(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系に、上流より順に設けられた三元触媒と、少なくともその成分にゼオライトを含み炭化水素を吸着可能な吸着触媒とを有する内燃機関の排気浄化装置において、前記吸着触媒の下流に設けられた少なくとも白金をその成分に含む第１の電気加熱触媒と、前記第１の電気加熱触媒の下流に設けられた少なくともパラジウムをその成分に含む第２の電気加熱触媒とを具備したことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】
前記第１の電気加熱触媒の担体のセル密度を、前記第２の電気加熱触媒の担体のセル密度よりも粗にしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項３】
前記第２の電気加熱触媒を三元触媒としたことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項４】
前記第１の電気加熱触媒を、前記吸着触媒から炭化水素の脱離が開始される時点にて活性化させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項５】
前記第１の電気加熱触媒の通電終了時点より、前記第２の電気加熱触媒に通電を開始するようにしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。
【請求項６】
前記第１の電気加熱触媒への供給電力を、前記第２の電気加熱触媒の供給電力より大きくしたことを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、特に炭化水素（以下、ＨＣ）の浄化を低電力で実現できるようにした内燃機関の排気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、大気汚染を防止するために、自動車等の内燃機関の排気浄化に関する研究が進められ、種々提案されている。自動車の排気の有害成分としては、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯx 等が知られているが、ＨＣを浄化する提案の一つとして、例えば特開平５−１０１１７号公報に示されているものがある。
【０００３】
この公報には、内燃機関の始動時のエミッションを低減させるために、ヒータ機能をもつ触媒コンバータとヒータ機能をもたない触媒コンバータとを組み合わせて使用することが提案されている。この提案によれば、ヒータ機能をもつ触媒コンバータは触媒を該ヒータ機能により早期に活性化温度まで加熱できるので、内燃機関の始動時のエミッションの低減を期待することができる。
【０００４】
また、他の提案として、例えば、特開平５−３１３５９号に記されているものがある。この提案は、自動車排ガス流路に、ゼオライト吸着材、ハニカムヒータおよび主モノリス触媒を設け、エンジン始動時にはゼオライト吸着材による吸着機能を利用して低温排気中のＨＣを捕捉し、その後ハニカムヒータに通電して瞬時に該ヒータ上の触媒を活性化させることにより、ＨＣを反応浄化させるようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ヒータにより触媒を短時間に加熱しようとすると、短時間に大量の電力が必要になる。したがって、加熱できる触媒の容量に限度があった。また、自動車に搭載する内燃機関の排気浄化装置であることを考えると、電力はバッテリ、オルタネータといった電源から供給されるが、該電源から大量の電力を供給することは、電源に大きな負担を強いいるものであったり、電源の能力を大きくする必要を伴うものであった。
【０００６】
また、吸着材から脱離するＨＣ（炭化水素）については、ＨＣの種類によって脱離する順序があるものの、脱離するＨＣの種類に応じた浄化を考慮するものではなかった。
【０００７】
この発明の目的は、前記した従来技術の問題点を除去し、短時間に大量の電力を消費せずに、自動車用として供給可能な電力で触媒を活性化させ、エンジン（機関）始動時におけるＨＣの浄化能力を改善した内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気系に、上流より順に設けられた三元触媒と、少なくともその成分にゼオライトを含み炭化水素を吸着可能な吸着触媒とを有する内燃機関の排気浄化装置において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
【０００９】
(1) 前記吸着材の下流に設けられた少なくとも白金をその成分に含む第１の電気加熱触媒と、前記第１の電気加熱触媒の下流に設けられた少なくともパラジウムをその成分に含む触媒とを設けたので、前記吸着材から最初に脱離するパラフィン系の炭化水素については、該パラフィン系の炭化水素の浄化能力に優れる白金をその成分に含む電気加熱触媒を早期に活性化させて浄化することにより、エミッションを低減できる。また、前記パラフィン系の炭化水素に続いて脱離するアロマ系の炭化水素については、該パラフィン系の炭化水素の浄化能力に優れるパラジウムをその成分に含む触媒を脱離までの時間差により排気の吸熱および前記第１の電気加熱触媒からの熱にて活性化させ、パラフィン系の炭化水素を浄化してエミッションを低減できる。
【００１０】
(2) 前記触媒を電気加熱触媒で構成したので、アロマ系の炭化水素が吸着触媒から脱離されるまでの間に、確実に活性化することができる。また、吸着触媒からアロマ系の炭化水素が脱離までの時間差を利用することにより、該電気加熱触媒に大電流を流さなくても良くなり、自動車用として供給可能な電力で触媒を活性化させることができるようになる。
【００１１】
(3) 前記第１の電気加熱触媒の担体のセル密度を、前記第２の電気加熱触媒の担体のそれより粗にしたので、前者の担体の伝熱面積が小さくなって前記担体の熱が排気に放熱されるのを防止し、逆に、後者の担体の伝熱面積が大きくなって排気から受熱される量が大きくなり、排気の熱エネルギを有効に利用できるようになる。
【００１２】
(4) 前記触媒を三元触媒としたので、定常時の炭化水素の浄化性能を向上させることができるようになる。
【００１３】
(5) 前記第１の電気加熱触媒を、前記吸着触媒から炭化水素の脱離が開始される時点にて活性化させるようにしたので、効率的に炭化水素を浄化することができるようになる。
【００１４】
(6) 前記第１の電気加熱触媒の通電終了時点より、前記第２の電気加熱触媒に通電を開始するようにしたので、該電気加熱触媒に供給する電流を節約することができるようになる。
【００１５】
(7) 前記第１の電気加熱触媒への供給電力を、前記第２の電気加熱触媒への供給電力より大きくしたので、第１および第２の電気加熱触媒を浄化する炭化水素の種類に応じて温度上昇させることができるようになり、低電力化できるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の内燃機関の排気浄化装置の一実施形態の構成図を示す。
【００１７】
図示されているように、エンジン１の排気側に、順次、排気マニホールド２、第１のコンバータケース３、第１の排気管４、第２のコンバータケース５、及び第２の排気管６からなる排気系が接続され、該排気系の予め定められた複数の箇所に、例えば酸素センサからなる空燃比センサ７ａ〜７ｄが設置されている。なお、空燃比センサ７ａは、広域空燃比センサとするとなお良い。
【００１８】
前記第１のコンバータケース３の中央部には、三元触媒（ＴＷＣ）１１がマニホールド直下の三元触媒として設けられている。本実施形態では、前記三元触媒１１はその断面が１平方インチ当り約１２００セルにされている。また、第２のコンバータケース５には、上流側から、担体(substrate) １３、吸着触媒１４、電気加熱触媒１５ａ、１５ｂ、および三元触媒１６が収容されている。制御部２０は、該電気加熱触媒１５ａ、１５ｂへの通電を制御する。実際には、該制御部２０は該電気加熱触媒１５ａ、１５ｂへの通電以外に種々の部位の動作、例えば周知の燃料噴射量の制御等を行うが、説明は省略する。
【００１９】
前記排気マニホールド２は、従来においては鋳鉄製とされていたが、本実施形態においては、肉厚０．５ｍｍのステンレスのプレス加工により形成したことにより、従来の排気マニホールドよりも熱容量を低減している。さらに、排気マニホールドケース２ａが肉厚１．５ｍｍステンレスのプレス加工により形成され、前記排気マニホールド２を覆っているため、前記排気マニホールド２と前記排気マニホールドケース２ａとの間には空気層２ｂが形成され、断熱構造を構成することにより、前記排気マニホールドからの放熱量を低減している。したがって、前記排気マニホールドの熱容量および放熱量の低減により、下流の前記三元触媒１１への熱の伝達を良好にし、前記三元触媒１１の活性化を早めている。
【００２０】
前記担体１３はメタル（金属）、セラミックなどから形成されたハニカム構造体を用いれば良いが、熱の吸収の良好なメタル担体を用いるのが好ましい。前記担体１３をメタル製とする場合には、例えば高耐熱性のフェライト系ステンレス鋼箔の平板と波板を何重にも丸く巻くことにより作成することができる。本実施形態では、担体１３をメタル担体とし、その断面が１平方インチ当り約３００セルとし、本実施形態の排気系中では比較的粗いハニカム構造とし、排気抵抗の増大を防いでいる。
【００２１】
前記吸着触媒１４は、ハニカム構造の担体に、ＨＣ吸着剤としてのゼオライト、例えばＺＳＭ−５を担持した構成、あるいはＨＣ吸着材と三元触媒を積層して担持した構成を有している。吸着触媒１４の担体は、本実施形態では、その断面が１平方インチ当り約１２００セルにされている。
【００２２】
電気加熱触媒１５ａ、１５ｂは同じ形状をしており、例えば特開平９−１９２４５３号に開示されているような、ハニカムヒータに触媒を塗布したものを使用することができる。例えば電気加熱触媒１５ｂのハニカムヒータは、図２に示されているような形状になっている。同図(a) は正面図、同図(b) はｚ方向から見た側面図である。図示されているように、ハニカムヒータは外周が丸い形状をし、その一部１５ｂ´で互いに接続された２枚の薄い担体から構成されており、該２枚の薄い担体には、図示されているように、互い違いに入り込んだ複数本の溝が形成されている。そして、該ハニカムヒータの両端部には、電力を供給するための電極１８が接続されており、この電極１８には図示されていないバッテリから電流が供給される。１７は電気加熱触媒１５ａに電力を供給するための電極である。
【００２３】
さて、上記した構成の内燃機関の排気浄化装置において、エンジン１が始動されると、ＨＣを含む排気が排気マニホールド２、第１のコンバータケース３、第１の排気管４、第２のコンバータケース５、第２の排気管６からなる排気系を進行する。この排気は最初は低温であり、排気系に設けられた触媒は未だ活性状態に達せず、吸熱を行う。また、吸着触媒１４へ流入する排気温度も低いので、ＨＣは吸着触媒１４に吸着される。時間の経過と共に排気の温度が上がってくると、この排気温度により、排気系に設けられた触媒は昇温される。また、吸着触媒１４の吸着材の温度が上昇すると、徐々にＨＣの脱離速度が増大していき、ＨＣ脱離速度が吸着速度を上回り（エンジンの始動後約２０秒後）、ＨＣ吸着材はＨＣの脱離を開始する。
【００２４】
図３は、エンジン始動時に排出されるＨＣ濃度と、車速と、ＨＣを吸着する触媒温度との関係を示したものであり、横軸に時間、縦軸にｐｐｍ、ｋｍ／ｈ、°Ｃが取られている。図から、エンジン始動時に排出されるＨＣ濃度、すなわちＨＣ吸着材から脱離されるＨＣ濃度はエンジンの始動後約２０秒後に第１のピークとなり、約８０秒後に第２のピークとなることがわかる。図４は、エンジンの始動後０〜１２５秒の間のＨＣ排出量を１００とした時の各時間帯の排出量を棒グラフで表したものである。図から、２０〜４０秒と８０〜１００秒の間のＨＣ排出量が多いことが分かる。また、これらの時間帯のＨＣ排出ガスを分析したところ、２０〜４０秒の間はパラフィン系の低沸点ＨＣであることが分かり、また８０〜１００秒の間はアロマ系の高沸点ＨＣであることが分かった。
【００２５】
そこで、本実施形態では、電気加熱触媒１５ａは少なくとも白金をその成分に含むパラフィン系浄化触媒とし、電気加熱触媒１５ｂは少なくともパラジウムをその成分に含むアロマ系浄化触媒とし、該電気加熱触媒１５ａ、１５ｂへの通電を、前記制御部２０により、図５および図６に示されているように制御した。すなわち、エンジンを始動させてから第１の所定時間（例えば、４０秒間）は上流側にある電気加熱触媒（ＥＨＣ）１５ａに通電し、該第１の所定時間が過ぎると電気加熱触媒１５ａへの通電は停止し、下流側にある電気加熱触媒（ＥＨＣ）１５ｂへの通電に切り換えた。そして、電気加熱触媒１５ｂへの通電を第２の所定時間（例えば、１１０秒程度）まで継続し、その後電気加熱触媒１５ｂへの通電を停止した。
【００２６】
このように動作させると、図５の曲線ａに示されているように、パラフィン系浄化触媒は約２０秒で約２５０°Ｃに達し活性化されるので、パラフィン系の低沸点ＨＣを有効に浄化することができる。一方、アロマ系浄化触媒は０〜４０秒間は通電されず加熱されないが、アロマ系浄化触媒はこの間に通過する排気から吸熱し４０秒の時点では、曲線ｂに示されているように、ほぼ活性化温度に近くなる。約４０秒でアロマ系浄化触媒に通電されると、すぐにアロマ系浄化触媒は短時間で２５０°Ｃを越え、活性化状態に移行する。このため、約８０秒の時点で脱離されたアロマ系の高沸点ＨＣを有効に浄化することができる。なお、図５の曲線ａはパラフィン系浄化触媒の温度、曲線ｂはアロマ系浄化触媒の温度を示している。
【００２７】
なお、アロマ系の高沸点ＨＣが脱離されるまでに８０秒程度の長い時間があるので、アロマ系浄化触媒に通電をしなくても、アロマ系浄化触媒は十分にアロマ系の高沸点ＨＣを浄化することができる。すなわち、電気加熱触媒１５ｂとして、電気加熱しないアロマ系浄化触媒を用いても良い。
【００２８】
また、図６において、第１、第２の所定時間を計るのに変えて、電気加熱触媒１５ａ、１５ｂの温度を用いてもよい。また、該第１、第２の所定時間、あるいは電気加熱触媒１５ａ、１５ｂの温度を、エンジン冷却水の温度、バッテリ電圧などで補正するようにしても良い。
【００２９】
次に、前記電気加熱触媒１５ａ、１５ｂに供給する電力をさらに低減するようにした本発明の第２実施形態を説明する。この実施形態では、上流側の電気加熱触媒１５ａの担体の伝熱面積を小さくして供給された電力により加熱された熱が排気に放熱されるのを防止し、逆に、下流側の電気加熱触媒１５ｂの担体の伝熱面積を大きくして、排気から受熱される量を大きくして、排気の熱エネルギを有効に利用できるようにした。一例として、上流側の電気加熱触媒１５ａの担体は一平方インチ当り約５００セルとし、下流側の電気加熱触媒１５ｂの担体は一平方インチ当り約１２００セルとした。
【００３０】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。この実施形態では、下流側の電気加熱触媒１５ｂは上流側の電気加熱触媒１５ａにより暖められた排気の熱エネルギを受けて暖められるため、供給電力の割合を上流側の電気加熱触媒１５ａには多く、下流側の電気加熱触媒１５ｂは少なくするようにした。このようにすることにより、上流および下流の電気加熱触媒を浄化する炭化水素の種類に応じて温度上昇させることができるようになり、低電力化できるようになる。
【００３１】
この時の通電方法として、直列通電の場合は、上流側の電気加熱触媒１５ａの担体の抵抗値を大きく、下流側の電気加熱触媒１５ｂの抵抗値を小さくするのが好適である。一方、並列通電の場合には、上記とは逆に、上流側の電気加熱触媒１５ａの担体の抵抗値を小さく、下流側の電気加熱触媒１５ｂの抵抗値を大きくするのが好適である。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、吸着触媒の下流に、少なくとも白金をその成分に含む第１の電気加熱触媒と、少なくともパラジウムをその成分に含む触媒とを順次設けたので、前記吸着材から最初に脱離するパラフィン系の炭化水素については、該パラフィン系の炭化水素の浄化能力に優れる白金をその成分に含む電気加熱触媒を早期に活性化させて浄化することにより、エミッションを低減できる。また、前記パラフィン系の炭化水素に続いて脱離するアロマ系の炭化水素については、該パラフィン系の炭化水素の浄化能力に優れるパラジウムをその成分に含む触媒を脱離までの時間差により排気の吸熱および前記第１の電気加熱触媒からの熱にて活性化させ、パラフィン系の炭化水素を浄化してエミッションを低減できる。
【００３３】
請求項２の発明によれば、前記触媒を電気加熱触媒で構成したので、吸着触媒からアロマ系の炭化水素が脱離するまでの時間差を利用することにより、該電気加熱触媒に大電流を流さなくても良くなり、自動車用として供給可能な電力で触媒を確実に活性化させることができるようになる。
【００３４】
請求項３の発明によれば、第１の電気加熱触媒の担体のセル密度を、第２の電気加熱触媒の担体のそれより粗にしたので、前者の担体の伝熱面積が小さくなって前記担体の熱が排気に放熱されるのを防止して加熱効率を向上し、逆に、後者の担体の伝熱面積が大きくなって該担体が排気から受熱する量が大きくなり、排気の熱エネルギを有効に利用できるようになる。
【００３５】
請求項４の発明によれば、前記触媒を三元触媒としたので、定常時の炭化水素の浄化性能を向上させることができる。
【００３６】
請求項５の発明によれば、前記第１の電気加熱触媒を、前記吸着触媒から炭化水素の脱離が開始される時点にて活性化させるようにしたので、効率的に炭化水素を浄化することができる。
【００３７】
請求項６の発明によれば、前記第１の電気加熱触媒の通電終了時点より、前記第２の電気加熱触媒に通電を開始するようにしたので、該電気加熱触媒に供給する電流を節約することができる。
【００３８】
さらに、請求項７の発明によれば、前記第１の電気加熱触媒への供給電力を、前記第２の電気加熱触媒への供給電力より大きくしたので、上流および下流の電気加熱触媒を浄化する炭化水素の種類に応じて温度上昇させることができるようになり、低電力化できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】  電気加熱触媒の担体の正面図と側面図である。
【図３】  エンジン始動時に排出されるＨＣ濃度と、車速と、ＨＣを吸着する触媒温度との関係を示す図である。
【図４】  エンジンの始動後０〜１２５秒の間のＨＣ排出量を１００とした時の各時間帯の排出量を示す棒グラフである。
【図５】  二つの電気加熱触媒に流す電流の制御方法と、該電気加熱触媒の温度とを示す図である。
【図６】  図１の制御部の動作の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、２…排気マニホールド、３…第１のコンバータケース、４…第１の排気管、５…第２のコンバータケース、６…第２の排気管、７ａ〜７ｄ…空燃比センサ、１１…三元触媒（ＴＷＣ）、１３…担体、１４…吸着触媒、１５ａ、１５ｂ…電気加熱触媒、１６…三元触媒、１７、１８…電極、２０…制御部。
【図１】
0003709953.tif 000002
【図２】
0003709953.tif 000003
【図６】
0003709953.tif 000004
【図３】
0003709953.tif 000005
【図４】
0003709953.tif 000006
【図５】
0003709953.tif 000007