JP5590127B2

JP5590127B2 - 電気加熱式触媒

Info

Publication number: JP5590127B2
Application number: JP2012530435A
Authority: JP
Inventors: 衛 ▲吉▼岡; 典昭熊谷; 直也高木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: JPWO2012025979A1; WO2012025979A1; US20130140295A1; US9060387B2

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、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。該電極室は、絶縁部材及び発熱体によって囲まれることで形成される。

排気管内においては、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。ＥＨＣより上流側の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。排気管の内壁面を流れてＥＨＣに到達した凝縮水は、ＥＨＣのケース内の下方部分に流れ込みやすい。

ＥＨＣのケース内の下方部分に凝縮水が流れ込むと、該凝縮水が絶縁部材の上流側端面付近に溜まる場合がある。この部分に凝縮水が溜まると、該凝縮水が絶縁部材に浸入しやすくなる。凝縮水が絶縁部材に浸入すると、それを通過した凝縮水（又は該凝縮水が蒸発することで生じた蒸気）が電極室内に浸入する場合がある。電極室内に凝縮水が存在すると、該凝縮水によって電極とケースとの間が短絡する虞がある。また、凝縮水が蒸発することで蒸気が発生し、それによって電極室内の湿度が上昇した場合も、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、ＥＨＣのケース内の下方部分における絶縁部材の上流側端面付近に凝縮水が溜まる場合が溜まると、振動等によって該溜まった凝縮水が発熱体に流れ込む虞がある。これにより一度に多くの凝縮水が発熱体に流れ込むと、発熱体が局部的に冷却されることによって該発熱体が破損する等の問題が生じる可能性がある。また、発熱体に凝縮水が浸入すると、該凝縮水（又は該凝縮水が蒸発することで生じた蒸気）が発熱体の外壁面を通過し、発熱体側から電極室内に浸入する場合もある。

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、絶縁部材及び発熱体への凝縮水の浸入を抑制することを目的とする。

本発明は、ＥＨＣのケースの下方部分に、凝縮水が絶縁部材をバイパスして流れるバイパス通路を設けるものである。

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、
前記ケースの下方部分における前記絶縁部材の上流側端面より上流側に一端が接続され、前記絶縁部材をバイパスするように形成されたバイパス通路と、
を備える。

本発明によれば、ケース内の下方部分に流れ込んだ凝縮水がバイパス通路を流れる。そのため、絶縁部材の上流側端面付近に凝縮水が溜まり難くなる。従って、絶縁部材及び発熱体への凝縮水の浸入を抑制することができる。

本発明に係るＥＨＣは、バイパス通路に充填された吸水部材をさらに備えてもよい。バイパス通路に吸水部材を充填することで、該バイパス通路における凝縮水の流通を確保しつつ、排気がバイパス通路を流通することを抑制することができる。これにより、バイパス通路を設けることに伴う排気特性の悪化を抑制することができる。

本発明に係るＥＨＣは、発熱体及び絶縁部材よりも気密性が高く且つ電気を絶縁する高気密絶縁材よって形成され絶縁部材の端面を覆う閉塞部材をさらに備えてもよい。この場合、閉塞部材によって絶縁部材に凝縮水が浸入し難くなるが、ケース内の下方部分における絶縁部材の上流側端面付近に凝縮水が溜まり易くなる。しかしながら、本発明によれば、このような場合でも、絶縁部材の上流側面付近に凝縮水が溜まることを抑制することができる。その結果、発熱体への凝縮水の浸入を抑制することができる。

本発明では、ケース内において、絶縁部材が上流側部分と下流側部分とに分割されていてもよい。この場合、絶縁部材の上流側部分と下流側部分との間における発熱体の外周面全周にわたって電極室が形成される。そして、この場合は、バイパス通路が、絶縁部材の上流側部分及び下流側部分と、電極室とをバイパスするように形成される。

本発明によれば、ＥＨＣにおける、マット及び発熱体への凝縮水の浸入を抑制することができる。

実施例に係るＥＨＣの概略構成を示す第一の図である。実施例に係るＥＨＣの概略構成を示す第二の図である。実施例の変形例に係るＥＨＣの概略構成を示すである。従来の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＞
［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。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を横方向に切断した断面図である。図２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。

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。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。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。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。

さらに、本実施例においては、ケース４の下方部分にバイパス通路１０が設けられている。バイパス通路１０の一端は、ケース４の収容部４ａの下方部分における、マット５の上流側部分５ａの上流側端面より上流側に接続されている。また、バイパス通路１０の他端は、ケース４の収容部４ａの下方部分における、マット５の下流側部分５ｂの下流側端面より下流側に接続されている。そして、バイパス通路１０は、ケース４の収容部４ａの下側外周壁の外側を通って、マット５の上流側部分５ａ及び下流側部分５ｂと電極室９とをバイパスするように形成されている。

尚、バイパス通路１０の他端は、必ずしもケース４の収容部４ａに接続される必要はなく、バイパス通路１０がマット５をバイパスするように形成されるのであればどのような位置に設けられてもよい。例えば、バイパス通路１０の他端を、ＥＨＣ１より下流側の排気管２に接続してもよい。また、バイパス通路１０は、パイプ状のものによって形成されてもよい。

また、バイパス通路１０には、吸水部材１１が充填されている。該吸水部材１１は、マット５を形成する材料と同一の材料によって形成されてもよい。

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部材に相当する。

［本実施例に係るＥＨＣの構成の作用効果］
図４は、従来のＥＨＣの概略構成を示す図である。図４に示すように、従来のＥＨＣ２０は本実施例係るＥＨＣ１のようなバイパス通路を備えていない。尚、ＥＨＣ２０におけるバイパス通路以外の構成は本実施例に係るＥＨＣ１と同様である。

ＥＨＣ２０より上流側の排気管２内で発生した凝縮水がＥＨＣ２０に到達すると、該凝縮水は、ＥＨＣ２０のケース４内の下方部分に流れ込みやすい。そのため、ＥＨＣ２０においては、ケース４内の下方部分におけるマット５の上流側端面付近に凝縮水が溜まる場合ある。

この部分に凝縮水が溜まると、該凝縮水がマット５に浸入しやすくなる。また、振動等によって、該溜まった凝縮水が触媒担体３に流れ込むこともある。マット５又は触媒担体３に凝縮水が浸入すると、これらを通過した凝縮水あるいは該凝縮水が蒸発することで生じた蒸気が電極室９内に浸入する虞がある。電極室９内に凝縮水あるいは蒸気が浸入すると、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大幅な低下を招く場合がある。また、一度に多くの凝縮水が触媒担体３に流れ込むと、触媒担体３が局部的に冷却されることによって該触媒担体３が破損する等の問題が生じる可能性がある。

そこで、本実施例においては、ＥＨＣ１のケース４の下方部分にバイパス通路１０を設ける。該バイパス通路１０を設けることで、排気管２内で発生しＥＨＣ１に到達した凝縮水が該バイパス通路１０に流入する。バイパス通路１０に流入した凝縮水は、吸水部材１１に吸収されつつ、バイパス通路１０内を下流側に向かって流れる。つまり、凝縮水がマット５及び電極室９をバイパスして流れることになる。

そのため、マット５の上流側端面付近に凝縮水が溜まり難くなる。従って、マット５及び触媒担体３への凝縮水の浸入を抑制することができる。その結果、電極室９内への凝縮水あるいはその蒸気の浸入を抑制できるため、電極７とケース４との間の絶縁抵抗が大幅に低下することを抑制することができる。また、一度に多くの凝縮水が触媒担体３に流れ込むことを抑制できるため、触媒担体３が局部的に冷却されることによる該触媒担体３の破損等の発生を抑制することができる。

また、本実施例に係るＥＨＣ１において、凝縮水をバイパス通路１０に流すためには、吸水部材１１は必須の構成ではない。しかしながら、バイパス通路１０内に該吸水部材１１を設けることで、バイパス通路１０を排気が流れることを抑制することができる。そのため、バイパス通路１０を設けることに伴う排気特性の悪化を抑制することができる。

尚、本実施例に係るＥＨＣにおいて、電極室は必ずしも触媒担体の外周面全周に渡って形成される必要はない。例えば、マットを上流側部分と下流側部分とに分割せずに、電極の周囲のみが空間となるようにマットの一部に貫通孔を形成してもよい。この場合。電極の周囲にのみ電極室が形成される。この場合でも、上記と同様のバイパス通路をＥＨＣに設けることで、凝縮水がマットをバイパスして流れることになる。そのため、マット及び触媒担体への凝縮水の浸入を抑制することができる。

［変形例］
図３は、本実施例の変形例に係るＥＨＣの概略構成を示す図である。本変形例では、マット５の上流側及び下流側端面が、閉塞部材１２によって覆われている。閉塞部材１２は、触媒担体３を形成する材料及びマット５を形成する材料よりも気密性が高く且つ電気を絶縁する高気密絶縁材によって形成されている。

閉塞部材１２を形成する高気密絶縁材は耐熱性を有する必要がある。該高気密絶縁材としては、例えば、黒体コーティング剤や、ガラスコーティング剤等を例示することができる。また、マット５の上流側及び下流側端面に、陶器等に用いる釉薬を塗布して焼成することで、閉塞部材１２を形成させることもできる。

マット５の上流側及び下流側の端面を気密性の高い閉塞部材１２で覆うことで、マット５への凝縮水の浸入を抑制することができる。しかしながら、この場合、マット５に凝縮水が吸収され難くなる。そのため、バイパス通路１０が設けられていないと、ケース４内の下方部分におけるマット５の上流側端面付近に凝縮水がより溜まり易くなる。

しかしながら、本実施例によれば、このような場合であっても、凝縮水がバイパス通路１０に流入するため、マット５の上流側端面付近に凝縮水が溜まるのを抑制することができる。その結果、触媒担体３への凝縮水の浸入を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
７・・・電極
９・・・電極室
１０・・バイパス通路
１１・・吸水部材
１２・・閉塞部材

Claims

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、
前記ケースの下方部分における前記絶縁部材の上流側端面より上流側に一端が接続され、前記絶縁部材をバイパスするように形成されたバイパス通路と、
前記バイパス通路に充填された吸水部材と、
を備える電気加熱式触媒。
前記発熱体及び前記絶縁部材よりも気密性が高く且つ電気を絶縁する高気密絶縁材よって形成され前記絶縁部材の端面を覆う閉塞部材をさらに備える請求項１に記載の電気加熱式触媒。
前記ケース内において、前記絶縁部材が上流側部分と下流側部分とに分割され、該絶縁部材の上流側部分と下流側部分との間における前記発熱体の外周面全周にわたって前記電極室が形成されており、
前記バイパス通路が、前記絶縁部材の上流側部分及び下流側部分と、前記電極室とをバイパスするように形成されている請求項１または３に記載の電気加熱式触媒。