特開 2023-180393 触媒装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023180393

(43)【公開日】2023-12-21

(54)【発明の名称】触媒装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/28 20060101AFI20231214BHJP

   F01N 3/20 20060101ALI20231214BHJP

   F01N 3/24 20060101ALI20231214BHJP

   F02B 39/00 20060101ALI20231214BHJP

【ＦＩ】

F01N3/28 301V

F01N3/20 K

F01N3/24 T

F02B39/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022093668

(22)【出願日】2022-06-09

(71)【出願人】

【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】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】沖 俊典

(72)【発明者】

【氏名】飯田 達雄

(72)【発明者】

【氏名】貞光 貴裕

【テーマコード（参考）】

3G005

3G091

【Ｆターム（参考）】

3G005EA04

3G005EA16

3G005FA35

3G005GB26

3G005GB86

3G005HA18

3G005KA09

3G091AA10

3G091AB01

3G091BA02

3G091BA22

3G091CA03

3G091GA06

3G091GB10Z

3G091GB17X

3G091HA27

3G091HA45

3G091HB01

3G091HB06

(57)【要約】

【課題】電気加熱式の触媒装置が有する絶縁部の絶縁性を向上させる。
【解決手段】触媒装置１０は、通電によって発熱する発熱体としての触媒担体３１を収容するケース２０を備えている。ケース２０の端部２２は、触媒担体３１の端面よりも排気方向の上流側に突出しており絶縁部となっている。触媒装置１０は、ケース２０の端部２２を覆うようにして端部２２に対して径方向に離れている外管５０を有している。この外管５０は、過給機のタービンホイール１３０を収納するタービンハウジング１１０にて構成されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

排気を浄化する触媒と、通電によって発熱して前記触媒を加熱する発熱体と、前記触媒および前記発熱体を収容する管であるケースと、を有して過給機を備える内燃機関の排気通路に配置される触媒装置であって、
前記排気通路を排気が流れる方向を排気方向として、前記排気方向の上流側における前記ケースの端部は、前記排気方向の上流側における前記発熱体の端よりも前記排気方向の上流側に突出しており、且つ電気を絶縁する絶縁部であり、
前記ケースの端部を覆うようにして同端部に対して径方向に離れている外管を有しており、
前記外管は、前記過給機のタービンホイールを収納するタービンハウジングにて構成されている
触媒装置。

【請求項2】

前記外管の全てが前記タービンハウジングにて構成されている
請求項１に記載の触媒装置。

【請求項3】

前記排気方向の下流側における前記タービンホイールの末端の径を出口径として、前記ケースの端部の前記排気方向における上流側の先端部の径は前記出口径よりも大きい径に設定されており、
前記先端部と前記タービンハウジングの内周面との最短距離は、前記発熱体に供給される最大電圧において絶縁可能な最短距離以上の距離に設定されている
請求項１に記載の触媒装置。

【請求項4】

鋳物で形成された前記タービンハウジングを有する
請求項１に記載の触媒装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気加熱式の触媒を備える触媒装置に関する。

【背景技術】

【0002】

発熱体への通電によって触媒を加熱する電気加熱式の触媒が知られている。触媒は、触媒を収容する管状のケースに対して電気的に絶縁された状態で取り付けられている。こうした電気加熱式の触媒では、排気に含まれる粒子状物質が付着することによって触媒とケースとの間に電気的な短絡が生じると、ケースにも電気が流れてしまう。そのため、ケースの絶縁性が要求される。

【0003】

こうしたケースの絶縁性を確保するために、例えば特許文献１に記載の触媒装置はケースの端部が絶縁部になっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－８４７７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示されているような触媒装置でも、粒子状物質がケース端部の絶縁部に堆積するおそれがある。そのため、粒子状物質の堆積を抑制することにより、ケース端部の絶縁部における絶縁性を向上させることが求められている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するための触媒装置は、排気を浄化する触媒と、通電によって発熱して前記触媒を加熱する発熱体と、前記触媒および前記発熱体を収容する管であるケースと、を有して過給機を備える内燃機関の排気通路に配置される触媒装置である。前記排気通路を排気が流れる方向を排気方向として、前記排気方向の上流側における前記ケースの端部は、前記排気方向の上流側における前記発熱体の端よりも前記排気方向の上流側に突出しており、且つ電気を絶縁する絶縁部である。また、触媒装置は、前記ケースの端部を覆うようにして同端部に対して径方向に離れている外管を有している。そして、前記外管は、前記過給機のタービンホイールを収納するタービンハウジングにて構成されている。

【0007】

外管の温度がケースの端部の温度に対して相対的に低くなると、ケースの端部に付着した粒子状物質が熱泳動によって外管の内周面へと移動するため、上記絶縁部における粒子状物質の堆積が抑制される。絶縁部における粒子状物質の堆積が抑制されると、同絶縁部の絶縁性が向上する。

【0008】

この点、同構成では、そうした外管が過給機のタービンハウジングで構成されている。こうしたタービンハウジングは熱容量が大きいため、例えば冷間始動時などには温度上昇が緩やかになる。そのため、外管の温度は、排気に曝されるケースの端部の温度に対して相対的に低くなる状態が促されるようになる。従って、ケースの端部における絶縁部の絶縁性が向上するようになる。

【0009】

上記触媒装置において、前記外管の全てが前記タービンハウジングにて構成されていてもよい。
同構成によれば、外管の一部をタービンハウジングで構成する場合と比べて、外管の熱容量が大きくなる。そのため、外管の温度がケースの端部の温度に対して相対的に低くなる状態がさらに促されるようになる。従って、ケースの端部における絶縁部の絶縁性がさらに向上するようになる。

【0010】

上記触媒装置において、前記排気方向の下流側における前記タービンホイールの末端の径を出口径として、前記ケースの端部の前記排気方向における上流側の先端部の径は前記出口径よりも大きい径に設定されており、前記先端部と前記タービンハウジングの内周面との最短距離は、前記発熱体に供給される最大電圧において絶縁可能な最短距離以上の距離に設定されていてもよい。

【0011】

同構成によれば、タービンホイールを通過した排気は、外管とケースの端部との間の空間に流れ込みにくくなり、触媒を収容するケースに大部分が流れ込むようになる。従って、そうした空間を有することに起因する過給機のタービン効率の低下を抑えることができる。

【0012】

上記触媒装置において、鋳物で形成された前記タービンハウジングを有してもよい。
同構成によれば、タービンハウジングが鋳物で形成されているため、タービンハウジングを板状の板金で形成する場合と比較して、タービンハウジングの熱容量が増大する。タービンハウジングの熱容量が増大すると、タービンハウジングの温度は上昇しにくくなる。従って、外管の温度がケースの端部の温度に対して相対的に低くなる状態を促すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】触媒装置の一実施形態を備える内燃機関を示す模式図である。

【図2】同実施形態における触媒装置の断面図である。

【図3】同実施形態の変更例における触媒装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、触媒装置の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
＜内燃機関について＞
図１に示すように、内燃機関９０は、排気通路９１を流れる排気を利用して吸気通路７１を流れる吸気を過給する過給機１００を備えている。過給機１００は、タービンホイールを収納するタービンハウジング１１０を有している。そして、タービンハウジング１１０の下流には、触媒装置１０が接続されている。触媒装置１０は、通電によって発熱する発熱体を備える電気加熱式の触媒装置である。なお、図１には、内燃機関から排出された排気の流れの方向としての排気方向を矢印で表示している。

【0015】

＜触媒装置の構造＞
図２には、触媒装置１０の中心軸に沿った直線として軸線Ｃ１を表示している。なお、図２にも、図１と同様に排気方向を示す矢印を表示している。

【0016】

図２に示すように、触媒装置１０は、排気を浄化するための触媒が担持されている触媒担体３１を備えている。触媒装置１０は、触媒担体３１を収容する管であるケース２０を備えている。触媒装置１０は、ケース２０における収容部２１に触媒担体３１を固定するマット３２を備えている。触媒装置１０は、触媒担体３１に通電するための電極８１を一対備えている。

【0017】

以下では、触媒装置１０に関して、排気方向の上流側の構成について説明する。排気方向の下流側の構成については、上流側の構成と対称であってもよいし、触媒担体３１を収容するケース２０による一重管構造でもよい。

【0018】

触媒担体３１の外形は、軸線Ｃ１を中心軸とした円柱形状である。触媒担体３１は、多孔質体である。一例として、触媒担体３１は、排気方向に延びる複数の通路が区画されているハニカム構造を備えた構造体である。

【0019】

図２に示すように、触媒担体３１には、電極８１が接続されている。一対の電極８１間に電圧をかけることによって触媒担体３１に電流が流れる。触媒担体３１に電流が流れると、触媒担体３１の電気抵抗によって触媒担体３１が発熱する。すなわち、触媒担体３１は、通電に際して電気抵抗に応じて発熱する物質であり、通電によって発熱する発熱体である。触媒担体３１の一例は、炭化ケイ素を材料とするセラミックスである。

【0020】

マット３２は、触媒担体３１における円柱の側面に相当する面を覆っている。マット３２は、電気伝導率が小さい絶縁体である。マット３２の一例は、アルミナを主成分とする無機繊維である。マット３２によって触媒担体３１が覆われていることで、触媒担体３１に通電したときにケース２０には電気が流れないようにされている。

【0021】

ケース２０は、ステンレス等の金属材料で形成されている管である。軸線Ｃ１は、ケース２０の中心軸に沿った直線に一致している。ケース２０は、収容部２１と、収容部２１に対して排気方向の上流側に位置する端部２２とを備えている。ケース２０に収容されている触媒担体３１において排気方向における上流側の端面のことを触媒上流端３１Ａという。ケース２０のうち、触媒上流端３１Ａを境にした上流側の部分を端部２２として下流側の部分を収容部２１とする。軸線Ｃ１から収容部２１の内周面までの距離を収容部２１の内径とする。収容部２１の内径は、軸線Ｃ１が伸びる方向において一定である。ケース２０の端部２２は、触媒上流端３１Ａよりも排気方向の上流側に突出している。ケース２０の端部２２は、絶縁体によって表面が覆われている。端部２２の全面を被覆している絶縁体によって端部２２に絶縁層が形成されている。このようにケース２０の端部２２は絶縁部になっている。

【0022】

ケース２０の収容部２１には、電極８１が挿入される電極挿入孔２６が開口している。電極挿入孔２６を介して、触媒担体３１に接続されている電極８１がケース２０の外に突出している。電極挿入孔２６は、電極保持部８２によって閉塞されている。電極保持部８２は、電極挿入孔２６に挿入されている電極８１を固定している。電極保持部８２は、電気伝導率が小さい絶縁体である。電極保持部８２が電極８１を支えていることで、ケース２０に電気が流れないようにされている。

【0023】

ケース２０の端部２２は、ケース２０のうち排気方向の上流側の端に位置する等径部２３と、等径部２３と収容部２１との間に位置して等径部２３と収容部２１とを繋ぐ縮径部２４とを備えている。軸線Ｃ１から等径部２３の内周面までの距離を等径部２３の内径Ｄとする。等径部２３の内径Ｄは、軸線Ｃ１が伸びる方向において一定である。等径部２３の内径Ｄは、収容部２１の内径よりも小さい。等径部２３において排気方向の上流側における先端部２５は、ケース２０に排気が流れ込む開口部になっている。

【0024】

端部２２の縮径部２４は、排気方向の上流側ほど軸線Ｃ１までの距離が短くなるように、管が徐々に細くなっている。すなわち、縮径部２４の内周面２２Ｂの内径は、排気方向の上流側ほど小さい。

【0025】

触媒装置１０は、ケース２０の端部２２を覆うようにして同端部２２に対して径方向に離れている外管５０を有している。この外管５０は、接続管１２０と、タービンハウジング１１０の拡径部１１４とで構成されている。

【0026】

接続管１２０は、ステンレス等の金属材料で形成されている。接続管１２０において排気方向の下流における端に位置する下流端１２２は、縮径部２４の外周面２２Ａに接合されている。接続管１２０の内周面１２０Ｂは、端部２２の縮径部２４を覆うようにして同端部２２に対して径方向に離れている。接続管１２０において排気方向の上流側の端部には、フランジ１２６が設けられている。

【0027】

タービンハウジング１１０は、鋳鉄やアルミニウム合金等の金属材料からなる鋳物で形成されている。タービンハウジング１１０は、タービンホイール１３０を収納するホイール収納部１１２を有している。また、タービンハウジング１１０は、タービンホイール１３０を通過した排気が流れる円筒状の排気流出部１１８を有している。この排気流出部１１８の中心軸は軸線Ｃ１と同一である。また、排気流出部１１８の内径は、軸線Ｃ１が伸びる方向において一定である。排気方向の下流側におけるタービンホイール１３０の末端の径を出口径Ｄｔとすると、排気流出部１１８の内径は、出口径Ｄｔよりもやや大きい。排気流出部１１８において排気方向の下流側の開口１１９は、端部２２の先端部２５よりも排気方向の上流側に位置している。また、タービンハウジング１１０は、拡径部１１４を有している。拡径部１１４は、排気流出部１１８の開口１１９に対して排気方向の下流側に形成されている。この拡径部１１４の内径は、排気流出部１１８の内径よりも大きい。そして、拡径部１１４の内周面１１２Ｂは、端部２２を覆うようにして同端部２２に対して径方向に離れている。拡径部１１４において排気方向の下流側の端部には、フランジ１１６が設けられている。この拡径部１１４のフランジ１１６と、接続管１２０のフランジ１２６とが接続されることにより、タービンハウジング１１０において排気方向の下流側の末端がケース２０に固定される。

【0028】

端部２２の先端部２５の径である上記内径Ｄは、タービンホイール１３０の出口径Ｄｔよりも大きくされている。また、先端部２５とタービンハウジング１１０の内周面１１２Ｂとの最短距離Ｌは、触媒担体３１に供給される最大電圧において絶縁可能な最短距離Ｌα以上の距離に設定されている。なお、本実施形態では、最短距離Ｌは、絶縁可能な最短距離Ｌαとなるように先端部２５と内周面１１２Ｂとの位置関係が設定されている。

【0029】

＜作用及び効果＞
本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）外管５０の温度がケース２０の端部２２の温度に対して相対的に低くなると、ケース２０の端部２２の外周面２２Ａに付着した粒子状物質（以下、ＰＭという）が熱泳動によって外管５０の内周面へと移動する。そのため、絶縁部である端部２２におけるＰＭの堆積が抑制される。絶縁部におけるＰＭの堆積が抑制されると、同絶縁部の絶縁性が向上する。

【0030】

この点、本実施形態では、そうした外管５０の一部が過給機１００のタービンハウジング１１０で構成されている。こうしたタービンハウジング１１０は熱容量が大きいため、例えば冷間始動時などには温度上昇が緩やかになる。そのため、外管５０の温度は、排気に曝されるケース２０の端部２２の温度に対して相対的に低くなる状態が促されるようになる。従って、ケース２０の端部２２における絶縁部の絶縁性が向上するようになる。

【0031】

（２）端部２２の先端部２５の径である上記内径Ｄは、タービンホイール１３０の出口径Ｄｔよりも大きくされている。また、先端部２５とタービンハウジング１１０の内周面１１２Ｂとの最短距離Ｌは、触媒担体３１に供給される最大電圧において絶縁可能な最短距離Ｌαになるように設定されている。こうした構造を有することにより、タービンホイール１３０を通過した排気は、外管５０とケース２０の端部２２との間の空間Ｓ（図２を参照）に流れ込みにくくなり、ケース２０に大部分が流れ込むようになる。従って、そうした空間Ｓを有することに起因する過給機１００のタービン効率の低下を抑えることができる。

【0032】

（３）本実施形態ではタービンハウジング１１０が鋳物で形成されているため、タービンハウジング１１０を板状の板金で形成する場合と比較して、タービンハウジング１１０の体積は大きくなる。そのため、タービンハウジング１１０の熱容量が増大する。タービンハウジング１１０の熱容量が増大すると、当該タービンハウジング１１０の温度は上昇しにくくなる。一方でケース２０の端部２２は排気に曝されるため、温度が上昇しやすい。このようにケース２０の端部２２は温度が上昇しやすいものの、タービンハウジング１１０の温度は上昇しにくくなる。従って、外管５０の温度がケース２０の端部２２の温度に対して相対的に低くなる状態を促すことができる。

【0033】

（４）タービンハウジング１１０を利用して外管５０を構成するようにしている。そのため、タービンハウジング１１０を利用することなく、外管５０全体を上記接続管１２０にて構成する場合と比較して、触媒装置１０が大型化することを抑えることができる。

【0034】

＜変更例＞
上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。各実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0035】

・上記実施形態の外管５０は、接続管１２０及びタービンハウジング１１０にて構成されていた。この他、外管５０の全てをタービンハウジング１１０にて構成してもよい。
図３にこの変更例の一態様を示す。この図３に示すように、変更例の触媒装置１０は、上記接続管１２０を備えていない。そして、タービンハウジング１１０の拡径部１１４において排気方向の下流における端に位置する下流端１１７は縮径部２４の外周面２２Ａに接合されている。

【0036】

この変更例によれば、外管５０の一部をタービンハウジング１１０で構成する場合と比べて、外管５０の熱容量が大きくなる。そのため、外管５０の温度がケース２０の端部２２の温度に対して相対的に低くなる状態がさらに促されるようになる。従って、ケース２０の端部２２における絶縁部の絶縁性がさらに向上するようになる。なお、この変更例において、下流端１１７をケース２０の収容部２１の外周面に接合してもよい。

【0037】

・上記実施形態において、接続管１２０の下流端１２２を、ケース２０の収容部２１の外周面に接合してもよい。
・上記実施形態では、縮径部２４を備えるケース２０を例示した。ケース２０は、縮径部を備えているものに限らない。たとえば、ケース２０の端部の内径は、触媒装置の中心軸に沿った軸線が伸びる方向において一定でもよい。

【0038】

・上記実施形態では、等径部２３を備えるケース２０を例示した。ケース２０は、等径部を備えているものに限らない。すなわち、ケース２０の端部２２として等径部を省略してもよく、排気方向の上流側ほど触媒装置の中心軸までの距離が短くなるように管が徐々に細くなっていてもよい。

【符号の説明】

【0039】

１０…触媒装置
２０…ケース
２１…収容部
２２…端部
２２Ａ…外周面
２３…等径部
２４…縮径部
２５…先端部
２６…電極挿入孔
３１…触媒担体
３２…マット
５０…外管
８１…電極
９０…内燃機関
９１…排気通路
１００…過給機
１１０…タービンハウジング
１１２…ホイール収納部
１１２Ｂ…内周面
１１４…拡径部
１１８…排気流出部
１１９…開口
１２０…接続管
１２０Ｂ…内周面
１３０…タービンホイール

【図1】

【図2】

【図3】