JP2011247162A - 通電加熱式触媒装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極が高温に晒されることを防止できる通電加熱式触媒装置を提供する。
【解決手段】通電加熱式触媒装置１００、筒状体１３０の外周面で発熱部材１２１の第一部分１２１ａと接触する第一電極１１１と、円筒体１３０の外周面で第一部分１２１ａとは異なる第二部分１２１ｂに接触する第二電極１１２とを備える。第一電極１１１および第二電極１１２間の電位差により、内部空間の発熱部材１２１に電流が流れて発熱する。
【選択図】図２

Description

この発明は、通電加熱式触媒装置に関し、より特定的には、内燃機関から排出される排気ガスを処理するための触媒を備えた通電加熱式触媒装置に関するものである。

従来、通電加熱式触媒装置は、たとえば特開２００８−８２１９９号公報（特許文献１）、特開平１１−３１１１２０号公報（特許文献２）および特開２００９−８２８７３号公報（特許文献３）に開示されている。

特開２００８−８２１９９号公報 特開平１１−３１１１２０号公報 特開２００９−８２８７３号公報

特許文献１では、エンジンが、排気管にヒータを含むＥＨＣ（electric heating catalyst）を備える構成が開示されている。ヒータにおける排気の流れと直交する方向の断面は渦状をなし、外周側から内周側にかけて径方向の幅が徐々に小さくなる。これに伴いヒータにおいて径方向に対向する部位相互間に介在する間隙の径方向の幅は、外周側ほど大きくなる。このため、排気の速度が相対的に遅くなりがちな外周側における、係る排気速度の起因するＰＭ（particulate matter）の付着が防止され、ヒータの電気的な短絡が防止される。また、ヒータの当該幅が外周側ほど小さいため、ヒータの発熱量は外周側ほど大きく、ケーシングを介した熱放射により不均一となりがちな、断面方向のＤＰＦ（diesel particulate filter）の温度分布が均一化される構成が開示されている。

特許文献２では、内燃機関の排気通路に、排気ガス中のＨＣ（炭化水素成分）を吸着するための吸着触媒装置が設けられてなる内燃機関の排気浄化装置が開示されている。吸着触媒装置は、ＨＣを吸着する吸着剤を含有した吸着層からなる内層と触媒層からなる表層とを有する少なくとも２層の吸着触媒からなり、この吸着触媒装置の上流側に、排気ガスを加熱する排気ガス加熱手段を設け、排気ガス加熱手段により排気ガスを加熱することで触媒層と吸着層の間に温度勾配を生じさせることにより触媒層の活性時間を吸着層の脱離開始時期よりも早くする内燃機関の排気浄化装置が開示されている。

特許文献３では、通電加熱式触媒装置は、排気ガスの浄化用触媒をジュール熱によって加熱する通電加熱式触媒装置であり、この通電加熱式触媒装置の所定位置には正電極および負電極が設置され、触媒担体がこれら正電極および負電極を電気的に接続する構成が開示されている。触媒担体は、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ特性を有する。そして、区画手段が、触媒担体を絶縁部材により区画し、区画された電流経路の少なくとも一部を導電部材により直列に接続することで、絶縁部材により区画されていない場合に比べて触媒担体を流れる電流の電流経路を長くする構成が開示されている。

従来の技術では、たとえば特許文献１では、触媒外周側の間隔を広くして触媒中心側の間隔を狭くする渦状の構成が開示されている。しかしながら、この場合スリットが渦状になっているので、電極をＥＨＣの中心部に設ける必要があるので、ハーネスが高温の排気ガスに晒されるという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、電極が高温の排気ガスに晒されることを防止することが可能な通電加熱式触媒装置を提供することを目的とする。

この発明に従った通電加熱式触媒装置は、内部に触媒が設けられる筒状体と、筒状体内部に設けられて通電されることで発熱して触媒を加熱する発熱部材と、筒状体内部に設けられて筒状体の軸方向に延在することで筒状体の内部を複数の通路に仕切り、中央領域と外周領域とを規定する仕切部材とを備え、中央領域での単位面積あたりの発熱量は、外周領域での単位面積あたりの発熱量よりも大きく、中央領域での各々の通路の断面積は、外周領域での各々の通路の断面積よりも大きく、さらに、筒状体の外周面で発熱部材の第一部分に接触する第一電極と、筒状体の外周面で発熱部材の第一部分とは異なる第二部分に接触して第一電極と異なる電位の第二電極とを備え、第一電極および第二電極間の電位差により、発熱部材に電流が流れて発熱する。

このように構成された通電加熱式触媒装置では、筒状体の外周面で発熱部材の第一部分に接触する第一電極と、筒状体の外周面で発熱部材の第一部分とは異なる第二部分に接触して第一電極と異なる電位の第二電極とを備えるため、筒状体の外周面に電極を設けることができ、電極が高温の排気ガスに晒されることを防止できる。

さらに、中央領域での単位面積あたりの発熱量が大きく、かつ、中央領域での通路断面積が大きいため、中央領域を早期に暖気することができるとともに、中央領域での通気性を向上させて触媒による浄化性能を向上させることができる。

好ましくは、発熱部材の通電抵抗を調整することで中央領域での単位面積あたりの発熱量が、内部空間の外周領域での単位面積あたりの発熱量よりも大きくなる。

好ましくは、発熱部材の通電抵抗を発熱部材の径により決定する。この場合、発熱部材を均一の材質としてその径を調整することで、容易に中央領域での発熱量を増加させることができる。

好ましくは、発熱部材の通電抵抗を、発熱部材を構成する半導体のキャリア密度により決定する。この場合、キャリア物質の濃度を制御することにより、発熱部材の各部位での発熱量を精密に制御することができる。

好ましくは、発熱部材は中央領域から外周領域に向かって放射状に延びており、複数の前記仕切部材は、前記中央領域を取り囲むように同心円状に配置されている。この場合、発熱部材が放射上に延びているため、中央領域に発熱部材を集中させることにより、中央領域での発熱量を大きくすることができる。さらに、発熱部材間の接続点は中央の点のみとなるため、接続点の数を減少させることで、接続不良に起因する不具合を減らすことができる。

好ましくは、複数の前記仕切部材間の距離は外周側に近づくにつれて小さくなる。

この発明に従えば、電極が高温の排気ガスに晒されることを防止可能な通電加熱式触媒装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に従ったＥＨＣ触媒を有する排気ガス浄化装置のシステムを示す図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った、実施の形態１に従った通電加熱式触媒装置の断面図である。 電気伝導経路のみを示した、実施の形態１に従った通電加熱式触媒装置の断面図である。 実施の形態１に従った通電加熱装置の斜視図である。 電気伝導経路のみを示した、実施の形態２に従った通電加熱式触媒装置の断面図である。 電気伝導経路のみを示した、実施の形態３に従った通電加熱式触媒装置の断面図である。 電気伝導経路のみを示した、実施の形態４に従った通電加熱式触媒装置の断面図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。また、各実施の形態を組合せることも可能である。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従ったＥＨＣ触媒を有する排気ガス浄化装置のシステムを示す図である。図１を参照して、排気ガスの処理システム１は、通電加熱式触媒装置１００を有する。通電加熱式触媒装置１００には矢印１０で示す方向から排気ガスが流入し、矢印１１で示す方向に排気ガスが流出する。

矢印１０で流入する排気は、タービンを回転させた後の排気であってもよい。また、矢印１１で示す排気が通電加熱式触媒装置１００を追加した後にタービンを回転させてもよい。

通電加熱式触媒装置１００には電源４が接続されており、通電加熱式触媒装置１００内を電流が流れる。これにより、通電加熱式触媒装置１００内で発熱させて通電加熱式触媒装置１００内の温度を上げることができる。

通電加熱式触媒装置１００と電源４との間には、スイッチ３と電流センサ５とが設けられている。スイッチ３は、通電加熱式触媒装置１００と電源４との間の電気的な接続および切断を行なう。電流センサ５は、通電加熱式触媒装置１００内に流れる電流を検出する。この検出された電流値に基づきＥＣＵ（電子制御装置）２がスイッチ３を駆動させる。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った、実施の形態１に従った通電加熱式触媒装置の断面図である。図２を参照して、通電加熱式触媒装置１００は、円筒形状の筒状体１３０を有する。筒状体１３０の外周側には第一電極１１１および第二電極１１２が設けられている。筒状体１３０の中央領域１３１から外周領域１３２へ向かって放射状に発熱部材１２１が延びている。発熱部材１２１は第一電極１１１および第二電極１１２に接続されている。そして筒状体１３０と同心円上に仕切部材１２２が配置されている。複数の仕切部材１２２が設けられることで通路１４１，１４２が形成される。中央領域１３１の通路１４１の断面積は、外周領域１３２の通路１４２の断面積よりも大きい。そして各々の通路１４１，１４２には触媒１４４が設けられている。第一電極１１１および第二電極１１２は円筒体としての筒状体１３０表面に設置されている。外周領域１３２では発熱量が小さく、かつ通気性も小さい。

これに対して中央領域１３１では発熱量が大きく、かつ通気性も大きい。中央領域では電気伝導経路（円の径方向スリットとしての発熱部材１２１）が高密度のため発熱量が多くなる。

これにより排気ガス流量の大きな中央領域１３１のスリットを積極的に温め、浄化性能を向上させることができる。そして、第一電極１１１および第二電極１１２は排気ガスに晒されることがない。

そして筒状体１３０との同心円上に設けられた仕切部材１２２は絶縁体で構成される。
すなわちＥＨＣ触媒のスリットである発熱部材１２１における発熱量を部位によって変化させ、短時間での排気ガスの浄化性能のアップを可能にしている。排気ガスの流量が大きな中央領域１３１での発熱量を大きくすることで、浄化性能を高める。

この例では、電気的に暖気可能な触媒における触媒活性時間を短縮するための構造であって、触媒中央付近での発熱量が最も大きく、外周に向けて発熱量を小さくしている。これにより、中心付近での活性温度の達成が早くなり、排気ガスの流速の大きな中央領域における運転開始直後の排気ガスの浄化性能を高めることができる。

また第一電極１１１および第二電極１１２を通電加熱式触媒装置１００の円筒表面に設置するため、第一電極１１１および第二電極１１２を排気ガスの高温に晒すことを避けることができる。

この発明に従った通電加熱式触媒装置１００は、内部に触媒１４４が設けられる筒状体１３０と、筒状体１３０内部に設けられて通電されることで発熱して触媒１４４を加熱する発熱部材１２１と、筒状体１３０内部に設けられて筒状体１３０の軸方向に延在することで筒状体１３０の内部を複数の通路１４１に仕切り、中央領域１３１と外周領域１３２とを規定する仕切部材１２２とを備え、中央領域１３１での単位面積あたりの発熱量は、外周領域１３２での単位面積あたりの発熱量よりも大きく、中央領域１３１での各々の通路１４１の断面積Ｓ１は、外周領域１３２での各々の通路１４１の断面積Ｓ２よりも大きく、さらに、筒状体１３０の外周面で発熱部材１２１の第一部分１２１ａに接触する第一電極１１１と、筒状体１３０の外周面で発熱部材１２１の第一部分１２１ａとは異なる第二部分１２１ｂに接触して第一電極１１１と異なる電位の第二電極１１２とを備え、第一電極１１１および第二電極１１２間の電位差により、発熱部材１２１に電流が流れて発熱する。

発熱部材１２１の通電抵抗を調整することで中央領域１３１での単位面積あたりの発熱量が、内部空間の外周領域１３２での単位面積あたりの発熱量よりも大きくなる。

発熱部材１２１は中央領域１３１から外周領域１３２に向かって放射状に延びており、複数の前記仕切部材１２２は、前記中央領域１３１を取り囲むように同心円状に配置されている。複数の仕切部材１２２間の距離は外周側に近づくにつれて小さくなる。

図３は、電気伝導経路のみを示した、実施の形態１に従った通電加熱式触媒装置の断面図である。図３を参照して、通電加熱式触媒装置１００では、中心点１２３から外周に向かって放射状に、かつ直線状に発熱部材１２１が延びている。そして発熱部材１２１は、筒状体１３０の表面に設けられた第一電極１１１および第二電極１１２で接続されている。すなわち、第一電極１１１および第二電極１１２間に電位差が発生することで、電流が中心点１２３を通るように流れる。そして筒状体１３０内部が加熱される。

図４は、実施の形態１に従った通電加熱装置の斜視図である。図４を参照して、矢印１０で示す方向に流入する排気ガスは、通電加熱式触媒装置１００内を通過して矢印１１で示す方向に排出される。この流入および排出方向は、筒状体１３０の軸１２６に沿った方向である。

（実施の形態２）
図５は、電気伝導経路のみを示した、実施の形態２に従った通電加熱式触媒装置の断面図である。図５を参照して、この発明の実施の形態２に従った通電加熱式触媒装置１００では、発熱部材１２１が波型である点で、実施の形態１に従った通電加熱式触媒装置１００と異なる。

このような通電加熱式触媒装置１００では、発熱部材１２１の長さを長くすることができるため、発熱量をさらに大きくすることができる。

（実施の形態３）
図６は、電気伝導経路のみを示した、実施の形態３に従った通電加熱式触媒装置の断面図である。図６を参照して、この発明の実施の形態３に従った通電加熱式触媒装置１００では、中央領域１３１で発熱部材１２１が波線形状であるのに対し、外周領域１３２では発熱部材１２１が直線形状である。このように構成された実施の形態３に従った通電加熱式触媒装置１００では、中央領域１３１でより発熱量を大きくし、外周領域１３２で発熱量を小さくすることができる。

（実施の形態４）
図７は、電気伝導経路のみを示した、実施の形態４に従った通電加熱式触媒装置の断面図である。図７を参照して、この発明の実施の形態４に従った通電加熱式触媒装置１００では、発熱部材１２１が湾曲して設けられている点で、実施の形態１に従った通電加熱式触媒装置１００と異なる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。

たとえば、発熱部材１２１の通電抵抗を発熱部材１２１の径により決定してもよい。具体的には、中央領域１３１において小径（高抵抗）、外周領域１３２において大径（低抵抗）とすることで、発熱量を調整することができる。さらに、発熱部材１２１を半導体で構成した場合には、発熱部材１２１の通電抵抗を、発熱部材１２１を構成する半導体のキャリア密度により決定してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、車両に搭載されて排気ガスを浄化するための触媒装置の分野において用いられる。

１ 処理システム、３ スイッチ、４ 電源、５ 電流センサ、１００ 通電加熱式触媒装置、１１１ 第一電極、１１２ 第二電極、１２１ 発熱部材、１２１ａ 第一部分、１２１ｂ 第二部分、１２２ 仕切部材、１２３ 中心点、１２６ 軸、１３０ 筒状体、１３１ 中央領域、１３２ 外周領域、１４１，１４２ 通路、１４４ 触媒。

Claims (6)

1. 内部に触媒が設けられる筒状体と、
   前記筒状体の内部に設けられて通電されることで発熱して触媒を加熱する発熱部材と、
   前記筒状体の内部に設けられて前記筒状体の軸方向に延在することで前記筒状体の内部を複数の通路に仕切り、中央領域と外周領域とを規定する仕切部材とを備え、
   前記中央領域での単位面積あたりの発熱量は、前記外周領域での単位面積あたりの発熱量よりも大きく、
   前記中央領域での各々の通路の断面積は、前記外周領域での各々の断面積よりも大きく、
   さらに、前記筒状体の外周面で前記発熱部材の第一部分に接触する第一電極と、
   前記筒状体の外周面で前記発熱部材の第一部分とは異なる第二部分に接触して前記第一電極と異なる電位の第二電極とを備え、
   前記第一電極および前記第二電極間の電位差により、前記発熱部材に電流が流れて発熱する、通電加熱式触媒装置。
2. 前記発熱部材の通電抵抗を調整することで前記中央領域での単位面積あたりの発熱量が、前記外周領域での単位面積あたりの発熱量よりも大きくなる、請求項１に記載の通電加熱式触媒装置。
3. 前記発熱部材の通電抵抗を前記発熱部材の径により決定する、請求項２に記載の通電加熱式触媒装置。
4. 前記発熱部材の通電抵抗を、前記発熱部材を構成する半導体のキャリア密度により決定する、請求項２に記載の通電加熱式触媒装置。
5. 前記発熱部材は前記中央領域から前記外周領域に向かって放射状に延びており、複数の前記仕切部材は、前記中央領域を取り囲むように同心円状に配置されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の通電加熱式触媒装置。
6. 複数の前記仕切部材間の距離は外周側に近づくにつれて小さくなる、請求項５に記載の通電加熱式触媒装置。

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