JP5284755B2 - パージガス濃度推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、パージガス濃度推定装置に関する。

ガソリンを燃料とする自動車では、燃料タンク内の蒸発燃料が大気に放出されるのを抑制するために、蒸発燃料処理装置としてキャニスタが一般的に用いられている。

キャニスタは、停車時等に燃料タンク内から発生する蒸発燃料を活性炭からなる吸着材に吸着させ、エンジン稼働時にキャニスタを通して吸気を行うことにより、キャニスタの大気ポートから導入した大気によってキャニスタ内をパージし、吸着した蒸発燃料を脱離させてエンジン内で燃焼させる仕組みとなっている。そして、このパージにより蒸発燃料の脱離によって吸着材の吸着性能を復活させ、蒸発燃料を繰り返し良好に吸着することが可能となる。

ところで近年、排気ガス中に許容される有害ガスはますます厳しくなってきている一方、北米に代表される地域では、大量の蒸発燃料ガスの保持を要求する法規が施行されているため、キャニスタから脱着（パージ）され、エンジンで燃焼処理されるべき蒸発燃料ガスの量も増加し、エンジンの空燃比制御は非常に困難になってきている。

そこで、一般的には、キャニスタのパージを開始するにあたっては、エンジンの運転環境がパージに適合しているかを判断した上で少量パージ（プレパージ）し、排気通路に設けた酸素センサ等で検知したパージの有無による排気空燃比の変動値からパージガス中の蒸発燃料量を推定することで、この推定されたパージガス中の蒸発燃料量に応じてパージを実行する際の燃料噴射量を補正している。

しかしながら、このような方法では、パージの実行までに時間がかかる上、キャニスタの蒸発燃料の保持状態、保持量等により大きく影響を受けるパージ開始後のパージガス中のＨＣ濃度（蒸発燃料の濃度）変化に、燃料噴射弁からの燃料噴射条件（燃料噴射量）を適合させるのは非常に困難である。

そこで、特許文献１においては、キャニスタからパージされた蒸発燃料がエンジンで燃焼した後の空燃比信号やキャニスタに内蔵された温度センサから得られるキャニスタ内部の温度等からキャニスタの飽和度（キャニスタ飽和時の蒸発燃料の吸着量に対する計測時の蒸発燃料の吸着量の比率）を演算し、この飽和度からパージ中のパージガス濃度（パージガス中の燃料濃度）の濃度変化を予想する技術が開示されている。

また、特許文献２においては、キャニスタに内蔵された濃度センサで検出された検出値と、この濃度センサの検出値と機関温度とに基づいて算出されたパージガス体積流量と、に基づいて算出されたパージガス中の燃料量（蒸発燃料）に応じて、燃料噴射量を補正する技術が開示されている。
特許第３２１６２７６号 特開平７−２５３０３７号公報

しかしながら、上述した特許文献１においては、キャニスタ内の温度と、キャニスタからパージされた蒸発燃料がエンジンで燃焼した後の排気空燃比とに基づいてキャニスタの飽和度が演算されているため、検知遅れ（応答遅れ）や、パージによる温度変化の影響に起因する誤差が生じる虞がある。

また、上述の特許文献２においては、キャニスタ内に配置された濃度センサを用いてパージガス中の燃料量を検知しているが、キャニスタ内に充填される吸着材（活性炭）は、ガソリン蒸気のような低沸点ガスの場合、ある吸着状態以上では、周辺ガス濃度が飽和するため、前記濃度センサでは正確な吸着状態が検知できなくなり、その結果パージガス中の燃料量を正確に検知できなくなるという問題がある。

そこで、本発明の請求項１におけるパージガス濃度推定装置は、ケーシング内に蒸発燃料の吸着・脱離を行う吸着材が充填されたキャニスタと、前記ケーシング内の所定の一点に配置され、該ケーシング内の熱容量を検知する熱容量検知手段と、を有し、前記ケーシング内の熱容量から該ケーシング内に吸着された蒸発燃料の吸着量を検知し、この検知された蒸発燃料の吸着量からパージガス濃度を推定するものであって、前記熱容量検知手段は、通電することにより前記ケーシング内の所定の一点で発熱すると共に、自身の温度に応じて電気抵抗値が変化する発熱部を有し、前記発熱部に対して所定の一定電流を流して発熱させ、この所定の一定電流を通電した状態で該発熱部周辺の吸着材への伝熱により前記発熱部の温度が安定した際の前記熱容量検知手段の検出値から、前記ケーシング内の熱容量を検知していることを特徴としている。

熱容量検知手段の検出値、すなわち熱容量検知手段の出力電圧は、前記発熱部の温度によって変化する。また、吸着材は、吸着するＨＣ（蒸発燃料）の量が多くなるほどその熱容量が大きくなり、前記発熱部から持ち去られる熱量は大きくなる。また、本発明の請求項２におけるパージガス濃度推定装置は、ケーシング内に蒸発燃料の吸着・脱離を行う吸着材が充填されたキャニスタと、前記ケーシング内に配置され、該ケーシング内の熱容量を検知する熱容量検知手段と、を有し、前記ケーシング内の熱容量から該ケーシング内に吸着された蒸発燃料の吸着量を検知し、この検知された蒸発燃料の吸着量からパージガス濃度を推定するものであって、前記熱容量検知手段に対して所定距離離間させて、前記キャニスタ内の温度を検知する温度検知手段を配置し、当該温度検知手段の検出値を用いて、前記熱容量検知手段で検知された前記ケーシング内の熱容量を補正することを特徴としている。

本発明の請求項３は、請求項２に記載のパージガス濃度推定装置において、前記熱容量検知手段は、通電することにより発熱すると共に、自身の温度に応じて電気抵抗値が変化する発熱部を有し、前記発熱部に対して所定の一定電流を流して発熱させ、この所定の一定電流を通電した状態で前記発熱部の温度が安定した際の前記熱容量検知手段の検出値から、前記ケーシング内の熱容量を検知していることを特徴としている。

本発明の請求項４は、請求項１〜３のいずれかに記載のパージガス濃度推定装置において、前記キャニスタは、前記ケーシング内の流路の一端側に燃料タンクに接続されるチャージポートとエンジンの吸気系に接続されるパージポートとが設けられ、この流路の他端側に大気に連通する大気ポートが設けられたものであって、前記熱容量検知手段は、前記ケーシング内の流路の一端側近傍で、前記チャージポートと前記パージポートとの間に配置されていることを特徴としている。

本発明の請求項５は、請求項１〜４のいずれかに記載のパージガス濃度推定装置において、前記熱容量検知手段よりも、前記ケーシング内の流路の他端側に、前記ケーシング内の熱容量からキャニスタ内に吸着された蒸発燃料の吸着量を検知する第２の熱容量検知手段が配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、ケーシング内の熱容量、すなわち吸着材の熱容量を検知することで、吸着材のＨＣ吸着量（蒸発燃料の吸着量）を直接検知することができる。これによって、エンジン始動前の通電で検知された吸着材のＨＣ吸着量を用いて、吸着材のＨＣ吸着量に関わらず、パージを行った際のパージガス中の燃料濃度であるパージガス濃度を可及的速やかに精度よく推定することができる。

そして、発熱部に対して所定の一定電流を流して発熱させ、この所定の一定電流を通電した状態で発熱部の温度が安定した際の熱容量検知手段の検出値から、ケーシング内の熱容量を検知することによって、安価な構成で吸着材のＨＣ吸着量を直接検知することができる。

また、熱容量検知手段を、ケーシング内でも蒸発燃料が相対的に多く吸着されている位置、すなわちケーシング内の流路の一端側近傍で、かつチャージポートとパージポートとの間に配置すれば、パージを行った際のパージガス濃度をさらに精度良く推定することができる。

そして、熱容量検知手段に対して所定距離離間させて、キャニスタ内の温度を検知する温度検知手段を配置すれば、環境温度（吸着材の温度）を考慮して、ケーシング内の熱容量、すなわち吸着材の熱容量を検知することができ、吸着材のＨＣ吸着量を一層精度良く検知することができる。また、パージ中の環境温度の変化（吸着材の温度変化）から、パージ中のパージガス濃度推定を精度良く実施することができる。

また、熱容量検知手段よりも、ケーシング内の流路の他端側に第２の熱容量検知手段を配置すれば、キャニスタの飽和度（キャニスタ飽和時の蒸発燃料の吸着量に対する計測時の蒸発燃料の吸着量の比率）を精度良く検知することができ、パージ中のパージガス濃度を精度良く推定することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態のパージガス濃度推定装置に用いられるキャニスタ１を示している。

このキャニスタ１のケーシング２は、合成樹脂材料からなり、主ケース３と、この主ケース３の長手方向の他端側の開口を閉塞するキャップ４と、から大略構成されている。

主ケース３は、一端側にエンジン（図示せず）の吸気系に接続されるパージポート５と燃料タンク（図示せず）に接続されるチャージポート６とが隣接して設けられた略筒状の細長い第１筒状部７と、一端側に大気に連通する大気ポート８が設けられた細長い第２筒状部９と、を有している。第１筒状部７の他端及び第２筒状部９の他端はそれぞれ開口しており、上述のキャップ４で閉塞される。

これら第１筒状部７と第２筒状部９とは、互いに隣接し合うように配置され補強用のリブ１０によって連結されており、主ケース３は、全体として略箱形の直方体形状を呈している。

第１筒状部７及び第２筒状部９の内部には、蒸発燃料の吸着・脱離を行う吸着材として活性炭１１が充填された細長い第１、第２充填室１２，１３がそれぞれ形成されている。

第１充填室１２の一端側は、通気性を有する第１スクリーン部材１４を介してチャージポート６に連通すると共に、通気性を有する第２スクリーン部材１５を介してパージポート５に連通している。

第１スクリーン部材１４と第２スクリーン部材１５とは、第１筒状部７の一端側側壁面７ａから第１筒状部７他端側（図１における左側）に向かって第１充填室１２内まで突出した仕切壁１６によって仕切られている。

第１充填室１２他端側は、通気性を有する第３スクリーン部材１７を介して、主ケース３の他端部（図１における左側端部）とキャップ４とによって構成された接続路１８に連通している。第３スクリーン部材１７は、スプリング１９のバネ力を受けた多孔板２０により第１充填室１２一端側（図１における右側）に向かって付勢されている。

第２充填室１３一端側（図１における右側）は、通気性を有する第４スクリーン部材２１を介して大気ポート８に連通している。第２充填室１３他端側（図１における左側）は、通気性を有する第５スクリーン部材２２を介して接続路１８に連通している。第５スクリーン部材２２は、スプリング２３のバネ力を受けた多孔板２４により第２充填室１３一端側に向かって付勢されている。

第１充填室１２の他端及び第２充填室１３の他端は、接続路１８を介して接続されており、ケーシング２の内部は、接続路１８において折り返す略Ｕ字状の通路構造となっている。つまり、キャニスタ１は、ケーシング２内の流路の一端側にチャージポート６とパージポート５とが設けられ、この流路の他端側に大気ポート８が設けられた構造となっている。

尚、各スクリーン部材１４，１５，１７，２１，２２は、ウレタンまたは不織布からなり、吸着材である活性炭１１の脱落を防止しつつ保持する機能を有するものである。

そして、第１充填室１２の一端側近傍で、チャージポート６とパージポート５との間には、熱容量検知手段としての熱線式センサ２５が配置されている。換言すると、熱線式センサ２５は、ケーシング２内でも蒸発燃料が相対的に多く吸着されている位置、すなわちケーシング２内の流路の一端側近傍で、かつチャージポート６とパージポート５との間に配置されている。

この熱線式センサ２５は、通電することにより発熱すると共に、自身の温度に応じて電気抵抗値が変化する発熱部２５ａを有している。この発熱部２５ａは、自身の温度が高くなるほど電気抵抗が高くなる材料からなっており、図２に示すように、定電流源２６から所定の一定電流が供給されている。定電流源２６は、運転者がエンジンキーを操作し、車両の電装系に電力を供給するＡＣＣ位置になると、エンジンが始動していなくても熱線式センサ２５に一定電流の供給を開始するものである。

熱線式センサ２５の検出値である出力電圧は、増幅器（プリアンプ）２７を通し検知されている。熱線式センサ２５の検出値は、図外のコントロールユニットに入力されており、このコントロールユニット内で熱線式センサ２５の検出値を演算処理することでエンジンの始動前にパージガス（パージポート５から吸気系に導入されるガス）中の燃料濃度であるパージガス濃度を推定している。

発熱部２５ａは、キャニスタ１内にパージや給油のような大きな流れのない状態では、発熱部２５ａ周辺の活性炭１１への伝熱により一定の温度（安定温度）になる。また、活性炭１１は、蒸発燃料であるＨＣ（炭化水素）を吸着するほどその熱容量が増加する。つまり、活性炭１１のＨＣ吸着量が増加するほど、換言すればキャニスタ１内に存在する蒸発燃料の量が多くなるほど、発熱部２５ａの安定温度は低下し、発熱部２５ａの電気抵抗は低下する。そのため、熱線式センサ２５の検出値である出力電圧を、増幅器（プリアンプ）２７を通し検知することで、発熱部２５ａ周辺、すなわちは熱線式センサ２５周辺の活性炭１１の熱容量を検知することができる。

そして、熱線式センサ２５周辺の活性炭１１の熱容量から熱線式センサ２５周辺の活性炭１１の蒸発燃料の吸着量を検知する。上述したように、活性炭１１の熱容量が大きくなるほど活性炭１１の蒸発燃料の吸着量が大きくなるため、活性炭１１の熱容量から活性炭１１の蒸発燃料の吸着量は検知可能である。尚、熱線式センサ２５は熱容量からケーシング２内に吸着された蒸発燃料の吸着量を検知しているため、活性炭１１のＨＣ吸着量が所定量以上となって飽和したとしても、ケーシング２内に吸着された蒸発燃料の吸着量を精度よく検知することができる。

そしてさらに、活性炭１１の蒸発燃料の吸着量からパージガス濃度を推定する。パージガス濃度は、パージガス濃度算出マップ（図示せず）を用いて算出される。パージガス濃度算出マップは、活性炭１１の蒸発燃料の吸着量に対応付けられて前記コントロールユニット内のＲＯＭに格納されているデータであり、活性炭１１の蒸発燃料の吸着量から多くなるほど、パージガス濃度が濃くなるような特性となっている。

ここで、活性炭１１の蒸発燃料の吸着量は、本実施形態では、具体的には、前記コントロールユニット内のＲＯＭに格納されている吸着量算出マップ（図示せず）を用いて算出される。この吸着量算出マップは、増幅器２７を通して検知される熱線式センサ２５の出力電圧と、活性炭１１の蒸発燃料の吸着量と、を一対一で対応させたものであって、発熱部２５ａが自身の温度が高くなるほど電気抵抗が高くなる材料からなっている場合には、熱線式センサ２５の出力電圧が高くなるほど、活性炭１１の蒸発燃料の吸着量は少なくなるように設定されている。尚、発熱部２５ａが自身の温度が高くなるほど電気抵抗が低くなる材料からなっている場合には、吸着量算出マップは、熱線式センサ２５の出力電圧が高くなるほど、活性炭１１の蒸発燃料の吸着量が多くなるように設定すればよい。

以上説明してきたように、この第１実施形態においては、ケーシング２内の熱容量、すなわち活性炭１１の熱容量を検知することで、活性炭１１のＨＣ吸着量を直接検知することができる。これによって、エンジン始動前の通電で検知された活性炭１１のＨＣ吸着量（蒸発燃料の吸着量）を用いて、吸着材のＨＣ吸着量に関わらず、パージを行った際のパージガス中の燃料濃度であるパージガス濃度を可及的速やかに精度よく推定することができる。

また、熱線式センサ２５を用いることで、安価な構成でキャニスタ１内のＨＣ吸着量を直接検知することができる。

そして、パージポート５の近傍で、キャニスタ１内の蒸発燃料の吸着量が多い場所に熱線式センサ２５配置することで、パージを行った際のパージガス濃度をさらに精度良く推定することができる。

以下、本発明の他の実施形態について説明するが、上述した第１実施形態と同一構成の部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図３及び図４は、本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態は、上述した第１実施形態と略同一構成となっているが、第１充填室１２内には、熱線式センサ２５に所定距離離間させて、キャニスタ１内の温度を検知する温度検知手段としての温度センサ３１が配置されている。

この第２実施形態においても、熱線式センサ２５には、定電流源２６から一定電流が供給されている。一方、温度センサ３１には、定電流源２６を経ずに、熱線式センサ２５よりも十分に小さい電流が供給され、殆ど発熱しない状態で使用される。そして、図４に示すように、いわゆるブリッジ回路を構成し、増幅器２７を通し、温度センサ３１と熱線式センサ２５との差の値を検知する。すなわち、この第２実施形態においては、熱線式センサ２５の出力値を温度センサ３１の出力値で補正している。

尚、増幅器２７を通して検出された熱線式センサ２５の出力値を用いてパージガス濃度を推定する手法は、上述した第１実施形態と同様である。

このような第２実施形態においては、上述した第１実施形態で得られる作用効果に加え、温度センサ３１の出力値により熱線式センサ２５の出力値を補正することで、環境温度（活性炭１１の温度）を考慮して、ケーシング２内の熱容量、すなわち活性炭１１の熱容量を検知することができ、活性炭１１のＨＣ吸着量を一層精度良く検知することができる。

また、パージ中の環境温度の変化（活性炭１１の温度変化）から、パージ中のパージガス濃度推定を精度良く実施することができる。

尚、この第２実施形態において、温度センサ３１は、熱線式センサ２５に所定距離離間させて配置されているが、ここでいう所定距離とは、熱線式センサ２５の発熱の影響をうけない程度に温度センサ３１が熱線式センサ２５から離れていることを意味するものであり、前記所定距離は、熱線式センサ２５に供給される一定電流の大きさや、発熱部２５ａの材質等に応じて適宜設定されるものである。

図５は、本発明の第３実施形態を示している。この第３実施形態は、上述した第２実施形態と略同一構成となっているが、第１充填室１２の他端側には、第２の熱容量検知手段としての熱線式センサ４１が配置されている。換言すれば、熱線式センサ２５よりもケーシング２内の流路の他端側に、ケーシング２内の熱容量からキャニスタ１内に吸着された蒸発燃料の吸着量を検知する熱線式センサ４１が配置されている。

このような第３実施形態においては、上述した第２実施形態で得られる作用効果に加え、熱線式センサ４１で検知される蒸発燃料の吸着量から、キャニスタ１の飽和度（キャニスタ１飽和時の蒸発燃料の吸着量に対する計測時の蒸発燃料の吸着量の比率）を精度良く検知することができ、パージ中のパージガス濃度を精度良く検知することができる。換言すれば、ケーシング２内の流路の一端側と他端側の２箇所で蒸発燃料の吸着量を検知することで、パージ中に変化するキャニスタ１の飽和度を精度良く検知することができる。

尚、この第３実施形態において、熱線式センサ２５の検出値は上述した図４と同様の検出回路で検出され、熱線式センサ４１の検出値は上述した図２と同様の検出回路で検出される。また、熱線式センサ４１の検出値からパージガス濃度を検知する手法は、上述した熱線式センサ２５でパージガス濃度を推定する手法と同様である。

また、上述した各実施形態のように、エンジン始動前に、パージを行った際のパージガス濃度を精度良く推定することが可能となると、図６に示すように、いわゆるプレパージを実施することなく、キャニスタ１のパージを実施することが可能となるので、相対的にキャニスタ１のパージ実施可能時間を増加させることができ、キャニスタ１の蒸発燃料を速やかにパージすることができる。

詳述すると、キャニスタ１のパージを実施すると、キャニスタ１内の蒸発燃料が吸気系に導入されことになるので、パージガスの濃度に応じて燃料噴射弁（図示せず）から噴射される燃料噴射量を補正する必要がある。そのため、上述したように、一般的には、キャニスタのパージを開始するにあたっては、エンジンの運転環境がパージに適合しているか（例えば、暖機終了後であるか等）判断した上でパージバルブを少し開いて少量パージ（プレパージ）し、排気通路に設けた酸素センサ等で検知した少量パージの有無による排気空燃比の変動値からパージガス中の蒸発燃料量を推定してからパージバルブを大きく開いて（例えば全開して）パージを実行（図６の上段を参照）する。これは、パージの実行中には、この推定されたパージガス中の蒸発燃料量に応じて燃料噴射量を補正しなければ、排気性能が悪化してしまい、排気中の有害ガスが増加してしまう虞があるからである。そのため、上述した各実施形態に比べて、相対的にキャニスタのパージ実施可能時間が短くなってしまい、キャニスタの蒸発燃料を速やかにパージすることはできない。尚、パージバルブは、キャニスタのパージポートと吸気系とを接続する配管の途中に介装されるバルブである。

本発明の第１実施形態のパージガス濃度推定装置に用いられるキャニスタを示す説明図。 図１のＡ−Ａに沿った位置の断面と熱線式センサの検出値の検出回路とを併せて示す説明図。 本発明の第２実施形態のパージガス濃度推定装置に用いられるキャニスタを示す説明図。 図３のＢ−Ｂに沿った位置の断面と熱線式センサの検出値の検出回路とを併せて示す説明図。 本発明の第３実施形態のパージガス濃度推定装置に用いられるキャニスタを示す説明図。 本発明によるパージガス濃度推定でのパージ時間とプレパージを伴う従来のパージガス濃度推定でのパージ時間とを対比させた説明図。

符号の説明

１…キャニスタ
２…ケーシング
５…パージポート
６…チャージポート
１１…活性炭（吸着材）
１２…第１充填室
２５…熱線式センサ（熱容量検知手段）

Claims (5)

1. ケーシング内に蒸発燃料の吸着・脱離を行う吸着材が充填されたキャニスタと、
   前記ケーシング内の所定の一点に配置され、該ケーシング内の熱容量を検知する熱容量検知手段と、を有し、
   前記ケーシング内の熱容量から該ケーシング内に吸着された蒸発燃料の吸着量を検知し、この検知された蒸発燃料の吸着量からパージガス濃度を推定するパージガス濃度推定装置において、
   前記熱容量検知手段は、通電することにより前記ケーシング内の所定の一点で発熱すると共に、自身の温度に応じて電気抵抗値が変化する発熱部を有し、
   前記発熱部に対して所定の一定電流を流して発熱させ、この所定の一定電流を通電した状態で該発熱部周辺の吸着材への伝熱により前記発熱部の温度が安定した際の前記熱容量検知手段の検出値から、前記ケーシング内の熱容量を検知していることを特徴とするパージガス濃度推定装置。
2. ケーシング内に蒸発燃料の吸着・脱離を行う吸着材が充填されたキャニスタと、
   前記ケーシング内に配置され、該ケーシング内の熱容量を検知する熱容量検知手段と、を有し、
   前記ケーシング内の熱容量から該ケーシング内に吸着された蒸発燃料の吸着量を検知し、この検知された蒸発燃料の吸着量からパージガス濃度を推定するパージガス濃度推定装置において、
   前記熱容量検知手段に対して所定距離離間させて、前記キャニスタ内の温度を検知する温度検知手段を配置し、当該温度検知手段の検出値を用いて、前記熱容量検知手段で検知された前記ケーシング内の熱容量を補正することを特徴とするパージガス濃度推定装置。
3. 前記熱容量検知手段は、通電することにより発熱すると共に、自身の温度に応じて電気抵抗値が変化する発熱部を有し、
   前記発熱部に対して所定の一定電流を流して発熱させ、この所定の一定電流を通電した状態で前記発熱部の温度が安定した際の前記熱容量検知手段の検出値から、前記ケーシング内の熱容量を検知していることを特徴とする請求項２に記載のパージガス濃度推定装置。
4. 前記キャニスタは、前記ケーシング内の流路の一端側に燃料タンクに接続されるチャージポートとエンジンの吸気系に接続されるパージポートとが設けられ、この流路の他端側に大気に連通する大気ポートが設けられたものであって、
   前記熱容量検知手段は、前記ケーシング内の流路の一端側近傍で、前記チャージポートと前記パージポートとの間に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパージガス濃度推定装置。
5. 前記熱容量検知手段よりも、前記ケーシング内の流路の他端側に、前記ケーシング内の熱容量からキャニスタ内に吸着された蒸発燃料の吸着量を検知する第２の熱容量検知手段が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパージガス濃度推定装置。

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