JP6469457B2

JP6469457B2 - 排気浄化装置

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Publication number: JP6469457B2
Application number: JP2015010309A
Authority: JP
Inventors: 圭一林崎
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2035-01-22
Also published as: JP2016133109A

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を昇温可能なバーナーと、排気ガスに燃料を添加する第１添加弁と、前記バーナーおよび前記第１添加弁の下流に位置し、排気ガスに含まれる粒子性物質を捕捉するフィルターであって、排気ガス中の一酸化窒素を酸化して二酸化窒素に変換する酸化触媒と排気ガス中の燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元する第１選択還元型触媒とを含み、前記酸化触媒が前記第１選択還元型触媒の上流側に形成された前記フィルターと、前記フィルターの下流に位置し、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、前記酸化触媒および前記第１選択還元型触媒の少なくとも一方が不活性状態であるときに前記バーナーを燃焼状態に制御する制御部とを備える。

上記構成によれば、酸化触媒および第１選択還元型触媒の少なくとも一方が不活性状態にあるときにバーナーが燃焼状態に制御されることで酸化触媒および第１選択型触媒の昇温が促進される。これにより、第１選択還元型触媒によるＮＯｘの還元が早期に実現可能である。また、バーナーが燃焼状態にあるときには、第２および第３選択還元型触媒の昇温も促進されるため、第２添加弁の添加した燃料を還元剤に用いた第２選択還元型触媒によるＮＯｘの還元、および、第２選択還元型触媒が生成したＮＨ_３を還元剤に用いた第３選択還元型触媒によるＮＯｘの還元も早期に実現可能である。また、酸化触媒において排気ガス中の一酸化窒素（以下、ＮＯという）の一部が二酸化窒素（以下、ＮＯ_２という）に変換されるため、このＮＯ_２でフィルターの粒子性物質を連続的に酸化可能である。これにより、第１選択還元型触媒が清浄な状態に維持されやすくなることから、第１選択還元型触媒と排気ガス中のＮＯｘとの接触機会が増えて第１選択還元型触媒によるＮＯｘの還元が効率よく行われる。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、前記制御部は、前記第２選択還元型触媒が不活性状態であるときに前記バーナーを燃焼状態に制御することが好ましい。
上記構成によれば、例えば酸化触媒および第１選択還元型触媒が活性状態であっても、第２選択還元型触媒が不活性状態にあるときにはバーナーが燃焼状態に制御される。その結果、第２選択還元型触媒の昇温が促進され、第２選択還元型触媒によるＮＯｘの還元が早期に実現可能である。

上記排気浄化装置において、前記制御部は、前記第３選択還元型触媒が不活性状態であるときに前記バーナーを燃焼状態に制御することが好ましい。
上記構成によれば、例えば第１選択還元型触媒および第２選択還元型触媒が活性状態であっても、第３選択還元型触媒が不活性状態にあるときにはバーナーが燃焼状態に制御される。その結果、第３選択還元型触媒の昇温が促進され、第３選択還元型触媒によるＮＯｘの還元が早期に実現可能である。

上記排気浄化装置において、前記バーナーは、前記第１添加弁と前記第１添加弁が添加した燃料を着火する着火部とを含み、前記制御部は、前記酸化触媒および前記第１選択還元型触媒が活性状態であるときに、前記第１添加弁が添加した燃料を燃焼させない添加状態に前記バーナーを制御してもよい。

上記構成によれば、バーナーに対する燃料の供給と排気ガスに対する燃料の添加とを第１添加弁で行うことができる。これにより、バーナーに燃料を供給する構成と排気ガスに燃料を添加する構成とが共通化され、排気浄化装置の構成を簡素化することができる。

上記排気浄化装置において、前記第３選択還元型触媒は、積層構造体であり、燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元するＨＣ触媒層と、前記ＨＣ触媒層に積層されて前記第３選択還元型触媒の表層を構成し、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ＮＨ_３触媒層とを備えることが好ましい。

上記構成によれば、第３選択還元型触媒においては、第２選択還元型触媒が生成したＮＨ_３に加えて、排気ガス中の残存燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元することができる。

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。フィルターの斜視構造の一例を模式的に示す斜視図であって、フィルター本体の一部を露出して示す図である。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。バーナーの作動状態を選択する処理の一例を示すフローチャートである。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。触媒サイズを比較した結果の一例を示すグラフである。バーナーの作動状態を選択する処理の他の例を示すフローチャートである。

図１から図７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、一列に並んだ６つのシリンダー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が設けられ、ＥＧＲクーラー２６における吸気通路１６側には、ＥＧＲ通路２５の流路断面積を変更可能なＥＧＲ弁２７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、排気ガスを昇温可能なバーナー３１を備える。バーナー３１は、排気通路２０内を流れる排気ガスに燃料を添加する第１添加部３２と排気通路２０内に添加された燃料に着火する着火部３３とを有する。

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。着火部３３は、例えばスパークプラグやグロープラグであって、図示されない電源装置から電力が供給されることで駆動し、第１添加部３２が添加した燃料に着火する。着火された燃料は、排気ガスに残存する酸素を酸化剤として燃焼する。第１添加部３２による燃料の添加、および、着火部３３の駆動は、後述する制御装置７０によって制御される。制御装置７０は、第１添加部３２および着火部３３の制御を通じて、バーナー３１の作動状態を停止状態、燃焼状態、および、添加状態のいずれかに制御する。停止状態は、第１添加部３２が燃料を添加しない状態である。燃焼状態は、第１添加部３２の添加した燃料が燃焼する状態であり、添加状態は、第１添加部３２の添加した燃料が燃焼しない状態である。

なお、バーナー３１は、第１添加部３２が添加した燃料に対して空気を供給可能な空気供給部を備えていてもよい。こうした構成によれば、バーナー３１における未燃燃料の発生量を抑えつつ、第１添加部３２が添加可能な燃料量に関する自由度が向上する。

排気浄化装置３０は、排気通路２０におけるバーナー３１の下流にフィルター４０を備える。フィルター４０は、排気ガス中の粒子性物質（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）を捕捉するフィルター機能、排気ガス中の燃料およびＮＯを酸化する酸化機能、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、バーナー３１によって再生温度Ｔｆｒ（例えば６００℃）まで昇温されると、粒子性物質が焼却されてフィルター機能が再生する。

図２に示すように、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４０ａと、フィルター本体４０ａにコーティングされた触媒層である酸化触媒４０ｂおよび第１選択還元型触媒４０ｃとを有する。酸化触媒４０ｂは、第１選択還元型触媒４０ｃの上流側に形成され、排気ガス中の燃料を酸化するとともに排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ_２に変換する。第１選択還元型触媒４０ｃは、酸化触媒４０ｂ以外の部分に形成され、酸化触媒４０ｂを通過した燃料を還元剤に用いて排気ガス中のＮＯｘを還元する。

酸化触媒４０ｂは、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。触媒担体の形成材料は、例えばゼオライトやアルミナ等である。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。触媒担体がゼオライトである場合、酸化触媒４０ｂは、触媒金属イオンがゼオライトの陽イオンと置換したゼオライトの粒子で構成される。触媒担体がアルミナである場合、酸化触媒４０ｂは、触媒金属を担持させたγ−アルミナの粒子、あるいは、触媒金属を担持させたθ−アルミナの粒子で構成される。酸化触媒４０ｂは、排気ガス中の燃料を還元剤に用いたＮＯｘの還元反応よりも、排気ガス中の燃料およびＮＯの酸化反応が優先するように、触媒金属を１リットルあたり１ｇ〜６ｇ含有するように構成される。また酸化触媒４０ｂは、その温度である酸化触媒温度Ｔｏｘが酸化下限温度ＴｏｘＬ（例えば１５０℃）以上であって酸化上限温度ＴｏｘＨ（例えば３５０℃）以下の温度域を活性温度域に有する。

酸化触媒４０ｂは、全長Ｌのフィルター４０の上流端から長さＬｂの範囲に形成される。この長さＬｂは、全長Ｌの１０％以上、全長Ｌの９０％以下の範囲において、より小さい値に設定されることが好ましい。長さＬｂが全長Ｌの１０％以上に設定されることにより、燃料の酸化にともなう粒子性物質の昇温、および、ＮＯから変換されたＮＯ_２による粒子性物質の酸化、これらによって粒子性物質の燃焼が開始されやすくなる。すなわち、エンジン１０の運転中におけるフィルター４０の再生が連続的に行われやすくなる。また、長さＬｂが全長Ｌの９０％以下に設定されることにより、第１選択還元型触媒４０ｃにおけるＮＯｘの浄化作用を確実に得ることができる。また、長さＬｂを小さくすることにより、第１選択還元型触媒４０ｃに対してより多くの燃料が供給され、第１選択還元型触媒４０ｃにおけるＮＯｘの浄化性能を向上させることができる。そのうえ、触媒金属の使用量が低減されることでフィルター４０のコストを抑えることができる。

第１選択還元型触媒４０ｃは、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。触媒担体の形成材料は、例えばゼオライトやアルミナ等である。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。触媒担体がゼオライトである場合、第１選択還元型触媒４０ｃは、触媒金属イオンがゼオライトの陽イオンと置換したゼオライトの粒子で構成される。触媒担体がアルミナである場合、第１選択還元型触媒４０ｃは、触媒金属を担持させたγ−アルミナの粒子、あるいは、触媒金属を担持させたθ−アルミナの粒子で構成される。第１選択還元型触媒４０ｃは、排気ガス中の燃料およびＮＯの酸化反応よりも、排気ガス中の燃料を還元剤に用いたＮＯｘの還元反応が優先するように、触媒金属を１リットルあたり０．１ｇ〜１．５ｇ含有するように構成される。また、第１選択還元型触媒４０ｃは、その温度である第１触媒温度Ｔｃ１が第１下限温度Ｔｃ１Ｌ（例えば２００℃）以上であって第１上限温度Ｔｃ１Ｈ（例えば３００℃）以下の温度範囲を活性温度域として有する。

すなわち、フィルター４０は、同種の触媒金属で構成された酸化触媒４０ｂと第１選択還元型触媒４０ｃとを有しており、酸化触媒４０ｂは、第１選択還元型触媒４０ｃよりも触媒金属の濃度が高い部分である。フィルター４０では、酸化触媒４０ｂおよび第１選択還元型触媒４０ｃが後述する第２選択還元型触媒４５よりも強い酸化力を有するため、排気ガス中の燃料のほとんどが消費される。なお、フィルター４０は、第１選択還元型触媒４０ｃが全体にコーティングされたフィルター本体４０ａに対してさらに酸化触媒４０ｂをコーティングすることにより構成されてもよい。また、フィルター４０は、フィルター本体４０ａに対して酸化触媒４０ｂと第１選択還元型触媒４０ｃとを別の領域にコーティングすることにより構成されてもよい。

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内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。

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、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。触媒層が銀アルミナを含むとき、第２選択還元型触媒４５は、例えば、銀を担持させたγ−アルミナの粒子、あるいは、銀を担持させたθ−アルミナの粒子をモノリス担体にコーティングして構成される。触媒層が銀ゼオライトを含むとき、第２選択還元型触媒４５は、例えば、銀イオンがゼオライトの含む陽イオンと置換したゼオライトの粒子を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４５は、その温度である第２触媒温度Ｔｃ２が第２下限温度Ｔｃ２Ｌ（例えば２００℃）以上であって第２上限温度Ｔｃ２Ｈ（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、排気通路２０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３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。このゼオライトには、ＺＳＭ−５型ゼオライト、あるいは、ベータ型ゼオライトが適用可能である。ＺＳＭ−５型ゼオライトおよびベータ型ゼオライトが有する孔の孔径は、例えば５〜８Åであり、燃料に含まれる炭化水素の分子径よりも大きい。すなわち、ＺＳＭ−５型ゼオライトおよびベータ型ゼオライトは、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。このゼオライトには、チャバサイト構造を有するゼオライトが適用可能であり、例えばＳＡＰＯ−３４型ゼオライトが適用可能である。なお、ＳＡＰＯは、シリコアルミノフォスフェートのことである。ＳＡＰＯ−３４型ゼオライトが有する孔の孔径は、例えば３〜４Åであり、燃料に含まれる炭化水素の分子径よりも小さく、かつ、ＮＨ_３の分子径よりも大きい。すなわち、ＳＡＰＯ−３４型ゼオライトは、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Ｔｃ３が第３下限温度Ｔｃ３Ｌ（例えば２００℃）以上であって第３上限温度Ｔｃ３Ｈ（例えば６００℃）以下の温度範囲を活性温度域として有する。

図４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。

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Ｑａ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、バーナー３１とフィルター４０との間に第１排気温度Ｔｅ１を検出する第１温度センサー５６、第２添加弁４４と第２選択還元型触媒４５との間に第２排気温度Ｔｅ２を検出する第２温度センサー５７、第３選択還元型触媒４７の下流に第３排気温度Ｔｅ３を検出する第３温度センサー５８、および、エンジン回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数センサー５９を備える。各種センサーは、各々の検出値を示す信号を制御装置７０に出力する。また、制御装置７０には、インジェクター１３からの燃料噴射を制御する噴射制御部６０から燃料噴射量Ｑｆを示す信号が入力される。

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各種情報を取得する。制御装置７０は、その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、第１調整弁３７と着火部３３とを制御することでバーナー３１の作動状態を制御するとともに第２調整弁４３を制御することで第２添加部４１による燃料の添加を制御する。なお、制御装置７０は、吸入空気量Ｑａを排気ガスの流量である排気流量Ｑｅとして取り扱う。

上述したようにバーナー３１は、停止状態、燃焼状態、および、添加状態を有する。制御装置７０は、次のように第１調整弁３７と着火部３３とを制御することにより、バーナー３１の作動状態を制御する。

バーナー３１が停止状態にあるとき、制御装置７０は、第１調整弁３７を閉状態に制御している。バーナー３１を停止状態から燃焼状態へ制御するとき、制御装置７０は、着火部３３に対して所定時間だけ電力を供給するとともに第１調整弁３７を閉状態から開状態に制御する。以後、制御装置７０は、第１調整弁３７を開状態に制御し続けることによりバーナー３１を燃焼状態に維持する。バーナー３１を停止状態から添加状態へ制御するとき、制御装置７０は、着火部３３に対する電力の供給を行わずに、第１調整弁３７を閉状態から開状態に制御する。以後、制御装置７０は、第１調整弁３７を開状態に制御し続けることによりバーナー３１を添加状態に維持する。

バーナー３１を添加状態から燃焼状態へ制御するとき、制御装置７０は、着火部３３に対して所定時間だけ電力を供給するとともに第１調整弁３７を開状態に維持する。バーナー３１を燃焼状態から添加状態へ制御するとき、制御装置７０は、着火部３３に対する電力の供給を行うことなく、例えば所定時間だけ第１調整弁３７を閉状態に制御することにより燃料の燃焼を停止したのち、再び第１調整弁３７を開状態へ制御する。

制御装置７０は、バーナー３１の作動状態を制御するとともに、第２添加部４１による燃料の添加を制御する通常処理を実行する。制御装置７０は、吸入空気量Ｑａ（排気流量Ｑｅ）、第１排気温度Ｔｅ１、第２排気温度Ｔｅ２、第３排気温度Ｔｅ３、エンジン回転数Ｎｅ、および、燃料噴射量Ｑｆを取得する。制御装置７０は、酸化触媒温度Ｔｏｘおよび第１触媒温度Ｔｃ１を演算する。制御装置７０は、酸化触媒温度Ｔｏｘが得られる演算式、および、第１触媒温度Ｔｃ１が得られる演算式に、例えば排気流量Ｑｅ、第１排気温度Ｔｅ１、および、第２排気温度Ｔｅ２等を代入することで酸化触媒温度Ｔｏｘおよび第１触媒温度Ｔｃ１を演算する。これらの演算式は、例えば、フィルター本体４０ａ、酸化触媒４０ｂ、および、第１選択還元型触媒４０ｃの各々の質量や熱容量に基づいて設定される。また、制御装置７０は、第２触媒温度Ｔｃ２および第３触媒温度Ｔｃ３を演算する。制御装置７０は、第２触媒温度Ｔｃ２が得られる演算式、および、第３触媒温度Ｔｃ３が得られる演算式の各々に、例えば排気流量Ｑｅ、第２排気温度Ｔｅ２、および、第３排気温度Ｔｅ３等を代入することにより第２触媒温度Ｔｃ２および第３触媒温度Ｔｃ３を演算する。これらの演算式は、例えば、第２選択還元型触媒４５や第３選択還元型触媒４７の各々の質量や熱容量に基づいて設定される。

制御装置７０は、通常処理とは別にフィルター４０における粒子性物質の堆積量Ｍｆを演算し、その演算した堆積量Ｍｆが上限値を超えると通常処理を強制的に終了してフィルター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、例えば、フィルター４０における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、バーナー３１を燃焼状態に制御して第１触媒温度Ｔｃ１を再生温度Ｔｆｒまで昇温をする。制御装置７０は、バーナー３１が燃焼状態にあるときも堆積量Ｍｆを演算し、その堆積量Ｍｆが下限値を下回ると再生処理を終了して通常処理を再開する。

図５を参照して排気浄化装置３０の動作について説明する。
図５に示すように、通常処理において、制御装置７０は、各種センサーからの信号に基づいて各種情報を取得する（ステップＳ１１）。制御装置７０は、ステップＳ１１にて取得した情報とＲＯＭに格納している各種演算式等とに基づき、上述した処理にしたがって各種触媒温度Ｔｏｘ，Ｔｃ１，Ｔｃ２，Ｔｃ３を演算する。（ステップＳ１２）。

次に制御装置７０は、第１条件として、酸化触媒４０ｂおよび第１選択還元型触媒４０ｃの少なくとも一方が不活性状態であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。制御装置７０は、酸化触媒温度Ｔｏｘが酸化下限温度ＴｏｘＬ未満、または、第１触媒温度Ｔｃ１が第１下限温度Ｔｃ１Ｌ未満のとき、すなわち第１条件が成立するとき（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、エンジン１０の運転状態に基づいて燃焼許可条件が成立するか否かを判断する（ステップＳ１４）。例えば、制御装置７０は、燃料噴射量Ｑｆが所定量よりも多い高負荷状態、および、エンジン回転数Ｎｅが所定回転数よりも大きい高回転状態のいずれにもエンジン１０の運転状態が該当しないときに燃焼許可条件が成立すると判断する。

燃焼許可条件が成立するとき（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、制御装置７０は、燃焼状態を選択し（ステップＳ１５）、バーナー３１を燃焼状態に制御するとともに第２調整弁４３を閉状態に制御する。燃焼許可条件が不成立のとき（ステップＳ１４：ＮＯ）、制御装置７０は、停止状態を選択し（ステップＳ１６）、バーナー３１を停止状態に制御するとともに第２調整弁４３を閉状態に制御する。燃焼状態において、制御装置７０は、例えば吸入空気量Ｑａやエンジン回転数Ｎｅ、燃料噴射量Ｑｆ等に基づいて燃料添加量を演算し、その演算した燃料添加量の燃料が第１添加弁３８から添加されるように第１調整弁３７を制御する。このとき、バーナー３１によって排気ガスが昇温されることで、酸化触媒４０ｂおよび第１選択還元型触媒４０ｃを有するフィルター４０、第２選択還元型触媒４５、ならびに、第３選択還元型触媒４７が昇温される。これにより、第１〜第３選択還元型触媒４０ｃ，４５，４７の各々においてＮＯｘの還元が早期に実現可能である。

なお、高負荷状態では、排気温度が高いためバーナー３１による排気ガスの昇温効果が少ない。また、高回転状態においては、排気流量Ｑｅが多いことでバーナー３１の失火が生じやすい。そのため、これら高負荷状態および高回転状態においてバーナー３１を停止状態に制御することで、バーナー３１における燃料消費量を抑えることができる。

一方、第１条件が不成立のとき（ステップＳ１３：ＮＯ）、制御装置７０は、第２条件として、第２選択還元型触媒４５が不活性状態であるか否かを判断する（ステップＳ１７）。制御装置７０は、第２触媒温度Ｔｃ２が第２下限温度Ｔｃ２Ｌ未満であるとき、すなわち第２条件が成立するとき（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、ステップＳ１４の燃焼許可条件の成否に応じて燃焼状態（ステップＳ１５）もしくは停止状態（ステップＳ１６）を選択する。制御装置７０は、その選択した作動状態にバーナー３１を制御するとともに第２調整弁４３を閉状態に制御する。バーナー３１が燃焼状態に制御されることで第２選択還元型触媒４５の昇温が促進され、第２選択還元型触媒４５によるＮＯｘの還元が早期に実現可能である。

他方、第２条件が不成立のとき（ステップＳ１７：ＮＯ）、制御装置７０は、第３条件として、第３選択還元型触媒４７が不活性状態にあるか否かを判断する（ステップＳ１８）。制御装置７０は、第３触媒温度Ｔｃ３が第３下限温度Ｔｃ３Ｌ未満であるとき、すなわち第３条件が成立するとき（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、ステップＳ１４の燃焼許可条件の成否に応じて燃焼状態（ステップＳ１５）もしくは停止状態（ステップＳ１６）を選択する。制御装置７０は、その選択した作動状態にバーナー３１を制御するとともに第２調整弁４３を閉状態に制御する。バーナー３１が燃焼状態に制御されることで第３選択還元型触媒４７の昇温が促進され、第３選択還元型触媒４７によるＮＯｘの還元が早期に実現可能である。そして、制御装置７０は、第３条件が不成立のとき（ステップＳ１８：ＮＯ）、すなわち各触媒４０ｂ，４０ｃ，４５，４７が活性状態であるとき、バーナー３１を添加状態に制御する（ステップＳ１９）とともに第２調整弁４３を開状態に制御して第２添加弁４４から排気ガスに燃料を添加する。

第１添加弁３８によって燃料が添加された排気ガスは、フィルター４０に流入する。フィルター４０において、排気ガスは、粒子性物質が捕捉されるとともに、酸化触媒４０ｂによって燃料の一部が酸化されるとともにＮＯの一部が酸化されてＮＯ_２へと変換される。この際、フィルター４０の捕捉した粒子性物質がＮＯ_２を酸化剤として燃焼し始めると、その燃焼が他の粒子性物質に伝播することでフィルター４０のフィルター機能が再生される。ＮＯ_２を酸化剤とした粒子性物質の燃焼は、再生温度Ｔｆｒよりも低い燃焼開始温度Ｔｆ１（例えば３００℃）で開始される。また、フィルター４０において、排気ガスは、第１選択還元型触媒４０ｃによって、酸化触媒４０ｂを通過した燃料を還元剤に用いてＮＯｘが還元される。

フィルター４０を通過した排気ガスは、続いて第２添加弁４４によって燃料が添加されたのち、第２選択還元型触媒４５に流入する。第２選択還元型触媒４５において、排気ガスは、第２添加弁４４が添加した燃料を還元剤に用いてＮＯｘが還元されるとともに、その還元反応によって生成されたＮＨ_３を取り込む。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一部の燃料が反応しない。すなわち、第２選択還元型触媒４５を通過した排気ガスは、第２選択還元型触媒４５において反応しなかった燃料とＮＯｘの還元反応によって生成されたＮＨ_３とを含んだ状態で第３選択還元型触媒４７に流入する。第３選択還元型触媒４７において、排気ガスは、第２選択還元型触媒４５において反応しなかった燃料と第２選択還元型触媒４５において生成されたＮＨ_３とを還元剤に用いてＮＯｘが還元される。

なお、制御装置７０は、通常処理の実行中に堆積量Ｍｆが上限値を超えると通常処理を強制的に終了してフィルター４０の再生処理を実行する。再生処理中、制御装置７０は、第２および第３選択還元型触媒４５，４７が活性状態であるときは、第２添加部４１による燃料の添加を行う。再生処理が終了すると、制御装置７０は、通常処理を再開する。

図６は、エンジン１０をＷＨＴＣモード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。また、比較例は、排気通路の上流側から順に、第１燃料添加弁、燃料およびＮＯを酸化する酸化触媒機能を含む低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒、フィルター機能のみを有するフィルター、第２燃料添加弁、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒、および、ＮＨ_３を還元剤とするＮＨ_３−ＳＣＲ触媒が配置された排気浄化装置である。図６に示すように、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、約１０％の浄化性能の向上が確認された。

図７は、上述した比較例と実施例とにおいて触媒の総容積である触媒サイズを比較したグラフである。触媒サイズは、比較例では低温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒、高温型ＨＣ−ＳＣＲ触媒、および、ＮＨ_３−ＳＣＲ触媒の各々の容積の総和である。実施例では酸化触媒４０ｂ、第１選択還元型触媒４０ｃ、第２選択還元型触媒４５、および、第３選択還元型触媒４７の各々の容積の総和である。図７に示すように、実施例では、図６のようにＮＯｘ浄化率が約１０％向上するにも関わらず、比較例よりも触媒サイズが約１０％低減されることが確認された。

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）酸化触媒４０ｂおよび第１選択還元型触媒４０ｃの少なくとも一方が不活性状態であるときにバーナー３１が燃焼状態に制御される。これにより、酸化触媒４０ｂ、第１選択還元型触媒４０ｃ、第２選択還元型触媒４５、および、第３選択還元型触媒４７の昇温が促進され、燃料を還元剤に用いたＮＯｘの還元が早期に実現可能である。また、酸化触媒４０ｂが不活性状態のときにバーナー３１が添加状態に制御されると、第１選択還元型触媒４０ｃに燃料が過剰に供給されてしまうおそれがある。この点、上述した構成であれば、第１選択還元型触媒４０ｃに対する燃料の過剰供給が抑えられることで無駄な燃料の消費を抑えることができる。

（２）フィルター４０の捕捉した粒子性物質は、酸化触媒４０ｂが生成したＮＯ_２を酸化剤に用いて再生温度Ｔｆｒよりも低い燃焼開始温度Ｔｆ１において燃焼を開始する。そのため、フィルター４０の温度を再生温度Ｔｆｒまで昇温させずとも、エンジン１０の運転中にフィルター４０のフィルター機能を連続的に再生させることが可能である。これにより、第１選択還元型触媒４０ｃが清浄な状態に維持されやすくなることで第１選択還元型触媒４０ｃと排気ガス中のＮＯｘとの接触機会が増えて、第１選択還元型触媒４０ｃによるＮＯｘの還元が効率よく行われる。しかも、フィルター機能の再生に起因したフィルター４０への熱的負荷が軽減されるとともに、バーナー３１による再生処理の頻度が少なくなることでバーナー３１における燃料消費量も低減される。

（３）上記（１）（２）により、ＮＯｘの浄化性能が向上する。
（４）上述した排気浄化装置３０によれば、ＮＯｘの浄化性能を向上させつつ、触媒サイズを低減することもできる。

（５）バーナー３１は、燃焼許可条件が成立するときに燃焼状態に制御される。そのため、バーナー３１による各触媒の昇温を効率的に行うことができる。
（６）バーナー３１が添加状態にあるとき、酸化触媒４０ｂにおいて排気ガス中の燃料の一部が酸化されるため、酸化触媒４０ｂおよび第１選択還元型触媒４０ｃの温度低下が抑えられる。その結果、酸化触媒４０ｂおよび第１選択還元型触媒４０ｃが活性状態に維持されやすくなる。

（７）第２選択還元型触媒４５が不活性状態にあるときにバーナー３１が燃焼状態に制御される。これにより、第２選択還元型触媒４５の昇温が促進され、第２選択還元型触媒４５によるＮＯｘの還元が早期に実現可能である。

（８）第３選択還元型触媒４７が不活性状態にあるときにバーナー３１が燃焼状態に制御される。これにより、第３選択還元型触媒の昇温が促進され、第３選択還元型触媒によるＮＯｘの還元が早期に実現可能である。

（９）バーナー３１が添加状態に制御されることで、バーナー３１に燃料を供給する構成とフィルター４０に流入する排気ガスに燃料を添加する構成とを第１添加弁３８で行うことができる。その結果、排気浄化装置３０の構成を簡素化することができる。

（１０）第３選択還元型触媒４７は、ＨＣ触媒層４９とＮＨ_３触媒層５０とを備える。これにより、第３選択還元型触媒４７は、第２選択還元型触媒４５を通過した燃料と第２選択還元型触媒４５の生成したＮＨ_３とを用いてＮＯｘを還元することができる。

（１１）第２選択還元型触媒４５が活性状態であり、かつ、第３選択還元型触媒４７が不活性状態であるときに第２添加弁４４から燃料を添加してしまうと、第２選択還元型触媒４５の生成したＮＨ_３が反応せずに第３選択還元型触媒４７を通過してしまうおそれがある。この点、上記構成によれば、第２および第３選択還元型触媒４５，４７の双方が活性状態に到達してから第２添加弁４４による燃料の添加が行われる。これにより、第２選択還元型触媒４５の生成するＮＨ_３が外気に排出されることが抑えられる。

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。
・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。

・排気浄化装置３０は、バーナー３１とフィルター４０との間に、別途、還元剤である燃料を排気ガスに添加する構成を有していてもよい。こうした場合、バーナー３１は、添加状態には制御されず、停止状態あるいは燃焼状態に制御される。

・制御装置７０は、酸化触媒４０ｂ、第１選択還元型触媒４０ｃ、および、第２選択還元型触媒４５が活性状態であり、かつ、第３選択還元型触媒４７が不活性状態であるとき、バーナー３１を添加状態に制御するとともに、第２添加弁４４から排気ガスに燃料を添加してもよい。このとき、第１選択還元型触媒４０ｃで還元されるＮＯｘ、および、第２選択還元型触媒４５で還元されるＮＯｘの分だけＮＯｘの排出量が抑えられる。

・図８に示すように、制御装置７０は、酸化触媒４０ｂおよび第１選択還元型触媒４０ｃが活性状態であるときには、第２および第３選択還元型触媒４５，４７の状態に関わらず、バーナー３１を添加状態に制御してもよい。この場合、制御装置７０は、各種情報を取得して（ステップＳ２１）各種触媒温度を演算したのち（ステップＳ２２）、第１条件が成立するか否かを判断する（ステップＳ２３）。第１条件が成立するとき（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、制御装置７０は、燃料許可条件が成立するか否かを判断し（ステップＳ２４）、バーナー３１を燃焼状態（ステップＳ２５）、若しくは、停止状態（ステップＳ２６）に制御する。一方、第１条件が不成立のとき（ステップＳ２３：ＮＯ）、制御装置７０は、バーナー３１を添加状態に制御する（ステップＳ２７）。こうした構成によれば、酸化触媒４０ｂにおける燃料の酸化によって第２および第３選択還元型触媒４５，４７に流入する排気ガスが昇温されるとともに、第１選択還元型触媒４０ｃで還元されるＮＯｘの分だけＮＯｘの排出量が抑えられる。

・制御装置７０は、酸化触媒４０ｂおよび第１選択還元型触媒４０ｃが活性状態にあるときにバーナー３１を燃焼状態に制御する場合、フィルター４０に流入する排気ガスに未燃燃料が含まれるように、燃料がリッチなリッチ燃焼状態にバーナー３１を制御してもよい。こうした構成によれば、その未燃燃料を還元剤に用いて第１選択還元型触媒４０ｃでＮＯｘを還元することができる。

・制御装置７０は、バーナー３１を燃焼状態に制御する際の条件として燃焼許可条件を含んでいなくともよい。こうした構成によれば、例えば、高負荷状態であっても各種触媒の早急な昇温が必要とされる場合や高回転状態であってもバーナー３１の燃焼状態が安定する場合にバーナー３１を燃焼状態に制御することができる。

・排気浄化装置３０は、第３選択還元型触媒４７の下流に、排気ガス中に残存する燃料やＮＨ_３を酸化する第２の酸化触媒を有していてもよい。こうした構成によれば、ＮＯｘを還元するうえで第２添加部４１による燃料の添加量についての自由度が向上する。

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、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…バーナー、３２…第１添加部、３３…着火部、３４…燃料タンク、３５…第１燃料通路、３６…ポンプ、３７…第１調整弁、３８…第１添加弁、４０…フィルター、４０ａ…フィルター本体、４０ｂ…酸化触媒、４０ｃ…第１選択還元型触媒、４１…第２添加部、４２…第２燃料通路、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、４８…モノリス担体、４９…ＨＣ触媒層、５０…ＮＨ_３触媒層、５１…触媒担体、５１ｈ…孔、５２…隙間、５３…触媒担体、５３ｈ…孔、５５…吸入空気量センサー、５６…第１温度センサー、５７…第２温度センサー、５８…第３温度センサー、５９…エンジン回転数センサー、６０…噴射制御部、７０…制御装置。

Claims

排気通路を流れる排気ガスを昇温可能なバーナーと、
排気ガスに燃料を添加する第１添加弁と、
前記バーナーおよび前記第１添加弁の下流に位置し、排気ガスに含まれる粒子性物質を捕捉するフィルターであって、排気ガス中の一酸化窒素を酸化して二酸化窒素に変換する酸化触媒と排気ガス中の燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元する第１選択還元型触媒とを含み、前記酸化触媒が前記第１選択還元型触媒の上流側に形成された前記フィルターと、
前記フィルターの下流に位置し、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、
前記酸化触媒および前記第１選択還元型触媒の少なくとも一方が不活性状態であるときに前記バーナーを燃焼状態に制御する制御部とを備え、
前記第３選択還元型触媒は、積層構造体であり、
燃料を還元剤に用いてＮＯｘを還元するＨＣ触媒層と、
前記ＨＣ触媒層に積層されて前記第３選択還元型触媒の表層を構成し、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ＮＨ _３触媒層とを備える
排気浄化装置。
前記制御部は、前記第２選択還元型触媒が不活性状態であるときに前記バーナーを燃焼状態に制御する請求項１に記載の排気浄化装置。
前記制御部は、前記第３選択還元型触媒が不活性状態であるときに前記バーナーを燃焼状態に制御する請求項２に記載の排気浄化装置。
前記バーナーは、前記第１添加弁と前記第１添加弁が添加した燃料を着火する着火部とを含み、
前記制御部は、前記酸化触媒および前記第１選択還元型触媒が活性状態であるときに、
前記第１添加弁が添加した燃料を燃焼させない添加状態に前記バーナーを制御する請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。