JP6387976B2 - 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装置として、通電されることで発熱する基材に触媒が担持された触媒体を有する電気加熱式触媒（Electrically Heated Catalyst：以下、ＥＨＣと称する場合もある）が開発されている。このＥＨＣにおいては、触媒体の基材に電力を供給することで該基材に担持された触媒を加熱することができる。そのため、内燃機関の始動前に、通電によって触媒体を昇温させ活性化させることができる。
特許文献１には、通電によって加熱される第１触媒体と、該第１触媒体よりも下流側に配置される第２触媒体とが、同一のケース内に収容された構成のＥＨＣが開示されている。また、この特許文献１には、第２触媒体の熱容量を第１触媒体の熱容量よりも大きくすることが開示されている。さらに、この特許文献１には、第１触媒体と第２触媒体との容積比を１：１〜１：３の範囲内とすることが開示されている。
特開２０１０−２０３４１９号公報
本発明は、第１触媒体と、該第１触媒体よりも下流側に配置される第２触媒体とが、同一のケース内に収容された構成のＥＨＣであって、第１触媒体の基材が通電されることで発熱するＥＨＣにおいて、要求される排気浄化性能をより好適に発揮させることができる技術を提供することを目的とする。
本発明に係る電気加熱式触媒は、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、基材に、酸素保持能力を有するコート材であるＯＳＣ材がコーティングされるとともに、貴金属が担持されることで形成される第１触媒体および第２触媒体が同一ケース内に収容されており、且つ、該ケース内において該第２触媒体が該第１触媒体よりも下流側に配置され、該第１触媒体の基材が通電されることで発熱する構成の電気加熱式触媒において、前記第１触媒体の熱容量に対する前記第２触媒体の熱容量の比率が０．６７〜１．５倍の範囲内であって、前記第１触媒体におけるＯＳＣ材のコート量に対する前記第２触媒体におけるＯＳＣ材のコート量の比率が、前記第１触媒体の熱容量に対する前記第２触媒体の熱容量の比率よりも大きく、且つ、前記第１触媒体における貴金属の担持量に対する前記第２触媒体における貴金属の担持量の比率が、前記第１触媒体の熱容量に対する前記第２触媒体の熱容量の比率よりも小さい。
本発明に係るＥＨＣは、同一ケース内に収容された第１触媒体と第２触媒体とを有している。第１触媒体および第２触媒体は、それぞれ、基材に、ＯＳＣ材がコーティングされるとともに、貴金属が担持されることで形成されている。また、ケース内において、第２触媒体が第１触媒体よりも下流側に配置されている。そして、第１触媒体の基材が通電されることで発熱する。このような構成のＥＨＣにおいては、該ＥＨＣに要求される排気浄化性能に基づいて、第１触媒体および第２触媒体全体としての容積、ＯＳＣ材のコート量、および貴金属の担持量が決定されている。
そして、ＥＨＣにおいては、内燃機関の始動直前に第１触媒体を通電により昇温させることで、該内燃機関が始動された時には第１触媒体の温度が要求温度（所望の排気浄化率を達成することが可能な温度）以上となった状態とすることができる。これにより、内燃機関の始動直後であって第２触媒体の温度が要求温度に達する前の時期であっても、第１触媒体の温度が要求温度以上に維持されている間は、該第１触媒体のみによって所望の排気浄化率を確保することができる。
ただし、内燃機関が始動された時点で第１触媒体への通電（基材への通電）が停止されると、排気によって該第１触媒体から熱が持ち去られる。また、第１触媒体の容積が小さいと、内燃機関の始動後に該第１触媒体において排気成分が反応することで得られる熱量が少なくなる。そのため、第１触媒体の容積が小さく、その熱容量が小さいほど、内燃機関が始動後、該第１触媒体の温度が急速に低下し易い。また、第１触媒体から持ち去られた熱は、第２触媒体によって回収され該第２触媒体の昇温に供されることになる。ただし、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率が同等近傍よりも大きいと、内燃機関の始動後に第１触媒体から排気によって持ち去られる熱量が第２触媒体によって回収されたとしても、第２触媒体を要求温度まで昇温させるには熱量が不足する場合がある。この場合、第２触媒体の温度が要求温度以上に上昇する前に第１触媒体の温度が要求温度より低下してしまう虞がある。つまり、第１触媒体および第２触媒体のいずれの温度も要求温度未満である状況が生じてしまう虞がある。このような状況が生じると、ＥＨＣにおいて、要求される排気浄化性能を発揮させることが困難となる。
一方、第１触媒体の容積が大きく、その熱容量が大きいほど、通電によって該第１触媒体を要求温度以上に昇温させるために該第１触媒体に供給することが必要となる電力量がより多くなる。また、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率が同等近傍よりも小さいと、内燃機関の始動後に第１触媒体から排気によって持ち去られる熱量を第２触媒体によって回収しきれない場合がある。この場合、第１触媒体から持ち去られた熱量の一部が無駄に放出されることになる。このような状況が生じると、内燃機関の始動前に電力として第１触媒体に供給されたエネルギーを内燃機関の始動後におけるＥＨＣ全体での排気浄化のために十分に活用することが困難となる。
そこで、本発明に係るＥＨＣは、第１触媒体の熱容量と第２触媒体の熱容量との比率が同等近傍となるように構成されている。具体的には、本発明に係るＥＨＣは、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率が０．６７〜１．５倍の範囲内となるように構成されている。これにより、第１触媒体の熱容量が小さくなりすぎることが抑制される。そして、内燃機関の始動後に、第１触媒体から持ち去られる熱量が第２触媒体に供されることで、該第２触媒体が要求温度以上に昇温され易くなる。そのため、第１触媒体の温度が要求温度より低下してしまう前に、第２触媒体が要求温度まで昇温され易くなる。つまり、第１触媒体および第２触媒体のいずれの温度も要求温度未満である状況が生じ難くなる。また、第１触媒体の熱容量が大きくなりすぎることも抑制される。そして、第１触媒体から持ち去られる熱量のほとんどを第２触媒体によって回収することが可能となる。つまり、第１触媒体から持ち去られた熱量が無駄に放出されることを抑制することができる。したがって、内燃機関の始動前に電力として第１触媒体に供給されたエネルギーを該内燃機関の始動後におけるＥＨＣ全体での排気浄化のためにより効率的に活用することができる。
また、第１触媒体および第２触媒体のそれぞれにおいては、酸素保持能力を有するコート材であるＯＳＣ材がコーティングされている。そして、第１触媒体および第２触媒体のそれぞれにおいては、基材のみならず、ＯＳＣ材もある程度の熱容量を有する。そのため、第１触媒体の熱容量と第２触媒体の熱容量との比率は、基材およびＯＳＣ材での熱容量
の比率となる。そして、一般的には、第１触媒体におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体におけるＯＳＣ材のコート量の比率は、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率と同等となる。しかしながら、本発明に係るＥＨＣでは、上記のとおり第１触媒体の熱容量に対する前記第２触媒体の熱容量の比率を０．６７〜１．５倍の範囲内としつつ、第１触媒体におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体におけるＯＳＣ材のコート量の比率を、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率よりも大きくする。
これによれば、第１触媒体におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体におけるＯＳＣ材のコート量の比率を、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率と同等とした場合に比べて、第１触媒体の熱容量を維持しつつ該第１触媒体の基材の容積をより大きくすることになる。そのため、内燃機関の始動直後において、要求温度に達した状態にある該第1触媒体で排気成分が反応することで得られる熱量が増加する。これにより
、内燃機関が始動された時に第１触媒体への通電が停止されたとしても、その後に、該第１触媒体において発生する反応熱によって該第１触媒体の温度が低下し難くなる。したがって、内燃機関の始動後において第１触媒体の温度が要求温度以上となっている状態がより長い期間維持され易くなる。そのため、第１触媒体および第２触媒体のいずれの温度も要求温度未満である状況がより生じ難くなる。
また、第１触媒体における貴金属の担持量に対する第２触媒体における貴金属の担持量の比率は、第１触媒体におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体におけるＯＳＣ材のコート量の比率と同等となるのが一般的である。ただし、上述したように、ＥＨＣでは、内燃機関の始動直後において第２触媒体の温度が要求温度に達するまでの間は第１触媒体のみによって所望の排気浄化率を確保することが要求される。さらに、ＥＨＣにおいては、第１触媒体が第２触媒体よりも上流側に配置されているため、第１触媒体の方が第２触媒体に比べて劣化が進行し易い。そこで、本発明に係るＥＨＣでは、上記のとおり第１触媒体の熱容量に対する前記第２触媒体の熱容量の比率を０．６７〜１．５倍の範囲内としつつ、第１触媒体における貴金属の担持量に対する第２触媒体における貴金属の担持量の比率を、第１触媒体におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体におけるＯＳＣ材のコート量の比率とは逆に、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率よりも小さくする。
これによれば、第１触媒体における貴金属の担持量に対する第２触媒体における貴金属の担持量の比率を、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率と同等とした場合に比べて、第１触媒体の熱容量を維持しつつ該第１触媒体単体での排気浄化能力をより高めることができる。そのため、内燃機関の始動直後であって第１触媒体のみによって所望の排気浄化率を確保することが要求されるような状況において、該所望の排気浄化率をより確保し易くなる。また、第１触媒体の経時的な劣化が進行した場合であっても、所望の排気浄化率を確保し易くなる。
以上説明したように、ＥＨＣにおいて、第１触媒体と第２触媒体とにおける、熱容量、ＯＳＣ材のコート量、および貴金属の担持量の比率を上記のとおりに定めることで、該ＥＨＣに要求される排気浄化性能をより好適に発揮させることができる。
なお、本発明においては、第１触媒体におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体におけるＯＳＣ材のコート量の比率を、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率よりも大きくしつつ、１．２〜３倍の範囲内としてもよい。ここで、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率の範囲の最大値は１．５倍である。そこで、第１触媒体におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体におけるＯＳＣ材のコート量の比率を、１．６〜３倍の範囲内としてもよい。また、第１触媒体における貴金属の担持量
に対する第２触媒体における貴金属の担持量の比率を、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率よりも小さくしつつ、０．４〜０．８倍の範囲内としてもよい。ここで、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率の範囲の最小値は０．６７倍である。そこで、第１触媒体における貴金属の担持量に対する第２触媒体における貴金属の担持量の比率を、０．４〜０．６６倍の範囲内としてもよい。
本発明によれば、第１触媒体と、該第１触媒体よりも下流側に配置される第２触媒体とが、同一のケース内に収容された構成のＥＨＣであって、第１触媒体の基材が通電されることで発熱するＥＨＣにおいて、要求される排気浄化性能をより好適に発揮させることができる。
本発明の実施例に係るＥＨＣの概略構成を示す図である。 本発明の実施例に係るＥＨＣにおける第１触媒体の概略構成を示す図である。 本発明の実施例に係る、ＥＨＣが排気管に設けられている内燃機関の始動前後における第１触媒体および第２触媒体の温度の推移を示す図である。 本発明の実施例に係る、第１触媒体と第２触媒体とにおける、熱容量と保持エネルギー量との関係を示す図である。 本発明の実施例に係る、第１触媒体と第２触媒体とにおける、ＯＳＣ材のコート量と排気浄化率との関係を示す図である。 本発明の実施例に係る、第１触媒体と第２触媒体とにおける、貴金属の担持量と排気浄化率との関係を示す図である。
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＞
（概略構成）
本実施例に係るＥＨＣの概略構成について図１，２に基づいて説明する。 図１は、本実施例に係るＥＨＣの概略構成を示す図である。図１における実線の矢印は排気の流れを表している。図２は、本実施例に係るＥＨＣにおける第１触媒体の概略構成を示す図である。図２は、第１触媒体の、排気の流れる方向に対して垂直な方向の断面を示している。
本実施例に係るＥＨＣ１は、車両の駆動源として内燃機関と電動モータとを有するハイブリッドシステムを構成する内燃機関１０の排気管２に設けられる。ただし、本発明に係るＥＨＣが適用される内燃機関は、必ずしもハイブリッドシステムを構成する内燃機関に限られるものではない。
ＥＨＣ１は第１触媒体３と第２触媒体４とを備えている。第１触媒体３と第２触媒体４は、同一のケース５内に収容されている。ケース５内において、第２触媒体４が第１触媒体３よりも下流側に配置されている。第１触媒体３は第１基材３１を有しており、第２触媒体４は第２基材４１を有している。各基材３１，４１は、排気の流れる方向に延びる複数のセルを有し、排気の流れる方向と垂直な方向の断面がハニカム状に形成されている。そして、各基材３１，４１において排気が流通するセルを形成する隔壁に、後述するＯＳＣ材がコーティングされるとともに貴金属が担持されている。
第１触媒体３および第２触媒体４の各基材３１，４１には、触媒成分として、酸素保持能力を有するコート材であるＯＳＣ材がコーティングされるとともに、貴金属が担持されている。ここで、ＯＳＣ材に含まれる成分としてはセリア（ＣｅＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を例示することができる。また、貴金属としては白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）を例示することができる。
ケース５は金属によって形成されている。ケース５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５の内壁面は電気絶縁材であるガラスによってコーティングされている。そして、ケース５の内壁面と第１基材３１の外周面との間にはマット部材３２が挟み込まれている。また、ケース５の内壁面と第２基材４１の外周面との間にはマット部材４２が挟み込まれている。つまり、ケース５内において、第１基材３１がマット部材３２によって支持されており、第２基材４１がマット部材４２によって支持されている。マット部材３２，４２は電気絶縁材によって形成されている。マット部材３２，４２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。
第１触媒体３の第１基材３１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。第１基材３１を形成する材料としてはＳｉＣを例示することができる。第１基材３１の側面には一対の電極３３ａ，３３ｂが接続されている。電極３３ａ，３３ｂは、それぞれ、第１基材３１の外周面に沿って周方向及び軸方向に延びている。そして、電極３３ａと電極３３ｂとが第１基材３１を挟んで互いに対向している。電極３３ａ，３３ｂには金属箔６が接続されている。金属箔６は、マット部材３２に形成された貫通孔３２ａ、および、ケース５に形成された貫通孔５ａを通って、該ケース５の外側に突出している。ケース５の貫通孔５ａは電極カバー７によって囲われている。そのため、金属箔６は電極カバー７内に突出した状態となっている。電極カバー７には電源ケーブル（図示略）が挿通されている。そして、電極カバー７内において金属箔６が電源ケーブルに接続されている。第１基材３１に通電する際には、バッテリから電源ケーブルおよび金属箔６を介して電極３３ａ，３３ｂに電流が流れる。
そして、ＥＨＣ１においては、該ＥＨＣ１に要求される排気浄化性能に基づいて、第１触媒体３および第２触媒体４全体としての容積、ＯＳＣ材のコート量、および貴金属の担持量が設定されている。そのため、第１触媒体３と第２触媒体４とは、一方の容積が大きくなると他方の容積が小さくなり、これに伴って、基本的には、一方の熱容量が多くなると他方の熱容量が小さくなる関係にある。また、第１触媒体３と第２触媒体４とは、一方のＯＳＣ材のコート量が多くなると他方のＯＳＣ材のコート量が少なくなる関係にある。また、第１触媒体３と第２触媒体４とは、一方の貴金属の担持量が多くなると他方の貴金属の担持量が少なくなる関係にある。これらを踏まえて、本実施例においては、第１触媒体３および第２触媒体４全体としての容積、ＯＳＣ材のコート量、および貴金属の担持量を所定の設定量に維持しつつ、ＥＨＣ１において、要求される排気浄化性能をより好適に発揮させるために、第１触媒体３と第２触媒体４との、熱容量、ＯＳＣ材のコート量、および貴金属の担持量の比率が以下のように定められている。
（熱容量の比率）
第１触媒体３の熱容量と第２触媒体４の熱容量との比率について図３に基づいて説明する。図３は、ＥＨＣ１が排気管２に設けられている内燃機関１０の始動前後における第１触媒体３および第２触媒体４の温度の推移を示す図である。図３において、縦軸は触媒体の温度Ｔｃを表しており、横軸は時間ｔを表している。また、図３において、線Ｌ１からＬ３は第１触媒体３の温度の推移を示しており、線Ｌ４からＬ６は第２触媒体４の温度の推移を示している。線Ｌ１および線Ｌ４は、第１触媒体３の熱容量と第２触媒体４の熱容量との比率が同等近傍である場合の各触媒体３，４の温度の推移を示している。線Ｌ２お
よび線Ｌ５は、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が同等近傍よりも大きい場合の各触媒体３，４の温度の推移を示している。線Ｌ３および線Ｌ６は、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が同等近傍よりも小さい場合の各触媒体３，４の温度の推移を示している。
また、図３の横軸におけるｔ０は内燃機関１０の始動時期を表している。図３の横軸におけるｔ１，ｔ２，ｔ３は、それぞれ、第１触媒体３への通電開始時期を表している。また、図３の縦軸におけるＴｃｔは、第１触媒体３および第２触媒体４への要求温度（所望の排気浄化率を達成することが可能な温度）を表している。
ＥＨＣ１においては、内燃機関１０の始動前においても、第１触媒体３を通電（第１基材３１への通電）により昇温させることができる。そのため、図３に示すように、内燃機関１０の始動直前に第１触媒体３を通電により昇温させることで、該内燃機関１０が始動された時（図３におけるｔ０）には第１触媒体３の温度が要求温度Ｔｃｔ以上となった状態とすることができる。ただし、第２触媒体４に対しては、内燃機関１０の始動前においては熱エネルギーが供給されない。そのため、第２触媒体４は、内燃機関１０が始動してから、第１触媒体３を通過し該第２触媒体４に流入した排気から熱が供給されることで昇温し始める。しかしながら、内燃機関１０の始動時に第１触媒体３の温度が要求温度Ｔｃｔ以上となっていれば、内燃機関１０の始動直後であって第２触媒体４の温度が要求温度Ｔｃｔに達する前の時期であっても、第１触媒体３の温度が要求温度Ｔｃｔ以上に維持されている間は、該第１触媒体３のみによって所望の排気浄化率を確保することができる。
そして、内燃機関１０の始動後において排気の温度が上昇すれば、第１触媒体３および第２触媒体４に排気の熱エネルギーが供給されることになる。そのため、内燃機関１０が始動された時点で第１触媒体３への通電は停止される（すなわち、図３におけるｔ０の時点で第１触媒体３への通電は停止される）。ただし、通常、内燃機関１０の始動直後は排気の温度が低いため、排気によって第１触媒体３から熱が持ち去られることになる。ここで、第１触媒体３の容積が小さく、その熱容量が小さいほど、通電された際には該第１触媒体３の温度がより速やかに上昇する。そのため、第１触媒体３を通電によって要求温度Ｔｃｔ以上に昇温させるために必要となる電力量は少なくなる。一方で、第１触媒体３の容積が小さいと、排気中の排気成分と接触する該第１触媒体３の表面積が小さくなるため、内燃機関１０の始動後に該第１触媒体３において排気成分が反応することで得られる熱量が少なくなる。そのため、第１触媒体３の容積が小さく、第１触媒体３の熱容量が小さいほど、内燃機関１０の始動後に排気によって熱が持ち去られると、該第１触媒体３の温度が急速に低下し易い。したがって、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が同等近傍よりも大きいと、第１触媒体３の熱容量が小さくなるために、図３において線Ｌ２で示すように、内燃機関１０の始動後に、第１触媒体３の温度が急速に低下することになる。
また、内燃機関１０の始動後において、第１触媒体３から持ち去られた熱は、第２触媒体４によって回収され該第２触媒体４の昇温に供されることになる。ただし、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が同等近傍よりも大きいと、内燃機関１０の始動後に第１触媒体３から排気によって持ち去られる熱量が第２触媒体４によって回収されたとしても、第２触媒体４を要求温度まで昇温させるには熱量が不足する場合がある。そのため、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が同等近傍よりも大きいと、図３において線Ｌ２，Ｌ５で示すように、内燃機関１０の始動後において、第２触媒体４の温度が要求温度Ｔｃｔ以上に上昇する前に第１触媒体３の温度が要求温度Ｔｃｔより低下してしまう場合がある。つまり、第１触媒体３および第２触媒体４のいずれの温度も要求温度Ｔｃｔ未満である状況が生じてしまう虞がある。このような状況が生じると、ＥＨＣ１において、要求される排気浄化性能を発揮させることが困難となる。
一方、第１触媒体３の容積が大きく、その熱容量が大きいほど、第１触媒体３を通電によって要求温度Ｔｃｔ以上に昇温させるために必要となる電力量が多くなる。そのため、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が同等近傍よりも小さいと、第１触媒体３の熱容量が大きくなるために、図３において線Ｌ３で示すように、内燃機関１０の始動前における通電開始時期（ｔ３）をより早くし、該第１触媒体３に供給する電力量をより増加させることが必要となる。
また、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が同等近傍よりも小さいと、内燃機関１０の始動後に第１触媒体３から排気によって持ち去られる熱量を第２触媒体４によって回収しきれない場合がある。この場合、第１触媒体３から持ち去られた熱量の一部が無駄に放出されることになる。そのため、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が同等近傍よりも小さいと、このような状況が生じることで、内燃機関１０の始動前に電力として第１触媒体３に供給されたエネルギーを内燃機関１０の始動後におけるＥＨＣ１全体での排気浄化のために十分に活用することが困難となる。
そこで、本実施例に係るＥＨＣ１は、第１触媒体３の熱容量と第２触媒体４の熱容量との比率が同等近傍となるように構成されている。上述したように、第１触媒体３および第２触媒体４全体としては、ＥＨＣ１に要求される排気浄化性能に基づいて設定された所定の容積を維持しつつ、第１触媒体３の熱容量と第２触媒体４の熱容量との比率がこのように設定される。したがって、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率を同等近傍よりも大きくした場合に比べて、第１触媒体３の熱容量が小さくなりすぎることが抑制される。そのため、内燃機関１０の始動後に第１触媒体３の温度が急速に低下することが抑制される。また、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が同等近傍よりも小さくした場合に比べて、第１触媒体３の熱容量が大きくなりすぎることが抑制される。そのため、内燃機関１０の始動前に第１触媒体３を要求温度Ｔｃｔ以上に昇温させるために該第１触媒体３に供給する電力量の増加が抑制される。
また、内燃機関１０の始動後に、第１触媒体３が保持している熱量が排気によって持ち去られ第２触媒体４に供給されることで、該第２触媒体４が要求温度以上に昇温され易くなる。したがって、第１触媒体３および第２触媒体４のいずれの温度も要求温度Ｔｃｔ未満である状況が生じ難くなる。さらに、第１触媒体３から持ち去られる熱量のほとんどを第２触媒体４によって回収することが可能となる。そのため、第１触媒体３から持ち去られた熱量が無駄に放出されることを抑制することができる。したがって、内燃機関１０の始動前に電力として第１触媒体３に供給されたエネルギーを該内燃機関１０の始動後におけるＥＨＣ１全体での排気浄化のためにより効率的に活用することができる。
ここで、本実施例に係る、第１触媒体３の熱容量と第２触媒体４の熱容量との具体的な比率について図４に基づいて説明する。図４は、第１触媒体３と第２触媒体４とにおける、熱容量と保持エネルギー量との関係を示す図である。図４において、縦軸は触媒体の保持エネルギー量Ｅｃを表している。なお、ここでの保持エネルギー量Ｅｃとは、内燃機関１０の冷間始動後、該内燃機関１０から排出される排気の温度が上昇し、該排気から供給される熱によって第１触媒体３および第２触媒体４の温度が要求温度以上となるまでの期間中において触媒体が保持するエネルギー量の平均値のことである。また、図４において、横軸は第１触媒体３の熱容量Ｃｈ１および第２触媒体４の熱容量Ｃｈ２を表している。図４において、左端は第１触媒体３の熱容量Ｃｈ１が実質的に零の状態を示しており、右端は第２触媒体４の熱容量Ｃｈ２が実質的に零の状態を示している。なお、上述したように、第１触媒体３と第２触媒体４とは、基本的に、一方の熱容量が大きくなると他方の熱容量が小さくなる関係にある。そのため、図４は、第１触媒体３の熱容量Ｃｈ１と第２触媒体４の熱容量Ｃｈ２との和は一定であることを前提としている。また、図４は、内燃機
関１の始動前に第１触媒体３に電力として供給されるエネルギー量が一定であることを前提としている。
図４においては、破線が第１触媒体３における熱容量Ｃｈ１と保持エネルギー量Ｅｃとの関係を示しており、一点鎖線が第２触媒体４における熱容量Ｃｈ２と保持エネルギー量Ｅｃとの関係を示している。また、図４において、実線は第１触媒体３の保持エネルギーと第２触媒体４の保持エネルギーとの和を示している。図４に示すように、第１触媒体３および第２触媒体４のそれぞれにおいては、その熱容量が大きいほど保持エネルギー量が多くなる。そして、第１触媒体３と第２触媒体４とは、一方の熱容量が大きくなると他方の熱容量が小さくなることを踏まえると、第１触媒体３の保持エネルギーと第２触媒体４の保持エネルギーとの和は、図４において斜線で示す範囲において最も大きくなる。つまり、第１触媒体３の保持エネルギーと第２触媒体４の保持エネルギーとの和は、第１触媒体３の熱容量と第２触媒体４の熱容量との比率が同等近傍の範囲であって、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率が０．６７〜１．５倍の範囲において最も大きくなる。したがって、第１触媒体３の熱容量と第２触媒体４の熱容量との比率を当該範囲内とすることで、内燃機関１０の始動前に電力として第１触媒体３に供給されたエネルギーを該内燃機関１０の始動後におけるＥＨＣ１全体での排気浄化のために最も効率的に活用することが可能となる。そこで、本実施例に係るＥＨＣ１は、第１触媒体の熱容量に対する第２触媒体の熱容量の比率が０．６７〜１．５倍の範囲内となるように構成されている。
（ＯＳＣ材のコート量の比率）
次に、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量と第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量との比率について説明する。第１触媒体３および第２触媒体４のそれぞれにおいては、各基材３１，４１のみならず、これらにコーティングされているＯＳＣ材もある程度の熱容量を有する。そのため、第１触媒体３の熱容量と第２触媒体４の熱容量との比率は、それぞれの基材３１，４１のみでの熱容量の比率ではなく、これらにコーティングされたＯＳＣ材を含んだ状態での熱容量の比率となる。なお、第１触媒体３および第２触媒体４のそれぞれに担持されている貴金属の熱容量は非常に小さいため、各触媒体３，４全体での熱容量に対してほとんど影響を与えない。したがって、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量の比率は、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率と同等となるのが一般的である。しかしながら、本実施例に係るＥＨＣ１は、上記のとおり第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が０．６７〜１．５倍の範囲内となるように構成されつつ、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量の比率が、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率よりも大きくなるように構成されている。
ここで、第１触媒体３全体として熱容量を一定とするのであれば、該第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量が少ないほど、該ＯＳＣ材分の熱容量が減少するために、第１基材３１の熱容量を多くする、すなわち、第１基材３１の容積を大きくすることになる。そして、第１基材３１の容積が大きくなるほど、排気中の排気成分と接触する該第１触媒体３の表面積が大きくなる。つまり、第１触媒体３と排気との接触面積が大きくなる。その結果、内燃機関１０の始動後に該第１触媒体３において排気成分が反応することで得られる熱量が多くなる。
上記のとおり、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量の比率を、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率よりも大きくすると、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量の比率を、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の
熱容量の比率と同等とした場合に比べて、第１触媒体３の熱容量を維持しつつ該第１触媒体３の第１基材３１の容積をより大きくすることになる。そのため、内燃機関１０の始動直後において、要求温度Ｔｃｔに達した状態にある該第1触媒体３で排気成分が反応する
ことで得られる熱量が増加する。
このように、内燃機関１の始動後に第1触媒体３で排気成分が反応することで得られる
熱量が増加すると、内燃機関１が始動された時に該第１触媒体３への通電が停止されても、その後に、該第１触媒体３の温度が低下し難くなる。したがって、内燃機関１の始動後において第１触媒体３の温度が要求温度Ｔｃｔ以上となっている状態がより長い期間維持され易くなる。そのため、第１触媒体３および第２触媒体４のいずれの温度も要求温度Ｔｃｔ未満である状況がより生じ難くなる。つまり、ＥＨＣ１において、要求される排気浄化性能をより発揮させ易くなる。
ここで、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量と第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量との比率の具体例について図５に基づいて説明する。図５は、第１触媒体３と第２触媒体４とにおける、ＯＳＣ材のコート量と排気浄化率との関係を示す図である。図５において、縦軸は触媒体における排気浄化率Ｒｐを表している。なお、ここでの排気浄化率Ｒｐは、触媒体が新品の状態での排気浄化率ではなく、触媒体が所定の期間使用された状態（すなわち、経時的な劣化がある程度進んだ状態）での、一定の所定温度（例えば４５０℃）における排気浄化率のことである。また、図５において、横軸は第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ１および第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ２を表している。なお、上述したように、第１触媒体３と第２触媒体４とは、一方のＯＳＣ材のコート量が多くなると他方のＯＳＣ材のコート量が少なくなる関係にある。そのため、図５は、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ１と第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ２との和は一定であることを前提としている。
図５においては、破線が第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ１と排気浄化率Ｒｐとの関係を示しており、一点鎖線が第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ２と排気浄化率Ｒｐとの関係を示している。触媒体においては、ＯＳＣ材のコート量が少なすぎると、貴金属が酸化し易くなるため劣化が促進され易い。そのために、図５に示すように、第１触媒体３および第２触媒体４のそれぞれにおいてＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ１，Ｑｏｓｃ２が少ない範囲では排気浄化率Ｒｐが低くなっている。一方で、図５において斜線で示す範囲では、第１触媒体３および第２触媒体４のいずれの排気浄化率Ｒｐも高くなっている。つまり、図５における当該範囲では、第１触媒体３および第２触媒体４のいずれの劣化度合いも小さい。上述したように、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ１に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ２の比率を、同等近傍の比率である第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率よりも大きくすることに加え、このような点を踏まえると、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ１に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ２の比率は、図５において斜線で示す範囲内とするのが好ましい。つまり、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ１に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ２の比率は１．２〜３倍の範囲内とするのが好ましい。第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ１に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量Ｑｏｓｃ２の比率を当該範囲内とすることで、各触媒体３，４の劣化を促進され難くすることができる。
ただし、図５において斜線で示す各触媒体３,４におけるＯＳＣ材のコート量の比率の
範囲は、あくまで一例であって、この比率は当該範囲内の値に限られるものではない。例えば、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量の比率の範囲を、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率
の範囲の最大値（すなわち、１．５）より大きい値の範囲としてもよい。この場合、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量の比率を、１．６〜３倍の範囲内としてもよい。
（貴金属の担持量の比率）
次に、第１触媒体３における貴金属の担持量と第２触媒体４における貴金属の担持量との比率について説明する。一般的には、触媒体の製造工程において、ＯＳＣ材と貴金属とは基材に同時に塗布されるため、第１触媒体３における貴金属の担持量に対する第２触媒体４における貴金属の担持量の比率は、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量の比率と同等となる。しかしながら、本実施例に係るＥＨＣ１は、上記のとおり第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率が０．６７〜１．５倍の範囲内となるように構成されつつ、第１触媒体３における貴金属の担持量に対する第２触媒体４における貴金属の担持量の比率が、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量の比率とは逆に、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率よりも小さくなるように構成されている。
ここで、上述したように、ＥＨＣ１では、内燃機関１０の始動直前における通電によって、該内燃機関１０が始動される時には第１触媒体３が要求温度Ｔｃｔ以上に昇温された状態にされる。そして、内燃機関１０の始動直後において第２触媒体４の温度が要求温度Ｔｃｔに達するまでの間は、要求温度Ｔｃｔ以上に昇温された状態にある第１触媒体３のみによって所望の排気浄化率を確保することが要求される。また、ＥＨＣ１においては、第１触媒体３が第２触媒体４よりも上流側に配置されている。そのため、内燃機関１０の運転中であり排気が排気管２を流れているときには、ＥＨＣ１に流入する排気の熱を第１触媒体３の方が第２触媒体４に比べて受け易い。したがって、ＥＨＣ１においては、第１触媒体３の方が第２触媒体４に比べて劣化が進行し易い。
このとき、上記のとおり、第１触媒体３における貴金属の担持量に対する第２触媒体４における貴金属の担持量の比率を、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率よりも小さくすると、第１触媒体３における貴金属の担持量に対する第２触媒体４における貴金属の担持量の比率を、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率と同等とした場合に比べて、第１触媒体３の熱容量を維持しつつ該第１触媒体３単体での排気浄化能力をより高めることができる。したがって、内燃機関１０の始動直後であって第１触媒体３のみによって所望の排気浄化率を確保することが要求されるような状況において、該所望の排気浄化率をより確保し易くなる。つまり、第１触媒体３において、より低い温度でも所望の排気浄化率を確保することが可能となる。そのため、第１触媒体３への要求温度を低下させることも可能となる。この場合、内燃機関１０の始動前に第１触媒体３に供給する電力量を低減させることができる。また、排気に晒されることに起因して第１触媒体３の経時的な劣化が進行した場合であっても、所望の排気浄化率を確保し易くなる。
ここで、第１触媒体３における貴金属の担持量と第２触媒体４における貴金属の担持量との比率の具体例について図６に基づいて説明する。図６は、第１触媒体３と第２触媒体４とにおける、貴金属の担持量と排気浄化率との関係を示す図である。図６において、縦軸は触媒体における排気浄化率Ｒｐを表している。なお、ここでの排気浄化率Ｒｐは、図５と同様、触媒体が新品の状態での排気浄化率ではなく、触媒体が所定の期間使用された状態（すなわち、経時的な劣化がある程度進んだ状態）での、一定の所定温度（例えば４５０℃）における排気浄化率のことである。また、図６において、横軸は第１触媒体３における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ１および第２触媒体４における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ２を表している。図６において、左端は第１触媒体３における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ１が
実質的に零の状態を示しており、右端は第２触媒体４における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ２が実質的に零の状態を示している。なお、上述したように、第１触媒体３と第２触媒体４とは、一方の貴金属の担持量が多くなると他方の貴金属の担持量が少なくなる関係にある。そのため、図６は、第１触媒体３における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ１と第２触媒体４における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ２との和は一定であることを前提としている。
図６においては、破線が第１触媒体３における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ１と排気浄化率Ｒｐとの関係を示しており、一点鎖線が第２触媒体４における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ２と排気浄化率Ｒｐとの関係を示している。また、図６において、実線は第１触媒体３および第２触媒体４全体での排気浄化率Ｒｐを示している。図６に示すように、第１触媒体３および第２触媒体４のそれぞれにおいては、その貴金属の担持量が多いほど排気浄化率Ｒｐが高くなる。そして、第１触媒体３と第２触媒体４とは、一方の貴金属の担持量が多くなると貴金属の担持量が少なくなることを踏まえると、第１触媒体３および第２触媒体４全体での排気浄化率Ｒｐは図６において斜線で示す範囲付近において相対的に大きくなっている。
上述したように、内燃機関１０の始動直後においては第１触媒体３のみによって所望の排気浄化率を確保することが必要となる場合がある。そのため、第１触媒体３には、該第１触媒体３のみによって所望の排気浄化率を確保できる程度の量の貴金属を担持する必要がある。また、第１触媒体３および第２触媒体４全体としても可及的に高い排気浄化率を確保する必要がある。上述したように、第１触媒体３における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ１に対する第２触媒体４における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ２の比率を、同等近傍の比率である第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率よりも小さくすることに加え、このような点を踏まえると、第１触媒体３における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ１に対する第２触媒体４における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ２の比率は、図６において斜線で示す範囲内とするのが好ましい。つまり、第１触媒体３における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ１に対する第２触媒体４における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ２の比率は０．４〜０．８倍の範囲内とするのが好ましい。第１触媒体３における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ１に対する第２触媒体４における貴金属の担持量Ｑｐｇｍ２の比率を当該範囲内とすることで、第１触媒体３のみで排気を浄化する場合、および、第１触媒体３と第２触媒体４とで排気を浄化する場合のいずれの場合においても、好適な排気浄化率を達成することが可能となる。
ただし、図６において斜線で示す各触媒体３,４における貴金属の担持量の比率の範囲
は、あくまで一例であって、この比率は当該範囲内の値に限られるものではない。例えば、第１触媒体３における貴金属の担持量に対する第２触媒体４における貴金属の担持量の比率の範囲を、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率の範囲の最小値（すなわち、０．６７）より小さい値の範囲としてもよい。この場合、第１触媒体３における貴金属の担持量に対する第２触媒体４における貴金属の担持量の比率を、０．４〜０．６６倍の範囲内としてもよい。
以上説明したように、本実施例に係るＥＨＣ１おいて、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率を同等近傍の比率である０．６７〜１．５倍の範囲内とするとともに、第１触媒体３におけるＯＳＣ材のコート量に対する第２触媒体４におけるＯＳＣ材のコート量の比率を、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率よりも大きくし、且つ、第１触媒体３における貴金属の担持量に対する第２触媒体４における貴金属の担持量の比率を、第１触媒体３の熱容量に対する第２触媒体４の熱容量の比率よりも小さくすることで、該ＥＨＣ１に要求される排気浄化性能をより好適に発揮させることができる。
１・・・電気加熱式触媒（ＥＨＣ）
２・・・排気管
３・・・第１触媒体
３１・・第１基材
３２・・マット部材
３３ａ，３３ｂ・・電極
４・・・第２触媒体
４１・・第２基材
４２・・マット部材
５・・・ケース
６・・・金属箔
７・・・電極カバー

Claims (3)

  1. 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、
    基材に、酸素保持能力を有するコート材であるＯＳＣ材がコーティングされるとともに、貴金属が担持されることで形成される第１触媒体および第２触媒体が同一ケース内に収容されており、且つ、該ケース内において該第２触媒体が該第１触媒体よりも下流側に配置され、該第１触媒体の基材が通電されることで発熱する構成の電気加熱式触媒において、
    前記第１触媒体の熱容量に対する前記第２触媒体の熱容量の比率が０．６７〜１．５倍の範囲内であって、
    前記第１触媒体におけるＯＳＣ材のコート量に対する前記第２触媒体におけるＯＳＣ材のコート量の比率が、前記第１触媒体の熱容量に対する前記第２触媒体の熱容量の比率よりも大きく、且つ、
    前記第１触媒体における貴金属の担持量に対する前記第２触媒体における貴金属の担持量の比率が、前記第１触媒体の熱容量に対する前記第２触媒体の熱容量の比率よりも小さい電気加熱式触媒。
  2. 前記第１触媒体におけるＯＳＣ材のコート量に対する前記第２触媒体におけるＯＳＣ材のコート量の比率が１．２〜３倍の範囲内である請求項１に記載の電気加熱式触媒。
  3. 前記第１触媒体における貴金属の担持量に対する前記第２触媒体における貴金属の担持量の比率が０．４〜０．８倍の範囲内である請求項１または２に記載の電気加熱式触媒。
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