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JPH04279718A - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents

内燃機関の排ガス浄化装置

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JPH04279718A
JPH04279718A JP3043828A JP4382891A JPH04279718A JP H04279718 A JPH04279718 A JP H04279718A JP 3043828 A JP3043828 A JP 3043828A JP 4382891 A JP4382891 A JP 4382891A JP H04279718 A JPH04279718 A JP H04279718A
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heater
catalyst
temperature
energization
exhaust gas
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Koji Yoshizaki
康二 吉▲崎▼
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Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排ガス浄化装
置に係り、特にヒータ付触媒のヒータを通電することに
よって触媒の暖機を促進させるようにした、内燃機関の
排ガス浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の排気浄化のための触媒は、一
般に所定の温度に達しないと活性化せず、浄化機能が得
られない。内燃機関における触媒は排ガスによって加熱
されるが、特に冷間始動時には排気温が低く、しかも内
燃機関本体が未だ暖機されていないことから燃料の燃焼
率も悪く、排気浄化が困難である。
【０００３】そこで、触媒を加熱するためのヒータを設
け、そのヒータを通電することにより触媒を強制的に加
熱し、触媒が活性温度範囲内に達したことを温度センサ
で検出した時点で、温度センサの出力に基づき上記ヒー
タへの通電を停止するようにした、排ガス浄化装置が従
来より知られている（実開昭４９−１２４４１２号公報
）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
装置では温度センサが触媒の後部という極めて高温の部
位に設けられて排ガス温度を検出するようにしているた
め、故障する可能性が高い。かかる温度センサの故障に
はショートやオープンなどがある。温度センサのショー
ト時には温度センサの検出温度が上がらないため、ヒー
タへの通電が続き、オーバーヒートや触媒の損傷やバッ
テリへのダメージなどが生じることがある。また、温度
センサのオープン時には高温検出出力と等価な誤検出信
号が出力されるため、ヒータへの通電が行なわれないた
め、触媒が活性化せず排気エミッションが悪化してしま
う。
【０００５】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
機関冷却水温に応じた時間触媒を加熱することにより、
上記の課題を解決した内燃機関の排ガス浄化装置を提供
することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理構成
図を示す。本発明は内燃機関１０の排気通路１１に設置
され、排気浄化を行なうための触媒１２ａ及びヒータ１
２ｂからなるヒータ付触媒１２と、ヒータ１２ｂを通電
して触媒１２ａを加熱する通電手段１３とを備える排ガ
ス浄化装置において、演算手段１４と通電制御手段１５
とを有するようにしたものである。
【０００７】上記の演算手段１４は少なくともヒータ付
触媒１２の熱容量、消費電力、ヒータ設定温度及び機関
冷却水温に基づいて、ヒータ付触媒１２のヒータ１２ｂ
への通電時間を算出する。
【０００８】また、上記の通電制御手段１５は通電手段
１３による通電開始時点から上記通電時間経過した時に
、通電手段１３によるヒータ１２ｂへの通電を停止する
。
【０００９】
【作用】上記の演算手段１４により算出されるヒータ通
電時間は、予め設定された一定時間ではなく、算出時点
における内燃機関１０の機関冷却水温及びその他の定数
（ヒータ設定温度、熱容量、消費電力など）によって定
まる可変時間であって、このヒータ通電時間ヒータ１２
ｂを通電した時にヒータ１２ｂの温度が設定温度に達す
るであろうと推定される時間である。
【００１０】従って、本発明では、演算手段１４により
算出されたヒータ通電時間だけヒータ１２ｂへの通電を
行なうように通電制御手段１５が作動することにより、
ヒータ１２ｂを常に設定温度近傍の温度に加熱すること
ができる。
【００１１】
【実施例】図２は本発明の一実施例の構成図を示す。同
図中、２１はエンジンで、前記内燃機関１０に相当する
。このエンジン２１の燃焼室は排気弁（いずれも図示せ
ず）を介してエキゾーストマニホルド２２（前記排気通
路１１に相当）に連通されている。エキゾーストマニホ
ルド２２はその出口にＡＩ（エア・インジェクション）
導入口２３が設けられ、更にそのＡＩ導入口２３の下流
側のヒータ付触媒２４（前記ヒータ付触媒１２に相当）
に連通されている。ヒータ付触媒２４の下流側はスター
トキャット２５及びメイン触媒２６が順次配設されてい
る。スタートキャット２５は小容量の触媒であり、本実
施例はヒータ付触媒２４及びメイン触媒２６と共に、３
つの触媒の夫々において触媒作用により排ガス浄化を行
なう。ヒータ付触媒２４には正電極２７と負電極２８が
設けられている。ヒータ付触媒２４の近くには、ヒータ
温度検出用の例えば熱電対による温度検出器２９が設け
られている。上記の負電極２８はバッテリ３０の負端子
に接続され、また上記の正電極２７はコントローラ３１
を介してバッテリ３０の正端子に接続されている。バッ
テリ３０はコントローラ３１と共に前記した通電手段１
３を構成している。
【００１２】コントローラ３１はライン３２を介してヒ
ータ付触媒２４の端子電圧が入力され、またライン３３
を介してバッテリ３０の端子電圧が入力される。また、
コントローラ３１は異常表示部３４、水温センサ３５及
び吸気温センサ３６に夫々接続されている。水温センサ
３５はエンジン２１の機関冷却水温を検出するセンサで
あり、図示は省略したが、エンジン２１のエンジンブロ
ックに取付けられている。吸気温センサ３６はエンジン
２１のインテークマニホルド３７の上流側のエアフロー
メータ（図示せず）付近に設けられており、吸気温を検
出するセンサである。更に、異常表示部３４はバッテリ
３０の異常表示とヒータ付触媒２４の異常表示とを、コ
ントローラ３１の指示に従って行なえる構成とされてい
る。
【００１３】ヒータ付触媒２４には、例えば本出願人が
先に実開昭６３−６７６０９号公報で開示した図３及び
図４に示す如き断面をもつ触媒を使用できる。図４は図
３の軸線と直角方向の断面図を示す。両図において、ケ
ース４１内に、セラミック製のハニカム状モノリス担体
に触媒を担持させた主モノリス触媒４２と、メタルモノ
リス触媒４３とが排ガス通過方向に隣接して設けられて
いる。
【００１４】メタルモノリス触媒４３は図４に示すよう
に、ハニカム状のメタルモノリス担体にγアルミナコー
トを施したモノリス触媒である。メタルモノリス触媒４
３の外周は金属性の外枠４４を介してケース４１により
支持されている。主モノリス触媒４２の外周とケース４
１との間には、上流側にガス吹き抜け防止用のシール４
５が設けられ、下流側にワイヤネットなどからなるクッ
ション４６が設けられている。
【００１５】メタルモノリス触媒４３の排ガス通過方向
に延びる中心軸線上には、図３及び図４に示すように前
記した正電極２７が設けられている。また、外枠４４は
、前記した負電極２８を兼ねている。
【００１６】上記の正電極２７と負電極２８との間に通
電を行なうと、メタルモノリス触媒４３が通電による発
熱によって加熱する。これにより、メタルモノリス触媒
４３の触媒成分を活性化温度にするとともに、主モノリ
ス触媒４２の入ガス温度も昇温し、主モノリス触媒４２
により排ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ
）を低減させる。
【００１７】次に図２のコントローラ３１による前記し
た演算手段１４及び通電制御手段１５を実現する処理の
各実施例について説明する。図５及び図６は上記処理の
第１実施例を示すフローチャートである。まず、イグニ
ッションスイッチがオンとされると（ステップ１０１）
、ヒータ付触媒２４のヒータを設定温度Ｔａにするため
に必要と推定される通電時間ｔが次式の演算によって算
出される（ステップ１０２）。
【００１８】
【数１】
【００１９】ただし、上式中、Ｔａはヒータ設計温度で
、例えば４００℃、Ｃはヒータ付触媒２４の熱容量、Ｗ
はヒータ付触媒２４の消費電力、α，βは夫々係数、Ｔ
ｗａｔｅｒ　は水温センサ３５で検出された信号に基づ
いて得られる機関冷却水温、Ｔａｉｒ　は吸気温センサ
３６で検出された信号に基づいて得られる吸気温である
。
【００２０】上式中、２７３α／（２７３＋Ｔｗａｔｅ
ｒ　）はヒータ付触媒２４の温度推定値を表わし、また
２７３β／（２７３＋Ｔａｉｒ　）は放熱分係数を表わ
している。 ここで、ヒータ設定温度Ｔａ、熱容量Ｃ、消費電力Ｗは
既知であるが、機関冷却水温Ｔｗａｔｅｒ　及び吸気温
Ｔａｉｒ　は算出時点で異なる値であるから、ヒータ付
触媒２４の推定温度に応じて上記通電時間ｔが可変され
る。
【００２１】すなわち、本実施例ではヒータ付触媒温度
を機関冷却水温Ｔｗａｔｅｒ　に基づいて推定し、その
推定温度から通電時間を主として定め、それに吸気温で
補正を加えた時間を通電時間ｔとして算出している。こ
れにより、本実施例ではヒータ付触媒２４が低温の時に
通電開始されたときは比較的長時間通電され、高温の時
に通電開始されたときは短時間通電されることで、いず
れもヒータ設定温度Ｔａ又はその付近の温度にまで昇温
することができる。従って、通電時間を常に一定にした
場合に、ヒータ付触媒２４が高温のときから通電開始し
たときにヒータが損傷するようなことを防止することが
できる。
【００２２】上記の通電時間ｔの算出が終わると、次に
図５のステップ１０３に進んでコントローラ３１はバッ
テリ３０の端子電圧をチェックし、所定値以上あること
を確認してからヒータ付触媒２４のヒータへの通電（以
下、単に通電ともいう）を開始する（ステップ１０４）
。続いて、ヒータ付触媒端子電圧をチェックし（ステッ
プ１０５）、所定値以上であることを確認してからバッ
テリ３０の端子電圧をチェックする（ステップ１０６）
。バッテリ３０がへたっているときは、ヒータ付触媒２
４の通電前には所定値以上のバッテリ電圧が得られても
、通電後に急激にバッテリ電圧が低下することがあるか
らである。
【００２３】通電後のバッテリ電圧も所定値以上あると
きは、次にヒータ付触媒端子電圧とバッテリ電圧（通電
前と通電後）とを夫々比較する（ステップ１０７）。ヒ
ータ付触媒２４のヒータが切れているときはバッテリ３
０の高電圧がそのままヒータ付触媒端子電圧として取り
出され、またヒータ付触媒２４の電極２７，２８間がシ
ョートしているときは中途半端な電圧として取り出され
るから、上記の電圧比較によってヒータ付触媒２４の故
障の有無を検知することができる。
【００２４】ステップ１０７の電圧比較によって正常と
判定されたときは、ステップ１０４での通電開始時点か
らステップ１０２で算出した通電時間ｔ経過しているか
否か判定する（ステップ１０８）。まだ通電時間ｔ経過
していないと判定されたときは、温度検出器２９からコ
ントローラ３１へ入力されるヒータ付触媒２４の検出温
度が、ヒータ付触媒２４の触媒活性温に相当する設定温
度以上か否か判定する（ステップ１０９）。検出温度が
設定温度より低いときには、ステップ１０４へ戻ってヒ
ータ付触媒２４への通電を続行し、更にステップ１０５
〜１０８の処理を再び実行する。
【００２５】このようにして、ヒータ通電時間が算出通
電時間ｔ経過する前に、検出温度が設定温度以上となっ
た時は、ヒータ付触媒２４の通電がオフとされる（ステ
ップ１０９，１１０）。また、検出温度が設定温度以上
にならなくとも、ヒータ通電時間が算出通電時間ｔだけ
経過した時にはヒータ付触媒２４の通電がオフとされる
（ステップ１０８，１１０）。ヒータ付触媒２４が触媒
活性温又はその付近の温度に達したからである。
【００２６】ここで、温度検出器２９が仮にショートし
ていた時には前記したように検出温度が上昇しないため
従来装置ではヒータ付触媒の損傷やバッテリへのダメー
ジなどが生じていたが、本実施例ではヒータ付触媒２４
のヒータが設定温度付近になったと推定される通電時間
ｔ経過した時点で、検出温度と設定温度の大小比較結果
に関係なく通電をオフとするから、上記の現象を防止す
ることができる。
【００２７】また、温度検出器２９が仮にオープンとな
っていたときは、前記したようにヒータへの通電が開始
されないためヒータ付触媒のヒータへの通電によって活
性温とならず排気エミッションが悪化するが、本実施例
では検出温度と設定温度の大小比較結果に応じて通電開
始するのではなく、まずステップ１０４で通電開始し、
算出時間ｔ以下の時間だけ通電し続けるため、上記の現
象を防止することができる。従って、本実施例によれば
温度検出器２９故障時のフェイルセーフとして上記ステ
ップ１０２，１０４，１０８，１１０等が作用する。
【００２８】上記のステップ１１０によるヒータ付触媒
２４への通電オフ後、図６のステップ１１３へ進んでス
タータリレーがオンとされる。なお、前記ステップ１０
３あるいは１０６でバッテリ電圧が所定値未満と判定さ
れたときは、バッテリ３０が異常である旨を図２の異常
表示部３４で表示させ（ステップ１１１）、ヒータ付触
媒２４への通電をオフとした後（ステップ１１０）、上
記ステップ１１３へ進む。また、前記ステップ１０５又
は１０７でヒータ付触媒端子電圧が異常と判定されたと
きは、ヒータ付触媒２４が異常である旨を異常表示部３
４で表示させ（ステップ１１２）、更にヒータ付触媒２
４への通電をオフとした後（ステップ１１０）、ステッ
プ１１３へ進む。
【００２９】ステップ１１３のスタータリレーのオンに
よってスタータが運転開始し（ステップ１１４）、エン
ジン始動が確認されるまでスタータを運転し（ステップ
１１５）、エンジン始動確認後にスタータの運転が停止
される（ステップ１１６）。エンジン始動後は、所定運
転条件下（例えば空燃比フィードバックループがまだ働
かないときなど）でポンプを作動させてヒータ付触媒２
４の上流側の図２のＡＩ導入口２３へ２次空気を導入し
、これによりエンジン２１の燃焼室より排出されてエキ
ゾーストマニホルド２２を通る排ガス中に新気が混合さ
れ、排ガス中の未燃焼成分のＨＣやＣＯを再燃焼する。
【００３０】このため、上記の２次空気の導入によりヒ
ータ付触媒２４が冷やされるので、コントローラ３１は
ヒータ付触媒２４に対してバッテリ３０からの電圧を再
度印加し（ステップ１１７）ヒータ温が触媒活性温に相
当する設定温度以上になるまで、この電圧印加（通電）
を継続する（ステップ１１８，１１７）。ヒータ付触媒
２４のヒータ温が所定の設定温度以上となった時は上記
の通電をオフとしてこのルーチンを終了する（ステップ
１１９，１２０）。
【００３１】次に本発明の要部の第２実施例について図
７及び図８のフローチャートと共に説明する。前記した
図５及び図６の第１実施例はエンジン始動前に算出した
通電時間ｔ、ヒータ付触媒２４への通電を行なっている
が、本実施例はヒータ付触媒２４への通電時間ｔの通電
をエンジン始動後に行なう点に特徴があり、その他の処
理は第１実施例と同様である。
【００３２】図７において、まずイグニッションスイッ
チがオンとされると（ステップ２０１）、バッテリ電圧
のチェック、ヒータ付触媒２４への通電、ヒータ付触媒
２４の端子電圧チェック、ヒータ付触媒２４の端子電圧
とバッテリ電圧の比較を順次行ない（ステップ２０２〜
２０６）、すべて正常なときにのみヒータ付触媒２４の
ヒータ温が所定の設定温度以上となるまで通電される（
ステップ２０７）。ヒータ付触媒２４のヒータ温が所定
の設定温度以上となった時点でヒータ付触媒２４への通
電が停止された後（ステップ２０８）、図８のステップ
２１１へ進んでスタータリレーがオンとされる。一方、
バッテリ電圧チェックで異常と判定されたときはバッテ
リ異常表示を行ない（ステップ２０９）、またヒータ付
触媒端子電圧が異常のときはヒータ付触媒２４の異常表
示を行ない（ステップ２１０）、その後いずれもヒータ
付触媒２４への通電をオフとした後（ステップ２０８）
、図８のステップ２１１へ進んでスタータリレーをオン
とする。
【００３３】スタータリレーがオンとされると、エンジ
ン２１の始動が確認されるまでスタータが運転され（ス
テップ２１２，２１３）、エンジン２１の始動確認後に
スタータの運転を停止する（ステップ２１４）。エンジ
ン始動後に、前記したようにＡＩ導入口２３への２次空
気導入により、ヒータ付触媒２４が冷やされる。
【００３４】そこで、前記数１で示した式に基づいてヒ
ータ付触媒２４のヒータを設定温度Ｔａにするために必
要と推定される通電時間ｔの算出が行なわれ（ステップ
２１５）、ヒータ付触媒２４への通電が開始される（ス
テップ２１６）。続いて、このヒータ付触媒２４の通電
時間が上記算出通電時間ｔ経過したか否か判定され（ス
テップ２１７）、経過していないときはヒータ付触媒２
４のヒータ温度が触媒を活性温とさせるために必要な設
定温度に達しているか否か判定される（ステップ２１８
）。上記ヒータ温度が上記設定温度未満と判定されたと
きはヒータ付触媒２４への通電（ステップ２１６）と通
電時間判定（ステップ２１７）とが繰り返される。
【００３５】ヒータ付触媒２４への通電が上記算出通電
時間ｔ経過したときはヒータ温が設定温度未満であって
もヒータ付触媒２４への通電がオフとされ（ステップ２
１９）、このルーチンを終了する（ステップ２２０）。 これにより、前記したように、温度検出器２９の故障時
のフェイルセーフを果たすことができる。一方、ヒータ
付触媒２４への通電が上記算出通電時間ｔ経過していな
くても、ヒータ温が設定温度以上となったときはヒータ
付触媒２４への通電が停止される（ステップ２１８，２
１９）。
【００３６】このように、本実施例によれば、エンジン
始動後に、温度検出器２９が故障したときに生ずること
があるヒータ付触媒２４の損傷や排気エミッションの悪
化などを防止することができる。
【００３７】なお、本発明は上記の各実施例に限定され
るものではなく、例えば温度検出器２９を不要とし、通
電時間ｔだけヒータ付触媒を通電するようにしてもよい
。この場合、図５及び図６の第１実施例ではエンジン始
動後のヒータ付触媒の加熱（アフターヒート）を、また
図７及び図８の第２実施例ではエンジン始動前のヒータ
付触媒の加熱（プレヒート）を一定時間行なう。
【００３８】
【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、機関冷却
水温等から算出した時間ｔだけヒータ付触媒を通電して
、ヒータ付触媒を常に所定温度付近に暖機できるため、
ヒータ付触媒を常に一定時間通電する方式に比べて触媒
高温からの加熱時等にも過加熱となることを防止するこ
とができ、また温度検出器と併用した場合は温度検出器
故障時のフェイルセーフとして作用させることができ、
装置の信頼性を向上することができる。更に、本発明に
よれば、ヒータ付触媒を常に所定温度付近に暖機できる
ため、ヒータ付触媒用の温度検出器を不要にできる等の
特長を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理構成図である。
【図２】本発明の一実施例の構成図である。
【図３】本発明で使用し得る本出願人が先に提案したヒ
ータ付触媒の一例の断面図である。
【図４】図３の軸線と直角方向の断面図である。
【図５】本発明の要部の第１実施例のフローチャート（
その１）である。
【図６】本発明の要部の第１実施例のフローチャート（
その２）である。
【図７】本発明の要部の第２実施例のフローチャート（
その１）である。
【図８】本発明の要部の第２実施例のフローチャート（
その２）である。
【符号の説明】
１０　　内燃機関 １１　　排気通路 １２，２４　　ヒータ付触媒 １３　　通電手段 １４　　演算手段 ２９　　温度検出器 ３１　　コントローラ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　内燃機関の排気通路に設置され、排気
    浄化を行なうための触媒及び通電手段により通電される
    ことにより上記触媒を加熱するヒータからなるヒータ付
    触媒を有する排ガス浄化装置において、少なくとも前記
    ヒータ付触媒の熱容量、消費電力、ヒータ設定温度及び
    機関冷却水温に基づいて、該ヒータ付触媒のヒータへの
    通電時間を算出する演算手段と、該ヒータ付触媒のヒー
    タへの前記通電手段による通電開始時点から該通電時間
    経過した時に、前記通電手段による該ヒータへの通電を
    停止する通電制御手段とを具備することを特徴とする内
    燃機関の排ガス浄化装置。
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