JP2012180825A - 蒸発燃料処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャニスタから脱離した蒸発燃料を燃焼した際に生じる熱を利用して発電することで、燃焼により生じたエネルギーを活用できる蒸発燃料処理装置を提供する。
【解決手段】蒸発燃料を吸着可能なキャニスタ１２と、該キャニスタ１２に大気を導入して蒸発燃料を脱離する電動ポンプ１４と、キャニスタ１２から脱離した蒸発燃料を燃焼する触媒３６とを備える蒸発燃料処理装置であって、触媒３６で蒸発燃料を燃焼する際に生じる熱を利用して発電可能な熱電素子４４が設置されており、該熱電素子４４が生じる電力が電動ポンプ１４に供給される。
【選択図】図１

Description

車両の燃料タンク内で生じた蒸発燃料を処理する蒸発燃料処理装置であって、キャニスタから脱離した蒸発燃料を触媒で燃焼・浄化する蒸発燃料処理装置に関する。

従来から、ガソリン等を燃料とする車両には、燃料タンクの内圧上昇に基づく破損を回避しながら、蒸発燃料が大気中へ放散されることを防止する蒸発燃料処理装置が搭載されている。一般的な蒸発燃料処理装置は燃料タンクで発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタを有しており、内燃機関の運転中に生じる負圧を利用して前記キャニスタをパージして、それにより脱離した蒸発燃料を内燃機関で燃焼するよう構成されている。

しかし、キャニスタが一度に吸着できる蒸発燃料の量には限りがあるため、キャニスタの許容量を超える蒸発燃料がキャニスタに流入すると、その一部は大気中へ流出してしまい、大気汚染の原因となる。この問題を解決するために、例えば下記特許文献１に記載された蒸発燃料装置では、キャニスタに供給される蒸発燃料が限界値を超えると、ポンプが大気をキャニスタに導入することで蒸発燃料を脱離する構成になっている。そして、キャニスタから脱離された蒸発燃料は、大気汚染を回避するために触媒で燃焼された後に、大気中へと放出される。

特開平４−２９２５６５号公報

しかし、特許文献１の蒸発燃料処理装置では、触媒で蒸発燃料を燃焼させることによって生じるエネルギーが何ら利用されていない。そのため、触媒で燃焼される蒸発燃料の量が多くなるにつれて車両全体の燃費が悪化していく。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものである。本発明が解決しようとする課題は、触媒で蒸発燃料を燃焼した際に生じるエネルギーを活用することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る蒸発燃料処理装置は次の手段を採用する。
第１の発明に係る蒸発燃料処理装置は、燃料タンクで生じた蒸発燃料を吸着可能な吸着材が充填されたキャニスタと、吸着材から脱離した蒸発燃料を燃焼させる触媒と、触媒を加熱するヒータと、キャニスタに大気を導入して吸着材に吸着された蒸発燃料を脱離する電動ポンプとを備える蒸発燃料処理装置であって、触媒で蒸発燃料を燃焼する際に生じる熱を利用して発電可能な熱電素子を備え、熱電素子が生じる電力が電動ポンプに供給されることを特徴とする。

この発明によれば、触媒で蒸発燃料を燃焼した際に生じる熱を利用して発電し、電動ポンプを稼動することができる。そのため、蒸発燃料を触媒で燃焼した際に生じるエネルギーを有効に利用することができる。また、電動ポンプが蒸発燃料の燃焼により生じた電力で駆動されるため、電動ポンプへ電力を供給する他の電力源からの電力供給を低減することができ、結果的に燃費の向上を図ることができる。

第２の発明に係る蒸発燃料処理装置は、第１の発明に係る蒸発燃料処理装置であって、触媒温度又は燃焼ガス温度を検出する温度検出手段を備え、温度検出手段により検出された温度が所定値以下である場合には、電動ポンプが停止されることを特徴とする。

この発明によれば、温度検出手段が検出した触媒温度又は燃焼ガス温度が所定値以下であることに基づいて脱離完了を判断し、電動ポンプが停止される。そのため、蒸発燃料の脱離が完了した後に電力を無駄に消費する事態を回避することができる。

第３の発明に係る蒸発燃料処理装置は、第１又は第２の発明に係る蒸発燃料処理装置であって、熱電素子の発電量を検出する発電量検出手段を備え、発電量検出手段により検出された発電量が所定値以下の場合には、電動ポンプが停止されることを特徴とする。

この発明によれば、発電量検出手段が検出した熱電素子の発電量が所定値以下であることに基づいて蒸発燃料の脱離完了を判断し、電動ポンプが停止される。そのため、蒸発燃料の脱離が完了した後に電力を無駄に消費する事態を回避することができる。

第４の発明に係る蒸発燃料処理装置は、第１から第３のいずれかの発明に係る蒸発燃料処理装置であって、キャニスタと触媒とを連通する触媒通路を連通・遮断する触媒弁を備え、キーオン後にヒータが触媒を活性値まで昇温した後、触媒弁を開弁すると共に電動ポンプを駆動するよう制御されていることを特徴とする。

この発明によれば、触媒が活性値まで昇温した後に触媒弁が開弁されると共に電動ポンプが駆動されるため、触媒が蒸発燃料を燃焼できる状態になった後に蒸発燃料が触媒に供給される。そのため、蒸発燃料が燃焼されることなく触媒を通過し、大気中に流出することを防止できる。

第５の発明に係る蒸発燃料処理装置は、第１から第４のいずれかの発明に係る蒸発燃料処理装置であって、吸着材を加熱する電動ヒータを備え、熱電素子が生じる電力が電動ヒータに供給されることを特徴とする。

この発明によれば、触媒で蒸発燃料を燃焼した際に生じる熱を利用して発電し、電動ヒータによって吸着材を加熱することができる。吸着材は、一般的に温度が高くなるにつれて吸着量が低下する特性を有するため、電動ヒータにより吸着材が加熱されると、蒸発燃料の脱離が促進される。これにより、より短時間で蒸発燃料の脱離を完了することができる。

本発明によれば、触媒で蒸発燃料を燃焼した際に生じる熱を利用して発電するため、蒸発燃料の燃焼により生じたエネルギーを有効に利用することができる。また、熱電素子が生じた電力を電動ポンプに供給することにより、キャニスタのパージ及び蒸発燃料の燃焼を行うために他の電力源から供給される電力量を低減することができるため、車両全体の燃費の向上を図ることができる。

実施例の蒸発燃料処理装置の模式図である。 触媒へ供給される蒸発燃料の濃度と触媒の温度との関係を表すグラフである。 熱電素子における温度差と発電量との関係を表すグラフである。 実施例における各構成要素の作動タイミングとそれに伴う触媒温度及び発電量の変化を表すグラフである。

以下、本発明の代表的な実施の形態について説明するが、これに限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。特に、本発明の蒸発燃料処理装置に必須の構成要素であるキャニスタ、触媒、電動ポンプ、及び熱電素子を備える基本的構成を有する限り、その他種々の構成要素を付加できる。本発明の蒸発燃料処理装置は、揮発性の高い燃料（例えばガソリンなど）を燃料とする、自動車などの車輌へ好適に適用できる。

（実施例）
蒸発燃料処理装置は、図１に示すように、燃料Ｆを貯留する燃料タンク１０、燃料タンク１０内で発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタ１２、キャニスタ１２に大気（空気）を導入する電動ポンプ１４、及び蒸発燃料を燃焼する触媒モジュール１６を有する。

燃料タンク１０は内部に燃料Ｆを貯留する密閉タンクであり、燃料タンク１０の内圧を検知する圧力センサ１８が設けられている。圧力センサ１８からの検知信号は、エンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）２０へ入力される。燃料タンク１０は、タンク通路２２によってキャニスタ１２と連通している。タンク通路２２上にはタンク通路弁２４が設置されており、当該タンク通路弁２４を開閉することによって、タンク通路２２の連通状態と遮断状態とを切り替えることができる。

キャニスタ１２の内部には吸着材Ｃが充填されている。吸着材Ｃとしては、空気は通すが蒸発燃料を吸着・脱離可能な多孔質体を使用できる。本実施例では活性炭を使用している。キャニスタ１２内には吸着材Ｃを加熱するための電動ヒータ２６が設置されている。吸着材Ｃは、温度が高いほど特定成分（本発明では蒸発燃料）の吸着量が少なく、温度が低いほど特定成分の吸着量が多くなる特性を有する。したがって、吸着材Ｃに吸着捕捉されている蒸発燃料を脱離する際は、吸着材Ｃの温度はできるだけ高い方が好ましい。しかし、蒸発燃料が吸着材Ｃから脱離されるとき、その気化熱によって吸着材Ｃの温度は低下する。そこで、蒸発燃料脱離の際に電動ヒータ２６で吸着材Ｃを加熱することで、脱離効率を向上することができる。電動ヒータ２６は、後述する熱電素子４４から電力を供給されることによって作動するが、ＥＣＵ２０によって任意のタイミングで吸着材Ｃを加熱するよう制御されていても良い。キャニスタ１２には、その先端が大気に開放された大気通路２８が連結されている。大気通路２８上には、キャニスタ１２に大気（空気）を導入するための電動ポンプ１４とエアフィルタ３０が設置されている。電動ポンプ１４はＥＣＵ２０によって制御されており、大気通路２８の先端から取り込まれてエアフィルタ３０を通過した空気をキャニスタ１２へと導入する。

また、キャニスタ１２は、触媒通路３２を介して触媒モジュール１６に連結されている。触媒通路３２上には触媒通路弁３４が設置されており、当該触媒通路弁３４を開閉することによって、触媒通路３２の連通状態と遮断状態とを切り替えることができる。

触媒モジュール１６は、蒸発燃料を燃焼させるための触媒３６を内部に備える。触媒３６として、蒸発燃料のＨＣと空気中のＯ₂とを反応させてＨＣを水と二酸化炭素に分解する触媒を使用することができる。本実施例では、触媒３６に白金触媒を用いている。触媒モジュール１６は、触媒３６の温度を測定するための温度センサ３８と、触媒３６を加熱するためのヒータ４０とを備えている。温度センサ３８は測定した触媒３６の温度をＥＣＵ２０へ入力し、ＥＣＵ２０は温度センサ３８によって測定された温度に基づいてヒータ４０を制御する。また、触媒モジュール１６は、先端が大気に開放された排気管４２に連結されており、触媒モジュール１６内で生じた二酸化炭素などを大気中へ放出することができる。

触媒３６は固有の活性化温度（活性値）未満では蒸発燃料を燃焼することができない。そのため、触媒３６の温度が活性値未満である状態で触媒モジュール１６に蒸発燃料を供給すると、蒸発燃料は燃焼されることなく大気中へ放出され、大気汚染の原因となる。したがって、触媒３６をヒータ４０によって活性値まで加熱した後に蒸発燃料を供給する必要がある。蒸発燃料の燃焼中は、触媒３６による蒸発燃料の燃焼反応が発熱反応であるため、供給される蒸発燃料の量が多くなるほど触媒温度は高くなり、供給される蒸発燃料の量が少なくなるほど触媒温度は低くなる。そのため、所定値以上の濃度の蒸発燃料が触媒３６に供給される場合には、ヒータ４０で加熱しなくても触媒３６の温度は活性値以上に保たれる。したがってこのような場合には、蒸発燃料の燃焼の開始後にヒータ４０を停止させても良い。また、吸着材Ｃからの蒸発燃料の脱離が進行すると、触媒３６に供給される蒸発燃料の量は低下していき、これに伴い触媒３６の温度も低下していく。そのため、図２に示されるように、蒸発燃料の脱離が完了した際に触媒３６に供給される蒸発燃料の濃度（Ｄ₀）を事前に調べることで、当該濃度（Ｄ₀）に対応する触媒３６の温度（Ｔ₀）を脱離完了判定値に設定することができる。そして、蒸発燃料の燃焼中に触媒３６の温度が脱離完了判定値（Ｔ₀）まで低下したら、蒸発燃料の脱離が完了したと判定することが可能である。なお、温度センサ３８は本明細書における温度検出手段に相当する。

キャニスタ１２と触媒モジュール１６の間には、両者に接するように熱電素子４４が設置されている。熱電素子４４は、低温部と高温部（本実施例においてはキャニスタ１２と触媒モジュール１６）の温度差を利用して発電することができる熱電素子（ゼーベック素子）であれば良く、その内部に用いられる金属及び半導体の種類は問わない。熱電素子４４が作り出した電力は電動ポンプ１４及び電動ヒータ２６に供給される。また、熱電素子４４は電力計４６を備えており、電力計４６によって測定された測定値がＥＣＵ２０へと入力される。

図３に示されるように、熱電素子の低温部と高温部の温度差、すなわち、熱電素子４４が接しているキャニスタ１２と触媒モジュール１６との温度差が大きくなるほど熱電素子による発電量は多くなり、温度差が小さくなるほど熱電素子による発電量は少なくなる。そのため、キャニスタ１２からの蒸発燃料の脱離量が少なくなると、触媒３６に供給される蒸発燃料の濃度が低下し、触媒３６の温度が低くなるため、キャニスタ１２と触媒モジュール１６との温度差が小さくなり、結果的に熱電素子４４による発電量も少なくなる。したがって、キャニスタ１２の脱離が完了した際における熱電素子４４の温度差に対応する発電量を脱離完了判定値（Ｗ₀）に設定することで、蒸発燃料の燃焼中に熱電素子４４による発電量が脱離完了判定値（Ｗ₀）まで低下したら、蒸発燃料の脱離が完了したと判定することが可能である。なお、電力計４６は本明細書における発電量検出手段に相当する。

燃料タンク１０は、タンク燃料パージ通路４８を介してエンジン（図示しない）と連通されている。タンク燃料パージ通路４８上にはタンク燃料パージ通路弁５０が設置されており、当該タンク燃料パージ通路弁５０を開閉することによって、タンク燃料パージ通路４８の連通状態と遮断状態とを切り替えることができる。タンク燃料パージ通路４８の一端は、タンク通路弁２４と燃料タンク１０との間においてタンク通路２２に連結されており、タンク燃料パージ通路４８の他端は吸気管５２に連結されている。吸気管５２は、エンジンの稼動中に当該エンジンに大気（空気）を吸入する管である。吸気管５２は、アクセルペダル（図示しない）の踏み込み量に応じて吸入される空気量を制御するスロットルバルブ５４と、エアフィルタ５６とを備える。

タンク通路弁２４、触媒通路弁３４、及びタンク燃料パージ通路弁５０は、ＥＣＵ２０によって開閉タイミングが制御される電磁弁である。ＥＣＵ２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などを有する。ＲＯＭには所定の制御プログラムが予め記憶されており、ＣＰＵが、当該制御プログラムに基づいて、蒸発燃料処理装置の各構成要素を所定のタイミングで制御操作する。

次に、蒸発燃料処理装置による蒸発燃料の処理機構について説明する。図４は、本実施例における電動ポンプ１４、触媒通路弁３４、及びヒータ４０の作動タイミングとそれに伴う触媒温度及び発電量の変化を表すグラフである。

駐車中（キーオフ時）は、タンク通路弁２４、触媒通路弁３４、及びタンク燃料パージ通路弁５０は、それぞれ閉じられている。給油時に燃料タンク１０の給油口（図示しない）が開けられると、その開口信号がＥＣＵ２０に入力され、タンク通路弁２４がＥＣＵ２０によって開かれる。給油に伴って燃料タンク１０の内圧が上昇すると、燃料タンク１０内の蒸発燃料含有ガスがタンク通路２２を介してキャニスタ１２内に流入する。すると、キャニスタ１２内の吸着材Ｃによって蒸発燃料が選択的に捕捉され、主に空気からなる残りのガスは大気通路２８を通って外部に放出される。これにより、大気汚染を回避しながら燃料タンク１０の内圧を低減することができ、燃料タンク１０の破損が防止される。給油後に燃料タンク１０の給油口が閉じられると、閉口信号がＥＣＵ２０に入力され、当該信号に基づきＥＣＵ２０がタンク通路弁２４を閉じる。これにより、燃料タンク１０は再度密閉される。

図４に示されるように、キーオン操作がなされると、ヒータ４０が触媒３６を加熱し、温度センサ３８が当該触媒３６の温度を測定する（タイミングＰ₁）。触媒３６の温度が活性値に到達すると、ＥＣＵ２０はヒータ４０を停止すると共に、触媒通路弁３４を開き、電動ポンプ１４を稼働させる（タイミングＰ₂）。電動ポンプ１４がエアフィルタ３０を通過した空気をキャニスタ１２に導入すると、キャニスタ１２内の吸着材Ｃから蒸発燃料が脱離する。そして、脱離した蒸発燃料は、キャニスタ１２に導入された空気と共に触媒通路３２を介して触媒モジュール１６へ流入する。蒸発燃料含有ガスに含まれる蒸発燃料は、触媒モジュール１６内で触媒３６によって燃焼されて排気管４２から大気中へと放出される。これによって、キャニスタ１２に捕捉された蒸発燃料をキャニスタ１２から脱離させて触媒３６で燃焼することで、大気汚染を回避しながら、キャニスタ１２の再生を行うことができる。

上述したように、触媒３６における蒸発燃料の燃焼は発熱反応であるため、キャニスタ１２から脱離した蒸発燃料を燃焼している触媒モジュール１６はキャニスタ１２よりも高温となる。熱電素子４４はキャニスタ１２と触媒モジュール１６との間の温度差を利用して発電を行い、電動ポンプ１４に電力を供給する。これにより、触媒で蒸発燃料を燃焼させた際に生じるエネルギーを電動ポンプ１４の駆動に活用することができる。

また、熱電素子４４で生じた電力が電動ヒータ２６にも供給されることで、電動ヒータ２６の作動により吸着材Ｃが加熱される。吸着材Ｃは温度が高くなると蒸発燃料を吸着できる量が減少するため、吸着材Ｃを加熱することによって蒸発燃料の脱離が促進される。これにより、より短い時間で蒸発燃料の脱離を終了することができ、消費エネルギーの削減を図ることができる。

蒸発燃料の燃焼中に、温度センサ３８によって測定される触媒３６の温度が脱離完了判定値（Ｔ₀）以下になると、ＥＣＵ２０が蒸発燃料の脱離が完了したと判断し、電動ポンプ１４を停止させると共に触媒通路弁３４を閉弁することで、キャニスタ１２のパージは終了する（タイミングＰ₃）。同様に、蒸発燃料の燃焼中に、電力計４６によって測定される発電量が脱離完了判定値（Ｗ₀）以下になった場合（タイミングＰ₃）も、ＥＣＵ２０が蒸発燃料の脱離が完了したと判断し、電動ポンプ１４を停止させると共に触媒通路弁３４を閉弁する。なお、触媒温度が脱離完了判定値（Ｔ₀）以下になるより先に発電量が脱離完了判定値（Ｗ₀）になった場合は、発電量が脱離完了判定値（Ｗ₀）に到達した時点において脱離の完了が判断される。また、触媒温度が先に脱離完了判定値（Ｔ₀）に到達した場合は、触媒温度が脱離完了判定値（Ｔ₀）に到達した時点において脱離の完了が判断される。これによって、キャニスタ１２のパージが完了した後に無駄な電力を消費することを防止できる。なお、キャニスタ１２のパージはキーオフ操作をした場合にも停止される。

エンジンの稼動中に、圧力センサ１８により測定された燃料タンク１０の内圧が所定の正圧（開弁判定値）以上になると、ＥＣＵ２０はタンク燃料パージ通路弁５０を開放する。燃料タンク１０内は正圧になっているため、タンク燃料パージ通路弁５０が開放されると、燃料タンク１０内の蒸発燃料はタンク燃料パージ通路４８を通って吸気管５２へと流入する。そして、吸気管５２に流入した蒸発燃料はエンジンに供給されて燃焼される。燃料タンク１０内の蒸発燃料がタンク燃料パージ通路４８に流入して燃料タンク１０の内圧が所定値（例えば大気圧）まで低下すると、ＥＣＵ２０はタンク燃料パージ通路弁５０を閉じる。このようにして、燃料タンク１０の内圧が低減され、燃料タンク１０の破損が防止される。なお、開弁判定値は燃料タンク１０の耐圧強度未満であり、正圧であれば良いが、エンジンが停止している場合、給油時を除いてタンクの圧抜きがなされないことを考慮すると、燃料タンク１０の耐圧強度に対して十分な余裕のある値に設定することが好ましい。

（変形例）
上記実施例では、熱電素子４４で生じた電力はキャニスタ１２を加熱するために電動ヒータ２６に供給されると共に、キャニスタ１２に空気を導入するために電動ポンプ１４に供給されたが、電動ヒータ２６と電動ポンプ１４のいずれか一方のみに電力を供給しても良い。

上記実施例では、温度センサ３８は触媒３６の温度を測定する構成であったが、触媒モジュール１６から排出される燃焼ガスの温度も蒸発燃料の燃焼量が少なくなると低下するため、温度センサ３８は当該燃焼ガスの温度を測定する構成としても良い。また、上記実施例では、蒸発燃料の脱離完了は温度センサ３８によって測定される触媒３６の温度と、電力計４６によって測定される熱電素子４４の発電量とに基づいて判断されるが、いずれか一方のみを用いても良い。これによって、温度センサ３８と電力計４６の一方を省略することができるため、装置の構造を簡略化することができる。

また、上記実施例では熱電素子４４はキャニスタ１２と触媒モジュール１６に接するように配置されているが、熱電素子４４の設置場所は、触媒３６が蒸発燃料を燃焼した際に生じる熱を利用できる場所であれば上記実施例の場所に限られない。例えば、排気管４２が触媒モジュール１６から排出される燃焼ガスによって加熱される場合は、熱電素子４４の高温部を排気管４２に接するように配置し、低温部をキャニスタ１２に接するように又はいずれの構成部材にも接しないように配置しても良い。

１０ 燃料タンク
１２ キャニスタ
１４ 電動ポンプ
１６ 触媒モジュール
１８ 圧力センサ
２０ ＥＣＵ
２２ タンク通路
２４ タンク通路弁
２６ 電動ヒータ
２８ 大気通路
３０ エアフィルタ
３２ 触媒通路
３４ 触媒通路弁
３６ 触媒
３８ 温度センサ
４０ ヒータ
４２ 排気管
４４ 熱電素子
４６ 電力計
４８ タンク燃料パージ通路
５０ タンク燃料パージ通路弁
５２ 吸気管
Ｃ 吸着材

Claims (5)

1. 燃料タンクで生じた蒸発燃料を吸着可能な吸着材が充填されたキャニスタと、前記吸着材から脱離した蒸発燃料を燃焼させる触媒と、前記触媒を加熱するヒータと、前記キャニスタに大気を導入して前記吸着材に吸着された蒸発燃料を脱離する電動ポンプとを備える蒸発燃料処理装置であって、
   前記触媒で蒸発燃料を燃焼する際に生じる熱を利用して発電可能な熱電素子を備え、
   前記熱電素子が生じる電力が電動ポンプに供給されることを特徴とする蒸発燃料処理装置。
2. 請求項１に記載の蒸発燃料処理装置であって、
   触媒温度又は燃焼ガス温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記温度検出手段により検出された温度が所定値以下である場合には、前記電動ポンプが停止されることを特徴とする蒸発燃料処理装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の蒸発燃料処理装置であって、
   前記熱電素子の発電量を検出する発電量検出手段を備え、
   前記発電量検出装置により検出された発電量が所定値以下の場合には、前記電動ポンプが停止されることを特徴とする蒸発燃料処理装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の蒸発燃料処理装置であって、
   前記キャニスタと前記触媒とを連通する触媒通路を連通・遮断する触媒弁を備え、
   キーオン後に前記ヒータが前記触媒を活性値まで昇温した後、前記触媒弁を開弁すると共に前記電動ポンプを駆動するよう制御されていることを特徴とする蒸発燃料処理装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の蒸発燃料処理装置であって、
   前記吸着材を加熱する電動ヒータを備え、
   前記熱電素子が生じる電力が前記電動ヒータに供給されることを特徴とする蒸発燃料処理装置。
   

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