ディーゼルエンジンの排気浄化装置及び排気浄化方法
【課題】各後処理ユニットの配置を工夫することで、排気ガスの熱を有効に利用でき、且つ小型化を図ったディーゼルエンジンの排気浄化装置及びそれを用いた排気浄化方法を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１の排気通路７に配置され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化する酸化触媒１９と、酸化触媒１９よりも下流に配置され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズル２２と、尿素噴射ノズル２２よりも下流に配置され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャ９のタービン１３と、タービン１３よりも下流に配置され、排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦ２０と、ＤＰＦ２０よりも下流に配置され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元型触媒２３とを備えた排気浄化装置１７。
【解決手段】ディーゼルエンジン１の排気通路７に配置され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化する酸化触媒１９と、酸化触媒１９よりも下流に配置され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズル２２と、尿素噴射ノズル２２よりも下流に配置され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャ９のタービン１３と、タービン１３よりも下流に配置され、排気ガス中のＰＭを捕集するＤＰＦ２０と、ＤＰＦ２０よりも下流に配置され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元型触媒２３とを備えた排気浄化装置１７。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トラック、バス等の車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気ガス中には、パティキュレートマター（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の有害物質が存在する。
【０００３】
近年、これら有害物質の車両からの排出量を低減するため、ディーゼルエンジンの燃焼を改良することで有害物質の発生自体を少なくする対策や、ディーゼルエンジンの排気通路に、酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）、ディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）、尿素選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ：Urea-Selective Catalytic Reduction）又はＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ：Lean NOx Trap）等の複数の後処理ユニットを配置し、排気ガス中から前述の有害物質を可能な限り取り除く対策が取られている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２６４１４７号公報
【特許文献２】特開２００９−２５７２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ディーゼルエンジンの燃焼を改良し、有害物質の発生自体を少なくすると、エンジンの排気ポートから流出する排気ガスの温度が従来（改良前）と比べて３０〜５０℃あるいはそれ以上低下する。
【０００６】
また、排気通路に複数の後処理ユニットを配設すると、それら後処理ユニットから構成される排気浄化装置が大型化し、その熱容量が増大してしまう。熱容量が増大した排気浄化装置は、エンジンの運転状況によっては、触媒活性温度の確保が困難となる。
【０００７】
加えて、大型化した排気浄化装置は、設置スペースの問題によりエンジンの排気ポートから遠方に配置されることになり、益々、触媒活性温度の確保が困難になる。この結果、排気浄化装置の各後処理ユニットでの有害物質の低減効果が低減してしまう。
【０００８】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、各後処理ユニットの配置を工夫することで、排気ガスの熱を有効に利用でき、且つ小型化を図ることができるディーゼルエンジンの排気浄化装置及びそれを用いた排気浄化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に配置され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化する酸化触媒と、該酸化触媒よりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズルと、該尿素噴射ノズルよりも下流の前記排気通路に配置され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャのタービンと、該タービンよりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中のパティキュレートマターを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、該ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元型触媒とを備えたものである。
【００１０】
前記ディーゼルパティキュレートフィルタは、酸化触媒が塗布されていないもの、或いはアンモニアを酸化せずパティキュレートマターを酸化する酸化触媒が塗布されたものであってもよい。
【００１１】
前記選択還元型触媒よりも下流の前記排気通路に、前記選択還元型触媒から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒を更に配置してもよい。
【００１２】
前記酸化触媒が、前記ディーゼルエンジンの排気マニホールドの各気筒部分に配置されたマニホールド酸化触媒と、前記排気マニホールドの集合部分に配置されたプレタービン酸化触媒とを有し、前記マニホールド酸化触媒が、前記プレタービン酸化触媒よりもＣＯ浄化に優れたものであり、前記プレタービン酸化触媒が、前記マニホールド酸化触媒よりもＨＣ浄化に優れたものであってもよい。
【００１３】
前記マニホールド酸化触媒が、酸素吸蔵材を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒であり、前記プレタービン酸化触媒が、金属触媒であってもよい。
【００１４】
前記酸素吸蔵材を有する酸化物が、Ｃｅを含む酸化物であり、前記酸化物半導体が、ＴｉＯ2、ＺｎＯ又はＹ2Ｏ3であってもよい。
【００１５】
前記酸素吸蔵材を有する酸化物に、貴金属が坦持されていてもよい。
【００１６】
以上述べたディーゼルエンジンの排気浄化装置を用いた排気浄化方法は、前記尿素噴射ノズルから噴霧された尿素水から生成されたアンモニア（ＮＨ3）が排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）と反応して２ＮＨ3＋ＳＯ4→（ＮＨ4）２ＳＯ4が生じ、前記ディーゼルパティキュレートフィルタでパティキュレートマターを燃焼させた後に生じる灰分成分であるＣａＣＯ3と前記（ＮＨ4）２ＳＯ4とが反応して（ＮＨ4）２ＳＯ4＋ＣａＣＯ3→（ＮＨ4）２ＣＯ3＋ＣａＳＯ4が生じ、この（ＮＨ4）２ＣＯ3が熱分解して（ＮＨ4）２ＣＯ3→２ＮＨ3＋Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2が生じ、このＮＨ3が前記選択還元型触媒で捕捉されてＮＯｘの還元反応に使用されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置及び排気浄化方法によれば、各後処理ユニットの配置を工夫することで、排気ガスの熱を有効に利用でき、且つ装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、比較例（本発明の実施形態ではない）に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置を示すと共に、ＳＣＲ及びＤＯＣの温度と浄化率との関係を示す説明図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置を示すと共に、ＳＣＲ及びＤＯＣの温度と浄化率との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
＜比較例＞
先ず、本発明の実施形態と対比するための比較例を図１を用いて述べる。
【００２１】
図１に示すように、ディーゼルエンジン１の吸気マニホールド２には吸気配管３が接続され、排気マニホールド４には排気配管５が接続されている。吸気マニホールド２及び吸気配管３が吸気通路６を構成し、排気マニホールド４及び排気配管５が排気通路７を構成する。吸気配管３及び排気配管５には、高圧段ターボチャージャ（高圧段ターボ）８と低圧段ターボチャージャ（低圧段ターボ）９とが直列に接続されている。
【００２２】
すなわち、排気配管５には、高圧段ターボ８の高圧段タービン１２と低圧段ターボ９の低圧段タービン１３とが配設され、吸気配管３には、高圧段ターボ８の高圧段コンプレッサ１０と低圧段ターボ９の低圧段コンプレッサ１１とが配設されている。高圧段コンプレッサ１０の下流の吸気配管３には、インタークーラー１４が配置されている。排気マニホールド４と吸気配管３とはＥＧＲ配管１５で接続され、ＥＧＲ配管１５には、ＥＧＲ弁１６が配設されている。なお、ＥＧＲ配管１５にＥＧＲクーラー（図示せず）を設けてもよい。
【００２３】
低圧段タービン１３の下流の排気配管５には、排気ガス中の有害物質（ＰＭ、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等）を浄化する排気浄化装置１７ａが配設されている。排気浄化装置１７ａについては後述する。排気浄化装置１７ａの下流の排気配管５には、図示しないマフラーに向かう排気ガスの一部を吸気配管３（低圧段コンプレッサ１１の上流、低圧段コンプレッサ１１と高圧段コンプレッサ１０との間、高圧段コンプレッサ１０の上流の何れか）に導く低圧ＥＧＲ配管１８が接続されている。低圧ＥＧＲ配管１８には、低圧ＥＧＲ弁（図示せず）が設けられており、ＥＧＲクーラーを設けてもよいことは勿論である。
【００２４】
排気浄化装置１７ａは、内部に酸化触媒（ＤＯＣ）１９ａとディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２０ａとが収容された第１ケーシング２１ａと、その下流の排気配管５に配置され配管５内に尿素水を噴霧する尿素噴射ノズル２２ａと、その下流の排気配管５に配置され内部に尿素選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ）２３ａと後段酸化触媒（Ｒ−ＤＯＣ：Rear Diesel Oxidation Catalyst）２４ａとが収容された第２ケーシング２５ａとを有する。
【００２５】
ＤＯＣ１９ａは、排気ガス中のＣＯ，ＨＣを酸化して浄化すると共にＮＯを酸化する機能を有し、ＤＰＦ２０ａは、排気ガス中のＰＭを捕集する機能を有する。尿素噴射ノズル２２ａは、排気配管５内に噴霧した尿素水が加水分解や熱分解されることでアンモニア（ＮＨ3）を生成する機能を有する。尿素ＳＣＲ２３ａは、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで水と窒素に無害化する機能を有し、Ｒ−ＤＯＣ２４ａは、尿素ＳＣＲ２３ａから流出したアンモニアを酸化して無害化する機能を有する。
【００２６】
かかる排気浄化装置１７ａは、装置１７ａを構成する後処理ユニット（ＤＯＣ１９ａ、ＤＰＦ２０ａ、尿素噴射ノズル２２ａ、ＳＣＲ２３ａ、Ｒ−ＤＯＣ２４ａ）の全てが低圧段タービン１３の下流側に配置されているので、エンジン１の排気ポートから排気浄化装置１７ａまでの距離が長い。よって、エンジン１の排気ポートから流出した排気ガスは、排気配管５を通過する際に放熱され、低圧段タービン１３で膨張した後、排気浄化装置１７ａに到達する。このため、エンジン１の運転状態によっては、ＤＯＣ１９ａ、ＤＰＦ２０ａ、ＳＣＲ２３ａ、Ｒ−ＤＯＣ２４ａの温度が触媒活性温度まで上昇しない場合がある。
【００２７】
例えば、ＪＥ０５モードと称される過渡モード（加減速モード）に基づいてエンジン１を運転すると、ＤＯＣ１９ａ、ＤＰＦ２０ａ、ＳＣＲ２３ａの平均入口温度は、ＤＯＣ１９ａが約１５０℃、ＤＰＦ２０ａが約１４０℃、ＳＣＲ２３ａが約１２５℃となった。図１に示すように、１５０℃ではＤＯＣ１９ａのＨＣ浄化率は１０％程度（ＣＯ浄化率も同様）であり、１２５℃ではＳＣＲ２３ａのＮＯｘ浄化率は５％以下である。この結果、ＪＥ０５モードにおける平均浄化率は、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの全てが５０％以下となった。
【００２８】
また、ＪＥ０５モードでの試験中にＤＰＦ２０ａの再生（捕集したＰＭの燃焼）を行うには、ＤＰＦ２０ａを１４０℃から４００℃以上に加熱する必要があり、そのためにポスト噴射（インジェクタからエンジン１の燃焼室に通常の燃料噴射を行った後にエンジン１での燃焼を目的としない燃料を噴く噴射）を行うと、燃費が５％程度悪化すると共にＨＣの発生を招いてしまう。
【００２９】
また、尿素噴射ノズル２２ａから排気配管５内に噴霧された尿素水をＳＣＲ２３ａに到達するまでに均一に拡散させて適切にアンモニアに分解させるためには、尿素噴射ノズル２２ａの尿素噴射位置からＳＣＲ２３ａの入口までの距離が所定距離（実験では２５ｃｍ以上必要であることが分かった）必要となる。これは、ＳＣＲ２３ａの温度低下、排気浄化装置１７ａの大型化を招く。
【００３０】
＜実施形態＞
以上説明した比較例の欠点を解消した本発明の一実施形態を図２を用いて述べる。本実施形態は上述した比較例と共通の構成要素を有するので、共通の構成要素には共通の符号を付して説明を省略する。なお、排気浄化装置１７については、添字「ａ」が付されているものが比較例を表し、添字「ａ」が無いものが本実施形態を表す。
【００３１】
図２に示すように、本実施形態に係るディーゼルエンジン１の排気浄化装置１７は、ディーゼルエンジン１の排気通路７に配置され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化すると共にＮＯを酸化する前段の酸化触媒（ＤＯＣ）１９と、ＤＯＣ１９よりも下流の排気通路７に配置され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズル２２と、尿素噴射ノズル２２よりも下流の排気通路７に配置され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するタービン（低圧段タービン）１３と、低圧段タービン１３よりも下流の排気通路７に配置され、排気ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２０と、ＤＰＦ２０よりも下流の排気通路７に配置され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ）２３とを備えている。また、尿素ＳＣＲ２３の下流の排気通路７には、尿素ＳＣＲ２３から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒（Ｒ−ＤＯＣ）２４が配置されている。
【００３２】
各後処理ユニット（ＤＯＣ１９、ＤＰＦ２０、尿素噴射ノズル２２、ＳＣＲ２３、Ｒ−ＤＯＣ２４）については、後ほど詳述する。
【００３３】
本実施形態においては、高圧段ターボ８と低圧段ターボ９とを直列に接続した２段式のターボチャージャとし、低圧段タービン１３と高圧段タービン１２との間に尿素噴射ノズル２２を配置し、高圧段タービン１２の上流側にＤＯＣ１９を配置した構成としたが、高圧段ターボ８を省略して１段式のターボチャージャとしてもよい。この場合、唯一のターボチャージャ（図２での低圧段ターボ９）のタービン（図２での低圧段タービン１３）の上流側に尿素噴射ノズル２２を配置し、その尿素噴射ノズル２２の上流側にＤＯＣ１９を配置することになる。
【００３４】
本実施形態に係る排気浄化装置１７では、低圧段タービン１３の上流側に尿素噴射ノズル２２及びＤＯＣ１９を配置したので、尿素噴射ノズル２２及びＤＯＣ１９を含めた全ての後処理ユニットが低圧段タービン１３の下流側に配置された図１に示す比較例と比べると、各後処理ユニット（ＤＯＣ１９、ＤＰＦ２０、ＳＣＲ２３、Ｒ−ＤＯＣ２４）の設置位置をエンジン１の排気ポートに近づけることができる。よって、排気ガスの熱を有効に利用でき、各後処理ユニットの温度を触媒活性温度に確保し易くなる。
【００３５】
例えば、ＪＥ０５モードに基づいてエンジン１を運転すると、ＤＯＣ１９、ＤＰＦ２０、ＳＣＲ２３の平均入口温度は、ＤＯＣ１９が約２００℃、ＤＰＦ２０が約１７５℃、ＳＣＲ２３が約１７０℃となった。図２に示すように、２００℃ではＤＯＣ１９のＨＣ浄化率は略１００％（ＣＯ浄化率も同様）であり、１７０℃ではＳＣＲ２３のＮＯｘ浄化率は約８０％弱である。このように、本実施形態では、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化率が比較例と比べて大幅に向上する。
【００３６】
また、本実施形態では、低圧段タービン１３の直下にＤＰＦ２０を配置しており、図１に示す比較例のように低圧段タービン１３の下流にＤＯＣ１９ａを介してＤＰＦ２０ａを配置したものと比べると、ＤＰＦ２０の設置位置がより上流側となる。よって、ＤＰＦ２０の温度が比較例よりも上昇し、ポスト噴射を減らしても或いは運転状態によってはポスト噴射を行わなくてもＤＰＦ２０に捕集されたＰＭを燃焼させることが可能となる。よって、ポスト噴射による燃費の悪化を回避できると共に、ポスト噴射によるＨＣの発生を抑制できる。
【００３７】
加えて、本実施形態では、尿素噴射ノズル２２を低圧段タービン１３の上流側に配置しているので、尿素噴射ノズル２２から噴霧された尿素水が低圧段タービン１３によって攪拌され、低圧段タービン１３の下流側で略均一に拡散される。このため、尿素の加水分解や熱分解が促進され、尿素噴射ノズル２２の尿素噴射位置からＳＣＲ２３の入口までの距離を比較例よりも近付けても、適切にアンモニアを生成させることができる。このように、ＳＣＲ２３の設置位置を比較例よりも低圧段タービン１３に近付けられるので、ＳＣＲ２３の温度を比較例よりも高めることができると共に、排気浄化装置１７のコンパクト化を推進できる。
【００３８】
各後処理ユニットについて詳述する。
【００３９】
〔ＤＯＣ〕
ＤＯＣ１９は、エンジン１の排気マニホールド４の各気筒部分に配置されたマニホールド酸化触媒（Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ）１９ｘと、排気マニホールド４の集合部分に配置されたプレタービン酸化触媒（Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ）１９ｙとを有する。上流側のＭ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘは、下流側のＰ／Ｔ−ＤＯＣ１９ｙよりもＣＯ浄化に優れたものが用いられ、下流側のＰ／Ｔ−ＤＯＣ１９ｙは、上流側のＭ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘよりもＨＣ浄化に優れたものが用いられる。ＤＯＣは、一般的に、排気ガス中にＣＯが存在しない方がＨＣの吸着・浄化が良好であり、排気ガス中にＨＣが存在していてもＣＯの吸着・浄化が悪化することはないという性質を有するからである。
【００４０】
Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘは、ＣＯ浄化（ＣＯ吸着）に優れる酸素吸蔵材（ＯＳＣ：Oxygen Storage Capacity）を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒からなり、Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ１９ｙは、ＨＣ浄化（ＨＣ吸着）に優れる金属触媒（Ｐｔ触媒等）からなる。このようにＤＯＣ１９を構成することで、低温活性に優れた触媒構成が得られると共に、ＤＯＣ１９全体を小型化でき、高圧段タービン１２の上流側に無理なく配置することができる。
【００４１】
なお、Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘは、ＯＳＣを有する酸化物と酸化物半導体とが混在した触媒を含む触媒層としてもよく、Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ１９ｙは、貴金属触媒（Ｐｔ触媒等）とＨＣ吸着材とが混在した触媒を用いてもよい。また、ＯＳＣを有する酸化物には、セリウム（Ｃｅ）を含む酸化物（酸化セリウム等）が用られ、この酸化物に貴金属（Ｐｔ等）が坦持されていてもよい。また、酸化物半導体には、ＴｉＯ2、ＺｎＯ又はＹ2Ｏ3が用いられる。
【００４２】
Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘとＰ／Ｔ−ＤＯＣ１９ｙとの間の排気マニホールド４には、ＥＧＲ配管１５が接続されている。これにより、Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘを通過してＣＯが浄化された後の排気ガスが、ＥＧＲ配管１５を通って吸気配管３に還流される。よって、還流される排気ガス中の未燃焼物質（ＳＯＦ成分：Soluble Organic Fraction Element）が低減され、ＳＯＦによるＥＧＲ弁１６やＥＧＲクーラー（図示せず）の汚染、詰まり等の悪影響を抑制できる。
【００４３】
〔尿素噴射ノズル〕
尿素噴射ノズル２２は、低圧段タービン１３の上流の排気配管５に配設されている。このため、尿素噴射ノズル２２から噴霧された尿素水が低圧段タービン１３によって攪拌され、低圧段タービン１３の下流側で略均一に拡散され、尿素の加水分解や熱分解が促進される。よって、尿素噴射ノズル２２の尿素噴射位置からＳＣＲ２３の入口までの距離を比較例よりも近付けることができ、既述のように、ＳＣＲ２３の温度を比較例よりも高めることができると共に、排気浄化装置１７のコンパクト化を推進できる。
【００４４】
ところで、高ＥＧＲ燃焼させた際には排気ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生じるが、このＳＯｘによる排気配管５、低圧段タービン１３の腐食は、以下の反応を利用して抑制される。
【００４５】
先ず、尿素噴射ノズル２２から噴霧された尿素水が加水分解、熱分解して生成されたアンモニア（ＮＨ3）と排気ガス中のＳＯ4等とが反応して、２ＮＨ3＋ＳＯ4→（ＮＨ4）２ＳＯ4が生成される。生成された（ＮＨ4）２ＳＯ4は、中和物なので、排気配管５、低圧段タービン１３の腐食の問題は生じない。
【００４６】
更に、ＤＰＦ２０でＰＭを燃焼させた後に生じる灰分成分であるＣａＣＯ3と生成された（ＮＨ4）２ＳＯ4とが反応して、（ＮＨ4）２ＳＯ4＋ＣａＣＯ3→（ＮＨ4）２ＣＯ3＋ＣａＳＯ4が生成される。生成された（ＮＨ4）２ＣＯ3は、所定温度（例えば５８℃）以上で次のような熱分解が生じる。（ＮＨ4）２ＣＯ3→２ＮＨ3＋Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2。
【００４７】
その後、この熱分解で生じたＮＨ3がＤＰＦ２０の下流に配置されたＳＣＲ２３で捕捉され、ＳＣＲ２３にてＮＯｘの還元反応（浄化反応）に使用される。
【００４８】
〔ＤＰＦ〕
ＤＰＦ２０は、捕集したＰＭを燃焼（酸化）するための酸化触媒が塗布されていないもの、或いは、アンモニア（ＮＨ3）を酸化せずＰＭを酸化する特殊な酸化触媒が塗布されたものが用いられる。ＤＰＦ２０にてＮＨ3が酸化されてしまうと、ＤＰＦ２０の下流に配置されたＳＣＲ２３において、ＮＨ3を利用したＮＯｘの還元反応（浄化反応）が行えなくなるからである。
【００４９】
具体的には、ＤＰＦ２０は、通常用いられる貴金属触媒をフィルタ本体に塗布しない構成とし、触媒を全く塗布しないか、或いは、塩基性の大きな希土類酸化物やアルカリ土類酸化物系の触媒をフィルタ本体に塗布した構成とする。希土類酸化物やアルカリ土類酸化物系の触媒は、ＰＭは付着するもののＮＨ3は付着し難く、このためＰＭは酸化するもののＮＨ3は殆ど酸化しないという特性を有するからである。
【００５０】
また、ＤＰＦ２０のフィルタ本体は、気孔率や気孔径、壁厚の適正化を図ることで、浄化特性（ＰＭの捕集特性）は従来品と同等で、且つ圧力損失の小さい構造としている。この改良により、従来品よりも体積が５０％以上小さい小型のＤＰＦを用いた。
【００５１】
なお、図２の実施形態では、ＤＰＦ２０、ＳＣＲ２３及びＲ−ＤＯＣ２４は、低圧段タービン１３のタービンハウジングと一体に形成されたケーシング２６内に収容されているが、ケーシング２６をタービンハウジングと別体とし、それらの間を短い排気配管で接続してもよい。
【００５２】
〔ＳＣＲ〕
ＳＣＲ２３は、ケーシング２６内にＤＰＦ２０の下流に位置して配設されており、排気ガス中のＮＯｘをアンモニア（ＮＨ3）と還元反応させることで水と窒素に無害化する機能を有する。
【００５３】
また、ＳＣＲ２３には、触媒坦体（モノリス触媒）等を用いることで、比体積当たりの触媒量を増加させ、体積を従来比５０％以上低減した小型のＳＣＲを用いた。
【００５４】
〔Ｒ−ＤＯＣ〕
Ｒ−ＤＯＣ２４は、ケーシング２６内にＳＣＲ２３の下流に位置して配設されており、ＳＣＲ２３における還元反応で消費されずにＳＣＲ２３から流出した余剰のアンモニア（ＮＨ3）を酸化して無害化する機能を有する。
【００５５】
なお、尿素噴射ノズル２２から噴霧された尿素水により生成されたアンモニア（ＮＨ3）が全てＳＣＲ２３で消費されるように、エンジン１の運転状態に応じて尿素水の噴霧量を制御すれば、Ｒ−ＤＯＣ２４を省略することもできる。
【符号の説明】
【００５６】
１ ディーゼルエンジン
４ 排気マニホールド
７ 排気通路
９ ターボチャージャ（低圧段ターボチャージャ）
１３ タービン（低圧段タービン）
１９ 酸化触媒（ＤＯＣ）
１９ｘ マニホールド酸化触媒（Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ）
１９ｙ プレタービン酸化触媒（Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ）
２２ 尿素噴射ノズル
２０ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
２３ 選択還元型触媒（ＳＣＲ）
２４ 後段酸化触媒（Ｒ−ＤＯＣ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの排気浄化装置及び排気浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
トラック、バス等の車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気ガス中には、パティキュレートマター（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の有害物質が存在する。
【０００３】
近年、これら有害物質の車両からの排出量を低減するため、ディーゼルエンジンの燃焼を改良することで有害物質の発生自体を少なくする対策や、ディーゼルエンジンの排気通路に、酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）、ディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）、尿素選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ：Urea-Selective Catalytic Reduction）又はＮＯｘ吸蔵還元型触媒（ＬＮＴ：Lean NOx Trap）等の複数の後処理ユニットを配置し、排気ガス中から前述の有害物質を可能な限り取り除く対策が取られている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２６４１４７号公報
【特許文献２】特開２００９−２５７２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ディーゼルエンジンの燃焼を改良し、有害物質の発生自体を少なくすると、エンジンの排気ポートから流出する排気ガスの温度が従来（改良前）と比べて３０〜５０℃あるいはそれ以上低下する。
【０００６】
また、排気通路に複数の後処理ユニットを配設すると、それら後処理ユニットから構成される排気浄化装置が大型化し、その熱容量が増大してしまう。熱容量が増大した排気浄化装置は、エンジンの運転状況によっては、触媒活性温度の確保が困難となる。
【０００７】
加えて、大型化した排気浄化装置は、設置スペースの問題によりエンジンの排気ポートから遠方に配置されることになり、益々、触媒活性温度の確保が困難になる。この結果、排気浄化装置の各後処理ユニットでの有害物質の低減効果が低減してしまう。
【０００８】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、各後処理ユニットの配置を工夫することで、排気ガスの熱を有効に利用でき、且つ小型化を図ることができるディーゼルエンジンの排気浄化装置及びそれを用いた排気浄化方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置は、ディーゼルエンジンの排気通路に配置され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化する酸化触媒と、該酸化触媒よりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズルと、該尿素噴射ノズルよりも下流の前記排気通路に配置され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャのタービンと、該タービンよりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中のパティキュレートマターを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、該ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元型触媒とを備えたものである。
【００１０】
前記ディーゼルパティキュレートフィルタは、酸化触媒が塗布されていないもの、或いはアンモニアを酸化せずパティキュレートマターを酸化する酸化触媒が塗布されたものであってもよい。
【００１１】
前記選択還元型触媒よりも下流の前記排気通路に、前記選択還元型触媒から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒を更に配置してもよい。
【００１２】
前記酸化触媒が、前記ディーゼルエンジンの排気マニホールドの各気筒部分に配置されたマニホールド酸化触媒と、前記排気マニホールドの集合部分に配置されたプレタービン酸化触媒とを有し、前記マニホールド酸化触媒が、前記プレタービン酸化触媒よりもＣＯ浄化に優れたものであり、前記プレタービン酸化触媒が、前記マニホールド酸化触媒よりもＨＣ浄化に優れたものであってもよい。
【００１３】
前記マニホールド酸化触媒が、酸素吸蔵材を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒であり、前記プレタービン酸化触媒が、金属触媒であってもよい。
【００１４】
前記酸素吸蔵材を有する酸化物が、Ｃｅを含む酸化物であり、前記酸化物半導体が、ＴｉＯ2、ＺｎＯ又はＹ2Ｏ3であってもよい。
【００１５】
前記酸素吸蔵材を有する酸化物に、貴金属が坦持されていてもよい。
【００１６】
以上述べたディーゼルエンジンの排気浄化装置を用いた排気浄化方法は、前記尿素噴射ノズルから噴霧された尿素水から生成されたアンモニア（ＮＨ3）が排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）と反応して２ＮＨ3＋ＳＯ4→（ＮＨ4）２ＳＯ4が生じ、前記ディーゼルパティキュレートフィルタでパティキュレートマターを燃焼させた後に生じる灰分成分であるＣａＣＯ3と前記（ＮＨ4）２ＳＯ4とが反応して（ＮＨ4）２ＳＯ4＋ＣａＣＯ3→（ＮＨ4）２ＣＯ3＋ＣａＳＯ4が生じ、この（ＮＨ4）２ＣＯ3が熱分解して（ＮＨ4）２ＣＯ3→２ＮＨ3＋Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2が生じ、このＮＨ3が前記選択還元型触媒で捕捉されてＮＯｘの還元反応に使用されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置及び排気浄化方法によれば、各後処理ユニットの配置を工夫することで、排気ガスの熱を有効に利用でき、且つ装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、比較例（本発明の実施形態ではない）に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置を示すと共に、ＳＣＲ及びＤＯＣの温度と浄化率との関係を示す説明図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの排気浄化装置を示すと共に、ＳＣＲ及びＤＯＣの温度と浄化率との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
＜比較例＞
先ず、本発明の実施形態と対比するための比較例を図１を用いて述べる。
【００２１】
図１に示すように、ディーゼルエンジン１の吸気マニホールド２には吸気配管３が接続され、排気マニホールド４には排気配管５が接続されている。吸気マニホールド２及び吸気配管３が吸気通路６を構成し、排気マニホールド４及び排気配管５が排気通路７を構成する。吸気配管３及び排気配管５には、高圧段ターボチャージャ（高圧段ターボ）８と低圧段ターボチャージャ（低圧段ターボ）９とが直列に接続されている。
【００２２】
すなわち、排気配管５には、高圧段ターボ８の高圧段タービン１２と低圧段ターボ９の低圧段タービン１３とが配設され、吸気配管３には、高圧段ターボ８の高圧段コンプレッサ１０と低圧段ターボ９の低圧段コンプレッサ１１とが配設されている。高圧段コンプレッサ１０の下流の吸気配管３には、インタークーラー１４が配置されている。排気マニホールド４と吸気配管３とはＥＧＲ配管１５で接続され、ＥＧＲ配管１５には、ＥＧＲ弁１６が配設されている。なお、ＥＧＲ配管１５にＥＧＲクーラー（図示せず）を設けてもよい。
【００２３】
低圧段タービン１３の下流の排気配管５には、排気ガス中の有害物質（ＰＭ、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等）を浄化する排気浄化装置１７ａが配設されている。排気浄化装置１７ａについては後述する。排気浄化装置１７ａの下流の排気配管５には、図示しないマフラーに向かう排気ガスの一部を吸気配管３（低圧段コンプレッサ１１の上流、低圧段コンプレッサ１１と高圧段コンプレッサ１０との間、高圧段コンプレッサ１０の上流の何れか）に導く低圧ＥＧＲ配管１８が接続されている。低圧ＥＧＲ配管１８には、低圧ＥＧＲ弁（図示せず）が設けられており、ＥＧＲクーラーを設けてもよいことは勿論である。
【００２４】
排気浄化装置１７ａは、内部に酸化触媒（ＤＯＣ）１９ａとディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２０ａとが収容された第１ケーシング２１ａと、その下流の排気配管５に配置され配管５内に尿素水を噴霧する尿素噴射ノズル２２ａと、その下流の排気配管５に配置され内部に尿素選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ）２３ａと後段酸化触媒（Ｒ−ＤＯＣ：Rear Diesel Oxidation Catalyst）２４ａとが収容された第２ケーシング２５ａとを有する。
【００２５】
ＤＯＣ１９ａは、排気ガス中のＣＯ，ＨＣを酸化して浄化すると共にＮＯを酸化する機能を有し、ＤＰＦ２０ａは、排気ガス中のＰＭを捕集する機能を有する。尿素噴射ノズル２２ａは、排気配管５内に噴霧した尿素水が加水分解や熱分解されることでアンモニア（ＮＨ3）を生成する機能を有する。尿素ＳＣＲ２３ａは、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで水と窒素に無害化する機能を有し、Ｒ−ＤＯＣ２４ａは、尿素ＳＣＲ２３ａから流出したアンモニアを酸化して無害化する機能を有する。
【００２６】
かかる排気浄化装置１７ａは、装置１７ａを構成する後処理ユニット（ＤＯＣ１９ａ、ＤＰＦ２０ａ、尿素噴射ノズル２２ａ、ＳＣＲ２３ａ、Ｒ−ＤＯＣ２４ａ）の全てが低圧段タービン１３の下流側に配置されているので、エンジン１の排気ポートから排気浄化装置１７ａまでの距離が長い。よって、エンジン１の排気ポートから流出した排気ガスは、排気配管５を通過する際に放熱され、低圧段タービン１３で膨張した後、排気浄化装置１７ａに到達する。このため、エンジン１の運転状態によっては、ＤＯＣ１９ａ、ＤＰＦ２０ａ、ＳＣＲ２３ａ、Ｒ−ＤＯＣ２４ａの温度が触媒活性温度まで上昇しない場合がある。
【００２７】
例えば、ＪＥ０５モードと称される過渡モード（加減速モード）に基づいてエンジン１を運転すると、ＤＯＣ１９ａ、ＤＰＦ２０ａ、ＳＣＲ２３ａの平均入口温度は、ＤＯＣ１９ａが約１５０℃、ＤＰＦ２０ａが約１４０℃、ＳＣＲ２３ａが約１２５℃となった。図１に示すように、１５０℃ではＤＯＣ１９ａのＨＣ浄化率は１０％程度（ＣＯ浄化率も同様）であり、１２５℃ではＳＣＲ２３ａのＮＯｘ浄化率は５％以下である。この結果、ＪＥ０５モードにおける平均浄化率は、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの全てが５０％以下となった。
【００２８】
また、ＪＥ０５モードでの試験中にＤＰＦ２０ａの再生（捕集したＰＭの燃焼）を行うには、ＤＰＦ２０ａを１４０℃から４００℃以上に加熱する必要があり、そのためにポスト噴射（インジェクタからエンジン１の燃焼室に通常の燃料噴射を行った後にエンジン１での燃焼を目的としない燃料を噴く噴射）を行うと、燃費が５％程度悪化すると共にＨＣの発生を招いてしまう。
【００２９】
また、尿素噴射ノズル２２ａから排気配管５内に噴霧された尿素水をＳＣＲ２３ａに到達するまでに均一に拡散させて適切にアンモニアに分解させるためには、尿素噴射ノズル２２ａの尿素噴射位置からＳＣＲ２３ａの入口までの距離が所定距離（実験では２５ｃｍ以上必要であることが分かった）必要となる。これは、ＳＣＲ２３ａの温度低下、排気浄化装置１７ａの大型化を招く。
【００３０】
＜実施形態＞
以上説明した比較例の欠点を解消した本発明の一実施形態を図２を用いて述べる。本実施形態は上述した比較例と共通の構成要素を有するので、共通の構成要素には共通の符号を付して説明を省略する。なお、排気浄化装置１７については、添字「ａ」が付されているものが比較例を表し、添字「ａ」が無いものが本実施形態を表す。
【００３１】
図２に示すように、本実施形態に係るディーゼルエンジン１の排気浄化装置１７は、ディーゼルエンジン１の排気通路７に配置され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化すると共にＮＯを酸化する前段の酸化触媒（ＤＯＣ）１９と、ＤＯＣ１９よりも下流の排気通路７に配置され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズル２２と、尿素噴射ノズル２２よりも下流の排気通路７に配置され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するタービン（低圧段タービン）１３と、低圧段タービン１３よりも下流の排気通路７に配置され、排気ガス中のパティキュレートマター（ＰＭ）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２０と、ＤＰＦ２０よりも下流の排気通路７に配置され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元型触媒（尿素ＳＣＲ）２３とを備えている。また、尿素ＳＣＲ２３の下流の排気通路７には、尿素ＳＣＲ２３から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒（Ｒ−ＤＯＣ）２４が配置されている。
【００３２】
各後処理ユニット（ＤＯＣ１９、ＤＰＦ２０、尿素噴射ノズル２２、ＳＣＲ２３、Ｒ−ＤＯＣ２４）については、後ほど詳述する。
【００３３】
本実施形態においては、高圧段ターボ８と低圧段ターボ９とを直列に接続した２段式のターボチャージャとし、低圧段タービン１３と高圧段タービン１２との間に尿素噴射ノズル２２を配置し、高圧段タービン１２の上流側にＤＯＣ１９を配置した構成としたが、高圧段ターボ８を省略して１段式のターボチャージャとしてもよい。この場合、唯一のターボチャージャ（図２での低圧段ターボ９）のタービン（図２での低圧段タービン１３）の上流側に尿素噴射ノズル２２を配置し、その尿素噴射ノズル２２の上流側にＤＯＣ１９を配置することになる。
【００３４】
本実施形態に係る排気浄化装置１７では、低圧段タービン１３の上流側に尿素噴射ノズル２２及びＤＯＣ１９を配置したので、尿素噴射ノズル２２及びＤＯＣ１９を含めた全ての後処理ユニットが低圧段タービン１３の下流側に配置された図１に示す比較例と比べると、各後処理ユニット（ＤＯＣ１９、ＤＰＦ２０、ＳＣＲ２３、Ｒ−ＤＯＣ２４）の設置位置をエンジン１の排気ポートに近づけることができる。よって、排気ガスの熱を有効に利用でき、各後処理ユニットの温度を触媒活性温度に確保し易くなる。
【００３５】
例えば、ＪＥ０５モードに基づいてエンジン１を運転すると、ＤＯＣ１９、ＤＰＦ２０、ＳＣＲ２３の平均入口温度は、ＤＯＣ１９が約２００℃、ＤＰＦ２０が約１７５℃、ＳＣＲ２３が約１７０℃となった。図２に示すように、２００℃ではＤＯＣ１９のＨＣ浄化率は略１００％（ＣＯ浄化率も同様）であり、１７０℃ではＳＣＲ２３のＮＯｘ浄化率は約８０％弱である。このように、本実施形態では、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの浄化率が比較例と比べて大幅に向上する。
【００３６】
また、本実施形態では、低圧段タービン１３の直下にＤＰＦ２０を配置しており、図１に示す比較例のように低圧段タービン１３の下流にＤＯＣ１９ａを介してＤＰＦ２０ａを配置したものと比べると、ＤＰＦ２０の設置位置がより上流側となる。よって、ＤＰＦ２０の温度が比較例よりも上昇し、ポスト噴射を減らしても或いは運転状態によってはポスト噴射を行わなくてもＤＰＦ２０に捕集されたＰＭを燃焼させることが可能となる。よって、ポスト噴射による燃費の悪化を回避できると共に、ポスト噴射によるＨＣの発生を抑制できる。
【００３７】
加えて、本実施形態では、尿素噴射ノズル２２を低圧段タービン１３の上流側に配置しているので、尿素噴射ノズル２２から噴霧された尿素水が低圧段タービン１３によって攪拌され、低圧段タービン１３の下流側で略均一に拡散される。このため、尿素の加水分解や熱分解が促進され、尿素噴射ノズル２２の尿素噴射位置からＳＣＲ２３の入口までの距離を比較例よりも近付けても、適切にアンモニアを生成させることができる。このように、ＳＣＲ２３の設置位置を比較例よりも低圧段タービン１３に近付けられるので、ＳＣＲ２３の温度を比較例よりも高めることができると共に、排気浄化装置１７のコンパクト化を推進できる。
【００３８】
各後処理ユニットについて詳述する。
【００３９】
〔ＤＯＣ〕
ＤＯＣ１９は、エンジン１の排気マニホールド４の各気筒部分に配置されたマニホールド酸化触媒（Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ）１９ｘと、排気マニホールド４の集合部分に配置されたプレタービン酸化触媒（Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ）１９ｙとを有する。上流側のＭ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘは、下流側のＰ／Ｔ−ＤＯＣ１９ｙよりもＣＯ浄化に優れたものが用いられ、下流側のＰ／Ｔ−ＤＯＣ１９ｙは、上流側のＭ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘよりもＨＣ浄化に優れたものが用いられる。ＤＯＣは、一般的に、排気ガス中にＣＯが存在しない方がＨＣの吸着・浄化が良好であり、排気ガス中にＨＣが存在していてもＣＯの吸着・浄化が悪化することはないという性質を有するからである。
【００４０】
Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘは、ＣＯ浄化（ＣＯ吸着）に優れる酸素吸蔵材（ＯＳＣ：Oxygen Storage Capacity）を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒からなり、Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ１９ｙは、ＨＣ浄化（ＨＣ吸着）に優れる金属触媒（Ｐｔ触媒等）からなる。このようにＤＯＣ１９を構成することで、低温活性に優れた触媒構成が得られると共に、ＤＯＣ１９全体を小型化でき、高圧段タービン１２の上流側に無理なく配置することができる。
【００４１】
なお、Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘは、ＯＳＣを有する酸化物と酸化物半導体とが混在した触媒を含む触媒層としてもよく、Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ１９ｙは、貴金属触媒（Ｐｔ触媒等）とＨＣ吸着材とが混在した触媒を用いてもよい。また、ＯＳＣを有する酸化物には、セリウム（Ｃｅ）を含む酸化物（酸化セリウム等）が用られ、この酸化物に貴金属（Ｐｔ等）が坦持されていてもよい。また、酸化物半導体には、ＴｉＯ2、ＺｎＯ又はＹ2Ｏ3が用いられる。
【００４２】
Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘとＰ／Ｔ−ＤＯＣ１９ｙとの間の排気マニホールド４には、ＥＧＲ配管１５が接続されている。これにより、Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ１９ｘを通過してＣＯが浄化された後の排気ガスが、ＥＧＲ配管１５を通って吸気配管３に還流される。よって、還流される排気ガス中の未燃焼物質（ＳＯＦ成分：Soluble Organic Fraction Element）が低減され、ＳＯＦによるＥＧＲ弁１６やＥＧＲクーラー（図示せず）の汚染、詰まり等の悪影響を抑制できる。
【００４３】
〔尿素噴射ノズル〕
尿素噴射ノズル２２は、低圧段タービン１３の上流の排気配管５に配設されている。このため、尿素噴射ノズル２２から噴霧された尿素水が低圧段タービン１３によって攪拌され、低圧段タービン１３の下流側で略均一に拡散され、尿素の加水分解や熱分解が促進される。よって、尿素噴射ノズル２２の尿素噴射位置からＳＣＲ２３の入口までの距離を比較例よりも近付けることができ、既述のように、ＳＣＲ２３の温度を比較例よりも高めることができると共に、排気浄化装置１７のコンパクト化を推進できる。
【００４４】
ところで、高ＥＧＲ燃焼させた際には排気ガス中に硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生じるが、このＳＯｘによる排気配管５、低圧段タービン１３の腐食は、以下の反応を利用して抑制される。
【００４５】
先ず、尿素噴射ノズル２２から噴霧された尿素水が加水分解、熱分解して生成されたアンモニア（ＮＨ3）と排気ガス中のＳＯ4等とが反応して、２ＮＨ3＋ＳＯ4→（ＮＨ4）２ＳＯ4が生成される。生成された（ＮＨ4）２ＳＯ4は、中和物なので、排気配管５、低圧段タービン１３の腐食の問題は生じない。
【００４６】
更に、ＤＰＦ２０でＰＭを燃焼させた後に生じる灰分成分であるＣａＣＯ3と生成された（ＮＨ4）２ＳＯ4とが反応して、（ＮＨ4）２ＳＯ4＋ＣａＣＯ3→（ＮＨ4）２ＣＯ3＋ＣａＳＯ4が生成される。生成された（ＮＨ4）２ＣＯ3は、所定温度（例えば５８℃）以上で次のような熱分解が生じる。（ＮＨ4）２ＣＯ3→２ＮＨ3＋Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2。
【００４７】
その後、この熱分解で生じたＮＨ3がＤＰＦ２０の下流に配置されたＳＣＲ２３で捕捉され、ＳＣＲ２３にてＮＯｘの還元反応（浄化反応）に使用される。
【００４８】
〔ＤＰＦ〕
ＤＰＦ２０は、捕集したＰＭを燃焼（酸化）するための酸化触媒が塗布されていないもの、或いは、アンモニア（ＮＨ3）を酸化せずＰＭを酸化する特殊な酸化触媒が塗布されたものが用いられる。ＤＰＦ２０にてＮＨ3が酸化されてしまうと、ＤＰＦ２０の下流に配置されたＳＣＲ２３において、ＮＨ3を利用したＮＯｘの還元反応（浄化反応）が行えなくなるからである。
【００４９】
具体的には、ＤＰＦ２０は、通常用いられる貴金属触媒をフィルタ本体に塗布しない構成とし、触媒を全く塗布しないか、或いは、塩基性の大きな希土類酸化物やアルカリ土類酸化物系の触媒をフィルタ本体に塗布した構成とする。希土類酸化物やアルカリ土類酸化物系の触媒は、ＰＭは付着するもののＮＨ3は付着し難く、このためＰＭは酸化するもののＮＨ3は殆ど酸化しないという特性を有するからである。
【００５０】
また、ＤＰＦ２０のフィルタ本体は、気孔率や気孔径、壁厚の適正化を図ることで、浄化特性（ＰＭの捕集特性）は従来品と同等で、且つ圧力損失の小さい構造としている。この改良により、従来品よりも体積が５０％以上小さい小型のＤＰＦを用いた。
【００５１】
なお、図２の実施形態では、ＤＰＦ２０、ＳＣＲ２３及びＲ−ＤＯＣ２４は、低圧段タービン１３のタービンハウジングと一体に形成されたケーシング２６内に収容されているが、ケーシング２６をタービンハウジングと別体とし、それらの間を短い排気配管で接続してもよい。
【００５２】
〔ＳＣＲ〕
ＳＣＲ２３は、ケーシング２６内にＤＰＦ２０の下流に位置して配設されており、排気ガス中のＮＯｘをアンモニア（ＮＨ3）と還元反応させることで水と窒素に無害化する機能を有する。
【００５３】
また、ＳＣＲ２３には、触媒坦体（モノリス触媒）等を用いることで、比体積当たりの触媒量を増加させ、体積を従来比５０％以上低減した小型のＳＣＲを用いた。
【００５４】
〔Ｒ−ＤＯＣ〕
Ｒ−ＤＯＣ２４は、ケーシング２６内にＳＣＲ２３の下流に位置して配設されており、ＳＣＲ２３における還元反応で消費されずにＳＣＲ２３から流出した余剰のアンモニア（ＮＨ3）を酸化して無害化する機能を有する。
【００５５】
なお、尿素噴射ノズル２２から噴霧された尿素水により生成されたアンモニア（ＮＨ3）が全てＳＣＲ２３で消費されるように、エンジン１の運転状態に応じて尿素水の噴霧量を制御すれば、Ｒ−ＤＯＣ２４を省略することもできる。
【符号の説明】
【００５６】
１ ディーゼルエンジン
４ 排気マニホールド
７ 排気通路
９ ターボチャージャ（低圧段ターボチャージャ）
１３ タービン（低圧段タービン）
１９ 酸化触媒（ＤＯＣ）
１９ｘ マニホールド酸化触媒（Ｍ／Ｆ−ＤＯＣ）
１９ｙ プレタービン酸化触媒（Ｐ／Ｔ−ＤＯＣ）
２２ 尿素噴射ノズル
２０ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
２３ 選択還元型触媒（ＳＣＲ）
２４ 後段酸化触媒（Ｒ−ＤＯＣ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンの排気通路に配置され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化する酸化触媒と、
該酸化触媒よりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズルと、
該尿素噴射ノズルよりも下流の前記排気通路に配置され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャのタービンと、
該タービンよりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中のパティキュレートマターを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、
該ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元型触媒と
を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記ディーゼルパティキュレートフィルタは、酸化触媒が塗布されていないもの、或いはアンモニアを酸化せずパティキュレートマターを酸化する酸化触媒が塗布されたものである
請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記選択還元型触媒よりも下流の前記排気通路に、前記選択還元型触媒から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒を更に配置した
請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記酸化触媒が、前記ディーゼルエンジンの排気マニホールドの各気筒部分に配置されたマニホールド酸化触媒と、前記排気マニホールドの集合部分に配置されたプレタービン酸化触媒とを有し、
前記マニホールド酸化触媒が、前記プレタービン酸化触媒よりもＣＯ浄化に優れたものであり、
前記プレタービン酸化触媒が、前記マニホールド酸化触媒よりもＨＣ浄化に優れたものである
請求項１から３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記マニホールド酸化触媒が、酸素吸蔵材を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒であり、
前記プレタービン酸化触媒が、金属触媒である
請求項４に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記酸素吸蔵材を有する酸化物が、Ｃｅを含む酸化物であり、
前記酸化物半導体が、ＴｉＯ2、ＺｎＯ又はＹ2Ｏ3 である
請求項５に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項７】
前記酸素吸蔵材を有する酸化物に、貴金属が坦持されている
請求項５又は６に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置を用いた排気浄化方法であって、
前記尿素噴射ノズルから噴霧された尿素水から生成されたアンモニア（ＮＨ3）が排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）と反応して２ＮＨ3＋ＳＯ4→（ＮＨ4）２ＳＯ4が生じ、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタでパティキュレートマターを燃焼させた後に生じる灰分成分であるＣａＣＯ3と前記（ＮＨ4）２ＳＯ4とが反応して（ＮＨ4）２ＳＯ4＋ＣａＣＯ3→（ＮＨ4）２ＣＯ3＋ＣａＳＯ4が生じ、
この（ＮＨ4）２ＣＯ3が熱分解して（ＮＨ4）２ＣＯ3→２ＮＨ3＋Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2が生じ、
このＮＨ3が前記選択還元型触媒で捕捉されてＮＯｘの還元反応に使用される
ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化方法。
【請求項１】
ディーゼルエンジンの排気通路に配置され、排気ガス中のＣＯ、ＨＣを浄化する酸化触媒と、
該酸化触媒よりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中に尿素水を噴霧することでアンモニアを生成するための尿素噴射ノズルと、
該尿素噴射ノズルよりも下流の前記排気通路に配置され、噴霧された尿素水を攪拌して尿素の分解を促進するターボチャージャのタービンと、
該タービンよりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中のパティキュレートマターを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタと、
該ディーゼルパティキュレートフィルタよりも下流の前記排気通路に配置され、排気ガス中のＮＯｘをアンモニアと還元反応させることで無害化する選択還元型触媒と
を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項２】
前記ディーゼルパティキュレートフィルタは、酸化触媒が塗布されていないもの、或いはアンモニアを酸化せずパティキュレートマターを酸化する酸化触媒が塗布されたものである
請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項３】
前記選択還元型触媒よりも下流の前記排気通路に、前記選択還元型触媒から流出したアンモニアを酸化して無害化するための後段酸化触媒を更に配置した
請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項４】
前記酸化触媒が、前記ディーゼルエンジンの排気マニホールドの各気筒部分に配置されたマニホールド酸化触媒と、前記排気マニホールドの集合部分に配置されたプレタービン酸化触媒とを有し、
前記マニホールド酸化触媒が、前記プレタービン酸化触媒よりもＣＯ浄化に優れたものであり、
前記プレタービン酸化触媒が、前記マニホールド酸化触媒よりもＨＣ浄化に優れたものである
請求項１から３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項５】
前記マニホールド酸化触媒が、酸素吸蔵材を有する酸化物と酸化物半導体とを含む触媒であり、
前記プレタービン酸化触媒が、金属触媒である
請求項４に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項６】
前記酸素吸蔵材を有する酸化物が、Ｃｅを含む酸化物であり、
前記酸化物半導体が、ＴｉＯ2、ＺｎＯ又はＹ2Ｏ3 である
請求項５に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項７】
前記酸素吸蔵材を有する酸化物に、貴金属が坦持されている
請求項５又は６に記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置を用いた排気浄化方法であって、
前記尿素噴射ノズルから噴霧された尿素水から生成されたアンモニア（ＮＨ3）が排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）と反応して２ＮＨ3＋ＳＯ4→（ＮＨ4）２ＳＯ4が生じ、
前記ディーゼルパティキュレートフィルタでパティキュレートマターを燃焼させた後に生じる灰分成分であるＣａＣＯ3と前記（ＮＨ4）２ＳＯ4とが反応して（ＮＨ4）２ＳＯ4＋ＣａＣＯ3→（ＮＨ4）２ＣＯ3＋ＣａＳＯ4が生じ、
この（ＮＨ4）２ＣＯ3が熱分解して（ＮＨ4）２ＣＯ3→２ＮＨ3＋Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2が生じ、
このＮＨ3が前記選択還元型触媒で捕捉されてＮＯｘの還元反応に使用される
ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１４９４００（Ｐ２０１１−１４９４００Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３４１３（Ｐ２０１０−１３４１３）
【出願日】平成２２年１月２５日（２０１０．１．２５）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２５日（２０１０．１．２５）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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