JP2002364350A - 内燃機関の触媒昇温装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部分全体
に亘る温度差を小さくする。 【解決手段】 機関排気通路２に導電性のある排気浄化
触媒７を配置すると共に該排気浄化触媒７の排気上流端
面８に近接して延在する導電体９を配置し、該導電体９
に交番電流を供給することにより排気浄化触媒７の排気
上流端面８近傍の部分１５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、該排気浄化触媒７の排
気上流端面８のうち誘導加熱による発熱量が予め定めら
れたレベル以下である領域を突出させ、排気浄化触媒に
突出部１１を形成した。

Description

【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（ＮＯ_x）、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全体に亘る
温度差を小さくすることにある。

【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の発明によれば、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
流端面に近接して延在する導電体を配置し、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、該排気浄化触媒の排気上流端面の
うち誘導加熱による発熱量が予め定められたレベル以下
である領域を突出させ、排気浄化触媒に突出部を形成し
た。この触媒昇温装置では、排気浄化触媒の排気上流端
面は突出部の領域において導電体に近くなる。

【０００８】第２の発明によれば、第１の発明におい
て、導電体が渦巻き状導線であり、排気浄化触媒の排気
上流端面のうち該渦巻き状導線の中心領域に対応する領
域を該渦巻き状導線の中心領域に向けて突出させた。

【０００９】第３の発明によれば、第２の発明におい
て、前記突出部が排気流方向に延びる軸線を有する円柱
状である。

【００１０】第４の発明によれば、第２の発明におい
て、前記突出部が排気流方向に延びる軸線を有する円錐
状である。

【００１１】第５の発明によれば、第１〜第３のいずれ
か一つの発明において、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、前記突出部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該突出部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。

【００１２】

【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。

【００１３】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。

【００１４】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１０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。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。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。ケーシング６内には排気浄化触媒７の排気上流端面
８に近接して延在するように導電体９が配置される。さ
らに、排気浄化触媒７の排気上流端面８には排気浄化触
媒７の長手軸線１０と同軸なほぼ円柱形の突出部１１が
設けられる。突出部１１は排気浄化触媒７と一体に形成
される。したがって、突出部１１は排気浄化触媒７と同
様に一定温度（活性温度）以上で良好な触媒作用を示す
触媒であり、適度の導電性および透磁率を有する担体で
ある。

【００１５】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
触媒コンバータの拡大断面図であり、図３は図２の線II
I−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。

【００１６】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）を中心として突出
部１１の周りから排気浄化触媒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。な
お、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、径方向外側のコイル９の端部には外側電極
１２が機械的および電気的に接続され、径方向内側のコ
イル９の端部には内側電極１３が機械的および電気的に
接続される。外側電極１２は上記径方向外側のコイル９
の端部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に絶縁されて固定さ
れる。内側電極１３は上記径方向内側のコイル９の端部
との接続部から排気上流方向に延びてケーシング６の流
入口４に近接した部分を横断してケーシング６の外部ま
で延び、ケーシング６に絶縁されて固定される。このよ
うに構成することにより、外側電極１２と内側電極１３
とは排気浄化触媒７の排気上流端面８に対してコイル９
を支持する。さらに外側電極１２と内側電極１３とは、
導線を介して交番電流発生電源１４に接続される。交番
電流発生電源１４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１４は交流電
源でもよい。

【００１７】次に図４を参照して突出部１１のない触媒
コンバータ１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
２１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２１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２１は排
気浄化触媒７の排気上流端面８近傍の部分（以降、単に
上流端部分と称す。）１５を通過する。この磁力線２１
により、排気浄化触媒７の上流端部分１５に磁力線２１
と垂直に磁力線２１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１５には電気抵抗があ
るため磁力線２１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１５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１５が誘導加熱される。

【００１８】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１５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１５の被加熱深さｄは、磁力線２１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１５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１５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１５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μ_r、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μ_r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１５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１５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１５のみを加熱することがで
きることにある。

【００１９】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１５のみに渦電流
が流れるので、この上流端部分１５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。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１５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１５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１５の
加熱効率を向上させることができることにある。

【００２０】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１５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
１５を通過する排気ガスに露出する上流端部分１５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１５の熱量が少な
く、したがって上流端部分１５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１５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。

【００２１】コイル９を突出部１１のない触媒コンバー
タ１に配置してこのコイル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２１は
コイル９の中央部１６と対面する排気浄化触媒７の上流
端部分１５の中央領域の部分（以降、単に中央領域部分
と称す。）１７を通りにくくなる。すなわち、ほとんど
の磁力線２１が排気浄化触媒７の上流端部分１５の中央
領域部分１７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１５の中央領域部分１７には渦
電流が発生しにくくなり、この中央領域部分１７が誘導
加熱されにくくなる。よって、コイル９の中央部１６と
対面する中央領域部分１７の誘導加熱による加熱量が、
この上流端部分１５の中央領域部分１７周りの領域の部
分（以降、単に周辺領域部分と称す。）１８の誘導加熱
による加熱量よりも小さくなってしまう。

【００２２】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１５
の中央領域部分１７の加熱量は周辺領域部分１８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２１が発生する。この磁力線２１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
（以下、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２１の強度の大小やコイル９と磁力
線２１との間の距離に応じて異なり、磁力線２１の強度
が強いほど吸引力は強く、コイル９と磁力線２１との間
の距離が短いほど吸引力は強い。

【００２３】ここで図４を参照すると隣り合う磁力線２
１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１５の周辺領域部分１８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２１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２１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２１間の距離よりも長いが、コイル
９の中心部付近の磁力線２１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２１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２２に集中
して流れる傾向にある。

【００２４】ところで、コイル９内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１５に渦電流が発生しやす
く、したがって上流端部分１５が誘導加熱されやすくな
る。中央部１６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。これに対して中央部１６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
央側を流れる。交番電流がコイル９の中央側を流れる場
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１５が誘導加熱されにくい。よってコイル９の
中央部１６付近と対面する排気浄化触媒７の上流端部分
１５の中央領域部分１７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１５の中央領域部分１７の誘
導加熱による加熱量が周辺領域部分１８の誘導加熱によ
る加熱量よりも小さくなってしまう。上述した理由か
ら、上流端部分１５の中央領域部分１７の温度は周辺領
域部分１８の温度よりも低くなる傾向にあり、この中央
領域部分１７は該中央領域部分１７が触媒作用を示すの
に十分な活性温度に到達しにくい。したがって排気浄化
触媒７の上流端部分１５の中央領域部分１７を通過する
排気ガスが浄化されずに排気されてしまう。

【００２５】ここで本発明の第一の実施例では、上述し
たように排気浄化触媒７の排気上流端面８上に円筒形の
突出部１１が配置される。この突出部１１はコイル９の
渦巻きの中央にあるコイル９のない空間（コイル９の中
央部）１６内に位置する。すなわち突出部１１の直径は
上記コイル９の中央部１６の直径よりも短い。また、突
出部１１は、突出部１１の排気上流側の端面がコイル９
の排気上流側の端面とほぼ面一になるように排気流方向
に延びる。

【００２６】排気浄化触媒７と突出部１１とを上述した
ように形成して、コイル９に交番電流を流すと、この交
番電流によってコイル９内で該交番電流が流れる方向に
対して垂直にコイル９周りに磁力線２２が生成される。
また、排気浄化触媒７と突出部１１とはコイル９の周囲
雰囲気よりも透磁率が高く、よって磁力線２２はコイル
９と排気浄化触媒７との間およびコイル９と突出部１１
との間の雰囲気中を通らずに排気浄化触媒７の上流端部
分１５の周囲領域部分１８および突出部１１を通過す
る。この磁力線２２により、排気浄化触媒７の上流端部
分１５の周囲領域部分１８および突出部１１に磁力線２
１と垂直に磁力線２２周りの渦電流が後述するように発
生する。この渦電流によって、排気浄化触媒７の上流端
部分１５の周囲領域部分１８と突出部１１とが誘導加熱
される。そして、上述した誘導加熱の利点より、排気浄
化触媒７の上流端部分１５の周囲領域部分１８および突
出部１１は表面付近の薄い領域を高加熱効率で急激に昇
温せしめられて、迅速に触媒の活性温度に到達する。な
お、本実施例では排気浄化触媒７の上流端部分１５の周
囲領域部分１８と突出部１１とはほぼ均一に昇温せしめ
られる。このようにして、コイル９に交番電流を流す
と、排気浄化触媒７の上流端部分１５の周囲領域部分１
８と突出部１１とが誘導加熱されて、迅速に触媒の活性
温度に到達せしめられる。

【００２７】次に、図５を参照して磁力線２１によって
突出部１１に渦電流が発生して突出部１１が加熱される
原理について説明する。図５は突出部１１の一部の斜視
図である。図５に示したように、突出部１１は排気浄化
触媒７と同様に渦巻き状に巻かれた渦巻き担体板２３
と、隣り合った渦巻き担体板２３の間に波状に配置され
た波状担体板２４とにより形成される。そしてコイル９
に交番電流が流れると、突出部１１と同軸に、すなわち
図５において担体板２３、２４と平行に磁力線２１が生
成される。磁力線２１が担体板２３、２４やこれら担体
板２３、２４間の空間を通ると、この磁力線２１に対し
て垂直であって磁力線２１周りの渦電流２５が発生す
る。この渦電流２５は図５に示したように、渦巻き担体
板２３と波状担体２４とを通って一周するように流れ
る。そしてこの渦電流２５が担体板２３、２４内で流れ
ることによって、担体板２３、２４が、すなわち突出部
１１が加熱される。

【００２８】ところで、内燃機関から排出された排気ガ
スは排気浄化触媒７を排気上流から排気下流へと縦断す
る。したがって、排気浄化触媒７の上流端部分１５の中
央領域部分１７を通過する排気ガスは、この中央領域部
分１７を通過する前に突出部１１を通過する。本実施例
では、突出部１１は排気浄化触媒７の上流端部分１５の
周囲領域部分１８とほぼ均一に誘導加熱されて活性温度
に到達せしめられる。したがって排気浄化触媒７の上流
端部分１５の中央領域部分１７を通過する排気ガスは、
上流端部分１５の周囲領域部分１８を通過する排気ガス
と同様に、触媒の活性温度に昇温せしめられた突出部１
１に浄化される。したがって、本実施例によれば、排気
浄化触媒７の排気上流端面８近傍の部分を温度差ができ
ないように加熱し、排気浄化触媒７を通過する全ての排
気ガスを浄化することができる。

【００２９】なお、上述した実施例では突出部１１の排
気上流方向の高さはこの突出部１１の排気上流側の端面
がコイル９の排気上流側の端面とほぼ面一になるような
高さであるが、突出部１１の排気上流側の端面がコイル
９の排気上流側の端面よりも排気上流側に位置するよう
にまたは突出部１１の排気上流側の端面がコイル９の排
気上流側の端面よりも排気下流側に位置するような高さ
であってもよい。突出部１１の高さに関して、この突出
部１１の排気上流方向の高さが高いと突出部１１がコイ
ル９を流れる交番電流によって誘導加熱される領域が増
加するので突出部１１の加熱量が増加し、突出部１１の
排気上流方向の高さが低いと突出部１１がコイル９を流
れる交番電流によって誘導加熱される領域が減少するの
で突出部１１の加熱量が減少する。したがって、突出部
１１の排気流方向の高さを調整することによって、突出
部１１の加熱量を調整して突出部１１の加熱量を排気浄
化触媒７の上流端部分１５の加熱量とほぼ均一にし、突
出部１１と排気浄化触媒７の上流端部分１５とをほぼ均
一に昇温させることができる。

【００３０】また、突出部１１の太さ、すなわち円柱形
の突出部１１の直径は突出部１１の中心まで磁力線が通
り且つ突出部１１が均一に加熱されるような太さ、直径
である。すなわち、この突出部１１の太さを太くすると
上述したように渦電流が加熱対象の表面付近を流れるの
で突出部１１の径方向外側のみが加熱されてしまい、逆
に突出部１１の太さを細くすると突出部１１が加熱され
すぎてしまう。よって突出部１１の太さは、突出部１１
の径方向外側のみが加熱されてしまうことや突出部１１
が加熱されすぎてしまうことのないような適切な太さで
ある。

【００３１】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、突出部１１は円柱形であるが、角柱
形や後述する変更例の円錐形等の別の形状であってもよ
い。また、上述した実施例では排気浄化触媒７の上流端
部分１５と突出部１１とは均一に昇温せしめられるが、
例えば突出部１１の排気流方向の高さを高くすることに
よって排気浄化触媒７の上流端部分１５よりも突出部１
１をより迅速に昇温させてもよいし、例えば突出部１１
の排気流方向の高さを低くすることによって排気浄化触
媒７の上流端部分１５よりも突出部１１を遅く昇温させ
てもよい。

【００３２】次に、図６を参照して本発明の第一の実施
例の変更例について説明する。図６に示した排気浄化触
媒７の排気下流端面３０には突出部１１と同軸に突出部
１１と同形状の凹部３１が設けられる。排気浄化触媒７
をこのように形成する場合、排気浄化触媒７を構成する
担体板の排気流方向の長さは均一である。ところで、排
気浄化触媒７を構成する担体板の排気流方向の長さは、
長すぎると排気ガスの排気抵抗になってしまい、短すぎ
ると排気ガスが良好に浄化されない。したがって、排気
浄化触媒７を構成する担体板の排気流方向の長さを、排
気ガスの排気抵抗にならず且つ排気ガスを良好に浄化す
るのに適した長さにするのが好ましい。ここで本変更例
では、担体板の排気流方向の長さが均一であることか
ら、全ての担体板の長さを排気ガスの排気抵抗にならず
且つ排気ガスが良好に浄化されるのに適した長さにする
ことができる。

【００３３】次に、図７を参照して本発明の第一の実施
例の別の変更例について説明する。上述した第一の実施
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、この変更例では排気上流方向に凸である
円錐形である。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、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。ところで、機関排気通路から
触媒コンバータ１に排気ガスが流入する時、排気ガス流
に対して垂直な流路断面積が急激に増大する。しかし排
気ガス流は流路断面積が増大しても広がりにくく、実際
は流路断面積が広がったにもかかわらず排気ガスの多く
が中央付近を流れる。ここで排気浄化触媒７の排気上流
端面８を円錐形にすることにより、排気ガスが触媒コン
バータの径方向中心から径方向外側に向かって流れるよ
うになるため、排気ガスが排気上流端面８の全面に亘っ
て均等に流入しやすくなる。

【００３４】次に、図８を参照して本発明の第一の実施
例の更なる別の変更例について説明する。この変更例で
は、突出部３１が排気上流方向に凸である切頭円錐形で
ある。ところで、上述したように、突出部３１を円柱状
に形成した場合には、コイル９に交番電流を流すことに
よって生成される磁力線が加熱対象の表面近傍を通る性
質がある。特に、突出部の太さを太くしたり交番電流の
周波数を上げて電流浸透深さを浅くしたりすることによ
って磁力線が突出部の径方向の中央まで通りにくくな
り、突出部の中央が加熱されにくくなる。突出部の中央
が加熱されにくいと、突出部の中央を通る排気ガスが良
好に浄化されなくなってしまう。ここで、本変更例で
は、突出部３１が切頭円錐形であるため、磁力線３２が
円錐表面近傍の部分を通る。したがって、突出部３１の
円錐表面近傍の部分は全て誘導加熱される。すなわち、
突出部３１の排気上流側の端面近傍が全て加熱されるこ
とになる。こうして全ての排気ガスは誘導加熱によって
昇温されている排気浄化触媒７の部分を通ることにな
り、排気ガスは良好に浄化される。なお、上述した変更
例では突出部３１を切頭円錐形として示したが、円錐形
であってもよい。

【００３５】また、上述した第一の実施例およびその三
つの変更例を組合せてもよい。これらを組合せることに
より、様々な利点を組合せることができる。

【００３６】次に図９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９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４０が加えられる。追加の排気浄化触媒４
０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４０の排気下流端面４１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４０の排気下流端面４１
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４１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４
０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るので、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、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。

【００３７】コイル９は触媒コンバータ１の長手軸線１
０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４０の排気下流端面４１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４０の排気下流端面４１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４０の排気下流端面４
１との間の距離と等しくなるように配置される。さらに
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
４０の排気下流端面４１との間に突出部４２が配置され
る。突出部４２は排気浄化触媒７と追加の排気浄化触媒
４０とを所定の距離に維持する。すなわち、突出部４２
は排気浄化触媒７に対して追加の排気浄化触媒４０を支
持する。

【００３８】次に図９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４３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４０およ
び突出部４２がコイル９周囲の雰囲気（例えば排気ガス
や空気）よりも透磁率が高くて適度な透磁率を有するの
で、磁力線４３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１５と追加の排気浄化触媒４０
の排気下流端面４１近傍の一部分（以降、単に下流端部
分と称す。）４４と突出部４２とを通過する。この磁力
線４３により、排気浄化触媒７の上流端部分１５および
追加の排気浄化触媒４０の下流端部分４４および突出部
４２に、磁力線４３と垂直に磁力線４３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１５および追
加の排気浄化触媒４０の下流端部分４４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１５および追加の排気浄化触媒
４０の下流端部分４４および突出部４２が誘導加熱され
る。

【００３９】上述したように内燃機関から排出された排
気ガスは排気浄化触媒７を排気上流から排気下流へと縦
断するので、排気浄化触媒７および追加の排気浄化触媒
４０の中央領域部分４５を通過する排気ガスは中央領域
部分４５の他に突出部４２を通過する。本実施例では、
突出部４２は排気浄化触媒７の上流端部分１５の周囲領
域部分４６および追加の排気浄化触媒４０の下流端部分
４４の周囲領域部分４６とほぼ均一に誘導加熱されて活
性温度に到達せしめられる。したがって排気浄化触媒７
の上流端部分１５の中央領域部分４５と追加の排気浄化
触媒４０の下流端部分４４の中央領域部分４５とを通過
する排気ガスは、排気浄化触媒７の上流端部分１５の周
囲領域部分４６および追加の排気浄化触媒４０の下流端
部分４４の周囲領域部分４６を通過する排気ガスと同様
に、触媒の活性温度に昇温せしめられた突出部４２に浄
化される。したがって、本実施例によれば、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
加熱し、排気浄化触媒７を通過する全ての排気ガスを浄
化することができる。

【００４０】ところで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、加熱対象外領域と称す
る。）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、加熱対象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。ところが本発明の第二の実施例では、コイル
９の排気上流側および排気下流側にコイル９の周囲雰囲
気よりも透磁率が高い排気浄化触媒７、４０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、４０との間の周囲雰囲気をほとん
ど通過することなく排気浄化触媒７、４０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。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば排気浄化触媒の排気上流
端面のうち誘導加熱による発熱量が予め定められたレベ
ル以下である領域が突出され、排気浄化触媒に突出部が
形成される。これにより排気浄化触媒の排気上流端面は
突出部の領域において導電体に近くなり、したがって排
気浄化触媒の排気上流端面における誘導加熱による発熱
量は突出部の領域において増大せしめられる。すなわち
本発明によれば突出部がなければ誘導加熱による発熱量
が予め定められたレベル以下であった領域における誘導
加熱による発熱量が増大されるので排気浄化触媒の排気
上流端面全体に亘る誘導加熱による発熱量の差が小さく
なる。これにより排気浄化触媒の排気上流端面近傍の部
分全体に亘る温度差が小さくなる。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に変換され、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】突出部の一部の拡大斜視図である。

【図６】第一の実施例の変更例の触媒コンバータの断面
図である。

【図７】第一の実施例の別の変更例の触媒コンバータの
断面図である。

【図８】第一の実施例の更なる別の変更例の触媒コンバ
ータの断面図である。

【図９】第二の実施例の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 １０…長手軸線 １１…突出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 計宏 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 一瀬 宏樹 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 辻 公寿 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G091 AA02 BA03 CA03 FA01 FB02 GB01X HA45 HA47

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【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近
   接して延在する導電体を配置し、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、 該排気浄化触媒の排気上流端面のうち誘導加熱による発
   熱量が予め定められたレベル以下である領域を突出さ
   せ、排気浄化触媒に突出部を形成した内燃機関の触媒昇
   温装置。
2. 【請求項２】 導電体が渦巻き状導線であり、排気浄化
   触媒の排気上流端面のうち該渦巻き状導線の中心領域に
   対応する領域を該渦巻き状導線の中心領域に向けて突出
   させた請求項１に記載の内燃機関の触媒昇温装置。
3. 【請求項３】 前記突出部が排気流方向に延びる軸線を
   有する円柱状である請求項２に記載の内燃機関の触媒昇
   温装置。
4. 【請求項４】 前記突出部が排気流方向に延びる軸線を
   有する円錐状である請求項２に記載の内燃機関の触媒昇
   温装置。
5. 【請求項５】 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、前記突
   出部が該追加の排気浄化触媒を支持するように該追加の
   排気浄化触媒を該突出部に連結するようにした請求項１
   〜３に記載の内燃機関の触媒昇温装置。