(57)【要約】【課題】排気ガスの低温時に触媒を早期に活性化す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１０８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、排気通路の流速方向の触媒部の圧損が、流速方向に直交する方向の触媒部の圧損よりも小さくされ、触媒部の熱容量がヒータ部の熱容量より大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記排気通路の流速方向の前記触媒部の圧損が、該流速方向に直交する方向の前記触媒部の圧損よりも小さくされ、
前記触媒部の熱容量が前記ヒータ部の熱容量より大きい内燃機関の触媒装置。
【請求項２】
前記内燃機関を搭載した車両の回生エネルギを前記ヒータ部の通電加熱電力として用いる制御を行う制御部をさらに備えてなる請求項１に記載の内燃機関の触媒装置。
【請求項３】
前記ヒータ部が前記触媒部に近接して同一の筐体内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。
【請求項４】
前記ヒータ部が前記触媒部に接すると共に、
前記ヒータ部の上流側に、絶縁性で通気性の保持具が該ヒータ部に接して配置され、前記ヒータ部が前記保持具と前記触媒部とで挟持されてなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の触媒装置。
【請求項５】
前記触媒部は、少なくとも還元触媒を備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の触媒装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の触媒装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等を浄化する触媒コンバータが知られている（特許文献１参照）。この触媒コンバータは、ハニカム状の金属製触媒担体の中央部のみを発熱させると共に、中央部の熱容量を、外周側の熱容量よりも小さくしている。これにより、通電によって中央部が迅速に発熱し、低温時の排気ガスを早期に加熱して触媒反応を促進させることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１８４９３８号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ハニカム状の担体は、排気通路の流速方向（軸方向）の圧損が径方向の圧損よりも小さくなっており、後述するように発明者が実証したところ、径方向への熱伝導が極めて低いことが判明した。つまり、特許文献１記載の技術のように、触媒担体の中央部を加熱しても、その外周側には十分に熱が伝わらず、低温時の触媒の活性化が困難である。
そこで、本発明は、排気ガスの低温時に触媒を早期に活性化す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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、前記排気通路の流速方向の前記触媒部の圧損が、該流速方向に直交する方向の前記触媒部の圧損よりも小さくされ、前記触媒部の熱容量が前記ヒータ部の熱容量より大きい
【０００６】
この内燃機関の触媒装置によれば、触媒部の熱容量がヒータ部の熱容量より大きいので、ヒータ部を急速に加熱することができ、低温時の排気ガスをより早期に加熱し、触媒部での触媒反応を確実に促進させることができる。
ここで排気通路の流速方向の触媒部の圧損が、流速方向に直交する方向の触媒部の圧損よりも小さいので、触媒部の径方向に熱が十分に伝わらない。そこで、ヒータ部を触媒部よりも上流側に配置することで、ヒータ部により加熱された排気ガスは排気通路内の触媒部全体に流れるので、触媒部を確実に加熱して触媒反応を促進できる。
又、触媒部の熱容量が大きいため、ヒータ部の発熱時に温まった触媒部は、ヒータ部の通電をカットした後も冷え難く、ヒータ部の通電オフ時間をその分だけ長く取って、省電力とすることができる。
【０００７】
本発明の内燃機関の触媒装置において、前記内燃機関を搭載した車両の回生エネルギを前記ヒータ部の通電加熱電力として用いる制御を行う制御部をさらに備えてもよい。
この内燃機関の触媒装置によれば、ヒータ部の通電に回生エネルギを利用するので、省電力となる。
【０００８】
本発明の内燃機関の触媒装置において、前記ヒータ部が前記触媒部に近接して同一の筐体内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、ヒータ部と触媒部を同一の筐体内に省スペースで、熱損失を低減させて配置できる。
【０００９】
本発明の内燃機関の触媒装置において、前記ヒータ部が前記触媒部に接すると共に、前記ヒータ部の上流側に、絶縁性で通気性の保持具が該ヒータ部に接して配置され、前記ヒータ部が前記保持具と前記触媒部とで挟持されていてもよい。
この内燃機関の触媒装置によれば、これらの各部材を排気通路内に確実に固定できる。
【００１０】
本発明の内燃機関の触媒装置において、前記触媒部は、少なくとも還元触媒を備えてもよい。
還元触媒は、酸化触媒に比べて発熱量が抑制される。そのため、本発明が特に有効である。還元触媒としては、例えば、ＳＣＲ（還元）、三元触媒（還元・酸化）、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（吸蔵・還元）が挙げられる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、排気ガスの低温時に触媒を早期に活性化することができる内燃機関の触媒装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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。
【図２】触媒部の構成を示す模式図である。
【図３】ヒータ部の構成を示す平面図である。
【図４】ヒータ部の金属薄板の構成を示す斜視図である。
【図５】保持具と触媒部との間でヒータ部を挟持する状態を示す模式図である。
【図６】熱容量の測定に用いるヒータ部の測定部位を示す模式図である。
【図７】流速方向の触媒部の圧損を小さくした触媒部の温度分布をシミュレーションする条件を示す図である。
【図８】図７のシミュレーションの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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は触媒部６の構成を示す模式図、図３はヒータ部４の構成を示す平面図、図５は保持具２と触媒部６との間でヒータ部４を挟持する状態を示す模式図である。
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、発電機１０４とを備えたディーゼル車両であり、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）８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。
【００１４】
触媒部６は排気ガスを浄化し、本実施形態では図２に示すＳＣＲ触媒を備えている。ＳＣＲ触媒６ａは円筒状をなし、流速方向（軸方向）Ｆに沿って延びる多数の孔６ｈを有するセラミック多孔質体からなる。そして、このセラミック担体にバナジウム等の触媒が担持されている。又、触媒部６は、図５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。
ここで、ＳＣＲ触媒６ａの流速方向Ｆの圧損が、流速方向Ｆに直交する方向の径方向の圧損よりも小さく、排気ガスが孔６ｈを通ってスムーズに排気通路１０８を流れながら触媒反応を生じるようになっている。
【００１５】
一方、図３に示すように、ヒータ部４は、１枚の金属薄板４ａの片面に絶縁シート４ｂを積層して渦巻状に巻回したハニカム状をなし、金属薄板４ａの中心側と外周側にそれぞれ正電極４ｄ及び負電極４ｅが接続され、両電極４ｄ、４ｅにそれぞれ接続されたリード線４Ｌ１，４Ｌ２に通電することにより、金属薄板板４ａが発熱する。
又、図４に示すように、金属薄板４ａは長手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。
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。
なお、金属薄板４ａは、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金とすることができ、絶縁シート４ｂは、例えばアルミナワイヤ繊維の編布、織物とすることができる。
【００１６】
さらに、図５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４Ｌ１，４Ｌ２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８内に固定されている。
【００１７】
制御部９は、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の通電加熱電力として用いる制御を行う。この制御は、例えば回生エネルギ（電力）が充電されるバッテリへ、ヒータ部４のリード線４Ｌ１，４Ｌ２を切り替えて接続することで行うことができる。
又、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。
【００１８】
本実施形態においては、触媒部６の熱容量がヒータ部４の熱容量より大きい。これにより、ヒータ部４を急速に加熱することができ、低温時の排気ガスをより早期に加熱し、触媒部６での触媒反応を確実に促進させることができる。
ここで、排気通路１０８の流速方向Ｆの触媒部６の圧損が、流速方向Ｆに直交する方向の触媒部６の圧損よりも小さいので、仮に触媒部６の中心にヒータ部４を配置して加熱しても、触媒部６の径方向に熱が十分に伝わらない。そこで、ヒータ部４を触媒部６よりも上流側に配置することで、ヒータ部４により加熱された排気ガスは排気通路１０８内の触媒部６全体に流れるので、触媒部６を確実に加熱して触媒反応を促進できる。
又、触媒部６の熱容量が大きいため、ヒータ部４の発熱時に温まった触媒部６は、ヒータ部４の通電をカットした後も冷え難く、ヒータ部４の通電オフ時間をその分だけ長く取って、省電力とすることができる。
【００１９】
図７、図８は、流速方向の触媒部の圧損を小さくした触媒部（多孔質体）及び、触媒部（多孔質体）を挟んでガスの流速方向における上流側と下流側の温度分布を示すシミュレーション結果である。
図７に示すように、触媒部（多孔質体）を挟んでガスの流速方向における上流側と下流側に、それぞれ上流側空間と下流側空間とが存在するという条件下でシミュレーションを行った。なお、触媒部（多孔質体）は、中心部に発熱部があり、その外周側に非発熱部があるという構成とした。
図８は、このシミュレーションにおける温度分布の結果を示す。図８に示すように、触媒部（多孔質体）の下流側、具体的には発熱部がある中心部の下流側の空間の温度が高い（図８の灰色の領域）。そして、触媒部（多孔質体）のうち、発熱部（中心部）の温度が高温（図８の白色）なのに対し、発熱部の外周側は、ガス導入前からほぼ温度が変化しない低温（図８の黒色）となっている。このように、流速方向の触媒部の圧損を小さくした触媒部では、発熱部（中心部）が発熱しても、外周側には十分に熱が伝わらず、径方向への熱伝導が極めて低いことがわかった。
なお、このシミュレーションでは、ガスの流れは排気通路に沿って全て一様な流れとしているが、ガスの流れが排気通路に沿わず、様々な方向成分を持つ場合であっても、触媒部では排気通路の流速方向（軸方向）の圧損が、径方向の圧損よりも小さいため、同様な温度分布になると推測される。
【００２０】
ここで、熱容量は、３００℃の大気雰囲気の恒温槽内に触媒部６及びヒータ部４をそれぞれ別個に入れ、触媒部６及びヒータ部４の温度をモニタし、温度の時間変化から時定数を求め、時定数から算出する。
又、図６に示すように、例えばヒータ部４０が排気通路１０８の内部１０８ｉの部位と、排気通路１０８の側壁のネジ止め部位や排気通路１０８の外部の部位から構成される場合、排気通路１０８の内部１０８ｉの部位４０ｉのみを切断して取り出し、熱容量の測定に用いる。
触媒部６についても同様である。
【００２１】
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、保持具、ヒータ部、触媒部の構成や形状は限定されない。又、触媒部６は、流速方向の圧損が流速方向に直交する方向の圧損よりも小さければよく、セラミック多孔質体に限らず、例えば金属薄板板４ａにアルミナ等の絶縁被膜をコーティングし、その上に触媒金属等を担持させたものを巻回して構成しても良い。
【符号の説明】
【００２２】
２    保持具
４    ヒータ部
６    触媒部
８    筐体
９    制御部
１０    内燃機関の触媒装置
１００    内燃機関
１０８    排気通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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