催化轉換裝置製造方法
2023-04-29 02:27:06
催化轉換裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供一種催化轉換裝置，其能夠減少催化劑載體的溫度不均從而接近於均勻的溫度分布。催化轉換裝置（12）具有：催化劑載體（14），其通過通電而被加熱；一對電極（16A、16B），在以與排氣的流動方向正交的正交截面進行觀察時，一對電極（16A、16B）與催化劑載體的外周接觸配置。通過使電極（16A、16B）的體積電阻率高於，與電極（16A、16B）分別連接且用於向電極供給電流的外部電纜（30）的通電部，從而向催化劑載體（14）施以電極中的發熱，由此使電極附近的催化劑載體的發熱量與催化劑載體的內部的發熱量相比較多。由此，將電極附近的催化劑載體的發熱量設定為，對自電極附近的散熱量進行了預估的發熱量。
【專利說明】催化轉換裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種被設置於內燃機的排氣管中的催化轉換裝置。
【背景技術】
[0002]在為了對內燃機中所產生的排氣進行淨化而被設置於排氣管中的催化轉換裝置中，期待對負載催化劑的金屬制催化劑載體進行通電而使其升溫，從而得到充分的催化效果。例如，在專利文獻I (日本特開平04 — 280086號公報)中公開了一種如下的蜂窩狀整體式加熱器，所述蜂窩狀整體式加熱器具有截面形狀為正方形的正方形微孔(貫穿孔)，並且通過以與該貫穿孔壁所形成的角度成銳角的方式來配置一對電極板，從而得到均勻的發熱性。
[0003]專利文獻1:日本特開平04-280086號公報
【發明內容】
[0004]發明所要解決的課題
[0005]但是，即使將向催化劑載體的內部的電流分布設為大致均勻而進行均衡發電，也由於與催化劑載體接觸的電極板的附近(即電極板的緊下方)存在自電極板的放電和向與電極板連接的電纜的傳熱，因此電極板的附近的催化劑載體的溫度與電極板之間的催化劑載體的中央部相比容易降低。
[0006]考慮到上述事實，本發明的目的在於，得到一種能夠減少催化劑載體的溫度不均從而接近於均勻的溫度分布的催化轉換裝置。
[0007]用於解決課題的方法
[0008]本發明的第一方式的催化轉換裝置具有:催化劑載體，其負載用於對從內燃機被排放出的排氣進行淨化的催化劑，並通過通電而被加熱；一對電極，在以與所述排氣的流動方向正交的正交截面進行觀察時，一對所述電極在隔著所述催化劑載體而對置的位置處，與所述催化劑載體的外周接觸配置，在所述催化轉換裝置中，通過使所述電極的體積電阻率高於，與所述電極分別連接且用於向所述電極供給電流的外部電纜的通電部，從而向所述催化劑載體施以所述電極中的發熱，由此使所述電極附近的所述催化劑載體的發熱量與所述催化劑載體的內部的發熱量相比較多。
[0009]本發明的第二方式的催化轉換裝置中，在第一方式所記載的催化轉換裝置中，所述外部電纜被連接於，在以所述正交截面進行觀察時一對所述電極之間的距離較長的位置處，一對所述電極被構成為，在以所述正交截面進行觀察時，從連接有所述外部電纜的位置趨向一對所述電極之間的距離縮短的方向，體積電阻率增大。
[0010]根據第一方式的催化轉換裝置，一對電極以隔著催化劑載體而對置的方式與催化劑載體的外周接觸配置，當催化劑載體通過與一對電極分別連接的外部電纜而被通電時，催化劑載體將被加熱而升溫，因此通過所負載的催化劑而發揮對排氣的淨化效果。此時，通過使電極的體積電阻率高於外部電纜的通電部，從而向催化劑載體施以電極中的發熱，由此使電極附近的催化劑載體的發熱量與催化劑載體的內部的發熱量相比較多。即，雖然因自電極的散熱和向外部電纜的傳熱，而使催化劑載體的電極附近與催化劑載體的內部相比散熱量較大，但通過增大電極的體積電阻率，從而利用電極中的發熱而使電極附近的催化劑載體的發熱量與催化劑載體的內部的發熱量相比有所增加，並且設定為對催化劑載體的散熱量進行了預估的發熱量(設定為如對散熱量進行補償這樣的發熱量)。由此，催化劑載體的各個部位中的發熱被均勻化，從而能夠減少催化劑載體的溫度不均而接近於均勻的溫度分布。
[0011]根據本發明的第二方式的催化轉換裝置，外部電纜被連接於，在以正交截面進行觀察時一對電極之間的距離較長的位置處，並且構成為，從連接有外部電纜的位置趨向一對電極之間的距離縮短的方向，一對電極的體積電阻率增大，由此隨著從連接有外部電纜的位置趨向一對電極之間的距離縮短的方向，電流變得不易流通。雖然在一般情況下，由於催化劑載體的體積電阻率高於電極的體積電阻率，因此與一對電極之間的距離較長的催化劑載體的部位相比，電流欲在一對電極之間的距離較短的催化劑載體的部位流通，但通過構成為，趨向一對電極之間的距離縮短的方向，一對電極的體積電阻率增大，從而使一對電極之間的距離較長的催化劑載體的部位、與一對電極之間的距離較短的催化劑載體的部位處的電流的流通容易度均勻化。由此，能夠使電流更加均勻地流通於催化劑載體中，並且能夠更加有效地減少催化劑載體的溫度不均，從而接近於均勻的溫度分布。
[0012]發明效果
[0013]根據本發明所涉及的催化轉換裝置，能夠減少催化劑載體的溫度不均從而接近於均勻的溫度分布。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1A為表示本發明的第一實施方式的催化轉換裝置的圖，且為沿著排氣的流動方向的剖視圖。
[0015]圖1B為表示本發明的第一實施方式的催化轉換裝置的圖，且為與排氣的流動方向正交的方向上的剖視圖。
[0016]圖2A為以與排氣的流動方向正交的截面來表示圖1B所示的催化轉換裝置的催化劑載體以及電極的圖，且為表示催化劑載體的發熱量的示意圖。
[0017]圖2B為以與排氣的流動方向正交的截面來表示圖1B所示的催化轉換裝置的催化劑載體以及電極的圖，且為表示催化劑載體的散熱量的示意圖。
[0018]圖2C為以與排氣的流動方向正交的截面來表示圖1B所示的催化轉換裝置的催化劑載體以及電極的圖，且為表示催化劑載體的溫度分布的示意圖。
[0019]圖3為以與排氣的流動方向正交的截面來表示本發明的第二實施方式的催化轉換裝置的催化劑載體以及電極的剖視圖。
[0020]圖4為表示圖3所示的催化轉換裝置的催化劑載體以及電極的電阻的示意圖。
[0021]圖5A為以與排氣的流動方向正交的截面來表示比較例的催化轉換裝置的催化劑載體以及電極的圖，且為表示催化劑載體的發熱量的示意圖。
[0022]圖5B為以與排氣的流動方向正交的截面來表示比較例的催化轉換裝置的催化劑載體以及電極的圖，且為表示催化劑載體的散熱量的示意圖。[0023]圖5C為以與排氣的流動方向正交的截面來表示比較例的催化轉換裝置的催化劑載體以及電極的圖，且為表示催化劑載體的溫度分布的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]以下，利用圖1A?圖4對本發明所涉及的催化轉換裝置的第一實施方式進行說明。
[0025]圖1A中圖示了本實施方式所涉及的催化轉換裝置12。催化轉換裝置12被安裝在排氣管的中途。雖然在排氣管內流動有來自發動機的排氣，但圖1B通過與該排氣的流動方向正交的方向上的截面(沿圖1A中的2 — 2線的截面)，而圖示了催化轉換裝置12。
[0026]如圖1A以及圖1B所示，催化轉換裝置12具有催化劑載體14，所述催化劑載體14由具有導電性以及剛性的材料形成。催化劑載體14通過形成為例如蜂窩狀，從而擴大了材料的表面積。在催化劑載體14的表面上，以附著的狀態負載有催化劑(鉬、鈀、銠等)。催化劑具有，對在排氣管內流動的排氣(由Fl表示流動方向)中的有害物質進行淨化的作用。另夕卜，使催化劑載體14的表面積增大的結構並不被限定為上文所述的蜂窩狀，也可以為例如波浪狀等。
[0027]雖然作為構成催化劑載體14的材料，可以應用導電性陶瓷、導電性樹脂或金屬等，但在本實施方式中特別設定為導電性陶瓷。如果作為構成催化劑載體14的材料，例如至少含有碳化矽，則可得到較高的強度和耐熱性，故而為優選。而且，如果作為電阻率而設定為10?200 Ω._，則將如後文所述那樣在進行了通電時，能夠高效地使所負載的催化劑溫度上升，故而為優選。作為催化劑載體的孔隙率，優選設為30?60%的範圍。當將孔隙率設為30%以上時，能夠確保所需的表面積，從而負載較多的催化劑。此外，通過將孔隙率設為60%以下，從而能夠維持作為催化劑載體14而要求的強度。
[0028]在催化劑載體14上貼附有兩片電極16A、16B，而且在電極16A、16B的中心分別連接有端子18A、18B。在端子18A、18B上分別連接有用於供給電流的外部電纜30 (參照圖2A)。電極16A、16B沿著催化劑載體14的外周面而在具有預定的展寬的範圍內與催化劑載體14接觸配置，並且，通過從端子18A、18B經由電極16A、16B而對催化劑載體14進行通電，從而能夠對催化劑載體14進行加熱。而且，通過利用該加熱而使負載於催化劑載體14上的催化劑升溫，從而能夠更好地發揮催化劑所具有的對排氣的淨化作用。
[0029]在本實施方式中，從圖1B可知，在以與排氣的流動方向正交的截面(正交截面)進行觀察時，催化劑載體14被設為如下形狀，即，將與橢圓形狀的長軸LA正交的寬度方向兩側以與長軸LA大致平行的方式形成為直線狀的、所謂的跑道形狀。而且，以電極16A、16B各自的中心部分(電極中心16C)位於催化劑載體14的長軸LA上的方式,在隔著催化劑載體14而對置的位置處配置了一對電極16A、16B。
[0030]此處，作為對電極16A、16B的電極中心16C進行連結的線段而設定了中心線CL，且將在與該中心線CL正交的方向上所測量出的催化劑載體14的長度定義為寬度W。此時，中心線CL與催化劑載體14的長軸LA相一致。
[0031]催化劑載體14以中心線CL (長軸LA)為中心，在圖1B中呈左右對稱的形狀。而且，催化劑載體14以中心線CL的垂直等分線VD為中心，同樣在圖1B中呈上下對稱的形狀。在催化劑載體14中，在接觸配置有電極16A、16B的部位處，形成有與中心線CL正交的方向上的寬度W趨向電極中心16C而逐漸減小的寬度逐漸減小部14D。在本實施方式中，貼附有電極16A、16B的部分成為，朝向電極16A或電極16B而彎曲成凸狀的曲面部。此外，在催化劑載體14中，在未接觸配置有電極16A、16B的部位處，形成有與接觸配置有電極16A、16B的部位(寬度逐漸減小部14D)相比，外邊緣的寬度被形成得較寬的寬度寬大部14W。寬度寬大部14W以與中心線CL大致平行的方式而被形成為直線狀。寬度寬大部14W被設定為催化劑載體14的寬度W成為最大的最大寬度部。催化劑載體14的寬度W在任意位置處，均短於中心線CL (長軸LA)的長度LI。
[0032]在本實施方式中，催化劑載體14的寬度寬大部14W以與中心線CL大致平行的方式而被形成為直線狀，且相對於電極16A、16B附近，寬度寬大部14W中的電流流通的截面面積的減少量減少，從而電流密度的降低較少。因此，能夠實現催化劑載體14中的發熱量的均勻化。
[0033]此外，採用如下的結構，即，通過使電極16A、16B的體積電阻率高於外部電纜30的通電部(電線)，從而向催化劑載體14施以電極16A、16B中的發熱，由此使電極16A、16B附近的催化劑載體14的發熱量與催化劑載體14的內部(例如電極16A、16B之間的催化劑載體14的中心14C附近)的發熱量相比較多。此處，體積電阻率是指，每單位體積的電阻值(Ω -cm).材料整體的電阻值通過體積電阻率乘以長度(L)並除以截面面積(A)而被求出。體積電阻率為物質固有的值(物理性質值)，在以相同的大小進行比較時，體積電阻率較大的物質，其電阻值也較大。在本實施方式中,例如通過對電極16A、16B的材料、或向材料中添加的添加物的量進行調節，從而使體積電阻率增大。
[0034]為了使通電時的催化劑載體14的溫度分布大致均勻，而需要使發熱量與散熱量的平衡在電極16A、16B附近(圖中的電極16A、16B的緊下方)和催化劑載體14的內部(例如電極16A、16B之間的催化劑載體14的中心14C附近)大致相同。
[0035]在本實施方式中，通過對電極16A、16B附近的催化劑載體14的發熱量進行控制，從而實現均衡的溫度分布。
[0036]通過通電而產生的發熱量W由W = RXI2來表示。此處，W為發熱量，I為電流，R為電阻。
[0037]此外，電阻R由R= PXL/A來表示。此處，P為通電體(在本實施方式中為電極16AU6B)的體積電阻率，L為通電體(電極16A、16B)的長度，A為通電體(電極16A、16B)的截面面積。通過上述式可知，作為對發熱量W進行控制的方法，電極16A、16B的體積電阻率P為參數。
[0038]在圖2A中，模式化地圖示了催化劑載體14的電極16A、16B附近和催化劑載體14的中心部的發熱量，在圖2B中，模式化地圖示了催化劑載體14的電極16A、16B附近和催化劑載體14的中心部的散熱量。此外，在圖2C中，模式化地圖示了催化劑載體14的電極16AU6B附近和催化劑載體14的中心部的溫度。
[0039]如圖2B所示，在催化劑載體14的電極16A、16B附近，由於自電極16A、16B的散熱和向外部電纜30的傳熱，從而散熱量較大。因此，如圖2A所示，需要使電極16A、16B附近的催化劑載體14的發熱量大於催化劑載體14的中心部的發熱量。因此，為了增加電極16A、16B附近的催化劑載體14的發熱量,而使電極16A、16B的體積電阻率高於外部電纜30的通電部。即，通過使電極16A、16B的體積電阻率高於外部電纜30的通電部，從而向催化劑載體14施以電極16A、16B中的發熱，由此使電極16A、16B附近的催化劑載體14的發熱量與催化劑載體14的內部(例如電極16A、16B之間的催化劑載體14的中心14C附近)的發熱量相比較多。
[0040]在催化劑載體14的外周配置有，由絕緣性材料形成為筒狀的保持部件24。而且，在保持部件24的外周配置有，由不鏽鋼等金屬成形為圓筒狀的外殼筒體28。S卩，在圓筒狀的外殼筒體28的內部收納有催化劑載體14，且通過被配置在外殼筒體28與催化劑載體14之間的保持部件24，從而催化劑載體14被無間隙地保持在外殼筒體28的內部。而且，由於具有絕緣性的保持部件24被配置在催化劑載體14與外殼筒體28之間，因此阻止了從催化劑載體14向外殼筒體28的電流的流通。
[0041]接下來，對本實施方式的催化轉換裝置12的作用以及效果進行說明。
[0042]催化轉換裝置12的外殼筒體28被安裝在排氣管的中途，並且排氣沿著箭頭標記Fl方向通過催化劑載體14的內部。此時，通過催化劑載體14上所負載的催化劑，從而使排氣中的有害物質被淨化。在本實施方式的催化轉換裝置12中，從外部電纜30供給電流，並通過端子18A、18B以及電極16A、16B而對催化劑載體14進行通電，從而對催化劑載體14進行加熱。在催化劑載體14中，電極16A、16B之間的電流如箭頭標記EC那樣流通。通過對催化劑載體14進行加熱，從而能夠使負載於催化劑載體14上的催化劑升溫，由此較高程度地發揮淨化作用。在例如發動機剛剛啟動之後等排氣的溫度較低的情況下，由於預先實施向催化劑載體14的通電加熱，從而能夠確保發動機啟動初期的催化劑的淨化性能。
[0043]在本實施方式的催化轉換裝置12中，採用如下結構，即，使隔著催化劑載體14而對置的一對電極16A、16B的體積電阻率高於外部電纜30的通電部的結構。
[0044]此處，如圖5A?圖5C所示，假定採用了如下結構的比較例的催化轉換裝置112，所述結構為，使一對電極116A、116B的體積電阻率與外部電纜130的通電部相比沒有增加的結構。如圖5B所示，在催化劑載體114的電極116AU16B附近，由於自電極116AU16B的散熱和向外部電纜130的傳熱，從而散熱量較大(參照圖2B)。因此，即使如圖5A所示那樣，使催化劑載體114的內部的電流分布大致均勻以實現均衡發熱，也會如圖5C所示那樣，由於散熱量較大，從而催化劑載體114的電極116AU16B附近的溫度與催化劑載體114的中心部的溫度相比降低。
[0045]與此相對，在本實施方式的催化轉換裝置12中，如圖2A所示，通過使電極16A、16B的體積電阻率高於外部電纜30的通電部,從而使電極16A、16B發熱,並向催化劑載體14施以該發熱，由此使催化劑載體14的電極16A、16B附近(電極16A、16B緊下方)的發熱量與催化劑載體14的中心部的發熱量相比較多。即，為了對催化劑載體14的電極16A、16B附近的散熱量進行補償，而使催化劑載體14的電極16A、16B附近的發熱量與催化劑載體14的中心部的發熱量相比有所增加(將催化劑載體14的電極16A、16B附近的發熱量設定為，對催化劑載體14的散熱量進行了預估的發熱量)。由此，能夠使催化劑載體14的各部位中的發熱均勻化。因此，如圖2C所示，減少了催化劑載體14的溫度不均，從而能夠使催化劑載體14接近於大致均勻的溫度分布。
[0046]接下來，利用圖3以及圖4，對本發明的第二實施方式的催化轉換裝置52進行說明。另外，對與上文所述的第一實施方式相同的結構部分，標記相同的符號，並省略其說明。
[0047]如圖3所示，在以與排氣的流動方向正交的截面(正交截面)進行觀察時，在催化劑載體14的寬度逐漸減小部14D上，以隔著催化劑載體14而對置的方式貼附有兩片電極56A、56B，而且在電極56A、56B的中心分別連接有端子18A、18B。S卩，外部電纜30 (參照圖2A)通過端子18A、18B而被連接於，在以正交截面進行觀察時一對電極56A、56B之間的距離較長的位置(在本實施方式中，為中心線CL的位置)處。
[0048]一對電極56A、56B被構成為，在以正交截面進行觀察時，從設置有端子18A、18B的位置(連接有外部電纜30的位置)趨向一對電極56A、56B之間的距離縮短的方向，體積電阻率增大。換言之，一對電極56A、56B被構成為，從一對電極56A、56B之間的距離較長的位置60A (中心線CL的位置)趨向一對電極56A、56B之間的距離縮短的位置60B (催化劑載體14的寬度寬大部14W側的位置)，體積電阻率增大。
[0049]在本實施方式中，以如下方式構成，即，例如通過對電極56A、56B的材料、或向材料中添加的添加物的量進行調節，從而趨向一對電極56A、56B之間的距離縮短的方向，體積電阻率增大。也可以以如下方式構成，即，電極56A、56B的體積電阻率從設置有端子18A、18B的位置趨向一對電極56A、56B之間的距離縮短的方向而漸漸增大，還可以以階段性地增大的方式構成。
[0050]在催化轉換裝置52中，通過構成為，從一對電極56A、56B之間的距離較長的位置趨向一對電極56A、56B之間的距離縮短的方向，體積電阻率增大,從而隨著從一對電極56A、56B之間的距離較長的位置(設置有端子18A、18B的位置)趨向一對電極56A、56B之間的距離縮短的方向，電流變得不易流通。
[0051]在一般情況下，由於催化劑載體14的體積電阻率高於電極56A、56B的體積電阻率，因此與一對電極56A、56B之間的距離較長的催化劑載體14的部位(中心線CL附近)相t匕，電流欲在一對電極56A、56B之間的距離較短的催化劑載體14的部位(寬度寬大部14W附近)流通。與此相對，在本實施方式中，通過構成為，從一對電極56A、56B之間的距離較長的位置趨向一對電極56A、56B之間的距離縮短的方向，一對電極56A、56B的體積電阻率增大，從而構成為，如圖4所不,一對電極56A、56B之間的距離較長的位置60A處的電極56A、56B以及催化劑載體14的電阻,與一對電極56A、56B之間的距離較短的位置60B處的電極56A、56B以及催化劑載體14的電阻大致相等。
[0052]此處，當如圖3所示，將電極56A、56B的體積電阻率設為P，將電極56A、56B的長度設為L，並將電極56A、56B的截面面積設為A時，電阻R由R=P XL/Α來表示。
[0053]此外，圖4中的由雙點劃線所表示的被催化劑載體14包圍的部分，表示催化劑載體14的電阻。如圖4所不,一對電極56A、56B之間的距離較長的位置60A與一對電極56A、56B之間的距離較短的位置60B相比，催化劑載體14的電阻較大。此外，圖4中的一對電極56A、56B之間的距離較短的位置60B處的、被催化劑載體14包圍的部分的外側，表示電極56A、56B的電阻。在本實施方式中，以在一對電極56A、56B之間的距離較長的位置60A和一對電極56A、56B之間的距離較短的位置60B處,總的電阻大致相等的方式,對電極56A、56B的體積電阻率進行調節。
[0054]由此,一對電極56A、56B之間的距離較長的位置60A處的電極56A、56B以及催化劑載體14的部位，與一對電極56A、56B之間的距離較短的位置60B處的電極56A、56B以及催化劑載體14的部位中的電流的流通容易度被均勻化，從而能夠使電流更加均勻地流通於催化劑載體14中。因此，更加有效地減少了催化劑載體14的溫度不均，從而能夠使催化劑載體14接近於大致均勻的溫度分布。
[0055]另外，雖然在上述的實施方式中，催化劑載體14在接觸配置有一對電極的部位處，具有與中心線CL正交的方向上的寬度W趨向電極中心而逐漸減小的寬度逐漸減小部14D，並且在未接觸配置有一對電極的部位處，具有以與中心線CL大致平行的方式而被形成的直線狀的寬度寬大部，但並不限定於該結構，催化劑載體的形狀可以變更。例如，催化劑載體的形狀可以變更為，在以與排氣的流動方向正交的截面進行觀察時呈橢圓狀、鼓狀、圓形形狀等。
【權利要求】
1.一種催化轉換裝置，具有: 催化劑載體，其負載用於對從內燃機被排放出的排氣進行淨化的催化劑，並通過通電而被加熱； 一對電極，在以與所述排氣的流動方向正交的正交截面進行觀察時，一對所述電極在隔著所述催化劑載體而對置的位置處，與所述催化劑載體的外周接觸配置， 在所述催化轉換裝置中，通過使所述電極的體積電阻率高於，與所述電極分別連接且用於向所述電極供給電流的外部電纜的通電部，從而向所述催化劑載體施以所述電極中的發熱，由此使所述電極附近的所述催化劑載體的發熱量與所述催化劑載體的內部的發熱量相比較多。
2.如權利要求1所述的催化轉換裝置，其中， 所述外部電纜被連接於，在以所述正交截面進行觀察時一對所述電極之間的距離較長的位置處， 一對所述電極被構成為，在以所述正交截面進行觀察時，從連接有所述外部電纜的位置趨向一對所述電極之間的距離縮短的方向，體積電阻率增大。
【文檔編號】F01N3/24GK103459795SQ201280017026
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年3月12日 優先權日:2011年4月8日
【發明者】橋元慶太 申請人:豐田自動車株式會社