JP6747466B2

JP6747466B2 - 電気加熱式触媒

Info

Publication number: JP6747466B2
Application number: JP2018048480A
Authority: JP
Inventors: 康弘松村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: US11193410B2; CN111868360A; JP2019157803A; US20200408125A1; DE112019001357T5; WO2019176406A1

Description

本発明は、電気加熱式触媒に関する。

従来、排ガス浄化作用を有する触媒が担持されたハニカム構造体を通電して発熱させることにより触媒を活性できる電気加熱式触媒（Electrically Heated Catalyst：ＥＨＣ）が知られている。電気加熱式触媒は、車両等の排気管に配設されるとともに電源回路に接続されて高電圧電気回路を構成するため、電気加熱式触媒と排気管との絶縁を確保することを要する。しかしながら、排気環境特有の凝縮水やカーボン微粒子等の粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）により電気加熱式触媒と排気管と間の絶縁性が低下することにより、ハニカム構造体を介して電源回路に過電流が流れ込むおそれがある。例えば、特許文献１に開示の構成では、排気管の内壁に絶縁層を設けて、上記絶縁性の低下を防止している。

特開２０１６−８４７７７号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、排気管内に大量の凝縮水が生じた場合や大量のＰＭが堆積した場合を考慮して、絶縁層を排気管の内壁の広範囲に設ける必要がある。その結果、コストの上昇や製造難易度の上昇を招く。また、導電性を有する物質が溶け込んだ水によりハニカム構造体が被水した場合には、ハニカム構造体における電気抵抗が極端に低下することにより電源回路に過電流が流れるおそれもある。また、排気管の形状を変更することにより、凝縮水等の滞留を抑制して凝縮水等がハニカム構造体に接触しないようにすることも考えられる。しかしながら、この場合は排気管を従来よりも複雑な形状にする必要があるため、排ガスの流通効率の低下による圧力損失の増加を招き、エンジン出力の低下を引き起こすおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、ハニカム構造体の絶縁性の低下を防止するとともに、エンジン出力の低下を防止することができる電気加熱式触媒を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、触媒作用を有するとともに通電されて発熱するように構成されたハニカム構造体（１０）を有し、排ガスが流通する排気管（２）に配設されるように構成された電気加熱式触媒（１）であって、
上記ハニカム構造体は、複数のセル（１３）を区画形成する格子部（１１）と、該格子部の外周を覆う外周部（１２）とを有し、
上記格子部の表面及び上記外周部の表面は、上記排気管との絶縁性が維持されるように構成されており、
上記格子部の表面の少なくとも一部及び上記外周部の表面の少なくとも一部には、上記排気管との絶縁性を維持するための絶縁層（２０）が設けられており、
上記絶縁層は、上記排気管における排ガスの流れ方向に直交する断面において、上記外周部から上記格子部の中心に向かう所定高さまでの領域に形成されている、電気加熱式触媒にある。

上記電気加熱式触媒においては、上記格子部の表面及び上記外周部の表面が上記排気管との絶縁性が維持されるように構成されている。これにより、排気管内に大量の凝縮水が生じたり、大量のＰＭが堆積したりした場合でも、ハニカム構造体の絶縁性を維持できるため、絶縁層を排気管の内壁に設ける場合に比べて、コストの上昇や製造難易度の上昇が抑制される。また、導電性を有する物質が溶け込んだ水によりハニカム構造体が被水した場合でも絶縁性を維持できるため、電源回路に過電流が流れることを防止できる。さらに、ハニカム構造体への被水防止のために排気管の形状を変更する必要がないため、当該電気加熱式触媒を配設する排気管の形状をシンプルな形状とすることができる。その結果、圧力損失の増加に基づくエンジン出力の低下を防止できる。

以上のごとく、本発明によれば、ハニカム構造体の絶縁性の低下を防止するとともに、エンジン出力の低下を防止することができる電気加熱式触媒を提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電気加熱式触媒を備えた車両の構成を表す概念図。実施形態１における、電気加熱式触媒の配置を表した概念図。（ａ）〜（ｅ）はいずれも実施形態１における電気加熱式触媒の配置を表した他の概念図。実施形態１におけるハニカム構造体の（ａ）斜視図、（ｂ）格子部拡大図。実施形態１における、電気加熱式触媒の断面概念図。実施形態２における、電気加熱式触媒の断面概念図。（ａ）図６におけるVIIa-VIIa線位置断面図、（ｂ）図６におけるVIIb-VIIb線位置断面図。実施形態３における、電気加熱式触媒の断面概念図。実施形態４における、電気加熱式触媒の断面概念図。（ａ）図９におけるXa-Xa線位置断面図、（ｂ）図９におけるXb-Xb線位置断面図。変形形態１における、電気加熱式触媒の断面概念図。変形形態２における、電気加熱式触媒の断面概念図。変形形態３における、電気加熱式触媒の断面概念図。変形形態４における、ハニカム構造体の格子部拡大図。

（実施形態１）
上記電気加熱式触媒の実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。
本実施形態の電気加熱式触媒１は、ハニカム構造体１０を有し、排ガスが流通する排気管２に配設されるように構成されている。
ハニカム構造体１０は、触媒作用を有するとともに通電されて発熱するように構成されている。また、ハニカム構造体１０は、複数のセル１３を区画形成する格子部１１と、該格子部１１の外周１１ａを覆う外周部１２とを有する。そして、格子部１１の表面及び外周部１２の表面は、排気管２との絶縁性が維持されるように構成されている。

以下、本実施形態の電気加熱式触媒１について、詳述する。
図１に示すように、電気加熱式触媒１は、車両１００に備えられた排気管２に搭載されている。さらに、車両１００には電気加熱式触媒１に電流を印加するＥＨＣ電源回路６が設けられている。また、車両１００にはエンジン１１０、ＥＣＵ１２０、ハイブリッド用トランスミッション１３０、インバータ１４０、高圧バッテリ１５０を備える。ハイブリッド用トランスミッション１３０は、発電機１３１、モータ１３２、動力分割機構１３３を備える。

本実施形態では、電気加熱式触媒１は、図２に示すように、リア触媒（Rear Catalyst：Rr Cat.）として、排気管２の水平な部分に設けられている。そして、本実施形態では、電気加熱式触媒１は、図３（ａ）に示すように、排ガス浄化作用を奏するハニカム構造体１０、排ガスフィルタ３、排気温度センサ４、排気センサ５を備えている。排ガスフィルタ３はＰＭを捕集するように構成されており、ハニカム構造体１０の下流に設けられている。

なお、電気加熱式触媒１は、図３（ａ）に示す形態に替えて、図３（ｂ）に示すように、排ガスフィルタ３を備えない構成であってもよい。また、図３（ｃ）に示すように、排ガスフィルタ３がハニカム構造体１０の上流に設けられていてもよい。また、図３（ｄ）に示すように、電気加熱式触媒１は、図３（ａ）に示す形態よりも下流に設けられていてもよい。また、図３（ｅ）に示すように、ハニカム構造体１０が上流側と下流側とに２分割されて上流側のハニカム構造体１０のみがＥＨＣ電源回路に接続されて加熱可能に構成されていてもよい。

ハニカム構造体１０は３元触媒またはＮＯ_Ｘ還元触媒を担持しており、排ガス浄化作用を有する。図４に示すように、ハニカム構造体１０の外周部１２は排気管２の形状に合わせて円筒形状をなしており、その内側に格子部１１が設けられている。格子部１１により多数のセル１３が形成されている。セル１３は、排気管２における排ガスの流れ方向Ｆ（図５参照）に沿って伸びるように形成されて、ハニカム構造体１０における排ガス流路を形成している。図５に示すように、電気加熱式触媒１は、ハニカム構造体１０とＥＨＣ電源回路６（図１参照）と電気的に接続するためのＥＨＣ接続部１４、１５を備える。そして、電気加熱式触媒１と排気管２との間には絶縁性のマット７が介在している。

図４に示すように、格子部１１の表面及び外周部１２の表面の少なくとも一部には、絶縁層２０が形成されている。本実施形態では、図５に示すように、絶縁層２０は、格子部１１の表面及び外周部１２の表面の全域に形成されており、ＥＨＣ接続部１４、１５の表面にも形成されている。絶縁層２０の膜厚は、特に限定されず、ハニカム構造体１０の絶縁性が維持される範囲内で設定できる。

本実施形態では、絶縁層２０は、格子部１１の表面及び外周部１２の表面を酸化処理してなる酸化被膜からなる。なお、絶縁層２０は、格子部１１の表面及び外周部１２の表面に設けられた絶縁性を有するコーティング層からなることとしてもよい。これらにより、容易に絶縁層２０を形成できる。

本実施形態の電気加熱式触媒１によれば、排気管２内に大量の凝縮水が生じた場合等には、重力方向Ｙにおける排気管２の底部に水がたまり、図４に示すように、その一部の水Ｌが電気加熱式触媒１のハニカム構造体１０にかかることがある。水Ｌに導電性を有する物質が溶け込んでいた場合でも、絶縁層２０によりハニカム構造体１０と排気管２との間の絶縁性を維持できるため、ＥＨＣ電源回路６（図１参照）に過電流が流れることを防止できる。また、図示しないが、ハニカム構造体１０に大量のＰＭが堆積した場合でも、ハニカム構造体１０の絶縁性を維持することができる。この場合も、同様にＥＨＣ電源回路６（図１参照）に過電流が流れることを防止できる。

また、本実施形態では、絶縁層２０を排気管２の内壁に設ける場合に比べて、コストの上昇や製造難易度の上昇が抑制される。さらに、ハニカム構造体１０への被水防止のために排気管２の形状を変更する必要がないため、当該電気加熱式触媒１を配設する排気管２の形状をシンプルな形状とすることができる。その結果、当該電気加熱式触媒１が搭載された車両１００において、圧力損失の増加に基づくエンジン出力の低下を防止できる。

また、本実施形態では、格子部１１の表面の少なくとも一部及び外周部１２の表面の少なくとも一部には、排気管２との絶縁性を維持するための絶縁層２０が設けられている。これにより、ハニカム構造体１０の絶縁性を容易に確保することができ、電気加熱式触媒１の構成が複雑となることを防止することができる。

以上のように、本実施形態は、ハニカム構造体１０の絶縁性の低下を防止するとともに、エンジン出力の低下を防止することができる電気加熱式触媒１を提供することができる。

（実施形態２）
実施形態１では電気加熱式触媒１はＵＦ／Ｃとして排気管２の水平な部分（図２参照）に設けたが、これに替えて、本実施形態では、図６に示すように、電気加熱式触媒１は、フロント触媒（Front Catalyst：Fr Cat.、図２参照）として、排気管２において下流に向かうほど重力方向Ｙの下方に位置するように傾斜した部分に設けられている。そして、実施形態１では絶縁層２０は格子部１１及び外周部１２の全域に形成されていたが、本実施形態では、これに替えて、図６に示すように、絶縁層２０は、排ガスの流れ方向Ｆに直交する断面において、外周部１２からハニカム構造体１０の中心１０ｃを通って流れ方向Ｆに平行な中心線１０ｄに向かって所定長さｈ１、ｈ２までの領域に形成されている。そして、図７（ａ）に示すように、ハニカム構造体１０の上流側端部１０１では、絶縁層２０は、外周部１２からハニカム構造体１０の中心１０ｃに向かって所定高さｈ１までの領域に形成されており、図７（ｂ）に示すように、ハニカム構造体１０下流側端部１０２では、絶縁層２０は、外周部１２からハニカム構造体１０の中心１０ｃに向かって所定高さｈ２までの領域に形成されている。本実施形態では、高さｈ１、ｈ２の大きさは、ハニカム構造体１０の流れ方向Ｆに直交する断面において、例えば当該断面の半径ｒの４分の１以上半径ｒ未満とすることができる。

さらに、本実施形態では、図６に示すように、絶縁層２０は、流れ方向Ｆにおけるハニカム構造体１０の上流側端部１０１及び下流側端部１０２に形成されている。そして、下流側端部１０２における絶縁層２０の外周部１２からの高さｈ２は、上流側端部１０１における絶縁層２０の外周部１２からの高さｈ１よりも高くなっている。通常、排気管２は下流側ほど温度が低く凝縮水が発生しやすい。そのため、上流側端部１０１及び下流側端部１０２の絶縁層２０が最下部１２ａに位置するように、電気加熱式触媒１を排気管２に配設することにより、絶縁層２０がハニカム構造体１０の下流側が上流側に比べて最下部１２ａからより高い位置まで設けられることとなる。これにより、排気管２内において水Ｌがかかりやすい部分に絶縁層２０が形成されるため、絶縁性を一層維持することができる。

さらに、本実施形態によれば、絶縁層２０が、排気管２における排ガスの流れ方向Ｆに直交する断面において、外周部１２からハニカム構造体１０の中心１０ｃに向かって所定高さｈ１、ｈ２までの領域に形成されている。これにより、ハニカム構造体１０は、中心１０ｃを含む中央領域に絶縁層２０が形成されていないため、ハニカム構造体１０は排ガスが通過させやすくなり、圧力損失の増加を防止してエンジン出力の低下を防止できる。

なお、本実施形態において、上記実施形態１と同等の要素には同一の符号を付してその説明を省略することができる。そして、本実施形態においても上記実施形態１と同等の作用効果を奏する。

（実施形態３）
本実施形態では、図８に示すように、絶縁層２０は、ハニカム構造体１０の上流側端部１０１の全域に形成されている。これにより、排気管２の上流から下流に向けて流れるＰＭがハニカム構造体１０の上流側端部１０１に大量に堆積しても、ハニカム構造体１０と排気管２との間の絶縁性が維持されることとなる。また、ハニカム構造体１０において絶縁層２０が形成された領域を比較的少なくできるため、圧力損失の増加を防止してエンジン出力の低下を防止できる。

（実施形態４）
実施形態２では絶縁層２０は外周部１２から中心１０ｃに向かって所定高さｈ１、ｈ２の領域に形成したが、これに替えて、本実施形態では、図９、図１０に示すように、電気加熱式触媒１を排気管２に設置した状態において、絶縁層２０は外周部１２の最下部１２ａから中心線１０ｄに向かう所定高さｈ１、ｈ２までの領域に形成されている。

本実施形態の電気加熱式触媒１によれば、絶縁層２０が形成された領域を一層小さくすることができるため、圧力損失の増加を抑制してエンジン出力の低下を防止できる。さらに、電気加熱式触媒１は、排気管２の下流側が下方に傾斜した部分に配置されているため、ハニカム構造体１０の下流側端部１０２の下方領域に水Ｌが特にかかりやすくなっている。そして、当該水Ｌが特にかかりやすい部分に絶縁層２０が大きく形成されるため、絶縁性の向上が期待できる。

なお、変形形態１として、図１１に示すように、本実施形態に、実施形態３で示したようにハニカム構造体１０の上流側端部１０１の全域にさらに絶縁層２０を設けてもよい。当該変形形態１によれば、実施形態４と同等の作用効果を奏するとともに、上流側端部１０１にＰＭが大量に堆積しても電気加熱式触媒１の絶縁性を維持することができる。

さらに、変形形態２として、図１２に示すように、電気加熱式触媒１を排気管２の水平な部分に設ける場合には、電気加熱式触媒１を排気管２に設置した状態において、絶縁層２０を外周部１２の最下部１２ａから中心１０ｃを通る中心線１０ｄに向かって所定高さｈ１までの領域に形成し、ハニカム構造体１０の上流側端部１０１と下流側端部１０２とにおいて、絶縁層２０の高さを同じとしてもよい。

さらなる変形形態３として、図１３に示すように、図１２に示す変形形態２の構成にハニカム構造体１０の上流側端部１０１の全域にさらに絶縁層２０を設けてもよい。変形形態１〜３においても本実施形態１と同様の作用効果を奏する。

なお、変形形態４として、ハニカム構造体１０は、図１４（ｃ）に示すように、第１の材料からなる第１材料形成部１７と、第１の材料よりも導電性の低い第２の材料からなる第２材料形成部１８とを有し、絶縁層２０は、第２材料形成部１８により形成されていてもよい。変形形態４によれば、ハニカム構造体１０を形成する工程において、絶縁層２０を形成することができるため、絶縁層２０を形成する工程を別途設ける必要がない。なお、当該変形形態４においても上記実施形態１〜４と同等の作用効果を奏する。

当該変形形態４におけるハニカム構造体１０の作製方法は、まず、第１の材料と第１の材料よりも導電性の低い第２の材料とを用意し、図１４（ａ）に示すように、第１の材料による格子状の第１材料形成部１７の内側に、第２の材料による第２材料形成部１８が充填された状態に成形する。その後、図１４（ｂ）に示すように、格子状の第１材料形成部１７の内側に当該格子で区画された第２材料形成部１８の外形よりも一回り小さい形状を有する抜き出し部１９に相当する部分を第２材料形成部１８から抜き出す。これにより、図１４（ｃ）に示すようにセル１３を形成して、ハニカム構造体１０を作製する。

本発明は上記各実施形態及び変形形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、変形形態４におけるハニカム構造体１０を、実施形態１〜４及び変形形態１〜３におけるハニカム構造体１０に置き換えた構成とすることもできる。

１電気加熱式触媒
２排気管
１０ハニカム構造体
１１格子部
１２外周部
１２ａ最下部
１３セル
１７第１材料形成部
１８第２材料形成部
２０絶縁層

Claims

触媒作用を有するとともに通電されて発熱するように構成されたハニカム構造体（１０）を有し、排ガスが流通する排気管（２）に配設されるように構成された電気加熱式触媒（１）であって、
上記ハニカム構造体は、複数のセル（１３）を区画形成する格子部（１１）と、該格子部の外周を覆う外周部（１２）とを有し、
上記格子部の表面及び上記外周部の表面は、上記排気管との絶縁性が維持されるように構成されており、
上記格子部の表面の少なくとも一部及び上記外周部の表面の少なくとも一部には、上記排気管との絶縁性を維持するための絶縁層（２０）が設けられており、
上記絶縁層は、上記排気管における排ガスの流れ方向に直交する断面において、上記外周部から上記格子部の中心に向かう所定高さまでの領域に形成されている、電気加熱式触媒。
上記絶縁層は、上記排気管に配設されたときに、上記外周部における重力方向の最下部（１２ａ）の位置から所定高さまでの領域に位置するように構成されている、請求項１に記載の電気加熱式触媒。
上記絶縁層は、少なくとも上記流れ方向における上記ハニカム構造体の上流側端部（１０１）及び下流側端部（１０２）に形成されており、
上記下流側端部における上記絶縁層の上記外周部からの高さは、上記上流側端部における上記絶縁層の上記外周部からの高さよりも高い、請求項１又は２に記載の電気加熱式触媒。
上記絶縁層は、上記格子部の表面及び上記外周部の表面を酸化処理してなる酸化被膜または、上記格子部の表面及び上記外周部の表面に設けられた絶縁性を有するコーティング層からなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気加熱式触媒。
上記ハニカム構造体は、第１の材料からなる第１材料形成部（１７）と上記第１の材料よりも導電性の低い第２の材料からなる第２材料形成部（１８）とを有し、
上記絶縁層は、該第２材料形成部により形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気加熱式触媒。