JP5387777B2

JP5387777B2 - 電気加熱式触媒

Info

Publication number: JP5387777B2
Application number: JP2012531602A
Authority: JP
Inventors: 剛渡辺; 衛 ▲吉▼岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: JPWO2012029124A1; EP2612700B1; WO2012029124A1; US9121322B2; CN103153436B; EP2612700A4; CN103153436A; US20130055702A1; EP2612700A1

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（Electrically Heated 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、電気を絶縁する絶縁部材が設けられる。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。このような絶縁部材を設けることで、発熱体とケースとの間が短絡することを抑制することができる。

特開平０５−２６９３８７号公報

ＥＨＣにおける発熱体のケース内には、発熱体に接続する電極を通すための空間である電極室が形成される。絶縁部材及び発熱体は該電極室の壁面を構成する。

絶縁部材や発熱体には、排気管を流れる排気が侵入する。上記のように形成された電極室内には、絶縁部材又は発熱体の外周壁を通過した排気が浸入する。排気には水分が含まれている。そのため、電極室内に排気が侵入すると、排気中の水分が凝縮することで電極室内に凝縮水が発生する場合がある。

また、排気管内においても、排気管壁面で排気中の水分が凝縮されることで凝縮水が発生することがある。排気管内で凝縮水が発生すると、該凝縮水は排気に押されて排気管の内壁面を流れる。そして、該凝縮水がＥＨＣに到達すると、それが絶縁部材や発熱体に浸入する。凝縮水が絶縁部材や発熱体に浸入すると、それらを通過した凝縮水や、それらの内部において凝縮水が蒸発することで発生した水蒸気が、電極室内に浸入する場合がある。

電極室は、ケース内において発熱体や絶縁部材等に囲まれた空間である。そのため、電極室内で発生した又は電極室内に浸入した凝縮水又は水蒸気は、該電極室内に滞留し易い。水蒸気によって電極室内の湿度が過剰に上昇すると、電極室内における電極とケースとの間の絶縁抵抗が大幅に低下する虞がある。また、電極室内に凝縮水が存在すると、該凝縮水自体によって電極とケースとが短絡する虞もある。電極とケースとの間の絶縁抵抗が大幅に低下すると、通電によって発熱体を十分に昇温させることが困難となる。その結果、ＥＨＣの排気浄化能力の低下を招く虞がある。

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における電極とケースとの間の絶縁抵抗の低下を抑制することを目的とする。

本発明は、ＥＨＣにおいて、電極室と排気通路とを連通する連通路を設けるものである。

より詳しくは、本発明に係るＥＨＣは、
内燃機関の排気通路に設けられる電気加熱式触媒であって、
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部材と、
前記ケースの内壁面と前記発熱体の外周面との間に位置する空間であって前記絶縁部材によってその側壁面が形成された電極室を通って前記発熱体に接続され、前記発熱体に電気を供給する電極と、
内燃機関の排気系における電気加熱式触媒が設けられている部分以外の部分と前記電極室とを連通する連通路と、
を備える。

本発明によれば、連通路を設けることで、電極室を換気することができる。そのため、電極室内の湿度の上昇を抑制することができる。また、電極室内に凝縮水が滞留することを抑制することができる。従って、電極室における、凝縮水や水蒸気に起因する電極とケースとの間の絶縁抵抗の低下を抑制することができる。

本発明において、連通路は、排気通路における電気加熱式触媒より下流側の部分と電極室とを連通するように構成されてもよい。この場合、連通路を介して電極室内に導入される排気を、ＥＨＣによって浄化された後の排気とすることができる。これにより、電極の腐食や、電極室の汚染を抑制することができる。

本発明に係るＥＨＣにおいては、連通路が複数設けられてもよい。これによれば、電極室の換気をより促進させることができる。

本発明によれば、ＥＨＣにおける電極とケースとの間の絶縁抵抗の低下を抑制することができる。

実施例１に係るＥＨＣの概略構成を示す図である。実施例１に係る、内燃機関の始動時からの、電極室内の湿度、及び、電極室内における電極とケースとの間の絶縁抵抗の時間的推移を示す図である。実施例２に係るＥＨＣ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。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。

図１は、内燃機関の排気管２の中心軸Ａに沿ってＥＨＣ１を縦方向に切断した断面図である。尚、ＥＨＣ１の形状は中心軸Ａに対して線対称のため、図１では、便宜上ＥＨＣ１の上側の部分のみを示している。

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、電極７、及び連通路１０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１５が担持されている。排気浄化触媒１５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。触媒担体３には、該電極室９を通して一対の電極７（図１では一方の電極のみを図示）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１５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。つまり、マット５が、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。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、電気絶縁材によって形成されている。内管６を形成する材料としては、アルミナを例示することができる。内管６は、中心軸Ａを中心とした管状に形成されている。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。

ケース４及び内管６には、電極７を通すために、貫通孔４ｄ，６ａが開けられている。また、マット５には、電極７を通すための空間が形成されている。このような、ケース４の内壁面と触媒担体３の外周面との間に位置し、マット５によってその側壁面が形成された空間によって、電極室９が形成されている。

ケース４に開けられている貫通孔４ｄには、電極７を支持する支持部材８が設けられている。この支持部材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。

また、ＥＨＣ１には、電極室９と排気管２とを連通する二つの連通路１０が設けられている。二つの連通路１０は、いずれも、一端が電極室９に接続されており、他端がＥＨＣ１より下流側の排気管２に接続されている。

尚、電極室９が、一対の電極７のそれぞれに対応して別々に形成されている場合、各電極室９に対し二つずつ連通路１０が設けられる。つまり、＋側の電極に対応して形成された電極室に二つの連通路の一端が接続され、−側の電極に対応して形成された電極室にも別の二つの連通路の一端が接続される。そして、いずれの連通路も、ＥＨＣ１より下流側の排気管２に接続される。

電極室９は触媒担体３の側面の全周にわたって形成されてもよい。この場合、＋側の電極と−側の電極とが一つの電極室を通って触媒担体３に接続される。このように、＋側の電極と−側の電極とで電極室が共通している場合（或いは＋側の電極に対応する電極室と−側の電極に対応する電極室とが繋がっている場合）、該一つ電極室に対し二つの連通路が接続されていればよい。

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部材に相当する。また、本実施例においては、連通路１０が本発明に係る連通路に相当する。

［本実施例に係るＥＨＣの構成の作用効果］
図１において、矢印は、排気、凝縮水、及び凝縮水が蒸発することで発生した水蒸気の流れを表している。マット５及び触媒担体３には排気管２を流れる排気が浸入する。該排気が、触媒担体３の外周壁又はマット５を通過し、電極室９内に侵入すると、排気中の水分が凝縮することで電極室９内に凝縮水が発生する場合がある。

また、排気管２内において凝縮水が発生し、該凝縮水がマット５又は触媒担体３に浸入すると、該凝縮水がマット５又は触媒担体３内に滞留する。そして、マット５又は触媒担体３内に滞留した凝縮水の量が増加すると、該凝縮水が電極室９内に侵入する場合がある。また、排気の温度が上昇すると、マット５又は触媒担体３内に滞留した凝縮水が蒸発し、該凝縮水が水蒸気の状態で電極室９内に侵入する場合もある。

電極室９が、ケース４の内壁面、触媒担体３の側面、及びマット５に囲まれ閉じられた空間となっていると、電極室９内で発生した又は電極室９内に浸入した凝縮水又は水蒸気は、該電極室９内に滞留し易い。電極室９内に凝縮水が存在すると、該凝縮水によって電極７とケース４とが短絡する虞がある。

また、電極室９内に水蒸気が滞留すると電極室９内の湿度が高くなる。図２は、内燃機関の始動時からの、電極室９内の湿度、及び、電極室９内における電極７とケース４との間の絶縁抵抗の時間的推移を示す図である。図２において、縦軸は、電極室９内の湿度ｈｅまたは電極室９内における電極７とケース４との間の絶縁抵抗Ｒｅを表しており、横軸は時間ｔを表している。図２において、実線Ｌ１，Ｌ２は電極室９内の湿度ｈｅの推移を示している。また、破線Ｌ１´は、電極室９内の湿度ｈｅがＬ１で示すように推移した際の電極室９内における電極７とケース４との間の絶縁抵抗Ｒｅの推移を表している。破線Ｌ２´は、電極室９内の湿度ｈｅがＬ２で示すように推移した際の電極室９内における電極７とケース４との間の絶縁抵抗Ｒｅの推移を表している。

内燃機関の始動後、排気温度が速やかに上昇すれば、凝縮水の発生量は少ないため、Ｌ２で示すように、電極室９内の湿度ｈｅは速やかに低下する。この場合、Ｌ２´で示すように、電極７とケース４との間の絶縁抵抗Ｒｅは、電極室９内の湿度ｈｅの低下に伴い速やかに上昇し、高い値に維持される。一方、内燃機関の始動後、排気温度の上昇及び低下が繰り返された場合、凝縮水の発生量が増加するため、Ｌ１で示すように、電極室９内の湿度ｈｅが高くなる。この場合、Ｌ１´で示すように、電極７とケース４との間の絶縁抵抗Ｒｅは大幅に低下する。

このように、凝縮水又は水蒸気に起因して電極７とケース４との間の絶縁抵抗が大幅に低下すると、通電によって触媒担体３を十分に昇温させることが困難となる。その結果、排気浄化触媒１５を十分に加熱することが困難となり、ＥＨＣ１の排気浄化能力の低下を招く虞がある。

そこで、本実施例においては、電極室９の換気を行うべく、ＥＨＣ１に連通路１０を設ける。上述したように、連通路１０の他端は排気管２に接続されている。そのため、電極室９と排気管２との間で、連通路１０を介して換気を行なうことができる。これにより、電極室９内に水蒸気が滞留することを抑制することができる。その結果、電極室９内の湿度の上昇を抑制することができ、また、電極室９内に凝縮水が滞留することを抑制することができる。従って、本実施例によれば、電極室９における、凝縮水や水蒸気に起因する電極７とケース４との間の絶縁抵抗の低下を抑制することができる。

尚、本実施例において、連通路１０の他端の接続位置は、必ずしも、排気管２におけるＥＨＣ１より下流側の部分に限られるものではない。例えば、連通路の他端が、排気管２におけるＥＨＣ１より上流側の部分や、排気管２が接続されるエキゾーストマニホールド等に接続されていてもよい。

しかしながら、図１に示すように連通路１０の他端が排気管２におけるＥＨＣ１より下流側の部分に接続されることで、連通路１０を介して電極室９内に導入される排気を、ＥＨＣ１によって浄化された後の排気とすることができる。これにより、排気に含まれる酸性成分による電極７の腐食や、排気に含まれる有機成分による電極室９の汚染を抑制することができる。

また、本実施例において、連通路は必ずしも二つである必要はなく、３つ以上設けられてもよい。また、連通路は一つであってもよい。連通路が一つであっても、排気管２内における排気の脈動によって生じる排気管２内と電極室９内との圧力差や、これらの間の温度差によって、電極室９内と排気管２内との間でガスの出入が生じるため、電極室９の換気を行なうことができる。

しかしながら、図１に示すように連通路１０が複数設けられることで、一の連通路１０を通って排気管２から電極室９に排気が導入されたときに、電極室９内の排気（水分）が他の連通路１０を通って排気管２に排出され易くなる。従って、連通路を複数設けた方が、電極室９の換気をより促進させることができる。

［その他の構成］
本実施例においては、連通路１０に排気浄化触媒を設けてもよい。これによれば、連通路１０を通して電極室９内に導入される排気をより浄化することができる。連通路１０に設けられる排気浄化触媒は、排気に含まれる酸性成分を還元することができ且つ排気に含まれる有機成分を酸化することができるものが好ましい。

連通路１０には、排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを設けてもよい。これによれば、連通路１０を通して電極室９内に粒子状物質が侵入するのを抑制することができる。

連通路１０には、排気中の水分を吸収又は吸着する水分捕集部材を設けてもよい。これによれば、連通路１０を通して電極室９内に水分が侵入するのを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ＥＨＣの概略構成を示す図である。本実施例においては、二つの連通路１０それぞれに、該連通路１０を開通又は遮断する連通制御弁１１が設けられている。連通制御弁１１は、電子制御装置（ＥＣＵ：図示せず）に電気的に接続されている。連通制御弁１１は、該ＥＣＵによって制御される。連通制御弁１１が閉弁されると連通路１０が開通し、連通制御弁１１が閉弁されると連通路１０が遮断される。連通制御弁１１以外の構成は、実施例１に係るＥＨＣと同様である。

［連通制御］
排気管２から連通路１０を通して電極室９内に導入される排気にも水分が含まれている。そこで、本実施例においては、排気管２から連通路１０を通って導入される排気中の水分が電極室９内において凝縮する可能性が高いときは、連通制御弁１１によって連通路１０を遮断し、該排気の導入を禁止する。そして、排気管２から連通路１０を通って導入される排気中の水分が電極室９内において凝縮する可能性が低いときは、連通制御弁１１によって連通路１０を開通し、電極室９の換気を実行する。

例えば、内燃機関が冷間始動した場合、内燃機関の暖機が完了するまでの間は、電極室９内の温度が低いため、該電極室９内において排気中の水分が凝縮し易い。そこで、内燃機関の暖機が完了するまでは連通制御弁１１を閉弁し、暖機完了後に連通制御弁１１を開弁する。

このような連通制御によれば、電極室９の換気に伴う凝縮水の発生を抑制することができる。従って、電極室９における、凝縮水や水蒸気に起因する電極７とケース４との間の絶縁抵抗の低下をより高い確率で抑制することができる。

本実施例においては、電極室９に該電極室９内の温度を検出する温度センサを設けてもよい。また、連通路１０若しくは排気管２における連通路１０の接続部分近傍に、連通路１０を通って電極室９に導入される排気の水分濃度を検出する水分濃度センサを設けてもよい。これらのセンサを設けた場合、温度センサによって検出される電極室９内の温度、および水分濃度センサによって検出される排気の水分濃度に基づいて、連通路１０を通って導入される排気中の水分が電極室９内において凝縮する可能性が高いか否かを判別してもよい。

尚、連通路１０を通って電極室９に導入される排気の水分濃度は、水分濃度センサを設けなくても推定することができる。該水分濃度を推定する場合、内燃機関の燃焼に供される混合気の空燃比に基づいて該燃焼によって生成される水分量を算出し、該水分量および排気の流量に基づいて内燃機関から排出される排気の水分濃度を算出する。さらに、該内燃機関から排出される排気の水分濃度と、排気管２における連通路１０の接続部分近傍の排気温度および圧力とに基づいて、連通路１０を通って電極室９に導入される排気の水分濃度を算出する。

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
７・・・電極
９・・・電極室
１０・・連通路
１１・・連通制御弁

Claims

内燃機関の排気通路に設けられる電気加熱式触媒であって、
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部材と、
前記ケースの内壁面と前記発熱体の外周面との間に位置する空間であって前記絶縁部材によってその側壁面が形成された電極室を通って前記発熱体に接続され、前記発熱体に電気を供給する電極と、
内燃機関の排気系における電気加熱式触媒が設けられている部分以外の部分と前記電極室とを連通する連通路と、
を備える電気加熱式触媒。
前記連通路が、排気通路における電気加熱式触媒より下流側の部分と前記電極室とを連通する請求項１に記載の電気加熱式触媒。
前記連通路が複数設けられている請求項１または２に記載の電気加熱式触媒。