JP6629566B2

JP6629566B2 - 排気浄化装置

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Publication number: JP6629566B2
Application number: JP2015210663A
Authority: JP
Inventors: 圭一林崎
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2020-01-15
Anticipated expiration: 2035-10-27
Also published as: JP2017082659A

Description

本発明は、エンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物をエンジンの燃料を還元剤に用いて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、エンジンの燃料（炭化水素）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、ＨＣ−ＳＣＲ触媒を用いた排気浄化装置として、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、活性温度域が互いに異なるＨＣ−ＳＣＲ触媒を直列に配置した排気浄化装置においてもさらなる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、排気ガスに燃料を添加する第１添加部と、前記第１添加部による燃料の添加位置よりも下流に位置し、前記第１添加部が添加した燃料を還元剤に用いて排気ガス中のＮＯｘを還元してアンモニアを生成する第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、前記第１選択還元型触媒が生成したアンモニアを還元剤に用いて排気ガス中のＮＯｘを還元する第２選択還元型触媒と、前記第２選択還元型触媒の下流で排気ガスに燃料を添加する第２添加部と、前記第２添加部による燃料の添加位置よりも下流に位置し、前記第２添加部が添加した燃料を還元剤に用いて排気ガス中のＮＯｘを還元する第３選択還元型触媒と、を備え、前記第１選択還元型触媒および前記第２選択還元型触媒は、前記第３選択還元型触媒よりも広い活性温度域を有するとともに該活性温度域に前記第３選択還元型触媒の活性温度域よりも高い温度域を含む。

上記構成によれば、第１および第２選択還元型触媒が第３選択還元型触媒よりもエンジンに近い位置に位置することから、第１および第２選択還元型触媒に流入する排気ガスの温度を高めることができる。そのため、第１および第２選択還元型触媒を早期に昇温させることができる。これにより、第１選択還元型触媒でのＮＯｘの還元、および、第１選択還元型触媒で生成されるアンモニアを用いた第２選択還元型触媒でのＮＯｘの還元を早期に実現することができる。また、第１および第２選択還元型触媒に流入する排気ガスの温度が高まることで、第１および第２選択還元型触媒が活性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。

上記排気浄化装置において、前記第１添加部は、エンジンの排気通路を流れる排気ガスに燃料を添加する添加弁を含んでいてもよい。
排気ガスに添加された燃料は、排気ガスの温度が高いほど排気ガス中に拡散しやすくなる。そのため、上記構成のように添加弁から燃料を添加する構成では、添加弁に近い位置に第１選択還元型触媒が配置されたとしても第１選択還元型触媒に流入する排気ガス中の燃料分布の偏りが抑えられる。すなわち、エンジンにより近い位置に第１選択還元型触媒が配置可能であることから、第１選択還元型触媒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が可能である。

上記排気浄化装置において、前記第１添加部は、エンジンに対して燃料をポスト噴射するインジェクターを含んでいてもよい。
上記構成によれば、燃焼直後の排気ガスに対して燃料が添加されることで排気ガス中に燃料が拡散しやすくなることから、燃料分布の均一化された排気ガスを第１選択還元型触媒に流入させることができる。その結果、第１選択還元型触媒でのＮＯｘの還元を効率よく行うことができる。また、排気通路に対する燃料の付着も抑えられる。

上記排気浄化装置において、前記第１添加部は、エンジンの排気通路を流れる排気ガスに燃料を添加する添加弁と、前記エンジンに対して燃料をポスト噴射するインジェクターと、前記添加弁による燃料の添加と前記インジェクターによる燃料の添加とを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記添加弁についての異常の有無を取得するとともに、前記添加弁が正常であるときは前記添加弁で燃料の添加を行い、前記添加弁が異常であるときは前記インジェクターで燃料の添加を行うことが好ましい。

上記構成によれば、ポスト噴射により生じやすいエンジンオイルへの燃料の混入を抑えつつ、排気ガスに対して燃料を添加することができる。また、添加弁に異常があったとしてもインジェクターによるポスト噴射によって排気ガスに燃料を添加することができる。

上記排気浄化装置は、前記第３選択還元型触媒の下流に位置し、排気ガス中の粒子状物質を捕捉するフィルターを備えることが好ましい。
上記構成によれば、第１および第２選択還元型触媒よりも酸化力の強い第３選択還元型触媒においては、排気ガス中の一酸化窒素が

上記構成によれば、第２選択還元型触媒を通過したアンモニアが酸化されて二酸化窒素が生成される。そのため、この二酸化窒素の一部がフィルターに流入することから、フィルターの捕捉した粒子状物質を二酸化窒素で連続的に酸化可能である。その結果、フィルターが清浄な状態に維持されやすくなる。

一実施形態の排気浄化装置の概略構成を示す概略構成図。排気浄化装置の電気的な構成を示すブロック図。第１選択還元型触媒に流入する排気ガスの温度を比較した結果の一例を示すグラフ。ＮＯｘの浄化率を比較した結果の一例を示すグラフ。変形例において、第２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。変形例において、ＨＣ触媒層およびＮＨ_３触媒層の構造を模式的に示す図。

図１〜図４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。
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。シリンダーブロック１１に形成された複数のシリンダー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、インテークマニホールド１４と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、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、シリンダー１２には、ＥＧＲガスと吸入空気との混合気体が作動ガスとして供給される。

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、第１収容部２０Ａに収容された第１浄化部３１と、第２収容部２０Ｂに収容された第２浄化部３５と、第１浄化部３１および第２浄化部３５に流入する排気ガスに対して個別に還元剤を供給する還元剤供給系４０とを備える。

第１浄化部３１は、第１選択還元型触媒３２と第１選択還元型触媒３２の下流に位置する第２選択還元型触媒３３とを備える。第１および第２選択還元型触媒３２，３３は、後述する第２浄化部３５を構成する第３選択還元型触媒３６よりも広い活性温度域を有するとともに該活性温度域に第３選択還元型触媒３６の活性温度域よりも高い温度域を含んでいる。第１浄化部３１を収容する第１収容部２０Ａは、排気通路２０の途中に設けられている拡径部であり、シリンダーブロック１１と隣り合う位置に位置している。

第１選択還元型触媒３２は、燃料（炭化水素）を還元剤に用いてＮＯｘを還元するとともに、ＮＯｘを還元する反応においてＮＨ_３（アンモニア）を生成する。第１選択還元型触媒３２は、セラミックあるいは金属からなるフロースルー型のモノリス担体と、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。第１選択還元型触媒３２は、触媒層に銀アルミナあるいは銀ゼオライトを含む銀系触媒である。第１選択還元型触媒３２は、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６５０℃）以下の比較的高い温度範囲を活性温度域として有する。なお、第１選択還元型触媒３２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。

第２選択還元型触媒３３は、第１選択還元型触媒３２で生成されたＮＨ_３を還元剤に用いてＮＯｘを還元する。第２選択還元型触媒３３は、セラミックあるいは金属からなるフロースルー型のモノリス担体と、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。第２選択還元型触媒３３には、触媒層に鉄ゼオライトを含む鉄系触媒、触媒層に銅ゼオライトを含む銅系触媒、触媒層にバナジウム系酸化物を含むバナジウム系触媒が挙げられる。第２選択還元型触媒３３は、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する。

第２浄化部３５は、第３選択還元型触媒３６と、第３選択還元型触媒３６の下流に位置するＤＰＦ３７（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）とを備える。第２浄化部３５を収容する第２収容部２０Ｂは、第１収容部２０Ａとの間に縮径部が介在するかたちで排気通路２０の途中に設けられた拡径部であり、第１収容部２０Ａよりも大きな容積を有する。

第３選択還元型触媒３６は、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。また、第３選択還元型触媒３６は、排気ガス中の燃料を酸化して排気ガスを昇温する機能、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ_２を生成する機能、および、第２選択還元型触媒３３を通過したＮＨ_３を酸化してＮＯ_２（二酸化窒素）を生成する機能を有する。第３選択還元型触媒３６は第１および第２選択還元型触媒３２，３３よりも強い酸化力を有し、上述した酸化反応がＮＯｘの還元反応よりも優先して進行する。第３選択還元型触媒３６は、セラミックあるいは金属からなるフロースルー型のモノリス担体と、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。このように第３選択還元型触媒３６は、白金系触媒であり、第３下限温度（例えば１５０℃）以上であって第３上限温度（例えば３５０℃）以下の比較的低い温度範囲を活性温度域に有する。すなわち、第３選択還元型触媒３６は、第１および第２選択還元型触媒３２，３３の活性温度域よりも低い温度範囲を活性温度域に有する。

ＤＰＦ３７は、排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）という）を捕捉する。ＤＰＦ３７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型のフィルターであり、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。なお、第１および第２選択還元型触媒３２，３３の総容積は、第３選択還元型触媒３６およびＤＰＦ３７の総容積よりも小さい。

還元剤供給系４０は、燃料が流れる供給通路４２と、第１添加部として機能する第１添加弁５１と、第２添加部として機能する第２添加弁５２とを備える。第１添加弁５１は、タービン２２の下流であって、かつ、第１浄化部３１の上流に位置し、第２添加弁５２は、第１浄化部３１の下流であって、かつ、第２浄化部３５の上流に位置する。

供給通路４２は、燃料タンク４１に接続された共通通路４３と、分岐部４４にて共通通路４３から分岐した第１分岐通路４５および第２分岐通路４６とで構成されている。なお、燃料タンク４１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。

共通通路４３には、エンジンを動力源とするポンプ４７が配設されている。ポンプ４７は、余剰燃料を還流するリリーフ機構を内蔵し、燃料タンク４１内の燃料を分岐部４４に向けて所定圧力で圧送する。分岐部４４に向けて圧送された燃料は、分岐部４４と第１添加弁５１とを接続する第１分岐通路４５を通じて第１添加弁５１に圧送され、分岐部４４と第２添加弁５２とを接続する第２分岐通路４６を通じて第２添加弁５２に圧送される。

また、共通通路４３は、ポンプ４７の下流であって、かつ、分岐部４４の上流に、共通通路４３を開閉する電子制御式の遮断弁４８を備える。遮断弁４８は、開状態においてポンプ４７から分岐部４４への燃料の流通を許可し、閉状態においてポンプ４７から分岐部４４への燃料の流通を遮断する。

第１添加弁５１は、弁機構を内蔵した電子制御式の噴射弁であり、弁機構が開状態にあるときに第１添加部として排気通路２０に燃料を噴射する。また、第２添加弁５２は、弁機構を内蔵した電子制御式の噴射弁であり、弁機構が開状態にあるときに第２添加部として排気通路２０に燃料を噴射する。

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、排気ガスの温度を検出する温度センサー５６，５７を備える。温度センサー５６は、第１添加弁５１と第１選択還元型触媒３２との間に位置し、第１浄化部３１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５７は、第２添加弁５２と第３選択還元型触媒３６との間に位置し、第２浄化部３５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。

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、第１添加弁５１と第１選択還元型触媒３２との間に位置し、第１浄化部３１に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度である第１ＮＯｘ濃度を検出する。ＮＯｘセンサー６３は、第２選択還元型触媒３３と第２添加弁５２との間に位置し、第２浄化部３５に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度である第２ＮＯｘ濃度を検出する。

この他、排気浄化装置３０は、例えば、クランク角を検出するクランク角センサー６４を備える（図２参照）。各種センサーは、排気浄化装置３０を統括制御する制御装置７０に検出値を示す信号を出力する。

図２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いて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、排気ガスに対する燃料の添加を制御する。制御装置７０は、第１添加弁５１による燃料の添加、第２添加弁５２による燃料の添加、および、インジェクター１３のポスト噴射による燃料の添加などを制御する。なお、制御装置７０は、吸入空気量を排気流量として扱う。

制御装置７０は、第１添加弁５１による燃料の添加を制御する。制御装置７０は、温度センサー５６から第１排気温度を取得し、第１排気温度が第１添加温度であるときに第１添加弁５１から燃料を添加する。第１添加温度は、第１および第２選択還元型触媒３２，３３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、吸入空気量と第１ＮＯｘ濃度とに基づき第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１および第２選択還元型触媒３２，３３におけるＮＯｘの還元量が最大となる第１添加量を演算する。そして、制御装置７０は、第１添加量の分の燃料が排気ガスに添加されるように第１添加弁５１の開閉を制御する。

制御装置７０は、第２添加弁５２による燃料の添加を制御する。制御装置７０は、温度センサー５７から第２排気温度を取得し、第２排気温度が第２添加温度であるときに第２添加弁５２から燃料を添加する。第２添加温度は、第３選択還元型触媒３６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、吸入空気量および第２ＮＯｘ濃度に基づき第２ＮＯｘ量を演算する。制御装置７０は、第２ＮＯｘ量と第２排気温度とに基づき、第３選択還元型触媒３６におけるＮＯｘの還元量が最大となる第２添加量を演算する。そして、制御装置７０は、第２添加量の分の燃料が排気ガスに添加されるように第２添加弁５２の開閉を制御する。

また、制御装置７０は、ＤＰＦ３７のフィルター機能を再生する再生処理において、第２添加弁５２による燃料の添加を行う。第２添加弁５２の添加した燃料は、第３選択還元型触媒３６で酸化されてＤＰＦ３７に流入する排気ガスを昇温する。制御装置７０は、ＤＰＦ３７に流入する排気ガスの流入温度がＤＰＦ３７の再生温度Ｔｆｒを示す目標値となる再生添加量を演算する。そして、制御装置７０は、再生添加量の分の燃料が排気ガスに添加されるように第２添加弁５２の開閉を制御する。

制御装置７０は、遮断弁４８の開閉を制御する。制御装置７０は、エンジン１０が始動すると遮断弁４８を開状態に制御し、エンジン１０が停止すると遮断弁４８を閉状態に制御する。また制御装置７０は、例えば、第１分岐通路４５における圧力の変化と第２分岐通路４６における圧力の変化とに基づく自己故障診断（ＯＢＤ：Ｏｎ−ＢｏａｒｄＤｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ）により還元剤供給系４０における異常の有無を取得する。そして制御装置７０は、例えば第１および第２分岐通路４５，４６のいずれかについての異常を取得した場合や第１および第２添加弁５１，５２の双方について異常を取得した場合に遮断弁４８を閉状態に制御する。

制御装置７０は、インジェクター１３によるポスト噴射を制御する。制御装置７０は、クランク角センサー６４からクランク角を取得し、第１添加部による燃料の添加として燃焼サイクルの膨張行程後半にインジェクター１３から燃料を噴射する。

ポスト噴射は、例えば、自己故障診断により還元剤供給系４０の第１添加弁５１について異常を取得した場合に、第１添加弁５１に代えて排気ガスに燃料を添加するために行われる。この際、制御装置７０は、吸入空気量と第１ＮＯｘ濃度とに基づき第１ＮＯｘ量を演算し、該第１ＮＯｘ量と第１排気温度とに基づき、第１および第２選択還元型触媒３２，３３におけるＮＯｘの還元量が最大となるポスト噴射量を演算する。制御装置７０は、ポスト噴射量の分の燃料が排気ガスに添加されるようにインジェクター１３を駆動する。

また、ポスト噴射は、例えば、自己故障診断により還元剤供給系４０について遮断弁４８が閉状態に制御される異常を取得した場合に、第１および第２添加弁５１，５２に代えて排気ガスに燃料を添加するために行われる。こうした場合のポスト噴射量は、第１および第２選択還元型触媒３２，３３、ならびに、第３選択還元型触媒３６におけるＮＯｘの還元量が最大となるような燃料量である。制御装置７０は、第１ＮＯｘ量、第１排気温度、および、第２排気温度に基づきポスト噴射量を演算する。ポスト噴射により排気ガスに添加された燃料は、第１および第２選択還元型触媒３２，３３にて反応しきれなかった分が第３選択還元型触媒３６へと供給される。

図３および図４を参照して排気浄化装置３０の作用について説明する。
図３は、実施例である排気浄化装置３０と、上記第２浄化部３５の下流に上記第１浄化部３１が位置する比較例の排気浄化装置とについて、所定の試験サイクル（ＷＨＴＣ：ホットスタート）において第１選択還元型触媒３２に流入する排気ガスの平均温度を比較した結果の一例を示すグラフである。図３に示すように、第１選択還元型触媒３２に流入する排気ガスの平均温度は、比較例では約２１５℃であり、実施例では約２５０℃であった。すなわち、比較例よりも実施例が約３５℃高いことが認められた。こうした平均温度の違いは、ホットスタートよりもコールドスタートのときにより顕著なものとなる。

このように、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、第１浄化部３１に対してより温度の高い排気ガスが流入する。そのため、ＮＯｘの還元反応が優先して進行する第１選択還元型触媒３２、および、第１選択還元型触媒３２で生成されるＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘを還元する第２選択還元型触媒３３、これらが早期に活性状態に到達するとともに活性状態に維持されやすくなる。

図４は、比較例の排気浄化装置と実施例の排気浄化装置３０とについて、所定の試験サイクル（ＷＨＴＣ：ホットスタート）におけるＮＯｘ浄化率を比較した結果の一例を示すグラフである。図４に示すように、実施例の排気浄化装置３０は、比較例の排気浄化装置よりもＮＯｘ浄化率が約１５％程度向上することが確認された。こうしたＮＯｘ浄化率の違いは、ホットスタートよりもコールドスタートのときにより顕著なものとなる。

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においては、第１および第２選択還元型触媒３２，３３がエンジン１０に近い位置に配置される。そのため、第３選択還元型触媒３６よりも活性温度域が高く、かつ、活性温度域の広い第１および第２選択還元型触媒３２，３３に流入する排気ガスの温度が高くなる。これにより、第１および第２選択還元型触媒３２，３３が早期に活性状態に到達するとともに活性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。

（２）第１選択還元型触媒３２に流入する排気ガスの温度が高くなることから、第１添加弁５１から添加された燃料が排気ガス中に拡散しやすくなる。そのため、第１選択還元型触媒３２に流入する排気ガスにおける燃料分布の偏りが抑えられることから、第１添加弁５１に近い位置、すなわちエンジン１０により近い位置に第１選択還元型触媒３２を配置することができる。これにより、第１選択還元型触媒３２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ができる。

（３）ポスト噴射においては、燃焼直後の排気ガスに対して燃料が添加されることで排気ガス中に気化燃料が多くなる。これにより、排気ガス中で燃料が拡散しやすくなることから、燃料分布の均一化された排気ガスを第１選択還元型触媒３２に流入させることができる。その結果、第１選択還元型触媒３２におけるＮＯｘの還元を効率よく行うことができる。また、排気通路２０に対する燃料の付着も抑えられる。

（４）ポスト噴射による燃料の添加においては、エンジンオイルやＥＧＲガスに対して燃料が混入してしまうおそれがある。この点、排気浄化装置３０では、第１添加弁５１が異常である場合にポスト噴射が行われる。そのため、エンジンオイルやＥＧＲガスに対する燃料の混入を抑えつつ、排気ガスに燃料を添加することができる。また、排気ガスへの燃料の添加に起因したインジェクター１３の劣化を抑えることができる。

（５）ここで、炭化水素によるＮＯｘの還元反応は、ＮＯ（一酸化窒素）とＮＯ_２とのモル比が１：１である反応式において反応速度が最も速くなる。しかしながら、シリンダー１２から流出した直後の排気ガス中のＮＯｘは、ＮＯが大部分でありＮＯ_２は僅かである。この点、上述した排気浄化装置３０では、第３選択還元型触媒３６においては、排気ガス中のＮＯがＮＯ_２に酸化されることに加えて、第２選択還元型触媒３３で消費されなかったＮＨ_３が酸化されることによりさらにＮＯ_２が生成される。これにより、排気ガス中のＮＯ_２が増えることから、第３選択還元型触媒３６におけるＮＯｘの浄化を効率よく行うことができる。

また、このＮＯ_２が第３選択還元型触媒３６を通過したとしてもＤＰＦ３７に流入する。そのため、ＤＰＦ３７の捕捉したＰＭがＮＯ_２によって連続的に酸化されることで、ＤＰＦ３７が清浄な状態に維持されやすくなる。

（６）第１および第２選択還元型触媒３２，３３の総容積である第１浄化部３１の容積は、第３選択還元型触媒３６およびＤＰＦ３７の総容積である第２浄化部３５の容積よりも小さい。そのため、第１浄化部３１の設置位置に関する自由度が高く、シリンダーブロック１１と隣り合う位置、すなわち排気通路２０の最上流部に第１浄化部３１を設置することが可能である。これにより、タービン２２の排出口により近い位置、例えば当該排出口から１５０ｍｍ〜２００ｍｍ下流側に第１浄化部３１の導入口を配設することができる。すなわち、第１浄化部３１の設置位置に関する自由度が高いことで、第１浄化部３１までの排気ガスの流通経路を短くすることが可能である。その結果、第１浄化部３１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ができる。

また、排気通路２０のより上流側の位置に第１浄化部３１が設置可能であることから、第２浄化部３５の設置位置についての自由度も向上する。その結果、車両に対する排気浄化装置３０の搭載性を向上させることができる。

（７）第１および第２選択還元型触媒３２，３３がフロースルー型の構造を有することから、第１および第２選択還元型触媒３２，３３に対するＰＭの付着が抑えられる。
（８）第３選択還元型触媒３６において、排気ガスは、ＮＨ_３の酸化にともない昇温する。ＮＨ_３は、燃料の主成分である炭化水素よりも標準燃焼熱が小さい。そのため、ＮＨ_３の酸化にともなう排気ガスの昇温は、炭化水素の酸化にともなう排気ガスの昇温よりも穏やかである。そのため、第３選択還元型触媒３６に流入する排気ガス中の燃料量を抑えつつＮＨ_３量を調整することにより、ＤＰＦ３７の昇温をより細かく制御することができる。これにより、ＤＰＦ３７の急激な温度上昇が抑えられることから、ＤＰＦ３７の過熱を抑えることができる。

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、自己故障診断に限らず、還元剤供給系４０における異常の有無を判定する異常判定装置から入力される信号に基づいて、第１添加弁５１による燃料の添加についての異常の有無を取得してもよい。

・排気浄化装置３０では、第１添加弁５１が正常であるときにポスト噴射による燃料の添加を行ってもよい。こうした構成によれば、例えば、ポスト噴射および第１添加弁５１の双方を用いて燃料を添加することにより、第１選択還元型触媒３２に供給可能な燃料量についての自由度が向上する。また、例えば、排気ガスの温度が低く排気ガス中において燃料が拡散しにくいときにはポスト噴射で燃料を添加したり、排気ガスの温度が高く排気ガス中において燃料が拡散しやすいときには添加弁から燃料を添加したりすることもできる。すなわち、エンジン１０の運転状態に応じて排気ガスへの燃料の添加方法を選択することもできる。

・制御装置７０は、例えば、アクセル開度を検出するアクセル開度センサーからの信号を取得し、吸入空気量、アクセル開度、および、クランク角に基づくエンジン回転数等をパラメーターに含むモデルに基づき第１ＮＯｘ量を演算してもよい。こうした構成によれば、ＮＯｘセンサー６２を割愛することが可能であることから、排気浄化装置３０の構成を簡素化することができる。また、ポスト噴射によって排気ガスに燃料が添加される場合には、シリンダー１２から排出される排気ガス、すなわちポスト噴射が行われる位置により近い位置を流れる排気ガスのＮＯｘ量を演算することができる。これにより、ＮＯｘセンサー６２の検出値に基づいてポスト噴射量を演算する場合に比べて排気ガスに対する燃料の添加量についての精度が高まる。

・また、制御装置７０は、例えば、吸入空気量、アクセル開度、クランク角に基づくエンジン回転数、および、第１排気温度等をパラメーターに含むモデルに基づき第２ＮＯｘ量を演算してもよい。すなわち、制御装置７０は、上記モデルに基づく第１ＮＯｘ量から、第１排気温度に基づく第１および第２選択還元型触媒３２，３３におけるＮＯｘ還元量を減算することにより第２ＮＯｘ量を演算してもよい。こうした構成によれば、ＮＯｘセンサー６２，６３を割愛することが可能であることから、排気浄化装置３０の構成をさらに簡素化することができる。

・第１添加部は、インジェクター１３によるポスト噴射のみによって排気ガスに燃料を添加するように構成されていてもよい。こうした構成によれば、燃料分布の均一化された排気ガスを第１選択還元型触媒３２に流入させることができることに加えて、排気通路２０の低温時にも該排気通路２０に対する燃料の付着を抑えることができる。また、第１添加弁５１が不要となることで還元剤供給系４０、ひいては排気浄化装置３０の構成を簡素化することもできる。

・第１添加部は、第１添加弁５１のみで排気ガスに燃料を添加するように構成されていてもよい。こうした構成によれば、エンジンオイルやＥＧＲガスに対する燃料の混入が確実に抑えられる。

・ＮＯｘを浄化するうえでは、ＤＰＦ３７は割愛されてもよい。また、ＮＯｘの浄化性能を向上させるうえでは、ＤＰＦ３７の表層は、例えば第３選択還元型触媒３６を通過した燃料を還元剤としてＮＯｘを浄化する触媒層を備えていてもよい。この触媒層は、第３選択還元型触媒３６において燃料の一部が酸化されることから、第３選択還元型触媒３６よりも活性温度域が高い触媒層、例えば銀アルミナや銀ゼオライトを含む銀系の触媒層であることが好ましい。

・排気浄化装置３０は、ＤＰＦ３７の下流に、ＤＰＦ３７を通過した燃料やＮＨ_３を酸化する酸化触媒を有していることが好ましい。この酸化触媒は、セラミックあるいは金属からなるフロースルー型のモノリス担体と、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選択還元型触媒は、第１選択還元型触媒３２におけるＮＯｘの還元により生成されたＮＨ_３を還元剤に用いてＮＯｘを還元する触媒であればよい。そのため、例えば図５および図６に示すような二層構造の触媒であってもよい。

図５に示すように、第２選択還元型触媒７５は、セラミックあるいは金属からなるフロースルー型のモノリス担体７６と、モノリス担体７６の表面に積層されたＨＣ触媒層７７と、ＨＣ触媒層７７に積層されたＮＨ_３触媒層７８とを備える。

ＨＣ触媒層７７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７７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７７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７８は、第１選択還元型触媒３２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７８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７８は、銅を担持させた粒子状の触媒担体をＨＣ触媒層７７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２選択還元型触媒７５は、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６００℃）以下を活性温度域に有する。

図６に示すように、第２選択還元型触媒７５では、ＮＨ_３がＮＨ_３触媒層７８を構成する触媒担体７９の孔７９ｈに進入する一方、ＨＣ（炭化水素）が触媒担体７９の孔７９ｈに進入しない。そのため、ＨＣは、触媒担体７９の粒子間の隙間８０を通ってＨＣ触媒層７７に到達する。そして、ＨＣ触媒層７７に到達したＨＣは、ＨＣ触媒層７７を構成する触媒担体８１の孔８１ｈ中に進入する。これにより、ＮＨ_３触媒層７８では、孔７９ｈ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７７では、孔８１ｈに進入したＨＣを還元剤に用いてＮＯｘが還元される。

こうした構成によれば、第２選択還元型触媒７５において、第１選択還元型触媒３２にて生成されたＮＨ_３に加えて、第１選択還元型触媒３２を通過した燃料を還元剤としてＮＯｘを還元することができる。

・排気浄化装置３０は、第１浄化部３１の上流に排気ガスを昇温するバーナーを備えていてもよい。こうした構成によれば、バーナーが駆動されなくとも上記（１）に準ずる効果が得られるとともに、バーナーが駆動されることにより第１および第２選択還元型触媒３２，３３が活性状態に到達するまでの時間をさらに短縮することができる。

１０…ディーゼルエンジン、１１…シリンダーブロック、１２…シリンダー、１３…インジェクター、１４…インテークマニホールド、１５…エキゾーストマニホールド、１６…吸気通路、１７…ターボチャージャー、１８…コンプレッサー、１９…インタークーラー、２０…排気通路、２０Ａ…第１収容部、２０Ｂ…第２収容部、２２…タービン、２５…ＥＧＲ通路、２６…ＥＧＲクーラー、２７…ＥＧＲ弁、３０…排気浄化装置、３１…第１浄化部、３２…第１選択還元型触媒、３３…第２選択還元型触媒、３５…第２浄化部、３６…第３選択還元型触媒、３７…ＤＰＦ、４０…還元剤供給系、４１…燃料タンク、４２…供給通路、４３…共通通路、４４…分岐部、４５…第１分岐通路、４６…第２分岐通路、４７…ポンプ、４８…遮断弁、５１…第１添加弁、５２…第２添加弁、５５…吸入空気量センサー、５６，５７…温度センサー、６２，６３…ＮＯｘセンサー、６４…クランク角センサー、７０…制御装置、７５…第２選択還元型触媒、７６…モノリス担体、７７…ＨＣ触媒層、７８…ＮＨ_３触媒層、７９…触媒担体、７９ｈ…孔、８０…隙間、８１…触媒担体、８１ｈ…孔。

Claims

排気ガスに燃料を添加する第１添加部と、
前記第１添加部による燃料の添加位置よりも下流に位置し、前記第１添加部が添加した燃料を還元剤に用いて排気ガス中のＮＯｘを還元してアンモニアを生成する第１選択還元型触媒と、
前記第１添加部と前記第１選択還元型触媒との間に位置し、前記第１選択還元型触媒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と、
前記第１選択還元型触媒の下流に位置し、前記第１選択還元型触媒が生成したアンモニアを還元剤に用いて排気ガス中のＮＯｘを還元する第２選択還元型触媒と、
前記第２選択還元型触媒の下流で排気ガスに燃料を添加する第２添加部と、
前記第２添加部による燃料の添加位置よりも下流に位置し、前記第２添加部が添加した燃料を還元剤に用いて排気ガス中のＮＯｘを還元する第３選択還元型触媒と、を備え、
前記第１選択還元型触媒および前記第２選択還元型触媒は、前記第３選択還元型触媒よりも広い活性温度域を有するとともに該活性温度域に前記第３選択還元型触媒の活性温度域よりも高い温度域を含み、
前記第１添加部は、
エンジンの排気通路を流れる排気ガスに燃料を添加する添加弁と、
前記エンジンに対して燃料をポスト噴射するインジェクターと、
前記添加弁による燃料の添加と前記インジェクターによる燃料の添加とを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記第１排気温度を取得し、前記取得した第１排気温度に基づいて前記インジェクターによる燃料の添加と前記添加弁による燃料の添加とを選択し、
前記インジェクターによる燃料の添加が選択される温度が前記添加弁による燃料の添加が選択される温度よりも低い
排気浄化装置。
前記制御部は、前記添加弁についての異常の有無を取得するとともに、前記添加弁が正常であるときは前記添加弁で燃料の添加を行い、前記添加弁が異常であるときは前記インジェクターで燃料の添加を行う
請求項１に記載の排気浄化装置。
前記第３選択還元型触媒の下流に位置し、排気ガス中の粒子状物質を捕捉するフィルターを備える
請求項１または２に記載の排気浄化装置。