JP7464563B2 - 触媒装置 - Google Patents

Description

本発明は、触媒装置に関するものである。

内燃機関の排気通路などに配設される触媒装置は、触媒を担持した触媒担体を有している。例えば、特許文献１に記載の触媒装置が有する触媒担体には、同触媒担体のセルを横断するスリットが形成されている。

特開２００３－３１１１５９号公報

ところで、上記特許文献１に記載のスリットは、触媒担体の中心軸を含む任意の平面に対して対称となるように設けられていない。そのため、スリットが形成された部位では、スリットによる熱応力の緩和が触媒担体の径方向において偏るようになり、そうした熱応力の偏りによって触媒担体が損傷するおそれがある。

上記課題を解決する触媒装置は、触媒担体の中心軸に対して垂直な方向にスリットが設けられた触媒装置であって、前記スリットは、前記中心軸を含む任意の平面に対して対称となるように設けられている。

同構成では、触媒担体の中心軸を含む任意の平面に対して対称となるようにスリットが設けられている。そのため、スリットが形成された部位において、当該スリットによる熱応力の緩和が触媒担体の径方向において偏ることが抑えられる。従って、そうした熱応力の偏りによる触媒担体の損傷を抑えることができる。

上記触媒装置において、前記スリットは、前記中心軸が延びる方向に並んで複数設けられてもよい。
同構成によれば、スリットにて分けられる触媒担体の各分割体において、中心軸が延びる方向における分割体内の温度差は、スリットが複数設けられていない場合と比べて小さくなる。そのため、触媒担体の熱応力をさらに小さくすることができる。

上記触媒装置において、前記中心軸に直交するとともに前記中心軸が延びる方向において前記触媒担体を二等分する平面を当該触媒担体の中心面としたときに、前記スリットは、前記中心面に対して対称となる位置に設けてもよい。

同構成によれば、上記中心軸が延びる方向において触媒担体の温度勾配が逆転する場合でも、触媒担体に生じる応力を好適に低減することができる。
なお、触媒担体の径方向におけるスリットの長さは、触媒担体の径方向の長さよりも短くしてもよい。

上記触媒装置において、前記中心軸が延びる方向において前記スリットの両側にそれぞれ位置する前記触媒担体を分割体とし、隣り合う分割体を繋ぐ部分を接続部とし、前記触媒装置をケースに挿入する際に当該触媒装置に作用する荷重であって、同触媒装置の中心軸が延びる方向に作用する荷重を挿入荷重としたときに、前記触媒担体の径方向における前記接続部の断面積は、前記触媒担体の単位面積あたりの耐荷重に前記断面積を乗じた値が、前記挿入荷重よりも大きくなるように設定してもよい。

同構成によれば、触媒装置をケースに挿入する際の当該触媒装置の損傷を適切に抑えることができる。
上記触媒装置において、前記触媒担体は導電体であって同触媒担体の側面には当該触媒担体を加熱するための一対の電極部が設けられてもよい。

触媒担体を加熱する電極部を備える触媒装置、いわゆる電気加熱式の触媒装置の場合には、触媒担体が導電体で構成されている。ここで、一般に導電体は不導体と比べて熱膨張率が高く熱応力の影響を受けやすい。この点、同構成では、そうした電気加熱式の触媒装置において、上述した構成を適用することにより、熱応力の影響を受けやすい電気加熱式の触媒装置でも、熱応力による触媒担体の損傷を抑えることができる。

一実施形態の触媒装置の正面図。 同触媒装置の側面図。 同実施形態の触媒担体の側面図。 図３に示す４－４線に沿った触媒担体の断面図。 同実施形態の作用を示す図。 同実施形態の変更例における触媒装置の側面図。 同実施形態の変更例における触媒装置の側面図。

以下、触媒装置の一実施形態を、図１～図５を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態の触媒装置１０は、車載等の内燃機関の排気を浄化するために、同内燃機関の排気通路内に設置される電気加熱式の触媒装置となっている。

＜触媒装置の構成＞
図１及び図２を参照して、触媒装置１０の構成を説明する。
触媒装置１０は、円筒状の触媒担体１１を備えている。なお、以下の説明では、触媒担体１１を円筒としたときに同円筒の中心軸Ｏが延びる方向を触媒担体１１の軸方向Ａと記載する。

触媒担体１１は、同触媒担体１１を軸方向Ａに貫通する多数のセル孔を有したモノリス構造をなしている。触媒担体１１は、例えばシリコン、及びシリコンカーバイトの複合物を主成分とする焼結体であって導電体となっている。触媒担体１１の各セル孔の壁面には、白金、パラジウム、ロジウム等の金属触媒が担持されている。なお、以下の説明では、触媒担体１１における図２の左側の端を同触媒担体１１の前端と記載する。また、触媒担体１１における図２の右側の端を同触媒担体１１の後端と記載する。

触媒担体１１の側面には、一対の電極部１２が設けられている。両電極部１２は、触媒担体１１の側面における、中心軸Ｏを挟んで反対側となる位置にそれぞれ設けられている。

各電極部１２は、第１下地層１３、第２下地層１４、金属電極板１５、及び固定層１６を有している。
第１下地層１３は、触媒担体１１の側面に接するように形成された、導電性を有したセラミクスからなる層である。

第２下地層１４は、第１下地層１３の表面に形成されている。第２下地層１４は、金属マトリクスとその金属マトリクス内に分散された酸化鉱物粒子からなる層である。金属マトリクスとしては、例えばＮｉＣｒ合金やＭＣｒＡｌＹ合金が用いられる。なお、ここでの「Ｍ」は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの一つ以上を示している。一方、酸化鉱物粒子としては、例えばシリカやアルミナなどの酸化物を主成分とし、ベントナイトやマイカを含む粒子が用いられる。

金属電極板１５は、Ｆｅ－Ｃｒ合金等の導電性を有した金属からなる櫛状の板である。金属電極板１５は、第２下地層１４と同じ材料からなる固定層１６により、第２下地層１４の表面に固定されている。

こうした触媒装置１０では、触媒担体１１の電気加熱を行える。すなわち、図１に示すように、２つの電極部１２の間に電圧を印加して触媒担体１１に通電すると、その通電に応じた発熱で触媒担体１１が加熱される。触媒装置１０が内燃機関に組付けられた際には、こうした触媒担体１１の電気加熱により、触媒活性の促進が図られる。

なお、触媒装置１０は、図示しないケースに挿入された状態で内燃機関の排気通路に設置される。
なお、電気加熱や排気からの受熱により触媒担体１１が高温となると、触媒担体１１には熱応力が発生する。そして、そうした熱応力が過大となると、触媒担体１１にクラックが発生するおそれがある。そこで本実施形態の触媒装置１０では、そうした熱応力を緩和するためのスリット５０を触媒担体１１に設けている。

＜スリットについて＞
図２及び図３に示すように、スリット５０は、軸方向Ａにおける触媒担体１１の中央付近に１つ設けられており、中心軸Ｏに対して垂直な方向に延びるように形成されている。

図４に、スリット５０が形成された部位の径方向における触媒担体１１の断面を示す。この図に示すように、スリット５０は、中心軸Ｏを含む任意の平面Ｐｖに対して対称となるように設けられている。触媒担体１１の径方向におけるスリット５０の長さＤは、触媒担体１１の径方向における長さＲよりも短くなっている。すなわち、径方向における触媒担体１１の断面において、スリット５０は、中心軸Ｏを中心とする環形状をなしており、同断面の中心には、中心軸Ｏを中心とする円柱状の接続部１１ｆが形成されている。なお、この接続部１１ｆの半径ｒは上記長さＤと上記長さＲとの差に等しい。

図３に示すように、軸方向Ａにおいてスリット５０の両側にそれぞれ位置する触媒担体１１を第１分割体１１ａ及び第２分割体１１ｂとしたときに、隣り合う第１分割体１１ａ及び第２分割体１１ｂは、上記接続部１１ｆにて繋がっている。

触媒担体１１の径方向における接続部１１ｆの断面積Ｓ（図４に示す接続部１１ｆの斜線部の面積）は、以下のようになっている。すなわち、触媒装置１０を上述したケースに挿入する際に当該触媒装置１０に作用する荷重であって、同触媒装置１０の軸方向Ａに作用する荷重を挿入荷重としたときに、触媒担体１１の単位面積あたりの耐荷重に断面積Ｓを乗じた値が、上記挿入荷重よりも大きくなるように設定されている。

＜実施形態の作用及び効果＞
本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）スリット５０が、触媒担体１１の中心軸Ｏを含む任意の平面Ｐｖに対して対称となるように設けられている。そのため、スリット５０が形成された部位において、当該スリット５０による熱応力の緩和が触媒担体１１の径方向において偏ることが抑えられる。従って、そうした熱応力の偏りによる触媒担体１１の損傷を抑えることができる。

（２）触媒担体１１内において軸方向Ａに温度勾配が生じる場合には、触媒担体１１の熱変形量が温度勾配に応じて異なるため、そうした熱変形量の相違による応力が触媒担体１１に生じる。そうした熱変形量の相違による応力は上記スリット５０によって遮断されるため、触媒担体１１に生じる応力を低減することができる。

図５にこうした作用効果の一例であって、内燃機関が減速状態になっているときの例を示す。なお、図５の（Ａ）には、減速状態での触媒担体１１の軸方向における温度勾配を示す。図５の（Ｂ）には、本実施形態の比較例であって上記スリット５０を備えていない触媒担体１１１の形状及び応力状態を示す。図５の（Ｃ）には、本実施形態の触媒担体１１の形状及び応力状態を示す。なお、図５の（Ｂ）及び図５の（Ｃ）において、常温における触媒担体の形状を実線で示し、減速状態のときの触媒担体の形状を二点鎖線で示す。

図５の（Ａ）に示すように、減速状態では低温の排気が触媒担体１１に流入するため、触媒担体１１内の温度は後端よりも前端の方が温度は低くなる。従って、図５の（Ｂ）や図５の（Ｃ）に示すように、減速中の触媒担体１１１，１１では、前端側が収縮する一方、後端側は膨張した状態になる。

ここで、図５の（Ｂ）に示すように、スリット５０が設けられていない触媒担体１１１では、前端側の収縮と後端側の膨張とにより引っ張り応力Ｈが発生する。この引っ張り応力Ｈは、前端側の収縮を妨げる力として作用するため、前端側に作用する応力は大きくなる。

一方、図５の（Ｃ）に示すように、スリット５０を有する本実施形態の触媒担体１１では、前端側の収縮と後端側の膨張とにより発生する引っ張り応力Ｈは上記スリット５０によって遮断される。そのため、そうした引っ張り応力Ｈが前端側の収縮を妨げる力として作用しにくくなる。従って、比較例と比べて、本実施形態の触媒担体１１では前端側に作用する応力は小さくなり、触媒担体１１に生じる応力が低減される。

（３）触媒担体１１の単位面積あたりの耐荷重に接続部１１ｆの断面積Ｓを乗じた値が上記挿入荷重よりも大きくなるように同断面積Ｓは設定されている。従って、触媒装置１０をケースに挿入する際の当該触媒装置１０の損傷を適切に抑えることができる。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・図６に示すように、第１分割体１１ａの側面と第２分割体１１ｂの側面とを電極部１２を介して接続する場合には、その電極部１２によって第１分割体１１ａと第２分割体１１ｂとが接続される。従って、この場合には、上記接続部１１ｆを省略してもよい。

・図７に示すように、スリット５０は、触媒担体１１の軸方向Ａに並んで複数設けてもよい。
この場合には、スリット５０にて分けられる触媒担体１１の各分割体１１ａ、１１ｂ、１１ｃの軸方向Ａにおける長さＬは、スリット５０が複数設けられていない場合と比べて短くなる。従って、軸方向Ａにおける各分割体内の温度勾配による温度差は、スリット５０が複数設けられていない場合と比べて小さくなる。そのため、触媒担体１１の熱応力をさらに小さくすることができる。

また、同図７に示すように、中心軸Ｏに直交するとともに軸方向Ａにおいて触媒担体１１を二等分する平面を当該触媒担体１１の中心面Ｐ２としたときに、この中心面Ｐ２に対して対称となる位置にスリット５０をそれぞれ設けてもよい。この場合には次の作用効果が得られる。

すなわち、内燃機関が減速状態のときには低温の排気が触媒担体１１に流入するため、触媒担体１１内の温度は後端よりも前端の方が温度は低くなる。一方、加速状態のときには高温の排気が触媒担体１１に流入するため、触媒担体１１内の温度は後端よりも前端の方が温度は高くなる。このように触媒担体１１の温度勾配は内燃機関の運転状態に応じて逆転することがある。この点、中心面Ｐ２に対して対称となる位置にスリット５０を設けるようにすれば、触媒担体１１の温度勾配が逆転する場合でも、触媒担体１１に生じる応力を好適に低減することができる。

なお、図７に示した変更例においても、触媒担体１１の各分割体が電極部１２を介して接続されている場合には、接続部１１ｆを省略してもよい。
・触媒担体１１の中心軸Ｏに対して垂直な方向に延びており、かつ中心軸Ｏを含む任意の平面Ｐｖに対して対称となるように設けられているとの条件を満たすスリットであれば、スリット５０の形状は適宜に変更してもよい。

・触媒担体１１に設ける電極部１２の配置や構成は適宜に変更してもよい。

１０…触媒装置
１１…触媒担体
１１ｆ…接続部
１２…電極部
１３…第１下地層
１４…第２下地層
１５…金属電極板
１６…固定層
５０…スリット

Claims (5)

1. 触媒担体の中心軸に対して垂直な方向にスリットが設けられた触媒装置であって、
   前記触媒担体は円柱状であり、
   前記スリットは、環形状であり、
   前記触媒担体の径方向における前記スリットの長さは、前記触媒担体の半径よりも短く、且つ前記触媒担体の周方向の全体に亘って一定である
   触媒装置。
2. 前記スリットは、前記中心軸が延びる方向に並んで複数設けられている
   請求項１に記載の触媒装置。
3. 前記中心軸に直交するとともに前記中心軸が延びる方向において前記触媒担体を二等分する平面を当該触媒担体の中心面としたときに、前記スリットは、前記中心面に対して対称となる位置に設けられている
   請求項２に記載の触媒装置。
4. 前記中心軸が延びる方向において前記スリットの両側にそれぞれ位置する前記触媒担体を分割体とし、隣り合う分割体を繋ぐ部分を接続部とし、前記触媒装置をケースに挿入する際に当該触媒装置に作用する荷重であって同触媒装置の中心軸が延びる方向に作用する荷重を挿入荷重としたときに、前記触媒担体の径方向における前記接続部の断面積は、前記触媒担体の単位面積あたりの耐荷重に前記断面積を乗じた値が、前記挿入荷重よりも大きくなるように設定されている
   請求項１～３のいずれか１項に記載の触媒装置。
5. 前記触媒担体は導電体であって同触媒担体の側面には当該触媒担体を加熱するための一対の電極部が設けられている
   請求項１～４のいずれか１項に記載に触媒装置。