JP7099331B2

JP7099331B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP7099331B2
Application number: JP2019001255A
Authority: JP
Inventors: 哲哉佐久間; 圭高田; 康正野竹
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Filing date: 2019-01-08
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Description

本開示は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

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と、固体電解質層の表面上に配置されたカソード層とを備える電気化学リアクタが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載された電気化学リアクタでは、アノード層とカソード層とを通る電流を流すと、アノード層上にて水分子が分解されてプロトンと酸素が生成され、カソード層上にてＮＯｘがプロトンと反応して窒素と水分子が生成される。この結果、電気化学リアクタによってＮＯｘを浄化することができる。

特開２００６－３４６６２４号公報

内燃機関の排気ガスを浄化するために用いられる電気化学リアクタには、内燃機関の冷間始動時や停止中に、凝縮水が付着することがある。斯かる凝縮水が固体電解質層内に侵入すると、アノード層とカソード層が短絡されてしまう場合がある。また、電気化学リアクタが、固体電解質層、アノード層及びカソード層をそれぞれ備える複数のセルを有する場合、斯かる凝縮水により隣り合うセルのアノード層とカソード層とが短絡されてしまう場合がある。

このようにアノード層とカソード層との間で短絡が生じると、短絡経路に電流が集中するため、アノード層上及びカソード層上での化学反応が生じにくくなる。この結果、電気化学リアクタによる排気ガスの浄化機能が低下する。

上記課題に鑑みて、本開示の目的は、凝縮水の付着によるアノード層とカソード層との短絡に伴って電気化学リアクタによる排気ガスの浄化機能が低下することを抑制することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関の排気通路内に設けられた電気化学リアクタと、該電気化学リアクタへの供給電圧を制御する電圧制御装置とを備えた、内燃機関の排気浄化装置であって、
前記電気化学リアクタは、イオン導電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備え、
前記電圧制御装置は、前記アノード層と前記カソード層との間の短絡を検出する短絡検出制御と、該短絡が検出されたときに、該短絡した部分が通電されるように前記アノード層と前記カソード層との間に電流を流す通電制御とを行うように構成される、内燃機関の排気浄化装置。

（２）前記電圧制御装置は、前記内燃機関の運転中に前記内燃機関から排出された排気ガス中のＮＯｘを浄化するように前記アノード層とカソード層との間に電流を流す浄化制御をさらに行うように構成され、
前記通電制御中に前記アノード層とカソード層との間に印加される電圧の値は、前記浄化制御中に前記アノード層とカソード層との間に印加される電圧の値よりも高い、上記（１）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（３）前記電圧制御装置は、前記短絡検出制御において、前記アノード層と前記カソード層との間に電圧を印加したときの前記アノード層と前記カソード層との間の電気抵抗値に基づいて前記アノード層と前記カソード層との間の短絡を検出する、上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（４）前記電気化学リアクタは、前記固体電解質層、前記アノード層及び前記カソード層をそれぞれ備える複数のセルを有し、これら複数のセルは部分的に並列に電源に接続される、上記（１）～（３）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

（５）前記複数のセルのうち、前記電気化学リアクタの構造上前記固体電解質層に凝縮水が溜まりやすいセル同士が直列に接続される、上記（４）に記載の内燃機関の排気浄化装置。

（６）前記電圧制御装置は、前記短絡検出制御及び前記通電制御を前記内燃機関の停止中に行うように構成される、上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。

本開示によれば、凝縮水の付着によるアノード層とカソード層との短絡に伴って電気化学リアクタによる排気ガスの浄化機能が低下することが抑制される。

図１は、電気化学リアクタが搭載された内燃機関の概略的な構成図である。図２は、電気化学リアクタの断面側面図である。図３は、電気化学リアクタの隔壁の拡大断面図である。図４は、電気化学リアクタの隔壁の拡大断面図である。図５は、電気化学リアクタの回路構成を模式的に示した図である。図６は、凝縮水がセルの固体電解質層内に付着している状態における電気化学リアクタの隔壁の拡大断面図である。図７は、隣り合うセルのアノード層とカソード層との間に凝縮水が付着している状態におけるリアクタの隔壁の拡大断面図である。図８は、内燃機関の運転中に短絡検出制御と通電制御が行われる場合の、電気抵抗値、通電制御のＯＮ／ＯＦＦ及び印加電圧値Ｅのタイムチャートである。図９は、内燃機関の停止中に短絡検出制御と通電制御が行われる場合の、電気抵抗値、通電制御のＯＮ／ＯＦＦ及び印加電圧値Ｅのタイムチャートである。図１０は、リアクタのセルに印加される電圧を制御する制御ルーチンのフローチャートである。

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。

＜内燃機関全体の説明＞
まず、図１を参照して、一つの実施形態に係る排気浄化装置を備えた内燃機関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。

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。

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。

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、吸気管３２内を流通する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。吸気ポート、吸気マニホルド３１、吸気管３２は吸気通路を形成する。

排気系４０は、内燃機関１の排気浄化装置の一部を構成する。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。なお、排気浄化触媒４４は、排気流れ方向においてリアクタ４５の下流側に設けられてもよい。

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。ＥＣＵ５１は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス５２を介して相互に接続されたメモリ５３、プロセッサ５５、入力ポート５６、及び出力ポート５７を備える。

吸気管３２には吸気管３２内を流れる吸気ガスの流量を検出する流量センサ（例えば、エアフロメータ）６１が設けられる。また、排気浄化触媒４４の上流側の排気管４２（又は排気マニホルド４１）には排気浄化触媒４４に流入する排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ６２が設けられる。また、排気浄化触媒４４には、排気浄化触媒４４の温度を検出する温度センサ６３が設けられる。これら流量センサ６１、空燃比センサ６２及び温度センサ６３の出力は、対応するＡＤ変換器５８を介して入力ポート５６に入力される。

また、アクセルペダル６６の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ６７が接続され、負荷センサ６７の出力電圧は対応するＡＤ変換器５８を介して入力ポート５６に入力される。クランク角センサ６８は機関本体１０のクランクシャフトが例えば１０°回転する毎に出力パルスを発生する。この出力パルスは入力ポート５６に入力され、ＣＰＵ５５ではこの出力パルスに基づいて機関回転速度が算出される。

一方、ＥＣＵ５１の出力ポート５７は、対応する駆動回路５９を介して、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、出力ポート５７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に接続されている。ＥＣＵ５１は、これらアクチュエータを制御する制御信号を出力ポート５７から出力して、内燃機関１の運転を制御する。

＜電気化学リアクタの構成＞
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態に係るリアクタ４５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、互いに平行に延びる。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。

図３は、リアクタ４５の隔壁７１の拡大断面図である。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。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。

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-xＲ_xＯ_3-α（Ｍ＝Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍ’＝Ｃｅ，Ｚｒ、Ｒ＝Ｙ、Ｙｂであり、例えば、ＳｒＺｒ_xＹｂ_1-xＯ_3-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Ｓｎ_xＩｎ_1-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。

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、内燃機関１は、電源装置８１、電流計８２及び電圧調整装置８３を備える。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。電圧調整装置８３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、電圧調整装置８３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。

電源装置８１は、電流計８２と直列に接続されている。また、電流計８２は、対応するＡＤ変換器５８を介して入力ポート５６に接続される。電圧調整装置８３は、対応する駆動回路５９を介してＥＣＵ５１の出力ポート５７に接続され、電圧調整装置８３はＥＣＵ５１によって制御される。したがって、電圧調整装置８３及びＥＣＵ５１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の大きさ（すなわち、リアクタ４５への供給電圧）を制御する電圧制御装置として機能する。

このように構成されたリアクタ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

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。

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。

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、これらＨＣやＣＯと反応して、二酸化炭素や水が生成される。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。
２ＨＣ＋３Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋６ｅ
ＣＯ＋Ｏ^2-→ＣＯ₂＋２ｅ

なお、上記実施形態では、アノード層７６及びカソード層７７は固体電解質層７５の反対側の二つの表面上に配置されている。しかしながら、アノード層７６及びカソード層７７は、固体電解質層７５の同一の表面上に配置されてもよい。この場合、プロトンは、アノード層７６及びカソード層７７が配置された固体電解質層７５の表面近傍を移動することになる。

また、図４に示したように、アノード層７６は、電気伝導性を有する貴金属を含む導電層７６ａと、水分子を保持可能な物質を含む水分子保持層７６ｂとの二つの層を含んでもよい。この場合、固体電解質層７５の表面上に導電層７６ａが配置され、固体電解質層７５側とは反対側の導電層７６ａの表面上に水分子保持層７６ｂが配置される。

同様に、カソード層７７は、電気伝導性を有する貴金属を含む導電層７７ａと、ＮＯｘを保持可能な物質を含むＮＯｘ保持層７７ｂとの二つの層を含んでもよい。この場合、固体電解質層７５の表面上に導電層７７ａが配置され、固体電解質層７５側とは反対側の導電層７７ａの表面上にＮＯｘ保持層７７ｂが配置される。

なお、本実施形態では、リアクタ４５の固体電解質層７５は、プロトン伝導性の固体電解質を含んでいる。しかしながら、固体電解質層７５は、プロトン伝導性の固体電解質の代わりに、酸素イオン伝導性の固体電解質等、他のイオン伝導性の固体電解質を含むように構成されてもよい。

＜電気化学リアクタの回路構成＞
図５は、リアクタ４５の回路構成を模式的に示した図である。図５に示したように、リアクタ４５は、固体電解質層７５、アノード層７６及びカソード層７７をそれぞれ有する複数のセル７８を備える。各セル７８は、リアクタ４５の隔壁７１の一部を構成する。具体的には、リアクタ４５が第１隔壁及びこれに垂直な第２隔壁によってハニカム状に形成されている場合、各セル７８は、例えば、隣り合う第１隔壁間に位置する第２隔壁や、隣り合う第２隔壁間の位置する第１隔壁を構成する。また、リアクタ４５が互いに平行に延びる複数の隔壁のみから形成されるような場合には、各セル７８は、例えば、一つの隔壁を構成する。

本実施形態では、図５に示したように、これら複数のセル７８は、部分的に互いに直列に接続され、部分的に互いに並列に接続される。図５に示した例では、第１セル７８ａ、第２セル７８ｂ、第３セル７８ｃは互いに直列に接続されている。したがって、第１セル７８ａのアノード層７６が第２セルのカソード層７７に接続され、第２セルのアノード層７６が別のセルのカソード層７７に接続されている。図５に示した例では、同様に、第４セル７８ｄ、第５セル７８ｅ、第６セル７８ｆが直列に接続され、第７セル７８ｇ、第８セル７８ｈ、第９セル７８ｉが直列に接続される。加えて、これら直列に接続されたセル同士は、互いに並列に接続される。

本実施形態では、これら複数のセルのうち、リアクタ４５の構造上、その固体電解質層７５への凝縮水の溜まりやすさが同程度のセル７８同士が互いに直列に接続される。したがって、固体電解質層７５に凝縮水が溜まりやすいセル７８同士が互いに直列に接続される。同様に、固体電解質層７５に凝縮水が溜まりにくいセル７８同士が互いに直列に接続される。一方、本実施形態では、その固体電解質層７５への凝縮水の溜まりやすさが異なるセル同士が互いに並列に接続される。したがって、互いに直列に接続された凝縮水が溜まりやすいセル７８と、互いに直列に接続された凝縮水が溜まりにくいセル７８とは、並列に電源装置８１に接続される。

なお、上記実施形態では複数のセル７８のうちの一部が直列に、一部が並列に接続されているが、複数のセルの全てが直列に接続されてもよいし、複数のセルの全てが並列に接続されてもよい。

＜電気化学リアクタによる浄化＞
このように構成された内燃機関１では、特に、冷間始動の際にリアクタ４５による排気浄化が行われる。本実施形態では、内燃機関１の冷間始動後、排気浄化触媒４４の温度がその活性温度になるまでの間は、排気ガス中のＮＯｘを浄化するようにセル７８のアノード層７６とカソード層７７との間に電流を流す浄化制御が行われる。

具体的には、制御装置５０は、温度センサ６３によって排気浄化触媒４４の温度を検出する。検出された温度が排気浄化触媒４４の活性温度よりも低いときには、制御装置５０は浄化制御を行う。制御装置５０は、浄化制御において、各セル７８のアノード層７６とカソード層７７との間に、ＮＯｘの浄化に適した値（以下、「浄化用電圧値」ともいう）の電圧を印加する。この結果、排気浄化触媒４４の温度が低くて排気浄化触媒４４によって十分に排気ガス中のＮＯｘが浄化されていなくても、リアクタ４５によって排気ガス中のＮＯｘを浄化することができる。

一方、温度センサ６３によって検出された排気浄化触媒４４の温度がその活性温度以上になると、制御装置５０は浄化制御を停止する。したがって、制御装置５０は、電源装置８１による電圧の印加を行わない。排気浄化触媒４４の温度がその活性温度以上になれば、排気浄化触媒４４によって十分に排気ガス中のＮＯｘを浄化することができるようになる。また、リアクタ４５に電力を供給しなければ、電力消費を抑制することができる。したがって、このような制御を行うことにより、電力消費を抑制しつつ、排気ガス中のＮＯｘを適切に浄化することができる。

＜電気化学リアクタに生じる凝縮水の影響＞
次に、図６及び図７を参照して、リアクタ４５に生じる凝縮水の影響について説明する。図６は、凝縮水がセル７８の固体電解質層７５内に付着している状態におけるリアクタ４５の隔壁７１の拡大断面図である。また、図７は、隣り合うセル７８のアノード層７６とカソード層７７との間に凝縮水が付着している状態におけるリアクタ４５の隔壁７１の拡大断面図である。

ところで、固体電解質層７５内燃機関１の冷間始動時や停止中には、高温の排気ガスがリアクタ４５において冷却されて、排気ガス中の水蒸気が凝縮水となってリアクタ４５に付着する。斯かる凝縮水は、セル７８の固体電解質層７５内や、セル７８のアノード層７６上又はカソード層７７上に付着する。

セル７８の固体電解質層７５内に付着する凝縮水が多くなると、図６に示したように、凝縮水がアノード層７６とカソード層７７との間で固体電解質層７５を横断するように付着する場合がある。この場合、このセル７８のアノード層７６とカソード層７７との間で短絡が発生する。

また、セル７８上に付着する凝縮水が多くなると、図７に示したように、凝縮水が隣り合う二つセル７８のうち一方のセル７８のアノード層７６と他方のセル７８のカソード層７７との間を横断するように付着する場合がある。この場合、隣り合う二つのセル７８のアノード層７６とカソード層７７との間で短絡が発生する。

このようにリアクタ４５のセル７８において短絡が発生すると、そのセル７８ではアノード層７６とカソード層７７との間に電圧を印加しても、固体電解質層７５を介したプロトン（又はイオン）の移動が発生しない。このため、そのセル７８では、排気ガス中のＮＯｘを浄化することができない。

＜凝縮水発生時の制御＞
そこで、本実施形態では、制御装置５０は、アノード層７６とカソード層７７との間の短絡を検出する短絡検出制御と、短絡が検出されたときに、短絡した部分が通電されるようにアノード層７６とカソード層７７との間に電流を流す通電制御とを行う。

図８は、内燃機関１の運転中に短絡検出制御と通電制御が行われる場合の、セル７８のアノード層７６とカソード層７７との間の電気抵抗値Ｒ、通電制御のＯＮ／ＯＦＦ及びアノード層７６とカソード層７７との間の印加電圧値Ｅのタイムチャートである。

図８に示した例では、時刻ｔ１以前において浄化制御が行われている。このため、時刻ｔ１以前においては、セル７８のアノード層７６とカソード層７７との間には、浄化用電圧値Ｅｐの電圧が印加されている（以下、このような場合を「セルに電圧が印加されている」ともいう）。また、このとき、電源装置８１によって印加される電圧値と、電流計８２によって検出された電流値とに基づいて、セル７８の固体電解質層７５の電気抵抗値Ｒ（以下、「セルの電気抵抗値」ともいう）が検出される。そして、このようにして検出されたセル７８の電気抵抗値Ｒに基づいて、これらアノード層７６とカソード層７７との間の短絡（以下、「セルの短絡」ともいう）が検出される。このように検出された電気抵抗値Ｒはセル７８の短絡を検出するために用いられることから、このとき制御装置５０では短絡検出制御が行われているといえる。なお、複数のセル７８が直列に接続されているときには、複数のセル７８全体の電気抵抗値Ｒが検出されることになる。

セル７８において短絡が発生すると、そのセル７８の電気抵抗値Ｒが小さくなる。したがって、本実施形態では、検出された電気抵抗値Ｒが予め設定された基準値Ｒｒｅｆ以下になると、制御装置５０はセル７８に短絡が発生していると判断する。図８に示した例では、時刻ｔ１においてセル７８の電気抵抗値Ｒが基準値Ｒｒｅｆ以下になっているため、時刻ｔ１においてセル７８に短絡が発生していると判断される。

なお、複数のセル７８が直列に接続されているときには、直列に接続された複数のセル７８のうち一つのセルに短絡が発生しているときの電気抵抗値が基準値とされる。したがって、複数のセル７８全体の電気抵抗値Ｒがこの基準値以下になると、これら複数のセル７８のうち少なくともいずれか一つに短絡が発生していると判断される。

時刻ｔ１においてセル７８に短絡が発生していると判断されると、通電制御が開始される。通電制御中においては、短絡した部分が通電されるように、浄化制御中の浄化用電圧よりも高い値（以下、「水除去用電圧値」ともいう）Ｅｒの電圧がセル７８に印加される。なお、複数のセル７８が直列に接続されているときには、直列に接続されたセル７８の数をＥｒに乗算した電圧が直列に接続された複数のセル７８全体に印加される。

このように高い電圧が、凝縮水による短絡が発生しているセル７８に印加されると、凝縮水が除去される。具体的には、アノード層７６とカソード層７７とを短絡するように付着している凝縮水に高い電圧を印加することにより、水の電気分解が発生し得る。この場合、凝縮水は水素と酸素に分解され、その結果、アノード層７６から酸素が、カソード層７７から水素が発生することになる。このように電気分解されることによって凝縮水が除去される。また、アノード層７６とカソード層７７とを短絡するように付着している凝縮水に高い電圧を印加することにより、凝縮水が抵抗となって凝縮水にジュール熱が発生し得る。この場合、このようにして発生したジュール熱により凝縮水が加熱されて蒸発し、その結果、凝縮水が除去される。このように凝縮水による短絡が発生しているセル７８に高い電圧を印加することにより、セル７８の固体電解質層７５内の凝縮水又は隣り合う二つのセル７８の間の凝縮水を除去することができる。

通電制御によって凝縮水が除去されると、セル７８に発生していた短絡が解消される。その結果、時刻ｔ２において、短絡が生じていたセル７８の電気抵抗値Ｒが基準値Ｒｒｅｆを超えて大きくなる。このように電気抵抗値Ｒが基準値Ｒｒｅｆを超えて大きくなると、短絡が解消されたと判断して、通電制御が終了せしめられる。したがって、セル７８に印加される電圧が、水除去用電圧値Ｅｒから浄化用電圧値Ｅｐへ低下せしめられる。

図９は、内燃機関１の停止中に短絡検出制御と通電制御が行われる場合の、電気抵抗値Ｒ、通電制御のＯＮ／ＯＦＦ及び印加電圧値Ｅのタイムチャートである。

図９に示した例では、時刻ｔ１以前において、内燃機関１が停止されている。したがって、時刻ｔ１以前においては、セル７８には電圧が印加されておらず、また、セル７８の電気抵抗値Ｒも検出されていない。

その後、時刻ｔ１において、短絡検出制御が開始される。内燃機関１の停止中における短絡検出制御は、例えば、一定時間間隔毎に実行されてもよいし、内燃機関１を搭載した車両のドアが開かれる等、内燃機関１が近く始動されると予想されるときに実行されてもよい。短絡検出制御が開始されると、セル７８のアノード層７６とカソード層７７との間に短絡検出用の電圧が印加される。短絡検出用の電圧値Ｅｃは、比較的小さい値であり、例えば浄化用電圧値Ｅｐ以下である。このように、短絡検出用の電圧が印加された状態で、セル７８の電気抵抗値Ｒが検出される。

このときセル７８において短絡が生じていなければ、セル７８の電気抵抗値Ｒは基準値Ｒｒｅｆを超えて上昇する。しかしながら、セル７８において短絡が生じていると、図９に示したように、基準値Ｒｒｅｆ以下に維持される。したがって、時刻ｔ１において短絡検出制御が開始されてから所定時間が経過した時刻ｔ２において電気抵抗値Ｒが基準値Ｒｒｅｆよりも高いときには、セル７８に短絡が発生していないと判断されて、短絡検出制御が終了せしめられる。一方、時刻ｔ２において電気抵抗値Ｒが基準値Ｒｒｅｆ以下であるときには、セル７８に短絡が発生していると判断されて、通電制御が開始される。

時刻ｔ２において通電制御が開始されると、セル７８に生じている短絡を解消すべく、セル７８への印加電圧が水除去用電圧値Ｅｒに設定される。その後、時刻ｔ３において、セル７８の電気抵抗値Ｒが基準値Ｒｒｅｆを超えて大きくなると、短絡が解消されたと判断して、通電制御が終了せしめられる。したがって、セル７８への印加電圧がゼロに設定される。

＜フローチャート＞
図１０は、リアクタ４５のセル７８に印加される電圧を制御する制御ルーチンのフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔毎に実行される。

まず、ステップＳ１１において、現在のセル７８への印加電圧値Ｅがゼロより大きいか否かが判定される。内燃機関１の停止中等により現在のセル７８への印加電圧値Ｅがゼロである場合には、制御ルーチンはステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、セル７８の短絡を検出する検出時期であるか否かが判定される。ステップＳ１２では、例えば、前回の短絡の検出が完了してからの経過時間が一定時間以上である場合、又は停止している内燃機関１を搭載した車両のドアが開かれた場合に、セル７８の短絡を検出する検出時期であると判定される。ステップＳ１２において短絡の検出時期ではないと判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ１３へと進む。

ステップＳ１３では、浄化フラグがＯＮであるか否かが判定される。浄化フラグは、リアクタ４５による浄化が必要なとき、すなわち例えば内燃機関１の運転中であって温度センサ６３によって検出された排気浄化触媒４４の温度が活性温度未満であるときにＯＮに設定され、それ以外のときにＯＦＦに設定されるフラグである。ステップＳ１３において、浄化フラグがＯＮに設定されていると判定された場合には、セル７８への印加電圧値Ｅが浄化用電圧値Ｅｐに設定され、浄化制御が行われる。一方、ステップＳ１３において、浄化フラグがＯＦＦに設定されている判定された場合には、セル７８への印加電圧値Ｅがゼロに設定される。

一方、ステップＳ１２において、短絡の検出時期であると判定された場合には、制御ルーチンはステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、短絡検出制御を行うべく、セル７８への印加電圧値Ｅが短絡検出用電圧値Ｅｃに設定される。

ステップＳ１６において印加電圧値Ｅが短絡検出用電圧値Ｅｃに設定された場合又はステップＳ１４において印加電圧値Ｅが浄化用電圧値Ｅｐに設定された場合には、次の制御ルーチンはステップＳ１１からステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、電源装置８１によって印加される電圧値と、電流計８２によって検出された電流値とに基づいて、セル７８の電気抵抗値Ｒが算出される。

次いで、ステップＳ１８では、ステップＳ１７で算出された電気抵抗値Ｒが基準値Ｒｒｅｆ以下であるか否かが判定される。ステップＳ１８において、電気抵抗値Ｒが基準値Ｒｒｅｆ以下であると判定された場合、すなわちセル７８に短絡が発生していると判定された場合には、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、印加電圧値Ｅが水除去用電圧値Ｅｒに設定される。一方、ステップＳ１８において、電気抵抗値Ｒが基準値Ｒｒｅｆよりも大きいと判定された場合、すなわちセル７８に短絡が発生していないと判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。

＜作用・効果＞
本実施形態では、上述したように凝縮水によるセル７８の短絡が検出されたときに、そのセル７８のアノード層７６とカソード層７７との間に電流を流す通電制御が行われる。この通電制御を行うことにより、凝縮水によるセル７８の短絡が早期に解消されるため、セル７８の短絡に伴うリアクタ４５の浄化機能の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、リアクタ４５を構成する複数のセル７８は部分的に並列に接続される。このようにセル７８を並列に接続することにより、セル７８の一部に短絡が生じると、短絡が生じているセル７８の電気抵抗値が小さくなることから、このセル７８に電流が流れやすくなる。この結果、電気分解やジュール加熱によってこのセル７８の凝縮水を除去し易くなる。

特に、本実施形態では、凝縮水が溜まりやすいセル７８同士が直列に接続されている。ここで、凝縮水が溜まりやすいセル７８同士を並列に接続すると、これらセル７８に短絡が生じた場合にこれら並列な回路間で電流が分散され、これらセル７８のそれぞれに流れる電流が小さくなる。これに対して、本実施形態によれば、凝縮水が溜まりやすいセル７８同士が直列に接続されているため、これらセル７８に短絡が生じた場合にはこれらセル７８に流れる電流が大きくなり、よって凝縮水の除去を促進させることができる。

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。

例えば、上記実施形態では、通電制御中にセル７８に印加される電圧は、浄化制御中に競る７８に印加される電圧よりも高い。しかしながら、通電制御中にセル７８に印加される電圧は、浄化制御中に競る７８に印加される電圧と同程度であってもよい。

また、例えば、複数のセルの少なくとも一部を互いに並列に接続した場合、並列に接続されたセルについて回路の接続と遮断を切り換えるスイッチが設けられていてもよい。この場合には、通電制御において、短絡が発生しているセル７８には電流が流れ、そのセル７８と並列に接続されているセル７８には電流が流れないようにスイッチが切り換ええられる。

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
８１電源装置

Claims

内燃機関の排気通路内に設けられた電気化学リアクタと、該電気化学リアクタへの供給電圧を制御する電圧制御装置とを備えた、内燃機関の排気浄化装置であって、
前記電気化学リアクタは、イオン導電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備え、
前記電圧制御装置は、前記アノード層と前記カソード層との間の短絡を検出する短絡検出制御と、該短絡が検出されたときに、該短絡した部分が通電されるように前記アノード層と前記カソード層との間に電流を流す通電制御とを行うように構成される、内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の排気通路内に設けられた電気化学リアクタと、該電気化学リアクタへの供給電圧を制御する電圧制御装置とを備えた、内燃機関の排気浄化装置であって、
前記電気化学リアクタは、イオン導電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備え、
前記電圧制御装置は、前記アノード層と前記カソード層との間の短絡を検出する短絡検出制御と、該短絡が検出されたときに、該短絡した部分が通電されるように前記アノード層と前記カソード層との間に電流を流す通電制御とを行うように構成され、
前記電圧制御装置は、前記内燃機関の運転中に前記内燃機関から排出された排気ガス中のＮＯｘを浄化するように前記アノード層とカソード層との間に電流を流す浄化制御をさらに行うように構成され、
前記通電制御中に前記アノード層とカソード層との間に印加される電圧の値は、前記浄化制御中に前記アノード層とカソード層との間に印加される電圧の値よりも高い、内燃機関の排気浄化装置。
前記電圧制御装置は、前記通電制御において、前記短絡した部分が通電されるように前記アノード層と前記カソード層との間に電流を流して、電気分解を発生させる、請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記電圧制御装置は、前記短絡検出制御において、前記アノード層と前記カソード層との間に電圧を印加したときの前記アノード層と前記カソード層との間の電気抵抗値に基づいて前記アノード層と前記カソード層との間の短絡を検出する、請求項１～３のいずれか１つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記電気化学リアクタは、前記固体電解質層、前記アノード層及び前記カソード層をそれぞれ備える複数のセルを有し、これら複数のセルは部分的に並列に電源に接続される、請求項１～４のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記複数のセルのうち、前記電気化学リアクタの構造上前記固体電解質層に凝縮水が溜まりやすいセル同士が直列に接続される、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記電圧制御装置は、前記短絡検出制御及び前記通電制御を前記内燃機関の停止中に行うように構成される、請求項１～６のいずれか一つに記載の内燃機関の排気浄化装置。