JP2012036797A - 触媒コンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気中に含まれるカーボンに起因する触媒担体への通電効率の低下を抑制可能な触媒コンバータ装置を得る。
【解決手段】触媒を担持する触媒担体１４に通電することで、触媒担体１４を加熱し触媒を昇温させ、触媒の浄化作用を高く発揮させることができる。触媒担体１４の上流側には、カーボン捕集装置４２が配置されており、排気中のカーボンを捕集することで、触媒担体１４や保持マット２６、ケース筒体２８へのカーボン付着を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気管に設けられる触媒コンバータ装置に関する。

内燃機関で生じた排気を浄化するために排気管に設けられる触媒コンバータ装置では、たとえば特許文献１に記載されているように、触媒を担持する金属製触媒担体を通電して昇温させ、十分な触媒効果が得られるようにしたものがある。

ところで、特許文献１に記載の構造では、排気中に含まれるカーボンが金属製触媒担体やマット部材等の上流側に付着すると、金属製触媒担体が収容された筒体（金属製シェル）と触媒担体との間の電気抵抗がカーボンによって低下してしまい、触媒担体への通電効率が低下する。

特開平５−２６９３８７号公報

本発明は上記事実を考慮し、排気中に含まれるカーボンに起因する触媒担体への通電効率の低下を抑制可能な触媒コンバータ装置を得ることを課題とする。

請求項１に記載の発明では、内燃機関から排出される排気を浄化するための触媒を担持し、通電によって加熱される触媒担体と、筒状に形成されて内部に前記触媒担体が収容されると共に排気管に取り付けられる筒体と、前記触媒担体よりも前記排気の流れ方向上流側に設けられ、排気中のカーボンを捕集するカーボン捕集装置と、を有する。

この触媒コンバータ装置では、触媒担体が通電により加熱されて昇温されると、担持された触媒による浄化効果を、昇温されていない場合と比較して、より高く発揮させることができる。

排気中には、内燃機関の燃焼で生じたカーボンが含まれることがあり、このカーボンが触媒担体や筒体に付着すると、筒体と触媒担体との電気抵抗が低下して触媒担体への通電効率が低下することがある。本発明では、触媒担体よりも排気の流れ方向上流側（筒体内であっても排気管内であってもよい）にカーボン捕集装置が設けられており、排気中のカーボンを捕集する。したがって、触媒担体や筒体へのカーボンの付着が抑制され、筒体と触媒担体との電気抵抗の低下も抑制できる。これにより、電気が確実に触媒担体を流れるようになるので、触媒担体の加熱効果の低下を抑制できる。

なお、カーボン捕集装置で捕集されたカーボンを、排気の熱で燃焼させて除去することも可能であり、これにより、カーボン捕集装置の交換等のメンテナンスが不要となる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記カーボン捕集装置によって捕集されたカーボン量を検知するカーボン量センサを有する。

カーボン量センサによって検知された、カーボン捕集装置のカーボン量（捕集カーボン量）に基づいて、たとえば、捕集カーボンの燃焼を促進する処理を行うことが可能になる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記カーボン量センサが、前記カーボン捕集装置よりも前記排気の流れ方向上流側に設けられ、排気の圧力を検知する上流側排気圧センサと、前記カーボン捕集装置と前記触媒担体との間に設けられ、排気の圧力を検知する下流側排気圧センサと、を備えている。

カーボン捕集装置で捕集されたカーボン量が多くなり所定量を超えると、排気がカーボン捕集装置を通りづらくなるので、カーボン捕集装置の上流側と下流側とで排気圧の差が大きくなる。これを利用し、上流側排気圧センサで検知されたカーボン捕集装置の上流側の排気圧（上流側排気圧）と、下流側排気圧センサで検知されたカーボン捕集装置の下流側の排気圧（下流側排気圧）との差に基づいて、カーボン捕集装置で捕集されたカーボン量を知ることができる。実質的に、カーボン量センサを、上流側排気圧センサと下流側排気圧センサを有する簡単な構成で実現できる。

請求項４に記載の発明では、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記カーボン量センサで検知されたカーボン量が所定値を超えると、前記カーボン捕集装置におけるカーボン燃焼を促進する燃焼促進処理を行う燃焼制御装置、を有する。

カーボン量センサで検知されたカーボン量が所定値を超えると、燃焼制御装置は、燃焼促進処理を行い、カーボン捕集装置におけるカーボン燃焼を促進する。これにより、カーボン捕集装置に捕集されたカーボン量が過度に増加することを抑制でき、効率的なカーボン捕集が可能となる。なお、この燃焼促進処理は、請求項５に記載のように、前記内燃機関から排出される排気を高温にすることで前記燃焼促進処理を行うものでもよいし、請求項６に記載のように、前記内燃機関から排出される排気の酸素量を増加させることで前記燃焼促進処理を行うものでもよく、これらは単独であるいは併用で行うことができる。請求項６、７のいずれに記載の燃焼促進処理においても、カーボンの燃焼を促進するためにあらたな部材を追加する必要がない。

請求項７に記載の発明では、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の発明において、前記カーボン捕集装置が、前記排気の流れ方向で互いに対向して設けられ、排気を通過させる通過孔が形成された複数の捕集材保持体と、前記捕集材保持体の間に配置されたカーボン捕集材と、を含んで構成されている。

したがって、複数の捕集材保持体によりカーボン捕集材を所定位置で保持することができる。捕集材保持体には通過孔が形成されているので、排気中のカーボンをカーボン捕集材に到達させて捕集することができる。

本発明は上記構成としたので、排気中に含まれるカーボンに起因する触媒担体への通電効率の低下を抑制可能となる。

本発明の一実施形態の触媒コンバータ装置を排気管への取付状態において中心線を含む断面で示す断面図である。

図１には、本発明の一実施形態の触媒コンバータ装置１２が排気管１０への装着状態で示されている。

図１に示すように、触媒コンバータ装置１２は、導電性及び剛性を有する材料によって形成された触媒担体１４を有している。触媒担体１４を構成する材料としては、導電性セラミック、導電性樹脂や金属等を適用可能であるが、本実施形態では特に導電性セラミックとしている。

触媒担体１４は、たとえばハニカム状または波状等とした薄板を渦巻状あるは同心円状等に構成することで、材料の表面積が増大された円柱状あるいは円筒状に形成されている。触媒担体１４の表面には触媒（白金、パラジウム、ロジウム等）が付着された状態で担持されている。触媒は、排気管１０内を流れる排気（流れ方向を矢印Ｆ１で示す）中の有害物質を浄化する作用を有している。

触媒担体１４の外周面には２枚の電極１６Ａ、１６Ｂが貼着され、さらに電極１６Ａ、１６Ｂにはそれぞれ端子１８Ａ、１８Ｂが接続されている。端子１８Ａ、１８Ｂから電極１６Ａ、１６Ｂを通じて触媒担体１４に通電することで、触媒担体１４を加熱し触媒を昇温させることで、触媒の浄化作用を高く発揮させることができるようになっている。

触媒担体１４は、外周に配置された保持マット２６（本発明に係る保持部材）によって、ケース筒体２８（本発明に係る筒体）の内部に収容された状態で保持されている。ケース筒体２８は、ステンレス等の金属で略円筒状に成形されており、流れ方向上流側の上流側テーパー部２８Ａと、流れ方向中間部分で排気管１０よりも大径の大径部２８Ｂ、及び長手方向下流側で大径部２８Ｂから連続する下流側テーパー部２８Ｃを有している。このようなケース筒体２８の形状におり、排気の流路の断面積が、このケース筒体２８の部分（特に大径部２８Ｂ）では局所的に拡大されていることになる。

保持マット２６は、内側から順に、内側繊維層３０、固体層３２、外側繊維層３４の三層構造とされた略円筒状に形成されている。これらの内側繊維層３０及び外側繊維層３４は、たとえばアルミナマットや樹脂マット、セラミックウール等により、絶縁性と所定の弾性を有する繊維状に形成されている。この弾性により、保持マット２６は、触媒担体１４を略円筒状のケース筒体２８の内部において、これらが同心（中心線ＣＬ）となるように保持している。特に、排気管１０内を通過する排気の熱や、触媒担体１４への通電加熱による膨張量がケース筒体２８と触媒担体１４とで異なっていても、この膨張量の違いが保持マット２６の弾性により吸収される。さらに、排気管１０を通じた振動の入力に対しても、保持マット２６が緩衝作用を発揮しつつケース筒体２８と触媒担体１４との位置ズレを吸収する。

しかも、絶縁性を有する保持マット２６が触媒担体１４とケース筒体２８との間に配置されているので、触媒担体１４からケース筒体２８への電気の流れが阻止されることになる。なお、内側繊維層３０及び外側繊維層３４を構成する材料としては、インタラムマットやムライト等も適用可能である。

これに対し、固体層３２は、本実施形態では、たとえば金属等の固体材料により構成されている。すなわち、固体材料により形状安定性を有する固体層３２の内周側及び外周側に、絶縁性及び弾性を有する内側繊維層３０及び外側繊維層３４が配置されて、触媒担体１４がケース筒体２８の内部に安定的に保持されている。

固体層３２は、外側繊維層３４の上流側端面３４Ａから上流側に突出されて、突出部３８が構成されている。突出部３８とケース筒体２８との間には、隙間部４０が構成されている。

ケース筒体２８の大径部２８Ｂ、外側繊維層３４、固体層３２及び内側繊維層３０には、端子１８Ａ、１８Ｂが貫通される貫通孔３６が形成されており、端子１８Ａ、１８Ｂとは接触しないようになっている。

触媒担体１４の上流側（本実施形態では特に、大径部２８Ｂの内側）には、カーボン捕集装置４２が配置されている。カーボン捕集装置４２は、排気中のカーボンを捕集するカーボン捕集材４４と、このカーボン捕集材４４の上流側及び下流側に配置された上流側保持体４６Ａ及び下流側保持体４６Ｂを有している。

カーボン捕集材４４は、たとえば、ＳＵＳ等の金属繊維により構成された不織布で構成されている。このように不織布や多孔質の金属を用いることで、排気が接触する接触面積が広くなり、効果的にカーボンを捕集することができる。なお、捕集されたカーボンは、排気の熱が作用することで燃焼される。

上流側保持体４６Ａ及び下流側保持体４６Ｂはいずれも、大径部２８Ｂの内径に等しい外径を有する円板状の保持部材本体部４８と、保持部材本体部４８の周囲から直角に立ち上げられた取付フランジ５０と、を有している。上流側保持体４６Ａの取付フランジ５０が上流側を向くと共に、下流側保持体４６Ｂの取付フランジ５０が下流側を向いており、且つそれぞれの保持部材本体部４８の間に所定の間隙が構成されるように、上流側保持体４６Ａ及び下流側保持体４６Ｂが大径部２８Ｂに取り付けられている。そして、保持部材本体部４８の間の間隙にカーボン捕集材４４が封入された状態で保持されている。

保持部材本体部４８には、厚み方向に貫通する複数の通過孔５２が形成されている。排気は、上流側保持体４６Ａの通過孔５２を通過してカーボン捕集材４４に達し、カーボンが捕集される。その後、排気は下流側保持体４６Ｂの通過孔５２を通過し、触媒担体１４に至る。

カーボン捕集装置４２の上流側及び下流側にはそれぞれ、排気の圧力を検知する上流側排気圧センサ５４Ａ及び下流側排気圧センサ５４Ｂが配置されている。これらの排気圧センサで検知された排気圧は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５６に送られる。ＥＣＵ５６では、上流側の排気圧と下流側の排気圧の差（カーボン捕集装置４２における圧力損失）を計算し、この排気圧の差に基づいて、図示しないエンジンの回転数や空燃比を制御する。

次に、本実施形態の触媒コンバータ装置１２の作用、及び触媒コンバータ装置１２を用いて排気を浄化する排気浄化方法を説明する。

図１に示すように、触媒コンバータ装置１２では、触媒担体１４の内部を排気が通過するとき、触媒担体１４に担持された触媒により、排気中の有害物質が浄化される。特に、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、端子１８Ａ、１８Ｂ及び電極１６Ａ、１６Ｂによって触媒担体１４に通電し、触媒担体１４を加熱することで、触媒担体１４に担持された触媒を昇温させ、浄化作用をより高く発揮させることができる。たとえば、エンジンの始動直後等、排気の温度が低い場合には、あらかじめ触媒担体１４への通電加熱を行うことで、エンジン始動初期における触媒の浄化性能を確保できる。

排気中にはカーボンが含まれており、このカーボンが触媒担体１４や保持マット２６の上流側端面から大径部２８Ｂの内周面に付着すると、触媒担体１４とケース筒体２８との電気抵抗が低下して、触媒担体１４の通電効率が低下することがある。そしてこれにより、触媒担体１４に担持された触媒の加熱効率も低下する懸念がある。

これに対し、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、触媒担体１４の上流側に設けられたカーボン捕集装置４２のカーボン捕集材４４により、排気中のカーボンを捕集することができる。触媒担体１４や保持マット２６、ケース筒体２８へのカーボンの付着が抑制されるので、触媒担体１４とケース筒体２８との電気抵抗を維持し、触媒担体１４の通電効率の低下を抑制することができる。

カーボン捕集材４４に捕集されたカーボンは時間の経過と共に堆積されるが、このカーボンは、排気が所定温度以上になると燃焼される。この場合の所定温度は、たとえば５８０℃程度とされ、エンジンが高温で駆動されているときには、実際にこの温度に達する。したがって、定期的なメンテナンス（カーボン捕集材４４の交換や付着カーボンの除去）を行う必要がない。

しかも、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、上流側排気圧センサ５４Ａ及び下流側排気圧センサ５４Ｂで検知した、カーボン捕集装置４２の上流側及び下流側の排気圧に基づいて、ＥＣＵ５６が上流側の排気圧と下流側の排気圧の差を計算する。そして、この排気圧の差から、カーボン捕集材４４で捕集されたカーボン量を推定する。すなわち、排気圧差が大きくなると、カーボン捕集材４４に多くのカーボンが捕集されて圧力損失が大きくなったと判断できる。この排気圧の差が所定値を超えると、ＥＣＵ５６は、カーボンの燃焼を促進する燃焼促進処理を行う。これにより、カーボン捕集材４４に捕集されたカーボンの量が過度に増加することを適切なタイミングで効果的に抑制でき、効率的なカーボン捕集が可能となる。

なお、この燃焼促進処理には、たとえば、エンジンの回転数をわずかに上げて排気の温度を上げる処理や、エンジンの空燃比をより酸素量が多くなる（酸素リッチになる）ように変更する処理が含まれる。また、これらの処理は、単独で適用してもよいが、併用してもよい。

なお、燃焼促進処理では、要するに、カーボン捕集材４４に捕集されたカーボンの燃焼を促進すればよいため、上記以外の方法に依ることも可能である。たとえば、カーボン捕集材４４に電圧を印加してＳＵＳ等の金属繊維を発熱させて、カーボンの燃焼を促進してもよい。さらに、カーボン捕集材４４を加熱するヒータを設け、上記した排気圧の差が所定値を超えるとヒータに通電することでカーボン捕集材４４を加熱する構成でもよい。ただし、これらの構成では、カーボン捕集材４４への通電部材や、ヒータ等の加熱部材があらたに必要になるのに対し、上記実施形態の方法では、エンジンの回転数や空燃比を制御しているので、あらたな部材を必要とすることなく燃焼促進処理を行うことが可能である。

このようにして、排気中のカーボンはカーボン捕集装置４２（カーボン捕集材４４）によって捕集されるが、わずかに捕集できなかったカーボンがカーボン捕集装置４２の下流側に達する場合も想定される。ここで、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、絶縁性及び弾性を有する内側繊維層３０及び外側繊維層３４から、さらに上流側に固体層３２が突出されて突出部３８が構成されている。したがって、カーボンが、ケース筒体２８から触媒担体１４まで連続的に付着してこれらを電気的に短絡してしまうことを抑制できるので、触媒担体１４の通電効率を維持して、触媒の加熱効率も維持できる。

なお、本発明では、排気の経路の一部にＳＵＳの不織布で構成されたカーボン捕集材４４が位置している。したがって、カーボン捕集材４４が吸音材として機能し、排気音を低減させる効果も奏する。

上記では、本発明のカーボン捕集材として、ＳＵＳ等の金属繊維により構成された不織布を挙げたが、この他にも、たとえば、ＳＵＳの細ワイヤをメッシュ状に編み込んだものや、内部に多数の空隙を有する多孔質の金属（発泡金属）等を用いることができる。

これらのカーボン捕集材の表面に、排気の浄化用の貴金属（Ｐｔなど）を担持させ、排気の低温状態においてもカーボンの燃焼を促進できるようにしてもよい。

また、本発明の補修材保持体としても、上記では、円板状の保持部材本体部４８と、その周囲の取付フランジ５０を備えた構成のものを挙げたが、たとえば、メッシュ状の部材等を用いてもよい。補修材保持体の数も２つに限定されず、３つ以上としてもよい。

本発明において、カーボン捕集材４４への通電は特に必要がないが、上記したように、カーボン捕集材４４への電圧印加による発熱で、カーボンの燃焼を促進してもよい。また、カーボンの帯電と逆極性に帯電させることで、カーボンの捕集をより促進するようにすることも可能である。一般的には、カーボンはプラスに帯電しているので、カーボン捕集材をマイナスに帯電させることで、捕集を促進できる。

本発明のカーボン量センサとしても、上記したように、カーボン捕集装置４２の上流側と下流側との排気圧の差に基づいてカーボン捕集装置４２の捕集カーボン量を検知するものに限定されない。たとえば、カーボン捕集装置４２に捕集されたカーボンが多くなるとカーボン捕集装置４２の電気抵抗が変化することを利用し、この電気抵抗の変化からカーボン捕集量を検出（算出）するものでもよい。

１０ 排気管
１２ 触媒コンバータ装置
１４ 触媒担体
１６Ａ、１６Ｂ 電極
１８Ａ、１８Ｂ 端子
２６ 保持マット（保持部材）
２８ ケース筒体（筒体）
４２ カーボン捕集装置
４４ カーボン捕集材
４６Ａ 上流側保持体（捕集材保持体）
４６Ｂ 下流側保持体（捕集材保持体）
４８ 保持部材本体部
５０ 取付フランジ
５２ 通過孔
５４Ａ 上流側排気圧センサ（カーボン量センサ）
５４Ｂ 下流側排気圧センサ（カーボン量センサ）
５６ ＥＣＵ（燃焼制御装置）

Claims (7)

1. 内燃機関から排出される排気を浄化するための触媒を担持し、通電によって加熱される触媒担体と、
   筒状に形成されて内部に前記触媒担体が収容されると共に排気管に取り付けられる筒体と、
   前記触媒担体よりも前記排気の流れ方向上流側に設けられ、排気中のカーボンを捕集するカーボン捕集装置と、
   を有する触媒コンバータ装置。
2. 前記カーボン捕集装置によって捕集されたカーボン量を検知するカーボン量センサを有する請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
3. 前記カーボン量センサが、
   前記カーボン捕集装置よりも前記排気の流れ方向上流側に設けられ、排気の圧力を検知する上流側排気圧センサと、
   前記カーボン捕集装置と前記触媒担体との間に設けられ、排気の圧力を検知する下流側排気圧センサと、
   を備えている請求項２に記載の触媒コンバータ装置。
4. 前記カーボン量センサで検知されたカーボン量が所定値を超えると、前記カーボン捕集装置におけるカーボン燃焼を促進する燃焼促進処理を行う燃焼制御装置、
   を有する請求項２又は請求項３に記載の触媒コンバータ装置。
5. 前記燃焼制御装置が、前記内燃機関から排出される排気を高温にすることで前記燃焼促進処理を行う請求項４に記載の触媒コンバータ装置。
6. 前記燃焼制御装置が、前記内燃機関から排出される排気の酸素量を増加させることで前記燃焼促進処理を行う請求項４又は請求項５に記載の職体コンバータ装置。
7. 前記カーボン捕集装置が、
   前記排気の流れ方向で互いに対向して設けられ、排気を通過させる通過孔が形成された複数の捕集材保持体と、
   前記捕集材保持体の間に配置されたカーボン捕集材と、
   を含んで構成されている請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のカーボン捕集装置。

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