JP2670644B2 - 電気的に加熱可能な触媒変換装置の加熱を制御するための方法 - Google Patents

電気的に加熱可能な触媒変換装置の加熱を制御するための方法

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、少なくとも短い部分が速く電気的に加熱
され得る触媒変換装置の加熱を制御するための方法に関
し、この触媒コンバータは自動車の内燃期間の下流に存
在する。触媒変換装置は、自動車からの汚染排気物を低
減するように使用されているが、汚染物の最上限に関す
る法的要件は益々厳しくなってきている。補助的な加熱
がなければ触媒変換装置はある暖機運転時間が終わるま
で汚染排気物を減じることはできないので、特に厳しい
要件に従うため少なくともある部分において電気的に加
熱され得る触媒変換装置が提供されれば、変換装置はよ
り速く触媒変換に必要な温度になり得る。そのような加
熱可能なハニカム状の本体は、一方で電気加熱により高
速で温度変化が達せられる、低質量の、長さの短い型が
利用できるところまで発展している。表面積が適切に小
さければ、これは内燃機関の温度の低い始動段階の比較
的温度の低い排気ガス流においてでも行なわれ得る。し
かしながら、そのようなエンジンの始動の直後は、排気
ガスシステムの温度変化の割合はそれでもやはりきわめ
て高い。ほんのある時間の後で変化の割合はかなり降下
する。触媒変換装置および排気システムに予めある水分
の蒸発などの他の現象もまた、温度の低い始動段階の間
の排気システムの温度作用に影響を及ぼす。
そのような加熱可能な触媒を制御するときの様々な方
法が、たとえば米国特許第5,146,743号で述べられてい
る。しかしながら、それらは上述のことを考慮に入れて
おらず、主に温度変化の割合が低い電気的に加熱可能な
ハニカム状の本体に適用する。しかしながら、実際、電
気的に加熱可能な触媒変換装置を制御する可能性を制限
する実際の局面も考慮されなければならない。第１に、
自動車バッテリの容量を考えると、利用可能な電気エネ
ルギの量は限られており、できるだけ経済的に使用され
なければならない、というのも自動車の運転の様々なモ
ード、特に冬の短距離の運転を含むモードに適したエネ
ルギを予備に保存しておかなければならないからであ
る。便宜性のために、さらに危険な状況での安全性を確
保するために、エンジンが始動する前に、まず始動が行
なわれる前に加熱の間待たなければならないという事態
は望ましくない。そのような考慮が先行技術の様々な加
熱法に至り、それらはエンジンの始動直後に始まり８〜
20秒間高い電気出力をもたらす。この目的は、触媒変換
装置のさらなる加熱のためにエンジン排気ガスにある化
学エネルギをできるだけ直ぐに利用するために、できる
だけ速く少なくとも触媒変換装置の部分における触媒変
換を行なうことである。
この先行技術を出発点として、この発明の目的は、利
用可能な電気エネルギを一層経済的にかつ効率的に利用
し、それによって電気システムに負荷を与えすぎること
なく汚染排気物をさらに減ずるようにすることである。
この目的は、少なくとも短い部分において電気的に速
く加熱可能な触媒変換装置の加熱を制御するための方法
によって達せられ、この触媒変換装置は自動車の内燃機
関の下流に接続され、電気加熱は、エンジンの排気ガス
に含まれる加熱によって引起こされる触媒変換装置の加
熱可能な部分の温度変化の割合が電気加熱によって達成
可能な温度変化の割合におよそ等しくなるかまたはそれ
より小さくなると、エンジンの始動後ある遅延の後には
じめてターンオンされる。この発明は、エンジンの始動
直後には、触媒変換装置に対してかなり熱い排気ガス
が、温度変化の割合がしばらく後に降下する前にすでに
最初に触媒変換装置をかなり速く加熱するという認識に
基づいている。さらに電気的加熱を行なっても加熱速度
がより高くなることはほとんどないと思われるが、その
一方貴重な電気エネルギは消耗されるだろう。さらに考
慮すべき事柄は、自動車が長い時間停車しているか、ま
たは排気ガス中の水成分が温度の低いエンジンの始動の
とき最初に液化すると、非常に大きな表面積を有する触
媒コンバータのセラミックコーティングに、さらに排気
システムに水が溜まるおそれがあることである。加熱が
エンジンの始動の前または直後になされる加熱法では、
水が蒸発してはじめて触媒変換に必要な温度、たとえば
350℃に達するので、貴重な電気エネルギが触媒変換装
置から水を蒸発するためにも使用される。この発明に従
えば、エンジン排気ガスの熱が最初の数秒間に触媒変換
装置を急速に加熱するために利用され、さらに触媒変換
装置の水を蒸発させるためにも利用される。後になって
初めて、排気ガスによって達成可能な触媒変換装置の温
度変化の割合が顕著に降下すると、電気加熱器がターン
オンされ、そのため利用可能な電気エネルギは触媒変換
に必要な温度への小部分のさらなる急速な加熱に非常に
効率的に利用され得る。12Vシステムのためのおよそ75
から250Aに対応する750から2500Wの加熱出力、さらに好
ましくは1000から2000Wが好ましいと考えられる。しか
しながら、より高い電流強度もまた可能である。そのよ
うにして加熱されたディスクは次のハニカム状の本体の
面端を一緒に加熱し、さらに加熱されたディスクの触媒
変換によって開放されたエネルギも同様に直ぐにそれに
続く部分を加熱するので、加熱されるべき部分は、数ミ
リメートルの長さ、たとえば３から20mm、好ましくは６
から15mmの長さでありさえすればよい。
低質量および小さな表面積のために、急速な加熱と、
排気ガス流においてもまたその温度よりも150から200℃
上の加熱された部分の温度とが達成される。
これらの考慮に従って、加熱はエンジンの始動の後た
とえばおよそ３から10秒間、好ましくはおよそ５秒後に
始まり、エンジン動作モードおよび利用可能な電気出力
に依存して、その加熱はたとえば５から25秒間、かつ好
ましくはおよそ10〜20秒間続く。
加熱の正確な開始が周囲温度および／またはエンジン
温度および／または触媒コンバータそれ自身の温度の関
数として固定されることがさらにより好ましい。エンジ
ン制御目的に利用可能な他の測定値を考慮にいれること
もできる。この目的は電気エネルギを無駄に使用しない
ことである。特に、それを超えて電気加熱がされること
のない制限値を様々な物理的変数のために固定すること
ができる。たとえば、エンジンが動作温度にあるとき、
または特に触媒変換装置がまだ熱いときの加熱は当然意
味がない。ある周囲温度においてもまた、たとえば35℃
より上の周囲温度では電気加熱はさらなる効果をほとん
ど与え得ない。電池容量の理由のために、電池に負荷を
与えすぎないように、ある周囲温度より下では、たとえ
ば特定の立法機関によって固定されるべき値より下であ
れば電気加熱をなしですませることもできる。
この発明に従った加熱法は、加熱がターンオンされる
前ではエンジンが増大した遊び状態の回転数（r.p.m.）
で燃料を食わない混合物で動作されると規定することに
よって特に効果を奏する。加熱がターンオンされた後に
は、触媒変換装置の少なくとも加熱可能な部分が一酸化
炭素および／または炭化水素を変換するに十分な高温に
すでに達していれば、エンジンは低減した遊び状態の回
転数で燃料を食う混合物で動作され得る。第１の規定の
効果は始動段階における多くのエネルギ発生であって、
一方第２の規定は、触媒変換のために触媒に必要な温度
に達していればより多くの化学エネルギを供給し、その
結果放熱反応が起こり触媒変換装置の他の部分が加熱さ
れ得る。したがってこの発明では、好ましくは加熱法が
特定のエンジン制御システムに適合されるのではなく、
代わりにエンジン制御システムが加熱法に適合される。
回転数の低減、すなわち触媒変換装置の排気ガス処理量
の低減は、１つまたはそれ以上の段階で好ましくは行な
われ、これらの段階の各々は触媒変換装置において処理
量の低減が温度上昇を引起こす温度状態にある。そのよ
うな状況は、触媒変換装置における複雑な化学物理的処
理のために、正確には温度の低い始動段階のような過渡
事象において発生し得る。触媒変換がちょうど始まると
きに、触媒変換装置の表面は今にも反応しようとする反
応相手で飽和し、その結果、処理量の低減で排気ガス流
の冷却動作は低減するが、化学反応は直ぐには低減しな
い。システムごとに異なるそのような現象は、また、た
とえば温度の低い始動段階の加熱法において利用され得
る。
原則的に、電気加熱器のターンオンおよびターンオフ
は時間間隔によって決定され得るが、加熱期間の終わり
を温度測定によって決定することがより好ましく、これ
は触媒変換装置の電気的に加熱可能な部分のすぐ下流の
部分で行なわれるべきである、というのもこの下流の部
分の温度は触媒変換装置のさらなる加熱にとって重要で
あるからである。
原則的には、加熱の開始および／または終了もまた、
エンジン制御データを使用して、たとえばエンジン中で
生成された熱エネルギを、測定された空気および燃料の
量から確かめることによって確認され得るが、冷却剤温
度および周囲温度などの他の測定値を考慮に入れること
もできる。
別の選択肢は、加熱の開始および終了と、したがって
導入される熱エネルギとを予め定めておき、さらにそれ
に応じてエンジンを制御することである。温度の低い始
動段階の最初のおよそ20秒の間のエンジンの遊び運転の
間に中断があっても運転の快適さを特に損なわないし運
転の安全性を損なうこともないので、温度の低い始動に
おいてある最小および最大の回転数ならびに燃料／空気
の混合物のある値を特定することは確実に適切であろ
う。
汚染排気物のさらなる改良は、バイパスによって迂回
され得る、炭化水素および／または一酸化物のための吸
着装置特に沸石体を、エンジンと触媒変換装置との間に
接続することによって達成され得る。触媒変換装置が変
換に十分に高い温度に達する前に、排気ガスは吸着装置
を通り、炭化水素の大部分が沸石体に吸着される。触媒
変換に必要な温度に達すると、排気ガスがバイパス線を
介して吸着装置を迂回し、排気ガスの変換によって急速
に触媒変換装置をさらに熱くする。後に、自動車のさら
なる動作によって吸着装置は十分熱くなり、たとえ排気
ガスがそれを流れなくても、吸着された炭化水素が再び
流れ、触媒変換装置において害のない成分に変換され得
る。
電気的に加熱可能な触媒変換装置に関して、危険な状
況または損傷をも避けるには過熱に対する安全性が一般
的に与えられなければならない。たとえばエンジンが点
火しないことを確認し得る温度センサまたは既知の他の
測定センサがこれに適切である。過熱の危険が生じれ
ば、触媒変換装置の加熱はまず第一にターンオフされな
ければならない。燃料／空気の混合物の変更、オーバラ
ンのターンオフ等に対する他の対策もまたエンジン制御
システムにおいておそらく必要であろう。
この発明がそれに限定されるわけではないが、この発
明の例示的な実施例および加熱法を説明するための表が
図面に略式に示されている。
図１は、排気ガスシステムを備えるエンジンの基本的
な配置の図である。
図２は、温度の低い始動段階の間の触媒変換装置の温
度推移の図である。
図１は、エンジン制御システム２および排気出口３を
備える内燃機関１を示す。この出口はライン４を介して
複数の部分から成る触媒変換装置８、14、15、16と通じ
ている。最も前方の部分８は電気的に加熱可能であっ
て、加熱は熱供給ライン10を介して熱制御手段９によっ
てトリガされる。加熱可能な部分８の後に前置触媒14が
続き、その後１またはそれより多くの主触媒15、16が続
く。触媒８、14、15、16の個々の部分はまたラインセグ
メントによって結合された個々のハウジングに収容され
るが、これはこの発明には重要な役割をなさない。単位
断面積あたりのフローチャネルの直径、配置、および数
もまた様々な部分において異なり得る。いずれにせよ、
空間的にコンパクトな配置は、介在セグメントに対する
不必要な熱損失を避けるので好ましい。前置触媒14の温
度センサ18は測定ライン12を介して熱制御手段９と通じ
ている。加熱可能な部分８でのさらなる測定センサ17も
また同様に測定ライン13を介して加熱制御手段と通じ、
近接部分が限界温度を超えたことを確認し得る。エンジ
ン制御システム２と加熱制御手段９との間には結線11が
あり、これを用いてデータは、企図される加熱法に依存
して、一方向または両方向に送信され得る。排気ガスラ
イン４と平行に、温度の低い始動段階で炭化水素を吸着
するための吸着装置５が側分岐６において接続され得
る。弁またはフラップ７は、吸着装置または、側分岐６
の周りのバイパスラインとして働く排気ガスライン４の
いずれかを介する排気ガスの流れを制御する。
図２は、時間ｔがＸ軸で示されかつ温度ＴがＹ軸で示
されている定性的な表を示す。直線Ｉは温度の低い始動
段階の間の電気加熱を伴なわない触媒変換装置の温度推
移を示す。曲線IIは、触媒変換装置の比較的大きな高質
量の部分の開始直後に電気加熱が始まるときの温度推移
を示す。曲線IIIは、触媒変換装置の比較的小さな部分
に曲線IIと同じ出力を、しかしより短い時間間隔で与え
る、この発明に従った加熱法の温度推移を示す。曲線II
Iでは、曲線IIより高い温度がより短い時間のうちに電
気エネルギを使用することなく達成され、排気ガスは実
質的に同じ割合の温度変化もたらし得ることは明らかで
ある。
この発明では、触媒変換装置の電気加熱は、相応の努
力と費用で厳しい排気ガス規制に従うように、利用可能
な電気エネルギを最適に利用して行なわれ得る。
フロントページの続き (72)発明者 スワース，ヘルムート ドイツ連邦共和国、デー―51429 ベル ギッシュ・グラドバッハ、リートベー グ、11 (56)参考文献 特開 平４−362212（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−98953（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−166606（ＪＰ，Ａ)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも短い部分（８）で電気的に速く
    加熱可能な触媒変換装置（８、14、15、16）の加熱を制
    御するための方法であって、触媒変換装置は自動車の内
    燃機関（１）の下流に接続されており、 エンジン（１）の排気ガスにに含まれる熱によって引起
    こされる触媒変換装置（８、14、15、16）の加熱可能な
    部分（８）の温度変化の割合が、電気加熱によって達成
    可能な温度変化の割合におよそ等しくなるかまたはそれ
    より小さくなると、電気加熱（13）がエンジン（１）の
    開始の後ある遅延の後はじめてターンオンされることを
    特徴とする、方法。
  2. 【請求項２】電気加熱器（13）はおよそ３ないし10秒、
    好ましくはおよそ５秒後にターンオンされることを特徴
    とする、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】加熱が始まる正確な時間は周囲温度および
    ／またはエンジン温度および／または触媒温度の関数と
    して固定されることを特徴とする、請求項１に記載の方
    法。
  4. 【請求項４】周囲温度および／またはエンジン温度およ
    び／または触媒温度の予め定めることが可能なしきい値
    を超えるかまたはそれに達しないならば、電気加熱が起
    こらないことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】エンジン（１）は少なくとも加熱器（13）
    がターンオンする前には増大した遊び状態の回転数で燃
    料を食わない混合物で動作されることを特徴とする、請
    求項１、２、３、または４に記載の方法。
  6. 【請求項６】エンジン（１）は、加熱器（13）がターン
    オンされた後、少なくとも触媒変換装置（８、14、15、
    16）の加熱可能な部分（８）が一酸化物および炭化水素
    の変換に十分な高温に達すれば、低減された遊び状態の
    回転数で燃料を食う混合物で動作されることを特徴とす
    る、前掲の請求項の１つに記載の方法。
  7. 【請求項７】遊び状態の回転数の変化すなわち触媒変換
    装置における排気ガス処理量の変化は、１またはそれよ
    り多くの段階で、好ましくは各々の場合、処理量低減が
    温度上昇を引起こす温度で行なわれることを特徴とす
    る、請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】変換に十分高い温度の達成は、触媒変換装
    置（８、14、15、16）の電気的に加熱可能な部分（８）
    の下流の部分（14）における温度測定（18）によって確
    認され、特に前置触媒（14）において確認されることを
    特徴とする、前掲の請求項の１つに記載の方法。
  9. 【請求項９】加熱（13）の正確な開始および／またはそ
    の終了は、エンジン（１）を制御するためのデータを考
    慮し、たとえば測定された空気および燃料の量から、エ
    ンジン（１）において生成された熱エネルギを確認する
    ことによって、確認されることを特徴とする、前掲の請
    求項の１つに記載の方法。
  10. 【請求項１０】加熱の開始および終了、したがって導入
    されるべき熱エネルギは予め定められており、エンジン
    （１）は、変換に十分な高い温度が達成される前は可能
    な限りわずかな量の排気物およびできるだけ多くの熱が
    生成されるように制御されることを特徴とする、請求項
    １ないし５の１つに記載の方法。
  11. 【請求項１１】炭化水素および／または一酸化炭素のた
    めの吸着装置（５）、特に沸石体（５）が、エンジン
    （１）と触媒変換装置（８、14、15、16）との間に接続
    され、この装置はバイパスライン（４）によってバイパ
    スされ、 触媒に十分な高い温度が触媒変換装置（８、14、15、1
    6）において達成される前は排気ガスは吸着装置（５）
    を介して運ばれ、その後にだけ排気ガスはバイパスライ
    ン（４）を介して吸着装置（５）を迂回するようにされ
    ることを特徴とする、前掲の請求項の１つに記載の方
    法。
  12. 【請求項１２】たとえばエンジン（１）が点火しない場
    合、温度センサ（18）または他の測定センサ（17）が、
    触媒変換装置（８、14、15、16）の過熱の危険を示すと
    加熱（13）が終了することを特徴とする、前掲の請求項
    の１つに記載の方法。
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