JP2010127204A - 内燃機関の潤滑油希釈防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油を温度上昇させずに燃料成分を分離し、潤滑油の熱的劣化を伴わずに、燃料による潤滑油の希釈を抑制するとともに、複数種類の燃料を個々に分離する。
【解決手段】エンジン本体１は、低揮発性燃料と高揮発性燃料の２系統の燃料噴射系を備え、双方の燃料による潤滑油の希釈が生じる。潤滑油から燃料成分を分離するための燃料分離装置１１は、キャビテーションを生じさせるために通路断面積を部分的に急激に縮小させた縮小管１２と、オイルパンから潤滑油を導き出して縮小管１２に圧送する速度可変型のポンプ１３と、縮小管１２でのキャビテーションにより分離した気相燃料を吸引する負圧装置１４と、を備える。ポンプ１３による流速と負圧装置１４の負圧を、各燃料の性状に対応して変更することで、低揮発性燃料と高揮発性燃料とを個別に分離することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料に混入した燃料成分を分離して燃料成分による潤滑油の希釈・劣化を防止する内燃機関の潤滑油希釈防止装置に関する。

内燃機関は、一般に潤滑油の強制潤滑によって各部が潤滑されるが、例えばシリンダ壁に付着した燃料成分が潤滑油とともにピストンによって掻き落とされるなどのため、燃料成分が徐々に潤滑油に混入し、潤滑油の希釈・劣化を引き起こすことが知られている。

このような燃料による潤滑油の希釈を抑制するために、特許文献１では、潤滑油が貯留される内燃機関下部のオイルパン内に潤滑油を加熱するヒータを設け、燃料による潤滑油の希釈が生じやすい運転条件のときに潤滑油温度を高めて、潤滑油中の燃料成分を気化させるようにしている。
特開２００４−３４００５６号公報

しかしながら、上記従来のヒータを用いた装置では、潤滑油が繰り返し加熱されるため、逆に熱による潤滑油の劣化が問題となる。なお、上記特許文献１では、所定の運転条件のときにヒータによる加熱を行うが、ヒータにより加熱を開始してから実際に燃料成分が気化するまでに時間が掛かり、応答性よく燃料成分を分離することはできないと考えられる。

また、最近、複数種類の燃料、例えば高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とを用い、両者を適宜に混合して、あるいは個々に、燃焼室内に噴射供給するようにした内燃機関が提案されているが、このように複数種類の燃料を用いる内燃機関において、各々の燃料を個別に分離回収することができない。

そこで、この発明に係る内燃機関の潤滑油希釈防止装置は、揮発性が異なる複数種類の燃料が用いられる内燃機関において、これらの燃料による希釈が生じる潤滑油を、各々の燃料の特性に応じて、通路断面積が縮小する縮小管に通流させてキャビテーションを生じさせるとともに負圧ポンプにより吸引して各々分離させるようにした。すなわち、軽油やガソリン等の燃料は、潤滑油よりも沸点が低いので、縮小管を通流する際にキャビテーションとして気化し、液相のままの潤滑油から分離して、負圧ポンプにより外部に取り出される。揮発性が高い燃料は揮発性が低い燃料よりもキャビテーションを生じやすいので、縮小管の構成や該縮小管を流れる潤滑油の流速などによって、揮発性が異なる複数種類の燃料を個々に分離することができる。

一つの態様では、単一段の縮小管を備え、この縮小管を流れる潤滑油の流速を各々の燃料の特性に応じて変更することで、各々の燃料を分離する。

他の一つの態様では、各々の燃料の特性に応じた複数段の縮小管が、直列に、かつ相対的に揮発性の高い燃料に適した縮小管が上流側に位置するように配置され、各々の縮小管において各々の燃料を分離する。

この発明によれば、潤滑油を温度上昇させることなく潤滑油中の燃料の分離がなされるので、潤滑油の熱による劣化を伴わずに、燃料による潤滑油の希釈を抑制できる。特に、揮発性が異なる複数種類の燃料を個々に分離することができる。

以下、この発明の好ましい一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る潤滑油希釈防止装置の第１実施例を示す構成説明図であって、圧縮着火内燃機関であるエンジン本体１は、２系統の燃料噴射系を備えている。すなわち、各気筒の燃焼室２に、低揮発性燃料用燃料噴射弁３と高揮発性燃料用燃料噴射弁４とがそれぞれ設けられており、低揮発性燃料用燃料噴射弁３には、低揮発性燃料用燃料タンク５からサプライポンプ６およびコモンレール７を介して低揮発性燃料が供給され、高揮発性燃料用燃料噴射弁４には、高揮発性燃料用燃料タンク８からフィードポンプ９によって高揮発性燃料が供給されている。これらの２種の燃料は、機関の運転条件等に応じて適宜な割合でかつ各々適宜な時期に噴射され、これにより着火時期や燃焼期間等を最適に制御するようになっている。また、このエンジン本体１の各部は、潤滑油によって強制潤滑されており、潤滑油は、エンジン本体１下部の図示せぬオイルパンに貯留され、ここから図示せぬオイルポンプによって各部へ圧送されるとともに、各部で使用された後、再びオイルパンに戻るようになっている。なお、オイルパンに、燃料による潤滑油の希釈状態を検出するセンサ等の公知の検出手段を設けてもよい。

潤滑油から燃料成分を分離するための燃料分離装置１１は、キャビテーションを生じさせるために通路断面積を部分的に急激に縮小させた縮小管１２と、エンジン本体１のオイルパンから潤滑油を導き出して縮小管１２に圧送する速度可変型のポンプ１３と、縮小管１２でのキャビテーションにより該縮小管１２の内周面に集まる気相燃料を吸引する負圧装置１４と、を備えている。この負圧装置１４により取り出された燃料成分は、第１制御弁１５を備えた第１リターン通路１６を介して低揮発性燃料用燃料タンク５へと戻され、あるいは、第２制御弁１７を備えた第２リターン通路１８を介して高揮発性燃料用燃料タンク８へと戻される。いずれの燃料タンク５，８へ戻されるかは、第１，第２制御弁１５，１７の開閉状態によって選択される。なお、縮小管１２を通過した潤滑油は、エンジン本体１、例えばそのオイルパンに戻されるようになっている。

上記負圧装置１４は、例えば電動式ないし機械駆動式の負圧ポンプのみから構成することもできるが、図２に示すように、負圧ポンプ２１に加えて、エンジン本体１の吸気通路における吸気負圧を利用し、これらの手段により生成された負圧を負圧容器２２に蓄えておいて、燃料成分の分離時に用いるようにしてもよい。負圧容器２２の２つの入口側および１つの出口側には、それぞれ開閉弁２３，２４，２５が設けられている。負圧容器２２には、図示せぬ圧力センサを設けることができ、上記の負圧ポンプ２１や開閉弁２３，２４，２５を用いて、目標負圧に維持することが可能である。

図３は、上記のように構成された潤滑油希釈防止装置の制御の流れを示すフローチャートである。先ずステップ１では、オイルパンに設けられたセンサ等の検出手段によって、現在のオイルパン内の潤滑油の希釈率を求め、これを所定の閾値（Ｘパーセント）と比較する。この希釈率が閾値を越えていれば、後述するように、双方の燃料成分を対象とした燃料成分の分離を行う。

希釈率が閾値以下の場合は、ステップ２で現在の機関運転条件が所定の「オイル希釈条件」であるか否かを判定する。例えば、触媒早期活性のために燃焼期間後期に噴射するいわゆるポスト噴射や、予混合を促進するための早期噴射などは、シリンダ壁の燃料付着が増大し、潤滑油に混入する燃料成分が増えるので、これらの噴射を行う運転条件を「オイル希釈条件」とする。このステップ２で「オイル希釈条件」でなければ、燃料成分分離のための処理は特に行わない。

ステップ２で「オイル希釈条件」と判定した場合は、ステップ３で、現在噴射している燃料が高揮発性燃料であるか否か判定し、さらにはステップ４で、低揮発性燃料も噴射しているか否か判定する。つまり、低揮発性燃料のみを噴射している状態（ステップ３でＮＯ）、高揮発性燃料のみを噴射している状態（ステップ４でＮＯ）、および双方の燃料を噴射している状態（ステップ４でＹＥＳ）、の３通りに分類する。

低揮発性燃料のみを噴射している状態であれば、ステップ５に進んで、負圧容器２２の目標負圧を低揮発性燃料の蒸気圧以下に設定し、ステップ６で、負圧容器２２の負圧がこの目標負圧に到達していることを確認した上で、ステップ７へ進み、低揮発性燃料の分離を行う。具体的には、ポンプ１３による潤滑油の流速を高く設定して、縮小管１２を比較的高い速度で通流させ、キャビテーションとして分離した燃料成分を負圧装置１４により取り出す。なお、この分離した低揮発性燃料は、前述したように、第１制御弁１５および第１リターン通路１６を経由して低揮発性燃料用燃料タンク５へと戻される。

高揮発性燃料のみを噴射している状態であれば、ステップ８へ進んで、負圧容器２２の目標負圧を高揮発性燃料の蒸気圧以下に設定し、ステップ９で、負圧容器２２の負圧がこの目標負圧に到達していることを確認した上で、ステップ１０に進み、高揮発性燃料の分離を行う。具体的には、ポンプ１３による潤滑油の流速を低く設定して、縮小管１２を比較的低い速度で通流させ、キャビテーションとして分離した燃料成分を負圧装置１４により取り出す。なお、この分離した高揮発性燃料は、第２制御弁１７および第２リターン通路１８を介して高揮発性燃料用燃料タンク８へと戻される。

一方、２つの燃料の双方を噴射している状態であれば、ステップ１１以降に進んで、高揮発性燃料の分離処理と低揮発性燃料の分離処理とを所定時間ずつ（例えば１０分間ずつ）行う。つまり、ステップ１１では、負圧容器２２の目標負圧を、前半の１０分間は高揮発性燃料の蒸気圧に対応して設定し、後半の１０分間は低揮発性燃料の蒸気圧に対応して設定する。そして、ステップ１２で負圧容器２２の負圧が各々の目標負圧に到達していることを条件として、ステップ１３において、前半の１０分間は、ポンプ１３による潤滑油の流速を低く設定して、縮小管１２を比較的低い速度で通流させ、キャビテーションとして分離した燃料成分を負圧装置１４により取り出す。この分離した高揮発性燃料は、第２制御弁１７および第２リターン通路１８を介して高揮発性燃料用燃料タンク８へと戻される。また後半の１０分間は、ポンプ１３による潤滑油の流速を高く設定して、縮小管１２を比較的高い速度で通流させ、キャビテーションとして分離した燃料成分を負圧装置１４により取り出す。この分離した低揮発性燃料は、前述したように、第１制御弁１５および第１リターン通路１６を経由して低揮発性燃料用燃料タンク５へと戻される。

このように、ステップ１１以降の処理では、まず揮発性の高い燃料成分のみが分離され、次いで揮発性の低い燃料成分が分離されるので、２つの燃料成分がどのような割合で含まれていても、両者を個別に分離除去することができる。

また、前述したステップ１で、現在のオイルパン内の潤滑油の希釈率が所定の閾値（Ｘパーセント）を越えていた場合は、ステップ１からステップ１１へ進む。これにより、同様に、オイルパン内の潤滑油に２つの燃料成分がどのような割合で含まれていても、両者を個別に分離除去することができる。

図４は、上記燃料分離装置１１の変形例を示しており、一つの潤滑油流路の中に、複数の縮小管１２が並列に設けられている。これは、キャビテーションを生じさせる縮小管１２の数を増やすことで、装置全体としての分離可能な燃料量の増大を図ったものである。なお、これらの縮小管１２は、互いに並列に位置し、従って、単一段である。

次に、図５は、この発明に係る潤滑油希釈防止装置の第２実施例を示す構成説明図であって、圧縮着火内燃機関であるエンジン本体１や２系統の燃料噴射系の構成は、前述した第１実施例と特に変わりがない。従って、前述した第１実施例と同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

潤滑油から燃料成分を分離するための燃料分離装置１１は、この実施例では、ポンプ１３の下流に、高揮発性燃料用の第１段縮小管１２Ａと低揮発性燃料用の第２段縮小管１２Ｂとが直列に配置されている。つまり、ポンプ１３で圧送される潤滑油は、第１段縮小管１２Ａと第２段縮小管１２Ｂとを順次通過し、エンジン本体１へ戻る。なお、ポンプ１３は、この実施例では、流速が一定の構成であってもよい。第１段縮小管１２Ａおよび第２段縮小管１２Ｂの各々に対し、負圧装置１４Ａ，１４Ｂが個別に設けられており、第１段縮小管１２Ａから負圧装置１４Ａを介して取り出された高揮発性燃料は、第１リターン通路３１を介して高揮発性燃料用燃料タンク８へと戻され、第２段縮小管１２Ｂから負圧装置１４Ｂを介して取り出された低揮発性燃料は、第２リターン通路３２を介して低揮発性燃料用燃料タンク５へと戻される。

ここで、第１段縮小管１２Ａや第２段縮小管１２Ｂでのキャビテーションの生じ易さは、図示するように、縮小管の管径Ｄや、縮小管の入口部の面取り部分の円弧形断面における半径Ｒ、あるいは管径Ｄと管長さＬとの比Ｌ／Ｄの値、に依存することが知られている。本実施例では、上流に位置する第１段縮小管１２Ａでは相対的にキャビテーションの発生が弱く、下流に位置する第２段縮小管１２Ｂでは相対的にキャビテーションの発生が強くなるように、各々の特性が設定されている。一つの例では、下流側の第２段縮小管１２Ｂの管径Ｄが上流側の第１段縮小管１２Ａの管径Ｄよりも小さく設定されている。異なる例では、下流側の第２段縮小管１２Ｂの入口部の面取り部分の半径Ｒが、上流側の第１段縮小管１２Ａの半径Ｒよりも小さく設定されている。さらに他の例では、下流側の第２段縮小管１２ＢのＬ／Ｄの値が上流側の第１段縮小管１２ＡのＬ／Ｄの値よりも小さく設定されている。これにより、第１段縮小管１２Ａでは揮発性の高い燃料が気化し、第２段縮小管１２Ｂでは揮発性の低い燃料が気化する。また、好ましくは、各負圧装置１４Ａ，１４Ｂの目標負圧も、各々の燃料の蒸気圧に対応して設定されている。なお、各段の縮小管１２Ａ，１２Ｂを、図４に示した実施例のように複数個設けることも可能である。

このような第２実施例の構成によれば、オイルパン内の潤滑油に２種の燃料が混入している状態において、やはり各々の燃料を個別に分離することができる。

なお、上記実施例では、圧縮着火内燃機関を例に説明したが、この発明は、勿論、火花点火内燃機関にも適用できる。

この発明の第１実施例の構成説明図。 負圧装置の構成説明図。 この第１実施例の制御の流れを示すフローチャート。 燃料分離装置の変形例を示す斜視図。 この発明の第２実施例の構成説明図。

符号の説明

１…エンジン本体
５…低揮発性燃料用燃料タンク
８…高揮発性燃料用燃料タンク
１１…燃料分離装置
１２…縮小管
１２Ａ…第１段縮小管
１２Ｂ…第２段縮小管
１３…ポンプ
１４，１４Ａ，１４Ｂ…負圧装置

Claims (7)

1. 揮発性が異なる複数種類の燃料が用いられる内燃機関において、これらの燃料による希釈が生じる潤滑油を、各々の燃料の特性に応じて、通路断面積が縮小する縮小管に通流させてキャビテーションを生じさせるとともに負圧ポンプにより吸引して各々分離させることを特徴とする内燃機関の潤滑油希釈防止装置。
2. 単一段の縮小管を備え、この縮小管を流れる潤滑油の流速を各々の燃料の特性に応じて変更することで、各々の燃料を分離することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の潤滑油希釈防止装置。
3. 相対的に低い流速として揮発性の高い燃料成分を分離除去した後、相対的に高い流速として揮発性の低い燃料成分を分離除去することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の潤滑油希釈防止装置。
4. 各々の燃料の特性に応じた複数段の縮小管が、直列に、かつ相対的に揮発性の高い燃料に適した縮小管が上流側に位置するように配置され、各々の縮小管において各々の燃料を分離することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の潤滑油希釈防止装置。
5. 各々の縮小管は、管径Ｄが異なり、下流側の縮小管の管径Ｄが上流側の縮小管の管径Ｄよりも小さく設定されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の潤滑油希釈防止装置。
6. 縮小管の入口部の面取り部分が半径Ｒの円弧形断面をなし、各々の縮小管は、この半径Ｒが異なり、下流側の縮小管の半径Ｒが上流側の縮小管の半径Ｒよりも小さく設定されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の潤滑油希釈防止装置。
7. 各々の縮小管は、管径Ｄと管長さＬとの比Ｌ／Ｄの値が異なり、下流側の縮小管のＬ／Ｄの値が上流側の縮小管のＬ／Ｄの値よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の潤滑油希釈防止装置。

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