JP2023082747A - 自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレーキの作動を確実化しつつクランクケースの掃気をしっかりと行える構造を開示する。【解決手段】エンジンは、ブレーキブースター２６をアシストするバキュームポンプ２５を備えており、バキュームポンプ２５の排気口が掃気通路３８を介してクランクケース３９に接続されている。バキューム通路３５と新気通路３６とは三方弁３７を介して接続されている。高負荷域のブレーキ非作動時には、新気を取り込みつつバキュームポンプ２５を駆動してクランクケース３９を掃気する。ブレーキ作動時には、バキュームポンプ２５を駆動してブレーキブースター２６をアシストする。低負荷域では、ブレーキブースター２６は吸気負圧で作動するが、クランクケース３９のガス濃度が基準値を超えたら、新気を取り込みつつバキュームポンプ２５を駆動してクランクケース３９を強制掃気する。【選択図】図１

Description

本願発明は、ブレーキブースターがバキュームポンプでアシストされると共にブローバイガス還流システムを備えた自動車に関するものであり、特に、動力源として水素エンジンを搭載した自動車を好適な対象にしている。

水素は石油代替のクリーン燃料として古くから着目されており、自動車用エンジンについても水素を燃料として使用することが研究されているが、まだ実用化に至っていない。実用化されていない理由の１つに、水素が空気の１５分の１の質量しかなく揮発性及び引火性が非常に高いことが挙げられる。すなわち、水素エンジンの実用化を阻む問題として、安全性の問題が横たわっている。

水素エンジンの安全性は幾つかの視点で検討できるが、１つの視点として、ブローバイガスの点が挙げられる。すなわち、ガソリンエンジンにしてもディーゼルエンジンにしても、微量の燃料が燃焼室からクランクケースにブローバイガスとして吹き抜ける現象があり、そこで、ブローバイガスをオイルが除去された状態でＰＣＶ通路から吸気通路に還流させているが、水素は可燃性が高いため、例えば僅かでも火炎がクランクケースに吹き抜けると、クランクケースに吹き抜けた水素が燃焼して大事に至るおそれがある。

従って、水素エンジンではブローバイガスの管理は非常に重要であり、クランクケース３９から積極的に掃気して、ブローバイガスの水素濃度を安全値以下に維持する必要がある。

他方、バスや大型トラックを除く乗用車のような自動車のブレーキは、一般に、負圧作動式のブレーキブースターによって踏み込み力が増幅されてマスターシリンダに伝えられているが、過給機の普及などによって吸気系のみでは必要な負圧を確保できない事態があることから、機械式又は電動式のバキュームポンプを設けて、バキュームポンプによってブレーキブースター用の負圧を生成することが行われている。

そして、特許文献１には、ブレーキブースター用のバキュームポンプの排気をクランクケース（実施形態では動弁室）に送って、クランクケースを掃気することによってブローバイガスの濃度を低下させることが開示されている。

具体的には、特許文献１は、第１の位置と第２の位置とに切り換え可能な流路切り換え装置を備えており、エンジンが低負荷状態で吸気通路が所定値未満の負圧のときには、切り換え装置は第２の位置にあって、ＰＣＶバルブが開いてブローバイガスは自然還流すると共に、バキュームポンプの作動によってブレーキブースターをアシストできる。他方、エンジンが高負荷状態にあって吸気通路の内圧が所定値以上である場合は、切り換え装置は第１の位置に移行して、バキュームポンプが駆動されて、排気（新気）がクランクケースに強制的に送られて、クランクケースが掃気されるようになっている。

特開２０１７－１１５６８３号公報

特許文献１では、切り換え装置が第１の位置に移行すると、バキュームポンプで新気が吸引されてこれがクランクケースに送られてクランクケースの内部が掃気されるが、この状態ではバキュームポンプの吸引力はブレーキブースターに作用していない。従って、バキュームポンプによってブレーキブースターをアシストしつつクランクケースを掃気することはできないが、ブレーキブースターを優先させる必要から、クランクケースの掃気がおろそかになるおそれがある。従って、水素エンジンに適用した場合、安全な状態までクランクケースを掃気できるか否か不安が残る。

また、いずれの状態でも、ブレーキブースターと吸気通路とは遮断されていて、ブレーキブースターの作動はバキュームポンプのみによって行われるため、バキュームポンプが故障した場合の対策が十分とは言い難い。

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、ブレーキブースターの作動の確実性とブローバイガスの掃気の確実性とを向上させる技術を開示せんとするものである。

本願発明のエンジンは、
「エンジンのクランクケースに吹き抜けたブローバイガスを吸気通路に還流させるＰＣＶ通路と、
ブレーキブースターの排気口とバキュームポンプの吸引口とに接続されたバキューム通路と、
前記バキュームポンプの排気口とクランク室とに連通した掃気通路と、
前記吸気通路が負圧のときに開くように前記ＰＣＶ通路に設けたＰＣＶバルブと、
前記バキューム通路と前記吸気通路とに連通した新気通路と、を備えている」
という基本構成になっている。

そして、上記基本構成において、
「前記吸気通路の内圧が所定値よりも正圧側に高くなると前記バキュームポンプが駆動されて前記ブレーキブースターに作用する負圧が増大されると共に、前記クランクケース内のブローバイガス濃度が所定値よりも高くなると、前記吸気通路の内圧が所定値以下であっても前記新気通路とバキューム通路とを連通させて前記バキュームポンプが駆動されるように制御される」
という特徴を有している。

本願発明において、制御は、通路の切り換えとバキュームポンプのＯＮ・ＯＦＦとの組合せによって行える。通路の切り換えはバルブで行われるが、バルブとしては、三方弁又は流路を継断するだけの２方弁を使用できる。バルブの切り換え及びバキュームポンプの駆動は、水素濃度や吸気負圧、ブレーキ負圧、ブレーキの踏み込み力（加速度）、回転数、負荷などを因子として行える。

本願発明では、バキュームポンプの負圧をブレーキブースターに作用させつつ、バキュームポンプの排気をクランクケースに送ってクランクケースの内部を掃気できる。従って、ブレーキの作動を確実化して走行安全性を確保しつつ、クランクケース内でのブローバイガスの濃度が基準以上に高くなることを防止して、エンジンを安全に運転できる。また、ブレーキブースターは吸気負圧によっても作動し得るため、安全性が更に高い。

従って、水素エンジンのようにブローバイガスの濃度管理を厳格に行う必要があるエンジンを搭載した自動車に好適である。そして、ブレーキブースターを作動させるためのバキュームポンプを利用してクランクケースを掃気するものであるため、構造が複雑化することもない。

実施形態の模式図である。 （Ａ）（Ｂ）とも変形例の模式図である。

次に、本願発明の実施形態を説明する。本実施形態は、４サイクル多気筒水素エンジンが搭載された自動車に具体化している。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はエンジンのクランク軸線方向であり、左右方向はクランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向としている。

(1).実施形態の構造
車体の前部に設けたエンジンルームにエンジンが配置されている。エンジンの基本構造は従来と同様であり、エンジン本体として、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２、シリンダヘッド２の上面に固定されたヘッドカバー３、シリンダブロック１の下面に固定されたオイルパン４を備えている。シリンダブロック１及びヘッドカバー３の前面は図示しないフロントカバーで覆われており、フロントカバーとシリンダブロック１及びヘッドカバー３とで囲われた空間にタイミングチェーン（図示せず）が配置されている。

シリンダブロック１には、クランク軸５がクランクキャップを介して回転自在に保持されており、シリンダボア３にスライド自在に嵌挿されたピストン７とクランク軸５のクランクピン８とが、コンロッド９によって相対動自在に連結されている。

シリンダヘッド２には、始端を吸気側面２ａに開口させて終端をシリンダボア６に開口させた吸気ポート１０と、始端をシリンダボア６に開口させて終端を排気側面２ｂに開口させた排気ポート１１とが形成されている。吸気ポート１０は吸気バルブ１２で開閉され、排気ポート１１は排気バルブ１３で開閉される。敢えて述べるまでもないが、バルブ１２，１３はカム軸１４，１５に設けたカムによって駆動される。

シリンダヘッド２の吸気側面２ａには吸気マニホールド１６が固定されて、シリンダヘッド２の排気側面２ｂには排気マニホールド又は排気ターボ過給機（いずれも図示せず）が固定されている。吸気マニホールド１６は、サージタンク１６ａとこれから分岐した複数本の枝通路１６ｂとを備えており、サージタンク１６ａにはスロットルバルブ１７が固定されて、枝通路１６ｂは吸気ポート１０に接続されている。

シリンダヘッド２のうち各吸気ポート１０の上方部には燃料噴射弁（インジェクタ）１８を配置している一方、シリンダヘッド２のうちシリンダボア６と対向した面には点火プラグ（図示せず）が配置されている。従って、本実施形態のエンジンは、ポート噴射タイプであるが、燃料噴射弁１８をシリンダボア６に向けて露出させた直噴タイプも採用可能である。

本実施形態のエンジンは液体水素を燃料とした水素エンジンであり、従って、燃料噴射弁１８から液体水素が霧化されて噴出する。水素燃料は、個別の燃料噴射弁１８に配管によって供給してもよいし、前後長手の１本のデリバリ管から供給してもよい。

内燃機関は吸気系の部材としてエアクリーナ１９を備えており、エアクリーナ１９のクリーン室１９ａに吸気ダクト２０が接続されて、吸気ダクト２０がスロットルバルブ１７に接続されている。吸気ダクト２０と吸気マニホールド１６は、全体として吸気通路を構成している。

スロットルバルブ１７は、正確には、筒状のスロットルボデーと、バタフライ式の弁体と、弁体を駆動するモータ（アクチュエータ）とを備えており、弁体の開度がＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）２１によって制御される。エンジンが排気ターボ過給機等の過給機を備えている場合は、吸気ダクト２０の中途部に過給機のコンプレッサが介在することになる。

シリンダブロック１の一側部には、ブローバイガスが流入するＰＣＶセパレータ室２２を設けており、ＰＣＶセパレータ室２２とサージタンク１６ａとがＰＣＶ通路２３によって接続されている。ＰＣＶセパレータ室２２に負圧で開くＰＣＶバルブ２４を設けているが、ＰＣＶバルブ２４は、ＰＣＶ通路２３のうちの任意の部位に設けることが可能である。

ＰＣＶセパレータ室２２は、ヘッドカバー３に設ける場合もある。すなわち、ヘッドカバー３の内部にバッフルプレートを配置して、バッフルプレートとヘッドカバー３との間にＰＣＶセパレータ室２２を形成する場合もある。この場合は、ヘッドカバー３とサージタンク１６ａとがＰＣＶ通路で接続される。また、この場合は、ＰＣＶセパレータ室２２には、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２に設けた通路からブローバイガスが流入する。

エンジンは、補助機器としてバキュームポンプ２５を備えている。バキュームポンプ２５は、機械式又は電動式であり、機械式の場合は、いずれか一方のカム軸１４，１５で駆動されるか、又は、クランク軸５から取りだされた動力で駆動される。

バキュームポンプ２５は、基本的にはブレーキブースター２６を駆動するためのものであり、運転者がブレーキペダル２７を踏むと、その動きがブレーキブースター２６で増幅されてマスターシリンダ（図示せず）に伝達される。符号２８はシリンダ、符号２９はピストン、符号３０は負圧切り替え用の弁室、符号３１は弁体となるプランジャであり、ブレーキペダル２７とプランジャ３１とピストン２９とが一体に動く。シリンダ２８と弁室３０とは、第１及び第２の管路３２，３３によって接続されている。符号３４は大気開放ポートである。

バキュームポンプ２５の吸引口とブレーキブースター２６の排気口とは、バキューム通路３５によって接続されている一方、サージタンク１６ａ（あるいは吸気ダクト２０）から新気通路３６が分岐しており、新気通路３６とバキューム通路３５とが三方弁３７によって接続されている。

三方弁３７は、第１～第３の３つのポート３７ａ，３７ｂ，３７ｃを有しており、第１ポート３７ａはバキューム通路３５のうちブレーキブースター２６の側に接続されて、第２ポート３７ｂは新気通路３６に接続されて、第３ポート３７ｃはバキューム通路３５のうちバキュームポンプ２５の側に接続されている。

三方弁３７は、３つの吸気ポート３７ａ，３７ｂ，３７ｃが互いに連通した第１状態と、第１ポート３７ａと第３ポート３７ｃとが連通して第２ポート３７ｂは遮断された第２状態とに切り換え可能である。バキュームポンプ２５の排気口は、掃気通路３８を介してクランクケース３９と連通している。

ＥＣＵ２１には、制御のために多数のセンサ類が電気的に接続されている。すなわち、ブレーキペダル２７の踏み込み力センサ（加速度センサ）４０、ブレーキブースター２６の負圧検知センサ４１、サージタンク１６ａに設けた吸気圧センサ４２、クランクケース３９に設けた水素濃度センサ４３、クランク軸５の回転数（角速度）を検知する回転センサ４４などが接続されている。スロットルバルブ１７の駆動モータや開度センサ、燃料噴射弁１８の制御部などもＥＣＵ２１と結線されている。

(2).まとめ
以上の構成において、バキュームポンプ２５と三方弁３７とは、サージタンク１６ａにおける吸気負圧やクランクケース３９の水素濃度等を要素として制御される。すなわち、まず、エンジンが低負荷域にあるなどしてサージタンク１６ａの吸気負圧が予め定めた基準値よりも低く（負圧側に高く）、かつ、クランクケース３９の内部の水素濃度が予め定めた基準値よりも低い場合は、三方弁３７は全てのポート３７ａ，３７ｂ，３７ｃが連通した第１状態にあると共に、バキュームポンプ２５は駆動されていない。

従って、この状態では、ブレーキブースター２６は吸気負圧のみによって駆動されている。また、ＰＣＶバルブ２４は負圧によって開くため、クランクケース３９の掃気はＰＣＶバルブ２４によって行われている。なお、一点鎖線で示すように、エアクリーナ１９のクリーン室１８ａとヘッドカバー３とを換気通路４５によって接続することも可能であり、この場合は、動弁室及びクランクケース３９での気体の流れがスムースに行われるため、ＰＣＶバルブ２４による掃気・換気を促進できる。

次に、エンジンが高負荷状態等にあってサージタンク１６ａの吸気負圧が所定値以上に正圧側に高い場合は、ブレーキブースター２６に作用する負圧が足りないため、ブレーキペダル２７が踏まれたら、三方弁３７を、新気通路３６が遮断されて第１ポート３７ａと第３ポート３７ｃとが連通した第２状態に切り換えると共に、バキュームポンプ２５を駆動する。

従って、負圧不足によってブレーキの効きが悪くなることはない。この場合は、バキュームポンプ２５は空回りに近い状態になっているが、ブレーキペダル２７が踏まれるとエンジンは減速してサージタンク１６ａは負圧化するため、ＰＣＶバルブ２４が開いてクランクケース３９の水素は排出できる。

高負荷運転状態ではブローバイガスの量も多くなるが、ブレーキペダル２７が踏まれずにアクセルペダルが踏まれ続けている場合（或いは、スロットルバルブ１７の開度に大きな変化がない場合）で、かつ、クランクケース３９の水素濃度が基準値を超えた場合は、三方弁３７を第２状態に切り換えると共にバキュームポンプ２５を駆動することにより、新気をバキュームポンプ２５の排気口からクランクケース３９に送って、クランクケース３９を掃気できる。この場合は、クランクケース３９とサージタンク１６ａとの間に圧力差が生じて、ＰＣＶ通路２３はサージタンクの側が相対的に負圧になるため、ＰＣＶバルブ２４が開いてクランクケース３９の水素（ブローバイガス）が排出される。

次に、低負荷状態であってサージタンク１６ａの負圧は所定値よりも低いものの、クランクケース３９での水素濃度が基準値よりも高くなった場合は、三方弁３７は第１状態のままでバキュームポンプ２５を駆動する。すると、バキュームポンプ２５から新気が排気されて、これがクランクケース３９に流入するため、クランクケース３９とサージタンク１６ａとの間に圧力差が生じて、ＰＣＶバルブ２４が開いて水素ガスが掃気される。

この場合は、ブレーキブースター２６には、サージタンク１６ａの負圧とバキュームポンプ２５の負圧との両方が作用するが、いずれであっても、ブレーキを的確に効かせることができる。以上の説明のとおり、本実施形態は、ブレーキブースター２６の作動を確実化しつつ、クランクケース３９の内部を必要に応じて掃気し、水素濃度を運転状態に関係なく基準値以下に抑えて安全性を確保できる。

以上の説明は制御の基本であるが、補助的な要因に基づいて補正することができる。例えば、ブレーキブースター２６の負圧とサージタンク１６ａの負圧とが相違する場合、ブレーキブースター２６の負圧を優先して三方弁３７の切り換えとバキュームポンプ２５のＯＮ・ＯＦＦとを制御できる。

図１の実施形態は弁装置として三方弁３７を使用したが、弁装置の例としては、図２（Ａ）に示すように、新気通路３６のみに単なる切り換え弁４６を設けたり、図２（Ｂ）に示すように、新気通路３６に切り換え弁４６を設けることに加えて、バキューム通路３５のうちブレーキブースター２６の側に切り換え弁４６を設けたりすることも可能である。図２（Ｂ）の例では、バキューム通路３５の切り換え弁４６を閉じて新気通路３６の切り換え弁４６を開くことにより、バキュームポンプ２５によって新気を吸い込んでクランクケース３９に送気できる。

本願発明は、バキュームポンプを備えたエンジン駆動式の自動車に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ ヘッドカバー
６ シリンダボア
７ ピストン
１６ 吸気通路を構成する吸気マニホールド
１６ａ サージタンク
１７ スロットルバルブ
２０ 吸気通路を構成する吸気ダクト
２１ ＥＣＵ
２２ ＰＣＶセパレータ室
２３ ＰＣＶ通路
２４ ＰＣＶバルブ
２５ バキュームポンプ
２６ ブレーキブースター
２７ ブレーキペダル
３５ バキューム通路
３６ 新気通路
３７ 三方弁
３８ 掃気通路
３９ クランクケース

Claims (1)

1. エンジンのクランクケースに吹き抜けたブローバイガスを吸気通路に還流させるＰＣＶ通路と、
   ブレーキブースターの排気口とバキュームポンプの吸引口とに接続されたバキューム通路と、
   前記バキュームポンプの排気口とクランク室とに連通した掃気通路と、
   前記吸気通路が負圧のときに開くように前記ＰＣＶ通路に設けたＰＣＶバルブと、
   前記バキューム通路と前記吸気通路とに連通した新気通路と、を備えており、
   前記吸気通路の内圧が所定値よりも正圧側に高くなると前記バキュームポンプが駆動されて前記ブレーキブースターに作用する負圧が増大されると共に、前記クランクケース内のブローバイガス濃度が所定値よりも高くなると、前記吸気通路の内圧が所定値以下であっても前記新気通路とバキューム通路とを連通させて前記バキュームポンプが駆動されるように制御される、
   自動車。
   

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