通電加熱式触媒装置の通電制御システム
【課題】通電加熱式触媒装置における触媒担体の破損の発生をおさえる通電制御システムを提供する。
【解決手段】通電加熱式触媒装置１７の通電制御システムは、触媒を担持する触媒担体１７ａであって、触媒担体１７ａが通電されて温度上昇することにより担持した触媒を温め、触媒担体１７ａの温度変化に伴って触媒担体１７ａの通電抵抗値が変化するＮＴＣ特性を有するものを有する通電加熱式触媒装置１７を備える。触媒担体１７ａに配置された第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂを備える。第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂからの情報に基づいて触媒担体１７ａへの通電制御を行う制御部５を備える。
【解決手段】通電加熱式触媒装置１７の通電制御システムは、触媒を担持する触媒担体１７ａであって、触媒担体１７ａが通電されて温度上昇することにより担持した触媒を温め、触媒担体１７ａの温度変化に伴って触媒担体１７ａの通電抵抗値が変化するＮＴＣ特性を有するものを有する通電加熱式触媒装置１７を備える。触媒担体１７ａに配置された第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂを備える。第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂからの情報に基づいて触媒担体１７ａへの通電制御を行う制御部５を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通電加熱式触媒装置の通電制御システムに関し、特に触媒を担持する触媒担体の破損の発生を抑える通電制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の始動直後など排気ガスを浄化する触媒が活性化するまでの時間、すなわちＮＯｘなどの排気ガスを十分に浄化できない時間を短縮するために、触媒担体を通電により温めることにより担持した触媒を温める通電加熱式触媒装置(Electrical Heated Catalyst:ＥＨＣ)が提案されている。この通電加熱式触媒装置では、触媒担体の過加熱や内部温度差に基づく割れなどの破損を防止する必要がある。
【０００３】
特許文献１は、ＤＰＦ(DieselParticulate Filter)を温める電気ヒータを、ＤＰＦの下流で且つ径方向に複数設置し、温度センサをＤＰＦと電気ヒータとの間に複数設置した排ガス浄化装置を開示する。複数の温度センサからの情報に基づいて複数の電気ヒータの通電制御を行うことにより、ＤＰＦ内に温度差が生じることを抑制することが可能になる。
【特許文献１】特開平０９−１３９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のようなＤＰＦを温めるため、ＤＰＦの下流に配置された複数の電気ヒータへの通電を制御する形態を、通電加熱式触媒装置における触媒担体を温めるため、触媒担体自身への通電を制御する形態に応用することは困難であり、触媒担体に生じる過加熱や内部温度差に基づく割れなどの破損の発生を十分に抑制することは出来ない。
【０００５】
したがって本発明の目的は、通電加熱式触媒装置における触媒担体の破損の発生を抑える通電制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る通電加熱式触媒装置の通電制御システムは、触媒を担持する触媒担体であって、触媒担体が通電されて温度上昇することにより担持した触媒を温め、触媒担体の温度変化に伴って触媒担体の通電抵抗値が変化するＮＴＣ特性を有するものを有する通電加熱式触媒装置と、触媒担体に配置された第１、第２温度センサと、第１、第２温度センサからの情報に基づいて触媒担体への通電制御を行う制御部とを備える。
【０００７】
触媒担体が通電状態にされると、触媒担体に流れる電流によるジュール熱で触媒担体が温まり、担持された触媒も昇温する。但し、触媒担体への通電が過剰に実施されると、過加熱により触媒担体は内部に割れなどの破損が生ずるおそれがある。また、放熱が行われやすい箇所と、行われにくい箇所との間で触媒担体に内部温度差が生じる。内部温度差が大きくなると、触媒担体は内部に割れなどの破損が生じるおそれがある。そのため、２カ所で得られた触媒担体の温度に関する情報に基づいて、触媒担体への通電制御を行う。具体的には、触媒担体の温度が、触媒担体が破損する程度に高い（過加熱状態である）と判断した場合や、２カ所で得られた情報の差異が大きく、内部温度差が、触媒担体が破損する程度に大きいと判断した場合には、触媒担体への通電を停止させる。通電が停止すると、高温部から低温部へ熱が伝わるため、高温部の温度が下がり、触媒担体の内部温度差が小さくなる。通電停止後、過加熱状態が解消し、且つ内部温度差が小さくなると、通電が再開される。
【０００８】
このように、触媒担体の温度差が発生する２カ所の温度情報に基づいて、触媒担体の通電制御を行うことにより、触媒担体の破損の発生を抑えることが可能になる。また、ＮＴＣ特性を有する触媒担体の場合、内部温度差が生じると、相対的に通電抵抗値が低い領域（電流が流れやすい領域）に電流が更に流れ、更に温度が高くなり、かかる温度差はさらに大きくなる。このため、ＮＴＣ特性を有しない触媒担体に比べて、温度情報に基づいて破損の発生を抑える通電制御を行うことの効果が大きい。
【０００９】
好ましくは、通電のための電極は、触媒担体における排気ガスの流れる第１方向の両端部に配置され、第１温度センサは第１方向の中心近傍で且つ第１方向と垂直な第２方向の中心近傍に配置され、第２温度センサは第１方向の端部近傍で且つ第２方向の端部近傍に配置される。
【００１０】
第１方向（例えば軸方向）の位置、及び第２方向（例えば径方向）の位置が異なる２カ所に温度センサを配置することにより、検出される温度差を大きくし、これにより、触媒担体の破損の発生を抑える通電制御の精度を高めることが可能になる。
【００１１】
本発明に係る通電加熱式触媒装置の通電制御システムは、触媒を担持する触媒担体であって、触媒担体が通電されて温度上昇することにより担持した触媒を温め、触媒担体の温度変化に伴って触媒担体の通電抵抗値が変化するＮＴＣ特性を有するものを有する通電加熱式触媒装置と、触媒担体の変形量に関する情報を得るセンサと、センサからの情報に基づいて触媒担体への通電制御を行う制御部とを備える。
【００１２】
触媒担体が通電状態にされると、触媒担体に流れる電流によるジュール熱で触媒担体が温まり、担持された触媒も昇温する。但し、触媒担体への通電が過剰に実施されると、過加熱により触媒担体は内部に割れなどの破損が生ずるおそれがある。そのため、１カ所で計測した触媒担体の変形量に関する情報に基づいて、触媒担体への通電制御を行う。具体的には、変形量が、触媒担体が破損する程度に大きい（過加熱状態にある）と判断した場合には、触媒担体への通電を停止させる。通電が停止すると、放熱により触媒担体の温度が下がる。通電停止後、過加熱状態が解消すると、通電が再開される。
【００１３】
このように、触媒担体の１カ所の変形量情報に基づいて、触媒担体の通電制御を行うことにより、触媒担体の破損の発生を抑えることが可能になる。また、ＮＴＣ特性を有する触媒担体の場合、内部温度差が生じると、相対的に通電抵抗値が低い領域（電流が流れやすい領域）に電流が更に流れ、更に温度が高くなくなる。このため、ＮＴＣ特性を有しない触媒担体に比べて、変形量情報に基づいて破損の発生を抑える通電制御などを行うことの効果が大きい。
【００１４】
好ましくは、通電のための電極は、触媒担体における排気ガスの流れる方向の両端部に、触媒担体の変形量に応じて応力変化が生じる状態で配置され、センサは電極に取り付けられる。これにより、触媒担体にセンサを取り付ける形態に比べて、取付が容易にできる。
【００１５】
好ましくは、制御部は、センサからの情報に基づいて、触媒担体の異常判定を行う。一定時間の間の触媒担体の変形量が適度に大きい場合は、触媒担体が通電により正常に発熱（膨張）していると判断される。小さい場合には、触媒担体が通電により正常に発熱していない、すなわち異常が生じていると判断される。このため、触媒担体の変形量情報に基づいて、触媒担体の破損の発生を抑える通電制御だけでなく、異常判定を行うことも可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように本発明によれば、通電加熱式触媒装置における触媒担体の破損の発生を抑える通電制御システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、図１〜３を用いて説明する。第１実施形態における内燃機関１は、ＥＣＵなどの制御部５、エンジン１１、吸気通路１２、排気通路１５、空燃比センサ１６、通電加熱式触媒装置１７、第１温度センサ１８ａ、第２温度センサ１８ｂ、スイッチ１９、Ｏ２センサ２１、主触媒２２、及びバッテリ２５を備える。
【００１８】
制御部５は、ＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、及び各種データを格納するＲＡＭ等を有し、第１温度センサ１８ａ等の各種センサからの信号が入力され、また制御信号を出力して内燃機関１を含む車両の各部を制御する。制御部５は、特に、通電加熱式触媒装置１７の温度状態などに基づいて、触媒担体１７ａへの通電制御を行う。
【００１９】
内燃機関１の運転中、エンジン１１の各シリンダーの燃焼室には、吸気通路１２から吸気弁（不図示）を介して、空気が吸入される（図１の点線矢印参照）。インジェクタから噴射された燃料は、吸入された空気と混ざって混合気を形成する。制御部５からの点火信号に基づく点火プラグの点火によって、混合気は燃焼する。混合気の燃焼による爆発力に応じたピストンの往復運動により、クランクシャフト（不図示）が回転せしめられる。
【００２０】
エンジン１１の燃焼による排気ガスは、排気弁（不図示）を介して排気通路１５より排出される（図１の実線矢印参照）。排気通路１５上であって通電加熱式触媒装置１７の上流に設けられた空燃比センサ１６により、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が検出され、これに基づいて、空燃比フィードバック補正（インジェクタから噴射する燃料量の調整、酸化還元量の最適化）が行われる。また、排気ガスは、排気通路１５に設けられた上流の通電加熱式触媒装置１７、及び下流の主触媒２２により浄化される。また、通電加熱式触媒装置１７と、主触媒２２の間に配置されたＯ２センサ２１により、通電加熱式触媒装置１７の出口におけるＯ２の量（通電加熱式触媒装置１７による排気ガス浄化後の空燃比）が検出され、これに基づいて、前記空燃比フィードバック補正におけるフィードバック補正量が調整される。
【００２１】
通電加熱式触媒装置１７による排気ガスの浄化構造の詳細について説明する。通電加熱式触媒装置１７は、触媒を担持する円柱形状の触媒担体１７ａ、触媒担体１７ａの排気上流側の端部近傍に接続される正電極１７ｂ、及び触媒担体１７ａの排気下流側の端部近傍に接続される負電極１７ｃを有する（図２参照）。なお、正電極１７ｂ、負電極１７ｃの配置は逆であってもよい。具体的には、正電極１７ｂは、触媒担体１７ａの外周面（側面）であって軸方向（排気ガスの流れる方向）の端部近傍の一方（上流側）と接触し且つこれを囲んで嵌合するように構成され、触媒担体１７ａに熱変形（膨張）が発生した場合には、その変形量に応じて、リング状の正電極１７ｂに応力変化が生じる。負電極１７ｃは、触媒担体１７ａの外周面（側面）であって軸方向の端部近傍の他方（下流側）と接触し且つこれを囲んで嵌合するように構成され、触媒担体１７ａに熱変形が発生した場合には、その変形量に応じて、リング状の負電極１７ｃに応力変化が生じる。触媒担体１７ａ、正電極１７ｂ、及び負電極１７ｃの外側には、これらを囲み通電加熱式触媒装置１７の外形を形成し排気通路１５との連結口が開放されている外殻（触媒担体１７ａの保持部材、不図示）が設けられる。
【００２２】
第１温度センサ１８ａは、触媒担体１７ａの中心部近傍（半径方向の中心近傍で且つ軸方向の中心近傍、図２のＡ部参照）、すなわち外殻または排気ガスなどの外気と接触して放熱しやすい部分から遠い位置に取り付けられて、取り付けられた箇所の温度に関する情報を取得する。第２温度センサ１８ｂは、触媒担体１７ａの内部であって、半径方向の端部近傍（外周面近傍）で且つ軸方向の端部近傍（図２のＢ部参照）、すなわち外殻または外気と接触して放熱しやすい部分に近い位置（第１実施形態では負電極１７ｃ近傍）に取り付けられて、取り付けられた箇所の温度に関する情報を取得する。正電極１７ｂはスイッチ１９に接続され、負電極１７ｃはバッテリ２５に接続される。スイッチ１９は、制御部５、及びバッテリ２５に接続され、制御部５の制御に基づいて、触媒担体１７ａへの通電制御を行う。
【００２３】
通電加熱式触媒装置１７における触媒は、白金やロジウムなどの貴金属で構成され、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などを浄化する。また、通電加熱式触媒装置１７における触媒担体１７ａは、炭化珪素（ＳｉＣ）のようにＮＴＣ特性（自身の温度上昇に伴い、自身の通電抵抗値が減少する特性）を有する導体あるいは半導体で構成されたハニカム基材が用いられる。
【００２４】
通電加熱式触媒装置１７は、通電時に触媒担体１７ａに流れる電流によるジュール熱で触媒担体１７ａが温まり、これにより触媒担体１７ａが担持した触媒を温める。
【００２５】
制御部５及びスイッチ１９の制御に基づいて触媒担体１７ａが通電状態にされると、触媒担体１７ａにおいて、電流は、排気ガスの入口側（正電極１７ｂ側）から出口側（負電極１７ｃ側）に向かって流れる。触媒担体１７ａは、自身に流れる電流によるジュール熱で温まるが、触媒担体１７ａの外周面は、外殻のように発熱していない部材と接するため放熱し、触媒担体１７ａの軸方向の端部は、排気ガスのように外気と接するため放熱する。放熱する部分は、放熱しにくい中心部に比べて温度が高くならないため、内部温度差が発生する。そのため、ＮＴＣ特性を有する触媒担体１７ａの中心部の通電抵抗値は外周面近傍の部位の通電抵抗値に比べて低くなり電流が流れやすくなる。電流が流れやすい領域には、より大きな電流が流れることによりさらに発熱し、温度差はさらに大きくなる。
【００２６】
触媒担体１７ａの中心部近傍（半径方向の中心近傍で且つ軸方向（排気ガスの流れる方向）の中心近傍、図２のＡ部参照）、すなわち第１温度センサ１８ａが配置された部分は、通電によって最も温度が高くなる箇所になる。触媒担体１７ａの内部であって、半径方向の端部近傍（外周面近傍）で且つ軸方向の端部近傍（図２のＢ部参照）、すなわち第２温度センサ１８ｂが配置された部分は、発熱していない部材（外殻）や外気（排気ガスなど）と接するため、最も温度が上がりにくい箇所になる。
【００２７】
触媒担体１７ａの内部であって半径方向の端部近傍（外周面近傍）で且つ軸方向の中心近傍（図２のＣ部参照）は発熱していない部材（外殻）と接するため、触媒担体１７ａの内部であって半径方向の中心近傍で且つ軸方向の端部近傍（図２のＤ部参照）は外気（排気ガスなど）と接するため、第１温度センサ１８ａが配置された部分よりも温度が低く、第２温度センサ１８ｂが配置された部分よりも温度が高い。従って、第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂが配置された部分は、触媒担体１７ａにおいて温度差が最も大きくなる。
【００２８】
第１実施形態では、触媒担体１７ａにおいて、最も温度が高くなる箇所に第１温度センサ１８ａを配置し、最も温度が低くなる（高くならない）箇所に第２温度センサ１８ｂを配置し、第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂで得られる温度に関する情報に基づいて、触媒担体１７ａの内部温度差を算出または推定する。算出結果（または推定結果）は、後述する通電加熱式触媒装置１７への通電制御に使用される。
【００２９】
触媒担体１７ａへの通電は、第１条件が成立した場合、すなわち内燃機関１の冷間始動直後であるなど触媒担体１７ａを通電する必要がある状態であって、第１温度センサ１８ａで得られる触媒担体１７ａの最も温度が高くなる箇所の第１温度Ｔ１が温度閾値Ｔ０以下であり、且つ炭化珪素で構成され耐熱衝撃性が低い触媒担体１７ａにおいて最も温度差が大きくなる部分の温度差、すなわち第１温度Ｔ１と第２温度センサ１８ｂで得られる触媒担体１７ａの第２温度Ｔ２の温度差ΔＴが温度差閾値ΔＴ０以下である場合に行われる。
【００３０】
温度閾値Ｔ０は、過加熱（過通電）により触媒担体１７ａが破損しない上限温度に対応する値が設定される。温度差閾値ΔＴ０は、内部温度差の拡大により触媒担体１７ａが破損しない内部温度差の上限値に対応する値が設定される。
【００３１】
触媒担体１７ａを通電によって温めることにより、触媒が活性化するまでの時間、すなわちＮＯｘなどの排気ガスを、触媒を使って十分に浄化できない時間が短縮される。内燃機関１の運転が停止されるなど、第１条件の少なくとも１つが成立しない場合は、触媒担体１７ａは非通電状態にされる。
【００３２】
第１実施形態における制御部５による触媒担体１７ａへの通電制御の手順を図３のフローチャートを用いて説明する。図３のフローチャートに示す通電制御は、内燃機関１が運転中の一定時間ごとの割り込み動作として行われる。割り込み動作が開始されると、ステップＳ１１で、内燃機関１が冷間始動直後で暖機されていない状態であるなど触媒担体１７ａへの通電が必要な状態であるか否かが判断される。通電が必要な状態でない場合はステップＳ１５に進められる。通電が必要な状態である場合には、ステップＳ１２で、第１温度Ｔ１が温度閾値Ｔ０以下か否かが判断される。第１温度Ｔ１が温度閾値Ｔ０以下でない場合は、ステップＳ１５に進められる。第１温度Ｔ１が温度閾値Ｔ０以下である場合は、ステップＳ１３で、温度差ΔＴが温度差閾値ΔＴ０以下か否かが判断される。温度差ΔＴが温度差閾値ΔＴ０以下でない場合は、ステップＳ１５に進められる。温度差ΔＴが温度差閾値ΔＴ０以下である場合は、第１条件が成立したとして、ステップＳ１４で、スイッチ１９がオン状態にされて、触媒担体１７ａが通電状態にされる。ステップＳ１５で、スイッチ１９がオフ状態にされて、触媒担体１７ａが非通電状態にされる。
【００３３】
触媒担体１７ａが通電状態にされると、触媒担体１７ａに流れる電流によるジュール熱で触媒担体１７ａが温まり、担持された触媒も昇温する。但し、触媒担体１７ａへの通電が過剰に実施されると、過加熱により触媒担体１７ａは内部に割れなどの破損が生ずるおそれがある。また、放熱が行われやすい箇所（温度が比較的高くならない領域）と、行われにくい箇所（温度が比較的高くなる領域）との間で触媒担体１７ａに内部温度差が生じる。触媒担体１７ａのＮＴＣ特性により、温度の高くなる領域の通電抵抗値は低くなる。通電抵抗値が低い領域（電流が流れやすい領域）に電流が更に流れ更に温度が高くなりかかる温度差はさらに大きくなる。温度差が大きくなると、耐熱衝撃性が低い炭化珪素で構成された触媒担体１７ａは内部に割れなどの破損が生じるおそれがある。第１実施形態では、２カ所で計測した触媒担体１７ａの温度（第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２）に基づいて、温度が高くまたは内部温度差が大きく触媒担体１７ａが破損する可能性が高いと判断した場合には、触媒担体１７ａへの通電を停止させる（非通電状態にする）。通電が停止すると、高温部から低温部へ熱が伝わるため、温度が高い箇所の温度は下がり、触媒担体１７ａの内部温度差が小さくなる。通電停止後、内部温度差が小さくなるなど、第１条件が成立した場合には、通電が再開される。
【００３４】
このように、１つの触媒担体１７ａの２カ所の温度状態に基づいて、触媒担体１７ａの通電制御を行うことにより、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえることが可能になる。また、第１実施形態では、触媒担体１７ａの２カ所の温度を計測することにより、触媒担体１７ａの通電制御を行うため、少なくとも２つの温度センサ（第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂ）を２カ所に配置するだけで良く、通電加熱式触媒装置１７の構造を不必要に複雑にすることはない。
【００３５】
なお、第１実施形態では、触媒担体１７ａにおいて最も温度差が生じる２カ所の温度（第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２）に基づいて通電制御を行う形態を説明したが、温度差が生じる２カ所であれば、他の箇所（例えば内部に取り付ける場合に比べて取付が容易になる外周面上など）でも構わない。この場合、２カ所の温度（第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２）に基づいて、触媒担体１７ａにおいて最も温度が高くなる箇所の温度や触媒担体１７ａにおいて最も内部温度差が大きくなる箇所の温度差が推定され、温度閾値Ｔ０との比較や温度差閾値ΔＴ０との比較が行われ、触媒担体１７ａの通電制御が行われる。但し、温度差が大きくなる２カ所で測定した方が、内部温度差等を正確に把握出来る。
【００３６】
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、温度センサ（第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂ）に代えて、歪みゲージセンサ１８ｃを用いて、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御を行う点で異なる。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する（図４〜６参照）。
【００３７】
歪みゲージセンサ１８ｃは、負電極１７ｃに貼付けされる。制御部５は、負電極１７ｃの応力変化により変化する歪みゲージセンサ１８ｃの通電抵抗値を計測する。負電極１７ｃは、触媒担体１７ａの外周面であって軸方向の端部近傍の他方（下流側）と接触し且つこれを囲んで嵌合するように構成され、触媒担体１７ａに熱変形が発生した場合には、その変形量に応じて、リング状の負電極１７ｃに応力変化が生じる。そのため、歪みゲージセンサ１８ｃで得られた値（通電抵抗値）に基づいて、負電極１７ｃの歪みゲージセンサ１８ｃが取り付けられた部分の歪み量、すなわち、触媒担体１７ａにおける負電極１７ｃと接触する部分の歪み量Ｄを算出または推定することが出来る。かかる歪み量Ｄが、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御に用いられる。
【００３８】
なお、歪みゲージセンサ１８ｃが取り付けられる負電極１７ｃは、触媒担体１７ａの熱変形に応じて応力変化が生じる状態で触媒担体１７ａに配置されれば、形状はリング状に限られない。
【００３９】
また、歪みゲージセンサ１８ｃが取り付けられる箇所は、負電極１７ｃの内側（触媒担体１７ａと対向する面側）であってもよいし、外側であってもよい。また、歪みゲージセンサ１８ｃは、正電極１７ｂに取り付けられてもよいし、両方に取り付けられてもよい。正電極１７ｂ、及び負電極１７ｃの両方に歪みゲージセンサ１８ｃが取り付けられた場合は、これらから出力される値の平均値若しくはいずれか大きい方の出力値が、歪み量Ｄとして、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御に用いられる。
【００４０】
また、歪みゲージセンサ１８ｃは、取付が比較的容易な電極ではなく、触媒担体１７ａの外周面や内部に直接取り付けられるなど、触媒担体１７ａの変形を面で受ける場所を有する他の箇所（歪み量検知が可能な部分）に取り付けられても良い。この場合も、温度上昇による変形量が大きい（歪み量が大きい）箇所に取り付けられるのが望ましい。
【００４１】
第２実施形態では、触媒担体１７ａにおいて歪み量検知が可能な部分（負電極１７ｃ上）に歪みゲージセンサ１８ｃを配置し、歪みゲージセンサ１８ｃで得られる歪み量に関する情報（通電抵抗値）に基づいて、歪み量Ｄを算出（または推定）する。かかる歪み量Ｄが大きいか否かを判断することにより、触媒担体１７ａの温度が高く過加熱状態にあるか否かを判断して、触媒担体１７ａへの通電制御を行う。
【００４２】
触媒担体１７ａは、温度上昇に伴って熱変形するため、温度が高くなると、歪み量も大きくなる。特に、炭化珪素は、他のハニカム基材に比べて、熱変形量が大きいため、熱変形量に対応する歪み量を測定しやすい。第２実施形態では、歪みゲージセンサ１８ｃで得られた情報に基づく触媒担体１７ａの歪みゲージセンサ１８ｃ近傍の歪み量Ｄを、第１歪み量閾値Ｄ１と比較して、触媒担体１７ａが過加熱状態にあるか否かを判断し、通電制御を行う。
【００４３】
触媒担体１７ａへの通電は、第２条件が成立した場合、すなわち内燃機関１の冷間始動直後であるなど触媒担体１７ａを通電する必要がある状態であって、且つ歪みゲージセンサ１８ｃで得られる触媒担体１７ａの歪みゲージセンサ１８ｃ近傍の歪み量Ｄが第１歪み量閾値Ｄ１以下である場合に行われる。
【００４４】
第１歪み量閾値Ｄ１は、過加熱により触媒担体１７ａが破損しない温度上限値に対応する値（歪みゲージセンサ１８ｃが取り付けられた箇所の歪み量）が設定される。
【００４５】
触媒担体１７ａを通電によって温めることにより、触媒が活性化するまでの時間、すなわちＮＯｘなどの排気ガスを十分に浄化できない時間が短縮される。内燃機関１の運転が停止されるなど、第２条件の少なくとも１つが成立しない場合は、触媒担体１７ａは非通電状態にされる。
【００４６】
第２実施形態における制御部５による触媒担体１７ａへの通電制御の手順を図６のフローチャートを用いて説明する。図６のフローチャートに示す通電制御は、内燃機関１が運転中の一定時間ごとの割り込み動作として行われる。割り込み動作が開始されると、ステップＳ２１で、内燃機関１が冷間始動直後で暖機されていない状態であるなど触媒担体１７ａへの通電が必要な状態であるか否かが判断される。通電が必要な状態でない場合はステップＳ２４に進められる。通電が必要な状態である場合には、ステップＳ２２で、歪み量Ｄが第１歪み量閾値Ｄ１以下か否かが判断される。歪み量Ｄが第１歪み量閾値Ｄ１以下でない場合は、ステップＳ２４に進められる。歪み量Ｄが第１歪み量閾値Ｄ１以下である場合は、第２条件が成立したとして、ステップＳ２３で、スイッチ１９がオン状態にされて、触媒担体１７ａが通電状態にされる。ステップＳ２４で、スイッチ１９がオフ状態にされて、触媒担体１７ａが非通電状態にされる。
【００４７】
触媒担体１７ａが通電状態にされると、触媒担体１７ａに流れる電流によるジュール熱で触媒担体１７ａが温まり、担持された触媒も昇温する。但し、触媒担体１７ａへの通電が過剰に実施されると、過加熱により触媒担体１７ａは内部に割れなどの破損が生ずるおそれがある。第２実施形態では、１カ所で計測した触媒担体１７ａの歪み量Ｄに基づいて、過加熱状態にあり触媒担体１７ａが破損する可能性が高いと判断した場合には、触媒担体１７ａへの通電を停止させる（非通電状態にする）。放熱により触媒担体１７ａの温度が下がる。通電停止後、歪み量Ｄが小さくなるなど、第２条件が成立した場合には、通電が再開される。
【００４８】
このように、触媒担体１７ａの１カ所の熱変形量に基づいて、触媒担体１７ａの通電制御を行うことにより、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえることが可能になる。また、第２実施形態では、触媒担体１７ａの１カ所の歪み量を計測することにより、触媒担体１７ａの通電制御を行うため、少なくとも１つの歪みゲージセンサ１８ｃを加えるだけで良く、通電加熱式触媒装置１７の構造を不必要に複雑にすることはない。
【００４９】
なお、第２実施形態では、触媒担体１７ａの熱変形量を測定するために、歪みゲージセンサ１８ｃを用いる形態を説明したが、熱変形量を測定するセンサはこれに限られない。
【００５０】
また、１つの歪みゲージセンサ１８ｃを使い、触媒担体１７ａが過加熱状態にあるか否かを判別して通電制御を行う形態を説明した。但し、歪みゲージセンサ１８ｃを複数設け、複数の熱変形量の平均値などに基づいて過加熱状態を判別すると共に、複数の熱変形量の差異に基づいて触媒担体１７ａの内部温度差を算出（または推定）して通電制御を行う形態であってもよい。
【００５１】
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、第２実施形態における触媒担体１７ａの熱変形量に基づいて、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御を行う形態に加えて、触媒担体１７ａを含む通電加熱式触媒装置１７の異常判定(ＯＢＤ：On-Board Diagnosis）を行う点で異なる。以下、第２実施形態と異なる点（加えられた点）を中心に説明する（図７参照）。
【００５２】
第３実施形態における歪み量Ｄは、第２実施形態と同様、電触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御（第１歪み量閾値Ｄ１との比較）に用いられる。さらに、歪み量Ｄは、触媒担体１７ａの異常判定に用いられる。具体的には、触媒担体１７ａへの通電が開始されてから所定時間が経過した時の歪み量Ｄが、正常に発熱（膨張）したときの第２歪み量閾値Ｄ２以上に大きい場合は、触媒担体１７ａが通電により正常に発熱していると判断される。歪み量Ｄが第２歪み量閾値Ｄ２より小さい場合は、触媒担体１７ａが通電により正常に発熱していない、すなわち異常が生じていると判断され、通電が停止され、警告表示（ＭＩＬ点灯）が行われる。
【００５３】
第２歪み量閾値Ｄ２は、触媒担体１７ａが通電状態にされてから所定時間経過した時に正常に発熱した場合の歪み量下限値に対応する値が設定される（第２歪み量閾値Ｄ２＜第１歪み量閾値Ｄ１）。
【００５４】
第３実施形態における制御部５による触媒担体１７ａへの通電制御の手順は、第２実施形態と同様である（図６参照）。第３実施形態における制御部５による通電加熱式触媒装置１７の異常判定制御の手順を図７のフローチャートを用いて説明する。
【００５５】
通電加熱式触媒装置１７の異常判定制御が開始されると、ステップＳ３１で、内燃機関１が、暖機が行われている状態であるか否かが判断される。エンジン１１の始動時に暖機が完了している状態である場合には、触媒担体１７ａは通電されない（非通電状態のままにされる）ため、かかる異常判定は行わずに制御は終了する。冷間始動時の場合など、エンジン１１の始動時に暖機が行われる状態である場合には、ステップＳ３２に進められる。
【００５６】
ステップＳ３２で、触媒担体１７ａが通電状態にされたか否かが判断される。通電状態にされていない場合は、ステップＳ３２が繰り返される。通電状態にされた場合は、ステップＳ３３で、通電状態にされてから所定時間が経過したか否かが判断される。所定時間が経過していない場合はステップＳ３３が繰り返される。所定時間が経過した場合は、ステップＳ３４で、歪み量Ｄが第２歪み量閾値Ｄ２以上に大きいか否かが判断される。大きい場合には、ステップＳ３５で、触媒担体１７ａが通電により正常に発熱していると判断され、異常判定制御は終了する。大きくない場合は、ステップＳ３６で、触媒担体１７ａが通電により正常に発熱していない、すなわち異常が生じていると判断される。ステップＳ３７で、触媒担体１７ａへの通電が停止され、警告表示（ＭＩＬ点灯）が行われ、異常判定制御は終了する。
【００５７】
このように、触媒担体１７ａの熱変形量に基づいて、触媒担体１７ａの通電及び異常判定制御を行うことにより、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえるだけでなく、触媒担体１７ａの異常判定を行うことが可能になる。
【００５８】
なお、第１〜第３実施形態では、通電加熱式触媒装置１７の下流側に、別途主触媒を設ける形態を説明したが、通電加熱式触媒装置１７が主触媒としての機能も兼ねる形態であってもよい。
【００５９】
また、電極（正電極１７ｂ、負電極１７ｃ）の位置や形状が、触媒担体１７ａの外周面で且つ両端部を囲むものであること、及び触媒担体１７ａの形状が円柱形状であることを説明したが、これらの条件に限られるものではない。これらの条件が変更されても、第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂ（または歪みゲージセンサ１８ｃ）の配置位置や閾値（温度差閾値ΔＴ０など）を調整すれば、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御や通電加熱式触媒装置１７の異常判定を行うことは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１実施形態における内燃機関の構成図である。
【図２】第１実施形態における通電加熱式触媒装置を含む周辺部分の構成図である。
【図３】第１実施形態触媒担体の通電制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態における内燃機関の構成図である。
【図５】第２実施形態における通電加熱式触媒装置を含む周辺部分の構成図である。
【図６】第２実施形態触媒担体の通電制御の手順を示すフローチャートである。
【図７】第３実施形態触媒担体の通電制御の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１ 内燃機関
５ 制御部
１１ エンジン
１２ 吸気通路
１５ 排気通路
１６ 空燃比センサ
１７ 通電加熱式触媒装置
１７ａ 触媒担体
１７ｂ 正電極
１７ｃ 負電極
１８ａ、１８ｂ 第１、第２温度センサ
１８ｃ 歪みゲージセンサ
１９ スイッチ
２１ Ｏ２センサ
２２ 主触媒
２５ バッテリ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通電加熱式触媒装置の通電制御システムに関し、特に触媒を担持する触媒担体の破損の発生を抑える通電制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の始動直後など排気ガスを浄化する触媒が活性化するまでの時間、すなわちＮＯｘなどの排気ガスを十分に浄化できない時間を短縮するために、触媒担体を通電により温めることにより担持した触媒を温める通電加熱式触媒装置(Electrical Heated Catalyst:ＥＨＣ)が提案されている。この通電加熱式触媒装置では、触媒担体の過加熱や内部温度差に基づく割れなどの破損を防止する必要がある。
【０００３】
特許文献１は、ＤＰＦ(DieselParticulate Filter)を温める電気ヒータを、ＤＰＦの下流で且つ径方向に複数設置し、温度センサをＤＰＦと電気ヒータとの間に複数設置した排ガス浄化装置を開示する。複数の温度センサからの情報に基づいて複数の電気ヒータの通電制御を行うことにより、ＤＰＦ内に温度差が生じることを抑制することが可能になる。
【特許文献１】特開平０９−１３９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のようなＤＰＦを温めるため、ＤＰＦの下流に配置された複数の電気ヒータへの通電を制御する形態を、通電加熱式触媒装置における触媒担体を温めるため、触媒担体自身への通電を制御する形態に応用することは困難であり、触媒担体に生じる過加熱や内部温度差に基づく割れなどの破損の発生を十分に抑制することは出来ない。
【０００５】
したがって本発明の目的は、通電加熱式触媒装置における触媒担体の破損の発生を抑える通電制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る通電加熱式触媒装置の通電制御システムは、触媒を担持する触媒担体であって、触媒担体が通電されて温度上昇することにより担持した触媒を温め、触媒担体の温度変化に伴って触媒担体の通電抵抗値が変化するＮＴＣ特性を有するものを有する通電加熱式触媒装置と、触媒担体に配置された第１、第２温度センサと、第１、第２温度センサからの情報に基づいて触媒担体への通電制御を行う制御部とを備える。
【０００７】
触媒担体が通電状態にされると、触媒担体に流れる電流によるジュール熱で触媒担体が温まり、担持された触媒も昇温する。但し、触媒担体への通電が過剰に実施されると、過加熱により触媒担体は内部に割れなどの破損が生ずるおそれがある。また、放熱が行われやすい箇所と、行われにくい箇所との間で触媒担体に内部温度差が生じる。内部温度差が大きくなると、触媒担体は内部に割れなどの破損が生じるおそれがある。そのため、２カ所で得られた触媒担体の温度に関する情報に基づいて、触媒担体への通電制御を行う。具体的には、触媒担体の温度が、触媒担体が破損する程度に高い（過加熱状態である）と判断した場合や、２カ所で得られた情報の差異が大きく、内部温度差が、触媒担体が破損する程度に大きいと判断した場合には、触媒担体への通電を停止させる。通電が停止すると、高温部から低温部へ熱が伝わるため、高温部の温度が下がり、触媒担体の内部温度差が小さくなる。通電停止後、過加熱状態が解消し、且つ内部温度差が小さくなると、通電が再開される。
【０００８】
このように、触媒担体の温度差が発生する２カ所の温度情報に基づいて、触媒担体の通電制御を行うことにより、触媒担体の破損の発生を抑えることが可能になる。また、ＮＴＣ特性を有する触媒担体の場合、内部温度差が生じると、相対的に通電抵抗値が低い領域（電流が流れやすい領域）に電流が更に流れ、更に温度が高くなり、かかる温度差はさらに大きくなる。このため、ＮＴＣ特性を有しない触媒担体に比べて、温度情報に基づいて破損の発生を抑える通電制御を行うことの効果が大きい。
【０００９】
好ましくは、通電のための電極は、触媒担体における排気ガスの流れる第１方向の両端部に配置され、第１温度センサは第１方向の中心近傍で且つ第１方向と垂直な第２方向の中心近傍に配置され、第２温度センサは第１方向の端部近傍で且つ第２方向の端部近傍に配置される。
【００１０】
第１方向（例えば軸方向）の位置、及び第２方向（例えば径方向）の位置が異なる２カ所に温度センサを配置することにより、検出される温度差を大きくし、これにより、触媒担体の破損の発生を抑える通電制御の精度を高めることが可能になる。
【００１１】
本発明に係る通電加熱式触媒装置の通電制御システムは、触媒を担持する触媒担体であって、触媒担体が通電されて温度上昇することにより担持した触媒を温め、触媒担体の温度変化に伴って触媒担体の通電抵抗値が変化するＮＴＣ特性を有するものを有する通電加熱式触媒装置と、触媒担体の変形量に関する情報を得るセンサと、センサからの情報に基づいて触媒担体への通電制御を行う制御部とを備える。
【００１２】
触媒担体が通電状態にされると、触媒担体に流れる電流によるジュール熱で触媒担体が温まり、担持された触媒も昇温する。但し、触媒担体への通電が過剰に実施されると、過加熱により触媒担体は内部に割れなどの破損が生ずるおそれがある。そのため、１カ所で計測した触媒担体の変形量に関する情報に基づいて、触媒担体への通電制御を行う。具体的には、変形量が、触媒担体が破損する程度に大きい（過加熱状態にある）と判断した場合には、触媒担体への通電を停止させる。通電が停止すると、放熱により触媒担体の温度が下がる。通電停止後、過加熱状態が解消すると、通電が再開される。
【００１３】
このように、触媒担体の１カ所の変形量情報に基づいて、触媒担体の通電制御を行うことにより、触媒担体の破損の発生を抑えることが可能になる。また、ＮＴＣ特性を有する触媒担体の場合、内部温度差が生じると、相対的に通電抵抗値が低い領域（電流が流れやすい領域）に電流が更に流れ、更に温度が高くなくなる。このため、ＮＴＣ特性を有しない触媒担体に比べて、変形量情報に基づいて破損の発生を抑える通電制御などを行うことの効果が大きい。
【００１４】
好ましくは、通電のための電極は、触媒担体における排気ガスの流れる方向の両端部に、触媒担体の変形量に応じて応力変化が生じる状態で配置され、センサは電極に取り付けられる。これにより、触媒担体にセンサを取り付ける形態に比べて、取付が容易にできる。
【００１５】
好ましくは、制御部は、センサからの情報に基づいて、触媒担体の異常判定を行う。一定時間の間の触媒担体の変形量が適度に大きい場合は、触媒担体が通電により正常に発熱（膨張）していると判断される。小さい場合には、触媒担体が通電により正常に発熱していない、すなわち異常が生じていると判断される。このため、触媒担体の変形量情報に基づいて、触媒担体の破損の発生を抑える通電制御だけでなく、異常判定を行うことも可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように本発明によれば、通電加熱式触媒装置における触媒担体の破損の発生を抑える通電制御システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、図１〜３を用いて説明する。第１実施形態における内燃機関１は、ＥＣＵなどの制御部５、エンジン１１、吸気通路１２、排気通路１５、空燃比センサ１６、通電加熱式触媒装置１７、第１温度センサ１８ａ、第２温度センサ１８ｂ、スイッチ１９、Ｏ２センサ２１、主触媒２２、及びバッテリ２５を備える。
【００１８】
制御部５は、ＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、及び各種データを格納するＲＡＭ等を有し、第１温度センサ１８ａ等の各種センサからの信号が入力され、また制御信号を出力して内燃機関１を含む車両の各部を制御する。制御部５は、特に、通電加熱式触媒装置１７の温度状態などに基づいて、触媒担体１７ａへの通電制御を行う。
【００１９】
内燃機関１の運転中、エンジン１１の各シリンダーの燃焼室には、吸気通路１２から吸気弁（不図示）を介して、空気が吸入される（図１の点線矢印参照）。インジェクタから噴射された燃料は、吸入された空気と混ざって混合気を形成する。制御部５からの点火信号に基づく点火プラグの点火によって、混合気は燃焼する。混合気の燃焼による爆発力に応じたピストンの往復運動により、クランクシャフト（不図示）が回転せしめられる。
【００２０】
エンジン１１の燃焼による排気ガスは、排気弁（不図示）を介して排気通路１５より排出される（図１の実線矢印参照）。排気通路１５上であって通電加熱式触媒装置１７の上流に設けられた空燃比センサ１６により、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が検出され、これに基づいて、空燃比フィードバック補正（インジェクタから噴射する燃料量の調整、酸化還元量の最適化）が行われる。また、排気ガスは、排気通路１５に設けられた上流の通電加熱式触媒装置１７、及び下流の主触媒２２により浄化される。また、通電加熱式触媒装置１７と、主触媒２２の間に配置されたＯ２センサ２１により、通電加熱式触媒装置１７の出口におけるＯ２の量（通電加熱式触媒装置１７による排気ガス浄化後の空燃比）が検出され、これに基づいて、前記空燃比フィードバック補正におけるフィードバック補正量が調整される。
【００２１】
通電加熱式触媒装置１７による排気ガスの浄化構造の詳細について説明する。通電加熱式触媒装置１７は、触媒を担持する円柱形状の触媒担体１７ａ、触媒担体１７ａの排気上流側の端部近傍に接続される正電極１７ｂ、及び触媒担体１７ａの排気下流側の端部近傍に接続される負電極１７ｃを有する（図２参照）。なお、正電極１７ｂ、負電極１７ｃの配置は逆であってもよい。具体的には、正電極１７ｂは、触媒担体１７ａの外周面（側面）であって軸方向（排気ガスの流れる方向）の端部近傍の一方（上流側）と接触し且つこれを囲んで嵌合するように構成され、触媒担体１７ａに熱変形（膨張）が発生した場合には、その変形量に応じて、リング状の正電極１７ｂに応力変化が生じる。負電極１７ｃは、触媒担体１７ａの外周面（側面）であって軸方向の端部近傍の他方（下流側）と接触し且つこれを囲んで嵌合するように構成され、触媒担体１７ａに熱変形が発生した場合には、その変形量に応じて、リング状の負電極１７ｃに応力変化が生じる。触媒担体１７ａ、正電極１７ｂ、及び負電極１７ｃの外側には、これらを囲み通電加熱式触媒装置１７の外形を形成し排気通路１５との連結口が開放されている外殻（触媒担体１７ａの保持部材、不図示）が設けられる。
【００２２】
第１温度センサ１８ａは、触媒担体１７ａの中心部近傍（半径方向の中心近傍で且つ軸方向の中心近傍、図２のＡ部参照）、すなわち外殻または排気ガスなどの外気と接触して放熱しやすい部分から遠い位置に取り付けられて、取り付けられた箇所の温度に関する情報を取得する。第２温度センサ１８ｂは、触媒担体１７ａの内部であって、半径方向の端部近傍（外周面近傍）で且つ軸方向の端部近傍（図２のＢ部参照）、すなわち外殻または外気と接触して放熱しやすい部分に近い位置（第１実施形態では負電極１７ｃ近傍）に取り付けられて、取り付けられた箇所の温度に関する情報を取得する。正電極１７ｂはスイッチ１９に接続され、負電極１７ｃはバッテリ２５に接続される。スイッチ１９は、制御部５、及びバッテリ２５に接続され、制御部５の制御に基づいて、触媒担体１７ａへの通電制御を行う。
【００２３】
通電加熱式触媒装置１７における触媒は、白金やロジウムなどの貴金属で構成され、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）などを浄化する。また、通電加熱式触媒装置１７における触媒担体１７ａは、炭化珪素（ＳｉＣ）のようにＮＴＣ特性（自身の温度上昇に伴い、自身の通電抵抗値が減少する特性）を有する導体あるいは半導体で構成されたハニカム基材が用いられる。
【００２４】
通電加熱式触媒装置１７は、通電時に触媒担体１７ａに流れる電流によるジュール熱で触媒担体１７ａが温まり、これにより触媒担体１７ａが担持した触媒を温める。
【００２５】
制御部５及びスイッチ１９の制御に基づいて触媒担体１７ａが通電状態にされると、触媒担体１７ａにおいて、電流は、排気ガスの入口側（正電極１７ｂ側）から出口側（負電極１７ｃ側）に向かって流れる。触媒担体１７ａは、自身に流れる電流によるジュール熱で温まるが、触媒担体１７ａの外周面は、外殻のように発熱していない部材と接するため放熱し、触媒担体１７ａの軸方向の端部は、排気ガスのように外気と接するため放熱する。放熱する部分は、放熱しにくい中心部に比べて温度が高くならないため、内部温度差が発生する。そのため、ＮＴＣ特性を有する触媒担体１７ａの中心部の通電抵抗値は外周面近傍の部位の通電抵抗値に比べて低くなり電流が流れやすくなる。電流が流れやすい領域には、より大きな電流が流れることによりさらに発熱し、温度差はさらに大きくなる。
【００２６】
触媒担体１７ａの中心部近傍（半径方向の中心近傍で且つ軸方向（排気ガスの流れる方向）の中心近傍、図２のＡ部参照）、すなわち第１温度センサ１８ａが配置された部分は、通電によって最も温度が高くなる箇所になる。触媒担体１７ａの内部であって、半径方向の端部近傍（外周面近傍）で且つ軸方向の端部近傍（図２のＢ部参照）、すなわち第２温度センサ１８ｂが配置された部分は、発熱していない部材（外殻）や外気（排気ガスなど）と接するため、最も温度が上がりにくい箇所になる。
【００２７】
触媒担体１７ａの内部であって半径方向の端部近傍（外周面近傍）で且つ軸方向の中心近傍（図２のＣ部参照）は発熱していない部材（外殻）と接するため、触媒担体１７ａの内部であって半径方向の中心近傍で且つ軸方向の端部近傍（図２のＤ部参照）は外気（排気ガスなど）と接するため、第１温度センサ１８ａが配置された部分よりも温度が低く、第２温度センサ１８ｂが配置された部分よりも温度が高い。従って、第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂが配置された部分は、触媒担体１７ａにおいて温度差が最も大きくなる。
【００２８】
第１実施形態では、触媒担体１７ａにおいて、最も温度が高くなる箇所に第１温度センサ１８ａを配置し、最も温度が低くなる（高くならない）箇所に第２温度センサ１８ｂを配置し、第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂで得られる温度に関する情報に基づいて、触媒担体１７ａの内部温度差を算出または推定する。算出結果（または推定結果）は、後述する通電加熱式触媒装置１７への通電制御に使用される。
【００２９】
触媒担体１７ａへの通電は、第１条件が成立した場合、すなわち内燃機関１の冷間始動直後であるなど触媒担体１７ａを通電する必要がある状態であって、第１温度センサ１８ａで得られる触媒担体１７ａの最も温度が高くなる箇所の第１温度Ｔ１が温度閾値Ｔ０以下であり、且つ炭化珪素で構成され耐熱衝撃性が低い触媒担体１７ａにおいて最も温度差が大きくなる部分の温度差、すなわち第１温度Ｔ１と第２温度センサ１８ｂで得られる触媒担体１７ａの第２温度Ｔ２の温度差ΔＴが温度差閾値ΔＴ０以下である場合に行われる。
【００３０】
温度閾値Ｔ０は、過加熱（過通電）により触媒担体１７ａが破損しない上限温度に対応する値が設定される。温度差閾値ΔＴ０は、内部温度差の拡大により触媒担体１７ａが破損しない内部温度差の上限値に対応する値が設定される。
【００３１】
触媒担体１７ａを通電によって温めることにより、触媒が活性化するまでの時間、すなわちＮＯｘなどの排気ガスを、触媒を使って十分に浄化できない時間が短縮される。内燃機関１の運転が停止されるなど、第１条件の少なくとも１つが成立しない場合は、触媒担体１７ａは非通電状態にされる。
【００３２】
第１実施形態における制御部５による触媒担体１７ａへの通電制御の手順を図３のフローチャートを用いて説明する。図３のフローチャートに示す通電制御は、内燃機関１が運転中の一定時間ごとの割り込み動作として行われる。割り込み動作が開始されると、ステップＳ１１で、内燃機関１が冷間始動直後で暖機されていない状態であるなど触媒担体１７ａへの通電が必要な状態であるか否かが判断される。通電が必要な状態でない場合はステップＳ１５に進められる。通電が必要な状態である場合には、ステップＳ１２で、第１温度Ｔ１が温度閾値Ｔ０以下か否かが判断される。第１温度Ｔ１が温度閾値Ｔ０以下でない場合は、ステップＳ１５に進められる。第１温度Ｔ１が温度閾値Ｔ０以下である場合は、ステップＳ１３で、温度差ΔＴが温度差閾値ΔＴ０以下か否かが判断される。温度差ΔＴが温度差閾値ΔＴ０以下でない場合は、ステップＳ１５に進められる。温度差ΔＴが温度差閾値ΔＴ０以下である場合は、第１条件が成立したとして、ステップＳ１４で、スイッチ１９がオン状態にされて、触媒担体１７ａが通電状態にされる。ステップＳ１５で、スイッチ１９がオフ状態にされて、触媒担体１７ａが非通電状態にされる。
【００３３】
触媒担体１７ａが通電状態にされると、触媒担体１７ａに流れる電流によるジュール熱で触媒担体１７ａが温まり、担持された触媒も昇温する。但し、触媒担体１７ａへの通電が過剰に実施されると、過加熱により触媒担体１７ａは内部に割れなどの破損が生ずるおそれがある。また、放熱が行われやすい箇所（温度が比較的高くならない領域）と、行われにくい箇所（温度が比較的高くなる領域）との間で触媒担体１７ａに内部温度差が生じる。触媒担体１７ａのＮＴＣ特性により、温度の高くなる領域の通電抵抗値は低くなる。通電抵抗値が低い領域（電流が流れやすい領域）に電流が更に流れ更に温度が高くなりかかる温度差はさらに大きくなる。温度差が大きくなると、耐熱衝撃性が低い炭化珪素で構成された触媒担体１７ａは内部に割れなどの破損が生じるおそれがある。第１実施形態では、２カ所で計測した触媒担体１７ａの温度（第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２）に基づいて、温度が高くまたは内部温度差が大きく触媒担体１７ａが破損する可能性が高いと判断した場合には、触媒担体１７ａへの通電を停止させる（非通電状態にする）。通電が停止すると、高温部から低温部へ熱が伝わるため、温度が高い箇所の温度は下がり、触媒担体１７ａの内部温度差が小さくなる。通電停止後、内部温度差が小さくなるなど、第１条件が成立した場合には、通電が再開される。
【００３４】
このように、１つの触媒担体１７ａの２カ所の温度状態に基づいて、触媒担体１７ａの通電制御を行うことにより、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえることが可能になる。また、第１実施形態では、触媒担体１７ａの２カ所の温度を計測することにより、触媒担体１７ａの通電制御を行うため、少なくとも２つの温度センサ（第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂ）を２カ所に配置するだけで良く、通電加熱式触媒装置１７の構造を不必要に複雑にすることはない。
【００３５】
なお、第１実施形態では、触媒担体１７ａにおいて最も温度差が生じる２カ所の温度（第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２）に基づいて通電制御を行う形態を説明したが、温度差が生じる２カ所であれば、他の箇所（例えば内部に取り付ける場合に比べて取付が容易になる外周面上など）でも構わない。この場合、２カ所の温度（第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２）に基づいて、触媒担体１７ａにおいて最も温度が高くなる箇所の温度や触媒担体１７ａにおいて最も内部温度差が大きくなる箇所の温度差が推定され、温度閾値Ｔ０との比較や温度差閾値ΔＴ０との比較が行われ、触媒担体１７ａの通電制御が行われる。但し、温度差が大きくなる２カ所で測定した方が、内部温度差等を正確に把握出来る。
【００３６】
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、温度センサ（第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂ）に代えて、歪みゲージセンサ１８ｃを用いて、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御を行う点で異なる。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する（図４〜６参照）。
【００３７】
歪みゲージセンサ１８ｃは、負電極１７ｃに貼付けされる。制御部５は、負電極１７ｃの応力変化により変化する歪みゲージセンサ１８ｃの通電抵抗値を計測する。負電極１７ｃは、触媒担体１７ａの外周面であって軸方向の端部近傍の他方（下流側）と接触し且つこれを囲んで嵌合するように構成され、触媒担体１７ａに熱変形が発生した場合には、その変形量に応じて、リング状の負電極１７ｃに応力変化が生じる。そのため、歪みゲージセンサ１８ｃで得られた値（通電抵抗値）に基づいて、負電極１７ｃの歪みゲージセンサ１８ｃが取り付けられた部分の歪み量、すなわち、触媒担体１７ａにおける負電極１７ｃと接触する部分の歪み量Ｄを算出または推定することが出来る。かかる歪み量Ｄが、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御に用いられる。
【００３８】
なお、歪みゲージセンサ１８ｃが取り付けられる負電極１７ｃは、触媒担体１７ａの熱変形に応じて応力変化が生じる状態で触媒担体１７ａに配置されれば、形状はリング状に限られない。
【００３９】
また、歪みゲージセンサ１８ｃが取り付けられる箇所は、負電極１７ｃの内側（触媒担体１７ａと対向する面側）であってもよいし、外側であってもよい。また、歪みゲージセンサ１８ｃは、正電極１７ｂに取り付けられてもよいし、両方に取り付けられてもよい。正電極１７ｂ、及び負電極１７ｃの両方に歪みゲージセンサ１８ｃが取り付けられた場合は、これらから出力される値の平均値若しくはいずれか大きい方の出力値が、歪み量Ｄとして、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御に用いられる。
【００４０】
また、歪みゲージセンサ１８ｃは、取付が比較的容易な電極ではなく、触媒担体１７ａの外周面や内部に直接取り付けられるなど、触媒担体１７ａの変形を面で受ける場所を有する他の箇所（歪み量検知が可能な部分）に取り付けられても良い。この場合も、温度上昇による変形量が大きい（歪み量が大きい）箇所に取り付けられるのが望ましい。
【００４１】
第２実施形態では、触媒担体１７ａにおいて歪み量検知が可能な部分（負電極１７ｃ上）に歪みゲージセンサ１８ｃを配置し、歪みゲージセンサ１８ｃで得られる歪み量に関する情報（通電抵抗値）に基づいて、歪み量Ｄを算出（または推定）する。かかる歪み量Ｄが大きいか否かを判断することにより、触媒担体１７ａの温度が高く過加熱状態にあるか否かを判断して、触媒担体１７ａへの通電制御を行う。
【００４２】
触媒担体１７ａは、温度上昇に伴って熱変形するため、温度が高くなると、歪み量も大きくなる。特に、炭化珪素は、他のハニカム基材に比べて、熱変形量が大きいため、熱変形量に対応する歪み量を測定しやすい。第２実施形態では、歪みゲージセンサ１８ｃで得られた情報に基づく触媒担体１７ａの歪みゲージセンサ１８ｃ近傍の歪み量Ｄを、第１歪み量閾値Ｄ１と比較して、触媒担体１７ａが過加熱状態にあるか否かを判断し、通電制御を行う。
【００４３】
触媒担体１７ａへの通電は、第２条件が成立した場合、すなわち内燃機関１の冷間始動直後であるなど触媒担体１７ａを通電する必要がある状態であって、且つ歪みゲージセンサ１８ｃで得られる触媒担体１７ａの歪みゲージセンサ１８ｃ近傍の歪み量Ｄが第１歪み量閾値Ｄ１以下である場合に行われる。
【００４４】
第１歪み量閾値Ｄ１は、過加熱により触媒担体１７ａが破損しない温度上限値に対応する値（歪みゲージセンサ１８ｃが取り付けられた箇所の歪み量）が設定される。
【００４５】
触媒担体１７ａを通電によって温めることにより、触媒が活性化するまでの時間、すなわちＮＯｘなどの排気ガスを十分に浄化できない時間が短縮される。内燃機関１の運転が停止されるなど、第２条件の少なくとも１つが成立しない場合は、触媒担体１７ａは非通電状態にされる。
【００４６】
第２実施形態における制御部５による触媒担体１７ａへの通電制御の手順を図６のフローチャートを用いて説明する。図６のフローチャートに示す通電制御は、内燃機関１が運転中の一定時間ごとの割り込み動作として行われる。割り込み動作が開始されると、ステップＳ２１で、内燃機関１が冷間始動直後で暖機されていない状態であるなど触媒担体１７ａへの通電が必要な状態であるか否かが判断される。通電が必要な状態でない場合はステップＳ２４に進められる。通電が必要な状態である場合には、ステップＳ２２で、歪み量Ｄが第１歪み量閾値Ｄ１以下か否かが判断される。歪み量Ｄが第１歪み量閾値Ｄ１以下でない場合は、ステップＳ２４に進められる。歪み量Ｄが第１歪み量閾値Ｄ１以下である場合は、第２条件が成立したとして、ステップＳ２３で、スイッチ１９がオン状態にされて、触媒担体１７ａが通電状態にされる。ステップＳ２４で、スイッチ１９がオフ状態にされて、触媒担体１７ａが非通電状態にされる。
【００４７】
触媒担体１７ａが通電状態にされると、触媒担体１７ａに流れる電流によるジュール熱で触媒担体１７ａが温まり、担持された触媒も昇温する。但し、触媒担体１７ａへの通電が過剰に実施されると、過加熱により触媒担体１７ａは内部に割れなどの破損が生ずるおそれがある。第２実施形態では、１カ所で計測した触媒担体１７ａの歪み量Ｄに基づいて、過加熱状態にあり触媒担体１７ａが破損する可能性が高いと判断した場合には、触媒担体１７ａへの通電を停止させる（非通電状態にする）。放熱により触媒担体１７ａの温度が下がる。通電停止後、歪み量Ｄが小さくなるなど、第２条件が成立した場合には、通電が再開される。
【００４８】
このように、触媒担体１７ａの１カ所の熱変形量に基づいて、触媒担体１７ａの通電制御を行うことにより、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえることが可能になる。また、第２実施形態では、触媒担体１７ａの１カ所の歪み量を計測することにより、触媒担体１７ａの通電制御を行うため、少なくとも１つの歪みゲージセンサ１８ｃを加えるだけで良く、通電加熱式触媒装置１７の構造を不必要に複雑にすることはない。
【００４９】
なお、第２実施形態では、触媒担体１７ａの熱変形量を測定するために、歪みゲージセンサ１８ｃを用いる形態を説明したが、熱変形量を測定するセンサはこれに限られない。
【００５０】
また、１つの歪みゲージセンサ１８ｃを使い、触媒担体１７ａが過加熱状態にあるか否かを判別して通電制御を行う形態を説明した。但し、歪みゲージセンサ１８ｃを複数設け、複数の熱変形量の平均値などに基づいて過加熱状態を判別すると共に、複数の熱変形量の差異に基づいて触媒担体１７ａの内部温度差を算出（または推定）して通電制御を行う形態であってもよい。
【００５１】
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、第２実施形態における触媒担体１７ａの熱変形量に基づいて、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御を行う形態に加えて、触媒担体１７ａを含む通電加熱式触媒装置１７の異常判定(ＯＢＤ：On-Board Diagnosis）を行う点で異なる。以下、第２実施形態と異なる点（加えられた点）を中心に説明する（図７参照）。
【００５２】
第３実施形態における歪み量Ｄは、第２実施形態と同様、電触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御（第１歪み量閾値Ｄ１との比較）に用いられる。さらに、歪み量Ｄは、触媒担体１７ａの異常判定に用いられる。具体的には、触媒担体１７ａへの通電が開始されてから所定時間が経過した時の歪み量Ｄが、正常に発熱（膨張）したときの第２歪み量閾値Ｄ２以上に大きい場合は、触媒担体１７ａが通電により正常に発熱していると判断される。歪み量Ｄが第２歪み量閾値Ｄ２より小さい場合は、触媒担体１７ａが通電により正常に発熱していない、すなわち異常が生じていると判断され、通電が停止され、警告表示（ＭＩＬ点灯）が行われる。
【００５３】
第２歪み量閾値Ｄ２は、触媒担体１７ａが通電状態にされてから所定時間経過した時に正常に発熱した場合の歪み量下限値に対応する値が設定される（第２歪み量閾値Ｄ２＜第１歪み量閾値Ｄ１）。
【００５４】
第３実施形態における制御部５による触媒担体１７ａへの通電制御の手順は、第２実施形態と同様である（図６参照）。第３実施形態における制御部５による通電加熱式触媒装置１７の異常判定制御の手順を図７のフローチャートを用いて説明する。
【００５５】
通電加熱式触媒装置１７の異常判定制御が開始されると、ステップＳ３１で、内燃機関１が、暖機が行われている状態であるか否かが判断される。エンジン１１の始動時に暖機が完了している状態である場合には、触媒担体１７ａは通電されない（非通電状態のままにされる）ため、かかる異常判定は行わずに制御は終了する。冷間始動時の場合など、エンジン１１の始動時に暖機が行われる状態である場合には、ステップＳ３２に進められる。
【００５６】
ステップＳ３２で、触媒担体１７ａが通電状態にされたか否かが判断される。通電状態にされていない場合は、ステップＳ３２が繰り返される。通電状態にされた場合は、ステップＳ３３で、通電状態にされてから所定時間が経過したか否かが判断される。所定時間が経過していない場合はステップＳ３３が繰り返される。所定時間が経過した場合は、ステップＳ３４で、歪み量Ｄが第２歪み量閾値Ｄ２以上に大きいか否かが判断される。大きい場合には、ステップＳ３５で、触媒担体１７ａが通電により正常に発熱していると判断され、異常判定制御は終了する。大きくない場合は、ステップＳ３６で、触媒担体１７ａが通電により正常に発熱していない、すなわち異常が生じていると判断される。ステップＳ３７で、触媒担体１７ａへの通電が停止され、警告表示（ＭＩＬ点灯）が行われ、異常判定制御は終了する。
【００５７】
このように、触媒担体１７ａの熱変形量に基づいて、触媒担体１７ａの通電及び異常判定制御を行うことにより、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえるだけでなく、触媒担体１７ａの異常判定を行うことが可能になる。
【００５８】
なお、第１〜第３実施形態では、通電加熱式触媒装置１７の下流側に、別途主触媒を設ける形態を説明したが、通電加熱式触媒装置１７が主触媒としての機能も兼ねる形態であってもよい。
【００５９】
また、電極（正電極１７ｂ、負電極１７ｃ）の位置や形状が、触媒担体１７ａの外周面で且つ両端部を囲むものであること、及び触媒担体１７ａの形状が円柱形状であることを説明したが、これらの条件に限られるものではない。これらの条件が変更されても、第１、第２温度センサ１８ａ、１８ｂ（または歪みゲージセンサ１８ｃ）の配置位置や閾値（温度差閾値ΔＴ０など）を調整すれば、触媒担体１７ａの破損の発生をおさえる通電制御や通電加熱式触媒装置１７の異常判定を行うことは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１実施形態における内燃機関の構成図である。
【図２】第１実施形態における通電加熱式触媒装置を含む周辺部分の構成図である。
【図３】第１実施形態触媒担体の通電制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態における内燃機関の構成図である。
【図５】第２実施形態における通電加熱式触媒装置を含む周辺部分の構成図である。
【図６】第２実施形態触媒担体の通電制御の手順を示すフローチャートである。
【図７】第３実施形態触媒担体の通電制御の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１ 内燃機関
５ 制御部
１１ エンジン
１２ 吸気通路
１５ 排気通路
１６ 空燃比センサ
１７ 通電加熱式触媒装置
１７ａ 触媒担体
１７ｂ 正電極
１７ｃ 負電極
１８ａ、１８ｂ 第１、第２温度センサ
１８ｃ 歪みゲージセンサ
１９ スイッチ
２１ Ｏ２センサ
２２ 主触媒
２５ バッテリ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を担持する触媒担体であって、前記触媒担体が通電されて温度上昇することにより担持した前記触媒を温め、前記触媒担体の温度変化に伴って前記触媒担体の通電抵抗値が変化するＮＴＣ特性を有するものを有する通電加熱式触媒装置と、
前記触媒担体に配置された第１、第２温度センサと、
前記第１、第２温度センサからの情報に基づいて、前記触媒担体への通電制御を行う制御部とを備えることを特徴とする通電加熱式触媒装置の通電制御システム。
【請求項２】
前記通電のための電極は、前記触媒担体における排気ガスの流れる第１方向の両端部に配置され、
前記第１温度センサは、前記第１方向の中心近傍で且つ、前記第１方向と垂直な第２方向の中心近傍に配置され、
前記第２温度センサは、前記第１方向の端部近傍で且つ、前記第２方向の端部近傍に配置されることを特徴とする請求項１に記載の通電制御システム。
【請求項３】
触媒を担持する触媒担体であって、前記触媒担体が通電されて温度上昇することにより担持した前記触媒を温め、前記触媒担体の温度変化に伴って前記触媒担体の通電抵抗値が変化するＮＴＣ特性を有するものを有する通電加熱式触媒装置と、
前記触媒担体の変形量に関する情報を得るセンサと、
前記センサからの情報に基づいて、前記触媒担体への通電制御を行う制御部とを備えることを特徴とする通電加熱式触媒装置の通電制御システム。
【請求項４】
前記通電のための電極は、前記触媒担体における排気ガスの流れる方向の両端部に、前記触媒担体の変形量に応じて応力変化が生じる状態で配置され、
前記センサは、前記電極に取り付けられることを特徴とする請求項３に記載の通電制御システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記センサからの情報に基づいて、前記触媒担体の異常判定を行うことを特徴とする請求項３に記載の通電制御システム。
【請求項１】
触媒を担持する触媒担体であって、前記触媒担体が通電されて温度上昇することにより担持した前記触媒を温め、前記触媒担体の温度変化に伴って前記触媒担体の通電抵抗値が変化するＮＴＣ特性を有するものを有する通電加熱式触媒装置と、
前記触媒担体に配置された第１、第２温度センサと、
前記第１、第２温度センサからの情報に基づいて、前記触媒担体への通電制御を行う制御部とを備えることを特徴とする通電加熱式触媒装置の通電制御システム。
【請求項２】
前記通電のための電極は、前記触媒担体における排気ガスの流れる第１方向の両端部に配置され、
前記第１温度センサは、前記第１方向の中心近傍で且つ、前記第１方向と垂直な第２方向の中心近傍に配置され、
前記第２温度センサは、前記第１方向の端部近傍で且つ、前記第２方向の端部近傍に配置されることを特徴とする請求項１に記載の通電制御システム。
【請求項３】
触媒を担持する触媒担体であって、前記触媒担体が通電されて温度上昇することにより担持した前記触媒を温め、前記触媒担体の温度変化に伴って前記触媒担体の通電抵抗値が変化するＮＴＣ特性を有するものを有する通電加熱式触媒装置と、
前記触媒担体の変形量に関する情報を得るセンサと、
前記センサからの情報に基づいて、前記触媒担体への通電制御を行う制御部とを備えることを特徴とする通電加熱式触媒装置の通電制御システム。
【請求項４】
前記通電のための電極は、前記触媒担体における排気ガスの流れる方向の両端部に、前記触媒担体の変形量に応じて応力変化が生じる状態で配置され、
前記センサは、前記電極に取り付けられることを特徴とする請求項３に記載の通電制御システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記センサからの情報に基づいて、前記触媒担体の異常判定を行うことを特徴とする請求項３に記載の通電制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１８９９２１（Ｐ２００９−１８９９２１Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１６５１（Ｐ２００８−３１６５１）
【出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【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８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【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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