JP2016200069A

JP2016200069A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2016200069A
Application number: JP2015081051A
Authority: JP
Inventors: 和樹鶴見; Kazuki Tsurumi; 田中　比呂志; Hiroshi Tanaka; 比呂志田中; 圭介永坂; Keisuke Nagasaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: JP6458613B2

Abstract

【課題】導電性担体と温度センサとの絶縁性を確保する。
【解決手段】外筒３０に対して電気的に絶縁された状態で当該外筒３０内に設けられ、通電されることにより発熱する導電性担体４１に触媒を担持させた電気加熱式の第１触媒装置４０と、導電性担体４１の温度を間接的に検出するための温度センサ６０と、第１触媒装置４０の排気流れ方向下流側に当該第１触媒装置４０と隣接するように外筒３０内に設けられ、絶縁性担体５１に触媒を担持させた第２触媒装置５０と、を排気経路に備える内燃機関１００において、温度センサ６０の基端部６０２を外筒３０に対して電気的に絶縁された状態で当該外筒３０に取り付けると共に、温度センサ６０の感温部６０１を絶縁性担体５１の排気流れ方向上流側の端部に形成された収容穴５１１の内部に配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関に関する。

従来の内燃機関として、排気通路に排気中のパティキュレート（Particulate Matter）を捕集するフィルタを設けると共に、当該フィルタを加熱して再生するために、当該フィルタの近傍に電気ヒータを用いた発熱体ユニットを設けたものがある（特許文献１参照）。

特開２００２−２９５２３６号公報

前述した発熱体ユニットは、その外郭を構成する円筒体の内面に、通電されることにより発熱する電気ヒータ（発熱体）が取り付けられた支持金具を絶縁硝子を介して固定し、電気ヒータの温度を制御するための温度センサが電気ヒータの近傍に位置するように、温度センサを支持金具に絶縁硝子を介して固定したものであり、温度センサは支持金具に対して絶縁されているだけであった。

そのため、例えば排気中の導電性カーボンが電気ヒータと温度センサとの間に堆積するようなことは考慮しておらず、電気ヒータと温度センサとの絶縁性が十分に確保されていないおそれがあった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、通電されることにより発熱する発熱体と、当該発熱体の温度を検出するための温度センサと、を排気経路に設ける必要がある場合に、発熱体と温度センサとの絶縁性を確保することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、外筒に対して電気的に絶縁された状態で当該外筒内に設けられ、通電されることにより発熱する導電性担体に触媒を担持させた電気加熱式の第１触媒装置と、導電性担体の温度を間接的に検出するための温度センサと、第１触媒装置の排気流れ方向下流側に当該第１触媒装置と隣接するように外筒内に設けられ、絶縁性担体に触媒を担持させた第２触媒装置と、を排気経路に備え、温度センサは、基端部が外筒に対して電気的に絶縁された状態で当該外筒に取り付けられると共に、先端の感温部が絶縁性担体の排気流れ方向上流側の端部に形成された収容穴の内部に配置されている内燃機関が提供される。

本発明のこの態様によれば、温度センサの感温部が絶縁性担体に形成された収容穴の内部に配置されているので、絶縁性担体によって、排気経路に設けられた発熱体としての導電性担体と温度センサとの絶縁性を確保することができる。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。図２は、本発明の一実施形態による触媒コンバータについて説明する図である。図３は、本発明の一実施形態の第１変形例による触媒コンバータについて説明する図である。図４は、本発明の一実施形態の第２変形例による触媒コンバータについて説明する図である。図５は、本発明の別の実施形態による触媒コンバータについて説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関１００及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。

内燃機関１００は、内部で燃料を圧縮自己着火燃焼させて、例えば車両などを駆動するための動力を発生させる機関本体１を備える。機関本体１は、各気筒に形成される燃焼室２と、各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式の燃料噴射弁３と、各燃焼室２内に吸入空気を導入するための吸気マニホールド４と、各燃焼室２内から排気を排出するための排気マニホールド５と、を含む。

各燃料噴射弁３は、燃料供給管１５を介してコモンレール１６に連結される。コモンレール１６は、吐出量の変更が可能な電子制御式の燃料ポンプ１７を介して燃料タンク１８に連結される。燃料タンク１８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ１７によってコモンレール１６内に供給される。コモンレール１６内に供給された燃料は、各燃料供給管１５を介して燃料噴射弁３に供給される。

吸気マニホールド４は、吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は、吸気管８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気管８には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ２１１が設けられる。吸気ダクト６内には、ステップモータにより駆動される電気制御式のスロットル弁１０が配置される。吸気ダクト６の周りには、吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。

排気マニホールド５は、排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結される。排気タービン７ｂの出口は、触媒コンバータ２０が設けられた排気管１９に連結される。排気マニホールド５と吸気マニホールド４とは、排気再循環（Exhaust Gas Recirculation；以下「ＥＧＲ」という。）を行うためにＥＧＲ通路１２を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路１２内には、電子制御式のＥＧＲ制御弁１３が配置される。ＥＧＲ通路１２の周りには、ＥＧＲ通路１２内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１４が配置される。

触媒コンバータ２０は、機関本体１から排出される排気中の有害物質を取り除いた上で排気を外気に排出するための装置であって、外筒３０と、第１触媒装置４０と、第２触媒装置５０と、温度センサ６０と、を備える。触媒コンバータ２０の各構成部品については、図２を参照して後述する。

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、前述したエアフローメータ２１１や温度センサ６０などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また、入力ポート２０５には、アクセルペダル２２０の踏み込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ２１２の出力電圧が、対応するＡＤ変換器２０７を介して入力される。さらに入力ポート２０５には、機関回転速度Ｎを算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２１３の出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０を駆動するステップモータ、ＥＧＲ制御弁１３、燃料ポンプ１７などの各制御部品が電気的に接続される。

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力する。

図２は、本実施形態による触媒コンバータ２０の各構成部品について説明する図である。

外筒３０は、その内部に第１触媒装置４０及び第２触媒装置５０を収容するための部品であって、典型的にはステンレス等の金属又はセラミック等の非金属によって構成されたケースである。外筒３０の内壁面には、外筒３０と後述する第１触媒装置４０の導電性担体４１とを電気的に絶縁するために、例えばガラス等の電気絶縁性の材料によってコーティングを施すことにより絶縁層３１が形成されている。

第１触媒装置４０は、電気加熱式の触媒装置（ＥＨＣ；Electrical Heated Catalyst）であって、導電性担体４１と、第１保持マット４２と、一対の電極４３と、を備える。

導電性担体４１は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）や二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）などの通電されることにより発熱する材料によって形成された担体である。本実施形態による導電性担体４１は、断面形状がハニカム形状をした通路を排気の流れ方向に沿って複数形成したものであり、各通路の表面に触媒が担持されている。導電性担体４１に担持させる触媒は特に限られるものではなく、種々の触媒の中から所望の排気浄化性能を得るために必要な触媒を適宜選択して導電性担体４１に担持させることができる。

第１保持マット４２は、導電性担体４１と外筒３０との間の隙間を埋めるように、導電性担体４１と外筒３０との間に設けられ、導電性担体４１を外筒３０内の所定位置に保持するための部品である。第１保持マット４２は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの電気絶縁性の材料によって形成されている。

一対の電極４３は、導電性担体４１に電圧を印加するための部品であり、それぞれ外筒３０に対して電気的に絶縁された状態で、それらの一端が導電性担体４１に電気的に接続されている。一対の電極４３のうちの一方の電極４３ａの他端は、例えばバッテリなどの電源４４のプラス端子に接続され、他方の電極４３ｂの他端は、電源４４のマイナス端子に接続されている。一対の電極４３を介して導電性担体４１に電圧を印加することで、導電性担体４１に電流が流れて導電性担体４１が発熱し、導電性担体４１に担持された触媒が加熱される。

このように第１触媒装置４０は、外筒３０に対して電気的に絶縁された状態で外筒３０内に設けられる。

第２触媒装置５０は、第１触媒装置４０の排気流れ方向下流側に第１触媒装置４０と隣接するように外筒３０内に設けられる。第２触媒装置５０は、絶縁性担体５１と、第２保持マット５２と、を備える。

絶縁性担体５１は、例えばコージェライトなどの電気絶縁性の材料によって形成された担体である。本実施形態による絶縁性担体５１も、導電性担体４１と同様に断面形状がハニカム形状をした通路が排気の流れ方向に沿って複数形成されたものであり、各通路の表面に触媒が担持されている。絶縁性担体５１に担持させる触媒も特に限られるものではなく、種々の触媒の中から所望の排気浄化性能を得るために必要な触媒を適宜選択して絶縁性担体５１に担持させることができる。絶縁性担体５１に担持させる触媒は、導電性担体４１に担持させる触媒と同じものでも良く、異なるものでも良い。

絶縁性担体５１の排気流れ方向上流側の端部には、温度センサ６０の感温部６０１を収容するため収容穴５１１が形成される。

第２保持マット５２は、絶縁性担体５１と外筒３０との間の隙間を埋めるように、絶縁性担体５１と外筒３０との間に設けられ、絶縁性担体５１を外筒３０内の所定位置に保持するための部品である。第２保持マット５２も、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの電気絶縁性の材料によって形成されている。

温度センサ６０は、導電性担体４１よりも排気流れ方向下流側に設けられて導電性担体４１の温度を間接的に検出するためのセンサであって、金属製のケース６１の内部に熱電対６２を収容したものである。この温度センサ６０で検出された温度に基づいて、導電性担体４１に対する通電制御や、第１触媒装置４０の故障判定などが電子制御ユニット２００によって行われている。

ここで、本実施形態のように温度センサ６０を導電性担体４１から離れた位置に設けて導電性担体４１の温度を間接的に検出する場合、導電性担体４１の温度を精度良く検出するために温度センサ６０をできるだけ導電性担体４１の近傍に設けたい。

しかしながら、排気中に含まれる導電性カーボンや排気中の水蒸気が凝縮した液水が導電性担体４１と温度センサ６０との間の外筒３０の内壁面に溜まると、導電性担体４１と温度センサ６０とを電気的に接続する電流パスが、導電性カーボンや液水によって形成されるおそれがある。このような電流パスは、温度センサ６０を導電性担体４１に近づけるほど、電流パスが形成されるために必要な導電性カーボンや液水の量が少なくて済むので、形成されやすくなる。

電流パスが形成されると、導電性担体４１に電圧を印加したときの導電性担体４１の発熱量が低下し、排気浄化性能が悪化するおそれがある。また、第１触媒装置４０が正常であるにもかかわらず、第１触媒装置４０が故障しているといった誤った判定が電子制御ユニット２００によってなされるおそれがある。その場合は導電性担体４１に対する電圧の印加が禁止されるので、排気浄化性能がさらに悪化することになる。

したがって、温度センサ６０を導電性担体４１の近傍に設ける場合は、導電性担体４１との間で電流パスが形成されないように、温度センサ６０と導電性担体４１との絶縁性を確保する必要がある。

そこで本実施形態では、第１触媒装置４０の排気流れ方向下流側に第１触媒装置４０と隣接するように第２触媒装置５０を設け、第２触媒装置５０を絶縁性担体５１に触媒を担持させたものとした。そして、絶縁性担体５１の排気流れ方向上流側の端部に収容穴５１１を形成し、その収容穴５１１に温度センサ６０の感温部６０１が配置されるように、温度センサ６０の基端部６０２を外筒３０に対して電気的に絶縁させた状態で外筒３０に取り付けた。

具体的には、本実施形態では、外筒３０と接するケース６１の基端側表面に対して、例えばガラス等の電気絶縁性の材料によるコーティングを施し、ケース６１の基端側表面に絶縁層６３を形成した上で温度センサ６０を外筒３０に取り付けることで、温度センサ６０と外筒３０とを電気的に絶縁した。一方で、ケース６１の先端側表面には絶縁層６３を形成せずに、温度センサ６０の感温部６０１を収容穴５１１の内部に配置した。

なお、温度センサ６０と外筒３０とを電気的に絶縁する方法は、本実施形態のようにケース６１の基端側表面に絶縁層６３を形成する方法に限られるものではない。例えば図３に示す本実施形態の第１変形例のように、ケース６１と外筒３０の外壁面との電気的な絶縁については、ケース６１と外筒３０の外壁面と間にガスケット６４を挿入することで行っても良い。

また、本実施形態ではケース６１の先端側表面には絶縁層６３を形成していなかったが、図４に示す本実施形態の第２変形例のように、ケース６１の表面全体を絶縁層６３で覆うようにしても良い。

以上説明した本実施形態による内燃機関１００は、外筒３０に対して電気的に絶縁された状態で当該外筒３０内に設けられ、通電されることにより発熱する導電性担体４１に触媒を担持させた電気加熱式の第１触媒装置４０と、導電性担体４１の温度を間接的に検出するための温度センサ６０と、第１触媒装置４０の排気流れ方向下流側に当該第１触媒装置４０と隣接するように外筒３０内に設けられ、絶縁性担体５１に触媒を担持させた第２触媒装置５０と、を排気経路に備え、温度センサ６０は、基端部６０２が外筒３０に対して電気的に絶縁された状態で当該外筒３０に取り付けられると共に、先端の感温部６０１が絶縁性担体５１の排気流れ方向上流側の端部に形成された収容穴５１１の内部に配置されている。

このように、本実施形態では温度センサ６０の感温部６０１が絶縁性担体５１に形成された収容穴５１１の内部に配置されているので、絶縁性担体５１によって温度センサ６０と導電性担体４１との間に電流パスが形成されるのを抑制することができ、温度センサ６０と導電性担体４１との絶縁性を確保することができる。

また、第１触媒装置４０と隣接する第２触媒装置５０の絶縁性担体５１の排気流れ方向上流側の端部に収容穴５１１が形成されているので、温度センサ６０の感温部６０１を導電性担体４１の近傍に配置することができる。よって、温度センサ６０と導電性担体４１との絶縁性を確保しつつ、温度センサ６０による導電性担体４１の温度検出精度を向上させることができる。そのため、温度センサ６０で検出された温度に基づいて電子制御ユニット２００が実施する導電性担体４１に対する通電制御や第１触媒装置４０の故障判定などの精度を向上させることができる。

また、温度センサ６０を外筒３０に対して電気的に絶縁させた状態で外筒３０に取り付けているので、仮に導電性担体４１と温度センサ６０との間に電流パスが形成されたとしても、温度センサ６０を介して外筒３０に電流が流れることがなく、温度センサ６０と外筒３０との絶縁性を確保することができる。

また、絶縁性担体５１によって温度センサ６０と導電性担体４１との間に電流パスが形成されるのを抑制することができるので、温度センサ６０のケース６１の先端側表面に絶縁層６３を形成しなくても、温度センサ６０と導電性担体４１との絶縁性を確保できる。そのため、温度センサ６０のケース６１の先端側表面に絶縁層６３を形成した場合と比較して、温度センサ６０による導電性担体４１の温度検出精度を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、図５に示す本発明の別の実施形態のように、触媒コンバータ２０が第２触媒装置５０を備えない場合であれば、温度センサ６０のケース６１の表面全体を絶縁層で覆った上で、温度センサ６０を外筒３０に取り付ければ、導電性担体４１と温度センサ６０との絶縁性、及び、温度センサ６０と外筒３０との絶縁性を確保しつつ、導電性担体４１の近傍に温度センサ６０を配置することができる。

また上記の実施形態では、図１に示すように排気管１９と外筒３０とを別体として外筒３０の両端部を排気管１９に接続していたが、排気管１９の一部を外筒３０として機能させても良い。すなわち、排気経路上に少なくとも第１触媒装置４０、第２触媒装置５０及び温度センサ６０が設けられていれば良い。

また上記の実施形態では、機関本体１で燃料を圧縮自己着火燃焼させるように内燃機関１００を構成していたが、機関本体１で燃料を火花点火燃焼させるように内燃機関１００を構成しても良い。また、排気管１９に触媒コンバータ２０以外の排気浄化装置、例えばパティキュレートフィルタや他の触媒装置などを設けても良い。

３０外筒
４０第１触媒装置
４１導電性担体
５０第２触媒装置
５１絶縁性担体
５１１収容穴
６０温度センサ
６０１感温部
６０２基端部

Claims

外筒に対して電気的に絶縁された状態で当該外筒内に設けられ、通電されることにより発熱する導電性担体に触媒を担持させた電気加熱式の第１触媒装置と、
前記導電性担体の温度を間接的に検出するための温度センサと、
前記第１触媒装置の排気流れ方向下流側に当該第１触媒装置と隣接するように前記外筒内に設けられ、絶縁性担体に触媒を担持させた第２触媒装置と、
を排気経路に備え、
前記温度センサは、基端部が前記外筒に対して電気的に絶縁された状態で当該外筒に取り付けられると共に、先端の感温部が前記絶縁性担体の排気流れ方向上流側の端部に形成された収容穴の内部に配置されている、
内燃機関。