JP2006112401A

JP2006112401A - 触媒昇温装置

Info

Publication number: JP2006112401A
Application number: JP2004303300A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Okajima; 正博岡嶋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】エンジン始動直後において、触媒を早期に活性温度まで昇温することができる触媒昇温装置を提供すること。
【解決手段】エンジンの排気ガス９を浄化するための触媒４１を早期に昇温するための触媒昇温装置１において、触媒４１は、触媒担体４に担持された状態で排気ガス流路２内に内蔵されており、排気ガス流路２内における触媒担体４よりも上流側には、燃料を噴射する噴射口３１１を備えた添加弁３１と、燃料を着火させるための発熱部３２１を備えた着火手段３２とを有しており、添加弁３１と着火手段３２とは、噴射口３１１から噴射された燃料が発熱部３２１に直接接触する位置に配設されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気ガスを浄化するための触媒を早期に昇温するための触媒昇温装置に関する。

近年、一般的なガソリンエンジンを搭載した自動車は、排気管に触媒を設置し、排気ガスに含まれる有害成分を浄化している。この有害成分の一つである炭化水素（以下、ＨＣという）は、特にエンジン始動直後の暖機状態において、未燃焼ガスとして多量に排出される。しかし、エンジン始動直後では、触媒が充分な触媒反応を起こし得る活性温度に達していないため、ＨＣを充分に浄化することができない。

上記に示される問題を解決すべく、例えば、ゼオライト等の吸着剤を設置し、触媒活性温度に達するまでのＨＣの排出を抑制する方法が提案されている。しかしながら、ゼオライト等の吸着剤は、ＨＣ以外に排気ガス中の水分等も吸着するため、ＨＣの排出を充分に抑制することができない。
また、排気管に供給される空気を用いてＨＣを燃焼させる方法が提案されている。しかしながら、排気管へ空気を供給するための空気供給ポンプやそれを制御する装置等が必要となる。また、供給される空気によって完全にＨＣを燃焼できるとは限らない。

また、特許文献１では、酸化物の水和反応に伴って発生する熱を利用して、触媒を急速に加熱して活性化させる方法が提案されている。しかしながら、水和反応により熱を発生させるには時間を要するため、触媒を早期に活性化することができない。
また、特許文献２では、エンジン始動直後に、燃料を燃焼器に噴射させてグロープラグで着火し、排気ガスを昇温させる方法が提案されている。しかしながら、燃料を噴射してグロープラグで着火するまでに時間を要する。さらに、排気ガスを昇温させるのにも時間を要する。

特開平７−１８０５３９号公報特許第３０１５７７７号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、エンジン始動直後において、触媒を早期に活性温度まで昇温することができる触媒昇温装置を提供しようとするものである。

本発明は、エンジンの排気ガスを浄化するための触媒を早期に昇温するための触媒昇温装置であって、
上記触媒は、触媒担体に担持された状態で排気ガス流路内に内蔵されており、
該排気ガス流路内における上記触媒担体よりも上流側には、燃料を噴射する噴射口を備えた添加弁と、上記燃料を着火させるための発熱部を備えた着火手段とを有しており、
上記添加弁と上記着火手段とは、上記噴射口から噴射された燃料が上記発熱部に直接接触する位置に配設されていることを特徴とする触媒昇温装置にある（請求項１）。

本発明の触媒昇温装置は、上記排気ガス流路内における上記触媒担体よりも上流側に、燃料を噴射する噴射口を備えた添加弁と、上記燃料を着火させるための発熱部を備えた着火手段とを有している。そして、上記添加弁と上記着火手段とは、上記噴射口から噴射された燃料が上記発熱部に直接接触する位置に配設されている。そのため、上記触媒を早期に活性温度まで昇温することができる。

即ち、まず、発熱させた上記発熱部に向かって、上記噴射口から燃料が噴射される。ここで、上記添加弁と上記着火手段とは、上記噴射口から噴射された燃料が上記発熱部に直接接触する位置に配設されている。そのため、噴射された燃料は、瞬時に上記発熱部に接触して着火する。

燃料の着火により発生した火炎は、上記触媒担体よりも上流側から上記排気ガス流路内に放射されるため、上記触媒担体に担持された上記触媒は、急速に加熱される。これにより、上記触媒を早期に活性温度まで昇温することができる。
つまり、本発明の触媒昇温装置を備え、上述した一連の作業をエンジン始動時に行うことにより、エンジン始動直後において、上記触媒を早期に活性温度まで昇温し、ＨＣを効率よく浄化することができる。

このように、本発明の触媒昇温装置は、エンジン始動直後において、触媒を早期に活性温度まで昇温することができる。

上記添加弁の上記噴射口は、上記排気ガス流路に開口する開口部を有する昇温室内に収容されており、上記添加弁は、上記開口部に向けて燃料を噴射するように配置されていることが好ましい（請求項２）。この場合には、噴射した燃料を拡散させることなく、上記開口部に集中的に噴射することができる。

また、上記着火手段の上記発熱部は、上記開口部を介して上記昇温室から上記排気ガス流路内に突出するように配置されていることが好ましい（請求項３）。この場合には、上記噴射口から上記開口部に向けて噴射した燃料を確実に着火させることができる。

また、上記昇温室は、上記開口部に近づくに従って開口断面積が徐々に小さくなる構造を呈していることが好ましい（請求項４）。この場合には、噴射した燃料をさらに拡散させることなく、上記開口部に集中的に噴射することができる。

また、上記添加弁が噴射する燃料の噴射率をｑ（ｍｍ³／ｍｓｅｃ）、上記開口部の開口面積をＡ（ｍｍ²）とした場合、０．４９≦Ａ／ｑ≦１２７．６であることが好ましい（請求項５）。Ａ／ｑが０．４９よりも小さい場合には、上記開口部を通過する燃料が空気に対して多いため、燃料を着火させることができないおそれがある。一方、Ａ／ｑが１２７．６よりも大きい場合には、上記開口部を通過する燃料が空気に対して少ないため、燃料を着火させることができないおそれがある。
なお、上記の開口面積Ａは、上記着火手段の上記発熱部が上記開口部を介して上記昇温室から上記排気ガス流路内に突出するように配置されている場合、上記開口部の断面積から該開口部における上記発熱部の断面積を除いた面積とする。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる触媒昇温装置について、図１〜図３を用いて説明する。
本例の触媒昇温装置１は、図１、図２に示すごとく、エンジン８の排気ガス９を浄化するための触媒４１を早期に昇温するための触媒昇温装置である。
触媒４１は、触媒担体４に担持された状態で排気ガス流路２内に内蔵されており、排気ガス流路２内における触媒担体４よりも上流側には、燃料を噴射する噴射口３１１を備えた添加弁３１と、燃料を着火させるための発熱部３２１を備えた着火手段３２とを有している。
そして、添加弁３１と着火手段３２とは、噴射口３１１から噴射された燃料が発熱部３２１に直接接触する位置に配設されている。
以下、これを詳説する。

図１に示すごとく、本例の触媒昇温装置１は、エンジン８に接続された排気路８１の途中に配設されている。エンジン８から排出された排気ガス９は、触媒昇温装置１、マフラー８１１を通り、外部に排出される。
図２に示すごとく、触媒昇温装置１内には、排気ガス９を流通させる排気ガス流路２が設けられており、排気ガス流路２の両端は、排気路８１に接続されている。排気ガス流路２の下流側には、排出される排気ガス９を浄化するための触媒４１が担持された触媒担体４が内蔵されている。なお、本例では、触媒担体４としてセラミックよりなるハニカム構造体を用いた。また、触媒４１としてＰｔ（白金）を用いた。その活性温度は２２０℃以上である。

また、同図に示すごとく、排気ガス流路２の上流側には、燃料を噴射する噴射口３１１を備えた添加弁３１と、燃料を着火させるための発熱部３２１を備えた着火手段３２とを配設している。そして、排気ガス流路２に開口する円形状の開口部３０を有する昇温室３が、添加弁３１の噴射口３１１と着火手段３２の発熱部３２１とを覆うように設けられており、開口部３０に近づくに従って開口断面積が徐々に小さくなる構造を呈している。

また、同図に示すごとく、添加弁３１は、噴射口３１１を昇温室内に収容し、開口部３０に向けて燃料を噴射できるように配置されている。また、着火手段３２の発熱部３２１は、開口部３０を介して昇温室３から排気ガス流路２内に突出するように配置されている。そして、添加弁３１と着火手段３２とは、噴射口３１１から噴射された燃料が発熱部３２１に直接接触する位置に配設されている。即ち、燃料噴射領域Ｓ１内に発熱部３２１が配設されている。

さらに、図２、図３に示すごとく、着火手段３２の発熱部３２１は、開口部３０を通過する燃料を等分布にするため、開口部３０の中心Ｍから添加弁３１が配設された側と反対側にずれた位置から排気ガス流路２内に突出している。なお、開口部３０の開口面積Ａは、開口部３０の断面積から開口部３０における発熱部３２１の断面積を除いた面積であり、本例では６６０ｍｍ²である。

また、図２に示すごとく、添加弁３１は、燃料供給路３１２に接続されており、噴射口３１１から噴射する燃料が供給されるように構成されている。また、着火手段３２は、電源路３２２に接続されており、エンジン８始動と同時に、着火手段３２に通電され、発熱部３２１を発熱させることができるように構成されている。

本例では、燃料として着火点−２０〜−４０℃のガソリンを用いた。また、添加弁３１が噴射する燃料の噴射率ｑは６ｍｍ³／ｍｓｅｃに設定した。
また、着火手段３２としてグロープラグを用いた。その他、セラミックヒータ等を採用することもできる。

次に、本例の酸素富化装置１における作用効果について説明する。
本例の触媒昇温装置１は、排気ガス流路２内における触媒担体４よりも上流側に、燃料を噴射する噴射口３１１を備えた添加弁３１と、燃料を着火させるための発熱部３２１を備えた着火手段３２とを有している。そして、添加弁３１と着火手段３２とは、噴射口３１１から噴射された燃料が発熱部３２１に直接接触する位置に配設されている。そのため、エンジン８始動直後において、触媒４１を早期に活性温度まで昇温することができる。

即ち、まず、エンジン８始動と同時に、電源路３２２から着火手段３２に通電され、発熱部３２１を急速に発熱させる。そして、燃料が噴射口３１１から発熱部３２１に向かって噴射される。ここで、添加弁３１と着火手段３２とは、噴射口３１１から噴射された燃料が発熱部３２１に直接接触する位置に配設されている。そのため、噴射された燃料は、瞬時に発熱部３２１に接触して着火する。

燃料の着火により発生した火炎は、排気ガス流路２の上流側から触媒担体４が内蔵されている下流側に放射されるため、触媒担体４に担持された触媒４１は急速に加熱される。これにより、エンジン８始動直後において、触媒４１を早期に活性温度まで昇温することができる。そして、触媒４１は触媒反応を充分に起こし得る活性化された状態となり、ＨＣを効率よく浄化することができる。

このように、本例の触媒昇温装置１は、エンジン始動直後において、触媒を早期に活性温度まで昇温することができる。

本例では、添加弁３１が噴射する燃料の噴射率をｑ（ｍｍ³／ｍｓｅｃ）、開口部３０の開口面積をＡ（ｍｍ²）とした場合、燃料の着火最適領域である０．４９≦Ａ／ｑ≦１２７．６の条件を満たしている。そのため、添加弁３１から噴射された燃料を確実に着火させることができる。

（実施例２）
本例では、実施例１の触媒昇温装置１を備えた場合における、燃料噴射状態、発熱部温度、触媒温度、ＨＣ量について調査を行い、評価した。なお、触媒担体４、触媒４１及び燃料は、実施例１と同様のものを用いた。
また、比較のために、以下に示す比較品１、比較品２を準備し、同様の評価を行った。
比較品１は、図４に示すごとく、昇温室３を設けておらず、添加弁３１と着火手段３２とは、噴射口３１１から噴射された燃料が発熱部３２１に直接接触しない位置、即ち、燃料噴射領域Ｓ２外に発熱部３２１が配設されていることのみが実施例１の触媒昇温装置１と異なる。
比較品２は、触媒を有しているが、触媒昇温装置を備えていない従来品である。

次に、各調査項目について説明する。
燃料噴射状態とは、燃料噴射の有無について調査したものである。
発熱部温度とは、着火手段３２の発熱部３２１の温度を測定したものである。
触媒温度とは、触媒担体４の入口端面の温度を測定したものである。
ＨＣ量とは、触媒４１を担持した触媒担体４を通過した排気ガス９中に含まれる、未燃のＨＣ量を測定したものである。
なお、触媒昇温装置を備えていない比較品２は、燃料噴射状態、発熱部温度の調査を行わない。

調査結果について、図５（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図中では、本発明品をＥ、比較品１をＣ１、比較品２をＣ２として表示している。また、時間軸において、０（ｓｅｃ）はエンジン始動時を示している。
まず、燃料噴射状態の調査結果を図５（ａ）に示す。同図は、縦軸に噴射パルスのＯＮ／ＯＦＦ、横軸に時間（ｓｅｃ）をとったものである。燃料の噴射は、噴射パルスにより制御されており、ＯＮは燃料が噴射されている状態、ＯＦＦは燃料が噴射されていない状態を表している。
同図からわかるように、本発明品及び比較品１は、エンジン始動時から３秒後に燃料の噴射を開始している。また、燃料噴射後の噴射パルスは、連続的にＯＮの状態である。即ち、燃料を連続的に噴射する連続噴射方式であることがわかる。

次に、発熱部温度の測定結果を図５（ｂ）に示す。同図は、縦軸に発熱部温度（℃）、横軸に時間（ｓｅｃ）をとったものである。
図５（ｂ）からわかるように、本発明品及び比較品１は、エンジン始動時から発熱部温度を急激に上昇させ、３秒後には約１０００℃に達している。このとき、発熱部３２は、燃料を充分に着火させることができる状態となっている。
また、同図からわかるように、比較品１は、燃料噴射後においても発熱部温度を維持しているが、本発明品は、燃料が発熱部３２１に直接接触するために発熱部温度の低下がみられる。しかしながら、燃料の着火には何ら影響はない。

次に、触媒温度の測定結果を図５（ｃ）に示す。同図は、縦軸に触媒温度（℃）、横軸に時間（ｓｅｃ）をとったものである。
図５（ｃ）からわかるように、比較品２は、触媒昇温装置を備えていないため、触媒温度の上昇が遅い。また、比較品１は、噴射された燃料が発熱部３２１に直接接触しない位置にあり、燃料の着火までに時間を要するため、燃料噴射と触媒温度の上昇とに時間差が生じている。これらと比べて、本発明品は、噴射された燃料が発熱部３２１に直接接触する位置にあるため、燃料噴射時から触媒温度を急激に上昇させ、早期に触媒４１の活性温度（２２０℃以上）に達している。したがって、本発明品は、触媒４１を早期に活性温度まで昇温することができる。

次に、ＨＣ量の測定結果を図５（ｄ）に示す。同図は、縦軸にＨＣ量（ｇ）、横軸に時間（ｓｅｃ）をとったものである。
図５（ｄ）からわかるように、比較品２は、エンジン始動時から徐々にＨＣ量を低減させている。また、比較品１は、燃料噴射と触媒温度の上昇とに時間差が生じるため、燃料噴射とＨＣ量の低減とにも時間差を生じている。これらと比べて、本発明品は、燃料噴射時からＨＣ量を急激に低減させている。したがって、本発明品は、エンジン始動直後において、効率よくＨＣを浄化することができる。

このように、本発明品の触媒昇温装置１は、エンジン始動直後において、触媒４１を早期に活性温度まで昇温することができ、さらに、ＨＣを効率よく浄化できることがわかる。

（実施例３）
本例は、実施例１の触媒昇温装置１において、燃料の噴射を間欠噴射方式に変更した例である。
その他は、実施例１と同様である。

本例においても、実施例２と同様に、燃料噴射状態、発熱部温度について調査を行い、評価した。
調査結果について、図６（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図中の時間軸において、０（ｓｅｃ）はエンジン始動時を示している。
まず、燃料噴射状態の調査結果を図６（ａ）に示す。同図は、縦軸に噴射パルスのＯＮ／ＯＦＦ、横軸に時間（ｓｅｃ）をとったものである。
同図からわかるように、本例の触媒昇温装置１は、エンジン始動時から３秒後に燃料の噴射を開始している。また、燃料噴射後の噴射パルスは、ＯＮ／ＯＦＦを数秒ごとに繰り返している。即ち、燃料を間欠的に噴射する間欠噴射方式であることがわかる。

次に、発熱部温度の測定結果を図６（ｂ）に示す。同図は、縦軸に発熱部温度（℃）、横軸に時間（ｓｅｃ）をとったものである。
図６（ｂ）からわかるように、エンジン始動時から発熱部温度を急激に上昇させ、３秒後には約１０００℃に達している。このとき、発熱部３２は、燃料を充分に着火させることができる状態となっている。

また、同図からわかるように、燃料の噴射が開始された後、噴射パルスＯＮの状態では、燃料が発熱部３２１に直接接触するために発熱部温度が低下するが、燃料の着火には何ら影響はない。
また、本例の場合には、間欠噴射によって、空気中の酸素を充分に取り込みながら燃料を噴射することができるため、燃料をより確実に着火させることができる。
その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図７に示すごとく、実施例１の触媒昇温装置１において、着火手段３２をセラミックヒータよりなる着火手段３３とした例である。
同図に示すごとく、着火手段３３は、実施例１の着火手段３２と同様に、発熱部３３１を備えており、その発熱部３３１は、開口部３０を介して昇温室３から排気ガス流路２内に突出するように配置されている。

また、着火手段３３は、電源路３２２に接続されており、エンジン８始動と同時に電源路３２２から着火手段３３に通電され、発熱部３３１を発熱させることができるように構成されている。
その他は、実施例１と同様であり、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図８に示すごとく、実施例１の触媒昇温装置１において、補助用着火手段３９を設けた例である。
同図に示すごとく、補助用着火手段３９は、着火手段３２と同様に、燃料を着火させるための発熱部３９１を備えている。また、補助用着火手段３９は、発熱部３９１を触媒昇温装置１の側壁１１から排気ガス流路２内に突出するように配設されており、発熱部３９１は、添加弁３１の噴射口３１１から噴射される燃料の噴射方向に位置している。

また、補助着火手段３９は、電源路３９２に接続されており、着火手段３２と同様に、エンジン８始動と同時に電源路３９２から補助着火手段３９に通電され、発熱部３９１を発熱させることができるように構成されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例では、仮に噴射口３１１から噴射された燃料を、着火手段３２の発熱部３２１で着火できなかった場合において、補助着火手段３９の発熱部３９１によって着火させることができる。また、着火手段３２と補助着火手段３９との両方で燃料を着火させた場合には、触媒４１をさらに早期に昇温させることができる。
その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。

実施例１における、触媒昇温装置の配設場所を示す説明図。実施例１における、触媒昇温装置の構造を示す説明図。図２における、Ｂ−Ｂ線の断面図。実施例２における、比較例１の構造を示す説明図。実施例２における、（ａ）燃料の噴射状態を示す説明図、（ｂ）発熱部温度の測定結果を示す説明図、（ｃ）触媒温度の測定結果を示す説明図、（ｄ）ＨＣ量の測定結果を示す説明図。実施例３における、（ａ）燃料の噴射状態を示す説明図、（ｂ）発熱部温度の測定結果を示す説明図。実施例４における、触媒昇温装置の構造を示す説明図。実施例５における、触媒昇温装置の構造を示す説明図。

符号の説明

１触媒昇温装置
２排気ガス流路
３昇温室
３０開口部
３１添加弁
３１１噴射口
３２着火手段
３２１発熱部
４触媒担体
４１触媒
９排気ガス

Claims

エンジンの排気ガスを浄化するための触媒を早期に昇温するための触媒昇温装置であって、
上記触媒は、触媒担体に担持された状態で排気ガス流路内に内蔵されており、
該排気ガス流路内における上記触媒担体よりも上流側には、燃料を噴射する噴射口を備えた添加弁と、上記燃料を着火させるための発熱部を備えた着火手段とを有しており、
上記添加弁と上記着火手段とは、上記噴射口から噴射された燃料が上記発熱部に直接接触する位置に配設されていることを特徴とする触媒昇温装置。
請求項１において、上記添加弁の上記噴射口は、上記排気ガス流路に開口する開口部を有する昇温室内に収容されており、上記添加弁は、上記開口部に向けて燃料を噴射するように配置されていることを特徴とする触媒昇温装置。
請求項２において、上記着火手段の上記発熱部は、上記開口部を介して上記昇温室から上記排気ガス流路内に突出するように配置されていることを特徴とする触媒昇温装置。
請求項２又は３において、上記昇温室は、上記開口部に近づくに従って開口断面積が徐々に小さくなる構造を呈していることを特徴とする触媒昇温装置。
請求項２〜４のいずれか１項において、上記添加弁が噴射する燃料の噴射率をｑ（ｍｍ³／ｍｓｅｃ）、上記開口部の開口面積をＡ（ｍｍ²）とした場合、０．４９≦Ａ／ｑ≦１２７．６であることを特徴とする触媒昇温装置。