JP5733419B2 - 電気加熱式触媒の制御装置及び電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置 - Google Patents
電気加熱式触媒の制御装置及び電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、電気加熱式触媒の制御装置及び電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置に関する。
従来、内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化触媒として、通電されることで発熱する発熱体によって触媒が加熱される電気加熱式触媒(Electrically Heated Catalyst:以下、EHCと称する場合もある)が開発されている。
EHCにおいては、発熱体に、電気を供給するための一対の電極が設けられる。各電極は、発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有している。表面電極は、発熱体を挟んで互いに対向するように設けられる。表面電極がこのように設けられることで、発熱体において広範囲に電気が供給される。その結果、発熱体が高範囲に渡って可及的に均一に発熱する。
特許文献1には、通電加熱型ハニカム体の制御システムが開示されている。この通電加熱型ハニカム体の制御システムでは、通電加熱型ハニカム体の抵抗値を電圧及び電流値から算出する。そして、通電する電圧及び/又は電流を算出された抵抗値に基づいて制御し、それによって、通電加熱型ハニカム体の温度制御を行う。
特許文献2には、通電ヒータへの給電を制御する触媒ヒータ給電制御装置が開示されている。この触媒ヒータ給電制御装置では、内燃機関の混合気の空燃比がリッチになるほど通電ヒータへの供給電力値を低く設定する。
特許文献3には、触媒劣化度検出装置が開示されている。この触媒劣化度検出装置では、触媒の上流における空燃比を、理論空燃比に対してリーン側の予め定められた空燃比又は理論空燃比に対してリッチ側の予め定められた空燃比のいずれか一方から他方に切り換える。そして、空燃比の切換え後において、触媒の下流に設けられた空燃比センサの検出値が空燃比切換え後の上記予め定められた空燃比に達するまでの間に触媒を流通する触媒流通ガス量と、理論空燃比に対する空燃比切換え後の上記予め定められた空燃比の偏差と、から触媒に吸着保持される酸素の絶対量を算出する。この絶対量から触媒の劣化度を検出する。
本発明は、EHCにおける表面電極の劣化の抑制に貢献可能な技術を提供することを目的とする。
第一の発明は、EHCの表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度が所定温度差を超える条件が成立した回数に基づいて、発熱体に供給する電力、及び、排気によってEHCに投入される熱量を制御するものである。
より詳しくは、第一の発明に係る電気加熱式触媒の制御装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、発熱体と、該発熱体に電気を供給する一対の電極と、を備え、
前記発熱体が、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱し、
前記一対の電極における各電極が、前記発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられている電気加熱式触媒の制御装置であって、
前記表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、前記発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によって電気加熱式触媒に投入される熱量を増加させる制御部を備える。
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前記発熱体が、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱し、
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前記表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、前記発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によって電気加熱式触媒に投入される熱量を増加させる制御部を備える。
EHCの急激な温度変化に伴い、表面電極の表面上又はその内部に温度差が生じると、該表面電極に熱応力がかかる。その結果、表面電極に微細なクラックが生じる場合がある。ここで、「所定の距離」及び「所定温度差」とは、表面電極の表面上又はその内部における互いに該所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が該所定温度差を超えると、熱応力によって表面電極にクラックが生じると判断できる値である。
表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が所定温度差を超えた回数が多いほど、表面電極におけるクラックが大きくなる、又は、その数が増加する。つまり、表面電極の劣化が促進される。そこで、本発明では、その回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によってEHCに投入される熱量を増加させる。
発熱体に供給する電力を低下させることで、表面電極におけるクラックの増大及び増加を抑制することができる。即ち、表面電極の劣化を抑制することができる。また、発熱体に供給する電力を低下させても、排気によってEHCに投入される熱量を増加させることで、EHCを十分に昇温させることができる。そのため、排気特性の悪化を抑制することができる。
内燃機関が冷間始動する時は、EHCの温度は低くなっている。そのため、内燃機関の冷間始動時に、短期間に多量の熱量がEHCに投入されると、表面電極の表面上又はその内部に大きな温度差が発生する。
そこで、本発明において、表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が所定温度差を超える条件とは、内燃機関が冷間始動し、且つ、機関始動時から所定時間が経過するまでの間における、内燃機関の吸入空気量の積算値又はEHCに投入される熱量の積算値が所定値を超えることであってもよい。ここで、「所定時間」及び「所定値」とは、表面電極の表面上又はその内部における前記二点間に所定温度差を超えるほどの温度差が発生すると判断できる値である。
また、表面電極の劣化は、熱応力に起因するクラックのみならず、酸化されることによっても促進される。そして、発熱体に触媒が担持されている場合、表面電極の酸化の進行度合いは、該触媒のシンタリングの進行度合いと相関がある。また、触媒のシンタリングの進行度合いが高いほど、該触媒において保持可能な酸素量の最大値である最大酸素保持量は少なくなる。
そこで、本発明では、発熱体に触媒が担持されている場合、制御部は、触媒の最大酸素保持量が少なくなると、その量が多いときよりも、発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によってEHCに投入される熱量を増加させてもよい。
これによれば、表面電極の酸化による劣化が進んだ状態で、さらにクラックによる劣化が進行することを抑制することができる。
第二の発明は、EHCの表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度が所定温度差を超える条件が成立した回数に基づいて、表面電極の劣化度合いを推定する。
より詳しくは、第二の発明に係る電気加熱式触媒の表面電極の劣化度合いの推定装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、発熱体と、該発熱体に電気を供給する一対の電極と、を備え、
前記発熱体が、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱し、
前記一対の電極における各電極が、前記発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられている電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置であって、
前記表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、前記表面電極の劣化度合いが高いと推定する推定部を備える。
内燃機関の排気通路に設けられ、発熱体と、該発熱体に電気を供給する一対の電極と、を備え、
前記発熱体が、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱し、
前記一対の電極における各電極が、前記発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられている電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置であって、
前記表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、前記表面電極の劣化度合いが高いと推定する推定部を備える。
ここで、「所定の距離」及び「所定温度差」とは、第一の発明と同様、表面電極の表面上又はその内部における互いに該所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が該所定温度差を超えると、熱応力によって表面電極にクラックが生じると判断できる値である。
上述したように、表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が所定温度差を超えた回数が多いほど、表面電極におけるクラックが大きくなる、又は、その数が増加する。つまり、表面電極の劣化が促進される。そのため、その回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、表面電極の劣化度合いが高いと推定することができる。
また、本発明においても、表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が所定温度差を超える条件とは、内燃機関が冷間始動し、且つ、機関始動時から所定時間が経過するまでの間における、内燃機関の吸入空気量の積算値又はEHCに投入される熱量の積算値が所定値を超えることであってもよい。ここで、「所定時間」及び「所定値」とは、第一の発明と同様、表面電極の表面上又はその内部における前記二点間に所定温度差を超えるほどの温度差が発生すると判断できる値である。
また、本発明において、発熱体に触媒が担持されている場合、推定部は、触媒の最大酸素保持量が少なくなると、その量が多いときよりも、表面電極の劣化度合いが高いと推定してもよい。
これによれば、クラックによる劣化のみならず、酸化による劣化をも考慮して、表面電極の劣化度合いを推定することができる。そのため、表面電極の劣化度合いをより高精度で推定することができる。
本発明によれば、EHCにおける表面電極の劣化の抑制に貢献することができる。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
<実施例1>
[内燃機関の吸排気系及びEHCの概略構成]
図1は、本実施例に係る内燃機関の吸排気系及びEHCの概略構成を示す図である。
[内燃機関の吸排気系及びEHCの概略構成]
図1は、本実施例に係る内燃機関の吸排気系及びEHCの概略構成を示す図である。
本実施例に係るEHC1は、内燃機関10の排気管2に設けられる。内燃機関10は、車両駆動用のガソリンエンジンである。ただし、本発明に係る内燃機関はガソリンエンジンに限られるものではなく、ディーゼルエンジン等であってもよい。内燃機関10の吸気管11には、エアフローメータ12及びスロットル弁14が設けられている。
排気管2におけるEHC1より上流側には第一温度センサ21及び第一空燃比センサ22が設けられている。排気管2におけるEHC1より下流側には第二温度センサ23及び第二空燃比センサ24が設けられている。第一及び第二温度センサ21,23は、排気の温度を検出する。第一及び第二空燃比センサ22,24は、排気の空燃比を検出する。尚、図1における矢印は、排気管2における排気の流れ方向を示している。
EHC1は、触媒担体3、ケース4、マット5、内管6、及び電極7を備えている。触媒担体3は、円柱状に形成されており、その中心軸が排気管2の中心軸Aと同軸となるように設置されている。触媒担体3には三元触媒13が担持されている。尚、触媒担体3に担持される触媒は、三元触媒に限られるものではなく、酸化触媒、吸蔵還元型NOx触媒、又は選択還元型NOx触媒であってもよい。
触媒担体3は、通電されると電気抵抗となって発熱する材料によって形成されている。触媒担体3の材料としては、SiCを例示することができる。触媒担体3は、排気の流れる方向(すなわち、中心軸Aの方向)に伸び且つ排気の流れる方向と垂直な断面がハニカム状をなす複数の通路を有している。この通路を排気が流通する。尚、中心軸Aと直交する方向の触媒担体3の断面形状は楕円形等であっても良い。中心軸Aは、排気管2、触媒担体3、内管6、及びケース4で共通の中心軸である。
触媒担体3はケース4に収容されている。ケース4内には電極室9が形成されている。尚、電極室9の詳細については後述する。触媒担体3には、該電極室9を通して左右方向から一対の電極7が接続されている。電極7にはバッテリから供給電力制御部25を介して電気が供給される。電極7に電気が供給されると、触媒担体3に通電される。通電によって触媒担体3が発熱すると、触媒担体3に担持された三元触媒13が加熱され、その活性化が促進される。
ケース4は、金属によって形成されている。ケース4を形成する材料としては、ステンレス鋼材を例示することができる。ケース4は、中心軸Aと平行な曲面を含んで構成される収容部4aと、該収容部4aよりも上流側及び下流側で該収容部4aと排気管2とを接続するテーパ部4b,4cと、を有している。収容部4aの通路断面積は排気管2の通路断面積よりも大きくなっており、その内側に、触媒担体3、マット5、及び内管6が収容されている。テーパ部4b,4cは、収容部4aから離れるに従って通路断面積が縮小するテーパ形状をしている。
ケース4の収容部4aの内壁面と触媒担体3の外周面との間にはマット5が挟み込まれている。つまり、ケース4内において、触媒担体3がマット5によって支持されている。また、マット5には内管6が挟み込まれている。内管6は、中心軸Aを中心とした管状の部材である。マット5が、内管6を挟み込むことで、該内管6によってケース4側と触媒担体3側とに分割されている。
マット5は、電気絶縁材によって形成されている。マット5を形成する材料としては、アルミナを主成分とするセラミックファイバーを例示することができる。マット5は、触媒担体3の外周面及び内管6の外周面に巻きつけられている。また、マット5は、上流側部分5aと下流側部分5bとに分割されており、該上流側部分5aと下流側部分5bとの間には空間が形成されている。マット5が、触媒担体3とケース4との間に挟み込まれていることで、触媒担体3に通電したときに、ケース4へ電気が流れることが抑制される。
内管6はステンレス鋼材によって形成されている。また、内管6の表面全体には電気絶縁層が形成されている。電気絶縁層を形成する材料としては、セラミック又はガラスを例示することができる。尚、内管6の本体をアルミナ等の電気絶縁材によって形成してもよい。また、図1に示すように、内管6は、中心軸A方向の長さがマット5より長い。そのため、内管6の上流側及び下流側の端部は、マット5の上流側及び下流側の端面から突出している。
触媒担体3の外周面には一対の電極7が接続されている。図2は、触媒担体3に対する電極7の配置を示す図である。図2は、触媒担体3及び電極7を軸方向と垂直に交わる方向で切断した場合の断面図である。電極7は、表面電極7a及び軸電極7bによって形成されている。表面電極7aは、触媒担体3の外周面に沿って周方向及び軸方向に延びている。また、表面電極7aは、触媒担体3の外周面に該触媒担体3を挟んで互いに対向するように設けられている。軸電極7bの一端は表面電極7aに接続されている。そして、電極室9を通って軸電極7bの他端がケース4の外側に突出している。
ケース4及び内管6には、軸電極7bを通すために、貫通孔4d,6cが開けられている。そして、ケース4内における、マット5の上流側部分5aと下流側部分5bとの間の空間によって、電極室9が形成されている。つまり、本実施例においては、マット5の上流側部分5aと下流側部分5bとの間における触媒担体3の外周面全周にわたって電極室9が形成される。尚、マット5を上流側部分5aと下流側部分5bとに分割することなく、マット5の電極7が通る部分にのみ貫通孔を空けることで、電極室となる空間を形成してもよい。
ケース4に開けられている貫通孔4dには、軸電極7bを支持する電極支持部材8が設けられている。この電極支持部材8は電気絶縁材によって形成されており、ケース4と電極7との間に隙間なく設けられている。
軸電極7bの他端は、供給電力制御部25を介してバッテリ(図示せず)に電気的に接続されている。電極7には該バッテリから電気が供給される。電極7に電気が供給されると、触媒担体3に通電される。通電によって触媒担体3が発熱すると、触媒担体3に担持された三元触媒13が加熱され、その活性化が促進される。供給電力制御部25は、電極7への電気の供給(即ち、触媒担体3への通電)のON/OFFの切り換えや供給電力の調整を行う。
供給電力制御部25は、内燃機関10に併設された電子制御ユニット(ECU)20に電気的に接続されている。また、ECU20には、スロットル弁14及び内燃機関10の燃料噴射弁(図示せず)も電気的に接続されている。ECU20によって、これらの装置が制御される。
また、ECU20には、エアフローメータ12、第一温度センサ21、第二温度センサ23、第一空燃比センサ22、及び第二空燃比センサ24が電気的に接続されている。これらのセンサの出力値がECU20に入力される。
尚、本実施例においては、触媒担体3が本発明に係る発熱体に相当する。ただし、本発明に係る発熱体は触媒を担持する担体に限られるものではなく、例えば、発熱体は触媒の上流側に設置された構造体であってもよい。
[電極の劣化抑制]
EHC1の急激な温度変化に伴い、表面電極7aの表面上又はその内部に温度差が生じると、該表面電極7aに熱応力がかかる。その結果、表面電極7aに微細なクラックが生じる場合がある。また、表面電極7aは、その温度が高温となることで、酸化が促進される。その結果、局所的に周囲よりも酸化度合いが高い部分が生じる場合がある。
EHC1の急激な温度変化に伴い、表面電極7aの表面上又はその内部に温度差が生じると、該表面電極7aに熱応力がかかる。その結果、表面電極7aに微細なクラックが生じる場合がある。また、表面電極7aは、その温度が高温となることで、酸化が促進される。その結果、局所的に周囲よりも酸化度合いが高い部分が生じる場合がある。
このようなクラックや酸化による劣化が進み、表面電極7aにおいて局所的に劣化度合いの高い部分生じると、その部分では電気抵抗値が増加する。そうすると、触媒担体3における、供給される電力の分布が不均一となる。その結果、触媒担体3における温度分布が不均一となる。触媒担体3における温度分布が不均一となると、該触媒担体3に担持された三元触媒13においても温度差が生じる。そのため、EHC1の排気浄化能力が低下する虞がある。また、触媒担体3での温度差に起因して生じる熱応力によって、該触媒担体3の劣化が促進される虞もある。
そこで、本実施例では、表面電極7aの劣化を抑制するために、該表面電極7aの劣化度合いに応じて、電極7を通して触媒担体3に供給する電力を制御する。即ち、表面電極7aの劣化度合いが高くなった場合は、触媒担体3に供給する電力を低下させる。触媒担体3に供給する電力を低下させることで、表面電極7aにおけるクラックの増大及び増加を抑制することができる。即ち表面電極7aのそれ以上の劣化を抑制することができる。
また、触媒担体3に供給する電力を低下させた場合は、排気によってEHC1に投入される熱量を増加させる制御を合わせて実施する。これにより、触媒担体3に供給する電力を低下させても、EHC1を十分に昇温させることができる。つまり、温度の低下によるEHC1の排気浄化能力の低下を抑制することができる。そのため、排気特性の悪化を抑制することができる。
本実施例では、表面電極7aの表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差(以下、単に電極温度差と称する場合もある)が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒13において保持可能な酸素量の最大値である最大酸素保持量を、表面電極7aの劣化度合いとして検出する。
電極温度差が所定温度差を超えた回数は、表面電極7aにおけるクラックによる劣化度合いと相関がある。つまり、電極温度差が所定温度差を超えた回数が多いほど、表面電極7aにおけるクラックが大きくなる、又は、その数が増加する。尚、ここでの「所定の距離」及び「所定温度差」とは、表面電極7aの表面上又はその内部における互いに該所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が該所定温度差を超えると、熱応力によって表面電極7aにクラックが生じると判断できる値である。
また、表面電極7aの酸化が進行する条件下においては、触媒担体3に担持された三元触媒13のシンタリングも進行する。そして、三元触媒13のシンタリングの進行度合いが高いほど、該三元触媒13の最大酸素保持量は少なくなる。そのため、三元触媒13の最大酸素保持量は、表面電極7aにおける酸化による劣化度合いと相関がある。つまり、三元触媒13の最大酸素保持量が少ないほど、表面電極7aの酸化の進行度合いは高いと判断できる。
従って、表面電極7aの劣化度合いを示すパラメータとして、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒13の最大酸素保持量を用いることができる。
ここで、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数の算出方法について説明する。内燃機関10が冷間始動する時は、EHC1の温度は低くなっている。そのため、内燃機関10の冷間始動時に、短期間に多量の熱量がEHC1に投入されると、表面電極7aの表面上又はその内部に大きな温度差が発生する。そこで、本実施例では、電極温度差が所定温度差を超える条件を、内燃機関10が冷間始動し、且つ、機関始動時から所定時間が経過するまでの間におけるEHC1に投入される熱量の積算値(以下、単に投入熱量積算値と称する場合もある)が所定値を超えることとする。即ち、内燃機関10が冷間始動し、且つ、投入熱量積算値が所定値を超えた回数を、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数として算出する。
ここで、「所定時間」及び「所定値」とは、表面電極7aの表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間に所定温度差を超えるほどの温度差が発生すると判断できる値である。図3は、内燃機関10が冷間始動したときにおける、投入熱量積算値ΣQtcと、電極温度差ΔTepと、機関始動直前のEHC1の温度Tcsと、の関係を示す図である。図3において、ΔTep0は、許容可能な電極温度差の上限値、即ち所定温度差を表している。
図3に示すように、機関始動直前のEHC1の温度Tcsが低いほど、電極温度差ΔTepが所定温度差ΔTep0を超える投入熱量積算値ΣQtcは小さくなる。そこで、本実施例では、内燃機関10が冷間始動した時に、機関始動直前のEHC1の温度Tcsに基づいて所定値ΣQtcmaxを算出する。そして、投入熱量積算値ΣQtcが該所定値ΣQtcmaxを超えた場合、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立したと判断し、その回数をカウントするカウンタを1増加させる。
図4は、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数をカウントするフローを示すフローチャートである。本フローは、ECU20に予め記憶されており、ECU20によって内燃機関10の始動毎に実行される。
本フローでは、先ずステップS101において、内燃機関10が冷間始動したか否かが判別される。例えば、内燃機関10の始動時に、冷却水の温度が所定温度以下の場合に、内燃機関10が冷間始動したと判断してもよい。ステップS101において否定判定された場合、本フローの実行は一旦終了される。この場合、今回の機関始動において、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔToverをカウントするカウンタは増加されない。
一方、ステップS101において肯定判定された場合、次にステップS102の処理が実行される。ステップS102においては、機関始動直前のEHC1の温度Tcsに基づいて所定値ΣQtcmaxが算出される。本実施例では、図3に示すような機関始動直前のEHC1の温度Tcsと所定値ΣQtcmaxとの関係が、実験等に基づいて予め求められおり、マップ又は関数としてECU20に記憶されている。ステップS102では、このマップ又は関数を用いて所定値ΣQtcmaxが算出される。尚、EHC1の温度Tcsは、第一温度センサ21および/または第二温度センサ23の検出値に基づいて推定することができる。
次に、ステップS103において、機関始動時から所定時間t0が経過したか否かが判別される。所定時間t0は実験等に基づいて予め定められている。ステップS103において否定判定された場合、該ステップS103の処理が再度実行される。
一方、ステップS103において肯定判定された場合、次にステップS104の処理が実行される。ステップS104においては、投入熱量積算値ΣQtcが算出される。EHC1に投入される熱量は、EHC1に流入する排気の温度及び流量に基づいて算出することができる。そして、算出された熱量を、機関始動時から所定時間t0が経過までの間積算することで、投入熱量積算値ΣQtcを算出することができる。尚、EHC1に流入する排気の温度は第一温度センサ21によって検出することができる。また、EHC1に流入する排気の流量は、エアフローメータ12によって検出される吸入空気量に基づいて推定することができる。
次に、ステップS105において、投入熱量積算値ΣQtcが所定値ΣQtcmaxをより大きいか否かが判別される。ステップS105において否定判定された場合、本フローの実行は一旦終了される。この場合、今回の機関始動において、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔToverをカウントするカウンタは増加されない。
一方、ステップS105において肯定判定された場合、次にステップS106の処理が実行される。ステップS106においては、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔToverをカウントするカウンタが1増加される。
尚、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔToverは、EHC1の状態が初期状態(車両に取り付けられた状態)を零としてカウントされる。また、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔToverはECU20に記憶される。
次に、三元触媒13の最大酸素保持量の算出方法について説明する。図5は、内燃機関10における混合気の空燃比を、リーン空燃比からリッチ空燃比に変化させ、その後、リッチ空燃比からリーン空燃比に変化させたときの、EHC1に流入する排気(以下、単に流入排気と称する場合もある)及びEHC1から流出する排気(以下、単に流出排気と称する場合もある)の空燃比の推移を示すタイムチャートである。図5において、実線は、流入排気の空燃比を示しており、破線は流出排気の空燃比を示している。尚、流入排気の空燃比は第一空燃比センサ22によって検出することができ、流出排気の空燃比は第二空燃比センサ24によって検出することができる。
図5では、時刻t1において、内燃機関10における混合気の空燃比がリーン空燃比(A/F)Lからリッチ空燃比(A/F)R に切り換えられることで、流入排気の空燃比がリーン空燃比(A/F)Lからリッチ空燃比(A/F)R に変化する。この時、流出排気の空燃比は、リーン空燃比(A/F)L から理論空燃比(A/F)Sまで変化し、次いで時間ΔTR の間、理論空燃比(A/F)Sに維持された後にリッチ空燃比(A/F)R まで変化する。
また、図5では、時刻t2において、内燃機関10における混合気の空燃比がリッチ空燃比(A/F)Rからリーン空燃比(A/F)Lに切り換えられることで、流入排気の空燃比がリッチ空燃比(A/F)Rからリーン空燃比(A/F)Lに変化する。この時、流出排気の空燃比は、リッチ空燃比(A/F)Rから理論空燃比(A/F)Sまで変化し、次いで時間ΔTL の間、理論空燃比(A/F)Sに維持された後にリッチ空燃比(A/F)R まで変化する。
このように、内燃機関10における混合気の空燃比がリッチ空燃比(A/F)Rまたは
リーン空燃比(A/F)Lの一方から他方に切り換えられたときに、流出排気の空燃比が、時間ΔTR又は時間ΔTL の間、理論空燃比(A/F)Sに維持されるのは、三元触媒
13が有するO2ストレージ機能のためである。そのため、三元触媒13の最大酸素保持
量は、理論空燃比(A/F)Sとリッチ空燃比(A/F)Rとの差であるΔ(A/F)R
及び時間ΔTRと、時間ΔTRが経過している間における内燃機関10の吸入空気量とに基づいて、又は、リーン空燃比(A/F)Lと理論空燃比(A/F)Sとの差であるΔ(A/F)L 及び時間ΔTLと、時間ΔTLが経過している間における内燃機関10の吸入空気量とに基づいて、算出することができる。
リーン空燃比(A/F)Lの一方から他方に切り換えられたときに、流出排気の空燃比が、時間ΔTR又は時間ΔTL の間、理論空燃比(A/F)Sに維持されるのは、三元触媒
13が有するO2ストレージ機能のためである。そのため、三元触媒13の最大酸素保持
量は、理論空燃比(A/F)Sとリッチ空燃比(A/F)Rとの差であるΔ(A/F)R
及び時間ΔTRと、時間ΔTRが経過している間における内燃機関10の吸入空気量とに基づいて、又は、リーン空燃比(A/F)Lと理論空燃比(A/F)Sとの差であるΔ(A/F)L 及び時間ΔTLと、時間ΔTLが経過している間における内燃機関10の吸入空気量とに基づいて、算出することができる。
つまり、三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxは、下記式(1)又は(2)を用いて算出することができる。
Cmax=α・Δ(A/F)R ・Ga・ΔTR・・・式(1)
Cmax=α・Δ(A/F)L ・Ga・ΔTL・・・式(2)
尚、上記式(1)及び(2)において、αは所定の係数であり、Gaは内燃機関10の吸入空気量である。
Cmax=α・Δ(A/F)R ・Ga・ΔTR・・・式(1)
Cmax=α・Δ(A/F)L ・Ga・ΔTL・・・式(2)
尚、上記式(1)及び(2)において、αは所定の係数であり、Gaは内燃機関10の吸入空気量である。
本実施例においては、内燃機関10の運転中において、上記の方法によって、三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxが算出され、ECU20に記憶される。
尚、本実施例においては、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数の算出方法及び三元触媒13の最大酸素保持量の算出方法として、上述した方法以外の周知の方法を採用することができる。
次に、本実施例に係る表面電極の劣化抑制制御のフローについて、図6に基づいて説明する。図6は、本実施例に係る表面電極の劣化抑制制御のフローを示すフローチャートである。本フローは、ECU20に予め記憶されており、ECU20によって繰り返し実行される。
本フローでは、先ずステップS201において、上述した方法によって算出されECU20に記憶されている、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔTover及び三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxが読み込まれる。
次に、ステップS202において、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔTover及び三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxに基づいて、現時点における、電極7を通して触媒担体3に供給する電力(以下、単に供給電力と称する場合もある)の上限値Esmaxが算出される。供給電力の上限値Esmaxは、表面電極7aにおけるクラックの増大及び増加を抑制することができると判断できる供給電力の閾値である。
図7は、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔToverと供給電力の上限値Esmaxとの関係を示す図である。また、図8は、三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxと供給電力の上限値Esmaxとの関係を示す図である。尚、図7及び8において、破線は、予め定められた供給電力の標準値Esnを表している。
図7に示すように、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔToverが増加するほど供給電力の上限値Esmaxは低下する。また、図8に示すように、三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxがある程度の量まで少なくなると、該最大酸素保持量Cmaxが減少するほど供給電力の上限値Esmaxは低下する。
ECU20には、図7及び8に示すような、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔTover及び三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxと、供給電力の上限値Esmaxとの関係が、実験等によって予め定められ、マップ又は関数としてECU20に記憶されている。ステップS202では、このマップ又は関数を用いて供給電力の上限値Esmaxが算出される。
次に、ステップS203において、供給電力の標準値Esnが、ステップS203において算出された現時点における供給電力の上限値Esmax以下であるか否かが判別される。ステップS203において、肯定判定された場合、次にステップS204の処理が実行され、否定判定された場合、次にステップS205の処理が実行される。
ステップS204では、供給電力制御部25によって、供給電力Esがその標準値Esnに制御される。一方、ステップS205では、供給電力制御部25によって、供給電力Esがその上限値Esmaxに制御される。ステップS204又はS205の次には、ステップS206の処理が実行される。
ステップS206では、ステップS204又はS205おいて制御された供給電力Esに基づいて、内燃機関10における燃料噴射時期の圧縮行程上死点からの遅角量ΔRinjが算出される。
図9は、供給電力Esと燃料噴射時期の遅角量ΔRinjとの関係を示す図である。図9に示すように、供給電力Esが小さいほど、燃料噴射時期の遅角量ΔRinjは大きくなる。図9に示すような、供給電力Esと燃料噴射時期の遅角量ΔRinjとの関係が、実験等によって予め定められ、マップ又は関数としてECU20に記憶されている。ステップS206では、このマップ又は関数を用いて燃料噴射時期の遅角量ΔRinjが算出される。
次に、ステップS207において、内燃機関10における燃料噴射時期が、ステップS206において算出された遅角量ΔRinjに基づいて制御される。つまり、内燃機関10における燃料噴射時期が、圧縮行程上死点から遅角量ΔRinj分遅角された時期に制御される。
上記フローによれば、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔToverが多いほど、供給電力Esが小さくされる。また、三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxが少ないほど、供給電力Esが小さくされる。つまり、表面電極7aの劣化度合いが高くなるほど、供給電力Esが小さくされる。
これにより、表面電極7aにおけるクラックの増大及び増加を抑制することができる。
これにより、表面電極7aにおけるクラックの増大及び増加を抑制することができる。
また、上記フローによれば、供給電力Esが低下するほど、内燃機関10における燃料噴射時期の圧縮行程上死点から遅角量ΔRinjが大きくされる。燃料噴射時期の遅角量ΔRinjが大きいほど排気の温度は高くなる。つまり、供給電力Esが低下するほど、排気によってEHC1に投入される熱量が増加される。これにより、供給電力Esを低下させても、EHC1を十分に昇温させることができる。
尚、排気によってEHC1に投入される熱量を増加させる場合、内燃機関10における燃料噴射時期の圧縮行程上死点から遅角量は一定とし、該燃料噴射時期の遅角を実施している期間を、供給電力Esが低下するほど長くしてもよい。これによっても、供給電力E
sが低下するほど、排気によってEHC1に投入される熱量を増加させることができる。
sが低下するほど、排気によってEHC1に投入される熱量を増加させることができる。
また、本実施例においては、排気によってEHC1に投入される熱量を増加させる方法として、内燃機関10における燃料噴射時期を遅角する方法を採用した。しかしながら、その他の周知の方法によって、排気によってEHC1に投入される熱量を増加させてもよい。
また、本実施例では、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒13の最大酸素保持量の両者に基づいて、供給電力を制御した。しかしながら、表面電極7aのクラックによる劣化の度合いと相関のある、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数のみに基づいて、供給電力を制御してもよい。ただし、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒13の最大酸素保持量の両者に基づいて供給電力を制御することで、表面電極7aの劣化をより抑制することができる。
[変形例1]
本実施例の第一の変形例について図10〜12に基づいて説明する。本変形例では、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数及び三元触媒13の最大酸素保持量に基づいて、表面電極7aの劣化度合いを算出する。そして、算出された表面電極7aの劣化度合いに基づいて、供給電力を制御する。
本実施例の第一の変形例について図10〜12に基づいて説明する。本変形例では、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数及び三元触媒13の最大酸素保持量に基づいて、表面電極7aの劣化度合いを算出する。そして、算出された表面電極7aの劣化度合いに基づいて、供給電力を制御する。
図10は、本変形例に係る表面電極の劣化抑制制御のフローを示すフローチャートである。本フローは、ECU20に予め記憶されており、ECU20によって繰り返し実行される。尚、本フローは、図6に示すフローのステップS202をステップS302及びS303に置き換えたものである。そのため、ステップS302及びS303以外のステップにおける処理についての説明は省略する。
本フローでは、ステップS302において、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔTover及び三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxに基づいて、現時点における、表面電極7aの劣化度合いLdeが算出される。
図11は、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔToverと表面電極7aの劣化度合いLdeとの関係を示す図である。また、図12は、三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxと表面電極7aの劣化度合いLdeとの関係を示す図である。
図11に示すように、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔToverが増加するほど表面電極7aの劣化度合いLdeは大きくなる。また、図12に示すように、三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxが少ないほど、表面電極7aの劣化度合いLdeは大きい。
ECU20には、図11及び12に示すような、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数nΔTover及び三元触媒13の最大酸素保持量Cmaxと、表面電極7aの劣化度合いLdeとの関係が、実験等によって予め定められ、マップ又は関数としてECU20に記憶されている。ステップS302では、このマップ又は関数を用いて表面電極7aの劣化度合いLdeが算出される。
次に、ステップS303において、ステップS302で算出された、現時点における表面電極7aの劣化度合いLdeに基づいて、供給電力の上限値Esmaxが算出される。ここでは、表面電極7aの劣化度合いLdeが高いほど、供給電力の上限値Esmaxが小さい値として算出される。このような表面電極7aの劣化度合いLdeと供給電力の上限値Esmaxとの関係は、実験等によって予め定められ、マップ又は関数としてECU20に記憶されている。ステップS303では、このマップ又は関数を用いて供給電力の上限値Esmaxが算出される。
尚、本変形施例では、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒13の最大酸素保持量の両者に基づいて、表面電極7aの劣化度合いを推定した。しかしながら、表面電極7aのクラックによる劣化の度合いと相関のある、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数のみに基づいて、表面電極7aの劣化度合いを推定してもよい。ただし、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒13の最大酸素保持量の両者を用いることで、表面電極7aの劣化度合いをより高精度で推定することができる。
<実施例2>
本実施例に係る内燃機関の吸排気系及びEHCの概略構成は、実施例1と同様である。ただし、本実施例では、内燃機関10が、該内燃機関10の他にモータを車両の駆動源として有するハイブリッドシステムに採用されている。そして、EHC1に電気を供給するバッデリと同一のバッテリからモータに電気が供給される。
本実施例に係る内燃機関の吸排気系及びEHCの概略構成は、実施例1と同様である。ただし、本実施例では、内燃機関10が、該内燃機関10の他にモータを車両の駆動源として有するハイブリッドシステムに採用されている。そして、EHC1に電気を供給するバッデリと同一のバッテリからモータに電気が供給される。
また、本実施例に係るハイブリッドシステムでは、バッテリにおける蓄電量が所定のモード切換閾値まで減少すると、車両の走行モードが、モータのみを駆動源とする走行モードであるEV走行モードから、モータ及び内燃機関10を駆動源とする走行モードであるハイブリッド走行に切り換えられる。このとき、バッテリにおける蓄電量がモード切換閾値に達する以前、即ち、バッテリにおける蓄電量が該モード切換閾値よりも大きいEHC通電開始閾値に達した時点で、EHC1への通電が開始される。これは、車両の走行モードがハイブリッド走行に切り換わった時点から、EHC1における排気浄化能力を発揮させるためである。つまり、車両の走行モードがハイブリッド走行に切り換わるまでに、EHC1を予め十分に昇温させ、三元触媒13を活性化させておく必要があるためである。
ここで、本実施例においても、EHC1へ通電する際には、実施例1と同様、表面電極7aの劣化度合いが大きいほど、供給電力が小さくされる。即ち、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多いほど、また、三元触媒13の最大酸素保持量が少ないほど、供給電力が小さくされる。ただし、EHC1を通電によって昇温させる場合、供給電力が小さいほど、該EHC1の温度が十分に上昇するまでにかかる時間は長くなる。
そこで、本実施例では、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒13の最大酸素保持量に基づいて、前もって、EHC1へ通電する際の供給電力を算出する。そして、算出された供給電力に応じて、EHC通電開始閾値を変更する。
図13は、供給電力EsとEHC通電開始閾値SOC−ehconとの関係を示す図である。図13に示すように、本実施例では、供給電力が小さいほど、EHC通電開始閾値を大きくする。
これによれば、供給電力が小さいほど、より早期にEHC1への通電が開始される。そのため、供給電力が減少した場合であっても、車両の走行モードがハイブリッド走行に切り換わるまでに、EHC1の温度を十分に上昇させることが可能となる。
1・・・電気加熱式触媒(EHC)
2・・・排気管
3・・・触媒担体
4・・・ケース
5・・・マット
6・・・内管
7・・・電極
7a・・表面電極
7b・・軸電極
10・・内燃機関
11・・吸気管
12・・エアフローメータ
13・・三元触媒
20・・ECU
21・・第一温度センサ
22・・第一空燃比センサ
23・・第二温度センサ
24・・第二空燃比センサ
25・・供給電力制御部
2・・・排気管
3・・・触媒担体
4・・・ケース
5・・・マット
6・・・内管
7・・・電極
7a・・表面電極
7b・・軸電極
10・・内燃機関
11・・吸気管
12・・エアフローメータ
13・・三元触媒
20・・ECU
21・・第一温度センサ
22・・第一空燃比センサ
23・・第二温度センサ
24・・第二空燃比センサ
25・・供給電力制御部
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路に設けられ、発熱体と、該発熱体に電気を供給する一対の電極と、を備え、
前記発熱体が、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱し、
前記一対の電極における各電極が、前記発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられている電気加熱式触媒の制御装置であって、
前記表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、前記発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によって電気加熱式触媒に投入される熱量を増加させる制御部を備えた電気加熱式触媒の制御装置。 - 前記表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が前記所定温度差を超える条件が、内燃機関が冷間始動し、且つ、機関始動時から所定時間が経過するまでの間における、内燃機関の吸入空気量の積算値又は電気加熱式触媒に投入される熱量の積算値が所定値を超えることである請求項1に記載の電気加熱式触媒の制御装置。
- 前記発熱体に触媒が担持されており、
前記制御部が、触媒の最大酸素保持量が少なくなると、その量が多いときよりも、前記発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によって電気加熱式触媒に投入される熱量を増加させる請求項1又は2に記載の電気加熱式触媒の制御装置。 - 内燃機関の排気通路に設けられ、発熱体と、該発熱体に電気を供給する一対の電極と、を備え、
前記発熱体が、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱し、
前記一対の電極における各電極が、前記発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられている電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置であって、
前記表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、前記表面電極の劣化度合いが高いと推定する推定部を備えた電気加熱式触媒の電
極の劣化度合い推定装置。 - 前記表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が前記所定温度差を超える条件が、内燃機関が冷間始動し、且つ、機関始動時から所定時間が経過するまでの間における、内燃機関の吸入空気量の積算値又は電気加熱式触媒に投入される熱量の積算値が所定値を超えることである請求項4に記載の電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置。
- 前記発熱体に触媒が担持されており、
前記推定部が、触媒の最大酸素保持量が少なくなると、その量が多いときよりも、前記表面電極の劣化度合いが高いと推定する請求項4又は5に記載の電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置。
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