JP6297456B2 - 蒸発燃料処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料タンクで発生した蒸発燃料を吸着・脱離可能な吸着材が収容された吸着室と、燃料タンクに連通するタンクポートと、吸着材から脱離された蒸発燃料を吸着室外へ排出するパージポートと、大気に開放される大気ポートと、吸着室と大気ポートとの間に設けられたヒータ装置とを備える蒸発燃料処理装置に関する。

一般にキャニスタと称されるこの種の蒸発燃料処理装置（以下、キャニスタと称すことがある）は、燃料タンクに貯留された燃料が蒸発することで生じた蒸発燃料が、車輌外に放出されることを防止するために自動車等の車輌に搭載される。具体的には、燃料タンク内で発生した蒸発燃料は、タンクポートを通して吸着室に収容された吸着材によって選択的に吸着される。しかし、吸着材による蒸発燃料の吸着量には一定の限界がある。したがって、定期的に蒸発燃料を吸着材から脱離（パージ）して、吸着材における蒸発燃料吸着能力を再生する必要がある。そこで、内燃機関に通ずる吸気管負圧等を利用して、大気ポートから大気（外気）を脱離エア（パージエア）として導入することで、吸着材から蒸発燃料が脱離される。脱離された蒸発燃料は、パージポートを介して吸着室外へ排出される。

ここで、吸着材は温度が高いほど蒸発燃料の吸着量が少なく、温度が低いほど吸着量が多くなる特性を有する。また、吸着材は温度が高いほど蒸発燃料の離脱量が多く、温度が低いほど離脱量が少なくなる特性を有する。したがって、吸着材から蒸発燃料を脱離する際は、脱離効率（吸着材の再生効率）を向上するために、できるだけ温度が高いことが望まれる。しかしながら、蒸発燃料を脱離する際は、当該蒸発燃料の気化熱によって吸着材の温度は低下する傾向にある。そこで、吸着室の上流にヒータ装置を設けてパージエアを強制的に加熱することで、効率よく脱離することができる。

このような蒸発燃料処理装置として、例えば下記特許文献１が開示されている。特許文献１では、通電により発熱する発熱体と、該発熱体に接合され、該発熱体よりタンクポート側及び吸着室側に延在する熱交換フィンとを備えるヒータ装置を使用している。当該ヒータ装置は、パージエアの流動方向に対して熱交換フィンの中央部に発熱体が設けられている。熱交換フィンは複数のフィンが並設されて成り、各フィン同士の間隔は全て均一である。

また、特許文献１では、大気ポートから流入したパージエアを径方向へ拡散し、ヒータ装置全体へパージエアを均一に供給するため、複数の拡散孔を有する拡散板をヒータ装置と大気ポートの間に配している。当該拡散板における拡散孔は、大気ポートに臨む平面方向中央部の開口面積が最も小さく、外縁部に近づくほど開口面積が徐々に大きくなっている。

特開２０１２−１０２７２２号公報

ここで、パージエアは大気ポートからヒータ装置を介して吸着室へ導入される。したがって、パージエアの流動方向に対して発熱体より上流側、すなわち発熱体より大気ポート側に延在している熱交換フィンにおける熱交換効率は、発熱体より下流側、すなわち発熱体より吸着室側に延在している熱交換フィンにおける熱交換効率よりも低くなる。そのため、発熱体より上流側の熱交換フィンではその機能が最大限発揮されず、存在意義は低い。これに対し特許文献１では、パージエアの流動方向に対して熱交換フィンの中央部に発熱体が設けられているため、ヒータ装置によるパージエア加熱効率が悪い。これに伴い、スペース効率も低下する。

また、キャニスタは吸着室内の気体流動経路が水平となるように横倒し状態で設置されることもある。この場合、蒸発燃料は空気よりも比重が大きいため、吸着室内の下層域における蒸発燃料吸着量が多くなる傾向にある。したがって、キャニスタを横倒し状態で設置する場合は、ヒータ装置によるパージエア加熱効率も下方側ほど高いことが好ましい。これに対し特許文献１では、熱交換フィンにおける各フィン同士の間隔は全て均一である。これでは、蒸発燃料の吸着量が多い吸着室内の下層域を優先的に加熱することができない。

また、大気ポートは、該大気ポートに臨む吸着室の径方向中央から偏心した位置に設けられる場合もある。この場合、特許文献１の拡散板では、平面方向中央部の開口面積が最も小さくなっており、開口面積が最も小さい部位と大気ポートとが位置ズレした関係となる。これでは、ヒータ装置へパージエアを均一に供給できず、脱離効率が低下する。

また、燃料タンクで発生した蒸発燃料がキャニスタで補足される際、吸着室内ではタンクポートから大気ポートへ向けて気体が流動する。したがって、吸着室内を流動して行く気体中の蒸発燃料濃度は、タンクポートに近いほど高く、大気ポートに近いほど低くなる。そのため、大気ポートに近づくにつれて蒸発燃料の吸着効率が徐々に低下してしまう。しかし、特許文献１では吸着室が複数の層に区分けされているが、各層へは全て同種の吸着材を収容しており、大気ポートに近づくにつれて蒸発燃料の吸着効率が低下する問題には着目していない。

そこで、本発明は上記課題を解決するものであって、蒸発燃料の脱離効率や吸着効率の高い蒸発燃料処理装置を提供することを目的とする。

そのための手段として、燃料タンクで発生した蒸発燃料を吸着・脱離可能な吸着材が収容された吸着室と、前記燃料タンクに連通するタンクポートと、前記吸着材から脱離された蒸発燃料を前記吸着室外へ排出するパージポートと、大気に開放される大気ポートと、前記吸着室と前記大気ポートとの間に設けられたヒータ装置と、を備える蒸発燃料処理装置（キャニスタ）であることを前提とする。

ヒータ装置は、通電により発熱する発熱体と、該発熱体に接合された熱交換フィンとを有する。そして、熱交換フィンを発熱体より大気ポート側及び吸着室側に延在させる場合は、発熱体よりも吸着室側の表面積が大気ポート側の表面積よりも大きくする。又は、発熱体より吸着室側のみに熱交換フィンを延在させることもできる。これにより、パージエアの流動方向に対して発熱体の上流よりも下流のほうが熱交換フィンの表面積が大きくなるので、ヒータ装置によるパージエアの加熱効率が向上し、延いては蒸発燃料の脱離効率も向上する。

吸着室内のガス流動経路が水平となるようにキャニスタが設置される場合は、ヒータ装置下部における熱交換フィンの表面積を最も大きくすることもできる。具体的には、熱交換フィンを、複数のフィンを並設して構成し、ヒータ装置における上部よりも下部における各フィン同士の間隔を狭くする。これにより、キャニスタを横倒し状態で設置した場合に特有の蒸発燃料吸着量分布に的確に対応してパージエアを加熱できるので、蒸発燃料の脱離効率が向上する。

なお、ヒータ装置と大気ポートとの間には、大気ポートから流入した空気をヒータ装置へ拡散導入するための複数の拡散孔を有する拡散板を設けておくことが好ましい。この場合、大気ポートが、当該大気ポートに臨む吸着室の径方向中央から偏心した位置に設けられていれば、大気ポート直下における拡散孔の開口面積を最も小さくし、大気ポートの直下から離れるにつれて拡散孔の開口面積を徐々に大きくする。これにより、大気ポートの設置位置に応じてパージエアをヒータ装置全体へ均一に供給することができ、延いては蒸発燃料の脱離効率が向上する。

また、大気ポートに臨む吸着室を複数の層に区分けすることもできる。この場合、大気ポートに臨む層には、他の層に比べて蒸発燃料吸着力の高い高吸着グレードの吸着材を収容することが好ましい。具体的には、大気ポートに臨む層には、細孔径分布におけるピークが１．８〜２．２ｍｍにあり、ＡＳＴＭ法によるブタンワーキングキャパシティが１３ｇ／ｄＬ以上の吸着材を収容する。これにより、大気ポート付近へは蒸発燃料濃度が低い状態で流動してくるが、細孔径が２ｍｍ前後の高吸着グレードの吸着材であれば、蒸発燃料濃度が低くても確実に吸着捕捉することができ、蒸発燃料の吸着効率を向上することができる。延いては、蒸発燃料が吸着材に吸着大気ポートから放出される一方、当該高吸着グレードの吸着材は吸着保持力が高く、パージする際の蒸発燃料残存量が多くて脱離効率が悪いので、一般的には好ましくないとされている。しかし、吸着室と大気ポートの間にヒータ装置を設けて脱離効率を向上しているので、当該問題を解決できる。

本発明の蒸発燃料処理装置によれば、蒸発燃料の脱離効率や吸着効率を向上することができる。

蒸発燃料処理装置の断面図とその周辺機構の模式図である。 大気ポート周辺の分解斜視図である。 ヒータ装置の側面図である。 偏心大気ポート周辺の断面図である。 偏心拡散板の一例を示す平面図である。 偏心拡散板の他例を示す平面図である。 横置きキャニスタの側断面図である。 図７に示すヒータ装置の正面図である。 空気層を備えるキャニスタの断面図である。

以下、本発明の代表的な実施形態について説明する。図１に示すように、キャニスタ１０は、ケース１１を備えている。ケース１１は樹脂製で、角筒状のケース本体１２と、ケース本体１２の開口端面を閉鎖する蓋体１３とにより構成されている。ケース１１（ケース本体１２）内は、隔壁１２ａによって第１吸着室１１ａと第２吸着室１１ｂの２室に仕切られている。両室１１ａ・１１ｂは、ケース本体１２と蓋体１３との間に形成された連通路１１ｃによって相互に連通されている。これにより、第１吸着室１１ａと第２吸着室１１ｂとが連通路１１ｃを介して連通された、Ｕ字状のガス流動経路が形成される。なお、本実施形態では、図１には便宜上キャニスタ１０を横向きに図示しているが、ガス流動径路が鉛直方向となる縦向きに設置していることを想定する。

ケース本体１２における蓋体１３との対向面には、第１吸着室１１ａに連通する大気ポート１４と、第２吸着室１１ｂに連通するタンクポート１５及びパージポート１６が形成されている。タンクポート１５は、蒸発燃料通路５１を介して燃料タンク５０の気層部と連通している。パージポート１６は、パージ通路６５を介してエンジン（内燃機関）６０の吸気管６１に連通している。符号６２は、エンジン６０への吸入空気量を制御するスロットルバルブである。パージ通路６５は、吸気管６１におけるスロットルバルブ６２の下流側に接続されている。パージ通路６５上には、当該パージ通路６５を開閉するパージ通路弁６４が設けられている。エンジン６０の運転中に、図外の電子制御装置（ＥＣＵ）によりパージ通路弁６４が制御されることで、パージ制御が行われる。大気ポート１４は、大気通路６３を介して大気に開放されている。

第１吸着室１１ａ及び第２吸着室１１ｂの両端には、それぞれフィルタ１７が配置されており、蓋体１３側のフィルタ１７の外方には、それぞれ多孔板１８が配置されている。また、各多孔板１８と蓋体１３との間には、それぞれ圧縮コイルバネ１９が介装されており、当該圧縮コイルバネ１９によって、各多孔板１８がそれぞれ第１・第２吸着室１１ａ・１１ｂ側へ常時付勢されている。各フィルタ１７は、例えば樹脂製の不織布や、発泡ウレタン等のスポンジにより形成されている。

第１吸着室１１ａ及び第２吸着室１１ｂには、ブタン等の蒸発燃料を選択的に吸着及び脱離可能な、吸着材Ｑそれぞれ収容されている。吸着材Ｑとしては、例えば粒状の活性炭を用いることができる。粒状の活性炭としては、破砕した活性炭（破砕炭）、粒状あるいは粉末状の活性炭をバインダともに造粒した造粒炭等を用いることができる。この吸着材ＱのＡＳＴＭ法によるブタンワーキングキャパシティ（ＢＷＣ）は、特に限定されないが、例えば１３ｇ／ｄＬ未満であればよい。

さらに、第１吸着室１１ａと大気ポート１４との間には、ヒータ室２０ａが形成されている。ヒータ室２０ａの内部には、パージガスを加熱するヒータ装置３０と、ヒータ装置３０へパージガスを分散供給する拡散板４０とが配されている。図２に示すように、ヒータ室２０ａは、専用のヒータケース２０によって形成されている。ヒータケース２０は、ヒータ装置３０及び拡散板４０の形状に対応した形状に形成されており、その一側面はヒータ装置３０及び拡散板４０を出し入れ可能とするため開口している。通常時は、ヒータケース２０の開口には、コネクタ２２を備えるカバー２１が、ビス２３によって固定されている。

図３にも示すように、ヒータ装置３０は、通電により発熱する発熱体３１と、該発熱体３１に接合される熱交換フィン３２を有する。熱交換フィン３２は、熱伝導率の高い金属材料からなり、複数の薄片状フィン３３が、面合わせ状態で並列されてなる。発熱体３１は、帯状のＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）からなり、熱交換フィン３２の外面へ、パージガスの流動方向と平行及び直行する向きにそれぞれ１巻きした状態で配され、熱伝導性を有する接着剤によって接着されている。

本実施形態では、パージガスの流動方向に対して、発熱体３１の上流側及び下流側の双方、すなわち発熱体３１よりも大気ポート１４側と第１吸着室１１ａ側の双方に、熱交換フィン３２が延在している。但し、発熱体３１は、熱交換フィン３２の外周面においてパージガス流動方向上流側、すなわち大気ポート１４寄りの位置に配されている。したがって、発熱体３１から大気ポート１４側への熱交換フィン３２の延在寸法Ｌ₁は、発熱体３１から第１吸着室１１ａ側への熱交換フィン３２の延在寸法Ｌ₂より小さい（Ｌ₁＜Ｌ₂）。これにより、熱交換フィン３２は、発熱体３１よりも第１吸着室１１ａ側の表面積が、大気ポート１４側の表面積よりも大きくなっている。

また、図７に示すように、キャニスタ１０が、吸着室内のガス流動経路が水平となるように横倒し状態で設置される場合もある。この場合は、下部であるほど熱交換フィン３２の表面積が大きなヒータ装置３７を使用することが好ましい。具体的には、図８に示すように、ヒータ装置３７において、上部から下部にかけて各フィン３３同士の間隔を徐々に狭くすることが好ましい。

図２に戻って、符号３４は発熱体３１の電極であり、当該電極３４には、コネクタピン３５を備えるＰＣＢ（ｐｒｉｎｔｅｄ‐ｃｉｒｃｕｉｔ‐ｂｏａｒｄ）３６が結合される。ヒータ装置３０をヒータ室２０ａ内に配したとき、コネクタピン３５はカバー２１のコネクタ２２内に挿通され、各フィン３３の面方向とパージガスの流動方向は平行となる。なお、発熱体３１への通電、すなわちヒータ装置３０による加熱の制御は、ＥＣＵによって行われる。

拡散板４０は、パージガスの流動方向に対してヒータ装置３０の上流側、すなわちヒータ装置３０と大気ポート１４との間に配される。拡散板４０には、複数の拡散孔４１が全体的に設けられている。大気ポート１４は、第１吸着室１１ａの径方向中央に形成されている。そのため、大気ポート１４の直下に相当する拡散板４０の面方向中央部における拡散孔４１の開口面積は最も小さく、そこから外縁に至るにつれて開口面積が徐々に大きくなっている。

一方、図４に示すように、大気ポート１４が第１吸着室１１ａの径方向中央から偏心した位置に設けられる場合もある。この場合、図５にも示すように、各拡散孔４３の開口面積は、平面方向中央部を最も小さくするのではなく、偏心位置にある大気ポート１４の直下において最も小さくし、そこから平面方向外方へ向けて離れるにつれて徐々に大きくなった拡散板４２を使用する。これにより、大気ポート１４の形成位置に応じて、パージエアを均一にヒータ装置３０へ導入することができる。なお、拡散板としては、円形の拡散孔４３を複数有する図５に示す拡散板４２に限られず、種々の変形が可能である。例えば図６に示すように、平面方向へ縦横に広がった複数本のフレームの間に拡散孔４５が形成された拡散板４４を使用することができる。平面方向中央部における拡散孔４１の開口面積が最も小さい拡散板４０でも、同様な変形が可能である。

次に、図１を参照しながら、キャニスタ１０の作用について説明する。給油時や駐車時において、燃料タンク５０内で発生した蒸発燃料を含む蒸発燃料ガスは、キャニスタ１０のタンクポート１５を介して第２吸着室１１ｂに導入され、隔壁１２ａを回り込むように連通路１１ｃ、第１吸着室１１ａを通って大気ポート１４まで至るガス流動径路をとる。その際、蒸発燃料ガス中の蒸発燃料は、第２吸着室１１ｂ及び第１吸着室１１ａの吸着材Ｑへ選択的に吸着される。そして、吸着材Ｑに吸着されず第１吸着室１１ａを透過した空気成分は、大気ポート１４から大気通路６３を介して大気中に放出される。

一方、エンジン６０の稼動中においてＥＣＵによりパージ通路弁６４が開弁されると、吸気管６１における吸気負圧がパージポート１６を介して第１・第２吸着室１１ａ・１１ｂに印加される。これにより、大気通路６３を介して大気ポート１４から大気中の空気がパージエアとして流入し、吸着材Ｑに吸着されていた蒸発燃料が脱離（パージ）される。このとき、パージ通路弁６４の開弁と共に発熱体３１へ通電され、ヒータ装置３０が駆動する。したがって、大気ポート１４から流入したパージエアは、ヒータ室２０ａを通過することにより、加熱された状態で第１・第２吸着室１１ａ・１１ｂへ導入される。これにより、蒸発燃料の脱離効率が向上する。

詳しくは、大気ポート１４から流入したパージエアは、先ずは拡散板４０に衝突することで、径方向へ拡散する。このとき、大気ポート１４の直下では拡散孔４１の開口面積が最も小さく、径方向外方へ離れるほど拡散孔４１の開口面積が徐々に大きくなっている。これにより、各拡散孔４１を通過するパージエア量が調整されることで、ヒータ装置３０全体へパージガスが均一に供給され、ヒータ装置３０による加熱効率が向上する。ヒータ装置３０では、発熱体３１への通電により発熱体３１が発熱し、その熱が熱交換フィン３２へ伝達される。そして、拡散板４０を通過したパージエアがヒータ装置３０に導入されると、並列した各フィン３３の間をパージガスが通過することで、パージガスが加熱される。このとき、熱交換フィン３２は、発熱体３１よりも下流側の表面積が上流側の表面積よりも大きいため、ヒータ装置３０によってパージエアを効率よく加熱することができる。

そして、吸着材Ｑから脱離された蒸発燃料とパージエアとの混合ガスであるパージガスが、最終的にパージポート１６からパージ通路６５を介してエンジン６０へ導入されることになる。なお、蒸発燃料の脱離は、パージ通路６５上に真空ポンプ等の吸引手段を設けて、燃料タンク５０へ返流することもできる。

また、図９に示すように、大気ポート１４に臨む第１吸着室１１ａを、空気層５５を挟んで複数の層に区分けすることもできる。具体的には、空気層５５を挟んで、大気ポート１４に臨むパージエア流動方向上流側の第１層１１ａ₁と、下流側の第２層１１ａ₂に区分けすることができる。この場合、第１層１１ａ₁及び第２層１１ａ₂の両端に、それぞれフィルタ１７を配しておく。空気層５５側のフィルタ１７は、空気層５５内に設けた保持部材５６によって保持される。そのうえで、大気ポート１４に臨む第１層１１ａ₁には、第２層１１ａ₂内の吸着材Ｑに比べて蒸発燃料吸着力の高い吸着材Ｑｈを収容することが好ましい。吸着材Ｑｈとしては、細孔径分布におけるピークが１．８〜２．２ｍｍにあるものを好適に使用できる。また、吸着材ＱｈのＡＳＴＭ法によるブタンワーキングキャパシティは１３ｇ／ｄＬ以上であることが好ましい。

また、図１に示す例において、第１吸着室１１ａに蒸発燃料吸着力の高い吸着材Ｑｈを収容することなども可能である。

１０ キャニスタ（蒸発燃料処理装置）
１１ ケース
１１ａ 第１吸着室
１１ｂ 第２吸着室
１１ａ₁ 第１層
１１ａ₂ 第２層
１４ 大気ポート
１５ タンクポート
１６ パージポート
２０ ヒータケース
２０ａ ヒータ室
２１ カバー
２２ コネクタ
３０・３７ ヒータ装置
３１ 発熱体
３２ 熱交換フィン
３３ 各フィン
３５ コネクタピン
４０・４２・４４ 拡散板
４１・４３・４５ 拡散孔
５０ 燃料タンク
５５ 空気層
６０ エンジン
Ｑ・Ｑｈ 吸着材

Claims (6)

1. 燃料タンクで発生した蒸発燃料を吸着・脱離可能な吸着材が収容された吸着室と、
   前記燃料タンクに連通するタンクポートと、
   前記吸着材から脱離された蒸発燃料を前記吸着室外へ排出するパージポートと、
   大気に開放される大気ポートと、
   前記吸着室と前記大気ポートとの間に設けられたヒータ装置と、
   を備える蒸発燃料処理装置であって、
   前記ヒータ装置は、通電により発熱する発熱体と、該発熱体に接合され、該発熱体より前記大気ポート側及び前記吸着室側に延在する熱交換フィンとを有し、
   前記熱交換フィンは、前記発熱体よりも前記吸着室側の表面積が前記大気ポート側の表面積よりも大きい、蒸発燃料処理装置。
2. 燃料タンクで発生した蒸発燃料を吸着・脱離可能な吸着材が収容された吸着室と、
   前記燃料タンクに連通するタンクポートと、
   前記吸着材から脱離された蒸発燃料を前記吸着室外へ排出するパージポートと、
   大気に開放される大気ポートと、
   前記吸着室と前記大気ポートとの間に設けられたヒータ装置と、
   を備える蒸発燃料処理装置であって、
   前記ヒータ装置は、通電により発熱する発熱体と、該発熱体に接合された熱交換フィンとを有し、
   前記熱交換フィンは、前記発熱体より前記吸着室側のみに延在している、蒸発燃料処理装置。
3. 燃料タンクで発生した蒸発燃料を吸着・脱離可能な吸着材が収容された吸着室と、
   前記燃料タンクに連通するタンクポートと、
   前記吸着材から脱離された蒸発燃料を前記吸着室外へ排出するパージポートと、
   大気に開放される大気ポートと、
   前記吸着室と前記大気ポートとの間に設けられたヒータ装置とを備え、
   前記吸着室内のガス流動経路が水平となるように設置される蒸発燃料処理装置であって、
   前記ヒータ装置は、通電により発熱する発熱体と、該発熱体に接合された熱交換フィンとを有し、
   前記ヒータ装置下部における前記熱交換フィンの表面積が最も大きい、蒸発燃料処理装置。
4. 前記熱交換フィンは、複数のフィンが並設されて成り、
   前記ヒータ装置における上部よりも下部の方が、前記各フィン同士の間隔が狭い、請求項３に記載の蒸発燃料処理装置。
5. 前記大気ポートと前記タンクポート及び前記パージポートとの間に、前記吸着室を区分けする隔壁を有し、前記蒸発燃料は前記隔壁を回り込んで前記大気ポートと前記タンクポート及び前記パージポートとの間をＵ字状に流動する、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の蒸発燃料処理装置。
6. 前記大気ポートに臨む吸着室は、空気層を挟んで複数の層に分かれている、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の蒸発燃料処理装置。
   
   

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