JP5293833B2

JP5293833B2 - 排気浄化装置

Info

Publication number: JP5293833B2
Application number: JP2011538122A
Authority: JP
Inventors: 靖朗木下; 忠史高垣; 一臣山西; 孝吉土井; 達雄飯田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: WO2011052020A1; US20120207649A1; US8986619B2; JPWO2011052020A1

Description

本発明は、排気浄化装置に関し、特にエンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置に関する。

従来、エンジンを有する自動車等の排気経路上に設けられ、エンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置として通電加熱式触媒（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＨｅａｔｅｄＣａｔａｌｙｓｔ：ＥＨＣ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１０に示すように、従来のＥＨＣである排気浄化装置１００は、外装をなす中空のケース１１０と、ケース１１０の内部に収納され、白金、又はパラジウム等の触媒が担持されたハニカム構造を有する円筒状の担体１２０と、担体１２０の外周面に互いに対向するように設けられ、担体１２０と電気的に接続された電極１３０・１４０と、電極１３０・１４０にそれぞれ電気的に接続されると共に、バッテリ等の電源にワイヤハーネス等を介して電気的に接続された端子１５０・１６０とを具備する。排気浄化装置１００は、前記電源から供給されて電極１３０・１４０間を流れる電流により担体１２０を通電加熱することで、担体１２０に担持された触媒を活性温度まで昇温して、エンジンから排出される排気ガス中のＨＣ（未燃炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害物質を触媒反応により浄化する。

上記のように、担体１２０に担持された触媒は、活性温度に達している場合において触媒反応により排気ガスを浄化することが可能である。しかし、エンジン始動時、特にコールドスタート時において、触媒の温度が活性温度に達していない場合、排気ガス中の有害物質が浄化されないまま大気中に排出されてしまうという問題が生じる。

排気浄化装置１００においては、電極１３０・１４０を通じて担体１２０を流れる電流は、担体１２０における抵抗の低い部分に優先的に流れる。そのため、担体１２０を均等に加熱することができず、コールドスタート時に担体１２０に担持された触媒において活性温度に達していない部分が生じるおそれがあり、排気ガス中の有害物質の浄化が充分ではなかった。一方で、触媒に活性温度に達していない部分が生じないように担体１２０を加熱するとなると、消費電力が増加するという問題が生じる。

また、排気浄化装置１００においては、電極１３０・１４０が互いに１８０度の位相差をもって対向するように担体１２０の外周面に配置されている。これに伴って、端子１５０・１６０が担体１２０の外周面における電極１３０・１４０の設けられた範囲、つまり約１８０度の位相差をもって配置されることとなる。このように、端子１５０・１６０が担体１２０の外周面において略対向するように配置されるため、例えば、自動車の床下に排気浄化装置１００を設ける場合、当該床下のスペースを大きく確保する必要があり、車内空間の縮小等を図らなければならない点で不利である。
特許第３３３４８９７号

本発明は、担体を均等に加熱して、エンジンのコールドスタート時においても担体に担持された触媒を活性温度まで昇温できる排気浄化装置を提供することを課題とする。

本発明の排気浄化装置は、外装をなす中空のケースと、前記ケースの内部に収納され、触媒が担持される円筒状の担体と、前記担体の外周面に設けられる一対の電極と、を具備し、前記一対の電極を通じて前記担体を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置であって、前記一対の電極は、それぞれ中心角を２０〜４０度とする前記担体の外周円弧に設けられ、互いに１８０度の位相差をもって対向するように配置される。

本発明の排気浄化装置において、前記担体は、ＳｉＣからなることが好ましい。

本発明の排気浄化装置において、前記一対の電極は、前記担体の軸方向における両端部に亘って、前記担体の周方向全周を覆う螺旋状に形成されることが好ましい。

本発明の排気浄化装置において、前記一対の電極に電気的に接続され、前記ケースの外部に突出する一対の端子を具備し、前記一対の端子は、前記担体の周方向における略同位相の位置に配置されることが好ましい。

本発明によれば、担体を均等に加熱して、エンジンのコールドスタート時においても担体に担持された触媒を活性温度まで昇温できる。

本発明に係る排気浄化装置の一部側面断面図。本発明に係る排気浄化装置の正面端面図（図１のＡ−Ａ線端面図）。本発明に係る排気浄化装置の正面端面図（図１のＢ−Ｂ線端面図）。担体の外周面の展開図。本発明の別実施形態に係る排気浄化装置の一部側面断面図。本発明の別実施形態に係る排気浄化装置の正面断面図。電極角度と担体の温度との関係を示す図。担体の軸方向断面における電流密度の分布を示す図。担体の軸方向断面における電流密度の分布を示す図。従来の排気浄化装置の正面断面図。

１排気浄化装置
１０ケース
２０担体
３０、４０電極
５０、６０端子
５１、６１連結部材

以下では、図１〜図６を参照して、排気浄化装置１について説明する。
排気浄化装置１は、自動車等の排気経路上に設けられ、エンジンから排出される排気ガスを浄化する通電加熱式触媒（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＨｅａｔｅｄＣａｔａｌｙｓｔ：ＥＨＣ）である。

図１及び図２に示すように、排気浄化装置１は、外装をなす中空のケース１０と、ケース１０の内部に収納された担体２０と、担体２０の外周面に設けられた電極３０・４０と、電極３０・４０にそれぞれ電気的に接続された端子５０・６０とを具備する。

ケース１０は、排気浄化装置１の外装をなすと共に、エンジンから排出される排気ガスが流動する排気管の一部をなす部材であり、略円筒状に形成されている。

担体２０は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、又はコーディエライト等のセラミックスからなるハニカム構造の多孔質部材であり、白金、又はパラジウム等の触媒が担持されている。担体２０は、ケース１０の内径よりも若干小さい外径を有する円筒状に形成され、ケース１０の内部においてケース１０の内周面との間に所定の隙間（ケース１０の内周面と担体２０の外周面に設けられた電極３０・４０とが接触しない程度の隙間）を有するように配置されると共に、エンジンから排出される排気ガスが担体２０の内部を軸方向に通過するように配置されている。ケース１０の内周面と担体２０の外周面との間には、アルミナ等からなる保持部材（不図示）が設けられており、担体２０の位置ずれを防止すると共に、ケース１０の内周面と担体２０の外周面との間の隙間をシールしている。
なお、担体２０は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）からなることが好ましい。

電極３０・４０は、溶射によって担体２０の外周面に層状に形成された銅、又はアルミニウム等からなる一対の電極である。電極３０・４０は、担体２０と電気的に接続されており、担体２０に電流を流して加熱するための電極として機能する。なお、電極３０・４０のいずれがプラス側、又はマイナス側の電極となるかを問わず、電流の流れる方向は限定しない。

図１に示すように、電極３０・４０は、所定幅を有した帯状に形成されており、互いに対向した状態で担体２０の軸方向における両端部に亘って螺旋状に配置されている。
詳細には、図３及び図４に示すように、担体２０の軸方向断面において、担体２０の軸方向の位置に関係なく、電極３０・４０が互いに１８０度の位相差をもって対向するように配置されている。そして、担体２０の一端（図１における左端）から他端（図１における右端）に進むに従って、電極３０・４０は、互いの相対的な位置関係、及び断面形状を保持した状態で、徐々に位相を変化させつつ（担体２０の周方向に回転しつつ）担体２０の周方向全周を辿るように配置されている。
これにより、担体２０を通電加熱した際に担体２０の軸方向断面に生じる温度のばらつきを担体２０の軸方向における両端部に亘っての位相変化によって吸収することができ、担体２０全体としての温度分布を均一にすることができる。換言すれば、担体２０を均等に加熱することができる。
なお、電極３０・４０の螺旋形状は本実施形態に限定するものではなく、電極３０と電極４０とが接近し過ぎず、かつ担体２０の軸方向における両端部に亘って電極３０と電極４０とで担体２０の周方向全周を覆う螺旋形状であればよい。
また、電極３０・４０は、担体２０の軸方向における両端面まで達していなくてもよく、担体２０の軸方向における中心から両端面近傍まで設けられていればよい。

また、電極３０・４０は、それぞれ中心角を２０〜４０度とする担体２０の外周円弧に設けられることが好ましい。詳細には、図３に示すように、担体２０の軸方向断面における中心Ｃから直径方向外側に延出する二つの直線のなす角度θ（以下、「電極角度θ」と記す。）を中心角とする担体２０の両円弧上にそれぞれ電極３０・４０を設け、電極角度θを２０〜４０度に設定する。つまり、中心Ｃと担体２０の周方向における電極３０の両端とを結ぶ両線がなす角度、及び中心Ｃと担体２０の周方向における電極４０の両端とを結ぶ両線がなす角度が電極角度θであり、２０〜４０度に設定される。

図１及び図２に示すように、端子５０・６０は、電極３０・４０と、ケース１０の外部に設けられたバッテリ等の電源とを電気的に接続するための棒状部材であり、担体２０における電極３０・４０が設けられた位置に合わせて配置される。端子５０・６０は、それらの一端部がケース１０の外部に突出するようにケース１０に貫通した状態で固定されている。端子５０・６０は、ケース１０の外部において、ワイヤハーネス等の接続部材を介して前記電源と電気的に接続され、ケース１０の内部において、それぞれ連結部材５１・６１を介して電極３０・４０と電気的に接続されている。つまり、端子５０・６０の一端部と前記接続部材とが接続され、端子５０・６０の他端部と連結部材５１・６１とが接続されている。こうして、端子５０・６０によって前記電源と電極３０・４０とが電気的に接続することを可能としている。
連結部材５１・６１は、略Ｕ字に湾曲した板材であり、電極３０・４０と端子５０・６０とを電気的に接続する。連結部材５１・６１の一端部と端子５０・６０の他端部とが接続され、連結部材５１・６１の他端部と電極３０・４０とが接続されている。連結部材５１・６１は、端子５０・６０を担体２０の外周面に対して所望の角度で設置することを可能とすると共に、担体２０からの振動を吸収する緩衝材として機能する。

また、図２に示すように、端子５０・６０は、担体２０における略同位相の位置に配置されている。前述のように、端子５０・６０は、担体２０における電極３０・４０が設けられた位置に合わせて配置されるが、電極３０・４０が担体２０の軸方向に沿って螺旋状に設けられているため、端子５０・６０の電極３０・４０に対する設置位置を、担体２０の軸方向における適宜位置に設定することで、担体２０における略同位相の位置から端子５０・６０を取り出すことが可能となっている。
これにより、両端子を互いに１８０度の位相差をもって対向するように配置した場合（図１０参照）と比較して、排気浄化装置１を小型化することができ、例えば、自動車の床下に排気浄化装置１を設ける場合においては、当該床下のスペースを縮小することができる。
ここで、担体２０における「略同位相の位置」とは、排気浄化装置１の設置スペースの縮小を図れる程度に適宜設定される端子５０・６０の取り出し位置であり、端子５０・６０の取り出し位置が完全に同一の位相の場合も含む。

以上のように、排気浄化装置１は、前記電源から供給されて電極３０・４０間を流れる電流により担体２０を通電加熱することで、担体２０に担持された触媒を活性温度まで昇温して、エンジンから排出されて担体２０を通過する排気ガス中のＨＣ（未燃炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、及びＮＯｘ（窒素酸化物）等の有害物質を触媒反応により浄化する。

また、担体２０の外周面に設けられる電極の別形態として、図５及び図６に示すように、担体２０の軸方向における両端部に亘って一直線状の電極７０・８０を設ける構成とすることも可能である。

電極７０・８０は、電極３０・４０と同様に、溶射によって担体２０の外周面に層状に形成された銅、又はアルミニウム等からなる一対の電極である。電極７０・８０は、担体２０と電気的に接続されており、担体２０に電流を流して加熱するための電極として機能する。なお、電極７０・８０のいずれがプラス側、又はマイナス側の電極とするかを問わず、電流の流れる方向は限定しない。
電極７０・８０は、電極角度θを中心角とする担体２０の外周円弧上において、互いに１８０度の位相差をもって対向した状態で担体２０の軸方向における両端部に亘って一直線状に設けられている。
ただし、電極角度θは、２０〜４０度であることが好ましい。

電極３０・４０の代わりに電極７０・８０を設けるに伴い、本実施形態における排気浄化装置１においては、連結部材５１・６１の代わりに連結部材５２・６２が設けられている。

連結部材５２・６２は、担体２０における電極７０・８０が設けられた位置から略同位相の位置まで担体２０の外周形状に沿って延出した板材であり、電極７０・８０と端子５０・６０とを電気的に接続する。連結部材５２・６２の一端部は、電極７０・８０と溶射によって接続され、連結部材５２・６２の他端部は、担体２０における略同位相の位置において端子５０・６０の他端部と接続されており、担体２０における略同位相の位置から端子５０・６０を取り出すことが可能となっている。
これにより、両端子を互いに１８０度の位相差をもって対向するように配置した場合（図１０参照）と比較して、排気浄化装置１を小型化することができ、例えば、自動車の床下に排気浄化装置１を設ける場合においては、当該床下のスペースを縮小することができる。
なお、連結部材５２・６２を担体２０の軸方向に湾曲させる等して、連結部材５２の他端部（連結部材５２における端子５０との接続部）と、連結部材６２の他端部（連結部材６２における端子６０との接続部）とを担体２０の軸方向において離間させることで、端子５０・６０の取り出し位置を完全に同一の位相とすることも可能である。

以下では、図７〜図９を参照して、電極角度θと担体の温度との関係について説明する。
図７は、ＣＡＥによる電極角度θと担体の温度との関係の解析結果を示す図であり、電極角度θに対する担体の軸方向断面の温度をプロットしている。
図８は、ＣＡＥによって電極角度θが９０度の場合の担体の軸方向断面における電流密度の分布を示す図であり、担体の軸方向断面における電流密度が最も高い部分は白く、最も低い部分は黒く表し、その変化をハッチングの間隔によって表している。ただし、担体の軸方向断面における片側半分（図８における右側半分）のみを示している。
図９は、ＣＡＥによって電極角度θが４０度の場合の担体の軸方向断面における電流密度の分布を示す図であり、担体の軸方向断面における電流密度が最も高い部分は白く、最も低い部分は黒く表し、その変化をハッチングの間隔によって表している。ただし、担体の軸方向断面における片側半分（図９における右側半分）のみを示している。
なお、本実験においては、ＳｉＣ（炭化ケイ素）からなる担体を用いた。

図７に示すように、電極角度θの変化に伴って、担体の温度のばらつきが増減することが明らかとなった。詳細には、電極角度θが４０度を上回ると、電極角度θが大きくなるに従って担体の温度のばらつきが大きくなり、電極角度θが２０度を下回ると、電極角度θが小さくなるに従って担体の温度のばらつきが大きくなることが明らかとなった。

図８に示すように、例えば、電極角度θが９０度の場合、担体の周方向における電極の端部近傍においては、担体の単位面積あたりに流れる電流、つまり電流密度が高い。一方、担体の周方向における電極の中央付近においては、担体の単位面積あたりに流れる電流、つまり電流密度が低い。これは、担体よりも導電性の高い電極に電流が優先的に流れるためである。

図９に示すように、例えば、電極角度θが４０度の場合、担体の周方向における電極の端部近傍においては、電極角度θが９０度の場合と同様に、担体の単位面積あたりに流れる電流、つまり電流密度が高い。一方、担体の周方向における電極の中央付近においては、担体の単位面積あたりに流れる電流、つまり電流密度が低いが、電極角度θが９０度の場合と比較して、電流密度が低い部分（図８及び図９におけるハッチングの間隔が比較的狭い部分）が少なくなっている。これは、担体の周方向における電極の両端部の距離が小さくなり、電流がより効率的に担体に流れるためである。しかし、逆に電極角度θが２０度を下回るほど小さくし過ぎると、図９における右側に分布している電流密度が低い部分（図８及び図９におけるハッチングの間隔が比較的狭い部分）が多くなる。

このように、電極角度θが４０度の場合は、電極角度θが９０度の場合と比較して、全体として電流密度が低い部分（図８及び図９におけるハッチングの間隔が比較的狭い部分）が少なくなり、電流密度が高い部分（図８及び図９におけるハッチングの間隔が比較的広い部分）が多くなっている。そのため、電極角度θが４０度の場合は、電極角度θが９０度の場合と比較して、担体の温度のばらつきが小さくなっている。

担体の温度のばらつきが大きくなると、エンジン始動時、特にコールドスタート時に、担体に担持された触媒において活性温度に達していない部分が生じるおそれがあり、排気ガス中の有害物質を充分に浄化することができないため、担体の温度のばらつきは小さくすることが望ましい。
よって、電極角度θを２０〜４０度とすることで、担体の温度のばらつきを小さくすることができ、より少ない電力で担体を均等に加熱して、エンジンのコールドスタート時においても担体に担持された触媒を活性温度まで昇温できることが明らかとなった。

特に、電極を前記の電極３０・４０の如く螺旋状に形成することで、担体の軸方向における一端部から他端部に進むに従って、電極が徐々に位相を変化させつつ（担体の周方向に回転しつつ）担体の周方向全周を辿る。つまり、担体の軸方向における一端部から他端部に進むに従って、電極の位置に起因して担体の軸方向断面に生じる温度分布も徐々に位相が変化する（担体の周方向に回転する）こととなる。そのため、担体の軸方向断面に生じる温度のばらつきを担体の軸方向における一端部から他端部にかけての位相変化によって吸収することができ、担体２０全体としての温度分布を均一にすることができる。したがって、担体を更に均等に加熱することができる。

本発明は、エンジンから排出される排気ガスを浄化する排気浄化装置に利用でき、特に溶射によって外周面に電極が設けられた担体を具備する排気浄化装置に利用できる。

Claims

外装をなす中空のケースと、
前記ケースの内部に収納され、触媒が担持される円筒状の担体と、
前記担体の外周面に設けられる一対の電極と、を具備し、
前記一対の電極を通じて前記担体を通電加熱して前記触媒を活性温度まで昇温する排気浄化装置であって、
前記一対の電極は、前記担体の軸方向における両端部に亘って、前記担体の周方向全周を覆う螺旋状に形成される排気浄化装置。
前記一対の電極は、それぞれ中心角を２０〜４０度とする前記担体の軸方向断面の外周円弧に設けられ、互いに１８０度の位相差をもって対向するように配置される請求項１に記載の排気浄化装置。
前記担体は、ＳｉＣからなる請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置。
前記排気浄化装置は、
前記一対の電極に電気的に接続され、前記ケースの外部に突出する一対の端子を具備し、
前記一対の端子は、前記担体の周方向における略同位相の位置に配置される請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の排気浄化装置。