JPH04219413A

JPH04219413A - 内燃機関の排気系

Info

Publication number: JPH04219413A
Application number: JP1475491A
Authority: JP
Inventors: Richard C Cornelison; リチヤード・シー・コーネリソン; William A Whittenberger; ウイリアム・エイ・ホイツテンバージヤー
Original assignee: WR Grace and Co
Current assignee: WR Grace and Co
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1991-01-14
Publication date: 1992-08-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、内燃機関から生ずる排気ガスの
触媒コンバータ系に関し、そして更に特に電気的に加熱
される触媒コンバータ（ＥＨＣ）を、電気的に加熱しな
い触媒コンバータと直列の関係で含む触媒コンバータ系
に関する。この内燃機関は圧縮着火（ジーゼル）又はス
パーク着火式であつてよい。電力はソリツド・ステート
のスイツチ配置を通して供給される。

【０００２】触媒コンバータの目的は、エンジン排気ガ
ス中の汚染物質例えば一酸化炭素、未燃焼炭化水素、窒
素酸化物などを二酸化炭素、窒素及び水に転化すること
である。通常の触媒コンバータは、四角又は三角の真直
ぐに通つた開口又は空洞（ｃｅｌｌ）を有するセラミツ
ク製のハニカム一体型、触媒をコーテイングしたアルミ
ナビーズ、或いは触媒を表面上に有する又は触媒が表面
に担持されている、即ち表面が典型的には１種又はそれ
以上の金属酸化物例えばアルミナ、セリア、又はランタ
ニア、もしくはこれらの混合物、及び触媒でウオツシユ
・コーテイングされた波形の薄い金属ホイルのハニカム
一体型を利用する。触媒は普通貴金属例えば白金、パラ
ジウム、ロジウム、ルテニウム、或いはそのような金属
の２つ又はそれ以上の混合物である。この触媒は化学反
応を接触し、これによつて汚染物質を無害な副生物に転
化し、次いでこれを排気系を通して大気へ放出する。し
かしながら、この転化は最初排気ガスの比較的冷い場合
に効果的でない。高い転化効率を得るためには、排気ガ
スが接触するようになるコンバータの触媒及び表面が最
底の高温度、例えば一酸化炭素に対して３９０°Ｆ、揮
発性有機化合物（ＶＯＣ）に対して５７０°Ｆ、及びメ
タン又は天然ガスに対して１０００°Ｆで存在しなけれ
ばならない。さもなければ無害な副生物への転化が貧弱
となり、冷時始動の大気汚染は高くなる。一度排気系が
その有効温度に達すると、触媒コンバータは最適に働く
ようになる。従つて始動時に満足な転化を達成するため
には、比較的冷い排気ガスを熱い触媒と接触させること
が必要である。

【０００３】金属の一体型において触媒を迅速に加熱す
るためには、電源又は他の電気的エネルギー源、例えば
バツテリー又は蓄電装置（例えばいすず自動車の開発し
た新しいいすず「電力貯蔵」装置）から、望ましい温度
が達成されるまでの短期間多量の電力を取り出すことが
必要である。自動車の場合、このエネルギー源は普通１
２又は２４ボルトのバツテリーであるが、６０ボルト又
はそれ以上までのバツテリー系も使用しうる。示される
ようにコンデンサ又はコンデンサ・バツテリーもエネル
ギー源として使用しうる。この目的を達成するには、並
列に結線された作動しうるソリツド・ステートのスイツ
チ、例えば金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（Ｍ
ＯＳＦＥＴ）の１つ又はそれ以上が、そのようなデバイ
スを調和して作動させるデバイス（ゲート駆動器）と一
緒に便宜的に使用しうるということが発見された。この
系は所望の温度を２〜３０秒で達成するための短期間高
い電力負荷を取出すことを可能にする。

【０００４】１９７３年１０月３０日付けのキツナー（
Ｋｉｔｚｎｅｒ）の米国特許第３，７６８，９８２号を
参照することができる。この特許では、中央に位置する
電熱器からの熱を一体型触媒支持体を介して伝熱し、触
媒を最適な作動温度まで加熱する。１９７３年１０月３
０日付けのキツツナーの米国特許第３，７７０，３８９
号も参照しうる。これはセラミツク製一体型内の中央に
位置する電気的に加熱されるコア（ｃｏｒｅ）を開示し
ている。熱はセラミツク製一体型の開口に含有される触
媒に伝導によつて供給される。加熱コアはアルミナで被
覆され且つ触媒も有する、波形及び平板形の金属シート
からできている。金属コアはそれ自体の電気抵抗のため
に電気的に加熱される。しかしながら伝導による加熱は
あまりにも長い（分単位の）時間を必要とするから、始
動時の大気汚染問題を解決するのに実際的でない。

【０００５】アルミナコーテイングとその表面上に触媒
を有するアコーデイオン型に折りたたまれた薄いステン
レス鋼製ハニカムの製造法の詳細については、１９８７
年１２月８日付けのコーネリソン（Ｃｏｒｎｅｌｉｓｏ
ｎ）及びレタリツク（Ｒｅｔａｌｌｉｃｋ）の米国特許
第４，７１１，００９号を参照することができる。この
特許は本明細書に参考文献として引用される。

【０００６】１９８９年１１月２日付けの国際ＰＣＴ刊
行物ＷＯ第８９／１０４７１号も参照しうる。これは自
動車に有用な電気伝導性ハニカム触媒担体ユニツトを開
示している。０．０３〜２オームの適当な電気抵抗を得
るために、ハニカム体は、所望の抵抗を有する少くとも
１つの電流路が得られるように空隙及び／電気的絶縁体
中間層又はコーテイングにより電気的に、断面的に及び
／又は軸的に分割されている。加熱は時期の合つたリレ
ーによつて制御される。排気系の別々の触媒コンバータ
、即ち１つ又はそれ以上の電気的に加熱しうる、そして
他の通常のものが開示されている。この示されている最
小の抵抗は０．０３オームであり、これは開示されてい
る如く１２ボルトの電気系に置かれた時、種々の電圧降
下及び抵抗を考えて、触媒の場所では高々約３００アン
ペアの電流を供給すると予想される。この電力値は電熱
ユニツトを２〜１５秒以内に効果的に素早く加熱するに
はあまりにも低すぎることが発見された。例え一体型が
この電力値で迅速に加熱されたとしても、触媒はエンジ
ンからの初期の冷排気ガスのためにエンジンの始動後「
ライト−オフ（ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆ）」温度以下まで急
速に冷えるであろう。この冷却を相殺するためには、エ
ンジンの始動後に普通２７００ワツト以上の電力が必要
である。いくつかの乗物の場合、エンジンの排気ガス量が少ない
、即ちより低い電力値で十分である期間に冷却が起こる
ならば、この低温への冷却は重要でないことが特記され
る。しかしながら一体型の、直列に連結される複数のデ
イスク又はユニツトへの分割は必ずしも必要でない。

【０００７】多数の自動車は触媒コンバータを備えてい
るが、実質的にすべてが、少くともある状態において、
許容できない水準であると決定される始動時の排気ガス
放出を行なう。触媒温度の、始動前の最適運転値までの
予期される上昇は多くの車にとつて時間がかかると考え
られる。

【０００８】更に本発明の系は、電気エネルギー源から
供給される電力及びエンジンの大きさに依存して２〜３
０秒間で有効汚染物除去温度、又は「ライト−オフ（ｌ
ｉｇｈｔ−ｏｆｆ）」温度を達成しよう。これは補助的
加熱手段を有さないコンバータや熱移動様式として熱伝
導に依存するものの場合の数分間と対比しうるものであ
る。これは触媒コンバータがエンジンの始動前に「ライ
ト−オフ」又は最適運転温度になるのを待つことが余儀
なくされる場合重要な特徴となる。

【０００９】概述すると、本発明は排気マニホールド及
び排気管を含み、そして該排気管系に、排気ガスの入口
と出口をもつ単一の電気的に直接加熱しうる触媒コンバ
ータ、及び排気ガスの入口と出口と有し且つ電気的加熱
手段を有さず且つ該電気的に加熱される触媒コンバータ
と直列の関係で、同一の又は別の外被（ｈｏｕｓｉｎｇ
）中に位置する別の、直接加熱しない触媒コンバータを
含む内燃機関用の排気系である。この系は更に１２ボル
ト系の場合に３００アンペア以上の電流、好ましくは調
節された電流又は１５００ワツト以上の電力を該電気的
に加熱しうる触媒コンバータに２〜３０秒間供給して、
分割されてない又は単一の触媒コア「ライト−オフ」温
度に加熱するための手段を含む。同一の電力量を達成す
るには、高電圧系の場合比例して低電流が必要である。

【００１０】電気的に加熱しうる触媒コンバータ体は望
ましくは各伝導体の長さ（中心から周囲まで）が７０°
Ｆで０．０５〜５．０オームの抵抗を有するような長さ
の、複数のら線形に巻かれた波形の薄い金属細片から作
られる。これらの小さい細片から作られる触媒物体は、
例えば１２ボルト系において並列に電気的に連結された
時０．００５〜０．０６７オームの抵抗を有する。より
高い電圧系の場合、触媒物体は下表Ｉに示す如き抵抗を
与えるような形体である。ここに表Ｉの値はそれぞれの
場合に約１５００〜１２０００ワツトの電力が一体型へ
供給されることを示す。これらのデバイスでは各細片の
各面上にアルミニウム含有のウオツシユコート以外の絶
縁体を使用せず、従つて製造が容易である。このウオツ
シユコートは約０．１５Ｖの破壊電圧又は誘電強度を有
するが、その構造の理由から、連続点（ｃｏｎｔｉｇｕ
ｏｕｓ　ｐｏｉｎｔ）は凡そ同一の電位で存在し、従つ
てアークやその結果としてのホイルの損傷は起こらない
。高電力供給に対して必要とされる場合或いは高薄層間
電位が存在する場合には、特別なウオツシユコートを使
用することができる。

【００１１】本発明は、１９８８年５月２０日付けの本
発明者の関連米国特許願第１９６，３０１号に開示され
ている如きアコーデイオン型に折りたたまれた波形の薄
い金一体型に適用できる。

【００１２】本発明は添付する図面を参照すると更に良
く理解されよう。

【００１３】図１は本発明による排気系を示し且つ排気
マニホールド及び排気管並びに図２、３及び４に示すよ
うな電気的に加熱される触媒コンバータ及び該排気系に
直列の関係で存在する普通の又は通常の触媒コンバータ
を有する影像のエンジンを示す概略図である。ここに用
いる如き「通常の触媒コンバータ」とは、コンバータが
バツテリー源から電気的に加熱しうるものではなくて、
触媒担持のセラミツク製ハニカム一体型又は触媒担持の
波形の薄い金属一体型に当てはまることを意味する。

【００１４】図２は図４の線２−２で示す平面に現われ
る如き図４の電気的に加熱しうる触媒コンバータの、僅
かに縮尺した規模の断面図である。

【００１５】図３は図４に示すケースの中へ挿入するた
めにら線状に巻かれる前の、中心コアの構造の表示であ
る。

【００１６】図４は本発明に有用な電気的に加熱しうる
触媒コンバータの軸方向の断面図である。

【００１７】図５は波形のホイルに取りつけられた伝導
体細片及び電気的端子の取りつけられた取りききバンド
を組立てて示す触媒コンバータのコアの側面図である。

【００１８】図６は波形の薄い金属コア員及び突き出た
ピンを溶接の順備のために集める保持環の横観図である
。

【００１９】図７は排気系において図２、３及び４に示
す如き電気的に加熱しうる触媒コンバータを、通常の触
媒コンバータの下流に直列の関係で配置した例を示す概
略図である。この好適な配置は、電気的に加熱しうる触
媒コンバータが通常のコンバータにより潜在的に有害な
熱への露呈、マスキング剤、及びさもなければ電気的に
加熱しうる触媒を被毒するかも知れない触媒毒から遮断
されるという利点を有する。

【００２０】図８は自動排気ガスの抑制に現在使用され
ている如き四角形の開口を有するセラミツク製ハニカム
の一部の拡大断面図である。

【００２１】図９は開口を示す波形の薄い金属製ハニカ
ムの一部の拡大断面図である。

【００２２】図１０はスイツチを調和して作動させるた
めの且つ単一の電気的に加熱しうる触媒コンバータを加
熱するＥＨＣソリツドステート制御器に有用な駆動器（
ｄｒｉｖｅｒ）と一緒に作動しうるソリツドステートの
スイツチの配置を示す図である。

【００２３】図１１は図１０に示す如きＭＯＳＦＥＴス
イツチの配置に関して、１２ボルトのバツテリーで供給
される７５０アンペアの電流における電力損失を示す典
型的なＥＨＣ系の図である。

【００２４】図１２は可能な加熱手段例えば遠隔トラン
スミツター、ドアスイツチ、シートスイツチ、又は始動
キースイツチを示すソリツドステートのＥＨＣ制御系図
である。

【００２５】図１３は図１１に示す如きソルツドステー
トのＥＨＣ制御系のソフトウエア・ブロツク図である。

【００２６】図１４はアコーデイオン型に折りたたまれ
た波形の薄い金属ホイル一体型を有し且つ少くとも運転
の始動時に電流を通じさせるための各端（上と下）にお
ける電気的接触を示す電気的に加熱しうる触媒コンバー
タの断面図である。

【００２７】図１５は図１４の線１４−１４で示される
平面に現われる如きアコーデイオン型に折りたたまれた
網目状でないハニカム、それを通る真直ぐな開口、及び
アコーデイオン型に折りたたまれた構造の各端における
電気的接触を示す横断面図である。

【００２８】図１６は同一の外被の中に直列の関係で存
在する電気的に加熱しうる触媒一体型コア及び別の加熱
されないアコーデイオン型に折りたたまれた薄い金属の
触媒コアを示す合体コンバータの長さ方向の上からの断
面図である。

【００２９】上述したように、本発明はセラミツク製又
は波形金属ホイル型の通常の触媒コンバータを、迅速に
電気的に加熱しうる触媒コンバータと共に含んで、始動
時の排気ガス流中に存在する汚染物質を無害な副生物に
転化して大気に放出する通常の排気系を改造する経済的
な方法を提供する。より小さなエンジンのついた車にお
いて、汚染物の除去に関する限り、電気的に加熱しうる
触媒コンバータを、電気的加熱手段を含まない通常の触
媒コンバータの前又は後のいずれかに配置した場合、同
等の結果が得られるということは特記すべきである。通
常の触媒コンバータの前へのＥＨＣの配置はエンジンの
熱の利用に関して好適である。普通通常の触媒コンバー
タは、マフラー及びいずれかのレゾネータの上流に位置
する。一般に単一の電気的に加熱しうる触媒コンバータ
の排気ガスの通る断面積は通常の触媒コンバータの排気
ガスの通る断面積の約１／４〜２／３である。

【００３０】本明細書に記述する電気的に加熱しうる触
媒コンバータは、排気マニホールドに隣り且つ通常の触
媒コンバータの上流の排気ガス管系に、或いは通常の触
媒コンバータと逆の順序で、排気管３．５〜４”切り取
り且つ切り取つた部分の代りに図４に示したような構造
体を挿入し、これをその場に溶接又はロウ付けすること
により容易に取り付けることができる。電気的結線は適
当な方法で行ないうる。

【００３１】添付する図面の図１を更に詳細に参照する
と、エンジンブロツク１０において、排気口２２、２４
、２６及び２８からのそれぞれ個々の排気管１４、１６
、１８及び２０に連結されるマニホールド１２を有する
内燃機関１０（影像で示す）の概略図が示されている。マニホールド１２の下流において、図２、３、４及び５
に更に詳細に示される電気的に加熱しうる触媒コンバー
タ３２が一般に３０で示される排気系に挿入される。図
１の距離「ａ」は多くの目的に対して１２インチ以下で
ある。また排気管系３０には、電気的に加熱しない通常
の触媒コンバータ３４も存在する。１５０アンペア以上
、１２ボルト系の場合５００〜約１１００アンペアの電
流を、バツテリーの陽極端子から適当なスイツチデバイ
ス例えば多数の並列に連結されたＭＯＳＦＥＴ（図１０
）を通して流すことのできる重電気ケーブル例えば２号
線３６が並列に電気的に加熱しうる触媒コンバータ３２
と結線されて電気回路を完成する。電気エネルギー源の
陰極端子は、好適であるＥＨＣ上の別の接地耳状端子に
直接結線され、或いはより望ましくないが、１２ボルト
系の場合にはシヤーシー又はエンジンブロツクに、即ち
間接的に排気マニホールド１２に結線される。１２、２４又は３６ボルト系では、バツテリーへの接地
返送だけが、排気管及び車体結線が比較的高抵抗であり
且つ抵抗が変化し、更に電池作用があるために、車体シ
ヤーシーに至る排気管を介することは望ましくない。こ
れらの抵抗は実質的な電力の損失及び結果として貧弱な
ＥＨＣ性能に帰結する。より高い電圧系の場合、接地径
路は排気管及びエンジン又はシヤーシーを通して行なう
ことができる。

【００３２】この具体例において、排気ガスの熱含量及
び化学エネルギーは、始動時における電気的に加熱しう
る触媒コンバータ３２の加熱を補助し、斯くして「ライ
ト−オフ」温度、例えば６００〜１３００°Ｆを維持す
るために必要とされる電力を軽減する。運転中触媒温度
は一般に１０００〜１５００°Ｆの範囲であり、２１０
０°Ｆ程度の高温への変位を伴う。

【００３３】今や図７を参照すると、これは上述した図
１と同様の例示である。しかしながら、この場合通常の
触媒コンバータと電気的に加熱しうる触媒コンバータの
相対位置が逆であり、後者は通常の触媒コンバータから
のガス流の下流に位置する。図７の同様の数字は図１に
示した如き部分を指す。これは、電気的に加熱しうる触
媒コンバータが不本意な熱への露呈から及び可能な触媒
毒例えば硫黄から保護されているから約３．０リツトル
以下のエンジンに対して本発明の好適な具体例である。これより大きいエンジン、即ち約３．０リツトル以上の
エンジンでは、エンジンに隣るＥＨＣの配置は好適な位
置である。この場合にはエンジン熱のために、電力をよ
り合理的な量で使用することができる。通常の触媒コン
バータの排気管上流又はＥＨＣの上流には、酸化反応を
補助するために空気又は酸素を導入してもよい。

【００３４】斯くして図７には、影像のエンジンブロツ
ク、及びエンジンブロツク１０における排気口２２、２
４、２６及び２８にそれぞれ順次取り付けられた排気管
１４、１６、１８、及び２０からの排気マニホールドが
示されている。マニホールド１６の下流端は通常の触媒
コンバータ３４にその入口端３６に取り付けられ、そし
て排気管３０はコンバータ３４からの出口３８に至る。排気管３０は続いて電気的に加熱しうる触媒コンバータ
３２に入口４０から入り、出口４２から出る。図示する
ように、電気的に加熱しうる触媒コンバータは通常の触
媒コンバータの下流である。「通常」の触媒コンバータ
は排気管の直径に合うエンド・キヤツプ−アダプター及
び触媒含有のセラミツク製一体型、触媒コーテイングの
アルミナ・ビーズ、又は上述の米国特許第４，７１１，
００９号に記述される如き波形の薄い金属ホイル一体型
を有する鋼製外被を含んでいてよい。

【００３５】Ｖ−８又はＶ−６エンジンのように２つの
マニホールドを有するエンジン構造の場合、図１又は７
に示したものと同一の方法で２つの排気系の各１つずつ
２つのＥＨＣを使用することができる。

【００３６】運転中、図４を参照した後に記述する如き
電気的に加熱しうる触媒コンバータは、ある期間例えば
２〜３０秒内に所望の温度が達成されるまで、或いは冷
気候運転の場合には排気系が正常の運転温度に達するま
で、例えば１つ又はそれ以上のＭＯＳＦＥＴを並列に（
図１０）に含む通常開いているスイツチ回路４４（図４
）を閉じることによつて適当な電気回路（図１及び７に
示されていない）に連結される。主触媒コンバータが所
望の汚染成分の転化に最適な温度を達成するような時点
において、電力の供給が中断され、又は非常に低いエネ
ルギー量に制御される。またこれらのスイツチはエンジ
ンの始動後には元に戻り、多くの場合に初期の冷排気ガ
ス流中の汚染物質の通過量のために更なる電力を供給し
なくても低下するであろう温度を維持する。更にこれら
のスイツチは冷却効果を相殺する丁度正確な量の電力を
与えるために迅速に「切」及び「入」に作動することが
できる。ＭＯＳＦＥＴスイツチが閉じると、運転者に見
える「待機」のあかりがつき、及び／又は例えば通常の
熱電対又は時間経過によつて感じられる如き最低触媒作
動温度が達成されるまで着火スイツチが使用できないよ
うにしてもよい。

【００３７】電気的に加熱しうる触媒コンバータ及びそ
のスイツチ回路は、この時点まで電力容量においていく
らか制限されてきた。１２ボルト系に有用な多くの現在
のスイツチデバイス（ソレノイド及びリレー）は、例え
高容量の内燃機関の電気系が１２ボルトの自動車用バツ
テリーを電源として用いて短期間１１００アンペアまで
供給しうるとしても最高約２００アンペアまでに制限さ
れ、また１２ボルト系における交流変換基は連続して７
５〜１５０アンペアに制限される。自動車における１２
ボルトの電気系に対して、ソレノイドは電気的に加熱し
うる触媒コンバータへ供給する電力を約２４００ワツト
に制限するであろう。この低エネルギー量は、（１）短
い昇温時間を達成する及び（２）エンジン始動後の温度
を排気ガスを制御するのに十分高く維持することの双方
に関して始動時におけるＥＨＣの有用な範囲を制限する
。今回例えばソリツド・ステートのＭＯＳＦＥＴ電界効
果トランジスタを、これらを調和して作動させる手段例
えばゲート駆動器と共に含む作動しうるスイツチ系は、
ＥＨＣの迅速加熱に必要な高電力をスイツチするのに、
（ａ）ソレノイド及びリレー、或いは（ｂ）個々の区分
の電力必要量を減ずるための一体型の分割化、より有効
に使用できることが発見された。電解効果トランジスタ
の内部抵抗は温度の上昇と共に増加するから、それは負
荷の分配の考慮なしに並列に結線することができる。一
般に各ＭＯＳＦＥＴは認めうる電圧降下なしに２５〜３
００アンペアをスイツチすることができる。そのような
スイツチ１〜２０、例えば１８個が並列に連結された時
、１５０アンペア以上、例えば５００アンペアから１２
００アンペア程度までの高電流をスイツチすることがで
きる。これはバツテリーから供給される電力のより良い
利用を可能にする。７５０アンペア量において、単純な
１２ボルトのバツテリー系で約５０００ワツトの電力が
ＥＨＣに供給できる。６０ボルトまでのより高いＥＭＦ
電源は下表Ｉに示すようにより高い電力（ワツト）を生
ずる。１２ボルト系では内部バツテリー抵抗のために約
２．５ボルトが失なわれ、そしてケーブル抵抗及び内部
スイツチ抵抗のために約２．８ボルトが失なわれる（参
照図１１）。

【００３８】

【表１】

【００３９】ＥＨＣは２つの明白な目的のために高電力
量を必要とする。第一に、ＥＨＣは最初の放出される汚
染物が転化されるようにエンジンの始動前に少くとも約
６５０°Ｆまで加熱することを必要とする。一般にこの
目的のために与えられた電圧において供給しうる電力が
多ければ多い程、昇温時間が短くなる。より多い電力は
、触媒一体型がより大きい、よりかさ高であり、従つて
触媒的により効果的であるということを意味する。また
これは与えられた一体型がより迅速に加熱しうるという
ことも意味する。

【００４０】電力に対する第二の必要性はエンジンの始
動後に来る。７０°Ｆの環境において始動後の最初の２
分間又はその程度の間、冷エンジンからの排気ガスは一
般に予じめ加熱されたＥＨＣよりも非常に低温である。延長された期間にわたつて連続的電力が適用されないな
らば、ＥＨＣは冷たい排気ガスによつて低温まで急冷さ
れ、斯くして触媒転化の効率が低すぎて汚染物を所望の
程度まで除去することができない。この電力の必要量は
排気ガスの流速、従つてエンジンの大きさに依存する。大きいＶ−８エンジン（５．０リツトル及びそれ以上）
は始動の急冷を防ぐために５０００ワツトまでを必要と
する。小さなエンジン例えば２〜２．５リツトルのエン
ジンは１５００ワツト程度の小電力を必要とする。始動
後に必要とされる電力は交流変換器から直接又は整流系
を通して、或いは自動車のバツテリー又はエネルギー貯
蔵バツテリーから供給することができる。

【００４１】電気的に加熱しうる触媒コンバータの位置
は、多くは選択の問題であるが、特別な適用は選択を方
向づける。しかしながら、通常の触媒コンバータの下流
の位置は、電気的に加熱しうる触媒コンバータに用いる
触媒を失活させる傾向のある燃料に結合した毒、例えば
硫黄及び燐が存在するならば、或いはマニホールドの熱
が高すぎて、潜在的にＥＨＣを損傷するならば、望まし
い位置である。

【００４２】今や図４を参照すると、一般に５０で示さ
れる電気的に加熱しうる触媒コンバータが軸方向の断面
で示される。電気的に加熱しうる触媒コンバータは、標
準的な例えば内径２．５”の排気管を配置するのに適し
たフレアのエンド・キヤツプ５４及び５６及びニツプル
５６及び６０を組込んで有するステンレス鋼製外被５２
を備えている。外被５２は上述した方法で製造される金
属酸化物、例えばガンマアルミナ及びセリアをコーテイ
ングした波形の薄いフエライトの、排気ガスを通す複数
の空洞を限定するステンレス鋼からなる単一の一体型６
８を含む。金属酸化物被膜は非常に薄く、例えば約０．
０００５”〜０．００２”である。図９は排気ガス流の
方向に現われる一体型の一部を拡大して示す。波形はセ
ラミツク一体型（図８）の場合のように真直ぐ通過して
いてよいが、波形に対するヘリンボンの形体はガスに混
合流を与える、従つてこれを触媒とより良く接触させる
ので望ましい。またヘリンボンの形体は波形ホイルの連
続層間に網目状でない関係を提供する。波形の薄い金属
ホイルは上述した米国特許第４，７１１，００９号に記
述されている如き方法で成形して、等しい抵抗の平行な
抵抗路を多数提供しうる。通常の平らで真直ぐな波形の
金属ホイルは等しくない抵抗路を提供し、平らなホイル
の厚さが波形ホイルより約３５％薄くて凡を等しい抵抗
の通路が提供されないならば良好に機能しないであろう
。本発明の目的に対して、波形は一般に約０．０１〜約０
．１５”の巾及び約０．０２〜約０．２５”、例えば０
．０８”のピツチ又は波の長さを有する。シエブロン又
は波形の図形は一般に約８〜約１０度、例えば６〜７度
の角度を規定し、ホイル細片の端に対して正常な線を有
する。金属は１９８３年１１月８日付けのアゲンス（Ａ
ｇｇｅｎｓ）らの米国特許第４，４１４，０２３号に記
述されているもののような好ましくは薄い（０．００１
０〜０．００３”、例えば０．００１５”）フエライト
のステンレス鋼である。この金属は２〜１０重量％のア
ルミニウムを表面上に又は合金体で含有し、そして０．
００１５”の厚さを有する。特別な合金はクロム８〜２
５％、例えばクロム２０％、アルミニウム３〜８％、例
えばアルミニウム５％、セリウム、ランタン、ネオジム
、イツトリウム、及びプラセオジムから選択される少く
とも１つの希土類金属０．００２〜０．０６％、但し希
土類の合計は０．０６０％まで、珪素４％まで、マンガ
ン０．０６〜１．０％、そして酸素０．０２０％以下、
燐０．０４０％以下、硫黄０．０３０％以下、銅０．５
０％以下、ニツケル１％以下の普通の製鋼不純物、但し
マグネシウム及びカルシウムの合計は０．００５％以下
、並びに鉄残りのパーセントから本質的になる。簡便に
はホイルの巾は１．０〜約３．５”である。巾３．５”
×厚さ０．００１６”のホイルは７０°Ｆにおいて長さ
１フイート当り０．１０オームの抵抗を有する。温度が
約５００°Ｆに達した時、細片の抵抗は約０．１２オー
ムである。

【００４３】波形の金属ホイルは、簡便には表面上で焼
いたアルミナのウオツシユコートを備え、貴金属触媒の
付着する非常に満足しうる表面を提供する。ガンマ形の
アルミナ又は酸化アルミニウムが望ましい。他の耐火性
金属酸化物又は酸化物の混合物、例えばチタニア、チタ
ニア／セリア、チタニア／アルミナなどはウオツシユコ
ートとして使用しうる。上述したように、ホイルの波形
化、ウオツシユコートの塗布、及び貴金属触媒の適用に
ついては米国特許第４，７１１，００９号を参照しうる
。

【００４４】予じめ決めた長さ例えば２８．５”及び所
謂巾２’に切つた波形のフエライトのステンレス鋼製ホ
イルの細片を、細片６３の中点で直径０．０６２〜０．
１５０”、例えば０．０９４”の金属棒６２に抵抗溶接
によつて固定し、棒６２にホイルを重ねて巻きつける。ホイルセグメントの重ね合せは連続層の網状化を妨げ、
一対のホイルセグメント６３を与える。８〜１６個又は
それ以上、例えば１４個の対を集めて、単一のコア６８
を形成する。棒６２は薄いホイルの細片６３の巾よりも
長く、各端で約３／８”突き出ている。重ねた細片の自
由端はアルミナコーテイングのないようにワイヤブラシ
がかけられ、そしてそこに金属細片又はワイヤ６６が溶
接され又はさもなければ固定されて良好な電気的接触を
与える。突き出たワイヤ棒６７及び６９の自由端は集め
られ、環例えば環７１中に挿入される。次いで突き出た
棒６７及び６９の端はそれぞれ一緒に及び環７１に溶接
されて、溶接物８２及び８４並びに棒６２の中心コアを
形成する（図４）。次いで連続ホイル細片６３を分離す
るための分離介在絶縁手段を有さないこの合体物を、図
２に示すように棒６２からなる軸の回りに回転すること
によつてら線状に巻きつける。このしつかりと巻き突け
た波形のホイル体６８の回りに、外周に取りつけられた
細片６６及び細片６６にその場でシーム溶接及びスポツ
ト溶接された柔軟な外殻又は伝導性結合材環６４を付与
する。図５及び６を参照。細片６６、或いはワイヤ又は
棒６６は、望ましくは溶接しうる、高伝導性、耐高温性
の金属から作られる。マンガン、鉄又はアルミニウム＋
少量の製鉄不純物を含む９０〜９５％ニツケル合金は要
素６６にとつて好適な合金である。別に結合材環６４は
半分の外殻からなり、その１つは端子組立て物７２、７
４及び７６に対する適当な開口を有し、そしてそのよう
な半分の外殻は後に一緒にシーム溶接される。この合体
物を絶縁体７０で巻き、そして外被５８中に挿入する。エンド・キヤツプ５４及び５６は溶接による如くして取
りつける最後のものである。絶縁体５３及びブツシング
５９で絶縁されたリード線を有し且つ外被５２を通つて
延びる（図４）通常の熱電対５５はホイル物体内部に配
置される。金属物体の抵抗を測定することによつて知る
温度は、大気と目的の温度との間で抵抗に少しの変化を
与えるから実際的でない。

【００４５】空洞（ｃｅｌｌ）密度又は空洞数／平方イ
ンチは望ましくは１００〜約７００個／平方インチ、例
えば５２０個／平方インチの空洞である。そのような比
較的高い空洞密度は、約０．０１〜約０．０５”の波形
の巾及び約０．０５〜約０．１２”のピツチを必要とす
る。空洞密度は波形、寸法及び数並びにホイルの厚さの
関数でもある。一般に断面が改変された三角形の波形模
様は好適である（参照図９）。そのような波形の薄い金
属細片の平面から突出した波形の頂点を有し、その頂上
及び底は丸くなつていて湾曲した形に近い。上述したよ
うに、ホイルはヘリンボン又はシエブロン模様の、或い
は１９８９年６月１３日付けのコーネリソン（Ｃｏｒｎ
ｅｌｉｓｏｎ）の米国特許第４，８３８，０６７号に示
されている如き波形であることが好適である。シエブロ
ンの端は薄い金属細片の長さ方向の限界端に対して普通
の線に関して３〜１０度の角度を規定する。

【００４６】次いで上述したように成形した合体物を絶
縁体７０、例えば１９７５年１０月２８日付けのハツチ
（Ｈａｔｃｈ）の米国特許第３，９１６，０５７号に記
述されている如きセラミツク製フエルト材層の厚さ約０
．２５”で包み、全体の合体物をステンレス鋼製ハウジ
ング中に収める。セラミツク製フエルト７０（図４）は
断熱材、及び電気絶縁材、及びコア６８を外被５２中に
保持するための機械的な巻き上げデバイスとして役立つ
。特別な具体例において、排気ガスの通る断面積は通常
の触媒コンバータの約２４平方インチに比べて約８平方
インチである。

【００４７】ら線形に巻かれたコア６８を取り巻く結合
材環６４及び棒６６への電流伝導線の取りつけを可能に
するために、外被５２を通つて延び且つその内部端で結
合材環６４に溶接されている端子７２が設置されている
。この端子７２は電気ケーブルの取りつけが簡便なよう
に、その外側に穴を有していてもよい。端子７２は適当
な外被７６に保持されているセラミツク製スリーブ７４
により外被５２から絶縁されている。金属製のキヤツプ
７８は端子７２との良好な電気的接触を保証する。

【００４８】対極又は陰極は、各端が外被５２の内側に
溶接され且つ棒６２の中心コアが８２における如く溶接
されている横方向方に延びる棒８０により外被５２の外
側から結線される。コアの下流端は８４における如く、
コア６８の中心を規定する突出棒の中心クラスター（Ｃ
ｌｕｓｔｅｒ）に溶接されている。斯くして棒６２から
なる中心コアからホイル物体６３を通つて空間に置かれ
た棒６６に至り、次いで外殻又はバンド６４及び端子７
２への電気的回路が完成する。エンジンのバツテリーの
端子（図４に図的に示してある）はスイツチを通して直
接、例えば図１及び６における電気的に加熱しうる触媒
コンバータに取りつけられる。

【００４９】コア６８の温度は外被５２を通つて延びる
金属ブツシング５９を含む熱電対によつて簡便に測定さ
れる。接合点６１からの伝導線を公知のように互いに空
間を置いて位置させる適当な絶縁スリーブ５３及び円管
５７は外被５２の内側へ延びる。リード線はコア６８に
埋め込まれた接合点６１で終わる。温度は予じめ決めら
れた時間の経過によつても測定しうる。

【００５０】図１及び７における触媒コンバータ５０又
は３２は本明細書において「電気的に加熱しうる」とし
て言及される。これは電力が、エンジンが始動前の静止
状態にある短時間だけ、或いは運転中の特に低温環境に
おいて供給されるということを示唆するものである。電
力は始動中及び必要ならば運転中、排気ガス系の温度が
設定温度以下に低下した時にはいつでも供給される。こ
れは例えば各触媒コンバータ内部の限界点における温度
制御により達成され、それは低温度に呼応して必要に応
じてバツテリーの電力を再供給する。エンジン運転の残
りの期間は、大気温度によつて必要とされる時、排気温
度によつて必要とされる時を除いて電力の供給は必ずし
も必要でなく、多くの目的の場合触媒反応の発熱性が汚
染物質を無害な気体に効果的に転化する適当な高温を触
媒コンバータ内に維持する。

【００５１】上述した作動しうるソリツドステートのス
イツチを制御するために、ハードウエア又はソフトウエ
アで作動される変調電子回路を設置することができる。図１０、１１、１２、１３及び１４はそのような回路に
関するものである。全電力が必要な場合には、変調電子
回路が高電流スイツチを常時「入」にしておく。例えば
小さいエンジンで、より少量の電力が必要な場合には、
変調電子回路は迅速に「入」及び「切」して矩形波を与
え、適当な量の電力を供給するデユーテイー・サイクル
（ｄｕｔｙ　ｃｙｃｌｅ）を行なわせる。コンバータが
常時［入」の時に５０００ワツトとして設計されている
場合及びエンジンがＥＨＣを熱く保つために２０００ワ
ツトしか必要としない場合には、コンバータ（ＥＨＣ）
に２０００ワツトしか供給しないようにデユーテイー・
サイクルを４０％で運転するように回路が設定されるで
あろう。

【００５２】この変調技術は予熱期間中の電力量を変調
するためにも使用できるが、エンジン始動後の加熱期間
において最も適切である。これは開及び閉ループの双方
で使用することもできる。開ループモードの場合、個々
のエンジンの特性が測定又は計算され、そして変調回路
がある特別なデユーテイー・サイクルで作動するように
プログラムを作ることができる。開ループモードの場合
、コンバータ（ＥＨＣ）における通常の熱電対又は他の
感温デバイスが変調回路に情報をフイードバツクし、こ
れがエンジンの運転条件とは無関係に特別な温度を維持
すべく電力を変調する。

【００５３】制御器に基づく初期の頃には限界があり、
１２ボルトで多量の、即ち１５０アンペア以上の電流を
スイツチしうるもつと融通性のある系が必要とされた。今回、作動しうるソリツドステートの電力制御器、例え
ば典型的にはそれぞれ定格２０〜５０アンペア、特に５
０アンペアのＭＯＳＦＥＴが多量の電流をスイツチする
ために並列に連結しうることが発見された。これらのデ
バイスの内部抵抗は温度の上昇と共に増加する。この挙
動は、多数のソリツドステートのスイツチが負荷を効果
的に分配しうる機作を提供する。スイツチを並列に置く
ことにより、実質的にいずれかの量の電流がスイツチで
きる。この種にソリツド・ステートのスイツチを用いる
と、ＥＨＣに供給できる電力の制限がエンジン又は車、
バツテリーになる。例えば１２ボルトのバツテリーは７
５０又はそれ以上の冷クランキング（ｃｒａｎｋｉｎｇ
）アンペアを供給するのに容易に利用できる。そのよう
な電力は図４の金属一体型例えば６３に伝達することが
できる。図１０は高アンペアのＭＯＳＦＥＴスイツチの基本的な
配列を例示する。図１０のゲート駆動器はソリツド・ス
テート電力スイツチを調和して作動させるデバイスであ
り、ソリツド・ステート・エレクトロニクスの技術に通
ずる者にとつて公知である。回路は増巾器のように機能
する。

【００５４】高性能バツテリーからは７５０アンペアま
で取り出せ、容易にスイツチでき、そして波形の薄い金
属物質ＥＨＣを予熱するために使用できることが発見さ
れた。高供給電流は、比較的小容量（自動車のＥＨＣの
大きさ）のホイルを５〜１０秒以内に５７５〜７００°
Ｆ範囲の温度まで加熱することが発見された。図１１は
７５０アンペアを取り出すＥＨＣ回路に対して典型的な
電圧量と電力損失を例示する。１２ボルトのバツテリー
は物質の加熱中に７５０アンペアの負荷で約９．５ボル
トまで低下し、そして配線及びＭＯＳＦＥＴでの損失は
ＥＨＣを横切る電圧を約６．７ボルトにさせる。次いで
そのような系において、９．５ボルトのバツテリー電圧
で約７０％にすぎない電力（７１２５ワツト）がＥＨＣ
の加熱に利用しうる。実際には、加熱工程中に、ホイル
に供給される電力及び排気ガスがバツテリーのところで
供給される電力の約５０％しか利用しないというように
、他にも電力損失が起こる。高電流値においてでさえ、
典型的な加熱サイクル中にバツテリーから取り出される
全エネルギーは最小である。７５０アンペアを３０秒間
取り出すエネルギーは約６アンペア・時である。この量
は典型的な１２ボルトのバツテリーにおいて利用できる
エネルギーの約１０％を表わすにすぎない。そのような
エネルギー損失は交流変換器によつて効果的に置きかえ
られる。

【００５５】１２ボルト以上の供給電圧を有する系はよ
り高い効率を示すことが特記される。例えば効率は６０
ボルト系で９８％に近ずき、一方１２ボルト系で約５８
％である（下表ＩＩを参照）。

【００５６】

【表２】

【００５７】表注：１．ＥＨＣ電力出力をすべての系Ｅ
ＭＦにおいて一定に保つ。

【００５８】２．バツテリーの内部抵抗は名目上のＥＭ
Ｆに比例すると推定。

【００５９】３．結線抵抗を全体に一定とする。

【００６０】４．ＭＯＳＦＥＴ及びケーブルの抵抗は系
の電圧と共に増加して、自動車における重量と費用のト
レード・オフ（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）も表わす。

【００６１】５．バツテリーの内部抵抗を一定とする。

【００６２】６．ＥＭＦ＝電気起動力、又は系への供給
電圧。

【００６３】　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　ＥＨＣにおける陰極端子
は図４のように中心に位置してよく、陽極は図４におけ
る外周（７２）に位置し、或いは陰極端子は円周に位置
し、陽極端子は中心に位置してよい。

【００６４】作動しうるソリツド・ステートのスイツチ
は、パルス巾変調技術を用いることにより、電力流を変
調する能力を提供する。これは０〜全出力のいずれにお
いてもＥＨＣの操作を可能にする。これは唯「入」及び
「入」／「切」基準だけで働く初期のソレノイド制御器
に優る重要な改善である。電力を変調する能力は、時間
よりもむしろ熱電対のような検知体を用いることにより
、コンバータの温度に基づく制御器を可能にする。この
方法において、ＥＨＣは熱電対からのフイードバツクに
より制御することができた。時間に基づく制御も使用し
うる。

【００６５】図１２はＥＨＣに対する電力量を制御する
ためにＭＯＳＦＥＴを用いる電力制御器の簡単化された
スキーム図を示す。図１３はこの制御器に対する基本的
なソフトウエアブロツク図を示す。温度は金属コア６３
中に埋め込まれた熱電対を用いてＥＨＣ中で測定される
（図４）。熱電対調整器及び設定温度制御器（図１２に
おけるＴ．Ｃ．コンピユータ）は低度の熱電対信号に直
線的であり且つこれを調整する。このためにアナログ・
デバイシーズ（Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）のＡＤ
５９７ＡＨ型制御器の使用できる（米国特許第４，０２
９，９７４号を参照）。制御器は調整された温度信号を
設定温度（典型的には約６５０°Ｆ）と比較し、温度差
に比例するＭＯＳＦＥＴスイツチへのパルス巾の変調さ
れた出力を発生する。この差が典型的な場合、約１２２
°Ｆ以上である時全出力が供給される。改良された温度
応答特性に対しては、より精巧な制御アルゴリズム（ａ
ｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）例えば比例一積分誘導（ＰＩＤ）
が使用できる。

【００６６】温度制御の作動は低バツテリー条件を感ず
る場合に改善できる。電力はバツテリー電圧を適当な程
度に維持するようにこれらの条件下に減少する。

【００６７】電力制御器（図１２）はいくつかのロジツ
ク（ｌｏｇｉｃ）機能を行なう。その機能が主「入」／
「切」スイツチで可能な場合、それは車の着火キーを「
入」にした時に普通開始される。コンバータの設定温度
が達成されるまで車の始動はできない。回路は予熱サイ
クル中「入」であるダツシユ上に存在する「待機」灯を
含む。運転者がコンバータの電力値を肉眼で見えるよう
に、電力灯を配置してもよい。低バツテリー電圧は点滅
する「待機」灯で示される。予熱サイクルはエンジン始
動前の待ち時間を最小にするためにドア又はシート及び
／又は遠隔伝達装置に結線されたロジツク（ｌｏｇｉｃ
）によつても開始させうる。ロジツクの機能は加熱サイ
クルの終了及び過剰な電力漏れからのバツテリーの保護
に対しても役立つ。

【００６８】電力制御器の心臓には、マイクロコンピユ
ータのチツプ、例えばモトローラ社のＭＣ６８ＨＣ８１
１ＡＺマイクロコンピユータが存在する。このチツプは
ＣＰＵ、ＥＰＲＯＭ　２Ｋ、ＲＡＭ　２６５バイト、及
びアナログ及びデジタル表示を含む。１２ボルト系の場
合、ＭＯＳＦＥＴスイツチはそれぞれ定格５０アンペア
のモトローラ社のＭＩＰ５０ＮＯ５ＥＬである。それよ
り高い電圧計は適当な定格の同様のスイツチを使用する
。望ましくはここに示す１２ボルト系の電力制御器はそ
のようなＭＯＳＦＥＴの１８個の列を並列に利用する。しかしながら高電圧系はスイツチ定格に依存してより少
数のＭＯＳＦＥＴを使用することができる。熱電対調整
器及び設定温度制御器例えばアナログ・デバイシーズ（
Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）のＡＤ５９７型調整器
及び設定温度制御器は熱電対の入力を調整し、補償する
ために使用される。他にこの調整器はソフトウエアで代
替してもよい。

【００６９】ＭＯＳＦＥＴスイツチはスイツチのドレイ
ン側よりもソース側に結線された負荷に関して典型的に
使用される。この配置は接地の安全性の観点から望まし
くないすべての時間においてＥＨＣにおける電圧電位を
必要とするであろう。所望の配置はＥＨＣをスイツチの
ドレイン側に結線させることを必要とする。例えば１２
ボルト系においてこのように結線した時、ＭＯＳＦＥＴ
は１２ボルト以上をゲートに適用してスイツチを機能さ
せなければならない。これは小さい３ボルトの補助バツ
テリー、このバツテリーに対する充電機構、及びＭＯＳ
ＦＥＴスイツチに対する駆動器を含む図１２に示すよう
な回路で達成される。より高い供給電圧は対応してより
高いゲート電圧を必要とする。随時二重回路を用いて必
要とされるゲート電圧を発生させることができる。

【００７０】大電流をスイツチし且つ制御する能力はＥ
ＨＣ構造の改良をもたらした。即ち１５００〜１２００
０ワツトの範囲のデザインが利用できる。１５００〜１
２０００ワツトの範囲の電力は約５００ｃｍ３（３０．
５立方インチ）までの一体型容量に対して最も有用であ
る。この電力量は１２．２立方インチ〜３０．５立方イ
ンチの一体型容量に対して１０〜３０秒で６６２°Ｆの
プレクランク（ｐｒｅ−ｃｒａｎｋ）温度に達しさせる
のに十分である。高電力の制御器はＥＨＣが平方インチ
当り５２０個までの空洞という高空洞密度（空洞８１個
／ｃｍ２）を有することを可能にし、依然昇温の目的に
適合する。より高い空洞密度構造は、初期の構造よりも単位容積当
りの高い幾何的表面積を提供し、改良された熱及び物質
移動特性をもたらす。より高い電力値は６〜８気筒の大
きいエンジンに対してＥＨＣを適用する場合にも重要で
ある。そのような大きい排気量のエンジンにおける排気
ガス流は始動後のＥＨＣに実質的な冷却効果を与え、改
良されたライト−オフ性能及び合理的な昇温時間を得る
ために高い電力供給が必要である。更に本発明の一体型
は単一であり、従来法におけるように細分割する必要が
ない。

【００７１】上述したように、本発明の原理は、上述し
たアコーデイオン型の折りたたまれた一体型並びにら線
形に巻かれたデバイスに当てはめることができる。ら線
形に巻かれた構造は製造が容易な点で好適である。しか
しながらいずれの場合も利用性及び操作性は同じである
。

【００７２】従つて図１４は本発明によるデバイス９０
の長さ方向の断面図である。デバイス９０は外側に金属
製の例えば鋼製の外被９１を有する。この外被は断面が
四角であり、排気ガスのデバイス９０への及び９０から
の入口９６及び出口９８に至る首を小さくするエンド・
キヤツプ９２及び９４を有する。図１５に示すように、
外被９１は望ましくは全一体型１１２を完全に包囲する
絶縁体１００により外被９１の金属製の外殻から電気的
に絶縁されているアコーデイオン型に折りたたまれた網
目状でない波形のステンレス鋼製一体型１１２を内包す
る。

【００７３】電力は本明細書に記述するように電力供給
回路を通して、一体型１１２の上縁に沿つて位置する電
極１０２及び一体型１１２の下縁に沿つて位置し且つ反
対の極性を有する電極１０４により一体型１１２に適用
される。一体型１１２は電極１０２及び１０４間の抵抗
として役立ち、そして電力を電極１０２及び１０４間に
適用した時、後者は所望の「ライト−オフ」温度まで迅
速に加熱する。金属外被９１から電気的に絶縁されてい
る適当な外部プラグ１１０からデバイス９０を出るリー
ド線１０６及び１０８を通して電力が電極１０２及び１
０４に適用される（図１４）。波形の薄い金属ホイル１
１２の単一の一体型の代りに、外被９１から適当な絶縁
体によつて絶縁され且つ電極１０２及び１０４に並列に
結線されている複数のアコーデイオン型に折りたたまれ
た一体型を提供してもよい。いずれかの場合、電極の取
りつけは簡便にはスポツト溶接又はロウ付けによる。

【００７４】本発明の１つの具体例において、アコーデ
イオン型に折りたたまれた金属ホイルの触媒コンバータ
に対して典型的である寸法、即ち巾３．５インチ及び厚
さ０．００１５”のフエライト・ステンレス鋼製細片は
冷時に０．１０オーム／フイートの抵抗を有する。この
値は加熱時に０．１２オーム／フイートに上昇する。自
動車に用いるものの典型的な空間速度、例えば１００，
０００時−１の場合、コンバータの断面積は約１４平方
インチであろう。図１６に示す具体例１３０は一対の触
媒コンバータ１３６及び１４２を同一の外被中に直列の
関係で配置している。

【００７５】図１６において、電気的に加熱しうるコア
要素１３２は、各端で電極に溶接された８つの個々の網
目状でないヘリンボンの波形のアコーデイオン形に折り
たたまれた一体型の積層からなつた。陽極は外部端子１
３４に結線され、陰極は外部端子１３５に結線されてい
る。絶縁体１３８は電気的に加熱されるコアユニツト１
４０の周囲に巻かれている。

【００７６】更に加熱されないアコーデイオン型に折り
たたまれた波形の網目状でない薄い金属一体型１４２も
図１６に示される。図１６に示すように、加熱されない
触媒コンバータユニツト１４２は鋼製のスペーサ環１４
４により電気的に加熱しうるコア１４０から離れている
。勿論このコア１４２は金属外被１４６から絶縁する必
要はない。ユニツト１４０及び１４２の各は約３．５”
の軸方向の寸法を有し、スペーサは軸方向の寸法が約１
．５”である。コア１４０及び１４２は改良された耐性
及び耐伸縮性を付与するために並置されていてもよい。それらはフエライト又は標準のステンレス鋼から作るこ
とができ、ヘリンボン又はシエブロン模様で波形をつけ
ることができる。コア１４２がセラミツクである場合、
それはＥＨＣから空間を置いて配置されていても、並置
されていてもよい。他にＥＨＣと通常の触媒コンバータ
の間には、それが金属又はセラミツクのいずれであれ、
ＥＨＣの使用時の伸縮を防止する大きい空洞保持体（空
洞４〜４０個／平方インチ）が接触した状態で存在して
いてもよい。上述した種類の保持体はＥＨＣと通常の触
媒コンバータが同一の又は異なる外被中に存在する場合
に有利に使用できる。電源は上述したように１２〜６０
ボルトであつてよいことが特記される。電源は所望によ
り１つよりも多い並列に結線された１２ボルトのバツテ
リー或いは１つよりも多い並列に結線された２４ボルト
のバツテリーからなつていてよい。勿論このような場合
にも適当な充電系が使用されよう。

【００７７】従つて内燃機関の始動時における排気ガス
からの大気汚染物質の問題を、現存する法律的に必要な
排気系に補助的な電気で加熱しうる触媒コンバータを挿
入し、或いは電気的に加熱しうる触媒コンバータ及び通
常の電気的に加熱されない触媒コンバータの双方を有す
る排気系を配置することによつて正すという非常に効果
的な手段が提供される。電気的に加熱しうる触媒コンバ
ータ又は通常の触媒コンバータのいずれもが単独では所
望の結果を達成するのに十分でない。比較的小さい、高
価でない。電気的に加熱しうる触媒コンバータはそれ自
体すべての汚染物を除去するのに不十分な大きさである
。汚染物質のいくらかを除去し且つ通常のコンバータで
の転化のために排気ガスを予熱して、それが通常のコン
バータを通過した後に排気ガスをきれいにするには十分
である。通常のコンバータは冷始動時に汚染物質を除去
するのに不十分である。排気ガス系においてＥＨＣと組
合せて用いるための改良された電力制御系は、ＥＨＣを
汚染物質規制の目的に適合させるのに有効ならしめる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明による排気系を示し且つ排気マニ
ホールド及び排気管並びに図２、３及び４に示すような
電気的に加熱される触媒コンバータ及び排気系に直列の
関係で存在する普通の又は通常の触媒コンバータを有す
る影像のエンジンと示す概略図である。

【図２】図２は図４の線２−２で示す平面に現われる如
き図４の電気的に加熱しうる触媒コンバータの、僅かに
縮尺した規模の断面図である。

【図３】図４に示すケースの中へ挿入するためにら線状
に巻かれる前の、中心コアの構造の表示である。

【図４】本発明に有用な電気的に加熱しうる触媒コンバ
ータの軸方向の断面図である。

【図５】波形のホイルに取りつけられた伝導体細片及び
電気的端子の取りつけられた取りききバンドを組立てて
示す触媒コンバータのコアの側面図である。

【図６】波形の薄い金属コア員及び突き出たピンを溶接
の順備のために集める保持環の横観図である。

【図７】排気系において図２、３及び４に示す如き電気
的に加熱しうる触媒コンバータを、通常の触媒コンバー
タの下流に直列の関係で配置した例を示す概略図である
。

【図８】自動排気ガスの抑制に現在使用されている如き
四角形の開口を有するセラミツク製ハニカムの一部の拡
大断面図である。

【図９】開口を示す波形の薄い金属製ハニカムの一部の
拡大断面図である。

【図１０】スイツチを調和して作動させるための且つ単
一の電気的に加熱しうる触媒コンバータを加熱するＥＨ
Ｃソリツドステート制御器に有用な駆動器（ｄｒｉｖｅ
ｒ）と一緒に作動しうるソリツドステートのスイツチの
配置を示す図である。

【図１１】図１０に示す如きＭＯＳＦＥＴスイツチの配
置に関して、１２ボルトのバツテリーで供給される７５
０アンペアの電流における電力損失を示す典型的なＥＨ
Ｃ系の図である。

【図１２】可能な加熱手段例えば遠隔トランスミツター
、ドアスイツチ、シートスイツチ、又は始動キースイツ
チを示すソリツドステートのＥＨＣ制御系図である。

【図１３】図１２に示す如きソリツドステートのＥＨＣ
制御系のソフトウエア・ブロツク図である。

【図１４】アコーデイオン型に折りたたまれた波形の薄
い金属ホイル一体型を有し且つ少くとも運転の始動時に
電流を通じさせるための各端（上と下）における電気的
接触を示す電気的に加熱しうる触媒コンバータの断面図
である。

【図１５】図１４の線１４−１４で示される平面に現わ
れる如きアコーデイオン型に折りたたまれた網目状でな
いハニカム、それを通る真直ぐな開口、及びアコーデイ
オン型に折りたたまれた構造の各端における電気的接触
を示す横断面図である。

【図１６】同一の外被の中に直列の関係で存在する電気
的に加熱しうる触媒一体型コア及び別の加熱されないア
コーデイオン型に折りたたまれた薄い金属の触媒コアを
示す合体コンバータの長さ方向の上からの断面図である
。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　排気管において電気的加熱手段のない
別置の通常の触媒コンバータと直列の関係にある電気的
に加熱しうる触媒コンバータ、及び該電気的に加熱しう
る触媒コンバータに５００アンペア以上の電流を２〜１
５秒間供給して、該電気的に加熱しうる触媒コンバータ
中の温度を少くとも約６５０°Ｆまで上昇させるための
手段、を含んでなる排気管を含む内燃機関の排気系。
【請求項２】　　排気管において電気的加熱手段のない
別置の通常の触媒コンバータと直列の関係にある電気的
に加熱しうる触媒コンバータ、及び該電気的に加熱しう
る触媒コンバータに少くとも１５００ワツトの電力を２
〜３０秒間供給して、該電気的に加熱しうる触媒コンバ
ータ中の温度を少くとも約６５０°Ｆまで上昇させるた
めの手段、を含んでなる排気管を含む内燃機関の排気系
。
【請求項３】　　排気管において電気的加熱手段のない
別置の通常の触媒コンバータと直列の関係にある電気的
に加熱しうる触媒コンバータ、及び該電気的に加熱しう
る触媒コンバータに、始動時前及び始動時に約１５００
〜約１２０００ワツトの割合の電力を２〜３０秒間供給
しうる１２〜６０ボルトの電源を含む手段、を含んでな
る、但し該電気的に加熱しうる触媒コンバータが０．０
０５〜２．２オームの全抵抗を有し、これによつて該電
気的に加熱しうる触媒コンバータの温度を少くとも約６
５０°Ｆに上昇させる、排気管を含む内燃機関の排気系
。
【請求項４】　　電流を適用するための該手段が、該内
燃機関の始動前に、該電気的に加熱しうる触媒コンバー
タに電流を供給するための手段を含む請求項１の排気系
。
【請求項５】　　電流を適用するための該手段が、該内
燃機関の始動後にも、触媒の温度を少くとも約６５０°
Ｆに維持するために、該電気的に加熱しうる触媒コンバ
ータに電流を供給するための温度呼応手段を含む請求項
４の排気系。
【請求項６】　　電気的に加熱しうるコンバータを、該
通常の触媒コンバータの上流に配置する請求項１の排気
系。
【請求項７】　　電気的に加熱しうるコンバータを、該
通常の触媒コンバータの上流に配置する請求項２の排気
系。
【請求項８】　　電気的に加熱しうるコンバータを、該
通常の触媒コンバータの上流に配置する請求項３の排気
系。
【請求項９】　　電気的に加熱しうるコンバータを、該
通常の触媒コンバータの下流に配置する請求項１の排気
系。
【請求項１０】　　電気的に加熱しうるコンバータを、
該通常の触媒コンバータの下流に配置する請求項２の排
気系。
【請求項１１】　　電気的に加熱しうるコンバータを、
該通常の触媒コンバータの下流に配置する請求項３の排
気系。
【請求項１２】　　通常の触媒コンバータがセラミツク
製のハニカム一体型を含む請求項１の排気系。
【請求項１３】　　通常の触媒コンバータがセラミツク
製のハニカム一体型を含む請求項２の排気系。
【請求項１４】　　通常の触媒コンバータがセラミツク
製のハニカム一体型を含む請求項３の排気系。
【請求項１５】　　通常の触媒コンバータが波形の薄い
金属のハニカム一体型を含む請求項１の排気系。
【請求項１６】　　通常の触媒コンバータが波形の薄い
金属のハニカム一体型を含む請求項２の排気系。
【請求項１７】　　通常の触媒コンバータが波形の薄い
金属のハニカム一体型を含む請求項３の排気系。
【請求項１８】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が波形の薄い金属のハニカム一体型を含む請求項１の排
気系。
【請求項１９】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が波形の薄い金属のハニカム一体型を含む請求項２の排
気系。
【請求項２０】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が波形の薄い金属のハニカム一体型を含む請求項３の排
気系。
【請求項２１】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が波形の薄いフエライト・ステンレス鋼のハニカム一体
型を含む請求項１の排気系。
【請求項２２】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が波形の薄いフエライト・ステンレス鋼のハニカム一体
型を含む請求項２の排気系。
【請求項２３】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が波形の薄いフエライト・ステンレス鋼のハニカム一体
型を含む請求項３の排気系。
【請求項２４】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が、少くとも１つの表面にガンマアルミナのコーテイン
グを有する波形の薄いフエライト・ステンレス鋼からな
るハニカム一体型を含む請求項１の排気系。
【請求項２５】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が、少くとも１つの表面にガンマアルミナのコーテイン
グを有する波形の薄いフエライト・ステンレス鋼からな
るハニカム一体型を含む請求項２の排気系。
【請求項２６】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が、少くとも１つの表面にガンマアルミナのコーテイン
グを有する波形の薄いフエライト・ステンレス鋼からな
るハニカム一体型を含む請求項３の排気系。
【請求項２７】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が少くとも１つの表面にガンマアルミナのコーテイング
及びアルミナコーテイングの表面に付着させた貴金属触
媒を有する波形の薄いフエライト・ステンレス鋼からな
るハニカム一体型を含む請求項１の排気系。
【請求項２８】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が少くとも１つの表面にガンマアルミナのコーテイング
及びアルミナコーテイングの表面に付着させた貴金属触
媒を有する波形の薄いフエライト・ステンレス鋼からな
るハニカム一体型を含む請求項２の排気系。
【請求項２９】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が少くとも１つの表面にガンマアルミナのコーテイング
及びアルミナコーテイングの表面に付着させた貴金属触
媒を有する波形の薄いフエライト・ステンレス鋼からな
るハニカム一体型を含む請求項３の排気系。
【請求項３０】　　貴金属触媒が白金、パラジウム、ロ
ジウム、ルテニウム、及び該貴金属触媒の２つ又はそれ
以上の混合物から選択される請求項２７の排気系。
【請求項３１】　　貴金属触媒が白金、パラジウム、ロ
ジウム、ルテニウム、及び該貴金属触媒の２つ又はそれ
以上の混合物から選択される請求項２８の排気系。
【請求項３２】　　貴金属触媒が白金、パラジウム、ロ
ジウム、ルテニウム、及び該貴金属触媒の２つ又はそれ
以上の混合物から選択される請求項２９の排気系。
【請求項３３】　　波形の薄い金属のハニカム一体型が
空洞約１００〜約７００個／平方インチの空洞密度を有
する請求項１８の排気系。
【請求項３４】　　波形の薄い金属のハニカム一体型が
空洞約１００〜約７００個／平方インチの空洞密度を有
する請求項１９の排気系。
【請求項３５】　　波形の薄い金属のハニカム一体型が
空洞約１００〜約７００個／平方インチの空洞密度を有
する請求項２０の排気系。
【請求項３６】　　薄い金属のハニカム一体型が、それ
ぞれ一対の波形の薄い金属ホイル細片がしつかり取付け
られ且つ棒の周囲にら線形で巻かれて一体型コアを限定
する複数のステンレス鋼製棒からなる中心に位置したス
テンレス鋼製コアを含有し、そして波形の薄い金属ホイ
ルの該細片の各が、その遠い方の端においてそれに固定
された横に延びる金属棒を有し且つら線形で巻かれてい
る場合該コアの外周上に位置し、そして伝導性の結合材
環が該一体型コアの周囲に巻かれ且つ該細片に固定され
ている請求項１９の排気系。
【請求項３７】　　該伝導性結合材環に固定され且つそ
れから放射的に突き出た電気的端子を更に含んでなる請
求項１９の排気系。
【請求項３８】　　該伝導性結合材環に固定され且つそ
れから放射的に突き出た電気的端子を含み、更に該電気
的ターミナルに対する開口をもつ外被及びコアを取り囲
く内部に配置されたセラミツク繊維の絶縁層を含んでな
る請求項１９の排気系。
【請求項３９】　　該伝導性結合材環に固定され且つそ
れから放射的に突き出た電気的端子を含み、更に該電気
的ターミナルに対する開口をもつ外被を有し、そして該
外被がその各端においてエンド・キヤツプ・アダプター
を含み、該アダプターが該排気管を受け入れる寸法のも
のである請求項１９の排気系。
【請求項４０】　　該伝導性結合材環に固定され且つそ
れから放射的に突き出た電気的端子を含み、更に該電気
的ターミナルに対する開口をもつ外被を有し、そして更
に該端子を該外被から電気的に絶縁するための手段を含
む請求項１９の排気系。
【請求項４１】　　少くとも１つのバツテリー及び該中
心に位置するステンレス鋼製棒を該少くとも１つのバツ
テリーの陰極に連結するための手段、及び該端子を該少
くとも１つのバツテリーの陽極に連結するための手段を
更に含有する請求項１９の排気系。
【請求項４２】　　該端子に電力を供給して電気回路を
完成し且つ波形の薄い金属ハニカム一体型を加熱する電
界効果トランジスタ・スイツチ手段を含む請求項２２の
排気系。
【請求項４３】　　該端子に電力を供給して電気回路を
完成し且つ波形の薄い金属ハニカム一体型を加熱する電
界効果トランジスタ・スイツチ手段を含み、そして該ス
イツチ手段が複数の並列に連結されたＭＯＳＦＥＴ電界
効果トランジスタを含む請求項３７の排気系。
【請求項４４】　　外被、及び複数の中心に位置するス
テンレス鋼製棒を含む電気的に加熱しうる触媒コア、但
し各棒は該中心に位置する棒の回りにら線状に巻かれた
一対の波形の薄い金属ホイルの細片が固定され且つ該対
の波形の薄い金属ホイルの細片の各１つは横方向に延び
る金属の細片を、その遠い方の端に固定して有し；該コ
アを取り巻き且つ該横方向に延びる金属片に取り付けら
れた伝導性結合材環、該結合材環から放射的に突き出て
、該外被を通して延びる端子、該端子を該外被から絶縁
する手段、及び該外被と該コアの間の絶縁手段、を含ん
でなる電気的に加熱しうる触媒コンバータ。
【請求項４５】　　少くとも１つの１２ボルトのバツテ
リー、排気管、電気的な加熱手段を含まない別の触媒コ
ンバータと直列の関係にある電気的に加熱しうる触媒コ
ンバータ、及び該電気的に加熱しうる触媒コンバータに
少くとも１５００ワツトの調節された電力を２〜３０秒
間供給するための電力制御手段、但し該電力制御手段は
該バツテリーに並列に連結された複数の金属酸化物半導
体電界効果トランジスタを含む、該電気的に加熱しうる
触媒コンバータの温度を感ずるための手段、該電気的に
加熱しうる触媒コンバータへの電力供給を制御して排気
ガス中の汚染物質のライト−オフ温度以上の温度まで温
度を迅速に上昇させ且つその温度に維持するための該温
度に感ずる手段に呼応する手段、及びＣＰＵ、少くとも
約２ＫのＥＰＲＯＭ、少くとも約２５６バイトのＲＡＭ
を含むマイクロコンピユータ及びアナログ及びデジタル
部分を含む該制御手段、を含んでなる、なお該電気的に
加熱しうる触媒コンバータが波形の薄いフエライト・ス
テンレス鋼製一体型を含み且つ１００〜７００個／平方
インチの空洞という空洞密度並びに該空洞中に付着され
た貴金属触媒を含む、内燃機関用の排気系。
【請求項４６】　　排気ガス汚染物質転化触媒が薄い耐
火性金属酸化物のコーテイングとその上に付着せしめら
れた貴金属触媒を有する波形のステンレス鋼製から本質
的になる内燃機関からの排気管中の該触媒の応答を促進
するに際して、該ステンレス鋼製ホイルを電源からの１
５０アンペア以上の電流で直接加熱し、該電流を０〜１
００％のデユーテイー・サイクルにわたつて調節し、そ
してスイツチを調和して作動させるための手段と一緒に
並列に連結された複数の作動しうるソリツド・ステート
のスイツチによつて該電流をスイツチし、これによつて
触媒の温度を２〜３０秒で少くとも約６５０°Ｆに上昇
させることを含んでなる、該触媒の応答を促進する方法
。
【請求項４７】　　作動しうるソリツド・ステートのス
イツチが金属酸化物半導体の電界効果トランジスタであ
る請求項４６の方法。
【請求項４８】　　電源が少くとも１つの１２ボルトの
自動車用バツテリを含んでなる請求項４６の方法。
【請求項４９】　　電源が１２〜６０ボルトの範囲のＥ
ＭＦを与える請求項４６の方法。
【請求項５０】　　電源がトランジスタのソース側に並
列に連結され且つ電気的に加熱しうる触媒コンバータが
該トランジスタのドレイン側に並列に連結されている請
求項４６の方法。
【請求項５１】　　内燃機関排気管、該排気管における
電気的に加熱しうる触媒コンバータ、但し該電気的に加
熱しうる触媒コンバータが表面に耐火性金属酸化物の薄
いコーテイングとその上に付着された貴金属触媒を有す
る電気的に加熱しうる波形の薄い金属ホイルの一体型を
含む、エンジンの始動前３０秒間までの間少くとも約１
５０アンペアの電流を供給しうる電源を含む電気加熱回
路、０〜１００％の範囲のデユーテイー回路に従つて該
電流を調節するために該電源に連結された手段、並列に
結線した複数の作動しうるソリツド・ステートのスイツ
チを通して該電流をスイツチするための手段、及び該ス
イツチを一緒に作動させる手段、を含んでなる排気ガス
汚染物の転化触媒の応答を促進する系。
【請求項５２】　　電源が自動車の湿式バツテリーであ
る請求項５１の系。
【請求項５３】　　電源が直流電源であり、そして該電
源が該作動しうるソリツド・ステートのスイツチのソー
ス側に並列に連結されている請求項５１の系。
【請求項５４】　　該作動しうるソリツド・ステートの
スイツチを調和して作動させるゲート駆動体手段が更に
特色の請求項５３の系。
【請求項５５】　　該電源と並列であり且つ該作動しう
るソリツド・ステートのスイツチを調和して作動させる
ためのゲート駆動体手段に連結された補助バツテリーが
更に特色の請求項５１の系。
【請求項５６】　　作動しうるソリツド・ステートのス
イツチが金属酸化物半導体の電界効果トランジスタであ
る請求項５１の系。
【請求項５７】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が通常の触媒コンバータと並列の関係で存在する請求項
１の排気系。
【請求項５８】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が通常の触媒コンバータと並列の関係で存在する請求項
２の排気系。
【請求項５９】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が通常の触媒コンバータと並列の関係で存在する請求項
３の排気系。
【請求項６０】　　バツテリ電力源、並列に連結され且
つ該バツテリー電源に対する複数のＭＯＳＦＥＴ（金属
酸化物半導体電界効果トランジスタ）トランジスタ、該
電気的に加熱しうる触媒コンバータの温度を感ずる手段
、及び該温度を感ずる手段に呼応して、該トランジスタ
から該電気的に加熱しうる触媒コンバータへの電力の供
給を調節し、これによつて２〜１５秒の期間５００アン
ペア以上を該電気的に加熱しうる触媒コンバータに適用
するための手段、を含んでなる内燃機関からの排気を処
理するための、電気的に加熱しうる触媒コンバータに対
する電力制御手段。
【請求項６１】　　電気的に加熱しうる触媒コンバータ
が多通路の、波形の薄い金属ホイル一体型を含む請求項
６０の電力制御。
【請求項６２】　　該第一の言及したバツテリー電源と
直列の補助バツテリーが更に特色の請求項６０の電力制
御。
【請求項６３】　　制御手段が、ＣＰＵ、少くとも約２
ＫのＥＰＲＯＭ、少くとも１つの約２６バイトのＲＡＭ
、及びアナログ及びデジタル表示を含み且つ該電界効果
トランジスタに連結されているマイクロコンピユータを
含む請求項６０の電力制御。