JP2013185573A - 電気加熱式触媒 - Google Patents

Abstract

【課題】電気加熱式触媒のケースに電気が流れることを抑制する。
【解決手段】通電により発熱する発熱体３と、発熱体３を収容するケース５と、発熱体３とケース５との間に挟まれて電気を絶縁するマット４と、を備える電気加熱式触媒１において、ケース５は、外部との隔壁となる外管５１と、該外管５１の内側に備わる内管５２と、を備えて構成され、内管５２の上流側端部は、マット４よりも上流側に備わり、内管５２の上流側端部では、外管５１と内管５２との間の空間が排気通路内に開口するように外管５１と内管５２とに隙間を設け、内管５２の下流側端部は、マット４と接する箇所に備わり、内管５２の下流側端部では、外管５１と内管５２との間の空間が閉塞するように外管５１と内管５２とが接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気加熱式触媒に関する。

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（Electrically Heated Catalyst：以下、ＥＨＣと称する場合もある）が開発されている。

そして、通電により発熱する触媒の担体と、該触媒の担体を収容するケースと、の間にマットで挟まれた固体層を設け、該固体層を絶縁部材で構成すると共にマットよりも上流側及び下流側に突出される技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この固体層によれば、排気中の粒子状物質（以下、ＰＭという。）がマットや触媒担体に付着しても、ケースと触媒担体との間に電気が通ることをある程度は抑制できる。しかし、固体層にＰＭが堆積すると、該ＰＭを介して触媒担体とケースとの間に電気が流れる虞がある。

ＷＯ２０１１／１２１７１０号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、電気加熱式触媒のケースに電気が流れることを抑制する技術の提供を目的とする。

上記課題を達成するために本発明による電気加熱式触媒は、
通電により発熱する発熱体と、
前記発熱体を収容するケースと、
前記発熱体と前記ケースとの間に挟まれて電気を絶縁するマットと、
を備える電気加熱式触媒において、
前記ケースは、外部との隔壁となる外管と、該外管の内側に備わる内管と、を備えて構成され、
前記内管の上流側端部は、前記マットよりも上流側に備わり、
前記内管の上流側端部では、前記外管と前記内管との間の空間が排気通路内に開口するように前記外管と前記内管とに隙間を設け、
前記内管の下流側端部は、前記マットと接する箇所に備わり、
前記内管の下流側端部では、前記外管と前記内管との間の空間が閉塞するように前記外管と前記内管とが接する。

発熱体は、触媒の担体としても良く、触媒の上流側に設けられても良い。マットは、発熱体及びケースに夫々接している。このマットは、発熱体をケース内に固定するためにも用いられる。

ケースは、マットと接する箇所から、マットよりも上流側まで、二重管で構成される。二重管の外側の管（外管）の外周面側には、排気が流通しない。二重管の内側の管（内管
）は、上流側端部において外管と隙間が設けられており、また、下流側端部において外管に接するように設けられる。このため、二重管の内管と、外管と、の間は、排気通路に通じており、内燃機関の排気が流入する。

ここで、内管は、排気の流れの中に突出しているともいえる。このため、内管は、排気の熱を受けて温度が上昇し易い。また、二重管とすることにより、内管と外管との間にガスが存在するので、内管から外管へ熱が移動することを抑制できる。さらに、内管の下流側端部がマットと接しているため、該マットを介して、発熱体から内管へと熱が伝わる。これらにより、内管の温度が高くなる。このため、内管にＰＭが付着しても、ＰＭの酸化が促進される。すなわち、内管からＰＭを除去することができる。よって、発熱体とケースとの間に電気が流れることを抑制できる。

本発明によれば、電気加熱式触媒のケースに電気が流れることを抑制することができる。

実施例に係る電気加熱式触媒の概略構成を示す図である。 接続部がマットよりも上流側に設けられている場合の電気加熱式触媒を示した図である。 外管と内管との空間距離が８ｍｍとなる位置からの距離と、温度との関係を示している。

以下、本発明に係る電気加熱式触媒の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。なお、以下の実施例は、適宜組み合わせることができる。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る電気加熱式触媒１（以下、ＥＨＣ１という。）の概略構成を示す図である。なお、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２に設けられる。内燃機関は、ディーゼル機関であっても、また、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用いることができる。

図１に示すＥＨＣ１は、該ＥＨＣ１の中心軸Ａに沿って該ＥＨＣ１を縦方向に切断した断面図である。なお、ＥＨＣ１の形状は、中心軸Ａに対して線対称のため、図１では、上側の部分のみを示している。また、ＥＨＣ１の下流側の形状は、上流側の形状と対称形状であってもよく、従来と同形状であってもよいため、図示を省略する。また、図１においてＢの矢印は、排気の流れ方向を示している。

本実施例に係るＥＨＣ１は、中心軸Ａを中心にした円柱形の触媒担体３を備えている。そして、中心軸Ａ側から順に、触媒担体３、マット４、ケース５が備わる。

触媒担体３には、電気抵抗となって、通電により発熱する材質のものが用いられる。触媒担体３の材料には、たとえばＳｉＣが用いられる。触媒担体３は、排気の流れ方向Ｂ（中心軸Ａの方向としてもよい。）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を有している。この通路を排気が流通する。触媒担体３の外形は、たとえば排気管２の中心軸Ａを中心とした円柱形である。なお、中心軸Ａと直交する断面による触媒担体３の断面形状は、たとえば楕円形であっても良く、多角形であっても良い。中心軸Ａは、排気管２、触媒担体３、及びケース５で共通の中心軸である。なお、本実施例
においては触媒担体３が、本発明における発熱体に相当する。なお、発熱体を触媒よりも上流側に備える場合の発熱体においても、本実施例を同様に適用することができる。

触媒担体３には、触媒が担持される。触媒には、たとえば酸化触媒、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯx触媒、選択還元型ＮＯx触媒などを挙げることができる。触媒担体３には、一対の電極（図示省略）が接続されており、該電極間に電圧をかけることにより触媒担体３に通電される。この触媒担体３の電気抵抗により該触媒担体３が発熱する。

また、マット４には、電気絶縁体が用いられ、たとえばアルミナを主成分とするセラミックファイバーが用いられる。マット４は、触媒担体３の外周面に巻きつけられる。マット４は、触媒担体３の外周面（中心軸Ａと平行な曲面）を覆っているため、触媒担体３に通電したときに、ケース５へ電気が流れることを抑制している。

触媒担体３にマット４を巻きつけたときの該マット４の外径は、ケース５の内径よりも大きい。このため、ケース５内にマット４を収容するときには、該マット４が圧縮されるため、該マット４の反発力によりケース５内に触媒担体３が固定される。

ケース５の材料には、金属が用いられ、たとえばステンレス鋼材を用いることができる。ケース５は、外部との隔壁となる外管５１と、該外管５１から排気中に延びる内管５２と、を備えて構成される。内管５２は、外管５１よりも中心軸Ａ側に設けられる。このため、内管５２が設けられる箇所のケース５では、内管５２と外管５１とで二重管となる。内管５２の下流側端部（接続部５３とする）は、外管５１に接続されている。この接続部５３は、ケース５とマット４とが接している箇所に位置する。すなわち、マット４の外周面上に接続部５３が設けられている。そして、内管５２は、外管５１よりも中心軸Ａ側において、接続部５３からマット４の外周面に沿って排気管２の上流側に向かって延びる。また、内管５２の上流側端部は、マット４よりも上流側に位置する。そして、マット４の上流側端部よりも上流側において、内管５２は、徐々に内径（通路断面積としてもよい）が小さくなりつつ中心軸Ａ側且つ排気の上流側に延びる。すなわち、内管５２は、マット４よりも上流において、上流側の内径が下流側の内径以下になる。

外管５１は、上流側から順に、入口部５１１、傾斜部５１２及び筒部５１３を備えて構成されている。傾斜部５１２は、下流側ほど内径が大きくなるように、中心軸Ａに対して傾斜している。傾斜部５１２の上流側端部は入口部５１１に接続されている。ケース５の入口部５１１の上流側端部には、フランジが形成されており、該フランジにより排気管２と接続される。入口部５１１は開口しており、該入口部５１１を介してケース５の内側へ排気が流入する。また、ケース５の傾斜部５１２の下流側端部は、筒部５１３の上流側端部に接続されている。

ケース５の筒部５１３は、中心軸Ａを中心とした管状に形成されており、中心軸Ａと平行な曲面からなる。そして、内管５２の上流側端部は、傾斜部５１２と筒部５１３との接続部よりも上流側で、且つ、傾斜部５１２と入口部５１１との接続部よりも下流側に位置する。そして、内管５２の上流側端部と、傾斜部５１２とには、排気が流通する隙間が設けられている。また、内管５２の下流側端部は、傾斜部５１２と筒部５１３との接続部よりも下流側に位置する。

また、ケース５の入口部５１１と、ケース５の傾斜部５１２との接続部には、下流側へ向かって中心軸Ａと平行に延びる筒状の導入部５１４が接続されている。導入部５１４の内径は、内管５２の上流側端部の内径よりも小さい。このため、導入部５１４から下流に流れる排気は、外管５１と内管５２との間に流入し難い。なお、本実施例では、導入部５１４は必ずしも必要ではない。

上述のように本実施例では、内管５２の一部及び傾斜部５１２において、通路断面積が下流側ほど大きくなっている。ここで、図１に示すように、内管５２及び傾斜部５１２が中心軸Ａに対する角度が一定でなくてもよいが、一定であってもよい。

そして、本実施例では、内管５２の内周面を絶縁層５２１で覆っている。絶縁層５２１は、たとえばセラミックなどの絶縁体を塗布することにより形成される。絶縁層５２１は、内管５２の内周面に形成されるが、内管５２の外周面にも併せて形成してもよい。また、ケース５において、マット４と接する部位にも絶縁層５２１を形成してもよい。ここで、ケース５のマット４と接している箇所には、排気が殆ど流れないため、ＰＭが付着する虞もないので、絶縁層５２１を設ける必要はない。ただし、短絡をより確実に阻止するために、マット４が設けられている箇所においてもケース５の表面に絶縁層５２１を設けても良い。また、マット４が設けられている範囲に絶縁層５２１が少しだけ入るようにしても良い。

このように構成された電気加熱式触媒１では、内管５２の上流側は、排気の熱を受けて温度が上昇し易い。また、ケース５を二重管とすることにより、内管５２と外管５１との間にガスが存在するので、内管５２から外管５１へ熱が移動することを抑制できる。さらに、内管５２の下流側端部がマット４と接しているため、該マット４を介して、触媒担体３から内管５２へと熱が伝わる。また、内管５２の上流側端部に近付くにしたがって、外管５１と内管５２との距離が長くなるため、内管５２から外管５１へ熱が移動することを抑制できる。これらにより、内管５２の温度が高くなる。このため、内管５２にＰＭが付着しても、ＰＭの酸化が促進される。すなわち、内管５２からＰＭを除去することができる。よって、触媒担体３とケース５との間に電気が流れることを抑制できる。

ここで、比較のために、接続部５３がマット４よりも上流側に設けられている場合のＥＨＣ１を図２に示す。すなわち、図２は、接続部５３がマット４よりも上流側に設けられている場合のＥＨＣ１を示した図である。本実施例に係るＥＨＣ１（図１）の内管５２のＬ１からＬ８までの夫々の箇所の温度と、図２の内管５２のＬ１からＬ６までの夫々の箇所の温度と、を比較すると図３のようになる。

図３は、外管５１と内管５２との空間距離が８ｍｍとなる位置からの距離と、温度との関係を示している。実線は、図１に示した場合であり、一点鎖線は、図２に示した場合である。すなわち、図１及び図２においては、Ｌ３の位置において、外管５１と内管５２との空間距離が８ｍｍとなる。そして、図３に示す距離は、排気の流れの下流側ほど小さくなる。Ｌ３よりも上流側では、外管５１と内管５２との距離が８ｍｍ以上保たれる。

図３に示されるように、全体的に図１に示した場合の方が、図２に示した場合よりも温度が高い。また、接続部５３に近付くにしたがって、外管５１に熱を多く奪われるようになるため、温度が低下するが、この温度の低下の度合いが、図１に示した場合よりも図２に示した場合の方が大きい。

ここで、図１に示した場合では、接続部５３がマット４と接しているため、内管５２の内周面の一部がマット４と接している。このマット４には、触媒担体３から熱が伝わるため、内管５２が接することにより、この熱を内管５２が受けることができる。このため、内管５２の温度を高く維持することができる。一方、図２に示した場合では、接続部５３マット４と接していないため、内管５２は、マット４と接していないので、内管５２はマット４から熱を受け難い。このため、内管５２の温度が低くなりやすい。

このように、本実施例に係るＥＨＣ１によれば、内管５２の温度を高く維持することが
できるので、内管５２に付着したＰＭの酸化を促進させることができる。これにより、ＰＭを介して触媒担体３とケース５との間に電気が流れることを抑制できる

１ 電気加熱式触媒（ＥＨＣ）
２ 排気管
３ 触媒担体
４ マット
５ ケース
５１ 外管
５２ 内管
５３ 接続部
５１１ 入口部
５１２ 傾斜部
５１３ 筒部
５１４ 導入部
５２１ 絶縁層

Claims (1)

1. 通電により発熱する発熱体と、
   前記発熱体を収容するケースと、
   前記発熱体と前記ケースとの間に挟まれて電気を絶縁するマットと、
   を備える電気加熱式触媒において、
   前記ケースは、外部との隔壁となる外管と、該外管の内側に備わる内管と、を備えて構成され、
   前記内管の上流側端部は、前記マットよりも上流側に備わり、
   前記内管の上流側端部では、前記外管と前記内管との間の空間が排気通路内に開口するように前記外管と前記内管とに隙間を設け、
   前記内管の下流側端部は、前記マットと接する箇所に備わり、
   前記内管の下流側端部では、前記外管と前記内管との間の空間が閉塞するように前記外管と前記内管とが接する電気加熱式触媒。

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