(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、該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内燃機関の触媒昇温装置。
【請求項２】
排気浄化触媒の排気上流端面のほぼ中央に前記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、前記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請求項１に記載の内燃機関の触媒昇温装置。
【請求項３】
前記中央電極を剛性のある導電性材料で形成し、該中央電極が前記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請求項２に記載の内燃機関の触媒昇温装置。
【請求項４】
前記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請求項２に記載の内燃機関の触媒昇温装置。
【請求項５】
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、該ケーシングを包囲電極とした請求項４に記載の内燃機関の触媒昇温装置。
【請求項６】
排気浄化触媒と別個に前記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請求項３〜５のいずれか一つに記載の内燃機関の触媒浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【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】
0003700052.tif 000002
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
【図１】
0003700052.tif 000003
【図２】
0003700052.tif 000004
【図３】
0003700052.tif 000005
【図４】
0003700052.tif 000006
【図５】
0003700052.tif 000007
【図６】
0003700052.tif 000008
【図７】
0003700052.tif 000009