再生判定差圧（ΔＰ_L）を下回らないとき（Ｎｏ）には、ステップＳ６のポスト噴射を継続して連続再生を行い、自動再生判定差圧（ΔＰ_L）以下となったとき（Ｙｅｓ）には、ステップＳ９で連続再生制御終了とする。

また、ステップＳ５の判断で、ＤＰＦ入口（Ｔ）温度が、連続再生制御終了温度（Ｔ_H）を超えるとき（Ｎｏ）には、ステップＳ８の判断に移して、差圧（ΔＰ）の判断を行う。なお、図では示していないが、ステップＳ５の判断で連続再生制御終了温度（Ｔ_H）を超え、自動再生開始温度（Ｔ_A）を超えるかどうかをさらに判断し、超えるときには、ステップＳ８の判断に移すことなく自動再生制御のステップＳ１０に移す。

さらに、ステップＳ４の判断で、差圧ΔＰが、自動再生判定差圧（ΔＰ_H）を超えるときには、直ちにステップＳ１０の自動再生制御を行う。

この制御フローにおいて、図４に示したように、本発明では、ＤＰＦ入口温度が２５０℃を超える頻度が多くなるため、ポスト噴射がなくとも連続再生制御が行える。この場合、ＤＯＣにＣｅＯ₂、ＺｒＯ₂等のＣＯを多く吸着できる材料を使用することでさらにＤＯＣの発熱量を増やすことも可能である。

以上より本発明は、自動再生の間隔を従来例に比べて図７（ａ）に示すように大幅に伸ばすことができると共に、図７（ｂ）に示すように本発明はＤＰＦ再生時の燃料消費量を少なくできるため、ＣＯ₂排出量を低減できる。

次に本発明と従来例のＳＣＲの浄化性能を比較して説明する。

従来例の配置では、尿素を噴射して均一拡散させるためには、尿素噴射位置からＳＣＲ入口まで少なくとも２５ｃｍ以上の距離が必要となる。

これに対して本発明は、ＤＯＣは、排気ポートから排気マニホールド間で、図１に示した気筒毎に配置するＤＯＣ３１のみ、または図２に示した気筒毎に配置するＤＯＣ３１ｐと、ターボチャージャ１３の前に配置する後段ＤＯＣ３１ｔで構成される。

排気温度およびＨＣ／ＣＯ濃度により図１のＤＯＣ３１のみの構成も可能である。また、ＨＣ・ＣＯ濃度が高い場合は、前段ＤＯＣ３１ｐには排気ガスの上流にＣＯ浄化に優れるＯＳＣを有する材料（ＣｅＯ₂、ＺｒＯ₂等）と酸化物半導体を含む触媒を配置し、後段ＤＯＣ３１ｔにはＨＣ浄化に優れるＰｔ触媒を配置することで低温活性に優れる触媒構成が得られる。

また本発明においては、高圧ＥＧＲ管２１Ｈにて、還流する排気ガスはＤＯＣ３１、３１ｐの通過後でかつ尿素噴射位置の前方の排気管（排気マニホールド１２）から分岐するものである。このＤＯＣ３１、３１ｐ通過後のガスを還流することで、ガス中のＳＯＦ分を低減できるため、ＥＧＲクーラ２２ＨやＥＧＲバルブ２３Ｈの詰まり等のＳＯＦによる影響を抑制できる。

さらに低圧ＥＧＲ管２１Ｌにて還流する排気ガスは、ＳＣＲ３４の後段から分岐して、ターボチャージャ１３のコンプレッサ１４を介して吸気と共に昇圧してディーゼルエンジン１０に還流するものである。ＤＯＣ３１（３１ｐ、３１ｔ）、ＤＰＦ３２、３２ｔ、ＳＣＲ３４を通過後の排気ガスを還流することで、排気ガス中のＳＯＦ分、ＰＭ、ＮＨ₃を低減できるため、ＥＧＲクーラ２２ＬやＥＧＲバルブ２３Ｌの詰まり、腐食等を抑制できる。

次に、ＤＰＦの上流側での尿素噴射の効果について説明する。

ＤＰＦ３２、３２ｔの上流側に尿素噴射ノズル３３、３３ｔを設置すると、噴射した尿素が、ターボチャージャ１３内で撹拌・拡散するために尿素の加水分解や熱分解が促進される。

このため、尿素噴射ノズル３３、３３ｔからＳＣＲ３４までの距離を近接化できる。さらにはターボチャージャ１３通過後の排気管中への噴霧拡散が均一化する。加えて、図４に示すとおりＤＰＦ出口の温度を従来より１００℃以上高く保つことができるので、図８（ａ）、図８（ｂ）のとおり尿素からＮＨ₃への生成率向上が可能となり、ＪＥ０５モード平均でＳＣＲのＮＯｘ浄化率が３０％以上改善できる。

また本発明は、高ＥＧＲ燃焼でＳＯｘによる排気管、タービンの腐食を以下の反応を利用して抑制できる効果がある。

まず、ＮＨ₃とＳＯ₄等が反応して、２ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ＋ＳＯ₃→（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄が生成する。生成した硫酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄）は中和物なので腐食の問題はない。さらに、後段のＤＰＦでＰＭを燃焼させた後に生じる灰分成分であるＣａＣＯ₃と（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄が
（ＮＨ₄）₂ＳＯ₄＋ＣａＣＯ₃→（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃＋ＣａＳＯ₄
の反応を生じる。生成した炭酸アンモニウム（（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃）は５８℃以上で次のような熱分解を生じる。
（ＮＨ₄）₂ＣＯ₃→２ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂

この熱分解で生じたＮＨ₃はＤＰＦの後段のＳＣＲで捕捉されて、ＮＯｘ浄化反応に使用される。

本発明は、ＤＰＦの気孔率や気孔径、壁厚を適正化して、浄化特性は同等でかつ圧力損失の少ない構造とすることで従来に比べて体積を５０％以上低減した小型ＤＰＦを使用することができる。さらには、ＤＰＦ前で噴霧する尿素の酸化を防止するためにＤＰＦには貴金属触媒を塗布しない構成とする。この場合、触媒を塗布しないＤＰＦ、もしくは塩基性の大きい希土類酸化物やアルカリ土類酸化物系の触媒を塗布したＤＰＦを使用する。また、ＤＰＦに加水分解触媒を塗布することでさらにＮＨ₃生成率向上が可能となる。その結果、ＮＯｘ浄化率も向上する（図９（ａ）、図９（ｂ））。

また本発明は、ＳＣＲに触媒担体（モノリス触媒）等を用いて、比体積当たりの触媒量を増加させて従来比５０％以上低減した小型ＳＣＲを使用することができる。

尚、本発明は、用途に応じてＳＣＲ後段にＮＨ₄スリップ用のＤＯＣを配置することもできる。

１０ディーゼルエンジン
１３ターボチャージャ
３０排気経路
３１ＤＯＣ
３２ＤＰＦ
３３尿素噴射ノズル
３４ＳＣＲ

Claims

エンジンの排気ポートからターボチャージャとの間の排気経路にＤＯＣとＤＰＦを設置し、そのＤＰＦの上流側に尿素噴射ノズルを配置し、ターボチャージャ下流側の排気管にＳＣＲを配置したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
エンジンの各排気ポートにＤＯＣを配置し、排気マニホールドとターボチャージャ間にＤＰＦを配置すると共にそのＤＰＦの上流側に尿素噴射ノズルを配置し、ターボチャージャ下流側の排気管にＳＣＲを配置したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
エンジンの各排気ポートに前段ＤＯＣを配置し、排気マニホールドとターボチャージャ間に、後段ＤＯＣとＤＰＦを配置し、その後段ＤＯＣとＤＰＦ間に尿素噴射ノズルを配置し、ターボチャージャ下流側の排気管にＳＣＲを配置したことを特徴とする排気ガス浄化装置。
前記前段ＤＯＣ内の触媒層が、ＣＯ浄化に優れるＯＳＣを有する材料と酸化物半導体を含む触媒を配置して形成され、前記後段ＤＯＣ内の触媒層が、ＨＣ浄化に優れる金属触媒を配置して形成される請求項３記載の排気ガス浄化装置。
前記前段ＤＯＣ内の触媒層が、ＯＳＣを有する酸化物と酸化物半導体を混在した触媒を触媒を配置して形成され、前記後段ＤＯＣ内の触媒層が、ＨＣ吸着材と貴金属触媒が混在した触媒を配置して形成される請求項３記載の排気ガス浄化装置。
前記ＯＳＣを有する酸化物がＣｅを含む酸化物で、酸化物半導体がＴｉＯ₂、ＺｎＯ、Ｙ₂Ｏ₃である請求項４又は５記載の排気ガス浄化装置。
排気マニホールドの排気ガスをエンジンの吸気側に戻す高圧ＥＧＲ管と、前記ＳＣＲ下流側の排気ガスをターボチャージャのコンプレッサの吸気側に戻す低圧ＥＧＲ管を備えた請求項１〜６のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。
前記尿素噴射ノズルで噴射し、尿素から生成したアンモニアの一部が排気ガス中のＳＯｘと反応して硫酸アンモニウムが生成され、さらに後段のＤＰＦでＰＭを燃焼させた後に生じる灰分成分である炭酸カルシウムと前記硫酸アンモニウムとが反応して炭酸アンモニウムと硫酸カルシウムが生成され、かつ生成した炭酸アンモニウムが熱分解されて生成したアンモニアが前記ＳＣＲでのＮＯｘ浄化反応に使用される請求項１〜６のいずれかに記載の排気ガス浄化装置。