JP5354032B2 - 電気加熱式触媒 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられる電気加熱式触媒に関する。

従来、内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化触媒として、通電されることで発熱する発熱体によって触媒が加熱される電気加熱式触媒（Electric Heating Catalyst：以下、ＥＨＣと称する）が開発されている。

ＥＨＣにおいては、通電によって発熱する発熱体と、該発熱体の収容するケースとの間に、該発熱体を支持すると共に電気を絶縁する絶縁支持部材が設けられる。例えば、特許文献１には、ＥＨＣにおいて、通電により発熱する担体と、該担体を収容するケースとの間に、絶縁体のマットを設ける技術が開示されている。

特開平０５−２６９３８７号公報

ＥＨＣにおいては、絶縁支持部材内に浸入（浸潤）した凝縮水によって発熱体とケースとの間が短絡することを抑制するために、内管を設ける場合がある。該内管は、発熱体とケースとの間に位置するように絶縁支持部材によって挟み込まれた管状の部材である。また、該内管は、表面全体に電気絶縁層が形成されているか或いは電気絶縁材によって形成されている。

ＥＨＣに内管を設ける場合、該内管は、絶縁支持部材の端面から排気中に突出するように形成される。内管をこのように形成することで、ケースの内壁面を流れて絶縁支持部材に到達した凝縮水が、該絶縁支持部材の端面を伝って発熱体にまで至ることが該内管によって抑制される。従って、絶縁支持部材の内部のみならず、絶縁支持部材の端面において、発熱体とケースとの間が凝縮水によって短絡することを抑制することができる。

ところが、内管を上記のような構成とすると、内管における絶縁支持部材の端面から突出した突出部に排気中の粒子状物質（Particulate Matter:以下、ＰＭと称する）が付着する。その結果、内管の突出部にＰＭが堆積すると、発熱体とケースとの間が該ＰＭによって短絡する虞がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、ＥＨＣにおける、発熱体とケースとの間の短絡を抑制することを目的とする。

本発明は、ＥＨＣにおいて、内管における絶縁支持部材の端面から排気中に突出している突出部の少なくとも外周面を、絶縁支持部材の端面と接する所定の範囲を除いて、酸化機能を有する触媒によって覆うものである。

より詳しくは、本発明に係る電気加熱式触媒（ＥＨＣ）は、
通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱する発熱体と、
前記発熱体を収容するケースと、
前記発熱体と前記ケースとの間に設けられ、前記発熱体を支持すると共に電気を絶縁する絶縁支持部材と、
前記発熱体とケースとの間に位置するように前記絶縁支持部材に挟み込まれた管状の部材であって、その端部が前記絶縁支持部材の端面から排気中に突出しており、且つ、表面全体に電気絶縁層が形成されているか或いは電気絶縁材によって形成された内管と、
前記内管における前記絶縁支持部材の端面から排気中に突出している突出部の少なくとも外周面を、前記絶縁支持部材の端面と接する所定の範囲を除いて覆う酸化機能を有する触媒と、
を備える。

酸化機能を有する触媒によって内管の突出部を覆うことで、該突出部に付着したＰＭの酸化を促進させることができる。そのため、該突出部の該触媒によって覆われた部分におけるＰＭの堆積を抑制することができる。その結果、発熱体とケースとの間のＰＭによる短絡を抑制することができる。

ただし、内管の突出部を触媒で覆った場合、該触媒によって覆った部分が多孔質化するために、該部分に凝縮水が滞留し易くなる。従って、内管の突出部全体を触媒で覆うと、滞留した凝縮水によって発熱体とケースとの間が短絡し易くなる。

ここで、内管の外側はその内側に比べて排気の流量が少ない。そのため、内管の突出部の外周面には、該突出部の内周面に比べてＰＭが堆積し難い。また、内管の突出部において、絶縁支持部材の端面に近い部分は、絶縁支持部材の端面から離れた部分に比べてＰＭが堆積し難い。そのため、内管の突出部においては、外周面の絶縁支持部材の端面に近い部分が、ＰＭが最も堆積し難い。

そこで、本発明では、内管の突出部の外周面を、絶縁支持部材の端面と接する所定の範囲を除いて、酸化機能を有する触媒で覆う。即ち、内管の突出部におけるＰＭが最も堆積し難い部分は触媒が設けられていない。該触媒が設けられていない部分には凝縮水が滞留し難い。

従って、本発明によれば、ＥＨＣにおける、発熱体とケースとの間の、ＰＭに起因する短絡及び凝縮水に起因する短絡のいずれも抑制することができる。

本発明において、内管が、絶縁支持部材の上流側及び下流側の両方の端面から排気中に突出している場合、該内管の下流側の突出部を覆う触媒の量を、該内管の上流側の突出部を覆う触媒の量に比べて少なくしてもよい。また、この場合、内管の上流側の突出部のみを触媒によって覆ってもよい。

ＥＨＣから流出する排気中のＰＭ量は、ＥＨＣに流入する排気中のＰＭ量に比べて少ない。そのため、内管の下流側の突出部に付着するＰＭ量は、内管の上流側の突出部に付着するＰＭ量よりも少ない。また、ＥＨＣから流出する排気の温度は、ＥＨＣに流入する排気の温度に比べて高い。そのため、内管の下流側の突出部の温度は、内管の上流側の突出部の温度に比べて高い。従って、内管の下流側の突出部においては、触媒の量を内管の上流側の突出部より少なくしても、或いは、触媒を設けなくても、ＰＭを十分に酸化することが可能である。

従って、上記によれば、触媒の使用量を抑制しつつ、発熱体とケースとの間の短絡を抑制することができる。

上述したように、内管の突出部の外周面には、該突出部の内周面に比べてＰＭが付着し難い。そして、該突出部の外周面おけるＰＭの堆積を抑制できれば、発熱体とケースとの間のＰＭによる短絡を抑制することができる。そこで、内管の突出部の外周面のみを、絶縁支持部材の端面と接する所定の範囲を除いて、触媒によって覆ってもよい。つまり、内管の突出部の内周面には触媒を設けなくてもよい。

本発明によれば、ＥＨＣにおける、発熱体とケースとの間の短絡を抑制することができる。

実施例１に係る電気加熱式触媒の概略構成を示す図である。 実施例１に係る、電気加熱式触媒の内管の突出部の拡大図である。 実施例２に係る電気加熱式触媒の概略構成を示す図である。 実施例２の変形例に係る電気加熱式触媒の概略構成を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
［ＥＨＣの概略構成］
図１及び２は、本実施例に係る電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の概略構成を示す図である。図１は、ＥＨＣをその中心軸に沿って切断した断面図である。図２は、後述する内管における触媒担体の端面から排気中に突出した突出部の拡大図である。

本実施例に係るＥＨＣ１は、車両に搭載される内燃機関の排気管に設けられる。内燃機関は、ディーゼル機関であっても、ガソリン機関であってもよい。また、電気モータを備えたハイブリッドシステムを採用した車両においても本実施例に係るＥＨＣ１を用いることができる。

本実施例に係るＥＨＣ１は、触媒担体３、ケース４、マット５、内管６、及び電極７を備えている。触媒担体３は、円柱状に形成されており、その中心軸が排気管２の中心軸Ａと同軸となるように設置されている。触媒担体３には排気浄化触媒１３が担持されている。排気浄化触媒１３としては、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒及び三元触媒等を例示することができる。

触媒担体３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。触媒担体３の材料としては、ＳｉＣを例示することができる。触媒担体３は、排気の流れる方向（すなわち、中心軸Ａの方向）に伸び且つ排気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。この通路を排気が流通する。尚、中心軸Ａと直交する方向の触媒担体３の断面形状は楕円形等であっても良い。中心軸Ａは、排気管２、触媒担体３、内管６、及びケース４で共通の中心軸である。

触媒担体３はケース４に収容されている。ケース４内には電極室９が形成されている。尚、電極室９の詳細については後述する。触媒担体３には、該電極室９を通して左右方向から一対の電極７が接続されている。電極７にはバッテリ（図示せず）から電気が供給される。電極７に電気が供給されると、触媒担体３に通電される。通電によって触媒担体３が発熱すると、触媒担体３に担持された排気浄化触媒１３が加熱され、その活性化が促進される。

ケース４は、金属によって形成されている。ケース４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。ケース４は、中心軸Ａと平行な曲面を含んで構成される収容部４ａと、該収容部４ａよりも上流側及び下流側で該収容部４ａと排気管２とを接続するテーパ部４ｂ，４ｃと、を有している。収容部４ａの通路断面積は排気管２の通路断面積よりも大きくなっており、その内側に、触媒担体３、マット５、及び内管６が収容されている。テーパ部４ｂ，４ｃは、収容部４ａから離れるに従って通路断面積が縮小するテーパ形状をしている。

ケース４の収容部４ａの内壁面と触媒担体３の外周面との間にはマット５が挟み込まれている。つまり、ケース４内において、触媒担体３がマット５によって支持されている。また、マット５には内管６が挟み込まれている。内管６は、中心軸Ａを中心とした管状の部材である。マット５が、内管６を挟み込むことで、該内管６によってケース４側と触媒担体３側とに分割されている。

マット５は、電気絶縁材によって形成されている。マット５を形成する材料としては、アルミナを主成分とするセラミックファイバーを例示することができる。マット５は、触媒担体３の外周面及び内管６の外周面に巻きつけられている。また、マット５は、上流側部分５ａと下流側部分５ｂとに分割されており、該上流側部分５ａと下流側部分５ｂとの間には空間が形成されている。マット５が、触媒担体３とケース４との間に挟み込まれていることで、触媒担体３に通電したときに、ケース４へ電気が流れることが抑制される。

内管６はステンレス鋼材によって形成されている。また、図２に示すように、内管６の表面全体には電気絶縁層６１が形成されている。電気絶縁層６１を形成する材料としては、セラミック又はガラスを例示することができる。尚、内管６の本体をアルミナ等の電気絶縁材によって形成してもよい。

また、図１に示すように、内管６は、中心軸Ａ方向の長さがマット５より長い。そのため、内管６の上流側及び下流側の端部は、マット５の上流側及び下流側の端面から突出している。以下、内管６におけるマット５の端面から排気中に突出している部分６ａ、６ｂを、「突出部」と称する。

ケース４及び内管６には、電極７を通すために、貫通孔４ｄ，６ｃが開けられている。そして、ケース４内における、マット５の上流側部分５ａと下流側部分５ｂとの間の空間によって、電極室９が形成されている。つまり、本実施例においては、マット５の上流側部分５ａと下流側部分５ｂとの間における触媒担体３の外周面全周にわたって電極室９が形成される。尚、マット５を上流側部分５ａと下流側部分５ｂとに分割することなく、マット５の電極７が通る部分にのみ貫通孔を空けることで、電極室となる空間を形成してもよい。

ケース４に開けられている貫通孔４ｄには、電極７を支持する電極支持部材８が設けられている。この電極支持部材８は電気絶縁材によって形成されており、ケース４と電極７との間に隙間なく設けられている。

内管６の突出部６ａ，６ｂは酸化触媒１０によって覆われている。該酸化触媒１０は、内管６の表面を覆う電気絶縁層６１の上をさらに覆っている。また、該酸化触媒１０は、内管６の突出部６ａ，６ｂの表面全体を覆っているわけではない。即ち、内管６の突出部６ａ，６ｂの外周面は、マット５の端面と接する所定の範囲を除いた部分が酸化触媒１０によって覆われている。

尚、本実施例においては、触媒担体３が本発明に係る発熱体に相当する。ただし、本発明に係る発熱体は触媒を担持する担体に限られるものではなく、例えば、発熱体は触媒の上流側に設置された構造体であってもよい。また、本実施例においては、ケース４が本発明に係るケースに相当し、マット５が本発明に係る絶縁支持部材に相当し、内管６が本発明に係る内管に相当する。また、本実施例においては、酸化触媒１０が本発明に係る酸化機能を有する触媒に相当する。ただし、本発明に係る酸化機能を有する触媒は酸化触媒に限られるものではない。

［本実施例に係るＥＨＣの構成の作用効果］
排気管２内又はＥＨＣ１のケース４内においては、内燃機関の冷間始動時等に、排気中の水分が凝縮することで、凝縮水が発生する。排気管２内又はケース４内で発生した凝縮水がケース４の内壁面を伝って流れマット５まで到達すると、該凝縮水がマット５内に浸入（浸潤）する場合がある。また、マット５内に水蒸気の状態で浸入した水分が該マット５内で凝縮する場合もある。

そこで、本実施例に係るＥＨＣ１では、表面全体が電気絶縁層６１で覆われた内管６をマット５に挟み込んでいる。このような構成により、マット５内の凝縮水によって触媒担体３とケース４との間が短絡するのを抑制することができる。また、内管６の突出部６ａ，６ｂによって、マット５の端面を伝って凝縮水が触媒担体にまで至ることを抑制することができる。従って、マット５の端面での凝縮水による触媒担体３とケース４との間の短絡も抑制することができる。

尚、本実施例においては、必ずしもマット５の上流側及び下流側の両方から内管６が突出していなくともよい。例えば、凝縮水の発生量がより多い上流側のみに内管６の突出部が形成された構成としてもよい。

しかし、内管６を上記のような構成とすると、内管６の突出部６ａ、６ｂに排気中のＰＭが付着する。ＰＭは導電性を有している。そのため、マット５の端面及び内管６の突出部６ａ（又は６ｂ）の表面の全面にわたってＰＭが堆積すると、触媒担体３とケース４との間が該ＰＭによって短絡する。

そこで、本実施例では、内管６の突出部６ａ，６ｂの表面に酸化触媒１０を設けている。該酸化触媒１０によって、突出部６ａ，６ｂに付着したＰＭの酸化が促進される。これによって、触媒担体３とケース４との間がＰＭによって短絡することを抑制することができる。

ただし、内管６の突出部６ａ、６ｂを酸化触媒１０で覆うと、該酸化触媒１０によって覆った部分が多孔質化する。そのため、該部分に凝縮水が滞留し易くなる。従って、内管６の突出部６ａ，６ｂ全体を酸化触媒１０で覆うと、滞留した凝縮水によって触媒担体３とケース４との間が短絡し易くなる。

そこで、本実施例に係るＥＨＣ１では、内管６の突出部６ａ，６ｂの外周面を、マット５の端面と接する所定の範囲を除いた部分を、酸化触媒１０で覆っている。つまり、内管６の突出部６ａ，６ｂの外周面における、マット５の端面と接する所定の範囲には、酸化触媒１０が設けられていない。該所定の範囲の部分では、電気絶縁層６１が排気に晒されている。電気絶縁層６１は撥水効果を有する。そのため、該所定の範囲の部分には凝縮水が滞留し難い。

また、内管６の外側はその内側に比べて排気の流量が少ない。そのため、内管６の突出部６ａ，６ｂの外周面には、該突出部６ａ，６ｂの内周面に比べてＰＭが堆積し難い。また、内管６の突出部６ａ，６ｂにおいて、マット５の端面に近い部分は、マット５の端面から離れた部分に比べてＰＭが堆積し難い。そのため、内管６の突出部６ａ，６ｂにおいては、外周面のマット５の端面に近い部分が、ＰＭが最も堆積し難い。つまり、内管６の突出部６ａ，６ｂにおける上記所定の範囲では、酸化触媒１０が設けられていなくても、ＰＭが堆積し難い。

従って、内管６の突出部６ａ，６ｂに、上記のように酸化触媒１０を設けることで、触媒担体３とケース４との間の、ＰＭに起因する短絡及び凝縮水に起因する短絡のいずれも抑制することができる。

＜実施例２＞
［ＥＨＣの概略構成］
図３は、本実施例に係る電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の概略構成を示す図である。図３は、ＥＨＣをその中心軸に沿って切断した断面図である。本実施例に係るＥＨＣ１においても、内管６の上流側及び下流側の端部は、マット５の上流側及び下流側の端面から突出している。そして、本実施例では、内管６の上流側の突出部６ａのみが酸化触媒１０によって覆われており、内管６の下流側の突出部６ｂには酸化触媒１０が設けられていない。この点以外の構成は、実施例１に係るＥＨＣの構成と同様である。従って、本実施例においても、実施例１と同様、内管６の上流側の突出部６ａにおける外周面は、マット５の端面と接する所定の範囲を除いた部分が酸化触媒１０によって覆われている。

［本実施例に係るＥＨＣの構成の作用効果］
ＥＨＣ１における触媒担体３に流入した排気中のＰＭは、該触媒担体３にトラップされる。そのため、ＥＨＣ１から流出する排気中のＰＭ量は、ＥＨＣ１に流入する排気中のＰＭ量に比べて少ない。従って、内管６の下流側の突出部６ｂに付着するＰＭ量は、内管６の上流側の突出部６ａに付着するＰＭ量よりも少ない。

また、ＥＨＣ１を通過する排気は、触媒担体３に担持された排気浄化触媒１３での化学反応によって生じた熱によって加熱される。その結果、ＥＨＣ１から流出する排気の温度は、ＥＨＣ１に流入する排気の温度に比べて高くなる。そのため、内管６の下流側の突出部６ｂの温度は、内管６の上流側の突出部６ａの温度に比べて高い。また、内燃機関の運転状態が減速運転となり、フューエルカット制御が実行されることで、ＥＨＣ１に流入する排気の温度が低下した場合も、触媒担体３の熱容量が大きいため、内管６の下流側の突出部６ｂの温度は低下し難い。

これらのことから、内管６の下流側の突出部６ｂでは、内管６の上流側の突出部６ａに比べて、ＰＭ堆積量が少なく且つＰＭの酸化が促進され易い。そのため、内管６の下流側の突出部６ｂにおいては、酸化触媒１０を設けなくても、ＰＭを十分に酸化することが可能である。即ち、触媒担体３とケース４との間が短絡するほどＰＭが堆積することを抑制することができる。

そこで、本実施例では、内管６の上流側の突出部６ａのみを酸化触媒１０によって覆い、内管６の下流側の突出部６ｂには酸化触媒１０を設けない。これによれば、酸化触媒１０の使用量を抑制しつつ、触媒担体３とケース４との間の短絡を抑制することができる。

［変形例］
尚、本実施例においては、内管６の下流側の突出部６ｂを覆う酸化触媒１０の量を、必ずしも零としなくてもよく、内管６の上流側の突出部６ａを覆う酸化触媒１０の量よりも少なくしてもよい。この場合でも、酸化触媒１０の使用量を抑制することができる。

また、上述したように、内管６の上流側の突出部６ａの外周面には、該突出部６ａの内周面に比べてＰＭが付着し難い。そして、該突出部６ａの外周面おけるＰＭの堆積を抑制できれば、ＥＨＣ１の上流側における触媒担体３とケース４との間のＰＭによる短絡を抑制することができる。

そこで、本実施例においては、図４に示すように、内管６の突出部６ａの外周面のみを、マット５の端面と接する所定の範囲を除いて、酸化触媒１０によって覆ってもよい。つまり、内管６の上流側の突出部６ａの内周面には酸化触媒１０を設けなくてもよい。このような構成によれば、酸化触媒１０の使用を可及的に抑制することができる。

１・・・電気加熱式触媒（ＥＨＣ）
３・・・触媒担体
４・・・ケース
５・・・マット
６・・・内管
６ａ，６ｂ・・突出部
７・・・電極
１０・・酸化触媒

Claims (3)

1. 通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱する発熱体と、
   前記発熱体を収容するケースと、
   前記発熱体と前記ケースとの間に設けられ、前記発熱体を支持すると共に電気を絶縁する絶縁支持部材と、
   前記発熱体とケースとの間に位置するように前記絶縁支持部材に挟み込まれた管状の部材であって、その端部が前記絶縁支持部材の端面から排気中に突出しており、且つ、表面全体に電気絶縁層が形成されているか或いは電気絶縁材によって形成された内管と、
   前記内管における前記絶縁支持部材の端面から排気中に突出している突出部の少なくとも外周面を、前記絶縁支持部材の端面と接する所定の範囲を除いて覆う酸化機能を有する触媒と、
   を備える電気加熱式触媒。
2. 前記内管が、前記絶縁支持部材の上流側及び下流側の両方の端面から排気中に突出しており、
   該内管の下流側の突出部を覆う前記触媒の量が、該内管の上流側の突出部を覆う前記触媒の量に比べて少ない請求項１に記載の電気加熱式触媒。
3. 前記内管の上流側の突出部のみが前記触媒によって覆われている請求項２に記載の電気加熱式触媒。

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