JP4711199B2 - 内燃機関のオイルミストセパレータ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のオイルミストセパレータに関する。

ピストンとシリンダとの隙間からクランクケースに漏れる未燃燃料を含むいわゆるブローバイガスが、クランクケース内のオイルに混入すると、いわゆるスラッジが形成され、オイルの劣化を著しく促進させることが知られている。スラッジは、オイル中に含まれるオレフィン（炭化水素）とブローバイガスに含まれるＮＯｘと水とを主成分とし、これら主成分が熱や酸の力で反応し、スラッジプリカーサやスラッジバインダといった前駆物質を経て生成される。スラッジは視覚的には泥或いはヘドロ状の物質である。

オイル劣化を抑制するために、クランクケース内のブローバイガスを吸気系に導入して、ブローバイガスに含まれる未燃燃料を燃焼させるＰＣＶ（Positive Crankcase Ventilation）装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

クランクケース内のブローバイガスには、オイル成分が混ざっているので、ブローバイガスの導出経路にオイルミストセパレータを設けられるのが一般的である。オイルミストセパレータは、一般的には、その内部に複数のバッフルプレートを備えている。そして、バッフルプレートにより画定されるガス通路を導入されたガスが通過する間に、ガスがバッフルプレートに衝突することにより、ガスからオイルを分離し、分離したオイルをクランクケース内に戻す。

しかしながら、このようなオイルミストセパレータでは、ガス中のオイル分の分離が十分ではないという問題がある。このため、特許文献２は、オイルミストセパレータ内に発泡金属製多孔質フィルタを設け、バッフルプレートでは十分でないオイル成分の分離機能を多孔質フィルタにより補う技術を開示している。

特開２００３−３２２０５２号公報 実公平１−１５８５２号公報

ところで、オイルミストセパレータ内に多孔質フィルタを設けると、スラッジの生成により多孔質フィルタが目詰まりする可能性がある。特に、オイルミストセパレータは、外気に曝されるので、その内部に凝縮水が生成されやすい。この凝縮水とガスに含まれるＮＯｘとにより硝酸が生成されるので、スラッジが生成されやすい。多孔質フィルタが目詰まりすると、ガスが流れにくくなり、オイルミストセパレータの本来の機能が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、クランクケース内のガスから効率良くオイル成分を分離でき、かつ、スラッジ生成による不具合の発生を抑制できる内燃機関のオイルミストセパレータを提供することにある。

本発明に係る内燃機関のオイルミストセパレータは、内燃機関のクランクケースから導出されるガスに含まれるオイル成分を分離する内燃機関のオイルミストセパレータであって、前記ガスが通過する通路に、前記ガスに含まれるオイル成分を分離するための多孔質フィルタが設けられ、前記多孔質フィルタには、酸性物質を中和するための中和剤が塗布されている、ことを特徴とする。

上記構成において、前記多孔質フィルタの表面に設けられたバインダをさらに有し、前記中和剤は、前記バインダに分散保持されている、構成を採用できる。

本発明に係る内燃機関のオイルミストセパレータは、オイルミストセパレータは、互いに独立した複数のガス通路を有し、複数のガス通路には、それぞれ中和剤が塗布された多孔質フィルタが設けられ、複数のガス通路のうち、ガスを通過させる一のガス通路を選択的に切り替えるための切替手段を有する、構成を採用できる。

上記構成において、中和剤が塗布された多孔質フィルタは、着脱自在に設けられている、構成を採用できる。

上記構成において、中和剤は、炭酸カルシウムである、構成を採用できる。

上記構成において、多孔質フィルタは、発泡金属又は発泡樹脂からなる、構成を採用できる。

上記構成において、多孔質フィルタは、塗布された中和剤の消費状態の程度を外部から視認可能に設けられている、構成を採用できる。

本発明によれば、クランクケース内のガスから効率良くオイル成分を分離でき、かつ、スラッジ生成による不具合の発生を抑制できる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るオイルミストセパレータが適用される内燃機関の概略構成図である。

この内燃機関１は、シリンダヘッド３０、シリンダブロック３１及びこのシリンダブロック３１に一体的に形成されたクランクケース３２を含み、又、シリンダヘッド３０に吸気を導入するための吸気通路１１、及び、シリンダヘッド３０から排気を行なうための排気通路１３を含む。

内燃機関１は、図示しないクランクシャフトの回転速度を検知する回転速度センサ４３、シリンダブロック３１を冷却する冷却水の水温を検知する水温センサ４５、吸気通路１１に設けられ吸入空気量を検出する吸入空気量センサ４２、アクセルペダル６０の近傍に設けられ踏込量（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ４４、排気通路１３に設けられて空燃比を検出する空燃比センサ４６等をさらに含む。

内燃機関１は、吸気通路１１の途中に設けられ燃焼室１２に導入される吸入空気の量を調整するスロットルバルブ２６及びその下流側に設けられた燃料噴射弁３５、後述するシリンダ１８に設けられた点火プラグ２２等を含む。電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０は、各種センサの出力を受けて、スロットルバルブ２６の開度、点火プラグ２２の点火時期、燃料噴射弁３５から噴射される燃料噴射量、噴射タイミング等を制御する。また、ＥＣＵ５０は、空燃比センサ４６の検出する検出空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を制御する空燃比フィードバック制御を実行する。

シリンダブロック３１は、そのシリンダ１８内にピストン１４が往復動可能に設けられている。ピストン１４の上部とシリンダ１８とにより燃焼室１２が画定されている。シリンダヘッド３０において、燃焼室１２は吸気通路１１および排気通路１３に接続される。

吸気通路１１から導入される吸入空気は、燃料噴射弁３０から噴射される燃料と混合されて混合気となり、吸気弁２１が開いているときに燃焼室１２に導入される。この混合気は点火プラグ２２の点火によって爆発燃焼した後に、排気弁２３の開弁時に燃焼室１２から排気通路１３に排出される。排気通路１３には排気浄化機能を有した触媒２７が設けられている。

触媒２７は、例えば、三元触媒からなり、排気ガス中の窒素酸化物を還元し、一酸化炭素及び炭化水素（未燃燃料）を酸化をする。

クランクケース３２は、図示しないクランクシャフトを内蔵すると共に、その底部に所定量のエンジンオイルＯＬ（潤滑油）を保持している。エンジンオイルＯＬは、図示しない潤滑油供給装置によって内燃機関の各部に供給される。また、エンジンオイルＯＬには、シリンダ１８とピストン１４との間を漏れたブローバイガスＢＧに含まれる未燃燃料が溶け、エンジンオイルＯＬに混入する。

潤滑油供給装置は、オイルポンプ、フィルタおよびオイルジェット機構などを含む。クランクケース３２内のエンジンオイルＯＬは、フィルタを介してオイルポンプにより吸引されオイルジェット機構に供給される。ピストン１４とシリンダ１８との間を潤滑するために、オイルジェット機構によってシリンダ１８内に潤滑油が供給される。

内燃機関１において、スロットルバルブ２６の上流側の吸気通路１１とシリンダヘッド３０内とは大気通路７６によって連通されている。

シリンダブロック３１には、シリンダヘッド３０とクランクケース３２とを連通するオイル落とし通路３３が形成されている。このオイル落とし通路３３は、動弁系の潤滑を終えてシリンダヘッド３０に滞留したオイルをクランクケース３２へ向けて落とすための通路であるとともに、大気通路７６を通じてクランクケース３２内へ新気（大気）を供給する通路の役割を果たす。

内燃機関１において、クランクケース３２の一方の外側面には、クランクケース３２内のガスＧに含まれるオイル成分を分離するオイルミストセパレータ１００が設けられている。このオイルミストセパレータ１００は、クランクケース３２から導入されたガスＧに含まれるオイルミスト成分を液滴化してクランクケース３２内に戻す役割を果たす。オイルミストセパレータ１００の内部の構造については後述する。クランクケース３２内のガスＧは、ピストン１４とシリンダ１８との隙間から噴き抜ける未燃燃料、窒素酸化物、二酸化炭素、水蒸気等を含むブローバイガスＢＧ、エンジンオイルＯＬに混入した状態から再び蒸発した蒸発燃料、オイルミスト等から構成される。

オイルミストセパレータ１００の出口には、ワンウェイバルブからなるＰＣＶバルブ１１０が設けられ、このＰＣＶバルブ１１０は、ガス通路１２０により吸気通路１１のスロットルバルブ２６の下流に接続されている。吸気通路１１が大気圧よりも低い負圧になると、クランクケース３２と吸気通路１１との間に差圧が発生し、この差圧により、ＰＣＶバルブ１１０が開き、クランクケース３２内のガスが吸気通路１１へ還流される。

図２は、本発明の一実施形態に係るオイルミストセパレータの構造を示す概略断面図である。

オイルミストセパレータ１００は、図２に示すように、その内部に複数のバッフルプレート１０１が設けられ、これらのバッフルプレート１０１は通路１０２を画定している。この通路１０２には、流入口１０３を通じてクランクケース３２からのガスＧが流入する。流入したガスＧは、通路１０２を流通して流出口１０４に設けられたＰＣＶバルブ１１０から流出する。

通路１０２には、複数の多孔質フィルタ１５０が設けられており、多孔質フィルタ１５０は、通路１０２を塞ぐように設置されている。

多孔質フィルタ１５０は、図３に示すように、多数の空孔１５２を有する発泡金属又は発泡樹脂からなる基材１５１により基本的に形成されている。発泡金属の材料としては、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄等が用いられる。又、発泡樹脂の材料としては、例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）等が用いられる。

空孔１５２を通じて多孔質フィルタ１５０内をガスＧが通過する際に、ガスＧに含まれるミスト状のオイル成分は多孔質フィルタ１５０のフィルタ機能により液滴化されて他のガス成分と分離され、図示しないオイル回収路を通じてクランクケース３２（オイルパン）に回収される。

また、多孔質フィルタ１５０の基材１５１には、酸性物質を中和するための中和剤としての、炭酸カルシウム１５３が塗布されている。

オイルミストセパレータ１００は外気に曝されるため、温度が低下してその内部を通過するガスＧに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水となりやすい。このため、オイルミストセパレータ１００内では、ガスＧに含まれるＮＯｘが凝縮水に溶けることにより硝酸からなる酸性物質が生成される。この酸性物質はスラッジ生成の原因物質となる。多孔質フィルタ１５０の内部でスラッジが形成されると、多孔質フィルタ１５０の空孔１５２をスラッジが満たし、多孔質フィルタ１５０は目詰まりを起こす。多孔質フィルタ１５０の目詰まりを防ぐために、炭酸カルシウム１５３を多孔質フィルタ１５０に塗布し、この炭酸カルシウムにより酸性物質を中和してスラッジの生成を防ぐ。

多孔質フィルタ１５０に炭酸カルシウム１５３を塗布、すなわち、基材１５１に炭酸カルシウム１５３を定着させるには、例えば、炭酸カルシウムを溶かした溶液に基材１５１を浸漬して、基材１５１の内部まで溶液を浸透させる。その後、その溶液から多孔質フィルタ１５０を取り出し、自然乾燥、あるいは、加熱炉で加熱して乾燥させる。これにより、基材１５１の内部まで炭酸カルシウム１５３を定着させることができる。

ここで、多孔質フィルタ１５０の空孔１５２の大きさは、炭酸カルシウム１５３塗布された炭酸カルシウム１５３の厚さで決まる。

一方、多孔質フィルタ１５０に塗布された炭酸カルシウム１５３は、硝酸等の酸性物質を中和すると、中和反応により消耗していく。これにより、炭酸カルシウム１５３の厚さが減少すると、空孔１５２の大きさ、すなわち、ガスＧが通過する目の粗さが大きくなる。これにより、多孔質フィルタ１５０をガスＧが通過する際に生じる圧力損失が変化してしまう。この圧力損失が変化すると、ガスＧの吸気通路１１への環流量やオイルミストセパレータの分離効率が変化してしまう。

図４は、多孔質フィルタの炭酸カルシウムを基材に定着させる他の方法を示している。

すなわち、図４（Ａ）に示すように、炭酸カルシウム１５３を、バインダ１５４に混ぜて基材１５１の表面に保持する。バインダ１５４としては、例えば、ウレタン樹脂等の材料を用いることができる。

炭酸カルシウム１５３を、バインダ１５４に分散させて（混ぜて）保持すると、図４（Ｂ）に示すように、中和反応により炭酸カルシウム１５３が消耗したとしても、バインダ１５４の形状自体は保持される。このため、炭酸カルシウム１５３が消耗しても、空孔１５２の大きさはほとんど変化しない。これにより、多孔質フィルタ１５０における炭酸カルシウム１５３の消耗に伴う圧力損失の変化を抑制することができ、ガスＧの吸気通路１１への環流量やオイルミストセパレータの分離効率が変化するのを抑制できる。

図５は、本発明の他の実施形態に係るオイルミストセパレータの構造を示す概略断面図である。尚、図５において、図２と同一構成部分については同一の符号を使用している。

オイルミストセパレータ１００Ａは、図５に示すように、その内部に複数のバッフルプレート１０１Ａが設けられ、これらのバッフルプレート１０１ＡによりガスＧが流通する通路１０２が形成されている。通路１０２の終端部には、通路１０２を互いに独立した２つの通路１０２Ａ，１０２Ｂとに分割するためのバッフルプレート１０１Ｂがさらに設けられている。これにより、通路１０２Ａ，通路１０２Ｂを通過するガスＧは、他方の通路に流れ込むことなく、流出口１０４Ａ，１０４Ｂへ流れ込む。

流出口１０４Ａ，１０４Ｂには、それぞれ流通管１０５Ａ，１０５Ｂが接続され、これらの流通管１０５Ａ，１０５Ｂは、切替手段としての切替バルブ１６０を介してＰＣＶバルブ１１０に接続された流通管１０６に接続されている。

切替バルブ１６０は、上記したＥＣＵ５０からの制御指令に応じて、流通管１０５Ａと流通管１０６とが接続された状態、及び、流通管１０５Ｂと流通管１０６とが接続された状態のいずれか一方を選択的に切り替える。すなわち、切替バルブ１６０は、ガス通路としての流通管１０５Ａ，１０５Ｂのうち、ガスＧを通過させる一の流通管を選択的に切り替える。

独立した２つの通路１０２Ａ，１０２Ｂには、多孔質フィルタ１５０Ａ，１５０Ｂがこれらの通路１０２Ａ，１０２Ｂを塞ぐように設けられている。

多孔質フィルタ１５０Ａ，１５０Ｂは、図３又は図４で説明した多孔質フィルタと同様の構造をもつ。

ここで、ＥＣＵ５０による切替バルブ１６０の制御方法について説明する。

先ず、ＥＣＵ５０は、通路１０２ＡにガスＧが流通し、通路１０２ＢにガスＧが流通しないように切替バルブ１６０を制御する。通路１０２ＡにガスＧが流通すると、多孔質フィルタ１５０Ａに塗布された炭酸カルシウムは消耗していく。その間、通路１０２ＢにはガスＧが流通しないので、多孔質フィルタ１５０Ｂに塗布された炭酸カルシウムは消耗しない。

ＥＣＵ５０は、例えば、車両の走行距離などの情報から、多孔質フィルタ１５０Ａの炭酸カルシウムの消耗程度を推定する。そして、炭酸カルシウムの消耗程度が所定程度を越える場合には、切替バルブ１６０を制御して通路１０２ＢにガスＧが流通し、通路１０２ＡにガスＧが流通しないようにする。これにより、炭酸カルシウムが全て消費されることにより多孔質フィルタ１５０Ａ内にスラッジが生成されるのを未然に防ぐことができる。尚、炭酸カルシウムの消耗程度と関連する状態量であれば、車両の走行距離以外の情報も炭酸カルシウムの消耗程度の推定に使用できる。

また、例えば、空孔の平均的大きさがそれぞれ異なる多孔質フィルタ１５０Ａ、１５０Ｂを準備する。すなわち、多孔質フィルタ１５０Ａ、１５０Ｂを目の粗さの異なるフィルタとする。

そして、ＥＣＵ５０は、例えば、吸気通路１１に発生する負圧の大きさ等から、ガスＧの流量を推定し、ガスＧの流量に応じて、切替バルブ１６０を制御する。例えば、ガスＧの流量が多い場合には、ガスＧに含まれるオイルミスト成分も多いため、オイルミスト成分を効率的に液滴化するために、目の細かいフィルタを選択する。一方、ガスＧの流量が少ない場合には、ガスＧに含まれるオイルミスト成分も少ないため、目の粗いフィルタを選択する。

図６は、本発明のさらに他の実施形態に係るオイルミストセパレータの構造を示す概略断面図である。尚、図６において、図２と同一構成部分については同一の符号を使用している。

オイルミストセパレータ１００Ｂの通路１０２には、多孔質フィルタ１５０が設けられている。この多孔質フィルタ１５０は、保持プレート１５５によりその上部が保持されている。

また、保持プレート１５５の一部は、ガラス板等の透明部材１５６で形成されている。

さらに、オイルミストセパレータ１００Ｂの上端部には、多孔質フィルタ１５０を着脱するための開口１７０が形成されている。

多孔質フィルタ１５０をオイルミストセパレータ１００Ｂへ装着する際には、保持プレート１５５を例えば、ボルト等の締結手段によりオイルミストセパレータ１００Ｂのケースへ締結して開口１７０をシールする。

多孔質フィルタ１５０に塗布された炭酸カルシウムの消費の程度は、透明部材１５６を通じて外部から視認可能となっている。

すなわち、ユーザ等は、透明部材１５６を通じて多孔質フィルタ１５０を観察することで、多孔質フィルタ１５０の炭酸カルシウムの消費程度を判断できる。そして、炭酸カルシウムが消費されて中和能力がないと判断したような場合には、ボルト等の締結手段を解放して多孔質フィルタ１５０をオイルミストセパレータ１００Ｂから取り外し、新たな多孔質フィルタ１５０に交換できる。

上記実施形態では、オイルミストセパレータをクランクケースの外側に設けた場合を例示したが、これに限定されるわけではなく、ヘッドカバー内等にオイルミストセパレータを設ける場合にも本発明を適用できる。

また、上記実施形態では、クランクケース内のガスを吸気系へ環流する経路に設けられるオイルミストセパレータを例示したが、これに限定されるわけではなく、例えば、クランクケース内のガスを排気系へ環流する経路に設ける場合にも本発明を適用できる。

本発明が適用される内燃機関の一例を示す概略構成図である。 本発明に一実施形態に係るオイルミストセパレータの構造を示す概略断面図である。 本発明に一実施形態に係る多孔質フィルタの構造を示す拡大断面図である。 多孔質フィルタの炭酸カルシウムを基材に定着させる方法を説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係るオイルミストセパレータの構造を示す概略断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るオイルミストセパレータの構造を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１１ 吸気通路
１３ 排気通路
３０ シリンダヘッド
３１ シリンダブロック
３２ クランクケース３２
１００ オイルミストセパレータ
１５０ 多孔質フィルタ
１５１ 基材
１５２ 空孔
１５３ 炭酸カルシウム
１５４ バインダ
１６０ 切替バルブ

Claims (6)

1. 内燃機関のクランクケースから導出されるガスに含まれるオイル成分を分離する内燃機関のオイルミストセパレータであって、
   前記ガスが通過する通路に、前記ガスに含まれるオイル成分を分離するための多孔質フィルタが設けられ、
   前記多孔質フィルタには、酸性物質を中和するための中和剤が塗布されていて、
   前記中和剤は、該中和剤の消耗により前記多孔質フィルタの空孔の大きさが変化しないようにバインダに分散保持されて前記多孔質フィルタの基材の表面に保持されている、
   ことを特徴とする内燃機関のオイルミストセパレータ。
2. 前記オイルミストセパレータは、互いに独立した複数のガス通路を有し、
   前記複数のガス通路には、それぞれ前記中和剤が塗布された多孔質フィルタが設けられ、
   前記複数のガス通路のうち、前記ガスを通過させる一のガス通路を選択的に切り替えるための切替手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のオイルミストセパレータ。
3. 前記中和剤が塗布された多孔質フィルタは、着脱自在に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関のオイルミストセパレータ。
4. 前記中和剤は、炭酸カルシウムである、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関のオイルミストセパレータ。
5. 前記多孔質フィルタは、発泡金属又は発泡樹脂からなる、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関のオイルミストセパレータ。
6. 前記多孔質フィルタは、塗布された前記中和剤の消費の程度を外部から視認可能に設けられている、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関のオイルミストセパレータ。

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