JP2018131951A - 内燃機関の静電式オイルミストセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】電極の正極と負極との間に凝縮水が存在しているか否かを把握すること。【解決手段】オイルミストセパレータ１０は、互いに対向する正極及び負極を有する電極４０と、電気絶縁材料により形成され、電極４０の正極と負極との間に介設されたフィルタと、電極４０及びフィルタを収容するケースと、電極４０の正極と負極との間に電圧を印加する電圧発生装置６０とを備えている。制御部７１は、電圧発生装置６０による電圧の印加が行われておらず、第１スイッチ８１が閉成されているときに、パルス電圧出力回路８４からパルス電圧を出力するとともに抵抗器８３と電極４０との間における電圧である判定電圧Ｖｊを検出する。そして、判定電圧Ｖｊの波高値ＶｊＨと波低値ＶｊＬとの差分ΔＶｊに基づいて電極４０の正極と負極との間における凝縮水の存在の有無を判定する。【選択図】図３

Description

本発明は、ブローバイガスに含まれるオイルミストを静電吸着力により分離する内燃機関の静電式オイルミストセパレータに関する。

内燃機関には、クランク室内のブローバイガスを吸気通路に還流する還流通路が設けられている。こうした還流通路の途中には、ブローバイガスに含まれるオイルミストを分離するオイルミストセパレータが設けられている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載のオイルミストセパレータは、互いに対向する正極及び負極を有する板状の電極と、電気絶縁材料により形成され、電極の正極と負極との間に介設されたフィルタと、電極及びフィルタを収容するケースと、電極の正極と負極との間に電圧を印加する電圧発生装置とを備えている。

こうしたオイルミストセパレータでは、電圧発生装置により電極の正極と負極との間に数ｋＶの電圧が印加されることによりフィルタが帯電するとともに同フィルタを通過するブローバイガスに含まれるオイルミストが帯電する。そして、帯電したオイルミストが静電気力によってフィルタに吸着されることでブローバイガスから分離される。

特開２０１６−１０９０３９号公報

ところで、例えば内燃機関の冷間始動時のように電極の温度が低いときには、高温のブローバイガスに含まれる水蒸気が電極の表面で凝縮することにより結露が生じる。そのため、凝縮水がフィルタの内部で拡がることによって各電極の間が凝縮水を介して導通され、消費電力の増大を招くおそれがある。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、各電極の間に凝縮水が存在しているか否かを把握することができず、上述した問題を回避することが難しい。

本発明の目的は、電極の正極と負極との間に凝縮水が存在しているか否かを把握することのできる内燃機関の静電式オイルミストセパレータを提供することにある。

上記目的を達成するための内燃機関の静電式オイルミストセパレータは、互いに対向する正極及び負極を有する電極と、電気絶縁材料により形成され、前記電極の正極と負極との間に介設されたフィルタと、前記電極及び前記フィルタを収容するケースと、前記電極の正極と負極との間に電圧を印加する電圧発生装置と、を備え、前記電圧発生装置により前記電極の正極と負極との間に電圧が印加されている状態において前記フィルタに内燃機関のブローバイガスを通過させることにより、ブローバイガスに含まれるオイルミストを静電吸着力により分離する装置であって、前記電極及び前記フィルタによって構成されるコンデンサの静電容量を推定するとともに、推定された静電容量が、前記電極の正極と負極との間に凝縮水が存在しているときに取りうる範囲内の最小値以上である場合に、前記電極の正極と負極との間に凝縮水が存在している旨判定する制御部を備える。

上記オイルミストセパレータにおいては、電極の正極及び負極と、これらの間に介設されたフィルタとによってコンデンサが構成される。このコンデンサの静電容量は、電極やフィルタに凝縮水が付着することによって増大する。

上記構成によれば、制御部により推定されたコンデンサの静電容量が、上記最小値以上である場合に、電極の正極と負極との間に凝縮水が存在している旨判定される。すなわち、凝縮水が存在しているか否かが静電容量の変化に基づいて判定される。

本発明によれば、電極の正極と負極との間に凝縮水が存在しているか否かを容易に把握することができる。

内燃機関の静電式オイルミストセパレータの一実施形態について、セパレータ本体を示す斜視図。 同実施形態の電極の正極及び負極と電圧発生装置との電気的な接続態様を示す模式図。 同実施形態のオイルミストセパレータの電気的構成を示す回路図。 同実施形態の結露判定処理の実行手順を示すフローチャート。 同実施形態における判定電圧の推移の一例を示すグラフであって、（ａ）は、結露のないときの判定電圧の推移を示すグラフ、（ｂ）は、結露のあるときの判定電圧の推移を示すグラフ。

以下、図１〜図５を参照して、一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、静電式オイルミストセパレータ（以下、オイルミストセパレータ１０）は、車載内燃機関のクランク室内のブローバイガスを吸気通路に還流する還流通路に設けられるものであり、セパレータ本体１１を備えている。

図１に示すように、セパレータ本体１１は、電気絶縁性の硬質樹脂材料によって形成されたケース１２を有している。
ケース１２は、上部開口を有するケース本体２０と、ケース本体２０の上部開口を閉塞するリッド３０とを有している。ケース本体２０は、上部開口を取り囲む側壁２１と、長方形板状の底壁２２とを有している。なお、以降において、底壁２２の長手方向をそれぞれ単に長手方向として説明する。

長手方向における一端側の側壁２１には、ケース１２の内外を連通する円筒状のガス流入口２３が外側に向けて突設されている。また、長手方向における他端側の側壁２１には、ケース１２の内外を連通する円筒状のガス流出口２４が外側に向けて突設されている。底壁２２におけるガス流出口２４に近接した位置には、ケース１２の内外を連通するオイル排出口２５が下側に向けて突設されている。

図１及び図２に示すように、ケース１２の内部には、ステンレス鋼板によって形成された複数枚（本実施形態では４枚）の電極４０が互いに間隔をおいて長手方向に沿って配置されている。また、各電極４０は、ガス流入口２３が形成された側壁２１及びガス流出口２４が形成された側壁２１とそれぞれ間隔をおいて配置されている。なお、電極４０は２枚以上であればよく、電極４０の枚数を任意に変更することができる。

各電極４０の間には、電気絶縁材料であるポリエステルの繊維によって形成されたフィルタ５０が介設されている。フィルタ５０は、同フィルタ５０を挟む一対の電極４０にそれぞれ当接している。なお、ポリエステルなどの電気絶縁材料は誘電分極が生じる誘電材料でもある。

図２に示すように、各電極４０には、導線を介して電圧発生装置６０が電気的に接続されている。同図の左から奇数番目の電極４０には、電圧発生装置６０の陽極（＋）が接続されている。また、同図の左から偶数番目の電極４０には、電圧発生装置６０の陰極（−）が接続されている。すなわち、電極４０は、互いに対向する正極４１及び負極４２を有している。電圧発生装置６０により、電極４０の正極４１と負極４２との間に数ｋＶの電圧を印加することが可能とされている。

次に、図３を参照して、オイルミストセパレータ１０の電気的構成について説明する。
図３に示すように、車載の直流電源（以下、電源６１）には、昇圧用のトランス６２を構成する一次コイル６３、及びスイッチング素子としてこの例では電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴ６４）が直列にて順に接続されている。ＦＥＴ６４のゲート端子には、ＦＥＴ６４をスイッチング駆動する駆動回路６５が接続されている。

トランス６２を構成する二次コイル６６には、ダイオード６７、第２スイッチ８２、及びオイルミストセパレータ１０の各電極４０が順に直列にて接続されている。また、各電極４０には、平滑用のコンデンサ６８が並列にて接続されている。すなわち、第２スイッチ８２は、電圧発生装置６０と電極４０との間に設けられている。

駆動回路６５には、例えばマイクロコンピュータを有して構成される内燃機関の電子制御装置７０が接続されている。電子制御装置７０には、例えば内燃機関のイグニッションスイッチなどの各種センサが接続されている。

ところで、前述したように、内燃機関の冷間始動時のように電極４０の温度が低いときには、高温のブローバイガスに含まれる水蒸気が電極４０の表面で凝縮することにより結露が生じる。そのため、凝縮水がフィルタ５０の内部で拡がることによって各電極４０の間が凝縮水を介して導通され、消費電力の増大を招くおそれがある。

そこで、電極４０の正極４１及び負極４２と、これらの間に介設されたフィルタ５０とによってコンデンサ４５が構成されること、及びコンデンサ４５の静電容量が電極４０やフィルタ５０に凝縮水が付着することによって増大することに着目し、凝縮水が存在しているか否かをコンデンサ４５の静電容量の変化に基づいて把握するようにしている。

すなわち、本実施形態のオイルミストセパレータ１０においては、電極４０の正極４１と負極４２との間に凝縮水が存在しているか否か、すなわち結露が生じているか否かを判定する判定回路８０が、第２スイッチ８２と電極４０との間の点Ｐ１から分岐して接続されている。上記点Ｐ１には、第１スイッチ８１、抵抗器８３、及び電圧発生装置６０により電極４０に対して印加される印加電圧（数ｋＶ）よりも低いパルス電圧（例えば数Ｖ）を印加するパルス電圧出力回路８４が順に直列にて接続されている。

電子制御装置７０には、電極４０の正極４１と負極４２との間における凝縮水の存在の有無の判定処理（以下、結露判定処理）を行う制御部７１が設けられている。
制御部７１は、電圧発生装置６０による電圧の印加が行われておらず、第１スイッチ８１が閉成されているときに、パルス電圧出力回路８４からパルス電圧を出力するとともに抵抗器８３と電極４０との間における電圧、より詳しくは、抵抗器８３と第１スイッチ８１との間の点Ｐ２における電圧である判定電圧Ｖｊを検出する。また、制御部７１は、判定電圧Ｖｊの波高値ＶｊＨと波低値ＶｊＬとの差分ΔＶｊに基づいて結露の有無の判定を行う。

結露のあるときには結露のないときに比べて、コンデンサ４５の静電容量が大きくなる。このため、電圧発生装置６０による電圧の印加が行われておらず、第１スイッチ８１が閉成されているときに、パルス電圧出力回路８４から上記印加電圧よりも低いパルス電圧を出力すると、コンデンサ４５にチャージされる電荷が多くなる。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、結露のあるときには結露のないときに比べて、判定電圧Ｖｊの波高値ＶｊＨが低くなるとともに波低値ＶｊＬが高くなり、判定電圧Ｖｊの変動幅、すなわち波高値ＶｊＨと波低値ＶｊＬとの差分ΔＶｊが小さくなる。したがって、この差分ΔＶｊと所定値Ｃとの比較結果に基づいて結露の有無の判定を行うことができる。上記所定値Ｃは、電極４０の正極４１と負極４２との間に凝縮水が存在しているとき（結露があるとき）に取りうる差分ΔＶｊの最大値とされており、実験などを通じて予め設定されている。

次に、図４を参照して、本実施形態の結露判定処理の実行手順について説明する。なお、同図に示される一連の処理は、電子制御装置７０の制御部７１により、電子制御装置７０への通電中に所定期間毎に繰り返し実行される。

図４に示すように、この一連の処理では、まず、結露判定処理の実行条件が成立しているか否かを判断する（ステップＳ１）。本実施形態では、イグニッションスイッチが「オン」されている場合、すなわち機関運転中である場合に、上記実行条件が成立している旨判断する。

ステップＳ１において、実行条件が成立している旨判断された場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、次に、第１スイッチ８１を閉成するとともに第２スイッチ８２を開成する（ステップＳ２）。

続いて、パルス電圧出力回路８４からパルス電圧を出力し、パルス電圧を電極４０に対して印加する（ステップＳ３）。
続いて、上記判定電圧Ｖｊ（波高値ＶｊＨ、波低値ＶｊＬ）を読み込む（ステップＳ４）。

続いて、判定電圧Ｖｊの波高値ＶｊＨと波低値ＶｊＬとの差分ΔＶｊを導出するとともに同差分ΔＶｊが所定値Ｃ以下であるか否かを判断する（ステップＳ５）。
その結果、上記差分ΔＶｊが所定値Ｃ以下であると判断した場合（ステップＳ５：「ＹＥＳ」）には、コンデンサ４５の静電容量が電極４０の正極４１と負極４２との間に凝縮水が存在しているときに取りうる範囲内の最小値以上であるとして、結露ありと判定する（ステップＳ６）。そして、この一連の処理を一旦終了する。

一方、上記差分ΔＶｊが所定値Ｃ以上であると判断されない場合（ステップＳ５：「ＮＯ」）には、コンデンサ４５の静電容量が電極４０の正極４１と負極４２との間に凝縮水が存在しているときに取りうる範囲内の最小値よりも小さいとして、結露なしと判定する（ステップＳ７）。そして、この一連の処理を一旦終了する。

一方、ステップＳ１において実行条件が成立している旨判断されない場合（ステップＳ１：ＮＯ）には、この一連の処理を一旦終了する。
上記結露判定処理において結露なしと判定された場合には、電圧発生装置６０は、第１スイッチ８１を開成するとともに第２スイッチ８２を閉成する。そして、電圧発生装置６０により電極４０に対して電圧を印加する。

一方、結露ありと判定された場合には、電圧発生装置６０は、電極４０に対する電圧の印加を禁止する。
次に、本実施形態のオイルミストセパレータ１０の基本的な作用について説明する。

オイルミストセパレータ１０においては、内燃機関の運転中、各電極４０の間に例えば数ｋＶの電圧が印加されている状態で、ガス流入口２３を通じてケース１２内にブローバイガスが流入する。

このとき、電圧の印加に伴ってフィルタ５０が帯電するとともに、ガス流出口２４に向けてフィルタ５０を通過するブローバイガスに含まれるオイルミストが帯電する。そして、帯電したオイルミストが静電気力によってフィルタ５０に吸着される。

またこのとき、ブローバイガスに含まれるオイルミストのうち帯電していないものは、フィルタ５０の繊維同士の隙間を通過する際に誘電分極によりその表面に正または負の電荷が生じる。このため、静電気力によってオイルミストがフィルタ５０の繊維表面の負または正の電荷に引き寄せられることとなり、フィルタ５０に吸着されやすくなる。

こうして吸着されたオイル成分は、自重により落下するとともに底壁２２を伝ってオイル排出口２５を通じて外部に排出される。
このように、本実施形態のオイルミストセパレータ１０によれば、目の粗いフィルタ５０であってもオイルミストを効果的に捕捉することができ、フィルタ５０の通気抵抗を低減することができる。

以上説明した本実施形態に係る内燃機関の静電式オイルミストセパレータによれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）オイルミストセパレータ１０は制御部７１を有する電子制御装置７０を備えている。制御部７１は、電極４０及びフィルタ５０によって構成されるコンデンサ４５の静電容量を推定するとともに、推定された静電容量が、電極４０の正極４１と負極４２との間に凝縮水が存在しているときに取りうる範囲内の最小値以上である場合に、電極４０の正極４１と負極４２との間に凝縮水が存在している旨判定する。

こうした構成によれば、凝縮水が存在しているか否かを静電容量の変化に基づいて判定することができる。したがって、電極４０の正極４１と負極４２との間に凝縮水が存在しているか否かを容易に把握することができる。

（２）電極４０には、電圧発生装置６０により電極４０に対して印加される印加電圧よりも低いパルス電圧を印加するパルス電圧出力回路８４が第１スイッチ８１及び抵抗器８３を介して接続されている。制御部７１は、電圧発生装置６０による電圧の印加が行われておらず、第１スイッチ８１が閉成されているときに、パルス電圧出力回路８４からパルス電圧を出力するとともに抵抗器８３と電極４０との間における電圧である判定電圧Ｖｊを検出する。そして、判定電圧Ｖｊの波高値ＶｊＨと波低値ＶｊＬとの差分ΔＶｊに基づいて電極４０の正極４１と負極４２との間における凝縮水の存在の有無を判定する。

こうした構成によれば、電圧発生装置６０による印加電圧よりも低いパルス電圧により判定を行うことができる。したがって、判定に要する電力の低減を図ることができる。
（３）制御部７１は、電圧発生装置６０により電極４０に電圧を印加するに先立ち、電極４０の正極４１と負極４２との間における凝縮水の存在の有無の判定を行うものであり、制御部７１により凝縮水が存在している旨の判定がされた場合には、電圧発生装置６０による電極４０への電圧の印加を禁止する。

こうした構成によれば、制御部７１により凝縮水が存在している旨の判定がされた場合には、電圧発生装置６０により電極４０への電圧の印加が禁止される。これにより、凝縮水を介した正極４１と負極４２との間の導通を阻止することが可能となる。

（４）電圧発生装置６０と電極４０との間には第２スイッチ８２が設けられている。制御部７１は、電極４０の正極４１と負極４２との間における凝縮水の存在の有無の判定を行うに際して第１スイッチ８１を閉成するとともに第２スイッチ８２を開成する。

こうした構成によれば、上記凝縮水の存在の有無の判定を行うに際しては、第１スイッチ８１が閉成されるとともに第２スイッチ８２が開成される。これにより、パルス電圧出力回路８４から出力されるパルス電圧によって電圧発生装置６０側に電流が流れることを回避でき、コンデンサ４５に電荷を確実にチャージすることができる。したがって、抵抗器８３と電極４０との間における電圧である判定電圧Ｖｊが上記コンデンサの静電容量をより正確に反映することとなり、同判定電圧Ｖｊに基づいて上記凝縮水の存在の有無の判定を適切に行うことができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・平滑用のコンデンサ６８の静電容量が電極４０及びフィルタ５０の静電容量と同程度である場合には、第２スイッチ８２を省略することもできる。

・結露判定処理において結露ありと判定された場合に、電圧発生装置６０により電極４０に対して印加される電圧を、結露なしと判定された場合に比べて低くするようにしてもよい。

１０…オイルミストセパレータ、１１…セパレータ本体、１２…ケース、２０…ケース本体、２１…側壁、２２…底壁、２３…ガス流入口、２４…ガス流出口、２５…オイル排出口、３０…リッド、４０…電極、４１…正極、４２…負極、４５…コンデンサ、５０…フィルタ、６０…電圧発生装置、６１…電源、６２…トランス、６３…一次コイル、６４…ＦＥＴ、６５…駆動回路、６６…二次コイル、６７…ダイオード、６８…コンデンサ、７０…電子制御装置、７１…制御部、８０…判定回路、８１…第１スイッチ、８２…第２スイッチ、８３…抵抗器、８４…パルス電圧出力回路。

Claims (4)

1. 互いに対向する正極及び負極を有する電極と、
   電気絶縁材料により形成され、前記電極の正極と負極との間に介設されたフィルタと、
   前記電極及び前記フィルタを収容するケースと、
   前記電極の正極と負極との間に電圧を印加する電圧発生装置と、を備え、
   前記電圧発生装置により前記電極の正極と負極との間に電圧が印加されている状態において前記フィルタに内燃機関のブローバイガスを通過させることにより、ブローバイガスに含まれるオイルミストを静電吸着力により分離する内燃機関のオイルミストセパレータであって、
   前記電極及び前記フィルタによって構成されるコンデンサの静電容量を推定するとともに、推定された静電容量が、前記電極の正極と負極との間に凝縮水が存在しているときに取りうる範囲内の最小値以上である場合に、前記電極の正極と負極との間に凝縮水が存在している旨判定する制御部を備える、
   内燃機関の静電式オイルミストセパレータ。
2. 前記制御部は、前記電圧発生装置により前記電極に電圧を印加するに先立ち、前記電極の正極と負極との間における凝縮水の存在の有無の判定を行うものであり、
   前記制御部により前記凝縮水が存在している旨の判定がされた場合には、前記電圧発生装置による前記電極への電圧の印加を制限する、
   請求項１に記載の内燃機関の静電式オイルミストセパレータ。
3. 前記電極には、前記電圧発生装置により前記電極に対して印加される印加電圧よりも低いパルス電圧を印加するパルス電圧出力回路がスイッチ及び抵抗器を介して接続されており、
   前記制御部は、前記電圧発生装置による電圧の印加が行われておらず、前記スイッチが閉成されているときに、前記パルス電圧出力回路からパルス電圧を出力するとともに前記抵抗器と前記電極との間における電圧である判定電圧を検出し、前記判定電圧の波高値及び波低値の少なくとも一方に基づいて前記電極の正極と負極との間における凝縮水の存在の有無を判定する、
   請求項１または請求項２に記載の内燃機関の静電式オイルミストセパレータ。
4. 前記スイッチを第１スイッチとするとき、
   前記電圧発生装置と前記電極との間には第２スイッチが設けられており、
   前記制御部は、前記電極の正極と負極との間における凝縮水の存在の有無の判定を行うに際して前記第１スイッチを閉成するとともに前記第２スイッチを開成する、
   請求項３に記載の内燃機関の静電式オイルミストセパレータ。

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