JP2018178768A

JP2018178768A - 内燃機関の触媒装置

Info

Publication number: JP2018178768A
Application number: JP2017074930A
Authority: JP
Inventors: 孝哉吉川; Takaya Yoshikawa; 隆明山田; Takaaki Yamada; 祐樹斎藤; Yuki Saito
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2018-11-15
Also published as: US10408104B2; DE102018107825A1; US20180291788A1

Abstract

【課題】ヒータ部全体の通電が不能になることを防止し、ヒータ部を確実に加熱させることができる内燃機関の触媒装置を提供する。【解決手段】内燃機関１００から排出される排気ガスの排気通路に配置される触媒装置１０であって、排気ガスを浄化する触媒部６と、排気通路１０８における触媒部よりも上流側に配置され、排気ガスを加熱するヒータ部４と、を備え、ヒータ部は、絶縁物４ｓ〜４ｕを介して積層された複数の金属薄板４ａ〜４ｃが巻回されてなり、各金属薄板に通電加熱するための１対の正電極４ｄ１〜４ｆ１及び負電極が各金属薄板４ｄ２〜４ｆ２の巻回方向に離間しつつそれぞれ接合されている。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の触媒装置に関する。

従来から、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中の微粒子を捕捉して燃焼させる触媒担持フィルタと、その上流側に配置されて触媒を活性化させる加熱ヒータを有する構成が知られている（特許文献１参照）。この加熱ヒータは、金属箔と波板とを重ねて中心電極の周りに渦巻状に巻き上げ、ハニカム形発熱体に形成したものであり、ヒータの外周側に対電極を設け、両電極に通電することで発熱するようになっている。
又、金属箔上の異なる位置に、それぞれ複数のプラス電極とマイナス電極を設け、いずれか１つのプラス電極とマイナス電極を選択することで、金属箔の一部の領域のみを加熱し、金属箔に担持された触媒機能を発揮させる技術も開発されている（特許文献２参照）。

特開平９−３１０６１１号公報（図２）特開２００８９−１４２３９号公報（図４）

ところで、上記電極は、ヒータの金属箔に溶接等で接合されるが、車両の振動等で溶接が破断したり、金属箔や電極に接続されたリード線が断線したりするおそれがある。かかる場合、従来のヒータは、発熱体である金属箔が１枚であるので、ヒータ加熱ができなくなる。
又、特許文献２記載の技術は、金属箔の一部の領域のみを加熱するものであるから、仮に断線したときに他の電極を選択したとしても、ヒータの金属箔１枚分の本来の加熱能力を発揮できるものではない。
そこで、本発明は、ヒータ部全体の通電が不能になることを防止し、ヒータ部を確実に加熱させることができる内燃機関の触媒装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の内燃機関の触媒装置は、内燃機関から排出される排気ガスの排気通路に配置される触媒装置であって、前記排気ガスを浄化する触媒部と、前記排気通路における前記触媒部よりも上流側に配置され、前記排気ガスを加熱するヒータ部と、を備え、前記ヒータ部は、絶縁物を介して積層された複数の金属薄板が巻回されてなり、各金属薄板に通電加熱するための１対の正電極及び負電極が前記各金属薄板の巻回方向に離間しつつそれぞれ接合されている。

この内燃機関の触媒装置によれば、ヒータ部がそれぞれ別個に通電される複数の通電体（金属薄板）を有している。このため、金属薄板に接合されたいずれかの電極の接合部が破断したり、金属箔や電極に接続されたリード線が断線したりしてその通電体が通電不能になっても、他の通電体が正常に通電して加熱する。従って、ヒータ部全体の通電が不能になることを防止し、ヒータ部を確実に加熱させることができる。
又、複数の通電体を巻回しているので、ヒータ部の軸方向の長さが増えることが無く、コンパクトになる。

本発明の内燃機関の触媒装置において、前記正電極及び前記負電極は、前記各金属薄板の長手方向両端よりも内側に接合されていてもよい。
この内燃機関の触媒装置によれば、各金属薄板において、各正電極及び負電極よりも外側の余長部は通電されないので加熱せず、ヒートシンクとして機能して正電極や負電極の熱を冷却する。そのため、正電極や負電極と金属薄板との接合部分の強度低下を抑制し、接合部分が破断してヒータ部の通電が不能になることを抑制することができる。

本発明の内燃機関の触媒装置において、前記正電極と前記負電極のうち一方は前記ヒータ部の外周部のみに配置され、又、他方は前記ヒータ部の中央部のみに配置されていて、前記正電極は互いに前記ヒータ部の周方向の異なる位置に配置され、かつ前記負電極が前記ヒータ部の周方向の異なる位置に配置されていてもよい。
この内燃機関の触媒装置によれば、各正電極や負電極が一か所に集中してその部位が過熱されることを抑制し、正電極や負電極と金属薄板との接合部分の強度低下を抑制し、接合部分が破断してヒータ部の通電が不能になることを抑制することができる。なお、正電極と負電極とはヒータ部の外周部と中央部にそれぞれ分かれているので、正電極及び負電極のすべてが互いに異なる位置に配置されている必要はない。

本発明の内燃機関の触媒装置において、前記正電極及び前記負電極のすべては互いに前記ヒータ部の周方向の異なる位置に配置されていてもよい。
この内燃機関の触媒装置によれば、各正電極や負電極が一か所に集中してその部位が過熱されることを抑制し、正電極や負電極と金属薄板との接合部分の強度低下を抑制し、接合部分が破断してヒータ部の通電が不能になることを抑制することができる。特に、ヒータ部が小径の場合には、正電極と負電極とをヒータ部の外周部と中央部にそれぞれ分けたとしても、正電極と負電極とが接近する可能性もあるので、正電極及び負電極のすべてを互いに異なる位置に配置すると有効である。

本発明の内燃機関の触媒装置において、前記各金属薄板のうち、前記正電極と前記負電極との間の部位の面積の差が、互いに±１０％以内であってもよい。
この内燃機関の触媒装置によれば、各金属薄板の発熱能力が±１０％以内でほぼ同一となるので、いずれかの金属薄板が通電不能となっても、その金属薄板とほぼ同一の発熱能力を他の金属薄板が補うので、ヒータ部４の発熱能力を維持できる。

この発明によれば、内燃機関の触媒装置においてヒータ部全体の通電が不能になることを防止し、ヒータ部を確実に加熱させることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の触媒装置の構成を示す模式図である。触媒装置の各構成要素を示す斜視図である。ヒータ部の絶縁シートと金属薄板の積層構造を示す斜視図である。ヒータ部の構成を示す斜視図である。ヒータ部の構成を示す平面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る内燃機関の触媒装置１０の構成を示す模式図、図２は触媒装置の各構成要素を示す斜視図である。
図１に示すように、車両１００は、内燃機関（例えばディーゼルエンジン）１０２と、モータ１０４とを備えたハイブリッド車両であり、内燃機関１０２及びモータ１０４がタイヤ１０６を駆動する。
触媒装置１０は、内燃機関１０２から排出される排気ガスの排気通路１０８に配置されている。触媒装置１０は、触媒部６と、触媒部６よりも上流側に配置されるヒータ部４と、ヒータ部４よりも上流側に配置される保持具２と、をケーシング（筐体）９内に圧入してなるキャニングとして構成されている。又、触媒装置１０は、ヒータ部４の通電を制御する制御部９（マイコン）も備えており、制御部９は車両側ＥＣＵ１１０に接続されている。

触媒部６は排気ガスを浄化し、本実施形態ではＳＣＲ触媒を備えている。又、触媒部６は、図２に示す尿素水噴射装置６ｂや、ＳＣＲ触媒６ａの上流側に設置されるＤＰＦ（Diesel particulate filter）６ｃをも備えている。

一方、図３、図４に示すように、ヒータ部４は、絶縁シート４ｓ〜４ｕを介して積層された複数（本例では３枚）の金属薄板４ａ〜４ｃが同心円状に巻回されてなり、各金属薄板４ａ〜４ｃに通電加熱するための１対の正電極４ｄ１〜４ｆ１及び負電極４ｄ２〜４ｆ２が、各金属薄板４ａ〜４ｃの巻回方向に離間しつつそれぞれ接合されている。
なお、１対の正電極４ｄ１及び負電極４ｄ２とは、金属薄板４ａの巻回方向に離間して両電極間で通電加熱する機能を有するものをいう。従って、例えば正電極４ｄ１を２つ以上に分割し、それぞれにリード線４Ｌ１を分岐させて電力を供給したものも全体として１つの正電極４ｄ１又は正電極４ｄ１（群）とみなすことができる。そして、この場合は正電極４ｄ１の１つが金属薄板４ａから脱落しても、他の正電極４ｄ１により通電が維持される。負電極４ｄ２も同様である。
つまり、金属薄板４ａの巻回方向の一方の側に正電極４ｄ１（群）が配置され、他の側に負電極４ｄ２（群）が配置され、金属薄板４ａの巻回方向に離間して正電極４ｄ１（群）と負電極４ｄ２（群）が１つずつ配置される必要がある。従って、金属薄板４ａの巻回方向に３つ以上の正電極４ｄ１と負電極４ｄ２が交互に並ぶもの（例えば、金属薄板４ａの一端側から、正電極４ｄ１、負電極４ｄ２、正電極４ｄ１が並ぶもの）は、１対の電極間で円滑に通電加熱するのが困難になるので除く。
他の金属薄板４ｂ〜４ｃも同様であるのはいうまでもない。

さらに、図２に示すように、保持具２は中央開口２ｃを有する円筒状をなし、流速方向（軸方向）Ｆに沿って延びる多数の孔２ｈを有するセラミック多孔質体からなる。又、保持具２の中央開口２ｃからヒータ部４のリード線４Ｌ１〜４ｎ２が外部に引き出されている。
そして、軸方向に保持具２と触媒部６との間でヒータ部４を挟持することで、これらの各部材がケーシング９内に固定されている。
制御部９は、不要時（例えば、排気ガスが十分温まってる時）にヒータ部４の通電をカットして節電を行う。又、車両１００の減速時にモータ１０４の回生エネルギ（電力）を、ヒータ部４の通電電力として用いる制御を行うこともできる。

次に、図３〜図５を参照し、ヒータ部４の詳細な構成について説明する。
図３に示すように、上から順にヒータ部４の絶縁シート４ｓ、金属薄板４ａ、絶縁シート４ｔ、金属薄板４ｂ、絶縁シート４ｕ、金属薄板４ｃの順に積層され、この積層体を図４に示すように巻回した後に各金属薄板４ａ〜４ｃが接触しないようになっている。
又、金属薄板４ａ用の正電極４ｄ１及び負電極４ｄ２は、金属薄板４ａの巻回方向両端よりも内側に接合され、金属薄板４ａの両端と正電極４ｄ１及び負電極４ｄ２との間に余長部４ｗがそれぞれ形成されている。他の金属薄板４ｂの正電極４ｅ１及び負電極４ｅ２、金属薄板４ｃの正電極４ｆ１及び負電極４ｆ２も同様である。
なお、「巻回方向両端よりも内側」とは、巻回方向両端を含まなければ良いが、正電極４ｄ１及び負電極４ｄ２が過度に巻回方向中央寄りに近接し過ぎると、通電加熱に有効となる金属薄板４ａの面積が減少するので、所望の発熱量を確保できるよう、正電極及び負電極の接合位置を調整するとよい。

さらに、正電極４ｄ１及び負電極４ｄ２はそれぞれリード線４Ｌ１，４Ｌ２に接続され、正電極４ｅ１及び負電極４ｅ２はそれぞれリード線４ｍ１，４ｍ２に接続され、正電極４ｆ１及び負電極４ｆ２はそれぞれリード線４ｎ１，４ｎ２に接続されている。
そして、リード線４Ｌ１〜４ｎ２に通電することにより、各金属薄板板４ａ〜４ｃがそれぞれ発熱する。これにより、ヒータ部４は排気ガスを加熱し、それによって低温時の排気ガスを早期に加熱し、下流側の触媒部６での触媒反応を促進させる。

そして、図４に示すように、図３の積層体が同心円状に巻回されてヒータ部４を構成する。又、図５に示すように、本実施形態においては、各正電極４ｄ１〜４ｆ１はヒータ部４の中央部のみに配置され、各負電極４ｄ２〜４ｆ２はヒータ部４の外周部のみに配置されている。そして、各正電極４ｄ１〜４ｆ１がヒータ部４の周方向の異なる位置に配置され、各負電極４ｄ２〜４ｆ２がヒータ部４の周方向の異なる位置に配置されている。
ここで、正電極４ｄ１〜４ｆ１がヒータ部４の周方向の異なる位置に配置されるとはヒータ部４の中心Ｐから、各正電極４ｄ１〜４ｆ１へ延びる破線が、互いに重ならないことをいう。又、中心Ｐは、ヒータ部４を構成する各金属薄板４ａ〜４ｃの中心側の端部をいい、ヒータ部４の断面を円としたときの円の中心とは必ずしも一致しない。各金属薄板４ａ〜４ｃの中心側の端部がずれている場合は、最も中心側の端部とする。
なお、図４及び図５においては、見やすくするために絶縁シート４ｓ〜４ｕの図示を省略してある。

金属薄板４ａ〜４ｃは、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金とすることができ、絶縁シート４ｓ〜４ｕは、例えばアルミナワイヤを布状に編んだ編物とすることができる。又、金属薄板４ａ〜４ｃは巻回方向に波状に凹凸をなしていて、巻いた際に流速方向（軸方向）Ｆに沿って延びる多数の隙間が形成され、通気性を確保している。
又、正電極４ｄ１〜４ｆ１及び負電極４ｄ２〜４ｆ２、及び各リード線は、例えばＮｉから形成することができる。

以上のように、本実施形態の内燃機関の触媒装置１０においては、ヒータ部４がそれぞれ別個に通電される複数の通電体（金属薄板４ａ〜４ｃ）を有している。このため、金属薄板４ａ〜４ｃに接合されたいずれかの電極４ｄ１〜４ｆ２の溶接が破断したり、金属箔４ａ〜４ｃやリード線４Ｌ１〜４ｎ２が断線したりしてその通電体が通電不能になっても、他の通電体（金属薄板４ａ〜４ｃ）が正常に通電して加熱する。従って、ヒータ部４全体の通電が不能になることを防止し、ヒータ部４を確実に加熱させることができる。
又、複数の通電体（金属薄板４ａ〜４ｃ）を積層して巻回しているので、ヒータ部４の軸方向の長さが増えることが無く、コンパクトになる。
さらに、各通電体（金属薄板４ａ〜４ｃ）のうち、正電極と負電極との間の部位の面積の差が、互いに±１０％以内に設定すれば、各金属薄板４ａ〜４ｃの発熱能力が±１０％以内でほぼ同一となるので、いずれかの金属薄板が通電不能となっても、その金属薄板とほぼ同一の発熱能力を他の金属薄板が補うので、ヒータ部４の発熱能力を維持できる。

又、本実施形態においては、図３に示すように、各正電極及び負電極は、各金属薄板の巻回方向両端よりも内側に接合され、金属薄板４ａの両端と正電極４ｄ１及び負電極４ｄ２との間に余長部４ｗがそれぞれ形成されている（他の金属薄板４ｂ、金属薄板４ｃも同様）。
このため、余長部４ｗは通電されないので加熱せず、ヒートシンクとして機能して正電極４ｄ１や負電極４ｄ２の熱を冷却するので、正電極や負電極と金属薄板との接合部分の強度低下を抑制し、接合部分が破断してヒータ部４の通電が不能になることを抑制することができる。

又、本実施形態においては、図５に示すように、各正電極がヒータ部４の周方向の異なる位置に配置され、各負電極がヒータ部４の周方向の異なる位置に配置されている。
このため、各正電極や負電極が一か所に集中してその部位が過熱されることを抑制し、正電極や負電極と金属薄板との接合部分の強度低下を抑制し、接合部分が破断してヒータ部４の通電が不能になることを抑制することができる。
なお、各正電極と各負電極とは、それぞれヒータ部４の中心側と外周側に分離している。このため、正電極と負電極がヒータ部４の周方向に重なっても一か所に集中することは無いので、正電極及び負電極とはヒータ部４の周方向の同じ位置に配置されてもよく、正電極及び負電極のすべてが互いに異なる位置に配置されている必要はない。

一方、ヒータ部４が小径の場合には、正電極と負電極とをヒータ部の外周部と中央部にそれぞれ分けたとしても、正電極と負電極とが接近する可能性もある。
そこで、この場合は、正電極及び負電極のすべてを互いにヒータ部４の周方向の異なる位置に配置すると有効である。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、ヒータ部、正電極、負電極、触媒部の構成や形状は限定されない。
又、本実施形態では、絶縁シートを用いて金属薄板を絶縁したが、絶縁物としては、絶縁シートに限らず、金属薄板の表面を被覆する絶縁コーティングの他、絶縁碍子を各金属薄板の間に配置し、金属薄板を離間させてもよい。
又、上記した車両は、ハイブリッド車両の他、ディーゼルエンジンで駆動するディーゼル車等や他の車両でもよい。
触媒装置１０の保持具２は必須の構成ではなく、ヒータ部４が別の要素で固定できるのであれば、省略してよい。又、触媒装置１０のヒータ部４と触媒部６とは接触していなくてもよい。

各正電極と各負電極の配置位置を入れ替え、各正電極をヒータ部４の外周側に配置し、各負電極をヒータ部４の中心側に配置してもよい。
又、本実施形態では、金属薄板と絶縁シートの積層体を同心円状に巻回したが、巻回の態様はこれに限らず、同心円状でなくてもよく、巻回回数も限定されない。

４ヒータ部
４ａ〜４ｃ金属薄板
４ｓ〜４ｕ絶縁物
４ｄ１〜４ｆ１正電極
４ｄ２〜４ｆ２負電極
６触媒部
１０内燃機関の触媒装置
１００内燃機関
１０８排気通路

Claims

内燃機関から排出される排気ガスの排気通路に配置される触媒装置であって、
前記排気ガスを浄化する触媒部と、
前記排気通路における前記触媒部よりも上流側に配置され、前記排気ガスを加熱するヒータ部と、を備え、
前記ヒータ部は、絶縁物を介して積層された複数の金属薄板が巻回されてなり、各金属薄板に通電加熱するための１対の正電極及び負電極が前記各金属薄板の巻回方向に離間しつつそれぞれ接合されている内燃機関の触媒装置。
前記正電極及び前記負電極は、前記各金属薄板の巻回方向両端よりも内側に接合されている請求項１に記載の内燃機関の触媒装置。
前記正電極と前記負電極のうち一方は前記ヒータ部の外周部のみに配置され、又、他方は前記ヒータ部の中央部のみに配置されていて、前記正電極は互いに前記ヒータ部の周方向の異なる位置に配置され、かつ前記負電極が前記ヒータ部の周方向の異なる位置に配置されている請求項１又は２に記載の内燃機関の触媒装置。
前記正電極及び前記負電極のすべては互いに前記ヒータ部の周方向の異なる位置に配置されている請求項１又は２に記載の内燃機関の触媒装置。
前記各金属薄板のうち、前記正電極と前記負電極との間の部位の面積の差が、互いに±１０％以内である請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の触媒装置。