JP3991447B2

JP3991447B2 - 内燃機関の誘導発熱式浄化装置

Info

Publication number: JP3991447B2
Application number: JP14367598A
Authority: JP
Inventors: 彰男安田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-05-26
Filing date: 1998-05-26
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2018-05-26
Also published as: JPH11336534A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用内燃機関等に付設される排気浄化装置に関するもので、特に、排気浄化のために浄化装置の温度を迅速且つ効率的に上昇させるための加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排気浄化装置の一つである触媒装置においては、触媒が触媒作用を発揮するためには一定温度以上に昇温されなければならない。従って、自動車等の排気浄化装置における触媒の場合、機関始動時等には十分な触媒機能が発揮されにくい。そのため、従来ではこの触媒暖機時間を短縮するため、電気ヒータ等によって直接もしくは間接的に加熱する手段についての種々の提案がなされている。
【０００３】
その提案の一つとして、特開平０８−２８２５０に示すように誘導加熱により触媒を加熱する方法が提案されている。これは、触媒が担持されたモノリス触媒担体の外周に、モノリス触媒担体を誘導加熱するためのコイルが電気絶縁材を介して設けられた誘導発熱式モノリス触媒を備えている。このモノリス触媒担体は、担体が電気抵抗体で形成されることで、担体に誘導電流を発生させる。このため、従来の担体自体に電流を外部から直接通ずる方式、いわゆる直接加熱方式の場合のように触媒担体自体に電極部を形成する必要がなく、電極部の酸化、熱的衝撃による接触抵抗の変化などの問題点が解消される。又、発熱量の調整においては、発振周波数やパルス幅、パルスのデューテイサイクル調整など数多くの方法から最適な方法を用いて制御できるという利点がある。
【０００４】
又、別の排気浄化装置として、ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレートを捕集し、捕集されたパティキュレートを燃焼させるパティキュレートフィルタがある。このパティキュレートを燃焼させる手段についても、上記従来技術と同様な手法、即ち誘導加熱により金属フィルタを加熱し、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼除去する方法が提案されている。（特開平０８−３２６５２２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の誘導発熱式浄化装置では、浄化装置全体を加熱しているため、温度を上昇させる必要のない部位にも加熱することとなり、加熱エネルギが無駄であるとともに所望の温度まで上昇させるには多くの時間が必要であった。具体的には、触媒装置では、触媒装置内の浄化作用を引き起こす触媒金属及びその周辺部位のみ加熱すべきを、担体を含めた触媒全体を加熱していたし、パテキュレートフィルタでは、パティキュレートフィルタ内のパティキュレート付着部分のみを加熱すべきをフィルタ全体を加熱していた。さらに、加熱エネルギの無駄に関しては、排気ガスが上記浄化装置を通って車外に放出されているため、浄化装置全体を加熱すると排ガスによって加熱エネルギが車外へ持ち去られる割合が大きくなるという問題があった。
【０００６】
本発明は、加熱すべき所望の部位に粒子状の磁性体を点在させることで、局所的に加熱して加熱エネルギを大幅に低減させる内燃機関の誘導発熱式浄化装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の排気管に排気ガスを浄化するための触媒が設けられ、該触媒は、触媒担体と、該担体表面上に分散担持された触媒金属粒子と、誘導電流を流すための誘導加熱用コイルとからなり、さらに該触媒は誘導電流によって発熱する磁性体から構成され、該触媒の温度を上昇すべきときには該誘導加熱用コイルを作動させて該磁性体を加熱するコイル通電制御手段を備えた内燃機関の誘導発熱式浄化装置において、前記触媒担体は非磁性体からなり、前記磁性体は触媒担体表面上の触媒金属粒子近傍に粒子状に点在させた内燃機関の誘導発熱式浄化装置が提供される。
【０００８】
すなわち、請求項１の発明では誘導加熱用コイルに通電されて、浄化装置全体に交番磁界が形成される。この交番磁界内に存在する触媒担体表面上に粒子状に点在させた磁性体は電磁誘導作用によって電圧が誘起されて誘導電流が流れる。そして、この誘導電流によってジュール熱が発生する。特に磁性体表面上に多く誘導電流が流れるので、磁性体の粒子表面程加熱温度が大きい。磁性体の表面が高温になると、磁性体近傍の空間及び担体が加熱され、磁性体と触媒金属は近接しているため低温の触媒金属粒子へ熱が伝導又は伝達され、触媒金属は活性温度となり、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ等を分解する。従って請求項１の発明では、触媒担体表面上の触媒金属粒子近傍に粒子状に点在させた磁性体のみ発熱させるので誘導加熱用コイルの通電量を低減でき、加熱エネルギの無駄をなくすことができる。
【０００９】
請求項２の記載の発明によれば、内燃機関の排気管に排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのフィルタが設けられ、該フィルタは非磁性体からなり、該フィルタには誘導電流を流すための誘導加熱用コイルが付設され、誘導電流によって発熱する磁性体を該フィルタの表面上に粒子状に点在させ、該フィルタのパティキュレートを燃焼すべきときには該誘導加熱用コイルを作動させて該磁性体を加熱するコイル通電制御手段を備えた内燃機関の誘導発熱式浄化装置が提供される。
【００１０】
すなわち、請求項２の発明では誘導加熱用コイルに通電されて、浄化装置全体に交番磁界が形成される。この交番磁界内に存在するフィルタ表面上に粒子状に点在させた磁性体は電磁誘導作用によって電圧が誘起されて誘導電流が流れる。そして、この誘導電流によってジュール熱が発生する。特に磁性体表面上に多く誘導電流が流れるので、磁性体の粒子表面程加熱温度が大きい。この熱によって磁性体微粒子周りに付着していた微粒子が加熱燃焼しはじめる。この燃焼によって発生した燃焼熱によって次々に周りのパティキュレートに燃え移り付着した全てのパティキュレートを除去することができる。従って請求項２の発明では、フィルタ表面上に粒子状に点在させた磁性体のみ発熱させるので誘導加熱用コイルの通電量を低減でき、加熱エネルギの無駄をなくすことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第一の実施の形態を図１の図面に基づいて説明する。
車両に搭載された内燃機関（例えばガソリンエンジン）から排出される排気ガスは、排気管３０を通って車外に排出される。この排気ガス中に含まれる有害成分ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化するため、排気浄化装置として、図１に示すような誘導発熱式触媒装置１が排気管３０に設けられている。この誘導発熱式触媒装置１において、２は誘導発熱型のハニカム状モノリス触媒であり、コンバータケース３にシール４及びクッション５を介して支持されている。シール４は、排気ガスが上記モノリス触媒２の外側を通って吹き抜けることを防止するためのものであって、コンバータケース３における排気ガス流れ方向の上流部位に設けられている。クッション５は、上記モノリス触媒２をコンバータケース３に弾性的に支持して、その振動による損傷を防止するためのものであってワイヤネットによって形成されており、上記シール４よりも下流側に設けられている。さらに、シール４及びクッション５内のモノリス触媒２側には上記モノリス触媒全体に交番磁界を発生させるためのコイル７及び一対の電極９ａ、９ｂが設けられ、この電極９ａ、９ｂはバッテリ１１及び高周波発生手段１２が接続されている。尚、図１において、白抜き矢符は排気ガスの流れ方向を示し、上記コンバータケース３は、その上流側と下流側とがコーン状に形成されており、これにより排気ガスをモノリス触媒２に全面に広がるように流入させることができるようになっている。
【００１２】
さらに、上記モノリス触媒２を通過する排気ガス温度（若しくは触媒温度）を検出するための温度検出端子１３と、該温度検出端子１３によって検出される温度に基づいてエンジン始動時に排気ガス温度（触媒温度）が所定値（例えば３００℃）以上になるまで、当該通電を行う通電制御手段１４とが設けられている。
【００１３】
図２に示すように排気ガス流れ方向からみると、上記モノリス触媒２は排気ガス通路である空間１７とコージエライト製の格子状の担体１６からなっている。また、モノリス触媒２の外周にはコイル７が同心円状に形成されている。
【００１４】
さらに、図３には、排気ガスが通過する排気ガス通路１７と担体１６との接触表面の拡大図を示す。排気ガスと担体１６の接触面積を増加させて浄化性能を向上させるために、担体１６の表面は多孔質構造（細孔１８）となっている。そして、細孔１８の内部の細孔表面１９を含めた担体表面上に触媒金属粒子２０と磁性体粒子２１を混在させて担持させている。尚、触媒金属粒子としては白金属金属である白金、ロジウム、パラジウム等の少なくとも一種類を担持し、磁性体粒子２１としてはマグネタイト又は鉄等が用いられる。
【００１５】
次に、上記触媒浄化装置１における具体的な制御及び作用について述べることにする。冷間時、エンジン停止から始動したと検出すると、高周波発生手段１２が作動する。この高周波発生手段１２はコイル７に励磁コイルとして高周波（１０〜１００ＭＨｚ）を印加させ、これによって、担体１６全体に交番磁界が形成される。この交番磁界内に存在する各々の磁性体粒子は電気抵抗体としての電磁誘導作用によって電圧が誘起されて誘導電流が流れ、ジュール熱が発生する。特に、周波数を最適化することによって磁性体粒子表面上に多く誘導電流が流れるので、粒子表面程加熱温度が大きい。この加熱温度上昇についてソレノイドコイルによる昇温特性を図１０に示す。図１０ではソレノイドコイルに２００ＫＨＺ／５ＫＷの交流電流を通電し、このソレノイドコイルの中心と端部に磁性体微粒子として鉄の微粒子（５０〜２００μｍ）を塗布した熱電対によって温度上昇を測定したものである。このように交流電流を８秒程度通電することで磁性体粒子の表面が高温（２５０℃以上）になり、磁性体粒子近傍の空間及び担体が加熱され、低温の触媒金属粒子へ熱が伝導又は伝達される。その結果、触媒粒子の温度が上昇して早期に活性温度になり、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ等を分解する。この時の反応熱及び排気ガスからの受熱によって触媒温度はさらに上昇し、すみやかに触媒全体が活性温度に到達する。この温度上昇は上記温度検出端子１３によって検出され、例えば排気ガス温度が３００℃を超えると、上記温度検出端子１３からの信号により通電制御手段１４が上記通電を断ち、磁性体粒子による加熱を終了する。尚、図１０では磁性体粒子の大きさは５０〜２００μｍではあるが、ｎｍのオーダの大きさの微粒子であっても良い昇温特性が得られる。
【００１６】
次に、本発明の内燃機関の排気浄化装置の第二の実施の形態を図４から図９の図面に基づいて説明する。
５２はディーゼル機関に連結している排気マニホールド、５３は排気マニホルド５２に連結されたフィルタケーシング、５４はケーシング５３内に挿入された多孔質セラミックよりなるフィルタを示す。このフィルタ５４の外周面には、交番磁界を発生させるためのコイル４８及び一対の電極４９ａ、４９ｂが備えられており、この電極４９ａ、４９ｂはバッテリ４７及び高周波発生装置４６へと接続されている。また、このフィルタ５４の外周面とケーシング５３の内周面間には排気ガスの吹き抜けを防止するためにシール部材５５並びにスチールウール５６等が挿入されている。図示のとおりフィルタ５４はフィルタ軸線方向に薄肉壁５７を隔てて互いに並行に延びる多数個のセル５８ａ、５８ｂからなるハニカム構造を有する。第６図及び第７図に示すように各セル５８ａ、５８ｂは正方形断面形状を有し、更に第８図からわかるように各セル５８ａ、５８ｂはそれぞれ交互にどちらか一端が栓５９ａ、５９ｂによって閉塞される。
尚、図５から図７に於て栓５９ａ、５９ｂは斜線で示してある。このような排気ガスフィルタに於いて、フィルタ上流（図８左方）からセル５８ａ内に流入した排気ガスは図８に於いて矢印で示すように多孔質セラミックからなる薄肉壁５７を通過して隣接するセル５８ｂ内に流入し、次いでセル５８ｂの後方開口部から流出する。排気ガス中に含まれるパティキュレートは排気ガスが薄肉壁５７内を通過する際に薄肉壁５７により捕集される。ここで、パティキュレートとは、主として固体状炭素微粒子（ＳＯＯＴ）と有機溶媒可溶分（ＳＯＦ）からなっている。
【００１７】
図９には、この薄肉壁５７を詳細に示している。薄肉壁５７は排気ガス中に含まれるパティキュレートを濾過するため排気ガスが通過できる程度の微小な無数の気孔６２からなっており、気孔６２の表面には無数の磁性体粒子６３を付着させている。尚、排ガスは矢印で示すように排気ガス入口側のセル隔壁６０から排気ガス出口側のセル隔壁６１へ通過している。さらに、排気ガス入口側のセル隔壁６０にも無数の磁性体粒子６３を付着させる。気孔の大きさは、パティキュレートが流入できる程度の大きさにする。具体的には、パティキュレートの平均粒径は１０〜３０ｎｍであり、またパティキュレートは通常直鎖状につながっているため、気孔の大きさはこれより大きくすることが好ましく、望ましくは２５〜４０μｍ程度である。また、気孔は互いに細い通路を介してつながっているため、気孔の大きさはかなり大きくてもこの通路においてトラップされ、隔壁を通過することは殆どない。さらに、パティキュレートをより多く気孔内に入れるため、排気ガスの入口側の気孔の大きさを大きく、そして排気ガスの出口側の気孔の大きさを小さくすることがより好ましい。
【００１８】
上記気孔又は排ガス入口側壁面の表面によって排気ガス中に含まれるパティキュレートはトラップ（付着）される。そして、所定期間、ディーゼル機関が作動すると、上記表面はパティキュレートによって徐々に積み重ねられ、磁性体粒子を覆うとともに排気ガスの通過面積は徐々に狭められていく。その結果、排気ガスが通過するための流通抵抗が大きくなり、トラップされたパティキュレートを燃焼除去すべきと判断する。ここで、燃焼除去する判断手段として、車の走行距離又はディーゼル機関の運転時間が所定値以上の時に燃焼除去すべきと判断してもよいし、パティキュレートフィルタの上流排気管内に圧力センサを設け、この圧力センサの検出値が所定値以上の時に燃焼除去すべきと判断してもよい。上記手段等でパティキュレートを燃焼除去すべきと判断した時には、高周波発生装置４６を作動させてコイル４８に励磁コイルとして高周波（１０〜１００ＭＨｚ）を印加させ、これによって、フィルタ全体に交番磁界を発生させる。この交番磁界内に存在する各々の磁性体粒子は電気抵抗体としての電磁誘導作用によって電圧が誘起されて誘導電流が流れる。そして、この誘導電流によってジュール熱が発生する。特に周波数を最適化することによって磁性体粒子表面上に多く誘導電流が流れるので、粒子表面程加熱温度が大きい。所定期間、交番磁界を発生し続けると磁性体粒子周りに付着していたパティキュレートが加熱燃焼しはじめる。この燃焼によって発生した燃焼熱によって次々に周りのパティキュレートに燃え移り付着した全てのパティキュレートを除去することができる。尚、高周波発生装置４６の作動時間はパティキュレートフィルタのパティキュレートが全て燃焼除去するように予め実験等で定められた値とする。
【００１９】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、誘導発熱によって排気ガスの有害物質を除去するための排気浄化装置を加熱する際、温度上昇の必要な部位へ局所的且つ効率的に加熱熱量を与えることができるので、加熱に必要なエネルギを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態を示す触媒装置の概略構成図である
【図２】図１の触媒装置の断面図である
【図３】図１の触媒装置の中で本発明部分の詳細な断面図である
【図４】第二の実施の形態を示すフィルタ装置の概略構成図である
【図５】図４のフィルタの斜視図である
【図６】図４のＡ−Ａ線に沿ってみたフィルタ端面の一部の側面図である
【図７】図４のＢ−Ｂ線に沿ってみたフィルタ端面の一部の側面図である
【図８】図４のフィルタの軸断面図である
【図９】図４のフィルタ装置の中で本発明部分の詳細な断面図である
【図１０】誘導発熱による温度上昇特性図である
【符号の説明】
１…内燃機関の触媒装置
２…モノリス触媒
１６…担体
１７…空間
１８…細孔
１９…細孔表面
２０…触媒金属粒子
２１…磁性体粒子
５４…フィルタ
６０…排気ガス入口側のセル隔壁
６１…排気ガス出口側のセル隔壁
６２…気孔
６３…磁性体粒子

Claims

内燃機関の排気管に排気ガスを浄化するための触媒が設けられ、該触媒は、触媒担体と、該担体表面上に分散担持された触媒金属粒子と、誘導電流を流すための誘導加熱用コイルとからなり、さらに該触媒は誘導電流によって発熱する磁性体から構成され、該触媒の温度を上昇すべきときには該誘導加熱用コイルを作動させて該磁性体を加熱するコイル通電制御手段を備えた内燃機関の誘導発熱式浄化装置において、前記触媒担体は非磁性体からなり、前記磁性体は触媒担体表面上の触媒金属粒子近傍に粒子状に点在させたことを特徴とする内燃機関の誘導発熱式浄化装置。
内燃機関の排気管に排気ガス中のパティキュレートを捕集するためのフィルタが設けられ、該フィルタは非磁性体からなり、該フィルタには誘導電流を流すための誘導加熱用コイルが付設され、誘導電流によって発熱する磁性体を該フィルタの表面上に粒子状に点在させ、該フィルタのパティキュレートを燃焼すべきときには該誘導加熱用コイルを作動させて該磁性体を加熱するコイル通電制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の誘導発熱式浄化装置。