JP2012112302A

JP2012112302A - 触媒コンバータ装置

Info

Publication number: JP2012112302A
Application number: JP2010261512A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Yukimitsu; 秀之幸光; Toshiro Murata; 登志朗村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2012-06-14

Abstract

【課題】排気中の水分に起因する電極部材間の絶縁性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】触媒担体１４を通電するための電極棒３２の周囲に絶縁層３４が備えられ、電極棒３２がケース筒体２８と絶縁される。触媒担体１４よりも下流側には、排熱回収器５０が備えられ、排気から回収した熱を、循環配管５２により絶縁層３４に作用させることで、絶縁層３４の温度を上げる。
【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、触媒を担持する触媒担体（ハニカム構造体）に通電して昇温させ、エンジン冷間時等であっても高い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、ハニカム構造体に通電するための電極棒の表面に絶縁コーティングを施して、絶縁性の劣化を防止している。

しかし、排気中の水分（水蒸気）等が絶縁体の表面で結露すると、この水分（液体）によって電極とケースたが短絡されるため、電極間の絶縁性が低下し、触媒担体への給電効率も低下するおそれがある。

特開平１１−２５７０５８号公報

本発明は上記事実を考慮し、排気中の水分に起因する電極部材間の絶縁性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、排気管に取り付けられて内部を排気が流れるケース筒体と、前記ケース筒体に設けられ、エンジンから排出される排気を浄化するための触媒を担持すると共に通電によって加熱される触媒担体と、前記ケース筒体を貫通して前記触媒担体に接触され前記触媒担体に通電するための一対の電極部材と、前記電極部材の少なくとも一方と前記ケース筒体との間に配置され電極部材をケース筒体から絶縁する絶縁部材と、前記ケース筒体又は前記排気管において前記触媒担体よりも下流側に設けられ、排気の熱を回収して前記絶縁部材に供給する排熱回収装置と、を有する。

この触媒コンバータ装置では、触媒担体が電極部材を通じて通電され加熱昇温されると、担持された触媒による浄化効果をより早く発揮させることができる。また、電極部材の少なくとも一方とケース筒体の間には絶縁部材が配置されており、この電極部材がケース筒体から絶縁されている。このため、２つの電極部材がケース筒体を介して短絡されることが防止され、触媒担体へ効率的に通電できる。

排気中には、内燃機関の燃焼で生じた蒸気（気体の水分）が含まれることがある。絶縁部材は、特にエンジンの始動直後等において温度が低い場合があり、この蒸気が絶縁部材の表面に触れると結露するおそれがある。

ケース筒体又は排気管における触媒担体よりも下流側には、排熱回収装置が設けられている。排熱回収装置は、排気管内の発熱体基板の熱を回収し、絶縁部材に供給する。これにより、絶縁部材の表面における結露を抑制できる。また、絶縁部材の表面に付着した水分の蒸発が促進される。これにより、水分の付着に起因する電極部材とケース筒体と

短絡が防止される。電極部材間の絶縁性の低下も抑制されるので、触媒担体への給電効率の低下を抑制できる。

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、前記排熱回収装置が、前記排気から熱を回収する回収装置本体と、前記回収装置本体と前記絶縁部材との間で熱媒体を循環させる循環部材と、を有する。

回収装置本体で回収した熱を、循環部材による熱媒体の循環で絶縁部材に供給することで、効率的に絶縁部材へ熱供給することが可能になる。

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、前記熱媒体が前記回収装置本体からの加熱により液体から気体へと気化されると共に、前記絶縁部材への熱供給により気体から液体へと液化される。

回収装置本体において熱媒体が気化されるので、気化されない構成と比較して多くの熱をエネルギーを熱媒体により輸送することができる。そして、絶縁体への熱供給時には、熱媒体は気体から液体へと液化されるので、効率的に熱媒体の熱を絶縁部材に供給できる。

本発明は上記構成としたので、排気中の水分に起因する電極部材間の絶縁性の低下を抑制できる。

本発明の第１実施形態の車両用排気装置の概略構成を排気管への取付状態で中心線を含む断面で示す断面図である。

図１には、本発明の第１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（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）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は、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おり、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。なお、触媒担体１４の表面積を増大させる構造は、上記したハニカム状や波状に限定されるものではない。

触媒担体１４には２枚の電極板１６Ａ、１６Ｂが貼着され、さらに電極板１６Ａ、１６Ｂにはそれぞれ、金属等の導電性を有する材料で構成された導線部材２０Ａ、２０Ｂを介して端子１８Ａ、１８Ｂが接続されている。端子１８Ａ、１８Ｂはいずれも、中心の電極棒３２の周囲を絶縁層３４が覆う構造とされている。

導線部材２０Ａ、２０Ｂは、たとえばジグザグ状に、あるいは螺旋状に形成されて可撓性を有するようになっており、後述するようにケース筒体２８と触媒担体１４とが相対移動した場合に、この相対移動を吸収することが可能とされている。そして、端子１８Ａ、１８Ｂから導線部材２０Ａ、２０Ｂ及び電極板１６Ａ，１６Ｂを通じて触媒担体１４に通電することで、触媒担体１４を加熱できる。この加熱により、表面に担持された触媒を昇温させることで、触媒の浄化作用をエンジン始動直後等であっても早期に発揮させることができるようになっている。

絶縁層３４は電気絶縁性を有する材料によって円筒状に形成されておいり、電極棒３２の外周面を全周にわたって覆うことで、電極棒３２から電極取付カバー３６（詳細は後述する）への電気の流れが阻止されている。

絶縁層３４の周囲は、電極取付カバー３６が覆っている。電極取付カバー３６は、金属製とされることで所定の剛性を有する円筒状に形成されている。電極取付カバー３６の内周面には雌ネジ３８が形成されている。

触媒担体１４の外周には、絶縁性材料によって略円筒状に形成された保持部材２６が配置されている。さらに、保持部材２６の外周には、ステンレス等の金属で略円筒状に成形されたケース筒体２８が配置されている。換言すれば、略円筒状のケース筒体２８の内部に、触媒担体１４が収容されると共に、ケース筒体２８と触媒担体１４との間に配置された保持部材２６により、触媒担体１４がケース筒体２８の内部に、同心（中心線ＣＬ）で保持されている。そして、絶縁性を有する保持部材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ている。

また、保持部材２６は所定の弾性も有している。金属製のケース筒体２８と導電性セラミック製の触媒担体１４とでは線膨張係数が異なっているため、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異なることとなるが、この膨張量の違いが、保持部材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、保持部材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。なお、保持部材２６は、上記した絶縁性及び弾性を有すれば、材質は限定されないがが、材料の例としては、繊維マットが好ましく、この他にインタラムマットやムライト等も適用可能である。

また、図１から分かるように、保持部材２６を全体で見たとき、触媒担体１４と保持部材２６とは軸方向で概ね同じ長さに形成されており、触媒担体１４の上流側端面１４Ａと保持部材２６の上流側端面２６Ａとは略面一になっている。同様に、触媒担体１４の下流側端面１４Ｂと保持部材２６の下流側端面２６Ｂとは略面一になっている。

保持部材２６には、軸方向中央の所定位置に、２箇所の電極室４０が形成されている。この電極室４０に、導線部材２０Ａ、２０Ｂや端子１８Ａ、１８Ｂの先端部分が収容されている。

ケース筒体２８には、電極室４０に対応する位置に取付孔４２が形成されている。ケース筒体２８には、この取付孔４２に対応して電極取付ボス４４が固定されている。電極取付ボス４４は、端子１８Ａ、１８Ｂの先端部分が挿通される挿通孔が形成されると共に、取付孔４２を覆う蓋板部４４Ｆと、この蓋板部４４Ｆの中央から立設された円筒状の円筒部４４Ｃとを有している。

円筒部４４Ｃの内周面には、雌ネジ３８が螺合される雄ネジ４６が形成されている。ケース筒体２８に電極取付ボス４４が固定された状態で、円筒部４４Ｃの雄ネジ４６に電極取付カバー３６の雌ネジ３８を螺合させていくことで、端子１８Ａ、１８Ｂが、電極取付ボス４４に取り付けられる。

触媒担体１４よりも排気の流れ方向下流側には、排熱回収器５０が配置されている。排熱回収器５０は、排気の熱（エネルギー）を回収することができる。排熱回収器５０と絶縁層３４との間には、循環往路５２Ａと循環復路５２Ｂの２本の配管で構成された循環配管５２が設けられている。排熱回収器５０は本発明の回収器本体の一例であり、排熱回収器５０と循環配管５２とで、本発明の排熱回収装置４８が構成されている。

循環配管５２の内部には、排熱回収器５０からの熱で気化し、この熱を絶縁層３４に作用させることで液化する熱媒体が収容されており、排熱回収器５０と絶縁層３４の間に、いわゆるヒートループ式の伝熱手段が構成されている。すなわち、熱媒体が、気体の状態で排熱回収器５０から循環往路５２Ａを経て絶縁層３４に達し、液化される。液化された熱媒体は、循環復路５２Ｂを経て排熱回収器５０に戻る。ヒートループ式の伝熱手段では、熱媒体の循環のための動力源を用いることなく、熱媒体を循環させることが可能である。熱媒体としては、このような相変化を生じる沸点の液体（オイル等）を用いることができる。

本実施形態では特に、循環往路５２Ａを循環復路５２Ｂよりもケース筒体２８に近い位置に配置している。このように循環往路５２Ａをケース筒体２８に接近させて配置することで、循環往路５２Ａにケース筒体２８からの熱が作用しやすくなり、気体状態の熱媒体が冷却されることを抑制している。

なお、図１では排熱回収器５０をケース筒体２８に設けているが、ケース筒体２８の下流側の排気管１０に設けてもよい。また、排熱回収器５０で回収された熱は、絶縁層３４に直接的に作用するようになっていてもよいが、電極取付ボス４４や電極取付カバー３６を介して作用するようになっていてもよい。

次に、本実施形態の触媒コンバータ装置１２の作用を説明する。

図１から分かるように、エンジンからの排気は、排気管１０内において、まず、触媒コンバータ装置１２を通過し、これによって排気中の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（電極棒３２）から電極板１６Ａ、１６Ｂを通じて触媒担体１４に通電し、触媒担体１４を加熱することで、触媒担体１４に担持された触媒本体を昇温させ、浄化作用をより早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への通電加熱を積極的に行うことで、エンジン始動初期における触媒本体の浄化性能を高く確保できる。なお、排気の温度が充分に高い場合は、触媒担体１４が排気からの熱で昇温されるので、触媒担体１４に通電する必要はない。

排気中には水分が含まれているため、この水分を含んだ排気が保持部材２６や触媒担体１４を通過し電極室４０に入ることがある。さらにこの水分は、電極室４０内において絶縁層３４の表面で結露して液化するおそれがある。特に、エンジンの始動直後は、絶縁層３４の温度も低いため、排気中の水分が絶縁層３４に触れると結露しやすい。また、絶縁層３４は触媒担体１４から離れているので、たとえ触媒担体１４が昇温されても、その熱は絶縁層３４に伝わりにくく、絶縁層３４の温度は上がり難い。

このように絶縁層３４の表面に結露が発生すると、絶縁層３４の絶縁性が低下するため、電極棒３２とケース筒体２８とが、絶縁層３４、電極取付カバー３６及び電極取付ボス４４を介して短絡されてしまうおそれがある。結果的に、２つの電極棒３２が短絡されてしまうと、触媒担体１４への給電効率が低下する。

これに対し、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、絶縁層３４に排熱回収器５０で回収した熱を作用させることで、絶縁層３４の温度を上げることができる。このため、絶縁層３４の表面での結露すなわち液体水分の付着を抑制することができる。また、たとえ絶縁層３４に液体水分が付着していても、この水分の蒸発を促進して除去することが可能になる。これにより、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、排気中の水分に起因する電極棒３２の間の絶縁性の低下を抑制できる。そして、触媒担体１４への給電効率を高く維持することが可能になる。

しかも、排熱回収器５０は、触媒担体１４よりも排気の流れ方向（矢印Ｆ１方向）の下流側に配置されている。したがって、排気の熱をまず触媒担体１４に作用させて触媒担体１４を効率的に加熱昇温させることができ、しかも、その後に排気中に残った熱を有効に利用して、絶縁層３４を昇温させることができる。絶縁層３４の加熱のためのあらたなエネルギー源が不要であり、車両走行のための駆動力にも影響しないので、燃費が低下することもない。

なお、上記では、排熱回収器５０で回収した熱を絶縁層３４に作用させるために、いわゆるヒートループ式（熱媒体が循環往路５２Ａでは気体、循環復路５２Ｂでは液体）の伝熱手段を有する例を挙げたが、排熱回収器５０の熱を効率的に絶縁層３４に作用させることが可能であれば、伝熱手段としてはヒートループ式のものに限定されない。たとえば、熱媒体が、循環往路５２Ａ及び循環復路５２Ｂの双方で液体の状態を維持するタイプの伝熱手段でもよい。また、このような流体を用いることなく、たとえば固体の伝熱部材を用いて、排熱回収器５０で回収した熱を伝導熱として絶縁層３４に作用させてもよい。ただし、ヒートループ式の伝熱手段では、熱媒体が気体の状態で熱を排熱回収器５０から絶縁層３４に移動させ、しかも絶縁層３４に対しては、相変化により凝集熱として熱を作用させるので、熱伝達の開始が早くなると共に、熱の伝達速度も速くなり、短時間で効率的に絶縁層３４を加熱することができる。

本発明の絶縁部材としても、上記では電極棒３２（電極部材）の周囲に配置された絶縁層３４を挙げたが、要するに、電極棒３２をケース筒体２８から電気的に絶縁できればよく、たとえば、電極取付ボス４４をケース筒体２８間に絶縁部材が設けられていてもよい。さらに、絶縁部材は、２つの電極棒３２の双方に対応して設けられている必要はなく、一方の電極棒３２にのみ対応して設けられていても、電極棒３２どうしがケース筒体２８を介して電気的に短絡されることを抑制できる。２つの電極棒３２の双方に対応して絶縁部材を配置すると、絶縁効果をより確実に維持できる。

１０排気管
１２触媒コンバータ装置
１４触媒担体
２８ケース筒体
３２電極棒（電極部材）
３４絶縁層
４８排熱回収装置
５０排熱回収器
５２循環配管（循環部材）

Claims

排気管に取り付けられて内部を排気が流れるケース筒体と、
前記ケース筒体に設けられ、エンジンから排出される排気を浄化するための触媒を担持すると共に通電によって加熱される触媒担体と、
前記ケース筒体を貫通して前記触媒担体に接触され前記触媒担体に通電するための一対の電極部材と、
前記電極部材の少なくとも一方と前記ケース筒体との間に配置され電極部材をケース筒体から絶縁する絶縁部材と、
前記ケース筒体又は前記排気管において前記触媒担体よりも下流側に設けられ、排気の熱を回収して前記絶縁部材に供給する排熱回収装置と、
を有する触媒コンバータ装置。
前記排熱回収装置が、
前記排気から熱を回収する回収装置本体と、
前記回収装置本体と前記絶縁部材との間で熱媒体を循環させる循環部材と、
を有する請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
前記熱媒体が前記回収装置本体からの加熱により液体から気体へと気化されると共に、前記絶縁部材への熱供給により気体から液体へと液化される請求項２に記載の触媒コンバータ装置。