JP2016223357A - オイルセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】ブローバイガス中のオイルの高い回収効率を確保しつつ、このオイルに起因する詰まりを確実に防止すること。【解決手段】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手段３と、オイル分離手段３を切り替え自在に冷却又は加熱する温度調節手段４と、オイル分離手段３を通過するブローバイガスの流量を検出する流量検出手段５と、前記流量の検出結果に基づいて、温度調節手段４を冷却状態から加熱状態に切り替える制御手段６と、を備えたオイルセパレータを構成する。【選択図】図１

Description

この発明は、ブローバイガス還元装置に用いられるオイルセパレータに関する。

エンジンのピストンとシリンダの間の隙間から、クランクケース等に漏れ出たブローバイガスは、エンジンオイルの劣化や金属部品の腐食、さらには大気汚染の原因となるといわれている。そこで、漏れ出たブローバイガスを吸気通路側に還流して、新しい混合気と混ぜるブローバイガス還元装置を設け、ブローバイガスを未燃焼の状態で大気放出しないようにすることが多い。

この還元装置内を流れるブローバイガスには、エンジン部品から飛散したオイルが含まれている。特に排気再循環装置を備えるエンジンにおいては、ブローバイガスを排気再循環装置の導入口よりも上流側に吸入させるのが一般的であるため、ブローバイガスに含まれるオイルが、排気再循環装置内を流れるガスに含まれるススと結合し、吸気系にデポジットとなって堆積しやすい。このデポジットは、吸気系の圧損を増大して吸気量を低下させたり、吸気冷却装置の熱交換効率を低下させたりする原因となり、エンジンの出力が低下する等の問題を引き起こしかねない。

この問題を解決すべく、還元装置の流路内にオイルセパレータを設け、このオイルセパレータでブローバイガス中のオイルを分離する構成が採用されることがある。ブローバイガス中のオイルは、ミスト状となっている。そこで、例えば、特許文献１に示すように、オイルセパレータ又はブローバイガスを冷却することによってオイルを凝縮し、オイルセパレータでの捕集率を高めている（特許文献１の段落０００８参照）。

このように、オイルセパレータ又はブローバイガスを冷却した場合、ブローバイガス中に含まれる水分とオイルが粘性の高いエマルジョンを形成したり、水分が凍結したりして、オイルセパレータの流路に詰まりを生じ、還元装置のブリーザ機能が損なわれることがある。

この目詰まり対策として、特許文献１の構成では、冷却だけでなく加熱も可能な冷暖両用の温度制御手段を採用し、流路内に設けた温度センサで測定したブローバイガスの温度が大幅に低下した際にブローバイガスを加熱して、このブローバイガス中の水分が凍結して流路が閉塞するのを防止している（特許文献１の段落０００８等参照）。また、例えば、特許文献２の構成においては、クランクケース内のブローバイガスの気圧を測定することで、凍結やスラッジによるクランク室積極換気式バルブの詰まりを検出可能とし、このクランク室積極換気式バルブの閉塞の点検作業を適切なタイミングで行い得るようにしている（特許文献２の段落００２０等参照）。

特開平１０−２９９４５０号参照 特許第５２８２７７４号公報

特許文献１の構成においては、温度センサでの測定結果に基づいてブローバイガスの冷却又は加熱を行っているが、ブローバイガスの温度が大幅に低下したとしても水分の凍結に起因する詰まりが必ずしも生じるとは限らない。詰まりが生じていないにも関わらず、ブローバイガスを加熱した場合、オイルの回収効率が低下する問題がある。また、特許文献２の構成においては、クランク室積極換気式バルブの詰まりを検出できるものの、その詰まりの解消手段を有しないため、その都度メンテナンスを行う必要があり非常に煩雑である。

そこで、この発明は、ブローバイガス中のオイルの高い回収効率を確保しつつ、このオイルに起因する詰まりを確実に防止することを課題とする。

上記課題を解決するために、この発明においては、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手段と、前記オイル分離手段を切り替え自在に冷却又は加熱する温度調節手段と、前記オイル分離手段を通過するブローバイガスの流量を検出する流量検出手段と、前記流量の検出結果に基づいて、前記温度調節手段を冷却状態から加熱状態に切り替える制御手段と、を備えたオイルセパレータを構成した。

このオイルセパレータにおいては、前記流量検出手段が、前記オイル分離手段の前後差圧から、このオイル分離手段を通過する前記ブローバイガスの流量を算出するようになっており、算出された算出流量値と、エンジンの運転状況によって決まるブローバイガスの流量である判定値とを比較して、前記算出流量値が前記判定値よりも大きいときに、前記制御手段による切り替えがなされる構成とするのが好ましい。

前記オイル分離手段の前後差圧から、前記ブローバイガスの流量を算出する構成においては、前記制御手段が、前記温度調節手段を冷却状態から加熱状態に切り替えたときの加熱時間をカウントする加熱時間カウント機能と、前記加熱時間が第一所定時間を超えても、前記算出流量値が前記判定値よりも大きいときに、エンジンに不具合が生じていると判定する一方で、前記第一所定時間の加熱によって、前記算出流量値が前記判定値以下となったときに、前記オイル分離手段に目詰まりが生じていたと判定する異常判定機能と、を有する構成とするのが好ましい。

前記異常判定機能を備えた構成においては、前記制御手段が、前記エンジンに不具合が生じていると判定したときに、前記判定値に所定値を加算した加算判定値を前記判定値と置き換える判定値更新機能を有する構成とするのが好ましい。

前記加熱時間カウント機能を備えた構成においては、前記制御手段が、前記オイル分離手段を前記第一所定時間よりも短い第二所定時間の間加熱することにより、前記算出流量値が前記判定値よりも小さくなったときに、前記オイル分離手段を当初の冷却温度で冷却すると判定する一方で、前記第二所定時間よりも長く前記第一所定時間以下の間加熱することにより、前記算出流量値が前記判定値よりも小さくなったときに、前記オイル分離手段を前記冷却温度よりも高い改定冷却温度で冷却すると判定する冷却温度調節機能を有する構成とするのが好ましい。

この発明によると、オイル分離手段を冷却することでオイルの高い捕集率を確保しつつ、ブローバイガスのオイル分離手段の流量に基づいて、このオイル分離手段を加熱することで、その詰まり等に起因する不具合を確実に防止することができる。

この発明に係るオイルセパレータの一実施形態を示す縦断面図 図１に示すオイルセパレータの内燃機関への適用例を示す構成図図 この発明に係るオイルセパレータにおける処理フローを示すフローチャート

この発明に係るオイルセパレータの一実施形態を図１に示す。このオイルセパレータ１は、エンジンＥ（図２参照）のピストンとシリンダの間の隙間から、クランクケース等に漏れ出たブローバイガスに含まれるオイルを分離するためのものであって、セパレータ本体２、オイル分離手段３としてのセパレータフィン（以下において、オイル分離手段３と同じ符号を付する。）、温度調節手段４としてのペルチェ素子（以下において、温度調節手段４と同じ符号を付する。）、流量検出手段５としての差圧検出装置（以下において、流量検出手段５と同じ符号を付する。）、及び、制御手段６としての電子制御ユニット（以下において、制御手段６と同じ符号を付する。）を主要な構成要素としている。

セパレータ本体２は、一端側にブローバイガスを導入するガス導入口２ａ、他端側にブローバイガスから分離したオイルを排出するオイル排出口２ｂ、壁面側にオイルを分離したブローバイガスを排出するガス排出口２ｃがそれぞれ形成された、内部が空洞の部材である。

セパレータフィン３は、セパレータ本体２内のガス導入口２ａと、オイル排出口２ｂ及びガス排出口２ｃとの間に設けられており、その内部には、ガス導入口２ａから導入されたブローバイガスが通過するラビリンス流路（図１では、具体的な流路形状は図示せず）が形成されている。このラビリンス流路の形状（流路の長さ、幅等）は、エンジンの排気量等の諸元を考慮して適宜決定することができる。

ペルチェ素子４は、セパレータフィン３を囲むように近接して設けられている。ペルチェ素子４の端子は、電子制御ユニット６によって制御される電源７に接続されており、この電源７の極性を切り替えることによって、セパレータフィン３を自在に冷却又は加熱することができる。このペルチェ素子４は一例であって、セパレータフィン３を切り替え自在に冷却又は加熱することができるのであれば、ペルチェ素子４の代わりに他の温度調節手段を適宜採用することができる。また、ペルチェ素子４のように、必ずしも一つの素子で冷却と加熱の両機能を兼ねていなくてもよく、冷却と加熱をそれぞれ別の装置（素子）で行う構成とすることもできる。

差圧検出装置５は、セパレータ本体２内のセパレータフィン３のガス導入口２ａ側と、ガス排出口２ｃ側のガス圧力をそれぞれ検出し、差圧を導出することによって、セパレータフィン３を通過するブローバイガスの流量を算出する。図１に示すように、差圧検出装置５とともに、又は、この差圧検出装置５の代わりに、エンジンＥのクランクケースの内圧を検出するクランクケース内圧検出装置８を設けた構成とすることもできる。クランクケースの内圧を測定すれば、ブローバイガスの発生量が推定できるため、この推定結果から、セパレータフィン３前後の差圧（セパレータフィン３を流れるブローバイガスの流量）を推定することができるためである。

電子制御ユニット６は、差圧から算出された算出流量と、車両の走行状態（エンジン運転回転数、負荷情報等）に対応して発生するブローバイガスの推定流量（以下において、所定値と称する。）との間の比較を行う。そして、算出流量と所定値との間の大小関係に基づいて、ペルチェ素子４に接続された電源７の極性（セパレータフィン３を冷却するか加熱するか）を判断する。車両の走行状態に対応する前記所定値は、電子制御ユニット６の記憶装置にデータベースとして予め記憶されている。

オイルセパレータ１に送り込まれるブローバイガスには、ミスト状のオイルの他に水分（水蒸気）が含まれている。このオイルと水分が混じり合ったままで冷却されると、粘性の高いエマルジョンの形成や水分の凍結によって、セパレータフィン３の内部に詰まりが生じることがある。

この詰まりが生じると、ガス導入口２ａから導入される流量と比較して、ガス排出口２ｃから排出される流量の方が小さくなり、差圧検出装置５で検出されたセパレータフィン３の通過前後の差圧が大きくなる。この差圧が大きくなると、実際には詰まりによって流量が低下しているにもかかわらず、差圧から算出された見掛け上の算出流量は大きくなる。そこで、電子制御ユニット６は、前記算出流量が前記所定値よりも大きくなったときに詰まりの可能性があると判断して、ペルチェ素子４に接続された電源７の極性を切り替える指示を発する。

電源７の極性を切り替えると、セパレータフィン３はペルチェ素子４によって加熱される。セパレータフィン３を加熱することによって、エマルジョンの粘性が低下するとともに、凍結した水分が溶解して詰まりが解消する。この詰まりが解消して前記算出流量が前記所定値よりも小さくなると、電子制御ユニット６によって電源７の極性が再び切り替えられ、セパレータフィン３はペルチェ素子４によって冷却される。

その一方で、前記算出流量が前記所定値以下の場合は、車両の走行状態に対応した流量のブローバイガスが、セパレータフィン３をスムーズに流れていると判断できるため、電源７の極性を切り替えずにセパレータフィン３の冷却状態を維持する。

ミスト状のオイルを含むブローバイガスは、ガス導入口２ａからセパレータ本体２内に導入され、セパレータフィン３内を通過する。このセパレータフィン３は通常動作時において、ペルチェ素子４によって所定の冷却温度（例えば５℃）に冷却されている。このため、ブローバイガスは、セパレータフィン３を通過するときに冷却される。ブローバイガスが冷却されると、その中に含まれるミスト状のオイルが凝集し、セパレータフィン３に付着する。そして、付着量の増加に伴って、オイルがセパレータフィン３から滴下し、オイル排出口２ｂから排出される。排出されたオイルは、エンジンＥのオイルパン（図示せず）に戻される。オイルが分離されたブローバイガス（ガス成分）は、ガス排出口２ｃから排出された後に吸気通路（図２の符号１１参照）に戻される。

このオイルセパレータ１は、例えば、図２に示すデュアルループ式の排気再循環装置システムを備えた内燃機関Ｅに採用される。この内燃機関Ｅは自動車用エンジンであり、ピストンを収容した気筒内に混合気を送り込む吸気ポートに通じる吸気通路１１、排気ポートから引き出された排気通路１２、燃料噴射装置等を備えている。吸気ポート及び排気ポートは、それぞれバルブによって開閉される。

吸気通路１１には、吸気ポートから上流側に向かって、吸気通路１１の流路面積を調節する第一のスロットルバルブ１３、吸気通路１１を流れる吸気を冷却する吸気冷却装置１４、ターボチャージャのコンプレッサ１５、吸気通路１１の流路面積を調節する第二のスロットルバルブ１６、エアクリーナを収容したケース１７等が設けられる。

排気通路１２には、排気ポートから下流側に向かって、ターボチャージャのタービン１８、排気中の窒素酸化物等を除去する触媒等を備えた排気浄化部１９、消音器（マフラ）２０が設けられる。

排気通路１２のタービン１８と排気ポートとの中途部分と、吸気通路１１の吸気ポートと第一のスロットルバルブ１３との中途部分は、高圧排気ガス再循環装置Ｈを構成する高圧排気還流通路２１によって連通している。高圧排気還流通路２１を介して、内燃機関Ｅから排出される排気ガスの一部が、還流ガスとして吸気通路１１に還流する。高圧排気還流通路２１には、高圧排気還流弁２２が設けられている。高圧排気還流弁２２の開閉と第一のスロットルバルブ１３の開閉に伴う吸気通路１１内の圧力状態に応じて、還流ガスが吸気通路１１内の吸気に合流する。

また、排気通路１２の排気浄化部１９と消音器２０との中途部分と、吸気通路１１のコンプレッサ１５と第二のスロットルバルブ１６との中途部分は、低圧排気ガス再循環装置Ｌを構成する低圧排気還流通路２３によって連通している。低圧排気還流通路２３を介して、内燃機関Ｅから排出される排気ガスの一部が、還流ガスとして吸気通路の吸気冷却装置１４の上流側に還流する。この低圧排気還流通路２３には、低圧排気還流弁２４が設けられている。そして、低圧排気還流弁２４の開閉と第二のスロットルバルブ１６の開閉に伴う吸気通路１１内の圧力状態に応じて、還流ガスが吸気通路１１内の吸気に合流する。低圧排気ガス再循環装置Ｌの低圧排気還流通路２３には、還流ガスを冷却する還流ガスクーラ２５が設けられている。

オイルセパレータ１（セパレータ本体２）のガス導入口２ａは、ガス導入管２６を介してエンジンＥのクランクケースに接続される一方で、ガス排出口２ｃは、ガス排出管２７を介して吸気通路１１に接続されている。また、オイル排出口２ｂは、エンジンＥのオイルパンに接続される（図示せず）。

図２においては、オイルセパレータ１のデュアルループ式の排気再循環装置システムを備えた内燃機関Ｅへの採用例を示したが、これはあくまでも例示であって、エンジンＥのクランクケース内のブローバイガスを吸気通路１１に戻す構成を採用する、他の態様の内燃機関Ｅにも適用することができる。

図１に示すオイルセパレータ１の構成を参照しつつ、図３に示すフローチャートを用いて、オイルセパレータ１の動作、及びセパレータフィン３に詰まり等の異常が生じたときの処理フローを説明する。

この処理フローにおいては、まず、電子制御ユニット６が、ペルチェ素子４が所定の冷却温度（例えば５℃）でセパレータフィン３を冷却するように、電源７の極性及び電流値を決定する（図３の符号Ｓ１）。そして、差圧検出装置５が、セパレータ本体２内のセパレータフィン３のガス導入口２ａ側と、ガス排出口２ｃ側のガス圧力から差圧を検出し（図３の符号Ｓ２）、セパレータフィン３を通過するブローバイガスの流量を算出する（図３の符号Ｓ３）。

車両に設けられた各センサ（図示せず）は、エンジン運転回転数、負荷情報等の車両走行情報を検出する（図３の符号Ｓ４）。電子制御ユニットは、予め記録されている車両走行情報とブローバイガスの推定流量の関係を示すテーブルから、前記各センサによって検出された車両走行情報に対応するブローバイガスの推定流量（以下において、判定値と称する。）を読み込む（図３の符号Ｓ５）。

ここで、差圧検出装置５によって算出された算出流量値と、車両走行情報から推定される判定値との間の大小関係が比較される（図３の符号Ｓ６）。算出流量値が判定値よりも大きいとき（図３の符号Ｓ６のＹ側）は、セパレータフィン３に詰まり（オイルと水分のエマルジョンの形成や、水分の凍結）が生じて、実際の流量と比較して見掛け上の流量が増大している可能性があるため、電源７の極性を切り替えて、ペルチェ素子４でセパレータフィン３を所定の加熱温度（例えば１００℃）に加熱する（図３の符号Ｓ７）。エマルジョンの形成や水分の凍結によって詰まりが生じている場合は、この加熱によってエマルジョンが消滅し、又は凍結した水分が溶解し、詰まりは解消する。なお、算出流量値と判定値との間の大小関係の比較（図３の符号Ｓ６）は、継続的に行われており、加熱中のどのタイミングで詰まりが解消したのかを特定できるようになっている。

電子制御ユニット６は、加熱時間をカウントする加熱時間カウント機能を備え、ペルチェ素子４を冷却状態から加熱状態に切り替えたタイミングで、加熱時間のカウントアップを開始する（図３の符号Ｓ８）。カウントアップした加熱時間と、第一所定時間（例えば１分）を比較し（図３の符号Ｓ９）、加熱時間が第一所定時間を超えても、算出流量値の方が判定値よりも大きいとき（図３の符号Ｓ９のＹ側）は、電子制御ユニット６は、セパレータフィン３に詰まりが生じているのではなく、エンジンＥの劣化によってブローバイガスの流量が実際に増大したと判定する（図３の符号Ｓ１０）。エマルジョンの形成や水分の凍結により詰まりが生じているのであれば、通常は１分間の加熱でそれを解消することができ、加熱を行ってもなお見掛け上の流量が大きいときは、エンジンＥが劣化している可能性が高いためである。

エンジンＥの劣化であると判定したときは、エンジン劣化フラグを立てて、電子制御ユニット６にフラグ情報を記憶する（図３の符号Ｓ１１）。また、電子制御ユニット６は、必要に応じて判定値を書き換える判定値更新機能を有しており、エンジン劣化判定を受けて、判定値に所定値を加算した加算判定値を元の判定値と書き換える（図３の符号Ｓ１２）。このように、元の判定値を加算判定値と書き換えることによって、次のメンテナンスまでの間、暫定的に車両を走行させることが可能となる。加算する所定値として、例えば、現在の流量値から元の判定値を差し引いた値に、所定のマージンを加えた値とすることができる。なお、書き換えた判定値は、エンジン劣化メンテナンスの作業終了後に、エンジン劣化フラグの消去とともに、作業者が手動で元の判定値に戻すことができる。

このように、電子制御ユニット６が、セパレータフィン３の詰まりと、エンジンＥの劣化とを区別して判定する異常判定機能を備えたことにより、エンジンＥが劣化したときのメンテナンス等の対応を速やかに行うことができる。

判定値の書き換えが終了したら、加熱時間のカウンターをリセットした上で（図３の符号Ｓ１３）、処理をリターンさせる（図３の符号Ｓ１４）。

カウントアップした加熱時間と、第一所定時間を比較し（図３の符号Ｓ９）、加熱時間が第一所定時間に到達する以前に、算出流量値が判定値以下となったとき（図３の符号Ｓ９のＮ側）は、セパレータフィン３における差圧の増大は、セパレータフィン３の詰まりによるものと判定する（図３の符号Ｓ１５）。

このときは、さらに、加熱時間と、第一所定時間よりも短い第二所定時間（例えば４５秒）とを比較し（図３の符号Ｓ１６）、加熱時間が第二所定時間よりも長いとき（図３の符号Ｓ１６のＹ側）は、現在の冷却温度による冷却ではエマルジョンが形成され易いと判断される（図３の符号Ｓ１７）。この場合、電子制御ユニット６の有する冷却温度調節機能によって、セパレータフィン３の冷却温度が、元の冷却温度よりも高い改定冷却温度（例えば１０℃）に変更される（図３の符号Ｓ１８）。このように、冷却温度を変更することにより、オイルの回収を行いつつ、セパレータフィン３の冷却時におけるエマルジョンの形成や水分の凍結を極力防止することができる。元の冷却温度から改定冷却温度への温度変更幅（上記の例ではプラス５℃）は、オイルの回収効率に支障を生じない限りにおいて適宜決定される。

冷却温度の変更が終了したら、加熱時間のカウンターをリセットした上で（図３の符号Ｓ１９）、処理をリターンさせる（図３の符号Ｓ１４）。

算出流量値と、判定値との大小関係を比較し（図３の符号Ｓ６）、前記算出流量値が前記判定値以下のとき（図３の符号Ｓ６のＮ側）は、車両の走行状態に対応した流量のブローバイガスが、セパレータフィン３をスムーズに流れていると判断できるため、元の冷却温度でセパレータフィン３の冷却を維持する（図３の符号Ｓ２２）。

上記の実施形態はあくまでも一例であって、ブローバイガス中のオイルの高い回収効率を確保しつつ、このオイルに起因する詰まりを確実に防止する、という本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、オイルセパレータ１の構成要素の配置、第一所定時間、第二所定時間等を適宜変更することができる。

１ オイルセパレータ
２ セパレータ本体
２ａ ガス導入口
２ｂ オイル排出口
２ｃ ガス排出口
３ オイル分離手段（セパレータフィン）
４ 温度調節手段（ペルチェ素子）
５ 流量検出手段（差圧検出装置）
６ 制御手段（電子制御ユニット）
７ 電源
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
１３ 第一のスロットルバルブ
１４ 吸気冷却装置
１５ コンプレッサ
１６ 第二のスロットルバルブ
１７ ケース
１８ タービン
１９ 排気浄化部
２０ 消音器
２１ 高圧排気還流通路
２２ 高圧排気還流弁
２３ 低圧排気還流通路
２４ 低圧排気還流弁
２５ 還流ガスクーラ
２６ ガス導入管
２７ ガス排出管
Ｅ エンジン
Ｈ 高圧排気ガス再循環装置
Ｌ 低圧排気ガス再循環装置

Claims (5)

1. 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手段と、
   前記オイル分離手段を切り替え自在に冷却又は加熱する温度調節手段と、
   前記オイル分離手段を通過するブローバイガスの流量を検出する流量検出手段と、
   前記流量の検出結果に基づいて、前記温度調節手段を冷却状態から加熱状態に切り替える制御手段と、
   を備えたオイルセパレータ。
2. 前記流量検出手段が、前記オイル分離手段の前後差圧から、このオイル分離手段を通過する前記ブローバイガスの流量を算出するようになっており、算出された算出流量値と、エンジンの運転状況によって決まるブローバイガスの流量である判定値とを比較して、前記算出流量値が前記判定値よりも大きいときに、前記制御手段による切り替えがなされる請求項１に記載のオイルセパレータ。
3. 前記制御手段が、前記温度調節手段を冷却状態から加熱状態に切り替えたときの加熱時間をカウントする加熱時間カウント機能と、前記加熱時間が第一所定時間を超えても、前記算出流量値が前記判定値よりも大きいときに、エンジンに不具合が生じていると判定する一方で、前記第一所定時間の加熱によって、前記算出流量値が前記判定値以下となったときに、前記オイル分離手段に目詰まりが生じていたと判定する異常判定機能と、を有する請求項２に記載のオイルセパレータ。
4. 前記制御手段が、前記エンジンに不具合が生じていると判定したときに、前記判定値に所定値を加算した加算判定値を前記判定値と置き換える判定値更新機能を有する請求項３に記載のオイルセパレータ。
5. 前記制御手段が、前記オイル分離手段を前記第一所定時間よりも短い第二所定時間の間加熱することにより、前記算出流量値が前記判定値よりも小さくなったときに、前記オイル分離手段を当初の冷却温度で冷却すると判定する一方で、前記第二所定時間よりも長く前記第一所定時間以下の間加熱することにより、前記算出流量値が前記判定値よりも小さくなったときに、前記オイル分離手段を前記冷却温度よりも高い改定冷却温度で冷却すると判定する冷却温度調節機能を有する請求項３又は４に記載のオイルセパレータ。

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