JP2011099405A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気浄化装置に関し、特にエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置に関する。 The present invention relates to an exhaust purification device, and more particularly to an exhaust purification device that purifies exhaust gas discharged from an engine.
従来、自動車等の排気経路上に設けられ、エンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置として通電加熱式触媒(Electrically Heated Catalyst:EHC)が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an electrically heated catalyst (EHC) is known as an exhaust purification device that is provided on an exhaust path of an automobile or the like and purifies exhaust gas exhausted from an engine.
図8に示すように、従来のEHCである排気浄化装置100は、外装をなす中空のケース110と、ケース110の内部に収納され、白金、又はパラジウム等の触媒が担持されたハニカム構造を有する円筒状の担体120と、担体120の外周面に互いに対向するように設けられ、担体120と電気的に接続された電極130・140と、電極130・140にそれぞれ電気的に接続されると共に、バッテリ等の電源にワイヤハーネス等を介して電気的に接続された端子150・160とを具備する。排気浄化装置100は、前記電源から供給されて電極130から電極140に向けて流れる電流により担体120を通電加熱することで、担体120に担持された触媒を活性温度まで昇温して、エンジンから排出される排気ガス中のHC(未燃炭化水素)、CO(一酸化炭素)、及びNOx(窒素酸化物)等の有害物質を触媒反応により浄化する。
As shown in FIG. 8, a conventional
上記のように、担体120に担持された触媒は、活性温度に達している場合において触媒反応により排気ガスを浄化することが可能である。しかし、エンジン始動時、特にコールドスタート時において、触媒の温度が活性温度に達していない場合、排気ガス中の有害物質が浄化されないまま大気中に排出されてしまうという問題が生じる。
As described above, the catalyst supported on the
そのため、担体120のハニカム構造をなす隔壁の厚さを部分的に変更して、電気抵抗を部分的に変化させることで、効率的かつ均等に担体120を加熱し、担体120に担持された触媒を昇温する技術が公知となっている(例えば、特許文献1参照)。
Therefore, the
排気浄化装置100においては、端子150を通過した電流は、電極130からすぐに担体120に流れず、担体120よりも電気抵抗の小さい電極130の両端部へと流れる(図中矢印参照)。そのため、担体120の周方向における電極130・140の両端部近傍においては、それらの中央付近よりも電流密度が高くなり、担体120全体として温度にばらつきが生じる。
特許文献1に記載の技術では、このような問題が考慮されておらず、温度のばらつきが生じないように均等に担体120を加熱することができなかった。そのため、コールドスタート時に担体120に担持された触媒において活性温度に達していない部分が生じるおそれがあり、排気ガス中の有害物質の浄化が充分ではなかった。
In the
In the technique described in Patent Document 1, such a problem is not taken into consideration, and the
本発明は、担体を均等に加熱して、エンジンのコールドスタート時においても担体に担持された触媒を活性温度まで昇温できる排気浄化装置を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide an exhaust emission control device that can heat a carrier evenly and raise the temperature of a catalyst supported on the carrier to an active temperature even when the engine is cold-started.
本発明の排気浄化装置は、外装をなす中空のケースと、前記ケースの内部に収納され、触媒が担持される担体と、前記担体の外周面に設けられる一対の電極と、前記一対の電極に電気的に接続され、前記ケースの外部に突出する一対の端子と、を具備し、前記一対の電極を通じて前記担体を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置であって、前記担体は、複数の隔壁によってハニカム構造に形成され、前記複数の隔壁を通じて、前記担体を通電加熱するための電流が前記一対の電極間を流れ、下記の数1から算出される、前記端子間のすべての電流経路の電気抵抗が等しくなるように前記担体の隔壁の厚さが設定される。
本発明によれば、担体を均等に加熱して、エンジンのコールドスタート時においても担体に担持された触媒を活性温度まで昇温できる。 According to the present invention, the support can be heated evenly, and the temperature of the catalyst supported on the support can be raised to the activation temperature even when the engine is cold started.
以下では、図1〜図2を参照して、排気浄化装置1について説明する。
排気浄化装置1は、自動車等の排気経路上に設けられ、エンジンから排出される排気ガスを浄化する通電加熱式触媒(Electrically Heated Catalyst:EHC)である。
Below, with reference to FIGS. 1-2, the exhaust gas purification apparatus 1 is demonstrated.
The exhaust purification device 1 is an electrically heated catalyst (EHC) that is provided on an exhaust path of an automobile or the like and purifies exhaust gas discharged from an engine.
図1及び図2に示すように、排気浄化装置1は、外装をなす中空のケース10と、ケース10の内部に収納された担体20と、担体20の外周面に設けられた電極30・40と、電極30・40にそれぞれ電気的に接続された端子50・60とを具備する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the exhaust emission control device 1 includes a
ケース10は、排気浄化装置1の外装をなすと共に、エンジンから排出される排気ガスが流動する排気管の一部をなす部材であり、略円筒状に形成されている。
The
担体20は、SiC(炭化ケイ素)、又はコーディエライト等のセラミックスからなる円筒状の部材であり、白金、又はパラジウム等の触媒が担持されている。担体20は、複数の隔壁21・21・・・によってハニカム構造に形成されている。
担体20の外径は、ケース10の内径よりも若干小さく設定される。担体20は、ケース10の内部においてケース10の内周面との間に所定の隙間(ケース10の内周面と担体20の外周面に設けられた電極30・40とが接触しない程度の隙間)を有するように配置されると共に、エンジンから排出される排気ガスが担体20の内部を軸方向に通過するように配置されている。なお、ケース10の内周面と担体20の外周面との間には、アルミナ等からなる保持部材(不図示)が設けられており、担体20の位置ずれを防止すると共に、ケース10の内周面と担体20の外周面との間の隙間をシールしている。
The
The outer diameter of the
隔壁21は、担体20の内部空間を複数に分割するものであり、複数の隔壁21・21・・・が互いに間隔を空けて配置されると共に、直交するように配置される。このように配置される隔壁21・21・・・によって担体20を格子状のハニカム構造に構成する。隔壁21・21・・・の厚さは、隔壁21ごとに異なり、電気抵抗を部分的に変化することで担体20が均等に加熱されるように設定されている。各隔壁21の厚さの設定については後述する。
The
電極30・40は、溶射によって担体20の外周面に層状に形成された銅、又はアルミニウム等からなる一対の電極である。電極30・40は、それぞれ担体20の周方向における所定範囲に設けられ、互いに180度の位相差をもって対向した状態で担体20の軸方向における両端部に亘って担体20の軸芯と平行に延出されている。担体20の周方向における電極30・40の長さは、互いに同一に設定され、担体20の軸方向における電極30・40の長さも、互いに同一に設定されている。電極30・40は、担体20と電気的に接続されており、担体20に電流を流して加熱するための電極として機能する。一対の電極30・40間においては、複数の隔壁21・21・・・を通じて担体20を通電加熱するための電流が流れる。
なお、本実施形態においては、電極30をプラス側、電極40をマイナス側の電極として、電極30から電極40に向けて電流が流れるように構成している。
The
In the present embodiment, the
端子50・60は、電極30・40と、ケース10の外部に設けられたバッテリ等の電源とを電気的に接続するための棒状部材である。端子50・60は、それぞれ担体20における電極30・40が設けられた位置に合わせて配置され、本実施形態においては、互いに180度の位相差をもって対向するように電極30・40の中央部に配置されている。端子50・60は、それらの一端部がケース10の外部に突出するようにケース10に貫通した状態で固定されている。
端子50・60は、ケース10の外部において、ワイヤハーネス等の接続部材を介して前記電源と電気的に接続され、ケース10の内部において、それぞれ電極30・40と電気的に接続されている。つまり、端子50・60の一端部と前記接続部材とが接続され、端子50・60の他端部と電極30・40とがそれぞれ接続されている。こうして、端子50・60によって前記電源と電極30・40とが電気的に接続することを可能としている。
なお、本実施形態においては、端子50をプラス側、端子60をマイナス側の端子として、電流が端子50、電極30、担体20、電極40、端子60の順に流れるように構成している(図1参照)。
The
The
In the present embodiment, the
以上のように、排気浄化装置1では、前記電源を用いて電極30から電極40に向けて通電することにより担体20を加熱することで、担体20に担持された触媒を活性温度まで昇温して、エンジンから排出されて担体20を通過する排気ガス中のHC(未燃炭化水素)、CO(一酸化炭素)、及びNOx(窒素酸化物)等の有害物質を触媒反応により浄化する。
As described above, in the exhaust gas purification apparatus 1, the catalyst carried on the
以下では、図3〜図5を参照して、担体20における各隔壁21の厚さの設定について詳細に説明する。
なお、以下においては、図3における上下方向を担体20の上下方向と規定して説明する。また、隔壁21・21・・・は、担体20の周方向における電極30・40の中央位置を結んだ線(図3において上下方向に結ばれる線)に対して平行、又は直交しているものとし、当該上下方向に沿って配置される隔壁21・21・・・の左右方向の長さを各隔壁21の厚さとして説明する。
つまり、ここでは、電極30・40の配置方向と直交する方向(左右方向)については電流が流れにくくなるため、上下方向に沿って配置される隔壁21・21・・・の厚みを設定することによって、担体20が均等に加熱されるように設定している。
Below, with reference to FIGS. 3-5, the setting of the thickness of each
In the following description, the vertical direction in FIG. 3 is defined as the vertical direction of the
That is, here, since the current hardly flows in the direction (left-right direction) orthogonal to the arrangement direction of the
上記のように、各隔壁21の厚さを設定する際、各隔壁21を通り、かつ、端子50、電極30、電極40、端子60の順に流れる端子50・60間の電流経路における電気抵抗を下記の数1から算出し、すべての電流経路における電気抵抗が等しくなるようにする。つまり、電流経路長(L)が異なる各隔壁21の厚さを適宜変更することで、電流経路断面積(A)を増減して電気抵抗を等しくする。
As described above, when setting the thickness of each
ここで、図3に示すように、任意の一つの上下方向の隔壁21を隔壁21a、及びその厚さをt1とし、隔壁21aに隣接して隔壁21aよりも担体20の径方向外側に位置する隔壁21を隔壁21b、及びその厚さをt2とする。更に、電流経路の始点を担体20の周方向において端子50が位置する点Aとし、隔壁21aの両端部を点B、及び点Cとし、電流経路の終点を担体20の周方向において端子60が位置する点Dとする。
この時、隔壁21aを通る電流経路は、点A、点B、点C、点Dを順に辿る経路となる。
なお、隔壁21a・21bは、担体20の周方向における電極30・40が設けられた範囲に位置するものとする。また、左右方向の隔壁21は考慮しない。
Here, as shown in FIG. 3, any one of the
At this time, the current path passing through the
The
上記の隔壁21aを通る電流経路は、電極30上の電流経路と、隔壁21a上の電流経路と、電極40上の電流経路とに分けることができる。担体20の電気抵抗は、電極30・40の電気抵抗よりも大きく、担体20の外周面において電極30・40が設けられている範囲では、電流が担体20よりも電極30・40を優先して流れるためである。
この時、電極30上の電流経路は、担体20の周方向における円弧ABとなり、隔壁21a上の電流経路は、直線BCとなり、電極40上の電流経路は、担体20の周方向における円弧CDとなる。
ここで、円弧ABの長さと円弧CDの長さとを加算したもの、つまり電極30・40の電流経路長をLeとする。更に、直線BCの長さ、つまり隔壁21aの電流経路長をLcとする。
The current path passing through the
At this time, the current path on the
Here, the result of the addition of the lengths of the arc CD arc AB, that is, the current path length of the
担体20の軸方向から見た中心を二次元座標(xy座標)の原点Oとして、更に説明する。
ここで、図4に示すように、担体20の直径をdとすると、担体20の外周の座標(x,y)が下記の数2で表される。
The center of the
Here, as shown in FIG. 4, when the diameter of the
まず、隔壁21aの電流経路長Lcを求める。
隔壁21aの厚さ方向の中心部分におけるx座標をx1とし、このx座標に対応する担体20の外周のy座標をy1とすると、上記の数2より下記の数3のように表される。
First, the current path length L c of the
The x-coordinate in the thickness direction central portion of the
この時、y1は、隔壁21aの電流経路長(図4における隔壁21aの上下方向の長さ)Lcの半分である。そのため、隔壁21aの電流経路長Lcを下記の数4のように表すことができる。
In this case, y 1 is a half of (vertical length of the
次に、電極30・40の電流経路長Leを求める。
担体20における端子50の中心部から隔壁21aの厚さ方向の中心部分までの円弧(図3における円弧AB)に対する中心角の角度をθ1とすると、下記の数5が成立する。
Next, determine the current path length L e of the
When angle theta 1 of the center angle with respect to the arc from the center of the terminal 50 in the
上記の数5を下記の数6に変換する。
隔壁21aは、y軸と平行に配置されているため、担体20における隔壁21aの厚さ方向の中心部分から端子60の中心部までの円弧(図3における円弧CD)に対する中心角の角度もθ1であり、担体20における端子50の中心部から隔壁21aの厚さ方向の中心部分までの円弧(図3における円弧AB)の長さと、担体20における隔壁21aの厚さ方向の中心部分から端子60の中心部までの円弧(図3における円弧CD)の長さとが同一である。そのため、電極30・40の電流経路長Leを上記の数3、及び数6より下記の数7のように表すことができる。
Since the
以上のように、隔壁21aの電流経路長Lc、及び電極30・40の電流経路長Leが求められた上で、担体20の隔壁21aにおける電気抵抗をRcとし、担体20の電気抵抗率をρcとし、担体20の隔壁21aにおける電流経路の断面積をAcとすると、上記の数1、及び数4より下記の数8が成立する。
なお、本実施形態においては、隔壁21aの電流経路断面積Acは、隔壁21aの厚さt1と、担体20の軸方向の長さであるz(図2参照)とを乗算したものである。
As described above, the current path length L c of the
In the present embodiment, the current path cross-sectional area Ac of the
また、電極30・40の電気抵抗をReとし、電極30・40の電気抵抗率をρeとし、電極30・40における電流経路の断面積をAeとすると、上記の数1、及び数7より下記の数9が成立する。
Further, the electrical resistance of the
隔壁21aを通る電流経路(図3における点A、点B、点C、点Dを順に辿る経路)の電気抵抗をR1とすると、R1はRcとReとの合成抵抗とみなすことができる。そのため、R1を上記の数8、及び数9より下記の数10のように表すことができる。
なお、電極30・40の電気抵抗率ρeは、担体20の電気抵抗率ρcと比較して極めて小さく、それに伴って電極30・40の電気抵抗Reも担体20の隔壁21aにおける電気抵抗Rcと比較して極めて小さくなるため、電極30・40の電気抵抗Reを無視してもよい(R1=Rc)。
これにより、上下方向の隔壁21の厚さの設定をより簡略にすることができる。
Current path through the
Note that the electrical resistivity ρ e of the
Thereby, the setting of the thickness of the
隔壁21aを通る電流経路の電気抵抗であるR1を求めるのと同様に、隔壁21bの厚さ方向の中心部分におけるx座標をx2とし、このx座標に対応する担体20の外周のy座標をy2とし、更に担体20における端子50の中心部から隔壁21bの厚さ方向の中心部分までの円弧に対する中心角の角度をθ2として、隔壁21bを通る電流経路の電気抵抗を求める。この時、隔壁21bを通る電流経路の電気抵抗をR2とする。
そして、R1とR2とが等しくなるように、t1とt2とを設定する。
なお、前述のように、隔壁21a・21bは、担体20の周方向における電極30・40が設けられた範囲に位置しており、当該範囲における上下方向の隔壁21の厚さは、担体20の径方向外側に行くに従って小さく設定される。つまり、図3及び図4に示すように、隔壁21a、隔壁21bの順にその厚さが小さく設定される(t1>t2)。
Similarly to obtaining R 1 which is the electric resistance of the current path passing through the
Then, t 1 and t 2 are set so that R 1 and R 2 are equal.
As described above, the
続いて、担体20の周方向における電極30・40が設けられた範囲に位置しない上下方向の隔壁21について説明する。
ここで、図5に示すように、任意の一つの上下方向の隔壁21を隔壁21c、及びその厚さをt3とし、隔壁21cに隣接して隔壁21cよりも担体20の径方向内側に位置する隔壁21を隔壁21d、及びその厚さをt4とする。更に、電流経路の始点を担体20の周方向において端子50が位置する点Aとし、担体20の周方向における電極30の一端部(図5における右端部)と担体20の外周との接触位置を点Eとし、隔壁21cの両端部を点F、及び点Gとし、担体20の周方向における電極40の一端部(図5における右端部)と担体20の外周との接触位置を点Hとし、電流経路の終点を担体20の周方向において端子60が位置する点Dとする。
この時、隔壁21cを通る電流経路は、点A、点E、点F、点G、点H、点Dを順に辿る経路となる。
なお、隔壁21c・21dは、担体20の周方向における電極30・40が設けられていない範囲に位置するものとする。また、左右方向の隔壁21は考慮しない。
Next, the
Here, as shown in FIG. 5, any one of the
At this time, the current path passing through the
The
上記の隔壁21cを通る電流経路は、電極30上の電流経路と、担体20上の電流経路と、電極40上の電流経路とに分けることができる。担体20の電気抵抗は、電極30・40の電気抵抗よりも大きく、担体20の外周面において電極30・40が設けられている範囲では、電流が担体20よりも電極30・40を優先して流れるためである。
この時、電極30上の電流経路は、担体20の周方向における円弧AEとなり、担体20上の電流経路は、円弧EF、直線FG、及び円弧GHとなり、電極40上の電流経路は、担体20の周方向における円弧HDとなる。つまり、前記の隔壁21aを通る電流経路(図3における点A、点B、点C、点Dを順に辿る経路)と比較して、隔壁21cを通る電流経路(図5における点A、点E、点F、点G、点H、点Dを順に辿る経路)は、電極30・40が設けられていない範囲における担体20の外周を考慮する必要がある。
隔壁21cの厚さt3、及び隔壁21dの厚さt4の設定に関しては、隔壁21aの厚さt1、及び隔壁21bの厚さt2の設定と略同様であるため、詳細は省略する。
なお、前述のように、隔壁21c・21dは、担体20の周方向における電極30・40が設けられていない範囲に位置しており、当該範囲における上下方向の隔壁21の厚さは、担体20の径方向外側に行くに従って大きく設定される。つまり、図5に示すように、隔壁21d、隔壁21cの順にその厚さが大きく設定される(t3>t4)。
The current path passing through the
At this time, the current path on the
Since the setting of the thickness t 3 of the
As described above, the
以上のように、各隔壁21を通過し、かつ、端子50、電極30、電極40、端子60の順に流れる端子50・60間の電流経路における電気抵抗を上記の数1から算出し、すべての電流経路における電気抵抗が等しくなるように、担体20におけるすべての上下方向の隔壁21・21・・・の厚さを設定する。
こうして、上下方向の隔壁21・21・・・は、担体20の周方向における電極30・40が設けられた範囲においては、担体20の径方向外側に行くに従って厚さが小さくなり、担体20の周方向における電極30・40が設けられていない範囲においては、担体20の径方向外側に行くに従って厚さが大きくなる。
これにより、電流をすべての上下方向の隔壁21・21・・・において均等に流すことができ、担体20の周方向における電極30・40の両端部近傍の電流密度が中央付近の電流密度よりも高くなることなく、担体20における電流密度のばらつきを防止することができる。したがって、担体20を均等に加熱して、エンジンのコールドスタート時においても担体に担持された触媒を活性温度まで昇温できる。
As described above, the electric resistance in the current path between the
In this way, the
This allows current to flow evenly in all the
なお、図6に示すように、端子50・60が担体20の周方向における電極30・40の中央部に配置されていない場合においても、端子50・60が担体20の周方向における電極30・40の中央部に配置された場合と同様に、上下方向の隔壁21の厚さを設定することが可能である。また、前述のように、担体20上の電流経路の電気抵抗と、電極30・40上の電流経路の電気抵抗との合成抵抗を算出する際に、電極30・40に上の電流経路の電気抵抗を無視することで、上下方向の隔壁21の厚さの設定をより簡略にすることができる。
As shown in FIG. 6, even when the
また、図7に示すように、隔壁21・21・・・が担体20の周方向における電極30・40の中央位置を結んだ線(図7において上下方向に結ばれる線)に対して平行ではない、又は直交していない場合、つまり担体20が電極30・40に対して周方向に傾いている場合においても、各隔壁21の厚さを設定することが可能である。
詳細には、任意の位置(例えば、図7に示す直線α、及び直線β)に上下方向の隔壁21があるものと仮定して、当該隔壁21の厚さを担体20が電極30・40に対して周方向に傾いていない場合(隔壁21・21・・・が担体20の周方向における電極30・40の中央位置を結んだ線に対して平行、又は直交している場合)と同様に設定し、当該設定された厚さを仮定された隔壁21の近傍に現実に存在する隔壁21(図7に示す直線α、及び直線βに交差する隔壁21であって、太線で示す部分)の厚さとする。
As shown in FIG. 7, the
More specifically, assuming that there is a
1 排気浄化装置
10 ケース
20 担体
21 隔壁
21a、21b、21c、21d 隔壁
30、40 電極
50、60 端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (1)
前記ケースの内部に収納され、触媒が担持される担体と、
前記担体の外周面に設けられる一対の電極と、
前記一対の電極に電気的に接続され、前記ケースの外部に突出する一対の端子と、を具備し、
前記一対の電極を通じて前記担体を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置であって、
前記担体は、複数の隔壁によってハニカム構造に形成され、
前記複数の隔壁を通じて、前記担体を通電加熱するための電流が前記一対の電極間を流れ、
下記の数1から算出される、前記端子間のすべての電流経路の電気抵抗が等しくなるように前記担体の隔壁の厚さが設定される排気浄化装置。
A carrier housed in the case and carrying a catalyst;
A pair of electrodes provided on the outer peripheral surface of the carrier;
A pair of terminals electrically connected to the pair of electrodes and projecting to the outside of the case;
An exhaust gas purification apparatus that heats the carrier through the pair of electrodes and heats the catalyst to an activation temperature,
The carrier is formed into a honeycomb structure by a plurality of partition walls,
Through the plurality of partition walls, a current for energizing and heating the carrier flows between the pair of electrodes,
An exhaust emission control device in which the thickness of the partition wall of the carrier is set so that the electric resistances of all the current paths between the terminals calculated from the following formula 1 are equal.
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