JPH04314911A - 酸素センサー付設ヒーターユニット及び触媒装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンから排出され
る排ガスの浄化に好適に用いることができる酸素センサ
ーを付設したヒーターユニットと、ヒーターユニットを
配設した触媒装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、図６に示すような、酸素セン
サーおよび三元触媒を用いた自動車排ガスの浄化システ
ムが知られている。これは、酸素センサー１を三元触媒
４の上流側の排気管２に適宜配設し、これにより排ガス
中に含まれている酸素濃度を検知し、その検出信号をエ
ンジンスピードの信号Ａおよび吸気負圧の信号Ｂととも
にコンピュータ３へ入力して演算・解析し、この演算・
解析結果に基づいて自動車エンジンの燃焼状態を最適に
制御し、排ガスの適切な浄化、燃費の節減などを行なう
ものである。そして排ガスは、排ガス排出配管２の下流
側に設けた三元触媒４により、浄化され大気に放出され
る。

【０００３】ところで、上記した排ガス浄化システムに
おいて、排気管２の上流側に配設される酸素センサー１
においては、酸素センサーの作動温度は約３５０℃以上
の領域であり、エンジン始動直後においては、酸素セン
サー素子温上昇が遅いため作動開始が遅く、特に低温始
動直後において酸素センサー素子の温度が上昇し作動開
始までフィードバック制御が行なわれず、その間触媒装
置の性能は十分に発揮されない。この対策として、酸素
センサー１をより排ガス上流側に設置すること、あるい
はヒーター内蔵酸素センサーにおいてはヒーター容量を
大きくして、酸素センサー素子温を早く上昇させるよう
にすることが考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、酸素セ
ンサー１をより排ガス上流側に設置するにしても限界が
あるほか、多気筒エンジンにおいては排ガス上流側では
排ガス組成が均一化されていないため、酸素濃度検出に
バラツキが生じやすいという問題がある。また、ヒータ
ー内蔵酸素センサーにおいてヒーター容量を大きくする
方法では、酸素センサの劣化を早めることになり、一方
消費電力の面からも好ましくない。

【０００５】さらにまた、この排ガス浄化システムにお
いて、三元触媒４からなる触媒装置は、触媒が触媒作用
を発揮するために所定温度以上に昇温されることが必要
であるので、自動車の始動時等の未だ触媒が十分に昇温
していない場合には触媒を加熱することが必要となる。 本発明は以上のような問題に鑑みてなされたものであり
、本発明は触媒を加熱すると同時に酸素センサーをも加
熱し、両者の性能をエンジン始動直後から発揮させるよ
うにしたヒーターユニットと触媒装置を提供することを
目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明によれば、
主モノリス触媒の上流側に配設されたヒーターユニット
であって、多数の貫通孔を有するハニカム構造体に通電
のための電極を設けてなるヒーターと、酸素センサーと
を備えたことを特徴とする酸素センサー付設ヒーターユ
ニット、が提供される。このヒーターユニットの場合、
酸素センサーの配設位置としては、ヒーター内あるいは
ヒーターの下流側でかつ主モノリス触媒の上流側とする
ことができる。また、ハニカム構造体に触媒を担持する
とヒーター自体も触媒作用を発揮するため好ましい。ヒ
ーターの下流側に酸素センサーを配設する場合、ヒータ
ーの熱を効率的に利用する点から、２０ｃｍ以内とする
ことが好ましい。

【０００７】さらに、ヒーターには通電のための少なく
とも２つの電極を設け、かつ電極間にスリット等の抵抗
調節機構を設けることが、ヒーターの発熱性を制御する
ことができ好ましい。本発明のヒーターユニットにおい
ては、酸素センサーとして、酸素センサー自体の加熱の
ためのヒーターを内蔵していないタイプのものを使用す
ることができ、また、ヒーターを内蔵している酸素セン
サーであってもそのヒーターの低パワー化が可能となり
、好ましい。さらに本発明によれば、エンジンから排出
される排ガスを浄化する触媒装置であって、主モノリス
触媒と、該主モノリス触媒の上流側に配設された前記構
造を有するヒーターユニットとを有することを特徴とす
る触媒装置、が提供される。

【０００８】

【作用】本発明は、主モノリス触媒加熱用のヒーターに
酸素センサーを組み込むことにより、ヒーターと酸素セ
ンサーを一体化したものである。このように、主モノリ
ス触媒加熱用ヒーターと酸素センサーを一体化したこと
により、ヒーターの熱でセンサー素子が加熱され、その
結果、エンジン始動時（コールドスタート時）における
酸素センサーの温度立上りが早くなり、酸素センサーに
よるフィードバック制御が迅速に開始されることになる
。

【０００９】また本発明では、ヒーターの中に酸素セン
サーを組み込むか、あるいは主モノリス触媒とヒーター
の間に酸素センサーを組み込むため、酸素センサーの上
流側からの種々の飛来物（例えば、排ガス凝縮水、エン
ジンオイル燃焼生成物等）から酸素センサーが保護され
る。従って、本発明の構成は酸素センサーの寿命の観点
からも好ましく、また酸素センサー保護カバーが省略で
きたり、またその構造を簡単にすることができる。さら
に、ヒーターはハニカム構造体を基体としているため、
排ガスに対して整流効果を奏し、気筒間でのガス検知性
バラツキが低減され、エミッション特性上好ましい。

【００１０】このように本発明のヒーターユニットは、
ヒーターと酸素センサーの２部品が一体化されるので、
エンジンの組立工程が簡略化されることになる。尚、本
発明において、ヒーターユニットとは、通常ヒーターが
一つの缶体の中に納まった状態のものを意味するが、例
えばヒーターと主モノリス触媒が、缶体内で連続して実
質的につながっている場合であって、酸素センサーがヒ
ーターに組み込まれるか、あるいはヒーターの下流側に
配設された状態のものも含む。

【００１１】ヒーターの基体であるハニカム構造体の構
成材料としては、通電により発熱する材料からなるもの
であれば制限はなく、金属質でもセラミック質でもよい
が、金属質が機械的強度が高いため好ましい。金属質の
場合、例えばステンレス鋼やＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ、Ｆｅ−
Ｃｒ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｗ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｒ
等の組成を有する材料からなるものが挙げられる。上記
のうち、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ａｌが
耐熱性、耐酸化性、耐食性に優れ、かつ安価で好ましい
。さらに金属質の場合、フォイルタイプに形成したもの
でもよい。ハニカム構造体は、多孔質であっても非多孔
質であってもよいが、触媒を担持する場合には、多孔質
のハニカム構造体が触媒層との密着性が強く熱膨張差に
よる触媒の剥離が生ずることが殆どないことから好まし
い。

【００１２】次に、ハニカム構造体のうち金属質ハニカ
ム構造体の製造方法の例を説明する。まず、所望の組成
となるように、例えばＦｅ粉末、Ａｌ粉末、Ｃｒ粉末、
又はこれらの合金粉末などにより金属粉末原料を調製す
る。次いで、このように調製された金属粉末原料と、メ
チルセルロース、ポリビニルアルコール等の有機バイン
ダー、水を混合した後、この混合物を所望のハニカム形
状に押出成形する。次に、押出成形されたハニカム成形
体を、非酸化雰囲気下１０００〜１４５０℃で焼成する
。ここで、水素を含む非酸化雰囲気下において焼成を行
なうと、有機バインダーがＦｅ等を触媒にして分解除去
し、良好な焼結体（ハニカム構造体）を得ることができ
る。

【００１３】焼成温度が１０００℃未満の場合、成形体
が焼結せず、焼成温度が１４５０℃を超えると得られる
焼結体が変形するため、好ましくない。なお、望ましく
は、得られたハニカム構造体の隔壁及び気孔の表面を、
例えばＡｌ２　Ｏ３　等の耐熱性金属酸化物で被覆する
。次に、得られたハニカム構造体について、好ましくは
、後述する電極間に各種の態様により抵抗調節手段を設
ける。

【００１４】ハニカム構造体に設ける抵抗調節手段とし
ては、例えば■スリットを種々の方向、位置、長さで設
けること、■貫通軸方向の隔壁長さを変化させること、
■ハニカム構造体の隔壁の厚さ（壁厚）を変化させるか
、または貫通孔のセル密度を変化させること、および■
ハニカム構造体の隔壁にスリットを設けること、等が好
ましいものとして挙げられる。発熱部分を簡易に調節で
きる方法として、■のスリットの形成が特に好ましい。

【００１５】上記のようにして得られた金属質ハニカム
構造体は、通常その外周部の隔壁または内部に、ろう付
け、溶接などの手段によって電極を設けることにより、
ヒーターが作製される。ここで、電極とは、当該ヒータ
ーに電圧をかけるための端子の総称を意味し、ヒーター
外周部と缶体を直接接合したものや、アース等の端子を
含む。この金属質ハニカム構造体は、全体としてその抵
抗値が０．００１Ω〜０．５Ωの範囲となるように形成
することが好ましい。

【００１６】また、上記の金属質ハニカム構造体の表面
にさらに触媒を担持させると、排気ガスの浄化反応（酸
化反応熱等）による温度上昇が期待できるため、好まし
い。この場合、エンジン始動一定時間後にヒーターをオ
フとしても、ヒーター自体に担持した触媒による酸化反
応熱により、所定の温度を保持しつづけることになる。 金属質ハニカム構造体の表面に担持する触媒は、大きな
表面積を有する担体に触媒活性物質を担持させたもので
ある。ここで、大きな表面積を有する担体としては、例
えばγ−Ａｌ２　Ｏ３　系、ＴｉＯ２　系、ＳｉＯ２　
−Ａｌ２　Ｏ３　系などやペロブスカイト系のものが代
表的なものとして挙げられる。触媒活性物質としては、
例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ
、Ｃｏ等の卑金属などを挙げることができる。上記のう
ち、γ−Ａｌ２　Ｏ３　系にＰｔ、Ｒｈを１０〜１００
ｇ／ｆｔ３　担持したものが好ましい。

【００１７】尚、本発明においてハニカム構造体とは、
隔壁により仕切られた多数の貫通孔を有する一体構造を
いい、例えば貫通孔の断面形状（セル形状）は円形、多
角形、コルゲート形等の各種の任意な形状が使用できる
。ヒーター内に酸素センサーを組み込む場合、ヒーター
を加工して酸素センサーの投入口を設けてもよく、また
抵抗調節手段を設けたヒーターにおいては、例えばスリ
ット部分に酸素センサーを配設してもよい。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳しく
説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるもので
はない。図１は、本発明の酸素センサー付設ヒーターユ
ニットおよび触媒装置を組み込んだ排ガス浄化システム
を示しており、排気管２内に、その上流側から酸素セン
サー１０を組み込んだヒーター１１からなるヒーターユ
ニット１２と、主モノリス触媒１３が配設されているも
のである。

【００１９】次に、具体的な実施結果を説明する。 ［ハニカムヒーターユニットの製作］ （実施例１）純Ｆｅ粉末、純Ｃｒ粉末、Ｆｅ−５０ｗｔ
％Ａｌ合金粉末、Ｆｅ−２０ｗｔ％Ｂ粉末、Ｆｅ−７５
ｗｔ％Ｓｉ粉末をＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ−１Ｓｉ−０
．０５Ｂ（重量％）の組成になるよう原料を配合し、こ
れに有機バインダー（メチルセルロース）と酸化防止剤
（オレイン酸）、水を添加して坏土を調製し、四角セル
よりなるハニカムを押出成形し、乾燥後Ｈ２　雰囲気下
１３５０℃で焼成し、リブ厚４ｍｉｌ　、貫通孔数４０
０ｃｐｉ２のハニカム構造体を得た。

【００２０】上記方法により得られた外径９０ｍｍφ、
長さ４０ｍｍのハニカム構造体に対して、図２に示すよ
うに、その外壁２０上に２ヶ所電極２１をセットした。 又、図２に示すように、７０ｍｍの長さのスリット２２
を貫通孔の軸方向に６ヶ所設け（両端のスリット長さは
５０ｍｍ）、かつスリット２２間のセル数が７個（約１
０ｍｍ）となるように形成した。さらに、スリット２２
の外周部２３にはジルコニア系の耐熱性無機接着剤を充
填し、絶縁部とした。

【００２１】次に、市販のγ−Ａｌ２　Ｏ３　（ＢＥＴ
表面積：３００ｍ２／ｇ）７５部と、酢酸セリウムとＣ
ｅＯ２　粉をＣｅＯ２　換算で２５部とに、酢酸を適量
添加して形成したスラリーを用い、上記で得られたハニ
カムヒーター上に５０μｍ被覆し、乾燥後５５０℃で焼
成した。次いで、得られたγ−Ａｌ２　Ｏ３　・ＣｅＯ
２　上に、ＰｔとＲｈを含浸・担持し、最終的にＰｔ／
Ｒｈ＝５／１で４５ｇ／ｆｔ３　担持した触媒付のハニ
カムヒーター２４を得た。 この触媒付ハニカムヒーター２４の外周部に、直径６ｍ
ｍφ、深さ１５ｍｍの穴３０を図３に示す如く配設し、
その穴３０のほぼ中央部に、エンジンの空燃比制御用の
板状酸素センサー３１（ヒーター無し）の検知部３２が
位置するように酸素センサー３１を取り付けたハニカム
ヒーターユニットＡを作製した。

【００２２】（実施例２）図４に示すように、ヒーター
ユニット内であって、実施例１で示した触媒付ハニカム
ヒーター２４の後方に、酸素センサー３１を配設した。 ［酸素センサーの始動特性確認テスト］市販の１．７リ
ットルの主モノリス触媒（三元触媒、セラミック担体、
６ｍｉｌ／４００ｃｐｉ２）１３の前方に、酸素センサ
ーを図１、図４、および図５に示す配列でアンダーフロ
アーに取り付けた。図１は実施例１、図４は実施例２に
対応するものであり、図５は比較例に該当する。即ち、
図５においては、ハニカムヒーターユニット４０の前方
で排ガス温度の比較的低いエンジン本体より離れた位置
に、酸素センサー４１が装着されており、そのため酸素
センサー素子を加熱するためのヒーターを有する従来の
ヒーター付酸素センサーを用いたものである。

【００２３】酸素センサーの始動特性を調べる目的で、
外気温２５℃でエンジン（排気量２０００ｃｃ）を始動
させ、始動と同時にハニカムヒーターに（図５の場合に
は酸素センサーのヒーターにも）バッテリー電圧（２４
Ｖ、但し酸素センサーには１２Ｖ）を印加し、ハニカム
ヒーター温度が４５０℃になるようにオン−オフ制御し
、アイドリング状態で放置して酸素センサーの出力を検
知した。尚、ハニカムヒーターは１０秒後に４５０℃の
温度に到達した。

【００２４】その結果、図１、図４に示す実施例では、
酸素センサーはエンジン始動後１２秒後に作動温度に到
達し、フィードバック制御を開始したのに対し、図５の
比較例は４１秒後に作動温度に到達した。尚、本実施例
では板状酸素センサーの例を示したが、その他の形状、
例えば実公昭６２−３７１６５号あるいは実公平２−４
４２０５号のような有底円筒状の酸素センサーにおいて
も同様の効果を確認した。

【００２５】［ヒーターユニットの排ガス浄化特性］図
１（実施例１）、図５（比較例）に示す浄化システムに
おいて、二次空気の導入口をヒーターユニット内の酸素
センサーの上流側に設け（図５の場合には、酸素センサ
ーとヒーターユニットの中間）、ＦＴＰテストによるエ
ミッション測定を行なった。図１（実施例１）の場合に
は、エンジン始動と同時にヒーターに通電を開始し（２
４Ｖ、４５０℃でオン−オフ制御、６０秒間通電）、二
次空気２００リットル／ｍｉｎ　を導入し始め、ヒータ
ーユニットの酸素センサーが作動状態に入ると同時に二
次空気の導入を停止し、酸素センサーの出力に応じて燃
料供給量を調整し、空気過剰率λ＝１．０となるように
制御した。一方、図５（比較例）の場合には、二次空気
２００リットル／ｍｉｎ　の一定量を４０秒間流入した
。得られた結果を下記の表に示す。

【００２６】

【００２７】実施例１の場合、酸素センサーは、ヒータ
ーユニットの熱によって加熱されるため、温度上昇がは
やくヒーター上の触媒及び主モノリス触媒の三元浄化能
を十分に発揮することができ、浄化効率に優れる。一方
、比較例の場合、二次空気供給量を適正に添加すること
ができないので、触媒による浄化能が十分に発揮されて
いないことがわかる。以上の結果より、実施例１の場合
には、エンジン始動後極めて短時間で酸素センサーのフ
ィードバック制御が開始されるため、二次空気の導入自
体を不要にすることも可能であることが判明した。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のヒーター
ユニット及び触媒装置は、主モノリス触媒加熱用のヒー
ターに酸素センサーを組み込んだので、ヒーターの熱で
酸素センサー素子が加熱され、エンジン始動時における
酸素センサーの温度立上りが早くなり、酸素センサーに
よるフィードバック制御を迅速に開始することができ、
その結果、排ガス浄化を適正に行なうことができるとい
う効果を奏する。また、本発明では排ガス凝縮水、エン
ジンオイル燃焼生成物等の飛来物から酸素センサーが保
護され、酸素センサーの寿命が延びるという効果がある
ほか、ヒーターは排ガスに対して整流効果を奏するため
、酸素センサー特性上においても気筒間でのガス検知性
バラツキが低減されるという利点を有する。さらに、酸
素センサーをヒーター付きのものに比べて安価なヒータ
ー無しのものに置き換えることができるという利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素センサー付設ヒーターユニットお
よび触媒装置を組み込んだ排ガス浄化システムの一例を
示す構成説明図である。

【図２】ハニカムヒーターの一例を示す斜視図である。

【図３】ハニカムヒーターユニットの一例を示す一部破
断断面図である。

【図４】本発明の酸素センサー付設ヒーターユニットお
よび触媒装置を組み込んだ排ガス浄化システムの他の例
を示す構成説明図である。

【図５】酸素センサー、ヒーターおよび主モノリス触媒
を用いた自動車排ガスの浄化システムの例を示す構成説
明図である。

【図６】従来の酸素センサーおよび三元触媒を用いた自
動車排ガスの浄化システムの例を示す構成説明図である
。

【符号の説明】

２　　排気管 ３　　コンピュータ １０　　酸素センサー １１　　ヒーター １２　　ヒーターユニット １３　　主モノリス触媒 ２４　　触媒付ハニカムヒーター ３０　　穴 ３１　　板状酸素センサー ３２　　板状酸素センサーの検知部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　主モノリス触媒の上流側に配設された
   ヒーターユニットであって、多数の貫通孔を有するハニ
   カム構造体に通電のための電極を設けてなるヒーターと
   、酸素センサーとを備えたことを特徴とする酸素センサ
   ー付設ヒーターユニット。
2. 【請求項２】　　ヒーター内に酸素センサーが組込まれ
   ている請求項１記載のヒーターユニット。
3. 【請求項３】　　ヒーターの下流側でかつ主モノリス触
   媒の上流側に酸素センサーが組込まれている請求項１記
   載のヒーターユニット。
4. 【請求項４】　　ハニカム構造体に触媒を担持した請求
   項１記載のヒーターユニット。
5. 【請求項５】　　ヒーターが通電のための少なくとも２
   つの電極を設けるとともに、該電極間に抵抗調節機構を
   設けた請求項１記載のヒーターユニット。
6. 【請求項６】　　酸素センサーが酸素センサー検出部の
   加熱のためのヒーターを内蔵していない請求項１記載の
   ヒーターユニット。
7. 【請求項７】　　エンジンから排出される排ガスを浄化
   する触媒装置であって、主モノリス触媒と、該主モノリ
   ス触媒の上流側に配設された請求項１〜６のいずれかに
   記載のヒーターユニットとを有することを特徴とする触
   媒装置。