JP6036716B2 - 触媒コンバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気管に設けられる触媒コンバータ装置に関する。

内燃機関で発生した排気を浄化するための触媒コンバータ装置として、特許文献１には、排気が排出される排気管と、触媒担体が収容されたケース（収容筒）と、を備えた電気加熱式触媒が開示されている。ここで、ケース（収容筒）は、排気管より排気の排出方向の下流側に設けられており、触媒担体は、通電により加熱できるようになっている。また、ケースの上流側の端部が、外管と内管とで二重管構造とされている。

特開２０１３−１８５５７３号公報

上記特許文献１の発明では、ケースの上流側の端部を二重管構造とすることで、ケースの外管が排気の熱で高温になるのを抑制している。一方、外管と内管との間の隙間に排気中のカーボンなどが堆積することがあり、これを抑制することが望まれている。

本発明は上記事実を考慮し、排気管にカーボンなどが堆積するのを抑制することができる触媒コンバータ装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明に係る触媒コンバータ装置は、内燃機関で発生した排気が排出される排気管と、前記排気管よりも排気の排出方向の下流側に配設され、排気を浄化するための触媒を担持し、通電によって加熱される触媒担体と、前記排気管よりも大径の筒状に形成されて内部に前記触媒担体が収容されると共に、前記排気管の前記排出方向の下流側の端部と径方向に隙間をあけて同心状に配設された収容筒と、前記排気管と前記収容筒とが軸方向に重なるオーバーラップ領域に設けられ、前記排気管及び前記収容筒の少なくとも一方から隆起して前記オーバーラップ領域における前記排気管と前記収容筒との間の隙間を狭くさせる隆起部と、を有する。

請求項１に記載の本発明に係る触媒コンバータ装置によれば、排気管よりも排気の排出方向の下流側には、触媒担体が配設されており、この触媒担体によって内燃機関で発生した排気を浄化させる。ここで、触媒担体は、排気管より大径の収容筒に収容されており、この収容筒は、排気管の排出方向の下流側の端部と径方向に隙間をあけて同心状に配設されている。すなわち、排気管の排出方向の下流側の端部と収容筒とが軸方向にオーバーラップされている。これにより、排気が排気管と収容筒との間に進入するのを抑制し、排気中のカーボンなどが排気管と収容筒との間の隙間に入り込むのを抑制することができる。

また、排気管と収容筒とが軸方向に重なるオーバーラップ領域において、排気管及び収容筒の少なくとも一方に隆起部を設けたことで、排気管と収容筒との間の隙間を狭くしている。これにより、排気中のカーボンなどが排気管と収容筒との間の隙間に入り込んだ場合であっても、隆起部より奥まで進入するのを抑制することができる。

さらに、オーバーラップ領域では、排気が流れる排気管の方が、収容筒より高温となるため、収容筒と比較して熱膨張しやすくなっている。これにより、例えば、排気管に隆起部が設けられている場合、排気管の熱膨張に伴って隆起部が軸方向（排出方向）に移動し、収容筒の内面に付着したカーボンなどを擦り落とすことができる。

請求項２に記載の本発明に係る触媒コンバータ装置は、請求項１において、前記隆起部は、前記排気管及び前記収容筒の少なくとも一方に、環状に形成されている。

請求項２に記載の本発明に係る触媒コンバータ装置によれば、排気管と収容筒との間に入り込んだカーボンなどの経路に関わらず、カーボンなどが隆起部より奥へ進入するのを抑制することができる。

請求項３に記載の本発明に係る触媒コンバータ装置は、請求項１又は請求項２において、前記収容筒は、前記オーバーラップ領域において、前記排出方向の下流側から上流側へ向かって縮径された縮径部を備えており、前記排気管の前記排出方向の下流側の先端は、前記縮径部に沿って拡径されている。

請求項３に記載の本発明に係る触媒コンバータ装置によれば、排気管の排出方向の下流側の先端を軸方向に延在させた構成と比較して、背圧を低減させることができる。また、オーバーラップ領域における排気の経路が軸方向に対して傾斜されるため、オーバーラップ領域の軸方向の長さが短い場合であっても、排気の経路を長く確保することができる。

請求項４に記載の本発明に係る触媒コンバータ装置は、請求項１〜３の何れか１項において、少なくとも前記オーバーラップ領域における前記排気管の外周面及び前記収容筒の内周面には、電気絶縁性を有する絶縁層が設けられている。

請求項４に記載の本発明に係る触媒コンバータ装置によれば、隆起部によって収容筒の内面に堆積されたカーボンなどが擦り落とされる際に、収容筒から排気管へ漏電するのを抑制することができる。

本発明の触媒コンバータ装置は、上記構成としたので排気管にカーボンなどが堆積するのを抑制することができる。

本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を構成する排気管と収容筒との接続部分を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を部分的に拡大して示す要部拡大断面図である。 本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を構成する排気管の隆起部の熱膨張による作用を説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態の触媒コンバータ装置を構成する排気管と収容筒との接続部分を示す断面図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係る触媒コンバータ装置について、図面を基に詳細に説明する。なお、以下の説明において、単に「上流側」及び「下流側」というときは、排気管２６内を流れる排気の排出方向の上流側及び下流側をそれぞれいうものとする。また、単に「径方向」及び「軸方向」というときは、排気管２６の径方向及び径方向と直交する方向をそれぞれいうものとする。

（触媒コンバータ装置の構成）
図１に示されるように、本実施形態に係る触媒コンバータ装置１０は、導電性及び剛性を有する材料によって形成された触媒担体１２を備えている。触媒担体１２を構成する材料としては、導電性セラミック、導電性樹脂、又は金属などを適用することができるが、本実施形態では、一例として、導電性セラミックを主成分として構成している。

触媒担体１２は、ハニカム状又は波状などの薄板を渦巻状あるは同心円状などに配置することで材料の表面積が増大された略円柱状の部材であり、触媒担体１２の表面には触媒（白金、パラジウム、ロジウムなど）が担持されている。

ここで、触媒は、排気管２６内を流れる排気中の物質（カーボンなど）を浄化する作用を有している。なお、触媒担体１２の表面積を増大させる構造は、上述したハニカム状や波状に限定されるものではなく、他の構造を採用してもよい。また、触媒担体１２は、略円筒状に形成してもよい。

触媒担体１２には２枚の電極１４Ａ及び電極１４Ｂが貼着されており、電極１４Ａには端子１６Ａが接続され、電極１４Ｂには端子１６Ｂが接続されている。このため、端子１６Ａ及び端子１６Ｂの間に電圧を印加すれば、端子１６Ａ及び端子１６Ｂから電極１４Ａ及び電極１４Ｂを通じて触媒担体１２に通電される。これにより、触媒担体１２が加熱され、触媒担体１２の表面に担持された触媒が昇温されて、触媒の浄化作用を高く発揮させることができるようになっている。

ここで、触媒担体１２の外周には、保持マット１８が配設されており、触媒担体１２は、この保持マット１８を介して収容筒としてのケース筒体２０に保持されている。保持マット１８は、たとえばアルミナマットや樹脂マット、セラミックウール、インタラムマットやムライトなどを主成分として、絶縁性と弾性を備えた繊維状に形成されている。

触媒担体１２を収容しているケース筒体２０は、樹脂又は金属で形成された略筒状の部材であり、本実施形態では、一例として、ステンレスで形成されている。また、ケース筒体２０は、後述する排気管２６より大径に形成されており、主として、略円筒状の大径部２０Ａと、この大径部２０Ａの上流端の端部から上流側に延出された縮径部２０Ｂと、縮径部２０Ｂの上流側の端部から上流側に向かって延出された小径部２０Ｃと、を備えて構成されている。

大径部２０Ａは、上流側から下流側まで一定の径で形成されており、この大径部２０Ａの内周側に保持マット１８を介して触媒担体１２が収容（保持）されている。また、大径部２０Ａには、端子１６Ａを挿入するための挿入孔２０Ｄと、端子１６Ｂが挿入される挿入孔２０Ｅとが形成されている。

縮径部２０Ｂは、大径部２０Ａと略同一の厚みで形成されており、上流側に向かって徐々に径が縮径されている。なお、本実施形態では、１つの縮径部２０Ｂのみを備えて構成されているが、これに限らず、例えば、複数の縮径部２０Ｂを設けて段階的に縮径されるように形成してもよい。

小径部２０Ｃは、ケース筒体２０の上流側の端部に位置しており、大径部２０Ａ及び後述する排気管２６と略平行に延在されている。また、縮径部２０Ｂ及び小径部２０Ｃが形成された領域は、後述する排気管２６と軸方向に重なるオーバーラップ領域２２とされている。

ここで、大径部２０Ａの内周面と、縮径部２０Ｂ及び小径部２０Ｃの全面（内周面及び外周面）には、絶縁層２４が塗布されている。絶縁層２４は、セラミックなどの無機物を含有してケース筒体２０よりも熱伝導率が低い材料で形成されている。また、絶縁層２４は、電気絶縁性を有している。なお、電気絶縁性を備えていれば、セラミックなどの無機物を含まない材料で形成してもよい。

ケース筒体２０より上流側には、内燃機関で発生した排気が排出される排気管２６が配設されている。排気管２６は、後述する隆起部２６Ａ及び拡径部２６Ｂを除いて、上流側から下流側まで一定の径で形成されており、上流側の端部は、図示しない内燃機関に接続されている。また、排気管２６の下流側の端部は、ケース筒体２０に入り込んでおり、ケース筒体２０との間に一定の隙間２８をあけて同心状（同心円状）に配設されている。

なお、本実施形態では、一例として、排気管２６が車両などのエンジンに接続されており、排気管２６の上流側の端部は、エンジンの気筒数に合わせて分岐されている。また、隙間２８は、エンジンから排出された排気が隙間２８に入り込んでも、排気中のカーボンなどが堆積して詰まることがない程度の間隔で設定されている。

ここで、排気管２６の外周面には、外筒部材３０が設けられている。外筒部材３０は、排気管２６の外周面に溶接などで接合されており、主として、接合部３０Ａと、拡径部３０Ｂと、連結部３０Ｃと、を備えて構成されている。

接合部３０Ａは、排気管２６の軸方向に沿って延在されており、排気管２６の外周面と全周に亘って接合されている。拡径部３０Ｂは、接合部３０Ａの下流側の端部から下流側へ向かって徐々に径が拡径するように形成されており、ケース筒体２０の小径部２０Ｃまで延在されている。なお、本実施形態では、外筒部材３０には１つの拡径部３０Ｂのみが形成されているが、これに限らず、例えば、複数の拡径部３０Ｂを設けて段階的に拡径されるように形成してもよい。

連結部３０Ｃは、拡径部３０Ｂの下流側の端部から下流側へ向かって軸方向に延出されている。また、連結部３０Ｃの外周面には、連結筒３２が溶接などで接合されている。連結筒３２は、軸方向の両端部が開口された略筒状の部材であり、排気管２６の軸方向に延在されている。また、連結筒３２の上流側の端部は、外筒部材３０の連結部３０Ｃに溶接などで全周に亘って接合されており、連結筒３２の下流側の端部は、ケース筒体２０の大径部２０Ａに溶接などで全周に亘って接合されている。これにより、排気管２６とケース筒体２０とは、外筒部材３０及び連結筒３２を介して連結されている。また、連結部３０Ｃ及び連結筒３２と、ケース筒体２０の縮径部２０Ｂ及び小径部２０Ｃとの間には、空間３４が形成されている。

ここで、オーバーラップ領域２２における排気管２６の下流側の先端部には、隆起部２６Ａ（凸部）が形成されている。隆起部２６Ａは、ケース筒体２０の小径部２０Ｃと径方向に重なる部位に形成されており、排気管２６を隆起（突出）させて排気管２６と小径部２０Ｃとの隙間を局所的に狭くしている。

また、隆起部２６Ａは、排気管２６の全周に亘って連続して形成されている。すなわち、環状に形成されている。なお、本実施形態では、一例として、排気管２６に１つの隆起部２６Ａを形成しているが、これに限らず、軸方向に間隔をあけて複数の隆起部２６Ａを形成してもよい。また、本実施形態では、隆起部２６Ａを環状に形成しているが、これに限らず、例えば、隆起部２６Ａを排気管２６の周方向に断続的に形成してもよい。

さらに、排気管２６に隆起部２６Ａを形成せず、小径部２０Ｃに隆起部（凹部）を形成してもよい。この場合、小径部２０Ｃを内周側に隆起させて隆起部を形成することで、排気管２６と小径部２０Ｃとの間の隙間２８を局所的に狭くさせる。さらに、排気管２６及び小径部２０Ｃの両方に隆起部を形成してもよく、隆起部の数は特に限定しない。

排気管２６の隆起部２６Ａより下流側の先端は、拡径部２６Ｂとされている。拡径部２６Ｂは、排気管２６の径を下流側に向かって徐々に拡径して形成されており、拡径部２６Ｂの下流側の端部は、ケース筒体２０の大径部２０Ａまで延在されている。また、拡径部２６Ｂは、ケース筒体２０の縮径部２０Ｂに沿って拡径されている。すなわち、拡径部２６Ｂの軸方向に対する傾斜角度は、縮径部２０Ｂの軸方向に対する傾斜角度と略同一の角度に設定されている。このため、縮径部２０Ｂと拡径部２６Ｂとの間の隙間２８は、一定とされている。

ここで、排気管２６の下流側の端部の外周面には、絶縁層３６が塗布されている。絶縁層３６は、外筒部材３０の接合部３０Ａより下流側に設けられており、排気管２６の先端部は、この絶縁層３６に被覆されている。また、絶縁層３６は、ケース筒体２０に設けられた絶縁層２４と同様に、セラミックなどの無機物を含有して排気管２６よりも熱伝導率が低い材料で形成されている。さらに、絶縁層３６は、電気絶縁性を有している。なお、絶縁層２４と絶縁層３６とを同一の材料で形成する必要はなく、電気絶縁性を有していれば、異なる材料で形成してもよい。また、拡径部２６Ｂから隆起部２６Ａにかけて絶縁層３６で被覆されていればよいので、隆起部２６Ａより上流側には絶縁層３６を設けなくてもよい。

（作用並びに効果）
次に、本発明の第１実施形態に係る触媒コンバータ装置１０の作用並びに効果について説明する。本実施形態の触媒コンバータ装置１０によれば、触媒担体１２の内部を排気が通過すると、触媒担体１２に担持された触媒により、排気中の物質（カーボンなど）が浄化される。また、端子１６Ａ、１６Ｂ及び電極１４Ａ、１４Ｂによって触媒担体１２に通電し、触媒担体１２を加熱することで、触媒担体１２に担持された触媒を昇温させ、浄化作用をより高く発揮させることができる。このため、例えば、エンジンの始動直後など、排気の温度が低い場合には、あらかじめ触媒担体１２への通電加熱を行うことで、エンジン始動初期における触媒の浄化性能を確保できる。

また、本実施形態の排気管２６とケース筒体２０とは、オーバーラップするように配設されており、軸方向に重なるオーバーラップ領域２２を有している。このため、図２に示されるように、エンジンなどの内燃機関で発生した排気が図中矢印の方向に流れて排気管２６から排出されると、大半の排気が軸方向に下流側に流れて触媒担体１２へ向かう。従って、排気中のカーボンが排気管２６とケース筒体２０との間の隙間２８にから空間３４に進入するのを抑制することができる。これにより、ケース筒体２０から排気管２６への漏電を抑制することができる。

すなわち、隙間２８から空間３４に進入したカーボンが空間３４内に堆積すれば、排気管２６とケース筒体２０とがカーボンを介して電気的に接続され、触媒担体１２から排気管２６へ漏電する可能性があるが、空間３４へのカーボンの進入を抑制することにより、漏電しにくい構造を得ることができる。これにより、触媒担体１２への通電量を確保して、触媒担体１２を効果的に昇温させることができる。

また、オーバーラップ領域２２に隆起部２６Ａを設けて、排気管２６とケース筒体２０との隙間２８を局所的に狭めているため、排気中のカーボンが隙間２８に入り込んだ場合であっても、隆起部２６Ａより奥の空間３４にカーボンが進入するのを抑制することができる。

さらに、オーバーラップ領域２２において、排気管２６の外周面には絶縁層３６が施されており、ケース筒体２０の縮径部２０Ｂ及び小径部２０Ｃの全面（内周面及び外周面）には絶縁層２４が施されている。これにより、隙間２８に入り込んだカーボンが隆起部２６Ａの下流側に堆積した場合であっても、排気管２６と小径部２０Ｃとの絶縁状態を維持することができる。

また、排気管２６が熱膨張することで、隆起部２６Ａの周囲に堆積したカーボンを擦り落とすことができる。この作用について、以下に詳細に説明する。まず、内燃機関としてのエンジンが始動されると、排気の経路となる排気管２６は、排気管２６の外周側に配設されたケース筒体２０の小径部２０Ｃ及び縮径部２０Ｂと比較して、高温になりやすい。このため、排気管２６とケース筒体２０との熱膨張係数が近い場合は、排気管２６の方が熱膨張しやすくなっている。従って、排気管２６が加熱されると、図３に示されるように、隆起部２６Ａが小径部２０Ｃに対して軸方向（矢印Ａの方向）に膨張する。これにより、隆起部２６Ａの周囲の隙間２８に堆積したカーボンを擦り落として漏電を抑制することができる。また、排気の排出が停止されて排気管２６の温度が低下すると、隆起部２６Ａが小径部２０Ｃに対して軸方向に矢印Ａとは反対の矢印Ｂの方向に収縮し、隆起部２６Ａの周囲の隙間２８に堆積したカーボンを擦り落とす。

なお、本実施形態の排気管２６は、ケース筒体２０と同じ材料で形成しているが、これに限らず、例えば、排気管２６をケース筒体２０より熱膨張係数の大きい材料で形成してもよい。この場合、熱膨張による隆起部２６Ａの移動量が大きくなり、より効果的にカーボンを擦り落とすことができる。

また逆に、ケース筒体２０を排気管２６より熱膨張率が大きい材料で形成してもよい。この場合、ケース筒体２０が排気管２６に対して矢印Ｂの方向に熱膨張すれば、隆起部２６Ａより下流側に堆積しているカーボンが隆起部２６Ａに当たって擦り落とされる。すなわち、本実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、本実施形態のように、隆起部２６Ａを環状に形成した場合、排気管２６と小径部２０Ｃとの間の隙間２８は、全周に亘って狭くなっているため、排気の経路に関わらず、カーボンが隆起部２６Ａより奥の空間３４へ進入するのを抑制することができる。

また、本実施形態の触媒コンバータ装置１０では、排気管２６の隆起部２６Ａより下流側の先端が拡径部２６Ｂとされている。これにより、拡径されていない（一定径の円筒状の）構造と比較して、排気の排出が阻害されるのを抑制し、背圧を低減させることができる。また、オーバーラップ領域２２における排気の経路が軸方向に対して傾斜されるため、拡径されていない構造と比較して、排気の経路を長く確保することができる。

なお、本実施形態では、排気管２６に拡径部２６Ｂを形成したが、これに限らず、オーバーラップ領域２２を軸方向に長く確保できる場合は、拡径部２６Ｂを形成しなくてもよい。また、拡径部２６Ｂ及び縮径部２０Ｂの軸方向に対する傾斜角度は、任意の角度に設定することができる。

＜第２実施形態＞
次に、図４を参照して本発明の第２実施形態に係る触媒コンバータ装置５０について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。図４に示されるように、本実施形態の触媒コンバータ装置５０は、外筒部材５２を除いて第１実施形態と同様の構成である。すなわち、ケース筒体２０には触媒担体１２が収容されており、触媒担体１２には２枚の電極１４Ａ及び電極１４Ｂが貼着され、端子１６Ａ及び端子１６Ｂが接続されている。

また、ケース筒体２０は、大径部２０Ａ、縮径部２０Ｂ、及び小径部２０Ｃを備えている。さらに、ケース筒体２０の内周側には、排気管２６の下流側の先端部が配設されており、オーバーラップ領域５６が設定されている。

ここで、排気管２６の外周面には、外筒部材５２が設けられている。外筒部材３０は、排気管２６の外周面に溶接などで接合されており、主として、接合部５２Ａと、拡径部５２Ｂと、連結部５２Ｃと、を備えて構成されている。接合部５２Ａは、排気管２６の軸方向に沿って延在されており、排気管２６の外周面と全周に亘って接合されている。

拡径部５２Ｂは、接合部５２Ａの下流側の端部から下流側へ向かって徐々に径が拡径されており、拡径部５２Ｂの下流側の端部から下流側へ向かって連結部５２Ｃが軸方向に延出されている。連結部５２Ｃは、第１実施形態の外筒部材３０の連結部３０Ｃより軸方向に長く形成されており、連結部５２Ｃの下流側の端部は、ケース筒体２０の大径部２０Ａに溶接などで全周に亘って接合されている。これにより、排気管２６とケース筒体２０とが連結されている。また、連結部５２Ｃとケース筒体２０の小径部２０Ｃ及び縮径部２０Ｂとの間には、空間５４が形成されている。なお、第１実施形態の連結筒３２は設けられていない。

本実施形態の触媒コンバータ装置５０によれば、連結筒３２を設けずに排気管２６とケース筒体２０とを連結しているため、第１実施形態の触媒コンバータ装置１０と比較して、部品点数を削減することができる。また、触媒コンバータ装置５０の軸方向の長さを短縮することができる。その他の作用については、第１実施形態と同様である。

以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係る触媒コンバータ装置について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、図１において、隆起部２６Ａは、排気管２６を外周側へ隆起させて形成したが、これに限らず、別体の環状部材を用意して、この隆起部材を排気管２６の外周面に接合することで隆起部２６Ａを形成してもよい。

１０、５０ 触媒コンバータ装置
１２ 触媒担体
２０ ケース筒体（収容筒）
２０Ｂ 縮径部
２２、５６ オーバーラップ領域
２４ 絶縁層
２６ 排気管
２６Ａ 隆起部
２６Ｂ、５２Ｂ 拡径部
２８ 隙間
３６ 絶縁層

Claims (4)

1. 内燃機関で発生した排気が排出される排気管と、
   前記排気管よりも排気の排出方向の下流側に配設され、排気を浄化するための触媒を担持し、通電によって加熱される触媒担体と、
   前記排気管よりも大径の筒状に形成されて内部に前記触媒担体が収容されると共に、前記排気管の前記排出方向の下流側の端部と径方向に隙間をあけて同心状に配設された収容筒と、
   前記排気管と前記収容筒とが軸方向に重なるオーバーラップ領域に設けられ、前記排気管及び前記収容筒の少なくとも一方から隆起して前記オーバーラップ領域における前記排気管と前記収容筒との間の隙間を狭くさせる隆起部と、
   を有する触媒コンバータ装置。
2. 前記隆起部は、前記排気管及び前記収容筒の少なくとも一方に、環状に形成されている請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
3. 前記収容筒は、前記オーバーラップ領域において、前記排出方向の下流側から上流側へ向かって縮径された縮径部を備えており、
   前記排気管の前記排出方向の下流側の先端は、前記縮径部に沿って拡径されている請求項１又は請求項２に記載の触媒コンバータ装置。
4. 少なくとも前記オーバーラップ領域における前記排気管の外周面及び前記収容筒の内周面には、電気絶縁性を有する絶縁層が設けられている請求項１〜３の何れか１項に記載の触媒コンバータ装置。

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