JP7067238B2

JP7067238B2 - 蒸発燃料処理装置

Info

Publication number: JP7067238B2
Application number: JP2018083252A
Authority: JP
Inventors: 尚也川上; 裕樹松井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-04-24
Filing date: 2018-04-24
Publication date: 2022-05-16
Anticipated expiration: 2038-04-24
Also published as: JP2019190357A

Description

本発明は、蒸発燃料処理装置に関する。

従来、過給機を備えた内燃機関の蒸発燃料処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の蒸発燃料処理装置は、エゼクタ、及び当該エゼクタと吸気通路との間に接続されている接続通路を備えている。吸気通路における過給機の下流側の部位に接続されている還流通路は、エゼクタ及び接続通路を介して吸気通路における過給機の上流側の部位に接続されている。蒸発燃料が通過するパージ通路は、エゼクタ及び接続通路を介して吸気通路における過給機の上流側の部位に接続されている。エゼクタは、還流通路から吸気通路に向かう空気の流れを利用してパージ通路から蒸発燃料を吸い出して、当該蒸発燃料を吸気通路に導入する。

ところで、エゼクタから接続通路が外れているなど、蒸発燃料処理装置において異常が発生している場合、接続通路における内圧が低下する。
特許文献１の蒸発燃料処理装置は、接続通路に内圧センサを備えている。蒸発燃料処理装置の制御部は、内圧センサの検出値が正常値を下回る場合に、エゼクタから接続通路が外れているなどの異常が発生していると判定する。

特開２０１７－６７０４３号公報

特許文献１の蒸発燃料処理装置において、エゼクタから接続通路が外れているなどの異常を検出するために、専用の内圧センサを設ける必要がある。

上記課題を解決するために、過給機を備える内燃機関の蒸発燃料処理装置は、吸気通路におけるエアクリーナの下流側且つ前記過給機よりも上流側の部分である第１吸気管と、前記吸気通路における前記過給機よりも下流側の部分である第２吸気管に接続されるとともにエゼクタを介して前記第１吸気管に接続されている還流通路と、燃料タンクで発生した蒸発燃料が通過するとともに前記エゼクタを介して前記第１吸気管に接続されているパージ通路と、排気通路に設けられる空燃比センサにより検出される空燃比が前記内燃機関の状態に応じて設定される目標空燃比よりもリーンとなる場合に、前記蒸発燃料処理装置において異常が発生していると判定する判定部と、を備えている。前記第１吸気管は、管内を開放する接続口を有し、前記エゼクタは、前記接続口に挿入される下流部を備え、前記下流部の先端面は、前記第１吸気管の内壁面と面一であることを要旨とする。

上記構成によれば、何らかの要因により蒸発燃料処理装置を通過する空気の圧力が想定以上に高まるなどした場合に、その圧力に起因する力により第１吸気管からエゼクタが外れることがある。こうした場合、第１吸気管の接続口は、外部に開放される。この状態で過給機が過給する場合、内燃機関には正常時と比較して多くの量の空気が供給される。これは、正常時においてはエアクリーナによって内燃機関に向かって流れる吸気に圧力損失が生じるのに対して、過給機と接続口との間にはエアクリーナ以上に吸気に対して圧力損失を生じさせる構成がないためである。

したがって、第１吸気管からエゼクタが外れた状態で過給機が過給する場合、内燃機関には過給される空気量が過多となる状態が続くため、空燃比センサにおいて検出される空燃比は目標空燃比よりもリーンとなる。したがって、判定部は、空燃比が目標空燃比よりもリーンとなる場合に蒸発燃料処理装置において異常が発生していると判定することができる。

このように、上記構成によれば、内燃機関の空燃比の制御に用いられる空燃比センサを使用することにより、専用のセンサを必要とせずに蒸発燃料処理装置において発生する異常を検出することができる。

蒸発燃料処理装置を備えた内燃機関を示す概略図。エゼクタと上流側管路との接続部分周辺を示す断面図。（ａ）は第１吸気管からエゼクタが外れる前後における内燃機関の吸気量の変化態様を示すグラフ、（ｂ）は第１吸気管からエゼクタが外れる前後における吸気通路に流入する蒸発燃料量の変化態様を示すグラフ、（ｃ）は第１吸気管からエゼクタが外れる前後における空燃比の変化態様を示すグラフ。

以下、過給機を備えた内燃機関の蒸発燃料処理装置の一実施形態について、図１～図３にしたがって説明する。先ず、蒸発燃料処理装置を搭載する内燃機関１００の概略構成について説明する。なお、以下の説明において単に上流、下流というときは、吸気、排気、蒸発燃料、及び外気の流れにおける上流、下流を示すものとする。

図１に示すように、内燃機関１００は、当該内燃機関１００の外部から吸気を導入するための吸気通路１１を備えている。吸気通路１１には、吸気に含まれる異物を取り除くエアクリーナ２１が設けられている。吸気通路１１におけるエアクリーナ２１よりも下流側には、ターボチャージャ３０におけるコンプレッサ３１が設けられている。コンプレッサ３１は、吸気通路１１におけるコンプレッサ３１よりも下流側に圧縮した吸気を供給する。吸気通路１１におけるコンプレッサ３１よりも下流側には、圧縮した吸気を冷却するためのインタークーラ２２が設けられている。吸気通路１１におけるインタークーラ２２よりも下流側には、スロットルバルブ２３が設けられている。スロットルバルブ２３は、吸気通路１１の流路を開閉することにより、当該吸気通路１１を流通する吸気量を制御する。

吸気通路１１の下流端には、燃料を吸気と混合して燃焼させる気筒１２が接続されている。気筒１２内には、当該気筒１２の内部に燃料を噴射する燃料噴射弁２４の先端が突出している。

気筒１２には、当該気筒１２から排気を排出するための排気通路１３の上流端が接続されている。排気通路１３には、ターボチャージャ３０におけるタービン３２が設けられている。また、排気通路１３には、空燃比を検出する空燃比センサ３３が設けられている。

燃料噴射弁２４は、燃料を貯留するための燃料タンク２５から燃料が供給される。燃料タンク２５は、燃料配管を介して燃料噴射弁２４と接続されている。また、燃料タンク２５にはフィードポンプが収容されており、フィードポンプによって圧送された燃料が燃料配管を介して燃料噴射弁２４に供給される。なお、図１においては、燃料配管及びフィードポンプの図示を省略している。

燃料タンク２５には、当該燃料タンク２５内で発生した蒸発燃料の大気への放出を抑える蒸発燃料処理装置５０が接続されている。蒸発燃料処理装置５０は、燃料タンク２５内で発生した蒸発燃料を吸着するキャニスタ５１を備えている。キャニスタ５１には、当該キャニスタ５１に蒸発燃料を導入するベーパ通路５２の一端が接続されている。ベーパ通路５２の他端は、燃料タンク２５内に位置している。

キャニスタ５１には、当該キャニスタ５１に外気を導入する外気導入通路５３が接続されている。また、キャニスタ５１には、当該キャニスタ５１内の蒸発燃料を吸気通路１１へと導くパージ通路５５が接続されている。パージ通路５５のうちの上流側（キャニスタ５１側）に位置する共通通路５８の上流端は、キャニスタ５１に接続されている。パージ通路５５における共通通路５８には、当該共通通路５８を開閉するパージバルブ６１が取り付けられている。

共通通路５８の下流端には、パージ通路５５における第１パージ通路５６の上流端が接続されている。第１パージ通路５６の下流端は、吸気通路１１におけるスロットルバルブ２３よりも下流側の部分に接続されている。第１パージ通路５６には、吸気通路１１側からキャニスタ５１側への蒸発燃料等の気体の流通を防ぐ第１逆止弁６６が取り付けられている。

共通通路５８の下流端には、パージ通路５５における第２パージ通路５７の上流端が接続されている。第２パージ通路５７の下流端は、エゼクタ７０を介して吸気通路１１におけるコンプレッサ３１よりも上流側且つエアクリーナ２１の下流側の部分に接続されている。第２パージ通路５７には、吸気通路１１側からキャニスタ５１側への蒸発燃料等の気体の流通を防ぐ第２逆止弁６７が取り付けられている。また、第２パージ通路５７における第２逆止弁６７よりも下流側（エゼクタ７０側）には、第２パージ通路５７内の圧力を検出する圧力センサ９６が取り付けられている。

吸気通路１１におけるインタークーラ２２よりも下流側であってスロットルバルブ２３よりも上流側の部分には、還流通路５４の上流端が接続されている。還流通路５４の下流端は、エゼクタ７０を介して吸気通路１１におけるコンプレッサ３１よりも上流側且つエアクリーナ２１の下流側の部分に接続されている。なお、上述したとおり、インタークーラ２２は、コンプレッサ３１よりも下流側に位置している。したがって、還流通路５４は、吸気通路１１におけるコンプレッサ３１よりも上流側の部分と吸気通路１１におけるコンプレッサ３１よりも下流側の部分とを接続している。

パージバルブ６１は、制御装置９０に電気的に接続されており、当該制御装置９０によって開閉制御される。制御装置９０は、パージバルブ６１に対して、当該パージバルブ６１を開閉制御するための制御信号を出力する。

また、制御装置９０には、圧力センサ９６及び空燃比センサ３３が電気的に接続されている。制御装置９０には、圧力センサ９６によって検出される第２パージ通路５７内の圧力Ｐｘを示す電気信号、及び空燃比センサ３３によって検出される空燃比Ａ／Ｆを示す電気信号が入力される。

制御装置９０は、パージバルブ６１の制御の他にも、スロットルバルブ２３の開度、燃料噴射弁２４の燃料噴射量、及びターボチャージャ３０による過給運転制御など、内燃機関１００全体を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）として構成されている。

次に、エゼクタ７０の周辺構成について具体的に説明する。なお、図１に示すように、吸気通路１１におけるコンプレッサ３１よりも上流側の部分は第１吸気管１５により、吸気通路１１におけるコンプレッサ３１よりも下流側の部分は第２吸気管１６により、それぞれ構成されている。

図２に示すように、第１吸気管１５は、管内を開放する接続口１７を備えている。第１吸気管１５の外面には、接続口１７を囲うように突出する環状の第１条部１８及び第２条部１９が設けられている。第２条部１９は、第１条部１８の外側に設けられている。第１条部１８及び第２条部１９の外周面からの突出長は同じである。

第１吸気管１５には、エゼクタ７０が取り付けられている。エゼクタ７０の材質は、例えば熱可塑性樹脂である。
エゼクタ７０は、軸Ｏに沿って延びる筒状の本体部７１と、本体部７１の軸方向中間部から突出する筒状の吸引部７６とを備えている。吸引部７６の先端部には、第２パージ通路５７を構成する第２パージ管５７ａが接続されている。吸引部７６と第２パージ管５７ａとは、例えばクランプ４１により固定されている。

本体部７１は、軸Ｏに沿う方向において、還流通路５４を構成する還流管５４ａに接続される上流部７２と、吸引部７６が設けられている絞り部７３と、第１吸気管１５に接続されている下流部７４とに大別される。上流部７２、絞り部７３、及び下流部７４の内壁は、下流部７４側に向かうにつれて徐々にコンプレッサ３１側に近づくように形成されている。

下流部７４において絞り部７３との境界部の外面には、外側に向かって張り出す板状のフランジ７５が設けられている。フランジ７５は、第２条部１９の外側まで延びている。フランジ７５の第１吸気管１５側の端面には、環状に突出する取付条部７７が設けられている。

下流部７４は、接続口１７に挿入されている。取付条部７７の先端は、第１条部１８と第２条部１９との間に位置する第１吸気管１５の外面に接触している。取付条部７７の先端は、第１吸気管１５の外周面に振動溶着されている。これにより、本体部７１が第１吸気管１５に取り付けられている。第１条部１８と取付条部７７との間、及び取付条部７７と第２条部１９との間には、それぞれ隙間が設けられている。

なお、本体部７１が第１吸気管１５に取り付けられた状態において、第１吸気管１５の内壁面を構成する下流部７４の先端面は、第１吸気管１５の内壁面と面一である。下流部７４は、第１吸気管１５との接続により、接続口１７を塞いで第１吸気管１５の管壁として機能する壁部に相当する。上流部７２と還流管５４ａとは、例えばクランプ４２により固定されている。

本体部７１の筒内断面積は、上流側の端部から下流側に向かうほど徐々に小さくなり、軸Ｏの軸方向中間の部分で最小である。そして、本体部７１の筒内断面積は、軸Ｏの軸方向中間の部分から下流側に向かうほど徐々に大きくなる。なお、本体部７１の内部空間は、還流通路５４及び吸気通路１１の間を連通する主通路７８である。

本体部７１（絞り部７３）の内部には、主通路７８と吸引部７６の内部空間とを繋ぐ接続通路７３ａが設けられている。接続通路７３ａは、軸Ｏと直交するように延びる孔であって、主通路７８の断面積が最小となる部分に接続されている。なお、吸引部７６の内部空間と接続通路７３ａとが、第２パージ通路５７及び主通路７８の間を連通させる吸引通路７９を構成している。

エゼクタ７０は、軸Ｏが上流部７２から下流部７４に向かうにつれて第１吸気管１５を流通する吸気の下流に向かうように傾斜する状態で、第１吸気管１５に取り付けられている。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
内燃機関１００において、キャニスタ５１から吸気通路１１へ蒸発燃料を流通させる処理であるパージ処理を実行しない場合には、制御装置９０によってパージバルブ６１が閉状態に制御される。この場合、燃料タンク２５内で発生した蒸発燃料がベーパ通路５２を介して、キャニスタ５１内に流入する。キャニスタ５１内に流入した蒸発燃料は、キャニスタ５１内に吸着される。

一方、内燃機関１００において、パージ処理を実行する場合には、制御装置９０によってパージバルブ６１が開状態に制御される。ここで、内燃機関１００がターボチャージャ３０による過給運転を行っていない場合には、吸気通路１１におけるスロットルバルブ２３よりも下流側の部分の負圧によって、外気導入通路５３を介してキャニスタ５１内に外気が流入する。そして、キャニスタ５１内に吸着されていた蒸発燃料と外気とが、パージ通路５５における共通通路５８及び第１パージ通路５６を介して吸気通路１１におけるスロットルバルブ２３よりも下流側の部分に流入する。

また、内燃機関１００がターボチャージャ３０による過給運転を行っている場合には、吸気通路１１におけるコンプレッサ３１よりも下流側の部分から還流通路５４を介して、主通路７８に還流空気が流入する。還流空気は、過給されている分だけ第１吸気管１５を流れる吸気よりも圧力が高い。したがって、主通路７８に流入した還流空気は、第１吸気管１５に流出する。主通路７８の断面積は、軸Ｏの軸方向中間の部分に向かうにつれて小さい。したがって、主通路７８内を流通する還流空気の流速は、軸Ｏの軸方向中間の部分で上昇する。これにより、吸引通路７９には負圧が発生する。すると、この負圧によって、外気導入通路５３を介してキャニスタ５１内に外気が流入する。そして、キャニスタ５１内に吸着されていた蒸発燃料を含む外気が、パージ通路５５における共通通路５８、パージ通路５５における第２パージ通路５７、吸引通路７９、主通路７８を介して第１吸気管１５に流入する。

ところで、蒸発燃料処理装置５０では、何らかの要因により主通路７８を通過する空気の圧力が想定以上に高まるなどした場合に、その圧力に起因する力により第１吸気管１５からエゼクタ７０が外れることがある。これは、エゼクタ７０自体の強度よりも、エゼクタ７０と第１吸気管１５とが接続されている溶着部分の強度が低いため、エゼクタ７０自体にクラックが入るなどの異常が生じるよりも先に、第１吸気管１５からエゼクタ７０が外れるためである。こうした場合、第１吸気管１５の接続口１７は、外部に開放される。

図３（ａ）に示すように、接続口１７が外部に開放された状態で内燃機関１００が過給運転を行う場合、気筒１２には正常時と比較して多くの量の空気が供給される。これは、正常時においてはエアクリーナ２１によって気筒１２に向かって流れる吸気に圧力損失が生じるのに対して、接続口１７とコンプレッサ３１との間にはエアクリーナ２１以上に吸気に対して圧力損失を生じさせる構成がないためである。また、図３（ｂ）に示すように、第１吸気管１５からエゼクタ７０が外れているため、第１吸気管１５に流入する蒸発燃料量は「０」である。

したがって、内燃機関１００が過給運転を行い、且つパージ処理が実行されている状態で、第１吸気管１５からエゼクタ７０が外れた場合、気筒１２には供給される空気量が過多となる状態が続く。このため、図３（ｃ）に示すように、空燃比センサ３３において検出される空燃比Ａ／Ｆは目標空燃比よりもリーンとなる。したがって、制御装置９０は、空燃比Ａ／Ｆが目標空燃比よりもリーンとなる場合に、第１吸気管１５からエゼクタ７０が外れるといった蒸発燃料処理装置５０において異常が発生していると判定することができる。

（１）蒸発燃料処理装置５０によれば、内燃機関１００の空燃比の制御に用いられる空燃比センサ３３を使用することにより、専用のセンサを必要とせずに蒸発燃料処理装置５０において発生する異常を検出することができる。専用のセンサを必要としない分、蒸発燃料処理装置５０の小型化や軽量化、組付け工数の削減などの効果が得られる。

（２）なお、第１吸気管１５に直接エゼクタ７０が取り付けられているので、例えば第１吸気管１５に別体の管体を介してエゼクタ７０が取り付けられる場合と比較して、還流空気及び蒸発燃料を含む外気が流通する経路長が短い。したがって、蒸発燃料を吸気通路１１に戻すための圧力損失が低減されるため、コンプレッサ３１による過給圧が低くても、蒸発燃料を吸気通路１１に戻すことができる。また、管体が省略される分、主通路７８から吸気通路１１に至るまでに、第１吸気管１５とエゼクタ７０との接続に伴う段差も少なくなる。この点においても、蒸発燃料を吸気通路１１に戻すための圧力損失が低減される。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態において、エゼクタ７０と第１吸気管１５との固定方法は、振動溶着に限らず適宜変更できる。エゼクタ７０自体の強度よりも低い強度で、エゼクタ７０と第１吸気管１５とが直接接続されていれば、これら両者の間の固定方法は問わない。

・上記実施形態において、エゼクタ７０の本体部７１は、第１吸気管１５に対して取り付けられていればよい。なお、上記実施形態の構成を採用すれば、還流空気の流れは吸気の流れに逆らわないので、主通路７８を通過する空気の圧力が高まりにくい。

・上記実施形態において、パージ通路５５の接続構成は適宜変更しても良い。例えば、内燃機関１００が過給運転を行っていない場合にパージ処理を実行しないのであれば、第１パージ通路５６を省略してもよい。

Ｏ…軸、Ｐｘ…圧力、Ａ／Ｆ…空燃比、１１…吸気通路、１２…気筒、１３…排気通路、１５…第１吸気管、１６…第２吸気管、１７…接続口、１８…第１条部、１９…第２条部、２１…エアクリーナ、２２…インタークーラ、２３…スロットルバルブ、２４…燃料噴射弁、２５…燃料タンク、３０…ターボチャージャ（過給機）、３１…コンプレッサ、３２…タービン、３３…空燃比センサ、４１，４２…クランプ、５０…蒸発燃料処理装置、５１…キャニスタ、５２…ベーパ通路、５３…外気導入通路、５４…還流通路、５４ａ…還流管、５５…パージ通路、５６…第１パージ通路、５７…第２パージ通路、５７ａ…第２パージ管、５８…共通通路、６１…パージバルブ、６６…第１逆止弁、６７…第２逆止弁、７０…エゼクタ、７１…本体部、７２…上流部、７３…絞り部、７３ａ…接続通路、７４…下流部、７５…フランジ、７６…吸引部、７７…取付条部、７８…主通路、７９…吸引通路、９０…制御装置、９６…圧力センサ、１００…内燃機関。

Claims

過給機を備える内燃機関の蒸発燃料処理装置であって、
吸気通路におけるエアクリーナの下流側且つ前記過給機よりも上流側の部分である第１吸気管と、
前記吸気通路における前記過給機よりも下流側の部分である第２吸気管に接続されるとともにエゼクタを介して前記第１吸気管に接続されている還流通路と、
燃料タンクで発生した蒸発燃料が通過するとともに前記エゼクタを介して前記第１吸気管に接続されているパージ通路と、
排気通路に設けられる空燃比センサにより検出される空燃比が前記内燃機関の状態に応じて設定される目標空燃比よりもリーンとなる場合に、前記蒸発燃料処理装置において異常が発生していると判定する判定部と、を備え、
前記第１吸気管は、管内を開放する接続口を有し、
前記エゼクタは、前記接続口に挿入される下流部を備え、
前記下流部の先端面は、前記第１吸気管の内壁面と面一である
ことを特徴とする蒸発燃料処理装置。