CN102933812A - 用于内燃发动机的活塞的冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃发动机的活塞的冷却系统包括被设计为嵌埋在活塞中的油通路并且布置成邻接顶环槽的冷却通道（34），和向冷却通道供油的油供给部（8）。从油供给部向冷却通道供给的油量在燃烧室中产生的热量大时比在燃烧室中产生的热量小时大。

Description

用于内燃发动机的活塞的冷却系统

技术领域

本发明涉及对内燃发动机中的活塞的冷却，更特别地涉及对形成有冷却通道的活塞的冷却。

背景技术

内燃发动机的活塞装配有具有切口（对接口（缺口，abutment））的环形的活塞环。活塞环可具有经由对接口彼此对向（相对）并分别设置有弹性树脂件的两个端面（例如参见日本专利申请公报No.2010-031789（JP-A-2010-031789））。

一般而言，在气缸的燃烧室中的燃料的燃烧过程中产生的热的一部分经由活塞传递给活塞环。这样，如果在燃烧室中产生的热量增大，则活塞环的热膨胀量也增大。结果，对接口（间隙）的宽度减小，并且压缩损失的量和窜气的量减小。

然而，如果在燃烧室中产生的热量进一步增大，则活塞环的热膨胀量进一步增大。因此，对接口的对向端面可能彼此碰撞。如果对接口的对向端面彼此碰撞，则施加于活塞环的应力可增大并由此使活塞环和气缸孔壁面之间的接触载荷增大。对于最靠近燃烧室的活塞环（顶环）来说，这些问题尤为显著。

一种缓解该问题的可能方案是扩宽对接口的间隙。然而，如果在燃烧室中产生的热量少，或者当活塞的温度低时，压缩损失的量和窜气的量可能由于对接口间隙的宽度增大而增加。

发明内容

本发明减小了用于冷却内燃发动机的活塞的系统中的顶环的温度变化幅度。

发明人已发现，能够借助于设置在活塞中的冷却通道来调节顶环的温度。亦即，作为艰辛的实验和验证的结果，发明人已发现，通过将冷却通道布置成邻接活塞的装配有顶环的顶环槽并且根据在燃烧室中产生的热量调节向冷却通道供给的油量，可减小在内燃发动机的运转过程中活塞环的温度变化幅度。

这样，根据本发明的一个方面，一种用于内燃发动机的活塞的冷却系统配备有：活塞，所述活塞包括顶环槽和冷却通道，所述顶环槽设置在所述活塞的外周面内并且装配有顶环，所述冷却通道被设计为设置在所述活塞中的油通路并且定位成邻接所述顶环槽；油供给部，所述油供给部向所述冷却通道供油；和控制部，所述控制部将从所述油供给部向所述冷却通道供给的油量设定为在燃烧室中产生的热量大时比在所述燃烧室中产生的热量小时大。

在燃烧室中产生的热传递到活塞的顶面。传递到活塞的顶面的热在活塞中主要从活塞的顶面朝顶环槽传递，并从顶环槽经由顶环向气缸孔壁面排放出。

当在燃烧室中产生的热量大时，从顶环传递到气缸孔壁面的热量与从活塞传递到顶环的热量的比率小。这样，当在燃烧室中产生的热量大时，顶环的温度上升量大。

相比而言，当在燃烧室中产生的热量小时，从顶环传递到气缸孔壁面的热量与从活塞传递到顶环的热量的比率大。这样，当在燃烧室中产生的热量小时，顶环的温度上升量小。

如到现在为止所述，顶环的温度根据在燃烧室中产生的热量而大幅变化。当顶环的温度大幅变化时，对接口间隙的大小也相应地大幅变化。这样，在顶环形成为使得对接口间隙在顶环的温度低时呈适当大小的情况下，对接口的对向端面在顶环的温度变高时彼此碰撞。相比之下，当顶环形成为使得对接口间隙在顶环的温度高时呈适当大小时，对接口间隙在顶环的温度变低时变得过宽。

相比之下，在冷却通道布置成邻接顶环槽的情况下，尤其是在冷却通道布置在从活塞的顶面到顶环槽的传递路径上的情况下，从活塞的顶面向顶环槽传递的热被冷却通道中的油吸收。

相应地，在当在燃烧室中产生的热量大时使流过冷却通道的油量大的情况下，从活塞的顶面朝顶环槽移行的被冷却通道中的油吸收的热量变大。这样，能够防止从活塞的顶面向顶环槽传递的热量变得过大。结果，能够防止在燃烧室中产生的热量大时顶环的温度变得过高。

然而，当在燃烧室中产生的热量小时使流过冷却通道的油量小时，从活塞的顶面朝顶环槽移行的被冷却通道中的油吸收的该热量变小。这样，能够防止从活塞的顶面向顶环槽传递的热量变得过小。结果，能够防止在燃烧室中产生的热量小时顶环的温度变得过低。

应注意，当在燃烧室中产生的热量极小时（例如，当内燃发动机在低负荷和低转速下运转时），从燃烧室传递到活塞的热大部分可向气缸孔壁面排放出。在这种情况下，活塞和顶环的温度可在暂时上升后下降。

鉴于此，当在燃烧室中产生的热量等于或小于预定的下限时，根据本发明所述方面的控制部可将从油供给部向冷却通道供给的油量设定为零（停止油供给部）。在此提及的“下限”是认为顶环的温度变得低于预先假定的温度范围（使顶环的对接口间隙呈假定大小的温度范围）时的值，并且是借助于实验等通过适应性处理预先确定的。

当油供给部停止时，从活塞向油排放出的热量基本为零。此外，当油供给部停止时，冷却通道的内部充满空气。冷却通道中的空气起到用于减少或隔断从活塞的顶面向顶环槽传递的热的隔热层的作用。这样，从活塞向气缸孔壁面排放出的热量减少。

如到现在为止所述，当从活塞向油排放出的热量和从活塞向气缸孔壁面排放出的热量减少时，抑制了活塞（特别是顶环槽周围的区域）的温度下降。当抑制了顶环周围的区域的温度下降时，也相应地抑制了顶环的温度下降。

如上所述，当从油供给部向冷却通道供给的热量被调节时，顶环的温度保持等于基本恒定的温度（下文中称作“适当温度”）。结果，在内燃发动机的运转过程中，对接口间隙的大小能够保持基本恒定。

当顶环的对接口间隙的大小在内燃发动机的运转过程中保持基本恒定时，顶环能够被设计成使得对接口间隙在前述适当温度下呈期望大小。结果，不论在燃烧室中产生的热量如何，也都能尽量减小压缩损失的量和窜气的量。

在此应注意，在燃烧室中产生的热量与燃料喷射量相关。这样，控制部可使用燃料喷射量作为参数来调节从油供给部向冷却通道供给的油量。此外，由于燃料喷射量是使用发动机负荷和发动机速度作为参数来确定的，因此控制部可使用发动机速度和发动机负荷作为参数来调节从油供给部向冷却通道供给的油量。

同时，由顶环、活塞和气缸孔包围的空间（下文中称作“第一空间”）内的压力与燃烧室中的压力变化基本同步地变化。相比之下，由顶环、第二环、活塞和气缸孔包围的空间（下文中称作“第二空间”）内的压力相对于燃烧室中的压力变化延迟地变化。这种情况下的时间滞后随着从顶环的对接口间隙流入第二空间中的窜气的流量减小而增大。亦即，前述时间滞后随着顶环的对接口间隙减小而增大。

相应地，当顶环的对接口间隙制造得尽可能窄时，前述时间滞后变长。因此，第二空间中的压力可能变得高于第一空间中的压力。在这种情况下，由于顶环在顶环槽中上浮，因此顶环的密封性能也可能恶化。

应注意，当在燃烧室中产生的热量大时可能导致第二空间中的压力变得比第一空间中的压力高的现象。可认为这是由于以下事实：当在燃烧室中产生的热量大时，活塞的第二环岸（顶环槽和第二环槽之间的区域）的外径扩大而减小了第二空间的体积。

这样，根据本发明所述方面的冷却通道可形成为定位成邻接第二环岸以及顶环槽。根据该结构，当在燃烧室中产生的热量大时，第二环岸的热被冷却通道中的油吸收。结果，抑制了第二环岸的温度上升。

当抑制了第二环岸的温度上升时，可抑制第二环岸的外径扩大（抑制第二环岸的热膨胀）。结果，可缓和第二空间的体积缩小。当缓和了第二空间的体积缩小时，不太可能导致第二空间中的压力变得比第一空间中的压力高的现象。

此外，根据本发明所述方面的控制部可控制油供给部以使得对于同等的发动机负荷和同等的发动机速度，从油供给部向冷却通道供给的油量在内燃发动机正在暖机时比在内燃发动机包括已暖机完成时大。

当内燃发动机正在暖机时活塞和气缸孔之间的温差大。这是由于活塞由在燃烧室中产生的热直接加热变暖，而气缸孔通过接收从活塞排放出的热被间接加热变暖。此外，由于气缸孔的热容量比活塞大，因此气缸孔的温度上升速度比活塞的温度上升速度慢。

当活塞和气缸孔之间的温差大时，活塞膨胀（活塞的外径扩大），而气缸孔很难膨胀（气缸孔的内径很难扩大）。这样，活塞和气缸孔之间的空隙以及活塞环和气缸孔之间的空隙小。结果，活塞、活塞环、气缸孔等可能被磨耗，且它们之间的摩擦程度可能增大。

鉴于此，在使从油供给部向冷却通道供给的油量在内燃发动机正在暖机时比在内燃发动机包括已暖机完成时大的情况下，可缓和活塞的热膨胀。结果，能够防止导致前述问题。

此外，当用于内燃发动机的冷却剂的温度等于或高于预定的上限冷却剂温度或者当油的温度（油温）等于或高于预定的上限油温时，根据本发明所述方面的控制部可继续使油供给部工作。换言之，当冷却剂温度等于或高于上限冷却剂温度时或者当油温等于或高于上限油温时，可禁止油供给部停止。在此提及的“上限冷却剂温度”和在此提及的“上限油温”是通过分别从认为内燃发动机过热时的温度和认为油膜破裂时的温度减去预定的裕度而获得的。当油供给部被这样控制时，能够防止内燃发动机过热，并且能够防止油膜破裂。

根据本发明的上述方面，在用于冷却内燃发动机的活塞的系统中，能够减小顶环的温度变化幅度。这样，能够使顶环的对接口间隙保持等于合适的间隔，并且能够尽量减小压缩损失的量和窜气的量。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：

图1示出根据本发明第一实施例的用于活塞的冷却系统的总体结构；

图2是根据本发明第一实施例的活塞的剖视图；

图3示出温差ΔT、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系；

图4是示意性地示出在本发明第一实施例中规定油喷射量、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系的脉谱图的视图；

图5是活塞中的热传递路径的示意图；

图6是根据本发明第二实施例的活塞的剖视图；

图7是活塞和气缸孔壁面之间的间隙的放大视图；

图8示出第一空间中的压力Pv1的变化和第二空间中的压力Pv2的变化；

图9是顶环上浮的现象的示意图；

图10是示意性地示出在本发明第三实施例中规定油喷射量、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系的脉谱图的示意图；

图11示出冷却剂温度随时间的变化；

图12是当内燃发动机在暖机过程中（在正在暖机的同时）稳定运转时规定油喷射量、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系的脉谱图的示意图；

图13是当内燃发动机在暖机过程中以中等负荷和中等转速运转时规定油喷射量、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系的脉谱图的示意图；

图14是当内燃发动机在暖机过程中以高负荷和高转速运转时规定油喷射量、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系的脉谱图的示意图；

图15是当冷却剂温度低于图12所示的示例中的冷却剂温度时规定油喷射量、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系的脉谱图的示意图；

图16是当冷却剂温度低于图13所示的示例中的冷却剂温度时规定油喷射量、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系的脉谱图的示意图；以及

图17是当冷却剂温度低于图14所示的示例中的冷却剂温度时规定油喷射量、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系的脉谱图的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例。在本发明的示例性实施例中描述的各组成部分的尺寸、材料、形状、相对布置等并非意在将本发明的技术范围限制于它们，除非另外指明。

将基于图1至5描述本发明的第一实施例。图1示出本发明所应用的内燃发动机的总体结构。图2是根据本发明第一实施例的活塞的剖视图。

内燃发动机1可以是具有多个气缸2的压燃式内燃发动机（柴油发动机）。应注意，图1中仅示出多个气缸2中的一个。活塞3可滑动地装配在内燃发动机1的每个气缸2中，使得活塞可沿气缸的轴向往复移动。活塞3经由连杆4联接到曲轴（未示出）上。

在活塞3的顶面中形成有大致圆筒形的燃烧室30。另外，在活塞3的外周面内形成有三个环形槽31、32和33。环形槽31定位成最接近上死点（在图2中的最高位置），并且装配有顶环5（环形槽31在下文中将被称作“顶环槽31”）。环形槽32位于顶环槽31正下方并且装配有第二环6（环形槽32在下文中将被称作“第二环槽32”）。环形槽33定位成最接近下死点（在图2中的最低位置），并且装配有油环7（在下文中，环形槽33将被称作“油环槽33”）。应注意，顶环5、第二环6和油环7是配备有对接口的环形部件。

顶环槽31形成于铸造在活塞3中的耐磨环300的外周面内。耐磨环300是由比活塞3更硬且更耐磨的材料（例如Ni-Cr-Cu铸铁材料）形成的环形部件。

在耐磨环300的内侧铸造有中空耐磨环310。中空耐磨环310是截面呈U形的环形部件并且在其外周侧具有开口部。中空耐磨环310的外周侧靠接在耐磨环300的内周面上。亦即，截面呈U形的中空耐磨环310的开口部由耐磨环300的内周面封闭。由中空耐磨环310和耐磨环300包围的环形空间34用作用于从后述的喷油嘴8供给的油的通路（空间34在下文中将被称作“冷却通道34”）。

穿过活塞3形成有供穿过活塞3的底面形成的开口部与冷却通道34连通的连通通路35和36。作为连通通路35和36中的一者的连通通路35用作供从喷油嘴8喷射的油导入冷却通道34中的通路（连通通路35在下文中将被称作“导入通路35”）。作为连通通路35和36中的另一者的连通通路36用作供从冷却通道34流出的油排出的排出通路（连通通路36在下文中将被被称作“排出通路36”）。

内燃发动机1配备有喷油嘴8，该喷油嘴从气缸2中的下死点侧向上死点侧喷油。应注意，喷油嘴8布置成当活塞3位于下死点时位于活塞3下方。此外，喷油嘴8布置和形成为使得从喷油嘴8喷射的油朝导入通路35定向。

喷油嘴8经由供给通路9与油盘10连通。供给通路9在其中途位置设置有吸取油盘10中的油的油泵11。流量调节阀12在喷油嘴8和油泵11之间布置在供给通路9中。流量调节阀12是调节在供给通路9中流动的油量的阀。通过由流量调节阀12对供给通路9中的油的流量的调节来增大或减小从喷油嘴8喷射的油量（油喷射量）。应注意，喷油嘴8用作本发明的油供给部。

应注意，能采用对开阀时间和闭阀时间之间的比率进行占空控制的电动操作的阀机构或开度能够连续或分阶段变化的电动操作的阀机构作为流量调节阀12。此外，流量调节阀12可以是包括在油的压力等于或高于特定值时打开的止回阀和调节供给通路9中的油的压力的压力调节阀的阀机构。

供给通路9设置有绕过油泵11的回流通路13。该回流通路13是用于使过量的油从供给通路9的位于油泵11下游的区域回到供给通路9的位于油泵11上游的区域的通路。在回流通路13中布置有仅允许油从供给通路9的位于油泵11下游的区域朝供给通路9的位于油泵11上游的区域流动的单向阀（止回阀）14。

这样构成的内燃发动机1配设有ECU 15。ECU 15是配备有CPU、ROM、RAM、备用RAM等的电子控制单元。诸如冷却剂温度传感器16、曲柄位置传感器18、加速器位置传感器19、油温传感器20等各种传感器的输出信号输入给ECU 15。

冷却剂温度传感器16是输出与循环通过内燃发动机1的冷却剂的温度相关的电信号的传感器。曲柄位置传感器18是输出与曲轴的旋转位置相关的电信号的传感器。加速器位置传感器19是输出与加速踏板的下压量（发动机负荷）相关的电信号的传感器。油温传感器20是输出与循环通过内燃发动机1的油的温度（油温）相关的电信号的传感器。

基于前述各种传感器的输出信号，ECU 15进行对从喷油嘴8向冷却通道34供给的油量的控制（该控制在下文中将被称作“喷油嘴控制”）以及诸如燃料喷射控制等已知类型的控制。下文将描述进行喷油嘴控制的方法。应注意，根据本发明的控制部是通过由ECU 15进行喷油嘴控制而实现的。

根据本发明该实施例的喷油嘴控制被设计成调节从喷油嘴8喷射的油量以使得顶环5的温度变得基本恒定。亦即，根据本发明该实施例的喷油嘴控制被设计成调节从喷油嘴8喷射的油量以使得顶环5的对接口间隙变得基本恒定。

顶环5的温度根据在燃烧室30中产生的热量而变化。例如，当在燃烧室30中产生的热量大时，活塞3的温度上升量大。因此，顶环5的温度上升量也相应地大。

当顶环5的温度变高时，顶环5热膨胀而使对接口间隙变窄。当顶环5的温度进一步上升时，对接口间隙的对向端面彼此碰撞而产生引起顶环5的外径扩大的力。

在这种情况下，当气缸2的内壁面（气缸孔壁面）的温度高时，前述力由于气缸2的内径扩大而被抵消。然而，当气缸孔壁面的温度比活塞3的温度低且温差大时，顶环5和气缸2压紧。这样，施加于顶环5的应力可能变得过大，或者顶环5和气缸孔壁面之间的接触载荷可能变得过大。

这样，对接口间隙的大小需要被确定为使得当顶环5的温度高且气缸孔壁面的温度低时对接口的对向端面不会彼此挤压。然而，在根据该方法确定对接口间隙的大小的情况下，当顶环5的温度低时，对接口间隙可变得过宽而导致压缩损失或窜气量的增大。

这样，在根据本发明该实施例的喷油嘴控制中，ECU 15如此调节油喷射量，使得当在燃烧室30中产生的热量大时（当活塞3和气缸孔壁面之间的温差大时）抑制顶环5的温度上升并且当在燃烧室30中产生的热量小时（当活塞3和气缸孔壁面之间的温差小时）抑制顶环5的温度下降或促进顶环5的温度上升。

在燃烧室30中产生的热量根据在燃烧室30中燃烧的燃料量（即，燃料喷射量）而变化。原则上，使用内燃发动机1的负荷Q（发动机负荷）和内燃发动机1的转速Ne（发动机速度）作为参数来确定燃料喷射量。这样，在本发明的该实施例中，将描述使用发动机负荷Q和发动机速度Ne作为参数来调节油喷射量的示例。

图3是示出温差ΔT、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系的视图。在此提及的“温差ΔT”是活塞3的温度（优选地，顶环槽31的温度）和气缸孔壁面的温度之差。

在图3中，当发动机负荷Q和发动机速度Ne低时，在燃烧室30中产生的热量比在发动机负荷Q和发动机速度Ne高时小。这样，温差ΔT小，并且顶环5的对接口间隙宽。

相比之下，如果发动机负荷Q和发动机速度Ne两者都高，则在燃烧室30中产生的热量比在发动机负荷Q和发动机速度Ne低时大。这样，温差ΔT大，并且顶环5的对接口间隙窄。

鉴于此，ECU 15控制流量调节阀12以使得从喷油嘴8喷射的油量在燃烧室30中产生的热量大时变得比在燃烧室30中产生的热量小时大。换言之，ECU 15控制流量调节阀12以使得从喷油嘴8喷射的油量在温差ΔT大时变得比在温差ΔT小时大。

更具体地，ECU 15可根据图4所示的脉谱图来控制流量调节阀12。图4所示的脉谱图是确定发动机负荷Q、发动机速度Ne和油喷射量之间的关系的脉谱图。

在图4中，当发动机负荷Q和发动机速度Ne高时（图4中的区域A），油喷射量被设定为最大量。当发动机负荷Q和发动机速度Ne低时（图4中的区域C），油喷射量被设定为等于零（喷油嘴8停止）。然而，可为了润滑活塞3和气缸孔壁面之间的空间或润滑活塞3和连杆4之间的空间的目的而喷油。此外，当发动机负荷Q和发动机速度Ne处于区域A和区域C之间的区域（图4中的区域B）内时，使油喷射量比前述的最大量小。应注意，图4中的区域C是在燃烧室30中产生的热量等于或小于下限的区域。在此提及的“下限”是顶环5的温度可比后述的适当温度低的值。

在此应注意，在燃烧室30中产生的热的一部分从活塞3的顶面朝顶环槽31传递并从顶环槽31向气缸孔壁面排放出。更具体地，如图5所示，从燃烧室30的内部向活塞3传递的热主要从活塞3中的燃烧室30的上缘部30a朝顶环槽31（耐磨环300）传递（见图5中的箭头）。鉴于此，当冷却通道34布置在顶环槽31的内侧时，该冷却通道34位于热的路径上。换言之，冷却通道34优选地布置在前述的热的路径上。

这样，在当发动机负荷Q和发动机速度Ne高时油喷射量被设定为最大量的情况下，从上缘部30a朝顶环槽31移行的热大部分被冷却通道34中的油吸收。结果，抑制了活塞3和顶环槽31的温度上升，并且也相应地抑制了顶环5的温度上升。

在当发动机负荷Q和发动机速度Ne高时抑制了顶环5的温度上升的情况下，能够防止顶环5的对接口的对向端面彼此碰撞。因此，能够防止顶环5和气缸孔壁面之间的接触载荷变得过大。

然而，如果当发动机负荷Q和发动机速度Ne低时油喷射量被设定为零，则冷却通道34的内部充满空气。冷却通道34中的空气起到隔断从上缘部30a朝顶环槽31移行的热的隔热层的作用。这样，从活塞3向气缸孔壁面排放出的热量减少。结果，抑制了活塞3和顶环槽31的温度下降，并且也相应地抑制了顶环5的温度下降。

在当发动机负荷Q和发动机速度Ne低时抑制了顶环5的温度下降的情况下，能够防止顶环5的对接口间隙变得过宽。这样，能够避免压缩损失的量增大和窜气的量增大。此外，当抑制了顶环槽31的温度下降时，活塞3的顶环岸和气缸孔壁面之间的间隙（缝隙）中的气氛的温度保持得高。当该缝隙中的气氛的温度高时，流过顶环5的对接口间隙的气体的温度也比当该缝隙中的气氛的温度低时高。结果，流过顶环5的对接口间隙的气体的质量进一步减小。

在使油喷射量在发动机负荷Q和发动机速度Ne处于中等负荷/中等转速范围内时比最大量小的情况下，可防止被来自活塞3的油吸收的热量变得比从上缘部30a朝顶环槽31移行的热量大很多。结果，抑制了活塞3和顶环槽31被过冷却，并且也抑制了顶环5被过冷却。应注意，图4的前述区域B内的油喷射量可以是固定的量，但也可以是根据发动机负荷Q和发动机速度Ne而变化的量。可使这种情况下的油喷射量在发动机负荷Q高时比在发动机负荷Q低时大，并且可使其在发动机速度Ne高时比在发动机速度Ne低时大。此外，油喷射量随着燃料喷射量增大而增大。

通过如上所述由ECU 15进行喷油嘴控制，不论内燃发动机1的运转状态如何，都能够保持顶环5的温度基本恒定（保持在适当温度）。在此提及的“适当温度”是在顶环5的对接口的对向端面不会彼此碰撞的这种范围内使对接口间隙最窄的温度。应注意，顶环5被设计成使得对接口间隙在前述的适当温度下具有期望大小。

由此，根据本发明该实施例的用于活塞的冷却系统能防止当在燃烧室30中产生的热量大时顶环5的对接口间隙变得过窄而导致对接口的对向端面彼此碰撞，并防止当在燃烧室30中产生的热量小时顶环5的对接口间隙变得过宽而导致压缩损失的量增大或窜气的量增大。

应注意，尽管已在本发明的该实施例中描述了当发动机负荷Q和发动机速度Ne低时使喷油嘴8停止的示例，但是当冷却剂温度传感器16的输出信号（冷却剂温度）指示等于或高于上限冷却剂温度的温度时或者当油温传感器20的输出信号（油温）指示等于或高于上限油温的温度时，可禁止喷油嘴8停止。在此提及的“上限冷却剂温度”和在此提及的“上限油温”是通过分别从可能使内燃发动机过热的温度或可能使油膜破裂的温度减去预定的裕度而获得的。当这样禁止喷油嘴8停止时，能够防止内燃发动机1过热，并且能够防止油膜破裂。

接下来，将基于图6至9描述本发明的第二实施例。下面将仅描述第二实施例的与本发明的第一实施例不同的结构细节。

本发明的第一实施例和本发明的第二实施例之间的差异在于冷却通道的结构。在本发明的第一实施例中，冷却通道布置成以集中方式冷却顶环槽。然而，在第二实施例中，冷却通道布置成冷却第二环岸37及顶环槽。

图6是根据本发明第二实施例的活塞3的剖视图。在图6中，与第一实施例（见图2）的组成部分相同的组成部分用相同的附图标记表示。根据该实施例的耐磨环300比第一实施例的耐磨环在气缸的轴向上延伸得更长。更具体地，耐磨环300具有范围为从活塞3的顶环岸到其第三环岸的宽度。

第二环槽32和顶环槽31形成在耐磨环300中。相应地，位于顶环槽31和第二环槽32之间的耐磨环300也用作第二环岸37。

宽度与活塞3的耐磨环300大致相等的中空耐磨环310铸造在耐磨环300的内侧。中空耐磨环310与在本发明的第一实施例中一样是具有U形截面的环形部件。中空耐磨环310的开口部由耐磨环300的内周面封闭。由中空耐磨环310和耐磨环300包围的环形空间34用作冷却通道。

在对这样构成的活塞3如在本发明的第一实施例中那样进行相同的喷油嘴控制的情况下，当在燃烧室30中产生的热量大时（当发动机负荷Q和发动机速度Ne高时），可抑制顶环5的温度上升，并且还抑制第二环岸37的温度上升。

在此应注意，图7是活塞3和气缸孔壁面之间的间隙的放大视图。在图7中，V1表示由顶环5、活塞3（顶环岸）和气缸孔壁面包围的空间（第一空间）。在图7中，V2表示由顶环5、活塞3（第二环岸37）、第二环6和气缸孔壁面包围的空间（第二空间）。

如图8所示，第一空间V1中的压力Pv1与燃烧室30中的压力基本同步地变化（见图8中的实线）。相比之下，第二空间V2中的压力Pv2相对于燃烧室30中的压力延迟地变化（见图8中的单点划线）。这种情况下的时间滞后随着顶环5的对接口间隙减小而增大。这样，如在本发明的第一实施例中所述，当使顶环5的对接口间隙尽可能窄时，可能存在第二空间V2中的压力Pv2比第一空间V1中的压力Pv1高的时期（见图8中的阴影区域）。

尤其是当发动机负荷Q和发动机速度Ne高时，换言之，当第二环岸37和气缸孔壁面之间的温差大时，第二空间V2的体积减小，从而第二空间V2中的压力Pv2可能变得比第一空间V1中的压力Pv1高。

当第二空间V2中的压力Pv2变得比第一空间V1中的压力Pv1高时，如图9所示，会发生顶环5在顶环槽31中沿气缸的轴线方向朝上死点侧上浮的现象。当顶环5这样上浮时，窜气可能从顶环5和顶环槽31之间的间隙泄漏。

相比之下，在当发动机负荷Q和发动机速度Ne高时抑制了第二环岸37的温度上升的情况下，可抑制第二环岸37的外径扩大，或者使第二环岸37的外径缩小。在这种情况下，可抑制第二空间V2的体积缩小，或者使第二空间V2的体积扩大。结果，第二空间V2中的压力Pv2不太可能上升。

此外，当抑制了第二环岸37的温度上升时，也抑制了第二空间V2中存在的气体的体积扩大。结果，第二空间V2中的压力Pv2更难上升。此外，第二环槽32和第二环6被冷却通道34中的油以较大的程度冷却。因此，第二环6的对接口间隙扩大。当第二环6的对接口间隙扩大时，第二空间V2中的气体从对接口间隙排放出。结果，能够更可靠地防止第二空间V2中的压力Pv2变得比第一空间V1中的压力Pv1高。

根据上述的本发明的实施例，防止了第二空间V2中的压力Pv2变得比第一空间V1中的压力Pv1高。因此，除了与本发明的第一实施例的效果同等的效果外，还能够抑制顶环5上浮的现象。结果，能够抑制窜气的量由于顶环5的密封性能恶化而增大。

接下来，将基于图10描述本发明的第三实施例。在这种情况下，将描述与本发明的第一实施例不同的结构细节，而不描述与本发明的第一实施例相同的结构细节。

本发明的第一实施例和本发明的该实施例之间的差异在于根据内燃发动机1是正在暖机还是已暖机完成来改变进行喷油嘴控制的方法。活塞3的热容量比气缸体小。此外，虽然气缸孔壁面经由活塞3和活塞环间接地接收燃烧室30的热，但活塞3直接接收燃烧室30的热。这样，活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT易于在内燃发动机1正在暖机时比在内燃发动机1已暖机完成时大。

当活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT变大时，顶环5的外径扩大量和气缸2的内径扩大量之差增大。结果，施加于顶环5的应力可能变得过大，或者顶环5和气缸孔壁面之间的接触载荷可能变得过大。

ECU 15控制喷油嘴8以使得油喷射量在内燃发动机1正在暖机时比在内燃发动机1已暖机完成时大。图10是示出油喷射量、发动机负荷Q和发动机速度Ne之间的关系的脉谱图的示意图。在图10中，用实线示出当内燃发动机1正在暖机时区域A、B和C之间的分界线。在图10中，用单点划线示出当内燃发动机1已暖机完成时区域A、B和C之间的分界线。

如图10所示，各分界线在内燃发动机1正在暖机时相比于在内燃发动机1已暖机完成时朝低负荷/速度侧移位。因此，来自喷油嘴8的油喷射量在内燃发动机1正在暖机时比在内燃发动机1已暖机完成时大。

结果，当内燃发动机1正在暖机时，防止了顶环5的外径扩大量和气缸2的内径扩大量之差变得比在内燃发动机1已暖机完成时大。这样，即使当内燃发动机1正在暖机时，也可防止过大的应力施加至顶环5，并且能够防止顶环5和气缸孔壁面之间的接触载荷变得过大，同时尽量减小压缩损失和窜气量的增大。

接下来，将基于图11至17描述本发明的第四实施例。在以下描述中，将仅描述第四实施例的与第三实施例不同的结构细节。

在本发明的第三实施例中，已描述了当内燃发动机1在正在暖机的同时稳定运转时进行喷油嘴控制的方法。然而，在本发明的第四实施例中，将描述当内燃发动机1在暖机过程中过渡运转时进行喷油嘴控制的方法。

当内燃发动机1在冷起动后过渡运转时，会出现尽管活塞3的温度快速上升但气缸孔壁面（气缸体）的温度却很难上升的情况。在这种情况下，活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT可能变得更大。当活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT变大时，顶环5的外径扩大量和气缸2的内径扩大量之差增大。结果，施加于顶环5的应力可能变得过大，或者顶环5和气缸孔壁面之间的接触载荷可能变得过大。该问题随着活塞3的温度上升率（温度上升的速度）增大并随着气缸孔壁面的温度下降而变得更加显著。

这样，在本发明的该实施例中，使用活塞3的温度上升率和气缸孔壁面的温度作为参数来改变进行喷油嘴控制的方法。例如，ECU 15控制流量调节阀12以使得油喷射量在活塞3的温度上升率高且气缸孔壁面的温度低时变得比在活塞3的温度上升率低且气缸孔壁面的温度高时大。不论是在此提及的“活塞3的温度上升率高且气缸孔壁面的温度低”还是在此提及的“活塞3的温度上升率低且气缸孔壁面的温度高”，发动机负荷Q和发动机速度Ne都保持同等。

活塞3的温度上升率与冷却剂温度的上升率相关。这样，能够使用每一定时间的冷却剂温度的变化量作为活塞3的温度上升率。此外，气缸孔壁面的温度大致等于流过气缸体的冷却剂的温度。这样，能够使用冷却剂温度传感器16的输出信号（冷却剂温度）作为气缸孔壁面的温度。

图11示出冷却剂温度随时间的变化。图11中的双点划线X1示出当内燃发动机1在正在暖机的同时稳定运转时冷却剂温度的变化。图11中的单点划线X2表示当内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/速度运转时冷却剂温度的变化。在图11中，用实线X3示出当内燃发动机1在正在暖机的同时以高负荷/速度运转时冷却剂温度的变化。另外，thw0示出在进行喷油嘴控制期间的冷却剂温度。在图11中，ΔP1、ΔP2和ΔP3针对X1、X2和X3各者表示在预定时间t内冷却剂温度的变化量（温度上升率）。

如图11中由双点划线X1所示，当内燃发动机1在正在暖机的同时稳定运转时，ECU 15根据图12所示的脉谱图来控制油喷射量。应注意，图12所示的脉谱图等同于本发明的第三实施例中描述的脉谱图（参见图10），并且分界线A、B和C相对于内燃发动机1已暖机完成时朝低负荷/速度侧移位。

然后，当内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/速度运转时的温度上升率ΔP2比当内燃发动机1在正在暖机的同时怠速运转时的温度上升率ΔP1高。这样，当内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/速度运转时，活塞3和气缸体之间的温差ΔT比内燃发动机1在正在暖机的同时怠速运转时大。

这样，如图11中由单点划线X2所示，当内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/速度运转时，ECU 15根据图13所示的脉谱图来控制油喷射量。图13中的实线表示当内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/速度运转时区域A、B和C之间的分界线。图13中的点划线表示当内燃发动机1在正在暖机的同时稳定运转时区域A、B和C之间的分界线。

在图13中，当内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/速度运转时区域A、B和C之间的分界线相对于当内燃发动机1在正在暖机的同时稳定运转时区域A、B和C之间的分界线朝低负荷/速度侧移位。这样，当内燃发动机1在暖机过程中以中等负荷/速度运转时比内燃发动机1在暖机过程中稳定运转时喷射更多的油。

此外，在内燃发动机1在暖机过程中以高负荷/速度运转时的温度上升率ΔP3比内燃发动机1在暖机过程中以中等负荷/速度运转时的温度上升率ΔP2高。这样，如果内燃发动机1在暖机过程中以高负荷/速度运转，则可预期活塞3和气缸体之间的温差ΔT变得比内燃发动机1在暖机过程中以中等负荷/速度运转时大。

这样，如图11中由实线X3所示，当内燃发动机1在暖机过程中以高负荷/速度运转时，ECU 15根据图14所示的脉谱图来控制油喷射量。图14中的实线表示当内燃发动机1在暖机过程中以高负荷/速度运转时区域A和B之间的分界线。图14中的点划线表示当内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/速度运转时区域A和B之间的分界线。

在图14中，当内燃发动机1在暖机过程中以高负荷/速度运转时区域A和B之间的分界线相对于内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/速度运转时区域A和B之间的分界线朝低负荷/速度侧移位。此外，在图14所示的脉谱图中，消除了用于使喷油嘴8停止的区域（与图12和13中的区域C对应的区域）。亦即，即使当内燃发动机1从高负荷/高转速运转范围向低负荷/低转速运转范围过渡时，也从喷油嘴8喷射少量的油。

这样，在内燃发动机1在正在暖机的同时以高负荷/高转速运转的情况下的油喷射量比内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/中等转速运转的情况下的油喷射量大。结果，能够抑制活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT扩大。

应注意，活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT可能变得在进行喷油嘴控制期间的冷却剂温度（气缸孔壁面的温度）低于前述的值thw0时比在冷却剂温度等于thw0时大。因此希望使油喷射量在冷却剂温度低于thw0时比在冷却剂温度等于thw0时大。

例如，当内燃发动机1在正在暖机的同时稳定运转时，ECU 15根据图15所示的脉谱图来控制油喷射量。应注意，图15中的实线分别表示在冷却剂温度低于thw0的情况下区域A、B和C之间的分界线，而图15中的单点划线分别表示在冷却剂温度等于thw0的情况下区域A、B和C之间的分界线（其分别等同于图12中的区域A、B和C之间的分界线）。

在图15中，在冷却剂温度低于thw0的情况下区域A、B和C之间的分界线分别比冷却剂温度等于thw0的情况下区域A、B和C之间的分界线更加朝向低负荷/低转速侧移位。这样，在内燃发动机1在正在暖机的同时稳定运转的情况下的油喷射量随着冷却剂温度下降而增大。结果，即使当冷却剂温度（气缸孔壁面的温度）变低时，也可抑制活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT扩大。

此外，当内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/中等转速运转时，ECU 15根据图16所示的脉谱图来控制油喷射量。应注意，图16中的实线表示在冷却剂温度低于thw0的情况下区域A和B之间的分界线，而图16中的单点划线表示在冷却剂温度等于thw0的情况下区域A和B之间的分界线（其等同于图13中的区域A和B之间的分界线）。

在图16中，在冷却剂温度低于thw0的情况下区域A和B之间的分界线比冷却剂温度等于thw0的情况下区域A和B之间的分界线更朝低负荷/低转速侧移位。此外，在图16所示的脉谱图中，消除了用于使喷油嘴8停止的区域（与13中的区域C对应的区域）。这样，在内燃发动机1在正在暖机的同时以中等负荷/中等转速运转的情况下的油喷射量随着冷却剂温度下降而增大。结果，即使当冷却剂温度（气缸孔壁面的温度）变低时，也可抑制活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT扩大。

此外，当内燃发动机1在正在暖机的同时以高负荷/高转速运转时，ECU 15根据图17所示的脉谱图来控制油喷射量。在图17所示的脉谱图中，消除了从喷油嘴8喷射少量油的区域（与图14中的区域B对应的区域）。亦即，油喷射量在内燃发动机1的所有运转范围内都被设定为等于最大量。这样，即使在当内燃发动机1正在暖机且气缸孔壁面的温度低时内燃发动机1以高负荷/高转速运转的情况下，也能够抑制活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT扩大。

根据上述的本发明的实施例，即使在活塞3的温度上升率ΔP在内燃发动机1正在暖机时变高的情况下，也能够抑制活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT扩大。结果，能够将顶环5的外径扩大量保持得小。这样，能够防止施加于顶环5的应力变得过大，并且能够防止顶环5和气缸孔壁面之间的接触载荷变得过大。

应注意，尽管已在本发明的该实施例中描述了使用进行喷油嘴控制期间的冷却剂温度和冷却剂温度的上升率ΔP作为参数而在各脉谱图之间进行切换的示例，但也可使用涵盖了在图12至17中所示的前述关系的函数式。亦即，可使用以冷却剂温度、温度上升率、发动机负荷Q和发动机速度Ne为变量的函数式来确定油喷射量。

此外，在本发明的该实施例中，已描述了使用冷却剂温度的上升率作为活塞3的温度上升率的示例。然而，在冷却剂温度反映出活塞3的温度变化之前也可产生一定的时间滞后。

这样，也适当的是，使用燃料喷射量作为参数来计算从燃烧室30向活塞3传递的热量，并使用该计算的结果和气缸孔壁面的温度（冷却剂温度）作为参数来进行各脉谱图之间的切换。在这种情况下，可基于下式来计算每一定时间tinj从燃烧室30向活塞3传递的热量Hq。

Hq=Hinj×∫（∑Finj）dt÷tinj

在上式中，Hinj代表燃料的低发热量（J/g），而∑Finj表示一定时间tinj内的燃料喷射量Finj的总和。

ECU 15可控制流量调节阀12以使得油喷射量在根据上式计算出的热量Hq大且冷却剂温度（气缸孔壁面的温度）低时变得比在热量Hq小且冷却剂温度（气缸孔壁面的温度）高时大。

根据该方法，能够根据活塞3的实际温度来进行喷油嘴控制。

应注意，ECU 15可同时基于冷却剂温度的上升率ΔP来计算油喷射量和基于从燃烧室30向活塞3传递的热量Hq来计算油喷射量，并且可根据两个计算结果中较大的一者来控制流量调节阀12。根据该方法，能够更可靠地抑制活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT扩大。

接下来，将描述本发明的第五实施例。在这种情况下，将描述与本发明的第一实施例不同的结构细节，而不描述与本发明的第一实施例相同的结构细节。

在本发明的该实施例中，将描述如在内燃发动机1的冷却系统中存在故障的情况、尤其是恒温控制阀在开阀状态下咬死的情况下那样在气缸孔壁面被过冷却时进行喷油嘴控制的示例。

在恒温控制阀在开阀状态下咬死的情况下，即使当冷却剂温度比恒温控制阀的开阀温度（或闭阀温度）低时，冷却剂也流过散热器。这样，冷却剂温度可能进一步下降。当冷却剂温度这样下降时，气缸孔壁面被过冷却。

在气缸孔壁面被过冷却的情况下，即使当燃烧室30中产生的热量小时，活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT也可能扩大。当活塞3和气缸孔壁面之间的温差ΔT扩大时，顶环5的外径的扩大量可能相对于气缸2的内径的扩大量变得过大。结果，即使当燃烧室30中产生的热量小时，施加于顶环5的应力也可能变得过大，或者顶环5和气缸孔壁面之间的接触载荷可能变得过大。

鉴于此，在根据本发明的该实施例的喷油嘴控制期间，当冷却系统中存在故障时，如在前述的图17的脉谱图的情况下那样，不论内燃发动机1的运转状态（发动机负荷Q和发动机速度Ne）如何，ECU 15都将油喷射量设定为最大量。

在这种情况下，作为检测冷却系统中的故障的方法，能使用当冷却剂温度的下降率（温度下降的速度）比预定的上限下降率高时或者当冷却剂温度的下降量比预定的上限下降量大时判定为冷却系统中存在故障的方法。在此提及的“上限下降率”是在恒温控制阀处于开阀状态下存在故障的情况下的下降率或通过从该下降率减去预定的裕度而获得的值。此外，“上限下降量”可以是在恒温控制阀在开阀状态下咬死的情况下的温度下降量或通过从该温度下降量减去预定的裕度而获得的值。

根据本发明的该实施例，当冷却系统中存在故障时，能够防止活塞3和气缸孔壁面之间的温差扩大。结果，可抑制顶环5的外径扩大。这样，当在燃烧室30中产生的热量小时，能够防止施加于顶环5的应力变得过大，并且能够防止顶环5和气缸孔壁面之间的接触载荷变得过大。

应注意，本发明的第一至第五实施例中的至少两个或全部能够相互组合。结果，顶环5的对接口间隙在各种情况下（例如，内燃发动机1正在暖机的情况、内燃发动机1已暖机完成的情况、内燃发动机1的冷却系统中存在故障的情况等）都能够保持基本恒定。

此外，在本发明的第一至第五实施例各者中，冷却通道34由中空耐磨环构成。然而，可采用任何构造，只要冷却通道34布置成邻接顶环5（和第二环岸37）即可。

Claims (12)

1.一种用于内燃发动机的活塞的冷却系统，包括：

活塞，所述活塞包括顶环槽和冷却通道，所述顶环槽设置在所述活塞的外周面内并且装配有顶环，所述冷却通道被设计为嵌埋在所述活塞中的油通路并且定位成邻接所述顶环槽；

油供给部，所述油供给部向所述冷却通道供油；和

控制部，所述控制部随着在燃烧室中产生的热量增加而增大从所述油供给部向所述冷却通道供给的油量。

2.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的活塞的冷却系统，其中，当在所述燃烧室中产生的热量等于或小于预定的下限时，所述控制部停止从所述油供给部向所述冷却通道供油。

3.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的活塞的冷却系统，其中，所述控制部随着燃料喷射量增大而增大从所述油供给部向所述冷却通道供给的油量。

4.根据权利要求1所述的用于内燃发动机的活塞的冷却系统，其中，所述控制部随着发动机速度和发动机负荷升高而增大从所述油供给部向所述冷却通道供给的油量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于内燃发动机的活塞的冷却系统，其中，所述冷却通道形成为定位成邻接所述顶环槽和第二环岸。

6.根据权利要求5所述的用于内燃发动机的活塞的冷却系统，其中，所述活塞还配备有位于所述顶环槽正下方的第二环槽，并且

所述第二环岸设置在所述顶环槽和所述第二环槽之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于内燃发动机的活塞的冷却系统，其中，对于同等的发动机负荷和同等的发动机速度，所述控制部使从所述油供给部向所述冷却通道供给的油量在所述内燃发动机正在暖机时比在所述内燃发动机包括已暖机完成时大。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于内燃发动机的活塞的冷却系统，其中，当冷却剂的温度等于或高于预定的上限冷却剂温度时或者当油的温度等于或高于预定的上限油温时，所述控制部禁止所述油供给部停止。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于内燃发动机的活塞的冷却系统，其中，所述油供给部是喷油嘴。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于内燃发动机的活塞的冷却系统，其中，所述顶环槽和所述冷却通道是环形的。

11.一种控制用于内燃发动机的活塞的冷却系统的方法，包括：

提供活塞和油供给部，所述活塞包括顶环槽和冷却通道，所述顶环槽设置在所述活塞的外周面内并且装配有顶环，所述冷却通道被设计为嵌埋在所述活塞中的油通路并且定位成邻接所述顶环槽，所述油供给部向所述冷却通道供油；和

使从所述油供给部向所述冷却通道供给的油量在燃烧室中产生的热量大时比在所述燃烧室中产生的热量小时大。

12.根据权利要求11所述的控制用于内燃发动机的活塞的冷却系统的方法，其中，对于同等的发动机负荷和同等的发动机速度，使从所述油供给部向所述冷却通道供给的油量在所述内燃发动机正在暖机时比在所述内燃发动机包括已暖机完成时大。

Images