JP2023079029A - Exhaust emission control device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、電気化学リアクタを有する排気浄化装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to an exhaust purification system having an electrochemical reactor.
従来から、イオン伝導性の固体電解質層と固体電解質層の表面上に配置されたアノード層及びカソード層とを有するセルを複数備える電気化学リアクタを有する排気浄化装置が知られている(例えば、特許文献1)。斯かる電気化学リアクタでは、アノード層から固体電解質層を介してカソード層に流れるように電気化学リアクタに電流を供給すると、カソード層上にてNOxがN2に還元され、浄化される。 Conventionally, there has been known an exhaust purification device having an electrochemical reactor comprising a plurality of cells each having an ion-conducting solid electrolyte layer and an anode layer and a cathode layer arranged on the surface of the solid electrolyte layer (for example, patent Reference 1). In such an electrochemical reactor, when an electric current is supplied to the electrochemical reactor so as to flow from the anode layer through the solid electrolyte layer to the cathode layer, NOx is reduced to N2 and purified on the cathode layer.
特に、特許文献1に記載の電気化学リアクタでは、排気ガスの量が増大した場合には電気化学リアクタに供給する電流量が増大され、排気ガスの量が減少した場合には電気化学リアクタに供給する電流量が減少される。
In particular, in the electrochemical reactor described in
ところで、特許文献1に記載の電気化学リアクタでは、アノード層とカソード層との間ではこれらの表面全体において均一的に電流が流れる。したがって、酸素イオンは、カソード層からアノード層に固体電解質層内で均一に移動する。
By the way, in the electrochemical reactor described in
一方、電気化学リアクタによって浄化される対象成分(例えば、NOx)は、電気化学リアクタによって浄化されるため、電気化学リアクタの下流側の領域の周りでは、電気化学リアクタの上流側の領域の周りに比べて、その濃度が低い。したがって、電気化学リアクタの上流側の領域の周りにおける対象成分の濃度に合わせてアノード層とカソード層との間で流れる電流を設定すると、電気化学リアクタの下流側の領域では酸素イオンが過剰に生成され、消費電力が過剰に大きくなる。一方、電気化学リアクタの下流側の領域の周りにおける浄化対象成分の濃度に合わせてアノード層とカソード層との間で流れる電流を設定すると、電気化学リアクタの上流側の領域周りにいて十分に対象成分を浄化することができなくなる。 On the other hand, since the target component (for example, NOx) purified by the electrochemical reactor is purified by the electrochemical reactor, around the region downstream of the electrochemical reactor, around the region upstream of the electrochemical reactor Its concentration is relatively low. Therefore, setting the current flowing between the anode and cathode layers to match the concentration of the component of interest around the region upstream of the electrochemical reactor results in excessive production of oxygen ions in the region downstream of the electrochemical reactor. and the power consumption becomes excessively large. On the other hand, if the current flowing between the anode layer and the cathode layer is set to match the concentration of the component to be purified around the region downstream of the electrochemical reactor, it will be sufficiently targeted around the region upstream of the electrochemical reactor. Ingredients cannot be cleaned.
上記課題に鑑みて、本開示の目的は、電気化学リアクタにおける消費電力を抑制しつつ排気ガス中の対象成分を十分に化学反応させることができる電気化学リアクタを提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present disclosure is to provide an electrochemical reactor capable of sufficiently chemically reacting target components in exhaust gas while suppressing power consumption in the electrochemical reactor.
本開示の要旨は以下のとおりである。 The gist of the present disclosure is as follows.
(1)内燃機関の排気通路内に配置された電気化学リアクタと、該電気化学リアクタに電流を供給する電源装置とを有する排気浄化装置であって、
前記電気化学リアクタは、イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の表面上に配置されたアノード層及びカソード層とを有するセルを備えると共に、前記アノード層及び前記カソード層に電流が流れると前記排気通路内を流れる排気ガス中の対象成分を化学反応させ、
前記電源装置は、前記アノード層及び前記カソード層に流す電流を供給し、
前記セル又は前記電源装置は、周囲の排気ガス中の対象成分の濃度が相対的に大きい前記セルの領域では、周囲の排気ガス中の対象成分の濃度が相対的に小さい前記セルの領域よりも、前記アノード層と前記カソード層との間で流れる電流が大きくなるように構成される、排気浄化装置。
(2)前記電気化学リアクタ及び前記電源装置は、排気ガスの流れ方向において相対的に上流側の前記セルの領域では、排気ガスの流れ方向において相対的に下流側の前記セルの領域よりも、前記アノード層と前記カソード層との間で流れる電流が大きくなるように構成される、上記(1)に記載の排気浄化装置。
(3)前記固体電解質層は、前記アノード層と前記カソード層との間に配置されると共に前記排気ガスの流れに沿って延びるように配置され、
前記固体電解質層は、前記排気ガスの流れ方向において相対的に上流側の厚さが、前記排気ガスの流れ方向において相対的に下流側の厚さよりも小さくなるように形成される、上記(2)に記載の排気浄化装置。
(4)前記固体電解質層は、排気ガスの流れ方向において上流側から下流側に向けて連続的に厚くなるように形成される、上記(3)に記載の排気浄化装置。
(5)前記固体電解質層は、排気ガスの流れ方向において上流側から下流側に向けて段階的に厚くなるように形成される、上記(3)に記載の排気浄化装置。
(6)前記セルは前記排気ガスの流れ方向において電気的に分割された上流側セルと下流側セルとを有し、
前記電源装置は、前記上流側セルの前記アノード層と前記カソード層との間の印加電圧が、前記下流側セルの前記アノード層と前記カソード層との間の印加電圧よりも大きくなるように、前記電流を供給する、上記(2)~(5)のいずれか1つに記載の排気浄化装置。
(1) An exhaust purification system having an electrochemical reactor arranged in an exhaust passage of an internal combustion engine and a power supply device for supplying current to the electrochemical reactor,
The electrochemical reactor comprises a cell having an ionically conductive solid electrolyte layer and anode and cathode layers disposed on the surface of the solid electrolyte layer, and an electric current is passed through the anode and cathode layers. and the target component in the exhaust gas flowing through the exhaust passage chemically reacts,
The power supply supplies a current to flow through the anode layer and the cathode layer,
In the cell or the power supply, a region of the cell where the concentration of the target component in the surrounding exhaust gas is relatively high is higher than a region of the cell where the concentration of the target component in the surrounding exhaust gas is relatively low. , an exhaust purification device configured to increase the current flowing between the anode layer and the cathode layer.
(2) In the electrochemical reactor and the power supply, in the cell region relatively upstream in the exhaust gas flow direction, compared to the cell region relatively downstream in the exhaust gas flow direction, The exhaust purification device according to (1) above, which is configured to increase the current flowing between the anode layer and the cathode layer.
(3) the solid electrolyte layer is arranged between the anode layer and the cathode layer and is arranged to extend along the flow of the exhaust gas;
The solid electrolyte layer is formed such that the thickness on the relatively upstream side in the flow direction of the exhaust gas is smaller than the thickness on the relatively downstream side in the flow direction of the exhaust gas. ).
(4) The exhaust purification device according to (3) above, wherein the solid electrolyte layer is formed so as to continuously increase in thickness from the upstream side toward the downstream side in the flow direction of the exhaust gas.
(5) The exhaust purification device according to (3) above, wherein the solid electrolyte layer is formed so as to become thicker in stages from the upstream side toward the downstream side in the flow direction of the exhaust gas.
(6) the cell has an upstream cell and a downstream cell that are electrically divided in the flow direction of the exhaust gas;
In the power supply device, the voltage applied between the anode layer and the cathode layer of the upstream cell is higher than the voltage applied between the anode layer and the cathode layer of the downstream cell, The exhaust purification device according to any one of (2) to (5) above, which supplies the electric current.
本開示によれば、電気化学リアクタにおける消費電力を抑制しつつ排気ガス中の対象成分を十分に化学反応させることができる電気化学リアクタが提供される。 According to the present disclosure, there is provided an electrochemical reactor capable of sufficiently chemically reacting target components in exhaust gas while suppressing power consumption in the electrochemical reactor.
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are given to the same constituent elements.
・第一実施形態
<内燃機関全体の説明>
図1を参照して、第一実施形態に係る電気化学リアクタが搭載された内燃機関1の構成について説明する。図1は、内燃機関1の概略的な構成図である。図1に示したように、内燃機関1は、機関本体10、燃料供給装置20、吸気系30、排気系40及び制御装置50を備える。
・First embodiment <Description of the entire internal combustion engine>
A configuration of an
機関本体10は、複数の気筒11が形成されたシリンダブロックと、吸気ポート及び排気ポートが形成されたシリンダヘッドと、クランクケースとを備える。各気筒11内にはピストンが配置されると共に、各気筒11は吸気ポート及び排気ポートに連通している。
The
燃料供給装置20は、燃料噴射弁21、デリバリパイプ22、燃料供給管23、燃料ポンプ24及び燃料タンク25を備える。燃料噴射弁21は、各気筒11内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッドに配置されている。燃料ポンプ24によって圧送された燃料は、燃料供給管23を介してデリバリパイプ22に供給され、燃料噴射弁21から各気筒11内に噴射される。
The
吸気系30は、吸気マニホルド31、吸気管32、エアクリーナ33、過給機5のコンプレッサ34、インタークーラ35、及びスロットル弁36を備える。各気筒11の吸気ポートは、吸気マニホルド31及び吸気管32を介してエアクリーナ33に連通している。吸気管32内には、吸入空気を圧縮して吐出する過給機5のコンプレッサ34と、コンプレッサ34によって圧縮された空気を冷却するインタークーラ35とが設けられている。スロットル弁36は、スロットル弁駆動アクチュエータ37によって開閉駆動される。
The
排気系40は、排気マニホルド41、排気管42、過給機5のタービン43、排気浄化触媒44及び電気化学リアクタ(以下、単に「リアクタ」という)45を備える。各気筒11の排気ポートは、排気マニホルド41及び排気管42を介して排気浄化触媒44に連通し、排気浄化触媒44は排気管42を介してリアクタ45に連通している。排気浄化触媒44は、例えば、三元触媒やNOx吸蔵還元触媒であり、一定の活性温度以上になるとNOxや未燃HC等の排気ガス中の成分を浄化する。排気管42内には、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる過給機5のタービン43が設けられている。排気ポート、排気マニホルド41、排気管42、排気浄化触媒44及びリアクタ45は排気通路を形成する。したがって、リアクタ45は排気通路内に配置されている。なお、排気浄化触媒44は、排気ガスの流れ方向(以下、「排気流れ方向」という)においてリアクタ45の下流側に設けられてもよい。
The
制御装置50は、電子制御ユニット(ECU)51及び各種センサを備える。各種センサとしては、例えば、吸気管32内を流れる吸気ガスの流量を検出する流量センサ52、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ53、リアクタ45に流入する排気ガスのNOx濃度を検出するNOxセンサ54等が挙げられ、これらセンサはECU51に接続される。また、各種センサには、内燃機関1の負荷を検出する負荷センサ55、機関回転速度を検出するのに用いられるクランク角センサ56も含まれ、これらセンサもECU51に接続される。また、ECU51は、内燃機関1の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図1に示した例では、ECU51は、燃料噴射弁21、燃料ポンプ24及びスロットル弁駆動アクチュエータ37に接続され、これらアクチュエータを制御している。
The
<排気浄化装置の構成>
次に、図2~図4を参照して本実施形態に係るリアクタ45を含む排気浄化装置の構成について説明する。図2は、リアクタ45の断面側面図である。図2に示したように、リアクタ45は、隔壁71と、隔壁によって画定される通路72とを備える。隔壁71は、互いに平行に排気流れ方向(すなわち、リアクタ45の軸線方向)に延びる複数の第1隔壁と、これら第1隔壁に対して垂直に且つ互いに平行に排気流れ方向に延びる複数の第2隔壁とを備える。通路72は、これら第1隔壁及び第2隔壁によって画定され、互いに平行に排気流れ方向に延びる。したがって、本実施形態に係るリアクタ45は、ハニカム構造を有する。リアクタ45に流入した排気ガスは複数の通路72を通って流れる。なお、隔壁71は、互いに平行に延びる複数の隔壁のみから形成されて、これら複数の隔壁に対して垂直な隔壁は備えないように形成されてもよい。
<Configuration of exhaust purification device>
Next, the configuration of the exhaust purification system including the
図3は、リアクタ45の一つの隔壁71を拡大して示した排気浄化装置の概略図である。図中の矢印は、リアクタ45を通って流れる排気ガスの流れる方向を示している。図3に示したように、リアクタ45の隔壁71は、固体電解質層75と、固体電解質層75の一方の表面上に配置されたアノード層76と、アノード層76が配置された表面とは反対側の固体電解質層75の表面上に配置されたカソード層77とを備える。したがって、固体電解質層75は、アノード層76とカソード層77との間に配置される。これら固体電解質層75、アノード層76及びカソード層77は、セル78を形成すると共に、それぞれ排気流れに沿って延びる。
FIG. 3 is a schematic diagram of the exhaust purification system showing an
固体電解質層75は、プロトン伝導性を有する多孔質の固体電解質を含む。固体電解質としては、例えば、ペロブスカイト型金属酸化物MM’1-xRxO3-α(M=Ba、Sr、Ca、M’=Ce,Zr、R=Y、Ybであり、例えば、SrZrxYb1-xO3-α、SrCeO3、BaCeO3、CaZrO3、SrZrO3など)、リン酸塩(例えば、SiO2-P2O5系ガラスなど)、金属ドープSnxIn1-xP2O7(例えば、SnP2O7など)又はゼオライト(例えば、ZSM-5)が使用される。なお、本実施形態では、固体電解質層75は、プロトン伝導性を有する固体電解質を含んでいるが、酸素イオン等の他のイオン伝導性を有する固体電解質を含んでもよい。
アノード層76及びカソード層77は、共にPt、Pd又はRh等の貴金属を含む。また、アノード層76は、水分子を保持可能(すなわち、吸着可能及び/又は吸収可能)な物質を含む。水分子を保持可能な物質としては、具体的には、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナ等が挙げられる。一方、カソード層77は、NOxを保持可能(すなわち、吸着可能及び/又は吸収可能)な物質を含む。NOxを保持可能な物質としては、具体的には、K、Na等のアルカリ金属、Ba等のアルカリ土類金属、La等の希土類等が挙げられる。
また、図3から分かるように、本実施形態では、各セル78の固体電解質層75は、排気流れ方向において上流側から下流側に向けて連続的に厚くなるように形成される。したがって、本実施形態では、固体電解質層75は、排気流れ方向において相対的に上流側の厚さが、排気流れ方向において相対的に下流側の厚さよりも小さくなるように形成される。よって、固体電解質層75は、排気流れ方向において上流側の端部が最も薄く、排気流れ方向において下流側の端部が最も厚い。
Further, as can be seen from FIG. 3, in the present embodiment, the
一方、図3から分かるように、本実施形態では、各セル78のアノード層76及びカソード層77は均一の厚さを有する。したがって、各セル78は、排気流れ方向において上流側から下流側に向けて連続的に厚くなるように形成される。
On the other hand, as can be seen in FIG. 3, in this embodiment the
本実施形態では、一つの通路72を画定する複数のセル78のうち、一部のセル78はこの通路72にアノード層76が曝されると共に、他のセル78はこの通路72にカソード層77が曝されるように構成される。したがって、リアクタ45は、各通路72にアノード層76とカソード層77との両方が曝されるように構成される。
In this embodiment, among the plurality of
また、排気浄化装置は、電源装置81及び電流計82を備える。
In addition, the exhaust purification device includes a
電源装置81は、リアクタ45に接続されて、リアクタ45に電流を供給する。すなわち、電源装置は、アノード層76及びカソード層77に流す電流を供給する。電源装置81の正極はアノード層76に接続され、電源装置81の負極はカソード層77に接続される。電源装置81は、複数のセル78に並列に接続されてもよいし、直列に接続されてもよい。電源装置81は、アノード層76とカソード層77との間に印加される電圧を変化させることができるように構成される。また、電源装置81は、アノード層76から固体電解質層75を通ってカソード層77に流れるようにリアクタ45に供給される電流の大きさを変化させることができるように構成される。
The
電流計82は、電源装置81からリアクタ45のセル78に供給される電流を検出する。電流計82は、電源装置81と直列に接続されている。
電源装置81は、ECU51に接続され、ECU51によって制御される。本実施形態では、電源装置81は、例えば、電流計82によって検出される電流値が目標値となるように電圧を制御する。また、電流計82は、ECU51に接続され、検出された電流値をECU51に送信する。
The
<リアクタによる浄化>
図4を参照して、上述したように構成されたリアクタ45において生じる反応について説明する。図4は、各セル78の拡大断面図である。リアクタ45では、電源装置81からアノード層76及びカソード層77に電流が流されると、アノード層76及びカソード層77ではそれぞれ下記式のような反応が生じる。
アノード側 2H2O→4H++O2+4e-
カソード側 2NO+4H++4e-→N2+2H2O
<Purification by reactor>
The reactions that occur in the
Anode side 2H 2 O→4H + +O 2 +4e −
Cathode side 2NO+4H + +4e - →N 2 +2H 2 O
すなわち、アノード層76では、アノード層76に保持されている水分子が電気分解されて酸素とプロトンとが生成される。生成された酸素は排気ガス中に放出されると共に、生成されたプロトンは固体電解質層75内をアノード層76からカソード層77へと移動する。カソード層77では、カソード層77に保持されているNOがプロトン及び電子と反応して窒素と水分子が生成される。
That is, in the
したがって、本実施形態によれば、リアクタ45の電源装置81からアノード層76及びカソード層77に電流を流すことにより、排気ガス中のNOをN2に還元、浄化することができる。
Therefore, according to this embodiment, NO in the exhaust gas can be reduced to N 2 and purified by applying current from the
また、アノード層76では、排気ガス中に未燃HCやCO等が含まれる場合には、下記式のような反応により、酸素イオンがこれらHCやCOと反応して、二酸化炭素や水が生成される。なお、未燃HCは、様々な成分を含むため、下記反応式中においてはCmHnとして表されている。したがって、本実施形態によれば、リアクタ45の電源装置81からアノード層76及びカソード層77に電流を流すことにより、排気ガス中のHC及びCOを酸化、浄化することもできる。
CmHn+(2m+0.5n)O2-→mCO2+0.5nH2O+(4m+n)e-
CO+O2-→CO2+2e-
In the
CmHn +(2m+0.5n) O2- → mCO2 + 0.5nH2O + ( 4m+n) e-
CO+ O2- → CO2 + 2e-
このように、リアクタ45は、アノード層76及びカソード層77に電流が流れると、排気通路内を流れる排気ガス中の浄化対象成分(未燃HC、CO、NOxなど)を化学反応させて浄化させる。また、上述したように、本実施形態では、リアクタ45は、各通路72にアノード層76とカソード層77との両方が曝されるように配置される。したがって、セル78によって画定されるほとんどの通路72では、電源装置81から電流を流すことにより、排気ガス中のNOx及びHCやCOが浄化される。
In this way, when current flows through the
<効果・変形例>
排気ガスがリアクタ45に流入すると、排気ガス中の浄化対象成分(未燃HC、CO、NOxなど)が浄化される。したがって、リアクタ45の各セル78の下流側の領域付近では、リアクタ45の各セルの上流側の領域付近に比べて、排気ガス中の浄化対象成分の濃度が低い。特に、リアクタ45内を通って流れる排気ガス中の浄化対象成分の濃度は、基本的に、リアクタ45の上流側から下流側に向かって徐々に低くなっていく。
<Effect/Modification>
When the exhaust gas flows into the
一方、本実施形態では、各セル78の固体電解質層75は、排気流れ方向において上流側から下流側に向けて連続的に厚くなるように形成される。したがって、固体電解質層75の両側のアノード層76及びカソード層77に電流を供給すると、固体電解質層75の上流側の領域においてプロトンがアノード層76からカソード層77へ移動し易く、固体電解質層75の下流側の領域においてプロトンがアノード層76からカソード層77へ移動しにくい。このため、電源装置81から各セル78のアノード層76及びカソード層77に電流を供給すると、固体電解質層75の上流側の領域において相対的に多くのプロトンが移動して大きな電流が流れ、固体電解質層75の下流側の領域において相対的に少ないプロトンが移動して小さな電流が流れる。特に、本実施形態では、電源装置81から各セル78のアノード層76及びカソード層77に電流を供給すると、固体電解質層75の上流側から下流側に向けて連続的にプロトンの移動が小さく、よって流れる電流が小さくなる。
On the other hand, in the present embodiment, the
したがって、本実施形態では、リアクタ45は、排気流れ方向において相対的に上流側のセル78の領域では、排気流れ方向いおいて相対的に下流側のセル78の領域よりも、アノード層76とカソード層77との間で流れる電流(イオン電流)が大きくなるように構成されている。特に、本実施形態では、リアクタ45は、排気流れ方向において上流側から下流側に向かって、アノード層76とカソード層77との間で流れる電流(イオン電流)が小さくなるように構成されている。
Therefore, in the present embodiment, the
そして、上述したように、リアクタ45内を通って流れる排気ガス中の浄化対象成分の濃度はリアクタ45の上流側から下流側に向かって徐々に低くなっていく。したがって、本実施形態では、リアクタ45は、周囲の排気ガス中の浄化対象成分の濃度が相対的に大きいセル78の領域では、周囲の排気ガス中の浄化対象成分の濃度が相対的に小さいセル78の領域よりも、アノード層76とカソード層77との間で流れる電流が大きくなるように構成されているといえる。特に、本実施形態では、リアクタ45は、周囲の排気ガス中の浄化対象成分の濃度が大きくなるほど、アノード層76とカソード層77との間で流れる電流が大きくなるように構成されているといえる。
Then, as described above, the concentration of the component to be purified in the exhaust gas flowing through the
この結果、排気ガス中の浄化対象成分が多い領域では、アノード層76において多くの酸素イオンが生成され、カソード層77において多くのプロトンが放出される。この結果、排気ガス中の浄化対象成分が多い領域では浄化対象成分を十分に浄化することができる。一方、排気ガス中の浄化対象成分が少ない領域では、生成される酸素イオンや放出されるプロトンは少ないものの、浄化対象成分を十分に浄化することができる。また、排気ガス中の浄化対象成分が少ない領域では生成される酸素イオンや放出されるプロトンは少ないことから、酸素イオンやプロトンの放出に使われる電力が抑制される。したがって、本実施形態によれば、リアクタ45における消費電力を抑制しつつ排気ガス中の対象成分を十分に化学反応させて浄化することができる。
As a result, many oxygen ions are generated in the
なお、上記実施形態では、リアクタ45の全てのセル78において、排気流れ方向の上流側と下流側とで固体電解質層75の厚さが変わっている。しかしながら、リアクタ45の一部のセル78においてのみ、排気流れ方向の上流側と下流側とで固体電解質層75の厚さが変わるように形成され、残りのセル78は固体電解質層75の厚さが均一になるように形成されてもよい。
In the above-described embodiment, in all the
また、上記実施形態では、アノード層76及びカソード層77は均一の厚さを有している。しかしながら、アノード層76及びカソード層77は必ずしも均一の厚さを有する必要はなく、領域毎に異なる厚さを有してもよい。例えば、アノード層76及びカソード層77は、排気流れ方向において上流側から下流側に向けて連続的に薄くなるように形成されてもよい。この場合、アノード層76及びカソード層77は、各セル78の厚さが全体に亘って均一になるように形成されてもよい。
Also, in the above embodiments, the
また、上記実施形態では、固体電解質層75は、排気流れ方向において上流側から下流側に向けて連続的に厚くなるように形成されている。しかしながら、固体電解質層75は、例えば図5に示したように、異なる形状を有するように形成されてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the
図5は、リアクタ45の隔壁71を拡大して示した、排気浄化装置の図3と同様な概略図である。図5に示した例では、固体電解質層75は、排気流れ方向において上流側から下流側に向けて段階的に厚くなるように形成されている。特に、図5に示した例では、固体電解質層75は、アノード層76側の表面及びカソード層77側の表面が共に排気流れ方向において上流側から下流側に向けて段階的に盛り上がるように形成されている。また、図5に示した例では、固体電解質層75は、排気流れ方向において上流側から下流側に向けて3段階で厚くなるように形成されている。また、図5に示した例では、アノード層76及びカソード層77は、排気流れ方向において上流側から下流側に向けて段階的に薄くなるように形成され、その結果、セル78全体の厚さが均一になるように形成されている。
FIG. 5 is a schematic view, similar to FIG. 3, of the exhaust purification system showing an
なお、固体電解質層75は、3段階以外の複数の段階で厚くなるように形成されてもよい。また、固体電解質層75は、アノード層76側及びカソード層77側のうちの一方側のみの表面が段階的に盛り上がるように形成されてもよい。また、アノード層76及びカソード層77は均一の厚さを有していてもよい。
Note that the
・第二実施形態
次に、図6を参照して、第二実施形態に係る排気浄化装置について説明する。第二実施形態に係る排気浄化装置の構成は基本的に第一実施形態に係る排気浄化装置の構成と同様であるため、以下では、第一実施形態に係る排気浄化装置の構成と異なる点を中心に説明する。
- Second embodiment Next, with reference to Fig. 6, an exhaust gas purification device according to a second embodiment will be described. Since the configuration of the exhaust purification system according to the second embodiment is basically the same as the configuration of the exhaust purification system according to the first embodiment, the points different from the configuration of the exhaust purification system according to the first embodiment will be described below. Mainly explained.
図6は、リアクタ45の隔壁71を拡大して示した、排気浄化装置の図3と同様な概略図である。図中の矢印は、リアクタ45を通って流れる排気流れ方向を示している。
FIG. 6 is a schematic view, similar to FIG. 3, of the exhaust purification system showing an
図6に示したように、各隔壁71を形成するセル78は、排気流れ方向において分割された、上流側セル78aと下流側セル78bとの二つの部分セルを有する。上流側セル78aは、上流側固体電解質層75a、上流側アノード層76a、上流側カソード層77aを有し、上流側アノード層76a及び上流側カソード層77aは上流側固体電解質層75aの両表面上に配置される。同様に、下流側セル78bは、下流側固体電解質層75b、下流側アノード層76b、下流側カソード層77bを有し、下流側アノード層76b及び下流側カソード層77bは下流側固体電解質層75bの両表面上に配置される。上流側セル78aと下流側セル78bとの間には絶縁体79が配置される。本実施形態では、固体電解質層75a、75bは均一の厚さで形成される。
As shown in FIG. 6, the
また、排気浄化装置は、上流側用電源装置81a、下流側用電源装置81b、上流側用電流計82a及び下流側用電流計82bを有する。上流側用電源装置81a及び上流側用電流計82aは、上流側セル78aに接続されて、上流側セル78aへの電流の供給等を行う。一方、下流側用電源装置81b及び下流側用電流計82bは、下流側セル78bに接続されて、下流側セル78bへの電流の供給等を行う。なお、上流側用電源装置81aと下流側用電源装置81bとは、上流側セル78a及び下流側セル78bに別々の電圧で電流を供給することができれば、一つの電源装置として一体的に構成されてもよい。
The exhaust emission control device also has an upstream
また、本実施形態では、上流側用電源装置81aが上流側セル78aに印加する電圧は、下流側用電源装置81bが下流側セル78bに印加する電圧よりも大きい。したがって、上流側セル78aの上流側アノード層76aと上流側カソード層77aとの間の印加電圧は、下流側セル78bの下流側アノード層76bと下流側カソード層77bとの間の印加電圧よりも大きい。
In this embodiment, the voltage applied to the
特に、制御装置50のECU51は、本実施形態では、流量センサ52の出力に基づいて算出される排気ガスの流量や空燃比センサ53及びNOxセンサ54の出力に基づいて、電源装置81a、81bによって印加される電圧やこれら電源装置から流される電流の大きさを制御する。そして、本実施形態では、ECU51は、これら電圧や電流を制御するときには常に、上流側用電源装置81aが上流側セル78aに印加する電圧を、下流側用電源装置81bが下流側セル78bに印加する電圧よりも大きくする。
In particular, in this embodiment, the ECU 51 of the
この結果、上流側セル78aの上流側アノード層76aと上流側カソード層77aとの間では相対的に多くのプロトンが移動して大きな電流が流れ、下流側セル78bの下流側アノード層76bと下流側カソード層77bとの間では相対的に少ないプロトンが移動して小さな電流が流れる。したがって、本実施形態では、リアクタ45は、排気流れ方向において相対的に上流側のセル78の領域では、排気流れ方向において相対的に下流側のセル78の領域よりも、アノード層76とカソード層77との間で流れる電流(イオン電流)が大きくなるように構成されている。この結果、本実施形態においても、上記第一実施形態と同様に、リアクタ45における消費電力を抑制しつつ排気ガス中の対象成分を十分に化学反応させて浄化することができる。
As a result, relatively many protons move between the
なお、上記実施形態では、各セル78は、上流側セル78aと下流側セル78bとの二つの部分セルに分割されている。しかしながら、各セル78は、排気流れ方向において3つ以上の複数の部分セルに分割されてもよい。この場合、上流側の部分セルほど大きな電圧が供給される。
In the above embodiment, each
また、上記実施形態では、上流側セル78aと下流側セル78bとの間に絶縁体79が設けられている。しかしながら、上流側セル78aと下流側セル78bとが電気的に絶縁されれば、他の構成で形成されてもよい。したがって、例えば、上流側セル78aと下流側セル78bとは離間して配置されてもよい。
Further, in the above embodiment, the
さらに、第二実施形態に係る排気浄化装置は第一実施形態に係る排気浄化装置と組み合わせてもよい。したがって、各セルの厚さを排気流れ方向において変化させつつ、各セルを排気流れ方向において複数の部分セルに分割して各部分セルに異なる電圧を印加してもよい。 Furthermore, the exhaust purification device according to the second embodiment may be combined with the exhaust purification device according to the first embodiment. Therefore, each cell may be divided into a plurality of partial cells in the exhaust flow direction while varying the thickness of each cell in the exhaust flow direction, and a different voltage may be applied to each partial cell.
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。 Although preferred embodiments according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims.
1 内燃機関
10 機関本体
20 燃料供給装置
30 吸気系
40 排気系
50 制御装置
44 排気浄化触媒
45 電気化学リアクタ
71 隔壁
72 通路
75 固体電解質層
76 アノード層
77 カソード層
78 セル
81 電源装置
Claims (6)
前記電気化学リアクタは、イオン伝導性の固体電解質層と、該固体電解質層の表面上に配置されたアノード層及びカソード層とを有するセルを備えると共に、前記アノード層及び前記カソード層に電流が流れると前記排気通路内を流れる排気ガス中の対象成分を化学反応させ、
前記電源装置は、前記アノード層及び前記カソード層に流す電流を供給し、
前記セル又は前記電源装置は、周囲の排気ガス中の対象成分の濃度が相対的に大きい前記セルの領域では、周囲の排気ガス中の対象成分の濃度が相対的に小さい前記セルの領域よりも、前記アノード層と前記カソード層との間で流れる電流が大きくなるように構成される、排気浄化装置。 An exhaust gas purification device comprising an electrochemical reactor arranged in an exhaust passage of an internal combustion engine and a power supply device for supplying current to the electrochemical reactor,
The electrochemical reactor comprises a cell having an ionically conductive solid electrolyte layer and anode and cathode layers disposed on the surface of the solid electrolyte layer, and an electric current is passed through the anode and cathode layers. and the target component in the exhaust gas flowing through the exhaust passage chemically reacts,
The power supply supplies a current to flow through the anode layer and the cathode layer,
In the cell or the power supply, a region of the cell where the concentration of the target component in the surrounding exhaust gas is relatively high is higher than a region of the cell where the concentration of the target component in the surrounding exhaust gas is relatively low. , an exhaust purification device configured to increase the current flowing between the anode layer and the cathode layer.
前記固体電解質層は、前記排気ガスの流れ方向において相対的に上流側の厚さが、前記排気ガスの流れ方向において相対的に下流側の厚さよりも小さくなるように形成される、請求項2に記載の排気浄化装置。 The solid electrolyte layer is arranged between the anode layer and the cathode layer and is arranged to extend along the flow of the exhaust gas,
3. The solid electrolyte layer is formed such that the thickness on the upstream side in the flow direction of the exhaust gas is smaller than the thickness on the relatively downstream side in the flow direction of the exhaust gas. The exhaust purification device according to .
前記電源装置は、前記上流側セルの前記アノード層と前記カソード層との間の印加電圧が、前記下流側セルの前記アノード層と前記カソード層との間の印加電圧よりも大きくなるように、前記電流を供給する、請求項2~5のいずれか1項に記載の排気浄化装置。 The cell has an upstream cell and a downstream cell that are electrically divided in the flow direction of the exhaust gas,
In the power supply device, the voltage applied between the anode layer and the cathode layer of the upstream cell is higher than the voltage applied between the anode layer and the cathode layer of the downstream cell, The exhaust emission control system according to any one of claims 2 to 5, wherein said electric current is supplied.
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