JP6206131B2 - 電気加熱式排ガス浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、たとえば車両に搭載されて排ガスを浄化する電気加熱式排ガス浄化システムに係り、特に触媒担持体を通電加熱することによって排ガスを浄化する電気加熱式排ガス浄化システムに関する。

内燃機関を備えた車両に搭載される排ガス浄化システムとして、電気加熱によって触媒を活性化させて排ガスを浄化する電気加熱式排ガス浄化システムがある（例えば、特許文献１参照）。

電気加熱式排ガス浄化システムでは、金属製の外筒の内部に触媒金属を担持させた触媒担持体が配置されており、触媒担持体に設けた電極から触媒担持体に電気を流すことで触媒担持体が発熱する構成とされている。

特許５０８８４４３号公報。

ところで、この電気加熱式排ガス浄化システムでは、触媒担持体の排ガス排出側の外筒内周面に煤が付着することがある。煤は導電性を有するため、触媒担持体に流す電気が煤を介して外筒に流れることがあり、これにより、触媒担持体に所望の電気が流れなくなる。
外筒と触媒担持体との間に内筒を配置すると、煤は内筒の内周面に付着することになるが、内筒をある程度の長さに設定すると、触媒担持体から離れるにしたがって煤の付着は少なくなるため、煤を介して外筒へ流れる電気を抑制することができる。

外筒と触媒担持体との間に内筒を設けた場合、触媒担持体に流す電気が内筒を介して外筒へ流れないように、内筒と外筒との間に絶縁材料からなる保持マットが挟まれている。また、絶縁性を更に高めるためには、内筒の外周面、及び外筒の内周面等に絶縁材料からなる絶縁層を設けることが好ましい。絶縁層としては、例えば、ガラス成分を含む材料を用いることができる。しかしながら、排ガスの温度が高い場合、内部に排ガスが通過する内筒も高温となり、絶縁層も高温となる。絶縁層が高温になって絶縁層が軟化すると、軟化した絶縁層が保持マットからの面圧を受けて膜厚が薄くなる場合がある。絶縁層の膜厚が薄くなると絶縁層の絶縁性能が低下することになるため、この点改善の余地があった。

本発明は上記事実を考慮し、絶縁層の絶縁性能の低下を抑制可能な電気加熱式排ガス浄化装置の提供を目的とする。

請求項１に記載の電気加熱式排ガス浄化システムは、内燃機関から排出される排ガスを浄化するための触媒金属を担持し、通電によって発熱される触媒担持体と、筒状に形成されて内部に前記触媒担持体を収容すると共に、排気管に接続される外筒と、前記外筒の内周面に形成される外筒内周側絶縁層と、外筒内の前記触媒担持体の排ガス排出下流側に前記触媒担持体と離間して配置され、内部に前記排ガスを通過させる内筒と、前記外筒と前記内筒との間に配置され、前記内筒を保持する保持部材と、前記内筒の外周面に形成され前記保持部材と接触する内筒外周側絶縁層と、前記内筒に取り付けられ電力が供給されて前記内筒の冷却を行う熱電変換素子と、前記内筒と前記熱電変換素子との間に配置される内筒内周側絶縁層と、を有する。

請求項１に記載の電気加熱式排ガス浄化システムでは、排ガスによって加熱される内筒を熱電変換素子で冷却することができ、内筒の外周面に形成された内筒外周側絶縁層が、内筒外周側絶縁層の軟化温度以上となることを抑制できる。内筒外周側絶縁層の軟化を抑制することができるので、内筒外周側絶縁層が保持部材に押されて薄くなることが抑えられる。これにより、内筒外周側絶縁層が薄くなることによる内筒外周側絶縁層の絶縁性能の低下が抑制できる。

以上説明したように本発明の電気加熱式排ガス浄化システムによれば、絶縁層の絶縁性能の低下を抑えることができる、という優れた効果を有する。

電気加熱式排ガス浄化システムの内部構造を示す軸線に沿った断面図である。 電気加熱式排ガス浄化システムの内部構造を示す軸線に直角な断面図である。

図１及び図２にしたがって、本発明の一実施形態に係る電気加熱式排ガス浄化システム１０を説明する。
図１に示すように、本実施例に係る電気加熱式排ガス浄化システム１０は、車両の駆動源としての内燃機関の排気管１２に取り付けられている。なお、この電気加熱式排ガス浄化システム１０が適用される駆動源は、内燃機関であるエンジンのみならず、エンジンと電気モーターとを併用したハイブリッドシステムであっても良い。

図１、及び図２に示すように、電気加熱式排ガス浄化システム１０は、排気管１２に接続される外筒１６を備えており、外筒１６の内部に触媒担持体１４が収容されている。
外筒１６は、円管状の部材であり、金属によって形成されている。外筒１６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。
触媒担持体１４は、円柱状に形成されており、その中心軸が外筒１６の中心軸Ａと同軸となるように設置されている。

触媒担持体１４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。触媒担持体１４の材料としては、例えば、ＳｉＣを例示することができるが他の材料であっても良い。触媒担持体１４は、排ガスの流れる方向（矢印Ｇ方向）に伸び且つ排ガス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。なお、触媒担持体１４の内部の構造は、本実施形態の構造に限らず、内燃機関の排気通路に排気浄化用に設けられる周知の触媒担体と同様でよい。

触媒担持体１４には三元触媒が担持されている。尚、触媒担持体１４に担持される触媒は、三元触媒に限られるものではなく、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、又は選択還元型ＮＯｘ触媒であってもよい。

触媒担持体１４の外周面には一対の電極１８が該触媒担持体１４を挟んで互いに対向するように設けられている。電極１８は、表面電極１８ａ及び軸電極１８ｂを含んで構成されている。表面電極１８ａは、触媒担持体１４の外周面に沿って周方向及び軸方向に延びている。軸電極１８ｂは、一端が表面電極１８ａに接続されており、他端が外筒１６の外側に突出している。

電極１８には車両に搭載されたバッテリ２０から供給電力制御部２２を介して電気が供給される。電極１８に電気が供給されると、触媒担持体１４に通電される。通電によって触媒担持体１４が発熱すると、触媒担持体１４に担持された触媒金属が加熱され、その活性化が促進される。供給電力制御部２２は、電極１８への電気の供給（即ち、触媒担持体１４への通電）を行う。供給電力制御部２２は、内燃機関に併設されたＥＣＵ２４に電気的に接続されており、該ＥＣＵ２４によってその動作が制御される。

外筒１６の内壁面と触媒担持体１４の外周面との間には圧縮された触媒保持マット２６が挟み込まれている。つまり、外筒１６内において、触媒担持体１４が触媒保持マット２６によって支持されている。

触媒保持マット２６は、電気絶縁材によって形成されている。触媒保持マット２６を形成する材料としては、高温耐久性を有するシリカ繊維、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維等の無機繊維を例示することができるが、他の材料であっても良い。触媒保持マット２６は、上記繊維を絡み合わせてマット状に形成したものであり、弾性を有している。電気絶縁材からなる触媒保持マット２６が、触媒担持体１４と外筒１６との間に挟み込まれているので、触媒担持体１４に通電したときに、触媒担持体１４に通電した電気が外筒１６へ流れることが抑制される。

外筒１６には軸電極１８ｂを通すための貫通孔２８が開けられており、触媒保持マット２６には軸電極１８ｂを通すための貫通孔２６Ａが開けられている。

外筒１６の内部には、触媒担持体１４の排ガス排出方向下流側（矢印Ｇ方向側）に、内筒３０が外筒１６と同軸的に配置されている。
内筒３０は、円管状の部材であり、金属によって形成されている。内筒３０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出来る。内筒３０は、略全体が一定径に形成されているが、下流側の端部付近が徐々に縮径している。なお、内筒３０は、全体が一定径に形成されていても良い。

外筒１６と内筒３０の一定径部分との間には、圧縮された内筒保持マット３２が挟み込まれている。つまり、外筒１６内において、内筒３０が内筒保持マット３２によって支持されている。なお、内筒保持マット３２は、触媒保持マット２６と同様の材料で形成されている。

内筒３０の一定径部分の内周面には複数のペルチェ素子３４が固定されている。図１、及び図２に示すように、本実施形態では、円弧状に形成された板状のペルチェ素子３４が、内筒３０の周方向及び軸方向に複数配置されている。これら複数のペルチェ素子３４は、図示しない配線によって電気的に接続されている。

外筒１６、内筒保持マット３２、及び内筒３０には、ペルチェ素子３４へ電力を供給するための配線３６を通す貫通孔（符号の付与省略）が形成されており、この貫通孔には、配線３６を支持する電極支持部材３８が設けられている。この電極支持部材３８は電気絶縁材によって形成されている。

ペルチェ素子３４には、車両に搭載されたバッテリ２０から供給電力制御部２２、及び配線３６を介して電力が供給される。なお、ペルチェ素子３４には、内筒３０と接触している側の温度が低下するように電力が供給される。

外筒１６の内周面、内筒３０の外周面、及び内筒３０の内周面には、ガラス成分を含んだ絶縁材料からなる絶縁層４０Ａ〜Ｃが形成されている。絶縁層４０Ｂ、及び絶縁層４０Ｃの一部は、内筒３０の排ガス通過方向上流側の端部に回り込むように形成されている。また、絶縁層４０Ｂ、及び絶縁層４０Ｃは、内筒３０の排ガス通過方向下流側の端部付近まで形成されている。なお、絶縁層４０Ａ〜Ｃの端部の位置は、図１に示される位置に限定されるものではない。
外筒１６の内周面には、触媒担持体１４の排ガス通過方向上流側の端部よりも排ガス通過方向上流から、内筒３０の排ガス通過方向下流側の端部よりも排ガス通過方向下流側まで絶縁層４０Ａが形成されている。
内筒３０の外周面には、内筒３０の排ガス通過方向上流側の端部から内筒３０の一定径部分の排ガス通過方向下流側の端部まで絶縁層４０Ｂが形成されている。
また、内筒３０の内周面には、外周面と同様に、内筒３０の排ガス通過方向上流側の端部から内筒３０の一定径部分の排ガス通過方向下流側の端部まで絶縁層４０Ｃが形成されている。

（作用、効果）
以下、本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０の作用、及び効果を説明する。
本実施形態の電気加熱式排ガス浄化システム１０では、一対の電極１８を介して触媒担持体１４に電力を供給することにより、触媒担持体１４を急速に発熱させることができる。これにより、触媒担持体１４の温度を触媒活性温度まで急速に上昇させることができ、エンジン始動直後の排ガスの温度が低い状態であっても、触媒金属を活性化し、排ガスの浄化を効率的に行うことが出来る。

内筒３０は、排ガスが通過することによって加熱される。内筒３０の外周面に形成した絶縁層４０Ｂは、内筒保持マット３２の面圧を受けているので、内筒３０の外周面に形成した絶縁層４０Ｂが絶縁層４０Ｂを構成する材料の軟化温度以上になって絶縁層４０Ｂが軟化すると、該絶縁層４０Ｂの膜厚が薄くなる場合がある。

本実施形態では、排ガスが電気加熱式排ガス浄化システム１０を通過した際にペルチェ素子３４に通電を行い、内筒３０に形成された絶縁層４０Ｂの温度を軟化温度未満に抑えることで、絶縁層４０Ｂの軟化を抑えることができる。内筒３０の外周面に形成した絶縁層４０Ｂは、内筒保持マット３２の面圧を受けているが、軟化が抑えられるので、内筒保持マット３２の押圧力を受けて膜厚が薄くなることが抑えられる。したがって、絶縁層４０Ｂの膜厚が薄くなることによる絶縁層４０Ｂの絶縁性能の低下は抑制される。

［その他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
（１） 絶縁層４０Ｂが軟化温度以上とならない場合、例えば、排ガスが内筒３０の内部を通過していない場合には、ペルチェ素子３４に通電をして内筒３０を冷却しなくても良い。
（２） 内燃機関であるエンジンと電気で駆動されるモーターとを併用したハイブリッドカーの場合、エンジンが停止状態で、電気モーターのみで走行している場合には、ペルチェ素子３４に通電をしなくても良い。
（３） エンジン停止後、予め設定した所定時間は、ペルチェ素子３４に通電をして内筒３０を冷却しても良い。
（４） 電気加熱式排ガス浄化システム１０に内筒３０の温度を計測する温度センサを設け、内筒３０の温度が絶縁層４０Ｂの軟化温度未満となるように、ペルチェ素子３４へ供給する電力量を供給電力制御部２２で制御しても良い。
（５） 上記実施形態では、内筒３０を冷却し、絶縁層４０Ａの形成された外筒１６を冷却していないが、内筒３０の冷却に加え、外筒１６にペルチェ素子３４を取り付けて外筒１６を冷却しても良い。
（６） 本発明の電気加熱式排ガス浄化システムは、内燃機関の排ガスを浄化するための触媒装置に限定されない。ケース内にガスを流し、そのガスを触媒担体に担持させた触媒金属で処理する種々の触媒装置に適用することができる。

１０ 電気加熱式排ガス浄化システム
１４ 触媒担持体
１６ 外筒
３０ 内筒
３２ 内筒保持マット（保持部材）
３４ ペルチェ素子（熱伝変換素子）
４０Ａ 絶縁層（外筒内周側絶縁層）
４０Ｂ 絶縁層（内筒外周側絶縁層）
４０Ｃ 絶縁層（内筒内周側絶縁層）

Claims (1)

1. 内燃機関から排出される排ガスを浄化するための触媒金属を担持し、通電によって発熱される触媒担持体と、
   筒状に形成されて内部に前記触媒担持体を収容すると共に、排気管に接続される外筒と、
   前記外筒の内周面に形成される外筒内周側絶縁層と、
   外筒内の前記触媒担持体の排ガス排出下流側に前記触媒担持体と離間して配置され、内部に前記排ガスを通過させる内筒と、
   前記外筒と前記内筒との間に配置され、前記内筒を保持する保持部材と、
   前記内筒の外周面に形成され前記保持部材と接触する内筒外周側絶縁層と、
   前記内筒に取り付けられ電力が供給されて前記内筒の冷却を行う熱電変換素子と、
   前記内筒と前記熱電変換素子との間に配置される内筒内周側絶縁層と、
   を有する電気加熱式排ガス浄化システム。

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