KR20190078511A - 전기 화학 리액터 및 전기 화학 리액터를 구비한 내연 기관 - Google Patents

전기 화학 리액터 및 전기 화학 리액터를 구비한 내연 기관 Download PDF

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데츠야 사쿠마
게이시 다카다
히로마사 니시오카
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

(과제) 애노드층에 있어서의 수분자의 유지량이 감소하는 것에 수반되는 NOx 의 정화 성능의 저하를 억제한다.
(해결 수단) 전기 화학 리액터 (70) 는, 프로톤 전도성의 고체 전해질층 (75) 과, 고체 전해질층의 표면 상에 배치됨과 함께 수분자를 유지 가능한 애노드층 (76) 과, 고체 전해질층의 표면 상에 배치되는 캐소드층 (77) 과, 애노드층과 캐소드층을 지나 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 장치 (73) 를 구비한다. 전류 제어 장치는, 애노드층에 유지된 수분자가 적어질 때에는, 애노드층과 캐소드층을 지나 흐르는 전류를 작게 한다.

Description

전기 화학 리액터 및 전기 화학 리액터를 구비한 내연 기관{ELECTROCHEMICAL REACTOR AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE PROVIDED WITH ELECTROCHEMICAL REACTOR}
본 발명은, 전기 화학 리액터 및 전기 화학 리액터를 구비한 내연 기관에 관한 것이다.
종래부터, 프로톤 전도성의 고체 전해질층과, 고체 전해질층의 표면 상에 배치된 애노드층과, 고체 전해질층의 표면 상에 배치된 캐소드층을 구비하는 전기 화학 리액터가 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1). 이러한 전기 화학 리액터에서는, 애노드층과 캐소드층을 지나는 전류를 흘리면, 애노드층 상에서 수분자가 분해되어 프로톤과 산소가 생성되고, 캐소드층 상에서 NOx 가 프로톤과 반응하여 질소와 수분자가 생성된다. 이 결과, 전기 화학 리액터에 의해 NOx 를 정화할 수 있다.
일본 공개특허공보 2006-346624호
상기 서술한 바와 같은 전기 화학 리액터에서는, NOx 의 정화에는 수분자가 필요한 것으로부터, 수분자를 유지할 수 있는 재료로 애노드층을 형성하는 것을 생각할 수 있다. 이와 같이 구성된 전기 화학 리액터에서는, 애노드층에 유지되어 있는 수분자가 분해되어 프로톤이 생성된다.
그런데, 이와 같이 구성된 전기 화학 리액터를 예를 들어 내연 기관의 배기 통로 내에 배치한 경우, 전기 화학 리액터 주위를 흐르는 배기 가스 중의 수분자의 농도 (액체의 물 및 수증기의 농도) 는 일정하지 않고, 내연 기관의 운전 상태에 따라 변화한다. 따라서, 내연 기관의 운전 상태에 따라서는 배기 가스 중의 수분자의 농도가 낮아지고, 따라서 애노드층에 공급되는 수분자가 감소한다. 이와 같은 상태에서 애노드층과 캐소드층을 지나는 전류를 흘려 애노드층 상에서의 수분자의 분해를 계속하면, 애노드층에서의 수분자의 유지량이 감소한다.
한편, 애노드층과 캐소드층을 지나 흐르는 전류가 크면, 다량의 프로톤이 애노드층으로부터 캐소드층으로 이동하고, 그 결과, 프로톤의 일부는 NOx 의 정화에 기여하지 않고, 수소 분자로서 배기 가스 중에 방출된다. 따라서, 애노드층에 유지되어 있는 수분자의 양이 감소하고 있음에도 불구하고 전류를 크게 하면, NOx 의 정화에 기여하지 않는 프로톤을 대량으로 생성하면서 애노드층에 유지되어 있는 수분자의 양의 감소를 촉진시키게 된다.
그리고 최종적으로는 애노드층에서의 수분자의 유지량이 적어져, 애노드층으로부터 캐소드층으로 이동하는 프로톤의 양이 감소하고, 그 결과, 캐소드층에 있어서 환원, 정화되는 NOx 량이 감소한다. 따라서, 전기 화학 리액터에 의한 NOx 의 정화 성능이 저하된다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 전기 화학 리액터에 있어서, NOx 의 정화에 기여하지 않는 프로톤을 감소시킴으로써, 애노드층에 있어서의 수분자의 유지량이 감소하는 것에 수반되는 NOx 의 정화 성능의 저하를 억제하는 것에 있다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.
(1) 프로톤 전도성의 고체 전해질층과, 그 고체 전해질층의 표면 상에 배치됨과 함께 수분자를 유지 가능한 애노드층과, 상기 고체 전해질층의 표면 상에 배치되는 캐소드층과, 상기 애노드층과 상기 캐소드층을 지나 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 장치를 구비하고, 상기 전류 제어 장치는, 상기 애노드층에 유지된 수분자가 적어질 때에는, 상기 애노드층과 상기 캐소드층을 지나 흐르는 전류를 작게 하는, 전기 화학 리액터.
(2) 청구항 1 에 기재된 전기 화학 리액터가 배기 통로 내에 형성된 내연 기관으로서, 상기 전기 화학 리액터는, 상기 애노드층 및 상기 캐소드층 전부가 배기 가스에 노출되도록 배기 통로 내에 배치되는, 내연 기관.
(3) 당해 내연 기관은, 내연 기관의 작동 중에 내연 기관으로의 연료의 공급을 정지시키는 연료 컷 제어를 실시하도록 구성되고, 상기 전류 제어 장치는, 상기 연료 컷 제어가 개시될 때에는, 상기 애노드층에 유지된 수분자가 적어진다고 하여, 상기 전류를 작게 하는, 청구항 2 에 기재된 내연 기관.
(4) 당해 내연 기관은 내연 기관에 공급되는 혼합기의 공연비를 변화시킬 수 있도록 구성되고, 상기 전류 제어 장치는, 상기 혼합기의 공연비가 린측으로 변화할 때에는, 상기 애노드층에 유지된 수분자가 적어진다고 하여, 상기 전류를 작게 하는, 청구항 2 또는 3 에 기재된 내연 기관.
본 발명에 의하면, 전기 화학 리액터에 있어서, NOx 의 정화에 기여하지 않는 프로톤을 감소시킴으로써, 애노드층에 있어서의 수분자의 유지량이 감소하는 것에 수반되는 NOx 의 정화 성능의 저하를 억제할 수 있다.
도 1 은, 내연 기관의 개략적인 구성도이다.
도 2 는, 전기 화학 리액터의 단면 측면도이다.
도 3 은, 전기 화학 리액터의 격벽을 개략적으로 나타내는 확대 단면도이다.
도 4 는, 전기 화학 리액터의 격벽을 개략적으로 나타내는 확대 단면도이다.
도 5 는, 전원 장치로부터 전류가 흘렀을 때에 있어서의 격벽 둘레에서 발생하는 반응을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6 은, 각 기통 내에 공급되는 혼합기의 공연비와, 애노드층과 캐소드층을 지나 흐르는 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 전원 장치에 의해 실시되는 전류 제어의 제어 루틴을 나타내는 플로 차트이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 붙인다.
＜내연 기관 전체의 설명＞
먼저, 도 1 을 참조하여, 본 발명의 하나의 실시형태에 관련된 내연 기관 (1) 의 구성에 대해 설명한다. 도 1 은, 내연 기관 (1) 의 개략적인 구성도이다. 도 1 에 나타낸 바와 같이, 내연 기관 (1) 은, 기관 본체 (10), 연료 공급 장치 (20), 흡기계 (30), 배기계 (40) 및 제어 장치 (50) 를 구비한다.
기관 본체 (10) 는, 복수의 기통 (11) 이 형성된 실린더 블록과, 흡기 포트 및 배기 포트가 형성된 실린더 헤드와, 크랭크 케이스를 구비한다. 각 기통 (11) 내에는 피스톤이 배치됨과 함께, 각 기통 (11) 은 흡기 포트 및 배기 포트에 연통되어 있다.
연료 공급 장치 (20) 는, 연료 분사 밸브 (21), 딜리버리 파이프 (22), 연료 공급관 (23), 연료 펌프 (24) 및 연료 탱크 (25) 를 구비한다. 연료 분사 밸브 (21) 는, 각 기통 (11) 내에 연료를 직접 분사하도록 실린더 헤드에 배치되어 있다. 연료 펌프 (24) 에 의해 압송된 연료는, 연료 공급관 (23) 을 통하여 딜리버리 파이프 (22) 에 공급되고, 연료 분사 밸브 (21) 로부터 각 기통 (11) 내에 분사된다.
흡기계 (30) 는, 흡기 매니폴드 (31), 흡기관 (32), 에어 클리너 (33), 과급기 (5) 의 컴프레서 (34), 인터 쿨러 (35), 및 스로틀 밸브 (36) 를 구비한다. 각 기통 (11) 의 흡기 포트는, 흡기 매니폴드 (31) 및 흡기관 (32) 을 개재하여 에어 클리너 (33) 에 연통되어 있다. 흡기관 (32) 내에는, 흡기관 (32) 내를 유통하는 흡입 공기를 압축하여 토출하는 과급기 (5) 의 컴프레서 (34) 와, 컴프레서 (34) 에 의해 압축된 공기를 냉각하는 인터 쿨러 (35) 가 형성되어 있다. 스로틀 밸브 (36) 는, 스로틀 밸브 구동 액추에이터 (37) 에 의해 개폐 구동된다.
배기계 (40) 는, 배기 매니폴드 (41), 배기관 (42), 과급기 (5) 의 터빈 (43) 및 전기 화학 리액터 (70) 를 구비한다. 각 기통 (11) 의 배기 포트는, 배기 매니폴드 (41) 및 배기관 (42) 을 개재하여 전기 화학 리액터 (70) 에 연통되어 있다. 배기관 (42) 내에는, 배기 가스의 에너지에 의해 회전 구동되는 과급기 (5) 의 터빈 (43) 이 형성되어 있다. 또한, 배기계 (40) 는, 배기 흐름 방향에 있어서 전기 화학 리액터 (70) 의 하류측 또는 상류측에, 삼원 촉매나 NOx 흡장 환원 촉매 등의 촉매를 구비하고 있어도 된다.
제어 장치 (50) 는, 전자 제어 유닛 (ECU) (51) 및 각종 센서를 구비한다. ECU (51) 는, 디지털 컴퓨터로 구성되고, 쌍방향성 버스 (52) 를 개재하여 서로 접속된 RAM (랜덤 액세스 메모리) (53), ROM (리드 온리 메모리) (54), CPU (마이크로 프로세서) (55), 입력 포트 (56), 및 출력 포트 (57) 를 구비한다.
흡기관 (32) 에는 흡기관 (32) 내를 흐르는 흡기 가스의 유량을 검출하는 유량 센서 (예를 들어, 에어 플로 미터) (61) 가 형성되고, 배기관 (42) (또는 배기 매니폴드 (41)) 에는 전기 화학 리액터 (70) 에 유입되는 배기 가스의 공연비를 검출하는 공연비 센서 (62) 가 형성된다. 또, 흡기관 (32) 또는 내연 기관 (1) 을 탑재한 차량에는, 각 기통 (11) 에 공급되는 공기 (예를 들어, 외기) 의 습도를 검출하는 습도 센서 (63) 가 형성된다. 이들 유량 센서 (61), 공연비 센서 (62) 및 습도 센서 (63) 는, 대응하는 AD 변환기 (58) 를 개재하여 입력 포트 (56) 에 접속된다.
또, 액셀 페달 (64) 의 밟기량에 비례한 출력 전압을 발생시키는 부하 센서 (65) 가 접속되고, 부하 센서 (65) 의 출력 전압은 대응하는 AD 변환기 (58) 를 통하여 입력 포트 (56) 에 입력된다. 크랭크각 센서 (66) 는 기관 본체 (10) 의 크랭크 샤프트가 예를 들어 10 ° 회전할 때마다 출력 펄스를 발생시킨다. 이 출력 펄스는 입력 포트 (56) 에 입력되고, CPU (55) 에서는 이 출력 펄스에 기초하여 기관 회전 속도가 산출된다.
한편, ECU (51) 의 출력 포트 (57) 는, 대응하는 구동 회로 (59) 를 개재하여, 내연 기관 (1) 의 운전을 제어하는 각 액추에이터에 접속된다. 도 1 에 나타낸 예에서는, 출력 포트 (57) 는, 연료 분사 밸브 (21), 연료 펌프 (24) 및 스로틀 밸브 구동 액추에이터 (37) 에 접속되어 있다. ECU (51) 는, 이들 액추에이터를 제어하는 제어 신호를 출력 포트 (57) 로부터 출력하여, 내연 기관 (1) 의 운전을 제어한다.
＜내연 기관의 제어＞
제어 장치 (50) 는, 이와 같이 하여 입력된 기관 부하 및 기관 회전 속도 등에 기초하여, 연료 분사 밸브 (21) 로부터 분사되는 연료량을 제어하는 분사량 제어를 실시한다. 분사량 제어에서는, 기본적으로는, 기관 부하가 높아질수록, 각 사이클 중에 연료 분사 밸브 (21) 로부터 분사되는 연료의 양이 많아지도록 분사량이 제어된다. 이에 반하여, 본 실시형태에서는, 기관 부하가 변화해도, 각 기통 (11) 에 공급되는 공기량은 그만큼 변화하지 않는다. 이 결과, 기관 부하가 높아질수록, 각 기통 (11) 내에 공급되는 혼합기의 공연비가 높아진다.
또, 본 실시형태의 제어 장치 (50) 는, 예를 들어, 내연 기관 (1) 이 탑재된 차량의 감속시 등에, 내연 기관의 작동 중 (즉, 기관 본체 (10) 의 크랭크 샤프트의 회전 중) 에 연료 분사 밸브 (21) 로부터의 연료 분사를 일시적으로 정지시키는 연료 컷 제어를 실시한다. 구체적으로는, 연료 컷 제어에서는, 예를 들어, 부하 센서 (65) 에 의해 검출되는 기관 부하가 제로 또는 소정의 상한값 이하로서, 크랭크각 센서 (66) 의 출력에 기초하여 산출되는 기관 회전 속도가 소정의 하한값 (예를 들어, 2000 rpm) 이상일 때, 연료 컷 제어가 실행되어, 연료 분사 밸브 (21)으로부터의 연료 분사가 정지된다.
또한, 본 실시형태에서는, 기관 본체 (10) 에는 점화 플러그가 형성되어 있지 않고, 내연 기관 (1) 은 압축 자착화식의 내연 기관이다. 그러나, 내연 기관 (1) 은, 점화 플러그에 의한 불꽃에 의해 혼합기에 대한 점화를 실시하는, 불꽃 점화식의 내연 기관이어도 된다. 이 경우, 분사량 제어에서는, 각 기통 (11) 에 공급되는 혼합기의 공연비가 목표 공연비가 되도록 분사량이 제어된다. 목표 공연비는, 예를 들어, 기관 운전 상태에 따라 이론 공연비 근방에서 변화하도록 설정된다. 또, 불꽃 점화식의 내연 기관이어도, 연료 컷 제어는 동일하게 실시된다.
＜전기 화학 리액터의 구성＞
다음으로, 도 2 및 도 3 을 참조하여, 본 실시형태에 관련된 전기 화학 리액터 (70) 의 구성에 대해 설명한다. 도 2 는, 전기 화학 리액터 (70) 의 단면 측면도이다. 도 2 에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 리액터 (70) 는, 격벽 (71) 과, 격벽에 의해 획정되는 통로 (72) 를 구비한다. 격벽 (71) 은, 서로 평행하게 연장되는 복수의 제 1 격벽과, 이들 제 1 격벽에 대해 수직으로 또한 서로 평행하게 연장되는 복수의 제 2 격벽을 구비한다. 통로 (72) 는, 이들 제 1 격벽 및 제 2 격벽에 의해 획정되고, 서로 평행하게 연장된다. 따라서, 본 실시형태에 관련된 전기 화학 리액터 (70) 는, 허니컴 구조를 갖는다. 전기 화학 리액터 (70) 에 유입된 배기 가스는 복수의 통로 (72) 를 지나 흐른다.
도 3 은, 전기 화학 리액터 (70) 의 격벽 (71) 의 확대 단면도이다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 리액터 (70) 의 격벽 (71) 은, 고체 전해질층 (75) 과, 고체 전해질층 (75) 의 일방의 표면 상에 배치된 애노드층 (76) 과, 애노드층 (76) 이 배치된 표면과는 반대측의 고체 전해질층 (75) 의 표면 상에 배치된 캐소드층 (77) 을 구비한다.
고체 전해질층 (75) 은, 프로톤 전도성을 갖는 다공질의 고체 전해질을 함유한다. 고체 전해질로는, 예를 들어, 페로브스카이트형 금속 산화물 MM'1-xRxO3-α (M ＝ Ba, Sr, Ca, M' ＝ Ce, Zr, R ＝ Y, Yb 이고, 예를 들어, SrZrxYb1-xO3-α, SrCeO3, BaCeO3, CaZrO3, SrZrO3 등), 인산염 (예를 들어, SiO2-P2O5 계 유리 등), 또는 금속 도프 SnxIn1-xP2O7 (예를 들어, SnP2O7 등) 이 사용된다.
애노드층 (76) 및 캐소드층 (77) 은, 모두 Pt, Pd 또는 Rh 등의 귀금속을 함유한다. 또, 애노드층 (76) 은, 수분자를 유지 가능 (즉, 흡착 가능 및/또는 흡수 가능) 한 물질을 함유한다. 수분자를 유지 가능한 물질로는, 구체적으로는, 제올라이트, 실리카 겔, 활성 알루미나 등을 들 수 있다. 한편, 캐소드층 (77) 은, NOx 를 유지 가능 (즉, 흡착 가능 및/또는 흡수 가능) 한 물질을 함유한다. NOx 를 유지 가능한 물질로는, 구체적으로는, K, Na 등의 알칼리 금속, Ba 등의 알칼리 토금속, La 등의 희토류 등을 들 수 있다.
또, 전기 화학 리액터 (70) 는, 전원 장치 (73) 와 전류계 (74) 를 구비한다. 전원 장치 (73) 의 정극은 애노드층 (76) 에 접속되고, 전원 장치 (73) 의 부극은 캐소드층 (77) 에 접속된다. 전원 장치 (73) 는, 캐소드층 (77), 고체 전해질층 (75) 및 애노드층 (76) 을 지나 흐르는 전류를 변화시킬 수 있도록 구성된다. 또, 전원 장치 (73) 는, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 사이에 인가 되는 전압을 변화시킬 수 있도록 구성된다.
또, 전원 장치 (73) 는, 전류계 (74) 와 직렬로 접속되어 있다. 또, 전류계 (74) 는, 대응하는 AD 변환기 (58) 를 개재하여 입력 포트 (56) 에 접속된다. 전원 장치 (73) 는, 대응하는 구동 회로 (59) 를 개재하여 ECU (51) 의 출력 포트 (57) 에 접속되고, 전원 장치 (73) 는 ECU (51) 에 의해 제어된다. 따라서, 전원 장치 (73) 및 ECU (51) 는, 애노드층 (76) 및 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 장치로서 기능한다.
특히, 본 실시형태에서는, 전원 장치 (73) 는, 전류계 (74) 에 의해 검출되는 전류값이 목표값이 되도록 제어된다.
이와 같이 구성된 전기 화학 리액터 (70) 에서는, 전원 장치 (73) 로부터 애노드층 (76) 및 캐소드층 (77) 에 전류가 흐르면, 애노드층 (76) 및 캐소드층 (77) 에서는 각각 하기 식과 같은 반응이 발생한다.
애노드측 2H2O→4H+＋O2＋4e
캐소드측 2NO＋4H+＋4e→N2＋2H2O
즉, 애노드층 (76) 에서는, 애노드층 (76) 에 유지되어 있는 수분자가 전기 분해되어 산소와 프로톤이 생성된다. 생성된 산소는 배기 가스 중에 방출됨과 함께, 생성된 프로톤은 고체 전해질층 (75) 내를 애노드층 (76) 으로부터 캐소드층 (77) 으로 이동한다. 캐소드층 (77) 에서는, 캐소드층 (77) 에 유지되어 있는 NO 가 프로톤 및 전자와 반응하여 질소와 수분자가 생성된다.
따라서, 본 실시형태에 의하면, 전기 화학 리액터 (70) 의 전원 장치 (73) 로부터 애노드층 (76) 및 캐소드층 (77) 에 전류를 흘림으로써, 배기 가스 중의 NO를 N2 로 환원, 정화할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 애노드층 (76) 및 캐소드층 (77) 은 고체 전해질층 (75) 의 반대측의 두 개의 표면 상에 배치되어 있다. 그러나, 애노드층 (76) 및 캐소드층 (77) 은, 고체 전해질층 (75) 의 동일한 표면 상에 배치되어도 된다. 이 경우, 프로톤은, 애노드층 (76) 및 캐소드층 (77) 이 배치된 고체 전해질층 (75) 의 표면 근방을 이동하게 된다.
또, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 애노드층 (76) 은, 전기 전도성을 갖는 귀금속을 함유하는 도전층 (76a) 과, 수분자를 유지 가능한 물질을 함유하는 수분자 유지층 (76b) 의 두 개의 층을 포함해도 된다. 이 경우, 고체 전해질층 (75) 의 표면 상에 도전층 (76a) 이 배치되고, 고체 전해질층 (75) 측과는 반대측의 도전층 (76a) 의 표면 상에 수분자 유지층 (76b) 이 배치된다.
동일하게, 캐소드층 (77) 은, 전기 전도성을 갖는 귀금속을 함유하는 도전층 (77a) 과, NOx 를 유지 가능한 물질을 함유하는 NOx 유지층 (77b) 의 두 개의 층을 포함해도 된다. 이 경우, 고체 전해질층 (75) 의 표면 상에 도전층 (77a) 이 배치되고, 고체 전해질층 (75) 측과는 반대측의 도전층 (77a) 의 표면 상에 NOx 유지층 (77b) 이 배치된다.
＜전기 화학 리액터의 성질＞
다음으로, 도 5 를 참조하여, 상기 서술한 바와 같이 구성된 전기 화학 리액터 (70) 의 성질에 대해 간단하게 설명한다. 도 5(A) 는, 전원 장치 (73) 로부터 흐르는 전류가 작을 때에 있어서의 격벽 (71) 둘레에서 발생하는 반응을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 5(B) 는, 전원 장치 (73) 로부터 흐르는 전류가 클 때에 있어서의 격벽 (71) 둘레에서 발생하는 반응을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5(A) 에 나타낸 바와 같이, 전원 장치 (73) 로부터 흐르는 전류가 작을 때에는, 고체 전해질층 (75) 내를 애노드층 (76) 으로부터 캐소드층 (77) 으로 이동한 프로톤은 적다. 이 때문에, 캐소드층 (77) 으로 이동한 프로톤의 대부분은, 캐소드층 (77) 에 유지되어 있는 NO 와 반응하여, N2 가 생성된다.
한편, 도 5(B) 에 나타낸 바와 같이, 전원 장치 (73) 로부터 흐르는 전류가 클 때에는, 고체 전해질층 (75) 내를 애노드층 (76) 으로부터 캐소드층 (77) 으로 많은 프로톤이 이동한다. 이 때문에, 캐소드층 (77) 에서의 NO 의 정화율은 전원 장치 (73) 로부터 흐르는 전류가 작을 때에 비하여 다소 높아지지만, 캐소드층 (77) 으로 이동한 프로톤의 일부는, 캐소드층 (77) 에 유지되어 있는 NO 와 반응하지 않고, 수소 분자로서 배기 가스 중에 방출된다. 따라서, 전원 장치 (73) 로부터 흐르는 전류가 크면, 애노드층 (76) 에 유지되어 있는 수분자로부터 필요 이상으로 프로톤이 생성되게 된다.
그런데, 배기 가스 중에 함유되는 수분자의 농도는 기관 운전 상태에 따라 변화한다. 즉, 기관 본체 (10) 의 각 기통 (11) 내에서 혼합기가 연소되면, 이 연소에 수반하여 수분자가 생성된다. 이 때문에, 기관 운전 상태가 변화하여 연료 분사 밸브 (21) 로부터의 연료 공급량이 변화하거나 하면, 배기 가스 중에 함유되는 수분자의 농도가 변화하게 된다. 따라서, 예를 들어, 상기 서술한 연료 컷 제어가 실시되고 있을 때에는, 배기 가스 중에는 수분자가 거의 함유되어 있지 않다.
또, 각 기통 (11) 내에 공급되는 혼합기의 공연비가 높을 (린측) 때에는, 낮을 (리치측) 때에 비해, 공급된 연료에 대한 공기의 비율이 높다. 따라서, 이 때, 각 기통 (11) 내에서 혼합기가 연소된 후에는, 배기 가스 중의 수분자에 대한 공기의 비율이 높고, 따라서 배기 가스 중의 수분자의 농도가 낮다. 따라서, 각 기통 (11) 내에 공급되는 혼합기의 공연비에 따라, 배기 가스 중의 수분자의 농도가 변화한다.
배기 가스 중의 수분자의 농도가 낮으면, 평형 상태에 있어서의 애노드층 (76) 에서의 수분자의 유지량이 적다. 따라서, 배기 가스 중의 수분자의 농도가 저하되면, 이에 수반하여 애노드층 (76) 에서의 수분자의 유지량이 감소한다.
이와 같이 평형 상태에 있어서의 애노드층 (76) 에서의 수분자의 유지량이 감소할 때, 전원 장치 (73) 로부터 큰 전류가 흐르면, 애노드층 (76) 에 유지되어 있는 수분자의 양은 급격하게 감소한다. 그 결과, 애노드층 (76) 에 유지되어 있는 수분자의 양이 적어지면, 충분히 프로톤을 생성할 수 없게 되어, NOx 의 정화 성능의 저하를 초래한다.
특히, 도 5(B) 를 참조하여 설명한 바와 같이, 전원 장치 (73) 로부터 흐르는 전류값이 클 때에는, 프로톤의 일부는 NOx 의 정화에 기여하지 않는다. 따라서, 애노드층 (76) 에서의 수분자의 유지량이 감소하고 있음에도 불구하고 전원 장치 (73) 로부터 흐르는 전류값을 크게 하면, NOx 의 정화에 기여하지 않는 프로톤을 대량으로 생성하면서 애노드층에서의 수분자의 유지량의 감소를 촉진시키게 된다. 이 때문에, 배기 가스 중의 수분자의 농도가 낮은 경우에는, 전원 장치 (73) 로부터 흐르는 전류값을 작게 하여, 과잉된 프로톤의 생성을 억제할 필요가 있다.
＜전기 화학 리액터의 제어＞
그래서, 본 실시형태에서는, 전원 장치 (73) 는, 애노드층 (76) 에 유지되는 수분자가 상대적으로 적을 때에는, 상대적으로 많을 때에 비하여, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 작게 한다. 특히, 본 실시형태에서는, 전원 장치 (73) 는, 애노드층 (76) 에 유지되는 수분자가 적어질수록, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 작게 한다.
도 6 은, 각 기통 (11) 내에 공급되는 혼합기의 공연비와, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
여기서, 상기 서술한 바와 같이, 각 기통 (11) 내에 공급되는 혼합기의 공연비가 높아지면 (린측이 되면), 배기 가스 중의 수분자의 농도가 저하되고, 결과적으로 애노드층 (76) 에 유지되어 있는 수분자가 감소하는 경향이 있다. 이 때문에, 도 6 에 나타낸 예에서는, 각 기통 (11) 내에 공급되는 혼합기의 공연비가 높아질수록, 즉 애노드층 (76) 에 유지되는 수분자가 적어질수록, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 작게 하도록 하고 있다. 또한, 도 6 에 나타낸 예에서는, 혼합기의 공연비가 높아지는 것에 비례하여 전류를 작게 하고 있지만, 반드시 혼합기의 공연비에 비례하여 전류를 변화시킬 필요는 없다.
게다가, 본 실시형태에서는, 전원 장치 (73) 는, 연료 컷 제어를 실시함으로써 각 기통 (11) 내에 연료가 공급되지 않고 공기가 공급될 때에는, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 매우 작게 한다. 혹은, 전원 장치 (73) 는, 이 때 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 거의 제로로 한다.
따라서, 관점을 바꾸면, 전원 장치 (73) 는, 애노드층 (76) 에 유지된 수분자가 적어지도록 변화할 때에는, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 작아지도록 변화시키고 있다고 할 수 있다.
애노드층 (76) 에 유지된 수분자가 적어질 때란, 배기 가스 중의 수분자의 농도가 저하될 때를 의미한다. 또, 애노드층 (76) 에 유지된 수분자가 적어질 때는, 실제로 애노드층 (76) 에 유지된 수분자가 적어지도록 변화하고 있을 때 뿐만 아니라, 내연 기관 (1) 의 각종 액추에이터 (연료 분사 밸브 (21), 스로틀 밸브 (36) 등) 를 조작함으로써 애노드층 (76) 에 유지된 수분자가 적어진다고 예상될 때를 포함한다. 따라서, 애노드층 (76) 에 유지된 수분자가 적어질 때는, 예를 들어, 각 기통 (11) 내에 공급되는 혼합기의 공연비가 높아지도록 (린측으로) 변화했을 때나, 연료 컷 제어가 개시되었을 때를 포함한다.
도 7 은, 전원 장치 (73) 에 의해 실시되는 전류 제어의 제어 루틴을 나타내는 플로 차트이다. 도시한 제어 루틴은 일정 시간 간격마다 실시된다.
도 7 에 나타낸 바와 같이, 먼저 스텝 S11 에서는, 각 사이클에 있어서의 연료 분사 밸브 (21) 로부터 각 기통 (11) 으로의 연료 분사량 (Q) 이 취득된다. 연료 분사량 (Q) 은, 예를 들어, ECU (51) 에 있어서 산출되는 각 연료 분사 밸브 (21) 로부터의 목표 연료 분사량에 기초하여 산출된다. 각 연료 분사 밸브 (21) 는, 그 연료 분사 밸브 (21) 로부터의 각 사이클에 있어서의 연료 분사량이 목표 연료 분사량이 되도록 제어된다.
이어서, 스텝 S12 에서는, 스텝 S11 에서 취득된 각 기통 (11) 으로의 연료 분사량 (Q) 이 0 보다 많은지의 여부가 판정된다. 스텝 S12 에 있어서, 각 기통 (11) 으로의 연료 분사량 (Q) 이 0 보다 많다고 판정된 경우, 즉 연료 컷 제어의 실행 중이 아니라고 판정된 경우에는, 스텝 S13 으로 진행된다.
스텝 S13 에서는, 공연비 센서 (62) 에 의해 전기 화학 리액터 (70) 에 유입되는 배기 가스의 공연비가 취득된다. 이어서, 스텝 S14 에서는, 스텝 S13 에서 취득된 배기 가스의 공연비에 기초하여, 도 6 에 나타낸 바와 같은 맵을 사용하여, 목표 전류값 (I) 이 산출된다. 전원 장치 (73) 는, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류가 목표 전류값 (I) 이 되도록 제어되어, 제어 루틴이 종료된다.
한편, 스텝 S12 에 있어서, 각 기통 (11) 으로의 연료 분사량 (Q) 이 0 이라고 판정된 경우, 즉 연료 컷의 실행 중이라고 판정된 경우에는, 스텝 S15 로 진행된다. 스텝 S15 에서는, 목표 전류값 (I) 이 제로로 설정된다. 따라서, 전원 장치 (73) 는, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나는 전류를 흘리지 않도록 제어되어, 제어 루틴이 종료된다.
＜작용·효과＞
본 실시형태에 관련된 내연 기관 (1) 에서는, 배기 가스 중의 수분자의 농도가 낮을 때, 즉 애노드층 (76) 에 유지되는 수분자가 상대적으로 적을 때에, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류가 작게 된다. 이로써, 과잉된 프로톤의 생성이 억제되고, 애노드층 (76) 에 유지되어 있는 수분자의 양이 감소하는 것을 억제할 수 있어, 애노드층 (76) 에 유지되어 있는 수분자의 양이 감소하는 것에 수반되는 NOx 의 정화 성능의 저하를 억제할 수 있다.
그 한편에서, 본 실시형태에서는, 각 기통 (11) 에서 혼합기의 연소가 실시되어 배기 가스 중에 수분자가 함유되어 있을 때에는, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 전류가 다소 작게 되면서도 흐른다. 따라서, 이 때에는 애노드층 (76) 에서 프로톤의 생성이 실시되는 것으로부터, 캐소드층 (77) 에 유지된 NOx 의 정화를 유지할 수 있다.
그런데, 캐소드층 (77) 에 유지되어 있는 NOx 와 프로톤의 반응에 있어서의 반응 속도 (v) 는 하기 식 (1) 로 나타낸다.
Figure pat00001
식 (1) 에 있어서, A, α, β 는 정수 (定數), ΔE 는 활성화 에너지, R 은 기체 정수, T 는 온도를 각각 나타내고 있다. 또,［NOx］는 NOx 의 농도,［H+］는 프로톤의 농도를 각각 나타내고 있다. 식 (1) 로부터 알 수 있는 바와 같이, NOx 와 프로톤의 반응에 있어서의 반응 속도 (v) 는, NOx 의 농도［NOx］가 높을수록 또한 프로톤의 농도［H+］가 높을수록 빠르다.
여기서, 배기 가스의 공연비가 리치 공연비인 경우에는, 배기 가스 중의 NOx는 배기 가스 중의 미연 HC 나 CO 등과 반응하기 때문에, 배기 가스 중의 NOx 의 농도가 낮아진다. 따라서, 이 경우, 캐소드층 (77) 에 유지되어 있는 NOx 의 양이 감소하는 경향이 있다. 이와 같이 캐소드층 (77) 에 유지되어 있는 NOx 의 양이 감소하면, 식 (1) 중의 NOx 의 농도［NOx］가 저하되는 것으로부터, NOx 와 프로톤의 반응에 있어서의 반응 속도가 느려진다.
이에 반하여, 본 실시형태에 관련된 내연 기관 (1) 에서는, 각 기통 (11) 내에 공급되는 혼합기의 공연비가 높아질수록, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류가 작아진다. 반대로 말하면, 본 실시형태에 관련된 내연 기관 (1) 에서는, 배기 가스의 공연비가 낮아질수록 (리치측의 공연비가 될수록), 단위 시간당 캐소드층 (77) 에 공급되는 프로톤의 양이 증대된다. 이 결과, 캐소드층 (77) 에 있어서, 식 (1) 중의 프로톤의 농도［H＋］가 증대된다. 따라서, 본 실시형태에 의하면, 배기 가스의 공연비가 리치 공연비인 경우라도, NOx 와 프로톤의 반응에 있어서의 반응 속도를 높게 유지할 수 있다.
＜변형예＞
다음으로, 상기 실시형태의 변형예에 대해 설명한다. 상기 실시형태에서는, 각 기통 (11) 내에 공급되는 혼합기의 공연비, 및 연료 컷 제어의 실시의 유무에 따라, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 제어하고 있다. 그러나, 애노드층 (76) 에 유지되어 있는 수분자의 양은, 이것들 이외의 요인에 따라서도 변화한다.
예를 들어, 배기 가스의 온도 등이 상승함으로써, 전기 화학 리액터 (70) 의 온도, 특히 그 격벽 (71) 의 온도가 상승하면, 수분자는 애노드층 (76) 에 유지되기 어려워진다. 따라서, 전기 화학 리액터 (70) 의 온도가 높아질수록, 애노드층 (76) 에 유지되는 수분자의 양이 감소한다. 따라서, 전원 장치 (73) 는, 전기 화학 리액터 (70) 의 온도가 높아질수록, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 작게 하도록 제어되어도 된다.
또, 각 기통 (11) 에 공급되는 공기의 습도 (즉, 내연 기관 (1) 을 탑재한 차량 주위의 대기의 습도) 가 낮을 때에는, 각 기통 (11) 으로부터 배출되는 배기 가스의 습도도 낮다. 이 결과, 각 기통 (11) 에 공급되는 공기의 습도가 낮을 때에는, 애노드층 (76) 에 유지되는 수분자의 양이 감소한다. 따라서, 전원 장치 (73) 는, 습도 센서 (63) 에 의해 검출된 습도가 낮아질수록, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 작게 하도록 제어되어도 된다.
게다가, 상기 실시형태에서는, 연료 컷 제어의 실행 중에는 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류가 제로가 되도록 전원 장치 (73) 가 제어된다. 그러나, 전원 장치 (73) 는, 연료 컷 제어의 실행 중이라도, 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 약간이지만 전류가 흐르도록 제어되어도 된다. 연료 컷 제어 중에는 전기 화학 리액터 (70) 에 유입되는 가스 중의 수분자의 농도는, 각 기통 (11) 에 공급되는 공기의 습도에 따라 변화하는 것으로부터, 습도 센서 (63) 에 의해 검출된 습도가 낮아질수록 애노드층 (76) 과 캐소드층 (77) 을 지나 흐르는 전류를 작게 하는 것이 바람직하다.
1 : 내연 기관
10 : 기관 본체
20 : 연료 공급 장치
30 : 흡기계
40 : 배기계
50 : 제어 장치
70 : 전기 화학 리액터
71 : 격벽
72 : 통로
73 : 전원 장치
75 : 고체 전해질층
76 : 애노드층
77 : 캐소드층

Claims (4)

  1. 프로톤 전도성의 고체 전해질층과, 그 고체 전해질층의 표면 상에 배치됨과 함께 수분자를 유지 가능한 애노드층과, 상기 고체 전해질층의 표면 상에 배치되는 캐소드층과, 상기 애노드층과 상기 캐소드층을 지나 흐르는 전류를 제어하는 전류 제어 장치를 구비하고,
    상기 전류 제어 장치는, 상기 애노드층에 유지된 수분자가 적어질 때에는, 상기 애노드층과 상기 캐소드층을 지나 흐르는 전류를 작게 하는, 전기 화학 리액터.
  2. 제 1 항에 기재된 전기 화학 리액터가 배기 통로 내에 형성된 내연 기관으로서,
    상기 전기 화학 리액터는, 상기 애노드층 및 상기 캐소드층 전부가 배기 가스에 노출되도록 배기 통로 내에 배치되는, 내연 기관.
  3. 제 2 항에 있어서,
    당해 내연 기관은, 내연 기관의 작동 중에 내연 기관으로의 연료의 공급을 정지시키는 연료 컷 제어를 실시하도록 구성되고,
    상기 전류 제어 장치는, 상기 연료 컷 제어가 개시될 때에는, 상기 애노드층에 유지된 수분자가 적어진다고 하여, 상기 전류를 작게 하는, 내연 기관.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    당해 내연 기관은 내연 기관에 공급되는 혼합기의 공연비를 변화시킬 수 있도록 구성되고,
    상기 전류 제어 장치는, 상기 혼합기의 공연비가 린측으로 변화할 때에는, 상기 애노드층에 유지된 수분자가 적어진다고 하여, 상기 전류를 작게 하는, 내연 기관.
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