JP5733419B2 - 電気加熱式触媒の制御装置及び電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気加熱式触媒の制御装置及び電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置に関する。

従来、内燃機関の排気通路に設けられる排気浄化触媒として、通電されることで発熱する発熱体によって触媒が加熱される電気加熱式触媒（Electrically Heated Catalyst：以下、ＥＨＣと称する場合もある）が開発されている。

ＥＨＣにおいては、発熱体に、電気を供給するための一対の電極が設けられる。各電極は、発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有している。表面電極は、発熱体を挟んで互いに対向するように設けられる。表面電極がこのように設けられることで、発熱体において広範囲に電気が供給される。その結果、発熱体が高範囲に渡って可及的に均一に発熱する。

特許文献１には、通電加熱型ハニカム体の制御システムが開示されている。この通電加熱型ハニカム体の制御システムでは、通電加熱型ハニカム体の抵抗値を電圧及び電流値から算出する。そして、通電する電圧及び／又は電流を算出された抵抗値に基づいて制御し、それによって、通電加熱型ハニカム体の温度制御を行う。

特許文献２には、通電ヒータへの給電を制御する触媒ヒータ給電制御装置が開示されている。この触媒ヒータ給電制御装置では、内燃機関の混合気の空燃比がリッチになるほど通電ヒータへの供給電力値を低く設定する。

特許文献３には、触媒劣化度検出装置が開示されている。この触媒劣化度検出装置では、触媒の上流における空燃比を、理論空燃比に対してリーン側の予め定められた空燃比又は理論空燃比に対してリッチ側の予め定められた空燃比のいずれか一方から他方に切り換える。そして、空燃比の切換え後において、触媒の下流に設けられた空燃比センサの検出値が空燃比切換え後の上記予め定められた空燃比に達するまでの間に触媒を流通する触媒流通ガス量と、理論空燃比に対する空燃比切換え後の上記予め定められた空燃比の偏差と、から触媒に吸着保持される酸素の絶対量を算出する。この絶対量から触媒の劣化度を検出する。

特開２０１０−２２９９７８号公報 特開平１１−２５７０５９号公報 特開平０５−１３３２６４号公報

本発明は、ＥＨＣにおける表面電極の劣化の抑制に貢献可能な技術を提供することを目的とする。

第一の発明は、ＥＨＣの表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度が所定温度差を超える条件が成立した回数に基づいて、発熱体に供給する電力、及び、排気によってＥＨＣに投入される熱量を制御するものである。

より詳しくは、第一の発明に係る電気加熱式触媒の制御装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、発熱体と、該発熱体に電気を供給する一対の電極と、を備え、
前記発熱体が、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱し、
前記一対の電極における各電極が、前記発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられている電気加熱式触媒の制御装置であって、
前記表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、前記発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によって電気加熱式触媒に投入される熱量を増加させる制御部を備える。

ＥＨＣの急激な温度変化に伴い、表面電極の表面上又はその内部に温度差が生じると、該表面電極に熱応力がかかる。その結果、表面電極に微細なクラックが生じる場合がある。ここで、「所定の距離」及び「所定温度差」とは、表面電極の表面上又はその内部における互いに該所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が該所定温度差を超えると、熱応力によって表面電極にクラックが生じると判断できる値である。

表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が所定温度差を超えた回数が多いほど、表面電極におけるクラックが大きくなる、又は、その数が増加する。つまり、表面電極の劣化が促進される。そこで、本発明では、その回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によってＥＨＣに投入される熱量を増加させる。

発熱体に供給する電力を低下させることで、表面電極におけるクラックの増大及び増加を抑制することができる。即ち、表面電極の劣化を抑制することができる。また、発熱体に供給する電力を低下させても、排気によってＥＨＣに投入される熱量を増加させることで、ＥＨＣを十分に昇温させることができる。そのため、排気特性の悪化を抑制することができる。

内燃機関が冷間始動する時は、ＥＨＣの温度は低くなっている。そのため、内燃機関の冷間始動時に、短期間に多量の熱量がＥＨＣに投入されると、表面電極の表面上又はその内部に大きな温度差が発生する。

そこで、本発明において、表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が所定温度差を超える条件とは、内燃機関が冷間始動し、且つ、機関始動時から所定時間が経過するまでの間における、内燃機関の吸入空気量の積算値又はＥＨＣに投入される熱量の積算値が所定値を超えることであってもよい。ここで、「所定時間」及び「所定値」とは、表面電極の表面上又はその内部における前記二点間に所定温度差を超えるほどの温度差が発生すると判断できる値である。

また、表面電極の劣化は、熱応力に起因するクラックのみならず、酸化されることによっても促進される。そして、発熱体に触媒が担持されている場合、表面電極の酸化の進行度合いは、該触媒のシンタリングの進行度合いと相関がある。また、触媒のシンタリングの進行度合いが高いほど、該触媒において保持可能な酸素量の最大値である最大酸素保持量は少なくなる。

そこで、本発明では、発熱体に触媒が担持されている場合、制御部は、触媒の最大酸素保持量が少なくなると、その量が多いときよりも、発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によってＥＨＣに投入される熱量を増加させてもよい。

これによれば、表面電極の酸化による劣化が進んだ状態で、さらにクラックによる劣化が進行することを抑制することができる。

第二の発明は、ＥＨＣの表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度が所定温度差を超える条件が成立した回数に基づいて、表面電極の劣化度合いを推定する。

より詳しくは、第二の発明に係る電気加熱式触媒の表面電極の劣化度合いの推定装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ、発熱体と、該発熱体に電気を供給する一対の電極と、を備え、
前記発熱体が、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱し、
前記一対の電極における各電極が、前記発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられている電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置であって、
前記表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、前記表面電極の劣化度合いが高いと推定する推定部を備える。

ここで、「所定の距離」及び「所定温度差」とは、第一の発明と同様、表面電極の表面上又はその内部における互いに該所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が該所定温度差を超えると、熱応力によって表面電極にクラックが生じると判断できる値である。

上述したように、表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が所定温度差を超えた回数が多いほど、表面電極におけるクラックが大きくなる、又は、その数が増加する。つまり、表面電極の劣化が促進される。そのため、その回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、表面電極の劣化度合いが高いと推定することができる。

また、本発明においても、表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が所定温度差を超える条件とは、内燃機関が冷間始動し、且つ、機関始動時から所定時間が経過するまでの間における、内燃機関の吸入空気量の積算値又はＥＨＣに投入される熱量の積算値が所定値を超えることであってもよい。ここで、「所定時間」及び「所定値」とは、第一の発明と同様、表面電極の表面上又はその内部における前記二点間に所定温度差を超えるほどの温度差が発生すると判断できる値である。

また、本発明において、発熱体に触媒が担持されている場合、推定部は、触媒の最大酸素保持量が少なくなると、その量が多いときよりも、表面電極の劣化度合いが高いと推定してもよい。

これによれば、クラックによる劣化のみならず、酸化による劣化をも考慮して、表面電極の劣化度合いを推定することができる。そのため、表面電極の劣化度合いをより高精度で推定することができる。

本発明によれば、ＥＨＣにおける表面電極の劣化の抑制に貢献することができる。

実施例１に係る内燃機関の吸排気系及びＥＨＣの概略構成を示す図である。 実施例１に係るＥＨＣにおける、触媒担体に対する電極の配置を示す図である。 実施例１に係る、内燃機関が冷間始動したときにおける、投入熱量積算値ΣＱｔｃと、電極温度差ΔＴｅｐと、機関始動直前のＥＨＣの温度Ｔｃｓと、の関係を示す図である。 実施例１に係る、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数をカウントするフローを示すフローチャートである。 実施例１に係る、内燃機関における混合気の空燃比を、リーン空燃比からリッチ空燃比に変化させ、その後、リッチ空燃比からリーン空燃比に変化させたときの、ＥＨＣに流入する排気及びＥＨＣから流出する排気の空燃比の推移を示すタイムチャートである。 実施例１に係る表面電極の劣化抑制制御のフローを示すフローチャートである。 実施例１に係る、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒと供給電力の上限値Ｅｓｍａｘとの関係を示す図である。 実施例１に係る、三元触媒の最大酸素保持量Ｃｍａｘと供給電力の上限値Ｅｓｍａｘとの関係を示す図である。 実施例１に係る、供給電力Ｅｓと内燃機関における燃料噴射時期の圧縮行程上死点からの遅角量ΔＲｉｎｊとの関係を示す図である。 実施例１の変形例に係る表面電極の劣化抑制制御のフローを示すフローチャートである。 実施例１の変形例に係る、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒと表面電極の劣化度合いＬｄｅとの関係を示す図である。 実施例１の変形例に係る、三元触媒の最大酸素保持量Ｃｍａｘと表面電極の劣化度合いＬｄｅとの関係を示す図である。 実施例２に係る、供給電力ＥｓとＥＨＣ通電開始閾値ＳＯＣ−ｅｈｃｏｎとの関係を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
［内燃機関の吸排気系及びＥＨＣの概略構成］
図１は、本実施例に係る内燃機関の吸排気系及びＥＨＣの概略構成を示す図である。

本実施例に係るＥＨＣ１は、内燃機関１０の排気管２に設けられる。内燃機関１０は、車両駆動用のガソリンエンジンである。ただし、本発明に係る内燃機関はガソリンエンジンに限られるものではなく、ディーゼルエンジン等であってもよい。内燃機関１０の吸気管１１には、エアフローメータ１２及びスロットル弁１４が設けられている。

排気管２におけるＥＨＣ１より上流側には第一温度センサ２１及び第一空燃比センサ２２が設けられている。排気管２におけるＥＨＣ１より下流側には第二温度センサ２３及び第二空燃比センサ２４が設けられている。第一及び第二温度センサ２１，２３は、排気の温度を検出する。第一及び第二空燃比センサ２２，２４は、排気の空燃比を検出する。尚、図１における矢印は、排気管２における排気の流れ方向を示している。

ＥＨＣ１は、触媒担体３、ケース４、マット５、内管６、及び電極７を備えている。触媒担体３は、円柱状に形成されており、その中心軸が排気管２の中心軸Ａと同軸となるように設置されている。触媒担体３には三元触媒１３が担持されている。尚、触媒担体３に担持される触媒は、三元触媒に限られるものではなく、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、又は選択還元型ＮＯｘ触媒であってもよい。

触媒担体３は、通電されると電気抵抗となって発熱する材料によって形成されている。触媒担体３の材料としては、ＳｉＣを例示することができる。触媒担体３は、排気の流れる方向（すなわち、中心軸Ａの方向）に伸び且つ排気の流れる方向と垂直な断面がハニカム状をなす複数の通路を有している。この通路を排気が流通する。尚、中心軸Ａと直交する方向の触媒担体３の断面形状は楕円形等であっても良い。中心軸Ａは、排気管２、触媒担体３、内管６、及びケース４で共通の中心軸である。

触媒担体３はケース４に収容されている。ケース４内には電極室９が形成されている。尚、電極室９の詳細については後述する。触媒担体３には、該電極室９を通して左右方向から一対の電極７が接続されている。電極７にはバッテリから供給電力制御部２５を介して電気が供給される。電極７に電気が供給されると、触媒担体３に通電される。通電によって触媒担体３が発熱すると、触媒担体３に担持された三元触媒１３が加熱され、その活性化が促進される。

ケース４は、金属によって形成されている。ケース４を形成する材料としては、ステンレス鋼材を例示することができる。ケース４は、中心軸Ａと平行な曲面を含んで構成される収容部４ａと、該収容部４ａよりも上流側及び下流側で該収容部４ａと排気管２とを接続するテーパ部４ｂ，４ｃと、を有している。収容部４ａの通路断面積は排気管２の通路断面積よりも大きくなっており、その内側に、触媒担体３、マット５、及び内管６が収容されている。テーパ部４ｂ，４ｃは、収容部４ａから離れるに従って通路断面積が縮小するテーパ形状をしている。

ケース４の収容部４ａの内壁面と触媒担体３の外周面との間にはマット５が挟み込まれている。つまり、ケース４内において、触媒担体３がマット５によって支持されている。また、マット５には内管６が挟み込まれている。内管６は、中心軸Ａを中心とした管状の部材である。マット５が、内管６を挟み込むことで、該内管６によってケース４側と触媒担体３側とに分割されている。

マット５は、電気絶縁材によって形成されている。マット５を形成する材料としては、アルミナを主成分とするセラミックファイバーを例示することができる。マット５は、触媒担体３の外周面及び内管６の外周面に巻きつけられている。また、マット５は、上流側部分５ａと下流側部分５ｂとに分割されており、該上流側部分５ａと下流側部分５ｂとの間には空間が形成されている。マット５が、触媒担体３とケース４との間に挟み込まれていることで、触媒担体３に通電したときに、ケース４へ電気が流れることが抑制される。

内管６はステンレス鋼材によって形成されている。また、内管６の表面全体には電気絶縁層が形成されている。電気絶縁層を形成する材料としては、セラミック又はガラスを例示することができる。尚、内管６の本体をアルミナ等の電気絶縁材によって形成してもよい。また、図１に示すように、内管６は、中心軸Ａ方向の長さがマット５より長い。そのため、内管６の上流側及び下流側の端部は、マット５の上流側及び下流側の端面から突出している。

触媒担体３の外周面には一対の電極７が接続されている。図２は、触媒担体３に対する電極７の配置を示す図である。図２は、触媒担体３及び電極７を軸方向と垂直に交わる方向で切断した場合の断面図である。電極７は、表面電極７ａ及び軸電極７ｂによって形成されている。表面電極７ａは、触媒担体３の外周面に沿って周方向及び軸方向に延びている。また、表面電極７ａは、触媒担体３の外周面に該触媒担体３を挟んで互いに対向するように設けられている。軸電極７ｂの一端は表面電極７ａに接続されている。そして、電極室９を通って軸電極７ｂの他端がケース４の外側に突出している。

ケース４及び内管６には、軸電極７ｂを通すために、貫通孔４ｄ，６ｃが開けられている。そして、ケース４内における、マット５の上流側部分５ａと下流側部分５ｂとの間の空間によって、電極室９が形成されている。つまり、本実施例においては、マット５の上流側部分５ａと下流側部分５ｂとの間における触媒担体３の外周面全周にわたって電極室９が形成される。尚、マット５を上流側部分５ａと下流側部分５ｂとに分割することなく、マット５の電極７が通る部分にのみ貫通孔を空けることで、電極室となる空間を形成してもよい。

ケース４に開けられている貫通孔４ｄには、軸電極７ｂを支持する電極支持部材８が設けられている。この電極支持部材８は電気絶縁材によって形成されており、ケース４と電極７との間に隙間なく設けられている。

軸電極７ｂの他端は、供給電力制御部２５を介してバッテリ（図示せず）に電気的に接続されている。電極７には該バッテリから電気が供給される。電極７に電気が供給されると、触媒担体３に通電される。通電によって触媒担体３が発熱すると、触媒担体３に担持された三元触媒１３が加熱され、その活性化が促進される。供給電力制御部２５は、電極７への電気の供給（即ち、触媒担体３への通電）のＯＮ／ＯＦＦの切り換えや供給電力の調整を行う。

供給電力制御部２５は、内燃機関１０に併設された電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０に電気的に接続されている。また、ＥＣＵ２０には、スロットル弁１４及び内燃機関１０の燃料噴射弁（図示せず）も電気的に接続されている。ＥＣＵ２０によって、これらの装置が制御される。

また、ＥＣＵ２０には、エアフローメータ１２、第一温度センサ２１、第二温度センサ２３、第一空燃比センサ２２、及び第二空燃比センサ２４が電気的に接続されている。これらのセンサの出力値がＥＣＵ２０に入力される。

尚、本実施例においては、触媒担体３が本発明に係る発熱体に相当する。ただし、本発明に係る発熱体は触媒を担持する担体に限られるものではなく、例えば、発熱体は触媒の上流側に設置された構造体であってもよい。

［電極の劣化抑制］
ＥＨＣ１の急激な温度変化に伴い、表面電極７ａの表面上又はその内部に温度差が生じると、該表面電極７ａに熱応力がかかる。その結果、表面電極７ａに微細なクラックが生じる場合がある。また、表面電極７ａは、その温度が高温となることで、酸化が促進される。その結果、局所的に周囲よりも酸化度合いが高い部分が生じる場合がある。

このようなクラックや酸化による劣化が進み、表面電極７ａにおいて局所的に劣化度合いの高い部分生じると、その部分では電気抵抗値が増加する。そうすると、触媒担体３における、供給される電力の分布が不均一となる。その結果、触媒担体３における温度分布が不均一となる。触媒担体３における温度分布が不均一となると、該触媒担体３に担持された三元触媒１３においても温度差が生じる。そのため、ＥＨＣ１の排気浄化能力が低下する虞がある。また、触媒担体３での温度差に起因して生じる熱応力によって、該触媒担体３の劣化が促進される虞もある。

そこで、本実施例では、表面電極７ａの劣化を抑制するために、該表面電極７ａの劣化度合いに応じて、電極７を通して触媒担体３に供給する電力を制御する。即ち、表面電極７ａの劣化度合いが高くなった場合は、触媒担体３に供給する電力を低下させる。触媒担体３に供給する電力を低下させることで、表面電極７ａにおけるクラックの増大及び増加を抑制することができる。即ち表面電極７ａのそれ以上の劣化を抑制することができる。

また、触媒担体３に供給する電力を低下させた場合は、排気によってＥＨＣ１に投入される熱量を増加させる制御を合わせて実施する。これにより、触媒担体３に供給する電力を低下させても、ＥＨＣ１を十分に昇温させることができる。つまり、温度の低下によるＥＨＣ１の排気浄化能力の低下を抑制することができる。そのため、排気特性の悪化を抑制することができる。

本実施例では、表面電極７ａの表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差（以下、単に電極温度差と称する場合もある）が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒１３において保持可能な酸素量の最大値である最大酸素保持量を、表面電極７ａの劣化度合いとして検出する。

電極温度差が所定温度差を超えた回数は、表面電極７ａにおけるクラックによる劣化度合いと相関がある。つまり、電極温度差が所定温度差を超えた回数が多いほど、表面電極７ａにおけるクラックが大きくなる、又は、その数が増加する。尚、ここでの「所定の距離」及び「所定温度差」とは、表面電極７ａの表面上又はその内部における互いに該所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が該所定温度差を超えると、熱応力によって表面電極７ａにクラックが生じると判断できる値である。

また、表面電極７ａの酸化が進行する条件下においては、触媒担体３に担持された三元触媒１３のシンタリングも進行する。そして、三元触媒１３のシンタリングの進行度合いが高いほど、該三元触媒１３の最大酸素保持量は少なくなる。そのため、三元触媒１３の最大酸素保持量は、表面電極７ａにおける酸化による劣化度合いと相関がある。つまり、三元触媒１３の最大酸素保持量が少ないほど、表面電極７ａの酸化の進行度合いは高いと判断できる。

従って、表面電極７ａの劣化度合いを示すパラメータとして、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒１３の最大酸素保持量を用いることができる。

ここで、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数の算出方法について説明する。内燃機関１０が冷間始動する時は、ＥＨＣ１の温度は低くなっている。そのため、内燃機関１０の冷間始動時に、短期間に多量の熱量がＥＨＣ１に投入されると、表面電極７ａの表面上又はその内部に大きな温度差が発生する。そこで、本実施例では、電極温度差が所定温度差を超える条件を、内燃機関１０が冷間始動し、且つ、機関始動時から所定時間が経過するまでの間におけるＥＨＣ１に投入される熱量の積算値（以下、単に投入熱量積算値と称する場合もある）が所定値を超えることとする。即ち、内燃機関１０が冷間始動し、且つ、投入熱量積算値が所定値を超えた回数を、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数として算出する。

ここで、「所定時間」及び「所定値」とは、表面電極７ａの表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間に所定温度差を超えるほどの温度差が発生すると判断できる値である。図３は、内燃機関１０が冷間始動したときにおける、投入熱量積算値ΣＱｔｃと、電極温度差ΔＴｅｐと、機関始動直前のＥＨＣ１の温度Ｔｃｓと、の関係を示す図である。図３において、ΔＴｅｐ０は、許容可能な電極温度差の上限値、即ち所定温度差を表している。

図３に示すように、機関始動直前のＥＨＣ１の温度Ｔｃｓが低いほど、電極温度差ΔＴｅｐが所定温度差ΔＴｅｐ０を超える投入熱量積算値ΣＱｔｃは小さくなる。そこで、本実施例では、内燃機関１０が冷間始動した時に、機関始動直前のＥＨＣ１の温度Ｔｃｓに基づいて所定値ΣＱｔｃｍａｘを算出する。そして、投入熱量積算値ΣＱｔｃが該所定値ΣＱｔｃｍａｘを超えた場合、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立したと判断し、その回数をカウントするカウンタを１増加させる。

図４は、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数をカウントするフローを示すフローチャートである。本フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、ＥＣＵ２０によって内燃機関１０の始動毎に実行される。

本フローでは、先ずステップＳ１０１において、内燃機関１０が冷間始動したか否かが判別される。例えば、内燃機関１０の始動時に、冷却水の温度が所定温度以下の場合に、内燃機関１０が冷間始動したと判断してもよい。ステップＳ１０１において否定判定された場合、本フローの実行は一旦終了される。この場合、今回の機関始動において、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒをカウントするカウンタは増加されない。

一方、ステップＳ１０１において肯定判定された場合、次にステップＳ１０２の処理が実行される。ステップＳ１０２においては、機関始動直前のＥＨＣ１の温度Ｔｃｓに基づいて所定値ΣＱｔｃｍａｘが算出される。本実施例では、図３に示すような機関始動直前のＥＨＣ１の温度Ｔｃｓと所定値ΣＱｔｃｍａｘとの関係が、実験等に基づいて予め求められおり、マップ又は関数としてＥＣＵ２０に記憶されている。ステップＳ１０２では、このマップ又は関数を用いて所定値ΣＱｔｃｍａｘが算出される。尚、ＥＨＣ１の温度Ｔｃｓは、第一温度センサ２１および／または第二温度センサ２３の検出値に基づいて推定することができる。

次に、ステップＳ１０３において、機関始動時から所定時間ｔ０が経過したか否かが判別される。所定時間ｔ０は実験等に基づいて予め定められている。ステップＳ１０３において否定判定された場合、該ステップＳ１０３の処理が再度実行される。

一方、ステップＳ１０３において肯定判定された場合、次にステップＳ１０４の処理が実行される。ステップＳ１０４においては、投入熱量積算値ΣＱｔｃが算出される。ＥＨＣ１に投入される熱量は、ＥＨＣ１に流入する排気の温度及び流量に基づいて算出することができる。そして、算出された熱量を、機関始動時から所定時間ｔ０が経過までの間積算することで、投入熱量積算値ΣＱｔｃを算出することができる。尚、ＥＨＣ１に流入する排気の温度は第一温度センサ２１によって検出することができる。また、ＥＨＣ１に流入する排気の流量は、エアフローメータ１２によって検出される吸入空気量に基づいて推定することができる。

次に、ステップＳ１０５において、投入熱量積算値ΣＱｔｃが所定値ΣＱｔｃｍａｘをより大きいか否かが判別される。ステップＳ１０５において否定判定された場合、本フローの実行は一旦終了される。この場合、今回の機関始動において、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒをカウントするカウンタは増加されない。

一方、ステップＳ１０５において肯定判定された場合、次にステップＳ１０６の処理が実行される。ステップＳ１０６においては、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒをカウントするカウンタが１増加される。

尚、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒは、ＥＨＣ１の状態が初期状態（車両に取り付けられた状態）を零としてカウントされる。また、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒはＥＣＵ２０に記憶される。

次に、三元触媒１３の最大酸素保持量の算出方法について説明する。図５は、内燃機関１０における混合気の空燃比を、リーン空燃比からリッチ空燃比に変化させ、その後、リッチ空燃比からリーン空燃比に変化させたときの、ＥＨＣ１に流入する排気（以下、単に流入排気と称する場合もある）及びＥＨＣ１から流出する排気（以下、単に流出排気と称する場合もある）の空燃比の推移を示すタイムチャートである。図５において、実線は、流入排気の空燃比を示しており、破線は流出排気の空燃比を示している。尚、流入排気の空燃比は第一空燃比センサ２２によって検出することができ、流出排気の空燃比は第二空燃比センサ２４によって検出することができる。

図５では、時刻ｔ１において、内燃機関１０における混合気の空燃比がリーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｌからリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_R に切り換えられることで、流入排気の空燃比がリーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｌからリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_R に変化する。この時、流出排気の空燃比は、リーン空燃比（Ａ／Ｆ）_L から理論空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｓまで変化し、次いで時間ΔＴ_R の間、理論空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｓに維持された後にリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_R まで変化する。

また、図５では、時刻ｔ２において、内燃機関１０における混合気の空燃比がリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rからリーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｌに切り換えられることで、流入排気の空燃比がリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rからリーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｌに変化する。この時、流出排気の空燃比は、リッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rから理論空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｓまで変化し、次いで時間ΔＴ_L の間、理論空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｓに維持された後にリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_R まで変化する。

このように、内燃機関１０における混合気の空燃比がリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rまたは
リーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｌの一方から他方に切り換えられたときに、流出排気の空燃比が、時間ΔＴ_R又は時間ΔＴ_L の間、理論空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｓに維持されるのは、三元触媒
１３が有するＯ₂ストレージ機能のためである。そのため、三元触媒１３の最大酸素保持
量は、理論空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｓとリッチ空燃比（Ａ／Ｆ）_Rとの差であるΔ（Ａ／Ｆ）_R
及び時間ΔＴ_Rと、時間ΔＴ_Rが経過している間における内燃機関１０の吸入空気量とに基づいて、又は、リーン空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｌと理論空燃比（Ａ／Ｆ）_Ｓとの差であるΔ（Ａ／Ｆ）_L 及び時間ΔＴ_Lと、時間ΔＴ_Lが経過している間における内燃機関１０の吸入空気量とに基づいて、算出することができる。

つまり、三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘは、下記式（１）又は（２）を用いて算出することができる。
Ｃｍａｘ＝α・Δ（Ａ／Ｆ）_R ・Ｇａ・ΔＴ_R・・・式（１）
Ｃｍａｘ＝α・Δ（Ａ／Ｆ）_L ・Ｇａ・ΔＴ_L・・・式（２）
尚、上記式（１）及び（２）において、αは所定の係数であり、Ｇａは内燃機関１０の吸入空気量である。

本実施例においては、内燃機関１０の運転中において、上記の方法によって、三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘが算出され、ＥＣＵ２０に記憶される。

尚、本実施例においては、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数の算出方法及び三元触媒１３の最大酸素保持量の算出方法として、上述した方法以外の周知の方法を採用することができる。

次に、本実施例に係る表面電極の劣化抑制制御のフローについて、図６に基づいて説明する。図６は、本実施例に係る表面電極の劣化抑制制御のフローを示すフローチャートである。本フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、ＥＣＵ２０によって繰り返し実行される。

本フローでは、先ずステップＳ２０１において、上述した方法によって算出されＥＣＵ２０に記憶されている、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒ及び三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘが読み込まれる。

次に、ステップＳ２０２において、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒ及び三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘに基づいて、現時点における、電極７を通して触媒担体３に供給する電力（以下、単に供給電力と称する場合もある）の上限値Ｅｓｍａｘが算出される。供給電力の上限値Ｅｓｍａｘは、表面電極７ａにおけるクラックの増大及び増加を抑制することができると判断できる供給電力の閾値である。

図７は、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒと供給電力の上限値Ｅｓｍａｘとの関係を示す図である。また、図８は、三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘと供給電力の上限値Ｅｓｍａｘとの関係を示す図である。尚、図７及び８において、破線は、予め定められた供給電力の標準値Ｅｓｎを表している。

図７に示すように、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒが増加するほど供給電力の上限値Ｅｓｍａｘは低下する。また、図８に示すように、三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘがある程度の量まで少なくなると、該最大酸素保持量Ｃｍａｘが減少するほど供給電力の上限値Ｅｓｍａｘは低下する。

ＥＣＵ２０には、図７及び８に示すような、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒ及び三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘと、供給電力の上限値Ｅｓｍａｘとの関係が、実験等によって予め定められ、マップ又は関数としてＥＣＵ２０に記憶されている。ステップＳ２０２では、このマップ又は関数を用いて供給電力の上限値Ｅｓｍａｘが算出される。

次に、ステップＳ２０３において、供給電力の標準値Ｅｓｎが、ステップＳ２０３において算出された現時点における供給電力の上限値Ｅｓｍａｘ以下であるか否かが判別される。ステップＳ２０３において、肯定判定された場合、次にステップＳ２０４の処理が実行され、否定判定された場合、次にステップＳ２０５の処理が実行される。

ステップＳ２０４では、供給電力制御部２５によって、供給電力Ｅｓがその標準値Ｅｓｎに制御される。一方、ステップＳ２０５では、供給電力制御部２５によって、供給電力Ｅｓがその上限値Ｅｓｍａｘに制御される。ステップＳ２０４又はＳ２０５の次には、ステップＳ２０６の処理が実行される。

ステップＳ２０６では、ステップＳ２０４又はＳ２０５おいて制御された供給電力Ｅｓに基づいて、内燃機関１０における燃料噴射時期の圧縮行程上死点からの遅角量ΔＲｉｎｊが算出される。

図９は、供給電力Ｅｓと燃料噴射時期の遅角量ΔＲｉｎｊとの関係を示す図である。図９に示すように、供給電力Ｅｓが小さいほど、燃料噴射時期の遅角量ΔＲｉｎｊは大きくなる。図９に示すような、供給電力Ｅｓと燃料噴射時期の遅角量ΔＲｉｎｊとの関係が、実験等によって予め定められ、マップ又は関数としてＥＣＵ２０に記憶されている。ステップＳ２０６では、このマップ又は関数を用いて燃料噴射時期の遅角量ΔＲｉｎｊが算出される。

次に、ステップＳ２０７において、内燃機関１０における燃料噴射時期が、ステップＳ２０６において算出された遅角量ΔＲｉｎｊに基づいて制御される。つまり、内燃機関１０における燃料噴射時期が、圧縮行程上死点から遅角量ΔＲｉｎｊ分遅角された時期に制御される。

上記フローによれば、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒが多いほど、供給電力Ｅｓが小さくされる。また、三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘが少ないほど、供給電力Ｅｓが小さくされる。つまり、表面電極７ａの劣化度合いが高くなるほど、供給電力Ｅｓが小さくされる。
これにより、表面電極７ａにおけるクラックの増大及び増加を抑制することができる。

また、上記フローによれば、供給電力Ｅｓが低下するほど、内燃機関１０における燃料噴射時期の圧縮行程上死点から遅角量ΔＲｉｎｊが大きくされる。燃料噴射時期の遅角量ΔＲｉｎｊが大きいほど排気の温度は高くなる。つまり、供給電力Ｅｓが低下するほど、排気によってＥＨＣ１に投入される熱量が増加される。これにより、供給電力Ｅｓを低下させても、ＥＨＣ１を十分に昇温させることができる。

尚、排気によってＥＨＣ１に投入される熱量を増加させる場合、内燃機関１０における燃料噴射時期の圧縮行程上死点から遅角量は一定とし、該燃料噴射時期の遅角を実施している期間を、供給電力Ｅｓが低下するほど長くしてもよい。これによっても、供給電力Ｅ
ｓが低下するほど、排気によってＥＨＣ１に投入される熱量を増加させることができる。

また、本実施例においては、排気によってＥＨＣ１に投入される熱量を増加させる方法として、内燃機関１０における燃料噴射時期を遅角する方法を採用した。しかしながら、その他の周知の方法によって、排気によってＥＨＣ１に投入される熱量を増加させてもよい。

また、本実施例では、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒１３の最大酸素保持量の両者に基づいて、供給電力を制御した。しかしながら、表面電極７ａのクラックによる劣化の度合いと相関のある、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数のみに基づいて、供給電力を制御してもよい。ただし、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒１３の最大酸素保持量の両者に基づいて供給電力を制御することで、表面電極７ａの劣化をより抑制することができる。

［変形例１］
本実施例の第一の変形例について図１０〜１２に基づいて説明する。本変形例では、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数及び三元触媒１３の最大酸素保持量に基づいて、表面電極７ａの劣化度合いを算出する。そして、算出された表面電極７ａの劣化度合いに基づいて、供給電力を制御する。

図１０は、本変形例に係る表面電極の劣化抑制制御のフローを示すフローチャートである。本フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、ＥＣＵ２０によって繰り返し実行される。尚、本フローは、図６に示すフローのステップＳ２０２をステップＳ３０２及びＳ３０３に置き換えたものである。そのため、ステップＳ３０２及びＳ３０３以外のステップにおける処理についての説明は省略する。

本フローでは、ステップＳ３０２において、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒ及び三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘに基づいて、現時点における、表面電極７ａの劣化度合いＬｄｅが算出される。

図１１は、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒと表面電極７ａの劣化度合いＬｄｅとの関係を示す図である。また、図１２は、三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘと表面電極７ａの劣化度合いＬｄｅとの関係を示す図である。

図１１に示すように、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒが増加するほど表面電極７ａの劣化度合いＬｄｅは大きくなる。また、図１２に示すように、三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘが少ないほど、表面電極７ａの劣化度合いＬｄｅは大きい。

ＥＣＵ２０には、図１１及び１２に示すような、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数ｎΔＴｏｖｅｒ及び三元触媒１３の最大酸素保持量Ｃｍａｘと、表面電極７ａの劣化度合いＬｄｅとの関係が、実験等によって予め定められ、マップ又は関数としてＥＣＵ２０に記憶されている。ステップＳ３０２では、このマップ又は関数を用いて表面電極７ａの劣化度合いＬｄｅが算出される。

次に、ステップＳ３０３において、ステップＳ３０２で算出された、現時点における表面電極７ａの劣化度合いＬｄｅに基づいて、供給電力の上限値Ｅｓｍａｘが算出される。ここでは、表面電極７ａの劣化度合いＬｄｅが高いほど、供給電力の上限値Ｅｓｍａｘが小さい値として算出される。このような表面電極７ａの劣化度合いＬｄｅと供給電力の上限値Ｅｓｍａｘとの関係は、実験等によって予め定められ、マップ又は関数としてＥＣＵ２０に記憶されている。ステップＳ３０３では、このマップ又は関数を用いて供給電力の上限値Ｅｓｍａｘが算出される。

尚、本変形施例では、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒１３の最大酸素保持量の両者に基づいて、表面電極７ａの劣化度合いを推定した。しかしながら、表面電極７ａのクラックによる劣化の度合いと相関のある、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数のみに基づいて、表面電極７ａの劣化度合いを推定してもよい。ただし、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒１３の最大酸素保持量の両者を用いることで、表面電極７ａの劣化度合いをより高精度で推定することができる。

＜実施例２＞
本実施例に係る内燃機関の吸排気系及びＥＨＣの概略構成は、実施例１と同様である。ただし、本実施例では、内燃機関１０が、該内燃機関１０の他にモータを車両の駆動源として有するハイブリッドシステムに採用されている。そして、ＥＨＣ１に電気を供給するバッデリと同一のバッテリからモータに電気が供給される。

また、本実施例に係るハイブリッドシステムでは、バッテリにおける蓄電量が所定のモード切換閾値まで減少すると、車両の走行モードが、モータのみを駆動源とする走行モードであるＥＶ走行モードから、モータ及び内燃機関１０を駆動源とする走行モードであるハイブリッド走行に切り換えられる。このとき、バッテリにおける蓄電量がモード切換閾値に達する以前、即ち、バッテリにおける蓄電量が該モード切換閾値よりも大きいＥＨＣ通電開始閾値に達した時点で、ＥＨＣ１への通電が開始される。これは、車両の走行モードがハイブリッド走行に切り換わった時点から、ＥＨＣ１における排気浄化能力を発揮させるためである。つまり、車両の走行モードがハイブリッド走行に切り換わるまでに、ＥＨＣ１を予め十分に昇温させ、三元触媒１３を活性化させておく必要があるためである。

ここで、本実施例においても、ＥＨＣ１へ通電する際には、実施例１と同様、表面電極７ａの劣化度合いが大きいほど、供給電力が小さくされる。即ち、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多いほど、また、三元触媒１３の最大酸素保持量が少ないほど、供給電力が小さくされる。ただし、ＥＨＣ１を通電によって昇温させる場合、供給電力が小さいほど、該ＥＨＣ１の温度が十分に上昇するまでにかかる時間は長くなる。

そこで、本実施例では、電極温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数、及び、三元触媒１３の最大酸素保持量に基づいて、前もって、ＥＨＣ１へ通電する際の供給電力を算出する。そして、算出された供給電力に応じて、ＥＨＣ通電開始閾値を変更する。

図１３は、供給電力ＥｓとＥＨＣ通電開始閾値ＳＯＣ−ｅｈｃｏｎとの関係を示す図である。図１３に示すように、本実施例では、供給電力が小さいほど、ＥＨＣ通電開始閾値を大きくする。

これによれば、供給電力が小さいほど、より早期にＥＨＣ１への通電が開始される。そのため、供給電力が減少した場合であっても、車両の走行モードがハイブリッド走行に切り換わるまでに、ＥＨＣ１の温度を十分に上昇させることが可能となる。

１・・・電気加熱式触媒（ＥＨＣ）
２・・・排気管
３・・・触媒担体
４・・・ケース
５・・・マット
６・・・内管
７・・・電極
７ａ・・表面電極
７ｂ・・軸電極
１０・・内燃機関
１１・・吸気管
１２・・エアフローメータ
１３・・三元触媒
２０・・ＥＣＵ
２１・・第一温度センサ
２２・・第一空燃比センサ
２３・・第二温度センサ
２４・・第二空燃比センサ
２５・・供給電力制御部

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、発熱体と、該発熱体に電気を供給する一対の電極と、を備え、
   前記発熱体が、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱し、
   前記一対の電極における各電極が、前記発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられている電気加熱式触媒の制御装置であって、
   前記表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、前記発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によって電気加熱式触媒に投入される熱量を増加させる制御部を備えた電気加熱式触媒の制御装置。
2. 前記表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が前記所定温度差を超える条件が、内燃機関が冷間始動し、且つ、機関始動時から所定時間が経過するまでの間における、内燃機関の吸入空気量の積算値又は電気加熱式触媒に投入される熱量の積算値が所定値を超えることである請求項１に記載の電気加熱式触媒の制御装置。
3. 前記発熱体に触媒が担持されており、
   前記制御部が、触媒の最大酸素保持量が少なくなると、その量が多いときよりも、前記発熱体に供給する電力を低下させると共に、排気によって電気加熱式触媒に投入される熱量を増加させる請求項１又は２に記載の電気加熱式触媒の制御装置。
4. 内燃機関の排気通路に設けられ、発熱体と、該発熱体に電気を供給する一対の電極と、を備え、
   前記発熱体が、通電により発熱し、発熱することで触媒を加熱し、
   前記一対の電極における各電極が、前記発熱体の表面に沿って拡がる表面電極を有し、該表面電極が前記発熱体を挟んで互いに対向するように設けられている電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置であって、
   前記表面電極の表面上又はその内部における互いに所定の距離をおいて位置する二点間の温度差が所定温度差を超える条件が成立した回数が多くなると、その回数が少ないときよりも、前記表面電極の劣化度合いが高いと推定する推定部を備えた電気加熱式触媒の電
   極の劣化度合い推定装置。
5. 前記表面電極の表面上又はその内部における前記二点間の温度差が前記所定温度差を超える条件が、内燃機関が冷間始動し、且つ、機関始動時から所定時間が経過するまでの間における、内燃機関の吸入空気量の積算値又は電気加熱式触媒に投入される熱量の積算値が所定値を超えることである請求項４に記載の電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置。
6. 前記発熱体に触媒が担持されており、
   前記推定部が、触媒の最大酸素保持量が少なくなると、その量が多いときよりも、前記表面電極の劣化度合いが高いと推定する請求項４又は５に記載の電気加熱式触媒の電極の劣化度合い推定装置。

Images