CN103459795A - 催化转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种催化转换装置，其能够减少催化剂载体的温度不均从而接近于均匀的温度分布。催化转换装置（12）具有：催化剂载体（14），其通过通电而被加热；一对电极（16A、16B），在以与排气的流动方向正交的正交截面进行观察时，一对电极（16A、16B）与催化剂载体的外周接触配置。通过使电极（16A、16B）的体积电阻率高于，与电极（16A、16B）分别连接且用于向电极供给电流的外部电缆（30）的通电部，从而向催化剂载体（14）施以电极中的发热，由此使电极附近的催化剂载体的发热量与催化剂载体的内部的发热量相比较多。由此，将电极附近的催化剂载体的发热量设定为，对自电极附近的散热量进行了预估的发热量。

Description

催化转换装置
技术领域
本发明涉及一种被设置于内燃机的排气管中的催化转换装置。
背景技术
在为了对内燃机中所产生的排气进行净化而被设置于排气管中的催化转换装置中，期待对负载催化剂的金属制催化剂载体进行通电而使其升温，从而得到充分的催化效果。例如，在专利文献1（日本特开平04－280086号公报）中公开了一种如下的蜂窝状整体式加热器，所述蜂窝状整体式加热器具有截面形状为正方形的正方形微孔（贯穿孔），并且通过以与该贯穿孔壁所形成的角度成锐角的方式来配置一对电极板，从而得到均匀的发热性。
专利文献1：日本特开平04-280086号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，即使将向催化剂载体的内部的电流分布设为大致均匀而进行均衡发电，也由于与催化剂载体接触的电极板的附近（即电极板的紧下方）存在自电极板的放电和向与电极板连接的电缆的传热，因此电极板的附近的催化剂载体的温度与电极板之间的催化剂载体的中央部相比容易降低。
考虑到上述事实，本发明的目的在于，得到一种能够减少催化剂载体的温度不均从而接近于均匀的温度分布的催化转换装置。
用于解决课题的方法
本发明的第一方式的催化转换装置具有：催化剂载体，其负载用于对从内燃机被排放出的排气进行净化的催化剂，并通过通电而被加热；一对电极，在以与所述排气的流动方向正交的正交截面进行观察时，一对所述电极在隔着所述催化剂载体而对置的位置处，与所述催化剂载体的外周接触配置，在所述催化转换装置中，通过使所述电极的体积电阻率高于，与所述电极分别连接且用于向所述电极供给电流的外部电缆的通电部，从而向所述催化剂载体施以所述电极中的发热，由此使所述电极附近的所述催化剂载体的发热量与所述催化剂载体的内部的发热量相比较多。
本发明的第二方式的催化转换装置中，在第一方式所记载的催化转换装置中，所述外部电缆被连接于，在以所述正交截面进行观察时一对所述电极之间的距离较长的位置处，一对所述电极被构成为，在以所述正交截面进行观察时，从连接有所述外部电缆的位置趋向一对所述电极之间的距离缩短的方向，体积电阻率增大。
根据第一方式的催化转换装置，一对电极以隔着催化剂载体而对置的方式与催化剂载体的外周接触配置，当催化剂载体通过与一对电极分别连接的外部电缆而被通电时，催化剂载体将被加热而升温，因此通过所负载的催化剂而发挥对排气的净化效果。此时，通过使电极的体积电阻率高于外部电缆的通电部，从而向催化剂载体施以电极中的发热，由此使电极附近的催化剂载体的发热量与催化剂载体的内部的发热量相比较多。即，虽然因自电极的散热和向外部电缆的传热，而使催化剂载体的电极附近与催化剂载体的内部相比散热量较大，但通过增大电极的体积电阻率，从而利用电极中的发热而使电极附近的催化剂载体的发热量与催化剂载体的内部的发热量相比有所增加，并且设定为对催化剂载体的散热量进行了预估的发热量（设定为如对散热量进行补偿这样的发热量）。由此，催化剂载体的各个部位中的发热被均匀化，从而能够减少催化剂载体的温度不均而接近于均匀的温度分布。
根据本发明的第二方式的催化转换装置，外部电缆被连接于，在以正交截面进行观察时一对电极之间的距离较长的位置处，并且构成为，从连接有外部电缆的位置趋向一对电极之间的距离缩短的方向，一对电极的体积电阻率增大，由此随着从连接有外部电缆的位置趋向一对电极之间的距离缩短的方向，电流变得不易流通。虽然在一般情况下，由于催化剂载体的体积电阻率高于电极的体积电阻率，因此与一对电极之间的距离较长的催化剂载体的部位相比，电流欲在一对电极之间的距离较短的催化剂载体的部位流通，但通过构成为，趋向一对电极之间的距离缩短的方向，一对电极的体积电阻率增大，从而使一对电极之间的距离较长的催化剂载体的部位、与一对电极之间的距离较短的催化剂载体的部位处的电流的流通容易度均匀化。由此，能够使电流更加均匀地流通于催化剂载体中，并且能够更加有效地减少催化剂载体的温度不均，从而接近于均匀的温度分布。
发明效果
根据本发明所涉及的催化转换装置，能够减少催化剂载体的温度不均从而接近于均匀的温度分布。
附图说明
图1A为表示本发明的第一实施方式的催化转换装置的图，且为沿着排气的流动方向的剖视图。
图1B为表示本发明的第一实施方式的催化转换装置的图，且为与排气的流动方向正交的方向上的剖视图。
图2A为以与排气的流动方向正交的截面来表示图1B所示的催化转换装置的催化剂载体以及电极的图，且为表示催化剂载体的发热量的示意图。
图2B为以与排气的流动方向正交的截面来表示图1B所示的催化转换装置的催化剂载体以及电极的图，且为表示催化剂载体的散热量的示意图。
图2C为以与排气的流动方向正交的截面来表示图1B所示的催化转换装置的催化剂载体以及电极的图，且为表示催化剂载体的温度分布的示意图。
图3为以与排气的流动方向正交的截面来表示本发明的第二实施方式的催化转换装置的催化剂载体以及电极的剖视图。
图4为表示图3所示的催化转换装置的催化剂载体以及电极的电阻的示意图。
图5A为以与排气的流动方向正交的截面来表示比较例的催化转换装置的催化剂载体以及电极的图，且为表示催化剂载体的发热量的示意图。
图5B为以与排气的流动方向正交的截面来表示比较例的催化转换装置的催化剂载体以及电极的图，且为表示催化剂载体的散热量的示意图。
图5C为以与排气的流动方向正交的截面来表示比较例的催化转换装置的催化剂载体以及电极的图，且为表示催化剂载体的温度分布的示意图。
具体实施方式
以下，利用图1A～图4对本发明所涉及的催化转换装置的第一实施方式进行说明。
图1A中图示了本实施方式所涉及的催化转换装置12。催化转换装置12被安装在排气管的中途。虽然在排气管内流动有来自发动机的排气，但图1B通过与该排气的流动方向正交的方向上的截面（沿图1A中的2－2线的截面），而图示了催化转换装置12。
如图1A以及图1B所示，催化转换装置12具有催化剂载体14，所述催化剂载体14由具有导电性以及刚性的材料形成。催化剂载体14通过形成为例如蜂窝状，从而扩大了材料的表面积。在催化剂载体14的表面上，以附着的状态负载有催化剂（铂、钯、铑等）。催化剂具有，对在排气管内流动的排气（由F1表示流动方向）中的有害物质进行净化的作用。另外，使催化剂载体14的表面积增大的结构并不被限定为上文所述的蜂窝状，也可以为例如波浪状等。
虽然作为构成催化剂载体14的材料，可以应用导电性陶瓷、导电性树脂或金属等，但在本实施方式中特别设定为导电性陶瓷。如果作为构成催化剂载体14的材料，例如至少含有碳化硅，则可得到较高的强度和耐热性，故而为优选。而且，如果作为电阻率而设定为10～200Ω·cm，则将如后文所述那样在进行了通电时，能够高效地使所负载的催化剂温度上升，故而为优选。作为催化剂载体的孔隙率，优选设为30～60％的范围。当将孔隙率设为30％以上时，能够确保所需的表面积，从而负载较多的催化剂。此外，通过将孔隙率设为60％以下，从而能够维持作为催化剂载体14而要求的强度。
在催化剂载体14上贴附有两片电极16A、16B，而且在电极16A、16B的中心分别连接有端子18A、18B。在端子18A、18B上分别连接有用于供给电流的外部电缆30（参照图2A）。电极16A、16B沿着催化剂载体14的外周面而在具有预定的展宽的范围内与催化剂载体14接触配置，并且，通过从端子18A、18B经由电极16A、16B而对催化剂载体14进行通电，从而能够对催化剂载体14进行加热。而且，通过利用该加热而使负载于催化剂载体14上的催化剂升温，从而能够更好地发挥催化剂所具有的对排气的净化作用。
在本实施方式中，从图1B可知，在以与排气的流动方向正交的截面（正交截面）进行观察时，催化剂载体14被设为如下形状，即，将与椭圆形状的长轴LA正交的宽度方向两侧以与长轴LA大致平行的方式形成为直线状的、所谓的跑道形状。而且，以电极16A、16B各自的中心部分（电极中心16C）位于催化剂载体14的长轴LA上的方式，在隔着催化剂载体14而对置的位置处配置了一对电极16A、16B。
此处，作为对电极16A、16B的电极中心16C进行连结的线段而设定了中心线CL，且将在与该中心线CL正交的方向上所测量出的催化剂载体14的长度定义为宽度W。此时，中心线CL与催化剂载体14的长轴LA相一致。
催化剂载体14以中心线CL（长轴LA）为中心，在图1B中呈左右对称的形状。而且，催化剂载体14以中心线CL的垂直等分线VD为中心，同样在图1B中呈上下对称的形状。在催化剂载体14中，在接触配置有电极16A、16B的部位处，形成有与中心线CL正交的方向上的宽度W趋向电极中心16C而逐渐减小的宽度逐渐减小部14D。在本实施方式中，贴附有电极16A、16B的部分成为，朝向电极16A或电极16B而弯曲成凸状的曲面部。此外，在催化剂载体14中，在未接触配置有电极16A、16B的部位处，形成有与接触配置有电极16A、16B的部位（宽度逐渐减小部14D）相比，外边缘的宽度被形成得较宽的宽度宽大部14W。宽度宽大部14W以与中心线CL大致平行的方式而被形成为直线状。宽度宽大部14W被设定为催化剂载体14的宽度W成为最大的最大宽度部。催化剂载体14的宽度W在任意位置处，均短于中心线CL（长轴LA）的长度L1。
在本实施方式中，催化剂载体14的宽度宽大部14W以与中心线CL大致平行的方式而被形成为直线状，且相对于电极16A、16B附近，宽度宽大部14W中的电流流通的截面面积的减少量减少，从而电流密度的降低较少。因此，能够实现催化剂载体14中的发热量的均匀化。
此外，采用如下的结构，即，通过使电极16A、16B的体积电阻率高于外部电缆30的通电部（电线），从而向催化剂载体14施以电极16A、16B中的发热，由此使电极16A、16B附近的催化剂载体14的发热量与催化剂载体14的内部（例如电极16A、16B之间的催化剂载体14的中心14C附近）的发热量相比较多。此处，体积电阻率是指，每单位体积的电阻值（Ω·cm）。材料整体的电阻值通过体积电阻率乘以长度（L）并除以截面面积（A）而被求出。体积电阻率为物质固有的值（物理性质值），在以相同的大小进行比较时，体积电阻率较大的物质，其电阻值也较大。在本实施方式中，例如通过对电极16A、16B的材料、或向材料中添加的添加物的量进行调节，从而使体积电阻率增大。
为了使通电时的催化剂载体14的温度分布大致均匀，而需要使发热量与散热量的平衡在电极16A、16B附近（图中的电极16A、16B的紧下方）和催化剂载体14的内部（例如电极16A、16B之间的催化剂载体14的中心14C附近）大致相同。
在本实施方式中，通过对电极16A、16B附近的催化剂载体14的发热量进行控制，从而实现均衡的温度分布。
通过通电而产生的发热量W由W＝R×I2来表示。此处，W为发热量，I为电流，R为电阻。
此外，电阻R由R＝ρ×L/A来表示。此处，ρ为通电体（在本实施方式中为电极16A、16B）的体积电阻率，L为通电体（电极16A、16B）的长度，A为通电体（电极16A、16B）的截面面积。通过上述式可知，作为对发热量W进行控制的方法，电极16A、16B的体积电阻率ρ为参数。
在图2A中，模式化地图示了催化剂载体14的电极16A、16B附近和催化剂载体14的中心部的发热量，在图2B中，模式化地图示了催化剂载体14的电极16A、16B附近和催化剂载体14的中心部的散热量。此外，在图2C中，模式化地图示了催化剂载体14的电极16A、16B附近和催化剂载体14的中心部的温度。
如图2B所示，在催化剂载体14的电极16A、16B附近，由于自电极16A、16B的散热和向外部电缆30的传热，从而散热量较大。因此，如图2A所示，需要使电极16A、16B附近的催化剂载体14的发热量大于催化剂载体14的中心部的发热量。因此，为了增加电极16A、16B附近的催化剂载体14的发热量，而使电极16A、16B的体积电阻率高于外部电缆30的通电部。即，通过使电极16A、16B的体积电阻率高于外部电缆30的通电部，从而向催化剂载体14施以电极16A、16B中的发热，由此使电极16A、16B附近的催化剂载体14的发热量与催化剂载体14的内部（例如电极16A、16B之间的催化剂载体14的中心14C附近）的发热量相比较多。
在催化剂载体14的外周配置有，由绝缘性材料形成为筒状的保持部件24。而且，在保持部件24的外周配置有，由不锈钢等金属成形为圆筒状的外壳筒体28。即，在圆筒状的外壳筒体28的内部收纳有催化剂载体14，且通过被配置在外壳筒体28与催化剂载体14之间的保持部件24，从而催化剂载体14被无间隙地保持在外壳筒体28的内部。而且，由于具有绝缘性的保持部件24被配置在催化剂载体14与外壳筒体28之间，因此阻止了从催化剂载体14向外壳筒体28的电流的流通。
接下来，对本实施方式的催化转换装置12的作用以及效果进行说明。
催化转换装置12的外壳筒体28被安装在排气管的中途，并且排气沿着箭头标记F1方向通过催化剂载体14的内部。此时，通过催化剂载体14上所负载的催化剂，从而使排气中的有害物质被净化。在本实施方式的催化转换装置12中，从外部电缆30供给电流，并通过端子18A、18B以及电极16A、16B而对催化剂载体14进行通电，从而对催化剂载体14进行加热。在催化剂载体14中，电极16A、16B之间的电流如箭头标记EC那样流通。通过对催化剂载体14进行加热，从而能够使负载于催化剂载体14上的催化剂升温，由此较高程度地发挥净化作用。在例如发动机刚刚启动之后等排气的温度较低的情况下，由于预先实施向催化剂载体14的通电加热，从而能够确保发动机启动初期的催化剂的净化性能。
在本实施方式的催化转换装置12中，采用如下结构，即，使隔着催化剂载体14而对置的一对电极16A、16B的体积电阻率高于外部电缆30的通电部的结构。
此处，如图5A～图5C所示，假定采用了如下结构的比较例的催化转换装置112，所述结构为，使一对电极116A、116B的体积电阻率与外部电缆130的通电部相比没有增加的结构。如图5B所示，在催化剂载体114的电极116A、116B附近，由于自电极116A、116B的散热和向外部电缆130的传热，从而散热量较大（参照图2B）。因此，即使如图5A所示那样，使催化剂载体114的内部的电流分布大致均匀以实现均衡发热，也会如图5C所示那样，由于散热量较大，从而催化剂载体114的电极116A、116B附近的温度与催化剂载体114的中心部的温度相比降低。
与此相对，在本实施方式的催化转换装置12中，如图2A所示，通过使电极16A、16B的体积电阻率高于外部电缆30的通电部，从而使电极16A、16B发热，并向催化剂载体14施以该发热，由此使催化剂载体14的电极16A、16B附近（电极16A、16B紧下方）的发热量与催化剂载体14的中心部的发热量相比较多。即，为了对催化剂载体14的电极16A、16B附近的散热量进行补偿，而使催化剂载体14的电极16A、16B附近的发热量与催化剂载体14的中心部的发热量相比有所增加（将催化剂载体14的电极16A、16B附近的发热量设定为，对催化剂载体14的散热量进行了预估的发热量）。由此，能够使催化剂载体14的各部位中的发热均匀化。因此，如图2C所示，减少了催化剂载体14的温度不均，从而能够使催化剂载体14接近于大致均匀的温度分布。
接下来，利用图3以及图4，对本发明的第二实施方式的催化转换装置52进行说明。另外，对与上文所述的第一实施方式相同的结构部分，标记相同的符号，并省略其说明。
如图3所示，在以与排气的流动方向正交的截面（正交截面）进行观察时，在催化剂载体14的宽度逐渐减小部14D上，以隔着催化剂载体14而对置的方式贴附有两片电极56A、56B，而且在电极56A、56B的中心分别连接有端子18A、18B。即，外部电缆30（参照图2A）通过端子18A、18B而被连接于，在以正交截面进行观察时一对电极56A、56B之间的距离较长的位置（在本实施方式中，为中心线CL的位置）处。
一对电极56A、56B被构成为，在以正交截面进行观察时，从设置有端子18A、18B的位置（连接有外部电缆30的位置）趋向一对电极56A、56B之间的距离缩短的方向，体积电阻率增大。换言之，一对电极56A、56B被构成为，从一对电极56A、56B之间的距离较长的位置60A（中心线CL的位置）趋向一对电极56A、56B之间的距离缩短的位置60B（催化剂载体14的宽度宽大部14W侧的位置），体积电阻率增大。
在本实施方式中，以如下方式构成，即，例如通过对电极56A、56B的材料、或向材料中添加的添加物的量进行调节，从而趋向一对电极56A、56B之间的距离缩短的方向，体积电阻率增大。也可以以如下方式构成，即，电极56A、56B的体积电阻率从设置有端子18A、18B的位置趋向一对电极56A、56B之间的距离缩短的方向而渐渐增大，还可以以阶段性地增大的方式构成。
在催化转换装置52中，通过构成为，从一对电极56A、56B之间的距离较长的位置趋向一对电极56A、56B之间的距离缩短的方向，体积电阻率增大，从而随着从一对电极56A、56B之间的距离较长的位置（设置有端子18A、18B的位置）趋向一对电极56A、56B之间的距离缩短的方向，电流变得不易流通。
在一般情况下，由于催化剂载体14的体积电阻率高于电极56A、56B的体积电阻率，因此与一对电极56A、56B之间的距离较长的催化剂载体14的部位（中心线CL附近）相比，电流欲在一对电极56A、56B之间的距离较短的催化剂载体14的部位（宽度宽大部14W附近）流通。与此相对，在本实施方式中，通过构成为，从一对电极56A、56B之间的距离较长的位置趋向一对电极56A、56B之间的距离缩短的方向，一对电极56A、56B的体积电阻率增大，从而构成为，如图4所示，一对电极56A、56B之间的距离较长的位置60A处的电极56A、56B以及催化剂载体14的电阻，与一对电极56A、56B之间的距离较短的位置60B处的电极56A、56B以及催化剂载体14的电阻大致相等。
此处，当如图3所示，将电极56A、56B的体积电阻率设为ρ，将电极56A、56B的长度设为L，并将电极56A、56B的截面面积设为A时，电阻R由R=ρ×L/A来表示。
此外，图4中的由双点划线所表示的被催化剂载体14包围的部分，表示催化剂载体14的电阻。如图4所示，一对电极56A、56B之间的距离较长的位置60A与一对电极56A、56B之间的距离较短的位置60B相比，催化剂载体14的电阻较大。此外，图4中的一对电极56A、56B之间的距离较短的位置60B处的、被催化剂载体14包围的部分的外侧，表示电极56A、56B的电阻。在本实施方式中，以在一对电极56A、56B之间的距离较长的位置60A和一对电极56A、56B之间的距离较短的位置60B处，总的电阻大致相等的方式，对电极56A、56B的体积电阻率进行调节。
由此，一对电极56A、56B之间的距离较长的位置60A处的电极56A、56B以及催化剂载体14的部位，与一对电极56A、56B之间的距离较短的位置60B处的电极56A、56B以及催化剂载体14的部位中的电流的流通容易度被均匀化，从而能够使电流更加均匀地流通于催化剂载体14中。因此，更加有效地减少了催化剂载体14的温度不均，从而能够使催化剂载体14接近于大致均匀的温度分布。
另外，虽然在上述的实施方式中，催化剂载体14在接触配置有一对电极的部位处，具有与中心线CL正交的方向上的宽度W趋向电极中心而逐渐减小的宽度逐渐减小部14D，并且在未接触配置有一对电极的部位处，具有以与中心线CL大致平行的方式而被形成的直线状的宽度宽大部，但并不限定于该结构，催化剂载体的形状可以变更。例如，催化剂载体的形状可以变更为，在以与排气的流动方向正交的截面进行观察时呈椭圆状、鼓状、圆形形状等。

Claims (2)

1.一种催化转换装置，具有：
催化剂载体，其负载用于对从内燃机被排放出的排气进行净化的催化剂，并通过通电而被加热；
一对电极，在以与所述排气的流动方向正交的正交截面进行观察时，一对所述电极在隔着所述催化剂载体而对置的位置处，与所述催化剂载体的外周接触配置，
在所述催化转换装置中，通过使所述电极的体积电阻率高于，与所述电极分别连接且用于向所述电极供给电流的外部电缆的通电部，从而向所述催化剂载体施以所述电极中的发热，由此使所述电极附近的所述催化剂载体的发热量与所述催化剂载体的内部的发热量相比较多。
2.如权利要求1所述的催化转换装置，其中，
所述外部电缆被连接于，在以所述正交截面进行观察时一对所述电极之间的距离较长的位置处，
一对所述电极被构成为，在以所述正交截面进行观察时，从连接有所述外部电缆的位置趋向一对所述电极之间的距离缩短的方向，体积电阻率增大。
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