排気浄化装置
【課題】少ない水素量かつ簡単なシステムで触媒を早期に活性化し得る装置を提供する。
【解決手段】高圧で水素の吸蔵及び脱離を行う第１水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器（６）と、低圧で水素の吸蔵及び脱離を行う第２水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器（８）とを通路を介して連通すると共に通路を開閉する第１バルブ（２１）を設け、かつ低圧容器（８）を触媒上流の排気管内に面して設けた熱輸送機器（５）と、水素噴射弁（２２）と、水素生成器（３２）と、この水素生成器（３２）からの水素を高圧容器（６）に供給する通路を開閉する第２バルブ（３４）と、エンジンの冷間始動時に触媒の活性化が促進されるように第１バルブ（２１）と水素噴射弁（２２）とを制御し、かつ触媒の活性化後に、水素噴射弁（２２）によって消費された水素が水素生成器（３２）で生成される水素で補われるように第２バルブ（３４）を制御する制御手段（４１）とを備える。
【解決手段】高圧で水素の吸蔵及び脱離を行う第１水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器（６）と、低圧で水素の吸蔵及び脱離を行う第２水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器（８）とを通路を介して連通すると共に通路を開閉する第１バルブ（２１）を設け、かつ低圧容器（８）を触媒上流の排気管内に面して設けた熱輸送機器（５）と、水素噴射弁（２２）と、水素生成器（３２）と、この水素生成器（３２）からの水素を高圧容器（６）に供給する通路を開閉する第２バルブ（３４）と、エンジンの冷間始動時に触媒の活性化が促進されるように第１バルブ（２１）と水素噴射弁（２２）とを制御し、かつ触媒の活性化後に、水素噴射弁（２２）によって消費された水素が水素生成器（３２）で生成される水素で補われるように第２バルブ（３４）を制御する制御手段（４１）とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷間始動時に触媒を急速に昇温させるため、水素を燃焼室で燃焼させる方法や、触媒のすぐ上流に水素を噴射するものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３３９７７２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、上記特許文献１の技術のように水素を用いて触媒を昇温させる場合にはシステムが複雑になり、水素消費量も多くなるという問題がある。すなわち、冷間始動時に触媒が水素と反応を開始する温度に到達する前には、水素と反応して燃焼させることができないので、触媒の上流に水素を噴射しても水素は触媒を素通りするだけとなる。このため、水素だけで触媒を水素と反応を開始する温度に到達させようとすると、燃焼させた水素を触媒に供給して加熱するしかなく、このような水素の用い方では、水素を多く消費してしまう。
【０００５】
また、水素発生には改質技術を用いるが始動時にはすぐに使えないので、水素を一旦タンクに貯蔵しておくことが必要となる。すると、水素吸蔵タンクに加えて、水素を加圧するポンプが必要となり、システムが複雑になるだけでなくコストが高くなってしまう。
【０００６】
一方、水素の燃焼に頼らずに触媒の昇温を行う方法として、高圧の条件で働く水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器と、低圧の条件で働く水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器とを組み合わせたヒートポンプを構成し、定圧容器を触媒上流の排気管内に突出して設けておき、冷間始動時に高圧容器内の水素吸蔵合金から水素を放出させ、この放出させた水素を低圧容器内の水素吸蔵合金に吸蔵させることで、触媒を流れる排気の温度を上昇させるものがある。しかしながら、このものでは触媒を活性温度にまで上昇させるのに時間がかかってしまい、触媒を早期に活性化できない。
【０００７】
そこで本発明は、少ない水素の消費量でかつ簡単なシステムで触媒を早期に活性化し得る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】
【０００８】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００９】
本発明は、排気管（２）に設けられエンジンからの排気を浄化する触媒（４）と、相対的に高い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第１水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器（６）と、相対的に低い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第２水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器（８）とを通路（１５）を介して連通すると共に通路（１５）を開閉する第１バルブ（２１）を設け、かつ低圧容器（８）を触媒（４）上流の排気管（２）内に面して設けた熱輸送機器（５）と、前記容器（６）内の水素の供給を受けて触媒（４）上流の排気管（２）内に水素を噴射する水素噴射弁（２２）と、水素を生成する水素生成器（３２）と、この水素生成器（３２）で生成される水素を高圧容器（６）に供給する水素供給通路（３３）と、この水素供給通路（３３）を開閉する第２バルブ（３４）とを備え、エンジンの冷間始動時に触媒（４）の活性化が促進されるように第１バルブ（２１）と水素噴射弁（２２）とを制御し、かつ触媒（４）の活性化後に、水素噴射弁（２２）によって消費された水素が水素生成器（３２）で生成される水素で補われるように第２バルブ（３４）を制御するように構成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、排気管に設けられエンジンからの排気を浄化する触媒と、相対的に高い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第１水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器と、相対的に低い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第２水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器とを通路を介して連通すると共に通路を開閉する第１バルブを設け、かつ低圧容器を触媒上流の排気管内に面して設けた熱輸送機器と、高圧容器内の水素の供給を受けて触媒上流の排気管内に水素を噴射する水素噴射弁と、水素を生成する水素生成器と、この水素生成器で生成される水素を高圧容器に供給する水素供給通路と、この水素供給通路を開閉する第２バルブとを備え、エンジンの冷間始動時に触媒の活性化が促進されるように第１バルブと水素噴射弁とを制御し、かつ触媒の活性化後に、水素噴射弁によって消費された水素が水素生成器で生成される水素で補われるように第２バルブを制御するので、少ない水素の消費量でかつ簡単なシステムで触媒を早期に活性化することができる。すなわち、水素吸蔵合金を熱輸送機器として用いた簡易的な加熱の分だけ水素の消費が抑えられ、かつ高圧容器に水素を蓄積するという目的と水素吸蔵合金を高圧で保つという２つの機能を併せ持たせることで、システムが簡素化されている。これによって、水素を用いる場合のシステムの複雑さと水素消費量の多さという従来の問題は解決されることになった。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】低圧容器の概略構成図である。
【図３】冷間始動時の制御を説明するためのフローチャートである。
【図４】追加の操作を説明するためのフローチャートである。
【図５】第２実施形態の排気浄化装置の概略構成図である。
【図６】第２実施形態の排気浄化装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は本発明の一実施形態の排気浄化装置の概略構成図である。図１においてエンジン１からの排気を外部に放出するための排気管２に、上流側より三元触媒３、ＮＯｘトラップ触媒４の順に配置されている。
【００１３】
三元触媒３は、排気中の空燃比が理論空燃比の付近に保たれるとき、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを同時に浄化し得る触媒である。ＮＯｘトラップ触媒４は、排気の空燃比が理論空燃比よりリーン側にあるときに排気中のＮＯｘをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比や理論空燃比よりリッチ側の空燃比になると、トラップしていたＮＯｘを脱離すると共に、その脱離するＮＯｘを排気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ）を用いて浄化する触媒である。つまり、エンジン１は所定の運転時にリーン運転を行うものが前提である。
【００１４】
上記の触媒３、４は活性温度にならないと働かない。エンジン冷間始動時を考えると、エンジン１出口に設けられている三元触媒３は早期に活性化するのに対して、ＮＯｘトラップ触媒４の活性化は、三元触媒４よりも遅れる。
【００１５】
そこで、触媒を急速に昇温させるため、水素を燃焼室で燃焼させる方法や、触媒のすぐ上流に水素を噴射する、つまり水素を用いて触媒を昇温させる従来装置がある。しかしながら、水素を用いる場合にはシステムが複雑になり、水素消費量も多くなる。
【００１６】
これについて説明すると、ＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度に到達する前には、水素と反応して燃焼させることができないので、ＮＯｘトラップ触媒４の上流に水素を噴射しても水素はＮＯｘトラップ触媒４を素通りするだけとなる。このため、水素だけでＮＯｘトラップ触媒４を水素と反応を開始する温度に到達させようとすると、燃焼させた水素をＮＯｘトラップ触媒４に供給して加熱するしかなく、このような水素の用い方では、水素の量は多くなってしまうといった問題がある。
【００１７】
また、水素発生には改質技術を用いるが始動時にはすぐに使えないので、水素を一旦タンクに貯蔵しておく必要がある。このため、水素吸蔵タンクに加えて、水素を加圧するポンプが必要となり、システムが複雑になるだけでなくコストが高くなってしまうといった別の問題もある。
【００１８】
一方、水素の燃焼に頼らずに触媒の昇温を行う方法として、高圧の条件で働く水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器と、低圧の条件で働く水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器とを組み合わせたヒートポンプを構成し、定圧容器を触媒上流の排気管内に突出して設けておき、冷間始動時に高圧容器内の水素吸蔵合金から水素を放出させ、この放出させた水素を低圧容器内の水素吸蔵合金に吸蔵させることで、触媒を流れる排気の温度を上昇させるものがある（米国特許第５４５０７２１）。しかしながら、このものでは触媒を活性温度にまで上昇させるのに時間がかかってしまい、触媒を早期に活性化できない。
【００１９】
そこで、本発明では、ヒートポンプ機能を有する水素吸蔵合金を２種類使った熱輸送機器を構成し、この熱輸送機器をまず用いてＮＯｘトラップ触媒４の温度を、ＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度にまで到達させる。次に水素噴射弁から排気管内に水素を噴射して触媒の昇温を急速に行わせる。また、水素噴射弁によって消費された水素量の分だけ水素生成器で生成される水素を上記熱輸送機器に充填する。以下詳述する。
【００２０】
エンジン１には、主に水素タンク６（高圧容器）と、低圧容器８と、第１バルブ２１とからなる熱輸送機器５を備える。
【００２１】
水素タンク６には相対的に高い圧力の条件で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第１水素吸蔵合金７を内部に、低圧容器８には相対的に低い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第２水素吸蔵合金１０を内部にそれぞれ有している。
【００２２】
低圧容器８は、熱交換器として働かせるため、例えば図２に示したように、波打たせたチューブ９で形成され、排気管２を流れる排気を遮るように排気管２の内部に面するように配置されている。このチューブ９の内部に第２水素吸蔵合金１０が固定されている。低圧容器８の形状はこれに限定されるものでない。
【００２３】
水素タンク６と低圧容器８とは通路１５によって連通され、この通路１５にこの通路１５を開閉する常閉の第１バルブ２１が設けられている。通路１５をバイパスするバイパス通路１７にはチェックバルブ（逆止弁）１８を設けている。
【００２４】
水素吸蔵合金７、１０は、水素と反応するとき（水素吸蔵時）に反応熱を発生し、水素化合物が分解するとき（水素脱離時）に反応熱を必要として周囲から熱を奪うので、水素タンク６側から低圧容器８側に水素を移してやれば、低圧容器８内の第２水素吸蔵合金１０が発熱し低圧容器８が周囲の排気との熱交換を行って排気を加熱することとなり、ＮＯｘトラップ触媒４の温度を高めることができる。
【００２５】
低圧容器８上流の排気管２に水素噴射弁２２を備える。この水素噴射弁２２に水素タンク６出口に近い通路１５から分岐する通路１６を介して、水素タンク６内の水素が供給されている。本実施形態では、上記低圧容器８による加熱でＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度に到達する前には水素噴射弁２２を開かず、ＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度に到達した段階で水素噴射弁２２を開いて水素をＮＯｘトラップ触媒４に供給する。この段階まで待てば、ＮＯｘトラップ触媒４が水素を燃焼させることができ、燃焼熱でＮＯｘトラップ触媒４の温度が急上昇する。
【００２６】
上記のように水素タンク６側から低圧容器８側へと水素を移動させるには、原則として水素タンク６内の圧力が低圧容器８内の圧力より相対的に高ければよい。しかしながら、現実問題として後述する改質器３２で生成する水素を水素タンク６に供給するためには差圧が必要となる。ゆえに、低圧容器８内の圧力を大気圧と同等のレベルとし、水素タンク６内の圧力を大気圧よりも所定値（例えば数ｋＰａ）高い圧力とする。所定値は実際には適合により定める。
【００２７】
水素噴射弁２２により水素が消費されると、熱輸送機器５０では水素が不足することになる。このため、改質器３２（水素生成器と）と、改質器３２により生成される水素を水素タンク６に供給する水素供給通路３３と、この水素供給通路３３を開閉する常閉の第２バルブ３４とを備えている。
【００２８】
改質器３２を、エンジン１出口近くの排気管２に設けているのは、改質器３２内部の改質触媒を加熱して改質触媒を活性化するためである。当該改質触媒では、エンジン１に供給する燃料の一部から脱水素反応により水素が生成され、生成した水素だけが透過膜を介して取り出される。透過膜の前後に圧力差がないと水素を取り出さすことができないので、透過膜の下流側に大気圧を、透過膜の上流側にスロットル弁下流の吸気管圧力（スロットル弁が閉じていれば大気圧より小さい）をそれぞれ導き、両者の差圧を利用して水素だけを透過膜の下流側（つまり水素供給通路３３側）に透過させるようにしている。
【００２９】
さらに、水素供給通路３３をバイパスするバイパス通路３５にモータ３７で駆動されるポンプ３６を、バイパス通路３５の分岐部と合流部との間の水素供給通路３３に常開の第３バルブ３８を備える。これらは、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理のために必要となるものである。
【００３０】
圧力センサ４２からの水素タンク内圧力Ｐｂ、触媒温度センサ４３からの触媒温度、圧力センサ４４からの改質器出口圧力Ｐｒ１が入力されるエンジンコントローラ４１では、水素タンク内圧力Ｐｂと触媒温度とを監視しながら、３つのバルブ２１、３４、３８と、水素噴射弁２２と、ポンプ３６駆動用のモータ３７とを制御する。
【００３１】
エンジンコントローラ４１で実行される制御を図３のフローチャートに従って説明する。図３は、処理の時間的な流れを示すもので、一定時間毎に繰り返し行うものではない。
【００３２】
ステップ１では触媒温度センサ４３により検出される触媒温度Ｔｂｅｄと第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈとを比較する。第１触媒活性温度ＴａｃｔｈはＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度で、適合により予め定めておく。本実施形態では、第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈのほかにも、後述する第２触媒活性温度Ｔｃａｔがある。第２触媒活性温度ＴａｃｔはＮＯｘトラップ触媒４が活性化する温度であり、第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈはこの第２触媒活性温度Ｔａｃｔよりも低い。第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈを導入したのは、触媒温度Ｔｂｅｄが第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈに到達するまでは低圧容器８によってＮＯｘトラップ触媒４を温度上昇させ、触媒温度Ｔｂｅｄが第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈを超えると、今度は水素噴射弁２２から水素を噴射し、この水素の燃焼熱でＮＯｘトラップ触媒４を第２触媒活性温度Ｔｃａｔへと上昇させるためである。
【００３３】
触媒温度Ｔｂｅｄが第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈ未満であるときには、ステップ２に進み第１バルブ２１を開く。これによって、水素タンク６側から低圧容器８に水素が移動する。当初は水素タンク６内の気体状の水素が移動するが、水素タンク内の圧力の低下に応じて水素タンク６内の第１水素吸蔵合金７から水素が脱離され、この脱離された水素も低圧容器８側に移動する。低圧容器８では、圧力が上昇するため、その圧力の上昇分だけ第２水素吸蔵合金１０が水素を吸蔵しその際に発熱する。つまり、低圧容器８が周囲の排気との熱交換を行って、排気の温度を上昇させることから、ＮＯｘトラップ触媒４がゆっくりと温度上昇してゆく。
【００３４】
ステップ１で触媒温度Ｔｂｅｄが第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈ未満であるあいだ、ステップ２の操作を続行し、触媒温度Ｔｂｅｄが第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈ以上になると、ステップ３に進み水素噴射弁２２を開いて水素をＮＯｘトラップ触媒４に供給する。ＮＯｘトラップ触媒４は、すでに第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈまでは上昇しているので、水素と反応して水素を燃焼させることが可能であり、水素の燃焼熱でＮＯｘトラップ触媒４の温度が急上昇する。
【００３５】
ステップ４では触媒温度Ｔｂｅｄと第２触媒活性温度Ｔａｃｔとを比較する。第２触媒活性温度ＴａｃｔはＮＯｘトラップ触媒４が活性化する温度（例えば２００〜２５０℃）である。第２触媒活性温度ＴａｃｔはＮＯｘトラップ触媒４の仕様により定まる。これは、ＮＯｘトラップ触媒４が活性化したか否かをみる部分である。触媒温度Ｔｂｅｄが第２触媒活性温度Ｔａｃｔに到達するまではＮＯｘトラップ触媒４がまだ活性化していないと判断しステップ３の操作を続行する。
【００３６】
やがて、触媒温度Ｔｂｅｄが第２触媒活性温度Ｔａｃｔを超えると、ＮＯｘトラップ触媒４の活性化が完了したと判断し、これ以上の水素の供給は無駄になるので、ステップ５に進んで水素噴射弁２２を全閉として水素噴射を中止する。
【００３７】
ステップ６では圧力センサ４２により検出される水素タンク内圧力Ｐｂと、圧力センサ４４により検出される改質器出口圧力Ｐｒ１とを比較する。これは改質器３２から水素タンク６への水素の供給が可能となったか否かを判定する部分である。上記のように第１バルブ２１を開いたことで、水素タンク内圧力Ｐｂが低下し、また圧力低下に伴う第１水素吸蔵合金７からの水素の脱離による吸熱で水素タンク内温度が低下し、 この温度低下を受けてさらに水素タンク内圧力Ｐｂが低下してゆく。従って、水素タンク内圧力Ｐｂが改質器出口圧力Ｐｒ１以上である場合には、まだ改質器３２から水素タンク６への水素の供給は可能となっていないと判断し、そのまま待機する。
【００３８】
一方、水素タンク内圧力Ｐｂが改質器出口圧力Ｐｒ１未満になれば、改質器３２出口圧力Ｐｒ１と水素タンク内圧力Ｐｂとの間に圧力差が生じ改質器３２で生成されている水素を水素タンク６に供給できると判断し、ステップ７、８に進んで第１バルブ２１を全閉とし、第２バルブ３４を開く。
【００３９】
ステップ９では水素タンク内圧力Ｐｂと第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１を比較する。第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１は、第１バルブ２１を開く前の水素タンク内圧力（つまり初期状態での圧力）である。初期状態とは、図３に示す冷間始動時の制御を開始する直前の状態である。これは、水素タンク内圧力が初期状態に戻ったか否かをみる部分である。水素タンク内圧力Ｐｂが第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１以下であるときには、水素タンク内圧力が初期状態に戻っていないと判断し、ステップ８の操作を続行する。
【００４０】
やがて、水素タンク内圧力Ｐｂが第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１を超えると初期状態に戻ったと判断しステップ１０に進んで第２バルブ３４を全閉として全ての処理を終了する。ステップ１１については後述する。
【００４１】
ここで、本実施形態の作用を冷間始動時で説明する。
【００４２】
エンジン１の冷間状態では、低圧容器８内の圧力はほぼ大気圧に、水素タンク６内の圧力はこの大気圧よりも高く保たれ、それぞれの圧力に応じて水素吸蔵合金７、１０が水素を吸蔵している。圧力が高い分、単位体積当たりの水素吸蔵量は第１水素吸蔵合金７の方が第２水素吸蔵合金１０よりも多い。
【００４３】
エンジン１が始動すると、ＮＯｘトラップ触媒４の温度が低ければ、第１バルブ２１が開かれ、高圧側の水素タンク６から低圧側の低圧容器８へと水素が移動する。圧力の
低下と共に水素タンク６内の第１水素吸蔵合金７から水素が脱離され、この脱離された水素も低圧側の低圧容器８に移動する。一方、低圧容器８では圧力が上昇し、この圧力上昇に伴って第２水素吸蔵合金１０が水素を吸蔵する。水素が第２水素吸蔵合金１０に吸蔵されるときに第２水素吸蔵合金１０が発熱し低圧容器８全体が温度上昇する。この低圧容器８の温度上昇で排気管２内を流れる排気が加熱され、加熱された排気はＮＯｘトラップ触媒を加熱する。
【００４４】
触媒温度が水素に反応可能な温度である第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈに到達した場合には、水素噴射弁２２から排気管２内に水素が噴射される。これによって、ＮＯｘトラップ触媒４は水素と反応して水素を燃焼させる。この水素の燃焼熱でＮＯｘトラップ触媒４は急激に温度上昇して活性温度（＝第２触媒活性温度Ｔａｃｔ）に到達する。
【００４５】
その後、第１水素吸蔵合金７による水素脱離時の吸熱反応で低下していく水素タンク内圧力Ｐｂが改質器出口圧力Ｐｒ１より低下した段階で第１バルブ２１が閉められると共に第２バルブ３４が開かれる。これによって、改質器３２で生成された水素が水素タンク６に供給される。
水素噴射弁２２から噴射した水素と同じ量の水素が供給されたら、つまり水素タンク内圧力Ｐｂが初期圧力である第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１に戻ったら、第２バルブ３４が全閉とされる。
【００４６】
その後、排気の温度が十分に上昇すると、低圧容器８が加熱されるために、第２水素吸蔵合金１０から水素が脱離され、低圧容器８内圧力が排気温度が十分に上昇する前よりも高圧になる。この高圧となった水素はバイパス通路１７のチェックバルブ１８を押し開いて水素タンク６に戻る。つまり、水素タンク内圧力はこの水素の戻り分だけ第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１より高くなってしまう。従って、実際にはこの水素の戻り分をも考慮して、前記第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１を設定することが好ましい。
【００４７】
水素吸蔵合金７、１０は水素の吸蔵と脱離とを可逆的に行い得るので、冷間始動の度に上記の処理を実行する。
【００４８】
このようにしてＮＯｘトラップ触媒４を早期に活性化できる。触媒の早期活性化を目標とする限り、触媒はＮＯｘトラップ触媒４に限られず、三元触媒でもかまわない。
【００４９】
一方、触媒がＮＯｘトラップ触媒４である場合には、ＮＯｘトラップ触媒４にＮＯｘが許容限界までトラップされたタイミングで還元剤を供給しＮＯｘトラップ触媒４からＮＯｘを脱離させると共に、脱離させたＮＯｘを還元剤で浄化することにより、ＮＯｘがトラップされていない状態へと戻す（つまりＮＯｘトラップ触媒４を再生する）必要がある。本実施形態では、この還元剤として水素ガスを用いることができる。つまり、通常のエンジンでは、ＮＯｘトラップ触媒４の再生時期（再生処理時）になると、空燃比を理論空燃比やリーン空燃比にして排気中のＨＣを増やし、このＨＣを還元剤としてＮＯｘトラップ触媒４に供給しているのであるが、本実施形態では、リーン空燃比での運転時にＮＯｘトラップ触媒４の再生時期になったとき、リーン空燃比のまま水素噴射弁２２を開くだけで還元剤としての水素を触媒４に供給でき、ＮＯｘトラップ触媒４を再生させることができる。
【００５０】
ただし、ＮＯｘトラップ触媒４を活性化するための水素の量よりも、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理のための水素量のほうが多いので、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理のため水素を用いるときには、水素タンク６内に触媒４の再生処理のための水素分だけ余分に貯溜させておく必要がある。このため、図３においてステップ１１で追加の操作を行わせる。
【００５１】
図４はステップ１１の内容を示すサブルーチンである。このフローも処理の時間的な流れを示すもので、一定時間毎に繰り返し行うものではない。
【００５２】
ステップ２１では、温度センサ４５（図２参照）により検出される低圧容器８内温度ＴＭＨ２と、第２触媒活性温度Ｔａｃｔを比較する。低圧容器内温度ＴＭＨ２が第２触媒活性温度Ｔａｃｔ以下であれば、ＮＯｘトラップ触媒４が活性化していないと判断し、そのまま待機する。
【００５３】
一方、低圧容器内温度ＴＭＨ２が第２触媒活性温度Ｔａｃｔを超えているときには、ＮＯｘトラップ触媒４の活性化が完了していると判断し、ステップ２２、２３に進んで第３バルブ３８を全閉とすると共に、モータ３７に通電してポンプ３６を作動させる。ポンプ３６の作動によって改質器３２で生成されている水素が水素タンク６に圧送されるため、水素タンク内圧力Ｐｂが上昇する。
【００５４】
ステップ２４ではこの水素タンク内圧力Ｐｂと第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２を比較する。第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２は上記の第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１よりも高い値である。水素タンク内圧力Ｐｂが第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２を超えるまではステップ２２、２３の操作を続行する。一方、水素タンク内圧力Ｐｂが第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２を超えるとステップ２５、２６に進みモータ３７への通電を遮断してポンプ３６を非作動とすると共に第３バルブ３８を開く。
【００５５】
この結果、第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２と第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１の差圧に応じた分だけ余分に水素が水素タンク６に貯溜される。つまり、余分に貯留した水素を、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理時に還元剤として用いることができることとになる。ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理時に必要となる水素の量は、ＮＯｘトラップ触媒４の仕様と、どの程度の頻度で再生処理を行うかとにより定まるので、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理時に必要となる水素の量が水素タンク６内に余分に貯溜されるように第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２を設定する。そして、ＮＯｘトラップ触媒４の再生時期になれば、水素噴射弁２２を開いて水素をＮＯｘトラップ触媒４に供給する。
【００５６】
このように、本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、ＮＯｘトラップ触媒４（触媒）と、相対的に高い圧力の条件で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第１水素吸蔵合金７を内部に有する水素タンク６（高圧容器）と、相対的に低い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第２水素吸蔵合金１０を内部に有する低圧容器８とを通路１５を介して連通すると共に当該通路１５に当該通路１５を開閉する第１バルブ２１を設け、かつ低圧容器８をＮＯｘトラップ触媒４上流の排気管２内に面するように突出して設けた熱輸送機器５と、水素タンク６内の水素の供給を受けてＮＯｘトラップ触媒４上流の排気管２内に水素を噴射する水素噴射弁２２と、改質器３２（水素生成器）と、この改質器３２で生成される水素を水素タンク６に供給する水素供給通路３３と、この水素供給通路３３を開閉する第２バルブ３４と、エンジンの冷間始動時にＮＯｘトラップ触媒４の活性化が促進されるように第１バルブ２１と水素噴射弁２２とを制御し、かつＮＯｘトラップ触媒４の活性化後に、水素噴射弁２２によって消費された水素が改質器３２で生成される水素で補われるように第２バルブ３４を制御するエンジンコントローラ４１（制御手段）とを備えるので、少ない水素の消費量でかつ簡単なシステムでＮＯｘトラップ触媒４を早期に活性化することができる。すなわち、水素吸蔵合金を熱輸送機器として用いた簡易的な加熱の分だけ水素の消費が抑えられ、かつ水素タンク６（高圧容器）に水素を蓄積するという目的と水素吸蔵合金を高圧で保つという２つの機能を併せ持たせることで、システムが簡素化されている。これによって、水素を用いる場合のシステムの複雑さと水素消費量の多さという従来の問題は解決されることになった。
【００５７】
本実施形態（請求項２に記載の発明）によれば、エンジンの冷間始動時に第１バルブ２１を開き、水素タンク６（高圧容器）側から低圧容器８側へ移動する水素を第２水素吸蔵合金１０に吸蔵させることによってＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度に到達させるので（図３のステップ１、２参照）、水素は水素タンク６から低圧容器８へと移動するだけで消費されることがないことから、水素の消費なしでＮＯｘトラップ触媒４を水素と反応を開始する温度に到達させることができる。
【００５８】
本実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、ＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度に到達したとき水素噴射弁２２を開いて水素を噴射するので（図３のステップ１、３参照）、ＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応して水素を燃焼させるため、ＮＯｘトラップ触媒４の温度を急上昇させることができる。
【００５９】
本実施形態（請求項４に記載の発明）によれば、水素タンク６内の圧力が改質器３２（水素生成器）の出口圧力より低くなったときに第２バルブ３４を開くので（図３のステップ６、７、８参照）、水素噴射弁２２によって消費された水素を水素タンク６に補充できる。
【００６０】
本実施形態（請求項５に記載の発明）によれば、触媒は排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯｘをトラップするＮＯｘトラップ触媒４であり、このＮＯｘトラップ触媒４の再生処理時に水素噴射弁２２からの水素を還元剤として用いてこのＮＯｘトラップ触媒４にトラップされているＮＯｘを浄化するので、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理時に空燃比を理論空燃比やリッチ空燃比にする必要がない。
【００６１】
本実施形態（請求項６に記載の発明）によれば、水素供給通路３３にポンプ３６を備え、ＮＯｘトラップ触媒４の活性化後にこのポンプ３６を作動させて、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理に必要な水素の分だけ余分に水素タンク６に蓄えられるように、水素タンク６の圧力を高くするので（図４のステップ２２、２３、２４参照）、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理を過不足なく行うことができる。
【００６２】
本実施形態（請求項８に記載の発明）によれば、改質器３２は、水素透過膜を備え、水素タンク６との差圧を利用して水素タンク６に水素を供給するので、水素生成に際して、昇圧ポンプが必要でないため（もしくは必要であるとしても非常に低出力の昇圧ポンプで済むため）、燃費への跳ね返りが非常に小さいといった効果が得られる。
【００６３】
図５、図６は第２、第３の実施形態の排気浄化装置の概略構成図で、第１実施形態の図１と同一部分には同一番号を付している。図５に示したように、低圧容器８は、ＮＯｘトラップ触媒４の内部に設けてもよい。
【００６４】
図６に示したように、改質器に代えて水素生成器５１を設けることができる。水素生成器５１としては、水の電気分解によって水素を得るもの、スチームアイアン法（アルミニウム、鉄、マグネシウムに水蒸気を吹き付けることによって水素を生成させる方法）によって水素を得るものが考えられる。
【００６５】
さらに、低圧容器８の外面に三元触媒を塗布することが考えられる。低圧容器８によって、この三元触媒を活性化し、排気を浄化する（請求項９に記載の発明）。
【符号の説明】
【００６６】
２ 排気管
４ ＮＯｘトラップ触媒
５ 熱輸送機器
６ 水素タンク（高圧容器）
７ 第１水素吸蔵合金
８ 低圧容器
１０ 第２水素吸蔵合金
１５ 通路
２１ 第１バルブ
２２ 水素噴射弁
３３ 水素供給通路
３４ 第２バルブ
４１ エンジンコントローラ
【技術分野】
【０００１】
この発明は排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷間始動時に触媒を急速に昇温させるため、水素を燃焼室で燃焼させる方法や、触媒のすぐ上流に水素を噴射するものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３３９７７２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、上記特許文献１の技術のように水素を用いて触媒を昇温させる場合にはシステムが複雑になり、水素消費量も多くなるという問題がある。すなわち、冷間始動時に触媒が水素と反応を開始する温度に到達する前には、水素と反応して燃焼させることができないので、触媒の上流に水素を噴射しても水素は触媒を素通りするだけとなる。このため、水素だけで触媒を水素と反応を開始する温度に到達させようとすると、燃焼させた水素を触媒に供給して加熱するしかなく、このような水素の用い方では、水素を多く消費してしまう。
【０００５】
また、水素発生には改質技術を用いるが始動時にはすぐに使えないので、水素を一旦タンクに貯蔵しておくことが必要となる。すると、水素吸蔵タンクに加えて、水素を加圧するポンプが必要となり、システムが複雑になるだけでなくコストが高くなってしまう。
【０００６】
一方、水素の燃焼に頼らずに触媒の昇温を行う方法として、高圧の条件で働く水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器と、低圧の条件で働く水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器とを組み合わせたヒートポンプを構成し、定圧容器を触媒上流の排気管内に突出して設けておき、冷間始動時に高圧容器内の水素吸蔵合金から水素を放出させ、この放出させた水素を低圧容器内の水素吸蔵合金に吸蔵させることで、触媒を流れる排気の温度を上昇させるものがある。しかしながら、このものでは触媒を活性温度にまで上昇させるのに時間がかかってしまい、触媒を早期に活性化できない。
【０００７】
そこで本発明は、少ない水素の消費量でかつ簡単なシステムで触媒を早期に活性化し得る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】
【０００８】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００９】
本発明は、排気管（２）に設けられエンジンからの排気を浄化する触媒（４）と、相対的に高い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第１水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器（６）と、相対的に低い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第２水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器（８）とを通路（１５）を介して連通すると共に通路（１５）を開閉する第１バルブ（２１）を設け、かつ低圧容器（８）を触媒（４）上流の排気管（２）内に面して設けた熱輸送機器（５）と、前記容器（６）内の水素の供給を受けて触媒（４）上流の排気管（２）内に水素を噴射する水素噴射弁（２２）と、水素を生成する水素生成器（３２）と、この水素生成器（３２）で生成される水素を高圧容器（６）に供給する水素供給通路（３３）と、この水素供給通路（３３）を開閉する第２バルブ（３４）とを備え、エンジンの冷間始動時に触媒（４）の活性化が促進されるように第１バルブ（２１）と水素噴射弁（２２）とを制御し、かつ触媒（４）の活性化後に、水素噴射弁（２２）によって消費された水素が水素生成器（３２）で生成される水素で補われるように第２バルブ（３４）を制御するように構成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、排気管に設けられエンジンからの排気を浄化する触媒と、相対的に高い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第１水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器と、相対的に低い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第２水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器とを通路を介して連通すると共に通路を開閉する第１バルブを設け、かつ低圧容器を触媒上流の排気管内に面して設けた熱輸送機器と、高圧容器内の水素の供給を受けて触媒上流の排気管内に水素を噴射する水素噴射弁と、水素を生成する水素生成器と、この水素生成器で生成される水素を高圧容器に供給する水素供給通路と、この水素供給通路を開閉する第２バルブとを備え、エンジンの冷間始動時に触媒の活性化が促進されるように第１バルブと水素噴射弁とを制御し、かつ触媒の活性化後に、水素噴射弁によって消費された水素が水素生成器で生成される水素で補われるように第２バルブを制御するので、少ない水素の消費量でかつ簡単なシステムで触媒を早期に活性化することができる。すなわち、水素吸蔵合金を熱輸送機器として用いた簡易的な加熱の分だけ水素の消費が抑えられ、かつ高圧容器に水素を蓄積するという目的と水素吸蔵合金を高圧で保つという２つの機能を併せ持たせることで、システムが簡素化されている。これによって、水素を用いる場合のシステムの複雑さと水素消費量の多さという従来の問題は解決されることになった。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の排気浄化装置の概略構成図である。
【図２】低圧容器の概略構成図である。
【図３】冷間始動時の制御を説明するためのフローチャートである。
【図４】追加の操作を説明するためのフローチャートである。
【図５】第２実施形態の排気浄化装置の概略構成図である。
【図６】第２実施形態の排気浄化装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は本発明の一実施形態の排気浄化装置の概略構成図である。図１においてエンジン１からの排気を外部に放出するための排気管２に、上流側より三元触媒３、ＮＯｘトラップ触媒４の順に配置されている。
【００１３】
三元触媒３は、排気中の空燃比が理論空燃比の付近に保たれるとき、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを同時に浄化し得る触媒である。ＮＯｘトラップ触媒４は、排気の空燃比が理論空燃比よりリーン側にあるときに排気中のＮＯｘをトラップし、排気の空燃比が理論空燃比や理論空燃比よりリッチ側の空燃比になると、トラップしていたＮＯｘを脱離すると共に、その脱離するＮＯｘを排気中の還元成分（ＨＣ、ＣＯ）を用いて浄化する触媒である。つまり、エンジン１は所定の運転時にリーン運転を行うものが前提である。
【００１４】
上記の触媒３、４は活性温度にならないと働かない。エンジン冷間始動時を考えると、エンジン１出口に設けられている三元触媒３は早期に活性化するのに対して、ＮＯｘトラップ触媒４の活性化は、三元触媒４よりも遅れる。
【００１５】
そこで、触媒を急速に昇温させるため、水素を燃焼室で燃焼させる方法や、触媒のすぐ上流に水素を噴射する、つまり水素を用いて触媒を昇温させる従来装置がある。しかしながら、水素を用いる場合にはシステムが複雑になり、水素消費量も多くなる。
【００１６】
これについて説明すると、ＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度に到達する前には、水素と反応して燃焼させることができないので、ＮＯｘトラップ触媒４の上流に水素を噴射しても水素はＮＯｘトラップ触媒４を素通りするだけとなる。このため、水素だけでＮＯｘトラップ触媒４を水素と反応を開始する温度に到達させようとすると、燃焼させた水素をＮＯｘトラップ触媒４に供給して加熱するしかなく、このような水素の用い方では、水素の量は多くなってしまうといった問題がある。
【００１７】
また、水素発生には改質技術を用いるが始動時にはすぐに使えないので、水素を一旦タンクに貯蔵しておく必要がある。このため、水素吸蔵タンクに加えて、水素を加圧するポンプが必要となり、システムが複雑になるだけでなくコストが高くなってしまうといった別の問題もある。
【００１８】
一方、水素の燃焼に頼らずに触媒の昇温を行う方法として、高圧の条件で働く水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器と、低圧の条件で働く水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器とを組み合わせたヒートポンプを構成し、定圧容器を触媒上流の排気管内に突出して設けておき、冷間始動時に高圧容器内の水素吸蔵合金から水素を放出させ、この放出させた水素を低圧容器内の水素吸蔵合金に吸蔵させることで、触媒を流れる排気の温度を上昇させるものがある（米国特許第５４５０７２１）。しかしながら、このものでは触媒を活性温度にまで上昇させるのに時間がかかってしまい、触媒を早期に活性化できない。
【００１９】
そこで、本発明では、ヒートポンプ機能を有する水素吸蔵合金を２種類使った熱輸送機器を構成し、この熱輸送機器をまず用いてＮＯｘトラップ触媒４の温度を、ＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度にまで到達させる。次に水素噴射弁から排気管内に水素を噴射して触媒の昇温を急速に行わせる。また、水素噴射弁によって消費された水素量の分だけ水素生成器で生成される水素を上記熱輸送機器に充填する。以下詳述する。
【００２０】
エンジン１には、主に水素タンク６（高圧容器）と、低圧容器８と、第１バルブ２１とからなる熱輸送機器５を備える。
【００２１】
水素タンク６には相対的に高い圧力の条件で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第１水素吸蔵合金７を内部に、低圧容器８には相対的に低い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第２水素吸蔵合金１０を内部にそれぞれ有している。
【００２２】
低圧容器８は、熱交換器として働かせるため、例えば図２に示したように、波打たせたチューブ９で形成され、排気管２を流れる排気を遮るように排気管２の内部に面するように配置されている。このチューブ９の内部に第２水素吸蔵合金１０が固定されている。低圧容器８の形状はこれに限定されるものでない。
【００２３】
水素タンク６と低圧容器８とは通路１５によって連通され、この通路１５にこの通路１５を開閉する常閉の第１バルブ２１が設けられている。通路１５をバイパスするバイパス通路１７にはチェックバルブ（逆止弁）１８を設けている。
【００２４】
水素吸蔵合金７、１０は、水素と反応するとき（水素吸蔵時）に反応熱を発生し、水素化合物が分解するとき（水素脱離時）に反応熱を必要として周囲から熱を奪うので、水素タンク６側から低圧容器８側に水素を移してやれば、低圧容器８内の第２水素吸蔵合金１０が発熱し低圧容器８が周囲の排気との熱交換を行って排気を加熱することとなり、ＮＯｘトラップ触媒４の温度を高めることができる。
【００２５】
低圧容器８上流の排気管２に水素噴射弁２２を備える。この水素噴射弁２２に水素タンク６出口に近い通路１５から分岐する通路１６を介して、水素タンク６内の水素が供給されている。本実施形態では、上記低圧容器８による加熱でＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度に到達する前には水素噴射弁２２を開かず、ＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度に到達した段階で水素噴射弁２２を開いて水素をＮＯｘトラップ触媒４に供給する。この段階まで待てば、ＮＯｘトラップ触媒４が水素を燃焼させることができ、燃焼熱でＮＯｘトラップ触媒４の温度が急上昇する。
【００２６】
上記のように水素タンク６側から低圧容器８側へと水素を移動させるには、原則として水素タンク６内の圧力が低圧容器８内の圧力より相対的に高ければよい。しかしながら、現実問題として後述する改質器３２で生成する水素を水素タンク６に供給するためには差圧が必要となる。ゆえに、低圧容器８内の圧力を大気圧と同等のレベルとし、水素タンク６内の圧力を大気圧よりも所定値（例えば数ｋＰａ）高い圧力とする。所定値は実際には適合により定める。
【００２７】
水素噴射弁２２により水素が消費されると、熱輸送機器５０では水素が不足することになる。このため、改質器３２（水素生成器と）と、改質器３２により生成される水素を水素タンク６に供給する水素供給通路３３と、この水素供給通路３３を開閉する常閉の第２バルブ３４とを備えている。
【００２８】
改質器３２を、エンジン１出口近くの排気管２に設けているのは、改質器３２内部の改質触媒を加熱して改質触媒を活性化するためである。当該改質触媒では、エンジン１に供給する燃料の一部から脱水素反応により水素が生成され、生成した水素だけが透過膜を介して取り出される。透過膜の前後に圧力差がないと水素を取り出さすことができないので、透過膜の下流側に大気圧を、透過膜の上流側にスロットル弁下流の吸気管圧力（スロットル弁が閉じていれば大気圧より小さい）をそれぞれ導き、両者の差圧を利用して水素だけを透過膜の下流側（つまり水素供給通路３３側）に透過させるようにしている。
【００２９】
さらに、水素供給通路３３をバイパスするバイパス通路３５にモータ３７で駆動されるポンプ３６を、バイパス通路３５の分岐部と合流部との間の水素供給通路３３に常開の第３バルブ３８を備える。これらは、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理のために必要となるものである。
【００３０】
圧力センサ４２からの水素タンク内圧力Ｐｂ、触媒温度センサ４３からの触媒温度、圧力センサ４４からの改質器出口圧力Ｐｒ１が入力されるエンジンコントローラ４１では、水素タンク内圧力Ｐｂと触媒温度とを監視しながら、３つのバルブ２１、３４、３８と、水素噴射弁２２と、ポンプ３６駆動用のモータ３７とを制御する。
【００３１】
エンジンコントローラ４１で実行される制御を図３のフローチャートに従って説明する。図３は、処理の時間的な流れを示すもので、一定時間毎に繰り返し行うものではない。
【００３２】
ステップ１では触媒温度センサ４３により検出される触媒温度Ｔｂｅｄと第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈとを比較する。第１触媒活性温度ＴａｃｔｈはＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度で、適合により予め定めておく。本実施形態では、第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈのほかにも、後述する第２触媒活性温度Ｔｃａｔがある。第２触媒活性温度ＴａｃｔはＮＯｘトラップ触媒４が活性化する温度であり、第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈはこの第２触媒活性温度Ｔａｃｔよりも低い。第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈを導入したのは、触媒温度Ｔｂｅｄが第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈに到達するまでは低圧容器８によってＮＯｘトラップ触媒４を温度上昇させ、触媒温度Ｔｂｅｄが第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈを超えると、今度は水素噴射弁２２から水素を噴射し、この水素の燃焼熱でＮＯｘトラップ触媒４を第２触媒活性温度Ｔｃａｔへと上昇させるためである。
【００３３】
触媒温度Ｔｂｅｄが第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈ未満であるときには、ステップ２に進み第１バルブ２１を開く。これによって、水素タンク６側から低圧容器８に水素が移動する。当初は水素タンク６内の気体状の水素が移動するが、水素タンク内の圧力の低下に応じて水素タンク６内の第１水素吸蔵合金７から水素が脱離され、この脱離された水素も低圧容器８側に移動する。低圧容器８では、圧力が上昇するため、その圧力の上昇分だけ第２水素吸蔵合金１０が水素を吸蔵しその際に発熱する。つまり、低圧容器８が周囲の排気との熱交換を行って、排気の温度を上昇させることから、ＮＯｘトラップ触媒４がゆっくりと温度上昇してゆく。
【００３４】
ステップ１で触媒温度Ｔｂｅｄが第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈ未満であるあいだ、ステップ２の操作を続行し、触媒温度Ｔｂｅｄが第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈ以上になると、ステップ３に進み水素噴射弁２２を開いて水素をＮＯｘトラップ触媒４に供給する。ＮＯｘトラップ触媒４は、すでに第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈまでは上昇しているので、水素と反応して水素を燃焼させることが可能であり、水素の燃焼熱でＮＯｘトラップ触媒４の温度が急上昇する。
【００３５】
ステップ４では触媒温度Ｔｂｅｄと第２触媒活性温度Ｔａｃｔとを比較する。第２触媒活性温度ＴａｃｔはＮＯｘトラップ触媒４が活性化する温度（例えば２００〜２５０℃）である。第２触媒活性温度ＴａｃｔはＮＯｘトラップ触媒４の仕様により定まる。これは、ＮＯｘトラップ触媒４が活性化したか否かをみる部分である。触媒温度Ｔｂｅｄが第２触媒活性温度Ｔａｃｔに到達するまではＮＯｘトラップ触媒４がまだ活性化していないと判断しステップ３の操作を続行する。
【００３６】
やがて、触媒温度Ｔｂｅｄが第２触媒活性温度Ｔａｃｔを超えると、ＮＯｘトラップ触媒４の活性化が完了したと判断し、これ以上の水素の供給は無駄になるので、ステップ５に進んで水素噴射弁２２を全閉として水素噴射を中止する。
【００３７】
ステップ６では圧力センサ４２により検出される水素タンク内圧力Ｐｂと、圧力センサ４４により検出される改質器出口圧力Ｐｒ１とを比較する。これは改質器３２から水素タンク６への水素の供給が可能となったか否かを判定する部分である。上記のように第１バルブ２１を開いたことで、水素タンク内圧力Ｐｂが低下し、また圧力低下に伴う第１水素吸蔵合金７からの水素の脱離による吸熱で水素タンク内温度が低下し、 この温度低下を受けてさらに水素タンク内圧力Ｐｂが低下してゆく。従って、水素タンク内圧力Ｐｂが改質器出口圧力Ｐｒ１以上である場合には、まだ改質器３２から水素タンク６への水素の供給は可能となっていないと判断し、そのまま待機する。
【００３８】
一方、水素タンク内圧力Ｐｂが改質器出口圧力Ｐｒ１未満になれば、改質器３２出口圧力Ｐｒ１と水素タンク内圧力Ｐｂとの間に圧力差が生じ改質器３２で生成されている水素を水素タンク６に供給できると判断し、ステップ７、８に進んで第１バルブ２１を全閉とし、第２バルブ３４を開く。
【００３９】
ステップ９では水素タンク内圧力Ｐｂと第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１を比較する。第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１は、第１バルブ２１を開く前の水素タンク内圧力（つまり初期状態での圧力）である。初期状態とは、図３に示す冷間始動時の制御を開始する直前の状態である。これは、水素タンク内圧力が初期状態に戻ったか否かをみる部分である。水素タンク内圧力Ｐｂが第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１以下であるときには、水素タンク内圧力が初期状態に戻っていないと判断し、ステップ８の操作を続行する。
【００４０】
やがて、水素タンク内圧力Ｐｂが第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１を超えると初期状態に戻ったと判断しステップ１０に進んで第２バルブ３４を全閉として全ての処理を終了する。ステップ１１については後述する。
【００４１】
ここで、本実施形態の作用を冷間始動時で説明する。
【００４２】
エンジン１の冷間状態では、低圧容器８内の圧力はほぼ大気圧に、水素タンク６内の圧力はこの大気圧よりも高く保たれ、それぞれの圧力に応じて水素吸蔵合金７、１０が水素を吸蔵している。圧力が高い分、単位体積当たりの水素吸蔵量は第１水素吸蔵合金７の方が第２水素吸蔵合金１０よりも多い。
【００４３】
エンジン１が始動すると、ＮＯｘトラップ触媒４の温度が低ければ、第１バルブ２１が開かれ、高圧側の水素タンク６から低圧側の低圧容器８へと水素が移動する。圧力の
低下と共に水素タンク６内の第１水素吸蔵合金７から水素が脱離され、この脱離された水素も低圧側の低圧容器８に移動する。一方、低圧容器８では圧力が上昇し、この圧力上昇に伴って第２水素吸蔵合金１０が水素を吸蔵する。水素が第２水素吸蔵合金１０に吸蔵されるときに第２水素吸蔵合金１０が発熱し低圧容器８全体が温度上昇する。この低圧容器８の温度上昇で排気管２内を流れる排気が加熱され、加熱された排気はＮＯｘトラップ触媒を加熱する。
【００４４】
触媒温度が水素に反応可能な温度である第１触媒活性温度Ｔａｃｔｈに到達した場合には、水素噴射弁２２から排気管２内に水素が噴射される。これによって、ＮＯｘトラップ触媒４は水素と反応して水素を燃焼させる。この水素の燃焼熱でＮＯｘトラップ触媒４は急激に温度上昇して活性温度（＝第２触媒活性温度Ｔａｃｔ）に到達する。
【００４５】
その後、第１水素吸蔵合金７による水素脱離時の吸熱反応で低下していく水素タンク内圧力Ｐｂが改質器出口圧力Ｐｒ１より低下した段階で第１バルブ２１が閉められると共に第２バルブ３４が開かれる。これによって、改質器３２で生成された水素が水素タンク６に供給される。
水素噴射弁２２から噴射した水素と同じ量の水素が供給されたら、つまり水素タンク内圧力Ｐｂが初期圧力である第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１に戻ったら、第２バルブ３４が全閉とされる。
【００４６】
その後、排気の温度が十分に上昇すると、低圧容器８が加熱されるために、第２水素吸蔵合金１０から水素が脱離され、低圧容器８内圧力が排気温度が十分に上昇する前よりも高圧になる。この高圧となった水素はバイパス通路１７のチェックバルブ１８を押し開いて水素タンク６に戻る。つまり、水素タンク内圧力はこの水素の戻り分だけ第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１より高くなってしまう。従って、実際にはこの水素の戻り分をも考慮して、前記第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１を設定することが好ましい。
【００４７】
水素吸蔵合金７、１０は水素の吸蔵と脱離とを可逆的に行い得るので、冷間始動の度に上記の処理を実行する。
【００４８】
このようにしてＮＯｘトラップ触媒４を早期に活性化できる。触媒の早期活性化を目標とする限り、触媒はＮＯｘトラップ触媒４に限られず、三元触媒でもかまわない。
【００４９】
一方、触媒がＮＯｘトラップ触媒４である場合には、ＮＯｘトラップ触媒４にＮＯｘが許容限界までトラップされたタイミングで還元剤を供給しＮＯｘトラップ触媒４からＮＯｘを脱離させると共に、脱離させたＮＯｘを還元剤で浄化することにより、ＮＯｘがトラップされていない状態へと戻す（つまりＮＯｘトラップ触媒４を再生する）必要がある。本実施形態では、この還元剤として水素ガスを用いることができる。つまり、通常のエンジンでは、ＮＯｘトラップ触媒４の再生時期（再生処理時）になると、空燃比を理論空燃比やリーン空燃比にして排気中のＨＣを増やし、このＨＣを還元剤としてＮＯｘトラップ触媒４に供給しているのであるが、本実施形態では、リーン空燃比での運転時にＮＯｘトラップ触媒４の再生時期になったとき、リーン空燃比のまま水素噴射弁２２を開くだけで還元剤としての水素を触媒４に供給でき、ＮＯｘトラップ触媒４を再生させることができる。
【００５０】
ただし、ＮＯｘトラップ触媒４を活性化するための水素の量よりも、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理のための水素量のほうが多いので、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理のため水素を用いるときには、水素タンク６内に触媒４の再生処理のための水素分だけ余分に貯溜させておく必要がある。このため、図３においてステップ１１で追加の操作を行わせる。
【００５１】
図４はステップ１１の内容を示すサブルーチンである。このフローも処理の時間的な流れを示すもので、一定時間毎に繰り返し行うものではない。
【００５２】
ステップ２１では、温度センサ４５（図２参照）により検出される低圧容器８内温度ＴＭＨ２と、第２触媒活性温度Ｔａｃｔを比較する。低圧容器内温度ＴＭＨ２が第２触媒活性温度Ｔａｃｔ以下であれば、ＮＯｘトラップ触媒４が活性化していないと判断し、そのまま待機する。
【００５３】
一方、低圧容器内温度ＴＭＨ２が第２触媒活性温度Ｔａｃｔを超えているときには、ＮＯｘトラップ触媒４の活性化が完了していると判断し、ステップ２２、２３に進んで第３バルブ３８を全閉とすると共に、モータ３７に通電してポンプ３６を作動させる。ポンプ３６の作動によって改質器３２で生成されている水素が水素タンク６に圧送されるため、水素タンク内圧力Ｐｂが上昇する。
【００５４】
ステップ２４ではこの水素タンク内圧力Ｐｂと第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２を比較する。第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２は上記の第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１よりも高い値である。水素タンク内圧力Ｐｂが第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２を超えるまではステップ２２、２３の操作を続行する。一方、水素タンク内圧力Ｐｂが第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２を超えるとステップ２５、２６に進みモータ３７への通電を遮断してポンプ３６を非作動とすると共に第３バルブ３８を開く。
【００５５】
この結果、第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２と第１所定値Ｐｂｉｎｉｔ１の差圧に応じた分だけ余分に水素が水素タンク６に貯溜される。つまり、余分に貯留した水素を、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理時に還元剤として用いることができることとになる。ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理時に必要となる水素の量は、ＮＯｘトラップ触媒４の仕様と、どの程度の頻度で再生処理を行うかとにより定まるので、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理時に必要となる水素の量が水素タンク６内に余分に貯溜されるように第２所定値Ｐｂｉｎｉｔ２を設定する。そして、ＮＯｘトラップ触媒４の再生時期になれば、水素噴射弁２２を開いて水素をＮＯｘトラップ触媒４に供給する。
【００５６】
このように、本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、ＮＯｘトラップ触媒４（触媒）と、相対的に高い圧力の条件で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第１水素吸蔵合金７を内部に有する水素タンク６（高圧容器）と、相対的に低い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第２水素吸蔵合金１０を内部に有する低圧容器８とを通路１５を介して連通すると共に当該通路１５に当該通路１５を開閉する第１バルブ２１を設け、かつ低圧容器８をＮＯｘトラップ触媒４上流の排気管２内に面するように突出して設けた熱輸送機器５と、水素タンク６内の水素の供給を受けてＮＯｘトラップ触媒４上流の排気管２内に水素を噴射する水素噴射弁２２と、改質器３２（水素生成器）と、この改質器３２で生成される水素を水素タンク６に供給する水素供給通路３３と、この水素供給通路３３を開閉する第２バルブ３４と、エンジンの冷間始動時にＮＯｘトラップ触媒４の活性化が促進されるように第１バルブ２１と水素噴射弁２２とを制御し、かつＮＯｘトラップ触媒４の活性化後に、水素噴射弁２２によって消費された水素が改質器３２で生成される水素で補われるように第２バルブ３４を制御するエンジンコントローラ４１（制御手段）とを備えるので、少ない水素の消費量でかつ簡単なシステムでＮＯｘトラップ触媒４を早期に活性化することができる。すなわち、水素吸蔵合金を熱輸送機器として用いた簡易的な加熱の分だけ水素の消費が抑えられ、かつ水素タンク６（高圧容器）に水素を蓄積するという目的と水素吸蔵合金を高圧で保つという２つの機能を併せ持たせることで、システムが簡素化されている。これによって、水素を用いる場合のシステムの複雑さと水素消費量の多さという従来の問題は解決されることになった。
【００５７】
本実施形態（請求項２に記載の発明）によれば、エンジンの冷間始動時に第１バルブ２１を開き、水素タンク６（高圧容器）側から低圧容器８側へ移動する水素を第２水素吸蔵合金１０に吸蔵させることによってＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度に到達させるので（図３のステップ１、２参照）、水素は水素タンク６から低圧容器８へと移動するだけで消費されることがないことから、水素の消費なしでＮＯｘトラップ触媒４を水素と反応を開始する温度に到達させることができる。
【００５８】
本実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、ＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応を開始する温度に到達したとき水素噴射弁２２を開いて水素を噴射するので（図３のステップ１、３参照）、ＮＯｘトラップ触媒４が水素と反応して水素を燃焼させるため、ＮＯｘトラップ触媒４の温度を急上昇させることができる。
【００５９】
本実施形態（請求項４に記載の発明）によれば、水素タンク６内の圧力が改質器３２（水素生成器）の出口圧力より低くなったときに第２バルブ３４を開くので（図３のステップ６、７、８参照）、水素噴射弁２２によって消費された水素を水素タンク６に補充できる。
【００６０】
本実施形態（請求項５に記載の発明）によれば、触媒は排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯｘをトラップするＮＯｘトラップ触媒４であり、このＮＯｘトラップ触媒４の再生処理時に水素噴射弁２２からの水素を還元剤として用いてこのＮＯｘトラップ触媒４にトラップされているＮＯｘを浄化するので、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理時に空燃比を理論空燃比やリッチ空燃比にする必要がない。
【００６１】
本実施形態（請求項６に記載の発明）によれば、水素供給通路３３にポンプ３６を備え、ＮＯｘトラップ触媒４の活性化後にこのポンプ３６を作動させて、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理に必要な水素の分だけ余分に水素タンク６に蓄えられるように、水素タンク６の圧力を高くするので（図４のステップ２２、２３、２４参照）、ＮＯｘトラップ触媒４の再生処理を過不足なく行うことができる。
【００６２】
本実施形態（請求項８に記載の発明）によれば、改質器３２は、水素透過膜を備え、水素タンク６との差圧を利用して水素タンク６に水素を供給するので、水素生成に際して、昇圧ポンプが必要でないため（もしくは必要であるとしても非常に低出力の昇圧ポンプで済むため）、燃費への跳ね返りが非常に小さいといった効果が得られる。
【００６３】
図５、図６は第２、第３の実施形態の排気浄化装置の概略構成図で、第１実施形態の図１と同一部分には同一番号を付している。図５に示したように、低圧容器８は、ＮＯｘトラップ触媒４の内部に設けてもよい。
【００６４】
図６に示したように、改質器に代えて水素生成器５１を設けることができる。水素生成器５１としては、水の電気分解によって水素を得るもの、スチームアイアン法（アルミニウム、鉄、マグネシウムに水蒸気を吹き付けることによって水素を生成させる方法）によって水素を得るものが考えられる。
【００６５】
さらに、低圧容器８の外面に三元触媒を塗布することが考えられる。低圧容器８によって、この三元触媒を活性化し、排気を浄化する（請求項９に記載の発明）。
【符号の説明】
【００６６】
２ 排気管
４ ＮＯｘトラップ触媒
５ 熱輸送機器
６ 水素タンク（高圧容器）
７ 第１水素吸蔵合金
８ 低圧容器
１０ 第２水素吸蔵合金
１５ 通路
２１ 第１バルブ
２２ 水素噴射弁
３３ 水素供給通路
３４ 第２バルブ
４１ エンジンコントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管に設けられエンジンからの排気を浄化する触媒と、
相対的に高い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第１水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器と、相対的に低い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第２水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器とを通路を介して連通すると共に当該通路を開閉する第１バルブを設け、かつ前記低圧容器を前記触媒上流の排気管内に面して設けた熱輸送機器と、
前記高圧容器内の水素の供給を受けて前記触媒上流の排気管内に水素を噴射する水素噴射弁と、
水素を生成する水素生成器と、
この水素生成器で生成される水素を前記高圧容器に供給する水素供給通路と、
この水素供給通路を開閉する第２バルブと、
エンジンの冷間始動時に前記触媒の活性化が促進されるように前記第１バルブと前記水素噴射弁とを制御し、かつ前記触媒の活性化後に、前記水素噴射弁によって消費された水素が前記水素生成器で生成される水素で補われるように前記第２バルブを制御する制御手段と
を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
エンジンの冷間始動時に前記第１バルブを開き、前記高圧容器側から前記低圧容器側へ移動する水素を前記第２水素吸蔵合金に吸蔵させることによって前記触媒が水素と反応を開始する温度に到達させることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記触媒が水素と反応を開始する温度に到達したとき前記水素噴射弁を開いて水素を噴射することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記高圧容器内の圧力が前記水素生成器の出口圧力より低くなったときに前記第２バルブを開くことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記触媒は排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯｘをトラップするＮＯｘトラップ触媒であり、このＮＯｘトラップ触媒の再生処理時に前記水素噴射弁からの水素を還元剤として用いてこのＮＯｘトラップ触媒にトラップされているＮＯｘを浄化することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記水素供給通路にポンプを備え、
前記ＮＯｘトラップ触媒の活性化後にこのポンプを作動させて、前記ＮＯｘトラップ触媒の再生処理に必要な水素の分だけ余分に前記高圧容器に蓄えられるように、前記高圧容器の圧力を高くすることを特徴とする請求項５に記載の排気浄化装置。
【請求項７】
前記水素生成器はエンジンに使用する燃料と脱水素反応を行って水素を生成する改質器であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項８】
前記改質器は、水素透過膜を備え、
前記高圧容器との差圧を利用して前記高圧容器に水素を供給することを特徴とする請求項７に記載の排気浄化装置。
【請求項９】
前記低圧容器の外面に三元触媒を塗布することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項１】
排気管に設けられエンジンからの排気を浄化する触媒と、
相対的に高い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第１水素吸蔵合金を内部に有する高圧容器と、相対的に低い圧力で水素の吸蔵及び脱離を可逆的に行う第２水素吸蔵合金を内部に有する低圧容器とを通路を介して連通すると共に当該通路を開閉する第１バルブを設け、かつ前記低圧容器を前記触媒上流の排気管内に面して設けた熱輸送機器と、
前記高圧容器内の水素の供給を受けて前記触媒上流の排気管内に水素を噴射する水素噴射弁と、
水素を生成する水素生成器と、
この水素生成器で生成される水素を前記高圧容器に供給する水素供給通路と、
この水素供給通路を開閉する第２バルブと、
エンジンの冷間始動時に前記触媒の活性化が促進されるように前記第１バルブと前記水素噴射弁とを制御し、かつ前記触媒の活性化後に、前記水素噴射弁によって消費された水素が前記水素生成器で生成される水素で補われるように前記第２バルブを制御する制御手段と
を備えることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
エンジンの冷間始動時に前記第１バルブを開き、前記高圧容器側から前記低圧容器側へ移動する水素を前記第２水素吸蔵合金に吸蔵させることによって前記触媒が水素と反応を開始する温度に到達させることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記触媒が水素と反応を開始する温度に到達したとき前記水素噴射弁を開いて水素を噴射することを特徴とする請求項２に記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記高圧容器内の圧力が前記水素生成器の出口圧力より低くなったときに前記第２バルブを開くことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項５】
前記触媒は排気の空燃比がリーン空燃比のときに排気中のＮＯｘをトラップするＮＯｘトラップ触媒であり、このＮＯｘトラップ触媒の再生処理時に前記水素噴射弁からの水素を還元剤として用いてこのＮＯｘトラップ触媒にトラップされているＮＯｘを浄化することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項６】
前記水素供給通路にポンプを備え、
前記ＮＯｘトラップ触媒の活性化後にこのポンプを作動させて、前記ＮＯｘトラップ触媒の再生処理に必要な水素の分だけ余分に前記高圧容器に蓄えられるように、前記高圧容器の圧力を高くすることを特徴とする請求項５に記載の排気浄化装置。
【請求項７】
前記水素生成器はエンジンに使用する燃料と脱水素反応を行って水素を生成する改質器であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【請求項８】
前記改質器は、水素透過膜を備え、
前記高圧容器との差圧を利用して前記高圧容器に水素を供給することを特徴とする請求項７に記載の排気浄化装置。
【請求項９】
前記低圧容器の外面に三元触媒を塗布することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２０３３３５（Ｐ２０１０−２０３３３５Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０２４９（Ｐ２００９−５０２４９）
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月４日（２００９．３．４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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