JP2015098814A - ブローバイガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関が低回転あるいは低負荷のとき、排気系の圧損を低減させながら、外気の逆流によるブローバイガスの換気効率の低下を抑制するブローバイガス処理装置を提供すること。
【解決手段】タービン４１と、コンプレッサ４２と、コントローラ４４とを有する過給機３と、上流側吸気通路５ａと連通しブローバイガスを通すブローバイガス通路３１と、下流側吸気通路６ａと連通するＰＣＶ通路３２と、上流側圧力と下流側圧力との圧力差により、ブローバイガスをブローバイガス通路３１から上流側吸気通路５ａへ還流させるエゼクタ１１とを有するブローバイガス処理装置５０において、コントローラ４４は、上流側圧力よりも下流側圧力が小さくなる機関回転数が低回転のとき、または内燃機関１の負荷が低負荷のとき、タービン４１を最小の駆動効率で駆動させ、エゼクタ１１により還流するブローバイガスを微少量にさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機を備えた内燃機関のブローバイガス処理装置に関する。

従来、この種のブローバイガス処理装置として、吸気通路内でコンプレッサによる過給圧を調整可能な過給機と、コンプレッサの上流側と下流側とを連通する吸気連通路内のエゼクタとを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このブローバイガス処理装置は、さらに、エゼクタに接続されクランクケース内で発生するブローバイガスをコンプレッサの上流側に流通させるブローバイガス通路と、ブローバイガスをＰＣＶ（Positive Crankcase Ventilation）バルブを介してコンプレッサの下流側に流通させるＰＣＶ通路とを備えている。そして、過給域では、過給圧を利用したエゼクタの作用によりブローバイガスをコンプレッサの上流側に流通させ、非過給域では、ＰＣＶ通路を通してブローバイガスをコンプレッサの下流側に流通させるようにしている。これにより、クランクケース内の換気が強制的に行われる。

従来、過給機には、ウエストゲートバルブと、このウエストゲートバルブの開閉を制御する制御装置が設けられており、この制御装置により過給圧の調整が行われるようになっている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１３−２２１４８８号公報 特開２０１１−２１４４１９号公報

しかしながら、従来のブローバイガス処理装置は、内燃機関の機関回転数が低回転のときや内燃機関の負荷が低負荷のときに、過給効果を高めるようウエストゲートバルブを全閉にしているため、排気系の圧損が必要以上に大きくなってしまうという問題がある。他方、内燃機関の低回転あるいは低負荷のときに、ウエストゲートバルブを全開とすると、外気がエゼクタの出口側からブローバイガス通路内に侵入して、オイルセパレータ、ＰＣＶ通路を経由して、比較的に圧力の低いコンプレッサの下流側の吸気通路内に流入してしまうといういわゆる外気の逆流が起きることがある。この場合、オイルセパレータ内に外気が流入してしまう分、クランクケース内からオイルセパレータ内に流入するブローバイガスの量が減少し、結果としてクランクケース内の換気効率が低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、上述したような従来の問題を解決するためになされたもので、内燃機関が低回転あるいは低負荷のときであっても、排気系の圧損を低減させながら、外気の逆流によるブローバイガスの換気効率の低下を抑制することができるブローバイガス処理装置を提供することを課題とする。

本発明に係るブローバイガス処理装置は、上記課題を解決するため、（１）内燃機関の排気ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンと連動するコンプレッサと、前記タービンの駆動を制御するコントローラとを有する過給機と、前記コンプレッサの上流側に位置する上流側吸気通路と連通するとともに、前記内燃機関のクランクケース内のブローバイガスを通すブローバイガス通路と、前記ブローバイガス通路から分岐し、前記コンプレッサの下流側に位置する下流側吸気通路と連通するクランクケース換気通路と、前記上流側吸気通路内の上流側圧力と前記下流側吸気通路内の下流側圧力との圧力差により、前記ブローバイガスを前記ブローバイガス通路から前記上流側吸気通路へ還流させるエゼクタとを有するブローバイガス処理装置において、前記コントローラは、前記上流側圧力よりも前記下流側圧力が小さくなる前記内燃機関の機関回転数が低回転のとき、または前記内燃機関の負荷が低負荷のとき、前記タービンを最小の駆動効率で駆動させ、前記エゼクタにより還流する前記ブローバイガスを微少量にさせるよう構成される。

この構成により、本発明に係るブローバイガス処理装置においては、内燃機関が低回転あるいは低負荷のとき、コントローラにより過給機の駆動効率が最小の状態でタービンが制御されて、エゼクタにより還流するブローバイガスが微少量になる。その結果、内燃機関が低回転あるいは低負荷のときであっても、排気系内の圧力の上昇が抑制され、排気系の圧損が低減される。また、微少量のブローバイガスがエゼクタにより上流側吸気通路に還流されるので、外気がエゼクタの出口側からブローバイガス通路内に侵入することが抑制され、外気の逆流によるブローバイガスの換気効率の低下が抑制される。

本発明によれば、従来のものと比較して、内燃機関が低回転あるいは低負荷のときであっても、排気系の圧損を低減させながら、外気の逆流によるブローバイガスの換気効率の低下を抑制することができるブローバイガス処理装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るブローバイガス処理装置が適用された内燃機関の概略構成図である。 本発明の実施形態に係るブローバイガス処理装置の効果を示すグラフであり、（ａ）は、従来のブローバイガス処理装置のグラフで、（ｂ）は、実施形態に係るブローバイガス処理装置のグラフである。

以下、本発明に係るブローバイガス処理装置を、過給機を備えた内燃機関のブローバイガス処理装置に適用した実施形態について、図面を参照して説明する。

（実施形態）
まず、構成について説明する。

図１に示すように、内燃機関１は、機関本体２と、過給機３と、エアクリーナ４と、上流側吸気パイプ５と、下流側吸気パイプ６と、排気パイプ７と、吸気導入パイプ８と、エゼクタ１１と、ブローバイガスパイプ１２とを含んで構成されている。内燃機関１は、さらに、インテークマニホールド１３と、スロットルバルブ１４と、ＰＣＶパイプ１５と、ＰＣＶバルブ１６とを含んで構成されている。この内燃機関１は、吸入された空気と燃料との混合気を図示しない燃焼室に導入し、ピストンで圧縮させた後、燃焼させてクランクシャフトから動力を出力するいわゆるレシプロエンジンで構成される。

機関本体２は、クランクシャフトを収容するクランクケース２１と、クランクケース２１の上部に位置し、ピストンを収容するとともに燃焼室を形成するシリンダブロック２２とを有している。機関本体２は、さらに、シリンダブロック２２の上部に位置し、カムシャフトを収容するとともに燃焼室を形成するシリンダヘッド２３と、シリンダヘッド２３の上部に位置しシリンダヘッド２３を閉塞するシリンダヘッドカバー２４とを有している。

機関本体２には、燃焼室内の混合気や燃焼ガスがピストンとシリンダーとの間の隙間からクランクケース２１内に侵入して発生するブローバイガスを通すブローバイガス通路３１が形成されている。このブローバイガス通路３１は、クランクケース２１、シリンダブロック２２、シリンダヘッド２３を通ってエゼクタ１１内に連通している。クランクケース２１内に発生したブローバイガスは、ブローバイガス通路３１内を矢印ａで示す方向に流通するようになっている。

また、機関本体２には、クランクケース２１内のブローバイガスをＰＣＶパイプ１５を介してインテークマニホールド１３内に流通させるＰＣＶ通路３２が、クランクケース２１、シリンダブロック２２、シリンダヘッド２３内に形成されている。クランクケース２１内に発生したブローバイガスは、ＰＣＶ通路３２内を矢印ｂで示す方向に流通するようになっている。このＰＣＶ通路３２は、本発明に係るブローバイガス処理装置のクランクケース換気通路を構成している。

過給機３は、排気パイプ７に連結され燃焼室から排気される排気ガスにより駆動されるタービン４１と、上流側吸気パイプ５および下流側吸気パイプ６と連結され上流側吸気パイプ５を流通する吸気を圧縮して下流側吸気パイプ６に流通させるコンプレッサ４２と、タービン４１とコンプレッサ４２とを連結し、タービン４１の動力をコンプレッサ４２に伝達するシャフト４３と、コントローラ４４とを有している。

タービン４１には、図示しないウエストゲートバルブ（ＷＧＶ: Waste Gate Valve）が設けられており、コントローラ４４によりウエストゲートバルブの開度が調整され過給圧が調圧されるようになっている。このタービン４１は、可変ノズルタービン（ＶＮＴ: Variable Nozzle Turbine）で構成されていてもよい。この構成により、コントローラ４４により、エンジンの回転数に応じてタービン４１に設けられた図示しないタービンブレードの開口面積を変化させることで排気ガスの流量を制御して、過給効果を高めることができる。

コントローラ４４は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータを含んで構成されており、ＣＰＵは、ＲＡＭの一時記憶機能を利用するとともにＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行うようになっている。ＲＯＭには、過給機３の制御に必要とされるプログラムが記憶されている。

入力インターフェースには、スロットルバルブ１４に設けられスロットル開度を検出するスロットルポジションセンサ、アクセルペダルに設けられアクセル開度を検出するアクセルポジションセンサ、エアクリーナ４の下流側に設けられ上流側吸気通路５ａ内の吸入空気量を測定するエアフローメーターなどのセンサが接続されている。入力インターフェースには、さらに車体に設けられ自動車の加速度を検出するＧセンサなどの加速度センサ、内燃機関１のクランク軸の回転数（ｒｐｍ）を検出するクランクポジションセンサなどのセンサが接続されている。

エアクリーナ４は、空気取り入れ口から空気を上流側吸気パイプ５に導入するとともに、空気中の異物を除去して浄化するようになっている。上流側吸気パイプ５は、上流側吸気通路５ａを有し、エアクリーナ４と、コンプレッサ４２とを連結して、エアクリーナ４から導入された空気をコンプレッサ４２内に流通させるようになっている。

下流側吸気パイプ６は、下流側吸気通路６ａを有し、コンプレッサ４２と、インテークマニホールド１３とを連結して圧縮された空気をコンプレッサ４２からインテークマニホールド１３に流通させるようになっている。排気パイプ７は、排気通路７ａを有し、燃焼室から排気される排気ガスをタービン４１内に流通させるようになっている。

吸気導入パイプ８は、吸気導入通路８ａを有し、一端が下流側吸気パイプ６と連結され、他端がエゼクタ１１に連結されており、下流側吸気通路６ａ内の空気を矢印ｃ方向に流通させエゼクタ１１内に流入させるようになっている。

エゼクタ１１は、吸気導入パイプ８に連結されるとともに吐出口１１ａを有するノズル部１１ｂと、ブローバイガス通路３１からブローバイガスを吸入する吸入口１１ｃを有する吸入室１１ｄと、下流側のブローバイガスパイプ１２と連結されたディフィーザ部１１ｅとを含んで構成されている。このエゼクタ１１においては、吐出口１１ａから空気が吐出される際に発生する負圧の作用によりブローバイガス通路３１内のブローバイガスが吸入口１１ｃから吸入室１１ｄに吸入されるようになっている。吸入されたブローバイガスは、吐出口１１ａから吐出された空気と混合され、さらにディフィーザ部１１ｅで混合気が圧縮され圧力が高められてブローバイガスパイプ１２内に送られるようになっている。

ブローバイガスパイプ１２は、ブローバイガス通路１２ａを有し、エゼクタ１１から送られた混合気を上流側吸気パイプ５の上流側吸気通路５ａに流入させるよう下流側で上流側吸気パイプ５に連結されている。

インテークマニホールド１３は、上流側で下流側吸気パイプ６と連結され、下流側でシリンダヘッド２３に連結されており、吸気通路１３ａを有している。吸気通路１３ａは複数に分岐され、それぞれ気筒内に連通している。この吸気通路１３ａは、下流側吸気通路６ａと連通しており、本発明に係るブローバイガス処理装置の下流側吸気通路を構成している。

スロットルバルブ１４は、図示しない開閉弁を有しており、開閉弁の開度が制御され下流側吸気通路６ａ内を流通する吸気の吸気量が制御されるようになっている。ＰＣＶパイプ１５は、下流側がインテークマニホールド１３に連結され、上流側がシリンダブロック２２に連結されている。このＰＣＶパイプ１５は、ＰＣＶ通路３２と連通するＰＣＶ通路１５ａを有しており、ＰＣＶ通路３２内を流通するブローバイガスをインテークマニホールド１３に流入させるようになっている。

ＰＣＶバルブ１６は、ＰＣＶパイプ１５に設けられており、図示しない中空状のバルブボディ内にスプール型のスライド可能な弁体を有している。この弁体は、圧縮コイルスプリングによりＰＣＶ通路１５ａを閉塞する方向に付勢されている。このＰＣＶバルブ１６は、ＰＣＶ通路１５ａを介して連通するセパレータ室内の圧力とインテークマニホールド１３の吸気通路１３ａ内の吸気負圧との間に生じる差圧に応じて開弁し、還流するブローバイガスの流量を変えるよう構成されている。

この構成により、内燃機関１が予め設定された低負荷でスロットルバルブ１４の開度が小さいとき、スロットルバルブ１４の下流側の吸気の負圧が上流側に比べて高まるため、スロットルバルブ１４の下流側にブローバイガスが吸い込まれることになる。これにより、上流側吸気通路５ａ内の新鮮な吸気がブローバイガス通路１２ａからブローバイガス通路３１を通ってクランクケース２１内に流れ込むようになっている。

他方、内燃機関１が高負荷でスロットルバルブ１４の開度が大きいとき、スロットルバルブ１４の上流側と下流側との吸気の圧力差が小さくなるが、クランクケース２１内の圧力が高まるため、ブローバイガスは、ブローバイガス通路３１からエゼクタ１１を経由してブローバイガス通路１２ａから上流側吸気通路５ａ内に流入することになる。また、ブローバイガスは、ＰＣＶ通路１５ａを通ってインテークマニホールド１３の吸気通路１３ａ内にも流入することになる。

本実施形態に係る過給機３、上流側吸気通路５ａ、下流側吸気通路６ａ、エゼクタ１１、ブローバイガス通路１２ａ、３１およびＰＣＶ通路３２は、本実施形態に係るブローバイガス処理装置５０を構成しており、ブローバイガス処理装置５０は、本発明に係るブローバイガス処理装置に対応している。

次いで、本実施形態に係るブローバイガス処理装置５０の動作について説明する。

まず、内燃機関１が始動されると、過給機３のコントローラ４４は、内燃機関１の運転状態を検出する。コントローラ４４は、内燃機関１の機関回転数や負荷の高低によりこの運転状態を検出することができる。コントローラ４４は、例えば、クランクポジションセンサにより機関回転数を検出することができる。コントローラ４４は、内燃機関１の負荷について、例えば、スロットルポジションセンサにより検出されたスロットル開度、エアフローメーターにより測定された吸入空気量、アクセルポジションセンサにより検出されたアクセル開度等の運転情報を用いて算出することで推定することができる。算出された推定負荷を内燃機関１の負荷として取り扱うようにしてもよい。また、コントローラ４４は、加速度センサの検出情報と内燃機関１の負荷との関係を示すマップを予め設けておき、そのマップに基づいて内燃機関１の負荷を検出するようにしてもよい。

コントローラ４４は、運転状態について、スロットルポジションセンサから出力された信号に基づいて、機関回転数が低回転から高回転の範囲のうちどの回転域にあるか否かを検出する。スロットルポジションセンサから出力された信号による機関回転数と、基準回転数とを比較することで機関回転数がいずれの回転域にあるかを検出することができる。

基準回転数は、内燃機関１の気筒数、気筒の容量などの設定諸元によって異なるが、例えば、低回転は、Ａ回転以上Ｂ回転未満の領域、中回転は、Ｂ回転以上Ｃ回転未満の領域、高回転は、Ｃ回転以上Ｄ回転未満の領域などのように、予め設定された低回転から高回転の回転域のマップからなる。このマップをＲＯＭに記憶しておき、回転域を検出する際に読み出して参照することで回転域を検出することができる。

コントローラ４４は、機関回転数が低回転の回転域にあることを検出すると、タービン４１を予め設定された最小の駆動効率になるよう、駆動させ、エゼクタ１１によりクランクケース２１内に発生したブローバイガスを上流側吸気通路５ａ内に還流する量を予め設定された微少量にさせる最小効率制御を実行する。この最小駆動効率制御は、コントローラ４４の指令により、前述のタービン４１のＷＧＶを全開にする制御で、この制御により駆動効率を最小とすることができる。また、コントローラ４４の指令により、前述のタービン４１のＶＮＴを全開にする制御であってもよく、この制御によっても駆動効率を最小とすることができる。

なお、本実施形態に係るブローバイガス処理装置５０においては、コントローラ４４による最小駆動効率制御に応じて、スロットルバルブ１４の開度を比較的に小さくすることで、過給機３のタービン４１により高められる過給圧の過度の上昇を抑えることもできる。

コントローラ４４は、運転状態について、スロットルポジションセンサから出力された信号に基づいて、内燃機関１の負荷が低負荷から高負荷の範囲のうちどの負荷領域にあるか否かを検出する。この検出は、スロットルポジションセンサにより検出されたスロットル開度、エアフローメーターにより測定された吸入空気量、アクセルポジションセンサにより検出されたアクセル開度からそれぞれ出力された信号に基づいて、負荷の高低の推定値を算出処理することにより検出する。この算出された推定値と基準値とを比較して検出することができる。

この基準値は、次のように具体的に設定される。例えば、低負荷は、Ｈ１負荷以上Ｈ２負荷未満の領域、中負荷は、Ｈ２負荷以上Ｈ３負荷未満の領域、高負荷は、Ｈ３負荷以上Ｈ４負荷未満の領域などのように、予め設定された低負荷から高負荷の負荷領域のマップからなる。そして、このマップをＲＯＭに記憶しておき、負荷領域を検出する際に読み出して参照することで内燃機関１の負荷がいずれの負荷領域にあるかを検出することができる。

また、自動車の加速度を検出するＧセンサなどの加速度センサから出力された信号に基づいて、前述の負荷領域の検出と同様の方法で内燃機関１の負荷を検出するようにしてもよい。

コントローラ４４は、内燃機関１の負荷が低負荷の負荷領域にあることを検出すると、前述の機関回転数が低回転の回転域にある場合と同様に、タービン４１を最小の駆動効率になるよう、駆動させ、エゼクタ１１によりクランクケース２１内に発生したブローバイガスを上流側吸気通路５ａ内に還流する量を微少量にさせる最小効率制御を実行する。

本実施形態に係るブローバイガス処理装置５０は、前述のように構成されているので、以下の効果が得られる。

ブローバイガス処理装置５０は、タービン４１と、コンプレッサ４２と、コントローラ４４とを有する過給機３と、上流側吸気通路５ａと連通しブローバイガスを通すブローバイガス通路３１と、下流側吸気通路６ａと連通するＰＣＶ通路３２と、上流側圧力と下流側圧力との圧力差により、ブローバイガスをブローバイガス通路３１から上流側吸気通路５ａへ還流させるエゼクタ１１とを有している。

そして、コントローラ４４は、上流側圧力よりも下流側圧力が小さくなる機関回転数が低回転のとき、または内燃機関１の負荷が低負荷のとき、タービン４１を最小の駆動効率で駆動させ、エゼクタ１１により還流するブローバイガスを微少量にさせる最小効率制御を実行するよう構成されている。

この構成により、本実施形態に係るブローバイガス処理装置５０は、従来のものと比較して、内燃機関１が低回転あるいは低負荷のときであっても、排気系の圧損を低減させながら、外気の逆流によるブローバイガスの換気効率の低下を抑制することができる。

具体的には、図２（ａ）に示すように、従来のブローバイガス処理装置においては、内燃機関が低回転あるいは低負荷のとき、過給機の駆動効率を高めるようインテークマニホールド内の圧力がある程度高まるまで、ブローバイガス通路やＰＣＶ通路の通路流量が最小となっている。そして、非過給域にはエゼクタが駆動していないので、エゼクタの経路、すなわち、破線の矢印ｄで示すように、上流側吸気通路からブローバイガス通路に向かう経路に新気が流入するいわゆる逆流が生じ、エゼクタを通過してクランクケース内に侵入してしまうことがあった。この場合、ＰＣＶ通路やブローバイガス通路を流通するブローバイガスの流量が減少してしまい、ブローバイガスの還流効率の低下を招いてしまうという問題があった。

この問題は、過給機における非過給時と過給時とでＰＣＶ通路およびブローバイガス通路が共通していることによるもので、非過給時と過給時とで異なった通路を設けることにより解決することもできる。しかしながら、異なった通路を設けるとオイルセパレータを各通路に設ける必要があり、部品点数が増えてしまうという問題がある。

他方、前述の逆流を防止するためエゼクタに逆止弁からなる逆流防止機構を設けることも考えられるが、構造的な逆止弁の場合は、圧力損失が大きくなってしまい、過給時のエゼクタ流量が激減し、背反してしまうという問題がある。

これに対し、本実施形態に係るブローバイガス処理装置５０においては、非過給時に、インテークマニホールド１３内に生ずる負圧により、ＰＣＶバルブ１６によって、クランクケース２１内の換気をする際に、コントローラ４４によって制御がなされるので、前述の問題が解消されるという効果が得られる。

すなわち、非過給時に、コンプレッサ４２で、エゼクタ１１に駆動圧力をかけ、例えば、図２（ｂ）に示すように、５Ｌ／ｍｉｎ程度の吸気の微小流量を矢印ｃ方向に流動させて、エゼクタ１１を機能させ、ブローバイガスをエゼクタ１１からブローバイガス通路１２ａ内に流し、上流側吸気通路５ａに微少量だけ還流させることができる。

その結果、ブローバイガス通路１２ａに微少量のブローバイガスが流動しているので、エゼクタ１１に逆止弁などの逆流防止機構を設けることなく、エゼクタ１１の経路から新気が入ることを防止することができる。また、内燃機関１が低回転あるいは低負荷で、通常、非過給時であっても、過給機３を機能させているので、排気系の圧損を低減することができるという効果が得られる。

以上のように、本発明に係るブローバイガス処理装置は、従来のものと比較して、内燃機関が低回転あるいは低負荷のときであっても、排気系の圧損を低減させながら、外気の逆流によるブローバイガスの換気効率の低下を抑制することができるという効果を有し、過給機を備えたブローバイガス処理装置として有用である。

１…内燃機関、３…過給機、５ａ…上流側吸気通路、６ａ…下流側吸気通路、１１…エゼクタ、３１…ブローバイガス通路、３２…ＰＣＶ通路（クランクケース換気通路）、４１…タービン、４２…コンプレッサ、４４…コントローラ、５０…ブローバイガス処理装置

Claims (1)

1. 内燃機関の排気ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンと連動するコンプレッサと、前記タービンの駆動を制御するコントローラとを有する過給機と、
   前記コンプレッサの上流側に位置する上流側吸気通路と連通するとともに、前記内燃機関のクランクケース内のブローバイガスを通すブローバイガス通路と、
   前記ブローバイガス通路から分岐し、前記コンプレッサの下流側に位置する下流側吸気通路と連通するクランクケース換気通路と、
   前記上流側吸気通路内の上流側圧力と前記下流側吸気通路内の下流側圧力との圧力差により、前記ブローバイガスを前記ブローバイガス通路から前記上流側吸気通路へ還流させるエゼクタとを有するブローバイガス処理装置において、
   前記コントローラは、前記上流側圧力よりも前記下流側圧力が小さくなる前記内燃機関の機関回転数が低回転のとき、または前記内燃機関の負荷が低負荷のとき、前記タービンを最小の駆動効率で駆動させ、前記エゼクタにより還流する前記ブローバイガスを微少量にさせることを特徴とするブローバイガス処理装置。

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