JP3328713B2 - 触媒放出制御の方法及び装置 - Google Patents

触媒放出制御の方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 主題発明は自動車の触媒放出制御の方法に関し、入口
パイプと排出パイプを有するエンジンを含み、電気的に
加熱される起動触媒及び主触媒が出口パイプ内で相互に
長手方向に隣接して配置されている。本発明は、同様
に、この方法を実施する装置に関する。
空気汚染放出レベルの将来的制限に関する新しいより
厳しい法律、特に米国における法律によってより効果的
な放出制御の達成の要望が大となっている。
現在は、触媒放出制御装置がごく一般的に使用されて
いる。しかし、これらの装置は、自動車の冷間起動中に
最大精製効率で作動する能力がない。従って、現在の触
媒装置を備えた自動車は、触媒の加熱期間中、即ち、触
媒が作動温度（約250〜400℃）に達する期間中に、大部
分の空気汚染ガスを放出する。冷間起動の場合は、この
期間が数分続き、従って問題を生ずる。
伝統的なタイプの触媒には、電気的に加熱された起動
触媒が追加補充される。この種の装置は、特許公開公報
W089/10470から周知である。エンジン起動中に起動触媒
を電気的に加熱することで触媒パッケージ全体として加
熱期間を短縮することが可能となる。
主題発明は、自動車内の排ガスの精製の改良を提供す
るもので、汚染放出を規制のレベル内に制御することが
できる。これは、エンジンの起動に際して起動触媒の上
流に進出する空気チャンネルを介して空気流を排出パイ
プに供給し、且つ、この流れが主触媒が着火温度に達す
ると最終的に中断されることを特徴とする最初に限定し
た種類の方法で達成される。
本発明の１実施例に関し、また本発明による放出制御
システムを示す添付の第１図を参照して本発明を以下に
詳述する。
図面に図示のシステムは、伝統的なガソリン燃料タイ
プか或いは液化ガス、天然ガス、またはアルコール燃料
が使用できることを意図したものの何れかの燃焼エンジ
ン１からの排出ガスを精製するためのものである。
このエンジンは、入口パイプ２と排出パイプ３を具備
している。エンジン１からの排出は、電気的に加熱され
る起動触媒４及びこの起動触媒と接続する主触媒５から
なる触媒パッケージを介して導かれる。主触媒５は、基
準タイプのもので、例えば4.66″×６″の円形セラミッ
ク基体、400cpsi（cpsi＝１平方インチ当たりのセル
数）、50g/ft3のPM荷重（PM＝貴金属）及びPt/Rhの関係
が5:1からなるものである。起動触媒４は、好ましい流
れ条件と温度条件を得るために、起動触媒４の支持構造
体の長さの0.1から5.0倍、好ましくは1.5〜2.0倍の距離
を主触媒５から置いたところで、主触媒５の上流に装着
してある。
起動触媒４は、特に耐熱性の触媒被覆した管状金属ハ
ウジング（例えば、直径90cm、長さＬが28cm,200cpsi,6
0g/ft3のPM荷重、Rt/Rhの関係が5:1）からなる。この金
属ハウジング内の触媒支持体は、加熱用の電流源と接続
される抵抗荷重として作用する。
加えて起動触媒は、一般に、通常の自動車のスタータ
ーバッテリーであるバッテリー６と接続する。時には、
この通常のスターターバッテリー容量が起動触媒４が必
要とする電流には不充分であり、このような場合には別
個の電気エネルギー供給システムを必要とする。
起動触媒４を電流源に接続する時は、起動触媒４とバ
ッテリー６との間に電子スイッチ７を挿入する。このス
イッチは、損失を最小にし、且つ、自動車に屡々生じる
現象である電磁パルスの発生の危険なしで電流と起動触
媒４との信頼性のある接続を確実にするために半導体タ
イプが好ましい。またスイッチはリレータイプでもよ
い。
排ガス内の酸素の存在を検知するために、ラムダセン
サー８として周知のセンサーを起動触媒４の上流に配置
してある。
このラムダセンサー８を電子ユニット９に接続してラ
ムダセンサー８から補正ユニット10への信号に適合させ
る。
補正ユニット10は、エンジン１のインジェクションユニ
ット11への空気燃料混合物に関する信号を決定し、且
つ、発生するように構成されている。インジェクション
ユニット11は、そのままの位置で一般的に使用されてい
るタイプのものが好ましく、また、空気量メーター12も
このシステムに組込んである。
このシステムは、電気制御空気ポンプ13も含み、この
ポンプに第１空気チャンネル14を介して空気が供給さ
れ、後者のチャンネルは、空気量メーター12の上流でエ
ンジン１の入口ポンプ２と接続する。ラムダセンサー８
と起動触媒４との間で排出パイプ３と接続する第２空気
チャンネル15を介して、触媒パッケージ4,5の上流でこ
のシステムに空気を供給するように空気ポンプ13が作動
する。空気ポンプ13は、この空気ポンプ13に向って流れ
る熱い排ガスの逆流から空気ポンプ13を保護する作用を
する逆止弁（図示せず）を含んでいる。この空気ポンプ
13を作動するために、この空気ポンプを電子スイッチの
出力端子に接続し、この端子は、起動触媒４の作動とは
無関係である。
このシステムは、スイッチ７及び空気ポンプ13と接続
して制御信号を発生するように構成されたコンピュータ
ーベース制御ユニット16含む。同様に、温度センサー
（図示せず）が制御ユニット16と接続され、このセンサ
ーは、起動触媒４に隣接して配置され、また起動触媒４
の温度を表わす信号を供給するように配置されている。
この温度センサーは、起動触媒４と一体に製造される被
覆タイプ抵抗温度計である。この方法により起動触媒４
の温度を正確にモニターできる。
制御ユニット16は、タイムベースに基づき、または温
度に関連して起動触媒４の作動を規制し、温度センサー
を含む起動触媒４をモニターし、バッテリー６から、ま
た場合によっては自動車の電気発生機（図示せず）から
起動触媒４への電流をモニターし、そして流量に関して
空気ポンプ13の作動を制御する役目をする。電流供給の
モニターは、ここでは詳述しないが、スターターバッテ
リー回路に関する電圧測定で行なわれる。起動触媒４の
モニターは、ここでは詳述しないが、触媒の抵抗の測定
で行われる。
以下に、本発明の放出制御システムの機能を説明す
る。エンジン１がスタートすると、上記電流供給モニタ
ー活動が、バッテリー６の容量をチェックして充分なエ
ネルギーを起動触媒４へ供給する。バッテリー６のエネ
ルギー量が充分であり、また起動触媒４の条件のモニタ
ーが正常であると、起動触媒４の加熱処理が開始され
る。同時に、空気ポンプ13を介して追加の空気供給が開
始する。加熱と空気供給は所定の期間、または起動触媒
４が所定の温度に達するまで継続する。これらの条件
は、電気加熱及び発熱反応の結果、触媒パッケージ4,5
の着火温度を得ることに対応する。この時点で空気注入
と加熱が停止される。
通常は、触媒パッケージ4,5の着火温度が得られた以
後は空気の供給はない。何故なら、そのような供給は、
NOx−放出に好ましくない影響を与え、また空気ポンプ1
3を介して行う空気供給に関わりなく起動触媒４の加熱
も行われる。
記載した実施例では、スイッチ７は、エンジン１のイ
グニッションの後（所謂エンジンの「クランク」処理の
後）直ちに起動触媒４の加熱処理が開始するような方法
で始動される。また、エンジンのクランク前に起動触媒
４を予熱するか、その代りにクランク処理の前後に加熱
するのも望ましい。
しかし、自動車のスタートモーターが作動中に、起動触
媒４を始動するのは不利である。何故なら、スタートモ
ーターは、バッテリー６の全容量を必要とするからであ
る。起動触媒４を通じて、主触媒５へ導かれる排ガスの
温度は、加熱によって増大し、その結果、触媒パッケー
ジ4,5全体が、より速く着火温度、即ち触媒パッケージ
4,5が受容し得る精製効率で作動するのに充分なまで加
熱される温度、に達する。
始動した空気ポンプ13からの空気流は、触媒パッケー
ジ4,5の加熱期間中に、このパッケージへ導かれる比較
的可燃成分の少ない排ガス混合物に対して貢献する。即
ち、排出パイプ３内の排ガス混合物は、少量の余分な酸
素を含むことになる。ラムダセンサー８が、その全効率
レベルに達するのに約30秒かかるので、エンジン１は、
化学量論的率で作動でき、この期間中、ラムダセンサー
は触媒4,5への空気供給の規制には使用できない。しか
し、ラムダセンサー８の下流での空気供給は、エンジン
１の起動中、加熱及び初期の駆動段階の間に起動触媒４
へ流れる排ガスへの制御された余分な酸素の供給をもた
らす。この方法によってラムダセンサー８の機能は、空
気ポンプ13から供給される空気の流れで邪魔されない。
何故なら、空気注入がラムダセンサー８の下流で行われ
るからである。
１％程度の余分な酸素（化学量論的酸素量0.63％に比
較して）は、触媒の着火温度を20〜30℃減じ（HCとCOの
制御に関連して）、一方、２％程度の余分な酸素は、着
火温度を30〜50℃減ずることが判明した。また、NOx放
出の制御に関連する着火温度は排ガス混合物内の余分な
酸素で改良される。
起動触媒４の加熱が中断すると、急激な温度低下を生
じて起動触媒４の冷却をもたらし、これが、精製度を減
じることになる。しかし、この冷却は、現存する冷た
く、且つ、濃い排ガス化合物と一緒になって、主触媒５
内の触媒剤が冷却する前に、過渡的温度上昇が行われる
ように、主触媒５が反応する作用を有する。この現象
は、時に「間違った作用」と呼ばれ、これは、Ind.Eng.
Chem.Prod.Res.Dev.Vol.21,No1,1982に、アメリカ合衆
国、ミシガン州、ウオレンのゼネラルモーター社の研究
所のジェムス シー キャヴェンデイッシュ、及び、セ
エイチ．オーによる「モノリシック触媒変換器の過渡
現象：自動車放出物制御に関する送り流温度の段階変化
に対する応答」と題する記載に開示されている。この作
用は、下記の方法で利用する。本発明による放出制御シ
ステムは、起動触媒４へのパルス電流を制御ユニット16
とスイッチ７を介して供給し、この電流パルスが迅速な
温度上昇を生じ、引き続き起動触媒４の温度降下となる
ように構成されている。
一方では、電流供給が充分であり（即ち、起動触媒４へ
の電力供給が充分に高い）、他方では起動触媒４の幾何
学的位置が、その支持構造体の長さの好ましくは1.5〜
2.0倍の距離で、主触媒から離れている、というこれら
の前提条件の組合せによって、触媒パッケージ4,5の
「間違った作用」をもたらすが、これは、触媒パッケー
ジ4,5が、着火温度に達するのに要する時間の減少に重
要な貢献をする。
起動触媒４へ供給する前の電流の強度及び主触媒５に
対する起動触媒４の幾何学的位置のごときパラメーター
は、本システムの具体的な応用における必要性に応じて
調節できることをここに指摘する。
更に、本発明によるシステムを、空気ポンプ13からの
空気注入なしで起動触媒４を加熱して制御でき、また、
逆も同様であることをここに指摘する。しかし、空気注
入と組合せての加熱の場合、触媒パッケージ4,5で得ら
れる放出制御の総効果は、これらの機能を個別に作動さ
せて得た制御レベルを超える。
制御ユニット16を、上記のごとく空気供給を一定のレ
ベルに維持する代りに、空気供給を排ガスの流れに対し
て最善になるように空気ポンプ13が始動するように配設
すると更なる精製効率の改良が得られる。この場合、空
気ポンプ13は、空気の可変流を排出パイプ３へ送れる能
力がなければならない。排ガス中の余分な酸素量は、空
気ポンプ13の始動によって時間ベースに基づいて変化す
る。例えば、触媒パッケージ4,5の精製効率を最善とす
るために、排ガス内の余分な酸素をステップ−バイ−ス
テップで減少するように流れを寸法づけることができ
る。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−13820（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−219413（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−18122（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−42221（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−500911（ＪＰ，Ａ) 西独国特許出願公開3506235（ＤＥ, Ａ１) 欧州特許出願公開412521（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02D 41/00 - 41/40 F01N 3/00 - 3/02 F01N 3/04 - 3/38 F01N 9/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】入口パイプ（２）及び排出パイプ（３）を
    具備するエンジン（１）を含み、電気加熱される起動触
    媒（４）及び主触媒（５）が排出パイプ（３）内で前記
    起動触媒（４）が主触媒（５）に近接してその上流に装
    着されている自動車の触媒放出制御方法であって、エン
    ジン（１）の起動に関連して、排ガス混合物が濃い時
    に、排ガスの温度の上昇と下降とを相互に生じるような
    性質のパルス電流で起動触媒（４）を起動し、この温度
    の上昇及び下降が排ガス混合物を介して主触媒（５）へ
    伝達され、排ガスの温度がパルス電流によって低下した
    時に主触媒が自らの温度を上昇させて反応することを特
    徴とする触媒放出制御方法。
  2. 【請求項２】空気流を、起動触媒（４）の上流で排出パ
    イプ（３）に進出する空気チャンネル（15）を介して該
    排出パイプへ供給することを特徴とする請求項１記載の
    方法。
  3. 【請求項３】入口パイプ（２）及び触媒（５）を装着し
    たパイプ（３）を具備するエンジン（１）を含み、エン
    ジン起動に関連して、余分な酸素を生成するために前記
    触媒（５）の上流で前記排出パイプ（３）に進出してい
    る空気チャンネル（15）を介して空気流を前記排出パイ
    プ（３）に供給する方法であって、特に請求項１または
    ２記載の方法において、排出パイプ（３）へ供給する空
    気流を、所定の開始レベルから始まって連続的に減じる
    ように規制することを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】排出パイプ（３）へ供給する空気流を、排
    ガスの酸素含有量が化学量論的酸素レベルに対する過剰
    量が５％未満になるように規制することを特徴とする請
    求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】排ガスの酸素含有量を段階的に減じること
    を特徴とする請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】請求項１または２記載の方法を実施する装
    置であって、スイッチ（７）と制御ユニット（16）を設
    け、該制御ユニット（16）を前記起動触媒（４）にパル
    ス電流を与えるように前記スイッチ（７）に対して制御
    信号を発するように配設することを特徴とする装置。
  7. 【請求項７】前記起動触媒（４）が前記排出パイプ
    （３）内で、該起動触媒（４）の支持構造体の長さの0.
    1〜5.0倍の距離だけ主触媒から離れた上流に位置するこ
    とを特徴とする請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】前記排出パイプ（３）へ進出する空気チャ
    ンネル（15）を介して排出パイプ（３）と接続する空気
    供給源（13）を含む装置であって、請求項３〜５のいず
    れか１項記載の方法を実施する装置において、前記空気
    供給源（13）の空気流を、該空気供給源（13）に接続さ
    れ且つ該空気供給源（13）から排出パイプ（３）への空
    気流を規制するように配設された制御ユニット（16）で
    規制することを特徴とする装置。
  9. 【請求項９】前記制御ユニットを、排ガス中の余分な酸
    素を化学量論的率に比較して一定に維持するように空気
    流を規制するように配設したことを特徴とする請求項８
    記載の装置。
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