JP2022152436A - 内燃機関のｃｏ２分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２吸着材をＣＯ２の吸着に適した低温状態に制御することによって、排気ガス中のＣＯ２を良好に吸着できるとともに、装置の小型化を図る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】本発明は、内燃機関３から排出される排気ガスからＣＯ２を分離する内燃機関のＣＯ２分離装置であり、排気通路（第１排気通路４Ａ、第２排気通路４Ｂ）に設けられ、排気ガスとの熱交換によって、排気ガスを冷却する熱交換器（第１熱交換器６Ａ、第２熱交換器６Ｂ）を備え、熱交換器は、排気ガスが流れるガス流路６ｃを有し、ガス流路６ｃの内壁面に、排気ガス中のＣＯ２を吸着するＣＯ２吸着材１０が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスから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吸着材の吸着性能は、温度に応じて変化し、吸着材温度が低いほど高く、吸着材温度が高くなるにつれて低下するという温度特性を示す。これに対し、従来のＣＯ２分離装置では、排気ガスやＣＯ２吸着材の温度状態にかかわらず、流入する排気ガスをそのまま用い、ＣＯ２の吸着及び脱離動作が行われる。このため、内燃機関から高温の排気ガスが排出される場合、ＣＯ２吸着材が高温状態になるため、ＣＯ２の吸着を良好に行うことができない。また、ＣＯ２吸着材を収容する２つの吸着部（吸着ユニット）を別個に設けなければならず、そのことが装置の小型化の妨げになるおそれがある。

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吸着材をＣＯ２の吸着に適した低温状態に制御することによって、排気ガス中のＣＯ２を良好に吸着できるとともに、装置の小型化を図る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、本願の請求項１に係る発明は、内燃機関の排気ガスからＣＯ２を分離する内燃機関のＣＯ２分離装置であって、内燃機関３の排気通路４に設けられ、排気ガスとの熱交換によって、排気ガスを冷却する熱交換器（実施形態における（以下、本項において同じ）第１熱交換器６Ａ、第２熱交換器６Ｂ）を備え、熱交換器は、排気ガスが流れるガス流路６ｃを有し、ガス流路６ｃの内壁面に、排気ガス中のＣＯ２を吸着するＣＯ２吸着材１０が設けられていることを特徴とする。

この内燃機関のＣＯ２分離装置では、排気通路に熱交換器が設けられ、熱交換器のガス流路の内壁面にＣＯ２吸着材が設けられている。前述したように、ＣＯ２吸着材は、排気ガス中のＣＯ２を低温時に吸着するとともに高温時に脱離する温度特性を有する。この構成によれば、内燃機関から排出された高温の排気ガスは、排気通路を介して熱交換器に流入し、ガス流路を流れる際に、熱交換によって熱を奪われ、ＣＯ２吸着材とともに冷却される。これにより、排気ガスが高温の場合でも、ＣＯ２吸着材がＣＯ２の吸着に適した低温状態に制御されることによって、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吸着材は、熱交換器のガス流路の内壁面に設けられ、熱交換器に内蔵されているので、ＣＯ２吸着材と熱交換器が別個の場合と比較してコンパクトに構成でき、ＣＯ２分離装置の小型化を図ることができる。

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、熱交換器は、ＣＯ２吸着材を加熱する加熱手段（第１ヒータ１１Ａ、第２ヒータ１１Ｂ）をさらに有することを特徴とする。

この構成によれば、ＣＯ２吸着材に吸着したＣＯ２を脱離する際、ＣＯ２吸着材を加熱手段で加熱し、ＣＯ２の脱離に適した高温状態に昇温することによって、ＣＯ２吸着材からのＣＯ２の脱離を良好かつ迅速に行うことができる。また、加熱手段も熱交換器に内蔵されていることで、加熱手段を含む構成をコンパクト化でき、ＣＯ２分離装置のさらなる小型化を図ることができる。

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、排気通路４は、第１排気通路４Ａと第２排気通路４Ｂに分岐しており、排気通路４を第１排気通路４Ａ又は第２排気通路４Ｂに切り替える切替手段（第１切替弁１５）をさらに備え、第１及び第２排気通路４Ａ、４Ｂにはそれぞれ、熱交換器が第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂとして設けられ、排気ガス中のＣＯ２をＣＯ２吸着材１０に吸着させるＣＯ２吸着制御と、ＣＯ２吸着材１０に吸着したＣＯ２を脱離させるＣＯ２脱離制御を実行する制御手段（ＥＣＵ２、図５）をさらに備え、制御手段は、第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂの一方を対象としてＣＯ２吸着制御を実行する際に、切替手段により、排気通路４を一方の熱交換器が設けられた第１及び第２排気通路４Ａ、４Ｂの一方に切り替え、一方の熱交換器内の加熱手段を停止すると同時に、第１及び第２熱交換器４Ａ、４Ｂの他方を対象として、他方の熱交換器内の加熱手段を作動させることによって、ＣＯ２脱離制御を実行することを特徴とする。

この構成では、排気通路は第１排気通路と第２排気通路に分岐し、その切替が切替手段によって行われる。第１及び第２排気通路にはそれぞれ、第１及び第２熱交換器が設けられている。一方の熱交換器では、排気ガスを供給し、かつ加熱手段を停止することによって、排気ガス中のＣＯ２をＣＯ２吸着材に吸着させるＣＯ２吸着制御が実行される。また、それと同時に、他方の熱交換器では、排気ガスの供給を停止し、かつ加熱手段を作動させることによって、ＣＯ２吸着材に吸着したＣＯ２を脱離させるＣＯ２脱離制御が実行される。そして、このようなＣＯ２吸着制御及びＣＯ２脱離制御が、第１及び第２熱交換器の間で交互に実行される。

以上のように、一方の熱交換器を対象とするＣＯ２吸着制御と他方の熱交換器を対象とするＣＯ２脱離制御を並行して実行することによって、ＣＯ２の吸着及び脱離を効率良く行うことができる。また、そのような作用をコンパクトな構成で得ることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関のＣＯ２分離装置において、熱交換器の温度を表す温度パラメータ（第１排気温ＴｇａｓＡ、第２排気温ＴｇａｓＢ）を検出する温度パラメータ検出手段（第１排気温センサ２１Ａ、第２排気温センサ２１Ｂ）をさらに備え、制御手段は、検出された温度パラメータに基づいて、熱交換器の冷却制御を実行すること（図６のステップ１８、１９、図８のステップ２８、２９）を特徴とする。

この構成によれば、熱交換器の冷却制御を、熱交換器の実際の温度を表す、検出された温度パラメータに基づいて実行するので、ＣＯ２吸着材をＣＯ２の吸着に適した温度状態に制御でき、ＣＯ２の吸着を迅速にかつ安定して行うことができる。

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、排気通路（第１及び第２排気通路４Ａ、４Ｂ）の熱交換器（第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂ）よりも下流側から分岐する分岐通路４Ｃと、分岐通路４Ｃに設けられ、ＣＯ２吸着材１０から脱離したＣＯ２を貯蔵する貯蔵タンク９と、熱交換器の下流側における排気ガスの流れを排気通路側又は分岐通路４Ｃ側に切り替える第２切替手段（第２切替弁１６Ａ、第３切替弁１６Ｂ）と、排気ガス中のＣＯ２をＣＯ２吸着材１０に吸着させるＣＯ２吸着制御と、ＣＯ２吸着材１０に吸着したＣＯ２を脱離させるＣＯ２脱離制御を実行する制御手段（ＥＣＵ２、図５）と、をさらに備え、制御手段は、第２切替手段を制御することにより、熱交換器の下流側における排気ガスの流れを、ＣＯ２吸着制御を実行する際に排気通路側に切り替え、ＣＯ２脱離制御を実行する際に分岐通路４Ｃ側に切り替えること（図６のステップ１２、１３、図８のステップ２２、２３）を特徴とする。

この構成によれば、ＣＯ２吸着制御時には、熱交換器の下流側の排気ガスの流れを排気通路側に切り替えることによって、ＣＯ２吸着材に吸着したＣＯ２以外の成分を含む排気ガスが、排気通路を介して大気に放出される。一方、ＣＯ２脱離制御時には、熱交換器の下流側の排気ガスの流れを分岐通路側に切り替えることによって、ＣＯ２吸着材から脱離したＣＯ２を、分岐通路を介して貯蔵タンクに導き、貯蔵することができる。

請求項６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排気通路４Ａの第１熱交換器６Ａよりも下流側、及び第２排気通路４Ｂの第２熱交換器６Ｂよりも下流側から、それぞれ分岐する分岐通路４Ｃと、分岐通路４Ｃに設けられ、ＣＯ２吸着材１０から脱離したＣＯ２を貯蔵する貯蔵タンク９と、第１熱交換器６Ａの下流側における排気ガスの流れを第１排気通路側４Ａ又は分岐通路４Ｃ側に切り替えるとともに、第２熱交換器６Ｂの下流側における排気ガスの流れを第２排気通路４Ｂ側又は分岐通路４Ｃ側に切り替える第２切替手段（第２切替弁１６Ａ、第３切替弁１６Ｂ）と、をさらに備え、制御手段は、第２切替手段を制御することにより、第１又は第２熱交換器６Ａ、６Ｂの下流側における排気ガスの流れを、第１又は第２熱交換器６Ａ、６Ｂを対象としてＣＯ２吸着制御を実行する際に第１又は第２排気通路４Ａ、４Ｂ側に切り替え、第１又は第２熱交換器６Ａ、６Ｂを対象としてＣＯ２脱離制御を実行する際に分岐通路４Ｃ側に切り替えることを特徴とする。

この構成によれば、ＣＯ２分離装置が２組の排気通路及び熱交換器を備える場合において、前述した請求項５による作用を同様に得ることができる。すなわち、ＣＯ２吸着制御時には、第１又は第２熱交換器の下流側の排気ガスの流れを第１又は第２排気通路側に切り替えることによって、ＣＯ２吸着材に吸着したＣＯ２以外の成分を含む排気ガスが、第１又は第２排気通路を介して大気に放出される。一方、ＣＯ２脱離制御時には、第１又は第２熱交換器の下流側の排気ガスの流れを分岐通路に切り替えることによって、ＣＯ２吸着材から脱離したＣＯ２を分岐通路に導き、貯蔵タンクに貯蔵することができる。

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。 熱交換器の構成を模式的に示す図である。 ＣＯ２吸着材の吸着性能の温度特性を示す図である。 ＣＯ２分離装置の制御系の構成を示すブロック図である。 ＣＯ２吸着脱離制御処理のメインフローを示すフローチャートである。 図５の第１吸着第２脱離モードの制御処理を示すフローチャートである。 ウォータポンプの目標回転数を設定するためのマップである。 図５の第１脱離第２吸着モードの制御処理を示すフローチャートである。 第１吸着第２脱離モード時におけるＣＯ２分離装置の動作を示す図である。 第１脱離第２吸着モード時におけるＣＯ２分離装置の動作を示す図である。 （ａ）第１吸着第２脱離モード時、及び（ｂ）第１脱離第２吸着モード時における第１及び第２熱交換器の動作を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。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、第１排気通路４Ａと第２排気通路４Ｂに分岐しており、その分岐部に、排気ガスの流れを両排気通路４Ａ、４Ｂの一方の側に切り替えるための第１切替弁１５が設けられている。第１及び第２排気通路４Ａ、４Ｂは、下流側端において、ワンウェイバルブ５Ａ、５Ｂをそれぞれ介して大気に開放されている。また、第１及び第２排気通路４Ａ、４Ｂからそれぞれ分岐し、互いに合流する分岐通路４Ｃが設けられている。これらの分岐部には、排気ガスの流れを第１排気通路４Ａ側又は分岐通路４Ｃ側に切り替えるための第２切替弁１６Ａと、第２排気通路４Ｂ側又は分岐通路４Ｃ側に切り替えるための第３切替弁１６Ｂが設けられている。これらの第１～第３切替弁１５、１６Ａ、１６Ｂの動作は、後述するＥＣＵ（電子制御ユニット）２によって制御される。

ＣＯ２分離装置１は、排気ガスからＣＯ２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、ウォータポンプ７、圧縮機８及び貯蔵タンク９を備えている。第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂは、第１及び第２排気通路４Ａ、４Ｂにそれぞれ設けられ、圧縮機８と貯蔵タンク９は、分岐通路４Ｃに設けられている。

第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂは、内部を流れる高温の排気ガスと冷却水との熱交換によって、排気ガスを冷却する水冷式のクーラとして機能する。図２に示すように、第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂは、互いに同じ構成を有し、ガス流路６ｃ及び冷却水流路６ｄが形成されるとともに、ＣＯ２吸着材１０と第１又は第２ヒータ１１Ａ、１１Ｂを内蔵している。

ガス流路６ｃは、第１又は第２排気通路４Ａ、４Ｂに連通しており、高温の排気ガスが流入する。冷却水流路６ｄは、冷却水回路７ａに連通しており、ウォータポンプ７から送出された冷却水が流入する。ウォータポンプ７は電動ポンプで構成され、ウォータポンプ７の回転数ＮＥＷＰをＥＣＵ２で制御することによって、第１又は第２熱交換器６Ａ、６Ｂを流れる冷却水の流量が制御され、それにより排気ガスの冷却度合が制御される。また、冷却水回路７ａには、ウォータポンプ７と第１熱交換器６Ａ及び第２熱交換器６Ｂとの間にそれぞれ、冷却水回路７ａを開閉する第１開閉弁１７Ａ及び第２開閉弁１７Ｂが設けられている。これらの第１及び第２開閉弁１７Ａ、１７Ｂの開閉は、ＥＣＵ２によって制御される。

ＣＯ２吸着材１０は、排気ガス中のＣＯ２を吸着／脱離するものであり、ガス流路６ｃの内壁面にコーティングされ、ガス流路６ｃを流れる排気ガスに晒されるように設けられている。ＣＯ２吸着材１０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、ＣＯ２吸着材１０が吸着することが可能なＣＯ２吸着量ＱＣＯ２は、ＣＯ２吸着材１０の温度（吸着材温度）Ｔａｄｓに応じて変化し、吸着材温度Ｔａｄｓが低いほど大きく、吸着材温度Ｔａｄｓが高くなるにつれて低下する。このような温度特性から、ＣＯ２吸着材１０によるＣＯ２の吸着／脱離量を高めるためには、ＣＯ２吸着材１０の温度を、吸着及び脱離にそれぞれ適した低温状態及び高温状態に制御することが必要である。

例えば同図に示すように、吸着材温度Ｔａｄｓが低温側の第１温度Ｔ１及び高温側の第２温度Ｔ２のときのＣＯ２吸着量ＱＣＯ２を、それぞれ第１吸着量Ｑ１及び第２吸着量Ｑ２とした場合、吸着材温度Ｔａｄｓが第１温度Ｔ１の状態でＣＯ２を吸着させた後、吸着材温度Ｔａｄｓを第２温度Ｔ２まで上昇させると、第１及び第２吸着量Ｑ１、Ｑ２の差（＝Ｑ１－Ｑ２）に等しい量ΔＱＣＯ２のＣＯ２を脱離させ、回収することが可能である。

第１及び第２ヒータ１１Ａ、１１Ｂは、ＣＯ２吸着材１０からＣＯ２を脱離させる際に、ＣＯ２吸着材１０を加熱し、脱離を促進するためのものであり、ＣＯ２吸着材１０に埋め込まれ、それに沿って設けられている。ヒータ１１は電気ヒータで構成されており、その動作はＥＣＵ２によって制御される。

圧縮機８は、例えば電動のポンプで構成されており、ＣＯ２吸着材１０から脱離し、分岐回路４Ｃに流入したＣＯ２を圧縮した状態で送出し、貯蔵タンク９に貯蔵させる。

また、第１排気通路４Ａの第１熱交換器６Ａのすぐ下流側には第１排気温センサ２１Ａが、第２排気通路４Ｂの第２熱交換器６Ｂのすぐ下流側には第２排気温センサ２１Ｂが、排気通路４の第１切替弁１５のすぐ上流側には第３排気温センサ２２が、それぞれ設けられている。これらの第１～第３排気温センサ２１Ａ、２１Ｂ、２２は、それぞれの位置における排気ガスの温度を、第１～第３排気温ＴｇａｓＡ、ＴｇａｓＢ、Ｔｇａｓ３として検出し、それらの検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、第１排気通路６Ａの第２切替弁よりも下流側には第１ＣＯ２濃度センサ２３Ａが、第２排気通路６Ｂの第３切替弁よりも下流側には第２ＣＯ２濃度センサ２３Ｂが、それぞれ設けられている。第１及び第２ＣＯ２濃度センサ２３Ａ、２３Ｂは、それぞれの位置における排気ガスのＣＯ２濃度を、第１及び第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａ、ＣＣＯ２Ｂとして検出し、それらの検出信号をＥＣＵ２に出力する。

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、上記の各種のセンサ２１～２３の検出信号などに応じて、ＣＯ２分離装置による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、上述したＣＯ２吸着脱離制御処理のメインフローを示す。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、第１脱離第２吸着モードフラグＦ＿ＣＯ２ＲＥＣＡが「１」であるか否かを判別する。この第１脱離第２吸着モードフラグＦ＿ＣＯ２ＲＥＣＡは、現在の制御モードが、第１熱交換器６Ａを対象としてＣＯ２脱離制御を実行すると同時に、第２熱交換器６Ｂを対象としてＣＯ２吸着制御を実行する制御モード（以下「第１脱離第２吸着脱離モード」という）のときに、「１」にセットされるものである。

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２ＣＯ２濃度センサ２３Ｂで検出された第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂが、所定の上限値ＣＬＭＴよりも大きいか否かを判別する。この判別結果がＮＯで、第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂが上限値ＣＬＭＴ以下のときには、ＣＯ２吸着制御中である第２熱交換器６ＢのＣＯ２吸着材１０においてＣＯ２が飽和状態に達していないとして、ステップ３に進み、第１脱離第２吸着モードによる制御を継続し、本処理を終了する。その内容については後述する。

一方、ステップ２の判別結果がＹＥＳで、第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂが上限値ＣＬＭＴを上回ったときには、第２熱交換器６ＢのＣＯ２吸着材１０においてＣＯ２が飽和状態に達したとして、第１熱交換器６Ａを対象としてＣＯ２吸着制御を実行すると同時に、第２熱交換器６Ｂを対象としてＣＯ２脱離制御を実行する制御モード（以下「第１吸着第２脱離モード」という）に移行するものとする。まずステップ４において、第１脱離第２吸着モードフラグＦ＿ＣＯ２ＲＥＣＡを「０」にセットした後、ステップ５に進み、第１吸着第２脱離モードによる制御を実行し、本処理を終了する。その内容については後述する。

上記のようにステップ４及び５が実行され、第１吸着第２脱離モードに移行した後には、前記ステップ１の判別結果がＮＯになる。その場合には、ステップ６に進み、第１ＣＯ２濃度センサ２３Ａで検出された第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａが、上限値ＣＬＭＴよりも大きいか否かを判別する。この判別結果がＮＯで、第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａが上限値ＣＬＭＴ以下のときには、ＣＯ２吸着制御中である第１熱交換器６ＡのＣＯ２吸着材１０においてＣＯ２が飽和状態に達していないとして、前記ステップ５に進み、第１吸着第２脱離モードによる制御を継続し、本処理を終了する。

一方、ステップ６の判別結果がＹＥＳで、第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａが上限値ＣＬＭＴを上回ったときには、第１熱交換器６ＡのＣＯ２吸着材１０においてＣＯ２が飽和状態に達したとして、第１脱離第２吸着モードに移行するものとし、ステップ７において、第１脱離第２吸着モードフラグＦ＿ＣＯ２ＲＥＣＡを「１」にセットした後、前記ステップ３に進み、第１脱離第２吸着モードによる制御を実行し、本処理を終了する。

上記ステップ５の第１吸着第２脱離モードの制御は、図６の処理によって実行される。まず第１切替弁１５を第１排気通路４Ａ側に切り替える（ステップ１１）ことで、排気ガスを第１熱交換器６Ａに流入させるとともに、第２切替弁１６Ａを大気側（第１排気通路４側）に切り替え（ステップ１２）、第３切替弁１６Ｂを貯蔵側（分岐通路４Ｃ側）に切り替える（ステップ１３）。

また、第１開閉弁１７Ａを開弁する（ステップ１４）一方、第２開閉弁１７Ｂを閉弁する（ステップ１５）ことによって、第１熱交換器６Ａに冷却水を供給する。さらに、第１ヒータ１１Ａを停止（ＯＦＦ）する（ステップ１６）一方、第２ヒータ１１Ｂを駆動（ＯＮ）する（ステップ１７）ことによって、第２熱交換器６ＢのＣＯ２吸着材１０を加熱する。

次に、ステップ１８において、第１排気温センサ２１Ａで検出された第１排気温ＴｇａｓＡと所定の目標値Ｔｇａｓ＿ＣＭＤとの差（＝ＴｇａｓＡ－Ｔｇａｓ＿ＣＭＤ）を、温度偏差ΔＴｇａｓとして算出する。

次に、ステップ１９において、温度偏差ΔＴｇａｓに応じ、図７のマップを検索することによって、ウォータポンプ７の目標回転数ＮＥＷＰ＿ＣＭＤを算出し、本処理を終了する。このマップでは、目標回転数ＮＥＷＰ＿ＣＭＤは、温度偏差ΔＴｇａｓが０以下のとき、すなわち第１排気温ＴｇａｓＡが目標値Ｔｇａｓ＿ＣＭＤ以下のときには、所定値Ｎ１に設定されている。

一方、温度偏差ΔＴｇａｓが０よりも大きいとき、すなわち第１排気温ＴｇａｓＡが目標値Ｔｇａｓ＿ＣＭＤよりも高いときには、目標回転数ＮＥＷＰ＿ＣＭＤは、温度偏差ΔＴｇａｓが大きいほど、より大きな値に設定されている。これにより、温度偏差ΔＴｇａｓが大きいほど、第１熱交換器６Ａの冷却水が増量されることで、ＣＯ２吸着材１０の温度が適切に制御される。

以上の第１吸着第２脱離モードの制御によれば、図９の太線と図１１の左半部に示すように、第１熱交換器６Ａでは、エンジン３から排出された高温の排気ガスがガス流路６ｃを流れ、冷却水が冷却水流路６ｄを流れる。これにより、排気ガスは、冷却水との熱交換によって熱を奪われ、ＣＯ２吸着材１０とともに冷却される。また、上述したように、このときの冷却水の流量は、第１排気温ＴｇａｓＡが目標値Ｔｇａｓ＿ＣＭＤに収束するように制御される。これにより、ＣＯ２吸着材１０がＣＯ２の吸着に適した低温状態に制御されることで、ＣＯ２の吸着が迅速にかつ安定して行われる。ＣＯ２吸着材１０に吸着したＣＯ２以外の成分を含む排気ガスは、第１熱交換器６Ａから流出し、第１排気通路４Ａ及びワンウェイバルブ５Ａを介して、大気に放出される。

一方、第２熱交換器６Ｂでは、第１切替弁１５による切替と第２開閉弁１７Ｂの閉弁によって、排気ガス及び冷却水の供給が停止される。また、ＣＯ２吸着材１０が第２ヒータ１１Ｂで加熱され、ＣＯ２の脱離に適した高温状態に昇温されることによって、ＣＯ２吸着材１０からのＣＯ２の脱離が良好かつ迅速に行われる。脱離したＣＯ２は、第２熱交換器６Ｂから流出し、さらに第２排気通路４Ｂから分岐通路４Ｃに流入し、圧縮機８で圧縮された後、貯蔵タンク９に貯蔵される。

次に、図８を参照しながら、図５のステップ３で実行される第１脱離第２吸着モードの制御処理について説明する。図６との比較から明らかなように、この第１脱離第２吸着モードの制御内容は、第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂの間で、上述した第１吸着第２脱離モードの制御内容と逆の関係になっている。

具体的には、まず第１切替弁１５を第２排気通路４Ｂ側に切り替える（ステップ２１）ことで、排気ガスを第２熱交換器６Ｂに流入させるとともに、第２切替弁１６Ａを貯蔵側（分岐通路４Ｃ側）に切り替え（ステップ２２）、第３切替弁１６Ｂを大気側（第２排気通路４Ｂ側）に切り替える（ステップ２３）。

また、第１開閉弁１７Ａを閉弁する（ステップ２４）一方、第２開閉弁１７Ｂを開弁する（ステップ２５）ことによって、第２熱交換器６Ｂに冷却水を供給する。さらに、第１ヒータ１１Ａを駆動（ＯＮ）する（ステップ２６）一方、第２ヒータ１１Ｂを停止（ＯＦＦ）する（ステップ２７）ことによって、第１熱交換器６ＡのＣＯ２吸着材１０を加熱する。

次に、ステップ２８において、第２排気温センサ２１Ｂで検出された第２排気温ＴｇａｓＢと目標値Ｔｇａｓ＿ＣＭＤとの差を、温度偏差ΔＴｇａｓとして算出する。そして、ステップ２９において、温度偏差ΔＴｇａｓに応じ、前述した図７のマップを検索することによって、ウォータポンプ７の目標回転数ＮＥＷＰ＿ＣＭＤを算出し、本処理を終了する。

以上の第１脱離第２吸着モードの制御によれば、図１０の太線と図１１の右半部に示すように、第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂの間で、上述した第１吸着第２脱離モードの制御の場合と逆の動作が得られる。簡潔に説明すると、第２熱交換器６Ｂでは、ガス流路６ｃを流れる高温の排気ガスと冷却水流路６ｄを流れる冷却水との熱交換によって、排気ガスがＣＯ２吸着材１０とともに冷却される。また、冷却水の流量は、第２排気温ＴｇａｓＢが目標値Ｔｇａｓ＿ＣＭＤに収束するように制御される。これにより、ＣＯ２吸着材１０がＣＯ２の吸着に適した低温状態に制御されることで、ＣＯ２の吸着が迅速にかつ安定して行われる。ＣＯ２以外の成分を含む排気ガスは、第２熱交換器６Ｂから流出し、第２排気通路４Ｂ及びワンウェイバルブ５Ｂを介して、大気に放出される。

一方、第１熱交換器６Ａでは、第１切替弁１５による切替と第１開閉弁１７Ａの閉弁によって、排気ガス及び冷却水の供給が停止される。また、ＣＯ２吸着材１０が第１ヒータ１１Ａで加熱され、ＣＯ２の脱離に適した高温状態に昇温されることによって、ＣＯ２吸着材１０からのＣＯ２の脱離が良好かつ迅速に行われる。脱離したＣＯ２は、第１熱交換器６Ａから流出し、さらに第１排気通路４Ａから分岐通路４Ｃに流入し、圧縮機８で圧縮された後、貯蔵タンク９に貯蔵される。

以上のように、本実施形態によれば、第１又は第２熱交換器６Ａ、６Ｂ（以下、総称するときは「熱交換器６」という）は、排気ガスが流れるガス流路６ｃの内壁面にＣＯ２吸着材１０を有し、エンジン３から排出された排気ガスは、ガス流路６ｃを流れる際に、熱交換によって熱を奪われ、ＣＯ２吸着材１０とともに冷却される。これにより、排気ガスが高温の場合でも、ＣＯ２吸着材１０がＣＯ２の吸着に適した低温状態に制御されることで、ＣＯ２吸着材１０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１０は、熱交換器６のガス流路６ｃの内壁面に内蔵されているので、ＣＯ２吸着材と熱交換器が別個の場合と比較してコンパクトに構成でき、ＣＯ２分離装置１の小型化を図ることができる。

また、第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂは、第１又は第２ヒータ１１Ａ、１１Ｂ（以下、総称するときは「ヒータ１１」という）をそれぞれ有しており、ＣＯ２吸着材１０に吸着したＣＯ２を脱離する際に、ヒータ１１を作動させ、ＣＯ２吸着材１０を加熱する。これにより、ＣＯ２吸着材１０をＣＯ２の脱離に適した高温状態に昇温することによって、ＣＯ２吸着材１０からのＣＯ２の脱離を良好かつ迅速に行うことができる。また、ヒータ１１も熱交換器６に内蔵されていることで、ヒータ１１を含む構成をコンパクト化でき、ＣＯ２分離装置１のさらなる小型化を図ることができる。

また、排気通路４は第１及び第２排気通路４Ａ、４Ｂに分岐し、第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂがそれぞれ設けられるとともに、両排気通路４Ａ、４Ｂが第１切替弁１５によって切り替えられる。そして、一方の熱交換器６において、排気ガス及び冷却水を供給し、かつヒータ１１を停止することによって、排気ガス中のＣＯ２をＣＯ２吸着材１０に吸着させるＣＯ２吸着制御を実行する。また、それと並行して、他方の熱交換器６において、排気ガス及び冷却水の供給を停止し、かつヒータ１１を作動させることによって、ＣＯ２吸着材１０に吸着したＣＯ２を脱離させるＣＯ２脱離制御を実行する。

そして、このようなＣＯ２吸着制御及びＣＯ２脱離制御を、第１及び第２熱交換器６Ａ、６Ｂの間で交互に実行することによって、ＣＯ２の吸着及び脱離を効率良く行うことができる。また、そのような効果をコンパクトな構成で得ることができる。

また、ＣＯ２吸着制御時に、第１又は第２熱交換器６Ａ、６Ｂの温度を表す温度パラメータとして、第１又は第２排気温ＴｇａｓＡ、ＴｇａｓＢ（熱交換器６の下流側の排気ガス温度）を用い、検出された第１又は第２排気温ＴｇａｓＡ、ＴｇａｓＢが目標値Ｔｇａｓ＿ＣＭＤになるように、ウォータポンプ７の目標回転数ＮＥＷＰ＿ＣＭＤを設定し、熱交換器６の冷却水の流量を制御する（図６のステップ１８、１９、図７、図８のステップ２８、２９）。これにより、ＣＯ２吸着材１０をＣＯ２の吸着に適した温度状態に制御でき、ＣＯ２の吸着を迅速にかつ安定して行うことができる。

さらに、第１排気通路４Ａの第１熱交換器６Ａよりも下流側、及び第２排気通路４Ｂの第２熱交換器６Ｂよりも下流側から分岐する分岐通路４Ｃに、圧縮機８及び貯蔵タンク９が設けられており、熱交換器６の下流側における排気ガスの流れを、ＣＯ２吸着制御時には第１又は第２排気通路４Ａ、４Ｂ側に切り替え、ＣＯ２脱離制御時には分岐通路４Ｃ側に切り替える。

これにより、ＣＯ２吸着制御時には、ＣＯ２吸着材１０に吸着したＣＯ２以外の成分を含む排気ガスが、第１又は第２排気通路を介して大気に放出される一方、ＣＯ２脱離制御時には、ＣＯ２吸着材１０から脱離したＣＯ２を分岐通路４Ｃに導き、貯蔵タンク９に貯蔵することができる。

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、実施形態は、排気通路４（４Ａ、４Ｂ）と熱交換器６（６Ａ、６Ｂ）を各２つ用いた例であるが、これらを各１つ用いることも本発明の範囲内である。また、実施形態では、熱交換器６は電気式のヒータ１１を内蔵しているが、ヒータを熱交換器と別個に設けてもよく、あるいは、加熱手段としてエンジン３の廃熱を利用することも可能である。

また、実施形態では、第１又は第２熱交換器６Ａ、６Ｂの温度を表す温度パラメータとして、第１又は第２排気温ＴｇａｓＡ、ＴｇａｓＢ（熱交換器６の下流側の排気ガス温度）を用いているが、これに代えて又はこれとともに、他の適当な位置における排気ガスの温度、例えば実施形態の第３排気温Ｔｇａｓ３（第１切替弁１５のすぐ上流側の排気ガス温度）を用いてもよく、あるいはこれらの平均値でもよい。また、第１及び第２排気温ＴｇａｓＡ、ＴｇａｓＢの目標値Ｔｇａｓ＿ＣＭＤを所定値としているが、エンジン３の運転状態などに応じて変更してもよい。

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（制御手段）
３ エンジン（内燃機関）
４ 排気通路
４Ａ 第１排気通路
４Ｂ 第２排気通路
４Ｃ 分岐通路
６Ａ 第１熱交換器
６Ｂ 第２熱交換器
６ｃ ガス流路
９ 貯蔵タンク
１０ ＣＯ２吸着材
１１Ａ 第１ヒータ（加熱手段）
１１Ｂ 第２ヒータ（加熱手段）
１５ 第１切替弁（切替手段）
１６Ａ 第２切替弁（第２切替手段）
１６Ｂ 第３切替弁（第２切替手段）
２１Ａ 第１排気温センサ（温度パラメータ検出手段）
２１Ｂ 第２排気温センサ（温度パラメータ検出手段）
ＴｇａｓＡ 第１排気温（温度パラメータ）
ＴｇａｓＢ 第２排気温（温度パラメータ）

Claims (6)

1. 内燃機関の排気ガスから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通路に設けられ、排気ガスとの熱交換によって、排気ガスを冷却する熱交換器を備え、
   当該熱交換器は、排気ガスが流れるガス流路を有し、
   当該ガス流路の内壁面に、排気ガス中のＣＯ２を吸着するＣＯ２吸着材が設けられていることを特徴とする内燃機関のＣＯ２分離装置。
2. 前記熱交換器は、前記ＣＯ２吸着材を加熱する加熱手段をさらに有す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. 前記排気通路は、第１排気通路と第２排気通路に分岐しており、
   前記排気通路を第１排気通路又は第２排気通路に切り替える切替手段をさらに備え、
   前記第１及び第２排気通路にはそれぞれ、前記熱交換器が第１及び第２熱交換器として設けられ、
   排気ガス中のＣＯ２を前記ＣＯ２吸着材に吸着させるＣＯ２吸着制御と、前記ＣＯ２吸着材に吸着したＣＯ２を脱離させるＣＯ２脱離制御を実行する制御手段をさらに備え、
   当該制御手段は、前記第１及び第２熱交換器の一方を対象として前記ＣＯ２吸着制御を実行する際に、前記切替手段により、前記排気通路を当該一方の熱交換器が設けられた前記第１及び第２排気通路の一方に切り替え、当該一方の熱交換器内の前記加熱手段を停止すると同時に、前記第１及び第２熱交換器の他方を対象として、当該他方の熱交換器内の前記加熱手段を作動させることによって、前記ＣＯ２脱離制御を実行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。
4. 前記熱交換器の温度を表す温度パラメータを検出する温度パラメータ検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記検出された温度パラメータに基づいて、前記熱交換器の冷却制御を実行することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関のＣＯ２分離装置。
5. 前記排気通路の前記熱交換器よりも下流側から分岐する分岐通路と、
   当該分岐通路に設けられ、前記ＣＯ２吸着材から脱離したＣＯ２を貯蔵する貯蔵タンクと、
   前記熱交換器の下流側における排気ガスの流れを前記排気通路側又は前記分岐通路側に切り替える第２切替手段と、
   排気ガス中のＣＯ２を前記ＣＯ２吸着材に吸着させるＣＯ２吸着制御と、前記ＣＯ２吸着材に吸着したＣＯ２を脱離させるＣＯ２脱離制御を実行する制御手段と、をさらに備え、
   当該制御手段は、前記第２切替手段を制御することにより、前記熱交換器の下流側における排気ガスの流れを、前記ＣＯ２吸着制御を実行する際に前記排気通路側に切り替え、前記ＣＯ２脱離制御を実行する際に前記分岐通路側に切り替え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排気通路の前記第１熱交換器よりも下流側、及び第２排気通路の前記第２熱交換器よりも下流側から、それぞれ分岐する分岐通路と、
   当該分岐通路に設けられ、前記ＣＯ２吸着材から脱離したＣＯ２を貯蔵する貯蔵タンクと、
   前記第１熱交換器の下流側における排気ガスの流れを前記第１排気通路側又は前記分岐通路側に切り替えるとともに、前記第２熱交換器の下流側における排気ガスの流れを前記第２排気通路側又は前記分岐通路側に切り替える第２切替手段と、をさらに備え、
   前記制御手段は、前記第２切替手段を制御することにより、前記第１又は第２熱交換器の下流側における排気ガスの流れを、前記第１又は第２熱交換器を対象として前記ＣＯ２吸着制御を実行する際に前記第１又は第２排気通路側に切り替え、前記第１又は第２熱交換器を対象として前記ＣＯ２脱離制御を実行する際に前記分岐通路側に切り替え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。

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