JP2018131952A - 内燃機関の静電式オイルミストセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】ケース内に結露が生じているか否かを把握することが可能となる。【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４１及び負極４２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４１と負極４２との間に介設されたフィルタ５０と、電極４０及びフィルタ５０を収容するケース１２と、電極４０の正極４１と負極４２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。電圧発生装置６０により電極４０に電圧が印加されている状態においてフィルタ５０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。オイルミストセパレータ１０は、電極４０の温度を検出する電極温度検出部９１と、電極温度検出部９１により検出される電極４０の温度に基づいてケース１２内に結露が生じているか否かを判定する制御部７０とを備えている。【選択図】図２

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ケース内に結露が生じる。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、ケース内に結露が生じ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、ケース内に結露が生じているか否かを把握することを可能とした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ものであって、前記電極の温度を検出する電極温度検出部と、前記電極温度検出部により検出された前記電極の温度に基づいて前記ケース内に結露が生じているか否かを判定する制御部とを備える。

同構成によれば、電極温度検出部により電極の温度が直接検出される。そして、制御部により、検出された電極の温度に基づいてケース内に結露が生じているか否かが判定される。このため、内燃機関の冷間始動時のように電極の温度が低い状況を的確に把握することができ、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ているか否かを把握することが可能となる。

本発明によれば、ケース内に結露が生じているか否かを把握することが可能となる。

内燃機関の静電式オイルミストセパレータの第１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。 同実施形態の電圧発生装置を中心としたオイルミストセパレータの電気的構成を示す回路図。 第２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。 同実施形態の電圧発生装置を中心としたオイルミストセパレータの電気的構成を示す回路図。 電極の温度の推移の一例を示すグラフ。 電極の温度の推移の一例を示すグラフ。

＜第１実施形態＞
以下、図１〜図３を参照して、第１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。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。

図１に示すように、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の内外を連通する筒状のオイル排出口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及び上下方向の双方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てい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。同図の下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、同図の下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。

本実施形態のケース１２の内部には、電極４０の温度を検出する電極温度検出部９１と、フィルタ５０に流入するブローバイガスの温度を検出するガス温度検出部９２とが設けられている。

電極温度検出部９１は、負特性のサーミスタＲｔｈ１を備えており、電極４０の温度が高いほど低い電圧を出力する。サーミスタＲｔｈ１は、例えば複数の電極４０のうちの１つに設けられている。

ガス温度検出部９２は、負特性のサーミスタＲｔｈ２を備えており、ブローバイガスの温度が高いほど低い電圧を出力する。サーミスタＲｔｈ２は、例えばガス流入口２３の内部に設けられている。

前述したように、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ケース１２内に結露が生じる。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、本実施形態では、電極温度検出部９１により検出された電極４０の温度がガス温度検出部９２により検出されたブローバイガスの温度よりも低く且つそれらの温度差が所定の温度差以上である場合には、結露が生じている旨判定し、同所定の温度差よりも小さい場合に比べて電極４０に印加される電圧を小さくするようにしている。

次に、図３を参照して、電圧発生装置６０を中心とした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、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。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。

電極温度検出部９１は、定電圧源Ｖｐ１、サーミスタＲｔｈ１、及び定電圧源Ｖｐ１とサーミスタＲｔｈ１との間に介設されたプルアップ抵抗Ｒ１とを備えている。
ガス温度検出部９２は、定電圧源Ｖｐ２、サーミスタＲｔｈ２、及び定電圧源Ｖｐ２とサーミスタＲｔｈ２との間に介設されたプルアップ抵抗Ｒ２とを備えている。

電極温度検出部９１及びガス温度検出部９２の出力端子Ａ，Ｂは、差電圧検出回路７１及びゲイン調整回路７２に接続されている。
差電圧検出回路７１は、抵抗Ｒ５〜Ｒ７、及びオペアンプ７４を備えている。

電極温度検出部９１の出力端子Ａは、抵抗Ｒ５を介してオペアンプ７４の非反転入力端子（＋）に接続されている。
ガス温度検出部９２の出力端子Ｂは、抵抗Ｒ６を介してオペアンプ７４の反転入力端子（−）に接続されている。また、オペアンプ７４の反転入力端子と出力端子とが抵抗Ｒ７により接続されている。

差電圧検出回路７１及びゲイン調整回路７２では、電極温度検出部９１から出力される電圧Ｖ１からガス温度検出部９２から出力される電圧Ｖ２を減じた値ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）が所定値以上で有る場合に、電極温度検出部９１から出力される電圧Ｖ１が増幅して出力される。すなわち、電極４０の温度がブローバイガスの温度よりも低く且つそれらの温度差が所定の温度差以上である場合に、電極温度検出部９１から出力される電圧が増幅して出力される。ここで、所定値及び所定の温度差は、ケース１２内に結露が生じ得る値であり、実験を通じて予め設定されている。

一方、電極温度検出部９１から出力される電圧Ｖ１からガス温度検出部９２から出力される電圧Ｖ２を減じた値ΔＶが上記所定値未満である場合には、差電圧検出回路７１及びゲイン調整回路７２から電圧が出力されない。

各電極４０には、各電極４０に印加されている電圧を検出するための抵抗分圧回路６９が並列にて接続されている。抵抗分圧回路６９は、抵抗Ｒ３，Ｒ４を備えている。
オペアンプ７４の出力端子は、加算回路７３に接続されている。

加算回路７３は、抵抗Ｒ８〜Ｒ１１、及びオペアンプ７５を備えている。
オペアンプ７４の出力端子は、抵抗Ｒ８を介してオペアンプ７５の非反転入力端子（＋）に接続されている。

抵抗分圧回路６９の出力端子Ｃは、抵抗Ｒ９を介してオペアンプ７５の非反転入力端子（＋）に接続されている。
オペアンプ７５の反転入力端子（−）は、抵抗Ｒ１０を介して接地されている。また、オペアンプ７５の反転入力端子と出力端子とが抵抗Ｒ１１により接続されている。

加算回路７３では、抵抗分圧回路６９から出力された電圧に対して、差電圧検出回路７１及びゲイン調整回路７２から出力された電圧が加算された電圧が増幅して出力される。
駆動回路６５は、加算回路７３から出力される電圧に基づいてＦＥＴ６４のスイッチング駆動を制御する。すなわち、加算回路７３から出力される電圧に基づいて、同電圧が所定の目標電圧となるようにＦＥＴ６４のスイッチング駆動をフィードバック制御する。

本実施形態では、駆動回路６５、差電圧検出回路７１、ゲイン調整回路７２、及び加算回路７３によって制御部７０が構成されている。
次に、本実施形態の作用について説明する。

まず、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。
内燃機関の運転中において、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。

次に、本実施形態のオイルミストセパレータ１０の特徴的な作用について説明する。
ところで、本実施形態では、電極４０の温度とブローバイガスの温度との温度差が所定の温度差未満である場合には、結露が生じないとして、差電圧検出回路７１及びゲイン調整回路７２からは電圧が出力されず、抵抗分圧回路６９から出力された電圧を増幅した電圧が駆動回路６５に出力される。そして、駆動回路６５がＦＥＴ６４のスイッチング駆動をフィードバック制御することにより、各電極４０に印加される電圧が所定の目標電圧に近づけられる。

一方、電極４０の温度がブローバイガスの温度よりも低く且つそれらの温度差が所定の温度差以上である場合には、結露が生じているとして、抵抗分圧回路６９から出力された電圧に対して、差電圧検出回路７１及びゲイン調整回路７２から出力された電圧が加算され、それらの電圧の和を増幅した電圧が駆動回路６５に出力される。このとき、実際には各電極４０に印加されている電圧が目標電圧に近づけられていても、駆動回路６５は、各電極４０に印加されている電圧が目標電圧を大きく上回っていると認識して、各電極４０に印加される電圧を大きく下げるようにＦＥＴ６４のスイッチング駆動をフィードバック制御する。

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、以下に示す作用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、電極４０の温度を検出する電極温度検出部９１と、電極温度検出部９１により検出される電極４０の温度に基づいてケース１２内に結露が生じているか否かを判定する制御部７０とを備えている。

こうした構成によれば、電極温度検出部９１により電極４０の温度が直接検出される。そして、制御部７０により、検出された電極４０の温度に基づいてケース１２内に結露が生じているか否かが判定される。このため、内燃機関の冷間始動時のように電極４０の温度が低い状況を的確に把握することができ、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ているか否かを把握することが可能となる。したがって、ケース１２内に結露が生じているか否かを把握することが可能となる。

（２）制御部７０は、ケース１２内に結露が生じている旨判定した場合に、電極４０に印加される電圧を制限する。
こうした構成によれば、ケース１２内に結露が生じている旨判定された場合には、電極４０に印加される電圧が制限される。これにより、結露が生じているときに大きな電圧が印加されることを抑制でき、消費電力の増大を抑制することができる。

（３）オイルミストセパレータ１０は、フィルタ５０に流入するブローバイガスの温度を検出するガス温度検出部９２を備えている。制御部７０は、電極温度検出部９１により検出された電極４０の温度がガス温度検出部９２により検出されたブローバイガスの温度よりも低く且つそれらの温度差が所定の温度差以上である場合には、電極４０に印加される電圧を制限する。

電極４０の温度が低く、且つケース１２の内部に流入するブローバイガスの温度が高い場合に結露が生じやすい。一方、電極４０の温度が低くてもケース１２の内部に流入するブローバイガスの温度が低ければ結露は生じにくい。

上記構成によれば、ガス温度検出部９２によりケース１２の内部に流入するブローバイガスの温度が直接検出される。そして、電極４０の温度がブローバイガスの温度よりも低く且つそれらの温度差が所定の温度差以上である場合に、同所定の温度差よりも小さい場合に比べて電極４０に印加される電圧が小さくされる。これにより、結露が生じているときに大きな電圧が印加されることを適切に回避できる。

＜第２実施形態＞
以下、図４〜図７を参照して、第２実施形態について第１実施形態との相違点を中心に説明する。

本実施形態のオイルミストセパレータ１０では、ガス温度検出部９２が設けられていない。また、図示を省略しているが、本実施形態においても各電極４０に印加される電圧を検出するための差電圧検出回路７１が並列にて接続されており、駆動回路６５は、差電圧検出回路７１により検出された電圧に基づいて、同電圧が所定の目標電圧となるようにＦＥＴ６４のスイッチング駆動をフィードバック制御する。

図５に示すように、駆動回路６５には、電子制御装置８０が接続されている。
電子制御装置８０には、機関出力軸の回転速度である機関回転速度ＮＥを検出する回転速度検出部９３からの信号や、電極４０の温度を検出する電極温度検出部９１からの信号が入力される。

ところで、図６に示すように、電極４０の温度の上昇速度と、機関回転速度の推移との間には相関関係がある。すなわち、機関回転速度が高く推移する場合ほど、機関出力が高く推移することから、ブローバイガスの温度が高くなりやすい。また、そうした高い温度のブローバイガスによって電極４０が加熱されることから、機関回転速度が高く推移する場合ほど、電極４０の温度の上昇速度が大きくなる。

一方、図７に示すように、ケース１２内に結露が生じているときには生じていないときに比べて、凝縮水の分だけ電極４０の熱容量が大きくなり、電極４０の温度の上昇速度が遅くなる。

本実施形態の電子制御装置８０は、結露の生じていないときにおける機関回転速度ＮＥの推移と電極４０の温度の上昇速度との関係を規定したマップを備えている。そして、電子制御装置８０は、このマップを参照するとともに、電極温度検出部９１により検出される電極４０の温度の上昇速度が、回転速度検出部９３により検出される機関回転速度ＮＥの推移に基づき導出される電極４０の温度の上昇速度よりも小さい場合には、電極４０に印加される電圧を制限する。

本実施形態では、駆動回路６５及び電子制御装置８０によって制御部７０が構成されている。
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、第１実施形態の効果（１）、（２）に加えて、新たに以下に示す作用効果が得られるようになる。

（４）オイルミストセパレータ１０は、機関出力軸の回転速度である機関回転速度ＮＥを検出する回転速度検出部９３を備えている。電子制御装置８０は、結露の生じていないときにおける機関回転速度ＮＥの推移と電極４０の温度の上昇速度との関係を規定したマップを参照する。そして、電極温度検出部９１により検出された電極４０の温度の上昇速度が、回転速度検出部９３により検出された機関回転速度ＮＥの推移に基づき導出される電極４０の温度の上昇速度よりも小さい場合には、電極４０に印加される電圧を制限する。

こうした構成によれば、結露が生じているときに大きな電圧が印加されることを適切に回避できる。
＜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。

・上記各実施形態において、結露が生じている旨判定した場合に、電極４０への電圧の印加を停止するようにしてもよい。
・例えば電極温度検出部９１により検出される電極４０の温度が所定の温度（例えば数度）以下であることのみをもって、ケース１２内に結露が生じている旨判定するようにしてもよい。

・電極温度検出部９１やガス温度検出部９２を熱電対などの他の検出素子によって構成することもできる。

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、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、６９…抵抗分圧回路、７０…制御部、７１…差電圧検出回路、７２…ゲイン調整回路、７３…加算回路、７４，７５…オペアンプ、８０…電子制御装置、９１…電極温度検出部、９２…ガス温度検出部、９３…回転速度検出部、Ａ，Ｂ，Ｃ…出力端子、Ｒ１〜Ｒ１１…抵抗、Ｖｐ１，Ｖｐ２…定電圧源。

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オイルミストセパレータであって、
   前記電極の温度を検出する電極温度検出部と、
   前記電極温度検出部により検出された前記電極の温度に基づいて前記ケース内に結露が生じているか否かを判定する制御部とを備える、
   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、前記ケース内に結露が生じている旨判定した場合に、前記電極に印加される電圧を制限する、
   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. 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において、
   前記フィルタに流入するブローバイガスの温度を検出するガス温度検出部を備え、
   前記制御部は、前記電極温度検出部により検出された前記電極の温度が前記ガス温度検出部により検出された前記ブローバイガスの温度よりも低く且つそれらの温度差が所定の温度差以上である場合には、前記電極に印加される電圧を制限する、
   内燃機関の静電式オイルミストセパレータ。
4. 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において、
   機関出力軸の回転速度である機関回転速度を検出する回転速度検出部を備え、
   前記制御部は、結露の生じていないときにおける機関回転速度の推移と前記電極の温度の上昇速度との関係を規定したマップを参照するとともに、前記電極温度検出部により検出された電極の温度の上昇速度が、前記回転速度検出部により検出される機関回転速度の推移に基づき導出された前記電極の温度の上昇速度よりも小さい場合には、前記電極に印加される電圧を制限する、
   内燃機関の静電式オイルミストセパレータ。

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