(57)【要約】【課題】内燃機関で発生するブローバイガス中に含まれるｎｍオーダーの粒子状物質やオイルミストをろ過する際の圧力損失を抑制することにより、内燃機関の熱効率の低下を防止することが可能なブローバイガスフィルタを提供する。【解決手段】内燃機関のブローバイガスを浄化するフィルタを、ハウジングと、このハウジング内に、前記ブローバイガスの流れ方向にほぼ平行に配置されて充填された中空糸膜束とによって構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のブローバイガスを浄化するフィルタであって、ハウジングと、このハウジング内に、前記ブローバイガスの流れ方向にほぼ平行に配置されて充填された中空糸膜束とを備えたブローバイガスフィルタ。
【請求項２】
請求項１において、前記中空糸膜束を構成する各中空糸膜の膜内径が１００〜３００μｍであるブローバイガスフィルタ。
【請求項３】
請求項１または２において、前記中空糸膜束を構成する各中空糸膜の膜厚が１０〜１００μｍであるブローバイガスフィルタ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、前記中空糸膜束を構成する各中空糸膜の細孔径が０．００１〜０．１μｍであるブローバイガスフィルタ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか1項において、前記中空糸膜束を構成する各中空糸膜の表面の算術平均粗さＲａが１〜２０ｎｍ、最大高さＲｙが５〜１００ｎｍ、十点平均高さＲｚが５〜５０ｎｍであるブローバイガスフィルタ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項において、総ろ過面積が０．１〜２．５ｍ２であるブローバイガスフィルタ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、前記中空糸膜束を構成する各中空糸膜がセルロース系素材または合成高分子系素材からなるブローバイガスフィルタ。
【請求項８】
内燃機関で発生するブローバイガスを内燃機関の吸気系に導入するブローバイガス還流通路に、請求項１〜７のいずれか１項に記載のブローバイガスフィルタを設けたブローバイガス還流装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関で発生するブローバイガスを浄化するブローバイガスフィルタ、およびこのブローバイガスフィルタを備えるブローバイガス還流装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載される内燃機関では、ピストンがシリンダ内を往復運動する工程で燃焼室内からピストンリングとシリンダライナ内壁面との間隙を通って、ブローバイガスがクランクケース内に流れ出る。このブローバイガスには、窒素酸化物や炭化水素等の有害ガス、リンなどの粒子状物質（パティキュレート）、１μｍ以下の微粒子のオイルミストなどが含まれているため、ブローバイガスをそのまま大気中へ排出すると環境に負荷がかかり、また、内燃機関内に滞留させておくと内燃機関の構成部品の腐食やクランク室内のオイルの劣化を招く。
【０００３】
このようなブローバイガス中の粒子状物質やオイルミストを除去するための方策として、例えば、ブローバイガス還流装置のブローバイガス還流路の中途に、金属ウール、不織布、ろ紙またはウレタンフォームからなるフィルタを設置することや（特許文献１）、ブローバイガスフィルタの上流にさらに、オイルミストを分離除去するための仕切り板を備えた迷路状の中空室を設けること（特許文献２）などが提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このようなろ過装置では、μｍオーダーの粒子状物質やオイルミストを除去することは可能であっても、ｎｍオーダーのものまでは除去することができず、ブローバイガスの浄化効果としては不十分である。仮にｎｍオーダーの粒子状物質やオイルミストを除去できるフィルタを使用する場合には、系内の圧力損失が高くなりすぎ、またろ過面積が小さために短期間で目詰まりを生じてしまうことになり、フィルタとしての実用性に欠ける。
【０００５】
そこで、フィルタを構成するフィルタエレメントとして、多数の細孔を有する膜である細長い中空糸膜をガスの流れ方向に垂直な方向に設置して利用することも提案されている（特許文献３）。中空糸膜を利用することにより、ｎｍオーダーの粒状物質やオイルミストを捕捉することが可能となるが、中空糸膜をブローバイガスの流れ方向に垂直に設置しているために、この流れ方向に対向する部分の膜表面のみをろ過面として利用することになり、十分なろ過面積を確保できない。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−１５６１７号公報
【特許文献２】実開平６−４０３５２号公報
【特許文献３】特開平８−１１７５３８号公報
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決すべく、鋭意検討の結果得られたものであり、内燃機関で発生するブローバイガス中に含まれるｎｍオーダーの粒子状物質やオイルミストを効果的に捕捉しながら、ろ過する際の圧力損失を抑制することにより内燃機関の熱効率の低下を防止できるブローバイガスフィルタ、およびこのブローバイガスフィルタを備えるブローバイガス還流装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記した目的を達成するために、本発明に係るブローバイガスフィルタは、内燃機関のブローバイガスを浄化するフィルタであって、ハウジングと、このハウジング内に、前記ブローバイガスの流れ方向にほぼ平行に配置されて充填された中空糸膜束とを備えている。
【０００９】
この構成によれば、ブローバイガスフィルタのフィルタエレメントとして中空糸膜の束を使用するので、従来のフィルタでは捕捉することができなかったｎｍオーダーの粒子状物質やオイルミストを捕捉することが可能となる。しかも、前記中空糸束はブローバイガスの流れ方向にほぼ平行に配置されるため、中空糸膜の壁面のほぼ全面をろ過膜として使用することができ、極めて大きなろ過面積を確保できるので、ｎｍの物質を捕捉しながらも圧力損失が小さく、また長期間にわたって目詰まりを起こしにくい。
【００１０】
本発明において、前記中空糸膜束を構成する各中空糸膜の物性値として、生産性と上記したフィルタ性能とのバランスから、膜内径が１００〜３００μｍ、膜厚が１０〜１００μｍ、細孔径が０．００１〜０．１μｍであることが好ましい。
【００１１】
さらに好ましくは、前記中空糸膜束を構成する各中空糸膜の表面粗度として、算術平均粗さＲａが１〜２０ｎｍ、最大高さＲｙが５〜１００ｎｍ、十点平均高さＲｚが５〜５０ｎｍである。中空糸膜の表面粗さを上記のような範囲に設定することにより、膜表面の凹凸によってより効果的にｎｍオーダーの物質を捕捉することが可能となり、かつ量産性に優れる中空糸膜を使用することができる。
【００１２】
本発明に係るブローバイガスフィルタにおいて、総ろ過面積を０．１〜２．５ｍ２に設定することが好ましい。当該フィルタの総ろ過面積は、フィルタエレメントとなる中空糸膜の長さと本数によって調整されるが、上記の範囲に設定することにより、十分なろ過面積を確保しつつ車両用の内燃機関に設置可能な実用的なフィルタサイズとすることができる。
【００１３】
また、上記ブローバイガスフィルタの前記中空糸膜束を構成する各中空糸膜の素材としては、セルロース系材料、または合成高分子系材料が好適に用いられる。
【００１４】
本発明に係るブローバイガス還流装置は、内燃機関で発生するブローバイガスを内燃機関の吸気系に導入するブローバイガス還流通路に、上記のブローバイガスフィルタを設けたものである。ブローバイガス還流装置に、ブローバイガスの浄化効果を向上させる本発明に係るブローバイガスフィルタを使用することにより、吸気系に設けられるエアクリーナのエアフィルタがブローバイガス中の粒子状物質やオイルミストによって目詰まりするのが抑制されるとともに、新気のろ過効率低下や、吸気抵抗の上昇による内燃機関の熱効率の低下が抑制される。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明に係るブローバイガスフィルタおよびこのフィルタを備えるブローバイガス還流装置によれば、ブローバイガス中のｎｍオーダーの粒子状物質およびオイルミストを効果的に捕捉することが可能となるとともに、当該フィルタが設置される系の圧力損失が抑制されて、内燃機関の熱効率の低下が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本発明のブローバイガスフィルタ１を含む、ブローバイガス還流装置、およびこのブローバイガス還流装置が使用される内燃機関の概略図である。図１において、内燃機関であるクローズドタイプの４サイクルエンジンＥは、クランクケース５０の上部に固定されたシリンダ５１にピストン５２が往復動自在に挿入され、シリンダ５１の上部に固定されたシリンダヘッド５３の吸気マニホールド５４に、吸気系５５の吸気通路５６が接続され、排気マニホールド５７に排気通路５８が接続されている。吸気マニホールド５４の上部にはシリンダヘッドカバー６０が装着されており、クランクケース５０内のクランク室６１と、シリンダヘッドカバー６０内のロッカールーム６２とは、周知のようにブローバイガス通路６３を介して連通しており、クランク室６１内のブローバイガスＧをロッカールーム６２内に導入するようになっている。
【００１８】
吸気系５５は、空気中の異物を除去するためのエアクリーナ６５と、このエアクリーナ６５に空気を導入する吸気導入通路６６と、吸気導入通路６６の下流に設けた気化器または燃料噴射弁のような燃料供給器６７と、燃料供給器６７からの混合気を吸気マニホールド５４に導入する混合気通路６８とを有している。前記エアクリーナ６５、吸気導入通路６６、燃料供給器６７、および混合気通路６８により吸気通路５６が形成されている。ロッカールーム６２は、エンジンＥの高負荷運転時にブローバイガスＧを吸気系に還流させる第１ブローバイガス還流路７０を介して、エアクリーナ６５の上流側の吸気通路５６（吸気導入通路６６）に接続されている。なお、第１ブローバイガス還流路７０は、後に詳しく説明するように、エンジンＥの低負荷運転時においては新気導入通路７０として機能するものである。クランク室６１は、第２ブローバイガス還流路７１を介して、燃料供給器６７の下流側の吸気通路５６（混合気通路６８）とも連通している。第２ブローバイガス還流路７１には、ブローバイガスの流れを制御するＰＣＶ（パルスコントロール）バルブ７３が設けられている。
【００１９】
本実施形態において、ブローバイガスフィルタ１は、エンジンＥのロッカールーム６２とエアクリーナ６５とを連通する第１ブローバイガス還流路７０の中途に装着されている。これらブローバイガス通路６３、ロッカールーム６２、第１ブローバイガス還流路７０、ブローバイガスフィルタ１、第２ブローバイガス還流路７１およびＰＣＶバルブ７３が、ブローバイガス還流装置７５を構成している。
【００２０】
図２は前記ブローバイガスフィルタ１の詳細を示す部分破断正面図である。図２に示すブローバイガスフィルタ１は、円筒形のハウジング３の内部に、多数の中空糸膜５の束として構成されたフィルタエレメント７を充填したものである。ハウジング３の長手方向の両端には、ブローバイガスＧの導入口１１および導出口１３をそれぞれ有する第１キャップ１５および第２キャップ１７が設けられている。したがって、内燃機関からのブローバイガスＧは導入口１１から導出口１３へ向かって、ハウジング３の長手方向に流れることになるが、フィルタエレメント７、つまり中空糸膜５は、軸心がハウジング３の長手方向に平行に、すなわちブローバイガスＧの流れ方向にほぼ平行に配置されている。
【００２１】
ハウジング３は、筒状のハウジング本体３ａと、ハウジング本体３ａの両端部の外周に嵌合された上記の第１および第２キャップ１５，１７とからなる。第１キャップ１５は、、フィルタエレメント７の開口面７ａとの間に入口空間２０を介在させた状態で固定キャップ３ｂに嵌合される有底円筒状の嵌合部１５ａと、この嵌合部１５ａの軸心部に形成されてハウジング３の長手方向に突出する筒状の導入口１１とを有しており、導入口１１より導入されるブローバイガスＧをフィルタエレメント７の各中空糸膜５の内部に導くとともに、フィルタ１内部と外部とを隔離する。出口側の第２キャップ１７も同様の構成で、各中空糸膜５でろ過されたブローバイガスＧを出口空間２２に集合させて、軸心部の導出口１３から導出する。
【００２２】
中空糸膜５は、内圧式で用いられており、入口側は中空部が開放され、出口側は中空部が閉塞されている。
【００２３】
中空糸膜５は、ハウジング３の内部空間２６に約１万本充填され、その入口端部が環状の第１係止部材２４によって、出口端部が周方向に等間隔で並んだ貫通孔２５ａを有する第２係止部材２５によって、それぞれハウジング本体３ａの内周面に固定されている。第１係止部材２４は一般にポリウレタン樹脂が使用されているが、この第１係止部材２４によって第１キャップ１５（および第２キャップ１７）の入口空間２０は、ハウジング本体３ａの内部空間２６と隔離され、これら入口空間２０と内部空間２６とは、中空糸膜５の壁面を介してのみ連通している。他方、出口空間２２と内部空間２６とは、第２係止部材２５の貫通孔２５ａを介して連通している。なお、ハウジング３の材質としては、耐熱性のある樹脂や金属材料を用いることができるが、成形の容易性から樹脂を用いることが好ましい。また、透明な樹脂を用いた場合には、フィルタエレメント７の汚れ具合を目視で容易に確認できる。
【００２４】
フィルタエレメント７を構成する各中空糸膜５としては、一般に知られているどのようなものを用いてもよいが、より効果的なフィルタ作用を発揮させるために、各種の物性値を限定することが好ましい。以下に好適な各値の範囲およびその測定法について説明する。
【００２５】
中空糸膜５の細孔径は、電子顕微鏡でも観察、測定することは困難である。本明細書においては、既知の分子量を有する標準物質（マーカー分子）を透過させて阻止率９０％に相当するマーカー分子の分子量（分画分子量）を求め、この分画分子量に相当する分子径を細孔径として用いている。具体的には、対象となる膜について分子量の異なる数種類のマーカー分子を用いて阻止率を測定し、これを分子量に対してプロットして分画曲線を描き、分画曲線から阻止率９０％に相当する分子量を求めて膜の分画分子量を決定する。
【００２６】
本実施形態における中空糸膜５の細孔径は、オイルミストを除去するのに適した０．００１〜０．１μｍの範囲に設定しているが、より好ましい細孔径の範囲は０．００２〜０．０１μｍであり、さらに好ましくは０．００３〜０．００８μｍである。
【００２７】
また、中空糸膜の量産性やブローバイガスフィルタ１を組み立てる際の加工性の点から、本実施形態における中空糸膜５の膜厚は１０〜５０μｍの範囲としているが、より好ましい膜厚の範囲は２０〜４０μｍであり、さらに好ましくは２２〜３０μｍである。同じく量産性および加工性から、本実施形態における中空糸膜５の内径は１００〜３００μｍの範囲としているが、より好ましい内径の範囲は１３０〜２００μｍであり、さらに好ましくは１５０〜１８０μｍである。
【００２８】
ｎｍオーダーの粒子状物質やオイルミストを効率よく捕捉するためには、中空糸膜内の表面に適度な凹凸が形成されていること、換言すれば一定以上の粗さを有していることが好ましい。一方では中空糸膜の作り易さの点から、この表面粗さの好適な上限値が決定される。膜の表面粗さを表わすパラメータとしては、一般的に、算術平均粗さＲａ，最大高さＲｙ，十点平均粗さＲｚ，凹凸の平均間隔Ｓｍ，局部山頂の平均間隔Ｓが用いられている。本明細書におけるこれらの値は、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１（１９９４）の規格に従って測定した値であり、以下にその測定方法の概略を示す。
【００２９】
算術平均粗さＲａは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さＬだけを抜き取り、この抜き取り平均線の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をｙ＝ｆ（ｘ）で表わしたときに、次の式１によって求められる値をマイクロメートル（μｍ）で表わしたものである。
【００３０】
【数１】
2008298039.tif 000003
【００３１】
本実施形態においては、特にｎｍオーダーのオイルミストの捕捉能力に優れることから、Ｒａが１〜２０ｎｍの中空糸膜を用いたが、より好ましくは５〜１５ｎｍ，さらに好ましくは７〜１２ｎｍの範囲のものを使用することができる。
【００３２】
最大高さＲｙは、断面曲線を基準長さＬを抜き取った部分の最大高さを求めてマイクロメートル（μｍ）で表わしたものである。本実施形態においては、Ｒｙが５〜１００ｎｍの中空糸膜を用いたが、より好ましくは２０〜８０ｎｍ，さらに好ましくは５０〜７０ｎｍの範囲のものを使用することができる。
【００３３】
十点平均粗さＲｚは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さＬだけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線から縦倍率の方向に測定した最も高い山頂から５番目までの谷底の標高の絶対値の平均値と、最も低い谷底から５番目までの谷底の標高の絶対値の平均値との和を求めた値である。本実施形態においては、Ｒｚが５〜５０ｎｍの中空糸膜を用いたが、より好ましくは１０〜４０ｎｍ，さらに好ましくは２０〜３０ｎｍの範囲のものを使用することができる。
【００３４】
凹凸の平均間隔Ｓｍは、粗さ曲線が平均線と交差する交点から求めた山谷周期の間隔の平均値であり、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取り、１つの山およびそれに隣り合う１つの谷に対する平均線の長さの和を求め、平均値をミリメートル（ｍｍ）で表わしたものである。本実施形態においては、Ｓｍが１００〜１０００ｎｍの中空糸膜を用いたが、より好ましくは３００〜８００ｎｍ，さらに好ましくは４００〜７００ｎｍの範囲のものを使用することができる。
【００３５】
局部山頂の平均間隔Ｓは、粗さ曲線の隣り合う局部山頂間の間隔の平均値であり、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取り、隣り合う局部山頂間に対応する平均線の長さを求め、この多数の局部山頂間の平均値をミリメートル（ｍｍ）で表わしたものである。本実施形態においては、Ｓが３０〜２００ｎｍの中空糸膜を用いたが、より好ましくは５０〜１７０ｎｍ，さらに好ましくは９０〜１５０ｎｍの範囲のものを使用することができる。
【００３６】
中空糸膜５を形成する素材としては、上記の物性値を満たす膜を製造可能な材料であればどのようなものを用いても良いが、一般的に知られている材料としては、再生セルロース、酢酸セルロース（セルロースジアセテート、セルローストリアセテート）等のセルロース系材料や、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、エチレンビニルアルコール重合体（ＥＶＡＬ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリスルホン（ＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエステルポリマーアロイ（ＰＥＰＡ）等の合成高分子系材料がある。本実施形態においては親水性のＥＶＡＬからなる中空糸膜５を使用している。
【００３７】
ブローバイガスフィルタ１が有する総ろ過面積は、フィルタエレメント７を構成する中空糸膜５の長さおよび本数によって決まる。本実施形態におけるブローバイガスフィルタ１の総ろ過面積は、約１．０ｍ２としたが、圧力損失や目詰まり防止の観点からは一定値以上の大きなろ過面積を確保することが必要であり、一方自動車等に設置可能な適切なフィルタサイズとするために、好ましい総ろ過面積の範囲は０．１〜２．５ｍ２であり、より好ましくは０．５〜２．２ｍ２、さらに好ましくは０．８〜２．０ｍ２である。
【００３８】
次に、上記構成に係るブローバイガス還流装置７５の作用について説明する。図１に示すエンジンＥの低負荷運転時には、クランク室６１内に導かれたブローバイガスＧは矢印Ａのように第２ブローバイガス還流路７１を通り、吸気通路５６内へ吸入負圧によって吸入され還流する。このとき、新気は、エアクリーナ６５から第１ブローバイガス還流路（新気導入通路）７０を通ってエンジンＥのロッカールーム６２に流入し、さらにブローバイガス通路６３を介してクランク室６１に導かれて掃気する。
【００３９】
一方、高負荷運転時には、クランク室６１へ流入するブローバイガスＧは増加するが、吸入負圧が減少するので、第２ブローバイガス還流路７１に設けられたＰＣＶバルブ７３の作動量が少なくなりブローバイガスＧの還流量が減少する。したがって、ブローバイガスＧは矢印Ｃのようにブローバイガス通路６３からロッカールーム６２へ流入し、さらに第１ブローバイガス還流路７０を通って吸気とともに吸気マニホールド５４から、シリンダ１とピストン５２とシリンダヘッド５３とで形成された燃焼室７７へと導かれる。
【００４０】
このとき、ロッカールーム６２を出たブローバイガスＧは、第１ブローバイガス還流路７０を通過する際に、第１ブローバイガス還流路７０に設けられたブローバイガスフィルタ１によって浄化される。すなわち、ブローバイガスＧは、第１ブローバイガス還流路７０のロッカールーム６２側から、図２のフィルタ１の導入口１１から第１キャップ１５の入口空間２０を経由してフィルタエレメント７の各中空糸膜５の内部空間に入り、各中空糸膜５の壁面を中空糸膜５の外側へ通過することによってろ過される。すなわち、導入されたブローバイガスＧ中に含まれている粒子状物質やオイルミストが、多数の細孔を有する中空糸膜５の内壁面で捕捉され、ガス成分のみが細孔を通過して内部空間２６に集合され、フィルタ１の導出口１３から第１ブローバイガス還流路７０のエアクリーナ側へと導出され、エアクリーナ６５から吸気系５５へと戻される。
【００４１】
この場合、フィルタエレメント７が中空糸膜５の束として構成されており、特に、中空糸膜５として上述のような細孔径や表面粗さ等を有するものを用いたので、μｍオーダーのみならず、ｎｍオーダーの粒子状物質やオイルミストをブローバイガスＧから除去することができる。また、フィルタ１の総ろ過面積を約１．０ｍ２と極めて大きくしたため、ｎｍオーダーの細孔径を有するにもかかわらず実質的な圧力損失を生じることがなく、長期間にわたり目詰まりも起こりにくい。
【００４２】
このように、ブローバイガスフィルタ１によって浄化されたブローバイガスＧは、μｍオーダーのみならずｎｍオーダーの粒子状物質およびオイルミストが除去されているために、吸入系へと還流された場合に、従来と比較して大幅にエアクリーナ６５のクリーナフィルタ６５の目詰まりを起こしにくく、したがって、吸気抵抗の増加を招かない。しかも、フィルタ１におけるろ過による圧力損失も大幅に抑制されているので、エンジンＥの燃費が向上する。
【００４３】
なお、ブローバイガスフィルタ１は、耐熱性の点から、本実施形態に示すように第１ブローバイガス還流路７０の中途に設置することが好ましいが、第２ブローバイガス還流通路５９の中途に設けてもよく、その場合、第１ブローバイガス還流通路７０は省略してもよい。
【００４４】
なお、図２の実施形態においては、ブローバイガスが導入される第１キャップ側にフィルタエレメント７の開口面７ａ、すなわち各中空糸膜５の開口端側が向くように配置し、中空糸膜５の内壁面をろ過面として使用する内圧式としたが、中空糸膜５の封止端側が第１キャップ側に向くように配置して、中空糸膜５の外壁面がろ過面となる外圧式としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態に係るブローバイガス還流装置を備える内燃機関を示す概略図である。
【図２】図１のブローバイガスフィルタを示す部分破断正面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  ブローバイガスフィルタ
３  ハウジング
５  中空糸膜
７  フィルタエレメント
６２  ロッカールーム
６３  ブローバイガス通路
７０  第１ブローバイガス還流路
７１  第２ブローバイガス還流路
７３  ＰＣＶバルブ
７５  ブローバイガス還流装置
Ｇ  ブローバイガス
Ｅ  エンジン
【図１】
2008298039.tif 000004
【図２】
2008298039.tif 000005