JP2012188958A - 触媒コンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒担体内での温度ムラを少なくして均一な温度分布に近づけることが可能な触媒コンバータ装置を得る。
【解決手段】触媒担体１４の内部は区画されて、複数の区画部２６が備えられている。区画部２６のそれぞれ体積抵抗率は、発熱量が均一に近づくような電流が流れるように、それぞれ所定の値に設定されている。
【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、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することが望まれる。たとえば、特許文献１には、断面形状が正方形である正方形セル（貫通孔）を有し、この貫通孔壁とで形成されるか角度が鋭角となるように電極板を配置することで、均一な発熱性を得られるようにしたハニカムモノリスヒータが記載されている。

しかし、実際の触媒コンバータ装置における触媒担体では、その断面形状や電極配置等に応じて、部位ごとに発熱量のムラが生じることがあるため、触媒担体内での温度ムラを少なくして均一な温度分布にすることが望まれる。

特開平４−２８００８６号公報

本発明は上記事実を考慮し、触媒担体内での温度ムラを少なくして均一な温度分布に近づけることが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、前記排気の流れ方向と直交する直交断面で見て前記触媒担体を挟んで対向する位置で触媒担体に接触配置された一対の電極と、前記触媒担体を前記電極中心線と直交する方向に区画して設けられ、区画された前記触媒担体の部位ごとの通電による発熱量が均一に近づくようにそれぞれ異なる体積抵抗率とされた複数の区画部と、を有する。

この触媒コンバータ装置では、触媒担体に接触配置された一対の電極により触媒担体に通電されると、触媒担体は加熱されて昇温されるので、担持された触媒による浄化効果をより早期に発揮させることができる。

電極は、排気の流れ方向と直交する直交断面で見て、触媒担体を挟んで対向する位置に設けられているため、電極をこのように対向配置していない構成と比較して、触媒担体を均一に加熱することができる。

触媒担体には、電極中心線と直交する方向に区画することで複数の区画部が設けられている。これらの区画部では、触媒担体の部位ごとの通電による発熱量が均一に近づくようにそれぞれ異なる体積抵抗率とされている。したがって、このような複数の区画部が設けられることなく、一定の体積抵抗率とされた触媒担体と比較して、触媒担体への通電時の温度が均一化される。触媒担体全体としては温度ムラが少なくなり、均一な温度分布に近づく。

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、複数の前記区画部の間に区画部の間を絶縁する絶縁層が設けられている。

区画部の間に絶縁層を設けることで、区画部間での不用意な電流を阻止し、それぞれの区画部で所望の発熱量を確実に得ることが可能となる。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記触媒担体が、前記直交断面で見て円形状とされている。

触媒担体の、直交断面で見た形状を円形状とすることで、触媒担体は排気管の内周面の形状に沿った形状となり、排気管への搭載性が高くなる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記触媒担体が前記直交断面で見て前記中心線に対し対称形状とされている。

請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記触媒担体が前記直交断面で見て前記中心線の垂直二等分線に対し対称形状とされている。

このように、触媒担体を対称形状とすることで、通電時の温度ムラを少なくして均一な温度分布に近づけることが可能となる。

請求項６に記載の発明では、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記区画部のそれぞれが、前記直交断面で見て一定の幅とされている。

区画部のそれぞれにおいて幅を一定とすることで、区画部内での電流密度のムラを少なくし、触媒担体の温度分布を均一に近づけることが可能となる。なお、この場合、複数の区画部のすべてで同幅とされていてもよいが、区画部それぞれにおいて、一定の幅となっている（異なる区画部では幅も異なっている）構成でもよい。

本発明は上記構成としたので、触媒担体の温度ムラを少なくして均一な温度分布に近づけることが可能となる。

本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を排気管への搭載状態で排気の流れ方向にそった断面で示す断面図である。 本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を示す図１の２−２線断面図である。 本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置おける（Ａ）は電流密度分布、（Ｂ）は温度分布をそれぞれ概念的に示す説明図である。 比較例の触媒コンバータ装置を示す断面図である。 比較例の触媒コンバータ装置おける（Ａ）は電流密度分布、（Ｂ）は温度分布をそれぞれ概念的に示す説明図である。 本発明の第２実施形態の触媒コンバータ装置を図２と同様の断面で示す断面図である。

図１（Ａ）には、本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置１２が示されている。触媒コンバータ装置１２は、エンジンからの排気が流れる排気管１０の途中に装着されるようになっている。排気管内には、エンジンからの排気が流れるが、図１２は、この排気の流れ方向（矢印Ｆ１方向）と直交する方向の断面（図１の２−２線断面）にて、触媒コンバータ装置１２を示したものである。以下において、「幅方向」というときは、図２における幅方向（左右方向）を意味する。

図１に示すように、触媒コンバータ装置１２は、略円柱状の触媒担体１４を有している。触媒担体１４は、断面形状（排気の流れ方向と直交する方向の断面形状が円形とされており、略円筒状のケース筒体２８の内部において、保持部材２４を介して保持されている。保持部材２４は、所定の弾性を有しており、ケース筒体２８内における触媒担体１４の相対移動を吸収する。さらに、保持部材２４は絶縁性を有している。

触媒担体１４には、２枚の電極１６Ａ、１６Ｂが貼着され、さらに電極１６Ａ、１６Ｂの中心にはそれぞれ端子１８Ａ、１８Ｂが接続されている。電極１６Ａ、１６Ｂは、触媒担体１４の外周面に沿って所定の広がりをもった範囲で触媒担体１４に接触配置されている。図示しない電源装置から、端子１８Ａ、１８Ｂ及び電極１６Ａ、１６Ｂを通じて触媒担体１４に通電することで（電流を矢印ＥＣで示す）、触媒担体１４を加熱できる。そして、この加熱により、触媒担体１４に担持された触媒を昇温させることで、触媒が有する排気浄化作用をより早期に発揮させることができるようになっている。たとえば、エンジンの始動直後等の、排気の温度が比較的低い状況でも、触媒担体１４を昇温することで、触媒により排気浄化作用を早い段階から発揮させることができる。

特に本実施形態では、電極１６Ａ、１６Ｂを、触媒担体１４を挟んで対向する位置に配置しており、触媒担体１４の電流分布の偏在を少なくして、均一な加熱に寄与できるようにしている。以下の説明においては、図２に示す断面で見たときの、電極１６Ａ、１６Ｂのそれぞれの中心を結ぶ直線を中心線ＣＬとし、さらに、この中心線ＣＬの垂直二等分線ＶＤを設定する。触媒担体１４は全体として、中心線ＣＬに対して（図２における左右に）対称形状であり、さらに、垂直二等分線ＶＤに対して（図２における上下に）対称形状である。

触媒担体１４は、断面形状が円形とされているので、電極１６Ａ、１６Ｂよりも幅方向外側に位置する部分が存在している。この部分が、本発明に係る担体幅広部１４Ｗとなっている。換言すれば、このような担体幅広部１４Ｗを有する形状の触媒担体であれば、断面形状がたとえ円形でなくでも、担体幅広部１４Ｗがない形状（たとえば、電極１６Ａ、１６Ｂと同幅で上から下まで連続している形状）の触媒担体と比較して、断面形状がより円形に近づくことになり、排気管１０への搭載性が高くなる。

触媒担体１４の内部には、複数の区画部２６が備えられている。本実施形態では、中心線ＣＬに近い位置から遠い位置に向かって４つずつ、左右合わせて８つの区画部２６を有する構成としている。以下では必要に応じて、中心線ＣＬに近い位置から遠い位置へ向かって区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄとして区別する。

本実施形態では、区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄはいずれも、断面形状が長方形状とされている。そして、それぞれの長方形状の長手方向が、中心線ＣＬに沿った方向となっている。

それぞれの区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ内では、幅が一定となっている。第１実施形態では特に、区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄがすべて等しい幅を有している。区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄのそれぞれの高さは、触媒担体１４の円形状に沿うように、中心線ＣＬに近い区画部２６Ａから遠い区画部２６Ｄへと高さが段階的に低くなっている。

区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄの上部及び下部には、電気抵抗が低く設定された（好ましくは、電極１６Ａ、１６Ｂと同程度の抵抗とされた）低抵抗部３０が配置されている。低抵抗部３０は、触媒担体１４の断面が全体として円形になるように、区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄの形状に対応して、部位ごとに異なる形状とされている。また、幅方向両端の区画部２６Ｄのさらに幅方向外側には、電気抵抗が高く設定された高抵抗部３２が配置されている。高抵抗部３２も、触媒担体１４の断面が全体として円形になるように、所定の形状とされている。

区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄの間には、不導体で構成された絶縁板３４が配置されている。絶縁板３４により、区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄの間での不用意な電気の流れ（電流の漏れ出し）が防止されている。なお、絶縁板３４も、触媒担体１４の断面が全体として円形になるように、所定の形状とされている。絶縁板３４は、本発明に係る絶縁層の一例である。絶縁層としては、絶縁板３４に代えて、絶縁性の薄膜等を用いてもよい。

区画部２６、低抵抗部３０及び高抵抗部３２はいずれも、たとえばハニカム状とすることで材料の表面積が増大されている。区画部２６、低抵抗部３０及び高抵抗部３２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（図１参照）を流れる排気中の有害物質を浄化する作用を有している。なお、区画部２６、低抵抗部３０及び高抵抗部３２の表面積を増大させる構造は、上記したハニカム状に限定されるものではなく、たとえば波状等であってもよい。

区画部２６、低抵抗部３０及び高抵抗部３２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を構成する材料として、たとえば、少なくとも炭化珪素を含むようにすれば、高い強度や耐熱性を得られるので好ましい。

区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄの体積抵抗率は、以下に詳述するように、各区画部２６の発熱量が均一に近づくような電流が流れるように、それぞれ所定の値に設定されている。

ここで、任意の区画部２６において、体積をＶ、密度をρ、比熱をｃ、抵抗をＲ、体積抵抗率をｐ、断面積（電流と直交する方向の断面積）をＳ、長さ（電流の方向に沿った長さ）をＬとする。

この区画部２６に対して電圧Ｖをかけて電流Ｉが流れた際の熱量Ｑは、
Ｑ＝Ｅ×Ｉ＝Ｅ^２／Ｒ ・・・・（１）
となる。ここで、Ｒ＝ｐ×Ｌ／Ｓである。
また、この区画部の熱容量Ｃは、
Ｃ＝Ｖ×ρ×ｃである。
したがって、この区画部２６に、一定の電圧Ｅをかけて電流Ｉが流れたときの温度上昇ΔＴは、
ΔＴ＝Ｑ／（Ｖ×ρ×ｃ）＝（（Ｅ^２×Ｓ）／（ｐ×Ｌ）／Ｖ×ρ×ｃ）・・・（２）
となる。

上記式（２）において、各区画部２６を、添字ｎ（ｎは自然数）を用いて区別すると、各区画部２６での温度上昇ΔＴを均一にするため、すなわち、
ΔＴ_１＝ΔＴ_２＝・・・・
となるためには、
（（Ｅ^２×Ｓ）／（ｐ_１×Ｌ_１）／Ｖ_１×ρ×ｃ）＝（（Ｅ^２×Ｓ）／（ｐ_２×Ｌ_２）／Ｖ_２×ρ×ｃ）＝・・・（３）
を満たしていればよい。
なお、Ｖ＝Ｓ×Ｌであることを用いることにより、上記式（３）を
ΔＴ_１＝ΔＴ_２＝・・・・を、Ｅ^２／ｐ_１Ｌ_１ ^２ρｃ＝Ｅ^２／ｐ_２Ｌ_２ ^２ρｃ＝・・・（４）
と書き換えることも可能である。

いずれにしても、各区画部２６における温度上昇ΔＴ_ｎを等しくするためには、各区画部２６で体積Ｖ_ｎ（あるいは長さＬ_ｎ）が異なることを考慮した上で、体積抵抗率ｐ_ｎが決定される。ただし、この段階では、区画部２６どうしの体積抵抗率ｐ_ｎの比率は決まる。そこで、さらに、触媒担体１４の全体としての抵抗値も所定の抵抗値になるように、各区画部２６の体積抵抗率ｐが決められる。

なお、このように区画部２６の体積抵抗率を所定の値とする方法としては、たとえば、区画部２６を構成する材料の配合比を変更したり、気孔率を変更したりする方法が挙げられる。

また、本実施形態では、複数の区画部２６を全体で考えたとき、中心線ＣＬを中心とする対称形状（図２における左右対称）とし、さらに、区画部２６のそれぞれに関しては、垂直二等分線ＶＤを中心とする対称形状（図３における上下対称）としている。

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。

触媒コンバータ装置１２は、そのケース筒体２８が排気管の途中に取り付けられており、触媒担体１４の内部を排気が矢印Ｆ１方向に通過する。このとき、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。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。

また、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、各区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄでの温度上昇ΔＴが等しくなるように、これらの区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄごとに体積抵抗率ｐが決められている。換言すれば、各区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄごとに、温度上昇ΔＴが等しくなるために必要な熱量が発生するように電流の値が適切に制御されていることになる。したがって、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、このように区画部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄごとに体積抵抗率が異なる値に設定されていない（一定の体積抵抗率の）触媒コンバータ装置と比較して、触媒担体１４への通電時の温度上昇ΔＴが均一化される。触媒担体１４全体としては、温度ムラが抑制され、均一な温度分布に近づく。

図３（Ａ）及び（Ｂ）には、本実施形態の触媒コンバータ装置１２において、触媒担体１４へ直流５００Ｖを通電したときの、通電２０秒後の電流密度分布及び温度分布がそれぞれ示されている。

また、図４には、比較例の触媒コンバータ装置９２が、図２と同様の断面（排気の流れ方向と直交する方向の断面）で示されている。この比較例の触媒コンバータ装置９２では、触媒担体９４が全体として単一の材料で構成されており、一定の（均一な）体積抵抗率を有している。図５（Ａ）及び（Ｂ）には、この触媒コンバータ装置９２における、通電２０秒後の電流密度分布及び温度分布がそれぞれ示されている。比較例の触媒コンバータ装置９２の触媒担体９４では、その幅が上下方向の中央部分で広く、上部及び下部では狭くなっている。すなわち、この部分では電流の流れに対する断面積が変化している。しかしながら、触媒担体９４の体積抵抗率は各部位で一定である。

図５（Ａ）及び（Ｂ）から、比較例の触媒コンバータ装置９２における触媒担体９４では、通電２０秒後において、電流密度のムラが大きくなっており、温度のムラも大きくなっていることが分かる。これに対し、図３（Ａ）及び（Ｂ）からは、本実施形態の触媒コンバータ装置１２の触媒担体１４では、比較例の触媒コンバータ装置９２の触媒担体９４よりも、電流密度のムラが小さくなっており、温度のムラも小さい（温度分布が均一に近づいている）ことが分かる。

なお、区画部２６の間には絶縁板３４が配置されており、区画部２６の間での不用意な電流を阻止されている。これにより、それぞれの区画部２６では、所望の発熱量を確実に得ることが可能になっている。

図６には、本発明の第２実施形態の触媒コンバータ装置４２が示されている。以下において、第１実施形態の触媒コンバータ装置１２と同様の構成要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

第２実施形態に係る触媒担体４４は、排気の流れ方向と直交する断面で見て、区画部４６の数が第１実施形態の区画部２６よりも多くなっている。具体的には、第１実施形態において、中心線ＣＬの片側で区画部２６が４つであったのに対し、第２実施形態では、同じく中心線ＣＬの片側で区画部４６が５つ（区画部４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ、４６Ｄ、４６Ｅ）になっている。

また、中心線ＣＬに近い位置から遠い位置にむかって、区画部４６の幅が段階的に狭くなっている。このように、区画部４６の幅をその位置によって変えたことで、第２実施形態では、複数の区画部４６を全体として見たときの（低抵抗部３０及び高抵抗部３２を考慮しない）断面形状が、より円形に近づいている。換言すれば、断面で見たときの、低抵抗部３０及び高抵抗部３２の占める面積が狭くなっている。

なお、複数の区画部４６を全体として円形に近づけるためには、区画部４６のそれぞれの幅は、中心線ＣＬから離れるにしたがって狭くなっていればよいが、本実施形態では特に、図６に二点鎖線で示すように、複数の半径Ｒ１を想定している。これらの半径Ｒ１の間の角度θは一定とされている。これらの半径Ｒ１のそれぞれと触媒担体１４の円周との交点ＣＰの位置を基準に、区画部４６の幅を決定している。これにより、過度に区画部４６の数を増やすことなく、効率的に区画部４６全体の全体形状を円形に近づけることができる。

上記各実施形態では、触媒担体として、その断面形状が円形のものを挙げているが、触媒担体の断面形状は円形に限定されない。たとえば、中心線ＣＬと長軸とする楕円形状であってもよい。さらに、この楕円形状から、幅方向の両側部分を中心線ＣＬと平行になるように直線化（平面化）した形状（レーストラック形状と称されることがある）でもよい。いずれの形状であっても、電極１６Ａ、１６Ｂの幅よりも広い担体幅広部１４Ｗを有していれば、担体幅広部１４Ｗがない形状の触媒担体と比較して、断面形状が円形に近づくことになる。触媒コンバータ装置１２、４２の搭載対象である排気管１０は円筒状に形成されることが多いので、排気管１０への搭載性に優れる。

特に、触媒担体を上記したような断面楕円形状あるいは断面レーストラック形状とすれば、上下方向の中央部分での幅が断面円形の触媒担体と比較して狭くなる。すなわち、電流密度を考えると、上下方向の中央部分での電流密度の低下が抑制される。したがって、触媒担体への通電時に温度ムラを抑制する効果が高くなる。

また、触媒担体１４、４４は、排気の流れ方向（矢印Ｆ１方向）と直交する断面において、中心線ＣＬに対し対称形状とされ、さらに、垂直二等分線ＶＤに対しても対称形状とされている。したがって、触媒担体を非対称形状とした構造と比較して、触媒担体１４、４４における通電時の温度ムラを少なくし、触媒担体１４、４４全体を均一な温度分布に近づけることができる。

さらに、各実施形態では、区画部２６、４６のそれぞれについても、中心線ＣＬに対し対称形状とされ、さらに、垂直二等分線ＶＤに対しても対称形状とされている。このため、区画部２６、４６のぞれぞれの内部における通電時の温度ムラを少なくし、均一な温度分布に近づけることができる。

区画部２６、４６の形状として、上記ではそれぞれの区画部２６、４６内では幅が一定の形状を挙げているが、それぞれの区画部２６、４６内で幅が異なる部分があってもよい。ただし、幅を一定にすると、それぞれの区画部２６、４６内での電流密度も均一化されるので、触媒担体１４、４４の温度分布を均一に近づけるという観点からは、より好ましい。

区画部の数としても、特に上記したもの（触媒担体全体で８あるいは１０）に限定されない、この区画部の数を多くすれば（区画部の幅は狭くなる）、触媒担体全体として、さらに均一な温度分布に近づけることが可能となる。

１２ 触媒コンバータ装置
１４ 触媒担体
１４Ｗ 幅広部
１６Ａ、１６Ｂ 電極
１６Ｃ 電極中心
１８Ａ、１８Ｂ 端子
２８ ケース筒体
４２ 触媒コンバータ装置
４４ 触媒担体
ＣＬ 中心線
ＶＤ 垂直二等分線

Claims (6)

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、
   前記排気の流れ方向と直交する直交断面で見て前記触媒担体を挟んで対向する位置で触媒担体に接触配置された一対の電極と、
   前記触媒担体を前記電極中心線と直交する方向に区画して設けられ、区画された前記触媒担体の部位ごとの通電による発熱量が均一に近づくようにそれぞれ異なる体積抵抗率とされた複数の区画部と、
   を有する触媒コンバータ装置。
2. 複数の前記区画部の間に区画部の間を絶縁する絶縁層が設けられている請求項１又は請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
3. 前記触媒担体が、前記直交断面で見て円形状とされている請求項１または請求項２に記載の触媒コンバータ装置。
4. 前記触媒担体が前記直交断面で見て前記中心線に対し対称形状とされている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の触媒コンバータ装置。
5. 前記触媒担体が前記直交断面で見て前記中心線の垂直二等分線に対し対称形状とされている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の触媒コンバータ装置。
6. 前記区画部のそれぞれが、前記直交断面で見て一定の幅とされている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の触媒コンバータ装置。