JP2013002283A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気中のＰＭ及びＮＯｘを同時に浄化するとともに、ＳＣＲ触媒熱劣化を防止し、かつ、ＳＣＲ触媒の低温活性を図ることのできる排気浄化装置を提供する。
【解決手段】排気高温時、バタフライ弁２５が開かれ、ＤＰＦ３１下流の高温排気の一部はバイパス通路２３を通過する。一方、バタフライ弁開弁前、酸化触媒３５は外気温度に近い。酸化触媒３５は熱容量を有し、高温排気が酸化触媒３５を通過するとき、高温排気の熱量の一部は酸化触媒３５に吸熱され、高温排気は降温する。これにより、高温排気がＳＣＲ触媒３３に流入することを防止し、ＳＣＲ触媒熱劣化を防止する。
排気低温時、バタフライ弁２５が開かれ、排気の一部がバイパス通路２３を通過する。このとき、酸化触媒３５による酸化により、ＮＯは減り、ＮＯ２は増え、ＮＯ２/ＮＯのモル比が増える。モル比を１付近とすることにより、ＳＣＲ触媒３３の活性化を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は排気浄化装置に係わり、特に、排気中のＰＭ（粒子状物質）及びＮＯｘ（窒素酸化物）を同時に浄化する排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジンは商用車、発電機、産業機械、作業車両などに多く用いられているが、近年、地球環境保全に対する関心の高まりから、エンジンから排出される排気の規制が強化されている。ガソリンエンジンからの排気を浄化する触媒には、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）の酸化とＮＯｘの還元とを同時に行う三元触媒等が用いられる。一方、ディーゼルエンジンの場合、酸素過剰雰囲気であるため一般の三元触媒ではＮＯｘが浄化しにくいという問題が生じる。そこで、ディーゼルエンジンからの排気を浄化するように、多くの方法が提案されている。その中で、ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）により粒子状汚染物質（ＰＭ）を除去した後、ＳＣＲ触媒により窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去する方法が主流になっている。

ＤＰＦは、例えば多孔質セラミック材の隔壁によって画成された多数の細長いセルから構成されており、各セルの一方の端部はプラグ（栓部材）によって閉じられている。従って、ＰＭ捕集時において、排気上流側が開口したセルから流入した排気は、隔壁を通って排気下流側が開口したセルに抜け、フィルタを通過する。そしてこの隔壁通過の際、排気中のＰＭが隔壁に捕捉される。

ＤＰＦは、その使用に伴い、内部に蓄積されるPMの量が増えると通気性が次第に損なわれ、捕集性能も低下する。そこで、適当なタイミングでＤＰＦに堆積したＰＭを燃焼除去することで、その目詰まりを解消させる再生処理が行われる。

ＳＣＲ触媒上流には、還元剤噴射ノズルが設けられており、排気中に還元剤噴射ノズルから尿素水が噴射されると、加水分解によりアンモニアが生成される。ＳＣＲ触媒により、排気中のＮＯｘは式（１）〜（３）のようにアンモニアと反応し浄化される。
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O・・・式（１）
8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O・・・式（２）
2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O・・・式（３）

ＳＣＲ触媒は、排気高温時および排気低温時において、下記の課題を有する。

まず、排気高温時に係る課題について説明する。

ＤＰＦの再生処理中には、炭素を主成分としたＰＭが燃焼するため、ＤＰＦ下流には高温の排気が発生する。高温排気がＳＣＲ触媒に流入すると、ＳＣＲ触媒は熱劣化するおそれがある。

この熱劣化を防止する従来技術が、特許文献１や特許文献２に開示されている。従来技術に係る排気浄化装置は、基本構成として、エシジンの排気通路に、上流から順に前段酸化触媒、ＤＰＦ、噴射ノズル、ＳＣＲ触媒が配設されて構成される。更に、特徴的構成として、ＤＰＦ下流から分岐してＳＣＲ触媒下流で合流するバイパス通路を備えている。

ＤＰＦの再生処理により排気が高温となる場合には、高温排気がバイパス通路に導かれ、噴射ノズル、ＳＣＲ触媒をバイパスする。これにより、高温排気がＳＣＲ触媒に流入することを防止し、ＳＣＲ触媒の熱劣化を防止する。

次に、排気低温時に係る課題について説明する。

アイドリングなどエンジン低回転、エンジン低負荷状態時には、エンジンの排気温度は低温となる。

上記式（１）〜（３）のうち、排気低温時は、式（３）の反応が他に比べて反応速度が速く、ＮＯｘを効率よく浄化できる。しかしながら、エンジンから排出される排気においては、ＮＯｘの殆どがＮＯであるため、式（１）の反応となり、効率よく浄化できない。

これに対し、ＳＣＲ触媒の低温活性に係る従来技術が、特許文献３に開示されている。従来技術に係る排気浄化装置は、酸化触媒を設けたメイン通路と、酸化触媒を設けていないバイパス通路を備え、酸化触媒によりＮＯ２を発生させるともに、酸化触媒のＮＯ２吸着状態を推定して、この推定したＮＯ２吸着量の増減に基づいて、メイン通路を通過する排気流量とバイパス通路を通過する排気流量を調整することで、ＳＣＲ触媒に流入するＮＯｘのＮＯ：ＮＯ２のモル比をできるだけ、１：１（ＮＯ２／ＮＯ＝１）に近づける。

これにより、式（３）の反応により、排気低温時でも、ＮＯｘを効率よく浄化できる。

特開２０１０−１５０９７８号公報 特許４２９００３７号公報 特開２００９−２１６０１９号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示されている上記従来技術にあっては、ＤＰＦ再生処理中、高温排気が噴射ノズル，ＳＣＲ触媒をバイパスするため、ＮＯｘの浄化が行なわれない。

一方、特許文献３に開示されている上記従来技術は、ＮＯｘ浄化に関するものであり、ＤＰＦ再生処理について考慮されていない。特許文献３に開示されている上記従来技術にＤＰＦを設けた場合、ＤＰＦ再生処理中、排気中のＮＯ２は式（４）の反応により消費される一方、ＮＯが発生するため、酸化触媒のＮＯ２吸着状態を推定することは難しい。また、ＤＰＦ再生処理により排気中のＮＯ２が消費される一方、ＮＯが発生するため、モル比を１に近づけることは難しい。
C+2NO2 → CO2+2NO・・・式（４）

また、特許文献１、２に開示されている上記従来技術は、排気高温時のＳＣＲ触媒熱劣化を防止する技術であり、特許文献３に開示されている上記従来技術は、排気低温時のＳＣＲ触媒の低温活性に係る技術であり、両者は相反する課題を解決するものである。したがって、両者を組み合わせることは容易ではない。

本発明の目的は、排気中のＰＭ及びＮＯｘを同時に浄化するとともに、ＳＣＲ触媒熱劣化を防止し、かつ、ＳＣＲ触媒の低温活性を図ることのできる排気浄化装置を提供することである。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、エシジンの排気通路に設けられ、上流から順に前段酸化触媒、ＤＰＦ、液体還元剤又はその前駆体を供給する噴射ノズル、ＳＣＲ触媒が配設された排気浄化装置において、前記ＤＰＦ下流から分岐して前記噴射ノズル上流で合流するバイパス通路と、前記バイパス通路に配設され、吸熱機能を有する酸化触媒と、前記ＤＰＦを通過した排気の一部を前記バイパス通路に導き、前記バイパス通路を通過する排気流量を調整する排気流量調整手段とを備える。

このように構成した本発明においては、排気高温時、排気流量を調整すると、バイパス通路に配設された酸化触媒の吸熱機能により、高温排気は降温する。これにより、排気高温時の課題を解決できる。一方、排気低温時、排気流量を調整し、排気の一部がバイパス通路に配設された酸化触媒を通過すると、ＮＯ２/ＮＯのモル比が増える。モル比を１付近とすることにより、排気低温時の課題を解決できる。

このように、排気高温時に係る課題と排気低温時に係る課題という、相反する課題を、バイパス通路に配設される酸化触媒および排気流量調整手段という共通の構成により、解決する。それぞれの課題に対応する別々の構成を備えるのに比べて、共通構成とすることで、構成の簡素化が図れる。このように構成が簡素であることにより、コスト低減、メンテナンス容易といった効果が得られる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記ＳＣＲ触媒上流の排気温度を検出する排気温度検出手段を更に備え、前記排気流量調整手段は、前記排気温度検出手段が前記ＳＣＲ触媒を熱劣化させる第1設定温度以上の温度を検出すると、前記ＤＰＦを通過した排気の一部を前記バイパス通路に導き、前記ＳＣＲ触媒上流の排気温度が第1設定温度未満となるように、排気流量を調整する高温抑制機能部を有する。

排気高温時、高温排気を酸化触媒の吸熱機能により降温させて、ＳＣＲ触媒に導く。これにより、ＳＣＲ触媒熱劣化を防止しながら、ＮＯｘを浄化することができる。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記ＳＣＲ触媒上流の排気温度を検出する排気温度検出手段と、前記ＳＣＲ触媒上流の一酸化窒素に対する二酸化窒素のモル比（ＮＯ２／ＮＯ）を推定するモル比推定手段とを更に備え、前記排気流量調整手段は、前記排気温度検出手段が前記ＳＣＲ触媒が活性しにくい第２設定温度未満の温度を検出すると、前記ＤＰＦを通過した排気の一部を前記バイパス通路に導き、前記推定モル比が１となるように、排気流量を調整する低温時活性化機能部を有する。

排気低温時、酸化触媒によりＮＯを酸化させ、ＮＯ２/ＮＯのモル比を１付近とする。これにより、ＳＣＲ触媒の活性化を図ることができる。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記ＳＣＲ触媒上流および下流のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段を更に備え、前記モル比推定手段は、前記ＮＯｘ濃度検出手段により検出されたＳＣＲ触媒上流および下流のＮＯｘ濃度から求めるＮＯｘ浄化率および前記排気温度検出手段により検出されたＳＣＲ触媒上流の排気温度に基づいて、前記モル比を推定する。

これにより、精度よくＮＯ２/ＮＯのモル比を推定し、還元剤を過不足無く供給できる。その結果、効率よくＮＯｘを浄化できると伴に、アンモニアスリップを防止できる。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記排気流量調整手段は、バタフライバルブを有する。

これにより、構成の簡素化が図れる。

本発明によれば、排気中のＰＭ及びＮＯｘを同時に浄化することができる。特に、ＤＰＦ再生処理により排気が高温となった場合でも、ＳＣＲ触媒熱劣化を防止しながら、ＮＯｘを浄化することができる。また、排気が低温であるときも、ＳＣＲ触媒の低温活性を図ることができる。

排気浄化装置の全体構成を示す図である。 再生制御フローに加えて、排気高温時における排気流量調整制御フローを示す図である。 還元剤供給制御フローに加えて、排気低温時における排気流量調整制御フローを示す図である。 排気低温時のＳＣＲ触媒の浄化性能を示す図である。 モル比推定マップの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。

〜構成〜
図１は本発明の本実施形態に係わる排気浄化装置の全体構成を示す図である。

作業車両（例えば油圧ショベル）はディーゼルエンジン１０を搭載している。排気浄化装置２０は、エンジン１０の排気管２１に設けられている。基本構成として、排気管２１に、上流から順に前段酸化触媒３０、ＤＰＦ３１、噴射ノズル３２、ＳＣＲ触媒３３、後段酸化触媒３４が配設されている。更に特徴的構成として、ＤＰＦ３１下流において排気管２１から分岐して噴射ノズル３２上流において排気管２１と合流するバイパス通路２３と、バイパス通路２３に配設される酸化触媒３５と、バイパス通路２３入口に設けられたバタフライ弁２５を備えている。

前段酸化触媒３０は、NOをNO2に酸化することのできる触媒で有れば特に限定されないが、例えば、白金、パラジウム、イリジウム、ロジウムなどの貴金属のうち少なくとも１種類をチタニア、ジルコニア、アルミナなどに担時した触媒成分をコージェライトハニカム構造体などに担時した触媒などが好適である。

ＤＰＦ３１の上流に前段酸化触媒３０を配置することにより、ＤＰＦ３１に捕集され堆積しているパティキュレートは、酸化触媒３０から供給されたＮＯ２と反応し、比較的低温（例えば３００℃）でも酸化される。また、前段酸化触媒３０は、排気中に未燃燃料（炭化水素：ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等があると、これを酸化して、この酸化で発生する熱により排気を昇温し、この昇温した排気により下流側のＤＰＦ３１を昇温させる。ＤＰＦ３１が詰まった場合には、酸素による酸化除去できる。

ＤＰＦ３１はハニカム構造によりＰＭを捕集する。ＤＰＦ３１に堆積したＰＭは再生処理により燃焼除去される。

差圧センサ４０は、ＤＰＦ３１前後に設けられ、排気差圧を検出する。この検出値に基づき、ＰＭ堆積量が推定され、再生開始・再生終了等の再生制御が行なわれる。

排気温度センサ４２，４３は、前段酸化触媒３０の上流側と下流側とに設けられている。再生制御時には、排気温度を監視することにより、堆積ＰＭが一気に燃焼して異常昇温することによるＤＰＦ３１の溶損などを防止する。

噴射ノズル３２は、還元剤であるアンモニアの前躯体である尿素水を排気中に噴射する。尿素水を加水分解することによりアンモニアが発生する。尿素水は尿素水タンク５０に貯蔵される。尿素水タンク５０と噴射ノズル３２とを接続する配管には、還元剤供給ポンプ５１と、還元剤制御弁５２と還元剤噴射装置５４が設けられている。尿素水タンク５０には還元剤の濃度を検出する還元剤濃度センサ５５が設けられている。

ＳＣＲ触媒３３は、通常脱硝に用いられている触媒であれば特に限定されないが、例えば酸化チタンにバナジウム、タングステン等の脱硝活性成分を担時した触媒や、銅、鉄、セリウムなどの遷移金属をイオン交換したゼオライトを、コージェライトハニカム構造体などに担時した触媒などが好適である。

排気温度センサ４５は、ＳＣＲ触媒３３の上流側に設けられ、排気温度を検出する。なお、ＳＣＲ触媒３３の温度を直接検出する触媒温度センサでもよい。

ＮＯｘ濃度センサ４６，４７は、ＳＣＲ触媒３３の上流側と下流側とに設けられている。

後段酸化触媒３４は、ＳＣＲ触媒３３の下流側に設けられ、過剰な尿素水の供給による余剰のアンモニア（アンモニアスリップの発生）を分解するようになっている。なお、アンモニアスリップを発生させない還元剤供給制御を行うことができるならば、後段酸化触媒３４を省略してもよい。

酸化触媒３５は、前段酸化触媒３０と同じでよいが、熱容量による吸熱機能を有する（〜動作〜にて詳述）。

バタフライ弁２５は、開度調整自在であり、開度を調整することで、バイパス通路２３を通過する排気流量を調整する（〜制御〜および〜動作〜にて詳述）。

〜制御〜
ＥＣＵ６０は、エンジン１０の回転数やトルクを制御するとともに、各種制御を行っている。たとえば、ＥＣＵ６０は、差圧センサ４０や排気温度センサ４２，４３からの検出信号を入力し、ＤＰＦ３１の再生制御を行う。他にも、回転数センサや各種センサからの信号を入力し、各種演算を行ない、演算結果を各気筒のインジェクタ、吸気制御弁、ＥＧＲ弁などの各種デバイスに出力する。

ＥＣＵ６０は、ＣＡＮ通信を介してＤＣＵ７０と相互に接続されている。たとえば、ＤＣＵ７０は、ＥＣＵ６０に入力される排気温度センサ４５、ＮＯｘ濃度センサ４６，４７からの検出信号を入力する。

ＤＣＵ７０は、ＮＯｘ濃度センサ４６によるＮＯｘ濃度、ＮＯ２/ＮＯのモル比や、還元剤濃度センサ５５による還元剤濃度に基づき、必要な還元剤供給量を演算し、還元剤供給ポンプ５１や還元剤制御弁５２を制御する（還元剤供給制御）。

なお、モル比の推定については、〜動作〜にて詳述する。

本実施形態では、ＤＣＵ７０がバタフライ弁２５の開度を制御する（排気流量調整制御）。なお、ＥＣＵ６０がバタフライ弁２５を制御してもよい。

ＤＣＵ７０は、本実施形態の特徴的な制御を行う高温抑制機能部７０ａ、低温時活性化機能部７０ｂおよびモル比推定機能部７０ｃを有している。

図２は、ＥＣＵ６０による再生制御フローに加えて、排気高温時におけるＤＣＵ７０による排気流量調整制御フローを示す図である。

まず、再生制御について説明する。

ＥＣＵ６０は、差圧センサ４０の検出信号に基づきＰＭ堆積量を推定する（ステップＳ１１）。そして、ＰＭ堆積量が設定値(再生開始基準値)以上であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。ＰＭ堆積量が設定値以上でないと判断すると、ＰＭ堆積量推定を継続する。ＰＭ堆積量が設定値以上である判断すると、再生処理を開始する（ステップＳ１３）。なお、ＰＭ堆積量とあわせて作業機械の稼働時間に基づいて再生処理を開始してもよい。

再生処理中、排気温度センサ４５の検出温度Ｔが第１設定温度Ｔ１以上か否かを判断する（ステップＳ２１）（詳細後述）。

さらに、ＰＭ堆積量が設定値(再生終了基準値)以下であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。ＰＭ堆積量が設定値以下でないと判断すると、再生処理を継続する。ＰＭ堆積量が設定値以下である判断すると、再生処理を終了する（ステップＳ１５）。なお、ＰＭ堆積量とあわせて再生処理時間に基づいて再生処理を終了してもよい。

次に、本実施形態の特徴的な制御である排気高温時における排気流量調整制御について説明する。

再生処理中、排気温度センサ４５の検出温度Ｔが第１設定温度Ｔ１以上か否かを判断する（ステップＳ２１）。検出温度Ｔが第１設定温度Ｔ１以上であると判断すると、バタフライ弁２５を開弁し、排気の一部をパイパス通路２３に導く（ステップＳ２２）。

酸化触媒３５は吸熱機能を有し、高温排気はパイパス通路２３を通過することにより降温する。バタフライ弁２５の開度が大きくなるほど、パイパス通路２３の通過流量が多くなり、高温排気はより降温する。ＤＣＵ７０は、排気温度センサ４５の検出温度Ｔに基づいて、バタフライ弁２５の開度を調整する（ステップＳ２３）。

ＤＣＵ７０は、流量調整が最適であるかを検証する（ステップＳ２４）。具体的には、排気温度センサ４５の検出温度Ｔが第１設定温度Ｔ１から所定温度（例えば１００℃）以上降温したかどうかを判断する。流量調整が最適でないと判断すると、流量調整を継続する。流量調整が最適であると判断すると、再生制御に戻る。

再生処理終了後、バタフライ弁２５を閉弁する（ステップＳ２５）。

ここで、第１設定温度Ｔ１は、ＳＣＲ触媒３３を熱劣化させる排気温度範囲の下限（例えば７００℃）である。

図３は、ＤＣＵ７０による還元剤供給制御フローに加えて、排気低温時におけるＤＣＵ７０による排気流量調整制御フローを示す図である。

まず、還元剤供給制御について説明する。

ＤＣＵ７０は、排気温度センサ４５の検出温度Ｔが第２設定温度Ｔ２未満か否かを判断する（ステップＳ４１）（詳細後述）。検出温度Ｔが第２設定温度Ｔ２未満でないと判断すると、還元剤供給制御を開始する。

ＤＣＵ７０は、ＮＯｘ濃度センサ４６の検出信号をＥＣＵ６０，ＣＡＮ通信を介して入力し、ＳＣＲ触媒３３の上流のＮＯｘ濃度を測定する（ステップＳ３１）。同時に、ＮＯ２/ＮＯのモル比も推定する。一方、還元剤濃度センサ５５の検出信号を入力し、還元剤濃度を測定する（ステップＳ３２）。そして、ＮＯｘ濃度、ＮＯ２/ＮＯのモル比、還元剤濃度に基づき、必要な還元剤供給量を演算する（ステップＳ３３）。還元剤供給ポンプ５１の圧力・流量や還元剤制御弁５２の開度を制御することにより、所定量の還元剤を排気中に供給するように噴射を開始する（ステップＳ３４）。

ＤＣＵ７０は、ＮＯｘ濃度センサ４７によりＳＣＲ触媒３３の下流のＮＯｘ濃度を測定し、ＮＯｘ濃度が規制値以下であるか否かを判断する（ステップＳ３５）。ＮＯｘ濃度が規制値以下でないと判断すると、噴射を継続する。ＮＯｘ濃度が規制値以下であると判断すると、噴射を終了する（ステップＳ３６）。なお、還元剤供給制御中、最新の情報に基づいて、適宜、必要な還元剤供給量を修正演算する。

次に、本実施形態の特徴的な制御である排気低温時における排気流量調整制御について説明する。

還元剤供給制御に先立って、ＤＣＵ７０は、排気温度センサ４５の検出温度Ｔが第２設定温度Ｔ２未満か否かを判断する（ステップＳ４１）。

検出温度Ｔが第２設定温度Ｔ２未満であると判断すると、バタフライ弁２５を開弁し、排気の一部をパイパス通路２３に導く（ステップＳ４２）。

酸化触媒３５はＮＯを酸化させ、ＮＯ２を発生させる。バタフライ弁２５の開度が大きくなるほど、パイパス通路２３の通過流量が多くなり、ＮＯは減り、ＮＯ２は増え、その結果、ＮＯ２/ＮＯのモル比が増える。ＤＣＵ７０は、ＮＯ２/ＮＯのモル比に基づいて、バタフライ弁２５の開度を調整する（ステップＳ４３）。

ＤＣＵ７０は、流量調整が最適であるかを検証する（ステップＳ４４）。具体的には、ＮＯ２/ＮＯのモル比が１付近かどうかを判断する。流量調整が最適でないと判断すると、流量調整を継続する。流量調整が最適であると判断すると、還元剤供給制御を行う。

還元剤供給制御終了後、バタフライ弁２５を閉弁する（ステップＳ４５）。

ここで、第２設定温度Ｔ２は、ＳＣＲ触媒３３が活性しにくい排気温度範囲の上限（例えば、３３０℃）である。

〜請求項との対応関係〜
本実施形態において、バイパス通路２３は、ＤＰＦ３１下流から分岐して噴射ノズル３２上流で合流するバイパス通路であり、酸化触媒３５は、バイパス通路２３に配設され、吸熱機能を有する酸化触媒である。バタフライ弁２５とＤＣＵ７０の一部の機能は、ＤＰＦ３１を通過した排気の一部をバイパス通路２３に導き、バイパス通路２３を通過する排気流量を調整する排気流量調整手段を構成する。

高温抑制機能部７０ａと、ＤＣＵ７０によるステップＳ２１〜ステップＳ２５の処理は、排気温度センサ４５が第1設定温度Ｔ１以上の温度を検出すると、ＤＰＦ３１を通過した排気の一部をバイパス通路２３に導き、ＳＣＲ触媒３３上流の排気温度が第1設定温度Ｔ１未満となるように、排気流量を調整する高温抑制機能部を構成する。

低温時活性化機能部７０ｂと、ＤＣＵ７０によるステップＳ４１〜ステップＳ４５の処理は、排気温度センサ４５が第２設定温度Ｔ２未満の温度を検出すると、ＤＰＦ３１を通過した排気の一部をバイパス通路２３に導き、推定モル比が１となるように、排気流量を調整する低温時活性化機能部を構成する。

排気温度センサ４５とＮＯｘ濃度センサ４６，４７とモル比推定マップ（後述する図５参照）とモル比推定機能部７０ｃとは、SCR触媒３３上流の一酸化窒素に対する二酸化窒素のモル比（ＮＯ２／ＮＯ）を推定するモル比推定手段を構成する。

〜動作〜
(動作１) 通常時（Ｔ２≦Ｔ＜Ｔ１）における排気浄化装置２０の動作について説明する。

排気浄化装置２０は、ＤＰＦ３１に関して、再生処理を行う（Ｓ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ２１→Ｓ１４→Ｓ１５→Ｓ２５）。これにより、ＰＭを浄化する。再生処理中、排気温度センサ４２，４３により排気温度を監視し、異常昇温を防止する。したがって、ＳＣＲ触媒３３熱劣化のおそれはほとんど無い。

一方、排気浄化装置２０は、ＤＰＦ３１を通過した排気に噴射ノズル３２から還元剤を供給する（Ｓ４１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ２１→Ｓ１４→Ｓ１５→Ｓ２５）。さらに、ＳＣＲ触媒３３によりＮＯｘを浄化する。

このとき、バタフライ弁２５は閉じられ、バイパス通路２３を通過する排気流量はゼロである。言い換えると、全ての排気が排気管２１を通過する。

したがって、バイパス通路２３に高温排気が導かれることはない。バイパス通路２３に配設された酸化触媒３５は、熱容量を有している。その結果、酸化触媒３５は外気により外気温度に近い温度（例えば、４０℃）となる。

ところで、エンジンから排出される排気に含まれるＮＯｘの殆どがＮＯである。通常時であれば、式（１）の反応速度と式（３）の反応速度は同程度である（図４参照）。したがって、式（１）の反応によりＮＯを効率よく浄化できる。

（動作２） 高温時（Ｔ≧Ｔ１）における排気浄化装置２０の動作について説明する。

排気浄化装置２０は、再生処理中、排気温度を監視して異常昇温を防止しているが、ＰＭ堆積量が多くなると、ＤＰＦ３１通過後の排気が高温となるおそれもある。高温排気がＳＣＲ触媒３３に流入すると、ＳＣＲ触媒３３は熱劣化するおそれがあり、これを防止する必要がある。

排気浄化装置２０は、排気高温時に排気流量調整制御を行う（Ｓ２１→Ｓ２２→Ｓ２３→Ｓ２４→Ｓ２１）。バタフライ弁２５は開かれ、高温排気（例えば７００℃）の一部がバイパス通路２３を通過する。一方、バタフライ弁開弁前、酸化触媒３５は外気温度に近い温度（例えば、４０℃）である。酸化触媒３５は熱容量を有し、高温排気が酸化触媒３５を通過するとき、高温排気の熱量の一部は酸化触媒３５に吸熱され、高温排気は降温する。バタフライ弁２５の開度が大きくなるほど、パイパス通路２３の通過流量が多くなり、高温排気はより降温する。バイパス通路２３の降温した排気は、排気管２１内の高温排気と合流する。

適切な排気流量調整制御を行うことにより、排気温度センサ４５の検出温度Ｔは第１設定温度Ｔ１から所定温度（例えば１００℃）以上降温する。これにより、高温排気がＳＣＲ触媒３３に流入することを防止し、ＳＣＲ触媒熱劣化を防止できる。

排気浄化装置２０は、還元剤供給制御を行い、ＤＰＦ３１通過後の排気に含まれるＮＯｘを浄化する。このとき、バイパス通路２３を通過する排気に含まれるＮＯは、酸化触媒３５によりＮＯ２となる。ＮＯ２/ＮＯのモル比を推定し、式（１）および式（３）の反応によりＮＯｘを効率よく浄化する。

ところで、ＤＰＦ再生処理は、常時、行われるものではなく、また、ＤＰＦ再生処理が行われても、必ずしも排気高温（Ｔ≧Ｔ１）となるわけではない。排気流量調整制御の必要がないときは、バタフライ弁２５は閉じられ、バイパス通路２３を通過する排気流量はゼロとなる。酸化触媒３５は外気により外気温度に近い温度（例えば、４０℃）に徐々に戻る。これにより、酸化触媒３５は吸熱機能を回復する。

なお、排気高温の理由として、ＤＰＦ再生処理を例示したが、その他の理由で排気高温となる場合も、排気流量調整制御を行う。

（動作３） 低温時（Ｔ＜Ｔ２）における排気浄化装置２０の動作について説明する。

アイドリングなどエンジン低回転、エンジン低負荷状態時には、エンジンの排気温度は低温となる。

図４は排気低温時のＳＣＲ触媒の浄化性能を示す図である。図示細線は、ＮＯ２/ＮＯのモル比が０（すなわち式（１）の反応）のときの浄化性能を示し、図示太線は、ＮＯ２/ＮＯのモル比が１（すなわち式（３）の反応）のときの浄化性能を示す。横軸は排気温度であり、縦軸はＮＯｘ浄化率である。ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ濃度センサ４６，４７により検出されるＳＣＲ触媒３３の上流側と下流側のＮＯｘ濃度の差を、上流側ＮＯｘ濃度で除した値である。

第２設定温度Ｔ２は、ＳＣＲ触媒３３が活性しにくい排気温度範囲の上限（例えば、３３０℃）であり、言い換えると、式（１）と式（３）の反応において、同等の浄化率が得られる温度である。

排気低温時（Ｔ＜Ｔ２）においては、式（１）の反応では、高い浄化率は得られない。すなわち、効率よくＮＯｘを浄化できない。一方、式（３）の反応では、式（１）の反応に比べて、高い浄化率が得られる。

排気浄化装置２０は、排気低温時に排気流量調整制御を行う（Ｓ４１→Ｓ４２→Ｓ４３→Ｓ４４→Ｓ３１）。バタフライ弁２５は開かれ、排気の一部がバイパス通路２３を通過する。このとき、排気に含まれるＮＯｘの殆どがＮＯである。バイパス通路２３を通過する排気に含まれるＮＯは、酸化触媒３５によりＮＯ２となる。ＮＯ２を含む排気は、排気管２１内のＮＯを含む排気と合流する。バタフライ弁２５の開度が大きくなるほど、パイパス通路２３の通過流量が多くなり、ＮＯは減り、ＮＯ２は増え、その結果、ＮＯ２/ＮＯのモル比が増える。

ここで、モル比推定について説明する。

モル比推定機能部７０ｃは、ＮＯｘ濃度センサ４６，４７からの検出信号を入力し、Ｎｏｘ浄化率を演算し、ＤＣＵ７０に記憶されているモル比推定マップを読込み、ＮＯｘ浄化率と排気温度センサ４５による排気温度とモル比推定マップに基づいて、ＳＣＲ触媒３３上流の一酸化窒素に対する二酸化窒素のモル比（ＮＯ２／ＮＯ）を推定する。

図５は、モル比推定マップの一例を示す図である。横軸はモル比であり、縦軸はＮＯｘ浄化率である。排気温度ごとに、モル比とＮＯｘ浄化率の関係を予め実験に基づき記録している。

一般的な傾向として、排気温度が上がると、ＮＯｘ浄化率も上がる。また、同じ排気温度では、モル比が小さいときは、式（１）の反応が優先するため、ＮＯｘ浄化率が低い。モル比が大きくなるにつれ、式（１）の反応に加えて式（３）の反応もおこり、ＮＯｘ浄化率が高くなり、モル比が１付近になると、式（３）の反応が優先する為、ＮＯｘ浄化率が最高になる。

モル比が１を超えて大きくなるにつれ、ＮＯ２供給過多になり、式（３）の反応に加えて式（２）の反応も起こり、ＮＯｘ浄化率が低くなる。

図５において、１つの排気温度と１つのＮＯｘ浄化率が決まると、モル比について２つの解が得られる。モル比推定機能部７０ｃは、直前のモル比推定結果を記憶しておき、ＮＯｘ浄化率増加傾向にあるかＮＯｘ浄化率低減傾向にあるかに基づき、モル比に係る２つの解のうち１つを選択する。これにより、排気浄化装置２０は、モル比を推定する。

低温時動作の説明に戻る。適切な排気流量調整制御を行うことにより、ＮＯ２/ＮＯのモル比が１付近となる。式（３）の反応により、排気低温時でも、ＮＯｘを効率よく浄化できる。

一方、排気低温時、ＳＣＲ触媒３３熱劣化のおそれは無い。

なお、以上に示した温度等の数値は、発明の理解の補助となるように例示したものであり、本発明はこの数値に限定されるものではない。

〜効果〜
（効果１） 排気浄化装置２０は、ＤＰＦ３１のＰＭ捕集およびＤＰＦ再生処理により、排気中のＰＭを浄化できる。一方、噴射ノズル３２からの還元剤供給およびＳＣＲ触媒３３によりＮＯｘを浄化できる。

ところで、従来技術にかかる排気浄化装置は、ＤＰＦ再生処理中、ＳＣＲ触媒熱劣化を防止するように、高温排気が噴射ノズル，ＳＣＲ触媒をバイパスするため、ＮＯｘの浄化が行なわれないという課題があった。

排気浄化装置２０は、高温排気を酸化触媒３５の吸熱機能により降温させて、ＳＣＲ触媒３３に導く。これにより、ＳＣＲ触媒熱劣化を防止しながら、ＮＯｘを浄化することができる。

（効果２） 排気低温時、排気浄化装置２０は、酸化触媒３５によりＮＯを酸化させ、ＮＯ２/ＮＯのモル比を１付近とすることにより、ＳＣＲ触媒３３の活性化を図ることができる。

（効果３） 排気浄化装置２０は、排気高温時に係る課題と排気低温時に係る課題という、相反する課題を、バタフライ弁２５およびバイパス通路２３に配設される酸化触媒３５という共通の構成により、解決する。それぞれの課題に対応する別々の構成を備えるのに比べて、共通構成とすることで、構成の簡素化が図れる。このように構成が簡素であることにより、コスト低減、メンテナンス容易といった効果が得られる。

（効果４） 排気浄化装置２０は、精度よくＮＯ２/ＮＯのモル比を推定することにより、還元剤を過不足無く供給できる。これにより、効率よくＮＯｘを浄化できると伴に、アンモニアスリップを防止できる。

１０ エンジン
２０ 排気浄化装置
２１ 排気管
２３ バイパス通路
２５ バタフライ弁
３０ 前段酸化触媒
３１ ＤＰＦ
３２ 噴射ノズル
３３ ＳＣＲ触媒
３４ 後段酸化触媒
３５ 酸化触媒（バイパス通路配設）
４０ 差圧センサ
４２ 排気温度センサ（前段酸化触媒上流）
４３ 排気温度センサ（前段酸化触媒下流）
４５ 排気温度センサ（ＳＣＲ触媒上流）
４６ ＮＯx濃度センサ（ＳＣＲ触媒上流）
４７ ＮＯx濃度センサ（ＳＣＲ触媒下流）
５０ 尿素水タンク
５１ 還元剤供給ポンプ
５２ 還元剤制御弁
５４ 還元剤噴射装置
５５ 還元剤濃度センサ
６０ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
７０ 還元剤噴射制御ユニット（ＤＣＵ）
７０ａ 高温抑制機能部
７０ｂ 低温時活性化機能部
７０ｃ モル比推定機能部

Claims (5)

1. エシジンの排気通路に設けられ、上流から順に前段酸化触媒、ＤＰＦ、液体還元剤又はその前駆体を供給する噴射ノズル、ＳＣＲ触媒が配設された排気浄化装置において、
   前記ＤＰＦ下流から分岐して前記噴射ノズル上流で合流するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に配設され、吸熱機能を有する酸化触媒と、
   前記ＤＰＦを通過した排気の一部を前記バイパス通路に導き、前記バイパス通路を通過する排気流量を調整する排気流量調整手段と
   を備えることを特徴とする排気浄化装置。
2. 請求項１記載の排気浄化装置において、
   前記ＳＣＲ触媒上流の排気温度を検出する排気温度検出手段
   を更に備え、
   前記排気流量調整手段は、
   前記排気温度検出手段が前記ＳＣＲ触媒を熱劣化させる第1設定温度以上の温度を検出すると、前記ＤＰＦを通過した排気の一部を前記バイパス通路に導き、前記ＳＣＲ触媒上流の排気温度が第1設定温度未満となるように、排気流量を調整する高温抑制機能部を有する
   ことを特徴とする排気浄化装置。
3. 請求項１記載の排気浄化装置において、
   前記ＳＣＲ触媒上流の排気温度を検出する排気温度検出手段と、
   前記ＳＣＲ触媒上流の一酸化窒素に対する二酸化窒素のモル比（ＮＯ２／ＮＯ）を推定するモル比推定手段と
   を更に備え、
   前記排気流量調整手段は、
   前記排気温度検出手段が前記ＳＣＲ触媒が活性しにくい第２設定温度未満の温度を検出すると、前記ＤＰＦを通過した排気の一部を前記バイパス通路に導き、前記推定モル比が１となるように、排気流量を調整する低温時活性化機能部を有する
   ことを特徴とする排気浄化装置。
4. 請求項３記載の排気浄化装置において、
   前記ＳＣＲ触媒上流および下流のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段
   を更に備え、
   前記モル比推定手段は、
   前記ＮＯｘ濃度検出手段により検出されたＳＣＲ触媒上流および下流のＮＯｘ濃度から求めるＮＯｘ浄化率および前記排気温度検出手段により検出されたＳＣＲ触媒上流の排気温度に基づいて、前記モル比を推定する
   ことを特徴とする排気浄化装置。
5. 請求項１記載の排気浄化装置において、
   前記排気流量調整手段は、バタフライバルブを有する
   ことを特徴とする排気浄化装置。

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