JP7280169B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置に関する。

従来、エンジンから排出される排気ガスを浄化するための排気浄化装置として、例えば特許文献１に記載の装置が知られている。この排気浄化装置は、排気ガスが流れる排気通路の上流側から順に、排気ガス中のＮＯｘを浄化する第１の還元触媒と、排気ガス中のＣＯ及びＨＣを浄化すると共にＮＯｘのうちＮＯを酸化する酸化触媒と、排気ガス中の粒状物質を捕集するフィルタと、排気ガス中のＮＯｘを浄化する第２の還元触媒と、を備える。

特開２０１８－１５９３３４号公報

上述した排気浄化装置では、第１の還元触媒が、酸化触媒、フィルタ、及び第２の還元触媒の上流側に配置されている。このような配置にすると、エンジンから排出された直後の高温の排気ガスが第１の還元触媒に流れることとなり、第１の還元触媒を早期に活性化させることができるので、排気ガス中のＮＯｘの浄化効率の向上を図る上で好適である。しかしながら、上述した排気浄化装置では、触媒に流入する排気ガス中の成分比率を十分考慮した上で触媒が構成されているとは言えず、流入する排気ガス中の成分比率によっては、触媒の浄化性能が十分に発揮されない場合がある。よって、ＮＯｘの浄化効率の向上の点で、更なる改良の余地がある。

本発明は、ＮＯｘの浄化効率を向上させることができる排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る排気浄化装置は、エンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置であって、排気ガスが流れる排気通路に配置され、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元する第１の還元触媒と、排気通路における第１の還元触媒の下流側に配置され、少なくともＮＯｘのうちＮＯを酸化する酸化触媒と、排気通路における酸化触媒の下流側に配置され、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、排気通路におけるフィルタの下流側に配置され、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元する第２の還元触媒と、排気通路における第１の還元触媒の上流側に配置され、排気ガスに還元剤を噴射可能に構成された第１の還元剤噴射部と、排気通路におけるフィルタと第２の還元触媒との間に配置され、排気ガスに還元剤を噴射可能に構成された第２の還元剤噴射部と、酸化触媒の温度を検出するセンサと、センサにより検出された酸化触媒の温度に基づいて、第１の還元剤噴射部及び第２の還元剤噴射部を制御する制御部と、を備え、第１の還元触媒は、銅（Ｃｕ）を含有し、制御部は、センサにより検出された酸化触媒の温度が酸化触媒の活性温度未満である場合には、第２の還元剤噴射部から還元剤を噴射させずに、第１の還元剤噴射部から噴射させる予定の第１の噴射量に、第２の還元剤噴射部から噴射させる予定の第２の噴射量を加えた量の還元剤を第１の還元剤噴射部から噴射させる。

この排気浄化装置では、第１の還元触媒が、酸化触媒、フィルタ、及び第２の還元触媒の上流側に配置されているので、エンジンから排出された直後の高温の排気ガスを第１の還元触媒に流すことができる。これにより、第１の還元触媒を早期に活性化させることができ、ＮＯｘの浄化効率の向上を図ることができる。更に、第１の還元触媒は、Ｃｕを含有するＣｕ系の還元触媒となっている。エンジンから排出される排気ガスはＮＯを多く含むため、第１の還元触媒には、ＮＯの割合が高い状態の排気ガスが流入する。このようにＮＯが多く存在する（或いはＮＯのみが存在する）環境下においては、ＮＯｘの浄化性能を十分に発揮させる観点から、他の還元触媒を用いるよりもＣｕ系の還元触媒を用いることが好適である。したがって、第１の還元触媒をＣｕ系の還元触媒とすることにより、エンジン直後に配置された第１の還元触媒においてＮＯｘの還元反応を十分に進行させることができ、ＮＯｘを効率的に浄化することができる。

第１の還元触媒を通過した排気ガスは、酸化触媒及びフィルタを通過した後、第２の還元触媒に流入する。ここで、エンジンの始動時等は、下流側の排気ガスの温度が十分に上昇するまでに時間を要する。このため、下流側の排気ガスの温度が十分に上昇するまでの期間では、下流側の第２の還元触媒の付近の温度が、還元剤からＮＨ_３が生成されるために必要な温度に到達せず、第２の還元剤噴射部から還元剤を噴射しても、この還元剤から、第２の還元触媒におけるＮＯｘの還元反応に必要なＮＨ_３を生成することはできない。しかし、このような期間においては、下流側の酸化触媒の温度が活性温度に到達しないので、第１の還元触媒を通過した排気ガス中のＮＨ_３の多くは、酸化触媒において酸化されずに、第２の還元触媒に供給される。

そこで、上述した排気浄化装置では、酸化触媒の温度が活性温度以上である場合には、第２の還元剤噴射部から還元剤を噴射させずに、第１の還元剤噴射部から噴射させる予定の第１の噴射量に、第２の還元剤噴射部から噴射させる予定の第２の噴射量を加えた量の還元剤を、第１の還元剤噴射部から噴射させる。このように、第１の還元触媒において処理しきれない余剰の還元剤を第１の還元剤噴射部から噴射させることにより、還元剤から生成されるＮＨ_３を第１の還元触媒の下流側に積極的にリークさせることができる。そして、リークしたＮＨ_３の多くは、酸化触媒の温度が活性温度未満である場合、酸化触媒において酸化されずに第２の還元触媒に供給されるので、第２の還元触媒においてＮＯｘの還元反応を進行させることができる。つまり、下流側の排気ガスの温度が十分に上昇するまでの期間において、ＮＯｘの還元反応を効率的に進行させることができる。したがって、上述した排気浄化装置によれば、ＮＯｘの浄化効率を向上させることができる。

制御部は、センサにより検出された酸化触媒の温度が酸化触媒の活性温度以上である場合には、第１の還元剤噴射部から第１の噴射量の還元剤を噴射させ、第２の還元剤噴射部から第２の噴射量の還元剤を噴射させてもよい。この場合、酸化触媒にＮＨ_３がリークすると、酸化触媒において、リークしたＮＨ_３は、浄化され難く且つ有害性の高いＮ_２Ｏに酸化されてしまう。そこで、第１の還元剤噴射部から、余剰の還元剤ではなく予定量（第１の噴射量）の還元剤を噴射させることにより、酸化触媒へのＮＨ_３のリークを抑制している。これにより、酸化触媒においてＮ_２Ｏが生成されてしまう事態を抑制できる。また、酸化触媒の温度が酸化触媒の活性温度以上である場合には、第２の還元触媒の付近にて還元剤からＮＨ_３を生成できるので、第２の還元剤噴射部から予定量（第２の噴射量）の還元剤を噴射させることで、第２の還元触媒においてＮＯｘの還元反応を進行させることができる。

第２の還元触媒の上流側部分は、Ｆｅを含有し、第２の還元触媒の下流側部分は、Ｃｕを含有してもよい。第１の還元触媒を通過した排気ガス中のＮＯは、酸化触媒によってＮＯ_２に酸化されるので、第２の還元触媒の上流側部分には、ＮＯ_２の割合が増加した状態（例えば、ＮＯ及びＮＯ_２の割合が同程度の状態）の排気ガスが流入する。このようにＮＯ及びＮＯ_２が共存する環境下においては、ＮＯｘの浄化性能を十分に発揮させる観点から、他の還元触媒を用いるよりも、Ｆｅを含有するＦｅ系の還元触媒を用いることが好適である。したがって、第２の還元触媒の上流側部分をＦｅ系の還元触媒とすることにより、当該上流側部分において、ＮＯｘの還元反応を十分に進行させることができ、ＮＯｘを効率的に浄化することができる。第２の還元触媒の上流側部分においてＮＯ及びＮＯ_２等が浄化されることで、第２の還元触媒の下流側部分（Ｃｕ系の還元触媒）に流入する排気ガス中のＮＯ及びＮＯ_２等が減少する。このように、Ｃｕ系の還元触媒に流入するＮＯ_２を減少させることで、Ｃｕ系の還元触媒において、浄化され難く且つ有害性の高いＮ_２Ｏが多く生成されてしまう事態を抑制できる。Ｃｕ系の還元触媒は、ＮＯ_２の減少によってＮＯのみが存在するような環境下においても、ＮＯｘの還元反応を十分に進行させることができるので、Ｆｅ系の還元触媒を通過した排気ガス中のＮＯｘを効率的に浄化することができる。したがって、上述した構成によれば、排気ガス中のＮＯｘの浄化効率を一層向上させることができる。

上述した排気浄化装置は、排気通路における第１の還元触媒と酸化触媒との間に配置された第１のアンモニアスリップ触媒を更に備えてもよい。第１の還元触媒の上流側において排気ガスに還元剤が噴射されると、還元剤からＮＨ_３が生成される。Ｃｕを含有する第１の還元触媒（Ｃｕ系の還元触媒）は、ＮＨ_３を多く吸着する性質を有するため、生成されたＮＨ_３の多くは、第１の還元触媒を通過する際に、第１の還元触媒に吸着する。第１の還元触媒に吸着したＮＨ_３は、エンジンから排出された直後の排気ガスによる急激な温度上昇によって、第１の還元触媒からリークする。上述した構成では、第１の還元触媒と酸化触媒との間に第１のアンモニアスリップ触媒が配置されるので、リークしたＮＨ_３は、第１のアンモニアスリップ触媒によってＮＯ及びＮＯ_２等のＮＯｘに変換された後、酸化触媒に流入する。これにより、酸化触媒において、リークしたＮＨ_３が、浄化され難く且つ有害性の高いＮ_２Ｏに酸化されてしまう事態を抑制できる。その結果、ＮＯｘの浄化効率を一層向上させることができる。

上述した排気浄化装置は、排気通路における第２の還元触媒の下流側に配置された第２のアンモニアスリップ触媒を更に備えてもよい。この場合、排気ガス中のＮＨ_３は、第２のアンモニアスリップ触媒によってＮＯ及びＮＯ_２等のＮＯｘに酸化された後、排気浄化装置の外部に排出されるので、有害物質であるＮＨ_３が大気中に放出されてしまう事態を抑制できる。

本発明によれば、ＮＯｘの浄化効率を向上させることができる。

図１は、一実施形態に係る排気浄化装置を示す概略構成図である。 図２は、図１の第１の還元触媒及び第１のアンモニアスリップ触媒を示す概略構成図である。 図３は、図１の第２の還元触媒を示す概略構成図である。 図４は、比較例に係る排気浄化装置を示す概略構成図である。 図５は、排気ガスの温度、及び各触媒の温度を時系列で示すグラフである。 図６は、酸化触媒の入口に流入する排気ガスの温度、及び酸化触媒の出口から流出する排気ガス中の各成分の濃度を時系列で示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一又は同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、本実施形態に係る排気浄化装置１を示す概略構成図である。排気浄化装置１は、例えばトラック等の車両に搭載されており、内燃機関であるエンジン２から排出される排気ガスＧを浄化する。エンジン２は、例えばディーゼルエンジンである。排気浄化装置１が搭載される車両としては、トラックの他、例えば、トラクター又はバス等の大型の車両であってもよいし、中型自動車、小型自動車、又は軽自動車であってもよい。なお、以下の説明において、「上流側」とは排気ガスＧの流れ方向の上流側を意味し、「下流側」とは排気ガスＧの流れ方向の下流側を意味する。

排気浄化装置１は、排気ガスＧが流れる排気通路５に搭載されている。排気浄化装置１は、排気通路５の上流側から下流側に向かって順に、ＳＣＲ１１（第１の還元触媒）と、ＡＳＣ１２（第１のアンモニアスリップ触媒）と、ＤＯＣ１３（酸化触媒）と、ＤＰＦ１４（フィルタ）と、ＳＣＲ１５（第２の還元触媒）と、ＡＳＣ１６（第２のアンモニアスリップ触媒）と、を備えている。更に、排気浄化装置１は、ＳＣＲ１１の上流側を流れる排気ガスＧに尿素水を噴射する尿素水噴射部２１（第１の還元剤噴射部）と、ＳＣＲ１５の上流側を流れる排気ガスＧに尿素水を噴射する尿素水噴射部２２（第２の還元剤噴射部）と、尿素水噴射部２１及び尿素水噴射部２２を制御する制御部２３と、ＳＣＲ１１の上流側を流れる排気ガスＧの温度を検出するセンサ３１と、ＳＣＲ１５を流れる排気ガスＧの温度を検出するセンサ３２と、を備えている。

ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）１１は、排気ガスＧ中のＮＯｘ（窒化酸化物）を選択的に還元して浄化する選択還元触媒であり、例えば、排気ガスＧの温度が高温となるエンジン２の直下に配置されている。エンジン２の直下は、エンジン２の流出口の下流側であって当該流出口に近接した位置である。エンジン２の直下は、エンジン２から流出した排気ガスＧの冷却が実質的に無視できる範囲の位置としてもよい。ＳＣＲ１１は、尿素水噴射部２１が噴射した尿素水から生成されるＮＨ_３（アンモニア）を還元剤として用いた還元反応により、排気ガスＧ中のＮＯｘをＮ_２（窒素）及びＨ_２Ｏ（水）等の無害な物質に変換する。

ＡＳＣ（Ammonia Slip Catalyst）１２は、ＳＣＲ１１からリークしたＮＨ_３を低減する触媒である。ＳＣＲ１１からリークしたＮＨ_３がＤＯＣ１３に流入すると、ＮＨ_３は、ＤＯＣ１３においてＮ_２Ｏに酸化される。Ｎ_２Ｏは、浄化され難く且つ有害性が高いため、Ｎ_２Ｏの生成を極力抑制することが望ましい。そこで、ＳＣＲ１１とＤＯＣ１３との間にＡＳＣ１２を配置することによって、ＤＯＣ１３においてＮ_２Ｏが多く生成されてしまう事態が抑制される。

ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）１３は、排気ガスＧ中のＮＯ（一酸化窒素）、ＨＣ（炭化水素）、及びＣＯ（一酸化炭素）等を酸化する酸化触媒である。ＤＯＣ１３は、例えば、ゼオライト等の担体に金属又は金属酸化物を担持させたものから構成されている。ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１４は、ＤＯＣ１３を通過した排気ガスＧ中の粒子状物質（ＰＭ：ParticulateMatter）を捕集して取り除くフィルタである。ＤＰＦ１４は、例えば、セラミックス又は金属多孔体から構成されている。ＤＯＣ１３の上流側には、ＤＯＣ１３に軽油を供給する軽油供給部が設けられてもよい。

ＳＣＲ１５は、排気ガスＧ中のＮＯｘを選択的に還元して浄化する選択還元触媒である。ＳＣＲ１５は、尿素水噴射部２２から噴射される尿素水から生成されるＮＨ_３を還元剤として用いた還元反応により、排気ガスＧ中のＮＯｘをＮ_２及びＨ_２Ｏ等の無害な物質に変換する。ＡＳＣ１６は、ＳＣＲ１５からリークしたＮＨ_３を酸化する酸化触媒である。ＡＳＣ１６として、例えば、ゼオライト等の担体にＰｔ等の貴金属を担持させたものが用いられてもよい。

尿素水噴射部２１は、排気通路５におけるエンジン２とＳＣＲ１１との間に配置されている。尿素水噴射部２１は、エンジン２とＳＣＲ１１との間を流れる排気ガスＧに尿素水を噴射可能に構成されている。尿素水噴射部２２は、排気通路５におけるＤＰＦ１４とＳＣＲ１５との間に配置されている。尿素水噴射部２２は、ＤＰＦ１４とＳＣＲ１５との間を流れる排気ガスＧに尿素水を噴射可能に構成されている。尿素水噴射部２１及び尿素水噴射部２２は、制御部２３の制御に応じて尿素水を噴射する。排気ガスＧが所定の温度（例えば１８０℃）以上の場合に、排気ガスＧに尿素水が噴射されると、熱分解反応及び加水分解反応によってＮＨ_３が生成される。

センサ３１は、例えば、排気通路５におけるエンジン２とＳＣＲ１１との間であって、尿素水噴射部２１の上流側に配置されている。センサ３１は、エンジン２とＳＣＲ１１との間を流れる排気ガスＧの温度を検出し、検出した温度を制御部２３に出力する。センサ３２は、例えば、ＤＯＣ１３に配置されている。センサ３２は、ＤＯＣ１３の温度を検出し、検出した温度を制御部２３に出力する。「ＤＯＣ１３の温度を検出する」とは、ＤＯＣ１３の温度を直接的に検出する場合と、ＤＯＣ１３の温度を間接的に検出する場合の両方を含む。センサ３２は、例えば、ＤＯＣ１３又はＤＯＣ１３の上流側を流れる排気ガスＧの温度を検出し、検出した温度からＤＯＣ１３の温度を推定することでＤＯＣ１３の温度を間接的に検出してもよい。センサ３２は、ＤＯＣ１３の上流側を流れる排気ガスＧの温度を検出する場合、ＤＯＣ１３の上流側の排気通路５に配置されてもよい。例えば、センサ３２は、排気通路５におけるＡＳＣ１２とＤＯＣ１３との間に配置されてもよい。

制御部２３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び入出力インターフェース等を含んで構成されたコンピュータであり、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って、入力インターフェース回路から各種センサ情報等を取り込み、出力インターフェース回路から各種制御に必要な指令信号を出力する。制御部２３は、尿素水噴射部２１、尿素水噴射部２２、センサ３１、及びセンサ３２と電気的に接続されている。制御部２３は、例えば車両のＥＣＵ（Electronic Control Unit）であってもよい。

制御部２３は、センサ３１及びセンサ３２により検出された温度に基づいて、尿素水噴射部２１及び尿素水噴射部２２を制御する。センサ３１により検出された温度が所定の第１の温度（例えば２００℃）以上である場合には、制御部２３は、尿素水噴射部２１から尿素水を噴射させる。一方、センサ３１により検出された温度が第１の温度未満である場合には、制御部２３は、尿素水噴射部２１から尿素水を噴射させない。第１の温度とは、ＳＣＲ１１の活性温度であって、尿素水からＮＨ_３を生成するために必要な温度である。

センサ３２により検出された温度が所定の第２の温度（例えば２００℃）以上である場合には、制御部２３は、尿素水噴射部２２から尿素水を噴射させる。一方、センサ３２により検出された温度が第２の温度以上である場合には、制御部２３は、尿素水噴射部２２から尿素水を噴射させない。第２の温度とは、ＤＯＣ１３の活性温度である。本実施形態では、第１の温度及び第２の温度は互いに同一となっているが、第１の温度及び第２の温度は互いに異なっていてもよい。

センサ３１により検出された温度が第１の温度以上であって、センサ３２により検出された温度が第２の温度以上である場合には、制御部２３は、第１の噴射量の尿素水を尿素水噴射部２１から噴射させ、第２の噴射量の尿素水を尿素水噴射部２２から噴射させる。第１の噴射量は、尿素水噴射部２１から噴射させる予定の噴射量であって、ＳＣＲ１１でのＮＯｘの還元反応の進行に必要な分だけのＮＨ_３（すなわち、ＳＣＲ１１でのＮＯｘの還元反応の際に消費しきれる量のＮＨ_３）を生成可能な尿素水の噴射量である。第２の噴射量は、尿素水噴射部２２から噴射させる予定の噴射量であって、ＳＣＲ１５でのＮＯｘの還元反応の進行に必要な分だけのＮＨ_３（すなわち、ＳＣＲ１５でのＮＯｘの還元反応の際に消費しきれる量のＮＨ_３）を生成可能な尿素水の噴射量である。つまり、制御部２３は、センサ３１により検出された温度が第１の温度以上であって、センサ３２により検出された温度が第２の温度以上である場合には、予定していた噴射量の尿素水をそのまま尿素水噴射部２１及び尿素水噴射部２２からそれぞれ噴射させる。

センサ３１により検出された温度が第１の温度以上であるとき、ＳＣＲ１１の上流側を流れる排気ガスＧの温度は、尿素水からＮＨ_３を生成するために必要な温度以上となっている。この環境下において、ＳＣＲ１１の上流側において尿素水噴射部２１から第１の噴射量の尿素水が噴射されると、熱分解反応及び加水分解反応によって、噴射した尿素水からＮＨ_３が生成される。生成されたＮＨ_３がＳＣＲ１１に流入すると、ＳＣＲ１１においてＮＯｘの還元反応が進行する。また、センサ３２により検出された温度が第２の温度以上であるとき、ＤＯＣ１３の温度は、活性温度以上になっている。ＤＯＣ１３の温度が活性温度以上の高温となっていれば、下流側の排気ガスＧの温度は十分昇温しているので、ＳＣＲ１５付近の温度は、尿素水からＮＨ_３を生成するために必要な温度以上となる。この環境下において尿素水噴射部２２から第２の噴射量の尿素水が噴射されると、熱分解反応及び加水分解反応によって、噴射した尿素水からＮＨ_３が生成される。生成されたＮＨ_３がＳＣＲ１５に流入すると、ＳＣＲ１５においてＮＯｘの還元反応が進行する。

センサ３１により検出された温度が第１の温度以上であって、センサ３２により検出された温度が第２の温度未満である場合には、制御部２３は、第１の噴射量と第２の噴射量との合計量の尿素水を尿素水噴射部２１から噴射させ、尿素水噴射部２２から尿素水を噴射させない。つまり、制御部２３は、センサ３１により検出された温度が第１の温度以上であって、センサ３２により検出された温度が第２の温度未満である場合には、尿素水噴射部２１から噴射させる予定の噴射量に、尿素水噴射部２２から噴射させる予定の噴射量を加えた量の尿素水を尿素水噴射部２１から噴射させる。

センサ３１により検出された温度が第１の温度以上であるとき、ＳＣＲ１１の上流側を流れる排気ガスＧの温度は、尿素水からＮＨ_３を生成するために必要な温度以上となっている。この環境下において、第１の噴射量と第２の噴射量との合計量の尿素水が尿素水噴射部２１から噴射されると、熱分解反応及び加水分解反応によって、当該合計量の尿素水に応じた多量のＮＨ_３が生成される。このＮＨ_３がＳＣＲ１１に流入すると、ＳＣＲ１１においてＮＯｘの還元反応が進行する。ＳＣＲ１１におけるＮＯｘの還元反応の際に、第１の噴射量分に対応する量のＮＨ_３が消費され、第２の噴射量分に対応する量のＮＨ_３はＳＣＲ１１で消費しきれず、ＳＣＲ１１の下流にリークする。ＳＣＲ１１からリークしたＮＨ_３は、ＡＳＣ１２、ＤＯＣ１３、及びＤＰＦ１４を経て、ＳＣＲ１５に到達する。そして、ＳＣＲ１５において、リークしたＮＨ_３を用いたＮＯｘの還元反応が進行する。

次に、図２を参照して、ＳＣＲ１１及びＡＳＣ１２の触媒構成について説明する。図２は、ＳＣＲ１１及びＡＳＣ１２の触媒構成を示す概略図である。図２に示すように、ＳＣＲ１１は、Ｃｕ（銅）を含有するＳＣＲである。以下では、Ｃｕを含有するＳＣＲを「Ｃｕ系ＳＣＲ」と称する。Ｃｕ系ＳＣＲとしては、例えば、セラミック等の担体に銅ゼオライトを担持させたものが挙げられる。Ｃｕ系ＳＣＲは、ＮＯが多く存在する環境下において、ＮＯｘの還元反応を十分に進行させることができる。ＮＯが多く存在する環境とは、ＮＯｘのうちのＮＯ_２（二酸化窒素）が占める割合と比べて、ＮＯｘのうちのＮＯが占める割合の方が高い環境を意味する。

Ｃｕ系ＳＣＲは、ＮＨ_３を多く吸着する性質を有する。このため、ＳＣＲ１１の上流側において尿素水から生成されたＮＨ_３の多くは、ＳＣＲ１１を通過する際にＳＣＲ１１に吸着する。ＳＣＲ１１に吸着したＮＨ_３は、エンジン２から排出された直後の排気ガスＧによる急激な温度上昇によって、ＳＣＲ１１からリークする。なお、図２に示す例では、ＳＣＲ１１の全体がＣｕ系ＳＣＲとなっているが、ＳＣＲ１１の一部のみがＣｕ系ＳＣＲとなっていてもよい。

ＡＳＣ１２は、酸化触媒としての機能に加え、ＳＣＲとしての機能を有する触媒である。ＡＳＣ１２は、酸化触媒として機能する酸化部１２ａと、ＳＣＲとして機能する還元部１２ｂと、を有している。酸化部１２ａは、ＡＳＣ１２の上流側に配置されている。酸化部１２ａは、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、又はＲｕ（ルテニウム）等の貴金属を含有している。酸化部１２ａとしては、例えば、ゼオライト等の担体にＰｔを担持させたものが挙げられる。

酸化部１２ａは、ＳＣＲ１１からリークしたＮＨ_３をＮＯ及びＮＯ_２等のＮＯｘに酸化すると共に、ＳＣＲ１１を通過した排気ガスＧ中のＮＯをＮＯ_２に酸化する。ＮＨ_３に対する酸化部１２ａの酸化力が高すぎると酸化部１２ａがＮＨ_３をＮ_２Ｏに酸化してしまうため、ＮＨ_３に対する酸化部１２ａの酸化力は、ＮＨ_３をＮ_２Ｏに酸化せずに、ＮＨ_３をＮＯ及びＮＯ_２等に酸化することが可能な程度に設定される。

還元部１２ｂは、ＡＳＣ１２の下流側に配置されている。還元部１２ｂは、例えば、Ｆｅ（鉄）又はＣｕ（銅）等の金属を含有するＳＣＲである。本実施形態では、還元部１２ｂが、Ｆｅを含有するＳＣＲである場合を例示する。以下では、Ｆｅを含有するＳＣＲを「Ｆｅ系ＳＣＲ」と称する。Ｆｅ系ＳＣＲとしては、例えば、セラミック等の担体に鉄ゼオライトを担持させたものが挙げられる。還元部１２ｂは、酸化部１２ａを通過した排気ガスＧ中のＮＯｘを選択的に還元して浄化する。具体的には、還元部１２ｂは、ＳＣＲ１１において還元しきれなかったＮＯｘを還元すると共に、酸化部１２ａにおけるＮＨ_３の酸化により生成されたＮＯｘを還元する。

ＡＳＣ１２に流入した排気ガスＧ中のＮＨ_３は、酸化部１２ａにおいてＮＯ及びＮＯ_２等のＮＯｘに酸化され、還元部１２ｂにおいてＮＯｘを還元反応のために消費されるので、ＡＳＣ１２からのＮＨ_３のリークが抑制される。更に、還元部１２ｂにおけるＮＯｘの還元反応によって、ＡＳＣ１２から流出する排気ガスＧ中のＮＯｘが浄化される。なお、酸化部１２ａ及び還元部１２ｂは、例えば、２層コート又はゾーンコートにより、ＡＳＣ１２の上流側部分及び下流側部分にそれぞれに形成される。

次に、図３を参照して、ＳＣＲ１５の触媒構成について説明する。図３は、ＳＣＲ１５の触媒構成を示す概略図である。図３に示すように、ＳＣＲ１５の上流側部分１５ａがＦｅ系ＳＣＲとなっており、ＳＣＲ１５の下流側部分１５ｂがＣｕ系ＳＣＲとなっている。Ｆｅ系ＳＣＲは、排気ガスＧにＮＯ及びＮＯ_２が共存する環境下において、ＮＯｘの還元反応を十分に進行させることができる。ＮＯ及びＮＯ_２が共存する環境とは、ＮＯ及びＮＯ_２が共に或る程度存在する環境、例えば、ＮＯｘのうちのＮＯが占める割合（ＮＯの割合）と、ＮＯｘのうちのＮＯ_２が占める割合（ＮＯ_２の割合）とが同程度となっている環境を意味する。これに対し、Ｃｕ系ＳＣＲは、上述したように、ＮＯが多く存在する（或いはＮＯのみが存在する）環境下において、ＮＯｘの還元反応を十分に進行させることができる。ＳＣＲ１５に流入した排気ガスＧのＮＯｘは、Ｆｅ系ＳＣＲにおいて浄化された後、Ｃｕ系ＳＣＲにおいて更に浄化される。

図３に示す例では、ＳＣＲ１５においてＦｅ系ＳＣＲが占める割合（Ｆｅ系ＳＣＲの割合）、及び、ＳＣＲ１５においてＣｕ系ＳＣＲが占める割合（Ｃｕ系ＳＣＲの割合）は共に１／２程度となっているが、この例に限定されず、Ｆｅ系ＳＣＲの割合及びＣｕ系ＳＣＲの割合は適宜変更可能である。Ｆｅ系ＳＣＲの割合は、例えば、ＤＯＣ１３におけるＮＯ_２の割合とＮＯの割合との大小に応じて決定されてもよい。

次に、本実施形態に係る排気浄化装置１の作用・効果について、比較例が有する課題と共に説明する。

図４は、比較例に係る排気浄化装置１００を示す概略構成図である。図４に示すように、排気浄化装置１００は、排気通路５の上流側から順に、排気ガスＧ中のＣＯ及びＨＣを浄化すると共にＮＯｘのうちＮＯを酸化するＤＯＣ１１３と、排気ガスＧ中の粒状物質を捕集するＤＰＦ１１４と、排気ガスＧ中のＮＯｘを浄化するＳＣＲ１１５と、ＳＣＲ１１５からリークしたＮＨ_３を酸化するＡＳＣ１１６と、を備えている。排気浄化装置１００では、ＳＣＲ１１５の上流側に配置されたセンサ１３２が排気ガスＧの温度を検出し、排気ガスＧの温度が所定温度以上となった場合に、制御部１２３が尿素水噴射部１２２から尿素水を噴射させる。一方、排気ガスＧの温度が所定温度未満である場合には、尿素水噴射部１２２から尿素水を噴射しても、尿素水からＮＨ_３を生成することはできず、ＳＣＲ１１５においてＮＯｘの還元反応が促進されない。

排気浄化装置１００では、図４に示すように、ＳＣＲ１１５がＤＯＣ１１３及びＤＰＦ１１４の下流側に配置されているので、エンジン２からＳＣＲ１１５までの距離が長い。このため、エンジン２の始動時等においては、ＳＣＲ１１５の上流側の排気ガスＧの温度が所定温度に達するまでに時間を要する。よって、この排気ガスＧの温度が所定温度に達するまでの期間は、ＳＣＲ１１５においてＮＯｘの還元反応が促進されない。したがって、排気浄化装置１００では、ＮＯｘの浄化効率の向上を図ることは難しい。

これに対し、本実施形態に係る排気浄化装置１では、図１に示すように、ＳＣＲ１１がＤＯＣ１３及びＤＰＦ１４の上流側に配置されているので、エンジン２から排出された直後の高温の排気ガスＧをＳＣＲ１１に流すことができる。これにより、ＳＣＲ１１を早期に活性化させることができ、ＮＯｘの浄化効率の向上を図ることができる。更に、ＳＣＲ１１はＣｕ系ＳＣＲとなっている。エンジン２から排出される排気ガスＧはＮＯを多く含むため、ＳＣＲ１１には、ＮＯの割合が高い状態の排気ガスＧが流入する。このようにＮＯが多く存在する（或いはＮＯのみが存在する）環境下においては、ＮＯｘの浄化性能を十分に発揮させる観点から、他のＳＣＲを用いるよりもＣｕ系ＳＣＲを用いることが好適である。したがって、ＳＣＲ１１をＣｕ系ＳＣＲとすることにより、エンジン２の直後に配置されたＳＣＲ１１においてＮＯｘの還元反応を十分に進行させることができ、ＮＯｘを効率的に浄化することができる。

ＳＣＲ１１を通過した排気ガスＧは、ＤＯＣ１３及びＤＰＦ１４を通過した後、ＳＣＲ１５に流入する。ここで、エンジン２の始動時等は、下流側の排気ガスＧの温度が十分に上昇するまでに時間を要する。下流側の排気ガスＧの温度が十分に上昇するまでの期間は、下流側のＤＯＣ１３及びＳＣＲ１５等の触媒の温度も十分に昇温しない。図５は、排気ガスＧの温度、及び排気ガスＧが通過する各触媒の温度を時系列で示すグラフである。図５において、横軸は、車両の運転時間を示し、縦軸は、排気ガスＧの温度、及び排気ガスＧが通過する各触媒の温度を示している。図５において、「ガス温度」は、エンジン２から排出された直後の排気ガスＧの温度を示し、「ＳＣＲ ＩＮ」は、ＳＣＲ１１の入口の温度を示し、「ＤＯＣ ＩＮ」は、ＤＯＣ１３の入口の温度を示し、「ＤＰＦ ＯＵＴ」は、ＤＰＦ１４の出口の温度を示し、「ＳＣＲ２ ＩＮ」は、ＳＣＲ１５の入口の温度を示している。

図５に示すように、エンジン２の直下の「ガス温度」及び「ＳＣＲ ＩＮ」は、運転を開始してから急峻に上昇し、運転を開始してから５０秒を経過した時点で２００℃付近に到達している。一方、エンジン２から離れた下流側の「ＤＯＣ ＩＮ」、「ＤＰＦ ＯＵＴ」、及び「ＳＣＲ２ ＩＮ」は、運転時間の経過に応じて緩やかに上昇している。「ＤＯＣ ＩＮ」は、運転を開始してから３００秒を経過するまでは２００℃付近に到達せず、「ＳＣＲ２ ＩＮ」は、運転を開始してから６００秒を経過するまでは２００℃付近に到達しない。このように、運転を開始してから６００秒を経過するまでの期間では、ＳＣＲ１５の温度が、尿素水からＮＨ_３が生成されるために必要な温度（２００℃付近）に到達しないので、尿素水噴射部２２から尿素水を噴射しても、この尿素水からＮＨ_３を生成することはできない。しかし、運転を開始してから３００秒を経過するまでの期間においては、ＤＯＣ１３の温度も十分に上昇しておらず、ＤＯＣ１３の活性温度（２００℃付近）に到達していない。つまり、ＤＯＣ１３が活性化してないので、ＤＯＣ１３における酸化反応が十分に進行しない。よって、このように下流側の触媒の温度が十分に上昇するまでの期間においては、ＳＣＲ１１を通過した排気ガスＧ中のＮＨ_３の多くは、ＤＯＣ１３において酸化されずに、ＤＯＣ１３から流出することとなる。

図６は、ＤＯＣ１３の入口に流入する排気ガスＧの温度、及びＤＯＣ１３の出口から流出する排気ガスＧ中の各成分の濃度を時系列で示すグラフである。図６において、横軸は、車両の運転時間を示し、左縦軸は、ＤＯＣ１３の出口から流出する排気ガスＧ中の各成分の濃度を示し、右縦軸は、ＤＯＣ１３の入口に流入する排気ガスＧの温度を示している。図６において、「ガス温度」は、ＤＯＣ１３の入口に流入する排気ガスＧの温度（すなわちＤＯＣ１３の入口の温度）を示し、「ＮＨ_３」は、ＤＯＣ１３の出口から流出する排気ガスＧ中のＮＨ_３の濃度を示し、「ＮＯ」は、ＤＯＣ１３の出口から流出する排気ガスＧ中のＮＯの濃度を示し、「ＮＯ_２」は、ＤＯＣ１３の出口から流出する排気ガスＧ中のＮＯ_２の濃度を示し、「Ｎ_２Ｏ」は、ＤＯＣ１３の出口から流出する排気ガスＧ中のＮ_２Ｏの濃度を示している。

図６に示すように、「ガス温度」が２００℃付近に到達するまでの期間において、ＮＨ_３の濃度が極端に高くなっており、ＮＯ、ＮＯ_２、及びＮ_２Ｏの濃度は低い状態となっている。そして、「ガス温度」が２００℃付近を超えると、ＮＨ_３の濃度が極端に低下し、ＮＯ、ＮＯ_２、及びＮ_２Ｏの濃度が増加する。これは、ＤＯＣ１３の温度が２００℃付近に到達するまでの期間においては、ＤＯＣ１３に流入した排気ガスＧ中のＮＨ_３の多くが、ＤＯＣ１３によってＮＯ、ＮＯ_２、及びＮ_２Ｏ等のＮＯｘに酸化されずに、ＤＯＣ１３から流出していることを意味している。一方、ＤＯＣ１３の温度が２００℃付近を超えると、排気ガスＧ中のＮＨ_３がＤＯＣ１３によってＮＯｘに酸化されるので、ＮＨ_３の濃度が低下すると共にＮＯｘの濃度が増加する。このように、ＤＯＣ１３の温度が活性温度である２００℃付近に到達するまでの期間においては、排気ガスＧ中のＮＨ_３の多くは、ＤＯＣ１３において酸化されずに、そのままＤＯＣ１３の下流側に流出することが分かる。そして、ＤＯＣ１３の下流側に流出したＮＨ_３は、ＤＰＦ１４を経てＳＣＲ１５に供給される。したがって、この期間を利用してＳＣＲ１５へＮＨ_３を積極的にリークさせれば、ＳＣＲ１５において、リークしたＮＨ_３を用いたＮＯｘの還元反応を進行させることができると考えられる。

そこで、本実施形態に係る排気浄化装置１では、ＤＯＣ１３の温度が活性温度以上である場合に、尿素水噴射部２２から尿素水を噴射させずに、尿素水噴射部２１から噴射させる予定の第１の噴射量に、尿素水噴射部２２から噴射させる予定の第２の噴射量を加えた量の尿素水を、尿素水噴射部２１から噴射させる。このように、ＳＣＲ１１において処理しきれない余剰の尿素水を尿素水噴射部２１から噴射させることにより、尿素水から生成されるＮＨ_３をＳＣＲ１１の下流側に積極的にリークさせることができる。そして、リークしたＮＨ_３の多くは、ＤＯＣ１３の温度が活性温度未満である場合、ＤＯＣ１３において酸化されずにＳＣＲ１５に供給されるので、ＳＣＲ１５においてＮＯｘの還元反応を進行させることができる。つまり、下流側の排気ガスＧの温度が十分に上昇するまでの期間において、ＮＯｘの還元反応を効率的に進行させることができる。したがって、本実施形態に係る排気浄化装置１によれば、ＮＯｘの浄化効率を向上させることができる。

本実施形態に係る排気浄化装置１では、制御部２３は、センサ３２により検出されたＤＯＣ１３の温度がＤＯＣ１３の活性温度以上である場合に、尿素水噴射部２１から第１の噴射量の尿素水を噴射させ、尿素水噴射部２２から第２の噴射量の尿素水を噴射させる。ＤＯＣ１３の温度がＤＯＣ１３の活性温度以上である場合、ＤＯＣ１３にＮＨ_３がリークすると、ＤＯＣ１３において、リークしたＮＨ_３は、浄化され難く且つ有害性の高いＮ_２Ｏに酸化されてしまう。そこで、尿素水噴射部２１から、余剰の尿素水ではなく、予定量（第１の噴射量）の尿素水を噴射させることにより、ＤＯＣ１３へのＮＨ_３のリークを抑制している。これにより、ＤＯＣ１３においてＮ_２Ｏが生成されてしまう事態を抑制できる。また、ＤＯＣ１３の温度がＤＯＣ１３の活性温度以上である場合には、ＳＣＲ１５の付近にて尿素水からＮＨ_３を生成できる。よって、尿素水噴射部２２から予定量（第２の噴射量）の尿素水を噴射させることで、ＳＣＲ１５においてＮＯｘの還元反応を進行させることができる。

本実施形態に係る排気浄化装置１では、ＳＣＲ１５の上流側部分１５ａはＦｅ系ＳＣＲであり、ＳＣＲ１５の下流側部分１５ｂはＣｕ系ＳＣＲである。ＡＳＣ１２を通過した排気ガスＧ中のＮＯは、ＤＯＣ１３によってＮＯ_２に酸化されるので、ＳＣＲ１５の上流側部分１５ａには、ＮＯ_２の割合が増加した状態（例えば、ＮＯ及びＮＯ_２の割合が同程度の状態）の排気ガスＧが流入する。このようにＮＯ及びＮＯ_２が共存する環境下においては、上述したようにＦｅ系ＳＣＲを用いることが好適である。したがって、ＳＣＲ１５の上流側部分１５ａをＦｅ系ＳＣＲとすることにより、上流側部分１５ａにおいて、ＮＯｘの還元反応を十分に進行させることができ、ＮＯｘを効率的に浄化することができる。

一方、Ｆｅ系ＳＣＲは、ＮＯのみが存在する（或いはＮＯの割合が高い）環境下においては、ＮＯｘの還元反応を十分に進行させることができない。このため、仮に、ＮＯの割合がＮＯ_２の割合に対して比較的高い状態の排気ガスＧが上流側部分１５ａに流入した場合には、Ｆｅ系ＳＣＲにおけるＮＯｘの還元反応の際にＮＯが還元しきれず、ＮＯが排気ガスＧ中に残存してしまうことが想定される。これに対し、Ｃｕ系ＳＣＲは、上述したように、ＮＯのみが存在する（或いはＮＯの割合が高い）環境下において、ＮＯｘの還元反応を十分に進行させることができる。よって、ＳＣＲ１５の下流側部分１５ｂをＣｕ系ＳＣＲとすることにより、Ｆｅ系ＳＣＲを通過した排気ガスＧ中のＮＯｘを効率的に浄化することができる。更に、ＳＣＲ１５の上流側部分１５ａにおいてＮＯ及びＮＯ_２等が浄化されることで、ＳＣＲ１５の下流側部分１５ｂ（Ｃｕ系ＳＣＲ）に流入する排気ガスＧ中のＮＯ及びＮＯ_２等が減少する。このように、Ｃｕ系ＳＣＲに流入するＮＯ_２を減少させることで、Ｃｕ系ＳＣＲにおいて、浄化され難く且つ有害性の高いＮ_２Ｏが多く生成されてしまう事態を抑制できる。したがって、本実施形態に係る排気浄化装置１によれば、排気ガスＧ中のＮＯｘの浄化効率を一層向上させることができる。

本実施形態に係る排気浄化装置１は、排気通路５におけるＳＣＲ１１とＤＯＣ１３との間に配置されたＡＳＣ１２を備えている。上述したように、Ｃｕ系ＳＣＲであるＳＣＲ１１は、ＮＨ_３を多く吸着する性質を有するため、尿素水から生成されたＮＨ_３の多くはＳＣＲ１１に吸着し、ＳＣＲ１１に吸着したＮＨ_３は、エンジン２から排出された直後の排気ガスＧによる急激な温度上昇によって、ＳＣＲ１１からリークする。ＳＣＲ１１とＤＯＣ１３との間にＡＳＣ１２が配置されると、リークしたＮＨ_３は、ＡＳＣ１２によって低減された後、ＤＯＣ１３に流入する。これにより、ＤＯＣ１３において、リークしたＮＨ_３が、浄化され難く且つ有害性の高いＮ_２Ｏに酸化されてしまう事態を抑制できる。その結果、ＮＯｘの浄化効率を一層向上させることができる。

本実施形態に係る排気浄化装置１は、排気通路５におけるＳＣＲ１５の下流側に配置されたＡＳＣ１６を備えている。これにより、排気ガスＧ中のＮＨ_３は、ＡＳＣ１６によってＮＯ及びＮＯ_２等のＮＯｘに酸化された後、排気浄化装置１の外部に排出されるので、有害物質であるＮＨ_３が大気中に放出されてしまう事態を抑制できる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。排気浄化装置の構成は、上述した実施形態に限られず、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、排気浄化装置は、ＡＳＣ１２及びＡＳＣ１６を備えていなくてもよいし、ＡＳＣ１２及びＡＳＣ１６のいずれか一方のみを備えていてもよい。ＡＳＣ１２は、ＡＳＣ１６と同様の構成を有していてもよい。すなわち、ＡＳＣ１２は、酸化部１２ａのみを有していてもよい。逆に、ＡＳＣ１６は、ＡＳＣ１２と同様に、酸化部１２ａ及び還元部１２ｂを有していてもよい。尿素水噴射部２１、尿素水噴射部２２、センサ３１、及びセンサ３２の配置は、適宜変更可能である。例えば、センサ３１は、尿素水噴射部２１の下流側に配置されていてもよいし、センサ３２は、尿素水噴射部２２の下流側に配置されていてもよい。排気浄化装置は、センサ３１を備えていなくてもよい。下流側のセンサ３２により検出された温度が第２の温度以上である場合、上流側のセンサ３１により検出された温度は第１の温度以上になっていると考えられるので、制御部２３は、センサ３２により検出された温度のみに基づいて、尿素水噴射部２１及び尿素水噴射部２２を制御してもよい。すなわち、制御部２３は、センサ３２により検出された温度が第２の温度以上である場合に、尿素水噴射部２１及び尿素水噴射部２２から、それぞれ第１の噴射量の尿素水、及び第２の噴射量の尿素水を噴射させてもよい。

１…排気浄化装置、２…エンジン、５…排気通路、１１…ＳＣＲ（第１の還元触媒）、１２…ＡＳＣ（第１のアンモニアスリップ触媒）、１３…ＤＯＣ（酸化触媒）、１４…ＤＰＦ（フィルタ）、１５…ＳＣＲ（第２の還元触媒）、１５ａ…上流側部分、１５ｂ…下流側部分、１６…ＡＳＣ（第２のアンモニアスリップ触媒）、２１…尿素水噴射部（第１の還元剤噴射部）、２２…尿素水噴射部（第２の還元剤噴射部）、２３…制御部、３２…センサ、Ｇ…排気ガス。

Claims (5)

1. エンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置であって、
   前記排気ガスが流れる排気通路に配置され、前記排気ガスに含まれるＮＯｘを還元する第１の還元触媒と、
   前記排気通路における前記第１の還元触媒の下流側に配置され、少なくとも前記ＮＯｘのうちＮＯを酸化する酸化触媒と、
   前記排気通路における前記酸化触媒の下流側に配置され、前記排気ガスに含まれる粒子状物質を捕集するフィルタと、
   前記排気通路における前記フィルタの下流側に配置され、前記排気ガスに含まれるＮＯｘを還元する第２の還元触媒と、
   前記排気通路における前記第１の還元触媒の上流側に配置され、前記排気ガスに還元剤を噴射可能に構成された第１の還元剤噴射部と、
   前記排気通路における前記フィルタと前記第２の還元触媒との間に配置され、前記排気ガスに還元剤を噴射可能に構成された第２の還元剤噴射部と、
   前記酸化触媒の温度を検出するセンサと、
   前記センサにより検出された前記酸化触媒の温度に基づいて、前記第１の還元剤噴射部及び第２の還元剤噴射部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記第１の還元触媒は、銅（Ｃｕ）を含有し、
   前記制御部は、前記センサにより検出された前記酸化触媒の温度が前記酸化触媒の活性温度未満である場合には、前記第２の還元剤噴射部から前記還元剤を噴射させずに、前記第１の還元剤噴射部から噴射させる予定の第１の噴射量に、前記第２の還元剤噴射部から噴射させる予定の第２の噴射量を加えた量の前記還元剤を前記第１の還元剤噴射部から噴射させる、排気浄化装置。
2. 前記制御部は、前記センサにより検出された前記酸化触媒の温度が前記酸化触媒の活性温度以上である場合には、前記第１の還元剤噴射部から前記第１の噴射量の前記還元剤を噴射させ、前記第２の還元剤噴射部から前記第２の噴射量の前記還元剤を噴射させる、請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記第２の還元触媒の上流側部分は、鉄（Ｆｅ）を含有し、
   前記第２の還元触媒の下流側部分は、銅（Ｃｕ）を含有する、請求項１又は２に記載の排気浄化装置。
4. 前記排気通路における前記第１の還元触媒と前記酸化触媒との間に配置された第１のアンモニアスリップ触媒を更に備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。
5. 前記排気通路における前記第２の還元触媒の下流側に配置された第２のアンモニアスリップ触媒を更に備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。

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