JP6721528B2

JP6721528B2 - 蒸発燃料処理装置

Info

Publication number: JP6721528B2
Application number: JP2017048708A
Authority: JP
Inventors: 啓太福井; 山崎　誠; 誠山崎; 善和宮部
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2037-03-14
Also published as: JP2018150901A; WO2018168524A1

Description

本発明は、車両の燃料タンク内で発生する蒸発燃料を処理する蒸発燃料処理装置に関する。

蒸発燃料処理装置として、燃料タンクとキャニスタとを接続するベーパ通路を開閉する封鎖弁を備え、その封鎖弁の駆動源としてステッピングモータが設けられたものが知られている（特許文献１）。なお、特許文献１には、封鎖弁の開弁開始位置を学習する際に学習値の取得に失敗した場合などに、封鎖弁が閉状態となる所定のフェールセーフ値を学習値として設定して不具合に備えることが記載されている。

特開２０１５−１１０９１６号公報

特許文献１の封鎖弁は、その駆動源及び構造により、無通電状態になった時点で動作位置が固定されて開方向及び閉方向のいずれにも動作不能となる。そのため、無通電状態で開状態に保持できるメリットはあるが、封鎖弁が開状態で供給電圧が低下して動作不能になると開状態のままになり封鎖弁を閉状態に操作できない。そうすると、封鎖弁に対する供給電圧の低下によって燃料タンクの密閉機能が喪失する。燃料タンクの密閉機能が喪失した場合、例えば蒸発燃料の排出規制に対する悪影響が問題となる。

そこで、本発明は、電圧低下による燃料タンクの密閉機能喪失を回避できる蒸発燃料処理装置を提供することを目的とする。

本発明の蒸発燃料処理装置は、燃料タンク内で発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタと、前記キャニスタと前記燃料タンクとを接続するベーパ通路と、前記ベーパ通路を閉鎖及び開通可能で、かつ無通電状態になった時点で動作位置が固定されて開方向及び閉方向のいずれにも動作不能となるように構成された封鎖弁と、所定の電源から前記封鎖弁に供給される電力を制御して前記封鎖弁を動作させる制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記電源にて前記封鎖弁に供給可能な電圧が、前記封鎖弁を駆動可能な最低駆動電圧よりも高く設定された所定値未満となった場合、前記ベーパ通路を閉鎖する閉状態となるように前記封鎖弁を動作させるフェールセーフを行うものである。

この蒸発燃料処理装置によれば、封鎖弁に供給される電圧が所定値未満になった場合には封鎖弁が閉状態に制御される。したがって、電圧低下によって封鎖弁が開状態のままになって燃料タンクの密閉機能が喪失することを回避できる。

本発明の一形態に係る蒸発燃料処理装置を含む車両の一部を模式的に示した構成図。封鎖弁の構造を示した断面図。制御ルーチンの一例を示したフローチャート。ステッピングモータのモータトルクと電流との関係を示した図。最低駆動電圧の算出方法を示した説明図。ステッピングモータの脱調とモータトルクとの関係を示した図。制御結果の一例を模式的に示したタイムチャート。

図１に示すように、車両１は、走行用駆動源として設けられガソリンエンジンとして構成された内燃機関２と、内燃機関２の燃料であるガソリンを貯留する燃料タンク３とを備えている。燃料タンク３に貯留された燃料Ｆは燃料ポンプ４にて吸い上げられてフィードパイプ５及び燃料噴射弁６を介して内燃機関２の吸気通路７に供給される。吸気通路７には空気濾過用のエアフィルタ８と吸入空気量を調整するスロットルバルブ９とが設けられている。燃料タンク３には給油用のインレットパイプ１０が設けられている。燃料Ｆの残量はフロート式の残量センサ１１にて検出される。

車両１には燃料タンク３内で発生した蒸発燃料を処理するための蒸発燃料処理装置１２が設けられている。蒸発燃料処理装置１２は蒸発燃料を吸着する吸着材１３ａを内蔵するキャニスタ１３と、キャニスタ１３と燃料タンク３とを接続するベーパ通路１４と、ベーパ通路１４に設けられていてベーパ通路１４を閉鎖及び開通可能な封鎖弁１５と、キャニスタ１３に設けられ大気に解放する大気連通管１６と、大気連通管１６を介してキャニスタ１３に導入された外気によってキャニスタ１３から分離されたパージガスを内燃機関２の吸気通路７に供給するパージ処理を実施するパージ装置１７とを備えている。

ベーパ通路１４と燃料タンク３との接続部にはＯＲＶＲバルブ２０及びＯＣＶバルブ２１が設けられている。ＯＲＶＲバルブ２０及びＯＣＶバルブ２１は燃料タンク３内の燃料Ｆの液面がこれらの高さまで達した場合にベーパ通路１４と燃料タンク３との連通を遮断するように構成されている。パージ装置１７は、キャニスタ１３と内燃機関２の吸気通路７とを接続してパージガスを内燃機関２に導くためのパージ通路２３と、パージ通路２３に設けられたパージコントロールバルブ２４とを備えている。パージコントロールバルブ２４はパージ通路２３を閉鎖してパージガスの供給を遮断する全閉位置とパージ通路２３を開放する全開位置との間で動作するバルブ装置として、例えば電磁アクチュエータ等により駆動される電磁制御式のバルブとして構成されている。パージコントロールバルブ２４が開弁すると、大気連通管１６を介してエアフィルタ１６ａにて濾過された外気がキャニスタ１３に導かれる。これにより、キャニスタ１３から分離されたパージガスが内燃機関２の吸気通路７に供給される。

大気連通管１６とキャニスタ１３との接続部にはキーオフポンプ２５が設けられている。キーオフポンプ２５はキャニスタ１３や燃料タンク３等の検査対象の穴あき等の異常を検出する検査を行うために設けられている。キーオフポンプ２５はその検査時に駆動されるポンプの他にキャニスタ１３内の圧力を測定する圧力センサ２６を内蔵している。

図２に詳細を示した封鎖弁１５は、閉状態でベーパ通路１４を閉鎖するとともに、開状態でベーパ通路１４の開通を許容しかつ開状態での開度を変化させることにより蒸発燃料の流量を制御可能な電動式の流量制御弁として構成されている。図２に示すように、封鎖弁１５は、ケーシング３０と、ケーシング３０に収められた弁体３１と、弁体３１を駆動するステッピングモータ３２とを備えている。

ケーシング３０には、蒸発燃料が流入する流入路４１と、蒸発燃料が流出する流出路４２と、流入路４１及び流出路４２のそれぞれと通じていて弁体３１が収納される弁室４３とが形成されている。弁体３１は流入路４１を閉鎖可能な内側弁部５１と、内側弁部５１を囲むように配置され、図２の上側が閉鎖されかつ下側が開放されたガイド部５２とを含んでいる。内側弁部５１とガイド部５２とは、互いに軸線Ａｘの方向に相対移動可能な状態で軸線Ａｘを中心として同心状に組み合わされている。内側弁部５１の下端には例えば合成ゴムで構成されたシール部材５４が設けられており、シール部材５４は流入路４１の開口位置に設けられたケーシング３０の弁座６０に密着して流入路４１を閉鎖できる。

内側弁部５１とガイド部５２との間には、内側弁部５１を弁座６０側に付勢するコイルばね５５が圧縮状態で設けられている。ガイド部５２は軸線Ａｘの方向に移動可能な状態で、かつ軸線Ａｘの回りを回転不能な状態でケーシング３０に設けられている。また、ガイド部５２とケーシング３０との間にはコイルばね５６が圧縮状態で設けられている。このコイルばね５６の弾性力により、ガイド部５２は弁座６０から離れる方向に付勢されている。ガイド部５２の上部には雌ねじ部５７が設けられている。雌ねじ部５７に形成された雌ねじ５７ａはステッピングモータ３２の出力軸５８に形成された雄ねじ５８ａと噛み合っている。これにより、ステッピングモータ３２の動作量に応じて弁体３１のガイド部５２は矢印Ｘで示した開方向及びその反対方向の閉方向に移動する。

図２の状態は、弁体３１のガイド部５２の下端が弁座６０に接触する閉方向の限界に位置しかつベーパ通路１４が閉鎖される初期位置の状態である。この初期位置では、内側弁部５１のシール部材５４がコイルばね５５の弾性力によって弁座６０に押し付けられていて封鎖弁１５は閉状態にある。初期位置からガイド部５２が開方向に移動するようにステッピングモータ３２が駆動されるとガイド部５２の下端が弁座６０から離れ始める。そして、さらに開方向の動作量が増加するとガイド部５２に設けられて内向きに突出する突出部５２ａと、内側弁部５１に設けられて外向きに突出する突出部５１ａとが突き当たる。これらの突出部５２ａ、５１ａが互いに突き当るまでは、内側弁部５１のシール部材５４が弁座６０に押し付けられた閉状態に維持される。さらに、これらの突出部５２ａ、５１ａが互いに突き当たった状態でガイド部５２が開方向に動作すると、ガイド部５２と内側弁部５１とが一緒に開方向に移動し、内側弁部５１のシール部材５４が弁座６０から離れる。これにより流入路４１が開放されるので、流入路４１と流出路４２とが弁室４３を介して互いに連通し、ベーパ通路１４の開通が許容される。

このように、封鎖弁１５が初期位置から開方向に動作してガイド部５２の突出部５２ａと内側弁部５１の突出部５１ａとが互いに突き当たるまでは閉状態に維持される。そのため、初期位置から開方向に動作して突出部５２ａ、５１ａが互いに突き当たるまでの封鎖弁１５の動作範囲が閉弁範囲である。そして、これらの突出部５２ａ、５１ａが互いに突き当たった状態でガイド部５２が開方向に動作して内側弁部５１のシール部材５４が弁座６０から離れる位置が封鎖弁１５の開弁開始位置である。

蒸発燃料処理装置１２の制御は、一例として図１に示した内燃機関２の運転状態を制御するコンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７０にて行われ、ＥＣＵ７０は本発明に係る制御手段の一例として機能する。ＥＣＵ７０は、封鎖弁１５等の各種装置の電源の一例として設けられた補機バッテリ７１に電気的に接続されていて、補機バッテリ７１が供給する電力にて動作する。補機バッテリ７１の電圧は電圧計７２の出力信号に基づいてＥＣＵ７０にて監視されている。なお、補機バッテリ７１として、例えば１２Ｖの鉛バッテリが設けられている。

ＥＣＵ７０は、内燃機関２の運転状態や燃料タンク３の内圧の状態等を考慮して、例えば、燃料タンク３の内圧を減圧する減圧処理を実施するために封鎖弁１５の動作を制御する。また、図２に詳細を示した封鎖弁１５の開弁開始位置は封鎖弁１５のガイド部５２や内側弁部５１等の公差やこれらの経年変化によってばらつきが生じるため、封鎖弁１５を開方向に動作させながら封鎖弁１５に固有の開弁開始位置を検出して学習値として記憶する学習処理がＥＣＵ７０にて実施される。

このように封鎖弁１５は様々な場面で制御されるが、封鎖弁１５はステッピングモータ３２を駆動源として図２の構造を有しているため、無通電状態になった時点で動作位置が固定されて開方向及び閉方向のいずれにも動作不能となるので、無通電状態で開状態に保持できるメリットがある。しかし、補機バッテリ７１が封鎖弁１５に対して供給可能な電圧が低下して開状態の封鎖弁１５を駆動できなくなった場合、封鎖弁１５は開状態のままとなるため燃料タンク３の密閉機能が喪失する。そこで、ＥＣＵ７０は、上記電圧が低下した場合、封鎖弁１５が駆動不能となる前にベーパ通路１４を閉鎖する閉状態となるように封鎖弁１５の動作を制御して密閉機能喪失を回避する。

図３はＥＣＵ７０が実行する制御ルーチンの一例を示しており、図３の制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ７０に保持されており、所定周期で繰り返し実行される。ＥＣＵ７０は図３の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る制御手段の一例として機能する。

図３のステップＳ１において、ＥＣＵ７０は、上述した減圧制御や学習処理などで封鎖弁１５を駆動する駆動要求があるか否かを判定する。駆動要求がある場合はステップＳ２に進み、駆動要求がない場合は以下の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ２において、ＥＣＵ７０は、例えば、減圧制御や学習処理などで封鎖弁１５の目標動作量を実現するステップ数（目標ステップ）を算出する。続くステップＳ３において、ＥＣＵ７０は、電圧計７２の出力信号を参照することによって補機バッテリ７１が封鎖弁１５に供給可能な電圧（ここではＥＣＵ電圧Ｖｅｃｕと称する。）を取得する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ３で取得したＥＣＵ電圧Ｖｅｃｕが所定値ＶＡ未満か否かを判定する。ＥＣＵ電圧Ｖｅｃｕが所定値ＶＡ未満の場合はステップＳ５に進む。そうでない場合は、ステップＳ７に進み、ＥＣＵ７０はステップＳ２で算出した目標ステップに相当するだけ封鎖弁１５を動作させて今回のルーチンを終了する。

ステップＳ４で使用される所定値ＶＡは、封鎖弁１５を駆動可能な下限値である最低駆動電圧よりも高い値に設定される。また、所定値ＶＡは、後述する封鎖弁１５を閉状態に制御するフェールセーフを完了できるようにフェールセーフの実施による消費電力を考慮して最低駆動電圧よりも高い値に設定される。

ここで、最低駆動電圧の算出について図４及び図５を参照しながら説明する。図４に示すように、封鎖弁１５のステッピングモータ３２に供給される電流と、その電流で出力されるモータトルクとは比例関係にあり直線Ｌ１で示される。封鎖弁１５の駆動の可否はモータトルクで決まるので、封鎖弁１５を駆動できない駆動不可領域ＡＲ１が図示のように設定される。駆動不可領域ＡＲ１の上限よりもモータトルクが大きければ封鎖弁１５を駆動することができるので最低駆動トルクＴｍｉｎは駆動不可領域ＡＲ１の上限に沿って延びる直線Ｌ２として設定される。直線Ｌ１と直線Ｌ２との交点は、ステッピングモータ３２が最低駆動トルクＴｍｉｎを出力可能な電流である最低駆動電流Ａｍｉｎとなる。

図５に示すように、ステッピングモータ３２に供給される電圧と電流との関係は比例関係であるが環境温度に依存するため、環境温度毎に互いに相違する複数の直線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、…で示される。各曲線Ｌａ、…は、環境温度が高いほど低電流側に平行に並ぶ。なおＥＣＵ７０を作動できないＥＣＵ作動不可領域ＡＲ２は図示の通りに設定される。各曲線Ｌａ、…と最低駆動電流Ａｍｉｎとの交点が環境温度毎に決まる最低駆動電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、…となる。

図３に戻り、ステップＳ５において、ＥＣＵ７０は封鎖弁１５を閉状態に制御するフェールセーフの一例として最大ステップイニシャライズを実施する。これは、閉方向に物理的に動作不可となる機械的な動作限界に封鎖弁１５が確実に達するように封鎖弁１５を動作させる処理である。これにより、封鎖弁１５の現在位置に関わりなく封鎖弁１５が閉方向の動作限界に達するので確実に閉状態にできる。フェールセーフにおいては、ステッピングモータ３２の脱調が生じないように封鎖弁１５の開弁速度が設定され、その開弁速度にて封鎖弁１５の動作が制御される。封鎖弁１５の開弁速度は、ステッピングモータ３２に供給されるパルス間の時間である駆動周期として表すことができる。駆動周期が短い場合は封鎖弁１５の開弁速度が速く、駆動周期が長い場合は封鎖弁１５の開弁速度が遅くなる。ステッピングモータ３２の脱調は封鎖弁１５のダンピング時のリフト量偏差が限界偏差δｍａｘを超えた場合に生じる。ステッピングモータ３２の脱調と駆動周期との関係は図６に示されている。この図を参照すると、脱調が生じる脱調領域ＡＲ３は図示のように設定されていて、駆動周期が長いほど、つまり封鎖弁１５の開弁速度が遅いほど脱調しにくくなり、駆動周期が短いほど、つまり封鎖弁１５の開弁速度が速いほど脱調しやすいと言える。そして、モータトルクが大きいほど脱調しにくくなる。

図３に戻り、ステップＳ６において、ＥＣＵ７０は、目標ステップ数をゼロに変更する。つまり封鎖弁１５の目標位置を初期位置（図２参照）に変更する。これにより、封鎖弁１５は閉状態の初期位置に保持されることになる。

図７に示すように、ＥＣＵ７０が図３の制御ルーチンを実行することにより、封鎖弁１５が目標ステップ上を推移するように制御されている状態で、時刻ｔ１において、ＥＣＵ電圧Ｖｅｃｕが所定値ＶＡより低くなるとフェールセーフの一例である最大ステップイニシャライズが実施され、時刻ｔ２で当該処理が完了すると封鎖弁１５が初期位置に保持されることになる。これにより、ＥＣＵ電圧Ｖｅｃｕが最低駆動電圧Ｖｍｉｎに以下に低下する前に、封鎖弁１５が閉状態となるから封鎖弁１５が開状態のままで動作不能となり燃料タンク３の密閉機能が喪失することを回避できる。

本発明は上記形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記形態の封鎖弁２０は一例にすぎず、無通電状態になった時点で動作位置が固定されて開方向及び閉方向のいずれにも動作不能となるように構成された電動式の弁であれば、いかなる構造の弁であっても採用できる。

以上の説明及び図面では、便宜上、ＥＣＵ７０が直接的に封鎖弁１５を制御するように記述されているが、より正確には、ＥＣＵ７０は、補機バッテリ１７に接続される不図示の駆動回路を操作することによって封鎖弁１５に供給される電力を制御して封鎖弁１５を動作させている。

上記形態は以下の蒸発燃料処理装置の発明における実施の形態としても把握できる。
すなわち、燃料タンク内で発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタと、前記キャニスタと前記燃料タンクとを接続するベーパ通路と、前記ベーパ通路を閉鎖及び開通可能で、かつ無通電状態になった時点で動作位置が固定されて開方向及び閉方向のいずれにも動作不能となるように構成された封鎖弁と、所定の電源から前記封鎖弁に供給される電力を制御して前記封鎖弁を動作させる制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記電源にて前記封鎖弁に供給可能な電圧が、前記封鎖弁を駆動可能な最低駆動電圧よりも高く設定された所定値未満となった場合、前記ベーパ通路を閉鎖する閉状態となるように前記封鎖弁の動作を制御するフェールセーフを行うものであり、前記所定値は、前記封鎖弁に対して前記フェールセーフを完了できるように前記下限値よりも高く設定されている。この蒸発燃料処理装置によれば、フェールセーフを開始しても完了できない事態を回避でき確実に封鎖弁を閉状態にすることができる。これにより、電圧低下による燃料タンクの密封機能喪失を確実に回避できる。

また上記形態は次の蒸発燃料処理装置の発明における実施の形態としても把握できる。
すなわち、燃料タンク内で発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタと、前記キャニスタと前記燃料タンクとを接続するベーパ通路と、前記ベーパ通路を閉鎖及び開通可能で、かつ無通電状態になった時点で動作位置が固定されて開方向及び閉方向のいずれにも動作不能となるように構成された封鎖弁と、所定の電源から前記封鎖弁に供給される電力を制御して前記封鎖弁を動作させる制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記電源にて前記封鎖弁に供給可能な電圧が、前記封鎖弁を駆動可能な最低駆動電圧よりも高く設定された所定値未満となった場合、前記ベーパ通路を閉鎖する閉状態となるように前記封鎖弁の動作を制御するフェールセーフを行うものであり、前記封鎖弁はステッピングモータを駆動源として有しており、前記制御手段は、前記フェールセーフを行う際に、前記ステッピングモータが脱調しないように前記封鎖弁の動作を制御するものである。この燃料処理装置によれば、ステッピングモータの脱調によりフェールセーフの実施が不完全になることを回避できるから、電圧低下による燃料タンクの密封機能喪失を確実に回避できる。

１車両
２内燃機関
３燃料タンク
１７蒸発燃料処理装置
１８キャニスタ
１９ベーパ通路
１０封鎖弁
７０ＥＣＵ（制御手段）
７１補機バッテリ（電源）

Claims

燃料タンク内で発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタと、
前記キャニスタと前記燃料タンクとを接続するベーパ通路と、
前記ベーパ通路を閉鎖及び開通可能で、かつ無通電状態になった時点で動作位置が固定されて開方向及び閉方向のいずれにも動作不能となるように構成された封鎖弁と、
所定の電源から前記封鎖弁に供給される電力を制御して前記封鎖弁を動作させる制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記電源にて前記封鎖弁に供給可能な電圧が、前記封鎖弁を駆動可能な最低駆動電圧よりも高く設定された所定値未満となった場合、前記ベーパ通路を閉鎖する閉状態となるように前記封鎖弁の動作を制御するフェールセーフを行うことを特徴とする蒸発燃料処理装置。