特開 2024-21720 クランクケース換気システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024021720

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】クランクケース換気システム

(51)【国際特許分類】

   F01M 13/02 20060101AFI20240208BHJP

   F02D 19/02 20060101ALI20240208BHJP

   F01M 13/00 20060101ALI20240208BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20240208BHJP

【ＦＩ】

F01M13/02

F02D19/02 B

F01M13/00 B

F02M21/02 G

F02M21/02 Z

F01M13/00 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022124759

(22)【出願日】2022-08-04

(71)【出願人】

【識別番号】000221834

【氏名又は名称】東邦瓦斯株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】316015888

【氏名又は名称】三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】紺野 大統

(72)【発明者】

【氏名】笹俣 優一

(72)【発明者】

【氏名】川口 元頌

(72)【発明者】

【氏名】野口 知宏

(72)【発明者】

【氏名】四辻 修道

(72)【発明者】

【氏名】田中 健吾

【テーマコード（参考）】

3G015

3G092

【Ｆターム（参考）】

3G015AA13

3G015BD10

3G015BD24

3G015CA06

3G015DA04

3G015FB01

3G092AA18

3G092AB09

3G092DE20S

3G092FA50

3G092HB05Z

(57)【要約】

【課題】濃度センサを用いずに、必要最小限の構成によってクランクケース内を適切に換気することができるクランクケース換気システムを提供する。
【解決手段】クランクケース換気システム１は、エンジン２、換気装置３及び制御装置７を備える。エンジン２は、クランクケース２１と、クランクケース２１内に配置されたピストン２２とを有しており、燃料Ｆとしての炭化水素及び水素を混焼させるよう構成されている。換気装置３は、クランクケース２１内に供給する外気Ｂによって、クランクケース２１内を換気するよう構成されている。制御装置７は、エンジン２における、燃料Ｆ中の水素の混焼率に基づいて、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度を推定する濃度推定部７２と、濃度推定部７２による可燃性ガスの濃度に応じて、換気装置３の動作を制御する制御部７３とを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

クランクケース、及び前記クランクケース内に配置されたピストンを有し、燃料としての炭化水素及び水素を混焼させるよう構成されたエンジンと、
前記クランクケース内に供給する外気によって、前記クランクケース内を換気する換気装置と、
前記エンジンにおける、前記燃料中の水素の混焼率に基づいて、前記クランクケース内の可燃性ガスの濃度を推定する濃度推定部、及び前記濃度推定部による前記可燃性ガスの濃度に応じて、前記換気装置の動作を制御する制御部を有する制御装置と、を備えるクランクケース換気システム。

【請求項2】

前記制御部は、前記濃度推定部による前記可燃性ガスの濃度が、所定の余裕度を加味した前記可燃性ガスの着火下限余裕濃度を超えたときに、前記換気装置を動作させるよう構成されている、請求項１に記載のクランクケース換気システム。

【請求項3】

前記制御部は、前記濃度推定部による前記可燃性ガスの濃度が、所定の余裕度を加味した前記可燃性ガスの着火下限余裕濃度を超えたときに、前記濃度推定部による前記可燃性ガスの濃度が前記着火下限余裕濃度よりも高くなるほど、前記換気装置によって前記クランクケース内を換気する換気量を多くするよう前記換気装置を動作させるよう構成されている、請求項１に記載のクランクケース換気システム。

【請求項4】

前記制御部は、前記換気装置を動作させるときには、前記クランクケース内の圧力を規定圧力範囲内に維持するよう構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のクランクケース換気システム。

【請求項5】

前記換気装置は、前記クランクケース内に外気を供給するための外気入口に接続された第１ブロワと、前記クランクケース内の、ブローバイガスを含む外気を排出するための外気出口に接続された第２ブロワとによって構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のクランクケース換気システム。

【請求項6】

前記クランクケース内の、ブローバイガスを含む外気は、前記エンジンに前記燃料と燃焼用空気との混合気を供給するための供給配管に合流する合流配管に排出される、請求項１～３のいずれか１項に記載のクランクケース換気システム。

【請求項7】

前記クランクケース内の、ブローバイガスを含む外気は、大気に放散される、請求項１～３のいずれか１項に記載のクランクケース換気システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、クランクケース換気システムに関する。

【背景技術】

【0002】

エンジンのクランクケースには、ピストン、コネクティングロッド、クランクシャフト等が収容される。クランクケース内は、燃料と空気との混合気の燃焼が行われる燃焼室と、ピストンを介して隔てられているものの、未燃燃料が含まれるブローバイガスが燃焼室からクランクケース内に漏れ出すことが知られている。特に、ガソリン、天然ガス等に比べて可燃範囲が広い水素が燃料に含まれる場合には、ブローバイガスにおける水素が着火するおそれがあり、このブローバイガスを換気することが行われている。

【0003】

例えば、特許文献１の４ストロークエンジンにおいては、クランクケースに設けられた換気流路に、水素を含むブローバイガスをクランクケースの内部から外部へ強制的に排出する換気ファンを配置することが記載されている。そして、換気ファンによって、クランクケース内の水素を含むブローバイガスを換気することにより、クランクケース内において水素が着火することを防止している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１２７７０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の４ストロークエンジンにおいては、濃度センサを用いてクランクケースの内部における水素の濃度を計測し、水素の濃度が所定の閾値以上である場合に換気ファンを駆動する。つまり、水素の濃度を計測するために濃度センサが常に必要となる。そのため、濃度センサを用いずに、クランクケース内の水素を含むブローバイガスを換気するためには、更なる工夫が必要とされる。

【0006】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、濃度センサを用いずに、必要最小限の構成によってクランクケース内を適切に換気することができるクランクケース換気システムを提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、
クランクケース、及び前記クランクケース内に配置されたピストンを有し、燃料としての炭化水素及び水素を混焼させるよう構成されたエンジンと、
前記クランクケース内に供給する外気によって、前記クランクケース内を換気する換気装置と、
前記エンジンにおける、前記燃料中の水素の混焼率に基づいて、前記クランクケース内の可燃性ガスの濃度を推定する濃度推定部、及び前記濃度推定部による前記可燃性ガスの濃度に応じて、前記換気装置の動作を制御する制御部を有する制御装置と、を備えるクランクケース換気システムにある。

【発明の効果】

【0008】

前記一態様のクランクケース換気システムは、炭化水素及び水素を混焼させるよう構成されたエンジンを使用する場合に、濃度推定部によって、エンジンにおける、燃料中の水素の混焼率に基づいて、クランクケース内の可燃性ガスの濃度を推定する。そして、クランクケース換気システムは、制御部によって、濃度推定部による可燃性ガスの濃度に応じて、換気装置の動作を制御する。エンジンにおける、燃料中の水素の混焼率は、エンジンへの炭化水素及び水素の供給量等に基づいて求められる。燃料としての炭化水素には、都市ガス、ガソリン、プロパン等がある。

【0009】

クランクケース換気システムは、濃度推定部の構成を有することにより、濃度センサを用いずにクランクケース内の可燃性ガスの濃度を検知し、換気が必要であるときに換気装置を動作させることができる。それ故、前記一態様のクランクケース換気システムによれば、濃度センサを用いずに、必要最小限の構成によってクランクケース内を適切に換気することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態１にかかる、クランクケース換気システムの構成を示す説明図。

【図2】実施形態１にかかる、クランクケース換気システムの電気的構成を示す説明図。

【図3】実施形態１にかかる、燃料中の水素の混焼率と、クランクケース内の可燃性ガスの濃度との関係を示すグラフ。

【図4】実施形態１にかかる、クランクケース換気システムの制御方法を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0011】

前述したクランクケース換気システムにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のクランクケース換気システム１は、図１及び図２に示すように、エンジン２、換気装置３及び制御装置７を備える。エンジン２は、クランクケース２１と、クランクケース２１内に配置されたピストン２２とを有しており、燃料Ｆとしての炭化水素及び水素を混焼させるよう構成されている。換気装置３は、クランクケース２１内に供給する外気Ｂによって、クランクケース２１内を換気するよう構成されている。制御装置７は、エンジン２における、燃料Ｆ中の水素の混焼率に基づいて、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度を推定する濃度推定部７２と、濃度推定部７２による可燃性ガスの濃度に応じて、換気装置３の動作を制御する制御部７３とを有する。

【0012】

以下に、本形態のクランクケース換気システム１について詳説する。
クランクケース換気システム１は、エンジン２の周辺に換気装置３を取り付け、エンジン２から燃料Ｆ中の水素の混焼率の情報を受信して、換気装置３の動作を制御するものである。

【0013】

（エンジン２）
図１に示すように、本形態のエンジン２は、炭化水素としての都市ガス（天然ガス）と、水素（水素ガス）とを混焼させるよう構成されている。エンジン２は、燃焼室２５が形成された複数の気筒を有するものである。エンジン２は、シリンダ２１０内を複動する複数のピストン２２と、各ピストン２２にそれぞれ回動可能に連結された複数のコネクティングロッド２３と、複数のコネクティングロッド２３が回動可能に連結され、複数のピストン２２の往復運動による動力を回転力として出力するクランクシャフト２４と、クランクケース２１とを有する。

【0014】

クランクケース２１は、複数のピストン２２、複数のコネクティングロッド２３及びクランクシャフト２４を収容する。クランクケース２１には、ピストン２２が摺動するシリンダ２１０が繋がっている。クランクケース２１には、クランクケース２１内に外気Ｂを供給するための外気入口２１１と、クランクケース２１内の外気Ｂを排出するための外気出口２１２とが形成されている。

【0015】

本形態のエンジン２には、過給機４が接続されている。過給機４は、エンジン２の各気筒の燃焼室２５から排気される排気ガスＧのエネルギーを利用し、エンジン２に供給される燃料Ｆと燃焼用空気Ａとの混合気Ｍを圧縮するものである。各気筒の燃焼室２５から排気ガスＧを排気する排気管（排気マニホールド）６２は、過給機４のタービン４１に接続されており、各気筒の燃焼室２５へ混合気Ｍを供給する吸気管（吸気マニホールド）６１は、過給機４のコンプレッサ４２に接続されている。吸気管６１には、スロットルバルブ６１１が配置されている。

【0016】

過給機４のコンプレッサ４２には、供給配管５１を経由して、燃料Ｆとしての炭化水素及び水素の混合燃料と、燃焼用空気Ａとの混合気Ｍが供給される。炭化水素と水素との混合、及び混合燃料と燃焼用空気Ａとの混合は、供給配管５１の上流側において行われる。

【0017】

（換気装置３）
図１に示すように、本形態の換気装置３は、クランクケース２１の外気入口２１１に接続された第１ブロワ３１と、クランクケース２１の外気出口２１２に接続された第２ブロワ３２とによって構成されている。第１ブロワ３１及び第２ブロワ３２は、制御装置７からの指令を受けて、送風及び送風の停止の動作を行うよう構成されている。第１ブロワ３１及び第２ブロワ３２は、クランクケース２１内を外気Ｂによって換気するために同時に動作するよう構成されている。

【0018】

第１ブロワ３１は、外気Ｂとしての大気をクランクケース２１内に導入するよう構成されている。第２ブロワ３２は、クランクケース２１内から、ブローバイガスを含む外気Ｂを導出するよう構成されている。ブローバイガスには可燃性ガスが含まれる。第２ブロワ３２の吐出口には、混合気Ｍの供給配管５１に合流する合流配管５２が接続されている。第１ブロワ３１及び第２ブロワ３２が動作するときには、クランクケース２１内のブローバイガスを含む外気Ｂは、合流配管５２に排出され、合流配管５２から、供給配管５１を流れる混合気Ｍに混合される。そして、ブローバイガスを含む外気Ｂは、エンジン２における燃焼に利用される。ブローバイガスを含む外気Ｂが給気系統としての供給配管５１に還流されることにより、過給機４の過給能力が補助される。

【0019】

合流配管５２には、合流配管５２から供給配管５１に混合するブローバイガスを含む外気Ｂの流量を調整するための流量調整弁５３が配置されている。流量調整弁５３を操作することによって、ブローバイガスを含む外気Ｂの一部は、合流配管５２の外部に排出してもよい。

【0020】

なお、過給機４は用いずに、混合気Ｍが吸気管６１を経由してエンジン２の各気筒の燃焼室２５へ供給されるようにしてもよい。この場合には、ブローバイガスを含む外気Ｂは、供給配管５１における混合気Ｍに混合されて、過給機４を介さずにエンジン２の各気筒の燃焼室２５へ供給される。

【0021】

また、クランクケース２１内の、ブローバイガスを含む外気Ｂは、大気に放散してもよい。この場合には、例えば、第２ブロワ３２を合流配管５２に接続せず、第２ブロワ３２の吐出口を大気に開放すればよい。

【0022】

（制御装置７）
図１及び図２に示すように、クランクケース換気システム１の制御装置７は、エンジン制御装置７０から、エンジン２における、燃料Ｆ中の水素の混焼率の情報を受信する混焼率受信部７１を有する。濃度推定部７２は、混焼率受信部７１によって受信した燃料Ｆ中の水素の混焼率の情報に基づいて、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度を推定する。

【0023】

なお、クランクケース換気システム１の制御装置７は、エンジン制御装置７０と一体的に構成してもよい。この場合には、混焼率受信部７１及び濃度推定部７２は一連の動作を行う部位として構成される。

【0024】

エンジン２においては、ピストンリングを介して燃焼室２５からクランクケース２１内に、可燃性ガスを含むブローバイガスが漏洩することが知られている。特に、水素は、すべてのガスの中で密度が最も小さく、エンジン２においては燃焼室２５からクランクケース２１内に漏洩しやすい性質を有する。そのため、燃料Ｆ中に水素が含まれている場合には、燃料Ｆ中に含まれる水素の比率（混焼率）が高くなるほど、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度が高くなる。

【0025】

エンジン２における、燃料Ｆ中の水素の混焼率は、エンジン２への炭化水素及び水素の供給量等に基づいて求められる。燃料Ｆ中の水素の混焼率は、エンジン２に単位時間当たりに供給される炭化水素の熱量（炭化水素の熱量という。）と、エンジン２に単位時間当たりに供給される水素の熱量（水素の熱量という。）との比率に基づいて求められる。燃料Ｆ中の水素の混焼率は、炭化水素の熱量と水素の熱量との合計における、水素の熱量とすればよい。燃料Ｆとしての炭化水素には、都市ガス等の天然ガスの他に、ガソリン、プロパン等がある。また、エンジン２には、燃料Ｆは燃料ガスとして供給され、水素は水素ガスとして供給される。

【0026】

図３には、燃料Ｆ中の水素の混焼率と、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度との関係を示す。燃料Ｆ中の水素の混焼率が高くなるほど、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度が高くなることが示される。クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度をＣ［ｖｏｌ％］、燃料Ｆ中の水素の混焼率をφ［ｖｏｌ％］、係数をａ，ｂ，ｃとしたとき、これらの関係は、Ｃ＝ａ・φ²＋ｂ・φ＋ｃによって表される。濃度推定部７２は、燃料Ｆ中の水素の混焼率が高くなるほど、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度が高くなるように、この可燃性ガスの濃度を推定する。

【0027】

制御部７３は、濃度推定部７２による可燃性ガスの濃度に応じて、換気装置３としての第１ブロワ３１及び第２ブロワ３２を動作させるか、動作停止させるかを制御するよう構成されている。制御部７３は、種々の条件に基づいて、換気装置３としての第１ブロワ３１及び第２ブロワ３２の動作の制御を行うことができる。

【0028】

本形態の制御部７３は、濃度推定部７２による可燃性ガスの濃度が、所定の余裕度を加味した可燃性ガスの着火下限余裕濃度Ｃ１を超えたときに、換気装置３としての第１ブロワ３１及び第２ブロワ３２を動作させるよう構成されている。この構成により、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度が、可燃性ガスが着火する濃度になる前に、クランクケース２１内を換気することができる。着火下限余裕濃度Ｃ１は、可燃性ガスとしての水素が着火可能な着火下限濃度Ｃ０よりも所定量低い濃度として設定すればよい。所定の余裕度は、所定量低い濃度として設定される。

【0029】

制御部７３は、換気装置３を動作させるときには、クランクケース２１内の圧力を規定圧力範囲内に維持するよう構成されている。規定圧力範囲は、クランクケース２１内の圧力が大気圧よりも高い所定圧力以上になる範囲として定めればよい。本形態においては、第１ブロワ３１の送風量を適切に設定することにより、クランクケース２１内の圧力が規定圧力範囲内に維持される。また、第１ブロワ３１の送風量（外気Ｂの流量）を第２ブロワ３２の送風量（ブローバイガスを含む外気Ｂの流量）よりも大きくすることにより、クランクケース２１内の圧力を規定圧力範囲内に維持することが容易になる。

【0030】

（制御方法）
クランクケース換気システム１の制御方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。
エンジン２の燃焼運転が行われるときには、クランクケース換気システム１の制御装置７は、エンジン制御装置７０から燃料Ｆ中の水素の混焼率の情報を受信する（ステップＳ１０１）。次いで、クランクケース換気システム１の制御装置７においては、濃度推定部７２によって、燃料Ｆ中の水素の混焼率に基づいて、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度が推定される（ステップＳ１０２）。次いで、制御部７３によって、濃度推定部７２による可燃性ガスの濃度が、所定の余裕度を加味した可燃性ガスの着火下限余裕濃度Ｃ１を超えたか否かが判定される（ステップＳ１０３）。

【0031】

濃度推定部７２による可燃性ガスの濃度が可燃性ガスの着火下限余裕濃度Ｃ１以下である場合には、制御部７３は、換気装置３を動作させない。次いで、所定時間の経過を待った後（ステップＳ１０４）、再びステップＳ１０１が実行される。一方、濃度推定部７２による可燃性ガスの濃度が可燃性ガスの着火下限余裕濃度Ｃ１を超えている場合には、制御部７３は、換気装置３を動作させる（ステップＳ１０５）。次いで、所定時間の経過を待った後（ステップＳ１０４）、再びステップＳ１０１が実行される。

【0032】

（作用効果）
本形態のクランクケース換気システム１は、炭化水素及び水素を混焼させるよう構成されたエンジン２を使用する場合に、濃度推定部７２によって、エンジン２における、燃料Ｆ中の水素の混焼率に基づいて、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度を推定する。そして、クランクケース換気システム１は、制御部７３によって、濃度推定部７２による可燃性ガスの濃度に応じて、換気装置３としての第１ブロワ３１及び第２ブロワ３２の動作を制御する。

【0033】

クランクケース換気システム１は、濃度推定部７２の構成を有することにより、濃度センサを用いずにクランクケース２１内の可燃性ガスの濃度を検知し、換気が必要であるときに換気装置３としての第１ブロワ３１及び第２ブロワ３２を動作させることができる。それ故、本形態のクランクケース換気システム１によれば、濃度センサを用いずに、必要最小限の構成によってクランクケース２１内のブローバイガスを適切に換気することができる。

【0034】

＜実施形態２＞
本形態は、制御装置７の制御部７３による換気装置３の動作の仕方が実施形態１と異なるクランクケース換気システム１について示す。
本形態のクランクケース換気システム１の制御装置７の制御部７３は、濃度推定部７２による可燃性ガスの濃度が、所定の余裕度を加味した可燃性ガスの着火下限余裕濃度Ｃ１を超えたか否かを判定するよう構成されている。また、制御部７３は、可燃性ガスの濃度が着火下限余裕濃度Ｃ１を超えたときには、可燃性ガスの濃度が着火下限余裕濃度Ｃ１よりも高くなるほど、換気装置３によってクランクケース２１内を換気する換気量を多くするよう換気装置３を動作させるよう構成されている。

【0035】

濃度推定部７２によって推定されるクランクケース２１内の可燃性ガスの濃度が、着火下限余裕濃度Ｃ１よりも高くなればなるほど、可燃性ガスとしての水素が着火可能な着火下限濃度Ｃ０に近くなり、可燃性ガスが着火するおそれが高くなる。そのため、本形態においては、可燃性ガスの濃度が着火下限余裕濃度Ｃ１を超えたときには、可燃性ガスの濃度が着火下限余裕濃度Ｃ１よりも高くなるほど、換気装置３によってクランクケース２１内を換気する換気量を多くする。換気装置３による換気量は、換気装置３を構成する第１ブロワ３１及び第２ブロワ３２による送風量を変化させることによって変化させる。

【0036】

また、換気装置３によってクランクケース２１内を換気する換気量は、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度が着火下限余裕濃度Ｃ１以下であることを維持できる量とする。換気装置３による換気量は、クランクケース２１内の可燃性ガスの濃度との関係として求めてもよく、燃料Ｆ中における水素の混焼率との関係において求めてもよい。

【0037】

本形態においては、可燃性ガスの濃度が高いほどクランクケース２１内の換気量を多くすることにより、濃度センサを用いずに、クランクケース２１内のブローバイガスをより適切に換気することができる。

【0038】

制御装置７の混焼率受信部７１、濃度推定部７２等の構成は、実施形態１と同様である。換気装置３は、実施形態１と同様に第１ブロワ３１及び第２ブロワ３２によって構成されている。また、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

【0039】

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。

【符号の説明】

【0040】

１ クランクケース換気システム
２ エンジン
２１ クランクケース
２１１ 外気入口
２１２ 外気出口
２２ ピストン
３ 換気装置
３１ 第１ブロワ
３２ 第２ブロワ
４ 過給機
４１ タービン
４２ コンプレッサ
５１ 供給配管
５２ 合流配管
７ 制御装置
７０ エンジン制御装置
７１ 混焼率受信部
７２ 濃度推定部
７３ 制御部
Ｆ 燃料
Ａ 燃焼用空気
Ｍ 混合気
Ｂ 外気

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】