(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒成分を表面に担持した触媒担体を高周波誘導加熱する触媒の加熱用電源装置において、
バッテリの電圧を昇圧して電気二重層コンデンサに充電する充電手段と、
前記充電手段によって充電した前記電気二重層コンデンサからの直流電圧を交流電圧に変換し、前記触媒担体の外周に巻回した誘導コイルに、該誘導コイルに直列接続される共振用コンデンサを介した共振周波数での高周波電流を通電する高周波電流通電手段と、
前記高周波電流通電手段の作動・停止を触媒温度に応じて制御することにより、前記誘導コイルの共振周波数のずれを補正する触媒加熱制御手段とを備えたことを特徴とする触媒の加熱用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高周波誘導加熱により、触媒成分を表面に担持した触媒担体を加熱する触媒の加熱用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車等のエンジンの冷態暖機時には、排気ガス温度が低く、触媒温度も活性化温度以下であるため、排気ガスが十分に浄化されないおそれがる。このため、触媒成分を表面に担持した触媒担体を加熱することにより、触媒の早期活性化を促進して排気ガス浄化性能を向上するシステムが従来から種々提案されている。
【０００３】
例えば、特開平３−２０２６１４号公報には、電熱材から構成した触媒担体に通電して加熱する技術が開示されており、特開平２−２２３６２２号公報には、触媒担体をステンレス鋼製のハニカム形状体とし、このハニカム形状体に通電、発熱させるようにした技術が開示されている。
【０００４】
さらに、実開平３−１００２３号公報には、触媒コンバータ容器内に、触媒担体に渦電流を生じさせる高周波コイルを設け、高周波誘導加熱により触媒担体を加熱する技術が開示されており、特願平４−３３５３５５号には、螺旋状巻回体からなる触媒担体を高周波誘導加熱する技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジン始動時や始動前に急速に触媒を活性化温度まで加熱し、排気ガス温度が活性化温度になるまで触媒を所定の温度に保持するには、所定の電力を一定時間供給する必要があり、供給される電力は数Ｋｗ（例えば４〜５Ｋｗ）以上の大電力となり、車載のバッテリ電源では電流値が数百アンペアと大きくなる。
【０００６】
その結果、化学反応を伴う従来の鉛バッテリ等では、パワー密度（重量当たりの出力）が小さいため、大きなパワー密度を得ようとすればバッテリの大型化を伴い、必然的に重量増及び容積増を招いて燃費の悪化、搭載性の不具合を生じるばかりでなく、途中の電力損失の増大、バッテリの耐久性低下といった問題を招くことになる。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、バッテリからの電力を効率良く制御して触媒担体に加熱用電力として供給し、電力損失の低減、装置の小型化、バッテリの耐久性向上を図ることのできる触媒の加熱用電源装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、触媒成分を表面に担持した触媒担体を高周波誘導加熱する触媒の加熱用電源装置において、バッテリの電圧を昇圧して電気二重層コンデンサに充電する充電手段と、前記充電手段によって充電した前記電気二重層コンデンサからの直流電圧を交流電圧に変換し、前記触媒担体の外周に巻回した誘導コイルに、該誘導コイルに直列接続される共振用コンデンサを介した共振周波数での高周波電流を通電する高周波電流通電手段と、前記高周波電流通電手段の作動・停止を触媒温度に応じて制御することにより、前記誘導コイルの共振周波数のずれを補正する触媒加熱制御手段とを備えたものである。
【０００９】
【作用】
本発明では、バッテリの電圧を昇圧して充電した電気二重層コンデンサからの直流電圧を交流電圧に変換し、触媒担体の外周に巻回した誘導コイルに共振用コンデンサを介した共振周波数での高周波電流を通電する。そして、この高周波電流の通電・非通電を触媒温度に応じて制御することにより、誘導コイルの共振周波数のずれを補正する。
【００１０】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図面は本発明の一実施例を示し、図１は電源装置の回路構成図、図２は制御動作を示す波形図、図３（ａ）及び（ｂ）は触媒コンバータの概略断面図である。
【００１１】
図３において、符号１は、自動車等のエンジン（図示せず）の排気系に接続され、排気ガスを浄化する触媒コンバータであり、この触媒コンバータ１のケース１ａに、貴金属等からなる触媒成分、例えば白金やロジウム等の触媒成分を表面に担持する触媒担体２が内蔵され、ケース外周に誘導コイル３が巻回されている。
【００１２】
前記触媒担体２は磁性体からなるセル構造となっており、各セルは相互に電気的に接触状態にある。一方、前記ケース１ａはセラミックス等の非磁性体からなり、前記誘導コイル３で発生する磁束を内部の触媒担体２に集中させるようになっている。すなわち、触媒担体と誘導コイルとを収納した従来の金属製のケースを非磁性体としてケース外周に誘導コイルを巻回し、誘導コイルを排気ガスに直接さらされないようにして長寿命化を図るのである。
【００１３】
また、図３（ｂ）に示すように、前記触媒担体２の下流側には、温度センサ４が臨まされ、この温度センサ４と前記誘導コイル３とが、加熱電力を供給する電源装置５に接続されている。前記温度センサ４は、温度が低いときには電気抵抗が大きく、温度が上昇すると電気抵抗が減少する特性を持ったセンサであり、触媒出口の排気ガス温度を計測することで間接的に触媒温度を検出するようになっている。尚、前記温度センサ４を触媒担体２の温度を計測可能な箇所に取り付けて触媒温度を検出するようにしても良い。
【００１４】
そして、前記電源装置５によって前記誘導コイル３に高周波電流を流して交番磁界を発生させ、前記触媒担体２を高周波誘導加熱し、低温時の触媒の活性化を促進する。すなわち、前記誘導コイル３に高周波電流を通電して交番磁界を発生させると、磁性体からなる触媒担体２に渦電流損及びヒステリシス損（但し、ヒステリシス損は極く小さいため無視できる）が発生する。その結果、主として渦電流が前記触媒担体２を形成する材料の内部抵抗によってジュール熱に変換され、前記触媒担体２が加熱される。
【００１５】
この場合、磁性体からなる前記触媒担体２としては、鉄系の材料で表皮抵抗の比較的大きい材料が用いられ（但し、ステンレス鋼の一部には、電気抵抗が比較的小さいため誘導加熱に適さないものもある）、前記誘導コイル３に通電する高周波電流の周波数を適宜設定することにより加熱深さを制御し、前記触媒担体２の表面付近が加熱されるようにする。
【００１６】
前記電源装置５は、図１に示すように、充電手段としてのＤＣ−ＤＣコンバータ７、電気二重層コンデンサ８、高周波電流通電手段としてのＤＣ−ＡＣインバータ９、前記誘導コイル３に直列接続される共振用コンデンサ１０、触媒加熱制御手段としての加熱給電制御回路部１１を備えている。
【００１７】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ７は、バッテリ６の直流電圧を昇圧し、前記電気二重層コンデンサ８に充電するものであり、また、前記ＤＣ−ＡＣインバータ９は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ７によって充電された前記電気二重層コンデンサ８からの直流電圧を交流電圧に変換し、前記共振用コンデンサ１０を介して前記誘導コイル３に高周波電流を通電するものである。
【００１８】
すなわち、前記誘導コイル３は、回路的に等価コイルＬ０及び等価抵抗Ｒ０に変換できるため、前記誘導コイル３に前記共振用コンデンサ１０を接続することによりＲＬＣ直列回路を構成して共振周波数での高周波誘導加熱を行なうようになっており、バッテリ６からの電圧を高圧化して電気二重層コンデンサ８に充電しておくことで、短時間に大電力を供給でき、しかも、この高圧直流電圧を高周波電圧に変換して誘導コイル３に通電することで電流値を小さく抑えることができ、バッテリ６の負担を軽減して耐久性を向上し、また、大型化とこれに伴う重量増の回避、電力損失の低減を図ることができるのである。
【００１９】
また、前記加熱給電制御回路部１１は、前記ＤＣ−ＡＣインバータ９の作動・停止を触媒温度に応じて制御するものであり、後述するように、触媒温度が基準温度より低いときに前記ＤＣ−ＡＣインバータ９を作動させ、触媒温度が基準温度より高いときに前記ＤＣ−ＡＣインバータ９を停止させることにより、前記誘導コイル３の等価抵抗Ｒ０の温度変化に起因する共振周波数のずれを補正し、加熱効率の低下を防止する。
【００２０】
具体的には、前記加熱給電制御回路部１１は、主として、コンパレータ１２とアンドゲート１３とから構成されており、前記コンパレータ１２は、図示しない定電圧電源から供給される定電圧（図中、＋で示す）を分圧する分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２によって生成される基準電圧が抵抗Ｒ３を介し反転入力側に印加されるとともに、定電圧を抵抗Ｒ４と前記温度センサ（センサ抵抗）４とで分圧して生成される比較電圧が抵抗Ｒ５を介して非反転入力側に印加される。
【００２１】
前記コンパレータ１２の出力側は、前記アンドゲート１３の一方の入力側に接続され、前記アンドゲート１３の他方の入力側には、前記触媒担体２の加熱開始を指示する制御指令電圧が入力されるようになっており、前記アンドゲート１３の出力側が前記ＤＣ−ＡＣインバータ９に接続されている。
【００２２】
以上の構成による電源装置５では、例えばエンジン始動時等のエンジン冷態状態で触媒温度も低いとき、触媒加熱開始を指示する制御指令電圧を電源装置５に入力すると、予めＤＣ−ＤＣコンバータ７によってバッテリ６の直流電圧を昇圧して充電されている電気二重層コンデンサ８の直流電圧がＤＣ−ＡＣインバータ９によって高周波電圧に変換され、誘導コイル３に高周波電流が通電されて触媒担体２が誘導加熱される。
【００２３】
すなわち、図２に示すように、触媒加熱開始を指示するハイレベルの制御指令電圧が加熱給電制御回路部１１のアンドゲート１３に入力されると、温度センサ４のセンサ温度（触媒温度）が基準温度よりも低いとき、温度センサ４の抵抗が大きいため、コンパレータ１２の非反転入力側に印加される比較電圧が反転入力側の基準電圧よりも高くなる。その結果、コンパレータ１２からハイレベルの信号が出力され、アンドゲート１３からのハイレベルの加熱給電許可信号によりＤＣ−ＡＣインバータ９が作動する。
【００２４】
次いで、触媒温度が上昇し、基準温度よりも高くなると、温度センサ４の抵抗が小さくなり、コンパレータ１２の非反転入力側に印加される比較電圧が反転入力側の基準電圧よりも低くなる、すると、コンパレータ１２の出力電圧がローレベルに反転し、アンドゲート１３の出力電圧がローレベルになってＤＣ−ＡＣインバータ９が停止する。
【００２５】
このように、ハイレベルの制御指令電圧が入力されている間は、温度センサ４からの信号に応じてコンパレータ１２の出力がハイレベルとローレベルとの間で反転することでアンドゲート１３を介してＤＣ−ＡＣインバータ９が作動・停止を繰返し、触媒担体２の加熱に伴う誘導コイル３の等価抵抗Ｒ０の温度変化によって共振周波数がずれることが防止され、加熱電力が効率良く供給される。
【００２６】
そして、触媒加熱開始後、所定の時間が経過して触媒が十分に活性化したような場合に、制御指令電圧をローレベルにして加熱終了を指示すると、アンドゲート１３の出力がローレベルとなり、ＤＣ−ＡＣインバータ９が停止して加熱終了となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、バッテリからの電圧を高圧化して電気二重層コンデンサに充電しておくことで、誘導コイルへの通電開始時には短時間に大電力を供給でき、しかも、この高圧直流電圧を高周波に変換して誘導コイルに共振用コンデンサを介した共振周波数での高周波電流を通電することで電流値を小さく抑え、触媒温度に応じて誘導コイルへの高周波電流の通電・非通電を制御して誘導コイルの共振周波数のずれを補正するため、バッテリからの電力を効率良く触媒担体に加熱用電力として供給することができ、バッテリの負担を軽減して耐久性を向上し、また、大型化とこれに伴う重量増の回避、電力損失の低減を図ることができる等優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電源装置の回路接続図
【図２】制御動作を示す波形図
【図３】触媒コンバータの概略断面図
【符号の説明】
２    触媒担体
３    誘導コイル
６    バッテリ
７    ＤＣ−ＤＣコンバータ（充電手段）
８    電気二重層コンデンサ
９    ＤＣ−ＡＣコンバータ（高周波電流通電手段）
１０  共振用コンデンサ
１１  加熱給電制御回路部（触媒加熱制御手段）
【図１】
0003577342.tif 000002
【図２】
0003577342.tif 000003
【図３】
0003577342.tif 000004