JP5306871B2 - 鞍乗り型車両 - Google Patents

Description

本発明は、自動二輪車等の鞍乗り型車両に関し、特に、理論空燃比よりも小さい空燃比（つまり燃料リッチ側の空燃比）で燃焼を行う内燃機関を備えた鞍乗り型車両に関する。

自動車両のエンジンから排出される燃焼ガス（排気ガス）を浄化するため、三元触媒が広く用いられている。三元触媒は、排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）およびＮＯx（窒素酸化物）を水や二酸化炭素、窒素に還元または酸化させる。

三元触媒を用いて効率よく還元・酸化を行うためには、燃料と空気とが過不足なく燃焼する空燃比（「理論空燃比」と呼ばれる。）で燃焼を行うことが好ましい。そのため、排気ガス中の酸素濃度を酸素センサにより検出し、検出した酸素濃度に基づいて空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御する方式が提案されている。

ところが、エンジンは、理論空燃比よりも小さい空燃比（つまり燃料リッチ側の空燃比）で燃焼を行う方が高い出力が得られるので、空燃比が常に理論空燃比となるように燃料噴射量を制御すると、四輪自動車に比べて排気量の小さい自動二輪車等の鞍乗り型車両では、十分に高いエンジン出力を得られないことがある。また、厳密なフィードバック制御を行なうためには、現在自動二輪車に多く用いられているキャブレタ方式ではなく、インジェクション（燃料噴射）方式で混合気を作り出す必要があるので、製造コストが増加してしまう。

特許文献１には、燃料リッチ側の空燃比で燃焼を行うエンジン用の排気ガス浄化システムが提案されている。図１０に、特許文献１に開示されている排気ガス浄化システム２００を示す。

排気ガス浄化システム２００は、図１０に示すように、エンジン２０１と、エンジン２０１の排気ポートに接続された排気管２０７を備えている。排気管２０７内には、第１の触媒２０２Ａと、第１の触媒２０２Ａよりも下流側に配置された第２の触媒２０２Ｂとが設けられており、さらに、排気管２０７の第１の触媒２０２Ａと第２の触媒２０２Ｂとの間の部分に、二次空気を導入するための二次空気導入管２０３が接続されている。第１の触媒２０２Ａおよび第２の触媒２０２Ｂは、例えば公知の三元触媒と同じ成分を有している。

この排気ガス浄化システム２００では、エンジン２０１は、燃料リッチ側の空燃比で運転される。エンジン２０１からの排気ガスは、まず第１の触媒２０２Ａに接触する。三元触媒は、燃料リッチ側の空燃比では高いＮＯｘ浄化率を示すため、排気ガス中のＮＯｘは、第１の触媒２０２Ａによって最終所要浄化率まで浄化される。また、このとき、排気ガス中のＣＯおよびＨＣの一部も浄化される。

次に、第１の触媒２０２Ａを通過した排気ガスに、二次空気導入管２０３から導入された二次空気が混入され、排気ガスの空燃比は燃料リーン側にシフトする。この燃料リーン側の空燃比の排気ガスが第２の触媒２０２Ｂに接触することによって、排気ガス中の未浄化のＣＯおよびＨＣが浄化される。

つまり、この方式では、排気ガスをまず還元雰囲気下で第１の触媒２０２Ａと接触させて主にＮＯｘを浄化し、その後排気ガスを酸化雰囲気下で第２の触媒２０２Ｂと接触させて残りのＣＯおよびＨＣを浄化することにより、排気ガス中のＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘを高効率で浄化することができる。

特許文献１の排気ガス浄化システム２００によれば、エンジン２０１に供給される混合気の空燃比を理論空燃比より小さく（つまり燃料リッチ側に設定）できるので、排気量の小さい鞍乗り型車両のエンジン出力を高くでき、ドライバビリティーを向上できる。また、混合気を作り出す方式としてキャブレタ方式で十分であり、インジェクション方式を採用する場合に比べてコストの点で有利である。

国際公開第２００４／１１３６９６号パンフレット

しかしながら、特許文献１に開示されている方式では、後に詳述するように、第１の触媒２０２ＡによってＮＯｘの一部が窒素（Ｎ₂）ではなくアンモニア（ＮＨ₃）に還元されてしまう。そのため、生成したＮＨ₃が第２の触媒２０２Ｂによって酸化されてＮＯｘが生成してしまう。従って、ＮＯｘの浄化率を十分に高くすることができない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、理論空燃比よりも小さい空燃比で燃焼を行う内燃機関を備えた鞍乗り型車両において、ＮＯｘの浄化率を向上させることにある。

本発明による鞍乗り型車両は、理論空燃比よりも小さい空燃比で燃焼を行う内燃機関と、前記内燃機関から燃焼ガスを排出する排気経路内に設けられた第１の触媒と、前記排気経路内において前記第１の触媒よりも下流側に設けられた第２の触媒と、前記排気経路の、前記第１の触媒と前記第２の触媒との間の部分に二次空気を導入する二次空気導入装置と、を備え、前記第１の触媒および前記第２の触媒のそれぞれは、Ｐｔ、Ｒｈ、ＰｄおよびＡｕの少なくとも１つを含む貴金属成分を含み、前記第１の触媒は、さらに、ゼオライト担体と、前記ゼオライト担体にイオン交換可能量よりも多く担持されたＣｏまたはＦｅと、を含む。

ある好適な実施形態において、前記ゼオライト担体に対するＣｏまたはＦｅの担持量は、イオン交換可能量の２倍以上である。

ある好適な実施形態において、前記ゼオライト担体に対するＣｏまたはＦｅの担持量は、２５ｗｔ％以下である。

ある好適な実施形態において、前記ゼオライト担体に対するＣｏまたはＦｅの担持量は、２０ｗｔ％以下である。

ある好適な実施形態において、前記第１の触媒は、０．２ｇ／Ｌ以上の担持量でＲｈを含む。

ある好適な実施形態において、前記内燃機関は、１２．５以上１４．５以下の空燃比で燃焼を行う。

ある好適な実施形態において、本発明による鞍乗り型車両は、マフラをさらに備え、前記第１の触媒および前記第２の触媒は前記マフラ内に配置されている。

ある好適な実施形態において、前記第１の触媒は、前記内燃機関から前記排気経路に沿って５００ｍｍ以上離れている。

本発明による鞍乗り型車両は、排気経路内に第１の触媒と、第１の触媒よりも下流側に設けられた第２の触媒とを備えており、さらに、排気経路の、第１の触媒と第２の触媒との間の部分に二次空気を導入する二次空気導入装置を備えている。理論空燃比よりも小さい空燃比で燃焼を行う内燃機関から排出された燃焼ガス（排気ガス）は、まず、第１の触媒に接触し、続いて、二次空気導入装置によって導入された二次空気と混合された後に第２の触媒に接触する。第１の触媒および第２の触媒のそれぞれは、Ｐｔ、Ｒｈ、ＰｄおよびＡｕの少なくとも１つを含む貴金属成分を含んでいるので、まず、第１の触媒によって排気ガス中のＮＯｘと、ＣＯおよびＨＣの一部が浄化され、続いて、第２の触媒によって残りのＣＯおよびＨＣが浄化される。本発明による鞍乗り型車両の第１の触媒は、ＣｏまたはＦｅと、ＣｏまたはＦｅを担持するゼオライト担体とを含む。ＣｏおよびＦｅは、アンモニア（ＮＨ₃）を分解する触媒として機能する。また、ゼオライト担体は、ＣｏおよびＦｅの担体としてだけでなく、アンモニアを分解する際の助触媒としても機能する。このように、第１の触媒がアンモニア分解成分を含んでいるので、第１の触媒の貴金属成分がＮＯｘを還元することにより生成したＮＨ₃を分解することができ、第２の触媒でのＮＯｘの生成を抑制できる。そのため、本発明によれば、ＮＯｘの浄化率を向上することができる。さらに、本発明によれば、アンモニア分解成分であるＣｏまたはＦｅが、ゼオライト担体にイオン交換可能量よりも多く担持されているので、ゼオライト担体中にＣｏやＦｅが活性の高いゼロ価の状態で存在する。そのため、ＮＯｘの浄化率がいっそう向上する。また、本発明による鞍乗り型車両の内燃機関は、理論空燃比よりも小さい空燃比（つまり燃料リッチ側の空燃比）で燃焼を行うので、高い出力が得られ、ドライバビリティーが向上する。従って、本発明による鞍乗り型車両は、走行性能と環境性能の両方に優れる。

本発明によれば、理論空燃比よりも小さい空燃比で燃焼を行う内燃機関を備えた鞍乗り型車両において、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

本発明の好適な実施形態における鞍乗り型車両が備える排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。 ゼオライトの構造を模式的に示す図である。 ゼオライト担体へのＣｏ担持量と、ＮＯｘ発生量との関係を示すグラフである。 ゼオライト担体にＣｏが担持されている様子を模式的に示す図であり、Ｃｏの担持量がイオン交換可能量以下である場合を示している。 ゼオライト担体にＣｏが担持されている様子を模式的に示す図であり、Ｃｏの担持量がイオン交換可能量よりも多い場合を示している。 実施例１〜６と比較例１および２について、ゼオライト担体に対するＣｏ担持量（ｗｔ％）とＮＯｘ浄化率との関係を示すグラフである。 第１の触媒を通過後の排気ガスにおけるＮＯｘ濃度、ＮＨ₃濃度と第１の触媒の温度との関係を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態における鞍乗り型車両が備える排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。 図１または図８に示す排気ガス浄化システムを備えた自動二輪車の例を示す図である。 従来の排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に、本実施形態における鞍乗り型車両が備える排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す。本実施形態における鞍乗り型車両は、図１に示すように、内燃機関１と、第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂと、二次空気導入装置３とを備えている。

内燃機関（典型的にはガソリンエンジン）１は、理論空燃比よりも小さい空燃比で燃焼を行う。理論空燃比よりも小さい空燃比、すなわち、燃料リッチ側の空燃比で燃焼を行うことにより、理論空燃比で燃焼を行う場合よりも高い出力を得られる。典型的には、１２．５以上１４．５以下の空燃比で燃焼が行われる。内燃機関１は、キャブレタ（気化器）４から吸気経路５ａを介して混合気を供給される。吸気経路５ａは、内燃機関１の吸気ポートに接続された吸気管５によって囲まれた空間であり、キャブレタ４の上流側には、エアクリーナ６が設けられている。

第１の触媒２Ａは、内燃機関１から燃焼ガスを排出する排気経路７ａ内に設けられており、第２の触媒２Ｂは、排気経路７ａ内において第１の触媒２Ａよりも下流側に設けられている。排気経路７ａは、内燃機関１の排気ポートに接続された排気管７によって囲まれた空間である。

二次空気導入装置３は、排気経路７ａの、第１の触媒２Ａと第２の触媒２Ｂとの間の部分７ａ’に二次空気を導入する。二次空気導入装置３は例えば図示しているように、排気管７に接続された二次空気導入管３ａと、二次空気導入管３ａとエアクリーナ６との間に設けられたリードバルブ３ｂとを含んでいる。リードバルブ３ｂは、エアクリーナ６から二次空気導入管３ａに供給される二次空気の逆流を防止する逆止弁として機能する。なお、二次空気導入装置３は、第１の触媒２Ａと第２の触媒２Ｂとの間に二次空気を導入し得る構成であればよく、二次空気導入装置３の構成はここで例示しているものに限定されない。排気管７の下流側端部には、排気音を低減させるためのマフラ（消音器）８が接続されている。

第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂのそれぞれは、貴金属成分を含んでいる。貴金属成分は、具体的には、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）および金（Ａｕ）の少なくとも１つを含む。第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂの貴金属成分は、内燃機関１から排出される燃焼ガス（排気ガス）中のＣＯ、ＨＣを酸化し、ＮＯｘを還元することによって浄化する。

本実施形態における排気ガス浄化システムの第１の触媒２Ａは、さらに、コバルト（Ｃｏ）または鉄（Ｆｅ）と、ＣｏまたはＦｅを担持する担体としてのゼオライト（「ゼオライト担体」）とを含む。ＣｏおよびＦｅは、アンモニア（ＮＨ₃）を分解する触媒として機能する。また、ゼオライト担体は、ＣｏおよびＦｅの担体としてだけでなく、アンモニアを分解する際の助触媒としても機能する。このように、第１の触媒２Ａは、アンモニア分解成分を含んでいる。

本実施形態における排気ガス浄化システムは、上述した構成を有する第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂを含むことにより、燃料リッチ側の空燃比で燃焼を行う内燃機関１からの排気ガスを高効率で浄化することができる。特に、ＮＨ₃に由来するＮＯｘの生成を防止でき、最終的なＮＯｘ浄化率を向上できる。以下、この理由を具体的に説明する。

まず、図１０に示した従来の排気ガス浄化システム２００を燃料リッチ側の空燃比で燃焼を行う内燃機関に適用した場合において、ＮＯｘの浄化率を十分に高くできない理由を説明する。表１に、従来の排気ガス浄化システム２００の第１の触媒２０２Ａおよび第２の触媒２０２Ｂにおける反応を示す。

第１の触媒２０２Ａでは、式（１）、（２）および（３）で示されているように、ＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘの浄化が行われる。具体的には、ＣＯおよびＨＣは、式（１）および（２）でそれぞれ示されるように、排気ガス中に含まれるＨ₂Ｏと反応してＣＯ₂とＨ₂とを生成する。また、ＮＯｘは、生成されたＨ₂と反応してＮＨ₃とＨ₂Ｏとを生成する。一部のＮＯｘは、式（３）の反応により生成したＮＨ₃と反応して、式（４）に示すようにＮ₂とＨ₂Ｏとに分解されるが、すべてのＮＨ₃がこの反応によって消費されるわけではない。また、式（５）に示されるように分解されるＮＨ₃もわずかである。つまり、従来の排気ガス浄化システム２００では、内燃機関が理論空燃比ではなく燃料リッチ側の空燃比で燃焼を行うため、そもそも排気ガス中におけるＯ₂量が少ない。そのため、上流側の第１の触媒２０２ＡにおけるＮＯｘ浄化の際にＮＨ₃が生成され、その一部が第２の触媒２０２Ｂに供給されてしまう。この現象は、燃料リッチ側の空燃比で燃焼を行う内燃機関から排出される排気ガスを、二次空気を導入しつつ、２つの触媒（二次空気の導入部よりも上流側と下流側とにそれぞれ配置された触媒）で浄化処理する場合に発生する特異なものである。

第２の触媒２０２Ｂでは、式（６）および（７）で示されるように、残りのＣＯ、ＨＣの浄化が行われる。具体的には、ＣＯおよびＨＣは、導入された二次空気中の酸素と反応し、式（６）および（７）でそれぞれ示されるように、酸化されてＣＯ₂あるいはＣＯ₂とＨ₂とを生成する。また、第２の触媒２０２Ｂでは、式（８）で示されるように、ＮＨ₃が酸化されてＮＯｘが生成されてしまう。

このように、従来の排気ガス浄化システム２００では、第１の触媒２０２ＡでＮＯｘがＮ₂だけでなくＮＨ₃にも還元されてしまうので、ＮＨ₃が第２の触媒２０２Ｂで酸化されてＮＯｘが生成されてしまう。そのため、ＮＯｘの浄化率を十分に高くすることができない。

続いて、本実施形態における排気ガス浄化システムを燃料リッチ側の空燃比で燃焼を行う内燃機関１に適用した場合において、ＮＯｘの浄化率を向上できる理由を説明する。表２に、本実施形態における排気ガス浄化システムの第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂにおける反応を示す。

第１の触媒２Ａでは、式（１）、（２）および（３）で示されているように、ＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘの浄化が行われる。式（３）で示されているように、ＮＯｘの還元によりＮＨ₃が生成されるが、本実施形態の第１の触媒２Ａはアンモニア分解成分を含んでいるので、生成されたＮＨ₃は式（５）で示される反応によって分解される。つまり、本実施形態の第１の触媒２Ａでは、式（５）のアンモニア分解反応が主反応として起こる。

そのため、第２の触媒２Ｂでは、式（６）および（７）で示されるような残りのＣＯ、ＨＣの浄化は行われるが、表１の式（８）に示したようなＮＨ₃の酸化反応は減少する。そのため、ＮＯｘの生成が抑制される。

このように、本実施形態における排気ガス浄化システムでは、第１の触媒２Ａに含まれるアンモニア分解成分によってＮＨ₃（ＮＯｘの還元によって生成したＮＨ₃）が分解される。予め第１の触媒２ＡによってＮＨ₃の発生量を減少させているので、第２の触媒２ＢにおけるＮＯｘの生成が抑制され、ＮＯｘの浄化率が向上する。

また、本実施形態における排気ガス浄化システムの第１の触媒２Ａは、アンモニア分解成分としてＣｏまたはＦｅを含んでいる。ＣｏおよびＦｅは、式（５）で表されるアンモニア分解反応を還元雰囲気下で効率的に進めることができる。また、ゼオライト担体は、ＣｏまたはＦｅによるアンモニア分解反応（式（５））を促進することができる。ゼオライトとしては、シリカ／アルミナ比（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃比）が１０ｍｏｌ／ｍｏｌ以上のものを好適に用いることができ、例えば、ＭＦＩ型、ＦＡＵ型、ＢＥＡ型およびＭＯＲ型のゼオライトを好適に用いることができる。ＭＯＲ（モルデナイト）型のゼオライトとしては、例えば東ソー株式会社製のＨＳＺ−６００シリーズを用いることができる。

さらに、本実施形態における排気ガス浄化システムでは、ＣｏまたはＦｅは、ゼオライト担体にイオン交換可能量よりも多く担持されている。ここで、「イオン交換可能量」とは、後述するようなイオン交換反応によってゼオライト中に取り込むことのできるＣｏまたはＦｅの最大量である。本実施形態では、第１の触媒２Ａが、ゼオライト担体にイオン交換可能量よりも多く担持されたＣｏまたはＦｅを含んでいることにより、ＮＯｘの浄化率がいっそう向上する。以下、この理由を詳細に説明する。

ゼオライトは、結晶中に微細孔を有するアルミノ珪酸塩である。ゼオライトは、図２に模式的に示すように、二酸化ケイ素からなる骨格を基本構造として有し、一部のケイ素がアルミニウムに置き換わることによって結晶格子全体が負に帯電している。そのため、ゼオライトは、微細孔内にナトリウムなどのカチオン（陽イオン）を含み、そのことによって電荷のバランスを取っている。このような構造を有するゼオライトを、別の種類のカチオンを含む水溶液中にいれると、微細孔内と水溶液中との間でイオン交換が起こる。つまり、ゼオライトは、微細孔内のカチオンを放出する代わりに、水溶液中のカチオンを取り込む。

ゼオライトを触媒金属の担体として用いる場合、一般的にはこのようなイオン交換反応を利用してゼオライトへの触媒金属の取り込みを行う。そのため、ＣｏやＦｅをゼオライト担体に担持する（Ｃｏ²⁺、Ｆｅ²⁺として微細孔内に取り込まれる）場合でも、通常、これらの元素がイオン交換可能量よりも多く担持されることはない。

これに対し、本実施形態における排気ガス浄化システムの第１の触媒２Ａは、従来の技術常識にいわば反するように、ゼオライト担体にイオン交換可能量よりも多く担持されたＣｏまたはＦｅを含んでいる。図３に、ゼオライト担体へのＣｏ担持量と、ＮＯｘ発生量との関係の例を示す。図３には、ゼオライト担体のＣｏについてのイオン交換可能量が約２．４ｗｔ％の場合を示している。

図３からわかるように、Ｃｏ担持量がイオン交換可能量よりも多いと、ＮＯｘ発生量が顕著に減少する。この理由は明らかではないが、アンモニア分解反応では、ゼロ価のＣｏ（Ｃｏ⁰）が活性種として有効に働くためと考えられる。

Ｃｏ担持量がイオン交換可能量以下である場合、図４に模式的に示すように、ゼオライト担体に担持されたＣｏは、すべてイオン交換によって微細孔内に取り込まれた２価のカチオン（Ｃｏ²⁺）として存在する。Ｃｏ²⁺は、この状態で安定であるので、活性が低い。

一方、Ｃｏ担持量がイオン交換可能量より多い場合、ゼオライト担体に担持されたＣｏには、図５に模式的に示すように、イオン交換によって微細孔内に取り込まれたＣｏ²⁺だけでなく、微細孔以外の部分にイオン交換されずに担持されたゼロ価のＣｏ（Ｃｏ⁰）が存在する。このＣｏ⁰の活性がＣｏ²⁺の活性よりも高いために、Ｃｏ²⁺しか存在しない場合よりもアンモニア分解反応が促進されてＮＯｘ浄化率が向上する。

なお、図４および図５には、ＭＯＲ（モルデナイト）型のゼオライトの骨格を例示している。ゼオライトの骨格は、実際には、立体的な網目状の構造を有しているが、図４および図５では、簡略化して示している。

また、上記の説明はＣｏについて行ったが、Ｆｅについても同様の理由により、担持量がイオン交換可能量よりも多いことによって、ＮＯｘ浄化率を向上させることができる。

ゼオライト担体に対してイオン交換可能量よりも多くＣｏ（またはＦｅ）を担持する方法としては、例えば、通常のイオン交換による担持方法（イオン交換法）を以下のように改変した方法を用いることができる。通常のイオン交換法では、Ｃｏ（またはＦｅ）イオンを含む水溶液にゼオライトを入れてゼオライト中のカチオンと水溶液中のカチオンとを交換した後に、水溶液中の固形分を取り出して洗浄し、乾燥・焼成を行う。これに対し、水溶液中のＣｏの量を、ゼオライトのイオン交換可能量よりも多くしておき、ゼオライトを入れた水溶液（イオン交換可能量よりも多いＣｏを含む）をそのまま蒸発乾固・焼成することにより、ゼオライト担体に対してイオン交換可能量よりも多くＣｏ（またはＦｅ）を担持することができる。勿論、Ｃｏ（またはＦｅ）の担持方法はこの方法に限定されるものではない。

ここで、イオン交換可能量の計算方法を説明する。なお、以下の計算では、Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｏの原子量として表３に示す値を用いた。

ゼオライトとして微細孔中に一価のカチオン（例えばＮａ⁺）を含むものを用いる場合、このゼオライトのＣｏまたはＦｅ（いずれも２価のカチオンとして取り込まれる。）についてのイオン交換可能量（ｍｏｌ）は、下式で表される。

イオン交換可能量［ｍｏｌ］＝ゼオライト中のカチオン量［ｍｏｌ］／２

ゼオライトとして、シリカ／アルミナ比（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃比）が４０ｍｏｌ／ｍｏｌのものを用いる場合、ゼオライト中のＳｉ原子に対するＡｌ原子の割合Ａは、Ａ＝２／４０＝０．０５である。従って、ゼオライトの平均分子量は、（Ｓｉの原子量）×（１−Ａ）＋（Ａｌの原子量）×Ａ＋（Ｏの原子量）×２＝２６．６８１７＋１．３４９１＋３２＝６０．０３０８である。

そのため、１ｇのゼオライトの物質量は、１／６０．０３０８＝０．０１６６５８ｍｏｌであり、１ｇのゼオライトに含まれるＡｌイオンの物質量は、０．０１６６５８×０．０５＝０．０００８３３ｍｏｌである。Ａｌイオンの物質量は、ゼオライト中の一価カチオンの物質量と等しいので、ゼオライト１ｇ当たりのＣｏまたはＦｅについてのイオン交換可能量は、０．０００８３３／２≒０．０００４２ｍｏｌである。

このイオン交換可能量を、ゼオライト担体（ＣｏまたはＦｅを含む）に対するＣｏまたはＦｅのｗｔ％で表わすと、Ｃｏについては２．３９５４９ｗｔ％、Ｆｅについては２．２７２８２３ｗｔ％となる。つまり、シリカ／アルミナ比が４０ｍｏｌ／ｍｏｌのゼオライトを担体として用いる場合、イオン交換可能量（ｗｔ％）は、Ｃｏについては約２．４０ｗｔ％、Ｆｅについては約２．２７ｗｔ％となる。

上述したように、本実施形態の排気ガス浄化システムでは、ＮＯｘの浄化率を大きく向上させることができる。図３からもわかるように、基本的にはゼオライト担体に対するＣｏ（またはＦｅ）の担持量が多いほどＮＯｘ発生量を低減する効果が高い。そのため、ＮＯｘ発生量を十分に低減する観点からは、Ｃｏ（またはＦｅ）の担持量がイオン交換可能量の２倍以上であることが好ましい。

ただし、図３に示しているように、ゼオライト担体に対するＣｏ（またはＦｅ）の担持量がある量を超えると、ＮＯｘ発生量はほとんど変化しなくなる。つまり、ＮＯｘ浄化率の向上効果が頭打ちになる。従って、Ｃｏ（またはＦｅ）の担持量を多くしすぎると、ＮＨ₃の分解に寄与しないＣｏ（またはＦｅ）を増やすことになる。また、Ｃｏ（またはＦｅ）の担持量を多くしすぎると、耐熱性が低下することがある。そのため、製造コストの低減および耐熱性の確保の観点からは、Ｃｏ（またはＦｅ）の担持量は２５ｗｔ％以下であることが好ましく、２０ｗｔ％以下であることがさらに好ましい。

また、第１の触媒２ＡにおけるＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘの浄化反応を好適に進めるためには、第１の触媒２Ａは、０．２ｇ／Ｌ以上の担持量でＲｈを含むことが好ましい。

次に、本実施形態における排気ガス浄化システムを実際に試作し、その効果を検証した結果を説明する。

実施例１〜６および比較例１〜３の排気ガス浄化システムを以下のようにして作製した。実施例１〜６は、第１の触媒２Ａにアンモニア分解成分としてイオン交換可能量よりも多いＣｏを含む本実施形態の排気ガス浄化システムである。これに対し、比較例１の排気ガス浄化システムは、第１の触媒（上流側の触媒）にＣｏつまりアンモニア分解成分を含まない。また、比較例２の排気ガス浄化システムは、第１の触媒（上流側の触媒）にイオン交換可能量よりも少ないＣｏを含む。比較例３の排気ガス浄化システムは、第１の触媒にゼオライト担体の代わりにアルミナ担体を含んでいる。

（実施例１）
まず、蒸留水１００ｇに硝酸コバルト六水和物を２４．７ｇ加えて溶解させ、さらに、シリカ／アルミナ比が４０のＭＦＩ型ゼオライト（Ｃｏについてのイオン交換可能量は約２．４ｗｔ％）４５ｇを加える。この水溶液を５時間撹拌した後に蒸発乾固させ、次いで６００℃で焼成することによって、１０ｗｔ％Ｃｏ−ゼオライトを得た。次に、この１０ｗｔ％Ｃｏ−ゼオライト１２．５ｇと、蒸留水５０ｇ、γアルミナ２６．５ｇ、セリア１０ｇおよびアルミナゾル１０ｇ（１ｇのアルミナに相当）とをボールミルに入れて粉砕し、スラリーを得た。

続いて、このスラリーに直径４５ｍｍで長さ６０ｍｍ、セル数１００ｃｐｓｉのメタルハニカムを浸漬し、その後取り出したメタルハニカムから圧縮空気で余分なスラリーを吹き飛ばした。次に、このメタルハニカムを１２０℃で乾燥、６００℃で焼成することにより、γアルミナ、セリアおよびＣｏ−ゼオライトが合計で１００ｇ／Ｌコーティングされたメタルハニカムを得た。

次に、コーティングされたメタルハニカムを、蒸留水３００ｇにジニトロジアミン白金と硝酸ロジウムとを加えたものに浸漬して所定時間置くことによって、メタルハニカムの表面にＰｔとＲｈを吸着させた。その後、メタルハニカムを１２０℃で乾燥、６００℃で焼成することにより、Ｐｔを１．０ｇ／L、Ｒｈを０．５ｇ／L担持したメタルハニカムを得た。このようにして、貴金属成分、ゼオライト担体およびゼオライト担体にイオン交換可能量よりも多く担持されたＣｏを含む第１の触媒２Ａを作製した。

続いて、直径５４ｍｍで長さ６０ｍｍ、セル数１００ｃｐｓｉのメタルハニカムに市販の酸化触媒材料（Ｐｔ１．０ｇ／Ｌ、Ｒｈ０．５ｇ／Ｌ）をコーティングすることによって第２の触媒２Ｂを作製した。

その後、排気径路７ａの上流側に第１の触媒２Ａ、下流側に第２の触媒２Ｂを取り付け、図１に示した構成の排気ガス浄化システムを作製した。

（実施例２）
第１の触媒２Ａ作製の際の硝酸コバルト六水和物の量を９．３ｇにすること以外は実施例１と同様にして排気ガス浄化システムを作製した。第１の触媒２Ａは、４ｗｔ％Ｃｏ−ゼオライトを含んでいる。

（実施例３）
第１の触媒２Ａ作製の際の硝酸コバルト六水和物の量を１９．３ｇにすること以外は実施例１と同様にして排気ガス浄化システムを作製した。第１の触媒２Ａは、８ｗｔ％Ｃｏ−ゼオライトを含んでいる。

（実施例４）
第１の触媒２Ａ作製の際の硝酸コバルト六水和物の量を５５．６ｇにすること以外は実施例１と同様にして排気ガス浄化システムを作製した。第１の触媒２Ａは、２０ｗｔ％Ｃｏ−ゼオライトを含んでいる。

（実施例５）
第１の触媒２Ａ作製の際のＲｈの担持量を０ｇ／Ｌにする（Ｐｔの担持量は１．０ｇ／Ｌのまま）こと以外は実施例１と同様にして排気ガス浄化システムを作製した。

（実施例６）
第１の触媒２Ａ作製の際のＲｈの担持量を０．２ｇ／Ｌにする（Ｐｔの担持量は１．０ｇ／Ｌのまま）こと以外は実施例１と同様にして排気ガス浄化システムを作製した。

（比較例１）
第１の触媒２Ａ作製の際の硝酸コバルト六水和物の量を０ｇにすること以外は実施例１と同様にして排気ガス浄化システムを作製した。第１の触媒２Ａは、ゼオライトを含んでいるがＣｏを含んでいない。

（比較例２）
第１の触媒２Ａ作製の際の硝酸コバルト六水和物の量を４．５ｇにすること以外は実施例１と同様にして排気ガス浄化システムを作製した。第１の触媒２Ａは、２ｗｔ％Ｃｏ−ゼオライトを含んでいる。

（比較例３）
第１の触媒２Ａ作製の際のＭＦＩ型ゼオライトの代わりにγアルミナを用いること以外は実施例１と排気ガス浄化システムを作製した。第１の触媒２Ａは、１０ｗｔ％Ｃｏ−γアルミナを含んでいる。

表４に、実施例１〜６および比較例１〜３について、作製した排気ガス浄化システムを、Ａ／Ｆが１３．０〜１４．０の範囲に設定された排気量１２５ｃｃの自動二輪車に取り付け、ＥＣＥ４０モードで走行してＮＯｘ浄化率を測定した結果を示す。なお、表４の「Ｃｏ担持量」の欄には、Ｃｏの担体（ゼオライトまたはアルミナ）に対するＣｏの担持量（ｗｔ％）だけでなく、第１の触媒全体におけるＣｏの担持量（ｇ／Ｌ）が併記されている。また、「Ｃｏの担体」の欄には、Ｃｏの担体が何であるかだけでなく、第１の触媒全体におけるＣｏの担体の担持量（ｇ／Ｌ）が記載されている。「判定結果」の欄には、ＮＯｘ浄化率が非常に高い（具体的には７０％以上）場合には「◎」、十分に高い（具体的には５５％以上７０％未満）場合には「○」、十分に高くない（具体的には５５％未満）場合には「×」と記載している。また、図６に、実施例１〜４と比較例１および２について、ゼオライト担体に対するＣｏ担持量（ｗｔ％）とＮＯｘ浄化率との関係を示す。

実施例１〜６と比較例１および２との比較から、ゼオライト担体にイオン交換可能量よりも多くＣｏが担持されている実施例１〜６では、Ｃｏを含まない比較例１やＣｏがイオン交換可能量よりも少なく担持されている比較例２よりも、ＮＯｘ浄化率が向上していることがわかる。また、実施例１、３、４および６と実施例２との比較から、Ｃｏの担持量がイオン交換可能量の２倍よりも多いことによって、ＮＯｘ浄化率がいっそう向上することがわかる。

さらに、実施例１および６と実施例５との比較から、第１の触媒２Ａが０．２ｇ／Ｌ以上の担持量でＲｈを含んでいることが好ましいことがわかる。また、実施例１と比較例３との比較からは、Ｃｏの担体としてアルミナよりもゼオライトを用いることが好ましいことがわかる。

上述したように、本実施形態の排気ガス浄化システムによれば、理論空燃比よりも小さい空燃比で燃焼を行う内燃機関から排出される燃焼ガス中のＮＯｘを高効率で浄化することができる。

なお、本実施形態の排気ガス浄化システムでは、上流側に配置された第１の触媒２Ａで生成されるＮＨ₃を、第１の触媒２Ａに含まれるアンモニア分解成分によって分解するが、ＮＨ₃を分解するために、上流側の触媒ではなく、下流側の触媒（例えば図１０に示した排気ガス浄化システム２００の第２の触媒２０２Ｂ）にアンモニア分解成分を含ませる構成も考えられる。しかしながら、このような構成では、酸化雰囲気下でＮＨ₃とＣＯおよびＨＣの酸化をほぼ同時に行うことになるので、ＮＨ₃が酸化され過ぎてＮＯｘが発生しやすい。あるいは、ＮＯｘの発生を抑制しようとすると、ＣＯやＨＣの浄化率を十分に高くすることができず、これを補うためにさらに他の酸化触媒を追加する必要があるので、製造コストが増加してしまう。これに対し、本実施形態のように、第１の触媒２Ａがアンモニア分解成分を含んでいると、還元雰囲気下でＮＯｘの浄化とＮＨ₃の分解を同時に行うことができるので、上述したような問題が発生しない。

また、本実施形態の排気ガス浄化システムでは、第１の触媒２Ａがアンモニア分解成分を含んでいることにより、従来よりも低温で十分に高いＮＯｘ浄化率を実現することができる。つまり、本実施形態の排気ガス浄化システムは、従来より低い温度でも好適に使用できる。図７は、本実施形態の排気ガス浄化システムおよび従来の排気ガス浄化システム２００について、第１の触媒を通過後の排気ガスにおけるＮＯｘ濃度、ＮＨ₃濃度と第１の触媒の温度との関係を示すグラフである。

図７に示すように、従来の排気ガス浄化システム２００では、６５０℃以上でないとＮＨ₃濃度が高く、最終的なＮＯｘ浄化率が低くなってしまう。これに対し、本実施形態の排気ガス浄化システムでは、第１の触媒２Ａがアンモニア分解成分を含んでいるので、５５０℃以上でＮＨ₃濃度を十分に低くすることができ、最終的なＮＯｘ浄化率を十分に高くすることができる。従って、従来の排気ガス浄化システムの使用温度範囲が６５０℃〜９００℃（図７中の矢印Ａ）であるのに対し、本実施形態の排気ガス浄化システムの使用温度範囲は５５０℃〜９００℃（図７中の矢印Ｂ）である。なお、いずれについても使用温度範囲の上限が９００℃であるのは、９００℃を超えると触媒の耐久性を維持しにくいからである。

従来の排気ガス浄化システム２００では、第１の触媒２０２Ａの温度が早く上昇するように、第１の触媒２０２Ａをエンジン１にある程度近付けて配置していた。本発明によれば、上述したように排気ガス浄化システムの使用温度範囲が低温側に広がるので、第１の触媒２Ａを、内燃機関１から従来よりも離れた位置に配置することができる。例えば、従来の排気ガス浄化システム２００では、第１の触媒２０２Ａがエンジン２０１から１５０ｍｍ〜４００ｍｍ離れた位置に配置される。これに対し、本実施形態の排気ガス浄化システムでは、第１の触媒２Ａは内燃機関１から１５０ｍｍ〜６００ｍｍ離れた位置に配置され得る。

一般に、内燃機関からマフラまでの距離（排気経路に沿った距離）は５００ｍｍ程度である。本実施形態の排気ガス浄化システムでは、第１の触媒２Ａを、内燃機関１から排気経路７ａに沿って５００ｍｍ以上離すことができるので、図８に示すように、第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂの両方をマフラ８内に配置することができる。

第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂの周辺は、浄化反応に伴って発生する反応熱により高温となる。第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂを、図８に示すようにマフラ８内に配置（収容）することにより、周辺部品の軟化や劣化（熱害）を防止することができる。また、第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂを収容するために排気管７を太くする必要がないので、排気管７のレイアウトが容易になり、外観面の利点（意匠性の向上など）も得られる。

本実施形態における排気ガス浄化システムは、ＮＯｘ浄化性能に優れているので、自動二輪車に好適に用いられる。図９に、本実施形態における排気ガス浄化システムを備えた自動二輪車１００を示す。自動二輪車１００は、ライダーが着座するシート１１よりも前方に配置されたエンジン（例えば４ストロークのガソリンエンジン）１と、エンジン１の排気ポートに接続された排気管７と、排気管７に接続され、後輪１２の近傍に配置されたマフラ（消音器）８とを備えている。排気管７内には、図示していないが、第１の触媒２Ａ、第２の触媒２Ｂが設けられており、自動二輪車１００は、さらに、排気管７内に二次空気を導入するための二次空気導入装置３も備えている。

自動二輪車１００では、燃料リッチ側の空燃比でエンジン１が運転されるので、高いエンジン出力が得られ、高いドライバビリティーが得られる。また、自動二輪車１００は、上述した排気ガス浄化システムを備えているので、燃料リッチ側の空燃比で運転されるエンジン１からの排気ガスに含まれるＮＯｘを高効率で浄化できる。そのため、自動二輪車１００は、走行性能と環境性能の両方に優れる。

なお、図１には、キャブレタ４が設けられる構成（キャブレタ方式）を例示したが、自動二輪車１００は、インジェクタが設けられる構成を有してもよい（つまりインジェクション方式で混合気を作り出してもよい。）。

また、本実施形態における排気ガス浄化システムは、自動二輪車に限定されず、ライダーが跨って乗る鞍乗り型車両全般に好適に用いられる。例えば、バギーなどのＡＴＶにも用いられる。一般に、鞍乗り型車両は排気量が小さいので、内燃機関を燃料リッチ側の空燃比で運転することが好ましく、本実施形態の排気ガス浄化システムを搭載する意義が大きい。

排気量が４００ｃｃ以下の単気筒の鞍乗り型車両では、内燃機関がシートよりも前方に配置され、また、マフラが後輪の近傍に配置されるので、内燃機関からマフラまでの距離が長くなる。そのため、マフラ内に第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂを配置した場合、排気ガスがこれらの触媒に到達するまでに排気ガスの温度が低下しやすい。しかしながら、本発明によれば、排気ガス浄化システムの使用温度範囲が低温側に広がるので、このような鞍乗り型車両においてもマフラ内に第１の触媒２Ａおよび第２の触媒２Ｂを配置することができる。

本発明によると、理論空燃比よりも小さい空燃比で燃焼を行う内燃機関を備えた鞍乗り型車両において、ＮＯｘの浄化率を向上させることができる。

１ 内燃機関
２Ａ 第１の触媒
２Ｂ 第２の触媒
３ 二次空気導入装置
３ａ 二次空気導入管
３ｂ リードバルブ
４ キャブレタ
５ 吸気管
５ａ 吸気経路
６ エアクリーナ
７ 排気管
７ａ 排気経路
８ 消音器
１００ 自動二輪車

Claims (8)

1. 理論空燃比よりも小さい空燃比で燃焼を行う内燃機関と、
   前記内燃機関から燃焼ガスを排出する排気経路内に設けられた第１の触媒と、
   前記排気経路内において前記第１の触媒よりも下流側に設けられた第２の触媒と、
   前記排気経路の、前記第１の触媒と前記第２の触媒との間の部分に二次空気を導入する二次空気導入装置と、を備え、
   前記第１の触媒および前記第２の触媒のそれぞれは、Ｐｔ、Ｒｈ、ＰｄおよびＡｕの少なくとも１つを含む貴金属成分を含み、
   前記第１の触媒は、さらに、ゼオライト担体と、前記ゼオライト担体にイオン交換可能量よりも多く担持されたＣｏまたはＦｅと、を含む、鞍乗り型車両。
2. 前記ゼオライト担体に対するＣｏまたはＦｅの担持量は、イオン交換可能量の２倍以上である、請求項１に記載の鞍乗り型車両。
3. 前記ゼオライト担体に対するＣｏまたはＦｅの担持量は、２５ｗｔ％以下である、請求項１または２に記載の鞍乗り型車両。
4. 前記ゼオライト担体に対するＣｏまたはＦｅの担持量は、２０ｗｔ％以下である、請求項１または２に記載の鞍乗り型車両。
5. 前記第１の触媒は、０．２ｇ／Ｌ以上の担持量でＲｈを含む、請求項１から４のいずれかに記載の鞍乗り型車両。
6. 前記内燃機関は、１２．５以上１４．５以下の空燃比で燃焼を行う、請求項１または５に記載の鞍乗り型車両
7. マフラをさらに備え、
   前記第１の触媒および前記第２の触媒は前記マフラ内に配置されている請求項１から６のいずれかに記載の鞍乗り型車両。
8. 前記第１の触媒は、前記内燃機関から前記排気経路に沿って５００ｍｍ以上離れている請求項７に記載の鞍乗り型車両。

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