JP3017545B2 - Heating apparatus and heating control method for automotive catalytic converter - Google Patents

Heating apparatus and heating control method for automotive catalytic converter

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JP3017545B2 JP3037570A JP3757091A JP3017545B2 JP 3017545 B2 JP3017545 B2 JP 3017545B2 JP 3037570 A JP3037570 A JP 3037570A JP 3757091 A JP3757091 A JP 3757091A JP 3017545 B2 JP3017545 B2 JP 3017545B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、触媒コンバーターの
メタル担体に通電してこれを加熱する、自動車用触媒コ
ンバーターの加熱装置および加熱制御方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heating device and a heating control method for a catalytic converter for an automobile, in which a metal carrier of the catalytic converter is energized and heated.

【0002】[0002]

【従来の技術】自動車などの排ガスの浄化に触媒コンバ
ーターが広く用いられている。自動車用触媒コンバータ
ーは、排ガス中のCO,HCおよびNOx を酸化または
還元して浄化する。触媒としてPt,Rh,Pdなどが
用いられる。また、最近ではメタル担体が触媒コンバー
ターに採用されている。メタル担体は、ステンレス鋼箔
などの金属箔で作られたハニカムに触媒を担持させたも
のである。触媒はある一定温度以上たとえば350℃以
上でなければ、機能しない。一方、地球規模の環境汚染
が深刻化するなかで、自動車の排気ガス規制はますます
厳しくなってきている。このために、エンジン始動から
触媒が機能するまでの間(たとえば0.5ないし1分
間)の未浄化ガスの排出も問題となっている。そこで、
触媒が機能する温度に至るまでの間、メタル担体に直接
通電して触媒を加熱する方法が提案されている。たとえ
ば、実開昭63−67609号公報で開示された通電発
熱式触媒コンバーターでは、セラミックス製主モノリス
触媒の上流側に近接させたメタル担体にアルミナをコー
トした通電可能なメタルモノリス触媒を配設している。
そして、メタルモノリス触媒の中心軸線上に通電のため
の一方の電極を設け、メタルモノリス触媒の外筒を他方
の電極としている。
2. Description of the Related Art Catalytic converters are widely used for purifying exhaust gas from automobiles and the like. Catalytic converters for automobiles, purifies CO in the exhaust gas, the HC and NO x oxidation or reduction to. Pt, Rh, Pd or the like is used as a catalyst. Recently, metal carriers have been employed in catalytic converters. The metal carrier is obtained by supporting a catalyst on a honeycomb made of a metal foil such as a stainless steel foil. The catalyst does not function unless it is at a certain temperature or higher, for example, at 350 ° C. or higher. On the other hand, as environmental pollution on a global scale becomes more serious, exhaust gas regulations for automobiles are becoming more stringent. For this reason, the emission of unpurified gas from the start of the engine until the catalyst functions (for example, for 0.5 to 1 minute) is also a problem. Therefore,
A method has been proposed in which the metal carrier is directly energized to heat the catalyst until the temperature reaches a temperature at which the catalyst functions. For example, in an energized heat-generating catalytic converter disclosed in Japanese Utility Model Application Laid-Open No. 63-67609, an energizable metal monolith catalyst in which alumina is coated on a metal carrier close to the upstream side of a ceramic main monolith catalyst is provided. ing.
One electrode for energization is provided on the central axis of the metal monolith catalyst, and the outer cylinder of the metal monolith catalyst is used as the other electrode.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】メタル担体に直接通電
すると、ジュール熱によりメタル担体を効率よく加熱す
ることができる。通常、メタル担体の加熱電源として1
2 Vのバッテリーが用いられている。また、短時間で3
50℃以上にメタル担体を加熱するには0〜数百A の広
い範囲で加熱電流を制御する必要がある。加熱電流を制
御するために電磁開閉器を用いると、消弧などのために
大がかりな装置を必要とする。また、SCRやその他の
半導体素子を加熱回路に挿入し、その抵抗値を変化させ
る方法が考えられる。しかし、この方法では素子の抵抗
発熱が大きく、さらに素子の冷却についても配慮しなけ
ればならない。さらに、自動車運転中に触媒コンバータ
ーが十分に機能しない場合がある。たとえば、信号待ち
などで低速回転となった場合、または下り坂でエンジン
ブレーキを掛けた場合などでは、排気ガス温度が低下す
る。この結果、触媒コンバーター内を通過する排気ガス
によりメタル担体が冷却され、触媒が機能しない。この
ような場合にも、エンジン始動時と同様に未浄化の排気
ガスが大気に放出される。
When the metal carrier is directly energized, the metal carrier can be efficiently heated by Joule heat. Normally, 1
A 2 V battery is used. In addition, 3
In order to heat the metal carrier to 50 ° C. or more, it is necessary to control the heating current in a wide range from 0 to several hundreds A. When an electromagnetic switch is used to control the heating current, a large-scale device is required for arc extinction and the like. Further, a method of inserting an SCR or other semiconductor element into the heating circuit and changing its resistance value is conceivable. However, in this method, the resistance heating of the element is large, and it is necessary to consider the cooling of the element. In addition, the catalytic converter may not function properly while driving a vehicle. For example, when a low-speed rotation is performed due to a signal or the like, or when an engine brake is applied on a downhill, the exhaust gas temperature decreases. As a result, the metal carrier is cooled by the exhaust gas passing through the inside of the catalytic converter, and the catalyst does not function. Also in such a case, unpurified exhaust gas is released to the atmosphere as in the case of starting the engine.

【0004】そこで、この発明は高いエネルギ効率かつ
短時間でメタル担体を加熱することができ、音響機器に
可聴周波数の雑音を与えることのない耐久性に優れた自
動車用触媒コンバーターの加熱装置、さらには運転中に
エンジン回転数が低くなった場合であっても触媒コンバ
ーターを所要の温度に保持することができる自動車用触
媒コンバーターの加熱方法を提供しようとするものであ
る。
Accordingly, the present invention provides a heating device for a catalytic converter for automobiles which can heat a metal carrier in a short time with high energy efficiency and which does not give audible frequency noise to audio equipment and has excellent durability. An object of the present invention is to provide a method for heating a catalytic converter for an automobile, which can maintain the catalytic converter at a required temperature even when the engine speed decreases during operation.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この発明の自動車用触媒
コンバーターの加熱装置は、バッテリーからの給電によ
って触媒コンバーターのメタル担体を直接通電加熱する
装置おいて、上記バッテリーと触媒コンバーターとの間
に並列に接続された複数のパワーMOSFETと、予め
設定した時間比率および15kHz 以上の頻度で上記パワ
ーMOSFETをオンオフする電流制御発振回路とを備
えている。パワーMOSFETの数は、定格電流、メタ
ル担体に供給する加熱電流、加熱時間などにより決めら
れる。たとえば、5〜30個である。電流制御発振回路
の基準周波数は15 kHz以上であることが必要である。
15 kHz未満であると、車に搭載した音響機器に可聴周
波数のノイズを与える。
A heating device for an automotive catalytic converter according to the present invention is a device for directly energizing and heating a metal carrier of a catalytic converter by supplying power from a battery, wherein a parallel connection is provided between the battery and the catalytic converter. And a current-controlled oscillation circuit for turning on and off the power MOSFET at a preset time ratio and at a frequency of 15 kHz or more. The number of power MOSFETs is determined by the rated current, the heating current supplied to the metal carrier, the heating time, and the like. For example, there are 5 to 30 pieces. The reference frequency of the current control oscillation circuit needs to be 15 kHz or more.
If the frequency is less than 15 kHz, audible frequency noise is given to audio equipment mounted on the car.

【0006】また、この発明の自動車用触媒コンバータ
ーの加熱制御方法は、メタル担体を通電加熱する方法に
おいて、上記メタル担体の温度を検出し、検出温度に基
づいて上記時間比率を設定し、平均加熱電流を制御す
る。メタル担体の温度を検出するには、熱電対やサーミ
スタなど一般の温度検出器を用いる。検出された温度は
電流制御発振回路にフィードバックされ、メタル担体が
所要の温度となるように時間比率を設定し、平均加熱電
流を調整する。
In a method for controlling heating of a catalytic converter for an automobile according to the present invention, in the method for electrically heating a metal carrier, a temperature of the metal carrier is detected, and the time ratio is set based on the detected temperature. Control the current. To detect the temperature of the metal carrier, a general temperature detector such as a thermocouple or a thermistor is used. The detected temperature is fed back to the current control oscillation circuit, the time ratio is set so that the metal carrier has a required temperature, and the average heating current is adjusted.

【0007】[0007]

【作用】パワーMOSFETは、電流制御発振回路から
のゲート信号に応じてオンオフし、パルス状の加熱電流
をメタル担体に出力する。加熱電力の大きさは、加熱電
流のパルス幅すなわち時間比率を変えて調整する。した
がって、パワーMOSFETでの発熱はオンオフ切換え
時の微小時間に限られ、極めて小さい。この発明の加熱
装置においてパワーMOSFETを用いたのは、オンオ
フ切換えに要する時間がSCRに比較して短く、発熱が
少ないからである。また、検出したメタル担体の温度を
電流制御発振回路にフィードバックし、目標温度となる
ように加熱電流を制御するので、メタル担体は常に触媒
機能温度に保持される。
The power MOSFET is turned on and off in response to a gate signal from the current control oscillation circuit, and outputs a pulsed heating current to the metal carrier. The magnitude of the heating power is adjusted by changing the pulse width of the heating current, that is, the time ratio. Therefore, heat generation in the power MOSFET is limited to a very short time at the time of on / off switching and is extremely small. The reason why the power MOSFET is used in the heating device of the present invention is that the time required for on / off switching is shorter than that of the SCR, and the heat generation is small. Further, since the detected temperature of the metal carrier is fed back to the current control oscillation circuit to control the heating current so as to reach the target temperature, the metal carrier is always kept at the catalyst functional temperature.

【0008】[0008]

【実施例】第1図は、この発明の加熱装置の一例を示し
ている。触媒コンバーター1のメタル担体は、ハニカム
と外筒(いずれも図示しない)とからなっている。ハニ
カムは平箔と波箔とが重ね合わされ、渦状となってい
る。平箔および波箔は、厚さ50μm の20Cr−5A
lステンレス鋼箔により作られている。平箔と波箔とは
ろう付されている。ハニカムは、19Crステンレス鋼
製の外筒に挿入され、ろう付されている。このように構
成された触媒コンバーター1は、バッテリー(端子電圧
12 V)2が接続されている。触媒コンバーター1とバ
ッテリー2との間に、加熱電流制御回路3が挿入されて
いる。加熱電流制御回路3は、並列に接続された20個
のパワーMOSFET4と、すべてのパワーMOSFE
T4を同時にオンオフする電流制御発振回路6とを備え
ている。パワーMOSFET4の定格電流は50 Aであ
るので、最大1000 Aの加熱電流を触媒コンバーター
1に供給することができる。電流制御発振回路6には、
制御装置7が接続されている。制御装置7は、電流制御
発振回路6にパルス幅制御信号を出力し、加熱電流を制
御する。また、制御装置7には、エンジン始動時の加熱
電流パターンやメタル担体の目標温度などが設定されて
いる。メタル担体の温度を検出する熱電対9が、触媒コ
ンバーター1に取り付けられている。熱電対9で検出さ
れた温度信号は、制御装置7に入力される。
FIG. 1 shows an example of a heating apparatus according to the present invention. The metal carrier of the catalytic converter 1 includes a honeycomb and an outer cylinder (both are not shown). In the honeycomb, a flat foil and a corrugated foil are overlapped to form a spiral. The flat foil and corrugated foil are made of 20Cr-5A with a thickness of 50 μm.
1. Made of stainless steel foil. The flat foil and the corrugated foil are brazed. The honeycomb was inserted and brazed into an outer cylinder made of 19Cr stainless steel. A battery (terminal voltage 12 V) 2 is connected to the catalytic converter 1 configured as described above. A heating current control circuit 3 is inserted between the catalytic converter 1 and the battery 2. The heating current control circuit 3 includes 20 power MOSFETs 4 connected in parallel and all power MOSFETs.
And a current control oscillation circuit 6 for simultaneously turning on and off T4. Since the rated current of the power MOSFET 4 is 50 A, a heating current of up to 1000 A can be supplied to the catalytic converter 1. In the current control oscillation circuit 6,
The control device 7 is connected. The control device 7 outputs a pulse width control signal to the current control oscillation circuit 6 to control the heating current. In the control device 7, a heating current pattern at the time of starting the engine, a target temperature of the metal carrier, and the like are set. A thermocouple 9 for detecting the temperature of the metal carrier is attached to the catalytic converter 1. The temperature signal detected by the thermocouple 9 is input to the control device 7.

【0009】ここで、上記のように構成された加熱装置
の作動について説明する。図2は、エンジン始動時の加
熱電流パターンの一例を示している。図2の線図に示す
ように、エンジンを始動する前にメタル担体に通電して
メタル担体を予熱する。予熱電流は50〜600A であ
り、予熱時間は5〜30秒程度である。予熱時間が経過
してエンジンが始動されると、加熱電流を20〜40%
程度高くする。エンジン始動直後はエキゾーストマニホ
ールドなどによって冷却されて排気ガスの温度が低いの
で、排気ガスの通過によりメタル担体は冷却されて触媒
機能温度以下まで低下する。この結果、未浄化の排気ガ
スが大気中に放出されることなる。したがって、上記の
ように加熱電流を増して触媒機能の低下を防ぐ。メタル
担体の温度が500℃以上の高温となると、熱電対9か
らの温度信号により、パワーMOSFET4は自動的に
オフ状態となり、メタル担体への加熱電流の供給は停止
される。その後は、排気ガスの顕熱および触媒の反応熱
により、メタル担体は触媒機能温度に保持される。ま
た、信号待ちなどで低速回転となった場合、または下り
坂でエンジンブレーキを掛けた場合などでメタル担体の
温度が低下すると、これを熱電対9が検出して温度信号
を制御装置7に出力する。制御装置7は電流制御発振回
路6にパルス幅変調信号を出力し、バッテリー2からメ
タル担体に加熱電流を供給する。
Here, the operation of the heating device configured as described above will be described. FIG. 2 shows an example of a heating current pattern at the time of starting the engine. As shown in the diagram of FIG. 2, before starting the engine, the metal carrier is energized to preheat the metal carrier. The preheating current is 50 to 600 A, and the preheating time is about 5 to 30 seconds. When the engine is started after the preheating time has elapsed, the heating current is reduced by 20 to 40%.
About high. Immediately after the start of the engine, the exhaust gas is cooled by an exhaust manifold or the like, so that the temperature of the exhaust gas is low. As a result, unpurified exhaust gas is released into the atmosphere. Therefore, as described above, the heating current is increased to prevent the catalytic function from lowering. When the temperature of the metal carrier becomes 500 ° C. or higher, the power MOSFET 4 is automatically turned off by the temperature signal from the thermocouple 9, and the supply of the heating current to the metal carrier is stopped. Thereafter, the metal carrier is maintained at the catalyst functional temperature by the sensible heat of the exhaust gas and the reaction heat of the catalyst. Further, when the temperature of the metal carrier is lowered, for example, when the rotation speed becomes low due to a signal waiting, or when the engine brake is applied on a downhill, the thermocouple 9 detects this and outputs a temperature signal to the control device 7. I do. The control device 7 outputs a pulse width modulation signal to the current control oscillation circuit 6 and supplies a heating current from the battery 2 to the metal carrier.

【0010】つぎに、実際の装置の作動結果について説
明する。上記実施例で説明した加熱装置では、パワーM
OSFETのオンオフに要する時間は数百nsと極めて
短く、過渡状態での発熱は僅かであり、パワーMOSF
ETを特に冷却する必要はなかった。また、パワーMO
SFETは無接点であるために、耐久性も十分であり、
安定して作動した。ちなみに、電磁開閉器を用いて加熱
電流をオンオフ制御したところ、数十回のオンオフで接
点が溶損し、使用不能となった。また、パワートランジ
スタを使用した場合、素子の冷却のため水冷銅板が必要
であった。
Next, the operation results of the actual apparatus will be described. In the heating device described in the above embodiment, the power M
The time required to turn on and off the OSFET is extremely short, several hundred ns, and the heat generation in the transient state is slight.
There was no need to specifically cool the ET. Power MO
Since the SFET has no contact, it has sufficient durability.
It worked stably. By the way, when the heating current was controlled on and off by using an electromagnetic switch, the contact was melted and damaged by several tens of times of on and off, so that it could not be used. When a power transistor is used, a water-cooled copper plate is required for cooling the element.

【0011】[0011]

【発明の効果】この発明の加熱装置によれば、複数のパ
ワーMOSFETが並列に接続されており、オンオフの
時間比率によって加熱電力が制御される。パワーMOS
FETではオンオフの切換えに要する時間も極めて短い
ため、パワーMOSFETの温度上昇は抑えられる。こ
の結果、高いエネルギー効率により短時間でメタル担体
を加熱することができる。また、この発明の加熱制御方
法によれば、検出したメタル担体温度を電流制御発振回
路にフィードバックして加熱電流を制御するので、メタ
ル担体は常に触媒機能温度に保持される。したがって、
自動車運転中にエンジン回転数が低くなった場合であっ
ても、触媒コンバーターを所要の温度に保持することが
できる。
According to the heating device of the present invention, a plurality of power MOSFETs are connected in parallel, and the heating power is controlled by the ON / OFF time ratio. Power MOS
Since the time required to switch on and off the FET is extremely short, the temperature rise of the power MOSFET can be suppressed. As a result, the metal carrier can be heated in a short time with high energy efficiency. Further, according to the heating control method of the present invention, the detected metal carrier temperature is fed back to the current control oscillation circuit to control the heating current, so that the metal carrier is always kept at the catalyst functional temperature. Therefore,
The catalytic converter can be maintained at a required temperature even when the engine speed decreases during driving of the vehicle.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の一例を示す、加熱装置の構成図であ
る。
FIG. 1 is a configuration diagram of a heating device showing an example of the present invention.

【図2】エンジン始動時の加熱電流パターンの一例を示
す線図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a heating current pattern at the time of starting an engine.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 触媒コンバーター 2 バッテリー 3 加熱電流制御回路 4 パワーMOSFET 6 電流制御発振回路 7 制御装置 9 熱電対 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Catalytic converter 2 Battery 3 Heating current control circuit 4 Power MOSFET 6 Current control oscillation circuit 7 Controller 9 Thermocouple

フロントページの続き (72)発明者 川原 重生 千葉県君津市君津1番地 新日本製鐵株 式会社 君津製鐵所内 (56)参考文献 特開 平4−219413(JP,A) William A.Whitten berger et al.、”Rec ent Developments i n Electrically Hea ted Metal Monolith s”、SEA Technical P aper Series,U.S. A.、1990年3月、900503、p.61−70 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/20 F01N 3/24 F01N 9/00 Continued on the front page (72) Inventor Shigeo Kawahara 1 Kimitsu, Kimitsu City, Chiba Pref. Nippon Steel Corporation Kimitsu Works (56) References JP-A-4-219413 (JP, A) William A. Whitten Berger et al. , "Recent Developments in Electrically Heated Metal Monoliths", SEA Technical Paper Series, U.S.A. SA , March 1990, 900503, p. 61-70 (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) F01N 3/20 F01N 3/24 F01N 9/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 バッテリーからの給電によって触媒コン
バーターのメタル担体を直接通電加熱する装置おいて、
前記バッテリーと触媒コンバーターとの間に並列に接続
された複数のパワーMOSFETと、予め設定した時間
比率および15kHz 以上の頻度で前記パワーMOSFE
Tをオンオフする電流制御発振回路とを備えたことを特
徴とする自動車用触媒コンバーターの加熱装置。
An apparatus for directly energizing and heating a metal carrier of a catalytic converter by supplying power from a battery,
A plurality of power MOSFETs connected in parallel between the battery and the catalytic converter; and a power MOSFET having a preset time ratio and a frequency of 15 kHz or more.
A heating device for an automotive catalytic converter, comprising: a current control oscillation circuit for turning on and off T.
【請求項2】 請求項1の装置によりメタル担体を通電
加熱する方法において、前記メタル担体の温度を検出
し、検出温度に基づいて前記時間比率を設定し、平均加
熱電流を制御することを特徴とする自動車用触媒コンバ
ーターの加熱制御方法。
2. A method for electrically heating a metal carrier by the apparatus according to claim 1, wherein a temperature of the metal carrier is detected, the time ratio is set based on the detected temperature, and an average heating current is controlled. A heating control method for an automotive catalytic converter.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
William A.Whittenberger et al.、"Recent Developments in Electrically Heated Metal Monoliths"、SEA Technical Paper Series,U.S.A.、1990年3月、900503、p.61−70

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10141923B2 (en) 2016-08-25 2018-11-27 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. System and method for eliminating gate voltage oscillation in paralleled power semiconductor switches

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