JP5880158B2 - 蒸発燃料処理装置の診断装置 - Google Patents

Description

この発明は、給油時に燃料タンク内で発生する蒸発燃料をキャニスタを用いて処理する蒸発燃料処理装置に関し、特に、燃料タンクとキャニスタとの間の封鎖弁の異常の有無を診断する診断装置に関する。

車両の燃料タンクで発生する蒸発燃料が外部へ流出することがないように、活性炭等の吸着材を用いたキャニスタに一時的に吸着させ、その後、内燃機関の運転中に、新気の導入によりキャニスタから燃料成分をパージさせて内燃機関の吸気系に導入するようにした蒸発燃料処理装置が従来から広く用いられている。

特許文献１には、燃料タンクとキャニスタとの間の通路に封鎖弁を備え、基本的に給油時にのみ燃料タンクからキャニスタへ蒸発燃料を吸着させるようにした蒸発燃料処理装置が開示されている。つまり、給油時以外の車両停車中は封鎖弁によって燃料タンクが密閉状態に維持され、蒸発燃料の外部への流出がより確実に防止されるシステムとなっている。

そして、特許文献１の蒸発燃料処理装置は、封鎖弁が開状態のまま固着して閉じることができない開故障の有無を診断する診断装置を具備している。この特許文献１の診断装置は、キャニスタのドレンポート側に接続された負圧ポンプを備え、車両停止中の適当な時期に、封鎖弁を閉状態に制御しつつ系内をこの負圧ポンプによって減圧し、そのときの燃料タンク側の領域の圧力変化ないしキャニスタ側の領域の圧力変化に基づいて、封鎖弁の開故障の有無を判別している。

特許第４１４０３４５号

上記従来の診断装置は、車両の運転が停止した後に診断を行う構成であり、蒸発燃料処理装置の系内を密閉して圧力変化を監視する必要があることから、内燃機関の運転中に逐次診断を行うことはできない。

また、電動式ポンプのような加圧減圧手段が必須であり、このような加圧減圧手段を具備しない蒸発燃料処理装置には適用することができない。

この発明の診断装置は、キャニスタと燃料タンクとの間の連通・遮断が可能な封鎖弁を備え、給油時は上記封鎖弁を開として燃料タンクで発生した蒸発燃料をキャニスタで吸着する一方、機関運転中に上記封鎖弁を閉じた状態において、キャニスタから脱離した燃料成分を含むパージガスを内燃機関の吸気系へ導入するパージ処理を行う内燃機関の蒸発燃料処理装置を前提としている。そして、上記パージ処理の実行中に、上記封鎖弁を通して流れる蒸発燃料を検出して上記封鎖弁の異常の有無を診断することを特徴としている。

すなわち、封鎖弁が閉に制御されている状態において、閉弁時のシール不良や弁体が開位置で固着している開固着などの異常があると、燃料タンク内で発生した蒸発燃料が封鎖弁を通してキャニスタ側へ漏れ出る。しかし、パージ処理が行われていない状態では、キャニスタの吸着量が徐々に増えるものの、キャニスタを含む系内で積極的なガスの移動が生じていないため、封鎖弁を通して漏れる蒸発燃料を精度良く検出することは困難である。

これに対し、パージ処理の実行中は、内燃機関の吸気系の負圧がキャニスタに作用し、この負圧によってキャニスタを通るガスの流れが発生する。つまり、上記負圧によりキャニスタに空気（一般に大気）が導入され、この空気がキャニスタを通して流れるとともに、キャニスタから脱離した燃料成分と混合して、いわゆるパージガスとなり、キャニスタから内燃機関の吸気系へと流れる。このようにキャニスタに負圧が作用する結果、仮に封鎖弁が故障で閉じていないとすると、封鎖弁を介して燃料タンク側にも負圧が作用し、比較的多量の蒸発燃料がキャニスタへ流れ、さらには内燃機関の吸気系へと流れる。従って、パージ処理を行っていない状態に比べて、パージ処理の実行中は、封鎖弁の開故障による蒸発燃料の増加が顕著に出現し、より精度良く検出できる。

このような本発明の封鎖弁の診断は、内燃機関の運転中でかつパージ処理の実行中であることを前提とするので、当然のことながら内燃機関の運転中に行うことができ、さらには、パージ処理の実行中に継続的につまり繰り返し診断を行うこともできる。

この発明によれば、内燃機関の運転中に封鎖弁の異常診断が可能であり、電動ポンプ等の加圧減圧手段に依存することなく封鎖弁の開故障を精度よく検出することができる。

この発明に係る診断装置を備えた蒸発燃料処理装置の一実施例を示す構成説明図。 この実施例における診断処理の流れを示すフローチャート。 診断の際のパージＡ／Ｆ等の変化を示すタイムチャート。 診断処理の第２の例を示すフローチャート。 第２の例におけるパージＡ／Ｆ等の変化を示すタイムチャート。 センサを備えた実施例を示す構成説明図。

図１は、この発明に係る診断装置を備えた蒸発燃料処理装置の一実施例を示す構成説明図である。図示せぬ車両に、内燃機関１が搭載されているとともに、密閉型の燃料タンク２が設けられており、給油時に燃料タンク２内で発生した蒸発燃料を処理するために、キャニスタ３を用いた蒸発燃料処理装置が設けられている。上記燃料タンク２は、先端の給油口５ａにフィラーキャップ４が着脱可能に装着された給油管部５を備えており、また、内燃機関１の燃料噴射装置６へ燃料を供給する燃料ポンプユニット７が燃料タンク２内部に収容されている。

上記キャニスタ３は、合成樹脂製のケース１１によってＵターン形状に流路が形成され、その内部に活性炭等からなる吸着材１２が充填されたものであって、Ｕターン形状をなす流路の流れ方向の一端部に、蒸発燃料の流入部となるチャージポート１３と、燃料成分を含むパージガスの流出部となるパージポート１４と、が設けられており、流れ方向の他端部に、パージの際に外気を取り込むためのドレンポート１５が設けられている。

上記チャージポート１３は、蒸発燃料通路１６を介して燃料タンク２の上部空間に接続されている。なお、この蒸発燃料通路１６の燃料タンク２側の先端部は、燃料液面が高い位置にあるときに液体燃料が蒸発燃料通路１６内に溢れ出ることを防止するＦＬＶバルブ２０を介して燃料タンク２の上部空間に連通している。そして、上記蒸発燃料通路１６の通路途中には、該蒸発燃料通路１６を開閉する封鎖弁２１が設けられている。この封鎖弁２１は、原則として給油時以外はキャニスタ３と燃料タンク２との間を遮断して燃料タンク２を密閉状態とするためのものであって、非通電時に閉となる常閉型電磁弁から構成されている。

上記パージポート１４は、内燃機関１の吸気系、例えば吸気通路１７のスロットル弁１８下流側に、パージ通路１９を介して接続されている。上記パージ通路１９には、内燃機関１へのパージガスの導入を制御するパージ制御バルブ２３が設けられており、未暖機時やフューエルカット時など所定の条件のときにはパージガスの導入を禁止する構成となっている。上記パージ制御バルブ２３は、やはり常閉型電磁弁から構成されている。なお、このパージ制御バルブ２３は単純にオン・オフ的に開閉制御される構成であってもよく、あるいは、いわゆるデューティ比制御によってパージガスの流量を連続的に可変制御し得る構成であってもよい。

上記ドレンポート１５には、先端が大気開放されたドレン通路２５が接続されており、かつこのドレン通路２５に、該ドレン通路２５を開閉するドレンカットバルブ２６が設けられている。このドレンカットバルブ２６は、非通電時に開となる常開型電磁弁から構成されている。このドレンカットバルブ２６は、例えば、系全体を密閉して行うリーク診断の際や、キャニスタ３の破過（蒸発燃料量がキャニスタの容量を上回り、吸着しきれなくなる状態）を何らかの手段で検知した場合などに閉じられ得るが、基本的には開状態となってドレン通路２５を開放している。

上記の封鎖弁２１、パージ制御バルブ２３、およびドレンカットバルブ２６は、内燃機関１の種々の制御（例えば、燃料噴射量制御、噴射時期制御、点火時期制御、スロットル弁１８の開度制御など）を行うエンジンコントロールユニット３１によって適宜に制御され、後述するように、給油時の吸着処理、運転中のパージ処理、封鎖弁２１の開故障診断、などが実行される。また、内燃機関１の排気空燃比を検出するために、内燃機関１の排気通路３０に公知の空燃比センサ３２が配置されている。この空燃比センサ３２としては、いわゆる酸素センサあるいは広域型空燃比センサのいずれであってもよい。

なお、燃料噴射装置６の燃料噴射量は、この空燃比センサ３２により検出される排気空燃比が目標空燃比（例えば理論空燃比）となるようにフィードバック制御される。詳しくは、空燃比センサ３２の検出信号に基づいて必要な空燃比フィードバック補正係数αが演算され、この空燃比フィードバック補正係数αを基本燃料噴射量に乗じて補正後の燃料噴射量を求めている。ここで、吸気系へ燃料成分を含むパージガスが流入すると、排気空燃比がリッチ方向へ変動することから、空燃比フィードバック補正係数αは小さな値となり、また、パージ制御バルブ２３を介して導入されるパージガスの流量（体積流量）が等しいものとすれば、その燃料成分濃度が高いほど空燃比フィードバック補正係数αが小さな値となる。従って、上記空燃比フィードバック補正係数αに基づいて、パージガスの燃料成分濃度を推定することが可能である。本実施例では、パージガスの燃料成分濃度を、「パージＡ／Ｆ」として取り扱う。パージＡ／Ｆは、「パージガス中の空気の質量／パージガス中の燃料成分の質量」として定義される。

上記のように構成された蒸発燃料処理装置は、基本的に、給油時に発生する蒸発燃料のみがキャニスタ３に吸着され、給油時以外は、燃料タンク２が密閉状態に保たれる。すなわち、例えば図示せぬフューエルリッドオープナー（給油口５ａを覆う車体のリッドの開閉機構）などの操作に基づき、給油時であるとエンジンコントロールユニット３１が認識したときには、ドレンカットバルブ２６が開いている状態において、パージ制御バルブ２３が閉、封鎖弁２１が開、となり、燃料タンク２内とキャニスタ３のチャージポート１３とが連通状態となる。従って、給油に伴って燃料タンク２内で発生した蒸発燃料は、キャニスタ３に導入され、その吸着材１２に吸着される。

そして、給油が終わると、封鎖弁２１が閉となる。従って、燃料タンク２内がキャニスタ３から分離した密閉状態に保たれ、内燃機関１の停止中は、キャニスタ３の吸着量は基本的に増減しない。その後、車両の運転が開始され、内燃機関１が所定の運転状態となると、封鎖弁２１を閉とした状態のまま、パージ制御バルブ２３が適宜に開かれ、キャニスタ３からの燃料成分のパージ処理が行われる。つまり、内燃機関１の吸気系との圧力差によってドレンポート１５から大気が導入され、この大気により吸着材１２からパージされた燃料成分がパージガスとなって、パージ制御バルブ２３を通して内燃機関１の吸気通路１７へと導入される。従って、内燃機関１の運転中に、キャニスタ３の吸着量は徐々に減少する。なお、上記蒸発燃料処理装置は、原則として給油時のみにキャニスタ３への吸着を許可するものであるが、温度変化などにより運転中に燃料タンク２がかなり高圧となった場合に、例外的に封鎖弁２１を一時的に開くようにしてもよい。但し、この場合に封鎖弁２１を経由してキャニスタ３に向かった蒸発燃料は、チャージポート１３から隣接するパージポート１４へとショートカットして流れ、そのまま内燃機関１の吸気通路１７に導入される。つまり、キャニスタ３の吸着材１２には殆ど吸着されない。

このように上記の蒸発燃料処理装置では、給油時のみにキャニスタ３と燃料タンク２とが連通し、給油時以外では燃料タンク２が密閉状態となるため、蒸発燃料の外部への漏洩が極めて低いレベルに抑制される。

そして、このような蒸発燃料処理装置の本来の処理性能を担保するために、上記実施例では、常閉型電磁弁からなる封鎖弁２１が閉時に蒸発燃料通路１６を十分に遮断しているか否か、つまり封鎖弁２１が開故障していないかどうか、の自己診断が内燃機関１の運転中に実行される。上記開故障は、例えば異物の噛み込みによる閉時のシール不良、弁体の開位置での固着などを含む。

図２は、この開故障診断の処理の流れを示すフローチャートであって、図３のタイムチャートを参照しつつ、以下、これを説明する。この処理は、例えば一定時間毎に繰り返し実行されるものであって、まずステップ１において、封鎖弁２１が閉状態にあるか否かを判定する。前述したように、給油時には封鎖弁２１が開となり、それ以外は基本的に封鎖弁２１は閉となる。封鎖弁２１が閉であれば、ステップ２へ進み、パージ処理の実行中であるか否かを判定する。前述したように、内燃機関１が所定の運転条件にあるときに、パージ処理として、パージ制御バルブ２３を介して内燃機関１の吸気系へのパージガスの導入が行われる。なお、パージ処理は、基本的に内燃機関１の燃料噴射量がフィードバック制御される運転領域内の一部で実行される。

パージ処理の実行中であれば、ステップ３へ進み、パージ処理を開始してから現時点までの積算パージ量（キャニスタ３から脱離した燃料成分の総量）を算出する。これは、例えば、前述した空燃比フィードバック補正係数αから推定される燃料成分量を順次積算していくことによって求められ、簡易的には、パージ制御バルブ２３が開いている時間あるいはパージ制御バルブ２３を通過したパージガス流量を積算パージ量とみなしてもよい。なお、ステップ３で順次積算されていく積算パージ量は、封鎖弁２１が開となったときには、ステップ９においてリセットされるが、運転条件の変化等によってパージ処理が断続的に行われたような場合にはリセットされず、パージ処理が再開されたときに積算が継続される。

ステップ４では、上記の積算パージ量に基づき、その時点での基準となる燃料成分濃度限界つまりパージＡ／Ｆの限界値を、例えば、所定の演算式を用いた演算、あるいは所定のテーブルからの検索、などによって求める。この実施例では、図３に破線ＡＦ１で示すパージＡ／Ｆのリーン側の限界値と、破線ＡＦ２で示すリッチ側の限界値と、がそれぞれ積算パージ量に対応して設定される。

すなわち、図３は、横軸が時間であるが、キャニスタ３の本来の特性として、パージ処理の開始時点では、キャニスタ３から吸気系に流れるパージガスの燃料成分濃度は高く、その後、パージ処理の進行に伴って、パージガスの燃料成分濃度は徐々に薄くなっていく。この燃料成分濃度の変化の特性は一義的に定まるので、各々の積算パージ量に対して、基準となる燃料成分濃度つまりパージＡ／Ｆを予め求めることができる。ステップ４では、初期の吸着量のばらつき等を考慮して、ある程度の許容範囲を見込んだものとして、リーン側の限界値ＡＦ１とリッチ側の限界値ＡＦ２とが、そのときの積算パージ量に対して設定される。

次いで、ステップ５では、前述したように空燃比フィードバック補正係数αに基づき、その時点での実際のパージＡ／Ｆを求める。そして、この実際のパージＡ／Ｆの値を、ステップ６において、上記のリーン側限界値ＡＦ１およびリッチ側限界値ＡＦ２と比較する。実際のパージＡ／Ｆの値がリーン側限界値ＡＦ１およびリッチ側限界値ＡＦ２の範囲内であれば、封鎖弁２１が正しく閉じているものと判定し（ステップ７）、範囲外（より詳しくはリッチ側限界値ＡＦ２よりもリッチ側）であれば、封鎖弁２１が十分に閉じておらず、開故障であると判定する（ステップ８）。

図３は、一例として、給油が終了して封鎖弁２１が閉となった後に、内燃機関１が始動し、かつ所定の運転条件となった段階でパージ処理が開始され、このパージ処理が十分に長く継続したときの状況を示している。図示するように、封鎖弁２１が閉じている場合に想定される基準のパージＡ／Ｆに沿ったリーン側限界値ＡＦ１およびリッチ側限界値ＡＦ２は、時間の経過ないしパージ処理の進行に伴ってリーン側へ変化していく。ここで、封鎖弁２１が正しく閉じていれば、実際のパージＡ／Ｆは両限界値ＡＦ１，ＡＦ２の間の値となる。

これに対し、封鎖弁２１が開故障として開いたままであると、パージ制御バルブ２３およびパージ通路１９を介してキャニスタ３のパージポート１４に内燃機関１の吸入負圧が作用し、この負圧がさらに蒸発燃料通路１６を介して燃料タンク２に作用するので、比較的多量の蒸発燃料が、蒸発燃料通路１６およびパージ通路１９を通して内燃機関１の吸気系に導入される。しかも、前述したように、燃料タンクで新たに発生した蒸発燃料は、キャニスタ３においてはチャージポート１３から隣接したパージポート１４へとショートカットするように流れるので、吸着材１２に殆ど吸着されることなく内燃機関１の吸気系へと流れる。従って、封鎖弁２１が開故障していると、パージＡ／Ｆが明確にリッチ化する。図３の実線ＡＦＮＧ１は、封鎖弁２１が開故障している場合のパージＡ／Ｆの特性の一例を示しており、このように実際のパージＡ／Ｆがリッチ側の限界値ＡＦ２よりもリッチ側にあれば、開故障であると判定することができる。

なお、パージ処理が実行されていない間、つまりパージ制御バルブ２３が閉じている状態においては、仮に封鎖弁２１が開故障していても、燃料タンク２に吸入負圧が作用することがないので、パージ通路１９や蒸発燃料通路１６において顕著な燃料成分濃度の増加が見られない。

このように上記実施例によれば、内燃機関１の運転中に封鎖弁２１の開故障の有無を精度良く診断することが可能であり、特に、パージ処理を継続している間、繰り返し診断を行うことができる。また、従来の特許文献１のように電動ポンプ等の加圧減圧手段に依存せずに開故障の診断が可能となる。

ところで、図２および図３の例では、基準となる限界値としてリーン側限界値ＡＦ１およびリッチ側限界値ＡＦ２の双方を設定しているが、図３から理解できるように、封鎖弁２１の開故障の判定に際しては、リッチ側の限界値ＡＦ２のみを定めれば足りる。なお、実際のパージＡ／Ｆがリーン側の限界値ＡＦ１よりもさらにリーン側である場合に、他の何らかの異常、例えばパージ通路１９における外気の侵入、などが生じていると判定するようにしてもよい。

次に、図４および図５は、パージＡ／Ｆに基づく診断手法を一部変更した変形例を示している。この実施例では、ステップ１１で封鎖弁２１が閉であるか否か判定し、ステップ１２でパージ処理の実行中であるか否か判定した後に、ステップ１３において、空燃比フィードバック補正係数αに基づいて、そのときのパージＡ／Ｆを検出する。

そして、ステップ１４では、このパージＡ／Ｆの値の増減変化を求め、パージＡ／Ｆがリッチ側へ変化しているか否かを判定する。これは、例えばパージＡ／Ｆの前回値との比較、あるいは数個のサンプル値の平均勾配、などから判定することができる。そして、パージＡ／Ｆがリッチ側へ変化している場合には、封鎖弁２１が十分に閉じておらず、開故障であると判定し（ステップ１６）、それ以外、つまりパージＡ／Ｆが殆ど変化しないかリーン側へ変化している場合には、封鎖弁２１が正しく閉じているものと判定する。

すなわち、図５に示すように、封鎖弁２１を閉じた状態でパージ処理が進行していくと、パージＡ／Ｆは破線ＡＦ０として示すように、徐々にリーン側へ変化していく。これに対し、実線ＡＦＮＧ２で示すように、排気空燃比に基づくパージＡ／Ｆの値がリッチ側へ変化していく場合は、そのパージＡ／Ｆの値の大小に拘わらず、燃料タンク２からの蒸発燃料の流入に起因した燃料成分濃度の変化であると判断することができる。

このような図４および図５に示した実施例によれば、前述した実施例と同様に、内燃機関１の運転中に封鎖弁２１の開故障の有無を精度良く診断することが可能であり、パージ処理を継続している間、繰り返し診断を行うことができる。特に、前述した実施例に比較して、パージＡ／Ｆの基準値のデータを具備せずに診断が可能となる利点がある。

なお、図４および図５に示した実施例の診断手法を、図２，図３に示した実施例の診断と組み合わせて用いることも可能である。

以上、内燃機関１の排気空燃比（換言すれば空燃比フィードバック補正係数α）に基づいて封鎖弁２１を通過する蒸発燃料の有無を判定する実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、パージ処理の実行中に、仮に封鎖弁２１が開いていると燃料タンク２にパージ用の負圧が作用して蒸発燃料が増加する、という原理に着目したものであって、このようにパージ処理の実行中に燃料タンク２から流出する蒸発燃料が増えたか否かを、より直接的に検出するようにしてもよい。

一つの例では、図６に例示するように、キャニスタ３から内燃機関１の吸気系へ至るパージ通路１９の途中に、パージガスの燃料成分濃度に応答した出力が得られるガスセンサ３３を設け、前述した各実施例と同様に、パージ処理の実行中に、封鎖弁２１の開故障に起因した燃料成分濃度の変化を検出するように構成することができる。上記ガスセンサ３３は、パージ制御バルブ２３の上流側にあってもよく、下流側にあってもよい。

また、他の一つの例では、図６に例示するように、燃料タンク２からキャニスタ３へ至る蒸発燃料通路１６の途中に、同様に蒸発燃料成分に応答した出力が得られるガスセンサ３４を設け、パージ処理の実行中に、蒸発燃料通路１６内にあるレベル以上の蒸発燃料が存在するか否かを判定するようにしてもよい。上記ガスセンサ３４は、図のように封鎖弁２１よりもキャニスタ３側にあってもよく、あるいは封鎖弁２１よりも燃料タンク２側にあってもよい。

上記ガスセンサ３３，３４は、いずれか一方で封鎖弁２１の開故障の診断が可能であるが、図６に示すように双方を用いて、パージ通路１９および蒸発燃料通路１６の２箇所での検出に基づいて診断を行うように構成してもよい。

１…内燃機関
２…燃料タンク
３…キャニスタ
２１…封鎖弁
２３…パージ制御バルブ
２６…ドレンカットバルブ
３２…空燃比センサ
３３…ガスセンサ
３４…ガスセンサ

Claims (8)

1. キャニスタと燃料タンクとの間の連通・遮断が可能な封鎖弁を備え、給油時は上記封鎖弁を開として燃料タンクで発生した蒸発燃料をキャニスタで吸着する一方、機関運転中に上記封鎖弁を閉じた状態において、キャニスタから脱離した燃料成分を含むパージガスを内燃機関の吸気系へ導入するパージ処理を行う内燃機関の蒸発燃料処理装置において、
   上記パージ処理の実行中に、上記封鎖弁を通して流れる蒸発燃料を検出して上記封鎖弁の異常の有無を診断することを特徴とする蒸発燃料処理装置の診断装置。
2. 上記キャニスタは、流れ方向の一端部にチャージポートおよびパージポートが配置されているとともに、他端部にドレンポートが配置されており、上記チャージポートが上記封鎖弁を介して上記燃料タンクに接続されているとともに、パージ処理の実行中は、上記パージポートが上記吸気系に連通し、かつ上記ドレンポートが大気開放されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸発燃料処理装置の診断装置。
3. 上記キャニスタから上記吸気系へ導入されるパージガスの燃料成分濃度に基づいて上記封鎖弁を通過した蒸発燃料の有無を判別することを特徴とする請求項１または２に記載の蒸発燃料処理装置の診断装置。
4. 上記内燃機関は、排気空燃比を検出する排気空燃比検出手段を備えており、上記排気空燃比に基づいて上記パージガスの燃料成分濃度を検出することを特徴とする請求項３に記載の蒸発燃料処理装置の診断装置。
5. 上記キャニスタから上記吸気系に至るパージ通路に、パージガスの燃料成分濃度を検出するセンサを備えていることを特徴とする請求項３に記載の蒸発燃料処理装置の診断装置。
6. 上記パージ処理の進行に伴って上記燃料成分濃度が濃くなった場合に上記封鎖弁が異常であると診断することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の蒸発燃料処理装置の診断装置。
7. 上記パージ処理の進行に対して基準となる燃料成分濃度限界を逐次設定し、検出した燃料成分濃度が上記燃料成分濃度限界よりも濃い場合に上記封鎖弁が異常であると診断することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の蒸発燃料処理装置の診断装置。
8. 上記燃料タンクから上記キャニスタに至る蒸発燃料通路に、蒸発燃料を検出するセンサを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸発燃料処理装置の診断装置。

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