JP5431966B2 - 排気ガス後処理システム（ｅａｔｓ） - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼル機関の排気ガスを浄化する方法および装置に関し、特に、ディーゼル機関の排気ガスを浄化する方法および装置において、排気ガスに含まれる微粒子とＮＯｘとを除去することができる方法および装置に関する。

現在の自動車市場における法規制により、現在の自動車に対して燃費の向上および排出物の減少がますます求められている。これらの規制と、自動車に高い性能と素早い応答性とを求める消費者の要求とを両立する必要がある。

ディーゼル機関は、最大約５２％の効率を有しており、それ故に化石エネルギーの最良の転換手段である。ＮＯｘ排出濃度は、局所酸素原子濃度と局部温度とに依存する。しかし、この高い効率は、高い燃焼温度によってのみ得られるものであり、ＮＯｘレベルが高くなることを免れない。さらに、ＮＯｘと粒子状物質との相反関係として周知のように、内部手段（空気／燃料比）によりＮＯｘの生成を抑制すると、微粒子が増加する傾向がある。さらに、ディーゼル機関の排気ガス中に酸素が過剰に含まれていると、ＮＯｘ削減のために８０年代後半からガソリン機関式自動車に用いられている化学量論的三元触媒技術の利用を妨げることになる。

ディーゼル機関の排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）と粒子状物質（ＰＭ）とを減少させることは、環境保護と限りある化石エネルギー源の節約とに鑑みて、非常に重要な問題になっている。

来るべき法規制化（ＵＳ１０、ＥＵ ＶＩ等）に向けて、排気装置においてディーゼル酸素触媒（ＤＯＣ）とディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）と選択触媒還元（ＳＣＲ）触媒とを組み合わせる必要があるものと思われる。

最大限の燃料効率を得られるようシリンダ内燃焼を最適化すると概して、排気ガス中のＮＯｘレベルが高くなる。このことは今日の厳しい排出規制の課題となっている。というのも、後処理システムではある一定量のＮＯｘしか削減することができないからである。つまり、燃料効率と排出量の遵守とは相反関係にある。

エンジンのＮＯｘ排出量が減少すると、同時に受動的ＤＰＦ再生機能が低下する。これにより、Ｏ_２を利用したＤＰＦ再生（適用可能な場合）の頻度が増加することがあり、その結果、ＥＡＴＳシステム（ＤＯＣ＋ＤＰＦ＋ＳＣＲ）の劣化が加速する傾向がある。従って、受動的再生機能が低下すると、より大型のＥＡＴＳシステムを用いることによって加速的な劣化を補償することが必要となり得る。さらに、Ｏ_２を利用した再生の際に、余分な燃料の損失が生じる。

国際公開第２００６／０４０５３３号パンフレット

ディーゼル機関の排気ガスを浄化するための先行技術による方法および装置には、上述のような問題がある。

本発明の目的は、上述の問題が少なくとも軽減された排気ガス後処理システムおよび方法を提供することである。

この目的は、独立請求項に記載の特徴によって達成される。その他の請求項および本明細書の詳細な説明には、本発明の有利な実施形態を開示している。

本発明の第１態様として、排気ガス後処理システムは、ディーゼル機関の下流に配設されるディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）を備える。選択触媒還元機構（ＳＣＲ）が、このＤＰＦＵと連通して設けられる。還元剤を排気ガス中に供給する第１の噴射器が、ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）の下流かつ選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流に設けられる。少なくとも１つのＮＯｘセンサが、選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の下流に設けられており、少なくとも１つのＮＯｘ信号をＮＯｘ調整装置に送る。少なくとも１つの温度センサが、選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流および／または下流に設けられており、少なくとも１つの温度信号をＮＯｘ調整装置に送る。このＮＯｘ調整装置は、少なくとも１つのＮＯｘ信号および／または少なくとも１つの温度信号に基づいて、ディーゼル機関を高ＮＯｘモードまたは低ＮＯｘモードに切り替える役割を果たす。

本発明の利点は、受動的なすすの生成を最大限に高めることである。

本発明の他の利点は、Ｏ_２を利用する能動的再生の回数を最小限に抑えることができることである。

本発明のさらに他の利点は、少ない燃料と還元剤の消費で、ＮＯｘ排出量を法規制レベル未満に維持できるところにある。

本発明のさらにまた他の利点は、エンジンの最適化により、適正なＮＯｘ排出レベルにおいて燃料消費量を最小限に抑えることができることである。

本発明のさらに他の利点は、ＳＣＲ触媒によるＮＯｘ転換効率の利用も最適化することである。

また別の利点は、受動的再生のためにエンジンを最適化できることである。

本発明のさらに他の利点は、Ｏ_２を利用した能動的再生の回数を最小限に抑えられることである。

本発明のさらに別の利点は、動作環境の影響（異なる転換効率）を補償し、かつ／またはＳＣＲとエンジンとに対する経時的な影響を補償するところにある。

本発明のまた他の利点は、ＳＣＲシステムに関わる問題の検出が可能となることである。

本発明のまた別の利点は、使用するＳＣＲ触媒が小型ですみ、費用と空間と重さとの全てにおいて有利になることである。

例えば、排気ガス再循環（ＥＧＲ）の量、給気圧力、燃料噴射タイミング、燃料噴射圧、燃料噴射回数のうち１つ以上のパラメータを変化させることによって、エンジンを上述の低ＮＯｘモードまたは高ＮＯｘモードへ切り替えることができる。ＮＯｘ信号が所定の閾値を上回るとき、この高ＮＯｘモードから低ＮＯｘモードへの切り替えが行われてよい。ＮＯｘ信号が所定の閾値を下回り、かつ、温度信号が第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との間にあるとき、低ＮＯｘモードから高ＮＯｘモードへの切り替えが行われてよい。また、この低ＮＯｘモードから高ＮＯｘモードへの切り替えは、タンク内のＮＯｘ還元剤量に基づいて行われてもよい。

本発明の実施形態において、ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）は、酸化触媒材料により被覆されたディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）からなる。これによる利点は、必要な空間と重さと費用とをさらに低減できることである。

他の実施形態において、ディーゼル機関とＤＰＦＵとの間に発熱体を配設する。この実施形態の利点は、エンジンの負荷および回転数にかかわらず、ＥＡＴＳの最適運転温度を適宜得られることである。

本発明のさらに他の実施形態において、ＮＯ_２還元触媒を、ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）と選択触媒還元機構（ＳＣＲ）との間にこれらと連通して設ける。この実施形態の利点は、ＳＣＲに対するＮＯ／ＮＯ_２比を、ＥＡＴＳの経年数にかかわらず、最適化できることである。

本発明のまた別の態様として、この排気ガス後処理方法は、ディーゼル機関と連通して設けられるディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）においてＮＯを酸化させてＮＯ_２に転換し燃焼微粒子を捕捉する段階と、このＤＰＦと連通して配置される選択触媒還元機構（ＳＣＲ）においてＮＯ_２をＮＯに還元する段階と、ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）の下流かつ選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流に配置される第１の噴射器により還元剤を排気ガス中に噴射する段階と、選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の下流に配設される少なくとも１つのＮＯｘセンサからＮＯｘ調整装置にＮＯｘ信号を送る段階と、選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流および／または下流に配設される少なくとも１つの温度センサからＮＯｘ調整装置に温度信号を送る段階と、少なくとも１つのＮＯｘ信号および／または少なくとも１つの温度信号の値に基づいて、ディーゼル機関を高ＮＯｘモードまたは低ＮＯｘモードに切り替える段階とを含む。

本発明のまた他の態様として、コンピュータ可読媒体に格納可能なコンピュータプログラムは、ディーゼル機関と連通して設けられるディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）においてＮＯを酸化させてＮＯ_２に転換し燃焼微粒子を捕捉する段階と、このＤＰＦと連通して配置される選択触媒還元機構（ＳＣＲ）においてＮＯをＮ _２ に還元する段階と、ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）の下流かつ選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流に配置される第１の噴射器により還元剤を排気ガス中に噴射する段階と、選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の下流に配設される少なくとも１つのＮＯｘセンサからＮＯｘ調整装置にＮＯｘ信号を送る段階と、選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流および／または下流に配設される少なくとも１つの温度センサからＮＯｘ調整装置に温度信号を送る段階と、少なくとも１つのＮＯｘ信号および／または少なくとも１つの温度信号の値に基づいて、ディーゼル機関を高ＮＯｘモードまたは低ＮＯｘモードに切り替える段階と、を含む方法に用いられるプログラムコードからなる。

インターネット接続されたコンピュータ上で実行すると、このプログラムが支持装置またはその構成要素のひとつにダウンロードされるように、このコンピュータプログラムを適合させてもよい。

内燃機関と流体接続される、本発明による排気ガス後処理システムの第１実施形態の略図である。 内燃機関と流体接続される、本発明による排気ガス後処理システムの第２実施形態の略図である。 内燃機関と流体接続される、本発明による排気ガス後処理システムの第３実施形態の略図である。 内燃機関と流体接続される、本発明による排気ガス後処理システムの第４実施形態の略図である。 内燃機関と流体接続される、本発明による排気ガス後処理システムの第５実施形態の略図である。

以下、添付図面を参照しながら、例として挙げる本発明の実施形態をより詳細に説明する。

図面において、同一または同等の要素を同一の参照符号によって示す。これらの図面は、例示的な略図にすぎず、本発明の特定のパラメータを表すことを意図するものではない。さらに、これらの図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すことを意図しており、従って本発明の範囲を制限するものとみなされるべきではない。

図１に、本発明による排気ガス後処理システム（以下、ＥＡＴＳと称する）１００の第１実施形態を略図で示す。このＥＡＴＳは、内燃機関１１０、例えばディーゼル機関に流体接続される。ＥＡＴＳ１００は、ディーゼル微粒子フィルタ装置（以下、ＤＰＦＵと称する）１２５と、選択触媒還元部（以下、ＳＣＲと称する）１５０と、第１の還元剤噴射器１４５と、温度センサ１５６と、ＮＯｘセンサ１４８と、ＮＯｘ調整装置１１２とからなる。

ＤＰＦＵ１２５は、内燃機関１１０と直接連通する。このＤＰＦＵ１２５は、ディーゼル酸化触媒（以下、ＤＯＣと称する）１２０とディーゼル微粒子フィルタ（以下、ＤＰＦと称する）１３０とからなる。ＤＯＣ１２０は、この実施形態ではＤＰＦ１３０の上流に配置される。

ＤＯＣ１２０において起こる反応を、次のように表すことができる：

ＤＯＣ１２０の温度は、特に触媒材料とＨＣ、ＣＯおよびＯ_２の量と質量流量とに依存する。触媒反応は、ＤＯＣ１２０において約２００°Ｃで始まることがあり、約３００〜４００°Ｃという最大触媒反応温度に達することがある。この最大触媒反応温度に達すると、その後、平衡反応によって反応が鈍化することがある。次式の逆反応は、式（１）のものより温度依存性が高い：

ＤＯＣ１２０は通常、コーディエライト製または金属製で、モノリシック構造に構成される。このモノリシック構造を、金属酸化物のベースとプラチナおよび／またはパラジウムであってよい貴金属との形である触媒材料を用いて被覆してもよい。

ＤＰＦ１３０において起こる反応を、次のように表すことができる：

【００４１】
【数３】
２ＮＯ_２ ＋ Ｃ → ２ＮＯ ＋ ＣＯ_２

ＤＰＦ１３０の温度は、ＤＰＦ１３０におけるすす層の厚さによって左右される場合があり、約２００°Ｃまで低温になることもあるが、約２５０°Ｃを上回る温度において効果的となる。約７００°Ｃより高温となると、ＤＰＦ１３０そのものとＤＰＦ１３０の下流に配置される触媒との経時変化に多大な影響が及ぶ。

ＤＰＦ１３０を、多孔質のコーディエライトまたは炭化けい素または焼結金属粉から構成してよい。この多孔質の構造を、金属酸化物のベースとプラチナおよび／またはパラジウムであってよい貴金属との形である触媒材料を用いて被覆してもよい。

過度に低温であったり、かつ／またはエンジンからのＮＯｘ／すすが少なすぎたりすると、ＤＰＦ１３０において捕捉されるすすの量が過剰になるが、この場合、ＤＰＦＵ１２５の上流で任意の発熱体を用いてＤＰＦ１３０を適切な動作温度に加熱することができる。この発熱体は、様々な形態をとってよい。例示的な第１実施形態では、図１に１１１として示すように、ディーゼルを内燃機関１１０の１つ以上のシリンダ内にポスト噴射することおよび／またはディーゼル燃料をＤＯＣ１２０の上流の排気装置内に噴射することによって、ＤＰＦ１３０の温度を適宜上昇させることができる。このような状況下でのＤＯＣ１２０における反応を、上述の式（１）に代わり、次の式（４）で表すことができる：

【００４５】
【数４】
３Ｏ _２ ＋ ２ＣＨ _２ → ２ＣＯ _２ ＋ ２Ｈ _２ Ｏ

反応（４）の温度は、特にＨＣの量に依存する。この反応は、２００°Ｃで始まって約３５０°ＣのＤＯＣ出口温度に達する場合もあるが、２８０°Ｃで始まって６００°Ｃのピーク温度に達する場合もある。

触媒材料および／またはＤＯＣ１２０における温度によって、式（１）と式（４）のいずれかが優位になる。ＤＯＣ１２０の目的が排気ガスの温度を上昇させることである場合は、反応（４）に対して最適化すればよく、ＤＯＣ１２０の目的がＮＯ_２を生成することである場合は、式（１）に対して最適化すればよい。

また他の例として、発熱体は電気加熱触媒であってもよい。

ＮＯｘ／すすの値が高い場合は、ＤＯＣ１２０における温度を約４００°Ｃに高めることで、反応（１）を妨げるＳＯｘを除去するだけでよい。

ＤＰＦ１３０において起こるまた他の反応は、次の通りである：

【００５１】
【数５】
Ｏ _２ ＋ Ｃ → ＣＯ _２

反応（５）の温度は約６００°Ｃであり、この温度は、フィルタが触媒被覆される場合または燃料に触媒が添加される場合に幾分低くなることがある。低温になると、すす粒子によって吸収される触媒材料を燃料に添加することが必要となり得る。

この実施形態では、ＳＣＲ１５０をＤＰＦＵ１２５の下流に配置する。ＳＣＲ１５０で生じる反応を、次式で表すことができる：

【００５４】
【数６】
４ＮＯ ＋ ４ＮＨ _３ ＋ Ｏ _２ → ４Ｎ _２ ＋ ６Ｈ _２ Ｏ

【００５５】
【数７】
２ＮＯ ＋ ２ＮＯ _２ ＋ ４ＮＨ _３ → ４Ｎ _２ ＋ ６Ｈ _２ Ｏ

【００５６】
【数８】
６ＮＯ _２ ＋ ８ＮＨ _３ → ７Ｎ _２ ＋ １２Ｈ _２ Ｏ

【００５７】
【数９】
４ＮＯ _２ ＋ ４ＮＨ _３ → ２Ｎ _２ ＋ ２Ｎ _２ Ｏ ６Ｈ _２ Ｏ

反応（７）は、反応（６）〜（９）の中で最速の反応であるため、反応（９）を防ぐためには、ＮＯ／ＮＯ_２の比を約５０：５０に維持しなければならない。

反応（７）は、ＳＣＲ１５０の温度が約２００°Ｃ以上の範囲で有効となり得る。この反応はかなり低温で始まるものの、低温になるほど反応が鈍化する。ＳＣＲ１５０における反応（６）の開始温度は、約２５０°Ｃであることもある。開始点および温度範囲は、選択されるＳＣＲ１５０の触媒材料によって若干左右される。

ＳＣＲ１５０は、コーディエライト製または金属製で、モノリシック構造に構成されてよい。この構造を、酸化バナジウムをトップコート層とする一定量の酸化タングステンを含有する酸化チタン、またはゼオライトを含むコーティングのいずれかを用いて被覆してもよい。ゼオライトは、何らかの鉄または銅または何らかのその他適切な非イオン性物質（anti ion）を含んでよい。酸化バナジウム触媒がモノリシック構造に押出成形されることも、すなわち触媒と構造とが同じ材料により製作されることもある。

図１に示す実施形態では、噴射器１４５を、ＤＰＦＵ１２５とＳＣＲ１５０との間に配置する。この噴射器は、ＳＣＲ１５０の上流において還元剤を噴射する。この還元剤は、尿素、アンモニア、アンモニア水、炭酸アンモニウムまたはアンモニアを吸収することができる金属塩化物であってよい。

ＮＯｘ調整装置１１２は、ＮＯｘセンサ１４８と温度センサ１５６とから情報を受信する。ＮＯｘセンサと温度センサとを用いて、ＳＣＲシステムの効率を最適化することができる。ＳＣＲシステム１５０の効率は、温度および／または経時変化の状態に依存することがあるが、様々なエンジンモードを最適化することにより最良の全体効率を実現できる。瞬間的なＳＣＲ効率は、温度センサ１５６およびＮＯｘセンサ１４８を用いて測定可能である。

例えば、ＳＣＲ触媒１５０と排気とが、良好なＮＯｘ転換が可能な物理的／化学的状態にある場合、モードをＤＰＦ１３０の受動的再生の促進に適したモードに切り替えることができる。これに作用するパラメータは、例えば温度、排気質量流量、ＮＯｘ組成、アンモニア吸収、有害物質（炭化水素および金属等）の吸収および熱劣化状態である。ＳＣＲ１５０の効率が高いＮＯｘ転換効率が可能な範囲にある場合、例えば高ＮＯｘモードに切り替えて、ＤＰＦ１３０の再生をより良好に行うことができる。高ＮＯｘモードでは通常、燃料消費量はさらに低減されるものの、還元剤の消費量が増加することがある。ＳＣＲ１５０が、ＮＯｘ転換効率が高くない状態、例えばＳＣＲ１５０の温度が一時的に比較的低いレベルになっている場合、エンジンからのＮＯｘ排出量を減少させることにより、排気管における所望のＮＯｘ排出量を得ることができる。

エンジンからのＮＯｘ排出量は、ＳＣＲ１５０の下流に配設されるＮＯｘセンサ１４８により測定される。ＮＯｘセンサ１４８の測定値（およびＮＯｘ転換効率）に基づいて、エンジンからのＮＯｘ排出量が制御される。エンジンからのＮＯｘ排出量の値は、ＮＯｘ調整装置１１２により連続的に制御される。ＮＯｘ調整装置１１２は、２つの定常モード間の関数を用いて、所望のエンジンＮＯｘ排出量を求める。ＳＣＲ１５０における転換効率が急速に変化することはないが、ＳＣＲ１５０の後のＮＯｘレベルは、ＳＣＲ１５０の手前のＮＯｘレベルに追従している。このため、ＮＯｘセンサ１４８および温度センサ１５６から情報を得るＮＯｘ調整装置１１２によって、閉ループ制御を行うことができる。ＮＯｘ調整装置は、制御装置であり、さらに制御用の所定値（閾値）を格納している。エンジンが常に低ＮＯｘモード（高すすモード）にある場合、これが触媒の損傷を示している可能性がある。

温度センサ１５６からの温度信号とＮＯｘセンサ１４８からのＮＯｘ信号とが供給されるＮＯｘ調整装置１１２は、これらの信号の値に基づいて、エンジンを少なくとも２つの異なるモード、すなわち高ＮＯｘモードと低ＮＯｘモードとに設定することができる。ＮＯｘ調整装置は、エンジンの運転を調整することが、すなわちＮＯｘ調整装置は、特に、排気ガス再循環（ＥＧＲ）量と；ターボ過給機の給気圧力と；燃焼室へのメインおよび／または補助燃料噴射のタイミングと；燃料噴射圧力と；燃焼室内の温度と；エンジンの作動サイクル毎の燃料噴射回数のうち１つ以上のパラメータを変化させることができる。例えば、ＥＧＲが増加すると、ＮＯｘが減少し、給気圧力が増加すると、ＮＯｘが増加し、燃料噴射タイミングが遅延すると、ＮＯｘが減少する。

ＳＣＲ１５０は、第１の温度Ｔ１から第２の温度Ｔ２までの温度区間内において、ＮＯからＮ _２ への転換機能が高い、最適または最良の運転範囲を有する。第１の温度および第２の温度の値は、特にＳＣＲ１５０の種類とＳＣＲ１５０の経年数とに依存する。この温度区間、特に第１の温度Ｔ１は、ＮＯ／ＮＯ_２の比に依存し、この比は、さらにＥＡＴＳ内の構成要素の以前の状態に依存する。Ｔ１およびＴ２は、排気ガスの空間速度にも影響される。年数を経たＳＣＲ１５０では、温度区間は、真新しいＳＣＲ１５０と比べて狭くなる。ＳＣＲ１５０は、特にＨＣおよび／またはアンモニアにより一時的に作用を阻害されることがある、すなわちＳＣＲ１５０を低温のＴ１において長時間使用すると、転換機能が減退する。このような作用の阻害は、ＳＣＲ１５０の温度を上昇させることによって解消することができる。この温度の上昇は、ＳＣＲ１５０の上流に配設される別途の発熱体、ＳＣＲ１５０の上流において燃焼室および／または排気装置内に流体を噴射すること、調節可能な制限手段（restriction）を用いてＳＣＲ１５０上流の背圧を高めること等の様々な手段によってもたらされてよい。

ＮＯｘ調整装置１１２は、高ＮＯｘモードから低ＮＯｘモードに変更するにあたり、ＮＯｘセンサからのフィルタ済み信号が所定閾値を上回らなければならない。この閾値は、規定値の何分の１（１に近い）であってよい。規定値としては通常、特定の値が与えられ、従って信号はこの値に変換されなければならない。

ＮＯｘ調整装置１１２は、低ＮＯｘモードから高ＮＯｘモードに変更するにあたり、ＮＯｘセンサ１４８からのフィルタ済み信号がある一定の値を下回るとともに、温度センサ１５６からの温度信号が示すＳＣＲ１５０の温度がＴ１およびＴ２の範囲内にあり、かつ／またはＤＰＦにおけるすすレベルが所定値を上回ることが必要である。このすす値を、ＤＰＦ全体の圧力降下または物理モデルと関連付けることができる。

ＮＯｘセンサ１４８による検出値が低値、すなわち閾値を下回っている限り、高ＮＯｘモードが適用されると言える。低ＮＯｘモードから高ＮＯｘモードに切り替わり、ＮＯｘセンサ１４８が閾値を上回るＮＯｘレベルを検出すると、ＮＯｘ調整装置１１２は直ちに再び低ＮＯｘモードに切り替える。このことは、何らかの一時的なＮＯｘ排出が起きていることを意味し、こうしたことは通常、閾値設定が大雑把すぎることによって引き起こされる場合がある。これは、パラメータが的確に測定されていないこと、例えば触媒の作用阻害または経時変化によって生じている可能性がある。こうしたことの発生を統計的に処理することにより、閾値を適応的に関連付けることができる。閾値がより厳密な値に設定されていれば、こうしたことは起こり得ない。

図２に、本発明のまた他の実施形態を示す。この実施形態と図１に開示されたものとの唯一の違いは、ＳＣＲ１５０の下流に第２の温度センサ１５７が配設され、ＳＣＲ１５０の上流に第２のＮＯｘセンサ１４７が配設されていることである。この実施形態では、ＳＣＲの上流の第１の温度センサと、ＳＣＲ１５０の下流の第２の温度センサと、ＳＣＲの上流の第１のＮＯｘセンサと、ＳＣＲ１５０の下流の第２のＮＯｘセンサとを設ける。この構成の利点は、ＳＣＲ１５０の内外において良好な温度制御が可能なことと、さらにＳＣＲ１５０の内外において良好なＮＯｘ制御が可能なことである。その結果、ひとつのモードからまた別のモードへの切り替える応答時間を短縮できるという効果がある。

図３に、本発明による排気ガス後処理システム（ＥＡＴＳ）１００のまた他の実施形態を示す。この実施形態と上述の実施形態との違いは、図１においてはＤＰＦＵ１２５が別途の装置となっているＤＯＣ１２０とＤＰＦ１３０とからなっているのに対して、ＤＰＦＵ１２５がＤＯＣ材料を用いて被覆されたＤＰＦ１２２からなることだけである。その他の特徴には、図１と同じ参照符号が用いられており、従って、機能性と構造とは図１のものと同じであってよいため、さらに説明する必要はない。図１に示す実施形態とのまた他の違いは、噴射器１１１が取り除かれているところである。この噴射器１１１は、図１に示す実施形態においても取り除かれていてよく、すなわち図１の噴射器１１１は任意であることは明らかである。

図２のＤＰＦＵ１２５において起こる反応は、図１に示すＤＰＦ１３０とＤＯＣ１２０とにおいて起こる反応、すなわち反応（１）および（３）と同様である。

図４に、本発明による排気ガス後処理システム（ＥＡＴＳ）１００のさらに他の実施形態を示す。この実施形態と図１に示す実施形態との違いは、別途の発熱体１２１が内燃機関１１０とＤＰＦＵ１２５との間に配置されるところである。ここで、図２および図３の実施形態と同様に、噴射器１１１は取り除かれている。この別途の発熱体１２１は、ディーゼルバーナまたはＤＰＦＵ１２５上流の排気装置における調節可能な絞り弁からなっていてよい。

図５に、本発明による排気ガス後処理システム（ＥＡＴＳ）１００のさらに他の実施形態を示す。この実施形態と図１に示す実施形態との違いは、ＮＯ_２還元触媒１４０とＳＣＲ１５０とが複合装置１５５として構成されることと、噴射器１３５がこの複合装置１５５の上流に配設されていることである。ひとつの実施形態において、ＮＯ_２還元触媒１４０を、ＳＣＲ基材上に区間コーティングとして構成してよく、すなわちＳＣＲ基材の少なくとも第１の部分はＮＯ_２還元触媒材料により被覆されてよく、ＳＣＲ基材の少なくとも第２の部分はＳＣＲ触媒材料により被覆されてよい。ＮＯ_２ 還元触媒およびＳＣＲ触媒材料を区間コーティングする順番を変更してもよい。ひとつの実施形態において、ＳＣＲコーティングの第２の区間の上流にＮＯ_２触媒コーティングの第１の区間がある。また他の実施形態では、複数のＮＯ_２コーティングが互いに離間して施され、これらのＮＯ_２コーティングの間にＳＣＲコーティングが施される。

また別の実施形態では、ＮＯ_２還元触媒１４０とＳＣＲ１５０とは、別々の装置として構成される。

さらにまた別の実施形態として、ＮＯ_２還元触媒材料を、ＤＰＦ基材上に区間コーティングとして構成してよく、すなわちＤＰＦ基材の少なくとも第１の部分はＤＯＣ還元触媒材料により被覆されてよく、ＤＰＦ基材の少なくとも第２の部分はＮＯ_２触媒材料により被覆されてよい。ＮＯ_２およびＤＯＣ触媒材料を区間コーティングする順番を変更してもよい。ひとつの実施形態において、ＮＯ_２コーティングの第２の区間の上流にＤＯＣ触媒コーティングの第１の区間がある。また他の実施形態では、複数のＤＯＣコーティングが互いに離間して施され、これらのＤＯＣコーティングの間にＮＯ_２コーティングが施される。

このＮＯ_２還元触媒１４０においては、次式のような反応が生じ得る：

【００７８】
【数１０】
２ＮＯ _２ ＋ ＣＨ _２ → ２ＮＯ＋ ＣＯ ＋ Ｈ _２ Ｏ

【００７９】
【数１１】
３ＮＯ _２ ＋ ＣＨ _２ → ３ＮＯ＋ ＣＯ _２ ＋ Ｈ _２ Ｏ

反応（１０）および（１１）から、ＮＯ_２還元触媒１４０が、ＮＯ_２をＮＯに還元することは明らかである。ＮＯ_２還元触媒１４０を用いない場合、ＤＯＣ１２０／ＤＰＦ１３０における最適な受動的再生およびＨＣ酸化と、ＳＣＲシステム１５０における高ＮＯｘ転換との関係が相反することになる。ＤＰＦ１３０および／またはＤＰＦＵ１２５の下流にＮＯ_２還元触媒１４０を追加することにより、このような相反関係の問題を解決することができる。ＮＯ_２還元触媒１４０は、バランサとして作用し、ＳＣＲ１５０に送られるＮＯ_２／ＮＯの比を釣り合わせる。ＮＯ_２還元触媒１４０によって、ＤＯＣ１２０および／またはＤＰＦ１３０に対して高貴金属負荷がかかる（良好なＮＯおよびＨＣ酸化が得られる）と同時に、ＳＣＲ１５０に対して最適なＮＯ_２／ＮＯ比を得ることができる。また、このＮＯ_２還元触媒１４０の上流において、１３５として示す噴射器を用いて燃料（ＨＣを基本とするディーゼル等の燃料）または尿素等の還元剤を添加することで、ＮＯ_２→ＮＯ還元を行ってもよい。また他の実施形態では、噴射器１３５および１４５を、単一の装置、すなわちＳＣＲ１５０とＮＯ_２還元触媒１４０との両方に還元剤を噴射する１つの噴射器としてもよい。

また、ＮＯ_２還元触媒１４０を用いることにより、年数を経たＳＣＲシステム１５０において最適な受動的再生とＨＣ酸化とが可能となる一方で、真新しいシステムにおいては依然として高いＮＯｘ転換効率を維持することが可能である。より小型のＳＣＲ触媒１５０を用いることも可能になるので、費用、空間、重さのいずれにおいても有利である。

ＮＯ_２還元触媒１４０の温度は、約２５０°Ｃ〜約６００°Ｃになることがあり、より詳細には特許文献１に記載されている。ＮＯ_２還元触媒１４０は、ゼオライト材料ベースのものであってよく、より詳細には特許文献１に記載されている。

本発明のまた他の実施形態として、ＤＰＦ基材上のＮＯ_２触媒区間コーティングとＳＣＲ基材上のＮＯ_２触媒区間コーティングとを組み合わせて用いる。このようなＮＯ_２コーティングを、ＤＰＦおよび／またはＳＣＲ装置の一方または両方の上において、単一区間として設けても、複数の区間として設けてもよい。

ＮＯｘセンサ１４８および／または温度センサ１５６のいずれかまたは両方を用いることにより、エンジンからのＮＯｘを、高ＮＯｘモードおよび低ＮＯｘモードのレベル間で連続的に制御することができる。

異なる実施形態を異なる図面おいて示したが、これらの図面に示す形態を組み合わせて実施することも可能であることを理解されたい。例えば、図１の実施形態を図２の実施形態と組み合わせてもよく、また他の組み合わせとして図１と図３とを用いてもよい。当業者に明らかなように、本発明のいずれか１つの実施形態をその他のいずれか１つまたは複数の実施形態と組み合わせることができる。

本発明の実施形態は、以上に記載し添付図面に示したものに限られない。むしろ、添付の特許請求の範囲の範疇においてこれらの実施形態に様々な変更及び修正を加えることができることが、当業者には理解できよう。

Claims (23)

1. ディーゼル機関の下流に配設されるディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）と、
   前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）と連通して配設される選択触媒還元機構（ＳＣＲ）と、
   前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）の下流かつ前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流に配設されて、排気ガス中に還元剤を供給する第１の噴射器と、
   前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の下流に配設されて、少なくとも１つのＮＯｘ信号をＮＯｘ調整装置に供給する少なくとも１つのＮＯｘセンサと、
   前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流及び／または下流に配設されて、少なくとも１つの温度信号を前記ＮＯｘ調整装置に供給する少なくとも１つの温度センサとを有しており、
   前記ＮＯｘ調整装置が、少なくとも１つの前記ＮＯｘ信号及び少なくとも１つの前記温度信号の値に基づいて、前記ディーゼル機関を高ＮＯｘモードまたは低ＮＯｘモードに切り替える役割を果たし、前記高ＮＯｘモードから低ＮＯｘモードへの切り替えが、前記ＮＯｘ信号が所定の閾値を上回るときに行われ、前記低ＮＯｘモードから高ＮＯｘモードへの切り替えは、前記ＮＯｘ信号が所定の閾値を下回り、かつ、前記温度信号が前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）においてＮ_２への転換機能が高い第１の温度（Ｔ１）と第２の温度（Ｔ２）との間にあるときに行われる、排気ガス後処理システム。
2. 前記ＮＯｘ信号の前記閾値が排出規制値に対応している、請求項１に記載の排気ガス後処理システム。
3. 前記第１の温度（Ｔ１）が、排気ガス流量及び／またはＮＯ_２／ＮＯ比のパラメータに依存している、請求項１に記載の排気ガス後処理システム。
4. 前記低ＮＯｘモードから高ＮＯｘモードへの切り替えがさらに、前記ＤＰＦＵ内の予測されるすす量に依存する、請求項１に記載の排気ガス後処理システム。
5. 前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）が、酸化触媒により被覆されたディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）である、請求項１に記載の排気ガス後処理システム。
6. 前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）は、ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）と、該フィルタの上流における、ＮＯをＮＯ_２に転換可能なディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）からなる、請求項１に記載の排気ガス後処理システム。
7. 発熱体が、前記ディーゼル機関と前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）との間に配設される、請求項１に記載の排気ガス後処理システム。
8. 前記発熱体がバーナによって構成される、請求項７に記載の排気ガス後処理システム。
9. 前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）及び前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）と連通して配設されるＮＯ_２還元触媒をさらに含む、請求項１に記載の排気ガス後処理システム。
10. 前記ＮＯ_２還元触媒が、前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）の下流かつ前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流に配設される、請求項９に記載の排気ガス後処理システム。
11. 前記ＮＯ_２還元触媒が、前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）上の区間コーティングとして、及び／または前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）上の区間コーティングとして施される、請求項９に記載の排気ガス後処理システム。
12. ディーゼル機関と連通して配設されるディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）においてＮＯを酸化させてＮＯ_２に転換し、燃焼粒子を捕捉する段階と、
    前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）と連通して配置される選択触媒還元機構（ＳＣＲ）においてＮＯをＮ_２に還元する段階と、
    前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）の下流かつ前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流に配置される第１の噴射器を用いて排気ガス中に還元剤を噴射する段階と、
    前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の下流に配設される少なくとも１つのＮＯｘセンサからＮＯｘ調整装置にＮＯｘ信号を送る段階と、
    前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流及び／または下流に配設される少なくとも１つの温度センサから前記ＮＯｘ調整装置に温度信号を送る段階と、
    少なくとも１つの前記ＮＯｘ信号及び／または少なくとも１つの前記温度信号の値に基づいて、前記ディーゼル機関を高ＮＯｘモードまたは低ＮＯｘモードに切り替える段階とを含み、前記高ＮＯｘモードから低ＮＯｘモードへの切り替えが、前記ＮＯｘ信号が所定の閾値を上回るときに行われ、前記低ＮＯｘモードから高ＮＯｘモードへの切り替えは、前記ＮＯｘ信号が所定の閾値を下回り、かつ、前記温度信号が前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）においてＮ_２への転換機能が高い第１の温度（Ｔ１）と第２の温度（Ｔ２）との間にあるときに行われる、排気ガス後処理方法。
13. 前記ＮＯｘ信号の前記閾値が排出規制値に対応している、請求項１２に記載の排気ガス後処理方法。
14. 前記第１の温度（Ｔ１）が、排気ガス流量及び／またはＮＯ_２／ＮＯ比のパラメータに依存している、請求項１２に記載の排気ガス後処理方法。
15. 前記低ＮＯｘモードから高ＮＯｘモードへの切り替えがさらに、前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）内の予測されるすす量に依存する、請求項１２に記載の排気ガス後処理方法。
16. 前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）は、酸化触媒材料により被覆されたディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）を有している、請求項１２に記載の排気ガス後処理方法。
17. 前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）はディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）を有し、該ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）が前記ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）の上流に配設される、請求項１６に記載の排気ガス後処理方法。
18. 発熱体が、前記ディーゼル機関と前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）との間に配設される、請求項１２に記載の排気ガス後処理方法。
19. 前記発熱体がバーナによって構成される、請求項１８に記載の排気ガス後処理方法。
20. 前記ＤＰＦ上にＮＯ_２還元触媒を区間コーティングとして施した、請求項１６に記載の排気ガス後処理方法。
21. 前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）上にＮＯ_２還元触媒を区間コーティングとし、前記ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦＵ）の下流かつ選択触媒還元機構（ＳＣＲ）の上流に、前記第１の噴射器と他の噴射器を配置した、請求項１６に記載の排気ガス後処理方法。
22. 前記選択触媒還元機構（ＳＣＲ）上にＮＯ_２還元触媒を区間コーティングとして、かつ前記前記ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）上にＮＯ_２還元触媒を区間コーティングとして施した、請求項１６に記載の排気ガス後処理方法。
23. 請求項１２〜２２のいずれか１項に記載の方法を実行するプログラムコードが格納されたコンピュータ可読記憶媒体。

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