JP7028694B2 - 蒸発燃料処理装置 - Google Patents

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Description

この発明は、蒸発燃料処理装置に関し、より詳細には、キャニスタと燃料タンクとを接続するベーパ通路にステップモータ式の封鎖弁を備える蒸発燃料処理装置に関する。
例えば、特許文献1には、キャニスタと燃料タンクとを接続するベーパ通路にステップモータ式の封鎖弁を備える蒸発燃料処理装置が開示されている。この蒸発燃料処理装置では、キャニスタに吸着されている蒸発燃料をキャニスタから脱離させるパージ動作の実行中に、封鎖弁を開くことによって燃料タンクの圧抜き動作が実行される。この圧抜き動作は、封鎖弁の弁体のストロークを制御して開弁量を調整することによって、内燃機関の空燃比への影響を抑制しつつ行われる。
また、上記の蒸発燃料処理装置では、圧抜き動作の実行中の封鎖弁の開弁量は、燃料タンクのタンク内圧に応じて補正される。具体的には、特許文献1には、封鎖弁が開く際のタンク内圧が高いほど、燃料タンクから流出するガス(蒸発燃料を含む)の流速が高くなり、したがって、単位時間当たりの当該ガスの流出量が多くなる点が開示されている。この知見に基づき、上記の蒸発燃料処理装置では、空燃比の変動を抑制するために、タンク内圧が高くなるにしたがって小さくなるように開弁量が補正される。
特開2014-077422号公報
特許文献1では、タンク内圧と封鎖弁の開弁量との関係が予め実験又は計算により求められ、求められた関係がマップとして電子制御ユニット(ECU)のROMに記憶されている。そして、上記の蒸発燃料処理装置では、ステッピングモータ式の封鎖弁の開弁量は、上記マップを利用して決定される。しかしながら、タンク内圧及び開弁量が同じ条件であっても、封鎖弁を通過するガス(蒸発燃料を含む)の流量は、例えば、封鎖弁の機差ばらつき又は当該封鎖弁の経年変化に起因して変化する。このため、上述のマップを利用する手法では、封鎖弁を通過するガスの流量を適切に制御できない状況が生じ得る。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、キャニスタと燃料タンクとを接続するベーパ通路にステップモータ式の封鎖弁を備える蒸発燃料処理装置において、燃料タンクの圧抜き動作を行う際に封鎖弁を通過するガスの流量を適切に制御できるようにすることにある。
本発明の一態様に係る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、
前記燃料タンクと前記キャニスタとを連通させるベーパ通路と、
前記ベーパ通路に設けられた弁体と、前記弁体を開閉駆動するステッピングモータとを含む封鎖弁と、
前記封鎖弁を制御する制御装置と、
を備える。
前記制御装置は、前記弁体を開いて前記燃料タンクの圧抜き動作を行う際に、
前記燃料タンクのタンク内圧の変化量の絶対値と前記燃料タンクの内部の空間容積とに基づいて、前記燃料タンクから出て前記封鎖弁を通過するガスの推定流量を算出する流量推定処理と、
前記推定流量が要求流量に近づくように、前記ステッピングモータのステップ数を制御するモータ制御処理と、
を実行する。
前記圧抜き動作は、前記キャニスタから脱離した蒸発燃料を含むパージガスを内燃機関の吸気通路に導入するパージ動作の実行中に行われる。
前記圧抜き動作が前記パージ動作の実行中に行われる場合に前記モータ制御処理において用いられる前記要求流量は、前記パージ動作で用いられる要求パージガス流量である。
本発明の他の態様に係る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、
前記燃料タンクと前記キャニスタとを連通させるベーパ通路と、
前記ベーパ通路に設けられた弁体と、前記弁体を開閉駆動するステッピングモータとを含む封鎖弁と、
前記封鎖弁を制御する制御装置と、
を備える。
前記制御装置は、前記弁体を開いて前記燃料タンクの圧抜き動作を行う際に、
前記燃料タンクのタンク内圧の変化量の絶対値と前記燃料タンクの内部の空間容積とに基づいて、前記燃料タンクから出て前記封鎖弁を通過するガスの推定流量を算出する流量推定処理と、
前記推定流量が要求流量に近づくように、前記ステッピングモータのステップ数を制御するモータ制御処理と、
を実行する。
前記圧抜き動作は、前記燃料タンクへの給油時又は前記封鎖弁の故障診断のために前記封鎖弁が強制駆動される時に実行される。
前記圧抜き動作が前記給油時又は前記故障診断のために前記封鎖弁が強制駆動される時に行われる場合に前記モータ制御処理において用いられる前記要求流量は、前記蒸発燃料処理装置を搭載する車両の仕様に応じて決定される一定値である。
前記モータ制御処理において、前記制御装置は、前記要求流量から前記推定流量を引いて得られる流量差が正の閾値以上である場合には、前記ステッピングモータが前記弁体の開き方向に回転するように前記ステップ数を制御してもよい。そして、前記モータ制御処理において、前記制御装置は、前記流量差がゼロ以上、かつ、前記閾値未満である場合には、前記ステップ数を現在の値で保持してもよい。
前記モータ制御処理において、前記制御装置は、前記流量差がゼロ未満である場合には、前記ステッピングモータが前記弁体の閉じ方向に回転するように前記ステップ数を制御してもよい。
本発明によれば、燃料タンクの圧抜き動作を行う際には、タンク内圧の変化量と燃料タンクの内部の空間容積とに基づいて封鎖弁を通過するガスの推定流量が算出される(流量推定処理)。このため、弁体の開弁量(リフト量)を把握しなくても、上記ガスの流量を推定可能となる。そして、本発明によれば、推定流量が要求流量に近づくように、ステッピングモータのステップ数が制御される(モータ制御処理)。このため、圧抜き動作を行う際に封鎖弁を通過するガスの流量を適切に制御できるようになる。
本発明の実施の形態に係る蒸発燃料処理装置の全体構成を説明するための図である。 図1に示す封鎖弁の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る圧抜き動作に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。 図3に示すルーチンの処理に従う給油時の圧抜き動作の例を説明するためのタイムチャートである。 図3に示すルーチンの処理に従うパージ動作の実行時の圧抜き動作の例を説明するためのタイムチャートである。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
1.蒸発燃料処理装置のハードウェア構成
1-1.全体構成
図1は、本発明の実施の形態に係る蒸発燃料処理装置20の全体構成を説明するための図である。図1に示す蒸発燃料処理装置20は、車両(図示省略)の燃料系10に適用されている。燃料系10は、燃料を貯留する燃料タンク12を備えている。燃料タンク12内には、燃料ポンプ14が設置されている。燃料ポンプ14により汲み上げられた燃料は、燃料配管16を介して、車両に搭載された内燃機関18に供給される。なお、車両は、一例として、内燃機関18とともに電動モータ(図示省略)を駆動源として備え、走行中に内燃機関18を停止可能なハイブリッド車両であるものとする。
蒸発燃料処理装置20は、燃料タンク12内で発生した蒸発燃料が外部(大気中)に漏れ出ないようにするための装置である。蒸発燃料処理装置20は、キャニスタ22、ベーパ通路24、パージ通路26及び大気通路28を備えている。キャニスタ22は、その内部に充填された吸着材(活性炭)によって、燃料タンク12内で発生した蒸発燃料を吸着可能に構成されている。ベーパ通路24の一端は、燃料タンク12内の気層部と連通しており、ベーパ通路24の他端は、キャニスタ22と連通している。ベーパ通路24には、ベーパ通路24を開閉可能な(より詳細には、ベーパ通路24の連通と遮断とを切り替え可能な)封鎖弁30が設置されている。封鎖弁30の詳細な構成については、図2を参照して後述する。
パージ通路26の一端は、キャニスタ22と連通しており、パージ通路26の他端は、内燃機関18の吸気通路32におけるスロットル弁34の下流側の部位と連通している。パージ通路26には、パージ通路26を開閉可能なパージ弁36が設置されている。大気通路28の一端は、キャニスタ22に連通しており、大気通路28の他端は、大気と連通している。大気通路28には、エアフィルタ38が設置されている。大気通路28は、エアフィルタ38よりもキャニスタ22に近い部位に、切替弁40とポンプ42とを並列に備えている。切替弁40は、大気通路28を開閉可能であって、例えば、非通電時に「開」となる常開型電磁弁によって構成されている。ポンプ42は、キャニスタ22に向けて大気を圧送可能に構成されている。
燃料タンク12には、タンク内圧Pに応じた信号を出力するタンク内圧センサ44が取り付けられている。また、燃料タンク12の内部には、燃料の液面位置を検出するためのフロート式の液面センサ46が設置されている。液面センサ46の利用により、燃料タンク12内の燃料残量を把握することができる。さらに、パージ弁36よりもキャニスタ22に近い側のパージ通路26には、キャニスタ22側(封鎖弁30の下流側)の圧力に応じた信号を出力するシステム圧センサ47が設置されている。
さらに、燃料タンク12内に開口するベーパ通路24の二又状の入口の一方には、燃料の浮力によって開閉するカットオフバルブ48が取り付けられ、その他方には、ORVR弁(Onboard Refueling Vapor Recovery Valve)50が取り付けられている。カットオフバルブ48は、通常は開弁状態に保持されており、車両の横転時に閉じてベーパ通路24への燃料の流出を阻止する。ORVR弁50は、基本的には、燃料タンク12が燃料で満杯になっていないときには開き、一方、給油によって燃料タンク12が燃料で満杯になると閉じてベーパ通路24を遮断するように構成されている。
車両は、給油口52を覆う給油リッド54と、給油を行う際に車両のユーザによって操作されるリッドスイッチ56と、給油リッド54を開放する(給油リッド54のロックを解除する)ように作動するリッドアクチュエータ58とを備えている。
図1に示す蒸発燃料処理装置20は、封鎖弁30を含む蒸発燃料処理装置20の各機器を制御するための制御装置60を備えている。制御装置60は、少なくとも1つのプロセッサと少なくとも1つのメモリと入出力インターフェースとを有するECU(Electronic Control Unit)である。入出力インターフェースは、蒸発燃料処理装置20に搭載された各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、蒸発燃料処理装置20を制御するための各種アクチュエータに対して操作信号を出力する。上記の各種センサは、上述したタンク内圧センサ44、液面センサ46及びシステム圧センサ47を含む。また、制御装置60には、リッドスイッチ56からの信号が入力される。上記の各種アクチュエータは、上述した封鎖弁30(後述のステッピングモータ64)、パージ弁36、切替弁40及びポンプ42を含む。
制御装置60のメモリには、蒸発燃料処理装置20の制御のための各種のプログラムや各種のデータ(マップを含む)が記憶されている。メモリに記憶されているプログラムがプロセッサで実行されることで、制御装置60の様々な機能が実現される。例えば、封鎖弁30の操作によるガス流量制御は、プログラムが実行されることによって実現される機能の1つである。なお、制御装置60は、複数のECUから構成されていてもよい。
1-2.封鎖弁の構成
図2は、図1に示す封鎖弁30の構成を示す断面図である。封鎖弁30は、ステッピングモータ式であり、ベーパ通路24に設けられた弁体62と、弁体62を開閉駆動するステッピングモータ(以下、「STM」と略する)64とを含む。より具体的には、図2に示すように、封鎖弁30は、弁体62及びSTM64とともに、バルブケーシング66及びバルブガイド68を備えている。
バルブケーシング66の内部には、弁室70、弁入口部72及び弁出口部74が形成されている。弁入口部72及び弁出口部74は、弁室70における流路の入口及び出口にそれぞれ相当する。弁室70、弁入口部72及び弁出口部74は、ベーパ通路24の一部として機能する。
STM64は、バルブケーシング66に取り付けられている。STM64の出力軸64aは、弁入口部72の側に向けて延びるように弁室70内に突出している。弁入口部72と対向する側の弁室70の開口は、STM64によって塞がれている。出力軸64aは、バルブケーシング66の弁室70内に同心状に配置されており、その外周面に雄ネジ部64bが形成されている。
バルブガイド68は、円筒状の筒壁部76と、筒壁部76の上端開口部を閉鎖する上壁部78とから有天円筒状に形成されている。上壁部78の中央部には、筒軸部80が出力軸64aと同心状に形成されている。筒軸部80の内周面には、雌ネジ部82が形成されている。バルブガイド68は、バルブケーシング66に対して、回り止め機構(図示省略)により軸回り方向の回り止めがなされた状態で軸方向(図2の上下方向)に移動可能に配置されている。
バルブガイド68の筒軸部80の雌ネジ部82には、STM64の出力軸64aの雄ネジ部64bが螺合している。これにより、STM64の出力軸64aの正転及び逆転に基づいて、バルブガイド68がその軸方向に往復移動できるようになる。バルブガイド68の周囲には、バルブガイド68を上方に付勢する補助スプリング84が設けられている。
弁体62は、円筒状の筒壁部86と、筒壁部86の下端開口部を閉鎖する下壁部88とから有底円筒状に形成されている。弁体62は、下壁部88の下面に固定されたシール部材90を備えている。シール部材90は、例えば、円板状の弾性材(例えば、ゴム)によって構成されている。弁体62は、バルブガイド68内に同心状に配置されている。弁体62のシール部材90は、バルブケーシング66の弁座(すなわち、弁入口部72の側において弁体62及びバルブガイド68と対向するように形成されたバルブケーシング66の壁面)91の上面に対して当接可能に配置されている。
弁体62の筒壁部86の上端外周面には、周方向に複数個の連結凸部92が形成されており、バルブガイド68の筒壁部76の内周面には、溝状の連結凹部94が形成されている。連結凸部92は、連結凹部94に対して、所定寸法だけ出力軸64aの軸方向(図2の上下方向)に相対移動可能な状態で嵌合している。バルブガイド68の連結凹部94の底壁部96が弁体62の連結凸部92に対して下方から当接した状態では、バルブガイド68と弁体62とが一体で上方(すなわち、弁体62の開き方向)に移動可能となる。バルブガイド68の上壁部78と弁体62の下壁部88との間には、バルブガイド68に対して弁体62を常に下方(すなわち、弁体62の閉じ方向)に付勢するバルブスプリング98が同心状に設けられている。
なお、封鎖弁30は、圧力リリーフ機構100を備えている。圧力リリーフ機構100は、正圧リリーフ弁102と負圧リリーフ弁104とを含み、以下の状況下において封鎖弁30の開弁状態に依らずに、燃料タンク12とベーパ通路24とを連通させる。具体的には、正圧リリーフ弁102は、タンク内圧Pが正の所定圧以上となる場合に、タンク内圧Pと封鎖弁30の出口側の圧力(キャニスタ22側のベーパ通路24の圧力であり、典型的には大気圧)との圧力差によって開く。その結果、タンク内圧Pが、ベーパ通路24を用いて逃がされる。負圧リリーフ弁104は、タンク内圧Pが負の所定値以下である場合に圧力差によって開く。その結果、燃料タンク12の過剰な負圧化が抑制される。
1-3.封鎖弁の基本動作
次に、上述のように構成された封鎖弁30の基本動作について説明する。制御装置60は、ステップ数の制御により、STM64をその正転方向又は逆転方向に回転駆動することができる。STM64がその正転方向又は逆転方向に予め決められたステップ数だけ回転すると、出力軸64aの雄ネジ部64bとバルブガイド68の筒軸部80の雌ネジ部82との螺合作用により、バルブガイド68が図2の上下方向(すなわち、弁体62の開閉方向)に予め決められたストローク量だけ移動する。
バルブガイド68の初期状態(図2に示す状態)では、バルブガイド68がその下限位置に保持されており、筒壁部76の下端面がバルブケーシング66の弁座91の上面に当接している。また、この状態では、弁体62の連結凸部92は、バルブガイド68の連結凹部94の底壁部96に対して上方に位置しており、かつ、弁体62のシール部材90は、バルブスプリング98のバネカにより、バルブケーシング66の弁座91の上面に押し付けられている。
ここでは、STM64を正転させると、封鎖弁30(弁体62)は開き方向に動作し、逆に、STM64を逆転させると、封鎖弁30(弁体62)は閉じ方向に動作するものとする。バルブガイド68の上記初期状態からSTM64が正転方向(すなわち、開き方向)に回転すると、雄ネジ部64bと雌ネジ部82との螺合作用により、バルブガイド68が上方に移動し、バルブガイド68の連結凹部94の底壁部96が、弁体62の連結凸部92に下方から当接する。そして、STM64が開き方向に更に回転し、バルブガイド68が更に上方に移動すると、弁体62がバルブガイド68とともに上方に移動し、弁体62のシール部材90がバルブケーシング66の弁座91から離れる。つまり、弁体62(封鎖弁30)が開く。その結果、ベーパ通路24の一部に相当する流路(すなわち、弁室70、弁入口部72及び弁出口部74)が連通状態となる。
2.蒸発燃料処理装置の制御
2-1.パージ動作
上述した蒸発燃料処理装置20では、燃料タンク12内で発生した蒸発燃料は、ベーパ通路24を通ってキャニスタ22に流入し、キャニスタ22(の吸着材)によって吸着される。制御装置60は、内燃機関18の運転中に所定のパージ条件が満たされる場合に、キャニスタ22に吸着された蒸発燃料をキャニスタ22から脱離させるための「パージ動作」を実行する。具体的には、パージ動作の実行中には、パージ弁36が開かれる。上述のように、切替弁40は基本的に開かれている。このため、パージ弁36の開放に伴い、内燃機関18の吸気負圧の作用により、大気通路28からキャニスタ22内に大気が流入する。この大気によって蒸発燃料がキャニスタ22から脱離し、脱離した蒸発燃料(燃料成分)を含むパージガスが吸気通路32に導入される。
2-2.封鎖弁の開放による燃料タンクの圧抜き動作の課題
前提として、ベーパ通路24に封鎖弁30を備える蒸発燃料処理装置20によれば、封鎖弁30を閉じておくことにより、蒸発燃料を燃料タンク12内に閉じ込めることができる「密閉タンクシステム」を構築できる。このような密閉タンクシステムは、例えば、本実施形態で想定するハイブリッド車両のように車両走行中に内燃機関の運転が停止することに起因してパージ動作の実行機会を確保しにくい車両において、意図した状況下で燃料タンクからキャニスタへの蒸発燃料の流入(キャニスタへの蒸発燃料の吸着)を抑制するうえで好適である。
そのうえで、制御装置60は、タンク内圧Pが高い時に封鎖弁30を開く(より詳細には、弁体62のシール部材90をバルブケーシング66の弁座91から離す)ことにより、タンク内圧Pを下げる「圧抜き動作」を実行する。このような圧抜き動作を行う状況の典型例は、車両走行中に上述のパージ動作が行われる時と、給油時である。より具体的には、圧抜き動作は、車両走行中にタンク内圧Pが所定の閾値THpよりも高くなった場合にはパージ動作の実行機会を利用して実行される。また、給油のためにユーザによってリッドスイッチ56が押された場合には、給油口52からの蒸発燃料の流出を抑制するために、給油口52が開かれる前にタンク内圧Pを速やかに下げることが必要とされる。このため、圧抜き動作は、給油時にも必要とされる。
より詳細には、上記の密閉タンクシステムとしての機能を有する蒸発燃料処理装置20において封鎖弁30を開けて圧抜き動作を行う際には、以下の点に留意する必要がある。すなわち、まず、車両走行中のパージ動作の実行時の圧抜き動作は、「封鎖弁通過ガス流量」が「パージガス流量」以下となるように封鎖弁30(弁体62)の開度を調整しつつ行う必要がある。その理由は、封鎖弁通過ガス流量がパージガス流量よりも多いと、キャニスタ22からの蒸発燃料の脱離量よりもキャニスタ22への蒸発燃料の吸着量の方が増えてしまい、密閉タンクシステムとしての機能を適切に担保できなくなるためである。なお、ここでいう封鎖弁通過ガス流量(以下、「封鎖弁流量」とも略する)は、封鎖弁30を通過するガス(燃料タンク12から流出するガス(蒸発燃料を含む))の流量のことであり、パージガス流量は、パージ弁36の開度調整により調整されるパージガス(蒸発燃料を含むガス)の流量のことである。
また、給油時の圧抜き動作は、上述のように、タンク内圧Pを速やかに下げるように実行される必要がある。しかしながら、所定流量以上の高い封鎖弁流量でタンク内圧Pが下げられると、ORVR弁50が閉じてしまうため(つまり、ベーパ通路24が遮断されてしまうため)、タンク内圧Pを下げられなくなることがある。
以上のようなパージ動作の実行時及び給油時の要求を良好に満たすためには、圧抜き動作の実行中に封鎖弁流量を適切に制御できることが重要となる。そして、このような流量制御の重要性は、本実施形態の封鎖弁30のように、ステッピングモータ式の封鎖弁が用いられている場合により高くなる。その理由は、次の通りである。
すなわち、図2に示すような構造を有する封鎖弁30では、バルブガイド68とともに弁体62が弁座91に着座している状態(図2に示す状態)からSTM64を開き方向(正転方向)に1ステップ回転させただけでは、直ちに弁体62は開かない。弁体62を開く(弁体62のシール部材90を弁座91から離れさせる)ためには、上記状態からSTM64をあるステップ数だけ回転させる必要がある。そして、弁体62が開き始める時のステップ数は、例えば、封鎖弁30の機差ばらつきによって異なるものとなり、さらには、封鎖弁30の経年変化によっても異なるものとなる。したがって、封鎖弁30のステップ数をあるステップ数に制御したとしても、弁体62の実際の開弁量は、上記の機差ばらつき等に起因して異なるものとなる。ステッピングモータ式の封鎖弁30では、例えば上述のような理由によって弁体62の実際の開弁量を把握することが難しいため、封鎖弁流量を適切に制御するためには工夫が必要となる。
2-3.圧抜き動作に関する処理の概要
本実施形態では、封鎖弁流量を適切に制御しながら圧抜き動作を行えるようにするために、次のような「流量推定処理」と「モータ制御処理」とが実行される。流量推定処理によれば、タンク内圧Pの変化量ΔPの絶対値と燃料タンク12の内部の空間容積(より詳細には、燃料タンク12内の気層部の容積)V1とに基づいて、燃料タンク12から出て封鎖弁30を通過するガスの「推定流量」Q(すなわち、封鎖弁流量の推定値)が算出される。また、モータ制御処理によれば、推定流量Qが「要求流量」Qtに近づくように、STM64のステップ数が制御される。具体的には、本実施形態では、これらの流量推定処理及びモータ制御処理は、一例として、以下に説明するように実行される。
2-3-1.流量推定処理の具体例
流量推定処理における推定流量Q(L/sec)の算出は、次の(1)式の関係を利用して行われる。(1)式において、ΔP(kPa)は所定の時間間隔Δt(sec)中のタンク内圧Pの変化量の絶対値であり、Paは大気圧(kPa)である。(2)式は、(1)式中の時間間隔Δtを1秒とした場合に得られる関係を示している。
ここで、上記(1)式の導出過程について説明する。ある時点tでのタンク内圧PをPtとすると、時点tにおける燃料タンク12内のガスの状態方程式は、以下の(3)式のように表される。(3)式において、nは燃料タンク12内のガスの分子数であり、Rはガス定数、Tは当該ガスの温度である。
Figure 0007028694000001
以下の(4)式中のP(t+Δt)は時点tから時間間隔Δtを経過した時点(t+Δt)でのタンク内圧Pであり、n’は時点(t+Δt)での燃料タンク12内のガスの分子数である。時点(t+Δt)における燃料タンク12内のガスの状態方程式は、(4)式のように表される。また、以下の(5)式中の体積V2は時間間隔Δtの間に封鎖弁30を通過したガス(燃料タンク12からキャニスタ22に流れたガス)の体積であり、n’’は当該ガスの分子数である。また、封鎖弁30の下流側(すなわち、キャニスタ22側)のベーパ通路24の圧力は大気圧Paである。したがって、時間間隔Δtの間に封鎖弁30を通過したガスの状態方程式は、(5)式のように表される。
Figure 0007028694000002

Figure 0007028694000003
時間間隔Δt中のガス温度Tを一定と仮定すると、以下の(6)式に示すように、時点tにおける燃料タンク12内のガスの分子数nは、時点(t+Δt)において燃料タンク12内に残っているガスの分子数n’と、時間間隔Δtの間に封鎖弁30を通過したガスの分子数n’’との和によって表される。したがって、(3)~(6)式の関係から、以下の(7)式が得られる。(7)式の関係を整理すると、以下の(8)式が得られる。そして、封鎖弁流量の推定値である推定流量Qは、以下の(9)式のように、時間間隔Δtの間に封鎖弁30を通過したガスの体積V2を時間間隔Δtで除することにより得られる値に相当する。したがって、推定流量Qの算出式である上記(1)式(及び(2)式)が導出される。
Figure 0007028694000004

Figure 0007028694000005

Figure 0007028694000006

Figure 0007028694000007
以上のように導出される(1)式によれば、タンク内圧Pの変化量(より詳細には、時間変化量)ΔPと燃料タンク12の空間容積V1とを取得することにより、封鎖弁30の開度によらずに推定流量Qを算出できるようになる。なお、ここでは、大気圧Paは固定値であるとしているが、この大気圧Pa、すなわち、キャニスタ22側(封鎖弁30の下流側)のガスの圧力は、例えば、システム圧センサ47を用いて取得されてもよい。
より具体的には、タンク内圧Pの変化量ΔPは、例えば、タンク内圧センサ44の検出値を用いて算出できる。燃料タンク12の内部の空間容積(気層部の容積)V1は、例えば、液面センサ46を利用して取得される燃料タンク12内の燃料残量から算出できる。ただし、この空間容積V1の算出は、燃料タンク12が空の状態である時の空間容積の値(すなわち、燃料タンク12自体の容積)を固定値として用いることによって簡素化されてもよい。また、時間間隔Δtとしては任意の値を用いることができるが、本実施形態では、時間間隔Δtの一例として、1秒が用いられる。したがって、推定流量Qは(1)式よりも簡素化された(2)式を用いて算出されることになる。
2-3-2.モータ制御処理の具体例
モータ制御処理において、制御装置60は、要求流量Qtから推定流量Qを引いて得られる「流量差」ΔQを算出する。そして、制御装置60は、流量差ΔQが正の閾値THq以上である場合には、STM64が弁体62の開き方向に回転するように(すなわち、STM64が正転方向に回転するように)ステップ数を制御する。一方、制御装置60は、流量差ΔQがゼロ以上、かつ、閾値THq未満である場合には、ステップ数を現在の値で保持する。また、制御装置60は、流量差ΔQがゼロ未満である場合には、STM64が弁体62の閉じ方向に回転するように(すなわち、STM64が逆転方向に回転するように)ステップ数を制御する。
2-4.圧抜き動作に関する制御装置の処理
図3は、本発明の実施の形態に係る圧抜き動作に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。制御装置60は、本ルーチンの処理を所定の制御周期で繰り返し実行する。
図3に示すルーチンでは、まず、制御装置60は、封鎖弁30の開弁要求があるか否かを判定する(ステップS100)。具体的には、制御装置60は、給油時については、ユーザによってリッドスイッチ56が押されたときに、開弁要求が出されたと判定する。また、制御装置60は、車両走行中には、パージ動作の実行条件が満たされ、かつ、タンク内圧Pが閾値THp以上であるときに、開弁要求が出されたと判定する。
ステップS100の判定結果が否定的である場合には、制御装置60は今回の処理サイクルを終了する。一方、ステップS100の判定結果が肯定的である場合には、処理はステップS102に進む。ステップS102では、制御装置60は、要求流量Qtを算出する。給油時に用いられる要求流量Qtは、例えば、車両の仕様に応じて決定される一定値である。また、パージ動作の実行時に用いられる要求流量Qtは、例えば、パージ動作において制御される要求パージガス流量である。なお、要求パージガス流量自体は、例えば、吸入空気量、エンジン回転速度及びスロットル開度等のエンジン運転条件に応じて決定される。
ステップS102の後に、処理はステップS104に進む。ステップS104では、制御装置60は、タンク内圧Pの変化量ΔPを算出する。本ルーチンの処理では、上述の時間間隔Δtとして1秒が用いられる。したがって、本ステップS104で算出される変化量ΔPは、現時点のタンク内圧Pと1秒前のタンク内圧Pとの差の絶対値となる。制御装置60は、例えば、メモリに記憶されている1秒前のタンク内圧Pの記憶値から、タンク内圧センサ44を用いて検出される現時点のタンク内圧Pを引くことにより、変化量ΔPを算出する。
ステップS104の後に、処理はステップS106に進む。ステップS106では、制御装置60は、上述の流量推定処理を実行して、封鎖弁30の推定流量Qを算出する。具体的には、制御装置60は、ステップS104において算出された変化量ΔPを、燃料タンク12の内部の空間容積V1と大気圧Paとともに上記(2)式に代入することにより、推定流量Qを算出する。
ステップS106の後に、処理はステップS108に進む。ステップS108では、制御装置60は、ステップS102及びS106の算出結果を用いて、流量差ΔQ(=Qt-Q)を算出する。
ステップS108の後に、処理はステップS110に進む。ステップS110では、制御装置60は、流量差ΔQが上記の閾値THq以上であるか否かを判定する。所定の閾値THqは、本実施形態では、正の値であって、かつ、要求流量Qtよりも小さな値である。なお、パージ動作の実行時に用いられる閾値THqは、給油時に用いられる閾値THqと異なっていてもよい。
ステップS110の判定結果が肯定的である場合(ΔQ≧THq)には、処理はステップS112に進む。ステップS112では、制御装置60は、STM64(出力軸64a)が封鎖弁30(弁体62)の開き方向(正転方向)に回転するようにステップ数を制御する。
ステップS110の判定結果が否定的である場合(ΔQ<THq)には、処理はステップS114に進む。ステップS114では、制御装置60は、流量差ΔQがゼロ以上であるか否かを判定する。その結果、この判定結果が肯定的である場合(ΔQ≧0)には、処理はステップS116に進む。ステップS116では、制御装置60は、STM64のステップ数を現在の値で保持する。
一方、ステップS114の判定結果が否定的である場合(ΔQ<0)には、処理はステップS118に進む。ステップS118では、制御装置60は、STM64(出力軸64a)が封鎖弁30(弁体62)の閉じ方向(逆転方向)に回転するようにステップ数を制御する。
なお、図3に示すルーチンでは、ステップS104及びS106の処理が本発明に係る「流量推定処理」の一例に相当し、ステップS102、及びS108~S118の処理が本発明に係る「モータ制御処理」の一例に相当する。
2-5.給油時の圧抜き動作の例
図4は、図3に示すルーチンの処理に従う給油時の圧抜き動作の例を説明するためのタイムチャートである。図4中のSTM64のステップ数の「制御原点」とは、STM64が図2に示す状態(弁体62とともにバルブガイド68が弁座91に着座している状態)にあるときのステップ数に相当する。また、バルブガイド68のストローク量を調整するSTM64の回転量(回転角度)は、ステップ単位で制御される。図4中の「開弁位置」とは、弁体62のシール部材90が弁座91から離れる時のバルブガイド68のストローク量に対応するSTM64のステップ数に相当する。
図4中の時点t1は、ユーザによってリッドスイッチ56が押された時点(すなわち、封鎖弁30の開弁要求が出された時点)に相当する。時点t2は、その後に、流量推定処理による推定流量Qの算出及び流量差ΔQの算出が開始された時点に相当する。時点t3は、その後に、STM64の回転が開始される時点に相当する。時点t4は、STM64の回転の開始後に、ステップ数が下限ガード値に到達する時点に相当する。時点t5は、その後に、弁体62が開き始める時点(すなわち、開弁位置の到来時点)に相当する。
時点t2から時点t5までの期間では、開弁要求は出されているが封鎖弁30は未だ開いていない(すなわち、弁体62は弁座91から離れていない)。このため、この期間(t2-t5)中に流量推定処理が行われた場合には、タンク内圧Pの変化量ΔPがゼロとなるため、推定流量Qもゼロとなる。その結果、流量差ΔQは要求流量Qtと等しくなる。また、この期間(t2-t5)中には、図3に示すルーチンでは、ステップS110の判定結果が肯定的となり(ΔQ≧THq)、開き方向に回転するようにSTM64のステップ数が制御される(図4に示す例では、ステップ数が増やされる)。このため、本ルーチンの処理によれば、開弁要求が出された後には、封鎖弁30が開くようにSTM64が制御されることになる。
付け加えると、図4に示す下限ガード値は、STM64の所定のイニシャライズ処理が実施済であることを条件として、当該下限ガード値以下のステップ数の下では弁体62が弁座91から離れないことが保証されたステップ数に相当する。ところで、給油時の圧抜き動作は、ユーザが出来るだけ早く給油を開始できるようにするために、出来るだけ短時間で完了することが望ましい。そこで、STM64の回転を開始した後にステップ数が下限ガード値に到達するまでの期間(t3-t4)については、図4に示す例のように、可能な限り高速で回転するようにSTM64が制御されてもよい。
時点t5において弁体62が開き始めると、タンク内圧Pが低下するとともに、変化量ΔPの絶対値がゼロよりも大きくなるので推定流量Qがゼロよりも多くなる。より詳細には、推定流量Qは、変化量ΔPの絶対値に比例して多くなる。その結果、流量差ΔQは要求流量Qtよりも小さくなる。図3に示すルーチンの処理によれば、流量差ΔQが閾値THq以上である間は、ステップ数が増やされ、弁体62の開度が大きくなっていく(ステップS112)。そして、図4に示す例では、この際のステップ数の制御は、ステップ数が上限ガード値を超えないように制限されながら行われる。これは、仮に推定流量Qと実際の流量との誤差が大きくなるようなことがあったとしても、実際の流量が過大とならないようにするためである。なお、上限ガード値は、タンク内圧Pに応じて変化し、タンク内圧Pの低下に伴って大きくなっていく。
時点t6は、推定流量Qの増加に伴って流量差ΔQが小さくなった結果として、流量差ΔQが閾値THqを下回る時点に相当する。この時点t6の到来に伴い、図3に示すルーチンの処理によれば、ステップ数が現在(時点t6)の値で保持される(ステップS116)。その結果、弁体62の開度が現在(時点t6)の値で保持される。
図4に示すように、時点t6において弁体62の開度が保持された後においても、時間経過とともにタンク内圧Pが低下していく。図4に示す例では、時点t6の経過後には、変化量ΔPの絶対値が適切に高く維持され、推定流量Qが適切に要求流量Qtに近づいている(換言すると、流量差ΔQが閾値THqとゼロとの間で適切に推移している)。その後、タンク内圧Pの低下に伴い、変化量ΔPの絶対値が小さくなってくると、推定流量Qが減少していき、それに伴い、流量差ΔQが上昇し始める。
時点t7は、流量差ΔQが閾値THq上回る時点に相当する。この時点t7の到来に伴い、図3に示すルーチンの処理によれば、弁体62の開度が増加するようにSTM64のステップ数が再び増やされていく(ステップS112)。
付け加えると、タンク内圧Pが十分に低下した時点t7の後には、図4に示す例のように、圧抜き動作を出来るだけ早く完了させるために、可能な限り高速で回転するようにSTM64が制御されてもよい。なお、図4に示す例では、タンク内圧Pの低下に伴って大きくなる上限ガード値に沿うように、ステップ数が増やされている。
時点t8は、STM64のステップ数が「全開位置」(すなわち、弁体62の最大開度が得られる値)に到達した時点に相当する。その後、ステップ数は、この全開位置で保持される。時点t9は、時点t8の後に、タンク内圧Pが給油リッド54の所定の開放圧にまで低下した時点に相当する。制御装置60は、この時点t9において、リッドアクチュエータ58を用いて給油リッド54を開放する(給油リッド54のロックを解除する)。その結果、ユーザは給油口52を開いて給油を行えるようになる。
給油が完了してユーザが給油リッド54を閉じると、リッドスイッチ56がOFFとなり、封鎖弁30の開弁要求がなくなる。その結果、図3に示すルーチンでは、ステップS100の判定結果が否定的となり、給油時の圧抜き動作が終了されることになる。なお、制御装置60は、圧抜き動作の終了後に、封鎖弁30が閉じるように(より詳細には、制御原点に戻るように)ステップ数を制御する(減少させる)。
2-6.パージ動作の実行時の圧抜き動作の例
図5は、図3に示すルーチンの処理に従うパージ動作の実行時の圧抜き動作の例を説明するためのタイムチャートである。図5中の時点t11は、タンク内圧Pが閾値THp以上であって、かつ、パージフラグがOFFからONに切り替わった時点(すなわち、パージ動作を行うための所定のパージ条件が満たされた時点)に相当する。
要求流量Qtは、既述したように、エンジン運転条件に応じたパージガス流量と等しい値に設定される。図3に示すルーチンの処理によれば、時点t11の到来後には、ステップS110の判定結果が肯定的となるため(ΔQ≧THq)、封鎖弁30を開くためにSTM64のステップ数の増加が直ちに開始される(ステップS112)。
時点t12は、弁体62が開き始める時点(すなわち、開弁位置の到来時点)に相当する。図5に示す例では、時点t11から時点t12までの期間については、弁体62が開いていないので推定流量Qがゼロである一方で、パージガス流量の増加に伴って要求流量Qtが増加している。このため、流量差ΔQが増加している。
一方、時点t12において弁体62が開き始めた後においては、推定流量Qがゼロよりも多くなる。その結果、推定流量Q及び要求流量Qtの増減に応じて、流量差ΔQが変動する。時点t13は、流量差ΔQが閾値THqを下回る時点に相当する。この時点t13の到来に伴い、図3に示すルーチンの処理によれば、ステップ数(弁体62の開度)が現在の値で保持される(ステップS116)。
また、図5に示す例では、その後の時点t14において、流量差ΔQがゼロを下回っている。この時点t14の到来に伴い、図3に示すルーチンの処理によれば、流量差ΔQがゼロ未満である間は、ステップ数が減らされ、弁体62の開度が小さくなっていく。その後、時点t15において流量差ΔQが再びゼロにまで増加すると、ステップ数(弁体62の開度)が再び現在の値で保持される。そして、その後の時点t16において流量差ΔQが再び閾値THqにまで増加すると、ステップ数(弁体62の開度)が再び増やされる。図5に示す例では、その後も、流量差ΔQと2つの閾値(THqとゼロ)との関係に応じて、ステップ数(弁体62の開度)が微調整される。
図3に示すルーチンの処理によれば、図5に示すパージ動作の実行中においても、推定流量Qが要求流量Qtに近づくように、STM64のステップ数を制御することができる。そして、このようにステップ数が制御される過程において、タンク内圧Pは図5に示すように低下していく。
また、時点t17は、パージフラグがOFFとなった時点(すなわち、封鎖弁30の開弁要求がなくなった時点)に相当する。時点t17が到来すると、パージ動作の終了とともに、圧抜き動作も終了される。このため、図5に示すように、制御装置60は、時点t17の経過後に、封鎖弁30が閉じるように(より詳細には、制御原点に戻るように)ステップ数を制御する(減少させる)。
なお、図5に示す例では、パージ動作を終了する時点t17の付近において、タンク内圧Pが閾値THp程度にまで良好に低下している。このような例とは異なり、パージ動作の実行中にタンク内圧Pが閾値THp未満に低下した場合には、タンク内圧Pの条件に応じて開弁要求がなくなり、圧抜き動作が終了される(封鎖弁30が閉じられる)。
3.効果
以上説明したように、本実施形態では、圧抜き動作を行う際には、タンク内圧Pの変化量ΔPと燃料タンク12の空間容積V1とに基づいて封鎖弁30を通過するガスの推定流量Qが算出される(流量推定処理)。このため、弁体62の開弁量(リフト量)を把握しなくても、封鎖弁流量が推定可能となる。より詳細には、例えば、タンク内圧P及び開弁量が同じ条件の下での封鎖弁流量が、封鎖弁のばらつき(機差)又は経年変化に起因して変化することがあっても、上記の流量推定処理によれば、そのような変化の影響を受けずに、封鎖弁流量を適切に推定することができる。
そして、本実施形態によれば、上述の流量推定処理によって算出された推定流量Qが要求流量Qtに近づくように、STM64のステップ数が(フィードバック)制御される(モータ制御処理)このため、圧抜き動作を行う際に封鎖弁流量を適切に制御できるようになる。
また、本実施形態の流量推定処理によれば、車両の燃料系10に既存のタンク内圧センサ44からの情報を利用して(すなわち、専用のセンサの追加を必要とせずに)、推定流量Qを算出できるという利点もある。なお、燃料タンク12の内部の空間容積V1を燃料残量から求める例では、タンク内圧センサ44とともに、同じく燃料系10に既存の液面センサ46を利用して推定流量Qを算出できる。
また、本実施形態の流量推定処理によれば、パージ動作の実行中に圧抜き動作が実行される場合には、要求パージガス流量と等しい値が要求流量Qtとして用いられる。これにより、封鎖弁流量がパージガス流量を大きく超えないように、封鎖弁流量を適切に制御することができる。
また、本実施形態のモータ制御処理によれば、STM64が弁体62の開き方向に回転するようにステップ数を制御する(増やす)処理(ステップS112)は、流量差ΔQがゼロではなく、正の(ゼロよりも大きな)閾値THq以上である場合に実行される。これにより、処理がステップS112に進むことを決定する閾値としてゼロを用いる場合と比べて、弁体62の開度を大きくする処理(ステップS112)が行われる期間が短くなり、或いは、この処理が行われる機会が少なくなる。このため、特にタンク内圧Pが高い圧抜き動作の初期において、弁体62の開度が開かれ過ぎることに起因して実際の封鎖弁流量が増え過ぎないようにすることを好適に保証できるようになる。
4.圧抜き動作の他の実行例
上述した実施の形態においては、封鎖弁30を開くことによる圧抜き動作は、車両走行中のパージ動作の実行時と給油時に行われる。しかしながら、本発明に係る「流量推定処理」及び「モータ制御処理」を伴う圧抜き動作は、上述の実行例(パージ動作の実行時及び給油時)に限られず、封鎖弁流量を調整しながら封鎖弁30を開く必要がある他の状況下において実行されてもよい。ここでいう「他の状況」とは、例えば、封鎖弁30の故障診断のために封鎖弁30が強制駆動される時である。具体的には、このような強制駆動時には、上記故障診断のための所定の操作機器から出された封鎖弁30の開弁要求を制御装置60が受け取った場合に、例えば上述の給油時の例と同様に、流量推定処理及びモータ駆動処理が実行される。
10 燃料系
12 燃料タンク
18 内燃機関
20 蒸発燃料処理装置
22 キャニスタ
24 ベーパ通路
26 パージ通路
28 大気通路
30 封鎖弁
36 パージ弁
44 タンク内圧センサ
46 液面センサ
54 給油リッド
56 リッドスイッチ
60 制御装置
62 弁体
64 ステッピングモータ
66 バルブケーシング
68 バルブガイド
90 シール部材
91 弁座

Claims (4)

  1. 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、
    前記燃料タンクと前記キャニスタとを連通させるベーパ通路と、
    前記ベーパ通路に設けられた弁体と、前記弁体を開閉駆動するステッピングモータとを含む封鎖弁と、
    前記封鎖弁を制御する制御装置と、
    を備える蒸発燃料処理装置であって、
    前記制御装置は、前記弁体を開いて前記燃料タンクの圧抜き動作を行う際に、
    前記燃料タンクのタンク内圧の変化量の絶対値と前記燃料タンクの内部の空間容積とに基づいて、前記燃料タンクから出て前記封鎖弁を通過するガスの推定流量を算出する流量推定処理と、
    前記推定流量が要求流量に近づくように、前記ステッピングモータのステップ数を制御するモータ制御処理と、
    を実行し、
    前記圧抜き動作は、前記キャニスタから脱離した蒸発燃料を含むパージガスを内燃機関の吸気通路に導入するパージ動作の実行中に行われ、
    前記圧抜き動作が前記パージ動作の実行中に行われる場合に前記モータ制御処理において用いられる前記要求流量は、前記パージ動作で用いられる要求パージガス流量である
    ことを特徴とする蒸発燃料処理装置。
  2. 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、
    前記燃料タンクと前記キャニスタとを連通させるベーパ通路と、
    前記ベーパ通路に設けられた弁体と、前記弁体を開閉駆動するステッピングモータとを含む封鎖弁と、
    前記封鎖弁を制御する制御装置と、
    を備える蒸発燃料処理装置であって、
    前記制御装置は、前記弁体を開いて前記燃料タンクの圧抜き動作を行う際に、
    前記燃料タンクのタンク内圧の変化量の絶対値と前記燃料タンクの内部の空間容積とに基づいて、前記燃料タンクから出て前記封鎖弁を通過するガスの推定流量を算出する流量推定処理と、
    前記推定流量が要求流量に近づくように、前記ステッピングモータのステップ数を制御するモータ制御処理と、
    を実行し、
    前記圧抜き動作は、前記燃料タンクへの給油時又は前記封鎖弁の故障診断のために前記封鎖弁が強制駆動される時に実行され、
    前記圧抜き動作が前記給油時又は前記故障診断のために前記封鎖弁が強制駆動される時に行われる場合に前記モータ制御処理において用いられる前記要求流量は、前記蒸発燃料処理装置を搭載する車両の仕様に応じて決定される一定値である
    ことを特徴とする蒸発燃料処理装置。
  3. 前記モータ制御処理において、前記制御装置は、
    前記要求流量から前記推定流量を引いて得られる流量差が正の閾値以上である場合には、前記ステッピングモータが前記弁体の開き方向に回転するように前記ステップ数を制御し、
    前記流量差がゼロ以上、かつ、前記閾値未満である場合には、前記ステップ数を現在の値で保持する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の蒸発燃料処理装置。
  4. 前記モータ制御処理において、前記制御装置は、前記流量差がゼロ未満である場合には、前記ステッピングモータが前記弁体の閉じ方向に回転するように前記ステップ数を制御する
    ことを特徴とする請求項3に記載の蒸発燃料処理装置。
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