特許 6586377 排気浄化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6586377

(24)【登録日】2019年9月13日

(45)【発行日】2019年10月2日

(54)【発明の名称】排気浄化装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/20 20060101AFI20190919BHJP

   B01D 53/94 20060101ALI20190919BHJP

   F01N 3/025 20060101ALI20190919BHJP

   F01N 3/035 20060101ALI20190919BHJP

   F01N 3/08 20060101ALI20190919BHJP

   F01N 3/24 20060101ALI20190919BHJP

【ＦＩ】

   F01N3/20 LZAB

   B01D53/94 400

   B01D53/94 222

   F01N3/025 201S

   F01N3/035 A

   F01N3/035 E

   F01N3/08 G

   F01N3/24 C

   F01N3/24 E

【請求項の数】5

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2016-32216(P2016-32216)

(22)【出願日】2016年2月23日

(65)【公開番号】特開2017-150357(P2017-150357A)

(43)【公開日】2017年8月31日

【審査請求日】2018年12月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005463

【氏名又は名称】日野自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】内海 尚子

【審査官】 楠永 吉孝

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／０４２２１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１１／１２５２０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１５０２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０９１９０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０３８０３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２７０６１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１５２００９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｎ ３／００〜 ３／３８

Ｂ０１Ｄ ５３／９４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

排気通路を流れる排気ガスを昇温可能なバーナーと、
前記バーナーの下流に位置し、排気ガスに尿素水を添加する第１添加弁と、
前記第１添加弁の下流に位置し、ＮＯｘとアンモニアとを反応させてＮＯｘを還元する第１選択還元型触媒を表層に有して排気ガス中の粒子状物質を捕捉する触媒化ＤＰＦと、
前記触媒化ＤＰＦの下流に位置し、排気ガスに尿素水を添加する第２添加弁と、
前記第２添加弁の下流に位置し、前記第１選択還元型触媒よりも高い活性温度域を有するとともにＮＯｘとアンモニアとを反応させてＮＯｘを還元する第２選択還元型触媒と、
前記バーナーの駆動、前記第１添加弁による尿素水の添加、および、前記第２添加弁による尿素水の添加を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記バーナーに流入する排気ガスの温度であるバーナー入口温度と前記第１選択還元型触媒の温度である第１触媒温度とを取得し、前記第１選択還元型触媒が活性状態にある第１活性温度よりも前記第１触媒温度が低く、かつ、前記第１活性温度よりも高い設定温度よりも前記バーナー入口温度が低いとき、前記第１選択還元型触媒を前記第１活性温度まで昇温させる昇温モードで前記バーナーを駆動する
排気浄化装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記第１触媒温度が前記第１活性温度以上であり、かつ、前記バーナー入口温度が前記設定温度よりも低いとき、前記第１選択還元型触媒を活性状態に維持する保温モードで前記バーナーを駆動する
請求項１に記載の排気浄化装置。

【請求項3】

前記制御部は、
前記第２選択還元型触媒の温度である第２触媒温度を取得し、
前記第２選択還元型触媒が活性状態にある第２活性温度よりも前記第２触媒温度が低く、かつ、前記第１触媒温度が前記第１活性温度以上であるときには、前記第１添加弁による尿素水の添加を行い、
前記第２触媒温度が前記第２活性温度以上であるときには、前記第２添加弁による尿素水の添加を行う
請求項１または２に記載の排気浄化装置。

【請求項4】

前記バーナーの上流に、排気ガスに含まれる一酸化窒素の一部を二酸化窒素へ酸化する前段酸化触媒を備える
請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。

【請求項5】

前記第２選択還元型触媒を通過した排気ガスに含まれるアンモニアを酸化する後段酸化触媒を備える
請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気浄化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化する排気浄化装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、例えば特許文献１のように、排気ガスに含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を浄化する排気浄化装置として、排気ガスに尿素水を添加する添加弁とこの添加弁の下流に位置する選択還元型触媒と用いた尿素ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）が知られている。尿素ＳＣＲでは、排気ガスに添加された尿素水が加水分解によりアンモニアに変換される。そして、そのアンモニアを含む排気ガスが選択還元型触媒に流入すると、排気ガス中のＮＯｘがアンモニアと反応して窒素と水とに還元される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−９１９０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、環境保全等の観点から、上述した尿素ＳＣＲを用いた排気浄化装置にはさらなるＮＯｘの浄化性能の向上が求められている。本発明は、排気ガスに含まれるＮＯｘの浄化性能の向上を可能にした排気浄化装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決する排気浄化装置は、排気通路を流れる排気ガスを昇温可能なバーナーと、前記バーナーの下流に位置し、排気ガスに尿素水を添加する第１添加弁と、前記第１添加弁の下流に位置し、ＮＯｘとアンモニアとを反応させてＮＯｘを還元する第１選択還元型触媒を表層に有して排気ガス中の粒子状物質を捕捉する触媒化ＤＰＦ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）と、前記触媒化ＤＰＦの下流に位置し、排気ガスに尿素水を添加する第２添加弁と、前記第２添加弁の下流に位置し、前記第１選択還元型触媒よりも高い活性温度域を有するとともにＮＯｘとアンモニアとを反応させてＮＯｘを還元する第２選択還元型触媒と、前記バーナーの駆動、前記第１添加弁による尿素水の添加、および、前記第２添加弁による尿素水の添加を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記バーナーに流入する排気ガスの温度であるバーナー入口温度と前記第１選択還元型触媒の温度である第１触媒温度とを取得し、前記第１選択還元型触媒が活性状態にある第１活性温度よりも前記第１触媒温度が低く、かつ、前記第１活性温度よりも高い設定温度よりも前記バーナー入口温度が低いとき、前記第１選択還元型触媒を前記第１活性温度まで昇温させる昇温モードで前記バーナーを駆動する。

【0006】

設定温度は、エンジンの暖機完了後、バーナーを駆動しなくとも、第１選択還元型触媒が高い確率のもとで活性状態に維持されるバーナー入口温度である。上記構成によれば、第１選択還元型触媒が不活性状態にあり、かつ、バーナー入口温度が設定温度よりも低いとき、バーナーが昇温モードで駆動される。また、第１選択還元型触媒と排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するＤＰＦとが同列に配設されている。これにより、第１選択還元型触媒の昇温を効果的に促進させることができるとともに第２選択還元型触媒の昇温も促進させることができる。そのため、エンジンが冷間始動された場合であっても、第１選択還元型触媒によるＮＯｘの還元、および、第２選択還元型触媒によるＮＯｘの還元を早期に実現可能である。その結果、ＮＯｘの低減率を向上させることができる。

【0007】

上記排気浄化装置において、前記制御部は、前記第１触媒温度が前記第１活性温度以上であり、かつ、前記バーナー入口温度が前記設定温度よりも低いとき、前記第１選択還元型触媒を活性状態に維持する保温モードで前記バーナーを駆動することが好ましい。

【0008】

上記構成によれば、第１選択還元型触媒が活性状態にあり、かつ、バーナー入口温度が設定温度よりも低いとき、バーナーが保温モードで駆動される。これにより、例えばエンジンが低負荷状態にあるときにバーナー入口温度が一時的に設定温度を下回ったとしても、第１選択還元型触媒が不活性状態になることを抑えることができる。その結果、バーナー入口温度が設定温度よりも低くなったとしてもＮＯｘの還元を継続して行うことが可能であることから、ＮＯｘの低減率をさらに向上させることができる。

【0009】

上記排気浄化装置にて、前記制御部は、前記第２選択還元型触媒の温度である第２触媒温度を取得し、前記第２選択還元型触媒が活性状態にある第２活性温度よりも前記第２触媒温度が低く、かつ、前記第１触媒温度が前記第１活性温度以上であるときには、前記第１添加弁による尿素水の添加を行い、前記第２触媒温度が前記第２活性温度以上であるときには、前記第２添加弁による尿素水の添加を行うことが好ましい。

【0010】

第１選択還元型触媒は、触媒化ＤＰＦの表層である。そのため、第１選択還元型触媒は、触媒化ＤＰＦにおける粒子状物質の堆積量が多くなるほど、排気ガスとの接触面積が少なくなることでＮＯｘの還元効率が低下する。この点、上記によれば、第２触媒温度が第２活性温度以上であるときには、第１選択還元型触媒の状態に関わらず、第２添加弁のみで尿素水の添加を行う。これにより、触媒化ＤＰＦにおける粒子状物質の堆積に起因してＮＯｘの浄化性能が低下することが抑えられる。また、例えば、バーナーを保温モードで駆動しているときに第１添加弁による尿素水の添加が行われることで、排気ガスの熱に基づく尿素水の加水分解が促進され、第１選択還元型触媒に流入するアンモニアが多くなる。これにより、第１選択還元型触媒の温度低下を抑えつつ、第１選択還元型触媒におけるＮＯｘの還元を効率よく行うことができる。同様に、バーナーを保温モードで駆動しているときに第２添加弁による尿素水の添加が行われることで、排気ガスの熱に基づく尿素水の加水分解が促進され、第２選択還元型触媒に流入するアンモニアが多くなる。これにより、第２選択還元型触媒の温度低下を抑えつつ、第２選択還元型触媒におけるＮＯｘの還元を効率よく行うことができる。

【0011】

上記排気浄化装置は、前記バーナーの上流に、排気ガスに含まれる一酸化窒素の一部を二酸化窒素へ酸化する前段酸化触媒を備えることが好ましい。
エンジンから排出された直後の排気ガスに含まれる窒素酸化物は一酸化窒素が大部分であり、また、アンモニアによる窒素酸化物の還元反応は、一酸化窒素と二酸化窒素とのモル比が１：１に近づくほど反応速度が速くなる。そのため、上記構成によれば、酸化触媒によって排気ガスにおける一酸化窒素と二酸化窒素とのモル比が１：１に近づくことで、各選択還元型触媒における還元反応の反応速度を高めることができる。その結果、ＮＯｘの低減率をさらに向上させることができる。

【0012】

上記排気浄化装置は、前記第２選択還元型触媒を通過した排気ガスに含まれるアンモニアを酸化する後段酸化触媒を備えることが好ましい。
上記構成によれば、第２選択還元型触媒から流出したアンモニアの大気への放出を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】排気浄化装置の一実施形態の概略構成を示す概略構成図。

【図2】モード選択処理の手順の一例を示すフローチャート。

【図3】添加処理の手順の一例を示すフローチャート。

【図4】ＮＯｘ低減率の比較結果の一例を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１〜図４を参照して、排気浄化装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、排気浄化装置１０は、エンジンからの排気ガスが流れる排気通路１１に、上流側から順に、前段酸化触媒２０、バーナー２１、第１添加弁２２、第１選択還元型触媒２３（以下、単に第１触媒２３という。）を表層に有する触媒化ＤＰＦ２５、第２添加弁２６、第２選択還元型触媒２７（以下、単に第２触媒２７という。）、後段酸化触媒２８を備えている。排気通路１１は、バーナー２１および触媒化ＤＰＦ２５を収容する第１収容部１２と、第１収容部１２に対して縮径部１３を介して接続されて第２触媒２７および後段酸化触媒２８を収容する第２収容部１４とを備えている。

【0015】

前段酸化触媒２０は、ＤＯＣ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）であり、排気ガス中の炭化水素や一酸化炭素を酸化して水や二酸化炭素に変換するとともに一酸化窒素を酸化して二酸化窒素に変換する。前段酸化触媒２０は、例えば耐熱性に優れたステンレスやセラミックからなるフロースルー型のモノリス担体と、このモノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と触媒担体に担持された触媒金属とを有する。触媒金属は、例えば白金、パラジウム、およびロジウム等の白金系元素のうちの少なくとも１種である。

【0016】

バーナー２１は、エンジンの燃料を第１収容部１２内に供給する供給弁や供給された燃料を着火する着火部等を有し、燃料が燃焼する駆動状態において排気ガスを昇温させる。バーナー２１は、燃料の燃焼が開始されると燃料の供給が停止されるまで駆動状態に維持される。バーナー２１の出力は、燃料の供給量が多くなると大きくなり、燃料の供給量が少なくなると小さくなる。バーナー２１は、例えば第１触媒２３を昇温する昇温モードや触媒化ＤＰＦ２５が捕捉した粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を焼却する再生モードといった複数の制御モードを有している。

【0017】

第１添加弁２２は、バーナー２１と触媒化ＤＰＦ２５との間に位置するインジェクターであって、第１収容部１２を流れる排気ガスに還元剤である尿素水を噴射する。第１添加弁２２は、尿素水タンクや機械式ポンプ等を備えた尿素水供給装置２９から所定圧力の尿素水が供給されており、開弁時間が長いほど多くの尿素水を噴射する。

【0018】

触媒化ＤＰＦ２５は、排気ガス中の粒子状物質を捕捉するフィルター機能と、第１添加弁２２の添加した尿素水が加水分解したアンモニアと排気ガスに含まれるＮＯｘとを反応させてＮＯｘを窒素や水へと還元する還元機能とを有する。触媒化ＤＰＦ２５は、例えば耐熱性に優れたステンレスやセラミックからなるウォールフロー型のフィルター２４と、該フィルター２４にコーティングされた触媒層である第１触媒２３とで構成されている。第１触媒２３は、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とを有する。触媒金属としては、例えば、銅系、鉄系、バナジウム系の各種金属が挙げられる。第１触媒２３は、第１活性温度Ｔ１Ａ（例えば１５０℃）以上であって第１上限温度（例えば３５０℃）以下の温度範囲を活性温度域として有する。

【0019】

第２添加弁２６は、第１収容部１２と第２収容部１４とを接続する縮径部１３に取り付けられたインジェクターであって、縮径部１３を流れる排気ガスに対して還元剤である尿素水を噴射する。第２添加弁２６は、尿素水供給装置２９から所定圧力の尿素水が供給されており、開弁時間が長いほど多くの尿素水を噴射する。

【0020】

第２触媒２７は、第２添加弁２６の添加した尿素水が加水分解したアンモニアと排気ガ
ス中のＮＯｘとを反応させてＮＯｘを還元する。第２触媒２７は、例えばステンレスやセラミックからなるフロースルー型のモノリス担体と、このモノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とを有する。触媒金属としては、例えば、銅系、鉄系、バナジウム系の各種金属が挙げられる。第２触媒２７は、第１触媒２３よりも容量が大きく、第１触媒２３よりも多くのＮＯｘを還元することが可能である。第２触媒２７は、第１触媒２３の第１活性温度Ｔ１Ａよりも高い第２活性温度Ｔ２Ａ（例えば「１８０℃」）以上であって、後述する触媒化ＤＰＦ２５の再生温度よりも高い第２上限温度（例えば「６５０℃」）以下の比較的高い温度範囲を活性温度域として有する。

【0021】

後段酸化触媒２８は、第２触媒２７を通過したアンモニアを酸化する。後段酸化触媒２８は、例えば耐熱性に優れたステンレスやセラミックからなるモノリス担体と、モノリス担体にコーティングされた触媒層とを有する。触媒層は、例えばゼオライトやアルミナからなる粒子状の触媒担体と、触媒担体に担持された触媒金属とを有する。触媒金属は、例えば白金、パラジウム、およびロジウム等の白金系元素のうちの少なくとも１種である。

【0022】

排気通路１１には、各種のセンサーが取り付けられている。バーナー入口温度センサー３１は、前段酸化触媒２０とバーナー２１との間に位置し、バーナー２１に流入する排気ガスの温度であるバーナー入口温度Ｔｂを検出する。第１入口温度センサー３２は、第１添加弁２２と触媒化ＤＰＦ２５との間に位置し、触媒化ＤＰＦ２５に流入する排気ガスの温度である第１入口温度Ｔ１ｉｎを検出する。第１出口温度センサー３３は、触媒化ＤＰＦ２５と第２添加弁２６との間に位置し、触媒化ＤＰＦ２５を通過した排気ガスの温度である第１出口温度Ｔ１ｏｕｔを検出する。第２入口温度センサー３４は、第２添加弁２６と第２触媒２７との間に位置し、第２触媒２７に流入する排気ガスの温度である第２入口温度Ｔ２ｉｎを検出する。第２出口温度センサー３５は、第２触媒２７と後段酸化触媒２８との間に位置し、第２触媒２７を通過した排気ガスの温度である第２出口温度Ｔ２ｏｕｔを検出する。第１ＮＯｘセンサー３６は、第１添加弁２２と触媒化ＤＰＦ２５との間に位置し、触媒化ＤＰＦ２５に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度である第１ＮＯｘ濃度Ｃ１を検出する。第２ＮＯｘセンサー３７は、第２添加弁２６と第２触媒２７との間に位置し、第２触媒２７に流入する排気ガスのＮＯｘ濃度である第２ＮＯｘ濃度Ｃ２を検出する。排気浄化装置１０は、これらの各種センサーが検出した値を示す信号に基づいて、バーナー２１の駆動、第１添加弁２２による尿素水の添加、および、第２添加弁２６による尿素水の添加を制御する制御装置５０を備えている。

【0023】

制御装置５０は、処理部、記憶部、外部入力部、および、外部出力部等を備えたマイクロコンピュータを中心に構成されており、各種機能部として、触媒温度取得部５１、バーナー制御部５２、添加制御部５３を備えている。なお、制御装置５０には、上述した各種センサーに加えて、吸入空気量センサー３８からエンジンが吸入する空気の体積流量である吸入空気量Ｑａを示す信号が入力される。制御装置５０は、吸入空気量Ｑａを排気流量として取り扱う。

【0024】

触媒温度取得部５１は、上述した各種温度センサーからの信号に基づいて、第１触媒２３の温度である第１触媒温度Ｔ１と第２触媒２７の温度である第２触媒温度Ｔ２とを取得する。触媒温度取得部５１は、第１入口温度Ｔ１ｉｎと第１出口温度Ｔ１ｏｕｔとの平均値を演算し、その演算した平均値を第１触媒温度Ｔ１として取得する。触媒温度取得部５１は、第２入口温度Ｔ２ｉｎと第２出口温度Ｔ２ｏｕｔとの平均値を演算し、その演算した平均値を第２触媒温度Ｔ２として取得する。

【0025】

バーナー制御部５２は、バーナー２１の制御モードを選択するモード選択処理を繰り返し実行し、選択された制御モードに応じてバーナー２１の駆動を制御する。このモード選
択処理について図２を参照して説明する。

【0026】

図２に示すように、バーナー制御部５２は、例えば触媒化ＤＰＦ２５における差圧に基づいて粒子状物質の堆積量Ｍを演算し、その演算した堆積量Ｍが触媒化ＤＰＦ２５の再生が必要となる上限値α未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。

【0027】

堆積量Ｍが上限値α以上である場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）、バーナー制御部５２は、再生モードを選択し（ステップＳ１０２）、モード選択処理を一旦終了する。再生モードを選択したバーナー制御部５２は、モード選択処理を中断して再生処理を実行する。再生処理においてバーナー制御部５２は、例えば再生処理の開始から所定時間内に第１触媒温度Ｔ１が再生温度（例えば「６００℃」）に到達するようにバーナー２１の出力を制御する。またバーナー制御部５２は、第１触媒温度Ｔ１が再生温度に到達すると、堆積量Ｍが下限値β（＜α）未満になるまで第１触媒温度Ｔ１が再生温度に維持されるようにバーナー２１の出力を制御する。バーナー制御部５２は、再生処理が終了するとモード選択処理を再開する。

【0028】

一方、堆積量Ｍが上限値α未満である場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、バーナー制御部５２は、バーナー入口温度Ｔｂが設定温度Ｔｂｓ（例えば「２００℃」）未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。設定温度Ｔｂｓは、エンジンの暖機完了によってバーナー２１よりも上流側の排気通路１１が十分に昇温し、なおかつ、バーナー２１を駆動しなくとも、少なくとも第１触媒２３、好ましくは第１および第２触媒２３，２７の双方が高い確率のもとで活性状態に維持されるバーナー入口温度Ｔｂである。すなわち、設定温度Ｔｂｓは、少なくとも第１触媒２３を活性状態に維持するうえでバーナー２１の駆動が不要となるバーナー入口温度Ｔｂである。この設定温度Ｔｂｓは、例えば、実機を用いた実験の結果やシミュレーションの結果に基づいて設定される温度である。バーナー入口温度Ｔｂが設定温度Ｔｂｓ以上である場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、バーナー制御部５２は、バーナー２１を駆動しない停止モードを選択し（ステップＳ１０４）、モード選択処理を一旦終了する。停止モードを選択したバーナー制御部５２は、バーナー２１が駆動状態にあるときは燃料の供給を停止してバーナー２１を停止状態に制御し、バーナー２１が停止状態にあるときにはそのままの状態を維持する。

【0029】

一方、バーナー入口温度Ｔｂが設定温度Ｔｂｓ未満である場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、バーナー制御部５２は、第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａ未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０５）。第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａ未満である場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、バーナー制御部５２は、第１触媒２３を昇温させる昇温モードを選択し（ステップＳ１０６）、モード選択処理を一旦終了する。昇温モードを選択したバーナー制御部５２は、例えば昇温モードの選択から所定時間内に第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａに到達するようにバーナー２１の出力を制御する。

【0030】

一方、第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａ以上である場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、バーナー制御部５２は、第１活性温度Ｔ１Ａ以上にある第１触媒２３を保温する保温モードを選択し（ステップＳ１０７）、モード選択処理を一旦終了する。保温モードを選択したバーナー制御部５２は、第１触媒温度Ｔ１と第１触媒温度Ｔ１よりも高い第１保温温度Ｔ１ｋとの差に基づいてバーナー２１の出力を制御する。バーナー制御部５２は、第１触媒温度Ｔ１が第１保温温度Ｔ１ｋよりも高いときには、その差に応じた分だけバーナー２１の出力を小さくする。またバーナー制御部５２は、第１触媒温度Ｔ１が第１保温温度Ｔ１ｋよりも低いときには、その差に応じた分だけバーナー２１の出力を大きくする。こうしたバーナー２１の出力の調整を行うことで、バーナー制御部５２は、第１触媒２３を第１保温温度Ｔ１ｋに保持する。

【0031】

次に、添加制御部５３について説明する。添加制御部５３は、第１添加弁２２による尿素水の添加、および、第２添加弁２６による尿素水の添加を制御する添加処理を繰り返し実行する。この添加処理について図３を参照して説明する。

【0032】

図３に示すように、添加制御部５３は、最初に、第２触媒温度Ｔ２が第２活性温度Ｔ２Ａ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２０１）。第２触媒温度Ｔ２が第２活性温度Ｔ２Ａ未満であった場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）、添加制御部５３は、第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２０２）。第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａ未満であった場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、添加制御部５３は、第１および第２触媒２３，２７の双方が不活性状態にあるものとして、停止処理を実行し（ステップＳ２０３）、添加処理を一旦終了する。停止処理において添加制御部５３は、尿素水を添加している場合には尿素水の添加を停止し、尿素水を添加していない場合にはそのままの状態を維持する。

【0033】

一方、第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａ以上である場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、添加制御部５３は、第１添加弁２２から尿素水を添加する第１添加処理を実行し（ステップＳ２０４）、添加処理を一旦終了する。第１添加処理において添加制御部５３は、吸入空気量Ｑａと第１ＮＯｘ濃度Ｃ１とに基づいて、第１触媒２３に流入する排気ガスのＮＯｘ量である第１ＮＯｘ量Ｑｎ１を演算する。そして添加制御部５３は、第１ＮＯｘ量Ｑｎ１に応じた第１添加量Ｑｕ１の尿素水が排気ガスに添加されるように第１添加弁２２の開閉を制御する。第１添加量Ｑｕ１は、例えばＮＯｘとアンモニアとのモル比が１：１となる尿素水の量である。なお、第１添加処理は、バーナー２１の制御モードにかかわらずステップＳ２０２の条件が満たされたときに実行される。すなわち、第１添加処理は、例えば保温モードや再生モードでバーナー２１が駆動されている状態であったとしても、ステップＳ２０２の条件が満たされれば実行される。

【0034】

また、ステップＳ２０１において第２触媒温度Ｔ２が第２活性温度Ｔ２Ａ以上である場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、添加制御部５３は、第２添加弁２６から尿素水を添加する第２添加処理を実行し（ステップＳ２０５）、添加処理を一旦終了する。

【0035】

第２添加処理において添加制御部５３は、吸入空気量Ｑａと第２ＮＯｘ濃度Ｃ２とに基づいて、第２触媒２７に流入する排気ガスのＮＯｘ量である第２ＮＯｘ量Ｑｎ２を演算する。そして添加制御部５３は、第２ＮＯｘ量Ｑｎ２に応じた第２添加量Ｑｕ２の尿素水が排気ガスに添加されるように第２添加弁２６の開閉を制御する。第２添加量Ｑｕ２は、例えばＮＯｘとアンモニアとのモル比が１：１となる尿素水の量である。なお、第２添加処理は、第１添加処理と同様、バーナー２１の制御モードにかかわらず、ステップＳ２０１の条件が満たされたときに実行される。

【0036】

図４を参照して上述した排気浄化装置の作用について説明する。
排気浄化装置１０では、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するＤＰＦを触媒化ＤＰＦ２５とすることによってＤＰＦと触媒とが同じ位置に配設されている。そのため、ＤＰＦの下流に第１触媒２３が位置する構成に比べて第１および第２触媒２３，２７に流入する排気ガスの温度低下が抑えられることから、バーナー２１の駆動によって第１および第２触媒２３，２７を効果的に昇温させることができる。これにより、第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａに到達する時期、および、第２触媒温度Ｔ２が第２活性温度Ｔ２Ａに到達する時期が早まることで、第１触媒２３によるＮＯｘの還元、および、第２触媒２７によるＮＯｘの還元を早期に実現可能である。その結果、ＮＯｘの低減率を向上させることができる。

【0037】

図４は、ＮＯｘの低減率を連邦テスト法（ＦＴＰ：Ｆｅｄｅｒａ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃ
ｅｄｕｒｅ）のコールドスタートで比較した結果の一例を示すグラフである。実施例１，２の排気浄化装置は上述した排気浄化装置１０である。実施例１は、第１および第２触媒２３，２７の触媒金属として銅系の金属を用いたものであり、実施例２は、第１および第２触媒２３，２７の触媒金属として鉄系の金属、あるいは、バナジウム系の金属を用いたものである。一方、比較例の排気浄化装置は、触媒化ＤＰＦ２５に代えて、ＤＰＦとＤＰＦの下流に位置する第１選択還元型触媒とを備えたものである。図４に示すように、実施例１，２では、比較例に比べてＮＯｘの低減率が約１０％向上することが認められた。

【0038】

上記実施形態の排気浄化装置によれば、以下に列挙する作用効果が得られる。
（１）バーナー入口温度Ｔｂが設定温度Ｔｂｓ未満であり、かつ、第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａ未満であるとき、バーナー２１が昇温モードで駆動される。また、排気ガスに含まれる粒子状物質を捕捉するＤＰＦを触媒化ＤＰＦ２５とすることによってＤＰＦと触媒とが同列に配設されている。そのため、バーナー２１の駆動により、第１および第２触媒２３，２７の昇温を効果的に促進させることができる。これにより、エンジンが冷間始動された場合であっても、第１触媒２３によるＮＯｘの還元、および、第２触媒２７によるＮＯｘの還元を早期に実現可能である。その結果、ＮＯｘの低減率を向上させることができる。

【0039】

（２）バーナー入口温度Ｔｂが設定温度Ｔｂｓ未満であり、かつ、第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａ以上であるとき、バーナー２１が保温モードで駆動される。これにより、例えばエンジンが低負荷状態にあるときにバーナー入口温度Ｔｂが一時的に設定温度Ｔｂｓを下回ったとしても、第１触媒２３が不活性状態になることを抑えることができる。その結果、バーナー入口温度Ｔｂが設定温度Ｔｂｓよりも低くなったとしてもＮＯｘの還元が継続して行われることから、ＮＯｘの低減率をさらに向上させることができる。

【0040】

（３）バーナー２１が保温モードや再生モードで駆動されている状態であっても、各触媒温度が所定条件（ステップＳ２０１あるいはステップＳ２０２）を満たすと第１添加処理あるいは第２添加処理が行われる。そのため、バーナー２１の駆動中に第１添加処理が実行されることにより、第１触媒２３に流入するまえに加水分解する尿素水が多くなり、第１触媒２３の温度低下を抑えつつ第１触媒２３におけるＮＯｘの還元を効率よく行うことができる。また、バーナー２１の駆動中に第２添加処理が実行されることにより、第２触媒２７に流入するまえに加水分解する尿素水が多くなり、第２触媒２７の温度低下を抑えつつ第２触媒２７におけるＮＯｘの還元を効率よく行うことができる。

【0041】

（４）第１触媒２３は、触媒化ＤＰＦ２５の表層であるため、触媒化ＤＰＦ２５における堆積量Ｍが多くなるほど排気ガスとの接触面積が小さくなり、ＮＯｘの還元量が低下する。この点、排気浄化装置１０では、第２触媒温度Ｔ２が第２活性温度Ｔ２Ａ以上であるときには、第１触媒２３の活性状態にかかわらず、第２添加弁２６のみで尿素水の添加を行う。これにより、触媒化ＤＰＦ２５におけるＰＭの堆積に起因して、排気浄化装置１０のＮＯｘ浄化性能の低下を抑えることができる。また、余剰な尿素水の添加が抑えられることから、尿素水の消費量を抑えることができる。

【0042】

（５）エンジンから排出された直後の排気ガスに含まれる窒素酸化物は一酸化窒素が大部分であり、また、アンモニアによる窒素酸化物の還元反応は、一酸化窒素と二酸化窒素とのモル比が１：１に近づくほど反応速度が速くなる。この点、排気浄化装置１０は、バーナー２１の上流に、排気ガスに含まれる一酸化窒素の一部を二酸化窒素に変換する前段酸化触媒２０を備えている。そのため、前段酸化触媒２０によって排気ガスにおける一酸化窒素と二酸化窒素とのモル比が１：１に近づくことで、第１および第２触媒２３，２７における還元反応の反応速度を高めることができる。その結果、ＮＯｘの低減率をさらに向上させることができる。

【0043】

（６）前段酸化触媒２０では、未燃燃料も酸化される。そのため、その酸化された分だけバーナー２１に流入する排気ガスを昇温させることができる。これにより、バーナー２１の駆動にともなう燃料消費量を低減することができる。

【0044】

（７）第２触媒２７の下流に後段酸化触媒２８が配設されていることにより、第２触媒２７から流出した未燃燃料やアンモニアを酸化することができる。これにより、これら未燃燃料およびアンモニアの大気への放出を抑えることができる。

【0045】

（８）第２触媒温度Ｔ２が第２活性温度Ｔ２Ａ以上であるときもバーナー入口温度Ｔｂおよび第１触媒温度Ｔ１に応じてバーナーが駆動されることで、第１および第２触媒２３，２７の双方が不活性状態になることを抑えることができる。

【0046】

（９）第２選択還元型触媒２７が再生温度よりも高い温度域を活性温度域として有することで触媒化ＤＰＦ２５の再生処理中も第２添加処理を行うことができる。これにより、再生処理中にバーナー２１から発生するＮＯｘも浄化することができる。

【0047】

上記実施形態は以下のように適宜変更して実施することもできる。
・排気ガスに含まれるＮＯｘを低減させるうえでは、後段酸化触媒２８は割愛された構成であってもよい。

【0048】

・排気浄化装置１０は、前段酸化触媒２０が割愛された構成であってもよい。
・第２触媒温度Ｔ２が第２活性温度Ｔ２Ａ以上であるとき、その上流側に位置している第１触媒２３も第１活性温度Ｔ１Ａ以上である可能性が非常に高い。そのため、添加制御部５３は、第２触媒温度Ｔ２が第２活性温度Ｔ２Ａ以上であるときに、第１添加処理および第２添加処理の双方を実行してもよい。すなわち、添加制御部５３は、第１ＮＯｘ量Ｑｎ１に応じた第１添加量Ｑｕ１の尿素水を第１添加弁２２から添加し、第２ＮＯｘ量Ｑｎ２に応じた第２添加量Ｑｕ２の尿素水を第２添加弁２６から添加してもよい。

【0049】

・保温モードにおいて、バーナー制御部５２は、第１触媒温度Ｔ１が第１保温温度Ｔ１ｋよりも高くなることを条件にバーナー２１を停止し、第１触媒温度Ｔ１が第１保温温度Ｔ１ｋよりも低くなることを条件にバーナー２１を駆動してもよい。すなわち、バーナー制御部５２は、バーナー２１の出力の調整ではなく、バーナー２１の停止と駆動とを繰り返すことにより、第１触媒温度Ｔ１を第１保温温度Ｔ１ｋに保持するようにしてもよい。

【0050】

・バーナー制御部５２は、制御モードから保温モードが割愛された構成であってもよい。この場合、バーナー制御部５２は、第１触媒温度Ｔ１が第１活性温度Ｔ１Ａ以上であるか否かに応じて停止モードと昇温モードとを繰り返す。

【0051】

・選択還元型触媒においては、その触媒温度に応じてＮＯｘを還元可能な最大値を有する。そのため、第１添加処理において、バーナー制御部５２は、第１ＮＯｘ量Ｑｎ１のＮＯｘを還元可能な量を最大値として、第１触媒温度Ｔ１に応じて第１添加量Ｑｕ１を制御してもよい。なお、第２添加量Ｑｕ２についても同様である。

【0052】

・設定温度Ｔｂｓは、バーナー２１を駆動しなくとも第１触媒２３のみが高い確率のもとで活性状態に維持されるバーナー入口温度Ｔｂに設定されていればよい。
・第２選択還元型触媒２７は、活性温度域に第１選択還元型触媒２３の活性温度域よりも高い温度域を有していればよい。すなわち、第２選択還元型触媒２７は、第２上限温度が第１上限温度よりも高ければよく、第２活性温度Ｔ２Ａが第１活性温度Ｔ１Ａと同じ温度であってもよい。

【0053】

・触媒温度取得部５１は、第１入口温度Ｔ１ｉｎと第１出口温度Ｔ１ｏｕｔの平均値を第１触媒温度Ｔ１として取得する構成に限られない。例えば、第１入口温度Ｔ１ｉｎを第１触媒温度Ｔ１として取得する構成であってもよいし、第１出口温度Ｔ１ｏｕｔを第１触媒温度Ｔ１として取得する構成であってもよい。こうした構成によれば、排気浄化装置１０の構成の簡素化を図ることができる。なお、第２触媒温度Ｔ２についても同様である。

【符号の説明】

【0054】

１０…排気浄化装置、１１…排気通路、１２…第１収容部、１３…縮径部、１４…第２収容部、２０…前段酸化触媒、２１…バーナー、２２…第１添加弁、２３…第１選択還元型触媒、２４…フィルター、２５…触媒化ＤＰＦ、２６…第２添加弁、２７…第２選択還元型触媒、２８…後段酸化触媒、２９…尿素水供給装置、３１…バーナー入口温度センサー、３２…第１入口温度センサー、３３…第１出口温度センサー、３４…第２入口温度センサー、３５…第２出口温度センサー、３６…第１ＮＯｘセンサー、３７…第２ＮＯｘセンサー、３８…吸入空気量センサー、５０…制御装置、５１…触媒温度取得部、５２…バーナー制御部、５３…添加制御部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】