WO2011045847A1 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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矢野　雅一
信彦 正木
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust emission control device for an engine, and more particularly, to a technique for suppressing emission of nitrogen oxides (hereinafter referred to as “NOx”) and particulates into the atmosphere with a compact configuration.
  • NOx nitrogen oxides
  • a selective catalytic reduction (SCR) type exhaust purification device that reduces NOx in the exhaust with ammonia.
  • a NOx reduction catalyst is installed in the exhaust passage
  • a urea water supply device is installed upstream of the NOx reduction catalyst
  • an oxidation catalyst for ammonia purification is installed downstream.
  • Ammonia is generated by hydrolysis of urea added to the exhaust gas by the supply device, and this ammonia is supplied as a reducing agent to the NOx reduction catalyst.
  • ammonia slip ammonia
  • ammonia that has passed through the NOx reduction catalyst without contributing to the reduction of NOx is oxidized and purified by the ammonia purification catalyst before being released into the atmosphere.
  • Patent Document 1 discloses that, in a wall-flow particulate filter, a urea hydrolysis catalyst is supported on the entire inner wall of a filter carrier that forms a cell passage on the inlet side.
  • a NOx reduction catalyst is supported on the entire inner wall of the carrier that forms the outlet side cell passage.
  • An exhaust emission control device for an engine has a partition wall capable of collecting particulates in exhaust gas by filtration, and an internal space is partitioned into a plurality of cell passages extending along the flow of exhaust gas by the partition wall.
  • An exhaust filter is provided. This exhaust filter has an inlet side passage and an outlet side passage formed by alternately closing adjacent cell passages on the inlet side or outlet side with a plugging material.
  • the urea hydrolysis catalyst is supported on the first portion of the inner wall of the inlet-side passage, and the inner wall of the inlet-side passage is further downstream than the first portion.
  • a first NOx reduction catalyst is supported on the second portion. Further, of the inner walls of the outlet side passage adjacent to the inlet side passage with the partition wall interposed therebetween, the first portion overlaps in the direction intersecting with the flow of the exhaust gas flowing into the exhaust filter, or is downstream of this.
  • a second NOx reduction catalyst is supported on the third portion of the first portion, and is downstream of the third portion and overlaps the second portion in the intersecting direction or downstream of the second portion.
  • An oxidation catalyst is supported on the fourth portion.
  • the first and second NOx reduction catalysts include an inner wall portion (second portion) of the inlet side passage downstream of the first portion and an inner wall portion (third portion) of the outlet side passage. ).
  • the third portion overlaps in the direction intersecting the flow of the exhaust gas flowing into the exhaust filter with respect to the first portion, or is a portion on the downstream side from the first portion.
  • the ammonia passing through can be supplied to the second NOx reduction catalyst, and the other ammonia can be supplied to the first NOx reduction catalyst to contribute to the reduction of NOx.
  • the slip ammonia is oxidized by the oxidation catalyst carried on the inner wall portion (fourth portion) of the outlet side passage downstream of the third portion, and the ammonia is released into the atmosphere without being purified. Can be avoided.
  • a series of chemical reactions relating to selective catalytic reduction with urea including urea hydrolysis, NOx reduction and slip ammonia oxidation, can be performed inside the exhaust filter.
  • the release of NOx and particulates into the atmosphere can be suppressed with a compact configuration as a whole system while ensuring a required NOx conversion rate.
  • the block diagram of the diesel engine carrying the exhaust gas purification device which concerns on one Embodiment of this invention Longitudinal sectional view of a diesel particulate filter constituting the exhaust emission control device according to the embodiment Front enlarged view of the diesel particulate filter
  • the block diagram of the diesel engine carrying the exhaust gas purification apparatus which concerns on other embodiment of this invention The block diagram of the diesel engine carrying the exhaust gas purification apparatus which concerns on another embodiment of this invention.
  • FIG. 1 shows the overall configuration of an engine (hereinafter referred to as “engine”) 1 equipped with an exhaust emission control device according to an embodiment of the present invention.
  • engine an engine
  • An air cleaner (not shown) for removing dust in the intake air is attached to the introduction portion of the intake passage 11.
  • the intake passage 11 is provided with a compressor 12a of a variable nozzle type turbocharger 12.
  • the intake air compressed by the compressor 12a flows into the manifold portion of the intake passage 11 through the surge tank 13. , Distributed to each cylinder.
  • fuel supply injectors 21, 21,... are installed for each cylinder.
  • the injector 21 is operated by a fuel injection control signal from a control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 101 of the engine 1.
  • ECU control unit
  • Fuel delivered by a fuel pump (not shown) is supplied to the injector 21 via the common rail 22 and injected into the combustion chamber of each cylinder.
  • a turbine 12b of the turbocharger 12 is installed in the exhaust passage 31 downstream of the manifold portion, and the compressor 12a rotates when the turbine 12b is driven by exhaust.
  • a diesel particulate filter (hereinafter referred to as “DPF”) 32 as an “exhaust filter” according to the present embodiment is installed downstream of the turbine 12b.
  • the DPF 32 has a cylindrical filter carrier 321 and is built in the housing.
  • the filter carrier 321 is a honeycomb carrier on which a catalyst (NOx reduction catalyst) for promoting a NOx reduction reaction with ammonia is supported.
  • the exhaust passage 31 is connected to the intake passage 11 (in this embodiment, the surge tank 13) by an EGR pipe 33. Exhaust gas is recirculated to the intake passage 11 via the EGR pipe 33. An EGR valve 34 is interposed in the EGR pipe 33, whereby the flow rate of the exhaust gas recirculated is controlled.
  • the exhaust purification apparatus collects particulates in the exhaust by the filter carrier 321 of the DPF 32, and reduces and purifies NOx in the exhaust by the NOx reduction catalyst supported on the filter carrier 321. is there.
  • a urea water tank 41 is provided, and ammonia as a reducing agent is stored in the urea water tank 41 in the form of a urea aqueous solution.
  • the urea water stored in the urea water tank 41 is supplied to the urea water addition unit 42 via the urea water supply pipe.
  • the urea water addition unit 42 and the next urea water injection nozzle 44 constitute an air assist type injector, and the urea water addition unit 42 incorporates an electric feed pump. .
  • the urea water supplied to the urea water addition unit 42 is mixed with compressed air supplied from an air tank (not shown) through the air supply pipe 43 and is injected into the exhaust gas through the urea water injection nozzle 44.
  • Urea in the injected urea water is hydrolyzed by exhaust heat and generates ammonia.
  • the urea water injection nozzle 44 is installed upstream of the DPF 32 so as to penetrate the tube wall of the exhaust passage 31 inward.
  • the injection direction is not particularly limited, but is parallel to the exhaust flow.
  • And is set toward the upstream end face (32a) of the DPF 32.
  • the urea water addition unit 42 and the urea water injection nozzle 44 constitute a “supply device” for urea water.
  • urea addition is not limited to the air assist type described here, and as shown in FIG. 4, a booster pump for forming an injection pressure instead of the urea water addition unit 42 (and the air supply pipe 43). 51, and urea water whose pressure has been increased to a predetermined pressure by the pump 51 may be injected by the urea water injection nozzle 44.
  • the “supply device” of urea water is constituted by the booster pump 51 and the urea water injection nozzle 44.
  • FIG. 2 shows the configuration of the DPF 32 by a longitudinal section including the central axis of the filter carrier 321.
  • the DPF 32 has both a particulate collection function and a NOx reduction function.
  • the filter carrier 321 is a wall flow type honeycomb carrier, and is defined by a plurality of cell passages p1 and p2 extending along the flow of exhaust gas by partition walls having pores of a size capable of collecting particulates. Has been. The pores form a passage when the exhaust gas passes through the partition wall of the filter carrier 321.
  • Adjacent cell passages p1 and p2 are alternately closed on the inlet side or outlet side by the sealing materials 322 and 322, so that the cell passage (hereinafter referred to as “inlet side passage”) p1 opened on the inlet side, and the outlet A cell passage (hereinafter referred to as “exit-side passage”) p ⁇ b> 2 that opens on the side is formed.
  • the inlet side passage p1 communicates with the exhaust passage 31a upstream of the DPF 32, and the outlet side passage p2 communicates with the exhaust passage 31b downstream of the DPF 32.
  • the filter carrier 321 carries a plurality of catalysts c1 to c4 having different functions along the flow of exhaust gas inside the carrier. Specifically, a urea hydrolysis catalyst c1 is formed on a portion (corresponding to a “first portion”) forming an upstream portion of the inlet-side passage p1 in the inner wall of the filter carrier 321 forming the inlet-side passage p1. And a NOx reduction catalyst c2 is supported on a portion downstream of the inner wall portion on the inlet side (corresponding to a “second portion”).
  • the first portion for supporting the urea hydrolysis catalyst c1 and the second portion for supporting the NOx reduction catalyst (corresponding to “first NOx reduction catalyst”) c2 It is set continuously in the direction of the axis.
  • the NOx reduction catalyst c3 is supported on a portion (corresponding to a “third portion”) that forms an upstream portion of the outlet side passage p2 in the inner wall of the carrier that forms the outlet side passage p2, and this outlet side An oxidation catalyst c4 is supported on a portion downstream of the inner wall portion (corresponding to a “fourth portion”).
  • the third part for supporting the NOx reduction catalyst (corresponding to the “second NOx reduction catalyst”) c3 and the fourth part for supporting the oxidation catalyst c4 are arranged in the direction of the central axis.
  • the downstream end of the third portion is set downstream of the downstream end of the first portion, and the downstream end of the fourth portion is set downstream of the second portion. It is set downstream from the side end.
  • the oxidation catalyst c4 is for purifying slip ammonia that has passed through the NOx reduction catalysts c2 and c3 without contributing to the reduction of NOx, and corresponds to a “first oxidation catalyst”.
  • the urea hydrolysis catalyst c1 is added to the inner wall portion on the inlet side and is also carried on the end surface 32a on the inlet side of the exhaust filter 32.
  • FIG. 3 shows the DPF 32 as viewed from the upstream side with respect to the exhaust flow.
  • the urea hydrolysis catalyst c1 is carried over the entire end face 32a of the exhaust filter 32 formed by the upstream sealing material 322 and the partition wall of the filter carrier 321.
  • the operation of the urea water addition unit 42 is controlled by a command signal (urea addition control signal) from the exhaust gas purification ECU 101.
  • the ECU 101 is configured as an electronic control unit with a built-in microcomputer.
  • the ECU 101 receives signals relating to the operating conditions of the engine 1 (in accordance with the engine speed NE and the fuel injection amount QF) from an engine control ECU (not shown). Signal) and a signal from the exhaust pipe temperature sensor 151 for detecting the exhaust temperature Texh upstream of the DPF 32 are input.
  • the ECU 101 calculates an optimal urea water injection amount according to the operating conditions of the engine 1 based on the input signal, and sends a urea addition control signal in accordance with the calculated urea water injection amount to the urea water addition unit 42. Output.
  • urea water in an amount corresponding to the operation conditions of the engine 1 is supplied to the exhaust gas by the urea water addition unit 42 and the urea water injection nozzle 44.
  • the urea in the urea water undergoes hydrolysis on the hydrolysis catalyst c1 supported on the inner wall portion (first portion) on the inlet side, and ammonia as a reducing agent is generated.
  • the urea hydrolysis catalyst c1 is added to the inner wall portion on the inlet side, and is supported on the entire end surface 32a on the inlet side of the DPF 32 where the exhaust gas easily comes into contact.
  • urea is hydrolyzed by the hydrolysis catalyst c1 supported on the inner wall portion on the inlet side of the filter carrier 321 and the end surface 32a on the inlet side, and the ammonia generated thereby is converted into the inlet side and
  • the NOx can be reduced by supplying it to the NOx reduction catalysts c1 and c2 carried on the inner wall portions on the outlet side.
  • NOx reduction catalysts c2 and c3 are carried on each.
  • the NOx reduction catalyst c3 on the outlet side intersects the flow of the exhaust gas flowing into the exhaust filter 32 with respect to the inner wall portion carrying the hydrolysis catalyst c1 (in this embodiment, perpendicular to the direction of the central axis). In the radial direction) and is carried on a portion shifted to the downstream side. Therefore, the ammonia passing through the partition wall of the filter carrier 321 from the inner wall portion supporting the hydrolysis catalyst c1 is supplied to the NOx reduction catalyst c3 on the outlet side, and the other ammonia is supplied to the NOx reduction catalyst c2 on the inlet side. Thus, it can contribute to the reduction of NOx.
  • slip ammonia is oxidized by the oxidation catalyst c4 supported on the inner wall of the carrier that forms the most downstream portion of the outlet side passage p2, and this is prevented from being released into the atmosphere without being purified. Can do.
  • the urea hydrolysis catalyst c1, the inlet side and outlet side NOx reduction catalysts c2 and c3, and the oxidation catalyst c4 for purifying slip ammonia are selected by urea in the DPF 32. Since a series of chemical reactions related to catalytic reduction are arranged in this order, NOx in the exhaust gas can be efficiently purified inside the filter, including the treatment of slip ammonia. Further, according to the present embodiment, in addition to the reduction of NOx, particulates in the exhaust gas can be collected and removed by the filter carrier 321, so that the release of NOx and particulates into the atmosphere is reduced throughout the system. Can be suppressed by a compact configuration.
  • the urea hydrolysis catalyst c1 is added to the inner wall portion on the inlet side and is also supported on the end surface 32a on the inlet side of the DPF 32. Since the end surface 32a on the inlet side faces the flow of exhaust gas, it is easy to come into contact with the exhaust gas. Therefore, the amount of ammonia generated can be supplemented by the hydrolysis catalyst c1 supported on the end face 32a. Therefore, the amount of hydrolysis catalyst c1 supported on the inner wall of the carrier is reduced, and the inner wall portion on the inlet side where the NOx reduction catalyst c2 is supported. Can be secured.
  • the NOx reduction catalyst c2 can be supported on the inner wall portion on the inlet side, the NOx reduction catalyst c3 supported on the inner wall portion on the outlet side is decreased, and the oxidation catalyst c4 for slip ammonia purification is reduced in the single DPF 32. It is possible to secure a sufficient space for supporting the.
  • an oxidation catalyst 61 as a “second oxidation catalyst” may be installed upstream of the DPF 32.
  • the oxidation catalyst 61 oxidizes hydrocarbons and carbon monoxide in the exhaust gas, converts nitrogen monoxide in the exhaust gas into NOx mainly containing nitrogen dioxide (hereinafter referred to as “NO 2”), and outputs it to the exhaust gas. This is for adjusting the ratio of NO and NO2 contained therein to an optimal one for the reduction reaction of NOx.
  • the present invention can be applied not only to a direct injection type diesel engine but also to other types of diesel engines and gasoline engines such as a sub-chamber type.
  • the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the scope of the present invention is not limited to this description, and is determined according to the applicable provisions based on the description of the claims.
  • control unit of exhaust purification system 151 ... exhaust pipe temperature sensor, c1 ... urea hydrolysis catalyst, c2 ... NOx reduction catalyst as "first NOx reduction catalyst”, c ... NOx reduction catalyst as the “second NOx reduction catalyst”, c4 ... oxidation catalyst as "first oxidation catalysts", p1 ... inlet channel, p2 ... outlet passage.

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Abstract

　【課題】尿素ＳＣＲの一連の化学反応をフィルタ内部で効率的に行わせることを可能とする。　【解決手段】排気中のパティキュレートを捕集可能な排気フィルタにおいて、入口側のセル通路（入口側通路）の内壁の第１の部分に尿素の加水分解触媒を担持させ、この入口側通路の内壁のうち、第１の部分よりも下流側の第２の部分に第１のＮＯｘ還元触媒を担持させる。また、出口側のセル通路（出口側通路）の内壁のうち、第１の部分に対して排気フィルタに流入する排気の流れに交差する方向に重なり合うか又はこれよりも下流側の第３の部分に第２のＮＯｘ還元触媒を担持させ、この出口側通路の内壁のうち、第３の部分よりも下流側であって、第２の部分に対して前記交差する方向に重なり合うか又はこれよりも下流側の第４の部分に酸化触媒を担持させる。

Description

エンジンの排気浄化装置
　本発明は、エンジンの排気浄化装置に関し、詳細には、窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）及びパティキュレートの大気中への放出をコンパクトな構成により抑制するための技術に関する。
　エンジンの排気を後処理により浄化する装置として、排気中のＮＯｘをアンモニアにより低減させる選択触媒還元（ＳＣＲ）型の排気浄化装置が知られている。この排気浄化装置では、排気通路にＮＯｘの還元触媒が設置されるとともに、このＮＯｘ還元触媒の上流に尿素水の供給装置が、下流にアンモニア浄化用の酸化触媒が設置される。供給装置により排気に添加された尿素の加水分解によりアンモニアが生じ、このアンモニアが還元剤としてＮＯｘ還元触媒に供給される。他方、ＮＯｘの還元に寄与せずにＮＯｘ還元触媒を通過したアンモニア（スリップアンモニア）は、大気中への放出前にアンモニア浄化触媒により酸化され、浄化される。
　今後更に厳しさを増す排ガス規制の対応として、ＳＣＲ型の排気浄化装置にパティキュレートフィルタを追加することが考えられる。このパティキュレートフィルタは、主にディーゼルエンジンから排出されるディーゼルパティキュレートを排気のろ過により捕集し、低減するものである。しかしながら、ＮＯｘ還元触媒（及びその下流のアンモニア浄化触媒）に対して単にパティキュレートフィルタを併設しただけでは、システム全体としての大型化が避けられず、車載が困難であったり、重量が過度に増加するなどの問題が生じる。
　この問題に関連して、パティキュレートフィルタにＮＯｘ還元触媒を担持させ、パティキュレートの捕集機能及びＮＯｘの還元機能をパティキュレートフィルタに併有させることが検討されている。このような触媒担持型のパティキュレートフィルタとして、特許文献１には、ウォールフロー型のパティキュレートフィルタにおいて、入口側のセル通路を形成するフィルタ担体の内壁全体に尿素の加水分解触媒を担持させる一方、出口側のセル通路を形成する担体内壁全体にＮＯｘ還元触媒を担持させたものが記載されている。
日本国出願公開第２００６－１８３５０７号公報（図２）
　しかしながら、特許文献１に記載の排気浄化装置では、パティキュレートフィルタとしてのパティキュレート捕集能力を確保するため、フィルタ担体自体に大きな容量が必要であるうえ、この触媒担持型のパティキュレートフィルタに加えてアンモニア浄化触媒が別途必要となることから、システム全体が依然大掛かりとなり、重量もかさむという問題がある。
　本発明は、以上の問題を考慮したエンジンの排気浄化装置を提供するものである。本発明に係るエンジンの排気浄化装置は、排気中のパティキュレートをろ過により捕集可能な隔壁を有し、内部の空間がこの隔壁により排気の流れに沿って伸びる複数のセル通路に区画された排気フィルタを備える。この排気フィルタは、隣り合うセル通路を目封じ材により入口側又は出口側で交互に閉塞して形成された入口側通路及び出口側通路を有する。ここで、本発明では、排気フィルタにおいて、入口側通路の内壁の第１の部分に尿素の加水分解触媒を担持させるとともに、この入口側通路の内壁のうち、第１の部分よりも下流側の第２の部分に第１のＮＯｘ還元触媒を担持させる。さらに、入口側通路に対して隔壁を挟んで隣り合う出口側通路の内壁のうち、第１の部分に対して排気フィルタに流入する排気の流れに交差する方向に重なり合うか又はこれよりも下流側の第３の部分に第２のＮＯｘ還元触媒を担持させるとともに、第３の部分よりも下流側であって、第２の部分に対して前記交差する方向に重なり合うか又はこれよりも下流側の第４の部分に酸化触媒を担持させる。
　本発明では、入口側通路の内壁の第１の部分に担持させた加水分解触媒により尿素の加水分解を生じさせ、これにより発生したアンモニアを第１及び第２のＮＯｘ還元触媒に供給して、ＮＯｘを効率的に還元させることができる。
　具体的には、第１及び第２のＮＯｘ還元触媒は、第１の部分よりも下流側の入口側通路の内壁部分（第２の部分）と、出口側通路の内壁部分（第３の部分）に担持させている。ここで、第３の部分は、第１の部分に対して排気フィルタに流入する排気の流れに交差する方向に重なり合うか又はこれよりも下流側の部分であることから、第１の部分から隔壁を通過するアンモニアについては第２のＮＯｘ還元触媒に供給し、それ以外のアンモニアについては第１のＮＯｘ還元触媒に供給して、ＮＯｘの還元に寄与させることができる。そして、本発明では、第３の部分よりも下流側の出口側通路の内壁部分（第４の部分）に担持させた酸化触媒によりスリップアンモニアを酸化させ、アンモニアが未浄化のまま大気中に放出されるのを回避することができる。
　このように、本発明によれば、尿素の加水分解、ＮＯｘの還元及びスリップアンモニアの酸化を含む、尿素による選択触媒還元に関する一連の化学反応を排気フィルタの内部で行わせることが可能となるので、ＮＯｘ及びパティキュレートの大気中への放出を、所要のＮＯｘ転化率を確保しつつ、システム全体としてコンパクトな構成により抑制することができる。
　本発明に関する他の目的及び特徴は、添付の図面を参照した以下の説明により理解することができる。
　優先権主張の基礎となる日本国特許出願第２００８－１８２５７９号の内容は、その全体が本願の一部として組み込まれ、参照される。
本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を搭載したディーゼルエンジンの構成図 同上実施形態に係る排気浄化装置を構成するディーゼルパティキュレートフィルタの縦方向断面図 同上ディーゼルパティキュレートフィルタの正面拡大図 本発明の他の実施形態に係る排気浄化装置を搭載したディーゼルエンジンの構成図 本発明の更に別の実施形態に係る排気浄化装置を搭載したディーゼルエンジンの構成図
　以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を搭載したエンジン（以下「エンジン」という。）１の全体的な構成を示している。本実施形態では、エンジン１として直噴型のディーゼルエンジンを採用している。
　吸気通路１１の導入部には、吸入空気中の粉塵を除去するためのエアクリーナ（図示せず。）が取り付けられている。また、吸気通路１１には、可変ノズル型のターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａが設置されており、このコンプレッサ１２ａにより圧縮された吸入空気は、サージタンク１３を介して吸気通路１１のマニホールド部に流入し、各気筒に分配される。
　エンジン本体のシリンダヘッドには、燃料供給用のインジェクタ２１，２１・・・が気筒毎に設置されている。インジェクタ２１は、エンジン１のコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）１０１からの燃料噴射制御信号により作動する。図示しない燃料ポンプにより送り出された燃料は、コモンレール２２を介してインジェクタ２１に供給され、各気筒の燃焼室に噴射される。
　排気通路３１には、マニホールド部の下流にターボチャージャ１２のタービン１２ｂが設置されており、排気によりこのタービン１２ｂが駆動されることで、コンプレッサ１２ａが回転する。
　タービン１２ｂの下流には、本実施形態に係る「排気フィルタ」としてのディーゼルパティキュレートフィルタ（以下「ＤＰＦ」という。）３２が設置されている。本実施形態において、ＤＰＦ３２は、円筒状のフィルタ担体３２１を有し、ハウジングに内蔵されている。フィルタ担体３２１は、ハニカム担体であり、アンモニアによるＮＯｘの還元反応を促進させるための触媒（ＮＯｘ還元触媒）が担持されている。エンジン１の排気がこのＤＰＦ３２を通過する際に、フィルタ担体３２１により排気中のパティキュレートが捕集されるとともに、ＮＯｘ還元触媒により排気中のＮＯｘが還元される。
　また、排気通路３１は、ＥＧＲ管３３により吸気通路１１（本実施形態では、サージタンク１３）と接続されている。このＥＧＲ管３３を介して排気が吸気通路１１に還流される。ＥＧＲ管３３には、ＥＧＲ弁３４が介装されており、これにより還流される排気の流量が制御される。
　以下、本実施形態に係る排気浄化装置の構成及び排気浄化のプロセスについて、図１を参照して説明する。
　本実施形態に係る排気浄化装置は、ＤＰＦ３２のフィルタ担体３２１により排気中のパティキュレートを捕集するとともに、フィルタ担体３２１に担持させたＮＯｘ還元触媒により排気中のＮＯｘを還元し、浄化するものである。尿素水タンク４１が設けられており、還元剤としてのアンモニアは、尿素水タンク４１に尿素水溶液の状態で貯蔵されている。尿素水添加ユニット４２に対し、尿素水供給管を介して尿素水タンク４１に貯蔵されている尿素水が供給される。本実施形態において、尿素水添加ユニット４２及び次の尿素水噴射ノズル４４は、エアアシスト式のインジェクタを構成するものであり、尿素水添加ユニット４２には、電動式のフィードポンプが内蔵されている。尿素水添加ユニット４２に供給された尿素水は、図示しないエアタンクから空気供給管４３を介して供給された圧縮空気と混合され、尿素水噴射ノズル４４を介して排気中に噴射される。噴射された尿素水中の尿素が排気熱により加水分解を生じ、アンモニアを発生させる。尿素水噴射ノズル４４は、ＤＰＦ３２の上流で排気通路３１の管壁を内側に向けて貫通させて設置されており、その噴射方向は、特に限定されるものではないが、排気の流れと平行に、ＤＰＦ３２の上流側の端面（３２ａ）に向けて設定されている。本実施形態では、尿素水添加ユニット４２及び尿素水噴射ノズル４４により尿素水の「供給装置」が構成される。
　なお、尿素の添加形態は、ここで説明したエアアシスト式によるものに限らず、図４に示すように、尿素水添加ユニット４２（及び空気供給管４３）に代えて噴射圧力形成用の昇圧ポンプ５１を設け、このポンプ５１により所定の圧力にまで昇圧させた尿素水を尿素水噴射ノズル４４により噴射させるものであってもよい。このような形態において、尿素水の「供給装置」は、昇圧ポンプ５１及び尿素水噴射ノズル４４により構成される。
　図２は、ＤＰＦ３２の構成を、フィルタ担体３２１の中心軸を含む縦方向断面により示している。
　本実施形態において、ＤＰＦ３２は、パティキュレートの捕集機能とＮＯｘの還元機能とを併有するものである。フィルタ担体３２１は、ウォールフロー型のハニカム担体であり、パティキュレートを捕集可能な大きさの細孔を有する隔壁により、内部が排気の流れに沿って伸びる複数のセル通路ｐ１，ｐ２に画成されている。この細孔により、排気がフィルタ担体３２１の隔壁を通過する際の通路が形成される。隣り合うセル通路ｐ１，ｐ２が目封じ材３２２，３２２により入口側又は出口側で交互に閉塞されることで、入口側で開口するセル通路（以下「入口側通路」という。）ｐ１と、出口側で開口するセル通路（以下「出口側通路」という。）ｐ２とが形成されている。入口側通路ｐ１は、ＤＰＦ３２よりも上流側の排気通路３１ａに連通し、出口側通路ｐ２は、ＤＰＦ３２よりも下流側の排気通路３１ｂに連通している。
　フィルタ担体３２１には、担体内部における排気の流れに沿って機能の異なる複数の触媒ｃ１～ｃ４が担持されている。具体的には、入口側通路ｐ１を形成するフィルタ担体３２１の内壁のうち、入口側通路ｐ１の上流部を形成する部分（「第１の部分」に相当する。）に尿素の加水分解触媒ｃ１を担持させるとともに、この入口側の内壁部分よりも下流側の部分（「第２の部分」に相当する。）にＮＯｘ還元触媒ｃ２を担持させている。本実施形態では、尿素の加水分解触媒ｃ１を担持させる第１の部分と、ＮＯｘ還元触媒（「第１のＮＯｘ還元触媒」に相当する。）ｃ２を担持させる第２の部分とを、上記中心軸の方向に連続して設定している。また、出口側通路ｐ２を形成する担体内壁のうち、出口側通路ｐ２の上流部を形成する部分（「第３の部分」に相当する。）にＮＯｘ還元触媒ｃ３を担持させるとともに、この出口側の内壁部分よりも下流側の部分（「第４の部分」に相当する。）に酸化触媒ｃ４を担持させている。本実施形態では、ＮＯｘ還元触媒（「第２のＮＯｘ還元触媒」に相当する。）ｃ３を担持させる第３の部分と、酸化触媒ｃ４を担持させる第４の部分とを、上記中心軸の方向に連続して設定しており、第３の部分の下流側端部を第１の部分の下流側端部よりも下流側に、第４の部分の下流側端部を第２の部分の下流側端部よりも下流側に設定している。なお、酸化触媒ｃ４は、ＮＯｘの還元に寄与せずにＮＯｘ還元触媒ｃ２，ｃ３を通過したスリップアンモニアを浄化するためのものであり、「第１の酸化触媒」に相当する。
　更に、本実施形態では、尿素の加水分解触媒ｃ１を入口側の内壁部分に加え、排気フィルタ３２の入口側の端面３２ａにも担持させることとしている。図３は、ＤＰＦ３２を排気の流れに関する上流側から見た状態で示している。このように、本実施形態では、尿素の加水分解触媒ｃ１を、上流側の目封じ材３２２及びフィルタ担体３２１の隔壁により形成される排気フィルタ３２の端面３２ａ全体に亘って担持させている。
　図１に戻り、尿素水添加ユニット４２の動作は、排気浄化用のＥＣＵ１０１からの指令信号（尿素添加制御信号）により制御される。ＥＣＵ１０１は、マイクロコンピュータを内蔵した電子制御ユニットとして構成されており、ＥＣＵ１０１には、図示しないエンジン制御用のＥＣＵから、エンジン１の運転条件に関する信号（エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＱＦに即した信号）が入力されるとともに、ＤＰＦ３２の上流における排気温度Ｔｅｘｈを検出するための排気管内温度センサ１５１からの信号が入力される。ＥＣＵ１０１は、入力した信号をもとにエンジン１の運転条件に応じた最適な尿素水噴射量を算出し、尿素水添加ユニット４２に対し、算出した尿素水噴射量に即した尿素添加制御信号を出力する。
　次に、本実施形態に係る排気浄化装置による排気浄化のプロセスを、図２を参照して説明する。
　エンジン１の運転時において、排気に対し、尿素水添加ユニット４２及び尿素水噴射ノズル４４によりエンジン１の運転条件に応じた量の尿素水が供給される。この尿素水中の尿素が入口側の内壁部分（第１の部分）に担持させた加水分解触媒ｃ１上で加水分解を生じ、還元剤であるアンモニアが発生する。本実施形態では、尿素の加水分解触媒ｃ１を入口側の内壁部分に加え、排気が接触し易いＤＰＦ３２の入口側の端面３２ａ全体に担持させているため、アンモニアは、ＤＰＦ３２の内部ばかりでなく、この端面３２ａ上でも発生する。発生したアンモニアの一部は、図中矢印Ｆａで示すように、加水分解触媒ｃ１が担持された内壁部分からフィルタ担体３２１の隔壁を通過して、出口側のＮＯｘ還元触媒ｃ３に供給される。他方、それ以外のアンモニアは、図中矢印Ｆｂで示すように、入口側のＮＯｘ還元触媒ｃ２に供給され、このＮＯｘ還元触媒ｃ２が担持された内壁部分（第２の部分）から隔壁を通過する。入口側及び出口側のＮＯｘ還元触媒ｃ２，ｃ３によりＮＯｘの還元反応が促進され、排気中のＮＯｘが低減される。各ＮＯｘ還元触媒ｃ２，ｃ３によるＮＯｘの還元に寄与しなかったスリップアンモニアは、出口側通路ｐ２の最下流部を形成する担体内壁に担持させた酸化触媒ｃ４により浄化される。
　なお、尿素の加水分解、ＮＯｘの還元及びスリップアンモニアの酸化を含む本実施形態の選択触媒還元に関する一連の化学反応は、次の（１）～（３）式により表される。
　（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ　→　２ＮＨ３＋ＣＯ２　・・・（１）
　ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３　→　２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ　・・・（２）
　４ＮＨ３＋３Ｏ２　→　２Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ　・・・（３）
　本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
　本実施形態では、ＤＰＦ３２において、フィルタ担体３２１の入口側の内壁部分及び入口側の端面３２ａに担持させた加水分解触媒ｃ１により尿素の加水分解を生じさせるとともに、これにより発生したアンモニアを入口側及び出口側の内壁部分のそれぞれに担持させたＮＯｘ還元触媒ｃ１，ｃ２に供給して、ＮＯｘを還元させることができる。
　具体的には、本実施形態では、加水分解触媒ｃ１を担持させたフィルタ担体３２１の内壁部分よりも下流側の内壁部分（第２の部分）と、出口側の内壁部分（第３の部分）とのそれぞれにＮＯｘ還元触媒ｃ２，ｃ３を担持させている。ここで、出口側のＮＯｘ還元触媒ｃ３は、加水分解触媒ｃ１を担持させた内壁部分に対して排気フィルタ３２に流入する排気の流れに交差する方向（本実施形態では、中心軸の方向に垂直な径方向）に重なり合い、かつ下流側にずらした部分に担持させている。従って、加水分解触媒ｃ１を担持させた内壁部分からフィルタ担体３２１の隔壁を通過するアンモニアについては出口側のＮＯｘ還元触媒ｃ３に供給し、それ以外のアンモニアについては入口側のＮＯｘ還元触媒ｃ２に供給して、ＮＯｘの還元に寄与させることができる。そして、本実施形態では、出口側通路ｐ２の最下流部を形成する担体内壁に担持させた酸化触媒ｃ４によりスリップアンモニアを酸化させ、これが未浄化のまま大気中に放出されるのを回避することができる。
　このように、本実施形態によれば、ＤＰＦ３２の内部において、尿素の加水分解触媒ｃ１、入口側及び出口側のＮＯｘ還元触媒ｃ２，ｃ３、ならびにスリップアンモニア浄化用の酸化触媒ｃ４を、尿素による選択触媒還元に関する一連の化学反応の順に配置したため、スリップアンモニアの処理を含め、排気中のＮＯｘの浄化をフィルタ内部で効率的に行わせることができる。また、本実施形態によれば、ＮＯｘの還元に加え、排気中のパティキュレートをフィルタ担体３２１により捕集して除去することができるため、ＮＯｘ及びパティキュレートの大気中への放出を、システム全体としてコンパクトな構成により抑制することが可能である。
　また、本実施形態では、尿素の加水分解触媒ｃ１を入口側の内壁部分に加え、ＤＰＦ３２の入口側の端面３２ａにも担持させている。この入口側の端面３２ａは、排気の流れに対向していることから、排気に接触し易い。従って、この端面３２ａに担持させた加水分解触媒ｃ１によりアンモニアの発生量を補うことができるので、担体内壁に担持させる加水分解触媒ｃ１を減少させ、ＮＯｘ還元触媒ｃ２を担持させる入口側の内壁部分を確保することができる。そして、入口側の内壁部分にＮＯｘ還元触媒ｃ２が担持可能となることで、出口側の内壁部分に担持させるＮＯｘ還元触媒ｃ３を減少させ、単一のＤＰＦ３２において、スリップアンモニア浄化用の酸化触媒ｃ４を担持させる充分なスペースを確保することが可能となる。
　なお、以上の構成に加え、図５に示すように、ＤＰＦ３２の上流に「第２の酸化触媒」としての酸化触媒６１を設置してもよい。この酸化触媒６１は、排気中の炭化水素及び一酸化炭素を酸化するとともに、排気中の一酸化窒素を、二酸化窒素（以下「ＮＯ２」という。）を主とするＮＯｘに転換して、排気に含まれるＮＯとＮＯ２との比率をＮＯｘの還元反応に最適なものに調整するためのものである。
　本発明は、直噴型のディーゼルエンジンに限らず、副室型等他の形式のディーゼルエンジン及びガソリンエンジンに適用することができる。
　以上では、本発明について好ましい実施の形態により説明したが、本発明の範囲は、この説明に何ら制限されるものではなく、請求の範囲の記載をもとに、適用条文に従い判断される。
　１…ディーゼルエンジン、１１…吸気通路、１２…ターボチャージャ、１２ａ…コンプレッサ、１２ｂ…タービン、１３…サージタンク、２１…インジェクタ、２２…コモンレール、３１…排気通路、３２…「排気フィルタ」としてのディーゼルパティキュレートフィルタ、３２ａ…ディーゼルパティキュレートフィルタの入口側の端面、３２１…フィルタ担体、３２２…目封じ材、３３…ＥＧＲ管、３４…ＥＧＲ弁、４１…尿素水タンク、４２…尿素水添加ユニット、４４…尿素水噴射ノズル、５１…昇圧ポンプ、６１…「第２の酸化触媒」としての酸化触媒、１０１…排気浄化システムのコントロールユニット、１５１…排気管内温度センサ、ｃ１…尿素の加水分解触媒、ｃ２…「第１のＮＯｘ還元触媒」としてのＮＯｘ還元触媒、ｃ３…「第２のＮＯｘ還元触媒」としてのＮＯｘ還元触媒、ｃ４…「第１の酸化触媒」としての酸化触媒、ｐ１…入口側通路、ｐ２…出口側通路。

Claims (12)

  1. 　排気中のパティキュレートをろ過により捕集可能な隔壁を有し、内部の空間が前記隔壁により排気の流れに沿って伸びる複数のセル通路に区画された排気フィルタであって、隣り合うセル通路が目封じ材により入口側又は出口側で交互に閉塞されて、入口側で開口するセル通路である入口側通路と、出口側で開口するセル通路である出口側通路とが形成された排気フィルタを含んで構成され、
    　前記排気フィルタは、
    　前記入口側通路の内壁の第１の部分に担持された尿素の加水分解触媒と、
    　前記入口側通路の内壁のうち、前記第１の部分よりも下流側の第２の部分に担持された第１のＮＯｘ還元触媒と、
    　前記入口側通路に対して前記隔壁を挟んで隣り合う前記出口側通路の内壁のうち、前記第１の部分に対し、前記排気フィルタに流入する排気の流れに交差する方向に重なり合うか又はこれよりも下流側の第３の部分に担持された第２のＮＯｘ還元触媒と、
    　前記出口側通路の内壁のうち、前記第３の部分よりも下流側であって、前記第２の部分に対して前記交差する方向に重なり合うか又はこれよりも下流側の第４の部分に担持された第１の酸化触媒と、
    　を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。
  2. 　前記第１の部分が前記入口側通路の内壁の入口側の端縁を含む請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
  3. 　前記尿素の加水分解触媒が、前記第１の部分に加え、前記目封じ材により形成される前記排気フィルタの入口側の端面に担持された請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
  4. 　排気中のパティキュレートをろ過により捕集可能な隔壁を有し、内部の空間が前記隔壁により排気の流れに沿って伸びる複数のセル通路に区画された排気フィルタであって、隣り合うセル通路が目封じ材により入口側又は出口側で交互に閉塞されて、入口側で開口するセル通路である入口側通路と、出口側で開口するセル通路である出口側通路とが形成された排気フィルタを含んで構成され、
    　前記排気フィルタは、
    　前記入口側通路の内壁に担持された尿素の加水分解触媒と、
    　前記入口側通路の内壁において、前記加水分解触媒よりも下流側で担持された第１のＮＯｘ還元触媒と、
    　前記出口側通路の内壁に担持された第２のＮＯｘ還元触媒と、
    　前記出口側通路の内壁において、前記第２のＮＯｘ還元触媒よりも下流側で担持された第１の酸化触媒と、
    　を含んで構成され、
    　前記排気フィルタを通過する排気の経路として、前記加水分解触媒及び前記第１のＮＯｘ還元触媒を介して前記第１の酸化触媒に至る第１の経路と、前記加水分解触媒及び前記第２のＮＯｘ還元触媒を介して前記第１の酸化触媒に至る第２の経路とが形成されるエンジンの排気浄化装置。
  5. 　排気中のパティキュレートをろ過により捕集可能な隔壁を有し、内部の空間が前記隔壁により排気の流れに沿って伸びる複数のセル通路に区画された排気フィルタであって、隣り合うセル通路が目封じ材により入口側又は出口側で交互に閉塞されて、入口側で開口するセル通路である入口側通路と、出口側で開口するセル通路である出口側通路とが形成された排気フィルタを含んで構成され、
    　前記排気フィルタは、
    　前記目封じ材により形成される前記排気フィルタの入口側の端面に担持された尿素の加水分解触媒と、
    　前記排気フィルタの第１の部分において、前記出口側通路の内壁に担持された出口側ＮＯｘ還元触媒と、
    　前記排気フィルタのうち、前記第１の部分よりも下流側の第２の部分において、前記入口側通路の内壁に担持された入口側ＮＯｘ還元触媒と、
    　を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。
  6. 　前記排気フィルタは、前記出口側ＮＯｘ還元触媒よりも下流側で前記出口側通路の内壁に担持された第１の酸化触媒を更に含んで構成される請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置。
  7. 　前記排気フィルタの上流側でエンジンの排気に尿素水を供給可能に配設された尿素水の供給装置を更に含んで構成される請求項１に記載のエンジンの排気浄化装置。
  8. 　前記排気フィルタの上流側でエンジンの排気に尿素水を供給可能に配設された尿素水の供給装置を更に含んで構成される請求項４に記載のエンジンの排気浄化装置。
  9. 　前記排気フィルタの上流側でエンジンの排気に尿素水を供給可能に配設された尿素水の供給装置を更に含んで構成される請求項５に記載のエンジンの排気浄化装置。
  10. 　前記排気フィルタの上流側に設けられた第２の酸化触媒を更に含んで構成される請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
  11. 　前記排気フィルタの上流側に設けられた第２の酸化触媒を更に含んで構成される請求項８に記載のエンジンの排気浄化装置。
  12. 　前記排気フィルタの上流側に設けられた第２の酸化触媒を更に含んで構成される請求項９に記載のエンジンの排気浄化装置。
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