JP5472457B2 - 電気加熱式触媒 - Google Patents

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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。
また、特許文献2には、内燃機関の排気管内においてコロナ放電を発生させることにより排気微粒子を帯電・凝集させる凝集器に関する技術が開示されている。該特許文献2における凝集器は、放電部に高電圧を導く導電部と、導電部の外周を保持する碍子部とを有している。碍子部の外周表面から径方向にリング状突出部が突出しており、該突出部に酸化触媒層が形成されている。
特許文献3には、ディーゼル排ガス浄化用触媒のフィルタ基材において、流入側セル側のセル隔壁表面にはアルカリ金属及びアルカリ土類金属から選ばれる少なくとも一種を含む流入側酸化触媒コート層を形成し、流出側セル側の該セル隔壁表面にはアルカリ金属及びアルカリ土類金属を含まない流出側酸化触媒コート層を形成することが記載されている。
特開平05−269387号公報 特開2006−342730号公報 特開2007−117954号公報
排気管内又はEHCのケース内においては、排気中の水分が凝縮することで、凝縮水が発生することがある。該凝縮水が絶縁支持部材に浸入すると、該凝縮水によって、発熱体とケースとの間が短絡する虞がある。そこで、EHCでは、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内管を設ける場合がある。この場合、内管は、電気を絶縁する材料であって且つ凝縮水が浸入し難い材料によって形成される。
このような内管を設けることで、ケースの内壁面を流れて絶縁支持部材に浸入した凝縮水が、該絶縁支持部材の内部において発熱体まで到達することが抑制される。その結果、凝縮水によって発熱体とケースとの間が短絡することが抑制される。
また、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。絶縁支持部材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、絶縁支持部材の端面での凝縮水によ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。
ところが、このような内管を設けると、該内管における絶縁保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)が付着し堆積する。PMは導電性を有しているため、該内管の突出部にPMが堆積すると、発熱体とケースとの間の絶縁性が低下する虞がある。
本発明は、こ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、PMに起因した発熱体とケースとの間の絶縁性の低下を抑制することを目的とする。
本発明は、発熱体とケースとの間に位置するように設置された内管を有するEHCにおいて、該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部分の内周面又は外周面の少なくともいずれか一方に、その周面上を周回するような貴金属バンドを形成するものである。
より詳しくは、本発明に係る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、
電気を絶縁し且つ前記絶縁支持部材よりも水が浸潤し難い材料によって形成された管状の部材であって、前記発熱体とケースとの間に位置するように設置され、且つ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いる内管と、
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部分の内周面又は外周面の少なくともいずれか一方に、その周面上を周回するようなバンド状に貴金属を塗布することで形成された貴金属バンドと、
を備える。
本発明に係るEHCにおいては、絶縁支持部材によって挟み込まれることで、或いはケースの内壁面と絶縁支持部材とで挟み込まれることで、発熱体とケースとの間に位置する内管が設けられている。また、該内管の端部は、絶縁支持部材の端面から排気中に突出している。以下、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部分を、「突出部」と称する。
そして、内管の突出部の内周面又は外周面の少なくともいずれか一方には、その周面上を周回するように貴金属バンドが形成されている。該貴金属バンドでは、活性酸素が生成される。該活性酸素により、貴金属バンド上に堆積したPMが酸化される。さらに、該活性酸素によれば、内管の突出部の内周面又は外周面上における貴金属バンド近傍の位置に堆積したPMも酸化することができる。そのため、絶縁支持部材の端面並びに内管の突出部の内周面及び外周面の全面に渡ってPMが堆積することを抑制することができる。従って、本発明によれば、PMに起因した発熱体とケースとの間の絶縁性の低下を抑制することができる。
本発明では、内管の突出部の内周面又は外周面の少なくともいずれか一方には、貴金属バンドが複数形成されてもよい。この場合、複数の貴金属バンドは、隣り合う貴金属バンド間での絶縁を確保することが可能な間隔を空けて形成される。
上述したように、本発明においては、貴金属バンドで生成された活性酸素によって、貴金属バンド上に堆積したPMのみならず、該貴金属バンド近傍の位置に堆積したPMも酸化される。そのため、貴金属バンドを複数設けることで、より長い、絶縁のための沿面距離を確保することが可能となる。
尚、内管の突出部の内周面又は外周面に三つ以上の貴金属バンドを設ける場合、隣り合う貴金属バンド間の間隔は、絶縁を確保することが可能であれば、必ずしも一定でなくてもよい。
本発明に係るEHCにおいては、絶縁支持部材の上流側及び下流側の両方の端面から内管の端部が排気中に突出している場合、該内管の上流側の突出部及び下流側の突出部のいずれにも貴金属バンドが設けられる。ここで、EHCに流入する排気の温度は、EHCから流出する排気の温度に比べて低い。そのため、内管の上流側の突出部では、その下流側の突出部に比べて、堆積したPMが酸化され難い。
そこで、上流側の突出部に形成された貴金属バンドを、下流側の突出部に形成された貴金属バンドを形成する貴金属より活性が高い貴金属によって形成してもよい。これによれば、上流側の突出部に堆積したPMの酸化をより促進させることができる。
上記の場合、例えば、上流側の突出部においては貴金属バンドを白金系金属によって形成し、下流側の突出部においては貴金属バンドをAgによって形成してもよい。白金系金属によれば、活性酸素のみならず、排気中のNOxを還元する際に発生する酸素によってもPMを酸化させることができる。従って、上流側の突出部に堆積したPMの酸化をより促進させることができる。また、下流側の突出部では貴金属バンドをAgによって形成することで、上流側及び下流側の両方の突出部において貴金属バンドを白金系金属によって形成する場合に比べて、コストの削減を図ることができる。
本発明によれば、EHCにおける、PMに起因した発熱体とケースとの間の絶縁性の低下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(EHC)の概略構成を示す図である。 実施例1に係る内管の中心軸と垂直に交わる方向の断面形状を示す図である。 実施例1に係る内管の上流側の突出部の概略構成を示す拡大図である。 マットの端面及び内管の突出部の表面の全面にわたってPMが堆積した様子を示す図である。 実施例1に係る、内管の突出部の表面にPMが堆積した様子及び該PMが酸化されたときの様子を示すイメージ図である。 実施例1に係る、内管の突出部の表面にPMが比較的厚く堆積した場合の様子を示している。 実施例1に係る貴金属バンドの他の構成を示す図である。 実施例1に係る電気加熱式触媒(EHC)の他の構成を示す図である。 実施例2に係る内管の上流側及び下流側の突出部の概略構成を示す拡大図である。
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>
[EHCの概略構成]
図1〜3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。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。図2は、内管6の中心軸Aと垂直に交わる方向の断面形状を示す図である。図1及び2に示すように、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、このような形状の内管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、電気絶縁材によって形成されている。また、内管6は、マット5よりも水が浸潤し難い材料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。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。
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。
ここで、本実施例に係る内管6の突出部6a、6bの構成について説明する。図3は、内管6の上流側の突出部6aの概略構成を示す拡大図である。尚、内管6の下流側の突出部6bも同様の構成を有している。
本実施例では、内管6の突出部6aに、その外周面上を周回する貴金属バンド10が形成されている。該貴金属バンド10は、突出部6aの外周面上に、その周面上を周回するようなバンド状に貴金属(Pt、Ag等)を塗布することで形成されている。
また、図3に示すように、隣り合う貴金属バンド10間の間隔は、所定の間隔W1となっている。ここで、所定の間隔W1は、隣り合う貴金属バンド10間での絶縁を確保することが可能な間隔の下限値以上の間隔である。尚、隣り合う貴金属バンド10間の間隔は、絶縁を確保することが可能であれば、必ずしも等間隔でなくてもよい。
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する。また、本実施例においては、内管6が本発明に係る内管に相当し、貴金属バンド10が本発明に係る貴金属バンドに相当する。
[本実施例に係るEHCの構成の作用効果]
本実施例に係るEHC1では、排気管2内又はケース4内において、排気中の水分が凝縮することで凝縮水が発生することがある。該凝縮水が、ケース4の内壁面から、マット5の内部又はその端面を伝って触媒担体3まで達すると、ケース4と触媒担体3との間が短絡する。
しかしながら、本実施例では、内管6がマット5に挟み込まれている。また、該内管6はマット5の端面から突出している。内管6がこのように形成されていることで、マット5の内部及びその端面における、ケース4の内壁面から触媒担体3への凝縮水の流れが該内管6によって遮断される。従って、ケース4と触媒担体3との間の凝縮水による短絡を抑制することができる。
なお、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。
また、EHC1においては、マット5の端面及び内管6の突出部6a、6bに排気中のPMが付着し堆積する。その結果、図4に示すように、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、ケース4と触媒担体3との間が該PMによって短絡する。
しかしながら、本実施例では、内管6の突出部6a、6bの外周面に貴金属バンド10が形成されている。そして、該貴金属バンド10によって生成される活性酸素によってPMが酸化され、除去される。これによって、ケース4と触媒担体3との間の絶縁性がPMに起因して低下することが抑制される。
ここで、貴金属バンド10をPtによって形成した場合を例に挙げて、PMの酸化のメカニズムについて説明する。貴金属バンド10がPtによって形成されている場合、排気の熱によって該貴金属バンド10の温度が上昇すると、下記式(1)に示すように、酸化白金から活性酸素が生成される。そして、該活性酸素によってPMが酸化される。
PtO→Pt4++2O2−・・・式(1)
さらに、貴金属バンド10がPtによって形成されている場合は、排気中のNOxがPtによって還元され、NOが生成される。該NOによってもPMが酸化される。同様に、貴金属バンド10が、Pt以外の白金系金属(Rh、Pd等)によって形成されている場合も、排気中のNOxが還元されることで生成されたNOによってもPMが酸化される。
図5は、内管6の突出部6aの表面にPMが堆積した様子及び該PMが酸化されたときの様子を示すイメージ図である。図5(a)が、内管6の突出部6aの表面にPMが堆積した様子を示しており、図5(b)が、該PMが酸化されたときの様子を示している。
図5(a)に示すように、PMは、内管6の突出部6aにおいて、その表面の全面、即ち貴金属バンド10上および貴金属バンド10が形成されていない部分の表面上に堆積する。そして、貴金属バンド10において生成された活性酸素(Ptの場合は、それに加えてNO)によって、貴金属バンド10上に堆積したPMが酸化され除去される。
さらに、貴金属バンド10において生成された活性酸素は、該貴金属バンド10から僅かに離れた位置に堆積したPMをも酸化する。その結果、内管6の突出部6aの表面における貴金属バンド10間にPMが酸化されずに残ったとしても、該PMと貴金属バンド10との間に、L1で示すような沿面距離を確保することができる。本実施例においては、貴金属バンド10が、内管6の突出部6aの外周面において、その周面上を周回するようなバンド状に形成されていることで、このような沿面距離L1を内管6の突出部6aの全周にわたって確保することができる。
また、内管6の突出部6aの表面において、貴金属バンド10を複数形成することで、PMが酸化され除去されることで確保される沿面距離L1の総和をより長くすることができる。従って、本実施例によれば、PMに起因した触媒担体3とケース4との間の絶縁性の低下を抑制することができる。
なお、本実施例においては、PMが酸化され除去されることで確保される沿面距離L1の総和が、触媒担体3とケース4との間の絶縁性を十分に維持することが可能な距離となるように、内管6の突出部6a、6bの表面に形成する貴金属バンド10の数を決定してもよい。また、触媒担体3とケース4との間の絶縁性を十分に維持可能であれば、貴金属バンド10の数は必ずしも複数でなくてもよい。
また、図6は、内管6の突出部6aの表面にPMが比較的厚く堆積した場合の様子を示している。このような場合であっても、貴金属バンド10に接触している部分および貴金属バンド10から僅かに離れた部分のPMが活性酸素によって酸化される。このとき、貴金属バンド10上に形成されたPMの層が厚いために、貴金属バンド10において生成された活性酸素が到達しないPMが存在すると、該PMが酸化されずに突出部6aの表面上に残ることになる。しかしながら、このように残ったPMは剥がれやすい。そのため、該PMは、図6に示すように、排気の流れによって剥離する。従って、本実施例によれば、堆積したPMの層全体を除去することができる。
[その他の構成]
本実施例においては、図7に示すように、貴金属バンド10が、内管6の突出部の内周面に形成されてもよい。この場合、内周面において、絶縁のための沿面距離を確保することができる。従って、上記と同様の効果を得ることができる。また、内管6の突出部の外周面および内周面の両方に貴金属バンド10が形成されてもよい。
また、本実施例においては、図8に示すように、内管6が、マット5に挟み込まれずに、マット5の外周面とケース4の内周面とによって挟み込まれていてもよい。この場合でも、内管6の突出部6a、6bの内周面に貴金属バンド10を形成することができる。
<実施例2>
[EHCの概略構成]
図9は、本実施例に係るEHC1における内管6の上流側及び下流側の突出部6a、6bの概略構成を示す拡大図である。本実施例においても、実施例1の場合と同様、内管6の上流側及び下流側の両方の突出部6a、6bに貴金属バンド10a、10bが形成されている。ただし、本実施例では、上流側の突出部6aに形成される貴金属バンド(以下、上流側貴金属バンドと称する)10aと、下流側の突出部6bに形成される貴金属バンド(以下、下流側貴金属バンドと称する)10bとが、異なる貴金属によって形成される点が実施例1と異なっている。この点以外の構成は実施例1に係るEHCと同様である。
本実施例においては、下流側貴金属バンド10bがAgによって形成されており、上流側貴金属バンド10aがAgより活性が高い白金系金属によって形成されている。ただし、両貴金属バンド10a、10bを形成する貴金属の組み合わせはこれに限られるものではなく、上流側貴金属バンド10aが下流側貴金属バンド10bを形成する貴金属より活性の高い貴金属によって形成されていればよい。
[本実施例に係るEHCの構成の作用効果]
EHC1に流入する排気の温度は、EHC1から流出する排気の温度に比べて低い。これは、EHC1内において、排気浄化触媒13での反応熱によって排気が昇温されるためである。排気の温度が低いと、排気の温度が高い場合に比べてPMが酸化され難い。そのため、EHC1の内管6においては、下流側の突出部6bに比べて、上流側の突出部6aの方が、堆積したPMが酸化され難い。
そこで、本実施例では、下流側貴金属バンド10bをAgによって形成し、上流側貴金属バンド10aをAgより活性が高い白金系金属によって形成する。これによれば、排気の温度が低い上流側の突出部6aにおいても、活性酸素によるPMの酸化を促進させることができる。その結果、PMに起因した触媒担体3とケース4との間の絶縁性の低下をより高い確率で抑制することができる。
また、換言すれば、下流側貴金属バンド10bには、上流側貴金属バンド10aほど活性が高い貴金属を用いなくても、下流側の突出部6bに堆積したPMを酸化させ除去することができる。そこで、本実施例では、白金系金属よりも安価なAgによって下流側貴金属バンド10bを形成する。これにより、PMに起因した触媒担体3とケース4との間の絶縁性の低下を抑制しつつ、貴金属バンド10a、10bにかかるコストを削減することができる。
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
7・・・電極
9・・・電極室
10・・貴金属バンド

Claims (4)

  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、
    電気を絶縁し且つ前記絶縁支持部材よりも水が浸潤し難い材料によって形成された管状の部材であって、前記発熱体とケースとの間に位置するように設置され、且つ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いる内管と、
    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部分の内周面又は外周面の少なくともいずれか一方に、その周面上を周回するようなバンド状に貴金属を塗布することで形成された貴金属バンドと、
    を備える電気加熱式触媒。
  2. 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部分の内周面又は外周面の少なくともいずれか一方に、前記貴金属バンドが、隣り合う貴金属バンド間での絶縁を確保することが可能な間隔を空けて複数形成されている請求項1に記載の電気加熱式触媒。
  3. 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前記内管の端部が排気中に突出しており、前記内管における前記絶縁支持部材の上流側の端面から突出している部分に形成された前記貴金属バンドが、前記内管における前記絶縁支持部材の下流側の端面から突出している部分に形成された前記貴金属バンドを形成する貴金属より活性が高い貴金属によって形成されている請求項1又は2に記載の電気加熱式触媒。
  4. 前記内管における前記絶縁支持部材の上流側の端面から突出している部分に形成された前記貴金属バンドは白金系金属によって形成されており、
    前記内管における前記絶縁支持部材の下流側の端面から突出している部分に形成された前記貴金属バンドはAgによって形成されている請求項3に記載の電気加熱式触媒。
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