JP2009270474A - ブローバイガス還流システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡略な構成で、ブローバイガス中に含まれるオイルを効率的に分離する。
【解決手段】過給機１１のコンプレッサ１１Ｃにより加圧された空気を、インタークーラ１４を介して吸気マニホルド１６へと供給する。インタークーラ１４の出口から、吸気取出通路２２を介してオイル分離装置２１のタービン入口へと吸気を導く。オイル分離装置２１のタービン出口から排気された加圧空気をコンプレッサ１１Ｃの上流側へと還流する。オイル分離装置２１のタービンにタービンシャフトを介して羽根車を連結する。羽根車にブローバイガスを供給し、ブローバイガス中に含まれるオイルを羽根車による遠心力により分離する。オイル分離がなされたブローバイガスを中空のタービンシャフト内を通して、オイル分離装置２１のタービン側へと導き、加圧空気とともにコンプレッサ１１Ｃの上流側へと還流する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブローバイガスに含まれるオイルを分離するオイル分離装置を備えたブローバイガス還流システムに関する。

内燃機関に設けられたブローバイガス還流システムでは、クランクケースなどに漏れ出したブローバイガス（未燃焼ガス）を吸気系に還流する。吸気系に還流されるブローバイガスは、通常オイル分離装置を介して吸気系に戻され、ブローバイガス中に含まれるエンジンオイルなどのオイルミストがブローバイガスから分離、回収される。オイルの分離には、遠心分離を用いるものが知られており、遠心分離器の回転動力としては様々な動力源が用いられる。例えば、ブローバイガスをオイル分離装置内へと流通させ、ブローバイガスの流動圧によりオイル分離装置内に設けた羽根車を回転させ、羽根車の遠心力により質量の大きいオイルを分離、回収する構成が提案されている（特許文献１）。
特開２００５−１１３７９９号公報

しかし、特許文献１の構成では羽根車の回転がブローバイガスの流量に依存するため、回転力が不足して運転状態によってはオイルの分離が不充分となることがある。オイルの分離が不十分であると、オイルコーキングの発生やオイル消費量の増大という問題を発生する。

本発明は、簡略な構成で、効率的にオイル分離を行なうことができるブローバイガス還流システムを提供することを目的としている。

本発明のブローバイガス還流システムは、遠心作用によりブローバイガス中からオイルを分離する羽根車と、羽根車に連結されるタービンとを備え、タービンがインタークーラ下流側から供給される空気により作動され、タービンから排出される空気およびブローバイガスが過給機のコンプレッサの上流側へと還流されることを特徴としている。

インタークーラ下流側からタービンへと空気を流通する吸気取出通路と、吸気取出通路に設けられた制御弁とを備え、制御弁の開閉がコンプレッサ出口温度に基づいて制御されることが好ましい。これにより、運転状態に合わせてタービンの作動を制御することができる。

羽根車に設けられたベーンは、ブローバイガスから流体力を受けて、羽根車に回転力を与えることが好ましく、制御弁閉弁時にはブローバイガスによる回転力により羽根車が回転される。これにより、過給圧が低い時には、ブローバイガスの流体力のみでオイル分離を行なうことができる。

制御弁は、コンプレッサ出口温度が所定値以上のときに開弁される。これにより、過給圧が高く、コンプレッサ出口温度が高いときに、タービンを作動させてオイル分離作用を高めることができる。また、インタークーラ下流側から空気を抽気することにより、コンプレッサ入り口側の温度を下げ、オイルコーキングの発生を抑止することができる。

また制御弁は、スロットル弁開度が閉方向へと操作されたときに開弁される。これにより、減速時などのように過給圧が瞬時に増大するときに、インタークーラの出口側の加圧空気を還流させることで、コンプレッササージの発生を抑え、これに起因する騒音の発生を防止することができるとともに、このときのオイル分離効率が高められる。

羽根車とタービンは中空のタービンシャフトにより連結され、タービンシャフトの羽根車側の側面には孔が設けられる。これにより、ブローバイガスは、孔を通してタービンシャフト内へと流入し、タービンシャフトのタービン側端部の開放された開口部からタービン出口へと流出する。これにより、ブローバイガスとインタークーラ下流側から抽気された空気とを同じ経路を用いて効率的に還流させることができる。

羽根車は、タービンシャフトに連結される第１の円盤と、タービンシャフトに同軸的な中空のブローバイガス導入シャフトと、ブローバイガス導入シャフトに連結される第２の円盤とを備えることが好ましい。第１および第２の円盤は平行に配置され、ベーンは第１および第２の円盤の間に放射状に配置される。ブローバイガスはブローバイガス導入シャフトの先端開口部からブローバイガス導入シャフト内を通って第１の円盤と第２の円盤との間の空間に流入され、第１の円盤により径方向へと放射状に流れを変更される。これにより、簡略な構成でブローバイガスに遠心力を与えることができるとともに、ブローバイガスの流体力により羽根車を回転させることができる。

また、ブローバイガスから効率的に羽根車の回転力を得るとともに、ベーンによる損失を低減するには、ベーンは弧状湾曲面形状とされることが好ましい。

以上のように、本発明によれば、簡略な構成で、効率的にオイル分離を行なうことができるブローバイガス還流システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるオイル分離装置を用いたブローバイガス還流システムの構成を示すブロック図である。

ブローバイガス還流システム１０は、過給機１１を備えた過給機付内燃機関１２に適用される。すなわち、エアクリーナ１３から吸入された空気は、過給機１１のコンプレッサ１１Ｃにおいて加圧され、その後インタークーラ１４、スロットル弁１５を介して吸気マニホルド１６へと供給される。本実施形態において過給機１１はターボ過給機であり、排気マニホルド１７からの排気は、過給機１１のタービン１１Ｔ、排気触媒１８を介して外部へと排出される。また、内燃機関１２は、吸気マニホルド１６と排気マニホルド１７とを連通し、ＥＧＲバルブ１９、ＥＧＲクーラ２０を備えたＥＧＲシステムを備えている。なお、過給機１１はターボ過給機に限定されるものではなく、いかなる形式の過給機であってもよい。

吸気通路のインタークーラ１４とスロットル弁１５との間には、オイル分離装置２１のタービン入口に接続される吸気取出通路２２が接続され、コンプレッサ１１Ｃの上流側にはオイル分離装置２１のタービン出口に接続される還流通路２３が接続される。また、吸気取出通路２２には制御弁２４が設けられ、コンプレッサ１１Ｃの出口近傍には、温度センサ２５が設けられる。ＥＣＵ２６には、温度センサ２５により検出されたコンプレッサ出口温度Ｔやスロットル弁１５の開度などが入力され、制御弁２４の開閉動作は、コンプレッサ出口温度Ｔおよびスロットル弁開度に基づいてＥＣＵ２６より制御される。

図２は、オイル分離装置２１の構成を示す模式的な断面図である。オイル分離装置２１は、遠心式のオイル分離装置であり、羽根車２７を備える。羽根車２７はタービンシャフト２８を介してタービンホイール２９に連結され、タービンシャフト２８は軸受け３０を介して、センターハウジング３１に回転自在に保持される。

タービンホイール２９は、タービンハウジング３２内に収容され、タービンハウジング３２に設けられたスクロール３２Ｓのタービン入口には、吸気取出通路２２が接続される。また、タービンハウジング３２は、タービンシャフト２８の軸方向に開口するタービン出口３２Ａが形成され、還流通路２３が接続される。

羽根車２７は、平行に配置された略同じ外径を有する２枚の円盤２７Ａ、２７Ｂを備える。円盤２７Ａ、２７Ｂの間には、放射状に配列された複数のベーン３３が配置される。円盤２７Ａは、同軸的にタービンシャフト２８に連結され、円盤２７Ｂはタービンシャフト２８と同軸的に配置されたブローバイガス導入シャフト３４に連結される。なお、羽根車２７の外周部は開放されており、円盤２７Ａ、２７Ｂに挟まれた空間は、外部と連通する。

羽根車２７は、オイル分離ハウジング３５内に収容され、オイル分離ハウジング３５には、ブローバイガス導入シャフト３４が嵌挿される円形の開口部３５Ａが形成される。開口部３５Ａには、ブローバイガス導入シャフト３４の外径よりもその内径が大きいブローバイガス通路３６が連結される。ブローバイガス通路３６は、内燃機関１２のクランクケースなどに接続される通路であり、ブローバイガスは、ブローバイガス通路３６を介してオイル分離装置２１へと供給される。

オイル分離ハウジング３５の開口部３５Ａを通してブローバイガス通路３６内へと延出したブローバイガス導入シャフト３４の外周面とブローバイガス通路３６の内周面との間には、例えばリップシール３７が介挿される。ブローバイガス導入シャフト３４は、リップシール３７を介してブローバイガス通路３６やオイル分離ハウジング３５に対して回転自在に保持される。

またオイル分離ハウジング３５の外周部３５Ｂは例えば傾斜面とされ、窪み部の下側には、内燃機関１２のオイルパンへと連通されるドレイン通路３８が接続される。なお、外周部３５Ｂの形状は、分離され外周部３５Ｂの壁面に付着したオイルがドレイン通路３８へと流れる形状であればいかなる形状であってもよい。

ブローバイガス導入シャフト３４は、中空のシャフトであり、その基端部は円盤２７Ｂの中心に設けられた開口部２７Ｃに連結される。また、ブローバイガス導入シャフト３４の先端部はブローバイガス通路３６内において通路軸方向に開口する。したがって、ブローバイガス通路３６から供給されるブローバイガスは、ブローバイガス導入シャフト３４の先端開口部からシャフト内を通って、円盤２７Ａ、２７Ｂによって画成される空間（羽根車２７内）へと軸方向に沿って流入する。

タービンシャフト２８も中空のシャフトとして構成され、タービンシャフト２８の円盤２７Ａ側の端部は円盤２７Ａにより閉塞される。円盤２７Ａの近傍であって、オイル分離ハウジング３５内に配置されたタービンシャフト２８の側壁には、タービンシャフト２８の内部へと連通する１つ以上の孔２８Ａが形成される。また、タービンシャフト２８の他端は、タービンホイール２９を挿通し、タービン出口３２Ａ方向へと開放される。

図３は、円盤２７Ａ（２７Ｂ）における、ベーン３３の配置を示す平面図である。ベーン３３は、円盤２７Ｂの開口部２７Ｃよりも外側の所定の位置から円盤２７Ａ（２７Ｂ）の外周部まで延在し、その面は円盤２７Ａ、２７Ｂに対して垂直に配置される。ベーン３３は、例えば弧状湾曲面として形成され、ベーン３３のキャンバーラインは、前縁部において例えば径方向に沿って配置される。またベーン３３のキャンバーラインは、後縁部に向かって、徐々に羽根車２７の回転方向Ａとは逆向きに反り返る。

次に、オイル分離装置２１のオイル分離動作および吸気取出通路２２に設けられた制御弁２４の制御動作について説明する。

制御弁２４は、インタークーラ１４の下流側からオイル分離装置２１のタービンへと供給される加圧空気の流通を制御する弁である。内燃機関１２の出力が増大すると、過給圧が上昇するためコンプレッサ１１Ｃの出口温度Ｔも上昇し、同時にブローバイガス量も増大する。このような条件の下では、ブローバイガス中にオイルが残留し易く、コンプレッサ１１Ｃの出口通路においてオイルコーキングが発生してコンプレッサ効率を低下させる恐れがある。

したがって、このような条件下では、オイル分離の効率を高めるために羽根車２７の回転を上昇させる必要がある。本実施形態では、温度センサ２５を用いてコンプレッサ１１Ｃの出口温度をモニタし、コンプレッサ出口温度が所定値Ｔ１以上のときに制御弁２４を開き、オイル分離装置２１に設けられたタービンにより羽根車２７を高速回転する。

なお、コンプレッサ出口温度Ｔが所定値Ｔ１よりも低く、制御弁２４が閉じられているときには、羽根車２７はブローバイガスの流体力により回転される。すなわち、ブローバイガス通路３６を通って供給されるブローバイガスは、ブローバイガス導入シャフト３４を介して、軸方向に羽根車２７内へと導入される。羽根車２７内へと流入したブローバイガスは、軸方向に直交する円盤２７Ａの壁面に衝突し、径方向へと流れを変え、羽根車２７の外周部から放射状にオイル分離ハウジング３５の壁面３５Ｂに向けて流出する。

このとき、ベーン３３は、流出するブローバイガスにより揚力を得て、羽根車２７は図３におけるＡ方向へと回転され、ブローバイガス中に含まれるオイルは、羽根車２７の回転による遠心作用により、オイル分離ハウジング３５の壁面３５Ｂに付着する。

また、コンプレッサ出口温度Ｔが所定値Ｔ１以上のときには制御弁２４が開かれるため、オイル分離装置２１のタービンホイール２９には、吸気取出通路２２を介して、過給機１１のコンプレッサ１１Ｃで加圧され、インタークーラ１４において冷却された加圧空気が供給される。これにより、タービンホイール２９が制御弁２４の閉弁時よりも高速で回転され、タービンシャフト２８を介してタービンホイール２９に連結された羽根車２７が高速回転される。すなわち、羽根車２７の遠心作用により質量の大きいオイルは壁面３５Ｂに付着する。なお、壁面３５Ｂに付着したオイルは壁面３５Ｂに沿ってドレイン通路３８へと至り、オイルパンへと回収される。

一方、オイルが分離されたブローバイガスは、タービンシャフト２８に設けられた孔２８Ａを通ってタービンシャフト２８内へと流入し、タービンホイール２９側に設けられたタービンシャフト２８の開口部２８Ｂを介して還流通路２３へと排出される。環流通路２３へ流出したブローバイガスは、還流通路２３を通って過給機１１のコンプレッサ１１Ｃの上流側（負圧側）へと還流され、制御弁２４が開かれているときには、ブローバイガスは加圧空気とともにコンプレッサ１１Ｃの上流側（負圧側）へと還流される。

また、スロットルが戻された場合（スロットル弁１５が閉方向に操作された場合）には、インタークーラ１４の出口圧力が瞬時に上昇する。このような過給圧の急上昇は、コンプレッササージを引き起こし、騒音を発生させる場合がある。したがって、本実施形態では、コンプレッサ出口温度Ｔによる判定とは別に、減速時などスロットル弁１５が閉方向に操作された場合に、制御弁２４を開き、インタークーラ１４の出口圧力をオイル分離装置２１に導き、これをコンプレッサ１１Ｃの上流側へ戻すことで、コンプレッササージの発生を抑え、これに起因する騒音の発生を防止する。

図４に上述した制御弁２４の開閉動作処理のフローチャートを示す。なお、この制御弁開閉動作処理はＥＣＵ２６において、所定のタイミングで繰り返し実行される。

ステップＳ１００では、スロットル弁開度が閉方向へ操作されたか否かが判定される。スロットル弁開度が閉方向へ操作されていない場合には、ステップＳ１０２において、コンプレッサ出口温度Ｔが所定値Ｔ１以上であるか否かが判定される。ステップＳ１００においてスロットル弁開度が閉方向へ操作されたと判断された場合や、ステップＳ１０２において、コンプレッサ出口温度Ｔが所定値Ｔ１以上であると判定された場合には、ステップＳ１０４において制御弁２４が開弁され、この制御弁開閉動作処理は終了する。一方、ステップＳ１０２において、コンプレッサ出口温度Ｔが所定値Ｔ１よりも低いと判定された場合には、ステップＳ１０６において、制御弁２４が閉じられ、または閉じた状態に維持されてこの制御弁開閉動作処理は終了する。

以上のように本実施形態によれば、簡略な構成でブローバイガス中に含まれるオイルを様々な運転状態において、より効率的に分離することが可能となる。すなわち、羽根車２７の回転動力には、ブローバイガスのエネルギまたはインタークーラ出口圧力を利用しているため、エンジンカムシャフトから動力を伝達する場合や、電動モータを用いる場合などに比べ、損失が小さく構成も簡略である。なお、インタークーラ出口から加圧空気を抽気しても、内燃機関の運転性能には殆ど影響を与えない。

また、制御弁２４の開弁時には、インタークーラで温度が下げられた空気が、オイル分離装置２１のタービンにおいて更に温度が下げられるため、コンプレッサ１１Ｃの入口側に還流される空気およびブローバイガスの温度が下がり、その分コンプレッサ１１Ｃの出口側の温度が低下する。これによりオイルコーキングの抑制効果が更に高められる。

また、本実施形態では、スロットルを戻したときにも制御弁２４を開くため、コンプレッササージによる騒音の発生を防止でき、このような場合にはオイル分離効率も更に高めることができる。

なお、本実施形態では、ベーンを弧状湾曲面としたが、ベーンに平板を用い、羽根車の径方向に対して所定の角度で配置する構成としてもよい。

本実施形態では、コンプレッサ出口温度が所定値に達するまでは制御弁を閉じた状態に維持し、所定値以上になったときに開弁する構成としたが、温度の上昇とともにスロットル弁開度を増大させる構成としてもよい。例えば所定の温度範囲において、その下限値から制御弁を開き始め、その上限値で最大開度とすることも可能である。

本発明の一実施形態であるオイル分離装置を用いたブローバイガス還流システムの構成を示すブロック図である。 ブローバイガス還流システムの構成を示す模式的な断面図である。 羽根車に設けられたベーンの配置を示す平面図である。 制御弁を開閉動作させる処理のフローチャートである。

符号の説明

１０ ブローバイガス還流システム
１１ 過給機
１１Ｃ 過給機コンプレッサ
１２ 内燃機関
１４ インタークーラ
１５ スロットル弁
２１ オイル分離装置
２２ 吸気取出通路
２３ 還流通路
２４ 制御弁
２５ 温度センサ
２６ ＥＣＵ
２７ 羽根車
２８ タービンシャフト
２８Ａ 孔
２８Ｂ 開口部
２９ タービンホイール（タービン）
３３ ベーン
３４ ブローバイガス導入シャフト
３５ オイル分離ハウジング
３６ ブローバイガス通路
３８ ドレイン通路

Claims (9)

1. 遠心作用によりブローバイガス中からオイルを分離する羽根車と、
   前記羽根車に連結されるタービンとを備え、
   前記タービンがインタークーラ下流側から供給される空気により作動され、前記タービンから排出される前記空気および前記ブローバイガスが過給機のコンプレッサの上流側へと還流される
   ことを特徴とするブローバイガス還流システム。
2. 前記インタークーラ下流側から前記タービンへと空気を流通する吸気取出通路と、前記吸気取出通路に設けられた制御弁とを備え、前記制御弁の開閉がコンプレッサ出口温度に基づいて制御されることを特徴とする請求項１に記載のブローバイガス還流システム。
3. 前記羽根車に設けられたベーンが、前記ブローバイガスから流体力を受けて、前記羽根車に回転力を与えることを特徴とする請求項２に記載のブローバイガス還流システム。
4. 前記制御弁の閉弁時には前記ブローバイガスによる回転力により前記羽根車が回転されることを特徴とする請求項３に記載のブローバイガス還流システム。
5. 前記制御弁が、前記コンプレッサ出口温度が所定値以上のときに開弁されることを特徴とする請求項４に記載のブローバイガス還流システム。
6. 前記制御弁が、スロットル弁開度が閉方向へと操作されたときに開弁されることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載のブローバイガス還流システム。
7. 前記羽根車と前記タービンとを連結する中空のタービンシャフトを備え、前記タービンシャフトの前記羽根車側の側面に孔が設けられ、前記ブローバイガスが、前記孔を通して前記タービンシャフト内へと流入し、前記タービンシャフトのタービン側端部の開放された開口部から前記タービン出口へと流出することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のブローバイガス還流システム。
8. 前記羽根車が、前記タービンシャフトに連結される第１の円盤と、前記タービンシャフトに同軸的な中空のブローバイガス導入シャフトと、前記ブローバイガス導入シャフトに連結される第２の円盤とを備え、前記第１および第２の円盤が平行に配置され、前記ベーンが前記第１および第２の円盤の間に放射状に配置され、前記ブローバイガスが前記ブローバイガス導入シャフトの先端開口部から前記ブローバイガス導入シャフト内を通って前記第１の円盤と前記第２の円盤との間の空間に流入されるとともに、前記第１の円盤により径方向へと放射状に流れを変更されることを特徴とする請求項３に記載のブローバイガス還流システム。
9. 前記ベーンが、弧状湾曲面形状とされたことを特徴とする請求項９に記載のブローバイガス還流システム。