JP6545572B2

JP6545572B2 - 排気浄化装置

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Publication number: JP6545572B2
Application number: JP2015163660A
Authority: JP
Inventors: 田中　智史; 智史田中; 圭一林崎
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2035-08-21
Also published as: JP2017040239A

Description

本発明は、エンジンの排気ガス中の窒素酸化物を浄化する排気浄化装置であって、エンジンの燃料を還元剤に用いて窒素酸化物を浄化する排気浄化装置に関する。

従来から、ディーゼルエンジンの排気浄化装置として、炭化水素（ＨＣ）を主成分とするエンジンの燃料を還元剤に用いて窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を選択的に還元するＨＣ−ＳＣＲ触媒（ＨｙｄｒｏＣａｒｂｏｎ−ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）を用いたものがある。例えば特許文献１には、活性温度域が互いに異なるＨＣ−ＳＣＲ触媒を直列に配置し、各ＨＣ−ＳＣＲ触媒に対して燃料を添加する排気浄化装置が開示されている。この排気浄化装置によれば、幅広い温度範囲でＨＣ−ＳＣＲ触媒によるＮＯｘの還元が可能である。

特開２０１２−９２６９０号公報

しかし、環境保全等の観点から、排気浄化装置にはさらなるＮＯｘの浄化性能の向上が求められている。本発明は、ＮＯｘの浄化性能の向上を可能にした排気浄化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する排気浄化装置は、排気通路を流れる排気ガスに燃料を添加する第１添加弁と、前記第１添加弁の下流に位置し、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元する第１選択還元型触媒と、前記第１選択還元型触媒の下流に位置し、排気ガスに燃料を添加する第２添加弁と、前記第２添加弁の下流に位置し、前記第１選択還元型触媒よりも温度活性域の高い第２選択還元型触媒であって、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元するとともにＮＯｘの還元によりＮＨ_３を生成する前記第２選択還元型触媒と、前記第２選択還元型触媒の下流に位置し、前記第２選択還元型触媒が生成したＮＨ_３を還元剤に用いてＮＯｘを還元する第３選択還元型触媒と、前記第１添加弁による燃料の添加量である第１添加量と前記第２添加弁による燃料の添加量である第２添加量とを制御する制御部とを備える。

上記構成によれば、第１添加弁によって燃料が添加された排気ガスは、第１選択還元型触媒に流入し、燃料を還元剤としてＮＯｘが還元される。また、第２添加弁によって燃料が添加された排気ガスは、第１選択還元型触媒よりも活性温度域が高い第２選択還元型触媒にて、燃料を還元剤としてＮＯｘが還元されるとともにアンモニア（以下、ＮＨ_３という）が生成される。第３選択還元型触媒では、第２選択還元型触媒にて生成されたＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘが還元される。こうした構成によれば、ＮＯｘの浄化性能を高めることができる。

上記排気浄化装置において、前記制御部は、前記第１選択還元型触媒の温度と前記第２選択還元型触媒の温度とを取得するとともに、前記第１選択還元型触媒に流入する第１ＮＯｘ量と前記第２選択還元型触媒に流入する第２ＮＯｘ量とを演算し、前記第１選択還元型触媒が活性状態にあるときに前記第１ＮＯｘ量が多いほど前記第１添加量を多くし、前記第２選択還元型触媒が活性状態にあるときに前記第２ＮＯｘ量が多いほど前記第２添加量を多くすることが好ましい。

上記構成によれば、第１選択還元型触媒に流入する第１ＮＯｘ量に応じて第１添加弁の添加量が増減され、第２選択還元型触媒に流入する第２ＮＯｘ量に応じて第２添加弁の添加量が増減される。その結果、ＮＯｘの浄化を目的とした燃料消費量を抑えつつ、ＮＯｘの浄化性能を向上させることができる。

上記排気浄化装置は、排気ガス中の粒子状物質を捕捉するフィルターをさらに備え、前記第１選択還元型触媒が前記フィルターの表層を構成する触媒層を含むことが好ましい。
上記構成によれば、排気浄化装置にフィルターと第１選択還元型触媒とを搭載するうえで排気浄化装置の占有する容積を小さくできる。

上記排気浄化装置において、前記制御部は、前記フィルターにおける粒子状物質の堆積量を演算し、前記堆積量が上限値を超えると前記第１添加弁から燃料を添加することにより前記フィルターを再生する再生処理を実行するとともに、前記再生処理の実行中に前記第２添加弁から燃料を添加することにより前記第２選択還元型触媒の硫黄被毒を回復する回復処理を実行することが好ましい。

上記構成によれば、第１選択還元型触媒および第２選択還元型触媒が清浄な状態に維持されやすくなる。その結果、ＮＯｘの浄化性能を向上させることができる。
また、第２選択還元型触媒の硫黄被毒を回復するためには、第２選択還元型触媒を昇温する必要がある。また、第２選択還元型触媒では、燃料を還元剤とするＮＯｘの還元反応と並行して燃料の酸化反応も生じている。そのため、第２選択還元型触媒は、燃料の流入により温度が上昇する。

上記構成によれば、再生処理の実行中に回復処理が実行されることから、第２選択還元型触媒に流入する排気ガスは、フィルターの再生処理にともなって昇温した排気ガスである。すなわち、フィルターの再生処理によって昇温した排気ガスを第２選択還元型触媒の昇温に利用することができる。その結果、回復処理における第２選択還元型触媒の昇温を効率よく行うことができる。

上記排気浄化装置において、前記制御部は、前記第２選択還元型触媒における硫黄の被毒量を演算し、前記被毒量が閾値を超えていることを条件に前記回復処理を実行することが好ましい。

上記構成によれば、回復処理は、第２選択還元型触媒における硫黄の被毒量が閾値を超えていることを条件に行われる。これにより、過剰な回復処理の実行が抑えられることから、排気ガスの浄化に必要とされる燃料消費量を抑えることができる。

一実施形態の排気浄化装置を搭載したエンジンシステムの概略構成を示す概略構成図である。第３選択還元型触媒の表面付近における断面構造を示す断面図である。ＨＣ触媒層およびＮＨ_３触媒層の構造を模式的に示す図である。制御装置の構成の一例を示すブロック図である。再生処理および回復処理の実施時期についてのタイミングチャートである。ＮＯｘ浄化率を比較した結果の一例を示すグラフである。

図１から図６を参照して排気浄化装置の一実施形態について説明する。まず、図１を参照して、排気浄化装置が搭載されたエンジンシステムの全体構成について説明する。
図１に示すように、エンジンシステムは、ディーゼルエンジン１０（以下、エンジン１０という。）を備える。エンジン１０のシリンダーブロック１１には、複数のシリンダー１２が形成されている。各シリンダー１２には、インジェクター１３から燃料が噴射される。シリンダーブロック１１には、各シリンダー１２に吸入空気を供給するためのインテークマニホールド１４と、各シリンダー１２からの排気ガスが流入するエキゾーストマニホールド１５とが接続されている。

インテークマニホールド１４に接続される吸気通路１６には、上流側から順に、図示されないエアクリーナー、ターボチャージャー１７を構成するコンプレッサー１８、インタークーラー１９が設けられている。エキゾーストマニホールド１５に接続される排気通路２０には、コンプレッサー１８に連結軸を介して連結され、ターボチャージャー１７を構成するタービン２２が設けられている。

エンジンシステムは、エキゾーストマニホールド１５と吸気通路１６とを接続するＥＧＲ通路２５を備える。ＥＧＲ通路２５には、ＥＧＲクーラー２６とＥＧＲ弁２７とが設けられている。ＥＧＲ弁２７が開状態にあるとき、吸気通路１６には、ＥＧＲ通路２５を通じて排気ガスの一部がＥＧＲガスとして導入される。シリンダー１２には、排気ガスと吸入空気との混合気体である作動ガスが供給される。

シリンダー１２では、作動ガスとインジェクター１３が噴射した燃料との混合気が燃焼する。シリンダー１２からの排気ガスは、エキゾーストマニホールド１５を通じて排気通路２０へと流入し、タービン２２を通過した後、排気浄化装置３０に流入する。

排気浄化装置３０は、排気ガスが流れる排気通路２０に第１酸化触媒３１（ＡＴＣ：ＡｆｔｅｒＴｕｒｂｏＣａｔａｌｙｓｔ）を備える。第１酸化触媒３１は、排気ガス中の燃料を酸化して排気ガスを昇温する。

第１酸化触媒３１は、セラミックあるいは金属からなるモノリス担体と、このモノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とを有する。触媒金属は、例えば白金、パラジウム、および、ロジウム等の白金系元素のうちの少なくとも１種である。第１酸化触媒３１は、その温度である第１酸化触媒温度が第１酸化下限温度以上であって第１酸化上限温度以下の温度域を活性温度域に有する。

排気浄化装置３０は、排気通路２０における第１酸化触媒３１の下流に、排気ガスに燃料を添加する第１添加部３２を備える。第１添加部３２は、還元剤である燃料を貯留する燃料タンク３４に接続された第１燃料通路３５を備える。この燃料タンク３４は、インジェクター１３が噴射する燃料を貯留する燃料タンクであってもよいし、該燃料タンクとは別個に設けられる燃料タンクであってもよい。第１添加部３２は、第１燃料通路３５にポンプ３６と第１調整弁３７とを備える。ポンプ３６は、例えばエンジンを動力源とするポンプであって、燃料タンク３４内の燃料を所定圧力で第１調整弁３７に圧送する。第１調整弁３７は、第１燃料通路３５の流路断面積を変更可能な弁であり、第１調整弁３７を通過する燃料の量を調整する。第１添加部３２は、排気通路２０内に位置する第１添加弁３８を備える。第１添加部３２は、第１調整弁３７が開状態にあるときに第１添加弁３８から排気ガスに燃料を添加し、第１調整弁３７が閉状態にあるときに第１添加弁３８から排気ガスに燃料を添加しない。第１添加部３２による燃料の添加は、後述する制御装置７０によって制御される。なお、この第１添加弁３８は、第１調整弁３７の機能が内蔵された燃料噴射弁であってもよい。

排気浄化装置３０は、排気通路２０における第１添加弁３８の下流に第１選択還元型触媒３９を備える。第１選択還元型触媒３９は、排気通路２０の拡径部分である第１マフラー部２０Ａに位置する第２酸化触媒３９ｃおよび第３酸化触媒４０ｃで構成されている。第２酸化触媒３９ｃは、排気浄化装置３０のなかで最も強い酸化力を有するとともに、排気ガス中の燃料を酸化して排気ガスを昇温する機能と、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元するＮＯｘ還元機能とを有する。第２酸化触媒３９ｃは、セラミックあるいは金属からなるモノリス担体と、このモノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とを有する。触媒金属は、例えば白金、パラジウム、および、ロジウム等の白金系元素のうちの少なくとも１種である。第２酸化触媒３９ｃは、その温度である第２酸化触媒温度が第２酸化下限温度（例えば１５０℃）以上であって第２酸化上限温度（例えば３５０℃）以下の温度域を活性温度域に有する。

排気浄化装置３０は、第１マフラー部２０Ａにおける第２酸化触媒３９ｃの下流にフィルター４０（ＤＰＦ：ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）を備える。フィルター４０は、排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）という）を捕捉するフィルター機能、および、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元するＮＯｘ還元機能を有する。フィルター４０は、再生温度Ｔｆｒ（例えば６００℃）まで昇温するとＰＭが焼却されてフィルター機能が再生する。

フィルター４０は、例えば耐熱性に優れたセラミックやステンレスを素材としたウォール・フロー・フィルターであるフィルター本体と、フィルター本体にコーティングされた触媒層である第３酸化触媒４０ｃとで構成されている。第３酸化触媒４０ｃは、第２酸化触媒３９ｃよりも選択還元型触媒としての機能が高く、排気ガス中の燃料を還元剤に用いて排気ガス中のＮＯｘを還元する。

第３酸化触媒４０ｃは、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とで構成される。触媒金属は、白金、パラジウム、および、ロジウム等の白金系元素のうちの少なくとも１種である。また、第３酸化触媒４０ｃは、その温度である第３酸化触媒温度が第３酸化下限温度（例えば２００℃）以上であって第３酸化上限温度（例えば３００℃）以下を活性温度域として有する。すなわち、第１選択還元型触媒３９は、第２酸化触媒３９ｃおよび第３酸化触媒４０ｃの双方が活性状態となる第１下限温度（例えば２００℃）以上であって第１上限温度（例えば３００℃）以下の温度域を活性温度域として有する。

排気浄化装置３０は、排気通路２０におけるフィルター４０の下流に、排気通路２０を流れる排気ガスに燃料を添加する第２添加部４１を備える。第２添加部４１は、第１燃料通路３５におけるポンプ３６と第１調整弁３７との間に接続された第２燃料通路４２を備える。第２添加部４１は、第２燃料通路４２の流路断面積を変更可能な第２調整弁４３を備える。この第２調整弁４３には、第１燃料通路３５に設けられたポンプ３６によって所定圧力の燃料が圧送される。第２添加部４１は、第２調整弁４３を通過した燃料を排気ガスに添加する第２添加弁４４を備える。すなわち、第２添加部４１は、第２調整弁４３が開状態にあるときに第２添加弁４４から排気ガスに燃料を添加し、第２調整弁４３が閉状態にあるときに第２添加弁４４から排気ガスに燃料を添加しない。第２添加部４１による燃料の添加は、後述する制御装置７０によって制御される。なお、この第２添加弁４４は、第２調整弁４３の機能が内蔵された燃料噴射弁であってもよい。

排気浄化装置３０は、排気通路２０における第２添加弁４４の下流に、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元する第２選択還元型触媒４５を備える。第２選択還元型触媒４５は、第１マフラー部２０Ａの次の拡径部分である第２マフラー部２０Ｂ内に位置する。第２選択還元型触媒４５は、セラミックあるいは金属からなるモノリス担体と、このモノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、銀アルミナあるいは銀ゼオライトを含む。第２選択還元型触媒４５は、その温度である第２触媒温度が第２下限温度（例えば２００℃）以上であって第２上限温度（例えば６５０℃）以下の比較的高い温度範囲を活性温度域として有し、ＮＯｘを還元する反応においてＮＨ_３を生成する。また、上述した構成の第２選択還元型触媒４５では、燃料の酸化反応よりも燃料によるＮＯｘの還元反応が優先して進行するため、燃料の一部が反応せずに通過する。そのため、その通過した燃料を後段の触媒の還元剤に用いることが可能である。

排気浄化装置３０は、第２マフラー部２０Ｂにおける第２選択還元型触媒４５の下流に第３選択還元型触媒４７を備える。
図２に示すように、第３選択還元型触媒４７は、セラミックあるいは金属からなるモノリス担体４８と、モノリス担体４８の表面に積層されたＨＣ触媒層４９と、ＨＣ触媒層４９に積層されたＮＨ_３触媒層５０とを備える。

ＨＣ触媒層４９は、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元する。ＨＣ触媒層４９は、粒子状の触媒担体と触媒担体に担持された銅とを有する。触媒担体の形成材料は、多孔質構造を有するゼオライトである。このゼオライトは、炭化水素が進入可能な孔を有する多孔質材料である。ＨＣ触媒層４９は、銅を担持させた粒子状の触媒担体をモノリス担体にコーティングして構成される。

ＮＨ_３触媒層５０は、第２選択還元型触媒４５において生成されたＮＨ_３を還元剤に用いてＮＯｘを還元する。ＮＨ_３触媒層５０は、粒子状の触媒担体と触媒担体に担持された銅とを有する。触媒担体の形成材料は、多孔質構造を有するゼオライトである。このゼオライトは、炭化水素の進入を拒む一方でＮＨ_３の進入を許可する孔を有する多孔質材料である。ＮＨ_３触媒層５０は、銅を担持させた粒子状の触媒担体をＨＣ触媒層４９が形成されたモノリス担体にコーティングして構成される。第３選択還元型触媒４７は、その温度である第３触媒温度が第３下限温度（例えば２００℃）以上であって第３上限温度（例えば６００℃）以下を活性温度域に有する。

図３に示すように、第３選択還元型触媒４７では、ＮＨ_３（アンモニア）がＮＨ_３触媒層５０を構成する触媒担体５１の孔５１ｈに進入する一方、ＨＣ（炭化水素）が触媒担体５１の孔５１ｈに進入しない。そのため、ＨＣは、触媒担体５１の粒子間の隙間５２を通ってＨＣ触媒層４９に到達する。そして、ＨＣ触媒層４９に到達したＨＣは、ＨＣ触媒層４９を構成する触媒担体５３の孔５３ｈ中に進入する。これにより、ＮＨ_３触媒層５０では、孔５１ｈに進入したＮＨ_３を還元剤に用いてＮＯｘが還元され、ＨＣ触媒層４９では、孔５３ｈに進入したＨＣを還元剤に用いてＮＯｘが還元される。

図１に示すように、排気浄化装置３０は、第２マフラー部２０Ｂにおける第３選択還元型触媒４７の下流に第４酸化触媒５４を備える。第４酸化触媒５４は、第３選択還元型触媒４７を通過した燃料やＮＨ_３を酸化する。第４酸化触媒５４は、セラミックあるいは金属からなるモノリス担体と、このモノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とを有する。触媒金属は、例えば白金、パラジウム、および、ロジウム等の白金系元素のうちの少なくとも１種である。

排気浄化装置３０は、各種センサーを備える。排気浄化装置３０は、吸気通路１６におけるコンプレッサー１８の上流に、吸入空気量を検出する吸入空気量センサー５５を備える。排気浄化装置３０は、排気通路２０の各所に排気ガスの温度を検出する温度センサーを備える。温度センサー５６は、第１酸化触媒３１と第１添加弁３８との間に位置し、第１酸化触媒３１を通過した排気ガスの温度であるＡＴＣ排気温度を検出する。温度センサー５７は、第１添加弁３８と第２酸化触媒３９ｃとの間に位置し、第２酸化触媒３９ｃに流入する排気ガスの温度である第１排気温度を検出する。温度センサー５８は、第２酸化触媒３９ｃとフィルター４０との間に位置し、フィルター４０に流入する排気ガスの温度である流入温度を検出する。温度センサー５９は、フィルター４０と第２添加弁４４との間に位置し、フィルター４０を通過した排気ガスの温度である流出温度を検出する。温度センサー６０は、第２添加弁４４と第２選択還元型触媒４５との間に位置し、第２選択還元型触媒４５に流入する排気ガスの温度である第２排気温度を検出する。温度センサー６１は、第４酸化触媒５４の下流に位置し、第４酸化触媒５４の通過した排気ガスの温度である第３排気温度を検出する。

排気浄化装置３０は、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサー６２，６３を備える。ＮＯｘセンサー６２は、フィルター４０と第２添加弁４４との間に位置し、フィルター４０を通過した排気ガスのＮＯｘ濃度である中間濃度を検出する。ＮＯｘセンサー６３は、第４酸化触媒５４の下流に位置し、第４酸化触媒５４を通過した排気ガスのＮＯｘ濃度である排出濃度を検出する。

排気浄化装置３０は、排気ガスの圧力を検出する圧力センサー６４，６５を備える。圧力センサー６４は、第２酸化触媒３９ｃとフィルター４０との間に位置し、フィルター４０に流入する排気ガスの圧力である流入圧力を検出する。圧力センサー６５は、フィルター４０と第２添加弁４４との間に位置し、フィルター４０を通過した排気ガスの圧力である流出圧力を検出する。

また排気浄化装置３０は、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサー６６、アクセル開度を検出するアクセル開度センサー６７を備える。各種センサーは、各々の検出値を示す信号を、エンジンシステムを統括制御する制御装置７０に出力する。

図４に示すように、制御装置７０は、ＣＰＵと、各種制御プログラムおよび各触媒の活性温度域等の各種データが格納されたＲＯＭと、各種演算における演算結果や各種データが一時的に格納されるＲＡＭとを有するマイクロコンピューターを中心に構成される。制御装置７０は、各種センサー等からの信号に基づき取得した各種情報とＲＯＭに格納された各種制御プログラムや各種データとに基づき、インジェクター１３による燃料の噴射、第１添加弁３８による燃料の添加、および、第２添加弁４４による燃料の添加を制御する。制御装置７０は、吸入空気量を排気ガスの流量である排気流量として扱う。

制御装置７０は、インジェクター１３による燃料の噴射を制御する。制御装置７０は、エンジン回転数やアクセル開度等に基づきメイン噴射量を演算し、メイン噴射量の燃料がシリンダー１２に噴射されるようにインジェクター１３を制御する。また、制御装置７０は、フィルター４０の再生処理にて、燃焼サイクルの膨張行程にインジェクター１３から燃料を噴射するポスト噴射を実行する。ポスト噴射量は、例えば、ＡＴＣ排気温度に基づき第１酸化触媒３１にて酸化が可能な量であり、ＡＴＣ排気温度とポスト噴射量とを対応付けた噴射テーブルから選択される。

制御装置７０は、ＮＯｘの浄化についての通常処理を実行する。通常処理において、制御装置７０は、排気流量、第１排気温度、第２排気温度、および、エンジン回転数を取得し、第１添加部３２による燃料の添加と第２添加部４１による燃料の添加とを制御する。

制御装置７０は、第１温度取得部として温度センサー５７から第１排気温度を取得し、第１排気温度が第１添加温度以上であるときに第１添加弁３８から燃料を添加する。第１添加温度は、第２酸化触媒３９ｃおよび第３酸化触媒４０ｃが活性状態にあると判断される第１排気温度である。制御装置７０は、第１ＮＯｘ量演算部として機能し、エンジン回転数、メイン噴射量、および、吸入空気量等がパラメーターに設定されたエンジンモデルから第３酸化触媒４０ｃに流入するＮＯｘ量である第１ＮＯｘ量を演算する。制御装置７０は、第１ＮＯｘ量と第１排気温度とに基づき、第２酸化触媒３９ｃおよび第３酸化触媒４０ｃにおけるＮＯｘの還元量が最大となるように第１添加弁３８による燃料の添加量である第１添加量を演算する。すなわち第１添加量は、第１ＮＯｘ量が多いほど多くなる。

制御装置７０は、第２温度取得部として温度センサー６０から第２排気温度を取得し、第２排気温度が第２添加温度以上であるときに第２添加弁４４から燃料を添加する。第２添加温度は、第２および第３選択還元型触媒４５，４７が活性状態にあると判断される第２排気温度である。制御装置７０は、第２ＮＯｘ量演算部として機能し、排気流量および中間濃度に基づいて、第２選択還元型触媒４５に流入するＮＯｘである第２ＮＯｘ量を演算する。制御装置７０は、第２ＮＯｘ量と第２排気温度とに基づいて、第２選択還元型触媒４５および第３選択還元型触媒４７におけるＮＯｘの還元量が最大となるように第２添加弁４４による燃料の添加量である第２添加量を演算する。すなわち第２添加量は、第２ＮＯｘ量が多いほど多くなる。

制御装置７０は、フィルター４０のフィルター機能を再生する再生処理を実行する。制御装置７０は、フィルター４０におけるＰＭの堆積量Ｍｆを演算し、第１排気温度が第１添加温度以上であり、かつ、堆積量Ｍｆが上限値Ｍｆ１を超えていることを条件に通常処理を強制的に終了して再生処理を開始する。制御装置７０は、排気流量、流入圧力と流出圧力とに基づくフィルター４０での圧力損失等に基づいて堆積量Ｍｆを演算する。

再生処理において、制御装置７０は、インジェクター１３によるポスト噴射、及び、第１添加弁３８による燃料の添加を行う。ポスト噴射による燃料は第１酸化触媒３１で酸化され、第１添加弁３８の添加した燃料は第２酸化触媒３９ｃで酸化される。すなわち、フィルター４０には段階的に昇温された排気ガスが流入する。制御装置７０は、流入温度がフィルター４０の再生温度Ｔｆｒを示す目標値となるように各種の燃料の量を演算する。

再生処理において、制御装置７０は、ＰＭの燃焼量Ｇｐｍを演算する。制御装置７０は、排気流量、および、流入温度と流出温度との温度差等に基づきフィルター４０の平均温度を演算する。そして制御装置７０は、この平均温度とＰＭ燃焼速度とに基づきＰＭの燃焼量Ｇｐｍを演算する。制御装置７０は、燃焼量Ｇｐｍが堆積量Ｍｆに到達すると再生処理を終了して通常処理を再開する。なお、制御装置７０は、再生処理中に第１排気温度が第１添加温度を下回ると再生処理を中止して通常処理を再開する。

ここで、ディーゼルエンジンにおいては、燃料や潤滑油の燃焼にともなって硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生成される。硫黄酸化物は、排気ガスとともに排気浄化装置３０に流入して各種触媒に付着する。こうした硫黄酸化物の付着、すなわち硫黄被毒によって各種触媒は、その触媒性能が低下する。そのため、触媒は、定期的に硫黄被毒から回復されることが好ましい。特に、第２選択還元型触媒４５は硫黄被毒の影響をうけやすい。これは、第１および第２酸化触媒３１，３９ｃ、ならびに、フィルター４０においては、再生処理にともなう昇温によって硫黄酸化物が除去されやすいこと、また、フィルター４０を通過した排気ガスが第２選択還元型触媒４５に流入すること、これらに基づく。制御装置７０は、第２選択還元型触媒４５における硫黄被毒を回復する回復処理を実行し、硫黄酸化物が除去される回復温度Ｔｓｒまで第２選択還元型触媒４５を昇温させる。

なお、第２選択還元型触媒４５では、燃料を還元剤とするＮＯｘの還元反応と並行して燃料の酸化反応も生じる。そのため、第２選択還元型触媒４５は、燃料の供給により昇温する。しかしながら、燃料の酸化反応だけで第２選択還元型触媒４５を回復温度Ｔｓｒまで昇温させることは困難である。そこで、制御装置７０は、フィルター４０の再生処理中に回復処理を行う。すなわち、制御装置７０は、被毒量Ｍｓが閾値Ｍｓ１を超えた状態にてフィルター４０の堆積量Ｍｆが上限値Ｍｆ１を超えると回復処理を実行する。

制御装置７０は、例えば前回の回復処理からのメイン噴射量の積算値に基づき、第２選択還元型触媒４５の被毒量Ｍｓを演算する。そして制御装置７０は、被毒量Ｍｓが予め定めた閾値Ｍｓ１を超えるとフィルター４０の再生処理とともに回復処理を実行する。なお、この閾値Ｍｓ１は、フィルター４０の再生処理とともに回復処理を実行することで第２選択還元型触媒４５が硫黄被毒から十分に回復する値である。

回復処理において、制御装置７０は、例えば回復温度Ｔｓｒと第２排気温度との温度差に基づき、第２選択還元型触媒４５の温度が回復温度Ｔｓｒに到達するように第２添加弁４４による添加量を演算する。制御装置７０は、その演算した添加量の分の燃料が第２添加弁４４から添加されるように第２調整弁４３を制御する。そして制御装置７０は、再生処理の終了とともに回復処理を終了し、通常処理を再開する。

すなわち、図５に示すように、制御装置７０は、エンジン始動時の時刻ｔ１から堆積量Ｍｆの演算と被毒量Ｍｓの演算を開始する。制御装置７０は、被毒量Ｍｓが閾値Ｍｓ１を超えるまでの間に何度か再生処理を実行する。そして制御装置７０は、被毒量Ｍｓが閾値Ｍｓ１を超えた状態で堆積量Ｍｆが上限値Ｍｆ１を超えた時刻ｔ６において、再生処理と回復処理とを実行する。これにより、フィルター４０のフィルター機能が再生するとともに第２選択還元型触媒４５の硫黄被毒が回復する。

図６を参照して排気浄化装置３０の作用について説明する。
上述した排気浄化装置３０によれば、第１添加弁３８によって燃料が添加された排気ガスは、第２酸化触媒３９ｃおよび第３酸化触媒４０ｃによって燃料を還元剤として排気ガス中のＮＯｘが還元される。また、第２添加弁４４によって燃料が添加された排気ガスは、第３酸化触媒４０ｃよりも活性温度域が高い第２選択還元型触媒４５において、燃料を還元剤としてＮＯｘが還元されるとともにＮＨ_３が生成される。そして第３選択還元型触媒４７では、第２選択還元型触媒４５を通過した燃料、および、第２選択還元型触媒４５にて生成されたＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘが還元される。こうした構成によれば、ＮＯｘの浄化性能を高めることができる。

図６は、エンジン１０をＷＨＴＣ、ＷＨＳＣ、ＷＮＴＥの試験サイクルで運転した場合におけるＮＯｘの浄化性能を比較した結果の一例を示すグラフである。実施例は、上述した排気浄化装置３０である。比較例は、排気通路の上流側から順に、第１酸化触媒３１、第１添加弁３８、第２酸化触媒３９ｃ、第３酸化触媒４０ｃを含むフィルター４０、第４酸化触媒５４、これらが配列された排気浄化装置である。図６のように、実施例の排気浄化装置３０では、比較例の排気浄化装置に比べてＮＯｘの浄化性能の向上が確認された。

上記実施形態の排気浄化装置３０によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）排気浄化装置３０によればＮＯｘの浄化性能を高めることができる。
（２）制御装置７０は、第２酸化触媒３９ｃおよび第３酸化触媒４０ｃでのＮＯｘ還元量が最大となるように第１添加弁３８による燃料の添加量である第１添加量を演算する。また制御装置７０は、第２選択還元型触媒４５および第３選択還元型触媒４７でのＮＯｘ還元量が最大となるように第２添加弁４４による燃料の添加量である第２添加量を演算する。これにより、ＮＯｘの浄化を目的とした燃料消費量を抑えつつ、ＮＯｘの浄化性能を向上できる。

（３）第３酸化触媒４０ｃがフィルター４０の表層を構成する触媒層であることから、フィルターと第３酸化触媒とを搭載するうえで排気浄化装置３０の占有する容積を小さくすることができる。

（４）再生処理の実行中に回復処理が実行されることで第２選択還元型触媒４５には、ＰＭの燃焼によって昇温した排気ガスが流入する。すなわち、フィルター４０の再生処理によって昇温した排気ガスを第２選択還元型触媒４５の昇温に利用することができる。その結果、回復処理における第２選択還元型触媒４５の昇温を効率よく行うことができる。

（５）また、回復処理は、第２選択還元型触媒４５における被毒量Ｍｓが閾値Ｍｓ１を超えたときに実行される。これにより、過剰な回復処理の実行が抑えられることから、回復処理にともなう燃料消費量を抑えることができる。

（６）排気浄化装置３０は、第１酸化触媒３１と第２酸化触媒３９ｃとを備え、フィルター４０の再生処理においてインジェクター１３によるポスト噴射と第１添加弁３８による燃料の添加とを行う。これにより、フィルター４０に流入する排気ガスの昇温を効率よく行うことができる。その結果、再生処理に要する時間を短縮することができる。

（７）また、フィルター４０の直前に位置する第２酸化触媒３９ｃが最も強い酸化力を有することから、フィルター４０の再生処理において、フィルター４０に流入する排気ガスを効果的に昇温させることができる。また、フィルター４０に流入するまでの間における排気ガスの温度低下を抑えることもできる。その結果、再生処理に要する時間を短縮することができる。

（８）排気浄化装置３０は、第３選択還元型触媒４７の下流に第４酸化触媒５４を備えている。これにより、第３選択還元型触媒４７を通過した燃料やＮＨ_３が酸化される。その結果、第１添加量および第２添加量についての自由度が向上する。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・制御装置７０は、被毒量Ｍｓが閾値Ｍｓ１を超えているときに限らず、再生処理を行うたびに回復処理を実行してもよい。これによれば、第２選択還元型触媒４５について硫黄被毒の少ない状態が維持されやすくなり、ＮＯｘの浄化性能がさらに高められる。

・回復処理の実行は、再生処理の実行中に限られるものではない。この場合、排気浄化装置３０は、例えば電気ヒーター等、第２選択還元型触媒４５を昇温させる加熱部を搭載していることが好ましい。また、制御装置７０は、回復処理を行わなくともよい。

・排気浄化装置３０は、第３酸化触媒４０ｃとフィルター４０とを各別に備えてもよい。この際、第３酸化触媒４０ｃに対するＰＭの付着を抑制するうえで、フィルター４０の下流に第３酸化触媒４０ｃが位置するとよい。また、排気浄化装置３０は、再生処理が行われてなくともよく、また、フィルターを備えていなくてもよい。

・第１添加量は、第１ＮＯｘ量に拘らず一定量であってもよい。また、第２添加量は、第２ＮＯｘ量の拘らず一定量であってもよい。
・第３選択還元型触媒４７は、第２選択還元型触媒４５の生成したＮＨ_３を還元剤に用いてＮＯｘを還元する機能を有していればよく、ＮＨ_３触媒層５０のみを触媒層として有していてもよい。

・制御装置７０は、第１温度取得部として第１選択還元型触媒３９の温度を取得すればよい。そのため、制御装置７０は、例えば流入温度と流出温度との平均値を第３酸化触媒４０ｃの温度として演算し、その演算した第３酸化触媒４０ｃの温度を第１選択還元型触媒３９の温度としてもよい。また、制御装置７０は、第２温度取得部として第２選択還元型触媒４５の温度を取得すればよい。そのため、制御装置７０は、例えば第２排気温度と第３排気温度とに基づく温度勾配、第２選択還元型触媒４５の熱容量、温度センサー６０に対する第２選択還元型触媒４５の相対位置、これらに基づいて第２選択還元型触媒４５の温度を算出してもよい。

・第１ＮＯｘ量は、エンジンモデルから演算されるに限らず、例えば、第２酸化触媒３９ｃに流入する排気ガスのＮＯｘ濃度である流入濃度を検出するＮＯｘセンサーを排気通路２０に設置し、この流入濃度と排気流量とに基づき演算されてもよい。

・第２ＮＯｘ量は、ＮＯｘセンサー６２の検出値と排気流量とに基づき演算されるに限らず、例えば、エンジン回転数、メイン噴射量、吸入空気量、および、第１添加量がパラメーターに設定されたモデルから演算されてもよい。

・排気浄化装置３０は、第４酸化触媒５４が割愛された構成であってもよい。
・第１選択還元型触媒３９の活性温度域は、第２酸化触媒３９ｃおよび第３酸化触媒４０ｃの少なくとも一方が活性状態にある温度域であってもよい。こうした構成によれば、例えば、第２酸化触媒３９ｃが第３酸化触媒４０ｃよりも低い温度で活性する場合に第２酸化触媒３９ｃのみが活性状態であったとしても第１添加弁３８から燃料が添加される。この際、第２酸化触媒３９ｃにおいては、燃料を還元剤に用いたＮＯｘの還元と燃料の酸化による排気ガスの昇温とが行われる。この第２酸化触媒３９ｃによる排気ガスの昇温により、第３酸化触媒４０ｃの昇温を促進することができる。

１０…ディーゼルエンジン、１３…インジェクター、２０…排気通路、２０Ａ…第１マフラー部、２０Ｂ…第２マフラー部、３０…排気浄化装置、３１…第１酸化触媒、３２…第１添加部、３７…第１調整弁、３８…第１添加弁、３９…第１選択還元型触媒、３９ｃ…第２酸化触媒、４０…フィルター、４０ｃ…第３酸化触媒、４１…第２添加部、４３…第２調整弁、４４…第２添加弁、４５…第２選択還元型触媒、４７…第３選択還元型触媒、４９…ＨＣ触媒層、５０…ＮＨ_３触媒層、５４…第４酸化触媒、５５…吸入空気量センサー、５６，５７，５８，５９，６０，６１…温度センサー、６２，６３…ＮＯｘセンサー、６４，６５…圧力センサー、７０…制御装置。

Claims

排気通路を流れる排気ガスに燃料を添加する第１添加弁と、
前記第１添加弁の下流に位置し、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元する第１選択還元型触媒と、
前記第１選択還元型触媒の下流に位置し、排気ガスに燃料を添加する第２添加弁と、
前記第２添加弁の下流に位置し、前記第１選択還元型触媒よりも温度活性域の高い第２選択還元型触媒であって、排気ガス中の燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元するとともにＮＯｘの還元によりＮＨ_３を生成する前記第２選択還元型触媒と、
前記第２選択還元型触媒の下流に位置し、前記第２選択還元型触媒が生成したＮＨ_３を還元剤に用いてＮＯｘを還元する第３選択還元型触媒と、
前記第１添加弁による燃料の添加量である第１添加量と前記第２添加弁による燃料の添加量である第２添加量とを制御する制御部と、
前記第１添加弁と前記第２添加弁との間に位置して排気ガス中の粒子状物質を捕捉するフィルターと、を備え、
前記制御部は、前記第１添加弁から燃料を添加することにより前記フィルターを再生する再生処理を実行するとともに、前記再生処理の実行中に前記第２添加弁から燃料を添加することにより前記第２選択還元型触媒の硫黄被毒を回復する回復処理を実行する
排気浄化装置。
前記制御部は、
前記第１選択還元型触媒の温度と前記第２選択還元型触媒の温度とを取得するとともに、前記第１選択還元型触媒に流入する第１ＮＯｘ量と前記第２選択還元型触媒に流入する第２ＮＯｘ量とを演算し、
前記第１選択還元型触媒が活性状態にあるときに前記第１ＮＯｘ量が多いほど前記第１添加量を多くし、前記第２選択還元型触媒が活性状態にあるときに前記第２ＮＯｘ量が多いほど前記第２添加量を多くする
請求項１に記載の排気浄化装置。
前記第１選択還元型触媒が前記フィルターの表層を構成する触媒層を含む
請求項１または２に記載の排気浄化装置。
前記制御部は、前記フィルターにおける粒子状物質の堆積量を演算し、前記堆積量が上限値を超えると前記再生処理を実行する
請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
前記制御部は、前記第２選択還元型触媒における硫黄の被毒量を演算し、前記被毒量が閾値を超えていることを条件に前記回復処理を実行する
請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。