JP2006183640A

JP2006183640A - ブローバイガス還元装置

Info

Publication number: JP2006183640A
Application number: JP2004381114A
Authority: JP
Inventors: Nobumine Takeuchi; 信峯竹内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】クランクケース内のガスの発生を抑制して、エンジンオイルの劣化等の問題を解決する、ブローバイガス還元装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵは、スロットル開度を検知するステップ（Ｓ１００）、エンジン回転数を検知するステップ（Ｓ１１０）と、窒素酸化物の濃度を算出するステップ（Ｓ１２０）、二酸化炭素の濃度を算出するステップ（Ｓ１３０）と、窒素酸化物の濃度または二酸化炭素の濃度が高いと判断されると（Ｓ１４０にてＹＥＳ）、電子ＰＣＶバルブを開くステップ（Ｓ１５０）とを含む、プログラムを実行する。
【選択図】図５

Description

本発明は、自動車のエンジンに用いられるＰＣＶ装置に関し、特に、クランクケース内のガス濃度が高いことによるエンジンオイルに発生する問題を解決することができるＰＣＶ装置に関する。ここで、ＰＣＶとは、「Positive Clankcase Ventilation」の略であり、ＰＣＶ装置とは、ブローバイガス還元装置を意味する。

一般の車両には、内燃機関（エンジン）のシリンダとピストンの隙間から吹き抜けるガスを大気中に放出せずに、再び吸気マニホールドを通してエンジンに導いて再燃焼させるブローバイガス還元装置が設けられている。ブローバイガスを再燃焼させることにより、炭化水素（ＨＣ）の低減が可能となる。

このようなブローバイガスについて、エンジン温度が所定の温度より上昇するまで、クランクケースから吸気マニホールドへのブローバイガスの流れを遮断することが行なわれてきた。具体的には、公知のＰＣＶバルブには、エンジンの冷間始動時にブローバイガスの流れを遮断するものがある。

このブローバイガスは、以下のような特性を有する。冷間運転状態においては、ブローバイガスは、エンジンオイルと反応してオイルを劣化させる傾向が強く、それが、オイルの潤滑特性に悪い影響を与えて、結果として、エンジン磨耗を増大することがある。そのため、冷間時にクランクケースへの新気の流れを止めることは、エンジンオイルのオイル劣化を増長させる可能性がある。さらに、燃焼生成物が水であるので、ブローバイガスは比較的湿度が高い。それゆえに、クランクケースへの新気の流れを止めることにより、クランクケース内の湿度が比較的高くなり、冷間運転状態でブローバイガス中の水蒸気が結露して氷結する可能性がある。

特開２００４−１５６６２０号公報（特許文献１）は、バルブ組立体内の氷結と氷による詰りの発生および滞留しているブローバイガスがエンジンオイルと反応することによるオイルの劣化を低減または排除する方法を開示する。この方法は、クランクケースとエンジン吸気マニホールドとの間の通路を通過するガスの流量を制御する方法であって、ガスの温度が所定温度よりも低いとき、クランクケースと吸気マニホールドとの間の通路を通過するブローバイガスの流量を増大させるものである。

この方法によると、ブローバイガスの温度が所定温度よりも低いとき、クランクケースと吸気マニホールドとの間の通路を流れるブローバイガスの流量を増大させることで、バルブ組立体内の氷結と氷による詰りの発生および滞留しているブローバイガスがエンジンオイルと反応することによるオイルの劣化の低減を行なうことができる。

また、特開平９−６８０２８号公報（特許文献２）は、クランクケース内を負圧状態に制御し、ブローバイガス流量を必要最小とし、燃焼状態を改善するとともに、減速時にソレノイドバルブの開放状態をフィードバック制御し、減速時のブローバイガスの流量制御を確実に行なう内燃機関のブローバイガス制御装置を開示する。この内燃機関のブローバイガス制御装置は、クランクケースを第１連絡通路によってスロットルバルブ上流側の吸気通路に連絡して設けるとともに第２連絡通路によってスロットルバルブ下流側の吸気通路に連絡して設け、第２連絡通路途中にＰＣＶバルブを設けた内燃機関において、ＰＣＶバルブの代わりにソレノイドバルブを設け、クランクケース内の圧力を検出する圧力センサを設け、この圧力センサからの検出信号と吸気通路の吸気管圧力とエンジン回転数との検出信号とを入力しクランクケース内を負圧状態とすべくソレノイドバルブの開放状態をデューティ値によってフィードバック制御する制御手段を設けたことを特徴とする。

この内燃機関のブローバイガス制御装置によると、クランクケース内を負圧状態とすべく制御手段によって制御することができ、ブローバイガス流量が必要最小となり、燃焼状態を改善し得て、実用上有利である。また、減速時に、制御手段によってソレノイドバルブの開放状態をフィードバック制御できることにより、減速時のブローバイガスの流量制御を確実に行なうことができ、オイル消費量を低減でき、コストを低廉とし得て、経済的に有利である。
特開２００４−１５６６２０号公報特開平９−６８０２８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、冷間時において発生するブローバイガスによりエンジンオイルの劣化を防止するものに過ぎない。特許文献２に開示された装置は、燃焼向上を目的としたものであって、この燃焼向上レベルによってはＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を増加させて、エンジンオイルの劣化を促進してしまうことも考えられる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、クランクケース内のガスの発生を抑制して、エンジンオイルの劣化等の問題を解決する、ブローバイガス還元装置を提供することである。

第１の発明に係るブローバイガス還元装置は、クランクケースと吸気管と吸気管に設けられ内燃機関へ供給される吸気量を制御するスロットルバルブとを有する内燃機関において、クランクケース内に生じるブローバイガスを、クランクケース内から吸気管のスロットルバルブよりも下流に還流する。このブローバイガス還元装置は、内燃機関の窒素酸化物および二酸化炭素の少なくともいずれかの濃度が高い領域にあるか否かを検知するための検知手段と、ブローバイガスの流量を調整するためのブローバイガスバルブとを含む。この制御手段は、窒素酸化物および二酸化炭素の少なくともいずれかの濃度が高い領域にあると、ブローバイガスの流量が増加するようにブローバイガスバルブを開くように制御するための手段を含む。

第１の発明によると、内燃機関内のブローバイガス中の窒素酸化物および二酸化炭素の濃度が高いと、これらのガスがエンジンオイルと反応してオイルを劣化させる傾向が強く、それが、オイルの潤滑特性に悪い影響を与える。このようなガスの濃度が高い場合には、ブローバイガスの流量が増加するようにブローバイガスバルブ（電子ＰＣＶバルブ）を開くように制御する。ブローバイガスの還流量の増大により、このようなガスの発生が抑制され、エンジンオイルの劣化が抑制される。その結果、クランクケース内のガスの発生を抑制して、エンジンオイルの劣化等の問題を解決する、ブローバイガス還元装置を提供することができる。

第２の発明に係るブローバイガス還元装置においては、第１の発明の構成に加えて、クランクケース内に生じるブローバイガスは、ブローバイガスバルブを介して、シリンダヘッドカバーから吸気管におけるスロットルバルブよりも下流に還流される。このブローバイガス還元装置は、スロットルバルブよりも上流側の吸気管とシリンダヘッドカバーとを連通する連通管をさらに含む。制御手段によりブローバイガスバルブが開かれると、連通管を流通して内燃機関に供給される吸気量が増加するものである。

第２の発明によると、ブローバイガスバルブが開く方向に制御され、スロットルバルブが閉じる方向に制御されると、スロットルバルブ下流側のシリンダヘッドカバーの負圧が大きくなっているので、連通管を通って新気が導入される。連通管を通って導入された新気はブローバイガスと混合されて、ブローバイガスバルブを通って燃焼室に供給される。これにより、ブローバイガス中の窒素酸化物および二酸化炭素の濃度を低下させることができ、エンジンオイルの劣化等の問題を解決することができる。

第３の発明に係るブローバイガス還元装置においては、第１または２の発明の構成に加えて、検知手段は、内燃機関の回転数およびスロットルバルブの開度に基づいて、窒素酸化物および二酸化炭素の少なくともいずれかが高い領域にあるか否かを検知するための手段を含む。

第３の発明によると、予め試験的に、内燃機関の回転数およびスロットルバルブの開度に基づいて、窒素酸化物および二酸化炭素の濃度領域を算出しておいてマップ化しておくので、回転数とスロットルバルブの開度とに基づいて、ブローバイガス中の窒素酸化物および二酸化炭素の濃度を算出することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施の形態に係るエンジン制御システムが制御する、ＰＣＶ装置が実装されたエンジン１００の断面について説明する。図１には、エンジン１００の軽負荷時の状態を示す。

図１に示すように、このエンジン１００は、主として、シリンダ１０４と、ピストン１０６と、クランクケース１０２と、シリンダヘッド１１６とから構成される。ブローバイガスは、ピストンリングとシリンダ１０４との隙間からクランクケース１０２へ漏れる混合ガスのことであって、このブローバイガスには多量の炭化水素や水分が含まれており、かつ強酸性であるため、あまり多いとエンジンオイルの劣化やエンジン内部の錆の原因になる。また、炭化水素が含まれているため、このまま大気に解放することは環境によくない。そのため、ブローバイガスはＰＣＶ管路１２２Ａ（軽負荷時）、ＰＣＶ管路１２２ＡおよびＰＣＶ管路１２２Ｂ（高負荷時）を通して、吸気マニホールドの負圧を利用して強制的に吸気系統へ戻されることになる。この軽負荷時におけるブローバイガスおよび新気の流れを矢印で示す。

軽負荷時においては、電子スロットルバルブ１１８が閉じる傾向に制御されており、電子スロットルバルブ１１８下流側のシリンダヘッド１１６側の負圧が大きくなっているので、ＰＣＶ管路１２２Ｂを通って新気が導入される。ＰＣＶ管路１２２Ｂを通って導入された新気はブローバイガスと混合されて、電子ＰＣＶバルブ（電子ブローバイガスバルブ）１２３およびＰＣＶ管路１２２Ａを通って燃焼室に供給される。このとき、新気にはブローバイガスに比較して窒素酸化物および二酸化炭素を多く含まないので、この新気により窒素酸化物および二酸化炭素の濃度を低下させることができ、これらのガスによるエンジンオイルの劣化が回避しやすくなる。

吸気系には電子スロットルバルブ１１８が設けられている。電子スロットルバルブ１１８にてエンジン１００へ供給される吸気の量が調整され、吸気管１１２を、その量が調整された吸気が通って吸気バルブ１０８からエンジン１００の内部の燃焼室に供給される。供給された吸気により燃料が燃焼され、排気バルブ１１０および排気管１１４を介して燃焼ガスがエンジン外部に排出される。

ピストンリングとシリンダ１０４との隙間で発生したブローバイガスは、シリンダヘッド内１１６内を通り、軽負荷時にはＰＣＶ管路１２２Ａを通って、高負荷時にはＰＣＶ管路１２２ＡおよびＰＣＶ管路１２２Ｂを通って吸気管１１２へと導かれる。ＰＣＶ管路１２２Ａには、電子ＰＣＶバルブ１２３が設けられている。この電子ＰＣＶバルブ１２３は、後述するＥＣＵ（Electronic Control Unit）からの制御デューティ信号により、その開度が調整される電磁弁であって、その開度によりＰＣＶ流量が調節される。すなわち、図１に示すように、ＰＣＶ管路１２２Ａは、電子ＰＣＶバルブ１２３によりその流量が調節されて電子スロットルバルブ１１８の下流側にブローバイガスを還元する。エンジン１００の高負荷時において、電子スロットルバルブ１１８の開度が大きくなり負圧が高まるので、ＰＣＶ管路１２２Ｂには、電子スロットルバルブ１１８の上流側に供給されるブローバイガスが流されて、ブローバイガスが還元される。

また、電子スロットルバルブ１１８も、電子ＰＣＶバルブ１２３と同様に、ＥＣＵからの制御デューティ信号により、その開度が調整される電磁弁であって、その開度によりエンジンに供給される流量が調節される。

電子スロットルバルブ１１８が閉じられる傾向であるときに、電子ＰＣＶバルブ１２３を開くと、ブローバイガスが多く還流されるとともに、電子スロットルバルブ１１８下流側のシリンダヘッド１１６側の負圧が大きくなっているので、ＰＣＶ管路１２２Ｂを通って新気が導入される。

本実施の形態においては、ブローバイガスの還流量の増大および新気ガスの導入により、ブローバイガス中の窒素酸化物および二酸化炭素の濃度を低下させて、エンジンオイルの劣化を防止するものである。

図２に、本実施の形態に係るエンジン制御システムの制御ブロック図を示す。図２には、このエンジン制御システムにおけるＰＣＶ冷間補正制御に関する部分のみを示す。

図２に示すように、このエンジン制御システムは、エンジンの回転数を検知するエンジン回転数センサ１０１０と、電子スロットルバルブ１１８の開度を検知するスロットル開度センサ１０２０と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびバルブの駆動回路を含み、電子ＰＣＶバルブ１２３のバルブ開度をデューティ制御することにより流量を調整するＥＣＵ１０００とを含む。

このＥＣＵ１０００には、後述するプログラム、各種マップ、テーブル等のデータが記憶されたメモリを含む。プログラムは、エンジン回転数センサ１０１０およびスロットル開度センサ１０２０から入力された信号に基づいて、ＣＰＵにより実行され、その結果により電子ＰＣＶバルブ１２３に駆動指令信号（デューティ信号）を出力する。

図３に、エンジン１００の回転数およびスロットル開度と窒素酸化物濃度との関係を示す。図３には、一例として、窒素酸化物の濃度を４つの領域に分けて示す。すなわち、窒素酸化物濃度が最も高くなる領域Ａ（１００ｐｐｍ〜）、次いで窒素酸化物濃度が高い領域Ｂ（５０〜１００ｐｐｍ）、次いで窒素酸化物濃度が高い領域Ｃ（２０〜５０ｐｐｍ）、最も窒素酸化物濃度が低い領域Ｄ（〜２０ｐｐｍ）である。図３に示すように、エンジン１００の回転数とスロットル開度とにより、窒素酸化物の濃度領域が判断できる。

図４に、エンジン１００の回転数およびスロットル開度と二酸化炭素濃度との関係を示す。図４には、一例として、二酸化炭素の濃度を３つの領域に分けて示す。すなわち、二酸化炭素濃度が最も高くなる領域Ｅ（３％〜）、次いで二酸化炭素濃度が高い領域Ｆ（１〜３％）、最も二酸化炭素濃度が低い領域Ｇ（〜１％）である。図４に示すように、エンジン１００の回転数とスロットル開度により、二酸化炭素の濃度領域が判断できる。

なお、図３および図４に示した図は一例であって、本発明がこのような図で表わされる場合に限定されるものではない。

図５を参照して、本実施の形態に係るエンジン制御システムを制御するＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、ＥＣＵ１０００は、エンジンのスロットル開度を検知する。このとき、スロットル開度センサ１０２０からＥＣＵ１０００に入力された信号に基づいて、エンジン１００のスロットル開度が検知される。

Ｓ１１０にて、ＥＣＵ１０００は、エンジン１００の回転数を検知する。このとき、エンジン回転数センサ１０１０からＥＣＵ１０００に入力された信号に基づいて、エンジン１００の回転数が検知される。

Ｓ１２０にて、ＥＣＵ１０００は、エンジン１００の回転数およびスロットル開度に基づいて、図３に示す図から窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検知する。Ｓ１３０にて、ＥＣＵ１０００は、エンジン１００の回転数およびスロットル開度に基づいて、図４に示す図から二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度を検知する。

Ｓ１４０にて、ＥＣＵ１０００は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度または二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度が高いか否かを判断する。窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度または二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度が高いと判断されると（Ｓ１４０にてＹＥＳ）、処理はＳ１５０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１４０にてＮＯ）、処理はＳ１６０へ移される。

Ｓ１５０にて、ＥＣＵ１０００は、電子ＰＣＶバルブ１２３を開く。Ｓ１６０にて、ＥＣＵ１０００は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度および二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度が高くないので、通常の制御を行なう。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係るエンジン制御システムの動作について、説明する。

ブローバイガスの中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度または二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度が高いか否かを判断するために、エンジン１００のスロットルバルブ開度やエンジン１００の回転数が検知される（Ｓ１００、Ｓ１１０）。マップ（図３、図４）からエンジン１００の回転数およびスロットル開度に基づいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度または二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度が算出される（Ｓ１２０、Ｓ１３０）。

窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度または二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度が高いと（Ｓ１４０にてＹＥＳ）、電子ＰＣＶバルブ１２３が開かれる（Ｓ１５０）。この結果、ブローバイガス還流量が増加して、ＰＣＶ配管１２２Ｂを通ってブローバイガスよりも窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度および二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度が低い新気が導入され、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度および二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度が低下して、エンジンオイルの劣化の要因とならない。

以上のようにして、本実施の形態に係るエンジン制御システムによると、ブローバイガスの中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度または二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度が高いとエンジンオイルの劣化を促進するので、ＰＣＶバルブが開くように制御される。これにより、ＰＣＶ還流量が多くなるとともに、新気を導入されやすくなる。これらにより、ブローバイガスの中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度または二酸化炭素（ＣＯ₂）の濃度が低くなり、エンジンオイルの劣化を抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係るエンジン制御システムで制御されるＰＣＶ装置を有するエンジンの断面図である。エンジン制御システムの制御ブロック図である。エンジン回転数およびスロットル開度と窒素酸化物濃度との関係を示す図である。エンジン回転数およびスロットル開度と二酸化炭素濃度との関係を示す図である。本発明の実施の形態に係るエンジン制御システムのＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。

符号の説明

１００エンジン、１０２クランクケース、１０４シリンダ、１０６ピストン、１０８吸気バルブ、１１０排気バルブ、１１２吸気管、１１４排気管、１１６シリンダヘッド、１１８電子スロットルバルブ、１２２Ａ，１２２ＢＰＣＶ管路、１２３電子ＰＣＶバルブ、１０００ＥＣＵ、１０１０エンジン回転数センサ、１０２０スロットル開度センサ。

Claims

クランクケースと吸気管と前記吸気管に設けられ内燃機関へ供給される吸気量を制御するスロットルバルブとを有する内燃機関において、前記クランクケース内に生じるブローバイガスを、前記クランクケース内から前記吸気管の前記スロットルバルブよりも下流に還流するためのブローバイガス還元装置であって、
前記内燃機関の窒素酸化物および二酸化炭素の少なくともいずれかの濃度が高い領域にあるか否かを検知するための検知手段と、
前記ブローバイガスの流量を調整するためのブローバイガスバルブとを含み、
前記制御手段は、
前記窒素酸化物および二酸化炭素の少なくともいずれかの濃度が高い領域にあると、前記ブローバイガスの流量が増加するように前記ブローバイガスバルブを開くように制御するための手段を含む、ブローバイガス還元装置。
前記クランクケース内に生じるブローバイガスは、前記ブローバイガスバルブを介して、シリンダヘッドカバーから前記吸気管におけるスロットルバルブよりも下流に還流され、
前記ブローバイガス還元装置は、前記スロットルバルブよりも上流側の吸気管と前記シリンダヘッドカバーとを連通する連通管をさらに含み、
前記制御手段により前記ブローバイガスバルブが開かれると、前記連通管を流通して前記内燃機関に供給される吸気量が増加する、請求項１に記載のブローバイガス還元装置。
前記検知手段は、前記内燃機関の回転数および前記スロットルバルブの開度に基づいて、窒素酸化物および二酸化炭素の少なくともいずれかが高い領域にあるか否かを検知するための手段を含む、請求項１または２に記載のブローバイガス還元装置。