CN103347610A

CN103347610A - 电加热式催化剂

Info

Publication number: CN103347610A
Application number: CN2011800668506A
Authority: CN
Inventors: 吉冈卫
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-02-08
Also published as: JP5664670B2; WO2012108002A1; US20130312393A1; CN103347610B; JPWO2012108002A1; US9422852B2; EP2674216B1; EP2674216A1; EP2674216A4

Abstract

本发明的目的在于在电加热式催化剂（EHC）中通过更合适地使发热体发热以谋求排气净化率的提高和/或对发热体的破损的抑制。具有沿着发热体的外周面在该发热体的轴向以及周向上延伸的表面电极（7a）的一对电极设置成，该表面电极（7a）夹着发热体而互相相对。而且，表面电极（7a）被形成为，使得在表面电极（7a）间流动的电流在发热体轴向上的一部分主要经过发热体的外周面流动，在另一部分主要经过发热体的内部流动。

Description

电加热式催化剂

技术领域

本发明涉及设在内燃机的排气通路中的电加热式催化剂。

背景技术

以往，作为设在内燃机的排气通路中的排气净化催化剂，开发出由通过通电而发热的发热体对催化剂进行加热的电加热式催化剂（ElectricHeating Catalyst：以下，称为EHC）。

另外，在EHC中已知在发热体的侧面（外周面）以互相相对的方式连接了一对电极的结构（例如，参照专利文献1）。在这样的结构中，电流在发热体中通过而在电极之间流动，由此发热体发热。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-269387号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在圆柱状（包含截面形状为椭圆的情况）的发热体的外周面以互相相对的方式设置有一对电极的情况下，形成有沿所述发热体的外周面延伸的表面电极。当对该电极通电时，电流在发热体中的位于表面电极之间的部分（以下，将该部分称为“电极间部分”）流动。因此，该电极间部升温。然而，在发热体存在从表面电极间向外侧偏离的部分（即没有设置表面电极的外周面的附近部分：以下，将该部分称为“电极间外部”）。即使对电极通电，电流也难以向该电极间外部流动，所以该电极间外部难以升温。因此，通电时的发热体的周向（与轴向垂直的宽度方向）上的温度分布变得不均匀。

当这样发热体的周向上的温度分布变得不均匀时，在低温部未充分发挥催化剂的排气净化能力，导致排气净化率下降。另外，如果发热体上的温度分布的不均增大，则热应力变大，由此也可能导致发热体破损。

在这里，通过增大表面电极在发热体的周向上的宽度（以下，将该方向的宽度简称为“表面电极的宽度”），能够在发热体中增大电极间部分所占的比例，减小电极间外部所占的比例。然而，如果增大表面电极的宽度，则发热体的外周面上的表面电极间的距离（以下，将该距离称为“表面电极间的外周距离”）变小。如果该表面电极间的外周距离小到某种程度以上，则在表面电极间流动的电流容易通过发热体的外周面集中地流动。其结果，该外周面的位于表面电极间的部分恐会过度升温。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于在EHC中通过更合适地使发热体发热以谋求排气净化率的提高和/或对发热体破损的抑制。

用于解决课题的技术方案

本发明，在EHC中，在表面电极间流动的电流，在发热体的轴向上的一部分主要经发热体的外周面流动，在另一部分主要经发热体的内部流动。

本发明涉及的电加热式催化剂，其中，具备：

发热体，其形成为圆柱状，通过通电而发热并通过发热来加热催化剂；和

一对电极，是向所述发热体供电的电极，具有沿所述发热体的外周面在该发热体的轴向以及周向上延伸的表面电极，该表面电极设置成夹着所述发热体而互相相对；

所述表面电极被形成为，使得在所述表面电极间流动的电流，在所述发热体的轴向上的一部分主要经过所述发热体的外周面流动，在另一部分主要经过所述发热体的内部流动。

根据本发明涉及的EHC，在通电时，能够在发热体的轴向上的一部分使电极间外部升温，在另一部分使电极间部分升温。也就是，如果从发热体的整个轴向来观察，能够使该发热体上的与轴向垂直的截面方向的整体升温。因此，能够使排气净化率提高，另外能够抑制发热体破损。

在本发明中，也可以将至少一方的表面电极形成为，在发热体的周向上的宽度在发热体的轴向上不同。在一部分表面电极间的外周距离越小到某种程度以上越使至少一方的表面电极的宽度变大，从而在该一部分能够使电流主要经发热体的外周面流动。

在本发明中，也可以将至少一方的表面电极形成为，在发热体的周向上的电阻值的分布在发热体的轴向上不同。如果表面电极间的距离相同，则越是电阻值小的部位，在表面电极间流动的电流越容易大量流动。因此，在至少一方的表面电极，通过在一部分将发热体的周向上的端部附近的电阻值减小到某种程度以上，在该一部分能够使电流主要经发热体的外周面流动。

发明的效果

根据本发明，在EHC中，能够更合适地使发热体发热。其结果，能够使排气净化率提高，另外能够抑制发热体破损。

附图说明

图1是表示实施例1涉及的电加热式催化剂（EHC）的概略结构的图。

图2是表示将实施例1涉及的EHC的催化剂载体的外周面展开了的样子的图。

图3是表示将实施例1的变形例涉及的EHC的催化剂载体的外周面展开了的样子的图。

图4是表示将实施例2涉及的EHC的催化剂载体的外周面展开了的样子的图。

图5是表示将实施例2的变形例涉及的EHC的催化剂载体的外周面展开了的样子的图。

图6是表示参考例涉及的EHC的概略结构的图。

图7是表示以往的EHC中的催化剂载体以及电极的与催化剂载体的轴向垂直（直行）的方向的剖视图。图7（a）表示表面电极在催化剂载体周向上的宽度比较小的情况下的剖视图，图7（b）表示表面电极在催化剂载体周向上的宽度比较大的情况下的剖视图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的具体实施方式进行说明。本实施例所记载的结构部件的尺寸、材质、形状及其相对配置等，只要没有特别记载，就无意于将发明的技术范围不仅限于此。

<实施例1>

图1是表示本实施例涉及的电加热式催化剂（EHC）的概略结构的图。本实施例涉及的EHC1设在搭载于车辆的内燃机的排气管中。内燃机既可以为柴油发动机，也可以为汽油发动机。另外，在采用具备电气马达的混合动力系统的车辆中也能够使用本实施例涉及的EHC1。

图1是沿内燃机的排气管2的中心轴A将EHC1纵向切断所见的剖视图。另外，EHC1的形状相对于中心轴A线对称，所以在图1中为了方便仅示出EHC1的上侧的部分。

本实施例涉及的EHC1具备催化剂载体3、壳体4、垫子（mat）5、内管6以及电极7。催化剂载体3形成为圆柱状，并设置成其中心轴与排气管2的中心轴A同轴。催化剂载体3上担载有排气净化催化剂15。作为排气净化催化剂15能够例示氧化催化剂、吸藏还原型NO_x催化剂、选择还原型NO_x催化剂以及三元催化剂等。

催化剂载体3由通电即成为电阻而发热的材料形成。作为催化剂载体3的材料能够例示SiC。催化剂载体3具有在排气流动方向（即，中心轴A的方向）上延伸并且与排气流动的方向垂直的截面呈蜂窝状的多条通路（单元）。排气净化催化剂15被形成各单元的分隔壁所担载，排气在该单元中流通，从而将该排气净化。另外，与中心轴A垂直的方向的催化剂载体3的截面形状也可以为椭圆形等。中心轴A是在排气管2、催化剂载体3、内管6以及壳体4中共用的中心轴。

催化剂载体3被收纳于壳体4中。壳体4由金属形成。作为形成壳体4的材料能够例示不锈钢材。壳体4具有：收纳部4a，其包含与中心轴A平行的曲面；和斜面部4c、4c，在比该收纳部4a靠上游侧以及下游侧处将该收纳部4a与排气管2连接。收纳部4a的通路截面面积比排气管2的通路截面面积大，在其内侧收纳有催化剂载体3、垫子5以及内管6。斜面部4c、4c为通路截面面积随着从收纳部4a离开而缩小的锥面形状。

在壳体4的收纳部4a的内壁面与催化剂载体3的外周面之间夹入有垫子5。即，在壳体4内，催化剂载体3由垫子5支撑。另外，垫子5中夹入有内管6。即，垫子5由内管6分割为壳体4侧与催化剂载体3侧。

垫子5由电绝缘材料形成。作为形成垫子5的材料，能够例示将氧化铝设为主成分的陶瓷纤维。垫子5卷绕于催化剂载体3的外周面以及内管6的外周面。垫子5被夹入催化剂载体3与壳体4之间，由此在向催化剂载体3通电时，可抑制电流向壳体4流动。

内管6由电绝缘材料形成。作为形成内管6的材料能够例示氧化铝。内管6形成为以中心轴A为中心的管状。如图1所示，内管6的中心轴A方向的长度比垫子5长。因此，内管6的上游侧以及下游侧的端部从垫子5的上游侧以及下游侧的端面突出。

在催化剂载体3的外周面连接有一对电极7（另外，在图1中仅图示单侧（上侧）的电极7）。电极7包括表面电极7a以及轴电极7b。表面电极7a沿着催化剂载体3的外周面在周向以及轴向上延伸。另外，表面电极7a以夹着该催化剂载体3互相相对的方式连接于催化剂载体3的外周面。另外，对于该表面电极7a的详细结构后述。轴电极7b的一端连接于表面电极7a。而且，轴电极7b的另一端在电极室9中通过向壳体4的外侧突出。

在壳体4以及内管6上，为了轴电极7b通过而开有贯通孔4d、6a。另外，在垫子5中，形成有用于表面电极7a通过的空间。通过这样的位于壳体4的内壁面与催化剂载体3的外周面之间且由垫子5形成其侧壁面的空间，形成了电极室9。在开于壳体4上的贯通孔4d（即，电极室9的上部）中，设有支撑轴电极7b的支撑部件8。该支撑部件8由电绝缘材料形成，没有间隙地设置于壳体4与轴电极7b之间。

轴电极7b的另一端电连接于电池（未图示）。从该电池向电极7供电。当向电极7供电时，催化剂载体3通电。当催化剂载体3由于通电而发热时，由催化剂载体3所载持的排气净化催化剂15被加热，会促进其活性化。

另外，在本实施例中，催化剂载体3相当于本发明涉及的发热体。但是，本发明涉及的发热体并不限于载持催化剂的载体，例如，发热体也可以是设置于催化剂的上游侧的结构体。

在这里，基于图7对以往的EHC中的通电时的催化剂载体的发热状态进行说明。图7表示以往的EHC中的催化剂载体3以及电极7的与催化剂载体3的轴向垂直的方向的剖视图。图7（a）表示表面电极7a在催化剂载体3周向上的宽度比较小的情况（例如，表面电极7a的宽度为中心角90°的情况）的剖视图，图7（b）表示表面电极7a在催化剂载体3周向上的宽度比较大的情况（例如，表面电极7a的宽度比中心角90°大的情况）的剖视图。

如图7（a）所示，在表面电极7a的宽度比较小的情况下，当向电极7通电时，电流在催化剂载体3上的位于表面电极7a间的部分即电极间部（在图7（a）中通过灰色表示的部分）流动。因此，该电极间部升温。然而，电流难以向催化剂载体3上的从表面电极7a间向外侧偏的部分即电极间外部（在图7（a）中通过虚线包围的部分）流动。因此，该电极间外部难以升温、成为低温部。

在催化剂载体3中，当产生这样的低温部时，在该低温部未充分发挥催化剂的排气净化能力，所以导致排气净化率下降。另外，当催化剂载体3上的温度不均变大时，热应力变大，由此也具有导致催化剂载体3破损的可能性。

另一方面，如果为了抑制图7（a）所示的催化剂载体3上的低温部的产生而增大表面电极7a的宽度，则表面电极7a间的外周距离变小。如图7（b）所示，如果表面电极7a间的外周距离变小到某种程度以上，则电流容易更集中地经催化剂载体3的外周面（在图7（b）中通过灰色表示的部分）流动。其结果，该外周面的位于表面电极间的部分恐会过度升温。

因此，在本实施例涉及的EHC中，使一方的表面电极7a的宽度沿催化剂载体3的轴向缓慢地变化。图2是表示将本实施例涉及的EHC的催化剂载体的外周面展开了的样子的图。在图2中，斜线部表示表面电极7a。

如图2所示，一方的表面电极7a的宽度从催化剂载体3的前端（排气的入口）向后端（排气的出口）缓慢地变小。另外，另一方的表面电极7a的宽度均匀。而且，在一方的表面电极7a的宽度较大的前端附近部分（图2中的范围A的部分），在表面电极7a间流动的电流越是主要经催化剂载体3的表面流动，表面电极7a间的外周距离越小。另外，在比该前端附近部分靠下游侧的部分（图2中的范围B的部分），增大表面电极7a间的外周距离，使得在表面电极7a间流动的电流主要经催化剂载体3的内部流动。

通过如上所述那样形成表面电极7a，在通电时，能够在催化剂载体3的前端附近部分使电极间外部升温，在比催化剂载体3的前端附近部分靠下游侧的部分使电极间部分升温。即，如果从催化剂载体3的整个轴向来观察，则能够使该催化剂载体3的与轴向垂直的整个截面方向的升温。

由此，在催化剂载体3的位于电极间部分的单元以及位于电极间外部的单元中的任意一个中，至少轴向上的任意部分都升温。因此，抑制了不与活化了的排气净化催化剂15接触就流过EHC1的排气的流量。因此，能够提高排气净化率。另外，抑制通电时的催化剂载体3的温度分布的不均，所以能够抑制催化剂载体3破损。

另外，在上述中，一对电极7中仅一方电极的表面电极7a在催化剂载体3的轴向上使其宽度缓慢变更，但也可以使双方的电极的表面电极7a的宽度缓慢变更。另外，在该情况下，也可以使一方的电极的表面电极7a的宽度从催化剂载体3的前端向后端缓慢变小，使另一方的电极的表面电极7a的宽度从催化剂载体3的前端向后端缓慢变大。

另外，也可以使表面电极7a的宽度在催化剂载体3的轴向上阶段性变更。例如，在图2中，也可以使表面电极7a的宽度在范围A的部分比范围B的部分大，并且在范围A的部分以及范围B的部分各自设为一定。

（变形例）

图3是表示将本实施例的变形例涉及的EHC的催化剂载体的外周面展开了的样子的图。在图3中，与图2同样地，斜线部表示表面电极7a。

在本变形例中，在双方的表面电极7a上，催化剂载体3的后端附近部分（图3中的范围A的部分）的宽度比比该后端附近部分靠上游侧的部分（图3中的范围B的部分）大。由此，在后端附近部分，表面电极7a间的外周距离变小到在表面电极7a间流动的电流主要经催化剂载体3的表面流动的程度。另外，在比该后端附近部分靠上游侧的部分，增大表面电极7a间的外周距离，使得在表面电极7a间流动的电流主要经催化剂载体3的内部流动。

如图2所示，通过增大表面电极7a的催化剂载体3的前端附近部分的宽度，在该前端附近部分使得在表面电极7a间流动的电流主要经催化剂载体3的表面流动，在通电时，能够在该前端附近部分使电极间外部升温。然而，催化剂载体3的前端附近部分容易由流入EHC1的排气来冷却。因此，即使在该前端附近部分使电极间外部升温，在停止通电后，该前端附近部分的电极间外部的温度也容易在比较短的时间内下降。

与此相对，在表面电极7a的催化剂载体3的后端附近部分，在通过EHC1的过程中温度由于热传递而上升了的排气通过。因此，该后端附近部分难以由排气来冷却。因此，如本变形例所示，在催化剂载体3的后端附近部分使电极间外部升温的情况，与在催化剂载体3的前端附近部分使电极间外部升温的情况相比，在停止通电后电极间外部的温度难以下降。其结果，能够更长时间维持较高的排气净化率。

<实施例2>

本实施例涉及的电加热式催化剂（EHC）的概略结构除表面电极的结构外，与实施例1涉及的EHC同样。以下，对本实施例涉及的EHC的表面电极的结构进行说明。

图4是表示将本实施例涉及的EHC的催化剂载体的外周面展开了的样子的图。在图4中，斜线部表示表面电极7a。如图4所示，在本实施例中，在一对电极7的每一个中表面电极7a的宽度都均匀。但是，表面电极7a上的电阻值的分布不均匀。在图4中，S、M以及L表示表面电极7a上的电阻值的大小。在表面电极7a上，用S表示的部分的电阻值比用M表示的部分小，用L表示的部分的电阻值比用M表示的部分大。即，在表面电极7a上，电阻值从S向M、从S向L或者从M向L逐渐变大。

另外，能够通过根据场所而变更该表面电极7a的厚度，使表面电极7a的电阻值变化。即，在表面电极7a上，比较薄的部分的电阻值比比较厚的部分大。另外，也能够通过根据场所而变更形成表面电极7a的材料，使表面电极7a的电阻值变化。

表面电极7a沿着催化剂载体3的外周面延伸，所以与该催化剂载体3的轴向垂直的方向的截面形状为圆弧状。因此，表面电极7a间的夹着催化剂载体3的直线距离在催化剂载体3周向（表面电极7a的宽度方向）上，在中央部变为最大，在两端部变为最小。而且，如果表面电极7a的电阻值的分布均匀，则表面电极7a间的距离越小，越容易流过更多电流。

因此，在本实施例中，为了抑制在表面电极7a宽度方向上的表面电极7a间流动的电流的流量不均，如图4所示，表面电极7a的电阻值在其宽度方向上在中央部分变为最小，越接近端部（以下，将该方向上的表面电极7a的端部称为“表面电极7a的周端部”），越缓慢变大。

而且，在本实施例中，进而，在一方的表面电极7a中，使其周端部附近的电阻值在催化剂载体3轴向上缓慢变化。即，如图4所示，一方的表面电极7a上的周端部附近的电阻值从催化剂载体3的前端（排气的入口）向后端（排气的出口）缓慢变大。而且，在另一方的表面电极7a的周端部上电阻值最小的前端附近部分（图4中的范围A的部分），将其电阻值减小到在表面电极7a间流动的电流主要经催化剂载体3的表面流动的程度。另外，在比该前端附近部分靠下游侧的部分（图4中的范围B的部分），使周端部的电阻值变得比较大，使得在表面电极7a间流动的电流主要经催化剂载体3的内部流动。

通过如上所述那样形成表面电极7a，与实施例1涉及的EHC同样地，在通电时，能够在催化剂载体3的前端附近部分使电极间外部升温，在比催化剂载体3的前端附近部分靠下游侧的部分使电极间部分升温。即，如果从催化剂载体3的整个轴向来观察，则能够使该催化剂载体3的与轴向垂直的上个截面方向升温。由此，基于与实施例1的情况同样的理由，能够使排气净化率提高，另外能够抑制催化剂载体3破损。

另外，在上述中，一对电极7中仅一方的电极的表面电极7a在催化剂载体3的轴向上使周端部的电阻值缓慢变更，但也可以使双方的电极的表面电极7a中的周端部的电阻值在催化剂载体3的轴向上缓慢变更。另外，在该情况下，也可以使一方的表面电极7a中的周端部的电阻值从催化剂载体3的前端向后端缓慢变大，使另一方的表面电极7a中的周端部的电阻值从催化剂载体3的前端向后端缓慢变大。

另外，也可以在催化剂载体3的轴向上阶段性地改变表面电极7a的周端部的电阻值。例如，在图4中，也可以使表面电极7a的周端部的电阻值在范围A的部分比范围B的部分大，并且在范围A的部分以及范围B的部分分别设为一定值。

（变形例）

图5是表示将本实施例的变形例涉及的EHC的催化剂载体的外周面展开了的样子的图。在图5中，与图4同样，斜线部表示表面电极7a。另外，在图5中，与图4同样，S、M以及L表示表面电极7a的电阻值的大小。在表面电极7a上，通过S表示的部分的电阻值比通过M表示的部分小，通过L表示的部分的电阻值比通过M表示的部分大。

在本变形例中，如图5所示，在双方的表面电极7a上，催化剂载体3的后端附近部分（图5中的范围A的部分）的周端部的电阻值比比该后端附近部分靠上游侧的部分（图5中的范围B的部分）大。由此，在后端附近部分，表面电极7a的周端部的电阻值变小到在表面电极7a间流动的电流主要经催化剂载体3的表面流动的程度。另外，在比该后端附近部分靠上游侧的部分，表面电极7a的周端部上的电阻值变大，使得在表面电极7a间流动的电流主要经催化剂载体3的内部流动。

由此，与实施例1的变形例涉及的EHC同样，能够在催化剂载体3的后端附近部分使电极间外部升温。因此，与在催化剂载体3的前端附近部分使电极间外部升温的情况相比，在停止通电后电极间外部的温度难以下降。其结果，能够更长时间维持较高的排气净化率。

<参考例>

图6是表示参考例涉及的EHC的概略结构的图。在本参考例中，如图6所示，在EHC1的壳体4内，催化剂载体3在其轴向上被分割为2个部分。另外，一对电极7分别设置于上游侧以及下游侧的催化剂载体3。而且，设置于各催化剂载体3的外周面的表面电极7a配置成，在催化剂载体3周向上的位置互相不重叠。例如，在表面电极7a的宽度为中心角90°的情况下，设置于上游侧的催化剂载体3的表面电极7a与设置于下游侧的催化剂载体3的表面电极7a也可以配置于在周向上互相错位90°的位置。

而且，在通电时，在各催化剂载体3中电流经过电极间部分在表面电极7a间流动。因此，在各催化剂载体3中电极间外部成为低温部。然而，在上游侧的催化剂载体3中成为电极间外部的部分在下游侧的催化剂载体3中成为电极间部分。另外，在下游侧的催化剂载体3中成为电极间外部的部分在上游侧的催化剂载体3中成为电极间部分。

因此，如果将上游侧以及下游侧的催化剂载体3合起来在轴向上整体观察，则能够使催化剂载体3的与轴向垂直的整个截面方向的升温。因此，能够使排气净化率提高。

另外，也能够将催化剂载体3在轴向上分割为3个部分以上。

附图标记说明

1：电加热式催化剂（EHC）

3：催化剂载体

4：壳体

7：电极

7a：表面电极

7b：轴电极

Claims

1.一种电加热式催化剂，其中，具备：

2.根据权利要求1所述的电加热式催化剂，其中：

至少一方的所述表面电极的在所述发热体的周向上的宽度，在所述发热体的轴向上不同。

3.根据权利要求1所述的电加热式催化剂，其中：

至少一方的所述表面电极的在所述发热体的周向上的电阻值的分布，在所述发热体的轴向上不同。