JP3876632B2 - 内燃機関の蒸発燃料処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の蒸発燃料処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃料タンクにおいて燃料の蒸発を防止することは困難であり、この蒸発燃料を大気中へ放出しないようにしなければならない。一般的に、蒸発燃料は、吸気管負圧によって機関吸気系へ吸入され、気筒内での燃焼に使用される。しかしながら、近年、ポンピング損失の低減等のために、吸入空気をあまり絞ることなく機関運転を実施することもあり、このような場合では、吸気管負圧が発生せず、蒸発燃料を機関吸気系へ吸入することができない。また、蒸発燃料を気筒内へ供給した時の空燃比制御が難しく、未燃燃料の排出量が増加することもある。
【０００３】
それにより、蒸発燃料は液化させて燃料タンクへ戻すことが望ましく、特開平６−１４７０３７号公報には、ポンプを使用して蒸発燃料を含む空気をガス分離器へ導き、このガス分離器によって蒸発燃料を分離させ、分離させた蒸発燃料を液化して燃料タンクへ戻すことが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、機関運転中は走行風によって燃料タンク自身が冷却されるために、燃料タンク内の蒸発燃料はそれほど多くない。一方、機関停止直後は、走行風がなく機関本体からの熱伝導によって燃料タンクの温度が上昇し、比較的多量の蒸発燃料が発生する。こうして、蒸発燃料を液化して燃料タンクへ戻すことが必要なのは、主に機関停止時である。それにより、前述の従来技術では、機関停止時において、ポンプを燃料タンクの温度が低下するまでの比較的長い時間作動させなければならず、大型のバッテリが必要となる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、バッテリの大型化を伴うことなく、燃料タンクへ戻す等のために機関停止中の蒸発燃料を液化させることを可能とする内燃機関の蒸発燃料処理装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置は、機関停止中の蒸発燃料を蓄蔵して機関運転中に放出することを可能とする蓄蔵放出手段と、前記蓄蔵放出手段によって機関運転中に放出させた蒸発燃料を液化する液化手段とを具備し、前記蓄蔵放出手段は、蒸発燃料を蓄蔵するキャニスタと、前記キャニスタから蒸発燃料を放出させるために前記キャニスタへ気体を供給する第一ポンプとを具備し、前記液化手段は、蒸発燃料を含む前記気体を高濃度に蒸発燃料を含む気体と低濃度に蒸発燃料を含む気体とに分離する分離装置を具備し、前記高濃度に蒸発燃料を含む気体から蒸発燃料を液化させ、前記低濃度に蒸発燃料を含む気体を前記第一ポンプに吸入させるために前記キャニスタと前記分離装置と前記第一ポンプとが循環路に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置は、請求項１に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置において、前記液化手段は、前記高濃度に蒸発燃料を含む気体を液体燃料へ加圧溶解させることによって蒸発燃料を液化することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置は、請求項２に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置において、前記液化手段は、加圧溶解後の気体を前記循環路に流入させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置は、請求項２又は３に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置において、前記液化手段は、燃料噴射装置へ液体燃料を供給するための燃料ポンプを使用して前記気体を液体燃料へ加圧溶解させることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による内燃機関の蒸発燃料処理装置の第一実施形態を示す概略図である。同図において、１は燃料タンクである。燃料タンク１内には、液状燃料を燃料供給装置へ供給するための燃料ポンプ２が配置されている。この燃料ポンプ２は、例えば電気駆動式であり、吐出圧力はそれほど高くはない。燃料供給装置として、機関吸気ポートへ燃料を噴射するものである場合には、燃料ポンプ２によって燃料を燃料供給装置へ供給することより、燃料ポンプ２の吐出圧力を使用して燃料噴射が可能である。燃料供給装置が圧縮行程後半の高圧の気筒内へ燃料を噴射する等のために高圧燃料を噴射するものである場合には、燃料供給装置は、通常、機関駆動式等の高圧ポンプを有している。しかしながら、この高圧ポンプによって燃料タンク１内の燃料を直接的に吸入すると、負圧によって吸入燃料にベーパが発生することがあるために、燃料ポンプ２によって燃料供給装置へ燃料を供給して高圧ポンプへ吸入される燃料を昇圧することが好ましい。
【００１２】
燃料タンク１は、機関停止直後において、走行風による冷却がなくなって機関本体からの熱伝導によって温度上昇し、比較的多量に燃料を蒸発させる。それにより、この蒸発燃料が大気中へ放出されないように処理する必要がある。また、機関停止直後に給油が実施されると、燃料タンク１内の蒸発燃料を含む空気が燃料タンク１から多量に排出されることとなり、この蒸発燃料を含む空気がそのまま大気中へ放出されないようにしなければならない。
【００１３】
一般的な蒸発燃料処理装置は、吸気管負圧を利用し、蒸発燃料を含む空気を気筒内へ供給して燃焼させる。しかしながら、これはスロットル弁によって吸入空気量を制御する均質燃焼の場合だけに有効である。圧縮行程後半の気筒内へ直接的に燃料を噴射して点火プラグ近傍だけに可燃混合気を形成する成層燃焼の場合には、吸気行程中に気筒内へ供給される蒸発燃料が気筒内全体に希薄な混合気を形成することとなり、この希薄な混合気へは可燃混合気の火炎が十分に伝播しないために、気筒内に供給された蒸発燃料は未燃燃料として排出させるだけとなる。
【００１４】
また、このような成層燃焼は希薄燃焼を可能とするために、スロットル弁を全開近傍として多量の吸気が気筒内へ供給されるようにしてポンピング損失を低減するようになっている。それにより、吸気管負圧が発生せず、蒸発燃料を気筒内へ供給するには専用のポンプが必要となる。
【００１５】
こうして、燃料タンク１内の蒸発燃料は液化させて燃料タンク１へ戻すことが望ましい。本実施形態の蒸発燃料処理装置は、キャニスタ３と、燃料タンク１内の蒸発燃料をキャニスタ３へ導くための導入管４と、キャニスタ３を通して気体を循環させる循環路５と、キャニスタ３の下流側において循環路５に配置された気体分離装置６と、循環路５において気体を循環させるための第一ポンプ７とを有している。
【００１６】
８は設定圧力で開弁する逆止弁８ａを備えた排出通路であり、キャニスタ３内の気体圧力が異常に高まった時に気体をキャニスタ３から排出するのに使用される。例えば、給油時には、燃料タンク１内の気体が、導入管４を介して多量にキャニスタ３へ流入するために、キャニスタ３内の気体圧力が異常に高くなる。この時には、逆止弁８ａが開弁され一部の気体を大気中へ放出する。大気中へ放出される気体はキャニスタ３を確実に通過しているために、蒸発燃料は、キャニスタ３に吸着され、大気中へ放出されることはない。
【００１７】
９は設定圧力で開弁する逆止弁９ａを備えた流入通路であり、キャニスタ３内の気体圧力が負圧となる時に空気をキャニスタ３内へ吸入するのに使用される。キャニスタ３内への異物の混入を防止するために、流入通路９は、独自にエアクリーナを有するか、又は、機関吸気通路内の空気、すなわち、エアクリーナを通過した後の空気を吸入することが好ましい。１０は循環路５内の気体圧力が異常に大きな負圧となることを防止する流入路であり、制御弁１０ａを有して第一ポンプ７の直上流側で循環路５に接続されている。第一ポンプ７の直上流側は、第一ポンプ７による吸入によって負圧となることがあるが、この程度の負圧では、制御弁１０ａを開弁して空気を流入させる必要はない。もちろん、流入路１０から吸入される空気からも異物を除去することが好ましい。
【００１８】
気体分離装置６は筒状の浸透気化膜６ａを有し、気体は、筒状の浸透気化膜６ａ内に通り循環路５を循環するようになっている。浸透気化膜の外側空間には、第二ポンプ１１が配置された吸引通路１２が接続されている。吸引通路１２は、燃料タンク１内の底近傍を通り、燃料タンク１外に位置する気液分離装置１３の底部へ接続され、気液分離装置１３の底部と燃料タンク１内とは、設定圧力で開弁する逆止弁１４ａを有する戻し通路１４によって連通されている。
【００１９】
気液分離装置１３の上部は、接続管１５によって循環路５におけるキャニスタ３の直下流側に接続されている。この接続管１５には、気液分離装置１３から循環路５への気体流れのみを許容する逆止弁１５ａが配置されている。
【００２０】
このように構成された蒸発燃料処理装置は、機関運転中において、第一ポンプ７及び第二ポンプ１１を作動する。それにより、導入管４を介してキャニスタ３に吸着された蒸発燃料は、第一ポンプ７によりキャニスタ３へ供給される気体によってキャニスタ３から循環路５へ放出される。この蒸発燃料を含む気体は、気体分離装置６へ流入する。気体分離装置６に配置された浸透気化膜６ａは、空気の主成分である酸素及び窒素に比較して蒸発燃料である炭化水素を通過させ易いものであり、浸透気化膜６ａを介して第二ポンプ１１により吸引通路１２へ吸引される気体は高濃度の蒸発燃料を含む気体となり、一方、浸透気化膜６ａを多くの蒸発燃料が通過するために、気体分離装置６から循環路５に流出する気体は低濃度の蒸発燃料しか含んでいないこととなる。
【００２１】
高濃度の蒸発燃料を含む気体は、燃料タンク１内の燃料によって冷却された吸引通路１２を通過する際に冷却されて、気液分離装置１３内の液体燃料へ送り込まれる。この気体は、冷却されていると共に第二ポンプ１１によって加圧されているために、液体燃料へ送り込まれると、蒸発燃料は容易に液化する。このような加圧溶解は蒸発燃料の効率的な液化を可能とする。
【００２２】
こうして、殆どの蒸発燃料は液化するが、僅かの蒸発燃料を含む気体が、第二ポンプ１１の吐出圧力を有して気液分離装置１３の上部に溜まり、循環路１５との圧力差によって逆止弁１５ａが開弁することにより接続管１５を介して循環路５へ戻される。一方、気液分離装置１３の液体燃料は、逆止弁１４ａが開弁する時に戻し管１４を介して燃料タンク１内へ戻される。この逆止弁１４ａは、大気圧より高い設定圧力とならないと開弁せず、それにより、気液分離装置１３内の液体燃料が全て燃料タンクへ戻されることを防止している。
【００２３】
機関運転中は、ジェネレータによって発電されているために、第一ポンプ７及び第二ポンプ１１を常に作動させていても特に問題はないが、本蒸発燃料処理装置は、キャニスタ３を有して所定量の蒸発燃料を蓄蔵可能であるために、第一ポンプ７及び第二ポンプ１の作動を間欠的としても良い。
【００２４】
機関停止直後は、前述したように、機関運転中よりも多量の蒸発燃料が発生する。それにより、もし、キャニスタ３を有していなければ、機関停止直後に上昇した燃料タンク１の温度が低下するまで第一ポンプ７及び第二ポンプ１１を作動して蒸発燃料を液化しなければならず、バッテリの大型化が必要となる。しかしながら、本蒸発燃料処理装置では、キャニスタ３を有しており、機関停止中の蒸発燃料をキャニスタ３に蓄蔵することができるために、次の機関運転時に第一ポンプ７及び第二ポンプ１１を作動すれば、機関停止中の蒸発燃料をバッテリの大型化を伴うことなく液化することが可能である。
【００２５】
もちろん、機関停止直後の給油時又は燃料タンクの温度が非常に高くなっていて機関停止中の蒸発燃料がキャニスタ３の蓄蔵可能量を超える可能性がある時には、機関停止直後に第一ポンプ７及び第二ポンプ１１を短時間だけ作動して、機関停止当初の蒸発燃料を液化させることにより、それ以降の蒸発燃料がキャニスタ３の蓄蔵可能量を超えないようにすれば良い。こうして、機関停止直後に短時間だけ第一ポンプ７及び第二ポンプ１１を作動しても、機関停止中の蒸発燃料を機関停止中にほぼ全て液化させるのに必要な大型のバッテリは不要である。
【００２６】
図２は、本発明による内燃機関の蒸発燃料処理装置の第二実施形態を示す概略図である。第一実施形態と同じ構成要素は同じ参照番号を付している。第一実施形態との違いを以下に説明する。本実施形態の蒸発燃料処理装置では、第二ポンプを燃料ポンプ２によって代用するようになっている。すなわち、吸引通路１２内の高濃度に蒸発燃料を含む気体は、燃料ポンプ２によって加圧されて気液分離装置１３へ送り込まれ、また、気液分離装置１３内の液体燃料が燃料ポンプ２の吐出圧力によって燃料供給装置へ圧送されるようになっている。
【００２７】
燃料ポンプ２は、高濃度に蒸発燃料を含む気体と共に燃料タンク１内の液体燃料を吸入して気液体分離装置１３へ圧送するようになっているために、気液分離装置１３内の液体燃料は、機関運転中において燃料供給装置を介して消費されるが、気液体分離装置１３内の液体燃料が無くなるようなことはない。本実施形態では、機関運転中において燃料噴射のために燃料ポンプ２を常に作動させることが必要であるが、第一ポンプ７はキャニスタ３に蓄蔵された蒸発燃料がキャニスタ３の蓄蔵可能量を超えないように間欠的に作動させれば良い。
【００２８】
図３は、本発明による内燃機関の蒸発燃料処理装置の第三実施形態を示す概略図である。第一実施形態と同じ構成要素は同じ参照番号を付している。第一実施形態との違いを以下に説明する。本実施形態の蒸発燃料処理装置は、第一ポンプ７を有する循環路５は設けられていない。キャニスタ３と連通する気体分離装置６’は、浸透気化膜６ａ’によってキャニスタ３側の室と、第二ポンプ１１側の室とに分割されている。第二ポンプ１１を作動することにより、キャニスタ３に蓄蔵された蒸発燃料は放出されて気体分離装置６’へ流入し、浸透気化膜６ａ’を介して高濃度に蒸発燃料を含む気体が吸引通路１２’に吸引される。吸引通路１２’は、この気体を燃料タンク１内の液体燃料へ送り込むことにより、蒸発燃料を液体燃料へ加圧溶解させることができる。
【００２９】
このような構成によって、燃料タンク内の蒸発燃料を含む気体は、キャニスタ３を介して循環し、気体分離装置６’によって蒸発燃料が濃縮されるために、加圧溶解による蒸発燃料の液化が可能となる。本実施形態においても、キャニスタ３を有するために、機関停止中の蒸発燃料の少なくとも一部をキャニスタ３に蓄蔵しておいて次回の機関運転中にキャニスタ３から放出させて液化することができ、第二ポンプ１１の機関停止中における作動時間を短くすることが可能となる。
【００３０】
第一実施形態において、第三実施形態のように気液分離装置１３を設けることなく第二ポンプ１１によって加圧した気体を蒸発燃料液化のために燃料タンク１内の液体燃料へ送り込むようにしても良い。
【００３１】
第一及び第二実施形態において、循環路５から気体分離装置６を介して吸引された一部の気体は、気液分離装置１３を介して接続管１５によって再び循環路５へ戻されるようになっている。それにより、燃料タンク１内の圧力が加圧気体の流入によって上昇するようなことは防止される。この接続管１５と循環路５との接続位置は、キャニスタ３と気体分離装置６との間に限定されることなく、いずれの位置としても良い。
【００３２】
また、循環路５を循環させる気体は、空気に限定されることなく、好ましくは不活性な任意の気体が使用可能であり、例えば、窒素又は二酸化炭素等としても良い。また、気体分離装置６において浸透気化膜６ａは筒状としたが、浸透気化膜６ａを介して高濃度の蒸発燃料を含む気体が吸引通路１２へ吸引可能であれば、どのような形状としても良い。
【００３３】
【発明の効果】
本発明による内燃機関の蒸発燃料処理装置は、機関停止中の蒸発燃料を蓄蔵して機関運転中に放出することを可能とする蓄蔵放出手段と、蓄蔵放出手段によって機関運転中に放出させた蒸発燃料を液化する液化手段とを具備し、蓄蔵放出手段は、蒸発燃料を蓄蔵するキャニスタと、キャニスタから蒸発燃料を放出させるためにキャニスタへ気体を供給する第一ポンプとを具備し、液化手段は、蒸発燃料を含む前記気体を高濃度に蒸発燃料を含む気体と低濃度に蒸発燃料を含む気体とに分離する分離装置を具備し、高濃度に蒸発燃料を含む気体から蒸発燃料を液化させ、低濃度に蒸発燃料を含む気体を第一ポンプに吸入させるためにキャニスタと分離装置と第一ポンプとが循環路に配置されている。それにより、蓄蔵放出手段が、機関停止中に蓄蔵した蒸発燃料の少なくとも一部を次の機関運転中に放出し、液化手段を機関停止中に作動させる機会が減少するために、バッテリの大型化を伴うことなく、燃料タンクへ戻す等のために機関停止中の蒸発燃料を液化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の蒸発燃料処理装置の第一実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明による内燃機関の蒸発燃料処理装置の第二実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明による内燃機関の蒸発燃料処理装置の第三実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
１…燃料タンク
３…キャニスタ
５…循環路
６…気体分離装置
７…第一ポンプ
１１…第二ポンプ

Claims (4)

1. 機関停止中の蒸発燃料を蓄蔵して機関運転中に放出することを可能とする蓄蔵放出手段と、前記蓄蔵放出手段によって機関運転中に放出させた蒸発燃料を液化する液化手段とを具備し、前記蓄蔵放出手段は、蒸発燃料を蓄蔵するキャニスタと、前記キャニスタから蒸発燃料を放出させるために前記キャニスタへ気体を供給する第一ポンプとを具備し、前記液化手段は、蒸発燃料を含む前記気体を高濃度に蒸発燃料を含む気体と低濃度に蒸発燃料を含む気体とに分離する分離装置を具備し、前記高濃度に蒸発燃料を含む気体から蒸発燃料を液化させ、前記低濃度に蒸発燃料を含む気体を前記第一ポンプに吸入させるために前記キャニスタと前記分離装置と前記第一ポンプとが循環路に配置されていることを特徴とする内燃機関の蒸発燃料処理装置。
2. 前記液化手段は、前記高濃度に蒸発燃料を含む気体を液体燃料へ加圧溶解させることによって蒸発燃料を液化することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。
3. 前記液化手段は、加圧溶解後の気体を前記循環路に流入させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。
4. 前記液化手段は、燃料噴射装置へ液体燃料を供給するための燃料ポンプを使用して前記気体を液体燃料へ加圧溶解させることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の蒸発燃料処理装置。

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