JP3700052B2 - Catalyst temperature raising device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の触媒昇温装置に関し、特に、導電体に交番電流を供給して誘導加熱するようにした触媒昇温装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車の内燃機関では、排出される排気ガス中の有害ガス成分、例えば、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)、および炭化水素(HC)等の成分を大気に放出する前に浄化するために、白金(Pt)やパラジウム(Pd)等の貴金属を触媒として担持した排気浄化触媒を排気系に備えている。
【0003】
排気浄化触媒において触媒が触媒作用を行うためには、排気浄化触媒をその活性温度以上に昇温させなければならない。しかしながら、特に機関始動時には排気浄化触媒の温度は低く、また排気ガスも低温であるので排気浄化触媒はその活性温度にまで昇温しづらい。そのため、排気浄化触媒では触媒作用が活発に行われにくい。そこで、例えば機関始動時等のように排気浄化触媒の温度が低い時に、排気ガス以外の手段により排気浄化触媒をその活性温度以上にまで加熱して触媒作用の活発化を図る必要がある。
【0004】
排気浄化触媒を昇温させる方法の一つに誘導加熱を用いた方法がある。このような方法を用いた従来の触媒昇温装置の構成では、渦巻き状の誘導加熱用コイルを排気浄化触媒の排気上流端面に対面するように配置して、誘導加熱用コイルに交番電流を流すことによって排気浄化触媒の排気上流端面近傍を誘導加熱するようにしている。このように排気浄化触媒を誘導加熱することにより、排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分(以降、単に上流端部分と称す。)のみを加熱することができる。よって、排気上流端面近傍の部分を少ない電力で迅速に所望の温度まで昇温させることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の触媒昇温装置の構成では、誘導加熱用コイルの渦巻きの中央部と対面する排気浄化触媒の上流端部分の中央領域の部分(以降、単に中央領域部分と称す。)の誘導加熱による加熱量が、排気浄化触媒の上流端部分の中央領域部分周りの領域の部分(周囲領域部分)の誘導加熱による加熱量よりも小さくなってしまう傾向にある。このため、排気浄化触媒の上流端部分の中央領域部分の昇温速度が上流端部分の周囲領域部分の昇温速度よりも遅くなり、よって排気浄化触媒の上流端部分の中央領域部分の温度が上流端部分の周囲領域部分の温度よりも低くなってしまう。
【0006】
このような問題に鑑みて、本発明の目的は、排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を温度差ができないように加熱することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第1の発明では、機関排気通路に導電性のある排気浄化触媒を配置すると共に該排気浄化触媒の排気上流端面に面して導電体を配置し、この導電体に交番電流を供給することにより排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を誘導加熱するようにした内燃機関の触媒昇温装置において、排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を誘導加熱することに加えて、排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分に電流を流すことによって排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を加熱するようにした。この触媒昇温装置では、排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分は導電体に交番電流を流すことによる誘導加熱と、排気上流端面近傍の部分に電流を流すことによる直接的な加熱との二つの加熱方法によって加熱されるため、一方の加熱方法では加熱されにくい排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分の一部を他方の加熱方法によって加熱することができる。すなわち、排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を二つの加熱方法によって相補的に加熱することができる。
【0008】
第2の発明では、第1の発明において、排気浄化触媒の排気上流端面のほぼ中央に導電体に接続された中央電極を接続すると共に排気浄化触媒の排気上流端面近傍の外周面に外側電極を接続し、導電体を流れる交番電流が中央電極を介して排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を通って外側電極まで流れるようにした。この触媒昇温装置では、導電体を流れる交番電流が中央電極を介して排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を通って外側電極まで流れるようにしたため、一つの電流経路のみで誘導加熱と直接的な加熱との二つの加熱方法を行うことができる。
【0009】
第3の発明では、第2の発明において、中央電極を剛性のある導電性材料で形成し、この中央電極が導電体を支持するように排気浄化触媒の排気上流端面に中央電極を連結するようにした。
【0010】
第4の発明では、第2の発明において、外側電極が排気浄化触媒の排気上流端面近傍の外周面を包囲する包囲電極である。
【0011】
第5の発明では、第4の発明において、排気浄化触媒を収容する導電性のケーシングを機関排気通路に形成し、このケーシングを包囲電極とした。
【0012】
第6の発明では、第3〜第5の発明において、排気浄化触媒と別個に導電体の上流に導電性のある排気浄化触媒を追加して配置し、中央電極が該追加の排気浄化触媒を支持するように該追加の排気浄化触媒を中央電極に連結するようにした。この触媒昇温装置では、導電体の排気上流側および排気下流側に導電性のある排気浄化触媒が配置されるので、導電体に交番電流を流すことによって生じる磁力線がほぼ加熱対象領域のみを通過するようになる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、図中の同じ参照番号は同様な要素を示す。
【0014】
図1は本発明の第一の実施例の触媒昇温装置を含む内燃機関の概略構成図である。図1において、1は触媒コンバータ、2は機関本体、3は機関排気通路である。機関排気通路3は機関本体2の排気ポートに連結される。触媒コンバータ1は機関排気通路3に配置される。触媒コンバータ1は流入口4および流出口5を有する。上記機関本体2から排出された排気ガスは機関排気通路3を介して流入口4から触媒コンバータ1に流入して流出口5において触媒コンバータ1から排出される。このように排気ガスが触媒コンバータ1内を流入口4から流出口5に流れるので以下の説明では流入口4側を排気上流側、流出口5側を排気下流側と称する。
【0015】
触媒コンバータ1はほぼ円筒形のケーシング6と、ほぼ円筒形の排気浄化触媒7とを具備する。ケーシング6の上流側壁面はほぼ円錐形状である。排気浄化触媒7はその長手軸線がケーシング6の長手軸線と同軸になるようにケーシング6内に収容される。また、排気浄化触媒7は該排気浄化触媒7の外周面がケーシング6の内周面に接触するようにケーシング6内に収容され、そして排気浄化触媒7の外周面とケーシング6の内周面とは排気浄化触媒7の外周面の全面に亘って電気的に接続される。排気浄化触媒7の排気上流端面8は排気浄化触媒7の軸線方向に対して垂直であって排気浄化触媒7の排気上流側に位置する平坦な面である。
【0016】
排気浄化触媒7は一定温度(活性温度)以上で良好な触媒作用を示す触媒である。また排気浄化触媒7の担体は適度の導電性と透磁率とを有する金属製担体、または透磁率と導電性とが高い材料を点在させた適度の導電性と透磁率とを有する担体である。また、排気浄化触媒7の電気抵抗率はケーシング6の電気抵抗率よりも高い。ケーシング6内には排気浄化触媒7の排気上流端面8に面して導電体9が配置される。
【0017】
次に図1〜図3を参照して本実施例の導電体9について詳細に説明する。なお図2は図1に示した触媒コンバータの上流側の拡大断面図であり、図3は図2の線III−IIIに沿った触媒コンバータの断面図である。また図2には触媒コンバータの長手軸線に対して図面に向かって左側のみに後述する磁力線を示しているが、実際には磁力線は長手軸線から触媒コンバータの外周へ向かう全ての放射状方向に存在する。
【0018】
図3に示したように本実施例の導電体9はコイルである。コイル9は電気抵抗率が低い材料から成る一本の導電材、例えば導線を渦巻き状に巻いて形成される。そして、図2に示したようにコイル9は触媒コンバータ1の長手軸線10(ケーシング6の長手軸線および排気浄化触媒7の長手軸線と同軸)を中心として排気浄化触媒7の排気上流端面8に沿って触媒コンバータ1の外周近傍まで渦巻き状に延びる。またコイル9は排気浄化触媒7の排気上流端面8に空間を開けて面するように配置される。またコイル9を構成する導線の横断面の形状は細長くて矩形である。コイル9を構成する導線としてはステンレスや銅を用いることができる。そして、コイル9の径方向内側に位置する一方の端部には中央電極11が機械的におよび電気的に接続される。このときコイル9は、上記コイル9の一方の端部の上流側の面が中央電極11の上流側の端部14と面一になるように接続される。あるいは、中央電極11はコイル9の一部として一体的に形成されてもよい。中央電極11は剛性のある円柱状の導電性材料で形成され、コイル9の渦巻きのほぼ中心に配置される。中央電極11の下流側の端部15は排気浄化触媒7の排気上流端面8のほぼ中心に機械的におよび電気的に接続される。このように構成することにより、中央電極11は、コイル9が排気浄化触媒7の排気上流端面8に面して配置されるように、すなわちコイル9が排気浄化触媒7の排気上流端面8に平行な面上に位置するように、排気浄化触媒7の排気上流端面8に対してコイル9を支持する。
【0019】
コイル9の径方向外側に位置するコイル9の他方の端部には第一の外側電極12が機械的におよび電気的に接続される。第一の外側電極12はケーシング6の内部のコイル9との接続部からケーシング6を横断してケーシング6の外部まで延び、ケーシング6に対して絶縁されてケーシング6に固定される。このように構成することにより、上述した中央電極11と同様に、第一の外側電極12は排気浄化触媒7の排気上流端面8に対してコイル9を支持する。
【0020】
排気浄化触媒7の排気上流端面8近傍の一部分(以下、単に上流端部分)16の外周面上に配置されたケーシング6の部分には第二の外側電極13が接続される。上述したように、排気浄化触媒7の外周面とケーシング6の内周面とが電気的に接続されているため、第二の外側電極13は排気浄化触媒7を包囲するように排気浄化触媒7に接続される包囲電極として機能する。
第一の外側電極12と第二の外側電極13とは、導線を介して交番電流発生電源17に接続される。交番電流発生電源17は、直流電源に共振回路を組み合わせることによって交番電流を発生するように形成された電源である。しかしながら交番電流発生電源17は交流電源でもよい。
【0021】
次に図2を参照して誘導加熱について説明する。コイル9に交番電流を流すと、コイル9内で電流が流れる方向に対して垂直にコイル9の周りに交番磁界、すなわち磁力線18が形成される。また、排気浄化触媒7はコイル9周囲の雰囲気(例えば排気ガスや空気)よりも透磁率が高い。このため、磁力線18はコイル9と排気浄化触媒7との間の雰囲気中を通らずに排気浄化触媒7内を通過する。上述したように排気浄化触媒7が適度な透磁率を有するので、排気浄化触媒7内を通過する磁力線18は排気浄化触媒7の排気上流端面8近傍の部分である上流端部分16を通過する。この磁力線18により、排気浄化触媒7の上流端部分16に磁力線18と垂直に磁力線18周りの誘導電流(渦電流)が発生する。排気浄化触媒7の上流端部分16には電気抵抗があるため磁力線18によって発生した渦電流は排気浄化触媒7の上流端部分16でエネルギを損失し、これにより排気浄化触媒7の上流端部分16が誘導加熱される。
【0022】
ここで、誘導加熱により排気浄化触媒を加熱することの利点について説明する。上述したように排気浄化触媒7を誘導加熱した場合、排気浄化触媒7全体が加熱されるのではなく、コイル9に面している排気浄化触媒7の上流端部分16のみが排気浄化触媒7の排気上流端面8から排気下流方向に向かう深さ(以降、単に被加熱深さと称す。)dに亘って加熱される。この上流端部分16の被加熱深さdは、磁力線18によって渦電流が発生する排気浄化触媒7の排気上流端面8から排気下流方向に向かう方向の深さ(以降、単に電流浸透深さと称す。)δに対応する。すなわち、上述したように交番磁界によって生じる渦電流が排気浄化触媒7の上流端部分16の電気抵抗によってエネルギを損失することで誘導加熱が行われるため、誘導加熱される排気浄化触媒7の上流端部分16は交番磁界によって渦電流が生じる領域とほぼ同一であり、このため上流端部分16の加熱深さdは電流浸透深さδとほぼ同一である。電流浸透深さδは排気浄化触媒7の抵抗率ρ、排気浄化触媒7の比透磁率μr、コイル9を流れる交番電流の周波数fの関数であり、以下の等式に従う。
【数1】
ここでaは定数である。式(1)から分かるように、電流浸透深さδは交番電流の周波数fおよび排気浄化触媒7の比透磁率μrの平方根に反比例し、排気浄化触媒7の抵抗率ρの平方根に比例する。このため、交番電流の周波数fを高くするという簡単な操作によって電流浸透深さδを小さくして被加熱深さdを浅くすることができる。さらに排気浄化触媒7を抵抗率ρが小さく且つ比透磁率μrが大きい担体で形成することで電流浸透深さδを小さくし被加熱深さdを浅くすることもできる。これに伴って、排気浄化触媒7の上流端部分16の被加熱深さdも小さくなり、排気浄化触媒7の排気上流端面8近傍の極めて薄い上流端部分16のみを加熱することができる。よって、誘導加熱により排気浄化触媒7を加熱することの利点の一つは排気浄化触媒7の排気上流端面8付近の極めて薄い上流端部分16のみを加熱することができることにある。
【0023】
上述したようにコイル9に流す交番電流の周波数を高くすることによって排気浄化触媒7の排気上流端面8付近の極めて薄い上流端部分16のみに渦電流が流れるので、この上流端部分16を流れる渦電流では単位体積当たりに流れる電流が大きくなる。また、排気浄化触媒7の抵抗率は一定であるので排気浄化触媒7においては単位体積当たりに流れる電流が大きいほど発熱量が大きくなる。このためコイル9に高周波交番電流を流して誘導加熱を行えば、排気浄化触媒7の排気上流端面8付近の極めて薄い上流端部分16のみをより強力に加熱して急激に昇温させることができ、排気浄化触媒7の上流端部分16の加熱効率を上昇させることができる。よって、誘導加熱により排気浄化触媒7を加熱することの別の利点は、排気浄化触媒7の上流端部分16の加熱効率を向上させることができることにある。
【0024】
さらに、排気浄化触媒7の排気上流端面8付近の極めて薄い上流端部分16のみをより強力に加熱して急激に昇温させることができるのでこの上流端部分16を通過する排気ガスに露出する上流端部分16の面積も非常に小さい。このため機関始動時等の温度の低い排気ガスに奪われてしまう上流端部分16の熱量が少なく、したがって上流端部分16の温度を少ない電力で急激に上昇させることができる。すなわち、誘導加熱により排気浄化触媒7を加熱することの更なる別の利点は、排気浄化触媒7の上流端部分16を少ない電力で急激に上昇させることができることにある。
【0025】
コイル9に交番電流を流すと、図4に示したように交番電流によって発生する磁力線19はコイル9の中央部20と対面する排気浄化触媒7の上流端部分16の中央領域の部分(以降、単に中央領域部分と称す。)21を通りにくくなる。すなわち、ほとんどの磁力線19が排気浄化触媒7の上流端部分16の中央領域部分21を通らずに、排気浄化触媒7の排気上流端面8の上流に位置する雰囲気中を通る。このため、排気浄化触媒7の上流端部分16の中央領域部分21には渦電流が発生しにくくなり、この中央領域部分21が誘導加熱されにくくなる。よって、コイル9の中央部と対面する中央領域部分21の誘導加熱による加熱量が、この上流端部分16の中央領域部分周りの領域の部分(以降、単に周辺領域部分と称す。)22の誘導加熱による加熱量よりも小さくなってしまう。
【0026】
ところで上述したように構成されたコイル9に交番電流を流すと交番電流はコイル9内を均一に流れずに或る特定の領域に集中して流れる傾向がある。そしてこのことに起因して誘導加熱による上流端部分16の中央領域部分21の加熱量は周辺領域部分22の加熱量よりも小さくなる傾向がある。以下、このことについて説明する。
上述したようにコイル9内に交番電流を流すと磁力線19が発生する。この磁力線19にはコイル9内を流れる電子、すなわち交番電流を引き付ける力(以降、吸引力と称す。)がある。この吸引力はコイル9周りにおける磁力線19の強度の大小やコイル9と磁力線19との間の距離に応じて異なり、磁力線19の強度が強いほど吸引力は強く、コイル9と磁力線19との間の距離が短いほど吸引力は強い。
【0027】
ここで図4を参照すると隣り合う磁力線19間の距離はコイル9の排気下流側において排気浄化触媒7の上流端部分16の周辺領域部分22を通過するところで短くなっている。一方、隣り合う磁力線19間の距離はコイル9の排気上流側において長くなっている。したがってコイル9の断面において排気下流側からの吸引力のほうが排気上流側からの吸引力よりも大きいので交番電流はコイル9の断面の排気下流側に集中して流れる傾向にある。
さらにコイル9の中心部付近において隣り合う磁力線19間の距離はコイル9の排気下流側において隣り合う磁力線19間の距離よりも長いが、コイル9の中心部付近の磁力線19とコイル9との間の距離がコイル9の排気下流側における磁力線19とコイル9との間の距離よりも短い。このため最も内側のコイル9においては中心側からの吸引力も比較的大きいので交番電流はコイル9の断面のコイル中央部分側、すなわち図4に示したようにコイル9の断面の特定の部分23に集中して流れる傾向にある。
【0028】
ところで、コイル9中を流れる交番電流と排気浄化触媒7の排気上流端面8との距離が短いほど、排気浄化触媒7の上流端部分16に渦電流が発生しやすく、したがって上流端部分16が誘導加熱されやすくなる。中心部付近のコイル9以外のコイル9内を流れる交番電流は、図4に示したようにコイル9の排気下流側を流れる。これに対して中心部付近のコイル9内を流れる交番電流は、図4に示したようにコイル9の中心側を流れる。交番電流がコイル9の中心側を流れる場合、交番電流がコイル9の排気下流側を流れる場合よりもコイル6と排気上流端面8との間の距離が長いので上流端部分16が誘導加熱されにくい。よってコイル9の中央部付近と対面する排気浄化触媒7の上流端部分16の中央領域部分21は誘導加熱されにくくなる。こうした理由から上流端部分16の中央領域部分21の誘導加熱による加熱量が周辺領域部分22の誘導加熱による加熱量よりも小さくなってしまう。このため、上流端部分16の中央領域部分21の温度は周辺領域部分22の温度よりも低くなる傾向にある。
【0029】
ここで本発明の実施例では、第一の外側電極12と第二の外側電極13との間で流れる交番電流がコイル9から中央電極11を介して排気浄化触媒7に流れるようになっている。すなわち、交番電流発生電源17によって発生せしめられた電流は、第一の外側電極12、コイル9、中央電極11、排気浄化触媒7、第二の外側電極13の順に流れるか、またはその逆に流れる。この場合、上述したようにコイル9に交番電流が流れることによって排気浄化触媒7の上流端部分16が誘導加熱される。さらに、排気浄化触媒7の上流端部分16に交番電流が流れることによって排気浄化触媒7の上流端部分16において電気抵抗による交番電流のエネルギ損失が起こり、損失したエネルギによって排気浄化触媒7の上流端部分16が加熱される(以降、このような加熱を直接加熱と称す。)。排気浄化触媒7の上流端部分16の直接加熱では、後述する原理により上流端部分16の周辺領域部分22よりも中央領域部分21での加熱量が大きい。したがって、コイル9に交番電流を流すことによって排気浄化触媒7の上流端部分16を誘導加熱することに加えて排気浄化触媒7の上流端部分16に交番電流を流して当該上流端部分16を直接加熱することによって、上記誘導加熱において上流端部分16の周辺領域部分22よりも加熱量が小さくなってしまう上流端部分16の中央領域部分21の加熱量を増やすことができる。
【0030】
また、コイル9によって発生した磁束が中央電極11をも貫通するため、中央電極11にも渦電流が流れ、これにより中央電極11も誘導加熱される。中央電極11が誘導加熱されると、その熱は排気浄化触媒7の上流端部分16の中央領域部分21へと移動する。よって、中央電極11をコイル9の渦巻きの中心付近に配置することによっても排気浄化触媒7の上流端部分16の中央領域部分21が加熱される。こうして、上述した排気浄化触媒7の上流端部分16の直接加熱と中央電極11の誘導加熱とによって上流端部分16の中央領域部分21を周辺領域部分22と均一に、または周辺領域部分22よりも加熱することができる。これに伴って、上流端部分16の中央領域部分21の温度を周辺領域部分22の温度と同一か、またはそれ以上にすることができる。
【0031】
次に、排気浄化触媒7の上流端部分16の直接加熱において、上流端部分16の中央領域部分21の加熱量が周辺領域部分22の加熱量よりも大きくなる原理について説明する。上述したように、排気浄化触媒7の上流端部分16の直接加熱は中央電極11と第二の外側電極13との間で流れる交番電流によって行われる。また、中央電極11は排気浄化触媒7の排気上流端面8のほぼ中央に接続され、第二の外側電極13はケーシング6に接続されて、上述したように排気浄化触媒7を包囲するように排気浄化触媒7に接続される電極として機能する。そしてケーシング6の電気抵抗率が排気浄化触媒7の電気抵抗率よりも低いため、交番電流は排気浄化触媒7のよりもケーシング6を通りやすく、中央電極11と排気浄化触媒7を包囲するケーシング6の周りの全ての地点との間で流れる。すなわち、排気浄化触媒7の上流端部分16に流れる交番電流は中央電極11から放射状に第二の外側電極13へ流れるか、またはその逆に流れる。
【0032】
このように交番電流が放射状に流れると、排気浄化触媒7の上流端部分16の中央領域部分21と周辺領域部分22とで流れる電流が同じであるため、上流端部分16の中央領域部分21の単位体積当たりに流れる電流は周辺領域部分22の単位体積当たりに流れる電流よりも大きい。そして、排気浄化触媒7の抵抗率は一定であるので、排気浄化触媒7においては単位体積当たりに流れる電流が大きいほど発熱量が大きくなる。したがって、直接加熱による上流端部分16の中央領域部分21の加熱量は周辺領域部分22の加熱量よりも大きくなる。
【0033】
また、一般に導電体に交番電流を流すと、その交番電流によって生じた磁界により交番電流が導電体の表面付近を流れる性質があり(表皮効果)、さらに、その交番電流の周波数が高ければ高いほど交番電流がより導電体の表面付近を流れる性質ある。このため、本実施例では排気浄化触媒7の上流端部分16に流れる周波数の高い交番電流は、排気浄化触媒7の排気上流端面8近傍の極めて薄い上流端部分16を流れる。また、交番電流が排気浄化触媒7の極めて薄い上流端部分16のみを流れるため、この上流端部分16を流れる交番電流では単位体積当たりに流れる電流が大きくなる。上述したように排気浄化触媒7においては単位体積当たりに流れる電流が大きいほど発熱量が大きくなるので、例えば排気浄化触媒7の排気上流端面8近傍に直流電流を流した場合に比べて排気浄化触媒7の排気上流端面8近傍の極めて薄い上流端部分16のみをより強力に加熱して急激に昇温させることができる。
こうして排気浄化触媒7の上流端部分16に交番電流を流して上流端部分16を直接加熱すると排気浄化触媒7の排気上流端面8近傍の極めて薄い上流端部分16が重点的に加熱され、しかも上述したように直接加熱による上流端部分16の中央領域部分21の加熱量は周辺領域部分22の加熱量よりも大きい。こうしたことから本実施例によれば直接加熱により上流端部分16の中央領域部分21が重点的に加熱されることとなる。
【0034】
ところで、排気浄化触媒の排気上流端面に面してコイルを配置せずに中央電極とケーシングとの間で排気浄化触媒の上流端部分に交番電流を流すと、例えば排気浄化触媒の上流端部分の抵抗が僅かに低い部分等に局所的に電流が集中してしまう。このように排気浄化触媒の上流端部分の或る部分に電流が集中してしまうと、排気浄化触媒の上流端部分の中央領域部分全体を加熱できないのみならず、電流が集中した部分が焼損してしまう。
ここで本発明の実施例では、排気浄化触媒7に流れる交番電流がコイル9によって発生する排気浄化触媒7を通過する磁束によって力を受ける。特に、排気浄化触媒7の中央領域部分21を通過する磁束は排気浄化触媒7の排気上流端面8に対してほぼ垂直である。このため、排気浄化触媒7の上流端部分16の中央領域部分21を中央電極11から排気浄化触媒7の上流端部分16の外周に向かって放射状にまたはその逆に流れる交番電流は、フレミング左手の法則により排気浄化触媒7の周方向へ向かう力を受ける。よって排気浄化触媒7の上流端部分16の中央領域部分21において電流が集中すると上述した理由から電流には大きな力がかかり、電流が排気浄化触媒7の上流端部分16の中央領域部分21全体に分散される。
このように排気浄化触媒7の排気上流端面8に面してコイル9を配置することによって、排気浄化触媒7の上流端部分16の誘導加熱を行うことができるようになるだけではなく、排気浄化触媒7の上流端部分16の直接加熱における電流の集中を防止することができるようになる。
【0035】
なお、上述した実施例では、コイル9を構成する導線の横断面の形状は細長くて矩形であるが、円形や楕円形等の他の断面形状であってもよい。また、上述した実施例では、排気浄化触媒7の排気上流端面8の形状は平坦な面であるが、排気上流方向に凸である円錐形等の他の形状であってもよい。この場合にも、コイル9は触媒コンバータ1の長手軸線10を中心として排気浄化触媒7の排気上流端面8に沿って触媒コンバータ1の外周近傍まで渦巻き状に延びるので、例えば排気浄化触媒7の排気上流端面8が排気上流方向に凸である円錐形であるとコイル9は排気上流端面8に沿って排気上流方向に凸である円錐状であって渦巻き状に、すなわち螺旋状に延びる。
また、上述した実施例では、中央電極11は剛性のある円柱状の導電性材料で形成されているが、この中心電極11を単なる導線として、コイル9の一方の端部と排気浄化触媒11の排気上流端面8の中心との間を接続するようにしてもよい。この場合、上述した実施例で中央電極11が行っていたコイル9の支持を、排気浄化触媒7の排気上流端面8とコイル9との間に絶縁体を配置することによって行う。このように中央電極を導線で形成することにより、触媒コンバータ1を容易に製造することができるようになる。
【0036】
本発明の第一の実施例の変更例では、図5に示したように排気浄化触媒7の上流端部分16の外周面とケーシング6の内周面との間に環状導電体26が配置される。環状導電体26は排気浄化触媒7およびケーシング6よりも導電性の高い薄い環状の導電体である。環状導電体26の排気上流側の端部は排気浄化触媒7の排気上流端面8と面一となるように配置され、環状導電体26の排気下流側の端部は排気上流側の端部から僅かに下流へと延びる。環状導電体26には第二の電極13が接続される。触媒コンバータ1をこのように構成することにより、ケーシング6を介して中央電極11と第二の外側電極13との間で電流を流す必要がなくなるので、ケーシング6を導電性の高い材料で形成する必要がなくなる。すなわち、ケーシング6の材質の制限がなくなり、ケーシング6を如何なる材料から形成してもよくなる。
また、第二の電極13をケーシング6に接続した場合、第二の電極13に供給された交番電流がケーシング6の排気後流側から排気浄化触媒7の排気後流側を通って中央電極11まで流れてしまい、排気浄化触媒7の排気後流側を加熱するのに電力が消費されてしまう可能性がある。しかしながら本変更例のように触媒コンバータを構成すれば、上記交番電流が排気浄化触媒7の排気後流側へ流れることがほとんどなくなり、よって排気浄化触媒7の排気後流側が加熱されることがほとんどなくなる。
【0037】
次に図6および図7を参照して本発明の第二の実施例について説明する。本発明の第二の実施例では、図6に示したように第一の実施例の触媒コンバータ1に追加の排気浄化触媒31が加えられる。追加の排気浄化触媒31は排気浄化触媒7の排気上流側に排気浄化触媒7と同軸に、且つ排気浄化触媒7の排気上流端面8と追加の排気浄化触媒31の排気下流端面32とが平行であって互いに面するように配置される。排気浄化触媒7の排気上流端面8と追加の排気浄化触媒31の排気下流端面32とは所定の距離だけ離間され、これら排気上流端面8と排気下流端面32との間にはコイル9が配置される。排気浄化触媒7の軸線方向の長さは追加の排気浄化触媒31の軸線方向の長さよりも長い。このことによりコイル9がより排気上流側に配置され、排気ガスの流れによって排気上流側の熱が排気下流側に伝達せしめられるので効果的に排気浄化触媒を昇温させることができるようになる。
【0038】
コイル9は触媒コンバータ1の長手軸線10を中心として排気浄化触媒7の排気上流端面8および追加の排気浄化触媒31の排気下流端面32に沿って触媒コンバータ1の外周近傍まで渦巻き状に延びる。コイル9は排気浄化触媒7の排気上流端面8と追加の排気浄化触媒31の排気下流端面32との中心に、すなわちコイル9と排気浄化触媒7の排気上流端面8との間の距離がコイル9と追加の排気浄化触媒31の排気下流端面32との間の距離と等しくなるように配置される。径方向内側に位置するコイル9の一方の端部は中央電極11の長手方向の中心部に機械的および電気的に接続される。これにより、コイル9は中央電極11により支持される。中央電極11の一方の端部14は追加の排気浄化触媒31の排気下流端面32に機械的および電気的に接続され、他方の端部15は排気浄化触媒7の排気上流端面8に機械的および電気的に接続される。このように構成することにより、中央電極11は排気浄化触媒7と追加の排気浄化触媒31とを所定の距離に維持する。すなわち、中央電極11は排気浄化触媒7に対して追加の排気浄化触媒31を支持する。
【0039】
第二の実施例の触媒コンバータ1では、コイル9の一方の端部に第一の外側電極33が接続され、この第一の外側電極33は排気浄化触媒7の排気上流端面8と追加の排気浄化触媒31の排気下流端面32との中間において絶縁されてケーシング6に直接取付けられる。さらに、図7に示したように、排気浄化触媒7の排気上流端面8と追加の排気浄化触媒31の排気下流端面32との中間においてケーシング6に第二の外側電極36が接続され、第一の外側電極12と周方向に離間されて配置される。第一の実施例と同様に、ケーシング6の内周面は排気浄化触媒7の外周面と電気的に接触しており、ケーシング6に供給された電流が排気浄化触媒7に流れるようになっている。
【0040】
次に図6を参照して第二の実施例の誘導加熱について説明する。コイル9に交番電流を流すと、コイル9内で電流が流れる方向に対して垂直にコイル9の周りに交番磁界、すなわち磁力線35が形成される。また、排気浄化触媒7および追加の排気浄化触媒31はコイル9周囲の雰囲気(例えば排気ガスや空気)よりも透磁率が高いので、磁力線35は排気浄化触媒7および追加の排気浄化触媒31内を通過する。また、排気浄化触媒7および追加の排気浄化触媒31が適度な透磁率を有するので、磁力線35は排気浄化触媒7の排気上流端面8近傍の部分である上流端部分16と追加の排気浄化触媒31の排気下流端面32近傍の一部分(以降、単に下流端部分と称す。)34とを通過する。この磁力線35により、排気浄化触媒7の上流端部分16および追加の排気浄化触媒31の下流端部分34に、磁力線35と垂直に磁力線35周りの誘導電流(渦電流)が発生する。そして上述したように、この渦電流によって排気浄化触媒7の上流端部分16および追加の排気浄化触媒31の下流端部分34が加熱される。こうして、コイル9に交番電流を流すことによって排気浄化触媒7の上流端部分16および追加の排気浄化触媒31の下流端部分34が誘導加熱される。
【0041】
次に、図6および図7を参照して第二の実施例の直接加熱について説明する。第二の実施例では、第一の外側電極33と第二の外側電極36との間で流れる交番電流は、コイル9から中央電極11を介して排気浄化触媒7と追加の排気浄化触媒31とに流れる。すなわち、交番電流発生電源17によって発生せしめられた電流は、第一の外側電極33、コイル9、中央電極11の順に流れて、そこから排気浄化触媒7と追加の排気浄化触媒31との二つに流れ、そしてケーシング6で再び統合されて第二の外側電極36に流れるか、またはその逆に流れる。この場合、上述したようにコイル9に交番電流が流れることによって排気浄化触媒7の上流端部分16および追加の排気浄化触媒31の下流端部分34が誘導加熱される。さらに、排気浄化触媒7の上流端部分16および追加の排気浄化触媒31の下流端部分34に交番電流が流れ、これら部分16、34に電気抵抗があることによって、排気浄化触媒7の上流端部分16および追加の排気浄化触媒31の下流端部分34が直接加熱される。
【0042】
ところで、第一の実施例のように排気浄化触媒をコイルの片側のみに配置した場合、コイルによって発生する磁束は加熱対象領域(排気浄化触媒)と加熱対象領域以外の領域(例えばコイルの周囲雰囲気:以降、単に加熱対象外領域と称す。)とを通過する。上述したように加熱対象領域は磁束がそこを通過することによって誘導加熱せしめられて電力を消費するが、加熱対称外領域でも同様に電力は消費されてしまう。しかも加熱対象外領域で消費される電力は有効に熱エネルギに変換されない。したがって、この加熱対象外領域が増加すると電力の損失が大きくなってしまう。
ところが第二の実施例では、コイル9の上流および下流にコイル9の周囲雰囲気の透磁率よりも透磁率が高い排気浄化触媒7および追加の排気浄化触媒31を配置している。そのためコイル9によって発生する磁束はコイル9と排気浄化触媒7、31との間の空間領域をほとんど通過することなく、排気浄化触媒7、31を通過する。これにより、コイル9によって形成される磁束はほぼ加熱対象領域のみを通過することになる。このため消費される電力のほとんどは熱エネルギに変換され、電気的エネルギから熱エネルギへの変換効率が増大し、少ない電力の損失で発熱量を増加させることができる。よって誘導加熱の効率が向上する。
【0043】
【発明の効果】
第1の発明によれば、排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を二つの加熱方法によって相補的に加熱することにより、排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を温度差ができないように加熱することができるようになる。
第2の発明によれば、一つの電流経路のみで誘導加熱と直接的な加熱との二つの加熱方法を行うことができるので、構成が簡素にされる。
第6の発明によれば、導電体に交番電流を流すことによって生じる磁力線がほぼ加熱対象領域のみを通過するようになるので、消費される電力のほとんどが熱エネルギへ変換され、よって誘導加熱の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一の実施例の触媒昇温装置を示す図である。
【図2】図1に示した触媒コンバータの上流側の拡大断面図である。
【図3】図2の線III−IIIに沿った触媒コンバータの断面図である。
【図4】コイル内で電流が流れる部分を示した図である。
【図5】第一の実施例の変更例の触媒コンバータの図2と同様な図である。
【図6】第二の実施例の触媒コンバータの上流側の拡大断面図である。
【図7】図6の線VII−VIIに沿った触媒コンバータの断面図である。
【符号の説明】
1…触媒コンバータ
2…機関本体
3…機関排気通路
4…流入口
5…流出口
6…ケーシング
7…排気浄化触媒
8…排気上流端面
9…コイル(導電体)
10…長手軸線
11…中央電極
12…第一の電極
13…第二の電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a catalyst temperature raising device for an internal combustion engine, and more particularly to a catalyst temperature raising device in which an alternating current is supplied to a conductor for induction heating.
[0002]
[Prior art]
In an internal combustion engine of an automobile, harmful gas components in exhaust gas discharged, for example, carbon monoxide (CO), nitrogen oxide (NO x ) And hydrocarbon (HC) and other components are purified before they are released into the atmosphere, and the exhaust system includes an exhaust purification catalyst that supports a noble metal such as platinum (Pt) or palladium (Pd) as a catalyst. .
[0003]
In order for the catalyst to perform catalytic action in the exhaust purification catalyst, the exhaust purification catalyst must be heated to a temperature higher than its activation temperature. However, particularly when the engine is started, the temperature of the exhaust purification catalyst is low and the exhaust gas is also low in temperature, so that the exhaust purification catalyst is difficult to raise to its activation temperature. For this reason, it is difficult for the exhaust purification catalyst to perform catalytic action actively. Therefore, for example, when the temperature of the exhaust purification catalyst is low, such as when the engine is started, it is necessary to heat the exhaust purification catalyst to a temperature higher than its activation temperature by means other than exhaust gas to activate the catalytic action.
[0004]
One of the methods for raising the temperature of the exhaust purification catalyst is a method using induction heating. In the configuration of the conventional catalyst temperature raising apparatus using such a method, the spiral induction heating coil is arranged so as to face the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst, and an alternating current is passed through the induction heating coil. Thus, the vicinity of the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst is induction-heated. By inductively heating the exhaust purification catalyst in this way, it is possible to heat only the portion in the vicinity of the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst (hereinafter simply referred to as the upstream end portion). Therefore, the temperature in the vicinity of the exhaust upstream end face can be quickly raised to a desired temperature with a small amount of electric power.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the configuration of the conventional catalyst temperature raising apparatus described above, a portion of the central region of the upstream end portion of the exhaust purification catalyst facing the central portion of the spiral of the induction heating coil (hereinafter simply referred to as the central region portion). The amount of heating due to induction heating tends to be smaller than the amount of heating due to induction heating in a region around the central region of the upstream end portion of the exhaust purification catalyst (peripheral region portion). For this reason, the temperature increase rate of the central region portion of the upstream end portion of the exhaust purification catalyst is slower than the temperature increase rate of the peripheral region portion of the upstream end portion, so that the temperature of the central region portion of the upstream end portion of the exhaust purification catalyst is It becomes lower than the temperature of the surrounding area part of the upstream end part.
[0006]
In view of such a problem, an object of the present invention is to heat a portion in the vicinity of the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst so as not to cause a temperature difference.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, in the first invention, a conductive exhaust purification catalyst is disposed in the engine exhaust passage, and a conductor is disposed facing the exhaust upstream end surface of the exhaust purification catalyst. In an internal combustion engine catalyst temperature raising apparatus in which a portion near the exhaust upstream end surface of the exhaust purification catalyst is induction-heated by supplying an alternating current to the exhaust current, the portion near the exhaust upstream end surface of the exhaust purification catalyst is induction-heated In addition, the current in the vicinity of the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst is heated to heat the part in the vicinity of the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst. In this catalyst temperature raising device, the portion near the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst is divided into induction heating by passing an alternating current through the conductor and direct heating by passing current through the portion near the exhaust upstream end face. Since it is heated by one heating method, a part of the portion near the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst that is difficult to be heated by one heating method can be heated by the other heating method. That is, the portion near the exhaust upstream end surface of the exhaust purification catalyst can be complementarily heated by two heating methods.
[0008]
According to a second invention, in the first invention, a central electrode connected to a conductor is connected to substantially the center of the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst, and an outer electrode is provided on the outer peripheral surface near the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst. The alternating current flowing through the conductor was made to flow to the outer electrode through the central electrode through the portion near the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst. In this catalyst temperature raising device, the alternating current flowing through the conductor flows through the central electrode through the portion near the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst to the outer electrode, so that induction heating and direct Two heating methods can be performed, such as regular heating.
[0009]
According to a third aspect, in the second aspect, the central electrode is formed of a rigid conductive material, and the central electrode is connected to the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst so that the central electrode supports the conductor. I made it.
[0010]
According to a fourth aspect, in the second aspect, the outer electrode is an enclosing electrode that surrounds the outer peripheral surface in the vicinity of the exhaust upstream end surface of the exhaust purification catalyst.
[0011]
In the fifth invention, in the fourth invention, a conductive casing for accommodating the exhaust purification catalyst is formed in the engine exhaust passage, and this casing is used as the surrounding electrode.
[0012]
According to a sixth invention, in the third to fifth inventions, a conductive exhaust purification catalyst is additionally provided upstream of the conductor separately from the exhaust purification catalyst, and the central electrode has the additional exhaust purification catalyst. The additional exhaust purification catalyst was connected to the central electrode to support it. In this catalyst temperature raising device, conductive exhaust purification catalysts are arranged on the exhaust upstream side and exhaust downstream side of the conductor, so that the lines of magnetic force generated by passing an alternating current through the conductor almost only pass through the heating target region. To come.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that the same reference numerals in the drawings indicate similar elements.
[0014]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an internal combustion engine including a catalyst temperature raising apparatus according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a catalytic converter, 2 is an engine body, and 3 is an engine exhaust passage. The
[0015]
The catalytic converter 1 includes a substantially
[0016]
The
[0017]
Next, the
[0018]
As shown in FIG. 3, the
[0019]
A first
[0020]
A second
The first
[0021]
Next, induction heating will be described with reference to FIG. When an alternating current is passed through the
[0022]
Here, the advantage of heating the exhaust purification catalyst by induction heating will be described. When the
[Expression 1]
Here, a is a constant. As can be seen from the equation (1), the current penetration depth δ is the frequency f of the alternating current and the relative permeability μ of the
[0023]
As described above, by increasing the frequency of the alternating current flowing through the
[0024]
Furthermore, since only the extremely thin
[0025]
When an alternating current is passed through the
[0026]
By the way, when an alternating current is passed through the
As described above, when an alternating current is passed through the
[0027]
Referring now to FIG. 4, the distance between adjacent magnetic field lines 19 is shortened on the exhaust downstream side of the
Further, the distance between adjacent
[0028]
By the way, the shorter the distance between the alternating current flowing in the
[0029]
Here, in the embodiment of the present invention, an alternating current flowing between the first
[0030]
Further, since the magnetic flux generated by the
[0031]
Next, the principle that the heating amount of the
[0032]
Thus, when the alternating current flows radially, the currents flowing in the
[0033]
In general, when an alternating current is passed through a conductor, there is a property that the alternating current flows near the surface of the conductor due to the magnetic field generated by the alternating current (skin effect), and the higher the frequency of the alternating current is, the higher the frequency is. The alternating current is more likely to flow near the surface of the conductor. For this reason, in this embodiment, an alternating current having a high frequency that flows through the
Thus, when an alternating current is passed through the
[0034]
By the way, when an alternating current is passed through the upstream end portion of the exhaust purification catalyst between the central electrode and the casing without facing the exhaust upstream end surface of the exhaust purification catalyst, for example, the upstream end portion of the exhaust purification catalyst The current is locally concentrated in a portion having a slightly low resistance. If the current concentrates on a part of the upstream end portion of the exhaust purification catalyst in this way, not only the entire central region of the upstream end portion of the exhaust purification catalyst cannot be heated, but also the portion where the current is concentrated burns out. End up.
Here, in the embodiment of the present invention, the alternating current flowing through the
By arranging the
[0035]
In the embodiment described above, the shape of the cross section of the conducting wire constituting the
In the above-described embodiment, the
[0036]
In a modification of the first embodiment of the present invention, an
When the
[0037]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6, an additional
[0038]
The
[0039]
In the catalytic converter 1 of the second embodiment, the first
[0040]
Next, the induction heating of the second embodiment will be described with reference to FIG. When an alternating current is passed through the
[0041]
Next, the direct heating of the second embodiment will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, the alternating current flowing between the first
[0042]
By the way, when the exhaust purification catalyst is disposed only on one side of the coil as in the first embodiment, the magnetic flux generated by the coil is a heating target region (exhaust purification catalyst) and a region other than the heating target region (for example, the ambient atmosphere around the coil). : Hereinafter, simply referred to as a non-heated area). As described above, the heating target area is induction-heated by passing the magnetic flux therethrough and consumes electric power, but the electric power is also consumed in the area outside the heating symmetry. Moreover, the power consumed in the non-heating target area is not effectively converted into heat energy. Therefore, when this non-heating target area increases, power loss increases.
However, in the second embodiment, the
[0043]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the portion near the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst is complementarily heated by two heating methods so that the portion near the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst is heated so that there is no temperature difference. Will be able to.
According to the second invention, since the two heating methods of induction heating and direct heating can be performed with only one current path, the configuration is simplified.
According to the sixth aspect of the invention, the lines of magnetic force generated by passing an alternating current through the conductor almost pass only through the heating target region, so that most of the consumed power is converted into thermal energy, and thus induction heating is performed. Efficiency is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a catalyst temperature raising apparatus of a first embodiment.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the upstream side of the catalytic converter shown in FIG.
3 is a cross-sectional view of the catalytic converter taken along line III-III in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a portion where a current flows in a coil.
FIG. 5 is a view similar to FIG. 2 of a catalytic converter according to a modification of the first embodiment.
FIG. 6 is an enlarged sectional view of the upstream side of the catalytic converter of the second embodiment.
7 is a cross-sectional view of the catalytic converter taken along line VII-VII in FIG. 6;
[Explanation of symbols]
1 ... Catalytic converter
2 ... Engine body
3 ... Engine exhaust passage
4 ... Inlet
5 ... Outlet
6 ... Casing
7 ... Exhaust gas purification catalyst
8 ... Exhaust upstream end face
9 ... Coil (conductor)
10 Longitudinal axis
11 ... Center electrode
12 ... First electrode
13 ... second electrode
Claims (6)
排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を誘導加熱することに加えて、排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分に電流を流すことによって排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分を加熱するようにした内燃機関の触媒昇温装置。A conductive exhaust purification catalyst is disposed in the engine exhaust passage, a conductor is disposed facing the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst, and an alternating current is supplied to the conductor to thereby provide an exhaust upstream of the exhaust purification catalyst. In the internal combustion engine catalyst temperature raising apparatus in which the portion near the end face is induction heated,
In addition to inductively heating the portion near the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst, the current is passed through the portion near the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst so that the part near the exhaust upstream end face of the exhaust purification catalyst is heated. A catalyst temperature raising device for an internal combustion engine.
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