JP4986168B2

JP4986168B2 - ブローバイガス処理装置

Info

Publication number: JP4986168B2
Application number: JP2008180191A
Authority: JP
Inventors: 孝志羽島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-07-10
Also published as: JP2010019158A

Description

本発明は、過給機が組み込まれた内燃機関におけるブローバイガス処理装置に関する。

エンジンの燃焼室からクランクケース内に漏れるブローバイガスは、燃料中の未燃成分を含んでいるため、これを再びエンジンの吸気経路に戻して燃焼させる必要がある。このためのクランクケース内を含むクランク室の換気システムが特許文献１や特許文献２に開示されている。

特許文献１は、過給機のコンプレッサよりも上流側の吸気通路とクランク室とに連通する吸気導入通路を設けた構造を具えている。これは、吸気通路内が負圧状態の際にクランク室に介在するブローバイガスを吸気通路内に導入することにより、クランク室を換気する。

特許文献２は、過給機のコンプレッサよりも上流側の吸気通路とクランク室とに連通する吸気導入通路の途中にポンプを組み込んだものである。これによると、過給時にポンプを駆動してクランク室に介在するブローバイガスを吸気通路内に供給し、これによってクランク室を換気している。

特開２００４−６０４７５号公報特開２００８−１２１５２０号公報

過給機が組み込まれた特許文献１，特許文献２において、エンジンの比較的高回転運転領域ではブローバイガスの換気を充分に行うことが可能である。しかしながら、高負荷低回転運転領域、例えば２０００rpm程度の場合には、吸気通路とクランク室との間の差圧が少なくなってしまい、ブローバイガスの換気を充分に行うことができなくなる。過給圧を利用して吸気通路を流れる吸気をクランク室内に供給することも可能であるが、この場合にはクランク室が大気圧を越えてしまうことになり、種々の問題が発生する。

本発明の目的は、過給機を設けたエンジンが高負荷低回転運転領域にあってもクランク室を大気圧以下に保持した状態でブローバイガスの換気を充分に行い得る装置を提供することにある。

本発明によるブローバイガス処理装置は、過給機のコンプレッサよりも上流側の吸気通路に一端が連通すると共にこれよりもさらに前記吸気通路の上流側に他端が連通する分岐通路と、この分岐通路の途中に形成された絞り部と、この絞り部およびクランク室に連通する第１換気通路と、過給機のコンプレッサよりも下流側の前記吸気通路およびクランク室に連通する第２換気通路と、前記分岐通路を開閉するための開閉弁と、過給機のコンプレッサよりも下流側の吸気通路の圧力を検出する吸気圧センサと、この吸気圧センサからの検出信号に基づいて前記開閉弁の開閉を制御する制御手段とを具え、前記制御手段は、吸気通路が正圧の場合に前記開閉弁を開弁状態に保持し、逆に吸気通路が負圧の場合に前記開閉弁を閉弁状態に保持することを特徴とするものである。

本発明においては、吸気通路の圧力が正圧、つまり過給状態の場合、分岐通路を流れる吸気の流速が高まる。この結果、絞り部のベンチュリ効果によってクランク室のブローバイガスが第１換気通路から分岐通路へと吸い出され、吸気通路へと流れ込んで内燃機関の燃焼室側に供給される。また、正圧状態にある吸気通路の吸気が第２換気通路を介して減圧傾向となるクランク室へと供給され、クランク室の換気が行われることとなる。

一方、吸気通路の圧力が負圧、つまり非過給状態の場合、クランク室のブローバイガスが第２換気通路から吸気通路へと吸い出され、内燃機関の燃焼室側へと供給される。同時に、分岐通路に介在する吸気が第１換気通路を介して減圧傾向となったクランク室へ供給され、クランク室の換気が行われることとなる。

本発明によるブローバイガス処理装置において、開閉弁を絞り部よりも下流側の分岐通路に設けることができる。

クランク室がヘッドカバー内の空間およびこのヘッドカバー内の空間に連通路を介して連通するクランクケース内の空間とを含み、第１換気通路がヘッドカバー内の空間に連通すると共に第２換気通路がクランクケース内の空間に連通するものであってよい。

本発明のブローバイガス処理装置によると、過給機のコンプレッサよりも上流側の吸気通路に一端が連通すると共にこれよりもさらに吸気通路の上流側に他端が連通する分岐通路と、この分岐通路の途中に形成された絞り部と、この絞り部およびクランク室に連通する第１換気通路と、過給機のコンプレッサよりも下流側の吸気通路およびクランク室に連通する第２換気通路とを具えているので、第１換気通路および第２換気通路を介してクランク室の換気を行うことができる。

また、分岐通路を開閉するための開閉弁と、過給機のコンプレッサよりも下流側の吸気通路の圧力を検出する吸気圧センサと、この吸気圧センサからの検出信号に基づいて開閉弁の開閉を制御する制御手段とを具えているので、過給機のコンプレッサよりも下流側の吸気通路の圧力に基づいて制御手段が開閉弁を駆動して分岐通路を開閉させることができる。この結果、吸気通路が大気圧よりも低い負圧状態の場合に分岐通路から第１換気通路への吸気の吸い込みを円滑に行うことが可能となり、さらに効率の良いブローバイガス処理装置を実現することができる。

しかも、開閉弁が開弁状態の場合に吸気通路側からクランク室側への吸気の流動のみ許容し、逆に開閉弁が閉弁状態の場合にクランク室側から吸気通路側へのブローバイガスの流動のみ許容する制御弁を具えているので、吸気およびブローバイガスを意図した通りに第２換気通路に流すことができる。つまり、吸気通路が正圧の場合に開閉弁を開弁状態に保持し、逆に吸気通路が負圧の場合に開閉弁を閉弁状態に保持することにより、常にブローバイガスの換気を行うことが可能となり、さらに効率の良いブローバイガス処理装置を実現することができる。

開閉弁が絞り部よりも下流側の分岐通路に設けられている場合、吸気通路が負圧の場合に分岐通路から第１換気通路への吸気の流入を円滑に行うことができる。

クランク室がヘッドカバー内の空間およびこのヘッドカバー内の空間に連通路を介して連通するクランクケース内の空間とを含み、第１換気通路がヘッドカバー内の空間に連通すると共に第２換気通路がクランクケース内の空間に連通している場合、ヘッドカバー内の空間を利用してクランクケース内のブローバイガスを常に吸気通路へと排出させることができる。

本発明によるブローバイガス処理装置を火花点火方式の内燃機関が搭載された車両に応用した実施形態について、そのシステムの概念を模式的に表す図１およびその主要部の制御ブロックを表す図２を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、軽油を燃料噴射弁から圧縮状態にある燃焼室内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火方式の内燃機関が搭載された車両に適用することも当然可能であることは言うまでもない。

本実施形態におけるエンジン１０は、ガソリンやアルコールまたはこれらの混合物あるいはＬＮＧ（液化天然ガス）などの燃料を燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に直接噴射し、点火プラグ１３によって着火させる火花点火方式の多気筒内燃機関である。しかしながら、本発明の特性上、単気筒の内燃機関であってもかまわない。このエンジン１０には、ターボ過給機１４と、ブローバイガス処理装置１５とが組み込まれている。

本実施形態におけるターボ過給機１４は、排気通路１６内を流れる排気の運動エネルギーを利用して燃焼室１２への過給を行うものであり、コンプレッサ１７とこのコンプレッサ１７と一体に回転するタービン１８とで主要部が構成されている。コンプレッサ１７は、図示しないサージタンクよりも下流側に位置する吸気管１９の途中に組み込まれている。タービン１８は、排気ポート２０に連通するようにシリンダヘッド２１に連結されて排気ポート２０と共に排気通路１６を画成する排気管２２の途中に組み込まれている。

本実施形態におけるブローバイガス処理装置１５は、途中に絞り部２３が形成された分岐通路２４と、この分岐通路２４の開閉弁２５と、第１および第２換気通路２６，２７と、第２換気通路２７に対する制御弁２８と、吸気圧センサ２９と、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０とを具えている。

分岐通路２４は、ターボ過給機１４のコンプレッサ１７よりも上流側の吸気通路３１に一端が連通すると共にこれよりもさらに吸気通路３１の上流側に他端が連通する。本実施形態では、分岐通路２４の一端が吸気通路３１の中央部にて吸気の流れに沿って下流側を向くように配されている。開閉弁２５は、分岐通路２４を開閉するためのものであり、絞り部２３よりも下流側の分岐通路２４に組み付けられ、ＥＣＵ３０によってその開閉動作が制御される。第１換気通路２６は、絞り部２３とクランク室３２の一部を構成するヘッドカバー３３内の空間とに連通している。第２換気通路２７は、ターボ過給機１４のコンプレッサ１７よりも下流側の吸気通路３１とクランクケース３４内の空間とに連通している。なお、ヘッドカバー３３内の空間とクランクケース３４内の空間とは、シリンダブロック３５およびシリンダヘッド２１を貫通する連通路３６を介して連通状態となっており、これらが本発明におけるクランク室３２を構成している。制御弁２８は、第２換気通路２７に関して吸気またはブローバイガスの流れる方向を規制する機能を有し、ＥＣＵ３０によりその機能が切り換えられる。また、本実施形態における制御弁２８は、第２換気通路２７の開度も調整可能であり、これもＥＣＵ３０によってその開度が制御されるようになっている。吸気圧センサ２９は、吸気通路３１と第２換気通路２７との接続部分よりも吸気管１９の上流側に組み付けられてターボ過給機１４のコンプレッサ１７よりも下流側の吸気通路３１の圧力を検出し、その検出信号をＥＣＵ３０に出力する。本発明の制御手段としてのＥＣＵ３０は、吸気圧センサ２９からの検出信号に基づいて開閉弁２５の開閉および制御弁２８の作動を制御するが、その詳細については後述する。

燃焼室１２にそれぞれ臨む吸気ポート３７および排気ポート２０が形成されたシリンダヘッド２１には、吸気ポート３７を開閉する吸気弁３８および排気ポート２０を開閉する排気弁３９を含む動弁機構が組み込まれている。先の燃料噴射弁１１や、燃焼室１２内の混合気を着火させる点火プラグ１３およびこの点火プラグ１３に火花を発生させるイグニッションコイル４０もシリンダヘッド２１に組み込まれている。本実施形態における燃料噴射弁１１は、燃料を燃焼室１２内に直接噴射する直噴形式のものを採用しているが、吸気ポート３７内に噴射するポート噴射形式のものを採用することも可能である。

吸気ポート３７に連通するようにシリンダヘッド２１に連結されて吸気ポート３７と共に吸気通路３１を画成する吸気管１９の上流端側には、大気中に含まれる塵埃などを除去して吸気通路３１に導くためのエアクリーナ４１が設けられている。このエアクリーナ４１と先の分岐通路２４の他端との間の吸気管１９の途中には、吸気通路３１内を流れる吸気流量を検出してこれをＥＣＵ３０に出力するエアフローメータ４２が取り付けられている。また、ターボ過給機１４のコンプレッサ１７よりも下流側の吸気管１９の途中には、このコンプレッサ１７を通過した吸気を冷却して吸気の充填効率を向上させるためのインタークーラ４３が介装されている。

このインタークーラ４３よりも下流であって、かつ先の吸気圧センサ２９の取り付け位置よりも上流側の吸気管１９の途中には、運転者によって操作されるアクセルペダル４４の踏み込み量に基づき、スロットルアクチュエータ４５を介して吸気通路３１の開度を調整するためのスロットル弁４６が組み込まれている。これに伴い、アクセルペダル４４には、その踏み込み量を検出するためのアクセル開度センサ４７が付設され、その検出情報がＥＣＵ３０に出力されるようになっている。本実施形態では、アクセルペダル４４の踏み込み動作と、スロットル弁４６の開閉動作とを機械的に切り離し、スロットルアクチュエータ４５を用いてスロットル弁４６の開閉動作を電気的に制御できるようにしているが、アクセルペダル４４とスロットル弁４６とを機械的に連結したものであってもよい。この場合には、スロットルアクチュエータ４５が不要となる。

ピストン４８が往復動するシリンダブロック３５には、連接棒４９を介してピストン４８が連結されるクランク軸５０の回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ３０に出力するクランク角センサ５１が取り付けられている。

ターボ過給機１４のタービン１８よりも下流の排気管２２の途中には、燃焼室１２内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための三元触媒５２が組み込まれている。なお、この三元触媒５２を排気通路１６に沿って直列に複数個組み込んだり、他の形式の触媒を組み込むことも有効である。

従って、エアクリーナ４１を通って吸気管１９から燃焼室１２内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に噴射される燃料と混合気を形成し、点火プラグ１３の火花により着火して燃焼し、これによって生成する排気ガスが三元触媒５２を通って排気管２２から大気中に排出される。

ＥＣＵ３０は、上述したセンサ２９，４７，５１およびエアフローメータ４２からの検出情報などに基づき、予め設定されたプログラムに従って円滑なエンジン１０の運転がなされるように、燃料噴射弁１１やイグニッションコイル４０などの作動を制御する。このため、ＥＣＵ３０は、車両の運転状態を判定するための運転状態判定部５３の他、燃料噴射量設定部５４，噴射弁駆動部５５，点火時期設定部５６，点火駆動部５７，弁駆動部５７を具えている。

燃料噴射量設定部５４は、運転状態判定部５３からの運転状態に基づき、スロットル弁４６の開度に応じた吸気量に対して所定の割合となるように、燃料噴射弁１１からの基本となる燃料の噴射量を各気筒毎に設定する。より具体的には、エアフローメータ４２やクランク角センサ５１およびアクセル開度センサ４７からの検出信号などに関する情報が運転状態判定部５３から燃料噴射量設定部５４へと出力される。そして、ここで設定された燃料噴射量に関する情報が噴射弁駆動部５５へと出力される。

噴射弁駆動部５５は、燃料噴射量設定部５４にて設定された噴射燃料量が燃焼室１２内に供給されるように、燃料噴射弁１１の作動を制御する。

点火時期設定部５６も同様に、運転状態判定部５３からの運転情報、より具体的にはアクセル開度センサ４７およびクランク角センサ５１などからの検出信号に基づき、イグニッションコイル４０に対する通電時期を各気筒毎に設定する。そして、ここで設定された点火時期に関する情報が点火駆動部５７へと出力される。

点火駆動部５７は、点火時期設定部５６にて設定された点火時期にて点火プラグ１３がスパークを発するように、イグニッションコイル４０の作動を制御する。

弁駆動部５７は、吸気圧センサ２９からの出力に基づき、開閉弁２５の開閉および制御弁２８の機能を切り換える。より具体的には、吸気通路３１が正圧の場合に開閉弁２５を開弁状態に保持し、逆に吸気通路３１が負圧の場合に開閉弁２５を閉弁状態に保持する。また、開閉弁２５が開弁状態の場合に吸気通路３１側からクランク室３２側への吸気の流動のみ許容し、逆に開閉弁２５が閉弁状態の場合にクランク室３２側から吸気通路３１側へのブローバイガスの流動のみ許容するように、制御弁２８の作動を切り換える。

従って、エンジン１０がターボ過給機１４による過給状態にある場合、スロットル弁４６よりも下流側の吸気通路３１が正圧状態、つまり大気圧以上となって開閉弁２５が開弁状態となる。この結果、吸気の一部が分岐通路２４の他端から分岐通路２４へ導かれ、この分岐通路２４を通過することとなる。この時、絞り部を通過する際の吸気の流速が高まり、ベンチュリ効果によってヘッドカバー３３内に介在するブローバイガスが第１換気通路２６を介し分岐通路２４に引き込まれ、吸気通路３１を介してエンジン１０の燃焼室１２へと供給される。同時に、制御弁２８が吸気通路３１側からクランクケース３４側への吸気の流動のみ許容する状態となり、スロットル弁４６よりも下流側の吸気通路３１に介在する吸気の一部が減圧、負圧状態となるクランクケース３４内の空間に供給される。このようにして、吸気通路３１内の吸気の一部が第２換気通路２７からクランクケース３４内の空間に導かれ、同時にクランクケース３４およびこのクランクケース３４に連通路３６を介して連通するヘッドカバー３３内に介在するブローバイガスが第１換気通路２６から分岐通路２４側に吸い出される。

一方、エンジン１０が非過給状態にある場合、スロットル弁４６よりも下流側の吸気通路３１が負圧状態、つまり大気圧以下となって開閉弁２５が閉弁状態となる。同時に、制御弁２８がクランクケース３４側から吸気通路３１側への吸気の流動のみ許容する状態となり、クランクケース３４内のブローバイガスが第２換気通路２７から吸気通路２４へと吸い出され、エンジン１０の燃焼室１２へと供給される。これに伴い、クランクケース３４内および連通路３６を介してヘッドカバー３３内が減圧状態となるため、分岐通路２４に介在する吸気の一部が第１換気通路２６を介してヘッドカバー３３内へと引き込まれる。このようにして、クランクケース３４およびこのクランクケース３４に連通路３６を介して連通するヘッドカバー３３内に介在するブローバイガスが第２換気通路２７から吸気通路３１内に吸い出され、同時に分岐通路２４に介在する吸気が第１換気通路２６からクランクケース３４内の空間に導かれる。

何れの場合においても、クランク室３２の換気を継続的に行うことができる。

なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。例えば、過給機付き内燃機関の燃料供給系に配されるキャニスタから生ずる揮発性のいわゆる生ガスの処理に関し、過給時にこの生ガスを吸引することができないという従来技術の課題に対して本発明の構成を転用することも可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。

本発明を火花点火内燃機関が搭載された車両に応用した一実施形態の概念図である。図１に示した実施形態における制御ブロック図である。

符号の説明

１０エンジン
１１燃料噴射弁
１２燃焼室
１３点火プラグ
１４ターボ過給機
１５ブローバイガス処理装置
１６排気通路
１７コンプレッサ
１８タービン
１９吸気管
２０排気ポート
２１シリンダヘッド
２２排気管
２３絞り部
２４分岐通路
２５開閉弁
２６第１換気通路
２７第２換気通路
２８制御弁
２９吸気圧センサ
３０ＥＣＵ
３１吸気通路
３２クランク室
３３ヘッドカバー
３４クランクケース
３５シリンダブロック
３６連通路
３７吸気ポート
３８吸気弁
３９排気弁
４０イグニッションコイル
４１エアクリーナ
４２エアフローメータ
４３インタークーラ
４４アクセルペダル
４５スロットルアクチュエータ
４６スロットル弁
４７アクセル開度センサ
４８ピストン
４９連接棒
５０クランク軸
５１クランク角センサ
５２三元触媒
５３運転状態判定部
５４燃料噴射量設定部
５５噴射弁駆動部
５６点火時期設定部
５７点火駆動部
５８弁駆動部

Claims

過給機のコンプレッサよりも上流側の吸気通路に一端が連通すると共にこれよりもさらに前記吸気通路の上流側に他端が連通する分岐通路と、
この分岐通路の途中に形成された絞り部と、
この絞り部およびクランク室に連通する第１換気通路と、
過給機のコンプレッサよりも下流側の前記吸気通路およびクランク室に連通する第２換気通路と、
前記分岐通路を開閉するための開閉弁と、
過給機のコンプレッサよりも下流側の吸気通路の圧力を検出する吸気圧センサと、
この吸気圧センサからの検出信号に基づいて前記開閉弁の開閉を制御する制御手段と
を具え、前記制御手段は、吸気通路が正圧の場合に前記開閉弁を開弁状態に保持し、逆に吸気通路が負圧の場合に前記開閉弁を閉弁状態に保持することを特徴とするブローバイガス処理装置。
前記開閉弁は、前記絞り部よりも下流側の前記分岐通路に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のブローバイガス処理装置。
前記開閉弁が開弁状態の場合に吸気通路側からクランク室側への吸気の流動のみ許容し、逆に前記開閉弁が閉弁状態の場合にクランク室側から吸気通路側へのブローバイガスの流動のみ許容する制御弁をさらに具えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のブローバイガス処理装置。
クランク室は、ヘッドカバー内の空間およびこのヘッドカバー内の空間に連通路を介して連通するクランクケース内の空間とを含み、前記第１換気通路がヘッドカバー内の空間に連通すると共に前記第２換気通路がクランクケース内の空間に連通していることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のブローバイガス処理装置。