JP2012172580A - 排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で且つ排気管の配設に制限がなく、触媒担体を排気により効率的に昇温可能な排気浄化装置を得る。
【解決手段】エンジンと触媒コンバータ装置の間の排気管２０Ｕ及び触媒コンバータ装置の筒体の内周面の少なくとも一部に、排気管２０Ｕ及び筒体よりも熱伝導率が低い材料で構成されたコーティング層がコーティングされる。二重管構造や断熱材を用いることなく、排気からの放熱を抑制して、効率的に触媒担体を昇温可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化装置に関し、特に、触媒担体に担持された触媒により排気を浄化する排気浄化装置に関する。

内燃機関で生じた排気を触媒により浄化する構造（触媒コンバータ装置）では、内燃機関の移動開始直後であっても、触媒を昇温して、排気を浄化する効果を早期に発揮させることが望まれる。たとえば、特許文献には、触媒コンバータよりも上流の排気流路を、２重管構造や断熱材を用いた断熱材構造として、排気ガスが比較的低音の場合に、触媒コンバータの早期活性化を果たす構造が記載されている。

しかし、排気管を２重管構造にすると、排気管の重量増を招く。また、断熱材を用いた断熱材構造では、排気管の厚みが断熱材によって厚くなるため大径化するため、周辺部材との干渉防止の観点から排気管の配設に制限が生じることがある。

特開２００４−１１５１２号公報

本発明は上記事実を考慮し、軽量で且つ排気管の配設に制限がなく、触媒担体を排気によって効率的に昇温可能な排気浄化装置を得ることを課題とする。

請求項１に記載の発明では、内燃機関からの排気が内部を通過する排気管部材と、前記排気を浄化する触媒が担持され前記排気管部材の内部に保持された触媒担体と、前記排気管部材よりも低い熱伝導率の材料で構成され、前記内燃機関から前記触媒担体までの排気管部材の内周面の少なくとも一部にコーティングされたコーティング層と、を有する。

この排気浄化装置では、排気管部材の内部に触媒担体が担持されている。内燃機関からの排気が排気管部材の内部を通過し、さらに触媒担体を通過するときに、触媒によって浄化される。

内燃機関から触媒担体までの排気管部材の内周面（触媒担体を保持している部分を含む）の少なくとも一部には、コーティング層がコーティングされている。コーティング層は、排気管部材よりも熱伝導率が低い材料で構成されているので、このようなコーティング層がない構造と比較して、排気中の熱の外部への放出を抑制できる。これにより、排気中の熱を触媒担体に効率的に作用させて触媒担体を昇温できる。

しかも、コーティング層は、排気管部材の少なくとも一部にコーティングされており、排気管部材を２重管構造にする必要がなく、排気管部材の軽量化を図ることができる。断熱材を用いた排気管構造にする必要もないので、排気管部材の大径化を招かず、排気管部材の配設に制限が生じない。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記排気管部材が、筒状に形成されると共に内部に前記触媒担体を保持する筒体と、前記内燃機関と前記筒体とを連通する排気管と、を有し、前記コーティング層が前記筒体と前記排気管の双方の内周面にコーティングされている。

したがって、エンジンからの排気が排気管を通過し、筒体に保持された触媒担体に達する。コーティング層は、筒体と排気管の双方の内周面にコーティングされているので、これらのいずれか一方にのみコーティングされた構造と比較して、排気熱の放出をより効果的に抑制できる。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記コーティング層がガラスコーティング層である。

ガラスコーティング層は、他のコーティング層と比較して気孔率の調整が容易であり、効率の調整によって、熱伝導率の値を設定できる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記触媒担体が、通電によって加熱される材料で構成され、前記触媒担体に通電する通電手段を有する。

触媒担体を通電手段により通電して加熱することで、たとえば、内燃機関の始動直後等のように排気の温度が低い状態でも、触媒担体を昇温し、担持された触媒による浄化効果を早期に発揮させることができる。

また、コーティング層が、内燃機関から触媒担体までの排気管部材の少なくとも一部にコーティングされているので、このようなコーティング層がない構造と比較して、触媒担体を所望の温度に昇温するための通電電力量を少なくすることが可能になる。

本発明は上記構成としたので、軽量で且つ排気管の配設に制限がなく、触媒担体を排気によって効率的に昇温可能となる。

本発明の第１実施形態の排気浄化装置をエンジンと共に示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態の排気浄化装置を構成する上流側排気管の断面図である。 本発明の第１実施形態の排気浄化装置を構成する触媒コンバータ装置の断面図である。 本発明の第１実施形態の排気浄化装置を構成する触媒コンバータ装置の部分拡大断面図である。 本発明の第２実施形態の排気浄化装置を構成する触媒コンバータ装置の断面図である。

図１（Ａ）には、本発明の第１実施形態の排気浄化装置１０が示されている。この排気浄化装置１０、エンジン（内燃機関）２２の排気を排出するための排気管２０を有している。排気管２０の途中には、排気中の有害物質を浄化するための触媒コンバータ装置１２が配置されている。

図２及び図３に示すように、エンジン２２から触媒コンバータ装置１２に至るまでの排気管２０（以下、この部分を適宜、上流側排気管２０Ｕといい、触媒コンバータ装置１２よりも下流側に位置する下流側排気管２０Ｌと区別する）の内周面には、ガラスコーティング層３４がコーティングされている。ガラスコーティング層３４は、所定の気孔率とされ、排気管２０および後述するケース筒体２８と比較して熱伝導率が低い材料で構成されている。したがって、排気管２０を流れる排気の、排気管２０の外部への放熱が抑制されている。

図３に示すように、触媒コンバータ装置１２は、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。本実施形態では特に、触媒担体１４は、導電性を有し、通電によって温度上昇する材料で構成されている。

また、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増大されている。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（流れ方向を矢印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、たとえば格子状や波状等であってもよい。

本実施形態において、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。特に、ＳｉＣ（炭化珪素）を含む材料を用いると、高い強度や耐熱性を得られる。

触媒担体１４の電気抵抗率としては、たとえば、１０〜２００Ω・ｃｍとすれば、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。触媒担体１４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。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早期に発揮させることができるようになっている。

触媒担体１４の断面形状（排気の流れ方向と直交する断面の形状）は特に限定されないが、本実施形態では円形としている。そして、この円形の中心をはさんで対向する位置に、電極１６Ａ、１６Ｂを配置している。

触媒担体１４の外周には、絶縁性材料によって円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への電気の流れが阻止されている。

ケース筒体２８の内周面にも、上流側排気管２０Ｕの内周面と同様にガラスコーティング層３４がコーティングされている。保持部材２４が配置されている部位では、ケース筒体２８と保持部材２４の間にガラスコーティング層３４が存在している。触媒コンバータ装置１２においても、内部の熱が外部に放出されることが抑制されている。

排気管１４（特に上流側排気管１４Ｕ）とケース筒体２８によって、本発明の排気管部材２６が構成されている。そして、本実施形態では、上流側排気管１４Ｕとケース筒体２８の内周面の全体に、ガラスコーティング層３４がコーティングされた構造である。

端子１８Ａ、１８Ｂには、触媒担体１４に電力を供給可能な電源装置３０が接続されている。電源装置３０は制御装置３２によって制御されるようになっており、所定のタイミングで電力供給の開始時間及び終了時間を設定できるようになっている。電極１６Ａ、１６Ｂ、端子１８Ａ、１８Ｂ、電源装置３０及び制御装置３２は、本発明の通電手段を構成している。

次に、本実施形態の排気浄化装置１０の作用を説明する。

排気浄化装置１０は、排気管２０の途中に取り付けられた触媒コンバータ装置１２を有している。エンジン２２からの排気は、図２に矢印Ｆ１で示すように、上流側排気管２０Ｕを通過する。そして、触媒担体１４の内部を図３及び図４に示す矢印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。浄化後の排気は、下流側排気管２０Ｌから外部に排出される。

触媒コンバータ装置１２では、端子１８Ａ、１８Ｂ及び電極１６Ａ、１６Ｂによって触媒担体１４に通電し、触媒担体１４を加熱することで、触媒担体１４に担持された触媒を昇温させ、浄化作用をより早期に発揮させることができる。たとえば、エンジンの始動直後やエンジン低回転時等、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、触媒の浄化性能を確保できる。

しかも、本実施形態の排気浄化装置１０では、排気管部材２６（上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８）の内周面に、ガラスコーティング層３４がコーティングされている。したがって、このようなガラスコーティング層３４がコーティングされていない構成と比較して、排気から外部への放熱を抑制することができる。

すなわち、図２に詳細に示すように、排気から上流側排気管２０Ｕやケース筒体２８への伝導熱量Ｑ１は、物質の熱伝導率により決まる。たとえば、ＳＵＳの場合は熱伝導率が２６．１Ｗ／ｍＫであるのに対し、ガラスコートの熱伝導率は０．５Ｗ／ｍＫである（これらの数値はあくまで一例である）。上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８の内周面にガラスコーティング層３４をコーティングすることで、上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８に排気からの熱が伝わりにくくなって、上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８の表面温度（外周面の温度）が低くなる。換言すれば、上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８の外周面と外気との温度差が小さくなる。このため、上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８から外気への放熱量（これには、対流による伝導熱量Ｑ２や放射による伝導熱量Ｑ３等が含まれる）が小さくなる。

このようにして、本実施形態では、排気から外部への放熱を抑制し、排気中の熱を効率的に触媒担体１４に作用させることで、触媒担体１４を昇温できる。

特に、本実施形態の排気浄化装置１０では、触媒担体１４へ通電することで、たとえば、エンジン始動直後やエンジン低回転時等の排気の温度が低い状態でも、触媒担体１４を昇温させることで、触媒の浄化作用を早期に発揮させることが可能な構成としている。この構成において、排気中の熱を効率的に触媒担体１４に作用させているので、触媒担体１４を所望の温度に昇温するための通電電力量（通電時間や通電回数等）を少なくすることが可能となる。

図５には、本発明の第２実施形態の排気浄化装置５０が触媒コンバータ装置５２の近傍で部分的に拡大して示されている。第２実施形態の排気浄化装置５０においては、触媒コンバータ装置の構成のみが第１実施形態と異なっているが、他は同一の構成とされているので、以下では、第１実施形態と異なっている部分のみ説明し、同一の構成要素、部材等については図示及び説明を適宜省略する。

第２実施形態の排気浄化装置５０に用いられる触媒コンバータ装置５２では、触媒担体１４に通電するための端子１８Ａ、１８Ｂ及び電極１６Ａ、１６Ｂ等の部材（図３参照）は設けられておらず、触媒担体１４は、エンジン２２からの排気のみで昇温される構成である。なお、第２実施形態の触媒担体１４は、導電性を有している必要はない。また、保持部材２４も絶縁性を有している必要はない。

このように、通電によって触媒担体１４を昇温させない構成の排気浄化装置５０であっても、上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８の内周面に、ガラスコーティング層３４がコーティングされているので、ガラスコーティング層３４がない構成と比較して、排気から外部への放熱を抑制し、触媒担体１４を効率的に昇温させることができる。たとえば、エンジン始動直後やエンジン低回転時等の排気の温度が低い状態でも、触媒担体１４を昇温させることで、触媒の浄化作用を早期に発揮させることが可能な構成としている。

特に、近年では、エンジンの低排気量化、あるいは車両の軽量化によるエンジン負荷の低下等によって、排気の温度が低い状態となることが多い。本発明では、排気の温度が低くても、排気の熱を効率的に触媒担体１４に作用させることで、触媒担体１４の温度を高く維持することが可能である。

しかも、本発明のいずれの実施形態においても、排気の熱を触媒担体１４に効率的に作用させるために、たとえば、上流側排気管２０Ｕ等を二重管にする必要がないので、排気管２０の軽量化を図ることができる。

また、上流側排気管２０Ｕやケース筒体２８に断熱材を設けた場合には、これらの部材の実質的な断面積を確保するために大径化する必要があるが、本実施形態では大径化の必要がない。このため、上流側排気管２０Ｕやケース筒体２８を車両に配設するときに、他の部材と干渉するおそれが低くなり、配設に制限が生じない。

なお、上記では、上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８の双方の内周面にガラスコーティング層３４をコーティングした例を挙げたが、いずれか一方の内周面にガラスコーティング層３４をコーティングしてもよい。さらに、上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８の内周面の一部にガラスコーティング層３４をコーティングしてもよい。上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８の双方にガラスコーティング層３４をコーティングすることが、排気から外部への放熱をより確実に抑制する観点からは好まく、特に、上流側排気管２０Ｕ及びケース筒体２８の双方の内周面に全体的にコーティングすることがより好ましい。

なお、図３及び図５では、触媒コンバータ装置１２、５２において、触媒担体１４よりも下流側にもコーティング層３４をコーティングした例を挙げているが、触媒担体１４の下流側端面よりもさらに下流側では、本発明の目的からはコーティング層３４は不要である。ただし、触媒コンバータ装置１２、５２の製造時（ケース筒体２８の成形時）においては、ケース筒体２８の内周面全体にコーティング層３４をコーティングする方が効率的な製造が可能になる場合もある。したがって、結果的に触媒担体１４よりも下流側にもコーティング層３４がコーティングされていてもよい。

本発明のコーティング層としても、上記のガラスコーティング層３４に限定されず、要するに、排気管２０やケース筒体２８よりも熱伝導率が低い材料で構成されたコーティング層であればよい。このようなコーティング層の例としては、薄層化したアルミナ（酸化アルミニウム）やムライト（酸化アルミニウムと二酸化ケイ素の化合物）、あるいはこれら以外のセラミックコーティング層を挙げることができる。特にガラスコーティング層は、気孔率の調整によって所望の熱伝導率とすることが可能であり、本発明に好ましく用いることが可能である。

本発明の排気管部材としても、上記では、排気管１４（特に上流側排気管１４Ｕ）とケース筒体２８とで構成された例を挙げたが、たとえば、排気管１４とケース筒体２８とが一体化された構成や、排気管１４とケース筒体２８以外の部材をさらに備えた構成であってもよい。

１０ 排気浄化装置
１２ 触媒コンバータ装置
１４ 触媒担体
１６Ａ、１６Ｂ 電極
１８Ａ、１８Ａ 端子
２０ 排気管
２０Ｕ 上流側排気管
２２ エンジン
２４ 保持部材
２６ 排気管部材
２８ ケース筒体
３０ 電源装置
３２ 制御装置
３４ ガラスコーティング層
５０ 排気浄化装置
５２ 触媒コンバータ装置

Claims (4)

1. 内燃機関からの排気が内部を通過する排気管部材と、
   前記排気を浄化する触媒が担持され前記排気管部材の内部に保持された触媒担体と、
   前記排気管部材よりも低い熱伝導率の材料で構成され、前記内燃機関から前記触媒担体までの排気管部材の内周面の少なくとも一部にコーティングされたコーティング層と、
   を有する排気浄化装置。
2. 前記排気管部材が、
   筒状に形成されると共に内部に前記触媒担体を保持する筒体と、
   前記内燃機関と前記筒体とを連通する排気管と、
   を有し、
   前記コーティング層が前記筒体と前記排気管の双方の内周面にコーティングされている請求項１に記載の排気浄化装置。
3. 前記コーティング層がガラスコーティング層である請求項１又は請求項２に記載の排気浄化装置。
4. 前記触媒担体が、通電によって加熱される材料で構成され、
   前記触媒担体に通電する通電手段を有する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の排気浄化装置。

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