JP5577836B2 - 内燃機関のブローバイガス処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関のブローバイガス処理装置に関する。

従来、例えば、特開昭６２−５２２１１号公報に開示されているように、エゼクタを用いてブローバイガスを流す構成を備えたブローバイガス処理装置を、過給機付の内燃機関に設けた構成が知られている。当該公報に係る構成では、ロッカカバーから延びるブローバイガス用のガス通路の端部が、エゼクタに連通させられている。

上記の構成において、エゼクタは、負圧発生部で発生させた負圧を利用して、ブローバイガスを吸引する。吸引されたブローバイガスは、内燃機関の排気通路に設けられたノズル管から当該排気通路内に噴射される。このように、上記公報にかかる構成によれば、エゼクタの負圧を利用して、ブローバイガスを排気通路へと流すことができる。

上記公報に係る従来技術では、ブローバイガスを吸気通路（サージタンク又はコンプレッサ上流）に還流する構成と、特定の条件下でエゼクタを利用してブローバイガスを排気通路に流す構成とを備えている。この構成において、過給域においては、コンプレッサ上流へとブローバイガスを流すことを基本とし、コンプレッサ上流へのブローバイガス還流が円滑に進まずクランクケース内圧の上昇を招く特定条件下でエゼクタを利用して排気通路へとブローバイガスが流れるようにしている。

特開昭６２−５２２１１号公報 特開２００９−１３３２９２号公報

過給機を用いない内燃機関では、エンジンの通常使用条件下のほとんどの場面において、吸気通路内の吸気圧が大気圧よりも低い。この差圧は、クランクケースの換気のために利用することができる。具体的には、大気圧＞クランクケース内圧という関係から、新気をクランクケースに流れ込ませることができ、クランクケース内圧＞吸気通路内圧という関係から、クランクケースから吸気通路へとブローバイガスを流すことができる。

これに対し、過給機付の内燃機関では、過給域（吸気通路のコンプレッサ下流が大気圧よりも高圧となる運転状態）において、上記のような関係が成立しない。従って、ブローバイガスを処理するための何らかの措置が必要となる。この点、上記公報にかかる従来技術では、過給域において、コンプレッサ上流へとブローバイガスを流すことを基本とし、コンプレッサ上流の負圧が十分でない特定条件下ではエゼクタを利用して排気通路へとブローバイガスが流れるようにしている。

一方、過給域においてもブローバイガスを吸気通路に還流させる状態をなるべく確保したい場合がある。このような場合、クランクケースから吸気通路へとブローバイガスを強制的に流すための何らかの構成が要求される。ブローバイガスを流すための十分な駆動力等の観点から、具体的には電動ポンプ等も考えられるが、実際上、電動ポンプ等の複雑な機構はコスト等の面からも不利である。過給域においてブローバイガスを吸気通路に還流させることを確保するための構成について、従来の技術にはいまだ改善の余地が残されていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、過給域においてもブローバイガスを吸気通路に還流させることを確保できる構成を備えた内燃機関のブローバイガス処理装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関のブローバイガス処理装置であって、
過給機が備えられた内燃機関におけるブローバイガスが溜まる部位に連通するガス通路と、
前記内燃機関の吸気通路内部における前記過給機のコンプレッサよりも上流に配置され、前記ガス通路を介して前記内燃機関の吸気通路内にブローバイガスを導くエゼクタと、
前記エゼクタと前記ガス通路との間に介在し、前記エゼクタ内部の圧力と大気圧との圧力差に応じて開度を変化させる絞り弁と、
を備え、
前記絞り弁は、内部に空間が設けられ前記空間が前記ガス通路と連通したケースと、前記ケース内に設けられた弁体と、を備え
前記ケースは、大気と連通する大気連通管と、前記エゼクタ内部にそれぞれ連通する第１管路および第２管路と、を備え、
前記弁体は前記ケースの内壁にバネを介して接続されており、前記第２管路と前記大気連通管が前記弁体を挟んで前記ケースの前記空間にそれぞれ連通し、
前記弁体には穴部が備えられ、前記穴部を介して前記ガス通路および前記第１管路が連通することでガス導入路が形成され、前記ケース内における前記弁体の位置に応じて前記穴部が前記ガス通路および前記第１管路を連通させる度合いが変化する。

第２の発明は、第１の発明において、
前記吸気通路における前記コンプレッサの上流に設けられたエアクリーナを備え、
前記ガス通路は前記内燃機関のクランクケースと連通しており、
前記エゼクタは、
前記エアクリーナ側を向くガス入口と、
前記コンプレッサ側を向くガス吐出口と、
前記ガス入口と前記ガス吐出口との間に設けられ低圧力が発生する低圧力発生部と、
一端が前記低圧力発生部に接続し、他の一端が前記ガス通路と接続するガス導入路と、
を備えることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
大気圧と前記エゼクタ内部の圧力との差が大きくなるほどに、前記絞り弁の開度を小さくする。

第４の発明は、第１〜３の発明のいずれか１つにおいて、
前記ケースの一端側に前記大気連通管が連通し、前記ケースの他端側に前記第２管路が連通し、前記ケースの中央部をはさむように前記ガス通路および前記第１管路がそれぞれ当該ケース内に連通し、
前記弁体が前記ケース内をスライドすることで前記穴部と前記ガス通路および前記第１管路との位置関係が変化する。

第１の発明によれば、吸気通路において過給時に圧力が低くなる部位に、ブローバイガス導入用のエゼクタを配置することができる。当該部位にエゼクタを配置すれば、小さなエゼクタ効果で、ブローバイガス導入に寄与しうる程度の低圧力を発生させることができる。さらに、クランクケース内圧をエゼクタの低圧力発生部の圧力に連動させる場合に、低圧力発生部の圧力が大気圧との差に応じて、クランクケースとエゼクタの低圧力発生部との間の連通状態を変化させることができる。また、第１の発明にかかる絞り弁の開度調整をハードウェア的に構成することができる。

第２の発明によれば、ガス通路を介して、エゼクタに発生する低圧の部位とクランクケースとを接続させることができる。エゼクタにて発生する低圧の部位と接続させられることで、クランクケース内圧を大気圧よりも低い状態にすることができる。

第３の発明によれば、クランクケース内圧が過剰に低くなってしまうことを抑制することができる。

第４の発明によれば、スライド式の弁体で絞り弁の開度調節を行うことができる。

本発明の実施の形態にかかる内燃機関のブローバイガス処理装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態にかかるエゼクタ設置部の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるエゼクタ設置部ならびに絞り弁の構成を説明するための図である。 本実施形態にかかる絞り弁における絞り弁流路面積と圧力との関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるブローバイガス処理装置における絞り弁の動作を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかるブローバイガス処理装置における絞り弁の動作を説明するための図である。

実施の形態．
（全体の構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関のブローバイガス処理装置の構成を示す図である。実施の形態にかかるブローバイガス処理装置は、車両用内燃機関に好適に用いられる。実施の形態にかかるブローバイガス処理装置は、内燃機関１０に対して適用される。内燃機関１０は、ヘッドカバー、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケースおよびオイルパンを含んでいる。その内部には、ピストンおよびクランクシャフトが備えられている。内燃機関１０は、過給内燃機関である。本実施形態では、過給機としてターボチャージャ４０を用いるものとする。なお、内燃機関１０は、その気筒数や方式に特に限定は無く、自動車用内燃機関で一般的な多気筒内燃機関であってもよい。

内燃機関１０におけるシリンダヘッドの吸気ポートには、インテークマニホールド等からなる吸気通路２０が連通している。吸気通路２０は、インタークーラ２４と連通している。それらの間には、スロットルバルブ２２が備えられている。インタークーラ２４の上流は、ターボチャージャ４０のコンプレッサ４２を介して、吸気通路上流部２０ａに連通している。吸気通路上流部２０ａは、エゼクタ設置部６０を介して、エアクリーナ２６に接続している。なお、内燃機関１０には、換気通路用逆止弁１２が設けられている。

図１に示すように、内燃機関１０の排気ポートには排気通路３０が連通している。排気通路３０には、ターボチャージャ４０のタービン４４が設けられており、その更に下流には、触媒３２が設けられている。

図１には、ブローバイガスの流れを破線矢印１０２で示し、新気（吸入空気）の流れを実線矢印１００で示している。以下、ブローバイガスや新気の流れを説明するにあたり、便宜上、ブローバイガス１０２、吸入空気１００（或いは新気１００など）とも称す。

内燃機関１０のクランクケースには、ブローバイガスを導出するためのガス通路５０が接続している。ガス通路５０は、エゼクタ設置部６０を介して、吸気通路上流部２０ａに接続している。なお、図示しないが、内燃機関１０には、ＰＣＶ（positive crankcase ventilation）機構としてのＰＣＶバルブ等が設けられている。

実施の形態にかかる内燃機関は、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）により制御される。また、図示しないが、実施の形態において、内燃機関１０には、エアフローメータ等の吸気量検知用の構成、クランク角センサ、エンジン水温センサなどの各種センサが備えられているものとする。ＥＣＵは、こういった図示しない各種センサと接続して機関の運転状態（機関回転数、負荷など）を検知したり、内燃機関１０の運転にかかる各種装置のアクチュエータと接続してそれらを操作したりする。ＥＣＵは、内燃機関１０に備えられた各センサからの信号を処理し、その処理結果を各アクチュエータの操作に反映させている。

（エゼクタ設置部の構成）
ガス通路５０と吸気通路上流部２０ａの合流位置には、エゼクタ設置部６０が備えられている。下記に述べるように、エゼクタ設置部６０は、内部に備えたエゼクタ６２により内燃機関１０のクランクケースから吸気通路上流部２０ａへとブローバイガスを流すことができる。

図２および図３は、本発明の実施の形態にかかるエゼクタ設置部６０の構成を説明するための図である。図２および図３は、吸気通路２０におけるエゼクタ設置部６０周辺の構成を吸気通路流れ方向に沿って切断した断面図である。

図２は、本発明の実施の形態において、吸気通路２０のエゼクタ設置部６０周辺を模式的に示す図である。図２に示すように、エゼクタ設置部６０においては、吸気通路２０内部にエゼクタ６２が備え付けられている。エゼクタ６２の外形は、吸気通路２０の内径よりも小さい。エゼクタ６２は、低圧力発生部６２ａを備えている。エゼクタ６２は、いわゆる末広ノズルを備え、吸気通路２０を流れる吸入空気（吸入空気流１００）を駆動ガスとして末広ノズルより噴射させることにより、低圧力発生部６２ａに低圧力を発生させることができる。図２における低圧力発生部６２ａを挟んで、エゼクタ６２のエアクリーナ２６側（紙面右側）には、駆動ガスとしての吸入空気が流入する開口（便宜上「駆動ガス入口」とも称す）が設けられている。図２における低圧力発生部６２ａを挟んで、エゼクタ６２のコンプレッサ４２側（紙面左側）には、ガスが吐出される末広ノズルの開口（便宜上「駆動ガス吐出口」とも称す）が設けられている。

エゼクタ６２は、ガス通路５０と低圧力発生部６２ａを接続するためのガス導入路６３を備えている。ガス導入路６３を介して、ブローバイガス１０２が導入される。

本実施形態によれば、吸気通路２０において過給時に圧力が最も低くなる部位に、ブローバイガス導入用のエゼクタ６２を配置することができる。当該部位にエゼクタ６２を配置すれば、わずかなエゼクタ効果で、大気圧およびクランクケース内圧に対して十分に低い低圧力を発生させることができる。これにより、ブローバイガス導入に寄与しうる十分な低圧力を発生させることができる。

ガス通路５０を介して、エゼクタ６２に発生する低圧の部位とクランクケースとを接続させることができる。エゼクタ６２にて発生する低圧の部位と接続させられることで、クランクケース内圧を大気圧よりも低い状態にすることができる。

本実施形態によれば、エゼクタ６２を設置することによる吸気通路２０内の圧力損失を小さく抑え、エンジン性能への影響を少なく抑えることができる。エゼクタ６２の体格を小さくでき、吸気通路２０内への搭載性も向上する。また、クランクケース内から導かれたガス１０２は、吸入された外気（新気）１００と共にコンプレッサ４２で圧縮されたあと、インタークーラ２４を経由して流れる。この過程で、ガスの攪拌と冷却が行われることにより、ブローバイガスと新気との混合ガスが吸入されることによる燃焼への悪影響を小さくすることができる。

（絞り弁の構成）
図３は、本発明の実施の形態にかかるエゼクタ設置部６０の構成ならびに絞り弁６４の構成をより具体的に示す図である。図３に示すように、絞り弁６４は、内部に空間が設けられたケース６６と、ケース６６内に設けられたスライド式の弁体７０とを備えている。ケース６６は、ガス通路５０と、大気と連通する大気連通管６７と、エゼクタ６２のガス導入路６３と連通する第１管路６８および第２管路７６を備えている。弁体７０には、所定位置においてガス通路５０と連通する穴部７２が備えられている。弁体７０は、ケース６６の図３紙面左側の内壁と、バネ７４を介して接続されている。
第２管路７６と大気連通管６７が弁体７０を挟んでケース６６にそれぞれ連通しており、Ｐ０の大きさとＰ１の大きさとの関係に応じて、ケース６６内において弁体７０がケース６６内の紙面左右のいずれかの位置に配置されることになる。
穴部７２とガス通路５０とが一部または全部重なる位置に弁体７０が位置することで、図３の点線で示すようにクランクケースからのガス流れがエゼクタ６２へと導入される。

図４は、本実施形態にかかる絞り弁６４における絞り弁流路面積と圧力との関係を説明するための図である。図４において、Ｐ_０は大気圧を示し、Ｐ_１は低圧力発生部６２ａの圧力を示すものとする。穴部７２の円筒部断面積をＳ、バネ７４が弁体７０を押す力をＦとすると、弁体７０における力の釣り合いは、下記の式（１）で表される。
Ｐ_０×Ｓ ＝ Ｐ_１×Ｓ＋Ｆ ・・・（１）
通常はＰ_０＞Ｐ_１なので、下記の式（２）が成立する。
（Ｐ_０−Ｐ_１）×Ｓ ＝ Ｆ ・・・（２）
Ｐ_１が小さくなるほどに絞り弁通路面積が絞られてクランクケースからのガスの流れを少なくするような特性を、バネの特性（バネ係数と初張力）と円筒部断面積Ｓで与えるものとする。図４に示すように、Ｐ_０−Ｐ_１つまり大気圧と低圧力発生部６２ａの圧力との圧力差が大きくなるほどに、穴部７２とガス通路５０との間の重なりが小さくなるようにする。

図５、図６は、本発明の実施の形態にかかるブローバイガス処理装置における絞り弁６４の動作を説明するための図である。図５は、吸入空気量が少量であり、Ｐ_０≧Ｐ_１が成立している時の状態を示す。この場合、穴部７２とガス通路５０との重なりが最大となるように、弁体７０がケース６６のやや紙面右側に位置している。図６は、吸入空気量が大量であり、Ｐ_０＞＞Ｐ_１が成立している時の状態を示す。この場合、穴部７２とガス通路５０との重なりが非常に小さく（ほぼゼロ）となるように、弁体７０が図のケース６６内の紙面左側に位置している。

エゼクタ６２を利用する場合、エゼクタ６２内を通過する気流の流速によっては、過度の低圧状態が発生しうる。エゼクタの原理として、エゼクタ内を通過する気体の速度に応じて圧力の低下度合が決まるためである。高回転高負荷時には高速の気流が生じうるため過度に低い圧力が発生し、これに起因してクランクケースからブローバイガスを吸引する力が不必要に増してしまい、クランクケース内圧が過剰に低くなってしまうおそれがある。

この点、本実施形態によれば、低圧力発生部６２ａの圧力が大気圧を基準として一定の値以上低くなったときには、絞り弁６４が、ガス通路５０とガス導入路６３との間の連通（つまりクランクケースから吸気通路へのガスの流通経路の連通）を遮断することができる。特に、図４に示した特性を有するため、Ｐ_０−Ｐ_１つまり大気圧と低圧力発生部６２ａの圧力との圧力差が広がるのに応じて、ガス通路５０とガス導入路６３との間の連通を低減することができる（図５、６も参照）。

尚、上述した実施の形態では、ガス通路５０が、前記第１の発明における「ガス通路」に、ターボチャージャ４０が、前記第１の発明における「過給機」に、内燃機関１０が、前記第１の発明における「内燃機関」に、吸気通路上流部２０ａが、前記第１の発明における「前記内燃機関の吸気通路内部における前記過給機のコンプレッサよりも上流」に、エゼクタ６２が、前記第１の発明における「エゼクタ」に、それぞれ相当している。

また、上述した実施の形態では、低圧力発生部６２ａが、前記第２の発明における「低圧力発生部」に、ガス導入路６３が、前記第２の発明における「ガス導入路」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態では、絞り弁６４が、前記第１の発明における「絞り弁」に相当し、弁体７０が、前記第１の発明における「弁体」に、それぞれ相当している。

また、実施の形態では、弁体７０をケース６６内でスライドさせる絞り弁６４を用いたが、本発明はこのようなの弁に限られるものではない。なお、本実施形態においては、絞り弁６４を用いることで開度変更をハードウェア的に実現したが、本発明はこれに限られるものではない。ＥＣＵによる制御により開度変更が可能な弁体を使って、ソフトウェア制御を用いて同様の機能を実現しても良い。

１０ 内燃機関
１２ 換気通路用逆止弁
２０ 吸気通路
２０ａ 吸気通路上流部
２２ スロットルバルブ
２４ インタークーラ
２６ エアクリーナ
３０ 排気通路
３２ 触媒
４０ ターボチャージャ
４２ コンプレッサ
４４ タービン
５０ ガス通路
６０ エゼクタ設置部
６２ エゼクタ
６２ａ 低圧力発生部
６３ ガス導入路
６４ 絞り弁
６６ ケース
６７ 大気連通管
６８ 第１管路
７０ 弁体
７２ 穴部
７４ バネ
７６ 第２管路
１００ 吸入空気（新気）
１０２ ブローバイガス

Claims (4)

1. 過給機が備えられた内燃機関におけるブローバイガスが溜まる部位に連通するガス通路と、
   前記内燃機関の吸気通路内部における前記過給機のコンプレッサよりも上流に配置され、前記ガス通路を介して前記内燃機関の吸気通路内にブローバイガスを導くエゼクタと、
   前記エゼクタと前記ガス通路との間に介在し、前記エゼクタ内部の圧力と大気圧との圧力差に応じて開度を変化させる絞り弁と、
   を備え、
   前記絞り弁は、内部に空間が設けられ前記空間が前記ガス通路と連通したケースと、前記ケース内に設けられた弁体と、を備え
   前記ケースは、大気と連通する大気連通管と、前記エゼクタ内部にそれぞれ連通する第１管路および第２管路と、を備え、
   前記弁体は前記ケースの内壁にバネを介して接続されており、前記第２管路と前記大気連通管が前記弁体を挟んで前記ケースの前記空間にそれぞれ連通し、
   前記弁体には穴部が備えられ、前記穴部を介して前記ガス通路および前記第１管路が連通することでガス導入路が形成され、前記ケース内における前記弁体の位置に応じて前記穴部が前記ガス通路および前記第１管路を連通させる度合いが変化する内燃機関のブローバイガス処理装置。
2. 前記吸気通路における前記コンプレッサの上流に設けられたエアクリーナを備え、
   前記ガス通路は前記内燃機関のクランクケースと連通しており、
   前記エゼクタは、
   前記エアクリーナ側を向くガス入口と、
   前記コンプレッサ側を向くガス吐出口と、
   前記ガス入口と前記ガス吐出口との間に設けられ低圧力が発生する低圧力発生部と、
   一端が前記低圧力発生部に接続し、他の一端が前記ガス通路と接続するガス導入路と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のブローバイガス処理装置。
3. 大気圧と前記エゼクタ内部の圧力との差が大きくなるほどに、前記絞り弁の開度を小さくする請求項１または２項に記載の内燃機関のブローバイガス処理装置。
4. 前記ケースの一端側に前記大気連通管が連通し、前記ケースの他端側に前記第２管路が連通し、前記ケースの中央部をはさむように前記ガス通路および前記第１管路がそれぞれ当該ケース内に連通し、
   前記弁体が前記ケース内をスライドすることで前記穴部と前記ガス通路および前記第１管路との位置関係が変化する請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関のブローバイガス処理装置。

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