JP5093676B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。

ピストンとシリンダとの隙間からクランクケースに漏れる未燃燃料を含むいわゆるブローバイガスが、クランクケース内のオイルに混入すると、オイルの劣化を著しく促進させることが知られている。

このため、クランクケース内のブローバイガスを吸気系に導入して、ブローバイガスに含まれる未燃燃料を燃焼させるＰＣＶ（Positive Crankcase Ventilation）装置が知られいてる（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２は、クランクケース内のガスをポンプで吸引し吸気系へ直接還流させる技術を開示している。

特開２００３−３２２０５２号公報 特開２００１−１６４９１８号公報

ところで、クランクケース内のガスには、潤滑油としてのオイル成分が含まれており、ガス還流通路にガスに含まれるオイル成分を分離するオイルミストセパレータを設ける必要がある。

しかしながら、オイルミストセパレータはいわゆるラビリンス構造を内蔵しており、その内部で圧損が生じる。このため、減圧下で揮発した未燃燃料が再び凝縮し、オイルミストセパレータのオイル戻し通路からオイルパン（クランクケース）内へ戻されてしまう。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、クランクケース内の未燃燃料を効率良く除去してオイル劣化を抑制できる内燃機関を提供することにある。

本発明に係る内燃機関は、クランクケース内のガスを吸気系又は排気系へ環流させるガス環流機構を備えた内燃機関であって、前記ガス環流機構は、ガス環流通路に設けられた前記クランクケース内のガスを吸引してクランクケース内を減圧するためのポンプと、前記ポンプと前記クランクケースとの間に設けられ、前記ポンプにより吸引されるガスに含まれるオイル成分を分離するためのオイルミストセパレータと、を有することを特徴とする。

上記構成において、燃料噴射量及び前記クランクケース内のオイルの温度の少なくとも１つに基いてクランクケース内の圧力が目標圧力となるように前記ポンプの出力を制御するポンプ制御手段をさらに有する、構成を採用できる。

上記構成において、前記ポンプと前記オイルミストセパレータと間の前記ガス環流通路から分岐しして前記吸気系又は排気系と連通するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ、前記クランクケース内と前記吸気系又は排気系との差圧に応じて開くＰＣＶバルブと、前記クランクケースからのガスの流れを前記ガス環流通路と前記バイパス通路とのいずれかに切替える切替手段と、をさらに有する構成を採用できる。

上記構成において、前記クランクケース内のオイルに関する情報に基いて、前記切替手段を制御する切替制御手段をさらに有する、構成を採用できる。

本発明によれば、クランクケース内の未燃燃料を効率良く除去してオイル劣化を抑制できる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。

この内燃機関は、シリンダヘッド１９、シリンダブロック２０及びシリンダブロック２０に一体的に形成されたクランクケース２５を含み、又、シリンダヘッド１９に吸気を導入するための吸気通路１１、及び、シリンダヘッド１９から排気を行なうための排気通路１３を含む。

内燃機関は、内燃機関のクランクシャフトの回転速度を検知する回転速度センサ４３、シリンダブロックを冷却する冷却水の水温を検知する水温センサ４５、吸気通路１１に設けられ吸入空気量を検出する吸入空気量センサ４２、アクセルペダル６０の近傍に設けられ踏込量（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ４４、排気通路１３に設けられて空燃比を検出する空燃比センサ４６等をさらに含む。

内燃機関は、吸気通路１１の途中に設けられ燃焼室１２に導入される吸入空気の量を調整するスロットルバルブ２６及びその下流側に設けられた燃料噴射弁３０、後述するシリンダに設けられた点火プラグ２２等を含む。電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、各種センサの出力を受けて、スロットルバルブ２６の開度、点火プラグ２２の点火時期、燃料噴射弁３０から噴射される燃料噴射量、噴射タイミング等を制御する。また、ＥＣＵ５０は、空燃比センサ４６の検出する検出空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を制御する空燃比フィードバック制御を実行する。

シリンダブロック２０は、そのシリンダ１８内にピストン１４が往復動可能に設けられている。ピストン１４の上部とシリンダ１８とにより燃焼室１２が画定されている。シリンダヘッド１９において、燃焼室１２は吸気通路１１および排気通路１３に接続される。

吸気通路１１から導入される吸入空気は、燃料噴射弁３０から噴射される燃料と混合されて混合気となり、吸気弁２１が開いているときに燃焼室１２に導入される。この混合気は点火プラグ２２の点火によって爆発燃焼した後に、排気弁２３の開弁時に燃焼室１２から排気通路１３に排出される。排気通路１３には排気浄化機能を有した触媒２７が設けられている。

触媒２７は、例えば、三元触媒からなり、排気ガスに含まれる一酸化炭素、窒素酸化物等を吸着除去すると共に、排気ガスに含まれる炭化水素（未燃燃料）を酸化する。

クランクケース２５は、図示しないクランクシャフトを内蔵すると共に、その底部に所定量のエンジンオイルＯＬ（潤滑油）を保持するオイルパンを備えている。エンジンオイルＯＬは、図示しない潤滑油供給装置によって内燃機関の各部に供給される。また、エンジンオイルＯＬには、シリンダ１８とピストン２２との間を漏れたいわゆるブローバイガスＢＧに含まれる未燃燃料が混入し、エンジンオイルＯＬを希釈する。

クランクケース２５の底部（オイルパン）には、エンジンオイルＯＬの温度を検出する油温センサ１１０が設けられ、油温センサ１１０の検出信号はＥＣＵ５０へ入力される。

潤滑油供給装置は、オイルポンプ、フィルタおよびオイルジェット機構などを含む。クランクケース２５内のエンジンオイルＯＬは、フィルタを介してオイルポンプにより吸引されオイルジェット機構に供給される。ピストン１４とシリンダ１８との間を潤滑するために、オイルジェット機構によってシリンダ１８内に潤滑油が供給される。

内燃機関において、スロットルバルブ２６の上流側の吸気通路１１とシリンダヘッド１９内とは大気通路７６によって連通されている。

シリンダブロック２０には、シリンダヘッド１９とクランクケース２５とを連通するオイル落とし通路１５が形成されている。このオイル落とし通路１５は、動弁系の潤滑を終えてシリンダヘッド１９に滞留したオイルをクランクケース２５へ向けて落とすための通路であるとともに、大気通路７６を通じてクランクケース２５内へ新気（大気）を供給する通路の役割を果たす。

内燃機関において、クランクケース２５の一方の外側面には、クランクケース２５内のガスに含まれるオイル成分を分離するオイルミストセパレータ１００が設けられている。このオイルミストセパレータ１００は、図示しないラビリンス構造を備えており、後述するポンプ１０３により吸引されてクランクケース２５から導入されたガスＧに含まれるオイル成分を分離する。ガスＧに含まれるオイルミスト成分は、ラビリンス構造により液滴化されてクランクケース２５内に戻される。

オイルミストセパレータ１００の出口には、ガス環流通路１０４の一端が接続され、このガス環流通路１０４の他端は、吸気通路１１のスロットルバルブ２６の下流側に接続されている。

ガス環流通路１０４の途中には、クランクケース２５内のガスＧを吸引してクランクケース２５内を減圧するためのポンプ１０３が設けられている。ポンプ１０３は、例えば、電動ポンプで構成されている。ポンプ１０３には、ドライバ１０２が接続され、このドライバ１０２は、ＥＣＵ５０からの制御指令を受けて、ポンプ１０３を駆動する駆動電流をポンプ１０３に供給する。ポンプ１０３として、電動ポンプを用いることにより、内燃機関の駆動状態に関わらず、ポンプ１０３を駆動でき、クランクケース２５内を減圧することができる。

上記構成の内燃機関では、ポンプ１０３を駆動すると、クランクケース２５内のガスＧは吸引され、クランクケース２５内は減圧される。クランクケース２５内が減圧されると、クランクケース２５内のエンジンオイルＯＬに溶けた未燃燃料はいわゆる減圧沸騰により蒸発しやすくなる。

ブローバイガスＢＧ、オイルミスト、エンジンオイルＯＬから再び蒸発した未燃燃料等からなるガスＧは、クランクケース２５からオイルミストセパレータ１００へ導かれる。

クランクケース２５からオイルミストセパレータ１００へ導かれたガスＧは、そのオイル成分が分離されてクランクケース２５へ戻される。このとき、オイルミストセパレータ１００は、ポンプ１０３とクランクケース２５との間に設けられている。このため、オイルミストセパレータ１００内も減圧されているので、ガスＧに含まれる蒸発した未燃燃料が再凝縮することが防止され、未燃燃料がクランクケース２５（オイルパン）へ戻ることがない。

オイルミストセパレータ１００でオイル成分が分離されたガスＧは、ポンプ１０３、ガス環流通路１０４を通じて吸気通路１１へ環流する。

次に、上記構成の内燃機関におけるポンプの出力制御の一例について図２を参照して説明する。

図２（Ａ）は、燃料噴射弁３０の燃料噴射量と必要燃料除去効率との関係を示すマップ、図２（Ｂ）はクランクケース内圧力と必要燃料除去効率との関係を示すマップである。

図２に示す「燃料除去効率」とは、クランクケース２５内のオイルに溶けた未燃燃料を除去するのに必要な効率であり、「燃料混入量」とはクランクケース２５内のエンジンオイルＯＬに溶けた未燃燃料の量である。

また、クランクケース２５内のエンジンオイルＯＬへの未燃燃料の混入量は、図２（Ａ）に点線で示すように、燃料噴射弁３０の燃料噴射量にほぼ比例する。

ＥＣＵ５０は、現在の燃料噴射量がＡとすると、図２（Ａ）に示すマップを用いて、必要な燃料除去効率Ｂを算出する。

次いで、ＥＣＵ５０は、図２（Ｂ）に示すマップを用いて、燃料除去効率Ｂに必要なクランクケース２５内の圧力Ｃを算出する。

そして、ＥＣＵ５０は、クランクケース２５内を圧力Ｃに減圧するために、ポンプ１０３の出力を可変制御する。

このように、クランクケース２５内の圧力が目標圧力になるようにポンプ１０３の出力を可変制御することにより、ポンプ１０３の消費電力を必要最小限に抑えることができる。

次に、上記構成の内燃機関におけるポンプの出力制御の他の例について図３を参照して説明する。

図３（Ａ）は、燃料噴射弁３０の燃料噴射量と燃焼室からオイルへ混入する燃料混入量との関係を示すマップ、図３（Ｂ）はクランクケース内のエンジンオイルＯＬの温度（油温）と燃料混入量との関係を示すマップである。

図３（Ａ）に示すように、クランクケース２５内のエンジンオイルＯＬに溶ける未燃燃料の量は、燃料噴射弁３０の燃料噴射量に比例する。また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、エンジンオイルＯＬの油温が低いほど燃料混入量は多く、油温が高いほど燃料混入量は少なくなる。すなわち、油温が高いとエンジンオイルＯＬに混入した未燃燃料が揮発しやすいため、混入量は少なくなる。

ＥＣＵ５０は、図３に示す関係に基いて、エンジンオイルＯＬへ混入する燃料混入量を、燃料噴射量及び油温から推定し、推定した燃料混入量を除去するのに必要なクランクケース２５内の目標圧力を算出し、その圧力を達成するように、ポンプ１０３の出力を可変制御する。

このように、ポンプ１０３の出力を燃料噴射量及び油温に応じて細かく制御することにより、さらに電力消費量を低減することができる。

図４は本発明の他の実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。尚、図４において、図１と同一構成部分には同一の符号を使用している。

図４に示す内燃機関は、ポンプ１０３とオイルミストセパレータ１００と間のガス環流通路１０４から分岐して吸気通路１１と連通するバイパス通路１０５を備えている。

バイパス通路１０５には、クランクケース２５内と吸気通路１１との差圧に応じて一方向にのみ開くワンウェイバルブであるＰＣＶバルブ１０６が設けられている。ＰＣＶバルブ１０６は、吸気通路１１の圧力がクランクケース２５内よりも低くなると開き、その差圧に応じた量のガスＧを吸気通路１１へ導く。

ガス環流通路１０４とバイパス通路１０５との間には、クランクケース２５からのガスＧの流れをガス環流通路１０４とバイパス通路１０５との間で切替える切替手段としての切替バルブ１０７が設けられている。切替バルブ１０７は、ＥＣＵ５０からの制御指令に応じて制御される制御バルブで構成される。また、切替バルブ１０７は、通常はＰＣＶバルブ１０６側に切り替えられており、ポンプ１０３を起動する場合にのみポンプ１０３側に切り替えられる。

クランクケース２５のオイルパンには、エンジンオイルＯＬの温度を検出する油温センサ１１０が設けられている。油温センサ１１０の検出信号は、ＥＣＵ５０に入力される。

ここで、ＥＣＵ５０による切替バルブ１０７の制御の一例について説明する。
ＥＣＵ５０は、油温センサ１１０により検出したエンジンオイルＯＬの油温を所定温度αと比較する。所定温度αは、切替バルブ１０７をいずれの方向に切替えるかを判断するための温度である。

エンジンオイルＯＬの油温が所定温度αよりも低い場合、すなわち、冷間時等のエンジンオイルＯＬに溶けた未燃燃料が蒸発しにくい温度の場合には、ポンプ１０３を起動すると共に、ガスＧが図５に示す経路（ａ）を通るように、切替バルブ１０７をポンプ１０３側に切り替える。これにより、クランクケース２５内は減圧され、エンジンオイルＯＬからの燃料の蒸発が促進される。

エンジンオイルＯＬの油温が所定温度αよりも高い場合、すなわち、暖機時等のエンジンオイルＯＬに混入した未燃燃料が減圧しなくても蒸発していく場合には、ガスＧが図５に示す経路（ｂ）を通るように、切替バルブ１０７をポンプ１０３側に切り替えるとともに、ポンプ１０３を停止させる。これにより、クランクケース２５内のガスＧは、吸気通路１１の圧力が下がってＰＣＶバルブ１０６が開くと、吸気通路１１へ環流する。

このように、エンジンオイルＯＬの油温に応じて、ガスＧの環流経路を切り替えることにより、ポンプ１０３を必要な場合のみ駆動すればよいので、ポンプ１０３の消費電力をさらに低減できる。

図４に示した実施形態では、油温センサ１１０を設けてエンジンオイルＯＬの油温を検出する構成としたが、例えば、水温センサ４５の検出する冷却水の水温から油温を推定することも可能である。

具体的には、エンジンオイルＯＬの油温と冷却水の水温とは、図６に示すような関係を有する。水とオイルとは、その比熱が異なることから、温度上昇時には、図６（ａ）に示すように、油温の上昇速度は水温の上昇速度よりも遅い。このため、油温が上記した所定温度αに達したときには、水温はそれよりもさらにβ上昇している。逆に、温度降下時には、図６（ｂ）に示すように、油温が上記した所定温度αに達したときには、水温はそれよりもさらにγ下降している。

ＥＣＵ５０は、上記の水温と油温との関係を利用して、図７に示すように、水温−β＜αの場合には、ガスＧが経路（ａ）を通過するように、切替バルブ１０７を制御する。また、水温−β＞αの場合には、ガスＧが経路（ｂ）を通過するように、切替バルブ１０７を制御すると共にポンプ１０３を停止させる。

このような構成とすることで、油温センサ１１０を設ける必要がなくなり、コストを低減できる。

切替バルブ１０７を制御するためのエンジンオイルＯＬに関する情報として、油温や水温を例に挙げたが、これらの情報に加えて、例えば、エンジンオイルＯＬへの未燃燃料の燃料希釈率を用いることができる。すなわち、燃料希釈率が相対的に高い場合、すなわち、エンジンオイルＯＬへの未燃燃料の混入量が多い場合は、クランクケース２５内を減圧して燃料揮発を促進させる。また、燃料希釈率が相対的に低い場合、すなわち、エンジンオイルＯＬへの未燃燃料の混入量が少ない場合は、クランクケース２５内を減圧せずに、ＰＣＶバルブ１０６を通じてガスＧを吸気通路１１に環流させる。

燃料希釈率の検出は、センサを設けることも可能であるが、例えば、図８に示すような、燃料希釈率と空燃比フィードバック制御における空燃比（Ａ／Ｆ）補正値との関係を利用して、燃料希釈率を推定できる。

Ａ／Ｆ補正値は、空燃比フィードバック制御における目標空燃比と検出空燃比との偏差に対応している。切替バルブ１０７がＰＣＶバルブ１０６側に切り替えられた状態において、エンジンオイルＯＬの燃料希釈率が高いと吸気通路１１に大量の未燃燃料が環流され、空燃比がリッチ側に移る。空燃比フィードバック制御では、これをリーン側に補正するＡ／Ｆ補正値を算出する。図８に示すように、Ａ／Ｆ補正値が大きいほど、エンジンオイルＯＬの燃料希釈率は高い。

このことを利用して、ＥＣＵ５０は、図９に示すように、Ａ／Ｆ補正値が所定補正値Ｘよりも大きい場合には、燃料希釈率が高いと判断し、未燃燃料の蒸発を促進させるためにクランクケース２５内を減圧する。すなわち、ガスＧが経路（ａ）を環流するように、切替バルブ１０７を制御し、かつ、ポンプ１０３を起動する。

また、ＥＣＵ５０は、Ａ／Ｆ補正値が所定補正値Ｘよりも小さい場合には、燃料希釈率が低いと判断し、ガスＧがＰＣＶバルブ１０６のある経路（ｂ）を環流するように、切替バルブ１０７を制御する。

このような構成とすれば、油温が低く、かつ、燃料希釈率も低い場合に、ポンプ１０３を駆動する必要がなくなるため、さらにポンプ１０３の消費電力を低減できる。

上記実施形態では、ポンプとして電動ポンプを用いた場合について説明したが、クランクシャフトに連結されて駆動される機械式ポンプを用いることも可能である。

上記実施形態では、クランクケース内のガスを吸気通路（吸気系）へ環流させる場合について説明したが、排気系へ環流することも可能である。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。 （Ａ）は、燃料噴射弁３０の燃料噴射量と必要燃料除去効率との関係を示すマップ、（Ｂ）はクランクケース内圧力と必要燃料除去効率との関係を示すマップである。 （Ａ）は、燃料噴射弁３０の燃料噴射量と燃焼室からオイルへ混入する燃料混入量との関係を示すマップ、（Ｂ）はクランクケース内のエンジンオイルＯＬの温度（油温）と燃料混入量との関係を示すマップである。 本発明の他の実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。 クランクケースから吸気通路へのガスの環流経路を説明するための図である。 油温と水温との関係を示すマップである。 クランクケースから吸気通路へのガスの環流経路を説明するための図である。 燃料希釈率とＡ／Ｆ補正値との関係を示すマップである。 クランクケースから吸気通路へのガスの環流経路を説明するための図である。

符号の説明

５０…ＥＣＵ（ポンプ制御手段、切替制御手段）
１００…オイルミストセパレータ
１０２…ドライバ
１０３…ポンプ
１０４…ガス環流通路
１０５…バイパス通路
１０６…ＰＣＶバルブ
１０７…切替バルブ（切替手段）

Claims (3)

1. クランクケース内のガスを吸気系又は排気系へ環流させるガス環流機構を備えた内燃機関であって、
   前記ガス環流機構は、ガス環流通路に設けられた前記クランクケース内のガスを吸引してクランクケース内を減圧するためのポンプと、
   前記ポンプと前記クランクケースとの間に設けられ、前記ポンプにより吸引されるガスに含まれるオイル成分を分離するためのオイルミストセパレータと、
   前記ポンプと前記オイルミストセパレータと間の前記ガス環流通路から分岐して前記吸気系又は排気系と連通するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられ、前記クランクケース内と前記吸気系又は排気系との差圧に応じて開くＰＣＶバルブと、
   前記クランクケースからのガスの流れを前記ガス環流通路と前記バイパス通路とのいずれかに切替える切替手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関。
2. 燃料噴射量及び前記クランクケース内のオイルの温度の少なくとも１つに基いてクランクケース内の圧力が目標圧力となるように前記ポンプの出力を制御するポンプ制御手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記クランクケース内のオイルに関する情報に基いて、前記切替手段を制御する切替制御手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。

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