JP6918228B2 - 電気的に加熱可能な触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための装置および方法および自動車 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の確実かつ有害物質の少ない動作にそれぞれ寄与することができる、電気的に加熱可能な触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための装置および方法に関する。さらに本発明は、そのような装置を備えた自動車に関する。

内燃機関を搭載した自動車は、排気ガスの後処理に使用される触媒コンバータを有している。触媒コンバータによって、排気ガス中の有害物質の排出を減らすことができる。多くの自動車は、加熱要素によって触媒コンバータの有用な動作温度を迅速に設定できるようにするために、電気的に加熱可能な触媒コンバータを有している。加熱要素の温度を知ることによって、触媒コンバータの所望の動作温度を設定することができる。しかし、電気式触媒コンバータ加熱のこのような機能は、加熱された排気ガス流の評価に基づいており、したがって、動作中の内燃機関のもとでの一定の事前動作の後にのみ行われる。

本発明の課題は、自動車の確実かつ有害物質の少ない動作にそれぞれ寄与することができる、電気的に加熱可能な触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための装置および方法を実現することである。

上述の課題は、独立請求項に記載されている特徴によって解決される。本発明の有利な構成は、従属請求項に記載されている。

本発明のある態様では、電気的に加熱可能な触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための装置は、触媒コンバータハウジング内に配置されている加熱要素および触媒コンバータと、この触媒コンバータハウジング内に配置されている第１の温度センサおよび第２の温度センサとを含んでおり、第１の温度センサは、第２の温度センサよりも、触媒コンバータハウジング内の排気ガス流方向に関して加熱要素の近くに配置されている。

記載された装置を用いて、触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を確実に求めることができ、自動車の動作中に有害物質の排出を低く保つのに寄与することができる。

電気的に加熱可能な触媒コンバータでは、有利には、自動車の内燃機関のエンジン始動前に既に加熱要素が起動され、これによって、エンジン始動時に触媒コンバータに熱をより迅速に供給することができ、さらに排気ガスの後処理に有用な動作温度を設定することができる。従来の排気ガス温度センサには、特に、触媒コンバータハウジングを通って流れるガスに基づいて、動作中のエンジンのもとで、加熱要素の温度を検出もしくは推定するため、エンジン停止時もしくはエンジン非動作時に加熱要素の温度を監視することができないという問題が伴う。ガス流がない場合には、触媒コンバータシステムのこのような構造では、加熱要素は急速に過熱され、損傷する可能性がある。

記載された装置を用いて、加熱要素の温度を簡単かつ確実に検出および制限することができ、触媒コンバータシステムの有利な動作状態を設定することができる。ここでは、有害物質の排出の低減に寄与するために、自動車の内燃機関のエンジン始動前に既に、加熱可能な触媒コンバータを起動させることができる。したがって、電気式触媒コンバータ加熱の機能を、エンジン停止時もしくはエンジン非動作時にも利用することができる。相対的に高い加熱出力および相応する急速な温度上昇も、記載された装置を用いて確実に引き起こすことができる。

有利な発展形態では、この装置は、触媒コンバータハウジング内に、排気ガス流方向に関して、第１の温度センサと第２の温度センサとの間に配置されているシールドを含んでおり、これによって、第２の温度センサは加熱要素の熱放射からシールドされている。

シールドは、たとえば、２つの温度センサの間に延在している２つの金属シートを有している。これらの金属シートは直線または平面であるか、または第２の、基準となる温度センサの有用なシールドを形成する所定の湾曲を有し得る。さらに、シールドは、加熱要素の熱放射に関して、第２の温度センサ用の影を形成するために、金属シート、セラミックまたはその他の方法で設計されているシールド要素を１つだけ、または複数有することもできる。

別の有利な発展形態では、装置は、触媒コンバータハウジングに配置され、第１の温度センサおよび／または第２の温度センサを機械的に受容するように構成されているセンサインターフェースを含んでいる。このようなインターフェースによって、温度センサを容易に取り付けることができ、さらに、温度センサを所定の位置に安定的かつ確実に保持することができる。特に、センサインターフェースを、ねじ開口部として実現することができ、その中に温度センサを、相応する保持手段によって螺合することができる。

センサインターフェースは、既存の触媒コンバータシステムにおいて既に構成されている受容開口部も含むことができるので、既存の受容開口部が付加的に、別の、基準となる温度センサおよび場合によっては設けられているシールドもともに受容するために利用される。したがって、特に少ないコストで既存の触媒コンバータシステムにコンポーネントを付け加えることができ、その結果、記載された装置に相応に、加熱要素の加熱温度を特に確実に求めることができる。

装置の有利な発展形態では特に、第１の温度センサおよび第２の温度センサは、共通のセンサアセンブリとして構成されていてよい。シールドが設けられている場合は、これは同様に、共通のセンサアセンブリの一部を構成することができる。このようにして、たとえば、センサアセンブリを螺合可能または係止可能にセンサインターフェース内に入れることによって、記載された装置の特に容易な組み立ておよびメンテナンスが可能になり、必要な場合には相応に容易にここから再び取り外すことができる。

２つの温度センサが互いに近くに組み込まれている共通のセンサアセンブリに対して択一的に、これらの温度センサを触媒コンバータハウジング内に別個に構築することができる。設置場所によっては、２つの温度センサ間の熱放射のシールドも省くことができる。たとえば、第１の温度センサは、加熱要素から５０ミリメートルの距離にあり、第２の温度センサは第１の温度センサから１５〜２０センチメートル離れて配置されているので、加熱要素の加熱温度を確実かつ正確に求めることができる十分な温度差を特定することが可能である。

このようにして、第１の温度センサを用いて、加熱要素の熱放射の領域における温度上昇を検出することができ、他方では加熱要素から十分な距離にある第２の温度センサを用いて、周囲温度を測定することができる。周囲温度は基準として用いられ、第１の温度とは異なる。さらに場合によっては、モデル計算を用いて、排気ガス温度、ひいては加熱要素の加熱温度を十分な精度で特定することもできるので、基準センサとしての第２の温度センサを省くことができる。

第１の温度センサおよび／または第２の温度センサは、たとえば、それぞれ排気ガス温度センサとして構成されており、サーミスタおよび／または熱電対を有しており、これによって、触媒コンバータハウジングの排気ガスライン内の各温度を測定することができる。

非接触温度測定用のパイロメーターにおける通常の熱電センサを使用することは、機械的、熱的な要求および化学的な要求が高いため、通常、内燃機関の排気ガスシステムにおいては有用ではない。加熱要素の温度は、加熱要素の表面の放射出力を介して各温度センサの加熱を評価することによって、適切な温度センサを用いて検出することができる。

放射出力は単位時間あたりの放射熱量の尺度であり、表面の温度の４乗で、加熱要素に対して関連性のある温度範囲において増大する。加熱要素の監視のために、６００°Ｃから１０００°Ｃの範囲の、実質的に相対的に高い温度が検出されるべきであり、加熱動作時にこのような温度は通常、現下の排気ガス温度を超えるため、これを従来の排気ガス温度センサで行うことができる。第１の温度センサとして排気ガス温度センサが、加熱要素の放射出力によって加熱されるように、取り付けられる。

第２の温度センサは、基準センサとして、加熱要素の熱放射によって影響されないように、または極僅かにしか影響されないように、第１の温度センサの後方に配置される。有利には第２の温度センサは、適切に形成されたシールド金属シートによって熱放射から遮られ、その結果、このような第２の温度センサは実質的に触媒コンバータシステム内の周囲温度だけを検出する。

第１の温度センサの現下の温度とその周囲温度とに応じて、第１の温度センサの温度は、加熱要素が起動され、触媒コンバータを加熱するとすぐに上昇する。関連性のある高い温度のもとでは、加熱要素の放射出力は十分に大きいので、金属表面が相対的に低い放射係数もしくは吸収係数を有しているのにもかかわらず、放射器および吸収器によって、十分な測定効果のための十分な放射出力が温度センサに作用する。この場合、加熱要素は放射器を実現し、第１の温度センサは吸収器を実現する。

第１の温度センサと基準となる第２の温度センサ要素との間の差温の時間勾配は、加熱要素の表面の温度に対する尺度を形成する。吸収器もしくは第１の温度センサの温度も、放射エネルギーの吸収および伝達を特定するので、差温のこの勾配は、第２の温度センサによって特定可能な基準温度によって重み付けされる。たとえば、測定中に排気ガス温度が上昇すると、これは同様に第２の温度センサによって検出され、差温の測定された勾配を修正するために考慮され得る。

加熱要素の面にわたった温度分布は完全には均一でなく、熱放射の物理的性質に基づいて高温領域が形成される。この高温領域は、面積あたり温度の４乗で増大するため、放射出力に不相応に作用する。放射出力にとって決定的なのは加熱要素の平均温度ではなく、最も高温の箇所であるので、このような特性の知識は、加熱要素に対する過熱保護の形成のために重要な意味がある。

記載された装置を用いて、加熱要素の表面温度は、熱放射出力を介して間接的に求められ、長期間持続し、確実な、加熱要素の機能性に寄与することができる。ここではたとえば、半導体ベースの高感度赤外線センサは不要であり、ロバストな排気ガス温度センサの機能原理が使用可能である。

特に、加熱要素の加熱温度を確実に求めることを可能にするために、放射出力が高い、相対的に高い温度が測定されることが有用である。２つの温度センサ要素を使用し、そのうちの１つを加熱要素の放射領域に直接的に配置し、第２の温度センサ要素を、局所的な周囲温度を求めるために、第１の温度センサから距離を置いて、かつ／またはシールドして位置付けることによって、排気ガス流がない場合でも加熱要素の温度を正確に求めることができる。

したがって、この装置を用いて、加熱可能な触媒コンバータを備えたセンサシステムを構成することができ、その必要なコンポーネントは、特に、利用可能な技術を使用して実現可能である。そのようなコンポーネントは既に排気ガスにおける適用において有用であることが判明している。さらに、基準センサとして用いられる第２の温度センサを、第１の温度センサとともに共通のセンサアセンブリ内に設けることができるので、触媒コンバータハウジング内のセンサアセンブリ用の、いずれにせよ設けられている位置に、付加的な温度センサが１つだけ配置される。したがって、センサアセンブリの組み立てに付加的なコストはかからず、記載された装置を特に安価に製造することができ、かつ既存の触媒コンバータシステム内に組み込むことができる。

本発明の別の態様は、電気的に加熱可能な触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための上述した装置の構成を含んでいる自動車に関する。装置はここで、自動車の中に、または自動車に接して配置されている。

この自動車は、上述した装置の実施形態を有しているので、該当する限り、触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための装置に関連して上述した特性および特徴は、自動車に対しても開示されており、逆もまた同様である。

本発明の別の態様では、電気的に加熱可能な触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための方法は、触媒コンバータを加熱するための加熱要素を駆動制御すること、および触媒コンバータハウジング内の第１の温度を表す第１の温度測定信号を第１の温度センサによって受信することを含んでいる。この方法はさらに、触媒コンバータハウジング内の第２の温度を表す第２の温度測定信号を第２の温度センサによって受信することを含んでいる。この方法はさらに、第１の温度測定信号および第２の温度測定信号に関連して、時間的な温度勾配を求めること、および求められた時間的な温度勾配に関連して、加熱要素の加熱温度を求めることを含んでいる。

記載された方法を用いて、触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を確実に求めることができ、自動車の動作中に有害物質の排出を低く保つのに寄与することができる。特に、この方法は、上述した装置の実施形態を用いて実施可能であり、該当する限り、触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための装置に関連して上述した特性および特徴は、方法に対しても開示されており、逆もまた同様である。

この方法の有利な発展形態では、加熱要素の加熱温度は、それによってこの方法が実施可能な、装置に関するシステム固有の情報を含んでいる、提供されたデータに関連して求められる。この種のシステム固有の情報は、たとえば、モデル計算のデータを含むことができ、それに基づいて、排気ガス温度を十分な精度で特定することができる。択一的または付加的に、提供されたデータは、たとえば、触媒コンバータシステムの熱的な境界条件および幾何学的な境界条件に関連して生成された、経験的に求められたシステム固有の特性マップの情報を含んでいる。触媒コンバータシステムにおける複雑な放射特性を考慮すると、電気的に加熱可能な触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための方法の範囲では、較正された特性マップと、モデル計算に基づくデータとの組み合わせが有利である。

本発明の実施例を以降で、概略図に基づいてより詳細に説明する。

自動車の概略的な実施例を示す図である。 電気的に加熱可能な触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための装置の概略的な実施例を示す図である。 電気的に加熱可能な触媒コンバータの加熱要素の加熱温度を求めるための方法の概略的なフローチャートを示す図である。

同じ構造または同じ機能を有する要素には、すべての図で同じ参照符号が付けられている。

図１は、信号技術に関して互いに結合されている装置１０および制御ユニット３を含んでいる自動車１の実施例の概略的な平面図を示している。以降の図２および図３に基づいて説明するように、装置１０によって、電気的に加熱可能な触媒コンバータ１２の加熱要素１１の加熱温度を確実に求めることが可能になり、これは自動車１の動作中の有害物質の排出を低く保つのに寄与する。

図２に概略的に示された実施例では、装置１０は、触媒コンバータハウジング１７内に配置されている加熱要素１１および触媒コンバータ１２を有している。装置１０はさらに、触媒コンバータハウジング１７内に配置されている第１の温度センサ１３および第２の温度センサ１４を含んでおり、ここで第１の温度センサ１３は、第２の温度センサ１４よりも、触媒コンバータハウジング１７内の排気ガス流方向Ｒに関して加熱要素１１の近くに配置されている。

装置１０を用いて、自動車１の低有害物質動作に寄与することができる触媒コンバータシステムを実現することができる。加熱要素１１ならびに触媒コンバータ１２は、たとえばハニカム形状であり、場合によっては、触媒コンバータ１２が加熱要素１１を支持するように、触媒コンバータハウジング１７内に構築されている。触媒コンバータハウジング１７は、たとえば、第１の温度センサ１３および第２の温度センサ１４を含んでいるセンサアセンブリ１８をその中に螺合することができるねじアダプタを備えるセンサインターフェース１６を有している。

有利な実施形態では、装置１０は、加熱要素１１の熱放射に関して、第２の温度センサ１４のための影を形成するシールド１５を有しており、その結果、第２の温度センサ１４を用いて、触媒コンバータハウジング１７内にあるガスの、基準となる周囲温度を測定することが可能になる。

シールド１５は、排気ガス流方向Ｒに関して、２つの温度センサ１３と１４との間に配置されており、たとえば２つの金属シートの形態で構成されている。したがって、２つの温度センサ要素１３および１４はシールド１５によって別個にされている。シールド１５がセンサアセンブリ１８の一部も実現するのは有利であり、それによって、加熱要素１１の加熱温度を、特に容易かつ省スペースで、確実に求めることができる。さらに、コンパクトな一体型センサアセンブリ１８は、属するコンポーネントの容易な組み立ておよび低コストのメンテナンスの実現性に寄与する。さらに、センサアセンブリ１８は、触媒コンバータハウジング１７とは反対側の自身の端部で、電子モジュールを用いて、ＣＡＮインターフェースと結合可能であり得るので、自動車１の制御ユニット３とセンサアセンブリ１８との間に信号伝送を設けることができる。

第１の温度センサ１３は、加熱要素１１に面しており、加熱要素１１の熱放射を吸収する。第２の温度センサ１４は、たとえば、シールド１５の適切に形成されたシールド金属シートによって、加熱要素１１の熱放射からシールドされている基準センサ要素を実現する。このようにして、第２の温度センサ１４が実質に、周囲の排気ガスの温度を検出することを保証することができる。

触媒コンバータ１２は、たとえば、メタル担体触媒コンバータとして構成されている。加熱要素１１は、たとえば、この種のメタル担体触媒コンバータの短い区間のように構成されており、したがって加熱要素１１を触媒コンバータ１２によって支持することができるように、有利に、触媒コンバータハウジング１７内に触媒コンバータ１２とともに構築されていてよい。

２つの温度センサ１３および１４を、共通のセンサアセンブリ１８において、受容部１６内に構築するのではなく、２つの別個のセンサとして、触媒コンバータハウジング１７内に構築することも可能である。この場合、設置場所によっては、加熱要素１１の熱放射に対するシールド１５を省くこともできる。これは、温度センサ１３、１４が互いに十分に長い距離を有しており、加熱要素１１の加熱温度を確実に求めることができる場合である。さらに、場合によっては、排気ガス温度と、それに基づいて加熱要素１１の加熱温度とを十分な精度で、モデル計算を介して特定することも可能であり、したがって、基準センサとしての第２の温度センサ１４を省くことができる。

温度センサ１３、１４として、原則として利用可能な排気ガス温度センサを使用することができる。たとえば、第１の温度センサ１３および／または第２の温度センサ１４は、サーミスタ（ＮＴＣ）または熱電対を備えたセンサを有している。

触媒コンバータハウジング１７内に排気ガス流がなくても、記載された装置１０を用いて、加熱要素１１の加熱温度を確実に求めることができる。したがって、属する内燃機関のエンジン始動前に既に加熱要素１１を動作させることもでき、ここでは加熱温度を監視することによって、加熱要素１１の過熱および損傷のリスクが低減されている。このようにして、内燃機関の有害物質の排出を処理するための時間を得ることができる。これは、記載された装置１０に従って、有害物質を低減するために設けられた触媒コンバータ１２をより迅速に有用な動作温度にすることができることによって実現される。

加熱要素１１の加熱温度を、図３によるフローチャートに従って、電気的に加熱可能な触媒コンバータ１２の加熱要素１１の加熱温度を求めるための方法を用いて監視することができる。

ステップＳ１では、加熱要素１１が起動され、その結果、加熱要素１１の温度が上昇する。これは、加熱要素１１と第１の温度センサ要素１３との間の放射不均衡、ひいては第１の温度センサ１３の位置での温度の上昇をもたらす。

ステップＳ３では、第１の温度が第１の温度センサ１３によって検出されてよく、相応する第１の温度測定信号が生成されてよく、これがさらなる処理のために利用可能にされてよい。

ステップＳ５では、第２の温度が第２の温度センサ１４によって検出されてよく、相応する第２の温度測定信号が生成されてよく、これがさらなる処理のために利用可能にされてよい。

第１の温度測定信号および第２の温度測定信号に応じて、単位時間当たりの温度変化がステップＳ７において求められ、これに基づいて、基準となる第２の温度センサ要素１４の位置における現下の温度を考慮して、加熱要素１１の現下の温度が計算される。

このような計算の範囲に、経験的に求められた特性マップおよび／またはモデル計算等のシステム固有の情報も含めることができる。これには、たとえば、触媒コンバータシステムにおける熱的な境界条件および幾何学的な境界条件に関するデータならびに放射特性を含んでいる。この種の排気ガスシステムもしくは触媒コンバータシステムの複雑さのために、較正された特性マップとモデル計算との組み合わせが、加熱要素１１の加熱温度を求める際に特に有利である。

記載された方法を用いて、加熱要素１１の加熱温度を確実に求めることができ、自動車１の動作中に有害物質の排出を低く保つのに寄与することができる。この方法は、たとえば、自動車１の制御ユニット３を用いて実施可能であり、この制御ユニットは、たとえば、データメモリと、データおよび信号を受信、処理および送信するための計算ユニットとを含んでいる。

加熱要素１１の事前加熱段階が、使用されるシステムコンポーネントの熱時定数に関して相対的に長い場合、触媒コンバータハウジング１７内の温度の平衡状態も起こり得る。第１の温度センサ１３の温度はここで、放射平衡および熱伝導平衡に漸近的に近似するだろう。この平衡は、第１の温度センサ要素１３、加熱要素１１、センサアセンブリ１８による熱分散および触媒コンバータハウジング１７内にあるガスのガス温度によって形成される。

第１の温度センサ１３での単位時間あたりの温度変化はこの場合にはゼロに収束するだろうが、これは、加熱要素１１の加熱温度が、値的に第１の温度センサ１３の温度に正確に相応していることを意味しないだろう。なぜなら、放射平衡は加熱要素１１と第１の温度センサ要素１３との間でのみ有効ではないからである。しかし、局所的な温度、および２つの温度センサ１３および１４の位置での第１の温度と第２の温度との差の知識に基づいて、この動作点までの熱パラメーターのシステム固有の較正とともに、加熱要素１１の温度を確実に制限することが可能である。

Claims (10)

1. 電気的に加熱可能な触媒コンバータ（１２）の加熱要素（１１）の加熱温度を求めるための装置（１０）であって、
   触媒コンバータハウジング（１７）内に配置されている前記加熱要素（１１）および前記触媒コンバータ（１２）と、
   前記触媒コンバータハウジング（１７）内で、排気ガス流方向（Ｒ）に対して前記加熱要素（１１）の上流に配置されている第１の温度センサ（１３）および第２の温度センサ（１４）と、
   を含み、
   前記第１の温度センサ（１３）は、前記第２の温度センサ（１４）よりも、前記触媒コンバータハウジング（１７）内の前記排気ガス流方向（Ｒ）に対して前記加熱要素（１１）の近くに配置されている、
   装置（１０）。
2. 前記触媒コンバータハウジング（１７）内に、前記排気ガス流方向（Ｒ）に対して、前記第１の温度センサ（１３）と前記第２の温度センサ（１４）との間に配置されているシールド（１５）を含み、前記第２の温度センサ（１４）は前記加熱要素（１１）の熱放射からシールドされている、請求項１記載の装置（１０）。
3. 前記シールド（１５）は、２つの金属シートを有する、請求項２記載の装置（１０）。
4. 前記触媒コンバータハウジング（１７）に配置され、前記第１の温度センサ（１３）および／または前記第２の温度センサ（１４）を機械的に受容するように構成されているセンサインターフェース（１６）を含む、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置（１０）。
5. 前記第１の温度センサ（１３）および前記第２の温度センサ（１４）は、共通のセンサアセンブリ（１８）として構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置（１０）。
6. 前記第１の温度センサ（１３）および前記第２の温度センサ（１４）および前記シールド（１５）は、共通のセンサアセンブリ（１８）として構成されており、前記排気ガス流方向（Ｒ）に対して前後に配置されている、請求項２記載の装置（１０）、または請求項２に従属する請求項３から５までのいずれか１項記載の装置（１０）。
7. 前記第１の温度センサ（１３）および／または前記第２の温度センサ（１４）は、それぞれ排気ガス温度センサとして構成され、サーミスタおよび／または熱電対を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置（１０）。
8. 自動車（１）の中に、または前記自動車（１）に接して配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の、電気的に加熱可能な触媒コンバータ（１２）の加熱要素（１１）の加熱温度を求めるための装置（１０）を含む、自動車（１）。
9. 請求項１から７までのいずれか１項記載の装置（１０）を用いて、電気的に加熱可能な触媒コンバータ（１２）の加熱要素（１１）の加熱温度を求めるための方法であって、
   前記触媒コンバータ（１２）を加熱するための前記加熱要素（１１）を駆動制御するステップと、
   前記触媒コンバータハウジング（１７）内の第１の温度を表す第１の温度測定信号を前記第１の温度センサ（１３）によって受信するステップと、
   前記触媒コンバータハウジング（１７）内の第２の温度を表す第２の温度測定信号を前記第２の温度センサ（１４）によって受信するステップと、
   前記第１の温度測定信号および前記第２の温度測定信号に基づいて、時間的な温度勾配を求めるステップと、
   求められた前記時間的な温度勾配に基づいて、前記加熱要素（１１）の加熱温度を求めるステップと、
   を含む、方法。
10. 前記加熱要素（１１）の加熱温度を求めるステップは、前記装置（１０）に関するシステム固有の情報を含む提供されたデータに基づいて、前記加熱要素（１１）の前記加熱温度を求めるステップを含む、請求項９記載の方法。

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