JP2012172579A - 触媒コンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気中に含まれるカーボンに起因する触媒担体への通電効率の低下を抑制可能な触媒コンバータ装置を得る。
【解決手段】触媒担体１４は保持部材２６よりも軸方向（排気の流れ方向）で長く形成され、触媒担体１４の上流側の部分は、保持部材２６の上流側端面２６Ａよりもさらに上流側に突出した上流側突出部１４Ｕとされる。下流側突出部１４Ｌの外周面には、絶縁層２４が設けられる。
【選択図】図１

Description

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、たとえば特許文献１に記載されているように、エンジンの始動開始直後等において、触媒を担持する金属製触媒担体を通電して昇温させ、早期に触媒効果が得られるようにしたものがある。

ところで、特許文献１に記載の構造では、排気中に含まれるカーボンが金属製触媒担体やマット部材等の上流側に付着すると、金属製触媒担体が収容された筒体（金属製シェル）と触媒担体との間の電気抵抗がカーボンによって低下してしまい、触媒担体への通電効率（加熱効率）が低下する。

特開平５−２５３４９１号公報

本発明は上記事実を考慮し、排気中に含まれるカーボンに起因する触媒担体への通電効率の低下を抑制可能な触媒コンバータ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、筒状に形成されて内部に前記触媒担体が収容されると共に排気管に取り付けられる筒体と、前記触媒担体に通電するための通電手段と、絶縁性を有し、前記筒体と前記触媒担体との間に配置され触媒担体を筒体内に保持する保持部材と、前記触媒担体を前記保持部材よりも前記排気の上流側へ向けて突出させて構成され前記筒体と非接触とされた上流側突出部と、少なくとも前記上流側突出部の外周面と前記筒体の内周面との間に設けられた絶縁部材と、を有する。

この触媒コンバータ装置では、触媒担体が通電により加熱されて昇温されると、担持された触媒による浄化効果を、昇温されていない場合と比較して、より高く発揮させることができる。

排気中には、内燃機関の燃焼で生じたカーボンが含まれることがあり、このカーボンが触媒担体や筒体に付着すると、筒体と触媒担体との電気抵抗が低下して触媒担体への通電効率が低下することがある。本発明では、触媒担体に上流側突出部が設けられており、この上流側突出部は、保持部材よりも排気に上流側に突出している。したがって、触媒担体の上流側端面（上流側突出部の突出端面）と、上流側突出部の外周面とに排気が直接的に当たる。このため、上流側突出部が設けられていない（触媒担体の上流側端面が、保持部材の上流側端面と排気の流れ方向で同位置もしくは下流側に位置している）構成と比較して、排気の熱が、触媒担体の一部である上流側突出部に集中しやすい。これにより、上流側突出部に付着したカーボンを効果的に燃焼させることができる。カーボンの燃焼により、筒体と触媒担体との電気抵抗の低下も抑制でき、触媒担体への通電効率の低下も抑制できる。

しかも、少なくとも上流側突出部の外周面と筒体の内周面との間には絶縁部材が設けられており、上流側突出部と筒体とが絶縁されている。したがって、カーボンが触媒担体や筒体に付着し燃焼されていない状態であっても、上流側突出部と筒体との絶縁性を確保できる。

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、前記絶縁部材が、前記上流側突出部の外周面に設けられた絶縁層である。

このように、絶縁部材を絶縁層とすることで、上流側突出部の実質的な外径を大きくすることなく、上流側突出部と筒体とを絶縁できる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記絶縁層が、前記上流側突出部の外周面から下流側へ連続し前記触媒担体の外周面と前記保持部材の内周面の間の少なくとも一部に設けられている。

排気中のカーボンの一部は、保持部材の上流側端面から保持部材の内部に入り込むことがある。絶縁層を下流側に延出して、触媒担体の外周面と保持部材の内周面とに設けることで、保持部材内部のカーボンを介して触媒担体と筒体とが短絡されることを防止できる。

本発明は上記構成としたので、排気中に含まれるカーボンに起因する触媒担体への通電効率の低下を抑制できる。

本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を排気管への取付状態において中心線を含む断面で示す断面図である。 は本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を排気管への取付状態において部分的に拡大して示す断面図であり、（Ａ）はカーボンが付着していない状態、（Ｂ）はカーボンが付着した状態を示す。 本発明の第２実施形態の触媒コンバータ装置を排気管への取付状態において中心線を含む断面で示す断面図である。 は本発明の第２実施形態の触媒コンバータ装置を排気管への取付状態において部分的に拡大して示す断面図であり、（Ａ）はカーボンが付着していない状態、（Ｂ）はカーボンが付着した状態を示す。

図１には、本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置１２が排気管１０への装着状態で示されている。この触媒コンバータ装置１２は、エンジンのみで駆動力を得る自動車（以下、「エンジン車」と称する）及び、エンジンとモーターの組み合わせにより駆動力を得る自動車（以下、「ハイブリッド車」と称する）の双方に適用可能である。

排気管１０内には、図示しないエンジンからの排気が所定の流れ方向（矢印Ｆ１方向）に流れる。以下において、単に「上流」、「下流」というときは、この排気の流れ方向における、それぞれ上流、下流をそれぞれ意味するものとする。

図１に示すように、触媒コンバータ装置１２は、導電性及び剛性を有する材料（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）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、ハニカム状または波状等とした薄板を渦巻状あるは同心円状等に構成することで材料の表面積が増大された円柱状あるいは円筒状に形成されており、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１０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や波状に限定されるものではない。

触媒担体１４には２枚の電極板１６Ａ、１６Ｂが貼着され、さらに電極板１６Ａ、１６Ｂにはそれぞれ、金属等の導電性を有する材料で構成された導線部材２０Ａ、２０Ｂを介して端子１８Ａ、１８Ｂが接続されている。端子１８Ａ、１８Ｂはいずれも、中心の電極棒３２の周囲を絶縁筒３４が覆う構造とされている。電極棒３２の外側端部（導線部材２０Ａ、２０Ｂと反対側の端部）は、触媒担体１４への給電用のケーブル５０が接続される接続部３２Ｃとされている。

導線部材２０Ａ、２０Ｂは、たとえばジグザグ状に、あるいは螺旋状に形成されて可撓性を有するようになっており、後述するようにケース筒体２８と触媒担体１４とが相対移動した場合に、この相対移動を吸収することが可能とされている。そして、電源装置４８から、端子１８Ａ、１８Ｂから導線部材２０Ａ、２０Ｂ及び電極板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。この加熱により、表面に担持された触媒を昇温させることで、触媒の浄化作用をエンジン始動直後等であっても早期に発揮させることができるようになっている。なお、電源装置４８は制御装置５２により制御される。

電極１６Ａ、１６Ｂ、端子１８Ａ、１８Ｂ、導線部材２０Ａ、２０Ｂ、電源装置４８、ケーブル５０及び制御装置５２を含んで、本発明の通電手段が構成されている。もちろん、触媒担体１４に通電することが可能であれば、通電手段の具体的構成はこれに限定されない。

絶縁筒３４は電気絶縁性を有する材料によって円筒状に形成されており、電極棒３２の外周面を全周にわたって覆うっている。さらに、絶縁筒３４の周囲は、電極取付カバー３６が覆っている。電極取付カバー３６は、金属製とされることで所定の剛性を有する円筒状に形成されている。

触媒担体１４の外周には、絶縁性材料によって略円筒状に形成された保持部材２６が配置されている。さらに、保持部材２６の外周には、ステンレス等の金属で略円筒状に成形されたケース筒体２８が配置されている。換言すれば、略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２６により、触媒担体１４がケース筒体２８の内部に、同心で保持されている。そして、絶縁性を有する保持部材２６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。

また、保持部材２６は所定の弾性も有している。金属製のケース筒体２８と導電性セラミック製の触媒担体１４とでは線膨張係数が異なっているため、排気管１０内を通過する排気の熱や触媒担体１４への通電加熱による膨張量が異なることとなるが、この膨張量の違いが、保持部材２６の弾性により吸収される。さらに、排気管１０を通じた振動の入力に対しても、保持部材２６が緩衝作用を発揮しつつケース筒体２８と触媒担体１４との位置ズレを吸収する。なお、保持部材２６は、上記した絶縁性及び弾性を有すれば、材質は限定されないがが、材料の例としては、繊維マットが好ましく、この他にインタラムマットやムライト等も適用可能である。

保持部材２６には、軸方向中央の所定位置に、２箇所の電極室４０が形成されている。この電極室４０に、導線部材２０Ａ、２０Ｂや端子１８Ａ、１８Ｂの先端部分が収容されている。

ケース筒体２８には、電極室４０に対応する位置に取付孔４２が形成されている。ケース筒体２８には、この取付孔４２に対応して電極取付ボス４４が固定されている。電極取付ボス４４は、端子１８Ａ、１８Ｂの先端部分が挿通される挿通孔が形成されると共に、取付孔４２を覆う蓋板部４４Ｆと、この蓋板部４４Ｆの中央から立設された円筒状の円筒部４４Ｃとを有している。

ケース筒体２８に電極取付ボス４４が固定された状態で、円筒部４４Ｃの外側に電極取付カバー３６が装着され、端子１８Ａ、１８Ｂが、電極取付ボス４４に取り付けられる。

ケース筒体２８は、ステンレス等の金属で略円筒状に成形されており、流れ方向上流側の上流側テーパー部２８Ａと、流れ方向中間部分で排気管１０よりも大径の大径部２８Ｂ、及び長手方向下流側で大径部２８Ｂから連続する下流側テーパー部２８Ｃを有している。このようなケース筒体２８の形状におり、排気の流路の断面積が、このケース筒体２８の部分（特に大径部２８Ｂ）では局所的に拡大されていることになる。

図２（Ａ）にも示すように、触媒担体１４は保持部材２６よりも軸方向（排気の流れ方向）で長く形成されている。そして、触媒担体１４の上流側の部分は、保持部材２６の上流側端面２６Ａよりもさらに上流側に突出した上流側突出部１４Ｕとされている。触媒担体１４は、上流側突出部１４Ｕにおいて、ケース筒体２８からは離間しており、実質的に、ケース筒体２８に対し非接触の状態（内部で浮いた状態）になっている。

なお、本実施形態では、触媒担体１４の下流側の部分も、保持部材２６の下流側端面２６Ｂよりも下流側に突出した下流側突出部１４Ｌとされている。このように下流側突出部１４Ｌを設けると、ケース筒体２８内に保持部材２６を介して触媒担体１４を組み付けるときに、その方向を考慮する必要が無くなるので、作業性が向上する。

下流側突出部１４Ｌの外周面（触媒担体１４の前端部分の外周面）には、絶縁層２４が設けられている。すなわち、絶縁層２４は、保持部材２６よりも上流側において、触媒担体１４とケース筒体２８とを電気的に絶縁している。

本実施形態では、絶縁層２４として、ガラスコーティング層を薄層化してコーティングすることにより構成している。もちろん、触媒担体１４とケース筒体２８とを電気的に絶縁できれば、絶縁層２４はガラスコーティング層に限定されず、たとえば、アルミナ等も適用可能である。

次に、本実施形態の触媒コンバータ装置１２の作用を説明する。

図１から分かるように、エンジンからの排気は、排気管１０内において、まず、触媒コンバータ装置１２を通過し、これによって排気中の排気中の有害物質が浄化される。特に、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、端子１８Ａ、１８Ｂ（電極棒３２）から電極板１６Ａ、１６Ｂを通じて触媒担体１４に通電し、触媒担体１４を加熱することで、触媒担体１４に担持された触媒本体を昇温させ、浄化作用をより早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への通電加熱を積極的に行うことで、エンジン始動初期における触媒本体の浄化性能を早期に確保できる。なお、排気の温度が充分に高い場合は、触媒担体１４が排気からの熱で昇温されるので、触媒担体１４に通電する必要はない。

エンジンからの排気にはカーボンが含まれていることがある。図２（Ｂ）に示すように、このカーボンＣＢが触媒担体１４の外周面から保持部材２６の上流側端面２６Ａを経てケース筒体２８の内周面に付着してしまうと、触媒担体１４とケース筒体２８とが電気的に短絡されることになる。これにより、触媒担体１４とケース筒体２８との電気抵抗が低下するため、触媒担体１４の通電効率が低下することがある。さらに、触媒担体１４に担持された触媒の加熱効率も低下する懸念がある。

ここで、触媒担体１４に上流側突出部１４Ｕを設けていない構成（比較例）を想定すると、このような触媒コンバータ装置であっても、触媒担体１４の温度は、上記した通電や、触媒の本体的な作用（有害物質を浄化するための化学反応）によっても上昇する。しかしながら、一般に、カーボンの燃焼温度は６２０度程度と高温であり、触媒担体１４の温度がカーボン燃焼温度に達するには、長時間を要することもある。

これに対し、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、触媒担体１４に上流側突出部１４Ｕを構成しており、上流側突出部１４Ｕは、ケース筒体２８の内部で浮いたような状態となっている。すなわち、排気は、触媒担体１４の上流側端面１４Ａだけでなく、上流側突出部１４Ｕの外周面にも当たる。

すなわち、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、触媒担体１４の上流側部分に排気の熱が集中的に作用するため、この部分の温度を、比較例の触媒コンバータ装置より短時間で効果的に上昇させて、カーボン燃焼温度あるいはそれ以上の温度に到達させることができる。

そして、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、触媒担体１４の上流側部分の温度を効果的に上昇させることで、触媒担体１４にカーボンＣＢが付着していても、このカーボンＣＢを効果的に燃焼させることができる。さらに、触媒担体１４の熱は、その周囲、たとえば保持部材２６の上流側端面２６Ａ等に付着したカーボンＣＢにも作用するので、この部分のカーボンＣＢも効果的に燃焼させることができる。

このように、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、触媒担体１４の上流側突出部１４Ｕに排気の熱を集中的に作用させることで、その近傍に付着したカーボンＣＢの燃料を効果的に促進する。これにより、触媒担体１４とケース筒体２８との間の絶縁抵抗を確保し、触媒担体１４への通電効率の低下を抑制することができる。

しかも、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、触媒担体１４の上流側突出部１４Ｕの外周面に絶縁層２４が設けられている。したがって、上流側突出部１４Ｕとケース筒体２８との間の絶縁性を、このような絶縁層２４が設けられていない構成と比較して、より高く確保でき、触媒担体１４への通電効率の低下を抑制することができる。

図３には、本発明の第２実施形態の触媒コンバータ装置７２が示されている。第２実施形態では、第１実施形態と比較して、絶縁層７４の構成のみが異なっているが、他は同一の構成とされている。以下では、第１実施形態と同一の構成要素、部材等については第１実施形態と同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

第２実施形態に係る絶縁層７４は、第１実施形態に係る絶縁層２４よりも、さらに触媒担体１４の長手方向中央側に延長されている。そして、絶縁層７４の延長部分は、触媒担体１４と保持部材２６の間に挟まれるように配置されている。

したがって、第２実施形態の触媒コンバータ装置７２では、第１実施形態の触媒コンバータ装置１２と同様の作用効果を奏するが、さらに、保持部材２６の内部にカーボンが入り込んだ場合でも、このカーボンによる、触媒担体１４をケース筒体２８との電気抵抗の低下が抑制されている。

すなわち、図４（Ｂ）に示すように、排気中のカーボンＣＢは、保持部材２６の上流側端面２６Ａから、保持部材２６の内部（微小な空孔）に入り込むことがある。ただし、このカーボンＣＢは、保持部材２６を通りぬける可能性は低い。また、保持部材２６内の分布密度も、上流側から下流側へ漸減する。このため、実質的に、保持部材２６内において、上流側の所定範囲でのみ、カーボンＣＢが入り込んでいる（図４（Ｂ）では、この様子を概念的に示している）。

本実施形態では、上流側の絶縁層７４の下流側部分（延長部分）は、触媒担体１４と保持部材２６の間に挟まれるように延長されているので、保持部材２６の内部に入り込んだカーボンに起因する、触媒担体１４をケース筒体２８との電気抵抗の低下を抑制できる。

しかも、上記したように、保持部材２６の内部では、上流側部分にのみ実質的にカーボンＣＢが入り込む。これを考慮し、必要以上に絶縁層７４を下流側に長くしていないので、絶縁層７４を延長したことによるコストの過度の上昇を抑制している。

本発明において、上流側突出部１４Ｕの突出長（軸方向の長さ）は、付着したカーボンの燃焼を効果的に促進できれば特に限定されないが、たとえば、１０〜２５ｍｍ程度とすればよい。

本発明の絶縁部材は、上記した絶縁層２４、７４に限定されず、要するに、触媒担体１４の上流側突出部１４Ｕの外周面とケース筒体２８の内周面との間に配置されることで、上流側突出部１４Ｕとケース筒体２８との間を電気的に絶縁できればよい。たとえば、触媒担体１４とは別体とされた絶縁性のシートやブロック等を、上流側突出部１４Ｕの外周面とケース筒体２８の内周面との間に配置してもよい。上記各実施形態の絶縁層２４、７４のように、絶縁性の材料（ガラスやアルミナ等）を薄層化してコーティングすると、触媒担体１４の外径が過度に大きくならず（実質的に変化せず）、しかも、触媒担体１４に対し不用意に位置ずれしたり脱落したりしない。また、絶縁層２４としては、絶縁性材料を緻密化することで、より高い絶縁性を確保できるようになる。

１０ 排気管
１２ 触媒コンバータ装置
１４ 触媒担体
１４Ｕ 上流側突出部
１６Ａ、１６Ｂ 電極（通電手段）
１８Ａ、１８Ｂ 端子（通電手段）
２０Ａ、２０Ｂ 導線部材（通電手段）
２４ 絶縁層（絶縁部材）
２６ 保持部材
２８ ケース筒体
４４Ｃ 円筒部
４４Ｆ 蓋板部
４６ 雄ネジ
４８ 電源装置（通電手段）
５０ ケーブル（通電手段）
５２ 制御装置（通電手段）
７２ 触媒コンバータ装置
７４ 絶縁層
ＣＢ カーボン

Claims (3)

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、
   筒状に形成されて内部に前記触媒担体が収容されると共に排気管に取り付けられる筒体と、
   前記触媒担体に通電するための通電手段と、
   絶縁性を有し、前記筒体と前記触媒担体との間に配置され触媒担体を筒体内に保持する保持部材と、
   前記触媒担体を前記保持部材よりも前記排気の上流側へ向けて突出させて構成され前記筒体と非接触とされた上流側突出部と、
   少なくとも前記上流側突出部の外周面と前記筒体の内周面との間に設けられた絶縁部材と、
   を有する触媒コンバータ装置。
2. 前記絶縁部材が、前記上流側突出部の外周面に設けられた絶縁層である請求項１に記載の触媒コンバータ装置。
3. 前記絶縁層が、前記上流側突出部の外周面から下流側へ連続し前記触媒担体の外周面と前記保持部材の内周面の間の少なくとも一部に設けられている請求項２に記載の触媒コンバータ装置。

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