JP2014001720A - キャニスタ - Google Patents

Abstract

【課題】１つの吸着量センサ４１の出力値でもってキャニスタ１全体の吸着量を正しく代表できるようにする。
【解決手段】キャニスタ１は、吸着材１１が充填される第１吸着材室１２と第２吸着材室１３とが接続路１８を介してＵターン形状に接続されている。第１吸着材室１２の端部にパージポート５およびチャージポート６を備え、第２吸着材室１３の端部にドレンポート８を備える。吸着量センサ４１は、通電により発熱するとともに温度に応じて抵抗値が変化する感温素子を用いたもので、その温度平衡に基づき、局部的な吸着材１１の担持量が測定される。吸着量センサ４１の測定点を、第２吸着材室１３の接続路１８寄りの領域に配置することで、大気中の水分の影響およびチャージ時の不均一な分布の影響を排除して、出力値の信頼性を高くすることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車の蒸発燃料処理装置に用いられるキャニスタに関し、特に、実際の吸着量を吸着材の熱容量に基づいて検出する吸着量センサを備えたキャニスタに関する。

周知のように、エンジンを用いた自動車では、燃料タンク内の蒸発燃料が大気に放出されるのを抑制するために、キャニスタを主体とした蒸発燃料処理装置を備えている。

キャニスタは、ケーシング内に活性炭等の吸着材を充填したものであって、停車時等に燃料タンク内から発生する蒸発燃料を吸着材に吸着させる一方、エンジン稼働時にドレンポートから導入した大気により吸着材から燃料成分を脱離させて、エンジンの吸気系に吸入させる構成となっている。

特許文献１は、このような吸着材を利用したキャニスタにおいて、燃料成分（ＨＣ）の吸着に伴って吸着材の熱容量が変化することに着目して、吸着材における燃料成分の担持量ひいてはキャニスタにおける吸着量を検出するようにした吸着量センサを開示している。

この吸着量センサは、通電することにより発熱するとともに自身の温度によって抵抗値が変化する感温素子を用いたもので、発熱している感温素子の温度が、吸着材に担持されている燃料成分によって熱を奪われることで低下すると、抵抗値ひいては電流値が変化するので、これに基づいて吸着材における燃料成分の担持量を推定することができる。

特開２０１０−１０６６６４号公報

上記の吸着量センサは、その原理上、キャニスタに充填されている比較的多量の吸着材の中で局部的なごく一部の吸着材を測定対象として熱容量を測定することになる。従って、例えば１個の吸着量センサでもってキャニスタ全体の吸着量を代表させるためには、キャニスタにおける吸着量の変化と吸着量センサの出力値とが正しく相関するようにしなければならない。

本発明者らは、このような観点から鋭意研究を重ねてきたが、その結果、吸着量センサによる検出精度（換言すれば出力値の信頼性）を大きく低下させるいくつかの要因が存在することが判明した。

その一つは、大気中における水分の存在である。キャニスタの流路の中で種々異なる位置に吸着量センサの測定点を配置して実験を行ったところ、測定点がドレンポートに近いと、大気中の水分が炭化水素と同様に吸着材に吸着され、この水分が熱容量を増大させるため、出力値の信頼性が低下することが判明した。

他の一つは、キャニスタの流路つまり吸着材が充填されている吸着材室において、その横断面における吸着量分布の不均一性の問題である。例えば、非常にゆっくりとキャニスタに燃料成分が吸着されていく場合には、横断面における吸着量の分布は比較的均一となるが、給油時などでは燃料タンクからキャニスタに急速に燃料蒸気が流入し、急激な吸着が行われるので、横断面の各部で吸着量が不均一となる。

特許文献１には、吸着量センサの測定点として、Ｕ字形に接続された２つの吸着材室の中で、チャージポートおよびパージポートを具備する第１の吸着材室における２つの位置が例示されているが、これらの箇所は必ずしも最適な位置ではなく、キャニスタ全体の吸着量を正しく代表することができない。

この発明は、Ｕターン形状の流路を構成するように接続路を介して互いに接続された第１吸着材室および第２吸着材室を有し、かつ上記第１吸着材室の端部にチャージポートおよびパージポートを備えるとともに、上記第２吸着材室の端部にドレンポートを備えたケーシングと、
上記第１吸着材室および上記第２吸着材室に充填された吸着材と、
検出部が上記吸着材内に位置するように上記ケーシングに取り付けられた吸着量センサと、
を備えてなるキャニスタにおいて、
上記吸着量センサの測定点が、上記第２吸着材室のドレンポート側の第１の端部と接続路側の第２の端部との間の流路長の中で、中間点よりも第２の端部寄りに配置されていることを特徴としている。

望ましくは、上記測定点は、上記第２の端部から上記流路長の３０パーセント以内に配置されている。

上記の構成では、給油時などキャニスタ内に燃料成分が流入するとき、つまりチャージ時は、燃料成分が第１吸着材室端部のチャージポートから流入し、第２吸着材室端部（第１の端部）のドレンポートへと向かって流れる。逆に、燃料成分のパージを行うパージ時は、大気がドレンポートから流入し、かつパージポートへと向かって流れる。従って、キャニスタにおける流路長手方向に沿った吸着量（担持量）の分布としては、基本的に、第１吸着材室のチャージポートおよびパージポート側の端部に近い位置ほど担持量が多く、第２吸着材室のドレンポート側の端部に近い位置ほど担持量が少なくなる。

水分を含む大気はドレンポートからキャニスタ内に流入し、しかもドレンポート寄りの吸着材は上記のように炭化水素の担持量が少ないので、第２吸着材室の中でドレンポートに近い位置ほど、水分が吸着されやすい。なお、炭化水素の方が水蒸気に比べて吸着材に吸着され易く、仮に水分が吸着材に吸着されていても、燃料成分がチャージされると、水分は容易に脱離する。従って、第２吸着材室の中では、測定点として、ドレンポートから相対的に離れた領域つまり中間点よりも第２の端部寄りとなる領域の方が有利となる。

水分の影響は、第１吸着材室の中においても生じる。第１吸着材室と第２吸着材室とをＵターン形状に接続する接続路は、ある程度の容積を有し、かつキャニスタの発熱反応および吸熱反応の繰り返しの中で凝縮した水分がその空気中に含まれるため、第１吸着材室の中でも接続路に近い位置（つまり炭化水素の担持量が相対的に少ない位置）では、水分による影響が相対的に大きくなる。

一方、給油時などキャニスタ内に急激に燃料成分が流入した場合、燃料成分はまず第１吸着材室内に入り、この第１吸着材室内で急激なチャージが行われるので、第１吸着材室では、その横断面における吸着量の分布が不均一となり易い。これに対し、第２吸着材室では、第１吸着材室から接続路を経由した後に燃料成分が流入するため、横断面における吸着量の分布は比較的均一となる。

特に、多くの場合、前述した流路長手方向の担持量分布を考慮して、ドレンポート側の第２吸着材室の横断面積がチャージポート側の第１吸着材室の横断面積よりも小さく設定されているが、このような構成の場合には、第２吸着材室の横断面における吸着量の分布が第１吸着材室に比べてより均一なものとなる。

従って、大気中の水分の影響ならびに各吸着材室の横断面における吸着量の分布の均一性を考慮すると、キャニスタ全体の吸着量を代表する測定点としては、第２吸着材室側で、かつ中間点よりも接続路側の領域が最適となる。そして、この範囲の中で、ドレンポートからより離れた位置つまり接続路側の端部に近い位置が好ましいものとなる。

なお、キャニスタにおける流路長手方向に沿った吸着量の分布としては、前述したようにチャージポートおよびパージポート側の端部からドレンポート側の端部へ向かって徐々に担持量が少なくなっていくのであるが、上記の測定点の位置は、このような流路長手方向の中で中間的な位置となり、この点からも好ましい位置である。

但し、上記の測定点は、接続路に過度に近付けずに、上記第２の端部を確定する通気性を有するスクリーン部材から、検出部が少なくとも５ｍｍ離れていることが望ましい。すなわち、上記吸着量センサは、適当な温度まで発熱し、その温度平衡に基づいて熱容量ひいては吸着量を検出するものであるので、接続路に過度に近いと（換言すれば接続路までの間の吸着材層の厚さが過度に薄いと）、吸着材以外の外気やケーシングなどの熱的影響を受け、その精度が低下する。

本発明の一つの態様では、上記のように第２吸着材室に設けた吸着量センサに加えて、第１吸着材室に第２の吸着量センサを設けるようにしてもよい。この場合、上記第２の吸着量センサの測定点は、上記第１吸着材室のチャージポート側の第１の端部と接続路側の第２の端部との間の流路長の中で、中間点よりも第１の端部寄りに配置されていることが望ましい。すなわち、第１吸着材室においては、接続路に近い領域の方が水分の吸着による影響が大となり、出力値の信頼性が低い。従って、２つの吸着量センサでもって測定を行う場合には、第２吸着材室の測定点としては、該第２吸着材室の中間点よりもチャージポート寄りの領域が好ましい。

この発明によれば、吸着量センサによる出力値とキャニスタ全体の吸着量との相関が高く得られ、吸着量をより精度よく検出することが可能となる。

本発明の第１実施例に係るキャニスタを含む蒸発燃料処理装置のシステム構成図。 図１のキャニスタの第２吸着材室側の縦断面図。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図 キャニスタの異なる測定点での出力値の特性を対比して示した特性図。 図４の実験に用いた測定点の位置を示す説明図。 キャニスタの第２実施例を示す断面図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係るキャニスタ１を蒸発燃料処理装置の概略的な構成とともに示している。

燃料成分を一時的に蓄えるキャニスタ１は、合成樹脂製のケーシング２を有し、このケーシング２は、一端が開口するボディ３と、この開口端に取り付けられるキャップ４と、から構成されている。

ボディ３は、端部にパージポート５とチャージポート６とが隣接して設けられた細長い角筒状の第１筒状部７と、端部にドレンポート８が設けられた細長い角筒状の第２筒状部９と、を有し、これら２つの筒状部７，９が僅かな間隙を介して互いに隣接して配置されているとともに、互いに一体に連結されている。第１筒状部７および第２筒状部９の他方の端部はそれぞれ開口しており、上述のキャップ４がこれらの開口を覆うことで、後述する接続路１８が構成されている。

第１筒状部７の内部は、燃料成分（炭化水素）の吸着・脱離が可能な粒状の吸着材１１（例えば活性炭）が充填された第１吸着材室１２となっている。詳しくは、第１筒状部７の一端部に、パージポート５との間を仕切る通気性を有する第１スクリーン部材１４ならびにチャージポート６との間を仕切る通気性を有する第２スクリーン部材１５が設けられているとともに、他端部に、接続路１８との間を仕切る通気性を有する第３スクリーン部材１７が設けられており、これらの第１，第２スクリーン部材１４，１５と第３スクリーン部材１７との間の容積が第１吸着材室１２となる。第３スクリーン部材１７は通気性を有する多孔板２０によって支持されており、この多孔板２０とキャップ４底面との間に、スプリング１９が圧縮状態で配設されている。このスプリング１９の付勢力でもって第１吸着材室１２内の吸着材１１が所定の充填状態に保持されている。

なお、第１吸着材室１２の端部における第１スクリーン部材１４側の領域（つまりパージポート５に対応する領域）と第２スクリーン部材１５側の領域（つまりチャージポート６に対応する領域）とは、第１筒状部７の端部から第１吸着材室１２内へと突出した仕切壁１６によって仕切られている。

第２筒状部９の内部は、同様に、吸着材１１が充填された第２吸着材室１３となっている。詳しくは、第２筒状部９の一端部に、ドレンポート８との間を仕切る通気性を有する第４スクリーン部材２１が設けられているとともに、他端部に、接続路１８との間を仕切る通気性を有する第５スクリーン部材２２が設けられており、これらの第４スクリーン部材２１と第５スクリーン部材２２との間の容積が第２吸着材室１３となる。第５スクリーン部材２２は通気性を有する多孔板２４によって支持されており、この多孔板２４とキャップ４底面との間にスプリング２３が圧縮状態で配設されている。このスプリング２３の付勢力でもって第２吸着材室１３内の吸着材１１が所定の充填状態に保持されている。

上記第３スクリーン部材１７とキャップ４底面との間の空間および上記第５スクリーン部材２２とキャップ４底面との間の空間は、実質的に一つの空間をなすように互いに連通しており、これによって、第１吸着材室１２と第２吸着材室１３とを流路として直列に接続する接続路１８が構成されている。換言すれば、第３スクリーン部材１７ならびに第５スクリーン部材２２とキャップ４との間の空間が接続路１８となっている。

従って、キャニスタ１全体としては、流路一端のパージポート５ならびチャージポート６から流路他端のドレンポート８へと続くＵターン形状の流路を構成するように、第１吸着材室１２と第２吸着材室１３とが接続されている。

上記チャージポート６は、チャージ通路３１を介して車両の燃料タンク３２の上部空間に接続され、上記パージポート５は、パージ通路３３を介してエンジン３４の吸気通路３５（詳しくはスロットル弁３６下流側）に接続される。上記パージ通路３３には、パージ制御弁３７が介装され、エンジンコントロールユニット３８によってパージ制御弁３７の開度が制御される。また、ドレンポート８は、大気に開放されるものであるが、必要に応じて、ドレンポート８に接続される大気通路に図示せぬ電磁弁が付加される場合もある。

ここで、上記キャニスタ１においては、第２吸着材室１３の容積は第１吸着材室１２の容積の１／２程度であり、両者の流路長（ガスの流れ方向に沿った長さ）は大差がないので、第２吸着材室１３の横断面積（ガスの流れ方向に直交する断面での通路断面積）は、第１吸着材室１２の横断面積の１／２程度である。これは、前述したガスの流れに沿った方向での吸着量（担持量）の分布を考慮したものである。つまり、ガスの流路の長手方向にみたときに、チャージポート６側では、相対的に多量の吸着材１１が必要であり、ドレンポート８側では、必要な吸着材１１の量が相対的に少なくなるので、第１吸着材室１２と第２吸着材室１３とで通路断面積が異なるものとなっている。

なお、図１では、第１，第２，第４スクリーン部材１４，１５，２１の高さ位置が互いに等しく、かつ第３，第５スクリーン部材１７，２２の高さ位置が互いに等しく描かれているが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、例えば第１，第２，第４スクリーン部材１４，１５，２１の高さ位置が多少異なっているような場合でも同様に適用可能である。

次に、本発明の要部である吸着量センサ４１およびその配置について説明する。なお、以下では、キャニスタ１における位置の特定の便宜のために、第１吸着材室１２の第２スクリーン部材１５によって確定される端部を「端部Ａ」、同第１吸着材室１２の第３スクリーン部材１７によって確定される端部を「端部Ｂ」、第２吸着材室１３の第４スクリーン部材２１によって確定される端部を「端部Ｃ」、同第２吸着材室１３の第５スクリーン部材２２によって確定される端部を「端部Ｄ」、とそれぞれ呼ぶこととする。

本実施例では、図２にも示すように、第２吸着材室１３側に設けた単一の吸着量センサ４１でもってキャニスタ１全体の吸着量を代表させる構成となっており、特に、吸着量センサ４１は、その先端の測定点が、端部Ｃから端部Ｄまでの第２吸着材室１３の流路長Ｌ２の中で、中間点よりも端部Ｄ寄りの領域に配置されている。より詳しくは、端部Ｄから上記流路長Ｌ２の３０パーセント以内で、かつ端部Ｄから少なくとも５ｍｍ離れた範囲に上記測定点が位置している。一つの具体例としては、上記測定点は、端部Ｄから上記流路長Ｌ２の２０パーセントの位置に設定される。

図３は、吸着量センサ４１の具体的な一例を示している。この吸着量センサ４１は、ケーシング１の第１筒状部７に設けた開口部にナット４２を介して締付固定される略円柱状のプラグ部４３と、このプラグ部４３に支持された熱容量センサ部４４および温度センサ部４５と、から大略構成されている。上記プラグ部４３は、上記ナット４２が螺合するねじ部４３ａを有し、かつ第１筒状部７外壁面との間にはＯリング４６が介装されている。

上記熱容量センサ部４４および温度センサ部４５は、基本的に同一の構成であって、プラグ部４３に支持された棒状の絶縁体４７の先端部にサーミスタなどの感温素子４８が埋設されている。そして、検出部として熱伝導率の高いアルミニウム合金等からなる一対の伝熱板４９が絶縁体４７先端から突出して取り付けられており、付近の吸着材１１からの熱を感温素子４８に伝達（熱容量センサ部４４では吸熱となる）している。上記感温素子４８は、通電することにより発熱するとともに自身の温度によって抵抗値が変化する特性を有する。熱容量センサ部４４においては、通電により感温素子４８が加熱されている状態において吸着材１１における炭化水素の吸着量（担持量）に応じて熱が奪われることから、その熱的な平衡が変化し、エンジンコントロールユニット３８内の検出回路を介して熱容量ひいては吸着量に応じた出力が得られる。温度センサ部４５は、温度補償用のものであり、吸熱反応および発熱反応により比較的大きく変化するキャニスタ１内部の温度変化による出力変化を補償している。

上記構成では、熱容量センサ部４４の一対の伝熱板４９の位置が実質的な測定点となる。この測定点は、第２吸着材室１３の横断面においては、図３に示すように、略矩形をなす横断面の略中心に位置している。なお、図１，図２に示すように、熱容量センサ部４４および温度センサ部４５は、ガス流路の長手方向については、実質的に同じ位置に並んで配置されている。伝熱板４９は、図２の上下方向に数ｍｍ程度の幅を有しており、その中心を測定点とみなすことができるが、端部Ｄとの間隔としては、外部からの熱的影響を避けるために、伝熱板４９の端部Ｄ寄りの側縁４９ａと第５スクリーン部材２２との間の距離が５ｍｍ以上であることが望ましい。

上記のように吸着量センサ４１を配置することで、この１つの吸着量センサ４１でもってキャニスタ１全体の吸着量を精度よく把握することが可能である。

図４は、図５のＰ１〜Ｐ５の５箇所の測定点に吸着量センサ４１を配置して、各々の測定点での測定がキャニスタ１の吸着量に正しく相関しているか否かを実験した結果をまとめたものである。ここでは、キャニスタ１に所定の炭化水素によるチャージおよび空気の通流によるパージの工程を横軸に示すように行い、各々の位置にある吸着量センサ４１の出力値をプロットした。また破線で示す「担持量」は、チャージおよびパージに伴うキャニスタ１全体の重量変化を測定することで、キャニスタ１全体の吸着量（詳しくは単位容積当たりの吸着量）を表したものである。

図５のＰ４点が上記実施例の吸着量センサ４１の測定点に対応する。Ｐ１点〜Ｐ３点は、第１吸着材室１２側に吸着量センサ４１を配置した場合の測定点の例であって、Ｐ１点は、第１吸着材室１２内へと突出した仕切壁１６の直下付近の点である。Ｐ２点は、端部Ａから端部Ｂまでの第１吸着材室１２の流路長Ｌ１の中で、中間点よりも端部Ａ寄りの領域にあり、かつＰ１点よりも端部Ａから離れた点である。Ｐ３点は、端部Ａから端部Ｂまでの第１吸着材室１２の流路長Ｌ１の中で、中間点よりも端部Ｂ寄りの領域にあり、Ｐ４点と同様に端部Ｂから流路長Ｌ１の２０パーセント付近の点である。Ｐ５点は、端部Ｃから端部Ｄまでの第２吸着材室１３の流路長Ｌ２の中で、中間点よりも端部Ｃ寄りの領域にあり、端部Ｃから流路長Ｌ２の２０パーセント付近の点である。

図４の横軸で表す工程としては、左端がキャニスタ１組立後の新品状態であり、ここから数回のチャージおよびパージの繰り返しによるならしを行った後、完全なチャージを１回行い、かつ十分なパージを行った段階を、「１チャージ後原点」とした。次に、０．５ワーキングキャパシティのチャージを行い、その後、ベッドボリュームの１００倍の空気の通流によるパージを行い、その後、０．５ワーキングキャパシティのチャージを再度行った。そして、最後は、原点に戻すために「１チャージ後原点」とキャニスタ１全体の重量が等しくなるまでパージを行った。

図４に示すように、上記実施例の吸着量センサ４１の測定点位置に相当するＰ４点に設けた吸着量センサ４１の出力値は、破線で示すキャニスタ１全体の吸着量に非常によく相関している。これに比較して、ドレンポート８に近いＰ５点における吸着量センサ４１の出力値は、チャージおよびパージに伴うキャニスタ１全体の吸着量変化を殆ど反映しておらず、かつ全体として高い値を示している。Ｐ５点付近の吸着材１１の吸着量は、キャニスタ１の流路の長手方向に沿った分布によれば、最も少ない吸着量となるべきであるので、Ｐ５点の出力値は明らかに信頼性が低い。これは、ドレンポート８から流入する大気中の水分が吸着材１１に吸着することによるものと考えられる。同様に、Ｐ３点における出力値もキャニスタ１全体の吸着量よりも高い値を示し、信頼性が低い。これは、接続路１８において凝縮する水分が影響しているものと考えられる。

一方、Ｐ１点およびＰ２点の出力値は、この実験では、キャニスタ１全体の吸着量の変化に比較的よく相関した特性となっている。しかしながら、前述したように、給油時などキャニスタ１内に急激に燃料成分が流入した状況では、燃料成分はまず第１吸着材室１２内に入り、第１吸着材室１２内で急激なチャージが行われるので、第１吸着材室１２では、その横断面における吸着量の分布が不均一となり易い。これに対し、第２吸着材室１３へは、第１吸着材室１２から接続路１８を経由した後に燃料成分が流入し、しかも第２吸着材室１３の横断面積は第１吸着材室１２の横断面積よりも小さいので、横断面における吸着量の分布は比較的均一となる。従って、Ｐ１点およびＰ２点に比較して、Ｐ４点の方がチャージの速度の影響を受けず、出力値の信頼性が高いものとなる。

図６は、キャニスタ１に２つの吸着量センサ４１を設けた第２の実施例を示しており、符号４１Ａで示す第１の吸着量センサ４１は、前述した実施例と同様の位置に配置されている。これに対し、符号４１Ｂで示す第２の吸着量センサ４１は、第１吸着材室１２側に設けられており、図５のＰ１点ないしＰ２点に測定点が配置されている。このように２つの吸着量センサ４１を用いることで、キャニスタ１における吸着状態をより詳しく把握することが可能となる。例えば、第１の吸着量センサ４１Ａによる出力値をキャニスタ１全体の吸着量を代表するものとして用いる一方で、第２の吸着量センサ４１Ｂの出力値を、エンジン３４へ流れ出るパージガス中の濃度に影響するパージポート５付近の吸着量を示すものとして用いることができる。あるいは、各々が、第１吸着材室１２および第２吸着材室１３の吸着量を個々に代表するものとして取り扱うこともできる。

１…キャニスタ
２…ケーシング
５…パージポート
６…チャージポート
８…ドレンポート
１２…第１吸着材室
１３…第２吸着材室
１８…接続路
４１，４１Ａ，４１Ｂ…吸着量センサ

Claims (5)

1. Ｕターン形状の流路を構成するように接続路を介して互いに接続された第１吸着材室および第２吸着材室を有し、かつ上記第１吸着材室の端部にチャージポートおよびパージポートを備えるとともに、上記第２吸着材室の端部にドレンポートを備えたケーシングと、
   上記第１吸着材室および上記第２吸着材室に充填された吸着材と、
   検出部が上記吸着材内に位置するように上記ケーシングに取り付けられた吸着量センサと、
   を備えてなるキャニスタにおいて、
   上記吸着量センサの測定点が、上記第２吸着材室のドレンポート側の第１の端部と接続路側の第２の端部との間の流路長の中で、中間点よりも第２の端部寄りに配置されていることを特徴とするキャニスタ。
2. 上記測定点は、上記第２の端部から上記流路長の３０パーセント以内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のキャニスタ。
3. 上記第２の端部を確定する通気性を有するスクリーン部材から、上記検出部が少なくとも５ｍｍ離れていることを特徴とする請求項１または２に記載のキャニスタ。
4. 上記第１吸着材室にさらに第２の吸着量センサを有し、
   この第２の吸着量センサの測定点が、上記第１吸着材室のチャージポート側の第１の端部と接続路側の第２の端部との間の流路長の中で、中間点よりも第１の端部寄りに配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のキャニスタ。
5. 上記第２吸着材室の横断面積は、上記第１吸着材室の横断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のキャニスタ。

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