JP2016130455A - 内燃機関の故障防止システム、内燃機関及び内燃機関の故障防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射系の故障等により燃料がクランク室内に漏出した際に、燃料の潤滑油の希釈による潤滑油の量の急激な増加によって、ブローバイガス経由で吸気に潤滑油が混合して発生する燃焼室内の異常燃焼を回避できてエンジンの故障を防止できる内燃機関の故障防止システム、内燃機関及び内燃機関の故障防止方法を提供する。【解決手段】クランク室１０ａ内のブローバイガスＧｂを吸気通路１２に還流するブローバイガス還流路２０を備えた内燃機関の故障防止システム１において、燃焼室内に流入する吸気（Ａ＋Ｇｂ＋Ｇｅ）中に含まれる炭化水素の濃度Ｄを検出する炭化水素濃度検出手段３０を設け、炭化水素濃度検出手段３０で検出した炭化水素の濃度Ｄが予め設定した判定用濃度閾値Ｄ１以上となったとき、若しくは、炭化水素の濃度Ｄの増加率ΔＤが予め設定した判定用増加率閾値ΔＤ１以上となったときに、内燃機関１の運転を停止する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内に発生するオイル燃料に起因する異常燃焼を回避できて、内燃機関の故障を防止することができる内燃機関の故障防止システム、内燃機関及び内燃機関の故障防止方法に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関においては、燃料室内に噴射された燃料の一部が未燃のまま、ピストンと気筒（シリンダ）の間隙からクランク室内に漏出して、エンジンを潤滑するための潤滑油に混入し、混入した燃料で潤滑油が希釈されて、潤滑油の粘度が減少して潤滑油性能が低下し、ピストンなどの摺動面等に焼きつきが生じるというオイル希釈（オイルダイリューション）の問題がある。

特に、燃料噴射ノズル等の燃料噴射系の故障により、このオイル希釈が急激に進行すると、クランク室より下方のオイルパンの潤滑油の液面が上昇して、この液面の上昇により、クランクギア等により巻き上げられる潤滑油の量が増加して、ブローバイガスに潤滑油が混ざってしまう。その結果、オイルセパレータのオイル分離能力を超えた潤滑油を含んだブローバイガスが流れることになり、この分離されない多くの潤滑油がブローバイガス還流路（ＰＣＶ通路）を経由して吸気通路に流入してしまうので、潤滑油がエンジンの燃焼室内に流入してオイル燃焼が発生して異常燃焼し、エンジンが破損し故障する。

これに関連して、エンジンオイル中の燃料濃度が基準値より大きい場合に燃料供給系統の異常判定を停止することにより、ブローバイガスによって吸気通路に持ち込まれる燃料によってＯ₂センサの出力がリッチになる場合を燃料供給系統の故障と誤って判定することを避けるための診断停止手段を備えたエンジンの自己診断装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このエンジンの自己診断装置では、雰囲気中のＨＣガス濃度を測定する周知のＨＣガスセンサからなる燃料濃度センサを、ブローバイガスを吸気通路へ流入させる流入口近傍のブローバイガス通路に臨設して、この燃料濃度センサにより、ガソリンの濃度が高くなるほど雰囲気中のＨＣガス濃度が高くなる現象を利用して、エンジンオイル中のガソリン濃度を検出している。

また、ガソリンのような燃料によるエンジンオイルの希釈度を、ブローバイガス中の炭化水素の濃度、クランクケース内の圧力、音速、赤外線吸収率、エンジンオイルの粘度、ＰＨ値、電気抵抗、静電容量等から検出し、その検出値が所定の許容希釈度を越えたときに、希釈度抑制手段を発動して、燃料の噴射時期、噴射圧力、冷却水温、オイルの温度点火時期、吸気弁の閉弁時期等を一時的に変更する制御を行って希釈度を低下させて機関の摺動部分の焼きつき等を防止するオイル希釈を抑制する手段を備えた内燃機関も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、これらのオイル希釈は、エンジンの運転時間により徐々にオイル希釈が進行していく現象には対応できるが、燃料噴射ノズル等の燃料噴射系の故障により突発的に急激なオイル希釈が発生してエンジン故障に至る現象に対しては対応できないという問題がある。

特開平０６−２４１０９３号公報 特開平１０−３１７９３６号公報

本発明者は、燃料噴射系の故障により突発的かつ急激なオイル希釈が発生してからエンジン故障に至る時間が、数秒という短時間であり、即座に適切な対応をしないとエンジンが故障してしまうとの知見と、このような急激なオイル希釈では、エンジンが故障する数秒前に、ブローバイガス中の炭化水素の濃度やブローバイガスが吸気に合流した後の吸気系通路における炭化水素の濃度が急上昇する現象が発生するとの知見を得た。また、これらを考慮した結果、この炭化水素の濃度の急上昇を検知して、エンジンを即時に停止すれば、エンジンの故障を防止することができるとの知見を得た。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料噴射系の故障等により燃料がクランク室内に漏出した際に、燃料の潤滑油の希釈による潤滑油の量の急激な増加によって、ブローバイガス経由で吸気に潤滑油が混合して発生する燃焼室内の異常燃焼を回避できてエンジンの故障を防止できる内燃機関の故障防止システム、内燃機関及び内燃機関の故障防止方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の故障防止システムは、クランク室内のブローバイガスを吸気通路に還流するブローバイガス還流路を備えた内燃機関の故障防止システムにおいて、燃焼室内に流入する吸気中に含まれる炭化水素の濃度を検出する炭化水素濃度検出手段を設け、当該故障防止システムを制御する制御装置が、前記炭化水素濃度検出手段で検出した炭化水素の濃度が予め設定した判定用濃度閾値以上となったとき、若しくは、炭化水素の濃度の増加率が予め設定した判定用増加率閾値以上となったときに、前記内燃機関の運転を停止する制御を行うように構成される。

この構成によれば、炭化水素濃度検出手段で検出した炭化水素の濃度が、急上昇することを検知したときに、エンジンを即時に停止するので、燃料によって希釈された潤滑油が燃焼室に流入して異常燃焼を起こしてエンジンが故障する前にエンジンを停止することができるので、燃焼室における異常燃焼（オイル燃焼）を回避でき、エンジンの故障を防止することができる。

また、上記の内燃機関の故障防止システムにおいて、前記炭化水素濃度検出手段を、前記ブローバイガス還流路、シリンダヘッドカバーの内部、前記吸気通路、又は、排気通路の何れかの通路に設けた、ガスに含まれる炭化水素の濃度を検出する炭化水素ガス濃度センサで構成すると、急激な炭化水素濃度の上昇を即座に検知することができるので、燃料系の故障発生からエンジン停止までの時間を短縮できる。なお、炭化水素濃度検出手段は必ずしもガスに含まれる炭化水素の濃度を検出する炭化水素ガス濃度センサのみである必要はなく、酸素濃度などから炭化水素の濃度変化を推測することもできるので、λセンサ（空燃比センサ）等で代用することも可能である。

また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の内燃機関の故障防止システムを備えた内燃機関であり、上記の内燃機関の故障防止システムと同様の作用効果を奏することができる。

そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の故障防止方法は、クランク室内のブローバイガスを吸気通路に還流するブローバイガス還流路を備えた内燃機関の故障防止方法において、燃焼室内に流入する吸気中に含まれる炭化水素の濃度が予め設定した判定用濃度閾値以上となったとき、若しくは、炭化水素の濃度の増加率が予め設定した判定用増加率閾値以上となったときに、前記内燃機関の運転を停止することを特徴とする方法である。

また、上記の内燃機関の故障防止方法において、炭化水素の濃度を、前記ブローバイガス還流路、シリンダヘッドカバーの内部、前記吸気通路、又は、排気通路の何れかの通路に設けた、ガスに含まれる炭化水素の濃度を検出する炭化水素ガス濃度センサで検出する。

これらの構成によれば、上記の内燃機関の故障防止システムと同様の作用効果を奏することができる。

本発明の内燃機関の故障防止システム、内燃機関及び内燃機関の故障防止方法によれば、炭化水素濃度検出手段で検出した炭化水素の濃度が、急上昇することを検知したときに、エンジンを即時に停止するので、燃料によって希釈された潤滑油が燃焼室に流入して異常燃焼を起こしてエンジンが故障する前にエンジンを停止することができるので、燃焼室における異常燃焼（オイル燃焼）を回避でき、エンジンの故障を防止することができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関の故障防止システムを備えた内燃機関の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の故障防止システム、内燃機関及び内燃機関の故障防止方法について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態のエンジン（内燃機関）１は、本発明に係る実施の形態の内燃機関の故障防止システム２を備えて構成され、エンジン本体１０と吸気通路１２と排気通路１３を備えており、さらに、ターボ式過給システムのターボチャージャ（ターボ式過給器）１５と、排気通路１３を通過する排気ガスＧの一部をＥＧＲガスＧｅとして、ＥＧＲ通路１４を経由して吸気通路１２に還流させるＥＧＲシステムを備えている。

吸気通路１２は、吸気マニホールド１１ａに接続され、上流側より順に、空気流量（ＭＡＦ）センサ（図示しない）、ターボチャージャ１５のコンプレッサ１５ｂ、インタークーラー１６が設けられている。また、排気通路１３は、排気マニホールド１１ｂに接続し、上流側より順に、ターボチャージャ１５のタービン１５ａ、排気ガス浄化処理装置（図示しない）が設けられている。そして、ＥＧＲ通路１４は、タービン１５ａの上流側の排気通路１３とインタークーラー１６の下流側の吸気通路１２とを接続して設けられ、上流側より順に、ＥＧＲクーラー１７、ＥＧＲバルブ１８が設けられている。また、エンジン本体１０のクランク室１０ａ内のブローバイガスＧｂを吸気通路１２に還流するブローバイガス還流路２０が設けられている。

そして、大気から導入される新気Ａが、必要に応じて、ＥＧＲ通路１４から吸気通路１２に流入するＥＧＲガスＧｅを伴って、吸気マニホールド１１ａに送られて、気筒（シリンダ）内の燃焼室に燃料噴射装置（図示しない）より噴射された燃料と混合圧縮されて、燃料が燃焼することで、エンジン１に動力が発生する。そして、この燃焼により発生した排気ガスＧが、排気通路１３に流出し、その一部はＥＧＲ通路１４にＥＧＲガスＧｅとして流れ、残りの排気ガスＧａ（＝Ｇ−Ｇｅ）は、タービン１５ａを経由して、排気ガス浄化処理装置により浄化処理された後、マフラー（図示しない）を経由して大気へ放出される。

そして、本発明においては、エンジン本体１０の燃焼室内に流入する吸気（Ａ＋Ｇｂ＋Ｇｅ）中に含まれる炭化水素（ＨＣ）の濃度を検出する炭化水素濃度検出手段を設ける。この炭化水素濃度検出手段は、ガス中の炭化水素の濃度Ｄを検出する炭化水素ガス濃度センサ３０を用いることができるが、必ずしもガスに含まれる炭化水素の濃度Ｄを検出する炭化水素ガス濃度センサである必要はなく、ガス中の酸素濃度の変化などからも炭化水素の濃度変化を推測することができるので、λセンサ（空燃比センサ）等で代用することも可能である。

図１の構成では、ブローバイガス還流路２０に、この通路を通過するガスに含まれる炭化水素の濃度（ＨＣガス濃度）Ｄを検出する炭化水素ガス濃度センサ３０を設けている。このブローバイガス還流路２０は、新気Ａと混合する前のブローバイガスＧｂが流れる通路であるので、炭化水素の濃度Ｄも高く容易に検出し易い。

また、シリンダヘッドカバーの内部、即ち、クランク室１０ａの上部に設けると、通常時は、炭化水素が殆どない状態であるので、潤滑油中の炭化水素が多くなると、巻き上げられた炭化水素がクランク室１０ａの上部のガスに混合するので、炭化水素の濃度Ｄの増加を容易に検出できる。また、炭化水素ガス濃度センサ３０の設置場所も確保し易い。

また、吸気通路１２に炭化水素ガス濃度センサ３０を設けると、新気ＡとブローバイガスＧｂとＥＧＲガスＧｅが混合した後のガスの濃度を検出することになるが、炭化水素ガス濃度センサ３０をブローバイガス還流路２０に設ける場合よりも、炭化水素ガス濃度センサ３０がブローバイガスＧｂ中のオイルミストで汚れる可能性が低くなる。

また、排気通路１３に炭化水素ガス濃度センサ３０を設けると、燃焼室で燃焼しきれなかった炭化水素を検出することになるが、炭化水素ガス濃度センサ３０の代わりに、気筒内への燃料噴射の制御に用いるλセンサ（空気過剰率センサ）や酸素濃度も計測できるＮＯｘセンサ等を使用することができ、新たに、炭化水素ガス濃度センサ３０を設ける必要がない。

なお、潤滑油中の炭化水素の濃度を液体状態で測定したり、潤滑油の液量を測定したりして炭化水素の混合量を推定することは、エンジン１が運転を停止していれば、可能であるが、エンジン１の運転中は、オイルパン内の潤滑油は巻き上がられている最中であるので、これらの測定は事実上不可能である。従って、ガスに含まれる炭化水素の濃度Ｄを検出する炭化水素ガス濃度センサ３０で構成することが好ましく、この構成により、急激な炭化水素の濃度Ｄの上昇を即座に検知することができるので、燃料系の故障発生からエンジン停止までの時間を短縮でき、確実にエンジン１を保護できるようになる。

そして、さらに、この内燃機関の故障防止システム２を制御する制御装置４０が設けられるが、この制御装置４０は、通常は、エンジン１の運転状態全般を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に組み込まれるが、独立して設けてもよい。

そして、本発明においては、この故障防止システム２を制御する制御装置４０が、炭化水素ガス濃度センサ３０で検出した炭化水素の濃度Ｄが予め設定した判定用濃度閾値Ｄ１以上となったとき、若しくは、炭化水素の濃度Ｄの増加率ΔＤが予め設定した判定用増加率閾値ΔＤ１以上となったときに、エンジン１の運転を停止する制御を行うように構成される。

この判定用濃度閾値Ｄ１と判定用増加率閾値ΔＤ１は、これらの値を超えると、エンジン１が直後に故障に至る危険性が高い値であり、予め実験などにより設定される値である。

次に、本発明の実施の形態の内燃機関の故障防止方法について説明する。この方法は、クランク室１０ａ内のブローバイガスＧｂを吸気通路１２に還流するブローバイガス還流路２０を備えた内燃機関の故障防止方法であり、この方法において、燃焼室内に流入する吸気（Ａ＋Ｇｂ＋Ｇｅ）中に含まれる炭化水素の濃度Ｄが予め設定した判定用濃度閾値Ｄ１以上となったとき、若しくは、炭化水素の濃度Ｄの増加率ΔＤが予め設定した判定用増加率閾値ΔＤ１以上となったときに、エンジン１の運転を停止する方法である。

また、この内燃機関の故障防止方法において、炭化水素の濃度Ｄを、ブローバイガス還流路２０、シリンダヘッドカバーの内部、吸気通路１２、又は、排気通路１３の何れかの通路に設けた、ガスに含まれる炭化水素の濃度Ｄを検出する炭化水素ガス濃度センサ３０で検出する方法である。

よれば、炭化水素ガス濃度センサ３０で検出した炭化水素の濃度Ｄが、急上昇することを検知したときに、エンジン１を即時に停止するので、燃料によって希釈された潤滑油が燃焼室に流入して異常燃焼を起こしてエンジン１が故障する前にエンジン１を停止することができるので、燃焼室における異常燃焼（オイル燃焼）を回避でき、エンジン１の故障を防止することができる。

なお、エンジン１を停止したときは、燃料噴射系の故障を検知してエンジン１を停止したことを、運転席に設けたランプやディスプレイや音声メッセージ等により、このエンジン１を搭載した車両のドライバに通知することが好ましく、また、修理業者によるエンジン１のメンテナンスが完了するまで、エンジン１を再始動できないようにすることが好ましい。

１ エンジン（内燃機関）
２ 内燃機関の故障防止システム
１０ エンジン本体
１０ａ クランク室
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
２０ ブローバイガス還流路
３０ 炭化水素ガス濃度センサ（炭化水素濃度検出装置）
４０ 制御装置
Ａ 新気
Ａ＋Ｇｅ＋Ｇｂ 吸気
Ｇ 発生した排気ガス
Ｇａ ターボチャージャのタービンに流入する排気ガス（Ｇ−Ｇｅ）
Ｇｂ ブローバイガス
Ｇｅ ＥＧＲガス

Claims (5)

1. クランク室内のブローバイガスを吸気通路に還流するブローバイガス還流路を備えた内燃機関の故障防止システムにおいて、
   燃焼室内に流入する吸気中に含まれる炭化水素の濃度を検出する炭化水素濃度検出手段を設け、
   当該故障防止システムを制御する制御装置が、
   前記炭化水素濃度検出手段で検出した炭化水素の濃度が予め設定した判定用濃度閾値以上となったとき、若しくは、炭化水素の濃度の増加率が予め設定した判定用増加率閾値以上となったときに、前記内燃機関の運転を停止する制御を行うように構成されたことを特徴とする内燃機関の故障防止システム。
2. 前記炭化水素濃度検出手段を、前記ブローバイガス還流路、シリンダヘッドカバーの内部、前記吸気通路、又は、排気通路の何れかの通路に設けた、ガスに含まれる炭化水素の濃度を検出する炭化水素ガス濃度センサで構成した請求項１に記載の内燃機関の故障防止システム。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関の故障防止システムを備えた内燃機関。
4. クランク室内のブローバイガスを吸気通路に還流するブローバイガス還流路を備えた内燃機関の故障防止方法において、
   燃焼室内に流入する吸気中に含まれる炭化水素の濃度が予め設定した判定用濃度閾値以上となったとき、若しくは、炭化水素の濃度の増加率が予め設定した判定用増加率閾値以上となったときに、前記内燃機関の運転を停止することを特徴とする内燃機関の故障防止方法。
5. 炭化水素の濃度を、前記ブローバイガス還流路、シリンダヘッドカバーの内部、前記吸気通路、又は、排気通路の何れかの通路に設けた、ガスに含まれる炭化水素の濃度を検出する炭化水素ガス濃度センサで検出する請求項４に記載の内燃機関の故障防止方法。

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