JP2006329143A - 炭化水素処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】拡散した蒸発燃料が外部に排出されることを防止し、捕捉した蒸発燃料が脱離して吸気に混入することによって空燃比が乱れることを防ぐ。
【解決手段】エンジン１０と、吸気取込口３０から取り込んだ空気をエンジン１０に導く吸気通路２６と、吸気通路２６に設けられ、エンジン１０が停止中に吸気通路２６に流れる炭化水素を酸化して水と二酸化炭素とに分解する酸化処理手段２５ｂを含む炭化水素酸化体２５とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭化水素処理システムに関する。

車両から排出される炭化水素（ＨＣ）は、光化学スモッグの原因となり、その低減が急務となっている。燃料として用いられるガソリンは、２００種類から３００種類の炭化水素を含んでいる。炭化水素が排出される要因の１つは、車両停止時に内燃機関内部に残留していた燃料やインジェクタに付着した燃料が蒸発して拡散し、大気中に放出されることである。

そこで、このような蒸発燃料を吸着するために活性炭を含有した蒸発燃料吸着材を吸気ダクトやエアクリーナ内に設置することが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−１９３９１７号公報

しかし、上述の蒸発燃料吸着材による吸着は、蒸発燃料を吸着できる量に上限がある。そこで、多くの炭化水素を捕捉するには蒸発燃料吸着材自体の量を増やす必要があった。ところが、蒸発燃料吸着材は吸気抵抗となるので量が増えると吸気抵抗が増し、圧力損失を増大させる。

また、活性炭は蒸発燃料を吸着する一方で、吸気にともなう空気の流れによって容易に脱離する性質がある。そのために脱離した炭化水素が吸気とともに内燃機関に送り込まれて空燃比を乱し、排気エミッションを悪化させる。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、圧力損失を増大させずに、さらに吸着した炭化水素が吸気に混入して空燃比が乱れることを防ぐ炭化水素処理システムを提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、エンジン（１０）と、吸気取込口（３０）から取り込んだ空気を前記エンジン（１０）に導く吸気通路（２６）と、前記吸気通路（２６）に設けられ、エンジン（１０）が停止中に吸気通路（２６）に流れる炭化水素を、酸化して水と二酸化炭素とに分解する酸化処理手段（２５ｂ）を含む炭化水素酸化体（２５）とを有する。

本発明によれば、蒸発燃料に含まれる炭化水素を酸化処理手段が二酸化炭素と水に酸化分解することによって、大気中に排出される炭化水素の量を低減させることができる。また、吸気通路に残存した蒸発燃料が吸気とともに内燃機関の燃焼室に混入されることによって空燃比を乱すことを防ぐことができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１は、エンジン１０を中心とした吸気通路２６と排気通路４５を示す図である。

吸気通路２６は、エンジン１０の燃焼室内の燃焼に必要な空気を外部から取り込んで供給する通路である。吸気通路２６は、エアクリーナ２８と、炭化水素吸着分解体２５と、スロットルチャンバ２３と、吸気コレクタ２２と、吸気マニホールド２１とを備える。

吸気取込口３０から車両に取り入れられた空気は、最初にエアクリーナ２８を通過する。エアクリーナ２８は、空気を浄化する。エアクリーナ２８は、内部にクリーナエレメント２９を備える。クリーナエレメント２９は、吸入空気をろ過するフィルターである。また、クリーナエレメント２９は、エンジン１０に異物が混入することを防ぐ。エアクリーナ２８の下流には、エアフローメータ２７が備えられる。エアフローメータ２７は、エアクリーナ２８を通過した空気の通過量を計測する。

吸気通路２６は、スロットルチャンバ２３とエアクリーナ２８との間に炭化水素吸着分解体２５を備える。炭化水素吸着分解体２５は、車両停止中に燃料噴射弁２０などに付着した燃料が蒸発して拡散した炭化水素を吸着して酸化分解する。炭化水素吸着分解体２５については詳細を後述する。

炭化水素吸着分解体２５を通過した吸入空気は、スロットルチャンバ２３に到達する。スロットルチャンバ２３は、内部にスロットルバルブ２４を備える。スロットルバルブ２４は、吸入空気量を調節して適切な吸気量をエンジン１０に供給する。スロットルバルブ２４は、図示しないアクセルワイヤによりアクセルペタルと接続する。アクセルペダルを踏むとスロットルバルブ２４は開く。アクセルペダルを離すと、スロットルバルブ２４は閉じる。

吸気コレクタ２２は、スロットルチャンバ２３に連設される。吸気コレクタ２２は、吸気を一旦貯蔵して吸気脈動を抑制する。また、吸気コレクタ２２にはキャニスタ３２が接続される。キャニスタ３２は、燃料タンク３３と接続する。キャニスタ３２は、内部に活性炭を備える。キャニスタ３２の内部では、燃料タンク３３で発生した蒸発燃料を活性炭が吸着する。吸着した燃料は、吸気マニホールド２１の吸入負圧を利用してキャニスタ３２の内部に導入される空気によって脱離する。脱離した燃料は吸気と混合させ、エンジン１０の燃焼室に導入されて燃焼する。吸気コレクタ２２とキャニスタ３２を接続する通路には、キャニスタ３２から吸気コレクタ２２に流れ込む空気の量を調節するパージコントロールバルブ３１が設けられる。

吸気マニホールド２１は、吸気コレクタ２２とエンジン１０の吸気ポート１３との間を連結する。吸気マニホールド２１は、吸気ポート１３の付近に燃料噴射弁２０を備える。燃料噴射弁２０は、燃料タンク３３と接続してエンジン１０の燃焼室に向かって燃料を噴射する。噴射される燃料は、空気と混合されるように細かい霧状に噴射される。

エンジン１０は、吸入空気を取り込む吸気ポート１３を備える。吸気ポート１３には、吸気バルブ１４が配置される。吸気バルブ１４は、エンジン１０に空気を供給するタイミングを制御する。エンジン１０は、内部にピストン１１を備える。エンジン１０は、燃焼室に吸入された混合気に着火する点火プラグ１２を備える。エンジン１０は、燃焼した混合気を排気バルブ１６を備えた排気ポート１５から排出する。排気バルブ１６は、排ガスをピストン１１が上昇するタイミングに合わせて排出する。

排気通路４１は、排気ポート１５と連結する。排気通路４１には、排ガスを浄化する触媒４２と、排ガスに含まれる酸素を検出するセンサ４３、マフラー４４とが設けられ、排ガスを浄化するとともに排気音を消音する。

図２は、本発明による炭化水素吸着分解体２５を中心とした吸気通路２６を示す図である。

本実施形態では、炭化水素吸着分解体２５はスロットルチャンバ２３とエアクリーナ２８の間に備えられる。炭化水素吸着分解体２５は、吸気通路２６に沿って圧入して設置される。炭化水素吸着分解体２５は、燃料噴射弁２０や燃焼室に残存した蒸発燃料とともにキャニスタ３２から漏れ出した蒸発燃料を吸着するために、吸気コレクタ２２よりも上流に備えられる。

炭化水素吸着分解体２５は、燃料噴射弁２０や吸気バルブ１３に付着し残存した燃料が蒸発して拡散した炭化水素を吸着し分解する。炭化水素吸着分解体２５は、光源２５ａと、吸着酸化部２５ｂとを有する。光源２５ａ及び吸着酸化部２５ｂの構成及び作用については詳細を後述する。また、炭化水素吸着分解体２５には、光源２５ａに電力を供給するためのハーネス３５が接続されている。

図３は、本発明による炭化水素吸着分解体２５の構造を示す図である。矢印Ｂは吸気の流れる方向を示す。

光源２５ａは、円柱形状である。光源２５ａは、吸気通路２６の吸気の流れ方向に直交する断面の中心に位置する。光源２５ａは、吸気の流れる方向に沿って吸気通路２６と同軸に配置される。本実施形態では、光源２５ａは紫外線を照射するブラックライトを用いる。このブラックライトは、波長３００〜４５０ｎｍの近紫外線を照射することができる。吸気に伴う空気の流れに対する抵抗を低減して圧力損失を最小限に抑えるために、ブラックライトの径はできるだけ細いものを選択する。

光源２５ａの外周には、吸着酸化部２５ｂが設けられる。吸着酸化部２５ｂは、長方形の薄板に形成される。吸着酸化部２５ｂは、円柱形状の光源２５ａの側面に対して垂直に設けられる。こうすることによって、吸気に伴う空気の流れに対する抵抗を最小限に抑えることができる。また、吸着酸化部２５ｂは光源２５ａの側面に放射状に複数設けられる。

吸着酸化部２５ｂは、その表面に光触媒と吸着材とを担持した金属製の薄板である。薄板の材質は、一例を挙げるとチタンである。吸着酸化部２５ｂを設ける枚数は、担持した光触媒と吸着材の処理能力に応じて決定する。本実施形態では、図３に示すように４枚の吸着酸化部２５ｂが設けられている。吸着酸化部２５ｂは、光源から光を均一に照射されるように等間隔に配置される。

光触媒には酸化チタン（ＴｉＯ₂）を用いる。酸化チタンは、物理的及び化学的な安定性に優れている。また、酸化チタンは無害無毒であって原材料が廉価である。酸化チタンは光を照射して活性化すると、酸化反応を促進する高い触媒作用を発揮する。照射する光は、波長が４００ｎｍ以下の紫外線が適している。

吸着材にはゼオライトを使用する。ゼオライトの主成分は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）と酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）である。また、ゼオライトには天然ゼオライトと人工ゼオライトの２種類がある。本実施形態では、規則正しい化学構造を有する人工ゼオライトを用いる。

ゼオライトは、表面に無数の孔を有する多孔質構造である。そのため１ｇの人工ゼオライトの表面積は５０ｍ²にもなる。ゼオライトは、この表面の細孔に分子間力によって物質を吸着する。本実施形態では、ゼオライトはこの細孔に炭化水素を吸着する。ゼオライトの細孔は、略均一な大きさ（５〜１０Å）を有する。ゼオライトは、その細孔の大きさに応じて特定の大きさの物質を選択して吸着することができる。

通常、吸着材には活性炭が多く用いられる。活性炭もその表面に多数の細孔を有する。活性炭の細孔は、通常２０〜８００Åの大きさを有する。しかし、活性炭の細孔はばらつきが大きいため、吸着した炭化水素を脱離しやすいという欠点を有する。そのため、車両停止中に炭化水素を吸着しても、エンジン始動時の吸気によって脱離して再び拡散する。さらに、脱離した炭化水素は、エンジンに吸入されることによって空燃比を乱し、排気エミッションを悪化させる要因となる。

これに対して、本実施形態で使用するゼオライトは前述のように略均一な大きさの細孔を有しており、吸着した炭化水素が脱離しにくい性質を有する。したがって、活性炭のように吸着した炭化水素がエンジンに吸入されるといった問題は生じない。しかし、ゼオライトが吸着できる炭化水素の量には限りがあるため、吸着した炭化水素を除去する必要がある。そこで、本実施形態では、炭化水素を光触媒によって酸化反応を促進させ、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）に分解する。

さらに、活性炭は黒色であることから光を吸収してしまうため、光触媒とともに使用すると光触媒の触媒能力が十分に発揮されないおそれがある。そこで、本実施形態では、白色や灰色などの光を吸収しにくい色のゼオライトを使用する。

吸着酸化部２５ｂは、酸化チタンとゼオライトを混合した粉状物を金属の薄板の表面に塗布し、焼成結合させることによって形成される。

ここで、本実施形態における炭化水素吸着分解体２５の作用について説明する。図４は、車両停止後に吸気通路２６の内部に蒸発した燃料に含まれる炭化水素の量を示すグラフである。縦軸は炭化水素の量を示し、横軸は車両停止後の経過時間を示す。また、実線は吸気通路２６に炭化水素吸着分解体２５を備えた場合を示しており、破線は備えていない場合を示す。時刻Ｔ１は、光源２５ａが光の照射を開始する時刻であり、時刻Ｔ２は光の照射を終了する時刻である。

車両を停止すると、燃料噴射弁２０に付着した燃料は蒸発して徐々に拡散する。蒸発した燃料は、吸気通路２６を吸気マニホールド２１から吸気取込口３０に向かって拡散する。さらに時間が経過すると、蒸発した燃料は吸気取込口３０から外部に放出される。したがって、図４の破線に示すように車両を停止した後に吸気通路２６内部の炭化水素の量は徐々に増加し、その後外部に放出されて減少する。このように外部に放出された炭化水素は、大気汚染の要因となる。

本実施形態では、吸着酸化部２５ｂに焼成されたゼオライトは、拡散した蒸発燃料に含まれる炭化水素を吸着する。吸着された炭化水素は、前述のように吸気にともなう空気の流れによって容易に脱離しない。吸着酸化部２５ｂは、炭化水素を分解せずに飽和するまで吸着し続けると、炭化水素の低減効果を発揮できなくなる。

車両が停止してから一定時間経過した後（時刻Ｔ１）、光源２５ａは光の照射を開始する。時刻Ｔ１は、車両停止後３０分〜２時間経過後を想定している。これは、拡散した炭化水素をある程度吸着してから酸化分解を開始したほうが効率がよいからである。光触媒は、光源２５ａから光を照射されて活性化する。吸着した炭化水素は、光触媒によって酸化反応が促進されて二酸化炭素と水に分解される。このように吸着した炭化水素が酸化分解されることによって、ゼオライトは炭化水素を吸着し続けることができる。また、吸着酸化部２５ｂは光源２５ａから光が照射されている間も炭化水素を吸着し続ける。

また、吸気通路２６に残存した燃料は、すべて蒸発して拡散するまでに多くの時間を要する。本実施形態では、光源２５ａからの光の照射は、開始されてから一定時間経過した後（時刻Ｔ２）に終了する。時刻Ｔ２は、光の照射を開始してから２〜３時間程度を想定している。また、吸着酸化部２５ｂは光の照射を終了した後も拡散し続ける炭化水素の吸着を継続する。吸着酸化部２５ｂは、光源２５ａが光を照射する次の機会に吸着した炭化水素を酸化分解する。なお、時刻Ｔ１及びＴ２は担持されたゼオライトの吸着能力と光触媒の処理能力に応じて設定する。

本実施形態によれば、拡散した炭化水素を吸着することによって、大気中に炭化水素を放出することを防ぐことができる。また、炭化水素吸着分解体２５は吸着した炭化水素の酸化反応を光触媒によって促進し、炭化水素を二酸化炭素と水に分解する。したがって、炭化水素吸着分解体２５は炭化水素の大気中への放出を防止するだけでなく、吸気コレクタ２２の内部などの吸気通路２６に残存する炭化水素までも低減させることができる。さらに、炭化水素吸着分解体２５は吸気通路２６に残存した炭化水素がエンジン始動時の吸気に混入して空燃比に乱れが生じることを防ぎ、排気エミッションの悪化を抑えることができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、炭化水素吸着分解体２５の設置される吸気通路２６の内壁面に光沢面を形成してもよい。光沢面を形成することによって、光源２５ａから照射される光をむらなく吸着酸化部２５ｂにあてることができる。したがって、光触媒をより活性化させて炭化水素の酸化反応を促進させることができる。また、照射する光の量を少なく抑えることができ、消費電力を低減させることができる。

また、炭化水素吸着分解体２５は、吸着酸化部２５ｂを吸気通路２６の内壁面に形成してもよい。このようにすると、吸着酸化部２５ｂは気化した炭化水素と接触する面を広く確保することができ、炭化水素の吸着分解処理能力をより向上させることを期待できる。さらに、吸気通路２６に設けられる部材を少なく抑えることができるため、吸気時の圧力損失を低減させることができる。

光源２５ａを用いる代わりに、吸気通路２６に車両外部から太陽光などの光を取り込んで炭化水素吸着分解体２５にあてて光触媒を活性化させてもよい。このようにすれば、光源２５ａを必要としないため、消費電力を低減することができる。また、光源２５ａを併用してもよい。

吸着酸化部２５ｂに用いる薄板は、セラミックの板を用いても同様の効果を得ることができる。また、炭化水素吸着分解体２５は、圧入による設置だけではなく溶着によって設置することも可能である。

光源２５ａが光を照射する時間は運転中に限定してもよい。炭化水素が拡散する車両停止中には吸着のみを行い、炭化水素が拡散しない車両走行中には酸化分解処理を行う。このようにすれば、車両停止中に光源２５ａに電力を供給する必要がないため、バッテリーを保護することができる。

炭化水素吸着分解体２５は、吸気コレクタ２２の下流に設けてもよい。エンジン１０と近接して炭化水素吸着分解体２５を設けることによって、燃料噴射弁２０に付着した燃料やエンジン１０の燃焼室に残留した未燃燃料をより早期に吸着することができる。

エンジンを中心として本発明による炭化水素吸着分解体を備えた吸気通路と排気通路を示す図である。 本発明による炭化水素吸着分解体を備えた吸気通路を示す図である。 本発明による炭化水素吸着分解体の拡大図である。 車両停止後に吸気通路に拡散した燃料の量を示す図である。

符号の説明

１０ エンジン
２０ 燃料噴射弁
２１ 吸気マニホールド
２２ 吸気コレクタ
２３ スロットルチャンバ
２５ 炭化水素吸着分解体（炭化水素酸化体）
２５ａ 光源
２５ｂ 吸着酸化部（薄板、酸化処理手段、炭化水素吸着手段）
２６ 吸気通路
２８ エアクリーナ
３０ 吸気取込口
３２ キャニスタ

Claims (14)

1. エンジンと、
   吸気取込口から取り込んだ空気を前記エンジンに導く吸気通路と、
   前記吸気通路に設けられ、エンジンが停止中に吸気通路に流れる炭化水素を、酸化して水と二酸化炭素とに分解する酸化処理手段を含む炭化水素酸化体と、
   を有する炭化水素処理システム。
2. 前記炭化水素酸化体は、エンジンから拡散した炭化水素を吸着する炭化水素吸着手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の炭化水素処理システム。
3. 前記炭化水素酸化体は、前記酸化処理手段と炭化水素吸着手段とを表面に備える薄板が、前記吸気通路に吸気方向に沿って挿通されて設けられる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の炭化水素処理システム。
4. 前記薄板は、前記酸化処理手段と前記炭化水素吸着手段とを混合した粉状物を表面に塗布した後に焼成して形成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の炭化水素処理システム。
5. 前記炭化水素吸着手段は、ゼオライトである、
   ことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の炭化水素処理システム。
6. 前記酸化処理手段は、光触媒である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の炭化水素処理システム。
7. 前記光触媒を活性化させる光源を備える、
   ことを特徴とする請求項６に記載の炭化水素処理システム。
8. 前記光源は、内燃機関が運転中に点灯する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の炭化水素処理システム。
9. 前記光源は、内燃機関が停止中に点灯する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の炭化水素処理システム。
10. 前記光源は、内燃機関が停止してから所定の時間が経過した後に点灯する、
    ことを特徴とする請求項７に記載の炭化水素処理システム。
11. 前記光源は、点灯してから所定の時間が経過した後に消灯する、
    ことを特徴とする請求項８から請求項１０までのいずれか１項に記載の炭化水素処理システム。
12. 前記光源は、ブラックライトを用いる、
    ことを特徴とする請求項７から請求項１１までのいずれか１項に記載の炭化水素処理システム。
13. 前記光源は、前記吸気通路に挿通される柱状体であって、吸気方向と直交する断面の中心を通過して前記吸気通路に沿って配置され、
    前記薄板は、前記光源の側面に放射状に設けられる、
    ことを特徴とする請求項７から請求項１２までのいずれか１項に記載の炭化水素処理システム。
14. 前記吸気通路は、燃料タンクで発生する蒸発燃料を一時的に貯蔵するキャニスタと連通し、
    前記炭化水素酸化体は、前記キャニスタとの連通部と前記吸気取込口との間に配置される、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の炭化水素処理システム。

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