JP2005120946A - 内燃機関の蒸発燃料処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 キャニスタに吸着されている燃料の絶対量を精度良く検知することのできる蒸発燃料処理装置を提供する。
【解決手段】 燃料タンク内で発生する蒸発燃料を吸着し、吸着した蒸発燃料を脱離するキャニスタ２０と、キャニスタ２０の温度を検出するキャニスタ温度センサ３４と、キャニスタ２０の温度と、以前に求めたキャニスタ２０の蒸発燃料吸着量とに基づいて、蒸発燃料を吸着又は脱離させた際のキャニスタ２０の蒸発燃料吸着量を推定する吸着量推定手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の蒸発燃料処理装置に関し、特に、燃料タンク内で生じた蒸発燃料の処理装置に適用して好適である。

従来、例えば特開平６−９３９３２号公報に開示されるように、燃料タンク内で発生する蒸発燃料（燃料ベーパ）をキャニスタに吸着することで、その燃料ベーパが大気に放出されるのを防止する蒸発燃料処理装置が知られている。従来の蒸発燃料処理装置は、内燃機関の運転中に、キャニスタに吸気負圧を導入して、キャニスタに吸着されている燃料を、空気と共に吸気通路にパージさせる機能を有している。また、従来の蒸発燃料処理装置は、キャニスタ内の燃料をパージする際に、そのパージ分が相殺されるように、燃料噴射量を補正する機能を有している。

ところで、キャニスタ内の燃料を吸気通路にパージする際に、精度良く燃料噴射量を補正するためには、パージにより供給される燃料の量を精度良く検知することが必要である。そして、パージにより供給される燃料の量を精度良く検知するためには、キャニスタ内における燃料の吸着状態が精度良く検知できることが望ましい。

上記従来の蒸発燃料処理装置は、このような要求に応えるべく、キャニスタの内部温度を監視して、その温度変化を時間積分することにより、キャニスタの内部における燃料吸着状態を推定することとしている。燃料ベーパがキャニスタに吸着される際には、発熱反応が生ずる。一方、キャニスタに吸着されている燃料が離脱する際には吸熱反応が生ずる。このため、キャニスタの内部温度は、キャニスタ内における燃料の吸着・離脱に応じて上下する。そして、その内部温度の時間積分値は、キャニスタ内における燃料の残留状態に対応する。このように、上記従来の蒸発燃料処理装置は、キャニスタ内における燃料の吸着状態を、ある程度の精度で予測するものである。

特開平６−９３９３２号公報 特開平８−２８３７０号公報

しかしながら、キャニスタの内部温度の変化は、キャニスタに吸着されている燃料の増減分に対応する値である。このため、その温度変化を時間積分することによっては、キャニスタ内の吸着燃料の相対的変化は検知できるものの、その絶対量を把握することはできない。

パージにより供給される燃料分を精度良く検知するためには、キャニスタに吸着されている燃料の絶対量を検知することが必要である。この点、上記従来の蒸発燃料処理装置が、キャニスタ内の燃料吸着状態を検知するために用いている手法は、高精度な燃料噴射量補正を可能とするうえで、必ずしも十分なものではなかった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、キャニスタに吸着されている燃料の絶対量を精度良く検知することのできる蒸発燃料処理装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料タンク内で発生する蒸発燃料を吸着し、吸着した蒸発燃料を脱離するキャニスタと、前記キャニスタの温度を検出するキャニスタ温度検出手段と、前記キャニスタの温度と、以前に求めた前記キャニスタの蒸発燃料吸着量とに基づいて、蒸発燃料を吸着又は脱離させた際の前記キャニスタの蒸発燃料吸着量を推定する吸着量推定手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記吸着量推定手段は、前記キャニスタの温度に基づいて、吸着時に発生する吸着熱を算出する吸着熱算出手段を備え、前記吸着熱、前記キャニスタの温度、及び前記蒸発燃料吸着量の間に成立する関係から前記蒸発燃料吸着量を推定することを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記吸着熱算出手段は、前記キャニスタの外部への前記吸着熱の熱損失を求める手段を含み、前記熱損失を考慮して前記蒸発燃料吸着量を推定することを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明において、前記吸着量推定手段は、前記キャニスタの温度と前記蒸発燃料吸着量との関係を規定したマップを含み、前記マップから前記蒸発燃料吸着量を推定することを特徴とする。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、推定した前記蒸発燃料吸着量と前記キャニスタが飽和した場合の飽和吸着量との比較の結果に基づいて、前記キャニスタの吸着能力が飽和しているか否かを判定する判定手段と、前記キャニスタの吸着能力が飽和している場合は、前記キャニスタにおける蒸発燃料の吸着を停止させる手段と、を更に備えたことを特徴とする。

第６の発明は、第１〜第５の発明にいずれかにおいて、前記キャニスタ温度検出手段が、前記キャニスタ内の複数の箇所に設けられていることを特徴とする。

第７の発明は、第６の発明において、前記キャニスタ温度検出手段が、前記キャニスタ内において、蒸発燃料が流入するパージポートの近傍と、大気に開放された大気ポートの近傍に設けられていることを特徴とする。

第１の発明によれば、キャニスタの温度と、以前に求めた前記キャニスタの蒸発燃料吸着量とに基づいて、蒸発燃料を吸着又は脱離させた際のキャニスタの蒸発燃料吸着量を推定するため、キャニスタの温度のみから蒸発燃料吸着量を推定する場合に比べて、より高い精度で蒸発燃料吸着量を推定することが可能となる。

第２の発明によれば、吸着熱がキャニスタの温度及び蒸発燃料吸着量の関数であるため、吸着熱、キャニスタの温度、及び蒸発燃料吸着量の間に成立する関係式に基づいて、蒸発燃料吸着量を精度良く推定することができる。

第３の発明によれば、吸着熱の熱損失を考慮することで、蒸発燃料吸着量をより高精度に推定することが可能となる。

第４の発明によれば、キャニスタの温度と蒸発燃料吸着量との関係を規定したマップから蒸発燃料吸着量を推定するため、煩雑な処理を伴うことなく蒸発燃料吸着量を算出することが可能となる。

第５の発明によれば、キャニスタの吸着能力が飽和している場合は、キャニスタにおける蒸発燃料の吸着を停止させるため、キャニスタの外部に蒸発燃料が流出してしまうことを抑止できる。

第６の発明によれば、キャニスタ内の複数の箇所にキャニスタ温度検出手段を設けたため、複数の箇所において蒸発燃料吸着量を推定することができる。従って、キャニスタ内の複数の箇所で蒸発燃料の吸着能力が飽和している場合は、キャニスタへの蒸発燃料の流入を停止させるなどの適切な処理を行うことが可能となる。

第７の発明によれば、蒸発燃料が流入するパージポートの近傍と、大気に開放された大気ポートの近傍にキャニスタ温度検出手段を設けたため、パージポートの近傍と大気ポートの近傍における蒸発燃料吸着量を推定することができる。そして、パージポートの近傍と大気ポートの近傍における蒸発燃料吸着量の双方が飽和吸着量の場合は、キャニスタの蒸発燃料吸着能力が破過していると判断することが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の蒸発燃料処理装置の概要を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態の装置は、燃料タンク１０とキャニスタ２０を有して構成されている。燃料タンク１０には、給油口１２が設けられている。図１に示すように、給油口１２は給油を行う場合以外は閉じられている。

燃料タンク１０の内部には、燃料の液面高さを検出するための液面センサ１４が設けられている。燃料タンク１０内の空間容積V、つまり、燃料タンク１０の内部において、燃料ベーパ（蒸発燃料）と空気とによって占められている容積Vは、燃料の液面高さに応じた値となる。従って、液面センサ１４の出力によれば、その空間容積Vを検知することができる。

燃料タンク１０の内部には、更に、タンク温度センサ１６が配置されている。タンク温度センサ１６によれば、燃料タンク１０内のガスの温度、つまり、燃料ベーパの温度を検出することができる。以下、この温度を「タンクベーパ温度Tvap」と称す。

燃料タンク１０には、ベーパ通路１８を介してキャニスタ２０が連通している。ベーパ通路１８にはVSVバルブ３６が設けられている。

キャニスタ２０には、上記のベーパ通路１８と接続されるベーパポート２２、大気を導入するための大気ポート２４、および後述するパージ通路２６に連通するパージポート２８が設けられている。また、キャニスタ２０の内部には、ベーパポート２２から流入してくる燃料ベーパを吸着するための活性炭３０が充填されている。図１に示すように、ベーパポート２２とパージポート２８とは、活性炭３０に対して同じ側に設けられている。一方、大気ポート２４は、活性炭３０を挟んで、それらのポート２２，２８の反対側に設けられている。

パージ通路２６は、内燃機関の吸気通路（図示せず）に連通する通路である。パージ通路２６の途中には、その導通状態を制御するためのパージVSV３２が設けられている。内燃機関の運転中は、内燃機関の吸気負圧がパージ通路２６の内部に導かれる。この状態でパージVSV３２が開かれると、その吸気負圧がキャニスタ２０のパージポート２８にまで到達し、その結果、大気ポート２４からパージポート２８へ向かう空気の流れが生ずる。このような空気の流れが生ずると、活性炭３０に吸着されている燃料に脱離が生ずる。このため、本実施形態の装置によれば、内燃機関の運転中にパージVSV３２を適当に開くことにより、キャニスタ２０に吸着されている燃料を適当に内燃機関にパージさせることができる。

キャニスタ２０の内部には、パージポート２８の近傍にキャニスタ温度センサ３４が配置されている。キャニスタ温度センサ３４によれば、パージポート２８の近傍において、キャニスタ２０の内部温度Ｔを測定することができる。

図１に示すように、本実施形態の蒸発燃料処理装置は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した液面センサ１４、タンク温度センサ１６、およびキャニスタ温度センサ３４の出力信号が供給されている。

ＥＣＵ４０の制御によりVSVバルブ３６が適切なタイミングで開かれると、燃料タンク１０内の燃料ベーパがキャニスタ２０へ送られる。キャニスタ２０へ送られた燃料ベーパは活性炭３０に吸着される。

また、ＥＣＵ４０の制御により、パージVSV３２が適切なタイミングで開かれると、キャニスタ２０内に吸着されている燃料ペーパが内燃機関の吸気通路にパージされる。これにより、燃料ベーパを外部に放出させることなく、キャニスタ２０の燃料吸着能力が回復される。

吸気通路にパージされた燃料ベーパは、燃料噴射弁から機関に送られる混合気と混ざり、機関において燃焼する。機関に送られる混合気の空燃比を変動させないためには、燃料ベーパのパージにより供給される燃料分が相殺されるように、燃料噴射量の減量補正を行う必要がある。

空燃比荒れを生じさせることなく多量のパージガスを発生させるためには、そのパージガスにより供給される燃料の量を正確に算出して、その燃料分が相殺されるように燃料噴射量を補正する必要がある。そして、パージガスにより供給される燃料の量を正確に算出するためには、パージガス中の燃料ベーパ濃度を正確に検知することが必要である。従って、多量のパージガスを発生させるためには、その前提として、パージガス中の燃料ベーパ濃度が正確に検知できていることが要求される。

特に、燃料ベーパの大気放出を効果的に防ぐためには、キャニスタ２０の燃料吸着能力を可能な限り多量に確保しておくことが望ましい。そして、この要求を満たすためには、燃料のパージが可能な状況下では、キャニスタ２０から吸気通路に向かうパージガスを可能な限り多量にすることが望ましい。このような状況下においては、パージガス中の燃料ベーパ濃度をより正確に検出して空燃比の変動を抑える必要がある。

本実施形態において、ＥＣＵ４０は、キャニスタ２０に吸着されている燃料ベーパの絶対量に相当する燃料吸着状態を正確に推定する機能を有している。キャニスタ２０の燃料吸着状態が正確に推定できると、その後、パージが開始される時点では、その燃料吸着状態に基づいて、パージガス中の燃料ベーパ濃度を予測することができる。そして、そのような予測が可能であれば、パージの開始時点から、多量のパージガスを発生させることができる。このため、本実施形態の蒸発燃料処理装置によれば、高いパージ能力を実現することができる。

以下、本実施形態にかかる蒸発燃料処理装置において、キャニスタ２０に吸着されている燃料の絶対量に相当する燃料ベーパ吸着量を算出する方法を説明する。燃料タンク１０内では、燃料の蒸発によって燃料ベーパが発生している。VSVバルブ３６を開くと、燃料タンク１０内の燃料ベーパはキャニスタ２０に流れ、キャニスタ２０に吸着される。

燃料ベーパがキャニスタ２０に吸着されると、キャニスタ２０の内部エネルギーが変化する。このときの内部エネルギーの変化量は、燃料ベーパの吸着量に応じて変動する。本実施形態では、VSVバルブ３６を開いている間のキャニスタ２０の内部エネルギーの変化量を、吸着の際に発生する吸着熱から算出し、これに基づいてキャニスタ２０の燃料ベーパ吸着量を算出する。

最初に吸着熱を算出する方法を説明する。図２は、燃料ベーパが活性炭３０に吸着される様子を示す模式図である。図２に示すように、活性炭３０に吸着される前の燃料ベーパは気相状態にある。気相状態の燃料ベーパが活性炭３０の表面に吸着されると、吸着分子が発生する。これにより、燃料ベーパが液化して吸着相の状態となり、吸着熱が発生する。ここで、燃料ベーパの吸着によって発生する熱量（吸着熱）、活性炭３０がもらうエネルギー、熱伝導によって失われる熱量、の間には以下の関係が成立する。
（吸着熱）＝（活性炭がもらうエネルギー）＋（熱伝導によって失われる熱量）

上記関係は、以下の（１）式（Tianの式）で表すことができる。（１）式において、ｄｑは吸着の際に燃料ベーパの単位質量が発生する吸着熱である。また、ΔＴは、吸着時の燃料ベーパ（活性炭３０）の温度変化量であって、VSVバルブ３６を開いている間のキャニスタ２０の内部温度Ｔの変化量として、キャニスタ温度センサ３４から検出することができる。また、σは活性炭３０の熱伝導係数、ｃは活性炭３０の有効熱容量である。（１）式によれば、温度変化量ΔＴに基づいて、燃料ベーパの単位質量が発生する吸着熱ｄｑを算出することができる。

燃料ベーパの吸着によってキャニスタ２０内の内部エネルギーＥ_ａｄｓが変化する。この際、熱伝導によって熱がキャニスタ２０の外部に逃げなければ、以下の関係が成立する。
（燃料ベーパの単位質量が吸着された際の、キャニスタ内のエネルギー変化量）＝（吸着によって燃料ベーパの単位質量が発生する熱量）
すなわち、燃料ベーパ単位質量あたりのエネルギー変化量ｄＥ_ａｄｓと吸着熱ｄｑは釣り合い、以下の（２）式の関係が成立する。

ｄＥ_ａｄｓ＝ｄｑ ・・・（２）

キャニスタ２０の内部エネルギーＥ_ａｄｓは、活性炭３０のエネルギーと吸着相のエネルギーＥ_Ｓとの和で表すことができ、以下の関係が成立する。
（キャニスタの内部エネルギー）＝（活性炭のエネルギー）＋（吸着相のエネルギー）
活性炭３０の内部エネルギーは、活性炭３０の内部温度Ｔに比例し、内部温度Ｔと活性炭の比熱Ｃ_ＶＣとの積で表すことができる。従って、以下の（３）式の関係が成立する。

Ｅ_ａｄｓ＝Ｃ_ＶＣ・Ｔ＋Ｅ_Ｓ ・・・（３）

（３）式を吸着量、時間で微分すると、VSVバルブ３６を開いている間の燃料ベーパ単位質量の吸着による内部エネルギーＥ_ａｄｓの変化量ｄＥ_ａｄｓが得られる。そして、（２）式からｄＥ_ａｄｓ＝ｄｑであるため、以下の（４）式の関係が成立する。

ｄｑ＝ｄＥ_ａｄｓ＝Ｃ_ＶＣ・ｄＴ＋ｄＥ_Ｓ ・・・（４）

（４）式において、吸着相のエネルギーＥ_Ｓの変化量ｄＥ_Ｓは、燃料ベーパの吸着量に応じて変動する。従って、変化量ｄＥ_Ｓを吸着量の関数として表すことで、（４）式に基づいて、吸着熱ｄｑから燃料ベーパの吸着量を算出することができる。

吸着相のエネルギーＥ_Ｓの変化量ｄＥ_Ｓを吸着量の関数として表す方法を以下に説明する。図３は、単位質量あたりの吸着相のエネルギーＥ_Ｓが単位活性炭質量あたりの燃料ベーパの吸着量ｍ_ｓに応じて変動する様子を示す特性図である。図３は、燃料ベーパの温度を一定とした場合の特性を示しており、単位質量あたりの吸着相のエネルギーＥ_Ｓとともに、燃料ベーパの気相のエネルギー、吸着の際に発生した吸着熱、及び燃料ベーパの蒸発潜熱を、それぞれ燃料ベーパ単位質量あたりの値として示している。図３に示すように、吸着相のエネルギーと吸着熱は吸着量ｍ_ｓに応じて変動し、気相のエネルギー、蒸発潜熱は吸着量ｍ_ｓによらず一定である。

図３に示すように、活性炭３０における燃料ベーパの吸着量が多くなるほど、吸着相のエネルギーは増加し、吸着熱は減少する。そして、燃料ベーパの吸着量が多くなると、吸着相のエネルギーは、気相のエネルギーから蒸発潜熱を差し引いた値に漸近していく。

活性炭３０に吸着される前の燃料ベーパの内部エネルギーは、図３に示す気相のエネルギーである。燃料ベーパが活性炭３０に吸着されて吸着分子が発生すると、燃料ベーパの内部エネルギーは図３に示す吸着相のエネルギーとなり、吸着熱が発生する。従って、以下の関係が成立する。
（燃料ベーパ単位質量あたりの吸着相のエネルギー）＝（燃料ベーパ単位質量あたりの気相のエネルギー）−（燃料ベーパ単位質量あたりの吸着熱）
この関係は、以下の（５）式で表すことができる。

（５）式において、Ｃ_ｐ・Ｔは燃料ベーパ単位質量あたりの気相のエネルギーを表している。ここで、Ｃ_ｐは燃料蒸気定圧比熱であり、Ｔは燃料ベーパの温度である。

また、（５）式において、Δｈ_ｖａｐ（Ｔ）＋ｆ（ν）は、燃料ベーパ単位質量あたりの吸着熱を表している。ここで、Δｈ_ｖａｐ（Ｔ）は蒸発潜熱であって、燃料ベーパの温度Ｔの関数である。蒸発潜熱Δｈ_ｖａｐ（Ｔ）は、例えば公知のクラジウス・クラペイロンの式で表すことができる。

また、ｆ（ν）は、燃料ベーパの吸着ポテンシャルを表している。吸着ポテンシャルｆ（ν）は、燃料ベーパが吸着相となった場合に、分子間力に起因して発生する燃料ベーパのエネルギーである。吸着ポテンシャルｆ（ν）は吸着体積νの関数であって、νは吸着相の密度ρ_Ｌに対する吸着量ｍ_ｓの割合である。すなわち、ν＝ｍ_ｓ／ρ_Ｌの関係が成立する。図４は、吸着ポテンシャルｆ（ν）とν（＝ｍ_ｓ／ρ_Ｌ）の関係（吸着特性曲線）を実験的に求めた特性図である。図４に示すように、νが増加すると、燃料ベーパの吸着ポテンシャルｆ（ν）は減少する。すなわち、ν＝ｍ_ｓ／ρ_Ｌであるため、吸着量ｍ_ｓが増加すると、吸着ポテンシャルｆ（ν）は減少する。吸着量ｍ_ｓが更に増加すると吸着ポテンシャルｆ（ν）は０に近づき、図３に示すように吸着熱と蒸発潜熱はほぼ等しくなる。

このように、燃料ベーパ単位質量あたりの吸着熱は、蒸発潜熱Δｈ_ｖａｐ（Ｔ）と吸着ポテンシャルｆ（ν）の和で表すことができる。

（５）式を吸着量ｍ_ｓで積分すると、以下の（６）式が得られる。（６）式によれば、吸着相のエネルギーＥｓを吸着量ｍ_ｓの関数として表すことができる。なお、（６）式では、吸着ポテンシャルｆ（ν）における変数をν’として示している。

（４）式において、VSVバルブ３６を開いている間の、燃料ベーパ単位質量あたりの変化量ｄＥ_Ｓは、（６）式を微分して算出することができる。ここで、吸着相のエネルギーＥ_Ｓは燃料ベーパの温度Ｔと吸着量ｍ_ｓの関数であるため、以下の（７）式の関係が成立する。そして、（７）式の右辺を（４）式に代入すると、以下の（８）式が得られる。燃料ベーパの温度Ｔとキャニスタ２０の内部温度Ｔは等しいと考えることができるため、（８）式によれば、内部エネルギーの変化量ｄＥ_ａｄｓ（＝吸着熱ｄｑ）をキャニスタ内部温度Ｔ、および吸着量ｍ_ｓの関数として表すことができる。従って、吸着熱ｄｑ、および内部温度Ｔから吸着量ｍ_ｓを算出することが可能となる。

（７）式の右辺第１項および第２項は（６）式を微分して求めることができ、以下の（９）式、（１０）式で表すことができる。（９）式、（１０）式では、ｄＴをΔＴとし、またｄｍ_ｓをΔｍ_ｓとして示している。また、（９）式、（１０）式において、ΔＴは、VSVバルブ３６を開いている間、すなわち燃料ベーパが吸着されている間の燃料ベーパ（活性炭３０）の温度変化量である。また、ＴはVSVバルブ３６を開いた時点の燃料ベーパ（活性炭３０）の温度である。ΔＴ，Ｔは、キャニスタ温度センサ３４から検出することができる。

（９）式では（６）式を内部温度Ｔについて微分しているが、この際（６）式のｆ（ν）が内部温度Ｔの関数ではないため、ｆ（ν）を微分した項は０となる。また、（９）式において、Δ｛Δｈ_ｖａｐ（Ｔ）｝は、VSVバルブ３６を開いている間の蒸発潜熱Δｈ_ｖａｐ（Ｔ）の変化量である。また、ν＝ｍ_ｓ／ρ_Ｌであるため、（１０）式においてｄν／ｄｍ_ｓ＝１／ρ_Ｌである。

（９）式、（１０）式を（８）式へ代入すると、以下の（１１）式が得られる。（１１）式において、Δｍ_ｓはVSVバルブ３６を開いている間の吸着量ｍ_ｓの変化量を表している。すなわち、VSVバルブ３６を開いた時点の吸着量をｍ_ｓ（ｋ−１）、VSVバルブ３６を閉じた時点の吸着量をｍ_ｓ（ｋ）とすると、Δｍ_ｓ＝ｍ_ｓ（ｋ）−ｍ_ｓ（ｋ−１）の関係が成立する。また、（１１）式において、ｍ_ｓはVSVバルブ３６を閉じた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を表している。従って、（１１）式を変形すると（１２）式が得られる。（１２）式によれば、吸着熱ｄｑをｍ_ｓ（ｋ），ｍ_ｓ（ｋ−１），ΔＴの関数として表すことができる。

以下の（１３）式は、（１２）式の左辺ｄｑを右辺に移項して、関数ｆを定義した式である。（１２）式によれば、吸着熱ｄｑ、前回の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）、温度変化量ΔＴを用いて現在の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を求めることは可能であるが、吸着ポテンシャルｆ（ν）が吸着量ｍ_ｓ（ｋ）の関数であるため、（１２）式から直接的に現在の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を求めようとすると演算処理が煩雑となる場合がある。そこで、本実施形態では、前回取得した吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）とVSVバルブ３６を開いている間の温度変化量ΔＴを（１３）式に代入するとともに、現在の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）については仮の値を（１３）式に代入する。そして、仮の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）の値を変更しながら、ｆ→０となるように（１３）式を反復演算する。そして、関数ｆの値が最も０に近づいた場合のｍ_ｓ（ｋ）の値を最終的な現在の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）として算出する。このように、（１３）式を反復演算することで、吸着熱ｄｑ、前回の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）、温度変化量ΔＴから現在の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を算出することが可能となる。

キャニスタ２０における吸着量が多くなり、パージVSV３２を開いた場合は、活性炭３０に吸着されていた燃料ベーパが脱離して吸気通路側へ流れる。このとき、図２で説明した反応と逆の反応が起こり、パージVSV３２を開いている間にキャニスタ温度センサ３４で検出される温度は、時間の経過とともに低下する。従って、パージVSV３２を開いた場合の温度変化量ΔＴは負の値となる。

所定時間パージVSV３２を開いて燃料ベーパを脱離させた後の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）は、VSVバルブ３６を開いて燃料ベーパを吸着させた後の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）と同様に、（１３）式から求めることができる。この際、ΔＴの値を負の値にして（１３）式に代入することで、脱離後の燃料ベーパ吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を求めることが可能である。

従って、VSVバルブ３６またはパージVSV３２を開いた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）と、VSVバルブ３６またはパージVSV３２を開いている間の温度変化量ΔＴを（１３）式に代入することで、VSVバルブ３６またはパージVSV３２を閉じた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を算出することが可能となる。そして、吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を記憶しておき、次にVSVバルブ３６またはパージVSV３２を開いた際に（１３）式の演算を行うことで、キャニスタ２０における燃料ベーパ吸着量の絶対量を逐次算出することが可能である。

キャニスタ２０に吸着されている燃料ベーパは、パージVSV３２を所定時間（数十分程度）開くことで完全に脱離する。従って、VSVバルブ３６またはパージVSV３２を開いた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）が不明の場合は、パージVSV３２を所定時間開いてキャニスタ２０を空の状態にリセットし、次回の演算の際にｍ_ｓ（ｋ−１）＝０として（１３）式の演算を行うことが好適である。

また、VSVバルブ３６、パージVSV３２の双方を閉じている場合は、キャニスタ２０における燃料ベーパの吸着現象、脱離現象は発生せず、キャニスタ２０内で温度変化は生じない。従って、VSVバルブ３６またはパージVSV３２の一方を開いた時にキャニスタ温度センサ３６を起動するようにしてもよい。

次に、図５のフローチャートに基づいて、本実施形態の蒸発燃料処理装置における処理の手順を説明する。ここでは、VSVバルブ３６を開いてキャニスタ２０に燃料ベーパを吸着させる場合の処理について説明する。

先ず、ステップＳ１では、燃料タンク１０に設けられたタンク内圧バルブを閉じ、燃料タンク１０からキャニスタ２０へ燃料ベーパを送る準備をする。次のステップＳ２では、燃料ベーパ吸着量を推定する準備が完了しているか否かを判定する。

次のステップＳ３では、燃料タンク１０の内圧が所定の圧力（大気圧＋α）以上であるか否かを判定する。燃料タンク１０の内圧が所定の圧力以上である場合は、燃料タンク１０内で燃料ベーパが発生しているため、ステップＳ４へ進み、所定時間の間だけVSVバルブ３６を開く。一方、燃料タンク１０の内圧が所定の圧力よりも小さい場合は終了する(END)。

ステップＳ４でVSVバルブ３６を開いている間は、燃料タンク１０内の燃料ベーパがキャニスタ２０へ流れ込む。そして、燃料ベーパは活性炭３０に吸着され、吸着熱の発生により活性炭３０の温度が上昇する。ステップＳ５では、VSVバルブ３６を開いている間の温度変化量ΔＴをキャニスタ温度センサ３４から検出する。

次のステップＳ６では、ステップＳ５で求めた温度変化量ΔＴを用いて、活性炭３０における燃料ベーパの現在の吸着量（VSVバルブ３６を閉じた時点の吸着量）ｍ_ｓ（ｋ）を求める。ステップＳ６で燃料ベーパの吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を求めた後は、処理を終了する（END）。

図６のフローチャートは、図５のステップＳ６において、吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を算出する処理を詳細に示したものである。先ずステップＳ１１では、図５のステップＳ５で検出した温度変化量ΔＴを用いて、（１）式から吸着熱ｄｑを算出する。次のステップＳ１２では、ＥＣＵ４０のメモリから前回算出した吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）を取得する。

次のステップＳ１３では、ΔＴ、ｍ_ｓ（ｋ−１）、および仮に設定したｍ_ｓ（ｋ）の値を（１３）式に代入して反復計算を行う。そして、（１３）式のｆが最も０に近づいたときのｍ_ｓ（ｋ）の値を最終的な現在の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）として算出する。ステップＳ１３で現在の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を算出した後は、処理を終了する（END）。

なお、ステップＳ１３において、関数ｆの値が０近傍の値に収束しない場合は、所定時間の経過後、ステップＳ１１または図５の処理に戻り、処理を再度行うようにする。

また、図５のステップＳ３では、（燃料タンク１０の内圧）≦（大気圧−α）の場合、VSVバルブ３６を開くとキャニスタ２０に吸着されている燃料ベーパが脱離し、キャニスタ２０から燃料タンク１０へ燃料ベーパが流れる。この場合、VSVバルブ３６を開いている間の温度変化量ΔＴは負の値となる。従って、（燃料タンク１０の内圧）≦（大気圧−α）の場合においても、パージVSV３２を開いた場合と同様に、燃料ベーパを脱離させた後、VSVバルブ３６を閉じた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を算出することができる。（燃料タンク１０の内圧）≦（大気圧−α）の場合にVSVバルブ３６を開くことで、蒸発燃料経路が急冷された場合などに燃料タンク１０に過度な圧力がかかることを回避できる。

本実施形態の装置によれば、現時点のキャニスタ２０燃料ベーパ吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を逐次算出することができるため、吸気通路へ燃料ベーパをパージする場合は、パージVSV３２を開いてパージが開始される時点での活性炭３０の燃料吸着状態を極めて精度良く把握しておくことができる。従って、本実施形態の装置によれば、パージの開始直後にパージされるパージガス中の燃料ベーパ濃度を高精度に予測し、その開始の時点から、多量のパージガスを発生させることができる。このため、本実施形態の蒸発燃料処理装置によれば、優れた燃料パージ能力を確保することができる。

以上説明したように実施の形態１によれば、VSVバルブ３６を開いている間のキャニスタ内部温度の変化量ΔＴから吸着熱ｄｑを算出することができる。そして、吸着熱ｄｑ（＝内部エネルギーＥ_ａｄｓの変化量ｄＥ_ａｄｓ）をキャニスタ２０の内部温度Ｔと吸着量ｍ_ｓとの関数で表すことができるため、吸着熱ｄｑ、内部温度Ｔおよび吸着量ｍ_ｓの関係式から吸着量ｍ_ｓを算出することが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態１では燃料ベーパの吸着量ｍ_ｓを（１３）式を反復演算して算出したが、実施の形態２はマップから燃料ベーパの吸着量ｍ_ｓを算出するものである。

図７は、図３と同様に、単位質量あたりの吸着相のエネルギーＥ_Ｓが単位活性炭質量あたりの燃料ベーパの吸着量ｍ_ｓに応じて変動する様子を示す特性図である。図７に基づいて、VSVバルブ３６が開いている間の温度変化量ΔＴが同じ場合に、VSVバルブ３６を開いた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）の相違が、VSVバルブ３６が開いている間の吸着量の変化量Δｍ_ｓに与える影響について説明する。

VSVバルブ３６を開いている間の温度変化量ΔＴが等しい場合、燃料ベーパのエネルギー変化量も等しいと考えることができる。図７に示すように、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）が異なる２つの場合において、VSVバルブ３６を開いている間の吸着による燃料ベーパのエネルギー変化量は、単位質量あたりの吸着相のエネルギーを表す曲線５０と、気相のエネルギーを表す直線５２で囲まれた面積Ａ_１，Ａ_２で表すことができる。ここで、面積Ａ_１と面積Ａ_２で表される２つの場合において、吸着開始時の内部温度Ｔが等しく、吸着の際の温度変化量ΔＴが等しい場合を想定すると、双方の燃料ベーパのエネルギー変化量が等しくなるため、面積Ａ_１と面積Ａ_２は等しくなる。

ここで、横軸方向の面積Ａ_１，面積Ａ_２の幅は、VSVバルブ３６を開いている間の吸着量の変化量Δｍ_ｓと考えることができる。図７に示すように、温度変化量ΔＴが等しい場合の横軸方向の面積Ａ_１，面積Ａ_２の幅は、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）に応じて変動し、面積Ａ_１に比べて面積Ａ_２の横軸方向の幅は広くなる。従って、図７に示すように、温度変化量ΔＴが等しい場合、VSVバルブ３６を開いた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）が大きい程、吸着量の変化量Δｍ_ｓは増加する。

一方、VSVバルブ３６を開いた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）が等しい場合、温度変化量ΔＴが大きいほど活性炭３０における燃料ベーパの吸着反応が多く行われる。従って、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）が等しい場合は、温度変化量ΔＴが大きくなるほど、吸着量の変化量Δｍ_ｓは大きくなる。このことは、例えば図４の吸着特性曲線からも説明することができる。図４に示すように、吸着量の変化量Δｍ_ｓが異なる２つの場合（Δｍ_ｓ１，Δｍ_ｓ２）において、Δｍ_ｓが大きくなる程、ｆ（ν）の変化量Δ｛ｆ（ν）｝は大きくなる。そして、ｆ（ν）が大きいほど吸着相のエネルギーＥｓの変化量が大きくなり、結果として温度変化量ΔＴも大きくなる。従って、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）が等しい場合は、温度変化量ΔＴが大きくなるほど、吸着量の変化量Δｍ_ｓは大きくなる。

以上の観点から、実施の形態２では、温度変化量ΔＴ、VSVバルブ３６を開いた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）、およびVSVバルブ３６を開いている間の吸着量の変化量Δｍ_ｓの関係をマップで規定し、マップからVSVバルブ３６を開いている間の吸着量の変化量Δｍ_ｓを求める。

図８は、温度変化量ΔＴ、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）、および吸着量の変化量Δｍ_ｓの関係を規定したマップを示す模式図である。図８のマップには、温度変化量ΔＴが等しい場合、VSVバルブ３６を開いた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）が大きいほど、吸着量の変化量Δｍ_ｓが大きくなる関係が規定されている。また、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）が等しい場合は、温度変化量ΔＴが大きいほど、変化量Δｍ_ｓが大きくなる関係が規定されている。従って、温度変化量ΔＴ、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）を図８のマップに当てはめることで、吸着量の変化量Δｍ_ｓを求めることができる。そして、Δｍ_ｓを求めた後は、ｍ_ｓ（ｋ）＝ｍ_ｓ（ｋ−１）＋Δｍ_ｓの演算を行うことで、現在の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を求めることが可能となる。なお、図８のマップは、温度変化量ΔＴ、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）、および吸着量の変化量Δｍ_ｓの関係を実験で求めることで作成することができる。

パージVSV３２を開いた場合も同様に、温度変化量ΔＴ（＜０）、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）を図８のマップに当てはめることで、吸着量の変化量（脱離量）Δｍ_ｓを求めることができる。

以上説明したように実施の形態２によれば、VSVバルブ３６を開いた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）と、VSVバルブ３６を開いている間の温度変化量ΔＴとから、現在の吸着量ｍ_ｓ（ｋ）をマップ算出することが可能となる。従って、簡素な方法で、キャニスタ２０の燃料ベーパ吸着量を正確に求めることが可能となる。

なお、図８のマップでは、温度変化量ΔＴ、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）、および吸着量の変化量Δｍ_ｓの関係を規定したが、ｍ_ｓ（ｋ）＝ｍ_ｓ（ｋ−１）＋Δｍ_ｓであるため、温度変化量ΔＴ、吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）、および吸着量ｍ_ｓ（ｋ）の関係を規定しても良い。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３は、キャニスタに装着する温度センサの数を増やして、より正確に吸着量を算出するものである。図９は、実施の形態３にかかるキャニスタ２０を示す模式図である。図９に示すように、実施の形態３では、図１に示したキャニスタ温度センサ３４に加えて、大気ポート２４の近傍にキャニスタ温度センサ３５を配置している。実施の形態２のその他の構成は、実施の形態１と同様である。

キャニスタ２０に吸着された燃料ベーパが吸気通路側にパージされ、キャニスタ２０の燃料ベーパ吸着能力が回復している場合に、燃料タンク１０からキャニスタ２０へ燃料ベーパを送ると、先ずベーパポート２２側の活性炭３０に燃料ベーパが吸着される。そして、活性炭３０における燃料ベーパの吸着範囲は次第に大気ポート２４側へ拡大していく。

ベーパポート２２側の活性炭３０の吸着能力が飽和し、大気ポート２４側の活性炭３０の吸着能力も飽和すると、キャニスタ２０が破過した状態となり、これ以上燃料ベーパを吸着することができない。この場合、燃料タンク１０から送られた燃料ベーパは、キャニスタ２０に吸着されることなく大気ポート２４から外部に流出することになる。

燃料ベーパが外気に放出されることを避けるためには、キャニスタ２０が破過した状態か否かを正確に検出する必要がある。図１に示すように、ベーパポート２２側にキャニスタ温度センサ３４を設けることで、ベーパポート２２側の活性炭３０の吸着能力が飽和しているか否かを判定することが可能であるが、大気ポート２４側の活性炭３０の吸着能力を把握するためには、大気ポート２４側にも温度センサを設けることが望ましい。

図９に示す構成によれば、実施の形態１，２と同様の方法により、キャニスタ温度センサ３４の検出値からベーパポート２２側の活性炭３０における燃料ベーパ吸着量を求めることができ、また、キャニスタ温度センサ３５の検出値から大気ポート２４側の活性炭３０における燃料ベーパの吸着量を求めることができる。

また、活性炭３０の燃料吸着能力が飽和した場合の単位活性炭質量あたりの吸着量ｍ_ｓ飽和を実験等により予め求めておく。そして、算出した吸着量ｍ_ｓと吸着量ｍ_ｓ飽和を比較することで、活性炭３０の吸着能力が飽和しているか否かを判定することができる。これにより、ベーパポート２２側と大気ポート２４側の双方で活性炭３０の吸着能力が飽和しているか否かを判別することができる。なお、大気ポート２４から燃料ベーパが大気に放出されることを確実に抑止するためには、安全率を見込んだ上で、算出した吸着量ｍｓと吸着量ｍ_ｓ飽和を比較することが望ましい。

上述したように、燃料ベーパはベーパポート２２側から大気ポート側２４に向かって順次吸着されていくため、ベーパポート２２側の活性炭３０が飽和している場合であっても、大気ポート２４側の活性炭３０が飽和していない場合は、引き続きVSVバルブ３６を開いてキャニスタ２０へ燃料ベーパを吸着させることができる。一方、大気ポート２４側の活性炭３０が飽和している場合は、既にペーパポート２２側の活性炭３０も飽和していると考えられるため、大気ポート２４を経由して燃料ベーパが外気に放出されてしまうことを防ぐためには、VSVバルブ３６を閉じてキャニスタ２０への燃料ベーパの流入を停止させることが望ましい。

以上説明したように実施の形態２によれば、ベーパポート２２側のキャニスタ温度センサ３４に加えて、大気ポート２４の近傍にキャニスタ温度センサ３５を配置したため、キャニスタ２０の燃料ベーパの吸着能力が飽和しているか否かをより正確に判定することが可能となる。そして、燃料ベーパの吸着能力が飽和している場合は、VSVバルブ３６を閉じることで、燃料ベーパが大気ポート２４から外気に放出されることを抑止できる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４は、実施の形態１の方法で吸着熱ｄｑを算出する際に、伝熱によりキャニスタ２０の外部へ逃げる熱量を考慮して、より正確に吸着熱ｄｑを算出するものである。

図１０は、実施の形態４にかかるキャニスタ２０を示す模式図である。図１０に示すように、実施の形態４では、ベーパポート２２側のキャニスタ２０の外周に、熱流束センサ３８を設けている。実施の形態３のその他の構成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態１で説明したように、熱伝導によって熱がキャニスタ２０の外部に逃げなければ、キャニスタ２０の内部エネルギーＥ_ａｄｓの変化量ｄＥ_ａｄｓと吸着熱ｄｑは等しくなり、（２）式の関係が成立する。しかし、発生した吸着熱ｄｑの一部はキャニスタ２０の外部に逃げるため、より好適には、伝熱による熱損失分を考慮して吸着熱ｄｑを算出することが望ましい。実施の形態４では、熱流速センサ３８によって外部への熱損失分を求め、熱損失分を考慮して吸着熱ｄｑを算出することで、燃料ベーパ吸着量の算出精度をより向上させるものである。

熱流束センサ３８では、単位面積あたりの熱流束ｈ［Ｗ／ｍ^２］が計測される。従って、キャニスタ２０の表面における熱流束センサ３８の面積Ｓ［ｍ^２］を熱流束ｈに乗算することで、単位時間あたりの外部への熱損失エネルギー［Ｗ］を求めることができる。更に、熱流束ｈを計測した時間Δｔを単位時間あたりの熱損失エネルギー［Ｗ］乗算することで、キャニスタ２０から外部に逃げた熱損失エネルギーＱ_ｌｏｓｓ［Ｊ］を算出することができる。すなわち、熱損失エネルギーをＱ_ｌｏｓｓは、以下の（１４）式から算出することができる。

Ｑ_ｌｏｓｓ＝ｈ・Ｓ・Δｔ ・・・（１４）

ここでは、VSVバルブ３６を開いている間の熱損失エネルギーＱ_ｌｏｓｓを求めるため、（１４）式のΔｔは、VSVバルブ３６を開いている時間としておく。

（１４）式から熱損失エネルギーＱ_ｌｏｓｓを求めた後は、Ｑ_ｌｏｓｓを（２）式の右辺に加算する。これにより、（１）式から算出した吸着熱ｄｑに熱損失エネルギーＱ_ｌｏｓｓが加算され、熱損失を考慮した上でキャニスタ２０の内部エネルギーの変化量ｄＥ_ａｄｓを正確に算出することが可能となる。そして、燃料ベーパ吸着量を算出する際には、（１１）式、（１２）式、（１３）式のｄｑにＱ_ｌｏｓｓを加算することで、吸着量ｍ_ｓをより正確に算出することが可能となる。

以上説明したように実施の形態３によれば、熱流束センサ３８の検出値に基づいて、吸着の際にキャニスタ２０の外部に逃げた熱損失エネルギーＱ_ｌｏｓｓを求めることができる。従って、吸着熱ｄｑに熱損失エネルギーＱ_ｌｏｓｓを加算することで、吸着の際に発生した熱量をより正確に算出することが可能となり、キャニスタ２０における燃料ベーパの吸着量をより高い精度で算出することが可能となる。

実施の形態１の蒸発燃料処理装置の概要を示す模式図である。 燃料ベーパが活性炭に吸着される様子を示す模式図である。 単位質量あたりの吸着相のエネルギーＥ_Ｓが単位活性炭質量あたりの燃料ベーパの吸着量ｍ_ｓに応じて変動する様子を示す特性図である。 吸着ポテンシャルｆ（ν）とν（＝ｍ_ｓ／ρ_Ｌ）の関係を実験的に求めた特性図である。 実施の形態１の蒸発燃料処理装置における処理の手順を示すフローチャートである。 図５のステップＳ６において、吸着量ｍ_ｓ（ｋ）を算出する処理を詳細に示すフローチャートである。 VSVバルブが開いている間の温度変化量ΔＴが同じ場合に、VSVバルブを開いた時点の吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）の相違が、VSVバルブが開いている間の吸着量の変化量Δｍ_ｓに与える影響を説明するための模式図である。 前回算出した吸着量ｍ_ｓ（ｋ−１）、温度変化量ΔＴ、VSVバルブを開いている間の吸着量の変化量Δｍ_ｓ、の関係を定めたマップを示す模式図である。 実施の形態３にかかるキャニスタを示す模式図である。 実施の形態４にかかるキャニスタを示す模式図である。

符号の説明

２０ キャニスタ
３４，３５ キャニスタ温度センサ
３６ VSVバルブ
３８ 熱流束センサ
４０ ＥＣＵ

Claims (7)

1. 燃料タンク内で発生する蒸発燃料を吸着し、吸着した蒸発燃料を脱離するキャニスタと、
   前記キャニスタの温度を検出するキャニスタ温度検出手段と、
   前記キャニスタの温度と、以前に求めた前記キャニスタの蒸発燃料吸着量とに基づいて、蒸発燃料を吸着又は脱離させた際の前記キャニスタの蒸発燃料吸着量を推定する吸着量推定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の蒸発燃料処理装置。
2. 前記吸着量推定手段は、
   前記キャニスタの温度に基づいて、蒸発燃料の吸着時に発生する吸着熱を算出する吸着熱算出手段を備え、
   前記吸着熱、前記キャニスタの温度、及び前記蒸発燃料吸着量の間に成立する関係から前記蒸発燃料吸着量を推定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。
3. 前記吸着熱算出手段は、前記キャニスタの外部への前記吸着熱の熱損失を求める手段を含み、前記熱損失を考慮して前記蒸発燃料吸着量を推定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。
4. 前記吸着量推定手段は、前記キャニスタの温度と前記蒸発燃料吸着量との関係を規定したマップを含み、
   前記マップから前記蒸発燃料吸着量を推定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。
5. 推定した前記蒸発燃料吸着量と前記キャニスタが飽和した場合の飽和吸着量との比較の結果に基づいて、前記キャニスタの吸着能力が飽和しているか否かを判定する判定手段と、
   前記キャニスタの吸着能力が飽和している場合は、前記キャニスタにおける蒸発燃料の吸着を停止させる手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。
6. 前記キャニスタ温度検出手段が、前記キャニスタ内の複数の箇所に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。
7. 前記キャニスタ温度検出手段が、前記キャニスタ内において、蒸発燃料が流入するパージポートの近傍と、大気に開放された大気ポートの近傍に設けられていることを特徴とする請求項６記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。

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