JP7119875B2

JP7119875B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP7119875B2
Application number: JP2018191919A
Authority: JP
Inventors: 大介林; 宏石杉山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2022-08-17
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Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に取り付けられたセンサの温度が過剰に上昇しないように、排気の温度及び走行風量に基づいてセンサ温度を推定し、推定したセンサ温度が所定温度に達すると内燃機関への燃料供給量を増加させることにより排気温度を低下させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６－１４４６６２号公報

内燃機関への燃料供給量を増加させることにより排気の温度を低下させることができるが、それだけでは十分でない場合もある。ここで、排気通路にＣＯ_２分離装置を備えることがある。このＣＯ_２分離装置は、例えばＣＯ_２だけが通過可能なＣＯ_２分離膜を有し、排気中のＣＯ_２がＣＯ_２分離膜を通過することにより、排気からＣＯ_２が分離される。このＣＯ_２分離装置では、ＣＯ_２分離装置内のＣＯ_２の濃度が高くなるほど、ＣＯ_２の分離を促進させることができる。例えば、排気を冷却することにより排気の体積流量が減少すると、ＣＯ_２分離装置内のＣＯ_２の体積あたり濃度が増加することにより、より多くのＣＯ_２がＣＯ_２分離膜を通過する。このため、ＣＯ_２分離装置に流入する排気の温度が低いほどＣＯ_２の分離効率を高めることができる。なお、ＣＯ_２の分離効率は、ＣＯ_２分離装置に流入したＣＯ_２の量に対する、分離されたＣＯ_２の量の比と定義することができる。従来のように内燃機関への燃料供給量を増加させるだけでは、ＣＯ_２を十分に分離させるほど排気の温度が低下しない虞がある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気の温度をより低下させることによりＣＯ_２の分離効率を向上させることにある。

上記課題を解決するための本発明の態様の一つは、内燃機関の排気通路に設けられ、外気と前記内燃機関の排気とで熱交換を行う第一熱交換器と、前記排気通路に設けられ、循環する熱媒体と前記排気とで熱交換を行う第二熱交換器と、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器よりも下流の前記排気通路に設けられ前記排気からＣＯ_２を分離するＣＯ_２分離装置と、を備える内燃機関の排気浄化装置である。

第一熱交換器は、外気と排気とで熱交換を行うことにより排気の温度を低下させる。通常は、外気は排気よりも温度が低いために、外気と排気とで熱交換が行われると、排気の温度が低下する。例えば内燃機関が車両に搭載されている場合には、車両が走行することにより第一熱交換器に走行風をより多く導入することが可能となり、排気の温度をより低下させることが可能となる。第二熱交換器は、外気以外の熱媒体を循環させつつ熱媒体と排気とで熱交換を行うことにより、排気の温度を低下させる。熱媒体は、気体または液体の何れの状態であってもよい。排気通路における第一熱交換器と第二熱交換器との配置順序は、任意に定めることができる。ＣＯ_２分離装置は、排気の温度が低いほどＣＯ_２の分離効率が高くなる装置である。したがって、第一熱交換器及び第二熱交換器によって排気
の温度を低下させることにより、ＣＯ_２分離装置におけるＣＯ_２の分離効率を高くすることができる。

前記熱媒体が前記内燃機関の冷却水であってもよい。内燃機関の冷却水は排気よりも温度が低いため、冷却水と排気とで熱交換を行うことにより排気の温度を低下させることができる。また、内燃機関の冷却水を熱媒体として利用することにより、ラジエータ等を共用することができるため、コストの削減が可能となる。一方、熱媒体は、内燃機関の冷却水とは異なる冷却水（例えば、トランスミッションの冷却水、または、第二熱交換器のために用意された冷却水）を熱媒体とすることもできる。この場合、内燃機関の冷却水よりも熱媒体の温度を低くすることが可能となるため、排気の温度をより低下させることが可能となる。なお、冷却水以外に代えて冷却油を用いることもできる。

前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させる循環装置と、前記循環装置を制御する制御装置と、を更に備え、前記第二熱交換器は前記第一熱交換器よりも下流の前記排気通路に備えられ、前記制御装置は、前記第一熱交換器において前記排気と前記外気とが熱交換を行った後の前記排気の温度である第一排気温度が、第一閾値以下の場合には、前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させなくてもよい。
また、前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させる循環装置と、前記循環装置を制御する制御装置と、を更に備え、前記第二熱交換器は前記第一熱交換器よりも上流の前記排気通路に備えられ、前記制御装置は、前記第一熱交換器において前記排気と前記外気とが熱交換を行った後の前記排気の温度であって、前記第二熱交換器に前記熱媒体が循環していない場合の前記排気の温度である第一排気温度が、第一閾値以下の場合には、前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させなくてもよい。

循環装置は、例えば、熱媒体を吐出するポンプを備える。さらに、熱媒体の流通を遮断するバルブを備えていてもよい。制御装置は、例えば、ポンプまたはバルブを制御することにより第二熱交換器における熱媒体の循環を制御する。第二熱交換器に熱媒体を循環させることにより、第二熱交換器において排気の温度を低下させることができるが、第二熱交換器に熱媒体を循環させるためにエネルギが必要になるため、内燃機関の燃料消費量が増加する。例えば、ポンプがモータで駆動される場合には、内燃機関での発電量を増加させるために内燃機関の負荷が増加するため、燃料消費量が増加する。ここで、第一熱交換器だけで排気の温度を十分に低下させることができれば、第二熱交換器によって排気の温度を低下させる必要がない。この場合、第二熱交換器に熱媒体を循環させる必要がない。そして、第二熱交換器に熱媒体を循環させなければ、燃料消費量を低減することができる。すなわち、第一排気温度が第一閾値以下の場合には、第一熱交換器だけで排気の温度を十分に低下させることができる判断できるため、熱媒体を第二熱交換器に循環させなければよい。第一排気温度は、第一熱交換器だけで低下した後の排気温度である。第一排気温度は、制御装置が推定した温度であってもよい。また、第一排気温度は、第二熱交換器に熱媒体が循環していないと仮定した場合に推定される排気の温度であってもよい。第二熱交換器が第一熱交換器よりも下流の排気通路に備えられている場合には、第一熱交換器よりも下流で且つ第二熱交換器よりも上流の排気の温度を第一排気温度としてもよい。第一閾値は、第二熱交換器に熱媒体を循環させなくても、ＣＯ_２の分離効率が許容範囲内となる温度の上限値である。なお、第一閾値は、第二熱交換器に熱媒体を循環させなくても、大気中へのＣＯ_２の排出量が許容範囲内となる排気の温度の上限値であってもよい。熱媒体を第二熱交換器に循環させない方法としては、熱媒体を吐出するポンプを停止させる、または、熱媒体の通路にバルブを設けてバルブを閉じることを例示できる。

前記制御装置は、前記第一排気温度が前記第一閾値よりも高い場合において、前記第二熱交換器に前記熱媒体が循環しているときの前記第二熱交換器による前記排気の温度の低下量である第二低下量が、第二閾値より大きい場合には前記熱媒体を前記第二熱交換器に
循環させ、前記第二閾値以下の場合には前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させなくてもよい。

第一排気温度が第一閾値よりも高い場合には、第一熱交換器による排気の温度低下だけではＣＯ_２の分離効率を十分に高めることができない。したがって、第二熱交換器に熱媒体を循環させることにより、第二熱交換器においても排気の温度を低下させることが考えられる。しかし、第二熱交換器に熱媒体を循環させることにより内燃機関の燃料消費量が増加すると、内燃機関から排出されるＣＯ_２の量も増加する。これにより、ＣＯ_２分離装置で分離できないＣＯ_２の量が増加する虞がある。一方、第二熱交換器に熱媒体を循環させたとしても、第二熱交換器において排気の温度がほとんど低下しない場合もある。すなわち、第二熱交換器に熱媒体を循環させないときよりも、熱媒体を循環させるときのほうが、大気中へのＣＯ_２の排出量が増加する場合ある。そこで、第二熱交換器に熱媒体を循環させると大気中へのＣＯ_２の排出量が増加する場合には、第二熱交換器に熱媒体を循環させないようにして、大気中へのＣＯ_２の排出量が増加することを抑制する。第二閾値は、第二熱交換器に熱媒体を循環させた場合は循環させない場合よりも、大気中へのＣＯ_２の排出量が多くなる排気の温度の低下量の上限値である。また、第二低下量は、制御装置が推定した温度の低下量であってもよい。

前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させる循環装置と、前記循環装置を制御する制御装置と、を更に備え、前記制御装置は、前記第二熱交換器に前記熱媒体が循環しているときの前記第二熱交換器による前記排気の温度の低下量である第二低下量が、第二閾値以下の場合には、前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させなくてもよい。

すなわち、第二熱交換器に熱媒体を循環させたとしても、第二熱交換において十分に排気の温度が低下しない場合には、第一熱交換器による排気の温度低下に関わらず、第二熱交換器に熱媒体を循環させないことにより、内燃機関の燃料消費量を低減することができる。すなわち、内燃機関からのＣＯ_２の排出量を低減することにより、大気中へのＣＯ_２の排出量を低減することができる。この場合の第二閾値も、第二熱交換器に熱媒体を循環させた場合は循環させない場合よりも、大気中へのＣＯ_２の排出量が多くなる排気の温度の低下量の上限値である。また、第二低下量は、制御装置が推定した温度の低下量であってもよい。

前記第二熱交換器は前記第一熱交換器よりも下流の前記排気通路に備えられ、前記制御装置は、前記第二低下量が前記第二閾値よりも大きい場合において、前記第一熱交換器において前記排気と前記外気とが熱交換を行った後の前記排気の温度である第一排気温度が、第一閾値よりも高い場合には前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させ、前記第一閾値以下の場合には、前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させなくてもよい。
また前記第二熱交換器は前記第一熱交換器よりも上流の前記排気通路に備えられ、前記制御装置は、前記第二低下量が前記第二閾値よりも大きい場合において、前記第一熱交換器において前記排気と前記外気とが熱交換を行った後の前記排気の温度であって、前記第二熱交換器に前記熱媒体が循環していない場合の前記排気の温度である第一排気温度が、第一閾値よりも高い場合には前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させ、前記第一閾値以下の場合には、前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させなくてもよい。

第二熱交換器に熱媒体を循環させるか否かに関わらず、第一熱交換器によって排気の温度を十分に低下させることができる場合もある。この場合には、第二熱交換器によって排気の温度を低下させる必要がない。すなわち、第二熱交換器に熱媒体を循環させる必要がない。そして、第二熱交換器に熱媒体を循環させなければ、燃料消費量を低減することができる。この場合の第一閾値も、第二熱交換器に熱媒体を循環させなくても、ＣＯ_２の分離効率が許容範囲内となる温度の上限値である。なお、第一閾値は、第二熱交換器に熱媒
体を循環させなくても、大気中へのＣＯ_２の排出量が許容範囲内となる排気の温度の上限値であってもよい。第一排気温度は、制御装置が推定した温度であってもよい。また、第一排気温度は、第二熱交換器に熱媒体が循環していないと仮定した場合に推定される排気の温度であってもよい。また、第二熱交換器が第一熱交換器よりも下流の排気通路に備えられている場合には、第一熱交換器よりも下流で且つ第二熱交換器よりも上流の排気の温度を第一排気温度としてもよい。

本発明によれば、排気の温度をより低下させることによりＣＯ_２の分離効率を向上させることができる。

第１実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。ＣＯ_２分離装置の概略構成を示す図である。第１実施形態に係る、バルブの開閉制御のフローを示したフローチャートである。第２実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。第２実施形態に係る、バルブの開閉制御のフローを示したフローチャートである。第３実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。第３実施形態に係る、ポンプの作動制御のフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施形態に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る内燃機関１の排気浄化装置の概略構成を示す図である。内燃機関１は、例えば車両駆動用のガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンである。内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には、排気の流れ方向の上流側から順に、第一熱交換器３、第二熱交換器４、ＣＯ_２分離装置５が備わる。第一熱交換器３よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する排気温度センサ１１が設けられている。

第一熱交換器３は、外気と排気通路２を流通する内燃機関１の排気とで熱交換を行うように形成されている。第二熱交換器４は、内燃機関１の冷却水と排気通路２を流通する内燃機関１の排気とで熱交換を行うように形成されている。ＣＯ_２分離装置５は、排気からＣＯ_２を分離する装置である。図２は、ＣＯ_２分離装置５の概略構成を示す図である。なお、ＣＯ_２分離装置は、図２に示した構造のものに限らない。図２における破線の矢印はガスの流れる方向を示している。ＣＯ_２分離装置５には、排気中に含まれる成分のうち主にＣＯ_２を通過させる膜状に形成されたＣＯ_２分離膜５１が備わる。ＣＯ_２分離膜５１は、ＣＯ_２分離装置５の内部空間を二分しており、一方の空間には、排気の入口２Ａ及び出口２Ｂが設けられており、他方の空間にはＣＯ_２の出口５２Ａが設けられている。排気の入口２Ａ及び出口２Ｂには、排気通路２が接続されている。ＣＯ_２の出口５２Ａには、ＣＯ_２が流通するＣＯ_２排出通路５２が接続されている。排気の入口２ＡからＣＯ_２分離装置５に流入した排気がＣＯ_２分離膜５１に接触すると、その排気中のＣＯ_２がＣＯ_２分離膜５１を通過し、他の成分と分離される。分離された他の成分は、排気の出口２Ｂから排
出される。一方、ＣＯ_２分離膜５１を通過したガスは、ＣＯ_２の出口５２Ａから排出され、ＣＯ_２排出通路５２を流通する。このように、ＣＯ_２分離装置５よりも下流の排気通路２には、ＣＯ_２の濃度が比較的低いガスが流れ、ＣＯ_２排出通路５２には、ＣＯ_２の濃度が比較的高いガスが流れる。ＣＯ_２排出通路５２は、例えばＣＯ_２を貯留するタンクに接続されており、ＣＯ_２排出通路５２を流通したＣＯ_２はこのタンクに貯留される。

また、第二熱交換器４には、冷却水循環システム４０により冷却水が循環する。冷却水循環システム４０は、内燃機関１の冷却水を内燃機関１及び第二熱交換器４に循環させる。冷却水循環システム４０は、外気と冷却水とで熱交換を行うラジエータ４１、冷却水が流通する冷却水通路４２、冷却水通路４２に設けられ冷却水を吐出するポンプ４３、ポンプ４３のすぐ下流において冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ４４、第二熱交換器４に通じる冷却水通路４２を開閉するバルブ４５を有する。なお、バルブ４５または冷却水循環システム４０は、循環装置の一例である。冷却水通路４２は、第一通路４２Ａ、第二通路４２Ｂ、第三通路４２Ｃ、第四通路４２Ｄを有する。第一通路４２Ａは、内燃機関１とラジエータ４１とを接続し、内燃機関１から排出される冷却水をラジエータ４１に流入させる。第二通路４２Ｂは、内燃機関１とラジエータ４１とをポンプ４３及び冷却水温度センサ４４を介して接続し、ラジエータ４１から排出される冷却水を内燃機関１に流入させる。第三通路４２Ｃは、ラジエータ４１と第二熱交換器４とをポンプ４３、冷却水温度センサ４４、及びバルブ４５を介して接続し、ラジエータ４１から排出される冷却水を第二熱交換器４に流入させる。第四通路４２Ｄは、ラジエータ４１と第二熱交換器４とを接続し、第二熱交換器４から排出される冷却水をラジエータ４１に流入させる。なお、第二通路４２Ｂと第三通路４２Ｃとは、ラジエータ４１から冷却水温度センサ４４よりも下流側までの通路を共用している。ポンプ４３は、第二通路４２Ｂ及び第三通路４２Ｃにおいて、ラジエータ４１側から内燃機関１側又は第二熱交換器４側に冷却水を吐出する。なお、ポンプ４３は、駆動力を電動モータから得てもよく、内燃機関１から得てもよい。

ポンプ４３が作動し且つバルブ４５が閉じている場合には、第一通路４２Ａ及び第二通路４２Ｂに冷却水が流通することにより、内燃機関１の冷却水が内燃機関１及びラジエータ４１を循環する。一方、ポンプ４３が作動し且つバルブ４５が開いている場合には、第一通路４２Ａ及び第二通路４２Ｂの他に、さらに第三通路４２Ｃ及び第四通路４２Ｄにも冷却水が流通する。これにより、内燃機関１の冷却水が第二熱交換器４にも流通する。内燃機関１の冷却水の温度は、通常は外気の温度よりも高いため、冷却水がラジエータ４１を通過すると冷却水の温度が低下する。また、内燃機関１の排気の温度は、通常は冷却水の温度よりも高いため、冷却水が第二熱交換器４を通過すると冷却水の温度が上昇し且つ排気の温度が低下する。ここで、内燃機関１からの排気が第一熱交換器３を通過するときに、排気と外気とで熱交換が行われる。したがって、排気が第一熱交換器３を通過することにより、排気の温度が低下する。さらに、バルブ４５が開いている場合には、排気が第二熱交換器４を通過するときに排気と内燃機関１の冷却水とで熱交換が行われる。これにより、排気の温度がさらに低下する。したがって、ＣＯ_２分離装置５に流入する排気の温度を十分に低くすることができるため、ＣＯ_２の分離効率を高めることができる。

そして、内燃機関１にはコントローラ（制御装置）である電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、プロセッサ、主記憶部、補助記憶部を有したコンピュータである。ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御する。このときには、プロセッサが、主記憶部上の所定のプログラムを実行する。ＥＣＵ１０には、上述した排気温度センサ１１の他、車速センサ１２及び外気温度センサ１３が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ１０に渡される。車速センサ１２は、内燃機関１が搭載されている車両の速度を検出するセンサである。外気温度センサ１３は、外気の温度を検出するセンサである。この外気は、第一熱交換器３に接する前の外気の温度である。

ＥＣＵ１０は、バルブ４５の開閉を制御する。ここで、ＣＯ_２分離装置５に流入する排気の温度が低くなるほど、ＣＯ_２の体積あたり濃度が高くなることにより、排気中のＣＯ_２がＣＯ_２分離膜５１に接する機会が増加する。これにより、ＣＯ_２の分離効率が高くなる。一方、排気が第一熱交換器３を通過するだけで排気の温度が十分に低下する場合もある。このような場合には、第二熱交換器４によって排気の温度を低下させる必要がない。そして、第二熱交換器４によって排気の温度を低下させる必要がない場合には、バルブ４５を閉じることができる。バルブ４５を閉じることにより第二熱交換器４に冷却水が循環しなくなると、ポンプ４３の負荷が低下するため、内燃機関１の負荷を低下させることができる。例えば、ポンプ４３が電動ポンプの場合にはポンプ４３の負荷を低下させることにより内燃機関１による発電量を低減させることができるため、内燃機関１の負荷を低減させることができる。そして、内燃機関１の負荷が低減することにより、内燃機関１の燃料消費量が低減するため、内燃機関１から排出されるＣＯ_２の量を低減することができる。これにより、大気中に排出されるＣＯ_２の量を低減することができる。

そこで、ＥＣＵ１０はバルブ４５の開閉を制御することにより、大気中に排出されるＣＯ_２の量を低減する。図３は、バルブ４５の開閉制御のフローを示したフローチャートである。バルブ４５の開閉制御はＥＣＵ１０により所定の時間毎に繰り返し実行される。ステップＳ１０１では、排気温度ＴＥＸ、車速ＶＡ、外気温度ＴＡが読み込まれる。排気温度ＴＥＸは、排気温度センサ１１により検出される。車速ＶＡは、車速センサ１２により検出される。外気温度ＴＡは、外気温度センサ１３により検出される。ステップＳ１０２では、第一熱交換器３における排気温度の低下量ＤＴＡが算出される。第一熱交換器３における排気温度の低下量ＤＴＡは、車速ＶＡ、外気温度ＴＡ等と相関関係にあるため、これらの関係を予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化しておく。また、第一熱交換器３における排気温度の低下量ＤＴＡを、第一熱交換器３の仕様、外気温度ＴＡと排気温度ＴＥＸとの差、等に基づく物理モデル等により求めることもできる。なお、周知の方法により第一熱交換器３における排気温度の低下量ＤＴＡを算出してもよい。

ステップＳ１０３では、排気温度ＴＥＸと、排気温度の低下量ＤＴＡとの差（ＴＥＸ－ＤＴＡ）が、目標温度ＴＥＸＴＲＧよりも高いか否か判定される。排気温度ＴＥＸと、排気温度の低下量ＤＴＡとの差（ＴＥＸ－ＤＴＡ）は、排気が第一熱交換器３を通過した後の排気温度を示している。目標温度ＴＥＸＴＲＧは、ＣＯ_２分離装置５におけるＣＯ_２の分離効率が許容範囲内となる温度の上限値である。目標温度ＴＥＸＴＲＧは、第一閾値の一例である。上記の差（ＴＥＸ－ＤＴＡ）が目標温度ＴＥＸＴＲＧ以下であれば、第二熱交換器４において排気温度を低下させる必要はない。したがって、ステップＳ１０３で否定判定された場合にはステップＳ１０８へ進み、バルブ４５が閉じられる。これにより、第二熱交換器４に冷却水が循環しなくなるため、ポンプ４３の負荷を低減させることができるので、内燃機関１の燃料消費量を低減させることができる。一方、ステップＳ１０３で肯定判定された場合にはステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４では、内燃機関１の冷却水温度ＴＷが読み込まれる。冷却水温度ＴＷは、冷却水温度センサ４４により検出される。ステップＳ１０５では、第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷが算出される。この排気温度の低下量ＤＴＷは、バルブ４５が開いていると仮定した場合の第二熱交換器４における排気温度の低下量である。第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷは、冷却水温度ＴＷ等と相関関係にあるため、これらの関係を予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化しておく。また、第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷを、第二熱交換器４の仕様、冷却水温度ＴＷと排気温度（ＴＥＸ－ＤＴＡ）との差、等に基づく物理モデル等により求めることもできる。なお、周知の方法により第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷを算出してもよい。

ステップＳ１０６では、第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷが、目標低下量ＤＴＷＴＲＧよりも大きいか否か判定される。目標低下量ＤＴＷＴＲＧは、第二熱交換器４に冷却水を循環させた場合は循環させない場合よりも、大気中へのＣＯ_２の排出量が多くなる排気の温度の低下量の上限値である。目標低下量ＤＴＷＴＲＧは、第二閾値の一例である。第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷが、目標低下量ＤＴＷＴＲＧ以下であれば、第二熱交換器４において排気温度を低下させるメリットよりも、大気中へ排出されるＣＯ_２の増加によるデメリットの方が大きいと判断される。したがって、ステップＳ１０６で否定判定された場合にはステップＳ１０８へ進み、バルブ４５が閉じられる。これにより、第二熱交換器４に冷却水が循環しなくなるため、ポンプ４３の負荷を低減させることができるので、内燃機関１の燃料消費量を低減させることができる。一方、ステップＳ１０６で肯定判定された場合にはステップＳ１０７へ進む。ステップＳ１０７では、バルブ４５が開かれる。これにより、第二熱交換器４に冷却水が循環するため、第二熱交換器４において排気温度を低下させることができる。

このように、第一熱交換器３及び第二熱交換器４を備えることにより、ＣＯ_２分離装置５に流入する排気の温度を十分に低下させることができるため、ＣＯ_２分離装置５におけるＣＯ_２の分離効率を高めることができる。また、第二熱交換器４により排気温度を低下させる必要がない場合や、第二熱交換器４により排気温度を低下させると大気中へのＣＯ_２の排出量が増加する場合には、第二熱交換器４に冷却水を循環させないため、内燃機関１の燃料消費量を低減したり排気中へのＣＯ_２の排出量を低減したりできる。

（第２実施形態）
図４は、本実施形態に係る内燃機関１の排気浄化装置の概略構成を示す図である。図１と異なる点について主に説明する。本実施形態では、第一熱交換器３よりも第二熱交換器４の方が排気通路２の上流側に備わる。ここで、第一熱交換器３は、外気と排気との熱交換を行うため、外気の温度が低いほど排気温度の低下量が大きくなる。第一熱交換器３が内燃機関１に近い場合には、内燃機関１の回りを流通して温度が高くなった外気が第一熱交換器３に接するため、排気温度の低下量が小さくなる虞がある。一方、第一熱交換器３を内燃機関１から離して配置した場合には、第一熱交換器３に接する外気の温度がより低くなるため、排気温度の低下量をより大きくすることができる。

また、第二熱交換器４には、冷却水通路４２が接続されている。この冷却水通路４２が長くなるほど、ポンプ４３の負荷が増加すると共にコストが増加する。これに対して、ラジエータ４１に近い位置に第二熱交換器４を配置することにより、冷却水通路４２を短くすることができる。したがって、第一熱交換器３よりも上流の排気通路２に第二熱交換器４を備えることにより、第一熱交換器３による排気温度の低下量をより大きくすることができ、且つ、第二熱交換器４を設置するコストを低減しつつポンプ４３の負荷を低下させることができる。

上記構成においても、図３に示したバルブ４５の開閉制御を実施することができる。この場合の、ステップＳ１０３における排気温度ＴＥＸは、第二熱交換器４に冷却水が循環していない場合の排気温度である。なお、ステップＳ１０１において読み込まれる排気温度センサ１１の検出値が、第一熱交換器３に流入する排気温度ＴＥＸであると仮定してもよい。すなわち、第二熱交換器４において排気温度が低下しないものと仮定して、ステップＳ１０３の判定を行ってもよい。一方、以下の図５に示すフローチャートにしたがって、バルブ４５の開閉制御を実施してもよい。図５は、本実施形態に係る、バルブ４５の開閉制御のフローを示したフローチャートである。バルブ４５の開閉制御はＥＣＵ１０により所定の時間毎に繰り返し実行される。ステップＳ２０１では、排気温度ＴＥＸ、及び、内燃機関１の冷却水温度ＴＷが読み込まれる。排気温度ＴＥＸは、排気温度センサ１１により検出される。冷却水温度ＴＷは、冷却水温度センサ４４により検出される。ステップ
Ｓ２０２では、第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷが算出される。排気温度の低下量ＤＴＷは、バルブ４５が開いている場合の第二熱交換器４における排気温度の低下量、すなわち、第二熱交換器４に冷却水が循環しているときの第二熱交換器４における排気温度の低下量である。なお、第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷは、バルブ４５が開いていると仮定してＥＣＵ１０が推定してもよい。第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷは、冷却水温度ＴＷ等と相関関係にあるため、これらの関係を予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化しておく。また、第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷを、第二熱交換器４の仕様、冷却水温度ＴＷと排気温度ＴＥＸとの差、等に基づく物理モデル等により求めることもできる。なお、周知の方法により第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷを算出してもよい。

ステップＳ２０３では、第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷが、目標低下量ＤＴＷＴＲＧよりも大きいか否か判定される。目標低下量ＤＴＷＴＲＧは、第二熱交換器４に冷却水を循環させた場合は循環させない場合よりも、大気中へのＣＯ_２の排出量が多くなる排気の温度の低下量の上限値である。目標低下量ＤＴＷＴＲＧは、第二閾値の一例である。本ステップＳ２０３では、第二熱交換器４において排気温度を十分に低下させることができるか否か判定している。したがって、ステップＳ２０３で否定判定された場合にはステップＳ２０９へ進み、バルブ４５が閉じられる。これにより、大気中へのＣＯ_２の排出量が増加することを抑制できる。一方、ステップＳ２０３で肯定判定された場合にはステップＳ２０４へ進む。

ステップＳ２０４では、車速ＶＡ、及び、外気温度ＴＡが読み込まれる。車速ＶＡは、車速センサ１２により検出される。外気温度ＴＡは、外気温度センサ１３により検出される。ステップＳ２０５では、第一熱交換器３における排気温度の低下量ＤＴＡが算出される。第一熱交換器３における排気温度の低下量ＤＴＡは、車速ＶＡ、外気温度ＴＡ等と相関関係にあるため、これらの関係を予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化しておく。また、第一熱交換器３における排気温度の低下量ＤＴＡを、第一熱交換器３の仕様、外気温度ＴＡと第一熱交換器３よりも上流における排気温度ＴＥＸとの差、等に基づく物理モデル等により求めることもできる。この場合の排気温度ＴＥＸは、バルブ４５が閉じていると仮定した場合に第一熱交換器３に流入する排気温度であり、排気温度センサ１１により検出される排気温度とする。なお、周知の方法により第一熱交換器３における排気温度の低下量ＤＴＡを算出してもよい。

ステップＳ２０６では、排気温度ＴＥＸと、排気温度の低下量ＤＴＡとの差（ＴＥＸ－ＤＴＡ）が、目標温度ＴＥＸＴＲＧよりも高いか否か判定される。このときの排気温度ＴＥＸは、バルブ４５が閉じていると仮定した場合に第一熱交換器３に流入する排気温度であり、排気温度センサ１１により検出される排気温度とする。排気温度ＴＥＸと、排気温度の低下量ＤＴＡとの差（ＴＥＸ－ＤＴＡ）は、第一熱交換器３だけで排気温度を低下させた場合の低下後の排気温度を示している。目標温度ＴＥＸＴＲＧは、ＣＯ_２分離装置５におけるＣＯ_２の分離効率が許容範囲内となる温度の上限値である。目標温度ＴＥＸＴＲＧは、第一閾値の一例である。したがって、本ステップＳ２０６では、第一熱交換器３だけで排気温度を十分に低下させることができるか否か判定している。そして、上記の差（ＴＥＸ－ＤＴＡ）が目標温度ＴＥＸＴＲＧ以下であれば、第一熱交換器３だけで排気温度を十分に低下させることができる。したがって、ステップＳ２０６で肯定判定された場合にはステップＳ２０７へ進んで、バルブ４５が閉じられる。これにより、第二熱交換器４に冷却水が循環しなくなるため、ポンプ４３の負荷を低減させることができるので、内燃機関１の燃料消費量を低減させることができる。一方、ステップＳ２０６で否定判定された場合には、第一熱交換器３だけでは排気温度を十分に低下させることができないため、ステップＳ２０８へ進んで、バルブ４５が開かれる。これにより、第二熱交換器４においても排気温度が低下される。

このように、第一熱交換器３及び第二熱交換器４の配置順によらず、ＣＯ_２の分離効率を向上させることができる。なお、図５に示したバルブ４５の開閉制御は、図１に示した構成においても実施することができる。

（第３実施形態）
図６は、本実施形態に係る内燃機関１の排気浄化装置の概略構成を示す図である。図１と異なる点について主に説明する。本実施形態では、内燃機関１の冷却水とは異なる冷却水を第二熱交換器４に循環させる。なお、第二熱交換器４に循環させる冷却水は、第二熱交換器４において排気を冷却するためだけに用意された冷却水であってもよい。本実施形態では、内燃機関１を循環する冷却水は第一冷却水循環システム４００により循環され、第二熱交換器４を循環する冷却水は第二冷却水循環システム６００により循環される。

第一冷却水循環システム４００は、外気と冷却水とで熱交換を行うラジエータ４１、冷却水が流通する冷却水通路４２、冷却水通路４２に設けられ冷却水を吐出するポンプ４３を有する。冷却水通路４２は、第一通路４２Ａ及び第二通路４２Ｂを有する。第一通路４２Ａは、内燃機関１とラジエータ４１とを接続し、内燃機関１から排出される冷却水をラジエータ４１に流入させる。第二通路４２Ｂは、内燃機関１とラジエータ４１とをポンプ４３を介して接続し、ラジエータ４１から排出される冷却水を内燃機関１に流入させる。

第二冷却水循環システム６００は、外気と冷却水とで熱交換を行うラジエータ６１、冷却水が流通する冷却水通路６２、冷却水通路６２に設けられ冷却水を吐出するポンプ６３、ポンプ６３とラジエータ６１との間の冷却水通路６２を流通する冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ６４を有する。なお、ポンプ６３または第二冷却水循環システム６００は、循環装置の一例である。冷却水通路６２は、第一通路６２Ａと第二通路６２Ｂとを有する。第一通路６２Ａは、ラジエータ６１と第二熱交換器４とを接続し、第二熱交換器４から排出される冷却水をラジエータ６１に流入させる。第二通路６２Ｂは、ラジエータ６１と第二熱交換器４とを接続し、ラジエータ６１から排出される冷却水を冷却水温度センサ６４及びポンプ６３を介して第二熱交換器４に流入させる。ポンプ６３は、第二通路６２Ｂにおいてラジエータ６１側から第二熱交換器４側に冷却水を吐出する。なお、ポンプ６３は、駆動力を電動モータから得てもよい。第一冷却水循環システム４００と第二冷却水循環システム６００とは夫々独立しており、第一冷却水循環システム４００を循環する冷却水と、第二冷却水循環システム６００を循環する冷却水とは混ざらないように構成されている。なお、本実施形態では、第二熱交換器４に冷却水を循環させる構成について説明するが、冷却水に代えて他の熱媒体（例えば冷却油）を循環させる構成であってもよい。冷却水は、水に添加物（例えば不凍液）を加えたものであってもよい。

冷却水温度センサ６４はＥＣＵ１０に電気的に接続され、冷却水温度センサ６４の検出値がＥＣＵ１０に渡される。ＥＣＵ１０は、第１実施形態におけるバルブ４５の開閉制御に代えて、ポンプ６３の作動を制御する。すなわち、第１実施形態においてバルブ４５を閉じることに代えて、ポンプ６３を停止させ、第１実施形態においてバルブ４５を開くことに代えて、ポンプ６３を作動させる。このときには、プロセッサが、主記憶部上の所定のプログラムを実行する。

図７は、ポンプ６３の作動制御のフローを示したフローチャートである。ポンプ６３の作動制御はＥＣＵ１０により所定の時間毎に繰り返し実行される。ステップＳ３０１からステップＳ３０３では、図３におけるステップＳ１０１からステップＳ１０３までと同じ処理が行われる。なお、ステップＳ３０３で否定判定された場合にはステップＳ３０８へ進み、ポンプ６３が停止される。これにより、第二熱交換器４に冷却水が循環しなくなる。このときには、第一熱交換器３だけで排気温度を十分に低下させることができるため、
ポンプ６３を作動させる必要がない。そして、ポンプ６３を停止させることにより、ポンプ６３の負荷を低減させることができるので、内燃機関１の燃料消費量を低減させることができる。一方、ステップＳ３０３で肯定判定された場合にはステップＳ３０４へ進む。

ステップＳ３０４では、冷却水温度ＴＷ２が読み込まれる。冷却水温度ＴＷ２は、冷却水温度センサ６４により検出される。ステップＳ３０５では、第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷが算出される。第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷは、冷却水温度ＴＷ２等と相関関係にあるため、これらの関係を予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化しておく。また、第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷを、第二熱交換器４の仕様、冷却水温度ＴＷ２と排気温度（ＴＥＸ－ＤＴＡ）との差、等に基づく物理モデル等により求めることもできる。なお、周知の方法により第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷを算出してもよい。

ステップＳ３０６では、第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷが、目標低下量ＤＴＷＴＲＧよりも大きいか否か判定される。目標低下量ＤＴＷＴＲＧは、第二熱交換器４に冷却水を循環させた場合は循環させない場合よりも、大気中へのＣＯ_２の排出量が多くなる排気の温度の低下量の上限値である。目標低下量ＤＴＷＴＲＧは、第二閾値の一例である。第二熱交換器４における排気温度の低下量ＤＴＷが、目標低下量ＤＴＷＴＲＧ以下であれば、第二熱交換器４において排気温度を低下させるメリットよりも、大気中へ排出されるＣＯ_２の増加によるデメリットの方が大きいと判断される。したがって、ステップＳ３０６で否定判定された場合にはステップＳ３０８へ進み、ポンプ６３が停止される。これにより、第二熱交換器４に冷却水が循環しなくなるため、ポンプ４３の負荷を低減させることができるので、内燃機関１の燃料消費量を低減させることができる。一方、ステップＳ３０６で肯定判定された場合にはステップＳ３０７へ進む。ステップＳ３０７では、ポンプ６３が作動される。これにより、第二熱交換器４に冷却水が循環するため、第二熱交換器４において排気温度を低下させることができる。

このように、ポンプ６３の作動制御を実施することにより、ＣＯ_２分離装置５に流入する排気の温度を十分に低下させることができるため、ＣＯ_２分離装置５におけるＣＯ_２の分離効率を高めることができる。また、第二熱交換器４により排気温度を低下させる必要がない場合や、第二熱交換器４により排気温度を低下させると大気中へのＣＯ_２の排出量が増加する場合には、ポンプ６３を停止させるため、内燃機関１の燃料消費量を低減したり排気中へのＣＯ_２の排出量を低減したりできる。また、内燃機関１を冷却する第一冷却水循環システム４００とは別に、第二熱交換器４に冷却水を循環させる第二冷却水循環システム６００を設けることにより、冷却水通路６２を短くすることができる。したがって、コストが増加することを抑制したり、ポンプ６３の負荷が増加することを抑制したりすることができる。また、第二冷却水循環システム６００には、内燃機関１の冷却水の温度よりも低い温度の冷却水を循環させることができるため、第二熱交換器４において排気温度をより低下させることができる。これにより、ＣＯ_２の分離効率をより高めることができる。なお、第２実施形態で説明したように、第一熱交換器３の上流側の排気通路２に第二熱交換器４を設けることもできる。

１内燃機関
２排気通路
３第一熱交換器
４第二熱交換器
５ＣＯ_２分離装置
１０ＥＣＵ
１１排気温度センサ
１２車速センサ
１３外気温度センサ
４０冷却水循環システム
４１ラジエータ
４２冷却水通路
４３ポンプ
４４冷却水温度センサ
４５バルブ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、外気と前記内燃機関の排気とで熱交換を行う第一熱交換器と、
前記排気通路に設けられ、循環する熱媒体と前記排気とで熱交換を行う第二熱交換器と、
前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器よりも下流の前記排気通路に設けられ前記排気からＣＯ_２を分離するＣＯ_２分離装置と、
前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させる循環装置と、
前記循環装置を制御する制御装置と、
を備え、
前記第二熱交換器は前記第一熱交換器よりも下流の前記排気通路に備えられ、
前記制御装置は、前記第二熱交換器に前記熱媒体が循環しているときの前記第二熱交換器による前記排気の温度の低下量である第二低下量が、第二閾値以下の場合には、前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させず、
前記制御装置は、前記第二低下量が前記第二閾値よりも大きい場合において、前記第一熱交換器において前記排気と前記外気とが熱交換を行った後の前記排気の温度である第一排気温度が、第一閾値よりも高い場合には前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させ、前記第一閾値以下の場合には、前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させない、
内燃機関の排気浄化装置。
内燃機関の排気通路に設けられ、外気と前記内燃機関の排気とで熱交換を行う第一熱交換器と、
前記排気通路に設けられ、循環する熱媒体と前記排気とで熱交換を行う第二熱交換器と、
前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器よりも下流の前記排気通路に設けられ前記排気からＣＯ_２を分離するＣＯ_２分離装置と、
前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させる循環装置と、
前記循環装置を制御する制御装置と、
を備え、
前記第二熱交換器は前記第一熱交換器よりも上流の前記排気通路に備えられ、
前記制御装置は、前記第二熱交換器に前記熱媒体が循環しているときの前記第二熱交換
器による前記排気の温度の低下量である第二低下量が、第二閾値以下の場合には、前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させず、
前記制御装置は、前記第二低下量が前記第二閾値よりも大きい場合において、前記第一熱交換器において前記排気と前記外気とが熱交換を行った後の前記排気の温度であって、前記第二熱交換器に前記熱媒体が循環していない場合の前記排気の温度である第一排気温度が、第一閾値よりも高い場合には前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させ、前記第一閾値以下の場合には、前記熱媒体を前記第二熱交換器に循環させない、
内燃機関の排気浄化装置。
前記熱媒体が前記内燃機関の冷却水である、
請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。