JPH05222924A - 触媒コンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 僅かの消費電力によって触媒コンバータの触
媒を暖機して、早期に排気浄化の機能を発揮させる。 【構成】 小容量の触媒５は、セラミックからなる触媒
担体に触媒物質を含むマイクロ波吸収材を高密度に担持
させたものであるが、大容量の触媒６は通常の触媒であ
る。マイクロ波放射器７からマイクロ波を照射すると、
マイクロ波は殆ど小容量の触媒５にのみ吸収され、大容
量の触媒６には吸収されない。容量の小さい触媒担体を
触媒の活性化温度まで加熱する電力は小さくて済むか
ら、小容量の触媒５は迅速に活性化して早期から排気の
浄化機能を発揮する。その排気の浄化によって発生する
熱が下流にある大容量の触媒６を加熱することによって
全体の暖機も早くなる。また、一体の触媒担体の一部に
だけ高密度のマイクロ波吸収材を担持させて、その部分
を選択的に早期加熱してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車用内燃機関等に
付設される排気浄化用の触媒コンバータに係るもので、
特に、機関始動時に触媒の温度を迅速に活性化温度まで
到達させるための加熱手段に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車等に搭載される内燃機関の排気を
浄化するための触媒コンバータによく使用されるモノリ
ス型の触媒として、蜂の巣状に多数の通孔を設けられた
コージェライト等のセラミックからなる担体や、波状の
襞をつけたステンレス鋼その他の耐熱・耐蝕性金属の箔
状の薄板を円柱形に巻いた担体に、貴金属等の触媒物質
を付着させたものが知られている。モノリス型触媒は一
般に、ペレット状の触媒に比べて圧力損失が少ないとい
う利点に加えて、熱容量が小さいためにウオームアップ
が早いという特色を有するが、それでも冷間始動の場合
は、触媒が活性化する３５０°Ｃ程度の温度に到達する
にはかなりの時間がかかるので、機関の始動時に触媒の
温度が自然に上昇するのを待たずに、何らかの手段によ
って積極的に触媒を加熱することが試みられている。

【０００３】その一つとして、例えば米国特許第３７７
０３８９号明細書に記載されているように、金属製の触
媒担体自体に直接に電流を通じて、その電気抵抗によっ
て担体を発熱させ、それに担持された触媒物質を加熱す
るものが知られている。この場合は、触媒担体自体が抵
抗発熱体となるので、当然電気の導体でなければならな
いから、担体はステンレス鋼の薄板のような金属製のも
のに限られることになる。（これを第１の従来技術とい
う。）

【０００４】他の例として、実開平３−１００２３号公
報には、触媒担体に高周波コイルを取り付け、これに通
電して高周波コイルにより急激に変化する磁場を形成さ
せ、導電性のある触媒物質や触媒担体自体に電磁誘導に
よる渦電流を発生させて、それら自体を発熱させること
により触媒を暖機するものが記載されている。この場合
は、被加熱物である触媒物質や触媒担体自体に高周波磁
界の誘導による渦電流が発生する必要があるので、触媒
は導電体である金属触媒でなければならず、触媒担体ま
で発熱させる場合には、担体もステンレス鋼のような金
属製のものにする必要がある。（これを第２の従来技術
という。）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記第１の従来技術の
場合は、触媒担体となるステンレス鋼等からなる襞を付
けた箔状の金属薄板を円柱状に巻き、しかも途中で短絡
しないように保持して電流を流すので、触媒担体の支持
が難しく、全体に機械的強度が低くなり、使用中に触媒
担体に変形が起こったり、破損したりする恐れがある。
また、広い表面積を有する触媒担体自体を発熱させるの
で、それに要する電力が大きくなるという問題もあり、
機関始動時におけるバッテリーの大きな負担となるの
で、特別に大型のバッテリーを自動車に搭載する必要が
生じる。なお、導電性のある触媒担体自体を抵抗発熱体
として利用するので、導電性のない例えばセラミック製
の触媒担体の場合には実施することができない。

【０００６】前記第２の従来技術において開示された構
成によれば、高周波コイルによって発生した磁束は開磁
路となるので、触媒担体を収容している金属製の外筒へ
の漏れ磁束が多くなって、効率よく触媒を加熱すること
ができない。また、金属触媒だけを高周波コイルの誘導
による渦電流によって発熱させるとすれば、この場合の
金属触媒は、微量の貴金属を触媒担体の表面に広く拡散
するようにきわめて薄く付着させたものであるから、そ
れに渦電流が発生して発熱したとしても、熱容量が大き
い触媒担体に直ちに熱を奪われて容易に温度が上昇しな
い。発熱量を増やすために強い高周波電流をコイルに加
えると、金属触媒と触媒担体の温度差によって、金属触
媒が触媒担体から剥離したり、場合によっては金属触媒
が蒸発する恐れもある。

【０００７】前記第２の従来技術において、触媒担体を
金属製として、触媒担体にも高周波コイルの誘導による
渦電流を発生させ、金属触媒の発熱と共に金属製の触媒
担体をも同時に発熱させる場合には、全体の発熱量が大
きくなり触媒温度の上昇も早くなるが、この場合は前記
第１の従来技術と同じように消費電力が大きくなること
と、前述のように漏れ磁束が多いことから、バッテリー
の負担が大きくなり、その面からの制約を免れない。

【０００８】本発明は、これらの従来技術の種々の問題
点に鑑み、比較的少ない消費電力で効率よく触媒を活性
化させる手段を提供することを、発明が解決しようとす
る課題とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、マイクロ波吸収材を担持し
た、セラミックからなる触媒担体と、前記触媒担体に向
かってマイクロ波を照射するマイクロ波発振器とを備え
た触媒コンバータにおいて、前記触媒担体の一部の単位
体積当たりの前記マイクロ波吸収材の担持量を、他の部
分の単位体積当たりの前記マイクロ波吸収材の担持量に
比べて大としたことを特徴とする触媒コンバータを提供
する。

【００１０】

【作用】内燃機関の冷間始動時等、触媒の温度が低くて
未だ活性化温度に達していないときに、マイクロ波放射
器から単位体積当たりのマイクロ波吸収材の担持量が大
きい触媒担体の一部、即ちマイクロ波吸収材の密度が高
い部分に向かって極めて波長の短いマイクロ波を照射す
ると、触媒物質を含むマイクロ波吸収材はマイクロ波を
吸収して発熱する。触媒担体がセラミックであるから、
金属製の担体のようにマイクロ波を反射することがな
く、マイクロ波は無駄なくマイクロ波吸収材に吸収され
る。従って、マイクロ波吸収材を高密度に担持している
部分においてマイクロ波吸収材と共に担持されている触
媒物質は熱を受け取って温度上昇し、速やかに活性化温
度に到達して早期から排気ガスの浄化機能が発揮され
る。

【００１１】マイクロ波吸収材を高密度に担持している
触媒担体の部分が、照射されたマイクロ波を吸収するこ
とによって誘電加熱により発生した熱の一部、或いはそ
の熱によって活性化された触媒の部分が排気ガスを浄化
処理（主として酸化処理）することによって発生した熱
は、排気ガスの流れにより、或いは熱伝導や熱輻射によ
って、周辺或いは下流側にあるマイクロ波吸収材を高密
度に担持していない触媒の部分に伝達され、それらの部
分の温度も上昇して触媒の活性化温度に到達するので、
触媒コンバータの触媒の全体が迅速に活性化され、早期
から十分な排気浄化機能を持つようになる。

【００１２】マイクロ波による誘電加熱が起こる領域
は、主として、触媒物質を含めたマイクロ波吸収材が高
密度に担持されている触媒担体の部分に限られており、
その容積は触媒担体全部の容積に比べて小さいことか
ら、比較的小さな電力によってその部分の触媒物質の温
度を他の部分よりも高めることができ、その部分だけで
早期から排気の浄化作用が始まる。従って、排気の酸化
処理等によって発生した熱が触媒担体の他の部分を加熱
して連鎖的に活性化させることができるため、触媒担体
全体を誘電加熱するものに比して電力の消費量が小さく
なる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の全体構成を示し
たもので、１は内燃機関本体、２は排気通路、３は排気
通路２の途中に設けられた触媒コンバータ、４はその外
筒で、外筒４の内部には、上流側に小容量の触媒５と、
下流側に大容量の触媒６とを直列の関係に設けている。
この場合、外筒４の構造や触媒５及び６を外筒４内に装
着する具体的な手段には特徴がなく従来技術と同じでよ
いので、ここでは詳細な説明を省略する。

【００１４】小容量の触媒５は、排気の流動方向の長さ
が短く多数の小孔を有するハニカム型のセラミック製担
体に、貴金属からなる触媒物質を含む触媒コーティング
材を被覆したものであるが、従来技術と異なり、この場
合の触媒コーティング材は、誘電加熱を効率よく利用す
るために、高密度の触媒物質を含んでいるか、又は、触
媒物質の密度は普通の程度であっても、触媒物質の他に
マイクロ波吸収材を混合状態で含んでいる。この場合、
貴金属を含んだ触媒物質は、それ自体が一種のマイクロ
波吸収材であるため、この明細書においては特に断らな
い限り、「マイクロ波吸収材」と言えば触媒物質をも含
めた意味で使用している。

【００１５】例えば、調理用の電子レンジにおいて食品
を誘電加熱する場合には、食品に含まれている水がマイ
クロ波を吸収して発熱するが、本発明におけるマイクロ
波吸収材は、ちょうど電子レンジにおける水に相当する
働きをするもので、極めて波長の短い（ギガヘルツレベ
ルの）電磁波であるマイクロ波を吸収して発熱し、その
熱によって触媒物質の温度が上昇する。なお、本実施例
の場合、小容量の触媒５の担体はセラミックのようにマ
イクロ波を透過させる物質から製造する必要があり、マ
イクロ波を反射する金属製担体は不適当である。

【００１６】触媒物質と混合するためのマイクロ波吸収
材は、マイクロ波を効率よく吸収して発熱するものであ
って、発熱したときに変質しない安定性の高いものであ
れば何でもよいが、具体的に例を挙げるとすれば、炭化
珪素（ＳｉＣ），酸化ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）、珪化モ
リブデン（ＭｏＳｉ₂ ）等である。これらのマイクロ波
吸収材を微粒化し、触媒物質と共に触媒コーティング材
に混入させて、小容量の触媒５の触媒担体にコーティン
グする。

【００１７】大容量の触媒６は、従来から使用されてい
る触媒と同様なものであってよく、例えば金属製の担体
やセラミック製の担体に貴金属等の触媒物質を通常の密
度になるようにコーティングしたようなモノリス型触媒
とか、場合によっては、触媒担体となるアルミナペレッ
トに触媒物質をコーティングしたペレット触媒のような
ものであってもよい。これらのコーティングに用いるコ
ーティング材には、触媒物質を通常程度の濃度で含有さ
せてある。大容量の触媒６は小容量の触媒５のすぐ下流
側に接続され、小容量の触媒５において処理された排気
ガスが熱をもって大容量の触媒６に流入し、大容量の触
媒６を加熱するように構成される。

【００１８】小容量の触媒５を加熱するために、触媒５
の付近にはそれに向かってマイクロ波を放射するマイク
ロ波放射器７が配置される。そして、例えばマグネトロ
ンのような発振装置を含み、バッテリー８から電力の供
給を受けてマイクロ波（波長の極めて短い電磁波）を発
生するマイクロ波発振電源９が、触媒コンバータ３の外
部の適所に設置され、そこで発生したマイクロ波がマイ
クロ波導管（導波管）１０によってマイクロ波放射器７
へ送られて、機関の始動時等において、図示しない制御
装置によるか、又は手動操作によって、短時間だけマイ
クロ波を小容量の触媒５に向かって照射し、触媒物質を
含めたマイクロ波吸収材を発熱させて、その熱により触
媒５の温度を上昇させ、早期に活性化温度に到達させ
る。

【００１９】触媒が活性化温度（３５０°Ｃ程度）に到
達するまでの所要時間は、消費電力が同じであれば、小
容量の触媒５の担体の大きさ、一般的に言えばマイクロ
波吸収材を担持している触媒担体部分の容量に比例する
（図２参照）。これは触媒担体の容量が大きくなれば、
その熱容量も大きくなるためで、触媒５の容量は小さい
程それが温度上昇するための所要時間が短くなるが、他
面において、容量が小さくなれば触媒５における排気ガ
スの通路の長さが短くなり、未処理の排気ガスを大容量
の触媒６へ送る率が高くなるし、触媒５において発生す
る熱量が小さいので、大容量の触媒６の温度上昇が遅れ
る結果になる。従って、それらの条件の兼ね合いから小
容量の触媒５の容量が決定されることになる。

【００２０】なお、大容量の触媒６を金属製の触媒担体
を有するものにすると、熱容量がセラミック製の担体を
有するものに比べて小さいため、大容量の触媒６の温度
上昇が早くなる。また、図１の実施例のように、小容量
の触媒５と大容量の触媒６が一つの外筒４内に収容され
ている場合は、前述のように小容量の触媒５に向かって
照射されるマイクロ波が、大容量の触媒６の金属担体に
よって反射されて触媒６内には侵入せず、マイクロ波の
照射効率が上昇するという利点もある。同じ理由で、小
容量の触媒５と大容量の触媒６との間に、排気ガスの流
れを阻害しないような金網を、マイクロ波の遮蔽手段と
して設けてもよい。

【００２１】図１の実施例では、マイクロ波吸収材を高
密度に含む小容量の触媒５と、普通の大容量触媒６が共
通の外筒４の中に収容されており、両者は外見的に一つ
の触媒コンバータ３としてまとめられているが、他の実
施例として、車体に対する取り付けの都合や、マイクロ
波の照射効率の向上、更には触媒の交換の便宜等の理由
から、図３に示すように、マイクロ波吸収能力の高い小
容量の触媒５と大容量の普通の触媒６とを別の外筒１１
及び１２の中に分けて収容し、それらを触媒コンバータ
１３及び１４として独立させて、外筒１１の下流側に外
筒１２を直列に接続するように構成してもよい。勿論、
触媒コンバータ１３には図示しないマイクロ波放射器を
設けて、外筒１１内だけにマイクロ波を放射することに
なる。

【００２２】図４〜図６に示した各実施例は、触媒担体
の一部の比較的狭い範囲内に重点的にマイクロ波吸収材
を施して、その部分でマイクロ波を有効に利用すること
により、マイクロ波を発生させるために消費される電力
を低減し、触媒の活性化温度への到達所要時間の短縮を
図るために、触媒担体に対する触媒物質その他のマイク
ロ波吸収材の濃度或いは密度の分布に変化を与えた例を
示している。これらの図面において、（ａ）は左側面
図、（ｂ）は正面図を示している。

【００２３】前述のように、触媒物質その他のマイクロ
波吸収材をコーティングされた触媒に同一のエネルギ量
のマイクロ波を与えた時、触媒活性化温度（３５０°
Ｃ）へ到達するまでの所要時間は、図２に示すように加
熱すべき担体の容量に比例して大きくなるが、一体の触
媒担体であっても、その一部だけに触媒物質その他のマ
イクロ波吸収材を高濃度で含む触媒コーティング材を被
覆し、それ以外の部分には普通程度の触媒コーティング
材をコーティングするようにすれば、高密度にマイクロ
波吸収材を含む触媒担体の一部の容量だけが、図２に示
す「加熱すべき担体の容量」に対応することになる。こ
の点に着目して、触媒担体の全部ではなくその一部にの
み触媒物質その他のマイクロ波吸収材を高密度に担持さ
せた幾つかの例が、図４〜図６として示されている。

【００２４】図４は、一個の触媒担体１５の上流側の一
部１６に触媒物質を含むマイクロ波吸収材を高密度に担
持させると共に、下流側の他の一部１７には普通程度の
濃度の触媒コーティング材を被覆した例を示している。
同じ考え方から、一個の触媒担体１５の上流側の一部１
６に被覆する触媒コーティング材におけるマイクロ波吸
収材の濃度或いは密度を高めると共に、下流側の他の一
部１７のそれを低くするというように、両者間にマイク
ロ波吸収材の濃度或いは密度の差を与えてもよい。この
ような場合、マイクロ波放射器（図１の７を参照）は触
媒担体１５の排気ガス流の上流側に設けられることにな
る。図４のように触媒担体１５の上流側にのみ、つま
り、この場合はマイクロ波放射器に近い部分１６にのみ
高密度のマイクロ波吸収材を担持させることにより、他
の部分においてはマイクロ波の吸収を抑制して、小さな
電力で効率よく触媒を暖機することができる。

【００２５】図５は、一個の触媒担体１８の中央部分１
９にのみマイクロ波吸収材を担持させるか、又はその部
分のマイクロ波吸収材の密度を高めると共に、他の部分
２０には触媒物質以外のマイクロ波吸収材を担持させな
いか、又はその密度を低くした実施例を示している。図
５のように触媒担体１８の中央部分１９にのみ、つま
り、排気流量が比較的多い部分にのみ高密度にマイクロ
波吸収材を担持させることにより、マイクロ波の有効な
吸収範囲を狭めて、小さな消費電力でも効率よく触媒を
暖機することができる。

【００２６】同様に図６は、一個の触媒担体２１の中央
部分２３を除く半径方向中間部分２２にのみ環状にマイ
クロ波吸収材を担持させるか、又はその部分のマイクロ
波吸収材の密度を高めると共に、中央部分２３と外周部
分２４には触媒物質以外のマイクロ波吸収材を担持させ
ないか、又は密度を低くした実施例を示している。図６
のように触媒担体２１の半径方向中間部分２２にのみ、
つまり、外気への熱の放散が多く昇温が遅い外周部分２
４と、排気流量が比較的多いため昇温が早い中央部分２
３を除いて、半径方向中間部分２２にのみ高密度にマイ
クロ波吸収材を担持させることにより、マイクロ波の照
射範囲を狭めて、小さな電力で効率よく触媒を暖機する
ことができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明においては、触媒の一部をマイク
ロ波による誘電加熱を応用して加熱するので、マイクロ
波吸収材を高密度に含有する部分の触媒担体を僅かの消
費電力によって重点的に加熱して、その部分の触媒物質
を先に活性化させ、それによって連鎖的に触媒コンバー
タの触媒全体を迅速に活性化させることができる。従っ
て、冷間始動時において排気ガスを未処理のままで放出
する時間が短縮され、公害をより完全に防止することが
できるだけでなく、消費電力が小さいので機関始動時の
バッテリーの負担にならないから、特別に大きなバッテ
リーを車両に搭載するような必要もなくなる。

【００２８】本発明の実施において使用され得るマイク
ロ波吸収材は、貴金属の触媒物質と異なり比較的安価で
あるから、これを触媒コーティング材に比較的多量に含
有させることによってコストの低下を図ることができ
る。また多量のマイクロ波吸収材にマイクロ波を効率よ
く吸収させて、多量の熱量を発生させるように構成する
ことも可能であって、貴金属の触媒のみを誘導加熱によ
って直接発熱させる前記の従来技術にみられるような無
理がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体構成を示す概念図であ
る。

【図２】触媒担体の容量と活性化までに要する時間の関
係を示す線図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図４】本発明の更に他の実施例の要部を示す側面図
（ａ）と正面図（ｂ）である。

【図５】本発明の更に他の実施例の要部を示す側面図
（ａ）と正面図（ｂ）である。

【図６】本発明の更に他の実施例の要部を示す側面図
（ａ）と正面図（ｂ）である。

【符号の説明】

１…内燃機関 ３…触媒コンバータ ５…小容量の触媒 ６…大容量の触媒 ７…マイクロ波放射器 ９…マイクロ波発振電源 １１、１２…触媒コンバータ １５、１８、２１…触媒担体 １６、１９、２２…高密度のマイクロ波吸収材を担持さ
せた部分 １７、２０、２３、２４…高密度のマイクロ波吸収材を
担持させない部分

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波吸収材を担持した、セラミッ
   クからなる触媒担体と、前記触媒担体に向かってマイク
   ロ波を照射するマイクロ波発振器とを備えた触媒コンバ
   ータにおいて、前記触媒担体の一部の単位体積当たりの
   前記マイクロ波吸収材の担持量を、他の部分の単位体積
   当たりの前記マイクロ波吸収材の担持量に比べて大とし
   たことを特徴とする触媒コンバータ。