CN110463346B - 用于排气催化剂的加热装置 - Google Patents

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Abstract

用于排气催化剂的加热装置包括第一天线和第二天线。所述加热装置执行用于控制电磁波发生器的操作以将来自第一天线的电磁波的辐射状态设定为与来自第二天线的电磁波的辐射状态不同的状态的特定辐射控制。在这种情况下，所述加热装置获取入射在第一天线上的电磁波之中的电磁波强度，并获取入射在第二天线上的电磁波之中的电磁波强度。所述加热装置基于第一电磁波强度获取第一部分的第一温度相关值，并基于第二电磁波强度获取第二部分的第二温度相关值。

Description

用于排气催化剂的加热装置
结合引用
2017年3月28日提交的日本专利申请No.2017-063085的包括说明书、附图和摘要在内的公开内容通过引用整体结合在本文中。
技术领域
本发明涉及一种用于排气催化剂的加热装置，该加热装置通过吸收来自电磁波发生器的电磁波来产生热量。
背景技术
在相关技术中，已知用于排气催化剂的加热装置通过吸收来自电磁波发生器的电磁波来产生热量并将催化剂加热到使催化剂发挥出净化性能的温度。当催化剂被来自电磁波发生器的振荡所产生的电磁波加热时，这种装置的一个问题在于催化剂容易过热，因为在催化剂的温度达到活化温度之前仅需相对短的时间。因此，需要精确地检测催化剂中的电磁波吸收性发热体的温度，并且需要精确地控制电磁波发生器。
因此，相关技术中用于内燃发动机的一种排气控制设备(下文称为“相关技术中的设备”)包括传感器，该传感器测量由电磁波吸收性发热体所吸收的电磁波的量，并且按照传感器的测量值来控制由来自电磁波发生器的振荡所产生的电磁波的量(例如，参见日本特开专利申请公报No.6-10654(JP 6-10654A))。
发明内容
根据发明人的认识，由排气催化剂反射并入射在电磁波发生器的天线上的电磁波(入射波)的一部分的电力(电功率)与从电磁波发生器的天线辐射的电磁波(辐射波)的电力的比率与催化剂的温度相关。例如，使用铁电体作为电磁波吸收性发热体。由这种电磁波吸收性发热体吸收的电磁波的电力(吸收电力)一般与电磁波吸收性发热体的介电损耗因子tanδ成比例。电磁波吸收性发热体的介电损耗因子tanδ根据温度而变化。因此，由电磁波吸收性发热体吸收的电力根据温度而变化。也就是说，使入射波的电力与辐射波的电力的比率与催化剂的温度相关联的因素之一是电磁波吸收性发热体的电磁波吸收率，其由于电磁波吸收性发热体的介电损耗因子tanδ根据温度发生变化而也根据温度发生变化。
当通过电磁波加热排气催化剂时，这种因素导致的一个问题是容易在催化剂中引起温度分布。更具体地，由催化剂中的电磁波吸收性发热体吸收的电磁波的电力(吸收电力)一般与电场强度的平方成比例并且容易受到电场强度分布的影响。电场强度随着距辐射电磁波的天线的距离变短而增大。因此，催化剂的吸收电力受天线的形状和布置的显著影响。典型地，电磁波吸收性发热体的吸收电力往往随着用于催化剂的温度范围内的温度升高而增加。换句话说，催化剂的具有相对较高温度的部分容易被加热，而催化剂的具有相对较低温度的部分不易被加热。也就是说，随着催化剂(电磁波吸收性发热体)的温度升高，由加热引起的温度分布的差异变得更显著。因此，当在催化剂中产生温度分布的显著差异时，催化剂可能由于温差而受损。还可能出现的一个问题是催化剂在具有低电场强度且温度未升高的部分中无法发挥出充分的净化性能。
在加热装置包括用于均匀和有效地加热催化剂的多个电磁波发生器和相应的天线并且构造成从多个位置加热催化剂的情况下，催化剂受到多个电磁波的影响，并且出现难以精确地推定催化剂中的温度分布的问题。
本发明提供了一种用于排气催化剂的加热装置。即使存在多个电磁波发生器时，该加热装置也能精确地推定催化剂中的温度分布。该加热装置能通过基于温度分布减小温度分布的差异来抑制催化剂的受损并使催化剂在催化剂中的大范围内发挥出充分的净化性能。
本发明的一个方面涉及一种用于排气催化剂的加热装置。该加热装置适用于设置在内燃发动机的排气通路中的排气催化剂，该排气催化剂配置成通过吸收电磁波来产生热量。
根据本发明该方面的加热装置包括：配置成产生电磁波的至少一个电磁波发生器；第一天线，其靠近所述排气催化剂的第一部分设置并且配置成将由所述电磁波发生器产生的电磁波辐射到所述第一部分；第二天线，其靠近所述排气催化剂的不同于所述第一部分的第二部分设置，设置在距所述第一天线预定间隔处，并且配置成将所述由电磁波发生器产生的电磁波辐射到所述第二部分；和电子控制装置。
所述电子控制装置配置成执行催化剂升温控制，所述催化剂升温控制用于通过控制所述电磁波发生器将电磁波从所述第一天线和所述第二天线分别辐射到所述第一部分和所述第二部分来升高所述排气催化剂的温度。
例如，用于根据本发明该方面的加热装置的排气催化剂包括作为铁电体的电磁波吸收性发热体。当电磁波被辐射到排气催化剂时，排气催化剂通过吸收电磁波而产生热量。通常，从天线辐射的电磁波的电场强度越靠近天线越高。因此，随着排气催化剂(电磁波吸收性发热体)越靠近天线，由排气催化剂吸收的电磁波的量越大，并且排气催化剂越容易被加热。如上所述，存在这样的排气催化剂，其具有所吸收的电磁波的量随着催化剂的温度升高而增加(吸收率增大)的特性。
在具有这种特性的排气催化剂中，认为从第一天线辐射的电磁波的强度等于从第二天线辐射的电磁波的强度，并且排气催化剂的第一部分的温度高于第二部分的温度。在这种情况下，第一部分中的电磁波吸收率高于第二部分中的电磁波吸收率。因此，在这种情况下，入射在第一天线上的“通过从第一天线辐射的电磁波从第一部分产生的反射波”的强度低于入射在第二天线上的“通过从第二天线辐射的电磁波从第二部分产生的反射波”的强度。
在第一天线靠近第一部分且第二天线靠近第二部分时，第一天线和第二天线以预定间隔设置。换句话说，第一天线与第二天线之间的距离比第一天线与第一部分之间的距离以及第二天线与第二部分之间的距离长。通常，从天线辐射的电磁波的强度与距离的平方成反比地减小。因此，入射在第一天线上的“从第二天线辐射的电磁波及其反射波”的强度低于入射在第一天线上的“通过从第一天线辐射的电磁波从第一部分产生的反射波”的强度。
然而，当第一部分的温度相对较高时，入射在第一天线上的“通过从第一天线辐射的电磁波从第一部分产生的反射波”的强度相对较低。因此，不能忽略入射在第一天线上的“从第二天线辐射的电磁波及其反射波”的强度。
所述电子控制装置配置成执行特定辐射控制，所述特定辐射控制用于控制所述电磁波发生器的操作以将来自所述第一天线的电磁波的辐射状态设定为与来自所述第二天线的电磁波的辐射状态不同的状态。所述电子控制装置配置成获取在执行所述特定辐射控制时入射在所述第一天线上的电磁波之中与从所述第一天线辐射的电磁波的辐射状态对应的电磁波的强度作为第一电磁波强度。所述电子控制装置配置成获取在执行所述特定辐射控制时入射在所述第二天线上的电磁波之中与从所述第二天线辐射的电磁波的辐射状态对应的电磁波的强度作为第二电磁波强度。
如上所述，例如，通过执行用于配置电磁波的不同辐射状态的特定辐射控制，入射在第一天线上的“通过从第一天线辐射的电磁波从第一部分产生的反射波”可以区别于入射在第一天线上的“从第二天线辐射的电磁波及其反射波”。
所述电子控制装置配置成基于所述第一电磁波强度获取第一温度相关值，该第一温度相关值是与所述第一部分的温度相关的值。所述电子控制装置配置成基于所述第二电磁波强度获取第二温度相关值，该第二温度相关值是与所述第二部分的温度相关的值。
当所述第一温度相关值与所述第二温度相关值彼此不同时，所述电子控制装置配置成控制所述电磁波发生器的操作以将从所述第一天线和所述第二天线中的至少一者辐射的电磁波的强度和输出占空比中的至少一者调整为使得在所述催化剂升温控制中所述第一温度相关值与所述第二温度相关值之间的偏差减小。
更具体地，例如，可以基于入射在第一天线(第二天线)上的第一电磁波强度(第二电磁波强度)与从第一天线(第二天线)辐射的电磁波(即，由电磁波发生器产生的电磁波)的强度的比率来获取第一温度相关值(第二温度相关值)。原因在于，如上所述，建立了电磁波吸收率随着催化剂的温度升高而增大的关系。
第一温度相关值(第二温度相关值)可以是“从第一天线(第二天线)辐射并由排气催化剂反射的电磁波的强度与从第一天线(第二天线)辐射的电磁波的强度的比率”。或者，第一温度相关值(第二温度相关值)可以是“从第一天线(第二天线)辐射并被排气催化剂吸收的电磁波的强度与从第一天线(第二天线)辐射的电磁波的强度的比率”。或者，第一温度相关值(第二温度相关值)可以是指示温度的值。
因此，通过执行所述特定辐射控制，根据本发明该方面的加热装置可以指定从多个天线辐射的多个电磁波，获取每个电磁波的电磁波强度，并推定排气催化剂的特定部分(第一部分和第二部分)的温度。
例如，当每个温度相关值是随着温度升高而增大的相关值并且第一温度相关值低于第二温度相关值时，根据本发明该方面的加热装置能通过增大从第一天线辐射的电磁波的强度来加快第一部分的温度升高速度。结果，根据本发明该方面的加热装置能够提高第一部分中的电磁波吸收率并且加快第一部分的温度升高速度。因此，能使第一温度相关值接近第二温度相关值。
根据本发明该方面的加热装置能通过减小从第二天线辐射的电磁波的强度(或停止电磁波的辐射)来减慢第二部分的温度升高速度(或降低第二部分的温度)。结果，根据本发明该方面的加热装置能更快地使第一温度相关值接近第二温度相关值。因此，根据本发明的该方面，可减小排气催化剂的温度分布的偏差。
在这种情况下，当第一温度相关值低于第二温度相关值时，根据本发明该方面的加热装置能通过提高从第一天线辐射的电磁波的输出占空比来加快第一部分的温度升高。
因此，即使对于多个天线，根据本发明该方面的加热装置也能精确地推定排气催化剂的特定部分的温度和排气催化剂的温度分布，并且减小温度分布的差异。因此，可以抑制催化剂的受损并在催化剂中的大范围内发挥出充分的净化性能。
在根据本发明该方面的加热装置中，所述电子控制装置可配置成执行第一辐射控制和第二辐射控制作为所述特定辐射控制，所述第一辐射控制用于控制所述电磁波发生器的操作以将辐射状态设定为电磁波从所述第一天线辐射到所述第一部分且电磁波不从所述第二天线辐射到所述第二部分的状态，所述第二辐射控制用于控制所述电磁波发生器的操作以将辐射状态设定为电磁波不从所述第一天线辐射到所述第一部分且电磁波从所述第二天线辐射到所述第二部分的状态。所述电子控制装置可配置成获取在执行所述第一辐射控制时入射在所述第一天线上的电磁波的强度作为所述第一电磁波强度。所述电子控制装置可配置成获取在执行所述第二辐射控制时入射在所述第二天线上的电磁波的强度作为所述第二电磁波强度。
在本发明的该方面中，辐射状态被设定为“电磁波从第一天线辐射到第一部分且电磁波不从第二天线辐射到第二部分的状态”或“电磁波不从第一天线辐射到第一部分且电磁波从第二天线辐射到第二部分的状态”。例如，辐射状态对应于在每个天线的每个分割时间段中在通过振荡产生电磁波的状态和停止电磁波的状态之间进行切换的状态。换句话说，在来自第一天线的电磁波的强度被设定为预定强度且来自第二天线的电磁波的强度被设定为零的状态和来自第一天线的电磁波的强度被设定为零且来自第二天线的电磁波的强度被设定为预定强度的状态之间进行切换。
因此，根据本发明该方面的加热装置通过选择是设定通过振荡产生电磁波的状态还是停止电磁波的状态来将第一天线的电磁波与第二天线的电磁波分开(区分)。换句话说，加热装置通过将从第一天线辐射电磁波的期间设定为不同于从第二天线辐射电磁波的期间来分开辐射天线(指定辐射源的天线)。根据本发明的该方面，可以使用针对每个辐射天线在通过振荡产生电磁波和停止电磁波之间顺次切换并使得反射波入射到入射天线上的简便方法来推定排气催化剂的温度分布。
在根据本发明该方面的加热装置中，作为所述特定辐射控制，所述电子控制装置可配置成控制所述电磁波发生器的操作以从所述第一天线辐射具有第一频率的电磁波并从所述第二天线辐射具有与所述第一频率不同的第二频率的电磁波。所述电子控制装置可配置成获取在执行所述特定辐射控制时入射在所述第一天线上的电磁波之中具有所述第一频率的电磁波的强度作为所述第一电磁波强度，并获取在执行所述特定辐射控制时入射在所述第二天线上的电磁波之中具有所述第二频率的电磁波的强度作为所述第二电磁波强度。
在本发明的该方面中，辐射状态被设定为“来自第一天线的电磁波具有第一频率且来自第二天线的电磁波具有与第一频率不同的第二频率的状态”。也就是说，根据本发明该方面的加热装置通过将从第一天线辐射的电磁波的振荡频率设定为与从第二天线辐射的电磁波的振荡频率不同来将第一天线与第二天线分开(指定辐射源的天线)。根据本发明的该方面，不必在通过振荡产生电磁波的状态和停止电磁波的状态之间顺次切换。因此，可以在更短的时间内推定排气催化剂的温度分布。
在根据本发明该方面的加热装置中，当所述第一温度相关值不是落入预定范围内的值时，所述电子控制装置可配置成控制所述电磁波发生器的操作以将从所述第一天线辐射的电磁波的强度和输出占空比中的至少一者调整为使得所述第一温度相关值变成落入所述预定范围内的值。当所述第二温度相关值不是落入所述预定范围内的值时，所述电子控制装置可配置成控制所述电磁波发生器的操作以将从所述第二天线辐射的电磁波的强度和输出占空比中的至少一者调整为使得所述第二温度相关值变成落入所述预定范围内的值。
根据本发明的该方面，例如，当每个温度相关值是随着温度升高而增大的相关值并且第一温度相关值(第二温度相关值)高于所述预定范围时，减小从第一天线(第二天线)辐射的电磁波的强度(或停止电磁波的辐射)可以减慢第一部分(第二部分)的温度升高，并且还降低第一部分(第二部分)的温度。当第一温度相关值(第二温度相关值)低于所述预定范围时，增大从第一天线(第二天线)辐射的电磁波的强度可以加快第一部分(第二部分)的温度升高。因此，根据本发明该方面的加热装置可以使第一温度相关值(第二温度相关值)接近所述预定范围内的值。
在这种情况下，当所获取的第一温度相关值(第二温度相关值)低于所述预定范围时，根据本发明该方面的加热装置也能通过提高从第一天线(第二天线)辐射的电磁波的输出占空比来加快第一部分(第二部分)的温度升高。
当所获取的第一温度相关值(第二温度相关值)高于所述预定范围时，根据本发明该方面的加热装置还可以通过减小从第一天线(第二天线)辐射的电磁波的输出占空比来减慢第一部分(第二部分)的温度升高。因此，根据本发明的该方面，可以抑制排气催化剂的受损(特别是由因温度过度升高所导致的熔化引起的受损)，并且在催化剂中的大范围内发挥出充分的净化性能。
附图说明
下面将参照附图说明本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：
图1是根据本发明一实施例的用于排气催化剂的加热装置和该加热装置适用的内燃发动机的示意性构型图；
图2是图1所示的排气催化剂的截面图；
图3A是示出在微波带中代表性介电体的介电常数的温度依存性的曲线图；
图3B是示出在微波带中代表性介电体的介电损耗因子的温度依存性的曲线图；
图4是示出描绘图1所示的加热装置的操作原理的简单模型的图；
图5是示出辐射到图1所示的排气催化剂的电磁波的量和由排气催化剂吸收的电磁波的量之间的关系的曲线图；
图6A是示出图1所示的排气催化剂的温度和电磁波吸收率之间的关系的曲线图；
图6B是示出排气催化剂的温度与电磁波反射率之间的关系的曲线图；
图7是用于描绘图1所示的第一加热装置的温度相关值获取控制的操作的图；
图8是用于示意性地描绘由图1所示的第一加热装置进行的温度相关值获取控制的图；
图9是示出由图1所示的ECU的CPU执行的“催化剂温度分布推定例程”的流程图；
图10是示出由图1所示的ECU的CPU执行的“催化剂升温控制例程”的流程图；
图11是示出由图1所示的ECU的CPU执行的“催化剂温度差异修正例程”的流程图；
图12是用于描绘第二加热装置的温度相关值获取控制的操作的图；
图13是用于示意性地描绘由第二加热装置进行的温度相关值获取控制的图；
图14是示出由第二加热装置的ECU的CPU执行的“催化剂温度分布推定例程”的流程图；
图15是示出由图1所示的ECU的CPU执行的“催化剂温度差异修正例程”的变型例的流程图；以及
图16是由图1所示的ECU的CPU参照的限定了催化剂温度、电磁波强度和发动机负荷之间的关系的查找表。
具体实施方式
第一实施例
在下文中，将参照附图描述根据本发明第一实施例的用于排气催化剂的加热装置(下文中，称为“第一加热装置”)。
构型
第一加热装置适用于图1所示的内燃发动机(发动机)10的排气控制设备50(排气催化剂52)。
发动机10是四冲程火花点火式的多气缸(在本示例中为四个气缸)内燃发动机。发动机10包括发动机主体部20、进气系统30和排气系统40。发动机10包括未示出的众所周知的发动机致动器。例如，发动机致动器包括：燃料供应装置，其包括燃料喷射阀；点火装置，其包括火花塞；节气门开度改变致动器；以及可变进气门控制装置(VVT)。发动机10构造成通过节气门致动器改变设置在未示出的进气通路中的节气门的开度来改变进气量，并根据进气量来改变燃料喷射量，从而能够改变由发动机10产生的转矩和发动机转速(即发动机输出)。
发动机主体部20包括主体21，主体21包括气缸体、气缸盖、曲轴箱等。在主体21中形成有四个气缸(燃烧室)22。进气系统30包括进气歧管31和进气管32。排气系统40包括排气歧管41、排气管42和排气控制设备50。
排气歧管41包括连接到各个气缸22的分支部，以及供各分支部彼此汇聚的汇聚部。排气管42连接到排气歧管41的汇聚部。排气歧管41和排气管42构成排气通路。排气控制设备50设置在排气管42中。
排气控制设备50包括壳体51、排气催化剂52和加热装置。
壳体(在下文中称为“加热室”)51近似为圆筒形并且具有壳体51的直径在排气歧管41、经由排气管42连接的排气入口部51a和位于排气入口部51a的相对侧的排气出口部51b中减小的形状。例如，壳体51的内径约为200mm。例如，壳体51在排气入口部51a和排气出口部51b中的内径约为30mm。所述内径用于说明目的而不是对本发明的限制。
如图2所示，排气催化剂(在下文中简称为“催化剂”)52的基材52a是通过将堇青石(其为耐热陶瓷)形成为具有蜂窝结构的圆柱形状而获得的整体式基材。因此，排气催化剂52被称为“整体式催化剂”。如IIA-IIA截面和IIB-IIB截面所示，整体式催化剂52具有堆叠结构，其中电磁波吸收层52b和催化剂涂层52c被施加到基材52a上。在基材52a中形成为蜂窝形状的隔板52d平行于圆柱体的轴向方向延伸。在隔板52d中开有多个孔隙。被隔板52d包围的每个通路在隔板52d的两端(整体式催化剂52的排气上游侧端面52e和整体式催化剂52的排气下游侧端面52f)是开放的。整体式催化剂52的直径约为200mm。整体式催化剂52的外周面抵接壳体51的内周面。整体式催化剂52的深度约为100mm至200mm。所述内径是出于说明目的而不是对本发明的限制。基材52a不限于堇青石，而是也可以采用由诸如碳化硅、二氧化硅、氧化铝和莫来石的陶瓷制成的基材以及由诸如含有铬和铝的不锈钢的金属制成的基材。
例如，使用基于钙钛矿的陶瓷材料(其为铁电材料)作为电磁波吸收层52b。更优选地，使用诸如La2NiMnO6(LNMO)、La2CoMnO6(LCMO)和碳化硅SiC的材料作为电磁波吸收层52b。这种材料被堆叠(涂覆)在基材52a的表面上。包含在电磁波吸收层52b中的铁电材料(在下文中称为“电磁波吸收性发热体”)通过吸收电磁波而产生热能。
由电磁波吸收性发热体吸收的电磁波的电力(在下文中称为“吸收电力”)Pab通过以下通式获得。
Pab＝K·εr·tanδ·f·E2[W/m3]...(1)
在以上通式中，K是系数(5.56×10-11)。介电体的介电常数用εr表示。介电体的介电损耗因子用tanδ表示。电磁波的频率[Hz]用f表示。电场强度[V/m]用E表示。
从通式(1)可以理解，电磁波吸收性发热体的吸收电力Pab与电场强度E的平方成比例，并且容易受到电场强度分布的影响。从通式(1)可以理解，吸收电功率Pab与介电常数εr和介电损耗因子tanδ成比例。例如，已知微波带中作为一种顺电体的氧化铝(A12O3)的介电常数εr和介电损耗因子tanδ随着温度的升高而增大，如图3A和图3B所示(参见Min KyuPark等人的“Dielectric Properties of Alumina Ceramics in the MicrowaveFrequency at High Temperature(氧化铝陶瓷在高温微波频率下的介电特性)”，SolidState Phenomena(固态现象)第124-126卷(2007)第743-746页(https://www.scientific.net/SSP.124-126.743))。通常，介电体的特性如介电常数εr和介电损耗因子tanδ在顺电体和作为铁电体的电磁波吸收性发热体中是共通的。因此，电磁波吸收性发热体的介电常数εr和介电损耗因子tanδ的温度依存性表现出与作为顺电体的氧化铝相同的趋势。也就是说，电磁波吸收性发热体的介电常数εr和介电损耗因子tanδ随着温度的升高而增大。因此，电磁波吸收性发热体的吸收电力Pab随着温度的升高而增加。当加热引起温度分布的差异时，随着电磁波吸收性发热体的温度升高，差异的程度变得显著。如上所述，第一加热装置的排气催化剂52具有所吸收的电磁波的量随着催化剂的温度升高而增加(吸收率增大)的特性。在下文中，将基于该特性描述第一加热装置的操作。
催化剂涂层52c包括含有催化金属的多孔氧化物。使用诸如氧化铝、氧化铈、氧化锆和氧化钛的氧化物或由多种所述氧化物制成的复合氧化物作为多孔氧化物。使用选自铂族贵金属如Pt、Rh、Pd、Ir和Ru中的一种或多种作为催化金属。催化剂52是所谓的三元催化剂，并且能够通过利用还原-氧化反应将烃、一氧化氮和氮氧化物转化为氮、水和二氧化碳来从经其通过的排气中除去烃、一氧化氮和氮氧化物。
代替其中电磁波吸收层52b和催化剂涂层52c堆叠在基材52a上的催化剂52的构型，可以将含有电磁波吸收性发热体的催化剂涂层52c堆叠在基材52a上。可以通过在烧结基材52a之前将电磁波吸收性发热体和催化剂材料与基材52a混合、然后烧结混合后的材料来制造催化剂52。
加热装置包括天线61、微波发射和接收装置62以及微波电缆66a、66b、66c、66d。
虽然微波在广义上是指波长为1m至1mm的电磁波(振荡频率为300MHz至300GHz)，但第一加热装置使用2.45GHz频带(所谓的ISM带)中的电磁波。该频带中的电磁波的波长约为12cm(例如，在2.45GHz频带中为12.2cm)。所述波长是出于说明目的。在根据本发明一个方面的加热装置中使用的波长不限于所述波长。
在本实施例中，天线61构造成有四个单独的天线61a、61b、61c、61d。每个单独的天线61a、61b、61c、61d都具有近似圆柱形的形状。天线61在催化剂52的排气入口侧(排气上游侧)设置在从壳体51的外周面51c朝向外周面51c的中心(直径方向内侧)的方向上。四个天线61a、61b、61c、61d设置成在与外周面51c的中心轴线垂直的平面上将壳体51的外周分成四个部分。该平面通过虚线示出为假想平面61e。也就是说，四个天线绕外周面51c的中心轴线每90°地对称地设置在假想平面61e上。对向的天线(例如，61a和61c)的末端之间的距离优选为约50mm至150mm，更优选为约100mm。
催化剂52的排气上游侧端面52e和天线61(或假想平面61e)以适当的距离(大约几十毫米)彼此分开。例如，原因是当催化剂52的排气上游侧端面52e与天线61之间的距离过短时，从天线61输出的微波在到达排气上游侧端面52e之前不会扩散，并且催化剂52上的电场分布增加。当该距离过长时，在从天线61辐射的微波到达排气上游侧端面52e之前微波的强度降低。因此，电磁波吸收层52b的发热效率降低。排气上游侧端面52e和天线61之间的距离优选为约5mm至20mm，更优选为约10mm。
天线61所设置的位置可以在催化剂52的排气出口部51b侧(排气下游侧)。然而，当催化剂52的排气出口部51b侧被微波加热时，所产生的热量通过排气流向下游侧传播。因此，所产生的热量不会有助于整个催化剂的加热。当如在本实施例中那样将天线61设置在催化剂52的排气入口部51a侧时，通过用微波加热催化剂52的排气入口部51a侧而产生的热量可有助于整个催化剂的加热。因此，天线61所设置的位置更优选地设置于催化剂52的排气入口部51a侧。
微波电缆66a、66b、66c、66d的第一端分别电连接到天线61a、61b、61c、61d。每个微波电缆66a、66b、66c、66d的第二端电连接到对应的微波发射和接收装置62。即，微波发射和接收装置62a、62b、62c、62d分别连接到天线61a、61b、61c、61d。
微波发射和接收装置62(62a，62b，62c，62d)包括微波发生器63(63a，63b，63c，63d)、微波检测器64(64a，64b，64c，64d)和循环器65(65a，65b，65c，65d)。
微波发生器63可通过振荡产生具有至少四种振荡频率的微波。可根据各种振荡频率的微波来改变振荡的强度和相位。微波发生器63可以包括具有不同振荡频率的至少四个振荡器，或者可以包括构造成能够改变频率的四个或更多个振荡器。在第一实施例中，四个微波发生器63a、63b、63c、63d中的每一个都包括构造成能够改变频率的振荡器，以通过振荡来产生具有相同振荡频率的微波或通过振荡来产生具有不同振荡频率的微波。各个振荡器可以如图1所示单独设置，或者可以集中设置在一个装置中。
微波检测器64可通过放大器放大所接收(输入)的微波的强度(电场强度、磁场强度或电力密度)，并检测所接收的微波的放大强度。微波检测器64包括分别对应于各振荡频率的(至少四种)带通滤波器，以便将具有不同振荡频率的电磁波彼此分开。微波检测器64可以如图1所示单独设置，或者可以集中设置在一个装置中。
循环器65允许信号从微波发生器63所连接的端口输出到天线61所连接的端口。循环器65允许信号从天线61所连接的端口输出到微波检测器64所连接的端口。因此，微波发射和接收装置62可从天线61辐射由微波发生器63通过振荡产生的微波，并通过微波检测器64测量由天线61接收(入射在其上)的微波(反射波等)的强度。
微波电缆66a、66b、66c、66d中的每一个都使用微波同轴电缆。例如，微波同轴电缆是通过用绝缘体覆盖具有圆形截面的内部导电体的外周、用与绝缘体同轴的外部导电体覆盖绝缘体的外周并且在外部导电体周围形成保护性包层而构成的电缆。例如，使用铜线作为内部导电体和外部导电体。使用聚乙烯作为绝缘体。
微波发生器63能够按照来自下面描述的电子控制装置(ECU)100的指令通过振荡来产生微波或停止产生微波，改变微波的强度(振幅)，改变微波的振荡频率、相位、输出占空比等。微波发生器63在广义上被称为“电磁波发生器63”。
天线61的形状不限于近似圆柱形，而可以是板形。天线61的形状不必是直线形状，而可以是为使排气催化剂52的温度分布均匀而构想的形状。天线61中的天线数量不限于四个。在天线61中可以设置有各自都既进行发射又进行接收的至少两个天线。在任何情况下，希望考虑将天线61布置成使得天线61不会显著阻碍排气的流动。
电子控制装置(ECU)100是包括公知的微型计算机的电子电路，并且包括CPU、ROM、RAM、备用RAM、接口等。ECU是电子控制单元的缩写。电子控制装置100电连接到发动机致动器、微波发生器63等，并按照来自CPU的指令将指令(驱动)信号发送到发动机致动器和微波发生器63。电子控制装置100电连接到微波检测器64，并从微波检测器64接收信号(信号入射)。CPU通过执行存储在存储器(ROM)中的指令(例程)来实现各种功能。
操作概述
使用反射波推定温度分布的原理
将参照图4描述使用反射波推定温度分布的原理。为了便于理解该原理，将使用其中两个对向的天线A1、A2如图4所示靠近催化剂52的表面52h设置的模型来描述该原理。各天线与催化剂52的表面52h之间的距离L1为10mm，而天线A1的末端A1a与天线A2的末端A2a之间的距离L2为100mm。
如上所述，图1所示的构型使得在每个天线中既能辐射电磁波，又能入射电磁波。例如，天线A1辐射强度为100的电磁波，并且辐射到天线A1下方的部分P1的电磁波的强度为99(衰减率为1％)。如上所述，催化剂52的吸收电力Pab随着温度的升高而增大。例如，如图3A和图3B所示，在300K至570K的绝对温度下，频率为1MHz的LCMO的介电常数εr增大约四倍，并且介电损耗因子tanδ改变约20倍。因此，在频率f和电场强度E恒定的条件下，催化剂52的吸收电力Pab在该温度范围(300K至570K)内改变约80倍。
假设在该模型中催化剂52的微波吸收率在低温下为5％而在高温下为95％，则如下计算入射在天线A1上的微波的强度。
(1)当在低催化剂温度下从天线A1辐射强度为100的微波时，根据该假设，辐射到部分P1的微波的强度为99(衰减100的1％)，而由催化剂52吸收的微波的强度为5(衰减99的95％)。因此，由催化剂52反射的微波的强度为94(＝99-5)。假设30％的反射波入射在(返回到)天线A1上，由于从94衰减70％，故入射在(返回到)天线A1上的微波的强度值为28。
(2)当在高催化剂温度下从天线A1辐射强度为100的微波时，根据该假设，辐射到部分P1的微波的强度为99(衰减100的1％)，而由催化剂52吸收的微波的强度为94(衰减99的5％)。因此，由催化剂52反射的微波的强度为5(＝99-94)。由于从5衰减70％，故入射在(返回到)天线A1上的微波强度值为1.5。
如上所述，在低温下入射反射波的强度与在高温下入射反射波的强度之间出现显著差异。同时，天线A2辐射强度为100的微波，并且辐射到天线A2下方与天线A2相距10mm距离的部分P2的微波的强度为99(衰减率为1％)。微波的强度与距离的平方成反比。因此，入射在距天线A2100mm距离处的天线A1上的微波的强度为1(衰减率为99％)。
如下计算入射在天线A1上的微波的强度的总和。(1)在低催化剂温度下从天线A1辐射的微波的反射波的强度为93。从天线A2辐射的入射微波的强度为1。入射在天线A1上的微波的强度的约1.1％源自天线A2。(2)在高催化剂温度下从天线A1辐射的微波的反射波的强度为5。从天线A2辐射的入射微波的强度为1。入射在天线A1上的微波的强度的约20％源自天线A2。
因此，在高催化剂温度下不能忽略从相邻天线辐射的微波的影响。
温度相关值
当排气催化剂52的温度恒定时，所辐射的微波量Sir和所吸收的微波量Sab成比例关系，如图5所示。因此，即使在排气催化剂52的温度恒定的条件下改变所辐射的微波量Sir时，所吸收的微波量Sab与所辐射的微波量Sir的比率Sab/Sir——即微波吸收率——也是恒定的。也就是说，当微波吸收率Sab/Sir改变时，排气催化剂52的温度改变。
当从天线A1辐射、被反射而未吸收在排气催化剂52中并且输入到天线A1中的微波的强度用Sre表示时，微波反射率Rre——其为所反射的微波与从天线A1辐射的微波的比率——由通式(2)获得。微波吸收率Rab由通式(3)获得。
微波反射率Rre＝Sre/Sir...(2)
微波吸收率Rab＝(Sir-Sre)/Sir...(3)
如上所述，随着排气催化剂52的温度升高，排气催化剂52的微波吸收率Rab增大。因此，如图6A所示，建立了排气催化剂52的温度随着微波吸收率Rab增大而升高的关系。因此，能够从微波吸收率Rab推定排气催化剂52的温度。如上所述，微波吸收率Rab是“温度相关值”之一，所述温度相关值是与排气催化剂52的温度相关的值。
如图6B所示，建立了排气催化剂52的温度随着微波反射率Rre增大而降低的关系。因此，可以从微波反射率Rre推定排气催化剂52的温度。如上所述，微波反射率Rre是“温度相关值”之一，所述温度相关值是与排气催化剂52的温度相关的值。
使用反射波推定温度分布的原理
如图7中所示，在从排气入口部51a侧看到的天线61和排气催化剂52的透视图(剖视图)中，为方便起见，四个天线61a、61b、61c、61d分别用附图标记A1、A3、A2、A4表示。为方便起见，四个微波发生器63a、63b、63c、63d分别用附图标记OSC1、OSC3、OSC2、OSC4表示。为方便起见，四个微波检测器64a、64b、64c、64d分别用附图标记D1、D3、D2、D4表示。为方便起见，四个循环器65a、65b、65c、65d分别用附图标记C1、C3、C2、C4表示。
微波发生器OSC1至OSC4和微波检测器D1至D4分别通过循环器C1至C4连接到天线A1至A4。微波发生器OSC1、微波检测器D1和循环器C1包括在一个微波发射和接收装置62a中。
天线A1、天线A2、天线A3和天线A4分别靠近排气催化剂52的第一部分P1、排气催化剂52的第二部分P2、排气催化剂52的第三部分P3和排气催化剂52的第四部分P4设置。天线A1至A4从外周面51c朝向排气催化剂52的中心C0设置。在第一实施例中，天线An(n＝1，2，3和4)与第n部分Pn之间的距离是10mm，并且对向的天线An的末端之间的距离为100mm。
使用第一加热装置获取温度相关值的方法
将使用该原理更具体地描述使用第一加热装置推定靠近各天线61的排气催化剂52的各部分(第一部分P1、第二部分P2等)的温度的方法，即，获取靠近各天线61的各部分的温度相关值的方法。
在下文中，在分别靠近四个天线A1至A4的第一部分P1至第四部分P4之中，第一部分P1的温度将被说明性地描述为低于其它部分的温度。
首先，作为“特定辐射控制”，第一加热装置(ECU 100的CPU)执行用于仅从天线A1辐射微波的“第一辐射控制”。在这种情况下，将天线A2、A3、A4配置成不辐射微波以展现全内反射可以抑制电磁波从天线A1泄漏到天线A2、A3、A4。这同样适用于后续的特定辐射控制。在这种情况下，由于第一部分P1的温度低于其它部分的温度，因此第一部分P1中的微波吸收率低于其它部分(第二部分P2至第四部分P4)中的微波吸收率。
CPU使用微波检测器D1获取入射在天线A1上的微波的强度作为“第一电磁波强度”。由于第一部分P1中的微波吸收率低于其它部分中的微波吸收率，因此“第一电磁波强度”的值相对较高。
基于第一电磁波强度，CPU获取“第一温度相关值”，其为与第一部分P1的温度相关的值。在这种情况下，CPU基于通式(2)来获取微波吸收率作为第一温度相关值。CPU可以使用图6A所示的相关性脉谱图(查找表)来获取第一部分P1的温度。
接下来，CPU执行用于仅从天线A2辐射微波的“第二辐射控制”作为“特定辐射控制”。在这种情况下，第二部分P2中的微波吸收率高于第一部分P1中的微波吸收率，并且与第三部分P3和第四部分P4中的微波吸收率(的平均值)大致相同。
CPU使用微波检测器D2获取入射在天线A2上的微波的强度作为“第二电磁波强度”。由于第二部分P2中的微波吸收率高于第一部分P1中的微波吸收率，并且与第三部分P3和第四部分P4中的微波吸收率(的平均值)大致相同，因此“第二电磁波强度”的值低于“第一电磁波强度”(约为一半)。
基于第二电磁波强度，CPU获取“第二温度相关值”，其为与第二部分P2的温度相关的值。在这种情况下，CPU基于通式(2)获取微波吸收率作为第二温度相关值。CPU可以使用图6A所示的相关性脉谱图来获取第二部分P2的温度。
CPU执行用于仅从天线A3辐射微波的“第三辐射控制”作为“特定辐射控制”。在这种情况下，第三部分P3中的微波吸收率高于第一部分P1中的微波吸收率，并且与第二部分P2和第四部分P4中的微波吸收率(的平均值)大致相同。
CPU使用微波检测器D3获取入射在天线A3上的微波的强度作为“第三电磁波强度”。由于第三部分P3中的微波吸收率高于第一部分P1中的微波吸收率，并且与第二部分P2和第四部分P4中的微波吸收率(的平均值)大致相同，因此“第三电磁波强度”具有与“第二电磁波强度”大致相同的值。
基于第三电磁波强度，CPU获取“第三温度相关值”，其为与第三部分P3的温度相关的值。在这种情况下，CPU基于通式(2)获取微波吸收率作为第三温度相关值。CPU可以使用图6A所示的相关性脉谱图来获取第三部分P3的温度。
CPU执行用于仅从天线A4辐射微波的“第四辐射控制”作为“特定辐射控制”。在这种情况下，第四部分P4中的微波吸收率高于第一部分P1中的微波吸收率，并且与第二部分P2和第三部分P3中的微波吸收率(的平均值)大致相同。
CPU使用微波检测器D4获取入射在天线A4上的微波的强度作为“第四电磁波强度”。由于第四部分P4中的微波吸收率高于第一部分P1中的微波吸收率，并且与第二部分P2和第三部分P3中的微波吸收率(的平均值)大致相同，因此“第四电磁波强度”具有与“第二电磁波强度”和“第三电磁波强度”大致相同的值。
基于第四电磁波强度，CPU获取“第四温度相关值”，其为与第四部分P4的温度相关的值。在这种情况下，CPU基于通式(2)来获取微波吸收率作为第四温度相关值。CPU可以使用图6A所示的相关性脉谱图来获取第四部分P4的温度。
为了归纳反射波的强度，当执行第一辐射控制(用于仅从天线A1辐射微波的控制)时，第一电磁波强度的值相对较高，如表1所示。当执行其它辐射控制时，第二电磁波强度、第三电磁波强度和第四电磁波强度的值大致适中。
表1
Figure BDA0002216434320000201
当分别靠近四个天线A1至A4的第一部分P1至第四部分P4之中第一部分P1的温度高于其它部分的温度时反射波强度的归纳结果在表2中示出。当执行第一辐射控制(用于仅从天线A1辐射微波的控制)时，第一电磁波强度的值相对较低。当执行其它辐射控制时，第二电磁波强度、第三电磁波强度和第四电磁波强度的值大致适中。
表2
Figure BDA0002216434320000211
根据这种方法，如图8所示，在期间t1中从天线A1辐射具有第一预定强度的微波。在期间t2中从天线A2辐射具有第二预定强度的微波。在期间t3中从天线A3辐射具有第三预定强度的微波。在期间t4中从天线A4辐射具有第四预定强度的微波。第一预定强度至第四预定强度彼此相同。例如，每个辐射时间段(辐射期间)为1毫秒。因此，来自不同天线的微波在每个预定期间依次入射在天线A4上。如上所述，第一加热装置可以通过将辐射微波的顺序与天线的位置相关联来指定辐射各微波的各天线。
具体操作
ECU 100的CPU每当经过预定时间时执行图9中的流程图所示的催化剂温度分布推定例程。因此，当达到预定时机时，CPU从图9中的步骤900开始处理并转入步骤905，以判定催化剂温度分布推定执行标记Xest的值是否等于“1”。
在一单独执行的例程中将催化剂温度分布推定执行标记Xest的值设定为“1”。例如，当未示出的点火开关或起动开关从OFF状态切换到ON状态时，将催化剂温度分布推定执行标记Xest设定为“1”。
在CPU正在执行用于通过加热来升高催化剂52的温度的催化剂升温控制的同时，每几秒便将催化剂温度分布推定执行标记Xest设定为“1”。因此，在催化剂升温控制期间可以非常频繁地监测催化剂温度分布，使得催化剂52的温度不会过度升高。在怠速时，每一分钟便将催化剂温度分布推定执行标记Xest设定为“1”几次。在稳定操作时，以预先设定的时间间隔(例如，每五分钟)将催化剂温度分布推定执行标记Xest设定为“1”。
当催化剂温度分布推定执行标记Xest被设定为“1”时，CPU在步骤905中作出“是”的判定，并依次处理下面描述的步骤910到步骤950。然后，CPU转入步骤995以暂时结束本例程。
步骤910：CPU仅使天线A1(61a)辐射具有预定强度的微波。也就是说，CPU使微波发生器OSC1(63a)通过振荡产生微波，并使微波发生器OSC2(63c)、OSC3(63b)、OSC4(63d)停止振荡。
步骤915：CPU通过微波检测器D1(64a)测量输入到天线A1(61a)中的反射波的强度，并获取所测得的强度作为第一电磁波强度。
步骤920：CPU仅使天线A2(61c)辐射具有预定强度的微波。也就是说，CPU使微波发生器OSC2(63c)通过振荡产生微波，并使微波发生器OSC1(63a)、OSC3(63b)、OSC4(63d)停止振荡。
步骤925：CPU通过微波检测器D2(64c)测量输入到天线A2(61c)中的反射波的强度，并获取所测得的强度作为第二电磁波强度。
步骤930：CPU仅使天线A3(61b)辐射具有预定强度的微波。也就是说，CPU使微波发生器OSC3(63b)通过振荡产生微波，并使微波发生器OSC1(63a)、OSC2(63c)、OSC4(63d)停止振荡。
步骤935：CPU通过微波检测器D3(64b)测量输入到天线A3(61b)中的反射波的强度，并获取所测得的强度作为第三电磁波强度。
步骤940：CPU仅使天线A4(61d)辐射具有预定强度的微波。也就是说，CPU使微波发生器OSC4(63d)通过振荡产生微波，并使微波发生器OSC1(63a)、OSC2(63c)、OSC3(63b)停止振荡。
步骤945：CPU通过微波检测器D4(64d)测量输入到天线A4(61d)中的反射波的强度，并获取所测得的强度作为第四电磁波强度。
步骤950：CPU分别基于所获取的第一电磁波强度、第二电磁波强度、第三电磁波强度和第四电磁波强度获取第一温度相关值、第二温度相关值、第三温度相关值和第四温度相关值，并转入步骤995以暂时结束本例程。
当催化剂温度分布推定执行标记Xest等于“0”并且CPU在步骤905中作出“否”的判定时，CPU直接转入步骤995以暂时结束本例程。
如上所述，在温度相关值获取控制中，CPU执行第一辐射控制作为特定辐射控制，所述第一辐射控制用于控制微波发生器OSC1至OSC4的操作以设定电磁波从第一天线A1辐射到第一部分P1并且电磁波不分别从第二天线A2、第三天线A3和第四天线A4辐射到第二部分P2、第三部分P3和第四部分P4的辐射状态。CPU获取在执行第一辐射控制时入射在第一天线A1上的电磁波的强度作为第一电磁波强度。
接下来，CPU执行第二辐射控制作为特定辐射控制，所述第二辐射控制用于控制微波发生器OSC1至OSC4的操作以设定电磁波从第二天线A2辐射到第二部分P2并且电磁波不分别从第一天线A1、第三天线A3和第四天线A4辐射到第一部分P1、第三部分P3和第四部分P4的辐射状态。CPU获取在执行第二辐射控制时入射在第二天线A2上的电磁波的强度作为第二电磁波强度。
接下来，CPU执行第三辐射控制作为特定辐射控制，所述第三辐射控制用于控制微波发生器OSC1至OSC4的操作以设定电磁波从第三天线A3辐射到第三部分P3并且电磁波不分别从第一天线A1、第二天线A2和第四天线A4辐射到第一部分P1、第二部分P2和第四部分P4的辐射状态。CPU获取在执行第三辐射控制时入射在第三天线A3上的电磁波的强度作为第三电磁波强度。
接下来，CPU执行第四辐射控制作为特定辐射控制，所述第四辐射控制用于控制微波发生器OSC1至OSC4的操作以设定电磁波从第四天线A4辐射到第四部分P4并且电磁波不分别从第一天线A1、第二天线A2和第三天线A3辐射到第一部分P1、第二部分P2和第三部分P3的辐射状态。CPU获取在执行第四辐射控制时入射在第四天线A4上的电磁波的强度作为第四电磁波强度。
如上所述，第一加热装置可获取从各天线辐射而不受来自其它天线的电磁波影响的电磁波的强度。因此，第一加热装置可精确地获取催化剂52的特定部分的温度(温度相关值)并推定催化剂52的温度分布。
催化剂升温控制
第一加热装置使用以下方法执行排气催化剂52的升温控制。ECU 100的CPU每当经过预定时间时执行图10中的流程图所示的催化剂升温控制例程。因此，当到达预定时机时，CPU从图10中的步骤1000开始处理，并转入步骤1010，以判定催化剂升温标记Xss的值是否等于“1”。
例如，当以下两个条件中的任何一个成立时，催化剂升温标记Xss的值从“0”变为“1”。第一个条件是未示出的点火开关或起动开关从OFF状态切换到ON状态。对于排气催化剂52设定有针对排气催化剂52正常运行的预定温度范围(预定范围)。温度范围的下限以排气催化剂52可充分发挥控制排气的能力的温度(活化温度)进行调控。以通过考虑排气催化剂52因熔化而损失的风险所获得的温度来调控温度范围的上限。因此，第二个条件是温度相关值CVn变得等于与排气催化剂52的温度(在下文中称为“催化剂温度”)低于预定温度范围(低于温度下限)的情况相对应的温度相关值CVn。
在判定催化剂温度是否低于温度下限时，例如，第一加热装置基于第一温度相关值CV1、第二温度相关值CV2、第三温度相关值CV3和第四温度相关值CV4的平均值CVavg来进行判定。平均值CVavg由以下通式表示。
CVavg＝(CV1+CV2+CV3+CV4)/4...(4)
当所述两个条件中的任何一个条件成立时，即，当催化剂升温标记Xss等于“1”时，CPU在步骤1010中作出“是”的判定并转入步骤1020以使每个天线辐射具有预定强度的电磁波以使催化剂升温。然后，CPU转入步骤1095以暂时结束本例程。
例如，当以下两个条件中的任何一个成立时，催化剂升温标记Xss的值从“1”变为“0”。第一个条件是点火开关或起动开关从ON状态切换到OFF状态。例如，第二个条件是温度相关值CVn(平均值CVavg)变得等于与催化剂温度高于预定温度范围(超过温度上限)的情况相对应的温度相关值CVn(平均值CVavg)。
当催化剂升温标记Xss等于“0”时，CPU在步骤1010中作出“否”的判定，并且转入步骤1030以停止电磁波的辐射。然后，CPU转入步骤1095以暂时结束本例程。
在第一加热装置中，虽然根据温度相关值CVn的平均值CVavg是低于还是高于预定温度范围来进行关于是执行还是停止催化剂升温控制的判定，但根据本发明一个方面的加热装置也可以构造成分别执行针对每个温度相关值CVn的判定并且分别控制从各天线辐射的微波的强度。
将描述使用第一加热装置减小温度差异的方法。
修正催化剂温度差异的第一方法
第一加热装置可获取针对各个部分(第一部分P1至第四部分P4)的各温度相关值，然后可根据催化剂温度的差异(偏差)的大小来执行用于减小差异的控制。例如，假设第一加热装置处于正执行用于从各个天线辐射微波的催化剂升温控制的状态。
当各个温度相关值是(1)随温度升高而增大的相关值(例如，微波吸收率)并且各个温度相关值CVn(n为1、2、3和4)与温度相关值的平均值CVavg之差为正值(CVn-CVavg>0)时，第一加热装置判定为对应于各个温度相关值的“第n部分Pn”的温度高。在这种情况下，第一加热装置将从第n天线An辐射的微波的强度降低预定量，以便降低第n部分Pn的温度。或者，第一加热装置可以停止微波的辐射。
当各个温度相关值CVn与温度相关值的平均值CVavg之差为负值(CVn-CVavg<0)时，第一加热装置判定为对应于各个温度相关值的“第n部分Pn”的温度低。在这种情况下，第一加热装置将从第n天线An辐射的微波的强度增大预定量，以便升高第n部分Pn的温度。
当各个温度相关值是(2)随温度升高而减小的相关值(例如，微波反射率)并且各个温度相关值CVn与温度相关值的平均值CVavg之差为负值(CVn-CVavg<0)时，第一加热装置判定为对应于各个温度相关值的“第n部分Pn”的温度高。在这种情况下，第一加热装置将从第n天线An辐射的微波的强度降低预定量，以便降低第n部分Pn的温度。或者，第一加热装置可以停止微波的辐射。
当各个温度相关值CVn与温度相关值的平均值CVavg之差为正值(CVn-CVavg>0)时，第一加热装置判定为对应于各个温度相关值的“第n部分Pn”的温度低。在这种情况下，第一加热装置将从第n天线An辐射的微波的强度增大预定量，以便升高第n部分Pn的温度。
通过重复这种方法，第一加热装置可使各个温度相关值近似为平均值CVavg。因此，可减小各个部分的温度相关值的偏差，即，可降低各个第n部分Pn的温度的偏差，并且可降低由排气催化剂52的温差引起的诸如裂缝的受损风险。
修正催化剂温度差异的第二方法
如上所述，虽然第一加热装置可获取针对各个第n部分Pn的各个温度相关值，然后减小催化剂温度的差异(偏差)，但也可对于催化剂52设定针对催化剂52正常运行的预定温度范围(预定范围)。
当各个温度相关值是(1)随温度升高而增大的相关值(例如，微波吸收率)时，第一加热装置将CVmin定义为各个温度相关值的与预定温度范围的下限相对应的下限，并且将CVmax定义为各个温度相关值的与预定温度范围的上限相对应的上限。当各个温度相关值CVn高于温度相关值的上限CVmax时，第一加热装置判定为对应于各个温度相关值的第n部分Pn的温度超过上限。在这种情况下，第一加热装置将从天线An辐射的微波的强度减小预定量，以便降低第n部分Pn的温度。或者，第一加热装置可以停止微波的辐射。
当各个温度相关值CVn低于温度相关值的下限CVmin时，第一加热装置判定为对应于各个温度相关值的第n部分Pn的温度低于下限。在这种情况下，第一加热装置将从天线An辐射的微波的强度增大预定量，以便升高第n部分Pn的温度。
当各个温度相关值是(2)随温度升高而减小的相关值(例如，微波反射率)时，第一加热装置将CVmax定义为各个温度相关值的与预定温度范围的下限相对应的上限，并且将CVmin定义为各个温度相关值的与预定温度范围的上限相对应的下限。当各个温度相关值CVn低于温度相关值的下限CVmin时，第一加热装置判定为对应于各个温度相关值的第n部分Pn的温度超过上限。在这种情况下，第一加热装置将从天线An辐射的微波的强度减小预定量，以便降低第n部分Pn的温度。或者，第一加热装置可以停止微波的辐射。
当各个温度相关值CVn高于温度相关值的上限CVmax时，第一加热装置判定为对应于各个温度相关值的第n部分Pn的温度低于下限。在这种情况下，第一加热装置将从天线An辐射的微波的强度增大预定量，以便升高第n部分Pn的温度。
这种用于使各个温度相关值落入预定范围的控制(排除抑制控制)可以与用于减小偏差的控制(偏差减小控制)结合进行。在这种情况下，在偏差减小控制之前执行排除抑制控制。在下文中，将参照图11描述细节。在以下描述中，各个温度相关值是随温度升高而增大的相关值。
具体操作
ECU 100的CPU每当经过预定时间时执行图11中的流程图所示的催化剂温度差异修正例程。因此，当到达预定时机时，CPU从图11中的步骤1100开始处理，并转入步骤1105以执行催化剂温度分布推定(温度相关值获取)例程。也就是说，CPU转入步骤900以执行催化剂温度分布推定例程，并获取各个温度相关值CVn。当催化剂温度分布推定例程暂时结束时，CPU转入步骤1110。
当CPU转入步骤1110时，CPU基于通式(4)获取各个温度相关值的平均值CVavg。然后，CPU转入步骤1115，以判定第一温度相关值CV1是否高于各个温度相关值的上限CVmax。当第一温度相关值CV1高于各个温度相关值的上限CVmax时，CPU在步骤1115中作出“是”的判定并转入步骤1120以判定CPU是否正在单独执行“催化剂升温控制”。
当CPU正在执行催化剂升温控制时，CPU在步骤1120中作出“是”的判定并转入步骤1125以停止天线A1辐射电磁波。然后，CPU转入步骤1170。当CPU未正在执行催化剂升温控制时，CPU在步骤1120中作出“否”的判定并直接转入步骤1170。
当第一温度相关值CV1低于或等于各个温度相关值的上限CVmax时，CPU在步骤1115中作出“否”的判定并转入步骤1130以判定第一温度相关值CV1是否低于各个温度相关值的下限CVmin。
当第一温度相关值CV1低于各个温度相关值的下限CVmin时，CPU在步骤1130中作出“是”的判定并转入步骤1135以将天线A1的电磁波的强度增大预定量。然后，CPU转入步骤1170。当第一温度相关值CV1高于或等于各个温度相关值的下限CVmin时，CPU在步骤1130中作出“否”的判定并转入步骤1140。CPU判定第一温度相关值CV1是否高于各个温度相关值CVn的平均值CVavg。
当第一温度相关值CV1高于各个温度相关值CVn的平均值CVavg时，CPU在步骤1140中作出“是”的判定并转入步骤1145以判定CPU是否正在执行催化剂升温控制。当CPU正在执行催化剂升温控制时，CPU在步骤1145中作出“是”的判定并转入步骤1150以将天线A1的电磁波的强度减小预定量。然后，CPU转入步骤1170。当CPU未正在执行催化剂升温控制时，CPU在步骤1145中作出“否”的判定并直接转入步骤1170。
当第一温度相关值CV1低于或等于各个温度相关值CVn的平均值CVavg时，CPU在步骤1140中作出“否”的判定并转入步骤1155以判定第一温度相关值CV1是否低于各个温度相关值CVn的平均值CVavg。当第一温度相关值CV1低于各个温度相关值CVn的平均值CVavg时，CPU在步骤1155中作出“是”的判定并转入步骤1160以将天线A1的电磁波的强度增大预定量。然后，CPU转入步骤1170。当第一温度相关值CV1不低于各个温度相关值CVn的平均值CVavg时，即，当第一温度相关值CV1不等于各个温度相关值CVn的平均值CVavg时，CPU在步骤1155中作出“否”的判定并转入步骤1165。在这种情况下，CPU维持天线A1的电磁波的强度并转入步骤1170。
当CPU转入步骤1170时，CPU执行与在步骤1115至步骤1165中针对第一温度相关值CV1执行的控制相同的、针对第二温度相关值CV2的控制。
在步骤1175和步骤1180中，CPU执行与在步骤1170中针对第二温度相关值CV2执行的控制相同的、针对第三温度相关值CV3和第四温度相关值CV4的控制。然后，CPU转入步骤1195以暂时结束本例程。
如上所述，当第n温度相关值不是落入预定范围内的值时，第一加热装置配置成控制电磁波发生器的操作以调整从第n天线辐射的电磁波的强度，使得第n温度相关值变成落入预定范围内的值。
第二实施例
将描述根据本发明第二实施例的用于排气催化剂的加热装置(在下文中称为“第二加热装置”)。第二加热装置获取温度相关值的方法与第一加热装置不同。因此，在下文中，将描述使用第二加热装置获取温度相关值的方法。
利用第二加热装置获取温度相关值的方法
在下文中，将参照图12描述该方法。(1)从各天线An同时辐射具有不同振荡频率(振荡频率f1，f2，f3，f4)和预定强度(相同强度)的微波。例如，微波发生器OSC1至OSC4的振荡频率f1至f4分别被设定为2.420GHz、2.450GHz、2.480GHz和2.510GHz(30MHz间隔)。在下文中，振荡频率f1到f4将分别被称为第一频率f1至第四频率f4。这些频率用于说明目的，并非意图限制本发明。(2)输入到各个天线An中的反射波根据频率通过各个微波检测器D1至D4彼此分离开。根据频率对反射波的分离使用对应于各个频带的带通滤波器。(3)通过各个微波检测器D1至D4测量根据频率分离的各反射波的微波强度。(4)催化剂52的靠近天线An的部分的与各频率下各反射波的强度相对应的温度被推定为低。
表3中示出了反射波强度的归纳结果。当第一部分P1的温度低并且执行用于控制电磁波发生器的操作以将具有第一频率f1的电磁波从天线A1辐射到第一部分P1、将具有与第一频率f1不同的第二频率f2的电磁波从天线A2辐射到第二部分P2、将具有与第一频率f1和第二频率f2不同的第三频率f3的电磁波从天线A3辐射到第三部分P3并且将具有与第一频率f1、第二频率f2和第三频率f3不同的第四频率f4的电磁波从天线A4辐射到第四部分P4的“特定辐射控制”时，作为各个反射波的强度总和的第一电磁波强度的值高，而第二电磁波强度、第三电磁波强度和第四电磁波强度的值大致适中。
表3
特定辐射控制 振荡频率 反射波强度
来自A1的辐射 f1 高(S11)
来自A2的辐射 f2 适中(S22)
来自A3的辐射 f3 适中(S33)
来自A4的辐射 f4 适中(S44)
当第一部分P1的温度高并且执行“特定辐射控制”时，如表4所示，第一电磁波强度的值低，并且第二电磁波强度、第三电磁波强度和第四电磁波强度的值大致适中。
表4
特定辐射控制 振荡频率 反射波强度
来自A1的辐射 f1 低(S11)
来自A2的辐射 f2 适中(S22)
来自A3的辐射 f3 适中(S33)
来自A4的辐射 f4 适中(S44)
如图13所示，例如，来自天线A1的具有振荡频率f1的微波、来自天线A2的具有振荡频率f2的微波、来自天线A3的具有振荡频率f3的微波以及来自天线A4的具有振荡频率f4的微波辐射到天线A4。因此，来自不同天线的微波同时入射在天线A4上。然而，根据该方法，第二加热装置可通过将所辐射微波的振荡频率与天线的位置相关联来指定从其辐射各微波的各天线。
具体操作
ECU 100的CPU每当经过预定时间时执行图14中的流程图所示的催化剂温度分布推定例程。因此，当到达预定时机时，CPU从图14中的步骤1400开始处理并转入步骤1410以判定催化剂温度分布推定执行标记Xest的值是否等于“1”。
当催化剂温度分布推定执行标记Xest的值等于“1”时，CPU在步骤1410中作出“是”的判定，并按顺序处理下面描述的步骤1420至步骤1450。然后，CPU转入步骤1495以暂时结束本例程。
步骤1420：CPU使天线A1(61a)、A2(61c)、A3(61b)、A4(61d)同时以不同的振荡频率f1、f2、f3、f4辐射具有预定强度(相同强度)的微波。
步骤1430：CPU通过各个微波检测器D1(64a)、D2(64c)、D3(64b)、D4(64d)分离在各个振荡频率下入射在天线A1(61a)、A2(61c)、A3(61b)、A4(61d)上的各反射波。
步骤1440：CPU获取在各个振荡频率下分离的各反射波的强度。CPU分别获取振荡频率f1、f2、f3、f4下的反射波的强度作为第一电磁波强度、第二电磁波强度、第三电磁波强度和第四电磁波强度。
步骤1450：基于第一电磁波强度，CPU获取第一温度相关值，该第一温度相关值是与第一部分P1的温度相关的值。类似地，基于第二电磁波强度，CPU获取第二温度相关值，该第二温度相关值是与第二部分P2的温度相关的值。基于第三电磁波强度，CPU获取第三温度相关值，该第三温度相关值是与第三部分P3的温度相关的值。基于第四电磁波强度，CPU获取第四温度相关值，该第四温度相关值是与第四部分P4的温度相关的值。
当催化剂温度分布推定执行标记Xest的值等于“0”并且CPU在步骤1410中作出“否”的判定时，CPU直接转入步骤1495以暂时结束本例程。
如上所述，在温度相关值获取控制中，CPU控制微波发生器OSC1至OSC4的操作以设定来自第一天线A1的电磁波以第一频率f1振荡的辐射状态、来自第二天线A2的电磁波以与第一频率f1不同的第二频率f2振荡的辐射状态、来自第三天线A3的电磁波以与第一频率f1和第二频率f2不同的第三频率f3振荡的辐射状态以及来自第四天线A4的电磁波以与第一频率f1、第二频率f2和第三频率f3不同的第四频率f4振荡的辐射状态，作为特定辐射控制。
如上所述，第二加热装置可获取由各个天线辐射的电磁波的强度而不受从其它天线辐射的电磁波的影响。因此，第二加热装置可精确地获取催化剂52的特定部分的温度(温度相关值)并推定催化剂52的温度分布。
变型例
本发明不限于上述实施例，并且可在本发明的范围内采用以下所述的各种变型例。
修正催化剂温度差异的变型例
虽然在上述实施例中，在修正催化剂温度的差异时通过改变从各个天线辐射的微波的强度来修正各个温度相关值，但是也可以通过改变微波的振荡频率来修正各个温度相关值。当微波以恒定周期作为脉冲辐射时，加热装置可以通过改变脉冲宽度的占空比而不是改变微波的强度来修正各个温度相关值。当从各个天线辐射的微波的相位改变时，从各个天线辐射的微波彼此干扰，并且可以改变排气催化剂52的各个部分P1至P4中的温度相关值。因此，加热装置可以通过改变从各个天线辐射的微波的相位来修正各个温度相关值。在下文中，将具体描述通过改变微波的振荡频率来修正各个温度相关值的操作。
具体操作
ECU 100的CPU每当经过预定时间时执行图15中的流程图所示的催化剂温度差异修正例程。因此，当到达预定时机时，CPU从图15中的步骤1500开始处理并转入步骤1510以执行催化剂温度分布推定(温度相关值获取)例程。也就是说，CPU转入步骤900以执行催化剂温度分布推定例程，并获取各个温度相关值CVn。当催化剂温度分布推定例程暂时结束时，CPU转入步骤1520。
当CPU转入步骤1520时，CPU基于由未示出的节气门开度传感器获取的节气门开度来获取发动机负荷KL。
CPU转入步骤1530，并且通过将所获取的发动机负荷KL和所获取的温度相关值CV应用于存储在ROM中并限定了“发动机负荷KL、温度相关值CV和微波的振荡频率f”之间的关系的查找表(参照图16)来获取从各个天线辐射的微波的振荡频率。
CPU转入步骤1540并通过将从各个天线辐射的微波的振荡频率f改变为在步骤1530中获取的振荡频率来执行辐射。然后，CPU转入步骤1595以暂时结束本例程。
可以通过改变微波的输出占空比来修正各个温度相关值。在这种情况下，通过将所获取的发动机负荷KL和所获取的温度相关值CV应用于存储在ROM中并限定了“发动机负荷KL、温度相关值CV和微波的输出占空比DR”之间的关系的查找表来获取微波的输出占空比DR。
可以通过改变微波的相位Ph来修正各个温度相关值。在这种情况下，通过将所获取的发动机负荷KL和所获取的温度相关值CV应用于存储在ROM中并且限定了“发动机负荷KL、温度相关值CV和微波的相位Ph”之间的关系的查找表来获取微波的相位Ph。
还可以通过将所获取的发动机负荷KL和所获取的温度相关值CV应用于存储在ROM中并且限定了“发动机负荷KL、温度相关值CV和微波的强度S”之间的关系的预设查找表来获取微波的强度S。
查找表中限定的关系可以具有催化剂温度而不是温度相关值CV。在这种情况下，可以将从温度相关值CV获取催化剂温度的步骤添加至图15所示的流程图。
如上所述，当第n温度相关值不是落入预定范围内的值时，根据本发明一个方面的用于排气催化剂的加热装置配置成控制电磁波发生器的操作以调整从第n天线辐射的电磁波的强度和输出占空比中的至少一者，使得第n温度相关值变成落入预定范围内的值。
虽然在上述实施例中加热装置60包括四个天线(A1至A4)，但加热装置60可至少包括靠近催化剂52的第一部分P1设置并将由微波发生器OSC1产生的电磁波辐射到第一部分P1的第一天线A1，和靠近不同于第一部分P1的第二部分P2设置并将由微波发生器OSC2产生的电磁波辐射到第二部分P2的第二天线A2。也就是，加热装置60可包括至少两个天线。
在上述实施例中，当以供从各个天线辐射微波的不同辐射时机执行的温度相关值获取控制被执行时，CPU按照第一天线A1、第二天线A2、第三天线A3和第四天线A4的次序执行第一辐射控制至第四辐射控制。然而，第一辐射控制至第四辐射控制的辐射次序不受特别限制。虽然执行第一辐射控制至第四辐射控制中每一个的时间相同，但是时间长度不必一定相同，而是可以在能确保微波检测器64能进行检测的时间的范围内适当地调整。
在上述实施例中，当针对从各个天线辐射的微波以不同振荡频率执行的温度相关值获取控制被执行时，将从各个天线辐射的微波的振荡频率之间的大小关系设定为第一频率f1<第二频率f2<第三频率f3<第四频率f4的关系。然而，该大小关系不受特别限制。虽然各个振荡频率之间的间隔彼此相等，但是该间隔不必一定彼此相等，而是可以在能通过带通滤波器分离各振荡频率的范围内适当地调整。
在上述实施例中，从微波发生器63发送到天线61的微波和从天线61发送到微波检测器64的微波由循环器65彼此分离开。代替这样的构型，也可以包括仅连接到微波发生器63的辐射天线和邻近辐射天线且仅连接到微波检测器64的入射天线。在这种情况下，可以设置微波吸收构件，以便抑制微波从相邻的辐射天线直接入射到入射天线上。
尽管上述实施例描述了适用于在汽油发动机中使用的排气催化剂(三元催化剂)的加热装置，但是该排气催化剂也可适用于柴油发动机催化剂、DPF(柴油颗粒过滤器)等。

Claims (4)

1.一种用于设置在内燃发动机的排气通路中的排气催化剂的加热装置，所述排气催化剂配置成通过吸收电磁波来产生热量，所述加热装置的特征在于包括：
配置成产生电磁波的至少一个电磁波发生器；
靠近所述排气催化剂的第一部分设置的第一天线，所述第一天线配置成将由所述电磁波发生器产生的电磁波辐射到所述第一部分；
靠近所述排气催化剂的不同于所述第一部分的第二部分设置的第二天线，所述第二天线设置在距所述第一天线的预定间隔处，所述第二天线配置成将由所述电磁波发生器产生的电磁波辐射到所述第二部分；和
电子控制装置，所述电子控制装置配置成
执行催化剂升温控制，所述催化剂升温控制用于通过控制所述电磁波发生器将电磁波从所述第一天线和所述第二天线分别辐射到所述第一部分和所述第二部分来升高所述排气催化剂的温度，
执行特定辐射控制，所述特定辐射控制用于控制所述电磁波发生器的操作以将来自所述第一天线的电磁波的辐射状态设定为与来自所述第二天线的电磁波的辐射状态不同的状态，
获取在执行所述特定辐射控制时入射在所述第一天线上的电磁波之中与从所述第一天线辐射的电磁波的辐射状态对应的电磁波的强度作为第一电磁波强度，
获取在执行所述特定辐射控制时入射在所述第二天线上的电磁波之中与从所述第二天线辐射的电磁波的辐射状态对应的电磁波的强度作为第二电磁波强度，
基于所述第一电磁波强度获取第一温度相关值，该第一温度相关值是与所述第一部分的温度相关的值，
基于所述第二电磁波强度获取第二温度相关值，该第二温度相关值是与所述第二部分的温度相关的值，并且
当所述第一温度相关值和所述第二温度相关值彼此不同时，控制所述电磁波发生器的操作以将从所述第一天线和所述第二天线中的至少一者辐射的电磁波的强度和输出占空比中的至少一者调整为使得在所述催化剂升温控制中所述第一温度相关值与所述第二温度相关值之间的偏差减小。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：
所述电子控制装置配置成执行第一辐射控制和第二辐射控制作为所述特定辐射控制，所述第一辐射控制用于控制所述电磁波发生器的操作以将辐射状态设定为电磁波从所述第一天线辐射到所述第一部分且电磁波不从所述第二天线辐射到所述第二部分的状态，所述第二辐射控制用于控制所述电磁波发生器的操作以将辐射状态设定为电磁波不从所述第一天线辐射到所述第一部分且电磁波从所述第二天线辐射到所述第二部分的状态；
所述电子控制装置配置成获取在执行所述第一辐射控制时入射在所述第一天线上的电磁波的强度作为所述第一电磁波强度；并且
所述电子控制装置配置成获取在执行所述第二辐射控制时入射在所述第二天线上的电磁波的强度作为所述第二电磁波强度。
3.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于：
作为所述特定辐射控制，所述电子控制装置配置成控制所述电磁波发生器的操作以从所述第一天线辐射具有第一频率的电磁波并从所述第二天线辐射具有与所述第一频率不同的第二频率的电磁波；并且
所述电子控制装置配置成获取在执行所述特定辐射控制时入射在所述第一天线上的电磁波之中具有所述第一频率的电磁波的强度作为所述第一电磁波强度，并获取在执行所述特定辐射控制时入射在所述第二天线上的电磁波之中具有所述第二频率的电磁波的强度作为所述第二电磁波强度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的加热装置，其特征在于：
当所述第一温度相关值不是落入预定范围内的值时，所述电子控制装置配置成控制所述电磁波发生器的操作以将从所述第一天线辐射的电磁波的强度和输出占空比中的至少一者调整为使得所述第一温度相关值变成落入所述预定范围内的值；并且
当所述第二温度相关值不是落入所述预定范围内的值时，所述电子控制装置配置成控制所述电磁波发生器的操作以将从所述第二天线辐射的电磁波的强度和输出占空比中的至少一者调整为使得所述第二温度相关值变成落入所述预定范围内的值。
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