JP3217130B2 - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの排気浄化装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にエンジンの排気通路には排気ガス
を浄化するための触媒が設けられている。かかる触媒を
用いた排気浄化装置に関しては種々の提案があり、例え
ば、実開昭６１−４９０１４号公報には、排気ガス中の
パティキュレートによる触媒の目詰りを防止するため
に、上記排気通路におけるフィルタの直上流部位に電気
ヒータを設け、フィルタの上流側と下流側との圧力差が
大きくなった際や、排気ガス温度が低いときに上記電気
ヒータを作動させて排気ガスを加熱し、上記パティキュ
レートを燃焼除去することが記載されている。

【０００３】また、実開平２−９４３１６号公報には、
触媒本体に抵抗加熱体による加熱で遠赤外線を放射する
ヒータ及び触媒温度センサを取り付け、触媒温度が低い
ときに上記ヒータを作動させて当該触媒を活性温度まで
昇温させることが記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の触媒本体をヒー
タで加熱する技術は、触媒の早期活性化が図れ有用であ
るが、触媒温度が所定の活性温度まで上昇するのに時間
がかかる、という問題がある。すなわち、エンジンの排
気ガスを浄化するには容量の大きな触媒を必要とし、従
ってその熱容量が大きくなるのが通常である。このた
め、エンジンの冷間始動時においては触媒の温度上昇に
時間がかかり、触媒がその活性温度に到達するまでの未
浄化排気ガスの排出量が多くなってしまう。

【０００５】これに対して、排気通路に１つの大容量の
触媒を設けるのでなく、これを排気通路における上流側
と下流側の２つの触媒に分けて触媒容量を相対的に小さ
くし、そのうちの上流側の触媒に加熱手段を設けること
により、触媒の活性化に要する時間を短縮することが考
えられる。この場合、加熱されるべき上流側の触媒の温
度を検出しながら加熱の制御を行なうことになる。

【０００６】しかし、それでは下流側の触媒が所期の活
性温度に達しているか否かは不明である。従って、上流
側の触媒の加熱によって間接的に下流側の触媒を所期の
活性温度に昇温させる場合、上流側の触媒を過剰に加熱
する結果となり易い。このことは、電力の節約の点から
は不利である。

【０００７】

【課題を解決するための手段及びその作用】本発明は、
このような課題に対し、直接的には上流側の触媒を加熱
手段によって加熱するが、その場合の温度制御の対象と
なる触媒を下流側の触媒の温度に基づいて上流側触媒と
下流側触媒とで切り換えることにより、その解決を図る
ものである。以下、上記課題を解決する各手段について
説明する。

【０００８】−第１の手段（請求項１）及びその作用− 第１の手段は、エンジンの排気通路に排気ガス浄化用の
第１触媒が設けられているとともに、上記排気通路にお
ける第１触媒よりも上流部位に排気ガス浄化用の第２触
媒が設けられ、この第２触媒に当該第２触媒を加熱する
電気加熱手段が設けられているエンジンの排気浄化装置
であって、上記第１触媒の温度を検出する第１温度検出
手段と、上記第２触媒の温度を検出する第２温度検出手
段と、上記第１温度検出手段によって検出される第１触
媒の温度が所定の活性温度に達する前は、上記第２温度
検出手段によって検出される第２触媒の温度に基づいて
当該第２触媒が目標温度になるように上記加熱手段の作
動を制御し、上記第１触媒の温度が上記活性温度に達し
た後は、当該第１触媒が目標温度になるように上記加熱
手段の作動を制御する制御手段とを備え、上記第１触媒
の目標温度は、上記活性温度であり且つ上記第２触媒の
目標温度よりも低いことを特徴とする。

【０００９】上記触媒としては、三元触媒であっても、
希薄空燃比においてＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化に有効
な所謂ＮＯｘ浄化用触媒であってもよい。また、上記加
熱手段については、これを電気的なものに限定している
が、それはその作動の制御が容易だからである。また、
第１触媒と第２触媒とは、各々別個の容器に装填して下
流側と上流側とに配置してなるものであっても、同一容
器内に隙間を存して下流側と上流側とに位置するように
装填されてなるものであってもよい。

【００１０】上記手段においては、上流側に位置する第
２触媒からの熱の伝達によってその下流側の第１触媒が
加熱され、この第１触媒の温度上昇を図ることができ
る。特に、上流側の第２触媒が活性温度に達した後は、
当該触媒反応熱によって加熱された排気ガスが下流側の
第１触媒に流れるから、この第１触媒の早期昇温が図れ
ることになる。

【００１１】しかして、本手段においては、第１触媒が
所定の活性温度に達するまでは第２触媒の温度を基準に
して加熱手段の作動を制御するから、当該第２触媒の温
度の過度上昇を防止しながら、該第２触媒を目標温度ま
で昇温させることができる。すなわち、当初から下流側
の第１触媒の温度を基準にして加熱手段の作動を制御す
ると、第１触媒の早期昇温を図ることは可能になって
も、加熱手段によって直接加熱される上流側の第２触媒
の温度が異常に上昇する懸念があるが、本手段によれば
かかる事態を避けることができる。

【００１２】また、第１触媒が上記活性温度に達した後
はこの第１触媒の温度を基準に加熱手段の作動を制御す
るから、第１触媒の温度の過度上昇を防止しながら、第
２触媒を無駄に加熱することを避けて電力を節約するこ
とができる。すなわち、下流側の第１触媒の目標温度の
方が上流側の第２触媒の目標温度よりも低いから、この
上流側の第２触媒を温度制御の対象とした状態を続ける
と、第２触媒からの伝熱によって下流側の第１触媒の温
度が目標とする活性温度を越えて上昇する懸念がある
が、この第１触媒が活性温度に達した後は、温度制御の
対象をこの第１触媒の方に切り換えるから、第１触媒の
温度の過度上昇を避けることができるとともに、第２触
媒を無駄に加熱することを避けることができる。

【００１３】また、上記第１触媒の目標温度の方が上記
第２触媒の目標温度よりも低いから、第２触媒をその目
標温度となるように加熱手段によって加熱すれば、この
第２触媒からの伝熱によって加熱される第１触媒はその
目標温度に早く達することになる。よって、第２触媒の
温度制御から第１触媒の温度制御へと速やかに移行する
ことが可能になるから、第２触媒を無駄に加熱すること
を避けて電力を節約する上で有利になる。また、第１触
媒の温度制御に移行した後も、第２触媒は加熱手段によ
って加熱されるが、その目標温度が高いから、第２触媒
の温度がその目標温度を越えて過度に上昇することが避
けられ、第２触媒の熱劣化防止に有利なる。

【００１４】−第２の手段（請求項２）及びその作用− 第２の手段は、上記第１の手段と同様に第１触媒、第２
触媒及び第２触媒を加熱する加熱手段を備えているエン
ジンの排気浄化装置を前提とし、上記第１触媒の温度を
検出する第１温度検出手段と、上記第２触媒の温度を検
出する第２温度検出手段と、上記第１温度検出手段によ
って検出される第１触媒の温度が所定の活性温度に達す
る前は、上記第２温度検出手段によって検出される第２
触媒の温度に基づいて当該第２触媒が目標温度になるよ
うに上記加熱手段の作動をフィードバック制御し、上記
第１触媒の温度が上記活性温度に達した後は、上記第１
温度検出手段によって検出される第１触媒の温度に基づ
いて当該第１触媒が目標温度になるように上記加熱手段
の作動をフィードバック制御する制御手段とを備え、上
記第１触媒の目標温度は、上記活性温度であり且つ上記
第２触媒の目標温度よりも低い点に特徴がある。

【００１５】本手段においては、第１触媒が活性温度に
達するまでは第２触媒の温度を基準にして加熱手段の作
動を制御するから、当該第２触媒の温度の過度上昇を防
止しながら、該第２触媒を所期の活性温度まで昇温させ
ることができる。すなわち、当初から下流側の第１触媒
の温度を基準にして加熱手段の作動を制御すると、第１
触媒の早期昇温を図ることは可能になっても、加熱手段
によって直接加熱される上流側の第２触媒の温度が異常
に上昇する懸念があるが、本手段によればかかる事態を
避けることができる。

【００１６】また、第１触媒が活性温度に達した後はこ
の第１触媒の温度を基準に加熱手段の作動を制御し、し
かもこの第１触媒の目標温度は上記活性温度であり且つ
上記第２触媒の目標温度よりも低いから、先に説明した
第１の手段と同様に、第１触媒の温度の過度上昇を避け
ることができるとともに、第２触媒を無駄に加熱するこ
とを避けて電力を節約することができ、さらに第２触媒
の温度がその目標温度を越えて過度に上昇することが避
けられ、第２触媒の熱劣化防止に有利なる。

【００１７】−第３の手段（請求項３）及びその作用− 第３の手段は、上記各手段における加熱手段によって直
接加熱される第２触媒の容量を下流側の第１触媒のそれ
よりも小さくした点に特徴がある。すなわち、このよう
にすると、第２触媒の早期昇温を図る上で有利になり、
それだけ、エンジンの冷間始動時における未浄化排気ガ
スの排出を抑えることができる。

【００１８】−第４の手段（請求項４）及びその作用− 第４の手段は、上記各手段に好適な触媒の種類に関する
ものであり、上記第２触媒が第１触媒よりも低温側で活
性が発現する低温活性触媒である点に特徴がある。

【００１９】この場合、例えば三元触媒においては、第
１触媒として白金、パラジウム及びセリウムを触媒成分
として含有するものを採用し、第２触媒として白金、パ
ラジウム及びセリウムの他にバリウムを含有するものを
採用することが好適である。このようにすれば、第２触
媒は第１触媒よりも低温側で活性が発現する低温活性触
媒となる。さらに、第２触媒の方に上記セリウム及びバ
リウムに加えてジルコニウムを含有するものを採用する
と、該第２触媒の耐熱性を高めることができる。また、
担体としては、アルミナペレット担体、一体成形のコー
ディライト製モノリス担体にアルミナコーティングを行
ない使用するもの、さらには金属箔ハニカム担体を用い
るものなどを適宜採用することができる。

【００２０】しかして、本手段においては、上流側の第
２触媒が低温活性であるから、当該第２触媒を早期に活
性温度まで昇温させて未浄化排気ガスの排出を防止する
上で有利になる。

【００２１】また、上述の如く、第２触媒を耐熱性が高
いものにすると、第２触媒を比較的高い温度にまで加熱
することが可能になり、第１触媒の早期昇温を図る上で
有利になる。

【００２２】

【発明の効果】従って、上記第１の手段によれば、エン
ジンの排気通路に排気ガス浄化用の第１触媒が設けられ
ているとともに、その上流側に電気加熱手段を備えた排
気ガス浄化用の第２触媒が設けられ、第１触媒の温度が
所定の活性温度に達する前は、第２触媒が目標温度にな
るように、また、上記第１触媒の温度が上記活性温度に
達した後は、当該第１触媒がその活性温度に相当する目
標温度になるように、それぞれ上記加熱手段の作動を制
御する制御手段を備え、第１触媒の目標温度の方が上記
第２触媒の目標温度よりも低いから、当該第２触媒の温
度の過度上昇を防止しながら、該第２触媒を所期の活性
温度まで昇温させることができるとともに、第１触媒が
所定の温度に達した後に第２触媒を無駄に加熱すること
を避けて電力を節約することができ、さらに第２触媒の
劣化を防止することができる。

【００２３】また、上記第２の手段によれば、第１触媒
の温度が所定の活性温度に達する前は、第２触媒が目標
温度になるように、また、上記第１触媒の温度が上記活
性温度に達した後は、当該第１触媒がその活性温度に相
当する目標温度（上記第２触媒の目標温度よりも低い）
になるように、それぞれ上記加熱手段の作動をフィード
バック制御するので、当該第２触媒の温度の過度上昇を
防止しながら、該第２触媒を所期の活性温度まで昇温さ
せることができるとともに、第１触媒が所定の温度に達
した後に第２触媒を無駄に加熱することを避けて電力を
節約することができ、さらに第２触媒の劣化を防止する
ことができる。

【００２４】また、第３の手段によれば、加熱手段によ
って直接加熱される第２触媒の容量を下流側の第１触媒
のそれよりも小さくしたから、第２触媒の早期昇温を図
って未浄化排気ガスの排出を抑えることができる。

【００２５】また、第４の手段によれば、上記第２触媒
が第１触媒よりも低温側で活性が発現する低温活性触媒
であるから、当該第２触媒を早期に活性温度まで昇温さ
せて未浄化排気ガスの排出を防止することができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００２７】−全体構成− 図１にエンジンの排気浄化装置の全体構成が示されてい
る。同図において、１はエンジン本体、２は吸気通路、
３は排気通路である。吸気通路２には、その上流側か
ら、エアクリーナ４、エアフローセンサ５、スロットル
バルブ６、サージタンク７が順に設けられている。排気
通路３には、主触媒としての第１触媒８が設けられてい
るとともに、該第１触媒８の上流側にヒータ付き前置き
触媒としての第２触媒９が設けられている。この各触媒
８，９には、それぞれの触媒温度を検出する第１及び第
２の温度検出手段１０，１１が設けられている。さら
に、上記第２触媒９の上流側にはＯ₂センサ２０が設け
られている。

【００２８】上記第１及び第２の触媒８，９はいずれも
三元触媒である。第１触媒８は、セリウムを触媒成分と
して含有する。第２触媒９は、セリウムの他にバリウム
及びジルコニウムを触媒成分として含有する耐熱性が高
い低温活性触媒である。また、当該両触媒８，９は、一
体成形のコーディライト製モノリス担体に上記触媒成分
がアルミナコーティングされて形成されている。そし
て、主触媒としての第１触媒８の容量は第２触媒の２倍
である。

【００２９】また、上記エアクリーナ４におけるフィル
タ４ａの下流部位から上記排気通路３におけるＯ₂セン
サ２０とヒータ付き前置き触媒９との間の部位に２次エ
ア供給通路１２が延設されている。この２次エア供給通
路１２には、その上流側から、エアポンプ１３、エアカ
ットバルブ１４、チェックバルブ１５が順に設けられて
いる。エアカットバルブ１４の作動圧はエンジンの吸気
負圧であって、そのために、上記サージタンク７から上
記エアカットバルブ１４に負圧取出通路１６が延設さ
れ、該負圧取出通路１６に三方ソレノイドバルブ１７が
設けられている。

【００３０】本例の場合、２次エアは主として上記触媒
８，９の流入空燃比をフィードバック制御するために用
いられるものである。すなわち、三方ソレノイドバルブ
１７の作動は、マイクロコンピュータを用いたコントロ
ールユニット１８により、上記Ｏ₂センサ２０を信号源
として制御される。

【００３１】また、上記ヒータ付き第２触媒９における
ヒータは、バッテリ１９を電源とする電気ヒータであっ
て、通電制御手段を備えた上記コントロールユニット１
８によって通電が制御されるようになされている。この
通電制御は、エンジンの吸気温度センサ、エンジン冷却
水温度センサ、排気ガス温度センサ、エンジンのスター
タスイッチ、触媒温度センサ１０，１１等を信号源とし
て行なわれる。以下、通電制御手段について説明する。

【００３２】−通電制御手段− 本例の構成は図２に示されている。同図において２１は
通電制御手段であり、上記第１温度検出手段１０によっ
て検出される第１触媒８の温度Ｔ1 に基づいて当該第１
触媒８が目標温度Ｔ1oになるように加熱手段（上記電気
ヒータ）２５の作動をフィードバック制御する第１制御
部２２と、上記第２温度検出手段１１によって検出され
る第２触媒９の温度Ｔ2 に基づいて当該第２触媒９が目
標温度Ｔ2oになるように上記加熱手段２５の作動をフィ
ードバック制御する第２制御部２３と、上記第１制御部
２２と第２制御部２３との間で制御を切換える制御切換
部２４とを備えてなる。

【００３３】上記制御切換部２４は、第１触媒８の温度
Ｔ1 が所定の活性温度（本例の場合は上記目標温度）Ｔ
1oに達する前は上記第２制御部２３が制御を実行し、上
記第１触媒８の温度Ｔ1 が上記活性温度Ｔ1oに達した後
は上記第１制御部２２が制御を実行するよう、制御の切
換を行なう。また、上記第１触媒８の目標温度Ｔ1oと第
２触媒９の目標温度Ｔ2oとは、Ｔ1o＜Ｔ2oの関係にあ
り、例えば、Ｔ1o＝３５０℃、Ｔ2o＝５００℃とされ
る。また、上記通電制御の開始と終了とは開始終了判定
手段２６によって行なわれる。

【００３４】通電制御の具体的な内容は図３にフローで
示されている。エンジンの始動開始時における上述の吸
気温度、冷却水温度、排気ガス温度等が開始終了判定手
段２６によって読み込まれ、すべてが所定値以下である
ときに、スタータＳＷ（スタータスイッチ）がＯＮにな
った場合に、通電制御が開始される（ステップＳ１〜Ｓ
３）。また、開始終了判定手段２６は制御開始と同時に
通電タイマをＯＮとする。この通電タイマは、通電制御
を終了するためのものであり、その設定時間は、加熱手
段２５の作動がなくとも触媒８が活性温度を維持し得る
ようになる時間を実験的に求めて定められている。

【００３５】上記開始終了判定手段２６による通電制御
開始の判定があると、制御切換部２４は第１温度検出手
段１０によって検出される第１触媒８の温度Ｔ1 （図４
に破線で示されている）が目標温度Ｔ1oに達するまで
は、第２制御部２３に通電制御（フィードバック制御）
を実行させる（ステップＳ４，Ｓ５）。すなわち、第２
制御部２３は、第２温度検出手段１１によって検出され
る第２触媒９の温度Ｔ2に基づき、該温度Ｔ2 が目標温
度Ｔ2o未満であれば通電をオンとし、当該温度Ｔ2 が目
標温度Ｔ2o以上であれば通電をオフとする通電制御を実
行する（図４の実線参照）。

【００３６】この場合、上記第２触媒９は、低温活性で
あるから、目標温度Ｔ2oに達する前（さらに言えば、第
１触媒８の目標温度Ｔ1oに達する前）から活性が発現
し、排気ガスの浄化を開始する。また、第２触媒９は、
その容量が小さいから早期に目標温度Ｔ2oに達し高い浄
化率が得られ、エンジンの冷間始動時における未浄化排
気ガスの排出を防止する上で有利になる。さらに当該通
電制御の場合、第２触媒９が目標温度Ｔ2oを大きく上回
ることは防止されるから、当該触媒の熱劣化の問題はな
い。

【００３７】さらに、第２触媒９は、耐熱性が高いた
め、目標温度Ｔ2oが高くとも、劣化することなく排気ガ
スの浄化が可能であり、そして、このように目標温度Ｔ
2oを高くすることができるから、間接的に第１触媒８の
早い温度上昇を図る上で有利になる。

【００３８】しかして、上記第１温度検出手段１０によ
って検出される第１触媒８の温度Ｔ1 が目標温度Ｔ1oに
達した場合、第２制御部２３の制御に代わって第１制御
部２２が通電制御（フィードバック制御）を実行するこ
とになる（ステップＳ４→Ｓ６）。すなわち、第１制御
部２２は、第１温度検出手段１０によって検出される第
１触媒９の温度Ｔ1 に基づき、該温度Ｔ1 が目標温度Ｔ
1o未満であれば通電をオンとし、当該温度Ｔ1 が目標温
度Ｔ1o以上であれば通電をオフとする通電制御を実行す
る。

【００３９】これにより、図４に破線で示すように、第
１触媒８の温度Ｔ1 は目標温度Ｔ1oに沿って昇降しこの
目標温度Ｔ1oを大きく上回ったり、逆に大きく下回るこ
とが防止されるものである。つまり、直接的には第２触
媒９を加熱しながらも、第１触媒８を目標温度Ｔ1o付近
に維持することができるため、排気ガスの浄化率を高め
る上で有利であり、また、第１触媒８が目標温度Ｔ10に
達している場合には、第２触媒９を無駄に加熱する必要
はなく、電力の節約を図る上で有利になる。

【００４０】そうして、通電タイマの設定時間が経過す
ると、加熱手段２５の作動がなくとも第１触媒８が活性
温度を維持し得るとして、開始終了判定手段２６によっ
て通電制御が終了される（ステップＳ７，Ｓ８）。

【図面の簡単な説明】

【図１】エンジンの排気浄化装置の全体構成図

【図２】通電制御手段の構成を示すブロック図

【図３】触媒温度の経時変化を示すグラフ図

【図４】通電制御のフロー図

【符号の説明】

１ エンジン本体 ３ 排気通路 ８ 第１触媒 ９ 第２触媒 １０ 第１温度検出手段 １１ 第２温度検出手段 １８ コントロールユニット １９ バッテリ ２１ 通電制御手段 ２２ 第１制御部 ２３ 第２制御部 ２４ 制御切換部 ２５ 加熱手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河添 覚 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−10117（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01N 3/20 F01N 3/24

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの排気通路に排気ガス浄化用の第
   １触媒が設けられているとともに、上記排気通路におけ
   る第１触媒よりも上流部位に排気ガス浄化用の第２触媒
   が設けられ、この第２触媒に当該第２触媒を加熱する電
   気加熱手段が設けられているエンジンの排気浄化装置に
   おいて、 上記第１触媒の温度を検出する第１温度検出手段と、 上記第２触媒の温度を検出する第２温度検出手段と、 上記第１温度検出手段によって検出される第１触媒の温
   度が所定の活性温度に達する前は、上記第２温度検出手
   段によって検出される第２触媒の温度に基づいて当該第
   ２触媒が目標温度になるように上記加熱手段の作動を制
   御し、上記第１触媒の温度が上記活性温度に達した後
   は、当該第１触媒が目標温度になるように上記加熱手段
   の作動を制御する制御手段とを備え、 上記第１触媒の目標温度は、上記活性温度であり且つ上
   記第２触媒の目標温度よりも低いことを特徴とするエン
   ジンの排気浄化装置。
2. 【請求項２】エンジンの排気通路に排気ガス浄化用の第
   １触媒が設けられているとともに、上記排気通路におけ
   る第１触媒よりも上流部位に排気ガス浄化用の第２触媒
   が設けられ、この第２触媒に当該第２触媒を加熱する電
   気加熱手段が設けられているエンジンの排気浄化装置に
   おいて、 上記第１触媒の温度を検出する第１温度検出手段と、 上記第２触媒の温度を検出する第２温度検出手段と、 上記第１温度検出手段によって検出される第１触媒の温
   度が所定の活性温度に達する前は、上記第２温度検出手
   段によって検出される第２触媒の温度に基づいて当該第
   ２触媒が目標温度になるように上記加熱手段の作動をフ
   ィードバック制御し、上記第１触媒の温度が上記活性温
   度に達した後は、上記第１温度検出手段によって検出さ
   れる第１触媒の温度に基づいて当該第１触媒が目標温度
   になるように上記加熱手段の作動をフィードバック制御
   する制御手段とを備え、 上記第１触媒の目標温度は、上記活性温度であり且つ上
   記第２触媒の目標温度 よりも低い ことを特徴とするエン
   ジンの排気浄化装置。
3. 【請求項３】上記第２触媒は第１触媒よりも小容量であ
   る請求項１又は請求項２に記載のエンジンの排気浄化装
   置。
4. 【請求項４】上記第２触媒は第１触媒よりも低温側で活
   性が発現する低温活性触媒である請求項１乃至請求項３
   のいずれか一つに記載のエンジンの排気浄化装置。