JPH08502570A - 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

Abstract

(57)【要約】 少なくとも短い領域（８）が急速に電気的に加熱され得る触媒変換装置（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）の下流に適合されており、電気加熱器（１３）は、エンジン（１）の排気ガスの加熱によって引起こされる触媒変換装置（８、１４、１５、１６）の加熱可能な領域（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とほぼ同じになるかまたはそれより遅くなれば、エンジン（１）の開始の後に続く短い遅延の後スイッチオンされる。ゆえに加熱器は約３ないし１０秒後にスイッチオンされ、エンジン（１）は好ましくは速い遊び状態の速度で燃料を食わない混合物で動作され、続いてより遅い遊び状態の速度で燃料を食う混合物で動作される。加熱時間とエンジン制御とを適合させることで、迅速に触媒変換装置（８、１４、１５、１６）を加熱するための、電力の最適使用を確実にする。周囲の温度、エンジン温度、または触媒温度もまた正確に加熱の開始を確立するときに考慮され得る。これは、利用可能な電力が最良の方法で使用されることを意味する。

Description

【発明の詳細な説明】 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 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機関の下 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 されているか、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 ー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２５ ０Ａ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１ ２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ＩＩＩでは、曲線ＩＩ 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 ブリュック，ロルフ ドイツ連邦共和国、デー―51429 ベルギ ッシュ・グラドバッハ、フリューベルシュ トラーセ、12 (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 【要約の続き】 味する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、１ ４、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．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．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．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．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．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．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．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．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．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．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、１６）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．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。