JP2018096309A

JP2018096309A - 内燃機関の蒸発燃料処理装置

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Publication number: JP2018096309A
Application number: JP2016242867A
Authority: JP
Inventors: 順平大道; Junpei Omichi; 裕也山下; Yuya Yamashita
Original assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Current assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: US10309326B2; CN108223197A; JP6813349B2; US20180171901A1; CN108223197B

Abstract

【課題】過給圧や機関回転数等の機関運転状態にかかわらず、パージガスの流量を十分に確保することが可能な新規な内燃機関の蒸発燃料処理装置を提供する。【解決手段】内燃機関の吸気通路に生じる吸気脈動に応答するポンプ作用を用いて、パージガスを吸気系へ供給する脈動ポンプ３０を備える。この脈動ポンプ３０は、第１容積室３７と、この第１容積室３７と吸気通路とを連通する連通路４０と、第１容積室３７を密閉する壁部の少なくとも一部を構成し、第１容積室３７の圧力変動に応答して変位する弾性体３４と、この弾性体３４を囲むように形成された第２容積室３８と、この第２容積室３８内へのガスの流入を許容する吸入弁４５を備えた吸入ポート４１と、第２容積室３８内からのガスの流出を許容する吐出弁４８を備えた吐出ポート４２と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料タンク内の蒸発燃料を処理する内燃機関の蒸発燃料処理装置に関する。

内燃機関、特にガソリンを燃料とする自動車用内燃機関では、燃料タンク内の蒸発燃料が大気に放出されることを抑制するために、蒸発燃料処理装置としてのキャニスタが一般的に用いられている。

しかしながら、例えば過給機を用いた自動車用内燃機関のように、吸気系に負圧が発生し難い内燃機関では、吸気系の負圧を利用してキャニスタに吸着した蒸発燃料を脱離させて再生することが困難である。そこで、特許文献１には、過給機による過給圧を利用してエジェクタに負圧を発生させ、この負圧によってキャニスタのパージを行なう技術が記載されている。

特開２００７−３３２８５５号公報

しかしながら、上述したような過給圧を利用したエジェクタにより負圧を強制的に発生させる技術では、例えば過給圧が低い場合には十分な負圧を発生させることが困難であり、パージガスの流量を十分に確保することが困難である。特に、過給機を用いてダウンサイジング化を図った内燃機関では、過給圧が比較的低く、また、エジェクタ自身の圧力損失やパージガスの流量を制御するパージ制御弁の圧力損失の影響により、パージガスの流量が不足し易い。また、一般的なエジェクタは、単純に加圧力に対して負圧を発生させる機構であるため、発生する負圧を十分に大きくすることは原理上困難である。

そこで本発明では、過給圧や機関回転数等の機関運転状態にかかわらず、パージガスの流量を十分に確保することが可能な新規な内燃機関の蒸発燃料処理装置を提供することを目的としている。

本発明は、燃料タンク内の蒸発燃料をキャニスタに一時的に吸着させ、上記キャニスタから脱離した蒸発燃料を含むパージガスをパージ通路を通して内燃機関の吸気系へ供給する内燃機関の蒸発燃料処理装置に関する。

そして、上記内燃機関の吸気通路に生じる吸気脈動に応答するポンプ作用を用いて、上記パージガスを吸気系へ供給する脈動ポンプを備えることを特徴としている。この脈動ポンプは、第１容積室と、この第１容積室と上記吸気通路とを連通する連通路と、上記第１容積室を密閉する壁部の少なくとも一部を構成し、上記第１容積室の圧力変動に応答して変位する弾性体と、この弾性体を囲むように形成された第２容積室と、この第２容積室内へのガスの流入を許容する逆止弁を備えた吸入ポートと、上記第２容積室内からのガスの流出を許容する逆止弁を備えた吐出ポートと、を有している。

好ましくは、上記パージ通路に、上記パージガスを搬送するエジェクタが設けられ、上記吸入ポートから吸入した空気を上記吐出ポートから上記エジェクタへ作動ガスとして供給するように構成されている。

好ましい一つの態様では、上記吸入ポートが上記パージ通路に接続され、上記吐出ポートから吐出したパージガスを吸気系へ供給するように構成されている。

また本発明は、例えば内燃機関へ供給される吸気を加圧する過給機のコンプレッサを有する内燃機関のように、吸気系に負圧が発生し難い内燃機関に特に有効である。

本発明によれば、内燃機関の運転中に不可避的に生じる吸気脈動を利用した脈動ポンプを用い、この脈動ポンプのポンプ作用を用いてパージガスを吸気系へ供給するようにしたので、パージガスの流量の確保が容易となる。

従って、例えばターボ過給機を備えた内燃機関のように、機関運転状態によっては吸気系に負圧が発生せず、負圧を利用したパージガスの流量の確保が難しい内燃機関であっても、パージガスの流量を十分に確保することができる。

本発明の第１実施例に係る内燃機関の蒸発燃料処理装置を簡略的に示す構成図。上記第１実施例の脈動ポンプを示す断面図。上記第１実施例の脈動ポンプを示す分解斜視図。上記第１実施例のエジェクタの入口ポート付近の特性を示す特性図。本発明の第２実施例に係る内燃機関の蒸発燃料処理装置の過給時におけるガス流れを簡略的に示す構成図。上記第２実施例に係る内燃機関の蒸発燃料処理装置の非過給時におけるガス流れを簡略的に示す構成図。上記第２実施例の過給パージライン及び脈動パージラインのパージ流量を示す特性図。本発明の第３実施例に係る内燃機関の蒸発燃料処理装置を簡略的に示す構成図。本発明の第４実施例に係る内燃機関の蒸発燃料処理装置を簡略的に示す構成図。本発明の第５実施例に係る内燃機関の蒸発燃料処理装置を簡略的に示す構成図。本発明の第６実施例に係る脈動ポンプを示す断面図。上記第６実施例の脈動ポンプを示す分解斜視図。

以下、図示実施例により本発明を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る内燃機関の蒸発燃料処理装置を簡略的に示す構成図である。内燃機関１のピストン２の上方に画成される燃焼室３には、吸気弁５を介して吸気通路４と、排気弁７を介して排気通路６と、が接続し、かつ燃料噴射弁８が配置されている。排気通路６には消音用のマフラー９が設けられている。吸気通路４には、吸入空気量を調整するスロットル弁１１が設けられるとともに、このスロットル弁１１よりも上流側に、異物や粉塵を除去するためのエアークリーナー１２が設けられている。

蒸発燃料処理装置の要部をなすキャニスタ１４は、周知のように、内部に活性炭に代表される吸着剤が充填される缶状をなし、燃料タンク１５に接続するベーパ通路１６と、吸気系に接続するパージ通路１７と、大気に開放する大気通路１８と、が設けられている。

機関停止時には、燃料タンク１５内で発生する蒸発燃料がベーパ通路１６を通してキャニスタ１４内に導入されて、蒸発燃料が吸着剤に吸着され、蒸発燃料が除去された後のクリーンな空気が大気通路１８を通して大気に排出される。機関運転中には、吸気系で発生する負圧による吸引作用により大気通路１８を通してキャニスタ１４内に大気が供給され、この大気の流れによりキャニスタ１４内の吸着剤から脱離した蒸発燃料を含むパージガスが、パージ通路１７を通して内燃機関の吸気系へ供給され、吸気通路４を通して内燃機関１の燃焼室３へ送られて、燃焼・除去されることにより、キャニスタ１４の再生が行なわれる。

パージ通路１７は、キャニスタ１４から吸気系へパージガスを戻す通路であり、一端がキャニスタ１４に接続し、他端がスロットル弁１１よりも下流側の吸気通路４に接続している。このパージ通路１７には、パージガスの流量を調整する電磁弁であるパージ制御弁１９が設けられている。このパージ制御弁１９の動作は、上記のスロットル弁１１と同様、図示せぬ制御部によって機関運転状態に応じて制御される。

また、パージ通路１７は、途中で分岐して、パージガスを搬送するエジェクタ２０の負圧ポート２１へと接続している。このエジェクタ２０は、周知のように、入口ポート２２から出口ポート２３へ向かう作動ガスの流れの途中に、流路断面積が絞られた絞り部２４が設けられ、作動ガスが絞り部２４を通過する際に発生する負圧によって、負圧ポート２１よりパージガスを吸引し、出口ポート２３を経由してパージガスを吸気通路４へ供給・搬送するように構成されている。

このエジェクタ２０の入口ポート２２へ加圧した作動ガスを供給するポンプとして、本実施例の要部をなす脈動ポンプ３０が用いられている。

この脈動ポンプ３０は、内燃機関の運転中に吸気通路４内に不可避的に生じる吸気脈動に応答するポンプ作用を利用したものである。具体的には図２及び図３に示すように、脈動ポンプ３０は、缶状をなすケース３１を有し、このケース３１は、一端が開口する円筒状の合成樹脂製のケース本体３２と、このケース本体３２の開口端を閉塞するように、この開口端に接合される合成樹脂製のカバー３３と、により構成される。

ケース３１の内部には、ゴム製の弾性体３４を囲むように、このゴム弾生体３４が収容されている。この弾性体３４は、基端が開口するとともに先端が封止された有底円筒状をなし、その周壁が軸方向（図３の上下方向）に変位可能なように蛇腹状に屈曲形成されている。弾性体３４の基端には、径方向外方へ延在するフランジ部３５が設けられ、このフランジ部３５がカバー３３とケース本体３２の嵌合部３６との間に挟持されることで、弾性体３４がケース３１に保持されている。

この弾性体３４の壁部によって、弾性体３４の内部の第１容積室３７が密閉されており、かつ、ケース３１の内部の空間が、弾性体３４の内部の第１容積室３７と、弾性体３４とケース３１の間に形成される第２容積室３８と、に気密に区画されている。

カバー３３の中央部には、円筒状の連通管３９が形成され、この連通管３９を貫通する連通路４０によって、第１容積室３７と吸気通路４（具体的には、エアークリーナー１２よりも下流側で、スロットル弁１１よりも上流側の吸気通路４）とが連通されている。

ケース本体３２の上壁部には、吸入ポート４１と吐出ポート４２とが開口形成されている。吸入ポート４１には、弁体４３を閉弁方向（吸入するガスの流れと反対方向；図２の上方向）に付勢するスプリング４４を備えた逆止弁としての吸入弁４５が設けられている。この吸入弁４５は、第２容積室３８内へのガスの流入を許容し、第２容積室３８からのガスの流出を防止する。同様に、吐出ポート４２には、弁体４６を閉弁方向（吐出するガスの流れ方向と反対方向；図２の斜め下方向）に付勢するスプリング４７を備えた逆止弁としての吐出弁４８が介装されている。この吐出弁４８は、第２容積室３８からのガスの流出を許容し、第２容積室３８内へのガスの流入を防止する。

再び図１を参照して、この第１実施例では、脈動ポンプ３０の吸入ポート４１が吸気通路４（より詳しくは、エアークリーナー１２よりも下流側で、スロットル弁１１よりも上流側の吸気通路４）に接続している。また、吐出ポート４２がエジェクタ２０の入口ポート２２に接続している。

上記の構成により、内燃機関の運転中、スロットル弁１１の下流側に負圧が発生している運転条件では、パージ通路１７を通してスロットル弁１１の下流側の吸気通路４へパージガスが供給され、その流量はパージ制御弁１９により制御される。

また内燃機関の運転中には、吸気通路４内に不可避的に吸気脈動が生じており、この吸気脈動は、連通路４０を介して吸気通路４と連通する第１容積室３７にも影響する。このため、吸気脈動に伴う第１容積室３７の圧力変動に伴って、この第１容積室３７を画成する弾性体３４が軸方向に伸縮変位し、この弾性体３４の伸縮変位に伴い、ケース３１内の第２容積室３８の圧力が変動し、吸入弁４５を介して吸入ポート４１から第２容積室３８にガスが流入するとともに、吐出弁４８を介して第２容積室３８から吐出ポート４２へガスが吐出される。吐出ポート４２へ吐出されたガスは、エジェクタ２０の入口ポート２２へ導入されて、加圧される。このような脈動ポンプ３０によるポンプ作用によって、エジェクタ２０における入口ポート２２と出口ポート２３に差圧が生じる。この差圧により、入口ポート２２から出口ポート２３へ作動ガスが流れ、絞り部２４を通過する際のベンチュリ効果によって、圧力が低下して負圧が発生し、この負圧によって負圧ポート２１を介してパージガスが吸引され、出口ポート２３を介して吸気通路４へと搬送・供給される。このように、パージ通路１７から分岐して、エジェクタ２０の負圧ポート２１及び出口ポート２３を経由して吸気通路４へ搬送される一連のパージガスの通路が、上記パージ通路１７を通してスロットル弁１１の下流側へ搬送されるメインのパージライン５０とは別に、パージガスを吸気系へ搬送する脈動パージライン５１を構成している。

このように本実施例では、吸気脈動を利用した脈動ポンプ３０を用いてパージガスを吸気系へ搬送するように構成しているために、例えばスロットル弁１１の下流側の負圧が小さく、パージ通路１７を通してスロットル弁１１の下流側にパージガスを十分に供給することができない運転条件においても、パージガスの流量を十分に確保することが可能である。従って、例えば過給機を用いた内燃機関や可変動弁機構により吸入空気量を調整可能な内燃機関のように、スロットル弁１１の下流側の負圧が小さい内燃機関においても、十分なパージ流量を確保することが可能となる。

図４は、直径６５ｍｍ，長さ８０ｍｍの弾性体３４を用いた場合における、エジェクタ２０の入口ポート２２に作用する圧力と流量の試験結果を示している。同図に示すように、特に吸気脈動の振動が低周波となる低回転運転領域において、弾性体３４の軸方向の振動（振幅）がピークとなるように、弾性体３４の構造を調整・設定することにより、スロットル弁１１の下流側に負圧が発生し難い低周波領域（低回転運転領域）においても、十分なバージガス流量を確保することができる。

以下に説明する実施例では、既述した実施例と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、重複する説明を適宜省略し、既述した実施例と異なる部分について主に説明する。

図５，図６は本発明の第２実施例を示している。この第２実施例では、内燃機関の吸気を過給するターボ過給機５４が設けられている。このターボ過給機５４は、周知のように、吸気を過給するコンプレッサ５５と、排気により回転駆動されるタービン５６と、が同じシャフト５７上に背中合わせに設けられている。吸気通路４には、コンプレッサ５５の下流側に、過給した吸気を冷却するインタークーラ５８が設けられている。また、上記のエジェクタ２０とは別に、過給用エジェクタ６０が設けられている。この過給用エジェクタ６０は、吸気通路４におけるコンプレッサ５５よりも下流側部分６１に接続する入口ポート６２と、吸気通路４におけるコンプレッサ５５よりも上流側部分６３に接続する出口ポート６４と、パージ通路１７に接続する負圧ポート６５と、を有している。

図５は、過給時のパージガスを含めたガスの流れを示し、図中の実線の矢印は正圧の流れ、破線の矢印は負圧の流れを表している。同図に示すように、過給時には、スロットル弁１１の下流側に負圧が生じないので、パージ通路１７を通してスロットル弁１１の下流側にパージガスは供給されない。一方、過給時には吸気通路４におけるコンプレッサ５５よりも上流側部分６３と下流側部分６１との間に差圧が生じ、この差圧により、過給用エジェクタ６０の入口ポート６２から出口ポート６４へ向かう作動ガスの流れが生じ、作動ガスが絞り部６６を通過する際に生じる負圧によって、負圧ポート６５からパージガスが吸引されて、出口ポート６４を介して吸気通路４のコンプレッサ５５よりも上流側部分６３へ搬送される。このように、パージ通路１７から分岐して過給用エジェクタ６０の負圧ポート６５及び出口ポート６４を経由して吸気系へ搬送されるパージガスの流れが、上記パージ通路１７によるメインのパージライン５０や脈動パージライン５１とは別に、パージガスを吸気系へ搬送する過給パージライン５９を構成している。

そして、第１実施例と同様、機関運転中に不可避的に生じる吸気脈動を利用した脈動ポンプ３０のポンプ作用により、上記の脈動パージライン５１を通してパージガスが更に吸気系へ供給される。

図６は、非過給時のパージガスを含めたガスの流れを示している。同図に示すように、非過給時には、スロットル弁１１の下流側に負圧が発生するため、パージ通路１７を通してパージガスがスロットル弁１１の下流側に供給される。一方、非過給時には吸気通路４におけるコンプレッサ５５よりも上流側部分６３と下流側部分６１との間に差圧が発生しないことから、過給用エジェクタ６０が作動せず、過給パージライン５９によるパージガスの供給は行なわれない。

また、非過給時においても吸気脈動は生じるため、過給時と同様、吸気脈動を利用した脈動ポンプ３０のポンプ作用により、脈動パージライン５１を通してパージガスが吸気系へと供給される。

図７は機関回転数とパージ流量との関係を示す特性図である。同図の実線は、過給パージライン５９を通して得られるパージ流量を示し、破線の特性は、脈動パージライン５１を通して得られるパージ流量を示している。仮に脈動ポンプ３０とエジェクタ２０が無く、過給用エジェクタ６０のみでパージ流量を確保しようとした場合、過給圧が得られ難い低回転運転領域（低周波領域）でパージ流量が不足する。これに対して本実施例のように、過給用エジェクタ６０に加えて、脈動ポンプ３０とエジェクタ２０との組み合わせを適用した場合には、図７の実線で示す特性に加え、破線で示す脈動パージライン５１を通して得られるパージ流量が加算される形となり、パージ流量が不足し易い低回転運転領域（低周波領域）においても十分なパージ流量を確保することが可能である。

図８は本発明の第３実施例を示している。この第３実施例では、エジェクタ２０が第２実施例の過給用エジェクタ６０の機能を兼用するようにガスラインを共用化している。つまり、ガスラインを共用化した共用通路６７によって、エジェクタ２０の入口ポート２２を、吸気通路４のコンプレッサ５５よりも下流側部分６１と、脈動ポンプ３０の吐出ポート４２と、の双方に接続させている。従って、エジェクタ２０の入口ポート２２には、脈動ポンプ３０の吐出ポート４２側より加圧された作動ガスが常に供給されるとともに、過給時には吸気通路４のコンプレッサ５５の上流側部分６３からも過給後の作動ガスが供給される。

このような第３実施例によれば、第２実施例と同様の効果が得られることに加え、エジェクタ２０と過給用エジェクタ６０を一つのエジェクタ２０により共用化しているため、部品点数を削減し、通路配管も共用化により短縮化することができる。

図９は本発明の第４実施例を示している。この第４実施例では、第３実施例に対し、脈動ポンプ３０とエジェクタ２０とを一体化した構造としている。つまり、脈動ポンプ３０の吐出ポート４２側に、エジェクタ２０の入口ポート２２側を直接的に取り付けて、両者間の通路を省略することにより、更なる簡素化、通路の短縮化を図ることができる。なお、上記の共用通路６７に代えて、吸気通路４におけるコンプレッサ５５よりも下流側部分６１とエジェクタ２０の入口ポート２２とを接続する過給通路６８を設けている。

図１０は本発明の第５実施例を示している。この第５実施例では、上記の第２実施例に対し、脈動ポンプ３０の吐出ポート４２に接続するエジェクタ（２０）を省略している。そして、脈動ポンプ３０の吸入ポート４１をパージ通路１７に接続している。脈動ポンプ３０の吐出ポート４２は、吸気通路４のコンプレッサ５５よりも上流側部分６３に接続されている。このような構成により、図１０の矢印で示すように、吸気脈動を利用した脈動ポンプ３０のポンプ作用によって、脈動ポンプ３０の吸入ポート４１を通して吸入されたパージガスが、吐出ポート４２から吐出されて、吸気通路４のコンプレッサ５５よりも上流側部分６３に供給される。このように、パージ通路１７から分岐し、脈動ポンプ３０の吸入ポート４１及び吐出ポート４２を経由して吸気系へ供給されるパージガスの流れが、メインのパージライン５０とは別に、パージガスを吸気系へ搬送する脈動パージライン６９を構成している。

このような第５実施例によれば、エジェクタ（２０）を省略しているにもかかわらず、第２実施例と同様に、脈動ポンプ３０によるポンプ作用を利用して、スロットル弁１１の下流側に負圧が発生しない運転状態であっても、パージガスを吸気系へと確実に供給することができる。

図１１及び図１２は、本発明の第６実施例に係る脈動ポンプ３０Ａを示している。この脈動ポンプ３０Ａは、上記第１〜第５実施例の脈動ポンプ３０に代えて用いることが可能である。この脈動ポンプ３０Ａでは、第１実施例の脈動ポンプ３０とは異なり、弾性体３４Ａの周壁が蛇腹状になっておらず、簡素な円筒状をなしている。また軸方向に収縮する必要がないので、周壁の軸方向長さも短いものとなっている。そして、弾性体３４Ａの円盤状をなす上壁部分にゴム膜７１が設けられている。

この第６実施例の脈動ポンプ３０Ａにおいても、第１実施例の脈動ポンプ３０と同様に、吸気脈動が連通路４０を介して弾性体３４Ａ内の第１容積室３７に伝播すると、ゴム膜７１が軸方向に変位（振動）することで、第１容積室３７の容積が変動し、これに伴ってケース３１内の第２容積室３８の容積が変化して、第２容積室３８の圧力が変動し、吸入弁４５を介して吸入ポート４１から第１容積室３７にガスが流入するとともに、吐出弁４８を介して第２容積室３８から吐出ポート４２へガスが吐出される。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、第１容積室の圧力変動に応答して変位する弾性体は、必ずしも第１容積室を密閉する壁部の全てを構成する必要はなく、少なくとも一部を構成するものであれば良い。

また、上記実施例では、簡易的に脈動パージラインや過給パージラインに逆止弁やパージ制御弁（電磁弁）を設けていないが、逆流を防止する逆止弁や流量を調整するパージ制御弁（電磁弁）を設けるようにしても良い。

１…内燃機関
４…吸気通路
１１…スロットル弁
１４…キャニスタ
１５…燃料タンク
１６…ベーパ通路
１７…パージ通路
１９…パージ制御弁
２０…エジェクタ
２１…負圧ポート
２２…入口ポート
２３…出口ポート
２４…絞り部
３０，３０Ａ…脈動ポンプ
３４，３４Ａ…弾性体
３７…第１容積室
３８…第２容積室
４０…連通路
４１…吸入ポート
４２…吐出ポート
４５…吸入弁（逆止弁）
４８…吐出弁（逆止弁）
５０…パージライン
５１…脈動パージライン
５４…ターボ過給機
５５…コンプレッサ
５９…過給パージライン
６０…過給用エジェクタ
６７…共用通路
６９…脈動パージライン
７１…ゴム膜

Claims

燃料タンク内の蒸発燃料をキャニスタに一時的に吸着させ、上記キャニスタから脱離した蒸発燃料を含むパージガスをパージ通路を通して内燃機関の吸気系へ供給する内燃機関の蒸発燃料処理装置において、
上記内燃機関の吸気通路に生じる吸気脈動に応答するポンプ作用を用いて、上記パージガスを吸気系へ供給する脈動ポンプを備え、
この脈動ポンプは、
第１容積室と、
この第１容積室と上記吸気通路とを連通する連通路と、
上記第１容積室を密閉する壁部の少なくとも一部を構成し、上記第１容積室の圧力変動に応答して変位する弾性体と、
この弾性体を囲むように形成された第２容積室と、
この第２容積室内へのガスの流入を許容する逆止弁を備えた吸入ポートと、
上記第２容積室内からのガスの流出を許容する逆止弁を備えた吐出ポートと、
を有することを特徴とする内燃機関の蒸発燃料処理装置。
上記パージ通路に、上記パージガスを搬送するエジェクタが設けられ、
上記吸入ポートから吸入した空気を上記吐出ポートから上記エジェクタへ作動ガスとして供給するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。
上記吸入ポートが上記パージ通路に接続され、
上記吐出ポートから吐出したパージガスを吸気系へ供給するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。
上記内燃機関へ供給される吸気を加圧する過給機のコンプレッサを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。