(57)【要約】【課題】排気浄化率を早期に上昇させる。【解決手段】機関排気通路内に配置された少なくとも二つの排気処理触媒（１３，１４）と、水素供給源と、水素を水素供給源から各排気処理触媒（１３，１４）に供給するための複数の水素供給通路（５１Ａ，５１Ｂ）とを具備する。排気処理触媒（１３，１４）の暖機を行っているときに、排気処理触媒（１３，１４）のうちで、水素を供給したときに排気浄化率の上昇量が大きい方の排気処理触媒（１３，１４）に、水素供給源から、対応する水素供給通路（５１Ａ，５１Ｂ）を介して水素が供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関排気通路内に配置された少なくとも二つの排気処理触媒と、水素供給源と、水素を該水素供給源から各排気処理触媒に供給するための複数の水素供給通路とを具備した内燃機関の排気浄化装置において、該排気処理触媒の暖機を行っているときに、該排気処理触媒のうちで、水素を供給したときに排気浄化率の上昇量が大きい方の排気処理触媒に、該水素供給源から、対応する該水素供給通路を介して水素を供給する内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
該排気処理触媒が、第１の排気処理触媒と、第１の排気処理触媒の下流に配置された第２の排気処理触媒からなり、該第１の排気処理触媒の温度が、水素を供給すると排気浄化率の上昇する温度領域にあり、かつ、該第２の排気処理触媒の温度が、水素を供給すると排気浄化率の上昇する温度領域にあるときには、該第１の排気処理触媒および該第２の排気処理触媒のうちで、水素を供給すると排気浄化率の上昇量が大きい方の排気処理触媒に、該水素供給源から、対応する該水素供給通路を介して水素を供給する請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
該排気浄化率の上昇量として、該水素供給源において水素を生成するために使用される単位燃料量当りの上昇量が用いられ、該第１の排気処理触媒および該第２の排気処理触媒のうちで、水素を供給すると排気浄化率の該単位燃料量当りの上昇量が大きい方の排気処理触媒に、該水素供給源から、対応する該水素供給通路を介して水素を供給する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
該第１の排気処理触媒は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチにされると吸蔵されているＮＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵還元触媒からなり、該第２の排気処理触媒は、アンモニアの存在のもとでＮＯＸを還元するＮＯＸ選択還元触媒からなる請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
該第１の排気処理触媒の温度が、上記温度領域に達していないときには、該水素供給源から該第１排気処理触媒に、対応する該水素供給通路を介して水素を供給する請求項４に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
該第１の排気処理触媒の温度が、上記温度領域を越えており、該第２の排気処理触媒の温度が、上記温度領域にあるときには、該水素供給源から該第２排気処理触媒に、対応する該水素供給通路を介して水素を供給する請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項７】
該水素供給源が、該排気処理触媒に熱のみ、又は熱および水素を供給可能な熱、水素生成装置からなり、該熱、水素生成装置が、燃料および空気の燃焼ガスが送り込まれる改質用触媒を備えており、該熱、水素生成装置では、熱、水素生成装置の始動後、改質用触媒による改質作用が可能となるまでリーン空燃比のもとで熱、水素生成装置の暖機運転が行われ、改質用触媒による改質作用が可能になると部分酸化改質反応が行われて熱および水素が生成され、該部分酸化改質反応が行われたとき、又は、該部分酸化改質反応が行われているときに、該排気処理触媒のうちで、水素を供給したときに排気浄化率の上昇量が大きい方の排気処理触媒に、対応する該水素供給通路を介して該熱、水素生成装置から熱および水素を供給する請求項１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】
水素を含む改質ガスを生成するための燃料改質装置を具備しており、機関始動時に、燃料改質装置において生成された水素を含む改質ガスを、機関排気通路に配置されたＮＯＸ浄化触媒に供給し、それによってＮＯＸ浄化触媒のＮＯＸ浄化率を高めるようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７０６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、機関排気通路に複数の排気処理触媒が配置されている場合、排気処理触媒の暖機時に、全ての排気処理触媒に水素を供給すると、排気浄化率を早期に高めることができると考えられる。しかしながら、燃料改質装置における水素の生成量には限度があり、水素の生成量を増大すると燃料消費量が増大するため、実際には、排気処理触媒の暖機時に、全ての排気処理触媒に水素を供給することは困難である。また、水素貯蔵装置を具備している場合には、排気処理触媒の暖機時に、全ての排気処理触媒に水素を供給することは可能であるが、この場合、水素の消費量が増大してしまうという問題がある。従って、機関排気通路に複数の排気処理触媒が配置されている場合には、これら排気処理触媒のうちで、水素を供給したときに排気浄化率の上昇量が大きくなる排気処理触媒を選定し、選定された排気処理触媒に水素を供給することが必要となる。しかしながら、上述の内燃機関では、このことについて、一切考慮が払われていない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、機関排気通路内に配置された少なくとも二つの排気処理触媒と、水素供給源と、水素を水素供給源から各排気処理触媒に供給するための複数の水素供給通路とを具備した内燃機関の排気浄化装置において、排気処理触媒の暖機を行っているときに、排気処理触媒のうちで、水素を供給したときに排気浄化率の上昇量が大きい方の排気処理触媒に、水素供給源から対応する該水素供給通路を介して水素を供給する。
【発明の効果】
【０００６】
排気処理触媒の暖機を行っているときに、排気処理触媒のうちで、水素を供給したときに排気浄化率の上昇量が大きい方の排気処理触媒に、水素供給源から対応する該水素供給通路を介して水素を供給することによって、水素の消費量を増大することなく、排気処理触媒を早期に暖機することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は内燃機関の全体図である。
【図２】図２は熱、水素生成装置の全体図である。
【図３】図３は軽油の改質反応を説明するための図である。
【図４】図４は、反応平衡温度ＴＢと、Ｏ２/Ｃモル比との関係を示す図である。
【図５】図５は、炭素原子１個当りの生成分子個数と、Ｏ２/Ｃモル比との関係を示す図である。
【図６】図６は、改質用触媒内の温度分布を示す図である。
【図７】図７は、供給される空気温ＴＡが変化したときの反応平衡温度ＴＢと、Ｏ２/Ｃモル比との関係を示す図である。
【図８】図８Ａおよび８Ｂは、排気処理触媒の温度変化を示す図である。
【図９】図９は、熱、水素生成制御を示すタイムチャートである。
【図１０】図１０Ａおよび１０Ｂは、２次暖機を行う運転領域を示す図である。
【図１１】図１１は、熱、水素生成制御を示すタイムチャートである。
【図１２】図１２Ａおよび１２Ｂは、ＮＯＸ吸蔵率を示す図である。
【図１３】図１３Ａおよび１３Ｂは、排気処理触媒の温度上昇量を示す図である。
【図１４】図１４Ａおよび１４Ｂは、ＮＯＸ浄化率を示す図である。
【図１５】図１５は、水素の供給経路を表示した一覧表を示す図である。
【図１６】図１６は、経路切換制御を行うためのフローチャートである。
【図１７】図１７は、経路切換制御を行うためのフローチャートである。
【図１８】図１８は、熱、水素生成制御を行うためのフローチャートである。
【図１９】図１９は、熱、水素生成制御を行うためのフローチャートである。
【図２０】図２０は、熱、水素生成制御を行うためのフローチャートである。
【図２１】図２１は、触媒温度の上昇規制制御を行うためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。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７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはアクチュエータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、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１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【０００９】
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７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気管１２を介して排気処理触媒１３の入口に連結される。図１に示される例では、この排気処理触媒１３はＮＯＸ吸蔵還元触媒からなる。また、排気処理触媒１３の出口は、別の排気処理触媒１４の入口に連結される。図１に示される例では、この排気処理触媒１４は、ＮＯＸ選択還元触媒を担持したパティキュレートフィルタからなる。排気処理触媒１４の下流には、例えば酸化触媒からなるスイーパ触媒１５が配置される。なお、排気処理触媒１３上流の排気管１２内には、例えば軽油を供給するための燃料供給弁１６が配置されており、排気処理触媒１３と排気処理触媒１４との間には、尿素水を供給するための尿素供給弁１７が配置されている。
【００１０】
一方、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と称す）通路１８を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１８内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１９が配置される。また、ＥＧＲ通路１８の周りにはＥＧＲ通路１８内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２０が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２０内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。各燃料噴射弁３は燃料供給管２１を介してコモンレール２２に連結され、このコモンレール２２は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２３を介して燃料タンク２４に連結される。燃料タンク２４内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２３によってコモンレール２２内に供給され、コモンレール２２内に供給された燃料は各燃料供給管２１を介して燃料噴射弁３に供給される。
【００１１】
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および出力ポート３６を具備する。図１に示されるように、排気処理触媒１３の上流側および排気処理触媒１３の下流側、およびパティキュレートフィルタ１４の下流側には夫々温度センサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃが配置されており、排気処理触媒１３の上流側および排気処理触媒１３の下流側には夫々ＮＯＸセンサ２６ａ、２６ｂが配置されている。更に、排気処理触媒１４、即ち、パティキュレートフィルタ１４には排気処理触媒１４の前後差圧を検出するための差圧センサ２７が取り付けられており、排気処理触媒１４の下流側には空燃比センサ２８が配置されている。これら温度センサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、ＮＯＸセンサ２６ａ、２６ｂ、差圧センサ２７、空燃比センサ２８および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するAD変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。
【００１２】
また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されており、負荷センサ４１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。また、入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。更に入力ポート３５には機関のスタータスイッチ４３の作動信号が入力される。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10の駆動用アクチュエータ、燃料供給弁１６、尿素供給弁１７、ＥＧＲ制御弁１９および燃料ポンプ２３に接続される。
【００１３】
図１を参照すると、熱および水素、又は熱のみを生成可能な熱、水素生成装置５０が設けられており、この熱、水素生成装置５０は、経路切換弁５１を経て、一方では、第１の供給通路５１Ａを介し排気処理触媒１３上流の排気管１２内に連結され、他方では、第２の供給通路５１Ｂを介し、排気処理触媒１４、即ち、ＮＯＸ選択還元触媒を担持したパティキュレートフィルタ１４上流の排気管１２内に連結されている。この熱、水素生成装置５０は、例えば、機関始動時に始動され、熱、水素生成装置５０において生成された熱および水素、又は熱は、経路切換弁５１の供給経路切換作用によって、排気処理触媒１３、又は、ＮＯＸ選択還元触媒を担持したパティキュレートフィルタ１４に供給される。それにより、これら熱および水素、又は熱によって排気処理触媒１３の暖機作用等が行われる。この熱、水素生成装置５０は、例えば、車両のエンジンルーム内に配置される。
【００１４】
図２に熱、水素生成装置５０の全体図を示す。この熱、水素生成装置５０は全体的に円筒状をなす。
図２を参照すると、５２は熱、水素生成装置５０の円筒状ハウジング、５３はハウジング５２内に形成されたバーナー燃焼室、５４はハウジング５２内に配置された改質用触媒、５５はハウジング５２内に形成されたガス流出室を夫々示す。図２に示される実施例では、ハウジング５２の長手方向中央部に改質用触媒５４が配置されており、ハウジング５２の長手方向一端部にバーナー燃焼室５３か配置されており、ハウジング５２の長手方向他端部にガス流出室５５か配置されている。図２に示されるように、この実施例では、ハウジング５２の外周全体が断熱材５６により覆われている。
【００１５】
図２に示されるように、バーナー燃焼室５３の一端部には、燃料噴射弁５８を備えたバーナー５７が配置されている。燃料噴射弁５８の先端はバーナー燃焼室５３内に配置されており、この燃料噴射弁５８の先端には燃料噴射口５９が形成されている。また、燃料噴射弁５８周りには空気室６０が形成されており、燃料噴射弁５８の先端周りには空気室６０内の空気をバーナー燃焼室５３内に向けて噴出させるための空気供給口６１が形成されている。図２に示される実施例では、燃料噴射弁５８は、図１に示されるように、燃料タンク２４に接続されており、燃料タンク２４内の燃料が燃料噴射弁５８の燃料噴射口５９から噴射される。図１および図２に示される実施例では、この燃料は軽油からなる。
【００１６】
一方、空気室６０は、一方では高温空気流通路６２を介して吐出量の制御可能な空気ポンプ６４に接続され、他方では低温空気流通路６３を介して吐出量の制御可能な空気ポンプ６４に接続されている。図２に示されるように、これらの高温空気流通路６２および低温空気流通路６３内には、夫々高温空気弁６５および低温空気弁６６が配置されている。また、図２に示されるように、高温空気流通路６２は、ガス流出室５５内に配置された熱交換部を具備しており、この熱交換部が図２に、符号６２ａでもって図解的に示されている。なお、この熱交換部６２ａは、改質用触媒５４の下流であってガス流出室５５を画定するハウジング５２の周囲に形成することもできる。即ち、この熱交換部６２ａは、ガス流出室５５から流出した高温ガス熱を用いて熱交換作用が行われる場所に配置、又は形成することが好ましい。一方、低温空気流通路６３は、このようにガス流出室５５から流出した高温ガス熱を用いて熱交換作用の行われる熱交換部を有していない。
【００１７】
高温空気弁６５が開弁し、低温空気弁６６が閉弁せしめられると外気は、エアクリーナ６７、空気ポンプ６４、高温空気流通路６２および空気室６０を介して空気供給口６１からバーナー燃焼室５３内に供給される。このとき外気、即ち、空気は熱交換部６２ａ内を流通せしめられる。これに対し、低温空気弁６６が開弁し、高温空気弁６５が閉弁せしめられると外気、即ち、空気は、エアクリーナ６７、空気ポンプ６４、低温空気流通路６３および空気室６０を介して空気供給口６１から供給される。従って、高温空気弁６５および低温空気弁６６は、空気室６０を介して空気供給口６１に空気を供給する空気流通路を、高温空気流通路６２と低温空気流通路６３との間で切換え可能な切換え装置を形成している。
【００１８】
一方、バーナー燃焼室５３内には点火装置６８が配置されており、図２に示される実施例では、この点火装置６８はグロープラグからなる。このグロープラグ６８はスイッチ６９を介して電源７０に接続されている。一方、図２に示される実施例では、改質用触媒５４が、酸化部５４ａと改質部５４ｂからなる。図２に示される実施例では、改質用触媒５４の基体はゼオライトからなり、この基体上に、酸化部５４ａでは主にパラジウムＰｄが担持されており、改質部５４ｂでは主にロジウムＲｈが担持されている。また、バーナー燃焼室５３内には、改質用触媒５４の酸化部５４ａの上流側端面の温度を検出するための温度センサ７１が配置されており、ガス流出室５５内には、改質用触媒５４の改質部５４ｂの下流側端面の温度を検出するための温度センサ７２が配置されている。更に、断熱材５６の外部に位置する低温空気流通路６３には、低温空気流通路６３内を流通する空気の温度を検出するための温度センサ７３が配置されている。
【００１９】
これらの温度センサ７１、７２および７３の出力信号は、図１に示される夫々対応するAD変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、グロープラグ６８の抵抗値を示す出力信号も、図１に示される対応するAD変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。一方、図１に示される出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して夫々燃料噴射弁５８、高温空気弁６５、低温空気弁６６、およびスイッチ６９に接続される。更に、図１に示されるように、出力ポート３６は、空気ポンプ６４の吐出量を制御するポンプ駆動回路４４に接続され、空気ポンプ６４の吐出量は、このポンプ駆動回路４４により、出力ポート３６に出力された吐出量の指令値となるように駆動制御される。
【００２０】
熱、水素生成装置５０の運転開始時には、バーナー５７から噴射された燃料がグロープラグ６８により着火され、それにより、バーナー燃焼室５３内において、バーナー５７から供給された燃料および空気が反応することによりバーナー燃焼が開始される。バーナー燃焼が開始されると、改質用触媒５４の温度が次第に上昇する。このとき、バーナー燃焼はリーン空燃比のもとで行われている。次いで、改質用触媒４４の温度が、燃料を改質可能な温度に到達すると、通常は、空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切換えられ、改質用触媒４４における燃料の改質作用が開始される。燃料の改質作用が開始されると、水素が生成され、生成された水素を含む高温のガスが、ガス流出室５５のガス流出口７４から流出せしめられる。ガス流出口７４から流出した高温のガスは、図１に示されるように、経路切換弁５１を介して、排気処理触媒１３、又は、ＮＯＸ選択還元触媒を担持したパティキュレートフィルタ１４に供給される。
【００２１】
このように、本発明の実施例では、熱、水素生成装置５０は、バーナー燃焼室５３と、バーナー燃焼を行うためにバーナー燃焼室５３内に配置されたバーナー５７と、バーナー５７からバーナー燃焼室５３内に供給される燃料の供給量を制御可能な燃料供給装置と、バーナー５７からバーナー燃焼室５３内に供給される空気の温度および供給量を制御可能な空気供給装置と、燃料を着火させるための着火装置６８と、バーナー燃焼ガスが送り込まれる改質用触媒５４とを具備しており、空気供給装置が、バーナー５７からバーナー燃焼室５３内に供給される空気をバーナー燃焼ガスにより加熱するための熱交換部６２ａを具備している。この場合、本発明の実施例では、燃料噴射弁５８が上述の燃料供給装置を構成しており、空気室６０、空気供給口６１、高温空気流通路６２、熱交換部６２ａ、低温空気流通路６３、空気ポンプ６４、高温空気弁６５および低温空気弁６６が上述の空気供給装置を構成している。
【００２２】
さて、本発明の実施例では、熱、水素生成装置１において、燃料を改質することにより水素を生成するようにしている。そこでまず初めに、図３を参照しつつ、燃料として軽油を用いた場合の改質反応について説明する。
【００２３】
図３の（ａ）から（ｃ）には、燃料として一般的に使用されている軽油を用いた場合を例にとって、完全酸化反応が行われたときの反応式、部分酸化改質反応が行われたときの反応式、および水蒸気改質反応が行われたときの反応式が示されている。なお、各反応式における発熱量ΔＨ０は低位発熱量（ＬＨＶ）で示されている。さて、図３の（ｂ）および（ｃ）からわかるように、軽油から水素を発生させるには、部分酸化改質反応を行わせる方法と、水蒸気改質反応を行わせる方法との二つの方法がある。水蒸気改質反応は、軽油に水蒸気を添加する方法であり、図３（ｃ）からわかるように、この水蒸気改質反応は吸熱反応である。従って、水蒸気改質反応を生じさせるには外部から熱を加える必要がある。大型の水素生成プラントでは、通常、部分酸化改質反応に加え、水素の生成効率を高めるために、発生した熱を捨てずに、発生した熱を水素の生成のために使用する水蒸気改質反応が用いられている。
【００２４】
これに対し、本発明では、水素と熱の両方を生成するために、発生した熱を水素の生成のために使用する水蒸気改質反応は用いておらず、本発明では、部分酸化改質反応のみを用いて水素を生成している。この部分酸化改質反応は、図３（ｂ）からわかるように、発熱反応であり、従って外部から熱を加えなくても自分の発生した熱でもって改質反応が進行し、水素が生成される。なお、図３（ｂ）の部分酸化改質反応の反応式に示されるように、部分酸化改質反応は、反応せしめられる空気と燃料との比を示すＯ２/Ｃモル比が０．５のリッチ空燃比でもって行われ、このときＣＯとＨ２とが生成される。
【００２５】
図４は、空気と燃料とを改質触媒において反応させて平衡に達したときの反応平衡温度ＴＢと、空気と燃料のＯ２/Ｃモル比との関係を示している。なお、図４の実線は、空気温が２５℃のときの理論値を示している。図４の実線に示されるように、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５のリッチ空燃比でもって部分酸化改質反応が行われたときには、平衡反応温度ＴＢはほぼ８３０℃となる。なお、このときの実際の平衡反応温度ＴＢは８３０℃よりも若干低くなるが、以下、平衡反応温度ＴＢは図４の実線に示す値になるものとして、本発明による実施例について説明する。
【００２６】
一方、図３（ａ）の完全酸化反応の反応式からわかるように、Ｏ２/Ｃモル比＝１．４５７５のときに空気と燃料との比が理論空燃比となり、図４に示されるように、反応平衡温度ＴＢは、空気と燃料との比が理論空燃比になったときに最も高くなる。Ｏ２/Ｃモル比が０．５と１．４５７５との間では、一部では部分酸化改質反応が行われ、一部では完全酸化反応が行われる。この場合、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなるほど、部分酸化改質反応が行われる割合に比べて完全酸化反応が行われる割合が大きくなるので、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなるほど、反応平衡温度ＴＢが高くなる。
【００２７】
一方、図５は、炭素原子１個当りの生成分子（Ｈ２およびＣＯ）の個数とＯ２/Ｃモル比との関係を示している。上述したように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも大きくなるほど、部分酸化改質反応が行われる割合が減少する。従って、図５に示されるように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも大きくなるほど、Ｈ２およびＣＯの生成量が減少する。なお、図５には記載していないが、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも大きくなると、図３（ａ）に示される完全酸化反応によって、ＣＯ２とＨ２Ｏの生成量は増大する。ところで、図５は、図３（ｄ）に示される水性ガスシフト反応が生じないと仮定した場合のＨ２およびＣＯの生成量を示している。しかしながら、実際には部分酸化改質反応によって生成されたＣＯと完全酸化反応にとって生成されたＨ２Ｏとにより図３（ｄ）に示される水性ガスシフト反応が生じ、この水性ガスシフト反応によっても、水素が生成される。
【００２８】
さて、上述したように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも大きくなるほど、Ｈ２およびＣＯの生成量が減少する。一方、図５に示されるように、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも小さくなると、反応し得ない余剰の炭素Ｃが増大する。この余剰の炭素Ｃは改質用触媒の基体の細孔内に付積し、いわゆる、コーキングを起こす。コーキングを起こすと改質用触媒の改質能力が著しく低下する。従って、コーキングを起こすのを回避するために、Ｏ２/Ｃモル比は０．５よりも小さくさせないようにする必要がある。また、図５からわかるように、余剰の炭素Ｃが生じない範囲で、水素の生成量が最大となるのは、Ｏ２/Ｃモル比が０．５のときである。従って、本発明の実施例では、水素を生成するために部分酸化改質反応が行われるときには、コーキングを起こすのを回避しつつ、水素を最も効率よく生成しうるように、Ｏ２/Ｃモル比が、原則０．５とされる。
【００２９】
一方、Ｏ２/Ｃモル比が、理論空燃比であるＯ２/Ｃモル比＝１．４５７５よりも大きくされても完全酸化反応が行われるが、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなるほど昇温すべき空気量が増大する。従って、図４に示されるように、Ｏ２/Ｃモル比が、理論空燃比を示すＯ２/Ｃモル比＝１．４５７５よりも大きくされると、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなるほど、反応平衡温度ＴＢが低下する。この場合、例えば、Ｏ２/Ｃモル比が２．６のリーン空燃比にされると、空気温が２５℃である場合には、反応平衡温度ＴＢはほぼ９２０℃となる。
【００３０】
さて、前述したように、図１に示される熱、水素生成装置５０の運転が開始されると、リーン空燃比のもとでバーナー燃焼が行われ、それにより改質用触媒５４の温度が次第に上昇する。次いで、改質用触媒５４の温度が、燃料を改質可能な温度に到達すると、通常は、空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切換えられ、改質用触媒５４における燃料の改質作用が開始される。燃料の改質作用が開始されると、水素が生成される。図６には、改質用触媒５４における反応が平衡状態になったときの改質用触媒５４の酸化部５４ａおよび改質部５４ｂ内の温度分布を示している。なお、この図６は、外気温が２５℃のときに、この外気が図２に示される低温空気流通路６３を介して、バーナー５７からバーナー燃焼室５３内に供給された場合の温度分布を示している。
【００３１】
図６の実線は、バーナー５７から供給される空気と燃料のＯ２/Ｃモル比が０．５のときの改質用触媒５４内の温度分布を示している。図６に示されるように、この場合には、改質用触媒５４の酸化部５４ａでは、改質用触媒５４内の温度は、残存酸素による酸化反応熱により下流側に向けて上昇する。燃焼ガスが改質用触媒５４の酸化部５４ａ内から改質部５４ｂ内に進む頃には、燃焼ガス中の残存酸素は消滅し、改質用触媒５４の改質部５４ｂでは燃料の改質作用が行われる。この改質反応は吸熱反応であり、従って改質用触媒５４内の温度は、改質作用が進むに従って、即ち、改質用触媒５４の下流側に向けて低下する。このときの改質用触媒５４の下流側端面の温度は８３０℃であり、図４に示されるＯ２/Ｃモル比＝０．５のときの反応平衡温度ＴＢに一致する。
【００３２】
一方、図６には、バーナー５７から供給される空気と燃料のＯ２/Ｃモル比が２．６のリーン空燃比であるときの改質用触媒５４内の温度分布が、破線で示されている。この場合も、改質用触媒５４内の温度は、改質用触媒５４の酸化部５４ａ内では、燃料の酸化反応熱によって下流側に向けて上昇する。一方、この場合には、改質用触媒５４の改質部５４ｂ内において改質作用は行われないので、改質用触媒５４内の温度は、改質部５４ｂ内では一定に保持される。このときの改質用触媒５４の下流側端面の温度は９２０℃であり、図４に示されるＯ２/Ｃモル比＝２．６のときの反応平衡温度ＴＢに一致する。即ち、図４の反応平衡温度ＴＢは、外気温が２５℃のときにこの外気が図２に示される低温空気流通路６３を介して、バーナー５７からバーナー燃焼室５３内に供給されたときの改質用触媒５４の下流側端面の温度を示していることになる。
【００３３】
次に、図７を参照しつつ、改質触媒において燃料と反応する空気の温度を変化させたときの反応平衡温度ＴＢについて説明する。図７は、図４と同様に、空気と燃料とを改質触媒において反応させて平衡に達したときの反応平衡温度ＴＢと、空気と燃料のＯ２/Ｃモル比との関係を示している。なお、図７においてＴＡは空気温を示しており、この図７には、図４において実線で示される反応平衡温度ＴＢとＯ２/Ｃモル比との関係が再度実線で示されている。図７には更に、空気温ＴＡを２２５℃、４２５℃、６２５℃に変化させたときの反応平衡温度ＴＢとＯ２/Ｃモル比との関係が破線で示されている。図７から、空気温ＴＡが上昇すると、Ｏ２/Ｃモル比にかかわらず反応平衡温度ＴＢが全体的に高くなることがわかる。
【００３４】
一方、本発明の実施例において用いられている改質用触媒５４は、触媒温度が９５０℃以下であれば、大きな熱劣化を生じないことが確認されている。従って、本発明の実施例では、９５０℃が、改質用触媒５４の熱劣化を回避しうる許容触媒温度ＴＸとされており、この許容触媒温度ＴＸが図４、図６および図７に示されている。図６からわかるように、空気温ＴＡが２５℃のときには、Ｏ２/Ｃモル比が０．５のときでも、Ｏ２/Ｃモル比が２．６のときでも、改質用触媒５４における反応が平衡状態になったときの改質用触媒５４の温度は、改質用触媒５４のいずれの場所でも、許容触媒温度ＴＸ以下となる。従って、この場合には、実用上、熱劣化を問題とすることなく、改質用触媒５４を使用し続けることができる。
【００３５】
一方、図４からわかるように、空気温ＴＡが２５℃のときでも、Ｏ２/Ｃモル比が０．５よりも少し大きくなると、改質用触媒５４における反応が平衡状態になったときの改質用触媒５４の下流側端面の温度、即ち、反応平衡温度ＴＢは許容触媒温度ＴＸを越えてしまい、Ｏ２/Ｃモル比が２．６よりも少し小さくなると、改質用触媒５４における反応が平衡状態になったときの改質用触媒５４の下流側端面の温度は許容触媒温度ＴＸを越えてしまう。従って、例えば、改質用触媒５４における反応が平衡状態であるときに部分酸化改質反応を生じさせる場合、Ｏ２/Ｃモル比を０．５よりも大きくすることもできるが、Ｏ２/Ｃモル比を大きくし得る範囲は限られている。
【００３６】
一方、図７からわかるように、空気温ＴＡが高くなると、改質用触媒５４における反応が平衡状態になっているときに、Ｏ２/Ｃモル比を０．５にしたとしても、改質用触媒５４における反応が平衡状態になったときの改質用触媒５４の下流側端面の温度は、許容触媒温度ＴＸよりも高くなり、従って、改質用触媒５４が熱劣化することになる。従って、空気温ＴＡが高くなったときには、改質用触媒５４における反応が平衡状態になっているときに、Ｏ２/Ｃモル比を０．５とすることができない。そこで、本発明の実施例では、改質用触媒５４における反応が平衡状態になったときには、空気温ＴＡが２５℃程度の低い温度とされ、空気温ＴＡを２５℃程度の低い温度に維持した状態で、Ｏ２/Ｃモル比が０．５とされる。
【００３７】
以上説明したように、本発明の実施例では、熱、水素生成装置５０の運転が開始されると、リーン空燃比のもとでバーナー燃焼が開始され、このリーン空燃比のもとでのバーナー燃焼は、改質用触媒５４による改質作用が可能となるまで行われる。別の言い方をすると、本発明の実施例では、熱、水素生成装置５０の始動後、改質用触媒５４による改質作用が可能となるまでリーン空燃比のもとで熱、水素生成装置５０の暖機運転が行われる。この場合、改質用触媒５４の温度が７００℃程度になると改質用触媒５４による改質作用が可能となり、従って、本発明の実施例では、熱、水素生成装置５０の始動後、改質用触媒５４の温度が７００℃になるまで、リーン空燃比のもとで熱、水素生成装置５０の暖機運転が行われる。この間、熱、水素生成装置５０において生成された燃焼ガスはガス流出室５５のガス流出口７４から流出せしめられ、次いで、経路切換弁５１を介して、排気処理触媒１３に供給される。次いで、改質用触媒による改質作用が可能になると、即ち、改質用触媒５４の温度が７００℃になると、通常は、空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に切換えられ、部分酸化改質反応が行われる。部分酸化改質反応が行われると、改質用触媒４４において熱および水素が生成される。これらの熱および水素はガス流出室５５のガス流出口７４から流出せしめられ、水素を含む燃焼ガスは、経路切換弁５１を介して、排気処理触媒１３、又は、排気処理触媒１４、即ち、ＮＯＸ選択還元触媒を担持したパティキュレートフィルタ１４に供給される。
【００３８】
次に、機関排気通路内に配置された排気処理触媒１３による排気ガスの浄化作用について説明する。なお、前述したように、図１に示される例では、この排気処理触媒１３はＮＯＸ吸蔵還元触媒からなり、このＮＯＸ吸蔵還元触媒１３は、白金Ｐｔ，パラジウムＰｄ，ロジウムＲｈのような貴金属と、カリウムＫ、ナトリウムNa、セシウムCsのようなアルカリ金属、或いは、バリウムBa、カルシウムCaのようなアルカリ土類金属とを担持している。このＮＯＸ吸蔵還元触媒１３は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸蔵し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３に流入する排気ガスの空燃比がリッチにされるとＮＯＸ吸蔵還元触媒１３から吸蔵されたＮＯＸを放出するというＮＯＸの吸放出機能を有する。通常、排気ガスの空燃比はリーンとなっており、従って、排気ガス中に含まれるＮＯＸは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３に吸蔵される、即ち浄化される。
【００３９】
一方、パティキュレートフィルタ１４に担持されたＮＯＸ選択還元触媒は、例えばＣｕゼオライトからなり、アンモニアの存在のもとでＮＯＸを還元する機能を有する。図１に示される実施例では、尿素供給弁１７からＮＯＸ選択還元触媒に尿素水が供給され、この尿素水から発生したアンモニアにより、ＮＯＸがＮＯＸ選択還元触媒において還元される、即ち浄化される。このように図１に示される実施例では、排気ガス中に含まれるＮＯＸは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によっても浄化され、ＮＯＸ選択還元触媒によっても浄化される。ところでこのＮＯＸ吸蔵還元触媒１３へのＮＯＸ吸蔵率、即ち、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３が活性化しなければ高くならず、また、ＮＯＸ選択還元触媒によるＮＯＸ浄化率も、ＮＯＸ選択還元触媒が活性化しなければ高くはならない。従って、機関暖機運転時において、高いＮＯＸ浄化率を得るには、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３およびＮＯＸ選択還元触媒をできるだけ早く活性化させる必要がある。
【００４０】
ところで、特に、機関暖機運転時には、排気ガス中に多量の未燃ＨＣが含まれており、この未燃ＨＣも浄化する必要がある。この場合、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３は貴金属を担持しており、従って、未燃ＨＣはＮＯＸ吸蔵還元触媒１３において浄化することができる。これに対し、ＮＯＸ選択還元触媒は未燃ＨＣを浄化する機能はなく、それどころか、ＨＣによってＮＯＸの浄化性能が低下する。このように機関暖機運転時には、ＮＯＸを浄化するとともに未燃ＨＣも浄化する必要があるので、本発明の実施例では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の暖機作用が優先して行われ、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の暖機作用の途中で、ＮＯＸ選択還元触媒によるＮＯＸ浄化率の上昇量が、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率の上昇量よりも高くなる可能性がある場合には、ＮＯＸ選択還元触媒の暖機作用を促進させるようにしている。
【００４１】
本発明の実施例では、上述したように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の暖機作用が優先して行われる。この場合、本発明の実施例では、排気処理触媒１３の温度を目標暖機温度まで、すみやかに上昇させるために、機関の始動と同時に、熱、水素生成装置５０の運転が開始され、熱、水素生成装置５０から排気処理触媒１３に供給された熱および水素、又は熱によって排気処理触媒１３の暖機作用が促進される。そこで、まず初めに、図８Ａおよび図８Ｂを参照しつつ、この熱、水素生成装置５０による排気処理触媒１３の暖機促進作用について説明する。なお、機関始動時には、排気処理触媒１３の暖機作用を促進するために、熱、水素生成装置５０は、経路切換弁５１の切換作用により、第１の供給通路５１Ａを介して排気処理触媒１３上流の排気管１２内に連結されている。
【００４２】
図８Ａおよび図８Ｂは、排気処理触媒１３が、白金Ｐｔ，パラジウムＰｄ，ロジウムＲｈのような貴金属を担持している場合において、熱、水素生成装置５０により排気処理触媒１３の暖機を行なったときの排気処理触媒１３の温度ＴＤの変化を示している。なお、図８Ａおよび図８Ｂにおいて、横軸は時間経過を示している。これら図８Ａおよび図８Ｂでは、説明をわかり易くするために、機関から排出された排気ガスによる排気処理触媒１３の暖機作用については無視している。また、図８Ｂにおいて、ＴＫは貴金属が活性化する温度を示しており、図８Ｂに示す例では、この貴金属が活性化する温度ＴＫは１１０℃とされている。なお、以下、この貴金属が活性化する温度ＴＫを、排気処理触媒１３の活性化温度ＴＫと称する。
【００４３】
さて、図３からわかるように、完全酸化反応と、部分酸化改質反応とを比較すると、完全酸化反応の方が部分酸化改質反応に比べて、はるかに発熱量が大きく、従って、使用燃料量が同一である場合には、排気処理触媒１３に供給される熱量は、熱、水素生成装置５０において完全酸化反応が行われているときの方が、熱、水素生成装置５０において部分酸化改質反応が行われてときに比べて、はるかに大きい。図８Ａには、使用燃料量が同一の場合において、Ｏ２/Ｃモル比＝２．６でもって完全酸化反応が行われたときの生成熱により排気処理触媒１３が暖機された場合の排気処理触媒１３の温度変化が実線Ａで示されており、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５でもって部分酸化改質反応が行われたときの生成熱のみにより排気処理触媒１３が暖機された場合の排気処理触媒１３の温度変化が破線ａで示されている。実線Ａと破線ａとを比較するとわかるように、熱、水素生成装置５０において生成された熱のみにより排気処理触媒１３が暖機された場合の排気処理触媒１３の温度ＴＤの上昇速度は、完全酸化反応の方が部分酸化改質反応に比べて、高いことがわかる。
【００４４】
一方、排気処理触媒１３の暖機時に、排気処理触媒１３に水素が供給され、貴金属上において水素の酸化反応が行われると、水素の酸化反応熱によって、排気処理触媒１３の温度ＴＤは急速に上昇する。図８Ａの破線ｂは、同一の使用燃料量のもとで、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５でもって部分酸化改質反応が行われたときの生成水素のみにより排気処理触媒１３が暖機された場合の排気処理触媒１３の温度変化を示しており、図８Ａの実線Ｂは、同一の使用燃料量のもとで、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５でもって部分酸化改質反応が行われたときの生成熱および生成水素により排気処理触媒１３が暖機された場合の排気処理触媒１３の温度変化を示している。図８Ａにおいて実線Ａと実線Ｂとを比較するとわかるように、水素による排気処理触媒１３の暖機作用も行われている場合には、排気処理触媒１３の温度ＴＤの上昇速度は、部分酸化改質反応の方が完全酸化反応に比べて、はるかに高いことがわかる。
【００４５】
即ち、熱、水素生成装置５０において生成された燃焼ガス熱に一部は、この燃焼ガスが供給導管５１内を流れる間に外部に逃げ、しかも、この燃焼ガス熱は、熱伝達によって排気処理触媒１３に供給されるにすぎないので、実際に排気処理触媒１３の加熱のために用いられる熱量はそれほど多くはない。これに対し、熱、水素生成装置５０において生成された水素は、排気処理触媒１３に到達するまで消費されず、排気処理触媒１３自体が水素の酸化反応熱によって直接加熱されるために、水素の酸化反応熱によって、排気処理触媒１３は急速に昇温せしめられることになる。
【００４６】
ところで、排気処理触媒１３の温度ＴＤが、図８Ｂに示される排気処理触媒１３の活性化温度ＴＫよりも低いときには、排気処理触媒１３に水素が供給されたとしても、貴金属上において水素の酸化反応は行われず、従って、このときには水素の酸化反応による酸化反応熱は発生しない。従って、排気処理触媒１３の温度ＴＤが、排気処理触媒１３の活性化温度ＴＫよりも低いときには、図８Ａからわかるように、熱、水素生成装置５０において完全酸化反応が行われているときの方が、熱、水素生成装置５０において部分酸化改質反応が行われてときに比べて、排気処理触媒１３の昇温速度が、はるかに大きくなる。
【００４７】
これに対し、排気処理触媒１３の温度ＴＤが、排気処理触媒１３の活性化温度ＴＫよりも高いときに、熱、水素生成装置５０において部分酸化改質反応が行われ、それにより排気処理触媒１３に水素が供給されると、水素の酸化反応熱によって、排気処理触媒１３は急速に昇温せしめられる。従って、排気処理触媒１３を、できるだけ早く昇温させるためには、排気処理触媒１３の温度ＴＤが、排気処理触媒１３の活性化温度ＴＫよりも低いときには、図８Ｂにおいて実線Ａで示されるように、熱、水素生成装置５０において完全酸化反応を行うことにより熱のみを排気処理触媒１３に供給し、排気処理触媒１３の温度ＴＤが、排気処理触媒１３の活性化温度ＴＫよりも高くなったときには、図８Ｂにおいて実線Ｂで示されるように、熱、水素生成装置５０において部分酸化改質反応を行うことにより熱および水素を排気処理触媒１３に供給することが好ましいことがわかる。
【００４８】
しかしながら、実際には、常に、図８Ｂに示されるように、排気処理触媒１３の温度ＴＤが活性化温度ＴＫになったときに、熱、水素生成装置５０における反応を、完全酸化反応から部分酸化改質反応に切換えるのは困難である。そこで、本発明の実施例では、熱、水素生成装置５０の始動後、改質用触媒５４による改質作用が可能となったときに、排気処理触媒１３の温度ＴＤが、図８Ｂに示される排気処理触媒１３の活性化温度ＴＫよりも高いときには、熱、水素生成装置５０における反応を、ただちに、完全酸化反応から部分酸化改質反応に切換え、熱、水素生成装置５０の始動後、改質用触媒５４による改質作用が可能となったときに、排気処理触媒１３の温度ＴＤが活性化温度ＴＫよりも低いときには、排気処理触媒１３の温度ＴＤが活性化温度ＴＫよりも高くなるまで、熱、水素生成装置５０において完全酸化反応を続行させ、排気処理触媒１３の温度ＴＤが活性化温度ＴＫよりも高くなったときに、熱、水素生成装置５０における反応を、完全酸化反応から部分酸化改質反応に切換えるようにしている。このようにすることによって、排気処理触媒１３の暖機を最も早めることができる。
【００４９】
即ち、本発明の実施例では、内燃機関の排気浄化装置が、機関排気通路内に配置された排気処理触媒１３と、排気処理触媒１３を暖機するために排気処理触媒１３に熱のみ、又は熱および水素を供給可能な熱、水素生成装置５０とを具備しており、熱、水素生成装置５０が、燃料および空気の燃焼ガスが送り込まれる改質用触媒５４を備えている。この熱、水素生成装置５０では、熱、水素生成装置５０の始動後、改質用触媒５４による改質作用が可能となるまでリーン空燃比のもとで熱、水素生成装置５０の暖機運転が行われ、改質用触媒５４による改質作用が可能になると部分酸化反応が行われて熱および水素が生成される。この場合、本発明の実施例では、熱、水素生成装置５０の暖機運転が完了して改質用触媒５４による改質作用が可能になったときに、排気処理触媒１３の温度ＴＤが予め設定された活性化温度ＴＫ以上であるときには、熱、水素生成装置５０において部分酸化反応が行われて、生成された熱および水素が排気処理触媒１３に供給される。これに対し、熱、水素生成装置５０の暖機運転が完了して改質用触媒５４による改質作用が可能になったときに、排気処理触媒１３の温度ＴＤが予め設定された活性化温度ＴＫ未満であるときには、リーン空燃比による完全酸化反応が続行されて、熱のみが排気処理触媒１３に供給される。
【００５０】
次に、図９を参照しつつ、図２に示される熱、水素生成装置５０による熱、水素生成方法の概要について説明する。なお、この図９は、熱、水素生成装置５０の暖機運転が完了して改質用触媒５４による改質作用が可能になったときに、排気処理触媒１３の温度ＴＤが予め設定された活性化温度ＴＫ以上である場合を示している。また、この図９には、グロープラグ６８の作動状態、バーナー５７からの供給空気量、バーナー５７からの供給燃料量、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比、バーナー５７から供給される空気の供給空気温、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣおよび排気処理触媒１３の温度ＴＤが示されている。なお、図９等に示される改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣに対する各目標温度および改質用触媒５４の温度に対する各目標温度は、理論値であり、本発明による実施例では、前述したように、例えば、実際の平衡反応温度ＴＢは、目標温度である８３０℃よりも若干低くなる。これらの各目標温度は、熱、水素生成装置５０の構造等によって変化し、従って、実際には、実験を行って、熱、水素生成装置５０の構造に応じた最適の各目標温度を予め定める必要がある。
【００５１】
機関が始動されると、熱、水素生成装置５０が同時に始動される。熱、水素生成装置５０が始動されると、グロープラグ６８がオンとされ、次いで、空気が高温空気流通路６２を介してバーナー燃焼室５３内に供給される。この場合、図９において、破線で示されるように、空気が高温空気流通路６２を介してバーナー燃焼室５３内に供給された後、グロープラグ６８をオンにすることもできる。次いで、バーナー５７から燃料が噴射される。バーナー５７から噴射された燃料がグロープラグ６８により着火されると、燃料量が増量されると共に、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比が４．０から３．０に減少され、バーナー燃焼室５３内においてバーナー燃焼が開始される。燃料の供給が開始されてから燃料が着火されるまでの期間は、ＨＣの発生量を極力抑えるために、空燃比がリーン空燃比とされている。
【００５２】
次いで、バーナー燃焼、即ち、リーン空燃比による完全酸化反応が続行され、それにより、改質用触媒５４の温度が徐々に上昇せしめられる。一方、バーナー燃焼が開始されると、改質用触媒５４を通ってガス流出室５５内に流出するガスの温度が次第に上昇する。従って、このガスにより熱交換部６２ａにおいて加熱される空気の温度も次第に上昇し、その結果、高温空気流通路６２からバーナー燃焼室５３内に供給される空気の温度が次第に上昇する。それにより、改質用触媒５４の暖機が促進されることになる。このようにリーン空燃比のもとで行われる改質用触媒５４の暖機を、本発明の実施例では、図９に示されるように１次暖機、又は、熱、水素生成装置５０の暖機と称している。なお、図９に示される例では、この１次暖機運転の間に、供給空気量と燃料量が増量されている。
【００５３】
この１次暖機運転、即ち、熱、水素生成装置５０の暖機運転は、改質用触媒５４において燃料の改質が可能になるまで続行される。図９に示される例では、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃になると、改質用触媒５４において燃料の改質が可能になったと判断され、従って、図９に示される例では、１次暖機運転、即ち、熱、水素生成装置５０の暖機運転は、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃になるまで続行される。なお、図９に示される例では、水素生成装置５０の運転が開始されてから改質用触媒５４の１次暖機が完了するまで、即ち、水素生成装置５０の運転が開始されてから熱、水素生成装置５０の暖機が完了するまで、図９に示されるように、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比が３．０から４．０とされ、リーン空燃比による完全酸化反応が行われている。無論、このときには、改質用触媒５４の温度は許容触媒温度ＴＸよりもかなり低いので、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比を、例えば、２．０から３．０のような理論空燃比に近いＯ２/Ｃモル比とすることもできる。
【００５４】
一方、図９に示されるように、機関が始動されると、排気処理触媒１３の温度ＴＤは、ただちに少し上昇する。次いで、図９に示される例では、１次暖機運転、即ち、熱、水素生成装置５０の暖機運転が行われている間、排気処理触媒１３の温度ＴＤは少しずつ上昇し、排気処理触媒１３の温度ＴＤは、１次暖機運転、即ち、熱、水素生成装置５０の暖機運転が行われている間に、予め設定された活性化温度ＴＫを越える。このように排気処理触媒１３の温度ＴＤが予め設定された活性化温度ＴＫを越えたとしても、熱、水素生成装置５０ではリーン空燃比による完全酸化反応が続行される。次いで、排気処理触媒１３の温度ＴＤは更に少しずつ上昇し、図９に示される例では、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃になったときには、排気処理触媒１３の温度ＴＤは予め設定された活性化温度ＴＫ以上になっている。
【００５５】
次いで、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃になると、改質用触媒５４において燃料の改質が可能になったと判断される。このとき、排気処理触媒１３の温度ＴＤは予め設定された活性化温度ＴＫ以上となっているので、水素を生成するための部分酸化改質反応が開始される。本発明の実施例では、このとき、図９に示されるように、まず初めに２次暖機運転が行われ、このとき、排気処理触媒１３の温度ＴＤを目標暖機温度まで上昇させるのに必要な熱、水素生成装置５０の出力熱量（ｋＷ）の要求値が算出され、この出力熱量（ｋＷ）の要求出力熱量を発生させるのに必要な目標供給燃料量が算出されて、供給燃料量がこの目標供給燃料量とされる。次いで、２次暖機運転が完了すると通常運転が行われる。この２次暖機運転は、水素を生成しながら改質用触媒５４の温度を更に上昇させるために行われる。２次暖機運転が開始されると、熱、水素生成装置５０において生成された熱および水素か排気処理触媒１３に供給され、この結果、図９に示されるように、排気処理触媒１３の温度ＴＤは急速に上昇する。
【００５６】
一方、この２次暖機運転は、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが、反応平衡温度ＴＢに達するまで続行され、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが、反応平衡温度ＴＢに達すると通常運転に移行する。なお、２次暖機運転が開始されるときには、排気処理触媒１３の温度ＴＤを目標暖機温度まで上昇させるのに必要な熱、水素生成装置５０の出力熱量（ｋＷ）の要求値が算出される。この場合、この出力熱量（ｋＷ）の要求値は、基本的には、排気処理触媒１３の目標暖機温度と現在の排気ガス温ＴＤとの温度差と、機関から排出される排気ガス量との積に基づいて算出される。熱、水素生成装置５０の出力熱量（ｋＷ）の要求値が算出されると、この出力熱量（ｋＷ）の要求出力熱量を発生させるのに必要な目標供給燃料量が算出され、図９に示されるように、２次暖機運転から通常運転に移行するときに、バーナー５７からの供給燃料量がこの目標供給燃料量まで増大される。
【００５７】
なお、排気処理触媒１３がＮＯＸ吸蔵触媒からなる場合には、上述の排気処理触媒１３の目標暖機温度は、前述したように、例えば２００℃とされる。従って、図９に示される例では、排気処理触媒１３の温度ＴＤを２００℃まで上昇させるのに必要な熱、水素生成装置５０の出力熱量（ｋＷ）が要求値とされる。一方、図１０Ａには、この２次暖機運転が行われる熱、水素生成装置１の運転領域ＧＧが、実線ＧＬ，ＧＵ，ＧＳで囲まれたハッチング領域で示されている。なお、図１０Ａにおいて、縦軸は反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比を示しており、横軸は改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣを示している。
【００５８】
図５を参照しつつ説明したように、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比が０．５よりも小さくなるとコーキングを起こす。図１０Ａにおける実線ＧＬは、コーキングの発生に対するＯ２/Ｃモル比の境界を示しており、この境界ＧＬよりもＯ２/Ｃモル比が小さい領域ではコーキングを起こす。なお、改質用触媒５４の温度が低くなると、Ｏ２/Ｃモル比が大きくなっても、即ち、空燃比のリッチの度合いが低下しても、炭素Ｃが酸化されることなく改質用触媒の基体の細孔内に付積するようになり、コーキングを起こす。従って、図１０Ａに示されるように、コーキングを起こすＯ２/Ｃモル比の境界ＧＬは、改質用触媒５４の温度が低くなるほど高くなる。従って、コーキングの発生を回避するために、部分酸化改質反応は、即ち、熱、水素生成装置５０の２次暖機運転および通常運転は、このＯ２/Ｃモル比の境界ＧＬ上、又は境界ＧＬの上側で行われる。
【００５９】
一方、図１０Ａにおいて、実線ＧＵは、熱、水素生成装置５０の２次暖機運転時において、改質用触媒５４の温度が許容触媒温度ＴＸを越えないようにするためのＯ２/Ｃモル比の上限ガード値を示しており、実線ＧＳは、熱、水素生成装置５０の２次暖機運転時において、改質用触媒５４の温度が許容触媒温度ＴＸを越えないようにするための改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣの上限ガード値を示している。２次暖機運転が開始された後、Ｏ２/Ｃモル比が０．５とされ、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５のときの反応平衡温度ＴＢに達すると、通常運転に移行し、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣを反応平衡温度ＴＢに維持した状態で水素が生成し続けられる。
【００６０】
図１０Ｂは、通常運転に移行するまでの２次暖機運転制御の一例を示している。図１０Ｂに示される例では、矢印で示されるように、改質用触媒５４の下流側端面の温度が７００℃になると、改質用触媒５４の２次暖機を促進するために、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５６でもって部分酸化改質反応が開始され、次いで、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが８３０℃になるまで、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５６でもって部分酸化改質反応が続行される。次いで、改質用触媒５４の下流側端面の温度が８３０℃になると、Ｏ２/Ｃモル比は、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５となるまで減少せしめられる。次いで、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５になると、改質用触媒５４における改質反応が平衡状態となる。次いで、Ｏ２/Ｃモル比は０．５に維持され、通常運転に移行する。
【００６１】
さて、このように、改質用触媒５４における改質反応が平衡状態となったときに、燃料と反応せしめられる空気の温度ＴＡが高いと、図７を参照しつつ説明したように、反応平衡温度ＴＢが高くなる。その結果、改質用触媒５４の温度が、許容触媒温度ＴＸよりも高くなるために、改質用触媒５４が熱劣化を生ずることになる。そこで、本発明の実施例では、Ｏ２/Ｃモル比が０．５に維持されて改質用触媒５４における改質反応が平衡状態となったときには、高温空気流通路６２からバーナー燃焼室５３内への高温の空気の供給を停止し、低温空気流通路６３からバーナー燃焼室５３内に低温の空気が供給される。このとき、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣは８３０℃に維持され、従って、改質用触媒５４の温度は、許容触媒温度ＴＸ以下に維持される。従って、改質用触媒５４の熱劣化を回避しつつ、部分酸化改質反応により水素を生成することができる。
【００６２】
なお、図１０Ａおよび１０Ｂに示される運転領域ＧＧ内において２次暖機運転が行われているときには、改質用触媒５４における改質反応が平衡状態とはなっていないので、空気温ＴＡが高くても、図７に示されるように、改質用触媒５４の温度が上昇するわけではない。しかしながら、この２次暖機運転は改質用触媒５４の温度が高い状態で行われているので、何らかの原因で、改質用触媒５４の温度が許容触媒温度ＴＸよりも高くなってしまう危険性がある。そこで、本発明の実施例では、改質用触媒５４の温度が許容触媒温度ＴＸよりも高くなることがないように、２次暖機運転が開始されると同時に、高温空気流通路６２からバーナー燃焼室５３内への高温の空気の供給を停止し、低温空気流通路６３からバーナー燃焼室５３内に低温の空気が供給される。即ち、図９に示されるように、供給空気温が低下せしめられる。その後、通常運転が完了するまで、低温空気流通路６３からバーナー燃焼室５３内に低温の空気が供給され続ける。
【００６３】
前述したように、燃料と反応せしめられる空気の温度ＴＡが２５℃のときには、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５のときの平衡反応温度ＴＢは８３０℃となる。従って、一般的に言うと、燃料と反応せしめられる空気の温度がＴＡ℃ときには、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５のときの平衡反応温度ＴＢは（ＴＡ＋８０５℃）となる。従って、本発明の実施例では、燃料と反応せしめられる空気の温度がＴＡの場合、２次暖機運転が開始されたときには、改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが（ＴＡ＋８０５℃）になるまで、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５６でもって部分酸化改質反応が続行され、次いで、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが（ＴＡ＋８０５℃）になると、Ｏ２/Ｃモル比は、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５となるまで減少せしめられる。次いで、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５になると、Ｏ２/Ｃモル比は０．５に維持される。
【００６４】
なお、上述の燃料と反応せしめられる空気の温度ＴＡとは、図４に示されるような平衡反応温度ＴＢを算出するときに用いられる空気の温度であり、バーナー燃焼室５３内におけるバーナー燃焼の反応熱の影響を受けていない空気の温度である。例えば、空気供給口６１から供給される空気、或いは、空気室６０内の空気は、バーナー燃焼の反応熱の影響を受け、バーナー燃焼の反応熱エネルギを吸収して温度上昇をしている。従って、これら空気の温度は、既に反応の過程にある空気の温度を示しており、従って、平衡反応温度ＴＢを算出するときの空気の温度ではない。
【００６５】
ところで、平衡反応温度ＴＢを算出する必要があるのは、部分酸化改質反応が行われているとき、即ち、低温空気流通路６３から低温の空気がバーナー燃焼室５３内に供給されているときである。そこで、本発明の実施例では、バーナー燃焼室５３内におけるバーナー燃焼の反応熱の影響を受けていない空気の温度を検出するために、図２に示されるように、温度センサ７３を、断熱材５６の外部に位置する低温空気流通路６３に配置し、この温度センサ７３により検出された温度を、平衡反応温度ＴＢを算出するときの空気の温度ＴＡとして用いている。
【００６６】
一方、停止指令が発せられると、図９に示されるように、燃料の供給が停止される。このとき、空気の供給を停止すると、熱、水素生成装置５０内に残存している燃料によって改質用触媒５４がコーキングを起こす危険性がある。そこで、本発明の実施例では、熱、水素生成装置５０内に残存している燃料を燃焼除去するために、図９に示されるように、停止指令が発せられてから暫くの間、空気が供給し続けられる。
【００６７】
このように、本発明の実施例では、改質用触媒５４の温度が許容触媒温度ＴＸよりも高くなることがないように、２次暖機運転の開始と同時に、高温空気流通路６２からバーナー燃焼室５３内への高温の空気の供給が停止され、低温空気流通路６３からバーナー燃焼室５３内に低温の空気が供給される。別の言い方をすると、このとき、バーナー燃焼室５３内に空気を送り込む空気流通経路が、高温の空気を送り込む高温空気流通経路から、低温の空気を送り込む低温空気流通経路に切り替えられる。このようにバーナー燃焼室５３内に空気を送り込む空気流通経路を、高温空気流通経路と、低温空気流通経路との間で切り替えることができるように、本発明の実施例では、高温空気弁６５と低温空気弁６６からなる切換え装置が設けられている。この場合、本発明の実施例では、エアクリーナ６７から高温空気流通路６２を介して空気供給口６１に至る空気流通経路が高温空気流通経路に該当しており、エアクリーナ６７から低温空気流通路６３を介して空気供給口６１に至る空気流通経路が低温空気流通経路に該当している。
【００６８】
次に、図１１を参照しつつ、熱、水素生成装置５０の暖機運転が完了して改質用触媒５４による改質作用が可能になったときに、排気処理触媒１３の温度ＴＤが予め設定された活性化温度ＴＫ未満である場合について説明する。なお、この図１１には図９と同様に、グロープラグ６８の作動状態、バーナー５７からの供給空気量、バーナー５７からの供給燃料量、反応せしめられる空気と燃料のＯ２/Ｃモル比、バーナー５７から供給される空気の供給空気温、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣおよび排気処理触媒１３の温度ＴＤが示されている。
【００６９】
図１１を参照すると、図１１に示される場合でも、機関が始動されると、熱、水素生成装置５０が同時に始動される。機関が始動されると、排気処理触媒１３の温度ＴＤは、ただちに少し上昇する。次いで、１次暖機運転、即ち、熱、水素生成装置５０の暖機運転が行われている間、即ち、熱、水素生成装置５０においてリーン空燃比による完全酸化反応が続行されている間、排気処理触媒１３の温度ＴＤは少しずつ上昇する。しかしながら、図１１に示される例では、図９に示される場合と異なって、改質用触媒５４による改質作用が可能になったときに、即ち、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃になったときに、排気処理触媒１３の温度ＴＤは、依然として、予め設定された活性化温度ＴＫ未満に維持されている。
【００７０】
なお、図１１において、熱、水素生成装置５０が始動されてから、１次暖機運転、即ち、熱、水素生成装置５０の暖機運転が終了するまでの間におけるグロープラグ６８の作動状態、バーナー５７からの供給空気量の変化、バーナー５７からの供給燃料量の変化、Ｏ２/Ｃモル比の変化、バーナー５７からの供給空気温の変化、および改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣの変化は、図９に示される場合と同一である。従って、熱、水素生成装置５０が始動されてから、１次暖機運転、即ち、熱、水素生成装置５０の暖機運転が終了するまでの間における、図１１に示されるグロープラグ６８の作動状態、バーナー５７からの供給空気量の変化、バーナー５７からの供給燃料量の変化、Ｏ２/Ｃモル比の変化、バーナー５７からの供給空気温の変化、および改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣの変化については説明を省略する。
【００７１】
さて、図１１に示されるように、改質用触媒５４による改質作用が可能になったときに、即ち、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃になったときに、排気処理触媒１３の温度ＴＤが、予め設定された活性化温度ＴＫ未満のときには、リーン空燃比による完全酸化反応が続行される。このとき、排気処理触媒１３の温度ＴＤを目標暖機温度まで上昇させるのに必要な熱、水素生成装置５０の出力熱量（ｋＷ）の要求値が算出され、この出力熱量（ｋＷ）の要求出力熱量を発生させるのに必要な目標供給燃料量が算出されて、供給燃料量がこの目標供給燃料量とされる。このときには、熱、水素生成装置５０から排気処理触媒１３に熱のみが供給され、それによって、排気処理触媒１３の温度ＴＤが少しずつ上昇せしめられる。このリーン空燃比による完全酸化反応は、排気処理触媒１３の温度ＴＤが予め設定された活性化温度ＴＫに到達するまで続行される。なお、本発明の実施例では、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃に到達してから排気処理触媒１３の温度ＴＤが予め設定された活性化温度ＴＫに到達するまでの間においてリーン空燃比による完全酸化反応が行われているときの運転モードを、図１１に示されるように熱生成モードと称している。
【００７２】
図１１に示されるように、運転モードが熱生成モードであるときには、Ｏ２/Ｃモル比＝２．６のリーン空燃比でもって完全酸化反応が行われる。なお、図１１に示される場合でも、運転モードが熱生成モードとされたときに、排気処理触媒１３の温度ＴＤを目標暖機温度まで上昇させるのに必要な熱、水素生成装置５０の出力熱量（ｋＷ）の要求値が算出され、次いで、この出力熱量（ｋＷ）の要求出力熱量を発生させるのに必要な目標供給燃料量が算出される。図１１に示される例では図１１に示されるように、運転モードが熱生成モードにされたときに、バーナー５７からの供給燃料量がこの目標供給燃料量まで増大される。
【００７３】
一方、運転モードが熱生成モードにされたときには、図１１からわかるように、改質用触媒５４における改質反応が平衡状態とはなっていないので、空気温ＴＡが高くても、図７に示されるように、改質用触媒５４の温度が上昇するわけではない。しかしながら、この熱生成モード時には、改質用触媒５４の温度が高い状態でリーン空燃比による完全酸化反応が行われているので、何らかの原因で、改質用触媒５４の温度が許容触媒温度ＴＸよりも高くなってしまう危険性がある。そこで、本発明の実施例では、改質用触媒５４の温度が許容触媒温度ＴＸよりも高くなることがないように、運転モードが熱生成モードとされるのと同時に、高温空気流通路６２からバーナー燃焼室５３内への高温の空気の供給を停止し、低温空気流通路６３からバーナー燃焼室５３内に低温の空気が供給される。即ち、図１１に示されるように、供給空気温が低下せしめられる。その後、低温空気流通路６３からバーナー燃焼室５３内に低温の空気が供給され続ける。
【００７４】
一方、運転モードが熱生成モードにされているときに、排気処理触媒１３の温度ＴＤが予め設定された活性化温度ＴＫに到達すると、Ｏ２/Ｃモル比が２．６から０．５に変更され、通常運転が開始される。このとき、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５でもって部分酸化改質反応が行われ、熱、水素生成装置５０において生成された熱および水素が排気処理触媒１３に供給される。その結果、図１１に示されるように、排気処理触媒１３の温度ＴＤは目標暖機温度まで急速に上昇せしめられる。次いで、停止指令が発せられると、図１１に示されるように、燃料の供給が停止され、次いで、暫くして。空気の供給が停止される。
【００７５】
さて、前述したように、本発明の実施例では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の暖機作用が優先して行われ、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の暖機作用の途中で、ＮＯＸ選択還元触媒によるＮＯＸ浄化率の上昇量が、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率の上昇量よりも高くなる可能性がある場合には、ＮＯＸ選択還元触媒の暖機作用を促進させるようにしている。この場合、本発明の実施例では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３が活性化温度ＴＫを越えるまでは、熱、水素生成装置５０においてリーン空燃比でもって完全酸化反応が行われ、このとき熱、水素生成装置５０から供給される燃焼ガスによって、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の暖機作用が行われる。次いで、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３が活性化温度ＴＫを越えると、熱、水素生成装置５０において部分酸化改質反応が行われ、熱、水素生成装置５０からは、熱および水素が供給される。
【００７６】
このように、熱、水素生成装置５０から、熱に加え、水素が供給されると、図８Ａおよび図８Ｂを参照しつつ説明したように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の温度ＴＤが急速に上昇する。このときのＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の温度上昇量は、供給される水素量によって決まり、ＮＯＸ浄化率の上昇量も供給される水素量によって決まる。次に、このことについて、図１２Ａから図１３Ｂを参照しつつ説明する。
【００７７】
図１２Ａは、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ吸蔵率、即ち、ＮＯＸ浄化率を示している。図１２Ａに示されるように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率は、排気ガス流量Ｇa（g/s）と、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の触媒床温（℃）との関数となる。また、図１２Ｂは、排気ガス流量Ｇaが４０（g/s）であるときの、ＮＯＸ吸蔵率、即ち、ＮＯＸ浄化率とＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の触媒床温との関係を示している。なお、以下、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３を、符号Ｃ１で表し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の触媒床温（℃）、即ち、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の温度ＴＤを、符号Ｃ１Ｔで表す。更に、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の活性化温度ＴＫを、符号Ｃ１Ｔ０で表し、ＮＯＸ吸蔵率、即ち、ＮＯＸ浄化率が７０から８０％の高い値となるときのＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の温度をＣ１Ｔ１で表す。このように表すと、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０を越えたときに、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１に水素を供給すると、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔは急速に上昇することになる。
【００７８】
一方、図１３Ａは、排気ガスによるＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度上昇は考慮に入れず、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１に供給された水素のみによるＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度上昇量ΔＣ１Ｔを示している。図１３Ａに示されるように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度上昇量ΔＣ１Ｔは、排気ガス流量Ｇa（g/s）と、熱、水素生成装置５０において部分酸化還元反応が行われているときの、熱、水素生成装置５０への供給燃料量ＱＦ（g/s）との関数となる。なお、図９および図１１を参照しつつ説明したように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０を越えたときには、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔを目標暖機温度まで上昇させるのに必要な熱、水素生成装置５０の出力熱量（ｋＷ）の要求値が算出され、この出力熱量（ｋＷ）の要求出力熱量を発生させるのに必要な目標供給燃料量が算出されて、供給燃料量がこの目標供給燃料量とされる。この目標供給燃料量が図１３Ａにおける熱、水素生成装置５０への供給燃料量ＱＦである。
【００７９】
一方、図１３Ｂの実線は、排気ガス流量Ｇaが２０（g/s）であり、水素生成装置５０への供給燃料量ＱＦが０．１（g/s）のときの、水素のみによるＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度上昇量ΔＣ１Ｔの変化を示しており、図１３Ｂの破線は、排気ガス流量Ｇaが４０（g/s）であり、水素生成装置５０への供給燃料量ＱＦが０．１（g/s）のときの、水素のみによるＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度上昇量ΔＣ１Ｔの変化を示している。図１３Ｂからわかるように、水素が供給されると、短時間のうちにＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔは、図１３Ａに示される温度まで上昇する。この場合、熱、水素生成装置５０への供給燃料量ＱＦが多くなれば水素の生成量が増大し、水素の生成量が増大すれば、水素によるＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度上昇量ΔＣ１Ｔは増大する。従って、図１３Ａに示されるように、排気ガス流量Ｇa（g/s）が一定であれば、熱、水素生成装置５０への供給燃料量ＱＦが多くなれば、水素によるＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度上昇量ΔＣ１Ｔは増大する。
【００８０】
さて、図１３Ａに示す関係を用いて、現在の排気ガス流量Ｇa（g/s）および現在の供給燃料量ＱＦから、水素が供給されたときのＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度上昇量ΔＣ１Ｔを算出することができる。一方、図１２Ａに示す関係を用いて、現在の排気ガス流量Ｇa（g/s）および現在のＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔから、現在のＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率Ｖ１を算出することができる。更に、図１２Ａに示す関係を用いて、水素が供給されることによりＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１が温度上昇量ΔＣ１Ｔだけ温度上昇したときのＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率Ｖ２を算出することができる。従って、水素が供給されることにより上昇するＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率の燃料当りの上昇量ΔＶ（＝Ｖ２−Ｖ１）/ＱＦを算出することができることにんる。
【００８１】
一方、図１４Ａは、ＮＯＸ選択還元触媒１４によるＮＯＸ浄化率を示している。図１４Ａに示されるように、ＮＯＸ選択還元触媒１４におけるＮＯＸ浄化率は、排気ガス流量Ｇa（g/s）と、ＮＯＸ選択還元触媒１４の触媒床温（℃）との関数となる。また、図１４Ｂの実線は、排気ガス流量Ｇaが４０（g/s）であるときのＮＯＸ浄化率とＮＯＸ選択還元触媒１４の触媒床温との関係を示している。なお、以下、ＮＯＸ選択還元触媒１４を、符号Ｃ２で表し、ＮＯＸ選択還元触媒１４の触媒床温（℃）、即ち、ＮＯＸ選択還元触媒１４の温度を、符号Ｃ２Ｔで表す。更に、ＮＯＸ選択還元触媒１４の活性化温度を、符号Ｃ２Ｔ０で表し、ＮＯＸ浄化率が７０から８０％の高い値となるときのＮＯＸ選択還元触媒１４の温度をＣ２Ｔ１で表す。
【００８２】
このＮＯＸ選択還元触媒１４では、ＮＯＸ選択還元触媒１４の温度Ｃ２Ｔが活性化温度Ｃ２Ｔ０を越えたときに水素が供給されると、ＮＯＸ選択還元触媒１４上における触媒反応が促進され、低温でも触媒反応が進行するようになる。言い換えると、ＮＯＸ選択還元触媒１４の触媒反応温度が低下することになる。その結果、図１４Ｂにおいて破線で示されるように、活性化温度Ｃ２Ｔ０と温度Ｃ２Ｔ１との間におけるＮＯＸ浄化率が高くなる。なお、この場合、ＮＯＸ選択還元触媒１４の温度Ｃ２Ｔが活性化温度Ｃ２Ｔ０を越えているときには、ＮＯＸ選択還元触媒１４における水素濃度が０．０５％のときでＮＯＸ選択還元触媒１４の触媒反応温度が５０℃低下し、それ以上水素濃度を高くしてもＮＯＸ選択還元触媒１４の触媒反応温度が増大しないことが確認されている。
【００８３】
従って、本発明による実施例では、ＮＯＸ選択還元触媒１４に水素を供給すべきときには、ＮＯＸ選択還元触媒１４における水素濃度を０．０５％とするのに必要な量の水素が熱、水素生成装置５０から供給される。なお、排気ガス流量がＧa（g/s）である場合、ＮＯＸ選択還元触媒１４における水素濃度を０．０５％とするのに必要な水素量ＱＨ（g/s）は、ＱＨ＝Ｇa（g/s）・０．０００５となる。一方、熱、水素生成装置５０において部分酸化還元反応により水素が生成されているときには、熱、水素生成装置５０への供給燃料量ＱＦが０．１（g/s）のときに、０．０１５（g/s）の水素が生成される。即ち、供給燃料量ＱＦの０．１５倍の水素が生成される。従って、水素量ＱＨ（g/s）を得るのに必要な熱、水素生成装置５０への供給燃料量をＱＦＲ（g/s）とすると、ＱＦＲ＝（１/０．１５）ＱＨ＝（０．０００５/０．１５）・Ｇa（g/s）となる。
【００８４】
さて、前述したように、本発明の実施例では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の暖機作用が優先して行われ、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３の暖機作用の途中で、ＮＯＸ選択還元触媒によるＮＯＸ浄化率の上昇量が、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率の上昇量よりも高くなる可能性がある場合には、ＮＯＸ選択還元触媒の暖機作用を促進させるようにしている。次にこのことについて、図１５に示す制御の一覧表を参照しつつ説明する。なお、この図１５では、図１における供給通路５１Ａが供給経路Ａとして表されており、図１における供給通路５１Ｂが供給経路Ｂとして表されている。
【００８５】
さて、図１５は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが、図１２Ｂにおいて、活性化温度Ｃ１Ｔ０よりも低い温度領域Ｉ内にある場合と、活性化温度Ｃ１Ｔ０よりも高く、ＮＯＸ浄化率が７０から８０％の高い値となる温度Ｃ１Ｔ１よりも低い温度領域II内にある場合と、ＮＯＸ浄化率が７０から８０％の高い値となる温度Ｃ１Ｔ１よりも高い温度領域III内にある場合とに分け、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが、図１４Ｂにおいて、活性化温度Ｃ２Ｔ０よりも低い温度領域Ｉ内にある場合と、活性化温度Ｃ２Ｔ０よりも高く、ＮＯＸ浄化率が７０から８０％の高い値となる温度Ｃ２Ｔ１よりも低い温度領域II内にある場合と、ＮＯＸ浄化率が７０から８０％の高い値となる温度Ｃ２Ｔ１よりも高い温度領域III内にある場合とに分けて各制御状態が示されている。
【００８６】
図１５を参照すると、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域Ｉ内にある場合には、即ち、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０よりも低いときには、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔに拘わらずに、供給経路がＡとされ、熱、水素生成装置５ではリーン空燃比のもとで完全酸化反応が行われ、熱、水素生成装置５０に供給される燃料量は、図９および図１１に示されるように制御される。このときには、熱、水素生成装置５０において水素は生成されておらず、熱、水素生成装置５０において生成された熱のみが供給経路Ａを介してＮＯＸ吸蔵還元触媒１３に供給される。
【００８７】
一方、図１５からわかるように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０よりも高くなると、即ち、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域II内、又は温度領域III内にあるときには、熱、水素生成装置５０において部分酸化還元反応が行われ、従って、熱、水素生成装置５０において水素が生成されている。ところで、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化している場合には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１に水素を供給することによって、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔを急速に高めることができる。これに対し、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２が活性化していない場合、即ち、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが温度領域Ｉ内にある場合には、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２に水素を供給しても意味がない。従って、図１５に示されるように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域II内、又は温度領域III内にあり、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが温度領域Ｉ内にある場合には、供給経路がＡとされ、熱、水素生成装置５０において生成された水素が供給経路Ａを介してＮＯＸ吸蔵還元触媒１３に供給される。このとき、熱、水素生成装置５０に供給される燃料量は、熱、水素生成装置５０の要求出力熱量を発生させるのに必要な目標供給燃料量ＱＦとされる。
【００８８】
一方、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが温度領域II内にある場合には、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２に水素が供給されると、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２によるＮＯＸ浄化率が増大する。このとき、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域温度領域III内にある場合、即ち、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１のＮＯＸ浄化率が高くなっているときには、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔを更に高くする必要がなく、従って、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１に水素を供給する必要がない。従って、このときには、即ち、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域III内にあり、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが温度領域II内にある場合には、供給経路がＢとされ、熱、水素生成装置５０において生成された水素が供給経路Ｂを介してＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２に供給される。このとき、熱、水素生成装置５０に供給される燃料量は、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔを５０℃上昇させるのに必要な供給燃料量ＱＦＲとされる。
【００８９】
これに対し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域II内にあり、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔも温度領域II内にある場合には、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１に水素が供給されれば、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１によるＮＯＸ浄化率が上昇し、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２に水素が供給されれば、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２によるＮＯＸ浄化率が上昇する。この場合、本発明の実施例では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１によるＮＯＸ浄化率の上昇率と、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２によるＮＯＸ浄化率の上昇率とが比較され、ＮＯＸ浄化率の上昇率の高い方の触媒に水素を供給するようにしている。
【００９０】
もう少し具体的に言うと、本発明の実施例では、水素が供給されることにより上昇するＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＶ（＝Ｖ２−Ｖ１）/ＱＦと、水素が供給されることにより上昇するＮＯＸ選択還元触媒１４によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＷ（＝Ｗ２−Ｗ１）/ＱＦとが比較され、ＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇率の高い方の触媒に水素を供給するようにしている。即ち、図１５に示されるように、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域II内にあり、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔも温度領域II内にある場合には、水素を供給すべき触媒に応じて、供給経路がＡか、又はＢとされる。
【００９１】
この場合、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＶ（＝Ｖ２−Ｖ１）/ＱＦが、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＷ（＝Ｗ２−Ｗ１）/ＱＦよりも大きい場合には、供給経路がＡとされ、水素がＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１に供給される。このとき、熱、水素生成装置５０に供給される燃料量は、熱、水素生成装置５０の要求出力熱量を発生させるのに必要な目標供給燃料量ＱＦとされる。これに対し、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＶ（＝Ｖ２−Ｖ１）/ＱＦが、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＷ（＝Ｗ２−Ｗ１）/ＱＦよりも低い場合には、供給経路がＢとされ、水素がＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２に供給される。このとき、熱、水素生成装置５０に供給される燃料量は、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔを５０℃上昇させるのに必要な供給燃料量ＱＦＲとされる。
【００９２】
一方、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが温度領域III内にある場合、即ち、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２のＮＯＸ浄化率が高くなっているときには、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔを更に高くする必要がなく、従って、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２に水素を供給する必要がない。このとき、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域II内、又は温度領域III内にあり、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが温度領域III内にある場合には、供給経路がＡとされ、熱、水素生成装置５０において生成された水素が供給経路Ａを介してＮＯＸ吸蔵還元触媒１３に供給される。このとき、熱、水素生成装置５０に供給される燃料量は、熱、水素生成装置５０の要求出力熱量を発生させるのに必要な目標供給燃料量ＱＦとされる。
【００９３】
なお、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域温度領域III内にあり、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔも温度領域III内にある場合には、供給経路がＡとされ、熱、水素生成装置５０において生成された水素が供給経路Ａを介してＮＯＸ吸蔵還元触媒１３に供給される。従って、熱、水素生成装置５０が作動せしめられている限り、熱、水素生成装置５０において生成された水素が供給経路Ａを介してＮＯＸ吸蔵還元触媒１３に供給される。
【００９４】
このように、本発明の実施例では、排気処理触媒１３，１４の暖機を行っているときに、排気処理触媒１３，１４のうちで、水素を供給したときに排気浄化率の上昇量が大きい方の排気処理触媒１３，１４に、熱、水素生成装置５０から、対応する供給経路Ａ、又はＢ、即ち、水素供給通路５１Ａ、又は５１Ｂを介して水素が供給される。この場合、水素供給源として、図２に示される熱、水素生成装置５０以外の水素供給源を用いることができる。このような場合も考えると、本発明の実施例では、機関排気通路内に配置された少なくとも二つの排気処理触媒１３，１４と、水素供給源と、水素を水素供給源から各排気処理触媒１３，１４に供給するための複数の水素供給通路５１Ａ、又は５１Ｂとを具備した内燃機関の排気浄化装置において、排気処理触媒１３，１４の暖機を行っているときに、排気処理触媒１３，１４のうちで、水素を供給したときに排気浄化率の上昇量が大きい方の排気処理触媒１３，１４に、水素供給源から、対応する水素供給通路５１Ａ、又は５１Ｂを介して水素が供給される。
【００９５】
このように、排気処理触媒１３，１４の暖機を行っているときに、排気処理触媒１３，１４のうちで、水素を供給したときに排気浄化率の上昇量が大きい方の排気処理触媒１３，１４に、水素供給源から、対応する水素供給通路５１Ａ、又は５１Ｂを介して水素を供給することによって、排気浄化率を早期に高めることができる。
【００９６】
この場合、本発明の実施例では、排気処理触媒１３，１４が、第１の排気処理触媒１３と、第１の排気処理触媒１３の下流に配置された第２の排気処理触媒１４からなり、第１の排気処理触媒１３の温度が、水素を供給すると排気浄化率の上昇する温度領域IIにあり、かつ、第２の排気処理触媒１４の温度が、水素を供給すると排気浄化率の上昇する温度領域IIにあるときには、第１の排気処理触媒１３および第２の排気処理触媒１４のうちで、水素を供給すると排気浄化率の上昇量が大きい方の排気処理触媒１３，１４に、水素供給源から、対応する水素供給通路５１Ａ、又は５１Ｂを介して水素が供給される。
【００９７】
なお、この場合、本発明による具体例では、排気浄化率の上昇量として、水素供給源において水素を生成するために使用される単位燃料量当りの上昇量が用いられ、第１の排気処理触媒１３および第２の排気処理触媒１４のうちで、水素を供給すると排気浄化率の単位燃料量当りの上昇量が大きい方の排気処理触媒１３，１４に、水素供給源から、対応する水素供給通路５１Ａ、又は５１Ｂを介して水素が供給される。なお、本発明による具体例では、第１の排気処理触媒１３は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときには排気ガス中に含まれるＮＯＸを吸蔵し、流入する排気ガスの空燃比がリッチにされると吸蔵されているＮＯＸを放出するＮＯＸ吸蔵還元触媒からなり、第２の排気処理触媒１４は、アンモニアの存在のもとでＮＯＸを還元するＮＯＸ選択還元触媒からなる。
【００９８】
また、本発明の実施例では、第１の排気処理触媒１３の温度が、温度領域IIに達していないときには、水素供給源から第１排気処理触媒１３に、対応する水素供給通路５１Ａを介して水素が供給され、第１の排気処理触媒１３の温度が、温度領域IIを越えており、第２の排気処理触媒１４の温度が、温度領域IIにあるときには、水素供給源から第２排気処理触媒１４に、対応する水素供給通路５１Ｂを介して水素が供給される。
【００９９】
次に、図１６および図１７に示される経路切換制御ルーチンについて説明する。この経路切換制御ルーチンは、一定時間毎の割り込みによって実行され、また、この経路切換制御ルーチンは、図１８から図２０に示される熱、水素生成制御ルーチンが実行されている間、実行される。図１６を参照すると、まず初めに、ステップ１００において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０を越えたか否かが判別される。ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０を越えていないときにはステップ１０１に進み、経路切換弁５１の供給経路切換作用によって、熱、水素生成装置５０が供給経路Ａに切換えられる。次いで、処理サイクルを完了する。従って、熱、水素生成制御ルーチンの実行が開始されたときは、熱、水素生成装置５０は供給経路Ａに連結されている。
【０１００】
一方、ステップ１００において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０を越えたと判別されたときには、ステップ１０２に進んで、経路切換制御ルーチンが実行された後、ステップ１０２に進んだのが最初であるか否か、又は、ステップ１０２に進んだ後、一定時間、例えば、５秒経過したか否かが判別される。経路切換制御ルーチンが実行された後、ステップ１０２に進んだのが最初でなく、かつ、ステップ１０２に進んだ後、一定時間経過していないときには、処理サイクルを完了する。これに対し、経路切換制御ルーチンが実行された後、ステップ１０２に進んだのが最初である場合、又は、ステップ１０２に進んだ後、一定時間経過したときには、ステップ１０３に進んで、経路切換制御が行われる。従って、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０を越えたと判別されたとき、および、その後、一定時間を経過する毎に、ステップ１０３に進んで、経路切換制御が行われることになる。
【０１０１】
ステップ１０３では、例えば、吸入空気量検出器８の検出信号に基づいて、排気ガス流量Ｇa（g/s）が算出される。次いで、ステップ１０４では、この排気ガス流量Ｇa（g/s）を用いて、ＮＯＸ選択還元触媒１４における水素濃度を０．０５％とするのに必要な熱、水素生成装置５０への供給燃料量ＱＦＲ＝（０．０００５/０．１５）・Ｇa（g/s）＝０．００３３・Ｇa（g/s）が算出される。次いで、ステップ１０５では、温度センサ２５ｂにより検出されたＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが読み込まれる。次いで、ステップ１０６では、温度センサ２５ｃにより検出されたＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが読み込まれる。
【０１０２】
次いで、ステップ１０７では、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが、図１４Ｂに示される活性化温度Ｃ２Ｔ０とＣ２Ｔ１との間にあるか否かが判別される。即ち、図１５に示される一覧表において、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが温度領域II内にあるか否かが判別される。ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが、活性化温度Ｃ２Ｔ０とＣ２Ｔ１との間にないとき、即ち、図１５に示される一覧表において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域Ｉ内又は温度領域III内にあるときには、ステップ１２２に進んで、経路切換弁５１の供給経路切換作用によって、熱、水素生成装置５０が供給経路Ａに切換えられる。次いで、ステップ１２３では、熱、水素生成装置５０への供給燃料量がＱＦとされる。この供給燃料量ＱＦは、熱、水素生成装置５０の要求出力熱量を発生させるのに必要な目標供給燃料量であり、この供給燃料量ＱＦは、図１８から図２０に示される熱、水素生成制御ルーチンにおいて算出されている。次いで、処理サイクルを完了する。
【０１０３】
一方、ステップ１０７において、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが、活性化温度Ｃ２Ｔ０とＣ２Ｔ１との間にあると判別されたとき、即ち、図１５に示される一覧表において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域II内にあるときには、ステップ１０８に進んで、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが、図１２Ｂに示されるＣ１Ｔ１よりも高いか否かが判別される。即ち、図１５に示される一覧表において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域III内にあるか否かが判別される。ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが、図１２Ｂに示されるＣ１Ｔ１よりも高いとき、即ち、図１５に示される一覧表において、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが温度領域II内にあり、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域III内にあるときには、ステップ１２０にジャンプし、経路切換弁５１の供給経路切換作用によって、熱、水素生成装置５０が供給経路Ｂに切換えられる。次いで、ステップ１２１では、熱、水素生成装置５０への供給燃料量がステップ１０４において算出されたＱＦＲとされる。次いで、処理サイクルを完了する。
【０１０４】
これに対し、ステップ１０８において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが、図１２Ｂに示されるＣ１Ｔ１よりも高くないと判別されたときには、ステップ１０９に進んで、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが、図１２Ｂに示される活性化温度Ｃ１Ｔ０とＣ１Ｔ１との間にあるか否かが判別される。即ち、図１５に示される一覧表において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域II内にあるか否かが判別される。ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが、活性化温度Ｃ１Ｔ０とＣ１Ｔ１との間にないとき、即ち、図１５に示される一覧表において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域Ｉ内又は温度領域III内にあるときには、ステップ１２２に進んで、経路切換弁５１の供給経路切換作用によって、熱、水素生成装置５０が供給経路Ａに切換えられる。次いで、ステップ１２３では、熱、水素生成装置５０への供給燃料量がＱＦとされる。
【０１０５】
これに対し、ステップ１０９において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが、活性化温度Ｃ１Ｔ０とＣ１Ｔ１との間にあると判別されたとき、即ち、図１５に示される一覧表において、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが温度領域II内にあり、かつ、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが温度領域II内にあると判別されたときには、ステップ１１０に進み、水素を供給したときに、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１とＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２とのどちらの触媒による排気浄化率の単位燃料量当りの上昇量が大きくなるかが判別される。
【０１０６】
即ち、ステップ１１０では、現在の供給燃料量ＱＦが読み込まれる。次いで、ステップ１１１では、図１２Ａに示す関係を用いて、現在の排気ガス流量Ｇa（g/s）および現在のＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔから、現在のＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率Ｖ１が算出される。次いで、ステップ１１２では、図１３Ａに示す関係を用いて、現在の排気ガス流量Ｇa（g/s）および現在の供給燃料量ＱＦから、水素が供給されたときのＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度上昇量ΔＣ１Ｔが算出される。次いで、ステップ１１３では、図１２Ａに示す関係を用いて、水素が供給されることによりＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１が温度上昇量ΔＣ１Ｔだけ温度上昇したときのＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率Ｖ２が算出される。次いで、ステップ１１４では、水素が供給されることにより上昇するＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＶ（＝Ｖ２−Ｖ１）/ＱＦが算出される。
【０１０７】
次いで、ステップ１１５では、図１４Ａに示す関係を用いて、現在の排気ガス流量Ｇa（g/s）および現在のＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔから、現在のＮＯＸ選択還元触媒１４によるＮＯＸ浄化率Ｗ１が算出される。次いで、ステップ１１６では、図１４Ａに示す関係を用いて、水素を供給することによりＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが５０℃だけ温度上昇したときのＮＯＸ選択還元触媒１４によるＮＯＸ浄化率Ｗ２が算出される。次いで、ステップ１１７では、水素が供給されることにより上昇するＮＯＸ選択還元触媒１４によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＷ（＝Ｗ２−Ｗ１）/ＱＦが算出される。
【０１０８】
次いで、ステップ１１８では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＶとＮＯＸ選択還元触媒１４によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＷとの差（ΔＶ―ΔＷ）の絶対値が、小さな一定値αよりも小さいか否かが判別される。差（ΔＶ―ΔＷ）の絶対値が一定値αよりも小さいときにはステップ１２２に進む。これに対し、差（ΔＶ―ΔＷ）の絶対値が一定値αよりも大きいときにはステップ１１９に進んで、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＶが、ＮＯＸ選択還元触媒１４によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＷよりもよりも大きいか否かが判別される。
【０１０９】
ステップ１１９において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＶが、ＮＯＸ選択還元触媒１４によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＷよりもよりも大きいと判別されたときには、ステップ１２２に進んで、経路切換弁５１の供給経路切換作用によって、熱、水素生成装置５０が供給経路Ａに切換えられる。このとき、熱、水素生成装置５０において生成された水素は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１に供給される。これに対し、ステップ１１９において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒１３によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＶが、ＮＯＸ選択還元触媒１４によるＮＯＸ浄化率の単位燃料当りの上昇量ΔＷよりもよりも小さいと判別されたときには、ステップ１２０に進んで、経路切換弁５１の供給経路切換作用によって、熱、水素生成装置５０が供給経路Ｂに切換えられる。このとき、熱、水素生成装置５０において生成された水素は、ＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２に供給される。
【０１１０】
次に、図１８から図２０に示される熱、水素生成制御ルーチンについて説明する。この熱、水素生成制御ルーチンは、図１に示される機関のスタータスイッチ４３がオンにされたとき、或いは、機関の運転中において、改質用触媒４の温度が、例えば、目標暖機温度よりも低下したときに実行される。なお、機関のスタータスイッチ４３は、運転者により手動でオンにされる場合と、機関および電気モータを駆動源とするハイブリッド車両におけるように自動的にオンとされる場合とがある。
【０１１１】
熱、水素生成制御ルーチンが実行されると、まず初めに、図１８のステップ２００において、温度センサ７１の出力信号に基づいて、改質用触媒５４の上流側端面の温度ＴＤが、改質用触媒５４の上流側端面上において酸化反応を行いうる温度、例えば、３００℃以上であるか否かが判別される。改質用触媒５４の上流側端面の温度ＴＤが、３００℃以下の場合には、ステップ２０１に進んで、グロープラグ６８がオンとされる。次いで、ステップ２０２では、グロープラグ６８がオンとされてから一定時間を経過したが否かが判別され、一定時間を経過したときにはステップ２０３に進む。
【０１１２】
ステップ２０３では、空気ポンプ６４が作動せしめられ、高温空気流通路６２を介して
空気がバーナー燃焼室５３に供給される。なお、熱、水素生成装置５０の作動が停止されるときに、高温空気弁６５が開弁されると共に低温空気弁６６が閉弁されており、従って、熱、水素生成装置５０が作動せしめられたときには、高温空気流通路６２を介して空気がバーナー燃焼室５３に供給される。次いで、ステップ２０４では、グロープラグ６８の抵抗値から、グロープラグ６８の温度ＴＧが算出される。次いで、ステップ２０５では、グロープラグ６８の温度ＴＧが７００℃を越えたか否かが判別される。グロープラグ６８の温度ＴＧが７００℃を越えていないと判別されたときにはステップ２０３に戻る。これに対し、グロープラグ６８の温度ＴＧが７００℃を越えたと判別されたときには、着火可能であると判断され、ステップ２０６に進む。
【０１１３】
ステップ２０６では、バーナー５７からバーナー燃焼室５３に燃料が噴射され、次いで、ステップ２０７では、温度センサ７１の出力信号に基づいて、改質用触媒５４の上流側端面の温度ＴＤが検出される。次いで、ステップ２０８では、温度センサ７１の出力信号から、燃料が着火したか否かが判別される。燃料が着火すると、改質用触媒５４の上流側端面の温度ＴＤが瞬時に上昇し、従って、温度センサ７１の出力信号から、燃料が着火したか否かを判別できることになる。ステップ２０８において、燃料が着火していないと判別されたときには、ステップ２０６に戻り、ステップ２０８において、燃料が着火したと判別されたときには、ステップ２０９に進んで、グロープラグ６８がオフとされる。次いで、図１９のステップ２１０に進む。なお、燃料が着火されると、改質用触媒５４の上流側端面の温度ＴＤは、ただちに、改質用触媒５４の上流側端面上において酸化反応を行いうる温度、例えば、３００℃以上となる。一方、ステップ２００において、改質用触媒５４の上流側端面の温度ＴＤが３００℃以上であると判別されたときにも、ステップ２１０に進む。
【０１１４】
ステップ２１０およびステップ２１１では、１次暖機運転が行われる。即ち、Ｏ２/Ｃモル比が３．０となるように、ステップ２１０では空気ポンプ６５の吐出量が制御され、ステップ２１１ではバーナー５７からの供給燃料量が制御される。なお、本発明の実施例では、この１次暖機運転が行われているときには、図９および図１１に示されるように、供給空気量および供給燃料量が段階的に増大される。次いで、ステップ２１２では、温度センサ７２の出力信号に基づいて、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃を越えたか否かが判別される。改質用触媒４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃を越えていないと判別されたときには、ステップ２１０に戻り、１次暖機運転、即ち、熱、水素生成装置５０の暖機運転が継続して行われる。これに対し、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが７００℃を越えたと判別されたときにはステップ２１３に進む。
【０１１５】
ステップ２１３では、低温空気弁６６が開弁され、ステップ２１４では、高温空気弁６５が閉弁される。従って、このときには、空気は低温空気流通路６３を介してバーナー燃焼室５３に供給される。次いで、ステップ２１５では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔを目標暖機温度まで上昇させるのに必要な熱、水素生成装置５０の出力熱量（ｋＷ）の要求値が算出される。次いで、ステップ２１６では、この出力熱量（ｋＷ）の要求出力熱量を発生させるのに必要な目標供給燃料量ＱＦが算出される。
【０１１６】
次いで、ステップ２１７では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の活性化温度Ｃ１Ｔ０、即ち、貴金属が活性化する温度Ｃ１Ｔ０決定される。図１に示される例では、この活性化温度Ｃ１Ｔ０は、１１０℃とされる。ステップ２１７において活性化温度Ｃ１Ｔ０が決定されると、ステップ２１８に進んで、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０よりも高いか否かが判別される。ステップ２１８において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０よりも高いと判別されたときには、ステップ２１９に進んで、図９に示されるように、２次暖機運転が開始される。即ち、ステップ２１９では、バーナー５７からの供給燃料量をそのまま維持した状態で、Ｏ２/Ｃモル比が０．５６となるように空気ポンプ６４の吐出量が減少せしめられる。このとき、部分酸化改質反応が開始され、熱、水素生成装置５０において、熱および水素が生成される。
【０１１７】
一方、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０よりも高くなると、図１６および図１７に示される経路切換制御ルーチンにおいて、ステップ１０２からステップ１０３に進み、経路切換制御が行われる。ステップ２１９において、部分酸化改質反応が開始されると、ステップ２２０に進んで、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが、温度センサ７３により検出された空気温ＴＡと８０５℃との和（ＴＡ＋８０５℃）に到達したか否かが判別される。前述したように、この温度（ＴＡ＋８０５℃）は、空気温がＴＡ℃のときに、Ｏ２/Ｃモル比＝０．５でもって部分酸化改質反応が行われたときの反応平衡温度ＴＢを示している。従って、ステップ２２０では、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが、反応平衡温度（ＴＡ＋８０５℃）に到達したか否かを判別していることになる。
【０１１８】
改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが、反応平衡温度（ＴＡ＋８０５℃）に到達していないと判別されたときには、ステップ２１９に戻り、Ｏ２/Ｃモル比が０．５６となるように空気ポンプ６４の吐出量が制御され続ける。これに対し、ステップ２２０において、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが、反応平衡温度（ＴＡ＋８０５℃）に到達したと判別されたときには、ステップ２２１に進み、空気ポンプ１５の吐出量を一定に維持した状態で、燃料噴射量が、ステップ２１６において算出された供給燃料量ＱＦまで徐々に増大される。その結果、Ｏ２/Ｃモル比が徐々に減少する。次いで、ステップ２２２では、Ｏ２/Ｃモル比が０．５になったか否かが判別される。Ｏ２/Ｃモル比が０．５になっていないと判別されたときには、ステップ２２１に戻る。これに対し、ステップ２２２において、Ｏ２/Ｃモル比が０．５になったと判別されたときには、２次暖機運転は完了したと判断される。２次暖機運転が完了したと判断されたときには、ステップ２２５に進んで、通常運転が行われる。ステップ２２５では、Ｏ２/Ｃモル比が０．５となるように空気ポンプ６４の吐出量が制御される。
【０１１９】
一方、ステップ２１８において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０未満であると判別されたときには、ステップ２２３に進んで、図１１に示されるように、運転モードが熱生成モードとされる。即ち、ステップ２２３では、ステップ２１６において算出された供給燃料量でもってバーナー５７から燃料が噴射され、Ｏ２/Ｃモル比が２．６となるように空気ポンプ６４の吐出量が制御される。このとき、リーン空燃比のもとでの完全酸化反応が続行され、熱のみが排気処理触媒１３に供給される。次いで、ステップ２２４では、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０に到達したか否かが判別される。ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０に到達していないときには、ステップ２２３に戻る。
【０１２０】
これに対し、ステップ２２４において、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０に到達したと判別されたときにはステップ２２５に進んで、通常運転が行われる。このとき、バーナー５７からの供給燃料量をそのまま維持した状態で、Ｏ２/Ｃモル比が０．５となるように空気ポンプ６４の吐出量が減少せしめられる。このとき、部分酸化改質反応が開始され、熱、水素生成装置５０において熱および水素が生成される。一方、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１Ｔが活性化温度Ｃ１Ｔ０よりも高くなると、図１６および図１７に示される経路切換制御ルーチンにおいて、ステップ１０２からステップ１０３に進み、経路切換制御が行われる。
【０１２１】
ステップ２２５において、通常運転が開始されると、ステップ２２６に進んで、熱、水素生成装置５０の運転を停止すべきであるか否かが判別される。この場合、本発明の実施例では、通常運転が一定期間続行されたとき、又は、ＮＯＸ吸蔵還元触媒Ｃ１の温度Ｃ１ＴおよびＮＯＸ選択還元触媒Ｃ２の温度Ｃ２Ｔが目標暖機温度に達したとき、又は、その他の理由により熱、水素生成装置５０の運転を停止すべき指令が発せられたときに、熱、水素生成装置５０の運転を停止すべきであると判別される。ステップ２２６において、熱、水素生成装置５０の運転を停止すべきでないと判別されたときにはステップ２２５に戻って通常運転が続行される。２次暖機運転、或いは、通常運転が行われている間に。図１６および図１７に示される経路切換制御ルーチンのステップ２０２において、一定時間経過したと判別されたときには、ステップ１０２からステップ１０３に進み、経路切換制御が行われる。
【０１２２】
ステップ２２６において、熱、水素生成装置５０の運転を停止すべきであると判別されたときには、ステップ２２７に進んで、バーナー５７からの燃料噴射が停止される。次いで、ステップ２２８では、残存する燃料を燃焼除去するために、空気ポンプ６４から空気が供給され続ける。次いで、ステップ２２９では、一定時間経過したか否かが判別される。一定時間経過していないと判別されたときには、ステップ２２８に戻る。これに対し、ステップ２２９において、一定時間経過したと判別されたときには、ステップ２３０に進んで、空気ポンプ６５の作動が停止され、バーナー燃焼室５３内への空気の供給が停止される。次いで、ステップ２３１では、低温空気弁６６が閉弁され、ステップ２３２では、高温空気弁６５が開弁される。次いで、熱、水素生成装置５０の作動が停止せしめられている間、低温空気弁６６が閉弁され続け、高温空気弁６５が開弁され続ける。
【０１２３】
次に、図２１を参照しつつ触媒温度の上昇規制制御ルーチンについて説明する。このルーチンは一定時間毎の割り込みによって実行される。
図２１を参照すると、まず初めに、ステップ３００において、温度センサ７２により検出されている改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが読み込まれる。次いで、ステップ３０１では、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが許容触媒温度ＴＸを越えたか否かが判別される。改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが許容触媒温度ＴＸを越えていないと判別されたときには、処理サイクルを完了する。
【０１２４】
これに対し、ステップ３０１において、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが許容触媒温度ＴＸを越えたと判別されたときには、ステップ３０２に進んで、低温空気弁６６が開弁され、次いで、ステップ３０３において、高温空気弁６５が閉弁される。次いで、処理サイクルを完了する。即ち、熱、水素生成装置５０の運転中において、改質用触媒５４の下流側端面の温度ＴＣが許容触媒温度ＴＸを越えたときには、バーナー燃焼室５３内に空気を送り込む空気流通経路が、高温の空気を送り込む高温空気流通経路から、低温の空気を送り込む低温空気流通経路に切り替えられ、バーナー燃焼室５３内に供給されるバーナー燃焼用空気の温度が低下せしめられる。
【符号の説明】
【０１２５】
１    機関本体
１２    排気管
１３、１４    排気処理触媒
５０    熱、水素生成装置
５１    経路切換弁
５１Ａ、５１Ｂ    供給通路
５３    バーナー燃焼室
５４    改質用触媒
５７    バーナー
２５ａ、２５ｂ，２５ｃ、７１，７２，７３    温度センサ
【図１】
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【図２】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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