JP5257371B2 - 触媒コンバータ装置 - Google Patents

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、シェル（ケース）内に金属製触媒担体が嵌挿されており、さらに、金属製触媒担体の導電部材とシェルの間に、緩衝機能を有するマット部材が嵌挿保持されている。マット部材は電気絶縁材で構成されているが、特に金属製触媒担体の上流側において、内燃機関の燃焼によって生じた水分が凝縮水として飛散する。このとき発生した水滴によりシェルと金属製触媒担体とが短絡されてしまうと、シェルにも電気が流れるので、触媒担体の加熱効果が低下することがある。

特開平５−２５３４９１号公報

本発明は上記事実を考慮し、排気管内で発生した水滴に起因する触媒担体の加熱効果の低下を抑制できる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、絶縁性を有し、前記筒体と前記触媒担体との間に配置され弾性により触媒担体を筒体内に保持する保持部材と、前記筒体の内周面で、且つ前記保持部材の上流側端面が位置する部分に形成された親水性被膜層と、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昇温されると、担持された触媒による浄化効果をより高く発揮させることができる。また、触媒担体は保持部材及び筒体を介して排気管に取り付けられており、特に、触媒担体は保持部材の弾性力によって筒体内に保持されているので、筒体と触媒担体との相対移動（熱膨張によるズレや、車両からの振動等）を吸収することができる。保持部材は絶縁性を有しているので、保持部材を解して触媒担体と筒体とが短絡されることはない。

排気中には、内燃機関の燃焼で生じた水分が含まれることがあり、この水分が飛散して水滴が発生することがある。本発明では、筒体の内周面で、且つ保持部材の上流側端面が位置する部分に親水性被膜層が形成されているため、水滴が親水性被膜層に付着すると、この水滴は親水性被膜層に沿うように膜状に広がる。すなわち、水滴が筒体の内周面から中心に向かって盛り上がることが抑制されるので、水滴による筒体と触媒担体との短絡を防止できる。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。

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、前記親水性被膜層の下流側端部が前記保持部材の上流側端面よりも下流側に位置し、前記親水性被膜層の上流側端部が前記触媒担体の上流側端面よりも上流側に位置している。

このように親水性被膜層の下流側端部及び上流側端部の位置を決めることで、水滴による筒体と触媒担体との短絡をより確実に防止できる構造となる。

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、前記親水性被膜層が、前記筒体の前記内周面の最下端部分を少なくとも含む部位に形成されている。

水滴は、排気管内において重力により下方に溜まり易いが、親水性被膜層は、筒体の内周面の最下端部分を少なくとも含む部位に形成されているので、この最下端部分を含む部位に形成されていない構成と比較して、水滴による筒体と触媒担体との短絡をより効果的に防止できる。

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、前記親水性被膜層が絶縁性を有すると共に、前記筒体の内周面と前記保持部材との対向部分の全面にわたって形成されている。

すなわち、絶縁性を有する親水性被膜層が筒体と保持部材との間に介在されているので、保持部材が水分を吸着して電気抵抗（絶縁性）が低下した場合でも、触媒担体と筒体とが保持部材を介して短絡されることを防止でき、触媒担体の加熱効果の低下を抑制できる。

本発明は上記構成としたので、排気管内で発生した水滴に起因する触媒担体の加熱効果の低下を抑制できる。

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。 本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を図１のＩＩ−ＩＩ線断面で示す断面図である。 付着対象物に水滴が付着した状態を拡大して示す説明図である。 本発明の第１実施形態の変形例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。 本発明の第２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。 本発明の第１実施形態の第１変形例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。 本発明の第１実施形態の第２変形例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。 第１参考例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。 第２参考例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。また、図２には、触媒コンバータ装置１２が図１のＩＩ−ＩＩ線断面図にて示されている。

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を加熱できる。そして、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の外周には、絶縁性材料によって略円筒状に形成されたマット層２６が配置されている。さらに、マット層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マット層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、絶縁性を有するマット層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、マット層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、マット層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、マット層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、マット層２６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。

図１から分かるように、本実施形態では、触媒担体１４とマット層２６とは軸方向で同じ長さに形成されており、触媒担体１４の上流側端面１４Ａとマット層２６の上流側端面２６Ａとは面一になっている。同様に、触媒担体１４の下流側端面１４Ｂとマット層２６の下流側端面２６Ｂとは面一になっている。

ケース筒体２８の内周面には、マット層２６の上流側端面２６Ａが位置している部分を含む領域（特に、上流側端面２６Ａよりもさらに上流側の部分）に、親水性被膜層２０が形成されている。特に本実施形態では、マット層２６の上流側端面２６Ａよりもさらに上流側の位置から、この上流側端面２６Ａよりもわずかに下流側の位置（この部分ではマット層２６とケース筒体２８の間に親水性被膜層２０が挟まれている）に至るまでの軸方向の長さを、親水性被膜層２０が有している。したがって、親水性被膜層２０の下流側端部２０Ｂがマット層２６の上流側端面２６Ａよりも下流側に位置し、親水性被膜層２０の上流側端部２０Ａが触媒担体１４の上流側端面１４Ａよりも上流側に位置していることになる。

この親水性被膜層２０は、付着した水滴の接触角が十分に大きく、水滴が触媒担体１４に達しない程度に濡れ広がる（換言すれば盛り上がらない）程度の親水性を有する膜であり、たとえば、亜鉛リッチ膜、酸化チタン膜、カルボン酸膜、フラン膜等を適用することができる。

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。

図１に示すように、触媒コンバータ装置１２は、そのケース筒体２８が排気管１０の途中に、排気管１０と同心になるように取り付けられ、触媒担体１４の内部を排気が通過する。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。

排気中には水分が含まれているため、触媒コンバータ装置１２よりも上流側では、排気管１０内の水分が凝縮し水滴となる。そして、排気の流れによって下流側へと飛散するため、水滴がケース筒体２８の内周面やマット層２６及び触媒担体１４のそれぞれの上流側端面２６Ａ、１４Ａに水滴が付着することがある。ここで、本実施形態のような親水性被膜層２０が設けられていない触媒コンバータ装置（比較例）を想定すると、このような触媒コンバータ装置では、水滴によって触媒担体１４とケース筒体２８とに掛け渡されるように水滴が付着した場合に、これらが短絡されてしまうおそれがある。特に、ケース筒体２８の内周面の親水性によっては、付着した水滴が中心線ＣＬに向かって盛り上がってしまい、触媒担体１４とケース筒体２８とが短絡されやすくなる。この短絡により、本来であれば触媒担体１４を流れる電気の一部が、ケース筒体２８を流れるため、触媒担体１４への通電量が少なくなってしまう。

これに対し、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、ケース筒体２８の内周面で、且つマット層２６の上流側端面２６Ａが位置している部分を含む領域に、親水性被膜層２０が形成されている。したがって、親水性被膜層２０に付着した水滴は、親水性被膜層２０に沿って膜状に広がる。すなわち、上記した比較例の触媒コンバータ装置と比較して、水滴の盛り上がりの高さが低くなる。これにより、触媒担体１４とケース筒体２８との、水滴による短絡を抑制することができる。

なお、親水性被膜層２０の、軸方向（排気の流れ方向）における長さは、付着した水滴を十分に濡れ広がらせることで、触媒担体１４とケース筒体２８との短絡を抑制を抑制できればよく、過度に長くする必要はない。

図３には、付着対象物３０に付着した水滴ＷＤが拡大して示されている。ここで、水滴ＷＤの接触角をθ、水滴ＷＤが付着対象物３０に接触している部分の長さをｌ、水滴ＷＤの付着対象物３０からの高さをｈとすると、一般的に、

の関係がある。従って、本実施形態において、触媒担体１４とケース筒体２８との間隔（実質的にマット層２６の厚み）をＢとすると、親水性被膜層２０の軸方向の長さＡは、

を満たす範囲とすれば十分である。

なお、上記実施形態では、図２からも分かるように、中心線ＣＬに沿った方向に見たとき、親水性被膜層２０が全周に形成されている例を挙げているが、実際には、触媒コンバータ装置１２の上流側において水分の凝縮により生じた水滴は、重力によって落下しつつ、下流側に移動する。したがって、ケース筒体２８の内周面の最下端部分２８Ｂを少なくとも含む部位に、親水性被膜層２０を形成しておくことが好ましい。たとえば、図４に示す変形例の触媒コンバータ装置２２のように、ケース筒体２８の内周面の、下側の半周程度に親水性被膜層２０を形成した構成であっても、触媒担体１４とケース筒体２８との、水滴による短絡を抑制することは可能となる。

また、上記では、触媒コンバータ装置１２、２２が水平に配置されている例を図示しているが、傾斜配置された触媒コンバータ装置であっても、マット層２６の上流側端面２６Ａがケース筒体２８の内周面に接触している部分をケース筒体２８の周方向に沿って環状に見たときの最下端部分を少なとも含む部位に親水性被膜層２０を形成しておけば、触媒担体１４とケース筒体２８との、水滴による短絡を効果的に抑制することが可能となる。

図５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。なお、第２実施形態では、第１実施形態と同一の構成要素、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実施形態の触媒コンバータ装置４２では、親水性被膜層４４が、第１実施形態において必要とされた親水性に加えて、絶縁性をも有する材料で構成されている。しかも、第２実施形態の親水性被膜層４４は、マット層２６とケース筒体２８とが対向する部分の全ての位置するように、軸方向に十分な長さを有している。換言すれば、マット層２６とケース筒体２８とが、絶縁性を有する親水性被膜層４４によって絶縁されていることになる。

このような構成とされた第２実施形態の触媒コンバータ装置４２においても、その上流側で生じた水滴が親水性被膜層４４に付着すると、膜状に広がることで盛り上がらなくなるので、触媒担体１４とケース筒体２８との、水滴に起因する短絡を抑制することができる。

しかも、第２実施形態の触媒コンバータ装置４２では、マット層２６とケース筒体２８とが親水性被膜層４４によって絶縁されている。したがって、マット層２６が水分を吸着して、その絶縁性を低下させてしまっても、電気の一部がマット層２６からケース筒体２８を流れることはなく、触媒担体１４を流れるので、触媒担体１４への通電加熱を確実に行わせることができ、担持された触媒を確実に昇温できる。

第２実施形態において、親水性被膜層４４に求められる絶縁性は、上記したようにマット層２６とケース筒体２８との短絡を効果的に防止できれば十分である。たとえば、抵抗率（体積抵抗率）として、１０^１１〜２×１０^１２（Ω・ｍ）（１００℃時）、膜厚として５〜１０（μｍ）とすればよい。

なお、上記各実施形態では、触媒担体１４の上流側端面１４Ａとマット層２６の上流側端面２６Ａとが面一になっている構成のものを挙げたが、これらの上流側端面１４Ａ、２６Ａは軸方向（排気の流れ方向）にずれていてもよい。

図６には、第１実施形態の第１変形例の触媒コンバータ装置４６が示されている。この触媒コンバータ装置４６では、触媒担体１４の上流側端面１４Ａがマット層２６の上流側端面２６Ａよりも下流側に位置している。また、図７には、第１実施形態の第２変形例の触媒コンバータ装置４８が示されている。この触媒コンバータ装置４６では、触媒担体１４の上流側端面１４Ａがマット層２６の上流側端面２６Ａよりも上流側に位置している。これら第１変形例の触媒コンバータ装置４６であっても、第２変形例の触媒コンバータ装置４８であっても、親水性被膜層２０の下流側端部２０Ｂがマット層２６の上流側端面２６Ａよりも下流側に位置し、親水性被膜層２０の上流側端部２０Ａが触媒担体１４の上流側端面１４Ａよりも上流側に位置している。このような構成であれば、図１に示した第１実施形態の触媒コンバータ装置１２と同様に、上流側で生じた水滴が親水性被膜層４４によって膜状に広がり、盛り上がらなくなるので、触媒担体１４とケース筒体２８との、水滴に起因する短絡を抑制することができる。

図８には、第１参考例の触媒コンバータ装置５２が示されている。この触媒コンバータ装置５２では、ケース筒体５４が略円錐台状に形成されており、大径部５４Ｌが上流側に位置するように排気管１０に取り付けられている。したがって、触媒担体１４の上流側端面１４Ａでは、下流側端面１４Ｂよりもケース筒体２８との間隔Ｌ１が広くあいている。また、これに合わせて、マット層５６も、その外周面が斜めに傾斜したテーパー形状とされており、厚肉部５６Ｄが上流側に位置するように配置されている。なお、第１参考例の触媒コンバータ装置５２では、前述した各実施形態の親水性被膜層２０、４４は設けられていない。

この第１参考例の触媒コンバータ装置５２では、親水性被膜層２０、４４が設けられていないため、上流側で生じた水滴がケース筒体２８の内周面に付着しても、膜状に濡れ広がることはない。しかし、触媒担体１４の上流側端面１４Ａではケース筒体２８との間隔Ｌ１が広くあいているので、ケース筒体２８に付着した水滴に起因する触媒担体１４とケース筒体２８との短絡を抑制することができる。

ただし、第１参考例の触媒コンバータ装置５２では、ケース筒体５４を略円錐台状に形成する必要があり、さらに、マット層５６も、外周面が斜めに傾斜したテーパー形状のものとする必要がある。特に、マット層５６は、このような特殊な形状とすることが、製造上困難な場合があり、製造コストが高くなる。

図９には、第２参考例の触媒コンバータ装置７２が示されている。この触媒コンバータ装置７２では、ケース筒体７４に段差部７４Ｄが形成されており、段差部７４Ｄよりも上流側には、マット層２６に接触している部分よりも大径の大径部７４Ｌが形成されている。段差部７４Ｄの少なくとも一部は、マット層２６及び触媒担体１４のそれぞれの上流側端面２６Ａ、１４Ａよりも下流側に位置しており、触媒担体１４の上流側端面１４Ａでは、ケース筒体２８との間隔Ｌ２が広くあいている。なお、第２参考例の触媒コンバータ装置７２においても、第１参考例の触媒コンバータ装置５２と同様に、上記各実施形態の親水性被膜層２０、４４は設けられていない。

この第２参考例の触媒コンバータ装置７２においても、親水性被膜層２０、４４が設けられていないため、上流側で生じた水滴がケース筒体２８の内周面に付着しても、膜状に濡れ広がることはない。しかし、触媒担体１４の上流側端面１４Ａではケース筒体２８との間隔Ｌ２が広くあいているので、ケース筒体２８に付着した水滴に起因する触媒担体１４とケース筒体２８との短絡を抑制することができる。

ただし、第２参考例の触媒コンバータ装置７２では、図９から分かるように、その構造上、ケース筒体７４（段差部７４Ｄ）とマット層２６との間に、上流側を臨む略テーパー状の隙間Ｄ１が構成されてしまい、この隙間Ｄ１に排気が集中して、触媒コンバータ装置７２が風蝕されやすくなるおそれがあるため、風蝕対策をあらかじめ施しておくことが好ましい。

１０ 排気管
１２ 触媒コンバータ装置
１４ 触媒担体
１４Ａ 上流側端面
１６Ａ、１６Ｂ 電極
１８Ａ、１８Ｂ 端子
２０ 親水性被膜層
２０Ａ 上流側端部
２０Ｂ 下流側端部
２２ 触媒コンバータ装置
２６ マット層
２６Ａ 上流側端面
２８ ケース筒体
２８Ｂ 最下端部分
３０ 付着対象物
４２ 触媒コンバータ装置
４４ 親水性被膜層
４６ 触媒コンバータ装置
４８ 触媒コンバータ装置
ＷＤ 水滴

Claims (4)

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、
   絶縁性を有し、前記筒体と前記触媒担体との間に配置され弾性により触媒担体を筒体内に保持する保持部材と、
   前記筒体の内周面で、且つ前記保持部材の上流側端面が位置する部分に形成された親水性被膜層と、
   を有する触媒コンバータ装置。
2. 前記親水性被膜層の下流側端部が前記保持部材の上流側端面よりも下流側に位置し、
   前記親水性被膜層の上流側端部が前記触媒担体の上流側端面よりも上流側に位置している請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
3. 前記親水性被膜層が、前記筒体の前記内周面の最下端部分を少なくとも含む部位に形成されている請求項１又は請求項２に記載の触媒コンバータ装置。
4. 前記親水性被膜層が絶縁性を有すると共に、前記筒体の内周面と前記保持部材との対向部分の全面にわたって形成されている請求項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。

Images