发明内容
发明要解决的问题
在此，在上述专利文献1中记载的内燃机的废气净化系统中，当废气在规定值以下的低温区域时，通过NOx吸留还原型催化剂吸留氮氧化物，当废气处于高于规定值的高温区域时，供给还原剂并通过选择性接触还原催化剂还原除去氮氧化物，从而实现废气的净化。为此，上述NOx吸留还原型催化剂吸留规定量以上的氮氧化物时，为了恢复其NOx吸留能力不得不进行NOx的再生燃烧处理，从而导致运转成本的增加。具体来说，通过延迟(retard)主喷射或者进行例如后喷射、多级喷射等燃料喷射，使得发动机的燃烧状态临时发生变化，从而控制了产生富峰值气体(rich spike gas)的富燃烧(rich combustion)，使得燃料的消耗增加，从而导致运转成本的增加。
在此，本发明是针对上述问题提出的发明，本发明的目的在于提供一种在抑制运转成本增加的同时，提高废气的净化能力的废气净化系统和废气净化方法。
解决问题的方法
解决上述问题的第1发明涉及废气净化系统，其包括：使内燃机废气中的氮氧化物与还原剂接触从而还原除去该氮氧化物的还原催化剂；氧化上述废气中的气体成分的氧化催化剂；电解水制造氢和氧的水电解装置；将上述水电解装置制造的氢供给到上述还原催化剂在废气流通方向上的上游侧的氢供给装置；和将上述水电解装置制造的氧供给到上述废气中的氧供给装置。
解决上述问题的第2发明涉及的废气净化系统为第1发明所涉及的废气净化系统，其中，所述还原催化剂设置在将所述废气排放到大气的排气路径中所述废气温度为200℃以下的位置处。
解决上述问题的第3发明涉及的废气净化系统为第2发明所涉及的废气净化系统，其中，所述还原催化剂设置在将所述废气排放到大气的消声器内。
解决上述问题的第4发明涉及的废气净化系统为第1～第3发明中任一项所涉及的废气净化系统，其中，所述氧供给装置具有向所述氧化催化剂在废气流通方向上的上游侧供给氧的第一氧供给装置。
解决上述问题的第5发明涉及的废气净化系统为第1～第4发明中任一项所涉及的废气净化系统，其还包括贮存上述水电解装置制造的氧的氧贮存装置。
解决上述问题的第6发明涉及的废气净化系统为第1～第5发明中任一项所涉及的废气净化系统，其还包括捕集所述废气中含有的粒子状物质并将其燃烧除去的粒子状物质除去装置，其中，所述氧供给装置具有向上述粒子状物质除去装置在废气流通方向上的上游侧供给所述氧的第二氧供给装置。
解决上述问题的第7发明涉及的废气净化系统为第6发明所涉及的废气净化系统，其还包括：利用所述水电解装置得到的氧制造臭氧的臭氧制造装置；以及，将由上述臭氧制造装置得到的臭氧供给到所述氧化催化剂和所述粒子状物质除去装置中的至少所述氧化催化剂在废气流通方向上的上游侧的臭氧供给装置。
解决上述问题的第8发明涉及的废气净化系统为第1～第7发明中任一项所涉及的废气净化系统，其还包括：设置在所述还原催化剂在废气流通方向上的上游侧并用于测定上述废气中的氮氧化物浓度的第一气体成分测定装置；和设置在上述还原催化剂在废气流通方向上的下游侧并用于测定上述废气中的氮氧化物和还原剂浓度的第二气体成分测定装置。
解决上述问题的第9发明涉及的废气净化系统为第1～第8发明中任一项所涉及的废气净化系统，其还包括：设置在所述废气的排气通路的出口附近且用于回收上述废气中的水分的水回收装置，所述水是上述水回收装置回收的水和从外部供给的水中的至少一种水。
解决上述问题的第10发明涉及的废气净化系统为第1～第9发明中任一项所涉及的废气净化系统，其还包括：贮存所述水的水贮存装置；和将积存在上述水贮存装置中的水供给到所述水电解装置的水供给装置。
解决上述问题的第11发明涉及的废气净化系统为第1～第10发明中任一项所涉及的废气净化系统，该系统安装在汽车中，并且所述内燃机为该汽车的发动机。
解决上述问题的第12发明涉及的废气净化系统为第11发明所涉及的废气净化系统，所述汽车至少具有下述装置之一：车辆空调，冷却水箱、雨水储存箱，所述水为上述车辆空调的排水、上述冷却水箱内的冷却水和上述雨水储存箱的水中的至少一种水。
解决上述问题的第13发明涉及废气净化方法，该方法包括以下步骤：向还原催化剂在废气流通方向上的上游侧供给电解水产生的氢，并且将电解水产生的氧供给到所述废气中，其中所述还原催化剂使内燃机废气中的氮氧化物与还原剂反应从而还原除去该氮氧化物。
解决上述问题的第14发明涉及的废气净化方法为第13发明所涉及的废气净化方法，该方法还包括以下步骤：将上述电解水产生的氧供给到氧化所述废气中气体成分的氧化催化剂，以及捕集并燃烧除去所述废气中的粒子状物质的粒子状物质除去装置中的至少上述氧化催化剂在废气流通方向上的上游侧。
发明效果
就第1发明所涉及的废气净化系统而言，其包括：使内燃机废气中的氮氧化物与还原剂接触从而还原除去该氮氧化物的还原催化剂；氧化上述废气中的气体成分的氧化催化剂；电解水制造氢和氧的水电解装置；将上述水电解装置制造的氢供给到上述还原催化剂在废气流通方向的上游侧的氢供给装置；以及将上述水电解装置制造的氧供给到上述废气中的氧供给装置，从而可以使上述水电解装置制造的氢和废气中的氮氧化物在上述还原催化剂上接触从而还原除去该氮氧化物，上述水电解装置制造的氧为处于活性期的氧，可以将该处于活性期的氧供给到废气中，该处于活性期的氧促进该废气中的气体成分的氧化反应，氧化该废气中的烃和一氧化碳，从而可以提高废气的净化能力。可以有效地利用在上述水电解装置中得到的氧。另外，上述水电解装置的能源为电，如果将上述废气净化系统使用于车辆中，可以利用安装在该车辆的电池的容量以上的产生的剩余电量，从而可以抑制能量消耗和运转成本的增加。可以使上述水电解装置产生的氢和废气中的氮氧化物在上述还原催化剂上接触从而还原除去该氮氧化物。
就第2发明所涉及的废气净化系统而言，所述还原催化剂设置在将所述废气排放到大气的排气路径中所述废气温度为200℃以下的位置处，从而该系统不仅可以实现和第1发明所涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且由于废气温度在200℃以下，可以抑制废气中含有的氧和用作还原剂的氢之间的氧化反应，而是使废气中的氮氧化物和用作还原剂的氢持续在还原催化剂上接触从而可以还原除去该氮氧化物。结果，不再需要使用以往在废气温度较高时作为还原剂使用的氨，不再需要氨的制造装置和用于处理通过了上述还原催化剂氨的装置，从而不但可以实现系统的小型化还可以使系统的成本降低。
就第3发明所涉及的废气净化系统而言，上述还原催化剂设置在将所述废气排放到大气的消声器内，从而该系统不仅可以实现与第2发明所涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且，消声器本身使废气温度下降，从而可以更确实地抑制低温废气中含有的氧和用作还原剂的氢之间的氧化反应。可以使废气中的氮氧化物和用作还原剂的氢持续在还原催化剂上接触从而还原除去该氮氧化物。结果，不再需要使用以往在废气温度较高时作为还原剂使用的氨，不再需要氨的制造装置和用于处理通过了上述还原催化剂氨的装置，从而可以实现系统的小型化，同时降低系统的成本。另外，由于流过安装有还原催化剂的位置时废气的流速较慢，因此使得废气中的氮氧化物和上述还原催化剂之间的接触时间变长从而提高氮氧化物的还原反应率。由此，可以减少在上述位置处设置的还原催化剂的量，从而可以实现系统小型化和降低成本的目的。通过上述水电解装置，可以使用上述消声器内部结露而得到的水来制造氢和氧，因此不需要另外安装作为上述氢和氧原料的水的供给源，从而可以抑制通过其他途径供给水导致的系统运转的繁杂化。
就第4发明涉及的废气净化系统而言，所述氧供给装置具有向所述氧化催化剂在废气流通方向上的上游侧供给氧的第一氧供给装置，从而该系统不仅可以实现与第1～第3发明所涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且，在所述水电解装置中产生的氧为处于活性期的氧，该处于活性期的氧在上述氧化催化剂存在下，能够促进废气中的烃和一氧化碳的氧化，如果在上述废气中含有剩余氨，该氧还可以促进对剩余氨的氧化，从而可以更进一步地净化废气。由此，可以减少氧化废气中的气体成分所必须的氧化催化剂的量，从而可以实现系统小型化和降低成本的目的。
就第5发明涉及的废气净化系统而言，该系统还包括贮存水电解装置制造的氧的氧贮存装置，从而该系统不仅可以实现与第1～第4发明涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且，由于在氧贮存装置中可以同时贮存在水电解装置中产生的，但没有供给到废气中的剩余的氧，因此根据需要可以向废气中供给氧，从而可以有效地利用该剩余的氧。
就第6发明涉及的废气净化系统而言，该系统还包括捕集废气中含有的粒子状物质并将其燃烧除去的粒子状物质除去装置，所述氧供给装置具有向上述粒子状物质除去装置在废气流通方向上的上游侧供给所述氧的第二氧供给装置，从而该系统不仅可以实现与第1～第5发明涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且，上述水电解装置产生的氧为处于活性期的氧，该活性期的氧可以在低温下将粒子状物质除去装置中捕集的微粒燃烧除去，从而可以更进一步地净化废气。
就第7发明所涉及的废气净化系统而言，该系统还包括利用水电解装置得到的氧制造臭氧的臭氧制造装置；以及将上述臭氧制造装置得到的臭氧供给到上述氧化催化剂和上述粒子状物质除去装置中的至少上述氧化催化剂在废气流通方向上的上游侧的臭氧供给装置，从而该系统不仅可以实现与第6发明涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且，臭氧本身具有较高活性，在上述氧化催化剂的存在下，上述臭氧可以促进废气中的烃和一氧化碳的氧化，如果上述废气中含有剩余氨，臭氧还可以促进对剩余氨的氧化。此外，上述臭氧可以在低温下将上述粒子状物质除去装置中捕集的粒子状物质燃烧除去，从而可以更进一步地净化废气。由此，可以减少氧化废气中的气体成分所必须的氧化催化剂的量，从而可以实现系统小型化和降低成本的目的。
就第8发明所涉及的废气净化系统而言，该系统还包括设置在还原催化剂在废气流通方向上的上游侧并用于测定上述废气中的氮氧化物浓度的第一气体成分测定装置；和设置在上述还原催化剂在废气流通方向上的下游侧并用于测定上述废气中的氮氧化物和还原剂浓度的第二气体成分测定装置，从而该系统不仅可以实现与第1～第7发明涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且，基于废气中的气体成分，可以确定向该废气中添加的还原剂的种类和其添加量，从而可以更有效地净化废气。
就第9发明所涉及的废气净化系统而言，该系统还包括设置在上述废气的排气通路的出口附近处并用于回收上述废气中水分的水回收装置，其中，所述水是上述水回收装置回收的水和从外部供给的水中的至少一种水，从而该系统不仅可以实现与第1～第8发明涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且，由于水的供给源为多个，因此可以抑制由上述水而导致的通用性的降低。
就第10发明所涉及的废气净化系统而言，该系统还包括贮存所述水的水贮存装置；以及将积存在上述水贮存装置中的水供给到所述水电解装置的水供给装置，从而该系统不仅可以实现与第1～第9发明涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且，在上述水贮存装置中可以积存上述水，同时通过上述水供给装置可以将在上述水贮存装置中积存的水供给到上述水电解装置中，从而在上述水电解装置中可以更为确实地产生氢，并且提高通用性。
就第11发明所涉及的废气净化系统而言，该系统安装在汽车中，并且所述内燃机为该汽车的发动机，从而该系统不仅可以实现与第1～第10发明涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且，所述水电解装置可以利用安装在汽车中的电池发电产生的剩余电量来生产氢和氧，从而可以抑制为了使水电解装置运转而通过其他途径提供能量所导致的系统运转的繁杂化，同时可以抑制能量消耗和运转成本的增加。
就第12发明涉及的废气净化系统而言，所述汽车至少具有下述装置之一：车辆空调、冷却水箱、雨水储存箱，所述水为上述车辆空调的排水，上述冷却水箱内的冷却水和上述雨水储存箱的水中的至少一种水，从而该系统不仅可以实现与第11发明所涉及的废气净化系统同样的作用效果，而且，所述水电解装置利用上述车辆空调的排水、上述冷却水箱内的冷却水和上述雨水储存箱内的水可以生产氢和氧，从而不需要另外安装其他用作上述氢和氧原料的水的供给源，从而抑制了由于通过其他途径供给水所导致的系统运转的繁杂化。
就第13发明涉及的废气净化方法而言，在该方法包括以下步骤：向下述还原催化剂在废气流通方向上的上游侧供给电解水产生的氢，同时向所述废气供给电解水产生的氧，所述还原剂使内燃机废气中的氮氧化物和还原剂反应从而还原除去该氮氧化物，由于电解产生的氧为处于活性期的氧，通过向废气供给该活性期的氧，可以促进该废气中气体成分进行的氧化反应，氧化该废气中的烃和一氧化碳，从而可以提高废气的净化能力。可以有效地利用电解制造的氧。另外，电解的能源为电，如果将上述废气净化系统使用于车辆，可以利用安装在该车辆中的电池容量以上的产生的剩余电量，从而抑制能量的消耗和运转成本的增加。电解水产生的氢和废气中的氮氧化物在上述还原催化剂上接触从而可以还原除去该氮氧化物。
就第14发明涉及的废气净化方法而言，该方法还包括下述步骤：将上述电解水产生的氧供给到氧化所述废气中的气体成分的氧化催化剂和捕集并燃烧除去上述废气中的粒子状物质的粒子状物质除去装置中的至少上述氧化催化剂在废气流通方向上的上游侧，从而该方法不仅可以实现与第13发明所涉及的废气净化方法同样的作用效果，而且，电解水产生的氧进入到上述氧化催化剂和上述粒子状物质除去装置中的至少上述氧化催化剂在废气流通方向上的上游侧，且在上述水电解装置中产生的氧为处于活性期的氧，因此在上述氧化催化剂的存在下，该处于活性期的氧促进废气中烃和一氧化碳的氧化，如果所述废气中含有剩余氨，该氧还可以促进对剩余氨的氧化，从而可以更进一步地净化废气。
具体实施方式
根据附图对本发明涉及的废气净化系统和废气净化方法的最佳实施方式进行具体地说明。
[第一实施方式]
使用图1～4对使用本发明涉及的废气净化系统和废气净化方法净化处理汽车排出的废气的第一实施方式进行说明。
图1为废气净化系统的概略结构图，图2示出其控制流程图。图3示出了与发动机的转速和扭矩显示出相关性废气温度分布和一氧化氮浓度分布的一个实例的数据图。图4示出了通过燃料喷射阀喷射燃料的时期和喷射燃料的期间的一个实例的图。
如图1所示，本实施方式涉及的废气净化系统50用于对柴油发动机或汽油发动机等内燃机即汽车发动机10中燃料经燃烧排出的废气进行的净化处理。该废气含有氮氧化物，硫氧化物，颗粒物质(粒子状物质，以下称为PM)。发动机10包括如下部分：发动机主体1，与发动机主体1相连接并用于向发动机主体1吸入空气的吸气通路2，与发动机主体1相连接并用于从发动机主体1排出废气的排气集管(集合排气管)3。
设置有废气循环通路(以下，称为EGR管)5，该通路中通过作为开关阀的EGR阀4连接集合排气管3和吸气通路2，。即，EGR阀4和EGR管5构成废气循环装置。另外，发动机主体1具有常规方式等电子控制燃料喷射阀(燃料喷射装置)。电子控制燃料喷射阀可以在主喷射之后进行作为燃料副喷射的后喷射(post-injection)。即，如图4所示，电子控制燃料喷射阀可以在t1后的第1规定期间τ1喷射燃料，在t2(＞t1)后的第2规定期间τ2(＞τ1)喷射燃料，在t3(＞t2)后的第3规定期间τ3(＜τ2)喷射燃料，该燃料喷射阀能够调节燃料的喷射时刻和喷射期间(喷射量)。通过EGR阀控制线4A连接EGR阀4和后述的电子控制装置(以下，称为ECU)41的燃烧控制部件41A，通过燃烧控制部件41A控制EGR阀4的开关。这样一来，通过ECU41调节EGR阀4的开关，并调节所述电子控制燃料喷射阀的燃料喷射时期和喷射期间，从而可以调节废气中的氧浓度使其低于规定值。EGR阀4，EGR管5和上述电子控制燃料喷射阀构成氧浓度调节装置。
在集合排气管3在废气流通方向上的下游侧的端部，通过第一氧化催化剂11，第一连接配管12，颗粒过滤器(以下，称为DPF)13，第二连接配管14连接设置有NOx净化装置15。NOx净化装置15具有吸留NOx的NOx吸留催化剂和选择性还原催化剂(以下，称为SCR催化剂)。在NOx净化装置15在废气流通方向上的下游侧，通过第三连接配管16连接设置有第二氧化催化剂17。在第二氧化催化剂17在废气流通方向上的下游侧设置有消声器18，废气通过消声器18排放到大气中。
这里，在上述集合排气管3上连接设置有作为还原剂添加装置的微反应器19，微反应器19设置于第一氧化催化剂11在废气流通方向上的上游侧。微反应器19和后述ECU41的后处理控制部件41B通过反应器控制线19A连接，通过后处理控制部件41B对微反应器19进行控制。此外，向微反应器19中供给下述物质：烃等燃料20、空气中的氧或者通过后述水电解装置24得到的氧、在箱中贮存的水或者通过后述水回收装置23得到的水，上述这些物质在第二反应部(第二微反应器)中反应，生成氢、一氧化碳、二氧化碳以及水。即，在上述第二反应部中发生下述过程：由燃料20和氧生成氢，二氧化碳和水的部分氧化，由燃料20和水(水蒸气)生成氢和二氧化碳的蒸汽转化，以及由燃料20、氧和水生成氢和二氧化碳的自热重整。另外，供给取出部分上述生成物得到的氢、空气中的氮气或者废气中的一氧化氮，使这些物质在第一反应部(第一微反应器)中反应从而生成氨。这样一来，上述微反应器19的第一反应部构成向内燃机废气中添加作为还原剂的氨的氨添加装置。
作为设置在微反应器19中的第二反应部的催化剂，可以列举出蒸汽转化催化剂、以及镍系催化剂、钌系催化剂等金属负载型催化剂、钙钛矿等复合氧化物型转化催化剂和部分氧化催化剂等。另外，作为第一反应部的催化剂，可以列举出Fe3O4等金属氧化物催化剂、钌系催化剂等金属负载型催化剂等。这些催化剂可以为蜂巢状或粒状等任意形状。但是，微反应器19应当与集合排气管3连接设置，从而使得其与发动机10设置成热连接。由此，可以利用从集合排气管3得到的热作为在第二反应部中蒸汽转化、自热重整的热源，以及第一反应部中用作500℃以上反应温度的热源。这样一来，不需要另外设置其他热源，从而可以抑制设备成本的增加。
另外，与上述微反应器19相邻设置有分别贮存该微反应器19中产生的氨和氢的吸附剂(还原剂吸附剂)21。设置有连接吸附剂21和第二连接配管14的第一还原剂供给管22。作为氨的吸附剂(氨吸留装置)，可以列举出沸石系催化剂等。作为氢的吸附剂(氢吸留装置)，可以列举出碳系材料，或者钯等金属系材料(氢吸留合金)等。由于在这样的位置设置有吸附剂21，因此可以贮存微反应器19中生成的剩余的氢和氨，同时可以根据需要将贮存的还原剂通过还原剂供给管22供给到NOx净化装置15在废气流通方向上的上游侧，从而通过SCR催化剂可以有效地利用生成的还原剂。需要说明的是，这样的吸附剂21可以分别设置在各反应部，也可以仅安装在与设置于废气流通方向的下游侧的反应部相对应的位置。
就上述第一氧化催化剂11而言，可以列举出铂、钯、铱等贵金属系催化剂、或者钙钛矿等复合氧化物系催化剂等。第一氧化催化剂11是形成为蜂巢状的，在200℃以上引发氧化反应的催化剂。由于第一氧化催化剂11的存在，废气中的HC、CO、NO被氧化。由此，可以提高在废气流通方向上的下游侧设置的SCR催化剂的还原率。
就上述DPF13而言，吸附废气中的PM，当吸附到规定量时，通过电子控制燃烧喷射阀进行后喷射(即主喷射之后的副喷射)，使废气温度处于高温状态，从而可以通过燃烧除去吸附于DPF13的PM。也可以将在下述水电解装置24中得到的氧供给到DPF13附近的在废气流通方向上的上游侧。
上述SCR催化剂具有下述第一还原催化剂(氢选择还原催化剂)和第二还原催化剂(氨选择还原催化剂)，所述第一还原催化剂使还原剂氢和废气中的氮氧化物反应从而还原除去该氮氧化物，所述第二还原催化剂使还原剂氨和废气中的氮氧化物反应从而还原除去该氮氧化物。另外，作为第一还原催化剂，可以列举出沸石系催化剂。该催化剂的反应温度为100℃以上。作为第二还原催化剂，可以列举出沸石系催化剂、钒-二氧化钛等钒氧化物。该催化剂的反应温度为250℃以上。
作为上述第二氧化催化剂17，可以列举出与上述第一氧化催化剂11相同的催化剂等。通过在该位置上设置第二氧化催化剂17，可以将在废气流通方向上的上游侧的反应中没有被利用的剩余氨(未反应的氨)进行氧化，并将其转化为氮气和水，从而防止氨排放到大气中。另外，该氧化催化剂可以氧化废气中的烃和一氧化碳使其转化为二氧化碳和水，从而防止烃和一氧化碳排放到大气中。
与上述消声器18相邻设置有回收废气中水分(水蒸气)的水回收装置、即水回收装置23。具体来说，水回收装置23是回收在消声器18内部结露而成的水的装置。水贮存装置即水箱等水贮存装置(图中未示出)与水回收装置23相邻设置，该水贮存装置贮存水回收装置23中回收的水、由外部供给的水、以及来自车辆空调(空调机)的排出水(排水)。通过图中未示出的水输送管(水输送装置)，将水回收装置23回收的水加入到水贮存装置中。通过水回收装置控制用信号线23A连接水回收装置23和后述的ECU41后处理控制部件41B，通过后处理控制部件41B来控制水回收装置23。需要说明的是，在这样的水回收装置23内也可以设置过滤器等从而从水中除去废气中的杂质。
通过第一水供给管(第一水供给装置)25，将上述水贮存装置与水电解装置24连接，同时通过图中未示出的第二水供给管(第二水供给装置)连接上述水贮存装置和微反应器19。另外，汽车安装了贮存发动机10的冷却水的冷却水箱(图中未示出)、和储存雨水的雨水储存箱(图中未示出)等，上述冷却水箱和雨水储存箱经由向这些箱加水的配管与微反应器19和水电解装置24相连接。水电解装置24电解水产生氢和氧。这样一来，可以将上述水贮存装置中积存的水供给到水电解装置24和微反应器19中，同时可以有效地利用水作为水电解装置24和微反应器19的原料。另外，通过微反应器19可以确实地制造氢，从而能够提高其通用性。通过水电解装置控制用信号线24A连接水电解装置24和后述的ECU41的后处理控制部件41B，通过后处理控制部件41B控制水电解装置24。
在水电解装置24附近设置有吸留氧的沸石系催化剂等氧吸附剂(氧吸留装置)27，经由连接管26连接水电解装置24和氧吸附剂(氧吸留装置)27。通过设置氧吸附剂27，可以贮存水电解装置24产生的剩余氧和根据需要脱附剩余氧，从而可以有效地利用上述氧。通过氧吸附剂控制用信号线27A连接氧吸附剂27和后述的ECU41的后处理控制部件41B，通过后处理控制部件41B控制氧吸附剂27。通过氢输送管30连接水电解装置24和吸附剂21，从而将在水电解装置24中产生的氢输送到吸附剂21中。这样一来，水电解装置24和上述微反应器19的第二反应部构成向发动机10废气中添加作为还原剂的氢的氢添加装置，另外，微反应器19的第二反应部和水电解装置24分别构成生产氢的第1和第2氢制造装置。由于具有上述这样利用水制造氢的水电解装置24，因此除了燃料之外还可以利用水来产生氢，从而可以提高通用性。设置有氧和水的供给管28，其将水回收装置23和氧吸附剂27以及第二连接配管14连接起来，根据需要，可以通过氧和水的供给管28向NOx净化装置15在废气流通方向上的上游侧供给氧和水。另外，设置有连接氧吸附剂27和集合排气管3以及第三连接配管16的氧供给管29，根据需要，可以通过氧供给管29向第一氧化催化剂11和第二氧化催化剂17供给由水电解装置24产生的氧(处于活性期的氧)。由于在水电解装置24中产生的氧为上述处于活性期的氧，因此其可以促进通过第一、第二氧化催化剂11、17对废气进行的氧化。
在上述集合排气管3、第二连接配管14、第三连接配管16以及消声器18上分别设置有用作废气测定装置的传感器31、32、33、34，这些传感器可以持续测定废气的温度及其成分(NOx、O2、H2、NH3)。作为各传感器31、32、33、34，可以列举出分子激光吸收型高速响应性气体成分浓度传感器等使用激光的传感器。通过使用这样的传感器，可以实时测定废气的温度和废气中的气体成分。
分别通过信号线31A、32A、33A、34A连接上述各传感器31、32、33、34和ECU41的后处理控制部件41B，并将通过各传感器31、32、33、34测定的数据传输到后处理控制部件41B。另外，通过燃烧控制用信号线1A将测定发动机10的(运转)状态(发动机的转速、扭矩和相对于吸入空气的燃料量)的传感器(图中未示出)、上述电子控制燃料喷射阀等以及ECU41的燃烧控制部件41A连接。利用该传感器测定的发动机10的状态被输送给燃烧控制部件41A，另一方面通过燃烧控制部件41A控制该电子控制燃料喷射阀等。通过部件之间的控制线41C连接燃烧控制部件41A和后处理控制部件41B，从而可以实现燃烧控制部件41A和后处理控制部件41B之间的数据的发送和接收。按照后述的控制流程，通过燃烧控制部件41A可以控制EGR阀4的开关，通过上述电子控制燃料喷射阀可以对后喷射进行控制。另外，通过后处理控制部件41B对微反应器19进行控制(选择还原剂的种类和确定其浓度)，对水回收装置23进行控制、对水电解装置24进行控制，以及对氧吸附剂27进行控制等。需要说明的是，在发动机10中设置有分别测定内燃机的筒内压力、所述内燃机的筒内燃烧气体的温度的传感器(图中未示出)，将通过这些传感器得到的测定数据传输给ECU41。
这里，利用图2对上述ECU41的控制流程进行具体地说明。
首先，在步骤S1中，将测定内燃机状态得到的数据(上述发动机的转速、扭矩、相对于吸入空气量的燃料量和冷却水的温度等)输入到ECU41的燃烧制御部件41A中。
接下来，进入步骤S2，基于与得到的内燃机状态数据相关的、预先制作的废气温度分布图和废气中一氧化氮浓度分布图，推算出废气的温度、废气中氧浓度CO2和一氧化氮浓度CNO。例如，如图3所示，ECU41估算出废气的温度、废气中的氧浓度CO2和一氧化氮浓度CNO，当处于低转速和低扭矩的情况下，废气温度较低，且废气含有低浓度的一氧化氮，当处于高转速和高扭矩的情况下，废气温度较高，且废气含有高浓度的一氧化氮等。另外，ECU41在高负荷区域和高速旋转时，在减速和加速过程中，当难以通过分布图预测下一个瞬间废气中氮氧化物的浓度时，可以根据下述基于上述内燃机状态和变化量的预测式来预测废气中的氮氧化物浓度DNOX。
NOx的预测方程DNOX＝f(n，P1，…，Px，T1，…，Tx，…，Δn，…，ΔX)
n：内燃机当前的转速
Px：发动机特定部分的压力(例如筒内压力)
Tx：发动机特定部分的温度(例如筒内燃烧气体的温度)
Δn：当前转速的变化量
ΔX：当前发动机特定部分的变化量(还包括加速踏板的踩进量，发动机负荷(斜坡，滑动)等)
接下来，进入步骤S3，确定所需的还原剂的种类和其浓度。具体来说，在步骤S3-1中，判断废气的温度是处于低于规定值T1的低温度区域(低温区域)，还是处于规定值T1以上的高温度区域(高温区域)。所述规定值T1不依赖于废气中的氧浓度，可以列举出能够利用氢作为还原剂的温度区域的上限温度，例如250℃。在该步骤S3-1中，在上述步骤S2中估算的废气温度如果低于250℃(处于低温区域)，则进入步骤S4-1，在除此之外的情况下，即所述废气温度在250℃以上(高温区域)时，进入步骤S3-2。
在步骤S3-2中，判断废气中的氧浓度CO2是低于规定浓度C1还是废气中的氧浓度CO2在规定浓度C1以上。作为所述规定浓度C1，可以列举出在添加氢作为还原剂的情况下，使该氢和废气中的氧之间不易发生反应的上限浓度，即1％。在该步骤S3-2中，如果通过上述步骤S2推算的废气中氧浓度低于所述规定浓度C1，则进入步骤S4-2，在除此之外的情况下，即所述废气中的氧浓度在规定浓度C1以上时，进入步骤S4-3。
接下来，在步骤S4-1、S4-2中，选择氢作为还原剂，并且设定其添加量。然而，在步骤S4-2中，由于依据废气中的氧浓度来设定氢的添加量，因此有时会出现与在步骤S4-1中设定的氢的添加量相比，添加量变得更少的情况。另外，在步骤S4-3中，选择氨作为还原剂并设定其添加量。
这样一来，就上述废气净化系统50而言，该系统具有：使发动机10的废气中的氮氧化物与还原剂相接触从而还原除去该氮氧化物的SCR催化剂；氧化废气中气体成分的氧化催化剂11、17；电解水产生氢和氧的水电解装置24；将水电解装置24中产生的氢供给到SCR催化剂在废气流通方向上的上游侧的氢输送管30；将水电解装置24中产生的氧供给到上述废气中的氧和水的供给管28和氧供给管29，在该系统中，水电解装置24中产生的氧为处于活性期的氧，并可以将该处于活性期的氧加入到废气中，通过该处于活性期的氧促进该废气中的气体成分的氧化反应，氧化该废气中的烃和一氧化碳从而可以提高废气的净化能力。可以有效地利用通过水电解装置24得到的氧。另外，水电解装置24的能源为电，由于可以利用安装在汽车中的电池容量以上的剩余发电量，因此可以抑制为了使水电解装置24运转而通过其他途径提供能量所导致的能量的消耗和运转成本的增加。此外，除了可以抑制系统运转的繁杂化之外，由于设置有仅贮存上述能量的仪器，还可以抑制系统的大型化和成本的增加。通过SCR催化剂使由水电解装置24生产的氢和废气中的氮氧化物接触可以还原除去该氮氧化物。
将在水电解装置24中产生的氧供给到氧化催化剂11、17在废气流通方向上的上游侧，因此如上所述，在该水电解装置24中产生的氧为处于活性期的氧，该处于活性期的氧可以促进在氧化催化剂11、17存在下废气中烃和一氧化碳的氧化，并且如果上述废气中含有剩余氨时该处于活性期的氧还可以促进对剩余氨的氧化，从而可以更进一步地净化废气。这样一来，可以减少用于氧化废气中的气体成分所必须的氧化催化剂11、17的量，可以实现系统的小型化和降低成本的目的。
该系统具备如下传感器：设置于SCR催化剂在废气流通方向上的上游侧且构成测定废气中氮氧化物和氧浓度的第一气体成分浓度测定装置的传感器31、32，以及设置于SCR催化剂在废气流通方向上的下游侧且构成测定废气中氮氧化物、氨和氢浓度的第二气体成分浓度测定装置的传感器33、34，由此，根据废气中的气体成分，可以确定向该废气中添加的还原剂的种类和其添加量。具体来说，通过测定NOx的浓度，可以确定所需的还原剂的添加量。通过测定氧的浓度，可以判断是氢还是氨作为还原剂较为有效。通过测定SCR催化剂在废气流通方向上的下游侧的氨(泄露氨)浓度，可以确定还原剂的添加量。另外，通过测定SCR催化剂在废气流通方向上的下游侧的氢浓度，可以确定还原剂的添加量。由此，可以控制添加的还原剂的种类和其添加量，从而可以更为有效地净化废气。
由于上述水是在水回收装置23中回收的水和从外部供给的水中的至少一种，因此水的供给源有多个，从而利用所述水可以抑制通用性的降低。
由于该系统具有上述水贮存装置和第一水供给管25，因此可以通过该水贮存装置贮存所述水，同时可以通过第一水供给管25将贮存在所述水贮存装置中的水供给到水电解装置24中，利用水电解装置24可以更确实地生产氢，从而提高通用性。
汽车具有车辆空调、冷却水箱、雨水储存箱中的至少一个，由此所述汽车可以利用上述车辆空调的排水、上述冷却水箱内的冷却水和上述雨水储存箱内的水，通过水电解装置24生产氢和氧，因此不需要设置其他用作上述氢和氧原料的水的供给源，从而可以抑制通过其他途径供给水而导致的系统运转的繁杂化。
另外，根据上述的废气净化系统50还可以实现下述效果：
即，由于在高温区域废气中添加的氢与该废气中的氧反应，因此无法利用氢作为还原剂，然而根据本系统，即使废气的温度处于规定值以上的高温区域时，由于通过电子控制燃料喷射阀进行的后喷射、以及通过EGR阀4和EGR管5使部分废气循环到吸气通路2从而控制使得发动机10排出的废气中的氧浓度低于规定值，并由此抑制微反应器19的氢和废气中的氧之间的反应，通过SCR催化剂，可以使微反应器19的氢和废气中的氮氧化物反应从而可以还原除去该氮氧化物。这样一来，在高温区域，可以使用氢作为还原剂，通过还原催化剂还原除去废气中的氮氧化物。
该系统具备ECU41，其控制微反应器19，用以在废气温度在规定值以上时向废气中添加氨，因此当废气温度在规定值以上时，在SCR催化剂的存在下来自微反应器19的氨和废气中的氮氧化物发生反应从而可以还原除去该氮氧化物。这样一来，在全部的温度区域中均可以还原除去废气中的氮氧化物从而净化所述废气。
由于通过电子控制燃料喷射阀进行的后喷射、以及通过EGR阀4和EGR管5降低废气中的氧浓度，因此可以确实地降低废气中的氧浓度。
另外，所述系统具有ECU41，当废气温度和该废气中的氧浓度中的至少之一小于规定值时，所述ECU41控制微反应器19向废气中添加氢，当废气温度和废气中氧浓度两者均在规定值以上时，所述ECU41控制微反应器19向废气中添加氨，因此可以根据条件选择使用氢和氨作为还原剂，并且通过SCR催化剂可以还原除去废气中的氮氧化物，除此之外，与通常根据废气温度选择还原剂的情况相比，即使处于废气温度在规定值以上的高温区域时，在该废气中的氧浓度低于规定值的情况下也可以利用氢作为还原剂。因此，在高温区域，可以使用氢作为还原剂通过SCR催化剂还原除去废气中的氮氧化物。当废气温度和废气中的氧浓度两者均处于规定值以上时，在SCR催化剂存在下，来自微反应器19的氨和废气中的氮氧化物发生反应从而可以还原除去该氮氧化物，这样一来，在全部的温度区域内可以还原除去废气中的氮氧化物从而净化所述废气。
微反应器19在制造氢、氨的时候，由燃料20来制造，由于燃料20是发动机10本来就使用的，因此不需要提供其他供给氢、氨原料的供给源，从而可以抑制设备成本的增加。另外，可以在废气净化系统内进行氢或氨的生产。由此，提高了通用性。
由于所述系统具有传感器31、32、33、34，由来自各传感器31、32、33、34信息的数据图、发动机10的状态和上述预测方程中的至少之一计算出废气的温度和成分，控制微反应器19来调节还原剂的添加量，这样一来，可以测定发动机10的状态，或者由基于测定出的发动机10的状态制作的数据图、发动机10的状态和预测方程中的至少之一推测当前发动机10的状态，从而可以根据发动机10的状态进行适当地控制，并且可以采用瞬时测量。
数据图与发动机10的转速、扭矩和相对于吸入空气的燃料量各数据相关，是预先制成的废气温度分布和废气中氮氧化物浓度分布的图谱，因此通过该数据图可以更准确地预测发动机10的状态。因此可以更确实地净化废气。
预测方程是基于下述数据计算上述废气中氮氧化物浓度的数学式，所述数据有：发动机10的转速，发动机10的筒内压力，发动机10筒内燃烧气体的温度，上述内燃机转速的变化量和上述内燃机指定部位的变化量，因此即使在数据图无法进行预测的情况下，根据上述预测方程也可以准确地预测发动机10的状态。从而可以更为确实地实现废气的净化。
需要说明的是，在上述内容中，虽然使用废气净化系统50来进行说明，所述废气净化系统50可以进行下述控制：仅根据与内燃机数据相关的、预先制成的废气温度分布图和废气中一氧化氮的浓度分布图来推测废气温度、废气中的氧浓度CO2和一氧化氮浓度CNO从而选定还原剂的种类，确定其浓度，但是，除了上述废气净化系统50以外，也可以利用反映废气温度和其气体成分数据的数据图来进行控制，上述数据是由传感器31、32、33、34测定并且输送到ECU41的数据，也可以利用输送到ECU41的废气温度和其气体成分的数据，通过反馈控制进行直接微调节。利用如上所述进行控制的废气净化系统，可以实现与上述废气净化系统50同样的作用效果，除此之外，可以更为准确地选定还原剂并确定其浓度，并且可以提高其脱硝性能。另外，可以根据发动机10的状态进行控制，并可以采用瞬时测量。
虽然对用于净化具有EGR阀4和EGR管5以及电子控制燃料喷射阀的发动机10的废气的废气净化系统50进行了说明，但该系统也可以用于净化仅具有上述EGR阀和EGR管或者仅具有上述电子控制燃料喷射阀的内燃机的废气，也可以实现与上述废气净化系统50同样的作用效果。
虽然使用具有微反应器19和水电解装置24作为氢添加装置的废气净化系统50进行了说明，但也可以是仅具有上述微反应器和水电解装置中任意之一作为氢添加装置的废气净化系统，即使利用这样的废气净化系统，也可以实现与上述废气净化系统50同样的作用效果。
可以在氧气氛下利用高电压在两片电极间进行低温放电从而制造臭氧，并将该臭氧输送到第一、第二氧化催化剂11、17和DPF13中的至少第一、第二氧化催化剂11、17在废气流通方向上的上游侧。臭氧本身具有较高活性，因此在第一、第二氧化催化剂11、17的存在下，利用上述臭氧可以促进废气中烃、一氧化碳和剩余氨的氧化，从而可以更有效地净化废气。另外，上述臭氧可以在低温下燃烧除去DPF13所捕集的粒子状物质，从而可以更进一步地净化废气。这样一来，可以减少用于氧化废气中的气体成分所必须的第一、第二氧化催化剂11、17的量，从而可以实现系统的小型化和降低成本的目的。
[第二实施方式]
利用下面的图5，对使用本发明涉及的废气净化系统和废气净化方法净化处理汽车排出废气的第二实施方式进行具体地说明。
图5为废气净化系统的概略结构图。
就本发明第二实施方式涉及的废气净化系统而言，该系统将上述本发明第一实施方式涉及的废气净化系统所具有的DPF和SCR催化剂的位置进行互换，并增加了将水电解装置得到的氧输送到DPF附近的在废气流通方向上的上游侧的供给管，除此之外，该系统具有与第一实施方式涉及的系统相同的结构。
在本发明第二实施方式涉及的废气净化系统中，采用相同的符号描述与上述本发明第一实施方式涉及的废气净化系统相同的装置，并省略对其的说明。
本发明第二实施方式涉及的废气净化系统60如图5所示，在发动机10的废气排气路径上，按照从废气流通方向上的上游侧到下游侧方向的顺序设置有集合排气管3、第一氧化催化剂11、NOx净化装置15、DPF13和第二氧化催化剂17。其中，在第一氧化催化剂11和NOx净化装置15，NOx净化装置15和DPF13，DPF13和第二氧化催化剂17之间分别通过第一、第二、第三连接配管62、63、64连接。
另外，设置有连接氧吸附剂27、第二连接配管63以及第三连接配管64的氧供给管(第二氧供给装置)61，根据需要，可以通过氧供给管61向DPF13和第二氧化催化剂17供给水电解装置24得到的氧(处于活性期的氧)。
由此，上述废气净化系统60具有氧供给管61，该氧供给管61向DPF 13在废气流通方向上的上游侧供给水电解装置24产生的氧，从而该系统不仅可以实现与上述第一实施方式涉及的废气净化系统50同样的作用效果，而且，如上所述水电解装置24制造的氧为处于活性期的氧，通过该处于活性期的氧，可以在比通常的除去温度600℃低的300℃低温下燃烧除去DPF13捕集的PM。即，即使不利用电子控制燃料喷射阀进行后喷射(副喷射)向废气供给燃料来提高废气的温度，该系统也可以燃烧除去DPF13捕集的PM。
由于该系统具有DPF13和向DPF13在废气流通方向上的上游侧供给氧的第一氧供给装置61，并且在水电解装置24中得到的氧为处于活性期的氧，因此利用该处于活性期的氧，可以在低温下燃烧除去DPF13捕集的PM，从而可以更进一步地净化废气。
需要说明的是，也可以在氧气氛下利用高电压在两片电极之间进行低温放电从而制造臭氧，并将该臭氧输送到DPF13。由于臭氧本身具有较高活性，在低温下，上述臭氧可以燃烧除去DPF13捕集的PM，从而可以更进一步地净化废气。
虽然使用了在SCR催化剂在废气流通方向上的上游侧设置有第一氧化催化剂11的废气净化系统60进行说明，但如图6所示，也可以采用废气净化系统70，该系统70没有在SCR催化剂在废气流通方向上的上游侧设置第一氧化催化剂，而是通过第四连接配管71将NOx净化装置15连接到集合排气管3的端部。即使利用这样的废气净化系统70，也可以实现与上述废气净化系统60同样的作用效果。另外，通过将在水电解装置24中产生的氧供给到NOx净化装置15在废气流通方向上的上游侧，其可以促进将废气中含有的一氧化氮氧化为二氧化氮，从而可以省略在NOx净化装置15之前设置氧化催化剂，可以降低设备成本。
[第三实施方式]
利用图7对使用本发明涉及的废气净化系统和废气净化方法净化处理汽车排出废气的第三实施方式进行说明。
图7为本发明涉及的废气净化系统的第三实施方式的概略结构图。
就本发明第三实施方式涉及的废气净化系统而言，该系统将上述本发明第一实施方式涉及的废气净化系统所具有的DPF和第二氧化催化剂的位置互换，并增加了将在水电解装置中得到的氢输送到NOx净化装置在废气流通方向上的上游侧的氢输送管，另一方面，该系统还去掉了微反应器，除此之外，该系统与上述第一实施方式涉及的废气净化系统具有相同的结构。
在本发明第三实施方式涉及的废气净化系统中，利用相同的符号描述与上述本发明第一实施方式涉及的废气净化系统相同的装置，并省略对其的说明。
本发明第三实施方式涉及的废气净化系统80如图7所示，在发动机10的废气排气路径上，按照从废气流通方向上的上游侧到下游侧方向的顺序设置有集合排气管3、第四连接配管71、NOx净化装置15、第二连接配管63、第二氧化催化剂17、第三连接配管64、DPF13和消声器18。通过氢连接管81，将水电解装置24产生的氢输送到贮存氢的氢贮存装置82。氢贮存装置82与将氢输送到NOx净化装置15的废气流通方向上的氢输送管83相连接。
这样一来，水电解装置24利用水产生的氢，通过氢连接管81被输送到氢贮存装置82并进行贮存。根据需要，通过氢输送管83，将贮存于氢贮存装置82中的氢输送到NOx净化装置15在废气流通方向上的上游侧。另一方面，水电解装置24利用水产生的氧，通过氧输送管26被输送到氧吸附剂27并进行贮存。根据需要，通过氧输送管61，将贮存于氧吸附剂27中的氧输送到第二氧化催化剂17和DPF13在废气流通方向上的上游侧。由此，在NOx净化装置15中，在该装置内设置的SCR催化剂的存在下，使上述氢和废气中的氮氧化物接触从而还原除去该氮氧化物。另外，通过向第二氧化催化剂17和DPF13在废气流通方向上的上游侧供给水电解装置24产生的氧，并且水电解装置24制造的氧为处于活性期的氧，该处于活性期的氧促进在第二氧化催化剂17上进行的废气中的烃和一氧化碳的氧化，当上述废气中含有剩余的氨时，该氧还可以促进对于剩余氨的氧化，从而可以更进一步地净化废气。另外，利用上述处于活性期的氧，可以在低温下燃烧除去DPF13所捕集的微粒子，从而可以更进一步地净化废气。
[第四实施方式]
使用附图，对使用本发明涉及的废气净化系统和废气净化方法净化处理汽车排出的废气的第四实施方式进行说明。
图8为废气净化系统的概略结构图。
就本发明的第四实施方式涉及的废气净化系统而言，该系统将上述本发明第三实施方式涉及的废气净化系统所具有的NOx净化装置安装在消声器内，除此之外，该系统具有与第三实施方式涉及的废气净化系统同样的结构。
在本发明第四实施方式涉及的废气净化系统中，利用相同的符号描述与上述本发明第三实施方式涉及的废气净化系统相同的装置，并省略对其的说明。
本发明第四实施方式涉及的废气净化系统90如图8所示，在发动机10废气的排气路径上，按照从废气流通方向上的上游侧到下游侧方向的顺序设置有集合排气管3、第四连接配管71、第二连接配管63、第二氧化催化剂17、第三连接配管64、DPF13和消声器98。
其中，在消声器98内设置有NOx净化装置。如上所述，在该NOx净化装置中具有SCR催化剂，在该SCR催化剂的存在下还原剂氢和废气中的氮氧化物相接触从而还原除去该氮氧化物。通过氢连接管81，将由水电解装置24产生的氢输送到贮存氢的氢贮存装置82。氢贮存装置82与将氢输送到消声器98的氢加料管91相连接。
上述消声器98具有多个腔，其不但可以将废气温度降低到例如200℃左右同时降低废气的压力，而且可以降低噪音。
这样一来，根据废气净化系统90，由于NOx净化装置设置在消声器98内，因此如上所述消声器98本身可以降低废气温度，从而可以抑制处于低温的废气中含有的氧和作为还原剂的氢之间的氧化反应。可以使废气中的氮氧化物和作为还原剂的氢在SCR催化剂上接触从而持续地还原除去该氮氧化物。结果，不再需要以往在废气温度较高时使用的还原剂氨，也不再需要氨制造装置和用于处理通过了上述SCR催化剂氨的装置，从而可以实现系统的小型化，同时可以降低系统的成本。另外，由于废气流过安装有SCR催化剂的位置处的流速较慢，因此废气中氮氧化物和上述SCR催化剂之间的接触时间变长从而提高了氮氧化物的还原反应率。由此，可以减少设置于上述位置的SCR催化剂的量，从而可以实现系统小型化并且降低成本。
需要说明的是，在上述内容中，虽然使用在消声器98内设置有NOx净化装置(SCR催化剂)的废气净化系统90进行了说明，但也可以采用下述废气净化系统，该系统在将废气排放到大气的排气路径中废气温度为200℃以下的位置处设置有上述SCR催化剂，即使利用这样的废气净化系统，也与上述废气净化系统90同样，可以抑制废气中含有的氧和作为还原剂的氢之间的氧化反应，通常在还原催化剂上使废气中的氮氧化物和作为还原剂的氢接触从而还原除去该氮氧化物。结果，不再需要以往在废气温度较高时使用的还原剂氨，也不再需要氨制造装置和用于处理通过了上述还原催化剂氨的装置，从而可以实现系统的小型化，同时可以降低系统的成本。
[其他实施方式]
就上述本发明涉及的废气净化系统和废气净化方法的第一～第四实施方式而言，是通过用于汽车的废气净化系统50、60、70、80、90进行说明的，但也可以将上述废气净化系统50、60、70、80、90用于具有固定型内燃机的设备中。即使使用如上这样的设备，也可以实现与上述废气净化系统50、60、70、80、90同样的作用效果。