JP2003083067A - 内燃機関のピストン温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 オイル噴射によるピストン冷却を行う筒内噴
射式内燃機関において、オイル温度の過度の上昇を抑制
するとともに、燃料カット中におけるピストンの過冷却
を防止する。 【解決手段】 ピストンが新気にて冷却される状態とな
る燃料カットの開始から所定期間の間、オイル噴射を実
行する。これにより、ピストン冷却時に加熱されたオイ
ルを冷却することと、燃料カット中における新気による
ピストンの過冷却を防止することとが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射式の内燃
機関においてピストンの温度を制御する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料消費率の向上の観点から、成層燃焼
を行う内燃機関が開発されている。一般に、成層燃焼を
行うガソリン機関では、筒内に直接燃料を噴射する筒内
噴射方式を採用し、高負荷又は高速回転時にあっては吸
気行程噴射により均質燃焼を行って出力の向上を図る一
方、低負荷低速回転時にあっては圧縮行程噴射により成
層燃焼を行って燃料消費率の向上を図るようにしてい
る。

【０００３】かかる成層燃焼時には、もともと発熱量が
少ない上、圧縮行程噴射のため燃料がピストン表面から
奪う熱の量が多いことから、ピストン温度が低くなるの
に対し、均質燃焼時には、もともと発熱量が多い上、吸
気行程噴射のため燃料がピストン表面から奪う熱の量が
少ないことから、ピストン温度が上昇するという不具合
がある。

【０００４】そこで、例えば、特開平１０−６８３１９
号公報には、ピストンを冷却するオイルを供給するオイ
ルジェットからのオイル供給量を機関負荷が低下するの
に伴って減少させる筒内噴射式ガソリン機関が開示され
ている。

【０００５】また、同公報には、高負荷又は高速回転時
にあっては、吸気行程噴射を行うとともにオイルジェッ
トによるピストン冷却を実行することによりピストンの
耐熱性を確保する一方、低負荷低速回転時にあっては、
圧縮行程噴射を行うとともにオイルジェットによるピス
トン冷却を停止することによりピストンの温度を上昇さ
せて燃料の微粒化及び気化を促進する筒内噴射式ガソリ
ン機関が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、オイルによ
るピストン冷却は、オイルとピストンとの間の熱交換、
すなわちピストンからオイルへの熱の移動によって実現
されることから、ピストン冷却を行うと、当然に機関オ
イルの温度が上昇する。そして、機関オイルの温度が高
くなると、オイルによるピストン冷却の効果が減少する
だけでなく、オイルの粘度が低下してその潤滑機能が悪
化し、焼付きやオイルの劣化といった問題が発生する。

【０００７】また、単純に機関負荷あるいは燃焼モード
（成層燃焼／均質燃焼）に応じてオイル供給量を制御す
るだけであると、燃料カット中に新気によりピストン表
面が過度に冷却される場合がある。そして、燃料カット
状態から燃料供給状態への復帰直後においては、低負荷
のため成層燃焼運転が行われるが、ピストン表面が過冷
却状態であると、圧縮行程にてピストンに向けて噴射さ
れた燃料の蒸発（霧化）が阻害され、十分な混合気形成
がなされず、燃焼が不安定となり、トルク変動の悪化や
エミッションの悪化といった問題が発生する。

【０００８】本発明は、上述した問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、筒内噴射式内燃機関におい
てオイルとピストンとの間の熱交換によりピストンの温
度を制御する装置であって、オイル温度の過度の上昇を
抑制するとともに、燃料カット中におけるピストンの過
冷却を防止することができるものを提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の面によれば、筒内噴射式内燃機関に
おいてオイル噴射によりオイルとピストンとの間で熱交
換を生じさせてピストンの温度を制御する装置であっ
て、燃料カットの開始から所定期間の間、オイル噴射を
実行する制御手段を設けたことを特徴とする、内燃機関
のピストン温度制御装置が提供される。

【００１０】燃料カット中には新気によりピストン表面
が過度に冷却されるおそれがあるが、上述した本発明の
第１の面によるピストン温度制御装置においては、燃料
カットの開始から所定期間の間、オイル噴射が実行さ
れ、ピストン冷却時に加熱されたオイルとピストンとの
間の熱交換によりピストンの過冷却が抑制される。一
方、オイルは冷却されるため、オイル劣化の防止や、ピ
ストン温度が上昇する領域でのオイル噴射によるピスト
ン冷却効果の維持向上にも有効である。

【００１１】また、本発明の第２の面によれば、前記本
発明の第１の面によるピストン温度制御装置においてオ
イルの温度が第１の所定温度未満の場合には前記制御手
段によるオイル噴射を禁止する。

【００１２】暖機完了前などオイル温度が低い場合に
は、上述した本発明の第１の面による効果が低いか又は
逆効果となるところ、この本発明の第２の面によるピス
トン温度制御装置においては、かかる場合にオイル噴射
が禁止されることにより、そのような事態が防止され
る。

【００１３】また、本発明の第３の面によれば、前記本
発明の第１又は第２の面によるピストン温度制御装置に
おいてオイルの温度が第２の所定温度以上である場合に
は燃料カット中の吸気量を増大させる。

【００１４】この本発明の第３の面によるピストン温度
制御装置においては、オイル温度が高い場合、燃料カッ
ト中の吸気量が増大せしめられることにより、オイルを
冷却する効果が高められる。一方、オイル温度が高いた
め、ピストンの過冷却は、抑制される。

【００１５】また、本発明の第４の面によれば、前記本
発明の第１〜３の面によるピストン温度制御装置におい
て、前記所定期間は、燃料カットからの復帰直後の期間
を含む。

【００１６】燃料カットからの復帰直後は、ピストン温
度がオイル温度を下回っているところ、この本発明の第
４の面によるピストン温度制御装置においては、上述し
た本発明の第１の面による効果が継続して得られる。

【００１７】また、本発明の第５の面によれば、前記本
発明の第１〜４の面によるピストン温度制御装置におい
て、機関の低負荷低速回転領域では、少なくとも一部の
燃料がピストンの頂面に噴射される成層燃焼モードが実
行される。

【００１８】この本発明の第５の面によるピストン温度
制御装置においては、燃料カットからの復帰時点で成層
燃焼領域となるが、ピストン温度の低下が抑制されてい
ることにより、燃料の霧化の悪化が抑制される。

【００１９】また、本発明の第６の面によれば、前記本
発明の第５の面によるピストン温度制御装置において、
成層燃焼領域での定常運転ではオイル噴射を禁止する。

【００２０】この本発明の第６の面によるピストン温度
制御装置においては、燃料カットからの復帰後、ある程
度ピストン温度が上昇する頃には、オイル噴射が停止さ
れるので、オイルによる燃焼熱の持ち去りが防止され、
燃料の霧化が良好に維持される。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。

【００２２】図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機
関のピストン温度制御装置の構成を示す図である。この
内燃機関は、筒内噴射式直列多気筒ガソリン機関であっ
て均質燃焼及び成層燃焼を行うものである。機関のシリ
ンダブロックには、上下方向へ延びる複数個の気筒１０
が紙面の厚み方向へ並設され、各気筒１０内には、冠面
に円盤状のキャビティ１２ａを有するピストン１２が往
復動可能に収容されている。各ピストン１２は、コネク
ティングロッド１４を介し共通のクランクシャフト（図
示せず）に連結されている。

【００２３】また、機関のシリンダヘッドには、直接、
筒内に燃料を噴射するインジェクタ１６が取付けられて
いる。インジェクタから噴射される燃料は、吸気通路１
８、吸気ポート２０及び吸気バルブ２２を介して筒内へ
導入される空気と筒内において合流して混合気となる。
なお、均質燃焼を行う場合には吸気行程で噴射が行われ
る一方、成層燃焼を行う場合には圧縮行程においてピス
トン１２のキャビティ１２ａに向けて噴射が行われる。

【００２４】この混合気に着火するために、シリンダヘ
ッドには気筒毎にスパークプラグ２４が取付けられてい
る。均質燃焼の場合、吸気行程噴射により筒内に均一な
混合気が形成された後に点火が行われる。一方、成層燃
焼の場合、圧縮行程において噴射された燃料がスパーク
プラグ２４付近に多くあるときに点火が行われ、その部
分の混合気が燃焼する。燃焼した混合気は、排気ガスと
して排気バルブ２６、排気ポート２８及び排気通路３０
を介して大気中に排出される。

【００２５】なお、吸気通路１８に備えられたスロット
ルバルブ３２は、いわゆる電子スロットルであり、運転
席のアクセルペダルと直接機械的に結合されることな
く、スロットルモータ３４によって駆動せしめられる。

【００２６】この機関では、高負荷又は高速回転時にあ
っては吸気行程噴射により均質燃焼運転を行って出力の
向上が図られる一方、低負荷低速回転時にあっては圧縮
行程噴射により成層燃焼運転を行って燃料消費率の向上
が図られる。

【００２７】そして、前述のように、成層燃焼運転時に
は、もともと発熱量が少ない上、圧縮行程噴射のため燃
料がピストン表面から奪う熱の量が多いことから、ピス
トン温度が低くなるのに対し、均質燃焼時には、もとも
と発熱量が多い上、吸気行程噴射のため燃料がピストン
表面から奪う熱の量が少ないため、ピストン温度が上昇
する。

【００２８】そのため、この機関では、ピストン１２の
温度が冷却手段により制御され得るように構成されてい
る。すなわち、ピストン１２の冷却のために、ピストン
１２の内部には、円環状の空洞がピストンオイルギャラ
リ１２ｂとして設けられている。このピストンオイルギ
ャラリ１２ｂには、オイルジェット４０から噴射された
オイルが供給される。

【００２９】また、シリンダブロックには、オイルジェ
ット４０から噴射されるオイルのためのサブオイルギャ
ラリ４２が設けられている。そして、サブオイルギャラ
リ４２には、電磁弁４４を介して機関のメインオイルギ
ャラリ４６からオイルが供給される。

【００３０】すなわち、電磁弁４４がオンにされると、
サブオイルギャラリ４２とメインオイルギャラリ４６と
が連通し、オイルジェット４０からピストンオイルギャ
ラリ１２ｂに向けてオイルが噴射され、そのオイルがピ
ストン１２から熱を奪うことにより、ピストン１２が冷
却される。

【００３１】一方、電磁弁４４がオフにされると、サブ
オイルギャラリ４２とメインオイルギャラリ４６との接
続が遮断され、オイルジェット４０からピストンオイル
ギャラリ１２ｂに向けてのオイル噴射が停止されること
により、ピストン１２が非冷却状態すなわち断熱状態と
される。

【００３２】電子制御装置（ＥＣＵ）５０は、吸気量制
御、燃料噴射制御、点火時期制御等に加え、機関運転状
態に基づいて電磁弁４４のオン／オフ制御、すなわち電
磁弁４４内のコイルへの通電のオン／オフ制御を実行す
るマイクロコンピュータシステムである。

【００３３】図２は、ピストン温度の制御マップを示す
図であり、横軸は機関回転速度、縦軸は機関負荷（トル
ク）を示す。この図に示されるように、境界線Ｌを境
に、低負荷低速回転の領域Ｒ１は、圧縮行程噴射による
成層燃焼運転が行われる領域に対応しており、オイルジ
ェット４０からピストンオイルギャラリ１２ｂに向けて
のオイル噴射が停止される断熱領域（非冷却領域）とさ
れる。

【００３４】一方、境界線Ｌを境に、高負荷高速回転の
領域Ｒ２は、吸気行程噴射による均質燃焼運転が行われ
る領域に対応しており、オイルジェット４０からピスト
ンオイルギャラリ１２ｂに向けてのオイル噴射が実行さ
れる冷却領域とされる。

【００３５】また、図２に示される帯状の領域Ｒ３は、
燃料カットが行われる領域に対応しており、本発明にお
いては、前述したように、ピストン冷却時に加熱された
オイルを冷却することと、燃料カット中における新気に
よるピストンの過度の冷却を防止することとを目的とし
て、オイル噴射が行われ得る領域とされる。

【００３６】図３は、ＥＣＵ５０において実行されるピ
ストン温度制御ルーチンの処理手順を示すフローチャー
トである。このルーチンは、ＥＣＵ５０において一定周
期で実行される。まず、ステップ１０２では、現在の機
関運転状態が検出される。

【００３７】次いで、ステップ１０４では、現在、燃料
カット（Ｆ／Ｃ）中であるか否かが判定される。燃料カ
ット中でなければ、ステップ１０６に進み、燃料カット
状態から燃料供給状態への復帰後の経過時間ｔが一定時
間ｔ₀以内にあるか否かが判定される。

【００３８】ステップ１０４及び１０６により、現在、
燃料カット中でもなく、燃料カットからの復帰後の一定
時間内にもないと判定された場合には、ステップ１０８
において、均質燃焼運転中か否かが判定される。

【００３９】均質燃焼運転中であると判定された場合に
は、ステップ１１０においてピストン冷却モードに設定
され、次いで、ステップ１１２においてオイル噴射の実
行状態とされる。

【００４０】一方、均質燃焼運転中でない、即ち成層燃
焼運転中であると判定された場合には、ステップ１１４
においてピストン非冷却（断熱）モードに設定され、次
いで、ステップ１１６においてオイル噴射の停止状態と
される。

【００４１】ステップ１０４及び１０６により、現在、
燃料カット中であるか又は燃料カットからの復帰後の一
定時間内にあると判定された場合には、ステップ１１８
において、オイル温度検出用に設けられているセンサの
出力に基づいて現在検出されているオイル温度ＴＨＯが
基準温度１００°Ｃを超えるか否かが判定される。

【００４２】ＴＨＯが１００°Ｃを超える場合には、ス
テップ１２０においてオイルの冷却とピストン過冷却の
防止（即ちピストン加熱）とを目的としてオイル冷却モ
ードに設定され、次いで、ステップ１１２においてオイ
ル噴射の実行状態とされる。

【００４３】一方、ＴＨＯが１００°Ｃ以下の場合に
は、オイルとピストンとの間の熱交換を行わせてもオイ
ル冷却及びピストン加熱の効果が低いと判断されるた
め、ステップ１２０においてオイル非冷却モードに設定
され、次いで、ステップ１１６においてオイル噴射の停
止状態とされる。ステップ１１２又は１１６の実行後、
本ルーチンは終了する。

【００４４】図４は、ＥＣＵ５０において実行されるオ
イル冷却促進制御ルーチンの処理手順を示すフローチャ
ートである。オイル温度がかなり高い場合には、燃料カ
ット中にあってもオイルとピストンとの間の熱交換によ
りピストンが高温に維持される一方で、オイルの冷却が
不十分となるおそれがある。そこで、オイル温度がかな
り高い場合には、燃料カット中の吸気量を増大せしめる
ことにより、オイル冷却効果を高めることが好ましい。
そのために、このオイル冷却促進制御ルーチンが一定周
期で実行される。

【００４５】まず、ステップ２０２では、前述した図３
に示されるピストン温度制御により、現在、オイル冷却
モードに設定されているか否かが判定される。オイル冷
却モードに設定されている場合には、ステップ２０４に
進み、オイル温度ＴＨＯが所定の基準温度（例えば、本
実施形態では１２０°Ｃ）を超えているか否かが判定さ
れる。なお、この基準温度としては、オイル冷却モード
の設定時に使用された基準温度である１００°Ｃ以上の
値として設定される。なお、１００°Ｃとする場合に
は、このステップ２０４は省略してもよいこととなる。

【００４６】ステップ２０２において現在、オイル冷却
モードにないと判定された場合、又はステップ２０４に
おいてオイル温度ＴＨＯが基準温度以下であると判定さ
れた場合には、ステップ２０６に進み、オイル冷却促進
制御に基づくスロットル開度補正量ＴＨＲＣＯＯＬが０
に設定される。

【００４７】一方、ステップ２０２において現在、オイ
ル冷却モードにあると判定され、かつ、ステップ２０４
においてオイル温度ＴＨＯが基準温度を超えると判定さ
れた場合には、ステップ２０８に進み、図に示されるよ
うなマップを参照することにより、現在の機関回転速度
に応じたスロットル開度補正量ＴＨＲＣＯＯＬが決定さ
れる。ステップ２０６又は２０８の実行後、本ルーチン
は終了する。

【００４８】図５は、ＥＣＵ５０において一定周期で実
行される電子スロットル制御ルーチンの処理手順を示す
フローチャートである。まず、ステップ３０２では、現
在の機関運転状態として回転速度及び負荷が検出され
る。

【００４９】次いで、ステップ３０４では、所定のマッ
プを参照することにより、検出された回転速度及び負荷
に応じた基本スロットル開度ＴＨＲＢＡＳＥが決定され
る。最後のステップ３０６では、基本スロットル開度Ｔ
ＨＲＢＡＳＥ及びオイル冷却促進制御に基づくスロット
ル開度補正量ＴＨＲＣＯＯＬを用いて、 ＴＨＲ←ＴＨＲＢＡＳＥ＋α＋ＴＨＲＣＯＯＬ なる演算をすることにより、最終スロットル開度ＴＨＲ
が決定される。なお、αは、他の運転状態パラメータに
よって定まる補正量である。

【００５０】このようにして算出されたＴＨＲを用いて
スロットルバルブ３２が制御される。かくして、燃料カ
ット中の吸気量が増大せしめられ、オイル冷却効果が高
められることとなる。

【００５１】図６は、燃料カット開始からの経過時間に
応じてピストン頂面温度がどのように変化するかを、本
発明による燃料カット中オイル噴射が有りの場合と無し
の場合とについて示す図である。この図に示されるよう
に、燃料カット中及び燃料カットからの復帰後の一定時
間の間、オイル噴射を行う場合には、ピストン頂面温度
の低下を回避することができ、その後の成層燃焼におい
て燃料の霧化が良好となり、安定した燃焼が確保され
る。一方、噴射されたオイルは、冷却されて戻されるこ
ととなり、オイルの劣化が防止される。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
オイル噴射によるピストン冷却を行う筒内噴射式内燃機
関において、燃料カットの開始から所定期間の間、オイ
ル噴射を実行するようにしたことにより、ピストン冷却
時に加熱されたオイルを冷却することと、燃料カット中
における新気によるピストンの過度の冷却を防止するこ
ととが可能となり、オイル劣化の防止、ピストン冷却領
域でのオイル噴射によるピストン冷却効果の維持、燃料
カット状態からの復帰後における成層燃焼の安定、等の
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関のピストン
温度制御装置の構成を示す図である。

【図２】ピストン温度の制御マップを示す図である。

【図３】ＥＣＵにおいて実行されるピストン温度制御ル
ーチンの処理手順を示すフローチャートである。

【図４】ＥＣＵにおいて実行されるオイル冷却促進制御
ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。

【図５】ＥＣＵにおいて実行される電子スロットル制御
ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。

【図６】燃料カット開始からの経過時間とピストン頂面
温度との関係を、本発明による燃料カット中オイル噴射
が有りの場合と無しの場合とについて示す図である。

【符号の説明】

１０…気筒 １２…ピストン １２ａ…キャビティ １２ｂ…ピストンオイルギャラリ １４…コネクティングロッド １６…インジェクタ １８…吸気通路 ２０…吸気ポート ２２…吸気バルブ ２４…スパークプラグ ２６…排気バルブ ２８…排気ポート ３０…排気通路 ３２…スロットルバルブ ３４…スロットルモータ ４０…オイルジェット ４２…サブオイルギャラリ ４４…電磁弁 ４６…メインオイルギャラリ ５０…電子制御装置（ＥＣＵ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G301 HA04 HA16 JA04 JA15 JA26 JA32 KA06 KA23 LA01 LB04 MA24 NE01 PE08A

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒内噴射式内燃機関においてオイル噴射
   によりオイルとピストンとの間で熱交換を生じさせてピ
   ストンの温度を制御する装置であって、燃料カットの開
   始から所定期間の間、オイル噴射を実行する制御手段を
   設けたことを特徴とする、内燃機関のピストン温度制御
   装置。
2. 【請求項２】 オイルの温度が第１の所定温度未満の場
   合には前記制御手段によるオイル噴射を禁止することを
   特徴とする、請求項１に記載の内燃機関のピストン温度
   制御装置。
3. 【請求項３】 オイルの温度が第２の所定温度以上であ
   る場合には燃料カット中の吸気量を増大させることを特
   徴とする、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のピ
   ストン温度制御装置。
4. 【請求項４】 前記所定期間は、燃料カットからの復帰
   直後の期間を含む、請求項１から請求項３までのいずれ
   か一項に記載の内燃機関のピストン温度制御装置。
5. 【請求項５】 機関の低負荷低速回転領域では、少なく
   とも一部の燃料がピストンの頂面に噴射される成層燃焼
   モードが実行されることを特徴とする、請求項１から請
   求項４までのいずれか一項に記載の内燃機関のピストン
   温度制御装置。
6. 【請求項６】 成層燃焼領域での定常運転ではオイル噴
   射を禁止することを特徴とする、請求項５に記載の内燃
   機関のピストン温度制御装置。