(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガスを処理する触媒処理手段を有した排気システムと、
前記エンジン用の燃料を貯える燃料タンクと、
この燃料タンク内で発生した燃料蒸気を受けて燃料蒸気中の燃料を空気から分離する燃料／空気分離器と、
この分離器によって分離された、気化状態若しくは容易に気化する状態の燃料を前記分離器から前記排気システムの前記触媒処理手段よりも上流の部分に供給し、前記触媒処理手段が効率よく動作する温度に前記触媒処理手段を保ち、若しくは前記温度への前記触媒処理手段の温度上昇を助勢する供給手段と、
前記燃料タンク中に配置された燃料ポンプと、
前記エンジンに対する燃料供給を維持するために必要なとき以外に前記燃料ポンプを作動させて熱を供給し前記燃料蒸気を発生させる、前記燃料ポンプの作動を制御するための制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃エンジン装置。
【請求項２】
前記燃料蒸気の少なくとも一部が前記エンジンの燃料系統から供給されることを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン装置。
【請求項３】
前記燃料蒸気の少なくとも一部が前記エンジンの燃料レギュレータから供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃エンジン装置。
【請求項４】
前記燃料タンク中の燃料を加熱して燃料蒸気が十分に発生するようにする熱源をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃エンジン装置。
【請求項５】
前記エンジンの停止に伴って前記燃料ポンプが動作するようにされ、エンジンが再始動されるまでの間に前記分離器中に十分な量の燃料が供給されることを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン装置。
【請求項６】
前記燃料タンク内の圧力を低下させて燃料蒸気の発生を促進する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃エンジン装置。
【請求項７】
前記分離器から燃料蒸気を引き出すために、負圧脈動が用いられることを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の内燃エンジン装置。
【請求項８】
エアレギュレータをさらに備え、前記エアレギュレータからの過剰空気が前記分離器に導入されて燃料が前記排気システムに供給されることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載の内燃エンジン装置。
【請求項９】
空気助勢型燃料噴射システムに圧縮空気を供給するコンプレッサを備え、前記コンプレッサから過剰空気が前記分離器に供給されて、燃料を前記エンジンに供給するようにされていることを特徴とする請求項２乃至８のいずれかに記載の内燃エンジン装置。
【請求項１０】
前記分離器から燃料を取り出して前記排気システムに供給するポンプを備えることを特徴とする請求項２乃至９のいずれかに記載の内燃エンジン装置。
【請求項１１】
前記エンジンが作動している間は前記ポンプの作動が継続することを特徴とする請求項10に記載の内燃エンジン装置。
【請求項１２】
前記ポンプが予め定められた周期に基づいて動作することを特徴とする請求項10に記載の内燃エンジン装置。
【請求項１３】
前記燃料が、総合空燃比センサより下流で、かつ前記触媒処理手段よりも上流に導入されることを特徴とする請求項２乃至12のいずれかに記載の内燃エンジン装置。
【請求項１４】
前記エンジンが直接噴射式で、空気で助勢される、２サイクルエンジンとされていることを特徴とする請求項２乃至13のいずれかに記載の内燃エンジン装置。
【請求項１５】
前記エンジンがアイドル運転される間の燃料供給率を制御するアイドル速度制御システムをさらに備え、
前記エンジンがアイドル運転されている間に燃料蒸気が前記分離器から前記エンジンに供給された結果、アイドル速度が増加すると、前記アイドル速度制御システムがアイドル回転数を低下させるために前記エンジンへの燃料供給率を低下させ、かつこの燃料供給率の低下が前記分離器から供給される燃料蒸気の濃度の指標を提供することを特徴とする請求項１乃至14のいずれかに記載の内燃エンジン装置。
【請求項１６】
エンジンの排気ガスを処理する触媒処理手段を有した排気システムと、エンジンの燃料システムから生成される燃料蒸気を分離する燃料蒸気分離手段とを備える内燃エンジンの動作を制御する方法であって、
前記触媒処理手段が効率よく動作する温度に前記触媒処理手段を保ち、若しくは前記温度への前記触媒処理手段の温度上昇を助勢するために、
気化した状態若しくは容易に気化する状態の燃料を前記燃料蒸気分離手段から前記排気システムの前記触媒処理手段よりも上流部分に導入し、
所定のエンジン動作条件の時に、前記エンジンの少なくとも一つの燃焼室内に、前記燃料を燃料噴射器によって直接供給し、そのときには前記燃焼室において燃料に点火せず、少なくとも供給された燃料の一部を燃焼させずに燃焼室を通過して前記排気システムに供給することを特徴とする内燃エンジンの動作制御方法。
【請求項１７】
前記エンジンがクランクケース掃気型の２サイクルエンジンとされるとともに、前記エンジンが高度層状モードで運転されている時の所定の運転条件時において少なくとも一つのシリンダのクランクケースに前記燃料を供給し、
少なくとも供給した前記燃料の一部を燃焼させずに前記排気システムに通過させることを特徴とする請求項16に記載の内燃エンジンの動作制御方法。
【請求項１８】
前記エンジンがアイドル運転される間に燃料供給率を制御することによってアイドル速度を制御するアイドル速度制御システムを備え、
前記エンジンがアイドル運転される間に前記分離器から前記エンジンに燃料蒸気を取り出し、その結果として前記エンジンのアイドル回転数が増加し、前記アイドル回転数制御システムがアイドル速度を下げるために燃料供給率を低下させ、この燃料供給率の低下が前記分離器から供給された燃料蒸気の濃度の指標を供給することを特徴とする請求項16に記載の内燃エンジンの動作制御方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、内燃エンジンおよび内燃エンジンから排出される排気ガスを処理する触媒処理の制御に関する。
世界中の多くの発展諸国において、自動車から大気への広範囲な汚染物質の放出に関して規制が設けられている。このような主な汚染物質の源のひとつは、自動車エンジンからの排気ガスで、排気ガス中の汚染物質の望ましからぬレベルは、エンジンが、それぞれのシリンダーあるいは燃焼室内の燃焼プロセスに対してどの程度の制御レベルならば達成可能かということ、および触媒コンバータのような手段を用いた排気ガスの後処理がどのようなものであるかによって決まる。
自動車からの他の汚染物質源は、自動車の燃料タンク内で生成される燃料蒸気であり、この燃料蒸気はかなりの量の炭化水素を含んでいる。これに関して、自動車の運転中、燃料タンクは55℃程度あるいはそれ以上の温度になることが知られている。したがって、燃料タンク内に生成されたかなりの量の燃料蒸気が、未処理のまま、或いは制御されないまま大気に放出されると有害である。自動車が生成する燃料蒸気からの汚染物質や放出物の制御に関する最近の規制によれば、自動車の運転中は、自動車の燃料タンクは密封されていなければならない。これにより、燃料タンクは、燃料タンク内の燃料蒸気が大気中に放出される前に燃料蒸気から燃料分を取り除く分離器を有した、適切な形態の通気装置を備えなければならない。通常、この分離器には、自動車業界で「カーボンキャニスター」と呼ばれている活性炭タイプのものが知られている。
燃料噴射式で、均質給気の、４サイクルエンジンのようないくつかの従来技術のシステムにおいては、自動車の運転中にカーボンキャニスターに空気流が供給される。そして、キャニスターに集められた燃料タンク内の燃料蒸気から分離された燃料成分がエンジンの吸気システム内に送り出され、エンジン燃焼室に入って燃やされてから、エンジン排気システムを経由してエンジンから放出されることは良く知られている。このようなカーボンキャニスターの掃気によって、エンジンへの燃料追加ができると考えられている。ただし、燃料追加は、反作用がないと濃厚流れ（run rich）、あるいはその特定エンジンの濃厚不点火限界（rich misfire limit）を越え、不点火すら起こしかねない。
均質給気の４サイクルエンジンにおいては、エンジンへの燃料追加供給は、総合的な空気／燃料比率制御装置によって感知されるのが普通であり、さらに排気ガス酸素センサ、あるいはその中でも「ラムダ」センサによって感知されるのがより一般的である。そして大抵の場合、燃料供給比率に関して矯正作用が行われる。このようなシステムは、空気／燃料比率の矯正がフィードバックループを介して続けられているため、普通「閉鎖ループ」システムと呼ばれる。かくして、カーボンキャニスターが上記のように掃気され、エンジンに燃料が追加補給されると、この作用は、ラムダセンサから指令を受けて、エンジンの燃料補給システム（つまり、燃料噴射装置）による燃料補給比率を反作用的に低下させる作用となる。
しかし、上述されたカーボンキャニスターの掃気に関するシステムは、希薄燃焼エンジンには適さない。それは、希薄燃焼エンジンは、通常、開放ループシステムのもとで作動しており、希薄混合気燃焼運転中にはラムダセンサを用いていないからである。これにより、キャニスター掃気工程によってエンジンに追加供給された燃料の補償は困難である。
本出願人は以前に、特許として認められたオーストラリア特許641223号において、カーボンキャニスターを圧縮器と連通させ、圧縮器に取り込まれた空気がキャニスターを通過して内部の燃料をとりだす方法を提案した。空気によって取り込まれた燃料は、燃料噴射プロセス中に使用される圧縮空気と共に、エンジン燃焼室に送り出される。この提案は、圧縮空気と共に送り出されたカーボンキャニスターから掃気された燃料が、主たる供給燃料に対して比較的低率であり、そのためエンジン運転に顕著な影響を与えない、そして特に希薄混合気燃焼２サイクルエンジンに適用可能であるという利点を有する。
自動車エンジンから放出された排気ガス中のエミッションの制御に関して、エンジンの排気システム内に触媒装置を設けて、排気ガス中の反応を促進し、排気ガスが大気に放出される前に、エミッションを減少させることは通例行われている。このような触媒装置あるいは触媒は、未燃焼の或いは部分燃焼した燃料と、燃焼室から排気システムに向けて放出された他の汚染物質とを、大気中に放出する前に排気ガスとして認容できる構成物質への転換を促進させる。そのような触媒の作動効果は普通、その作動温度と最も強い関連をもっており、そこで、触媒が、未燃焼の或いは部分燃焼した燃料と他の汚染物質との排気ガス内での効果的な処理を促進し維持できるように、その触媒をある特定温度（すなわちその「着火」温度）もしくはその温度以上に維持することが重要である。
排気ガス処理におけるこのような触媒装置に関わる問題のひとつは、エンジンの使用中によく見られるエンジンのある種の運転条件のもとでは、触媒が排気ガスを効果的に処理して排気ガス中のエミッションを認容可能なレベルまで減少させるために必要とされる動作温度あるいはその温度以上に、触媒を維持できないことである。エンジンのスタートアップ中とその直後、および、アイドリング運転や低負荷運転などのように、エンジンが比較的低い燃料補給率で運転されているとき、あるいは、エンジンの「オーバトラベル」中、すなわちギヤを入れたままのエンジンで丘を惰性走行するときなどのように、車輪によってエンジンが動いているときに、触媒の温度がその必要とされる温度、すなわち着火温度より低くなる典型的な状態となる。また、触媒を必要とする温度より高く維持することは、希薄混合気燃焼原理で運転されているときは特に難しく、さらに層状給気の希薄混合エンジンの場合、そのようなエンジンで生成される典型的な排気ガスが比較的低温であるという点で、なお一層困難であることがわかった。しかし、このような状態は、理論混合比の空気／燃料比率で運転される２サイクルエンジンおよび４サイクルエンジンどちらの場合でも、経験されることであり、エミッション規制が厳しくなればなるほど、問題は大きくなるであろう。
経験が示すところによれば、エンジンの排気システムの触媒より上流部分に液体燃料を直接導入し、この燃料の燃焼により触媒に充分な熱を供給することによって触媒を必要とされる運転温度に維持するという意図は、完全には成功していない。
通常の排気ガスが触媒の効果的な作動には不十分な温度である時には、触媒は、排気システムに導入された追加液体燃料を燃焼させあるいは燃焼を維持するには不適当であると信じられている。したがって、触媒より上流部分において排気システムに直接導入される燃料は、排気ガスおよび触媒に熱を入力しようとする目的に反して、結果的には排気ガスおよび触媒から熱を奪っているのではないかという疑問がもたれる。さらに、排気ガスに導入された燃料が完全に燃焼せず、あるいは触媒によって効果的に処理されていない場合、そのような燃料はエミッションペナルティをもたらすかもしれない。
本発明の目的は、エンジン排気システムの触媒を効果的に作動させ、かつ維持するための方法とその装置を提供することである。
この観点から、本発明は、そのひとつの観点において、排気システムを通過する排気ガスを処理する触媒処理手段を有した排気システムおよびエンジンの燃料システムから生成される燃料蒸気を分離する燃料蒸気分離手段とを備える内燃エンジンの動作を制御する方法であって、気化状態若しくは容易に気化する状態の燃料を前記燃料蒸気分離手段から前記排気システムの前記触媒処理手段よりも上流部分に導入することによって、前記触媒処理手段が効率よく動作する温度に前記触媒処理手段を保ち、若しくは前記温度への前記触媒処理手段の温度上昇を助勢する内燃エンジンの動作制御方法を提供することにある。
触媒処理域の温度が第一選択温度より高く、触媒処理手段の第二選択温度より低いとき、燃料が導入される。このとき前記第二選択温度は前記第一選択温度より高い。これにより、触媒処理手段を、効果的に動作する温度範囲に維持することができる。
燃料の導入は、触媒処理手段の温度が第二選択温度を越えると中断される。これによって、触媒処理手段が過熱して損傷することが防止される。
排気システムに導入される前に、燃料が蒸気状態でエンジン燃料システムから取り出され、すなわち触媒処理手段に入る排気ガス温度を下げることなく加熱されて蒸気状態になると、排気システムへの燃料導入後に、燃料の燃焼と完全燃焼促進のために入力しなければならない熱エネルギーを少なくできて都合がいい。その結果、排気システムへ導入された燃料の燃焼における熱エネルギー収支で、触媒処理手段の望ましい効果的作動を維持あるいは達成するために、より多くの熱エネルギー利用が可能になった。また、エンジン関連の熱源に近接して燃料を通過させるように燃料通路を調整することもできる。たとえば、排気システムが触媒処理手段あるいはエンジン冷却システムの下流であれば、それらから充分に熱を得て排気システムに入る前に燃料を蒸気化できる。燃料が蒸気化されると、その燃料が触媒処理手段での完全燃焼を確実にし、未燃焼燃料が触媒処理手段を通過してエンジンエミッション中の炭化水素のレベルを増加させるようなことがなくなる。さらに、燃料液滴の場合には触媒処理手段で燃焼がかたよって起こるために触媒が破損しやすいが、燃料蒸気の完全燃焼ではそのような問題がおこらない。
また、通常のエンジン運転中に、燃料貯蔵タンク内のようなところで生成された燃料蒸気は、エンジンの通常燃料供給から分離され、触媒処理手段の上流にある排気システムに送り出される。燃料タンクから取り除かれた蒸気化した燃料は、エンジンに直接送り出されるか、もしくは、後続の送り出しのために液体または蒸気状態で貯蔵される。エンジンを含む適切な熱源からの熱は、貯蔵された液体あるいは蒸気に適用され、その後、排気システムに送り出され、排気システム中で蒸気の点火および／または燃焼を促進させる。燃料の通路は、たとえば、触媒処理手段の下流にある排気システムに近接するように調整することによって、高温の排気ガスを用いた加熱が可能となる。あるいは燃料を、エンジンを冷却して高温になったエンジン冷却水から放出される熱によって、加熱されるように調整することもできる。燃料加熱の熱源が、触媒の上流の排気ガス温度を低下させるような熱源であってはならない。
エンジンの通常の液体燃料からの蒸気の分離によって生じた燃料は普通、そのもととなった液体燃料より揮発性が高く、したがって全体として、液体燃料より点火しやすい。かくして、燃焼を達成するために必要な熱エネルギーも少なくてすむ。したがって、燃料タンク蒸気からの燃料が排気システムに送り出されると、たとえ触媒処理手段の温度が効果的な作動に必要とされる温度より低下しがちな、アイドリング運転やオーバートラベル状態中に排気システム内に存在する温度条件下、あるいは、同様に低温の排気状態であっても、点火しやすくなっている。
燃料タンク蒸気からの燃料において、重質留分より分離した軽質留分の沸点はその重質留分の沸点より低いので、この燃料の組成は軽質留分となる。
燃料の軽質留分組成分は、従来より自動車に備えられているカーボンキャニスターで貯蔵され、それからこの軽質留分がエンジン排気システムに移されると都合がよく、そのためには、キャニスター内のカーボン床に空気流を作って、蒸気あるいは液滴状で燃料を混入し、それを排気システムへ送り出せるような場所へ移す。分離された燃料は触媒処理手段の上流にある排気システムに直接送り出せる。あるいは、特定のエンジン運転条件のもとで、エンジン内の１個あるいは２個以上の燃焼室に送り出され、少なくとも部分的にそこを通過して、その燃料が点火する可能性のない排気システムに送ることができる。分離された燃料がエンジンの排気システムに送り出されるとき、この送り出しは、分離した燃料がエンジンの使用する空気／燃料比率制御システムに決して影響を及ぼさないようなところで行わなければならない。かくして、例えば、分離された燃料は、均質給気の４行程サイクルエンジンに、あるいは、エンジン燃焼室と同等であり混合物の空気／燃料比率を測定するのに用いられる装置の排気システム内に、大抵設けられている従来からあるラムダセンサの下流に導入されなければならない。
燃料を排気システムに導入しなければならないのは、主に、エンジンが低い燃料補給率で運転されているときであり、その燃料の導入のタイミングと方法を選択して、点火なしに、少なくとも部分的に燃焼室を通過させることができる。また燃焼室への燃料導入は、エンジンの濃厚不点火がおきないように行う必要がある。分離した燃料を燃焼室を介して導入するための好適な条件が整うのは、エンジンのアイドリング運転やオーバートラベルのように、燃料補給率がゼロもしくは燃料補給率が低い希薄混合気燃焼エンジンの運転においてである。このような条件のもとでは、圧縮行程中で燃焼用燃料のシリンダーへの送り出しが遅くなりその結果、シリンダー給気は多くの場合高度な層状給気となる。したがって、もし排気システム中の分離された燃焼用燃料がシリンダーサイクルの導入部分へ早くに導入されると、その燃料はシリンダー内で充分広く分散され、点火が起きないくらい希薄な空気／燃料混合物を形成し、および／または、燃焼室のバルククエンチ（bulk quench）部分に配されてしまう。すなわち、希薄可燃限界以下である燃料および／またはバルククエンチング効果のために、燃料の軽質留分は不完全燃焼あるいは不燃焼となる。
また、エンジンのオーバーラン状態のときには、１個あるいは２個以上のシリンダーにいかなる燃焼用燃料も送り出さず、そのシリンダーに対応する点火手段を動作させないことは一般的に行われている。また、多気筒エンジンの一つのシリンダは、ウオームアップ中にシャットダウンされる。かくして、ある条件のもとでは、排気システム中での燃焼のための分離された燃焼用燃料は、燃焼用燃料が未だ導入されていずに不燃焼状態で燃焼用燃料を排気システムに送り出す手段として機能する、１個もしくはすべてのシリンダーに導入される。
あるいは、燃料は、燃料蒸気の不足が検知されたところに燃料系統から代替的に噴射される。燃料は、噴射装置を通ってシャットダウンされたシリンダーに噴出され、かつそこで点火されることはない。燃料蒸気は、シリンダー内の熱およびそこでのガスの圧縮によって生成された熱によって加熱されてから、排気システムに送入され、触媒処理手段の上流の更に別の燃料蒸気と組み合わされる。
分離された燃料がエンジンの燃焼室を介して排気システムに導入される場合、分離された燃料は最初にエンジン吸気システムへ送り出される。ここでエンジン吸気システムとは、クランク室掃気の２行程サイクルエンジンの吸気口やクランク室内を含んでおり、クランク室内の場合、前述したようにシャットダウンされた特定のシリンダーのクランク室のみである。
さらに、燃料の軽質留分を、２サイクルエンジンの吸気口へ、あるいはクランク室へ導入すると、この燃料の一部は不可避的に掃気プロセス中に排気システムへ短絡させられ、その結果、軽質留分燃料が触媒に確実に届く。
また、好ましくは、排気システム内の分離された燃焼用燃料の送り出しが、タイミングおよび／または送り出し速さに関して、部分的に制御される。エンジン負荷、エンジン速度、あるいはエンジン温度、および／または排気ガスの温度に関して、行われると好ましい。あるいは、分離された燃料の送り出しは、連続的に、もしくは一定したあるいは変動する所定のタイムインターバルをもって、予め決められた速度で行われてもよい。
また、本発明は、エンジンの排気ガスを処理する触媒処理手段を有した排気システムと、前記エンジン用の燃料を貯える燃料タンクと、この燃料タンク内で発生した燃料蒸気を受けて燃料蒸気中の燃料を空気から分離する燃料／空気分離器と、この分離器によって分離された、気化状態若しくは容易に気化する状態の燃料を前記分離器から前記排気システムの前記触媒処理手段よりも上流の部分に供給し、前記触媒処理手段が効率よく動作する温度に前記触媒処理手段を保ち、若しくは前記温度への前記触媒処理手段の温度上昇を助勢する供給手段とを備えた内燃エンジン装置を提供する。
好ましくは、分離手段から燃料を引き出し、触媒処理手段のところ或いはその上流にある排気システムに送り出すように、ポンプが設置される。エンジンの運転中または予め決められた動作周期に基づいて作動されている間は、ポンプは連続して運転される。ポンプの作動は部分的にはエンジン運転条件、もしくは触媒処理手段の温度、または触媒処理手段のところ或いはその上流にある排気システム内の排気ガスの温度に部分的にでも対応しているのが好ましい。
エンジンは、エアーレギュレータを備え、このレギュレータからの過剰空気が代替的に分離器に導入され、それによって燃料が排気システムに送り出されるようにしてもよい。
あるいはまた、ポンプを用いて燃料蒸気を分離器から排気システムに送り出すかわりに、負圧脈動を用いることによって、燃料蒸気を適切な制御装置内に吸い込むことも可能である。このような配置装置は、ウオームアップ中に車の排気システム内に新鮮な空気を引き込むために一般的に使用されている。
軽質留分燃料をエンジンの吸気システムに供給すれば、分離ポンプを使用する必要がなく価値が高まる。軽質留分燃料がエンジンの燃焼室や排気システムに直接供給される場合も同様である。さらに、軽質留分燃料をエンジンの吸気システムに供給することによって、この燃料は燃焼室内で高温にさらされ、それによって、触媒処理手段においてますます点火しやすくなる。
燃料タンクにおける温度条件が整わず燃料タンクにおいて蒸気が生成されない場合も、充分な蒸気生成速度が得られるレベルまで燃料タンク中の燃料を加熱するという対策をとることができる。この目的を果たすために必要な熱は、例えば、燃料タンク中に配された燃料ポンプを、エンジンへの通常の燃料供給を維持するのに要する時間よりも長く作動することによって生成できる。また、燃料タンク中の圧力を下げて燃料蒸気の生成を助勢することも出来る。さらに、燃料ポンプの作動を、エンジンのシャットダウンに対応できるように制御することによって、充分な燃料蒸気が確実に分離手段に供給でき、その結果、エンジンの再始動において触媒処理手段の効果的な作動を促進できる。あるいは、燃料タンク中の蒸気圧を下げて、追加の蒸気を遊離させることもできる。従来の燃料タンクシステムにおいては、10kpa程度の圧力まで上がってから、カーボンキャニスターをはずしている。これは、予めセットされた逆止め弁を用いて行う。
燃料蒸気の源として、利用できる他の源があることに留意すべきである。支線として抜き出されてから利用される燃料系統内で、燃料蒸気が生成されることもある。あるいは、大量の燃料蒸気が燃料レギュレータで生成され、このとき燃料圧力は大きく低下する。これは、燃料蒸気の源になりうる。この燃料蒸気は、燃料タンクに向けられてもよいし、排気システムあるいは吸気システムに直接導入されてもよい。
本発明のさらに別の態様によれば、内燃エンジンの分離器から得られる燃料蒸気濃度を決定する方法が提供される。この方法は、エンジンがアイドリング中に燃料供給率を制御するアイドリング速度制御システムを有し、分離器が燃料タンクからの燃料蒸気を集め、エンジンのアイドリング中に分離器からエンジンに燃料蒸気が掃気されることによってエンジンのアイドリング速度が増加し、アイドリング速度制御システムがエンジンへの燃料供給率を減少させてアイドリング速度を低下させ、燃料供給率の減少により燃料蒸気濃度が示されるものである。
排気システムへの燃料蒸気の導入に基づいて、触媒処理手段の作動を改良すると、触媒処理手段あるいは触媒をエンジンの排気ポートから遠く離れた下流に配せるので、触媒の耐久性や有効寿命に有利となり、触媒の劣化や崩れが減少する。特に、いくつかのエンジンでは、接近して組み合わされた触媒の使用を避けて、排気システム中のすべての触媒組成物を従来からの床下配置することが可能である。
ここで提案された排気ガス処理を行う触媒処理手段の効果的な作動を助勢するために燃料蒸気を利用するに際しては、本出願人がPCT/AU94/00028として同時係属出願したPCT特許出願に記載されている、排気エミッション制御における同時係属出願された触媒を、効果的に作動するための対応策と組み合わせてもよい。
本発明は排気ガス処理方法および装置のいくつかの実用的な配置構造についての以下の記載から、容易に理解されよう。
第１図は、燃料もしくは燃料蒸気のエンジン排気システムへの供給を制御するシステムの略図的なレイアウトであり；
第２図は、本出願人のオーストラリア特許641223号に記載された、蒸気制御装置のひとつの態様に基づいた、燃料蒸気のエンジンへの供給を制御するシステムの略図的はレイアウトであり；
第３図は、第２図に示されたシステムの変更であり、やはり、本出願人のオーストラリア特許641223号に記載された、蒸気制御装置のひとつの態様に基づいたものである。
第１図を参照すると分離器10は、活性炭であるフィルター媒体を有する従来からの構造を有し、自動車産業において以前から「カーボンキャニスター」と呼ばれているものである。燃料タンク12中の蒸気スペース11は、導管13を介して、分離器10の入力側と連通している。導管13に配されている逆止め弁14については、燃料タンク12中の蒸気圧がある選択圧、例えば分離器10内の圧より10kpa高い圧になったとき、弁が開いて、燃料タンク12から分離器10への蒸気流を通すように、設定されている。この予め設定された圧力は、燃料タンク12の安全性の面から決められている蒸気量は越えないようにしつつ、過剰量蒸気の遊離を防ぐために、従来より利用されているものである。
支導管６は、分離器出力側導管９を、電磁作動弁４、ポンプ３、および逆火防止装置２を介して、エンジン排気システム５と連通させるものである。弁４が開いて、ポンプ３が作動されると、空気がエアーダクト46に引き込まれ、その結果、分離器10を通って分離器内の燃料を掃気し、触媒１の上流のエンジン排気システム５に送り出す。キャニスター10内の燃料の蒸気化を助勢するために、キャニスターを加熱するか、もしくはそこを降下通過する空気を加熱する対策をとることが可能である。例えば、加熱器47をエアーダクト46に設けて、そこを降下通過する空気を、分離器10に入る前に加熱して、分離器10内の燃料の蒸気化を向上させることができる。
ポンプ３はまた、燃料または燃料蒸気を、分離器10からエンジン38の他の域を送り出して、前述したような排気システム５への次に送りだしに備えるように、配置することも可能であることを理解しておくべきである。
導管９はまた、従来よりの掃気弁31および弁制御された導管32を有し、後述するように、蒸気を空気助勢燃料噴出システムに送り出すことができ、そして、本願で前に言及したオーストラリア特許641223号に詳細が記載されたように、弁制御された導管25および28それぞれの選択作動をさらに加えて行ってもあるいは改めて行っても、この送り出しは可能である。
第２および３図を参照すると、これらの図面は、オーストラリア特許641223号と同様に番号づけられた図面に対応するもので、このオーストラリア特許に対する、本願に関する変更点は、破線状のアウトラインで示されている。オーストラリア特許641223号の完璧な開示を、参考として本願に添付した。
第２および３図において、装置構成は、第１図で使用されたのと同じ参照番号によって示されている。ここで第２図をより詳しく参照すると、点線により、現在この分野で実施されているように、蒸気制御システムおよび圧縮空気システムを記述している。分離器10の出口側は、導管９を介して、従来よりのエアーボックス16の下流のエンジンの吸気通路25と、さらに、エンジン38の運転中にエンジン38の吸気システムまで空気が降過する絞り弁８と連通している。かくして、エンジン38が運転中で、燃料タンク12中の蒸気スペース11の圧が充分高いときは、蒸気は、燃料タンク12から分離器10を通過するが、この分離器内で蒸気中の燃料が活性炭によって吸収され、処理された空気はこの分離器を通過し吸気通路15に到る。逆止め弁14は、第１図の説明に関して述べられたのと同じ機能を発揮する。エンジン38の運転中は、分離器10から吸気通路15に入る空気は、吸気システムを通ってエンジン38に運びこまれる空気の一部となる。そしてエンジン38が運転を中止しているとき、分離器10から吸気通路15に入る空気は、大気中に放出される。逆止め弁17は、導管13を通って、燃料タンク12内の蒸気スペース11と連通し、燃料タンクの圧が大気より下がったならば、開かれるように設定されている。
圧縮器20は、エアーボックス16から導管19を介して空気を引き出し、圧縮空気をエア系統21に送り出す。このエア系統から、空気はさらに一連の燃料噴出器22に供給され、燃料をエンジン燃焼室に送り出させる。レギュレータ23は、エア系統21内の空気圧を制御し、レギュレータ23から放された空気は圧縮器20の取り込み側の導管19に戻される。しかし、レギュレータ23から放されたこの空気は、例えば排気システム内の触媒処理手段、あるいは吸気システムの種々の場のような、異なるところに送り出されてもよいと考えられる。
圧縮器20が、分離器10からの清浄空気が送り出される先であるエアーボックス16からの空気供給を引き出しているが、空気のなかで、エアーボックス16を通過して圧縮器20に到る部分は、エアーボックス16と通路15を通過してエンジンの吸気システムに到る空気の量と比較すると、少量である。分離器10内に燃料が累積されていると、例えば、分離器10のシャットダウンのあとの、後続のエンジン38のスタートアップの際は、空気は分離器10を通って、吸気通路15まで引き出される。吸気通路15まで引き出されたすべての燃料は、分離器10からの空気と共に、すぐに吸気システムに入り、エンジン38の燃焼室まで運ばれる。分離器10からの燃料の大部分が吸気システムに直接運ばれると、過度に濃厚な燃料／空気混合物がエンジン38に送り出され、排気ガス中の過剰な汚染物質の生成、および／またはエンジン38の過回転をひきおこしてしまうであろう。
オーストラリア特許641223号に開示された発明では、導管19の替わりに導管25を、逆止め弁14の下流で分離器10の上流の導管13に、圧縮器20を用いて、直接接続し、その結果、燃料タンク12から排出された燃料蒸気が、圧縮器20の取り込み口に直接引き込まれるようになっていた。したがって、エンジン38の運転中は、圧縮器20は燃料タンク12から燃料蒸気を引き出し、エンジンのエアーボックス16から、導管９の替わりに設けられた導管28、および分離器10を介して必要な追加空気を引き出す。ここで、この追加空気は分離器10を通る逆の流れのなかで引き出される。燃料タンク12からの蒸気の負荷が圧縮器20が取り込め得る蒸気の負荷より大きくなっている状態において、従来の方法で分離器10を過剰な蒸気が通過し、導管28を介してエンジン38の吸気システムに送り出される。
そして、本発明はさらに第２図に関して述べたような従来構造を、分離器10とポンプ41の間に、電磁作動弁42の制御下で、選択的連通がもたらされるように、導管40を加えることによって変更することを提案している。弁42が開かれているとき、ポンプ41は導管28を介して空気を引き出し、分離器10を通過させると、空気は分離器内の燃料蒸気に混入され、それを排気触媒装置44の上流のエンジンの排気システム43まで送り出すようになっている。逆火防止装置45はポンプ41と排気システム43の間の導管40に配されており、ポンプ41や導管40において燃料蒸気が点火しないようにする。
第２図に示されたように、燃料タンク12からの燃料蒸気はまた、燃料を燃焼室に噴出させるために利用する圧縮空気と共に、エンジン38の燃焼室への導入にも適用できるが、この詳細についてはオーストラリア特許641223号に記載されている。必要に応じて、電磁作動弁48を導管25に組み入れることによって、弁42が開いているときであっても、分離器10から圧縮器20への空気流を妨げることができる。このようにすると、空気がエアーボックス16から圧縮器20に直接流れることができるようになる。
第３図は、オーストラリア特許641223号に記載された蒸気掃気および制御システムの別の態様で、本発明によって提案されたような排気ガスエミッションの管理において、カーボンキャニスターもしくは分離器10からの燃料蒸気の利用を組み入れることによって、従来の特許の態様に変更を加えたものである。燃料蒸気をエンジン38の排気システム43に供給するために行う配置構造は、第２図を参照してここで述べたものと同様であり、したがって、等しい構成については同じ参照符号を利用した。第３図の態様では、圧縮器20の作動中は、燃料蒸気を伴ったあるいは伴わない空気の、分離器10から導管28への流速は、導管28にベンチュリ31が設けられたことによって、実質的にエンジン速度に比例する。かくして、ベンチュリ31の適切な目盛り定めによって、分離器10から圧縮器20への空気の流速とエンジン速度の関係を決定できる。この配置構造およびエンジン管理ECU34の作動についてのさらなる議論は、第２および３図に開示された全体的な燃料タンク蒸気制御装置の配置構造と作動が、クロスリファレンスしたオーストラリア特許641223号の明細書内に詳細に記載されているので、この明細書では繰り返さないでおく。
本発明はさらに第３図に関して記載されたような従来の構造を、導管40を同様に追加することによって変更することについて、提案している。この導管40は、電磁作動弁42の制御下で、分離器10とポンプ41の間に選択的連通を提供するものである。弁42が開かれているとき、ポンプ41は導管９を介して空気を引き出し、分離器10を通過させると、空気は分離器内の燃料蒸気に混入され、それを排気触媒装置44の上流のエンジンの排気システム43まで送り出すようになっている。第２図でもあったように、逆火防止装置45はポンプ41と排気システム43の間の導管40に配されており、ポンプ41や導管40において燃料蒸気が点火しないようにしている。
キャニスター（分離器）10に用いられる蒸気が一般的な要求に適合するほど充分でない場合、燃料タンク内の燃料蒸気の生成を助勢するような処理過程については、以前からある。蒸気を生成する必要性は、エンジン38の空気／燃料比率を制御する通常のエンジン制御装置を介して、検知できる。エンジン38がアイドリング速度あるいはそれに近い速度であるとき、そしてポンプ（３、41）が作動中であれば、エンジン38に供給される燃料蒸気は、制御装置で決定された以上に濃厚な空気／燃料を供給し、その結果エンジン速度も上昇する。この濃厚さ、および／またはエンジン速度の上昇を検知するということは、普通の燃料供給速度に矯正して、蒸気源から供給された燃料に相応させなければならないことを示すシグナルといえる。
希薄混合気燃焼エンジンは、「開放系ループ」のもとで作動されるのが普通で、空気／燃料比率のフィードバックがない。したがって、分離器10から送り出された燃料蒸気濃度を決定する方法は、エンジンのアイドリング速度制御システムを介する。この分離器10は、エンジン38のアイドリング作動中に掃気される。アイドリングでは、エンジン速度は運転者の意向によって定まり、それから燃料供給速度が定まる。しかし、燃料蒸気が、例えば、エンジンの吸気システム内に掃気されると、あるいは直接エンジンシリンダーに掃気されると、燃料補給レベルが上がった結果、アイドリング速度も上昇する。そしてアイドリング制御システムは、エンジンの真の燃料補給速度を減少され、エンジンアイドリング速度を低下させる。燃料補給速度値の低下により、分離器10から送り出された燃料蒸気濃度についての検知ができる。分離器10から送り出された燃料蒸気濃度決定の別の方法も考えられる。例えば、分離器10の入口および出口側に絞り機構を設けると、分離器10を通過する空気の質量流量の測定が可能となる。空気は、分離器10を通過しながら、燃料蒸気に混入され、分離器10を出る空気の質量が増加したことによって、分離器10から送り出された燃料蒸気濃度についての検知ができる。
制御装置は、蒸気供給システムが活性化され排気システム（５、43）の要求に適合したとき、そして、エンジン燃料供給に必要な矯正レベルを感知するようにプログラムされている。矯正レベルが予め選択された価以上になると、制御装置は、蒸気供給が充分利用できることを認知する。もし蒸気供給システムが活性化され、矯正レベルが予め選択された価以下だと、制御装置は、蒸気供給システム内では蒸気供給が充分利用できずに、その蒸気供給を増加させるために矯正作用が必要であることを認知する。あるいは、蒸気に含まれる燃料を決定するために、エンジン38に蒸気を供給するライン内にセンサを設けて、制御装置が、感知した情報を受け取り矯正作用を始めるようにプログラムされることもできる。分離器10から送り出された燃料蒸気濃度の決定方法、そしてその決定の結果おそらく生じるであろう燃料蒸気を生成する必要性が種々あるにもかかわらず、蒸気生成は排気システム（５、43）の触媒処理手段（１、44）の温度に依存しているように見える。
この明細書では燃料の「軽質留分」に言及したが、この留分は触媒（１、44）を効果的に作動させる排気システム（５、43）内での燃焼が特に望ましい。よく知られているように通常、自動車エンジンには、石油をベースとした燃料を用いるが、この燃料はそれぞれ沸点の異なるいくつかの炭化水素の集まりから構成される。これら炭化水素は沸点によって区別され、低沸点成分のものは「軽質留分」と呼ばれ、高沸点成分のものは「重質留分」と呼ばれる。軽質留分は比熱が低く、そのため蒸気化を達成しその燃焼を続いて行うのに、入力すべき熱エネルギーも低くてすむことについても留意すべきである。
燃料タンク12内で燃料が蒸気化して主たる蒸気源となるような場合、用いられる燃料の軽質留分の沸点はおよそ55℃までの温度である。しかし、自動車内で一般的に適用可能な他の熱源からの熱によって、燃料が蒸気化されるようになっている場合、もし適切な熱源が利用できるのであれば、およそ100℃から120℃あるいはそれよりさらに高い沸点を有する、燃料の重質留分も利用できる。
もし燃料が排気システム（５、43）に蒸気状で供給されることになっていれば、その燃料が排気システム（５、43）内で蒸気化される場合よりも、さらに重質な留分でもよいということになって好ましい。燃料のさらに重質な留分が蒸気化された場合、排気システム中でその燃焼を行うのに、燃料のそれより軽質ないくつかの留分が液体状であるときよりも、排気ガスから入力すべき熱エネルギーは、少なくてすむ。
排気システム（５、43）に送り出されることになっている、燃料のある特定の留分は、エンジンの特性、および燃料蒸気の利用可能な源、および／または燃料蒸気を生成するための熱エネルギーに関連して選択される。当業者であれば、本発明を実施するのに、特に特定の環境で特定のエンジン運転を行うのに、必要とされる蒸気を適切に提供する燃料留分の上限を決定するのは容易であろう。
本発明に対する以上の説明は、本発明を限定しようとするものではなく、当業者であれば、本発明の範囲から離れることなく、変形や変更などができる。例えば、第２および３図を参照して説明した圧縮器20は、代表的なサイズであり、高いエンジン速度および／またはエンジン負荷に応じて、高い出力圧を供するように選択されたものである。したがってアイドリングや低負荷時には、圧縮器20が生成するのは大抵、レギュレータ23を介して排出される過剰空気である。
したがって別の配置構造として、ポンプ41を用いないもので、レギュレータ23から噴出した空気を分離器10に吹き込んで、それによって電磁弁42が開いているときに、導管40を介して排気システム43に燃料を送り出すものがある。これに関して、分離器10を「通過するこの流れ」が、燃料タンク12内で、不要であれば圧を受けないように、適切に位置づけられた逆止め弁が、システム内に配列されている必要がある。さらに、ここで述べられたシステムと、オーストラリア特許641223号の第２図を参照して述べられたシステムとの間で、切り換えができるように、適切に位置づけられたスイッチ手段を配置することも可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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