JP2010077888A - エンジンの排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンが水素燃料でリーンバーン運転されているときに蒸発燃料のパージが行なわれても、エミッションが悪化しないようにする。
【解決手段】エンジンの排気通路を第一通路と第二通路とに分岐させ、第一通路には、Ｐｔ担持アルミナとＰｔ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物とからなるグループの触媒材を配置し、第二通路には、Ｐｄ担持アルミナ、Ｒｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物、Ｒｈ担持アルミナ及びＰｄ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物からなるグループの触媒材を配置し、水素燃料でリーンバーン運転され、且つ排気ガスの温度が所定温度以下であるときは、排気ガスが第一通路に優先的に流入し、ガソリン燃料でストイキ運転されているときは、排気ガスが第２通路に優先的に流入するようにする。
【選択図】図１０

Description

本発明は、エンジンの排気ガス浄化装置に関する。

環境負荷の軽減、並びに自動車の燃費低減の観点から、ハイブリッド自動車や水素を燃料とする自動車が注目されている。

乗用車に広く使われるガソリンエンジンは一般に軽負荷での効率が悪くなる。これに対して、ハイブリッド自動車の場合、低速域や軽負荷領域では、効率の低いエンジンではなく、電気モータで走行することができるため、燃費の改善が図れ、また、有害排出物も少ないため、環境負荷の軽減に有利になる。

一方、水素のみを燃料とする自動車の場合、ガソリン、軽油、或いはアルコールのようなＨＣ（炭化水素）成分を燃料とする自動車とは違って、ＨＣが排気ガスとして排出されることを避けることができる。しかし、水素燃料の場合、ガソリンに比べて発熱量が少なく、出力面で不利であるとともに、水素を自動車に多量に搭載することが難しいため、走行距離の面で不利になる。

そこで、燃料として水素とガソリンとを用いることが提案されている。例えば特許文献１〜３には、水素とガソリンとを切り換えてエンジン燃焼室に供給するシステムが開示されている。これら特許文献には、ガソリンを燃料とするときは、エンジンが通常はストイキ運転されるので、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化すべく、三元触媒を排気ガス通路に配置することが記載されている。また、水素を燃料とするときにはエンジンからＮＯｘが排出されるが、特許文献３には、三元触媒とＮＯｘ吸蔵還元触媒やＮＯｘ選択還元触媒とを組み合わせて使用することが開示されている。
特開２００７−５１５８３号公報 特開２００７−５１５９６号公報 特開２００７−２６９２２７号公報

しかし、燃料として水素とガソリンとを用いる場合、三元触媒のみでは、或いは三元触媒とＮＯｘ吸蔵還元触媒やＮＯｘ選択還元触媒とを組み合わせた場合でも、ＨＣが浄化されることなく排出されてしまうことがある。

すなわち、ガソリンタンクには、該タンク内で発生する蒸発燃料の大気への放出を防ぐために、活性炭等の吸着剤を収容したキャニスタが接続されている。その吸着剤の吸着能力には限界があるため、吸着が飽和する前にキャニスタに大気を取り込んで吸着剤から燃料成分を放出させ、エンジンの吸気系に導入するパージ処理が必要となる。ところが、エンジンは水素を燃料とするときはリーンバーン運転され、燃焼室温度が低いため、吸気系にパージされた蒸発燃料は燃焼室で完全に燃焼せず、排気系に排出されるＨＣ量が多くなる。そして、そのときは排気ガス温度が低いことから、三元触媒も温度が低く十分に活性化していない状態にあるため、排気ガス中の上記蒸発燃料に因るＨＣが酸化浄化されずに、大気中に排出されることになる。

そこで、本発明は、エンジンがガソリンを燃料としてストイキ運転されるときの排気ガスの効率良い浄化を図りながら、エンジンが水素を燃料としてリーンバーン運転されているときに、蒸発燃料のパージが行なわれても、エミッションが悪化しないようにすることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、エンジンの排気通路を第一通路と第二通路とに分岐させ、第一通路には排気ガスがリーン且つ低温であるときのＨＣ浄化性能が良い触媒を配置し、第二通路には三元触媒としての性能が良い第二触媒を配置し、エンジンから排出される排気ガスの性状に応じて第一通路及び第二通路に流入する排気ガス流量を制御するようにした。

請求項１に係る発明は、ガソリンを含む燃料を使用した運転と、水素燃料を使用した運転とが行なわれるエンジンの排気ガス浄化装置であって、
上記ガソリンを含む燃料を貯蔵する燃料タンク内に発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタと、該キャニスタに吸着された蒸発燃料をエンジンの吸気系にパージするパージ通路とを有し、
上記エンジンの排気通路は第一通路と第二通路とに分岐し、第一通路に第一触媒が配置され、第二通路に第二触媒が配置され、
上記第一触媒は、アルミナ系サポート材にＰｔを担持してなるＰｔ担持アルミナと、ＣｅＺｒ系複合酸化物サポート材にＰｔを担持してなるＰｔ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物とからなるグループより選ばれる少なくとも１種を含み、
上記第二触媒は、アルミナ系サポート材にＰｄを担持してなるＰｄ担持アルミナと、ＣｅＺｒ系複合酸化物サポート材にＲｈを担持してなるＲｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物と、アルミナ系サポート材にＲｈを担持してなるＲｈ担持アルミナと、ＣｅＺｒ系複合酸化物サポート材にＰｄを担持してなるＰｄ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物とからなるグループより選ばれる少なくとも１種とを含み、
上記ガソリンを含む燃料及び水素燃料のうち、少なくとも水素燃料が使用されて上記エンジンがリーンバーン運転され、且つ排気ガスの温度が所定温度以下であるときは、上記排気ガスが上記第一通路に優先的に流入し、上記ガソリンを含む燃料が使用されて上記エンジンがストイキ運転されているときは、上記排気ガスが上記第２通路に優先的に流入するように、上記第一通路及び第二通路に流入する排気ガス流量を制御する制御手段を備えていることを特徴とする。

ここに、上記第一触媒のグループに属する触媒材であるＰｔ担持アルミナ及びＰｔ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物と、第二触媒のグループに属する触媒材であるＰｄ担持アルミナ、Ｒｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物、Ｒｈ担持アルミナ及びＰｄ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物とを、排気ガス浄化性能に関して比較すると、後に実験データで明らかにするが、次のようになる。

すなわち、第一触媒グループの触媒材は、Ｐｔを触媒金属として有することから、ＰｄやＲｈを触媒金属とする第二触媒グループの触媒材よりも、低温域でのＨＣ浄化性能及びＮＯｘ浄化性能が高い。特に、排気ガスの空燃比がリーンであるときの低温域でのＨＣ及びＮＯの浄化に関して、第一触媒グループの触媒材は優れており、ＨＣ浄化に関しては４００℃以下において、ＮＯ浄化に関しては３００℃以下において、第一触媒グループの触媒材は第二触媒グループの触媒材よりも浄化性能が良い。

一方、排気ガスの空燃比が理論空燃比付近であるときのＨＣ及びＮＯの浄化に関しては、第一触媒グループの触媒材よりも、第二触媒グループの触媒材の方が浄化性能が良い。特に、第二触媒グループの触媒材は、第一触媒グループの触媒材に比べて、ライトオフ温度が低いという特性を有する。

そうして、本発明にあっては、少なくとも水素燃料が使用されてエンジンがリーンバーン運転され、且つ排気ガスの温度が所定温度以下であるときは、排気ガスが第一通路に優先的に流入するから、上記第一触媒グループの触媒材により、排気ガス中のＨＣ及びＮＯが効率良く浄化される。すなわち、蒸発燃料の吸気系へのパージによって排気ガス中に含まれてくるＨＣが第一触媒グループの触媒材によって浄化され、未浄化のまま大気中に排出されることが抑制される。また、上記水素燃料によるリーンバーン運転時に発生し易いＮＯが第一触媒グループの触媒材によって浄化され、未浄化のまま大気中に排出されることが抑制される。

一方、ガソリンを含む燃料が使用されてエンジンがストイキ運転されているときは、排気ガスが上記第２通路に優先的に流入するから、上記第二触媒グループの触媒材により、排気ガス中のＨＣ及びＮＯが効率良く浄化され、未浄化のまま大気中に排出されることが抑制される。

請求項２に係る発明は、請求項１において、
上記第二触媒は、上記Ｐｄ担持アルミナ及びＲｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする。

すなわち、上記第二触媒グループに属する上記４種類の触媒材のなかでも、Ｐｄ担持アルミナ及びＲｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物は、排気ガスの空燃比が理論空燃比付近であるときのＨＣ及びＮＯの浄化に関するライトオフ温度が低いことから、ガソリンを含む燃料が使用されてエンジンがストイキ運転されているときのＨＣ及びＮＯの低温での浄化に有利になる。

請求項３に係る発明は、請求項２において、
上記制御手段は、上記リーンバーン運転時において、上記排気ガスの温度が上記所定温度よりも高いときは、該排気ガス温度が高くなるほど上記第二通路に流入する排気ガス流量を増大させることを特徴とする。

すなわち、上述のＰｄ担持アルミナ及びＲｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物は、排気ガスの空燃比がリーンであるときのＨＣ及びＮＯの浄化に関しては、排気ガス温度が高くなると、上記第一触媒グループの触媒材よりも、ＨＣ浄化性能が高くなる。従って、排気ガス温度が高くなるほど第二通路に流入する排気ガス流量を増大させるという制御により、第一触媒と第二触媒とを利用して、低温から高温にわたって排気ガス中のＨＣを効率良く浄化することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
上記エンジンは、電気モータで駆動することができるハイブリッド車両に搭載され、上記電気モータのための発電機の駆動に用いられることを特徴とする。

従って、当該ハイブリッド車両のエンジンを水素燃料によってリーンバーン運転しているときにおいて、蒸発燃料の吸気系へのパージによって排気ガス中に含まれてくるＨＣを第一触媒によって効率良く浄化することができ、未浄化のまま大気中に排出されることが抑制される。

以上のように、本発明によれば、エンジンの排気通路を第一通路と第二通路とに分岐させ、第一通路には、Ｐｔ担持アルミナとＰｔ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物とからなるグループより選ばれる少なくとも１種を含む第一触媒を配置し、第二通路には、Ｐｄ担持アルミナ、Ｒｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物、Ｒｈ担持アルミナ及びＰｄ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物からなるグループより選ばれる少なくとも１種を含み第二触媒を配置し、ガソリンを含む燃料及び水素燃料のうち、少なくとも水素燃料が使用されてエンジンがリーンバーン運転され、且つ排気ガスの温度が所定温度以下であるときは、排気ガスが第一通路に優先的に流入し、ガソリンを含む燃料が使用されてエンジンがストイキ運転されているときは、排気ガスが第２通路に優先的に流入するようにしたから、上記リーンバーン運転時に蒸発燃料の吸気系へのパージによって排気ガス中に含まれてくるＨＣや、リーンバーンによって生じ易いＮＯを効率良く浄化することができるとともに、上記ストイキ運転時のＨＣ及びＮＯの浄化も効率良く行なうことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜ハイブリッド自動車の概略構成＞
図１は、本発明の実施形態に係るハイブリッド自動車の概略構成図である。この自動車は、エンジン１及びモータ２を動力源として備えているが、エンジン１は発電にのみ使用し、自動車が動くための動力は全てモータ２に頼る所謂シリーズハイブリッド自動車である。エンジン１は、ガソリンと水素とを切換えて、さらにはガソリンと水素とを混合して燃料として使用するように構成されているデュアルフューエルエンジンである。

ハイブリッド自動車は、エンジン１にガソリンを供給するガソリン燃料タンク３、エンジン１に水素を供給する水素燃料タンク４、エンジン１の出力軸５によって駆動されるジェネレータ（発電機）６、並びにモータ駆動用の電力を蓄えるバッテリ（高電圧バッテリ）７を備えている。

バッテリ７は、モータ２及びジェネレータ６にそれぞれ、ＤＣ−ＡＣコンバータ１１及びＡＣ−ＤＣコンバータ１２を介して接続されていて、ジェネレータ６からの発電電力及びモータ２からの回生電力が供給されることで充電される。また、バッテリ７は、電力をモータ２及びジェネレータ６に供給する。モータ２の出力軸は、駆動輪１３にディファレンシャルギア１４を介して連結されている。

ジェネレータ６で発生する交流電力はＡＣ−ＤＣコンバータ１２により直流電力に変換され、さらにＤＣ−ＡＣコンバータ１１により交流電力に変換されてモータ２へと供給される。バッテリ７の直流電力はＤＣ−ＡＣコンバータ１１により所定の周波数の交流電力に変換されてモータ２に供給される。ジェネレータ６で発生する交流電力はＡＣ−ＤＣコンバータ１２により直流電力に変換されてバッテリ７に供給される。

ガソリン燃料タンク３には、該タンク内で発生した蒸発燃料（ガソリン）を吸着するキャニスタ１５が蒸発燃料通路１６を介して接続されている。キャニスタ１５は、その底部に大気取入口を有し、活性炭等を充填した通気性のある部材で構成される。キャニスタ１５はパージ通路１７を介してエンジン１のスロットル弁下流側の吸気通路に接続され、パージ通路１７の途中にはパージ制御弁１８が配設されている。パージ制御弁１８はその開閉動作が電磁式に制御され、開弁により、キャニスタ１５に吸着された蒸発燃料が空気と共に吸気通路に供給（パージ）される。

この場合、ガソリン燃料タンク３の温度、パージを実行していない時間等に基いて、キャニスタ１５の蒸発燃料吸着量を推定し、該推定量が所定値以上となったとき、パージ制御弁１８を所定時間の開弁する。なお、蒸発燃料吸着量を推定せずに定期的にパージ制御弁１８を所定時間開弁するようにしてもよい。

エンジン１の排気通路２１は、第一通路２２と第二通路２３とに分岐し、第一通路２２に第一触媒２４が配置され、第二通路２３に第二触媒２５が配置されている。排気通路２１の分岐部には、第一通路２２と第二通路２３とに流れる排気ガスの流量を制御する流量制御弁２６が配置されている。流量制御弁２６よりも上流側の排気通路２１には、第一触媒２４又は第二触媒２５に流入する排気ガスの温度を検出する温度センサ２７と、該排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ２８とが配置されている。第一触媒２４及び第二触媒２５の具体的な構成については後述する。

＜エンジン及び制御系の構成＞
本例のエンジン１は、図２に示すように、一対のロータハウジング３１，３２と、その内周面に沿い、出力軸（エキセントリックシャフト）５に支持されて回転する２つのロータ３３，３４とを備えた２ロータのロータリーピストンエンジンである。図２では一対のロータハウジング３１，３２を左右に展開して模式的に示している。

エンジン１の吸気通路３５には、その上流側の共通通路部位にアクチュエータ３７で駆動されるスロットル弁３６が設けられている。吸気通路３５の下流側の分岐した２つの独立通路部位には、ポート噴射を行なうガソリン用燃料噴射弁３８，３９が設けられ、また、ロータハウジング３１，３２に、燃焼室内に燃料を噴射する水素用燃料噴射弁４０，４１が設置されている。また、各ロータハウジング３１，３２にはそれぞれ２つずつ点火プラグ４２〜４５が設置されている。これらスロットル弁アクチュエータ３７、燃料噴射弁３８〜４１及び点火プラグ４２〜４５、並びにＤＣ−ＡＣコンバータ１１、ＡＣ−ＤＣコンバータ１２及び流量制御弁２６は、コンピュータを用いた制御手段（ＰＣＭ（パワートレインコントロールモジュール））４６によって制御される。

制御手段４６には、上記制御のために、バッテリ電流・電圧センサ４７、ガソリン燃料タンク３のガソリン残量を検出する燃料センサ４８、水素燃料タンク４の水素残量を検出する圧力センサ４９、自動車のインストルメントパネルに設けられた使用燃料の切換えスイッチ５０、車速センサ５１、アクセル開度センサ５２、温度センサ２７、酸素センサ２８等の各検出信号が入力される。バッテリ電流・電圧センサ４７は、バッテリ７に付設されたもので、バッテリ７に入ってくる電力、並びにバッテリ７から出て行く電力を、電流と電圧から求め、バッテリ７の蓄電量を検出するためのものである。

以下、制御について具体的に説明する。エンジン１の運転に関しては、車速センサ５１及びアクセル開度センサ５２の検出信号に基いて、モータ２に要求される出力トルク（以下、「要求トルク」という。）が所定値以上であるときに、並びに、バッテリ電流・電圧センサ４７の検出信号に基いて、バッテリ７の蓄電量が所定値以下であるときに、エンジン１の運転要と判定する。そして、モータ２の要求トルク及びバッテリ７の蓄電量に基いて、必要なエンジントルクが算出され、エンジン１が運転される。

エンジン１に使用するガソリンと水素との間の燃料切換えは、温度センサ２７によって検出される第二触媒２５の温度（触媒活性度）、燃料センサ４８によってされるガソリン燃料タンク３のガソリン残量、圧力センサ４９によって検出される水素燃料タンク４の水素残量、並びに使用燃料の切換えスイッチ５０によって運転者が選択する燃料の種類に基いて実行される。すなわち、エンジン始動時、第二触媒２５が活性化するまでは、排気エミッション性能を高めるため自動的に水素が使用される。第二触媒２５の活性化後は、運転者がガソリンを選択しているときはガソリンが使用され、水素を選択しているときは水素が使用される。但し、水素及びガソリンのいずれか一方の残量が所定値未満になったときは、水素とガソリンとが所定の混合比で併用され、水素の燃料切れを生じているときは、エンジン始動時を含めて、ガソリンが使用され、ガソリンの燃料切れを生じているときは、水素が使用される。

エンジン１の目標空燃比（目標空気過剰率λ）は、ガソリン使用時と水素使用時とでは異なり、ガソリン使用時はλ＝１に設定され（ストイキ運転）、水素使用時はＮＯｘ排出量が略零で最適な燃費率に最も近いλ＝２．０近傍に設定され（リーンバーン運転）、水素及びガソリンの併用時もリーンバーン運転される。水素使用時にエンジン１がリーンバーン運転されることによって、燃焼温度の上昇が抑えられ、ＮＯｘの排出が抑制される。但し、水素使用時でもエンジン１に対する要求トルクが大きいとき（バッテリ７の充電時や車両電気負荷が大きいとき）は目標空燃比のリーン度合いを適宜弱めてリーンバーン運転される。エンジン１の空燃比は、酸素センサ２８の検出信号に基いてフィードバック制御される。

制御手段４６は、ＤＣ−ＡＣコンバータ１１及びＡＣ−ＤＣコンバータ１２を制御し、バッテリ７、ジェネレータ１３，及びモータ１７の相互間での電力の授受及び変換を制御する。この場合、モータ２は、自動車の定速運転時等のように要求トルクが低い低トルク運転時や自動車始動時にはバッテリ７から供給される電力により駆動され、中トルク運転時にはエンジン１により駆動されるジェネレータ６から供給される電力によって駆動され、急加速時等の要求トルクが高い高トルク運転時には該ジェネレータ６及びバッテリ７の双方から供給される電力により駆動される。バッテリ７の蓄電量が少ないときには、エンジン１によって、モータ２に必要な電力よりも大きな電力を該ジェネレータ６に発生させ、余分な電力がバッテリ７に供給されて充電が行なわれる。

制御手段４６による流量制御弁２６の制御については、触媒の構成を説明した後に詳述する。

＜第一触媒・第二触媒に使用する触媒材ついて＞
次の１２種類の触媒材を準備し、各々の排気ガス空燃比リーンでの飽和ＨＣ浄化率及びＮＯｘ浄化率を測定した。ここに、蒸発燃料（エバポガス）中には飽和炭化水素（ＨＣ）が多く含まれるので、飽和ＨＣ浄化率を測定するようにした。なお、飽和炭化水素はその化学構造の安定さから不飽和炭化水素よりも酸化されにくく、従って、飽和炭化水素が酸化されるのであれば、不飽和炭化水素も酸化されると考えてよい。

−サポート材がＯＳＣＩである触媒材３種−
このＯＳＣ（酸素吸蔵放出材）Ｉは、Ｃｅ、Ｚｒ及びＮｄが結晶を構成するＣｅＺｒＮｄ複合酸化物（ＣｅＺｒ系複合酸化物）であり、その組成は、１０％ＣｅＯ_２−８０％ＺｒＯ_２−１０％Ｎｄ_２Ｏ_３（質量％）である。

ＣｅＺｒ系複合酸化物系サポート材としての上記ＯＳＣＩ粒子にＰｄを担持させたＰｄ／ＯＳＣＩ触媒材（Ｐｄ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物触媒材）、ＯＳＣＩ粒子にＲｈを担持させたＲｈ／ＯＳＣＩ触媒材（Ｒｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物触媒材）、並びにＯＳＣＩ粒子にＰｔを担持させたＰｔ／ＯＳＣＩ触媒材（Ｐｔ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物触媒材）の３種を準備した。触媒金属Ｐｄ、Ｒｈ及びＰｔ各々のＯＳＣＩ粒子への担持には蒸発乾固法を採用し、５００℃の温度で２時間の焼成を行なうことにより、各触媒材を得た。なお、上記各触媒金属の担持量は、各サポート材に対して１．０質量％で一定とした。

−サポート材がＯＳＣIIである触媒材３種−
このＯＳＣ（酸素吸蔵放出材）IIは、ＣｅＺｒ系複合酸化物としての、Ｃｅ、Ｚｒ及びＮｄが結晶を構成するＣｅＺｒＮｄ複合酸化物（ＣｅＺｒ系複合酸化物）であり、その組成は、３５％ＣｅＯ_２−５５％ＺｒＯ_２−１０％Ｎｄ_２Ｏ_３（質量％）である。

ＣｅＺｒ系複合酸化物系サポート材としての上記ＯＳＣII粒子にＰｄを担持させたＰｄ／ＯＳＣII触媒材（Ｐｄ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物触媒材）、ＯＳＣII粒子にＲｈを担持させたＲｈ／ＯＳＣII触媒材（Ｒｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物触媒材）、並びにＯＳＣII粒子にＰｔを担持させたＰｔ／ＯＳＣII触媒材（Ｐｔ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物触媒材）の３種を準備した。触媒金属Ｐｄ、Ｒｈ及びＰｔ各々のＯＳＣII粒子への担持には蒸発乾固法を採用し、５００℃の温度で２時間の焼成を行なうことにより、各触媒材を得た。なお、上記各触媒金属の担持量は、各サポート材に対して１．０質量％で一定とした。

−サポート材が活性アルミナである触媒材３種−
活性アルミナ系サポート材としての活性アルミナ粒子にＰｄを担持させたＰｄ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材（Ｐｄ担持アルミナ触媒材）、活性アルミナ粒子にＲｈを担持させたＲｈ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材（Ｒｈ担持アルミナ触媒材）、並びに活性アルミナ粒子にＰｔを担持させたＰｔ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材（Ｐｔ担持アルミナ触媒材）の３種を準備した。触媒金属Ｐｄ、Ｒｈ及びＰｔ各々の活性アルミナ粒子への担持には蒸発乾固法を採用し、５００℃の温度で２時間の焼成を行なうことにより、各触媒材を得た。なお、上記各触媒金属の担持量は、各サポート材に対して１．０質量％で一定とした。

−サポート材がＺｒＯ_２被覆Ｌａ含有アルミナである触媒材３種−
ＺｒＯ_２被覆Ｌａ含有アルミナは、Ｌａ_２Ｏ_３を４質量％含有する活性アルミナ粒子の表面を１０質量％の酸化ジルコニウムで被覆してなる。この活性アルミナ系サポート材としてのＺｒＯ_２被覆Ｌａ含有アルミナ粒子にＰｄを担持させたＰｄ／ＺｒＬａ−Ａｌ_２Ｏ_３触媒材（Ｐｄ担持ＺｒＯ_２被覆アルミナ触媒材）、ＺｒＯ_２被覆Ｌａ含有アルミナ粒子にＲｈを担持させたＲｈ／ＺｒＬａ−Ａｌ_２Ｏ_３触媒材（Ｒｈ担持ＺｒＯ_２被覆アルミナ触媒材）、並びにＺｒＯ_２被覆Ｌａ含有アルミナ粒子にＰｔを担持させたＰｔ／ＺｒＬａ−Ａｌ_２Ｏ_３触媒材（Ｐｔ担持ＺｒＯ_２被覆アルミナ触媒材）の３種を準備した。これら触媒材は、触媒金属Ｐｄ、Ｒｈ及びＰｔ各々の硝酸溶液をＺｒＯ_２被覆Ｌａ含有アルミナ粉末に滴下し、５００℃で乾燥・焼成することによって得た。なお、上記各触媒金属の担持量は、各サポート材に対して１．０質量％で一定とした。

−飽和ＨＣ浄化率及びＮＯｘ浄化率の測定−
上記１２種の触媒材各々をコージェライト製ハニカム担体（容量２５ｍＬ；直径２５．４ｍｍ，長さ５０ｍｍ）に担持させた触媒サンプルを調製し、模擬排気ガス流通反応装置及び排気ガス分析装置を用いて、空燃比リーンでの飽和ＨＣ浄化率及びＮＯｘ浄化率を測定した。模擬排気ガスの組成は、Ｏ_２＝９．６％、ＣＯ_２＝０．５６％、ＣＯ＝０．０１％、Ｈ_２＝１．０％、Ｃ_４Ｈ_１０（ブタン）＝０．０５％、ＮＯ＝０．００１％、Ｈ_２Ｏ＝１８．６％、残りＮ_２とした。この場合、Ｃ_４Ｈ_１０（ブタン）が飽和炭化水素である。空間速度は６００００／ｈとし、触媒入口ガス温度の昇温速度は３０℃／分とした。

−ＨＣ及びＮＯｘの浄化特性について−
図３はリーン飽和ＨＣ浄化率の測定結果を示す。同図によれば、上記１２種類の触媒材は、触媒入口ガス温度が２００℃に達する前から飽和ＨＣの浄化が始まり、４００℃以下での活性が高いグループＡと、上記ガス温度が３００℃を越えた後に飽和ＨＣの浄化が始まり、且つ４００℃を越えた高温域での活性がグループＡよりも高いグループＢと、上記ガス温度が４００℃付近から飽和ＨＣの浄化が始まるグループＣとに分けることができる。

グループＡには、Ｐｔ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物触媒材としてのＰｔ／ＯＳＣＩ触媒材及びＰｔ／ＯＳＣII触媒材、並びにＰｔ担持アルミナ触媒材としてのＰｔ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材及びＰｔ／ＺｒＬａ−Ａｌ_２Ｏ_３触媒材が属し、グループＢには、Ｒｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物触媒材としてのＲｈ／ＯＳＣＩ触媒材及びＲｈ／ＯＳＣII触媒材、並びにＰｄ担持アルミナ触媒材としてのＰｄ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材及びＰｄ／ＺｒＬａ−Ａｌ_２Ｏ_３触媒材が属し、グループＣには、Ｐｄ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物触媒材としてのＰｄ／ＯＳＣＩ触媒材及びＰｄ／ＯＳＣII触媒材、並びにＲｈ担持アルミナ触媒材としてのＲｈ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材及びＲｈ／ＺｒＬａ−Ａｌ_２Ｏ_３触媒材が属する。

図４乃至図７はリーンＮＯ浄化率の測定結果を示す。グループＡの触媒材をみると、Ｐｔ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材については３５０℃付近でＮＯ浄化率の落ち込みが見られるものの（図６）、他の３種はいずれも低温域から高温域にわたる広い温度範囲で比較的高いＮＯ浄化率を示している（図４，５，７参照）。特に、Ｐｔ／ＯＳＣＩ触媒材及びＰｔ／ＯＳＣII触媒材のＮＯｘ浄化性能が高い。グループＢの触媒材をみると、２５０℃〜５００℃においてＮＯ浄化率が比較的高くなる傾向がある。１００℃〜２００℃付近にＮＯ浄化率の落ち込みが見られるのは、低温時に吸着したＮＯｘの放出を生じているものと考えられる。グループＣの触媒材をみると、３００℃〜４００℃付近にＮＯ浄化率の落ち込みが見られ、これは低温側で吸着されたＮＯｘの放出を生じているものと考えられる。また、グループＡの触媒材はいずれも３００℃以下でのＮＯ浄化率がグループＢ，Ｃの触媒材よりも高くなっている。

以上の飽和ＨＣ及びＮＯの浄化率データから、グループＢ，Ｃの飽和ＨＣの浄化開始温度が高くなっているのは、グループＢ，Ｃの触媒金属Ｐｄ又はＲｈは、Ｐｔに比べて、ＮＯｘ浄化に関するライトオフ温度が高く、飽和ＨＣ浄化に有効な活性サイトに吸着したＮＯｘが飽和ＨＣの浄化を妨げているためと考えられる。そして、グループＢの場合は、吸着ＮＯｘの放出が３００℃付近で終了するために、飽和ＨＣの浄化開始温度が３００℃よりも高温側にずれ込み、グループＣの場合は、吸着ＮＯｘの放出が４００℃付近で終了するために、飽和ＨＣの浄化開始温度がさらに高温側にずれ込んでいると考えられる。

これに対して、グループＡでは、１５０℃以下の低温域でＮＯｘの吸着を生じているものの、触媒金属Ｐｔは、飽和ＨＣ存在下でのＮＯｘ浄化に関するライトオフ温度が比較的低く、そのために、吸着ＮＯｘが比較的早めに分解され、飽和ＨＣの浄化開始温度が上述の如く低くなっていると考えられる。

上記１２種類の触媒材の飽和ＨＣ浄化開始温度及びＮＯ放出温度をまとめると、表１のようになる。

＜グループＡ〜Ｃの触媒材の理論空燃比付近での排気ガス浄化性能＞
−グループＡに係る触媒サンプル−
コージェライト製ハニカム担体（容量２５ｍＬ；直径２５．４ｍｍ，長さ５０ｍｍ）に、グループＡのＰｔ／ＯＳＣＩ触媒材及びＰｔ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材を、前者が上層に、後者が下層になるように担持させた触媒サンプルを調製した。担体１Ｌ当たりの担持量は、ＯＳＣＩ及びＡｌ_２Ｏ_３いずれも５０ｇ／Ｌ、Ｐｔは上層及び下層共に２．５ｇ／Ｌ（トータルで５ｇ／Ｌ）である。

−グループＢに係る触媒サンプル−
グループＡに係る触媒サンプルと同じハニカム担体に、グループＢのＲｈ／ＯＳＣＩ触媒材及びＰｄ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材を、前者が上層に、後者が下層になるように担持させた触媒サンプルを調製した。担体１Ｌ当たりの担持量は、ＯＳＣＩ及びＡｌ_２Ｏ_３いずれも５０ｇ／Ｌ、上層のＲｈが１．０ｇ／Ｌ、下層のＰｄが４ｇ／Ｌ（トータルで５ｇ／Ｌ）である。

−グループＣに係る触媒サンプル−
グループＡに係る触媒サンプルと同じハニカム担体に、グループＣのＲｈ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材及びＰｄ／ＯＳＣＩ触媒材を、前者が上層に、後者が下層になるように担持させた触媒サンプルを調製した。担体１Ｌ当たりの担持量は、ＯＳＣＩ及びＡｌ_２Ｏ_３いずれも５０ｇ／Ｌ、上層のＲｈが１．０ｇ／Ｌ、下層のＰｄが４ｇ／Ｌ（トータルで５ｇ／Ｌ）である。

−排気ガス浄化性能の測定−
上記グループＡ〜Ｃの各触媒サンプルをモデル排気ガス流通反応装置にセットし、排気ガス浄化性能（ライトオフ温度Ｔ５０及び排気ガス浄化率Ｃ４００）を評価した。モデル排気ガスはＡ／Ｆ＝１４．７±０．９とした。すなわち、Ａ／Ｆ＝１４．７のメインストリームガスを定常的に流しつつ、所定量の変動用ガスを１Ｈｚでパルス状に添加することにより、Ａ／Ｆを±０．９の振幅で強制的に振動させた。Ａ／Ｆ＝１４．７、Ａ／Ｆ＝１３．８及びＡ／Ｆ＝１５．６のときのガス組成を表２に示す。また、空間速度ＳＶは６００００／ｈ、昇温速度は３０℃／分とした。

ライトオフ温度Ｔ５０は、モデル排気ガス温度の上昇により、触媒下流で検出されるガスの各成分（ＨＣ及びＮＯ）濃度が、触媒に流入するガスの各成分（ＨＣ及びＮＯ）濃度の半分になった時点（すなわち浄化率が５０％になった時点）の触媒入口ガス温度である。排気ガス浄化率Ｃ４００は、触媒入口でのモデル排気ガス温度が４００℃であるときのガスの各成分（ＨＣ及びＮＯ）の浄化率である。Ｔ５０の結果を図８に示し、Ｃ４００の結果を図９に示す。

ライトオフ温度Ｔ５０（図８）をみると、グループＢが最も良く、これにグループＣ及びグループＡが順に続いている。排気ガス浄化率Ｃ４００（図９）に関しても、グループＢが最も良く、これにグループＣ及びグループＡが順に続いている。

＜第一触媒・第二触媒の構成及び排気ガスの流通路制御＞
上記グループＡ〜Ｃの触媒材についての性能評価結果を踏まえ、第一通路２２に配置する第一触媒２４には、上記グループＡの触媒材を採用し、第二通路２３に配置する第二触媒２５には、上記グループＢ及びグループＣから選ばれる少なくとも１種の触媒材を採用するものである。

好ましい実施形態は、第二触媒２５を、グループＢのアルミナ系サポート材にＰｄを担持させてなるＰｄ／Ａｌ_２Ｏ_３触媒材及びＰｄ／ＺｒＬａ−Ａｌ_２Ｏ_３触媒材の少なくとも一方と、ＯＳＣ系サポート材にＲｈを担持させてなるＲｈ／ＯＳＣＩ触媒材及びＲｈ／ＯＳＣII触媒材の少なくとも一方とを組み合わせる（前者を下層とし、後者を上層とする層状構造）ことである。或いは、第二触媒２５を、グループＢのＰｄ系触媒材とグループＣのＲｈ系触媒材との組み合わせ、又はグループＢのＲｈ系触媒材とグループＣのＰｄ系触媒材との組み合わせとすることも好ましい実施形態である（Ｐｄ系触媒材を下層とし、Ｒｈ系触媒材を上層とする）。

第二触媒２５にグループＣの触媒材のみを採用する場合においても、Ｐｄ系触媒材を下層とし、Ｒｈ系触媒材を上層とすることが好ましい。

そうして、エンジン１に使用する燃料の種類、温度センサ２７で検出される排気ガス温度、並びに酸素センサ２８によって得られる排気ガスの空燃比に応じて、制御手段４６により、流量制御弁２６を制御するようにした。

図１０は当該制御の態様を示すフロー図である。スタート後のステップＳ１において、エンジン１の使用燃料が水素のみであるか否かを判定する。燃料として水素のみを使用しているときはステップＳ２に進み、排気ガスが所定温度以下か否かを判定する。この所定温度は、第一触媒２４と第二触媒２５とに使用する触媒材の飽和ＨＣ浄化の温度特性に基いて、第一触媒２４の飽和ＨＣ浄化率と第二触媒２５の飽和ＨＣ浄化率とが同一になる温度に設定する。例えば、第二触媒２５にグループＢの触媒材を採用する場合は、所定温度を４００℃付近に設定すればよく、第二触媒２５にグループＣの触媒材を採用する場合は、所定温度を５００℃付近に設定すればよい。

ステップＳ２において排気ガス温度が所定温度以下であると判定されたときはステップＳ３に進んで、排気ガスの全量が第一通路２２に流入するように流量制御弁２６を制御する。ステップＳ２において排気ガス温度が所定温度よりも高いと判定されたときはステップＳ４に進んで、排気ガスの一部が第二通路２３に流入するように流量制御弁２６を制御する。この場合、排気ガス温度が高くなるに従って、第二通路２３に流入する排気ガス流量が増大するように、流量制御弁２６を制御する。なお、ステップＳ４に進むための条件である上記所定温度は、第二通路２３に排気ガスを流し始める時点では、第二触媒２５が前記４００℃又は５００℃には達していない場合があるので、これよりも、数十℃高い（例えば５０℃程度高い）温度に設定されてもよい。

ステップＳ１においてエンジン１の使用燃料が水素のみではないときはステップＳ５に進み、排気ガスの空燃比がリーンであるか否かを判定する。その空燃比がリーンであるときは、燃料として水素とガソリンとが併用されているときであり、このときは水素ステップＳ２に進み、燃料として水素のみを使用している場合と同様に流量制御弁２６による排気ガスの流通路制御を行なう。上記空燃比がリーンでないときは、すなわち、燃料としてガソリンのみを使用するストイキ運転であり、このときはステップＳ６に進み、排気ガスの全量が第二通路２３に流入するように流量制御弁２６を制御する。

以上の構成において、エンジン１が燃料として水素のみを使用してリーンバーン運転されるとき、或いは燃料として水素とガソリンとを併用してリーンバーン運転されるときは、燃焼室温度が低い。このため、キャニスタ１５から吸気通路３５に蒸発燃料がパージされたとき、その蒸発燃料は燃焼室で完全に燃焼せず、排気通路に排出されるＨＣ量が多くなる。そのときは排気ガス温度も低い。

これに対して、上記好ましい実施形態では、上記リーンバーン運転において排気ガス温度が所定温度（例えば４００℃）以下であるときは、排気ガスの全量が第一通路２２に流入する。この第一通路２２に設けられた第一触媒２４には、図３に示す、低温での飽和ＨＣ浄化率が高いグループＡの触媒材が採用されているから、上記蒸発燃料に因る排気ガス中の飽和ＨＣは、このグループＡの触媒材によって効率良く浄化され、この蒸発燃料に因るＨＣが未浄化のまま大気中に排出される量が少なくなる。また、グループＡの触媒材は低温でのＮＯｘ浄化率も比較的高いから、ＮＯｘの大気中への排出も抑制される。

上記リーンバーン運転において、排気ガス温度が所定温度を越えて高くなると、排気ガスの一部が第二通路２３に流入する。この第二通路２３に設けられている第二触媒２５には、図３に示す、高温での飽和ＨＣ浄化率が高いグループＢの触媒材が採用されているから、上述の蒸発燃料に因るＨＣが未浄化のまま大気中に排出されることを抑制する上で有利になる。また、排気ガス温度が上記所定温度を超えて上昇するに従って、第二通路２３への排気ガス流入量が増大するから、上記蒸発燃料によるＨＣの浄化にさらに有利になる。また、排気ガスは第一通路２２にも流入するから、グループＡの触媒材によるＮＯｘの浄化も図れる。

第二触媒２５にグループＣの触媒材のみを採用する場合においても、所定温度を５００℃付近に設定すれば、第二触媒２５にグループＢの触媒材を採用する場合と同様の効果が得られる。

一方、エンジン１がガソリンを燃料としてストイキ運転されるときは、排気ガスの全量が第二通路２３に流入する。この第二通路２３の第二触媒２５には、グループＢ及びグループＣの中から選ばれるＰｄ系触媒材とＲｈ系触媒材とが組み合わせて採用されているから、排気ガスはこの第二触媒２５によって効率良く浄化される。第二触媒２５にグループＣの触媒材のみを採用する場合においても、グループＡの触媒材によってストイキ運転の排気ガスを浄化する場合に比べれば、該排気ガスを効率良く浄化することができる。

なお、上記実施形態のエンジンはロータリーピストンエンジンであるが、本発明はこれに限定するものではなく、レシプロエンジンであってもよい。

また、上記実施形態はシリーズハイブリッド自動車に係るものであるが、パラレルハイブリッド自動車やシリーズパラレルハイブリッド自動車、さらには、モータによらず、エンジンのみで駆動される自動車にも本発明は適用することができる。

本発明に係るバイブリッド車両の構成図である。 同車両のエンジン及び制御系の構成図である。 各種触媒材のリーン飽和ＨＣ浄化率と排気ガス温度との関係を示すグラフ図である。 サポート材がＯＳＣＩである触媒材３種のリーンＮＯ浄化率と排気ガス温度との関係を示すグラフ図である。 サポート材がＯＳＣIIである触媒材３種のリーンＮＯ浄化率と排気ガス温度との関係を示すグラフ図である。 サポート材が活性アルミナである触媒材３種のリーンＮＯ浄化率と排気ガス温度との関係を示すグラフ図である。 サポート材がＺｒＯ_２被覆Ｌａ含有アルミナである触媒材３種のリーンＮＯ浄化率と排気ガス温度との関係を示すグラフ図である。 グループＡ〜Ｃの各触媒の理論空燃比付近での排気ガスの浄化に関するライトオフ温度Ｔ５０を示すグラフ図である。 グループＡ〜Ｃの各触媒の理論空燃比付近での排気ガス温度４００℃における排気ガス浄化率を示すグラフ図である。 本発明に係る制御のフロー図である。

符号の説明

１ エンジン
２ モータ
３ ガソリン燃料タンク
４ 水素燃料タンク
６ ジェネレータ（発電機）
１５ キャニスタ
１６ 蒸発燃料通路
１７ パージ通路
２１ 排気通路
２２ 第一通路
２３ 第二通路
２４ 第一触媒
２５ 第二触媒

Claims (4)

1. ガソリンを含む燃料を使用した運転と、水素燃料を使用した運転とが行なわれるエンジンの排気ガス浄化装置であって、
   上記ガソリンを含む燃料を貯蔵する燃料タンク内に発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタと、該キャニスタに吸着された蒸発燃料をエンジンの吸気系にパージするパージ通路とを有し、
   上記エンジンの排気通路は第一通路と第二通路とに分岐し、第一通路に第一触媒が配置され、第二通路に第二触媒が配置され、
   上記第一触媒は、アルミナ系サポート材にＰｔを担持してなるＰｔ担持アルミナと、ＣｅＺｒ系複合酸化物サポート材にＰｔを担持してなるＰｔ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物とからなるグループより選ばれる少なくとも１種を含み、
   上記第二触媒は、アルミナ系サポート材にＰｄを担持してなるＰｄ担持アルミナと、ＣｅＺｒ系複合酸化物サポート材にＲｈを担持してなるＲｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物と、アルミナ系サポート材にＲｈを担持してなるＲｈ担持アルミナと、ＣｅＺｒ系複合酸化物サポート材にＰｄを担持してなるＰｄ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物とからなるグループより選ばれる少なくとも１種とを含み、
   上記ガソリンを含む燃料及び水素燃料のうち、少なくとも水素燃料が使用されて上記エンジンがリーンバーン運転され、且つ排気ガスの温度が所定温度以下であるときは、上記排気ガスが上記第一通路に優先的に流入し、上記ガソリンを含む燃料が使用されて上記エンジンがストイキ運転されているときは、上記排気ガスが上記第２通路に優先的に流入するように、上記第一通路及び第二通路に流入する排気ガス流量を制御する制御手段を備えていることを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
2. 請求項１において、
   上記第二触媒は、上記Ｐｄ担持アルミナ及びＲｈ担持ＣｅＺｒ系複合酸化物より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
3. 請求項２において、
   上記制御手段は、上記リーンバーン運転時において、上記排気ガスの温度が上記所定温度よりも高いときは、該排気ガス温度が高くなるほど上記第二通路に流入する排気ガス流量を増大させることを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
   上記エンジンは、電気モータで駆動することができるハイブリッド車両に搭載され、上記電気モータのための発電機の駆動に用いられることを特徴とするエンジンの排気ガス浄化装置。

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