通電加熱式触媒装置
【課題】ＮＴＣ特性を有する触媒担体を用いても、排気ガスの浄化機能を十分に発揮する。
【解決手段】通電加熱式触媒装置は、排気ガスの浄化用触媒をジュール熱によって加熱する通電加熱式触媒装置である。この通電加熱式触媒装置の所定位置には正電極及び負電極が設置され、触媒担体がこれら正電極及び負電極を電気的に接続する。触媒担体は、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ特性を有する。そして、区画手段が、触媒担体を絶縁部材により区画し、該区画された電流経路の少なくとも一部を導電部材により直列に接続することで、該絶縁部材により区画されていない場合に比べて触媒担体を流れる電流の電流経路を長くする。
【解決手段】通電加熱式触媒装置は、排気ガスの浄化用触媒をジュール熱によって加熱する通電加熱式触媒装置である。この通電加熱式触媒装置の所定位置には正電極及び負電極が設置され、触媒担体がこれら正電極及び負電極を電気的に接続する。触媒担体は、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ特性を有する。そして、区画手段が、触媒担体を絶縁部材により区画し、該区画された電流経路の少なくとも一部を導電部材により直列に接続することで、該絶縁部材により区画されていない場合に比べて触媒担体を流れる電流の電流経路を長くする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の排気ガスを浄化するための通電加熱式触媒装置であって、例えば炭化ケイ素ＳｉＣのように、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient:ＮＴＣ）特性を有する電流経路を用いる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、触媒装置の排気ガス浄化能力を十分に発揮させるには、当該触媒装置内部の温度を触媒活性化温度まで均一に昇温させることが好ましい。そこで、例えば、特許文献１の図１に示されているように、触媒装置を構成する通電加熱式ハニカム体の外周面上において、所望の周長の間隔をおいて設定される相対向する部位に、所定の周長の電極板を相対向させて配設したものを使用する技術が提案されている。この構成によると、相対向する電極板の一方から他方へ電流が流れる触媒担体における単位体積当たりの抵抗値がほぼ同じものとなり、ハニカム体の内部は均一に抵抗加熱されるという（特許文献１の明細書段落００１４を参照）。
【０００３】
ところが、上記構成では、触媒装置の触媒担体がＮＴＣ特性を有する場合に対する配慮が十分にはなされていない。したがって、仮に当該触媒装置の触媒担体の温度分布がひとたび不均一になると、その傾向が助長されるおそれがある。具体的には、電極板への供給電流の増加に伴って触媒担体の一部の温度がひとたび上昇すると、その一部はＮＴＣ特性により抵抗値が低下するため、その一部に一層電流が流れ、局所的な温度上昇を助長するおそれがある。その結果、当該触媒装置の電流経路の温度分布および活性化状態も不均一になり、当該触媒装置が排気ガスの浄化機能を十分に発揮できないおそれがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１１５７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、例えば上述した問題点に鑑みてなされたものであり、ＮＴＣ特性を有する触媒担体を用いても、排気ガスの浄化機能を十分に発揮可能な通電加熱式触媒装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の通電加熱式触媒装置は、上記課題を解決するため、排気ガスの浄化用触媒をジュール熱によって加熱する通電加熱式触媒装置であって、当該通電加熱式触媒装置の所定位置に設置された正電極及び負電極と、前記正電極及び前記負電極を電気的に接続するとともに、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ特性を有する触媒担体と、前記触媒担体を絶縁部材により区画し、該区画された電流経路の少なくとも一部を導電部材により直列に接続することで、該絶縁部材により区画されていない場合に比べて前記触媒担体を流れる電流の電流経路を長くする区画手段とを備える。
【０００７】
本発明の通電加熱式触媒装置によれば、排気ガスの浄化用触媒が、ジュール熱によって加熱される。当該通電加熱式触媒装置の所定位置には、正電極及び負電極が設置されている。例えば、排気ガスの入口側に正電極を、出口側に負電極が設置される。但し、正電極及び負電極の設置位置はその逆でもよいし、共に何れか一端でもよい。そして、正電極及び負電極は、触媒担体によって、電気的に接続されている。この触媒担体は、例えば炭化ケイ素ＳｉＣのように、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ特性を有する半導体である。なお、触媒担体は、通電時にジュール熱を発生させることにより、担持した触媒を加熱する。加えて、区画手段が、この触媒担体を絶縁部材により区画し、該区画された触媒担体の少なくとも一部を導電部材により直列に接続している。この結果、絶縁部材が無い場合に比べて触媒担体を流れる電流の電流経路が長くなる。
【０００８】
ここで仮に、絶縁部材により区画されていないと、上記課題として指摘したように、触媒担体の一部の温度が周囲に比べて上昇すると、ＮＴＣ特性ゆえに抵抗値が他部に比べて低下して、電流が更に多く流れるようになり、温度分布の不均一さが助長されてしまうおそれがある。そうすると、触媒担体に担持された触媒の排気ガスの浄化機能を十分に発揮できないおそれがある。
【０００９】
しかるに、本発明の通電加熱式触媒装置の構成によれば、上述のように、触媒担体における電流経路が、絶縁部材が無い場合に比べて長くされている。そうすると、電流が触媒担体全体を一段ときめ細かく流れ、触媒に流れる電流の密度分布の差が一段と小さくなる。仮に、触媒担体の一部の温度が他部に比べて上昇しても、該一部と他部とが電流経路として直列に接続されているため各々を流れる電流密度は同じなので、温度分布の不均一さが助長されることはない。むしろ、ＮＴＣ特性のおかげで、温度が上昇する一部の抵抗値は他部に比べて低下するので、該一部で発生するジュール熱は、他部に比べて低くなる。すなわち、本構成によれば、触媒担体における温度差が解消する方向に作用するのである。
【００１０】
以上見てきたように、本発明の通電加熱式触媒装置によれば、ＮＴＣ特性を有する電流経路を用いても、内部の触媒担体における温度分布の不均一さを解消でき、もって、触媒担体に担持された触媒の排気ガスの浄化機能を十分に発揮せしめることが可能である。
【００１１】
本発明の通電加熱式触媒装置の一態様では、前記触媒担体は、当該通電加熱式触媒装置における排気ガスの通路でもあり、前記区画手段は、該排気ガスの通路の断面が前記絶縁部材により複数に区画され、かつ、前記絶縁部材が前記排気ガスの通路に沿って延在するように、前記触媒担体を区画する。
【００１２】
この態様によると、触媒担体は、当該通電加熱式触媒装置における排気ガスの通路でもある。例えば、触媒担体はハニカム状に形成されており、担持する触媒に排気ガスが接触するように、排気ガスの通路となる空間が設けられている。そして、区画手段は、該排気ガスの通路の断面が絶縁部材により複数に区画され、かつ、絶縁部材が排気ガスの通路に沿って延在するように、触媒担体を区画する。各区画は上記導電部材によって、少なくとも一部が直列に接続されている。例えば、直列に接続される区画は、一端で前の区画と接続され、他端で後の区画と接続される。そうすると、電流は、正電極から負電極に向けて、排気ガスの通路に沿って往復しながら、各区画を順次流れる。したがって、いずれの区画においても、触媒が同様に活性化されるので、通過する排気ガスを一様に浄化できる。
【００１３】
この態様では、前記区画手段は、前記排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する区画の断面積の方が外周寄りのそれと比べて大きくなるように、前記触媒担体を区画してもよい。
【００１４】
この構成によると、排気ガスの通路（つまり触媒担体）の断面において中央寄りの方が外周寄りと比べて熱が集中しやすいところ、中央寄りに位置する区画の断面積が外周寄りのそれよりも大きくされるので、その電流密度が外周寄りに比べて下がり、発熱を抑制できる。なお、「中央寄りに位置する区画」とは、必ずしも触媒担体の中央に位置する区画である必要はなく、最外周に位置する区画よりも中央寄りに位置する区画であればよい。
【００１５】
あるいは、この態様では、前記区画手段は、排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する少なくとも２つの区画は並列に接続するように、前記触媒担体を区画してもよい。
【００１６】
この構成によると、排気ガスの通路（つまり触媒担体）の断面において中央寄りの方が外周寄りと比べて熱が集中しやすいところ、並列に接続された中央寄りに位置する少なくとも２つの区画を、断面積が広げられた一つの区画とみなすことで、上述の態様と同様に、中央寄りの発熱を抑制できる。
【００１７】
あるいは、この態様では、前記触媒担体は、前記排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する区画の抵抗値の方が外周寄りのそれと比べて小さくなるように構成されてもよい。
【００１８】
この構成によると、排気ガスの通路（つまり触媒担体）の断面において中央寄りの方が外周寄りと比べて熱が集中しやすいところ、その抵抗値を外周寄りのそれと比べて下げることで、同じ電流が流れても発生するジュール熱を低下させ、もって中央寄りの発熱を抑制できる。
【００１９】
本発明の作用及び他の利得は、次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、発明を実施するための最良の形態として本発明の実施形態を、図面に基いて詳細に説明する。
【００２１】
（１）第１実施形態
先ず図１を参照して、内燃機関４０の詳細な構成について説明を加える。ここで、図１は、第１実施形態に係る内燃機関４０を示す模式的な断面図である。
【００２２】
図１において、吸気管２０６は、シリンダ２０１と外気とを連通しており、内燃機関４０のシリンダ２０１内へと空気を吸入可能に構成されている。吸気管２０６の管路には、吸入空気を浄化するクリーナ、吸入空気の質量流量（即ち、吸入空気量）を検出するエアフローメータ、吸入空気の温度を検出する吸気温センサ、シリンダ２０１内部への吸入空気量を調節するスロットルバルブ、スロットルバルブの開度を検出するスロットルポジションセンサ、及び運転者によるアクセルペダルの踏み込み量に基づいてスロットルバルブを駆動するスロットルバルブモータが備わる。更に下流には、吸入空気を貯蔵するとともに複数気筒の各々に分配するサージタンク２０６１、サージタンク２０６１における吸気管圧力を検出する圧力センサ２０６２、及び燃料噴射弁２０７が備わる。燃料噴射弁２０７は、燃料タンク２２３から供給される燃料を、制御装置３０の制御に従って、吸気管２０６内に噴射する。噴射された燃料は、吸気管２０６を介して吸入された空気と混合されて混合気を形成し、該混合気がシリンダ２０１内での燃焼に使用される。
【００２３】
燃料タンク２２３は、給油口３１１から給油される燃料を貯蔵している。この燃料は、内燃機関４０の燃焼に使用される。ここで給油される燃料は、例えばガソリン又はアルコール、あるいはその混合燃料である。ポンプ２２５は、この燃料を適宜吸い上げて燃料噴射弁２０７へと供給する。燃料センサ２２４は、貯蔵されている燃料の量を検出するとともに、制御装置３０へと伝達する。
【００２４】
内燃機関４０は、点火プラグ２０２の点火により、シリンダ２０１内で混合気を燃焼させる。このときの爆発力に応じたピストンの往復運動は、コネクションロッドを介してクランクシャフトの回転運動に変換され、この回転運動が駆動力となる。内燃機関４０の周囲には、冷却水の温度を検出する水温センサ、クランク角を定期的に検出することで内燃機関４０の回転数を検出可能なクランクポジションセンサ等の各種センサが配設されている。各センサの出力は、対応する検出信号として制御装置３０へと供給される。シリンダ２０１内部で燃焼した混合気は排気ガスとなり、吸気弁２０８の開閉に連動して開閉する排気弁２０９を通過して排気管２１０を介して排気される。これらの開閉タイミングは、例えば周知の可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing-intelligent system：ＶＶＴ−ｉ）により構成される可変動弁装置によって調整される。
【００２５】
制御装置３０は、中央処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）、制御プログラムを格納した読み出し専用メモリ（Read Only Memory：ＲＯＭ）及び各種データを格納する随時書き込み読み出しメモリ（Random Access Memory：ＲＡＭ）等を中心とした論理演算回路として構成されている。制御装置３０は、各種センサから入力信号を受ける入力ポートと、可変バルブタイミング機構や通電加熱式触媒装置５０等の各種アクチュエータに制御信号を送る出力ポートとに、バスを介して接続されている。
【００２６】
排気管２１０の管路には、空燃比センサ２２１、及び通電加熱式触媒装置５０が備わる。
【００２７】
空燃比センサ２２１は、例えばジルコニア固体電解質などで構成されており、排気管２１０中の排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するとともに、検出信号を制御装置３０へと供給する。この検出信号に基づいて、空燃比フィードバック補正が行われる。
【００２８】
通電加熱式触媒装置（Electrical Heated Catalyst：ＥＨＣ）５０は、例えば白金やロジウムなどの貴金属を活性成分とした三元触媒であり、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などを除去する機能を有する。加えて、通電加熱式触媒装置５０は、制御装置３０の制御下で通電状態が制御され、通電時には加熱してその温度を最低でも触媒の活性温度（例えば３５０℃程度）にまで上昇させる。
【００２９】
ここで、第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０の構造について、図２から図５を参照しながら詳述する。先ず、比較例について、その後、第１実施形態について説明する。
【００３０】
比較例に係る通電加熱式触媒装置５０の構造が、図２および図３に示されている。ここで、図２は、比較例に係る通電加熱式触媒装置５０を側面から見た場合の模式的な断面図である。図３は、比較例に係る通電加熱式触媒装置５０を図２の位置Ｌにおいて排気ガスの入口側の正面から見た場合の模式的な断面図である。
【００３１】
図２に示すように、通電加熱式触媒装置５０は、通電加熱式触媒装置５０の外形を形成すると共に排気管２１０との連結口が開放されている外殻５１と、外殻５１に囲われた通電触媒担体５２と、通電触媒担体５２に通電するための電源５３１、正電極５３２、および負電極５３３と、制御装置３０の制御下で通電状態を切り替えるスイッチ５３４とを備える。ここで、通電触媒担体５２は、例えば粉末状の触媒を担持するための担体であり、例えばペレット状、或いはハニカム状のように排気ガスがその内部を通過可能に構成されている。なお、図２において太い矢印に示されるように、左から右に向かって排気ガスが流れる。加えて、通電触媒担体５２は、例えば炭化ケイ素ＳｉＣのようにＮＴＣ特性を有する導体あるいは半導体であり、通電時にはジュール熱によって昇温すると、それに伴い自己の抵抗値が減少する特性を有する。
【００３２】
比較例に係る通電加熱式触媒装置５０において、図２に示すように、通電触媒担体５２は一つである、言い換えれば、通電触媒担体５２を区画する絶縁体がない。ここで仮に、通電触媒担体５２全体を活性温度にまで加熱するために、排気ガスの入口側に正電極５３２を、出口側に負電極５３３を設置する。そうすると、図２において破線矢印で示されるように、通電時に電源５３１から供給される電流は、排気ガスの入口側から出口側に向かって流れる（ただし、電流の向きは逆向きであっても構わない）。
【００３３】
この際、図３に示すように、通電触媒担体５２の外周部は外殻５１のように発熱していない部材と接するので、放熱してしまう。そうすると、通電触媒担体５２の中央部の温度は、外周部の温度に比べて高くなる。そうすると、ＮＴＣ特性を有する通電触媒担体５２の中央部の抵抗値は、外周部の抵抗値に比べて低くなる。そうすると、電流は通電触媒担体５２の外周部よりも中央部を通る。そうすると、電流は通電触媒担体５２の中央部は、一層加熱されることとなり、温度分布の不均一さが助長されてしまうおそれがある。そして、結果的に、通電触媒担体５２の外周部は活性化されず、外周部を通過する排気ガスを十分に浄化することができないおそれがある。なお、図３において、通電触媒担体５２の濃淡は、温度分布の不均一さを模式的に示し、丸印の中にＸ印が含まれた記号は、手前から奥に向かって（つまり、排気ガスの入口側から出口側に向かって）電流が流れることを示す。因みに、後述の図５において、丸印の中に点が含まれた記号は、奥から手前に向かって（つまり、排気ガスの出口側から入口側に向かって）電流が流れることを示す。
【００３４】
これに対して、第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０は、図４に示すように構成されている。ここで、図４は、第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を側面から見た場合の模式的な断面図である。
【００３５】
図４に示すように、第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０は、比較例と異なり、複数の通電触媒担体５２と、これらを区画する絶縁材５４と、これらのうち少なくとも一部を電気的に直列に接続する導電材５５とを備える。通電触媒担体５２全体を活性温度にまで加熱するために、排気ガスの出口上端に正電極５３２を、出口下端に負電極５３３を設置する。そうすると、図４において破線矢印で示されるように、通電時に電源５３１から供給される電流は、直列に接続された複数の通電触媒担体５２を、排気ガスが流れる方向に沿って往復しながら上から下へ隈なく流れる（ただし、電流の向きは逆向きであっても構わない）。
【００３６】
この構成を別の視点から見た変形例を、図５を参照して説明する。ここで、図５は、第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて排気ガスの入口側の正面から見た場合の模式的な断面図である。
【００３７】
図５において、通電加熱式触媒装置５０は、１６個の通電触媒担体５２から構成されており、これらは絶縁材５４によって区画されている。１６個の通電触媒担体５２のうち少なくとも２つは電気的に直列に接続される。図５においては、１６個全ての通電触媒担体５２がＮｏ．０１からＮｏ．１６の順に直列に接続されている。具体的には、Ｎｏ．０１の通電触媒担体５２の一端（例えば、排気ガスの入口側）には正電極５３２が、Ｎｏ．１６の通電触媒担体５２の一端には負電極５３３が、夫々設置されている。そして、Ｎｏ．０１の通電触媒担体５２の他端（例えば、排気ガスの出口側）はＮｏ．０２の通電触媒担体５２の他端と導電材５５によって電気的に接続されている。Ｎｏ．０２の通電触媒担体５２の一端は、Ｎｏ．０３の通電触媒担体５２の一端と導電材５５によって電気的に接続されている。同様の構成が、Ｎｏ．１６の通電触媒担体５２まで続く。それゆえ、通電時に電源５３１から供給される電流は、正電極５３２から流入し、各通電触媒担体５２を、Ｎｏ．０１からＮｏ．１６の順に、排気ガスが流れる方向に沿って往復しながら流れ、最終的に負電極５３３へと到る。この際、複数の通電触媒担体５２を直列に接続してあるので、中央部に位置する通電触媒担体５２（例えば、Ｎｏ．０６、０７、１０、及び１１の通電触媒担体５２の各々）と、外周部に位置する通電触媒担体５２（例えば、Ｎｏ．０１、０２、０３、０４、０５、０８、０９、１２、１３、１４、１５、及び１６の通電触媒担体５２の各々）とを夫々通過する電流とは夫々等しい。
【００３８】
そして、図４および図５に示す構成によると、以下に詳述するように、仮に中央部に位置する通電触媒担体５２の温度が、外周部に比べて高くなったとしても、温度分布の不均一さが緩和され、もって通電触媒担体５２を均一に活性化することができる。
【００３９】
先ず、上記目的を達成するにあたり、重要なことは、区画された複数の通電触媒担体５２間での温度差を極力なくすことである。通電加熱式触媒装置５０において、通電触媒担体５２の温度を決定する大きな要因は、ジュール熱である。通電触媒担体５２で発生するジュール熱（すなわち、消費される電気エネルギー）は、通電触媒担体５２を流れる電流の２乗と抵抗値との積に比例する。
【００４０】
ここで仮に、中央部に位置する通電触媒担体５２の温度が、外周部に比べて高くなったとする。この場合でも、通電触媒担体５２の各々を流れる電流は、上記した直列接続のおかげで差がない。通電触媒担体５２の各々の抵抗値は、上記したＮＴＣ特性のおかげで、中央部に位置する通電触媒担体５２の方が外周部に比べて低くなる。そうすると、中央部に位置する通電触媒担体５２で発生するジュール熱は、外周部に比べて低くなる。すなわち、本構成によれば、通電触媒担体５２間での当初の温度差が解消する方向に作用する。
【００４１】
したがって、本実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０によると、ＮＴＣ特性を有する触媒を用いても、通電触媒担体５２間の温度分布を略均一に保つことが可能となり、もって通電加熱式触媒装置５０を好適に活性化することができる。
【００４２】
なお、図５では、区画数を１６としたが、２以上であれば大なり小なりその恩恵を受ける。通電加熱式触媒装置５０の断面積は必ずしも四角形である必要はなく、例えば、三角形や楕円形でもよい。
（２）第２実施形態
次に、第２実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０の構成について、図６を用いて説明する。ここで、図６は、第２実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。なお、通電加熱式触媒装置５０以外の内燃機関４０の構成は図１に示す第１実施形態と同様でよく、同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を適宜省略する。
【００４３】
図６に示すように、第２実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０は、複数の通電触媒担体５２のうち、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部について配慮がなされている。具体的には、中央部に位置する４個の通電触媒担体５２（すなわち、図６におけるＮｏ．０６の通電触媒担体５２）を、十字型の導電材５６によって、排気ガスの入口側から出口側まで電気的に接続している。言い換えれば、中央部に位置する４個の通電触媒担体５２は電気的に並列としている。そして、図６におけるＮｏ．０６の通電触媒担体５２と、電気的に一体となった４個のＮｏ．０６の通電触媒担体５２と、Ｎｏ．０７の通電触媒担体５２とが直列に接続されている。この構成によれば、Ｎｏ．０６の通電触媒担体５２、電気的に一体となった４個のＮｏ．０６の通電触媒担体５２、Ｎｏ．０７の通電触媒担体５２の各々に流れる電流は等しい。一方で、電気的に一体となった４個のＮｏ．０６の通電触媒担体５２の断面積は、Ｎｏ．０６あるいはＮｏ．０７の通電触媒担体５２のそれよりも広い。そうすると、電気的に一体となった４個のＮｏ．０６の通電触媒担体５２の電流密度は、Ｎｏ．０６あるいはＮｏ．０７の通電触媒担体５２のそれよりも小さい。したがって、複数の通電触媒担体５２のうち、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部（つまり、電気的に一体となった４個のＮｏ．０６の通電触媒担体５２）で単位断面積あたりに発生するジュール熱が、外周部に比べて抑制される。
【００４４】
以上見てきたように、本実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０によれば、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部の電流密度を低下させて、外周部と中央部との温度上昇のバランスを向上させることができる。
（３）第３実施形態
次に、第３実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０の構成について、図７を用いて説明する。ここで、図７は、第３実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。なお、通電加熱式触媒装置５０以外の内燃機関４０の構成は図１に示す第１実施形態と同様でよく、同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を適宜省略する。
【００４５】
図７に示すように、第３実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０でも、第２実施形態と同様に、複数の通電触媒担体５２のうち、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部について配慮がなされている。ただし、第２実施形態では、中央部に位置する４個の通電触媒担体５２を十字型の導電材５６によって電気的に一体化したのに対し、本実施形態では当初から、中央部に位置する通電触媒担体５２を外周部に比べて断面積が広いもの一つにしている点で異なる。しかし、この構成でも、第２実施形態と同様に、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部の電流密度を低下させるので、外周部と中央部との温度上昇のバランスを向上させることができる。
（４）第４実施形態
次に、第４実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０の構成について、図８を用いて説明する。ここで、図８は、第４実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。なお、通電加熱式触媒装置５０以外の内燃機関４０の構成は図１に示す第１実施形態と同様でよく、同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を適宜省略する。
【００４６】
図８に示すように、第４実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０でも、第２実施形態と同様に、複数の通電触媒担体５２のうち、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部について配慮がなされている。ただし、第２実施形態では、中央部に位置する４個の通電触媒担体５２を十字型の導電材５６によって電気的に一体化したのに対し、本実施形態では、中央部に位置する４個の通電触媒担体５７の物性を外周部に位置する通電触媒担体５２に比べて温度上昇し難いものにしている点で異なる。具体的には、中央部に位置する４個の通電触媒担体５７の抵抗値を、外周部に位置する通電触媒担体５２のそれよりも小さくする。これは、中央部に位置する４個の通電触媒担体５７のセル数を、外周部に位置する通電触媒担体５２のそれよりも多くすることによって、あるいは、中央部に位置する４個の通電触媒担体５７の気孔率を、外周部に位置する通電触媒担体５２のそれよりも小さくすることによって実現される。この構成によれば、第２実施形態と同様に、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部の抵抗値を低下させるので、外周部と中央部との温度上昇のバランスを向上させることができる。
【００４７】
なお、上記各実施形態において、通電加熱式触媒装置５０は本発明に係る「通電加熱式触媒装置」の一例であり、正電極５３２は本発明に係る「正電極」の一例であり、負電極５３３は本発明に係る「負電極」の一例であり、通電触媒担体５２及び通電触媒担体５７は本発明に係る「触媒担体」の一例であり、絶縁材５４及び導電材５５，５６は本発明に係る「区画手段」の一例である。
【００４８】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う通電加熱式触媒装置も又、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１実施形態に係る内燃機関４０を示す模式的な断面図である。
【図２】比較例に係る通電加熱式触媒装置５０を側面から見た場合の模式的な断面図である。
【図３】比較例に係る通電加熱式触媒装置５０を図２の位置Ｌにおいて排気ガスの入口側の正面から見た場合の模式的な断面図である。
【図４】第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を側面から見た場合の模式的な断面図である。
【図５】第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて排気ガスの入口側の正面から見た場合の模式的な断面図である。
【図６】第２実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。
【図７】第３実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。
【図８】第４実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
３０…制御装置、４０…内燃機関、２０２…点火プラグ、２２３…燃料タンク、３１１…給油口、２２４…燃料センサ、２０６…吸気管、２０８…吸気弁、２０９…排気弁、２１０…排気管、２２１…空燃比センサ、５０…通電加熱式触媒、５３２…正電極、５３３…負電極、５２…通電触媒担体、５４…絶縁材、５５…導電材、５６…導電材、５７…通電触媒担体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の排気ガスを浄化するための通電加熱式触媒装置であって、例えば炭化ケイ素ＳｉＣのように、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient:ＮＴＣ）特性を有する電流経路を用いる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、触媒装置の排気ガス浄化能力を十分に発揮させるには、当該触媒装置内部の温度を触媒活性化温度まで均一に昇温させることが好ましい。そこで、例えば、特許文献１の図１に示されているように、触媒装置を構成する通電加熱式ハニカム体の外周面上において、所望の周長の間隔をおいて設定される相対向する部位に、所定の周長の電極板を相対向させて配設したものを使用する技術が提案されている。この構成によると、相対向する電極板の一方から他方へ電流が流れる触媒担体における単位体積当たりの抵抗値がほぼ同じものとなり、ハニカム体の内部は均一に抵抗加熱されるという（特許文献１の明細書段落００１４を参照）。
【０００３】
ところが、上記構成では、触媒装置の触媒担体がＮＴＣ特性を有する場合に対する配慮が十分にはなされていない。したがって、仮に当該触媒装置の触媒担体の温度分布がひとたび不均一になると、その傾向が助長されるおそれがある。具体的には、電極板への供給電流の増加に伴って触媒担体の一部の温度がひとたび上昇すると、その一部はＮＴＣ特性により抵抗値が低下するため、その一部に一層電流が流れ、局所的な温度上昇を助長するおそれがある。その結果、当該触媒装置の電流経路の温度分布および活性化状態も不均一になり、当該触媒装置が排気ガスの浄化機能を十分に発揮できないおそれがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１１５７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、例えば上述した問題点に鑑みてなされたものであり、ＮＴＣ特性を有する触媒担体を用いても、排気ガスの浄化機能を十分に発揮可能な通電加熱式触媒装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の通電加熱式触媒装置は、上記課題を解決するため、排気ガスの浄化用触媒をジュール熱によって加熱する通電加熱式触媒装置であって、当該通電加熱式触媒装置の所定位置に設置された正電極及び負電極と、前記正電極及び前記負電極を電気的に接続するとともに、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ特性を有する触媒担体と、前記触媒担体を絶縁部材により区画し、該区画された電流経路の少なくとも一部を導電部材により直列に接続することで、該絶縁部材により区画されていない場合に比べて前記触媒担体を流れる電流の電流経路を長くする区画手段とを備える。
【０００７】
本発明の通電加熱式触媒装置によれば、排気ガスの浄化用触媒が、ジュール熱によって加熱される。当該通電加熱式触媒装置の所定位置には、正電極及び負電極が設置されている。例えば、排気ガスの入口側に正電極を、出口側に負電極が設置される。但し、正電極及び負電極の設置位置はその逆でもよいし、共に何れか一端でもよい。そして、正電極及び負電極は、触媒担体によって、電気的に接続されている。この触媒担体は、例えば炭化ケイ素ＳｉＣのように、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ特性を有する半導体である。なお、触媒担体は、通電時にジュール熱を発生させることにより、担持した触媒を加熱する。加えて、区画手段が、この触媒担体を絶縁部材により区画し、該区画された触媒担体の少なくとも一部を導電部材により直列に接続している。この結果、絶縁部材が無い場合に比べて触媒担体を流れる電流の電流経路が長くなる。
【０００８】
ここで仮に、絶縁部材により区画されていないと、上記課題として指摘したように、触媒担体の一部の温度が周囲に比べて上昇すると、ＮＴＣ特性ゆえに抵抗値が他部に比べて低下して、電流が更に多く流れるようになり、温度分布の不均一さが助長されてしまうおそれがある。そうすると、触媒担体に担持された触媒の排気ガスの浄化機能を十分に発揮できないおそれがある。
【０００９】
しかるに、本発明の通電加熱式触媒装置の構成によれば、上述のように、触媒担体における電流経路が、絶縁部材が無い場合に比べて長くされている。そうすると、電流が触媒担体全体を一段ときめ細かく流れ、触媒に流れる電流の密度分布の差が一段と小さくなる。仮に、触媒担体の一部の温度が他部に比べて上昇しても、該一部と他部とが電流経路として直列に接続されているため各々を流れる電流密度は同じなので、温度分布の不均一さが助長されることはない。むしろ、ＮＴＣ特性のおかげで、温度が上昇する一部の抵抗値は他部に比べて低下するので、該一部で発生するジュール熱は、他部に比べて低くなる。すなわち、本構成によれば、触媒担体における温度差が解消する方向に作用するのである。
【００１０】
以上見てきたように、本発明の通電加熱式触媒装置によれば、ＮＴＣ特性を有する電流経路を用いても、内部の触媒担体における温度分布の不均一さを解消でき、もって、触媒担体に担持された触媒の排気ガスの浄化機能を十分に発揮せしめることが可能である。
【００１１】
本発明の通電加熱式触媒装置の一態様では、前記触媒担体は、当該通電加熱式触媒装置における排気ガスの通路でもあり、前記区画手段は、該排気ガスの通路の断面が前記絶縁部材により複数に区画され、かつ、前記絶縁部材が前記排気ガスの通路に沿って延在するように、前記触媒担体を区画する。
【００１２】
この態様によると、触媒担体は、当該通電加熱式触媒装置における排気ガスの通路でもある。例えば、触媒担体はハニカム状に形成されており、担持する触媒に排気ガスが接触するように、排気ガスの通路となる空間が設けられている。そして、区画手段は、該排気ガスの通路の断面が絶縁部材により複数に区画され、かつ、絶縁部材が排気ガスの通路に沿って延在するように、触媒担体を区画する。各区画は上記導電部材によって、少なくとも一部が直列に接続されている。例えば、直列に接続される区画は、一端で前の区画と接続され、他端で後の区画と接続される。そうすると、電流は、正電極から負電極に向けて、排気ガスの通路に沿って往復しながら、各区画を順次流れる。したがって、いずれの区画においても、触媒が同様に活性化されるので、通過する排気ガスを一様に浄化できる。
【００１３】
この態様では、前記区画手段は、前記排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する区画の断面積の方が外周寄りのそれと比べて大きくなるように、前記触媒担体を区画してもよい。
【００１４】
この構成によると、排気ガスの通路（つまり触媒担体）の断面において中央寄りの方が外周寄りと比べて熱が集中しやすいところ、中央寄りに位置する区画の断面積が外周寄りのそれよりも大きくされるので、その電流密度が外周寄りに比べて下がり、発熱を抑制できる。なお、「中央寄りに位置する区画」とは、必ずしも触媒担体の中央に位置する区画である必要はなく、最外周に位置する区画よりも中央寄りに位置する区画であればよい。
【００１５】
あるいは、この態様では、前記区画手段は、排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する少なくとも２つの区画は並列に接続するように、前記触媒担体を区画してもよい。
【００１６】
この構成によると、排気ガスの通路（つまり触媒担体）の断面において中央寄りの方が外周寄りと比べて熱が集中しやすいところ、並列に接続された中央寄りに位置する少なくとも２つの区画を、断面積が広げられた一つの区画とみなすことで、上述の態様と同様に、中央寄りの発熱を抑制できる。
【００１７】
あるいは、この態様では、前記触媒担体は、前記排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する区画の抵抗値の方が外周寄りのそれと比べて小さくなるように構成されてもよい。
【００１８】
この構成によると、排気ガスの通路（つまり触媒担体）の断面において中央寄りの方が外周寄りと比べて熱が集中しやすいところ、その抵抗値を外周寄りのそれと比べて下げることで、同じ電流が流れても発生するジュール熱を低下させ、もって中央寄りの発熱を抑制できる。
【００１９】
本発明の作用及び他の利得は、次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、発明を実施するための最良の形態として本発明の実施形態を、図面に基いて詳細に説明する。
【００２１】
（１）第１実施形態
先ず図１を参照して、内燃機関４０の詳細な構成について説明を加える。ここで、図１は、第１実施形態に係る内燃機関４０を示す模式的な断面図である。
【００２２】
図１において、吸気管２０６は、シリンダ２０１と外気とを連通しており、内燃機関４０のシリンダ２０１内へと空気を吸入可能に構成されている。吸気管２０６の管路には、吸入空気を浄化するクリーナ、吸入空気の質量流量（即ち、吸入空気量）を検出するエアフローメータ、吸入空気の温度を検出する吸気温センサ、シリンダ２０１内部への吸入空気量を調節するスロットルバルブ、スロットルバルブの開度を検出するスロットルポジションセンサ、及び運転者によるアクセルペダルの踏み込み量に基づいてスロットルバルブを駆動するスロットルバルブモータが備わる。更に下流には、吸入空気を貯蔵するとともに複数気筒の各々に分配するサージタンク２０６１、サージタンク２０６１における吸気管圧力を検出する圧力センサ２０６２、及び燃料噴射弁２０７が備わる。燃料噴射弁２０７は、燃料タンク２２３から供給される燃料を、制御装置３０の制御に従って、吸気管２０６内に噴射する。噴射された燃料は、吸気管２０６を介して吸入された空気と混合されて混合気を形成し、該混合気がシリンダ２０１内での燃焼に使用される。
【００２３】
燃料タンク２２３は、給油口３１１から給油される燃料を貯蔵している。この燃料は、内燃機関４０の燃焼に使用される。ここで給油される燃料は、例えばガソリン又はアルコール、あるいはその混合燃料である。ポンプ２２５は、この燃料を適宜吸い上げて燃料噴射弁２０７へと供給する。燃料センサ２２４は、貯蔵されている燃料の量を検出するとともに、制御装置３０へと伝達する。
【００２４】
内燃機関４０は、点火プラグ２０２の点火により、シリンダ２０１内で混合気を燃焼させる。このときの爆発力に応じたピストンの往復運動は、コネクションロッドを介してクランクシャフトの回転運動に変換され、この回転運動が駆動力となる。内燃機関４０の周囲には、冷却水の温度を検出する水温センサ、クランク角を定期的に検出することで内燃機関４０の回転数を検出可能なクランクポジションセンサ等の各種センサが配設されている。各センサの出力は、対応する検出信号として制御装置３０へと供給される。シリンダ２０１内部で燃焼した混合気は排気ガスとなり、吸気弁２０８の開閉に連動して開閉する排気弁２０９を通過して排気管２１０を介して排気される。これらの開閉タイミングは、例えば周知の可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing-intelligent system：ＶＶＴ−ｉ）により構成される可変動弁装置によって調整される。
【００２５】
制御装置３０は、中央処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）、制御プログラムを格納した読み出し専用メモリ（Read Only Memory：ＲＯＭ）及び各種データを格納する随時書き込み読み出しメモリ（Random Access Memory：ＲＡＭ）等を中心とした論理演算回路として構成されている。制御装置３０は、各種センサから入力信号を受ける入力ポートと、可変バルブタイミング機構や通電加熱式触媒装置５０等の各種アクチュエータに制御信号を送る出力ポートとに、バスを介して接続されている。
【００２６】
排気管２１０の管路には、空燃比センサ２２１、及び通電加熱式触媒装置５０が備わる。
【００２７】
空燃比センサ２２１は、例えばジルコニア固体電解質などで構成されており、排気管２１０中の排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するとともに、検出信号を制御装置３０へと供給する。この検出信号に基づいて、空燃比フィードバック補正が行われる。
【００２８】
通電加熱式触媒装置（Electrical Heated Catalyst：ＥＨＣ）５０は、例えば白金やロジウムなどの貴金属を活性成分とした三元触媒であり、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などを除去する機能を有する。加えて、通電加熱式触媒装置５０は、制御装置３０の制御下で通電状態が制御され、通電時には加熱してその温度を最低でも触媒の活性温度（例えば３５０℃程度）にまで上昇させる。
【００２９】
ここで、第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０の構造について、図２から図５を参照しながら詳述する。先ず、比較例について、その後、第１実施形態について説明する。
【００３０】
比較例に係る通電加熱式触媒装置５０の構造が、図２および図３に示されている。ここで、図２は、比較例に係る通電加熱式触媒装置５０を側面から見た場合の模式的な断面図である。図３は、比較例に係る通電加熱式触媒装置５０を図２の位置Ｌにおいて排気ガスの入口側の正面から見た場合の模式的な断面図である。
【００３１】
図２に示すように、通電加熱式触媒装置５０は、通電加熱式触媒装置５０の外形を形成すると共に排気管２１０との連結口が開放されている外殻５１と、外殻５１に囲われた通電触媒担体５２と、通電触媒担体５２に通電するための電源５３１、正電極５３２、および負電極５３３と、制御装置３０の制御下で通電状態を切り替えるスイッチ５３４とを備える。ここで、通電触媒担体５２は、例えば粉末状の触媒を担持するための担体であり、例えばペレット状、或いはハニカム状のように排気ガスがその内部を通過可能に構成されている。なお、図２において太い矢印に示されるように、左から右に向かって排気ガスが流れる。加えて、通電触媒担体５２は、例えば炭化ケイ素ＳｉＣのようにＮＴＣ特性を有する導体あるいは半導体であり、通電時にはジュール熱によって昇温すると、それに伴い自己の抵抗値が減少する特性を有する。
【００３２】
比較例に係る通電加熱式触媒装置５０において、図２に示すように、通電触媒担体５２は一つである、言い換えれば、通電触媒担体５２を区画する絶縁体がない。ここで仮に、通電触媒担体５２全体を活性温度にまで加熱するために、排気ガスの入口側に正電極５３２を、出口側に負電極５３３を設置する。そうすると、図２において破線矢印で示されるように、通電時に電源５３１から供給される電流は、排気ガスの入口側から出口側に向かって流れる（ただし、電流の向きは逆向きであっても構わない）。
【００３３】
この際、図３に示すように、通電触媒担体５２の外周部は外殻５１のように発熱していない部材と接するので、放熱してしまう。そうすると、通電触媒担体５２の中央部の温度は、外周部の温度に比べて高くなる。そうすると、ＮＴＣ特性を有する通電触媒担体５２の中央部の抵抗値は、外周部の抵抗値に比べて低くなる。そうすると、電流は通電触媒担体５２の外周部よりも中央部を通る。そうすると、電流は通電触媒担体５２の中央部は、一層加熱されることとなり、温度分布の不均一さが助長されてしまうおそれがある。そして、結果的に、通電触媒担体５２の外周部は活性化されず、外周部を通過する排気ガスを十分に浄化することができないおそれがある。なお、図３において、通電触媒担体５２の濃淡は、温度分布の不均一さを模式的に示し、丸印の中にＸ印が含まれた記号は、手前から奥に向かって（つまり、排気ガスの入口側から出口側に向かって）電流が流れることを示す。因みに、後述の図５において、丸印の中に点が含まれた記号は、奥から手前に向かって（つまり、排気ガスの出口側から入口側に向かって）電流が流れることを示す。
【００３４】
これに対して、第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０は、図４に示すように構成されている。ここで、図４は、第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を側面から見た場合の模式的な断面図である。
【００３５】
図４に示すように、第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０は、比較例と異なり、複数の通電触媒担体５２と、これらを区画する絶縁材５４と、これらのうち少なくとも一部を電気的に直列に接続する導電材５５とを備える。通電触媒担体５２全体を活性温度にまで加熱するために、排気ガスの出口上端に正電極５３２を、出口下端に負電極５３３を設置する。そうすると、図４において破線矢印で示されるように、通電時に電源５３１から供給される電流は、直列に接続された複数の通電触媒担体５２を、排気ガスが流れる方向に沿って往復しながら上から下へ隈なく流れる（ただし、電流の向きは逆向きであっても構わない）。
【００３６】
この構成を別の視点から見た変形例を、図５を参照して説明する。ここで、図５は、第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて排気ガスの入口側の正面から見た場合の模式的な断面図である。
【００３７】
図５において、通電加熱式触媒装置５０は、１６個の通電触媒担体５２から構成されており、これらは絶縁材５４によって区画されている。１６個の通電触媒担体５２のうち少なくとも２つは電気的に直列に接続される。図５においては、１６個全ての通電触媒担体５２がＮｏ．０１からＮｏ．１６の順に直列に接続されている。具体的には、Ｎｏ．０１の通電触媒担体５２の一端（例えば、排気ガスの入口側）には正電極５３２が、Ｎｏ．１６の通電触媒担体５２の一端には負電極５３３が、夫々設置されている。そして、Ｎｏ．０１の通電触媒担体５２の他端（例えば、排気ガスの出口側）はＮｏ．０２の通電触媒担体５２の他端と導電材５５によって電気的に接続されている。Ｎｏ．０２の通電触媒担体５２の一端は、Ｎｏ．０３の通電触媒担体５２の一端と導電材５５によって電気的に接続されている。同様の構成が、Ｎｏ．１６の通電触媒担体５２まで続く。それゆえ、通電時に電源５３１から供給される電流は、正電極５３２から流入し、各通電触媒担体５２を、Ｎｏ．０１からＮｏ．１６の順に、排気ガスが流れる方向に沿って往復しながら流れ、最終的に負電極５３３へと到る。この際、複数の通電触媒担体５２を直列に接続してあるので、中央部に位置する通電触媒担体５２（例えば、Ｎｏ．０６、０７、１０、及び１１の通電触媒担体５２の各々）と、外周部に位置する通電触媒担体５２（例えば、Ｎｏ．０１、０２、０３、０４、０５、０８、０９、１２、１３、１４、１５、及び１６の通電触媒担体５２の各々）とを夫々通過する電流とは夫々等しい。
【００３８】
そして、図４および図５に示す構成によると、以下に詳述するように、仮に中央部に位置する通電触媒担体５２の温度が、外周部に比べて高くなったとしても、温度分布の不均一さが緩和され、もって通電触媒担体５２を均一に活性化することができる。
【００３９】
先ず、上記目的を達成するにあたり、重要なことは、区画された複数の通電触媒担体５２間での温度差を極力なくすことである。通電加熱式触媒装置５０において、通電触媒担体５２の温度を決定する大きな要因は、ジュール熱である。通電触媒担体５２で発生するジュール熱（すなわち、消費される電気エネルギー）は、通電触媒担体５２を流れる電流の２乗と抵抗値との積に比例する。
【００４０】
ここで仮に、中央部に位置する通電触媒担体５２の温度が、外周部に比べて高くなったとする。この場合でも、通電触媒担体５２の各々を流れる電流は、上記した直列接続のおかげで差がない。通電触媒担体５２の各々の抵抗値は、上記したＮＴＣ特性のおかげで、中央部に位置する通電触媒担体５２の方が外周部に比べて低くなる。そうすると、中央部に位置する通電触媒担体５２で発生するジュール熱は、外周部に比べて低くなる。すなわち、本構成によれば、通電触媒担体５２間での当初の温度差が解消する方向に作用する。
【００４１】
したがって、本実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０によると、ＮＴＣ特性を有する触媒を用いても、通電触媒担体５２間の温度分布を略均一に保つことが可能となり、もって通電加熱式触媒装置５０を好適に活性化することができる。
【００４２】
なお、図５では、区画数を１６としたが、２以上であれば大なり小なりその恩恵を受ける。通電加熱式触媒装置５０の断面積は必ずしも四角形である必要はなく、例えば、三角形や楕円形でもよい。
（２）第２実施形態
次に、第２実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０の構成について、図６を用いて説明する。ここで、図６は、第２実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。なお、通電加熱式触媒装置５０以外の内燃機関４０の構成は図１に示す第１実施形態と同様でよく、同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を適宜省略する。
【００４３】
図６に示すように、第２実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０は、複数の通電触媒担体５２のうち、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部について配慮がなされている。具体的には、中央部に位置する４個の通電触媒担体５２（すなわち、図６におけるＮｏ．０６の通電触媒担体５２）を、十字型の導電材５６によって、排気ガスの入口側から出口側まで電気的に接続している。言い換えれば、中央部に位置する４個の通電触媒担体５２は電気的に並列としている。そして、図６におけるＮｏ．０６の通電触媒担体５２と、電気的に一体となった４個のＮｏ．０６の通電触媒担体５２と、Ｎｏ．０７の通電触媒担体５２とが直列に接続されている。この構成によれば、Ｎｏ．０６の通電触媒担体５２、電気的に一体となった４個のＮｏ．０６の通電触媒担体５２、Ｎｏ．０７の通電触媒担体５２の各々に流れる電流は等しい。一方で、電気的に一体となった４個のＮｏ．０６の通電触媒担体５２の断面積は、Ｎｏ．０６あるいはＮｏ．０７の通電触媒担体５２のそれよりも広い。そうすると、電気的に一体となった４個のＮｏ．０６の通電触媒担体５２の電流密度は、Ｎｏ．０６あるいはＮｏ．０７の通電触媒担体５２のそれよりも小さい。したがって、複数の通電触媒担体５２のうち、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部（つまり、電気的に一体となった４個のＮｏ．０６の通電触媒担体５２）で単位断面積あたりに発生するジュール熱が、外周部に比べて抑制される。
【００４４】
以上見てきたように、本実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０によれば、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部の電流密度を低下させて、外周部と中央部との温度上昇のバランスを向上させることができる。
（３）第３実施形態
次に、第３実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０の構成について、図７を用いて説明する。ここで、図７は、第３実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。なお、通電加熱式触媒装置５０以外の内燃機関４０の構成は図１に示す第１実施形態と同様でよく、同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を適宜省略する。
【００４５】
図７に示すように、第３実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０でも、第２実施形態と同様に、複数の通電触媒担体５２のうち、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部について配慮がなされている。ただし、第２実施形態では、中央部に位置する４個の通電触媒担体５２を十字型の導電材５６によって電気的に一体化したのに対し、本実施形態では当初から、中央部に位置する通電触媒担体５２を外周部に比べて断面積が広いもの一つにしている点で異なる。しかし、この構成でも、第２実施形態と同様に、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部の電流密度を低下させるので、外周部と中央部との温度上昇のバランスを向上させることができる。
（４）第４実施形態
次に、第４実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０の構成について、図８を用いて説明する。ここで、図８は、第４実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。なお、通電加熱式触媒装置５０以外の内燃機関４０の構成は図１に示す第１実施形態と同様でよく、同一の構成については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を適宜省略する。
【００４６】
図８に示すように、第４実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０でも、第２実施形態と同様に、複数の通電触媒担体５２のうち、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部について配慮がなされている。ただし、第２実施形態では、中央部に位置する４個の通電触媒担体５２を十字型の導電材５６によって電気的に一体化したのに対し、本実施形態では、中央部に位置する４個の通電触媒担体５７の物性を外周部に位置する通電触媒担体５２に比べて温度上昇し難いものにしている点で異なる。具体的には、中央部に位置する４個の通電触媒担体５７の抵抗値を、外周部に位置する通電触媒担体５２のそれよりも小さくする。これは、中央部に位置する４個の通電触媒担体５７のセル数を、外周部に位置する通電触媒担体５２のそれよりも多くすることによって、あるいは、中央部に位置する４個の通電触媒担体５７の気孔率を、外周部に位置する通電触媒担体５２のそれよりも小さくすることによって実現される。この構成によれば、第２実施形態と同様に、外周部に比べて温度が上昇しやすい中央部の抵抗値を低下させるので、外周部と中央部との温度上昇のバランスを向上させることができる。
【００４７】
なお、上記各実施形態において、通電加熱式触媒装置５０は本発明に係る「通電加熱式触媒装置」の一例であり、正電極５３２は本発明に係る「正電極」の一例であり、負電極５３３は本発明に係る「負電極」の一例であり、通電触媒担体５２及び通電触媒担体５７は本発明に係る「触媒担体」の一例であり、絶縁材５４及び導電材５５，５６は本発明に係る「区画手段」の一例である。
【００４８】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う通電加熱式触媒装置も又、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１実施形態に係る内燃機関４０を示す模式的な断面図である。
【図２】比較例に係る通電加熱式触媒装置５０を側面から見た場合の模式的な断面図である。
【図３】比較例に係る通電加熱式触媒装置５０を図２の位置Ｌにおいて排気ガスの入口側の正面から見た場合の模式的な断面図である。
【図４】第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を側面から見た場合の模式的な断面図である。
【図５】第１実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて排気ガスの入口側の正面から見た場合の模式的な断面図である。
【図６】第２実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。
【図７】第３実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。
【図８】第４実施形態に係る通電加熱式触媒装置５０を図４の位置Ｌにおいて正面から見た場合の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
３０…制御装置、４０…内燃機関、２０２…点火プラグ、２２３…燃料タンク、３１１…給油口、２２４…燃料センサ、２０６…吸気管、２０８…吸気弁、２０９…排気弁、２１０…排気管、２２１…空燃比センサ、５０…通電加熱式触媒、５３２…正電極、５３３…負電極、５２…通電触媒担体、５４…絶縁材、５５…導電材、５６…導電材、５７…通電触媒担体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの浄化用触媒をジュール熱によって加熱する通電加熱式触媒装置であって、
当該通電加熱式触媒装置の所定位置に設置された正電極及び負電極と、
前記正電極及び前記負電極を電気的に接続するとともに、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ特性を有する触媒担体と、
前記触媒担体を絶縁部材により区画し、該区画された電流経路の少なくとも一部を導電部材により直列に接続することで、該絶縁部材により区画されていない場合に比べて前記触媒担体を流れる電流の電流経路を長くする区画手段と
を備えることを特徴とする通電加熱式触媒装置。
【請求項２】
前記触媒担体は、当該通電加熱式触媒装置における排気ガスの通路でもあり、
前記区画手段は、該排気ガスの通路の断面が前記絶縁部材により複数に区画され、かつ、前記絶縁部材が前記排気ガスの通路に沿って延在するように、前記触媒担体を区画する
ことを特徴とする請求項１に記載の通電加熱式触媒装置。
【請求項３】
前記区画手段は、前記排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する区画の断面積の方が外周寄りのそれと比べて大きくなるように、前記触媒担体を区画する
ことを特徴とする請求項２に記載の通電加熱式触媒装置。
【請求項４】
前記区画手段は、前記排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する少なくとも２つの区画は並列に接続するように、前記触媒担体を区画する
ことを特徴とする請求項２に記載の通電加熱式触媒装置。
【請求項５】
前記触媒担体は、前記排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する区画の抵抗値の方が外周寄りのそれと比べて小さくなるように構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の通電加熱式触媒装置。
【請求項１】
排気ガスの浄化用触媒をジュール熱によって加熱する通電加熱式触媒装置であって、
当該通電加熱式触媒装置の所定位置に設置された正電極及び負電極と、
前記正電極及び前記負電極を電気的に接続するとともに、温度が上昇すると抵抗値が連続的に減少するＮＴＣ特性を有する触媒担体と、
前記触媒担体を絶縁部材により区画し、該区画された電流経路の少なくとも一部を導電部材により直列に接続することで、該絶縁部材により区画されていない場合に比べて前記触媒担体を流れる電流の電流経路を長くする区画手段と
を備えることを特徴とする通電加熱式触媒装置。
【請求項２】
前記触媒担体は、当該通電加熱式触媒装置における排気ガスの通路でもあり、
前記区画手段は、該排気ガスの通路の断面が前記絶縁部材により複数に区画され、かつ、前記絶縁部材が前記排気ガスの通路に沿って延在するように、前記触媒担体を区画する
ことを特徴とする請求項１に記載の通電加熱式触媒装置。
【請求項３】
前記区画手段は、前記排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する区画の断面積の方が外周寄りのそれと比べて大きくなるように、前記触媒担体を区画する
ことを特徴とする請求項２に記載の通電加熱式触媒装置。
【請求項４】
前記区画手段は、前記排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する少なくとも２つの区画は並列に接続するように、前記触媒担体を区画する
ことを特徴とする請求項２に記載の通電加熱式触媒装置。
【請求項５】
前記触媒担体は、前記排気ガスの通路の断面において中央寄りに位置する区画の抵抗値の方が外周寄りのそれと比べて小さくなるように構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の通電加熱式触媒装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−８２８７３（Ｐ２００９−８２８７３Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５８７３４（Ｐ２００７−２５８７３４）
【出願日】平成１９年１０月２日（２００７．１０．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２日（２００７．１０．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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