JP2022152289A - 内燃機関のｃｏ２分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの脱水処理を効率よく低エネルギーで実行することにより、ＣＯ２吸着材によるＣＯ２の吸着／脱離を良好かつ迅速に行うことができる内燃機関のＣＯ２分離装置を提供する。
【解決手段】本発明のＣＯ２分離装置は、排気ガスからＣＯ２を分離する内燃機関のＣＯ２分離装置であって、前記内燃機関の排気ガスが導入され、低温時に、排気ガス中のＣＯ２を吸着するとともに、高温時に、吸着したＣＯ２を脱離するＣＯ２吸着材と、前記ＣＯ２吸着材に隣接して設けられ、排気ガスが導入されるとともに、排気ガスとの熱交換によって、排気ガスの熱を吸収する熱交換器と、前記ＣＯ２吸着材の上流側に前記熱交換器に隣接して設けられ、排気ガスが導入され、低温時に、排気ガス中の水を吸着するとともに、高温時に、吸着した水を脱離する水吸着材と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられ、排気ガスからＣＯ２を分離する内燃機関のＣＯ２分離装置に関する。

自動車などに搭載される内燃機関の排気ガスに含まれるＣＯ２（二酸化炭素）は、地球温暖化の一因であるといわれており、排気ガスからＣＯ２を分離、回収し、自動車から排出されるＣＯ２量を低減することが求められている。

従来、排気ガスからＣＯ２を分離するＣＯ２分離装置が知られており、例えば特許文献１に開示されている。このＣＯ２分離装置は、排気ガス供給源と、排気ガス中のＣＯ２を吸着するためのＣＯ２吸着材をそれぞれ収容する２つの吸着部（吸着ユニット）と、水素供給源と、２つの吸着部への排気ガス及び水素の供給を切り替える切替手段を備えている。ＣＯ２吸着材は、ＣＯ２の吸蔵性能を有するゼオライトやシリカゲルなどで構成されている。

このＣＯ２分離装置では、上記の切替手段により、一方の吸着部に排気ガス供給源から排気ガスが供給されている間、他方の吸着部に水素供給源から水素が供給される。一方の吸着部では、流入した排気ガス中のＣＯ２がＣＯ２吸着材に吸着し、他方の吸着部では、ＣＯ２吸着材にすでに吸着していたＣＯ２が、流入した水素によって脱離し、水素と混合される。そして、このような吸着／脱離の動作が２つの吸着部間で交互に繰り返し行われることで、ＣＯ２が排気ガスから分離される。

特開２０２０－１６４４２４号公報

上述したようなゼオライトなどで構成されるＣＯ２吸着材は、一般に、ＣＯ２だけではなく水（Ｈ２Ｏ）も吸着する。内燃機関において燃料を燃焼させた後の排気ガスには、ＣＯ２以外にも多量の水が含まれているため、ＣＯ２吸着材において、ＣＯ２と水の競争吸着が発生し、結果としてＣＯ２の吸着量が大きく低下するという課題がある。これに対し、搭載するＣＯ２吸着材の量を大幅に増量することでＣＯ２吸着量を増大させようとする場合、ＣＯ２吸着材のサイズや重量が嵩み、コストも悪化するという問題が生じる。

また、特許文献１の技術のように、ＣＯ２吸着材の上流に脱水部を設け、水を分離した後の排気ガスをＣＯ２吸着材に流入させることで上記課題に対処しようとする場合、脱水器が必要とするエネルギーが大きく、自動車全体のエネルギー効率が悪化するという問題が生じる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ＣＯ２吸着材に導入される排気ガスの脱水処理を効率よく低エネルギーで実行することにより、ＣＯ２吸着材によるＣＯ２の吸着／脱離を良好かつ迅速に行うことができる内燃機関のＣＯ２分離装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明の請求項１に係る内燃機関のＣＯ２分離装置は、内燃機関の排気系に設けられ、排気ガスからＣＯ２を分離する内燃機関のＣＯ２分離装置であって、前記内燃機関の排気ガスが導入され、低温時に、排気ガス中のＣＯ２を吸着するとともに、高温時に、吸着したＣＯ２を脱離するＣＯ２吸着材（実施形態における（以下、本項において同じ）第１及び第２ＣＯ２吸着器７Ａ、７Ｂ）と、前記ＣＯ２吸着材に隣接して設けられ、排気ガスが導入されるとともに、排気ガスとの熱交換によって、排気ガスの熱を吸収する熱交換器（第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂ）と、前記ＣＯ２吸着材の上流側に前記熱交換器に隣接して設けられ、排気ガスが導入され、低温時に、排気ガス中の水を吸着するとともに、高温時に、吸着した水を脱離する水吸着材（第１及び第２水吸着器８Ａ、８Ｂ）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関のＣＯ２分離装置では、排気通路上で水吸着材がＣＯ２吸着材の上流側に設けられている。これにより、ＣＯ２吸着材に導入される前の排気ガスに対して水吸着材による脱水処理を行うことができるため、脱水後の排気ガスに対してＣＯ２吸着材によるＣＯ２の吸着を良好に行うことができる。また、ＣＯ２吸着材と水吸着材が、いずれも低温時にＣＯ２及び水をそれぞれ吸着し、高温時にＣＯ２及び水をそれぞれ脱離する特性を有し、ＣＯ２吸着器と水吸着器はいずれも熱交換器に隣接して設けられている。これにより、熱交換器が高温の排気ガスから熱を吸収し、その熱を伝えることでＣＯ２吸着材及び水吸着材を昇温させるので、ＣＯ２吸着材及び水吸着材は、排気ガスの熱を利用して効率よくＣＯ２及び水の脱離を行うことができる。したがって、ＣＯ２吸着材に導入される排気ガスの脱水処理を効率よく低エネルギーで実行することができるとともに、ＣＯ２吸着材によるＣＯ２の吸着／脱離を良好かつ迅速に行うことができる。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置において、ＣＯ２吸着材は、第１のＣＯ２吸着材と、第２のＣＯ２吸着材とによって構成され、熱交換器は、第１のＣＯ２吸着材に隣接して設けられる第１の熱交換器６Ａと、第２のＣＯ２吸着材に隣接して設けられる第２の熱交換器６Ｂとによって構成され、水吸着材は、第１の熱交換器６Ａに隣接して設けられる第１の水吸着材と、第２の熱交換器６Ｂに隣接して設けられる第２の水吸着材とによって構成され、排気ガスが、順に第２の熱交換器６Ｂ、第１の水吸着材、及び第１のＣＯ２吸着材へ導入されるように構成された第１の排気通路４ａと、排気ガスが、順に第１の熱交換器６Ａ、第２の水吸着材、及び第２のＣＯ２吸着材へ導入されるように構成された第２の排気通路４ｂと、第１の排気通路４ａと第２の排気通路４ｂとを切り替える排気通路切替手段（ＥＣＵ２、図６のステップ５及びステップ１２）と、をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、第１の排気通路に第２の熱交換器、第１の水吸着材、及び第１のＣＯ２吸着材が上流側から順に設けられ、第２の排気通路に第１の熱交換器、第２の水吸着材、及び第２のＣＯ２吸着材が上流側から順に設けられているとともに、排気通路切替手段が第１の排気通路と第２の排気通路を切り替える。これにより、高温の排気ガスは、はじめに第１の排気通路と第２の排気通路のいずれかを通って一方の熱交換器に流入する。そこで熱を吸収され低温となった排気ガスは、一方の水吸着材を通過する際に脱水され、その後、一方のＣＯ２吸着材を通過する際にＣＯ２を吸着される。

一方、排気ガスが導入されない方の排気通路上に設けられた他方のＣＯ２吸着材と水吸着材は、高温の排気ガスが導入される一方の熱交換器に隣接して設けられているため、熱交換器が吸収した熱が伝わることにより昇温し、それにより、それまでに吸着していたＣＯ２及び水の脱離をそれぞれ開始する。そして、排気通路切替手段により再び第１の排気通路と第２の排気通路の切り替えが行われると、吸着を行っていたＣＯ２吸着材と水吸着材が脱離を開始するとともに、脱離を行っていたＣＯ２吸着材と水吸着材が吸着を開始する。

このように、排気通路を切り替えることにより、ＣＯ２吸着材及び水吸着材の吸着／脱離の動作を交互に切り替えることができるため、ＣＯ２及び水を連続的に吸着することができ、より効率よく脱水処理を実行できるとともに、ＣＯ２の吸着／脱離をより良好かつ迅速に行うことができる。

本発明の請求項３に係る発明は、請求項２に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置において、第１及び第２のＣＯ２吸着材のうち、排気ガスが導入されている方のＣＯ２吸着材が飽和状態にあるか否かを判定する飽和状態判定手段（ＥＣＵ２）をさらに備え、排気通路切替手段は、ＣＯ２吸着材が飽和状態にあると判定された場合（図６のステップ３及びステップ１０）に、排気通路の切り替えを行うことを特徴とする。

この構成によれば、排気通路切替手段は、排気ガスが導入されている方、すなわちＣＯ２の吸着を行っている方のＣＯ２吸着材が飽和状態にあると判定された場合に排気通路の切り替えを行うので、ＣＯ２吸着材のＣＯ２吸着性能の変化に応じてＣＯ２吸着材の吸着／脱離の動作を切り替えることができる。これにより、排気ガス中のＣＯ２が吸着されることなくＣＯ２分離装置の下流に流出してしまうことを抑制することができ、ＣＯ２の吸着を最大限、行うことができる。

本発明の請求項４に係る発明は、請求項３に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置において、第１の排気通路４ａの第１のＣＯ２吸着材の下流側、及び第２の排気通路４ｂの第２のＣＯ２吸着材の下流側に、排気ガス中のＣＯ２濃度（第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａ、第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂ）を検出するＣＯ２濃度検出手段（第１ＣＯ２濃度センサ１７、第２ＣＯ２濃度センサ１８）をさらに備え、飽和状態判定手段は、検出されたＣＯ２濃度が所定値ＣＣＯ２ＲＥＦを超えた場合に、ＣＯ２吸着材が飽和状態にあると判定すること（図６のステップ３及びステップ１０）を特徴とする。

この構成によれば、ＣＯ２の吸着を行っているＣＯ２吸着材の下流側におけるＣＯ２濃度に基づきＣＯ２吸着材が飽和状態にあるか否かの判定が行われるので、ＣＯ２吸着材のＣＯ２吸着性能の変化をより正確に検知し、それに基づき排気通路の切り替えを行うことができる。したがって、ＣＯ２のＣＯ２分離装置の下流への流出をより抑制することができ、ＣＯ２の吸着を最大限、行うことができる。

本発明の請求項５に係る発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置において、水吸着材とＣＯ２分離装置の外部とに連通する水排出通路（水排出通路１４、第１水排出通路１４ａ、第２水排出通路１４ｂ）をさらに備え、熱交換器が吸収した排気ガスの熱によって水吸着材が昇温した場合に、水吸着材から脱離した水を、水排出通路を介して外部に排出することを特徴とする。

この構成によれば、水吸着材から脱離された水を水排出通路を介してＣＯ２分離装置の外部に排出するので、脱離した水がＣＯ２吸着材のＣＯ２吸着性能に影響を与えることがない。したがって、ＣＯ２吸着材によるＣＯ２の吸着／脱離をさらに良好に行うことができる。

本発明の請求項６に係る発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置において、第１の水吸着材とＣＯ２分離装置の外部に連通する第１の水排出通路１４ａと、第２の水吸着材とＣＯ２分離装置の外部に連通する第２の水排出通路１４ｂと、第１及び第２の水排出通路１４ａ、１４ｂを、その一方を開放すると同時に他方を閉鎖するように切り替える水排出通路切替手段（ＥＣＵ２、第３切替バルブ１５）と、をさらに備え、水排出通路切替手段は、熱交換器が吸収した排気ガスの熱によって第１及び第２の水吸着材のいずれか一方が昇温した場合に、第１及び第２の水排出通路のうち、昇温した水吸着材に連通する方を開放し、昇温した水吸着材から脱離した水を外部に排出することを特徴とする。

この構成によれば、第１及び第２の水吸着材の一方が吸着した水を脱離した際に、第１及び第２の水排出通路のいずれかを開放し、脱離した水を外部に排出するので、脱離した水がＣＯ２吸着材のＣＯ２吸着性能に影響を与えることがない。したがって、ＣＯ２吸着材によるＣＯ２の吸着／脱離をさらに良好に行うことができる。

本発明を適用したＣＯ２分離装置を内燃機関とともに概略的に示す図である。 ＣＯ２分離装置の制御系の構成を示すブロック図である。 ＣＯ２吸着材の吸着性能の温度特性を示す図である。 水吸着材の吸着性能の温度特性を示す図である。 ＣＯ２吸着脱離制御の際の排気ガスの流れを示す図である。 ＣＯ２の吸着脱離制御処理を示すフローチャートである。 ＣＯ２分離装置におけるＣＯ２濃度センサ出力の時間変化を示す図である。 ＣＯ２分離装置の動作及び排気ガスの流れを示す図である。 ＣＯ２分離装置の動作及び排気ガスの流れを示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態によるＣＯ２分離装置１を、内燃機関３とともに示している。

内燃機関（以下「エンジン」という）３は、例えば、車両（図示せず）に動力源として搭載されたガソリンエンジンである。エンジン３には、吸気通路（図示せず）及び排気通路４が接続されている。エンジン３では、各気筒（図示せず）において、燃料噴射弁（図示せず）から噴射された燃料と吸気通路から吸入された空気との混合気が、点火プラグ（図示せず）による点火によって燃焼し、それにより発生した高温の燃焼ガスが、排気ガスとして排気通路４に排出される。排気通路４は、エンジン３の下流で第１排気通路４ａと第２排気通路４ｂに分岐しており、それぞれの下流側端において、ワンウェイバルブ５を介して大気に開放されている。

ＣＯ２分離装置１は、排気通路４を流れる排気ガスからＣＯ２（二酸化炭素）を分離し、回収するためのものであり、第１熱交換器６Ａ、第２熱交換器６Ｂ、第１ＣＯ２吸着器７Ａ、第２ＣＯ２吸着器７Ｂ、第１水吸着器８Ａ、第２水吸着器８Ｂ、圧縮機９及び貯蔵タンク１０を備えている。

第１熱交換器６Ａは、第１ＣＯ２吸着器７Ａ及び第１水吸着器８Ａのそれぞれに隣接するように設けられており、第２熱交換器６Ｂは、第２ＣＯ２吸着器７Ｂ及び第２水吸着器８Ｂのそれぞれに隣接するように設けられている。また、第１排気通路４ａは、上流側から順に第２熱交換器６Ｂ、第１水吸着器８Ａ、及び第１ＣＯ２吸着器７Ａを通るように設けられており、第２排気通路４ｂは、上流側から順に第１熱交換器６Ａ、第２水吸着器８Ｂ、及び第２ＣＯ２吸着器７Ｂを通るように設けられている。また、第１排気通路４ａの第１ＣＯ２吸着器７Ａの下流側、及び第２排気通路４ｂの第２ＣＯ２吸着器７Ｂの下流側からは、それぞれ第１分岐通路１１ａ及び第２分岐通路１１ｂが分岐しており、第１分岐通路１１ａ及び第２分岐通路１１ｂは、その下流側で合流して分岐通路１１を形成し、分岐通路１１には、上流から順に圧縮機９及び貯蔵タンク１０が設けられている。

第１及び第２の熱交換器６Ａ、６Ｂは、第１及び第２の排気通路４ａ、４ｂを流れる高温の排気ガスとの熱交換により、排気ガスを冷却するとともに、排気ガスから吸収した熱によって、隣接するＣＯ２吸着器及び水吸着器を昇温させるように機能する。なお、隣接とは、直接的に接触するものに限定されず、間に例えば熱伝導性の高い物質を挟んだ構造であってもよい。第１及び第２の熱交換器６Ａ、６Ｂは、排気ガスとの熱交換が可能な構造であればよく、簡単な形態としては断面が凹凸の放熱面積を増大させた溝形状のもの（例えば放熱フィン構造）であってもよい。

第１及び第２のＣＯ２吸着器７Ａ、７Ｂは、排気ガス中のＣＯ２を吸着・脱離するものであり、そのためのＣＯ２吸着材（図示せず）を内蔵している。ＣＯ２吸着材は、ＣＯ２吸着器７Ａ、７Ｂを流れる排気ガスに晒されるように設けられている。また、ＣＯ２吸着材は、例えばリチウム複合酸化物やゼオライトなどで構成されており、図３に示すような、温度に応じた吸着性能を有する。

具体的には、図３のＤＲＹ線に示すように、ＣＯ２吸着材が吸着することが可能なＣＯ２吸着量はＣＯ２吸着材の温度に応じて変化し、温度が低いほど吸着量が大きく、温度が高くなるにつれて低下する。本実施形態のＣＯ２分離装置１は、こうしたＣＯ２吸着材の温度特性を利用して、ＣＯ２吸着器の温度を下げることにより排気ガス中のＣＯ２を吸着させ、温度を上げることにより吸着したＣＯ２を脱離させることで、ＣＯ２の吸着／脱離を制御するものである。

一方、ＣＯ２吸着材は、図３のＷＥＴ線に示すように、雰囲気中に水が多く存在すると、ＣＯ２吸着量が大きく低下する。これは、一般にＣＯ２吸着材がＣＯ２と同時に水も吸着してしまうことにより競争吸着が発生するためである。エンジン３の排気ガス中には多量の水が含まれているため、排気ガスがＣＯ２吸着器に導入される前に脱水処理を行うことが、ＣＯ２の吸着を効率よく行うために重要となる。本実施形態においては、第１及び第２のＣＯ２吸着器７Ａ、７Ｂのそれぞれの上流に設けられた第１及び第２の水吸着器８Ａ、８Ｂにより、排気ガスの脱水処理が行われる。

第１及び第２の水吸着器８Ａ、８Ｂは、排気ガス中の水を吸着・脱離するものであり、そのための水吸着材（図示せず）を内蔵している。水吸着材は、水吸着器８Ａ、８Ｂを流れる排気ガスに晒されるように設けられている。水吸着材は、例えばリチウム複合酸化物やゼオライトなどで構成されており、図４に示すように、水吸着材が吸着することが可能な水吸着量は、水吸着材の温度に応じて変化する。すなわち、水吸着材の温度が低いほど水吸着量が大きく、温度が高くなるにつれて低下する。

圧縮機９は、例えば電動のポンプで構成されており、ＣＯ２吸着材から脱離し、流出したＣＯ２を圧縮した状態で、貯蔵タンク１０に貯蔵させる。圧縮機９の駆動／停止は、ＥＣＵ２によって制御される。

また、排気通路４の第１排気通路４ａと第２排気通路４ｂとの分岐部には、第１切替バルブ１２が設けられている。第１切替バルブ１２は、エンジン３からの排気ガスの流れを、第１排気通路４ａと第２排気通路４ｂのいずれかに切り替える。第１切替バルブ１２の動作は、ＥＣＵ２によって制御される。すなわち、ＥＣＵ２は、排気通路切替手段として機能する。

また、第１分岐通路１１ａと第２分岐通路１１ｂとの合流部には、第２切替バルブ１３が設けられている。第２切替バルブ１３は、第１分岐通路１１ａ及び第２分岐通路１１ｂのいずれかを選択的に圧縮機９側に開放することにより、後述するＣＯ２の脱離制御の際に、第１ＣＯ２吸着器７Ａ及び第２ＣＯ２吸着器７Ｂのいずれかから脱離したＣＯ２を圧縮機９及び貯蔵タンク１０に流入させる。第２切替バルブ１３の動作は、ＥＣＵ２によって制御される。

また、第１水吸着器８Ａと第２水吸着器８Ｂには、それぞれ第１水排出通路１４ａ及び第２水排出通路１４ｂが接続されている。第１水排出通路１４ａと第２水排出通路１４ｂは、下流側で合流して水排出通路１４を形成し、水排出通路１４は、下流側端で大気に開放されている。第１水排出通路１４ａと第２水排出通路１４ｂとの合流部には、第３切替バルブ１５が設けられており、第３切替バルブ１５は、第１水排出通路１４ａと第２水排出通路１４ｂのいずれかを選択的に水排出通路１４側に開放する。後述するＣＯ２の脱離制御の際には、第１水排出通路１４ａと第２水排出通路１４ｂのいずれかが水排出通路１４に開放されるとともに、水排出通路１４の下流側に設けられたバキュームポンプ１６を作動させることにより、第１水吸着器８Ａ及び第２水吸着器８Ｂのいずれかから脱離した水を大気に排出する。第３切替バルブ１５の動作及びバキュームポンプ１６の駆動／停止は、ＥＣＵ２によって制御される。すなわち、ＥＣＵ２は、水排出通路切替手段として機能する。

第１排気通路４ａの第１ＣＯ２吸着器７Ａの下流側には第１ＣＯ２濃度センサ１７が設けられ、第２排気通路４ｂの第２ＣＯ２吸着器７Ｂの下流側には第２ＣＯ２濃度センサ１８が設けられている。第１及び第２ＣＯ２濃度センサ１７、１８は、それらの設置位置における排気ガスのＣＯ２濃度を、第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａ及び第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂとしてそれぞれ検出する。それらの検出信号はＥＣＵ２に出力される。

図２は、ＣＯ２分離装置１の制御系の構成を示す。ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、上記のＣＯ２濃度センサ１７、１８の検出信号などに応じて、ＣＯ２分離装置１によるＣＯ２の吸着及び脱離を制御するＣＯ２吸着脱離制御を実行する。本実施形態では、ＥＣＵ２が制御手段を構成する。

図５は、ＣＯ２吸着脱離制御の際の排気ガスの流れを示す。上述の構成により、本実施形態のＣＯ２分離装置１では、エンジン３から排出された高温の排気ガスは、第１及び第２排気通路４ａ、４ｂのいずれかを通って流れ、まず、第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂのいずれかを通過する。熱交換器との熱交換によって冷却された低温の排気ガスは、その後、第１及び第２水吸着器８Ａ、８Ｂのいずれかを通過する際に脱水された後、第１及び第２ＣＯ２吸着器７Ａ、７Ｂのいずれかを通過する際にＣＯ２を吸着され、その後、脱ＣＯ２排気ガス（Ｎ２、水などを含む）が大気に排出される。その一方で、高温の排気ガスから熱交換器によって吸収された熱は、熱交換器に隣接するＣＯ２吸着器及び水吸着器へと伝えられる。それにより、暖められたＣＯ２吸着材からは、それまでに吸着されていたＣＯ２が脱離し、暖められた水吸着材からは、それまでに吸着されていた水が脱離する。脱離したＣＯ２は、分岐通路１１を通って圧縮機９により圧縮された後、貯蔵タンク１０に貯蔵される。一方、脱離した水は、水排出通路１４を通って大気に排出される。

本実施形態のＣＯ２分離装置１では、上述のように、排気ガスが導入される側のＣＯ２吸着器と水吸着器がそれぞれＣＯ２及び水の吸着を行うときに、排気ガスが導入されない側のＣＯ２吸着器と水吸着器が吸着したＣＯ２及び水をそれぞれ脱離するように動作する。さらに、所定の条件下で第１切替バルブ１２により第１排気通路４ａと第２排気通路４ｂを切り替えるように制御することにより、排気ガスが通過する熱交換器、水吸着器、及びＣＯ２吸着器が切り替わる。それにより、それまでＣＯ２を吸着していたＣＯ２吸着器が、吸着したＣＯ２の脱離を開始し、それまでＣＯ２を脱離していたＣＯ２吸着器が、新たに導入される排気ガスからのＣＯ２の吸着を開始する。また、これに併せて、それまで水を吸着していた水吸着器が、吸着した水の脱離を開始し、それまで水を脱離していた水吸着器が、水の吸着を開始する。以下では、ＣＯ２分離装置１によるＣＯ２の吸着及び脱離を制御するＣＯ２吸着脱離制御の具体的な流れについて、図６を参照しながら説明する。

図６は、上述したＣＯ２吸着脱離制御処理を示すフローチャートである。本処理は、エンジン３の通常運転状態において、所定時間ごとに実行される。本処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、吸着制御フラグＦ＿ＣＯ２ＲＥＣが「１」であるか否かを判別する。吸着制御フラグＦ＿ＣＯ２ＲＥＣは、現在ＣＯ２の吸着を行っているのが、第１ＣＯ２吸着器７Ａと第２ＣＯ２吸着器７Ｂのどちらであるかを判別するためのフラグであり、ＣＯ２吸着を行っているのが第１のＣＯ２吸着器７Ａである場合に「１」に設定される。

ステップ１の判別結果がＹＥＳのときには、ステップ２に進み、第１ＣＯ２吸着器７Ａの下流側に設けられた第１ＣＯ２濃度センサ１７から第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａを取得する。次いで、ステップ３において、取得した第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａが所定値ＣＣＯ２ＲＥＦを超えているか否かを判別する。

図７は、ＣＯ２の吸着を行っているＣＯ２吸着器の下流側のＣＯ２濃度センサ出力の時間変化を示す。排気ガス中のＣＯ２は、ＣＯ２吸着器を通過する際に大部分が吸着されるため、ＣＯ２吸着器の下流側では排気ガスのＣＯ２濃度が低く、ＣＯ２濃度センサの出力ＣＣＯ２は小さな値を示す。一方、ＣＯ２吸着材が吸着できるＣＯ２の量には限界があるため、ＣＯ２を吸着し続けたＣＯ２吸着材が時間の経過とともに飽和状態に達すると、ＣＯ２はそれ以上吸着されることなく、ＣＯ２吸着器の下流側に流出し、センサ出力ＣＣＯは急激に上昇する。本実施形態では、センサ出力ＣＣＯ２の値が所定値ＣＣＯ２ＲＥＦを超えたか否かにより、ＣＯ２吸着材が飽和状態に達したか否かを判別する。

ステップ３の判別結果がＮＯで、第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａが所定値ＣＣＯ２ＲＥＦを超えていない場合は、第１ＣＯ２吸着器７ＡによるＣＯ２の吸着が正常に行われているものと判断し、本処理を終了する。一方、ステップ３の判別結果がＹＥＳで、第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａが所定値ＣＣＯ２ＲＥＦを超えている場合、第１ＣＯ２吸着器７Ａが飽和状態に達したものとして、以降の処理により、第１ＣＯ２吸着器７Ａの動作をＣＯ２の吸着からＣＯ２の脱離に切り替えるとともに、第２ＣＯ２吸着器７Ｂの動作をＣＯ２の脱離からＣＯ２の吸着に切り替えるように制御が行われる。図８は、この切り替えが完了した場合のＣＯ２分離装置１の動作及び排気ガスの流れを示す。

まず、ステップ４において、吸着制御フラグＦ＿ＣＯ２ＲＥＣの値を「０」に設定する。これにより、以降、ＣＯ２の吸着を行うのが第２ＣＯ２吸着器７Ｂであることが記憶される。

次いで、ステップ５において、第１切替バルブ１２をＢ側に切り替える。ここで、「第１切替バルブ１２をＢ側に切り替える」とは、エンジン３からの排気ガスの流れを第２排気通路４ｂ側に切り替えることを意味している。これにより、排気ガスは第１ＣＯ２吸着器７Ａではなく第２ＣＯ２吸着器７Ｂに導入されるようになり、第２ＣＯ２吸着器７ＢによるＣＯ２の吸着が開始される。

続いて、ステップ６において、第２切替バルブ１３をＡ側に切り替える。ここで、「第２切替バルブ１３をＡ側に切り替える」とは、第１分岐通路１１ａを下流の圧縮機９側に開放する（同時に、第２分岐通路１１ｂを閉鎖する）ことを意味している。上述のステップ５において、排気ガスの流れが第２排気通路４ｂ側に切り替えられたことにより、高温の排気ガスが第１熱交換器６Ａを通過するようになる。そして、第１熱交換器６Ａが排気ガスから吸収した熱は、第１ＣＯ２吸着器７Ａ及び第１水吸着器８Ａへと伝えられる。これにより、第１ＣＯ２吸着器７Ａでは、ＣＯ２吸着材の温度が上昇し、それにより、吸着されていたＣＯ２が脱離する。脱離したＣＯ２は、分岐通路１１の下流側にある圧縮機９により吸引され、圧縮された状態で貯蔵タンク１０に貯蔵される。

続いて、ステップ７において、第３切替バルブ１５をＡ側に切り替える。ここで、「第３切替バルブ１５をＡ側に切り替える」とは、第１水排出通路１１ａを下流の水排出通路１４側に開放する（同時に、第２水排出通路１４ｂを閉鎖する）ことを意味している。次いで、ステップ８において、バキュームポンプ１６を駆動し、本処理を終了する。上述のとおり、第１熱交換器６Ａが排気ガスから吸収した熱は、第１水吸着器８Ａにも伝えられるので、それにより、第１水吸着器８Ａの水吸着材の温度が上昇し、吸着されていた水が脱離する。脱離した水は、水排出通路１４の下流に設けられたバキュームポンプ１６により吸引され、その後大気に排出される。以降は、再びＣＯ２吸着器の吸着／脱離の切替が行われるまで、図８に示す動作が継続されることになる。

一方、ステップ１の判別結果がＮＯのとき、すなわち、現在ＣＯ２の吸着を行っているのが第２ＣＯ２吸着器７Ｂであるときは、ステップ９に進み、第２ＣＯ２吸着器７Ｂの下流側に設けられた第２ＣＯ２濃度センサ１８から第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂを取得する。次いで、ステップ１０において、取得した第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂが所定値ＣＣＯ２ＲＥＦを超えているか否かを判別する。

ステップ１０の判別結果がＮＯで、第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂが所定値ＣＣＯ２ＲＥＦを超えていない場合は、第２ＣＯ２吸着器７ＢによるＣＯ２の吸着が正常に行われているものと判断し、本処理を終了する。一方、ステップ１０の判別結果がＹＥＳで、第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂが所定値ＣＣＯ２ＲＥＦを超えている場合、第２ＣＯ２吸着器７Ｂが飽和状態に達したものとして、以降の処理により、第２ＣＯ２吸着器７Ｂの動作をＣＯ２の吸着からＣＯ２の脱離に切り替えるとともに、第１ＣＯ２吸着器７Ｂの動作をＣＯ２の脱離からＣＯ２の吸着に切り替えるように制御が行われる。図９は、この切り替えが完了した場合のＣＯ２分離装置１の動作及び排気ガスの流れを示す。

まず、ステップ１１において、吸着制御フラグＦ＿ＣＯ２ＲＥＣの値を「１」に設定する。これにより、以降、ＣＯ２の吸着を行うのが第１ＣＯ２吸着器７Ａであることが記憶される。

次いで、ステップ１２において、第１切替バルブ１２をＡ側に切り替える。ここで、「第１切替バルブ１２をＡ側に切り替える」とは、エンジン３からの排気ガスの流れを第１排気通路４ａ側に切り替えることを意味している。これにより、排気ガスは第２ＣＯ２吸着器７Ｂではなく第１ＣＯ２吸着器７Ａに導入されるようになり、第１ＣＯ２吸着器７ＡによるＣＯ２の吸着が開始される。

続いて、ステップ１３において、第２切替バルブ１３をＢ側に切り替える。ここで、「第２切替バルブ１３をＢ側に切り替える」とは、第２分岐通路１１ｂを下流の圧縮機９側に開放する（同時に、第１分岐通路１１ａを閉鎖する）ことを意味している。上述のステップ１２において、排気ガスの流れが第１排気通路４ａ側に切り替えられたことにより、高温の排気ガスが第２熱交換器６Ｂを通過するようになる。そして、第２熱交換器６Ｂが排気ガスから吸収した熱は、第２ＣＯ２吸着器７Ｂ及び第２水吸着器８Ｂへと伝えられる。これにより、第２ＣＯ２吸着器７Ｂでは、ＣＯ２吸着材の温度が上昇し、それにより、吸着されていたＣＯ２が脱離する。脱離したＣＯ２は、分岐通路１１の下流側にある圧縮機９により吸引され、圧縮された状態で貯蔵タンク１０に貯蔵される。

続いて、ステップ１４において、第３切替バルブ１５をＢ側に切り替える。ここで、「第３切替バルブ１５をＢ側に切り替える」とは、第２水排出通路１４ｂを下流の水排出通路１４側に開放する（同時に、第１水排出通路１４ａを閉鎖する）ことを意味している。次いで、ステップ１５において、バキュームポンプ１６を駆動し、本処理を終了する。上述のとおり、第２熱交換器６Ｂが排気ガスから吸収した熱は、第２水吸着器８Ｂにも伝えられるので、それにより、第２水吸着器８Ｂの水吸着材の温度が上昇し、吸着されていた水が脱離する。脱離した水は、水排出通路１４の下流に設けられたバキュームポンプ１６により吸引され、その後大気に排出される。以降は、再びＣＯ２吸着器の吸着／脱離の切替が行われるまで、図９に示す動作が継続されることになる。

以上のように、本実施形態によれば、第１及び第２ＣＯ２吸着器７Ａ、７Ｂのそれぞれの上流に第１及び第２水吸着器８Ａ、８Ｂが設けられており、第１排気通路４ａと第２排気通路４ｂとを切り替えることにより、高温の排気ガスは、第１及び第２の熱交換器６Ａ、６Ｂの一方を通る際に熱を吸収される。熱を吸収されて低温になった排気ガスは、ＣＯ２吸着器の上流で水吸着器に導入されて脱水された後、ＣＯ２吸着器に導入されるので、ＣＯ２吸着器において生じ得るＣＯ２と水の競争吸着を最小限に抑え、良好かつ迅速にＣＯ２の吸着を行うことができる。

一方、排気ガスが導入されない方のＣＯ２吸着器及び水吸着器は、高温の排気ガスが導入される熱交換器に隣接して設けられているので、熱交換器が吸収した熱が伝わることにより昇温し、それにより、それまでに吸着したＣＯ２及び水の脱離をそれぞれ開始することができる。このように、排気ガスの熱を利用してＣＯ２及び水の脱離を行うことができるので、排気ガスの脱水処理を効率よく低エネルギーで実行することができるとともに、ＣＯ２吸着材によるＣＯ２の吸着／脱離を良好かつ迅速に行うことができる。

また、第１切替バルブ１２の制御により第１排気通路４ａと第２排気通路４ｂとを切り替えることで排気ガスの流れが切り替わり、それにより、各２つあるＣＯ２吸着材及び水吸着材の吸着／脱離の動作を交互に切り替えることができるため、ＣＯ２及び水を連続的に吸着することができ、より効率よく脱水処理を実行できるとともに、ＣＯ２の吸着／脱離をより良好かつ迅速に行うことができる。

また、第１及び第２のＣＯ２吸着材の下流側を流れる排気ガスのＣＯ２濃度（第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａ、第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂ）が所定値ＣＣＯ２ＲＥＦを超えたか否かによって、ＣＯ２の吸着を行っているＣＯ２吸着材が飽和状態に達したか否かを判定し、それに基づきＣＯ２吸着材及び水吸着材の吸着／脱離の動作を切り替えるように制御するので、排気ガス中のＣＯ２が吸着されることなくＣＯ２分離装置１の下流に流出してしまうことを抑制することができ、ＣＯ２の吸着を最大限、行うことができる。

さらに、第１及び第２の水吸着器８Ａ、８Ｂには第１水排出通路１４ａと第２水排出通路１４ｂがそれぞれ接続されており、それぞれの水吸着器が脱離した水を外部に排出することができる。したがいって、脱離した水がＣＯ２吸着材のＣＯ２吸着性能に影響を与えることがなく、ＣＯ２吸着材によるＣＯ２の吸着／脱離をさらに良好に行うことができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、熱交換器、ＣＯ２吸着器、水吸着器を各２つ備え、吸着／脱離の動作を交互に切り替えて実行する構成としているが、熱交換器、ＣＯ２吸着器、水吸着器を各１つのみ備える構成とすること、又は各３つ以上を備える構成とすることも可能である。

また、実施形態は、本発明を車両に搭載されたガソリンエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、ディーゼルエンジンなどの他の種類のエンジンに適用してもよく、また、車両用以外のエンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

１ ＣＯ２分離装置
２ ＥＣＵ（電子制御ユニット）（排気通路切替手段，飽和状態判定手段，水排出通路切替手段）
３ エンジン（内燃機関）
４ａ 第１排気通路（第１の排気通路）
４ｂ 第２排気通路（第２の排気通路）
６ａ 第１熱交換器
６ｂ 第２熱交換器
７ａ 第１ＣＯ２吸着器（第１のＣＯ２吸着材）
７ｂ 第２ＣＯ２吸着器（第２のＣＯ２吸着材）
８ａ 第１水吸着器（第１の水吸着材）
８ｂ 第２水吸着器（第２の水吸着材）
１２ 第１切替バルブ（排気通路切替手段）
１４ａ 第１水排出通路（第１の水排出通路）
１４ｂ 第２水排出通路（第２の水排出通路）
１５ 第３切替バルブ（水排出通路切替手段）
１７ 第１ＣＯ２濃度センサ（ＣＯ２濃度検出手段）
１８ 第２ＣＯ２濃度センサ（ＣＯ２濃度検出手段）
ＣＣＯ２Ａ 第１ＣＯ２濃度
ＣＣＯ２Ｂ 第２ＣＯ２濃度
ＣＣＯ２ＲＥＦ 所定値

Claims (6)

1. 内燃機関の排気系に設けられ、排気ガスからＣＯ２を分離する内燃機関のＣＯ２分離装置であって、
   前記内燃機関の排気ガスが導入され、低温時に、排気ガス中のＣＯ２を吸着するとともに、高温時に、吸着したＣＯ２を脱離するＣＯ２吸着材と、
   前記ＣＯ２吸着材に隣接して設けられ、排気ガスが導入されるとともに、排気ガスとの熱交換によって、排気ガスの熱を吸収する熱交換器と、
   前記ＣＯ２吸着材の上流側に前記熱交換器に隣接して設けられ、排気ガスが導入され、低温時に、排気ガス中の水を吸着するとともに、高温時に、吸着した水を脱離する水吸着材と、
   を備えることを特徴とする、内燃機関のＣＯ２分離装置。
2. 前記ＣＯ２吸着材は、第１のＣＯ２吸着材と、第２のＣＯ２吸着材とによって構成され、
   前記熱交換器は、前記第１のＣＯ２吸着材に隣接して設けられる第１の熱交換器と、前記第２のＣＯ２吸着材に隣接して設けられる第２の熱交換器とによって構成され、
   前記水吸着材は、前記第１の熱交換器に隣接して設けられる第１の水吸着材と、前記第２の熱交換器に隣接して設けられる第２の水吸着材とによって構成され、
   排気ガスが、順に前記第２の熱交換器、前記第１の水吸着材、及び前記第１のＣＯ２吸着材へ導入されるように構成された第１の排気通路と、
   排気ガスが、順に前記第１の熱交換器、前記第２の水吸着材、及び前記第２のＣＯ２吸着材へ導入されるように構成された第２の排気通路と、
   前記第１の排気通路と前記第２の排気通路とを切り替える排気通路切替手段と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置。
3. 前記第１及び第２のＣＯ２吸着材のうち、排気ガスが導入されている方のＣＯ２吸着材が飽和状態にあるか否かを判定する飽和状態判定手段をさらに備え、
   前記排気通路切替手段は、前記ＣＯ２吸着材が飽和状態にあると判定された場合に、前記排気通路の切り替えを行うことを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置。
4. 前記第１の排気通路の前記第１のＣＯ２吸着材の下流側、及び前記第２の排気通路の前記第２のＣＯ２吸着材の下流側に、排気ガス中のＣＯ２濃度を検出するＣＯ２濃度検出手段をさらに備え、
   前記飽和状態判定手段は、前記検出されたＣＯ２濃度が所定値を超えた場合に、前記ＣＯ２吸着材が飽和状態にあると判定することを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置。
5. 前記水吸着材と前記ＣＯ２分離装置の外部とに連通する水排出通路をさらに備え、
   前記熱交換器が吸収した排気ガスの熱によって前記水吸着材が昇温した場合に、前記水吸着材から脱離した水を、前記水排出通路を介して外部に排出することを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置。
6. 前記第１の水吸着材と前記ＣＯ２分離装置の外部に連通する第１の水排出通路と、
   前記第２の水吸着材と前記ＣＯ２分離装置の外部に連通する第２の水排出通路と、
   前記第１及び第２の水排出通路を、その一方を開放すると同時に他方を閉鎖するように切り替える水排出通路切替手段と、をさらに備え、
   前記水排出通路切替手段は、前記熱交換器が吸収した排気ガスの熱によって前記第１及び第２の水吸着材のいずれか一方が昇温した場合に、前記第１及び第２の水排出通路のうち、前記昇温した水吸着材に連通する方を開放し、前記昇温した水吸着材から脱離した水を外部に排出することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置。

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