WO2017145235A1

WO2017145235A1 - 排気浄化システム

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Publication number: WO2017145235A1
Application number: PCT/JP2016/055052
Authority: WO
Inventors: 佐藤　信也; 細谷　満; 高倉　隆
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2016-02-22
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: US20190024555A1; US10519829B2

Abstract

　ＮＯｘの低減量を高めることが可能な排気浄化システムを提供する。排気ガスが流れる排気通路（１０）と、排気通路（１０）内の上流側を燃料の燃焼空間（１５）としたバーナー（２０）と、燃焼空間（１５）の下流側に位置し、排気ガスに含まれる窒素酸化物を吸着するＮＯｘ吸着材（５０）と、ＮＯｘ吸着材（５０）より下流側に位置する選択還元型触媒（５１）と、選択還元型触媒（５１）より上流側に位置する添加弁（５３）と、燃焼空間（１５）に位置し、添加弁（５３）に供給する尿素水を、添加弁（５３）に接続されて添加弁（５３）に向かう尿素水が流れる接続通路（５４）であって、接続通路（５４）の一部が燃焼空間（１５）を通る接続通路（５４）とを備える。ＮＯｘ吸着材（５０）の上流にはＤＰＦ（３０）が設けられる。ＤＰＦ（３０）には、選択還元型触媒（５１）よりも上流に位置する選択還元型触媒（２９）が一体化されている。

Description

排気浄化システム

　本発明は、選択還元型触媒を備えた排気浄化システムに関する。

　従来から、例えば特許文献１のように、排気に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を低減する排気浄化システムとして、尿素水添加装置と選択還元型触媒とを用いた尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムがある。尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水添加装置によって尿素水が添加された排気ガスが選択還元型触媒に流入し、尿素水が加水分解によりアンモニアに変換される。選択還元型触媒では、アンモニアによってＮＯｘが還元され、窒素と水に変換される。

特開２０１３－１１１９３号公報

　ところで、排気ガスに添加された尿素水は、排気ガスの熱や選択還元型触媒の熱によって加水分解されてアンモニアへと変換される。このため、排気ガスの温度や選択還元型触媒の温度が低い場合には、尿素水がアンモニアに変換されにくいばかりか尿素水に含まれる尿素が結晶化してしまうため、尿素水の添加量を制限せざるを得ない。こうした尿素水の制限は、ＮＯｘの低減量の低下を招く。
　本発明は、ＮＯｘの低減量を高めることが可能な排気浄化システムを提供することを目的とする。

　以上のような課題を解決する排気浄化システムは、排気ガスが流れる排気通路と、前記排気通路に配置されたバーナーであって、前記バーナーにおける燃料の燃焼空間が前記排気通路内の一部である前記バーナーと、前記排気通路において前記燃焼空間よりも下流に位置して前記排気ガスに含まれる窒素酸化物を吸着するＮＯｘ吸着材と、前記排気通路において前記ＮＯｘ吸着材よりも下流に位置する選択還元型触媒と、前記排気通路において前記選択還元型触媒と前記燃焼空間との間に位置する添加弁と、前記添加弁に接続されて前記添加弁に向かう尿素水が流れる接続通路であって、前記接続通路の一部が前記燃焼空間を通る前記接続通路とを備える。

　上記構成によれば、触媒温度が活性温度より低くとも、排気ガスに対して、バーナーの駆動によって燃焼空間で加熱された尿素水や加水分解されたアンモニアを供給可能である。その結果、ＮＯｘの低減量が高まる。また、選択還元型触媒の上流に位置するＮＯｘ吸着材によって、選択還元型触媒の触媒温度が活性温度より低くとも、ＮＯｘを吸着できる。したがって、選択還元型触媒が活性化する活性温度よりも低い冷間始動時や軽負荷運転時にあっても、ＮＯｘが大気中に放出されることを防止することができる。

　上記排気浄化システムにおいて、更に、前記排気通路には、前記バーナーと前記ＮＯｘ吸着材との間に、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｆｉｌｔｅｒ）が設けられていてもよい。

　上記構成によれば、ＤＰＦで、エンジンにおける燃料の燃焼によって発生した粒子性物質を捕捉することができる。

　上記排気浄化システムにおいて、更に、前記選択還元型触媒が下流側選択還元型触媒であり、前記添加弁が下流側添加弁であり、前記接続通路が前記下流側添加弁用の接続通路である。そして、前記ＤＰＦには、前記排気通路において前記下流側選択還元触媒よりも上流に位置する上流側選択還元型触媒が一体化されていてもよい。この場合、更に、前記排気通路において前記上流側選択還元型触媒よりも上流に位置する上流側添加弁と、前記上流側添加弁に接続されて前記上流側添加弁に向かう尿素水が流れる前記上流側添加弁用の接続通路であって、前記上流側の接続通路の一部が前記燃焼空間を通る前記上流側添加弁用の接続通路とを備える。

　上記構成によれば、ＮＯｘ吸着材や下流側選択還元型触媒の上流側で、ＮＯｘを低減することができ、ＮＯｘ吸着材や下流側選択還元型触媒の負担を軽減することができる。前記ＤＰＦには、上流側の面に、前記上流側選択還元型触媒を一体的に設け、下流側の面に、前記ＮＯｘ吸着材を一体的に設けることで、構成の簡素化や部品点数の削減を図ることができる。

　上記排気浄化システムにおいて、前記排気通路は、前記燃焼空間を形成する燃焼空間形成壁を備え、前記燃焼空間形成壁が、前記選択還元型触媒が位置する空間と前記燃焼空間とを区画し、前記選択還元型触媒は、前記バーナーによって前記燃料が燃焼することにより、前記燃焼空間形成壁を介して加熱されるようにしてもよい。

　上記構成によれば、バーナーを駆動して尿素水を加熱するときに、選択還元型触媒が前記燃焼空間形成壁を介して加熱される。これにより、前記選択還元型触媒の触媒温度が活性温度に到達するまでに要する時間を短縮することができる。

　上記排気浄化システムにおいて、更に、前記選択還元型触媒の触媒温度を取得し、前記取得された触媒温度が前記選択還元型触媒の活性温度未満である場合に前記バーナーを駆動する制御装置を備えるようにしてもよい。

　上記構成によれば、バーナーで尿素水を加熱するための燃料消費を最低限に抑えることができる。

　上記排気浄化システムにおいて、更に、前記バーナーは、前記排気通路において前記ＮＯｘ吸着材よりも上流に位置する上流側のバーナーである。そして、更に、前記排気通路において、前記ＮＯｘ吸着材と前記選択還元型触媒との間に下流側のバーナーを更に設けてもよい。この場合、前記制御装置は、前記取得された触媒温度が前記選択還元型触媒の活性温度未満であるとき、前記下流側のバーナーを駆動する。

　上記構成によれば、選択還元型触媒の触媒温度が活性温度よりも低いときに下流側のバーナーが駆動されることによって、選択還元型触媒を加熱することができるとともに、選択還元型触媒に供給する尿素水を加熱し加水分解によりアンモニアに変換する。したがって、下流側の選択還元型触媒の触媒温度が活性温度に到達するまでに要する時間を更に短縮することができる。

第１実施形態における排気浄化システムの概略構成を示す図である。制御装置の概略構成を示す図である。尿素水を添加する処理の一例を示すフローチャートである。ＮＯｘ吸着材で吸着されたＮＯｘ量を算出する処理の一例を示すフローチャートである。触媒温度とＮＯｘ低減率との関係の一例を示すグラフである。第２実施形態における排気浄化システムの概略構成を示す図である。

　以下、図１～図６を参照して、排気浄化システムの実施の形態を説明する。
　（第１実施形態）

　図１に示すように、排気浄化システム１は、エンジン２から排気ガスが供給され、供給された排気ガスを浄化して排出するものであり、内筒３と、内筒３の外側に配設される外筒４とから構成される二重管構造を備えている。外筒４は、有底の筒構造を有しており、内筒３の有する２つの端部のうちでエンジン２に近い端部とは反対側の端部である先端部は、外筒４内に挿入され、外筒４の底面５から離間している。これにより、内筒３の内部空間は、内筒３の外面と外筒４の内面との間の外側空間と連通し、これら内筒３と外筒４との全体で、排気通路１０を構成する。

　具体的に、排気通路１０は、内筒３の内面から構成される第１排気通路１１と、内筒３の外面と外筒４の内面とから構成される第２排気通路１２と、外筒４の底面５と外筒４の内面とから構成されて、第１排気通路１１と第２排気通路１２とを連通する第３排気通路１３とを有している。更に、排気通路１０は、第２排気通路１２を通過した排気ガスを排出する第４排気通路１４を有している。この排気通路１０において、エンジン２からの排気ガスは、第１排気通路１１に供給され、次いで、第３排気通路１３で折り返されて第２排気通路１２に供給され、最後に、第４排気通路１４から排出される。このような、排気通路１０は、第３排気通路１３で排気ガス流路を折り返すようにし、第１排気通路１１の外側に第２排気通路１２が位置するように構成することで、排気ガス流路を長く形成しつつ、内筒３や外筒４の延びる方向において小型化を実現している。

　第１排気通路１１において最もエンジン２側に位置する部分には、バーナー２０によって燃料が燃焼する燃焼空間１５が形成されている。この燃焼空間１５は、内筒３の一部である燃焼空間形成壁１６によって囲まれている。バーナー２０は、燃料を燃焼空間１５に供給する燃料供給部２１と、燃焼空間１５に供給された燃料を着火する点火プラグ２２とを備える。バーナー２０は、上流側選択還元型触媒２９の触媒温度が活性温度よりも低いときや、排気の流れる方向において上流側選択還元型触媒２９よりも下流に位置する下流側選択還元型触媒５１の触媒温度が活性温度より低いときに駆動される。バーナー２０の駆動は、上流側選択還元型触媒２９や下流側選択還元型触媒５１を加熱するとともに、尿素水をアンモニアに加水分解される程度にまで加熱する。

　燃料供給部２１は、燃料タンク２４と燃焼空間形成壁１６に設けられた噴射ノズル２３との間をパイプ等の燃料通路２５で接続し、燃料ポンプ２６によって、燃料タンク２４の燃料を噴射ノズル２３に圧送する。燃料通路２５には、噴射ノズル２３と燃料ポンプ２６との間に燃料開閉弁２７が設けられている。燃料開閉弁２７は、バーナー２０を駆動するときに限って、燃料通路２５を開放し、噴射ノズル２３に燃料を供給する。点火プラグ２２は、例えばスパークプラグやグロープラグであって、燃焼空間形成壁１６に設けられ、噴射ノズル２３から噴射された燃料に着火する。燃料は、排気ガスに残存する酸素を酸化剤として燃焼する。なお、噴射ノズル２３は、燃料開閉弁２７の機能が内蔵されるインジェクターであってもよい。

　第１排気通路１１には、燃焼空間１５の下流側に、排気ガスに含まれる粒子性物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ）を捕捉するＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｆｉｌｔｅｒ）３０が設けられている。ＤＰＦ３０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・フィルターであり、排気ガスに含まれる粒子性物質を、壁を通過する際に捕捉する。
　なお、ＤＰＦ３０が捕捉した粒子性物質は、バーナー２０における燃料の燃焼によって昇温した排気ガスが流入することにより焼却される。

　このようなＤＰＦ３０を構成するフィルタには、ゼオライト、アルミナ、ジルコニア等の上流側選択還元型触媒２９を担持することによって、ＤＰＦ３０に、選択還元型システムの機能を持たせることができる。ゼオライトとしては、銅ゼオライト、鉄ゼオライト、銀ゼオライト、亜鉛ゼオライト、コバルトゼオライト等を挙げることができる。排気に含まれるＮＯｘの還元に際して、この上流側選択還元型触媒２９は、後述の第２排気通路１２に設けられる下流側選択還元型触媒５１の補助的な役割を果たす。すなわち、ＮＯｘの還元性能は、選択還元型触媒の量が多いほど高くなる。一方で、フィルタの選択還元型触媒を多く、すなわち厚く設け過ぎると、排気ガスが排気通路を流れにくくなり、フィルタの圧力損失が増大する。そこで、ここでの上流側選択還元型触媒２９は、下流側選択還元型触媒５１の還元に対して補助的な役割を果たす。上流側選択還元型触媒２９は、排気ガスによって活性温度以上に加熱されるとともに、冷間始動時や軽負荷運転時において活性温度より低いときにはバーナー２０によって活性温度以上に加熱される。

　このＤＰＦ３０に設けられた上流側選択還元型触媒２９に用いられる還元剤としては、尿素水が用いられる。このため、第１排気通路１１のＤＰＦ３０の上流側、すなわち燃焼空間１５には、尿素水をＤＰＦ３０の上流側に供給する尿素水供給部３１が設けられている。尿素水供給部３１は、燃焼空間１５からの排気ガスに対して還元剤となる尿素水や加水分解されたアンモニアを添加する上流側添加弁３２を備える。上流側添加弁３２は、燃焼空間形成壁１６に設けられ、排気ガスの流れ方向に尿素水やアンモニアを添加する。

　尿素水供給部３１は、尿素水タンク３３と燃焼空間形成壁１６に設けられた上流側添加弁３２との間をパイプ等の接続通路３４で接続し、尿素水ポンプ３５によって、尿素水タンク３３の尿素水を上流側添加弁３２に圧送する。接続通路３４には、上流側添加弁３２と尿素水ポンプ３５との間に開閉弁３６が設けられている。開閉弁３６は、接続通路３４を開放して上流側添加弁３２に尿素水を供給し、また、接続通路３４を遮断して上流側添加弁３２に対する尿素水の供給を停止する。

　尿素水を上流側添加弁３２に供給する接続通路３４において開閉弁３６の下流に位置する部分は、ＤＰＦ３０の選択還元型触媒に添加する尿素水を加熱する上流側用加熱部３７として機能する。上流側用加熱部３７は、第１排気通路１１内の燃焼空間１５に位置し、燃焼空間１５内での流路の長さが長くなるように、熱伝導性が高い銅やステンレス等のパイプがコイル状や千鳥状に形成された通路であって、尿素水を効率的に加熱する。上流側用加熱部３７は、燃焼空間１５における燃料がバーナー２０によって燃焼することにより、尿素水がアンモニアに加水分解される程度にまで加熱する。上流側添加弁３２からは、バーナー２０が駆動しているとき、加熱された尿素水又はアンモニアがＤＰＦ３０よりも上流に添加される。

　更に、第1排気通路１１には、燃焼空間１５に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘ濃度センサー４２と、ＤＰＦ３０の上流側選択還元型触媒２９に流入する排気ガスの温度を選択還元型触媒の触媒温度として検出する上流側温度センサー４３とが設けられている。

　第１排気通路１１には、排気の流れる方向においてＤＰＦ３０の下流側に、排気ガスに含まれるＮＯｘを吸着するＮＯｘ吸着材５０が設けられている。ＮＯｘ吸着材５０は、ＮＯｘを物理的に吸着するフィルタであって、ＮＯｘ吸着材５０を形成する材料は希土類系、アルカリ金属、アルカリ土類金属の酸化物、ゼオライト等である。このＮＯｘ吸着材５０は、所定温度まで加熱されたときにＮＯｘを放出する。例えば、このＮＯｘ吸着材５０は、例えば１５０～２５０℃程度の温度でＮＯｘを放出する。ＮＯｘ吸着材５０を通過したＮＯｘや再生処理で放出したＮＯｘは、下流側の第２排気通路１２に設けられる下流側選択還元型触媒５１によって、窒素に変換される。このＮＯｘ吸着材５０は、選択還元型触媒が活性化する活性温度より低い温度においてもＮＯｘを物理的に吸着することができ、選択還元型触媒が活性化する温度よりも低い冷間始動時や軽負荷運転時にあっても、ＮＯｘが大気中に放出されることを防止することができる。

　ＤＰＦ３０で粒子性物質が除去された排気ガスは、第３排気通路１３で流れの向きが折り返され、次いで、第２排気通路１２に供給される。第２排気通路１２は、第１排気通路１１の外側に位置し、第３排気通路１３で折り返された排気ガスが第２排気通路１２に流入する。この第２排気通路１２は、内筒３の外面と外筒４の内面との間の空間により構成されており、特に燃焼空間１５の外側は、上述したＤＰＦ３０の補助的な上流側選択還元型触媒２９に対して、主となる下流側選択還元型触媒５１を配設する空間となる。

　下流側選択還元型触媒５１は、モノリス触媒であって、例えばコージェライト製のハニカム担体に、ゼオライト、バナジウム系、ジルコニア系等をコーティングして構成される。ゼオライトとしては、銅ゼオライト、鉄ゼオライト、亜鉛ゼオライト、コバルトゼオライト等が挙げられる。一般に、下流側選択還元型触媒５１は、活性温度より低いときに活性化せず、十分なＮＯｘの浄化能力を有しない。下流側選択還元型触媒５１は、排気ガスによって活性温度以上に加熱されるとともに、冷間始動時や軽負荷運転時において、活性温度より低いときにはバーナー２０によって活性温度以上に加熱されることになる。下流側選択還元型触媒５１は、バーナー２０が駆動されると、内筒３の一部である燃焼空間形成壁１６を介して加熱或いはバーナー２０で加熱された排気ガスにより加熱されることになる。

　この下流側選択還元型触媒５１にも、還元剤として、例えば尿素水が用いられる。このため、第２排気通路１２の下流側選択還元型触媒５１の上流側には、還元剤を下流側選択還元型触媒５１に供給する尿素水供給部５２が設けられている。尿素水供給部５２は、第３排気通路１３からの排気ガスに対して尿素水や加水分解されたアンモニアを添加する下流側添加弁５３を備える。下流側添加弁５３は、第２排気通路１２を構成する外筒４に設けられ、排気ガスの流れ方向に尿素水又はアンモニアを添加する。

　尿素水供給部５２は、上述した尿素水供給部３１と一部、構成部材を共通化しており、尿素水ポンプ３５より上流側は、尿素水供給部３１と共通で、尿素水ポンプ３５より下流側は、パイプ等の接続通路５４で下流側添加弁５３と接続される。接続通路５４には、下流側添加弁５３と尿素水ポンプ３５との間に開閉弁５５が設けられる。開閉弁５５は、接続通路５４を開放して、下流側添加弁５３の方向に尿素水を供給する。

　尿素水を下流側添加弁５３に供給する接続通路５４の一部は、開閉弁５５の下流において、下流側選択還元型触媒５１に添加する尿素水を加熱する下流側用加熱部５６として機能する。下流側用加熱部５６は、上述の上流側用加熱部３７と同様に、第１排気通路１１内の燃焼空間１５に位置している。下流側用加熱部５６は、燃焼空間１５においてバーナー２０によって燃料が燃焼することにより、尿素水を、アンモニアに加水分解される程度にまで加熱する。下流側添加弁５３からは、バーナー２０が駆動しているとき、加熱された尿素水又は加水分解されたアンモニアが下流側選択還元型触媒５１よりも上流に添加される。

　更に、第２排気通路１２には、下流側選択還元型触媒５１の上流側に、下流側選択還元型触媒５１に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘ濃度センサー４４と、下流側選択還元型触媒５１に流入する排気ガスの温度を下流側選択還元型触媒５１の触媒温度として検出する下流側温度センサー４５とが設けられている。また、第２排気通路１２に設けられた下流側選択還元型触媒５１の下流となる第４排気通路１４には、最終的に、排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を検出する排出ＮＯｘ濃度センサー４６が設けられる。

　図２に示すように、以上のように構成された排気浄化システム１は、マイコン等で構成された制御装置４７によって制御される。制御装置４７は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵといった構成を備えている。制御装置４７は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って各種センサー４１，４２，４３，４４，４５，４６等から入力された入力値を用いた演算を行って、バーナー２０の点火プラグ２２の点火制御や尿素水供給部３１，５２の開閉弁３６，５５の開閉制御や燃料ポンプ２６や尿素水ポンプ３５の駆動制御等を行う。

　図３を参照して、尿素水を添加する処理の一例について説明する。この処理は、冷間始動時や軽負荷運転時に開始されるとともに繰り返し実行される。
　ステップＳ１において、制御装置４７は、エンジン２の吸気通路に設けられた吸入空気量センサー４１からの吸入空気量Ｇａ、ＮＯｘ濃度センサー４２，４４，４６からのＮＯｘ濃度Ｃｘ１，Ｃｘ２，Ｃｘ３、温度センサー４３，４５からの触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２を取得する。

　ステップＳ２において、制御装置４７は、取得した吸入空気量Ｇａ、第１排気通路１１の上流側ＮＯｘ濃度センサー４２から取得したＮＯｘ濃度Ｃｘ１、第１排気通路１１の上流側温度センサー４３から取得した触媒温度Ｔｃ１に基づいて、第１排気通路１１のＮＯｘ量Ｇｘ１を算出する。ステップＳ３において、ＮＯｘ量Ｇｘ１に基づき、上流側選択還元型触媒２９に供給する上流側添加弁３２の方向に供給する尿素水の添加量Ｇｕ１を算出する。

　また、制御装置４７は、吸入空気量Ｇａ、第２排気通路１２の下流側ＮＯｘ濃度センサー４４から取得したＮＯｘ濃度Ｃｘ２、第２排気通路１２の下流側温度センサー４５から取得した触媒温度Ｔｃ２に基づいて、第２排気通路１２のＮＯｘ量Ｇｘ２を算出する。ステップＳ３において、ＮＯｘ量Ｇｘ２に基づき、下流側選択還元型触媒５１に供給する下流側添加弁５３の方向に供給する尿素水の添加量Ｇｕ２を算出する。

　ステップＳ４において、制御装置４７は、ステップＳ１において第１排気通路１１の上流側温度センサー４３から取得した触媒温度Ｔｃ１と第２排気通路１２の下流側温度センサー４５から取得した触媒温度Ｔｃ２の少なくとも１つが活性温度Ｔｃａ未満であるか否かを判断する。そして、触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２の少なくとも１つが活性温度Ｔｃａ未満のとき、尿素水を加熱するための処理であるステップＳ５に進む。また、活性温度Ｔｃａ未満でない場合、すなわち触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａ以上のとき、尿素水をバーナー２０で加熱しないステップＳ９に進む。制御装置４７は、このような判断を行うことで、活性温度未満の下流側選択還元型触媒５１や上流側選択還元型触媒２９に尿素水が供給されてしまい、尿素水に含まれる尿素が結晶化してしまうことを防止する。

　触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２の少なくとも１つが活性温度Ｔｃａ未満の場合は、ステップＳ５において、尿素水の添加量Ｇｕ１，Ｇｕ２に応じたバーナー２０を駆動するための燃料量Ｇｆを算出する。ステップＳ６において、制御装置４７は、燃料の燃料開閉弁２７を開弁し、燃料ポンプ２６を駆動し、燃料量Ｇｆの分の燃料を噴射ノズル２３から噴射する。そして、点火プラグ２２を駆動して燃料に着火する。

　ステップＳ７において、制御装置４７は、燃料量Ｇｆの演算が連続しているか否かを判断する。すなわち、制御装置４７は、燃料量Ｇｆの演算が連続しているか否かを判断することで、バーナー２０が駆動し続けているかを判断する。制御装置４７は、燃料量Ｇｆの演算が連続しているとき、ステップＳ８に進み、連続していないとき、ステップＳ４に戻る。連続していないとき、制御装置４７は、ステップＳ４からの処理（演算）を繰り返す。

　ステップＳ８において、制御装置４７は、開閉弁３６を開弁し、上流側用加熱部３７で加熱された尿素水又は尿素水が加水分解されて生成されたアンモニアを、上流側添加弁３２より、ＤＰＦ３０の上流側選択還元型触媒２９の手前に添加する。また、開閉弁５５を開弁し、下流側用加熱部５６で加熱された尿素水又は尿素水が加水分解されて生成されたアンモニアを、下流側添加弁５３より、下流側選択還元型触媒５１の手前に添加する。

　かくして、バーナー２０が駆動されることで、尿素水が、燃焼空間１５の下流側用加熱部５６や上流側用加熱部３７において加水分解が促進するように加熱される。更に、ＤＰＦ３０の上流側選択還元型触媒２９が活性温度以上に加熱され、第２排気通路１２の下流側選択還元型触媒５１も燃焼空間形成壁１６を介して活性温度以上に加熱される。これにより、尿素水がアンモニアに変換されやすくなり、又は、尿素水が加水分解されてアンモニアが生成されることから、排気ガスの温度や下流側選択還元型触媒５１の触媒温度Ｔｃ１や上流側選択還元型触媒２９の触媒温度Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａより低い場合であっても、加熱された尿素水やアンモニアの添加が可能となる。これにより、冷間始動時や軽負荷運転時において、ＮＯｘが大気中に放出されることを防止することができる。

　制御装置４７は、ステップＳ４で既に触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａ以上と判断した場合、ステップＳ９において、バーナー２０を駆動することなく、バーナー２０で加熱していない尿素水を添加弁３２，５３より、上流側選択還元型触媒２９や下流側選択還元型触媒５１に添加する。このような場合は、既に、下流側選択還元型触媒５１や上流側選択還元型触媒２９が活性温度以上に十分に加熱されており、バーナー２０を駆動するまでもなく、尿素水を添加するだけで加水分解が進み、上流側選択還元型触媒２９や下流側選択還元型触媒５１にアンモニアが供給されるからである。

　ところで、上流側選択還元型触媒２９やＤＰＦ３０を透過した排気ガスのＮＯｘは、ＮＯｘ吸着材５０によって物理的に吸着される。このＮＯｘ吸着材５０は、触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａより低くとも、ＮＯｘを吸着する。これにより、選択還元型触媒が活性化する活性温度よりも低い冷間始動時や軽負荷運転時にあっても、ＮＯｘが大気中に放出されることを防止することができる。一方で、ＮＯｘ吸着材５０には、ＮＯｘの吸着量に限界がある。制御装置４７は、排気の流れる方向においてＤＰＦ３０の下流に位置するＮＯｘ吸着材５０に対してＮＯｘの吸着量を管理し、吸着量が性能限界値に近い閾値になると、ＮＯｘ吸着材５０の再生処理を開始する。

　具体的に、図４に示すように、ステップＳ１１及びステップＳ１２では、上述したステップＳ１及びステップＳ２と同様に、制御装置４７が吸入空気量センサー４１からの吸入空気量Ｇａ、ＮＯｘ濃度センサー４２，４４からのＮＯｘ濃度Ｃｘ１，Ｃｘ２、温度センサー４３，４５からの触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２を取得する。制御装置４７は、取得した吸入空気量Ｇａ、ＮＯｘ濃度センサー４２，４４から取得したＮＯｘ濃度Ｃｘ１，Ｃｘ２、温度センサー４３，４５から取得した触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２に基づいて、第１排気通路１１のＮＯｘ量Ｇｘ１と第２排気通路１２のＮＯｘ量Ｇｘ２とを算出する。

　第１排気通路１１のＮＯｘ量Ｇｘ１は、燃焼空間１５のＮＯｘ量Ｇｘ１であり、エンジン２から供給された排気ガスであって排気浄化システム１による浄化処理前の排気ガスにおけるＮＯｘ量である。また、第２排気通路１２のＮＯｘ量Ｇｘ２は、上流側選択還元型触媒２９及びＮＯｘ吸着材５０を通過した後のＮＯｘ量となる。

　ステップＳ１３において、制御装置４７は、浄化処理前のＮＯｘ量Ｇｘ１からＮＯｘ吸着材５０を通過した後のＮＯｘ量Ｇｘ２を減算する処理を行い、ＮＯｘ吸着材５０に吸着したＮＯｘ量Ｇｘ３を算出する。なお、ＮＯｘ量Ｇｘ３を算出するにあたって、上流側選択還元型触媒２９で処理されたＮＯｘ量を考慮する場合は、ＮＯｘ量Ｇｘ１から、上流側選択還元型触媒２９で処理されたＮＯｘ量とＮＯｘ量Ｇｘ２とが減算される。上流側選択還元型触媒２９で処理されたＮＯｘ量は、例えば、上流側温度センサー４３からの触媒温度Ｔｃ１等に基づきテーブルを参照して算出することができる。

　ステップＳ１４において、制御装置４７は、前回までのＮＯｘ量Ｇｘ３の積算値に今回のＮＯｘ量Ｇｘ３を積算して今回の積算値ＧｘＴを算出する。ステップＳ１５において、制御装置４７は、今回の積算値ＧｘＴが所定の吸着量を超えたか否かを判断し、今回の積算値ＧｘＴが所定の吸着量を超えるまで、ステップＳ１１からステップＳ１４までの処理を繰り返す。そして、制御装置４７は、今回の積算値ＧｘＴが所定の吸着量を超えたと判断したとき、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６において、制御装置４７は、バーナー２０を駆動し、ＤＰＦ３０を介してＮＯｘ吸着材５０を加熱し、吸着したＮＯｘをＮＯｘ吸着材５０から放出する再生処理を行う。なお、放出されたＮＯｘは、下流側選択還元型触媒５１によって処理される。

　図５は、触媒温度とＮＯｘ低減率との関係の一例を示すグラフであって、ＮＯｘ低減率について行った実験の結果を示すグラフである。図５において、実施例のＮＯｘ低減率は、上記排気浄化システム１によって得られた値である。比較例のＮＯｘ低減率は、上記排気浄化システム１から加熱部３７，５６、および、ＮＯｘ吸着材５０が省略された排気浄化システムによって得られた値である。図５に示すように、比較例においては、冷間始動時や軽負荷運転時における触媒温度の温度範囲である１００℃～１８０℃の範囲では、ＮＯｘ低減率が著しく低い。一方、実施例においては、触媒温度が１００℃～１８０℃の範囲においてもＮＯｘが低減されることが認められる。また、２００℃以下の各温度において比較例よりもＮＯｘ低減率が高いことが認められた。

　第１実施形態の排気浄化システム１によれば、以下に列挙する効果が得られる。
　（１）排気浄化システム１では、バーナー２０の駆動によって尿素水が加熱されアンモニアに変換されやすくなる。したがって、選択還元型触媒２９，５１の触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａより低くとも、排気ガスに対して、燃焼空間１５の加熱部３７、５６で加熱された尿素水や加水分解されたアンモニアを供給することができる。その結果、ＮＯｘの低減量が高まる。

　（２）排気浄化システム１では、下流側選択還元型触媒５１の上流に位置するＮＯｘ吸着材５０が触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａより低くても、ＮＯｘを吸着する。したがって、選択還元型触媒が活性化する活性温度よりも低い冷間始動時や軽負荷運転時にあっても、ＮＯｘが大気中に放出されることを防止することができる。

　（３）バーナー２０の下流にＤＰＦ３０が配設されていることで、バーナー２０の駆動に伴う粒子性物質をＤＰＦ３０にて捕捉することができる。その結果、バーナー２０の駆動に起因した粒子性物質の排出量の増加が抑えられる。

　（４）ＤＰＦ３０には、上流側選択還元型触媒２９が一体的に設けられていることから、ＮＯｘ吸着材５０や下流側選択還元型触媒５１の上流側で、ＮＯｘを低減することができ、ＮＯｘ吸着材５０や下流側選択還元型触媒５１の負担を軽減することができる。

　（５）加熱部３７、５６で尿素水を加熱するためバーナー２０を駆動したときには、同時に、上流側選択還元型触媒２９が加熱される。更に、同時に、下流側選択還元型触媒５１が燃焼空間形成壁１６を介して加熱される。これにより、選択還元型触媒２９，５１の触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａに到達するまでに要する時間を短縮することができる。

　（６）バーナー２０は、選択還元型触媒２９，５１の触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａ未満のときに限って駆動される。したがって、バーナー２０で尿素水を加熱するための燃料消費を最低限に抑えることができる。

　（７）触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａ未満のときに選択還元型触媒２９，５１に供給されたアンモニアは、そのまま選択還元型触媒２９，５１に保持され、触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａに達したとき、直ちに保持されたアンモニアによって窒素に変換することができる。
　（第２実施形態）

　図６を参照して、排気浄化システムの第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の排気浄化システムは、第１実施形態の排気浄化システムと主要な構成が同じであるため、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分について詳細に説明し、第１実施形態と同様の部分については同様の符号を付すことで詳細な説明は省略する。

　図６に示すように、この排気浄化システムは、ＮＯｘ吸着材５０の外側に、下流側バーナー６０が設けられている。この下流側バーナー６０は、燃料を第２排気通路１２に供給する燃料供給部６１と、第２排気通路１２に供給された燃料を着火する点火プラグ６２とを備える。燃料供給部６１を構成する複数の構成要素の一部は、上述した燃料供給部２１と共通である。すなわち、燃料供給部６１において燃料ポンプ２６よりも上流に位置する構成要素は、燃料供給部２１と共通であり、燃料ポンプ２６よりも下流に位置するパイプ等の接続通路６３は、噴射ノズル６４と接続されている。接続通路６３において、噴射ノズル６４と燃料ポンプ２６との間には、燃料開閉弁６５が設けられている。燃料開閉弁６５は、接続通路６３を開放して噴射ノズル６４に燃料を供給し、また、接続通路６３を遮断して噴射ノズル６４に対する燃料の供給を停止する。点火プラグ６２は、内筒３の第２排気通路１２の部分に設けられ、噴射ノズル６４から噴射された燃料に着火する。燃料は、排気ガスに残存する酸素を酸化剤として燃焼する。

　また、図６に示すように、ＤＰＦ３０と上流側選択還元型触媒２９とを一体化するだけでなく、更に、ＮＯｘ吸着材５０も一体化し、構成の簡素化や部品点数の削減を図ることができる。この場合、ＤＰＦ３０の上流側の面に、上流側選択還元型触媒２９を担持させ、下流側の面に、ＮＯｘ吸着材５０を担持させる。そして、ＤＰＦ３０は、上流側選択還元型触媒２９とＮＯｘ吸着材５０が重ならないように形成する。これにより、フィルタの圧力損失の増大を防ぐことができる。

　第２実施形態の排気浄化システムによれば、第１実施形態に記載した（１）～（７）に準ずる効果に加えて、以下に列挙する効果が得られる。
　（８）下流側バーナー６０は、第２排気通路１２の下流の下流側選択還元型触媒５１の触媒温度が活性温度より低いときに駆動され、下流側選択還元型触媒５１を加熱することができるとともに、下流側添加弁５３から添加された尿素水を加熱し加水分解によりアンモニアに変換する。したがって、下流側選択還元型触媒５１の触媒温度Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａに到達するまでに要する時間を更に短縮することができる。

　（９）下流側バーナー６０は、下流側選択還元型触媒５１を再生するときに、内筒３を介してＮＯｘ吸着材５０を加熱する。これにより、ＮＯｘ吸着材５０に吸着したＮＯｘが下流側に放出される。放出されたＮＯｘは、下流側選択還元型触媒５１によって除去することができる。

　（１０）ＤＰＦ３０には、上流側選択還元型触媒２９とＮＯｘ吸着材５０とが一体的に設けられていることから、部品点数の削減とともに小型化を実現することができる。ＤＰＦ３０に上流側選択還元型触媒２９とＮＯｘ吸着材５０とを一体的に設けた場合であっても、上流側選択還元型触媒２９とＮＯｘ吸着材５０とは重ならないように設けられているので、フィルタの圧力損失を防ぐことができる。

　なお、上記第１及び第２実施形態は、以下のように変更してもよい。
　・ＮＯｘ吸着材５０の位置は、排気の流れる方向において、ＤＰＦ３０よりも下流であれば特に限定されるものではない。例えば、ＮＯｘ吸着材５０は、第２排気通路１２において、下流側選択還元型触媒５１の直前に配置することもできる。

　・排気通路１０は、内筒３と外筒４とで構成された二重管構造に限定されるものではない。例えば、排気通路１０は、１本の筒体によって構成されて、排気通路１０の一端部がエンジン２に接続されて、排気の流れる方向において上流側から順に、バーナー２０、ＤＰＦ３０、ＮＯｘ吸着材５０、下流側選択還元型触媒５１が配置される構成であってもよい。この際、排気通路１０を構成する筒体は、直線状をなしていてもよいし、少なくとも一部が湾曲したものであってもよい。

　・ＤＰＦ３０に上流側選択還元型触媒２９を担持させた構成を説明したが、ＮＯｘ吸着材５０や下流側選択還元型触媒５１が十分にＮＯｘを除去する構成であれば、排気浄化システムにおいて上流側選択還元型触媒２９が省略されてもよい。

　・ＮＯｘ吸着材５０は、ＮＯｘを物理的に吸着するものではなく、ＤＰＮＲ触媒（Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ－ＮＯｘ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）を用いたものであってもよい。この場合、ＴＨＣ、ＣＯに加え微粒子とＮＯｘとを同時低減することができ、ＤＰＦ３０を省略することも可能である。なお、ＮＯｘ吸着材５０は、ＮＯｘを物理的に吸着する構造体と、ＤＰＮＲ触媒を用いた構造体との組み合わせであってもよい。

　・ＤＰＦ３０の上流に酸化触媒（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　Ｃａｔａｌｙｓｔ）を配置するようにしてもよい。下流側選択還元型触媒５１の下流に、アンモニアを酸化するアンモニア酸化触媒をさらに備えてもよい。

　・触媒温度Ｔｃ１，Ｔｃ２が活性温度Ｔｃａに到達しているときに、バーナー２０が駆動されてもよい。こうした構成においても、燃料量Ｇｆは、尿素水の添加量Ｇｕ１，Ｇｕ２に応じて制御されることが好ましい。
　・尿素水の添加量Ｇｕ１，Ｇｕ２に関わらず燃料量Ｇｆが一定であってもよい。こうした構成であっても、尿素水がアンモニアに変換されるやすくなる。

　・尿素水タンク３３内の尿素水の温度を検出するセンサーの検出値に基づいて燃料量Ｇｆが調整されてもよい。こうした構成によれば、バーナー２０の駆動にともなう燃料消費量がさらに抑えられる。
　・加熱部３７、５６は、燃焼空間１５に位置していればよく、その形状はコイル状や螺旋状の形状に限られるものではない。

　・尿素水供給部３１，５２は、加熱部３７，５６と添加弁３２，５３との間にパイプを覆うように断熱材を設け、加熱された尿素水の温度低下を防止してもよい。

　・バーナー２０，６０には、燃料と空気との混合気が生成されるように、噴射ノズル２３，６４の上流にて空気を供給する空気供給部を設けてもよい。また、バーナー２０，６０は、燃料と空気とを予め混合した予混合気を供給する構成であってもよい。

　・図１の排気浄化システム１において、図６に示すように、ＤＰＦ３０と上流側選択還元型触媒２９とＮＯｘ吸着材５０とを一体化したフィルタを用いてもよい。また、図６の排気浄化システム１において、上流側選択還元型触媒２９が一体化されたＤＰＦ３０とＮＯｘ吸着材５０とを別体としてもよい。

Claims

　排気ガスが流れる排気通路と、
　前記排気通路に配置されたバーナーであって、前記バーナーにおける燃料の燃焼空間が前記排気通路内の一部である前記バーナーと、
　前記排気通路において前記燃焼空間よりも下流に位置して前記排気ガスに含まれる窒素酸化物を吸着するＮＯｘ吸着材と、
　前記排気通路において前記ＮＯｘ吸着材よりも下流に位置する選択還元型触媒と、
　前記排気通路において前記選択還元型触媒と前記燃焼空間との間に位置する添加弁と、
　前記添加弁に接続されて前記添加弁に向かう尿素水が流れる接続通路であって、前記接続通路の一部が前記燃焼空間を通る前記接続通路と、
　を備える排気浄化システム。
　更に、前記排気通路には、前記バーナーと前記ＮＯｘ吸着材との間に、ＤＰＦを備える
　請求項１に記載の排気浄化システム。
　前記選択還元型触媒が下流側選択還元型触媒であり、
　前記添加弁が下流側添加弁であり、
　前記接続通路が前記下流側添加弁用の接続通路であり、
　前記ＤＰＦには、前記排気通路において前記下流側選択還元型触媒よりも上流に位置する上流側選択還元型触媒が一体化され、
　更に、前記排気通路において前記上流側選択還元型触媒よりも上流に位置する上流側添加弁と、
　前記上流側添加弁に接続されて前記上流側添加弁に向かう尿素水が流れる前記上流側添加弁用の接続通路であって、前記上流側の接続通路の一部が前記燃焼空間を通る前記上流側添加弁用の接続通路と、
　を備える請求項２に記載の排気浄化システム。
　前記ＤＰＦには、上流側の面に、前記上流側選択還元型触媒が一体的に設けられ、下流側の面に、前記ＮＯｘ吸着材が一体的に設けられている
　請求項３に記載の排気浄化システム。
　前記排気通路は、前記燃焼空間を形成する燃焼空間形成壁を備え、前記燃焼空間形成壁が、前記選択還元型触媒が位置する空間と前記燃焼空間とを区画し、
　前記選択還元型触媒は、前記バーナーによって前記燃料が燃焼することにより、前記燃焼空間形成壁を介して加熱される
　請求項１又は２記載の排気浄化システム。
　更に、前記選択還元型触媒の触媒温度を取得し、前記取得された触媒温度が前記選択還元型触媒の活性温度未満である場合に前記バーナーを駆動する制御装置を備える
　請求項１，２，５の何れか１項記載の排気浄化システム。
　前記バーナーは、
　前記排気通路において前記ＮＯｘ吸着材よりも上流に位置する上流側のバーナーであり、
　更に、前記排気通路において、前記ＮＯｘ吸着材と前記選択還元型触媒との間に下流側のバーナーが更に設けられ、
　前記制御装置は、前記取得された触媒温度が前記選択還元型触媒の活性温度未満であるとき、前記下流側のバーナーを駆動する
　請求項６に記載の排気浄化システム。