排気ガス浄化装置
【課題】排気ガスに含まれる窒素酸化物に対する尿素水による浄化効率の向上させる排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【解決手段】、排気ガス浄化装置１０１は、排気ガスが流通する経路の途中に設けられた酸化触媒層１２と、酸化触媒層１２の下流に設けられた第一ＳＣＲ触媒１５ｓと、第一ＳＣＲ触媒１５ｓの下流に設けられた第二ＳＣＲ触媒１６ｓと、第一ＳＣＲ触媒１５ｓの上流に尿素水を供給するための噴射バルブ１９とを備え、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓより多くのアンモニアを吸着可能である。
【解決手段】、排気ガス浄化装置１０１は、排気ガスが流通する経路の途中に設けられた酸化触媒層１２と、酸化触媒層１２の下流に設けられた第一ＳＣＲ触媒１５ｓと、第一ＳＣＲ触媒１５ｓの下流に設けられた第二ＳＣＲ触媒１６ｓと、第一ＳＣＲ触媒１５ｓの上流に尿素水を供給するための噴射バルブ１９とを備え、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓより多くのアンモニアを吸着可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特にディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒を使用した排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための尿素ＳＣＲシステムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水の加水分解により生成されたアンモニア（ＮＨ３）とＮＯｘとの化学反応によってＮＯｘを窒素（Ｎ２）及び水（Ｈ２Ｏ）に浄化するために、選択還元触媒である（尿素）ＳＣＲ触媒と呼ばれる触媒が用いられる。
【０００３】
尿素ＳＣＲシステムでは、ＳＣＲ触媒は、エンジンとマフラーとの間の排気経路に設けられている。さらに、この排気経路において、ＳＣＲ触媒よりエンジン側となる上流側には、排気ガス中のハイドロカーボン（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化すると共に一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化するのを促進するための酸化触媒、及び排気ガス中に尿素水を噴射するための噴射バルブが設けられている。
また、尿素ＳＣＲシステムの他に、エンジンとマフラーとの間の排気経路には、排気ガスに含まれるカーボン等の粒子状物質（パティキュレートマター：ＰＭ）を減少させるためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置が設けられている。
【０００４】
特許文献１には、高温活性型のＮＯｘ吸蔵触媒と、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流に配置され且つ低温活性型のユリアＳＣＲ触媒が担持されたＤＰＦと、ＮＯｘ吸蔵触媒及びＤＰＦの間に配置された尿素添加インジェクタとを１つのケースに含む排気後処理装置が記載されている。この排気後処理装置では、触媒温度が４００℃未満となる低温時、尿素添加インジェクタから尿素水が噴射され、尿素水が加水分解されて生成したアンモニアによりユリアＳＣＲ触媒において排気ガス中のＮＯｘの還元除去が行われる。また、触媒温度が４００℃以上となる高温時は、排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸蔵触媒により吸蔵されて浄化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７４９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の排気後処理装置において、尿素添加インジェクタから噴射された尿素水が加水分解されて生成するアンモニアは、その全てがユリアＳＣＲ触媒において排気ガス中のＮＯｘに対して還元反応を起こすわけではない。例えば、尿素水の噴射量が多く、尿素水からのアンモニアの生成量が排気ガス中のＮＯｘ量より多くなる場合は、余剰なアンモニアが発生し、このアンモニアがユリアＳＣＲ触媒から排出されることになる。よって、ＮＯｘの浄化に使用するアンモニアに無駄が生じ、アンモニアを生成する尿素水の使用量に対するＮＯｘの浄化効率が低くなるという問題がある。従って、特許文献１の排気後処理装置には、尿素水によるＮＯｘの浄化効率が高くないという問題がある。
【０００７】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、排気ガスに含まれるＮＯｘに対する尿素水による浄化効率の向上を図る排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、排気ガス浄化装置は、排気ガスが流通する経路の途中に設けられた酸化触媒と、酸化触媒の下流に設けられた第一ＳＣＲ触媒と、第一ＳＣＲ触媒の下流に設けられた第二ＳＣＲ触媒と、第一ＳＣＲ触媒の上流に尿素水を供給するための尿素水供給手段とを備え、第二ＳＣＲ触媒は、第一ＳＣＲ触媒より多くのアンモニアを吸着可能である。
【０００９】
これにより、第二ＳＣＲ触媒は第一ＳＣＲ触媒よりも多くのアンモニアを吸着できるので、尿素水供給手段から供給された尿素水の加水分解により生成したアンモニアのうち、第一ＳＣＲ触媒で吸着されずにそして排気ガス中に含まれる窒素酸化物の還元浄化にも使用されなかった余剰のアンモニアを第二ＳＣＲ触媒で吸着することができる。よって、排気ガス中に含まれる窒素酸化物は、第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒において還元浄化される。例えば、第一ＳＣＲ触媒から流出し第二ＳＣＲ触媒に流入した排気ガスにおいて、含まれているアンモニアの量が、含まれている窒素酸化物の還元浄化に要するアンモニアの量より多い場合、第二ＳＣＲ触媒によって余剰となるアンモニアが吸着される。一方、含まれているアンモニアの量が、含まれている窒素酸化物の還元浄化に要するアンモニアの量より少ない場合、第二ＳＣＲ触媒では、吸着しているアンモニアを使用して窒素酸化物が還元浄化される。よって、尿素水から生成したアンモニアが、排気ガス浄化装置の外部に排出されることなく、高い割合で窒素酸化物の還元浄化に使用される。従って、排気ガス浄化装置では、尿素水の使用量に対して排気ガスに含まれる窒素酸化物の浄化に使用される割合である浄化効率が向上しており、尿素水による窒素酸化物の浄化効率が向上する。
【００１０】
第二ＳＣＲ触媒の単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量が、第一ＳＣＲ触媒の単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量より多くてもよい。これにより、第二ＳＣＲ触媒は、第一ＳＣＲ触媒よりアンモニアを吸着する性質が強い。このため、第一ＳＣＲ触媒でのアンモニアの吸着量及び吸着したアンモニアの放出量は少ないものとなるため、第二ＳＣＲ触媒に供給されるアンモニアの量の変動に対して、第一ＳＣＲ触媒が与える影響は小さいものとなる。よって、第二ＳＣＲ触媒でのアンモニアの処理の安定化を図ることができ、窒素酸化物の還元浄化へのアンモニアの使用効率が向上する。
【００１１】
第一ＳＣＲ触媒と第二ＳＣＲ触媒とは、間隔をあけて配置されてもよい。これにより、第一ＳＣＲ触媒と第二ＳＣＲ触媒との間において、未だ加水分解されていない尿素水を加水分解させてアンモニアを生成することができる。よって、尿素水からアンモニアへの変換効率が向上し、排気ガスに含まれる窒素酸化物に対する尿素水による浄化効率が向上する。
また、第一ＳＣＲ触媒と第二ＳＣＲ触媒とは、隣接して配置されてもよい。これにより、第一ＳＣＲ触媒と第二ＳＣＲ触媒とを隣接して配置することによって、排気ガス浄化装置の小型化を図ることが可能になる。
【００１２】
排気ガス浄化装置は、粒子状物質捕集手段をさらに備え、粒子状物質捕集手段は、第一ＳＣＲ触媒と一体であってもよい。これにより、粒子状物質捕集手段と第一ＳＣＲ触媒とを一体にすることによって、排気ガス浄化装置の小型化を図ることが可能になる。
また、排気ガス浄化装置は、粒子状物質捕集手段をさらに備え、粒子状物質捕集手段は、第一ＳＣＲ触媒の上流に設けられてもよい。これにより、粒子状物質捕集手段と第一ＳＣＲ触媒とを別個に設けることによって、第一ＳＣＲ触媒が受ける、粒子状物質捕集手段に蓄積した粒子状物質の燃焼時の熱による影響が低減される。よって、第一ＳＣＲ触媒の耐久性を向上させることが可能になる。
【００１３】
排気ガス浄化装置は、エンジンアセンブリに取り付けられてもよい。これにより、排気ガス浄化装置には、エンジンアセンブリから排出された温度低下の少ない高温の排気ガスが供給される。また、排気ガス浄化装置は、エンジンアセンブリの発生する熱をその外部から受けることができる。よって、排気ガス浄化装置は、コールドスタート時においても、排気ガス浄化装置を尿素水の加水分解可能な温度にまで上昇させる時間、並びに、第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒をその活性化する温度にまで上昇させる時間を短縮することができる。従って、排気ガス浄化装置は、コールドスタート時から短時間で窒素酸化物の浄化を開始することができるため、窒素酸化物の浄化性能を向上させることが可能になる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係る排気ガス浄化装置によれば、排気ガスに含まれる窒素酸化物に対する尿素水による浄化効率の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置及びその周辺の構成を示す模式図である。
【図２】図１の排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
【図３】図２のＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係る排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１及び２を用いて、この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置１０１及びその周辺の構成を説明する。なお、以下の実施形態において、ディーゼルエンジンを搭載する車両に排気ガス浄化装置を使用した場合の例について説明する。
【００１７】
まず、図１を参照すると、エンジン本体１には、吸入された吸入空気を複数のシリンダ１ａのそれぞれに分配するための吸気マニフォールド（インテークマニフォールド）４が、複数の吸気ポート１ｂに対して接続されている。
吸気マニフォールド４における吸入空気の入口４ａには、エンジン吸気管３が接続され、さらに、エンジン吸気管３は、ターボチャージャ８のコンプレッサハウジング８ａに接続されている。また、コンプレッサハウジング８ａには、外気を吸入するための吸気管２が接続されている。
【００１８】
一方、エンジン本体１の複数の排気ポート１ｃのそれぞれには、排気ポート１ｃから排出される排気ガスを１つに集約するための排気マニフォールド（エキゾーストマニフォールド）５が接続されている。さらに、排気マニフォールド５における排気ガスの出口５ａには、ターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂが接続されている。また、タービンハウジング８ｂには、略円筒形をした排気ガス浄化装置１０１が接続され、排気ガス浄化装置１０１はエンジン本体１の側部に隣接するようにして配置されている。そして、排気ガス浄化装置１０１には、排気管６が接続されており、さらに、排気管６の下流側の端部には、消音器（マフラー）７が接続されている。よって、図示しない車両における吸気系統は、吸気管２、ターボチャージャ８、エンジン吸気管３及び吸気マニフォールド４によって構成され、排気系統は、排気マニフォールド５、ターボチャージャ８、排気ガス浄化装置１０１、排気管６及び消音器７によって構成されている。ここで、エンジン本体１、エンジン吸気管３、吸気マニフォールド４、排気マニフォールド５、及びターボチャージャ８は、エンジンアセンブリ１０を構成している。
【００１９】
次に、図２を参照すると、排気ガス浄化装置１０１は、略円筒形をした筐体１１を有している。筐体１１における上流側の端部１１ａには、ターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂの出口８ｂ２が接続されており、筐体１１の下流側の端部１１ｂには、排気管６の上流側の端部６ａが接続されている。そして、筐体１１の内部は、タービンハウジング８ｂの内部及び排気管６の内部に連通している。
【００２０】
円筒状をした筐体１１の内部には、上流側から下流側に向かって、酸化触媒が担持された酸化触媒層１２、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）本体１４、及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓが担持された第二ＳＣＲ触媒層１６が順次設けられている。ここで、ＤＰＦ本体１４は、粒子状物質捕集手段を構成している。
なお、酸化触媒層１２、ＤＰＦ本体１４、及び第二ＳＣＲ触媒層１６は、筐体１１の円筒部１１ｃの中心軸に垂直な方向に延びる円柱状をした層状の形態を有し、円筒部１１ｃの内側を塞ぐようにして形成されている。また、酸化触媒層１２及びＤＰＦ本体１４、並びに、ＤＰＦ本体１４及び第二ＳＣＲ触媒層１６は、互いに離れて配置されており、それぞれの間には空間１７ａ並びに１７ｂが形成されている。
【００２１】
なお、酸化触媒層１２は、排気ガスに含まれるハイドロカーボン（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化すると共に、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化するのを促進する酸化触媒が図示しない基材に担持された層である。酸化触媒層１２の酸化触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），銀（Ａｇ），鉄（Ｆｅ），銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），金（Ａｕ）等、及びそれら２種以上の混合体等が好ましい。
【００２２】
ＤＰＦ本体１４は、セラミック等の多孔質性の材料によって形成されており、排気ガスに含まれる粒子状物質（パティキュレートマター：ＰＭ）を捕集するためのものである。
【００２３】
さらに、ＤＰＦ本体１４には、その全体にわたって、選択還元触媒である第一ＳＣＲ触媒１５ｓがコーティング等の手段によって担持され、ＤＰＦ本体１４と第一ＳＣＲ触媒１５ｓとは一体となっている。なお、第一ＳＣＲ触媒１５ｓは、ＤＰＦ本体１４の全体にわたって担持されているが、一部であってもよい。また、ＤＰＦ本体１４及び第一ＳＣＲ触媒１５ｓは一体となって触媒付ＤＰＦ１３を構成している。
なお、選択還元触媒は特定の物質同士に対して選択的に化学反応をもたらす触媒であり、選択還元触媒の中でも尿素ＳＣＲ触媒（以下、ＳＣＲ触媒と称す）は、窒素酸化物（ＮＯｘ）と還元剤であるアンモニア（ＮＨ３）との間で作用してＮＯｘの還元をもたらすものである。そして、ＮＯｘはアンモニアによって還元されると窒素（Ｎ２）及び水に分解される。
【００２４】
第一ＳＣＲ触媒１５ｓには、アンモニアの吸着性が低い特性を有するＳＣＲ触媒が使用される。アンモニアの吸着性は、触媒が担持されている基材の単位体積当たりのアンモニアの吸着可能な重量によって示される。そこで、第一ＳＣＲ触媒１５ｓにおける低いアンモニアの吸着性は、具体的には、基材の単位体積１リットル当たりに第一ＳＣＲ触媒１５ｓが１８０グラム担持されている場合に、触媒の温度が２００℃で、基材の単位体積１リットル当たりに１００ミリグラム以下のアンモニアを吸着可能とする特性であることが好ましい。さらに、第一ＳＣＲ触媒１５ｓのアンモニアの吸着可能量は、触媒の温度の上昇と共に減少する傾向を有しているが、第一ＳＣＲ触媒１５ｓは、触媒の温度上昇と共に吸着可能量が減少する割合が低いもの、すなわちアンモニア吸着可能量の温度依存性が低いものが好ましい。そして、第一ＳＣＲ触媒１５ｓとしては、ジルコニウム（Ｚｒ），チタン（Ｔｉ），ケイ素（Ｓｉ），セリウム（Ｃｅ），タングステン（Ｗ）等の酸化物、これら酸化物の複合体、および高温（６５０℃以上）で熱処理された鉄（Ｆｅ），銅（Ｃｕ）等によって一部金属置換されたＺＳＭ−５型のゼオライトの触媒等が好ましい。
【００２５】
また、第一ＳＣＲ触媒１５ｓは、その温度が所定の温度以上の範囲にある時に、還元作用が活性化する特性を有している。なお、上述の所定の温度は、一般的に１５０℃であり、活性化するとは、アンモニアによるＮＯｘの還元速度が急速に高まることを意味する。特に、第一ＳＣＲ触媒１５ｓは、還元作用が活性化する１５０℃以上において、アンモニアの吸着可能量が少ないものが好ましく、上述に挙げる触媒材料は、この特性を有している。
【００２６】
次に、第二ＳＣＲ触媒層１６は、図示しない基材に、第二ＳＣＲ触媒１６ｓがコーティング等の手段によって担持されて形成されている。なお、第二ＳＣＲ触媒１６ｓには、アンモニアの吸着性が第一ＳＣＲ触媒１５ｓより高い特性を有するＳＣＲ触媒が使用されている。
【００２７】
第二ＳＣＲ触媒１６ｓのアンモニアの吸着性は、具体的には、基材の単位体積１リットル当たりに第二ＳＣＲ触媒１６ｓが１８０グラム担持されている場合に、触媒の温度が２００℃で、基材の単位体積１リットル当たりに２５０ミリグラム以上のアンモニアを吸着可能とする特性であることが好ましい。そして、第二ＳＣＲ触媒１６ｓとしては、６５０℃未満で熱処理された鉄（Ｆｅ），銅（Ｃｕ）等によって一部金属置換されたＺＳＭ−５型のゼオライトの触媒等が好ましい。さらに、第二ＳＣＲ触媒１６ｓのアンモニアの吸着可能量は、触媒の温度の上昇と共に減少する傾向を有している。そして、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓを含むＳＣＲ触媒は、アンモニアの吸着可能量が多い特性であるものほど触媒の温度上昇と共に吸着可能量が減少する割合が高くなっている、すなわちアンモニアの吸着可能量の温度依存性が高くなっている。このため、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓよりアンモニアの吸着可能量の温度依存性が高くなっている。
【００２８】
さらに、上述の触媒材料を使用した第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、１５０℃以上でその還元作用が活性化する特性を有している。
また、上述のようにして形成された第二ＳＣＲ触媒層１６全体でのアンモニアの吸着可能量は、第一ＳＣＲ触媒１５ｓを有する触媒付ＤＰＦ１３全体でのアンモニアの吸着可能量より多くなっている。
【００２９】
また、筐体１１の円筒部１１ｃには、酸化触媒層１２及び触媒付ＤＰＦ１３の間となる位置に、電磁弁である噴射バルブ１９が設けられている。ここで、噴射バルブ１９は、尿素水供給手段を構成している。さらに、噴射バルブ１９は、図示しない車両に設けられた尿素水タンク２０に連通しており、尿素水タンク２０から供給される尿素水を筐体１１の空間１７ａ内（第一ＳＣＲ触媒１５ｓの上流）に噴射する。なお、図２に示す噴射バルブ１９は、酸化触媒層１２における下流側の直後の位置に配置され、酸化触媒層１２における下流側の直後に尿素水を噴射する。
さらに、噴射バルブ１９は、ドージングコントロールユニット（ＤＣＵ）３０に電気的に接続されており、ＤＣＵ３０の制御によって噴射バルブ１９の開閉が行われる。また、尿素水タンク２０は、内部の尿素水を噴射バルブ１９に供給するための電動ポンプを備えており、この電動ポンプは、ＤＣＵ３０に電気的に接続され、ＤＣＵ３０の制御によってその稼動が制御される。なお、ＤＣＵ３０は個別に設置してもよく、また図示しない車両ＥＣＵと一体にしてもよい。また、詳細は後述するが、噴射バルブ１９は、触媒付ＤＰＦ１３の上流側における酸化触媒層１２の付近に配置されるのが好ましい。
【００３０】
また、触媒付ＤＰＦ１３の上流側の端面１３ａには、排気ガスに含まれる物質を端面１３ａ全体に均等に分布させるための、円板状をしたミキサ１８が設けられている。ミキサ１８としては、特表平６−５０９０２０号公報、特開２００６−９６０８号等に開示されものを使用することができる。なお、特表平６−５０９０２０号公報に開示されるミキサは、ガスの流路を格子状に仕切り、各格子を通過したガスに対して渦状の流れ及び隣接する格子の方向に向かう流れを発生させることにより、ガスに含まれる物質を流路全体に分布させるものである。また、特開２００６−９６０８号に開示されるミキサは、ガスの流路の方向に垂直な分散板を複数設けることによって流通するガスを蛇行させ、ガスに含まれる物質を均等に分布させるものである。
【００３１】
また、筐体１１の上流側の端部１１ａには、排気ガスの温度を検出するための排気温度センサ５１が設けられている。排気温度センサ５１は、ＤＣＵ３０に電気的に接続されており、検出した排気ガスの温度情報をＤＣＵ３０に送る。
さらに、筐体１１の端部１１ａにおける排気温度センサ５１の下流側には、ＮＯｘの濃度を検出するためのＮＯｘセンサ５２が設けられている。ＮＯｘセンサ５２は、ＤＣＵ３０に電気的に接続されており、検出したＮＯｘの濃度情報をＤＣＵ３０に送る。
上述より、排気ガス浄化装置１０１は、ＳＣＲ触媒による排気ガスの浄化装置とＤＰＦによる排気ガスの浄化装置とを一体としてエンジンアセンブリ１０に取り付けられ、エンジン本体１に隣接して配置される構成を有している。（図１参照）
【００３２】
次に、図１〜３を用いて、この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置１０１及びその周辺の動作を説明する。
図１を参照すると、エンジン本体１が稼動することによって、吸気管２を介して、ターボチャージャ８のコンプレッサハウジング８ａに外気である吸入空気が吸入される。さらに、吸入空気は、コンプレッサハウジング８ａ内の図示しないコンプレッサホイールにより過給されて、エンジン吸気管３に送られる。送られた吸入空気は、エンジン吸気管３及び吸気マニフォールド４を経由して、エンジン本体１のシリンダ１ａの内部に流入する。そして、シリンダ１ａの内部の吸入空気は、シリンダ１ａの内部に供給された燃料（軽油）と混合されて、自己着火により燃焼する。
【００３３】
燃焼した吸入空気及び燃料は、排気ガスとして複数の排気ポート１ｃから排気マニフォールド５に排出され、さらに、排気マニフォールド５内の流通過程で１つに集約されて、ターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂに流入する。流入した排気ガスは、タービンハウジング８ｂ内の図示しないタービンホイール及びタービンホイールに連結されたコンプレッサホイールの回転を上昇させつつ、排気ガス浄化装置１０１に排出される。さらに、排気ガスは、排気ガス浄化装置１０１の内部を流通した後、排気管６及び消音器７を経由して、図示しない車両の外部に排出される。
【００３４】
さらに、図２を参照すると、排気ガス浄化装置１０１内に導入された排気ガスの全ては、まず、酸化触媒層１２を通過する。酸化触媒層１２を通過する過程において、排気ガスに含まれるハイドロカーボン及び一酸化炭素が二酸化炭素及び水に酸化されると共に、ＮＯの一部が、より還元作用を受けやすいＮＯ２に酸化される。
次に、酸化触媒層１２を通過した排気ガスは、空間１７ａを通過し、さらにミキサ１８を通過して触媒付ＤＰＦ１３に流入する。そして、触媒付ＤＰＦ１３を流通する過程において、ＤＰＦ本体１４によって排気ガスに含まれるＰＭが捕集される。
【００３５】
また、同時に、ＤＣＵ３０の制御によって尿素水タンク２０内の電動ポンプが稼働されると共に噴射バルブ１９が開弁され、尿素水タンク２０の尿素水が噴射バルブ１９から空間１７ａに噴射される。噴射された尿素水は、空間１７ａを流通する排気ガスの熱の作用によって加水分解が促進され、アンモニア及び二酸化炭素に分解される。
なお、噴射バルブ１９を空間１７ａ内における酸化触媒層１２の近傍に配置することによって、噴射された尿素水が触媒付ＤＰＦ１３の第一ＳＣＲ触媒１５ｓに到達するまでの滞留時間を多くとることができる。これにより、尿素水からアンモニアへの加水分解の反応時間を多くとることができるため、加水分解の効率を向上させることができる。このような理由で、噴射バルブ１９は、触媒付ＤＰＦ１３の上流側の空間１７ａにおける酸化触媒層１２の付近のような、触媒付ＤＰＦ１３との距離をできるだけ大きくとることのできる位置に配置するのが好ましい。また、尿素水は、酸化触媒層１２より下流側で噴射されてアンモニアに加水分解されるため、生成したアンモニアは酸化触媒層１２の酸化触媒の作用によって酸化されることがない。
【００３６】
次に、空間１７ａでの尿素水の加水分解により生成したアンモニアは、排気ガスと共にミキサ１８を通過し、ミキサ１８の通過の際に分散されて触媒付ＤＰＦ１３に流入する。さらに、排気ガスと共に流入したアンモニアは、触媒付ＤＰＦ１３の第一ＳＣＲ触媒１５ｓの作用によって、排気ガスに含まれるＮＯ及びＮＯ２からなるＮＯｘをＮ２に還元浄化する。
【００３７】
なお、排気ガスに含まれるアンモニアはミキサ１８を通過する際に分散されるが、触媒付ＤＰＦ１３の上流側の端面１３ａ方向であるＩＩＩａ−ＩＩＩａ線（図２参照）に沿った断面方向でのアンモニアの分布には、まだ偏りがある。なお、ＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面は、筐体１１の円筒部１１ｃの中心軸に垂直な断面、すなわち排気ガスの上流側から下流側への流れの方向に垂直な断面である。
また、特に、空間１７ａにおいて、噴射バルブ１９の出口と触媒付ＤＰＦ１３との距離Ｌが短い場合、噴射された尿素水が、触媒付ＤＰＦ１３に到達するまでにアンモニアに加水分解される割合が減少するため、ＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面方向でのアンモニアの分布の偏りが大きくなる。
【００３８】
例えば、図３に示す噴射バルブ１９に最も近い部位Ｐでは、部位Ｐと噴射バルブ１９との距離が短いため、アンモニアの分布量が少なくなり、噴射バルブ１９に最も遠い部位Ｒでは、部位Ｒと噴射バルブ１９との距離が長いため、アンモニアの分布量が多くなる。このため、例えば、ＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面の部位Ｐを通過する排気ガスでは、ＮＯｘの含有量がアンモニアの含有量より多くなり、部位Ｒを通過する排気ガスでは、ＮＯｘの含有量がアンモニアの含有量より少なくなる。また、部位Ｑを通過する排気ガスでは、ＮＯｘの含有量とアンモニアの含有量とが同じになる。
【００３９】
さらに、図２に戻り、部位Ｐ（図３参照）の下流側では、排気ガスに含まれているアンモニアの全てがＮＯｘの還元浄化に使用されるが、排気ガスには、アンモニアと未反応の余剰のＮＯｘが残留する。このため、アンモニアによって還元浄化されなかった余剰のＮＯｘを含んでいるがアンモニアを含んでいない排気ガスが触媒付ＤＰＦ１３から空間１７ｂに流出する。
また、部位Ｑ（図３参照）の下流側では、排気ガスに含まれているＮＯｘの全てがアンモニアの全てによって還元浄化される。このため、ＮＯｘ及びアンモニアを含んでいない排気ガスが触媒付ＤＰＦ１３から空間１７ｂに流出する。
【００４０】
さらに、部位Ｒ（図３参照）の下流側では、排気ガスに含まれているＮＯｘの全てがアンモニアによって還元浄化されるが、排気ガスには、ＮＯｘと未反応の余剰のアンモニアが残留する。このため、ＮＯｘの還元反応において消費されなかった余剰のアンモニアを含んでいるがＮＯｘを含んでいない排気ガスが触媒付ＤＰＦ１３から空間１７ｂに流出する。なお、この余剰のアンモニアは、低いアンモニアの吸着性を有する第一ＳＣＲ触媒１５ｓによってほとんど吸着されずに、空間１７ｂに流出する。
従って、触媒付ＤＰＦ１３から流出する排気ガスは、アンモニア及びＮＯｘを含んだ状態となっている。さらに、触媒付ＤＰＦ１３から流出した排気ガスは、空間１７ａ及び触媒付ＤＰＦ１３を流通する過程で加水分解されず残留している尿素水も含んでいる。
【００４１】
そして、この触媒付ＤＰＦ１３から空間１７ｂに流出した排気ガスは、下流方向に流れて空間１７ｂを通過し、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入する。
また、排気ガスの空間１７ｂの流通過程において、排気ガス中に残留している尿素水は、排気ガスの熱の作用によって加水分解が促進されて、アンモニアに分解される。これにより、排気ガス中に残留している尿素水のほとんど全てがアンモニアに加水分解される。よって、噴射バルブ１９から噴射された尿素水は、第二ＳＣＲ触媒層１６に到達するまでの間において、高い変換効率でアンモニアに加水分解されることになる。
【００４２】
また、触媒付ＤＰＦ１３を通過した排気ガスは、その通過過程において、触媒付ＤＰＦ１３によってその流れが整流されている。そして、触媒付ＤＰＦ１３の下流側の端面１３ｂから流出した際には、排気ガスは、端面１３ｂでの流出する部位によって、ＮＯｘを含んでいたり、アンモニアを含んでいたりしていた。しかしながら、この含まれているＮＯｘ及びアンモニアは、空間１７ｂを流通する過程で、整流された排気ガスの流れによって分散される。このため、排気ガスに含まれているＮＯｘ及びアンモニアは、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入する際には、第二ＳＣＲ触媒層１６の上流側の端面１６ａ方向であるＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面方向で均一化された状態となっている。なお、ＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面は、ＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面に平行な断面である。
【００４３】
次に、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入した排気ガスに含まれているアンモニアは、第二ＳＣＲ触媒１６ｓの作用により、同じく排気ガスに含まれているＮＯｘを還元浄化する。そして、排気ガスに含まれているＮＯｘ及びアンモニアは均一化された状態となっているため、互いに高い割合すなわち高い効率で反応しあう。
【００４４】
さらに、第二ＳＣＲ触媒層１６において、排気ガスに含まれているＮＯｘの還元浄化に必要なアンモニアの量より、排気ガスに含まれているアンモニアの量が多い場合、余剰となるアンモニアは、高いアンモニアの吸着性を有する第二ＳＣＲ触媒１６ｓによって吸着される。このため、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入した排気ガスに含まれるアンモニアは、ＮＯｘの浄化に使用されること、及び、第二ＳＣＲ触媒１６ｓに吸着されることによって、排気ガス中から全て除去される。
【００４５】
一方、排気ガスに含まれているアンモニアによって還元浄化可能なＮＯｘの量より、排気ガスに含まれているＮＯｘの量が多い場合、このアンモニアによって還元浄化されない余剰のＮＯｘは、第二ＳＣＲ触媒１６ｓに吸着しているアンモニアによって還元浄化される。このため、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入した排気ガスに含まれるＮＯｘは、排気ガス中から除去される。
よって、第二ＳＣＲ触媒層１６に排気ガスと共に流入したアンモニアは、第二ＳＣＲ触媒層１６から流出することなく、ＮＯｘの還元浄化のために高い割合で使用され、その使用効率が高くなっている。
【００４６】
また、第二ＳＣＲ触媒層１６においてＮＯｘの浄化及びアンモニアの除去がなされた排気ガスは、筐体１１すなわち排気ガス浄化装置１０１から排気管６に排出され、さらに、排気管６及び消音器７を経由して図示しない車両の外部に排出される。
【００４７】
また、噴射バルブ１９からの尿素水の噴射は、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓが、活性化する温度以上、例えば、上述に示す一般的な活性化温度である１５０℃以上である場合に行われる。第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓの温度は、流通する排気ガスの温度とみなすことができるため、排気温度センサ５１の検出する温度が上述の活性化温度１５０℃以上の場合、ＤＣＵ３０は、噴射バルブ１９を開弁し、また、活性化温度１５０℃より低い場合に噴射バルブ１９を閉弁し、ＮＯｘの還元の実施・不実施を制御する。
【００４８】
さらに、ＤＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ５２から送られるＮＯｘの濃度の値から、所定の時間間隔当たりのＮＯｘの流通量を算出し、この流通量におけるＮＯｘを還元浄化可能なアンモニアの量を算出し、さらにこのアンモニアを生成するための尿素水の量を算出する。そして、ＤＣＵ３０は、この算出した尿素水の量を所定の時間間隔当たりの噴射量として、尿素水を噴射バルブ１９から噴射する。このように、尿素水から生成されるアンモニアの量は、流通する排気ガスに含まれるＮＯｘの量に対して、過剰に供給されないように制御される。
【００４９】
また、第二ＳＣＲ触媒層１６では、流入する排気ガスに含まれるアンモニアの量が一時的に増減した場合であっても、第二ＳＣＲ触媒１６ｓが、余剰のアンモニアを吸着するか、又は、吸着しているアンモニアを使用して不足するアンモニアを補うことにより、還元浄化すべきＮＯｘの量に対するアンモニアの量の変動が緩衝される。これにより、第二ＳＣＲ触媒層１６では、アンモニアが高い割合で効率よく消費される。
さらに、上述に示すような、流入する排気ガス中のＮＯｘを還元浄化可能であり且つ過剰でない量の尿素水の供給を行うことにより、所定の時間間隔を通じて、第二ＳＣＲ触媒１６ｓに吸着されたアンモニアが過剰に蓄積されることがない。よって、第二ＳＣＲ触媒１６ｓに吸着されているアンモニアが放出されて排気ガス浄化装置１０１の外部に流出することがなく、又は、排気ガスに含まれる余剰のアンモニアが第二ＳＣＲ触媒１６ｓによって吸着できずに排気ガス浄化装置１０１の外部に流出することがない。
【００５０】
また、第一ＳＣＲ触媒１５ｓのアンモニアの吸着性が低いため、第二ＳＣＲ触媒層１６には、ＮＯｘセンサ５２からのＮＯｘの濃度情報に基づいてＤＣＵ３０が算出した、ＮＯｘの流通量とこれに対応するアンモニアの量との比率に近い含有比率を有する排気ガスが流入する。このため、第二ＳＣＲ触媒層１６では、排気ガスに含まれているＮＯｘ及びアンモニアの還元反応が、効率のよい状態で行われる。
さらに、第一ＳＣＲ触媒１５ｓのアンモニアの吸着性が低いため、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入する排気ガスに含まれているアンモニアの量の予測が容易になり、第二ＳＣＲ触媒層１６において吸着されるアンモニアの量の制御も容易になる。このため、ＤＣＵ３０は、第二ＳＣＲ触媒層１６に吸着されるアンモニアの量を制御することによって、図示しない車両の運転状態の変化により生じる、排気ガス中のＮＯｘの量の変動に対応する。
【００５１】
一方、第一ＳＣＲ触媒１５ｓが第二ＳＣＲ触媒１６ｓより高いアンモニアの吸着性を有する場合や、第一ＳＣＲ触媒１５ｓを備える触媒付ＤＰＦ１３が第二ＳＣＲ触媒層１６より多いアンモニアの吸着可能量を有する場合、排気ガスに含まれるアンモニアが触媒付ＤＰＦ１３の第一ＳＣＲ触媒１５ｓによって多量に吸着されるため、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入する排気ガスに含まれているアンモニアの量が、同様に含まれているＮＯｘの量に対して不足する。さらに、これにより、第二ＳＣＲ触媒層１６では、流入する排気ガスに含まれるアンモニアの量が不足する傾向にあるため、アンモニアが吸着されていない。従って、第二ＳＣＲ触媒層１６でのＮＯｘの浄化能力が不足することになるため、排気ガス浄化装置１０１のＮＯｘの浄化能力が低下する。
【００５２】
さらに、第一ＳＣＲ触媒１５ｓのアンモニアの吸着可能量が、高い温度依存性を有すると、排気ガスの温度の上昇時、すなわち第一ＳＣＲ触媒１５ｓの温度の上昇時に、吸着されているアンモニアが放出されやすくなり、温度の上昇と共にアンモニアの放出量が増大する。このため、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入する排気ガスに含まれているアンモニアの量が、同様に含まれているＮＯｘの量に対して過剰になる。そして、第二ＳＣＲ触媒１６ｓが、この過剰なアンモニアの全てを吸着除去しきれず、排気ガス浄化装置１０１の外部、さらには図示しない車両の外部にアンモニアが放出されるおそれがある。
【００５３】
従って、第一ＳＣＲ触媒１５ｓが第二ＳＣＲ触媒１６ｓよりアンモニアの吸着性が低く、触媒付ＤＰＦ１３全体のアンモニアの吸着可能量が第二ＳＣＲ触媒層１６全体のアンモニアの吸着可能量より少なく、且つ、第一ＳＣＲ触媒１５ｓのアンモニアの吸着可能量の温度依存性が低いことが好ましい。特に、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓが活性化する温度以上で尿素水が供給されて排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化が行われるため、この活性化する温度以上で上述に示す特性を有することが好ましい。
【００５４】
さらに、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓでの吸着及び使用によってアンモニアが不足する場合に自身が吸着しているアンモニアを使用し、また、第一ＳＣＲ触媒１５ｓでの放出によってアンモニアが過剰な場合に過剰なアンモニアを吸着することによって、第二ＳＣＲ触媒層１６におけるアンモニアの流通量の変動を緩衝するためにも、アンモニアの吸着性が高いものが好ましい。さらに、第二ＳＣＲ触媒層１６全体のアンモニアの吸着可能量が多いことが好ましい。
【００５５】
また、図１を参照すると、エンジン本体１に隣接して配置される排気ガス浄化装置１０１には、ターボチャージャ８、すなわち、エンジン本体１から排出された直後の温度低下の少ない排気ガスが流入する。また、エンジン本体１に隣接して配置される排気ガス浄化装置１０１には、稼動中にエンジン本体１の発生する熱が、排気ガス浄化装置１０１の筐体１１（図２参照）の外側に付与され、付与された熱は、筐体１１を伝導して筐体１１の内部に伝達する。
さらに、図２を参照すると、筐体１１の内部は、上述の温度低下の少ない排気ガスの熱や付与された熱によって加熱されるため、温度が上昇しやすくなる。これにより、筐体１１では、エンジン本体１のコールドスタート時において、尿素水が加水分解可能な温度状態に至る時間、並びに第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓが活性化状態に至る時間が短縮されている。よって、排気ガス浄化装置１０１は、エンジン本体１のコールドスタート時から短時間でＮＯｘの浄化を開始することができるため、ＮＯｘの浄化能力が向上している。
【００５６】
このように、この発明に係る排気ガス浄化装置１０１は、排気ガスが流通する経路の途中に設けられた酸化触媒層１２と、酸化触媒層１２の下流に設けられた第一ＳＣＲ触媒１５ｓと、第一ＳＣＲ触媒１５ｓの下流に設けられた第二ＳＣＲ触媒１６ｓと、第一ＳＣＲ触媒１５ｓの上流に尿素水を供給するための噴射バルブ１９とを備え、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓより多くのアンモニアを吸着可能である。
【００５７】
これにより、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは第一ＳＣＲ触媒１５ｓよりも多くのアンモニアを吸着できるので、噴射バルブ１９から供給された尿素水の加水分解により生成したアンモニアのうち、第一ＳＣＲ触媒１５ｓで吸着されずにそして排気ガス中に含まれるＮＯｘの還元浄化にも使用されなかった余剰のアンモニアを第二ＳＣＲ触媒１６ｓで吸着することができる。よって、排気ガス中に含まれるＮＯｘは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓにおいて還元浄化される。例えば、第一ＳＣＲ触媒１５ｓから流出し第二ＳＣＲ触媒層１６に流入した排気ガスにおいて、含まれているアンモニアの量が、含まれているＮＯｘの還元浄化に要するアンモニアの量より多い場合、第二ＳＣＲ触媒１６ｓによって余剰となるアンモニアが吸着される。一方、含まれているアンモニアの量が、含まれているＮＯｘの還元浄化に要するアンモニアの量より少ない場合、第二ＳＣＲ触媒層１６では、吸着しているアンモニアを使用してＮＯｘが還元浄化される。よって、尿素水から生成したアンモニアが、排気ガス浄化装置１０１の外部に排出されることなく、高い割合でＮＯｘの還元浄化に使用される。従って、排気ガス浄化装置１０１では、尿素水の使用量に対して排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化に使用される割合である浄化効率が向上しており、尿素水によるＮＯｘの浄化効率を向上させることが可能になる。
【００５８】
また、第二ＳＣＲ触媒１６ｓの単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量が、第一ＳＣＲ触媒１５ｓの単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量より多いことにより、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓよりアンモニアを吸着する性質が強い。このため、第一ＳＣＲ触媒１５ｓすなわち触媒付ＤＰＦ１３でのアンモニアの吸着量及び吸着したアンモニアの放出量は少ないものとなるため、第二ＳＣＲ触媒層１６に供給されるアンモニアの量の変動に対して、第一ＳＣＲ触媒１５ｓが与える影響は小さいものとなる。よって、第二ＳＣＲ触媒層１６でのアンモニアの処理の安定化を図ることができ、ＮＯｘの還元浄化へのアンモニアの使用効率を向上させることが可能になる。
【００５９】
また、第一ＳＣＲ触媒１５ｓを有する触媒付ＤＰＦ１３と第二ＳＣＲ触媒層１６とが、間隔をあけて配置されることにより、触媒付ＤＰＦ１３と第二ＳＣＲ触媒層１６との間において、未だ加水分解されていない尿素水を加水分解させてアンモニアを生成することができる。よって、尿素水からアンモニアへの変換効率が向上し、排気ガスに含まれるＮＯｘに対する尿素水による浄化効率を向上させることが可能になる。
また、排気ガス浄化装置１０１は、ＤＰＦ本体１４を備えているが、ＤＰＦ本体１４と第一ＳＣＲ触媒１５ｓとを一体化することによって、排気ガス浄化装置１０１の小型化を図ることが可能になる。
さらに、酸化触媒層１２と、ＤＰＦ本体１４と一体化された第一ＳＣＲ触媒１５ｓと、第二ＳＣＲ触媒１６ｓと、噴射バルブ１９とが１つの筐体１１内に収められているため、装置全体の小型化を図ることができる。
また、排気ガス浄化装置１０１がエンジンアセンブリ１０に取り付けられることにより、排気ガス浄化装置１０１には、エンジンアセンブリ１０から排出された温度低下の少ない高温の排気ガスが供給される。さらに、稼動中にエンジン本体１の発生する熱が、排気ガス浄化装置１０１の筐体１１内に付与される。よって、コールドスタート時においても、排気ガス浄化装置１０１を尿素水の加水分解可能な温度にまで上昇させる時間、並びに、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓをその活性化する温度にまで上昇させる時間を短縮することができる。従って、排気ガス浄化装置１０１は、コールドスタート時から短時間でＮＯｘの浄化を開始することができるため、ＮＯｘの浄化性能を向上させることが可能になる。
【００６０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置１０２は、実施の形態１における排気ガス浄化装置１０１のＤＰＦ本体１４及び第一ＳＣＲ触媒１５ｓを別個に設けたものである。すなわち、実施の形態２では、図４に示すように、ＤＰＦ本体２４を第一ＳＣＲ触媒層２５の上流に設けたものである。
なお、以下の実施の形態において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００６１】
図４を参照すると、排気ガス浄化装置１０２の筐体１１の内部には、上流側から下流側に向かって、酸化触媒層１２、ＤＰＦ本体２４、第一ＳＣＲ触媒層２５、及び第二ＳＣＲ触媒層１６が順次配置されている。そして、酸化触媒層１２及びＤＰＦ本体２４は隣接して配置され、ＤＰＦ本体２４及び第一ＳＣＲ触媒層２５は、空間２７ａを介して間隔をあけて配置され、第一ＳＣＲ触媒層２５及び第二ＳＣＲ触媒層１６は、空間２７ｂを介して間隔をあけて配置されている。
また、第一ＳＣＲ触媒層２５は、実施の形態１の第二ＳＣＲ触媒層１６と同様の形態で形成されており、図示しない基材に、実施の形態１の第一ＳＣＲ触媒１５ｓと同じ第一ＳＣＲ触媒２５ｓがコーティング等の手段によって担持されて形成されている。なお、第二ＳＣＲ触媒層１６全体でのアンモニアの吸着可能量は、第一ＳＣＲ触媒層２５全体でのアンモニアの吸着可能量より多くなっている。
【００６２】
さらに、第一ＳＣＲ触媒層２５の上流側の端面２５ａにミキサ１８が設けられている。
また、噴射バルブ２９は、ＤＰＦ本体２４と第一ＳＣＲ触媒層２５との間となる、ＤＰＦ本体２４における下流側の直後の位置に設けられており、尿素水タンク２０から供給される尿素水を筐体１１の空間２７ａ内（第一ＳＣＲ触媒２５ｓの上流）に噴射する。
【００６３】
よって、排気ガス浄化装置１０２の筐体１１に導入された排気ガスは、酸化触媒層１２を通過してそのままＤＰＦ本体２４に流入し、ＤＰＦ本体２４において内部に含まれるＰＭが捕集される。さらに、ＤＰＦ本体２４を流出した排気ガスは、空間２７ａにおいて尿素水が添加された後、第一ＳＣＲ触媒層２５、空間２７ｂ及び第二ＳＣＲ触媒層１６を通過して、排気ガス浄化装置１０２の外部に排出される。また、第一ＳＣＲ触媒層２５、空間２７ｂ及び第二ＳＣＲ触媒層１６を流通する際に排気ガスのＮＯｘ等の含有物が受ける作用は、実施の形態１における、触媒付ＤＰＦ１３の第一ＳＣＲ触媒１５ｓ、空間１７ｂ及び第二ＳＣＲ触媒層１６において排気ガスの含有物が受ける作用とそれぞれ同様である。
【００６４】
また、ＤＰＦ本体２４では、蓄積したＰＭの燃焼が定期的に実施されるが、この燃焼時の熱の影響を第一ＳＣＲ触媒層２５は受けることがない。
また、この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置１０２のその他の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００６５】
このように、実施の形態２における排気ガス浄化装置１０２によれば、上記実施の形態１の排気ガス浄化装置１０１と同様な効果が得られる。
また、排気ガス浄化装置１０２が筐体１１の内部にＤＰＦ本体２４を備え、ＤＰＦ本体２４が第一ＳＣＲ触媒層２５の上流に設けられている。ＤＰＦ本体２４と第一ＳＣＲ触媒層２５とを別個に設けることにより、第一ＳＣＲ触媒２５ｓが受ける、ＤＰＦ本体２４に蓄積したＰＭの燃焼時の熱による影響が低減される。よって、第一ＳＣＲ触媒２５ｓの耐久性を向上させることが可能になる。
また、実施の形態２において、ＤＰＦ本体２４は、噴射バルブ２９の上流に設けられていたが、噴射バルブ２９の下流、すなわち、噴射バルブ２９と第一ＳＣＲ触媒層２５との間に設けてもよい。
【００６６】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る排気ガス浄化装置１０３は、実施の形態１における排気ガス浄化装置１０１の触媒付ＤＰＦ１３と第二ＳＣＲ触媒層１６との間に空間１７ｂを設けないものである。すなわち、実施の形態３では、図５に示すように、第一ＳＣＲ触媒３５ｓが担持されたＤＰＦ本体３４及び第二ＳＣＲ触媒層３６を隣接させて一体にしたものである。
【００６７】
図５を参照すると、排気ガス浄化装置１０３の筐体１１の内部には、上流側から下流側に向かって、酸化触媒層１２、ＤＰＦ本体３４、及び第二ＳＣＲ触媒層３６が順次設けられている。そして、酸化触媒層１２及びＤＰＦ本体３４は空間３７を介して間隔をあけて配置され、ＤＰＦ本体３４及び第二ＳＣＲ触媒層３６は隣接して配置されている。
また、ＤＰＦ本体３４には、実施の形態１の第一ＳＣＲ触媒１５ｓと同じ第一ＳＣＲ触媒３５ｓがコーティング等の手段によって担持されて形成されている。さらに、第二ＳＣＲ触媒層３６は、実施の形態１の第二ＳＣＲ触媒層１６と同様の形態で形成されており、図示しない基材に、第二ＳＣＲ触媒３６ｓがコーティング等の手段によって担持されて形成されている。なお、第二ＳＣＲ触媒層３６全体でのアンモニアの吸着可能量は、第一ＳＣＲ触媒３５ｓが担持されたＤＰＦ本体３４全体でのアンモニアの吸着可能量より多くなっている。
【００６８】
さらに、第一ＳＣＲ触媒３５ｓが担持されたＤＰＦ本体３４と、第二ＳＣＲ触媒層３６とは、一体となっており、触媒付ＤＰＦ３３を構成している。
また、触媒付ＤＰＦ３３の上流側の端面３３ａにミキサ１８が設けられている。
さらに、噴射バルブ３９は、酸化触媒層１２と触媒付ＤＰＦ３３との間となる、酸化触媒層１２における下流側の直後の位置に設けられており、尿素水タンク２０から供給される尿素水を筐体１１の空間３７内（第一ＳＣＲ触媒３５ｓの上流）に噴射する。
【００６９】
よって、排気ガス浄化装置１０３の筐体１１に導入された排気ガスは、酸化触媒層１２を通過し、空間３７において尿素水が添加された後、触媒付ＤＰＦ３３に流入する。流入した排気ガスは、ＤＰＦ本体３４において内部に含まれるＰＭが捕集され、さらに、ＤＰＦ本体３４に担持されている第一ＳＣＲ触媒３５ｓの作用のもと、排気ガスに含まれるＮＯｘが同じく排気ガスに含まれるアンモニアによって還元浄化される。ＤＰＦ本体３４から流出した排気ガスはそのまま第二ＳＣＲ触媒層３６に流入し、第二ＳＣＲ触媒３６ｓの作用のもと、排気ガスに含まれるＮＯｘが同じく排気ガスに含まれるアンモニアによって還元浄化される。そして、第二ＳＣＲ触媒層３６を流出した排気ガスは、排気ガス浄化装置１０３の外部に排出される。また、触媒付ＤＰＦ３３において、第一ＳＣＲ触媒３５ｓが担持されたＤＰＦ本体３４及び第二ＳＣＲ触媒層３６を流通する際に排気ガスのＮＯｘ等の含有物が受ける作用は、実施の形態１における、触媒付ＤＰＦ１３の第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒層１６において排気ガスの含有物が受ける作用とそれぞれ同様である。
【００７０】
また、排気ガス浄化装置１０３では、触媒付ＤＰＦ３３のＤＰＦ本体３４を流出した排気ガスに加水分解されていない尿素水が含まれる場合、この尿素水はそのまま第二ＳＣＲ触媒層３６に流入する。この尿素水が全て加水分解されていないことにより、第二ＳＣＲ触媒層３６に流入する排気ガスに含まれているＮＯｘの量に対して、同じく排気ガスに含まれているアンモニアの量が不足する可能性がある。このアンモニアの量の不足を防ぐために、第二ＳＣＲ触媒３６ｓのアンモニアの吸着性及び第二ＳＣＲ触媒層３６のアンモニアの吸着可能量はそれぞれ、実施の形態１の第二ＳＣＲ触媒１６ｓの吸着性及び第二ＳＣＲ触媒層１６のアンモニアの吸着可能量よりもさらに高い方が好ましい。
また、この発明の実施の形態３に係る排気ガス浄化装置１０３のその他の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００７１】
このように、実施の形態３における排気ガス浄化装置１０３によれば、上記実施の形態１の排気ガス浄化装置１０１と同様な効果が得られる。
また、排気ガス浄化装置１０３が筐体１１の内部にＤＰＦ本体３４を備え、ＤＰＦ本体３４が第一ＳＣＲ触媒３５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒３６ｓと隣接させて一体に設けられている。これにより、筐体１１の小型化を図ることができ、排気ガス浄化装置１０３の小型化を図ることが可能になる。
【００７２】
また、実施の形態１〜３において、排気ガス浄化装置１０１〜１０３は、ターボチャージャ８を備えるエンジンアセンブリ１０に設けられていたが、これに限定されるものではない。ターボチャージャ８を備えないエンジンアセンブリ１０では、排気マニフォールド５の出口５ａに排気ガス浄化装置１０１〜１０３を直接接続するようにしてもよい。また、排気ガス浄化装置１０１〜１０３は、エンジンアセンブリ１０から離れた位置に設けられてもよい。
【００７３】
また、実施の形態１〜３において、排気ガス浄化装置１０１〜１０３の筐体１１は円筒状の形状を有していたが、これに限定されるものではない。筐体１１は、四角柱等の多角柱状の形状、または、球状若しくは楕円体状の形状であってもよい。
また、実施の形態１〜３おいて、排気ガス浄化装置１０１〜１０３は、ミキサ１８を有していたが、省略してもよい。
また、実施の形態１及び２において、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ，２５ｓと、第二ＳＣＲ触媒１６ｓとは、１つの筐体１１の内部に設けられていたが、これに限定されるものではなく、別個に設けられてもよい。そして、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ，２５ｓと、第二ＳＣＲ触媒１６ｓとの距離は、これら触媒間を流通する過程での排気ガスの温度低下により第二ＳＣＲ触媒１６ｓの活性が低下しないように、排気ガスの温度低下を抑えるように設定することが好ましい。
また、実施の形態１〜３において、第二ＳＣＲ触媒１６ｓ，３６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ，２５ｓ，３５ｓより高いアンモニアの吸着性を有していたが、これに限定されるものではない。第二ＳＣＲ触媒１６ｓ，３６ｓが担持されている部位全体のアンモニアの吸着可能量が、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ，２５ｓ，３５ｓが担持されている部位全体のアンモニアの吸着可能量より多くなっているだけでもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１０ エンジンアセンブリ、１２ 酸化触媒層（酸化触媒）、１３，３３ 触媒付ＤＰＦ、１４，２４，３４ ＤＰＦ本体（粒子状物質捕集手段）、１５ｓ，２５ｓ，３５ｓ 第一ＳＣＲ触媒、２５ 第一ＳＣＲ触媒層（第一ＳＣＲ触媒）、１６，３６ 第二ＳＣＲ触媒層（第二ＳＣＲ触媒）、１６ｓ，３６ｓ 第二ＳＣＲ触媒、１９，２９，３９ 噴射バルブ（尿素水供給手段）、１０１，１０２，１０３ 排気ガス浄化装置。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気ガス浄化装置に係り、特にディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒を使用した排気ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための尿素ＳＣＲシステムが開発されている。尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水の加水分解により生成されたアンモニア（ＮＨ３）とＮＯｘとの化学反応によってＮＯｘを窒素（Ｎ２）及び水（Ｈ２Ｏ）に浄化するために、選択還元触媒である（尿素）ＳＣＲ触媒と呼ばれる触媒が用いられる。
【０００３】
尿素ＳＣＲシステムでは、ＳＣＲ触媒は、エンジンとマフラーとの間の排気経路に設けられている。さらに、この排気経路において、ＳＣＲ触媒よりエンジン側となる上流側には、排気ガス中のハイドロカーボン（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化すると共に一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化するのを促進するための酸化触媒、及び排気ガス中に尿素水を噴射するための噴射バルブが設けられている。
また、尿素ＳＣＲシステムの他に、エンジンとマフラーとの間の排気経路には、排気ガスに含まれるカーボン等の粒子状物質（パティキュレートマター：ＰＭ）を減少させるためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）装置が設けられている。
【０００４】
特許文献１には、高温活性型のＮＯｘ吸蔵触媒と、ＮＯｘ吸蔵触媒の下流に配置され且つ低温活性型のユリアＳＣＲ触媒が担持されたＤＰＦと、ＮＯｘ吸蔵触媒及びＤＰＦの間に配置された尿素添加インジェクタとを１つのケースに含む排気後処理装置が記載されている。この排気後処理装置では、触媒温度が４００℃未満となる低温時、尿素添加インジェクタから尿素水が噴射され、尿素水が加水分解されて生成したアンモニアによりユリアＳＣＲ触媒において排気ガス中のＮＯｘの還元除去が行われる。また、触媒温度が４００℃以上となる高温時は、排気ガス中のＮＯｘがＮＯｘ吸蔵触媒により吸蔵されて浄化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７４９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の排気後処理装置において、尿素添加インジェクタから噴射された尿素水が加水分解されて生成するアンモニアは、その全てがユリアＳＣＲ触媒において排気ガス中のＮＯｘに対して還元反応を起こすわけではない。例えば、尿素水の噴射量が多く、尿素水からのアンモニアの生成量が排気ガス中のＮＯｘ量より多くなる場合は、余剰なアンモニアが発生し、このアンモニアがユリアＳＣＲ触媒から排出されることになる。よって、ＮＯｘの浄化に使用するアンモニアに無駄が生じ、アンモニアを生成する尿素水の使用量に対するＮＯｘの浄化効率が低くなるという問題がある。従って、特許文献１の排気後処理装置には、尿素水によるＮＯｘの浄化効率が高くないという問題がある。
【０００７】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、排気ガスに含まれるＮＯｘに対する尿素水による浄化効率の向上を図る排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、排気ガス浄化装置は、排気ガスが流通する経路の途中に設けられた酸化触媒と、酸化触媒の下流に設けられた第一ＳＣＲ触媒と、第一ＳＣＲ触媒の下流に設けられた第二ＳＣＲ触媒と、第一ＳＣＲ触媒の上流に尿素水を供給するための尿素水供給手段とを備え、第二ＳＣＲ触媒は、第一ＳＣＲ触媒より多くのアンモニアを吸着可能である。
【０００９】
これにより、第二ＳＣＲ触媒は第一ＳＣＲ触媒よりも多くのアンモニアを吸着できるので、尿素水供給手段から供給された尿素水の加水分解により生成したアンモニアのうち、第一ＳＣＲ触媒で吸着されずにそして排気ガス中に含まれる窒素酸化物の還元浄化にも使用されなかった余剰のアンモニアを第二ＳＣＲ触媒で吸着することができる。よって、排気ガス中に含まれる窒素酸化物は、第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒において還元浄化される。例えば、第一ＳＣＲ触媒から流出し第二ＳＣＲ触媒に流入した排気ガスにおいて、含まれているアンモニアの量が、含まれている窒素酸化物の還元浄化に要するアンモニアの量より多い場合、第二ＳＣＲ触媒によって余剰となるアンモニアが吸着される。一方、含まれているアンモニアの量が、含まれている窒素酸化物の還元浄化に要するアンモニアの量より少ない場合、第二ＳＣＲ触媒では、吸着しているアンモニアを使用して窒素酸化物が還元浄化される。よって、尿素水から生成したアンモニアが、排気ガス浄化装置の外部に排出されることなく、高い割合で窒素酸化物の還元浄化に使用される。従って、排気ガス浄化装置では、尿素水の使用量に対して排気ガスに含まれる窒素酸化物の浄化に使用される割合である浄化効率が向上しており、尿素水による窒素酸化物の浄化効率が向上する。
【００１０】
第二ＳＣＲ触媒の単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量が、第一ＳＣＲ触媒の単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量より多くてもよい。これにより、第二ＳＣＲ触媒は、第一ＳＣＲ触媒よりアンモニアを吸着する性質が強い。このため、第一ＳＣＲ触媒でのアンモニアの吸着量及び吸着したアンモニアの放出量は少ないものとなるため、第二ＳＣＲ触媒に供給されるアンモニアの量の変動に対して、第一ＳＣＲ触媒が与える影響は小さいものとなる。よって、第二ＳＣＲ触媒でのアンモニアの処理の安定化を図ることができ、窒素酸化物の還元浄化へのアンモニアの使用効率が向上する。
【００１１】
第一ＳＣＲ触媒と第二ＳＣＲ触媒とは、間隔をあけて配置されてもよい。これにより、第一ＳＣＲ触媒と第二ＳＣＲ触媒との間において、未だ加水分解されていない尿素水を加水分解させてアンモニアを生成することができる。よって、尿素水からアンモニアへの変換効率が向上し、排気ガスに含まれる窒素酸化物に対する尿素水による浄化効率が向上する。
また、第一ＳＣＲ触媒と第二ＳＣＲ触媒とは、隣接して配置されてもよい。これにより、第一ＳＣＲ触媒と第二ＳＣＲ触媒とを隣接して配置することによって、排気ガス浄化装置の小型化を図ることが可能になる。
【００１２】
排気ガス浄化装置は、粒子状物質捕集手段をさらに備え、粒子状物質捕集手段は、第一ＳＣＲ触媒と一体であってもよい。これにより、粒子状物質捕集手段と第一ＳＣＲ触媒とを一体にすることによって、排気ガス浄化装置の小型化を図ることが可能になる。
また、排気ガス浄化装置は、粒子状物質捕集手段をさらに備え、粒子状物質捕集手段は、第一ＳＣＲ触媒の上流に設けられてもよい。これにより、粒子状物質捕集手段と第一ＳＣＲ触媒とを別個に設けることによって、第一ＳＣＲ触媒が受ける、粒子状物質捕集手段に蓄積した粒子状物質の燃焼時の熱による影響が低減される。よって、第一ＳＣＲ触媒の耐久性を向上させることが可能になる。
【００１３】
排気ガス浄化装置は、エンジンアセンブリに取り付けられてもよい。これにより、排気ガス浄化装置には、エンジンアセンブリから排出された温度低下の少ない高温の排気ガスが供給される。また、排気ガス浄化装置は、エンジンアセンブリの発生する熱をその外部から受けることができる。よって、排気ガス浄化装置は、コールドスタート時においても、排気ガス浄化装置を尿素水の加水分解可能な温度にまで上昇させる時間、並びに、第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒をその活性化する温度にまで上昇させる時間を短縮することができる。従って、排気ガス浄化装置は、コールドスタート時から短時間で窒素酸化物の浄化を開始することができるため、窒素酸化物の浄化性能を向上させることが可能になる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係る排気ガス浄化装置によれば、排気ガスに含まれる窒素酸化物に対する尿素水による浄化効率の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置及びその周辺の構成を示す模式図である。
【図２】図１の排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
【図３】図２のＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係る排気ガス浄化装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１及び２を用いて、この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置１０１及びその周辺の構成を説明する。なお、以下の実施形態において、ディーゼルエンジンを搭載する車両に排気ガス浄化装置を使用した場合の例について説明する。
【００１７】
まず、図１を参照すると、エンジン本体１には、吸入された吸入空気を複数のシリンダ１ａのそれぞれに分配するための吸気マニフォールド（インテークマニフォールド）４が、複数の吸気ポート１ｂに対して接続されている。
吸気マニフォールド４における吸入空気の入口４ａには、エンジン吸気管３が接続され、さらに、エンジン吸気管３は、ターボチャージャ８のコンプレッサハウジング８ａに接続されている。また、コンプレッサハウジング８ａには、外気を吸入するための吸気管２が接続されている。
【００１８】
一方、エンジン本体１の複数の排気ポート１ｃのそれぞれには、排気ポート１ｃから排出される排気ガスを１つに集約するための排気マニフォールド（エキゾーストマニフォールド）５が接続されている。さらに、排気マニフォールド５における排気ガスの出口５ａには、ターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂが接続されている。また、タービンハウジング８ｂには、略円筒形をした排気ガス浄化装置１０１が接続され、排気ガス浄化装置１０１はエンジン本体１の側部に隣接するようにして配置されている。そして、排気ガス浄化装置１０１には、排気管６が接続されており、さらに、排気管６の下流側の端部には、消音器（マフラー）７が接続されている。よって、図示しない車両における吸気系統は、吸気管２、ターボチャージャ８、エンジン吸気管３及び吸気マニフォールド４によって構成され、排気系統は、排気マニフォールド５、ターボチャージャ８、排気ガス浄化装置１０１、排気管６及び消音器７によって構成されている。ここで、エンジン本体１、エンジン吸気管３、吸気マニフォールド４、排気マニフォールド５、及びターボチャージャ８は、エンジンアセンブリ１０を構成している。
【００１９】
次に、図２を参照すると、排気ガス浄化装置１０１は、略円筒形をした筐体１１を有している。筐体１１における上流側の端部１１ａには、ターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂの出口８ｂ２が接続されており、筐体１１の下流側の端部１１ｂには、排気管６の上流側の端部６ａが接続されている。そして、筐体１１の内部は、タービンハウジング８ｂの内部及び排気管６の内部に連通している。
【００２０】
円筒状をした筐体１１の内部には、上流側から下流側に向かって、酸化触媒が担持された酸化触媒層１２、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）本体１４、及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓが担持された第二ＳＣＲ触媒層１６が順次設けられている。ここで、ＤＰＦ本体１４は、粒子状物質捕集手段を構成している。
なお、酸化触媒層１２、ＤＰＦ本体１４、及び第二ＳＣＲ触媒層１６は、筐体１１の円筒部１１ｃの中心軸に垂直な方向に延びる円柱状をした層状の形態を有し、円筒部１１ｃの内側を塞ぐようにして形成されている。また、酸化触媒層１２及びＤＰＦ本体１４、並びに、ＤＰＦ本体１４及び第二ＳＣＲ触媒層１６は、互いに離れて配置されており、それぞれの間には空間１７ａ並びに１７ｂが形成されている。
【００２１】
なお、酸化触媒層１２は、排気ガスに含まれるハイドロカーボン（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化すると共に、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に酸化するのを促進する酸化触媒が図示しない基材に担持された層である。酸化触媒層１２の酸化触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），銀（Ａｇ），鉄（Ｆｅ），銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），金（Ａｕ）等、及びそれら２種以上の混合体等が好ましい。
【００２２】
ＤＰＦ本体１４は、セラミック等の多孔質性の材料によって形成されており、排気ガスに含まれる粒子状物質（パティキュレートマター：ＰＭ）を捕集するためのものである。
【００２３】
さらに、ＤＰＦ本体１４には、その全体にわたって、選択還元触媒である第一ＳＣＲ触媒１５ｓがコーティング等の手段によって担持され、ＤＰＦ本体１４と第一ＳＣＲ触媒１５ｓとは一体となっている。なお、第一ＳＣＲ触媒１５ｓは、ＤＰＦ本体１４の全体にわたって担持されているが、一部であってもよい。また、ＤＰＦ本体１４及び第一ＳＣＲ触媒１５ｓは一体となって触媒付ＤＰＦ１３を構成している。
なお、選択還元触媒は特定の物質同士に対して選択的に化学反応をもたらす触媒であり、選択還元触媒の中でも尿素ＳＣＲ触媒（以下、ＳＣＲ触媒と称す）は、窒素酸化物（ＮＯｘ）と還元剤であるアンモニア（ＮＨ３）との間で作用してＮＯｘの還元をもたらすものである。そして、ＮＯｘはアンモニアによって還元されると窒素（Ｎ２）及び水に分解される。
【００２４】
第一ＳＣＲ触媒１５ｓには、アンモニアの吸着性が低い特性を有するＳＣＲ触媒が使用される。アンモニアの吸着性は、触媒が担持されている基材の単位体積当たりのアンモニアの吸着可能な重量によって示される。そこで、第一ＳＣＲ触媒１５ｓにおける低いアンモニアの吸着性は、具体的には、基材の単位体積１リットル当たりに第一ＳＣＲ触媒１５ｓが１８０グラム担持されている場合に、触媒の温度が２００℃で、基材の単位体積１リットル当たりに１００ミリグラム以下のアンモニアを吸着可能とする特性であることが好ましい。さらに、第一ＳＣＲ触媒１５ｓのアンモニアの吸着可能量は、触媒の温度の上昇と共に減少する傾向を有しているが、第一ＳＣＲ触媒１５ｓは、触媒の温度上昇と共に吸着可能量が減少する割合が低いもの、すなわちアンモニア吸着可能量の温度依存性が低いものが好ましい。そして、第一ＳＣＲ触媒１５ｓとしては、ジルコニウム（Ｚｒ），チタン（Ｔｉ），ケイ素（Ｓｉ），セリウム（Ｃｅ），タングステン（Ｗ）等の酸化物、これら酸化物の複合体、および高温（６５０℃以上）で熱処理された鉄（Ｆｅ），銅（Ｃｕ）等によって一部金属置換されたＺＳＭ−５型のゼオライトの触媒等が好ましい。
【００２５】
また、第一ＳＣＲ触媒１５ｓは、その温度が所定の温度以上の範囲にある時に、還元作用が活性化する特性を有している。なお、上述の所定の温度は、一般的に１５０℃であり、活性化するとは、アンモニアによるＮＯｘの還元速度が急速に高まることを意味する。特に、第一ＳＣＲ触媒１５ｓは、還元作用が活性化する１５０℃以上において、アンモニアの吸着可能量が少ないものが好ましく、上述に挙げる触媒材料は、この特性を有している。
【００２６】
次に、第二ＳＣＲ触媒層１６は、図示しない基材に、第二ＳＣＲ触媒１６ｓがコーティング等の手段によって担持されて形成されている。なお、第二ＳＣＲ触媒１６ｓには、アンモニアの吸着性が第一ＳＣＲ触媒１５ｓより高い特性を有するＳＣＲ触媒が使用されている。
【００２７】
第二ＳＣＲ触媒１６ｓのアンモニアの吸着性は、具体的には、基材の単位体積１リットル当たりに第二ＳＣＲ触媒１６ｓが１８０グラム担持されている場合に、触媒の温度が２００℃で、基材の単位体積１リットル当たりに２５０ミリグラム以上のアンモニアを吸着可能とする特性であることが好ましい。そして、第二ＳＣＲ触媒１６ｓとしては、６５０℃未満で熱処理された鉄（Ｆｅ），銅（Ｃｕ）等によって一部金属置換されたＺＳＭ−５型のゼオライトの触媒等が好ましい。さらに、第二ＳＣＲ触媒１６ｓのアンモニアの吸着可能量は、触媒の温度の上昇と共に減少する傾向を有している。そして、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓを含むＳＣＲ触媒は、アンモニアの吸着可能量が多い特性であるものほど触媒の温度上昇と共に吸着可能量が減少する割合が高くなっている、すなわちアンモニアの吸着可能量の温度依存性が高くなっている。このため、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓよりアンモニアの吸着可能量の温度依存性が高くなっている。
【００２８】
さらに、上述の触媒材料を使用した第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、１５０℃以上でその還元作用が活性化する特性を有している。
また、上述のようにして形成された第二ＳＣＲ触媒層１６全体でのアンモニアの吸着可能量は、第一ＳＣＲ触媒１５ｓを有する触媒付ＤＰＦ１３全体でのアンモニアの吸着可能量より多くなっている。
【００２９】
また、筐体１１の円筒部１１ｃには、酸化触媒層１２及び触媒付ＤＰＦ１３の間となる位置に、電磁弁である噴射バルブ１９が設けられている。ここで、噴射バルブ１９は、尿素水供給手段を構成している。さらに、噴射バルブ１９は、図示しない車両に設けられた尿素水タンク２０に連通しており、尿素水タンク２０から供給される尿素水を筐体１１の空間１７ａ内（第一ＳＣＲ触媒１５ｓの上流）に噴射する。なお、図２に示す噴射バルブ１９は、酸化触媒層１２における下流側の直後の位置に配置され、酸化触媒層１２における下流側の直後に尿素水を噴射する。
さらに、噴射バルブ１９は、ドージングコントロールユニット（ＤＣＵ）３０に電気的に接続されており、ＤＣＵ３０の制御によって噴射バルブ１９の開閉が行われる。また、尿素水タンク２０は、内部の尿素水を噴射バルブ１９に供給するための電動ポンプを備えており、この電動ポンプは、ＤＣＵ３０に電気的に接続され、ＤＣＵ３０の制御によってその稼動が制御される。なお、ＤＣＵ３０は個別に設置してもよく、また図示しない車両ＥＣＵと一体にしてもよい。また、詳細は後述するが、噴射バルブ１９は、触媒付ＤＰＦ１３の上流側における酸化触媒層１２の付近に配置されるのが好ましい。
【００３０】
また、触媒付ＤＰＦ１３の上流側の端面１３ａには、排気ガスに含まれる物質を端面１３ａ全体に均等に分布させるための、円板状をしたミキサ１８が設けられている。ミキサ１８としては、特表平６−５０９０２０号公報、特開２００６−９６０８号等に開示されものを使用することができる。なお、特表平６−５０９０２０号公報に開示されるミキサは、ガスの流路を格子状に仕切り、各格子を通過したガスに対して渦状の流れ及び隣接する格子の方向に向かう流れを発生させることにより、ガスに含まれる物質を流路全体に分布させるものである。また、特開２００６−９６０８号に開示されるミキサは、ガスの流路の方向に垂直な分散板を複数設けることによって流通するガスを蛇行させ、ガスに含まれる物質を均等に分布させるものである。
【００３１】
また、筐体１１の上流側の端部１１ａには、排気ガスの温度を検出するための排気温度センサ５１が設けられている。排気温度センサ５１は、ＤＣＵ３０に電気的に接続されており、検出した排気ガスの温度情報をＤＣＵ３０に送る。
さらに、筐体１１の端部１１ａにおける排気温度センサ５１の下流側には、ＮＯｘの濃度を検出するためのＮＯｘセンサ５２が設けられている。ＮＯｘセンサ５２は、ＤＣＵ３０に電気的に接続されており、検出したＮＯｘの濃度情報をＤＣＵ３０に送る。
上述より、排気ガス浄化装置１０１は、ＳＣＲ触媒による排気ガスの浄化装置とＤＰＦによる排気ガスの浄化装置とを一体としてエンジンアセンブリ１０に取り付けられ、エンジン本体１に隣接して配置される構成を有している。（図１参照）
【００３２】
次に、図１〜３を用いて、この発明の実施の形態１に係る排気ガス浄化装置１０１及びその周辺の動作を説明する。
図１を参照すると、エンジン本体１が稼動することによって、吸気管２を介して、ターボチャージャ８のコンプレッサハウジング８ａに外気である吸入空気が吸入される。さらに、吸入空気は、コンプレッサハウジング８ａ内の図示しないコンプレッサホイールにより過給されて、エンジン吸気管３に送られる。送られた吸入空気は、エンジン吸気管３及び吸気マニフォールド４を経由して、エンジン本体１のシリンダ１ａの内部に流入する。そして、シリンダ１ａの内部の吸入空気は、シリンダ１ａの内部に供給された燃料（軽油）と混合されて、自己着火により燃焼する。
【００３３】
燃焼した吸入空気及び燃料は、排気ガスとして複数の排気ポート１ｃから排気マニフォールド５に排出され、さらに、排気マニフォールド５内の流通過程で１つに集約されて、ターボチャージャ８のタービンハウジング８ｂに流入する。流入した排気ガスは、タービンハウジング８ｂ内の図示しないタービンホイール及びタービンホイールに連結されたコンプレッサホイールの回転を上昇させつつ、排気ガス浄化装置１０１に排出される。さらに、排気ガスは、排気ガス浄化装置１０１の内部を流通した後、排気管６及び消音器７を経由して、図示しない車両の外部に排出される。
【００３４】
さらに、図２を参照すると、排気ガス浄化装置１０１内に導入された排気ガスの全ては、まず、酸化触媒層１２を通過する。酸化触媒層１２を通過する過程において、排気ガスに含まれるハイドロカーボン及び一酸化炭素が二酸化炭素及び水に酸化されると共に、ＮＯの一部が、より還元作用を受けやすいＮＯ２に酸化される。
次に、酸化触媒層１２を通過した排気ガスは、空間１７ａを通過し、さらにミキサ１８を通過して触媒付ＤＰＦ１３に流入する。そして、触媒付ＤＰＦ１３を流通する過程において、ＤＰＦ本体１４によって排気ガスに含まれるＰＭが捕集される。
【００３５】
また、同時に、ＤＣＵ３０の制御によって尿素水タンク２０内の電動ポンプが稼働されると共に噴射バルブ１９が開弁され、尿素水タンク２０の尿素水が噴射バルブ１９から空間１７ａに噴射される。噴射された尿素水は、空間１７ａを流通する排気ガスの熱の作用によって加水分解が促進され、アンモニア及び二酸化炭素に分解される。
なお、噴射バルブ１９を空間１７ａ内における酸化触媒層１２の近傍に配置することによって、噴射された尿素水が触媒付ＤＰＦ１３の第一ＳＣＲ触媒１５ｓに到達するまでの滞留時間を多くとることができる。これにより、尿素水からアンモニアへの加水分解の反応時間を多くとることができるため、加水分解の効率を向上させることができる。このような理由で、噴射バルブ１９は、触媒付ＤＰＦ１３の上流側の空間１７ａにおける酸化触媒層１２の付近のような、触媒付ＤＰＦ１３との距離をできるだけ大きくとることのできる位置に配置するのが好ましい。また、尿素水は、酸化触媒層１２より下流側で噴射されてアンモニアに加水分解されるため、生成したアンモニアは酸化触媒層１２の酸化触媒の作用によって酸化されることがない。
【００３６】
次に、空間１７ａでの尿素水の加水分解により生成したアンモニアは、排気ガスと共にミキサ１８を通過し、ミキサ１８の通過の際に分散されて触媒付ＤＰＦ１３に流入する。さらに、排気ガスと共に流入したアンモニアは、触媒付ＤＰＦ１３の第一ＳＣＲ触媒１５ｓの作用によって、排気ガスに含まれるＮＯ及びＮＯ２からなるＮＯｘをＮ２に還元浄化する。
【００３７】
なお、排気ガスに含まれるアンモニアはミキサ１８を通過する際に分散されるが、触媒付ＤＰＦ１３の上流側の端面１３ａ方向であるＩＩＩａ−ＩＩＩａ線（図２参照）に沿った断面方向でのアンモニアの分布には、まだ偏りがある。なお、ＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面は、筐体１１の円筒部１１ｃの中心軸に垂直な断面、すなわち排気ガスの上流側から下流側への流れの方向に垂直な断面である。
また、特に、空間１７ａにおいて、噴射バルブ１９の出口と触媒付ＤＰＦ１３との距離Ｌが短い場合、噴射された尿素水が、触媒付ＤＰＦ１３に到達するまでにアンモニアに加水分解される割合が減少するため、ＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面方向でのアンモニアの分布の偏りが大きくなる。
【００３８】
例えば、図３に示す噴射バルブ１９に最も近い部位Ｐでは、部位Ｐと噴射バルブ１９との距離が短いため、アンモニアの分布量が少なくなり、噴射バルブ１９に最も遠い部位Ｒでは、部位Ｒと噴射バルブ１９との距離が長いため、アンモニアの分布量が多くなる。このため、例えば、ＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面の部位Ｐを通過する排気ガスでは、ＮＯｘの含有量がアンモニアの含有量より多くなり、部位Ｒを通過する排気ガスでは、ＮＯｘの含有量がアンモニアの含有量より少なくなる。また、部位Ｑを通過する排気ガスでは、ＮＯｘの含有量とアンモニアの含有量とが同じになる。
【００３９】
さらに、図２に戻り、部位Ｐ（図３参照）の下流側では、排気ガスに含まれているアンモニアの全てがＮＯｘの還元浄化に使用されるが、排気ガスには、アンモニアと未反応の余剰のＮＯｘが残留する。このため、アンモニアによって還元浄化されなかった余剰のＮＯｘを含んでいるがアンモニアを含んでいない排気ガスが触媒付ＤＰＦ１３から空間１７ｂに流出する。
また、部位Ｑ（図３参照）の下流側では、排気ガスに含まれているＮＯｘの全てがアンモニアの全てによって還元浄化される。このため、ＮＯｘ及びアンモニアを含んでいない排気ガスが触媒付ＤＰＦ１３から空間１７ｂに流出する。
【００４０】
さらに、部位Ｒ（図３参照）の下流側では、排気ガスに含まれているＮＯｘの全てがアンモニアによって還元浄化されるが、排気ガスには、ＮＯｘと未反応の余剰のアンモニアが残留する。このため、ＮＯｘの還元反応において消費されなかった余剰のアンモニアを含んでいるがＮＯｘを含んでいない排気ガスが触媒付ＤＰＦ１３から空間１７ｂに流出する。なお、この余剰のアンモニアは、低いアンモニアの吸着性を有する第一ＳＣＲ触媒１５ｓによってほとんど吸着されずに、空間１７ｂに流出する。
従って、触媒付ＤＰＦ１３から流出する排気ガスは、アンモニア及びＮＯｘを含んだ状態となっている。さらに、触媒付ＤＰＦ１３から流出した排気ガスは、空間１７ａ及び触媒付ＤＰＦ１３を流通する過程で加水分解されず残留している尿素水も含んでいる。
【００４１】
そして、この触媒付ＤＰＦ１３から空間１７ｂに流出した排気ガスは、下流方向に流れて空間１７ｂを通過し、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入する。
また、排気ガスの空間１７ｂの流通過程において、排気ガス中に残留している尿素水は、排気ガスの熱の作用によって加水分解が促進されて、アンモニアに分解される。これにより、排気ガス中に残留している尿素水のほとんど全てがアンモニアに加水分解される。よって、噴射バルブ１９から噴射された尿素水は、第二ＳＣＲ触媒層１６に到達するまでの間において、高い変換効率でアンモニアに加水分解されることになる。
【００４２】
また、触媒付ＤＰＦ１３を通過した排気ガスは、その通過過程において、触媒付ＤＰＦ１３によってその流れが整流されている。そして、触媒付ＤＰＦ１３の下流側の端面１３ｂから流出した際には、排気ガスは、端面１３ｂでの流出する部位によって、ＮＯｘを含んでいたり、アンモニアを含んでいたりしていた。しかしながら、この含まれているＮＯｘ及びアンモニアは、空間１７ｂを流通する過程で、整流された排気ガスの流れによって分散される。このため、排気ガスに含まれているＮＯｘ及びアンモニアは、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入する際には、第二ＳＣＲ触媒層１６の上流側の端面１６ａ方向であるＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面方向で均一化された状態となっている。なお、ＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面は、ＩＩＩａ−ＩＩＩａ線に沿った断面に平行な断面である。
【００４３】
次に、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入した排気ガスに含まれているアンモニアは、第二ＳＣＲ触媒１６ｓの作用により、同じく排気ガスに含まれているＮＯｘを還元浄化する。そして、排気ガスに含まれているＮＯｘ及びアンモニアは均一化された状態となっているため、互いに高い割合すなわち高い効率で反応しあう。
【００４４】
さらに、第二ＳＣＲ触媒層１６において、排気ガスに含まれているＮＯｘの還元浄化に必要なアンモニアの量より、排気ガスに含まれているアンモニアの量が多い場合、余剰となるアンモニアは、高いアンモニアの吸着性を有する第二ＳＣＲ触媒１６ｓによって吸着される。このため、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入した排気ガスに含まれるアンモニアは、ＮＯｘの浄化に使用されること、及び、第二ＳＣＲ触媒１６ｓに吸着されることによって、排気ガス中から全て除去される。
【００４５】
一方、排気ガスに含まれているアンモニアによって還元浄化可能なＮＯｘの量より、排気ガスに含まれているＮＯｘの量が多い場合、このアンモニアによって還元浄化されない余剰のＮＯｘは、第二ＳＣＲ触媒１６ｓに吸着しているアンモニアによって還元浄化される。このため、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入した排気ガスに含まれるＮＯｘは、排気ガス中から除去される。
よって、第二ＳＣＲ触媒層１６に排気ガスと共に流入したアンモニアは、第二ＳＣＲ触媒層１６から流出することなく、ＮＯｘの還元浄化のために高い割合で使用され、その使用効率が高くなっている。
【００４６】
また、第二ＳＣＲ触媒層１６においてＮＯｘの浄化及びアンモニアの除去がなされた排気ガスは、筐体１１すなわち排気ガス浄化装置１０１から排気管６に排出され、さらに、排気管６及び消音器７を経由して図示しない車両の外部に排出される。
【００４７】
また、噴射バルブ１９からの尿素水の噴射は、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓが、活性化する温度以上、例えば、上述に示す一般的な活性化温度である１５０℃以上である場合に行われる。第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓの温度は、流通する排気ガスの温度とみなすことができるため、排気温度センサ５１の検出する温度が上述の活性化温度１５０℃以上の場合、ＤＣＵ３０は、噴射バルブ１９を開弁し、また、活性化温度１５０℃より低い場合に噴射バルブ１９を閉弁し、ＮＯｘの還元の実施・不実施を制御する。
【００４８】
さらに、ＤＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ５２から送られるＮＯｘの濃度の値から、所定の時間間隔当たりのＮＯｘの流通量を算出し、この流通量におけるＮＯｘを還元浄化可能なアンモニアの量を算出し、さらにこのアンモニアを生成するための尿素水の量を算出する。そして、ＤＣＵ３０は、この算出した尿素水の量を所定の時間間隔当たりの噴射量として、尿素水を噴射バルブ１９から噴射する。このように、尿素水から生成されるアンモニアの量は、流通する排気ガスに含まれるＮＯｘの量に対して、過剰に供給されないように制御される。
【００４９】
また、第二ＳＣＲ触媒層１６では、流入する排気ガスに含まれるアンモニアの量が一時的に増減した場合であっても、第二ＳＣＲ触媒１６ｓが、余剰のアンモニアを吸着するか、又は、吸着しているアンモニアを使用して不足するアンモニアを補うことにより、還元浄化すべきＮＯｘの量に対するアンモニアの量の変動が緩衝される。これにより、第二ＳＣＲ触媒層１６では、アンモニアが高い割合で効率よく消費される。
さらに、上述に示すような、流入する排気ガス中のＮＯｘを還元浄化可能であり且つ過剰でない量の尿素水の供給を行うことにより、所定の時間間隔を通じて、第二ＳＣＲ触媒１６ｓに吸着されたアンモニアが過剰に蓄積されることがない。よって、第二ＳＣＲ触媒１６ｓに吸着されているアンモニアが放出されて排気ガス浄化装置１０１の外部に流出することがなく、又は、排気ガスに含まれる余剰のアンモニアが第二ＳＣＲ触媒１６ｓによって吸着できずに排気ガス浄化装置１０１の外部に流出することがない。
【００５０】
また、第一ＳＣＲ触媒１５ｓのアンモニアの吸着性が低いため、第二ＳＣＲ触媒層１６には、ＮＯｘセンサ５２からのＮＯｘの濃度情報に基づいてＤＣＵ３０が算出した、ＮＯｘの流通量とこれに対応するアンモニアの量との比率に近い含有比率を有する排気ガスが流入する。このため、第二ＳＣＲ触媒層１６では、排気ガスに含まれているＮＯｘ及びアンモニアの還元反応が、効率のよい状態で行われる。
さらに、第一ＳＣＲ触媒１５ｓのアンモニアの吸着性が低いため、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入する排気ガスに含まれているアンモニアの量の予測が容易になり、第二ＳＣＲ触媒層１６において吸着されるアンモニアの量の制御も容易になる。このため、ＤＣＵ３０は、第二ＳＣＲ触媒層１６に吸着されるアンモニアの量を制御することによって、図示しない車両の運転状態の変化により生じる、排気ガス中のＮＯｘの量の変動に対応する。
【００５１】
一方、第一ＳＣＲ触媒１５ｓが第二ＳＣＲ触媒１６ｓより高いアンモニアの吸着性を有する場合や、第一ＳＣＲ触媒１５ｓを備える触媒付ＤＰＦ１３が第二ＳＣＲ触媒層１６より多いアンモニアの吸着可能量を有する場合、排気ガスに含まれるアンモニアが触媒付ＤＰＦ１３の第一ＳＣＲ触媒１５ｓによって多量に吸着されるため、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入する排気ガスに含まれているアンモニアの量が、同様に含まれているＮＯｘの量に対して不足する。さらに、これにより、第二ＳＣＲ触媒層１６では、流入する排気ガスに含まれるアンモニアの量が不足する傾向にあるため、アンモニアが吸着されていない。従って、第二ＳＣＲ触媒層１６でのＮＯｘの浄化能力が不足することになるため、排気ガス浄化装置１０１のＮＯｘの浄化能力が低下する。
【００５２】
さらに、第一ＳＣＲ触媒１５ｓのアンモニアの吸着可能量が、高い温度依存性を有すると、排気ガスの温度の上昇時、すなわち第一ＳＣＲ触媒１５ｓの温度の上昇時に、吸着されているアンモニアが放出されやすくなり、温度の上昇と共にアンモニアの放出量が増大する。このため、第二ＳＣＲ触媒層１６に流入する排気ガスに含まれているアンモニアの量が、同様に含まれているＮＯｘの量に対して過剰になる。そして、第二ＳＣＲ触媒１６ｓが、この過剰なアンモニアの全てを吸着除去しきれず、排気ガス浄化装置１０１の外部、さらには図示しない車両の外部にアンモニアが放出されるおそれがある。
【００５３】
従って、第一ＳＣＲ触媒１５ｓが第二ＳＣＲ触媒１６ｓよりアンモニアの吸着性が低く、触媒付ＤＰＦ１３全体のアンモニアの吸着可能量が第二ＳＣＲ触媒層１６全体のアンモニアの吸着可能量より少なく、且つ、第一ＳＣＲ触媒１５ｓのアンモニアの吸着可能量の温度依存性が低いことが好ましい。特に、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓが活性化する温度以上で尿素水が供給されて排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化が行われるため、この活性化する温度以上で上述に示す特性を有することが好ましい。
【００５４】
さらに、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓでの吸着及び使用によってアンモニアが不足する場合に自身が吸着しているアンモニアを使用し、また、第一ＳＣＲ触媒１５ｓでの放出によってアンモニアが過剰な場合に過剰なアンモニアを吸着することによって、第二ＳＣＲ触媒層１６におけるアンモニアの流通量の変動を緩衝するためにも、アンモニアの吸着性が高いものが好ましい。さらに、第二ＳＣＲ触媒層１６全体のアンモニアの吸着可能量が多いことが好ましい。
【００５５】
また、図１を参照すると、エンジン本体１に隣接して配置される排気ガス浄化装置１０１には、ターボチャージャ８、すなわち、エンジン本体１から排出された直後の温度低下の少ない排気ガスが流入する。また、エンジン本体１に隣接して配置される排気ガス浄化装置１０１には、稼動中にエンジン本体１の発生する熱が、排気ガス浄化装置１０１の筐体１１（図２参照）の外側に付与され、付与された熱は、筐体１１を伝導して筐体１１の内部に伝達する。
さらに、図２を参照すると、筐体１１の内部は、上述の温度低下の少ない排気ガスの熱や付与された熱によって加熱されるため、温度が上昇しやすくなる。これにより、筐体１１では、エンジン本体１のコールドスタート時において、尿素水が加水分解可能な温度状態に至る時間、並びに第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓが活性化状態に至る時間が短縮されている。よって、排気ガス浄化装置１０１は、エンジン本体１のコールドスタート時から短時間でＮＯｘの浄化を開始することができるため、ＮＯｘの浄化能力が向上している。
【００５６】
このように、この発明に係る排気ガス浄化装置１０１は、排気ガスが流通する経路の途中に設けられた酸化触媒層１２と、酸化触媒層１２の下流に設けられた第一ＳＣＲ触媒１５ｓと、第一ＳＣＲ触媒１５ｓの下流に設けられた第二ＳＣＲ触媒１６ｓと、第一ＳＣＲ触媒１５ｓの上流に尿素水を供給するための噴射バルブ１９とを備え、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓより多くのアンモニアを吸着可能である。
【００５７】
これにより、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは第一ＳＣＲ触媒１５ｓよりも多くのアンモニアを吸着できるので、噴射バルブ１９から供給された尿素水の加水分解により生成したアンモニアのうち、第一ＳＣＲ触媒１５ｓで吸着されずにそして排気ガス中に含まれるＮＯｘの還元浄化にも使用されなかった余剰のアンモニアを第二ＳＣＲ触媒１６ｓで吸着することができる。よって、排気ガス中に含まれるＮＯｘは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓにおいて還元浄化される。例えば、第一ＳＣＲ触媒１５ｓから流出し第二ＳＣＲ触媒層１６に流入した排気ガスにおいて、含まれているアンモニアの量が、含まれているＮＯｘの還元浄化に要するアンモニアの量より多い場合、第二ＳＣＲ触媒１６ｓによって余剰となるアンモニアが吸着される。一方、含まれているアンモニアの量が、含まれているＮＯｘの還元浄化に要するアンモニアの量より少ない場合、第二ＳＣＲ触媒層１６では、吸着しているアンモニアを使用してＮＯｘが還元浄化される。よって、尿素水から生成したアンモニアが、排気ガス浄化装置１０１の外部に排出されることなく、高い割合でＮＯｘの還元浄化に使用される。従って、排気ガス浄化装置１０１では、尿素水の使用量に対して排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化に使用される割合である浄化効率が向上しており、尿素水によるＮＯｘの浄化効率を向上させることが可能になる。
【００５８】
また、第二ＳＣＲ触媒１６ｓの単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量が、第一ＳＣＲ触媒１５ｓの単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量より多いことにより、第二ＳＣＲ触媒１６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓよりアンモニアを吸着する性質が強い。このため、第一ＳＣＲ触媒１５ｓすなわち触媒付ＤＰＦ１３でのアンモニアの吸着量及び吸着したアンモニアの放出量は少ないものとなるため、第二ＳＣＲ触媒層１６に供給されるアンモニアの量の変動に対して、第一ＳＣＲ触媒１５ｓが与える影響は小さいものとなる。よって、第二ＳＣＲ触媒層１６でのアンモニアの処理の安定化を図ることができ、ＮＯｘの還元浄化へのアンモニアの使用効率を向上させることが可能になる。
【００５９】
また、第一ＳＣＲ触媒１５ｓを有する触媒付ＤＰＦ１３と第二ＳＣＲ触媒層１６とが、間隔をあけて配置されることにより、触媒付ＤＰＦ１３と第二ＳＣＲ触媒層１６との間において、未だ加水分解されていない尿素水を加水分解させてアンモニアを生成することができる。よって、尿素水からアンモニアへの変換効率が向上し、排気ガスに含まれるＮＯｘに対する尿素水による浄化効率を向上させることが可能になる。
また、排気ガス浄化装置１０１は、ＤＰＦ本体１４を備えているが、ＤＰＦ本体１４と第一ＳＣＲ触媒１５ｓとを一体化することによって、排気ガス浄化装置１０１の小型化を図ることが可能になる。
さらに、酸化触媒層１２と、ＤＰＦ本体１４と一体化された第一ＳＣＲ触媒１５ｓと、第二ＳＣＲ触媒１６ｓと、噴射バルブ１９とが１つの筐体１１内に収められているため、装置全体の小型化を図ることができる。
また、排気ガス浄化装置１０１がエンジンアセンブリ１０に取り付けられることにより、排気ガス浄化装置１０１には、エンジンアセンブリ１０から排出された温度低下の少ない高温の排気ガスが供給される。さらに、稼動中にエンジン本体１の発生する熱が、排気ガス浄化装置１０１の筐体１１内に付与される。よって、コールドスタート時においても、排気ガス浄化装置１０１を尿素水の加水分解可能な温度にまで上昇させる時間、並びに、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒１６ｓをその活性化する温度にまで上昇させる時間を短縮することができる。従って、排気ガス浄化装置１０１は、コールドスタート時から短時間でＮＯｘの浄化を開始することができるため、ＮＯｘの浄化性能を向上させることが可能になる。
【００６０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置１０２は、実施の形態１における排気ガス浄化装置１０１のＤＰＦ本体１４及び第一ＳＣＲ触媒１５ｓを別個に設けたものである。すなわち、実施の形態２では、図４に示すように、ＤＰＦ本体２４を第一ＳＣＲ触媒層２５の上流に設けたものである。
なお、以下の実施の形態において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００６１】
図４を参照すると、排気ガス浄化装置１０２の筐体１１の内部には、上流側から下流側に向かって、酸化触媒層１２、ＤＰＦ本体２４、第一ＳＣＲ触媒層２５、及び第二ＳＣＲ触媒層１６が順次配置されている。そして、酸化触媒層１２及びＤＰＦ本体２４は隣接して配置され、ＤＰＦ本体２４及び第一ＳＣＲ触媒層２５は、空間２７ａを介して間隔をあけて配置され、第一ＳＣＲ触媒層２５及び第二ＳＣＲ触媒層１６は、空間２７ｂを介して間隔をあけて配置されている。
また、第一ＳＣＲ触媒層２５は、実施の形態１の第二ＳＣＲ触媒層１６と同様の形態で形成されており、図示しない基材に、実施の形態１の第一ＳＣＲ触媒１５ｓと同じ第一ＳＣＲ触媒２５ｓがコーティング等の手段によって担持されて形成されている。なお、第二ＳＣＲ触媒層１６全体でのアンモニアの吸着可能量は、第一ＳＣＲ触媒層２５全体でのアンモニアの吸着可能量より多くなっている。
【００６２】
さらに、第一ＳＣＲ触媒層２５の上流側の端面２５ａにミキサ１８が設けられている。
また、噴射バルブ２９は、ＤＰＦ本体２４と第一ＳＣＲ触媒層２５との間となる、ＤＰＦ本体２４における下流側の直後の位置に設けられており、尿素水タンク２０から供給される尿素水を筐体１１の空間２７ａ内（第一ＳＣＲ触媒２５ｓの上流）に噴射する。
【００６３】
よって、排気ガス浄化装置１０２の筐体１１に導入された排気ガスは、酸化触媒層１２を通過してそのままＤＰＦ本体２４に流入し、ＤＰＦ本体２４において内部に含まれるＰＭが捕集される。さらに、ＤＰＦ本体２４を流出した排気ガスは、空間２７ａにおいて尿素水が添加された後、第一ＳＣＲ触媒層２５、空間２７ｂ及び第二ＳＣＲ触媒層１６を通過して、排気ガス浄化装置１０２の外部に排出される。また、第一ＳＣＲ触媒層２５、空間２７ｂ及び第二ＳＣＲ触媒層１６を流通する際に排気ガスのＮＯｘ等の含有物が受ける作用は、実施の形態１における、触媒付ＤＰＦ１３の第一ＳＣＲ触媒１５ｓ、空間１７ｂ及び第二ＳＣＲ触媒層１６において排気ガスの含有物が受ける作用とそれぞれ同様である。
【００６４】
また、ＤＰＦ本体２４では、蓄積したＰＭの燃焼が定期的に実施されるが、この燃焼時の熱の影響を第一ＳＣＲ触媒層２５は受けることがない。
また、この発明の実施の形態２に係る排気ガス浄化装置１０２のその他の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００６５】
このように、実施の形態２における排気ガス浄化装置１０２によれば、上記実施の形態１の排気ガス浄化装置１０１と同様な効果が得られる。
また、排気ガス浄化装置１０２が筐体１１の内部にＤＰＦ本体２４を備え、ＤＰＦ本体２４が第一ＳＣＲ触媒層２５の上流に設けられている。ＤＰＦ本体２４と第一ＳＣＲ触媒層２５とを別個に設けることにより、第一ＳＣＲ触媒２５ｓが受ける、ＤＰＦ本体２４に蓄積したＰＭの燃焼時の熱による影響が低減される。よって、第一ＳＣＲ触媒２５ｓの耐久性を向上させることが可能になる。
また、実施の形態２において、ＤＰＦ本体２４は、噴射バルブ２９の上流に設けられていたが、噴射バルブ２９の下流、すなわち、噴射バルブ２９と第一ＳＣＲ触媒層２５との間に設けてもよい。
【００６６】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る排気ガス浄化装置１０３は、実施の形態１における排気ガス浄化装置１０１の触媒付ＤＰＦ１３と第二ＳＣＲ触媒層１６との間に空間１７ｂを設けないものである。すなわち、実施の形態３では、図５に示すように、第一ＳＣＲ触媒３５ｓが担持されたＤＰＦ本体３４及び第二ＳＣＲ触媒層３６を隣接させて一体にしたものである。
【００６７】
図５を参照すると、排気ガス浄化装置１０３の筐体１１の内部には、上流側から下流側に向かって、酸化触媒層１２、ＤＰＦ本体３４、及び第二ＳＣＲ触媒層３６が順次設けられている。そして、酸化触媒層１２及びＤＰＦ本体３４は空間３７を介して間隔をあけて配置され、ＤＰＦ本体３４及び第二ＳＣＲ触媒層３６は隣接して配置されている。
また、ＤＰＦ本体３４には、実施の形態１の第一ＳＣＲ触媒１５ｓと同じ第一ＳＣＲ触媒３５ｓがコーティング等の手段によって担持されて形成されている。さらに、第二ＳＣＲ触媒層３６は、実施の形態１の第二ＳＣＲ触媒層１６と同様の形態で形成されており、図示しない基材に、第二ＳＣＲ触媒３６ｓがコーティング等の手段によって担持されて形成されている。なお、第二ＳＣＲ触媒層３６全体でのアンモニアの吸着可能量は、第一ＳＣＲ触媒３５ｓが担持されたＤＰＦ本体３４全体でのアンモニアの吸着可能量より多くなっている。
【００６８】
さらに、第一ＳＣＲ触媒３５ｓが担持されたＤＰＦ本体３４と、第二ＳＣＲ触媒層３６とは、一体となっており、触媒付ＤＰＦ３３を構成している。
また、触媒付ＤＰＦ３３の上流側の端面３３ａにミキサ１８が設けられている。
さらに、噴射バルブ３９は、酸化触媒層１２と触媒付ＤＰＦ３３との間となる、酸化触媒層１２における下流側の直後の位置に設けられており、尿素水タンク２０から供給される尿素水を筐体１１の空間３７内（第一ＳＣＲ触媒３５ｓの上流）に噴射する。
【００６９】
よって、排気ガス浄化装置１０３の筐体１１に導入された排気ガスは、酸化触媒層１２を通過し、空間３７において尿素水が添加された後、触媒付ＤＰＦ３３に流入する。流入した排気ガスは、ＤＰＦ本体３４において内部に含まれるＰＭが捕集され、さらに、ＤＰＦ本体３４に担持されている第一ＳＣＲ触媒３５ｓの作用のもと、排気ガスに含まれるＮＯｘが同じく排気ガスに含まれるアンモニアによって還元浄化される。ＤＰＦ本体３４から流出した排気ガスはそのまま第二ＳＣＲ触媒層３６に流入し、第二ＳＣＲ触媒３６ｓの作用のもと、排気ガスに含まれるＮＯｘが同じく排気ガスに含まれるアンモニアによって還元浄化される。そして、第二ＳＣＲ触媒層３６を流出した排気ガスは、排気ガス浄化装置１０３の外部に排出される。また、触媒付ＤＰＦ３３において、第一ＳＣＲ触媒３５ｓが担持されたＤＰＦ本体３４及び第二ＳＣＲ触媒層３６を流通する際に排気ガスのＮＯｘ等の含有物が受ける作用は、実施の形態１における、触媒付ＤＰＦ１３の第一ＳＣＲ触媒１５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒層１６において排気ガスの含有物が受ける作用とそれぞれ同様である。
【００７０】
また、排気ガス浄化装置１０３では、触媒付ＤＰＦ３３のＤＰＦ本体３４を流出した排気ガスに加水分解されていない尿素水が含まれる場合、この尿素水はそのまま第二ＳＣＲ触媒層３６に流入する。この尿素水が全て加水分解されていないことにより、第二ＳＣＲ触媒層３６に流入する排気ガスに含まれているＮＯｘの量に対して、同じく排気ガスに含まれているアンモニアの量が不足する可能性がある。このアンモニアの量の不足を防ぐために、第二ＳＣＲ触媒３６ｓのアンモニアの吸着性及び第二ＳＣＲ触媒層３６のアンモニアの吸着可能量はそれぞれ、実施の形態１の第二ＳＣＲ触媒１６ｓの吸着性及び第二ＳＣＲ触媒層１６のアンモニアの吸着可能量よりもさらに高い方が好ましい。
また、この発明の実施の形態３に係る排気ガス浄化装置１０３のその他の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００７１】
このように、実施の形態３における排気ガス浄化装置１０３によれば、上記実施の形態１の排気ガス浄化装置１０１と同様な効果が得られる。
また、排気ガス浄化装置１０３が筐体１１の内部にＤＰＦ本体３４を備え、ＤＰＦ本体３４が第一ＳＣＲ触媒３５ｓ及び第二ＳＣＲ触媒３６ｓと隣接させて一体に設けられている。これにより、筐体１１の小型化を図ることができ、排気ガス浄化装置１０３の小型化を図ることが可能になる。
【００７２】
また、実施の形態１〜３において、排気ガス浄化装置１０１〜１０３は、ターボチャージャ８を備えるエンジンアセンブリ１０に設けられていたが、これに限定されるものではない。ターボチャージャ８を備えないエンジンアセンブリ１０では、排気マニフォールド５の出口５ａに排気ガス浄化装置１０１〜１０３を直接接続するようにしてもよい。また、排気ガス浄化装置１０１〜１０３は、エンジンアセンブリ１０から離れた位置に設けられてもよい。
【００７３】
また、実施の形態１〜３において、排気ガス浄化装置１０１〜１０３の筐体１１は円筒状の形状を有していたが、これに限定されるものではない。筐体１１は、四角柱等の多角柱状の形状、または、球状若しくは楕円体状の形状であってもよい。
また、実施の形態１〜３おいて、排気ガス浄化装置１０１〜１０３は、ミキサ１８を有していたが、省略してもよい。
また、実施の形態１及び２において、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ，２５ｓと、第二ＳＣＲ触媒１６ｓとは、１つの筐体１１の内部に設けられていたが、これに限定されるものではなく、別個に設けられてもよい。そして、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ，２５ｓと、第二ＳＣＲ触媒１６ｓとの距離は、これら触媒間を流通する過程での排気ガスの温度低下により第二ＳＣＲ触媒１６ｓの活性が低下しないように、排気ガスの温度低下を抑えるように設定することが好ましい。
また、実施の形態１〜３において、第二ＳＣＲ触媒１６ｓ，３６ｓは、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ，２５ｓ，３５ｓより高いアンモニアの吸着性を有していたが、これに限定されるものではない。第二ＳＣＲ触媒１６ｓ，３６ｓが担持されている部位全体のアンモニアの吸着可能量が、第一ＳＣＲ触媒１５ｓ，２５ｓ，３５ｓが担持されている部位全体のアンモニアの吸着可能量より多くなっているだけでもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１０ エンジンアセンブリ、１２ 酸化触媒層（酸化触媒）、１３，３３ 触媒付ＤＰＦ、１４，２４，３４ ＤＰＦ本体（粒子状物質捕集手段）、１５ｓ，２５ｓ，３５ｓ 第一ＳＣＲ触媒、２５ 第一ＳＣＲ触媒層（第一ＳＣＲ触媒）、１６，３６ 第二ＳＣＲ触媒層（第二ＳＣＲ触媒）、１６ｓ，３６ｓ 第二ＳＣＲ触媒、１９，２９，３９ 噴射バルブ（尿素水供給手段）、１０１，１０２，１０３ 排気ガス浄化装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスが流通する経路の途中に設けられた酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流に設けられた第一ＳＣＲ触媒と、
前記第一ＳＣＲ触媒の下流に設けられた第二ＳＣＲ触媒と、
前記第一ＳＣＲ触媒の上流に尿素水を供給するための尿素水供給手段とを備え、
前記第二ＳＣＲ触媒は、前記第一ＳＣＲ触媒より多くのアンモニアを吸着可能である排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記第二ＳＣＲ触媒の単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量が、前記第一ＳＣＲ触媒の単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量より多い
請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記第一ＳＣＲ触媒と前記第二ＳＣＲ触媒とは、間隔をあけて配置される
請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記第一ＳＣＲ触媒と前記第二ＳＣＲ触媒とは、隣接して配置される
請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】
粒子状物質捕集手段をさらに備え、
前記粒子状物質捕集手段は、前記第一ＳＣＲ触媒と一体である
請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項６】
粒子状物質捕集手段をさらに備え、
前記粒子状物質捕集手段は、前記第一ＳＣＲ触媒の上流に設けられる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項７】
エンジンアセンブリに取り付けられる
請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項１】
排気ガスが流通する経路の途中に設けられた酸化触媒と、
前記酸化触媒の下流に設けられた第一ＳＣＲ触媒と、
前記第一ＳＣＲ触媒の下流に設けられた第二ＳＣＲ触媒と、
前記第一ＳＣＲ触媒の上流に尿素水を供給するための尿素水供給手段とを備え、
前記第二ＳＣＲ触媒は、前記第一ＳＣＲ触媒より多くのアンモニアを吸着可能である排気ガス浄化装置。
【請求項２】
前記第二ＳＣＲ触媒の単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量が、前記第一ＳＣＲ触媒の単位体積当たりでのアンモニアの吸着可能量より多い
請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項３】
前記第一ＳＣＲ触媒と前記第二ＳＣＲ触媒とは、間隔をあけて配置される
請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項４】
前記第一ＳＣＲ触媒と前記第二ＳＣＲ触媒とは、隣接して配置される
請求項１または２に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項５】
粒子状物質捕集手段をさらに備え、
前記粒子状物質捕集手段は、前記第一ＳＣＲ触媒と一体である
請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項６】
粒子状物質捕集手段をさらに備え、
前記粒子状物質捕集手段は、前記第一ＳＣＲ触媒の上流に設けられる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【請求項７】
エンジンアセンブリに取り付けられる
請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気ガス浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−５２６１２（Ｐ２０１１−５２６１２Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０２８２５（Ｐ２００９−２０２８２５）
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２日（２００９．９．２）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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