JP2023091395A - Ｃｏ２吸着装置、及び内燃機関のｃｏ２吸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２吸着材におけるＣＯ２の分布特性に応じ、ＣＯ２吸着材からのＣＯ２の脱離を適切に行うことによって、ＣＯ２の脱離効率を向上させることができるＣＯ２吸着装置、及び内燃機関のＣＯ２吸着装置を提供する。
【解決手段】本発明のＣＯ２吸着装置１は、入口から導入された排気ガス中のＣＯ２を低温時に吸着するとともに、吸着したＣＯ２を高温時に脱離し、出口から排出する第１及び第２ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１Ｂと、ＣＯ２の脱離動作中、第１及び第２ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１Ｂの出口付近（第１及び第２熱交換部１０Ａ、１０ＢのＺ層）を部分的に加熱する加熱装置（第１及び第２熱交換部１０Ａ、１０Ｂ、第１開閉弁２５ＡＸ～２５ＡＺ、第２開閉弁２５ＢＸ～２５ＢＺ）を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス中のＣＯ２を吸着するＣＯ２吸着装置及び内燃機関のＣＯ２吸着装置に関する。

地球環境上の悪影響を軽減するために、自動車の排気ガス規制が一段と進んでいる。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（脱離しにくさ）は、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２の順に大きい。このため、ＣＯ２吸着制御の終了時やＣＯ２脱離制御中、ＣＯ２吸着材に吸着したＣＯ２の濃度は、ＣＯ２吸着材の入口から出口に向かう方向において一様ではなく、出口付近で最も高くなる。これに対し、従来のＣＯ２分離装置では、ＣＯ２脱離制御中、脱離用の高温の排気ガスがＣＯ２吸着材全体に一様に供給される。このため、ＣＯ２吸着材の出口付近に多く偏在するＣＯ２を十分に脱離させることができず、ＣＯ２の脱離効率が低下してしまう。

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吸着材におけるＣＯ２の分布特性に応じ、ＣＯ２吸着材からのＣＯ２の脱離を適切に行うことによって、ＣＯ２の脱離効率を向上させ、ＣＯ２を削減することができるＣＯ２吸着装置及び内燃機関のＣＯ２吸着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、排気ガス中のＣＯ２を吸着するＣＯ２吸着装置であって、入口ＥＩから導入された排気ガス中のＣＯ２を低温時に吸着するとともに、吸着したＣＯ２を高温時に脱離し、出口ＥＯから排出する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）と、ＣＯ２吸着材によるＣＯ２の脱離動作中、ＣＯ２吸着材の出口ＥＯ付近（第１及び第２熱交換部１０Ａ、１０ＢのＺ層）を部分的に加熱する加熱装置（第１熱交換部１０Ａ、第２熱交換部１０Ｂ）と、を備えることを特徴とする。

本発明のＣＯ２吸着装置はＣＯ２吸着材を備えており、ＣＯ２吸着材は、入口から導入された排気ガス中のＣＯ２を低温時に吸着するとともに、吸着したＣＯ２を高温時に脱離し、出口から排出する。このような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（脱離しにくさ）は、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２の順に大きい。このため、ＣＯ２の吸着動作終了時やＣＯ２の脱離動作中、ＣＯ２濃度は、ＣＯ２吸着材の出口付近で最も高くなる。

このようなＣＯ２の分布特性に対し、本発明によれば、ＣＯ２の脱離動作中、加熱装置により、ＣＯ２吸着材の出口付近を部分的に加熱する。これにより、ＣＯ２が多く偏在するＣＯ２吸着材の出口付近を重点的に加熱し、ＣＯ２の脱離を促進することによって、ＣＯ２の脱離効率を向上させることができる。

上記の目的を達成するために、本願の請求項２に係る発明は、内燃機関の排気ガス中のＣＯ２を吸着する内燃機関のＣＯ２吸着装置であって、内燃機関３からの排気ガスがそれぞれ流れる第１熱交換部１０Ａ及び第２熱交換部１０Ｂと、第１熱交換部１０Ａに隣接して配置され、吸着動作中、第２熱交換部１０Ｂから排出され、入口ＥＩを介して導入された排気ガス中のＣＯ２を吸着した後、出口ＥＯから排気ガスを排出するとともに、脱離動作中、第１熱交換部１０Ａを流れる排気ガスによって加熱され、吸着したＣＯ２を脱離する第１ＣＯ２吸着材１１Ａと、第２熱交換部１０Ｂに隣接して配置され、吸着動作中、第１熱交換部１０Ａから排出され、入口ＥＩを介して導入された排気ガス中のＣＯ２を吸着した後、出口ＥＯから排気ガスを排出するとともに、脱離動作中、第２熱交換部１０Ｂを流れる排気ガスによって加熱され、吸着したＣＯ２を脱離する第２ＣＯ２吸着材１１Ｂと、を備え、第１熱交換部１０Ａは、第１ＣＯ２吸着材１１Ａの入口ＥＩと出口ＥＯを結ぶ方向に区画された複数の熱交換部（Ｘ層、Ｙ層、Ｚ層）で構成され、第２熱交換部１０Ｂは、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂの入口ＥＩと出口ＥＯを結ぶ方向に区画された複数の熱交換部（Ｘ層、Ｙ層、Ｚ層）で構成されており、第１及び第２熱交換部１０Ａ、１０Ｂの複数の熱交換部を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御手段（第１開閉弁２５ＡＸ、２５ＡＹ、２５ＡＺ、第２開閉弁２５ＢＸ、２５ＢＹ、２５ＢＺ）をさらに備えることを特徴とする。

本発明の内燃機関のＣＯ２吸着装置は、内燃機関からの排気ガスが流れる第１及び第２熱交換部と、第１及び第２熱交換部にそれぞれ隣接して配置された第１及び第２ＣＯ２吸着材を備える。第１（第２）ＣＯ２吸着材は、吸着動作中、第２（第１）熱交換部から排出され、入口を介して導入された排気ガス中のＣＯ２を吸着した後、出口から排気ガスを排出するとともに、脱離動作中、第１（第２）熱交換部を流れる排気ガスによって加熱され、吸着したＣＯ２を脱離する。前述したように、このようなＣＯ２吸着材では、一般に、吸着したＣＯ２の濃度は、入口と出口を結ぶ方向（以下「入出口方向」という）において一様ではなく、例えば出口付近で最も高くなる。

これに対し、本発明では、第１（第２）熱交換部は、第１（第２）ＣＯ２吸着材の入出口方向に区画された複数の熱交換部で構成されており、これらの熱交換部を流れる排気ガスの流量が制御される。この制御により、入出口方向におけるＣＯ２の分布状況に応じて、第１及び第２ＣＯ２吸着材の加熱度合を適切に制御し、ＣＯ２の脱離を適切に行うことによって、第１及び第２ＣＯ２吸着材からのＣＯ２の脱離効率を向上させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の内燃機関のＣＯ２吸着装置において、排気ガス流量制御手段は、第１及び第２熱交換部１０Ａ、１０Ｂの複数の熱交換部のうち、出口ＥＯ側の熱交換部（Ｚ層）の排気ガス流量を、入口ＥＩ側の熱交換部（Ｘ層）の排気ガス流量よりも増量するように制御することを特徴とする。

前述したように、ＣＯ２吸着材では一般に、吸着したＣＯ２の濃度は、出口付近で最も高くなる。したがって、上記のように、出口側の熱交換部の排気ガス流量を、入口側の熱交換部の排気ガス流量よりも増量することによって、ＣＯ２が多く偏在する第１及び第２ＣＯ２吸着材の出口付近の加熱度合を高めることによって、ＣＯ２の脱離効率をさらに向上させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項２又は３に記載の内燃機関のＣＯ２吸着装置において、第１ＣＯ２吸着材１１Ａから排出された排気ガスが、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂに出口ＥＯから流入し、入口ＥＩから排出され、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂから排出された排気ガスが、第１ＣＯ２吸着材１１Ａに出口ＥＯから流入し、入口ＥＩから排出されるように、排気ガスの流路を切り替える流路切替手段（第３切替弁１７Ａ、１７Ｂ、第４切替弁１９、第３開閉弁１８Ａ、１８Ｂ、第４開閉弁２６Ｅ、２６Ｆ）をさらに備えることを特徴とする。

前述したＣＯ２吸着材の吸着特性から、ＣＯ２の脱離動作の終了時において、第１及び第２ＣＯ２吸着材の入口付近に、Ｈ２Ｏが多く残留し、Ｈ２Ｏ濃度が高くなる傾向が認められる。この構成によれば、第１（第２）ＣＯ２吸着材から排出された排気ガスが、第２（第１）ＣＯ２吸着材に出口から流入し、入口から排出されるように、排気ガスの流路が切り替えられる。これにより、第１及び第２ＣＯ２吸着材の入口付近に多く残留するＨ２Ｏを排気ガスにより入口から排出することによって、第１及び第２ＣＯ２吸着材からの脱水を効率良く行うことができる。

本発明を適用したＣＯ２吸着装置を内燃機関とともに概略的に示す図である。 吸着脱離ユニットの構成を示す図である。 ＣＯ２吸着材の吸着性能の温度特性を示す図である。 ＣＯ２吸着材におけるＣＯ２及びＨ２Ｏの分布を示す図である。 ＣＯ２吸着装置の一連の動作を示す表である。 ＣＯ２吸着装置の第１脱離第２吸着モード（１）における動作を示す図である。 ＣＯ２吸着装置の第１脱離第２吸着モード（２）における動作を示す図である。 ＣＯ２吸着装置の第１脱水第２吸着モードにおける動作を示す図である。 ＣＯ２吸着材におけるＨ２Ｏの分布と第１脱水第２吸着モードによる脱水の状況を示す図である。 ＣＯ２吸着装置の第１吸着第２脱離モード（１）における動作を示す図である。 ＣＯ２吸着装置の第１吸着第２脱離モード（２）における動作を示す図である。 ＣＯ２吸着装置の第１吸着第２脱水モードにおける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吸着装置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、排気ガスの流路を排気通路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、ＥＣＵ（電子制御ユニット）（図示せず）によって制御される。

ＣＯ２吸着装置１は、排気ガス中のＣＯ２を吸着／脱離するとともに、脱離したＣＯ２を回収するためのものであり、ＣＯ２の吸着／脱離を行う第１吸着脱離ユニット６Ａ及び第２吸着脱離ユニット６Ｂと、脱離したＣＯ２を回収するための貯蔵タンク９を備えている。第１吸着脱離ユニット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２吸着脱離ユニット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。両吸着脱離ユニット６Ａ、６Ｂの構成については、後で詳述する。

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、エンジン３からの高温の排気ガス（以下、適宜「暖気」という）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をそれぞれ暖機（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、熱交換によって熱を奪われた低温の排気ガス（以下、適宜「冷気」という）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、ＣＯ２吸着材１１Ｂ、１１ＡへのＣＯ２の吸着が促進される。

次に、第１及び第２吸着脱離ユニット６Ａ、６Ｂの具体的な構成を説明する。また、両ユニット６Ａ、６Ｂは互いに同じ構成を有するので、以下、図２を参照しながら、第１吸着脱離ユニット６Ａを例にとり、説明する。なお、第１及び第２吸着脱離ユニット６Ａ、６Ｂ、第１及び第２熱交換部１０Ａ、１０Ｂ、第１及び第２ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１Ｂは、総称する場合、それぞれ「吸着脱離ユニット６」「熱交換部１０」「ＣＯ２吸着材１１」という。

図２に示すように、第１吸着脱離ユニット６Ａは、第１熱交換部１０Ａを構成する矩形状の２つの熱交換部層１０Ａ１と、第１ＣＯ２吸着材１１Ａを構成する矩形状の２つのＣＯ２吸着材層１１Ａ１を交互に積み重ね、一体化したものである。

各熱交換部層１０Ａ１は、積層方向と直交する１つの方向（以下「冷気方向」という）において、Ｘ層、Ｙ層及びＺ層に仕切られている。Ｘ層、Ｙ層及びＺ層にはそれぞれ、積層方向及び冷気方向と直交する方向（以下「暖気方向」という）の両端部に、排気ガスの入口及び出口が形成され、各入口と出口の間に、ハニカム構造の多数の排気ガス流路が形成されている。

Ｘ層、Ｙ層及びＺ層の入口には、第１排気通路４Ａから分岐する３つの分岐通路がそれぞれ接続され、これらの分岐通路にそれぞれ、第１開閉弁２５ＡＸ、２５ＡＹ及び２５ＡＺが設けられている（図１参照）。第１開閉弁２５ＡＸ、２５ＡＹ及び２５ＡＺの動作（開閉）は、ＥＣＵによって互いに独立して制御される。また、Ｘ層、Ｙ層及びＺ層の出口には分岐通路（図示せず）がそれぞれ接続され、これらの分岐通路は、下流側において１つの第１排気通路４Ａに集合した後、第２切替弁１６Ａを介して、第２吸着脱離ユニット６Ｂの第２ＣＯ２吸着材１１Ｂ又はワンウェイバルブ５Ｂ側に接続されている。

一方、各ＣＯ２吸着材層１１Ａ１には、上記冷気方向のＸ層側の端部及びＺ層側の端部にそれぞれ、排気ガスの入口ＥＩ及び出口ＥＯが形成されており、各入口ＥＩと出口ＥＯの間に、ハニカム構造の多数の排気ガス流路が延びている。このように、ＣＯ２吸着材層１１Ａ１の排気ガス流路は、熱交換部層１０Ａ１の排気ガス流路と直交するように延びている。ＣＯ２吸着材層１１Ａ１の入口ＥＩは、第２切替弁１６Ｂを介して、第２吸着脱離ユニット６Ｂの第２熱交換部１０Ｂ又はワンウェイバルブ５Ａ側に接続され、出口ＥＯは、第３切替弁１７Ｂを介して、貯蔵タンク９側又はワンウェイバルブ５Ｂ側に接続されている。

図２に示すように、第２吸着脱離ユニット６Ｂは、第１吸着脱離ユニット６Ａと同様に構成され、第２熱交換部１０Ｂを構成する２つの熱交換部層１０Ｂ１と、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂを構成する２つのＣＯ２吸着材層１１Ｂ１を交互に積み重ね、一体化したものである。熱交換部層１０Ｂ１のＸ層、Ｙ層及びＺ層の入口には、排気通路４Ｂの３つの分岐通路が接続され、これらの分岐通路にそれぞれ、第２開閉弁２５ＢＸ、２５ＢＹ及び２５ＢＺが設けられている（図１参照）。

また、Ｘ層、Ｙ層及びＺ層の出口には分岐通路（図示せず）がそれぞれ接続され、これらの分岐通路は、下流側において１つの第２排気通路４Ｂに集合した後、第２切替弁１６Ｂを介して、第１吸着脱離ユニット６Ａの第１ＣＯ２吸着材１１Ａ又はワンウェイバルブ５Ａ側に接続されている。また、ＣＯ２吸着材層１１Ｂ１の入口ＥＩは、第２切替弁１６Ａを介して、第１吸着脱離ユニット６Ａの第１熱交換部１０Ａ又はワンウェイバルブ５Ｂ側に接続され、出口ＥＯは、第３切替弁１７Ａを介して、貯蔵タンク９側又はワンウェイバルブ５Ａ側に接続されている。

以上の構成から、第１吸着脱離ユニット６Ａにおいて、ＣＯ２吸着材層１１Ａ１に吸着していたＣＯ２を脱離させる場合には、第１切替弁１５が第１排気通路４Ａ側に切り替えられた状態で、図２に矢印で示すように、エンジン３からの高温状態の排気ガス（暖気）が、第１開閉弁２５ＡＸ、２５ＡＹ、２５ＡＺのうちの開弁状態のものを介して、対応する熱交換部層１０Ａ１のＸ層、Ｙ層、Ｚ層に流入し、排気ガス流路を流れる。その際、暖気との熱交換によって、隣接するＣＯ２吸着材層１１Ａ１が加熱され、ＣＯ２吸着材層１１Ａ１からＣＯ２が脱離する。脱離したＣＯ２は、ＣＯ２吸着材層１１Ａ１の出口ＥＯから排出される。一方、熱交換部層１０Ａ１に流入した排気ガスは、ＣＯ２吸着材層１１Ａ１との熱交換によって冷却された冷気の状態で排出され、第２吸着脱離ユニット６Ｂの第２ＣＯ２吸着材１１Ｂに流入し、それにより、冷気中のＣＯ２が第２ＣＯ２吸着材１１Ｂに吸着される。

その後、第１吸着脱離ユニット６Ａにおいて、ＣＯ２吸着材層１１Ａ１にＣＯ２を吸着させる場合には、図２に矢印で示すように、第２吸着脱離ユニット６Ｂの第２熱交換部層１０Ｂ１からの冷気は、ＣＯ２吸着材層１１Ａ１にＸ層側の入口ＥＩから流入し、冷気中のＣＯ２がＣＯ２吸着材層１１Ａ１に吸着された後、Ｚ層側の出口ＥＯから排出される。

ＣＯ２吸着材層１１Ａ１は、例えばセラミックを担体とし、各排気ガス通路の通路壁に、例えばリチウム複合酸化物やゼオライトから成るＣＯ２吸着材をコーティングしたものである。このように構成されたＣＯ２吸着材１１は、図３及び図４に示すような特性を有する。

図３は、ＣＯ２吸着材１１の吸着性能の一般的な温度特性を示す。同図に示すように、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１１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、吸着材温度Ｔａｄｓを低温状態に制御することで、排気ガス中のＣＯ２をＣＯ２吸着材１１に吸着させ、その後、吸着材温度Ｔａｄｓを高温状態に制御することで、吸着したＣＯ２をＣＯ２吸着材１１から脱離させることができる。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。

図４は、ＣＯ２吸着材１１におけるＣＯ２及びＨ２Ｏのガス濃度の一般的な分布特性を示す。上述した構成のＣＯ２吸着材１１は、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（吸着しやすさ）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り、Ｎ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの順に大きい。このため、ＣＯ２の吸着動作終了時やＣＯ２の脱離動作中、ＣＯ２吸着材１１には、吸着したＣＯ２及びＨ２Ｏが、例えば図４に示すように分布する。具体的には、ＣＯ２はＣＯ２吸着材１１の中央部から出口ＥＯまでの範囲に存在し、ＣＯ２濃度は出口付近で最も高くなる。一方、Ｈ２Ｏ濃度は逆に、入口ＥＩから中央部までの範囲で高くなる。後述するように、本実施形態では、ＣＯ２吸着材１１にこのように分布するＣＯ２及びＨ２Ｏを効率良く脱離・除去することを目的として、吸着脱離制御や脱水制御が行われる。

図１に戻り、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、第１分岐通路４Ｃが分岐しており、これらの第１分岐通路４Ｃは合流部４Ｇで互いに合流している。前記第３切替弁１７Ａ、１７Ｂは、第１及び第２排気通路４Ａ、４Ｂからの第１分岐通路４Ｃの分岐部にそれぞれ設けられており、排気ガスの流路を第１分岐通路４Ｃ側又はワンウェイバルブ５Ａ、５Ｂの側に切り替える。また、第３切替弁１７Ａ、１７Ｂと合流部４Ｇの間にはそれぞれ、第１分岐通路４Ｃを開閉する第３開閉弁１８Ａ、１８Ｂが設けられている。

合流部４Ｇの下流側の第１分岐通路４Ｃには、上流側から順に、圧縮機７、凝縮器８及び貯蔵タンク９が配置されている。圧縮機７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に流入した気相のＣＯ２（ＣＯ２ガス）を圧縮した状態で送出する。凝縮器８は、ＣＯ２中の水分（Ｈ２Ｏ）を凝縮し、除去した後、ＣＯ２を貯蔵タンク９に送り、貯蔵させる。

さらに、第１分岐通路４Ｃの凝縮器８と貯蔵タンク９の間から、第２分岐通路４Ｄが分岐している。この分岐部には、第４切替弁１９が設けられており、第４切替弁１９によって、排気ガスの流路が貯蔵タンク９側又は第２分岐通路４Ｄ側に切り替えられる。第２分岐通路４Ｄは、分岐部４Ｈを介して、第１還流通路４Ｅと第２還流通路４Ｆに分岐している。第１及び第２還流通路４Ｅ、４Ｆはそれぞれ、第１及び第２ＣＯ２吸着材１１Ａ、１１Ｂの出口ＥＯ側に接続されている。また、第１及び第２還流通路４Ｅ、４Ｆには、それぞれの通路を開閉する第４開閉弁２６Ｅ、２６Ｆが設けられている。

さらに、第１ＣＯ２吸着材１１Ａの出口ＥＯ側には第１ＣＯ２濃度センサ３１Ａが、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂの出口ＥＯ側には第２ＣＯ２濃度センサ３１Ｂが、それぞれ設けられている。第１及び第２ＣＯ２濃度センサ３１Ａ、３１Ｂは、それぞれの位置におけるＣＯ２濃度を検出し、それらの検出信号をＥＣＵに出力する。

ＥＣＵは、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェースなどから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵは、上記第１及び第２ＣＯ２濃度センサ３１Ａ、３１Ｂの検出信号などに応じて、前述した各種の切替弁及び開閉弁の動作、具体的には、第１切替弁１５、第２切替弁１６Ａ、１６Ｂ、第３切替弁１７Ａ、１７Ｂ及び第４切替弁１９のそれぞれの切替や、第１開閉弁２５ＡＸ、２５ＡＹ、２５ＡＺ、第２開閉弁２５ＢＸ、２５ＢＹ、２５ＢＺ、第３開閉弁１８Ａ、１８Ｂ及び第４開閉弁２６Ｅ、２６Ｆのそれぞれの開閉などを制御することによって、ＣＯ２吸着装置１によるＣＯ２の吸着脱離などの動作を制御する。

図５に示すように、ＣＯ２吸着装置１の動作は、第１～第６モードを１サイクルとする一連の動作として行われる。これらのモードの切替は、第１及び第２ＣＯ２濃度センサ３１Ａ、３１Ｂで検出されたＣＯ２濃度などに基づいて行われる。以下、ＣＯ２吸着装置１の動作をモードごとに順に説明する。

１．第１脱離第２吸着モード（１）
第１脱離第２吸着モード（１）は、第１ＣＯ２吸着材１１ＡからのＣＯ２の脱離と、第２ＣＯ２吸着材１１ＢへのＣＯ２の吸着を同時に行うものである。図６に示すように、第１脱離第２吸着モード（１）では、第１切替弁１５を第１排気通路４Ａ側に、第２切替弁１６Ａを第２ＣＯ２吸着材１１Ｂ側に、第３切替弁１７Ａをワンウェイバルブ５Ａ側に、第３切替弁１７Ｂを第１分岐通路４Ｃ側に、第４切替弁１９を貯蔵タンク９側に、それぞれ切り替える。また、第１開閉弁２５ＡＸを閉弁し、第１開閉弁２５ＡＹ、２５ＡＺを開弁し、第３開閉弁１８Ａ、１８Ｂをそれぞれ閉弁及び開弁するとともに、第４開閉弁２６Ｅ、２６Ｆをそれぞれ開弁及び閉弁する。なお、図６及び後述する同種の図面において、開閉弁の白抜きの表示は開弁状態を表し、黒塗りの表示は閉弁状態を表す。

以上の制御により、エンジン３から排出された暖気は、開弁した第１開閉弁２５ＡＹ、２５ＡＺを介して、第１熱交換部１０ＡのＹ層及びＺ層に流入する。これにより、主としてＹ層及びＺ層が暖機され、Ｙ層及びＺ層に対応する第１ＣＯ２吸着材１１Ａの中央部から出口ＥＯまでの部分が、熱交換で加熱され、第１ＣＯ２吸着材１１Ａに吸着していたＣＯ２が脱離する。脱離したＣＯ２は、第３切替弁１７Ｂにより第１分岐通路４Ｃに流入し、圧縮機７及び凝縮器８を経て、貯蔵タンク９に貯蔵される。一方、第１ＣＯ２吸着材１１Ａとの熱交換で冷却された冷気は、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂに流入し、ＣＯ２を吸着された後に第２ＣＯ２吸着材１１Ｂから排出され、さらに第３切替弁１７Ａによりワンウェイバルブ５Ａを介して大気に放出される。

２．第１脱離第２吸着モード（２）
第１脱離第２吸着モード（２）は、上述した第１脱離第２吸着モード（１）に引き続き、第１ＣＯ２吸着材１１ＡからのＣＯ２の脱離と、第２ＣＯ２吸着材１１ＢへのＣＯ２の吸着を同時に行うものである。図７に示すように、第１脱離第２吸着モード（２）は、第１脱離第２吸着モード（１）と比較し、第１開閉弁２５ＡＸ、２５ＡＹを閉弁し、第１開閉弁２５ＡＺのみを開弁する点が異なる。他の制御は同じである。

この制御により、エンジン３からの暖気は、開弁した第１開閉弁２５ＡＺを介して、第１熱交換部１０ＡのＺ層のみに流入する。これにより、主としてＺ層が暖機され、Ｚ層に対応する第１ＣＯ２吸着材１１Ａの出口ＥＯ付近の部分が加熱され、第１ＣＯ２吸着材１１ＡからのＣＯ２の脱離がさらに進行する。一方、第１熱交換部１０Ａからの冷気が第２ＣＯ２吸着材１１Ｂに流入することによって、第２ＣＯ２吸着材１１ＢへのＣＯ２の吸着がさらに進行する。他の動作は、第１脱離第２吸着モード（１）と同じである。

図４を参照して説明したように、ＣＯ２吸着材１１は、一般に、ＣＯ２の脱離制御中、Ｎ２が流出した後の状態において、ＣＯ２濃度が出口付近で最も高くなるという特性を有する。これに対し、第１脱離第２吸着モード（１）では、エンジン３からの暖気が第１熱交換部１０ＡのＹ層及びＺ層に流入することで、第１ＣＯ２吸着材１１Ａの中央部から出口ＥＯまでの部分が重点的に加熱され、第１脱離第２吸着モード（２）では、エンジン３からの暖気が第１熱交換部１０ＡのＺ層にのみ流入することで、第１ＣＯ２吸着材１１Ａの出口ＥＯ付近の部分が重点的に加熱される。これにより、第１ＣＯ２吸着材１１Ａの出口ＥＯ付近に多く偏在するＣＯ２を効率良く脱離でき、ＣＯ２の脱離効率を向上させることができる。

３．第１脱水第２吸着モード
第１脱水第２吸着モードは、第１ＣＯ２吸着材１１Ａからの脱水（Ｈ２Ｏの除去）を促進すると同時に、第２ＣＯ２吸着材１１ＢへのＣＯ２の吸着を引き続き行うものである。図８に示すように、第１脱水第２吸着モードでは、第１切替弁１５を第１排気通路４Ａ側に、第２切替弁１６Ａを第２ＣＯ２吸着材１１Ｂ側に、第３切替弁１７Ａを第１分岐通路４Ｃ側に、第４切替弁１９を第２分岐通路４Ｄ側に、それぞれ切り替える。また、第１開閉弁２５ＡＸ、２５ＡＹ、２５ＡＺをすべて開弁し、第３開閉弁１８Ａ、１８Ｂをそれぞれ開弁及び閉弁するとともに、第４開閉弁２６Ｅ、２６Ｆをそれぞれ開弁及び閉弁する。

以上の制御により、エンジン３からの暖気は、開弁した第１開閉弁２５ＡＸ、２５ＡＹ、２５ＡＺを介して、第１熱交換部１０ＡのＸ層、Ｙ層及びＺ層に流入する。これにより、第１熱交換部１０Ａが全体的に暖機され、第１ＣＯ２吸着材１１Ａが入口ＥＩから出口ＥＯにわたって全体的に加熱される。第１熱交換部１０Ａからの冷気は、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂに流入し、それにより、第２ＣＯ２吸着材１１ＢへのＣＯ２の吸着がさらに進行する。

この冷気は、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂから排出された後、第３切替弁１７Ａにより第１分岐通路４Ｃに流入し、開弁した第３開閉弁１８Ａを介して、圧縮機７及び凝縮器８を通る。さらに、冷気は、第４切替弁１９により第２分岐通路４Ｄに流入し、開弁した第４開閉弁２６Ｅを介して、第１ＣＯ２吸着材１１Ａの出口ＥＯ側に向かい、第１ＣＯ２吸着材１１Ａに出口ＥＯから流入するとともに、入口ＥＩから排出される。これにより、図９に示すように、第１ＣＯ２吸着材１１Ａの入口ＥＩ付近に多く残留するＨ２Ｏを効率良く除去する（脱水する）ことができる。その後、冷気は、第２切替弁１６Ｂによりワンウェイバルブ５Ａを介して大気に放出される。

４．第１吸着第２脱離モード（１）
５．第１吸着第２脱離モード（２）
６．第１吸着第２脱水モード
これらの３つのモードは、前記３つのモード（第１脱離第２吸着モード（１）（２）及び第１脱水第２吸着モード）にそれぞれ対応しており、上述した各モ－ドにおける動作を、第１吸着脱離ユニット６Ａと第２吸着脱離ユニット６Ｂを入れ替えた関係で行うものである。以下、順に説明する。

第１吸着第２脱離モード（１）は、第２ＣＯ２吸着材１１ＢからのＣＯ２の脱離と、第１ＣＯ２吸着材１１ＡへのＣＯ２の吸着を同時に行うものである。図１０に示すように、第１吸着第２脱離モード（１）では、第１切替弁１５を第２排気通路４Ｂ側に、第２切替弁１６Ｂを第１ＣＯ２吸着材１１Ａ側に、第３切替弁１７Ｂをワンウェイバルブ５Ｂ側に、第３切替弁１７Ａを第１分岐通路４Ｃ側に、第４切替弁１９を貯蔵タンク９側に、それぞれ切り替える。また、第２開閉弁２５ＢＸを閉弁し、第１開閉弁２５ＢＹ、２５ＢＺを開弁し、第３開閉弁１８Ａ、１８Ｂをそれぞれ開弁及び閉弁するとともに、第４開閉弁２６Ｅ、２６Ｆをそれぞれ閉弁及び開弁する。

以上の制御により、エンジン３からの暖気は、開弁した第２開閉弁２５ＢＹ、２５ＢＺを介して、第２熱交換部１０ＢのＹ層及びＺ層に流入する。これにより、主としてＹ層及びＺ層が暖機され、Ｙ層及びＺ層に対応する第２ＣＯ２吸着材１１Ｂの中央部から出口ＥＯまでの部分が、熱交換で加熱され、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂに吸着していたＣＯ２が脱離する。脱離したＣＯ２は、第３切替弁１７Ａにより第１分岐通路４Ｃに流入し、圧縮機７及び凝縮器８を経て、貯蔵タンク９に貯蔵される。一方、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂとの熱交換で冷却された冷気は、第１ＣＯ２吸着材１１Ａに流入し、ＣＯ２を吸着された後に第１ＣＯ２吸着材１１Ａから排出され、さらに第３切替弁１７Ｂによりワンウェイバルブ５Ｂを介して大気に放出される。

第１吸着第２脱離モード（２）は、第１吸着第２脱離モード（１）に引き続き、第２ＣＯ２吸着材１１ＢからのＣＯ２の脱離と、第１ＣＯ２吸着材１１ＡへのＣＯ２の吸着を同時に行うものであり、図１１に示すように、第２開閉弁２５ＢＸ、２５ＢＹを閉弁し、第２開閉弁２５ＢＺのみを開弁する点が、第１吸着第２脱離モード（１）と異なる。

この制御により、エンジン３からの暖気は、開弁した第２開閉弁２５ＢＺを介して、第２熱交換部１０ＢのＺ層のみに流入する。これにより、主としてＺ層が暖機され、Ｚ層に対応する第２ＣＯ２吸着材１１Ｂの出口ＥＯ付近の部分が加熱され、第２ＣＯ２吸着材１１ＢからのＣＯ２の脱離がさらに進行する。一方、第２熱交換部１０Ｂからの冷気が第１ＣＯ２吸着材１１Ａに流入することによって、第１ＣＯ２吸着材１１ＡへのＣＯ２の吸着がさらに進行する。

以上のように、第１吸着第２脱離モード（１）では、エンジン３からの暖気が第２熱交換部１０ＢのＹ層及びＺ層に流入することで、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂの中央部から出口ＥＯまでの部分が重点的に加熱され、第１吸着第２脱離モード（２）では、エンジン３からの暖気が第２熱交換部１０ＢのＺ層にのみ流入することで、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂの出口付近の部分が重点的に加熱される。これにより、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂの出口ＥＯ付近に多く偏在するＣＯ２を効率良く脱離でき、ＣＯ２の脱離効率を向上させることができる。

第１吸着第２脱水モードは、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂからの脱水を促進すると同時に、第１ＣＯ２吸着材１１ＡへのＣＯ２の吸着を引き続き行うものである。図１２に示すように、第１吸着第２脱水モードでは、第１切替弁１５を第２排気通路４Ｂ側に、第２切替弁１６Ｂを第１ＣＯ２吸着材１１Ａ側に、第３切替弁１７Ｂを第１分岐通路４Ｃ側に、第４切替弁１９を第２分岐通路４Ｄ側に、それぞれ切り替える。また、第２開閉弁２５ＢＸ、２５ＢＹ、２５ＢＺをすべて開弁し、第３開閉弁１８Ａ、１８Ｂをそれぞれ閉弁及び開弁するとともに、第４開閉弁２６Ｅ、２６Ｆをそれぞれ閉弁及び開弁する。

以上の制御により、エンジン３からの暖気は、開弁した第２開閉弁２５ＢＸ、２５ＢＹ、２５ＢＺを介して、第２熱交換部１０ＢのＸ層、Ｙ層及びＺ層に流入する。これにより、第２熱交換部１０Ｂが全体的に暖機され、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂが入口ＥＩから出口ＥＯにわたって全体的に加熱される。第２熱交換部１０Ｂからの冷気は、第１ＣＯ２吸着材１１Ａに流入し、それにより、第１ＣＯ２吸着材１１ＡへのＣＯ２の吸着がさらに進行する。

この冷気は、第１ＣＯ２吸着材１１Ａから排出された後、第３切替弁１７Ｂにより第１分岐通路４Ｃに流入し、開弁した第３開閉弁１８Ｂを介して、圧縮機７及び凝縮器８を通る。さらに、冷気は、第４切替弁１９により第２分岐通路４Ｄに流入し、開弁した第４開閉弁２６Ｆを介して、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂの出口ＥＯ側に向かい、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂに出口ＥＯから流入するとともに、入口ＥＩから排出される。これにより、第２ＣＯ２吸着材１１Ｂの入口ＥＩ付近に多く残留するＨ２Ｏを効率良く除去する（脱水する）ことができる。その後、冷気は、第２切替弁１６Ａによりワンウェイバルブ５Ｂを介して大気に放出される。

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１０のＸ層、Ｙ層及びＺ層を流れる排気ガス流量を、開閉弁（第１開閉弁２５ＡＸ～２５ＡＺ、第２開閉弁２５ＢＸ～２５ＢＺ）を開閉することによって制御している。これに限らず、開閉弁に代えて流量制御弁を設け、Ｘ層、Ｙ層及びＺ層の排気ガス流量を互いに独立して可変に制御するようにしてもよい。

また、実施形態では、ＣＯ２吸着材１１の出口付近を部分的に加熱する加熱装置は、排気ガスの熱を利用するために、ＣＯ２吸着材１１の入出口方向に熱交換器１０をＸ層、Ｙ層及びＺ層に区画するとともに、開閉弁により、Ｙ層及びＺ層又はＺ層のみにエンジン３からの排気ガスを選択的に供給するように構成されている。これに代えて、適当な他の加熱装置、例えばＣＯ２吸着材１１の出口付近を直接、加熱する電気的なヒータを用いてもよい。さらに、実施形態では、熱交換器１０がＸ層、Ｙ層及びＺ層の計３層に区画されているが、この区画数を４以上又は２に適宜、増減してもよい。

また、実施形態に示した、ＣＯ２吸着装置１の動作モードを切り替えるための切替弁や開閉弁の配置や制御などは、あくまで例示であり、適宜、変更することが可能である。さらに、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や、車両用以外のエンジン、さらにはエンジン以外の用途に用いられるＣＯ２吸着装置に適用できる。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吸着装置
３ エンジン（内燃機関）
４ 排気通路
６Ａ 第１吸着脱離ユニット
６Ｂ 第２吸着脱離ユニット
１０Ａ 第１熱交換部（加熱装置）
１０Ｂ 第２熱交換部（加熱装置）
１１Ａ 第１ＣＯ２吸着材（ＣＯ２吸着材）
１１Ｂ 第２ＣＯ２吸着材（ＣＯ２吸着材）
２５ＡＸ、２５ＡＹ、２５ＡＺ
第１開閉弁（排気ガス流量制御手段）
２５ＢＸ、２５ＢＹ、２５ＢＺ
第２開閉弁（排気ガス流量制御手段）
Ｘ層 第１及び第２熱交換部のＸ層（熱交換部、入口側の熱交換部）
Ｙ層 第１及び第２熱交換部のＹ層（熱交換部）
Ｚ層 第１及び第２熱交換部のＺ層（熱交換部、出口側の熱交換部）
１７Ａ、１７Ｂ
第３切替弁（流路切替手段）
１９Ａ 第４切替弁（流路切替手段）
１８Ａ、１８Ｂ
第３開閉弁（流路切替手段）
２６Ｅ、２６Ｆ
第４開閉弁（流路切替手段）
ＥＩ 第１及び第２ＣＯ２吸着材の入口（ＣＯ２吸着材の入口）
ＥＯ 第１及び第２ＣＯ２吸着材の出口（ＣＯ２吸着材の出口）

Claims (4)

1. 排気ガス中のＣＯ２を吸着するＣＯ２吸着装置であって、
   入口から導入された排気ガス中のＣＯ２を低温時に吸着するとともに、吸着したＣＯ２を高温時に脱離し、出口から排出するＣＯ２吸着材と、
   前記ＣＯ２吸着材によるＣＯ２の脱離動作中、前記ＣＯ２吸着材の前記出口付近を部分的に加熱する加熱装置と、
   を備えることを特徴とするＣＯ２吸着装置。
2. 内燃機関の排気ガス中のＣＯ２を吸着する内燃機関のＣＯ２吸着装置であって、
   前記内燃機関からの排気ガスがそれぞれ流れる第１熱交換部及び第２熱交換部と、
   前記第１熱交換部に隣接して配置され、吸着動作中、前記第２熱交換部から排出され、入口を介して導入された排気ガス中のＣＯ２を吸着した後、出口から排気ガスを排出するとともに、脱離動作中、前記第１熱交換部を流れる排気ガスによって加熱され、前記吸着したＣＯ２を脱離する第１ＣＯ２吸着材と、
   前記第２熱交換部に隣接して配置され、吸着動作中、前記第１熱交換部から排出され、入口を介して導入された排気ガス中のＣＯ２を吸着した後、出口から排気ガスを排出するとともに、脱離動作中、前記第２熱交換部を流れる排気ガスによって加熱され、前記吸着したＣＯ２を脱離する第２ＣＯ２吸着材と、を備え、
   前記第１熱交換部は、前記第１ＣＯ２吸着材の前記入口と前記出口を結ぶ方向に区画された複数の熱交換部で構成され、前記第２熱交換部は、前記第２ＣＯ２吸着材の前記入口と前記出口を結ぶ方向に区画された複数の熱交換部で構成されており、
   前記第１及び第２熱交換部の前記複数の熱交換部を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御手段をさらに備えることを特徴とする内燃機関のＣＯ２吸着装置。
3. 前記排気ガス流量制御手段は、前記第１及び第２熱交換部の前記複数の熱交換部のうち、前記出口側の前記熱交換部の排気ガス流量を、前記入口側の前記熱交換部の排気ガス流量よりも増量するように制御することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関のＣＯ２吸着装置。
4. 前記第１ＣＯ２吸着材から排出された排気ガスが、前記第２ＣＯ２吸着材に前記出口から流入し、前記入口から排出され、前記第２ＣＯ２吸着材から排出された排気ガスが、前記第１ＣＯ２吸着材に前記出口から流入し、前記入口から排出されるように、排気ガスの流路を切り替える流路切替手段をさらに備えることを特徴とする、請求項２又は３に記載の内燃機関のＣＯ２吸着装置。
   

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