JP5771928B2

JP5771928B2 - 電気加熱式触媒装置

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Publication number: JP5771928B2
Application number: JP2010209634A
Authority: JP
Inventors: 克実土田; 雅善鈴木; 靖弘小池
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: JP2012061449A

Description

本発明は、電気加熱式触媒装置にかかり、特に、ハイブリッド自動車等の車両で使用する電気加熱式触媒装置に関する。

近年、環境問題等を考慮して、モータとエンジンとを併用して走行するハイブリッド自動車が注目を集めている。

ハイブリッド自動車では、エンジンを搭載しているので、排気ガスを浄化する触媒装置が必要であるが、この触媒装置は排気ガスを酸化、還元できる温度範囲が決まっており、温度が低下すると排気ガスの浄化能力が低下してしまう。そこで、触媒装置として電気加熱式触媒装置（以下「ＥＨＣ（Electrical Heating Catalyzer）」とも称する。）を排気通路に設け、触媒温度が低下した場合に、ヒータ等を用いて加熱することによって排気ガスの浄化能力を維持する技術が提案されている。

例えば、特許文献１に記載の技術では、触媒坦体の外周面と金属製シェルの内周面との間に、電気絶縁材であって緩衝性を有する環状のマット部材が介装されたＥＨＣが記載されている。

特開平５−２６９３８７号公報

ところで、電気加熱式触媒装置は、図６（Ａ）に示すように、温度による抵抗値の変化が大きいため、温度調整を行うための投入電力量の変化が大きくなってしまう。従って、図６（Ｂ）に示すような電力調整回路３０が必要となり、昇圧コンバータ等の高価な電源回路が必要となってしまう。

本発明は、上記事実を考慮して成されたもので、電力調整回路を必要としない電気加熱式触媒装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、触媒を加熱するヒータが複数に分割され、分割されたヒータのそれぞれに対して通電するための複数の電極と、前記ヒータの抵抗値、または触媒温度を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、温度上昇による前記抵抗値の変化が小さくなるように、前記複数の電極のうちの、通電する電極数を変化させる制御手段と、を備え、前記ヒータが、温度上昇と共に前記抵抗値が減少する特性を有すると共に、前記分割されたヒータが各々並列接続され、前記制御手段が、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記抵抗値が減少または前記触媒温度が上昇するに従って前記複数の電極のうちの、通電する電極数を減少させる。

請求項１に記載の発明によれば、触媒を加熱するヒータが複数に分割されて、複数に分割されたヒータに対応して複数の電極が設けられている。すなわち、各電極への通電によって、分割されたヒータのそれぞれを加熱することが可能となる。なお、ヒータは、温度上昇と共に抵抗値が減少する特性を有すると共に、分割されたヒータが各々並列接続されている。

検出手段では、ヒータの抵抗値、または触媒温度が検出される。すなわち、ヒータの抵抗値を直接検出するようにしてもよいし、ヒータの抵抗値が温度によって変化するため、触媒の温度をヒータの抵抗値として検出してもよい。

そして、制御手段では、検出手段の検出結果に基づいて、温度上昇によるヒータの抵抗値の変化が小さくなるように、複数の電極のうちの、通電する電極数を変化させるために、抵抗値が減少または触媒温度が上昇するに従って複数の電極のうちの、通電する電極数を減少させる。これにより、ヒータの抵抗値変化が抑制されるので、電力調整回路を必要とすることがなくなる。

例えば、請求項２に記載の発明のように、ヒータが、排気ガスの流れ方向に沿って、上流部、中流部、及び下流部に３分割され、制御手段が、全ての電極に通電を開始して、検出手段の検出結果が予め定めた第１の値以上になったときに、下流部に対応する電極への通電を停止し、第１の値より大きい第２の値以上になったときに、中流部に対応する電極への通電を停止し、第２の値より大きい第３の値以上になったときに、上流部に対応する電極への通電を停止するように、電極への通電を制御する。このように通電を制御することにより、全体の抵抗値変化を抑制することが可能となる。

また、請求項３に記載の発明のように、ヒータは排気ガスの流れ方向に沿って複数に分割され、制御手段が、走行中に触媒温度が低下して加熱する必要がある場合に、排気ガスの流れ方向の上流側に対応する予め定めた電極に通電を開始するように、電極への通電を更に制御するようにしてもよい。この場合には、請求項４に記載の発明のように、制御手段は、触媒が機能する温度になる毎に、通電する前記電極を下流側の前記電極に順次切り換えるように、電極への通電を更に制御するようにしてもよい。このように通電を制御することによって、消費電力を抑制しながら触媒の加熱を行うことができる。

以上説明したように本発明によれば、抵抗値の変化が小さくなるように、分割されたヒータのそれぞれに対応する電極に対して通電を制御することによって、電力調整回路を必要としない電気加熱式触媒装置を提供することができる、という効果がある。

本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置の概略構成を示す図である。本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置の制御系の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置の通電の切り換えを説明するための図である。本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置の制御装置で行われる処理の流れの一例である。本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置の制御装置で行われる走行中に触媒温度が低下した場合の処理の流れを示すフローチャートである。（Ａ）はヒータ抵抗の温度による変化を示す図であり、（Ｂ）は電力調整回路を設けた電気加熱式触媒装置の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置の概略構成を示す図である。

本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置１０は、図１に示すように、エンジンの排気ガスの経路中に設けられ、排気ガスを浄化する。また、電気加熱式触媒装置１０は、エンジンが停止した状態でも走行用モータによって走行可能とされたハイブリッド自動車に搭載され、触媒を加熱するためにエンジンを始動させないように、エンジン停止によって冷却された触媒を加熱するようにしたシステムである。

すなわち、排気ガスを浄化する触媒は、温度が低下すると排気ガスの浄化能力が低下するため、電気加熱式触媒装置１０は、触媒を加熱して排気ガスの浄化能力を維持するものである。なお、ハイブリッド自動車に限るものではなく、所謂プラグインハイブリッド自動車に適用するようにしてもよい。

本実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置１０は、触媒を加熱するヒータが複数に分割され、分割されたヒータにそれぞれ対応して、図１に示すように、複数対の電極１２〜１６を備えている。すなわち、各対の電極１２〜１６に通電することによって分割されたヒータをそれぞれ加熱して触媒を加熱するようになっている。なお、本実施の形態では、ヒータが上流部、中流部、及び下流部に３分割された例を説明するが、分割数はこれに限るものではない。

図２は、本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置１０の制御系の構成を示す図である。

３対の電極１２〜１６は、それぞれ通電することにより、分割されたヒータのそれぞれ加熱して触媒を加熱するので、図２に示すように、電極１２〜１６に対応するヒータ抵抗Ｒ１〜Ｒ３を有している。各ヒータ抵抗Ｒ１〜Ｒ３は、分割されたヒータのそれぞれに対応するので、並列に接続されたものとなる。なお、上流部の電極１２に対応してヒータ抵抗Ｒ１、中流部の電極１４に対応してヒータ抵抗Ｒ２、下流部の電極１６に対応してヒータ抵抗Ｒ３とされている。

また、分割されたヒータのそれぞれに対して通電を制御するために、各ヒータ抵抗Ｒ１〜Ｒ３に対応してスイッチＳ１〜Ｓ３が設けられている。

各スイッチＳ１〜Ｓ３は、制御装置１８に接続されており、制御装置１８の制御によってオンオフが制御される。

また、電気加熱式触媒装置１０は、３対の電極１２〜１６にそれぞれ対応して温度センサ２０〜２４が設けられており、それぞれ電極１２〜１６の近傍の触媒温度を検出して、検出結果を制御装置１８に出力するようになっている。すなわち、電気加熱式触媒装置１０の上流部、中流部、及び下流部の３箇所に温度センサ２０〜２４が設けられ、各位置の温度が検出される。本実施の形態では、温度センサ２０は、３分割されたヒータの上流部に対応する部分の触媒温度を検出し、温度センサ２２は、中流部の触媒温度を検出し、温度センサ２４は、下流部の触媒温度を検出する。

そして、制御装置１８は、各温度センサ２０〜２４の検出結果に基づいて、抵抗値の変化が小さくなるように、スイッチＳ１〜Ｓ３のオンオフを制御して、触媒の温度を調整する。

具体的には、電気加熱式触媒装置１０は、温度変化による抵抗値の変化が大きい特性を有しており、温度上昇と共にヒータ抵抗が減少する特性を有しているため、図３に示すように、予め定めた第１温度までは、電極１２〜１６の全てに通電し、第１温度から第２温度（第１温度＜第２温度）までは電極１２、１４に通電し、第２温度より高い温度では電極１２のみに通電するように制御装置１８がスイッチＳ１〜Ｓ３のオンオフを制御する。すなわち、このように通電を制御することによって、ヒータの抵抗値の変化を小さくすることができるので、電力調整回路を不要とすることができる。

また、例えば、エンジンを停止して走行用モータで走行している際に、触媒温度が低下してきた場合等のように通電する電極数が少なくてもよいときには、エンジンの排気ガスの上流側の部位への通電を開始する。

そして、全体の温度が均一になるように、通電部位を順次切り替えるように制御装置１８がスイッチＳ１〜Ｓ３を制御するようになっている。

続いて、上述のように構成された本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置１０の制御装置１８で行われる処理の流れについて説明する。図４は、本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置１０の制御装置１８で行われる処理の流れの一例である。なお、図４の処理は、起動時の処理として説明するが、触媒温度が予め定めた温度より低下して起動時の温度と同等の場合に実行するようにしてもよい。

まず、ステップ１００では、全電極１２〜１６に通電が行われてステップ１０２へ移行する。すなわち、電極１２〜１４の全てに通電するようにスイッチＳ１〜Ｓ３が制御装置１８の制御によってオンされる。

ステップ１０２では、第１温度以上になったか否かが制御装置１８によって判定される。すなわち、温度センサ２０〜２４の検出結果から第１温度以上になったか否かを判定し、該判定が肯定されるまで待機してステップ１０４へ移行する。なお、このとき温度センサ２０〜２４は何れか１つの温度センサ（例えば、下流部の温度センサ２４）の検出結果が第１温度以上になったか判定するようにしてもよいし、全ての温度センサ２０〜２４の検出結果が第１温度以上になったかを判定するようにしてもよい。

ステップ１０４では、制御装置１８の制御によってスイッチＳ３がオフされて下流部の電極１６への通電が停止されてステップ１０６へ移行する。

ステップ１０６では、第２温度以上になったか否かが制御装置１８によって判定される。すなわち、温度センサ２０〜２４の検出結果から第２温度以上になったか否かを判定し、該判定が肯定されるまで待機してステップ１０８へ移行する。なお、このとき温度センサ２０〜２４は何れか１つの温度センサ（例えば、中流部の温度センサ２２）の検出結果が第２温度以上になったか判定するようにしてもよいし、全ての温度センサ２０〜２４の検出結果が第２温度以上になったかを判定するようにしてもよい。

ステップ１０８では、制御装置１８の制御によってスイッチＳ２がオフされて中流部の電極１４への通電が停止されてステップ１１０へ移行する。

ステップ１１０では、必要温度以上になったか否かが制御装置１８によって判定される。すなわち、温度センサ２０〜２４の検出結果から予め定めた必要温度（触媒が機能する温度）になった否かを判定し、該判定肯定されるまで待機してステップ１１２へ移行する。なお、このとき温度センサ２０〜２４は何れか１つの温度センサ（例えば、上流部の温度センサ２０）の検出結果が必要温度になったかを判定するようにしてもよいし、全ての温度センサ２０〜２４の検出結果が必要温度になったかを判定するようにしてもよい。

ステップ１１２では、制御装置１８の制御によってスイッチＳ１がオフされて上流部の電極１２への通電が停止されて一連の処理を終了する。

このように、本実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置１０は、ヒータを複数に分割して構成し、温度によって変化する抵抗値の変化に応じて通電する電極数を変化させて、触媒を加熱するので、ヒータの全体の抵抗値の変化を小さくすることができ、電力調整回路等を設ける必要がなくなる。

次に、走行中に触媒の温度が低下した場合に制御装置１８で行われる処理の流れについて説明する。図５は、本発明の実施の形態に係わる電気加熱式触媒装置１０の制御装置１８で行われる走行中に触媒温度が低下した場合の処理の流れを示すフローチャートである。

ステップ２００では、制御装置１８の制御によってスイッチＳ１がオンされて上流部の電極１２への通電が行われてステップ２０２へ移行する。

ステップ２０２では、上流部が必要温度以上になったか否かが制御装置１８によって判定される。すなわち、上流部に対応する温度センサ２０の検出結果が必要温度以上になったか否かを判定し、該判定が肯定されるまで待機してステップ２０４へ移行する。

ステップ２０４では、制御装置１８の制御によってスイッチＳ１がオフされて上流部の電極１２の通電が停止されると共に、スイッチＳ２がオンされて中流部の電極１４への通電が行われてステップ２０６へ移行する。

ステップ２０６では、中流部が必要温度以上になったか否かが制御装置１８によって判定される。すなわち、中流部に対応する温度センサ２２の検出結果が必要温度以上になったか否かを判定し、該判定が肯定されるまで待機してステップ２０８へ移行する。

ステップ２０８では、制御装置１８の制御によってスイッチＳ２がオフされて中流部の電極１４の通電が停止されると共に、スイッチＳ３がオンされて下流部の電極１６への通電が行われてステップ２１０へ移行する。

ステップ２１０では、下流部が必要温度以上になったか否かが制御装置１８によって判定される。すなわち、下流部に対応する温度センサ２４の検出結果が必要温度以上になったか否かを判定し、該判定が肯定されるまで待機してステップ２１２へ移行する。

ステップ２１２では、制御装置１８の制御によってスイッチＳ３がオフされて下流部の電極１６の通電が停止されて一連の処理を終了する。

このように、走行中に触媒温度が低下して加熱する必要がある場合には、上流に対応する電極から順に通電する電極を順次切り替えて必要温度になるように加熱するので、消費電力を抑制しながら触媒の加熱を行うことができる。

なお、上記の実施の形態では、抵抗値の変化を温度として捉えて温度センサ２０〜２４の検出結果に基づいて、通電する電極を変更するようにしたが、温度センサ２０〜２４の代りに抵抗値を検出し、抵抗値の検出結果に基づいて、通電する電極を変更するようにしてもよい。

１０電気加熱式触媒装置
１２、１４、１６電極
１８制御装置
２０、２２、２４温度センサ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３スイッチ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ヒータ抵抗

Claims

触媒を加熱するヒータが複数に分割され、分割されたヒータのそれぞれに対して通電するための複数の電極と、
前記ヒータの抵抗値、または触媒温度を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、温度上昇による前記抵抗値の変化が小さくなるように、前記複数の電極のうちの、通電する電極数を変化させる制御手段と、
を備え、
前記ヒータが、温度上昇と共に前記抵抗値が減少する特性を有すると共に、前記分割されたヒータが各々並列接続され、前記制御手段が、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記抵抗値が減少または前記触媒温度が上昇するに従って前記複数の電極のうちの、通電する電極数を減少させる電気加熱式触媒装置。
前記ヒータが、排気ガスの流れ方向に沿って、上流部、中流部、及び下流部に３分割され、前記制御手段が、全ての前記電極に通電を開始して、前記検出手段の検出結果が予め定めた第１の値以上になったときに、前記下流部に対応する前記電極への通電を停止し、前記第１の値より大きい第２の値以上になったときに、前記中流部に対応する前記電極への通電を停止し、前記第２の値より大きい第３の値以上になったときに、前記上流部に対応する前記電極への通電を停止するように、前記電極への通電を制御する請求項１に記載の電気加熱式触媒装置。
前記ヒータは排気ガスの流れ方向に沿って複数に分割され、前記制御手段が、走行中に触媒温度が低下して加熱する必要がある場合に、排気ガスの流れ方向の上流側に対応する予め定めた前記電極に通電を開始するように、前記電極への通電を更に制御する請求項１又は請求項２に記載の電気加熱式触媒装置。
前記制御手段は、触媒が機能する温度になる毎に、通電する前記電極を下流側の前記電極に順次切り換えるように、前記電極への通電を更に制御する請求項３に記載の電気加熱式触媒装置。