JP2005106007A - 蒸発燃料処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関へ蒸発燃料を迅速かつ確実に供給可能な蒸発燃料処理装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関１の燃料を貯留する燃料タンク２０と、蒸発した前記燃料を前記燃料タンクの圧力よりも高圧で貯留するとともに前記内燃機関と接続される高圧タンク２７と、前記高圧タンクと前記内燃機関との間の接続及び遮断を切り替える弁手段３３と、を蒸発燃料処理装置に設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸発した燃料を処理する蒸発燃料処理装置に関する。

燃料タンク及び気化器で発生した蒸発燃料をキャニスタの吸着剤に吸着させ、この吸着させた蒸発燃料を内燃機関の吸気通路へ吐出させる装置が知られている（特許文献１参照）。
特開平８−３１２４７１号公報

燃料タンク内で蒸発した燃料は沸点が低いため、この蒸発燃料を始動時に内燃機関へ供給することにより、始動時の排気エミッションの改善が期待できる。従来の装置では、吸気通路の負圧を利用してキャニスタの蒸発燃料を吸気通路へ放出させているので、蒸発燃料を迅速に供給できないおそれがある。また、内燃機関の始動初期から安定して蒸発燃料を供給することは困難である。

そこで、本発明は、内燃機関へ蒸発燃料を迅速かつ確実に供給可能な蒸発燃料処理装置を提供することを目的とする。

本発明の蒸発燃料処理装置は、内燃機関の燃料を貯留する燃料タンクと、蒸発した前記燃料を前記燃料タンクの圧力よりも高圧で貯留するとともに前記内燃機関と接続される高圧タンクと、前記高圧タンクと前記内燃機関との間の接続及び遮断を切り替える弁手段と、を備えたことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の蒸発燃料処理装置によれば、高圧タンクに燃料タンクの圧力よりも高圧の状態で蒸発燃料を貯留することができる。そのため、弁手段を切り替えることにより、この高圧タンクから内燃機関へ蒸発燃料を迅速かつ確実に供給することができる。

本発明の蒸発燃料処理装置は、前記高圧タンクへ前記燃料タンクの圧力より高圧の状態で液体の前記燃料を導入する燃料導入手段を備え、前記高圧タンクは、導入された前記液体燃料が蒸発できる蒸発部を有し、前記弁手段は、前記燃料導入手段が前記高圧タンクへ前記液体燃料を導入する場合に前記高圧タンクと前記内燃機関とを遮断してもよい（請求項２）。この場合、高圧タンク内に導入した液体燃料を蒸発させ、高圧タンクで蒸発燃料を発生させることができる。従って、高圧タンクに予め貯留されていた蒸発燃料が供給された後も液体燃料から蒸発した燃料を内燃機関へ供給することで、内燃機関へより長い時間安定して蒸発燃料を供給することができる。

本発明の蒸発燃料処理装置は、前記内燃機関へ燃料を供給する燃料噴射弁を備え、前記燃料導入手段として、前記燃料噴射弁に供給すべく加圧された液体燃料を前記高圧タンクへ導入する燃料導入通路が設けられていてもよい（請求項３）。このように燃料噴射弁に供給すべく加圧された液体燃料を高圧タンクへ導入することで、液体燃料を加圧する手段を他に設ける必要がない。そのため、コストを低減することができる。

本発明の蒸発燃料処理装置において、前記燃料導入手段は、前記内燃機関が停止するときに前記高圧タンクへ前記液体燃料を導入してもよい（請求項４）。このような時期に高圧タンクへ液体燃料を導入することで、機関始動前に高圧タンク内に蒸発燃料を用意することができる。そのため、機関始動時に確実に蒸発燃料を内燃機関へ供給することができる。

本発明の蒸発燃料処理装置において、前記高圧タンクが前記内燃機関の吸気通路と接続され、前記弁手段は前記内燃機関の始動時に前記高圧タンクと前記吸気通路とを接続してもよい（請求項５）。このように内燃機関の始動時に吸気通路へ蒸発燃料を供給することで、始動時の内燃機関の燃焼を改善させて排気エミッションを低減させることができる。但し、本発明において高圧タンクは内燃機関の吸気通路以外の箇所と接続されていてもよい。例えば、内燃機関の排気系に排気浄化手段が設けられている場合、この排気浄化手段へ蒸発燃料を供給できるように高圧タンクと排気系とが接続されていてもよい。

本発明によれば、燃料タンクの圧力よりも高圧で蒸発燃料を貯留できる高圧タンクを設けたことにより、機関始動時に内燃機関へ迅速かつ確実に蒸発燃料を供給することができる。また、高圧タンク内に高圧の液体燃料も貯留されるので、内燃機関へ蒸発燃料を長時間安定に供給することができる。

図１に本発明の蒸発燃料処理装置が組み込まれた内燃機関の要部を示す。図１の内燃機関１はガソリンエンジンとして構成されており、そのシリンダブロック２には複数の気筒３（図１では一つのみを示す。）が形成され、各気筒３にはピストン４が上下動自在に挿入される。各気筒３の開口部はシリンダヘッド５で閉じられ、各気筒３には気筒３の壁面とピストン４とシリンダヘッド５とによって燃焼室６が形成される。各燃焼室６には、吸気を取り込むための吸気通路７と、燃焼室６からの排気を所定の排気位置まで導くための排気通路８とが接続される。各燃焼室６には、これら通路７、８を燃焼室６に対して開閉するための吸気弁９及び排気弁１０と、燃焼室６内の燃料混合気に点火する点火プラグ１１とがそれぞれ設けられている。各ピストン４の往復運動は、コンロッド１２を介してクランク軸１３へ回転運動として伝達される。クランク軸１３には、クランク角度に対応した信号を出力するクランク角センサ１４が設けられている。吸気通路７には、吸気濾過用のエアクリーナ１５と、吸気量に対応した信号を出力するエアフローセンサ１６と、吸気量調整用のスロットルバルブ１７と、吸気の圧力に対応した信号を出力する吸気圧センサ１８とが設けられている。また、吸気通路７には、吸気が各気筒３に適正に分配されるようにマニホールド７ａが設けられている。

内燃機関１には、燃焼室６内へ燃料を供給するための燃料供給装置１９が設けられている。燃料供給装置１９は、燃料を貯留する燃料タンク２０と、内燃機関１へ燃料を供給するインジェクタ（燃料噴射弁）２１と、インジェクタ２１へ供給される高圧燃料を蓄えるデリバリパイプ２２と、燃料タンク２０からデリバリパイプ２２へ燃料を送る燃料ポンプ２３とを備えている。また、燃料供給装置１９は、燃料タンク２０内で蒸発した燃料を吸着させるキャニスタ２４と、内燃機関１の運転時にキャニスタ２４に吸着された蒸発燃料が吸気通路７へ送られるようにキャニスタ２４と吸気通路７との間の接続及び遮断を切り替えるキャニスタパージバルブ２５とを備えている。

内燃機関１の運転状態は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２６により制御される。ＥＣＵ２６は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を組み合わせたコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ２６は、例えばクランク角センサ１４等の出力信号を参照してインジェクタ２１の動作を制御し、内燃機関１が適正に運転されるようにインジェクタ２１からの燃料の噴射量、噴射時期等を調整する。

内燃機関１には、燃料タンク２０の圧力よりも高圧な状態で蒸発燃料を貯留できるように高圧タンク２７が設けられている。高圧タンク２７には、高圧タンク２７内の圧力に対応した信号を出力する供給圧センサ２８と、高圧タンク２７内の温度に対応した信号を出力する温度センサ２９とが設けられている。高圧タンク２７とデリバリパイプ２２とは燃料導入手段としての燃料導入通路３０で接続されており、燃料導入通路３０には高圧タンク２７とデリバリパイプ２２との間の接続及び遮断を切り替える燃料導入バルブ３１が設けられている。また、高圧タンク２７とマニホールド７ａとは蒸発燃料供給通路３２で接続されており、蒸発燃料供給通路３２には高圧タンク２７とマニホールド７ａとの間の接続及び遮断を切り替える弁手段としての供給バルブ３３が設けられている。なお、蒸発燃料供給通路３２は、蒸発燃料を各気筒３へ適正に供給できるように各気筒３にそれぞれ設けられており、また供給バルブ３３も各蒸発燃料供給通路３２にそれぞれ設けられている。高圧タンク２７と燃料タンク２０とは、高圧タンク２７内の余分な液体燃料を燃料タンク２０へ戻すリターン通路３４で接続されており、リターン通路３４には高圧タンク２７と燃料タンク２０との間の接続及び遮断を切り替えるリターンバルブ３５が設けられている。

燃料導入バルブ３１、供給バルブ３３及びリターンバルブ３５の動作は、ＥＣＵ２６により制御される。図２及び図３は、ＥＣＵ２６がバルブ３１、３３、３５の動作を制御するために実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。ＥＣＵ２６は、図２の制御ルーチンを実行することにより、高圧タンク内へ加圧された液体燃料を導入する。図２の制御ルーチンは内燃機関１の運転中、所定の周期で繰り返し実行される。

図２の制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２６はまずステップＳ１１で、高圧タンク２７に燃料を導入していることを示す導入フラグがオンの状態であるか否かを判断する。導入フラグがオンの状態ではないと判断した場合ステップＳ１２へ進み、ＥＣＵ２６は機関停止信号が発せられたか否かを判断する。なお、ＥＣＵ２６は、図２及び図３の制御ルーチンとは異なる制御ルーチンにより内燃機関１の状態を監視しており、内燃機関１の運転を停止させる所定の停止条件が満たされた場合に機関停止信号を発する。機関停止信号が発せられていないと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。一方、機関停止信号が発せられたと判断した場合ステップＳ１３へ進み、ＥＣＵ２６は、供給バルブ３３及びリターンバルブ３５を閉じる。これにより、高圧タンク２７とマニホールド７ａとの間、及び高圧タンク２７と燃料タンク２０との間がそれぞれ遮断される。

ステップＳ１４においてＥＣＵ２６は、燃料導入バルブ３１を開き、デリバリパイプ２２から高圧タンク２７へ加圧された液体燃料を導入する。続くステップＳ１５では、ＥＣＵ２６は導入フラグをオンの状態にする。次のステップＳ１６においてＥＣＵ２６はタイマーを起動した後、ステップＳ１７に進む。このタイマーは、高圧タンク２７へ燃料を導入してから所定時間が経過したか否かを判断するために使用する。なお、ステップＳ１１において導入フラグがオンの状態であると判断した場合も、ステップＳ１７へ進む。

ステップＳ１７では、ＥＣＵ２６はタイマーがタイムアップしたか否かを判断する。タイマーがタイムアップするまでの時間は、液体燃料で高圧タンク２７が充満しない程度に液体燃料が導入される時間を設定する。これにより、高圧タンク２７内には、導入された液体燃料が蒸発できる蒸発部２７ａができる。タイプアップしていないと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。一方、タイムアップしたと判断した場合は、ステップＳ１８に進み、ＥＣＵ２６は燃料導入バルブ３１を閉めて、燃料の導入を停止する。続くステップＳ１９においてＥＣＵ２６は、導入フラグのリセットを行った後、今回の制御ルーチンを終了する。

このように図２の制御ルーチンを実行することにより、内燃機関１を停止させるときに加圧された液体燃料を高圧タンク２７へ導入することができる。

一方、高圧タンク２７から内燃機関１へ蒸発燃料を供給する場合、ＥＣＵ２６は図３の制御ルーチンを実行する。図３の制御ルーチンは、例えばイグニッションスイッチがオンされる等内燃機関１を始動させる所定の条件が満たされた場合に実行され、所定の条件が満たされてから所定の時間（例えば数秒間）、所定の間隔で繰り返し実行される。

図３の制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２６はまずステップＳ２１で内燃機関１の充填効率を取得する。ＥＣＵ２６のＲＯＭにはクランク軸１３の回転数及び吸気圧等と充填効率との対応関係を記述したマップが記録されており、ＥＣＵ２６は、そのマップを参照して充填効率を取得する。次のステップＳ２２では、取得した充填効率と気筒３の容積と所定の空燃比との積から、一気筒３あたりに供給すべき炭化水素（ＨＣ）量Ｖ_ｈｃ［ｃｃ］を算出する。なお、所定の空燃比には、例えば内燃機関１の始動時に排気エミッションが低減されるような空燃比が設定される。

ステップＳ２３では、高圧タンク２７からマニホールド７ａへ供給するガス（パージガス）中の蒸発燃料の濃度α［％］を取得する。ＥＣＵ２６のＲＯＭには燃料のリード蒸気圧がマップとして記録されており、温度センサ２９の出力信号とこのマップとから高圧タンク２７内における蒸発燃料の分圧が取得できる。ＥＣＵ２６は、この分圧から蒸発燃料の濃度αを取得する。続くステップＳ２４では、一気筒３あたりに供給すべきＨＣ量Ｖｈｃと蒸発燃料濃度αとから、一気筒あたりに供給するパージガス流量Ｖ（＝Ｖ_ｈｃ×１００／α）[ｃｃ]を算出する。

ステップＳ２５において、ＥＣＵ２６は供給圧センサ２８の出力信号から供給圧Ｐ_ｐ［ｋＰａ］を取得する。なお、供給圧Ｐｐは、状態方程式を使用して取得してもよい。次のステップＳ２６では、ＥＣＵ２６は吸気圧センサ１８の出力信号から吸気圧Ｐ_ｎ［ｋＰａ］を取得する。続くステップＳ２７で、ＥＣＵ２６は供給圧Ｐ_ｐと吸気圧Ｐ_ｎとの差圧ΔＰ（＝Ｐ_ｐ−Ｐ_ｎ）［ｋＰａ］を算出する。

ステップＳ２８では、供給バルブ３３の全開時に供給バルブ３３を通過する流量Ｑ［ｃｃ／ｍｓｅｃ］を取得する。ＥＣＵ２６のＲＯＭには、供給バルブ３３の前後の差圧とその差圧時に供給バルブ３３を通過する流量との関係（流量特性）がマップとして記録されており、差圧ΔＰとこのマップとからＥＣＵ２６は、流量Ｑを取得する。

ステップＳ２９においてＥＣＵ２６は、パージガス流量Ｖと流量Ｑとから供給バルブ３３の通電時間Ｖ_{ｔａｕ＿ｔ}（＝Ｖ／Ｑ）［ｍｓ］を算出する。次のステップＳ３０では、クランク角センサ１４の出力信号を参照して、クランク軸１３が一回転する時間ＴＤＣ＿ｔ［ｍｓｅｃ］を取得する。続くステップＳ３１では、通電時間Ｖ_{ｔａｕ＿ｔ}とクランク軸１３が一回転する時間ＴＤＣ＿ｔとから、単位をクランク角度にした供給バルブ３３の通電時間Ｖ_{ｔａｕ＿ｃ}（＝Ｖ_{ｔａｕ＿ｔ}／ＴＤＣ＿ｔ）［°ＣＡ］を算出する。

ステップＳ３２において、ＥＣＵ２６は各供給バルブ３３の閉弁時期Ｖ_ｃｌ［°ＣＡ］を取得する。この閉弁時期Ｖ_ｃｌは、例えば各気筒３の吸気弁９の閉じるクランク角度が設定される。続くステップＳ３３では、閉弁時期Ｖ_ｃｌと通電時間Ｖ_{ｔａｕ＿ｃ}とから各供給バルブ３３の開弁時期Ｖ_ｏｐ（＝Ｖ_ｃｌ−Ｖ_{ｔａｕ＿ｃ}）［°ＣＡ］を算出する。

ステップＳ３４においてＥＣＵ２６は、クランク角センサ１４の出力信号から現在のクランク角度を取得し、気筒判別を行う。この気筒判別結果を参照してＥＣＵ２６は、パージガスを供給すべき気筒３を判別し、この気筒３へパージガスが供給されるように閉弁時期Ｖ_ｃｌと開弁時期Ｖ_ｏｐとを補正する。次のステップＳ３５においてＥＣＵ２６は、補正した閉弁時期Ｖ_ｃｌ及び開弁時期Ｖ_ｏｐに各供給バルブ３３が開閉動作するように、各供給バルブ３３へ指示する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

このようにパージガス量を算出し、このパージガス量が供給されるように各供給バルブ３３の動作を制御することで、内燃機関１へ蒸発燃料を適正に供給することができる。

本発明において、高圧タンク２７へ燃料を導入する手段は燃料導入通路３２に限定されない。例えば、図４に示すように、燃料導入手段として燃料タンク２０と高圧タンク２７との間に加圧ポンプ３６が設けられていてもよい。この場合、加圧ポンプ３６を使用して燃料タンク２０で発生した蒸発燃料を高圧タンク２７へ導入し、高圧タンク２７を高圧にすることができる。また、加圧ポンプ３６は、蒸発燃料ではなく燃料タンク２０の液体燃料を加圧して高圧タンク２７へ導入してもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、高圧タンクに十分な蒸発燃料がない場合や、始動時において極低温である場合及びトルクが必要な場合等は、高圧タンクから蒸発燃料を供給するとともに、インジェクタから燃焼室へ燃料を供給してもよい。このようにインジェクタを併用することで、内燃機関の始動性を安定させることができる。蒸発燃料供給通路の接続先は、吸気通路に限定されない。例えば、内燃機関の排気を浄化する排気浄化触媒へ蒸発燃料を供給できるように、排気通路と接続されていてもよい。

本発明の一実施形態に係る蒸発燃料処理装置が組み込まれた内燃機関の要部を示す図。 図１のＥＣＵが実行する燃料導入制御ルーチンを示すフローチャート。 図１のＥＣＵが実行する蒸発燃料供給制御ルーチンを示すフローチャート。 本発明の蒸発燃料処理装置の他の実施形態を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
７ 吸気通路
２０ 燃料タンク
２１ インジェクタ（燃料噴射弁）
２７ 高圧タンク
２７ａ 蒸発部
３０ 燃料導入通路（燃料導入手段）
３３ 供給バルブ（弁手段）
３６ 加圧ポンプ（燃料導入手段）

Claims (5)

1. 内燃機関の燃料を貯留する燃料タンクと、蒸発した前記燃料を前記燃料タンクの圧力よりも高圧で貯留するとともに前記内燃機関と接続される高圧タンクと、前記高圧タンクと前記内燃機関との間の接続及び遮断を切り替える弁手段と、を備えたことを特徴とする蒸発燃料処理装置。
2. 前記高圧タンクへ前記燃料タンクの圧力より高圧の状態で液体の前記燃料を導入する燃料導入手段を備え、
   前記高圧タンクは、導入された前記液体燃料が蒸発できる蒸発部を有し、
   前記弁手段は、前記燃料導入手段が前記高圧タンクへ前記液体燃料を導入する場合に前記高圧タンクと前記内燃機関とを遮断することを特徴とする請求項１に記載の蒸発燃料処理装置。
3. 前記内燃機関へ燃料を供給する燃料噴射弁を備え、
   前記燃料導入手段として、前記燃料噴射弁に供給すべく加圧された液体燃料を前記高圧タンクへ導入する燃料導入通路が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の蒸発燃料処理装置。
4. 前記燃料導入手段は、前記内燃機関が停止するときに前記高圧タンクへ前記液体燃料を導入することを特徴とする請求項２又は３に記載の蒸発燃料処理装置。
5. 前記高圧タンクが前記内燃機関の吸気通路と接続され、
   前記弁手段は前記内燃機関の始動時に前記高圧タンクと前記吸気通路とを接続することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸発燃料処理装置。

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