JP3540286B2 - 燃料蒸気処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料タンクから放出される燃料蒸気を吸着するキャニスタを備えた燃料蒸気処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料蒸気処理装置は、車両走行中、あるいは停止時に燃料タンクから蒸発する燃料蒸気を吸着保持して、車外へ放出されないようにするためのもので、吸着材として活性炭を充填したキャニスタを有している。キャニスタ内に吸着された燃料蒸気は、エンジン作動時に、吸気管の負圧によってキャニスタの大気口から導入される外気によって脱離して吸気管に導出され、インジェクタから噴射された燃料とともに燃焼する。
【０００３】
近年、この燃料蒸気の大気放出に関する規制が強化される傾向にあり、例えば米国のＯＲＶＲ規制では、給油時に排出される燃料タンクからの燃料蒸気を大気に放出せず、全てキャニスタで捕集することを義務付けている。このため、キャニスタにて大量の燃料蒸気を処理する必要があり、より高い性能を有するキャニスタが求められている。活性炭の吸着脱離性能は、温度に大きく左右され、低温であるほど吸着量が増加し、高温であるほど脱離量が増加する。ところが、キャニスタ内部は、吸着時に温度が上昇し、脱離時に温度が低下する方向に変化するため、活性炭の性能が十分発揮されない問題がある。
【０００４】
活性炭の吸着脱離現象は、一般に図６に示すように考えられている。即ち、活性炭に燃料蒸気が吸着する場合、活性炭の細孔において毛細管凝縮現象が起こり、気体である燃料蒸気が液化して吸着する（ａ）。その際、気体から液体への相変化とともに、吸着熱（凝縮潜熱）が発生して温度上昇する。一方、液化した燃料蒸気が脱離する場合は、パージにより吸着していた燃料が周囲から気化熱を奪って液体から気体になるため、吸熱によって温度が低下する（ｂ）。
【０００５】
従来のキャニスタでは、この現象により、吸着時にはキャニスタ内部が雰囲気温度より数十℃以上高温になり、一方、脱離時には、キャニスタ内部の温度が低下して０℃以下になることもある。特に、脱離時において、吸熱反応により活性炭温度が低下している部位で、温度低下により脱離しにくくなり、吸着している燃料蒸気が完全に脱離できないと、車両放置中にキャニスタ内を拡散して、大気口から洩れ出てくる恐れがあった。
そこで、脱離性能を向上させるために、例えば、キャニスタの内部にヒータ等の加熱手段を配置して、脱離時に活性炭を加熱するようにした装置（特開平８−４２４１３号公報、特開昭６０−６０６１号公報等）が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、キャニスタの内部に加熱手段を配置する従来技術では、温調の効果が得られる範囲について十分な考慮がされておらず、加熱手段から離れた部位の活性炭は、温調の効果が得られず、脱離性能が向上しない領域が存在していた。これに対し、本出願人は、活性炭層の全領域で温調の効果が得られる構造として、活性炭層の形状に関する特許を出願した（特願２０００−３１２０７３）。
【０００７】
しかし、この先願では、活性炭層の形状と加熱手段の発熱量との関係が明確でなかったため、加熱手段の発熱量と活性炭層の容量または厚さとの組み合わせによっては、活性炭層に加熱されない領域が発生して十分な温調の効果が得られなかったり、あるいは、過度に加熱されることにより、消費電力が増加して燃費を悪化させる場合があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、脱離性能の向上を図る上で、燃料吸着層（活性炭層）の全領域で温調の効果が得られる様に、温調手段が吸着材に与える熱量と燃料吸着層の形状との関係を明らかにした燃料蒸気処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１では、燃料吸着層の温度を温調手段が吸着材に与える熱量と温調手段からの距離で表す式として導き出し、その温度が燃料吸着層の全領域で燃料の沸点より高く、且つ燃料の発火点未満となる様に、温調手段が吸着材に与える熱量と燃料吸着層の形状（温調手段から燃料吸着層の最遠部までの距離）との関係を明らかにした。
【０００９】
具体的には、燃料吸着層の温度調節を行う温調手段が吸着材に与える熱量をＱ(W) 、温調手段から燃料吸着層の最も離れている最遠部までの距離をＸ(m) 、燃料吸着層の温度をＴ(K) とした時に、
Ｔ＝−355 Ｑ×Ｘ² −815 Ｘ＋Ｑ＋298 ………………………（１）
上記（１）式で表される関係式から、燃料吸着層の全領域で温度Ｔが、
燃料の沸点≦Ｔ＜燃料の発火点…………………………………（２）
上記（２）の条件を満たす様に、熱量Ｑと距離Ｘを規定した。
【００１０】
燃料の温度と蒸発量との関係は、燃料の温度が沸点を超えると蒸発量が急激に増加する（燃料の温度が沸点以上になると非常に気化しやすくなる）。このため、燃料吸着層の温度を燃料の沸点より高くすると、吸着材に液化吸着していた燃料蒸気が気化しやすくなり、非常に脱離しやすくなる。従って、燃料吸着層の温度Ｔが燃料の沸点よりも高くなるように、（１）式より温調手段が吸着材に与える熱量Ｑと燃料吸着層の形状（温調手段から燃料吸着層の最も離れている最遠部までの距離）を設計すると、燃料吸着層の全ての領域を十分に温調できる。
【００１１】
但し、燃料吸着層の温度を上げ過ぎて燃料の発火点を超えると、安全性の面で望ましくないので、燃料吸着層の温度Ｔは燃料の発火点より低くする必要がある。このため、燃料吸着層の全ての領域で温度Ｔが上記（２）の条件を満たす様に、つまり、燃料吸着層の温調手段に最も近い部位の温度を燃料の発火点より低くなるようにし、燃料吸着層の温調手段に最も遠い部位の温度を燃料の沸点より高くなるように、温調手段が吸着材に与える熱量と燃料吸着層の形状（温調手段から燃料吸着層の最も離れている最遠部までの距離）とを構成すると、脱離性能の高いキャニスタを得ることができる。
【００１２】
さらには、温調手段が燃料吸着層を略二等分する位置または前記燃料吸着層の中央となるように配置されているため、温調手段により遮られることなく吸着時に発生する吸着熱を効果的に外部に放出できるため、吸着時の温度上昇が抑えられ、吸着性能も高くなるという付加価値を持つ。これにより、吸着時の温度上昇が抑えられて、吸着可能な燃料蒸気量が増大することにより、キャニスタ容量を大きくすることなく、吸着性能を向上できる。更に、燃料吸着層に燃料蒸気が残留しないことにより、吸着材が劣化しにくくなり、従来では劣化分（約２０％）を見込んで増量していた吸着材量を減らすことができるため、キャニスタの小型化が可能である。
【００１３】
請求項２では、請求項１に記載した燃料蒸気処理装置において、燃料の沸点を318K(45 ℃) 、燃料の発火点を473K(200℃) として、燃料吸着層の全領域で温度Ｔが、上記（２）の条件を満たす様に、熱量Ｑと距離Ｘを規定する。
つまり、一般的な燃料の沸点が45〜60℃程度であること、及び一般的な燃料に含まれる成分のうち、最も発火点の低い成分の発火点が200 ℃強であることから、上記（２）の条件において、温度Ｔの範囲が45℃≦Ｔ＜200 ℃となるように、温調手段が吸着材に与える熱量と燃料吸着層の形状（温調手段から燃料吸着層の最も離れている最遠部までの距離）を構成すると、燃料吸着層の全体を効率良く温調でき、脱離性能の高いキャニスタを得ることができる。
請求項３では、請求項１または２に記載した燃料蒸気処理装置において、キャニスタのケースは、略直方体形状を有し、その長手方向の一端面に、燃料タンクに通じるエバポポートと、内燃機関の吸気通路に通じるパージポートとが設けられ、長手方向の他端面に、大気に開放された大気ポートが設けられている。また、温調手段は、燃料吸着層の全領域が、温調手段から一定の距範囲内に入る様に、ケース内を流れる燃料蒸気の流れと略平行に配設されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は燃料蒸気処理装置のシステムを示す全体構成図である。
本実施例の燃料蒸気処理装置は、燃料タンク１内で発生する燃料蒸気を一時的に吸着保持するためのキャニスタ２を備えている。
キャニスタ２は、ケース３の内部に活性炭Ｃ（吸着材）が充填され、その充填された活性炭Ｃにより燃料吸着層４（４Ａ、４Ｂ）を形成している。
【００１５】
ケース３は、例えば樹脂製で、略直方体形状を有し、長手方向（図１の左右方向）の一端面にエバポポート３ａとパージポート３ｂが並設され、他端面に大気ポート３ｃが設けられている。エバポポート３ａは、エバポライン５を介して燃料タンク１に接続され、パージポート３ｂは、パージライン６を介してエンジンの吸気管７に接続されている。パージライン６の途中には、パージ流量（キャニスタ２から吸気管７へ吸入される燃料蒸気の流量）を調節するパージバルブ８が設けられている。大気ポート３ｃは、大気に開放されている。
【００１６】
ケース３の内部には、燃料吸着層４の長手方向両側にそれぞれ多孔板９が配置され、ケース３の端面との間に配されたスプリング１０に押圧されて、燃料吸着層４を挟み込んで保持している。従って、ケース３の端面と多孔板９との間には空間１１が確保され、燃料蒸気または大気が燃料吸着層４に均等に配分されるようになっている。
また、多孔板９と燃料吸着層４との間には、フィルタ１２が配置されており、活性炭Ｃの脱落を防止している。
【００１７】
燃料吸着層４は、図２及び図３に示す様に、内部に設置された仕切板１３によって上部吸着層４Ａと下部吸着層４Ｂとに区画されている。
仕切板１３は、上部吸着層４Ａと下部吸着層４Ｂとが同等の厚さ（図２上下方向の寸法）を有する様に、燃料吸着層４を厚さ方向に略二等分する位置に配置されている。また、この仕切板１３には、図４に示すように、ヒータ１４（温調手段）が埋設されている。
ヒータ１４は、仕切板１３の略全面に渡って埋設され、ケース３の外側に取り出されたコネクタ１５を介して外部の電源と接続される。
【００１８】
ここで、ヒータ１４の発熱量と、ヒータ加熱面に対する上部吸着層４Ａ及び下部吸着層４Ｂの垂直方向の厚さ（図３のＸ）との関係について説明する。
一般に定常状態（温度が時間によって変化しない状態）で内部発熱がある場合の熱伝導は、次の熱伝導方程式で表される。
∂² Ｔ／∂Ｘ² ＋Ｑ′／λ＝０
Ｔ：燃料吸着層の温度(K) 、Ｘ：加熱面からの距離(m) 、Ｑ′：単位面積当たりの発熱量(W) 、λ：燃料吸着層の熱伝導率（活性炭Ｃの場合0.2W/mK ）。
【００１９】
また、本実施例のキャニスタ２において、ヒータ１４の発熱量とヒータ加熱面からの距離とをパラメータとして、定常状態での燃料吸着層４の温度を測定すると、図５に示す様に、ヒータ１４からの距離が離れるにつれて燃料吸着層４の温度は低下し、ヒータ１４の発熱量が大きいほど、燃料吸着層４の温度は高くなる。
上記の熱伝導方程式に図５のデータを当てはめて実験式を求めると、燃料吸着層４の温度Ｔ(K) 、ヒータ１４からの距離Ｘ(m) 、ヒータ１４の発熱量Ｑ(W) の関係は、次の式で表される。
Ｔ＝−355 Ｑ×Ｘ² −815 Ｘ＋Ｑ＋298 …………………………（１）
【００２０】
燃料の温度と蒸発量との関係は、図７に示す様に、燃料の温度が沸点を超えると蒸発量が急激に増加しており、燃料の温度が沸点以上になると非常に気化しやすくなることが分かる。このため、燃料吸着層４の温度を燃料の沸点より高くすると、活性炭Ｃに液化吸着していた燃料蒸気が気化しやすくなり、非常に脱離しやすくなる。従って、燃料吸着層４の温度Ｔが燃料の沸点よりも高くなるように、ヒータ１４の発熱量とヒータ１４から燃料吸着層４の最も離れている最遠部までの距離を設定すると、燃料吸着層４の全ての領域を十分に温調することが可能である。
【００２１】
但し、燃料吸着層４の温度を上げ過ぎて燃料の発火点を超えると、安全性の面で望ましくないので、燃料吸着層４の温度Ｔは燃料の発火点より低くする必要がある。このため、燃料吸着層４の全ての領域で、燃料吸着層４の温度Ｔが以下の条件（２）を満たすことが要求される。
燃料の沸点≦Ｔ＜燃料の発火点……………………………………（２）
即ち、燃料吸着層４のヒータ加熱面に最も近い部位の温度を燃料の発火点より低くなるようにし、燃料吸着層４のヒータ加熱面に最も遠い部位の温度を燃料の沸点より高くなるように、ヒータ１４の発熱量Ｑとヒータ１４から燃料吸着層４（上部吸着層４Ａ及び下部吸着層４Ｂ）の最も離れている最遠部までの距離Ｘとを設定することにより、脱離性能の高いキャニスタ２を得ることができる。
【００２２】
このヒータ１４の発熱量Ｑと上部吸着層４Ａ及び下部吸着層４Ｂの厚さＸは、上記条件を満たす範囲の中から任意に選べば良い。例えば、次の様に求めることができる。
まず、ヒータ１４から最も近い部分Ｘ＝0mm の温度が燃料の発火点を超えないようにする。上記の（１）式においてＸ＝0 とすると、Ｔ＝Ｑ＋298 となる。
また、燃料吸着層４の温度Ｔが燃料の発火点473K(200℃) を超えないためには、Ｑ＜175Wとなる。
【００２３】
この範囲から任意にヒータ１４の発熱量を決める。例えばＱ＝50W と決め、この時の燃料吸着層４の温度Ｔが、燃料の沸点318K(45 ℃) 以上になるように、上記（１）式より上部吸着層４Ａ及び下部吸着層４Ｂの厚さＸを求める。
−355 Ｑ×Ｘ² −815 Ｘ＋Ｑ＋298 ≧318
これを解くと、Ｘ≦24mmとなる。従って、上部吸着層４Ａ及び下部吸着層４Ｂの厚さＸ≦24mmとする。同様に、発熱量Ｑ＝40W の時には、上部吸着層４Ａ及び下部吸着層４Ｂの厚さＸ≦18mm、Ｑ＝80W の時、上部吸着層４Ａ及び下部吸着層４Ｂの厚さＸ≦34mmとなる。
【００２４】
上記のヒータ１４の発熱量と燃料吸着層４の形状（ヒータ１４から燃料吸着層４の最も離れている最遠部までの距離）との関係は、１対１の関係ではなく、何れか一方を決めると、他方はある範囲の値になるため、車両へのキャニスタ２の搭載位置による形状の制約や電源により許容される消費電力に合わせて、その範囲内で適宜決めれば良い。但し、キャニスタ２のケース３の成形や活性炭Ｃの充填のしやすさを考えると、Ｘは５mm以上が望ましい。
【００２５】
次に、本実施例の作動を説明する。
エンジン作動時は、吸気管７内に負圧が発生している。そこで、パージライン６に設けられているパージバルブ８を開くと、負圧によって大気ポート３ｃから外気がキャニスタ２内に導入される。
キャニスタ２内の活性炭Ｃには、エンジン停止時または給油時に燃料タンク１内で発生した燃料蒸気が吸着しており、導入された外気によって活性炭Ｃから燃料蒸気が脱離し、パージポート３ｂからパージライン６（パージバルブ８：開）を通って吸気管７に導出され、エンジンで燃焼される。
【００２６】
燃料蒸気が活性炭Ｃから脱離する際、図６を用いて説明した様に、周囲から気化熱を奪って液体から気体になるため、キャニスタ２内の温度が低下する。一般に、脱離性能は高温であるほど高いため、この温度の低下により脱離性能が低下すると、燃料蒸気が完全に脱離されずに残り、車両放置時にキャニスタ２内を拡散して大気ポート３ｃから洩れ出てくるおそれがある。
【００２７】
そこで、本実施例では、脱離時にヒータ１４に通電して燃料吸着層４を加熱することにより、活性炭Ｃの温度を燃料の沸点以上に保つことができる。この時、燃料吸着層４のうち最も低い温度が燃料の沸点以上、且つ発火点未満となるように、ヒータ１４の発熱量Ｑと燃料吸着層４の厚さ（上部吸着層４Ａ及び下部吸着層４Ｂの厚さＸ）を設定していることは前述の通りである。
これにより、脱離時における活性炭Ｃの温度低下が防止され、脱離性能が向上して、キャニスタ２に吸着されていた燃料蒸気は略完全に脱離される。
【００２８】
一方、エンジン停止時（車両放置時）には、ヒータ１４は通電されておらず、吸気管７内に負圧も生じていないため、活性炭Ｃからの脱離は殆どなく、吸着のみが行われる。つまり、外気温の上昇とともに燃料タンク１内で発生した燃料蒸気がエバポライン５を通り、キャニスタ２内に流入して、活性炭Ｃに吸着される。この時、上述のように、エンジン作動時においてキャニスタ２内の燃料蒸気が略完全に活性炭Ｃから脱離されているため、キャニスタ２は燃料蒸気を十分吸着できる状態にある。これにより、キャニスタ２に流入する燃料蒸気を効率良く吸着することができる。
【００２９】
（本実施例の効果）
本実施例では、キャニスタ２内に形成される燃料吸着層４の全領域で、活性炭Ｃの温度が燃料の沸点以上となるように、ヒータ１４の発熱量と燃料吸着層４の厚さを適切な値に設定しているので、脱離時に燃料吸着層４をヒータ１４で加熱することにより、全ての活性炭Ｃを燃料の沸点以上に加熱できる。これにより、活性炭Ｃの脱離性能が向上し、吸着している燃料蒸気の略全量を脱離させることができる。その結果、燃料蒸気がキャニスタ２内に残存しないので、吸着時に流入する燃料蒸気の全量を確実に吸着することができ、且つ車両放置時に残存燃料蒸気がキャニスタ２内を拡散して大気ポート３ｃから大気に放出されることを防止できる。
【００３０】
また、本実施例のキャニスタ２は、吸着時に脱離時と逆の熱勾配となり、吸着時に発生する吸着熱を効果的に外部に放出できるため、吸着時の温度上昇が抑えられ、吸着性能も高くなるという付加価値を持つ。これにより、キャニスタ２の吸着可能な燃料蒸気量が増大するので、キャニスタ２の容量を大きくすることなく、吸着性能を向上できる。更に、燃料吸着層４に燃料蒸気が残留しないことにより、活性炭Ｃが劣化しにくくなり、従来では劣化分（約20％）を見込んで増量していた活性炭量を減らすことができるため、キャニスタ２の小型化が可能である。
【００３１】
上記の実施例では、燃料吸着層４の中央にヒータ１４を設置している。
【００３２】
上記の実施例では、ヒータ１４の発熱量と燃料吸着層４の厚さを活性炭Ｃの温度Ｔが燃料の沸点≦Ｔ＜燃料の発火点を満たすように設定しているが、特殊な試験燃料を除き、図８に示す様に、一般的な燃料の沸点が略45〜60℃であることや、燃料に含まれる最も発火点の低い成分の発火点が200 ℃強であること等から、活性炭Ｃの温度Ｔが45℃≦Ｔ＜200 ℃となるように、ヒータ１４の発熱量と燃料吸着層４の厚さを設定しても良い。
【００３３】
上記の実施例では、温調手段としてヒータ１４を例にしたが、(１)式のＱは発熱量であるため、ヒータ１４以外の温調手段でも(１)式に従う。

【図面の簡単な説明】
【図１】燃料蒸気処理装置のシステムを示す全体構成図である。
【図２】キャニスタの長手方向断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。
【図３】キャニスタの横幅方向断面図（図１のＢ−Ｂ断面）である。
【図４】仕切板の平面図である。
【図５】ヒータの発熱量とヒータからの距離とをパラメータとして測定した燃料吸着層の温度を示す測定グラフである。
【図６】活性炭の吸着及び脱離現象を説明する図面である。
【図７】燃料の温度と蒸気発生量との関係を示す特性図である。
【図８】一般的な各種燃料の沸点を比較した図面である。
【符号の説明】
１ 燃料タンク
２ キャニスタ
３ ケース
３ａ エバポポート
３ｂ パージポート
３ｃ 大気ポート
４ 燃料吸着層
７ 吸気管（吸気通路）
１４ ヒータ（温調手段）
Ｃ 活性炭（吸着材）

Claims (2)

1. ケース内に吸着材を充填して燃料吸着層を形成するキャニスタを有し、
   燃料タンクから放出される燃料蒸気を前記ケース内に吸入して前記燃料吸着層にて一時的に吸着保持し、内燃機関の吸気通路に発生する吸気負圧によって前記ケース内に外気が導入されると、前記燃料吸着層に吸着されている燃料蒸気を脱離させて前記吸気通路に送出させる燃料蒸気処理装置であって、
   前記燃料吸着層の温度調節を行う温調手段を備え、
   この温調手段が前記吸着材に与える熱量をＱ（Ｗ）、前記温調手段から前記燃料吸着層の最も離れている最遠部までの距離をＸ（ｍ）、前記燃料吸着層の温度をＴ（Ｋ）とした時に
   Ｔ＝−３５５ Ｑ×Ｘ^２−８１５ Ｘ＋Ｑ＋２９８……………（１）
   上記（１）式で表される関係式から、前記燃料吸着層の全領域で温度Ｔが、
   燃料の沸点≦Ｔ＜燃料の発火点…………………………………（２）
   上記（２）の条件を満たす様に、前記熱量Ｑと前記距離Ｘを規定するとともに、
   前記キャニスタのケースは、略長方体形状を有し、その長手方向の一端面に、前記燃料タンクに通じるエバポポートと、前記内燃機関の吸気通路に通じるパージポートとが設けられ、長手方向の他端面に、大気に開放された大気ポートが設けられており、
   前記温調手段は、前記燃料吸着層の全領域が、前記温調手段から一定の距離範囲に入り且つ前記燃料吸着層を略二等分する位置または前記燃料吸着層の中央となるように、前記ケース内を流れる燃料蒸気の流れと略平行に配設されていることを特徴とする燃料蒸気処理装置。
2. 請求項１に記載した燃料蒸気処理装置において、
   燃料の沸点を３１８Ｋ（４５℃）、燃料の発火点を４７３Ｋ（２００℃）として、前記燃料吸着層の全領域で温度Ｔが、上記（２）の条件を満たす様に、前記熱量Ｑと前記距離Ｘを規定したことを特徴とする燃料蒸気処理装置。

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