JP2013136964A - ブローバイガス還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過給域、非過給域（負圧域）を問わず稼働させることができ、ＮＡ（自然吸気）エンジンにも適用することが可能なブローバイガス還流装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の気筒１の燃焼室とクランク室８とを直結する還流通路６１、７１と、還流通路に設けられる開閉バルブ６２、７２とを具備するブローバイガス還流装置６、７を構成した。開閉バルブは、気筒の吸気行程における、当該気筒１の燃焼室内圧力がクランク室内圧力に対して負圧となる時期に開弁して、当該気筒の燃焼室とクランク室とを連通させる。それ以外の時期には閉弁して、当該気筒１の燃焼室とクランク室との間を隔絶する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のブローバイガス還流装置に関する。

一般に、内燃機関のクランク室は、気筒及びピストンにより燃焼室から隔絶されている。しかし、この隔絶は完全なものではなく、内燃機関の圧縮行程では未燃焼ガスが、また膨張行程では燃焼ガスが、気筒とピストンとの隙間からクランク室内に漏洩する。漏洩したブローバイガスは、クランク室内に蓄えている潤滑油の劣化や、内燃機関本体の腐食をもたらす。

そのために、従来より、クランク室に溜まるブローバイガスを換気する機構を実装することが通例となっている。例えば、吸気通路におけるコンプレッサの上流側と下流側とをバイパス通路で接続し、当該バイパス通路上に負圧を発生させるジェットポンプを設けるとともに、クランク室から導いたブローバイ通路をジェットポンプを介してバイパス通路に連通せしめる構成のエゼクタシステムが既知である（下記特許文献を参照）。

上掲のエゼクタシステムでは、過給時にコンプレッサの上流側と下流側との間で発生する圧力差を利用してジェットポンプを機能させ、その負圧によりクランク室内のブローバイガスを吸い出して、コンプレッサの上流側へと還流させる。しかしながら、非過給時には、コンプレッサの上流側と下流側との間の圧力差が小さくなることから、ブローバイガス換気作用を営まないという弱みがあった。

加えて、吸気通路に還流させるブローバイガスには、潤滑油の微小粒子（オイルミスト）や炭素微粉その他のデポジット、凝縮水等が混入していることがあり、これらがコンプレッサを汚損してその性能を低下させるきらいもあった。

さらに、エゼクタシステムは、過給機を備えないＮＡ（自然吸気）エンジンには採用することが難しい。ＮＡエンジンにおいては、スロットルバルブの上流側と下流側との圧力差を利用してジェットポンプを機能させることになろうが、スロットルバルブが比較的大きく開かれる中高負荷の運転領域では、スロットルバルブの下流側の圧力が上流側の圧力（大気圧）に近くなり、クランク室内のブローバイガスを吸い出すことができなくなるためである。

特開２００９−２９９６４５号公報

本発明は、過給域、非過給域（負圧域）を問わず稼働させることができ、またＮＡエンジンにも適用することが可能なブローバイガス還流装置を提供しようとするものである。

本発明では、内燃機関の気筒の燃焼室とクランク室とを直結する還流通路と、前記還流通路上に設けられ、気筒の吸気行程における、当該気筒の燃焼室内圧力がクランク室内圧力に対して負圧となる時期に開弁して当該気筒の燃焼室とクランク室とを連通させ、それ以外の時期に閉弁して当該気筒の燃焼室とクランク室との間を隔絶する開閉バルブとを具備するブローバイガス還流装置を構成した。

本発明によれば、過給域、非過給域（負圧域）を問わず稼働させることができ、またＮＡエンジンにも適用することが可能なブローバイガス還流装置を実現できる。

本発明の一実施形態における内燃機関及びブローバイガス還流装置の構成を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関及びブローバイガス還流装置６、７の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、筒内直接噴射式の火花点火式内燃機関であり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１０と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを備える。

本実施形態における内燃機関は、二気筒の４サイクルエンジンであり、第一気筒１の行程と第二気筒１の行程との間には３６０°ＣＡ（クランク角度）の位相差が存在する。換言すれば、第一気筒１のピストン１２と第二気筒１のピストン１２とは同時に上昇し、また同時に下降する。よって、内燃機関のクランクケース内のクランク室８の容積は、多気筒エンジンと比べて大きく拡大／縮小する。クランク室８の容積が大きく拡縮する内燃機関では、ブローバイガスの脈動も大きくなる。

シリンダヘッドにより形成される、気筒１の燃焼室の天井部には、点火プラグ１３を取り付けてある。点火プラグ１３は、点火コイル１２にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１２は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１１とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１１が受けると、まずイグナイタ１１が点弧して点火コイル１２の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１１が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１３の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットルバルブ３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパスバルブであるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２を設けてある。

本実施形態のブローバイガス還流装置６、７は、内燃機関の気筒１におけるピストンの上方にある燃焼室と、ピストンの下方にあってクランクシャフトの一部、クランクアーム及びバランスウェイトを収容するクランク室８とを還流通路６１、７１を介して直結するとともに、その還流通路６１、７１上に開閉バルブ６２、７２を設けてなるものである。還流通路６１、７１は、クランク室８内のブローバイガスを、新気や外部ＥＧＲガスが流通する吸気通路３を経由することなく直接に燃焼室内に導き入れる働きをする。開閉バルブ６２、７２は、開弁して還流通路６１、７１を開通させ、また閉弁して還流通路６１、７１を遮断する。

本実施形態では、二種類のブローバイガス還流装置６、７が存在している。第一の還流装置６の還流通路６１は、一端がクランク室８の側面に接続し、他端が気筒１の上死点よりも上方の箇所、より具体的には燃焼室の天井部に接続している。還流通路６１、７１の他端を燃焼室の天井部に接続しているのは、仮に還流通路６１、７１の他端を気筒１のボアの内周面に接続した場合、当該還流通路６１、７１の出口がボアの内周面に開口することとなり、その開口部位においてピストンとボアとの間の（潤滑油による）潤滑が欠乏するおそれがあるからである。

第一の還流通路６１の開閉バルブ６２は、ＥＣＵ０がその開閉を制御することのできる、例えば電磁ソレノイドバルブである。開閉バルブ６２は、開度調節が可能な流量制御弁であることがある。

第二の還流装置７の還流通路７１は、一端がクランク室８の側面に接続し、他端が気筒１の吸気ポートの一つに接続している。本実施形態における内燃機関の各気筒１はそれぞれ、シリンダヘッドに複数の吸気ポートを有している。その一部のポートには当然ながら吸気通路３（のマニホルド３５）が接続しているが、他のポートには吸気通路３は接続していない。第二の還流装置７の還流通路７１は、その吸気通路３の接続していない吸気ポートに接続している。

第二の還流装置７の開閉バルブ７２は、一般的な吸気バルブと同様、吸気カムシャフトのカムにより開閉駆動されるポペットバルブである。開閉バルブ７２の弁座が、還流通路７１が接続する吸気ポートにあることは言うまでもない。尤も、この開閉バルブ７２の開閉タイミングは、同じ気筒１に所属する吸気バルブの開閉タイミングとは必ずしも一致しない。つまり、吸気カムシャフトに固設するカムの配置により、同一気筒１における開閉バルブ７２の開閉タイミングと吸気バルブの開閉タイミングとの間に位相差を設けることが可能である。好ましくは、圧縮行程の終期ないし吸気行程の初期に先に開閉バルブ７２が開弁し、その後に吸気バルブが開弁するようにする。

加えて、内燃機関のシリンダヘッドカバー内のカム室を吸気通路３に連通せしめる新気通路９を設けてある。カム室は、図示しない内部通路を介してクランク室８と繋がっており、クランク室８との間で相互に新気やブローバイガスを行き来させることができる。新気通路９の一端は、吸気通路３における、大気圧に近い圧力となる箇所、例えばコンプレッサ５１の上流側に接続している。

また、本実施形態の内燃機関は、吸気カムシャフト側及び／または排気カムシャフト側に、可変バルブタイミング機構を付随させている。可変バルブタイミング機構は、例えば、吸気カムシャフト及び／または排気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させることを通じて、吸気バルブ（そして、開閉バルブ７２）及び／または排気バルブの開閉タイミングを早め、または遅らせることができるものである。

ＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるエンジン回転信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３３の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するアクセル開度センサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温及び吸気圧（または、過給圧）を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、吸気カムシャフト及び／または排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム信号ｅ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグのイグナイタ１１に対して点火信号ｉ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｊ、スロットルバルブ３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｌ、インジェクタ１０に対して燃料噴射信号ｍ、可変バルブタイミング機構に対して吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングを規定する制御信号ｎ、第一の還流装置６の開閉バルブ６２に対して開閉信号ｏ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）、吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングといった各種運転パラメータを決定する。上記の運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。その上で、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏを出力インタフェースを介して印加する。

しかして、本実施形態のブローバイガス還流装置６、７は、気筒１の吸気行程における、当該気筒１の燃焼室内圧力がクランク室８内圧力に対して負圧となる時期に、当該気筒１に接続している還流通路６１、７１上の開閉バルブ６２、７２を開弁して、当該気筒１の燃焼室とクランク室８とを連通させる。結果、クランク室８内にあるブローバイガスがクランク室８から排出され、当該気筒１の燃焼室内に直接に流れ込む。その際、新気通路９を介して新気がクランク室８内に流入することで、クランク室８の換気がなされる。

気筒１の燃焼室内圧力をクランク室８内圧力に対してより効果的に負圧化し、ブローバイガスをクランク室８から吸い出すためには、ＥＣＵ０から可変バルブタイミング機構を操作し、気筒１の吸気行程の前期において吸気バルブも排気バルブも閉じている「負のオーバラップ期間」を設定し、当該期間中に開閉バルブ６２、７２が開弁されるようにすることが好ましい。吸気バルブも排気バルブも閉弁しているにもかかわらず、吸気行程にてピストンが吸気下死点に向かって運動することにより、当該気筒１の燃焼室内は顕著に負圧となり、クランク室８内のブローバイガスが確実に燃焼室内に流入する。

気筒１の吸気行程における、当該気筒１の燃焼室内圧力がクランク室８内圧力に対して負圧とならない時期、または当該気筒１に吸気通路３から十分な吸気を導入するべき時期には、当該気筒１に接続している還流通路６１、７１上の開閉バルブ６２、７２を閉弁する。さすれば、当該気筒１の燃焼室とクランク室８との間が隔絶され、吸気通路３からの吸気のみが気筒１に流入するようになる。気筒１の圧縮行程、膨張行程及び排気行程中もまた、当該気筒１に接続している還流通路６１、７１上の開閉バルブ６２、７２を閉弁する。

本実施形態では、内燃機関の気筒１の燃焼室とクランク室８とを直結する還流通路６１、７１と、前記還流通路６１、７１上に設けられ、気筒１の吸気行程における、当該気筒１の燃焼室内圧力がクランク室８内圧力に対して負圧となる時期に開弁して当該気筒１の燃焼室とクランク室８とを連通させ、それ以外の時期に閉弁して当該気筒１の燃焼室とクランク室８との間を隔絶する開閉バルブ６２、７２とを具備するブローバイガス還流装置６、７を構成した。

本実施形態によれば、過給域、非過給域を問わず、ブローバイガス還流装置６、７を稼働させることができ、クランク室８の換気を確実に行うことが可能となる。また、クランク室８から気筒１の燃焼室に流入するブローバイガスが、ちょうど内部ＥＧＲガスとして作用することにもなり、ポンピングロスの低減その他の燃費向上効果、燃焼温度の低下によるＮＯ_xの排出量の低減効果が期待できる。

従前のエゼクタシステムと異なり、ジェットポンプが不要である上、潤滑油やデポジット、凝縮水等を含む多量のブローバイガスを吸気通路３に流さずに済むことから、オイルパンに蓄えている潤滑油の（吸気通路３への）持ち去りを抑制でき、潤滑油等がコンプレッサ５１に付着することによる性能低下も回避できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。本発明に係るブローバイガス還流装置６、７は、過給機を備えていないＮＡエンジンにも当然に適用することができる。

上記実施形態における第一の還流装置６の開閉バルブ６２を、チェックバルブに置き換えることも考えられる。この場合の開閉バルブ６２は、吸気行程において、クランク室８内圧力が気筒１の燃焼室内圧力を上回ると開弁し、クランク室８内圧力が気筒１の燃焼室内圧力を下回ると閉弁する。

上記実施形態では、二種類の還流装置６、７が並存していたが、何れか一方のみを内燃機関に実装するようにしてもよい。

気筒１の燃焼室内圧力をクランク室８内圧力に対して負圧にするために、吸気バルブ及び／または排気バルブのリフト量を可変とする可変バルブ機構を付設し、吸気行程においてバルブリフト量を縮小するようにしてもよい。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。

１…気筒
６、７…ブローバイガス還流装置
６１、７１…還流通路
６２、７２…開閉バルブ
８…クランク室
９…新気通路

Claims (1)

1. 内燃機関の気筒の燃焼室とクランク室とを直結する還流通路と、
   前記還流通路上に設けられ、気筒の吸気行程における、当該気筒の燃焼室内圧力がクランク室内圧力に対して負圧となる時期に開弁して当該気筒の燃焼室とクランク室とを連通させ、それ以外の時期に閉弁して当該気筒の燃焼室とクランク室との間を隔絶する開閉バルブと
   を具備するブローバイガス還流装置。

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