JPH0559939A - ヒータ付き触媒式排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヒータでの発熱を触媒コンバータに効率良く
伝え、排気浄化効果の立ち上がりの速いヒータ付き触媒
式排気浄化装置の提供。 【構成】 内燃機関の排気路に装着される触媒コンバー
タケース１と、前記ケース内に収容した触媒コンバータ
２と、該コンバータを加熱するための電熱ヒータとを備
えたヒータ付き触媒式排気浄化装置であって、コンバー
タは、分割された金属製ハニカム状担体２０に触媒を担
持させてなり、電熱ヒータは、帯状の電気抵抗金属板を
蛇行状に折り曲げたリボンヒータ３であり、該リボンヒ
ータは、担体の分割面２１Ａ、２２Ａの一方または双方
あるいは担体上流部端面にリボンヒータの形状に対応し
た穴２３、２４、凹所または溝に嵌め込んで保持され
る。担体とリボンヒータとの絶縁は、担体をセラミック
で形成したりリボンヒータの表面に絶縁層を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、触媒コンバータと該
触媒コンバータを加熱するための電熱ヒータを備えた内
燃機関の排気浄化装置における冷間始動時の浄化効率向
上に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気浄化のため、排気路に触
媒コンバータが装着される。この触媒コンバータは、温
度が３５０℃程度にならないと触媒が活性化しないた
め、機関の冷間始動（コールドスタート）時に浄化でき
ない排気が排出される。この冷間始動時の浄化効率向上
のため、触媒の担体をステンレスなど導電材で形成し、
担体に直接通電して触媒コンバータを加熱する方法、お
よび電熱式ヒータを付設して通電し、排気または触媒コ
ンバータを加熱する方法が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかるに担体を導電材
製とし担体に直接通電する方式では、担体自体の熱容量
が大きいため昇温に大電力を消費する欠点があり、電熱
式ヒータを付設して通電し、排気または触媒コンバータ
を加熱する方法はヒータでの発熱が触媒コンバータに伝
達されにくく、熱が触媒コンバータ以外の部材に散逸し
易い欠点がある。これらいずれの方法も、最小限の電気
エネルギーで効率よく触媒コンバータを昇温することは
困難である。

【０００４】この発明の目的は、ヒータでの発熱のほぼ
全部を、触媒コンバータに効率良く加熱でき、小さな電
気エネルギーで排気浄化効果の立ち上がりを最大限に向
上できるヒータ付き触媒式排気浄化装置を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

１）請求項１に記載のヒータ付き触媒式排気浄化装置
は、内燃機関の排気路に装着される触媒コンバータケー
スと、ハニカム状担体に触媒を担持してなり、前記ケー
ス内に収容した触媒コンバータと、該触媒コンバータを
加熱するための電熱ヒータとを備えたヒータ付き触媒式
排気浄化装置において、触媒コンバータは、分割された
ハニカム状担体に触媒を担持させてなり、電熱ヒータ
は、帯状の電気抵抗金属板を同一面内で板厚方向に蛇行
状に折り曲げたリボンヒータであり、該リボンヒータ
は、前記担体と電気絶縁されて分割面に配されるととも
に、該分割面に臨んで各分割担体の一方または双方にリ
ボンヒータの形状に対応して設けた穴、凹所または溝に
嵌め込んで保持された構造を有する。 ２）請求項２に記載のハニカム状担体は一体であり、前
記穴、凹所または溝は、前記担体の上流側端面に形成さ
れた構造を有する。 ３）請求項３に記載の担体とリボンヒータとの絶縁は、
担体をセラミックで形成する構造を有する。 ４）請求項４に記載の担体とリボンヒータとの絶縁は、
リボンヒータの表面に絶縁層を設ける構造を有する。

【０００６】

【作用および発明の効果】この発明では、触媒コンバー
タの穴、凹所または溝にリボンヒータを嵌め込んでいる
ため、つぎの効果を奏する。 ａ）リボンヒータの発熱面が、コンバータの分割面ない
し分割面に臨む穴または凹所の壁面に、挟まれるか、ま
たは囲まれているので、ヒータで発生させたジュール熱
の大部分がこれらコンバータの壁面に伝達される。よっ
てヒータの発熱のうちコンバータ以外に散逸される熱の
割合が少なく、触媒コンバータの加熱に有効に寄与でき
る割合が大きい。このため、ヒータの容量が小さくでき
るとともに、加熱時間の短縮が可能になる。 ｂ）リボンヒータの絶縁保持は、触媒コンバータにより
なされるので、リボンヒータをコンバータケースに絶縁
して保持するインシュレータおよび保持手段が不要とな
り、組付けが容易にできる。 ｃ）コンバータケースの蛇行状部が嵌め込まれる穴また
は凹所のある部分は、コンバータの流路の開口率が他部
に比較し大きくなっており、このためヒータの装着にと
もなう通気抵抗の増大が解消できる。 ｄ）ハニカム状担体の端面にはリボンヒータの形状に対
応した溝が形成されたているために、担体から溝を作る
ための削り取る量を少なくすることができる。

【０００７】

【実施例】この発明にかかるヒータ付き触媒式排気浄化
装置の第１実施例は、図１から図３に示すごとく、内燃
機関の排気路に装着される触媒コンバータケース１、該
ケース１内に保持されたハニカム状触媒コンバータ２、
および該コンバータ２内に設置された電熱ヒータである
リボンヒータ３を備える。

【０００８】コンバータケース１はステンレス鋼板製
で、上流側排気路に連結される排気流入口１１、断面は
両側が円弧状の略矩形で、偏平な箱状を呈し、触媒コン
バータ２を収容する胴部１２、および下流側排気路に連
結される排気流出口１３を有し、入口１１と胴部１２と
の間、および胴部１２と出口１３との間は、錐殻状の連
結部１４、１５で連結されている。胴部１２の両側には
側方に膨出したリボンヒータ３の通電端子装着部１６、
１７が設けられ、通電端子３１および３２がケース１と
絶縁して貫設されている。また胴部１２は、通電端子装
着部１６、１７および入口１１と出口１３に連結した底
部１２１と、該底部１２１に蓋着される蓋部１２２とに
２分割されており、後記するように触媒コンバータ２お
よびリボンヒータ３の組付けを容易にしている。

【０００９】ハニカム状触媒コンバータ２は、軸方向に
貫通して、多数の通気穴が形成されたセラミック製柱状
体（ハニカム状担体）２０に３元触媒を担持させてな
る。担体２０は、図２に示すごとく上下にほぼ均等に２
分割され、上担体２１と、下担体２２とからなる。上担
体２１には、下担体２２との分割面（接合面という）２
１Ａに臨んで、リボンヒータ３の曲げピッチに合わせて
リボンヒータ３の蛇行状部３３の上半を挿設するための
４つの矩形立穴２３が横方向に列設されている。下担体
２２には、上担体２１との接合面（上面）２２Ａに臨ん
で、上担体２１の立穴２３と横に半ピッチだけずれた、
リボンヒータ３の蛇行状部３３の下半を挿設するための
４つの矩形立穴２４が横方向に列設されている。また下
担体２２の接合面（上面）２２Ａには、両端側の立穴２
４、２４とコンバータ側壁面とを連通させる溝２５、２
５が設けられている。なお、立穴２３および２４は、い
ずれも図示のごとくコンバータ２の上面および下面に貫
通していてもよいが、担体２０の途中まで設けられ、天
井壁または底壁を有していてもよい。また、コンバータ
２の断面形状は、円、長円または楕円などであってもよ
く、この場合はコンバータケース１の胴部１２も対応し
た断面形状となる。

【００１０】リボンヒータ３は、厚さ１．０ｍｍ、板厚
１０ｍｍの鉄−クロム系電気抵抗金属の帯板を面方向に
曲率半径５ｍｍで折り曲げ、２０ｍｍピッチ巾で４ピッ
チの蛇行状部３３と、その両端から横方向に延長された
リード部３４、３４と、各リード部３４、３４の端を下
方に折り曲げて形成した端子接続部３５、３５からな
り、１．５キロワットの発熱容量を備える。このリボン
ヒータ３は、蛇行状部３３が上担体２１の穴２３および
下担体２２の穴２４に嵌め込まれ、リード部３４、３４
が、下担体２２の溝２５、２５に嵌め込まれて装着され
る。

【００１１】リボンヒータ３を内部に挟み込んだコンバ
ータ２は、その外周を包む網状のスプリング４を介して
前記胴部１２に弾性支持され収容されている。リボンヒ
ータ３は、その端子接続部３５、３５が前記通電端子３
１、３２に締結される。この場合において、通電端子３
１、３２は、コンバータケース１の底部１２１に貫設し
てあるため、触媒コンバータ２およびリボンヒータ３の
組付けが楽に行なうことができる。このリボンヒータ３
は、リボンヒータ３の温度検出のためのヒータ温度セン
サを含む通電制御装置（いずれも図示せず）により通電
制御される。コールドスタート時は、エンジンの始動前
の所定時間リボンヒータ３に通電しておき、リボンヒー
タ３が設定温度に昇温したときエンジンを始動すること
が排気浄化効果の向上の観点から望ましい。

【００１２】この発明のごとく、リボンヒータ３を触媒
コンバータ２内に挟み込む構成により、リボンヒータ３
をコンバータ２と別に組付ける場合と比較し、次の効果
がある。触媒コンバータ２は、リボンヒータ３が発生し
たジュール熱のほぼ全てを、リボンヒータ３を囲ったコ
ンバータ壁面で受熱でき、コンバータ２以外に散逸する
熱は少ない。このため加熱効率がよく、小発熱容量のヒ
ータで、前記触媒コンバータ２のヒータ保持部を局部的
に、触媒が活性化する３５０℃以上に迅速に昇温でき
る。この状態において、エンジンの冷間始動時に行われ
るアイドリング運転の比較的低流量でかつ未燃焼成分の
多い排気を反応させ、始動当初から反応熱が生じ、続い
てこの反応熱で触媒コンバータ２の全体を排気浄化温度
に維持することが可能となる。またリボンヒータ３は、
コンバータ２により絶縁保持されているので、別途絶縁
保持手段を設ける必要はなく、立穴２３、２４の部分は
ハニカムの壁がなく分流路面積が拡大しているため、リ
ボンヒータ３の挿設による排気の通気抵抗の増大は生じ
ない。

【００１３】図４は、第２実施例を示す。この実施例で
は、触媒コンバータ５は、前後に２分割されたハニカム
状担体５０を有する。後担体５１の前面（接合面）５１
Ａの上半に、リボンヒータ３の曲げピッチに合わせて４
つのリボンヒータ３の蛇行状部３３の上半を嵌め込むた
めの断面矩形の立溝状凹所５３を横方向に４つ列設し、
下半には、前記凹所５３と横に半ピッチだけずれた断面
矩形の立溝状凹所５４を横方向に４つ列設している。こ
の凹所５３、５４は、いずれも図示の如くコンバータ５
の上面５Ａおよび下面５Ｂに連通していても、天井壁ま
たは底壁を有し連通していなくてもよい。また接合面５
１Ａには、両端側の凹所５３、５４と側壁面とを連通さ
せる溝５５、５５を形成し、リボンヒータ３のリード部
３４の嵌め込み溝としている。なお凹所５３、５４およ
び溝５５は、前担体５２の後面（接合面）５２Ａに形成
されていてもよく、両接合面５１Ａ、５２Ａに設けられ
ていてもよい。これらの実施例の構成においても、図２
に示すと同様の作用、効果を奏する。

【００１４】図５において実験データを示す。この実験
データはこの発明の触媒コンバータ２をハニカム状担体
２０中に電力１．７ＫＷのリボンヒータ３を組み込み、
２０００ｃｃ、４サイクルエンジンの排気路に装着した
場合である。従来例は、同一寸法のハニカム状担体の前
面に同一容量のリボンヒータを装着した場合である。従
来例に比べて、この発明の触媒コンバータ２は、通電後
期における昇温特性が２０％程度優れていることが判
る。このため、通電後、リボンヒータ３は、触媒が活性
化する温度に素早く昇温でき排気量浄化効率を向上する
ことができる。

【００１５】図６にこの発明の第３実施例を示す。この
実施例では、触媒コンバータ６は、前後に２分割された
ステンレスなど導電性の耐熱金属製ハニカム状担体６０
を有し、後担体６１の接合面６１Ａに、リボンヒータ７
の形状に対応して形成された、複数の溝６２を有する。
電気抵抗金属製のリボンヒータ７は、その外周をセラミ
ックなどの絶縁層７７で覆うことによって、金属製ハニ
カム状担体６０と絶縁させてある。溝６２は、リボンヒ
ータ７を形成する電気抵抗金属板の厚みより僅かに広
く、リボンヒータ７の曲げピッチに合わせて接合面６１
Ａを削り取って形成されて、リボンヒータ７は蛇行状部
７３のうち直線状部７６を溝６２に嵌め込んで固定す
る。このため、リボンヒータ７の直線状部７６は、四方
を担体６０に接近して囲まれ、リボンヒータ７で発生し
た熱の触媒コンバータ６の加熱効率が高くなり、加熱時
間の短縮ができる。

【００１６】ハニカム状担体６０は、金属製であるのた
めリボンヒータ７で発生した熱が伝わりやすく、触媒の
活性化する温度に素早く上昇させることができる。この
場合、リボンヒータ７の絶縁層７７で覆われた抵抗金属
板と溝６２とは、接触していることが熱伝導性向上の観
点から望ましい。なお、溝６２の形成は金属製のハニカ
ム状担体の場合、ハニカムを構成する隔壁が極めて薄い
ため、相当に面どってあるのに対し、ハニカム状担体は
セラミック製でも良く、セラミック製の場合は溝６２の
形成が比較的容易である。

【００１７】図７にこの発明の第４実施例を示す。この
実施例では、リボンヒータ８はその蛇行状部８３の折り
曲げを図２のリボンヒータ３のごとく湾曲せず、直角に
連続して曲げられている。触媒コンバータ９は、前後に
２分割されたハニカム状担体９０を有し、後担体９１の
接合面９１Ａにリボンヒータ８の厚みより僅かに広い網
目状の溝９２を有する。この溝９２は、リボンヒータ８
の曲げピッチに合わせて左右、上下に切り取られた網目
状であり、リボンヒータ８の蛇行状部８３およびリード
部８４、８４を嵌め込む。このため、リボンヒータ８の
発熱面全てを担体９０で覆うことができ、リボンヒータ
８で発生した熱のうち触媒コンバータ９以外に散逸され
る割合が非常に少なくなり、加熱効率が高まり、より加
熱時間の短縮ができる。

【００１８】上記実施例では、ハニカム状担体を２分割
してその分割面（接合面）にリボンヒータを嵌め込んで
保持させているが、ハニカム状担体を分割せずに、ハニ
カム状担体の上流側端面に溝を設けてリボンヒータを保
持させてもよい。この場合においては、リボンヒータに
よる加熱効率は、幾分低下するがハニカム状担体の製造
が容易となる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のヒータ付き触媒式排気浄化装置の第
１実施例の斜視図である。

【図２】触媒コンバータおよびリボンヒータの分解斜視
図である。

【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図４】この発明の第２実施例の触媒コンバータおよび
リボンヒータの分解斜視図である。

【図５】この発明のヒータ付き触媒式排気浄化装置と従
来例との昇温実験のグラフである。

【図６】この発明の第３実施例の触媒コンバータおよび
リボンヒータの分解斜視図である。

【図７】この発明の第４実施例の触媒コンバータおよび
リボンヒータの分解斜視図である。

【符号の説明】

１ 触媒コンバータケース ２、５、６、９ 触媒コンバータ ３、７、８ リボンヒータ ４ 網状スプリング ２１Ａ、２２Ａ、５１Ａ、５２Ａ、６１Ａ、９１Ａ 接
合面 ２３、２４ 立穴 ５３、５４ 凹所 ２５、６２、９２ 溝

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気路に装着される触媒コン
   バータケースと、ハニカム状担体に触媒を担持してな
   り、前記ケース内に収容した触媒コンバータと、該触媒
   コンバータを加熱するための電熱ヒータとを備えたヒー
   タ付き触媒式排気浄化装置において、 触媒コンバータは、分割されたハニカム状担体に触媒を
   担持させてなり、 電熱ヒータは、帯状の電気抵抗金属板を同一面内で板厚
   方向に蛇行状に折り曲げたリボンヒータであり、 該リボンヒータは、前記担体と電気絶縁されて分割面に
   配されるとともに、該分割面に臨んで各分割担体の一方
   または双方にリボンヒータの形状に対応して設けた穴、
   凹所または溝に嵌め込んで保持されたことを特徴とする
   ヒータ付き触媒式排気浄化装置。
2. 【請求項２】 請求項１おいて、ハニカム状担体は一体
   であり、前記穴、凹所または溝は、前記担体の上流側端
   面に形成されたヒータ付き触媒式排気浄化装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、担体とリボ
   ンヒータとの絶縁は、担体をセラミックで形成すること
   によりなされたヒータ付き触媒式排気浄化装置。
4. 【請求項４】 請求項１または２において、担体とリボ
   ンヒータとの絶縁は、リボンヒータの表面に絶縁層を設
   けることによりなされたヒータ付き触媒式排気浄化装
   置。