JP3769258B2 - クランクケース通気システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二段吸込空気増圧システムを有する内燃機関用クランクケース通気システムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
内燃機関（本明細書全体にわたり「エンジン」という場合がある）の通常の作動中、燃焼ガスは燃焼圧力によりピストン圧縮リングの先へ押し進められ、エンジンのクランクケース領域内へ押し込まれる。「ブローバイ」ガスのこの流れはかかるエンジンではシリンダ圧力が高いことが普通なのでターボチャージャ付きエンジン又はディーゼルエンジンで最も顕著に見られる。圧力の増大を防止するためにかかるブローバイガスをクランクケースから放出することが必要であり、かかる圧力の増大に鑑みてオイルシールが設けられる場合があるが、これは効果がない。典型的には、クランクケース内圧力を大気圧に近い状態に維持することが望ましい。例えば、一仕様では、クランクケース内圧力を、大気圧の−２．５ｋＰａ〜＋５ｋＰａに維持することが必要である。
【０００３】
ブローバイガスはクランクケースからピックアップした無数の燃焼生成物及びエンジンオイルを含んでいるので、かかるブローバイガスを大気中に逃がすことは可能ではなく、油蒸気をガスから分離し、次にこれらをエンジン吸気口（インテーク）に戻す密閉型クランクケース通気（ＣＣＶ）システムを設けることが通例である。ターボチャージャ付きエンジンの場合、これを行う一方法は、ブローバイガスをターボチャージャの上流側で吸気システム中に戻すことである。これにより、クランクケースガスの戻り経路中にポンプを設けることが必要でなくなり、もしそうでなければ、ターボチャージャの下流側での吸気経路中の圧力の増大に打ち勝つのにポンプが必要になる。
【０００４】
一般に、ターボチャージャの上流側に設けられた空気質量流量（ＭＡＦ）センサを用いてターボチャージャ付きエンジンに供給される空気の量を測定する。１つの重要な検討事項は、クランクケースガスの入口箇所は、空気の逆流がブローバイガスを運んでＭＡＦセンサに戻し、これを汚染することがないようにするために、空気質量流量（ＭＡＦ）センサから十分に遠ざけたままにしなければならないということにある。
【０００５】
本発明は、２つの圧縮機が直列に連結された場合に関する。これは例えば下流側圧縮機が或る特定の最低エンジン速度前後で稼働状態になるターボチャージャであり、上流側圧縮機がターボチャージャが働かないエンジン作動領域での需要に応じて作動できる電動式ターボチャージャである場合に望ましい場合がある。
【０００６】
典型的な自動車のエンジンコンパートメント内のスペースは制限されているので、２つの圧縮機を設けた場合、再循環したクランクケースガスが圧縮機の上流側に設置されたＭＡＦセンサを汚染することがないように組立体全体をパッケージ化することは困難である。
【０００７】
また、或る特定の形式の圧縮機軸受がブローバイガスからの汚染により経時的に悪影響を受ける場合がある。かかる汚染による影響を受けにくい軸受を設計することはかねてから可能ではあるが、これにより、圧縮機の費用が増大する場合がある。
本発明の目的は、これらの問題を解決するクランクケース通気システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内燃機関用のクランクケース通気システムであって、エンジンに空気を供給する吸気システムと、供給空気の圧力を増大させるエンジン給気増圧システムと、クランクケースガスをクランクケースから引き出して、該ガスを吸気システム中へ導入するクランクケース排気システムとを有し、
ａ）給気増圧システムは、連続して位置する第１の増圧段と第２の増圧段を有し(すなわち、第１の増圧段と第２の増圧段とを直列に有し)、第１の増圧段は、第２の増圧段の上流側に位置し、
ｂ）クランクケース排気システムは、クランクケースガスを吸気システム中に導入する第１の導管と第２の導管を有し、第１の導管は、上記ガスを第１の増圧段の上流側に導入し、第２の導管は、上記ガスを第１の増圧段の下流側であって第２の増圧段の上流側に導入し、
ｃ）クランクケース排気システムは、第１の導管及び第２の導管内のクランクケースガスの流量を制御する流量制御手段を有していることを特徴とするクランクケース通気システムが提供される。
このシステムはクランクケースガス中の油の量を減少させる油分離器を更に有するのが通例である。
【０００９】
特に有利には、流量制御手段は、第１の増圧段が供給空気の圧力を増大しているとき、クランクケースガスの流れを第１の導管に差し向け、第１の増圧段が供給空気の圧力を増大させていないとき、クランクケースガスの流れを第２の導管に差し向けるよう構成される。これにより、多数の利点が得られる。第１に、第１の増圧段を第２の増圧段よりも低圧で作動させるシステムでは、これは、第１の増圧段を通るクランクケースガスの量を最小限に抑えるのに役立つ場合がある。第２に、第１の増圧段が稼働中の場合、この第１の増圧段の下流側の圧力は一般に増大することになる。かくして、クランクケース通気システムが、第１の導管又は第２の導管内のクランクケースガスの流れを促進する手段を有することは必要ではない。というのは、クランクケースガスは、第１の増圧段の上流側にのみ導入できるからである。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態では、流量制御手段は、制御弁である。第１の導管と第２の導管の両方は、制御弁から吸気システムまで延びている。第１の導管は、第１の増圧段の上流側の第１の場所で吸気システムに結合され、第２の導管は、第１の増圧段と第２の増圧段との間の第２の場所で吸気システムに結合される。
【００１１】
また、本発明の好ましい実施形態では、クランクケース排気システムは、第３の導管を有し、第３の導管は、クランクケースから制御弁まで延びている。
制御弁は、クランクケースガスを必要に応じて第１の導管又は第２の導管を通って吸気システムに導入するよう自動的に作動される自動化弁であるのがよい。
【００１２】
好ましくは、制御弁は、上記導管内の圧力差によって受動的に作動する。これにより、弁を作動させる電子制御システム又は電気機械的アクチュエータを設ける必要がないという利点が得られる。
制御弁は又、圧力調整制御弁、即ち、弁前後の圧力差により作動される弁であるのがよく、その結果、弁が第１の導管及び第２の導管に送られるクランクケースガスの比率を変えることになる。
【００１３】
本発明は又、本発明のクランクケース通気システムを有する内燃機関を提供する。
また、本発明によれば、内燃機関のクランクケースを通気する方法であって、エンジンが、クランクケースと、吸気システムと、第１の増圧段及び第２の増圧段を含むエンジン給気増圧システムと、クランクケースと吸気システムの両方に連結されたクランクケース排気システムとを有し、クランクケース排気システムは、流量制御手段を有し、上記方法は、
ｉ）吸気システムを用いて空気をエンジンに供給する段階と、
ｉｉ）第１の増圧段及び第２の増圧段を用いて上記供給空気の圧力を増大させる段階と、
ｉｉｉ）クランクケース排気システムを用いてクランクケースガスをクランクケースから引き出して、上記クランクケースガスを吸気システムに導入する段階と、
ｉｖ）流量制御手段を用いて吸気システム内の複数の場所のところにおける吸気システム内への上記クランクケースガスの導入状態を制御する段階とを有し、上記場所は、第１の増圧段の上流側に位置する第１の場所及び第１の増圧段の下流側であって第２の増圧段の上流側に位置する第２の場所を含むことを特徴とする通気方法が提供される。
【００１４】
この場合、クランクケースガスの流れを、第１の増圧段が供給空気の圧力を増圧しているときに第１の場所に、第１の増圧段が供給空気の圧力を増圧していないときには第２の場所に差し向けるよう流量制御手段を構成するのがよい。
本発明の内容を、添付の図面を参照して例示として以下に詳細に説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
エンジン２は、圧縮点火又は火花点火方式のエンジンであり、クランクケース６の上方に位置した多数のシリンダ４を有している。エンジン２は、吸入空気８を吸気マニホルド１０を経てシリンダ４に供給する吸気システム５を有している。燃料噴射システム１２を経て燃料をシリンダ４に供給することができる。
エンジン２は、排出ガス１６をシリンダ４から出す排気マニホルド１４を更に有している。
【００１６】
吸入空気８は、二段エンジン給気増圧システムを通って吸気マニホルド１０に達し、この二段エンジン給気増圧システムは、エンジン排気駆動式ターボチャージャ２０の上流側に設けられた電動式スーパーチャージャ１８を有している。スーパーチャージャ１８は、空気を圧縮する回転インペラ２１を有し、このインペラは、密閉型玉軸受（図示せず）に取り付けられている。
【００１７】
ターボチャージャ２０の下流側にはインタクーラ２２が設けられ、このインタクーラは、吸気マニホルド１０内の吸入空気８の密度を高めるために圧縮空気２４の温度を減少させる。
ターボチャージャ２０は、シリンダ４に供給された空気の量を増大させることにより従来方法で動作する。かかる過給システムは、排出ガス１６の流れがいったん排出ガスタービン２６を駆動するのに十分になると、或る特定の最小エンジンｒｐｍ、例えば１，５００〜２，０００ｒｐｍよりも高いｒｐｍで有効になる。この結果、「ターボラグ（turbo-lag ）」と呼ばれる現象が生じることになり、かかるターボラグ中、エンジントルクはエンジンがかなり大きな過給が得られる最小ｒｐｍに達するまで運は転手の需要に対して比較的非応答性である。
【００１８】
したがって、エンジン２は、電動式スーパーチャージャ１８を備えており、このスーパーチャージャ１８は、運転手の需要に従ってエンジントルクを増大させるため低エンジン速度で間欠的に稼働するに過ぎない。しかしながら、スーパーチャージャ１８は、自動車電気系統３０から相当多量の、例えば最高３００Ａの電流２８を消費する。これは、典型的な自動車用電気系統３０が連続的に給電することが見込まれる量よりも大きい。したがって、ターボチャージャ２０が吸入空気８を圧縮して運転手の需要に応えることができる点にエンジンｒｐｍがいったん達すると、スーパーチャージャ１８を非作動状態にする。
【００１９】
この例では、スーパーチャージャ１８とターボチャージャ２０の両方は、空気バイパス３２，３４を備えている。スーパーチャージャのバイパス３２は、スーパーチャージャ１８を通り、そしてこれを越える空気の流れを制御するバイパス弁３６を有している。これと同様に、ターボチャージャ２０は、ターボチャージャ２０が使用されていないとき、空気が排気ガスタービン２６をバイパスすることができるようにするために、そしてターボチャージャが完全使用状態にあるとき、圧力及びターボチャージャの速度を制限するためにウエストゲートバルブ３８を有している。
【００２０】
しかしながら、エンジンがディーゼルエンジンである場合、ターボチャージャは、必要なあらゆる作動条件に適合するよう可変流量／圧力特性を備えた可変ノズルターボ過給機（ＶＧＴ）を備えるのがよいことは注目されるべきである。ウエストゲートバイパスは、かかるＶＧＴ装置では不要である。
【００２１】
エンジン２は、クランクケース排気システム４０を有し、このクランクケース排気システムにより、クランクケースガス４２をクランクケース６から排出し、これを吸入空気８の一部として吸気システム５内へ送り戻すことができる。クランクケース排気システム４０は、排気導管４４を有し、この排気導管４４により、クランクケースガス４２は、クランクケース６から引き出される。排気導管４４は、圧力制御二方弁４６に通じている。２つの別の導管、即ち第１の導管４８及び第２の導管５０がそれぞれ、二方弁４６から延びていて、２つの場所で吸気システム５に繋がっており、これら場所のうちの一方５２は、スーパーチャージャ１８の上流側に位置し、他方の場所５４は、スーパーチャージャ１８の下流側であってターボチャージャ２０の上流側に位置している。
【００２２】
この構成により、幾つかの問題が解決され、クランクケースガス４２を吸気システム５内の単一の場所にだけ再循環させるクランクケース通気システムと比べて多数の利点が得られる。クランクケースガス４２を給気増圧装置１８，２０のうちの一方の下流側に導入する方式に関する大きな問題は、かかる増圧装置１８，２０を付勢すると、吸気システム５のその場所の圧力が一般にクランクケース６内部の圧力よりも高くなるということにある。排気導管４４を通ってクランクケース６に戻る加圧空気の流れを防止する逆止弁を設けることが可能ではあるが、クランクケースガス４２を、増圧装置１８，２０により生じる圧力に抗して排気導管４４に沿って圧送するポンプを設けないで、クランクケースガス４２をクランクケース６から排気するのは可能ではない。
【００２３】
この問題の一解決策は、クランクケースガス４２を両方の増圧装置１８，２０の上流側の場所５２のところに常時導入することであろう。しかしながら、これにより吸気システム５の全体設計に多くの実用上の問題が生じることが判明している。第１に、一般に、エンジンに供給される空気の量を測定する空気質量流量センサ（ＭＡＦ）５６を設けることが望ましい。空気質量流量センサ５６は、増圧装置１８，２０の上流側に設けられる。この場合、空気質量流量センサ５６は、吸気システム５に流入する非圧縮状態の、したがって非加熱状態の空気５８の量を測定する。これにより、空気質量流量の信頼性のより高い測定が可能になる。しかしながら、クランクケースガス４２は、かかるガスが吸気システム５に導入される場所５２が空気質量流量センサ５６に十分近く位置していると、空気質量流量センサ５６を激しく汚染する場合のある燃焼粒子及び油蒸気を含んでいる。これは、非圧縮吸入空気５８の量が少ないとき、例えばエンジン２がアイドリング状態にあるとき、或いは給気増圧が突然停止したときに特に問題である。
【００２４】
原理的には場所５２と空気質量流量センサ５６との間の導管６０をかかる汚染の恐れを最小限に抑えるのに十分長尺に形成することが可能であるが、実際には、代表的な現代の自動車のエンジンコンパートメント内部のスペースの大きさは、非常に限られており、かかる導管の長さをできるだけ最小限に抑えることがかねてより要望されている。
【００２５】
第２に、上流側増圧装置１８がスーパーチャージャの場合、再循環したクランクケースガス４２中の排出ガス成分及び油蒸気が電動式スーパーチャージャ１８内に用いられているモータ軸受を汚染してこれを劣化させる恐れがある。かかる軸受は通常、密閉型玉軸受である。原理的には例えば油供給式平軸受を用いることによりかかる劣化に対して十部に保護される軸受を得ることが可能であるが、エンジンからかかる軸受への油供給手段を構成することは困難である。
【００２６】
したがって、二段増圧システムのあらゆる動作モードについて排出ガス４２を場所５２か場所５４かのいずれかにだけ導入すると、解決するのに費用が高くつき、又は解決するのが困難な多くの問題が生じる。
【００２７】
本発明は、第１の増圧装置１８が吸入空気８を加圧していないときに、クランクケースガス４２を第１の増圧装置１８の下流側に位置するが、第２の増圧装置２０の上流側に位置する場所５４に差し向ける（符号６２で示されている）弁４６を用いることにより、上記問題を実質的に解決し、又は解消する。この動作モード中、ポンプが排出導管４４に沿う吸気システム５内へのクランクケースガス４２の流れを生じさせるポンプを必要としない。
【００２８】
スーパーチャージャ１８を付勢し、吸気システム５内の場所５４のところの圧力が上昇すると、弁４６を自動的に作動させて第２の導管５０に沿うクランクケースガスの逆流を遮断し、クランクケースガス４２がスーパーチャージャ１８の上流側の場所５２まで第１の導管４８に沿って流れるようこれを差し向ける（符号６４で示されている）。スーパーチャージャを作動させるので、空気質量流量センサ５６を通る非加圧状態の吸入空気５８の相当多くの流れが生じることになり、たとえ導管６０が短くても、これによりクランクケースガス４２，６４に起因する汚染が空気質量流量センサ５６に達しないようになる。また、増量した吸入空気の流れ５８は、再循環したクランクケースガス４２，６４を稀釈し、これをスーパーチャージャ１８中へ押し込み、それによりかかるガスがスーパーチャージャ内のモータ軸受に及ぼす影響を減少させるのにも役立つことになる。さらに、スーパーチャージャ１８は、ターボチャージャ２０が低エンジン速度においてそれほど増圧作用を発揮していない場合に、ターボラグに対処するよう間欠的に使用されるに過ぎないので、クランクケースガス４２，６４は、スーパーチャージャ１８の上流側の場所５２では、間欠的に、しかもエンジンの全作動時間のうち比較的僅かな部分の間、導入されるに過ぎない。エンジン作動時間のうちの大部分の間、クランクケースガス４２，６４は、スーパーチャージャ１８の下流側であってターボチャージャ２０の上流側に位置する場所５４のところで吸気システム５に導入される。
【００２９】
したがって、本発明により、エンジンが二段給気増圧システム１８，２０を有している場合、エンジンクランクケース６を通気する便利且つ経済的な方式が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の一部として本発明のクランクケース通気システムを有する自動車の一部の略図である。
【符号の説明】
２ 内燃機関（エンジン）
４ シリンダ
５ 吸気システム
６ クランクケース
８ 吸入空気
１０ 吸気マニホルド
１４ 排気マニホルド
１６ 排出ガス
１８ スーパーチャージャ
２０ ターボチャージャ
４０ 排気システム
４２ クランクケースガス
４８，５０ 導管
５６ 空気質量流量センサ

Claims (15)

1. 内燃機関用のクランクケース通気システムであって、エンジンに空気を供給する吸気システムと、前記供給空気の圧力を増大させるエンジン給気増圧システムと、クランクケースガスをクランクケースから引き出して、該ガスを吸気システム中へ導入するクランクケース排気システムとを有し、
   ａ）給気増圧システムは、連続して位置する第１の増圧段と第２の増圧段を有し、第１の増圧段は、第２の増圧段の上流側に位置し、
   ｂ）クランクケース排気システムは、クランクケースガスを吸気システム中に導入する第１の導管と第２の導管を有し、第１の導管は、前記ガスを第１の増圧段の上流側に導入し、第２の導管は、前記ガスを第１の増圧段の下流側であって第２の増圧段の上流側に導入し、
   ｃ）クランクケース排気システムは、第１の導管及び第２の導管内のクランクケースガスの流量を制御する流量制御手段を有している、
   クランクケース通気システム。
2. 流量制御手段は、第１の増圧段が供給空気の圧力を増大しているとき、クランクケースガスの流れを第１の導管に差し向け、第１の増圧段が供給空気の圧力を増大させていないとき、クランクケースガスの流れを第２の導管に差し向けるよう構成されている、請求項１記載のクランクケース通気システム。
3. 流量制御手段は制御弁である、請求項１又は２記載のクランクケース通気システム。
4. 第１の導管と第２の導管の両方は、制御弁から吸気システムまで延びている、請求項３記載のクランクケース通気システム。
5. クランクケース排気システムは、第３の導管を有し、前記第３の導管は、クランクケースから制御弁まで延びている、請求項４記載のクランクケース通気システム。
6. 制御弁は自動化弁である、請求項３〜５のうちいずれか一に記載のクランクケース通気システム。
7. 制御弁は、前記導管内の圧力差によって受動的に作動する、請求項３〜６のうちいずれか一に記載のクランクケース通気システム。
8. 制御弁は、圧力調整制御弁である、請求項３〜７のうちいずれか一に記載のクランクケース通気システム。
9. 第１の増圧段は、電動式スーパーチャージャであり、第２の増圧段は、排気ガス駆動ターボチャージャである、請求項１〜８のうちいずれか一に記載のクランクケース通気システム。
10. スーパーチャージャは、給気を圧縮する回転インペラを有し、インペラは、密閉型玉軸受に取り付けられている、請求項９記載のクランクケース通気システム。
11. クランクケース排気システムは、第１の導管又は第２の導管内におけるクランクケースガスの流れを促進する手段を備えていない、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載のクランクケース通気システム。
12. エンジンへの空気の供給量を測定する空気質量流量センサをさらに有し、前記センサは、第１の増圧段の上流側に設けられている、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載のクランクケース通気システム。
13. クランクケース通気システムを有する内燃機関であって、前記通気システムが、請求項１〜請求項１２に記載されたものである、内燃機関。
14. 内燃機関のクランクケースを通気する方法であって、エンジンが、クランクケースと、吸気システムと、第１の増圧段及び第２の増圧段を含むエンジン給気増圧システムと、クランクケースと吸気システムの両方に連結されたクランクケース排気システムとを有し、クランクケース排気システムは、流量制御手段を有し、前記方法は、
    ｉ）吸気システムを用いて空気をエンジンに供給する段階と、
    ｉｉ）第１の増圧段及び第２の増圧段を用いて前記供給空気の圧力を増大させる段階と、
    ｉｉｉ）クランクケース排気システムを用いてクランクケースガスをクランクケースから引き出して、前記クランクケースガスを吸気システムに導入する段階と、
    ｉｖ）流量制御手段を用いて吸気システム内の複数の場所のところにおける吸気システム内への前記クランクケースガスの導入状態を制御する段階とを有し、前記場所は、第１の増圧段の上流側に位置する第１の場所及び第１の増圧段の下流側であって第２の増圧段の上流側に位置する第２の場所を含む、
    通気方法。
15. 流量制御手段は、第１の増圧段を稼働させているときに、クランクケースガスを第１の場所に導入し、第１の増圧段を稼働させていないときにはクランクケースガスを第２の場所に導入する、請求項１４記載の方法。

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