WO2012137577A1 - 触媒コンバータ装置 - Google Patents

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WO2012137577A1
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慶太 橋元
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a catalytic converter device provided in an exhaust pipe of an internal combustion engine.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 04-280086
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 04-280086
  • Japanese Patent Laid-Open No. 04-280086 has a square cell (through hole) having a square cross-sectional shape, and a pair is formed so that an angle formed with the through hole wall is an acute angle.
  • a honeycomb monolith heater in which uniform heat generation can be obtained by arranging the electrode plates.
  • the vicinity of the electrode plate in contact with the catalyst carrier (that is, directly under the electrode plate) is connected to the discharge from the electrode plate or the electrode plate. Since there is heat transfer to the cable, the temperature of the catalyst carrier in the vicinity of the electrode plates tends to be lower than the central portion of the catalyst carrier between the electrode plates.
  • the present invention has been made in consideration of the above facts, and an object of the present invention is to obtain a catalytic converter device that can reduce the temperature unevenness of the catalyst carrier and approximate a uniform temperature distribution.
  • a catalytic converter device carries a catalyst for purifying exhaust gas discharged from an internal combustion engine and is heated by energization, and an orthogonal cross section orthogonal to the flow direction of the exhaust gas. And a pair of electrodes disposed in contact with the outer periphery of the catalyst carrier at positions facing each other with the catalyst carrier in between, and an external cable connected to each of the electrodes to supply current to the electrodes
  • By making the volume resistivity of the electrode higher than that of the current-carrying portion heat generation at the electrode is given to the catalyst carrier, and the heat generation amount of the catalyst carrier in the vicinity of the electrode is compared with the heat generation amount inside the catalyst carrier. Is a lot of things.
  • the catalytic converter device is the catalytic converter device according to the first aspect, wherein the external cable is connected to a position where the distance between the pair of electrodes is long when viewed in the orthogonal cross section.
  • the pair of electrodes is configured such that the volume resistivity increases in a direction in which the distance between the pair of electrodes is shortened from a position where the external cable is connected as viewed in the orthogonal cross section. is there.
  • the pair of electrodes are arranged in contact with the outer periphery of the catalyst carrier so as to face each other with the catalyst carrier interposed therebetween, and the external cables connected to the pair of electrodes respectively.
  • the catalyst carrier When the catalyst carrier is energized, the catalyst carrier is heated and heated up, so that the exhausted purification effect is exhibited by the supported catalyst.
  • the volume resistivity of the electrode higher than that of the current-carrying part of the external cable, heat generation at the electrode is given to the catalyst carrier, and the heat generation amount of the catalyst carrier in the vicinity of the electrode is compared with the heat generation amount inside the catalyst carrier To do more.
  • the amount of heat dissipated in the vicinity of the electrode of the catalyst carrier is larger due to heat dissipation from the electrode and heat transfer to the external cable than in the catalyst carrier, but heat generation at the electrode can be achieved by increasing the volume resistivity of the electrode.
  • the calorific value of the catalyst carrier in the vicinity of the electrode is increased as compared with the calorific value inside the catalyst carrier to obtain a calorific value in anticipation of the heat radiation amount of the catalyst carrier (a calorific value that supplements the heat radiation amount).
  • the heat generation at each part of the catalyst carrier is equalized, and it is possible to reduce the temperature unevenness of the catalyst carrier and approximate a uniform temperature distribution.
  • the external cable is connected to a position where the distance between the pair of electrodes is long when viewed in an orthogonal cross section, and the position between the pair of electrodes from the position where the external cable is connected.
  • the volume resistivity of the pair of electrodes increases in the direction in which the distance between the pair of electrodes decreases, and the current increases from the position where the external cable is connected toward the direction in which the distance between the pair of electrodes decreases. It becomes difficult to flow.
  • the current is generated at the portion of the catalyst carrier where the distance between the pair of electrodes is shorter than the portion of the catalyst carrier where the distance between the pair of electrodes is long.
  • the volume resistivity of a pair of electrode may become high toward the direction where the distance between a pair of electrodes becomes short, and the part of a catalyst carrier with a long distance between a pair of electrodes and a pair. This facilitates equalization of the ease of current flow in the portion of the catalyst support where the distance between the electrodes is short. This makes it possible to flow the current more uniformly through the catalyst carrier, and more effectively reduce the temperature unevenness of the catalyst carrier to approach a uniform temperature distribution.
  • the catalytic converter device According to the catalytic converter device according to the present invention, it is possible to reduce the temperature unevenness of the catalyst carrier and approximate a uniform temperature distribution.
  • FIG. 1A shows a catalytic converter device 12 according to the present embodiment.
  • the catalytic converter device 12 is mounted in the middle of the exhaust pipe. Exhaust gas from the engine flows in the exhaust pipe.
  • FIG. 1B shows the catalytic converter device 12 in a cross section (cross section 2-2 in FIG. 1A) perpendicular to the flow direction of the exhaust gas. is there.
  • the catalytic converter device 12 includes a catalyst carrier 14 formed of a material having conductivity and rigidity.
  • the catalyst carrier 14 is formed in a honeycomb shape to increase the surface area of the material.
  • a catalyst platinum, palladium, rhodium, etc.
  • the catalyst has an action of purifying harmful substances in the exhaust gas flowing in the exhaust pipe (the flow direction is indicated by F1).
  • the structure for increasing the surface area of the catalyst carrier 14 is not limited to the above honeycomb shape, and may be, for example, a wave shape.
  • a conductive ceramic, a conductive resin, a metal, or the like can be applied.
  • a conductive ceramic is particularly used.
  • a material constituting the catalyst carrier 14 for example, it is preferable to include at least silicon carbide because high strength and heat resistance can be obtained.
  • the electrical resistivity is 10 to 200 ⁇ ⁇ cm, the temperature of the supported catalyst can be increased efficiently when energized as will be described later.
  • the porosity of the catalyst carrier is preferably in the range of 30 to 60%. When the porosity is 30% or more, a necessary surface area is secured and a large amount of catalyst can be supported. Moreover, it becomes possible to maintain the intensity
  • Two electrodes 16A and 16B are attached to the catalyst carrier 14, and terminals 18A and 18B are connected to the centers of the electrodes 16A and 16B, respectively.
  • External cables 30 for supplying current are connected to the terminals 18A and 18B, respectively (see FIG. 2A).
  • the electrodes 16A and 16B are arranged in contact with the catalyst carrier 14 in a range having a predetermined spread along the outer peripheral surface of the catalyst carrier 14, and the catalyst carrier 14 is energized from the terminals 18A and 18B through the electrodes 16A and 16B.
  • the catalyst carrier 14 can be heated.
  • the temperature of the catalyst carried on the catalyst carrier 14 is raised, so that the exhaust gas purifying action of the catalyst can be exhibited to a higher degree.
  • the catalyst carrier 14 when viewed in a cross section (orthogonal cross section) orthogonal to the flow direction of the exhaust, the catalyst carrier 14 has both sides of the elliptical long axis LA in the width direction as the long axis LA. It is a so-called track shape formed in a substantially parallel and linear shape. Then, a pair of electrodes 16A and 16B are arranged at positions facing each other across the catalyst carrier 14 so that the central portions (electrode centers 16C) of the electrodes 16A and 16B are located on the long axis LA of the catalyst carrier 14 is doing.
  • a center line CL is set as a line segment connecting the electrode centers 16C of the electrodes 16A and 16B, and the width W is defined as the length of the catalyst carrier 14 measured in a direction orthogonal to the center line CL.
  • the center line CL coincides with the long axis LA of the catalyst carrier 14.
  • the catalyst carrier 14 has a symmetrical shape in FIG. 1B around the center line CL (long axis LA). Furthermore, the catalyst carrier 14 has a vertically symmetric shape in FIG. 1B, with the vertical bisector VD of the center line CL as the center.
  • the catalyst carrier 14 is formed with a gradually decreasing width portion 14D in which a width W in a direction orthogonal to the center line CL is gradually reduced toward the electrode center 16C at a portion where the electrodes 16A and 16B are in contact with each other.
  • the portion where the electrodes 16A and 16B are attached is a curved surface portion that curves in a convex shape toward the electrode 16A or the electrode 16B.
  • the catalyst carrier 14 is formed with a wide portion 14W whose outer edge is wider than a portion where the electrodes 16A and 16B are arranged in contact with each other (gradually reduced width portion 14D) in a portion where the electrodes 16A and 16B are not arranged in contact with each other.
  • the wide portion 14W is formed in a straight line substantially parallel to the center line CL.
  • the wide portion 14W is a maximum width portion where the width W of the catalyst carrier 14 is maximum.
  • the width W of the catalyst carrier 14 is shorter than the length L1 of the center line CL (long axis LA) at an arbitrary position.
  • the wide portion 14W of the catalyst carrier 14 is formed in a straight line substantially parallel to the center line CL, and the amount of reduction in the cross-sectional area of the current flow in the wide portion 14W with respect to the vicinity of the electrodes 16A and 16B is small. Less and less decrease in current density. For this reason, the calorific value in the catalyst carrier 14 can be made uniform.
  • the volume resistivity of the electrodes 16A and 16B is made higher than that of the energizing portion (electric wire) of the external cable 30, heat generated at the electrodes 16A and 16B is given to the catalyst carrier 14, and the catalyst carrier in the vicinity of the electrodes 16A and 16B. 14 is configured to be larger than the amount of heat generated inside the catalyst carrier 14 (for example, near the center 14C of the catalyst carrier 14 between the electrodes 16A and 16B).
  • the volume resistivity means an electric resistance value ( ⁇ ⁇ cm) per unit volume. The resistance value of the entire material is obtained by multiplying the volume resistivity by the length (L) and dividing by the cross-sectional area (A).
  • the volume resistivity is a value (physical property value) specific to a substance, and when a comparison is made with the same dimensions, a substance having a large volume resistivity has a large resistance value.
  • the volume resistivity is increased by adjusting the materials of the electrodes 16A and 16B and the amount of additive added to the materials.
  • the balance between the amount of heat generated and the amount of heat released is in the vicinity of the electrodes 16A and 16B (just below the electrodes 16A and 16B in the figure) and inside the catalyst carrier 14 (for example, the electrodes). 16A and 16B must be substantially the same in the vicinity of the center 14C of the catalyst carrier 14).
  • a uniform temperature distribution is realized by controlling the heat generation amount of the catalyst carrier 14 in the vicinity of the electrodes 16A and 16B.
  • FIG. 2A schematically shows the amount of heat generated in the vicinity of the electrodes 16A and 16B of the catalyst carrier 14 and the central part of the catalyst carrier 14, and FIG. 2B shows the vicinity of the electrodes 16A and 16B of the catalyst carrier 14 and the catalyst carrier.
  • the amount of heat radiation at the center of 14 is schematically shown.
  • 2C schematically shows the temperatures of the vicinity of the electrodes 16A and 16B of the catalyst carrier 14 and the central portion of the catalyst carrier 14.
  • a holding member 24 formed in a cylindrical shape by an insulating material is disposed on the outer periphery of the catalyst carrier 14. Further, a case cylinder 28 formed in a cylindrical shape with a metal such as stainless steel is disposed on the outer periphery of the holding member 24. That is, the catalyst carrier 14 is accommodated inside the cylindrical case cylinder 28, and the catalyst carrier 14 is placed in the case cylinder 28 by the holding member 24 disposed between the case cylinder 28 and the catalyst carrier 14. It is held without gaps inside. Since the insulating holding member 24 is disposed between the catalyst carrier 14 and the case cylinder 28, the flow of current from the catalyst carrier 14 to the case cylinder 28 is prevented.
  • the catalytic converter device 12 has a case cylinder 28 attached in the middle of the exhaust pipe, and the exhaust passes through the inside of the catalyst carrier 14 in the direction of arrow F1. At this time, harmful substances in the exhaust gas are purified by the catalyst supported on the catalyst carrier 14.
  • a current is supplied from the external cable 30, the catalyst carrier 14 is energized by the terminals 18A and 18B and the electrodes 16A and 16B, and the catalyst carrier 14 is heated.
  • the current between the electrodes 16A and 16B flows as shown by an arrow EC.
  • the temperature of the catalyst supported on the catalyst carrier 14 can be raised and the purification action can be exerted to a high degree. For example, when the temperature of the exhaust gas is low, such as immediately after starting the engine, the catalyst purification performance in the initial stage of engine starting can be ensured by conducting energization heating to the catalyst carrier 14 in advance.
  • the volume resistivity of the pair of electrodes 16A and 16B facing each other with the catalyst carrier 14 interposed therebetween is set higher than that of the energization portion of the external cable 30.
  • FIGS. 5A to 5C a catalytic converter device 112 of a comparative example in which the volume resistivity of the pair of electrodes 116A and 116B is not increased as compared with the energization portion of the external cable 130 is assumed.
  • FIG. 5B the amount of heat release in the vicinity of the electrodes 116A and 116B of the catalyst carrier 114 is large due to heat release from the electrodes 116A and 116B and heat transfer to the external cable 130 (see FIG. 2B). Therefore, as shown in FIG. 5A, even if the current distribution inside the catalyst carrier 114 is made substantially uniform and uniform heat generation is realized, the amount of heat radiation is large, so as shown in FIG.
  • the temperature in the vicinity of 116A and 116B is lower than the temperature at the center of the catalyst carrier 14.
  • the electrodes 16A and 16B are made to be higher by making the volume resistivity of the electrodes 16A and 16B higher than that of the energized portion of the external cable 30.
  • the generated heat is applied to the catalyst carrier 14 so that the amount of heat generated in the vicinity of the electrodes 16A and 16B of the catalyst carrier 14 (just below the electrodes 16A and 16B) is larger than the amount of heat generated at the center of the catalyst carrier 14.
  • the amount of heat generated near the electrodes 16A and 16B of the catalyst carrier 14 is increased as compared with the amount of heat generated at the center of the catalyst carrier 14 so as to compensate for the amount of heat released near the electrodes 16A and 16B of the catalyst carrier 14 (catalyst carrier 14).
  • the calorific value in the vicinity of the electrodes 16A and 16B is a calorific value in anticipation of the heat radiation amount of the catalyst carrier 14).
  • the two electrodes 56 ⁇ / b> A are opposed to the gradually decreasing width portion 14 ⁇ / b> D of the catalyst support 14 with the catalyst support 14 interposed therebetween.
  • 56B are attached, and terminals 18A, 18B are connected to the centers of the electrodes 56A, 56B, respectively. That is, the external cable 30 (see FIG. 2A) is connected to the position where the distance between the pair of electrodes 56A and 56B is long (the position of the center line CL in the present embodiment) via the terminals 18A and 18B. Yes.
  • the pair of electrodes 56A and 56B has a volume in a direction in which the distance between the pair of electrodes 56A and 56B becomes shorter from the position where the terminals 18A and 18B are provided (position where the external cable 30 is connected) when viewed in an orthogonal cross section.
  • the resistivity is increased.
  • the pair of electrodes 56A and 56B has a position 60B (catalyst carrier 14) where the distance between the pair of electrodes 56A and 56B is shortened from the position 60A (position of the center line CL) where the distance between the pair of electrodes 56A and 56B is long.
  • the volume resistivity is increased toward the wide portion 14W side).
  • the volume resistivity increases in the direction in which the distance between the pair of electrodes 56A and 56B decreases. It is comprised so that it may become.
  • the volume resistivity of the electrodes 56A and 56B may be configured to gradually increase from the position where the terminals 18A and 18B are provided toward the direction in which the distance between the pair of electrodes 56A and 56B decreases. You may comprise so that it may become high.
  • the catalytic converter device 52 is configured such that the volume resistivity increases from a position where the distance between the pair of electrodes 56A and 56B is long toward a direction in which the distance between the pair of electrodes 56A and 56B is shortened. As the distance between the electrodes 56A and 56B increases (the position where the terminals 18A and 18B are provided), the current is less likely to flow as the distance between the pair of electrodes 56A and 56B decreases.
  • the volume resistivity of the catalyst carrier 14 is higher than the volume resistivity of the electrodes 56A and 56B, the pair of electrodes 56A and 56B is longer than the portion of the catalyst carrier 14 (near the center line CL). A current tends to flow at a portion of the catalyst carrier 14 (near the wide portion 14W) where the distance between the electrodes 56A and 56B is short.
  • the volume resistivity of the pair of electrodes 56A and 56B increases from the position where the distance between the pair of electrodes 56A and 56B is long toward the direction in which the distance between the pair of electrodes 56A and 56B becomes shorter.
  • the electrodes 56A and 56B and the catalyst carrier 14 are configured to have substantially the same electrical resistance at the position 60B where the distance is short.
  • a portion surrounded by the catalyst carrier 14 indicated by a two-dot chain line in FIG. 4 indicates the electric resistance by the catalyst carrier 14.
  • the electrical resistance of the catalyst carrier 14 is larger than at the position 60B where the distance between the pair of electrodes 56A and 56B is short.
  • the outside of the portion surrounded by the catalyst carrier 14 at the position 60B where the distance between the pair of electrodes 56A and 56B in FIG. 4 is short indicates the electrical resistance due to the electrodes 56A and 56B.
  • the electrode 56A, the total electrical resistance is substantially the same at the position 60A where the distance between the pair of electrodes 56A, 56B is long and the position 60B where the distance between the pair of electrodes 56A, 56B is short.
  • the volume resistivity of 56B is adjusted.
  • the ease of current flow with the 14 parts is equalized, and the current can flow more uniformly through the catalyst carrier 14. For this reason, the temperature unevenness of the catalyst carrier 14 can be reduced more effectively, and the catalyst carrier 14 can be brought closer to a substantially uniform temperature distribution.
  • the catalyst carrier 14 includes the gradually decreasing width portion 14D in which the width W in the direction orthogonal to the center line CL gradually decreases toward the electrode center at the portion where the pair of electrodes are in contact with each other, and the pair of electrodes.
  • the present invention is not limited to this configuration, and the shape of the catalyst carrier can be changed.
  • the shape of the catalyst carrier can be changed to an elliptical shape, a drum shape, a circular shape, or the like when viewed in a cross section orthogonal to the flow direction of the exhaust gas.

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Abstract

　触媒担体の温度ムラを少なくして均一な温度分布に近づけることが可能な触媒コンバータ装置を得る。　触媒コンバータ装置（１２）は、通電によって加熱される触媒担体（１４）と、排気の流れ方向と直交する直交断面で見て触媒担体の外周に接触配置された一対の電極（１６Ａ、１６Ｂ）とを備えている。電極（１６Ａ、１６Ｂ）にそれぞれ接続されて電極に電流を供給するための外部ケーブル（３０）の通電部よりも電極（１６Ａ、１６Ｂ）の体積抵抗率を高くすることで、電極での発熱を触媒担体（１４）に与えて、電極近傍における触媒担体の発熱量を触媒担体の内部の発熱量に比べて多くする。これにより、電極近傍における触媒担体の発熱量を電極付近からの放熱量を見越した発熱量とする。

Description

触媒コンバータ装置
　本発明は、内燃機関の排気管に設けられる触媒コンバータ装置に関する。
　内燃機関で生じた排気を浄化するために排気管に設けられる触媒コンバータ装置では、触媒を担持する金属製触媒担体を通電して昇温させ、十分な触媒効果が得られるようにすることが望まれる。たとえば、特許文献１（特開平０４－２８００８６号公報）には、断面形状が正方形である正方形セル（貫通孔）を有し、この貫通孔壁とで形成される角度が鋭角となるように一対の電極板を配置することで、均一な発熱性を得られるようにしたハニカムモノリスヒータが開示されている。
特開平０４－２８００８６号公報
　しかし、触媒担体の内部への電流分布をほぼ均一にして均等発電を行っても、触媒担体に接触する電極板の近傍（すなわち電極板の直下）は、電極板からの放電や電極板に接続されるケーブルへの伝熱があるために、電極板の近傍の触媒担体の温度が電極板間における触媒担体の中央部に比べて低下しやすい。
　本発明は上記事実を考慮し、触媒担体の温度ムラを少なくして均一な温度分布に近づけることが可能な触媒コンバータ装置を得ることが目的である。
　本発明の第１の態様の触媒コンバータ装置は、内燃機関から排出される排気を浄化するための触媒を担持し、通電によって加熱される触媒担体と、前記排気の流れ方向と直交する直交断面で見て前記触媒担体を挟んで対向する位置で前記触媒担体の外周に接触配置された一対の電極と、を有すると共に、前記電極にそれぞれ接続されて前記電極に電流を供給するための外部ケーブルの通電部よりも前記電極の体積抵抗率を高くすることで、前記電極での発熱を前記触媒担体に与えて、前記電極近傍における前記触媒担体の発熱量を前記触媒担体の内部の発熱量に比べて多くしたものである。
　本発明の第２の態様の触媒コンバータ装置は、第１の態様に記載の触媒コンバータ装置において、前記直交断面で見て前記一対の電極間の距離が長い位置に前記外部ケーブルが接続されており、前記一対の電極は、前記直交断面で見て前記外部ケーブルが接続された位置から前記一対の電極間の距離が短くなる方向に向かって体積抵抗率が高くなるように構成されているものである。
　本発明の第１の態様の触媒コンバータ装置によれば、触媒担体を挟んで対向するように一対の電極が触媒担体の外周に接触配置されており、一対の電極にそれぞれ接続された外部ケーブルにより触媒担体が通電されると、触媒担体は加熱されて昇温されるので、担持された触媒により排気の浄化効果が発揮される。その際、電極の体積抵抗率を外部ケーブルの通電部よりも高くすることで、電極での発熱を触媒担体に与えて、電極近傍における触媒担体の発熱量を触媒担体の内部の発熱量に比べて多くする。すなわち、触媒担体の電極近傍は、触媒担体の内部に比べて、電極からの放熱や外部ケーブルへの伝熱により放熱量が大きいが、電極の体積抵抗率を高くすることによって、電極での発熱により電極近傍における触媒担体の発熱量を触媒担体の内部の発熱量に比べて増加させ、触媒担体の放熱量を見越した発熱量とする（放熱量を補うような発熱量とする）。これによって、触媒担体の各部位での発熱が均等化され、触媒担体の温度ムラを少なくして均一な温度分布に近づけることが可能である。
　本発明の第２の態様の触媒コンバータ装置によれば、直交断面で見て一対の電極間の距離が長い位置に外部ケーブルが接続されており、外部ケーブルが接続された位置から一対の電極間の距離が短くなる方向に向かって一対の電極の体積抵抗率が高くなるように構成されており、外部ケーブルが接続された位置から一対の電極間の距離が短くなる方向に向かうにしたがって電流が流れにくくなる。一般的に、触媒担体の体積抵抗率は電極の体積抵抗率よりも高いため、一対の電極間の距離が長い触媒担体の部位よりも一対の電極間の距離が短い触媒担体の部位で電流が流れようとするが、一対の電極間の距離が短くなる方向に向かって一対の電極の体積抵抗率が高くなるように構成することで、一対の電極間の距離が長い触媒担体の部位と一対の電極間の距離が短い触媒担体の部位における電流の流れやすさを均等化する。これによって、触媒担体に電流をより均一に流すことが可能となり、より効果的に触媒担体の温度ムラを少なくして均一な温度分布に近づけることが可能である。
　本発明に係る触媒コンバータ装置によれば、触媒担体の温度ムラを少なくして均一な温度分布に近づけることが可能である。
本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を示す図であって、排気の流れ方向に沿った断面図である。 本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を示す図であって、排気の流れ方向と直交する方向での断面図である。 図１Ｂに示す触媒コンバータ装置の触媒担体及び電極を排気の流れ方向と直交する断面で示す図であって、触媒担体の発熱量を示す概念図である。 図１Ｂに示す触媒コンバータ装置の触媒担体及び電極を排気の流れ方向と直交する断面で示す図であって、触媒担体の放熱量を示す概念図である。 図１Ｂに示す触媒コンバータ装置の触媒担体及び電極を排気の流れ方向と直交する断面で示す図であって、触媒担体の温度分布を示す概念図である。 本発明の第２実施形態の触媒コンバータ装置の触媒担体及び電極を排気の流れ方向と直交する断面で示す断面図である。 図３に示す触媒コンバータ装置の触媒担体及び電極の電気抵抗を示す概念図である。 比較例の触媒コンバータ装置の触媒担体及び電極を排気の流れ方向と直交する断面で示す図であって、触媒担体の発熱量を示す概念図である。 比較例の触媒コンバータ装置の触媒担体及び電極を排気の流れ方向と直交する断面で示す図であって、触媒担体の放熱量を示す概念図である。 比較例の触媒コンバータ装置の触媒担体及び電極を排気の流れ方向と直交する断面で示す図であって、触媒担体の温度分布を示す概念図である。
　以下、図１Ａ～図４を用いて、本発明に係る触媒コンバータ装置の第１実施形態について説明する。
　図１Ａには、本実施形態に係る触媒コンバータ装置１２が示されている。触媒コンバータ装置１２は、排気管の途中に装着されるようになっている。排気管内には、エンジンからの排気が流れるが、図１Ｂは、この排気の流れ方向と直交する方向の断面（図１Ａの２－２線断面）にて、触媒コンバータ装置１２を示したものである。
　図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、触媒コンバータ装置１２は、導電性及び剛性を有する材料によって形成された触媒担体１４を有している。触媒担体１４は、たとえばハニカム状とすることで材料の表面積が拡大されている。触媒担体１４の表面には触媒（白金、パラジウム、ロジウム等）が付着された状態で担持されている。触媒は、排気管内を流れる排気（流れ方向をＦ１で示す）中の有害物質を浄化する作用を有している。なお、触媒担体１４の表面積を増大させる構造は、上記したハニカム状に限定されるものではなく、たとえば波状等であってもよい。
　触媒担体１４を構成する材料としては、導電性セラミック、導電性樹脂や金属等を適用可能であるが、本実施形態では特に導電性セラミックとしている。触媒担体１４を構成する材料として、たとえば、少なくとも炭化珪素を含むようにすれば、高い強度や耐熱性を得られるので好ましい。さらに、電気抵抗率としては、１０～２００Ω・ｃｍとすれば、後述するように通電したときに、担持した触媒を効率的に温度上昇させることができるので好ましい。触媒担体の気孔率としては、３０～６０％の範囲とすることが好ましい。気孔率を３０％以上とすると、必要な表面積を確保して多くの触媒を担持可能となる。また、気孔率を６０％以下とすることで、触媒担体１４として求められる強度を維持することが可能となる。
　触媒担体１４には、２枚の電極１６Ａ、１６Ｂが貼着され、さらに電極１６Ａ、１６Ｂの中心にはそれぞれ端子１８Ａ、１８Ｂが接続されている。端子１８Ａ、１８Ｂには、電流を供給するための外部ケーブル３０がそれぞれ接続されている（図２Ａ参照）。電極１６Ａ、１６Ｂは、触媒担体１４の外周面に沿って所定の広がりをもった範囲で触媒担体１４に接触配置されており、端子１８Ａ、１８Ｂから電極１６Ａ、１６Ｂを通じて触媒担体１４に通電することで、触媒担体１４を加熱できる。そして、この加熱により、触媒担体１４に担持された触媒を昇温させることで、触媒が有する排気の浄化作用をより高く発揮させることができるようになっている。
　本実施形態では、図１Ｂから分かるように、排気の流れ方向と直交する断面（直交断面）で見て、触媒担体１４は、楕円形状の長軸ＬＡと直交する幅方向両側を長軸ＬＡとほぼ平行に直線状に形成した所謂トラック形状とされている。そして、触媒担体１４の長軸ＬＡ上に、電極１６Ａ、１６Ｂのそれぞれの中心部分（電極中心１６Ｃ）が位置するように、触媒担体１４を挟んで対向する位置に一対の電極１６Ａ、１６Ｂを配置している。
　ここで、電極１６Ａ、１６Ｂの電極中心１６Ｃを結ぶ線分として中心線ＣＬを設定し、この中心線ＣＬと直交する方向で測った触媒担体１４の長さとして幅Ｗを定義する。このとき、中心線ＣＬが触媒担体１４の長軸ＬＡと一致している。
　触媒担体１４は、中心線ＣＬ（長軸ＬＡ）を中心として、図１Ｂにおいて左右対称の形状となっている。さらに、触媒担体１４は、中心線ＣＬの垂直二等分線ＶＤを中心として、同じく図１Ｂにおいて上下対称の形状となっている。触媒担体１４には、電極１６Ａ、１６Ｂが接触配置された部位において中心線ＣＬと直交する方向の幅Ｗが電極中心１６Ｃに向かって漸減する漸減幅部１４Ｄが形成されている。本実施形態では、電極１６Ａ、１６Ｂが貼着された部分は、電極１６Ａまたは電極１６Ｂに向かって凸状に湾曲する曲面部となっている。また、触媒担体１４には、電極１６Ａ、１６Ｂが接触配置されていない部位において、電極１６Ａ、１６Ｂが接触配置された部位（漸減幅部１４Ｄ）よりも外縁が幅広とされた幅広部１４Ｗが形成されている。幅広部１４Ｗは、中心線ＣＬとほぼ平行に直線状に形成されている。幅広部１４Ｗは、触媒担体１４の幅Ｗが最大となる最大幅部とされている。触媒担体１４の幅Ｗは、任意の位置において、中心線ＣＬ（長軸ＬＡ）の長さＬ１よりも短くなっている。
　本実施形態では、触媒担体１４の幅広部１４Ｗが中心線ＣＬとほぼ平行に直線状に形成されており、電極１６Ａ、１６Ｂ近傍に対して幅広部１４Ｗにおける電流の流れの断面積の減少量が少なくなり、電流密度の低下が少ない。このため、触媒担体１４における発熱量の均一化を図ることができる。
　また、電極１６Ａ、１６Ｂの体積抵抗率を外部ケーブル３０の通電部（電線）よりも高くすることで、電極１６Ａ、１６Ｂでの発熱を触媒担体１４に与えて、電極１６Ａ、１６Ｂ近傍における触媒担体１４の発熱量を触媒担体１４の内部（たとえば電極１６Ａ、１６Ｂ間における触媒担体１４の中心１４Ｃ付近）の発熱量に比べて多くする構成とされている。ここで、体積抵抗率とは、単位体積あたりの電気抵抗値（Ω・ｃｍ）のことをいう。材料全体の抵抗値は、体積抵抗率に長さ（Ｌ）を掛けて断面積（Ａ）で割ると求められる。体積抵抗率は物質固有の値（物性値）であり、同じ寸法で比較した場合には体積抵抗率の大きな物質が抵抗値も大きいことになる。本実施形態では、たとえば、電極１６Ａ、１６Ｂの材料や、材料に添加する添加物の量を調整することによって、体積抵抗率を増加させている。
　通電時の触媒担体１４の温度分布をほぼ均一にするためには、発熱量と放熱量のバランスを電極１６Ａ、１６Ｂ近傍（図中の電極１６Ａ、１６Ｂ直下）と触媒担体１４の内部（たとえば電極１６Ａ、１６Ｂ間における触媒担体１４の中心１４Ｃ付近）でほぼ同じにする必要がある。
　本実施形態においては、電極１６Ａ、１６Ｂ近傍の触媒担体１４の発熱量をコントロールすることで、均等な温度分布を実現するものである。
　通電による発熱量Ｗは、
　Ｗ＝Ｒ×Ｉ２
　で表される。ここで、Ｗは発熱量、Ｉは電流、Ｒは電気抵抗である。
　また、電気抵抗Ｒは、
　Ｒ＝ρ×Ｌ／Ａ
　で表される。ここで、ρは通電体（本実施形態では電極１６Ａ、１６Ｂ）の体積抵抗率、Ｌは通電体（電極１６Ａ、１６Ｂ）の長さ、Ａは通電体（電極１６Ａ、１６Ｂ）の断面積である。上の式により、発熱量Ｗをコントロールする手段として、電極１６Ａ、１６Ｂの体積抵抗率ρがパラメータであることが分かる。
　図２Ａには、触媒担体１４の電極１６Ａ、１６Ｂ近傍と触媒担体１４の中心部の発熱量が模式的に示されており、図２Ｂには、触媒担体１４の電極１６Ａ、１６Ｂ近傍と触媒担体１４の中心部の放熱量が模式的に示されている。また、図２Ｃには、触媒担体１４の電極１６Ａ、１６Ｂ近傍と触媒担体１４の中心部の温度が模式的に示されている。
　図２Ｂに示されるように、触媒担体１４の電極１６Ａ、１６Ｂ近傍は、電極１６Ａ、１６Ｂからの放熱と外部ケーブル３０への伝熱により放熱量が大きい。そのため、図２Ａに示されるように、電極１６Ａ、１６Ｂ近傍の触媒担体１４の発熱量を触媒担体１４の中心部の発熱量よりも大きくする必要がある。このため、電極１６Ａ、１６Ｂ近傍の触媒担体１４の発熱量を増加させるために、電極１６Ａ、１６Ｂの体積抵抗率を外部ケーブル３０の通電部よりも高くしたものである。すなわち、電極１６Ａ、１６Ｂの体積抵抗率を外部ケーブル３０の通電部よりも高くことで、電極１６Ａ、１６Ｂでの発熱を触媒担体１４に与えて、電極１６Ａ、１６Ｂ近傍における触媒担体１４の発熱量を触媒担体１４の内部（たとえば電極１６Ａ、１６Ｂ間における触媒担体１４の中心１４Ｃ付近）の発熱量に比べて多くするようになっている。
　触媒担体１４の外周には、絶縁性材料によって筒状に形成された保持部材２４が配置されている。さらに、保持部材２４の外周には、ステンレス等の金属で円筒状に成形されたケース筒体２８が配置されている。すなわち、円筒状のケース筒体２８の内部に、触媒担体１４が収容されると共に、ケース筒体２８と触媒担体１４との間に配置された保持部材２４により、触媒担体１４がケース筒体２８の内部に隙間なく保持されている。そして、絶縁性を有する保持部材２４が触媒担体１４とケース筒体２８との間に配置されているので、触媒担体１４からケース筒体２８への電流の流れが阻止されている。
　次に、本実施形態の触媒コンバータ装置１２の作用並びに効果について説明する。
　触媒コンバータ装置１２は、そのケース筒体２８が排気管の途中に取り付けられており、触媒担体１４の内部を排気が矢印Ｆ１方向に通過する。このとき、触媒担体１４に担持された触媒により、排気中の有害物質が浄化される。本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、外部ケーブル３０から電流を供給し、端子１８Ａ、１８Ｂ及び電極１６Ａ、１６Ｂによって触媒担体１４を通電し、触媒担体１４を加熱する。触媒担体１４では、電極１６Ａ、１６Ｂ間の電流が矢印ＥＣのように流れる。触媒担体１４を加熱することにより、触媒担体１４に担持された触媒を昇温させ、浄化作用を高く発揮させることができる。たとえば、エンジンの始動直後等、排気の温度が低い場合には、あらかじめ触媒担体１４への通電加熱を行うことで、エンジン始動初期における触媒の浄化性能を確保できる。
　本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、触媒担体１４を挟んで対向する一対の電極１６Ａ、１６Ｂの体積抵抗率を外部ケーブル３０の通電部よりも高くする構成とされている。
　ここで、図５Ａ～図５Ｃに示されるように、一対の電極１１６Ａ、１１６Ｂの体積抵抗率を外部ケーブル１３０の通電部よりも増加させない構成とされた比較例の触媒コンバータ装置１１２を想定する。図５Ｂに示されるように、触媒担体１１４の電極１１６Ａ、１１６Ｂ近傍は、電極１１６Ａ、１１６Ｂからの放熱と外部ケーブル１３０への伝熱により放熱量が大きい（図２Ｂ参照）。そのため、図５Ａに示されるように、触媒担体１１４の内部の電流分布をほぼ均一にして均等発熱を実現しても、放熱量が大きい分、図５Ｃに示されるように、触媒担体１１４の電極１１６Ａ、１１６Ｂ近傍の温度が、触媒担体１４の中心部の温度よりも低下する。
　これに対して、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、図２Ａに示されるように、電極１６Ａ、１６Ｂの体積抵抗率を外部ケーブル３０の通電部よりも高くすることで、電極１６Ａ、１６Ｂを発熱させ、その発熱を触媒担体１４に与えて、触媒担体１４の電極１６Ａ、１６Ｂ近傍（電極１６Ａ、１６Ｂ直下）の発熱量を触媒担体１４の中心部の発熱量に比べて多くする。すなわち、触媒担体１４の電極１６Ａ、１６Ｂ近傍の放熱量を補うように、触媒担体１４の電極１６Ａ、１６Ｂ近傍の発熱量を触媒担体１４の中心部の発熱量に比べて増加させる（触媒担体１４の電極１６Ａ、１６Ｂ近傍の発熱量を触媒担体１４の放熱量を見越した発熱量とする）。これにより、触媒担体１４の各部位での発熱を均等化することができる。このため、図２Ｃに示されるように、触媒担体１４の温度ムラを少なくして、触媒担体１４をほぼ均一な温度分布に近づけることができる。
　次に、図３及び図４を用いて、本発明の第２実施形態の触媒コンバータ装置５２について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。
　図３に示されるように、排気の流れ方向と直交する断面（直交断面）で見て、触媒担体１４の漸減幅部１４Ｄには、触媒担体１４を挟んで対向するように２枚の電極５６Ａ、５６Ｂが貼着され、さらに電極５６Ａ、５６Ｂの中心にはそれぞれ端子１８Ａ、１８Ｂが接続されている。すなわち、直交断面で見て一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が長い位置（本実施形態では中心線ＣＬの位置）に端子１８Ａ、１８Ｂを介して外部ケーブル３０（図２Ａ参照）が接続されている。
　一対の電極５６Ａ、５６Ｂは、直交断面で見て端子１８Ａ、１８Ｂが設けられた位置（外部ケーブル３０が接続された位置）から一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短くなる方向に向かって体積抵抗率が高くなるように構成されている。言い換えると、一対の電極５６Ａ、５６Ｂは、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が長い位置６０Ａ（中心線ＣＬの位置）から一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短くなる位置６０Ｂ（触媒担体１４の幅広部１４Ｗ側の位置）に向かって体積抵抗率が高くなるように構成されている。
　本実施形態では、たとえば、電極５６Ａ、５６Ｂの材料や、材料に添加する添加物の量を調整することによって、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短くなる方向に向かって体積抵抗率が高くなるように構成している。電極５６Ａ、５６Ｂの体積抵抗率は、端子１８Ａ、１８Ｂが設けられた位置から一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短くなる方向に向かって徐々に高くなるように構成してもよいし、段階的に高くなるように構成してもよい。
　触媒コンバータ装置５２では、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が長い位置から一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短くなる方向に向かって体積抵抗率が高くなるように構成することで、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が長い位置（、端子１８Ａ、１８Ｂが設けられた位置）から一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短くなる方向に向かうにしたがって電流が流れにくくなる。
　一般的に、触媒担体１４の体積抵抗率は電極５６Ａ、５６Ｂの体積抵抗率よりも高いため、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が長い触媒担体１４の部位（中心線ＣＬ付近）よりも一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短い触媒担体１４の部位（幅広部１４Ｗ付近）で電流が流れようとする。これに対し、本実施形態では、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が長い位置から一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短くなる方向に向かって一対の電極５６Ａ、５６Ｂの体積抵抗率が高くなるように構成することで、図４に示されるように、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が長い位置６０Ａにおける電極５６Ａ、５６Ｂ及び触媒担体１４の電気抵抗と、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短い位置６０Ｂにおける電極５６Ａ、５６Ｂ及び触媒担体１４の電気抵抗がほぼ同じになるように構成している。
　ここで、図３に示されるように、電極５６Ａ、５６Ｂの体積抵抗率をρ、電極５６Ａ、５６Ｂの長さをＬ、電極５６Ａ、５６Ｂの断面積をＡとしたとき、電気抵抗Ｒは、
　Ｒ＝ρ×Ｌ／Ａ
　で表される。
　また、図４中の二点鎖線で示される触媒担体１４で囲まれた部分は、触媒担体１４による電気抵抗を示している。図４に示されるように、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が長い位置６０Ａでは、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短い位置６０Ｂに比べて、触媒担体１４の電気抵抗が大きい。また、図４中の一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短い位置６０Ｂにおける触媒担体１４で囲まれた部分の外側は、電極５６Ａ、５６Ｂによる電気抵抗を示している。本実施形態では、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が長い位置６０Ａと一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短い位置６０Ｂとで、トータルの電気抵抗がほぼ同じになるように、電極５６Ａ、５６Ｂの体積抵抗率を調整している。
　これによって、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が長い位置６０Ａにおける電極５６Ａ、５６Ｂ及び触媒担体１４の部位と、一対の電極５６Ａ、５６Ｂ間の距離が短い位置６０Ｂにおける電極５６Ａ、５６Ｂ及び触媒担体１４の部位との電流の流れやすさが均等化され、触媒担体１４に電流をより均一に流すことが可能となる。このため、触媒担体１４の温度ムラをより効果的に少なくして、触媒担体１４をほぼ均一な温度分布に近づけることができる。
　なお、上述した実施形態では、触媒担体１４は、一対の電極が接触配置された部位において中心線ＣＬと直交する方向の幅Ｗが電極中心に向かって漸減する漸減幅部１４Ｄと、一対の電極が接触配置されていない部位において中心線ＣＬとほぼ平行に形成された直線状の幅広部１４Ｗと、を備えているが、この構成に限定されず、触媒担体の形状は変更可能である。たとえば、触媒担体の形状は、排気の流れ方向と直交する断面で見て楕円状、太鼓状、円形状などに変更可能である。

Claims (2)

  1. 　内燃機関から排出される排気を浄化するための触媒を担持し、通電によって加熱される触媒担体と、
    　前記排気の流れ方向と直交する直交断面で見て前記触媒担体を挟んで対向する位置で前記触媒担体の外周に接触配置された一対の電極と、
    　を有すると共に、
    　前記電極にそれぞれ接続されて前記電極に電流を供給するための外部ケーブルの通電部よりも前記電極の体積抵抗率を高くすることで、前記電極での発熱を前記触媒担体に与えて、前記電極近傍における前記触媒担体の発熱量を前記触媒担体の内部の発熱量に比べて多くした触媒コンバータ装置。
  2. 　前記直交断面で見て前記一対の電極間の距離が長い位置に前記外部ケーブルが接続されており、
    　前記一対の電極は、前記直交断面で見て前記外部ケーブルが接続された位置から前記一対の電極間の距離が短くなる方向に向かって体積抵抗率が高くなるように構成されている請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
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