JP2023118528A - 内燃機関のｃｏ２分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２吸着器に吸着したＣＯ２を効率よく脱離させることができるとともに、設置される排気系の要求や制約などに柔軟に対応す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】排ガスが流れる複数の吸着用通路７１を有し、その壁面に、温度に応じてＣＯ２を吸着及び脱離可能な吸着材が設けられたＣＯ２吸着器７と、排ガスが流れる複数の熱交換用通路６１を有し、ＣＯ２吸着器７に接した状態に設けられ、熱交換用通路６１に排ガスが流れる際に、排ガスの熱を奪いながらＣＯ２吸着器７に伝えることにより、ＣＯ２吸着器７を加温する熱交換器６と、を備え、横断面Ｃにおける単位面積当たりの吸着用セル７２及び熱交換用セル６２の数がそれぞれ所定数になるように、及び／又は横断面Ｃにおける吸着用セル７２及び熱交換用セル６２のサイズがそれぞれ所定サイズになるように、設定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載された内燃機関の排気系に設けられ、内燃機関から排出された排ガスから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言われており、排ガスからＣＯ２を分離、回収し、大気中に排出されるＣＯ２量を低減することが求められている。

従来、排ガスからＣＯ２を分離するＣＯ２分離装置として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。このＣＯ２分離装置では、内燃機関の排気通路に、ＣＯ２を捕捉するＣＯ２捕捉材を設置し、内燃機関の排ガス中のＣＯ２をＣＯ２捕捉材で捕捉するとともに、捕捉したＣＯ２をＣＯ２捕捉材から脱離させるようになっている。

具体的には、排気通路は、切替バルブによって、一方にのみ排ガスを流すことが可能な２つの分岐通路を備えており、両分岐通路にそれぞれＣＯ２捕捉材が設けられている。一方の分岐通路に排ガスを流すことにより、その分岐通路のＣＯ２捕捉材で排ガス中のＣＯ２を捕捉し（捕捉工程）、他方の分岐通路のＣＯ２捕捉材を、排ガスの熱を利用して加温することにより、ＣＯ２捕捉材に捕捉されているＣＯ２を脱離させる（脱離工程）。そして、各ＣＯ２捕捉材において、上記の捕捉工程と脱離工程を交互に繰り返すことにより、排ガスからＣＯ２が分離される。

国際公開第２０１６／０７６０４１号

上記のＣＯ２分離装置では、ＣＯ２捕捉材からＣＯ２を脱離させる際に、内燃機関の排ガスの一部を取り出し、その取り出した排ガスの熱を、熱媒体を介してＣＯ２捕捉材に与えることで、ＣＯ２捕捉材を昇温させ、それにより、ＣＯ２捕捉材に捕捉されていたＣＯ２を脱離させている。

しかし、上記のＣＯ２分離装置では、ＣＯ２捕捉材の昇温の際に、十分な排ガスによる熱量をＣＯ２捕捉材に与えることができず、そのＣＯ２捕捉材の昇温に時間がかかるおそれがある。その場合には、ＣＯ２捕捉材からのＣＯ２の脱離に時間がかかってしまう。また、上記の特許文献１には、ＣＯ２捕捉材の昇温のために、排ガスの熱を、熱媒体を介してＣＯ２捕捉材に与えるという記載しかなく、ＣＯ２捕捉材への具体的な熱の供給方法については開示されていない。さらに、内燃機関を搭載する車両には、車種などに応じて、多種多様な排気系があり、そのため、排気系に設置されるＣＯ２分離装置には、その排気系の要求や制約などに柔軟に対応可能であることが好ましい。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、ＣＯ２吸着器に吸着したＣＯ２を効率よく脱離させることができるとともに、設置される排気系の要求や制約などに柔軟に対応す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。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関３の排気系（実施形態における（以下、本項において同じ）排気通路４、第１排気通路４ａ、第２排気通路４ｂ）に設けられ、内燃機関から排出された排ガスからＣＯ２を分離する内燃機関のＣＯ２分離装置２であって、互いに平行にかつ第１所定方向に延び、排ガスが流れる複数の吸着用通路７１を有し、吸着用通路の壁面に、温度に応じてＣＯ２を吸着及び脱離可能な所定の吸着材が設けられたＣＯ２吸着器７と、互いに平行にかつ第２所定方向に延び、排ガスが流れる複数の熱交換用通路６１を有し、ＣＯ２吸着器に接した状態に設けられ、熱交換用通路に排ガスが流れる際に、排ガスの熱を奪いながらＣＯ２吸着器に伝えることにより、ＣＯ２吸着器を加温する熱交換器６と、を備え、複数の吸着用通路及び複数の熱交換用通路の横断面Ｃにおいて、複数の吸着用通路の各々の開口部、及び複数の熱交換用通路の各々の開口部をそれぞれ、吸着用セル７２及び熱交換用セル６２としたときに、横断面における単位面積当たりの吸着用セル及び熱交換用セルの数がそれぞれ所定数になるように、及び／又は横断面における吸着用セル及び熱交換用セルのサイズがそれぞれ所定サイズになるように、設定されることを特徴とする。

この構成によれば、ＣＯ２分離装置は、ＣＯ２吸着器及び熱交換器を備えており、熱交換器がＣＯ２吸着器に接した状態に設けられている。ＣＯ２吸着器は、互いに平行にかつ第１所定方向に延び、排ガスが流れる複数の吸着用通路を有しており、各吸着用通路の壁面に、温度に応じてＣＯ２を吸着及び脱離可能な吸着材が設けられている。この吸着材として、例えば比較的低い所定の低温度範囲でＣＯ２を吸着し、その低温度範囲よりも高い所定の高温度範囲でＣＯ２を脱離するゼオライトなどを用いることが可能である。したがって、吸着材が上記の低温度範囲にあるときに、内燃機関から排出された排ガスが吸着用通路に流れることにより、排ガス中のＣＯ２が吸着用通路の吸着材に吸着される。

一方、熱交換器は、互いに平行にかつ第２所定方向に延び、排ガスが流れる複数の熱交換用通路を有しており、内燃機関から排出された排ガスが各熱交換用通路に流れる際に、その排ガスの熱を奪いながらＣＯ２吸着器に伝えることにより、ＣＯ２吸着器を加温する。このように、熱交換器によって、ＣＯ２吸着器が加温されることにより、そのＣＯ２吸着器における吸着材の温度が上昇し、上記の高温度範囲にあるときに、ＣＯ２吸着器の吸着材からＣＯ２が脱離する。

以上のように、熱交換器の複数の熱交換用通路に、内燃機関から排出された高温の排ガスを流すことにより、その排ガスの熱を用いてＣＯ２吸着器を加温し、そのＣＯ２吸着器に吸着しているＣＯ２を効率よく脱離させることができる。

また、ＣＯ２吸着器における複数の吸着用通路の横断面、及び熱交換器における複数の熱交換用通路の横断面において、各吸着用通路の開口部を吸着用セルとするとともに、各熱交換用通路の開口部を熱交換用セルとしたときに、吸着用セル及び熱交換用セルが、次のように設定される。すなわち、上記横断面における単位面積当たりの吸着用セル及び熱交換用セルの数がそれぞれ所定数になるように、及び／又は上記横断面における吸着用セル及び熱交換用セルのサイズがそれぞれ所定サイズになるように、設定される。

前述したように、内燃機関を搭載する車両には、多種多様な排気系があるため、排気系に設置されるＣＯ２分離装置には、設置される排気系の要求や制約などに柔軟に対応可能であることが好ましい。したがって、ＣＯ２吸着器の吸着用セル及び熱交換器の熱交換用セルにおいて、単位面積当たりの数やサイズを、排気系の要求や制約などに応じて設定することにより、設置される排気系に適したＣＯ２の分離機能を有するとともに、適切なレイアウトを実現可能なＣＯ２分離装置を得ることができる。

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、横断面における単位面積当たりの吸着用セルの数は、熱交換用セルの数よりも多くなるように設定されることを特徴とする。

この構成によれば、上記横断面における単位面積当たりの吸着用セルの数が、熱交換用セルの数よりも多くなるように設定されることにより、吸着用セルの数を熱交換用セルのそれと同じに設定する場合に比べて、吸着用通路の壁面の総面積を大きくすることができる。これにより、ＣＯ２吸着器に排ガスが流れる際に、その排ガスが接する吸着用通路の壁面を拡大することができ、ＣＯ２の吸着を効率よく行うことができる。

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、横断面における吸着用セルのサイズは、熱交換用セルのサイズよりも小さくなるように設定されることを特徴とする。

この構成によれば、上記横断面における吸着用セルのサイズが、熱交換用セルのサイズよりも小さくなるように設定されることにより、吸着用セルのサイズを熱交換用セルのそれと同じに設定する場合に比べて、単位面積当たりの吸着用セルの数を多くすることができる。これにより、上述した請求項２と同様、吸着用通路の壁面の総面積を大きくできることで、排ガスが接する吸着用通路の壁面を拡大することができ、ＣＯ２の吸着を効率よく行うことができる。

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、ＣＯ２吸着器は、複数の吸着用通路によるハニカム構造を有する第１成形体で構成され、熱交換器は、複数の熱交換用通路によるハニカム構造を有し、第１成形体と別体の第２成形体で構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、ＣＯ２吸着器は、複数の吸着用通路によるハニカム構造を有する第１成形体で構成されている。一方、熱交換器は、複数の熱交換用通路によるハニカム構造を有し、ＣＯ２吸着器の第１成形体と別体の第２成形体で構成されている。このように、ＣＯ２吸着器及び熱交換器は、互いに異なる成形体で構成されるので、設置される排気系の要求や制約などに応じた、吸着用セル及び熱交換用セル、並びに全体の外形及びサイズを有するＣＯ２分離装置を容易に得ることができる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置において、第１成形体は、全体が吸着材で構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、ＣＯ２吸着器を構成する第１成形体の全体が吸着材で構成されているので、第１成形体自体の熱容量を比較的小さくすることができる。これにより、ＣＯ２の吸着及び脱離の際に、ＣＯ２吸着器の温度を上昇及び下降させる制御を、比較的容易に行うことができる。また、ＣＯ２吸着器の製造において、第１成形体の各吸着用通路の壁面に吸着材を設ける工程を省略することができ、その分、製造効率を高めることができる。

請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関のＣＯ２分離装置において、第１所定方向と第２所定方向は、互いに異なることを特徴とする。

この構成によれば、第１所定方向と第２所定方向が互いに異なることにより、ＣＯ２吸着器の各吸着用通路の延び方向と熱交換器の各熱交換用通路の延び方向が異なり、これにより、排ガスがＣＯ２吸着器を流れる方向と熱交換器を流れる方向が異なる。したがって、ＣＯ２分離装置が設置される内燃機関の排気系において、ＣＯ２吸着器に流れる排ガスの方向と、熱交換器に流れる排ガスの方向が異なっていても、そのような排気系に、ＣＯ２分離装置を適切に設置することができる。

本発明の一実施形態によるＣＯ２分離装置を内燃機関の排気系に適用したＣＯ２分離回収システムを模式的に示す図である。 （ａ）は、２つのＣＯ２分離装置を用いて、上流側のＣＯ２分離装置におけるＣＯ２の脱離、及び下流側のＣＯ２分離装置におけるＣＯ２の吸着を説明するための説明図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、ＣＯ２分離装置の横断面を、排ガスの流入側から見たときの状態を例示する図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、 図２（ｂ）及び（ｃ）のＣＯ２分離装置の外観を模式的に示す図であり、（ｃ）及び（ｄ）はそれぞれ、図３（ａ）及び（ｂ）のＣＯ２分離装置において、熱交換器とＣＯ２吸着器の排ガスの通路が互いに異なる方向に延びるように設定された状態を示す。 吸着材のＣＯ２吸着性能の温度特性を示す図である。 ＣＯ２分離回収システムの制御装置を示すブロック図である。 ＣＯ２分離回収システムの動作を示す図であり、第１ＣＯ２分離装置においてＣＯ２を脱離させるとともに、第２ＣＯ２分離装置においてＣＯ２を吸着させる状態を示す。 ＣＯ２分離回収システムの動作を示す図であり、第１ＣＯ２分離装置においてＣＯ２を吸着させるとともに、第２ＣＯ２分離装置においてＣＯ２を脱離させる状態を示す。 ＣＯ２吸着器を通過した排ガス中のＣＯ２濃度の推移を示す図である。

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、本発明の一実施形態によるＣＯ２分離装置２を内燃機関３の排気系に設置したＣＯ２分離回収システム１を、内燃機関３とともに模式的に示している。

内燃機関３（以下「エンジン」という）は、例えば車両（図示せず）に動力源として搭載され、例えば４つの気筒（図示せず）を有するガソリンエンジンである。エンジン３には、各気筒にマニホールド（図示せず）を介して、吸気通路（図示せず）及び排気通路４が接続されている。また、エンジン３では、各気筒において、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、排ガスとして排気通路４に排出される。なお、排気通路４の下流端側には、ワンウェイバルブ５が設けられている。

図１に示すように、ＣＯ２分離回収システム１は、排気通路４を流れる排ガスからＣＯ２（二酸化炭素）を分離し、回収するためのものであり、２つのＣＯ２分離装置２、２、圧縮機９、及び貯蔵タンク１０を備えている。排気通路４は、上流側の第１切替バルブ１２を介して、第１排気通路４ａ及び第２排気通路４ｂに分岐するように構成されている。また、２つのＣＯ２分離装置２、２、すなわち第１ＣＯ２分離装置２Ａ及び第２ＣＯ２分離装置２Ｂが、第１及び第２排気通路４ａ、４ｂに跨がるように設けられている。

各ＣＯ２分離装置２は、互いに接した状態に隣接する熱交換器６及びＣＯ２吸着器７を有している。なお、以下の説明では、各ＣＯ２分離装置２の熱交換器６及びＣＯ２吸着器７を区別する場合には、第１ＣＯ２分離装置２Ａの熱交換器６及びＣＯ２吸着器７をそれぞれ、第１熱交換器６Ａ及び第１ＣＯ２吸着器７Ａといい、第２ＣＯ２分離装置２Ｂのそれらをそれぞれ、第２熱交換器６Ｂ及び第２ＣＯ２吸着器７Ｂというものとする。

上記の第１排気通路４ａには、上流側から順に、第１熱交換器６Ａ及び第２ＣＯ２吸着器７Ｂが配置されている。一方、第２排気通路４ｂには、上流側から順に、第２熱交換器６Ｂ及び第１ＣＯ２吸着器７Ａが配置されている。

ここで、図２及び図３を参照して、ＣＯ２分離装置２について詳細に説明する。図２（ａ）は、互いに同一に構成された第１ＣＯ２分離装置２Ａ及び第２ＣＯ２分離装置２Ｂの２つのＣＯ２分離装置２、２を用いて、ＣＯ２の脱離及び吸着を模式的に示している。また、図２（ｂ）及び（ｃ）は、同図（ａ）のＣＯ２分離装置２における断面Ｃ（横断面）を、排ガスの流入側から見たときの状態を示しており、ＣＯ２吸着器７の後述する吸着用セル７２の単位面積当たりの数及びサイズが互いに異なるものを例示している。さらに、図３（ａ）及び（ｂ）は、図２（ｂ）及び（ｃ）にそれぞれ対応するＣＯ２分離装置２の外観を示している。ＣＯ２分離装置２は、前述したように、互いに隣接する熱交換器６及びＣＯ２吸着器７で構成されている。

熱交換器６は、所定の材料（例えば金属やセラミック）から成り、排ガスが流通可能な多数の熱交換用通路６１によるハニカム構造を有する成形体（第２成形体）によって構成されている。各熱交換用通路６１は、その周囲が仕切壁によって仕切られ、全ての熱交換用通路６１が互いに平行に所定方向（第２所定方向）に、具体的には図２（ｂ）及び（ｃ）の表裏方向に沿って、また図３（ａ）及び（ｂ）の手前側から奥側に向かって、所定長さ延びるように構成されている。

一方、ＣＯ２吸着器７は、所定の材料（例えば金属やセラミック）から成り、排ガスが流通可能な多数の吸着用通路７１によるハニカム構造を有する成形体（第１成形体）によって構成されている。各吸着用通路７１は、その周囲が仕切壁によって仕切られ、全ての吸着用通路７１が互いに平行に、上記熱交換用通路６１と同様の所定方向（第１所定方向）に沿って、所定長さ延びるように構成されている。また、ＣＯ２吸着器７では、各吸着用通路７１の壁面に、温度に応じてＣＯ２を吸着及び脱離可能な所定の吸着材（例えばゼオライト）がコーティングされている。

図４は、上記吸着材のＣＯ２吸着性能の温度特性を示している。同図に示すように、吸着材によるＣＯ２吸着量は、吸着材の温度に応じて変化し、温度が低いほど多くなり、温度が高くなるにつれて少なくなる。そして、吸着材の温度が所定温度以上に高くなると、吸着材からＣＯ２が脱離する。例えば、図４に示す温度Ｔ１（例えば５０℃）では、吸着材にＣＯ２が良好に吸着する一方、同図に示す温度Ｔ２（例えば２５０℃）では、吸着材からＣＯ２が良好に脱離する。

このような吸着材の温度特性を利用して、ＣＯ２分離回収システム１では、２つのＣＯ２分離装置２、２を用いて、ＣＯ２の脱離及び吸着が行われる。すなわち、図２（ａ）に示すように、高温の排ガスが、一方のＣＯ２分離装置２の熱交換器６に導入されると、その排ガスの熱が熱交換器６に奪われ、ＣＯ２吸着器７に伝えられる。これにより、そのＣＯ２吸着器７が加温され、吸着材が昇温することにより、その吸着材に吸着されていたＣＯ２が脱離し、圧縮機９へ送られる。また、上記の熱交換器６に導入された排ガスは、温度が低下し、他方のＣＯ２分離装置２のＣＯ２吸着器７に導入される。これにより、導入された排ガス中のＣＯ２がＣＯ２吸着器７の吸着材に吸着され、ＣＯ２が除去あるは低減された排ガス、すなわちＨ２Ｏ（水）やＮ２（窒素）などが大気に排出される。

なお、以下の説明では、図２（ａ）に示すＣＯ２分離装置２の断面Ｃ、すなわち熱交換器６における熱交換用通路６１の横断面Ｃ、及びＣＯ２吸着器７における吸着用通路７１の横断面Ｃにおいて、各熱交換用通路６１及び各吸着用通路７１の開口部をそれぞれ、熱交換用セル６２及び吸着用セル７２というものとする。

図２（ｂ）及び（ｃ）、並びに図３（ａ）及び（ｂ）に示すＣＯ２分離装置２、２では、設置される排気系の要求や制約などに応じて、横断面Ｃにおける単位面積当たりの吸着用セル７２及び熱交換用セル６２の数がそれぞれ所定数になるように設定されるとともに、吸着用セル７２及び熱交換用セル６２のサイズがそれぞれ所定サイズになるように設定されている。

具体的には、図２（ｂ）及び図３（ａ）に示すＣＯ２分離装置２では、横断面Ｃにおける単位面積当たりの吸着用セル７２及び熱交換用セル６２の数が互いに同じになるように設定されるとともに、吸着用セル７２及び熱交換用セル６２のサイズが互いに同じになるように設定されている。

一方、図２（ｃ）及び図３（ｂ）に示すＣＯ２分離装置２では、横断面Ｃにおける単位面積当たりの吸着用セル７２の数は、熱交換用セル６２の数よりも多くなるように設定されるとともに、各吸着用セル７２のサイズが各熱交換用セル６２のサイズよりも小さくなるように設定されている。

また、ＣＯ２分離装置２については、例えば図３（ｃ）及び（ｄ）にそれぞれ示すように、熱交換器６の熱交換用通路６１とＣＯ２吸着器７の吸着用通路７１が、直角を為すように設定されるなど、両通路６１及び７１の延び方向が互いに異なるように設定することも可能である。

図１に戻り、同図に示すように、第１排気通路４ａには、第２ＣＯ２分離装置２Ｂの第２ＣＯ２吸着器７Ｂの下流において、第１分岐通路１１ａが分岐する一方、第２排気通路４ｂには、第１ＣＯ２分離装置２Ａの第１吸着器７Ａの下流において、第２分岐通路１１ｂが分岐している。これらの第１及び第２分岐通路１１ａ及び１１ｂは、下流側切替バルブ１３を介して合流し、その下流側切替バルブ１３に接続された合流通路１１ｃに、上流側から順に、圧縮機９及び貯蔵タンク１０が設けられている。

圧縮機９は、例えば電動ポンプで構成されており、合流通路１１ｃに流入したＣＯ２を圧縮しながら、貯蔵タンク１０に貯蔵するようになっている。

また、第１排気通路４ａには、第２ＣＯ２吸着器７Ｂの下流側に第１ＣＯ２濃度センサ１４ａが設けられ、第２排気通路４ｂには、第１ＣＯ２吸着器７Ａの下流側に第２ＣＯ２濃度センサ１４ｂが設けられている。

図５は、ＣＯ２分離回収システム１の制御装置を示している。同図に示すＥＣＵ８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。ＥＣＵ８は、上記の第１及び第２ＣＯ２濃度センサ１４ａ及び１４ｂの検出信号などに応じて、上流側及び下流側切替バルブ１２及び１３を制御する。これにより、第１及び第２ＣＯ２分離装置２Ａ及び２Ｂの一方において、排ガス中のＣＯ２を吸着するとともに、第１及び第２ＣＯ２分離装置２Ａ及び２Ｂの他方において、吸着されているＣＯ２を脱離する。

次に、図６及び図７を参照して、ＣＯ２分離回収システム１の動作について説明する。図６は、第１ＣＯ２分離装置２ＡにおいてＣＯ２の脱離処理が実行されるとともに、第２ＣＯ２分離装置２ＢにおいてＣＯ２の吸着処理が実行されている状態を示している。また、同図では、上流側切替バルブ１２により、排気通路４が第１排気通路４ａに切り替えられ、下流側切替バルブ１３により、第２分岐通路１１ｂが合流通路１１ｃに切り替えられている。

まず、エンジン３から排出された高温の排ガスは、矢印で示すように、第１排気通路４ａを通って、第１ＣＯ２分離装置２Ａの第１熱交換器６Ａに流入する。その排ガスは、第１熱交換器６Ａを通過することで熱を奪われ、温度が低下する。この場合、第１熱交換器６Ａにより、排ガスから奪った熱によって第１ＣＯ２吸着器７Ａが加温される。これにより、第１ＣＯ２吸着器７Ａの吸着材の温度が上昇し、吸着されていたＣＯ２が脱離する。この脱離したＣＯ２は、白抜き矢印で示すように、第２分岐通路１１ｂを通って、圧縮機９で圧縮され、貯蔵タンク１０に貯蔵される。また、第１熱交換器６Ａから流出した低温の排ガスは、矢印で示すように、第２ＣＯ２分離装置２Ｂの第２ＣＯ２吸着器７Ｂに流入し、排ガス中のＣＯ２が吸着される。これにより、ＣＯ２が除去あるいは低減された排ガスは、第２ＣＯ２吸着器７Ｂから流出し、第１排気通路４ａ及び第１ワンウェイバルブ５ａを介して、大気に排出される。

図８は、前記第１及び第２ＣＯ２濃度センサ１４ａ及び１４ｂによるＣＯ２濃度の検出値Ｃco2の推移を示している。上述したように、排ガスが第１排気通路４ａを流れる場合、その排ガス中のＣＯ２が第２ＣＯ２吸着器７Ｂに吸着されているときには、ＣＯ２濃度の上記検出値Ｃco2は、比較的低い状態に継続される（時刻ｔ１未満）。そして、ＣＯ２の吸着が進み、その吸着量が第２ＣＯ２吸着器７Ｂの吸着許容量に近づいたり、それを上回ったりすると、第２ＣＯ２吸着器７Ｂに吸着されないＣＯ２が排ガス中に増えることで、ＣＯ２濃度の検出値Ｃco2が急激に大きくなる（時刻ｔ１以上）。

上記のように推移するＣＯ２濃度の検出値Ｃco2に基づき、上流側及び下流側切替バルブ１２及び１３を切り替えるためのしきい値として、上限値Ｃco2LMTが設定されている。そして、第１ＣＯ２濃度センサ１４ａによる検出値Ｃco2が上限値Ｃco2LMTを上回ったときに（Ｃco2＞Ｃco2LMT）、第２ＣＯ２吸着器７ＢにおけるＣＯ２の吸着量が吸着許容量に達したとして、上流側及び下流側切替バルブ１２及び１３を切り替える。すなわち、上流側切替バルブ１２により、排気通路４を第２排気通路４ｂに切り替え、下流側切替バルブ１３により、第１分岐通路１１ａを合流通路１１ｃに切り替える。

図７は、上述した図６とは逆に、第１ＣＯ２分離装置２ＡにおいてＣＯ２の吸着処理が実行されるとともに、第２ＣＯ２分離装置２ＢにおいてＣＯ２の脱離処理が実行されている状態を示している。

図７に示すように、エンジン３から排出された高温の排ガスは、矢印で示すように、第２排気通路４ｂを通って、第２ＣＯ２分離装置２Ｂの第２熱交換器６Ｂと、第１ＣＯ２分離装置２Ａの第１ＣＯ２吸着器７Ａに順に流れ、第２ワンウェイバルブ５ｂを介して、大気に排出される。この場合、前述した図６と同様、排ガスの熱が第２熱交換器６Ｂによって奪われるとともに、その奪った熱によって第２ＣＯ２吸着器７Ｂが加温される。これにより、第２ＣＯ２吸着器７Ｂの吸着材の温度上昇により、吸着されていたＣＯ２は、脱離し、白抜き矢印で示すように、第１分岐通路１１ａ及び合流通路１１ｃを通って、圧縮機９で圧縮され、貯蔵タンク１０に貯蔵される。また、第２熱交換器６Ｂから流出した低温の排ガスは、第１ＣＯ２分離装置２Ａの第１ＣＯ２吸着器７Ａに流入し、排ガス中のＣＯ２が吸着される。また、ＣＯ２が除去あるいは低減された排ガスは、第１ＣＯ２吸着器７Ａから流出し、第２排気通路４ｂ及び第２ワンウェイバルブ５ｂを介して、大気に排出される。

そして、前述した第１ＣＯ２濃度センサ１４ａによるＣＯ２濃度の検出値Ｃco2に基づく処理と同様にして、第２排気通路４ｂの第１ＣＯ２吸着器７Ａの下流側に設けられた第２ＣＯ２濃度センサ１４ｂによるＣＯ２濃度の検出値Ｃco2に基づき、上流側及び下流側切替バルブ１２及び１３が切り替えられる。

以上のようにして、車両に搭載されたＣＯ２分離回収システム１により、第１ＣＯ２分離装置２Ａと第２ＣＯ２分離装置２Ｂとの間で、排ガス中のＣＯ２の吸着処理、及び吸着器７からのＣＯ２の脱離処理が、交互に実行される。これにより、車両の走行時において、エンジン３から排出される排ガス中のＣＯ２が大気中に排出されるのを大幅に低減することができる。

以上、詳述したように、本実施形態のＣＯ２分離装置２によれば、熱交換器６の多数の熱交換用通路６１に、エンジン３から排出された高温の排ガスを流すことにより、その排ガスの熱を用いてＣＯ２吸着器７を加温し、そのＣＯ２吸着器７に吸着しているＣＯ２を効率よく脱離させることができる。また、ＣＯ２吸着器７の吸着用セル７２及び熱交換器６の熱交換用セル６２において、単位面積当たりの数やサイズを、排気系の要求や制約などに応じて設定することにより、設置される排気系に適したＣＯ２の分離機能を有するとともに、適切なレイアウトを実現可能なＣＯ２分離装置２を得ることができる。

また、前述した図２（ｃ）及び図３（ｂ）に示すように、横断面Ｃにおける単位面積当たりの吸着用セル７２の数を、熱交換用セル６２のそれよりも多くなるように設定したり、吸着用セル７２のサイズを、熱交換用セル６２のそれよりも小さくなるように設定したりすることにより、吸着用通路７１の壁面の総面積を大きくすることができる。これにより、ＣＯ２吸着器７に排ガスが流れる際に、排ガス中のＣＯ２の吸着を効率よく行うことができる。

さらに、ＣＯ２分離装置２において、ＣＯ２吸着器７の各吸着用通路７１の延び方向と、熱交換器６の各熱交換用通路の延び方向を、互いに同じにしたり（図３（ａ）及び（ｂ）参照）、互いに異なるようにしたり（図３（ｃ）及び（ｄ））することができる。これにより、ＣＯ２分離装置２が設置されるエンジン３の排気系において、ＣＯ２吸着器７に流れる排ガスの方向と、熱交換器６に流れる排ガスの方向が、同一であっても、異なっていても、それらの排気系に応じて、ＣＯ２分離装置２を適切に設置することができる。

なお、本発明は、説明した上記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、ＣＯ２吸着器７について、金属やセラミックなどから成るハニカム構造の成形体を用い、その内壁に吸着材をコーティングしたものを採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ハニカム構造の成形体を吸着材で構成することも可能である。この場合には、その成形体自体の熱容量を比較的小さくすることができ、ＣＯ２の吸着及び脱離の際に、ＣＯ２吸着器７の温度を上昇及び下降させる制御を、比較的容易に行うことができる。加えて、上記の場合には、ＣＯ２吸着器７の製造において、上記成形体の内壁に吸着材をコーティングする工程を省略することができ、その分、製造効率を高めることができる。

また、実施形態では、ＣＯ２の吸着材としてゼオライトを例示したが、温度に応じてＣＯ２を吸着及び脱離可能なものであれば、種々の吸着材（例えばシリカゲル、リチウム複合酸化物又はアミンなど）を採用することが可能である。

さらに、実施形態では、ＣＯ２分離装置２、熱交換器６及びＣＯ２吸着器７の形状を、直方体で図示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、設置される排気系の要求や制約などに応じ、種々の形状（例えば円柱状など）を採用することができる。加えて、熱交換用セル６２及び吸着用セル７２の形状を四角形で図示したが、これらの形状についても、種々の形状（例えば六角形など）を採用することができる。

また、実施形態で示したＣＯ２分離装置２、熱交換器６及びＣＯ２吸着器７の細部の構成などは、あくまで例示であり、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することができる。

１ ＣＯ２分離回収システム
２ ＣＯ２分離装置
２Ａ 第１ＣＯ２分離装置
２Ｂ 第２ＣＯ２分離装置
３ 内燃機関
４ 排気通路
４ａ 第１排気通路
４ｂ 第２排気通路
６ 熱交換器
６Ａ 第１熱交換器
６Ｂ 第２熱交換器
６１ 熱交換用通路
６２ 熱交換用セル
７ ＣＯ２吸着器
７Ａ 第１ＣＯ２吸着器
７Ｂ ２ＣＯ２吸着器
７１ 吸着用通路
７２ 吸着用セル

Claims (6)

1. 内燃機関の排気系に設けられ、当該内燃機関から排出された排ガスからＣＯ２を分離する内燃機関のＣＯ２分離装置であって、
   互いに平行にかつ第１所定方向に延び、前記排ガスが流れる複数の吸着用通路を有し、当該吸着用通路の壁面に、温度に応じてＣＯ２を吸着及び脱離可能な所定の吸着材が設けられたＣＯ２吸着器と、
   互いに平行にかつ第２所定方向に延び、前記排ガスが流れる複数の熱交換用通路を有し、前記ＣＯ２吸着器に接した状態に設けられ、前記熱交換用通路に排ガスが流れる際に、当該排ガスの熱を奪いながら前記ＣＯ２吸着器に伝えることにより、当該ＣＯ２吸着器を加温する熱交換器と、
   を備え、
   前記ＣＯ２吸着器における前記複数の吸着用通路の横断面、及び前記熱交換器における前記複数の熱交換用通路の横断面において、前記複数の吸着用通路の各々の開口部、及び前記複数の熱交換用通路の各々の開口部をそれぞれ、吸着用セル及び熱交換用セルとしたときに、前記横断面における単位面積当たりの前記吸着用セル及び前記熱交換用セルの数がそれぞれ所定数になるように、及び／又は前記横断面における前記吸着用セル及び前記熱交換用セルのサイズがそれぞれ所定サイズになるように、設定されることを特徴とする内燃機関のＣＯ２分離装置。
2. 前記横断面における単位面積当たりの前記吸着用セルの数は、前記熱交換用セルの数よりも多くなるように設定され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. 前記横断面における前記吸着用セルのサイズは、前記熱交換用セルのサイズよりも小さくなるように設定され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。
4. 前記ＣＯ２吸着器は、前記複数の吸着用通路によるハニカム構造を有する第１成形体で構成され、
   前記熱交換器は、前記複数の熱交換用通路によるハニカム構造を有し、前記第１成形体と別体の第２成形体で構成されてい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. 前記第１成形体は、全体が前記吸着材で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のＣＯ２分離装置。
6. 前記第１所定方向と前記第２所定方向は、互いに異なることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関のＣＯ２分離装置。

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