JP2015052501A - 排気系部品、及びそれを備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、内燃機関からの排気流路に配置するための優れた特性を有する排気系部品、特に延長された使用寿命を有するこれらの排気系部品を提供することを目的とする。【解決手段】内燃機関のための本発明の排気系部品は、自己治癒性セラミック材料、及び自己治癒性セラミック材料を加熱する電気ヒーターを有する。特に本発明の排気系部品は、検出素子（１１１）及び電気ヒーター（１１２）を有する酸素センサー（１１０）であって、この検出素子（１１１）が、固体電解質層、基準側電極層、排気側電極層、自己治癒性セラミック材料で構成されている拡散層及び／又はトラップ層を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のための排気系部品、及びそれを備えた内燃機関に関する。本発明は特に、内燃機関の排気系において用いられる酸素センサー及び電気加熱触媒、並びにそれを備えた内燃機関に関する。

近年、使用中に発生した損傷を自発的に修復できる自己治癒能力を有する材料が開発されている。このような材料は極めて高い機械的信頼性及び長い使用寿命を示し、したがって次世代の構造及び機械材料として期待されている。

自己治癒機能は化学反応により生じる現象であり、自己治癒材料は、化学反応によって治癒を達成するための反応体（以後「治癒発現材料」としても言及する）を母材が内包した複合材の形態である。

具体的には、治癒発現材料の高温酸化を利用した自己治癒性セラミック材料が提案されている（特許文献１〜３）。特に、このような自己治癒性セラミック材料としては、炭化ケイ素等の酸化可能な治癒発現材料の粒子を、セラミック母材中に分散複合させ、セラミック母材に割れが生じたときに、その治癒発現材料が酸化及び膨張して割れを充填することによって自己治癒が起こる、粒子分散型の自己治癒性セラミック材料が提案されている（特許文献３）。

このような自己治癒性セラミック材料は、セラミック材料の大きな問題点、すなわち耐熱性が大きいものの、靭性が小さく、それによって割れに弱いという問題点を克服できる。したがって、自己治癒性セラミック材料は、耐熱性と機械的強度との両方が求められる用途、例えばガスタービン部材、ジェットエンジン部材、自動車用エンジン部材、セラミックスばね材等の用途に関して用いることが考えられている（特許文献１）。

なお、自動車用エンジンのような内燃機関では、様々な箇所でセラミック部品が用いられており、上記のような耐熱性と機械的強度との両方が求められるエンジン部材だけでなく、内燃機関からの排気流路においても、多くのセラミック部品が用いられている。

特開２０１２−１４８９６３号公報 特開平１０−２９１８５３号公報 特開２００９−６７６５９号公報

本発明では、内燃機関からの排気流路に配置するための優れた特性を有する排気系部品、特に延長された使用寿命を有するこれらの排気系部品を提供することを目的とする。

本発明の発明者等は、鋭意検討の結果、下記の本発明に想到した。

〈１〉自己治癒性セラミック材料、及び
上記自己治癒性セラミック材料を加熱する電気ヒーター
を有する、内燃機関のための排気系部品。
〈２〉上記自己治癒性セラミック材料を通して、通電及び／又は気体拡散を行わせる、上記〈１〉項に記載の排気系部品。
〈３〉下記の構成を有する酸素センサーである、上記〈２〉項に記載の排気系部品：
（ａ）酸素伝導性の固体電解質層、
（ｂ）上記固体電解質層の基準側面上に配置されている基準側電極層、
（ｃ）上記固体電解質層の排気側面上に配置されている排気側電極層、
（ｄ）上記排気側電極層上に配置されており、排気が拡散して流通し、かつ上記自己治癒性セラミック材料で構成されている、拡散層及び／又はトラップ層、並びに
（ｅ）固体電解質層の基準側に配置されている上記電気ヒーター。
〈４〉上記電気ヒーターが、上記自己治癒性セラミック材料で構成されている上記拡散層及び／又はトラップ層を５５０℃以上の温度に加熱する、上記〈３〉項に記載の排気系部品。
〈５〉上記酸素センサーが、筒状の上記固体電解質層を有するコップ型の酸素センサーであり、
上記自己治癒性セラミック材料で構成されている上記拡散層及び／又はトラップ層が、少なくとも排気流れ上流側において上記排気側電極層上に配置されている、
上記〈３〉又は〈４〉項に記載の排気系部品。
〈６〉上記酸素センサーが、筒状の上記固体電解質層を有するコップ型の酸素センサーであり、
上記電気ヒーターが、筒状の上記固体電解質層の内側で、排気流れ上流側に偏心して配置されている、
上記〈３〉〜〈５〉項のいずれか一項に記載の排気系部品。
〈７〉下記の構成を有する電気加熱触媒である、上記〈２〉項に記載の排気系部品：
（ａ）上記自己治癒性セラミック材料で構成されている結合材、及び上記結合材によって互いに結合されている導電性骨材粒子を有する、導電性の触媒担持用基材、並びに
（ｂ）上記触媒担持用基材に接触して上記触媒担持用基材に電流を流す電極である、上記電気ヒーター。
〈８〉上記触媒担持用基材がハニカム基材である、上記〈７〉項に記載の排気系部品。
〈９〉上記自己治癒性セラミック材料が、セラミック母材、及び上記セラミック母材中に分散している粒子径１μｍ以下の金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子を有し、かつ
上記導電性骨材粒子が、粒子径５μｍ以上である、
上記〈７〉又は〈８〉項に記載の排気系部品。
〈１０〉上記導電性骨材粒子が炭化ケイ素粒子である、上記〈７〉〜〈９〉項のいずれか一項に記載の排気系部品。
〈１１〉上記自己治癒性セラミック材料が、セラミック母材、及び上記セラミック母材中に分散している金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子を有する、上記〈１〉〜〈１０〉項のいずれか一項に記載の排気系部品。
〈１２〉上記セラミック母材が、アルミナ、ムライト、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、及び窒化アルミニウム、並びにそれらの組合せからなる群より選択される、上記〈１１〉項に記載の排気系部品。
〈１３〉上記金属又は半金属の炭化物の微粒子が、炭化チタン、炭化ケイ素、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化ホウ素、炭化タンタル、炭化タングステン、炭化ハフニウム、炭化クロム、及び炭化ジルコニウム、並びにそれらの組合せからなる群より選択される、上記〈１１〉又は〈１２〉項に記載の排気系部品。
〈１４〉上記金属又は半金属の炭化物の微粒子が、上記セラミック母材に対して、１質量％〜５０質量％の割合で含有されている、上記〈１１〉〜〈１３〉項のいずれか一項に記載の排気系部品。
〈１５〉上記〈１〉〜〈１４〉項のいずれか一項に記載の排気系部品、及び燃焼室を有する、内燃機関。
〈１６〉上記燃焼室での燃焼が行われていないときに、上記電気ヒーターによって上記自己治癒性セラミック材料を加熱する、上記〈１５〉項に記載の内燃機関の制御方法。
〈１７〉上記内燃機関が電気モーターをさらに有し、かつ
上記電気モーターで駆動しており、かつ上記燃焼室での燃焼が行われていないときに、上記電気ヒーターによって上記自己治癒性セラミック材料を加熱する、
上記〈１５〉項に記載の方法。
〈１８〉上記自己治癒性セラミック材料に通電して、上記自己治癒性セラミック材料の導電性を評価することを含む、上記〈１〉〜〈１４〉項のいずれか一項に記載の排気系部品の使用方法。
〈１９〉上記電気ヒーターによって上記自己治癒性セラミック材料を５５０℃以上の温度まで加熱する、上記〈１〉〜〈１４〉項のいずれか一項に記載の排気系部品の使用方法。

内燃機関からの排気流路に配置するための本発明の排気系部品は、優れた特性、特に延長された使用寿命を有することができる。

図１は、本発明のコップ型酸素センサーの１つの態様を示す断面図である。 図２は、図１のコップ型酸素センサーの検出素子（及び図３の平面型酸素センサーの検出素子）の一部の拡大断面図である。 図３は、本発明の平面型酸素センサーの１つの態様を示す断面図である。 図４は、本発明の酸素センサーの拡散層及び／又はトラップ層を概念的に示す断面図である。 図５は、本発明の酸素センサーの拡散層及び／又はトラップ層における自己治癒の効果を概念的に示す断面図である。 図６は、本発明の電気加熱触媒の１つの態様を示す斜視図である。 図７は、本発明の電気加熱触媒の基材における自己治癒の効果を概念的に示す断面図である。

《排気系部品》
内燃機関のための本発明の排気系部品、すなわち内燃機関からの排気流路に配置するための本発明の部品は、自己治癒性セラミック材料、及びこの自己治癒性セラミック材料を加熱する電気ヒーターを有する。

自己治癒性セラミック材料は、治癒発現材料の高温酸化を利用して自己治癒が起こる。しかしながら、内燃機関の排気系においては、必ずしも高温酸化状況を得られない。例えば、燃焼室での燃焼が行なわれているときには、排気系は比較的高温の状況が得られるが、十分な酸化雰囲気が得られない可能性がある。一方、例えば、車両が減速しているときであって燃焼室での燃焼が行なわれていないときには、排気系は酸化雰囲気となるが、十分な高温の状況が得られない可能性がある。

これに対して、内燃機関のための本発明の排気系部品、すなわち内燃機関からの排気流路に配置するための本発明の部品は、自己治癒性セラミック材料、及びこの自己治癒性セラミック材料を加熱する電気ヒーターを有する。これにより、排気系が酸化雰囲気であれば、電気ヒーターによって自己治癒性セラミック材料を加熱することによって、自己治癒性セラミック材料が高温酸化状況とされる。したがって、内燃機関の排気系部品において、治癒発現材料の高温酸化を利用した自己治癒を生じさせることができる。

また、従来、自己治癒性セラミック材料は、通常のセラミック材料に対して改良されているその機械的強度が特に着目されており、したがって耐熱性と機械的強度との両方が求められる用途、例えばガスタービン部材、ジェットエンジン部材、自動車用エンジン部材、セラミックスばね材等の用途に関して用いることが考えられていた。

これに対して本発明では、大きい機械的強度が一般に求められていないと考えられていた排気系部品においても、電気ヒーターを用いて自己治癒性セラミック材料を自己治癒させることによって、延長された使用寿命等の予想外の好ましい効果が得られることを見出した。

具体的には例えば、本発明の排気系部品において自己治癒性セラミック材料を通して、通電及び／又は気体拡散を行わせる態様では、自己治癒性セラミック材料に割れが生じたときにこれを自己治癒させると、その自己治癒の過程において割れが充填されることによって、自己治癒性セラミック材料の割れによる通電及び／又は気体拡散に対する抵抗の変化を、少なくとも部分的に回復させることができる。すなわち、このような態様では、自己治癒性セラミック材料の自己治癒の過程において割れが充填されること、すなわち気体が存在していた空隙を充填することによって、初期の特性に近い特性を長期間にわたって維持することができる。

また、このように自己治癒の程度と、通電に対する抵抗の大きさとはある程度の相関を有することから、自己治癒性セラミック材料に通電して、自己治癒性セラミック材料の導電性を評価することによって、自己治癒性セラミック材料の割れ及び／又は自己治癒の程度等を推測することができる。

なお、自己治癒性セラミック材料による自己治癒は、上記のように、炭化ケイ素等の酸化可能な治癒発現材料が母材中で酸化及び膨張して割れを充填することによって生じるものであり、このようにして生じる酸化物、例えば治癒発現材料が炭化ケイ素である場合の酸化ケイ素は、一般には絶縁性材料であると考えられている。

しかしながら、自己治癒作用によって生じる酸化物は純粋な酸化物ではなく、例えば少なくとも一部は酸炭化物を形成していると考えられ、したがって自己治癒性セラミック材料の割れた部分を満たしている空気等と比較すれば、有意に良好な導電性材料であるということができる。

〈自己治癒性セラミック材料〉
本発明に関して、自己治癒性セラミック材料は、セラミック母材、及びこのセラミック母材中に分散している金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子を有する複合材料であってよい。

この微粒子の粒子径は、粒子径１μｍ以下、粒子径７００ｎｍ以下、又は粒子径５００ｎｍ以下であってよい。また、この微粒子の粒子径は、１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、又は１００ｎｍ以上であってよい。この微粒子の粒子径が比較的小さい場合、この微粒子の酸化による自己治癒性の発現を容易にすることができる。

ここで、本発明において、粒子径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等による観察によって撮影した画像を元に直接に投影面積円相当粒子径を計測し、集合数１００以上からなる粒子群を解析することで、数平均一次粒子径として求めることができる。

セラミック母材は、例えば、アルミナ、ムライト、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、及び窒化アルミニウム、並びにそれらの組合せからなる群より選択される材料であってよい。

金属又は半金属の炭化物の微粒子は、例えば、炭化チタン、炭化ケイ素、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化ホウ素、炭化タンタル、炭化タングステン、炭化ハフニウム、炭化クロム、及び炭化ジルコニウム、並びにそれらの組合せからなる群より選択される材料であってよい。

この微粒子は、セラミック母材に対して、１質量％以上、５質量％以上、又は１０質量％以上の割合で含有されていてよい。また、この割合は、７０質量％以下、５０質量％以下、又は３０質量％以下であってよい。

〈電気ヒーター〉
本発明に関して、自己治癒性セラミック材料を加熱する電気ヒーターは、自己治癒性セラミック材料を、例えば３００℃以上、３５０℃以上、４００℃以上、４５０℃以上、５００℃以上、５５０℃以上、６００℃以上、６５０℃以上、７００℃以上、７５０℃以上、８００℃以上、８５０℃以上、９００℃以上、９５０℃以上、又は１，０００℃以上の温度に加熱する電気ヒーターであってよい。また、この加熱温度は、１，５００℃以下、１，４００℃以下、１，３００℃以下、１，２００℃以下、１，１００℃以下であってよい。

また、本発明に関して電気ヒーターは、それ自身が抵抗加熱によって加熱されてその熱を自己治癒性セラミック材料に移す電気ヒーターであっても、自己治癒性セラミック材料又はそれを含む材料に電流を流して、抵抗加熱によって自己治癒性セラミック材料又はそれを含む材料を直接に加熱する加熱用の電極であってもよい。

《酸素センサー》
１つの態様の本発明の排気系部品は、酸素センサーである。ここで、酸素センサーは、排気の酸素濃度と大気等の安定な基準雰囲気の酸素濃度との差によって起電力を生じさせ、それによって排気の酸素濃度を評価するためのものである。したがって、本発明に関して「酸素センサー」は、下記で示すように酸素濃度の高い基準側から酸素濃度の低い排気側に、酸素伝導性の固体電解質層を介して酸素イオンを伝導させる基本的な酸素センサーだけでなく、固体電解質層の両側に配置された電極にバイアス電圧を印加して、随意に反対方向に酸素イオンを伝導させ、それによって精密な酸素濃度の評価できるようにした酸素センサー、すなわちいわゆる空燃比センサーも包含している。

本発明の酸素センサーは、下記の構成を有する：
（ａ）酸素伝導性の固体電解質層、
（ｂ）固体電解質層の基準側面上に配置されている基準側電極層、
（ｃ）固体電解質層の排気側面上に配置されている排気側電極層、
（ｄ）排気側電極層上に配置されており、排気が拡散して流通し、かつ自己治癒性セラミック材料で構成されている、拡散層及び／又はトラップ層、並びに
（ｅ）固体電解質層の基準側に配置されている電気ヒーター。

この酸素センサーは例えば、図１に示すようなコップ型酸素センサー（１１０）であってよい。このコップ型酸素センサー（１１０）では、固体電解質層、電極層、並びに拡散層及び／又はトラップ層が、先が閉じた筒状の検出素子（１１１）にされており、この筒状の検出素子内に電気ヒーター（１１２）が配置されている。また、この筒状の検出素子（１１１）とその内側の電気ヒーター（１１２）との間には、大気空気のような酸素濃度が安定した基準雰囲気が導入される基準雰囲気室（１１３）が存在する。

また随意に、円筒状部（１１１）の外側には、ステンレス等の金属製のケース（１１４）が存在していてもよい。ここで、このケース（１１４）は、開口部（１１４ａ）を有し、それによってケースの外側（１１５）と内側（１１６）との通気が可能になっている。

検出素子（１１１）は、その一部（１１１ａ）を拡大して示す図２でのように、基準側の電極層（２０１）、固体電解質層（２０２）、排気側の電極層（２０３）、拡散層（２０４）、及びトラップ層（２０５）を有することができる。

この図２に示す検出素子の使用においては、大気等の基準雰囲気（１１３）の酸素濃度と排気（１１６）の酸素濃度との差によって、一方の電極（２０１）側で、酸素（Ｏ_２）が電子（ｅ⁻）を受け取って酸素イオン（２Ｏ⁻）になり、この酸素イオン（２Ｏ⁻）が固体電解質（２０２）中を通って移動し、そして他方の電極（２０３）側で、酸素イオン（２Ｏ⁻）が電子（ｅ⁻）を放出して再び酸素（Ｏ_２）に戻る。酸素濃度の差によるこの一方の電極（２０１）側から他方の電極（２０３）側への酸素イオン（Ｏ⁻）の移動に伴って、電子（ｅ⁻）が反対向きに移動するので、酸素濃度の差は電極間の起電力として評価することができる。

なお、本発明の酸素センサーは例えば、図３に示すような平面型酸素センサー（１２０）であってもよい。この平面型酸素センサー（１２０）では、固体電解質層、電極層、並びに拡散層及び／又はトラップ層が、平面状の検出素子（１２１）にされており、この平面状の検出素子（１２１）と絶縁性ブロック（１２７）との間に、基準雰囲気室（１２３）が形成されており、またこの絶縁性ブロック（１２７）内に電気ヒーター（１２２）が配置されている。基準雰囲気室（１２３）には、大気空気のような酸素濃度が安定した基準雰囲気が導入されるようにされている。

また随意に、平面状の検出素子（１２１）の外側には、ステンレス等の金属製のケース（１２４）が存在していてもよい。ここで、このケース（１２４）は、開口部（１２４ａ）を有し、それによってケースの外側（１２５）と内側（１２６）との通気が可能になっている。

検出素子（１２１）の構成は、その一部（１２１ａ）を拡大して示す図２でのようなものであってよい。図２に示す検出素子の詳細及び使用方法は上記のとおりである。

（電極層）
基準側の電極層（２０１）及び排気側の電極層（２０３）は、任意の金属、特に白金によって形成することができ、固体電解質層（２０２）を少なくとも部分的に基準雰囲気及び排気雰囲気に露出させることができる形状、例えばメッシュ状の形状、又は開口部を有する形状にすることができる。

〈固体電解質層〉
酸素伝導性の固体電解質層（２０２）は、酸素伝導性を示す任意の材料で形成することができ、特に部分安定化ジルコニアによって形成することができる。

〈拡散層及び／又はトラップ層〉
排気が拡散して流通する拡散層（２０４）は、固体電解質層に達する排気の量を制御するためのものであり、また同様に排気が拡散して流通するトラップ層（２０５）は、固体電解質層（２０２）に液体の水が達するのを防ぐためのものである。

排気が拡散して流通する拡散層（２０４）及び／又はトラップ層（２０５）は、図４（ａ）に示すような気孔（４０１）によって通気性を提供する多孔質層であっても、図４（ｂ）に示すような微細な貫通孔（４０２）によって通気性を提供する層であってもよい。

このような拡散層及び／又はトラップ層が自己治癒性セラミック材料で構成されていることによって、使用の間に拡散層及び／又はトラップ層に割れが生じて拡散速度が変化した場合でも、自己治癒性セラミック材料の自己治癒によって、拡散速度の変化を少なくとも部分的に回復させることができる。

例えば、図５で示すように、拡散層（２０４）及び／又はトラップ層（２０５）が、セラミック母材（５０１）、及びセラミック母材中に分散している金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子（５０２）を有する自己治癒性セラミック材料で構成されており、かつ微細な貫通孔（４０２）によって通気性を提供する場合に、このような効果を得ることができる。すなわち、図５（ａ）で示すように、当初はこの貫通孔（４０２）を通る排気の拡散のみが生じていたのが、図５（ｂ）で示すように、使用の間に熱衝撃等によって拡散層及び／又はトラップ層に割れ（５１０）が生じ、それによって拡散速度が変化した場合でも、図５（ｃ）で示すように、自己治癒性セラミック材料の自己治癒によってこの割れを塞ぎ（５１１）、それによって拡散速度の変化を少なくとも部分的に回復させることができる。

なお、本発明の酸素センサーは、拡散層及びトラップ層のいずれかのみを有しても、拡散層及びトラップ層の両方を有してもよい。また、拡散層とトラップ層とが、１つの層として形成されていてもよい。本発明の酸素センサーが拡散層及びトラップ層の両方を有する場合、それらの両方が、自己治癒性セラミック材料で構成されていても、又はいずれかのみが、自己治癒性セラミック材料で構成されていて、他方がアルミナ等の他の材料で構成されていてもよい。

（電気ヒーター）
本発明の排気系部品が酸素センサーである場合、電気ヒーターは、自己治癒性セラミック材料で構成されている拡散層及び／又はトラップ層を５５０℃以上の温度に加熱する電気ヒーターであってよい。

この加熱温度は、６００℃以上、６５０℃以上、７００℃以上、７５０℃以上、８００℃以上、８５０℃以上、９００℃以上、９５０℃以上、又は１，０００℃以上であってよい。また、この加熱温度は、１，５００℃以下、１，４００℃以下、１，３００℃以下、１，２００℃以下、１，１００℃以下であってよい。

従来、酸素センサーで測定精度の安定化等のために電気ヒーター用いる場合、酸素伝導性の固体電解質層を５００℃程度の温度まで加熱することが行われていた。これに対して、本発明の酸素センサーでは、電気ヒーターは、この温度を超える５５０℃以上の温度まで加熱することによって、自己治癒性セラミック材料の自己治癒能力を促進できる。すなわち、酸素センサーが酸素濃度を検出する際に必要とされる温度よりも高い温度まで固体電解質層を加熱することができる。そして、自己治癒性セラミック材料の自己治癒能力を促進するときには、酸素センサーが酸素濃度を検出する際の温度よりも、高い温度まで固体電解質層を加熱する。

《酸素センサー（コップ型）》
酸素センサーである本発明の排気系部品が、筒状の固体電解質層を有するコップ型の酸素センサーである場合、自己治癒性セラミック材料で構成されている拡散層及び／又はトラップ層は、少なくとも排気流れ上流側において、特に排気流れ上流側のみにおいて、排気側電極層上に配置されていてよい。

酸素センサーの排気流れ上流側は、排気中の水分が付着することによって熱衝撃を受け、それによって割れを生じる傾向が比較的大きい。したがって、自己治癒性セラミック材料で構成されている拡散層及び／又はトラップ層が、少なくとも排気流れ上流側に配置されていていることは、このような割れの問題を自己治癒性セラミック材料によって緩和するために好ましい。

また、酸素センサーである本発明の排気系部品が、筒状の固体電解質層を有するコップ型の酸素センサーである場合、電気ヒーターが、筒状の固体電解質層の内側で、排気流れ上流側に偏心して配置されていてよい。

この偏心は例えば、電気ヒーターと筒状の固体電解質層との間の間隔が、排気流れ上流側において、排気流れ下流側よりも狭いことを意味している。すなわち例えば、排気流れ上流側における電気ヒーターと筒状の固体電解質層との間の間隔は、排気流れ下流側における間隔の９０％以下、８０％以下、７０％以下、６０％以下、５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、又は１０％以下であってよい。

上記のように、酸素センサーの排気流れ上流側は、熱衝撃によって割れを生じる傾向が比較的大きい。したがって、電気ヒーターが、筒状の固体電解質層の内側で、排気流れ上流側に偏心して配置されていることは、自己治癒性セラミック材料で構成されている拡散層及び／又はトラップ層の排気流れ上流側を優先的に加熱して、この部分の自己治癒を促進するために好ましい。

《電気加熱触媒》
１つの態様の本発明の排気系部品は、電気加熱触媒である。ここで、電気加熱触媒は、導電性の触媒担持用基材に通電することによってこの基材を加熱し、それによってこの基材に担持されている触媒金属による排気浄化効果を高める触媒である。なお、この触媒金属としては、任意の排気浄化用触媒金属、例えば白金、ロジウム等の貴金属、鉄、銅等の卑金属を用いることができる。

本発明の電気加熱触媒は、下記の構成を有する：
（ａ）自己治癒性セラミック材料で構成されている結合材、及び結合材によって互いに結合されている炭化ケイ素粒子等の導電性骨材粒子を有する、導電性の触媒担持用基材、並びに
（ｂ）触媒担持用基材に接触して触媒担持用基材に電流を流す電極である、電気ヒーター。

この電気加熱触媒は例えば、図６に示すように、触媒担持用基材がハニカム基材（６０１）である電気加熱触媒（６００）であってよい。この場合、電気ヒーターである電極（６０２、６０３）は、ハニカム基材（６０１）の外周面に接触して、このハニカム基材に電流を流し、それによってこのハニカム基材を加熱することができる。なお、ハニカム基材は、いわゆるストレートフロー型のハニカム基材であっても、ウォールフロー型のハニカム基材であってもよい。

このような電気加熱触媒の使用においては、電気ヒーターである電極（６０２、６０３）を介して電源（６２０）からハニカム基材（６０１）に電流を流して、このハニカム基材を加熱する。また、この加熱の後で又は加熱を行いながら、排気を矢印（６１１、６１２）で示すようにして、このハニカム基材に流通させて、ハニカム基材に担持されている触媒によって排気を浄化することができる。

本発明の電気加熱触媒では、自己治癒性セラミック材料が、セラミック母材、及びセラミック母材中に分散している粒子径１μｍ以下の金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子を有し、かつ導電性骨材粒子が、粒子径５μｍ以上であってよい。

これに関して、金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子の粒子径は例えば、１μｍ以下、７００ｎｍ以下、又は５００ｎｍ以下であってよい。また、この微粒子の粒子径は、１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、又は１００ｎｍ以上であってよい。また、導電性骨材粒子の粒子径は、５μｍ以上、１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上、２５μｍ以上、３０μｍ以上、３５μｍ以上、４０μｍ以上、４５μｍ以上、又は５０μｍ以上であってよい。

このように、自己治癒性セラミック材料を構成している炭化物の微粒子の粒子径が比較的小さく、かつ導電性骨材粒子の粒子径が比較的大きい場合、自己治癒性セラミック材料を構成している炭化物の微粒子による自己治癒性の発現を容易にすると共に、導電性骨材粒子が酸化等による影響を受けにくくすることができる。

本発明の電気加熱触媒では、導電性の触媒担持用基材において導電性骨材粒子を結合している結合材が、自己治癒性セラミック材料で構成されていることによって、使用の間に触媒担持用基材に割れが生じて電気抵抗が局所的に変化した場合でも、自己治癒性セラミック材料の自己治癒によって、電気抵抗の局所的な変化を少なくとも部分的に回復させることができる。

例えば、図７で示すように、導電性の触媒担持用基材（６０１）において導電性骨材粒子（７５０）を結合している結合材が、セラミック母材（７０１）、及びセラミック母材中に分散している金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子（７０２）を有していることによって、このような効果を得ることができる。すなわち、図７（ａ）で示すように、当初は導電性骨材粒子及び結合材を通して、矢印で示すようにして電流が流れていたのが、図５（ｂ）で示すように、使用の間に熱衝撃等によって触媒担持用基材（６０１）に割れ（７１０）が生じ、それによって導電性が局所的に変化した場合でも、図７（ｃ）で示すように、自己治癒性セラミック材料の自己治癒によってこの割れを塞ぎ（７１１）、それによって導電性の局所的な変化を少なくとも部分的に回復させることができる。

《内燃機関及びその制御方法》
本発明の内燃機関は、本発明の排気系部品、及び燃焼室を有する。この本発明の内燃機関は特に、自動車用のエンジンであってよい。

この本発明の内燃機関は、燃焼室での燃焼が行われていないときに、電気ヒーターによって複合材料を加熱するようにして制御することができる。燃焼室での燃焼が行われていないときとは、例えば、車両が減速中であって燃焼室への燃料供給が停止されているとき、いわゆるフューエルカット制御が実行されているときが含まれる。また、内燃機関が自動停止・始動可能な内燃機関である場合には、自動停止が行なわれているときが含まれる。また、この本発明の内燃機関は、電気モーターをさらに有し、かつ電気モーターで車両が駆動されており、かつ燃焼室での燃焼が行われていないときに、電気ヒーターによって複合材料を加熱するようにして制御することができる。

燃焼室での燃焼が行われていないとき、例えばフューエルカットを行っているときには、排気系に流通する排気の酸素濃度が比較的高くなり、したがって電気ヒーターによって自己治癒性セラミック材料を加熱したときに、炭化物微粒子等の治癒発現材料の酸化及び膨張による自己治癒性セラミック材料の自己治癒を促進することができる。

１１０ コップ型酸素センサー
１１１、１２１ 検出素子
１１１ａ、１２１ａ 検出素子の一部
１１２、１２２ 電気ヒーター
１１３、１２３ 基準雰囲気室
１１４、１２４ 金属製のケース
１１４ａ、１２４ａ 金属製のケースの開口部
１２０ 平面型酸素センサー
１２７ 絶縁性ブロック
２０１ 基準側の電極層
２０２ 固体電解質層
２０３ 排気側の電極層
２０４ 拡散層
２０５ トラップ層
４０１ 気孔
４０２ 貫通孔
５０１、７０１ セラミック母材
５０２、７０２ 金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子
５１０、７１０ 割れ
５１１、７１１ 自己治癒によって塞がれた割れ
６０１ ハニカム基材
６００ 電気加熱触媒
６０２、６０３ 電極
６２０ 電源
６１１、６１２ 排気流れを示す矢印
７５０ 導電性骨材粒子

Claims (19)

1. 自己治癒性セラミック材料、及び
   前記自己治癒性セラミック材料を加熱する電気ヒーター
   を有する、内燃機関のための排気系部品。
2. 前記自己治癒性セラミック材料を通して、通電及び／又は気体拡散を行わせる、請求項１に記載の排気系部品。
3. 下記の構成を有する酸素センサーである、請求項２に記載の排気系部品：
   （ａ）酸素伝導性の固体電解質層、
   （ｂ）前記固体電解質層の基準側面上に配置されている基準側電極層、
   （ｃ）前記固体電解質層の排気側面上に配置されている排気側電極層、
   （ｄ）前記排気側電極層上に配置されており、排気が拡散して流通し、かつ前記自己治癒性セラミック材料で構成されている、拡散層及び／又はトラップ層、並びに
   （ｅ）固体電解質層の基準側に配置されている前記電気ヒーター。
4. 前記電気ヒーターが、前記自己治癒性セラミック材料で構成されている前記拡散層及び／又はトラップ層を５５０℃以上の温度に加熱する、請求項３に記載の排気系部品。
5. 前記酸素センサーが、筒状の前記固体電解質層を有するコップ型の酸素センサーであり、
   前記自己治癒性セラミック材料で構成されている前記拡散層及び／又はトラップ層が、少なくとも排気流れ上流側において前記排気側電極層上に配置されている、
   請求項３又は４に記載の排気系部品。
6. 前記酸素センサーが、筒状の前記固体電解質層を有するコップ型の酸素センサーであり、
   前記電気ヒーターが、筒状の前記固体電解質層の内側で、排気流れ上流側に偏心して配置されている、
   請求項３〜５のいずれか一項に記載の排気系部品。
7. 下記の構成を有する電気加熱触媒である、請求項２に記載の排気系部品：
   （ａ）前記自己治癒性セラミック材料で構成されている結合材、及び前記結合材によって互いに結合されている導電性骨材粒子を有する、導電性の触媒担持用基材、並びに
   （ｂ）前記触媒担持用基材に接触して前記触媒担持用基材に電流を流す電極である、前記電気ヒーター。
8. 前記触媒担持用基材がハニカム基材である、請求項７に記載の排気系部品。
9. 前記自己治癒性セラミック材料が、セラミック母材、及び前記セラミック母材中に分散している粒子径１μｍ以下の金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子を有し、かつ
   前記導電性骨材粒子が、粒子径５μｍ以上である、
   請求項７又は８に記載の排気系部品。
10. 前記導電性骨材粒子が炭化ケイ素粒子である、請求項７〜９のいずれか一項に記載の排気系部品。
11. 前記自己治癒性セラミック材料が、セラミック母材、及び前記セラミック母材中に分散している金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の排気系部品。
12. 前記セラミック母材が、アルミナ、ムライト、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、及び窒化アルミニウム、並びにそれらの組合せからなる群より選択される、請求項１１に記載の排気系部品。
13. 前記金属又は半金属の炭化物の微粒子が、炭化チタン、炭化ケイ素、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化ホウ素、炭化タンタル、炭化タングステン、炭化ハフニウム、炭化クロム、及び炭化ジルコニウム、並びにそれらの組合せからなる群より選択される、請求項１１又は１２に記載の排気系部品。
14. 前記金属又は半金属の炭化物の微粒子が、前記セラミック母材に対して、１質量％〜５０質量％の割合で含有されている、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の排気系部品。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の排気系部品、及び燃焼室を有する、内燃機関。
16. 前記燃焼室での燃焼が行われていないときに、前記電気ヒーターによって前記自己治癒性セラミック材料を加熱する、請求項１５に記載の内燃機関の制御方法。
17. 前記内燃機関が電気モーターをさらに有し、かつ
    前記電気モーターで駆動しており、かつ前記燃焼室での燃焼が行われていないときに、前記電気ヒーターによって前記自己治癒性セラミック材料を加熱する、
    請求項１５に記載の方法。
18. 前記自己治癒性セラミック材料に通電して、前記自己治癒性セラミック材料の導電性を評価することを含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の排気系部品の使用方法。
19. 前記電気ヒーターによって前記自己治癒性セラミック材料を５５０℃以上の温度まで加熱する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の排気系部品の使用方法。

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