JP5659836B2 - 触媒コンバータ装置及び触媒担体通電方法 - Google Patents

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と、触媒担体に通電するための触媒担体通電方法に関する。

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、触媒を担持する触媒担体を通電して昇温させ、十分な触媒効果が得られるようにすることが望まれる。しかし、触媒担体の内部に局所的な過熱部分が生じると、触媒担体の破損を招くことがある。

これに対し、特許文献１では、触媒担体に配置された温度センサからの情報に基づいて、触媒担体への通電制御を行う通電加熱式触媒装置の通電制御システムが記載されている。

特許文献１に記載の通電制御システムは、触媒担体への通電と非通電とを切り替えるものであり、実際に触媒担体の破損を抑制するには、さらなる対策が望まれる。

特開２００９−１８９９２１号公報

本発明は上記事実を考慮し、触媒担体の局所過熱に起因する破損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、温度上昇に伴って電気抵抗が低下する特性を備え、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すると共に通電によって加熱される触媒担体と、前記触媒担体に対し通電電力を制御して通電可能な通電手段と、を有し、前記通電手段が、通電開始から通電終了までの間の所定時間において通電電力を一時的にゼロとし、通電再開から通電終了までの間の通電終了段階において通電電力をステップ状に減少させる。

この触媒コンバータ装置では、触媒担体が通電手段によって通電されると、触媒担体は加熱されて昇温されるので、担持された触媒による浄化効果をより高く発揮させることができる。

触媒担体は、温度上昇に伴って電気抵抗が低下する特性を備えているため、触媒担体への通電の時間経過と共に、触媒担体の局所過熱に起因する温度ムラが大きくなりがちであるが、通電手段による触媒担体への通電電力は、通電終了段階においてステップ状に減少する。したがって、通電終了段階で通電電力が漸増する構成と比較して、触媒担体の局所過熱が抑制される。これにより、触媒担体の温度ムラも小さくなるので、触媒担体の破損を抑制できる。

しかも、通電開始から通電終了までの間に、通電電力を一時的にゼロとする時間を設定しているので、この時間で触媒担体内部の熱伝導による温度の均一化を促進でき、温度ムラの発生をさらに効果的に抑制可能となる。

請求項２に記載の発明では、温度上昇に伴って電気抵抗が低下する特性を備え、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た触媒担体を、通電によって加熱する触媒担体通電方法であって、通電開始から通電終了までの間の所定時間において通電電力を一時的にゼロとし、通電再開から通電終了までの間の通電終了段階において通電電力をステップ状に減少させる。

この触媒担体通電方法では、触媒担体は通電されると加熱されて昇温されるので、担持された触媒による浄化効果をより高く発揮させることができる。

触媒担体は、温度上昇に伴って電気抵抗が低下する特性を備えているため、触媒担体への通電の時間経過と共に、触媒担体の局所過熱に起因する温度ムラが大きくなりがちであるが、触媒担体への通電電力は、通電終了段階においてステップ状に減少する。したがって、通電終了段階で通電電力が漸増する構成と比較して、触媒担体の局所過熱が抑制される。これにより、触媒担体の温度ムラも小さくなるので、触媒担体の破損を抑制できる。
しかも、通電開始から通電終了までの間に、通電電力を一時的にゼロとする時間を設定しているので、この時間で触媒担体内部の熱伝導による温度の均一化を促進でき、温度ムラの発生をさらに効果的に抑制可能となる。

本発明は上記構成としたので、触媒担体の局所過熱に起因する破損を抑制可能となる。

本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を示し、（Ａ）は排気の流れ方向に沿った断面図、（Ｂ）は排気の流れ方向と直交する方向での断面図である。 本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置を図１（Ｂ）と同様の断面で示し、（Ａ）は触媒担体の電流の大きさを概念的に示す説明図、（Ｂ）は触媒担体の温度分布を示す説明図である。 本発明の実施パターンＡ及び比較例のパターンＥにおいて、（Ａ）は通電電力の時間変化を、（Ｂ）は触媒担体の温度の時間変化をそれぞれを示すグラフである。 本発明の実施パターンＡ、Ｂ、Ｃ及び比較例のパターンにおいて、触媒担体に作用させた熱エネルギーの時間変化を示すグラフである。 本発明の実施パターンＢ、Ｃにおける通電電力の時間変化を示すグラフである。 本発明の実施パターンＤにおける通電電力の時間変化を示すグラフである。

図１（Ａ）には、本発明の第１実施形態の触媒コンバータ装置１２が示されている。触媒コンバータ装置１２は、排気管の途中に装着されるようになっている。排気管内には、エンジンからの排気が流れるが、図１（Ｂ）は、この排気の流れ方向と直交する方向の断面（図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面）にて、触媒コンバータ装置１２を示したものである。

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、たとえばハニカム状とすることで材料の表面積が増大されている。触媒担体１４の表面には触媒（白金、パラジウム、ロジウム等）が付着された状態で担持されている。触媒は、排気管内を流れる排気（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に限定されるものではなく、たとえば格子状や波状等であってもよい。

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、ＳｉＣ（炭化珪素）を含む材料を用いている。このＳｉＣは、温度上昇に伴って電気抵抗が減少する特性（ＮＴＣ特性）を持つ材料の一例である。本実施形態ではこのように、触媒担体１４を構成する材料が炭化珪素を含んでいるので、高い強度や耐熱性を得られる。

さらに、触媒担体１４の電気抵抗率としては、１０〜２００Ω・ｃｍとすれば、後述するように通電したときに、担持した触媒を効率的に温度上昇させることができるので好ましい。触媒担体１４の気孔率としては、３０〜６０％の範囲とすることが好ましい。気孔率を３０％以上とすると、必要な表面積を確保して多くの触媒を担持可能となる。また、気孔率を６０％以下とすることで、触媒担体１４として求められる強度を維持することが可能となる。

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の中心にはそれぞれ端子１８Ａ、１８Ｂが接続されている。電極１６Ａ、１６Ｂは、触媒担体１４の外周面に沿って所定の広がりをもった範囲で触媒担体１４に接触配置されており、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。そして、この加熱により、触媒担体１４に担持された触媒を昇温させることで、触媒が有する排気の浄化作用をより高く発揮させることができるようになっている。

触媒担体１４の断面形状（排気の流れ方向と直交する断面の形状）は特に限定されないが、本実施形態では円形としている。そして、この円形の中心をはさんで対向する位置に、電極１６Ａ、１６Ｂを配置している。

触媒担体１４の外周には、絶縁性材料によって円筒状に形成された保持部材２４が配置されている。さらに、保持部材２４の外周には、ステンレス等の金属で円筒状に成形されたケース筒体２８が配置されている。すなわち、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２４により、触媒担体１４がケース筒体２８の内部に隙間なく保持されている。そして、絶縁性を有する保持部材２４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。

電極１６Ａ、１６Ｂには、触媒担体１４に電力を供給可能な電源装置３０が接続されている。電源装置３０は制御装置３２によって制御されるようになっており、所定のタイミングで電力供給の開始時間及び終了時間を設定でき、さらに供給電力量を調整可能とされている。電源装置３０及び制御装置３２は、本発明の通電手段を構成している。

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。

触媒コンバータ装置１２は、ケース筒体２８が排気管の途中に取り付けられており、触媒担体１４の内部を排気が矢印Ｆ１方向に通過する。このとき、触媒担体１４に担持された触媒により、排気中の有害物質が浄化される。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、浄化作用をより早期に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。

ここで、図３（Ａ）には、触媒担体１４への供給電力の時間変化のパターン例（実施パターンＡ及び比較例のパターンＥ）が示されている。また、図３（Ｂ）には、実施パターンＡ及び比較例のパターンＥにおける触媒担体の最高温度部位及び最低温度部位での温度変化が示されている（このグラフでは触媒担体１４の温度を「ＥＨＣ温度」と記している）。また、図４には、実施パターンＡ及び比較例のパターンＥに加えて、後述する実施パターンＢ及びＣにおける、触媒担体１４に付与する熱エネルギーの量の時間変化が示されている。これらの電力供給のパターンは、供給電力の時間積分値が略同一となるように設定されている。このため、図４に示すように、通電終了時ＴＥまでに触媒担体１４に付与する熱エネルギーの総量ＥＳは略同一となっている。

そして、本発明の各実施パターンについては、触媒担体１４の局所過熱（温度ムラ）を抑制し、この局所過熱に起因する触媒担体１４の破損も抑制可能な電力供給パターンとされている。以下に詳述する。

本実施形態で触媒担体１４として用いたＳｉＣは強度が低いため、過大な力が作用すると破損する（たとえば割れたり欠けたりする）ことがある。特に、触媒担体１４の部位に応じて内部温度に差（温度勾配あるいは温度ムラ）が生じた場合には、この温度差に比例する熱応力が触媒担体１４に発生するため、触媒担体１４が内部から破損する原因となる。このような触媒担体１４の破損を防止するためには、触媒担体１４への通電電力を低くすればよいが、その場合には、触媒担体１４の温度を目標温度にまで上昇させるために要する時間が長くなる。

本実施形態のように、触媒担体１４を通電によって加熱する構成では、通電時の電流分布によっても、触媒担体１４の温度分布に偏りが生じることがある。すなわち、図１（Ｂ）に示すように、触媒担体１４の断面形状を円形とし、この触媒担体１４を挟んで対向する位置に電極１６Ａ、１６Ｂを貼着した構成を例に考えると、電極と比較して触媒担体１４の電気抵抗が大きいため、触媒担体１４を流れる距離が相対的に短くなるような径路に電流が集中する傾向がある。したがって、図２（Ａ）に矢印ＥＣで示すような電流分布となる（図２（Ａ）では電流値の大きさを矢印ＥＣの大きさに対応させている）。なお、触媒担体１４がこれと異なる断面形状である構造や、電極１６Ａ、１６Ｂの配置がこれと異なる構造であっても、それぞれの構造に応じた電流分布は生じる。

また、本実施形態で触媒担体１４として用いたＳｉＣはＮＴＣ特性を有している。図２（Ａ）に示したように電流が多く流れた部位は、その周囲と比較して温度が高くなるため、電気抵抗は低くなり、より電流が流れやすくなる。すなわち、電流が多く流れた部位に、さらに電流が集中することになり、局所加熱が促進される。また、電流集中の程度は、供給電力に比例するため、電力が大きいほど、局所加熱も顕著になる。触媒担体１４の内部においても熱伝導（相対的に高温の部位から低温の部位への熱移動）は発生するが、この電流集中が大きくなると熱伝導が間に合わなくなり、触媒担体１４の温度分布が大きくなる。たとえば、図１（Ａ）に示した触媒担体１４及び電極１６Ａ、１６Ｂの構造の場合、図２（Ｂ）に示すように、電流の集中箇所に近い高温箇所ＨＴと、この集中箇所から離れた低温箇所ＬＴとが生じるような温度分布となる。そして、この温度の偏りが大きくなると、触媒担体１４の破損を招く原因となる。

図３（Ａ）に示す本実施形態の電力供給パターンＡ及び、図５に示す電力供給パターンＢ、Ｃはいずれも、時刻ＴＳ（通電開始時）で電力供給を開始し、時刻ＴＥ（通電終了時）で電力供給を終了しているが、少なくとも通電終了時ＴＥを含む所定時間（これを通電終了段階ＴＥ’とする）では、通電電力が漸減している。

上記したＮＴＣ特性を持つ材料では、通電からの時間経過と共に、内部での温度ムラが大きくなる傾向がある。したがって、たとえば、通電終了時ＴＥの直前で通電電力が大きくなるように触媒担体１４に通電してしまうと、内部での温度差をより大きくしてしまうことになる。また、比較例の電力供給パターンＥのように、通電電力を通電開始時ＴＳから通電終了時ＴＥまで一定とした場合であっても、図３（Ｂ）のグラフにおいて二点鎖線で示すように、触媒担体１４の内部での温度差は、本実施形態の電力供給パターンＡよりも大きくなる傾向にある。

これに対し、本実施形態では、触媒担体１４の温度ムラが小さい段階（通電初期段階）では通電電力を大きくし、通電終了時ＴＥを含む少なくとも通電終了段階ＴＥ’において、通電電力を漸減させている。したがって、触媒担体１４の温度が上昇した状態で触媒担体１４の局所過熱を抑制することができる。すなわち、通電終了時ＴＥの直前で通電電力が大きくなる構成と比較して、触媒担体１４内での温度ムラを少なくし、触媒担体１４の熱応力に起因する破損を抑制できる。

なお、電力供給パターンＡでは、通電開始時ＴＳで通電電力を最大とし、時間経過と共に通電電力を線型（時間の一次関数）で減少させるような変化としているが、要するに、通電終了時ＴＥを含む通電終了段階ＴＥ’において通電電力が漸減していればよく、かかる観点からは、たとえば、図５に示すような、以下の各電力供給パターンＢ及びＣでもよい。

電力供給パターンＢでは、通電開始時ＴＳから所定時間は、通電電力が漸増している。そして、通電開始時ＴＳと通電終了時ＴＥの間において、通電電力が最大値となっている（この電力最大値の時点を電力最大時ＴＭとする）。電力最大時ＴＭから通電終了時ＴＥまでは、通電電力が漸減している。このような電力供給パターンＢであっても、通電終了段階ＴＥ’において通電電力が漸減しており、触媒担体１４内での温度ムラを少なくすることが可能である。

また、通電終了段階ＴＥ’において、触媒担体１４への熱エネルギーの供給に実質的な大変動が無ければ、通電電力が上昇（あるいは降下）している時間が存在していても、通電終了段階ＴＥ’において通電電力が「漸減」している構成に含まれる。たとえば、図５の電力供給パターンＣでは、通電終了段階ＴＥ’において、通電電力が極大値となる時間ΔＴ’がある。しかし、この時間ΔＴ’が十分に短ければ、触媒担体１４の温度が過大に上昇することなないため、通電終了段階ＴＥ’においては通電電力が漸減されていることになり、触媒担体１４内での温度ムラを少なくすることが可能である。なお、このように時間ΔＴ’における通電電力の極大値（グラフ上での上に凸の部分の高さ）は特に問わない。

また、触媒担体１４への供給電力は、連続的に変化している必要はなく、断続的な（ステップ状の）変化であってもよい。たとえば、図６に示す電力供給パターンＤでは、通電開始時ＴＳから所定時間ΔＴ１では通電電力を一定とし、その後の所定時間ΔＴ２では、一時的に通電電力を低くしている（実質的にゼロとしている）。そしてその後、所定時間ΔＴ３では、通電電力を最大（一定値）とし、その後の通電終了時ＴＥに至る所定時間ΔＴ４では、最大値よりも低い通電電力（一定値）としている。この電力供給パターンＤでは、所定時間ΔＴ３の終了時を含み、さらに所定時間ΔＴ４を経て通電終了時ＴＥに至るまでが、本発明における通電終了段階ＴＥ’に該当する。すなわち、通電終了段階ＴＥ’では通電電力が漸減（段階的に減少）しているので、触媒担体１４内での温度ムラを少なくすることが可能である。

しかも、この電力供給パターンＤでは、通電開始時ＴＳから通電終了時ＴＥまでの間に、通電電力を一時的に低くする時間ΔＴ２を設定しているので、この時間で触媒担体１４内部の熱伝導による温度の均一化を促進でき、温度ムラの発生をさらに効果的に抑制可能となる。

なお、本実施形態のいずれの電力供給パターンにおいても、通電開始時ＴＳ以降（通電開始時ＴＳを含む）から通電終了時ＴＥまでの間に、通電電力が最大値をとるようになっており、触媒担体１４の効率的な加熱が可能である。特に、通電の初期段階で通電電力を最大値にすれば、触媒担体１４の温度が低い段階で、大きな電力により触媒担体１４を加熱できるので、好ましい。たとえば、電極供給パターンＡは、通電開始時ＴＳにおいて通電電力が最大値となっており、触媒担体１４の効率的な加熱という観点からは、好ましい。もちろん、本発明としては、通電開始時ＴＳから所定時間は通電電力を一定とし、その後、通電終了時ＴＥに向けて通電電力を漸減させる構成も含まれる。

本発明において、「通電終了段階ＴＥ’」は、少なくとも通電終了時ＴＥを含んでいるが、あまりに短い時間では、実質的に通電終了時ＴＥの直前でのみ通電電力を漸減させることになってしまうため、通電電圧が漸減している実質的な時間が短くなり、触媒担体１４内での温度ムラを少なくするという効果が低くなる。したがって、触媒担体１４への全通電時間の（３／４）経過時ＴＣ（図３、図５及び図６参照）よりも前から「通電終了段階ＴＥ’」が開始されると、通電電圧が漸減している時間を十分に確保できる。たとえば、電力供給パターンＡでは、通電開始時ＴＳにおいて通電電力が最大値となっており、その後は通電電力が漸減されているので、この条件を満たす。また、電力供給パターンＢ及びＣにおいても、通電電力を最大値とする電力最大時ＴＭを、上記した（３／４）経過時ＴＣよりも前に設定すればよい。同様に、電力供給パターンＤにおいても、通電電力を最大値とする時間ΔＴ３の終了時を、上記した（３／４）経過時ＴＣよりも前に設定すればよい。

また、本発明の「通電終了段階」の開始時点は、あらかじめ時間によって決めておいてもよい。上記したように、触媒担体１４への全通電時間の（３／４）経過時ＴＣよりも後の段階を「通電終了段階」とする構成は、この一例である。これに代えて（あるいは併用して）温度センサ等によって触媒担体１４の温度を検出し、この温度が、触媒担体１４の目標温度の所定範囲に達した段階で、「通電終了段階」に移行するようにしてもよい。

上記では、触媒担体１４として、排気の流れ方向（矢印Ｆ１方向）と直交する断面形状が円形のものを挙げたが、触媒担体１４の形状は円形に限定されない。すなわち、触媒担体１４がＮＴＣ特性を有していれば、触媒担体１４の形状に関わらず、触媒担体１４内での温度ムラを少なくし、触媒担体１４の熱応力に起因する破損を抑制できる。

１２ 触媒コンバータ装置
１４ 触媒担体
２４ 保持部材
２８ ケース筒体
３０ 電源装置（通電手段）
３２ 制御装置（通電手段）
ＴＳ 通電開始時
ＴＥ 通電終了時
ＴＥ’ 通電終了段階

Claims (2)

1. 温度上昇に伴って電気抵抗が低下する特性を備え、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すると共に通電によって加熱される触媒担体と、
   前記触媒担体に対し通電電力を制御して通電可能な通電手段と、
   を有し、
   前記通電手段が、
   通電開始から通電終了までの間の所定時間において通電電力を一時的にゼロとし、
   通電再開から通電終了までの間の通電終了段階において通電電力をステップ状に減少させる、
   触媒コンバータ装置。
2. 温度上昇に伴って電気抵抗が低下する特性を備え、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た触媒担体を、通電によって加熱する触媒担体通電方法であって、
   通電開始から通電終了までの間の所定時間において通電電力を一時的にゼロとし、
   通電再開から通電終了までの間の通電終了段階において通電電力をステップ状に減少させる、
   触媒担体通電方法。

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