JP2004060494A

JP2004060494A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP2004060494A
Application number: JP2002217931A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ito; 伊藤　和浩; Shinya Hirota; 広田　信也; Akira Kenjo; 見上　晃
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】内燃機関の排気浄化装置において、フィルタ若しくは触媒の数を減少させつつＮＯｘ及び粒子状物質を除去することができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路４に設けられ、排気中の粒子状物質を一時捕集可能で且つアンモニア選択還元型触媒を担持したパティキュレートフィルタ５と、パティキュレートフィルタの上流から尿素を供給する尿素供給手段１０と、を備えた。本発明によれば、パティキュレートフィルタ５にアンモニア選択還元触媒を担持させたことにより、粒子状物質の捕集とＮＯｘの還元とを１つのフィルタで行うことができるため、触媒及びフィルタの数を減少させることが可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは経済性に優れている反面、排気中に含まれる浮遊粒子状物質である煤に代表されるパティキュレートマター（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ：以下、「ＰＭ」とする。）の除去が重要な課題となっている。このため、大気中にＰＭが放出されないようにディーゼルエンジンの排気系にＰＭの捕集を行うパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」とする。）を設ける技術が知られている。
【０００３】
このフィルタにより排気中のＰＭが一旦捕集され大気中へ放出されることを防止することができる。しかし、フィルタに捕集されたＰＭが該フィルタに堆積するとフィルタの目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ上流の排気の圧力が上昇し内燃機関の出力低下やフィルタの毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ上に堆積したＰＭを着火燃焼せしめることにより該ＰＭを除去することができる。このようにフィルタに堆積したＰＭを除去することをフィルタの再生という。
【０００４】
一方、希薄燃焼可能な内燃機関の排気に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する手段の一つとして、選択還元型ＮＯｘ触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒などのリーンＮＯｘ触媒が知られている。
【０００５】
選択還元型ＮＯｘ触媒は、酸素過剰の雰囲気で還元剤が存在するときに窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する触媒である。
【０００６】
この選択還元型ＮＯｘ触媒を利用して窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するには適量の還元剤が必要となる。この還元剤として炭化水素（ＨＣ）やアンモニア由来の化合物等を用いる技術が開発されている。
【０００７】
例えば、特開２０００−８８３３号公報に記載の技術では、排気通路に粒子状物質を捕集可能で且つ酸化触媒を担持するフィルタを備え、更にこのフィルタに尿素を添加している。尿素は加水分解してアンモニアが生じ、アンモニアは酸化触媒により酸化されてＮＯ_２となる。このＮＯ_２によりフィルタに捕集された粒子上物質は除去される。また、フィルタから流出するＮＯｘは、該フィルタ下流に設けられたＮＯｘ触媒により除去される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、フィルタ及びＮＯｘ触媒を夫々設ける必要があることから、車両への搭載スペースの確保が困難となり、また、コスト高となってしまう。
【０００９】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気浄化装置において、フィルタ若しくは触媒の数を減少させつつＮＯｘ及び粒子状物質を除去することができる技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。即ち、
内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を一時捕集可能で且つアンモニア選択還元型触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタの上流から尿素を供給する尿素供給手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の最大の特徴は、内燃機関の排気浄化装置において、パティキュレートフィルタにＮＯｘ還元能を付加し、排気中の粒子状物質の捕集とＮＯｘの浄化とを１つのフィルタで行うことにある。
【００１２】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、排気がパティキュレートフィルタを通過する際に排気中に含まれる粒子状物質が該パティキュレートフィルタに捕集される。また、排気中のＮＯｘは、アンモニア選択還元触媒により還元される。ここで、パティキュレートフィルタにアンモニア選択還元触媒を担持させることにより、該アンモニア選択還元触媒と排気との接触面積が広くなるため、排気中のＮＯｘがアンモニア還元触媒に接触する機会が増加する。従って、アンモニア還元触媒によるＮＯｘ還元率を向上させることが可能となる。このようにして、排気中の粒子状物質の除去及びＮＯｘの浄化を１つのフィルタで行うことが可能となる。
【００１３】
本発明においては、尿素加水分解触媒を更に備えても良い。
【００１４】
尿素加水分解触媒により、尿素は容易にアンモニアとなり、アンモニア選択還元触媒ではアンモニアが還元剤となってＮＯｘを還元することが可能となる。
【００１５】
本発明においては、前記尿素加水分解触媒は、アルミナ、チタニア、シリカ、ジルコニア、ゼオライトの少なくとも１つであっても良い。
【００１６】
このような材料を用いることにより、尿素の加水分解を効率良く行うことが可能となる。
【００１７】
本発明においては、前記アンモニア選択還元触媒は、チタニア−バナジウム、ゼオライト、クロム、マンガン、モリブデン、タングステンの少なくとも１つであっても良い。
【００１８】
このような材料を用いることにより、ＮＯｘの還元を効率良く行うことが可能となる。
【００１９】
本発明においては、前記アンモニア選択還元触媒は、前記パティキュレートフィルタの隔壁の壁面よりも隔壁内に多く担持されていても良い。
【００２０】
パティキュレートフィルタの壁面内には、排気の通路となる無数の細孔が存在している。排気がこの細孔を通過する際に、排気中に含まれる粒子状物質が捕集される。ここで、隔壁内にアンモニア選択還元触媒を担持することにより、該アンモニア選択還元触媒が排気と接する面を広くすることが可能となり、ＮＯｘの還元が容易になる。また、隔壁の壁面には他の種類の触媒を担持させることが可能となる。
【００２１】
本発明においては、前記アンモニア選択還元触媒は、前記パティキュレートフィルタの中央部に多く担持されていても良い。
【００２２】
アンモニア選択還元触媒をパティキュレートフィルタの中央部に多く担持させることにより、パティキュレートフィルタの上流側及び下流側に他の種類の触媒を担持させることが可能となる。
【００２３】
本発明においては、前記パティキュレートフィルタにアンモニア酸化触媒が担持されていても良い。
【００２４】
このようにアンモニア酸化触媒を担持させることにより、アンモニア選択還元触媒に尿素が過剰に供給されたとしても、アンモニア酸化触媒にて尿素を酸化されることができるので、大気中への尿素の放出を抑制することが可能となる。
【００２５】
本発明においては、前記パティキュレートフィルタの下流にアンモニア酸化触媒を備えていても良い。
【００２６】
このようにすることで、パティキュレートフィルタから流出する尿素を下流のアンモニア酸化触媒にて酸化させて、大気中への尿素の放出を抑制することが可能となる。
【００２７】
本発明においては、前記尿素加水分解触媒は、前記パティキュレートフィルタの下流側よりも上流側に多く担持されていても良い。
【００２８】
フィルタを通過する排気は、先ずフィルタの上流側を通過するため、この場所で尿素を加水分解しておけば、それよりも下流のアンモニア選択還元触媒にアンモニアを供給することが可能となる。
【００２９】
本発明においては、前記尿素加水分解触媒は、下流側に面した前記パティキュレートフィルタの隔壁の壁面よりも上流側に面した前記パティキュレートフィルタの隔壁の壁面に多く担持されていても良い。
【００３０】
パティキュレートフィルタの隔壁内に流入する排気は、先ず上流側に面した壁面を通過するため、この場所で尿素を加水分解しておけば、そこを通過するときに発生したアンモニアをアンモニア選択還元触媒に供給することが可能となる。
【００３１】
本発明においては、前記アンモニア酸化触媒は、前記パティキュレートフィルタの上流側よりも下流側に多く担持されていても良い。
【００３２】
排気はアンモニア選択還元触媒を通過した後に、アンモニア酸化触媒に到達するようになるため、アンモニア選択還元触媒から流出するアンモニアをアンモニア酸化触媒にて酸化させ除去することが可能となる。
【００３３】
本発明においては、前記アンモニア酸化触媒は、上流側に面した前記パティキュレートフィルタの隔壁の壁面よりも下流側に面した前記パティキュレートフィルタの隔壁の壁面に多く担持されていても良い。
【００３４】
パティキュレートフィルタの隔壁内から流出する排気は、下流側に面した壁面を必ず通過するため、この壁面にアンモニア酸化触媒を担持させておくことにより、アンモニア選択還元触媒から流出するアンモニアを酸化させ除去することが可能となる。
【００３５】
本発明においては、前記パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の量を推定する粒子状物質捕集量推定手段と、前記粒子状物質捕集量推定手段により推定された粒子状物質の量が所定量以上となった場合に前記パティキュレートフィルタの温度を上昇させる温度上昇手段と、を備えても良い。
【００３６】
フィルタに捕集された粒子状物質の量が多くなると機関出力の低下やフィルタの毀損を誘発させる虞がある。粒子状物質捕集量推定手段により推定された粒子状物質の捕集量が予め定めておいた所定量以上となった場合には、温度上昇手段によりパティキュレートフィルタの温度を上昇させる。これにより、粒子状物質の酸化を促進させ除去することが可能となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００３８】
図１は、本実施の形態に係るエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【００３９】
図１に示すエンジン１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００４０】
エンジン１には、排気枝管３が接続され、排気枝管３の各枝管が排気ポート（図示省略）を介して各気筒２の燃焼室と連通している。この排気枝管３には排気管４が接続されている。
【００４１】
排気管４の途中には、パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）５が設けられている。このフィルタ５の上流には、流通する排気の温度に対応した電気信号を出力する排気温度センサ６が取り付けられている。
【００４２】
このように構成された排気系では、エンジン１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポートを介して排気枝管３へ排出され、次いで排気枝管３からフィルタ５へ流入する。該フィルタ５では、排気中のＰＭが捕集され、また、ＮＯｘが還元される。
【００４３】
次に、本実施の形態に係るフィルタ５について説明する。
【００４４】
図２は、フィルタ５の断面図である。図２（Ａ）は、フィルタ５の横方向断面を示す図である。図２（Ｂ）は、フィルタ５の縦方向断面を示す図である。
【００４５】
図２（Ａ）及び（Ｂ）に示されるようにフィルタ５は、互いに平行をなして延びる複数個の排気流通路５０、５１を具備するいわゆるウォールフロー型である。これら排気流通路は下流端が栓５２により閉塞された排気流入通路５０と、上流端が栓５３により閉塞された排気流出通路５１とにより構成される。なお、図２（Ａ）においてハッチングを付した部分は栓５３を示している。従って、排気流入通路５０および排気流出通路５１は薄肉の隔壁５４を介して交互に配置される。換言すると排気流入通路５０および排気流出通路５１は各排気流入通路５０が４つの排気流出通路５１によって包囲され、各排気流出通路５１が４つの排気流入通路５０によって包囲されるように配置される。
【００４６】
フィルタ５は例えばコージェライトのような多孔質材料から形成されており、無数の細孔が形成されている。従って排気流入通路５０内に流入した排気は図２（Ｂ）において矢印で示されるように周囲の隔壁５４内を通って隣接する排気流出通路５１内に流出する。
【００４７】
ここで、従来の内燃機関の排気浄化装置では、アンモニア選択還元触媒の下流に別途アンモニア酸化触媒を備えていた。尿素加水分解触媒を備えている場合には、アンモニア選択還元触媒の上流に別途尿素加水分解触媒を備えていた。また、排気中のＰＭを捕集するためにフィルタを設けることもある。このように、複数の触媒及びフィルタを別々に設けると、夫々の触媒及びフィルタを取り付けるためのスペースが必要となり、車両への搭載の際に何らかの制約を受ける虞がある。また、複数の触媒及びフィルタを設置することによりコスト高ともなる。高浄化率を狙うほど触媒容量が増加し、更に搭載性が悪化するとともにコスト高となる。また、触媒容量が増加すると該触媒の熱容量も増加するため、ＰＭ再生時等に触媒及びフィルタを昇温する必要が生じたときに、例えば燃料の供給によりフィルタの昇温を図ると燃料の消費量が多くなるので燃費の悪化を誘引する。
【００４８】
そこで、本実施の形態では、フィルタ５の隔壁５４内にアンモニア選択還元触媒を担持させ、更に、排気流入通路５０側の隔壁５４表面に尿素加水分解触媒を担持させ、排気流出通路５１側の隔壁５４表面にアンモニア酸化触媒を担持させて、触媒及びフィルタの数の減少を図った。このように、触媒及びフィルタの数を減少することによって、排気温度の低下を抑制することができる。
【００４９】
図３は、フィルタの隔壁断面（図２（Ｂ）中のＸ部分）の拡大図である。
【００５０】
矢印方向に排気が流れる。排気が流入する側の各排気流入通路５０の壁面に尿素加水分解触媒５０１を担持し、フィルタの隔壁５４内部の細孔面上にアンモニア選択還元触媒５０２を担持し、排気が流出する側の各排気流出通路５１の壁面にアンモニア酸化触媒５０３を担持している。従って、隔壁５４を通過する排気は、尿素加水分解触媒５０１、アンモニア選択還元触媒５０２、アンモニア酸化触媒５０３を順に通過することになる。
【００５１】
本実施の形態によるフィルタ５は、例えば以下のようにして製造することができる。先ず、アンモニア選択還元触媒を満たした槽にフィルタ５全体を漬けて細孔内にアンモニア選択還元触媒を担持させる。次に、フィルタ５の細孔を充填剤で埋めて気体及び液体が隔壁５４を通過できないようにする。このときに用いる充填剤は高温にすると昇華する性質を有するものである。この後に、排気が流入する側の各排気流入通路５０の壁面のみを尿素加水分解触媒に漬し、次いで排気が流出する側の各排気流出通路５１の壁面のみをアンモニア酸化触媒に漬す。最後に、フィルタ５の温度を上昇させて細孔内の充填剤を昇華させる。
【００５２】
このようにして、排気が流入する側の各排気流入通路５０の壁面に尿素加水分解触媒５０１を担持させ、フィルタの隔壁５４内部の細孔内壁面上にアンモニア選択還元触媒５０２を担持させ、排気が流出する側の各排気流出通路５１の壁面にアンモニア酸化触媒５０３を担持させることができる。
【００５３】
ここで、尿素加水分解触媒５０１は、アルミナ、チタニア、シリカ、ジルコニア、ゼオライトの少なくとも１つである。
【００５４】
また、アンモニア選択還元触媒５０２は、チタニア−バナジウム、ゼオライト、クロム、マンガン、モリブデン、タングステンの少なくとも１つである。
【００５５】
このように構成されたフィルタ５では、尿素加水分解触媒５０１に到達した尿素水溶液は加水分解されてアンモニアを発生させる。このアンモニアは、排気とともに隔壁５４内部に流入しアンモニア選択還元触媒５０２にて排気中のＮＯ、ＮＯ_２を還元する。そして、アンモニア選択還元触媒５０２にて反応しなかったアンモニアは、隔壁５４から流出する際にアンモニア酸化触媒５０３により酸化される。
【００５６】
このような反応により、排気中のＮＯｘを浄化しつつ、大気中へのアンモニアの放出が抑制される。
【００５７】
尚、本実施の形態では、前記フィルタ５に尿素水溶液を添加するための尿素添加機構が備えられている。この尿素添加機構は、尿素水溶液を貯留するタンク７、尿素水溶液の流通路である供給管８、流通路に介設されたポンプ９、尿素水溶液を排気管４内に噴射する噴射ノズル１０を備えて構成されている。
【００５８】
このように構成された尿素添加機構では、タンク７内に所定の濃度に予め調整された尿素水溶液が貯留され、ポンプ９が稼動すると、尿素水溶液がタンク７から汲み出される。そして、尿素水溶液は供給管８を介して噴射ノズル１０に到達する。噴射ノズル１０に到達した尿素水溶液は、該噴射ノズル１０が開弁されると排気管４内に噴射され、該排気管４上流から流れてくる排気とともに下流へと流される。このときに噴射される尿素水溶液は、噴射ノズル１０の開弁時間により噴射量を調整される。
【００５９】
尿素加水分解触媒５０１に到達した尿素水溶液は、次式のように加水分解してアンモニアを発生させる。
【００６０】
（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋２ＮＨ_３
このアンモニアは、アンモニア選択還元触媒５０２に到達すると次式のように排気中のＮＯ、ＮＯ_２が還元される。
【００６１】
６ＮＯ＋４ＮＨ_３→５Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ
ところで、アンモニア選択還元触媒５０２に流入するＮＯｘ量と尿素水溶液中の尿素との当量比を１となるように尿素水溶液の噴射量を制御しても全てのＮＯｘを還元できるわけではない。ここで、尿素水溶液を過剰に供給することによりＮＯｘの還元率を向上させることができる。しかし、尿素水溶液を過剰に供給すると、余剰のアンモニアがアンモニア選択還元触媒５０２に吸着する。このようにして吸着したアンモニアは、高負荷時等の排気の流量が増加したときに、アンモニア選択還元触媒５０２から流出するため、このアンモニアを処理する必要が生じる。
【００６２】
そして、本実施の形態では、アンモニア酸化触媒５０３によりアンモニアを酸化除去するようにしている。即ち、酸素過剰の雰囲気では、アンモニアの一部から次式によりＮＯが生成される。
【００６３】
４ＮＨ_３＋５Ｏ_２→４ＮＯ＋６Ｈ_２Ｏ
このようにして生成されたＮＯは、残りのアンモニアと次式のように反応する。
【００６４】
４ＮＨ_３＋４ＮＯ＋５Ｏ_２→４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
このような反応により、アンモニアが除去され、大気中への放出が抑制される。
【００６５】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）１１が併設されている。このＥＣＵ１１は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００６６】
ＥＣＵ１１には、各種センサが電気配線を介して接続され、各種センサの出力信号がＥＣＵ１１に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１１には、ポンプ９、噴射ノズル１０等が電気配線を介して接続され、これらを制御することが可能になっている。また、前記ＥＣＵ１１は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶し上記した尿素添加機構を制御することができる。
【００６７】
ところで、フィルタ５に捕集されたＰＭが該フィルタ５に堆積するとフィルタ５の目詰まりを発生させることがある。この目詰まりが発生すると、フィルタ５上流の排気の圧力が上昇しエンジン１の出力低下やフィルタ５の毀損を誘発する虞がある。このようなときには、フィルタ５上に堆積したＰＭを除去するフィルタ５の再生を行う必要がある。このようなフィルタの再生を行うためには、フィルタ５の温度を上昇させる必要がある。
【００６８】
フィルタ５の再生は、フィルタ５に捕集されたＰＭの量が予め定めておいた許容量よりも多くなった場合に行われる。許容値は、エンジン１の出力の低下やフィルタ５の毀損を回避することができる値であり実験等により求める。また、フィルタ５に捕集されたＰＭの量は例えば、フィルタ５前後の差圧を検出する差圧センサ（図示省略）を取り付けて、該差圧センサの検出値に応じたＰＭ量を予め実験等により求めておくことにより求めることができる。また、運転状態に応じたＰＭ発生量のマップを予め実験等により求めておき、このマップにより求まるＰＭ発生量を積算してＰＭの捕集量とすることもできる。更に、車両走行距離若しくは走行時間に応じてＰＭの堆積量を推定しても良い。
【００６９】
このようなフィルタ５の再生を行う方法としては、排気中への燃料添加や、再循環するＥＧＲガス量を増大させて煤の発生量が増加して最大となった後に、更にＥＧＲガス量を増大させる低温燃焼（特許第３１１６８７６号）、機関出力のための燃料を噴射させる主噴射の後の膨張行程中若しくは排気行程中に再度燃料を噴射させる副噴射等の方法が考えられる。
【００７０】
例えば、副噴射により噴射された燃料は気筒２内で燃焼し気筒２内のガス温度を上昇させると共に気筒２内の酸素濃度を低下させる。気筒２内で燃焼し温度が上昇したガスは排気となって排気管４を通りフィルタに到達し、該フィルタの温度を上昇させる。これによりＰＭが燃焼し除去される。尚、フィルタ５の温度は、排気温度センサ６の出力信号に基づいて推定され、フィルタ５が過熱することを防止しつつ所定の温度まで上昇される。
【００７１】
ここで、アクセル開度と機関回転数と副噴射量又は副噴射時期との関係を予め実験等により求めてマップ化しておきＥＣＵ１１に記憶させておく。副噴射の量及び噴射時期は、そのマップとアクセル開度と機関回転数とから算出することができる。
【００７２】
また、尿素添加機構によりフィルタ５へ尿素が添加されると、化学反応により熱が発生するため、このときにＰＭの再生を行うとフィルタの昇温を容易に行うことが可能となる。
【００７３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、フィルタ５の隔壁５４内にアンモニア選択還元触媒５０２を担持させ、更に、排気が流入する側の隔壁５４表面に尿素加水分解触媒５０１を担持させ、排気が流出する側の隔壁５４表面にアンモニア酸化触媒５０３を担持させて、触媒及びフィルタの数の減少を図ることができる。そして、フィルタ５により排気中のＰＭを捕集することができ、アンモニア選択還元触媒５０２によりＮＯｘを浄化することができる。
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態は、第１の実施の形態と比較して以下の点で相違する。即ち、本実施の形態ではフィルタ上流側の各排気流入通路５０および各排気流出通路５１の周壁面、即ち上流側の各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上に尿素加水分解触媒を坦持させ、フィルタ中央部の各排気流入通路５０および各排気流出通路５１の周壁面、即ち中央部の各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上にアンモニア選択還元触媒を坦持させ、フィルタ下流側の各排気流入通路５０および各排気流出通路５１の周壁面、即ち下流側の各隔壁５４の両側表面上および隔壁５４内の細孔内壁面上にアンモニア酸化触媒を坦持させている。尚、本実施の形態においては、第１の実施の形態と比較して、フィルタ５へ担持させた触媒の位置関係が異なるものの、適用対象となるエンジン１やその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００７４】
図４は、本実施の形態によるフィルタに担持された触媒の配置関係を示した図である。図中Ａの範囲には尿素加水分解触媒が、Ｂの範囲にはアンモニア選択還元触媒が、Ｃの範囲にはアンモニア酸化触媒が夫々担持されている。
【００７５】
本実施の形態によるフィルタは、例えば以下のようにして製造することができる。先ず、Ａの範囲の細孔を充填剤で満たした後、Ａ及びＢの範囲をアンモニア選択還元触媒を満たした槽に漬ける。この充填剤は温度の上昇により昇華する性質を有する。これにより、Ｂの範囲にアンモニア選択還元触媒が担持される。次に、フィルタの温度を上昇させＡの範囲の細孔内の充填剤を昇華させる。この後で、Ａの範囲のみを尿素加水分解触媒に漬し、次いでＣの範囲のみをアンモニア酸化触媒に漬す。このようにして、Ａの範囲に尿素加水分解触媒を担持させ、Ｂの範囲にアンモニア選択還元触媒を担持させ、Ｃの範囲にアンモニア酸化触媒を担持させることができる。
【００７６】
このように構成されたフィルタでは、噴射ノズルから噴射された尿素水溶液が先ずＡの範囲を通過する。ここでは、尿素水溶液が加水分解されてアンモニアが発生する。発生したアンモニアは、排気とともに下流に流されＢの範囲を通過する。その際に排気中のＮＯ、ＮＯ_２を還元する。
【００７７】
そして、高負荷時等の排気の流量が増加したときに、アンモニア選択還元触媒から流出するアンモニアは、Ｃの範囲を通過する際に酸化される。これにより、アンモニアが除去され、大気中への放出が抑制される。
【００７８】
尚、フィルタに捕集されたＰＭの除去方法は第１の実施の形態と共通のため説明を割愛する。
【００７９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、フィルタ５の上流側から順に尿素加水分解触媒、アンモニア選択還元触媒、アンモニア酸化触媒を担持させて、触媒及びフィルタの数の減少を図ることができる。そして、フィルタ５により排気中のＰＭを捕集することができ、アンモニア選択還元触媒によりＮＯｘを浄化することができる。
＜第３の実施の形態＞
図５は、本実施の形態による触媒及びフィルタの配置関係を示した図である。
【００８０】
本実施の形態は、第１の実施の形態と比較して以下の点で相違する。即ち、本実施の形態では、排気管の途中に尿素加水分解触媒１２、アンモニア選択還元触媒を担持したパティキュレートフィルタ５、アンモニア酸化触媒１３を上流から順に備えている。尚、本実施の形態においては、第１の実施の形態と比較して、尿素加水分解触媒１２及びアンモニア酸化触媒１３を別体とした点が異なるものの、適用対象となるエンジン１やその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００８１】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、噴射ノズル１０から噴射された尿素水溶液が先ず尿素加水分解触媒１２を通過する。ここでは、尿素水溶液が加水分解されてアンモニアが発生する。
【００８２】
このアンモニアは排気とともに尿素加水分解触媒１２から流出する。下流に流されたアンモニアは、アンモニア選択還元触媒を担持したパティキュレートフィルタ５を通過する際に排気中のＮＯ、ＮＯ_２を還元する。また、フィルタに５より排気中のＰＭが捕集される。
【００８３】
そして、高負荷時等の排気の流量が増加したときに、アンモニア選択還元触媒から流出するアンモニアは、最下流のアンモニア酸化触媒１３を通過する際に酸化される。これにより、アンモニアが除去され、大気中への放出が抑制される。
【００８４】
尚、フィルタ５に捕集されたＰＭの除去方法は第１の実施の形態と共通のため説明を割愛する。
【００８５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、排気管４の途中に上流側から順に尿素加水分解触媒１２、アンモニア選択還元触媒を担持したフィルタ５、アンモニア酸化触媒１３を設けて、触媒及びフィルタの数の減少を図ることができる。そして、フィルタ５により排気中のＰＭを捕集することができ、アンモニア選択還元触媒によりＮＯｘを浄化することができる。
＜第４の実施の形態＞
図６は、本実施の形態による触媒及びフィルタの配置関係を示した図である。
【００８６】
本実施の形態は、第１の実施の形態と比較して以下の点で相違する。即ち、本実施の形態では、フィルタ上流の排気管に酸化触媒１４を備えている。尚、本実施の形態においては、第１の実施の形態と比較して、フィルタ上流に酸化触媒を備えている点が異なるものの、適用対象となるエンジン１やその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００８７】
このように構成された内燃機関の排気浄化装置では、酸化触媒１４にて排気中のＮＯが酸化されてＮＯ_２となる。このＮＯ_２はＮＯよりもアンモニア選択還元触媒にて反応し易い。そのため、ＮＯｘの還元率が向上し大気中に放出されるＮＯｘの量を低減することができる。
【００８８】
また、酸化触媒１４では、排気中の炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を酸化させて大気中へ放出されることを抑制することができ、更に、炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）が酸化されるときに熱が発生するため、下流のフィルタ５を加熱することが可能となる。ここで、アンモニア選択還元触媒は、例えば３５０℃以上の温度にならないとＮＯｘの還元を十分に行うことができない。しかし、酸化触媒１４で発生する熱により、機関始動時等であってもフィルタ５の温度を上昇させることができるので、ＮＯｘの還元を行うことが可能となる。
【００８９】
尚、本実施の形態に示した酸化触媒１４は、第２及び第３の実施の形態で示したフィルタ５の上流に設けることもでき、同様の効果を得ることができる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明による内燃機関の排気浄化装置では、アンモニア選択還元触媒、尿素加水分解触媒及びアンモニア酸化触媒をパティキュレートフィルタに担持させることにより、粒子状物質の捕集とＮＯｘの浄化とを１つのフィルタにて行うことができるため車両への搭載を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の形態によるエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。
【図２】（Ａ）は、パティキュレートフィルタの横方向断面を示す図である。（Ｂ）は、パティキュレートフィルタの縦方向断面を示す図である。
【図３】フィルタの隔壁断面（図２（Ｂ）中のＸ部分）の拡大図である。
【図４】第２の実施の形態によるフィルタに担持された触媒の配置関係を示した図である。
【図５】第３の実施の形態による触媒及びフィルタの配置関係を示した図である。
【図６】第４の実施の形態による触媒及びフィルタの配置関係を示した図である。
【符号の説明】
１・・・・エンジン
２・・・・気筒
３・・・・排気枝管
４・・・・排気管
５・・・・パティキュレートフィルタ
６・・・・排気温度センサ
７・・・・タンク
８・・・・供給管
９・・・・ポンプ
１０・・・噴射ノズル
１１・・・ＥＣＵ
１２・・・尿素加水分解触媒
１３・・・アンモニア酸化触媒
１４・・・酸化触媒
５０・・・排気流入通路
５１・・・排気流出通路
５２・・・栓
５３・・・栓
５４・・・隔壁
５０１・・尿素加水分解触媒
５０２・・アンモニア選択還元触媒
５０３・・アンモニア酸化触媒

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気中の粒子状物質を一時捕集可能で且つアンモニア選択還元型触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタの上流から尿素を供給する尿素供給手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
尿素加水分解触媒を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記尿素加水分解触媒は、アルミナ、チタニア、シリカ、ジルコニア、ゼオライトの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記アンモニア選択還元触媒は、チタニア−バナジウム、ゼオライト、クロム、マンガン、モリブデン、タングステンの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記アンモニア選択還元触媒は、前記パティキュレートフィルタの隔壁の壁面よりも隔壁内に多く担持されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記アンモニア選択還元触媒は、前記パティキュレートフィルタの中央部に多く担持されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタにアンモニア酸化触媒が担持されていることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタの下流にアンモニア酸化触媒を備えていることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記尿素加水分解触媒は、前記パティキュレートフィルタの下流側よりも上流側に多く担持されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記尿素加水分解触媒は、下流側に面した前記パティキュレートフィルタの隔壁の壁面よりも上流側に面した前記パティキュレートフィルタの隔壁の壁面に多く担持されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記アンモニア酸化触媒は、前記パティキュレートフィルタの上流側よりも下流側に多く担持されていることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記アンモニア酸化触媒は、上流側に面した前記パティキュレートフィルタの隔壁の壁面よりも下流側に面した前記パティキュレートフィルタの隔壁の壁面に多く担持されていることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタに捕集された粒子状物質の量を推定する粒子状物質捕集量推定手段と、前記粒子状物質捕集量推定手段により推定された粒子状物質の量が所定量以上となった場合に前記パティキュレートフィルタの温度を上昇させる温度上昇手段と、を備えたことを特徴とする請求項１から１２の何れかに記載の内燃機関の排気浄化装置。