JP4175490B2 - 直噴エンジンのための燃料蒸発ガス用フィルタの再生の方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、直噴エンジンのための燃料蒸発ガス用フィルタの再生の方法および装置に関する。
自動車に、燃料蒸発ガス用フィルタを装備することは既に知られている。これらのフィルタの役割は、車両のタンク内に存在する燃料蒸発ガスを収集し貯蔵することである。これらの蒸発ガスは、多くの要因によって発生する可能性がある。例えば、車両のタンクが部分的に充填されていて、この車両が炎天下に放置された場合などである。更に、これらの蒸発ガスは、車両の動作時に、燃料管に燃料が過剰に送られることによって発生する場合もある。この過剰燃料は、エンジンと接触して加熱された後、タンクに戻る。こうして過剰燃料がタンクに入ることにより、燃料蒸発ガスが発生する。
現行の規格は、車両が燃料蒸発ガスを発生しないことを要求している。このために、発生する燃料蒸発ガスを残らずすべて収集するために、活性炭フィルタがタンクに組み合わせて取り付けられている。言うまでもなく、このフィルタが最適な状態で動作するためには、フィルタの飽和時にこれを再生する必要がある。
本発明の目的は、直噴エンジンに設置されるこうしたフィルタの再生を行うことである。
このフィルタが従来の間接噴射式エンジンに搭載される場合には、燃料蒸発ガスは、シリンダ上流の吸気マニホールド方向に送られる。ここで、これらの蒸発ガスは、空気および噴射燃料と混合され、次に、吸気バルブが開くときにシリンダに吸入される。
これに対し、このような燃料蒸発ガス用フィルタが直噴エンジンに搭載される場合には、燃焼過程が異なるため、燃料発生ガスのシリンダ内への導入の問題が生じる。
直噴エンジンが最適な効率で動作するためには、このエンジンは、可能な限り多くの場合に、いわゆる層状燃焼状態で動作することが必要である。この種の燃焼においては、吸気バルブが開いたときにシリンダに空気が充填される。燃料は、点火プラグの位置において混合気の爆発を促進するようにシリンダ内の点火プラグの位置に噴射される。しかしながら、点火プラグから遠ざかれば遠ざかるほど、混合気の濃度は低くなり、最後には空気だけになる。こうして、シリンダ内には、濃度の異なる複数の層（ｓｔｒａｔａ）が存在する。点火プラグの近くに位置する層においては燃料濃度が高く、遠い層はいわゆる希薄混合気で構成されている。このような層状燃焼により、混合気を爆発させ、シリンダ全体に過剰空気を存在させることができ、これにより、汚染物質の発生が大きく減少する。更に、この種の燃焼により、燃料の使用量を最低限に抑えることができ、従って、エンジンの燃料消費を減少させることができる。
ところで、エンジンが層状燃焼状態で正常に動作するためには、スロットル・バルブを最大限に開いて、過剰空気雰囲気で動作する必要がある。この結果、吸入負圧は極めて制限され、これにより、燃料蒸発ガスのシリンダへの流れが複雑なものとなる。すなわち、吸入負圧がない場合には、燃料蒸発ガスがシリンダ内に正常に吸入されないからである。これらの蒸発ガスは、吸気管を通って車外に出る可能性さえある。こうした過程の結果として、汚染が増加することになり、これは、求める目的と正反対のこととなる。
ドキュメントＥＰ ０４８８２５４（ＴＯＹＯＴＡ）は、直噴式の内燃機関に関する。このエンジンは、燃料蒸発ガス用フィルタを含んでいる。このフィルタの再生は、エンジンに大きな負荷がかかっていて、すべてのシリンダにおいて均質燃焼状態で動作しているときに行われる。層状燃焼状態または低負荷でエンジンが動作しているとき、あるいは、触媒マフラーがその動作温度に達していないとき（始動時）には、いかなる再生も行われない。この結果、適切な時期（とりわけ、始動時。すなわち、動作の停止期間全体を通じて、大量の蒸発ガスがフィルタ内に蓄積する可能性があるからである。）にフィルタの再生が行われない。当該ドキュメントでは、層状モードで動作中に燃料蒸発ガス用フィルタの再生を可能とするような満足できる方法はいかなるものも提案されていない。
本発明の目的は、層状燃焼状態で動作する直噴エンジンのための燃料蒸発ガス用フィルタの再生方法を提供することである。この方法は、エンジンの動作を妨害してはならず、また、妨害するとしても非常にわずかでなければならない。更に、層状燃焼の主要な長所である低い燃料消費率を増大させるものであってもならない。また、本発明は、大気中に直接に燃料蒸発ガスを放出することなしにフィルタの再生を行う上記の方法に対応した装置の提案も行う。
このため、本発明は、
−燃料が直接に供給される複数のシリンダと、
−燃料タンクで燃料蒸発ガスを収集するのに適したフィルタと
−フィルタ内に貯蔵された燃料排出ガスを取り出し、これらの燃料蒸発ガスをシリンダに移送するのに適したポンプを備えた、排出バルブを備えた燃料蒸発ガス排出管と、を含むタイプの直噴エンジンのための燃料蒸発ガス用フィルタの再生方法に関する。
本発明に基づく方法は、層状燃焼状態でのエンジンの動作中に、
−フィルタの飽和率が定められたしきい値を超えたときに、燃料蒸発ガスの排出バルブの開き動作を許可し、
−シリンダのうちの少なくとも１つに前述の蒸発ガスを吸入し、
−このシリンダ内で、これらの蒸発ガスを均質燃焼させる段階を含む。
また、本発明は、
−燃料タンクからの燃料蒸発ガスを貯蔵するのに適した燃料蒸発ガス用フィルタと、
−フィルタからの燃料蒸発ガスを収集し、これらの蒸発ガスをシリンダのすぐ近くに移送するのに適した燃料蒸発ガス排出管と、
−シリンダの付近において燃料蒸発ガス排出管上に取り付けられた排出バルブと、
−前述の燃料蒸発ガスをフィルタとシリンダとの間で循環させるのに適した燃料蒸発ガス排出用ポンプとを有する、内燃機関のための燃料蒸発ガス用フィルタ再生装置に関する。
このような方法により、エンジンの層状燃焼状態での動作を顕著に妨害することなしに燃料蒸発ガスの完全燃焼が確保される。有利な方法として、本発明に基づく方法は、更に、エンジン・トルクの確認段階と、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダに対するこのトルクの変更段階とを含む。すなわち、このシリンダ（あるいは、これらのシリンダ）は、層状燃焼ではなく均質燃焼の場所であるため、このシリンダの発生トルクは、他のシリンダのトルクと異なる場合があるからである。このために、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダのトルクが他のシリンダのトルクよりも大きい場合には、例えば、このシリンダの点火プラグの点火時期を管理して、他のシリンダのトルクと同様のトルクを得るようにする。この目的は、層状燃焼状態で動作しているシリンダに対して均質燃焼動作が及ぼす妨害を可能な限り小さくすることである。
また、均質燃焼状態のシリンダのトルクが他のシリンダのトルクと比較して低すぎるような場合には、均質燃焼状態のシリンダ内に噴射される燃料の量を変更して、このシリンダのトルクを変更することもできる。
本発明の他の目的、特徴および長所は、添付図を参照して非限定的な例として以下に示す説明により明らかになる。
図１は、層状燃焼状態で動作している直噴エンジンの概略図である。
図２は、本発明に基づくフィルタ再生装置の概略図である。
図１を見て、最初に、燃料直噴式エンジンの動作を思い起こしてみよう。
従来、燃料直噴式エンジン１０は、複数のシリンダ１１を含んでいる（図１には、１つのシリンダのみが示されている）。
これらのシリンダ１１のうちのそれぞれは、燃焼室１２と、エンジン・シャフトを回転駆動するピストン１３とを含んでいる。吸気バルブ１４と排気バルブ１５とにより、シリンダの燃焼室に吸入され、この燃焼室から排出される空気およびガスの流れを調整することができる。燃料噴射装置１６は、定められた量の燃料を直接に燃焼室に送りこむ。点火プラグ１７は、適切な時期に火花を発生して、混合気を爆発させる。燃焼したガスは次に排気バルブ１５によって排出される。
直噴エンジンの場合には、吸気行程の最後に、定められた量の燃料を点火プラグのすぐ近くに供給して、この区域の濃度が燃焼室の他の部分の濃度よりも高くなるようにする。
こうして、燃焼室に充填される混合気の濃度は、点火プラグから遠ざかれば遠ざかるほど低くなる。従って、燃焼室内には、濃度が徐々に低くなる複数の混合気の層（ｓｔｒａｔａ）が存在する。火花によって混合気が爆発するとき、ファイヤ・フロントは点火プラグから出て、次に、燃焼室内に拡散する。シリンダ内に含まれる混合気の燃焼は、過剰空気の存在のもとで行われ、これにより、燃焼室内に存在する燃料の完全燃焼が保証される。このような燃焼を、層状燃焼と呼ぶ。
直噴エンジンにおいては、常に層状燃焼で動作することが好ましい。すなわち、エンジンのトルクは最大で、汚染も燃料消費量も減少するからである。
しかしながら、この種の燃焼のためには、ほぼ連続的にスロットル・バルブ２３を完全に開いた位置に保持する必要がある。この結果、吸気時のエンジンの吸入は、非常に制限される。
従って、燃料蒸発ガス用フィルタ１８を再生したい場合には、吸入システム、すなわち、ポンプ１９を設ける必要がある。
フィルタ１８（図２）は、燃料タンク２０からの燃料蒸発ガスを貯蔵するのに適したものである。これらの蒸発ガスは、排出管２１を通してフィルタに送られる。この排出管２１上には、排出ポンプ１９および排出バルブ２２も取り付けられている。排出管２１は、シリンダ１１のうちの少なくとも１つのシリンダの吸気バルブに可能な限り近い位置に到達している。
フィルタ１８が飽和した場合、このフィルタを再生する必要がある。このために、フィルタは、大気に通じる開口部を備えている。ポンプ１９は、フィルタ内に負圧を発生させる。こうして、空気がフィルタ内に入り、フィルタを掃除する。これにより、フィルタ内に捕集されていた燃料蒸発ガスを取り出すことができる。この場合、排出バルブ２２の開きを制御するだけで、燃料蒸発ガスがシリンダ１１内に導入される。
本発明においては、燃料蒸発ガス用フィルタの再生方法は、エンジンが層状燃焼状態で動作するときに、下記の段階を含む：
−フィルタの飽和率がしきい値を超えたときに、排出バルブの開き動作を許可する。このしきい値は、飽和率０〜１００％の範囲内とすることができる。この率を０％にした場合には、フィルタの再生は連続的に行われ、この率を１００％にすると、フィルタが完全に飽和した場合にのみ再生が行われる。
−シリンダのうちの少なくとも１つに燃料蒸発ガスを吸入する。本発明においては、再生を行うときに常に燃料蒸発ガスを受け取る唯一且つ同一のシリンダを選択することができる。１つの変形態様においては、エンジンのシリンダのそれぞれが、燃料蒸発ガスを順番に受け取る。更に、他の１つの変形態様においては、複数のシリンダ（但し、すべてのシリンダではない）が同時に燃料蒸発ガスを受け取る。
−燃料蒸発ガスを受け取るシリンダ（単数または複数）内に存在する燃料蒸発ガスを均質燃焼させる。この結果、エンジンの他のシリンダは層状燃焼状態で動作し続けているのに対して、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダ（単数または複数）は、混合気の均質燃焼を行う。均質燃焼の特徴は、混合気が燃焼室内の容積全体にわたって同様の濃度を有することである。この燃焼モードにおいては、濃度が他よりも高い区域は存在しない。
混合気の均質燃焼を行うには、吸気バルブが開いたときに燃料（吸気量に応じて定められた量のもの）を噴射するだけでよい。この結果、燃料蒸発ガスを含む空気が、噴射装置によって噴射される燃料と同時に燃焼室内に入る。これにより、燃焼室内に含まれる混合気の攪拌が生じる。得られる混合気の濃度は均質である。フィルタからのすべての燃料蒸発ガスを燃焼した後、これらの蒸発ガスを受け取ったシリンダは、再び層状燃焼状態で動作する。
混合気の均質燃焼を行う意義は、シリンダに入る空気が既に燃料を含んでおり、この燃料を燃焼させるためには、混合気の燃焼が燃焼室の容積全体において行われる必要があるという点にある。すなわち、層状燃焼のみが行われた場合、点火プラグの位置に噴射された燃料は燃えるであろうが、燃焼室内部に存在する燃料は非常に部分的にしか燃えないからである。従って、この場合には、排気ガスが不完全燃焼の炭化水素を含むことになるため、汚染が増加する。燃料蒸発ガスを受け取るシリンダ内で均質燃焼を行うことにより、導入された燃料蒸発ガスの完全燃焼が保証される。しかも、これは、このシリンダ内の混合気が全体的に希薄なままで行われる。
燃料蒸発ガスを受け取るシリンダ内での異なった燃焼モードが残りのシリンダの層状モードでの動作を全体的に妨害しないようにするために、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダの発生トルクの値を確認する。このトルクが、層状モードで動作する他のシリンダのトルクよりも高い場合には、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダの点火プラグの点火時期を変更して、トルクを相応に変化させる。このためには、点火時期を早める。こうして変更されたトルクは、他のシリンダのトルクと同様になる。この結果、エンジンの動作は、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダの動作による妨害をほとんど受けない。蒸発ガスを受け取るシリンダの発生トルクが他のシリンダの発生トルクよりも低い場合には、噴射時間を変更して混合気の濃度を高める。このようにして、結果として得られるエンジンのトルクに対するなんらかのシリンダの均質燃焼動作の妨害を防止する。
こうして、エンジンのトルク管理は、点火時期の管理または噴射時間の管理によって行われる。
また、シリンダの動作モードの切り換え（均質または層状）は、燃料の噴射時期の管理によって行われることに注意すべきである。
本発明に基づく方法を実施するために、フィルタ再生装置は、間接噴射式エンジンにおいて用いられているような従来の装置と比べて少々変更されている。
とりわけ、本発明に基づく装置２４は、排出ポンプ１９を含んでいる。更に、排出管２１の端部（図２）は、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダの吸気バルブに可能な限り近い位置にある。
このシリンダを常時使用するように選択した場合（図２に示されているケース）、管２１は、このシリンダの吸気マニホールド内に達する。
常時使用するように選択した複数のシリンダが同時または非同時に燃料蒸発ガスを受け取ることができる場合には、排気管２１は、これらのシリンダのそれぞれにその端部を有する。該当する場合には、これらの端部のそれぞれに排出バルブを装備することができる。
シリンダのそれぞれが、循環式に燃料蒸発ガスを受け取ることができる場合には、排出管は、これらのシリンダと同じ数の端部を有する。
排出バルブ２２は、比例開放式バルブ、あるいは、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダ（単数または複数）のバルブの開閉と同期して開閉するバルブであってよいことに注意すべきである。
言うまでもなく、本発明は、上記の実施態様にのみ限定されるものではなく、専門家が理解可能なあらゆる変形態様を含むものである。例えば、排出ポンプが周囲空気の吸入口を備えている場合には、このポンプを燃料蒸発ガス用フィルタの上流に配置することもできるであろう。

Claims (7)

1. −燃料が直接に供給される複数のシリンダ（１１）と、
   −燃料タンク（２０）で燃料蒸発ガスを収集するのに適したフィルタ（１８）と、
   −排出バルブ（２２）を備えた燃料蒸発ガス排出管（２１）とが設けられており、該排出管が、フィルタ内に貯蔵された燃料蒸発ガスを取り出し、これらの蒸発ガスをシリンダ（１１）に移送するのに適したポンプを備えているタイプの直噴エンジンのための燃料蒸発ガス用のフィルタの再生方法において、
   層状燃焼状態でのエンジンの動作中に、
   −フィルタ（１８）の飽和率が定められたしきい値を越えた場合に、燃料蒸発ガス排出バルブ（２２）の開き動作を許可し、
   −全てのシリンダに同時にではなくシリンダのうちの少なくとも１つに燃料蒸発ガスを進入させ、複数のシリンダのうちの各シリンダが燃料蒸発ガスを順番に受け取るように、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダをサイクルごとに決定し、
   −このシリンダ内でこれらの蒸発ガスを均質燃焼させる段階を含むことを特徴とする、燃料蒸発ガス用フィルタの再生方法。
2. 更に、
   −燃料蒸発ガスを受け取るシリンダ（１１）の発生トルクの値を確認し、
   −このシリンダの発生トルクが他のシリンダのトルクと同様になるように、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダの点火早め時期と、燃料噴射時間とのうちの一方を管理する段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記進入させるステップが、燃料蒸発ガスを１つのシリンダに進入させることを含む、請求項１又は２記載の方法。
4. 燃料噴射時期を管理することによって、均質燃焼を行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
5. 内燃機関のための燃料蒸発ガス用フィルタ（１８）の再生装置において、
   −燃料タンク（２０）からの燃料蒸発ガスを貯蔵するのに適した燃料蒸発ガス用フィルタ（１８）と、
   −フィルタ（１８）からの燃料蒸発ガスを収集し、これらの蒸発ガスをシリンダ（１１）のすぐ近くまで搬送するのに適した燃料蒸発ガス排出管（２１）と、
   −シリンダの近くにおいて燃料蒸発ガス排出管上に取り付けられた排出バルブ（２２）と、
   −前記飽和バルブの開放が許可された場合に、燃料蒸発ガスをフィルタとシリンダとの間で循環させるように接続された燃料蒸発ガス排出ポンプとが設けられており、これにより、蒸発ガスが、複数のシリンダの全てに同時にではなくシリンダのうちの少なくとも１つに導入され、複数のシリンダのうちの各シリンダが燃料蒸発ガスを順番に受け取るように、前記シリンダのうちの少なくとも１つが、前記複数のシリンダからサイクルごとに決定されることを特徴とする、内燃機関のための燃料蒸発ガス用フィルタの再生装置。
6. 前記排出バルブ（２２）が、燃料蒸発ガスを受け取るシリンダの吸気バルブ（１４）と同期して開閉するのに適している、請求項５記載の装置。
7. 排出バルブ（２２）が比例開放式バルブである、請求項５記載の装置。

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