JP2022153036A - 内燃機関のｃｏ２分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い回収ＣＯ２濃度を確保しながら、ＣＯ２回収率を高め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】本発明の内燃機関のＣＯ２分離装置は、ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１Ｂを有するＣＯ２吸着装置６Ａ、６Ｂと、排気通路４のＣＯ２吸着装置よりも下流側から分岐する第１分岐通路４Ｃに設けられた貯蔵タンク９と、第１分岐通路４Ｃの貯蔵タンク９よりも上流側から分岐する第２分岐通路４Ｄに設けられた下流ＣＯ２吸着材１１Ｃと、を備え、ＣＯ２脱離制御時に、ＣＯ２吸着装置の下流側における排気ガスの流れを、貯蔵タンク９側に切り替えるとともに、第１分岐通路４Ｃにおける排気ガスの流れを、検出されたＣＯ２吸着装置の下流側のＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａ、ＣＣＯ２Ｂが所定値ＣＲＥＦ１以上のときに貯蔵タンク９側に切り替え、ＣＯ２濃度が所定値よりも小さいときに下流ＣＯ２吸着材１１Ｃ側に切り替える（図７）。【選択図】図８

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、車両に搭載された内燃機関の排気通路に、ＣＯ２吸着材（ＣＯ２捕捉剤）を備えており、ＣＯ２吸着材は、ＣＯ２の吸蔵性能を有するゼオライトなどで構成されている。このＣＯ２分離装置では、排気ガス中のＣＯ２をＣＯ２吸着材に吸着させるＣＯ２吸着制御と、ＣＯ２吸着材に吸着したＣＯ２を脱離させるＣＯ２脱離制御が、以下のように交互に実行される。

ＣＯ２吸着制御では、比較的低温の排気ガスがＣＯ２吸着材に接触するように供給される。これにより、排気ガス中のＣＯ２がＣＯ２吸着材に吸着し、抽出される。ＣＯ２が抽出された処理済みの排気ガスは、大気に放出される。また、ＣＯ２吸着制御中、ＣＯ２吸着材に抽出されたＣＯ２の濃度が所定レベルに達したときに、ＣＯ２脱離制御が開始される。ＣＯ２脱離制御では、脱離用の高温の排気ガスがＣＯ２吸着材に供給され、排気ガスとの熱交換によって加熱されたＣＯ２吸着材からＣＯ２が脱離する。脱離したＣＯ２は、圧縮機によって圧縮された後、貯蔵タンクに貯蔵され、回収される。

特許第５７６００９７号公報

上述したゼオライトなどで構成されるＣＯ２吸着材は、一般に、排気ガス中のＣＯ２だけでなく、Ｈ２Ｏ（水）やＮ２（窒素）を吸着する特性を有し、その吸着強さは、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２の順に大きい。一方、脱離時の脱離しやすさは、吸着強さと逆の関係にあるため、Ｎ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの順に大きい。このため、ＣＯ２脱離制御中、ＣＯ２吸着材から流出するガスの濃度は、例えば図３に示すように推移し、ＣＯ２脱離制御の初期にはＮ２が、中期にはＣＯ２が、終期にはＨ２Ｏが、それぞれ優勢である。その結果、ＣＯ２濃度は、ＣＯ２脱離制御の中期において高くなり、初期及び終期では小さくなる。

これに対し、従来のＣＯ２分離装置では、ＣＯ２脱離制御の全期間を通じ、ＣＯ２吸着材から流出したガスが貯蔵タンクに貯蔵されるため、実際に回収されるＣＯ２の濃度（以下「回収ＣＯ２濃度」という）を高く保つことができない。一方、高い回収ＣＯ２濃度を確保するために、例えばＣＯ２脱離制御中にＣＯ２を貯蔵・回収する期間を、ＣＯ２濃度の高い中期に限定することが考えられる。しかし、その場合には、初期及び終期のハッチング領域の面積に相当する量のＣＯ２が回収されず、外部に排出されてしまい、ＣＯ２回収率が低下する。

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、高い回収ＣＯ２濃度を確保しながら、ＣＯ２回収率を高め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を分離し、回収する内燃機関の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、排気ガス中のＣＯ２を吸着するＣＯ２吸着材（実施形態における（以下、本項において同じ）第１ＣＯ２吸着材１１Ａ、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂ）を有するＣＯ２吸着装置（第１ＣＯ２吸着ユニット６Ａ、第２ＣＯ２吸着ユニット６Ｂ）と、ＣＯ２吸着装置の下流側の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２１Ａ、第１ＣＯ２濃度センサ２１Ｂ）と、排気ガス中のＣＯ２をＣＯ２吸着材に吸着させるＣＯ２吸着制御と、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（ＥＣＵ２、図５）と、排気通路４のＣＯ２吸着装置よりも下流側から分岐する第１分岐通路４Ｃに設けられ、ＣＯ２吸着材から脱離したＣＯ２を貯蔵するための貯蔵タンク９と、ＣＯ２吸着装置の下流側における排気ガスの流れを、大気開放側又は貯蔵タンク９側に切り替える第１切替手段（第２切替弁１６Ａ、第３切替弁１６Ｂ）と、第１分岐通路４Ｃの貯蔵タンク９よりも上流側から分岐する第２分岐通路４Ｄに設けられ、排気ガス中のＣＯ２を吸着する下流ＣＯ２吸着材（第３ＣＯ２吸着材１１Ｃ）と、第１分岐通路４Ｃにおける排気ガスの流れを、貯蔵タンク９側又は下流ＣＯ２吸着材側に切り替える第２切替手段（第４切替弁１７）と、を備え、制御手段は、ＣＯ２脱離制御時に、第１切替手段を貯蔵タンク９側に切り替えるとともに、第２切替手段を、検出されたＣＯ２濃度が所定値（第１所定値ＣＲＥＦ１）以上のときに貯蔵タンク９側に切り替え、ＣＯ２濃度が所定値よりも小さいときに下流ＣＯ２吸着材側に切り替えること（図７）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、排気ガス中のＣＯ２を吸着するＣＯ２吸着材を有するＣＯ２吸着装置が設けられ、排気通路のＣＯ２吸着装置よりも下流側から分岐する第１分岐通路に、ＣＯ２吸着材から脱離したＣＯ２を貯蔵するための貯蔵タンクが設けられ、第１分岐通路の貯蔵タンクよりも上流側から分岐する第２分岐通路に、排気ガス中のＣＯ２を吸着するＣＯ２吸着材を有する下流ＣＯ２吸着装置が設けられている。排気通路と第１分岐通路との分岐部、及び第１分岐通路と第２分岐通路との分岐部にはそれぞれ、第１及び第２切替弁が設けられている。

また、このＣＯ２分離装置では、排気ガス中のＣＯ２をＣＯ２吸着材に吸着させるＣＯ２吸着制御と、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、ＣＯ２脱離制御時には、第１切替弁が貯蔵タンク側に切り替えられる。これにより、ＣＯ２吸着材から脱離したＣＯ２を含む排気ガスが貯蔵タンクに向かって流れる。

また、検出されたＣＯ２吸着装置の下流側のＣＯ２濃度が所定値以上のときには、第２切替手段が貯蔵タンク側に切り替えられ、ＣＯ２が貯蔵タンクに貯蔵される。一方、ＣＯ２吸着装置の下流側のＣＯ２濃度が所定値よりも小さいときには、第２切替手段は、下流ＣＯ２吸着材側に切り替えられる。これにより、ＣＯ２は、貯蔵タンクに貯蔵されることなく、下流ＣＯ２吸着材に吸着される。以上のように、ＣＯ２脱離制御中、ＣＯ２吸着装置から流出した排気ガスのＣＯ２濃度が高い場合に限り、ＣＯ２を貯蔵タンクに貯蔵・回収し、ＣＯ２濃度が低い場合には、ＣＯ２を下流ＣＯ２吸着材に吸着させるので、高い回収ＣＯ２濃度を確保しながら、ＣＯ２回収率を高めることができる。

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、ＣＯ２吸着装置は、第１ＣＯ２吸着装置（第１ＣＯ２吸着ユニット６Ａ）及び第２ＣＯ２吸着装置（第２ＣＯ２吸着ユニット６Ｂ）によって構成され、排気通路４は、内燃機関３の下流側から互いに分岐し、上流側から順に第１ＣＯ２吸着装置及び第２ＣＯ２吸着装置を通る第１排気通路４Ａと、上流側から順に第２ＣＯ２吸着装置及び第１ＣＯ２吸着装置を通る第２排気通路４Ｂとによって構成され、排気通路４を第１排気通路４Ａ又は第２排気通路４Ｂに切り替える第３切替手段（第１切替弁１５）をさらに備え、第１切替手段は、第１及び第２ＣＯ２吸着装置のそれぞれの下流側における排気ガスの流れを、大気開放側又は貯蔵タンク９側に切り替えることを特徴とする。

この構成によれば、ＣＯ２吸着制御と請求項１によるＣＯ２脱離制御を、２つのＣＯ２吸着装置の間で切り替えながら連続的に行うことによって、ＣＯ２の吸着及び脱離を効率良く行えるとともに、高い回収ＣＯ２濃度を確保することができる。

請求項３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、下流ＣＯ２吸着材の下流側のＣＯ２濃度を第２ＣＯ２濃度（第３ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｃ）として検出する第２ＣＯ２濃度検出手段（第３ＣＯ２濃度センサ２１Ｃ）と、下流ＣＯ２吸着材の下流側から分岐し、第１分岐通路４Ｃの貯蔵タンク９よりも上流側に合流する還流通路４Ｅと、下流ＣＯ２吸着材の下流側における排気ガスの流れを、大気開放側又は還流通路４Ｅ側に切り替える第４切替手段（第１開閉弁１８、第２開閉弁１９）と、をさらに備え、制御手段は、検出された第２ＣＯ２濃度が第２所定値ＣＲＥＦ２以上になったときに、第４切替手段を還流通路４Ｅ側に切り替えること（図７のステップ２２、２４）を特徴とする。

この構成によれば、下流ＣＯ２吸着材の下流側から分岐し、第１分岐通路の貯蔵タンクよりも上流側に合流する還流通路が設けられ、この分岐部に第４切替手段が設けられている。また、下流ＣＯ２吸着材の下流側のＣＯ２濃度が第２ＣＯ２濃度として検出され、この第２ＣＯ２濃度が第２所定値以上になったときに、第４切替手段が還流通路側に切り替えられる。このように、下流ＣＯ２吸着材におけるＣＯ２濃度が高くなったときに、高濃度のＣＯ２を、外部に放出することなく、還流通路を介して第１分岐通路に還流させ、貯蔵タンクに貯蔵・回収するので、高い回収ＣＯ２濃度を確保しながら、ＣＯ２回収率を高めることができる。

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。 ＣＯ２吸着材の吸着性能の温度特性を示す図である。 ＣＯ２吸着材の脱離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。 図６の第３ＣＯ２吸着材制御処理を示すフローチャートである。 図６の制御処理によって得られるＣＯ２分離装置の動作例を示す図である。 図８と異なるＣＯ２濃度の条件で、図６の制御処理によって得られるＣＯ２分離装置の動作例を示す図である。 図８及び図９と異なるＣＯ２濃度の条件で、図６の制御処理によって得られるＣＯ２分離装置の動作例を示す図である。 図８～図１０と異なるＣＯ２濃度の条件で、図６の制御処理によって得られるＣＯ２分離装置の動作例を示す図である。 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。 図１２の制御処理によって得られるＣＯ２分離装置の動作例を示す図である。

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。第１切替弁１５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１ＣＯ２吸着ユニット６Ａ、第２ＣＯ２吸着ユニット６Ｂ、圧縮機８、貯蔵タンク９及び第３ＣＯ２吸着材１１Ｃを備えている。第１ＣＯ２吸着ユニット６Ａは、一体化された第１熱交換部１０Ａ及び第１ＣＯ２吸着材１１Ａを有し、第２ＣＯ２吸着ユニット６Ｂは、一体化された第２熱交換部１０Ｂ及び第２ＣＯ２吸着材１１Ｂを有する。

また、第１熱交換部１０Ａと第２ＣＯ２吸着材１１Ｂには、第１排気通路４Ａが上流側から順に通されており、それらの内部を排気ガスが流れるように構成されている。同様に、第２熱交換部１０Ｂと第１ＣＯ２吸着材１１Ａには、第２排気通路４Ｂが上流側から順に通されており、それらの内部を排気ガスが流れるように構成されている。

第１及び第２熱交換部１０Ａ、１０Ｂは、隣接する第１及び第２ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１ＢからＣＯ２を脱離させる際に、内部を流れる高温の排気ガスと、第１及び第２ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１Ｂとの熱交換によって、第１及び第２ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１Ｂをそれぞれ加熱するものであり、それにより、ＣＯ２の脱離が促進される。また、この熱交換によって熱を奪われ、冷却された排気ガスが、第２及び第１ＣＯ２吸着材１１Ｂ、１１Ａに流入し、接触することによって、これらのＣＯ２吸着材１１Ｂ、１１Ａが冷却され、ＣＯ２の吸着が促進される。

第１及び第２ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１Ｂ（以下、総称するときは「ＣＯ２吸着材１１」という）は、排気ガス中のＣＯ２を吸着／脱離するものであり、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２及び図３に示すような特性を有する。

図２は、ＣＯ２吸着材１１の一般的な温度特性を示す。ＣＯ２吸着材１１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。

また、図３は、排気ガスの主な成分ごとのＣＯ２吸着材１１の一般的な脱離特性を示す。前述したように、ＣＯ２吸着材１１からの成分ごとの脱離しやすさは、吸着強さと逆の関係にあり、Ｎ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの順に大きい。このため、ＣＯ２脱離制御中、ＣＯ２吸着材から流出するガスの濃度は、その初期にはＮ２が、中期にはＣＯ２が、終期にはＨ２Ｏが、それぞれ優勢になる。その結果、ＣＯ２濃度ＣＣＯ２は、ＣＯ２脱離制御の初期及び終期には小さく、中期において高くなる。

また、第１及び第２排気通路４Ａ、４Ｂの第２及び第１ＣＯ２吸着材１１Ｂ、１１Ａよりも下流側からそれぞれ分岐し、合流部４Ｇにおいて互いに合流する第１分岐通路４Ｃが設けられている。前記圧縮機８及び貯蔵タンク９は、この第１分岐通路４Ｃに配置されている。圧縮機８は、例えば電動のポンプで構成されており、第１及び第２ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１Ｂから脱離し、第１分岐通路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。

上記の第１及び第２排気通路４Ａ、４Ｂと第１分岐通路４Ｃとの分岐部には、第２切替弁１６Ａ及び第３切替弁１６Ｂがそれぞれ設けられており、これらの第１及び第２切替弁１６Ａ、１６Ｂによって、排気ガスの流れが大気開放側又は貯蔵タンク９側に切り替えられる。

さらに、第１分岐通路４Ｃの貯蔵タンク９よりも上流側から、第２分岐通路４Ｄが分岐しており、前記第３ＣＯ２吸着材１１Ｃは、この第２分岐通路４Ｄに配置されている。第３ＣＯ２吸着材１１Ｃは、第１及び第２ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１Ｂと同様、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、第１分岐通路４Ｃに流入したＣＯ２を吸着する。第１分岐通路４Ｃと第２分岐通路４Ｄの分岐部には、第４切替弁１７が設けられており、第４切替弁１７によって、排気ガスの流れが貯蔵タンク９側又は第３ＣＯ２吸着材１１Ｃ側に切り替えられる。

第２分岐通路４Ｄは、第３ＣＯ２吸着材１１Ｃの下流側において、還流通路４Ｅと排出通路４Ｆに分岐している。還流通路４Ｅは、第１分岐通路４Ｃの圧縮機８よりも上流側に接続され、排出通路４Ｆは、第１排気通路４Ａの第２切替弁１６Ａよりも下流側に接続されている。還流通路４Ｅ及び排出通路４Ｆにはそれぞれ、第１開閉弁１８及び第２開閉弁１９が設けられている。さらに、第１分岐通路４Ｃの合流部４Ｇと第２切替弁１６Ａ及び第３切替弁１６Ｂとの間にはそれぞれ、第３開閉弁２０Ａ及び第４開閉弁２０Ｂが設けられている。これらの第１～第４開閉弁１８～２０Ｂは、例えば常開式の電磁弁で構成されており、取り付けられた通路を、常時は閉鎖する一方、励磁信号が入力されたときに開放する。

さらに、第１ＣＯ２吸着材１１Ａのすぐ下流側には第１ＣＯ２濃度センサ２１Ａが、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂのすぐ下流側には第２ＣＯ２濃度センサ２１Ｂが、第３ＣＯ２吸着材１１Ｃのすぐ下流側には第３ＣＯ２濃度センサ２１Ｃが、それぞれ設けられている。これらの第１～第３ＣＯ２濃度センサ２１Ａ～２１Ｃは、それぞれの位置におけるＣＯ２濃度を、第１～第３ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａ～ＣＯ２Ｃ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、上記の第１～第３ＣＯ２濃度センサ２１Ａ～２１Ｃの検出信号などに応じて、第１～第４切替弁１５～１７や第１～第４開閉弁１８～２０Ｂを制御することによって、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、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１ＣＯ２吸着材１１Ａを対象としてＣＯ２脱離制御を実行すると同時に、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂ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２１Ｂ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２ＣＯ２吸着材１１Ｂ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２ＣＯ２吸着材１１ＢにおいてＣＯ２が飽和状態に達したとして、第１ＣＯ２吸着材１１Ａを対象としてＣＯ２吸着制御を実行すると同時に、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂ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２１Ａ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１ＣＯ２吸着材１１Ａ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１ＣＯ２吸着材１１Ａ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、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３の第１脱離第２吸着モードの制御は、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）とともに、第２切替弁１６Ａを大気側（第１排気通路４Ａ側）に切り替え（ステップ１２）、第３切替弁１６Ｂを貯蔵側（第１分岐通路４Ｃ側）に切り替える（ステップ１３）。これらの切替により、例えば図８に示すように、エンジン３から排出された高温の排気ガスは、まず第１熱交換部１０Ａに導入される。排気ガスとの熱交換により第１ＣＯ２吸着材１１Ａが加熱されることによって、第１ＣＯ２吸着材１１ＡからのＣＯ２の脱離が促進される。第１ＣＯ２吸着材１１Ａから脱離したＣＯ２は、第３切替弁１６Ｂを介して第１分岐通路４Ｃに流入する。

一方、排気ガスは、第１熱交換部１０Ａにおいて、第１ＣＯ２吸着材１１Ａとの熱交換によって冷却された後、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂに導入され、これに接触する。これにより、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂが冷却されることによって、第２ＣＯ２吸着材１１ＢへのＣＯ２の吸着が促進される。ＣＯ２が吸着・除去された後、排気ガスは、第２切替弁１６Ａを通り、ワンウェイバルブ５Ａを介して大気に放出される。

図６に戻り、前記ステップ１３に続くステップ１４では、第３ＣＯ２吸着材制御を実行する。この第３ＣＯ２吸着材制御は、第１ＣＯ２吸着材１１Ａから流出する排気ガスのＣＯ２濃度が低いときに、ＣＯ２を貯蔵タンク９に貯蔵せずに、第３ＣＯ２吸着材１１Ｃに一時的に吸着させ、最終的に貯蔵タンク９に回収するための制御であり、図７の処理によって実行される。

この処理では、まずステップ２１において、第１ＣＯ２濃度センサ２１Ａで検出された第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａが、第１所定値ＣＲＥＦ１（例えば９０％）よりも小さいか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳのときには、ステップ２２において、第２ＣＯ２濃度センサ２１Ｃで検出された第３ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｃが、第２所定値ＣＲＥＦ２（例えば９５％）よりも小さいか否かを判別する。

このステップ２２の判別結果がＹＥＳのとき、すなわち、第１ＣＯ２吸着材１１ＡのＣＯ２濃度及び第３ＣＯ２吸着材１１ＣのＣＯ２濃度がいずれも低いときには、第４切替弁１７を吸着側（第３ＣＯ２吸着材１１Ｃ側）に切り替える（ステップ２３）とともに、第１開閉弁１８及び第３開閉弁２０Ａを閉弁し（ステップ２４）、本処理を終了する。

これらの弁操作により、図８に太線で示すように、第１ＣＯ２吸着材１１Ａから第１分岐通路４Ｃに流入した排気ガスは、第４切替弁１７により、貯蔵タンク９には流れず、第３ＣＯ２吸着材１１Ｃに流入する。これにより、排気ガス中のＣＯ２が第３ＣＯ２吸着材１１Ｃに吸着される。また、第１開閉弁１８が閉弁されているため、ＣＯ２が吸着された後の排気ガスは、排出通路４Ｆ側に流れ、第１排気通路４Ａに流入した後、外部に放出される。

図７の処理に戻り、前記ステップ２２の判別結果がＮＯのとき、すなわち、第１ＣＯ２吸着材１１ＡのＣＯ２濃度が低い状態で、第３ＣＯ２吸着材１１ＣのＣＯ２濃度が高くなったときには、第４切替弁１７を貯蔵側（貯蔵タンク９側）に切り替える（ステップ２５）とともに、第２、第３及び第４開閉弁１９、２０Ａ、２０Ｂを閉弁し（ステップ２６）、本処理を終了する。

これらの弁操作により、図９に示すように、第１ＣＯ２吸着材１１Ａの低濃度のＣＯ２が貯蔵側（圧縮機８）に送られることが阻止された状態で、第３ＣＯ２吸着材１１Ｃの高濃度のＣＯ２が還流通路４Ｅを介して第１分岐通路４Ｃに還流し、圧縮機８で圧縮された後、貯蔵タンク９に貯蔵される。

図７の処理に戻り、前記ステップ２１の判別結果がＮＯで、第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａが第１所定値ＣＲＥＦ１以上のときには、ステップ２７に進み、前記ステップ２２と同様、第３ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｃが第２所定値ＣＲＥＦ２よりも小さいか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳのとき、すなわち、第１ＣＯ２吸着材１１ＡのＣＯ２濃度が高い一方で、第３ＣＯ２吸着材１１ＣのＣＯ２濃度が低いときには、第４切替弁１７を貯蔵側に切り替える（ステップ２８）とともに、第１、第２及び第３開閉弁１８、１９、２０Ａを閉弁し（ステップ２９）、本処理を終了する。

これらの弁操作により、図１０に示すように、第１ＣＯ２吸着材１１Ａの高濃度のＣＯ２が第１分岐通路４Ｃに送られ、圧縮機８で圧縮された後、貯蔵タンク９に貯蔵される。第３ＣＯ２吸着材１１Ｃ側からのＣＯ２の流れは遮断される。

図７の処理に戻り、前記ステップ２７の判別結果がＮＯで、第３ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｃが第２所定値ＣＲＥＦ２以上のとき、すなわち、第１ＣＯ２吸着材１１ＡのＣＯ２濃度及び第３ＣＯ２吸着材１１ＣのＣＯ２濃度がいずれも高いときには、第４切替弁１７を貯蔵側に切り替える（ステップ３０）とともに、第２及び第３開閉弁１９、２０Ａを閉弁し（ステップ３１）、本処理を終了する。

これらの弁操作により、図１１に示すように、第１ＣＯ２吸着材１１Ａの高濃度のＣＯ２が第１分岐通路４Ｃに送られるとともに、第３ＣＯ２吸着材１１Ｃの高濃度のＣＯ２が還流通路４Ｅを介して第１分岐通路４Ｃに還流し、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１２を参照しながら、図５のステップ５で実行される第１吸着第２脱離モードの制御処理について説明する。この第１吸着第２脱離モードの制御内容は、上述した第１脱離第２吸着モードの制御内容と比較し、基本的に、第１及び第２ＣＯ２吸着ユニット６Ａ、６Ｂの間で逆の関係になっている。このため、以下では、その要点について説明を行うものとする。

図１２の処理では、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４１）とともに、第２切替弁１６Ａを貯蔵側（第１分岐通路４Ｃ側）に切り替え（ステップ４２）、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４３）。これらの切替により、図１３に示すように、エンジン３から排出された高温の排気ガスが第２熱交換部１０Ｂに導入され、排気ガスとの熱交換により第２ＣＯ２吸着材１１Ｂが加熱されることによって、第２ＣＯ２吸着材１１ＢからのＣＯ２の脱離が促進される。第２ＣＯ２吸着材１１Ｂから脱離したＣＯ２は、第２切替弁１６Ａを介して第１分岐通路４Ｃに流入する。

一方、排気ガスは、第２熱交換部１０Ｂにおいて、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂとの熱交換によって冷却された後、第１ＣＯ２吸着材１１Ａに導入され、これに接触する。これにより、第１ＣＯ２吸着材１１Ａが冷却されることによって、第１ＣＯ２吸着材１１ＡへのＣＯ２の吸着が促進される。ＣＯ２が吸着・除去された後、排気ガスは、第３切替弁１６Ｂを通り、ワンウェイバルブ５Ｂを介して大気に放出される。

図１２に戻り、前記ステップ４３に続くステップ４４では、第３ＣＯ２吸着材制御を実行する。この第３ＣＯ２吸着材制御は、第２ＣＯ２吸着材１１ＢのＣＯ２濃度が低いときに、ＣＯ２を貯蔵タンク９に貯蔵せずに、第３ＣＯ２吸着材１１Ｃに一時的に吸着させ、最終的に貯蔵タンク９に回収するための制御である。このため、第３ＣＯ２吸着材制御の内容は、第１脱離第２吸着モードにおける第３ＣＯ２吸着材制御（図６のステップ１４、図７）と比較し、制御パラメータとして第１ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａの代わりに第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂを用いること以外は同じであるので、その詳細な説明は省略する。

なお、図１３は、第１吸着第２脱離モードにおける第３ＣＯ２吸着材制御による動作例を、第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｂ及び第３ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｃがいずれも低い場合（ＣＣＯ２Ｂ＜ＣＲＥＦ１、ＣＣＯ２Ｃ＜ＣＲＥＦ２）について示している。この場合には、図７のステップ２１～２４と同じ処理が実行され、第４切替弁１７が第３ＣＯ２吸着材１１Ｃ側に切り替えられることで、第２排気通路４Ｂから第１分岐通路４Ｃに流入した排気ガスは、貯蔵タンク９には流れず、第３ＣＯ２吸着材１１Ｃに流入し、排気ガス中のＣＯ２が吸着される。

以上のように、本実施形態によれば、ＣＯ２脱離制御中、検出された第１又は第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａ、ＣＣＯ２Ｂが第１所定値ＣＲＥＦ１以上であり、脱離したＣＯ２の濃度が高いときには、ＣＯ２を貯蔵タンク９に貯蔵する。一方、第１又は第２ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ａ、ＣＣＯ２Ｂが第１所定値ＣＲＥＦ１よりも小さく、脱離したＣＯ２の濃度が低いときには、ＣＯ２を貯蔵タンク９に貯蔵せず、第３ＣＯ２吸着材１１Ｃに吸着・貯留し、その後、第３ＣＯ２濃度ＣＣＯ２Ｃが第２所定値ＣＲＥＦ２以上に上昇したときに、ＣＯ２を第１分岐通路４Ｃに還流させ、貯蔵タンク９に貯蔵する。

以上により、高い回収ＣＯ２濃度を確保しながら、ＣＯ２回収率を高めることができる。例えば図３に示したように、ＣＯ２脱離制御の初期及び終期において、脱離したＣＯ２の濃度が低い場合でも、同図のハッチング領域に相当する量のＣＯ２を、高い回収ＣＯ２濃度を確保しながら回収することができる。

また、実施形態では、２つのＣＯ２吸着ユニット６Ａ、６Ｂを用い、ＣＯ２吸着制御とＣＯ２脱離制御を、ＣＯ２吸着ユニット６Ａ、６Ｂの間で切り替えながら連続的に行うので、ＣＯ２の吸着及び脱離を効率良く行えるとともに、高い回収ＣＯ２濃度を確保することができる。

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（４Ａ、４Ｂ）とＣＯ２吸着ユニット（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、下流ＣＯ２吸着材としての第３ＣＯ２吸着材１１Ｃは、吸着材単体で構成されているが、ＣＯ２吸着材の温度を調整するための熱交換器を併用してもよい。

また、実施形態では、排気通路を切り替えるための第１～第４切替手段として、第１～４切替弁１５～１６Ｂや第１～第４開閉弁１８～２０Ｂを用いているが、それらの構成、や配置などは例示であり、適宜、変更することが可能である。また、実施形態では、ＣＯ２濃度と比較される第１所定値ＣＲＥＦ１及び第２所定値ＣＲＥＦ２の数値を示しているが、これらの数値もまた、あくまで例示であり、適宜、変更される。

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（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 第１分岐通路
４Ｄ 第２分岐通路
４Ｅ 還流通路
６Ａ 第１ＣＯ２吸着ユニット（第１ＣＯ２吸着装置）
６Ｂ 第２ＣＯ２吸着ユニット（第２ＣＯ２吸着装置）
９ 貯蔵タンク
１１Ａ 第１ＣＯ２吸着材（ＣＯ２吸着材）
１１Ｂ 第２ＣＯ２吸着材（ＣＯ２吸着材）
１１Ｃ 第３ＣＯ２吸着材（下流ＣＯ２吸着材）
１５ 第１切替弁（第３切替手段）
１６Ａ 第２切替弁（第１切替手段）
１６Ｂ 第３切替弁（第１切替手段）
１７ 第４切替弁（第２切替手段）
１８ 第１開閉弁（第４切替手段）
１９ 第２開閉弁（第４切替手段）
２１Ａ 第１ＣＯ２濃度センサ（ＣＯ２濃度検出手段）
２１Ｂ 第２ＣＯ２濃度センサ（ＣＯ２濃度検出手段）
２１Ｃ 第３ＣＯ２濃度センサ（第２ＣＯ２濃度検出手段）
ＣＣＯ２Ａ 第１ＣＯ２濃度（ＣＯ２濃度）
ＣＣＯ２Ｂ 第２ＣＯ２濃度（ＣＯ２濃度）
ＣＣＯ２Ｃ 第３ＣＯ２濃度（第２ＣＯ２濃度）
ＣＲＥＦ１ 第１所定値（所定値）
ＣＲＥＦ２ 第２所定値

Claims (3)

1. 内燃機関の排気ガスからＣＯ２を分離し、回収する内燃機関の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、排気ガス中のＣＯ２を吸着するＣＯ２吸着材を有するＣＯ２吸着装置と、
   前記ＣＯ２吸着装置の下流側のＣＯ２濃度を検出するＣＯ２濃度検出手段と、
   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、
   前記排気通路の前記ＣＯ２吸着装置よりも下流側から分岐する第１分岐通路に設けられ、前記ＣＯ２吸着材から脱離したＣＯ２を貯蔵するための貯蔵タンクと、
   前記ＣＯ２吸着装置の下流側における排気ガスの流れを、大気開放側又は前記貯蔵タンク側に切り替える第１切替手段と、
   前記第１分岐通路の前記貯蔵タンクよりも上流側から分岐する第２分岐通路に設けられ、排気ガス中のＣＯ２を吸着する下流ＣＯ２吸着材と、
   前記第１分岐通路における排気ガスの流れを、前記貯蔵タンク側又は前記下流ＣＯ２吸着材側に切り替える第２切替手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記ＣＯ２脱離制御時に、前記第１切替手段を前記貯蔵タンク側に切り替えるとともに、前記第２切替手段を、前記検出されたＣＯ２濃度が所定値以上のときに前記貯蔵タンク側に切り替え、前記ＣＯ２濃度が前記所定値よりも小さいときに前記下流ＣＯ２吸着材側に切り替えることを特徴とする内燃機関のＣＯ２分離装置。
2. 前記ＣＯ２吸着装置は、第１ＣＯ２吸着装置及び第２ＣＯ２吸着装置によって構成され、
   前記排気通路は、前記内燃機関の下流側から互いに分岐し、上流側から順に前記第１ＣＯ２吸着装置及び前記第２ＣＯ２吸着装置を通る第１排気通路と、上流側から順に前記第２ＣＯ２吸着装置及び前記第１ＣＯ２吸着装置を通る第２排気通路とによって構成され、
   前記排気通路を前記第１排気通路又は前記第２排気通路に切り替える第３切替手段をさらに備え、
   前記第１切替手段は、前記１及び第２ＣＯ２吸着装置のそれぞれの下流側における排気ガスの流れを、大気開放側又は前記貯蔵タンク側に切り替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. 前記下流ＣＯ２吸着材の下流側のＣＯ２濃度を第２ＣＯ２濃度として検出する第２ＣＯ２濃度検出手段と、下流ＣＯ２吸着材の下流側から分岐し、前記第１分岐通路の前記貯蔵タンクよりも上流側に接続された還流通路と、
   前記下流ＣＯ２吸着材の下流側における排気ガスの流れを、大気開放側又は前記還流通路側に切り替える第４切替手段と、をさらに備え、
   前記制御手段は、前記検出された第２ＣＯ２濃度が第２所定値以上になったときに、前記第４切替手段を前記還流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。

Images