(57)【要約】【課題】エンジンの始動・停止が頻繁に起こり、したがってエンジンの冷間始動が頻繁に起こるハイブリッド車両において、活性酸素成分を利用して、エンジンの冷間始動時の未燃排気ガス成分の排出を常に確実に抑制すること。【解決手段】エンジン１０とモータ２０の２つの動力源を備えた車両において、排気ガス浄化触媒４０より排気ガス通路３０の上流部にオゾンを供給することが可能なオゾン供給通路６０、エアポンプ６１及びオゾン生成装置６２を備える。第２コントロールユニット８０は、エンジン１０が始動したときにオゾン供給通路６０、エアポンプ６１及びオゾン生成装置６２を作動させると共に、排気ガス浄化触媒４０の温度が触媒活性温度より低い第１の所定温度まで上昇する前にエンジン１０の停止条件が成立したときは加熱ヒータ５０を用いて排気ガス浄化触媒４０の温度を第１の所定温度より高い第２の所定温度まで上昇させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と電動機の２つの動力源を備えた車両における前記内燃機関の排気ガス浄化装置であって、
前記内燃機関の排気ガス通路に配設された排気ガス浄化触媒と、
この排気ガス浄化触媒よりも前記排気ガス通路の上流部に活性酸素成分を供給することが可能な活性酸素成分供給手段と、
前記内燃機関が始動したときに前記活性酸素成分供給手段を作動させる活性酸素成分供給制御手段と、
前記排気ガス浄化触媒の温度が触媒活性温度より低い第１の所定温度まで上昇する前に前記内燃機関の停止条件が成立したときは前記排気ガス浄化触媒の温度を前記第１の所定温度より高い第２の所定温度まで上昇させる触媒温度制御手段とを有することを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排気ガス浄化装置であって、
前記第１の所定温度は１５０〜２５０℃、前記第２の所定温度は４５０〜５５０℃であることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置であって、
前記触媒温度制御手段は、内燃機関の継続運転、又は、車両が備蓄する電気エネルギを用いた加熱の少なくともいずれかにより、排気ガス浄化触媒の温度を第２の所定温度まで上昇させることを特徴とする排気ガス浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス浄化装置、特に、内燃機関と電動機の２つの動力源を備えた車両における排気ガス浄化装置に関し、排気エミッションの向上を図る技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガソリン等の化石燃料をエネルギ源とする車両においては、エンジン始動直後の数十秒間は、排気ガス温度が比較的低いために、エンジンの排気ガス通路に配設された排気ガス浄化触媒における白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の触媒金属が活性化しておらず、未燃排気ガス成分である炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の浄化が困難であることが知られている。これを改善する方法の１つとして、従来、触媒をエキゾーストマニホルドの直下に配設した「直キャタ」と通称されるマニホルド触媒が広く採用されている。しかし、この方法では、未だ充分満足な浄化性能が得られない、という問題がある。
【０００３】
そこで、ゼオライトをはじめとする炭化水素吸着材をマニホルド触媒材として用いることが行われている。すなわち、排気ガス温度が比較的低いときは、エンジンから排出された未燃炭化水素を炭化水素吸着材の細孔内に吸着させ、排気ガス温度が約２００℃程度まで上昇したときには、炭化水素吸着材に吸着させていた未燃炭化水素を放出させて、約２００℃程度である程度の触媒活性が得られる触媒金属と反応させるのである。しかし、この方法では、ゼオライトをはじめとするアルミノシリケート系の多孔質材は高温化でその結晶構造が崩れる、という性質があるので、マニホルド触媒材として用いたときには、時間の経過と共に浄化性能が次第に低下する、という問題がある。
【０００４】
そこで、ゼオライト等の炭化水素吸着材を用いずに、活性酸素成分により、未燃排気ガス成分を酸化浄化する方法が提案されている。例えば特許文献１には、空気に高電圧を作用させることにより、活性酸素成分であるオゾン（Ｏ３）を発生させ、このオゾンを排気ガス通路の触媒よりも上流部に流し込んで、排気ガス中に含まれるＨＣ成分の一部をＣＯに転化する技術が開示されている。ここで、一般に、オゾンは酸化力が強く、且つ、室温程度の比較的低い温度では生成してから分解するまでの寿命が長いので、排気ガス温度が比較的低い期間中（例えば約１００℃前後）におけるＨＣやＣＯの未燃排気ガス成分の酸化浄化には有効な方法であると考えられる。
【０００５】
一方、エンジンとモータの２つの動力源を備えたハイブリッド車両（ＨＥＶ）は、環境への負荷が少なく、且つ、燃費低減にも貢献し得る。ところが、ハイブリッド車両は、エンジンの始動・停止の頻度が高いから、エンジンの冷間始動の頻度が高くなり、その結果、排気ガス温度が比較的低い期間中におけるＨＣやＣＯの未燃排気ガス成分の排出を抑制することが重要な課題となる。そこで、例えば特許文献２には、ハイブリッド車両において、触媒を活性させるための触媒加熱ヒータを設け、モータでの走行開始時は、この触媒加熱ヒータで触媒を加熱し、触媒温度が設定温度以上となった段階でエンジンを始動する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０７３１６（段落００４６〜００５０）
【特許文献２】特開２００５−１４６９１０（段落０００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような状況の下、本発明の発明者等は、エンジンの冷間始動が頻繁に起こるハイブリッド車両において、オゾン等の活性酸素成分を利用して、ＨＣやＣＯの未燃排気ガス成分を酸化浄化する技術について、鋭意研究・検討を重ねていたところ、次のような知見を得た。すなわち、エンジンを冷間始動させると共に排気ガス浄化触媒よりも排気ガス通路の上流部に活性酸素成分を供給し、次に、エンジンを停止させると共に活性酸素成分の供給を停止し、再び、エンジンを冷間始動させると共に…、と繰り返し行って、エンジンの冷間始動時の排気ガス浄化性能を調べていた。その結果、触媒温度が触媒活性温度より低い約２００℃前後の温度まで上昇する前にエンジンが停止したときは、触媒温度が前記温度を超えて上昇した後にエンジンが停止したときに比べて、次のエンジンの冷間始動時の排気ガス浄化性能が低くなるのであった。この理由は、必ずしも明らかではないが、排気ガス通路に過不足なく供給された活性酸素成分が排気ガス通路内でＨＣやＣＯの未燃排気ガス成分と１００％の確率で接触し反応し消費されることがないので、残余の活性酸素成分が未だ充分に活性化しきっていない触媒に到達して、触媒の表面に未燃炭化水素から生成した「含酸素種」が形成され、謂わば、未燃炭化水素から生成した「含酸素種」により触媒が被毒された状態となり、この状態が次のエンジンの冷間始動時における触媒機能を何らかの形で阻害することが一因であろうと考えられる。
【０００８】
本発明は、エンジンの始動・停止が頻繁に起こり、したがってエンジンの冷間始動が頻繁に起こるハイブリッド車両における前記のような現状に鑑みてなされたもので、活性酸素成分を利用して、エンジンの冷間始動時の未燃排気ガス成分の排出を常に確実に抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、内燃機関と電動機の２つの動力源を備えた車両における前記内燃機関の排気ガス浄化装置であって、前記内燃機関の排気ガス通路に配設された排気ガス浄化触媒と、この排気ガス浄化触媒よりも前記排気ガス通路の上流部に活性酸素成分を供給することが可能な活性酸素成分供給手段と、前記内燃機関が始動したときに前記活性酸素成分供給手段を作動させる活性酸素成分供給制御手段と、前記排気ガス浄化触媒の温度が触媒活性温度より低い第１の所定温度まで上昇する前に前記内燃機関の停止条件が成立したときは前記排気ガス浄化触媒の温度を前記第１の所定温度より高い第２の所定温度まで上昇させる触媒温度制御手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
次に、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気ガス浄化装置であって、前記第１の所定温度は１５０〜２５０℃、前記第２の所定温度は４５０〜５５０℃であることを特徴とする。
【００１１】
次に、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置であって、前記触媒温度制御手段は、内燃機関の継続運転、又は、車両が備蓄する電気エネルギを用いた加熱の少なくともいずれかにより、排気ガス浄化触媒の温度を第２の所定温度まで上昇させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
まず、請求項１に記載の発明によれば、内燃機関が始動したときに排気ガス浄化触媒よりも排気ガス通路の上流部に活性酸素成分を供給すると共に、前記排気ガス浄化触媒の温度が触媒活性温度より低い第１の所定温度まで上昇する前に内燃機関の停止条件が成立したときは排気ガス浄化触媒の温度を前記第１の所定温度より高い第２の所定温度まで上昇させるようにしたから、触媒の表面に形成され残存した未燃炭化水素から生成した「含酸素種」が高温により除去され、次のエンジンの冷間始動時における触媒機能が阻害されずに回復し、その結果、未燃排気ガス成分と未だ充分に活性化しきっていない触媒とが接触することによる浄化の効果が低下せずに、エンジンの冷間始動時の未燃排気ガス成分の排出を常に確実に抑制することが可能となる。
【００１３】
次に、請求項２に記載の発明によれば、前記請求項１の効果に加えて、前記第１の所定温度が１５０〜２５０℃、前記第２の所定温度が４５０〜５５０℃に限定される。
【００１４】
次に、請求項３に記載の発明によれば、前記請求項１又は２の効果に加えて、内燃機関の継続運転、及び／又は、車両が備蓄する電気エネルギ（例えば電動機駆動用電池）を用いた加熱により、排気ガス浄化触媒の温度を第２の所定温度まで確実に上昇させることが可能となる。以下、最良の実施形態及び実験例を通して本発明をさらに詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本実施形態に係る車両の要部構成と制御システムとを併せて示すブロック図である。この車両１は、所謂、シリーズ／パラレルタイプのハイブリッド車両であって、エンジン１０とモータ２０の２つの動力源を備えている。エンジン１０及び／又はモータ２０の駆動力は、変速機１１及び差動装置１２を経由して左右の駆動輪に伝達される。モータ２０は、エンジン１０により駆動されて発電を行うジェネレータ（発電機）としても機能する。モータ２０とバッテリ２２はインバータ２１を介して電気的に接続され、モータ２０が動力源として機能するときはバッテリ２２からモータ２０へ電力が供給され、モータ２０がジェネレータとして機能するときはモータ２０からバッテリ２２へ電力が供給される。
【００１６】
エンジン１０の排気ガス通路３０に排気ガス浄化触媒４０が配設されている。この排気ガス浄化触媒４０よりも排気ガス通路３０の上流部にオゾン供給通路６０が合流している。オゾン供給通路６０には上流側からエアポンプ６１とオゾン生成装置（オゾナイザ）６２とが配設されて、これら６０〜６２により、排気ガス浄化触媒４０よりも排気ガス通路３０の上流部に活性酸素成分としてのオゾンを供給することが可能な活性酸素成分供給手段が構成されている。ここで、オゾン生成装置６２は、例えば、エアポンプ６１で導入されたエアを無声放電させることによりオゾンを発生させるものである。
【００１７】
この車両の第１コントロールユニット７０は、排気ガス通路３０内の排気ガスの温度を検出する排気ガス温度センサ３１からの信号や、排気ガス浄化触媒４０の温度を検出する触媒温度センサ４１からの信号、あるいは図外のアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７１からの信号等を入力する他、例えばエンジン１０の回転数やスロットル開度等に基いてエンジン１０の運転状態を検出する手段として機能したり、その検出結果に応じてエンジン１０を制御する手段として機能したり、インバータ２１とバッテリ２２間の電力の授受に基いてバッテリ２２の蓄電量を検出する手段として機能したり、その検出結果に応じてモータ２０を制御する手段として機能したり、あるいは排気ガス浄化触媒４０の状態を調節する手段として機能する。
【００１８】
また、この車両の第２コントロールユニット８０は、前記第１コントロールユニット７０からの触媒状態調節信号を受けて、前記エアポンプ６１及び前記オゾン生成装置６２に制御信号を出力する他、バッテリ２２の電力を用いて加熱ヒータ５０を作動させ、排気ガス浄化触媒４０の温度を上昇させる。
【００１９】
この車両においては、例えば、発進時及び低トルク走行時は、バッテリ２２からモータ２０へ電力が供給され、モータ２０の駆動力で車両が走行する。中トルク走行時は、エンジン１０が始動し、エンジン１０の駆動力で車両が走行する。そして、高トルク走行時は、エンジン１０の駆動力とモータ２０の駆動力とで車両が走行する。バッテリ２２の蓄電量が少なくなると、中トルク走行時に、要求トルク以上のトルクでエンジン１０が駆動し、その余剰のトルクでジェネレータ２０を駆動して発電した電力をバッテリ２２に充電する。このように、この車両においては、発進時及び低トルク走行時はエンジン１０が停止するから、エンジン１０の始動・停止の頻度が高くなり、したがってエンジン１０の冷間始動の頻度が高くなり、その結果、排気ガス温度が比較的低い期間中におけるＨＣやＣＯの未燃排気ガス成分の排出を抑制することが重要な課題となる。
【００２０】
図２は、その課題を解決するために前記第１、第２コントロールユニット７０，８０が行う具体的制御動作の１例を示すフローチャートである。まず、エンジン１０が始動すると（ステップＳ１）、排気ガス温度センサ３１の検出温度に基いて排気ガス温度が所定温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで、所定温度は、例えば２００℃である。その結果、排気ガス温度が所定温度以上のときは、エンドとなるが、排気ガス温度が所定温度以下のときは、活性酸素成分供給手段６０〜６２を作動させて、排気ガス浄化触媒４０よりも排気ガス通路３０の上流部にオゾンを供給する（ステップＳ３）。これにより、エンジン１０の冷間始動時に、オゾンを利用して、ＨＣやＣＯの未燃排気ガス成分を酸化浄化することができる。
【００２１】
次いで、エンジン１０の停止条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ４）。ここで、エンジン１０の停止条件は、例えば、前述したように、中トルク走行や高トルク走行から低トルク走行に移行したことである。あるいは、一時停止中にアイドルストップ条件が満足されたことである。その結果、エンジン１０の停止条件が成立していないときは、エンドとなるが、エンジン１０の停止条件が成立しているときは、活性酸素成分供給手段６０〜６２を非作動として、排気ガス浄化触媒４０よりも排気ガス通路３０の上流部へのオゾンの供給を停止すると共に、エンジン１０を停止する（ステップＳ５）。
【００２２】
次いで、触媒温度センサ４１の検出温度に基いて排気ガス浄化触媒４０の温度ｔｍｐが第１の所定温度ｔｍｐ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ６）。ここで、第１の所定温度ｔｍｐ１は、例えば１５０〜２５０℃である。この第１の所定温度ｔｍｐ１は、排気ガス浄化触媒４０の活性温度Ｔ（例えば、Ｔ５０あるいはライトオフ温度と称され、排気ガス浄化率が５０％となるときの温度）よりも低い温度である。その結果、触媒温度ｔｍｐが第１の所定温度ｔｍｐ１以上のときは、エンドとなるが、触媒温度ｔｍｐが第１の所定温度ｔｍｐ１以下のときは、加熱ヒータ５０を作動させて、排気ガス浄化触媒４０を加熱する（ステップＳ７）。これにより、排気ガス浄化触媒４０の温度ｔｍｐが第１の所定温度ｔｍｐ１まで上昇する前にエンジン１０の停止条件が成立したときは、排気ガス浄化触媒４０の温度ｔｍｐが強制的に上昇されることになる。
【００２３】
そして、排気ガス浄化触媒４０の温度ｔｍｐが第２の所定温度ｔｍｐ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ８）。ここで、第２の所定温度ｔｍｐ２は、第１の所定温度ｔｍｐ１よりも高い温度であって、例えば４５０〜５５０℃である。その結果、触媒温度ｔｍｐが第２の所定温度ｔｍｐ２以上のときは、エンドとなるが、触媒温度ｔｍｐが第２の所定温度ｔｍｐ２以下のときは、排気ガス浄化触媒４０の加熱を続行する。これにより、排気ガス浄化触媒４０の温度ｔｍｐが第１の所定温度ｔｍｐ１まで上昇する前にエンジン１０の停止条件が成立したときは、排気ガス浄化触媒４０の温度ｔｍｐが強制的に第１の所定温度ｔｍｐ１よりも高い第２の所定温度ｔｍｐ２まで上昇されることになる。
【００２４】
以上のように、本実施形態では、エンジン１０が始動したときに（ステップＳ１）、排気ガス浄化触媒４０よりも排気ガス通路３０の上流部にオゾンを供給すると共に（ステップＳ３）、排気ガス浄化触媒４０の温度ｔｍｐが触媒活性温度Ｔより低い第１の所定温度ｔｍｐ１まで上昇する前にエンジン１０の停止条件が成立したときは（ステップＳ４でＹＥＳ〜ステップＳ６でＹＥＳ）、排気ガス浄化触媒４０の温度ｔｍｐを第１の所定温度ｔｍｐ１より高い第２の所定温度ｔｍｐ２まで上昇させるようにしたから（ステップＳ７及びステップＳ８でＹＥＳ）、未だ充分に活性化しきっていない触媒４０に残余のオゾンが到達することで触媒４０の表面に形成され残存した未燃炭化水素から生成した「含酸素種」が高温（第２の所定温度ｔｍｐ２）により除去され、次のエンジン１０の冷間始動時における触媒機能が阻害されずに回復し、その結果、未燃排気ガス成分と未だ充分に活性化しきっていない触媒４０とが接触することによる浄化の効果が低下せずに、エンジン１０の冷間始動時の未燃排気ガス成分の排出を常に確実に抑制することが可能となる。
【００２５】
なお、前記実施形態は、本発明の最良の実施形態ではあるが、特許請求の範囲を逸脱しない限り、種々の修正や変更を施してよいことはいうまでもない。例えば、前記実施形態では、車両が備蓄する電気エネルギ（バッテリ２２）を用いたヒータ加熱により、排気ガス浄化触媒４０の温度ｔｍｐを第２の所定温度ｔｍｐ２まで上昇させるようにしたが、これに代えて又はこれと共に、エンジン１０の停止条件成立後も（ステップＳ４）、エンジン１を継続運転することにより、排気ガス浄化触媒４０の温度ｔｍｐを第２の所定温度ｔｍｐ２まで上昇させるようにしてもよい。
【実施例】
【００２６】
ガソリンエンジンに汎用される排気ガス浄化触媒に排気ガスの模擬ガスを流通させて排気ガス浄化性能試験を行った。模擬ガスの組成は、プロピレンを７００ｐｐｍＣ、オゾン（Ｏ３）を０．３ｖｏｌ％、酸素（Ｏ２）を０．７ｖｏｌ％、残りを窒素とした。模擬ガスの流量は、１０Ｌ／分、模擬ガスの温度は、７０℃からスタートして（冷間始動）、１０℃／分で昇温させた。オゾン生成装置のオゾン発生出力は、１５０Ｗとした。このとき、オゾン発生量は、エアの温度が７０℃で、３０ｃｃ／分であった。使用した触媒については、触媒貴金属の合計量が７．０ｇ／Ｌで、その内訳としては、Ｐｔ：Ｐｄ：Ｒｈが質量比で１：３０：２であった。また、Ｐｄ担持用Ａｌ２Ｏ３が１００ｇ／Ｌ、Ｒｈ担持用ＯＳＣ材（セリアを含む酸素吸蔵材）が７０ｇ／Ｌ、Ｐｔ担持用Ａｌ２Ｏ３が６０ｇ／Ｌであった。
【００２７】
そして、実施例では、前記模擬ガスの浄化性能試験の前に、触媒を５００℃まで加熱した。すなわち、排気ガス浄化触媒にストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．７）の排気ガスの模擬ガスを流通させた。その組成は、プロピレンを１４００ｐｐｍＣ、ＣＯを０．６ｖｏｌ％、ＮＯを１０００ｐｐｍ、ＣＯ２を１３．９ｖｏｌ％、Ｈ２を０．２ｖｏｌ％、Ｏ２を０．６ｖｏｌ％、Ｈ２Ｏを１０ｖｏｌ％、残りを窒素とした。模擬ガスの流量は、１０Ｌ／分、模擬ガスの温度は、７０℃からスタートして、１０℃／分で昇温させた。模擬ガスの温度が２００℃となるまでは、前記組成のストイキ排気ガスの模擬ガスに、さらに、オゾン（Ｏ３）を０．３ｖｏｌ％、酸素（Ｏ２）を０．７ｖｏｌ％供給した。触媒の温度が２００〜５００℃の間は、オゾン（Ｏ３）０．３ｖｏｌ％及び酸素（Ｏ２）０．７ｖｏｌ％の供給を停止し、前記組成のストイキ排気ガスの模擬ガスのみを触媒に流通させた。つまり、模擬ガスの温度により、触媒の温度を５００℃まで上昇させた。
【００２８】
一方、比較例では、前記模擬ガスの浄化性能試験の前に、触媒の加熱を行わなかった。つまり、模擬ガスの温度が２００℃となるまで、前記組成のストイキ排気ガスの模擬ガスに、さらに、オゾン（Ｏ３）を０．３ｖｏｌ％、酸素（Ｏ２）を０．７ｖｏｌ％供給したものを触媒に流通させ、そこで模擬ガス及びオゾンの流通を停止した。さらに、参考例として、前記模擬ガスの浄化性能試験の前に触媒の加熱を行わず、且つ、模擬ガスの浄化性能試験中、オゾン（Ｏ３）を供給せずに１．０ｖｏｌ％の酸素（Ｏ２）のみ供給した。
【００２９】
結果を図３に示す。模擬ガスの浄化性能試験の前に触媒を５００℃まで強制的に加熱した実施例は、そのような加熱を行わなかった比較例や参考例に比べて、プロピレンの排出濃度が早い段階から著しく低下し、冷間始動時の排気ガス浄化性能に優れていることが明らかであった。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明は、エンジンの冷間始動が頻繁に起こるハイブリッド車両において、活性酸素成分を利用して、エンジンの冷間始動時の未燃排気ガス成分の排出を常に確実に抑制することができる技術であるから、エンジンの始動・停止が頻繁に起こるハイブリッド車両の排気エミッションの向上を図る技術分野において広範な産業上の利用可能性が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の最良の実施の形態に係る車両の要部構成及び制御システムを示すブロック図である。
【図２】前記車両の第１、第２コントロールユニットが行う具体的制御動作の１例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例、比較例及び参考例の排気ガス浄化性能試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１        排気ガス浄化装置
１０      エンジン（内燃機関）
２０      モータ（電動機）
２２      バッテリ
３０      排気ガス通路
３１      排気ガス温度センサ
４０      排気ガス浄化触媒
４１      触媒温度センサ
５０      加熱ヒータ
６０      オゾン供給通路（活性酸素成分供給手段）
６１      エアポンプ（活性酸素成分供給手段）
６２      オゾン生成装置（活性酸素成分供給手段）
８０      第２コントロールユニット（活性酸素成分供給制御手段、触媒温度制御手段）
【図１】
2008144645.tif 000003
【図２】
2008144645.tif 000004
【図３】
2008144645.tif 000005