WO2012108002A1 - 電気加熱式触媒 - Google Patents

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surface electrode
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▲吉▼岡　衛
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an electrically heated catalyst provided in an exhaust passage of an internal combustion engine.
  • an electrically heated catalyst (hereinafter referred to as EHC) in which the catalyst is heated by a heating element that generates heat when energized has been developed.
  • a surface electrode extending along the outer peripheral surface of the heating element is formed.
  • the electrodes When the electrodes are energized, a current flows through a portion of the heating element located between the surface electrodes (hereinafter, this portion is referred to as “interelectrode portion”). Therefore, the temperature between the electrodes rises.
  • the heating element has a portion that is outside from between the surface electrodes (that is, a portion in the vicinity of the outer peripheral surface where the surface electrode is not provided: this portion is hereinafter referred to as “interelectrode exterior”).
  • the temperature distribution in the circumferential direction (width direction perpendicular to the axial direction) of the heating element when energized becomes non-uniform.
  • the temperature distribution in the circumferential direction of the heating element becomes non-uniform in this way, the exhaust gas purification ability of the catalyst is not fully exhibited in the low temperature part, which leads to a decrease in the exhaust gas purification rate.
  • the thermal stress may increase, which may cause damage to the heating element.
  • the width in this direction is simply referred to as “width of the surface electrode”
  • the ratio of the inter-electrode portion in the heating element is increased.
  • the proportion of the outside between the electrodes can be reduced.
  • the width of the surface electrode is increased, the distance between the surface electrodes on the outer peripheral surface of the heating element (hereinafter, this distance is referred to as “the outer peripheral distance between the surface electrodes”) decreases.
  • the outer peripheral distance between the surface electrodes is reduced to a certain extent, the current flowing between the surface electrodes is likely to flow intensively through the outer peripheral surface of the heating element. As a result, there is a risk that the portion located between the surface electrodes on the outer peripheral surface will be excessively heated.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to improve the exhaust gas purification rate and suppress damage to the heating element by causing the heating element to generate heat more suitably in EHC.
  • the current flowing between the surface electrodes is caused to flow mainly through the outer peripheral surface of the heating element in the axial direction of the heating element, and mainly through the inside of the heating element in the other portions. .
  • the electrically heated catalyst according to the present invention is: A heating element that is formed in a cylindrical shape, generates heat when energized, and heats the catalyst by generating heat; An electrode for supplying electricity to the heating element, the electrode having a surface electrode extending in an axial direction and a circumferential direction of the heating element along an outer peripheral surface of the heating element, and the surface electrodes sandwiching the heating element A pair of electrodes provided to face each other, In the axial direction of the heating element, a part of the current flowing between the surface electrodes flows mainly through the outer peripheral surface of the heating element, and the other part mainly flows through the inside of the heating element.
  • the surface electrode is formed.
  • the temperature between the outside of the electrodes when energized, in the axial direction of the heating element, the temperature between the outside of the electrodes can be raised in part and the temperature between the electrodes can be raised in other parts. That is, when viewed in the entire axial direction of the heating element, it is possible to raise the temperature in the entire cross-sectional direction perpendicular to the axial direction of the heating element. Therefore, the exhaust gas purification rate can be improved, and damage to the heating element can be suppressed.
  • At least one of the surface electrodes may be formed so that the width in the circumferential direction of the heating element is different in the axial direction of the heating element.
  • the width of at least one of the surface electrodes is increased in part so that the outer peripheral distance between the surface electrodes is reduced to a certain extent, so that current flows mainly through the outer peripheral surface of the heating element in a part of the width. be able to.
  • At least one of the surface electrodes may be formed so that the distribution of electric resistance values in the circumferential direction of the heating element is different in the axial direction of the heating element. If the distance between the surface electrodes is the same, the current flowing between the surface electrodes tends to flow more as the electric resistance value is smaller. Therefore, in at least one of the surface electrodes, in part, the electric resistance value in the vicinity of the end in the circumferential direction of the heating element is reduced to a certain extent, so that the current mainly passes through the outer peripheral surface of the heating element. Can flow.
  • the heating element in the EHC, can generate heat more suitably.
  • the exhaust gas purification rate can be improved, and damage to the heating element can be suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an electrically heated catalyst (EHC) according to Example 1.
  • FIG. FIG. 3 is a view showing a state in which an outer peripheral surface of an EHC catalyst carrier according to Example 1 is developed.
  • FIG. 6 is a view showing a state in which an outer peripheral surface of an EHC catalyst carrier according to a modification of Example 1 is developed.
  • FIG. 6 is a view showing a state in which an outer peripheral surface of an EHC catalyst carrier according to Example 2 is developed.
  • 6 is a view showing a state in which an outer peripheral surface of an EHC catalyst carrier according to a modification of Example 2 is developed.
  • FIG. It is a figure which shows schematic structure of EHC which concerns on a reference example.
  • FIG. 7A shows a cross-sectional view when the circumferential width of the catalyst carrier of the surface electrode is relatively small
  • FIG. 7B shows that the circumferential width of the catalyst carrier of the surface electrode is relatively small. Sectional drawing in the case of being large is shown.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an electrically heated catalyst (EHC) according to the present embodiment.
  • the EHC 1 according to the present embodiment is provided in an exhaust pipe of an internal combustion engine mounted on a vehicle.
  • the internal combustion engine may be a diesel engine or a gasoline engine.
  • the EHC 1 according to the present embodiment can also be used in a vehicle that employs a hybrid system including an electric motor.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the EHC 1 cut in the longitudinal direction along the central axis A of the exhaust pipe 2 of the internal combustion engine. Since the shape of the EHC 1 is line symmetric with respect to the central axis A, only the upper part of the EHC 1 is shown in FIG. 1 for convenience.
  • the EHC 1 includes a catalyst carrier 3, a case 4, a mat 5, an inner tube 6, and an electrode 7.
  • the catalyst carrier 3 is formed in a columnar shape, and is installed so that its central axis is coaxial with the central axis A of the exhaust pipe 2.
  • An exhaust purification catalyst 15 is supported on the catalyst carrier 3. Examples of the exhaust purification catalyst 15 include an oxidation catalyst, a NOx storage reduction catalyst, a selective reduction NOx catalyst, and a three-way catalyst.
  • the catalyst carrier 3 is formed of a material that generates electric resistance when heated.
  • An example of the material of the catalyst carrier 3 is SiC.
  • the catalyst carrier 3 has a plurality of passages (cells) extending in the direction in which the exhaust flows (that is, in the direction of the central axis A) and having a cross section perpendicular to the direction in which the exhaust flows.
  • the exhaust purification catalyst 15 is carried on a partition wall forming each cell, and the exhaust gas is purified by the exhaust gas flowing through the cell.
  • the cross-sectional shape of the catalyst carrier 3 in the direction orthogonal to the central axis A may be an ellipse or the like.
  • the central axis A is a central axis common to the exhaust pipe 2, the catalyst carrier 3, the inner pipe 6, and the case 4.
  • the catalyst carrier 3 is accommodated in the case 4.
  • the case 4 is made of metal.
  • a material for forming the case 4 a stainless steel material can be exemplified.
  • the case 4 includes an accommodating portion 4a including a curved surface parallel to the central axis A, and a tapered portion 4b that connects the accommodating portion 4a and the exhaust pipe 2 on the upstream side and the downstream side of the accommodating portion 4a. 4c.
  • the passage cross-sectional area of the accommodating portion 4a is larger than the passage cross-sectional area of the exhaust pipe 2, and the catalyst carrier 3, the mat 5, and the inner pipe 6 are accommodated therein.
  • the tapered portions 4b and 4c have a tapered shape in which the passage cross-sectional area decreases as the distance from the accommodating portion 4a increases.
  • a mat 5 is sandwiched between the inner wall surface of the accommodating portion 4 a of the case 4 and the outer peripheral surface of the catalyst carrier 3. That is, the catalyst carrier 3 is supported by the mat 5 in the case 4.
  • An inner tube 6 is sandwiched between the mats 5. That is, the mat 5 is divided by the inner tube 6 into the case 4 side and the catalyst carrier 3 side.
  • the mat 5 is made of an electrical insulating material.
  • Examples of the material for forming the mat 5 include ceramic fibers mainly composed of alumina.
  • the mat 5 is wound around the outer peripheral surface of the catalyst carrier 3 and the outer peripheral surface of the inner tube 6. Since the mat 5 is sandwiched between the catalyst carrier 3 and the case 4, electricity is suppressed from flowing to the case 4 when the catalyst carrier 3 is energized.
  • the inner tube 6 is made of an electrical insulating material.
  • An example of the material for forming the inner tube 6 is alumina.
  • the inner tube 6 is formed in a tubular shape centered on the central axis A. As shown in FIG. 1, the inner tube 6 is longer than the mat 5 in the direction of the central axis A. Therefore, the upstream and downstream ends of the inner tube 6 protrude from the upstream and downstream end surfaces of the mat 5.
  • a pair of electrodes 7 are connected to the outer peripheral surface of the catalyst carrier 3 (in FIG. 1, only one side (upper side) electrode 7 is shown).
  • the electrode 7 is formed by a surface electrode 7a and a shaft electrode 7b.
  • the surface electrode 7 a extends in the circumferential direction and the axial direction along the outer peripheral surface of the catalyst carrier 3. Further, the surface electrode 7 a is connected to the outer peripheral surface of the catalyst carrier 3 so as to face each other with the catalyst carrier 3 interposed therebetween. The detailed configuration of the surface electrode 7a will be described later.
  • One end of the shaft electrode 7b is connected to the surface electrode 7a. The other end of the shaft electrode 7 b protrudes outside the case 4 through the electrode chamber 9.
  • the case 4 and the inner tube 6 are provided with through holes 4d and 6a for passing the shaft electrode 7b.
  • the mat 5 has a space for passing the shaft electrode 7b.
  • the electrode chamber 9 is formed by such a space that is located between the inner wall surface of the case 4 and the outer peripheral surface of the catalyst carrier 3 and in which the side wall surface is formed by the mat 5.
  • a support member 8 that supports the shaft electrode 7b is provided in the through-hole 4d opened in the case 4 (that is, the upper portion of the electrode chamber 9).
  • the support member 8 is formed of an electrical insulating material, and is provided between the case 4 and the shaft electrode 7b without a gap.
  • the other end of the shaft electrode 7b is electrically connected to a battery (not shown). Electricity is supplied to the electrode 7 from the battery. When electricity is supplied to the electrode 7, the catalyst carrier 3 is energized. When the catalyst carrier 3 generates heat by energization, the exhaust purification catalyst 15 carried on the catalyst carrier 3 is heated, and its activation is promoted.
  • the catalyst carrier 3 corresponds to the heating element according to the present invention.
  • the heating element according to the present invention is not limited to the carrier supporting the catalyst.
  • the heating element may be a structure installed on the upstream side of the catalyst.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view in a direction perpendicular to the axial direction of the catalyst carrier 3 and the electrode 7 of the catalyst carrier 3 in the conventional EHC.
  • FIG. 7A shows a cross-sectional view when the width of the surface electrode 7a in the circumferential direction of the catalyst carrier 3 is relatively small (for example, when the width of the surface electrode 7a is a central angle of 90 °).
  • (B) shows a cross-sectional view when the width of the surface electrode 7a in the circumferential direction of the catalyst carrier 3 is relatively large (for example, when the width of the surface electrode 7a is larger than 90 °).
  • the outer peripheral distance between the surface electrodes 7a is decreased. Then, as shown in FIG. 7B, when the outer peripheral distance between the surface electrodes 7a is reduced to a certain degree or more, it passes more intensively through the outer peripheral surface of the catalyst carrier 3 (the portion shown in gray in FIG. 7B). It becomes easier for current to flow. As a result, there is a risk that the portion located between the surface electrodes on the outer peripheral surface will be excessively heated.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the outer peripheral surface of the EHC catalyst carrier according to the present embodiment is developed.
  • the hatched portion indicates the surface electrode 7a.
  • the width of one surface electrode 7a gradually decreases from the front end (exhaust inlet) of the catalyst carrier 3 toward the rear end (exhaust outlet).
  • the other surface electrode 7a has a uniform width.
  • portion A in FIG. 2 the current flowing between the surface electrodes 7a mainly flows through the surface of the catalyst carrier 3 so that the distance between the surface electrodes 7a is increased.
  • the outer peripheral distance of is small.
  • portion B in FIG. 2 the outer circumference between the surface electrodes 7a is such that the current flowing between the surface electrodes 7a flows mainly through the inside of the catalyst carrier 3. The distance is getting bigger.
  • the surface electrode 7a By forming the surface electrode 7a as described above, when energized, the temperature between the electrodes is increased in the vicinity of the front end of the catalyst carrier 3, and the portion between the electrodes in the portion on the downstream side of the vicinity of the front end of the catalyst carrier 3 Can be heated. That is, when viewed in the entire axial direction of the catalyst carrier 3, it is possible to raise the temperature of the entire cross-sectional direction perpendicular to the axial direction of the catalyst carrier 3.
  • the width of the surface electrode 7a of both electrodes 7 is changed. May be gradually changed.
  • the width of one surface electrode 7a is gradually reduced from the front end of the catalyst carrier 3 toward the rear end, and the width of the other surface electrode 7a is decreased from the front end of the catalyst carrier 3 toward the rear end. You may make it enlarge gradually.
  • the width of the surface electrode 7 a may be changed stepwise in the axial direction of the catalyst carrier 3.
  • the width of the surface electrode 7 a may be larger in the range A portion than in the range B portion, and may be constant in the range A portion and the range B portion.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which the outer peripheral surface of the EHC catalyst carrier according to the modification of the present embodiment is developed.
  • the hatched portion indicates the surface electrode 7a, as in FIG.
  • the vicinity of the rear end of the catalyst carrier 3 (the portion in the range A in FIG. 3) is the portion upstream of the portion in the vicinity of the rear end (the range B in FIG. 3).
  • the width is larger than (part).
  • the outer peripheral distance between the surface electrodes 7a becomes smaller as the current flowing between the surface electrodes 7a mainly flows through the surface of the catalyst carrier 3.
  • the outer peripheral distance between the surface electrodes 7 a is large so that the current flowing between the surface electrodes 7 a flows mainly through the inside of the catalyst carrier 3.
  • the width of the surface electrode 7a in the vicinity of the front end of the catalyst carrier 3 is increased so that the current flowing between the surface electrodes 7a flows mainly through the surface of the catalyst carrier 3 in the vicinity of the front end.
  • the temperature between the electrodes can be raised in the vicinity of the front end during energization.
  • the vicinity of the front end of the catalyst carrier 3 is easily cooled by the exhaust gas flowing into the EHC 1. For this reason, even if the temperature between the electrodes is increased in the vicinity of the front end of the catalyst carrier 3, the temperature outside the electrodes in the vicinity of the front end is likely to decrease in a relatively short time after the energization is stopped.
  • the exhaust gas whose temperature has risen due to heat transfer passes through the EHC 1. Therefore, the portion near the rear end is hardly cooled by the exhaust. Therefore, as in this modification, the temperature of the outside between the electrodes in the vicinity of the rear end of the catalyst carrier 3 is higher than that in the vicinity of the front end of the catalyst carrier 3 in the vicinity of the front end. The temperature outside the electrode is unlikely to decrease after the energization is stopped. As a result, a high exhaust gas purification rate can be maintained for a longer time.
  • Example 2 The schematic configuration of the electrically heated catalyst (EHC) according to this example is the same as that of the EHC according to Example 1 except for the configuration of the surface electrode.
  • EHC electrically heated catalyst
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which the outer peripheral surface of the EHC catalyst carrier according to the present embodiment is developed.
  • the hatched portion indicates the surface electrode 7a.
  • the width of the surface electrode 7 a is uniform in any of the pair of electrodes 7.
  • the distribution of electrical resistance values in the surface electrode 7a is not uniform.
  • S, M, and L indicate the magnitude of the electrical resistance value in the surface electrode 7a.
  • the portion indicated by S has a smaller electric resistance value than the portion indicated by M
  • the portion indicated by L has a larger electric resistance value than the portion indicated by M. That is, in the surface electrode 7a, the electrical resistance value gradually increases from S to M, from S to L, or from M to L.
  • the electrical resistance value of the surface electrode 7a can be changed by changing the thickness of the surface electrode 7a depending on the location. That is, in the surface electrode 7a, the relatively thin portion has a larger electrical resistance value than the relatively thick portion. Moreover, the electrical resistance value of the surface electrode 7a can also be changed by changing the material forming the surface electrode 7a depending on the location.
  • the surface electrode 7a extends along the outer peripheral surface of the catalyst carrier 3, the cross-sectional shape in the direction orthogonal to the axial direction of the catalyst carrier 3 is an arc shape. For this reason, the linear distance across the catalyst carrier 3 between the surface electrodes 7a is the largest in the circumferential direction of the catalyst carrier 3 (the width direction of the surface electrode 7a) and the smallest at both ends. And if distribution of the electrical resistance value of the surface electrode 7a is uniform, as the distance between the surface electrodes 7a is smaller, more current flows more easily.
  • the central portion is the smallest, and gradually increases toward the end portion (hereinafter, the end portion of the surface electrode 7a in this direction is referred to as “the peripheral end portion of the surface electrode 7a”).
  • the electrical resistance value in the vicinity of the peripheral end of one surface electrode 7 a is gradually changed in the axial direction of the catalyst carrier 3. That is, as shown in FIG. 4, the electrical resistance value in the vicinity of the peripheral end of one surface electrode 7a gradually increases from the front end (exhaust inlet) to the rear end (exhaust outlet) of the catalyst carrier 3. ing. In the vicinity of the front end where the electrical resistance value of the peripheral end of one surface electrode 7a is the smallest (the range A in FIG. 4), the current flowing between the surface electrodes 7a mainly passes through the surface of the catalyst carrier 3. The electric resistance value becomes smaller as it flows. In addition, in the portion downstream of the vicinity of the front end (the portion in range B in FIG. 4), the electrical resistance at the peripheral end is such that the current flowing between the surface electrodes 7a flows mainly through the inside of the catalyst carrier 3. The value is relatively large.
  • the temperature between the electrodes is increased in the vicinity of the front end of the catalyst carrier 3, and the vicinity of the front end of the catalyst carrier 3 In the part downstream of the part, the temperature between the electrodes can be raised. That is, when viewed in the entire axial direction of the catalyst carrier 3, it is possible to raise the temperature of the entire cross-sectional direction perpendicular to the axial direction of the catalyst carrier 3. Thereby, it is possible to improve the exhaust gas purification rate for the same reason as in the first embodiment, and to prevent the catalyst carrier 3 from being damaged.
  • the surface electrode 7a of one of the pair of electrodes 7 is changed gradually in the axial direction of the catalyst carrier 3, and the electrical resistance value at the peripheral end is gradually changed.
  • the electrical resistance value at the peripheral end of the surface electrode 7 a may be gradually changed in the axial direction of the catalyst carrier 3.
  • the electrical resistance value at the peripheral end of one surface electrode 7a is gradually increased from the front end to the rear end of the catalyst carrier 3, and the electrical resistance value at the peripheral end of the other surface electrode 7a is increased.
  • the catalyst carrier 3 may be gradually increased from the front end toward the rear end.
  • the electric resistance value at the peripheral end of the surface electrode 7 a may be changed stepwise in the axial direction of the catalyst carrier 3.
  • the electrical resistance value at the peripheral end of the surface electrode 7 a is made smaller in the range A portion than in the range B portion, and may be a constant value in each of the range A portion and the range B portion. Good.
  • FIG. 5 is a diagram showing a state in which the outer peripheral surface of the EHC catalyst carrier according to a modification of the present embodiment is developed.
  • the hatched portion indicates the surface electrode 7a, as in FIG.
  • S, M, and L indicate the magnitude of the electrical resistance value in the surface electrode 7a, as in FIG.
  • the portion indicated by S has a smaller electric resistance value than the portion indicated by M
  • the portion indicated by L has a larger electric resistance value than the portion indicated by M.
  • the portion near the rear end of the catalyst carrier 3 (the portion in range A in FIG. 5) is upstream of the portion near the rear end.
  • the electrical resistance value at the peripheral end portion is smaller than the portion (range B portion in FIG. 5).
  • the electric resistance value at the peripheral end of the surface electrode 7a becomes smaller as the current flowing between the surface electrodes 7a mainly flows through the surface of the catalyst carrier 3.
  • the electrical resistance value at the peripheral end of the surface electrode 7a increases so that the current flowing between the surface electrodes 7a flows mainly through the inside of the catalyst carrier 3. ing.
  • the temperature between the outsides of the electrodes can be raised in the vicinity of the rear end of the catalyst carrier 3. Therefore, compared with the case where the temperature between the electrodes is increased in the vicinity of the front end of the catalyst carrier 3, the temperature between the electrodes is less likely to decrease after the energization is stopped. As a result, a high exhaust gas purification rate can be maintained for a longer time.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic configuration of the EHC according to the reference example.
  • the catalyst carrier 3 is divided into two in the axial direction in the case 4 of the EHC 1.
  • the pair of electrodes 7 is provided on each of the upstream and downstream catalyst carriers 3.
  • the surface electrode 7a provided in the outer peripheral surface of each catalyst carrier 3 is arrange
  • the width of the surface electrode 7a is a central angle of 90 °
  • the surface electrode 7a provided on the upstream catalyst carrier 3 and the surface electrode 7a provided on the downstream catalyst carrier 3 are 90% in the circumferential direction. It may be arranged at a position shifted by °.
  • each catalyst carrier 3 When energized, in each catalyst carrier 3, a current flows between the surface electrodes 7a through the interelectrode portion. Therefore, in each catalyst carrier 3, the outside between the electrodes is a low temperature part. However, in the upstream catalyst carrier 3, the portion that is outside the electrodes is the interelectrode portion in the downstream catalyst carrier 3. Further, in the downstream catalyst carrier 3, the portion that is outside the electrodes is the interelectrode portion in the upstream catalyst carrier 3.
  • the upstream and downstream catalyst carriers 3 are combined and viewed in the entire axial direction, the temperature in the entire cross-sectional direction perpendicular to the axial direction of the catalyst carrier 3 can be increased. Therefore, the exhaust gas purification rate can be improved.
  • the catalyst carrier 3 can be divided into three or more in the axial direction.
  • Electric heating catalyst (EHC) 3 Electric heating catalyst (EHC) 3 .
  • Catalyst carrier 4 Case 7 .
  • Surface electrode 7b Shaft electrode

Abstract

　本発明は、電気加熱式触媒（ＥＨＣ）において、発熱体をより好適に発熱させることで、排気浄化率の向上や発熱体の破損の抑制を図ることを目的とする。発熱体の外周面に沿って該発熱体の軸方向及び周方向に延びる表面電極７ａを有する一対の電極が、該表面電極７ａが発熱体を挟んで互いに対向するように設けられている。そして、表面電極７ａ間を流れる電流が、発熱体の軸方向において、一部では主に発熱体の外周面を通って流れ、他の部分では主に発熱体の内部を通って流れるように、表面電極７ａが形成されている。

Description

電気加熱式触媒
　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触媒として、通電されることで発熱する発熱体によって触媒が加熱される電気加熱式触媒（Electric Heating Catalyst：以下、ＥＨＣと称する）が開発されている。
　また、ＥＨＣにおいて、発熱体の側面（外周面）に、互いに対向するように一対の電極を接続した構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような構成においては、発熱体を通って電極間に電流が流れることで発熱体が発熱する。
特開平５－２６９３８７号公報
　円柱状（断面形状が楕円のものを含む）の発熱体の外周面に互いに対向するように一対の電極を設けた場合、前記発熱体の外周面に沿って延びる表面電極が形成される。該電極に通電すると、発熱体における表面電極間に位置する部分（以下、この部分を「電極間部」と称する）に電流が流れる。そのため、該電極間部が昇温する。しかしながら、発熱体には表面電極間から外側に外れている部分（即ち、表面電極が設けられていない外周面近傍部分：以下、この部分を「電極間外部」と称する）が存在する。電極に通電しても、該電極間外部には電流が流れ難いため、該電極間外部は昇温し難い。従って、通電した際の発熱体の周方向（軸方向と直行する幅方向）における温度分布は不均一となる。
　このように発熱体の周方向における温度分布が不均一となると、低温部においては触媒の排気浄化能力が十分に発揮されなくなり、排気浄化率の低下を招くこことになる。また、発熱体における温度分布のばらつきが大きくなると、熱応力が大きくなることによって、発熱体の破損を招く虞もある。
　ここで、表面電極における発熱体の周方向の幅（以下、この方向の幅を単に「表面電極の幅」と称する）を大きくすることで、発熱体において、電極間部が占める割合を大きくし、電極間外部が占める割合を小さくすることができる。しかしながら、表面電極の幅を大きくすると、発熱体の外周面における表面電極間の距離（以下、この距離を「表面電極間の外周距離」と称する）が小さくなる。この表面電極間の外周距離がある程度以上小さくなると、表面電極間を流れる電流が、発熱体の外周面を通って集中的に流れ易くなる。その結果、該外周面の表面電極間に位置する部分が過剰に昇温する虞がある。
　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、ＥＨＣにおいて、発熱体をより好適に発熱させることで、排気浄化率の向上や発熱体の破損の抑制を図ることを目的とする。
　本発明は、ＥＨＣにおいて、表面電極間を流れる電流を、発熱体の軸方向において、一部では主に発熱体の外周面を通して流し、その他の部分では主に発熱体の内部を通して流すものである。
　本発明に係る電気加熱式触媒は、
　円柱状に形成され、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱する発熱体と、
　前記発熱体に電気を供給する電極であって、前記発熱体の外周面に沿って該発熱体の軸方向及び周方向に延びる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられた一対の電極と、を備え、
　前記表面電極間を流れる電流が、前記発熱体の軸方向において、一部では主に前記発熱体の外周面を通って流れ、他の部分では主に前記発熱体の内部を通って流れるように、前記表面電極が形成されている。
　本発明に係るＥＨＣによれば、通電した際に、発熱体の軸方向において、一部では電極間外部を昇温させ、他の部分では電極間部を昇温させることができる。つまり、発熱体の軸方向全体でみれば、該発熱体における軸方向と直行する断面方向の全体を昇温させることが可能となる。そのため、排気浄化率を向上させることができ、また、発熱体の破損を抑制することができる。
　本発明においては、少なくとも一方の表面電極を、発熱体の軸方向において、発熱体の周方向における幅が異なるように形成してもよい。少なくとも一方の表面電極の幅を、一部では、表面電極間の外周距離がある程度以上小さくなるほど大きくすることで、その一部において、主に発熱体の外周面を通って電流が流れるようにすることができる。
　本発明においては、少なくとも一方の表面電極を、発熱体の軸方向において、発熱体の周方向における電気抵抗値の分布が異なるように形成してもよい。表面電極間の距離が同一であれば、表面電極間を流れる電流は、電気抵抗値が小さい所ほどより多く流れ易い。そのため、少なくとも一方の表面電極において、一部では、発熱体の周方向における端部近傍の電気抵抗値をある程度以上小さくすることで、その一部において、主に発熱体の外周面を通って電流が流れるようにすることができる。
　本発明によれば、ＥＨＣにおいて、発熱体をより好適に発熱させることができる。その結果、排気浄化率を向上させることができ、また、発熱体の破損を抑制することができる。
実施例１に係る電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の概略構成を示す図である。 実施例１に係るＥＨＣの触媒担体の外周面を展開した様子を示す図である。 実施例１の変形例に係るＥＨＣの触媒担体の外周面を展開した様子を示す図である。 実施例２に係るＥＨＣの触媒担体の外周面を展開した様子を示す図である。 実施例２の変形例に係るＥＨＣの触媒担体の外周面を展開した様子を示す図である。 参考例に係るＥＨＣの概略構成を示す図である。 従来のＥＨＣにおける触媒担体及び電極の触媒担体の軸方向と直行する方向の断面図を示している。図７（ａ）は、表面電極の触媒担体の周方向の幅が比較的小さい場合の断面図を示しており、図７（ｂ）は、表面電極の触媒担体の周方向の幅が比較的大きい場合の断面図を示している。
　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＞
　図１は、本実施例に係る電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の概略構成を示す図である。本実施例に係るＥＨＣ１は、車両に搭載される内燃機関の排気管に設けられる。内燃機関は、ディーゼル機関であっても、ガソリン機関であってもよい。また、電気モータを備えたハイブリッドシステムを採用した車両においても本実施例に係るＥＨＣ１を用いることができる。
　図１は、内燃機関の排気管２の中心軸Ａに沿ってＥＨＣ１を縦方向に切断した断面図である。尚、ＥＨＣ１の形状は中心軸Ａに対して線対称のため、図１では、便宜上、ＥＨＣ１の上側の部分のみを示している。
　本実施例に係るＥＨＣ１は、触媒担体３、ケース４、マット５、内管６、及び電極７を備えている。触媒担体３は、円柱状に形成されており、その中心軸が排気管２の中心軸Ａと同軸となるように設置されている。触媒担体３には排気浄化触媒１５が担持されている。排気浄化触媒１５としては、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒及び三元触媒等を例示することができる。
　触媒担体３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。触媒担体３の材料としては、ＳｉＣを例示することができる。触媒担体３は、排気の流れる方向（すなわち、中心軸Ａの方向）に伸び且つ排気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（セル）を有している。排気浄化触媒１５は各セルを形成する隔壁に担持されており、該セルを排気が流通することで、該排気が浄化される。尚、中心軸Ａと直交する方向の触媒担体３の断面形状は楕円形等であっても良い。中心軸Ａは、排気管２、触媒担体３、内管６、及びケース４で共通の中心軸である。
　触媒担体３はケース４に収容されている。ケース４は、金属によって形成されている。ケース４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４は、中心軸Ａと平行な曲面を含んで構成される収容部４ａと、該収容部４ａよりも上流側及び下流側で該収容部４ａと排気管２とを接続するテーパ部４ｂ，４ｃと、を有している。収容部４ａの通路断面積は排気管２の通路断面積よりも大きくなっており、その内側に、触媒担体３、マット５、及び内管６が収容されている。テーパ部４ｂ，４ｃは、収容部４ａから離れるに従って通路断面積が縮小するテーパ形状をしている。
　ケース４の収容部４ａの内壁面と触媒担体３の外周面との間にはマット５が挟み込まれている。つまり、ケース４内において、触媒担体３がマット５によって支持されている。また、マット５には内管６が挟み込まれている。つまり、マット５が、内管６によってケース４側と触媒担体３側とに分割されている。
　マット５は、電気絶縁材によって形成されている。マット５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。マット５は、触媒担体３の外周面及び内管６の外周面に巻きつけられている。マット５が、触媒担体３とケース４との間に挟み込まれていることで、触媒担体３に通電したときに、ケース４へ電気が流れることが抑制される。
　内管６は、電気絶縁材によって形成されている。内管６を形成する材料としては、アルミナを例示することができる。内管６は、中心軸Ａを中心とした管状に形成されている。図１に示すように、内管６は、中心軸Ａ方向の長さがマット５より長い。そのため、内管６の上流側及び下流側の端部は、マット５の上流側及び下流側の端面から突出している。
　触媒担体３の外周面には一対の電極７が接続されている（尚、図１においては、片側（上側）の電極７のみ図示している。）。電極７は、表面電極７ａ及び軸電極７ｂによって形成されている。表面電極７ａは、触媒担体３の外周面に沿って周方向及び軸方向に延びている。また、表面電極７ａは、触媒担体３の外周面に該触媒担体３を挟んで互いに対向するように接続されている。尚、該表面電極７ａの詳細な構成については後述する。軸電極７ｂの一端は表面電極７ａに接続されている。そして、電極室９を通って軸電極７ｂの他端がケース４の外側に突出している。
　ケース４及び内管６には、軸電極７ｂを通すために、貫通孔４ｄ，６ａが開けられている。また、マット５には、軸電極７ｂを通すための空間が形成されている。このような、ケース４の内壁面と触媒担体３の外周面との間に位置し、マット５によってその側壁面が形成された空間によって、電極室９が形成されている。ケース４に開けられている貫通孔４ｄ（つまり、電極室９の上部）には、軸電極７ｂを支持する支持部材８が設けられている。この支持部材８は電気絶縁材によって形成されており、ケース４と軸電極７ｂとの間に隙間なく設けられている。
　軸電極７ｂの他端は、バッテリ（図示せず）に電気的に接続されている。電極７には該バッテリから電気が供給される。電極７に電気が供給されると、触媒担体３に通電される。通電によって触媒担体３が発熱すると、触媒担体３に担持された排気浄化触媒１５が加熱され、その活性化が促進される。
　尚、本実施例においては、触媒担体３が本発明に係る発熱体に相当する。ただし、本発明に係る発熱体は触媒を担持する担体に限られるものではなく、例えば、発熱体は触媒の上流側に設置された構造体であってもよい。
　ここで、従来のＥＨＣにおける通電時の触媒担体の発熱状態について図７に基づいて説明する。図７は、従来のＥＨＣにおける触媒担体３及び電極７の触媒担体３の軸方向と直行する方向の断面図を示している。図７（ａ）は、表面電極７ａの触媒担体３の周方向の幅が比較的小さい場合（例えば、表面電極７ａの幅が中心角９０°の場合）の断面図を示しており、図７（ｂ）は、表面電極７ａの触媒担体３の周方向の幅が比較的大きい場合（例えば、表面電極７ａの幅が中心角９０°より大きい場合）の断面図を示している。
　図７（ａ）に示すように表面電極７ａの幅が比較的小さい場合、電極７に通電すると、触媒担体３における表面電極７ａ間に位置する部分である電極間部（図７（ａ）において灰色で示す部分）に電流が流れる。そのため、該電極間部が昇温する。しかしながら、触媒担体３における表面電極７ａ間から外側に外れている部分である電極間外部（図７（ａ）において破線で囲んだ部分）には電流が流れ難い。そのため、該電極間外部が昇温し難く、低温部となる。
　触媒担体３において、このような低温部が生じると、該低温部においては触媒の排気浄化能力が十分に発揮されなくなるため、排気浄化率の低下を招くこことになる。また、触媒担体３における温度ばらつきが大きくなると、熱応力が大きくなることによって、触媒担体３の破損を招く虞もある。
　一方、図７（ｂ）に示すような触媒担体３における低温部の発生を抑制すべく、表面電極７ａの幅を大きくすると、表面電極７ａ間の外周距離が小さくなる。そして、図７（ｂ）に示すように、表面電極７ａ間の外周距離がある程度以上小さくなると、より集中的に触媒担体３の外周面（図７（ｂ）において灰色で示す部分）を通って電流が流れ易くなる。その結果、該外周面の表面電極間に位置する部分が過剰に昇温する虞がある。
　そこで、本実施例に係るＥＨＣにおいては、一方の表面電極７ａの幅を、触媒担体３の軸方向において徐々に変化させる。図２は、本実施例に係るＥＨＣの触媒担体の外周面を展開した様子を示す図である。図２においては、斜線部が、表面電極７ａを示している。
　図２に示すように、一方の表面電極７ａの幅が、触媒担体３の前端（排気の入口）から後端（排気の出口）に向かって徐々に小さくなっている。尚、他方の表面電極７ａの幅は均一である。そして、一方の表面電極７ａの幅が大きい前端近傍部分（図２における範囲Ａの部分）では、表面電極７ａ間を流れる電流が主に触媒担体３の表面を通って流れる程、表面電極７ａ間の外周距離が小さくなっている。また、該前端近傍部分より下流側の部分（図２における範囲Ｂの部分）では、表面電極７ａ間を流れる電流が主に触媒担体３の内部を通って流れるように、表面電極７ａ間の外周距離が大きくなっている。
　表面電極７ａを上記のように形成することで、通電した際に、触媒担体３の前端近傍部分では電極間外部を昇温させ、触媒担体３の前端近傍部分より下流側の部分では電極間部を昇温させることができる。つまり、触媒担体３の軸方向全体でみれば、該触媒担体３における軸方向と直行する断面方向の全体を昇温させることが可能となる。
　これにより、触媒担体３の、電極間部に位置するセル及び電極間外部に位置するセルのいずれにおいても、少なくとも軸方向におけるいずれかの部分が昇温していることなる。従って、活性化した排気浄化触媒１５と接することなくＥＨＣ１を通過する排気の流量が抑制される。そのため、排気浄化率を向上させることができる。また、通電時における触媒担体３の温度分布のばらつきが抑制されるため、触媒担体３が破損することを抑制することができる。
　尚、上記においては、一対の電極７のうち一方の電極の表面電極７ａのみ、触媒担体３の軸方向において、その幅を徐々に変更するようにしたが、両方の電極の表面電極７ａの幅を徐々に変更するようにしてもよい。また、この場合、一方の表面電極７ａの幅を、触媒担体３の前端から後端に向かって徐々に小さくし、他方の表面電極７ａの幅を、触媒担体３の前端から後端に向かって徐々に大きくするようにしてもよい。
　また、表面電極７ａの幅を触媒担体３の軸方向において段階的に変更してもよい。例えば、図２において、表面電極７ａの幅を、範囲Ａの部分では範囲Ｂの部分よりも大きくすると共に、範囲Ａの部分及び範囲Ｂの部分それぞれにおいては一定としてもよい。
　（変形例）
　図３は、本実施例の変形例に係るＥＨＣの触媒担体の外周面を展開した様子を示す図である。図３においては、図２と同様、斜線部が、表面電極７ａを示している。
　本変形例においては、両方の表面電極７ａにおいて、触媒担体３の後端近傍部分（図３における範囲Ａの部分）が、該後端近傍部分よりも上流側の部分（図３における範囲Ｂの部分）より幅が大きくなっている。これにより、後端近傍部分では、表面電極７ａ間を流れる電流が主に触媒担体３の表面を通って流れる程、表面電極７ａ間の外周距離が小さくなっている。また、該後端近傍部分より上流側の部分では、表面電極７ａ間を流れる電流が主に触媒担体３の内部を通って流れるように、表面電極７ａ間の外周距離が大きくなっている。
　図２に示すように、表面電極７ａの触媒担体３の前端近傍部分の幅を大きくし、該前端近傍部分においては表面電極７ａ間を流れる電流が主に触媒担体３の表面を通って流れるようにすることで、通電時に、該前端近傍部分では電極間外部を昇温させることができる。しかしながら、触媒担体３の前端近傍部分は、ＥＨＣ１に流入する排気によって冷却され易い。そのため、触媒担体３の前端近傍部分において電極間外部を昇温させても、通電停止後に、該前端近傍部分の電極間外部の温度は比較的短時間で低下し易い。
　これに対し、表面電極７ａの触媒担体３の後端近傍部分では、ＥＨＣ１の通過中に熱伝達によって温度が上昇した排気が通過する。そのため、該後端近傍部分は排気によって冷却され難い。そのため、本変形例のように、触媒担体３の後端近傍部において電極間外部を昇温させた方が、触媒担体３の前端近傍部において電極間外部を昇温させた場合に比べて、通電停止後に電極間外部の温度が低下し難い。その結果、高い排気浄化率をより長時間維持することが可能となる。
　＜実施例２＞
　本実施例に係る電気加熱式触媒（ＥＨＣ）の概略構成は、表面電極の構成を除き、実施例１に係るＥＨＣと同様である。以下、本実施例に係るＥＨＣの表面電極の構成について説明する。
　図４は、本実施例に係るＥＨＣの触媒担体の外周面を展開した様子を示す図である。図４においては、斜線部が、表面電極７ａを示している。図４に示すように、本実施例においては、一対の電極７のいずれにおいても表面電極７ａの幅は均一である。ただし、表面電極７ａにおける電気抵抗値の分布が不均一となっている。図４において、Ｓ，Ｍ，及びＬが、表面電極７ａにおける電気抵抗値の大きさを示している。表面電極７ａにおいて、Ｓで示す部分はＭで示す部分よりも電気抵抗値が小さく、Ｌで示す部分はＭで示す部分よりも電気抵抗値が大きい。つまり、表面電極７ａにおいては、ＳからＭ、ＳからＬ、或いはＭからＬに向かって電気抵抗値が徐々に大きくなっている。
　尚、該表面電極７ａの厚さを場所によって変えることで、表面電極７ａの電気抵抗値を変化させることができる。つまり、表面電極７ａにおいて、比較的薄い部分は比較的厚い部分に比べて電気抵抗値が大きい。また、表面電極７ａを形成する材料を場所によって変えることでも、表面電極７ａの電気抵抗値を変化させることができる。
　表面電極７ａは、触媒担体３の外周面に沿って延びているため、該触媒担体３の軸方向と直交する方向の断面形状は円弧状になっている。そのため、表面電極７ａ間の触媒担体３を挟んだ直線距離は、触媒担体３の周方向（表面電極７ａの幅方向）において、中央部が最も大きくなり、両端部が最も小さくなっている。そして、表面電極７ａの電気抵抗値の分布が均一であれば、表面電極７ａ間の距離が小さい所ほど、より多くの電流が流れ易い。
　そこで、本実施例では、表面電極７ａの幅方向における表面電極７ａ間を流れる電流の流量のばらつきを抑制すべく、図４に示すように、表面電極７ａの電気抵抗値が、その幅方向において、中央部分が最も小さくなっており、端部（以下、この方向における表面電極７ａの端部を「表面電極７ａの周端部」と称する）に近づくほど徐々に大きくなっている。
　そして、本実施例では、さらに、一方の表面電極７ａにおいて、その周端部近傍の電気抵抗値を、触媒担体３の軸方向において徐々に変化させる。つまり、図４に示すように、一方の表面電極７ａの周端部近傍の電気抵抗値が、触媒担体３の前端（排気の入口）から後端（排気の出口）に向かって徐々に大きくなっている。そして、一方の表面電極７ａの周端部の電気抵抗値が最も小さい前端近傍部分（図４における範囲Ａの部分）では、表面電極７ａ間を流れる電流が主に触媒担体３の表面を通って流れる程、その電気抵抗値が小さくなっている。また、該前端近傍部分より下流側の部分（図４における範囲Ｂの部分）では、表面電極７ａ間を流れる電流が主に触媒担体３の内部を通って流れるように、周端部の電気抵抗値が比較的大きくなっている。
　表面電極７ａを上記のように形成することで、実施例１に係るＥＨＣと同様、通電した際に、触媒担体３の前端近部部分では電極間外部を昇温させ、触媒担体３の前端近傍部分より下流側の部分では電極間部を昇温させることができる。つまり、触媒担体３の軸方向全体でみれば、該触媒担体３における軸方向と直行する断面方向の全体を昇温させることが可能となる。これにより、実施例１の場合と同様の理由で、排気浄化率を向上させることができ、また、触媒担体３が破損することを抑制することができる。
　尚、上記においては、一対の電極７のうち一方の電極の表面電極７ａのみ、触媒担体３の軸方向において、周端部における電気抵抗値を徐々に変更するようにしたが、両方の電極の表面電極７ａにおける周端部の電気抵抗値を、触媒担体３の軸方向において徐々に変更するようにしてもよい。また、この場合、一方の表面電極７ａにおける周端部の電気抵抗値を、触媒担体３の前端から後端に向かって徐々に大きくし、他方の表面電極７ａにおける周端部の電気抵抗値を、触媒担体３の前端から後端に向かって徐々に大きくするようにしてもよい。
　また、表面電極７ａの周端部における電気抵抗値を触媒担体３の軸方向において段階的に変更してもよい。例えば、図４において、表面電極７ａの周端部における電気抵抗値を、範囲Ａの部分では範囲Ｂの部分よりも小さくすると共に、範囲Ａの部分及び範囲Ｂの部分それぞれにおいては一定値としてもよい。
　（変形例）
　図５は、本実施例の変形例に係るＥＨＣの触媒担体の外周面を展開した様子を示す図である。図５においては、図４と同様、斜線部が、表面電極７ａを示している。また、図５においては、図４と同様、Ｓ，Ｍ，及びＬが、表面電極７ａにおける電気抵抗値の大きさを示している。表面電極７ａにおいて、Ｓで示す部分はＭで示す部分よりも電気抵抗値が小さく、Ｌで示す部分はＭで示す部分よりも電気抵抗値が大きい。
　本変形例においては、図５に示すように、両方の表面電極７ａにおいて、触媒担体３の後端近傍部分（図５における範囲Ａの部分）の方が、該後端近傍部分よりも上流側の部分（図５における範囲Ｂの部分）より、周端部の電気抵抗値が小さくなっている。これにより、後端近傍部分では、表面電極７ａ間を流れる電流が主に触媒担体３の表面を通って流れる程、表面電極７ａの周端部における電気抵抗値が小さくなっている。また、該後端近傍部分より上流側の部分では、表面電極７ａ間を流れる電流が主に触媒担体３の内部を通って流れるように、表面電極７ａの周端部における電気抵抗値が大きくなっている。
　これにより、実施例１の変形例に係るＥＨＣと同様、触媒担体３の後端近傍部において電極間外部を昇温させることができる。そのため、触媒担体３の前端近傍部において電極間外部を昇温させた場合に比べて、通電停止後に電極間外部の温度が低下し難い。その結果、高い排気浄化率をより長時間維持することが可能となる。
　＜参考例＞
　図６は、参考例に係るＥＨＣの概略構成を示す図である。本参考例においては、図６に示すように、ＥＨＣ１のケース４内において、触媒担体３がその軸方向において二つに分割されている。また、一対の電極７は、上流側及び下流側の触媒担体３それぞれに設けられている。そして、各触媒担体３の外周面に設けられた表面電極７ａは、触媒担体３の周方向の位置が互いに重ならないように配置されている。例えば、表面電極７ａの幅が中心角９０°の場合は、上流側の触媒担体３に設けられた表面電極７ａと下流側の触媒担体３に設けられた表面電極７ａとが周方向において互いに９０°ずれた位置に配置されてもよい。
　そして、通電した際には、各触媒担体３において、電極間部を通って表面電極７ａ間に電流が流れる。そのため、各触媒担体３においては、電極間外部が低温部となる。しかしながら、上流側の触媒担体３においては電極間外部となっている部分が、下流側の触媒担体３においては電極間部となっている。また、下流側の触媒担体３においては電極間外部となっている部分が、上流側の触媒担体３においては電極間部となっている。
　従って、上流側及び下流側の触媒担体３を合わせて軸方向全体でみれば、触媒担体３における軸方向と直行する断面方向の全体を昇温させることができる。そのため、排気浄化率を向上させることができる。
　尚、触媒担体３を軸方向において三つ以上に分割することもできる。
１・・・電気加熱式触媒（ＥＨＣ）
３・・・触媒担体
４・・・ケース
７・・・電極
７ａ・・表面電極
７ｂ・・軸電極

Claims (3)

  1. 　円柱状に形成され、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱する発熱体と、
    　前記発熱体に電気を供給する電極であって、前記発熱体の外周面に沿って該発熱体の軸方向及び周方向に延びる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられた一対の電極と、を備え、
    　前記表面電極間を流れる電流が、前記発熱体の軸方向において、一部では主に前記発熱体の外周面を通って流れ、他の部分では主に前記発熱体の内部を通って流れるように、前記表面電極が形成されている電気加熱式触媒。
  2. 　少なくとも一方の前記表面電極の前記発熱体の周方向における幅が、前記発熱体の軸方向において異なっている請求項１に記載の電気加熱式触媒。
  3. 　少なくとも一方の前記表面電極の前記発熱体の周方向における電気抵抗値の分布が、前記発熱体の軸方向において異なっている請求項１に記載の電気加熱式触媒。
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