(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置し、前記パティキュレートフィルタは、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、前記排気ガス流入通路内に流入した排気ガスが前記隔壁を通って前記排気ガス流出通路内に流出する、内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタが更に、粒子状物質通過率があらかじめ定められた第１の通過率よりも高いＮＯｘ選択還元触媒の層と、粒子状物質通過率が前記第１の通過率よりも低い酸化触媒の層と、を有し、前記隔壁の前記排気ガス流入通路側の表面上において、前記排気ガス流入通路から前記隔壁を介し前記排気ガス流出通路に到る排気ガス流れに関し、下流側に前記酸化触媒の層を配置すると共に、最も上流側に前記ＮＯｘ選択還元触媒の層を配置した、内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記酸化触媒の層の粒子状物質通過率は前記隔壁の粒子状物質通過率とほぼ同じである、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記ＮＯｘ選択還元触媒の層の粒子状物質通過率は前記第１の通過率よりも高い第２の通過率よりも高い、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記パティキュレートフィルタに還元剤又は還元剤発生物を供給する添加弁が設けられ、前記ＮＯｘ選択還元触媒は、前記添加弁から供給された前記還元剤を用いてＮＯｘを還元するか、又は、前記添加弁から供給された前記還元剤発生物から還元剤を発生すると共に前記還元剤によりＮＯｘを還元する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記還元剤発生物がアンモニア発生化合物から構成され、前記ＮＯｘ選択還元触媒が、酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する触媒であって前記触媒に供給されたアンモニア発生化合物の少なくとも一部を前記触媒内に貯蔵すると共に前記触媒内に貯蔵されているアンモニア発生化合物からアンモニアを生成して前記アンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する機能を有する触媒から構成される、請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記パティキュレートフィルタが前記ＮＯｘ選択還元触媒の層とは異なる別のＮＯｘ選択還元触媒の層を更に有し、前記別のＮＯｘ選択還元触媒の層が前記酸化触媒の層の下流側に配置され、前記別のＮＯｘ選択還元触媒のＮＯｘ還元ウィンドウが、前記ＮＯｘ選択還元触媒のＮＯｘ還元ウィンドウよりも低温側にあると共に、前記酸化触媒の還元剤酸化ウィンドウよりも低温側にある、請求項１から５までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
前記別のＮＯｘ選択還元触媒の層が前記酸化触媒の層と前記隔壁の前記排気ガス流入通路側の表面との間に配置される、請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項８】
前記別のＮＯｘ選択還元触媒の層の粒子状物質通過率が前記第１の通過率よりも低い、請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項９】
前記別のＮＯｘ選択還元触媒の層の細孔径が２０μｍ以下である、請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１０】
前記ＮＯｘ選択還元触媒の層の細孔径が４０μｍ以上である、請求項１から９までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項１１】
前記酸化触媒の層の細孔径が２０μｍ以下である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関から排出された排気ガスを浄化する触媒装置であって、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の基材とを備え、排気ガス流入通路内に流入した排気ガスが基材を通って排気ガス流出通路内に流出するようになっており、粒子状物質を捕集する捕集層を基材の排気ガス流入通路側の表面上に形成し、酸素過剰のもとで還元剤によりＮＯｘを還元するＮＯｘ選択還元触媒の層を基材の細孔内に形成し、酸化触媒の層を基材の排気ガス流出通路側の表面上に形成した、触媒装置が公知である（例えば特許文献１参照）。この触媒装置には尿素が供給されるようになっており、この尿素から生成されるアンモニアが還元剤として用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２３７２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、粒子状物質は捕集層により捕集される。しかしながら、この捕集層には酸化触媒が担持されていない。また、基材の排気ガス流出通路側の表面上に形成された酸化触媒の層は捕集層から分離されている。その結果、捕集層に捕集された粒子状物質を酸化除去することが困難であるという問題点がある。捕集層に酸化触媒を担持した場合にはこの問題は解決できるかもしれない。ところが、この場合、還元剤がＮＯｘ選択還元触媒に到達する前に、捕集層の酸化触媒により酸化ないし消費され、したがってＮＯｘを良好に還元できないおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタを機関排気通路内に配置し、前記パティキュレートフィルタは、交互に配置された排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路と、これら排気ガス流入通路及び排気ガス流出通路を互いに隔てる多孔性の隔壁とを備え、前記排気ガス流入通路内に流入した排気ガスが前記隔壁を通って前記排気ガス流出通路内に流出する、内燃機関の排気浄化装置において、前記パティキュレートフィルタが更に、粒子状物質通過率があらかじめ定められた第１の通過率よりも高いＮＯｘ選択還元触媒の層と、粒子状物質通過率が前記第１の通過率よりも低い酸化触媒の層と、を有し、前記隔壁の前記排気ガス流入通路側の表面上において、前記排気ガス流入通路から前記隔壁を介し前記排気ガス流出通路に到る排気ガス流れに関し、下流側に前記酸化触媒の層を配置すると共に、上流側に前記ＮＯｘ選択還元触媒の層を配置した、内燃機関の排気浄化装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
ＮＯｘを良好に還元しつつ粒子状物質を良好に酸化除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２Ａ】パティキュレートフィルタの正面図である。
【図２Ｂ】パティキュレートフィルタの側面断面図である。
【図３】パティキュレートフィルタの隔壁の部分拡大断面図である。
【図４】細孔径と粒子状物質通過率との関係を説明する線図である。
【図５】本発明による実施例を説明する、隔壁の部分拡大断面図である。
【図６】本発明による別の実施例を説明する隔壁の部分拡大断面である。
【図７】ＮＯｘ選択還元触媒のウィンドウ、別のＮＯｘ還元触媒のＮＯｘ還元ウィンドウ、及び、酸化触媒の還元剤酸化ウィンドウを説明する線図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１を参照すると、１は圧縮着火式内燃機関の本体、２は各気筒の燃焼室、３は燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電磁制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ｃの出口に連結され、コンプレッサ７ｃの入口は吸気導入管８を介してエアフロメータ９及びエアクリーナ１０に順次連結される。吸気ダクト６内には電気制御式スロットル弁１１が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１２が配置される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｔの入口に連結され、排気タービン７ｔの出口は排気後処理装置２０に連結される。
【０００９】
各燃料噴射弁３は燃料供給管１３を介してコモンレール１４に連結され、このコモンレール１４は電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１５を介して燃料タンク１６に連結される。燃料タンク１６内の燃料は燃料ポンプ１５によってコモンレール１４内に供給され、コモンレール１４内に供給された燃料は各燃料供給管１３を介して燃料噴射弁３に供給される。図１に示される実施例ではこの燃料は軽油から構成される。図示しない別の実施例では、内燃機関はリーン空燃比のもとで燃焼が行われる火花点火式内燃機関から構成される。この場合には燃料はガソリンから構成される。
【００１０】
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲという。）通路１７を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１７内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１８が配置される。また、ＥＧＲ通路１７周りにはＥＧＲ通路１７内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置１９が配置される。
【００１１】
排気後処理装置２０は排気タービン７ｔの出口に連結された排気管２１を具備し、この排気管２１はケーシング２２に連結される。ケーシング２２内には、排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ２３が配置される。詳しくは後述するが、パティキュレートフィルタ２３は、酸化触媒の層と、酸素過剰のもとで還元剤によりＮＯｘを還元するＮＯｘ選択還元触媒の層とを備えている。また、パティキュレートフィルタ２３上流に位置する排気管２１には、還元剤を発生しうる還元剤発生物をパティキュレートフィルタ２３に供給する電磁式の添加弁２４が取り付けられる。添加弁２４は電動ポンプ２５を介してタンク２６に連結される。タンク２６内には還元剤発生物が例えば液体の形で貯蔵されており、タンク２６内の還元剤発生物は電動ポンプ２５によって添加弁２４に供給され、次いで添加弁２４によってパティキュレートフィルタ２３に供給される。
【００１２】
本発明による実施例では、還元剤としてアンモニアが用いられ、還元剤発生物として、アンモニアを発生しうるアンモニア発生化合物が用いられる。アンモニア発生化合物として使用可能な化合物には種々の化合物が存在する。本発明による実施例では、アンモニア発生化合物として尿素が用いられる。この場合、尿素は尿素水溶液の形で、タンク２６内に貯蔵されると共に添加弁２４から噴射される。図示しない別の実施例では、タンク２６内には還元剤が貯蔵され、添加弁２４から還元剤が供給される。この場合、還元剤として、例えば炭化水素（燃料）が用いられる。
【００１３】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。パティキュレートフィルタ２３下流のケーシング２２内には、パティキュレートフィルタ２３から流出する排気ガスの温度を検出する温度センサ２７が取り付けられる。この排気ガスの温度はパティキュレートフィルタ２３の温度を表している。また、ケーシング２２にはパティキュレートフィルタ２３の前後差圧を検出する差圧センサ２８が取り付けられる。エアフロメータ９、温度センサ２７及び差圧センサ２８の出力電圧はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに、クランクシャフトが例えば３０度回転するごとに出力パルスを発生するクランク角センサ４１が入力ポート３５に接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１からの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１１の駆動装置、燃料ポンプ１５、ＥＧＲ制御弁１８、添加弁２４、及び電動ポンプ２５に接続される。
【００１４】
図２Ａ及び図２Ｂはウォールフロー型パティキュレートフィルタ２３の構造を示している。なお、図２Ａはパティキュレートフィルタ２３の正面図を示しており、図２Ｂはパティキュレートフィルタ２３の側面断面図を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示されるようにパティキュレートフィルタ２３はハニカム構造をなしており、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路７１ｉ，７１ｏと、これら排気流通路７１ｉ，７１ｏを互いに隔てる隔壁７２とを具備する。図２Ａに示される実施例では、排気流通路７１ｉ，７１ｏは、上流端が開放されかつ下流端が栓７３ｄにより閉塞された排気ガス流入通路７１ｉと、上流端が栓７３ｕにより閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路７１ｏとにより構成される。なお、図２Ａにおいてハッチングを付した部分は栓７３ｕを示している。したがって、排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは薄肉の隔壁７２を介して交互に配置される。云い換えると排気ガス流入通路７１ｉ及び排気ガス流出通路７１ｏは各排気ガス流入通路７１ｉが４つの排気ガス流出通路７１ｏによって包囲され、各排気ガス流出通路７１ｏが４つの排気ガス流入通路７１ｉによって包囲されるように配置される。
【００１５】
隔壁７２は多孔質材料、例えばコージェライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、ムライト、リチウムアルミニウムシリケート、リン酸ジルコニウムのようなセラミックから形成される。したがって、図２Ｂに矢印で示されるように、排気ガスはまず排気ガス流入通路７１ｉ内に流入し、次いで周囲の隔壁７２内を通って隣接する排気ガス流出通路７１ｏ内に流出する。
【００１６】
図示しない別の実施例では、排気流通路は、上流端及び下流端が開放された排気ガス流入通路と、上流端が栓により閉塞されかつ下流端が開放された排気ガス流出通路とにより構成される。この例でも、排気ガス流入通路７１ｉ内に流入した排気ガスの全部又は一部が隔壁７２内を通って排気ガス流出通路７１ｏ内に流出する。
【００１７】
図３はパティキュレートフィルタ２３の隔壁７２の部分拡大断面図を示している。図３に示される例では、パティキュレートフィルタ２３は、酸化触媒８０ａの層８０と、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１とを有する。隔壁７２の排気ガス流入通路７１ｉ側の表面７２ｉ上において、これら酸化触媒８０ａの層８０及びＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１は互いに積層される。この場合、排気ガス流入通路７１ｉから隔壁７２を介し排気ガス流出通路７１ｏに到る排気ガス流れに関し、上流側にＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１が配置され、下流側に酸化触媒８０ａの層８０が配置される。すなわち、図３に示される例では、隔壁７２の排気ガス流入通路７１ｉ側の表面７２ｉ上に酸化触媒８０ａの層８０が形成され、酸化触媒８０ａの層８０上にＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１が形成される。図示しない別の実施例では、酸化触媒８０ａの層８０上に少なくとも１つの中間層が形成され、中間層の上にＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１が形成される。
【００１８】
酸化触媒８０ａとして、酸化機能を有する種々の触媒が用いられる。本発明による実施例では、酸化触媒８０ａとして、アルミナからなる担体上に、白金Ｐｔのような貴金属と、セリアのような活性酸素を放出しうる活性酸素放出剤とを担持させた触媒が用いられる。このようにすると、酸化触媒８０ａが粒子状物質を酸化できる温度を、加速運転や減速運転を含む通常の機関運転中にパティキュレートフィルタ２３が達する最高温度よりも低くすることができる。すなわち、パティキュレートフィルタ２３の温度を上昇させる昇温制御を行うことなく、通常運転時にパティキュレートフィルタ２３上に捕集された粒子状物質を酸化除去することができる。なお、昇温制御は、例えば、パティキュレートフィルタ２３に流入する排気ガス中に添加された追加の燃料を燃焼させることにより行うこともできるし、パティキュレートフィルタ２３上流の排気通路内に配置された電気ヒータを作動させることにより行うこともできる。
【００１９】
一方、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａとして、添加弁２４から供給された還元剤を用いてＮＯｘを還元するか、又は、添加弁２４から供給された還元剤発生物から還元剤を発生すると共に還元剤によりＮＯｘを還元する種々の触媒が用いられる。上述したように、本発明による実施例では、添加弁２４から還元剤発生物が供給され、還元剤発生物から発生する還元剤によりＮＯｘが還元される。また、本発明による実施例では、還元剤発生物として尿素が用いられ、還元剤としてアンモニアが用いられる。この場合、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａとして、酸素過剰のもとでアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する触媒であって前記触媒に供給されたアンモニア発生化合物の少なくとも一部を前記触媒内に貯蔵すると共に前記触媒内に貯蔵されているアンモニア発生化合物からアンモニアを生成してアンモニアにより排気ガス中のＮＯｘを還元する機能を有する触媒が用いられる。具体的には、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａとして、チタニアＴｉＯ２からなる担体上に酸化バナジウムＶ２Ｏ５を担持した触媒、又は、ゼオライトＺＳＭ５からなる担体上に銅Ｃｕを担持した触媒が用いられる。
【００２０】
酸化触媒８０ａの層８０及びＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１はそれぞれコーティングにより形成され、したがって多孔性を有している。図４は、パティキュレートフィルタ２３への流入排気ガス量が一定に維持されているときの、パティキュレートフィルタ２３の隔壁７２、酸化触媒８０ａの層８０及びＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１のような多孔性部材の細孔径ｄＭＰ（平均径）と、多孔性部材の粒子状物質通過率ＲＰとの関係の一例を示している。ここで、粒子状物質通過率ＲＰは多孔性部材に流入した粒子状物質の量に対する多孔性部材から流出した粒子状物質の量の比を表している。図４からわかるように、多孔性部材の細孔径ｄＭＰが大きくなるにつれて粒子状物質通過率ＲＰは高くなる。また、細孔径ｄＭＰが第１の細孔径ｄＭＰＡよりも小さいと粒子状物質通過率ＲＰはあらかじめ定められた第１の通過率ＲＰＡよりも低くなり、細孔径ｄＭＰが第１の細孔径ｄＭＰＡよりも大きいと粒子状物質通過率ＲＰは第１の通過率ＲＰＡよりも高くなる。更に、細孔径ｄＭＰが第２の細孔径ｄＭＰＳ（＞ｄＭＰＡ）よりも小さいと粒子状物質通過率ＲＰは第２の通過率ＲＰＳ（＞ＲＰＡ）よりも低くなり、細孔径ｄＭＰが第２の細孔径ｄＭＰＳよりも大きいと粒子状物質通過率ＲＰは第２の通過率ＲＰＳよりも高くなる。なお、本発明による実施例では、細孔径（平均径）は水銀圧入法により得られた細孔径分布のメディアン径（５０％径）を意味する。
【００２１】
図４に示される例では、第１の細孔径ｄＭＰＡは２５μｍ程度であり、第１の通過率ＲＰＡは１０パーセント程度である。また、第２の細孔径ｄＭＰＳは３５μｍ程度であり、第２の通過率ＲＰＳは９０パーセント程度である。すなわち、多孔質部材の細孔径が第１の細孔径ｄＭＰＡよりも小さいと、粒子状物質の大部分が多孔質部材に捕集され、多孔質部材の細孔径が第２の細孔径ｄＭＰＳよりも大きいと、粒子状物質の大部分が多孔質部材を通過する。
【００２２】
本発明による実施例では、パティキュレートフィルタ２３の隔壁７２の細孔径は第１の細孔径ｄＭＰＡよりも小さく、したがって隔壁７２の粒子状物質通過率は第１の通過率ＲＰＡよりも低い。具体的には、隔壁７２の細孔径は２０μｍ以下、好ましくは１０から２０μｍ程度である。
【００２３】
また、本発明による実施例では、酸化触媒８０ａの層８０の細孔径は隔壁７２の細孔径とほぼ同じであり、したがって酸化触媒８０ａの層８０の粒子状物質通過率は隔壁７２の粒子状物質通過率とほぼ同じである。すなわち、酸化触媒８０ａの層８０の細孔径は第１の細孔径ｄＭＰＡよりも小さく、したがって酸化触媒８０ａの層８０の粒子状物質通過率は第１の通過率ＲＰＡよりも低い。具体的には、酸化触媒８０ａの層８０の細孔径は２０μｍ以下、好ましくは１０から２０μｍ程度である。図示しない別の実施例では、酸化触媒８０ａの層８０の細孔径は隔壁７２の細孔径よりも小さい。図示しない更に別の実施例では、酸化触媒８０ａの層８０の細孔径は隔壁７２の細孔径よりも大きくかつ第１の細孔径ｄＭＰＡよりも小さい。図示しない更に別の実施例では、酸化触媒８０ａの層８０の細孔径は第１の細孔径ｄＭＰＡよりも大きい。
【００２４】
本発明による実施例では更に、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の細孔径は第１の細孔径ｄＭＰＡよりも大きく、したがってＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の粒子状物質通過率は第１の通過率ＲＰＡよりも高い。言い換えると、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の細孔径は隔壁７２及び酸化触媒８０ａの層８０の細孔径よりも大きく、したがってＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の粒子状物質通過率は隔壁７２及び酸化触媒８０ａの層８０の粒子状物質通過率よりも高い。特に、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の細孔径は第２の細孔径ｄＭＰＳよりも大きく、したがってＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の粒子状物質通過率は第２の通過率ＲＰＳよりも高い。具体的には、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の細孔径は４０μｍ以上、好ましくは４０μｍ程度である。
【００２５】
したがって、概略的に言うと、粒子状物質がほとんど通過できないように隔壁７２及び酸化触媒８０ａの層８０の細孔径が設定され、粒子状物質がほとんど通過できるようにＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の細孔径が設定される、ということになる。
【００２６】
さて、図１に示される内燃機関では酸素過剰のもとで燃焼が行われており、排気ガス中には過剰酸素が含まれている。過剰酸素を含んでいる排気ガス中に尿素水溶液を供給すると排気ガス中に含まれるＮＯはＮＯｘ選択還元触媒８１ａ上において尿素ＣＯ（ＮＨ２）２から発生するアンモニアＮＨ３により還元される（例えば２ＮＨ３＋２ＮＯ＋（１／２）Ｏ２→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ）。
【００２７】
すなわち、供給された尿素水溶液中の尿素はまずＮＯｘ選択還元触媒８１ａ上に付着する。このときＮＯｘ選択還元触媒８１ａの温度が例えばほぼ３５０℃以上のように高ければ尿素が一気に熱分解してアンモニアが発生される。
【００２８】
一方、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの温度がほぼ１３２℃からほぼ３５０℃までのときには尿素がＮＯｘ選択還元触媒８１ａ内にいったん貯蔵され、次いでＮＯｘ選択還元触媒８１ａ内に貯蔵されている尿素からアンモニアが少しずつ発生され放出される。この場合のアンモニア発生はＮＯｘ選択還元触媒８１ａ上において尿素が形態変化するためであると考えられている。すなわち、尿素はほぼ１３２℃においてビウレットに変化し、ビウレットはほぼ１９０℃においてシアヌル酸に変化し、シアヌル酸はほぼ３６０℃においてシアン酸又はイソシアン酸に変化する。あるいは、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａ内に貯蔵されてからの経過時間が長くなるにつれて尿素はビウレットに変化し、ビウレットはシアヌル酸に変化し、シアヌル酸はシアン酸又はイソシアン酸に変化する。このような形態変化の過程で少しずつアンモニアが発生するものと考えられている。
【００２９】
ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの温度が尿素の熱分解温度であるほぼ１３２℃以下のときにＮＯｘ選択還元触媒８１ａに尿素水溶液を供給すると尿素水溶液中の尿素はＮＯｘ選択還元触媒８１ａ内に貯蔵され、このとき貯蔵された尿素からはアンモニアはほとんど発生しない。しかしながら、その後に例えば機関加速運転が行われてＮＯｘ選択還元触媒８１ａの温度が高くなると、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａ内に貯蔵されている尿素からアンモニアが少しずつ発生され放出される。
【００３０】
すなわち、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａでは、尿素が熱分解するか又はＮＯｘ選択還元触媒８１ａ内にいったん貯蔵された後に形態変化することによってアンモニアが発生し、発生したアンモニアによりＮＯｘが還元される。本発明による実施例では、このようにしてＮＯｘ選択還元触媒８１ａで発生されるアンモニアの量がＮＯｘ選択還元触媒８１ａ内に流入するＮＯｘ量の全量を還元するのに必要な量にほぼ一致するように、添加弁２４から尿素水溶液が供給される。
【００３１】
本発明による実施例では上述したように、酸化触媒８０ａの層８０がＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の下流に配置される。その結果、図５にＲで示される尿素ないしアンモニアが酸化触媒８０ａにより酸化ないし消費されることなく、確実にＮＯｘ選択還元触媒８１ａに到達する。したがって、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａによりＮＯｘを確実に浄化することができる。
【００３２】
一方、排気ガス中に含まれる粒子状物質はパティキュレートフィルタ２３上に捕集される。本発明による実施例では上述したように、粒子状物質がほとんど通過できるようにＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の細孔径が設定されている。その結果、図５にＰで示される粒子状物質の大部分はＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１を通過する。したがって、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１が粒子状物質により覆われるのが抑制され、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの還元作用が粒子状物質により阻害されるのが抑制される。すなわち、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１が粒子状物質により覆われると、尿素ないしアンモニアとＮＯｘとがＮＯｘ選択還元触媒８１ａに接触するのが困難となり、ＮＯｘが還元されるのが困難になる。本発明による実施例では、尿素ないしアンモニアとＮＯｘとがＮＯｘ選択還元触媒８１ａに確実に接触できる。
【００３３】
また、本発明による実施例では、これも上述したように、粒子状物質がほとんど通過できないように隔壁７２及び酸化触媒８０ａの層８０の細孔径が設定されている。その結果、図５にＰで示される粒子状物質の大部分は酸化触媒８０ａの層８０のＮＯｘ選択還元触媒８１ａ側の表面又は細孔内に捕集される。粒子状物質が酸化触媒８０ａの層８０を通過したとしても、粒子状物質は隔壁７２の酸化触媒８０ａ側の表面又は細孔内に捕集される。次いで、パティキュレートフィルタ２３の温度が高くなると、粒子状物質は酸化触媒８０ａにより酸化除去される。したがって、粒子状物質が確実に捕集され、確実に酸化除去される。
【００３４】
図６は本発明による別の実施例を示している。図６を参照すると、パティキュレートフィルタ２３は、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１とは異なる別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２を更に備えている。別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａとして、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａと同様に、チタニアＴｉＯ２からなる担体上に酸化バナジウムＶ２Ｏ５を担持した触媒、又は、ゼオライトＺＳＭ５からなる担体上に銅Ｃｕを担持した触媒が用いられる。
【００３５】
図６に示される実施例では、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２は、酸化触媒８０ａの層８０と隔壁７２の排気ガス流入通路７１ｉ側の表面７２ｉとの間に配置される。すなわち、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２は、排気ガス流入通路７１ｉから隔壁７２を介し排気ガス流出通路７１ｏに到る排気ガス流れに関し、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２は酸化触媒８０ａの層８０の下流側でかつ隔壁７２の上流側に配置される。図示しない別の実施例では、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２は隔壁７２の排気ガス流出通路７１ｏ側の表面上、すなわち隔壁７２の下流側に配置される。
【００３６】
酸化触媒８０ａの温度、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの温度、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの温度、及び、パティキュレートフィルタ２３の温度はほぼ同一であるのでこれを触媒温度と称すると、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元率は触媒温度に応じて変動する。また、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元率も触媒温度に応じて変動する。なお、ＮＯｘ還元率は、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａ又は別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａに流入したＮＯｘの量に対するＮＯｘ選択還元触媒８１ａ又は別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａにより還元されたＮＯｘの量の比である。ＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元率があらかじめ定められた目標ＮＯｘ還元率よりも高い触媒温度範囲をＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元ウィンドウと称し、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元率が目標ＮＯｘ還元率よりも高い触媒温度範囲を別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウと称すると、本発明による別の実施例では、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウがＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元ウィンドウよりも低温側にある。
【００３７】
すなわち、図７に示されるように、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元率ＲＲ１は、触媒温度が下限温度ＴＲ１Ｌから上限温度ＴＲ１Ｕまでであると、目標ＮＯｘ還元率ＲＲＴよりも高くなる。したがって、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ１は下限温度ＴＲ１Ｌから上限温度ＴＲ１Ｕまでである。一方、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元率ＲＲ２は、触媒温度が下限温度ＴＲ２Ｌから上限温度ＴＲ２Ｕまでであると、目標ＮＯｘ還元率ＲＲＴよりも高くなる。したがって、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２は下限温度ＴＲ２Ｌから上限温度ＴＲ２Ｕまでである。この場合、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２の下限温度ＴＲ２ＬはＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ１の下限温度ＴＲ１Ｌよりも低く、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２の上限温度ＴＲ２ＵはＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ１の上限温度ＴＲ１Ｕよりも低い。したがって、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２はＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ１よりも低温側にある。なお、図７に示される例では、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２の上限温度ＴＲ２ＵはＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ１の下限温度ＴＲ１Ｌよりも高い。図示しない別の実施例では、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２の上限温度ＴＲ２ＵはＮＯｘ選択還元触媒８１ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ１の下限温度ＴＲ１Ｌよりも低い。
【００３８】
一方、酸化触媒８０ａの還元剤酸化率も触媒温度に応じて変動する。なお、還元剤酸化率は、酸化触媒８０ａに流入した還元剤又は還元剤発生物の量に対する酸化触媒８０ａにより酸化された還元剤の量の比である。酸化触媒８０ａの還元剤酸化率があらかじめ定められた設定酸化率よりも高い触媒温度範囲を酸化触媒８０ａの還元剤還元ウィンドウと称すると、本発明による別の実施例では、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２が酸化触媒８０ａの還元剤酸化ウィンドウよりも低温側にある。
【００３９】
すなわち、図７に示されるように、酸化触媒８０ａの還元剤酸化率ＲＯＸは、触媒温度が下限温度ＴＯＸＬよりも高いと、設定還元剤酸化率ＲＯＸＡよりも高くなる。したがって、酸化触媒８０ａの還元剤酸化ウィンドウＷＯＸは下限温度ＴＯＸＬよりも高い温度範囲である。この場合、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２の下限温度ＴＲ２Ｌは酸化触媒８０ａの還元剤酸化ウィンドウＷＯＸの下限温度ＴＯＸＬよりも低く、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２の上限温度ＴＲ２Ｕも酸化触媒８０ａの還元剤酸化ウィンドウＷＯＸの下限温度ＴＯＸＬよりも低い。したがって、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２は酸化触媒８０ａの還元剤酸化ウィンドウＷＯＸよりも低温側にある。なお、図示しない別の実施例では、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２の上限温度ＴＲ２Ｕは酸化触媒８０ａの還元剤酸化ウィンドウＷＯＸの下限温度ＴＯＸＬよりも高い。
【００４０】
また、本発明による別の実施例では、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２の細孔径は酸化触媒８０ａの層８０の細孔径とほぼ同じであり、したがって別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの粒子状物質通過率は酸化触媒８０ａの層８０の粒子状物質通過率とほぼ同じである。すなわち、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２の細孔径は第１の細孔径ｄＭＰＡよりも小さく、したがって別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２の粒子状物質通過率は第１の通過率ＲＰＡよりも低い。具体的には、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２の細孔径は２０μｍ以下、好ましくは１０から２０μｍ程度である。図示しない別の実施例では、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２の細孔径は酸化触媒８０ａの層８０の細孔径よりも大きく、例えばＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１の細孔径とほぼ同じである。図示しない更に別の実施例では、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２の細孔径は酸化触媒８０ａの層８０の細孔径よりも小さい。
【００４１】
このようにすると、触媒温度が低いときにもＮＯｘを確実に還元することができる。すなわち、例えば別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａのＮＯｘ還元ウィンドウＷＲ２において、尿素ないしアンモニアの一部は、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａでＮＯｘ還元のために用いられず、酸化触媒８０ａの層８０において酸化ないし消費されず、したがって別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２に到達する。したがって、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａにおいて、ＮＯｘはアンモニアにより良好に還元される。
【００４２】
また、本発明による別の実施例では上述したように、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２が設けられるので、図３に示される実施例に比べて、ＮＯｘ選択還元触媒８１ａの層８１を薄くすることができる。その結果、粒子状物質が酸化触媒８０ａの層８０に到達しやすくなる。
【００４３】
また、上述したように別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２の粒子状物質通過率は第１の通過率ＲＰＡよりも低いので、酸化触媒８０ａの層８０を通過した粒子状物質は、別のＮＯｘ選択還元触媒８２ａの層８２の酸化触媒８０ａ側の表面上に捕集されうる。したがって、粒子状物質がより確実に酸化除去される。
【符号の説明】
【００４４】
１    機関本体
２１    排気管
２３    パティキュレートフィルタ
２４    添加弁
７１ｉ    排気ガス流入通路
７１ｏ    排気ガス流出通路
７２    隔壁
８０    酸化触媒の層
８１    ＮＯｘ選択還元触媒の層
８２    別のＮＯｘ選択還元触媒の層
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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