JP2014114712A - キャニスタの検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャニスタ用センサの感度を向上させる。
【解決手段】キャニスタ用センサ４０は、感温素子５１と、感温素子５１に通電する銀電極５２と、ケーシング２内に配置される感温素子５１及び銀電極５２の周囲を被覆する非導電性の絶縁材５４と、絶縁材５４に被覆される一端側の根本部５６が感温素子５１に隣接して配置されると共に、絶縁材５４から突出する他端側の先端部５７が活性炭１１が充填されたケーシング２内に露出する伝熱板５５と、を有している。そして、伝熱板５５の先端部５７には、ケーシング２内に充填される活性炭１１と同等の特性の材料からなる被覆層６４が接着されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、キャニスタのケーシング内に充填された吸着材の状態を検出するキャニスタ用センサを備えたキャニスタの検出装置に関する。

特許文献１には、ケーシング内の吸着材（活性炭）の熱容量を検出する熱容量センサが開示されている。この特許文献１に開示された熱容量センサは、周囲が非導電性の絶縁材によって被覆された感温素子及び通電部と、上記絶縁材に被覆される一端側の根本部が上記感温素子に隣接して配置されると共に、上記絶縁材から突出する他端側の先端部が上記吸着材が充填された上記ケーシング内に露出する伝熱板と、を有し、この伝熱板に複数の貫通孔や凹凸等を形成することで、伝熱板と吸着材である活性炭の接触面積を増大させて、伝熱板と吸着材との間の熱抵抗を低減し、センサ感度を向上させている。

国際公開第２０１２／８６５２９号

しかしながら、この特許文献１の熱容量センサにおいては、伝熱板とケーシング内の吸着材との間の熱抵抗を低減し、センサ感度の向上を図る上で、更なる改善の余地がある。

そこで、本発明は、キャニスタのケーシング内に充填された吸着材における蒸発燃料の吸着状態を検出可能なキャニスタ用センサを備え、上記キャニスタ用センサが、感温素子と、該感温素子に通電する通電部と、上記ケーシング内に配置される感温素子及び通電部の周囲を被覆する非導電性の絶縁材と、上記絶縁材に被覆される一端側の根本部が上記感温素子に隣接して配置されると共に、上記絶縁材から突出する他端側の先端部が上記吸着材が充填された上記ケーシング内に露出する伝熱板と、を有するキャニスタの検出装置において、上記伝熱板の先端部に、上記ケーシング内に充填される吸着材と同等の特性の材料からなる被覆層が接着されていることを特徴としている。

また、上記キャニスタ用センサの上記感温素子、通電部及び伝熱板の根本部は、熱抵抗が大きく、かつ熱容量が小さい材料からなる断熱層よって被覆された上で、上記絶縁材によって被覆するようにしてもよい。

本発明によれば、伝熱板の先端部に接着された被覆層における蒸発燃料の吸着状態と、この被覆層の周囲の吸着材の蒸発燃料の吸着状態とは、特性が同等なるが故に同等となる。そのため、このような被覆層を設けることにより、伝熱板の先端部とケーシング内の吸着材との間の熱抵抗を小さくすることができ、キャニスタ用センサのの検出精度を大幅に向上させることができる。

本発明に係るキャニスタの検出装置のシステム構成を模式的に示した説明図。 本発明が適用されたキャニスタの断面図。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図。 感温素子の温度特性を示す特性図。 本発明の要部であるキャニスタ用センサの第１実施例における構造を模式的に示した説明図。 キャニスタ用センサに関する熱等価回路図。 本発明の要部であるキャニスタ用センサの第２実施例における構造を模式的に示した説明図。

以下、本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、本発明に係る検出装置のシステム構成を模式的に示した説明図である。

キャニスタ１のケーシング２は、合成樹脂材料からなり、主ケース３と、この主ケース３の長手方向の他端側の開口を閉塞するキャップ４と、から大略構成されている。

主ケース３は、一端側にパージポート５とチャージポート６とが隣接して設けられた略筒状の細長い第１筒状部７と、一端側に大気に連通する大気ポート８が設けられた細長い第２筒状部９と、を有している。第１筒状部７の他端及び第２筒状部９の他端はそれぞれ開口しており、上述のキャップ４で閉塞される。

これら第１筒状部７と第２筒状部９とは、互いに隣接し合うように配置され補強用のリブ１０によって連結されている。

第１筒状部７及び第２筒状部９の内部には、蒸発燃料の吸着及び脱離が可能な吸着材として活性炭１１が充填された細長い第１、第２充填室１２、１３がそれぞれ形成されている。

第１充填室１２の一端側は、通気性を有する第１スクリーン部材１４を介してチャージポート６に連通すると共に、通気性を有する第２スクリーン部材１５を介してパージポート５に連通している。

第１スクリーン部材１４と第２スクリーン部材１５とは、第１筒状部７の一端側側壁面７Ａから第１筒状部７他端側（図１における下側）に向かって第１充填室１２内まで突出した仕切壁１６によって仕切られている。

第１充填室１２他端側は、通気性を有する第３スクリーン部材１７を介して、主ケース３の他端部（図１における下側端部）とキャップ４とによって構成された接続路１８に連通している。第３スクリーン部材１７は、スプリング１９のバネ力を受けた多孔板２０により第１充填室１２一端側（図１における上側）に向かって付勢されている。

第２充填室１３一端側（図１における上側）は、通気性を有する第４スクリーン部材２１を介して大気ポート８に連通している。第２充填室１３他端側（図１における下側）は、通気性を有する第５スクリーン部材２２を介して接続路１８に連通している。第５スクリーン部材２２は、スプリング２３のバネ力を受けた多孔板２４により第２充填室１３一端側に向かって付勢されている。

尚、各スクリーン部材１４、１５、１７、２１、２２は、例えばウレタンまたは不織布からなり、吸着材である活性炭１１の脱落を防止しつつ保持する機能を有するものである。

第１充填室１２の他端及び第２充填室１３の他端は、接続路１８を介して接続されており、ケーシング２の内部は、接続路１８において折り返す略Ｕ字状の通路構造となっている。つまり、キャニスタ１は、ケーシング２内の流路の一端側にチャージポート６とパージポート５とが設けられ、この流路の他端側に大気ポート８が設けられた構造となっている。

ここで、チャージポート６は、チャージライン（チャージ配管）２５を介して車両の燃料タンク２６に接続されている。パージポート５は、パージライン２７を介して内燃機関２８の吸気通路２９に、吸気を絞るスロットル弁３０の下流側で接続されている。パージライン２７には、パージ制御弁３１が介装されている。パージ制御弁３１の動作は各種機関制御を記憶及び実行可能な制御部３２により制御される。

燃料タンク２６内で発生する蒸発燃料は、チャージライン２５を介してチャージポート６よりキャニスタ１のケーシング２内に導入され、このケーシング２内の活性炭１１に吸着される。そして、内燃機関２８が所定の運転状態にあるときに、パージ制御弁３１を開くことで、ケーシング２内の蒸発燃料のパージが開始される。このパージ時には、吸気通路２９のスロットル弁３０下流の負圧と大気圧との圧力差によって、大気ポート８より大気がケーシング２内に導入され、ケーシング２内の活性炭１１に吸着されている蒸発燃料が脱離つまりパージされる。活性炭１１から脱離した蒸発燃料を含むパージガスは、パージポート５よりパージライン２７を経て吸気通路２９へ供給されて、内燃機関２８の燃焼室内で燃焼処理される。

図３に示すように、主ケース３の側壁３Ａには、所定距離離間して互いに平行に並設された一対のキャニスタ用センサ４０（４０Ａ、４０Ｂ）を備えたセンサユニット４１が取り付けられている。このセンサユニット４１は、一対のキャニスタ用センサ４０を保持する取付ブラケット４２を有している。この取付ブラケット４２は、主ケース側壁３Ａを貫通するネジ部４３の先端にナット４４を螺合させることで主ケース側壁３Ａに固定されている。主ケース側壁３Ａと取付ブラケット４２の側方へ張り出したフランジ部４５との間には、両者の隙間をシールするＯリング４６が介装されている。

このセンサユニット４１は、要求に応じた検出位置に設置され、例えば図１に示すように、第１充填室１２の一端側寄りの位置Ｒ１、第１充填室１２の他端側寄りの位置Ｒ２、第２充填室１３の一端側寄りの位置Ｒ３、及び第２充填室１３の他端側寄りの位置Ｒ４のいずれか又は複数箇所に設置される。一例として、図２では第２充填室１３の２箇所Ｒ３、Ｒ４にそれぞれセンサユニット４１を取り付けた態様を示している。

一つのセンサユニット４１に装着される一対のキャニスタ用センサ４０は、活性炭１１（吸着材）の熱容量を検出する熱容量センサ４０Ａと、周囲の温度を検出する温度センサ４０Ｂと、により構成されている。熱容量センサ４０Ａでは、温度によって電気抵抗値が変化するサーミスタなどの感温素子５１に通電線５３を介して電流（もしくは電圧）を加えて発熱させる。また、熱容量センサ４０Ａでは、感温素子５１の温度が伝熱板５５を介して蒸発燃料を吸着した活性炭１１に熱を奪われて低下することから、感温素子５１の出力電圧（もしくは電流）を制御部３２により検出することで、この出力電圧から活性炭１１の熱容量を検出（推定）することができる。なお、図３中の５４は絶縁材（詳細は後述）である。

感温素子５１として、例えば、図４に示すように、温度の上昇に対して抵抗が減少する負特性を有するＮＴＣセラミック素子が用いられている。なお、このような負特性を有するＮＴＣセラミック素子を感温素子５１に用いた場合、センサユニット４１からの出力信号（出力電圧）の大きさも、温度の上昇に対して減少する。

熱容量センサ４０Ａの出力電圧は周囲の温度によっても変化することから、温度センサ４０Ｂにより検出される温度によって、熱容量センサ４０Ａの出力電圧、つまりは活性炭１１の熱容量を補正している。この温度センサ４０Ｂでは、感温素子５１への通電及び発熱を微小なものとすることで、その出力電圧（電流）から周囲温度を推定することができる。このように検出し、補正された活性炭１１の熱容量から、予め適合により設定されたテーブルやマップを参照して、蒸発燃料の吸着量、更にはキャニスタから吸気通路側へ供給されるパージガス中の蒸発燃料の濃度を予測することができる。この蒸発燃料濃度は、例えば、空燃比フィードバック制御による燃料噴射量の補正やパージ制御弁２４の開度補正に用いられる。

図５は、本発明の要部であるキャニスタ用センサ４０の第１実施例における構造を模式的に示した説明図である。なお、熱容量センサ４０Ａと温度センサ４０Ｂとは、この実施例では同じ構造のものを用いている。

キャニスタ用センサ４０は、温度による感温素子５１の電気抵抗値の変化を検出するために、外部電源により感温素子５１に電流（電圧）を加える、いわゆる能動型センサであって、感温素子５１には、通電により発熱すると共に、温度によって電気抵抗値が変化するサーミスタなどが用いられる。この感温素子５１に通電する通電部として、板状をなす感温素子５１の両側面を挟み込む一対の銀電極５２が設けられ、各銀電極５２には、通電線５３（図３を参照）を介して外部電源から電力が供給される。銀電極５２表面には、通電線５３との接続部以外の部分に接着層５９が塗布されている。

ケーシング２内に配置される感温素子５１と銀電極（通電部）５２の周囲は、厚肉な非導電性の絶縁材５４（図３及び図５を参照）により被覆されている。つまり、ケーシング２内に配置される感温素子５１と銀電極５２とは外部に露出することなく絶縁材５４の内部に完全に埋設されている。この絶縁材５４は、例えば、電気絶縁性が高く、かつ、強度的にも優れた合成樹脂材料により形成されている。

そして、本実施例のキャニスタ用センサ４０は、熱伝導率が高く、耐食性や耐久性に優れ、熱容量が低く、かつ低コストな金属材料により形成された一対の伝熱板５５を有している。この伝熱板５５は、矩形板状の金属板を折曲してなり、互いに平行な根本部５６及び先端部５７と、根本部５６と先端部５７の間に位置し、両者に対して直交する折曲部５８と、を有している。絶縁材５４に埋設（被覆）される一端側の根本部５６は、感温素子５１に隣接して配置されると共に、絶縁材５４から突出する他端側の先端部５７は、ケーシング２内に露出して、ケーシング２内に充填される活性炭１１に接している。なお、伝熱板５５は、極力薄いほうが望ましい。

そして、一対の伝熱板５５における根本部５６は、一対の銀電極５２を挟み込むように、薄膜状の接着層５９を介して銀電極５２に接着される。

接着層５９は、感温素子５１と伝熱板５５との熱伝達を妨げないように熱伝導率が高く、かつ、漏電やスパークを生じることのないように電気絶縁性に優れた、例えばシリコーン系接着剤などの材料により形成されている。この接着層５９は、感温素子５１と伝熱板５５との熱伝達を向上するように、極力薄く、かつ、接触面積の広いものとされている。

伝熱板５５のうち、少なくとも根本部５６には、表面処理により絶縁層６３（６３Ａ、６３Ｂ）が形成されている。具体的に説明すると、本実施例の伝熱板５５は、軽量且つ安価なアルミニウムを主成分とするアルミ合金製（アルミニウム合金製）で、自身（伝熱板５５）を陽極として電気分解（陽極酸化）し、その表面に酸化アルミニウム皮膜、つまりアルマイト層である絶縁層６３を形成している。

この絶縁層６３は、伝熱板５５の中で、少なくとも、接着層５９を介して銀電極５２に隣接する根本部５６の内側の側面部分（６３Ａ）に形成されている。本実施例では、伝熱板５５の中で、根本部５６から折曲部５８の一部の範囲にわたって、その両側面部分（６３Ａ、６３Ｂ）に絶縁層６３を設けており、活性炭１１が充填されたケーシング２内に露出する伝熱板５５の先端部５７には、表面処理でのマスク処理等により、アルマイト層からなる絶縁層６３を設けていない。このように本実施例では、表面処理時のマスク処理の容易性等を考慮して、伝熱板５５の両側面（６３Ａ、６３Ｂ）に絶縁層６３を設けており、かつ、その絶縁層６３の有無の境界を折曲部５８に設けて、伝熱板５５の先端部５７には、活性炭１１との熱伝達性を確保するために、絶縁層６３を敢えて省略している。

従って、図５に示すように、このキャニスタ用センサ４０は、板状の感温素子５１の両側に、銀電極５２、接着層５９、絶縁層６３及び伝熱板５５の根本部５６が層状に積層された構造となり、銀電極５２と伝熱板５５との間が接着層５９と絶縁層６３により二重に絶縁される。

また、伝熱板５５の先端部５７では、根本部５６に比して一対の伝熱板５５間の間隙ΔＤ１が広くなるように、折曲部５８を介して外方へ階段状に折曲して構成されている。この先端部５７における一対の伝熱板５５間の間隙ΔＤ１は、この間隙ΔＤ１内に活性炭１１が確実に入り込むよう、少なくとも活性炭１１の直径よりも十分に大きく設定されている。

そして、伝熱板５５の先端部５７のうち、ケーシング２内に露出する部分には、ケーシング２内に充填された活性炭１１と同等の特性の材料からなる被覆層６４が接着されている。

この被覆層６４は、ケーシング２内の活性炭１１と同等の特性の粉状活性炭を、例えば水ガラス等の無機バインダまたはメラミン樹脂等の有機バインダと混合し粘土状にしたもの（粘土状物質）を、伝熱板５５の先端部５７表面に層状に塗布し、硬化定着させたものである。

図６は、熱容量センサ４０Ａの熱等価回路図を示したものである。図６中のＲｄは感温素子５１の熱抵抗、Ｃｄは感温素子５１の熱容量、Ｒｂは接着層５９の熱抵抗、Ｒｆは伝熱板５５の熱抵抗、Ｃｆは伝熱板５５の熱容量、Ｒａは伝熱板５５の先端部５７とケーシング２内の活性炭１１とが接する部分（活性炭接触部）での熱抵抗、Ｒｓはケーシング２内に充填された活性炭層（活性炭１１）の熱抵抗、Ｃｓはケーシング２内に充填された活性炭層（活性炭１１）の熱容量、Ｒｍ１は感温素子５１周辺の絶縁材５４の熱抵抗、Ｃｍ１は感温素子５１周辺の絶縁材５４の熱容量、Ｒｍ２は伝熱板５５周辺の絶縁材５４の熱抵抗、Ｃｍ２は伝熱板５５周辺の絶縁材５４の熱容量を示している。感温素子５１からは熱抵抗Ｒｍ１の値に応じた熱が周辺の絶縁材５４に放熱される。伝熱板５５からは熱抵抗Ｒｍ２の値に応じた熱が周辺の絶縁材５４に放熱される。

熱容量センサ４０Ａは、原理的には、感温素子５１の温度（図６の位置Ｐにおける電位）を検出することによって、伝熱板５５の先端部５７と活性炭１１とが接する部分の温度（図６の位置Ｑにおける電位）を推定するものであり、上記位置Ｐと上記位置Ｑとの電位差（出力差）を小さくすることで、検出精度を向上させることが可能となる。

ここで、上記熱抵抗Ｒａは、伝熱板５５の厚みをσ、伝熱板５５の熱伝導率をλ、伝熱板５５の先端部５７のうちケーシング２内に露出する部分の表面積（伝熱板露出面積）をＦｗ、この伝熱板露出面積Ｆｗのうち活性炭１１が接触する部分の面積（活性炭接触面積）をＦｘとすると、Ｒａ＝Ｆｗσ／λＦｘ、と表すことができる。

活性炭接触面積Ｆｘは、活性炭１１の粒径が小さくなるほど相対的に大きくなるものの、伝熱板露出面積Ｆｗに比べて極めて小さい値となる。そのため、熱抵抗Ｒａは、熱抵抗Ｒｄ、Ｒｂ、Ｒｆに比べて、通常極めて大きい値となる。熱抵抗Ｒａは、伝熱板露出面積Ｆｗを大きくしたり、伝熱板５５を薄く（厚みσを小さく）することで小さくすることができるが、このようにすると、伝熱板５５の熱抵抗Ｒｆや熱容量Ｃｆが大きくなり、結果として上記位置Ｐと上記位置Ｑとの電位差（出力差）を低減することはできない。なお、活性炭接触面積Ｆｘを大きくするには、伝熱板露出面積Ｆｗを大きくする必要があるため、その結果熱容量Ｃｆは大きくなってしまう。

しかしながら、本実施例の熱容量センサ４０Ａは、伝熱板５５の先端部５７のうち、ケーシング２内に露出する部分に、ケーシング２内に充填された活性炭１１と同等の特性の材料からなる被覆層６４が接着されているので、使用する活性炭１１の粒径に関わらず、Ｆｗ／Ｆｘ≒１とすることができる。

なお、被覆層６４は、活性炭１１と同等の特性の材料からなっているので、隣接する活性炭１１と同等の状態、つまり隣接する活性炭１１と同等の吸着状態となっている。また、伝熱板５５の先端部５７のうち、ケーシング２内に露出する部分に被覆層６４を設けない場合、伝熱板露出面積Ｆｗが活性炭接触面積Ｆｘに比べて極めて大きな値（Ｆｗ／Ｆｘ≒１０⁴程度）となる。

つまり、本実施例では、被覆層６４を設けることで、伝熱板５５の熱抵抗Ｒｆや熱容量Ｃｆへの影響を排除しつつ、熱抵抗Ｒａを小さくすることができ、熱容量センサ４０Ａの検出精度を大幅に向上させることができる。

また、温度条件によらず上記位置Ｐと上記位置Ｑとの電位差（出力差）を小さくすることができるため、感温素子５１の感度が低下する高温環境下においても、熱容量センサ４０Ａの検出精度を大幅に向上させることができる。

なお、被覆層６４を形成するにあたっては、上記粘土状物質（ケーシング２内の活性炭１１と同等の特性の粉状活性炭とバインダとを混合したもの）を、伝熱板５５の先端部５７表面に塗布する前に、先端部５７表面に対して以下のような処理を行っておけば、被覆膜６４の先端部５７表面に対する接着力が向上する。

すなわち、上記粘土状物質を伝熱板５５の先端部５７表面に塗布する以前に、先端部５７表面に陽極酸化被膜処理を行った上で、例えばアルファシアノアクリレート等の接着剤を薄く塗布し、接着剤が硬化する前に、ケーシング２内の活性炭１１と同等の特性の活性炭粉を展着し硬化させておくようにしてもよい。

また、熱容量センサ４０Ａにおいては、図７に示す第２実施例のように、感温素子５１、銀電極５２、伝熱板５５の根本部５６の周囲を、断熱層６５によって被覆し、その上から絶縁材５４で被覆するようにしてもよい。

断熱層６５は、絶縁材５４よりも熱抵抗が高く、かつ絶縁材５４よりも熱容量の小さい材料で構成される。被覆性、絶縁性の観点から、具体的には、例えばポリアミド６（ＰＡ６）等の合成樹脂を発泡倍率１０倍程度で発泡させた発泡樹脂により断熱層６５は構成される。

熱容量センサ４０Ａに通電した際に、感温素子５１で発生した熱のうち、伝熱板５５の先端部５７に伝達されず絶縁材５４に放熱されてしまう熱が多くなると、熱容量センサ４０Ａの検出精度が低下することになる。

しかしながら、このような第２実施例においては、断熱層６５を設けることにより感温素子５１の周辺に放出され検出誤差となる熱量を低減することができるので、断熱層６５を設けない場合に比べて、熱容量センサ４０Ａの検出精度を一層向上させることができる。また、感温素子５１の周辺への熱の流れが安定するまでに要する時間も短くなるので、熱容量センサ４０Ａでの検出時間（通電してから出力が安定するまでの時間）の短縮を図ることができる。

なお、断熱層６５には、発泡樹脂に替えて、発泡セラミックス、グラスウール等の断熱効果のある材料を用いることも可能である。

１…キャニスタ
２…ケーシング
３…主ケース
３Ａ…主ケース側壁
４０…センサ
４０Ａ…熱容量センサ
４０Ｂ…温度センサ
４１…センサユニット
５１…感温素子
５２…銀電極
５３…通電線
５４…絶縁材
５５…伝熱板
５６…根本部
５７…先端部
５８…折曲部
５９…接着層
６３…絶縁層
６４…被覆層
６５…断熱層

Claims (2)

1. キャニスタのケーシング内に充填された吸着材における蒸発燃料の吸着状態を検出可能なキャニスタ用センサを備え、
   上記キャニスタ用センサは、感温素子と、該感温素子に通電する通電部と、上記ケーシング内に配置される感温素子及び通電部の周囲を被覆する非導電性の絶縁材と、上記絶縁材に被覆される一端側の根本部が上記感温素子に隣接して配置されると共に、上記絶縁材から突出する他端側の先端部が上記吸着材が充填された上記ケーシング内に露出する伝熱板と、を有するキャニスタの検出装置において、
   上記伝熱板の先端部には、上記ケーシング内に充填される吸着材と同等の特性の材料からなる被覆層が接着されていることを特徴とするキャニスタの検出装置。
2. 上記キャニスタ用センサの上記感温素子、通電部及び伝熱板の根本部は、熱抵抗が大きく、かつ熱容量が小さい材料からなる断熱層よって被覆された上で、上記絶縁材によって被覆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の検出装置。

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