JP2024063476A - 開閉弁 - Google Patents

Abstract

【課題】クランクケース内の水素ガスの濃度が高くなることを抑える。【解決手段】水素を燃料とする内燃機関は過給機を備えている。開閉弁２００は、内燃機関のクランクケース内を大気開放する開放孔２１３と、開放孔２１３に対して変位することにより開放孔２１３を開閉する弁体２２０と、開放孔２１３が開放状態となるように弁体２２０を付勢する第１スプリング２３１及び第２スプリング２３２とを有している。そして、弁体２２０は、開放孔２１３を大気側から閉塞する第１弁２２１と、開放孔２１３をクランクケース側から閉塞する第２弁２２２とを備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、水素を燃料とする過給機付きの内燃機関に適用される開閉弁に関する。

例えば特許文献１には、機関運転中に開弁することにより、クランクケース内のブローバイガスを吸気通路に導入する換気弁が記載されている。

特開２００１－５１２２０７号公報

ところで、水素を燃料とする内燃機関では、クランクケース内に水素ガスが溜まる。そのため、内燃機関の整備時に水素ガスがクランクケースから漏れるおそれがある。ここで、漏れた水素ガスの濃度が高いと自着火するおそれがあるため、機関停止中にはクランクケース内の水素ガスを大気開放することにより、水素ガスの濃度が高くなることを抑えることが望ましい。

上記課題を解決する開閉弁は、過給機を備えており水素を燃料とする内燃機関に適用される。この開閉弁は、前記内燃機関のクランクケース内を大気開放する開放孔と、前記開放孔に対して変位することにより前記開放孔を開閉する弁体と、前記開放孔が開放状態となるように前記弁体を付勢する弾性体と、を有している。そして、前記弁体は、前記開放孔を大気側から閉塞する第１弁と、前記開放孔をクランクケース側から閉塞する第２弁とを備えている。

同構成によれば、クランクケース内が正圧であるときには、開放孔が第２弁によって閉塞される。一方、クランクケース内が負圧であるときには、開放孔が第１弁によって閉塞される。従って、クランクケース内が正圧であっても負圧であっても、開放孔は閉塞されるため、機関運転中においてクランクケース内の水素ガスが大気開放されることは抑制される。一方、機関停止中であってクランクケース内が大気圧相当の圧力になると、弾性体の作用により開放孔は開放状態になる。従って、機関停止中にはクランクケース内の水素ガスが徐々に大気開放されていくため、クランクケース内の水素ガス濃度が高くなることを抑えることができる。

一実施形態における内燃機関の構成を示す模式図である。 同実施形態における開閉弁の構成を示す断面図である。 同実施形態の開閉弁の動作を示す模式図である。図３(ａ）は、クランクケース内の圧力が正圧であるときの動作を示し、図３(ｂ）は、クランクケース内の圧力が負圧であるときの動作を示し、図３(ｃ）は、クランクケース内の圧力が大気圧相当の圧力であるときの動作を示す。

以下、開閉弁を具体化した一実施形態について説明する。
図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２、ヘッドカバー１３、及びオイルパン１４を備えている。ヘッドカバー１３の上面には、後述する開閉弁２００が設けられている。シリンダブロック１１内には、ピストン１５が往復動可能に配置されたシリンダ１６が設けられている。

シリンダヘッド１２には、内燃機関１０の燃焼室１７に吸気を導入する吸気ポート３０や燃焼室１７から排気を排出する排気ポート７０が設けられている。吸気ポート３０には吸気バルブ８１が設けられている。この吸気バルブ８１の駆動系には、同吸気バルブ８１のバルブタイミング（開閉時期）を変更する可変動弁機構である吸気側バルブタイミング可変機構８５が設けられている。排気ポート７０には排気バルブ８２が設けられている。この排気バルブ８２の駆動系には、同排気バルブ８２のバルブタイミング（開閉時期）を変更する可変動弁機構である排気側バルブタイミング可変機構８６が設けられている。

また、シリンダヘッド１２には、吸気ポート３０内に燃料としての水素を噴射するポート噴射弁８３と、燃焼室１７内に燃料としての水素を直接噴射する筒内噴射弁８４と、点火プラグ（図示略）とが設けられている。

シリンダブロック１１の下部には、内燃機関１０の出力軸であるクランクシャフト１８が収納されたクランクケース１９が設けられている。クランクケース１９の下部には、潤滑油を貯留するオイルパン１４が設けられている。

吸気ポート３０の上流には、サージタンク６０を備える吸気マニホールド２９が接続されており、サージタンク６０の上流には吸気管２０が接続されている。吸気管２０及びサージタンク６０及び吸気マニホールド２９は内燃機関１０の吸気通路を構成している。

吸気管２０には、上流から順にエアクリーナ２１、エアフロメータ５１、燃焼室１７から出された排気を利用して駆動される過給機２４のコンプレッサホイール２４Ｃ、インタークーラ２７、過給圧センサ５４、及びスロットルバルブ２８が設置されている。また、サージタンク６０には、吸気圧センサ５５が設置されている。なお、スロットルバルブ２８は電動モータによって開度が変更される。

エアクリーナ２１は、吸気管２０に取り込まれた吸気の濾過を行う。過給機２４は、吸気管２０内の空気を過給する。また、インタークーラ２７は、コンプレッサホイール２４Ｃを通過した後の空気の冷却を行う。そして、スロットルバルブ２８は、バルブ開度を調整することによって吸入空気量の調量を行う。

エアフロメータ５１は、吸入空気量ＧＡを検出する。また、過給圧センサ５４によって、吸気管２０におけるコンプレッサホイール２４Ｃの下流側の部分の圧力である過給圧ＰＴＣが検出される。また、吸気圧センサ５５によってサージタンク６０内の圧力である吸気圧ＰＩＭが検出される。

排気ポート７０の下流には、排気通路９０が接続されている。排気通路９０の途中には、過給機２４のタービンホイール２４Ｔを収納するハウジングが接続されている。また、排気通路９０においてタービンホイール２４Ｔの上流側の部分と同タービンホイール２４Ｔの下流側の部分とはバイパス通路９２を介して連通されている。バイパス通路９２の途中には、アクチュエータにて開度が調整されるウェイストゲートバルブ（以下、ＷＧＶという）９３が設けられている。このＷＧＶ９３は、バイパス通路９２を流れる排気の量を調整するバルブであり、その開度が大きくなるほど、タービンホイール２４Ｔを迂回してバイパス通路９２を通過する排気の量が多くなる。そのため、過給機２４によって高められる吸気の過給圧は低くなる。

内燃機関１０には、圧縮行程中や燃焼行程中に燃焼室１７からクランクケース１９内に漏れたガス、いわゆるブローバイガスを処理するブローバイガス処理装置が設けられている。このブローバイガス処理装置は、クランクケース１９内のブローバイガスを、ヘッドカバー１３内に導くための吸引路３２を備えている。吸引路３２の一端はヘッドカバー１３内に開口している。また、吸引路３２の他端はクランクケース１９内に開口している。なお、吸引路３２には、図示しないオイル分離器が設けられている。

ヘッドカバー１３内は、ＰＣＶバルブ３４及びＰＣＶ通路３５を介してサージタンク６０に接続されている。ＰＣＶバルブ３４は、サージタンク６０内の圧力がヘッドカバー１３内の圧力、つまりクランクケース１９内の圧力よりも低くなったときに開弁して、ヘッドカバー１３内からサージタンク６０へのブローバイガスの流入を許容する。これら吸引路３２、ＰＣＶバルブ３４、及びＰＣＶ通路３５は、吸気通路の一部を構成するサージタンク６０とクランクケース１９とを連通する連通路を構成している。

サージタンク６０内の圧力がクランクケース１９内の圧力よりも低いときには、ＰＣＶバルブ３４が開弁する。そのため、クランクケース１９内のブローバイガスは、吸引路３２、ＰＣＶバルブ３４、及びＰＣＶ通路３５を介してサージタンク６０内に吸引される。吸引されたブローバイガスは吸気と共に燃焼室１７に送られて燃焼される。

また、ブローバイガス処理装置は、吸気をクランクケース１９に導入して掃気するための大気導入路３７を備えている。大気導入路３７の両端のうちの一方の端は、エアクリーナ２１とコンプレッサホイール２４Ｃとの間の吸気管２０に接続されている。大気導入路３７は、ヘッドカバー１３を貫通してシリンダヘッド１２及びシリンダブロック１１の内部を通り、クランクケース１９に繋がっている。大気導入路３７の途中には、ヘッドカバー１３内に設置されたオイル分離器である大気側セパレータ３８が設けられている。

制御装置１００は、内燃機関１０を制御対象とし、スロットルバルブ２８、ポート噴射弁８３及び筒内噴射弁８４、点火プラグ、吸気側バルブタイミング可変機構８５、排気側バルブタイミング可変機構８６、ＷＧＶ９３等の各種操作対象機器を操作する。

制御装置１００は、中央処理装置であるＣＰＵ１１０や、制御用のプログラムやデータが記憶されたメモリ１２０などを備えている。そして、メモリ１２０に記憶されたプログラムをＣＰＵ１１０が実行することにより各種制御に関する処理を実行する。

制御装置１００には、機関回転速度ＮＥを算出するためにクランクシャフト１８の回転角（クランク角）を検出するクランク角センサ５２の検出信号が入力される。また、制御装置１００には、アクセルペダルの操作量であるアクセル操作量ＡＣＣＰを検出するアクセル操作量センサ５３や、内燃機関１０を搭載した車両の車速ＳＰを検出する車速センサ５６などの検出信号も入力される。

制御装置１００は、基本的にスロットルバルブ２８を既定値以上の開度、例えば全開付近の開度に維持する。そして、内燃機関１０に要求される出力が大きいほどポート噴射弁８３や筒内噴射弁８４から噴射する燃料の量を多くする。このように内燃機関１０では、基本的に吸入空気量ではなく燃料噴射量の調整を通じて混合気の空燃比を変更することにより出力調整が行われる。

図２に、上記開閉弁２００の断面図を示す。なお、図２には、開閉弁２００の中心軸を軸線Ｃ１として表示している。また、以下では、ヘッドカバー１３の外側を大気側という。また、吸引路３２を介してクランクケース１９内と連通するヘッドカバー１３の内側をクランクケース側という。

図２に示すように、開閉弁２００は、円筒状のハウジング２１０を有している。ハウジング２１０は、ヘッドカバー１３の上面に設けられた孔１３ａを貫通した状態で組み付けている。

ハウジング２１０の一端には、ヘッドカバー１３内に導入されたガスが流入する流入孔２１５が設けられている。この流入孔２１５は、ヘッドカバー１３内に開口している。なお、流入孔２１５の中心軸と軸線Ｃ１とは同軸である。また、ハウジング２１０の他端には、ガスを大気側に放出する放出孔２１４が設けられている。この放出孔２１４は、大気側に開口している。なお、放出孔２１４の中心軸と軸線Ｃ１は同軸である。

ハウジング２１０の内周面２１１には、径方向内側に向かって突出した円環状の弁座２１２が設けられている。弁座２１２の中心に形成された孔は、クランクケース１９内を大気開放する開放孔２１３である。

また、ハウジング２１０の内部には、開放孔２１３に対して変位する弁体２２０が収容されている。弁体２２０は、軸線Ｃ１の延伸方向に変位する。弁体２２０は、軸線Ｃ１と同軸であって棒形状をなしており、開放孔２１３に挿入されたシャフト２２３を有している。シャフト２２３の軸径は、開放孔２１３の孔径よりも小さい。また、シャフト２２３の両端は、開放孔２１３から突出している。弁体２２０は、シャフト２２３の一端に設けられた第１弁２２１と、シャフト２２３の他端に設けられた第２弁２２２とを有している。

第１弁２２１は、円盤状であり、外周の一部にはガスが通過するための切り欠き２２１ａが設けられている。第１弁２２１は、シャフト２２３にあって大気側の末端に設けられており、この第１弁２２１は、大気側から弁座２１２に当接することにより、開放孔２１３を大気側から閉塞する弁となっている。第２弁２２２も、円盤状であり、外周の一部にはガスが通過するための切り欠き２２２ａが設けられている。第２弁２２２は、シャフト２２３にあってクランクケース１９側の末端に設けられており、この第２弁２２２は、クランクケース１９側から弁座２１２に当接することにより、開放孔２１３をクランクケース１９側から閉塞する弁となっている。

弁体２２０は、第１スプリング２３１及び第２スプリング２３２を有している。これら第１スプリング２３１及び第２スプリング２３２は圧縮ばねであり、開放孔２１３が開放状態となるように弁体２２０を付勢する弾性体である。第１スプリング２３１は、放出孔２１４が形成されているハウジング２１０の内壁面と第１弁２２１との間に配設されており、第１弁２２１を弁座２１２側に付勢する。第２スプリング２３２は、流入孔２１５が形成されているハウジング２１０の内壁面と第２弁２２２との間に配設されており、第２弁２２２を弁座２１２側に付勢する。

図３に、機関運転状態に応じた開閉弁２００の動作を示す。
図３(ａ）に示すように、内燃機関１０が過給状態で運転されており、クランクケース１９内の圧力が大気圧より高い正圧であるときには、第２弁２２２が弁座２１２に向けて押圧されることにより、第２弁２２２が弁座２１２に当接した状態になる。従って、開放孔２１３は閉塞状態になる。

図３(ｂ）に示すように、内燃機関１０が非過給状態で運転されており、クランクケース１９内の圧力が大気圧より低い負圧であるときには、弁座２１２から離れる方向に第２弁２２２が移動することにより、第１弁２２１が弁座２１２に当接した状態になる。従って、開放孔２１３は閉塞状態になる。

図３(ｃ）に示すように、内燃機関１０が運転を停止している機関停止中であり、クランクケース１９内の圧力が大気圧相当の圧力であるときには、第１スプリング２３１及び第２スプリング２３２の付勢力により、第１弁２２１及び第２弁２２２はともに弁座２１２から離れた状態になる。従って、開放孔２１３は開放状態になる。

ここで、水素ガスは空気よりも密度が小さいため、クランクケース１９内のブローバイガスに含まれる水素ガスＧは吸引路３２を介して内燃機関１０の上部、つまりヘッドカバー１３内に上がってくる。ヘッドカバー１３内に上がってきた水素ガスＧは、開放孔２１３が開放状態になっていると、流入孔２１５、第２弁２２２の切り欠き２２２ａ、開放孔２１３、第１弁２２１の切り欠き２２１ａ、放出孔２１４を介して大気開放される。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）水素を燃料とする内燃機関１０では、機関運転中においてスロットルバルブ２８が全開付近の開度に維持されることにより吸気通路内の圧力が下がりにくい。そのため、ブローバイ処理装置によるブローバイガスの処理が進みにくく、クランクケース１９内にはブローバイガスに含まれる水素ガスが溜まりやすい。クランクケース１９内に水素ガスが溜まっていると、内燃機関１０を整備する際に水素ガスがエンジンルーム内に漏れるおそれがある。例えば、オイルパン１４に貯留されたオイルの量をオイルレベルゲージで確認するときや、点火プラグを外して点検するときなどにそうした水素ガスの漏れが起きやすい。ここで、漏れた水素ガスの濃度が高いと自着火するおそれがある。そこで、機関停止中にクランクケース１９内の水素ガスを大気開放しておけば、クランクケース１９内の水素ガスの濃度が高くなることを抑えることができる。

この点、上述した開閉弁２００によれば、クランクケース１９内が正圧であるときには、開放孔２１３が第２弁２２２によって閉塞される。一方、クランクケース１９内が負圧であるときには、開放孔２１３が第１弁２２１によって閉塞される。従って、クランクケース１９内が正圧であっても負圧であっても、開放孔２１３は閉塞されるため、機関運転中においてクランクケース１９内の水素ガスが大気開放されることは抑制される。

一方、機関停止中であってクランクケース１９内が大気圧相当の圧力になると、第１スプリング２３１及び第２スプリング２３２の作用により開放孔２１３は開放状態になる。従って、機関停止中にはクランクケース１９内の水素ガスが徐々に大気開放されていくため、クランクケース１９内の水素ガス濃度が高くなることを抑えることができる。

（２）水素ガスは空気よりも密度が小さいため、クランクケース１９内の水素ガスは吸引路３２を介して内燃機関１０の上部、つまりヘッドカバー１３内に上がってくる。そこで、本実施形態では、開閉弁２００をヘッドカバー１３の上面に設けるようにしている。従って、水素ガスを効率よく大気開放することができる。

＜変更例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・開閉弁２００をヘッドカバー１３に一体形成してもよい。
・ヘッドカバー１３において上面とは異なる部位に開閉弁２００を設けてもよい。
・ヘッドカバー１３とは異なる部位、例えばクランクケース１９などに開閉弁２００を設けてもよい。

・第１スプリング２３１や第２スプリング２３２の配設位置を変更してもよい。
・内燃機関１０は、ポート噴射弁８３または筒内噴射弁８４のいずれか一方のみを備えていてもよい。

・内燃機関１０が吸気側バルブタイミング可変機構８５や排気側バルブタイミング可変機構８６を備えることは必須ではない。

１０…内燃機関、１３…ヘッドカバー、１９…クランクケース、３２…吸引路、２００…開閉弁、２１０…ハウジング、２１１…内周面、２１２…弁座、２１３…開放孔、２１４…放出孔、２１５…流入孔、２２０…弁体、２２１…第１弁、２２１ａ…切り欠き、２２２…第２弁、２２２ａ…切り欠き、２２３…シャフト、２３１…第１スプリング、２３２…第２スプリング。

Claims (1)

1. 過給機を備えており水素を燃料とする内燃機関に適用される開閉弁であって、
   前記内燃機関のクランクケース内を大気開放する開放孔と、
   前記開放孔に対して変位することにより前記開放孔を開閉する弁体と、
   前記開放孔が開放状態となるように前記弁体を付勢する弾性体と、を有しており、
   前記弁体は、前記開放孔を大気側から閉塞する第１弁と、前記開放孔をクランクケース側から閉塞する第２弁とを備えている開閉弁。
   

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