(57)【要約】【課題】  排気ガス中の酸素濃度を低下すると共に、排気ガスを好適に浄化可能とする排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供する。【解決手段】  エンジンＥＧ１から下流側に向かって、排気ガス中の粒状物を除去する粒状物除去ユニット１２と、排気ガス中の未燃焼の炭化水素成分と酸素とを作用させて、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質器１３と、排気ガスに作用する三元触媒を有する三元触媒ユニット１５とを備え、さらに、改質器１３に供給される排気ガスに燃料及び水蒸気を添加する燃料・水蒸気添加手段２０Ａを備えた排気ガス浄化システムＳ１である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から下流側に向かって、
排気ガス中の未燃焼の炭化水素成分と前記排気ガス中の酸素とを作用させて、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、
前記排気ガスに作用する排気ガス浄化触媒を有する排気ガス浄化触媒ユニットと、
を備えたことを特徴とする排気ガス浄化システム。
【請求項２】
前記排気ガス浄化触媒は、三元触媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項３】
前記改質器の上流側に、前記排気ガス中の粒状物を除去する粒状物除去ユニットを、さらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項４】
前記改質器に供給される排気ガスに、炭化水素及びアルコールの少なくとも一方を、添加する炭化水素／アルコール添加手段を、さらに備え、
前記改質器にて、当該炭化水素及びアルコールの少なくとも一方と前記排気ガス中の酸素とを作用させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項５】
前記改質器に供給される排気ガスに水蒸気を添加する水蒸気添加手段を、さらに備え、
前記炭化水素／アルコール添加手段は、前記炭化水素及びアルコールの少なくとも一方の添加量を調整する炭化水素／アルコール添加量調整機器を有し、
前記水蒸気添加手段は、水蒸気の添加量を調整する水蒸気添加量調整機器を有し、
前記炭化水素及びアルコールの少なくとも一方の添加量と、水蒸気の添加量とを調整することで、前記改質器において水蒸気改質反応よりも部分酸化反応が起こりやすくなるように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項６】
前記改質器の下流側に、前記改質器から排出された前記改質ガスを、前記内燃機関の吸気管またはＥＧＲ流路内に供給する改質ガス供給手段を、さらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システム。
【請求項７】
内燃機関から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化方法であって、
前記排気ガス中の粒状物を除去する粒状物除去工程と、
改質触媒存在下において、前記排気ガス中の未燃焼の炭化水素成分と前記排気ガス中の酸素とを作用させて、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質ガス生成工程と、
三元触媒存在下で、前記排気ガスを浄化する排気ガス浄化工程と、
前記改質ガスを前記内燃機関の吸気に供給する改質ガス供給工程と、
を有することを特徴とする排気ガス浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関、特に、リーン燃焼を行うガソリンエンジンや、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中は、酸素が多く含まれる酸化雰囲気である。排気ガス中に酸素が多く含まれると、一般に広く利用されている三元触媒（排気ガス浄化触媒）が、その機能を好適に発揮できず、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）等の窒素酸化物（ＮＯx）を良好に除去できない状況、すなわち還元が難しい状況にあり、年々厳しくなる法規制を満足できないという問題が発生している。
【０００３】
ここで、リーン燃焼時のガソリンエンジンから排出される排気ガスには、一般に、３〜７％の酸素が含まれている。ただし、今後、更なるリーン燃焼技術が確立された場合には、酸素量が１０％を超えることも考えられる。また、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスには、１０〜１５％の酸素が含まれている。
【０００４】
三元触媒は、一般にストイキ（理論空燃比）近傍の燃焼を行うエンジンから排出される排気ガスを浄化するために広く使用されている。三元触媒によれば、排気ガス中の未燃焼の炭化水素（ＣmＨnまたはＨＣと適宜示す）及び不完全燃焼より生成した一酸化炭素（ＣＯ）の酸化浄化と、窒素酸化物（ＮＯx）の還元浄化とを同時に行うことができる。
【０００５】
このように排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯx）を良好に除去する技術に関連して、排気ガスの熱によって、改質反応器及び改質触媒の温度を上昇させて、改質触媒を活性状態にすることで高い改質効率を得ると共に、燃料から製造した改質ガスを内燃機関の吸気に導入することによって、内燃機関の効率を高くする「燃料改質装置付き内燃機関」が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２４１３６４号公報（段落番号００２７〜００３４、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は、前記問題を解決すべく、排気ガス中の酸素濃度を低下すると共に、排気ガスを好適に浄化可能とする排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として請求項１に係る発明は、内燃機関から下流側に向かって、排気ガス中の未燃焼の炭化水素成分と前記排気ガス中の酸素とを作用させて、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質触媒を有する改質器と、前記排気ガスに作用する排気ガス浄化触媒を有する排気ガス浄化触媒ユニットと、を備えたことを特徴とする排気ガス浄化システムである。
【０００８】
このような排気ガス浄化システムによれば、改質触媒によって、排気ガス中の未燃焼の炭化水素成分は、この排気ガス中の酸素と作用して、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成されるため、排気ガス中の酸素濃度は低下する。その結果として、排気ガスの酸性度が低下して触媒上での還元反応が行われやすくなり、排気ガスは、排気ガス浄化触媒によって、良好に浄化される。
なお、後記する実施形態では、排気ガス触媒ユニットを、排気ガス浄化触媒である三元触媒を有する三元触媒ユニットとした場合について説明する。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記排気ガス浄化触媒は、三元触媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システムである。
【００１０】
このような排気ガスシステムによれば、酸素濃度が低下した排気ガスは、三元触媒によって、好適に浄化される。
さらに説明すると、通常、三元触媒では、次の式（１）から式（８）に示す反応が平衡論的に起こって、排気ガスを浄化している。なお、式（１）から式（８）は、各反応の概念を示すものであり、反応前後の分子数についての記載を省略する。
【００１１】
ＨＣ＋Ｏ2→ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ  …（１）
ＣＯ＋Ｏ2→ＣＯ2  …（２）
ＨＣ＋ＮＯ→ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＋Ｎ2  …（３）
ＣＯ＋ＮＯ→ＣＯ2＋Ｎ2  …（４）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2+Ｈ2  …（５）
ＨＣ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2  …（６）
Ｈ2＋ＮＯ→Ｈ2Ｏ＋Ｎ2  …（７）
Ｈ2＋Ｏ2→Ｈ2Ｏ  …（８）
【００１２】
すなわち、排気ガス中の酸素量が多い場合、式（１）、式（２）、式（８）に示す反応が進行する。補足すると、高酸素濃度の排気ガスでは、式（３）より式（１）の反応が、式（４）より式（２）の反応が、式（７）より式（８）の反応が、それぞれ起こりやすくなっている。
ここで、式（１）及び式（２）の反応が進むと、平衡論的にＣＯ2が発生するため、式（３）及び式（４）の反応が進行しにくくなる。
また、式（８）の反応が進むと、Ｈ2Ｏが発生するため、式（７）の反応が進行しにくくなる。なお、式（５）と式（６）の反応は、Ｈ2Ｏの増加とＣＯ2の増加のトレードオフによる。
【００１３】
一方、排気ガス中の酸素量が少ない場合（例えば、ストイキエンジンでは１％以下）、式（３）から式（７）の反応が支配的となり、三元触媒によって、平衡論的にＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを除去できる。したがって、三元触媒は、一般に酸素量が少ない領域で使用され、このＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを高率的に除去できる領域はウインドウ領域と言われる。
本発明では、式（１）、式（２）及び式（８）の反応の主体であるＯ2を抑制すると同時に、式（４）、式（７）の反応主体であるＨ2とＣＯを請求項１に記載の改質器で作り出すことができる。また、エンジン制御技術により排気ガス中のＨＣ濃度を上げることが容易であることから、式（３）の反応を右方向へ移動させることができる。これらにより、酸化と還元のバランスを制御できるようになることがわかる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、前記改質器の上流側に、前記排気ガス中の粒状物を除去する粒状物除去ユニットを、さらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気ガス浄化システムである。
【００１５】
このような排気ガス浄化システムによれば、粒状物除去ユニットによって排気ガス中の粒状物が除去された後に、排気ガスが改質器に供給されるので、粒状物によって改質触媒の機能が低下することを防止できる。
ここで、例えばＤＰＦなどの粒状物除去ユニットは、エンジンの燃焼を制御することでスパイク的に炭化水素（ＨＣ）をリッチ状態にして、酸素と炭化水素等を高温で燃焼させるため（ＤＰＦの再生）、排気ガス中の酸素量の低下を促す反面、炭化水素成分の増加も生じさせる。また、排気ガス中の成分を安定して制御するために、この粒状物除去ユニットのような排気ガス成分を変動させる要因となるものは、上流側に配置する必要がある。さらに、排気ガス成分の制御において、粒状物除去ユニットのスパイク的な酸素と炭化水素等の燃焼（ＤＰＦの再生）では排気ガス温度は燃焼により高温となるため、後流（下流側）の改質触媒及び排気ガス浄化触媒の触媒活性の発現を助ける。また、粒状物除去ユニット（ＤＰＦ）で消費されなかった残存炭化水素は、改質触媒で消費されてＨ2になると同時にＯ2がさらに除去される。最終的には、三元触媒（排気ガス浄化触媒）に供給される排気ガス中の酸素を１％以下として、且つウインドウ領域となるように炭化水素濃度とすることで、ＮＯｘ等の除去を効率的に行うこともできる。
【００１６】
請求項４に係る発明は、炭化水素及びアルコールの少なくとも一方を、添加する炭化水素／アルコール添加手段を、さらに備え、前記改質器にて、当該炭化水素及びアルコールの少なくとも一方と前記排気ガス中の酸素とを作用させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システムである。
【００１７】
このような排気ガス浄化システムによれば、改質器において、炭化水素及びアルコールの少なくとも一方と排気ガス中の酸素とを作用させることで、酸素濃度をさらに低下させることができる。そして、このように酸素濃度を低下させることで、排気ガス浄化触媒において、前記した式（１）から式（８）の反応のうち、酸素過剰雰囲気では進行しにくい、式（３）、式（４）及び式（７）の反応を進行させることができる。
なお、後記する実施形態では、炭化水素及びアルコールの少なくとも一方を燃料とし、炭化水素／アルコール添加手段を燃料・水蒸気添加手段とした場合について説明する。
【００１８】
請求項５に係る発明は、前記改質器に供給される排気ガスに水蒸気を添加する水蒸気添加手段を、さらに備え、前記炭化水素／アルコール添加手段は、前記炭化水素及びアルコールの少なくとも一方の添加量を調整する炭化水素／アルコール添加量調整機器を有し、前記水蒸気添加手段は、水蒸気の添加量を調整する水蒸気添加量調整機器を有し、前記炭化水素及びアルコールの少なくとも一方の添加量と、水蒸気の添加量とを調整することで、前記改質器において水蒸気改質反応よりも部分酸化反応が起こりやすくなるように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の排気ガス浄化システムである。
【００１９】
このような排気ガス浄化システムによれば、改質器において水蒸気改質反応を生じさせて、改質ガスである水素及び一酸化炭素を生成すると共に、炭化水素／アルコール添加量調整機器、及び水蒸気添加量調整機器を、適宜調整することによって、改質器において、吸熱反応である水蒸気改質反応よりも、発熱反応である部分酸化反応の割合を高くすることで、水蒸気存在下でも確実に酸素を消費することができ、排気ガスの温度低下を防止し、かつ下流側の排気ガス浄化触媒を最適に活性化させる温度を維持することができる。
特に、水蒸気を添加することで、Ｈ2の発生量を多くすることができるため、前記した式（７）のＮＯｘ除去反応を促進させることができる。
【００２０】
請求項６に係る発明は、前記改質器の下流側に、前記改質器から排出された前記改質ガスを、前記内燃機関の吸気管またはＥＧＲ流路内に供給する改質ガス供給手段を、さらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の排気ガス浄化システムである。
【００２１】
このような排気ガス浄化システムによれば、例えば、改質ガスの主成分を水素とした場合、この水素を含む改質ガスを内燃機関の吸気に供給することで、燃焼速度が上がり、気筒内の燃焼が均一になった結果、ノッキング等の原因となる燃焼ばらつきがなくなる。また、特に内燃機関の高回転域で燃焼の追従性が高まる。これらの結果、内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低下させることができる。
また、改質ガスの水素以外の成分には一酸化炭素があるが、この一酸化炭素は、改質ガスとして内燃機関に供給され、内燃機関の燃焼室において二酸化炭素に酸化されるため、何ら問題はない。
【００２２】
請求項７に係る発明は、内燃機関から排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化方法であって、前記排気ガス中の粒状物を除去する粒状物除去工程と、改質触媒存在下において、前記排気ガス中の未燃焼の炭化水素成分と前記排気ガス中の酸素とを作用させて、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質ガス生成工程と、三元触媒存在下で、前記排気ガスを浄化する排気ガス浄化工程と、前記改質ガスを前記内燃機関の吸気に供給する改質ガス供給工程と、を有することを特徴とする排気ガス浄化方法である。
【００２３】
このような排気ガス浄化方法によれば、粒状物を除去することによって、改質触媒の機能の低下を防止することができる（粒状物除去工程）。そして、改質触媒によって、排気ガス中の未燃焼の炭化水素分は、この排気ガス中の酸素と作用して、水素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成するため、排気ガス中の酸素濃度は低下する（改質ガス生成工程）。したがって、三元触媒によって、酸素濃度が低下した排気ガスを好適に浄化することができる（排気ガス浄化工程）。また、改質ガスを内燃機関の吸気に供給することで、内燃機関の燃焼効率を高め、燃料消費率を低下させることができる（改質ガス供給工程）。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、排気ガス中の酸素濃度を低下すると共に、排気ガスを好適に浄化可能とする排気ガス浄化システム及び排気ガス浄化方法を提供することができる。
すなわち、請求項１に係る発明によれば、排気ガス中の酸素濃度を低下させて、下流側の排気ガスを良好に浄化することができる。
請求項２に係る発明によれば、三元触媒によって、排気ガスを好適に浄化することができる。これは、酸化触媒、還元触媒などの差別化をはかる必要がなくなり、これにより排気流路の省スペース化と低コスト化をはかることができる。
請求項３に係る発明によれば、排気ガス中の粒状物による改質触媒の劣化を防止することができる。これにより、改質触媒は安定した性能を維持可能となり、改質触媒の長寿命化を図ることができる。
請求項４に係る発明によれば、炭化水素及びアルコールの少なくとも一方を作用させることで、排気ガス中の酸素濃度をさらに低下することができる。同時に、生成するＨ2、ＣＯの量を多くすることができるため、ＮＯｘの還元を促進させることができる。
請求項５に係る発明によれば、排気ガスの温度低下を防止、もしくは最適な活性温度を維持することができる。また、生成する水素量があがるため、ＮＯｘの還元を促進させることができる。
請求項６に係る発明によれば、内燃機関の燃焼効率を高めることができる。
請求項７に係る発明によれば、三元触媒によって排気ガスを好適に浄化しつつ、内燃機関の燃焼効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。
【００２６】
＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態に係る排気ガス浄化システムについて、図１及び図２を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る排気ガス浄化システムの全体構成図である。図２は、図１に示す排気ガス浄化システムの動作を示すフローチャートである。
【００２７】
図１に示すように、第１実施形態に係る排気ガス浄化システムＳ１は、内燃機関であるリーンバーンエンジンＥＧ１（以下、エンジンとする）を有するリーンバーン車（以下、車両という）に搭載されたシステムであって、主として、エンジンＥＧ１の排気側から下流側に向かって、粒状物除去ユニット１２と、改質器１３と、三元触媒ユニット１５と、最下流位置の酸化触媒ユニット１６とを備え、さらに、改質器１３の上流側で排気ガスに燃料及び水蒸気を添加する燃料・水蒸気添加手段２０Ａと、排気ガスが改質器１３を迂回可能に設けられた改質器迂回手段１７と、改質器１３で生成された改質ガスをエンジンＥＧ１の吸気に供給する改質ガス供給手段１８と、制御ユニット５０（以下、ＥＣＵという）を備えて構成されている。
なお、エンジンＥＧ１は、ガソリンエンジンの１種であり、その吸気側には、インテークマニホールド及びエレメントＥＬ（エアクリーナとも言われる）を介して吸気可能となっている。また、リーンバーンとは、希薄燃焼とも言われ、燃料が希薄な状態または空気が過剰な状態で、燃料を燃焼させる技術である。
【００２８】
［粒状物除去ユニット］
粒状物除去ユニット１２は、エンジンＥＧ１の下流側に配管１１ａを介して接続されている。ただし、粒状物除去ユニット１２の態様は、これに限定されることはなく、例えば配管１１ａを介さず、エンジンＥＧ１の排気側に一体的に取り付けられていてもよい。粒状物除去ユニット１２は、エンジンＥＧ１から排出された排気ガス中の微粒子状の粒状物（ＰＭ：Particulate Matter）を除去するユニットであり、その内部に、例えばコージエライト製のモノリスと称される蜂の巣構造のフィルタを有している。また、粒状物除去ユニット１２は、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）とも呼ばれる装置である。そして、粒状物除去ユニット１２は、配管１２ａを介して、下流側の改質器１３に接続している。
そして、粒状物除去ユニット１２は、フィルタで粒状物をトラップする第１モードと、トラップした粒状物を酸化させる第２モードを有する。よって、前記第２モードの時は、酸素が消費されるため下流側に排出される排気ガス中の酸素濃度が低くなる。
【００２９】
配管１２ａの途中位置には、酸素濃度センサ１２ｂが設けられており、酸素濃度センサ１２ｂは、ＥＣＵ５０に電気的に接続している。したがって、ＥＣＵ５０は、粒状物除去ユニット１２で粒状物が除去された後、改質器１３に供給される排気ガス中の酸素濃度を監視可能となっている。すなわち、酸素濃度センサ１２ｂによって、粒状物除去ユニット１２の第１モードと第２モード時における酸素量を、それぞれ監視可能となっている。
【００３０】
［改質器］
改質器１３は、主として、排気ガス中の未燃焼の炭化水素（未燃焼ＣmＨn）と、酸素（Ｏ2）とを作用させて、酸素（Ｏ2）を消費すると共に、水素（Ｈ2）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む改質ガスを生成する機器である。改質器１３は、その内部に、複数の細孔を有する支持体に改質触媒を担持した改質器本体（図示しない）と、改質触媒の温度を検出する温度センサ１３ｃを備えている。支持体は、コージエライト等からハニカム状に成形されており、排気ガスが流通可能である複数の細孔を有している。そして、改質器１３は、配管１３ａを介して、下流側の三元触媒ユニット１５に接続している。また、温度センサ１３ｃは、ＥＣＵ５０と電気的に接続している。
【００３１】
さらに説明すると、改質触媒は、排気ガス中の未燃焼の炭化水素（未燃焼ＣmＨn）及び燃料・水蒸気添加手段２０Ａによって添加された燃料中の炭化水素（添加ＣmＨn）、水蒸気（Ｈ2Ｏ）と、排気ガス中の酸素（Ｏ2）と作用させて、次の式（９）に示す部分酸化反応、式（１０）に示す水蒸気改質反応、式（１１）に示すオートサーマル反応（Auto Thermal Reaction、以下ＡＴＲ反応とする）を生じさせて、酸素（Ｏ２）を消費すると共に、水素（Ｈ2）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含む改質ガスを生成させるものである。
このような改質触媒としては、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）をベースの多孔質担体として、これにロジウム（Ｒｈ）を担持したＲｈ／Ａｌ2Ｏ3が挙げられる。
【００３２】
【化１】
2005201094.tif 000003
【００３３】
配管１３ａの途中位置には、酸素濃度センサ１３ｂが設けられており、酸素濃度センサ１３ｂはＥＣＵ５０に電気的に接続している。したがって、ＥＣＵ５０は、三元触媒ユニット１５に供給される排気ガス中の酸素濃度を監視可能となっている。
【００３４】
［三元触媒ユニット］
三元触媒ユニット１５（排気ガス浄化触媒ユニット）は、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯx）に作用し、排気ガスを浄化する三元触媒（排気ガス浄化触媒）を有している。
ここで、炭化水素の三元触媒内での役割は、前記した式（１）、式（３）及び式（６）に示すとおりであり、安定なＣＯ2及びＮ2を除外して考えると、Ｏ2を消費、若しくはＮＯ、Ｈ2Ｏを消費して、Ｈ2Ｏ、Ｈ2を生成することが分かる。また、Ｏ2の消費やＮＯの消費、Ｈ2Ｏの生成は、改質器１３において発生するＨ2が適量であれば可能となるので、三元触媒内の平衡を保つ上では、炭化水素（ＨＣ）は必要条件ではないことがわかる。
三元触媒ユニット１５は、その内部に複数の細孔を有する支持体に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の多孔質担体をベースとして、三元触媒を担持した三元触媒ユニット本体（図示しない）を内蔵している。支持体は、例えば、コージエライト等からハニカム状に成形されており、排気ガスが流通可能である複数の細孔を有している。この支持体に担持される三元触媒としては、例えば、活性物質をＰｔとＲｈを、またはＰｔとＲｈとＰｄを混合したものを、Ａｌ2Ｏ3上に担持した触媒を使用することができる。
また、三元触媒ユニット１５には、三元触媒の温度を検出する温度センサ１５ｂが設けられており、温度センサ１５ｂはＥＣＵ５０と電気的に接続している。したがって、ＥＣＵ５０は、温度センサ１５ｂを介して、三元触媒の温度を監視すると共に、三元触媒の活性状態を把握可能となっている。
さらに、三元触媒ユニット１５は、配管１５ａを介して、下流側の酸化触媒ユニット１６に接続している。
【００３５】
［酸化触媒ユニット］
酸化触媒ユニット１６は、三元触媒ユニット１５と比較して、水素のスリップに対応して、補助的に排気ガスを浄化するためのユニットである。酸化触媒ユニット１６は、三元触媒ユニット１５と同様の構造を有しているが、Ａｌ2Ｏ3上にＰｔのみを主成分とした活性物質（酸化除去触媒）が担持されている点で異なる。
ただし、第１実施形態においては、水素のスリップ量は、少なく制御することが前提であるため、酸化触媒ユニット１６を備えなくてもよい。すなわち、前記した酸化除去触媒は、現段階では法規の対象になっておらず、酸化触媒ユニット１６を備えなくてもよい。
【００３６】
［燃料・水蒸気添加手段］
燃料・水蒸気添加手段２０Ａ（炭化水素／アルコール添加手段・水蒸気添加手段）は、改質器１３の上流側で、改質器１３に導入される排気ガスに、還元剤である炭化水素（添加ＣmＨn）などを含む燃料と、酸化剤である水蒸気（添加Ｈ2Ｏ）を添加するための手段である。燃料・水蒸気添加手段２０Ａは、主として、燃料タンク２１と、水タンク２２と、気化器２３とを備えて構成されている。
【００３７】
燃料タンク２１は、車両に搭載されたガソリン等が貯蔵された燃料タンクを兼用している。燃料タンク２１は、配管２１ａを介して気化器２３に接続している。配管２１ａの途中位置には、燃料タンク２１から気化器２３に向かって順に、燃料ポンプ２１ｂと、流量調整弁２１ｃ（炭化水素／アルコール添加量調整機器）が設けられている。さらに、流量調整弁２１ｃは、ＥＣＵ５０と電気的に接続している。
したがって、燃料ポンプ２１ｂを稼動させつつ、ＥＣＵ５０が流量調整弁２１ｃを適宜制御することで、所定量の燃料を気化器２３に供給可能となっている。
【００３８】
水タンク２２は、水が貯溜されたタンクであり、配管２２ａを介して気化器２３に接続している。配管２２ａの途中位置には、水タンク２２から気化器２３に向かって順に、水ポンプ２２ｂと、流量調整弁２２ｃ（水蒸気添加量調整機器）が設けられている。さらに、流量調整弁２２ｃは、ＥＣＵ５０と電気的に接続している。
したがって、水ポンプ２２ｂと稼動させつつ、ＥＣＵ５０が流量調整弁２２ｃを適宜制御することで、所定量の水を気化器２３に供給可能となっている。
【００３９】
気化器２３は、燃料タンク２１から供給された燃料と、水タンク２２から供給された水とを、気化するための機器である。気化器２３は、改質器１３の近傍に配置されており、改質器１３を流通する排気ガスの熱によって、気化器２３自体を加熱可能になっている（図１参照）。そして、この気化器２３自体の加熱によって、燃料及び水を気化可能となっている。また、気化器２３は、その下流側において配管２３ａを介して配管１２ａに接続しており、前記気化された燃料及び気化された水、すなわち、気化された燃料及び水蒸気を添加可能となっている。
【００４０】
したがって、第１実施形態では、流量調整弁２１ｃ及び流量調整弁２２ｃを適宜操作することで、排気ガスに添加される燃料及び水蒸気の量を調整可能となっている。すなわち、燃料及び水蒸気の量を調整することで、前記した式（９）に示す部分酸化反応と、式（１０）に示す水蒸気改質反応とが、生じる割合を制御可能であり、発熱反応である部分酸化反応の割合を高めて、排気ガスの温度低下を防止可能となっている。
【００４１】
［改質器迂回手段］
改質器迂回手段１７は、粒状物除去ユニット１２（ＤＰＦ）の再生時や燃料リッチの燃焼モード域などの排気ガス中の酸素濃度が低い場合、改質器１３で酸素を改質する必要が無いため、排気ガスの流通を向上させるべく、改質器１３に対して排気ガスを迂回させる手段である。
第１実施形態では、改質器迂回手段１７は、改質器１３の上流側の配管１２ａと下流側の配管１３ａとに接続した迂回配管１７ａと、この迂回配管１７ａの途中位置に設けられた流量調整弁１７ｂとを備えて構成されている。そして、流量調整弁１７ｂは、ＥＣＵ５０と電気的に接続している。
したがって、ＥＣＵ５０は、酸素濃度センサ１２ｂで検出された酸素濃度に対応して、流量調整弁１７ｂの開度を適宜調整することで、改質器１３から排気ガスを迂回可能となっている。
【００４２】
［改質ガス供給手段］
改質ガス供給手段１８は、改質器１３で生成された改質ガスを、エンジンＥＧ１の吸気管に直接、若しくは内部にＥＧＲ流路を有するＥＧＲ配管（図示しない）に供給する手段である。第１実施形態では、改質ガス供給手段１８は、改質器１３の下流側の配管１３ａと前記ＥＧＲ配管（図示しない）とを接続する配管１８ａと、ＥＧＲ配管に向かって順に、配管１８ａの途中に設けられた流量調整弁１８ｃと、バッファタンク１８ｂと、流量調整弁１８ｄと、水素濃度センサ１８ｅと、エンジンＥＧに供給する直前の改質ガスの温度を検出する温度センサ１８ｆを備えて構成されている。流量調整弁１８ｃ及び流量調整弁１８ｄと、水素濃度センサ１８ｅと、温度センサ１８ｆとは、ＥＣＵ５０にそれぞれ電気的に接続している。
したがって、ＥＣＵ５０は、図示しないセンサを介してエンジンＥＧ１の稼動状態を、水素濃度センサ１８ｅを介して水素濃度を、温度センサ１８ｆを介して改質ガスの温度を、それぞれ監視しつつ、エンジンＥＧ１の稼動状態に対応して、流量調整弁１８ｃ及び流量調整弁１８ｄを適宜制御して、エンジンＥＧ１へ所定量の改質ガスを供給することで、エンジンＥＧ１での燃焼効率を高め、燃料消費率を低下させることができるようになっている。
【００４３】
［ＥＣＵ］
ＥＣＵ５０は、排気ガス浄化システムＳ１の動作を制御するものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ等から構成されている。
ＥＣＵ５０は、エンジンＥＧの稼動状態を検出するセンサ（図示しない）と、酸素濃度センサ１２ｂと、酸素濃度センサ１３ｂと、温度センサ１３ｃと、温度センサ１５ｂと、流量調整弁１７ｂと、流量調整弁１８ｃと、流量調整弁１８ｄと、水素濃度センサ１８ｅと、温度センサ１８ｆと、流量調整弁２１ｃと、流量調整弁２２ｃとに電気的に接続している。
【００４４】
＜排気ガス浄化システムの動作＞
続いて、排気ガス浄化システムＳ１の動作と共に、排気ガス浄化方法について、図２を合わせて参照しつつ説明する。第１実施形態に係る排気ガス浄化方法は、粒状物除去工程と、燃料・水蒸気添加工程と、改質工程と、排気ガス浄化工程と、改質ガス供給工程を有している。
【００４５】
エンジンＥＧ１の稼動に伴って、エンジンＥＧ１から排気ガスが排出される。この排気ガスには、窒素（Ｎ2）、酸素（Ｏ2）、未燃焼の炭化水素成分（未燃焼ＣmＨn）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、窒素酸化物（ＮＯx）、燃焼によって生成した水蒸気（生成Ｈ2Ｏ）、粒状物（ＰＭ）が含まれている（図２参照）。
【００４６】
［粒状物除去工程］
排気ガスは、エンジンＥＧ１から配管１１ａを経由して粒状物除去ユニット１２に供給される。そして、粒状物除去ユニット１２によって、排気ガス中の粒状物（ＰＭ）が除去される（図２、ステップ１）。次いで、粒状物（ＰＭ）が除去された排気ガスは、配管１２ａを経由して改質器１３に供給される。ここで、ＥＣＵ５０は、配管１２ａを流通する排気ガス中の酸素濃度を、酸素濃度センサ１２ｂを介して監視する。
【００４７】
［燃料・水蒸気添加工程］
この改質器１３への排気ガスの供給に対応して、燃料・水蒸気添加手段２０Ａから、燃料及び水蒸気が、配管１２ａの内部を流通する排気ガスに添加される。なお、図２では、燃料・水蒸気添加手段２０Ａによって添加された燃料中の炭化水素を「添加ＣmＨn」、水蒸気を「添加Ｈ2Ｏ」と示す。
詳細に説明すると、燃料については、燃料ポンプ２１ｂを稼動させると共に、ＥＣＵ５０が、流量調整弁２１ｃを制御して、所定量の燃料を気化器２３に供給する。同様に、水蒸気（Ｈ2Ｏ）については、水ポンプ２２ｂを稼動させると共に、ＥＣＵ５０が、流量調整弁２２ｃを制御することで、所定量の水を気化器２３に導入する。
【００４８】
気化器２３は、改質器１３を流通する排気ガスの熱によって、所定温度に加熱されており、気化器２３に供給された燃料及び水は気化する。すなわち、水は水蒸気となる。次いで、気化された燃料及び水蒸気は、配管２３ａを経由して排気ガスに添加されると共に、改質器１３に供給される（図２、ステップ２）。
【００４９】
［改質工程］
そうすると、改質器１３において、排気ガスは改質触媒によって改質され、改質ガスが生成する（図２、ステップ３）。
詳細に説明すると、改質器１３では、排気ガスの熱によって所定温度（例えば、６００〜７００℃）に高められて、触媒活性が高められた改質触媒の存在下で、前記した式（９）に示す部分酸化反応と、式（１０）に示す水蒸気改質反応と、式（１１）に示すオートサーマル反応（Auto Thermal Reaction、以下ＡＴＲ反応とする）が生じる。なお、部分酸化反応は発熱反応であり、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、ＡＴＲ反応は、部分酸化反応で発生する熱量と水蒸気改質反応で消費される熱量を相殺する反応である。
【００５０】
ここで、式（９）から式（１１）の左辺に示される酸素（Ｏ2）は、いずれも排気ガス中の酸素である。また、式（９）から式（１１）の左辺に示す炭化水素（ＣmＨn）は、排気ガスに含まれていた未燃焼の炭化水素（未燃焼ＣmＨn）と、添加された炭化水素（添加ＣmＨn）とが合わされたものである。また、水蒸気（Ｈ2Ｏ）は、燃焼など排気内で生成した水蒸気（生成Ｈ2Ｏ）と添加された水蒸気（添加Ｈ2Ｏ）とが合わされたものである。
【００５１】
したがって、式（９）に示す部分酸化反応と、式（１０）に示す水蒸気改質反応と、式（１１）に示すＡＴＲ反応が進行すると、排気ガス中の酸素（Ｏ2）が消費されると共に、改質ガスが生成される。この改質ガスは、水素（Ｈ2）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、二酸化炭素（ＣＯ2）を含む。
【００５２】
ここで、酸素濃度センサ１２ｂ及び酸素濃度センサ１３ｂによって、酸素濃度を監視しつつ、温度センサ１３ｃによって改質触媒の温度を、温度センサ１５ｂによって三元触媒の温度をそれぞれ監視しているＥＣＵ５０は、吸熱反応である水蒸気改質反応により、排気ガスの温度が低下して、改質触媒及び三元触媒の触媒活性が低下しないように、流量調整弁２１ｃ、流量調整弁２２ｃを適宜制御する。
具体的には、例えば、流量調整弁２２ｃを絞って水蒸気の添加を抑え、発熱反応である部分酸化反応の割合を高めることによって、排気ガスの温度を高くすることができる。このように排気ガスの温度を高くすると、エンジンＥＧ１のコールドスタート時等においても下流側の三元触媒ユニット１５の三元触媒の触媒活性を、より短い時間で高めることができる。また、この場合において、排気ガス内の酸素も多く除去される。
【００５３】
また、ＥＣＵ５０は、改質器１３の下流側に設けられた酸素濃度センサ１３ｂによって検出される酸素濃度が１％未満になるように、流量調整弁２１ｃ及び流量調整弁２２ｃを制御する。
【００５４】
さらに、ＥＣＵ５０は、酸素濃度センサ１２ｂによって、粒状物除去ユニット１２から排出された排気ガス中の酸素濃度が、１％未満と検出された場合には、流量調整弁２１ｃ、流量調整弁２２ｃを絞って、燃料及び水蒸気の添加を抑えると共に、流量調整弁１７ｂの開度を高め、排気ガスを迂回配管１７ａを経由させて、改質器１３を迂回させる。
なお、このように酸素濃度が低下する場合は、粒状物除去ユニット１２を再生する場合、つまりトラップされた粒子状物質を燃焼により酸化除去する場合、急加速時などの燃料噴射量が多い場合等が相当する。
【００５５】
［排気ガス浄化工程］
三元触媒ユニット１５において、三元触媒によって、排気ガス中の炭化水素（ＣmＨn）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯx）が浄化される（図２、ステップ４）。ここで、三元触媒ユニット１５に供給される排気ガスには、１％未満の酸素しか含まれないため、三元触媒は、その触媒機能が好適に発揮可能であり、排気ガスを好適に浄化することができる。
【００５６】
［改質ガス供給工程］
さらに、前記改質工程において生成された改質ガスを含む排気ガスの一部は、改質ガス供給手段１８によって、ＥＧＲ配管（図示しない）を介して、エンジンＥＧ１の吸気側に適宜供給される。詳細に説明すると、ＥＣＵ５０が、流量調整弁１８ｃを開くことで、改質ガスはバッファタンク１８ｂに供給される。さらに、ＥＣＵ５０が、流量調整弁１８ｄを適宜制御することで、改質ガスが、バッファタンク１８ｂからエンジンＥＧ１のＥＧＲ配管（図示しない）を経由して、エンジンＥＧ１の吸気側に供給される。
このように水素（Ｈ2）及び一酸化炭素（ＣＯ）等の改質ガスをエンジンＥＧ１の吸気側に供給することによって、エンジンＥＧ１の燃焼効率を高めることができ、その結果として、燃料消費率を低下させることができる。
【００５７】
このようにして第１実施形態に係る排気ガス浄化システムＳ１及び排気ガス浄化方法によれば、改質器１３によって、排気ガス中の酸素と、排気ガス中の未燃焼の炭化水素及び添加された炭化水素とを作用させることで、酸素濃度を低下させることにより、三元触媒ユニット１５で、排気ガスを良好に浄化することができる。
また、第１実施形態に係る排気ガス浄化システムＳ１は、基本的に既存の燃料ポンプや水ポンプを流用するため、特別なコンプレッサ等を備えずに構成することができる。さらに、リーンバーン車の一部において使用されているリッチスパイク等の複雑な制御システムを備えずに、排気ガスを良好に浄化することができる。
【００５８】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る排気ガス浄化システムについて、図３を参照して説明する。図３は、第２実施形態に係る排気ガス浄化システムの全体構成図である。
【００５９】
図３に示すように、第２実施形態に係る排気ガス浄化システムＳ２は、第１実施形態に係る排気ガス浄化システムＳ１と比較して、主として、内燃機関がディーゼルエンジンＥＧ２である点と、燃料・水蒸気添加手段２０Ａに代えて、水蒸気を添加せず燃料のみを添加する燃料添加手段２０Ｂを備えた点と、改質ガスをエレメントＥＬとコンプレッサＣとの間に供給するように配管１８ａが配設された点が異なる。
【００６０】
なお、第２実施形態において、排気ガスに水蒸気を添加しない理由は、ディーゼルエンジンＥＧ２から排出される排気ガスの温度が、ガソリンエンジンと比較して低いからである。この他に、ディーゼルエンジンＥＧ２の排気ガスは、Ａ／Ｆ＝２０程度の現在のリーンバーンエンジンよりも高濃度の酸素を有していることが挙げられる。水蒸気（Ｈ2Ｏ）の添加は、排気ガス温度が低い場合には難しく、水蒸気（Ｈ2Ｏ）の添加により酸素の燃焼を妨げるからである。
【００６１】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る排気ガス浄化システムについて、図４を参照して説明する。図４は、第３実施形態に係る排気ガス浄化システムの全体構成図である。
【００６２】
図４に示すように、第３実施形態に係る排気ガス浄化システムＳ３は、第１実施形態に係る排気ガス浄化システムＳ１と比較して、主として、水素除去ユニット１４と、水素除去ユニット１４で除去された水素を用いて発電する燃料電池４１を、さらに備えて構成されている。
【００６３】
［水素除去ユニット］
水素除去ユニット１４は、第１実施形態における改質器１３と三元触媒ユニット１５との間に設けられており、改質器１３で生成された改質ガスを含む排気ガスから、水素（Ｈ2）を選択的に除去するためのユニットである。すなわち、水素除去ユニット１４は、改質器１３の下流側の配管１３ａに接続しており、排気ガスから水素を選択的に分離するユニットである。
水素除去ユニット１４は、その内部に、パラジウム（Ｐｄ）を主成分とした水素透過膜を有しており、Ｐｄ格子内を水素が移動することにより、水素を分離させることができる。この水素透過膜は、水素の選択性が高いという特性を有しており、水素以外のガスを透過することはない。このため燃料電池４１の電極触媒の劣化が発生することもない。
そして、水素除去ユニット１４の下流側には、配管１４ａ及び配管１４ｄが設けられている。配管１４ａは、水素が除去された排気ガスが下流側の三元触媒ユニット１５に供給されるように適所に設けられている。一方、配管１４ｄは、前記水素透過膜を透過することで除去された水素が、燃焼電池４１のアノード側に供給されるように、適所に設けられている。また、第３実施形態では、前記した酸素濃度センサ１３ｂに代えて、配管１４ａに酸素濃度センサ１４ｃが設けられており、この酸素濃度センサ１４ｃはＥＣＵ５０に電気的に接続している。
【００６４】
［燃料電池］
燃料電池４１は、水素と酸素を作用させて発電する装置であり、第３実施形態では固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ）を採用している。ただし、燃料電池の種類はこれに限定されることはない。
燃料電池４１のアノード側には、水素除去ユニット１４で除去された水素が供給されるように、前記配管１４ｄが設けられている。そして、燃料電池４１のアノードオフガスが、配管１８ａを流通する改質ガスに合流するように、配管４１ａが設けられている。配管４１ａの途中位置には、流量調整弁４１ｂと、水素濃度センサ４１ｃとが設けられている。流量調整弁４１ｂ及び水素濃度センサ４１ｃは、ＥＣＵ５０と電気的に接続しており、ＥＣＵ５０はこれらの機器を制御可能となっている。
さらに、燃料電池４１の出力端子は、車両に搭載されたバッテリ４２に接続しており、燃料電池４１の発電によって生じた電力を充電可能となっている。
【００６５】
以上、本発明の好適な各実施形態について一例を説明したが、本発明は前記各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
【００６６】
前記した第１実施形態では、燃料・水蒸気添加手段２０Ａによって、燃料（炭化水素）及び水蒸気を排気ガスに添加し、改質器１３にて酸素を減ずるとしたが、これに限定されず、排気ガス中の炭化水素成分（未燃焼ＣmＨn）と排気ガス中の酸素とを改質器１３において作用させることで、酸素を減じることができる場合は、燃料・水蒸気添加手段２０Ａを備えなくてもよい。
また、この排気ガス中の炭化水素成分（未燃焼ＣmＨn）は、エンジンの燃焼を制御することによって、多くすることもできる。
【００６７】
前記した第１実施形態では、燃料・水蒸気添加手段２０Ａによって、炭化水素及びアルコールの少なくとも一方である燃料を添加するとしたが、炭化水素及びアルコールの少なくとも一方としては、これに限定されず、メタノール、エタノール等のアルコール類を添加してもよいし、炭化水素とアルコールの混合液を添加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１実施形態に係る排気ガス浄化システムの全体構成図である。
【図２】図１に示す排気ガス浄化システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】第２実施形態に係る排気ガス浄化システムの全体構成図である。
【図４】第３実施形態に係る排気ガス浄化システムの全体構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３  排気ガス浄化システム
ＥＧ１  ガソリンエンジン（内燃機関）
ＥＧ２  ディーゼルエンジン（内燃機関）
１２    粒状物除去ユニット
１３    改質器
１４    水素除去ユニット
１５    三元触媒ユニット（排気ガス浄化触媒ユニット）
１７    改質器迂回手段
１８    改質ガス供給手段
２０Ａ  燃料・水蒸気添加手段（炭化水素／アルコール添加手段、水蒸気添加手段）
２１ｃ  流量調整弁（炭化水素／アルコール量調整機器）
２２ｃ  流量調整弁（水蒸気量調整機器）
２３    気化器
４１    燃料電池
５０    ＥＣＵ
【図１】
2005201094.tif 000004
【図２】
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【図３】
2005201094.tif 000006
【図４】
2005201094.tif 000007