JPH0711946A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】排気通路２に直列に配置された電気加熱触媒４
ａ、４ｂ、４ｃに対し、エンジン１の冷却水温Ｔｗ及び
電気加熱触媒４ａ〜４ｃの劣化度合いに応じて必要な電
気エネルギーを効率よく供給して触媒金属の排気浄化性
能を最も効率良く発揮させる。 【構成】エンジン１の始動時の冷却水温Ｔｗが所定温度
Ｔ１未満である時（ステップ３）、電気加熱触媒劣化係
数Ｋ_cat を読み込み（ステップ４）、通電パターンマッ
プを検索して電気加熱触媒４ａ〜４ｃへの通電量の配分
率を設定し（ステップ５）、所定時間が経過するまで各
電気加熱触媒４ａ〜４ｃ毎に通電制御する（ステップ６
〜12）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、排気通路に電気加熱触
媒を備える内燃機関の排気浄化装置に関し、特に触媒金
属の劣化度合いに応じて触媒金属の排気浄化性能を最も
効率良く発揮させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内燃機関の冷間始動時に排出
される有害排気成分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯ_X 等）を効率よ
く浄化するための内燃機関の排気浄化装置が提案されて
いる。例えば特開平３−２４６３１５号公報では、複数
の電気加熱触媒を排気の通路に直列に配置し、かつ電気
的にも直列に接続して各電気加熱触媒に通電する排気浄
化装置が開示されている。

【０００３】かかる排気浄化装置では、エンジンの冷却
水温を検出し、低温時に電気加熱触媒に通電している。
また電気加熱触媒は、夫々電気的に直列に接続されてい
るので一様に加熱される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、触媒を昇温
させる要素には、電気加熱の要素を除いて排気熱による
ものと触媒の反応熱によるものとがあり、この２つの要
素は互いに関わっている。即ち、排気による暖機は排気
浄化装置の入口付近から進むので、それにつれてモノリ
ス型の触媒では、排気熱により入口付近に配設された上
流側の触媒から自己燃焼による反応が促進され、反応熱
により温度も高くなってくる。そしてこれにより下流側
の触媒の暖機も促進される。

【０００５】しかしそれだけ入口付近の触媒の劣化が進
行し、図６のパターンＣのように、劣化した入口付近の
触媒では、反応熱による昇温効果が小さくなり、温度が
上がり難くなる。そのため結果的に触媒全体の昇温が遅
れ、初期に比較して触媒の自己燃焼による効果が劣って
くる。従来の電気加熱触媒を用いた内燃機関の排気浄化
装置では、電気加熱により、劣化した触媒の昇温を早め
ることが可能となるが、劣化度合いが異なる各触媒を一
様に加熱しているので、必要以上の電力を消費すること
になる。

【０００６】また、従来の電気加熱触媒への通電方法に
あっては、電気加熱触媒への通電を判断する指標がエン
ジンの冷却水温だけであり、通電もオン、オフ制御のみ
でエンジンの運転状態や触媒の劣化度合いによらず一様
であるため、電気加熱触媒の性能を発揮させるために必
要な電気エネルギーを最も効率良く供給することが出来
なかった。

【０００７】例えば電気加熱触媒がエンジンから遠い場
所に設置されている場合や始動時の冷却水温が低い場合
等において、図６のパターンＡのように、上限設定温度
以上まで急激に昇温させると設定温度以上になった時点
で通電がオフして電力の供給が停止する。そこに急加速
等により暖機が十分行われていない排気が大量に流れて
くると、一旦昇温した電気加熱触媒が冷やされて設定温
度以下まで下がってしまうため、電気加熱をした効果が
無くなってしまい、供給した電気エネルギーも無駄にな
ってしまう。

【０００８】したがって電気エネルギーを有効に使え、
かつ排気浄化を満足に行うためには、エンジン運転状態
に応じてバランスよく昇温させるパターンＢが最適なの
であるが、通電をオン、オフ制御して各触媒を一様に加
熱するだけでは、この要求昇温パターンＢ通りに昇温さ
せることは難しく、冷却水温及び劣化度合いに応じてう
まく供給電力量を調整してやらないと、電気加熱触媒の
要求昇温パターンＢから外れた形で昇温してしまい、触
媒金属の排気浄化性能を最も効率良く発揮させることが
出来ず、電気エネルギーを無駄に消費してしまうおそれ
がある。

【０００９】本発明はこのような従来の課題に鑑みてな
されたもので、内燃機関の運転状態及び電気加熱触媒の
劣化度合いに応じて必要な電気エネルギーを効率よく供
給して触媒金属の排気浄化性能を最も効率良く発揮させ
ることが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、図１
に示すように、通電することにより発熱する担体に触媒
金属を担持させた電気加熱触媒を、排気流れ方向に複数
個直列に配置した内燃機関の排気浄化装置において、機
関の冷却水温を検出する冷却水温検出手段と、前記触媒
金属の劣化度合いを検出する劣化検出手段と、前記冷却
水温と触媒金属の劣化度合いとに応じて、各電気加熱触
媒毎に通電量を設定する通電量設定手段と、設定された
通電量に基づいて各電気加熱触媒毎に通電制御する制御
手段と、を備えるようにした。

【００１１】また前記複数の電気加熱触媒を車両の床下
に配設する場合は、前記通電量設定手段が、触媒金属の
劣化度合いが高くなるにしたがって、各電気加熱触媒へ
の通電量の配分率を排気通路の上流側の電気加熱触媒ほ
ど大きくするように設定するとよい。さらに前記複数の
電気加熱触媒を排気マニホールドに近接した位置に配設
する場合は、前記通電量設定手段が、触媒金属の劣化度
合いが高くなるにしたがって、各電気加熱触媒への通電
量の配分率を下流側に配置された電気加熱触媒ほど大き
くするように設定することもできる。

【００１２】

【作用】上記の構成によれば、機関の冷却水温は冷却水
温検出手段により検出され、触媒金属の劣化度合いは劣
化検出手段により検出される。電気加熱触媒の活性化は
劣化するにつれて低下するが、通電量設定手段により各
電気加熱触媒毎に機関の冷却水温と触媒金属の劣化度合
いとに応じて電気加熱触媒への通電量が設定され、設定
された通電量に基づいて制御手段により各電気加熱触媒
毎に通電が制御されることにより、冷却水温及び触媒金
属の劣化度合いから推定される昇温パターンで各電気加
熱触媒を昇温させることが可能となり、エネルギー効率
も良くなる。

【００１３】また、車両の床下に電気加熱触媒を配設す
る際には、通電量設定手段が、触媒金属の劣化度合いが
高くなるにしたがって、各電気加熱触媒への通電量の配
分率を排気通路の上流側の電気加熱触媒ほど大きくする
ように設定することにより、触媒金属の劣化は入口付近
の方が先に進行するので、劣化検出手段によって触媒の
劣化が検出された場合には、上流側に配置された電気加
熱触媒ほど通電量が多くなる。したがって劣化が進み、
触媒金属の浄化反応の反応熱による昇温効果が小さくな
った分は、通電量を大きくすることで補われ、当初目標
として要求される昇温パターンを触媒金属劣化後も維持
することが可能となる。

【００１４】また、排気マニホールドに近接した位置に
電気加熱触媒を配設すると、始動直後であっても排気の
温度が高く、電気加熱触媒が上流側であるほど高温の排
気に曝されるため、この高い排気熱を受けて昇温する
が、それだけ劣化が速く進み、劣化度合いが大きくな
る。この場合には、通電量設定手段が触媒金属の劣化度
合いが高くなるにしたがって、各電気加熱触媒への通電
量の配分率を下流側に配置された電気加熱触媒ほど大き
くするように設定することにより、効率よく電気加熱触
媒を昇温させることができる。この場合、上流側の触媒
は、劣化後も高い排気熱によって早期に昇温するので、
下流側の触媒の昇温を妨げるようなことはない。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図２〜６に基づいて
説明する。図２は本実施例の床下設置型の排気浄化装置
の構成を示す図である。この排気浄化装置では、エンジ
ン１からの排気通路２中に設置されたコンバータ容器３
がエンジン１から比較的遠い床下に設置されている。こ
のコンバータ容器３には、通電することにより発熱する
担体に触媒金属を担持させたモノリス型の３つの電気加
熱触媒４ａ、４ｂ、４ｃがエンジン１側から順次、排気
通路２に対して直列に配置されている。

【００１６】エンジン１には冷却水温Ｔｗを検出する水
温センサ５が付設され、電気加熱触媒４ｃには、内部温
度を検出する温度センサ６が付設されている。この水温
センサ５、温度センサ６の検出信号は通電制御回路７に
入力される。排気通路２の触媒上流及び下流に夫々酸素
センサ８ａ、８ｂを備え、上流側の酸素センサ８ａから
の信号に基づいて空燃比を理論空燃比となるように空燃
比フィードバック補正係数を設定してエンジンの燃料噴
射量をフィードバック制御する一方、下流側の酸素セン
サ８ｂからの信号に基づいて前記空燃比フィーバック補
正係数を補正するようにしたシステムでは、上流側の酸
素センサ８ａがエンジン１の排気マニホールドに近接し
た位置に付設され、下流側の酸素センサ８ｂが電気加熱
触媒の下流位置に付設され、酸素センサ８ａ ８ｂの検
出信号は通電制御回路７に入力される。本実施例では、
これらの酸素センサ８ａ、８ｂを触媒金属の劣化度合い
を検出する劣化検出手段として用いる。

【００１７】通電制御回路７には、夫々スイッチ９ａ、
９ｂ、９ｃ、バッテリ11からの入力をデューティ制御す
るデューティ比変更回路10ａ、10ｂ、10ｃが夫々電気加
熱触媒４ａ、４ｂ、４ｃ毎に電気加熱触媒４ａ、４ｂ、
４ｃとバッテリ11との間に介装されている。また通電制
御回路７内には、マイクロコンピュータ（以後、マイコ
ンと記す）12が内蔵され、マイコン12には、冷却水温検
出手段に相当する水温センサ５、温度センサ６、酸素セ
ンサ８ａ、８ｂによって検出された各検出信号が入力さ
れる。またマイコン12にはＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えら
れ、ＲＯＭには冷却水温Ｔｗと後述する電気加熱触媒４
ａ〜４ｃの劣化係数Ｋ_cat とに基づいて通電デューティ
比（00〜FF）を予め定めた通電パターンマップが記憶さ
れ、ＲＡＭには、酸素センサ８ａ、８ｂの検出信号に基
づいて判定された電気加熱触媒の劣化係数Ｋ_catが逐次
記憶される。そしてマイコン12は、後述するフローチャ
ートにしたがい、前記各センサからの検出信号に基づい
てスイッチ９ａ〜９ｃ、デューティ比変更回路10ａ〜10
ｃを夫々別個に制御する。

【００１８】次に図３のフローチャートに基づいてマイ
コン12の動作を説明する。図示しないスタートスイッチ
がオフしている時、あるいはスタートスイッチがオンし
てステップ２で読み込んだ水温センサ５からのエンジン
１の始動時の冷却水温Ｔｗが所定値Ｔ１以上である時に
は、各スイッチ12ａ〜12ｃをオフしたまま、各電気加熱
触媒４ａ〜４ｃを加熱せずにステップ１、３からこのル
ーチンを終了する。

【００１９】スタートスイッチがオンし、冷却水温Ｔｗ
が所定値Ｔ１未満である時にはステップ１→２→３→４
に進み、前回運転時の電気加熱触媒４ａ〜４ｃの劣化係
数Ｋ _cat を、マイコン12に内蔵されたＲＡＭより読み込
む。尚、電気加熱触媒４ａ〜４ｃの劣化は、電気加熱触
媒４ａ〜４ｃの前後に設置された酸素センサ８ａ、８ｂ
の検出信号が夫々反転するその周期の差（時間差）又は
周期の比に基づいてトータル値として判定され、その値
に基づいて劣化係数Ｋ_cat が設定される。

【００２０】ステップ５では、冷却水温Ｔｗと劣化係数
Ｋ_cat に基づいてＲＯＭに記憶された通電パターンマッ
プより通電する対象である電気加熱触媒４ａ、４ｂ、４
ｃ、及び通電デューティ比を決定する。次にこの通電パ
ターンマップの設定方法を以下に説明する。通電パター
ンマップは、図４において、夫々電気加熱触媒４ａ、４
ｂ、４ｃに対応するように３枚のマップによって構成さ
れている。各マップは、冷却水温Ｔｗに基づいたｍ個の
格子、劣化係数Ｋ_cat に基づいたｎ個の格子によるｍ×
ｎの通電デューティ比のデータからなっており、各マッ
プ内の通電デューティ比のデータは00〜FFまでとなって
おり、それによりデューティ比が０〜100%まで変化す
る。また各マップの（ｍ_x 、ｎ_Y ）点のデータは、比較
すると、 １枚目（電気加熱触媒４ａ）≧２枚目（電気加熱触媒４
ｂ）≧３枚目（電気加熱触媒４ｃ） となるように設定されている。

【００２１】前述のように電気加熱触媒４ａ〜４ｃを昇
温させる要素としては、電気加熱、排気の暖機、触媒の
自己燃焼による反応熱の３つの要素があり、３つの要素
が夫々関わっている。電気加熱触媒４ａ〜４ｃが初期状
態の時、冷却水温Ｔｗが高ければ、排気熱も大きく、排
気熱によって触媒金属が温められると、触媒金属の自己
燃焼による反応熱も大きくなってくる。この作用は、エ
ンジン１に近い電気加熱触媒４ａの担体ほど大きいの
で、電気加熱触媒４ａには比較的少量の電力を供給し、
電気加熱触媒４ｂ、４ｃになるほど電力の供給量が大き
くなるように配分する。

【００２２】またエンジン排気量により設定条件は異な
るが、床下設置型の排気浄化装置では、電気加熱触媒４
ａ〜４ｃの設置位置がエンジン１から比較的遠くにある
ため、始動直後では冷却水温Ｔｗが低く、また排気通路
２の排気管が冷えている。そのため排気管に熱を奪わ
れ、排気熱による昇温効果は小さく、触媒金属の自己燃
焼による反応熱の昇温効果はさらに小さくなる。したが
って冷却水温Ｔｗが低い場合には、それだけ電気加熱の
昇温効果がより大きく要求され、３つの要素の昇温効果
が、 電気加熱＞触媒反応熱＞排気熱 となるように、それと共に通電対象を増やし、供給電力
も増えるようにマップ設定する。

【００２３】触媒金属の触媒性能が低下してくると触媒
金属の自己燃焼による反応熱も小さくなってくる。この
場合、触媒金属の劣化形態を考えるとエンジン１に近い
部分から低下してくることが分かっているので、前段で
ある電気加熱触媒４ａの触媒性能の低下がもっとも激し
く、前段の電気加熱触媒４ａから要求昇温から外れ、そ
の影響でその後段の電気加熱触媒４ｂ、４ｃの昇温も遅
れてくる。したがって触媒金属の反応熱による昇温効果
が低下してきた時には、低下した分を電気加熱で補うよ
うにする必要があり、劣化係数Ｋ_cat が大きくなるほど
前段の方の電力供給の配分を増やすようにマップ設定
し、さらに通電対象も増やすようにマップ設定する。こ
のステップ５が通電量設定手段に相当する。

【００２４】ステップ６では、通電を開始する。通電
は、デューティ比変更回路10ａ、10ｂ、10ｃでバッテリ
11からの通電電流をデューティ制御するようにして、電
気加熱触媒４ａ〜４ｃが全て図６の昇温パターンＢに沿
って昇温するように行われる。温度センサ６によって検
出された電熱加熱触媒４ｃの内部温度ＴＥには、内部温
度の上限値Ｔ２、下限値Ｔ３が予め設定されており、所
定時間が経過するまでの間、Ｔ３≦ＴＥ≦Ｔ２となるよ
うに制御される。

【００２５】即ち、ステップ７では、温度センサ６から
の検出信号により電気加熱触媒４ｃ内部温度ＴＥを読み
込んで上限値Ｔ２と比較する。そして上限値Ｔ２以下で
あれば、ステップ11に進んで所定時間が経過するまで待
ち、所定時間が経過したら、ステップ12に進んで通電を
終了させてこのルーチンを終了する。また所定時間が経
過するまでに、電熱加熱触媒４ｃの内部温度ＴＥが上が
ってＴＥ＞Ｔ２となった時にはステップ７→８に進み、
スイッチをオフして通電を終了させる。そして内部温度
ＴＥを読み込んで検出信号ＴＥを下限値Ｔ３と比較しな
がら所定時間が経過するまで待ち、所定時間が経過した
時にはステップ９でこのルーチンを終了し、所定時間が
経過するまでにＴＥ＜Ｔ３となった時には、再びステッ
プ６に戻って通電を開始する。

【００２６】このステップ６〜12が制御手段に相当す
る。かかる構成によれば、エンジン１の始動時の冷却水
温Ｔｗが所定温度Ｔ１未満である時、通電パターンマッ
プを検索してエンジン１の始動時の冷却水温Ｔｗと電気
加熱触媒４ａ〜４ｃの劣化度合いに応じて、上流側ほど
電気加熱触媒４ａ〜４ｃへの通電量が多くなるように配
分率を設定し、各電気加熱触媒４ａ〜４ｃ毎に通電制御
することにより、各電気加熱触媒４ａ〜４ｃは、要求昇
温パターンＢに沿って昇温するので、触媒金属の触媒性
能が向上し、バッテリ11からの電気エネルギーを効率良
く消費させることができる。

【００２７】尚、本実施例では、床下設置型排気浄化装
置について説明したが、これに限らず、排気マニホール
ド設置型のものについても適用できる。図５は排気マニ
ホールド設置型排気浄化装置を示す図であり、床下設置
型のものと異なる構成は、コンバータ容器３がエンジン
１に比較的近い位置に設置されている点である。

【００２８】エンジン１の近くに電気加熱触媒４ａ〜４
ｃを設置する理由として、ブースタとしての役割をより
強く要求されることであり、エンジン１近傍に配置すれ
ば始動直後の低い排気温度で触媒が冷やされてしまうこ
とがない。排気マニホールド設置型では、電気加熱触媒
４ａ〜４ｃがエンジン１に比較的近い位置に配設されて
いるので、始動直後であっても排気温度が十分高く、床
下設置の場合に比較して排気熱の昇温効果が大きい。し
たがって３つの要素の昇温効果を比較すると、 排気熱＞触媒反応熱＞電気加熱 の順になり、電気加熱触媒４ａ〜４ｃが初期状態の時に
は、エンジン１の排気量によっては、電気加熱触媒４ａ
〜４ｃに通電する必要がない場合もある。

【００２９】但し、排気マニホールド設置型の場合、触
媒金属の劣化が床下設置型に比較して大きく、触媒金属
が劣化してきた時の昇温効果は以下のようになる。排気
熱＞電気加熱＞触媒反応熱したがって触媒金属の劣化が
前段部より進行してきた場合、前段部では触媒金属反応
熱による昇温効果が見込めないので、前段部に通電する
よりも、触媒反応が見込める後段部に、より多くの電力
を供給した方が効果的である。前段部は排気熱の効果が
大きく触媒金属の反応熱がなくてもある程度の昇温を確
保することが出来、後段の電気加熱触媒４ｂ、４ｃにそ
れほど悪影響を与えずにすむ。

【００３０】そこで排気マニホールド設置型の場合、通
電制御は床下設置型と同じように図３のフローチャート
にしたがって行われるが、各電気加熱触媒４ａ、４ｂ、
４ｃへの通電量の配分は床下設置型とは異なり、各マッ
プの（ｍ_x 、ｎ_Y ）点のデータが、 １枚目（電気加熱触媒４ａ）≦２枚目（電気加熱触媒４
ｂ）≦３枚目（電気加熱触媒４ｃ） となるように設定される。このようにマップ設定するこ
とにより、冷却水温Ｔｗが下がるにしたがって、通電量
は前段の電気加熱触媒４ａから後段にいくほど増えてい
き、劣化係数Ｋ_cat については、劣化係数Ｋ_cat が大き
くなるほど、後段の担体への電力供給も多くなってく
る。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、内
燃機関の冷却水温と各電気加熱触媒の劣化度合いに応じ
て電気加熱触媒への通電量の配分率を設定し、各電気加
熱触媒毎に通電制御することにより、各電気加熱触媒の
触媒金属の触媒性能が向上し、電気エネルギーを効率良
く消費させることができる。

【００３２】また、触媒金属の劣化度合いが高くなるに
したがって、各電気加熱触媒への通電量の配分率が排気
流路の上流側の電気加熱触媒ほど大きくなるように制御
することにより、各電気加熱触媒の触媒性能を効率よく
発揮させることが出来る。また、複数の電気加熱触媒を
排気マニホールドに近接した位置に設けた場合には、触
媒金属の劣化度合いが高くなるにしたがって、各電気加
熱触媒への通電量の配分率が下流側に配置された電気加
熱触媒ほど大きくなるように制御することにより、各電
気加熱触媒の触媒性能を効率よく発揮させることが出来
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示す機能ブロック図。

【図２】本実施例の床下設置型排気浄化装置を示す構成
図。

【図３】本実施例の通電制御のフローチャート。

【図４】本実施例の通電パターンマップ。

【図５】本実施例の排気マニホールド設置型排気浄化装
置を示す構成図。

【図６】昇温パターンを示す図。

【符号の説明】

１ エンジン ２ 排気通路 ３ コンバータ容器 ４ａ、４ｂ、４ｃ 電気加熱触媒 ５ 水温センサ ６ 温度センサ ７ 通電制御回路 ８ａ、８ｂ 酸素センサ ９ａ、９ｂ、９ｃ スイッチ 10ａ、10ｂ、10ｃ デューティ比変更回路 11 バッテリ 12 マイクロコンピュータ（マイコン）

フロントページの続き (72)発明者 田山 彰 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】通電することにより発熱する担体に触媒金
   属を担持させた電気加熱触媒を、排気流れ方向に複数個
   直列に配置した内燃機関の排気浄化装置において、 機関の冷却水温を検出する冷却水温検出手段と、 前記触媒金属の劣化度合いを検出する劣化検出手段と、 前記冷却水温と触媒金属の劣化度合いとに応じて、各電
   気加熱触媒毎に通電量を設定する通電量設定手段と、 設定された通電量に基づいて各電気加熱触媒毎に通電制
   御する制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関
   の排気浄化装置。
2. 【請求項２】前記複数の電気加熱触媒を車両の床下に配
   設すると共に、前記通電量設定手段が、触媒金属の劣化
   度合いが高くなるにしたがって、各電気加熱触媒への通
   電量の配分率を排気通路の上流側の電気加熱触媒ほど大
   きくするように設定することを特徴とする請求項１記載
   の内燃機関の排気浄化装置。
3. 【請求項３】前記複数の電気加熱触媒を排気マニホール
   ドに近接した位置に配設すると共に、 前記通電量設定手段が、触媒金属の劣化度合いが高くな
   るにしたがって、各電気加熱触媒への通電量の配分率を
   下流側に配置された電気加熱触媒ほど大きくするように
   設定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排
   気浄化装置。