JP2006226170A - 内燃機関の蒸発燃料処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の燃焼安定性の向上と、水素消費量の抑制とを両立させる蒸発燃料処理装置を提供する。
【解決手段】 燃料タンク１４で発生した蒸発燃料をキャニスタ１０により捕捉する。キャニスタ１０のパージ用ガスとして、水素タンク１８に充填された水素、又は、空気通路２２から吸入する空気を用いる。内燃機関３０の燃焼モードに応じて、パージ用ガスを使い分ける。成層燃焼モード又はリーン燃料モードである場合は水素でキャニスタ１０をパージし、それ以外は空気でキャニスタ１０をパージする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、内燃機関において生じた蒸発燃料を処理する内燃機関の蒸発燃料処理装置に関する。

内燃機関の燃料タンクにおいて生じた蒸発燃料をキャニスタにより捕捉する蒸発燃料処理装置が知られている。キャニスタの捕捉容量には限界があるため、キャニスタをパージする必要がある。しかし、パージによって得られた混合気中の蒸発燃料の濃度は不安定である。このような混合気が気筒内に供給されると、例えば、リーン燃焼のような運転状態では燃焼に支障をきたすおそれがある。特開２００１−２９５７０８号公報には、キャニスタで捕捉した蒸発燃料を水蒸気でパージし、改質反応により水素を生成する装置が開示されている。水素は、燃焼性に優れているので、混合気中の蒸発燃料の濃度が不安定であっても、気筒内で安定した燃焼が得られる。

特開２００１−２９５７０８号公報

しかしながら、上記改質反応による水蒸気から水素への転換効率は低い。このため、上記装置では十分な水素を得ることができない。混合気中の水素の量が不十分である場合には、内燃機関における燃焼を十分に安定化させることができない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関において十分な燃焼安定性が得られる蒸発燃料処理装置を提供することを目的とする。また、この発明は、内燃機関の燃焼安定性の向上と、水素消費量の抑制とを両立させ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、内燃機関において生ずる蒸発燃料を処理するための蒸発燃料処理装置であって、
燃料タンクで発生した蒸発燃料を捕捉するキャニスタと、
前記キャニスタに捕捉された蒸発燃料を水素でパージし、蒸発燃料と水素を含む混合気を吸気通路に供給するパージ手段とを備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、内燃機関において生ずる蒸発燃料を処理するための蒸発燃料処理装置であって、
水素と、燃料タンクで発生した蒸発燃料とを捕捉するキャニスタと、
前記キャニスタに捕捉された水素及び蒸発燃料を空気でパージし、蒸発燃料と水素を含む混合気を吸気通路に供給するパージ手段とを備えたことを特徴とする。

また、第３の発明は、内燃機関において生ずる蒸発燃料を処理するための蒸発燃料処理装置であって、
燃料タンクで発生した蒸発燃料を捕捉するキャニスタと、
前記キャニスタに捕捉された蒸発燃料をパージ用ガスでパージし、蒸発燃料を含む混合気を吸気通路に供給するパージ手段と、
前記パージ手段により用いられる前記パージ用ガスを空気と水素の何れかに切り替える切り替え手段とを含むことを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記切り替え手段は、内燃機関の運転状態に応じて前記パージ用ガスの切り替えを行うものであることを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記内燃機関の運転状態がリーン燃焼であるか、あるいはストイキ若しくはリッチ燃焼であるかを判断する運転状態判断手段を更に備え、
前記切り替え手段は、運転状態がリーン燃焼である場合には前記パージ手段に水素を供給し、運転状態がストイキ若しくはリッチ燃焼である場合には前記パージ手段に空気を供給するものであることを特徴とする。

第１の発明によれば、キャニスタに捕捉された蒸発燃料を水素でパージすることにより、十分な量の水素を蒸発燃料に混合させることができる。これにより、気筒内の混合気の燃焼が良好になり、内燃機関において十分な燃焼安定性が得られる。

第２の発明によれば、キャニスタに捕捉された水素及び蒸発燃料を空気でパージすることにより、十分な量の水素を蒸発燃料に混合させることができる。これにより、気筒内の混合気の燃焼が良好になり、内燃機関において十分な燃焼安定性が得られる。

第３の発明によれば、キャニスタに捕捉された蒸発燃料を水素でパージすることにより、十分な量の水素を蒸発燃料に混合させることができる。この結果、気筒内のパージガスの燃焼が良好となり、内燃機関において十分な燃焼安定性が得られる。また、パージ用ガスを空気と水素の何れかに切り替えることができるため、不必要な水素の消費を抑制することができる。従って、燃焼安定性の向上と、水素消費量の抑制とを両立させることができる。

第４の発明によれば、内燃機関の運転状態に応じてパージ用ガスを切り替えることにより、運転状態が燃焼安定性に優れている場合には不必要な水素の消費を抑制することができる。従って、燃焼安定性の向上と、水素消費量の抑制とを両立させることができる。

第５の発明によれば、運転状態がリーン燃焼である場合には水素をパージ用ガスとして用いることにより、十分な量の水素を蒸発燃料に混合させることができる。この結果、気筒内のパージガスの燃焼が良好となり、内燃機関において十分な燃焼安定性が得られる。また、運転状態がストイキ又はリッチ燃焼である場合には空気をパージ用ガスとして用いることにより、不必要な水素の消費を抑制することができる。従って、燃焼安定性の向上と、水素消費量の抑制とを両立させることができる。

以下、図面を参照してこの発明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。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１によるシステムの構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施の形態１のシステムは、キャニスタ１０を備えている。キャニスタ１０は、ベーパ通路１２を介して燃料タンク１４に連通している。ベーパ通路１２の途中には、逆止弁１３が設けられている。キャニスタ１０は、蒸発燃料（「ベーパ」ともいう。）を捕捉する吸着材を有する。吸着材は、例えば、活性炭である。キャニスタ１０は、水素通路１６を介して水素タンク１８に連通している。水素タンク１８には、パージ用の水素ガスが充填されている。水素通路１６の途中には、水素供給バルブ２０が設けられている。

また、キャニスタ１０は、パージ通路２６を介して内燃機関３０の吸気通路３２に連通している。パージ通路２６の途中にはパージバルブ２８が設けられている。吸気通路３２には、パージ通路２６との連通箇所よりも上流側にスロットルバルブ３４が設けられている。吸気通路３２は、内燃機関３０の吸気ポート３６に連通している。内燃機関３０は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁３８を備えている。燃料噴射弁３８は、図示しないレギュレータ、バルブ、ポンプを介して燃料タンク１４に連通している。

本実施の形態１のシステムは、図１に示すように、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。上記水素供給バルブ２０、パージバルブ２８、スロットルバルブ３４及び燃料噴射弁３８等は、それぞれＥＣＵ４０と電気的に接続されており、ＥＣＵ４０によって制御されている。

［実施の形態１の特徴］
次に、本実施の形態１における上記システムの動作について説明する。
燃料タンク１４で発生した蒸発燃料は、ベーパ通路１２を通ってキャニスタ１０に流入する。流入した蒸発燃料はキャニスタ１０の吸着材により捕捉される。内燃機関３０の運転中に、パージバルブ２８が開弁すると、パージ通路２６を介して吸気負圧がキャニスタ１０に作用する。そして、水素供給バルブ２０が開弁すると、水素タンク１８内の水素が水素通路１６を通ってキャニスタ１０に導入される。この導入された水素によってキャニスタ１０がパージされる。パージによって得られた蒸発燃料及び水素を含む混合気は、吸気負圧によりパージ通路２６を介して吸気通路３２に供給される。その後、混合気は吸気ポート３６を介して気筒内に供給される。その後、燃料噴射弁３８から気筒内に燃料が噴射される。これにより、燃料が、蒸発燃料及び水素を含む混合気と混合される。点火プラグ３７により点火されると、気筒内の混合気が燃焼する。

このように、本実施の形態１では、キャニスタ１０に捕捉された蒸発燃料を水素によってパージし、そのパージにより得られた混合気を気筒内で燃焼させるようにした。水素は可燃範囲が広く燃焼性に優れている。よって、混合気中の蒸発燃料の濃度が不安定である場合でも、気筒内で安定した燃焼が得られる。しかも、ＥＣＵ４０による水素供給バルブ２０の開閉制御によって、混合気中の水素の量を任意に制御することができるので、混合気中の水素が不足することはない。よって、濃度の不安定な蒸発燃料を含む混合気が筒内に供給された場合でも、内燃機関３０において良好な燃焼安定性が得られる。その結果、気筒内で失火を防止することができ、排気通路３９に排出される未燃ＨＣの量を減らすことができる。

本実施の形態１は、リーン燃焼を行う内燃機関に対して好適である。なかでも、よりリーンな空燃比を実現できる成層燃焼によるリーン燃焼運転を行う内燃機関に対して特に好適である。このようなリーン燃焼を行う場合でも混合気中に十分に含有された水素により失火を防ぐことができ、気筒内で安定した燃焼が得られる。

なお、本実施の形態１では、気筒内に燃料を噴射するシステムについて説明したが、吸気ポート３６に燃料を噴射するシステムであっても上記実施の形態１と同様の効果が得られる。すなわち、ポート噴射を行うシステムにおいて、リーン燃焼運転を行う場合でも、気筒内で安定した燃焼が得られる（後述する実施の形態２，３についても同様）。

また、本実施の形態１では水素タンク１８からキャニスタ１０に水素を供給するシステムについて説明したが、燃料の改質反応により、あるいは、水素化燃料の脱水素反応により車上で生成した水素をキャニスタ１０に供給するシステムを用いてもよい（後述する実施の形態２，３についても同様）。
さらに、水素を燃焼促進剤として気筒内に噴射するシステムを用いてもよい。（後述する実施の形態２，３についても同様）、この場合、筒内噴射用の水素を蓄える水素タンクと、上記実施の形態１で説明した水素タンク１８とを共有させることができる。

実施の形態２．
［システム構成の説明］
図２は、本発明の実施の形態２によるシステムの構成を説明するための図である。図２に示すように、本実施の形態２のシステムは、キャニスタ１０に連通する空気通路２２を更に備えている。空気通路２２の先端は大気に開放されている。空気通路２２の途中には、空気供給バルブ２４が設けられている。空気供給バルブ２４は、ＥＣＵ４０と電気的に接続されている。空気は、キャニスタ１０のパージに用いられる。

また、本実施の形態２のシステムでは、キャニスタ１０の吸着材として、蒸発燃料と水素の両方を捕捉可能なものが用いられる。なお、キャニスタ１０内に、蒸発燃料のみを捕捉する蒸発燃料専用吸着材と、水素のみを捕捉する水素専用吸着材とを設けてもよい。また、水素タンク１８内の水素は、実施の形態１で説明したようにパージ用ガスとして用いられるのではなく、キャニスタ１０の吸着材に捕捉させるために用いられる。
それ以外の構成は、図１に示した実施の形態１のシステムと同様である。

［実施の形態２の特徴］
次に、本実施の形態２における上記システムの動作について説明する。
実施の形態１と同様にして、燃料タンク１４で発生した蒸発燃料は、キャニスタ１０の吸着材により捕捉される。また、内燃機関３０の運転中に、パージバルブ２８が開弁すると、パージ通路２６に吸気負圧が生じる。さらに、水素供給バルブ２０が開かれると、吸気負圧により水素タンク１８内の水素が水素通路１６を通ってキャニスタ１０に導入され、蒸発燃料と共に吸着材により捕捉される。
その後、空気供給バルブ２４が開弁すると、吸気負圧により空気が空気通路２２を通ってキャニスタ１０に導入される。この導入された空気によってキャニスタ１０がパージされる。パージによって得られた蒸発燃料と水素を含む混合気は、吸気負圧によりパージ通路２６を通って吸気通路３２に供給される。その後、実施の形態１と同様に、混合気は吸気ポート３６を介して気筒内に供給される。さらに、燃料噴射弁３８から気筒内に燃料が噴射される。これにより、燃料が、蒸発燃料及び水素を含む混合気と混合される。点火プラグ３７により点火されると、気筒内の混合気が燃焼する。

以上説明したように、本実施の形態２では、キャニスタ１０に捕捉された蒸発燃料と水素を空気によってパージし、そのパージにより得られた混合気を気筒内で燃焼させるようにした。よって、本実施の形態２においても、十分な量の水素を蒸発燃料に混合させることができる。このため、混合気中の蒸発燃料の濃度が不安定である場合でも、気筒内で安定した燃焼が得られる。よって、実施の形態１と同様の効果が得られる。
本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、リーン燃焼運転時でも、混合ガス中に十分含有された水素により失火を防ぐことができ、気筒内で安定した燃焼が得られる。

実施の形態３．
［システム構成の説明］
本実施の形態３において、図２に示した実施の形態２のシステムを用いることができる。但し、水素タンク１８に充填された水素は、実施の形態２のように吸着材に捕捉させるために用いられるのではなく、実施の形態１のようにパージ用ガスとして用いられる。

［実施の形態３の特徴］
次に、本実施の形態３のシステムの動作について説明する。
実施の形態１では、燃料タンク１４で発生した蒸発燃料をキャニスタ１０により捕捉させ、それを水素でパージしている。しかし、水素タンク１８内の水素の量は有限であり、できるだけ水素消費量を抑えることが望ましい。また、水素タンクのサイズを大きくすることは、車輌搭載スペースにより制限される。

本実施の形態３では、以下に述べる手法により、燃焼安定性の向上と、水素消費量の抑制とが両立される。
すなわち、本実施の形態３のシステムでは、例えば、リーン燃焼運転のような燃料濃度の影響を受けやすい燃焼状態では、水素でキャニスタ１０をパージする。上述したように、リーン燃焼運転時でも混合気中に十分な量の水素を含有させることにより、気筒内で十分な燃焼安定性を得ることができる。一方、ストイキ若しくはリッチ運転のような比較的燃焼が安定した運転状態では、空気でキャニスタ１０をパージする。ストイキ若しくはリッチ燃焼運転時に蒸発燃料の濃度が不安定な混合気が気筒内に供給されても、さほど燃焼安定性には影響しないためである。

［実施の形態３における具体的処理］
図３は、本実施の形態３においてＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンによれば、先ず、内燃機関の運転状態が成層燃焼によるリーン燃焼モード（以下「成層燃焼モード」という。）であるか否かが判別される（ステップ１０）。
ステップ１０で成層燃焼モードでないと判別された場合、内燃機関の運転状態が均一混合によるリーン燃焼モード（以下、単に「リーン燃焼モード」という。）であるか否かが判別される（ステップ１２）。

ステップ１２でリーン燃焼モードでないと判別された場合、すなわち、成層燃焼モードとリーン燃焼モードの何れでもない場合には、内燃機関の運転状態が、空燃比フィードバックあるいはオープンループによるストイキ若しくはリッチ燃焼になっている。この場合、ＥＣＵ４０は、空気を用いてキャニスタ１０のパージを実行する（ステップ１４）。

一方、ステップ１０で成層燃焼モードであると判別された場合、及び、ステップ１２でリーン燃焼モードであると判別された場合には、ＥＣＵ４０は、水素を用いてキャニスタ１０のパージを実行する（ステップ１６）。この結果、十分な量の水素が蒸発燃料と混合され、混合気が気筒内に供給される。

次回以降本ルーチンが起動されると、燃焼モードに応じて空気によるキャニスタパージ又は水素によるキャニスタパージが実行される。その結果、燃焼安定性の向上と、水素消費量の抑制とが両立される。

以上説明したように、図３に示すルーチンによれば、燃焼モードが成層燃焼モード又はリーン燃焼モードである場合には、水素によるキャニスタパージを実行することにより、内燃機関３０の燃焼安定性を向上させることができる。このため、内燃機関３０から排出される未燃ＨＣの量を抑制することができる。
また、同ルーチンによれば、燃焼モードが成層燃焼モードでもリーン燃焼モードでもない場合には、空気によるキャニスタパージを実行することにより、水素の消費量を抑制することができる。
従って、燃焼安定性の向上と、水素消費量の抑制とを両立することができる。

ところで、本実施の形態３では、成層燃焼モード時又はリーン燃焼モード時に水素によるキャニスタパージを実行したが、より燃焼が不安定になりやすい成層燃焼モード時にのみ水素によるキャニスタパージを実行してもよい。

また、成層燃焼モード時とリーン燃料モード時とで、パージに用いられる水素の量を変えてもよい。

なお、本実施の形態３においては、ＥＣＵ４０が、ステップ１０及びステップ１２の処理を実行することにより第５の発明における「運転状態判断手段」が、ステップ１４又は１６の処理を実行することにより第３〜第５の発明における「切り替え手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１によるシステムの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２によるシステムの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ キャニスタ
１２ ベーパ通路
１３ 逆止弁
１４ 燃料タンク
１６ 水素通路
１８ 水素タンク
２０ 水素供給バルブ
２２ 空気通路
２４ 空気供給バルブ
２６ パージ通路
２８ パージバルブ
３０ 内燃機関
３２ 吸気通路
３４ スロットルバルブ
３６ 吸気ポート
３７ 点火プラグ
３８ 燃料噴射弁
３９ 排気通路
４０ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 内燃機関において生ずる蒸発燃料を処理するための蒸発燃料処理装置であって、
   燃料タンクで発生した蒸発燃料を捕捉するキャニスタと、
   前記キャニスタに捕捉された蒸発燃料を水素でパージし、蒸発燃料と水素を含む混合気を吸気通路に供給するパージ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. 内燃機関において生ずる蒸発燃料を処理するための蒸発燃料処理装置であって、
   水素と、燃料タンクで発生した蒸発燃料とを捕捉するキャニスタと、
   前記キャニスタに捕捉された水素及び蒸発燃料を空気でパージし、蒸発燃料と水素を含む混合気を吸気通路に供給するパージ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。
3. 内燃機関において生ずる蒸発燃料を処理するための蒸発燃料処理装置であって、
   燃料タンクで発生した蒸発燃料を捕捉するキャニスタと、
   前記キャニスタに捕捉された蒸発燃料をパージ用ガスでパージし、蒸発燃料を含む混合気を吸気通路に供給するパージ手段と、
   前記パージ手段により用いられる前記パージ用ガスを空気と水素の何れかに切り替える切り替え手段とを含むことを特徴とする内燃機関の蒸発燃料処理装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置において、
   前記切り替え手段は、内燃機関の運転状態に応じて前記パージ用ガスの切り替えを行うものであることを特徴とする内燃機関の蒸発燃料処理装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置において、
   前記内燃機関の運転状態がリーン燃焼であるか、あるいはストイキ若しくはリッチ燃焼であるかを判断する運転状態判断手段を更に備え、
   前記切り替え手段は、運転状態がリーン燃焼である場合には前記パージ手段に水素を供給し、運転状態がストイキ若しくはリッチ燃焼である場合には前記パージ手段に空気を供給するものであることを特徴とする内燃機関の蒸発燃料処理装置。

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