JP2005113799A - オイルセパレーター及びｐｃｖシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 流体の気液分離を行う際に、十分な気液分離効率を達成でき、内燃機関における余計なフリクションの発生を抑止しつつ、配置設計の自由度を向上できるオイルセパレーター及びそれを用いたＰＣＶシステムを提供する。
【解決手段】 ＰＣＶシステム１００は、内燃機関１０１、吸気系１０２、及びオイル回収系１０３に接続されたオイルセパレーター１を有するものである。オイルセパレーター１は、ケーシング１０内に支軸６が設けられ、その支軸６に複数の羽根７，…を有する羽根車７１〜７３が連設されたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オイルセパレーター及びそのオイルセパレーターを備えるＰＣＶ（Positive Crankcase Ventilation；ブローバイガス還元装置）システムに関する。

一般に、内燃機関の圧縮工程又は膨張工程においてピストンとシリンダとの間からクランクケース内に漏出するブローバイガスは、霧状のオイルと混合されてオイルミストになる。このようにオイル分とガス分を含むブローバイガスは、通常、気液分離が施された後、オイル分は回収され、ガス分は内燃機関側へ戻入される。このとき、気液分離が不十分であると、オイル消費が増大するため、オイルセパレーターとして種々の気液分離構造が提案されている。

一例として、特許文献１には、エンジンのカムシャフトに連結されたシャフトに回転体が固着されて成る遠心分離機を、ブローバイガスの通路の途中に設ける構造が記載されている。かかる従来構造によれば、エンジンの駆動によって回動される回転体にブローバイガスが衝突し、ブローバイガス中のオイルとガスが両者の質量差によって遠心分離される。
特開平４−２３４５１２号公報

しかし、上記従来技術に係る気液分離構造では、遠心分離機の回転体を回動させるための動力として、エンジン駆動で回転されるカムシャフトを用いるので、エンジンを含む系において、フリクションが不都合に増加してしまうおそれがある。また、回転体の回転軸（シャフト）をカムシャフトに接続する必要があるので、遠心分離機を設置する場所の制約が生じてしまう。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、流体の気液分離を行う際に、十分な気液分離性能を実現でき、内燃機関における余計なフリクションの発生を抑止できると共に、配置設計における自由度を向上させることが可能なオイルセパレーター及びそれを用いたＰＣＶシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明によるオイルセパレーターは、オイル分とガス分とを含む流体が供給されて気液分離が行われるものであって、流体が導入される導入口、流体から分離されたガス分が排出されるガス排出口、及び、流体から分離されたオイル分が排出されるオイル排出口が設けられたケーシングと、流体の流通方向に沿うようにケーシング内に回動可能に又は固定されて配置された支軸と、流体の流路と交差するように支軸に設けられており、かつ、流体の流動圧により回動される回動部とを備える。

このように構成されたオイルセパレーターにおいては、オイル分とガス分との気液混合体である流体が導入口を通してケーシング内に供給されると、流体の流路と交差するように設けられた回動部に流体が衝突する。これにより、流体中のオイル分は運動量の大部分を失って回動部に付着し、主にガス分が下流側に移動してガス排出口から外部へ排出される。

また、回動部は流体の流動圧（流体圧）によって回動される。厳密に言えば、流体の運動エネルギーの一部が回動部に付与される。これにより、回動部に付着したオイル分が遠心力によって回動部の外周方向に移動し、ケーシングの内壁を伝ってオイル排出口から外部へ排出される。このように、回動部を回動させるために気液分離対象である流体そのものを用いるので、他の動力源を必要としない。

ここで、回動部は、支軸に固定されていてもいなくてもよい。前者の場合、支軸の少なくとも一方の端部に軸受けを設けることにより、支軸が回動部と共に回動する回転軸として機能する。他方、後者の場合、回動部を支軸外面と摺動可能に設けることにより、支軸が回動部の回動中心に位置する固定軸として機能する。この場合、具体的には、回動部の中心に環状部材を設け、その環状部材に支軸を遊挿する、或いは環状部材を支軸外壁に遊嵌して回動可能に保持するといった手段を例示できる。

より具体的には、回動部が複数の羽根（回転翼）を含む羽根車を有するものであると好ましい。こうすれば回動部が言わばタービンとして機能する。すなわち、羽根車の各羽根が流体を受け止め、羽根車が流体の流量ひいては流速に応じた角速度で効率よく自ら回動する。よって、流体の流量が大きい程、回転数が高められるので、流体が大流量であっても高い気液分離効率を達成できる。

また、回動部は、複数の羽根のうち隣り合う羽根（回転翼）同士が、間隙（一定の間隔）を有してかつそれらの羽根同士の一部が流体の流通方向に向かって重なり合うように設けられたものであるとより好ましい。換言すれば、流体の流通方向（通常は支軸に沿う方向）に向かって矢視したときに、隣り合う二枚の羽根のうち一方の一部が他方の一部と重なり合って見えるように、複数の羽根が支軸上に配設されていると好ましい。

このように構成すれば、羽根同士の重なり合いがない場合に比して、流体と羽根との衝突をより確実ならしめることができる。よって、気液分離効率が更に向上される。つまり、羽根同士の重なり合いがないと、流体の一部が羽根で受け止められずそのまま通過してしまうおそれがある。これに対し、羽根の一部が重なり合うように設けられていると、流体の殆ど全部を羽根で受け止め得る。また、重なり合う部位において羽根同士が接することなく一定の間隔で配置されているので、ガス分の流通が遮断されてしまうといった不都合が生じない。

また、本発明によるＰＣＶシステムは、本発明によるオイルセパレーターを備えており、流体として内燃機関から生じるブローバイガスがそのオイルセパレーターに供給されるように構成されたものである。

本発明のオイルセパレーター及びそれを用いたＰＣＶシステムによれば、気液分離対象たる流体を回動部の動力として用いるので、内燃機関における余計なフリクションの発生を抑止でき、しかも、設置スペースに制約が生じてしまうといった不都合を解消して設置自由度及び設計自由度の向上を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。

図１は、本発明によるオイルセパレーターを備えるＰＣＶシステムの好適な一実施形態を模式的に示す斜視図（一部ブロック図）である。

ＰＣＶシステム１００は、車両や動機器等（図示せず）に備わる内燃機関１０１及び吸気系１０２に接続されたオイルセパレーター１を備えている。オイルセパレーター１は、略円筒状を成すケーシング１０内に支軸６が設けられ、その支軸６に羽根車７１〜７３（回動部）が連設されたものである。

ケーシング１０は中空略円筒状を成しており、略円錐状を成す一方壁（ブローバイガスＧの流れの上流側に位置する壁）に形成された導入口３ａに、内燃機関１０１の例えば図示しないクランクケースに配管Ｐ１を介して接続された吸入管３が結合されている。また、ケーシング１０の他方壁（ブローバイガスＧの流れの下流側に位置する壁）における図示上部に形成されたガス排出口４ａには、吸気系１０２に配管Ｐ２を介して出口管４が接続されている。

さらに、ケーシング１０の胴壁（筒状胴部を構成する壁）における他方壁近傍の図示下部にオイル排出口５ａが穿設されており、そのオイル排出口５ａには、開閉バルブ（図示せず）を有し且つオイル回収系１０３に配管Ｐ３を介して接続された排出管５が接続されている。なお、ケーシング１０の胴壁の下方部位は一方壁から他方壁に向かって下り傾斜とされている。

また、支軸６は、筒状又は棒状（図示では筒状）の胴部６２の先端に錐状の頭部６１が固定されたものであり、基端がケーシング１０の他方壁に設けられた軸受け６３に保持されている。これにより、支軸６は、ケーシング１０と同軸状に且つその軸周りに回動可能にされている。

さらに、羽根車７１〜７３は、支軸６の胴部６２に一定間隔で且つその胴部６２からケーシング１０の胴壁に向かって突設するように配設されている。ここで、図２は、図１及び後述する図３におけるII−II線に沿う要部を示す断面図である。

本実施形態においては、各羽根車７１，７２，７３は、曲面形状を有する八枚の羽根（翼、タービン翼）７，…から構成されており、それらの羽根のうち隣り合うもの同士が間隙（一定の間隔；図１参照）を有してかつブローバイガスＧ（流体）の流通方向（支軸６の軸方向）に向かって重なり合うように設けられている。すなわち、図２に示す如く、ブローバイガスＧの流通方向に向かって矢視したときに、隣り合う二枚の羽根７，７のうち一方の一部が他方の一部と重なり合って見えるように、八枚の羽根７，…が支軸６上に配設されている。

かかる構成を有するＰＣＶシステム１００によるブローバイガスＧの処理について、主に図１を参照して以下に説明する。ブローバイガスＧは、内燃機関１０１内で発生したオイル液滴（オイル分）と燃焼ガス（ガス分）との気液混合体つまりオイルミストであり、通常、内燃機関１０１の運転条件に応じて流量が変化する。

ブローバイガスＧは、配管Ｐ１及び吸入管３を通してオイルセパレーター１の導入口３ａからケーシング１０内に供給され、ケーシング１０と支軸６とで画定される流路を通り、その流路と交差するように設けられている羽根車７１〜７３を順次通過しながら、ガス排出口４ａが設けられたケーシング１０の他方壁側へ流動する。図１において、その流れを模式的に矢印Ｈで示す。

羽根車７１〜７３に到達したブローバイガスＧは、各羽根車を構成する複数の羽根７，…に当たって受け止められる。その際、ブローバイガスＧに含まれる微小なオイル液滴は運動量を失って羽根７，…に一旦付着する。同時に、ブローバイガスＧの圧力（風圧）によって、換言すればブローバイガスＧの運動エネルギーの一部が羽根７に付与され、羽根車７１〜７３が支軸６を中心にして回動される。なお、本実施形態では、羽根車７１〜７３が支軸６に結合されており、支軸６が軸受け６３に保持されているので、羽根車７１〜７３と支軸６とが一体に回動される。

羽根車７１〜７３が回動すると、羽根７の面に付着したオイル液滴に遠心力が作用し、羽根車７１〜７３の面上を外周方向に移動する。そのオイル液滴は、やがて、羽根７から吹き飛ばされてケーシング１０の胴壁上に放出され、その壁面を伝ってケーシング１０の胴部の下方部位に集められる。

集積したオイル９は、ケーシング１０における胴部下方部の下り傾斜によって流下し、図示波線矢印Ｊで模式的に示すように、オイル排出口５ａからケーシング１０の外部へ排出され、排出管５を通してオイル回収系１０３へ送られる。

こうして、ブローバイガスＧは、羽根車７１〜７３の羽根７，…間の隙間を吹き抜けるようにして図示矢印Ｈで模式的に示す方向に沿って流動しながら、気液分離が行われる。そして、オイル液滴が分離除去された清澄ガスは、ガス排出口４ａからケーシング１０の外部へ排出され、出口管４及び配管Ｐ２を通して吸気系１０２へ送られる。なお、ケーシング１０内の実際の気流は、より一層複雑な経路をとり得るものと想定される。

このように構成されたオイルセパレーター１及びそれを備えるＰＣＶシステム１００によれば、羽根車７１〜７３が、気液分離対象であるブローバイガスＧによって回動されるので、羽根車７１〜７３を駆動させるための他の動力源が不要である。よって、支軸６を内燃機関１０１のカムシャフト等に固着させるといった従来の構造を採用する必要がない。したがって、内燃機関１０１におけるフリクションの増加を抑止することができる。

また、そのようにオイルセパレーター１を駆動するために内燃機関１０１を接続する必要がないので、装置構成を簡略化して設置スペースの縮小及びコストの削減が可能になると共に、オイルセパレーター１の配置設計における自由度を格段に向上できる。

さらに、回動部として羽根車７１〜７３を用いるので、ブローバイガスＧの風圧を効率よく羽根７，…の回動動作に利用できる。また、ブローバイガスＧの流量ひいては流速が大きい程、羽根車７１〜７３の回転数が高められるので、ブローバイガスＧが大流量であっても十分に高い気液分離効率を実現できる。

またさらに、羽根車７１〜７３は、隣り合う二枚の羽根７，７がブローバイガスＧの流通方向に向かって（沿って）重なり合うように配置されたものであるので、ブローバイガスＧの一部が羽根７，…で受け止められずそのまま通過してしまうことを防止できる。よって、ブローバイガスＧの殆ど全部を羽根７，…で受け止めることができ、気液分離性能を更に一層向上できる。さらにまた、重なり合う部位において二枚の羽根７，７同士が一定の間隙を有して配置されているので、ブローバイガスＧ及び気液分離されたガス分は、その隙間を通って下流側へ移動できる。よって、ブローバイガスＧが遮断されることがないので、そのような遮断の発生に起因し得る処理速度の低下を防止できる。

さらにまた、支軸６に錐状の頭部６１を設けたので、供給されたブローバイガスＧを羽根車７１側に分配させ易くなる。よって、ケーシング１０の上流側における流速の低下を抑制できる。加えて、ケーシング１０の胴部の下方部位が傾斜しているので、集積したオイル９を効率よく回収できる。

図３は、本発明によるオイルセパレーターを備えるＰＣＶシステムの好適な他の実施形態を模式的に示す斜視図（一部ブロック図）である。ＰＣＶシステム２００は、オイルセパレーター１の代わりにオイルセパレーター２を備えること以外は、図１に示すＰＣＶシステム１００と同様の構成を有する。また、オイルセパレーター２は、ケーシング１０の代わりにケーシング２０を備えること以外は、オイルセパレーター１と同様に構成されたものである。

ケーシング２０は、その胴部の内壁における羽根車７１〜７３と対向する部位にそれぞれ環状溝（環状凹部）M１〜M３が形成されたものである。別の観点から言えば、胴部の内壁における羽根車７１〜７３と対向しない部位に環状突起Ｔ１〜Ｔ３が形成されている。すなわち、ケーシング１０は、ブローバイガスＧの流通方向に沿って環状の凹凸が交互に設けられたものである。

このように構成されたオイルセパレーター２及びそれを備えるＰＣＶシステム２００においても、上述したオイルセパレーター１及びそれを備えるＰＣＶシステム１００と同等の優れた作用効果が奏される。なお、それらについては、重複を避けるため、ここでの説明を省略する。

ここで、図４は、ケーシング２０の胴部内側の下方部位を示す斜視図である。先述したように、オイルセパレーター２では、羽根車７１〜７３に対向する位置に環状溝Ｍ１〜Ｍ３が設けられている。よって、各羽根車７１〜７３に付着したオイル液滴は、それぞれに対向する各環状溝Ｍ１〜Ｍ３上に放出され、その各環状溝Ｍ１〜Ｍ３に沿って流下する。図４に示す如く、各環状溝Ｍ１〜Ｍ３の下部に達してある程度集積されたオイル９の流れは、ケーシング２０の胴部に形成された通路Ｄで合流し、オイル排出口５ａから外部へ排出される。

ところで、図１に示すオイルセパレーター１では、吸気系１０２の吸い込みにより、ガス排出口４ａ近傍が万一過度に負圧にされた場合、ケーシング１０の内壁に付着したオイル分が吸気系１０２側へ引き込まれるように移動し、つまり、内壁を伝ってブローバイガスＧの流通方向に移動してしまい、清澄ガスと共に吸気系１０２に送られてしまうおそれがなくはない。

そのような不都合は、負圧の調整によって十分抑止できるものの、オイルセパレーター２のようにケーシング２０に環状溝Ｍ１〜Ｍ３を設ければ、ブローバイガスＧの流通方向に沿って環状溝Ｍ１〜Ｍ３の各間に環状突起Ｔ１〜Ｔ３が形成されるので、それらが障壁となってオイル分がガス排出口４ａ側へ移動することが妨げられる。よって、オイル分が清澄ガスと共に吸気系１０２に送られてしまうことを十分に抑止でき、オイル９をより効率よく集積させてオイル分の回収率を一層高めることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、羽根車７１〜７３の数は三台に限らず、一台でも二台でもよく、更に多段に設けてもよい。また、羽根７，…の枚数や形状は図示に限定されず、枚数は複数あればよく、形状は羽根車７１〜７３として成立する形状であればよい。さらに、羽根７，…は上述の通り重ね合うように設置されることが望ましいが、重なり合っていなくともよい。

またさらに、支軸６を固定軸としてもよい。すなわち、羽根車７１〜７３を支軸６に対して遊動可能に設ければ、支軸６をケーシング１０，２０の他方壁に固着させることができ、その場合、軸受け６３は不要となる。具体的には、例えば、リング等の環状部材に羽根７，…を接合させると共に、支軸６の胴部にその環状部材が遊嵌可能な環状溝等を設けるといった手法が挙げられる。こうしても、ブローバイガスＧによって羽根車７１〜７３が回動されるので、気液分離性能を十分に高め得る。

さらにまた、オイルセパレーター２において、完全な環状を成す環状溝Ｍ１〜Ｍ３の代わりに、ケーシング２０における上方部位に弧状溝を設けてもよい。この場合、ガス排出口４ａ付近が過度に負圧になったとしても、ケーシング２０の胴部の下方部位に到達してある程度集積したオイル９は、ガス排出口４ａまでの距離が比較的大きいので、容易には引き込まれ難い。加えて、導入口３ａ及び吸入管３を、支軸６から偏心させてケーシング１０，２０の一方壁に接続しても構わない。その場合、支軸６の頭部６１は錐状でなくてもよい。また、ケーシング１０，２０の形状は円筒状に限られず、例えば角筒状のものでもよい。

本発明によるオイルセパレーター及びそれを備えるＰＣＶシステムは、気液分離対象たる流体を回動部の動力として用いるので、内燃機関における余計なフリクションの発生を抑止でき、しかも、設置スペースの制約を解消して配置設計における自由度を向上できるので、ブローバイガス等のオイル分を含む気液混合体が発生し得る内燃機関を備える機器、動機、設備等に広く利用できる。

本発明によるオイルセパレーターを備えるＰＣＶシステムの好適な一実施形態を模式的に示す斜視図（一部ブロック図）である。 図１及び図３におけるII−II線に沿う要部を示す断面図である。 本発明によるオイルセパレーターを備えるＰＣＶシステムの好適な他の実施形態を模式的に示す斜視図（一部ブロック図）である。 ケーシング２０の胴部内側の下方部位を示す斜視図である。

符号の説明

１…オイルセパレーター、３…吸入管、３ａ…導入口、４…出口管、４ａ…ガス排出口、５ａ…オイル排出口、５…排出管、６…支軸、７…羽根、９…オイル、１０，２０…ケーシング、６１…頭部（支軸）、６２…胴部（支軸）、７１，７２，７３…羽根車（回動部）、１００，２００…ＰＣＶシステム、１０１…内燃機関、１０２…吸気系、１０３…オイル回収系、Ｄ…通路、Ｇ…ブローバイガス（流体）、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…配管、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…環状溝、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３…環状突起。

Claims (4)

1. オイル分とガス分とを含む流体が供給されて気液分離が行われるオイルセパレーターであって、
   前記流体が導入される導入口、該流体から分離された前記ガス分が排出されるガス排出口、及び、該流体から分離されたオイル分が排出されるオイル排出口が設けられたケーシングと、
   前記流体の流通方向に沿うように前記ケーシング内に回動可能に又は固定されて配置された支軸と、
   前記流体の流路と交差するように前記支軸に設けられており、かつ、前記流体の流動圧により回動される回動部と、
   を備えるオイルセパレーター。
2. 前記回動部が複数の羽根を含む羽根車を有するものである、
   請求項１記載のオイルセパレーター。
3. 前記回動部は、前記複数の羽根のうち隣り合う羽根同士が、間隙を有してかつ該羽根同士の一部が前記流体の流通方向に向かって重なり合うように設けられたものである、
   請求項２記載のオイルセパレーター。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のオイルセパレーターを備えており、
   前記流体として内燃機関から生じるブローバイガスが前記オイルセパレーターに供給される、
   ＰＣＶシステム。
   

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