JP7456558B2 - 内燃機関のブローバイガス処理方法およびブローバイガス処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関のクランクケース内に漏れ出すブローバイガスを吸気通路ひいては燃焼室へと導いて処理するブローバイガス処理技術に関し、特に、ブローバイガスによるオイルの劣化を効果的に抑制するブローバイガス処理技術に関する。

内燃機関のクランクケース内に漏れ出したブローバイガスは、このブローバイガスに含まれるＮＯｘ成分がクランクケース内のオイルに溶け込むことで、オイル劣化の大きな要因となる。

内燃機関のブローバイガス処理装置は、一般に、吸気通路などから新気導入通路を介してクランクケース内に新気を導入し、この新気とともにブローバイガスをクランクケースからブローバイガス通路を介して吸気通路に導き、最終的に燃焼室に供給する構成となっている。

このようなブローバイガス処理装置においては、これまで、クランクケース内の換気率を高めること、つまり、より積極的に新気を導入してブローバイガスを希釈しつつ吸気通路へと導くことが望ましいと考えられてきた。

しかしながら、本発明者の新たな知見によると、新気導入量が多いと、クランクケース内でのブローバイガスと新気とが合流してなる合流ガスの温度が低くなり、ブローバイガス中の水分（水蒸気）が凝縮してクランクケース内に凝縮水が生成される。その結果、オイル劣化の主たる要因であるＮＯｘ成分のオイルへの溶け込みが促進される。

つまり、ある一定のブローバイガスが発生している条件の下で新気導入量を徐々に増やしていくと、ある新気導入量までは、新気導入量が多いほどＮＯｘ成分のオイルへの溶け込みが少なくなる。これは、換気率が増加することによりＮＯｘ成分のオイル中への溶け込みが減少することを意味する。しかし、ある新気導入量よりも新気導入量を増やしていくと、逆に新気導入量が多いほどＮＯｘ成分のオイル中への溶け込みが増大する。これは、クランクケース内の合流ガスの温度が低くなることで凝縮水が発生することに起因する。

なお、特許文献１には、アイドリング時に潤滑油温度が設定温度よりも高いときにはブローバイガスの還流を停止し、設定温度よりも低いときにはブローバイガスの還流を行うようにしたブローバイガス処理装置が開示されているが、これは、上記のような合流ガスの温度に関連したＮＯｘ成分のオイル中への溶け込みを抑制し得るものではない。

特開２００８－７５５４２号公報

この発明に係る内燃機関のブローバイガス処理は、クランクケース内における新気とブローバイガスとが合流してなる合流ガスの目標温度を設定し、この目標温度となるように新気の導入量を制御する。

このように合流ガスの温度を適宜に保つことで、合流ガスの温度低下に伴う凝縮水の発生ひいては凝縮水により促進されるＮＯｘ成分のオイル中への溶け込みが抑制される。

一実施例のブローバイガス処理装置のシステム構成を示す構成説明図。 新気導入量に対する合流ガス温度およびオイル中へのＮＯｘ溶け込み量の特性を概略的に示した特性図。 一実施例の新気導入量の制御を示すブロック図。 流量制御弁の制御の処理の流れを示すフローチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明に係る内燃機関１のブローバイガス処理装置のシステム構成を示している。実施例の内燃機関１は、過給機としてターボ過給機を備えた火花点火式機関である。内燃機関１においては、各気筒の燃焼室２からクランクケース３へ未燃成分を含む燃焼ガスつまりブローバイガスが漏れ出る。このブローバイガスは、内燃機関１内部に上下方向に沿って形成されたブローバイガス通路４を介して、シリンダヘッドカバー５頂部に設けられたオイルセパレータ室６に導かれる。このオイルセパレータ室６は、ブローバイガス通路４を通してクランクケース３に連通している。

内燃機関１の適宜位置には、クランクケース３内の圧力を検出するクランクケース圧力センサ８が配置されている。

内燃機関１の吸気通路１１は、上流端となる入口部にエアクリーナ１２を有し、通路途中にターボ過給機のコンプレッサ１３を備えている。コンプレッサ１３の下流には、コンプレッサ１３により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１６が配置されている。内燃機関１の吸入空気量を制御するスロットル弁１４は、インタクーラ１６の下流側に位置している。スロットル弁１４は、モータ等の電動アクチュエータを備え、エンジンコントローラ１５によって開度が制御されるいわゆる電子制御型スロットル弁である。スロットル弁１４の下流に吸気コレクタ１７が位置し、この吸気コレクタ１７から各気筒へ至る複数の吸気ブランチ管１７ａが分岐している。

吸気通路１１のコンプレッサ１３の上流側には、コンプレッサ１３との間の領域に負圧を生成するための負圧制御バルブ１８が設けられている。この負圧制御バルブ１８は、スロットル弁１４に類似したバタフライバルブ型の構成を有し、内燃機関１の運転条件に応じて必要な負圧を生成するように、電動アクチュエータを介してエンジンコントローラ１５によって開度が制御される。内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフロメータ１９は、負圧制御バルブ１８よりも上流側つまり負圧制御バルブ１８とエアクリーナ１２との間に配置されている。エアフロメータ１９は、例えば熱線式エアフロメータであり、エアクリーナ１２を通して流入する吸気の温度を検出する吸気温度センサ１９ａおよび吸気の湿度を検出する吸気湿度センサ１９ｂを内蔵している。吸気温度センサや吸気湿度センサとしてはエアフロメータ１９から独立したものであってもよい。

ブローバイガス処理装置は、それぞれ外部配管からなる３本の通路を含む。すなわち、クランクケース３内へ新気を導入する新気導入通路２１と、ブローバイガスを吸気通路１１のコンプレッサ１３の上流側へ導くブローバイガス第１通路２２と、ブローバイガスを吸気通路１１のスロットル弁１４の下流側へ導くブローバイガス第２通路２３と、を有する。

新気導入通路２１は、新気の流れにおいて上流端となる一端が吸気通路１１の負圧制御バルブ１８よりも上流側に接続されており、新気の流れにおいて下流端となる他端が内燃機関１のシリンダヘッドカバー５に接続されている。新気導入通路２１の上流端つまり吸気通路１１との接続部には、新気導入量の可変制御のためにデューティ制御が可能なオン・オフ型電磁弁からなる流量制御弁２４が設けられている。なお、流量制御弁２４は、オン・オフ型電磁弁ではなく、自由に開度調整が可能なリニアソレノイド型電磁弁でも構わない。この流量制御弁２４は、後述するように、エンジンコントローラ１５によって開閉される。通常の内燃機関１の運転中は、流量制御弁２４は適当なデューティでもって開閉制御された状態にあり、新気導入通路２１を介してクランクケース３内へ新気の導入がなされる。エアフロメータ１９は、吸気通路１１における新気導入通路２１の上流端接続位置よりも上流側に位置しており、吸入空気量として新気導入通路２１へと流れる新気を含めたガス流量を計量している。クランクケース３の内圧が高くなったときのクランクケース３側から吸気通路１１側への逆流は流量制御弁２４を閉じることによって阻止される。

ブローバイガス第１通路２２は、ブローバイガスの流れにおいて上流端となる一端が内燃機関１のオイルセパレータ室６に接続されており、ブローバイガスの流れにおいて下流端となる他端が吸気通路１１の負圧制御バルブ１８とコンプレッサ１３との間に接続されている。ブローバイガス第１通路２２とオイルセパレータ室６との接続部には、逆止弁２０及びオリフィス２５が設けられている。逆止弁２０によって、吸気通路１１側からオイルセパレータ室６側へ向かうガスの流れが阻止される 。

ブローバイガス第２通路２３は、ブローバイガスの流れにおいて上流端となる一端が内燃機関１のオイルセパレータ室６に接続されており、ブローバイガスの流れにおいて下流端となる他端が吸気通路１１の吸気コレクタ１７に接続されている。ブローバイガス第２通路２３とオイルセパレータ室６との接続部には、圧力差に応じてブローバイガスの流量を機械的に調節するＰＣＶバルブ２６が設けられている。ＰＣＶバルブ２６は、また、吸気通路１１側からオイルセパレータ室６側へ向かうガスの流れを阻止する逆止弁としても機能している。

エンジンコントローラ１５には、上述したエアフロメータ１９等のほか、運転者によるアクセルペダルの踏込量を示すアクセル開度センサ３１、内燃機関１の回転速度を示すクランク角センサ３２、図示しない排気通路において排気空燃比を検出する空燃比センサ３３（酸素センサもしくはいわゆる広域空燃比センサ）、冷却水温を示す水温センサ３４、等の種々のセンサ類の検出信号が入力されている。

エンジンコントローラ１５は、内燃機関１の図示しない燃料噴射弁による燃料噴射量や噴射時期の制御、図示しない点火プラグによる点火時期の制御、スロットル弁１４の開度制御、ターボ過給機による過給圧の制御、などに代表される内燃機関１の種々の制御を実行する。そして、これらの制御に加えて、負圧制御バルブ１８の開度や流量制御弁２４の開度（デューティ）の制御を通して、新気導入によるブローバイガスの処理を最適に制御している。

なお、吸気通路１１の負圧制御バルブ１８下流には、図示しないＥＧＲガス通路およびキャニスタからのパージガス通路が接続されており、ＥＧＲガス流量の要求ならびにパージガス流量の要求も勘案して負圧制御バルブ１８の開度が制御される。

上記のように構成されたブローバイガス処理装置における基本的なガスの流れを説明すると、非過給条件においては、スロットル弁１４の下流側が負圧となる。そのため、新気導入通路２１を介して吸気通路１１からクランクケース３内へ新気が流入し、クランクケース３内を換気する。クランクケース３内のブローバイガスは、新気とともにオイルセパレータ室６に流れ、オイルセパレータ室６からブローバイガス第２通路２３を通って吸気通路１１の吸気コレクタ１７に流入する。最終的に吸気コレクタ１７から燃焼室２に吸入され、燃焼処理される。

過給条件においては、吸気通路１１のスロットル弁１４下流側が正圧となるため、ブローバイガス第２通路２３を通したブローバイガスの処理が不能となる。そのため、過給条件においては、負圧制御バルブ１８がエンジンコントローラ１５によって適宜な開度に制御され、負圧制御バルブ１８とコンプレッサ１３との間の領域に負圧が生成される。この負圧により、新気導入通路２１を介して吸気通路１１からクランクケース３内へ新気が流入し、クランクケース３内のブローバイガスが、オイルセパレータ室６からブローバイガス第１通路２２を介してコンプレッサ１３の上流側に還流する。

このようなブローバイガス処理装置において、従前は、より多量の新気をクランクケース３内に導入していわゆる換気率を高くすることが望ましいと考えられてきた。しかし、本発明者の新たな知見によると、オイル劣化の主たる要因であるＮＯｘ成分のオイル中への溶け込みの観点からは、凝縮水が生じない適切な新気導入量に制御すべきであることが判明した。

図２は、横軸をクランクケース３への新気導入量（単位時間当たりの流量）として、（ａ）クランクケース３内で新気とブローバイガスとが合流してなる合流ガス温度と、（ｂ）クランクケース３底部に貯留されているオイル中へのＮＯｘ成分の溶け込み量と、の関係を図示したものである。

内燃機関１の燃焼室２から漏れ出るブローバイガスの温度に比較して、実質的に外気温度である新気温度は相対的に低い。そのため、図２の（ａ）欄に示すように、新気導入量が大であるほど合流ガス温度は低下していく。ここで、ある温度Ｔ１においてブローバイガス中の水分の凝縮が始まり、温度変化は緩慢となる。つまり、この温度Ｔ１に対応した新気導入量がＱ１以上の条件下では凝縮水が発生する。そして、ＮＯｘ成分の溶け込み量に着目すると、新気導入量がＱ１に達するまでは、新気導入量が大であるほどＮＯｘ成分の溶け込み量が少なくなる。これは、換気率が増加することによりＮＯｘ成分のオイル中への溶け込みが減少することを意味する。しかし、Ｑ１以上の新気導入量では、逆に新気導入量を増やすほどＮＯｘ成分の溶け込み量が増加する傾向となる。これは、凝縮水の増加によってオイル中へのＮＯｘ成分の溶け込みが促進されるためである。従って、合流ガス温度が温度Ｔ１となるように新気導入量を調整すれば、オイル中へのＮＯｘ成分の溶け込みを最小とすることができることになる。温度Ｔ１は、基本的にはクランクケース３内での水の飽和温度に対応する。

好ましい一実施例においては、目標の合流ガス温度が設定され、この目標の合流ガス温度が得られるように、流量制御弁２４のデューティ制御によって新気導入量が制御される。また、新気導入量は、負圧制御バルブ１８の開度にも影響を受けるので、負圧制御バルブ１８の開度をパラメータに含めて流量制御弁２４のデューティが決定される。

図３は、一実施例の新気導入量の制御をブロック図として示したものであり、ブロックＡでは、機関回転速度とトルク（負荷）と新気温度（吸気温度）とを入力として、目標新気導入量を演算する。後述するように、目標の合流ガス温度を決定した上で、ブローバイガス量とブローバイガス温度と新気温度とをパラメータに含めて、目標合流ガス温度を実現するための新気導入量を算出する。

ブロックＢでは、この目標新気導入量を得るために必要な流量制御弁２４の目標開度を、負圧制御バルブ１８の開度をパラメータに含めて決定する。そして、ブロックＣにおいて、流量制御弁２４のデューティを決定し、かつこのデューティでもって流量制御弁２４を駆動する。

ブロックＤでは、クランクケース圧力センサ８が検出するクランクケース３の内圧に基づき、実新気導入量を推定ないし算出する。そして、この実新気導入量がブロックＡで決定した目標新気導入量に沿うように、ブロックＢにフィードバック信号を与え、流量制御弁２４の目標開度を補正する。

次に、目標合流ガス温度の算出等を含めた制御の流れを図４のフローチャートに沿って説明する。この処理は、エンジンコントローラ１５において実行される。最初に、ステップ１において内燃機関１の作動点（回転速度および負荷）を読み込む。ステップ２およびステップ３では、そのときの動作点に基づき、予め回転速度と負荷とをパラメータとして作成したマップをそれぞれ参照して、ブローバイガス量とブローバイガス温度とを検索する。なお、ブローバイガス量およびブローバイガス温度の推定精度を高めるために、冷却水温等の他のパラメータを含めるようにしてもよい。

ステップ４では、目標合流ガス温度の算出に必要な新気温度等のパラメータを読み込む。そして、ステップ５において、目標の合流ガス温度（換言すれば飽和温度）を算出する。この目標合流ガス温度の算出については、さらに詳しく後述する。

目標の合流ガス温度を求めたら、ステップ６において、ブローバイガス量とブローバイガス温度と新気温度とを用いて、目標の合流ガス温度の実現に必要な目標新気導入量を算出する。例えば、新気温度が低い場合は、目標新気導入量は少なくなる。ブローバイガス量が多ければ目標新気導入量も多くなり、同様に、ブローバイガス温度が高ければ目標新気導入量が大となる。

ステップ７では、上記の目標新気導入量とそのときの負圧制御バルブ１８の開度とから、流量制御弁２４の目標開度を決定する。そして、ステップ８において、この目標開度をデューティに換算することで、流量制御弁２４を駆動する駆動信号のデューティを決定する。ステップ９において、このデューティに従って、流量制御弁２４を駆動する。

ステップ１０では、このように新気導入量が制御されている下でのクランクケース３の内圧（クランクケース圧力センサ８の出力値）を読み込み、ステップ１１において、このクランクケース３の内圧が所定範囲内にあるかどうかを判定する。所定範囲外であれば、ステップ７へ戻って、流量制御弁２４の目標開度を補正する。例えば、クランクケース３の内圧が所定範囲の上限よりも高い場合は、新気導入量が減少する方向に流量制御弁２４の目標開度を補正し、クランクケース３の内圧が所定範囲の下限よりも低い場合は、新気導入量が増加する方向に流量制御弁２４の目標開度を補正する。

このように新気導入量を制御してクランクケース３内のガス温度を目標合流ガス温度に維持することにより、前述したように、換気率と凝縮水発生とのバランスからＮＯｘ成分のオイル中への溶け込みを最小とすることができる。

次に、ステップ５における目標合流ガス温度の算出の一例について説明する。ここでは、パラメータとして、吸入空気量、空燃比、燃料噴射量、吸気温度（新気温度）、吸気湿度（新気湿度）、を用いる。ブローバイガスは燃焼室２から燃焼ガスの一部が漏れたものであるので、ブローバイガスの水分濃度は燃焼ガスの水分濃度と等しいものとする。また、空燃比が理論空燃比以上（つまり理論空燃比もしくはリーン）の場合と空燃比が理論空燃比未満（つまりリッチ）の場合とで、下記のように異なる形で目標合流ガス温度が決定される。これは、空燃比が理論空燃比以上の場合は燃料が完全燃焼することになるため、水分発生量は燃料噴射量が律速となり、空燃比が理論空燃比未満の場合は、水分発生量は吸入空気量が律速となる、ことを考慮したものである。

空燃比が理論空燃比もしくはリーンの場合は次のように処理を行う。
ステップ２１：.吸気湿度から、吸気中に最初から含まれる水分量を求める；
ステップ２２：.燃料噴射量から燃焼で発生する水分量を求める；
ステップ２３：両者の和としてトータルの水分量を求める；
ステップ２４：.吸入空気量を読み込む；
ステップ２５：.燃焼発生ガスボリュームを燃料噴射量から求める；
ステップ２６：この燃焼発生ガスボリュームと残留新気のボリュームとの和としてトータルのガスボリュームを求める；
ステップ２７：.水分量とガスボリュームとから燃焼ガス中の水分濃度を求める；
ステップ２８：.飽和蒸気圧曲線から飽和温度つまり目標合流ガス温度を求める。

空燃比がリッチの場合は次のように処理を行う。
ステップ３１：.吸気湿度から、吸気中に最初から含まれる水分量を求める；
ステップ３２：吸入空気量を読み込む；
ステップ３３：.吸入空気量から燃焼で発生する水分量を求める；
ステップ３４：両者の和としてトータルの水分量を求める；
ステップ３５：.燃焼発生ガスボリュームを吸入空気流量から求める；
ステップ３６：燃焼発生ガスボリュームをトータルのガスボリュームとする；
ステップ３７：水分量とガスボリュームとから.燃焼ガス中の水分濃度を求める；
ステップ３８：.飽和蒸気圧曲線から飽和温度つまり目標合流ガス温度を求める。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限られず、種々の変更が可能である。上記実施例では、新気導入通路２１における流量制御弁２４の開度によって新気導入量を可変制御しているが、負圧制御バルブ１８の開度制御によって新気導入量を可変制御することも可能である。また上記実施例では目標の合流ガス温度を内燃機関１の運転条件や外気の湿度等に応じて算出しているが、換気率の影響と凝縮水の影響とを勘案して実験的に定めたある一定の固定値であってもよい。例えば完全燃焼を前提として適当な固定値として目標合流ガス温度を定めることができる。

また上記実施例は、過給機を備えた内燃機関のブローバイガス処理装置を説明したが、非過給内燃機関のブローバイガス処理装置にも本発明は適用することが可能である。

Claims (10)

1. 新気導入通路を介してクランクケース内に新気を導入し、この新気とともにクランクケース内のブローバイガスを吸気通路に導く内燃機関のブローバイガス処理方法において、
   クランクケース内における新気とブローバイガスとが合流してなる合流ガスの目標温度を設定し、
   内燃機関の回転速度および負荷からブローバイガス量とブローバイガス温度とを求め、
   これらのブローバイガス量とブローバイガス温度と、新気温度とを用いて、上記目標温度の実現に必要な目標新気導入量を算出し、
   この目標新気導入量となるように新気の導入を制御する、
   内燃機関のブローバイガス処理方法。
2. （削除）
   
3. 新気温度を検出ないし推定により求める、
   請求項１に記載の内燃機関のブローバイガス処理方法。
4. 上記目標温度は、クランクケース内でのブローバイガス中の水分の飽和温度に対応した温度である、
   請求項１または３に記載の内燃機関のブローバイガス処理方法。
5. 上記目標温度が、理論空燃比の下での燃料の完全燃焼を前提として設定された固定値である、
   請求項１、３、４のいずれかに記載の内燃機関のブローバイガス処理方法。
6. 上記目標温度が、内燃機関の空燃比および燃料量をパラメータとして可変的に設定される、
   請求項１、３、４のいずれかに記載の内燃機関のブローバイガス処理方法。
7. 上記新気導入通路に設けた開閉弁のデューティ比制御によって新気の導入量の制御を行う、
   請求項１、３～６のいずれかに記載の内燃機関のブローバイガス処理方法。
8. （削除）
9. クランクケース内に新気を導入する新気導入通路と、
   新気導入量の調整のために上記新気導入通路に設けられた流量制御弁と、
   導入された新気とともにクランクケース内から吸気通路へブローバイガスを導くブローバイガス通路と、
   クランクケース内における新気とブローバイガスとが合流してなる合流ガスの目標温度を設定し、内燃機関の回転速度および負荷からブローバイガス量とブローバイガス温度とを求め、これらのブローバイガス量とブローバイガス温度と、新気温度とを用いて、上記目標温度の実現に必要な目標新気導入量を算出し、この目標新気導入量となるように上記流量制御弁を制御するコントローラと、
   を備えてなる内燃機関のブローバイガス処理装置。
10. ブローバイガスが導かれる吸気通路の上流に設けた負圧制御バルブの開度制御によって新気の導入量の制御を行う、
    請求項１、３～６のいずれかに記載の内燃機関のブローバイガス処理方法。

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