JP6636600B2 - キャニスタ - Google Patents

Description

この発明は、自動車の蒸発燃料処理装置に用いられるキャニスタに関し、特に、ＤＢＬ（Diurnal Breathing Loss）性能の向上を図ったキャニスタに関する。

周知のように、内燃機関を用いた自動車では、燃料タンク内の蒸発燃料が大気に放出されるのを抑制するために、キャニスタを主体とした蒸発燃料処理装置を備えている。

キャニスタは、ケーシング内に活性炭等の吸着材を充填したものであって、停車時等に燃料タンク内から発生する蒸発燃料を吸着材に吸着させる一方、内燃機関稼働時にドレンポートから導入した大気により吸着材から燃料成分を脱離（パージ）させて、内燃機関の吸気系に吸入させる構成となっている。

特許文献１，２には、このような吸着材を利用したキャニスタにおいて、吸着した燃料成分の脱離を促進するために、吸着材を加熱するヒータを設けた構成が開示されている。特に、特許文献１では、ドレンポート付近の吸着材に吸着している燃料成分の量を少なくするために、ヒータにより加熱したときにドレンポート付近の温度がパージポート寄りの部分の温度よりも高温となるように、ヒータによる発熱量に勾配を与えた構成となっている。また特許文献２には、活性炭を４０℃〜１００℃に加熱することが開示されている。

特開２０１３−２４９７９７号公報 実開昭６１−１１８９５６号公報

自動車用内燃機関に関連した排気規制は年々厳しくなる傾向にあり、蒸発燃料処理装置におけるキャニスタにあっては、より高いＤＢＬ性能が要求されている。なお、ＤＢＬ試験は、１昼夜のような長時間の駐車を想定し、その間の外気温の温度変化に伴ってキャニスタから排出される燃料成分の量を測定するものである。

一方、内燃機関が一時的に稼動されるハイブリッド車両などにあっては、キャニスタをパージできる機会ならびにパージに利用できるガス量（ドレンポートからの大気導入量）の双方が少なくなる傾向となり、キャニスタに要求される条件はますます厳しいものとなっている。

このような種々の要求に対し、特許文献１，２のような従来のヒータを備えたキャニスタにおいては、必ずしも十分な性能を得ることができず、なお改善の余地がある。例えば、特許文献１のようにドレンポート側を高温とするものでは、特許文献２に開示されているように、活性炭が過度に高温となることで逆にドレンポート付近での吸着能力が低下してしまい、例えばＤＢＬ試験において比較的希薄な燃料ベーパがドレンポートから排出されやすい。また、特許文献２は、１００℃未満に加熱することが望ましいことを開示しているが、所定の容量を有する活性炭をヒータにより均一な温度に加熱することは不可能であり、例えばヒータに隣接する部分は局部的に高温となるので、やはり部分的な吸着能力の低下は免れない。

この発明に係るキャニスタは、
活性炭が充填される内部容積の流れ方向の一端部にチャージポートおよびパージポートを備えるとともに、流れ方向の他端部に連結ポートを備えてなる相対的に容量の大きなメインキャニスタと、
独立した筒状のハウジングを有し、一端部に上記メインキャニスタの上記連結ポートに接続される連結ポートを備えるとともに、他端部にドレンポートを備えてなる相対的に容量の小さなバッファキャニスタと、
を備え、
上記バッファキャニスタの内部容積が、上記ドレンポート側の第１の領域と上記連結ポート側の第２の領域とに区分されており、
上記第１の領域には、ブタンワーキングキャパシティが６ｇ／ｄＬ以上で１０ｇ／ｄＬ未満の第１の活性炭が充填されており、
上記第２の領域には、ブタンワーキングキャパシティが１３ｇ／ｄＬ以上の第２の活性炭が充填されており、
上記バッファキャニスタの上記ハウジングの中に、上記第１の領域と上記第２の領域の両者に亘って電熱ヒータが配設されており、この電熱ヒータは、上記第１の活性炭および上記第２の活性炭の中に埋設されており、
上記メインキャニスタの内部容積に充填された活性炭のブタンワーキングキャパシティは、上記第１の活性炭のブタンワーキングキャパシティよりも高く、かつ上記第２の活性炭のブタンワーキングキャパシティよりも低い、
ことを特徴としている。

上記の構成においては、電熱ヒータを具備した相対的に容量の小さなバッファキャニスタがメインキャニスタの下流側つまりドレンポート側に配置されているので、パージの際に、バッファキャニスタ内の活性炭（第１の活性炭および第２の活性炭）に吸着していた燃料成分が積極的に脱離される。例えばＤＢＬ試験においては、メインキャニスタに残存していた燃料成分が車両放置中にドレンポートへ向けて拡散移動するが、その多くは、バッファキャニスタで吸着される。このようにドレンポート側のバッファキャニスタを局部的に加熱することにより、相対的に少ない熱量（換言すれば少ない電力）でもって、車両放置中のドレンポートからの燃料成分の漏洩いわゆる微小破過を効果的に抑制できる。特に、バッファキャニスタが独立したハウジングを備えているので、その内部を第１の領域と第２の領域の双方に亘る電熱ヒータでもって効果的に加熱することができる。

そして、車両放置中に拡散移動する燃料成分（主にブタン）は、メインキャニスタおよびバッファキャニスタの内部でドレンポートへ向かって徐々に吸着されることから、ドレンポートへ近付くほど燃料ベーパの濃度は徐々に希薄となる。特に、バッファキャニスタ内での拡散移動に関して相対的に上流側となる第２の領域の第２の活性炭が高いブタンワーキングキャパシティ（ＢＷＣ）を有するので、第１の領域に達する前に十分な吸着がされる。さらに、第１の領域に充填されるＢＷＣが６ｇ／ｄＬ〜１０ｇ／ｄＬの第１の活性炭と第２の領域に充填されるＢＷＣが１３ｇ／ｄＬ以上の第２の活性炭とを比較すると、第１の活性炭の方が希薄ベーパに対する吸着特性に優れたものとなる。従って、最終的にドレンポート寄りの第１の領域において、希薄となった燃料ベーパをより効果的に吸着でき、希薄ベーパによる微小破過を抑制できる。

しかも、第１の活性炭は第２の活性炭に比較して水分吸着性が低いので、電熱ヒータにより過度に加熱されて活性炭上に安定化していた炭化水素成分までが脱離してしまったときでも、燃料ベーパに対する吸着性能の低下が生じない。つまり電熱ヒータによる活性炭の加熱の際に不可避的に生じる局部的な過度の高温化があったとしても、希薄ベーパに対する吸着特性が安定的に得られ、車両放置中のドレンポート近傍での希薄ベーパの確実な吸着が可能である。

なお、本発明においては、上記電熱ヒータによりバッファキャニスタ内の活性炭を１００℃未満の温度に加熱することが好ましい。さらには、５０℃〜９０℃の温度に加熱することが好ましい。

このような温度に加熱することで、吸着した燃料成分の脱離促進が図れる一方で、過度の加熱に起因する活性炭への水分の吸着を防止でき、水分吸着に伴う燃料成分の吸着能力の低下を回避できる。

本発明の好ましい一つの態様では、上記第１の領域の容積は上記第２の領域の容積よりも小さい。

また好ましくは、上記第１の領域と上記第２の領域とがスクリーン部材によって区画されており、上記電熱ヒータは上記スクリーン部材を貫通している。

なお、本発明における活性炭のＢＷＣは、ＡＳＴＭ Ｄ５２２８に基づく値である。

この発明によれば、メインキャニスタのドレンポート側に独立したハウジングの中に電熱ヒータを備えたバッファキャニスタを接続するとともに、このバッファキャニスタのドレンポート側にＢＷＣが６ｇ／ｄＬ〜１０ｇ／ｄＬの活性炭を配置し、メインキャニスタ側に１３ｇ／ｄＬ以上の活性炭を配置したことにより、高いＤＢＬ性能を得ることができる。

この発明に係るキャニスタの一実施例の全体構成を示す構成説明図。 バッファキャニスタの一実施例の断面図。 ６０℃加熱の有無に関して、ＤＢＬ試験におけるキャニスタ吸着量と破過量との関係を示した特性図。 活性炭の組み合わせに関して、ＤＢＬ試験におけるキャニスタ吸着量と破過量との関係を示した特性図。 破過時の吸着量と加熱温度との関係を示した特性図。

以下、この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、この発明に係るキャニスタ１を蒸発燃料処理装置の概略的な構成とともに示している。燃料成分を一時的に蓄えるキャニスタ１は、非加熱領域となる相対的に容量の大きなメインキャニスタ２と、加熱領域となる相対的に容量の小さなバッファキャニスタ３と、から構成されており、両者が可撓性を有するチューブ４を介して接続されている。

メインキャニスタ２は、合成樹脂製のハウジング５を有する。このハウジング５は、端部にパージポート６とチャージポート７とが隣接して設けられた細長い角筒状の第１筒状部８と、端部に連結ポート９が設けられた細長い角筒状の第２筒状部１０と、を有し、これら２つの筒状部８，１０が僅かな間隙を介して互いに隣接して配置されているとともに、互いに一体に連結されている。第１筒状部８および第２筒状部１０の他方の端部は、接続路１１を介して互いに連通しており、これによって、ハウジング５内部にＵ字形に連続した内部容積つまり流路が構成されている。

第１筒状部８の内部および第２筒状部１０の内部には、燃料成分（例えばガソリンベーパ）の吸着・脱離が可能な吸着材として粒状の活性炭１２が充填されている。詳しくは、第１筒状部８の一端部に、パージポート６ならびにチャージポート７との間をそれぞれ仕切る通気性を有するスクリーン部材１４，１５が設けられているとともに、他端部に、接続路１１との間を仕切る通気性を有するスクリーン部材１６が設けられており、これらのスクリーン部材１４，１５とスクリーン部材１６との間の容積内に活性炭１２が充填されている。第２筒状部１０においても、同様に両端部に通気性を有するスクリーン部材１７，１８がそれぞれ設けられており、これらのスクリーン部材１７，１８の間の容積内に活性炭１２が充填されている。なお、第１筒状部８および第２筒状部１０の接続路１１側のスクリーン部材１６，１８は、それぞれ図示せぬ多孔板によって支持されており、圧縮状態で配設されたスプリング１９，２０でもって付勢されることにより、活性炭１２を適宜に圧縮している。

本発明においては、メインキャニスタ２に使用される吸着材は特に限定されるものではなく、いかなる種類の吸着材であってもよいが、一実施例としては、ＢＷＣが１１．０ｇ／ｄＬの一般的な活性炭１２が用いられている。なお、第１筒状部８と第２筒状部１０とで異なる特性の活性炭を用いるようにしてもよい。また、メインキャニスタ２の活性炭１２が収容される空間の容積は、例えば２３００ｃｃである。

一方、バッファキャニスタ３は、合成樹脂製の独立したハウジング２１を有する。このハウジング２１は、相対的に径が大きな大径部２２と相対的に径が小さな小径部２３とが直列に接続された略円筒形をなし、大径部２２側の端部側面に連結ポート２４が設けられているとともに、小径部２３側の端部側面にドレンポート２５が設けられている。このバッファキャニスタ３の連結ポート２４は、前述したチューブ４を介して、メインキャニスタ２の連結ポート９に接続されている。

従って、キャニスタ１全体としては、流路一端のパージポート６ならびチャージポート７から流路他端のドレンポート２５へと続く一連の流路を構成するように、第１筒状部８、第２筒状部１０およびバッファキャニスタ３の三者の内部容積が実質的に直列に連続して構成されている。

上記チャージポート７は、チャージ通路３１を介して車両の燃料タンク３２の上部空間に接続され、上記パージポート６は、パージ通路３３を介して内燃機関３４の吸気通路３５（詳しくはスロットル弁３６下流側）に接続される。上記パージ通路３３には、パージ制御弁３７が介装され、エンジンコントロールユニット３８によってパージ制御弁３７の開度が制御される。また、ドレンポート２５は、大気に開放されるものであるが、必要に応じてドレンポート２５の大気への開放を遮断するように、バッファキャニスタ３の端部に電磁弁３９が付加されている。

図２は、加熱領域となるバッファキャニスタ３の内部構成を示している。このバッファキャニスタ３の内部容積は、小径部２３側の端部に設けられた通気性を有するスクリーン部材４１と、大径部２２側の端部に設けられた同様のスクリーン部材４２と、中間部に設けられた同様のスクリーン部材４３と、によって２つの領域４４，４５に区画されている。そして、２つの領域４４，４５の中で、ドレンポート２５側となる第１の領域４４には粒状をなす第１の活性炭４６が充填され、連結ポート２４側となる第２の領域４５には同じく粒状をなす第２の活性炭４７が充填されている。また、第１の領域４４と第２の領域４５の両者に亘って加熱手段となる電熱ヒータ４８が配設されている。この電熱ヒータ４８は、中間部のスクリーン部材４３を貫通しており、かつ充填された活性炭４６，４７の中に埋設されている。

ここで、ドレンポート２５側の第１の領域４４に充填される第１の活性炭４６としては、ＢＷＣが６ｇ／ｄＬ以上でかつ１０ｇ／ｄＬ未満の活性炭が用いられる。例えば、ＢＷＣが８．０ｇ／ｄＬの活性炭が用いられる。この活性炭は、例えば、細孔径が比較的大きな細孔（マクロポーラス）の割合が多くなるように細孔分布をコントロールした活性炭である。また連結ポート２４側つまりメインキャニスタ２寄りの第２の領域４５に充填される第２の活性炭４７としては、ＢＷＣが１３ｇ／ｄＬ以上の活性炭が用いられる。例えば、ＢＷＣが１５．３ｇ／ｄＬの活性炭が用いられる。この活性炭は、例えば、マクロポーラスの割合を特にコントロールしていない一般的な活性炭である。なお、一例として、第１の領域４４の容積は４０ｃｃ、第２の領域４５の容積は１６０ｃｃである。

上記のように構成されたキャニスタ１においては、第１筒状部８、第２筒状部１０およびバッファキャニスタ３の三者が実質的に１本の流路として連続したものとなっており、その流路の流れ方向の一端にパージポート６およびチャージポート７が位置し、かつ他端にドレンポート２５が位置する。そして、当業者には自明なように、車両の停車中や給油中に燃料タンク３２で生じた燃料蒸気は、チャージポート７からキャニスタ１内に導入され、第１筒状部８からバッファキャニスタ３の第１の領域４４まで流れる間に、各部の活性炭１２，４６，４７に吸着される。このように吸着された燃料成分は、内燃機関の運転中に吸気系で生じる負圧によってドレンポート２５を通して大気が取り込まれることにより、活性炭１２，４６，４７から脱離し、パージガスとなってパージポート６から内燃機関３４の吸気通路３５に流入して、最終的には内燃機関３４において燃焼される。

このようにしてキャニスタ１は蒸発燃料の吸着および脱離を繰り返すことになるが、上記キャニスタ１においては、内燃機関３４運転中の燃料成分の脱離を促進するために、電熱ヒータ４８によってバッファキャニスタ３の内部容積が加熱される。この加熱は、好ましくは、第１の活性炭４６および第２の活性炭４７が、その平均温度として５０℃〜９０℃の温度となるように行われる。活性炭が１００℃以上に加熱されると、活性炭の細孔表面などに安定化して存在していた炭化水素成分までが脱離し、これに代わって水分が吸着される結果、燃料成分に対する吸着特性が低下してしまう。５０℃〜９０℃の範囲内に加熱することで、このような現象を回避しつつ脱離促進が図れる。なお、電熱ヒータ４８への通電は、車両のイグニッションキーＯＮ後直ちに開始することが望ましいが、内燃機関３４の運転（換言すれば吸着燃料成分のパージ）がある程度の期間行われた時点で電熱ヒータ４８を停止するようにしてもよく、あるいは、車両の運転中、加熱を継続するようにしてもよい。

ＤＢＬ試験においては、車両の走行によりある程度のパージを行った後に、例えば１昼夜ないし３昼夜のような長時間、車両を停止状態とし、その間の外気温の変化に伴ってドレンポート２５から流出した燃料成分（いわゆる微小破過）の量が評価されるが、上記のキャニスタ１では、メインキャニスタ２の後段（つまりドレンポート２５側）に付加された相対的に小容量のバッファキャニスタ３のみが電熱ヒータ４８によって加熱されるので、少ない電力でもってＤＢＬ性能が効果的に向上する。特に上記実施例では加熱領域がバッファキャニスタ３として独立したハウジング２１により囲まれているため、その内部の活性炭４６，４７のみを効率よく加熱することができる。

図３は、加熱の有無によるＤＢＬ性能の差異を示したグラフであり、一般的なＤＢＬ試験に従ってキャニスタ１に破過状態まで燃料ベーパを吸着させた後、キャニスタ１の全活性炭容量の５０倍の量（いわゆる５０ベッドボリューム）の空気をドレンポート２５から通流させてパージを行い、その後、３昼夜のＤＢＬ試験によりドレンポート２５から流出した微小破過量を計測して、パージ後の吸着量（パージ終了時を０としたときの吸着量）との関係を示したものである。なお、３昼夜の間の温度変化の繰り返しによりキャニスタ１の吸着量は日ごとに徐々に増加する。線Ｌ１は、目標の破過量である。この図３において、実線は上述した実施例の構成においてパージ時に電熱ヒータ４８により６０℃への加熱を行った場合の特性を示しており、破線は比較例として加熱を行わない場合の特性を示している。

破線で示すように、加熱を行わない場合には、パージ直後の状態においても微小破過量が多く、目標値Ｌ１を満たすことができない。これは、加熱を行わない場合には、５０ベッドボリュームのような少量の空気では、十分なパージを行えないことを示している。これに対し、実線で示す実施例では、電熱ヒータ４８を用いた加熱によりドレンポート２５寄りのバッファキャニスタ３内の第２の領域４５および第１の領域４４での脱離が促進されるため、５０ベッドボリュームのような少量の空気によるパージであっても、ＤＢＬ試験における微小破過が抑制される。なお、図示していないが、メインキャニスタ２を含むキャニスタ１全体を加熱したとしても、電力消費の増加に比べて、破過量の減少はそれほど大きなものとはならない。つまり、ＤＢＬ性能としては、メインキャニスタ２に残存していた燃料成分がドレンポート２５側へ徐々に拡散移動し、最終的にドレンポート２５に到達すると微小破過が生じることとなるが、拡散移動する燃料成分はメインキャニスタ２内部さらにはバッファキャニスタ３内で活性炭４７，４６に徐々に吸着されていくので、小容量のバッファキャニスタ３の加熱によって高い効果が得られる。特に、バッファキャニスタ３内での拡散移動に関して相対的に上流側となる第２の領域４５の第２の活性炭４７が高いＢＷＣを有するので、第１の領域４４に達する前に十分な吸着がなされる。

また、上記のようにメインキャニスタ２内部やバッファキャニスタ３内部で徐々に吸着していく結果、ドレンポート２５に近い領域での燃料ベーパは非常に希薄なものとなっている。このような希薄ベーパに対し、ドレンポート２５側の第１の領域４４に充填された第１の活性炭４６は、第２の領域４５における第２の活性炭４７に比較して、希薄ベーパの吸着特性に優れている。従って、ドレンポート２５へ向かう流れに関して第２の領域４５よりも下流側に比較的少容量の第１の活性炭４６を配置しておくことで、第２の領域４５を通過した希薄ベーパを効果的に吸着することができる。

さらに、電熱ヒータ４８を用いた加熱では、上記のように５０℃〜９０℃の範囲に加熱しようとしても、電熱ヒータ４８に隣接している箇所などで局部的に１００℃以上に加熱されてしまう活性炭が不可避的に発生する。このように過度に加熱された場合に、第１の活性炭４６は、第２の活性炭４７に比較して水分吸着性が低い。そのため、過度に加熱されて活性炭上に安定化していた炭化水素成分までが脱離してしまったときでも、燃料ベーパに対する吸着性能の低下が生じない。つまり第１の活性炭４６では、不可避的に生じる局部的な過度の高温化があったとしても、希薄ベーパに対する吸着特性が安定的に得られ、車両放置中のドレンポート２５近傍での希薄ベーパの確実な吸着が可能である。

従って、上記実施例のように第１の活性炭４６と第２の活性炭４７とを組み合わせることで高いＤＢＬ性能が得られる。

図４は、前述した図３と同じく、３昼夜のＤＢＬ試験によりドレンポート２５から流出した微小破過量とパージ後の吸着量との関係を示した特性図であり、実線は、上述した実施例の構成つまり第１の活性炭４６と第２の活性炭４７とを組み合わせた場合の特性を示している。これに対し、破線は、比較例として、バッファキャニスタ３の第２の領域４５と第１の領域４４の双方に第２の活性炭４７を充填した場合の特性を示している。なお、いずれも電熱ヒータ４８により６０℃への加熱を行った場合の特性であり、またＤＢＬ試験の際のパージは、図３と同じく５０ベッドボリュームの空気により行っている。この図４に示すように、第１の活性炭４６と第２の活性炭４７とを組み合わせることで、高いＤＢＬ性能が得られる。

次に図５は、ＤＢＬ試験において微小破過量が目標値（図３，図４のＬ１相当）を超えてしまうときのパージ後の吸着量（図３，図４の横軸に相当）と電熱ヒータ４８による加熱温度との相関を示している。なお、これも、５０ベッドボリュームの空気によるパージを行った場合の特性を示す。この図５に示すように、バッファキャニスタ３内の活性炭４６，４７を６０℃付近に加熱したときに、最も吸着量を多く得ることができる。つまり、最も効果的にパージが行われ、ＤＢＬ試験での微小破過を抑制できることを意味する。図中の線Ｌ２は、パージ後の吸着量の目標値を示しており、このような目標値Ｌ２に対しては、５０℃〜９０℃の温度に加熱すればよい。なお、破線で示す低温の領域では、図３でも説明したように、パージ直後から微小破過量が目標値Ｌ１を超えてしまう。従って、本発明においては、電熱ヒータ４８により５０℃〜９０℃の温度に加熱することが望ましく、６０℃に加熱することが最も望ましい。

以上、本発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

１…キャニスタ
２…メインキャニスタ
３…バッファキャニスタ
５…ハウジング
６…パージポート
７…チャージポート
２１…ハウジング
２５…ドレンポート
４４…第１の領域
４５…第２の領域
４６…第１の活性炭
４７…第２の活性炭
４８…電熱ヒータ

Claims (3)

1. 活性炭が充填される内部容積の流れ方向の一端部にチャージポートおよびパージポートを備えるとともに、流れ方向の他端部に連結ポートを備えてなる相対的に容量の大きなメインキャニスタと、
   独立した筒状のハウジングを有し、一端部に上記メインキャニスタの上記連結ポートに接続される連結ポートを備えるとともに、他端部にドレンポートを備えてなる相対的に容量の小さなバッファキャニスタと、
   を備え、
   上記バッファキャニスタの内部容積が、上記ドレンポート側の第１の領域と上記連結ポート側の第２の領域とに区分されており、
   上記第１の領域には、ブタンワーキングキャパシティが６ｇ／ｄＬ以上で１０ｇ／ｄＬ未満の第１の活性炭が充填されており、
   上記第２の領域には、ブタンワーキングキャパシティが１３ｇ／ｄＬ以上の第２の活性炭が充填されており、
   上記バッファキャニスタの上記ハウジングの中に、上記第１の領域と上記第２の領域の両者に亘って電熱ヒータが配設されており、この電熱ヒータは、上記第１の活性炭および上記第２の活性炭の中に埋設されており、
   上記メインキャニスタの内部容積に充填された活性炭のブタンワーキングキャパシティは、上記第１の活性炭のブタンワーキングキャパシティよりも高く、かつ上記第２の活性炭のブタンワーキングキャパシティよりも低い、
   ことを特徴とするキャニスタ。
2. 上記第１の領域の容積は上記第２の領域の容積よりも小さい、ことを特徴とする請求項１に記載のキャニスタ。
3. 上記第１の領域と上記第２の領域とがスクリーン部材によって区画されており、上記電熱ヒータは上記スクリーン部材を貫通している、ことを特徴とする請求項１または２に記載のキャニスタ。

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