特許 6044535 触媒コンバータ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6044535

(24)【登録日】2016年11月25日

(45)【発行日】2016年12月14日

(54)【発明の名称】触媒コンバータ装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/28 20060101AFI20161206BHJP

   F01N 3/20 20060101ALI20161206BHJP

【ＦＩ】

   F01N3/28 311U

   F01N3/28 311S

   F01N3/20 K

   F01N3/28 J

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-269885(P2013-269885)

(22)【出願日】2013年12月26日

(65)【公開番号】特開2015-124705(P2015-124705A)

(43)【公開日】2015年7月6日

【審査請求日】2015年1月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(74)【代理人】

【識別番号】100099025

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 浩志

(72)【発明者】

【氏名】荻村 章司

(72)【発明者】

【氏名】田中 比呂志

(72)【発明者】

【氏名】幸光 秀之

【審査官】 今関 雅子

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／１２８９９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−０２１４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１２０６８０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｎ ３／００−３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関から排出される排気の上流側から下流側まで一定の径を有し前記排気の流路の一部を成す収容筒と、
前記収容筒の内部に備えられ、前記排気を浄化するための触媒を担持し、通電によって昇温される触媒担体と、
前記収容筒の前記上流側に接続され前記上流側に向かって一定の径を有する円筒状の接続部材と、
前記収容筒の前記上流側の端部から延出され前記上流側に向かって縮径されることで前記接続部材との間隔が前記上流側に向かって広がる形状であり、付着した排気中の煤を燃焼させる上流側燃焼部材と、
前記触媒担体の前記下流側に設けられ、上流側の部位が前記収容筒の内側に位置し、付着した排気中の煤を燃焼させる下流側燃焼部材と、
前記上流側燃焼部材の内面から、前記収容筒の内面であって前記下流側燃焼部材の前記上流側の部位の外面と前記収容筒の内面との間の位置まで連続して形成された絶縁層と、
を有する触媒コンバータ装置。

【請求項2】

前記上流側燃焼部材が、前記収容筒の上流端から前記上流側に連続している請求項１に記載の触媒コンバータ装置。

【請求項3】

前記下流側燃焼部材が、前記排気を浄化するための触媒を担持する下流担体である請求項１又は請求項２に記載の触媒コンバータ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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、通電により発熱するＥＨＣユニットを上流側に配置し、その下流側に触媒コンバータユニットを備えた構造のものがある。

【特許文献1】特開平１１−２５７０６３号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

通電により発熱する触媒担体を備えた触媒コンバータ装置において、排気中の煤が筒体の内面に付着すると、この煤により、触媒担体に給電するための給電部材間が短絡されるおそれがある。たとえば、筒体と触媒担体の間に絶縁層を設けていても、この絶縁層の全体を覆うように煤が堆積すると、上記した短絡が生じるおそれがある。

【0004】

本発明は上記事実を考慮し、通電により発熱する触媒担体を備えた触媒コンバータ装置において、排気中の煤による短絡を抑制することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の第１の態様では、内燃機関から排出される排気の上流側から下流側まで一定の径を有し前記排気の流路の一部を成す収容筒と、前記収容筒の内部に備えられ、前記排気を浄化するための触媒を担持し、通電によって昇温される触媒担体と、前記収容筒の前記上流側に接続され前記上流側に向かって一定の径を有する円筒状の接続部材と、前記収容筒の前記上流側の端部から延出され前記上流側に向かって縮径されることで前記接続部材との間隔が前記上流側に向かって広がる形状であり、付着した排気中の煤を燃焼させる上流側燃焼部材と、前記触媒担体の前記下流側に設けられ、上流側の部位が前記収容筒の内側に位置し、付着した排気中の煤を燃焼させる下流側燃焼部材と、前記上流側燃焼部材の内面から、前記収容筒の内面であって前記下流側燃焼部材の前記上流側の部位の外面と前記収容筒の内面との間の位置まで連続して形成された絶縁層と、を有する。

【0006】

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。

【0007】

触媒担体よりも排気の上流側には上流側燃焼部材が設けられる。触媒担体の上流側では、上流側燃焼部材に付着した煤が燃焼される。また、触媒担体よりも排気の下流側には下流側燃焼部材が設けられる。触媒担体の下流側では、下流側燃焼部材に付着した煤が燃焼される。煤が触媒担体の上流側及び下流側で燃焼されるので、たとえば、触媒担体に給電するための給電部材の間が煤によって短絡されることが抑制される。

【0008】

収容筒の内面には絶縁層が設けられている。上流側燃焼部材は、収容筒の上流側の端部から延出され上流側に向かって縮径されることで接続部材との間隔が上流側に向かって広がる形状であり、付着した煤の燃焼を促進できる。上流側燃焼部材の内面から、収容筒の内面であって下流側燃焼部材の上流側の部位の外面と前容筒の内面との間の位置まで、絶縁層が連続して形成されている。したがって、触媒担体、上流側燃焼部材及び下流側燃焼部材で煤が堆積しても、煤が収容筒に接触することは抑制される。

【0009】

しかも、触媒担体の上流側で絶縁層を覆うように煤が堆積した場合でも、上流側燃焼部材の熱により、絶縁層を覆う煤を燃焼できる。同様に、触媒担体の下流側で絶縁層を覆うように煤が堆積した場合でも、下流側燃焼部材の熱により、絶縁層を覆う煤を燃焼できる。このように、触媒担体の上流側及び下流側で絶縁層を覆う煤を燃焼することで、煤による短絡をより効果的に抑制できる。

【0010】

第２の態様では、第１の態様において、前記上流側燃焼部材が、前記収容筒の上流端から前記上流側に連続している。

【0011】

収容筒と上流側燃焼部材とが連続するので、別体とした構成より熱容量が小さくなり、触媒担体から収容筒及び上流側燃焼部材へ移動する熱量が少なくなる。

【0012】

本発明の第３の態様では、第１又は第２の態様において、前記下流側燃焼部材が、前記排気を浄化するための触媒を担持する下流担体である。

【0013】

下流担体は、排気を浄化するための触媒を担持しているので、煤の燃焼に加えて、触媒により排気を浄化できる。

【発明の効果】

【0014】

本発明は上記構成としたので、通電により発熱する触媒担体を備えた触媒コンバータ装置において、排気中の煤による短絡を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】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。

【図2】本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を部分的に拡大して示す断面図である。

【図3】本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を部分的に拡大して示す断面図である。

【図4】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。

【図5】本発明の第２実施形態の触媒コンバータ装置を部分的に拡大して示す断面図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0016】

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。以下において、単に「上流側」及び「下流側」というときは、排気管１０内での排気の流れ方向（矢印Ｆ１方向）における上流側及び下流側をそれぞれいうものとする。触媒コンバータ装置１２は、上流側排気管１０Ａと下流側排気管１０Ｂの間に取り付けられている。

【0017】

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。

【0018】

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）が付着されて担持されている。

【0019】

触媒は、排気管１０内を流れる排気中の物質（炭化水素等）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。

【0020】

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にはそれぞれ端子１８Ａ、１８Ｂが接続されている。電極１６Ａ、１６Ｂ及び端子１８Ａ、１８Ｂは、触媒担体１４に給電するための給電部材の一例である。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。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、触媒の浄化作用を高く発揮させることができるようになっている。

【0021】

触媒担体１４は、外周に配置された保持マット２６を介して、筒体２８の内部に収容された状態で保持されている。保持マット２６は、たとえばアルミナマットや樹脂マット、セラミックウール、インタラムマットやムライト等により、絶縁性と所定の弾性を有する繊維状に形成されている。

【0022】

筒体２８は、本実施形態ではステンレス等の金属で成形されており、上流側の上流筒体２８Ａと、下流側の下流筒体２８Ｂとが接続されて、全体として略円筒状になっている。筒体２８は、上流側排気管１０Ａと下流側排気管１０Ｂの間で、排気の流路の一部を成す。

【0023】

上流筒体２８Ａは、上流側から下流側まで一定の径を有する円筒状の収容筒３０と、この収容筒３０の上流端からさらに上流側に連続し、径が段階的に縮径された上流側縮径部３２を有している。すなわち、触媒担体１４よりも上流側で、且つ上流側排気管１０Ａよりも下流側に、上流側縮径部３２が位置している。

【0024】

上流側縮径部３２は、本発明における上流筒の一例である。図１に示した例では、上流側縮径部３２は２か所の縮径部３２Ｃで２段階に縮径されているが、縮径部３２Ｃの数は１つでも３つ以上でもよい。

【0025】

上流側縮径部３２は、このように上流に向かって縮径される形状であるため、最も下流側の部位が、上流側縮径部３２において最も大径の最大径部３２Ｄである。すなわち、最大径部３２Ｄは、上流側縮径部３２（上流筒）において、収容筒３０の内周面に最も近い部位である。

【0026】

上流側排気管１０Ａと、上流筒体２８Ａの収容筒３０と、の間は、上流側円錐部材２０及び接続部材２２で接続されている。上流側円錐部材２０は、上流側から下流側へ拡径されている。接続部材２２は、円筒状の部材である。

【0027】

収容筒３０の内面には、ガラスコート層４４が設けられている。ガラスコート層４４は、セラミック等の無機物を含有しており、電気絶縁性を有している。このガラスコート層４４は、本発明における絶縁層の一例である。

【0028】

収容筒３０におけるガラスコート層４４の形成範囲４４Ｅは、収容筒３０の内周面において、周方向の全範囲で、且つ排気の流れ方向で連続する所定範囲（図１に示す例では流れ方向の略全範囲）である。このガラスコート層４４が設けられることで、排気中の煤は収容筒３０の内面に接触しなくなる。

【0029】

さらにガラスコート層４４は、本実施形態では、図１及び図２から分かるように、収容筒３０の内周面から、上流側縮径部３２の内周面を経て外周面に至る範囲（実質的に上流側縮径部３２の全面）に施されている。図２から分かるように、上流側縮径部３２の最大径部３２Ｄ、すなわち、収容筒３０の内周面に最も近い部位が、収容筒３０におけるガラスコート層４４の形成範囲４４Ｅに位置している。

【0030】

筒体２８の収容筒３０内には、触媒担体１４の下流側に、下流筒４０が設けられている。下流筒４０は、触媒担体１４から下流側へ離間し、筒体２８の収容筒３０よりもわずかに小径とされた第１円筒部４０Ａと、この第１円筒部４０Ａから下流側縮径部４０Ｃを経て下流側に連続し、径が段第１円筒部４０Ａよりも小径の第２円筒部４０Ｂを有している。図１に示した例では、下流筒４０は１か所の下流側縮径部４０Ｃによって１段階で縮径されているが、２段階以上に縮径されていてもよい。

【0031】

下流筒４０の第１円筒部４０Ａは、下流筒４０において最も大径の最大径部４０Ｄである。最大径部４０Ｄは、下流筒４０において、収容筒３０の内周面に最も近い部位である。図３から分かるように、下流筒４０の最大径部４０Ｄ、すなわち、収容筒３０の内周面に最も近い部位が、収容筒３０のガラスコート層４４の形成範囲４４Ｅに位置している。

【0032】

下流筒４０の第１円筒部４０Ａの外周には、保持マット４２が装着されている。下流筒４０は、保持マット４２によって、筒体２８の内部に収容された状態で保持されている。保持マット４２は、保持マット２６と同様に、たとえばアルミナマットや樹脂マット、セラミックウール、インタラムマットやムライト等により、絶縁性と所定の弾性を有する繊維状に形成されている。

【0033】

図１に示すように、下流筒体２８Ｂ内には、上流側から順に酸素濃度センサ４６及び第２触媒担体４８が設けられる。酸素濃度センサ４６は排気中の酸素濃度を検知し、データを図示しない制御装置に送る。制御装置では、このデータとエンジンの状態などから、たとえば、触媒担体１４への供給電力の調整を行う。

【0034】

第２触媒担体４８には、たとえば、触媒担体１４の触媒と同じか、又は更に他の触媒が収容されている。そして、上流触媒コンバータ１８で処理しない排気中の成分を第２触媒担体４８の触媒で浄化できる。なお、第２触媒担体４８は、絶縁性の材料で構成されており、通電により昇温される構成ではない。

【0035】

第２触媒担体４８の外周には、保持マット５０が装着されている。第２触媒担体４８は、保持マット５０によって、下流筒体２８Ｂの内部に収容された状態で保持されている。

【0036】

保持マット５０は、保持マット２６、４２と同様に、たとえばアルミナマットや樹脂マット、セラミックウール、インタラムマットやムライト等により、絶縁性と所定の弾性を有する繊維状に形成されている。保持マット２６、４２、５０は同じ材質でもよいし、それぞれ異なる材質でもよい。

【0037】

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。

【0038】

図１に示すように、触媒コンバータ装置１２は、筒体２８が排気管１０の途中（上流側排気管１０Ａと下流側排気管１０Ｂの間）で、排気管１０と同心になるように取り付けられている。触媒担体１４の内部を排気が通過すると、触媒担体１４に担持された触媒により、排気中の物質（炭化水素）等が浄化される。

【0039】

本実施形態の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。

【0040】

筒体２８の収容筒３０の内周面には、ガラスコート層４４が施されており、筒体２８の絶縁性が高められている。したがって、触媒担体１４への通電時に電流が筒体２８へ漏れることが抑制される。これにより、触媒担体１４への通電量を確保し、触媒担体１４を効果的に昇温させることができる。

【0041】

排気中には、たとえばエンジンの低温始動時等にカーボンが含まれることがある。排気中のカーボンの一部は、上流側縮径部３２に煤として堆積される。ここで、排気の熱により上流側縮径部３２が昇温されることで、堆積した煤を燃焼させる（焼き切る）ことができる。

【0042】

特に、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、上流側縮径部３２の径が上流側に向かって縮径されている。これにより、上流側縮径部３２の内側を流れる排気に渦が生じるので、縮径されていない（一定径の円筒状の）構造と比較して、上流側縮径部３２が排気から熱を受けやすくなる。上流側縮径部３２の温度が上昇しやすくなるので、上流側縮径部３２に付着したカーボンの燃焼を促進できる。

【0043】

また、排気中のカーボンの一部は、下流筒４０にも煤として堆積されることがある。そして、排気の熱により下流筒４０が昇温されることで、堆積した煤を燃焼させる（焼き切る）ことができる。

【0044】

特に、本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、下流筒４０にも下流側縮径部４０Ｃが設けられているので、下流側縮径部４０Ｃが設けられていない下流筒（一定の径を有する円筒状の部材）と比較して、下流側縮径部４０Ｃにおいて排気の流速が上昇する。これにより、下流筒４０の温度が上昇しやすくなるので、下流筒４０に付着したカーボンの燃焼を促進できる。

【0045】

また、本実施形態では、収容筒３０と上流側縮径部３２とを、継ぎ目のない一体的な部材として構成しているので、収容筒３０と上流側縮径部３２とを別体とした構造と比較して熱容量が小さい。このため、触媒担体１４から収容筒３０及び上流側縮径部３２に移動する熱量が少なく、触媒担体１４を効果的に昇温できる。

【0046】

本実施形態の触媒コンバータ装置１２では、図２から分かるように、上流側縮径部３２の最大径部３２Ｄ、すなわち、収容筒３０の内周面に最も近い部位が、収容筒３０におけるガラスコート層４４の形成範囲４４Ｅに位置している。また、図３から分かるように、下流筒４０の最大径部４０Ｄ、すなわち、収容筒３０の内周面に最も近い部位が、収容筒３０におけるガラスコート層４４の形成範囲４４Ｅに位置している。したがって、上流側縮径部３２や下流筒４０に堆積した煤が収容筒３０に接触することが抑制される。これにより、たとえば、堆積した煤が触媒担体１４に接触しても、収容筒３０には接触しないので、煤によって、電極１６Ａ、１６Ｂ間の電気抵抗が低くなる（あるいは短絡される）ことを抑制できる。たとえば、煤が触媒担体１４よりも下流側で、且つ収容筒３０の内周面において、周方向に連続して堆積されても、この煤による短絡を抑制できる。

【0047】

しかも、触媒担体１４の上流側でガラスコート層４４を覆うように煤が堆積した場合でも、上流側縮径部３２の最大径部３２Ｄ、すなわち、収容筒３０の内周面に最も近い部位が、収容筒３０におけるガラスコート層４４の形成範囲４４Ｅに位置している。このため、上流側縮径部３２の熱により、ガラスコート層４４を覆う煤を燃焼できる。

【0048】

同様に、触媒担体１４の下流側でガラスコート層４４を覆うように煤が堆積した場合でも、下流筒４０の最大径部４０Ｄ、すなわち、収容筒３０の内周面に最も近い部位が、収容筒３０におけるガラスコート層４４の範囲に位置している。このため、下流筒４０の熱により、絶縁層を覆う煤を燃焼できる。このように、触媒担体１４の上流側及び下流側でガラスコート層４４を覆うように堆積した煤を燃焼することで、煤による短絡をより効果的に抑制できる。

【0049】

図４には、本発明の第２実施形態の触媒コンバータ装置６２が示されている。第２実施形態において、第１実施形態と同一の構成要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

【0050】

第２実施形態の触媒コンバータ装置６２では、第１実施形態の下流筒４０に代えて、下流担体６４が設けられている。下流担体６４は、たとえば、触媒担体１４や第２触媒担体４８の触媒と同じか、又は更に他の触媒が収容されている。そして、触媒担体１４の触媒で処理しない排気中の成分を下流担体６４の触媒で浄化できる。なお、下流担体６４は、絶縁性の材料で構成されており、通電により昇温される構成ではない。

【0051】

下流担体６４の外周には、保持マット６６が装着されている。下流担体６４は、保持マット６６によって、上流筒体２８Ａの内部に収容された状態で保持されている。

【0052】

保持マット６６は、保持マット２６、４２、５０と同様に、たとえばアルミナマットや樹脂マット、セラミックウール、インタラムマットやムライト等により、絶縁性と所定の弾性を有する繊維状に形成されている。保持マット６６は、保持マット２６、４２、５０は同じ材質でもよいし、異なる材質でもよい。

【0053】

図５に示すように、下流担体６４は全体として円柱状に形成されており、外周面の全体が最大径部６４Ｄである。そして、下流担体６４の最大径部６４Ｄ、すなわち、収容筒３０の内周面に最も近い部位が、収容筒３０のガラスコート層４４の形成範囲４４Ｅに位置している。

【0054】

第２実施形態の触媒コンバータ装置６２においても、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。

【0055】

さらに、第２実施形態の触媒コンバータ装置６２では、下流担体６４の触媒によって、排気をさらに浄化することが可能である。

【0056】

しかも、第２実施形態の触媒コンバータ装置６２では、収容筒３０の内周面のガラスコート層４４によって上記した短絡を抑制しており、下流担体６４の周囲にはガラスコートを施す必要がない。下流担体６４は、たとえば収容筒３０と比較して、外気に触れる部分がないため収容筒３０と比較して高い耐熱性が求められるが、ガラスコート層を施さないことで、耐熱性が高くなる。

【0057】

また、第２実施形態の触媒コンバータ装置６２では、下流担体６４が熱源として作用する。すなわち、下流担体６４に排気の熱が作用して下流担体６４が昇温されると、たとえがエンジン停止等によって排気が流れない状態でも、下流担体６４が熱エネルギを保持する。そして、下流担体６４の熱が触媒担体１４に作用することで、触媒担体１４の温度低下を抑制できる。さらに、エンジン再駆動時にも、より少ない通電電力で、触媒担体１４を所望の温度に昇温することが可能であり、消費電力の低減や、燃費の向上に寄与できる。

【0058】

さらに、第２実施形態では、下流担体６４の触媒によって排気を浄化する際に反応熱が生じる。下流担体６４は、この反応熱によって昇温される。これにより、下流担体６４に堆積した煤を燃焼させる効果が、より高くなる。

【符号の説明】

【0059】

１２ 触媒コンバータ装置
１４ 触媒担体
２８ 筒体
３０ 収容筒
３２ 上流側縮径部（上流側燃焼部材）
３２Ｄ 最大径部
４０ 下流筒（下流側燃焼部材）
４０Ｄ 最大径部
４４ ガラスコート層
４４Ｅ 形成範囲（絶縁層の範囲）
６２ 触媒コンバータ装置
６４ 下流担体
６４Ｄ 最大径部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】