JP2015135059A - 電気加熱式排ガス浄化システム - Google Patents

Abstract

【課題】触媒担持体の過熱を抑制可能な電気加熱式排ガス浄化装置を得る。
【解決手段】外筒１６と触媒担持体１４との間に熱電変換素子３４を配置し、熱電変換素子３４で発電した電力をバッテリ２０の充電に用いる。排ガスの熱によって触媒担持体１４が加熱され、熱電変換素子３４の触媒担持体側が高温になると、熱落差によって起電力が発生する。触媒担持体１４からの熱が電力に変換されてバッテリ２０の充電により消費されることで、触媒担持体１４の熱が熱電変換素子３４に奪われ、触媒担持体１４の過熱を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば車両に搭載されて排ガスを浄化する電気加熱式排ガス浄化システムに係り、特に触媒担持体を通電加熱することによって排ガスを浄化する電気加熱式排ガス浄化システムに関する。

内燃機関を備えた車両に搭載される排ガス浄化システムとして、電気加熱によって触媒を活性化させて排ガスを浄化する電気加熱式排ガス浄化システムがある（例えば、特許文献１参照）。

電気加熱式排ガス浄化システムでは、金属製の外筒の内部に触媒金属を担持させた触媒担持体が配置されており、触媒担持体に設けた電極から触媒担持体に電気を流すことで触媒担持体が発熱する構成とされている。

特許５０８８４４３号公報

ところで、この電気加熱式排ガス浄化システムでは、触媒担持体が排ガスで加熱されるが、エンジンの高負荷時に排ガスの温度が高温となり、触媒担持体が必要以上に加熱されて過熱状態となる場合があり、改善の余地があった。

本発明は上記事実を考慮し、触媒担持体の過熱を抑制可能な電気加熱式排ガス浄化装置の提供を目的とする。

請求項１に記載の電気加熱式排ガス浄化システムは、内燃機関から排出される排ガスを浄化するための触媒金属を担持し、通電によって発熱される触媒担持体と、筒状に形成されて内部に前記触媒担持体を収容すると共に、排気管に接続される外筒と、前記触媒担持体の外周側に配置され、触媒担持体側を高温側熱源とし触媒担持体とは反対側を低温側熱源として熱落差を利用して起電力を発生する熱電変換素子と、前記熱電変換素子で発生した起電力を消費する電力消費部材と、を有する。

請求項１に記載の電気加熱式排ガス浄化システムでは、排ガスの熱によって触媒担持体が加熱され、熱電変換素子の触媒担持体側が高温になると（触媒担持体側とは反対側対比で）、熱落差によって起電力が発生する。触媒担持体からの熱が電力に変換されて電力消費部材で消費されることで、触媒担持体から熱電変換素子への熱の移動が多くなる、即ち、触媒担持体の熱が熱電変換素子に奪われ、触媒担持体の過熱を抑えることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電気加熱式排ガス浄化システムにおいて、前記熱電変換素子は、前記触媒担持体と前記外筒との間に配置されている。

請求項２に記載の電気加熱式排ガス浄化システムでは、熱電変換素子は、触媒担持体と外筒との間に配置されているため、触媒担持体は排ガスの熱で高温となり、外筒は外気で冷却されるので、熱電変換素子の触媒担持体側と、触媒担持体側とは反対側との熱落差を大きくすることが可能となる。これにより、発電量が増加して消費電力も増加するので、触媒担持体から熱電変換素子への熱の移動がより多くなり、触媒担持体の過熱を抑える効果を向上させることが出来る。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電気加熱式排ガス浄化システムにおいて、前記熱電変換素子は、前記外筒と前記触媒担持体とに接触している。

請求項３に記載の電気加熱式排ガス浄化システムでは、熱電変換素子が外筒と触媒担持体とに接触しているため、直接接触していない場合対比で熱の伝達効率が良く、発電量を増加させることが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の電気加熱式排ガス浄化システムにおいて、前記触媒担持体と前記外筒との間に、前記触媒担持体を保持する保持マットが配置されている。

請求項４に記載の電気加熱式排ガス浄化システムでは、触媒担持体と外筒との間に触媒担持体を保持する保持マットが配置されているため、保持マットで触媒担持体の荷重、及び触媒担持体からの入力を支持することができ、熱電変換素子の負担を減らすことが出来る。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の電気加熱式排ガス浄化システムにおいて、前記外筒に放熱フィンが設けられている。

請求項５に記載の電気加熱式排ガス浄化システムでは、外筒に放熱フィンが設けられているので、外筒を外気によって効率的に冷却することができる。これにより、熱電変換素子の熱落差を拡大することが可能となり、発電量を増加させ、触媒担持体から熱電変換素子への熱の移動がより多くなり、触媒担持体の過熱を抑える効果が向上する。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の電気加熱式排ガス浄化システムにおいて、前記熱電変換素子は、前記外筒の外周面に配置されている。

請求項６に記載の電気加熱式排ガス浄化システムでは、排ガスの熱によって触媒担持体が加熱され、触媒担持体の熱が外筒に伝達される。熱電変換素子の外筒側が高温になると（外筒側とは反対側対比で）、熱落差によって起電力が発生する。外筒を介した触媒担持体からの熱が電力に変換されて電力消費部材で消費されることで、外筒を介した触媒担持体から熱電変換素子への熱の移動が多くなる、即ち、触媒担持体の熱が熱電変換素子に奪われ、触媒担持体の過熱を抑えることができる。熱電変換素子が外筒の外周面に配置されているため、外筒の内周面に配置する場合に比較して熱電変換素子の組み付けが容易となる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の電気加熱式排ガス浄化システムにおいて、前記外筒は、エンジンルームに配置されている。

請求項７に記載の電気加熱式排ガス浄化システムでは、外筒がエンジンルームに配置されているため、外筒をフロア下に配置するために必要なトンネルをフロアに形成する必要が無くなり、車室のスペースを拡大することができる。

以上説明したように請求項１に記載の電気加熱式排ガス浄化システムによれば、触媒担持体の過熱を抑えることができる、という優れた効果を有する。
請求項２に記載の電気加熱式排ガス浄化システムによれば、触媒担持体の過熱を抑える効果を向上させることが出来る。
請求項３に記載の電気加熱式排ガス浄化システムによれば、発電量を増加させ、触媒担持体の過熱を抑える効果を向上させることが出来る。
請求項４に記載の電気加熱式排ガス浄化システムによれば、熱電変換素子の負担を減らすことが出来る。
請求項５に記載の電気加熱式排ガス浄化システムによれば、発電量を増加させ、触媒担持体の過熱を抑える効果が向上する。
請求項６に記載の電気加熱式排ガス浄化システムによれば、熱電変換素子の組み付けが容易になる。
請求項７に記載の電気加熱式排ガス浄化システムによれば、外筒をフロア下に配置するために必要なトンネルをフロアに形成する必要が無くなり、車室のスペースを拡大することができる。

電気加熱式排ガス浄化システムの内部構造を示す軸線に沿った断面図である。 電気加熱式排ガス浄化システムの内部構造を示す軸線に直角な断面図（図１のＡ−Ａ線断面図）である。 第２の実施形態に係る電気加熱式排ガス浄化システムの軸線に直角な断面図である。 第３の実施形態に係る電気加熱式排ガス浄化システムの内部構造を示す軸線に直角な断面図である。

［第１の実施形態］
図１、及び図２にしたがって、本発明の第１の実施形態に係る電気加熱式排ガス浄化システム１０を説明する。

図１に示すように、本実施例に係る電気加熱式排ガス浄化システム１０は、車両の駆動源としての内燃機関Ｅの排気管１２に取り付けられている。なお、この電気加熱式排ガス浄化システム１０が適用される駆動源は、内燃機関であるエンジンのみならず、エンジンと電気モーターとを併用したハイブリッドシステムであっても良い。

図１、及び図２に示すように、電気加熱式排ガス浄化システム１０は、排気管１２に接続される外筒１６を備えており、外筒１６の内部に触媒担持体１４が収容されている。
外筒１６は、円管状の部材であり、金属によって形成されている。外筒１６を形成する材料としては、ステンレス鋼材を例示することができる。触媒担持体１４は、円柱状に形成されており、その中心軸が外筒１６の中心軸Ａと同軸となるように設置されている。

触媒担持体１４は、通電されると電気抵抗となって発熱する材料によって形成されている。触媒担持体１４の材料としては、例えば、ＳｉＣを例示することができるが他の材料であっても良い。触媒担持体１４は、排ガスの流れる方向（矢印Ｇ方向）に伸び且つ排ガスの流れる方向と垂直な断面がハニカム状をなす複数の通路を有している。なお、触媒担持体１４の内部の構造は、本実施形態の構造に限らず、内燃機関の排気通路に排気浄化用に設けられる周知の触媒担持体と同様でよい。

触媒担持体１４には三元触媒が担持されている。尚、触媒担持体１４に担持される触媒は、三元触媒に限られるものではなく、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、又は選択還元型ＮＯｘ触媒であってもよい。

触媒担持体１４の外周面には一対の電極１８が該触媒担持体１４を挟んで互いに対向するように設けられている。電極１８は、表面電極１８ａ及び軸電極１８ｂを含んで構成されている。表面電極１８ａは、触媒担持体１４の外周面に沿って周方向及び軸方向に延びている。軸電極１８ｂは、一端が表面電極１８ａに接続されており、他端が外筒１６の外側に突出している。

電極１８には車両に搭載されたバッテリ２０から供給電力制御部２２を介して電気が供給される。電極１８に電気が供給されると、触媒担持体１４に通電される。通電によって触媒担持体１４が発熱すると、触媒担持体１４に担持された触媒金属が加熱され、その活性化が促進される。供給電力制御部２２は、電極１８への電気の供給（即ち、触媒担持体１４への通電）を行う。供給電力制御部２２は、内燃機関に併設されたＥＣＵ（電子制御ユニット）２４に電気的に接続されており、該ＥＣＵ２４によってその動作が制御される。

外筒１６の内壁面と触媒担持体１４の外周面との間には、触媒担持体１４の軸方向中間部分に、圧縮された触媒保持マット２６が挟み込まれている。つまり、外筒１６内において、触媒担持体１４が触媒保持マット２６によって支持されている。

触媒保持マット２６は、電気絶縁材によって形成されている。触媒保持マット２６を形成する材料としては、高温耐久性を有するシリカ繊維、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維等の無機繊維を例示することができるが、他の材料であっても良い。触媒保持マット２６は、上記繊維を絡み合わせてマット状に形成したものであり、弾性を有している。電気絶縁材からなる触媒保持マット２６が、触媒担持体１４と外筒１６との間に挟み込まれているので、触媒担持体１４に通電したときに、触媒担持体１４に通電した電気が外筒１６へ流れることが抑制される。外筒１６には軸電極１８ｂを通すための貫通孔２８が開けられており、触媒保持マット２６には軸電極１８ｂが貫通している。

外筒１６と触媒担持体１４との間には、触媒担持体１４の軸方向両側（内燃機関側、及び内燃機関とは反対側）に、円弧状に形成された板状の熱電変換素子３４が図２に示すように周方向に複数配置されている。なお、熱電変換素子３４と前述した電極１８とは離間している。これら複数の熱電変換素子３４は、図示しない配線によって電気的に接続されている。これら熱電変換素子３４は、外筒１６の内周面、及び触媒担持体１４の外周面に直接接触している。なお、熱電変換素子３４と外筒１６との間、及び熱電変換素子３４と触媒担持体１４との間に絶縁層が設けられていても良い。また、環状に形成した熱電変換素子３４を外筒１６と触媒担持体１４との間に配置しても良い。

図１に示すように、本実施形態では、熱電変換素子３４の端部の位置と触媒担持体１４の端部の位置が外筒軸方向において一致しているが、２点鎖線で示すように、熱電変換素子３４の端部が触媒担持体１４の端部よりも触媒担持体１４の外側に位置していても良く、図示はしないが、触媒担持体１４の端部よりも触媒担持体１４の内側に位置していても良い。

外筒１６には、熱電変換素子３４から電力を取り出すための配線３６を通す貫通孔３７が形成されており、この貫通孔３７には、配線３６を支持する電極支持部材３８が設けられている。この電極支持部材３８は電気絶縁材によって形成されている。

熱電変換素子３４には、電圧変換器（充電器）４０を介して車両に搭載されたバッテリ２０に接続されており、電圧変換器４０はＥＣＵ２４に接続されている。また、ＥＣＵ２４には供給電力制御部２２が接続され、供給電力制御部２２にはバッテリ２０が接続されている。

（作用、効果）
以下、本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０の作用、及び効果を説明する。
本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０では、一対の電極１８を介して触媒担持体１４に供給電力制御部２２から電力を供給することにより、触媒担持体１４を急速に発熱させることができる。これにより、触媒担持体１４の温度を触媒活性温度まで急速に上昇させることができ、エンジン始動直後の排ガスの温度が低い状態であっても、触媒金属を活性化し、排ガスの浄化を効率的に行うことが出来る。

ところで、内燃機関の高負荷時に排ガスの温度が高温となり、触媒担持体１４が必要以上に加熱される場合、即ち、触媒担持体１４が過熱状態となる場合が考えられるが、本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０では、触媒担持体１４が加熱されると、熱電変換素子３４の触媒担持体側の温度が外筒側対比で温度が高くなり、触媒担持体側と外筒側との熱落差によって熱電変換素子３４に起電力が発生する。

触媒担持体１４からの熱は、熱電変換素子３４で電力に変換され、熱電変換素子３４で発電された電力は電圧変換器４０を介してバッテリ２０に供給されてバッテリ２０の充電に用いられる。熱電変換素子３４で発生した電力が、バッテリ２０の充電というかたちで連続して消費されることで、触媒担持体１４から熱電変換素子３４への熱の移動が多くなる、即ち、触媒担持体１４の熱を熱電変換素子３４が奪うので、触媒担持体１４の過熱を抑えることができる。このように触媒担持体１４の過熱を抑えることで、触媒担持体１４の熱的耐久性を向上することもできる。

また、本実施形態のように熱電変換素子３４を備えていない従来の電気加熱式排ガス浄化システムでは、触媒担持体１４が高温の排ガスで過熱状態となることを避けるために、内燃機関から距離を離して、ある程度温度が低下した排ガスが通過するフロア下に配置せざるを得なかった。フロア下に排気パイプよりも太い外筒１６を配置するため、フロアには外筒１６を避けるために、車室内側へ盛り上がったフロアトンネルを形成する必要があり、フロアの設計に制限があった。

しかしながら、本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０では、触媒担持体１４の過熱を抑えることができるので、外筒１６を内燃機関側へ近づけることが可能となり、フロアよりも内燃機関側、例えば、エンジンルームＥＲに配置することができる。これにより、外筒１６を配置するためにフロアトンネルが必要なくなり、フロアの設計の自由度が増し、車室のスペースも拡大可能となる。

また、本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０では、熱電変換素子３４で発電した電力をバッテリ２０の充電に用いることができるので、内燃機関Ｅに接続された発電機のバッテリ充電用の発電量を減らすことができ、これによって内燃機関の負荷を減らすことができ、燃費性能を向上することができる。

なお、熱電変換素子３４で発電された電力は、例えば、ＥＣＵ２４、エアコン、ヘッドライト、各種ランプ、ウォーターポンプ、電動ファン、オーディオ機器、ナビゲーションシステム、シガライター、電源取出用ソケット等の車両に搭載された電装品に供給することができる。これら電装品には、熱電変換素子３４で発生した電力を直接供給しても良く（必要に応じて電圧変換器を介する）、バッテリ２０に充電した電力を供給しても良い。
また、ハイブリッド車では、熱電変換素子３４で発生した電力を、モーター走行用のバッテリの充電に用いることもできる。

また、本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０では、触媒担持体１４と外筒１６との間に触媒保持マット２６が配置されているため、外筒１６は触媒保持マット２６で触媒担持体１４の荷重、及び触媒担持体１４からの入力を支持することができ、熱電変換素子３４の機械的な負担を減らすことが出来る。

［第２の実施形態］
図３にしたがって、本発明の第２の実施形態に係る電気加熱式排ガス浄化システム１０を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

図３に示すように、本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０では、外筒１６の外周面に環状の放熱フィン４２が取り付けられている。放熱フィン４２は、例えば、金属板を屈曲して形成することが出来るが、引き抜き材等で形成することも出来る。放熱フィン４２は、外筒１６の熱電変換素子３４と接触している部分を冷却するために、熱電変換素子３４と反対側に配置することが好ましい。

本実施形態のように、外筒１６の外周面に放熱フィン４２を取り付けることで、外筒１６を外気で効率的に冷却することができ、放熱フィン４２が無い場合に比較して外筒１６の温度を低くすることが出来る。これにより、熱電変換素子３４の温度差を大きくすることができ、熱電変換素子３４の発電量が増加することで消費電力を増加することができ、放熱フィン４２が無い場合に比較して触媒担持体１４の過熱を抑制する効果が向上する。

なお、放熱フィン４２は外筒１６を冷却できれば良く、材質、形状等は問わない。また、外筒１６、及び放熱フィン４２に向けて走行風や電動ファンからの風が効率的に送風されるように、車体に送風ガイドを設けても良い。また、図示は省略するが、外筒１６の外周に冷却液を通過させる冷却パイプを配置して外筒１６を冷却しても良い。

［第３の実施形態］
図４にしたがって、本発明の第２の実施形態に係る電気加熱式排ガス浄化システム１０を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成には同一符号を付し、その説明は省略する。

図４に示すように、本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０では、触媒担持体１４の内燃機関側（排ガス流れの上流側）の外筒内部に金属等で形成された断熱用パイプ４４が配置されている。

断熱用パイプ４４の外径は、軸方向の略全体が外筒１６の内径よりも小さく設定されて、外筒１６との間に隙間を形成しており、排ガス流れの上流側の一部が外筒１６の内周面に接触して固定されるように太く形成されている。断熱用パイプ４４の排ガス流れの下流側の端部は、触媒担持体１４の端部に接触、乃至若干の隙間を空けている。

本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０では、高温の排ガスが流れてくる触媒担持体１４の上流の外筒１６の内部に外筒１６との間に隙間を空けて断熱用パイプ４４を配置したので、上流側の熱電変換素子３４の近傍の外筒１６に対して、高温の排ガスが直接当たることが抑えられ、断熱用パイプ４４が無い場合対比で、熱電変換素子３４の近傍の外筒１６の温度を下げることが可能となる。

これにより、熱電変換素子３４の温度差を大きくすることができ、発電量の増加により消費電力を増加させることができ、断熱用パイプ４４が無い場合に比較して触媒担持体１４の過熱を抑制する効果が向上する。なお、触媒担持体１４の下流側に断熱用パイプ４４を設けても良い。また、本実施形態の構成に加え、第２の実施形態のように外筒１６の外周に放熱フィン４２を設けても良い。

［その他の実施形態］
（１） 上記実施形態では、熱電変換素子３４を外筒１６と触媒担持体１４との間に配置したが、熱電変換素子３４を外筒１６の外周面に取り付けても良い。熱電変換素子３４は一方の面が外筒１６によって加熱され、他方の面が外気に触れるので、外筒１６と外気との温度落差によって電力を発生させることが出来る。

本実施形態では、触媒担持体１４と熱電変換素子３４との間に外筒１６が介在するため、触媒担持体１４から外筒１６へ熱が伝達し易い様に、触媒担持体１４を外筒１６と接触させることが好ましい。なお、熱の伝達が良好であれば、触媒担持体１４と外筒１６との間に絶縁体、耐熱性接着剤等が介在しても良い。また、本実施形態では、熱電変換素子３４を外筒１６の外周面に配置しているので、外筒１６の内周面に配置する場合に比較して、熱電変換素子３４の組み付け作業が容易になる。

（２） 上記実施形態では、外筒１６が１重構造であったが、外筒１６は、外側パイプと、外側パイプの内側に外側パイプと隙間を開けて配置された内側パイプとで２重構造とされていても良い。この場合、熱電変換素子３４は、内側のパイプと触媒担持体１４との間に配置しても良く、内側パイプと外側パイプとの間に配置しても良い。

（３） 熱電変換素子３４は、少なくとも一方の面が触媒担持体１４からの熱が伝達され、他方の面が触媒担持体１４よりも温度が低くなって温度落差が生じれば良く、熱電変換素子３４の配置される位置は、上記実施形態のものに限らない。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０ 電気加熱式排ガス浄化システム
１２ 排気管
１４ 触媒担持体
１６ 外筒
２０ バッテリ（電力消費部材）
２６ 触媒保持マット（保持マット）
３４ 熱電変換素子
４２ 放熱フィン
Ｅ 内燃機関
ＥＲ エンジンルーム

Claims (7)

1. 内燃機関から排出される排ガスを浄化するための触媒金属を担持し、通電によって発熱される触媒担持体と、
   筒状に形成されて内部に前記触媒担持体を収容すると共に、排気管に接続される外筒と、
   前記触媒担持体の外周側に配置され、触媒担持体側を高温側熱源とし触媒担持体とは反対側を低温側熱源として熱落差を利用して起電力を発生する熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子で発生した起電力を消費する電力消費部材と、
   を有する電気加熱式排ガス浄化システム。
2. 前記熱電変換素子は、前記触媒担持体と前記外筒との間に配置されている、請求項１に記載の電気加熱式排ガス浄化システム。
3. 前記熱電変換素子は、前記外筒と前記触媒担持体とに接触している、請求項２に記載の
   電気加熱式排ガス浄化システム。
4. 前記触媒担持体と前記外筒との間に、前記触媒担持体を保持する保持マットが配置されている、請求項２または請求項３に記載の電気加熱式排ガス浄化システム。
5. 前記外筒に放熱フィンが設けられている、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の電気加熱式排ガス浄化システム。
6. 前記熱電変換素子は、前記外筒の外周面に配置されている、請求項１に記載の電気加熱式排ガス浄化システム。
7. 前記外筒は、エンジンルームに配置されている、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の電気加熱式排ガス浄化システム。