KR20150064178A - 증발 연료 증기 가스 제어시스템 - Google Patents

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로렌스 에이치. 힐지크
피터 디. 매크레이
제임스 알. 밀러
로저 에스. 윌리엄스
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미드웨스트바코 코포레이션
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Abstract

증발 가스 제어 캐니스터 시스템은, 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 초과의 유효 증분 흡착제 용량을 갖는 초기 흡착제 공간; 및 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 미만의 유효 증분 흡착제 용량, 3 g/dℓ 미만의 유효 부탄 흡탈착 용량(BWC) 및 2g 내지 6g의 총 BWC(g)를 갖는 적어도 하나의 후속 흡착제 공간을 포함한다. 상기 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 210ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는다.

Description

증발 연료 증기 가스 제어시스템{EVAPORATIVE FUEL VAPOR EMISSION CONTROL SYSTEMS}
본 발명의 다양한 실시예들은 증발 가스 제어 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 증발 연료 증기 가스 제어시스템(vapor emission control system)에 관한 것이다.
자동차 연료 시스템으로부터의 가솔린 연료의 증발은 탄화수소 공기 오염의 주요한 잠재적 원천이다. 이러한 방출은, 연료 시스템으로부터 방출된 연료 증기를 흡착하는 활성탄소를 채용하는 캐니스터 시스템(canister system)들에 의해 제어될 수 있다. 엔진 작동의 특정 모드에 따라, 흡착된 연료 증기는 활성탄소로부터 연료 증기를 탈착시키도록 대기 중의 공기(ambient air)로 캐니스터 시스템을 퍼징하는 것에 의해 활성탄소로부터 주기적으로 제거된다. 그 후, 재생된 탄소는 추가의 연료 증기를 흡착하도록 준비된다.
환경에 대한 관심의 증가는 차량이 작동하고 있지 않는 경우에도 자동차에서의 탄화수소 방출의 엄격한 규제가 계속 진행되고 있다. 차량이 주간의 가열(즉, 주간 가열(diurnal heating)) 동안 따뜻한 환경에서 주차된 경우, 연료 탱크의 온도가 증가되어 연료 탱크 내의 증기압을 증가시킨다. 통상적으로, 차량으로부터 대기로의 연료 증기의 누출을 방지하기 위해, 연료 탱크는 일시적으로 연료 증기를 흡착할 수 있는 적절한 연료 흡착제 물질을 함유하는 캐니스터로 도관을 통해 배기된다. 연료 탱크로부터의 연료 증기는 캐니스터의 연료 증기 유입구를 통해 캐니스터로 들어가고, 캐니스터의 배출 포트를 통해 대기로 방출되기 전에 임시 저장소에서 흡착되는, 흡착제 공간(absorbent volume) 내로 확산된다. 엔진의 전원을 켜면, 대기 중의 공기는 캐니스터의 배출 포트를 통해 캐니스터 시스템으로 빨려 들어간다. 퍼지 공기는 캐니스터 내부의 흡착제 공간을 통해 유동하고, 연료 증기 퍼지 도관을 통해 내연 기관에 들어가기 전에 흡착제 공간에 흡착된 연료 증기를 탈착시킨다. 퍼지 공기는 흡착제 공간에 흡착된 전체 연료 공기를 탈착시키지 않기 때문에 대기로 방출될 수 있는 잔류 탄화수소("힐(heel)")를 초래한다. 또한, 기체 상과 국부평형(local equilibrium)인 힐은 방출시에 연료 증기가 연료 탱크로부터 캐니스터 시스템을 통해 이동하는 것을 또한 허용한다. 차량이 주차하고, 통상 "주간 증발 손실(diurnal breathing loss)"로 불리는 며칠 동안의 주간 온도 변화에 노출되었을 때, 이러한 방출이 전형적으로 발생한다. 캘리포니아 로우 이미션 비이클 레귤레이션(California Low Emission Vehicle Regulation)은, 캐니스터 시스템으로부터 방출되는 이들 주간 증발 손실(DBL)은 2003년 모델로 시작하는 약간의 차량에 대해서는 10 ㎎ 미만("PZEV"), 2004년 모델로 시작하는 대부분의 차량에 대해서는 50 ㎎ 미만, 전형적으로 20 ㎎ 이하("LEV-Ⅱ")이 바람직한 것으로 규정한다. 이제, 캘리포니아 로우 이미션 비이클 레귤레이션(LEV-Ⅲ)은, 2001년의 캘리포니아 이배퍼레이티브 이미션즈 스탠다즈 앤드 테스트 프러시저(California Evaporative Emissions Standards and Test Procedures) 및 2012년 3월 22일의 서브시퀀트 모델 모터 비이클(Subsequent Model Motor Vehicles)에서 작성된 바와 같은 블리드 이미션즈 테스트 프러시저(Bleed Emissions Test Procedure, BETP)에 따라, 캐니스터 DBL 가스는 20 ㎎을 초과하지 않을 것을 요구한다.
주간 증발 손실(diurnal breathing loss, DBL) 가스(emission)를 감소시키는 몇 가지 접근법이 보고되었다. 하나의 접근법은 흡착제 공간으로부터의 잔류 탄화수소 힐 탈착을 향상시키기 위해 퍼지 가스의 양을 현저하게 증가시키는 것이다. 그러나, 이 접근법은 퍼지 단계 동안의 엔진에 대한 연료/공기 혼합물의 관리가 복잡하다는 결점과 배기관 방출에 악영향을 미치는 경향을 갖는다(미국 특허 제4,894,072호 참조).
또 다른 접근법은 기존의 캐니스터 치수의 재설계에 의해, 또는 적절한 치수의 추가의 배출측(vent-side) 캐니스터의 설치에 의해, 캐니스터의 배출측에 비교적 낮은 단면적을 갖도록 캐니스터를 설계하는 것이다. 이 접근법은 퍼지 공기의 강도를 증가시킴으로써 잔류 탄화수소 힐을 감소시킨다. 이러한 방식의 한 가지 단점은 비교적 낮은 단면적이 캐니스터에 대해 과도한 흐름 제한을 부여한다는 것이다(미국 특허 제5,957,114호 참조).
퍼지 효율을 증가시키기 위한 다른 접근법은 퍼지 공기를 가열하거나, 또는 흡착된 연료 증기를 갖는 흡착제 공간의 일부를 가열하거나, 또는 이들 모두를 가열하는 것이다. 그러나, 이 접근법은 제어 시스템 관리의 복잡성을 증가시키고, 일부 안전 문제를 야기한다(미국 특허 제6,098,601호 및 제6,279,548호 참조).
또 다른 접근법은 초기 흡착제 공간을 통하여 연료 증기를 전송한 후, 대기로 배출하기 전에 적어도 하나의 후속 흡착제 공간으로 전송하는 것이며, 여기서, 초기 흡착제 공간은 후속 흡착제 공간보다 높은 흡착제 용량을 갖는다(미국 특허 RE38,844호 참조).
주간 증발 손실(DBL) 가스의 규제는, 특히 퍼지 공기의 레벨이 낮을 때 개선된 증발 가스 제어 시스템들의 새로운 개발이 계속 진행되고 있다. 또한, 주간 증발 손실(DBL) 가스는 내연기관과 전기 모터 모두를 포함하는 하이브리드 차량에서 더 심각할 수 있다. 이러한 하이브리드 차량에서는, 내연기관은 차량의 작동 중의 시간의 거의 절반에서 꺼져 있다. 내연기관이 켜진 경우에만 흡착제 상에 흡착된 연료 증기가 퍼지되기 때문에, 하이브리드 차량의 캐니스터 내의 흡착제는 종래의 차량과 비교된 시간의 절반 미만에서 신선한 공기로 퍼지된다. 하이브리드 차량은 종래의 차량과 거의 동일한 증발 연료 증기의 양을 생성한다. 하이브리드 차량의 낮은 퍼지 빈도는 잔류 탄화수소 힐을 캐니스터 내의 흡착제로부터 세정하는 것이 불충분하며, 높은 주간 증발 손실(DBL) 가스를 초래할 수 있다.
따라서, 낮은 레벨의 퍼지 공기가 사용되는 경우에도, 또는 캐니스터 내의 흡착제가 하이브리드 차량에서와 같이 덜 빈번하게 퍼지되는 경우에도, 또는 이들 양자의 경우에도 낮은 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는 증발 가스 제어 시스템을 구비하는 것이 바람직하다. 수동적인 접근법(passive approach)이 크게 요망되고 있다 하더라도, 기존의 수동적인 접근법은 여전히 역사적으로 이용 가능한 퍼지의 일부만을 이용할 수 있을 때 20 ㎎ LEV-Ⅲ 요건보다 수배 높은 레벨의 DBL 가스를 여전히 남기는 접근이다.
본 발명에 따르면, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은, 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 초과의 유효 증분 흡착제 용량을 갖는 초기 흡착제 공간; 및 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 미만의 유효 증분 흡착제 용량, 3 g/dℓ 미만의 유효 부탄 흡탈착 용량(BWC) 및 2g 내지 6g의 총 BWC(g)를 갖는 적어도 하나의 후속 흡착제 공간을 포함한다. 상기 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 210ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 단면도로서, 캐니스터 시스템은 하나의 캐니스터를 구비하는 것을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 단면도로서, 캐니스터 시스템은 하나의 캐니스터를 구비하는 것을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 단면도로서, 캐니스터 시스템은 하나의 캐니스터를 구비하는 것을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 단면도로서, 캐니스터 시스템은 주 캐니스터와 보조 캐니스터를 구비하는 것을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 단면도로서, 캐니스터 시스템은 주 캐니스터와 보조 캐니스터를 구비하는 것을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 단면도로서, 캐니스터 시스템은 주 캐니스터와 보조 캐니스터를 구비하는 것을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 단면도로서, 캐니스터 시스템은 주 캐니스터와 보조 캐니스터를 구비하는 것을 도시한다.
도 8은 부탄 흡착제 용량의 측정을 위해 사용되는 장치의 단순화된 개략도이다.
도 9 내지 도 22는 본 발명의 몇몇 비제한적인 실시예들에 따른 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 단순화된 개략도들이다.
본 발명은 이하에서 더욱 완전하게 설명하지만, 발명의 모든 실시예들이 도시되는 것은 아니다. 본 발명을 예시적 실시예들을 참조하여 기술하지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이 이루어질 수 있으며, 또한 본 발명의 구성요소들은 임의의 균등물로 대체될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 많은 변형이 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않고 발명의 교시에 대한 특정한 구조 또는 재료를 채택하도록 이루어질 것이다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 예시용으로만 제공된다. 도면들은 본 출원의 실시예들을 제한하는 것은 아니다. 또한, 도면들은 일정한 비율로 도시된 것은 아니다. 도면들 사이의 공통 구성요소들은 동일한 참조 부호가 부여될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 하나 이상의 캐니스터를 포함한다. 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은, 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 초과의 유효 증분 흡착제 용량을 갖는 초기 흡착제 공간(initial absorbent volume); 및 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 미만의 유효 증분 흡착제 용량, 3 g/dℓ 미만의 유효 부탄 흡탈착 용량(BWC) 및 2g 내지 6g의 총 BWC(g)를 갖는 적어도 하나의 후속 흡착제 공간(subsequent absorbent volume)을 포함한다. 초기 흡착제 공간 및 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 단일 캐니스터 내에 위치되거나, 또는 초기 흡착제 공간 및 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 연료 증기에 의한 순차적인 접촉을 허용하도록 연결되는 개별 캐니스터 내에 위치된다. 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 약 210ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는다.
도 13은 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 몇몇 실시예들의 비제한적인 예들을 도시하며, 초기 흡착제 공간과 후속 흡착제 공간(들)은 단일 캐니스터 내에 위치되어 있다. 도 4 내지 도 7은 하나 이상의 캐니스터를 포함하는 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 실시예들의 비제한적인 예들을 도시하며, 초기 흡착제 공간과 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 연료 증기에 의한 순차적인 접촉을 허용하도록 연결되는 개별 캐니스터 내에 위치된다.
도 1은 단일 캐니스터 내에 초기 흡착제 공간 및 후속 흡착제 공간을 갖는 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 일 실시예를 도시한다. 캐니스터 시스템(100)은 지지 스크린(102), 분할 벽(103), 연료 탱크로부터의 연료 증기 유입구(104), 대기로 개방된 배출 포트(105), 엔진에 대한 퍼지 배출구(106), 초기 흡착제 공간(201) 및 후속 흡착제 공간(202)을 포함한다.
엔진이 꺼져있을 때, 연료 탱크로부터의 연료 증기는 연료 증기 유입구(104)를 통해 캐니스터 시스템(100)으로 들어간다. 연료 증기는 초기 흡착제 공간(201) 내로 확산된 후, 캐니스터 시스템의 방출 포트(105)를 통해 대기로 방출되기 전에 후속 흡착제 공간(202)으로 확산된다. 엔진이 켜지면, 주변 공기는 배출 포트(105)를 통해 캐니스터 시스템(100) 내로 들어간다. 퍼지 공기는 후속 흡착제 공간(202)을 통하여 유동한 후, 초기 흡착제 공간(201) 내로 들어가며, 퍼지 배출구(106)를 통해 내연기관에 들어가기 전에 흡착제 공간(202, 201)에 흡착된 연료 증기를 탈착시킨다.
증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 하나 이상의 후속 흡착제 공간을 포함할 수 있다. 비제한적인 예시에 의해, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템(100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 단일 캐니스터 내에 하나의 초기 흡착제 공간(201)과 세 개의 후속 흡착제 공간(202, 203, 204)을 포함할 수 있다.
또한, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 캐니스터 내에 빈 볼륨(empty volume)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "빈 볼륨"이란 용어는 임의의 흡착제를 포함하지 않는 볼륨을 의미한다. 이러한 볼륨은 공기 간극(air gap), 발포 스페이서(foam spacer), 스크린(screen) 또는 이들의 조합(이들에 한정되는 것은 아님)을 포함하는 임의의 비-흡착제를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 비제한적인 예에 있어서, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템(100)은 하나의 초기 흡착제 공간(201); 단일 캐니스터 내의 세 개의 후속 흡착제 공간(202, 203, 204); 및 후속 흡착제 공간(203, 204)들 사이의 빈 볼륨(205)을 포함할 수 있다.
비제한적인 예시에 의해, 도 4 내지 도 7은 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 실시예들을 도시하며, 캐니스터 시스템은 하나 이상의 캐니스터를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 캐니스터 시스템(100)은 주 캐니스터(101), 지지 스크린(102), 분할 벽(103), 연료 탱크로부터의 연료 증기 유입구(104), 대기로 개방된 배출 포트(105), 엔진에 대한 퍼지 배출구(106), 주 캐니스터(101) 내의 초기 흡착제 공간(201), 주 캐니스터(101) 내의 후속 흡착제 공간(202, 203, 204), 후속 흡착제 공간(301)을 포함하는 보조 캐니스터(300) 및 주 캐니스터(101)를 보조 캐니스터(300)에 연결하는 도관(107)을 포함한다.
엔진이 꺼져있을 때, 연료 탱크로부터의 연료 증기는 연료 증기 유입구(104)를 통해 캐니스터 시스템(100) 내로 들어간다. 연료 증기는 초기 흡착제 공간(201) 내로 확산된 후, 도관(107)을 통해 보조 캐니스터(300)로 들어가기 전에 주 캐니스터(101) 내의 후속 흡착제 공간(202, 203, 204)으로 확산된다. 연료 증기는, 캐니스터 시스템의 배출 포트(105)를 통해 대기로 방출되기 전에 보조 캐니스터(300) 내부의 후속 흡착제 공간(301)을 통해 확산된다. 엔진이 켜지면, 주변 공기는 배출 포트(105)를 통해 캐니스터 시스템(100) 내로 들어간다. 퍼지 공기는 보조 캐니스터(300) 내의 후속 흡착제 공간(301)을 통하여 유동하고, 주 캐니스터(101) 내의 후속 흡착제 공간(204, 203, 202)을 통하여 유동한 후, 주 캐니스터(101) 내의 초기 흡착제 공간(201)으로 들어가며, 퍼지 배출구(106)를 통해 내연기관에 들어가기 전에 흡착제 공간(301, 204, 203, 202, 201)에 흡착된 연료 증기를 탈착시킨다.
주 캐니스터와 유사하게, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 보조 캐니스터는 하나 이상의 후속 흡착제 공간을 포함할 수 있다. 비제한적인 예시에 의해, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템(100)의 보조 캐니스터(300)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 후속 흡착제 공간(301, 302)들을 포함할 수 있다.
또한, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 보조 캐니스터는 후속 흡착제 공간들 사이에 빈 볼륨을 포함할 수 있다. 비제한적인 예시에 의해, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템(100)의 보조 캐니스터(300)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 후속 흡착제 공간(301, 302, 303) 및 이들 후속 흡착제 공간(302, 303)들 사이의 빈 볼륨(304)을 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 비제한적인 예에 있어서, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템(100)의 보조 캐니스터(300)는 후속 흡착제 공간(301, 302, 303), 후속 흡착제 공간(301, 302)들 사이의 빈 볼륨(304) 및 후속 흡착제 공간(302, 3030들 사이의 빈 볼륨(305)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 명세서에서 사용된 "빈 볼륨"이란 용어는 임의의 흡착제를 포함하지 않는 볼륨을 의미한다. 이러한 볼륨은 공기 간극, 발포 스페이서, 스크린, 도관 또는 이들의 조합(이들에 한정되는 것은 아님)을 포함하는 임의의 비-흡착제를 포함할 수 있다.
또한, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 주 캐니스터와 보조 캐니스터 사이에 빈 볼륨을 포함할 수 있다.
원하는 경우, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 하나 이상의 보조 캐니스터를 포함할 수 있다. 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은, 주 캐니스터와 제1 보조 캐니스터 사이, 보조 캐니스터들 사이, 및/또는 마지막 보조 캐니스터의 단부에 설치된, 하나 이상의 빈 볼륨을 추가로 포함할 수 있다. 비제한적인 예시에 의해, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 주 캐니스터, 제1 보조 캐니스터, 제2 보조 캐니스터, 제3 보조 캐니스터, 주 캐니스터와 제1 보조 캐니스터 사이의 빈 볼륨, 제1 보조 캐니스터와 제2 보조 캐니스터 사이의 빈 볼륨, 및 제3 보조 캐니스터의 단부에 설치된 빈 볼륨을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 1 내지 도 7은 본 발명의 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 예시적 실시예들만을 나타내며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 추가의 실시예들을 예상할 수 있다.
원하는 경우, 전체 흡착제 공간(즉, 초기 흡착제 공간과 후속 흡착제 공간들의 합계)은 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 볼륨과 동일할 수 있다. 대안적으로, 전체 흡착제 공간은 증발 가스 제어 캐니스터 시스템의 볼륨 미만일 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템에서 연료 증기 가스를 감소시키는 방법은, 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 초과의 유효 증분 흡착제 용량을 갖는 초기 흡착제 공간에 연료 증기를 접촉시키는 단계; 및 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 미만의 유효 증분 흡착제 용량, 3 g/dℓ 미만의 유효 부탄 흡탈착 용량(BWC) 및 2g 내지 6g의 총 BWC(g)를 갖는 적어도 하나의 후속 흡착제 공간에 연료 증기를 접촉시키는 단계를 포함한다. 초기 흡착제 공간 및 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 단일 캐니스터 내에 위치되거나, 또는 초기 흡착제 공간 및 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 연료 증기에 의한 순차적인 접촉을 허용하도록 연결되는 개별 캐니스터 내에 위치된다. 연료 증기 가스를 감소시키는 방법은, 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 약 210ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는다.
본 명세서에서 사용된 "흡착제 성분" 또는 "흡착제 공간"이란 용어는, 증기 유동 경로를 따르는 흡착제 물질 또는 흡착제 함유 물질을 의미하며, 미립자 물질의 층(bed), 모놀리스, 허니콤, 시트 또는 다른 물질로 구성될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "공칭 공간(nominal volume)"이란 용어는, 흡착제 성분의 볼륨의 합계를 의미하며, 증기 유동 경로에 수직인 평면을 가로지르는 흡착제 물질이 없는, 증기 유동 경로의 길이를 따르는 간극(gap), 보이드(voids), 덕트, 도관, 튜빙(tubing), 플레넘 스페이스(plenum spaces) 또는 다른 공간을 포함하지는 않는다. 예를 들면, 도 1에서의 캐니스터 시스템의 전체 공칭 공간은 흡착제 공간(201, 202)들의 볼륨의 합계이다. 예를 들면, 도 2 및 도 3에서의 캐니스터 시스템의 전체 공칭 공간은 흡착제 공간(201, 202, 203, 204)의 볼륨의 합계이다. 도 4에서의 캐니스터 시스템의 전체 공칭 공간은 흡착제 공간(201, 202, 203, 204, 301)들의 볼륨의 합계이다. 도 5에서의 캐니스터 시스템의 전체 공칭 공간은 흡착제 공간(201, 202, 203, 204, 301, 302)의 볼륨의 합계이다. 도 6 및 도 7에서의 캐니스터 시스템의 전체 공칭 공간은 흡착제 공간(201, 202, 2003, 204, 301, 302, 303)의 볼륨의 합계이다.
공칭 공간 겉보기 밀도( apparent density )의 결정
본 명세서에서 사용된 "공칭 공간 겉보기 밀도"라는 용어는, 흡착제의 공칭 공간으로 나눈 흡착제 공간 내의 대표적인 흡착제의 질량이며, 볼륨의 길이는 흡착제 성분과 처음으로 접촉하는 증기 유동 경로의 수직 평면과 흡착제 성분을 빠져나가는 증기 유동 경로의 수직 평면 사이의 캐니스터 시스템 내의 인사이투(in situ) 거리로서 정의된다.
흡착제들의 다양한 형태에 대한 공칭 공간 겉보기 밀도를 계산하는 방법의 비제한적인 예들이 본 명세서에 기재되어 있다.
(A) 흡착제 성분 유동 경로의 길이에 걸쳐 과립형, 펠릿형 ( Pelletized ) 또는 구형( Spherical ) 흡착제의 균일한 흡착제 용량
표준 방법 ASTM D 2854(이하, "표준 방법"이라 함)는 연료 시스템에 대한 증발 가스 제어를 위해 전형적으로 사용되는 크기 및 형상의 과립형 또는 펠릿형된 흡착제와 같은 미립자 흡착제의 공칭 공간 겉보기 밀도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 표준 방법이 캐니스터 시스템에서 발견되는 흡착제 층의 질량과 공칭 공간의 비와 동일한 겉보기 밀도 값을 제공할 때, 표준 방법은 흡착제 공간의 겉보기 밀도를 결정하는데 사용될 수 있다. 표준 방법에 의한 흡착제의 질량은, 증분 흡착 분석, 즉 어떤 대표적인 물질이 흡착제 시료로서 분석되는가에 따라 흡착제 공간 내의 불활성 결합제(inert binders), 충전제(fillers) 및 구조적 성분(structural components)들을 등가적으로 포함시키거나 또는 제외시키는 증분 흡착 분석에 사용되는 대표적인 흡착제의 질량이다.
또한, 하기에서 정의된 바와 같이, 흡착제 공간의 공칭 공간 겉보기 밀도는 대안적인 겉보기 밀도 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 이러한 대안적인 방법은 표준 방법에 의해 비교 가능하게 또는 적절하게 측정되지 않는 겉보기 밀도들을 갖는 공칭 흡착제 공간들에 적용될 수 있다. 또한, 대안적인 겉보기 밀도 결정 방법은 그의 보편적인 적용성으로 인해 표준 방법 대신에 미립자 흡착제들에 적용될 수 있다. 이러한 대안적인 방법은 미립자 흡착제, 비-미립자 흡착제 및 순감소(net reduced) 증분 볼륨 용량의 효과에 대한 볼륨 또는 순차적 유사 흡착제 공간들 내의 스페이서, 보이드, 공극률 첨가제(voidage additives)에 의해 증가된 임의의 형태의 미립자 흡착제를 함유할 수 있는 흡착제 공간에 적용될 수 있다.
대안적인 겉보기 밀도 결정 방법에 있어서, 흡착제 공간의 겉보기 밀도는 흡착제의 볼륨으로 흡착제의 질량을 나누는 것에 의해 얻어지며:
(1) 흡착제 공간 내의 대표적인 흡착제의 건조 질량 기준이 측정된다. 예를 들어, 흡착제 공간 내의 25.0g의 총 흡착제 질량의 0.200g 대표 시료는 멕베인법(McBain method)에 의해 흡착제 용량을 측정한다. 멕베인법은 흡착제(g) 당 부탄(g)(g-butane)의 흡착 값을 산출하는 반면, 적용 질량(applicable mass)은 흡착제 공간의 겉보기 밀도의 분자에 대해 25.0g이며, 그 후 흡착제 공간의 볼륨 특성으로 멕베인 분석 값의 변환을 허용한다; 그리고
(2) 겉보기 밀도의 분모의 흡착제 성분의 볼륨은 피상적인 유동 증기 경로가 캐니스터 시스템 내에서 발생하는 인사이투(in situ) 기하학적 볼륨으로 정의된다. 볼륨의 길이는 논의중인 흡착제 공간의 피상적인 증기 유동 도입구에 수직인 평면(즉, 흡착제가 수직 평면에 존재하는 지점) 및 논의중인 흡착제 공간의 증기 유동 배출구에서의 피상적인 유동에 수직인 평면(즉, 증기 유동에 수직인 평면을 가로지르는 흡착제가 없는 지점)에 의해 한정된다.
(B) 허니콤 , 모놀리스 또는 발포 흡착제들
(1) 원통형 허니콤 흡착제들
원통형 허니콤 흡착제들의 겉보기 밀도는 퓨리피케이션 셀루션즈 엘엘시(Purification Cellutions, LLC)(웨인즈버로, 조지아주) SOP 500 - 115의 절차에 따라 결정된다. 흡착제의 볼륨은 흡착제의 단면적(A)과 높이(h)의 곱셈(multiple)이다. 흡착제의 높이(h)는 흡착제로 들어가는 증기 또는 가스 유동에 수직인 흡착제의 전방 평면과 증기 또는 가스가 흡착제를 빠져나가는 흡착제의 후방 평면 사이의 거리로 정의된다. 볼륨 측정 결과는 또한 퍼지에 대한 층공간 볼륨 비율을 정의하는데 사용되는 공칭 공간이다. 원형 단면의 원통형 허니콤 흡착제의 경우에 있어서, 흡착제 단면적은 πd2/4로 결정되며, 여기서, d는 허니콤의 각 단부에 4 지점에서 측정된 평균 직경이다. 공칭 흡착제 공간 및 공칭 공간 겉보기 밀도는 하기와 같이 계산된다:
공칭 흡착제 공간 = h x A
공칭 공간 겉보기 밀도 = 부분 질량 / (h x A)
여기서, "부분 질량(Part Mass)"은 대표적인 흡착제 시료가 불활성 또는 흡착성 결합제 및 충전제의 대표적인 비율을 포함하는, 흡착 특성에 대해 테스트되는 흡착제의 질량이다.
비제한적인 예시에 의해, 도 9는 단면적 "A"를 갖는 허니콤 흡착제(109)의 공칭 공간의 경계 정의(boundary definition)를 도시한다. 증기 또는 가스는 방향 "D1"으로부터 방향 "D2"로 허니콤 흡착제(109)를 통하여 유동한다. 증기 또는 가스는 흡착제(109)의 전방 평면(F)으로 들어가고, 흡착제(109)의 길이(h)를 따라 유동하여, 흡착제(109)의 후방 평면(B)을 빠져나간다. 허니콤 흡착제(109)의 공칭 공간은 단면적(A) x 길이(h) 이다. 유사하게, 도 10은 발포 흡착제(110)의 공칭 공간에 대한 경계 정의를 도시한다.
(2) 주름형 , 물결형 및 시트형 흡착제들
주름형(pleated) 및 물결형(corrugated) 흡착제들에 대해, 공칭 흡착제 공간은 주름형 및 물결형에 의해 생성된 모든 보이드 스페이스(void space)를 포함한다. 볼륨의 측정은 또한 퍼지에 대한 층공간 볼륨 비율을 정의하는데 사용되는 공칭 공간이다. 흡착제의 공칭 공간 및 겉보기 밀도는 하기와 같이 계산된다:
공칭 흡착제 공간 = h x A
공칭 공간 겉보기 밀도 = 부분 질량/(h x A)
여기서,
"부분 질량"은 대표적인 흡착제 시료에 대하여 불활성 또는 흡착성 결합제 및 충전제의 대표적인 비율을 포함하는, 흡착 특성에 대해 테스트하는 흡착제의 질량이다.
"h"는, 필터로 들어가는 증기 또는 가스 유동에 수직인 흡착제의 전방 평면과 증기 또는 가스가 필터를 빠져나가는 흡착제의 후방 평면 사이의 거리로 정의되는, 흡착제의 길이이다.
"A"는 흡착제의 단면적이다.
비제한적인 예시에 의해, 도 11은 적층된 물결형 시트 흡착제 모놀리스(111)의 볼륨에 대한 경계 정의를 도시한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자들은 압출된 허니콤 등의 모놀리스를 형성할 수 있다.
주름형 흡착제의 경우에 있어서, 흡착제 단면적은 L x W로 결정되며, 여기서, "L"은 방향 "X"에서 흡착제의 일측의 가장자리로부터 흡착제의 대향 가장자리까지의 거리이며, "W"는 방향 "Y"에서 흡착제의 일측의 가장자리로부터 흡착제의 대향 가장자리까지의 거리이다.
비제한적인 예시에 의해, 도 12는 단일 주름형 또는 물결형(112)의 볼륨에 대한 경계 정의를 도시한다. 도 13은 가스 흐름에 대한 일부 투과성 형태에 의해 시트를 통해 제공된 증기 유동 경로를 갖는 주름형 또는 물결형 시트(113)의 볼륨에 대한 경계 정의를 도시한다. 시트의 면(face)은 증기 유동에 대해 수직이다. 그에 반해서, 도 14는 시트의 면이 가스 유동에 각도를 갖는, 주름형 또는 물결형 시트(114)의 볼륨에 대한 경계 정의를 도시한다. 도 15는 평행한 흡착제 시트의 흡착제 공간(115)의 볼륨에 대한 경계 정의를 도시한다. 도 16은 흡착제 슬리브(sleeve)(116)의 볼륨에 대한 경계 정의를 도시한다.
공칭 증분 흡착제 용량의 결정
본 명세서에서 사용된 "공칭 증분 흡착제 용량"이란 용어는 하기 식에 따른 흡착제 용량을 의미한다:
공칭 증분 흡착제 용량 = [흡착된 부탄 50 vol% - 흡착된 부탄 5 vol%] x 공칭 공간 겉보기 밀도 x 1000
여기서,
"흡착된 부탄 50 vol%"는 50 vol% 부탄 농도에서 흡착제 시료의 g 질량(gram mass) 당 흡착된 n-부탄의 g 질량이다.
"흡착된 부탄 5 vol%"는 5 vol% 부탄 농도에서 흡착제 시료의 g 질량 당 흡착된 n-부탄의 g 질량이다.
"공칭 공간 겉보기 밀도"는 전술한 바와 같이 정의된다.
공칭 공간 부탄 흡탈착 용량( BWC )의 결정
표준 방법 ASTM D5228은 과립형 및/또는 펠릿형된 흡착제들을 함유하는 흡착제 공간의 공칭 공간 부탄 흡탈착 용량(butane working capacity, BWC)을 결정하는데 사용될 수 있다.
허니콤, 모놀리스 및/또는 시트 흡착제 공간들의 공칭 공간 부탄 흡탈착 용량(BWC)을 결정하는데 ASTM D5228의 방법의 수정된 버전이 사용될 수 있다. 이러한 수정된 방법은 충전제, 보이드, 구조적 성분 또는 첨가제를 포함하는 미립자 흡착제들에 대해 또한 사용될 수 있다. 또한, 미립자 흡착제들에 사용될 수 있는 수정된 방법은 표준 방법 ASTM D5228에 대응되지 않을 수 있으며, 예를 들어, 대표적인 흡착제 시료는 16.7 ㎖의 시험 시료 관에 충전할 때 용이하게 배치되지 않을 수 있다.
ASTM D5228 방법의 수정된 버전은 하기와 같다. 흡착제 시료는 110 ± 5℃에서 최소 8시간 동안 오븐건조된 후 냉각을 위해 데시케이터(desiccator)들에 위치되었다. 흡착제의 건조 질량이 기록되었다. 빈 테스트 조립체의 질량은 흡착제 시료가 테스트 조립체로 조립되기 전에 결정되었다. 그 후, 테스트 조립체는 유동 장치 내로 설치되고, 25℃, 1 기압에서 500 ㎖/min의 부탄 유량으로 최소 25분(± 0.2분) 동안 n-부탄 가스로 로딩되었다. 그 후, 테스트 조립체는 BWC 테스트 장치로부터 제거되었다. 테스트 조립체의 질량을 측정하고, 0.001g에 가깝게 기록하였다. 이 n-부탄 로딩 단계는, 일정 질량이 달성될 때까지 연속적인 5분 유동 간격 동안 반복하였다. 예를 들면, 직경 35 mm x 길이 150 mm의 허니콤(실시예 2 흡착제(1))에 대한 총 부탄 로딩 시간은 66분이었다. 테스트 조립체 공칭 공간을 제거하고 온전하게 테스트할 수 있는 경우에, 허니콤 또는 모놀리스 부분에 대한 홀더(holder)일 수 있다. 대안적으로, 공칭 공간은 캐니스터 시스템의 섹션이 필요할 수 있거나, 또는 캐니스터 시스템에서 직면하게 되는 가스 유동에 적절하게 배향된 내용으로 공칭 공간의 적절한 재구성이 필요할 수 있다.
테스트 조립체는 테스트 장치 내에 재설치되고, 하기 식; 퍼지 시간( min ) = (719 x 공칭 공간( cc )) / (2000 ( cc / min ))에 따라 설정 선택된 퍼지 시간(± 0.2분) 동안 25℃, 1 기압에서 2.00 ℓ/min 공기로 퍼지되었다.
BWC 테스트에서의 공기 퍼지 유동의 방향은 캐니스터 시스템에 적용되는 퍼지 유동과 동일한 방향이다. 퍼지 단계 후에, 테스트 조립체는 BWC 테스트 장치로부터 제거되었다. 테스트 조립체의 질량을 측정하고, 테스트 완료 15분 이내에 0.001g에 가깝게 기록하였다.
흡착제 시료의 공칭 공간 부탄 흡탈착 용량(BWC)은 하기 식을 사용하여 결정하였다:
공칭 공간 BWC(g/dℓ) = 퍼지된 부탄의 양(g) / 공칭 흡착제 공간(dℓ)
여기서,
"공칭 공간 겉보기 밀도"는 전술한 바와 같이 정의된다.
퍼지된 부탄의 양 = 로딩 후의 테스트 조립체의 질량 - 퍼지 후의 테스트 조립체의 질량
본 명세서에서 사용된 "총 BWC(g)"란 용어는, 퍼지된 부탄의 g-양(g-amount)을 의미한다.
유효 공간 특성들의 결정
흡착제의 유효 공간은 흡착제가 부족한 증기 유동 경로를 따라 흡착제의 공칭 공간들 사이의 공기 간극, 보이드 및 다른 공간들을 고려한다. 따라서, 흡착제의 유효 공간 특성들은 증기 유동 경로를 따라 흡착제가 부족한 흡착제의 공칭 공간들 사이의 공기 간극, 보이드 및 다른 공간들을 고려하는 흡착제의 특정들을 의미한다.
증기 유동 경로의 주어진 길이에 대한 유효 공간(Veff)은 증기 경로 길이를 따라 존재하는 흡착제의 공칭 공간(Vnom ,i)과 증기 유동 경로를 따라 흡착제가 존재하지 않는 공간(Vgap ,j)의 합계이다.
Veff = ∑Vnom ,i + ∑ Vgap ,j
증분 흡착제 용량(g/ℓ), 겉보기 밀도(g/㎖) 및 BWC(g/dℓ)와 같은 유효 공간(Beff)의 볼륨 흡착 특성들은 유효 공간(Beff)의 일부로서 고려되는 개별 공칭 공간의 각각의 특성에 각각의 개별 공칭 공간(Vnom ,i)을 곱하고, 총 유효 공간(Veff)으로 나눈 것의 합계이다:
Beff = ∑(Bnom ,i x Vnom ,i) / Veff
따라서, 본 명세서에서 사용된 "유효 증분 흡착제 용량"이란 용어는, 각각의 공칭 증분 흡착제 용량에 각각의 개별 공칭 공간을 곱하고, 총 유효 공간으로 나눈 것의 합계를 의미한다.
본 명세서에 사용된 "유효 부탄 흡탈착 용량(BWC)"이란 용어는, 각각의 BWC 값에 각각의 개별 공칭 공간을 곱하고, 총 유효 공간으로 나눈 것의 합계를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 "유효 겉보기 밀도"라는 용어는, 각각의 겉보기 밀도에 각각의 개별 공칭 공간을 곱하고, 총 유효 공간으로 나눈 것의 합계를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 "유효 공간의 총 BWC(g)"란 용어는, 유효 공간 내의 공칭 공간의 총 BWC(g) 값의 합계를 의미한다.
흡착제의 유효 공간을 결정하는 비제한적인 예들과 같이, 도 17은 동등한 단면적의 간극들에 의해, 캐니스터 시스템 배출을 향하여, 유효 공간 내로의 증기 유동을 나타내는 방향 "D1"에서 방향 "D2"로의 화살표로 나타낸, 유동 경로에 연결된 세 개의 흡착제 허니콤 공칭 공간에 대한 유효 공간을 도시한다. 도 18은 허니콤 단면적과 비교하여 다른 단면적의 도관 섹션에 의해 연결된 세 개의 흡착제 허니콤 공칭 공간을 도시한다. 도 17 및 도 18에 있어서, 허니콤 공칭 공간과 간극은 대칭적으로 나타난다. 그러나, 허니콤 공칭 공간과 간극은 다른 치수를 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
일부 실시예들에 있어서, 흡착제 공간의 볼륨 흡착 특성들은 증기 유동 경로를 따라 소멸될 수 있다. 비제한적인 예시에 의해, 흡착제 공간들의 볼륨 증분 용량 및 부탄 흡탈착 용량(BWC)은 캐니스터 시스템의 배출 방향을 향하여 감소될 수 있다. 감소된 볼륨 흡착 특성은, 흡착제의 개별 섹션의 특성들을 개질함으로써, 흡착제 공칭 공간들 사이의 간극의 크기를 변경함으로써(도 19 참조), 개별 흡착제의 치수를 개별적으로 조정함으로써(도 20 및 도 21 참조), 또는 이들을 조합함으로써(도 22 참조), 달성될 수 있다. 비제한적인 예시에 의해, 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 캐니스터 시스템(120, 121)은 방향 "D1"에서 방향 "D2"로의 유동 경로를 따라 흡착제 공간 섹션 "F, "M" 및 "B"를 포함할 수 있다. 흡착제 공간의 유효 부탄 흡탈착 용량(BWC)은 방향 "D1"에서 방향 "D2"로의 유동 경로를 따라 감소될 수 있다(즉, 흡착제 공간 섹션 "F"의 유효 BWC > 흡착제 공간 섹션 "M"의 유효 BWC > 흡착제 공간 섹션 "B"의 유효 BWC). 일부 실시예들에 있어서, 흡착제 공간 섹션 "M" 및/또는 섹션 "B"의 유효 BWC는 3 g/dℓ 미만일 수 있으며, 캐니스터 시스템의 유효 BWC는 3 g/dℓ 이상일 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 증발 가스 제어 시스템은, 연료 저장용 연료 탱크; 공기유도 시스템을 갖고 연료를 소비하도록 구성된 엔진; 하나 이상의 캐니스터(들)를 포함하는 증발 가스 제어 캐니스터 시스템; 연료 탱크로부터 캐니스터 시스템으로의 연료 증기 유입 도관; 캐니스터 시스템으로부터 엔진의 공기유도 시스템으로의 연료 증기 퍼지 도관; 및 엔진이 꺼져 있을 때 캐니스터 시스템을 배기시키고, 엔진이 작동될 때 캐니스터 시스템으로의 퍼지 공기의 도입(admission)을 위한 배출 도관을 포함한다. 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 연료 증기 유입 도관으로부터 초기 흡착제 공간으로 적어도 하나의 후속 흡착제 공간과 배출 도관을 향하는 연료 증기 유동 경로, 및 배출 도관으로부터 적어도 하나의 후속 흡착제 공간으로 초기 흡착제 공간과 연료 증기 퍼지 도관을 향하는 공기 유동 경로에 의해 형성된다. 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은, 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35 g n-부탄/ℓ 초과의 유효 증분 흡착제 용량을 갖는 초기 흡착제 공간; 및 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35 g n-부탄/ℓ 미만의 유효 증분 흡착제 용량, 3 g/dℓ 미만의 유효 부탄 흡탈착 용량(BWC) 및 2g 내지 6g의 총 BWC(g)를 갖는 적어도 하나의 후속 흡착제 공간을 포함한다. 초기 흡착제 공간 및 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 단일 캐니스터 내에 위치되거나, 또는 초기 흡착제 공간 및 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 연료 증기에 의한 순차적인 접촉을 허용하도록 연결되는 개별 캐니스터 내에 위치된다. 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 약 210ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는다.
본 발명의 증발 가스 제어 시스템은 낮은 퍼지 조건에서도 낮은 주간 증발 손실(DBL) 가스를 제공할 수 있다. 본 발명의 증발 가스 제어 시스템의 증발 가스 성능은 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프러시저(California Bleed Emissions Test Procedures)에 의해 규정된, 낮은 퍼지 조건에서도 20 ㎎ 이하의 규정 제한 내에 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "낮은 퍼지"라는 용어는, 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 210ℓ 이하의 퍼지 레벨(즉, 흡착제 성분 시스템 내의 2.1ℓ에 대한 100 층공간 볼륨(bed volume))을 의미한다.
증발 가스 제어 캐니스터 시스템은, 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 210ℓ 이하에서 퍼지될 때에도 낮은 주간 증발 손실(DBL) 가스를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 증발 가스 제어 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 157.5ℓ 이하로 퍼지될 수 있다.
증발 가스 제어 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 100 BV(캐니스터 시스템의 2.1ℓ 공칭 공간에 기초한 층공간 볼륨) 이하에서 퍼지될 때에도 낮은 주간 증발 손실(DBL) 가스를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 증발 가스 제어 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 75 BV(캐니스터 시스템의 2.1ℓ 공칭 공간에 기초한 층공간 볼륨) 이하에서 퍼지될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 증발 가스 제어 시스템은 퍼지 효율을 더 강화하도록 가열 유닛을 포함할 수 있다. 비제한적인 예시에 의해, 증발 가스 제어 시스템은 퍼지 공기, 적어도 하나의 후속 흡착제 공간, 또는 이들 모두를 가열하기 위한 가열 유닛을 포함할 수 있다.
흡착제 공간들에서 사용하기에 적합한 흡착제들은 다양한 재료 및 다양한 형태로부터 파생될 수 있다. 흡착제들은 단일 성분 또는 다른 성분들의 혼합물일 수 있다. 또한, (단일 성분이거나 또는 다른 성분들의 혼합물로서의) 흡착제는 볼륨 증량제(volumetric diluent)를 포함할 수 있다. 볼륨 증량제들의 비제한적인 예는, 스페이서, 불활성 간극, 발포체, 파이버, 스프링 또는 이들의 조합(이들에 한정되지 않음)을 포함할 수 있다.
임의의 공지된 흡착제 물질들은 활성탄소, 목탄(carbon charcoal), 제올라이트, 점토, 다공성 중합체, 다공성 알루미나, 다공성 실리카, 분자 체(molecular sieves), 카올린, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합(이들에 제한되지 않음)을 포함한다. 활성탄소는 다양한 탄소 전구체로부터 유도될 수 있다. 비제한적인 예시에 의해, 탄소 전구체는 나무, 나무 가루(wood dust), 목분, 코튼 린터, 토탄, 석탄, 코코넛, 갈탄, 탄수화물, 석유 피치, 석유 코크스, 석탄 타르 피치, 과일 씨(fruit pits), 핵과(fruit stones), 너트 쉘, 너트 씨, 톱밥, 팜, 왕겨(rice hull) 또는 짚과 같은 식물(vegetables), 합성 중합체, 천연 중합체, 리그노셀룰로오스 물질 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 활성탄소는 화학적 활성화, 열 활성화 또는 이들의 조합(이들에 한정되는 것은 아님)을 포함한 다양한 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다.
다양한 흡착제의 형태가 사용될 수 있다. 흡착제의 비제한적인 예는, 과립형, 펠릿형, 구 형상, 허니콤, 모놀리스, 펠릿 원통형, 균일한 형상의 미립자 매체, 불균일한 형상의 미립자 매체, 압출 형태의 구조화 매체, 권선 형태의 구조화 매체, 접힌 형태의 구조화 매체, 주름진 형태의 구조화 매체, 물결 형태의 구조화 매체, 용기 형태(poured form)의 구조화 매체, 접합 형태의 구조화 매체, 부직포, 직포, 시트, 종이, 발포체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. (단일 성분이거나 또는 다른 성분들의 혼합물로서의) 흡착제는 볼륨 증량제를 포함할 수 있다. 볼륨 증량제들의 비제한적인 예는, 스페이서, 불활성 간극, 발포체, 파이버, 스프링 또는 이들의 조합(이들에 한정되지 않음)을 포함할 수 있다. 또한, 흡착제들은 중공 실린더형, 별 모양, 꼬인 나선형, 눈 모양(asterisk), 구성 리본(configured ribbon) 또는 본 발명이 속하는 기술분야의 기술 능력 내의 다른 형상들과 같은 특별한 얇은 단면 형상(thin-walled cross-sectional shapes)으로 압출할 수 있다. 성형에 있어서, 무기 바인더 및/또는 유기 바인더를 사용할 수 있다.
허니콤 흡착제들은 원형, 원통형 또는 사각형(이들에 한정되는 것은 아님)을 포함하는 임의의 기하학적 형상일 수 있다. 또한, 허니콤 흡착제들의 셀은 임의의 기하학적 구조일 수 있다. 물결 형태의 단면 셀 또는 나선형 권선 허니콤을 갖는 정사각형 허니콤과 같은, 유동 통로 대해 균일한 단면적의 허니콤들은 단면적 구역을 갖는 인접한 통로들을 제공하고 이에 따라 동등하게 퍼지되지 않는 통로들을 제공하는 직각 매트릭스 내에 사각형 단면 셀을 갖는 원형 허니콤보다 더 잘 수행될 수 있다. 어떤 이론에 의해 제한되지 않고, 허니콤 면들을 가로지르는 더 균일한 셀 단면적, 흡착 및 퍼지 사이클 양쪽 동안의 허니콤 내의 더 균일한 유동 분포 및 이에 따른 캐니스터 시스템으로부터의 낮은 DBL 가스 방출이 믿어진다.
일부 실시예들에 있어서, 증발 가스 제어 시스템은 하나 이상의 흡착제 공간(들) 및/또는 하나 이상의 빈 볼륨(들)을 가열하기 위한 하나 이상의 열 입력(heat input) 유닛(들)을 추가로 포함할 수 있다. 열 입력 유닛은 내부 저항 소자, 외부 저항 소자, 또는 흡착제와 관련된 열 입력 장치(이들에 한정되는 것은 아님)을 포함할 수 있다. 흡착제와 관련된 열 입력 유닛은 흡착제로부터 분리된(즉, 흡착제와의 비접촉) 요소일 수 있다. 대안적으로, 흡착제와 관련된 열 입력 유닛은 흡착제가 부착, 접합, 비접합 또는 물리적 접촉되는 기재(substrate) 또는 층(layer)일 수 있다. 흡착제와 관련된 열 입력 유닛은 적절한 저항률을 갖는 것에 의해 전기적으로 직접적으로 가열되는 흡착제일 수 있다. 흡착제의 저항 특성들은 전도성 또는 저항성 첨가제의 첨가에 의해 수정되고 또한 흡착제의 원래 저항 및/또는 미립자 또는 모놀리스 형태의 흡착제 형태로 결합될 수 있다. 전도성 성분은 전도성 흡착제, 전도성 기판, 전도성 첨가제 및/또는 전도성 바인더일 수 있다. 전도성 재료는 흡착제 준비에서, 중간 성형 공정에서 및/또는 최종 형태로의 흡착제 성형에서 첨가될 수 있다. 임의 모드의 열 입력 유닛이 사용될 수 있다. 비제한적인 예시에 의해, 열 입력 유닛은 열전달 유체, 열교환기, 열 전도성 소자 및 양의 온도 계수 물질을 포함할 수 있다. 열 입력 장치는 가열된 유체 경로 길이를 따라 일정하거나 또는 일정하지 않을 수 있다(즉, 다른 국소 강도를 제공한다). 또한, 열 입력 유닛은 가열된 유체 경로 길이를 따라 다른 지점들에서의 더 큰 강도 및 가열 기간 동안 분포되거나 분포되지 않을 수 있다.
실시예
증분 흡착제 용량의 결정
도 8은 부탄 흡착제 용량의 결정에 사용하는 장치의 단순화된 개략도를 도시한다. 이는 벡베인법으로서 본 발명의 기술분야에 공지되어 있다. 장치(800)는 시료 튜브(803) 내부의 시료 팬(801) 및 스프링(802), 1차 진공 펌프(rough vacuum pump)(804), 확산 펌프(805), 스톱 콕(stopcock)(806), 금속/O-링 진공 밸브(807 ~ 809), 부탄 실린더(810), 압력 판독 유닛(811) 및 장치(800)의 구성요소들을 연결하는 적어도 하나의 도관(812)을 포함한다.
대표적인 흡착제 성분 시료("흡착제 시료")는 시료 튜브(803) 내부의 스프링(802)에 부착된 시료 팬(801) 상으로 로딩하기 전에 110℃에서 3시간 이상 오븐에서 건조시켰다. 그 후, 시료 튜브(803)는 장치(800) 내로 설치되었다. 흡착제 시료는, 겉보기 밀도 값 결정이 그 질량 분자에 불활성 결합제, 충전제 및 구조적 성분의 질량을 등가적으로 포함할 때 흡착제 성분의 공칭 불륨에서 존재하는 임의의 불활성 결합제, 충전제 및 구조적 성분의 대표적인 양을 포함할 것이다. 역으로, 흡착제 시료는, 겉보기 밀도 값 결정이 그 질량 분자에 불활성 결합제, 충전제 및 구조적 성분의 질량을 등가적으로 제외할 때 이들 불활성 결합제, 충전제 및 구조적 성분을 제외할 것이다. 보편적인 개념은 공칭 공간 내의 볼륨 기준에 부탄에 대한 흡착 특성들을 정확하게 정의하는 것이다.
1 torr 미만의 진공이 시료 튜브에 적용되었으며, 흡착제 시료는 1시간 동안 105℃에서 가열되었다. 그 후, 흡착제 시료의 질량은 캐시토미터(cathetometer)를 이용하여 스프링의 팽창량에 의해 결정되었다. 그 후, 시료 튜브는 25℃에서 온도-제어 수조에 침지되었다. 시료 튜브 내의 압력이 10-4 torr가 될 때까지 공기가 시료 튜브 밖으로 펌핑되었다. 평형이 선택된 압력에 도달할 때까지 n-부탄이 시료 튜브 내로 도입되었다. 테스트는 각각 약 38 torr 및 약 380 torr를 취하는 4개의 선택된 평형 압력의 두 개의 데이터 세트에 대해 수행하였다. n-부탄의 농도는 시료 튜브 내의 평형 압력에 기초하였다. 선택된 평형 압력에서의 각각의 테스트 후에, 흡착제 시료의 질량은 캐시토미터를 이용하여 스프링의 팽창량에 기초하여 측정하였다. 흡착제 시료의 증가된 질량은 흡착제 시료에 의해 흡착된 n-부탄의 양이었다. 흡착제 시료의 질량(g) 당 흡착된 n-부탄의 질량(g)은 다른 n-부탄 평형 압력에서의 각각의 테스트에 대해 결정되었으며, n-부탄의 농도(vol%)의 함수로서 그래프로 도식화하였다. 하나의 분위기에서, 5 vol% n-부탄 농도가 38 torr의 시료 튜브 내의 평형 압력에 의해 제공된다. 하나의 분위기에서, 50 vol% n-부탄 농도가 380 torr의 시료 튜브 내의 평형 압력에 의해 제공된다. 38 torr와 380 torr에서 정확하게 평형을 쉽게 얻지 못할 수 있기 때문에, 5 vol% n-부탄 농도 및 50 vol% n-부탄 농도에서의 흡착제 시료의 질량 당 흡착된 n-부탄의 질량은 표적 38 torr 및 380 torr 압력에 대해 수집된 데이터 지점들을 사용하여 상기 그래프를 보정하였다.
대안적으로, (Micromeritics사의 ASAP 2020과 같은) 분체공학(Micromeritics)이 멕베인법 대신에 증분 부탄 흡착제 용량을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
주간 증발 손실(DBL) 가스의 결정
실시예 1 ~ 13(하기에 나타냄)의 증발 가스 제어 시스템들은 표 1 ~ 3에 나타낸 바와 같은 흡착제의 선택된 양 및 형태로 조립되었다.
각각의 예는, 인증된 TF-1 연료(9 RVP, 10 vol% 에탄올) 및 주 캐니스터에 기초한 22.7 LPM에서 건조 공기 퍼지의 300 공칭 층공간 볼륨(예를 들어, 2.1ℓ 주 캐니스터용 630ℓ 및 1.5ℓ 주 캐니스터용 450ℓ)을 이용하여 가솔린 증기 흡착의 반복 사이클링에 의해 균일하게 전처리(시효)되었다. 가솔린 증기 로딩 속도는 40 g/hr이었고, 2ℓ의 가솔린을 약 36℃로 가열하고 200 ㎖/min로 공기를 버블링하는 것에 의해, 탄화수소 조성물이 50 vol% 생성되었다. 5000 ppm 돌파(breakthrough)가 FID(불꽃 이온화 검출기)에 의해 검출될 때까지, 2ℓ 부분 표본(aliquot)의 연료는 2시간마다 신선한 가솔린으로 자동적으로 교체되었다. 최소 25 시효 사이클이 처녀 캐니스터(virgin canister)에 사용되었다. 시효 사이클에 이어서 단일 부탄 흡착/공기 퍼지 단계가 수행되었다. 이 단계는, 5000 ppm 돌파에 대해 1 atm의 공기 중에서 50 vol% 농도에서 40 g/hr으로 부탄을 로딩하고, 1시간 동안 균열(soak)시키고, 그 후 그 당시의 적절한 일정 공기 퍼지 속도를 선택하는 것에 의해 얻어진 총 퍼지 볼륨으로 21분 동안 건조 공기로 퍼지하였다. 그 후, 캐니스터는 20℃에서 24 시간 동안 밀폐된 포트에서 균열되었다.
이어서, DBL 가스는 실시예의 탱크 포트를 CARB 단계 Ⅱ(CARB Phase Ⅱ) 연료 (7 RVP, 0% 에탄올)로 (정격 볼륨(rated volume) 기준으로) 40 vol% 충전된 연료 탱크에 부착시킴으로써 생성되었다. 부착 이전에, 충전된 연료 탱크는 배기하면서 24 시간 동안 18.3℃에서 안정화되었다. 그 후, 탱크와 실시예는, CARB의 이틀간의 온도 프로파일, 각 1일 당 11 시간 동안 18.3℃에서 40.6℃로, 그 후 13 시간 동안 18.3℃로 다시 낮추는, 온도-사이클을 실시하였다. 방출 시료들은 카이나 백(Kynar bag) 내로의 가열 스테이지(heat-up stage) 동안 5.5 시간 및 11 시간에서 실시예 배출에서 수집되었다. 카이나 백은 압력에 기초하여 알려진 총 볼륨으로 질소로 충전된 후, 탄화수소 농도를 결정하도록 FID 내로 비워졌다. FID는 5,000 ppm 부탄 표준으로 교정하였다. 카이나 백 볼륨으로부터, 방출 농도 및 이상 기체 가정에서 (부탄과 같은) 가스물의 질량을 계산하였다. 매일 동안, 5.5 시간 및 11 시간에서의 방출 질량이 부가되었다. CARB의 프로토콜에 따라 가장 높은 총 방출을 갖는 날은 "2일(2-day) 가스"로서 보고되었다. 모든 경우에서, 가장 높은 방출은 제2 일이었다. 일반적으로 이 절차는 알.에스. 윌리엄스와 시.알. 클론츠에 의해 "캐니스터 블리드 방출의 영향 및 제어"라는 제목의 SAE 테크니컬 페이퍼(SAE Technical Paper) 2001-01-0733, 및 CARB's LEV Ⅲ BETP 절차(2001년의 캘리포니아 이베퍼레이티브 이미션즈 스탠다즈 앤드 테스트 프로시저의 섹션 D.12 및 서브시퀀트 모델 모터 비히클, 2012년 3월 22일)에 개시되어 있다.
실시예 1 ~ 4, 13 및 실시예 7 ~ 8에 대해, 68ℓ 연료 탱크 및 2.1ℓ 주 캐니스터(표 1, 주 캐니스터 형태 #1)는 1.8ℓ의 NUCHAR® BAX 1500 활성탄소 흡착제로 충전된 연료공급측 볼륨(즉, 초기 흡착제 공간), 및 0.3ℓ의 NUCHAR® BAX LBE 활성탄소 흡착제로 충전된 배출측 볼륨을 갖는 주 캐니스터로서 사용되었다. 볼륨들은, 1500 ㎖ 연료-공급측 챔버 및 600 ㎖ 배출측 챔버가 되도록 구성되었으며, 연료-공급 챔버는 배출측 CSA보다 2.5배 큰 단면적(CSA)을 가졌다. BAX 1500 활성탄소를 (도 2 ~ 도 7의 볼륨(201 + 202)과 유사한) 연료 공급 챔버에 충전하였으며, (도 2 ~ 도 7의 볼륨(203)과 유사한) 배출측 챔버의 인접 하류 볼륨(immediate downstream volume)에 300 ㎖ 충전하였다. 300 ㎖의 BAX LBE 활성탄소를 (도 7의 볼륨(204)과 유사한) 배출측 챔버의 나머지 볼륨에 충전하였다.
NUCHAR® BAX 1500 활성탄소 및 NUCHAR® BAX LBE 활성탄소는 미드웨스트바코 코퍼레이션(MeadWestvaco Corporation)으로부터 상업적으로 이용 가능하며, 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도(표 1에서의 "공칭 증분 용량")에서, 각각 80g n-부탄/ℓ 및 24g n-부탄/ℓ의 증분 흡착제 용량을 갖는, 나무 계열 활성탄소 제품들이다. 부탄 로딩 후(post-butane)의 공기 퍼지 단계에 대해, 실시예 1 ~ 3, 13 및 실시예 7 ~ 8에서의 각각의 캐니스터 시스템은, 7.5 lpm의 퍼지 속도로 157.5ℓ의 퍼지 공기로 퍼지되었다. 캐니스터 시스템의 총 공칭 공간으로 나눈 퍼지 볼륨의 층공간 볼륨 비율(bed volume ratio)에 관하여, 퍼지는 66.0 내지 75.0 층공간 볼륨(BV)으로 적용되었다.
실시예 5 ~ 6 및 실시예 9 ~ 12에 대해, 45ℓ 연료 탱크 및 1.5ℓ 주 캐니스터(표 1, 주 캐니스터 형태 #2)는 1.2ℓ의 NUCHAR® BAX 1100 활성탄소 흡착제로 충전된 연료공급측 볼륨(즉, 초기 흡착제 공간), 및 0.3ℓ의 NUCHAR® BAX LBE 활성탄소 흡착제로 충전된 배출측 볼륨을 갖는 주 캐니스터로서 사용되었다. 볼륨들은, 1000 ㎖ 연료-공급측 챔버 및 500 ㎖ 배출측 챔버가 되도록 구성되었으며, 연료-공급 챔버는 배출측 CSA보다 2.0배 큰 단면적(CSA)을 가졌다. BAX 1100 활성탄소를 (도 2 ~ 도 7의 볼륨(201 + 202)과 유사한) 연료 공급 챔버에 충전하였으며, (도 2 ~ 도 7의 볼륨(203)과 유사한) 배출측 챔버의 인접 하류 볼륨에 200 ㎖ 충전하였다. 300 ㎖의 BAX LBE 활성탄소를 (도 7의 볼륨(204)과 유사한) 배출측 챔버의 나머지 볼륨에 충전하였다. NUCHAR® BAX 1100 활성탄소는 미드웨스트바코 코퍼레이션으로부터 상업적으로 이용 가능하며, 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄 의 증기 농도에서 52g n-부탄/ℓ의 증분 흡착제 용량을 갖는, 나무 계열 활성탄소 제품들이다. 부탄 로딩 후의 공기 퍼지 단계 동안, 각각의 캐니스터 시스템은, 각각 4.76 lpm 또는 7.14 lpm의 퍼지 속도로 100ℓ 또는 150ℓ의 퍼지 공기로 퍼지되었다. 캐니스터 시스템의 총 공칭 공간으로 나눈 퍼지 볼륨의 층공간 볼륨 비율에 관하여, 퍼지는 55.9 내지 91.2 BV로 적용되었다.
실시예 1 ~ 13의 각각은 추가 배출측 흡착제 공간이 없거나, 또는 연속적으로 하나 또는 두 개의 추가 배출측 흡착제 공간을 포함하였다. 주 캐니스터(존재하는 경우)로부터 증기 유동 경로를 따라 하류측의 제1 보조 캐니스터는 "흡착제 1"로서 언급되며, 흡착제 1로부터 증기 유동 경로를 따라 하류측의 연속적인 제2 보조 캐니스터는 "흡착제 2"로서 언급되었다. (도 4의 보조 캐니스터(300)와 유사한) 추가 배출측 흡착제의 하나의 형태는 직경 35 mm x 길이 150 mm의 "35 x 150", 평방 인치(cpsi) 당 200 셀 원통형 탄소 허니콤으로 기술되었다. "35 x 150" 흡착제에 대한 유효 공간의 계산은 도 9에 도시된 것과 동일한 경계였으며, 즉, 유효 공간은 허니콤의 증기 입구와 출구면에 의해 정의된 그 공칭 공간과 동일하다. (도 7의 보조 캐니스터(300)와 유사한) 추가 배출측 흡착제의 제2 형태는 3개의 직경 35 mm x 길이 50 mm의 "3 - 35 x 50", 200 cpsi 원통형 탄소 허니콤, 2개의 직경 35 mm x 두께 7 mm 발포 스페이서를 포함하는 것으로 기술되었다. 각각의 발포 스페이서는, 도 7에 도시된 간극(304, 305)과 유사하게, 허니콤 길이를 따라 각각 순차적인 50 mm 길이의 7 ㎖의 공극률 간극을 생성하였다. 유효 공간의 계산은 도 17에 도시된 것과 동일한 경계였으며, 즉, 유효 공간은 3개의 허니콤 중 제1 허니톰의 증기 입구면과 3개의 허니콤 중 제3 허니콤의 출구면에 의해 정의되었으며, 3개의 허니콤의 공칭 불륨과 7 mm 두께의 스페이서들의 볼륨의 합과 동일하였다. 25℃에서 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서의 n-부탄/ℓ의 공칭 증분 흡착제 용량은 "공칭 증분 용량"으로서 나타내었다. 유효 공간에 기초하는 경우, 25℃에서 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서의 n-부탄/ℓ의 증분 흡착제 용량은 "유효 증분 용량"으로서 나타내었다. 2일 DBL 가스는 ㎎ 단위로 "2일 DBL 가스"로서 보고되었다. 보고된 결과들은, 결과들을 검증하기 위해 종종 BETP의 다수의 복제물의 평균이었다.
실시예 1 ~ 4, 13 및 실시예 7 ~ 8의 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 각각, 25℃에서 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 80g n-부탄/ℓ(즉, 35 g/ℓ 이상)의 공칭 증분 흡착제 용량을 갖는 BAX 1500 활성탄소 흡착제의 초기 흡착제 공간, 및 25℃에서 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도(35 g/ℓ 미만)에서 24 g/ℓ(35 g/ℓ 미만)의 공칭 증분 흡착제 용량을 갖는 BAX LBE 활성탄소 흡착제의 후속 흡착제 공간을 포함하였다. 이는 표 1에서의 주 캐니스터 형태 #1이다.
실시예 1은 미국특허 RE38,844호에 개시된 증발 가스 제어 캐니스터 시스템이었다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 부탄 로딩(즉, 157.5ℓ) 후의 75 층공간 볼륨(BV)의 퍼지 공기의 낮은 퍼지 조건에서 215 ㎎의 2일 DBL 가스를 제공하였다. 이들 2일 DBL 가스는 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프러시저(BETP)에서의 20 ㎎ 규정 제한 이상의 소정 자릿수를 초과하였다. 따라서, 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프러시저(BETP)에서의 20 ㎎ 규정 제한은 미국특허 RE38,844호에 개시된 증발 가스 제어 캐니스터 시스템에 의해 달성될 수 없다.
실시예 2에 대해, 추가 배출측 흡착제 공간(흡착제 1)은, 25℃에서 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도(35 g/ℓ 미만)에서 16 g/ℓ(35 g/ℓ 미만)의 유효 증분 흡착제 용량, 4.2 g/dℓ의 유효 BWC 및 6.1g의 총 BWC(g)를 갖는 활성탄소 허니콤("35 x 150")의 형태로, 실시예 1에 부가되었다. 표 2에 나타낸 바와 같이, (부탄 로딩 후에 적용된) 157.5ℓ의 낮은 퍼지를 갖는 실시예 2의 2일 DBL 가스는 74 ㎎이었으며, 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프로시저(BETP)에서의 20 ㎎ 규정 제한을 아직 초과하였다. 따라서, 부탄 로딩 후에 적용된 157.5ℓ의 퍼지 레벨에서, 미국특허 RE38,844호의 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 이 시스템이 추가 배출측 흡착제 공간(흡착제 1)과 조합하여 사용되더라도 BETP에서의 20 ㎎ 규정 제한을 아직 만족시킬 수 없다.
실시예 3에 대해, 흡착제 1("35 x 150")과 동일 형태 및 특성의 활성탄소 허니콤의 형태인 제2 배출측 흡착제 공간이 실시예 2의 캐니스터 시스템에 부가되었다. 놀랍게도, 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 3의 추가 배출측 흡착제 공간으로부터의 2일 DBL 가스에서 70 ㎎으로의 미미한 감소만 있었으며, 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프로시저(BETP)에서의 20 ㎎ 규정 제한을 아직 초과하였다.
실시예 4는 실시예 3의 변형예이며, 활성탄소 허니콤들은 그 사이에 좁은 스페이서들을 갖는 세 개의 50 mm 길이 섹션으로 각각 나누었다. 실시예 4에 대해, 스페이서는 흡착제 1 및 2의 유효 증분 용량을 14.6 g/ℓ로 감소시켰으며, 유효 BWC를 3.9 g/dℓ로 감소시켰지만, 정의에 의해, 총 BWC(g)는 6.1g으로 동일하게 유지되었다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 4의 2일 DBL 가스는 52 ㎎으로 높게 남아있었으며, 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프로시저(BETP)에서의 20 ㎎ 규정 제한을 아직 초과하였다.
실시예 13에 있어서, 흡착제 2는 그 사이에 좁은 스페이서를 갖는 두 개의 50 mm 길이 섹션으로 분할된 허니콤이었다. 유효 증분 용량은 6.1 g/ℓ이었으며, 유효 BWC는 1.6 g/dℓ이었다. 정의에 의해, 총 BWC(g)은 1.6g이었다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 13의 2일 DBL 가스는 35 ㎎으로 높게 남아있었으며, 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프로시저(BETP)에서의 20 ㎎ 규정 제한을 아직 초과하였다.
실시예 7에 대해, 흡착제 2는 9.8 g/ℓ의 유효 증분 용량, 2.6 g/dℓ의 유효 BWC 및 4.0g의 총 BWC(g)를 가졌다. 실시예 8에 대해, 흡착제 2는 10.7 g/ℓ의 유효 증분 용량, 2.8 g/dℓ의 유효 BWC 및 4.4g의 총 BWC(g)를 가졌다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 157.5ℓ의 퍼지에 의해, 실시예 7 및 8의 캐니스터 시스템은 각각 10.3 g/dℓ 및 13 g/dℓ의 2일 DBL 가스를 제공하였다. 따라서, 실시예 7 및 8은 157.5ℓ의 낮은 퍼지 조건(66.0 BV)에 대한 20 ㎎ 미만의 BETP 요구조건 미만의 2일 DBL 가스를 가졌다.
실시예 5, 6 및 9 내지 12의 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 표 1의 주 캐니스터 형태 #2에 기초하였다.
실시예 12는 미국특허 RE38,844호에 개시된 케니스터 시스템들과 유사한 증발 가스 제어 캐니스터 시스템이었다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 12의 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 배출측에 임의의 추가 흡착제 공간을 포함하지 않았다. 실시예 12는 부탄 로딩(즉, 150ℓ) 후의 100 층공간 볼륨(BV)의 퍼지 공기의 낮은 퍼지 조건에서 175 ㎎의 2일 DBL 가스를 제공하였으며, 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프로시저(BETP)에서의 20 ㎎ 규정 제한보다 약 9배 더 높았다. 이는, 미국특허 RE38,844호에 개시된 케니스터 시스템들과 유사한 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은, 낮은 퍼지가 사용되었을 때 BETP에서의 2일 DBL 가스 요구조건(즉, 20 ㎎ 미만)을 달성하는 것이 불가능하였다.
실시예 5에 있어서, 150ℓ의 부탄 로딩 후의 낮은 볼륨 또는 91.2 BV의 퍼지는 흡착제 1과 같은 "35x150" 활성탄소 허니콤의 추가 배출측 흡착제 공간이 포함된 캐니스터 시스템의 1.5ℓ 공칭 공간에 대해 적용되었다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 2일 DBL 가스는 57 ㎎로 높았으며, 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프로시저(BETP)에서의 20 ㎎ 규정 제한을 초과하였다.
실시예 6에 대해, 실시예 4와 같은 동일한 추가 배출측 흡착제 공간이 포함된 주 캐니스터 형태 #2에 대해 적용된 퍼지는 100ℓ 또는 55.9 BV로 감소되었다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 2일 DBL 가스는 80 ㎎로 높았으며, 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프로시저(BETP)에서의 20 ㎎ 규정 제한을 초과하였다.
실시예 9, 10 및 11의 캐니스터 시스템은 각각, 주 캐니스터 형태 #2의 일부로서, 25℃에서 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도(즉, 35 g/ℓ 이상)에서 52g n-부탄/ℓ의 증분 흡착제 용량을 갖는 NUCHAR® BAX 1100 활성탄소 흡착제의 초기 흡착제 공간, 및 25℃에서 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35 g/ℓ 미만의 부탄 흡착제 용량의 유효 증분 흡착제 용량 및 2g 내지 6g의 총 BWC(g)를 갖는 적어도 하나의 후속 흡착제 공간(표 3에서 "흡착제 2")을 포함하였다.
실시예 9의 흡착제 2는 11.7 g/ℓ의 유효 증분 용량, 3.1 g/dℓ의 유효 BWC(3 g/dℓ 이상) 및 4.8g의 총 BWC(g)를 가졌다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 100ℓ(즉, 55.9 BV)의 낮은 퍼지에서의 2일 DBL 가스는 51 ㎎이었으며, 20 ㎎ 미만의 BETP 요구조건을 초과하였다.
역으로, 실시예 10의 흡착제 2는 9.8 g/ℓ의 유효 증분 용량, 2.6 g/dℓ의 유효 BWC(3 g/dℓ 미만) 및 4.0g의 총 BWC(g)를 가졌다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 55.9 BV와 동등한 100ℓ의 낮은 퍼지에서의 2일 DBL 가스는 13.0 ㎎이었으며, 20 ㎎ 미만의 BETP 요구조건내에 있다.
유사하게, 실시예 11의 흡착제 2는 5.9 g/ℓ의 유효 증분 용량, 1.6 g/dℓ의 유효 BWC(3 g/dℓ 미만) 및 2.4g의 총 BWC(g)를 가졌다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 83.9 BV와 동등한 150ℓ의 낮은 퍼지에서의 2일 DBL 가스는 7.3 ㎎이었으며, 20 ㎎ 미만의 BETP 요구조건 내에 있다.
표 4 및 표 5는 실시예 1 ~ 13의 캐니스터 시스템의 조건 및 그들의 측정된 2일 DBL 가스를 요약하였다. 실시예 7, 8, 10 및 11의 캐니스터 시스템들은 캘리포니아 블리드 이미션즈 테스트 프로시저(BETP)에서 요구된 바와 같은 20 ㎎ 미만의 2일 DBL 가스를 제공하였다. 낮은 퍼지에서의 BETP에 대한 20 ㎎을 초과하지 않는 요구사항은 배출측 볼륨에 의한 흡착 특성들의 윈도우(window)에 의해 만족되었으며, 이 윈도우는 3 g/dℓ 미만의 유효 BWC 및 2g 내지 6g의 총 BWC(g)이었다. 따라서, 낮은 퍼지 조건들에서 BETP 방출 요구사항을 달성하기 위한 수단은, 캐니스터 시스템의 증기 유동 경로, 특히 배출측 흡착제 공간을 가로지르는 흡탈착 용량 또는 증분 용량의 규정된 레벨로의 감소이며, 방출을 억제하도록 배출측 볼륨 내에 충분한 그램 흡탈착 용량을 추가적으로 갖는 것이다.
본 발명은 다양한 변형이 가능하며, 대안적인 형태, 특정 실시예들은 도면들에 예시적으로 도시되었으며, 본 명세서에 상세히 기술되었다. 그러나, 본 발명은 기술된 특정 형태에 제한되는 것은 아니다. 오히려, 본 발명은 첨부하는 청구범위들 및 그 법적 균등물에 의해 정의되는 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 모든 변형, 균등물 및 대안을 포함한다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005

Claims (27)

  1. 하나 이상의 캐니스터를 포함하는 증발 가스 제어 캐니스터 시스템에 있어서,
    25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 초과의 유효 증분 흡착제 용량을 갖는 초기 흡착제 공간; 및
    25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 미만의 유효 증분 흡착제 용량, 3 g/dℓ 미만의 유효 부탄 흡탈착 용량(BWC) 및 2g 내지 6 g의 총 BWC(g)를 갖는 적어도 하나의 후속 흡착제 공간을 포함하며,
    상기 초기 흡착제 공간 및 상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 단일 캐니스터 내에 위치되거나, 또는 상기 초기 흡착제 공간 및 상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 연료 증기에 의한 순차적인 접촉을 허용하도록 연결되는 개별 캐니스터 내에 위치되며,
    상기 캐니스터 시스템은, 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 약 210ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단일 후속 흡착제 공간을 포함하는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    다수의 후속 흡착제 공간을 포함하는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 초기 흡착제 공간, 상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간, 또는 이들 모두는 활성탄소, 목탄, 제올라이트, 점토, 다공성 중합체, 다공성 알루미나, 다공성 실리카, 분자 체, 카올린, 티타니아, 세리아, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 흡착제를 포함하는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 활성탄소는 나무, 나무 가루, 목분, 코튼 린터, 토탄, 석탄, 코코넛, 갈탄, 탄수화물, 석유 피치, 석유 코크스, 석탄 타르 피치, 과일 씨, 핵과, 너트 쉘, 너트 씨, 톱밥, 팜, 식물, 합성 중합체, 천연 중합체, 리그노셀룰로오스 물질 또는 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 부재를 포함하는 재료로부터 파생되는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 초기 흡착제 공간, 상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간 또는 이들 모두의 흡착제의 형태는 과립형, 펠릿형, 구 형상, 허니콤, 모놀리스, 펠릿 원통형, 균일한 형상의 미립자 매체, 불균일한 형상의 미립자 매체, 압출 형태의 구조화 매체, 권선 형태의 구조화 매체, 접힌 형태의 구조화 매체, 주름진 형태의 구조화 매체, 물결 형태의 구조화 매체, 용기 형태의 구조화 매체, 접합 형태의 구조화 매체, 부직포, 직포, 시트, 종이, 발포체, 중공 실린더형, 별 모양, 꼬인 나선형, 눈 모양, 구성 리본, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 부재를 포함하는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 볼륨 증량제를 포함하는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 볼륨 증량제는 불활성 스페이서 입자, 트랩된 공기 스페이스, 발포체, 파이버, 스크린 또는 이들의 조합으로부터 이루어지는 그룹으로부터 선택된 부재를 포함하는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 볼륨 증량제는 별 모양, 중공 튜브, 눈 모양, 나선형, 실린더, 구성 리본, 허니콤, 모놀리스 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 높은 공극률 형상으로 형성된 흡착제 물질을 포함하는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 2g 초과의 총 볼륨 부탄 흡탈착 용량을 갖는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 157.5ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 약 100 층공간 볼륨 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 약 75 층공간 볼륨 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  14. 증발 가스 제어 시스템에 있어서,
    연료 저장용 연료 탱크;
    공기유도 시스템을 갖고 연료를 소비하도록 구성된 엔진;
    40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 약 210ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는 증발 가스 제어 캐니스터 시스템;
    상기 증발 가스 제어 캐니스터 시스템을 상기 연료 탱크에 연결하는 연료 증기 유입 도관;
    상기 증발 가스 제어 캐니스터 시스템을 상기 엔진의 공기유도 시스템에 연결하는 연료 증기 퍼지 도관; 및
    상기 증발 가스 제어 캐니스터 시스템을 배기시키고, 상기 증발 가스 제어 캐니스터 시스템으로의 퍼지 공기의 도입을 위한 배출 도관을 포함하며,
    상기 캐니스터 시스템은, 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 초과의 유효 증분 흡착제 용량을 갖는 초기 흡착제 공간; 및 25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 미만의 유효 증분 흡착제 용량, 3 g/dℓ 미만의 유효 부탄 흡탈착 용량(BWC) 및 2g 내지 6 g의 총 BWC(g)를 갖는 적어도 하나의 후속 흡착제 공간을 포함하고,
    상기 증발 가스 제어 캐니스터 시스템은 상기 연료 증기 유입 도관으로부터 상기 초기 흡착제 공간으로 그리고 상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간과 상기 배출 도관으로 향하는 연료 증기 유동 경로, 및 상기 배출 도관으로부터 상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간으로 그리고 상기 초기 흡착제 공간과 상기 연료 증기 퍼지 도관으로 향하는 공기 유동 경로에 의해 정의되는, 증발 가스 제어 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템은 하나 이상의 캐니스터를 포함하는, 증발 가스 제어 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템의 상기 초기 흡착제 공간 및 상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 단일 캐니스터 내에 위치되는, 증발 가스 제어 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템의 상기 초기 흡착제 공간 및 상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 연료 증기에 의한 순차적인 접촉을 허용하도록 연결되는 개별 캐니스터 내에 위치되는, 증발 가스 제어 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서,
    가열 유닛을 더 포함하는, 증발 가스 제어 시스템.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 157.5ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 100 BV 미만의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 75 BV 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 증발 가스 제어 캐니스터 시스템.
  22. 증발 가스 제어 시스템에서 연료 증기 가스를 감소시키는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 초과의 유효 증분 흡착제 용량을 갖는 초기 흡착제 공간에 연료 증기를 접촉시키는 단계; 및
    25℃에서, 5 vol% 내지 50 vol% n-부탄의 증기 농도에서 35g n-부탄/ℓ 미만의 유효 증분 흡착제 용량, 3 g/dℓ 미만의 유효 부탄 흡탈착 용량(BWC) 및 2g 내지 6 g의 총 BWC(g)를 갖는 적어도 하나의 후속 흡착제 공간에 연료 증기를 접촉시키는 단계를 포함하며,
    상기 방법은, 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 약 210ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 연료 증기 가스 감소 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 초기 흡착제 공간 및 상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 단일 캐니스터 내에 위치되는, 연료 증기 가스 감소 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 초기 흡착제 공간 및 상기 적어도 하나의 후속 흡착제 공간은 연료 증기에 의한 순차적인 접촉을 허용하도록 연결되는 개별 캐니스터 내에 위치되는, 연료 증기 가스 감소 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 약 157.5ℓ 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 연료 증기 가스 감소 방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 100 BV 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 연료 증기 가스 감소 방법.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 캐니스터 시스템은 40 g/hr 부탄 로딩 단계 후에 적용된 75 BV 이하의 퍼지에서 20 ㎎ 이하의 2일 주간 증발 손실(DBL) 가스를 갖는, 연료 증기 가스 감소 방법.
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