JP2017115653A - 内燃機関のブローバイガス還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブローバイガスによるエンジンオイルの劣化を防止する。【解決手段】機関１は、電動バキュームポンプ２４の排気口に接続される排気口通路２７と、クランクケースに新気を供給する新気供給通路２１と、新気供給通路２１と排気口通路２７との連通と非連通とを切り替え可能な流路切り替え機構３０を備える。機関１はＰＣＶ装置によるブローバイガスの換気量が不足する領域において、流路切り替え機構３０を排気口通路２７と新気供給通路２１とを連通させ、電動バキュームポンプ２４を駆動してクランクケース１Ｄ内に新気を加圧して供給する。その結果、従って、クランクケース１Ｄ内のブローバイガスを圧送された新気で掃気することができる。その結果、クランクケース１Ｄ内のブローバイガス濃度は薄くされると共にオイルとの接触機会も減少され、オイルの劣化を大幅に抑制することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ブレーキブースタに負圧を供給するバキュームポンプを備える内燃機関のブローバイガス還流装置に関する。

ドライバによるブレーキペダルの操作をアシストするためのブレーキブースタが装備されている車両用のブレーキシステムが知られている。ブレーキブースタの負圧室には、バキュームポンプから負圧が供給され、ブレーキブースタはこの負圧を利用することでブレーキペダル操作力を倍力するようになっている。

また、内燃機関においては、圧縮行程中にピストンとシリンダの隙間から漏れた未燃焼のガス（ブローバイガス）を内燃機関の吸気系に還流して処理するブローバイガス還流装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。特許文献１に開示された装置（以下、「従来装置」と称呼する。）では、クランクケースとシリンダヘッドカバー内部とを連通する連通孔が設けられ、ブレーキブースタへ負圧を供給するバキュームポンプの吸込口と排気口をそれぞれクランクケースとシリンダヘッドカバー内部とに導管を介して開口させると共に、クランク室に通じる導管に制御弁を配置し、クランクケースとシリンダヘッドカバー内部との圧力差が所定圧以上になった時に限り、制御弁を開くようにしている。これにより、制御弁が開かれたブローバイガス還流時には、バキュームポンプでクランクケース内のブローバイガスが吸込まれてシリンダヘッドカバー内部に送られるようになっている。

特開昭６２−２７９２２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたブローバイガス還流装置においては、クランクケース内のブローバイガスは一旦吸込まれてシリンダヘッドカバー内部に送られるが、バキュームポンプによる吸込みに起因して、クランクケースが負圧になるために、シリンダヘッドカバー内部のブローバイガスがクランクケースとシリンダヘッドカバー内部とを連通する連通孔を介してクランクケースに戻り、循環してしまう。その結果、クランクケース内のブローバイガス濃度が薄くならず、高濃度のブローバイガスとエンジンオイルとの接触機会も増大する。その結果、ブローバイガス中に含まれるNOxがエンジンオイルの酸化による劣化をさらに助長してしまう。

本発明は、上述した課題に対処するためになされたものである。即ち、本発明の目的の一つは、バキュームポンプを利用する内燃機関のブローバイガス還流装置において、クランクケース内のブローバイガス濃度を薄くすると共にエンジンオイルとの接触機会を減少させオイルの劣化を抑制することができる内燃機関のブローバイガス還流装置（以下、「本発明装置」と称呼する。）を提供することにある。

本発明装置は、ブレーキブースタの負圧源をなすと共に、吸気通路へのブローバイガスの還流にも利用可能な電動バキュームポンプを備える内燃機関のブローバイガス還流装置であって、前記内燃機関に形成され、クランクケース内に新気を供給するための新気供給通路と、前記クランクケース内のブローバイガスの少なくとも一部をスロットルバルブの下流の吸気通路に還流するＰＣＶ装置と、前記バキュームポンプの排気口に接続される排気口通路と、前記排気口通路と前記新気供給通路との連通と非連通とを切り替え可能な流路切り替え機構と、前記ＰＣＶ装置によるブローバイガスの換気量が不足する領域において、前記流路切り替え機構を前記排気口通路と前記新気供給通路とを連通させ、前記電動バキュームポンプを駆動して前記クランクケース内に新気を加圧して供給する加圧新気供給手段と、を備えるように構成されている。

本発明装置によれば、ＰＣＶ装置によるブローバイガスの換気量が不足する領域において、電動バキュームポンプにより加圧された新気を新気供給通路に流路切り替え機構を介して圧送することができる。従って、クランクケース内のブローバイガスを圧送された新気で掃気することができる。その結果、クランクケース内のブローバイガス濃度は薄くされると共にオイルとの接触機会も減少され、オイルの劣化を大幅に抑制することができる。

本発明に係る内燃機関のブローバイガス還流装置の構成を示す概略図である。 車速vとブレーキ負圧ＰＢとの関係の一例を示すグラフ（マップ）である。 本発明に係る内燃機関のブローバイガス還流装置において、吸気通路の吸気圧Ｐｋに対するクランクケース内換気流量Ｇbの関係を示すグラフである。 本発明に係る内燃機関のブローバイガス還流装置において、流路切り替え機構が第１の位置となる場合の流路切り替え機構の断面図である。 本発明に係る内燃機関のブローバイガス還流装置において、流路切り替え機構が第２の位置となる場合の流路切り替え機構の断面図である。 本発明に係る内燃機関のブローバイガス還流装置の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 本発明に係る内燃機関のブローバイガス還流装置において、流路切り替え機構が第１の位置となる場合を示す概略図である。 本発明に係る内燃機関のブローバイガス還流装置において、流路切り替え機構が第２の位置となる場合を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態に係る内燃機関のブローバイガス還流装置（以下、「本装置」と称呼する。）について図面を参照しながら説明する。

図１は、本装置の構成を示す。本装置は、ブレーキブースタ２０を備えた車両に搭載された内燃機関（以下「機関」と称呼する。）１に適用される。機関１は、ヘッドカバー１Ａ、シリンダヘッド１Ｂ、シリンダブロック１Ｃ、クランクケース１Ｄ及びオイルパン１Ｅを含んで構成される。そして機関１の内部には図示しないピストン、コンロッド及びクランクシャフト等が備えられ、シリンダヘッド１Ｂ及びシリンダブロック１Ｃには、これらを貫通する連通孔１Ｆが形成されている。この連通孔１Ｆによって、ヘッドカバー１Ａ及びクランクケース１Ｄの内部が連通されている。連通孔１Ｆには、新気を連通孔１Ｆに供給する新気供給通路２１が連通されている。更に新気供給通路２１は、後述する流路切り替え機構３０に接続されている。なお、機関１は過給機２を備えた多気筒内燃機関である。機関１の気筒数、シリンダ配置形式（直列、Ｖ型、水平対向等）等は特に限定されない。

各気筒に配置された図示しない吸気ポートには、気筒毎の枝管３を介してサージタンク４に接続されている。サージタンク４の上流側には吸気管５が接続されている。吸気管５には、上流側から順に、エアクリーナ６、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ７、過給機２のコンプレッサ２Ａ、インタークーラ８、及び電子制御式スロットルバルブ９が設けられている。吸気ポート、枝管３、サージタンク４及び吸気管５により吸気通路Ｓが形成される。なお図示はしないが、吸気ポート内には燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）及び燃焼室には、点火プラグが気筒毎に設けられている。

一方、各気筒の図示しない排気通路には、過給機２のタービン２Ｂが設置されている。

クランクケース１Ｄにはオイルセパレータ１２が設けられている。オイルセパレータ１２は、クランクケース１Ｄ内に連通されると共に、クランクケース１Ｄ内のブローバイガスを導入して、ブローバイガスに含まれるオイルを分離する。

オイルセパレータ１２とサージタンク４又はその下流の枝管３とが第１ブローバイガス通路１３により互いに連通され、第１ブローバイガス通路１３には圧力差で作動されるＰＣＶバルブ１４が設けられる。第１ブローバイガス通路１３とＰＣＶバルブ１４は、ＰＣＶ装置を構成する。ＰＣＶバルブ１４の開弁時、クランクケース１Ｄ内のブローバイガスはオイルセパレータ１２、第１ブローバイガス通路１３という経路を順に通じてサージタンク４に還流される。また、オイルセパレータ１２は第２ブローバイガス通路１５を介して過給機２上流の吸気通路３に連通されている。従って、ＰＣＶバルブ１４が開弁されることにより、クランクケース１Ｄ内のブローバイガスが枝管３に還流される。

他方、車両には、ドライバによるブレーキペダルの操作をアシストするためのブレーキブースタ２０が設けられている。ブレーキブースタ２０は、ブレーキ作動時、その負圧室に供給されて保持された負圧を利用してブレーキペダル操作力を倍力する。また、車両には吸引された新気を加圧し、圧送する電動バキュームポンプ２４が設けられている。

ここで、このブレーキブースタ２０の負圧室に確保されるべきブレーキ負圧と車速との関係について説明する。図２は、横軸に車速v（km/h）、縦軸にブレーキ負圧ＰＢ（kＰA）を取ったグラフである。一般に、車速vが大きいほど大きな制動力を要するため、ブレーキ負圧ＰＢは車速vが所定の中速度vsより高速側となる領域では、大気圧に対して大きく負圧側に設定されたブレーキ負圧ＰＢｓとされている。一方、車速ゼロから所定の中速度vsまでの間では、大きな制動力を必要としないので、大気圧に近いブレーキ負圧ＰＢcから負圧側に設定されたブレーキ負圧ＰＢｓに直線的に変化するように設定されている。なお、このブレーキ負圧ＰＢの設定線ＰＢ（v）を越えて負圧が消費された場合、ブレーキ負圧ＰＢの所定値が確保されていないとして、電動バキュームポンプ２４が作動されることによりブレーキ負圧の生成が開始される。そして、ブレーキ負圧ＰＢの生成の結果、図２のブレーキ負圧の下限値ＰＢｍに到達したときに電動バキュームポンプ２４の作動は停止される。

ブレーキブースタ２０の負圧室に連通しているブースタ通路２２と電動バキュームポンプ２４の吸込口２４inに連通している吸込口通路２３は、後述する流路切り替え機構３０に接続されている。更にブースタ通路２２には、流路切り替え機構３０側に向かう順流方向の空気の流れのみを許容し、逆流方向の空気の流れを禁止する第１逆止弁ＣＶ１が設けられている。第１逆止弁ＣＶ１により負圧室からの負圧抜けが防止される。更に、過給機２上流の吸気通路３から分岐する第１の配管通路２６と電動バキュームポンプ２４の排気口２４outに連通している排気口通路２７が、流路切り替え機構３０に接続されている。また、第２の配管通路２５が排気口通路２７から分岐し、第２ブローバイガス通路１５に接続されている。更に第２の配管通路２５には、第２ブローバイガス通路１５方向の順流方向のみの空気の流れのみを許容し、逆流方向の空気の流れを禁止する第２逆止弁ＣＶ２が設けられている。

第３の配管通路２８がブースタ通路２２の第１逆止弁ＣＶ１と流路切り替え機構３０の間から分岐し、吸気管５に連通するように設けられている。更に第３の配管通路２８には吸気管５に向かう順流方向の空気の流れのみを許容し、逆流方向の空気の流れを禁止する第３逆止弁ＣＶ３が設けられている。また、第４の配管通路２９が第３の配管通路２８の第３逆止弁ＣＶ３と吸気管５の間から分岐し、流路切り替え機構３０に接続されている。

さらに、機関１には、制御部もしくは制御ユニットをなすＥＣＵ１００が備えられる。ＥＣＵ１００は、電動バキュームポンプ２４に加え、前述のスロットルバルブ、インジェクタ、点火プラグ、流路切り替え機構３０を制御するように構成されている。またＥＣＵ１００はこれらの他、機関１及び車両の図示しない各種デバイスも制御するように構成されている。

センサ類に関して、エアフローメータ７に加え、コンプレッサ２Ａ、特に、スロットルバルブ９より下流の吸気通路Ｓ内の圧力（以下、単に「吸気圧」と称呼する。）を検出するための吸気圧センサ４０、機関１のクランク角を検出するためのクランク角センサ４２、ブレーキブースタ２０の負圧室の圧力を検出するための圧力センサ４４及び車速センサ４６などがＥＣＵ１００に接続されている。

ＥＣＵ１００は、クランク角センサ４２からのクランクパルス信号に基づき、クランク角自体を検出すると共にエンジンの回転速度（rpm）を検出する。ＥＣＵ１００は、エアフローメータ７からの信号に基づき、単位時間当たりの吸入空気の量である吸入空気量を検出する。そしてＥＣＵ１００は、検出した吸入空気量に基づいて、機関１の負荷を検出する。

次に流路切り替え機構３０について説明する。流路切り替え機構３０は、流路切り替え機構３０に接続している各通路間の連通または非連通を切り替える機構である。具体的には、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照しながら説明する。流路切り替え機構３０は、円筒３１の内部に円筒３１の内径よりも小さい外周の円柱３２が内挿されている。ＥＣＵ１００により制御される図示しないアクチュエータによって、円柱３２は、円筒３１に対して周方向に回動する。円柱３２には、円柱３２の内部から外周に向かってＶ字状の第１通路３２Ａ、第２通路３２Ｂ、第３通路３２Ｃが周方向に形成されている。円筒３１には、周方向に第１孔３１Ａ、第２孔３１Ｂ、第３孔３１Ｃ、第４孔３１Ｄ、第５孔３１Ｅ、第６孔３１Ｆがそれぞれ形成されている。円柱３２に形成されたそれぞれの開口穴の断面は、円柱３２が回動することにより、円柱３２に形成された通路の開口面と対面するように形成されている。また、第１孔３１Ａには新気供給通路２１、第２孔３１Ｂには第１の配管通路２６、第３孔３１Ｃには吸込口通路２３、第４孔３１Ｄにはブースタ通路２２、第５孔３１Ｅには第４の配管通路２９、第６孔３１Ｆには排気口通路２７がそれぞれ接続している。

図３（Ａ）に示すように円筒３１の位置が第１の位置のときには、新気供給通路２１と排気口通路２７が第１通路３２Ａを介して連通し、吸込口通路２３と第１の配管通路２６が第２通路３２Ｂを介して連通し、ブースタ通路２２と第４の配管通路２９が第３通路を介して連通する。図３（Ｂ）に示すように円筒３１がアクチュエータにより所定量回動し、第２の位置となるときには、新気供給通路２１と第１の配管通路２６が第１通路３２Ａを介して連通し、ブースタ通路２２と吸込口通路２３が第２通路３２Ｂを介して連通し、２７と２９が第３通路３２Ｃを介して連通する。このように流路切り替え機構３０によれば、円柱３２を円筒３２に対して回動させることにより、流路切り替え機構３０に接続している各通路間の連通または非連通を切り替えることができる。

次に本装置の実施形態の作用を説明する。本装置では、過給が行われない非過給の低負荷運転領域においては、ＰＣＶ装置を用いてクランクケース１Ｄ内のブローバイガスをサージタンク４に還流する。すなわち、サージタンク４側の圧力が上流クランクケース１Ｄ側の圧力より低いので、ＰＣＶバルブ１４が開き、ブローバイガスの還流を実行することができる。

本装置においては、吸気通路Ｓの吸気圧Ｐｋ（ｋＰa）に対するクランクケース内換気流量Ｇb（Ｌ／ｍｉｎ）の関係は図４に示すようになる。なお、吸気圧Ｐｋは吸気圧センサ４０により検出されるサージタンク４内の圧力であり、大気圧を基準（ゼロ）にして表すゲージ圧で表示される。図４に示されるように、過給が行われない非過給運転領域において、吸気圧Ｐｋが圧力Ｐ１より低い運転領域では、圧力がＰ０とＰ１との間にある運転領域において最大流量Ｇbmaxを示す大きさのクランクケース内換気流量ＧbがＰＣＶ装置によって得られる。

しかし、同じく非過給運転領域である吸気圧Ｐｋが圧力Ｐ１と大気圧（吸気圧Ｐｋ＝０）との間の運転領域範囲では、吸気圧Ｐｋが圧力Ｐ１を超えて大気圧に近づくにつれ、ＰＣＶ装置によるブローバイガス還流量ないしはクランクケース内換気流量Ｇbが低下し始め、クランクケース内換気を満足に行うことが困難となる。すなわち、Ｐ１≦Ｐｋ≦０の吸気圧範囲では、吸気圧Ｐｋが高まるにつれＰＣＶ装置によるクランクケース内換気流量Ｇbが太実線aで示す最大流量Ｇbｍaxから徐々に低下し、最終的にゼロになる（太実線b参照）。その後は、過給圧の上昇に伴い、このＰＣＶ装置によるクランクケース内換気流量Ｇbがゼロのまま大気圧よりも高い正圧である過給圧Ｐ２まで維持される。図４には、このＰＣＶ装置によるクランクケース内換気流量Ｇbが十分でない運転領域とゼロの運転領域とを含むＰ１≦Ｐｋ≦Ｐ２の吸気圧範囲がＰＣＶ換気流量不足領域Ｒ２として示されている。この換気流量の不足が始まる吸気圧Ｐ１を以下、不足開始吸気圧Ｐ１と称す。

そこで、本装置においては、吸気圧Ｐｋが不足開始吸気圧Ｐ１になったとき、図６（Ａ）に示すように流路切り替え機構３０を第１の位置に切り替え、電動バキュームポンプの２４の排気を用いて、クランクケース内に新気供給通路２１を介して新気を加圧して供給しクランクケース内を換気する（図中破線ｃ参照）。これにより、ＰＣＶ装置によっては不足するクランクケース内換気流量Ｇbを補うことができる（図中太実線ｄ（＝b+ｃ）、太実線e参照）。

本装置のＣＰＵは、図５のフローチャートに示した制御ルーチンを機関の始動後から所定の演算周期毎に繰り返し実行するようになっている。従ってＣＰＵは、ステップ４００の処理を開始して、圧力センサ４４により検出されたブレーキブースタ２０のブレーキ負圧ＰＢが所定値以上であるか否かを判定する。具体的には、ＣＰＵはブレーキ負圧ＰＢが車速に対応して設定されている設定線ＰＢ（v）を越えて消費されているか否かが判定される。ブレーキ負圧ＰＢが所定値以上である場合、ＣＰＵは「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ４０２に進む。

ＣＰＵは、ステップ４０２にてＰＣＶ装置によるクランクケース内換気流量Ｇbが不足する運転領域にあるか否かを判定する。具体的には、ＣＰＵは、(ア)吸気圧Ｐｋが吸気圧Ｐ１未満であるか否か、（イ）吸気圧Ｐｋが吸気圧Ｐ１以上かつ吸気圧Ｐ２以下であるか否かが判定される。ＣＰＵは、吸気圧Ｐｋが吸気圧Ｐ１未満である場合、ＣＰＵは、ステップ４０３に進み、ＰＣＶ装置のみによるクランクケース内換気を行うべく、図６（Ｂ）に示すように流路切り替え機構３０を第２の位置にすると共に電動バキュームポンプ２４の作動が停止される。

一方、吸気圧Ｐｋが吸気圧Ｐ１以上かつ吸気圧Ｐ２以下である場合、ＣＰＵは、ステップＳ４０４に進み、図６（Ａ）に示すように流路切り替え機構３０を第1の位置にするとともに電動バキュームポンプ２４の作動を開始する。この結果、非過給域又は過給域のいずれかに関わらず、電動バキュームポンプ２４は第１の配管通路２６及び吸込口通路２３を介して新気を吸引する。そして、吸引された新気は電動バキュームポンプ２４により加圧されて、排気口２４outに連通された排気口通路２７及び流路切り替え機構３０を介して新気供給通路２１に圧送される。

クランクケース１Ｄ内のブローバイガスは、当該クランクケース１Ｄに新気供給通路２１を介して圧送された新気によって掃気される。ここで、クランクケース１Ｄ内のブローバイガスは、運転領域が過給域である場合には、正圧であるサージタンク４ではなく、大気圧と同等の圧力である過給機２上流の吸気通路Ｓに、オイルセパレータ１２、第２ブローバイガス通路１５を介して還流される。一方、運転領域が非過給域である場合には、第２ブローバイガス通路１５を介しての還流に加えて、第１ブローバイガス通路１３とＰＣＶバルブ１４を介して負圧であるサージタンク４の枝管３にも還流される。このように、本実施の形態では、クランクケース１Ｄ内のブローバイガスが、負圧である吸気通路Ｓからの吸引作用及び加圧新気による掃気作用により、確実に換気される。したがって、クランクケース１Ｄ内のブローバイガス濃度は薄くされると共にオイルとの接触機会も減少され、オイルの劣化を大幅に抑制することができる。

一方、ステップＳ４０１において、圧力センサ４４により検出されたブレーキブースタ２０のブレーキ負圧ＰＢが所定値未満である場合、ＣＰＵは「Ｎｏ」と判定し、ステップ４０５に進む。ＣＰＵは、ステップ４０５にて、図６（Ｂ）に示すように流路切り替え機構３０を第２の位置にするとともに電動バキュームポンプ２４の作動を開始する。これにより、ブレーキブースタ２０内の負圧室から第１逆止弁ＣＶ１を介して空気が吸引され、ブレーキブースタ２０の負圧室の負圧が増大される。ＣＰＵは、ステップ４０５の処理を実行後、本ルーチンを終了する。

なお、クランクケース１Ｄ内のブローバイガスは、吸気通路Ｓが負圧である運転領域が非過給域である場合には、上述の第２ブローバイガス通路１５を介しての還流に加えて、第１ブローバイガス通路１３とそのＰＣＶバルブ１４を介して負圧であるサージタンク４の吸気通路Ｓにも還流される。このように、本実施の形態では、非過給域領域において電動バキュームポンプ２４によるブレーキ負圧生成作動中であっても、クランクケース１Ｄ内のブローバイガスが、負圧である吸気通路Ｓからの吸引作用及び加圧新気による掃気作用により、確実に換気される。

Claims (1)

1. ブレーキブースタの負圧源をなすと共に、吸気通路へのブローバイガスの還流にも利用可能な電動バキュームポンプを備える内燃機関のブローバイガス還流装置であって、
   前記内燃機関に形成され、クランクケース内に新気を供給するための新気供給通路と、
   前記クランクケース内のブローバイガスの少なくとも一部をスロットルバルブの下流の吸気通路に還流するＰＣＶ装置と、
   前記バキュームポンプの排気口に接続される排気口通路と、
   前記排気口通路と前記新気供給通路との連通と非連通とを切り替え可能な流路切り替え機構と、
   前記ＰＣＶ装置によるブローバイガスの換気量が不足する領域において、前記流路切り替え機構を前記排気通路と前記新気供給通路とを連通させ、前記電動バキュームポンプを駆動して前記クランクケース内に新気を加圧して供給する加圧新気供給手段と、を備えることを特徴とする内燃機関のブローバイガス還流装置。