特開 2024-89114 内燃機関の排気浄化システムおよび内燃機関の排気浄化方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024089114

(43)【公開日】2024-07-03

(54)【発明の名称】内燃機関の排気浄化システムおよび内燃機関の排気浄化方法

(51)【国際特許分類】

   F01N 3/08 20060101AFI20240626BHJP

【ＦＩ】

F01N3/08 C

F01N3/08 A ZAB

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022204286

(22)【出願日】2022-12-21

(71)【出願人】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】原田 敏彦

(72)【発明者】

【氏名】永森 敬士

【テーマコード（参考）】

3G091

【Ｆターム（参考）】

3G091AB02

3G091AB06

3G091AB13

3G091AB14

3G091BA07

3G091BA14

3G091DA08

3G091EA34

3G091GB03Z

3G091GB04Z

3G091GB05Z

3G091GB10Z

3G091HA15

(57)【要約】

【課題】電気化学リアクタのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制する。
【解決手段】固体電解質の表面に形成したカソード電極とアノード電極との間に電圧を印加して、排ガス中のＮＯｘを還元浄化する電気化学リアクタを有する排気浄化システムであって、電気化学リアクタに流入する排ガスの空燃比がリッチのとき（Ｓ１１で肯定判定）、電極間への電圧の印加を停止する。固体電解質の分解を抑止でき、ＮＯｘ浄化性能の低下を抑止できる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極と第２電極との間に配設された、酸素イオン伝導性を有する固体電解質を含み、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、排ガスに含まれるＮＯｘを還元浄化する電気化学リアクタと、
前記電気化学リアクタに流入する排ガスの酸素濃度の情報を取得する取得部と、
前記第１電極と前記第２電極との間に印加する電圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記取得部で取得した排ガスの酸素濃度が所定値以下のとき、
前記第１電極と前記第２電極への電圧の印加を停止する、あるいは、前記第１電極と前記第２電極に印加する電圧を設定値以下にするよう構成されている、内燃機関の排気浄化システム。

【請求項2】

前記取得部は、前記電気化学リアクタの上流の排気通路に設けた、排ガスの空燃比がリッチのときリッチ信号を出力し、排ガスの空燃比がリーンのときリーン信号を出力するＯ_２センサであり、
前記制御部は、前記Ｏ_２センサがリッチ信号を出力しているとき、前記第１電極と前記第２電極への電圧の印加を停止する、あるいは、前記第１電極と前記第２電極に印加する電圧を設定値以下にする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。

【請求項3】

前記取得部は、前記電気化学リアクタの上流の排気通路に設けた、排ガスの空燃比を検出する空燃比センサであり、
前記制御部は、前記空燃比センサで検出した排ガスの空燃比がリッチであるとき、前記第１電極と前記第２電極への電圧の印加を停止する、あるいは、前記第１電極と前記第２電極に印加する電圧を設定値以下にする、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。

【請求項4】

前記取得部は、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記電気化学リアクタに流入する排ガスの酸素濃度の情報を取得する、請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。

【請求項5】

前記固体電解質は、酸化物系固体電解質である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化システム。

【請求項6】

前記固体電解質は、酸化セリウムを含む、請求項５に記載の内燃機関の排気浄化システム。

【請求項7】

前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方は、銀（Ａｇ）を含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化システム。

【請求項8】

電気化学リアクタを用いた、内燃機関の排気浄化方法であって、
前記電気化学リアクタは、第１電極と第２電極の間に配設された、酸素イオン伝導性を有する固体電解質を含み、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、排ガスに含まれるＮＯｘを還元浄化するように構成され、
前記電気化学リアクタに流入する排ガスの酸素濃度の情報を取得することと、
前記酸素濃度が所定値以下のとき、前記第１電極と前記第２電極への電圧の印加を停止する、あるいは、前記第１電極と前記第２電極に印加する電圧を設定値以下にすることと、を含む、内燃機関の排気浄化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、内燃機関の排気浄化システムおよび内燃機関の排気浄化方法に関する。

【背景技術】

【0002】

排ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するために、排気通路に電気化学リアクタを備えた内燃機関が知られている。たとえば、特開２０１６－１４３７６号公報（特許文献１）には、ＮＯｘ吸蔵還元触媒（NOx storage reduction catalyst：以下、ＮＳＲ触媒とも称する）の下流に電気化学リアクタを設け、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ放出還元処理時に、ＮＳＲ触媒から流出するＮＯｘを、電気化学リアクタによって還元浄化することが記載されている。電気化学リアクタは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質からなり、この固体電解質に形成した電極間に電圧を印加して、電気化学的にＮＯｘを還元浄化している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－１４３７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、ＮＳＲ触媒に流入する排ガスの空燃比をリッチとし、ＮＳＲ触媒に吸蔵されていたＮＯｘを放出還元する際に、電気化学リアクタの電極間に電圧を印加して、ＮＳＲ触媒から流出する（リークする）ＮＯｘを浄化している。電気化学リアクタに流入する排ガスの空燃比がリッチであり、排ガスに酸素（Ｏ_２）が存在しない雰囲気において、電気化学リアクタの電極間に電圧を印加すると、固体電解質が分解し、電気化学リアクタのＮＯｘ浄化性能が低下する。

【0005】

本開示の目的は、電気化学リアクタのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（１）本開示の内燃機関の排気浄化システムは、第１電極と第２電極との間に配設された、酸素イオン伝導性を有する固体電解質を含み、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、排ガスに含まれるＮＯｘを還元浄化する電気化学リアクタと、電気化学リアクタに流入する排ガスの酸素濃度の情報を取得する取得部と、第１電極と第２電極との間に印加する電圧を制御する制御部と、を備える。制御部は、取得部で取得した排ガスの酸素濃度が所定値以下のとき、第１電極と第２電極への電圧の印加を停止する、あるいは、第１電極と第２電極に印加する電圧を設定値以下にするよう構成されている。

【0007】

この構成によれば、取得部で取得した排ガスの酸素濃度が所定値以下のとき、電気化学リアクタの第１電極と第２電極への電圧の印加を停止する。電気化学リアクタに流入する排ガスに、実質的に酸素が存在しないほど、排ガスの酸素濃度が所定値以下になると、第１電極と第２電極への電圧の印加が停止されるので、固体電解質の分解を抑制でき、電気化学リアクタのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。なお、「排ガスに、実質的に酸素が存在しない」とは、排ガス中の酸素濃度のバラツキ等により、部分的に酸素は存在するが、固体電解質の大部分（たとえば、９０％以上）の領域において、酸素が存在しない、等の状態である。

【0008】

この構成によれば、取得部で取得した排ガスの酸素濃度が所定値以下のとき、電気化学リアクタの第１電極と第２電極に印加する電圧を設定値以下にする。電気化学リアクタに流入する排ガスに、実質的に酸素が存在しないほど、排ガスの酸素濃度が所定値以下になると、電極間に印加される電圧が設定値以下になるので、固体電解質の分解を抑制できる。排ガスに酸素が存在しない雰囲気において、電極間に印加される電圧が低いほど、固体電解質の分解する速度が遅くなる（分解する量が少なくなる）。設定値は、固体電解質の分解による劣化の進行を許容できる程度の電圧値、あるいは、固体電解質の分解が開始しない電圧値であってよい。

【0009】

（２）取得部は、電気化学リアクタの上流の排気通路に設けた、排ガスの空燃比がリッチのときリッチ信号を出力し、排ガスの空燃比がリーンのときリーン信号を出力するＯ_２センサであり、制御部は、Ｏ_２センサがリッチ信号を出力しているとき、第１電極と第２電極への電圧の印加を停止する、あるいは、第１電極と第２電極に印加する電圧を、設定値以下にするよう構成されてもよい。

【0010】

この構成によれば、電気化学リアクタに流入する排ガスに酸素が存在しない雰囲気になると、Ｏ_２センサがリッチ信号を出力するので、第１電極と第２電極への電圧の印加を停止し、あるいは、第１電極と第２電極に印加する電圧を設定値以下にする。これにより、固体電解質の分解を抑制でき、電気化学リアクタのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。

【0011】

（３）取得部は、電気化学リアクタの上流の排気通路に設けた、排ガスの空燃比を検出する空燃比センサであり、制御部は、空燃比センサで検出した排ガスの空燃比がリッチであるとき、第１電極と第２電極への電圧の印加を停止する、あるいは、第１電極と第２電極に印加する電圧を設定値以下にするよう構成されてもよい。

【0012】

この構成によれば、電気化学リアクタに流入する排ガスに酸素が存在しない雰囲気になると、空燃比センサで検出する排ガスの空燃比がリッチになるので、第１電極と第２電極への電圧の印加が停止し、あるいは、第１電極と第２電極に印加する電圧が設定値以下になる。これにより、固体電解質の分解を抑制でき、電気化学リアクタのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。

【0013】

（４）取得部は、内燃機関の運転状態に基づいて、電気化学リアクタに流入する排ガスの酸素濃度の情報を取得してもよい。

【0014】

排ガスの空燃比は、内燃機関の運転状態、たとえば、内燃機関の筒内（シリンダー）に供給される新気（空気）量と燃料量の比率によって変化する。この構成によれば、内燃機関の運転状態に基づいて、電気化学リアクタに流入する排ガスの酸素濃度の情報を取得するので、排気通路にＯ_２センサや空燃比センサを備えない内燃機関であっても、電気化学リアクタのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。

【0015】

（５）上記（１）～（４）において、固体電解質は酸化物系固体電解質であってよい。
（６）上記（５）において、固体電解質は、酸化セリウムを含んでもよい。

【0016】

この構成によれば、酸化セリウム（セリア）は、低温においても、酸素イオン伝導性が良好であるので（酸素イオン伝導率が大きいので）、高いＮＯｘ浄化性能を得ることができる。なお、酸化セリウムは、ガドリニアドープセリア（Gadolinia Doped Ceria／Gadolinium Doped Ceria（ＧＤＣ）：Ｃｅ_１－ｘＧｄ_ｘＯ_２－ｙ）であってよい。

【0017】

（７）上記（１）～（６）において、第１電極および第２電極の少なくとも一方は、銀（Ａｇ）を含んでもよい。

【0018】

この構成によれば、銀（Ａｇ）は、低温での活性に優れるため、低温領域におけるＮＯｘ浄化性能を向上することができる。なお、第１電極、第２電極のうち、負極の電極は、ＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵材と銀（Ａｇ）を含むようにしてよく、この場合、ＮＯｘ吸蔵材はバリウム（Ｂａ）であってよい。これにより、排ガスの空燃比がリーンのとき（排ガスが酸化雰囲気のとき）、電極間に電圧を印加することによって、排ガス中のＮＯｘを選択的に還元することができ、ＮＯｘの浄化性能を向上できる。

【0019】

（８）本開示の内燃機関の排気浄化方法は、電気化学リアクタと用いた内燃機関の排気浄化方法である。電気化学リアクタは、第１電極と第２電極との間に配設された、酸素イオン伝導性を有する固体電解質を含み、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、排ガスに含まれるＮＯｘを還元浄化するように構成されている。排気浄化方法は、電気化学リアクタに流入する排ガスの酸素濃度の情報を取得することと、酸素濃度が所定値以下のとき、第１電極と第２電極への電圧の印加を停止する、あるいは、第１電極と第２電極に印加する電圧を設定値以下にすることと、を含む。

【0020】

この方法によれば、電気化学リアクタに流入する排ガスの酸素濃度が所定値以下のとき、電気化学リアクタの第１電極と第２電極への電圧の印加を停止する。電気化学リアクタに流入する排ガスに、実質的に酸素が存在しないほど、排ガスの酸素濃度が所定値以下になると、第１電極と第２電極への電圧の印加が停止されるので、固体電解質の分解を抑制でき、電気化学リアクタのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。なお、「排ガスに、実質的に酸素が存在しない」とは、排ガス中の酸素濃度のバラツキ等により、部分的に酸素は存在するが、固体電解質の大部分（たとえば、９０％以上）の領域において、酸素が存在しない、等の状態である。

【0021】

この方法によれば、電気化学リアクタに流入する排ガスの酸素濃度が所定値以下のとき、電気化学リアクタの第１電極と第２電極に印加する電圧を設定値以下にする。電気化学リアクタに流入する排ガスに、実質的に酸素が存在しないほど、排ガスの酸素濃度が所定値以下になると、電極間に印加される電圧が設定値以下になるので、固体電解質の分解を抑制できる。設定値は、固体電解質の分解による劣化の進行を許容できる程度の電圧値、あるいは、固体電解質の分解が開始しない電圧値であってよい。

【発明の効果】

【0022】

本開示によれば、電気化学リアクタのＮＯｘ浄化性能の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成を示す図である。

【図2】ＤＰＦ一体型電気化学リアクタの模式図である。

【図3】（Ａ）および（Ｂ）は、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタの故障頻度を示す図である。

【図4】エンジンＥＣＵにて実行される、電気化学リアクタ制御ルーチンの処理の一例を示すフローチャートである。

【図5】排ガスの空燃比と電極間に印加する電圧の関係の一例を示す図である。

【図6】変形例３における、電気化学リアクタの模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない場合がある。

【0025】

図１は、本実施の形態に係る内燃機関の排気浄化システムの構成を示す図である。図１を参照して、エンジン（内燃機関）１は、排気浄化システム７０を備えた圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。エンジン１は、たとえば、車両の駆動源として用いられる。エンジン１は、エンジン本体１０のシリンダ（気筒）１２に形成された燃焼室に、燃料噴射弁（インジェクター）１４から燃料を噴射し、圧縮自着火を行う内燃機関である。本実施の形態において、エンジン１は４気筒である。エンジン１の吸気通路２０には、エアクリーナ２２、インタークーラ２４、および絞り弁（ディーゼルスロットル弁）２６が設けられており、エアクリーナ２２で異物が除去された新気（空気）は、ターボ過給器３０のコンプレッサ３２で過給（圧縮）され、インタークーラ２４で冷却されて、吸気マニホールド２８に供給され、吸気ポートから各燃焼室に供給される。

【0026】

燃料タンク４０には、燃料が貯留されている。燃料タンク４０内の燃料は、フィードポンプ４１によって高圧燃料ポンプ４２へ供給され、高圧燃料ポンプ４２から吐出された高圧の燃料が燃料通路４３を介してコモンレール４４に圧送される。コモンレール４４に蓄えられた高圧の燃料が、インジェクター１４から燃焼室（筒内）に噴射される。

【0027】

燃焼室から排出される排気（排ガス）は、排気マニホールド５０に集められ、排気通路５２を介して、外気に放出される。また、排気の一部は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路６０を介して、吸気マニホールド２８に還流される。ＥＧＲ通路６０には、ＥＧＲクーラ６２とＥＧＲ弁６４が設けられる。

【0028】

排気通路５２には、ターボ過給器３０のタービン３４が設けられ、タービン３４の下流に、排気浄化システム７０として、酸化触媒７１、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）一体型電気化学リアクタ７２が設けられている。酸化触媒７１は、排ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＳＯＦ（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）を酸化して、浄化する。また、酸化触媒７１は、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に捕集したパティキュレート・マター（ＰＭ）を燃焼除去する際に、供給されたＨＣを燃焼（酸化）して、排ガス温度を上昇させる。

【0029】

図２は、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２の模式図である。ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２は、ウォールフロー型のＤＰＦに電極を形成して、電気化学リアクタの機能を付加したものである。ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２は、排ガスが流れる方向に延在する、複数のセル壁７２１によって形成された流路（セル）７２０を有するハニカム構造を有し、セル７２０の入口側と出口側が、交互に、栓部材７２２によって目詰めされている。セル７２０を形成するセル壁７２１は、酸素イオン伝導性を有する多孔質の固体電解質から構成されており、本実施の形態では、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ：Ｃｅ_１－ｘＧｄ_ｘＯ_２－ｙ）から構成されている。なお、固体電解質は、ＧＤＣに限られず、酸化物固体電解質であればよく、たとえば、サマリウムドープセリア（ＳＤＣ）、イットリウムドープセリア（ＹＤＣ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、等であってよい。また、固体電解質は、酸素イオン伝導性を示すプロトン伝導性酸化物から構成されてよく、ＢａＺｒＯ_３系、ＳｒＣｅＯ_３系のプロトン伝導性酸化物であってもよい。

【0030】

セル壁７２１には、カソード電極７５０とアノード電極７６０が形成されており、セル壁７２１（固体電解質）が、カソード電極７５０とアノード電極７６０との間に配設された構成とされている。カソード電極７５０は、たとえば、ペロブスカイト構造の酸化物に、ＧＤＣ、銀（Ａｇ）、および酸化バリウム（ＢａＯ）を含む多孔質材料から構成されており、本実施の形態では、カソード電極７５０は、排ガス流出側のセル７２０に面するセル壁７２１の表面に形成されている。

【0031】

アノード電極７６０は、たとえば、ペロブスカイト構造の酸化物に、ＧＤＣとＡｇとを含む多孔質材料から構成されており、本実施の形態では、アノード電極７６０は、排ガス流入側のセル７２０に面するセル壁７２１の表面に形成されている。本開示において、カソード電極７５０が、「第１電極」の一例に相当し、アノード電極７６０が、「第２電極」の一例に相当する。

【0032】

ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２には、バッテリ（直流電源）２００、および電圧調整回路３００から構成される電源回路が接続される。バッテリ２００は、エンジン１の補機用バッテリであってよい。電圧調整回路３００は、たとえば、スイッチと可変抵抗から構成され、カソード電極７５０、アノード電極７６０への電圧の印加を停止することができ、また、カソード電極７５０、アノード電極７６０へ印加される電圧を調整可能である。電圧調整回路３００は、ＤＣＤＣコンバータから構成されてもよい。

【0033】

ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２は、排ガスに含まれるＰＭを捕集するとともに、カソード電極７５０とアノード電極７６０との間に（電極間に）電圧が印加されることにより、排ガス中のＮＯｘを還元し、浄化する。たとえば、リーン空燃比の排ガスに含まれるＮＯｘは、カソード電極７５０のＢａＯに吸蔵（吸収あるいは吸着）され、ＢａＯに吸蔵されたＮＯｘは、電極間に印加された電圧によって、カソード電極７５０においてＮ_２に還元され放出される。また、電極間に印加された電圧によって、排ガス中のＮＯｘは、カソード電極７５０においてＮ２に還元され放出される。このＮＯｘの還元反応によって、酸素イオン（Ｏ^２－）が生成されるが、この酸素イオンは、カソード電極７５０からセル壁７２１（固体電解質）を通って、アノード電極７６０へ移動する。アノード電極７６０において、酸素イオンは電子をアノード電極７６０へ放出し、酸素（Ｏ_２）になり、酸素は大気へ放出される。このようにして、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２は、排ガスに含まれるＮＯｘを還元浄化し、電極間に印加される電圧が高いほど、ＮＯｘの浄化量が大きくなる。

【0034】

図３は、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタの故障頻度を示す図である。図３（Ａ）は、排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンのとき（空気過剰率が１．０より大きいとき）における、電極間の印加電圧と故障頻度の関係を示している。図３（Ａ）における排ガスの空燃比は１８．０（空気過剰率：１．２）であり、排ガス中のＮＯｘ濃度は１０００ｐｐｍである。図３（Ａ）、（Ｂ）において、横軸は、電極間に印加した電圧の大きさであり、縦軸は故障頻度である。ここで、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタの故障とは、電圧印加の前後でセルインピーダンス（固体電解質のインピーダンス）が大きく増加し、一定数のセル壁（固体電解質）が物理的に破壊することである。ＤＰＦ一体型電気化学リアクタが故障すると、ＮＯｘ浄化性能が低下する。図３（Ａ）に示すように、排ガスの空燃比がリーンであるとき、電極間に電圧を印加しても、故障は発生しない。

【0035】

図３（Ｂ）は、排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）がリッチのとき（空気過剰率が１．０より小さいとき）における、電極間の印加電圧と故障頻度の関係を示している。図３（Ｂ）における排ガスの空燃比は１４．０（空気過剰率：０．９５）であり（排ガスに酸素が存在しない雰囲気であり）、排ガス中のＮＯｘ濃度は１０００ｐｐｍである。図３（Ｂ）に示すように、排ガスの空燃比がリッチであるとき、電極間に電圧が印加されると、故障が発生し、電圧が高いほど、故障の頻度が高くなる。故障が発生する原因は、明確ではないが、次にように推察される。電極間に電圧を印加すると、印加電圧下でのＯ２分圧になるよう電極間を酸素イオンが移動する。排ガスの空燃比がリーンであり、排ガスに酸素（Ｏ_２）が存在する場合には、電極周囲のＮＯｘの分解の進行とともに排ガス中の酸素も分解され、酸素イオンが移動する。しかし、排ガスの空燃比がリッチのとき、電極周囲のＮＯｘの分解は進行するものの、排ガスに酸素が存在しないので、セル壁（固体電解質）に含まれるセリア（ＣｅＯ２）が一部分解され、酸素イオンが移動する。この結果、固体電解質の劣化が進行し、最終的には破壊に至るものと推察される。なお、図３（Ｂ）に示すように、電極間に印加される電圧が高いほど、故障の頻度が高くなるが、電圧がα以下の場合には、故障が発生していない。

【0036】

本実施の形態では、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスの空燃比がリッチであり、排ガスに酸素（Ｏ２）が存在しない雰囲気では、カソード電極７５０とアノード電極７６０への電圧の印加を停止すること、あるいは、カソード電極７５０とアノード電極７６０との間に（電極間に）印加する電圧を設定値以下にすることによって、セル壁７２１（固体電解質）の分解を抑制し、ＮＯｘ浄化性能の低下を抑制する。

【0037】

図１を参照して、エンジンＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ１０２、各種信号を入出力するための入出力ポート（図示せず）等を含み、メモリ１０２に記憶された情報、各種センサからの情報に基づいて所定の演算処理を実行し、インジェクター１４、絞り弁２６、高圧燃料ポンプ４２、電圧調整回路３００、等を制御する。

【0038】

エンジンＥＣＵ１００に入力される各種センサとしては、たとえば、エンジン回転速度センサ１１１、アクセルペダルセンサ１１２、エアフローメータ１１３、Ｏ_２センサ１１４、等である。エンジン回転速度センサ１１１は、エンジン１の回転速度ＮＥを検出する。アクセルペダルセンサ１１２は、ユーザによるアクセルペダル操作量（以下「アクセル開度」ともいう）ＡＰを検出する。エアフローメータ１１３は、吸気通路２０に設けられ、エンジン１の吸気量（吸入空気量）Ｇａを検出する。

【0039】

Ｏ_２センサ１１４は、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２の上流の排気通路５２に設けられており、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスの空燃比がリッチであるとき、リッチ信号を出力し、空燃比がリーンであるとき、リーン信号を出力する。

【0040】

図４は、エンジンＥＣＵ１００にて実行される、電気化学リアクタ制御ルーチンの処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジン１の作動中、所定期間毎に繰り返し処理される。まず、ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１０では、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスの酸素濃度を取得する。本実施の形態では、Ｏ_２センサ１１４の出力信号を取得する。

【0041】

続くＳ１１では、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスの空燃比が、リッチであるか否かを判定する。Ｏ_２センサ１１４の出力信号がリーン信号であり、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスがリーンのときには、Ｓ１１で肯定判定され、Ｓ１２へ進む。ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスがリッチであり、排ガスに酸素が存在しないとき、Ｏ_２センサ１１４の出力信号はリッチ信号であるので、Ｓ１１で肯定判定され、Ｓ１３へ進む。

【0042】

Ｓ１２では、電極間（カソード電極７５０とアノード電極７６０との間）に、電圧を印加し、ＮＯｘの還元浄化を行う。たとえば、エンジン１の運転状態から推定したＮＯｘ排出量が多いほど、電圧が高くなるよう、電圧調整回路３００が制御し、今回野ルーチンを終了する。

【0043】

Ｓ１３では、電極間の電圧の印加を停止し、今回のルーチンを終了する。あるいは、Ｓ１３では、電極間の電圧の印加を停止することなく、電圧を設定値以下に制限し、今回のルーチンを終了してもよい。設定値は、図３（Ｂ）に示したαであってよく、この場合には、電極間に印加される電圧がα以下に制限されるので、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に故障が発生しない。また、設定値は、αより高い電圧であるβ（図３（Ｂ）参照）であってもよい。電気化学リアクタの劣化は、排ガスに酸素が存在しない雰囲気において電極間に電圧を印加したことによる固体電解質の分解以外の要因（たとえば、経時変化等）によっても進行する。よって、βは、これらの要因による劣化の進行と同程度になる印加電圧に設定される。

【0044】

また、排ガスに酸素が存在しない雰囲気において、電極間に印加される電圧が低いほど、セル壁７２１（固体電解質）の分解する速度が遅くなる（分解する量が少なくなる）。この観点から、設定値は、固体電解質の分解による劣化の進行を許容できる程度の電圧値、あるいは、固体電解質の分解が開始しない電圧値であってもよい。

【0045】

本実施の形態において、エンジン１の排気浄化システム７０は、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２を有する。ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２は、カソード電極７５０とアノード電極７６０との間に配設された、酸素イオン伝導性を有する固体電解質からなるセル壁７２１を含み、カソード電極７５０とアノード電極７６０との間に電圧を印加することにより、排ガスに含まれるＮＯｘを還元浄化する。エンジンＥＣＵ１００は、Ｏ_２センサ１１４の検出信号に基づいて、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスの酸素濃度の情報を取得し、排ガスの空燃比がリッチのとき、カソード電極７５０とアノード電極７６０への電圧の印加を停止する。あるいは、排ガスの空燃比がリッチのとき、カソード電極７５０とアノード電極７６０に印加する電圧を設定値以下にするよう構成されている。

【0046】

本実施の形態によれば、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスの空燃比がリッチであり、排ガスに酸素が存在しない場合、電極間への電圧の印加が停止されるので、固体電解質の分解を抑制でき、ＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。また、排ガスの空燃比がリッチであり、排ガスに酸素が存在しない場合、電極間に印加される電圧が設定値以下になるので、固体電解質の分解を抑制でき、ＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。

【0047】

本実施の形態によれば、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２のセル壁７２１は、ＧＤＣを含む酸化物系固体電解質から構成され、酸化セリウム（セリア）を含んでいる。酸化セリウムは、低温においても、酸素イオン伝導性が良好であるので（酸素イオン伝導性が大きいので）、高いＮＯｘ浄化性能を選ることができる。また、カソード電極７５０、アノード電極７６０は、Ａｇを含んでいる。Ａｇは、低温での活性に優れるため、低温領域におけるＮＯｘ浄化性能を向上することができる。さらに、カソード電極７５０は、ＮＯｘ吸蔵材としてのバリウムを、酸化バリウムとして含んでいる。これにより、排ガスの空燃比がリーンのとき（排ガスが酸化雰囲気のとき）、電極間に電圧を印加することによって、排ガス中のＮＯｘを選択的に還元することができ、ＮＯｘの浄化性能を向上できる。

【0048】

なお、本実施の形態において、Ｏ_２センサ１１４およびＳ１０（図４）の処理が、本開示の「取得部」の一例に相当し、Ｓ１１～Ｓ１３の処理が、本開示の「制御部」の一例に相当する。

【0049】

（変形例１）
上記の実施形態では、Ｏ_２センサ１１４を用いて、排ガスの酸素濃度（空燃比）を検出していたが、Ｏ_２センサ１１４に代えて、空燃比センサ（全域空燃比センサ）を用いて、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスの空燃比を検出するようにしてもよい。

【0050】

Ｏ_２センサ１１４に代えて空燃比センサを用いる場合、図４のＳ１１において、空燃比センサで検出した空燃比が理論空燃比（ストイキ）より小さい（リッチ）である場合、肯定判定され、空燃比センサで検出した空燃比が理論空燃比より大きい（リーン）である場合、否定判定されるようにしてよい。

【0051】

空燃比センサを用いる場合、空燃比センサで検出した空燃比が所定値以下のときに、Ｓ１１において肯定判定されるようにしてもよい。排ガスの空燃比が弱リーンであっても、排ガス中の酸素濃度のバラツキ等により、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２のセル壁７２１（固体電解質）において、部分的に酸素は存在するが、セル壁７２１の大部分（たとえば、９０％以上）の領域において、酸素が存在しない状態が生じる。所定値は、このような状態が生じる空燃比の値であり、予め実験等によって決定してよい。

【0052】

空燃比センサを用いた場合、空燃比センサで検出した空燃比に応じて、電極間に印加する電圧を制御してもよい。図５は、排ガスの空燃比と電極間に印加する電圧の関係の一例を示す図である。図５において、横軸は排ガスの空燃比であり、縦軸は、電極間に印加する電圧である。図５において、破線は、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスの空燃比が理論空燃比より小さいとき（リッチであるとき）、電極間に印加する電圧を停止する例である。図５において、実線は、排ガスの空燃比がリッチであるとき、電圧を設定値以下に制限する例を示している。図５に示すように、空燃比センサで検出した排ガスの空燃比に基づいて、電極間に印加する電圧を制御することにより、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２に流入する排ガスの空燃比がリッチであり、排ガスに酸素が存在しない場合における固体電解質の分解を抑制でき、ＮＯｘ浄化性能の低下を抑制できる。なお、空燃比センサは、ＮＯｘ濃度も検出可能なＮＯｘ－空燃比複合センサであってもよい。

【0053】

（変形例２）
排気通路５２に、酸素濃度を検出するセンサを設けることなく、エンジン１の運転状態から、排ガスの空燃比を推定してもよい。

【0054】

エンジンＥＣＵ１００は、アクセル開度ＡＰ、エンジン回転速度ＮＥに基づいて、燃料噴射量Ｑｆおよび燃料噴射時期を算出し、インジェクター１４から供給さ燃料量等を制御している。燃料噴射量Ｑｆは、アクセル開度ＡＰとエンジン回転速度ＮＥをパラメータとしたマップとして予め設定されている。排ガスの空燃比は、エンジン１に供給される新気（空気）量と燃料噴射量によって定まる。たとえば、エアフローメータ１１３で検出した、吸入空気量Ｇａとエンジン回転速度ＮＥに基づいて、エンジン１の１回転当たりの吸入空気量Ｇａ／Ｎを算出し、１回転当たりの吸入空気量Ｇａ／Ｎと燃料噴射量Ｑｆとを用いて、排ガスの空燃比を算出する。そして、算出した、排ガスの空燃比がリッチであるとき、電極間の電圧の印加を停止する、あるいは、電極間に印加する電圧を設定値以下に制御するようにしてもよい。

【0055】

また、エンジン１が、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２で捕集したＰＭを燃焼除去する際（ＤＰＦ再生時）に、排ガスの空燃比をリッチに制御して、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２の昇温を実行する制御を採用している場合には、ＤＰＦ再生時であることを示すフラグを用いて、電極間の電圧の印加を停止する、あるいは、電極間に印加する電圧を設定値以下に制御するようにしてもよい。

【0056】

（変形例３）
上記実施の形態では、電気化学リアクタは、ウォールフロー型のＤＰＦに電極を形成して、電気化学リアクタの機能を付加した、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２を採用している。しかし、ＰＭを捕集するＤＰＦ機能を備えない、電気化学リアクタあってもよい。

【0057】

図６は、変形例３における、電気化学リアクタ８０の模式図である。電気化学リアクタ８０は、複数のセル壁８２１によって形成された流路（セル）８２０を有するハニカム構造を有する。セル８２０を形成するセル壁８２１は、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２と同様に、酸素イオン伝導性を有する多孔質の固体電解質から構成されている。

【0058】

セル壁８２１には、カソード電極８５０とアノード電極７６０が形成されており、セル壁８２１（固体電解質）が、カソード電極８５０とアノード電極８６０との間に配設された構成とされている。カソード電極８５０は、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２と同様に、ＧＤＣ、銀（Ａｇ）、および酸化バリウム（ＢａＯ）を含む多孔質材料から構成されている。アノード電極８６０も、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２と同様に、ＧＤＣとＡｇとを含む多孔質材料から構成されている。また、電気化学リアクタ８０の各電極には、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２と同様の電源回路（バッテリ２００、電圧調整回路３００）が接続されている。

【0059】

この電気化学リアクタ８０は、ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ７２と同様に、ターボ過給器３０のタービン３４の排気通路５２に設けられ、電極間に電圧を印加することによって、排ガス中のＮＯｘを浄化する。なお、電気化学リアクタ８０の上流、あるいは、下流に、ＤＰＦを配設するようにしてもよい。

【0060】

この変形例３においても、電気化学リアクタ８０に流入する排ガスの空燃比に基づいて、上記実施の形態と同様に、電極間に印加される電圧を制御することにより、電気化学リアクタ８０の固体電解質の分解を抑制し、ＮＯｘ浄化性能の低下を抑止できる。

【0061】

上記実施の形態では、エンジン１が圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である例を説明したが、エンジン（内燃機関）は、火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）であってよく、水素（Ｈ_２）やアンモニア（ＮＨ_３）を燃料とするエンジンであってもよい。

【0062】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0063】

１ エンジン、１０ エンジン本体、１２ シリンダ、１４ インジェクター、２０ 吸気通路、２２ エアクリーナ、２４ インタークーラ、２６ 絞り弁、２８ 吸気マニホールド、３０ ターボ過給器、３２ コンプレッサ、３４ タービン、４０ 燃料タンク、４１ フィードポンプ、 ４２ 高圧燃料ポンプ、４３ 燃料通路、４４ コモンレール、４５ 燃料通路、５０ 排気マニホールド、５２ 排気通路、６０ ＥＧＲ通路、６２ ＥＧＲクーラ、６４ ＥＧＲ弁、７０ 排気浄化システム、７１ 酸化触媒、７２ ＤＰＦ一体型電気化学リアクタ、８０ 電気化学リアクタ、１００ エンジンＥＣＵ、１０１ ＣＰＵ、１０２ メモリ、１１１ エンジン回転速度センサ、１１２ アクセルペダルセンサ、１１３ エアフローメータ、１１４ Ｏ_２センサ、２００ バッテリ、３００ 電圧調整回路、７２０，８２０ セル、７２１，８２１ セル壁、７２２ 栓部材、７５０，８５０ カソード電極、７６０，８６０ アノード電極。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】