JP2008247084A - ハイブリッド車両の触媒昇温装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱するパワーモジュールの熱を触媒暖機に有効的に使用する。
【解決手段】ＥＣＵは、エンジンが始動すると（Ｓ１０００にてＹＥＳ）、触媒温度Ｔを検出するステップ（Ｓ１１００）、触媒昇温が必要であると判断されると（Ｓ１２００にてＹＥＳ）、触媒外表面に接するように設けられた耐熱性の高いパワーモジュールを低効率で駆動するように指令信号を出力するステップ（Ｓ１３００）と、パワーモジュールと耐熱性の低い電気部品との間に設けられた冷却水配管に冷却水を流さないように冷却系統の切換弁に閉弁指令信号を出力するステップ（Ｓ１４００）とを含む、プログラムを実行する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ハイブリッド車両に搭載されたエンジンの触媒に関し、特に、排気ガスエミッションを悪化させることを回避するために、ハイブリッド車両に搭載されたパワーモジュールの熱を有効利用する技術に関する。

一般的にエンジンの排気ガス系には、排気ガス中の特定成分を浄化するための触媒コンバータが設けられている。この触媒コンバータとして、三元触媒コンバータが広く使用されており、これは排気ガス中の特定の三成分である一酸化炭素（ＣＯ）および未燃焼の炭化水素（ＨＣ）を酸化するとともに酸化窒素（ＮＯｘ）を還元して、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、および窒素（Ｎ₂）に変換させるものである。

この三元触媒コンバータに含まれる触媒は、低温では機能が低下して、冷間始動時において、早期に触媒の温度を上昇させないと、燃焼が不安定で上述した特定の三成分を多く含む排気ガスが浄化できないという問題がある。

また、燃料の燃焼エネルギーで作動するエンジンと、電気エネルギーで作動するモータとを車両走行時の動力源として備えているとともに、その動力源と駆動輪との間に自動変速機（動力分割機構を含む）が設けられているハイブリッド車両が実用化されている。このようなハイブリッド車両においては、たとえば運転状態に応じてエンジンとモータとを使い分けて走行することにより、所定の走行性能を維持しつつ燃料消費量や排出ガス量を低減できる。具体的には、エンジンのみを動力源として走行するエンジン走行モード、モータのみを動力源として（エンジンを停止して）走行するモータ走行モード、エンジンおよびモータの両方を動力源として走行するエンジン＋モータ走行モードなど、エンジンおよびモータの作動状態が異なる複数の運転モードを備えており、車速（または動力源回転数）およびアクセル操作量などの運転状態をパラメータとする動力源マップ等の予め定められたモード切換条件に従って自動的に切り換えられるようになっている。すなわち、車両が走行していてもエンジンが間欠運転される状態が発生する。

なお、これ以外にも、シリーズ（直列）型といわれる、駆動輪をモータのみで回転させてエンジンは発電機を介してモータへの電力供給源として作動するもので、エンジン発電機付き電気自動車ともいえるハイブリッド車両がある。また、パラレル（並列）型といわれる、エンジンおよびモータの双方で車輪を直接駆動し、モータはエンジンの動力のアシストを行なうとともに発電機としてバッテリを充電しながら走行することが可能なハイブリッド車両もある。

特開２００６−１３２３９４号公報（特許文献１）は、コストの増加を抑えつつ、効率よく確実に排気ガスを浄化することができるシリーズ式ハイブリット車両の排気ガス浄化装置を開示する。このシリーズ式ハイブリット車両の排気ガス浄化装置は、内燃機関により駆動される発電機と、発電機の出力によってインバータを介して充電される走行用のバッテリと、バッテリからインバータを介して電力が供給されるモータとを備えたシリーズ式ハイブリッド車両において、内燃機関の排気ガス経路に設けられた排気ガス浄化手段と、内燃機関の停止時に、バッテリからインバータを介して電力が供給されることにより排気ガス浄化手段の温度を上げる昇温手段とを備えたことを特徴とする。さらに、排気ガス浄化手段は前段に酸化触媒が配設され、後段に排気ガス中のパティキュレート・マターを捕集するフィルタが配設されて構成されたことを特徴とする。さらに、フィルタはコーディライト製フィルタであり、昇温手段はフィルタの周囲に設けられ電力が供給されることで発熱するヒータであることを特徴とする。

このシリーズ式ハイブリット車両の排気ガス浄化装置によると、シリーズ式ハイブリット車両の内燃機関の排気ガス経路に設けられた排気ガス浄化装置を、内燃機関が停止中に走行用のバッテリからインバータを介して電力を昇温手段に供給し昇温させる。さらに、排気ガス浄化装置を所謂連続再生式フィルタとすることで、前段酸化触媒により排ガス中の炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に変化させるとともに、ＮＯｘ中の一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ₂）に効率よく変化させ、一時的にＮＯ₂濃度を高め、後段のフィルタによりＰＭを捕集し、捕集したＰＭを前段で生成されたＮＯ₂で燃焼させる。さらに、フィルタを通電性のないコーディライトフィルタとするときには、コーディライトフィルタの周囲にヒータを設け、このヒータに電力を供給し発熱させることでコーディライトフィルタを昇温させることとしている。
特開２００６−１３２３９４号公報

ところで、ハイブリッド車両に搭載される、サイリスタやパワートランジスタ等の電子部品の性能の向上は著しく、それに対応して電子部品（発熱素子）からの発熱量が大きくなっている。一方、たとえば誘導電動機と直流バッテリとを搭載するハイブリッド車両（電気自動車や燃料電池車両を含む）ではインバータにより電力変換を行なって、直流バッテリから誘導電動機に電力を供給している。電動機の定格出力の上昇に伴い、このようなインバータ等の電子部品の発熱量も上昇し、十分な冷却対策が必要になっている。

車両においては、特に、電子部品の小型かつ薄型が要求されており、そのような要求のもとでも動作の安定を保つために、発生する大きな熱量を外部へ速やかに放出するための冷却装置の位置付けが非常に重要になってきている。このような電子部品の冷却には、ヒートシンク、空冷ファン、ヒートパイプ、水冷ユニット等が単独または組み合わられて使用されている。特に発熱が大きい場合には、水冷ユニットが用いられている。

このように、ＰＣＵ（Power Control Unit）に搭載される、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの電子部品（以下、これらの冷却が必要な電子部品をパワーモジュールと記載する場合がある）が冷却される。

すなわち、このようなパワーモジュールの熱は、パワーモジュールと液冷媒（冷却水）との間で熱交換されて、液冷媒は放熱器（ラジエーター）において空気との間で熱交換されて、結局、パワーモジュールの熱は廃棄されてしまっている。

しかしながら、上述した特許文献１においても、インバータを介してヒータに電力が供給されてフィルタを昇温させているに過ぎず、インバータのパワーモジュールからの発熱は有効的に利用されているわけではない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、発熱するパワーモジュールの熱を触媒暖機に有効的に使用可能な、ハイブリッド車両の触媒昇温装置を提供することである。

第１の発明に係るハイブリッド車両の触媒昇温装置は、内燃機関の排気ガスを浄化する触媒浄化機構と、触媒浄化機構の外表面に接するように設けられ、触媒活性温度以上の耐熱性を有するとともに通電により発熱する電気機器とを含む。

第１の発明によると、内燃機関の排気ガスを浄化する触媒浄化機構は、触媒活性温度以下においては、十分に排気ガスを浄化できない。通常は、点火遅角、燃料噴射量増量等により排気ガス温度を上昇させて触媒浄化機構の温度を上昇させる。ハイブリッド車両においてはモータのみで走行中に内燃機関が始動されることがある。このような場合であって、特に、始動直後から高負荷が内燃機関に要求されると、触媒浄化機構の温度が活性温度以下のままであるときに多くの排気ガスが十分に浄化されないまま大気に放出される。一方、モータのみで走行しているときにはパワーモジュールを含むインバータ等の電気機器が駆動されており、このパワーモジュールが通電により発熱している。この電気機器は、触媒活性温度以上の耐熱性を有する。この電気機器が、触媒浄化機構の外表面に接するように設けられている。このため、通電されることにより発熱した電気機器の熱が触媒浄化機構の外表面を介して触媒を昇温させる。この電気機器は、触媒活性温度以上の耐熱性を有するので、触媒が活性化した（たとえば６００℃程度の高温になった）後であっても、機能が低下したり、熱により破損したりしない。その結果、発熱するパワーモジュールの熱を触媒暖機に有効的に使用可能な、ハイブリッド車両の触媒昇温装置を提供することができる。

第２の発明に係るハイブリッド車両の触媒昇温装置においては、第１の発明の構成に加えて、電気機器は、モータジェネレータへの電力供給を制御する機器である。

第２の発明によると、電気機器としてハイブリッド車両に搭載され、モータジェネレータへの電力供給を制御するインバータ装置、コンバータ装置等は、触媒活性温度以上の耐熱性を有する。この電気機器が、触媒浄化機構の外表面に接するように設けられている。このため、通電されることにより発熱した、モータジェネレータへの電力供給を制御する機器の熱が触媒浄化機構の外表面を介して触媒を昇温させる。この電気機器は、触媒活性温度以上の耐熱性を有するので、触媒が活性化した（たとえば６００℃程度の高温になった）後であっても、機能が低下したり、熱により破損したりしない。

第３の発明に係るハイブリッド車両の触媒昇温装置においては、第１または２の発明の構成に加えて、電気機器は、インバータ装置であって、インバータ装置は、触媒活性温度以上の耐熱性を有するとともに発熱するパワーモジュールと、パワーモジュールよりも耐熱性に劣る電気部品とを含み、触媒浄化機構の外表面にパワーモジュールが接するように、外表面に電気部品が接しないように設けられる。

第３の発明によると、電気機器としてハイブリッド車両に搭載されるインバータ装置は、パワーモジュール（触媒活性温度以上の耐熱性を有する）と、パワーモジュールよりも耐熱性に劣る（触媒活性温度以上の耐熱性を有しないといえる）電気部品とから構成される。このパワーモジュールを触媒浄化機構の外表面に接するように、電気機器を触媒浄化機構の外表面に接しないように、それぞれ設けたので、電気機器の一部に耐熱性の低い電気部品を含んでいても、発熱するパワーモジュールの熱を触媒暖機に有効的に使用可能な、ハイブリッド車両の触媒昇温装置を提供することができる。

第４の発明に係るハイブリッド車両の触媒昇温装置は、第３の発明の構成に加えて、パワーモジュールと電気部品との間に設けられた断熱部材をさらに含む。

第４の発明によると、パワーモジュールと、パワーモジュールよりも耐熱性に劣る電気部品との間に断熱材（非積極的に断熱するグラスウール等や、積極的に断熱する冷却水通路や冷却風通路等）を設けた。このため、パワーモジュールを触媒浄化機構の外表面に接するように設けても、触媒浄化機構からパワーモジュールを介して耐熱性の低い電気部品に触媒浄化装置の熱が伝達されることを断熱材により回避できる。

第５の発明に係るハイブリッド車両の触媒昇温装置においては、第４の発明の構成に加えて、断熱部材は、放熱器に接続され冷却水が循環する冷却水配管である。

第５の発明によると、パワーモジュールと、パワーモジュールよりも耐熱性に劣る電気部品との間に冷却水配管を設けた。この冷却水配管には放熱器で冷却（放熱）された冷却水が循環される。このため、パワーモジュールを触媒浄化機構の外表面に接するように設けても、断熱材により触媒浄化機構からパワーモジュールを介して耐熱性の低い電気部品に触媒浄化装置の熱が伝達されることをより確実に回避できる。

第６の発明に係るハイブリッド車両の触媒昇温装置は、第５の発明の構成に加えて、内燃機関の始動後において、触媒浄化機構の暖機が必要であるか否かを判断するための手段と、暖機が必要であると判断されると、冷却水配管の冷却水が放熱器に流れないように冷却水配管に設けられた切換弁を制御するための手段とをさらに含む。

第６の発明によると、パワーモジュールと電気部品との間に設けられた冷却水配管には、触媒暖機が必要であると判断されると、冷却水配管の冷却水が放熱器に流れない。このため、パワーモジュールの熱が冷却水で冷却されることなく、パワーモジュールの発熱により触媒浄化機構を昇温させることができる。

第７の発明に係るハイブリッド車両の触媒昇温装置は、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、内燃機関の始動後において、触媒浄化機構の暖機が必要であるか否かを判断するための手段と、暖機が必要であると判断されると、電気機器を低効率で作動させるように、電気機器を制御するための手段とをさらに含む。

第７の発明によると、触媒暖機が必要であると判断されると、電気機器を低効率で作動させる。このため、電気機器からの発熱量が増加する。これにより、パワーモジュールからの発熱量がより多くなるので、パワーモジュールの発熱により触媒浄化機構をより速やかに昇温させることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。なお、以下においては、三元触媒コンバータ触媒を２つ備えたエンジンについて説明するが、１個以上の三元触媒コンバータを備えるエンジンであれば構わない。また、発熱する（逆にいえば冷却が必要な）パワーモジュールを備えた車両であればハイブリッドの方式も限定されない。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係る触媒昇温装置を含む、ハイブリッド車両全体の制御ブロック図を説明する。なお、本発明は図１に示すハイブリッド車両に限定されない。本発明は、動力源としての、たとえばガソリンエンジン等の内燃機関（以下、エンジンとして説明する）が、車両を走行させる駆動源であって、かつ、ジェネレータの駆動源であればよい。さらに、駆動源がエンジンおよびモータジェネレータであって、モータジェネレータの動力により走行可能な車両であって、走行中にエンジンを停止させる場合がある、走行用のバッテリを搭載した他の態様を有するハイブリッド車両であってもよい。このバッテリは、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などであって、その種類は特に限定されるものではない。また、バッテリの代わりにキャパシタでも構わない。

ハイブリッド車両は、エンジン１２０と、モータジェネレータ（ＭＧ）１４０とを含む。なお、以下においては、説明の便宜上、モータジェネレータ１４０を、モータジェネレータ１４０Ａ（またはＭＧ（２）１４０Ａ）と、モータジェネレータ１４０Ｂ（またはＭＧ（１）１４０Ｂ）と表現するが、ハイブリッド車両の走行状態に応じて、モータジェネレータ１４０Ａがジェネレータとして機能したり、モータジェネレータ１４０Ｂがモータとして機能したりする。このモータジェネレータがジェネレータとして機能する場合に回生制動が行なわれる。モータジェネレータがジェネレータとして機能するときには、車両の運動エネルギが電気エネルギに変換されて、車両が減速される。

ハイブリッド車両は、この他に、エンジン１２０やモータジェネレータ１４０で発生した動力を駆動輪１６０に伝達したり、駆動輪１６０の駆動をエンジン１２０やモータジェネレータ１４０に伝達したりする減速機１８０と、エンジン１２０の発生する動力を駆動輪１６０とモータジェネレータ１４０Ｂ（ＭＧ（１）１４０Ｂ）との２経路に分配する動力分割機構（たとえば、後述する遊星歯車機構）２００と、モータジェネレータ１４０を駆動するための電力を充電する走行用バッテリ２２０と、走行用バッテリ２２０の直流とモータジェネレータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）およびモータジェネレータ１４０Ｂ（ＭＧ（１）１４０Ｂ）の交流とを変換しながら電流制御を行なうインバータ２４０と、走行用バッテリ２２０の充放電状態（たとえば、ＳＯＣ（State Of Charge））を管理制御するバッテリ制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵ（Electronic Control Unit）という）２６０と、エンジン１２０の動作状態を制御するエンジンＥＣＵ２８０と、ハイブリッド車両の状態に応じてモータジェネレータ１４０およびバッテリＥＣＵ２６０、インバータ２４０等を制御するＭＧ＿ＥＣＵ３００と、バッテリＥＣＵ２６０、エンジンＥＣＵ２８０およびＭＧ＿ＥＣＵ３００等を相互に管理制御して、ハイブリッド車両が最も効率よく運行できるようにハイブリッドシステム全体を制御するＨＶ＿ＥＣＵ３２０等を含む。

本実施の形態において、走行用バッテリ２２０とインバータ２４０との間には昇圧コンバータ２４２が設けられている。これは、走行用バッテリ２２０の定格電圧が、モータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）やモータジェネレータ１４０Ｂ（ＭＧ（１）１４０Ｂ）の定格電圧よりも低いので、走行用バッテリ２２０からモータジェネレータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）やモータジェネレータ１４０Ｂ（ＭＧ（１）１４０Ｂ）に電力を供給するときには、昇圧コンバータ２４２で電力を昇圧する。

なお、図１においては、各ＥＣＵを別構成としているが、２個以上のＥＣＵを統合したＥＣＵとして構成してもよい（たとえば、図１に、点線で示すように、ＭＧ＿ＥＣＵ３００とＨＶ＿ＥＣＵ３２０とを統合したＥＣＵとすることがその一例である）。

動力分割機構２００は、エンジン１２０の動力を、駆動輪１６０とモータジェネレータ１４０Ｂ（ＭＧ（１）１４０Ｂ）との両方に振り分けるために、遊星歯車機構（プラネタリーギヤ）が使用される。モータジェネレータ１４０Ｂ（ＭＧ（１）１４０Ｂ）の回転数を制御することにより、動力分割機構２００は無段変速機としても機能する。エンジン１２０の回転力はキャリア（Ｃ）に入力され、それがサンギヤ（Ｓ）によってモータジェネレータ１４０Ｂ（ＭＧ（１）１４０Ｂ）に、リングギヤ（Ｒ）によってモータジェネレータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）および出力軸（駆動輪１６０側）に伝えられる。回転中のエンジン１２０を停止させる時には、エンジン１２０が回転しているので、この回転の運動エネルギをモータジェネレータ１４０Ｂ（ＭＧ（１）１４０Ｂ）で電気エネルギに変換して、エンジン１２０の回転数を低下させる。

図１に示すようなハイブリッドシステムを搭載するハイブリッド車両においては、車両の状態について予め定められた条件が成立すると、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、モータジェネレータ１４０のモータジェネレータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）のみによりハイブリッド車両の走行を行なうようにモータジェネレータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）およびエンジンＥＣＵ２８０を介してエンジン１２０を制御する。たとえば、予め定められた条件とは、走行用バッテリ２２０のＳＯＣが予め定められた値以上であるという条件等である。このようにすると、発進時や低速走行時等であってエンジン１２０の効率が悪い場合に、モータジェネレータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）のみによりハイブリッド車両の走行を行なうことができる。この結果、走行用バッテリ２２０のＳＯＣを低下させることができる（その後の車両停止時に走行用バッテリ２２０を充電することができる）。

また、通常走行時には、たとえば動力分割機構２００によりエンジン１２０の動力を２経路に分け、一方で駆動輪１６０の直接駆動を行ない、他方でモータジェネレータ１４０Ｂ（ＭＧ（１）１４０Ｂ）を駆動して発電を行なう。この時、発生する電力でモータジェネレータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）を駆動して駆動輪１６０の駆動補助を行なう。また、高速走行時には、さらに走行用バッテリ２２０からの電力をモータジェネレータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）に供給してモータジェネレータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）の出力を増大させて駆動輪１６０に対して駆動力の追加を行なう。一方、減速時には、駆動輪１６０により従動するモータジェネレータ１４０Ａ（ＭＧ（２）１４０Ａ）がジェネレータとして機能して回生発電を行ない、回収した電力を走行用バッテリ２２０に蓄える。なお、走行用バッテリ２２０の充電量が低下し、充電が特に必要な場合には、エンジン１２０の出力を増加してモータジェネレータ１４０Ｂ（ＭＧ（１）１４０Ｂ）による発電量を増やして走行用バッテリ２２０に対する充電量を増加する。

また、走行用バッテリ２２０の目標ＳＯＣはいつ回生が行なわれてもエネルギーが回収できるように、通常は６０％程度に設定される。また、ＳＯＣの上限値と下限値とは、走行用バッテリ２２０のバッテリの劣化を抑制するために、たとえば、上限値を８０％とし、下限値を３０％として設定され、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０は、ＭＧ＿ＥＣＵ３００を介してＳＯＣが上限値および下限値を越えないようにモータジェネレータ１４０による発電や回生、モータ出力を制御している。なお、ここで挙げた値は、一例であって特に限定される値ではない。

図２を参照して、動力分割機構２００についてさらに説明する。動力分割機構２００は、サンギヤ（Ｓ）２０２と（以下、単にサンギヤ２０２と記載する）、ピニオンギヤ２０４と、キャリア（Ｃ）２０６（以下、単にキャリア２０６と記載する）と、リングギヤ（Ｒ）２０８（以下、単にリングギヤ２０８と記載する）とを含む遊星歯車から構成される。

ピニオンギヤ２０４は、サンギヤ２０２およびリングギヤ２０８と係合する。キャリア２０６は、ピニオンギヤ２０４が自転可能であるように支持する。サンギヤ２０２はＭＧ（１）１４０Ｂの回転軸に連結される。キャリア２０６はエンジン１２０のクランクシャフトに連結される。リングギヤ２０８はＭＧ（２）１４０Ａの回転軸および減速機１８０に連結される。

エンジン１２０、ＭＧ（１）１４０ＢおよびＭＧ（２）１４０Ａが、遊星歯車からなる動力分割機構２００を介して連結されることで、エンジン１２０、ＭＧ（１）１４０ＢおよびＭＧ（２）１４０Ａの回転数は、共線図において直線で結ばれる関係になる。

図３を参照して、このハイブリッド車両に搭載されたエンジン１２０について説明する。図３に示すように、エンジン１２０には、吸気系１１５２と、第１の三元触媒コンバータ１２００および第２の三元触媒コンバータ１３００を含む排気ガス系１１５４とが、接続されている。なお、三元触媒コンバータは、２個に限定されないで１個以上であれば構わない。

吸気系１１５２は、吸気通路１１１０と、エアクリーナ１１１８と、エアーフローメータ１１０４と、スロットルモータ１１１４Ａと、スロットルバルブ１１１２と、スロットルポジションセンサ１１１４Ｂとを含む。

エアクリーナ１１１８から吸気された空気は、吸気通路１１１０を通り、エンジン１２０に流通する。吸気通路１１１０の途中には、スロットルバルブ１１１２が設けられる。スロットルバルブ１１１２は、エンジンＥＣＵ２８０からの制御信号に基づいて動作するスロットルモータ１１１４Ａにより所望の空気量がエンジン１２０に供給されるように開閉される。このとき、スロットルバルブ１１１２の開度は、スロットルポジションセンサ１１１４Ｂにより検出することが可能である。エアクリーナ１１１８とスロットルバルブ１１１２との間における吸気通路には、エアーフローメータ１１０４が設けられており、吸入された空気量を検出する。エアーフローメータ１１０４は、吸入吸気量信号としてエンジンＥＣＵ２８０に送信する。

エンジン１２０は、冷却水通路１１２２と、シリンダブロック１１２４と、インジェクタ１１２６と、ピストン１１２８と、クランクシャフト１１３０と、水温センサ１１０６と、クランクポジションセンサ１１３２とを含む。

シリンダブロック１１２４の気筒数に対応した数のシリンダ内には、それぞれピストン１１２８が設けられる。ピストン１１２８上部の燃焼室に吸気通路１１１０を通って、インジェクタ１１２６から噴射された燃料と吸気された空気との混合気が導入されて、点火時期が制御された点火プラグの点火により燃焼する。燃焼が生じると、ピストン１１２８が押し下げられる。このとき、ピストン１１２８の上下運動は、クランク機構を介して、クランクシャフト１１３０の回転運動に変換される。なお、エンジン１２０の回転数ＮＥは、クランクポジションセンサ１１３２により検出された信号に基づいてエンジンＥＣＵ２８０が検出する。

シリンダブロック１１２４内には、冷却水通路１１２２が設けられており、ウォータポンプ（図示せず）の作動により、冷却水が循環する。この冷却水通路１１２２内の冷却水は、冷却水通路１１２２に接続されたラジエータ（図示せず）へと流通して冷却ファン（図示せず）により放熱される。冷却水通路１１２２の通路上には水温センサ１１０６が設けられており、冷却水通路１１２２内の冷却水の温度を検出する。水温センサ１１０６は、検出した水温を、エンジン冷却水温の検出信号としてエンジンＥＣＵ２８０に送信する。

排気ガス系１１５４は、排気ガス通路１１０８と、エンジン１２０の熱による昇温を図るために、たとえばエンジン１２０のエキゾーストマニホールドと一体的に構成された第１の三元触媒コンバータ１２００と、たとえばアンダーフロアに設けられた第２の三元触媒コンバータ１３００とを含む。これらの第１の三元触媒コンバータ１２００の上流側および第２の三元触媒コンバータ１３００の上流側（第１の三元触媒コンバータ１２００の下流側）にそれぞれ空燃比センサが設けられる。さらに、これらの第１の三元触媒コンバータ１２００および第２の三元触媒コンバータ１３００の温度を検出する温度センサ（図示せず）が設けられている。

このように、エンジン１２０の排気ガス側に接続された排気ガス通路１１０８は、第１の三元触媒コンバータ１２００および第２の三元触媒コンバータ１３００に接続されている。すなわち、エンジン１２０において燃焼室内の混合気の燃焼により生じる排気ガスは、まず、第１の三元触媒コンバータ１２００に流入する。第１の三元触媒コンバータ１２００に流入した排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯは、第１の三元触媒コンバータ１２００において酸化される。また、第１の三元触媒コンバータ１２００に流入した排気ガス中に含まれるＮＯｘは、第１の三元触媒コンバータ１２００において、還元される。この第１の三元触媒コンバータ１２００は、エンジン１２０の近くに設置され（上述したように、エキゾーストマニホールドと一体化される場合もある）、エンジン１２０の冷間始動時においても速やかに昇温されて触媒機能を発現する。

さらに、排気ガスは、その浄化を目的として、第１の三元触媒コンバータ１２００から第２の三元触媒コンバータ１３００に送られる。この第１の三元触媒コンバータ１２００と第２の三元触媒コンバータ１３００とは、基本的には同じ構造および機能を有するものである。

第１の三元触媒コンバータ１２００の上流側に設けられた第１の空燃比センサ１２１０、第１の三元触媒コンバータ１２００の下流側であって第２の三元触媒コンバータ１３００の上流側に設けられた第２の空燃比センサ１３１０は、第１の三元触媒コンバータ１２００または第２の三元触媒コンバータ１３００を通過する排気ガス中に含まれる酸素の濃度を検出する。酸素の濃度を検出することにより、排気ガス中に含まれる燃料と空気との比、いわゆる空燃比を検出することができる。

第１の空燃比センサ１２１０および第２の空燃比センサ１３１０は、排気ガス中の酸素濃度に応じた電流を発生させる。この電流は、たとえば電圧に変換されてエンジンＥＣＵ２８０に入力される。したがって、第１の空燃比センサ１２１０の出力信号から第１の三元触媒コンバータ１２００の上流における排気ガスの空燃比を検出することができ、第２の空燃比センサ１３１０の出力信号から第２の三元触媒コンバータ１３００の上流における排気ガスの空燃比を検出することができる。これらの第１の空燃比センサ１２１０および第２の空燃比センサ１３１０は、空燃比がリーンのときには、たとえば０．１Ｖ程度の電圧を発生し、空燃比がリッチのときには０．９Ｖ程度の電圧を発生するものである。これらの値に基づいて空燃比に換算した値と、空燃比のしきい値とを比較して、エンジンＥＣＵ２８０による空燃比制御が行なわれる。

第１の三元触媒コンバータ１２００および第２の三元触媒コンバータ１３００は、空燃比がほぼ理論空燃比のときにＨＣ、ＣＯを酸化しつつＮＯｘを還元する機能、すなわちＨＣ、ＣＯおよびＮＯｘを同時に浄化する機能を特徴とする。

本実施の形態に係る触媒昇温装置は、インバータ２４０の構成部品であって、発熱するとともに、耐熱性の優れた（たとえば６００℃）パワーモジュール２４０Ａを第１の三元触媒コンバータ１２００の外表面に接するように設けた構成を有する。すなわち、耐熱性の高い、４Ｈ−ＳｉＣや６Ｈ−ＳｉＣをデバイス素材とした、高密度熱損失（たとえば１ｋＷ／ｃｍ²）のパワーモジュール２４０Ａを、第１の三元触媒コンバータ１２００の外表面に接して配置して、パワーモジュール２４０Ａから第１の三元触媒コンバータ１２００への熱伝達により、第１の三元触媒コンバータ１２００を昇温させる。なお、図３においては、第１の三元触媒コンバータ１２００のみに本実施の形態に係る触媒昇温装置を配置しているが、第２の三元触媒コンバータ１３００にも、あるいは、第２の三元触媒コンバータ１３００のみに本実施の形態に係る触媒昇温装置を配置することも可能である。

インバータ２４０は、上述したパワーモジュール２４０と、パワーモジュール２４０以外の耐熱性が低い他のインバータ部品２４０Ｂとから構成される。インバータ部品２４０Ｂは、耐熱性がないので、第１の触媒コンバータ１２００が高温になってもその熱伝達による影響を受けないように断熱部を備える。本実施の形態においては、この断熱部として、冷却水配管２４０Ｃを設けた。このような冷却水配管２４０Ｃを、パワーモジュール２４０Ａとインバータ部品２４０Ｂとの間に設けることにより、インバータ部品２４０Ｂが高温になることを回避できるとともに、触媒昇温後において第１の触媒コンバータ１２００がパワーモジュール２４０Ａの耐熱温度を上回るまで高温になる場合には、パワーモジュール２４０Ａ自体を冷却することもでき、パワーモジュール２４０Ａが過度に温度上昇することを回避できる。なお、断熱部としては、冷却水通路に代えて、断熱材であるグラスウール等や、冷却風通路等であっても構わない。

なお、このパワーモジュール２４０Ａは、たとえばゲート電圧を低電圧にするように指令して低効率で駆動させることにより、発熱量を増加させることができ、第１の三元触媒コンバータ１２００の昇温をより早めることができる。逆に、第１の三元触媒コンバータ１２００の昇温が完了すれば、パワーモジュール２４０Ａを通常の効率で駆動させるようにすれば過度の発熱を回避できる。

触媒昇温装置を構成する、インバータ２４０（パワーモジュール２４０Ａ、インバータ部品２４０Ｂ）以外の構成として、上述した冷却水配管２４０Ｃ、放熱器であるラジエーター２４０Ｆ、冷却水配管２４０Ｃとラジエーター２４０Ｆとを接続するラジエーター行き配管２４０Ｅ、ラジエーター２４０Ｆと冷却水配管２４０Ｃとを接続するラジエーター戻り配管２４０Ｇ、ラジエーター行き配管２４０Ｅに設けられた切換弁２４０Ｄとがある。切換弁２４０Ｄは、この触媒昇温装置を制御するエンジンＥＣＵ２８０により、冷却水配管２４０Ｃとラジエーター行き配管２４０Ｅとを連通状態および非連通状態のいずれかの状態に切換えられる。すなわち、冷却水配管２４０Ｃで積極的に、パワーモジュール２４０Ａおよび／またはインバータ部品２４０Ｂを冷却する必要がある場合（第１の三元触媒コンバータ１２００の昇温が終わった場合）、切換弁２４０Ｄを開いて冷却水配管２４０Ｃとラジエーター行き配管２４０Ｅとを連通状態として、ラジエーター２４０Ｆで冷却水の温度を低下させる。一方、冷却水配管２４０Ｃで積極的に、パワーモジュール２４０Ａおよび／またはインバータ部品２４０Ｂを冷却する必要がない場合（第１の三元触媒コンバータ１２００の昇温が終わっていない場合）、切換弁２４０Ｄを閉じて冷却水配管２４０Ｃとラジエーター行き配管２４０Ｅとを非連通状態として、ラジエーター２４０Ｆに冷却水を流さないで、冷却水の温度を低下させない。なお、切換弁２４０Ｄを開いて冷却水配管２４０Ｃとラジエーター行き配管２４０Ｅとを連通状態においては、図示しないウォーターポンプにより冷却水が循環される。

このような本実施の形態に係る触媒昇温装置の制御装置（エンジンＥＣＵ２８０として上述した）は、デジタル回路やアナログ回路の構成を主体としたハードウェアでも、ＥＣＵに含まれるＣＰＵ（Central Processing Unit)およびメモリとメモリから読み出されてＣＰＵで実行されるプログラムとを主体としたソフトウェアでも実現することが可能である。一般的に、ハードウェアで実現した場合には動作速度の点で有利で、ソフトウェアで実現した場合には設計変更の点で有利であると言われている。以下においては、ソフトウェアとして制御装置を実現した場合を説明する。なお、このようなプログラムを記録した記録媒体についても本発明の一態様である。

図４を参照して、本実施の形態に係る触媒昇温装置を制御する制御装置を実現するために、エンジンＥＣＵ２８０が実行する、プログラムの制御構造について説明する。なお、このプログラムは、サブルーチンであって、予め定められたサイクルタイムで繰返し実行される。

ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１０００にて、エンジンＥＣＵ２８０は、エンジン１２０が始動をされたか否かを判断する。一般的には、ＨＶ＿ＥＣＵ３２０からのエンジン１２０の作動指令に基づいてエンジンＥＣＵ２８０により、作動を停止しているエンジン１２０がスタータモータによりクランキングされて、空気が吸入されて燃料が噴射され混合気が継続的に着火するとエンジン１２０が始動したと判断される。エンジン１２０が始動したと判断されると（Ｓ１０００にてＹＥＳ）、処理はＳ１１００へ移される。もしそうでないと（Ｓ１０００にてＮＯ）、処理はＳ１０００へ戻され、エンジン１２０が再始動されるまで待つ。なお、Ｓ１０００にてＮＯの場合には、この処理（サブルーチン）を終了させるようにしてもよい。さらに、このＳ１０００でのエンジン１２０の始動の検出には、このハイブリッド車両が走行しているか否かにかかわらず実行されるとともに、エンジン１２０が一時的に停止していた後の再始動されたときの検出を含む。また、サブルーチンであるので、エンジン１２０の始動後もこのＳ１０００の処理が行われるが、この場合（エンジン１２０が作動し続けている場合）には、Ｓ１０００にてＹＥＳと判断される。

Ｓ１１００にて、エンジンＥＣＵ２８０は、第１の三元触媒コンバータ１２００の温度Ｔを検出する。

Ｓ１２００にて、エンジンＥＣＵ２８０は、第１の三元触媒コンバータ１２００の昇温が必要であるか否かを判断する。たとえば、エンジンＥＣＵ２８０は、第１の三元触媒コンバータ１２００の温度Ｔが低温しきい値以下であると、第１の三元触媒コンバータ１２００の昇温が必要であると判断する。第１の三元触媒コンバータ１２００の昇温が必要であると判断されると（Ｓ１２００にてＹＥＳ）、処理はＳ１３００へ移される。もしそうでないと（Ｓ１２００にてＮＯ）、処理はＳ１５００へ移される。

Ｓ１３００にて、エンジンＥＣＵ２８０は、インバータ２４０のパワーモジュール２４０Ａが低効率で駆動するように、指令信号を出力する。このとき、インバータ２４０はエンジンＥＣＵ２８０が直接制御しているのではなくＭＧ＿ＥＣＵ３００が制御している。このため、エンジンＥＣＵ２８０がＨＶ＿ＥＣＵ３２０を介してＭＧ＿ＥＣＵ３００に、パワーモジュール２４０Ａが低効率で駆動するように、指令信号を出力することになる。

Ｓ１４００にて、エンジンＥＣＵ２８０は、冷却系統の切換弁２４０Ｄに閉弁指令信号を出力する。なお、ウォーターポンプの作動は停止される。その後、この処理は終了する。

Ｓ１５００にて、エンジンＥＣＵ２８０は、インバータ２４０のパワーモジュール２４０Ａが通常効率で駆動するように、指令信号を出力する。このときにもＳ１３００と同様に、インバータ２４０はエンジンＥＣＵ２８０が直接制御しているのではなくＭＧ＿ＥＣＵ３００が制御している。このため、エンジンＥＣＵ２８０がＨＶ＿ＥＣＵ３２０を介してＭＧ＿ＥＣＵ３００に、パワーモジュール２４０Ａが通常効率で駆動するように、指令信号を出力することになる。

Ｓ１６００にて、エンジンＥＣＵ２８０は、冷却系統の切換弁２４０Ｄに開弁指令信号を出力する。なお、ウォーターポンプの作動が開始される。その後、この処理は終了する。

なお、Ｓ１２００にてＹＥＳの場合にはＳ１３００およびＳ１４００の少なくともいずれかを行ない、Ｓ１２００にてＮＯの場合にはＳ１５００およびＳ１６００の少なくともいずれかを行なうようにしても構わない。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る触媒昇温装置を制御する制御装置であるエンジンＥＣＵ２８０により制御されるエンジン１２０の動作について説明する。

［第１の三元触媒コンバータが低温の場合］
エンジン１２０が始動したときに（Ｓ１０００にてＹＥＳ）、第１の三元触媒コンバータ１２００の温度Ｔが検出される（Ｓ１１００）。検出された第１の三元触媒コンバータ１２００の温度Ｔが低温しきい値以下であるので（Ｓ１２００にてＹＥＳ）、第１の三元触媒コンバータ１２００の昇温が必要であると判断される。

第１の三元触媒コンバータ１２００の外表面に密着して設置されたパワーモジュール２４０Ａが低効率で駆動される（Ｓ１３００）。これにより、パワーモジュール２４０Ａがより発熱して、効率的に第１の三元触媒コンバータ１２００を昇温する。

さらに、切換弁２４０Ｄが閉じられて（Ｓ１４００）、インバータ２４０内を貫通している冷却水配管２４０Ｃの冷却水はラジエーター２４０Ｆとの間で循環されない。このため、冷却水配管２４０Ｃの冷却水は、パワーモジュール２４０Ａを冷却しないので、さらにパワーモジュール２４０による発熱は効率的に第１の三元触媒コンバータ１２００に熱伝達される。なお、この場合において、冷却水配管２４０Ｃ内で滞留した冷却水は、インバータ部品２４０Ｂと、パワーモジュール２４０Ａおよび第１の三元触媒コンバータ１２００との間の断熱材として機能する。

このようにして、第１の三元触媒コンバータ１２００を昇温する必要がある場合には、パワーモジュール２４０Ａを低効率で稼動させるとともに冷却水で冷却しない。このため、パワーモジュール２４０Ａで発生した熱はより効率的に第１の三元触媒コンバータ１２００に伝達されて、第１の三元触媒コンバータ１２００を速やかに昇温させることができる。

［第１の三元触媒コンバータが高温の場合］
エンジン１２０が始動したときに（Ｓ１０００にてＹＥＳ）、第１の三元触媒コンバータ１２００の温度Ｔが検出される（Ｓ１１００）。検出された第１の三元触媒コンバータ１２００の温度Ｔが低温しきい値より高いので（Ｓ１２００にてＮＯ）、第１の三元触媒コンバータ１２００の昇温が必要でないと判断される。すなわち、浄化機能を十分に発現できるほどに、第１の三元触媒コンバータ１２００の温度は十分に高い。

第１の三元触媒コンバータ１２００の外表面に密着して設置されたパワーモジュール２４０Ａが通常効率で駆動される（Ｓ１５００）。これにより、パワーモジュール２４０Ａは通常の使用状態で発熱するにとどまる。

さらに、切換弁２４０Ｄが開かれて（Ｓ１６００）、インバータ２４０内を貫通している冷却水配管２４０Ｃの冷却水がラジエーター２４０Ｆとの間で循環されて、冷却水の温度が低下する。このため、冷却水配管２４０Ｃの冷却水は、パワーモジュール２４０Ａおよびインバータ部品２４０Ｂを積極的に冷却するので、たとえ、第１の三元触媒コンバータ１２００が排気ガスによりさらに高温になっていたとしても、パワーモジュール２４０およびインバータ部品２４０Ｂが過度に温度上昇に至ることを回避できる。なお、この場合において、冷却水配管２４０Ｃとラジエーター２４０Ｆとの間で循環する冷却水は、パワーモジュール２４０Ａ自体を冷却するとともに、インバータ部品２４０Ｂと、パワーモジュール２４０Ａおよび第１の三元触媒コンバータ１２００との間の断熱材ならびにインバータ部品２４０Ｂ自体を冷却するものとして機能する。

このようにして、第１の三元触媒コンバータ１２００を昇温する必要がない場合には、パワーモジュール２４０Ａを通常の効率で稼動させるとともに冷却水で冷却する。このため、パワーモジュール２４０Ａ自体が冷却水で積極的に冷却され、高温の第１の三元触媒コンバータ１２００の外表面と接しているパワーモジュール２４０Ａであっても、耐熱温度を越えるまで温度上昇しない。また、元々耐熱性の高くないインバータ部品２４０Ｂが冷却水で積極的に冷却され、耐熱温度を越えるまで温度上昇しない。

以上のようにして、本実施の形態に係る触媒昇温装置によると、
（１）何ら新たな構成を加えることなく、耐熱性の低いインバータ部品の過度の温度上昇を回避しつつ、耐熱性の高いパワーモジュールの廃熱を触媒昇温に用いて、効率的に触媒昇温を実現でき、
（２）触媒昇温を積極的に行なうときには、パワーモジュールの発熱量がより多くなるように低効率で稼動させ、これに加えて／これに代えて、冷却水をラジエーターとの間で循環させないで、パワーモジュールの発熱量を多くして、効率的に触媒を昇温させることができ、
（３）触媒昇温を積極的に行なわないとき（十分に触媒は高温であるとき）には、パワーモジュールを通常効率で稼動させ、これに加えて／これに代えて、冷却水をラジエーターとの間で循環させて、パワーモジュールおよびインバータ部品を積極的に冷却して、これらのパワーモジュールおよびインバータ部品の温度がそれぞれの耐熱温度を越えることがないようにできる。

＜変形例＞
以下、図５を参照して、本実施の形態に係る触媒昇温装置の変形例について説明する。図５は、図３の排気ガス系のみを示した図である。図５の中で図３を同じ構成については同じ参照符号を付してある。それらの機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰り返さない。

本変形例においては、上述した実施の形態に加えて、インバータ部品２４０Ｂのみを冷却する冷却水配管２４００Ｃと、その冷却水配管２４００Ｃおよび冷却水配管２４０Ｃの双方にラジエータ２４０Ｆから冷却水を流さない第１の状態（なお、この第１の状態は、切換弁２４０Ｄを閉じることにより冷却水を循環させないようにしても、ウォーターポンプを作動させないようにしても実現可能である）、その冷却水配管２４００Ｃおよび冷却水配管２４０Ｃの双方にラジエータ２４０Ｆから冷却水を流す第２の状態（なお、この第２の状態においては、切換弁２４０Ｄは開いておりウォーターポンプは作動している）、その冷却水配管２４００Ｃにラジエータ２４０Ｆから冷却水を流し冷却水配管２４０Ｃにラジエータ２４０Ｆから冷却水を流さない第３の状態（なお、この第３の状態においては、切換弁２４０Ｄは開いておりウォーターポンプは作動している）を切換えることができる、三方弁２４００Ｄとを設けた。

たとえば、インバータ部品２４０Ｂのみを冷却する場合には、三方弁２４００Ｄを上記の第３の状態に切換える。パワーモジュール２４０Ａおよびインバータ部品２４０Ｂの双方を冷却する場合には、三方弁２４００Ｄを上記の第２の状態に切換える。パワーモジュール２４０Ａおよびインバータ部品２４０Ｂの双方を冷却しない場合には、三方弁２４００Ｄを上記の第１の状態に切換える。

このような変形例の第３の状態にすることにより、パワーモジュール２４０Ａは触媒昇温のために冷却しないが、インバータ部品２４０Ｂは耐熱性が低いので積極的に冷却するようにできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る触媒昇温装置を含む、ハイブリッド車両全体の制御ブロック図である。 動力分割機構を示す図である。 本発明の実施の形態に係る触媒昇温装置を備えたエンジンの制御ブロック図である。 本発明の実施の形態に係る触媒昇温装置を制御するエンジンＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例に係る触媒昇温装置を備えたエンジンの制御ブロック図である。

符号の説明

１２０ エンジン、１４０ モータジェネレータ、１６０ 駆動輪、１８０ 減速機、２００ 動力分割機構、２２０ 走行用バッテリ、２４０ インバータ、２４２ 昇圧コンバータ、２６０ バッテリＥＣＵ、２８０ エンジンＥＣＵ、３００ ＭＧ＿ＥＣＵ、３２０ ＨＶ＿ＥＣＵ、１１０４ エアーフローメータ、１１０６ 水温センサ、１１０８ 排気ガス通路、１１１０ 吸気通路、１１１２ スロットルバルブ、１１１４Ａ スロットルモータ、１１１４Ｂ スロットルポジションセンサ、１１１８ エアクリーナ、１１２２ 冷却水通路、１１２４ シリンダブロック、１１２６ インジェクタ、１１２８ ピストン、１１３０ クランクシャフト、１１３２ クランクポジションセンサ、１１５２ 吸気系、１１５４ 排気ガス系、１２００ 第１の三元触媒コンバータ、１３００ 第２の三元触媒コンバータ。

Claims (7)

1. ハイブリッド車両の触媒昇温装置であって、前記ハイブリッド車両には触媒による排気の浄化が必要な内燃機関が搭載され、
   前記内燃機関の排気を浄化する触媒浄化機構と、
   前記触媒浄化機構の外表面に接するように設けられ、触媒活性温度以上の耐熱性を有するとともに通電により発熱する電気機器とを含む、ハイブリッド車両の触媒昇温装置。
2. 前記電気機器は、モータジェネレータへの電力供給を制御する機器である、請求項１に記載のハイブリッド車両の触媒昇温装置。
3. 前記電気機器は、インバータ装置であって、
   前記インバータ装置は、触媒活性温度以上の耐熱性を有するとともに発熱するパワーモジュールと、前記パワーモジュールよりも耐熱性に劣る電気部品とを含み、
   前記触媒浄化機構の外表面に前記パワーモジュールが接するように、前記外表面に前記電気部品が接しないように設けられる、請求項１または２に記載のハイブリッド車両の触媒昇温装置。
4. 前記触媒昇温装置は、前記パワーモジュールと前記電気部品との間に設けられた断熱部材をさらに含む、請求項３に記載のハイブリッド車両の触媒昇温装置。
5. 前記断熱部材は、放熱器に接続され冷却水が循環する冷却水配管である、請求項４に記載のハイブリッド車両の触媒昇温装置。
6. 前記触媒昇温装置は、
   前記内燃機関の始動後において、前記触媒浄化機構の暖機が必要であるか否かを判断するための手段と、
   前記暖機が必要であると判断されると、前記冷却水配管の冷却水が放熱器に流れないように前記冷却水配管に設けられた切換弁を制御するための手段とをさらに含む、請求項５に記載のハイブリッド車両の触媒昇温装置。
7. 前記触媒昇温装置は、
   前記内燃機関の始動後において、前記触媒浄化機構の暖機が必要であるか否かを判断するための手段と、
   前記暖機が必要であると判断されると、前記電気機器を低効率で作動させるように、前記電気機器を制御するための手段とをさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載のハイブリッド車両の触媒昇温装置。

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