JP4283187B2 - 内燃機関の蒸発燃料処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料タンク内で発生する蒸発燃料をキャニスタに一時的に貯蔵し、貯蔵した蒸発燃料を適時内燃機関の吸気系に供給する、内燃機関の蒸発燃料処理装置に関する。

燃料タンク内で発生する蒸発燃料をキャニスタに貯蔵し、キャニスタに貯蔵された蒸発燃料を内燃機関の吸気系に供給（パージ）する蒸発燃料処理装置は、広く知られている。特許文献１には、蒸発燃料の目標パージ流量を設定し、目標パージ流量に基づいて、実際のパージ流量を制御する蒸発燃料処理装置が示されている。この装置では、吸気系にパージされるパージガス中の蒸発燃料濃度が検出または推定され、目標パージ流量が前記蒸発燃料濃度に応じて補正される。さらに特許文献１には、ＨＣ（炭化水素）濃度センサをパージガス通路に設けて、蒸発燃料濃度の検出を行う手法、及び機関の排気系に設けられた酸素濃度センサの検出値に基づいて、蒸発燃料濃度を推定する手法が示されている。

特許第３３８５９１９号公報

上記特許文献１に示された手法は、蒸発燃料を機関吸気系に供給し、ＨＣ濃度センサあるいは酸素濃度センサの検出値に応じた補正を行うものであるため、制御の遅れによる空燃比の変動が発生する。さらにＨＣ濃度センサを用いる手法では、ＨＣ濃度センサが必要となり、コストの増加を招くという課題がある。また、排気系の酸素濃度センサは、空燃比制御に用いられるもので、新たに設ける必要はないが、蒸発燃料濃度の変化が、排気系における酸素濃度の変化として検出されるまでの遅れが大きく、特に機関のアイドル状態において、蒸発燃料濃度の変化に起因する回転変動を引き起こすことがあった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、比較的簡単な構成で、蒸発燃料濃度の変化を予測し、空燃比の変動を抑制することができる内燃機関の蒸発燃料処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）に供給する燃料を貯蔵する燃料タンク（９）内で発生する蒸発燃料を捕集するキャニスタ（３３）と、該キャニスタ（３３）と前記機関の吸気系（２）とを接続するパージ通路（３２）と、該パージ通路（３２）に設けられ、該パージ通路（３２）を流れるガス流量を制御するパージ制御弁（３４）と、前記機関の所定運転状態において、前記蒸発燃料を前記パージ通路（３２）を介して前記吸気系（２）に供給する際に、前記パージ通路（３２）を流れるガス流量の目標値（ＱＰＧＣＭＤ）を算出する目標値算出手段と、前記目標値（ＱＰＧＣＭＤ）に追従させるようにパージガス流量（ＱＰＧＣ）を算出し、前記パージ通路（３２）を流れるガス流量が前記パージガス流量（ＱＰＧＣ）と一致するように前記パージ制御弁（３４）の開度を制御するパージガス流量制御手段とを備える内燃機関の蒸発燃料処理装置において、前記パージガス流量制御手段は、前記パージガス流量の積算値（ＱＰＧＳＭＥＶＲ）を算出する積算値算出手段と、前記目標値（ＱＰＧＣＭＤ）に対する前記パージガス流量（ＱＰＧＣ）の追従速度を、前記積算値（ＱＰＧＳＭＥＶＲ）が増加するほど減少するように制御する追従速度制御手段とを有することを特徴とする。

また追従速度制御手段は、前記追従速度を、前記機関の吸入空気流量（ＱＡＩＲ）が増加するほど増加するように制御することが望ましい。

請求項１に記載の発明によれば、パージガス流量の積算値が算出され、パージガス流量の目標値に対するパージガス流量の追従速度が、前記積算値が増加するほど減少するように制御される。一般にパージガス流量の積算値が増加するほど、キャニスタに貯蔵されている蒸発燃料の量は減少するため、燃料タンクから直接、機関吸気系に供給される蒸発燃料の割合が増加する。燃料タンクから直接供給される蒸発燃料の割合が増加すると、パージガス中の蒸発燃料濃度が変動し易くなる傾向があるので、このような場合に、目標値に対するパージガス流量の追従速度を減少させることにより、蒸発燃料のパージによる空燃比の変動を抑制することができる。その結果、例えばアイドル回転の安定化を図ることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関と、その蒸発燃料処理装置の構成を示す図である。同図において、内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は吸気管２を有し、吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。また、スロットル弁３にはスロットル弁開度（ＴＨ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力して電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。

燃料噴射弁６は、吸気管２の途中であってエンジン１とスロットル弁３との間の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられている。また、各燃料噴射弁６は燃料供給管７を介して燃料タンク９に接続されており、燃料供給管７の途中には燃料ポンプ８が設けられている。燃料タンク９は給油のための給油口１０を有しており、給油口１０にはフィラーキャップ１１が取付けられている。

燃料噴射弁６はＥＣＵ５に電気的に接続され、該ＥＣＵ５からの信号によりその開弁時間が制御される。吸気管２のスロットル弁３の下流側には吸気管内絶対圧ＰＢＡを検出する吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ１３、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温（ＴＡ）センサ１４が装着されている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

エンジン１の図示しないカム軸周囲又はクランク軸周囲にはエンジン回転数（エンジン回転速度）を検出するエンジン回転数（ＮＥ）センサ１７が取付けられている。エンジン回転数センサ１７はエンジン１のクランク軸の１８０度回転毎に所定のクランク角度位置でパルス（ＴＤＣパルス）を出力する。エンジン１の冷却水温ＴＷを検出するエンジン水温センサ１８及びエンジン１の排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）１９が設けれられており、これらのセンサ１７〜１９の検出信号はＥＣＵ５に供給される。ＬＡＦセンサ１９は、排気中の酸素濃度（エンジン１に供給される混合気の空燃比）にほぼ比例する検出信号を出力する。

ＥＣＵ５にはさらに、大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ４１が接続されており、大気圧センサ４１の検出信号がＥＣＵ５に供給される。
燃料タンク９は、チャージ通路３１を介してキャニスタ３３に接続され、キャニスタ３３は、吸気管２のスロットル弁３の下流側にパージ通路３２を介して接続されている。

キャニスタ３３は、燃料タンク９内の蒸発燃料を吸着（捕集）するための活性炭を内蔵する。キャニスタ３３には、空気通路３７が接続されており、キャニスタ３３は空気通路３７を介して大気に連通可能となっている。
空気通路３７の途中にはベントシャット弁（開閉弁）３８が設けられている。ベントシャット弁３８は、ＥＣＵ５によりその作動が制御される電磁弁であり、給油時及びパージ実行中に開弁される。ベントシャット弁３８は、駆動信号が供給されないときは、開弁する常開型の電磁弁である。

パージ通路３２には、パージ制御弁３４が設けられている。パージ制御弁３４は、その制御信号のオン−オフデューティ比を変更することにより流量を連続的に制御することができるように構成された電磁弁であり、その作動はＥＣＵ５により制御される。なお、パージ制御弁３４はその弁開度を連続的に変更可能な電磁弁を使用してもよく、上記デューティ比は、このような弁開度連続可変型の電磁弁における弁開度に相当する。

燃料タンク９で蒸発燃料が発生すると、キャニスタ３３に蒸発燃料が貯蔵される。エンジン１の所定運転状態において、パージ制御弁３４のデューティ制御が行われ、適量の蒸発燃料がキャニスタ３３から吸気管２に供給される。

ＥＣＵ５は各種センサ等からの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、並びに燃料噴射弁６、パージ制御弁３４、及びベントシャット弁３８に駆動信号を供給する出力回路を備えている。

ＥＣＵ５のＣＰＵは、エンジン回転数センサ１７、吸気管内絶対圧センサ１３、エンジン水温センサ１８などの各種センサの出力信号に応じてエンジン１に供給する燃料量制御、パージ制御弁３４のデューティ制御等を行う。

ＥＣＵ５のＣＰＵは、燃料噴射弁６の開弁時間ＴＯＵＴを、下記式（１）により算出する。
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＡＦ×Ｋ１＋Ｋ２ （１）
ＴＩＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されたＴＩマップを検索して決定される。ＴＩマップは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに対応する運転状態において、エンジンに供給する混合気の空燃比がほぼ理論空燃比になるように設定されている。すなわち、基本燃料量ＴＩＭは、１ＴＤＣ期間（隣り合うＴＤＣパルスの時間間隔）当たりの、エンジン１の吸入空気流量（質量流量）にほぼ比例する値を有する。

ＫＡＦは、酸素濃度センサ１７の出力に応じて設定される空燃比補正係数である。空燃比補正係数ＫＡＦは、酸素濃度センサ１７により検出される空燃比が目標空燃比と一致するように設定される。
またＫ１及びＫ２は夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数および補正変数であり、エンジン運転状態に応じた燃費特性、エンジン加速特性等の諸特性の最適化が図れるような所定値に設定される。

図２及び図３は、パージ通路３２を通過させる蒸発燃料と空気の混合気（以下「パージガス」という）の流量ＱＰＧＣを算出する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５のＣＰＵで所定時間（例えば８０ミリ秒）毎に実行される。

ステップＳ１１では、下記式（２）に基本燃料噴射時間ＴＩＭ及びエンジン回転数ＮＥを適用して吸入空気流量ＱＡＩＲを算出する。
ＱＡＩＲ＝ＴＩＭ×ＮＥ×ＫＡＩＲ （２）
ここで、ＫＡＩＲは換算係数である。

ステップＳ１２では、吸入空気流量ＱＡＩＲに応じてパージガスの基本目標流量ＱＰＧＢＳＣＭＤを算出する。基本目標流量ＱＰＧＢＳＣＭＤは、吸入空気流量ＱＡＩＲが増加するほど、大きな値に設定される。ステップＳ１３では、基本目標流量ＱＰＧＢＳＣＭＤが第１上限流量ＱＰＧＢＳＭＡＸより大きいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、基本目標流量ＱＰＧＢＳＣＭＤを、その第１上限流量ＱＰＧＢＳＭＡＸに設定し（ステップＳ１４）、ステップＳ１５に進む。ＱＰＧＢＳＣＭＤ≦ＱＰＧＢＳＭＡＸであるときは、直ちにステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、下記式（３）に基本目標流量ＱＰＧＢＳＣＭＤを適用し、補正目標流量ＱＰＧＣＭＤＴを算出する。
ＱＰＧＣＭＤＴ＝ＱＰＧＢＳＣＭＤ×ＫＤＰＢＧＸ×ＫＰＧＴ×ＥＴＡＶＲＴ （３）
ここで、ＫＤＰＢＧＸは、大気圧ＰＡと吸気管内絶対圧ＰＢＡとの差圧ＤＰＢ（ＰＡ−ＰＢＡ）が増加するほど大きな値に設定される差圧補正係数である。ＫＰＧＴは、パージの開始時点で「０」に設定され、時間経過とともに「１．０」に達するまで増加する漸増補正係数である。またＥＴＡＶＲＴは、エンジン１の体積効率ηＶに応じた所定値に設定される体積効率補正係数である。

ステップＳ１６では、吸入空気流量ＱＡＩＲに応じて図４（ａ）に示すＱＰＧＭＡＸＱテーブルを検索し、第２上限流量ＱＰＧＭＡＸＱを算出する。ＱＰＧＭＡＸＱテーブルは、吸入空気流量ＱＡＩＲが第１所定流量ＱＡＩＲ１と、第２所定流量ＱＡＩＲ２の間にあるときは、吸入空気流量ＱＡＩＲが増加するほど、第２上限流量ＱＰＧＭＡＸＱが大きくなるように設定され、それ以外の領域では、吸入空気流量ＱＡＩＲに拘わらず、第２上限流量ＱＰＧＭＡＸＱが一定値となるように設定されている。

ステップＳ１７では、ステップＳ１５で算出された補正目標流量ＱＰＧＣＭＤＴが、第２上限流量ＱＰＧＭＡＸＱより大きいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、最終目標流量ＱＰＧＣＭＤを第２上限流量ＱＰＧＭＡＸＱに設定し（ステップＳ１８）、ステップＳ２０に進む。ＱＰＧＣＭＤＴ≦ＱＰＧＭＡＸＱであるときは、最終目標流量ＱＰＧＣＭＤを補正目標流量ＱＰＧＣＭＤＴに設定し（ステップＳ１９）、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、吸入空気流量ＱＡＩＲに応じて図４（ｂ）に示すＫＤＱＰＧＣＸテーブルを検索し、第１加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＸを算出する。ＫＤＱＰＧＣＸテーブルは、吸入空気流量ＱＡＩＲが増加するほど、第１加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＸが増加するように設定されている。第１加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＸは、「１．０」以下の値に設定される。

ステップＳ２１では、ステップＳ１５で算出された補正目標流量ＱＰＧＣＭＤＴ、及びステップＳ２０で算出された第１加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＸを下記式（４）に適用し、加算項ＤＱＰＧＣを算出する。
ＤＱＰＧＣ＝（ＱＰＧＣＭＤＴ−ＱＰＧＣ）×ＫＤＱＰＧＣＸ （４）
ここで、ＱＰＧＣは、ステップＳ２４（図３）で算出されるパージガス流量の前回算出値である。すなわち、加算項ＤＱＰＧＣは、補正目標流量ＱＰＧＣＭＤＴと、現在のパージガス流量ＱＰＧＣとの差分ΔＱ（＝ＱＰＧＣＭＤＴ−ＱＰＧＣ）に、第１加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＸを乗算することにより算出され、第１加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＸは、吸入空気流量ＱＡＩＲが増加するほど大きな値に設定されるので、加算項ＤＱＰＧＣは、吸入空気流量ＱＡＩＲが増加するほどより大きな値に設定される。

ステップＳ２２では、加算項ＤＱＰＧＣのリミット処理を行う。具体的には、ステップＳ２１で算出された加算項ＤＱＰＧＣが所定上限値ＤＱＰＧＣＭＡＸを超えるときは、加算項ＤＱＰＧＣをその所定上限値ＤＱＰＧＣＭＡＸに設定し、加算項ＤＱＰＧＣが所定下限値ＤＱＰＧＣＭＩＮより小さいときは、加算項ＤＱＰＧＣをその所定下限値ＤＱＰＧＣＭＩＮに設定する。

図３のステップＳ２３では、積算流量ＱＰＧＳＭＥＶＲに応じて図４（ｃ）に示すＫＤＱＰＧＣＥＶＸテーブルを検索し、第２加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＥＶＸを算出する。ＫＤＱＰＧＣＥＶＸテーブルは、積算流量ＱＰＧＳＭＥＶＲが増加するほど、第２加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＥＶＸが減少するように設定されている。第２加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＥＶＸは、「１．０」以下の値に設定される。積算流量ＱＰＧＣＳＭＥＶＲは、ステップＳ２４で算出されるパージガス流量ＱＰＧＣを、ステップＳ２５で積算することにより算出される。積算流量ＱＰＧＣＳＭＥＶＲは、エンジン１が停止し、エンジン水温ＴＷが所定水温ＴＷＲＳＴ（例えば６０℃）以下となったとき、「０」にリセットされる。エンジン水温ＴＷが所定水温ＴＷＲＳＴ以下となる前に、エンジン１が再始動されたときは、積算流量ＱＰＧＣＳＭＥＶＲはリセットされることなく、積算が続行される。

ステップＳ２４では、下記式（５）に加算項ＤＱＰＧＣ及び第２加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＥＶＸを適用して、パージガス流量ＱＰＧＣを算出する。
ＱＰＧＣ＝ＱＰＧＣ＋ＤＱＰＧＣ×ＫＤＱＰＧＣＥＶＸ （５）
ここで右辺のＱＰＧＣは、前回算出値である。

ステップＳ２５では、パージガス流量ＱＰＧＣが最終目標流量ＱＰＧＣＭＤより大きいか否かを判別する。その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、パージガス流量ＱＰＧＣを最終目標流量ＱＰＧＣＭＤに設定し（ステップＳ２６）、ステップＳ２７に進む。ＱＰＧＣ＜ＱＰＧＣＭＤであるときは、直ちにステップＳ２７に進む。

ステップＳ２７では、下記式（６）にパージガス流量ＱＰＧＣを適用し、積算流量ＱＰＧＳＭＥＶＲを算出する。
ＱＰＧＳＭＥＶＲ＝ＱＰＧＳＭＥＶＲ＋ＱＰＧＣ （６）
ステップＳ２７の実行後、本処理を終了する。

上述した処理で算出されるパージガス流量ＱＰＧＣに応じてパージ制御弁３４の開弁デューティ比ＤＯＵＴが算出される。すなわち、開弁デューティ比ＤＯＵＴは、パージガス流量ＱＰＧＣにほぼ比例するように設定される。

上述したパージガス流量ＱＰＧＣの算出処理によれば、パージガス流量ＱＰＧＣが、最終目標流量ＱＰＧＣＭＤに追従するように設定される。例えば、最終目標流量ＱＰＧＣＭＤ（補正目標流量ＱＰＧＣＭＤＴ）が増加すると、パージガス流量ＱＰＧＣと、補正目標流量ＱＰＧＣＭＤＴとの差分ΔＱに、「１．０」より小さい第１加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＸを乗算することにより、加算項ＤＱＰＧＣが算出され、さらにこの加算項ＤＱＰＧＣに第２加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＥＶＸを乗算した値（ＤＱＰＧＣ×ＫＤＱＰＧＣＥＶＸ）だけ、パージガス流量ＱＰＧＣを増加させる処理が繰り返される。その結果、パージガス流量ＱＰＧＣは、最終目標流量ＱＰＧＣＭＤに向かって徐々に増加していく。このとき、パージガス流量ＱＰＧＣの、最終目標流量ＱＰＧＣＭＤに追従する速度は、補正された加算項（ＤＱＰＧＣ×ＫＤＱＰＧＣＥＶＸ）の値が大きいほど速くなる。そして、補正された加算項（ＤＱＰＧＣ×ＫＤＱＰＧＣＥＶＸ）は、積算流量ＱＰＧＳＭＥＶＲが増加するほど減少する。積算流量ＱＰＧＳＭＥＶＲが増加するほど、キャニスタ３３に捕集された蒸発燃料量は減少するので、燃料タンク９から直接パージ通路３２に流入する蒸発燃料量の割合が増加し、パージガス中の蒸発燃料濃度が変動し易くなる傾向がある。したがって、このような場合に、最終目標流量ＱＰＧＣＭＤに対するパージガス流量ＱＰＧＣの追従速度、すなわち補正された加算項（ＤＱＰＧＣ×ＫＤＱＰＧＣＥＶＸ）を減少させることにより、蒸発燃料のパージによる空燃比の変動を抑制することができる。その結果、例えばアイドル回転の安定化を図ることができる。

本実施形態では、ＥＣＵ５が目標値算出手段、パージ流量制御手段、積算値算出手段、及び追従速度制御手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１２〜Ｓ１９が目標値算出手段に相当し、図２及び図３のステップＳ２０〜Ｓ２７がパージガス流量制御手段に相当する。またステップＳ２７が積算値算出手段に相当し、ステップＳ２３が追従速度制御手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態では、吸入空気流量ＱＡＩＲに応じて第１加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＸが算出されるとともに、積算流量ＱＰＧＳＭＥＶＲに応じて第２加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＥＶＸが算出される。そして、第１加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＸ及び第２加算項補正係数ＫＤＱＰＧＣＥＶＸを、補正目標流量ＱＰＧＣＭＤＴとパージガス流量ＱＰＧＣとの差分ΔＱに乗算することにより、パージガス流量ＱＰＧＣの補正目標流量ＱＰＧＣＭＤＴに対する追従速度の対応するパラメータ（ＤＱＰＧＣ×ＫＤＱＰＧＣＥＶＸ＝ΔＱ×ＫＤＱＰＧＣＸ×ＫＤＱＰＧＣＥＶＸ）が算出される。これに代えて、吸入空気流量ＱＡＩＲ及び積算流量ＱＰＧＳＭＥＶＲに応じた２次元マップに（ＫＤＱＰＧＣＸ×ＫＤＱＰＧＣＥＶＸ）に相当する値を設定しておき、そのマップを検索することにより、（ＫＤＱＰＧＣＸ×ＫＤＱＰＧＣＥＶＸ）に相当する補正係数を算出するようにしてもよい。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンに蒸発燃料を供給する蒸発燃料処理装置にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関の蒸発燃料処理装置の構成を示す図である。 パージガス流量（ＱＰＧＣ）を算出する処理のフローチャートである。 パージガス流量（ＱＰＧＣ）を算出する処理のフローチャートである。 図２の処理で参照されるテーブルを示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
５ 電子制御ユニット（目標値算出手段、パージガス流量制御手段、積算値算出手段、追従速度制御手段）
９ 燃料タンク
３１ チャージ通路
３２ パージ通路
３３ キャニスタ
３４ パージ制御弁

Claims (1)

1. 内燃機関に供給する燃料を貯蔵する燃料タンク内で発生する蒸発燃料を捕集するキャニスタと、該キャニスタと前記機関の吸気系とを接続するパージ通路と、該パージ通路に設けられ、該パージ通路を流れるガス流量を制御するパージ制御弁と、前記機関の所定運転状態において、前記蒸発燃料を前記パージ通路を介して前記吸気系に供給する際に、前記パージ通路を流れるガス流量の目標値を算出する目標値算出手段と、前記目標値に追従させるようにパージガス流量を算出し、前記パージ通路を流れるガス流量が前記パージガス流量と一致するように前記パージ制御弁の開度を制御するパージガス流量制御手段とを備える内燃機関の蒸発燃料処理装置において、
   前記パージガス流量制御手段は、前記パージガス流量の積算値を算出する積算値算出手段と、前記目標値に対する前記パージガス流量の追従速度を、前記積算値が増加するほど減少するように制御する追従速度制御手段とを有す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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