JP2006029127A - ピストン温度制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ピストンの昇温又は冷却の応答性を高めること。
【解決手段】ピストンヘッド部1aに形成した内側の第1油路3及び外側の第2油路4からなる二重構造のクーリングチャンネル2と、これら第1又は第2の油路3,4の内の少なくとも何れか一方に対して機関冷間時に暖機オイルを供給する暖機オイル供給手段20と、これら第1又は第2の油路3,4の内の少なくとも何れか他方に対してピストン高温時に冷却オイルを供給する前記暖機オイル供給手段20とは別構造の冷却オイル供給手段30とで構成すること。
【選択図】 図1

Description

本発明は、内燃機関に用いられるピストンの暖機及び冷却を適宜行い得るピストン温度制御装置に関する。
一般に、内燃機関においては、ピストン(特にピストンヘッド部)に大きな熱負荷が掛かるので、その熱負荷やノッキング等の異常燃焼によってはピストンが極度に高温になり溶損等してしまう。その一方で、ピストンの温度が低過ぎると、加速性能や燃費が悪化し、また、機関始動時には始動性が悪化してしまう。
そこで、従来、ピストンが高温のときにはこれを冷却させ、また、ピストンが低温のときにはこれを昇温させる種々の技術が開示されている。
例えば、1つのオイルジェットに対して2系統の給油経路を設け、高温時にはオイルクーラを経由させてオイルジェットにオイルを供給する一方、低温時にはオイルクーラを経由させずにバイパスさせてオイルジェットにオイルを供給し、そのオイルジェットからピストンへオイルを噴射させる、という技術が下記の特許文献1に開示されている。また、下記の特許文献2には、1つのオイルジェットに対して2系統の給油経路を設け、夫々の給油経路の流量比を所定の条件に応じて変化させる、という技術が開示されている。
更に、下記の特許文献3には、ピストンへの冷却用のオイルの噴射用として2つのオイル噴射ノズルを設け、オイルを噴射させるオイル噴射ノズルの本数を機関負荷状態に応じて変化させる、という技術が開示されており、また、下記の特許文献4には、エンジン温度が基準温度以下のときに潤滑用のオイルを噴射する技術が開示されている。
また更に、下記の特許文献5には、ピストン頂面の凹部を冷却する凹部冷却通路と、その凹部の側壁面及びピストンヘッドの周縁部を冷却するピストンヘッド冷却通路とをピストンに形成し、これら各冷却通路に冷却用のオイルを供給する、という技術が開示されている。
実開昭58−149506号公報 特開昭64−77719号公報 特開2003−301744号公報 特開昭63−289213号公報 特開2001−227339号公報
しかしながら、上記各特許文献1〜5に開示された従来の技術にあっては、ピストンの冷却又は昇温の何れか一方しか行うことができない。
ここで、上記各特許文献1〜4の各技術において冷却と昇温の双方を行い得るよう構成したと仮定する。しかしながら、かかる場合にあっては、ピストンの冷却要求又は昇温要求に応じて即座に冷却又は昇温を行えない,即ちピストンの温度変化に対する応答性が悪い、という不都合があった。
例えば、上記特許文献1,2又は4に開示された技術にあっては、1つのオイルジェットでオイルを噴射させるので、そのオイルジェットに至るまでの油路上のオイルの温度を所望の用途用(冷却用又は昇温用)へと切り替えるのに時間を要し、ピストンを即座に冷却又は昇温させることができない。ここで、大容量の冷却手段や昇温手段を設けることによって切替時間の短縮を図り得ると考えられるが、その一方で、冷却手段や昇温手段の大型化による車輌への搭載性の悪化、オイル流量の増加に伴うメカニカルロス等の弊害が生じてしまう。
また、上記特許文献3に開示された技術にあっては、2つのオイル噴射ノズルを具備しているので上記特許文献1,2又は4の如き不都合は懸念され難いが、夫々のオイル噴射ノズルから噴射されたオイルはピストンの1つの冷却空洞に供給されるので、この冷却空洞内のオイルの入れ替えに時間を要し、結局の所、ピストンを即座に冷却又は昇温させることができない。
更に、上記特許文献5に開示された技術にあっては、ピストンヘッド部に2つの別個独立した凹部冷却通路とピストンヘッド冷却通路とが張り巡らされているので、このピストンヘッド部の薄肉化による強度低下が懸念される。
そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、ピストンの昇温又は冷却を即座に行うことができ、そのピストンの耐久性を向上させ得るピストン温度制御装置を提供することを、その目的とする。
上記目的を達成する為、請求項1記載の発明では、ピストンヘッド部に形成した内側の第1油路及び外側の第2油路からなる二重構造のクーリングチャンネルと、前記第1又は第2の油路の内の少なくとも何れか一方に対して機関冷間時に暖機オイルを供給する暖機オイル供給手段と、前記第1又は第2の油路の内の少なくとも何れか他方に対してピストン高温時に冷却オイルを供給する前記暖機オイル供給手段とは別構造の冷却オイル供給手段とでピストン温度制御装置を構成している。
この請求項1記載の発明によれば、オイル供給側とオイル流入側共に、暖機用と冷却用として別個独立した構成からなるので、ピストンを即座に昇温又は冷却させることができる。
上記目的を達成する為、請求項2記載の発明では、上記請求項1記載のピストン温度制御装置において、前記暖機オイル供給手段は前記第1油路に対して前記暖機オイルを供給し、前記冷却オイル供給手段は前記第2油路に対して前記冷却オイルを供給するよう構成している。
この請求項2記載の発明によれば、温度が高いピストンの外周面に近い外側の第2油路に冷却オイルが供給されるので、冷却効率が向上する。
上記目的を達成する為、請求項3記載の発明では、上記請求項1又は2に記載のピストン温度制御装置において、前記暖機オイル供給手段は、オイルを温める昇温手段と、この昇温手段により温められた暖機オイルを前記オイル供給対象の油路のオイル導入路に噴射するオイルジェットとを備え、前記冷却オイル供給手段は、オイルを冷却する冷却手段と、この冷却手段により冷却された冷却オイルを前記オイル供給対象の油路のオイル導入路に噴射するオイルジェットとを備えている。
この請求項3記載の発明によれば、暖機性能と冷却性能が向上する。
上記目的を達成する為、請求項4記載の発明では、上記請求項3記載のピストン温度制御装置において、前記暖機オイル供給手段のオイルジェットを前記第1及び第2の油路の双方のオイル導入路に暖機オイルが噴射されるよう構成している。
この請求項4記載の発明によれば、ピストンをより早期に且つより高温まで上昇させることができる。
上記目的を達成する為、請求項5記載の発明では、上記請求項1,2,3又は4に記載のピストン温度制御装置において、前記暖機オイル供給手段へのオイル供給を行うオイルポンプとして電動式オイルポンプを設け、前記冷却オイル供給手段へのオイル供給を行うオイルポンプとして電動式オイルポンプ又は機械式オイルポンプを設けている。
この請求項5記載の発明によれば、最適な量や温度に制御されたオイルを暖機オイル供給手段や冷却オイル供給手段から供給することができる。
本発明に係るピストン温度制御装置は、ピストンの温度制御の応答性が良く、これが為、そのピストンの耐久性が向上し、更に、始動性、燃費性能や加速性能が向上する。
以下に、本発明に係るピストン温度制御装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
本発明に係るピストン温度制御装置の実施例1を図1から図8−2に基づいて説明する。
本実施例1のピストン温度制御装置は、図1に示す如く、ピストン1に形成されたクーリングチャンネル2及びオイル導入路3a,4a及びオイル排出路3b,4bと、クーリングチャンネル2に暖機オイルを供給する暖機オイル供給手段20と、クーリングチャンネル2に冷却オイルを供給する冷却オイル供給手段30と、その暖機オイル供給手段20にオイルを供給する電動式オイルポンプPeと、その冷却オイル供給手段30にオイルを供給する機械式オイルポンプPmとで構成される。
最初に、ピストン1側の構成について詳述する。
内燃機関に用いられるピストン1は、シリンダブロック10内に配置され、コネクティングロッド11やクランクシャフト12に連結されて、そのシリンダブロック10のシリンダボア内で上下動することによりクランクシャフト12において軸出力を発生させる。
本実施例1のピストン1は、そのピストンヘッド部1aに当該ピストン1を昇温及び冷却させるクーリングチャンネル2が形成されている。このクーリングチャンネル2は、図1〜図3に示す如く、ピストン1の外径と略同心円上に配置された環状の第1油路3と、この第1油路3の外壁面を内方の壁面とする環状の第2油路4とで構成された二重構造のものであって、その夫々の油路3,4において別個独立してオイルが流れる。
このように別個独立の2つのオイルの流路を二重構造にして一箇所に集中配置させることによって、ピストンヘッド部1aの薄肉化が抑えられ、その強度を確保することができる。
また、そのピストンヘッド部1aには、図2に示す如く、ピストン底面と内側の第1油路3とを連通させる2つの油路3a,3bと、ピストン底面と外側の第2油路4とを連通させる2つの油路4a,4bとが形成されている。
ここで、本実施例1にあっては、油路3aの開口部から第1油路3にオイルを導入し、そのオイルは油路3bから排出される。また、油路4aの開口部から第2油路4にオイルを導入し、そのオイルは油路4bから排出される。そこで、以下においては、便宜上、「油路3a」を「第1オイル導入路3a」と、「油路3b」を「第1オイル排出路3b」と、「油路4a」を「第2オイル導入路4a」と、「油路4b」を「第2オイル排出路4b」という。
次に、本実施例1の暖機オイル供給手段20の構成について詳述する。
この暖機オイル供給手段20は、図1に示す如く、第1オイル導入路3aの開口部にオイルを噴射するオイルジェット21と、このオイルジェット21にオイルを送る油路22と、この油路22上に配置されたヒータ等の昇温手段23と、この昇温手段23を制御する制御装置24とで構成される。
先ず、本実施例1のオイルジェット21は、シリンダブロック10の下面に配設される。また、このオイルジェット21は、そのオイル噴射ノズル21aの先端がピストン底面を向くよう配置され、更に、上下動するピストン1(特にピストンスカート1b)に接触しないよう配置されている。
本実施例1にあっては、そのオイル噴射ノズル21aの上方に位置している第1オイル導入路3aの開口部にオイルジェット21がオイルを噴射し、第1油路3へのオイル供給を行う。
ここで、そのオイル噴射ノズル21aと第1オイル導入路3aの開口部との位置関係は、例えば、ピストン1が上死点に位置しているときに噴射する場合、下死点に位置しているときに噴射する場合等のピストン1の位置に対しての噴射時期により異なる。これが為、実機においては、その点を考慮した上で、オイル噴射ノズル21aの向きや形状、第1オイル導入路3aの開口部の位置等を適宜設定する。尚、本実施例1にあっては、ピストン1の位置に対しては如何様な時期にオイルを噴射してもよく、これが為、そのピストン1の位置に対しての噴射時期については特に言及しない。
また、このオイルジェット21には、油路22からの油圧が所定圧を超えるまではオイル噴射ノズル21aからオイルを噴射させず、その所定圧を超えたときにオイル噴射ノズル21aからオイルを噴射させる機構が設けられている。例えば、かかる機構として、本実施例1にあってはチェック弁(図示略)が設けられている。
続いて、本実施例1の昇温手段23について説明する。この昇温手段23は、例えばシリンダブロック10の外壁面に固定され、電動式オイルポンプPeから送られてきたオイルを加熱する。ここで、本実施例1の昇温手段23は、機関回転数Ne,機関負荷L及び機関水温Twの情報に基づいて制御装置24によりON/OFF制御や温度設定制御等が行われる。
このような上記の如き構成からなる暖機オイル供給手段20には、前述したが如く電動式オイルポンプPeからオイルが供給される。ここで、この電動式オイルポンプPeは、上記昇温手段23と共に制御装置24により制御され、例えばオイルパン(図示略)のオイルを吸引して油路22に圧送する。
ここで、この電動式オイルポンプPeには、油路22へのオイルの供給圧が所定圧を超えないようリリーフ弁(図示略)が設けられている。その所定圧は、前述したオイルジェット21のチェック弁の開弁圧よりも高く設定し、更に、それ以上の圧でオイルジェット21がオイルを噴射してもその供給量の増加により暖機性能が大きく向上しない境界の圧に設定する。
また、この電動式オイルポンプPeは、オイルジェット21が即座に最大量のオイルを噴射できるように、図5に示す如く、リリーフ弁が開弁する最大の供給量OPrelに至るまでのポンプ回転数Npの立ち上がりが速いものを使用することが好ましい。
ここで、本実施例1のオイルジェット21は、その図5のハッチング部分の範囲内でオイルを噴射する。この図5によれば、ポンプ回転数Npがリリーフ弁の開弁するポンプ回転数Nprelを超えてもオイルジェット21からのオイル供給量は上限のまま変わらない。これが為、電動式オイルポンプPeは、その最高の回転数がポンプ回転数Nprel又はこれよりも僅かに高い回転数となるよう制御装置24により制御させることが好ましく、これにより電動式オイルポンプPeの無駄な量のオイルの吸引が抑えられるので、例えばオイルパンに溜めるオイル量の低減を図ることができる。
次に、本実施例1の冷却オイル供給手段30の構成について詳述する。
この冷却オイル供給手段30は、図1に示す如く、第2オイル導入路4aの開口部にオイルを噴射するオイルジェット31と、このオイルジェット31にオイルを送る油路32と、この油路32上に配置されたオイルクーラ等の冷却手段33と、この冷却手段33を制御する制御装置34とで構成される。
ここで、本実施例1のオイルジェット31についても、前述した暖機オイル供給手段20のオイルジェット21と同様に、そのオイル噴射ノズル31aの先端をピストン底面に向け、上下動するピストン1(特にピストンスカート1b)に接触しないようシリンダブロック10の下面に配設される。
この本実施例1のオイルジェット31は、そのオイル噴射ノズル31aの上方に位置している第2オイル導入路4aの開口部にオイルを噴射し、第2油路4へのオイル供給を行う。
また、そのオイル噴射ノズル31aと第2オイル導入路4aの開口部との位置関係についても、前述した暖機オイル供給手段20のオイルジェット21と第1オイル導入路3aの開口部の場合と同様に、ピストン1の位置に対しての噴射時期によって異なる。これが為、オイル噴射ノズル31aの向きや形状、第2オイル導入路4aの開口部の位置等は、その点を考慮した上で適宜設定する。尚、この冷却オイル供給手段30のオイル噴射ノズル31aについても、ピストン1の位置に対しては如何様な時期にオイルを噴射してもよく、これが為、そのピストン1の位置に対しての噴射時期については特に言及しない。
また、このオイルジェット31には、油路32からの油圧が所定圧を超えるまではオイル噴射ノズル31aからオイルを噴射させず、その所定圧を超えたときにオイル噴射ノズル31aからオイルを噴射させる機構が設けられている。例えば、かかる機構としては、暖機オイル供給手段20のオイルジェット21と同様にチェック弁(図示略)が設けられている。
続いて、本実施例1の冷却手段33について説明する。この冷却手段33は、例えばシリンダブロック10の外壁面に固定され、機械式オイルポンプPmから送られてきたオイルを冷却する。ここで、本実施例1の冷却手段33は、機関回転数Ne及び機関負荷Lの情報に基づいて制御装置34によりON/OFF制御や温度設定制御等が行われる。
このような上記の如き構成からなる冷却オイル供給手段30には、前述したが如く機械式オイルポンプPmからオイルが供給される。
この機械式オイルポンプPmは、クランクシャフト12で直接駆動する又はクランクシャフト12の回転をチェーンやスプロケット等を介して伝達させて駆動するものであって、例えばオイルパン(図示略)のオイルを吸引し、これを油路32に圧送する。
ここで、この機械式オイルポンプPmについても、前述した電動式オイルポンプPeと同様に、油路32へのオイルの供給圧が所定圧を超えないようリリーフ弁(図示略)が設けられている。その所定圧は、前述したオイルジェット31のチェック弁の開弁圧よりも高く設定し、更に、それ以上の圧でオイルジェット31がオイルを噴射してもその供給量の増加により冷却性能が大きく向上しない境界の圧に設定する。
ところで、本実施例1にあっては機械式オイルポンプPmを冷却オイルの供給用として使用する。そして、この機械式オイルポンプPmはクランクシャフト12の回転に連動して駆動するので、オイルジェット31のチェック弁の開弁圧の設定値次第ではあるが、機関始動直後等の内燃機関の暖機運転時においても冷却オイルがオイルジェット31から噴射される。一方、アイドル回転数NeIDOLのまま長時間停車させていると、走行風がラジエータ等に当たらないので、内燃機関の水温や油温が上昇し、ピストン1の温度も上昇してしまい冷却を要する場合もある。
そこで、本実施例1の機械式オイルポンプPmは、図7に示す如く、リリーフ弁が開弁する最大の供給量OPrelに至るまでのポンプ回転数Npの立ち上がりが緩やかなものを使用し、その立ち上がりの途中にアイドル回転数NeIDOLが来るように設定する。また、オイルジェット31は、アイドル回転数NeIDOLよりも低い機関回転数Neでチェック弁が開弁するよう開弁圧を設定する。
ここで、本実施例1のオイルジェット31は、その図7のハッチング部分の範囲内でオイルを噴射する。これにより、機関始動直後等の暖機運転時においても冷却オイルがオイルジェット31から噴射されるが、その噴射量を少量に抑えることができるのでピストン1の昇温への影響を極力抑えることができる一方、アイドル回転数NeIDOLでピストン1の温度が上昇しても冷却オイルを噴射できるのでピストン1の耐久性向上を図り得る。尚、制御装置34は、ピストン1の冷却を要しない状況下において冷却手段33を停止させるよう設定しておく。
ここで、本実施例1の制御装置24,34は、暖機オイル供給手段20と冷却オイル供給手段30の夫々に設けたものとして例示しているが、その夫々の制御機能を例えば内燃機関の燃焼制御等を行う電子制御装置(ECU)の機能として設けてもよい。
以下に、本実施例1におけるピストン温度制御装置の動作説明を行う。
最初に、暖機オイル供給手段20側の動作について説明する。
ここで、この暖機オイル供給手段20側が動作している場合にあっては、冷却オイル供給手段30のオイルジェット31からオイルが噴射されないように、そのチェック弁の開弁圧を設定することが好ましい。
上述したが如く、本実施例1の制御装置24は、機関回転数Ne,機関負荷L及び機関水温Twの情報に基づき昇温手段23と電動式オイルポンプPeを制御して、ピストン1の温度を上昇させる暖機制御を実行する。
例えば、そのピストン1の暖機制御は、主として、ピストン1の温度が低い機関始動時(図4に示す低速/低負荷時)、ピストン1の温度が低く燃費性能が悪化する図4に示す低速/中負荷時に行うことが好ましい。また、本実施例1にあっては、図4に示す如く、中速/低負荷時にも暖機制御を行わせる。これが為、本実施例1の制御装置24は、機関回転数Neや機関負荷Lの情報に基づいて運転状態を判断し、上記機関始動時等において暖機制御を行うよう設定されている。
また、この制御装置24は、機関水温Twの情報に基づいて暖機制御を行い得るようにも設定されている。これが為、この制御装置24は、上記の如き運転状態に応じた暖機制御の実行条件に該当した場合でも、機関水温Twが所定温度よりも高ければ、暖機制御を実行しないように設定されている。ここで、その所定温度とは、暖機制御をせずともよい程にピストン1の温度が十分高くなっているときの機関水温Twであって、予め実験等で求めた閾値である。
先ず、機関始動時の動作について例示する。
ここで、本実施例1にあっては、機関停止状態において車輌のドアが開かれるとドア部分に設けられているスイッチがONになり、バッテリから供給される微弱な電圧によって制御装置24や暖機オイル供給手段20が動作するものとする。
ドアが開かれて上記の如きスイッチがONになると、制御装置24は、機関水温Twが所定温度以下であるか否かを判定し、所定温度以下であれば、昇温手段23を作動させると共に電動式オイルポンプPeをリリーフ弁が開弁するポンプ回転数Nprel又はこれよりも僅かに高い回転数まで上昇させる。
これにより、電動式オイルポンプPeからオイルが油路22に供給され、昇温手段23で加熱された暖機オイルがオイルジェット21に導かれる。そして、そのオイル噴射ノズル21aから図6に示す最大量の暖機オイルが第1オイル導入路3aの開口部に噴射され、第1油路3へと供給されてピストン1の温度が上昇する。尚、機関水温Twが所定温度に達していれば、制御装置24は、ピストン1の暖機制御を行わない。
しかる後、運転者等が内燃機関を始動させると、この内燃機関は暖機運転を始める。これに伴って、制御装置24は、図6に示す如く、機関回転数Neに応じて電動式オイルポンプPeのポンプ回転数Npを低下させ、オイルジェット21からの暖機オイルの噴射量OJHを減少させる。
ここで、その制御装置24は、例えば内燃機関が暖機運転を終えた際又は機関水温Twが上記の所定温度に達した際に、ピストン1の暖機制御を終了する。
このように、ピストン1の温度が低い機関始動時において強制的にピストン1の温度を上昇させることにより早期に燃焼室の温度が上昇するので、始動性や加速性能が向上し、これに伴って、暖機運転中の燃費性能や排気ガスの低減等も図ることができる。
尚、運転者等が内燃機関を始動させない場合に制御装置24が暖機制御を行い続けると、バッテリの容量低下等の不都合が懸念される。これが為、かかる場合にあっては、暖機制御開始から所定時間経過後(例えば15秒後等)に制御装置24が昇温手段23と電動式オイルポンプPeを停止させることが好ましい。
次に、通常の運転時における動作について説明する。
例えば、制御装置24が機関回転数Ne及び機関負荷Lの情報に基づいて運転状態を判断し、その運転状態が低速/中負荷であったとする。かかる場合、その制御装置24は、機関水温Twが上記の所定温度以下であるか否かを判定し、所定温度以下であれば、昇温手段23を作動させると共に、その機関水温Twに応じたポンプ回転数Np(具体的には、図5に示す機関水温Twに応じた噴射量OJHとなるポンプ回転数Np)で電動式オイルポンプPeを駆動させる。
これにより、電動式オイルポンプPeから供給されたオイルが昇温手段23で加熱されてオイルジェット21に導かれ、そのオイル噴射ノズル21aから暖機オイルが第1オイル導入路3aの開口部に噴射されて第1油路3へと供給されるので、ピストン1の温度を上昇させることができる。
ここで、その制御装置24は、例えばピストン1の暖機制御を行う運転状態から外れた際又は機関水温Twが上記の所定温度に達した際に、その暖機制御を終了する。
このように、内燃機関の運転状態や機関水温Twに応じてピストン1の暖機制御を行うので、暖機オイルの供給時期や供給量を緻密に制御することができ、効果的にピストン1の温度を上昇させることができる。これが為、燃費性能の向上や排気ガスの低減が図れ、更には、加速性能も向上させることができる。
次に、冷却オイル供給手段30側の動作について説明する。
ここで、この冷却オイル供給手段30側が動作している場合には、暖機オイル供給手段20側が動作しないように、制御装置24が昇温手段23と電動式オイルポンプPeを停止させる。
この本実施例1の冷却オイル供給手段30には、クランクシャフト12の回転に連動する機械式オイルポンプPmからオイルが供給される。これが為、オイルジェット31は、図7に示す如く、そのチェック弁を開弁させる量のオイルを機械式オイルポンプPmが送出する機関回転数Ne以上になると、常にオイルを第2オイル導入路4aの開口部に噴射している。尚、本実施例1にあっては、図7に示す如く、アイドル回転数NeIDOLよりも低い機関回転数Neでオイルジェット31からオイルが噴射されるよう設定されているので、機関始動後から機関停止までの間には常時オイルの噴射が行われている。
また、上述したが如く、本実施例1の制御装置34は、機関回転数Ne及び機関負荷Lの情報に基づき冷却手段33を制御して、ピストン1を冷却させる冷却制御を実行する。
例えば、そのピストン1の冷却制御は、主として、ピストン1の温度が高く溶損や焼き付き等の虞がある図4に示す中速〜高速/高負荷時に行うことが好ましい。また、本実施例1にあっては、高速/中負荷時にも冷却制御を行わせる。これが為、本実施例1の制御装置34は、機関回転数Neや機関負荷Lの情報に基づいて運転状態を判断し、上記中速〜高速/高負荷時等において冷却制御を行うよう設定されている。
ここで、その制御装置34が機関回転数Ne及び機関負荷Lの情報に基づいて運転状態を判断し、その運転状態が高速/高負荷であったとする。かかる場合、その制御装置34は、冷却手段33を作動させ、オイルジェット31に送るオイルを冷却する。
これにより、その冷却オイルがオイルジェット31のオイル噴射ノズル31aから第2オイル導入路4aの開口部に噴射され、第2油路4へと供給される。これが為、ピストン1が効果的に冷却されるので、その溶損や焼き付き等を抑制することができる。
ここで、制御装置34は、機関水温Twの情報をも利用して冷却手段33の作動制御や停止制御を行ってもよく、これにより、より正確なピストン1の温度制御を行うことができる。
以上示した如く、本実施例1のピストン温度制御装置によれば、暖機オイルが供給される第1油路3と冷却オイルが供給される第2油路4とを別個独立して専用のものとして設けているので、その第1及び第2の油路3,4に残存しているオイルに影響されることなくピストン1の昇温や冷却を行うことができる。そして、これにより、そのピストン1は、応答性良く昇温や冷却が行われる。特に、異常燃焼等で急激に燃焼室の温度が上昇した場合にあっては暖機制御から冷却制御へと迅速に切り替える必要があるが、かかる場合には即座にピストン1を冷却することができるので有用である。
また、本実施例1のピストン温度制御装置は、その第1油路3に暖機オイルを供給する暖機オイル供給手段20と第2油路4に冷却オイルを供給する冷却オイル供給手段30とについても夫々別系統で設けているので、即座に必要とされる暖機オイル又は冷却オイルを供給することができ、これにより、更に応答性良くピストン1の昇温や冷却を行うことができる。
そして、このように応答性良くピストン1の温度制御を行うことができるので、ピストン1の耐久性が向上すると共に、燃費性能の向上や排気ガスの低減等をも図ることができる。
ここで、本実施例1にあっては、内部側の第1油路3に暖機オイルが供給され、外部側の第2油路4に冷却オイルが供給されるものとして例示しているが、必ずしもこれに限定するものではない。但し、本実施例1の如くピストン1の外周面に近い外部側の第2油路4に冷却オイルを供給することによって、冷却効率が向上する。
ところで、一般に、低速/高負荷時や中速/中負荷時には内燃機関の発熱と放熱のバランスが取れているので、制御装置24,34は、図4に示す如く、夫々の制御を実行しないように設定されている。尚、本実施例1にあっては、高速/低負荷時も無制御範囲としている。
ここで、本実施例1の冷却オイル供給手段30からは前述したが如くオイルが常時噴射されており、このオイルは、冷却手段33で冷却されなくてもピストン1の温度よりも低温である。これが為、上記の無制御範囲である場合やピストン1の温度が所定温度よりも低いときには、ピストン1の過冷却が起こることも考えられる。
そこで、前述したアイドル回転数NeIDOLのままの長時間停車によるピストン1の温度上昇が無い又は他の手段(例えばラジエータに風を送る電動ファン)により回避し得るのであれば、高速/高負荷等の冷却を要する運転状態のみでオイルジェット31がオイルを噴射するように、そのオイルジェット31のチェック弁の開弁圧を高く設定することが好ましい。これにより、ピストン1の過冷却を抑制することができ、より有効に燃費性能の向上を図ることができる。
尚、上記の無制御範囲であったとしても、制御装置24は、機関水温Twが上記の所定温度よりも低ければ暖機制御を行うよう設定され、制御装置34は、機関水温Twが上記の所定温度よりも高ければ冷却制御を行うよう設定されることが好ましい。
ここで、図8−1に示す如くピストン1の下降時には特に爆発行程において最大のスラスト力F1が、また、図8−2に示す如くピストン1の上昇時にはスラスト力F1と反対方向のスラスト力F2(<F1)がピストン1のピストンリング(図示略)やピストンスカート1bからシリンダボア壁面10aに掛かる。以下、ピストン1の下降行程においてスラスト力F1が掛かる側を「スラスト側」といい、ピストン1の上昇行程においてスラスト力F2が掛かる側を「反スラスト側」という。
そして、そのようなスラスト力F1,F2によって、反スラスト側よりもスラスト側の方がピストン1の温度が高くなってしまう。
そこで、本実施例1にあっては、相対的に温度が低い反スラスト側をより効果的に昇温させる一方、温度が高いスラスト側をより効果的に冷却させる為に、ピストン1の反スラスト側に第1オイル導入路3aの開口部を設けると共にスラスト側に第2オイル導入路4aの開口部を設け、その第1オイル導入路3aの開口部に暖機オイル供給手段20のオイルジェット21から暖機オイルを噴射させ、その第2オイル導入路4aの開口部に冷却オイル供給手段30のオイルジェット31から冷却オイルを噴射させるよう構成することが好ましい。
次に、本発明に係るピストン温度制御装置の実施例2を図9及び図10に基づいて説明する。
本実施例2のピストン温度制御装置は、前述した実施例1と同様に、ピストン1に形成されたクーリングチャンネル2及びオイル導入路3a,4a及びオイル排出路3b,4bと、クーリングチャンネル2に暖機オイルを供給する暖機オイル供給手段20と、クーリングチャンネル2に冷却オイルを供給する冷却オイル供給手段30と、その暖機オイル供給手段20にオイルを供給する電動式オイルポンプPeと、その冷却オイル供給手段30にオイルを供給する機械式オイルポンプPmとで構成される。
ここで、本実施例2と実施例1との相違は、その実施例1のピストン温度制御装置において、暖機オイル供給手段20のオイルジェット21を図9に示すオイルジェット25に変更した点にある。
具体的に、本実施例2のオイルジェット25は、実施例1のオイルジェット21が1本のオイル噴射ノズル21aからクーリングチャンネル2における内側の第1油路3へと暖機オイルを供給するものであるのに対して、更に外側の第2油路4へも暖機オイルが供給できるように、2本の第1及び第2のオイル噴射ノズル25a,25bを備えている点が異なる。
これにより、図10に示す如くピストン1をより素早く且つより高温まで昇温させることが可能になり、始動性、加速性能や暖機運転中の燃費性能を更に向上させることができ、排気ガスを更に低減させることができる。
また、長期機関停止後においてはピストン1とシリンダボア壁面との間で油膜が薄くなったり油幕切れが生じたりするので、機関始動時には、その間で異常摩耗や焼き付きが生じ易くなる。しかしながら、本実施例2の如く2方向にオイルを供給することによって、双方(スラスト側及び反スラスト側)のシリンダボア壁面にオイルが飛散し、これを潤滑油として機能させることができるので、異常摩耗や焼き付きの抑制をも図り得る。
ここで、本実施例2のピストン温度制御装置は前述した実施例1と同様の動作を行うので、ここでの説明は省略する。
尚、本実施例2にあっては第1及び第2の油路3,4に暖機オイルが供給されるので、例えば異常燃焼等で急激に燃焼室の温度が上昇した場合に暖機制御から冷却制御へと切り替えると、冷却オイル供給手段30のオイルジェット31から第2油路4に供給された冷却オイルは、残留している暖機オイルによって温められ、迅速なピストン1の冷却制御を阻害する虞がある。
ここで、そのような急激な温度上昇は、一般に通常の運転中に起こることが多く、内燃機関の暖機運転終了直後には起こり難い。
そこで、第2油路4へと暖機オイルを供給する第2オイル噴射ノズル25bに流路切替弁(図示略)を設け、制御装置24は、内燃機関の暖機運転中には第1及び第2のオイル噴射ノズル25a,25bから暖機オイルを噴射し、それ以外の通常の運転中には第1オイル噴射ノズル25aからのみ暖機オイルを噴射するよう流路切替弁の切り替えを行うことが好ましい。
次に、本発明に係るピストン温度制御装置の実施例3を図11及び図12に基づいて説明する。
本実施例3のピストン温度制御装置は、図11に示す如く、前述した実施例1と同様に、ピストン1に形成されたクーリングチャンネル2及びオイル導入路3a,4a及びオイル排出路3b,4bと、クーリングチャンネル2に暖機オイルを供給する暖機オイル供給手段20と、クーリングチャンネル2に冷却オイルを供給する冷却オイル供給手段30とを備えている。
ここで、本実施例3のピストン温度制御装置においては、その暖機オイル供給手段20には機械式オイルポンプPmからオイルを供給し、その冷却オイル供給手段30には電動式オイルポンプPeからオイルを供給するよう構成されている点が実施例1と異なる。
これが為、その機械式オイルポンプPmは、リリーフ弁が作動する所定圧を、オイルジェット21のチェック弁の開弁圧よりも高く設定し、更に、それ以上の圧でオイルジェット21がオイルを噴射してもその供給量の増加により昇温性能が大きく向上しない境界の圧に設定する。そのチェック弁の開弁圧は、アイドル回転数NeIDOLにおいてもオイルが噴射されるよう実施例1よりも低めに設定する。
また、電動式オイルポンプPeは、リリーフ弁が作動する所定圧を、オイルジェット31のチェック弁の開弁圧よりも高く設定し、更に、それ以上の圧でオイルジェット31がオイルを噴射してもその供給量の増加により冷却性能が大きく向上しない境界の圧に設定する。
更に、そのオイルポンプの変更に伴って、暖機オイル供給手段20の制御装置24と冷却オイル供給手段30の制御装置34の制御動作についても変更している。
以下、この本実施例3におけるピストン温度制御装置の動作について説明する。
最初に、暖機オイル供給手段20側の動作について説明する。
ここで、この暖機オイル供給手段20側が動作している場合には、冷却オイル供給手段30側が動作しないように、制御装置34が冷却手段33と電動式オイルポンプPeを停止させる。
先ず、機関始動時の動作について例示する。
内燃機関が始動すると、この内燃機関は暖機運転を始め、クランクシャフト12に連動して機械式オイルポンプPmから油路22にオイルが送出される。その際、制御装置24は、昇温手段23を作動させて油路22のオイルを加熱させる。
これにより、その暖機オイルがオイルジェット21に送られて、そのオイル噴射ノズル21aから暖機オイルが第1オイル導入路3aの開口部に噴射され、第1油路3へと供給されてピストン1の温度が上昇する。
ここで、暖機運転の初期にはアイドル回転数NeIDOLよりも高めの回転数で運転しているので、その回転数とリリーフ弁が作動する図12に示す機関回転数Nerelとが略同等になるよう設定しておくことによって、暖機運転の初期においては最大量の暖機オイルが第1油路3に供給される。これが為、より早期にピストン1の温度を上昇させることができる。
また、内燃機関の暖機運転は、機関水温Twや油温が安定するにつれてその高めの回転数から徐々にアイドル回転数NeIDOLまで低下させる。これが為、本実施例3のオイル噴射ノズル21aからの暖機オイルの噴射量は、その機関回転数Neの低下に伴って徐々に減少していく。
本実施例3にあっては、内燃機関が暖機運転を終えた際に制御装置24が昇温手段23を停止させて、ピストン1の暖機制御を終了する。
このように、本実施例3にあってもピストン1の温度が低い機関始動時において強制的にピストン1の温度を上昇させるので、実施例1と同様の始動性や加速性能等の効果を奏することができる。
次に、通常の運転時における動作について説明する。
例えば、制御装置24が機関回転数Ne及び機関負荷Lの情報に基づいて運転状態を判断し、その運転状態が実施例1で述べたピストン1の暖機制御を要する低速/中負荷であったとする。かかる場合、制御装置24は、昇温手段23を作動させて油路22のオイルを加熱させる。
これにより、機関回転数Neに応じた量の暖機オイルがオイル噴射ノズル21aから第1油路3へと供給されるので、ピストン1の温度が上昇し、実施例1と同様の燃費性能の向上や排気ガスの低減、加速性能の向上等が図られる。
その制御装置24は、例えば暖機制御を行う運転状態から外れた場合に、そのピストン1の暖機制御を終了する。
ここで、制御装置24は、機関水温Twの情報をも利用して昇温手段23の作動制御や停止制御を行ってもよく、これにより、より正確なピストン1の温度制御を行うことができる。
次に、冷却オイル供給手段30側の動作について説明する。
ここで、この冷却オイル供給手段30側が動作している場合にあっては、暖機オイル供給手段20のオイルジェット21からオイルが噴射されないように、そのチェック弁の開弁圧を設定することが好ましい。
例えば、制御装置34が機関回転数Ne及び機関負荷Lの情報に基づいて運転状態を判断し、その運転状態が実施例1で述べたピストン1の冷却制御を要する高速/高負荷であったとする。かかる場合、制御装置34は、機関水温Twが所定温度以上であるか否かを判定し、所定温度以上であれば、冷却手段33を作動させると共に電動式オイルポンプPeをリリーフ弁が開弁するポンプ回転数Nprel又はこれよりも僅かに高い回転数まで上昇させる。
これにより、電動式オイルポンプPeからオイルが油路32に供給され、冷却手段33で冷却された冷却オイルがオイルジェット31に導かれる。そして、そのオイル噴射ノズル31aから図6に示す最大量の冷却オイルが第2オイル導入路4aの開口部に噴射され、第2油路4へと供給されてピストン1を冷却する。尚、機関水温Twが所定温度よりも低ければ、制御装置34は、ピストン1の冷却制御を行わない。
このように、運転状態や機関水温Twに応じて冷却制御が行われるので、過度のピストン1の温度上昇を回避することができると共に、ピストン1の過冷却が抑制されるので、ピストン1の溶損や焼き付き等を抑制するだけでなく、燃費性能の向上や排気ガスの低減、加速性能の向上等をも図ることができる。
ここで、機関回転数Neや機関負荷Lに対応するピストン1の温度を予め実験等で求め、この対応関係をマップデータ等として用意しておいてもよく、これを用いることによって制御装置34の演算処理時間を短縮し、より応答性が高く、且つ精度の高いピストン1の冷却制御を行うことができる。
以上示した如く、本実施例3のピストン温度制御装置によれば、実施例1と同様の構成からなる二重構造のクーリングチャンネル2や暖機オイル供給手段20及び冷却オイル供給手段30を備えているので、その実施例1と同様に、ピストン1を応答性良く昇温又は冷却させることができ、ピストン1の耐久性の向上や燃費性能の向上等の効果を奏することができる。
次に、本発明に係るピストン温度制御装置の実施例4を図13に基づいて説明する。
本実施例4のピストン温度制御装置は、図13に示す如く、前述した実施例1のピストン温度制御装置において、冷却オイル供給手段30にオイルを供給するポンプを電動式オイルポンプPeに変更したものである。換言すれば、暖機オイル供給手段20側の構成を実施例1と同様にし、冷却オイル供給手段30側の構成を実施例3と同様にしたものである。
これが為、その暖機オイル供給手段20と当該暖機オイル供給手段20にオイルを供給する電動式オイルポンプPeは実施例1と同様に動作し、冷却オイル供給手段30と当該冷却オイル供給手段30にオイルを供給する電動式オイルポンプPeは実施例3と同様に動作するので、ここでの動作説明は省略する。尚、暖機オイル供給手段20側が動作しているときには冷却オイル供給手段30側を、冷却オイル供給手段30側が動作しているときには暖機オイル供給手段20側を停止させる。
このような構成にすることにより、本実施例4のピストン温度制御装置は、前述した実施例1又は実施例3と同様の効果を奏するだけでなく、暖機オイル供給手段20により第1油路3へと供給される暖機オイルと冷却オイル供給手段30により第2油路4へと供給される冷却オイルの夫々の供給時期や供給量、更には温度を最も緻密に制御することができる。
これが為、本実施例4のピストン温度制御装置によれば、内燃機関の運転状態や機関水温Twに応じた最適なピストン1の温度制御が可能になるので、より有効にピストン1の溶損や焼き付き等を抑制することができ、更には、始動性の向上や燃費性能の向上、排気ガスの低減や加速性能の向上等の効果を高めることができる。
また、クランクシャフト12を駆動源とする機械式オイルポンプPmが不要であるので、メカニカルロスの低減による燃費性能の向上等が可能になる。
次に、本発明に係るピストン温度制御装置の実施例5を図14に基づいて説明する。
本実施例5のピストン温度制御装置は、前述した実施例1と同様に、ピストン1に形成されたクーリングチャンネル2及びオイル導入路3a,4a及びオイル排出路3b,4bと、クーリングチャンネル2に暖機オイルを供給する暖機オイル供給手段20と、クーリングチャンネル2に冷却オイルを供給する冷却オイル供給手段30と、その暖機オイル供給手段20にオイルを供給する電動式オイルポンプPeと、その冷却オイル供給手段30にオイルを供給する機械式オイルポンプPmとを備えている。
ここで、本実施例5と実施例1との相違は、先ず、本実施例5の電動式オイルポンプPeが図14に示す第1オイル送出路41を介して暖機オイル供給手段20の油路22にオイルを供給し、本実施例5の機械式オイルポンプPmが図14に示す第2オイル送出路42を介して冷却オイル供給手段30の油路32にオイルを供給する点にある。また、本実施例5にあっては、第1オイル送出路41と第2オイル送出路42との間に図14に示すバイパス油路43が設けられている点が実施例1とは異なる。
更に、本実施例5にあっては、その相違点に伴って、暖機オイル供給手段20の制御装置24と冷却オイル供給手段30の制御装置34の制御動作についても変更している。
以下、この本実施例5におけるピストン温度制御装置の動作について説明する。
最初に、暖機オイル供給手段20側の動作について説明する。
先ず、機関始動時の動作について例示する。
本実施例5の制御装置24は、実施例1と同様に、ドアが開かれてスイッチがONになると、機関水温Twが所定温度以下であるか否かを判定し、所定温度以下であれば、昇温手段23を作動させると共に電動式オイルポンプPeをリリーフ弁が開弁するポンプ回転数Nprel又はこれよりも僅かに高い回転数まで上昇させる。
そして、内燃機関が始動するまでは、実施例1と同様の動作を行い、オイルジェット21のオイル噴射ノズル21aから図6に示す最大量の暖機オイルが第1油路3へと供給されてピストン1の温度が上昇する。
しかる後、運転者等が内燃機関を始動させて暖機運転が始まると、機械式オイルポンプPmが駆動し、第2オイル送出路42を介して油路22と油路32にオイルを供給する。その際、制御装置24は、電動式オイルポンプPeを停止させる。
ここで、オイルジェット31のチェック弁の開弁圧をオイルジェット21のチェック弁の開弁圧よりも高くして、ピストン1の暖機制御中はオイル噴射ノズル31aからオイルを噴射させないようにする。例えば、機関回転数Neが低速域においてオイル噴射ノズル31aからの噴射が行われないようにする。
これが為、機械式オイルポンプPmからのオイルは油路22のみに送出され、そのオイルのみが昇温手段23で加熱されて、オイルジェット21のオイル噴射ノズル21aから暖機オイルを第1油路3へと供給される。
このようにして供給された機械式オイルポンプPmからのオイルによってピストン1の昇温が続けられ、例えば内燃機関が暖機運転を終えた際又は機関水温Twが上記の所定温度に達した際に、制御装置24は、昇温手段23を停止させる。
次に、通常の運転時における動作について説明する。
例えば、制御装置24が機関回転数Ne及び機関負荷Lの情報に基づいて運転状態を判断し、その運転状態が低速/中負荷であったとする。かかる場合、本実施例5の制御装置24は、機関水温Twが上記の所定温度以下であるか否かを判定し、所定温度以下であれば昇温手段23を作動させる。
これにより、機械式オイルポンプPmから油路22に送られてきたオイルが昇温手段23で加熱され、その暖機オイルがオイルジェット21のオイル噴射ノズル21aから第1油路3へと供給されてピストン1の温度が上昇する。
ここで、冷却オイル供給手段30側の動作については、電動式オイルポンプPeを駆動させずに機械式オイルポンプPmのみで、2つのオイルジェット21,31から第1及び第2の油路3,4へオイルを供給する。かかる場合、オイルジェット21からは未冷却のオイルが供給され、オイルジェット31からは冷却手段33で冷却された冷却オイルが供給される。尚、その未冷却のオイルは、ピストン1の温度よりも低温である為、冷却用のオイルとしての機能は果たしている。
このように、本実施例5にあっては機関始動前や始動直後のみ電動式オイルポンプPeを駆動させ、それ以外は機械式オイルポンプPmからのオイルでピストン1の暖機制御及び冷却制御を行う。これが為、この本実施例5のピストン温度制御装置は、実施例1と同様の効果を奏するだけでなく、バッテリの消費電力の低下や電動式オイルポンプPeの小容量化を図り得る。
以上のように、本発明に係るピストン温度制御装置は、条件に応じてピストンの暖機と冷却の双方を応答性良く行い得る技術として有用である。
本発明に係るピストン温度制御装置の実施例1の構成を示す説明図である。 本発明に係るピストン温度制御装置の制御対象たるピストンの底面図である。 図2のX−X線から見たピストンの断面図である。 本発明に係るピストン温度制御装置による暖機制御領域と冷却制御領域とを内燃機関の負荷と回転数との関係から表した図である。 本発明に係るピストン温度制御装置の電動式オイルポンプの性能曲線を表した図である。 実施例1の暖機制御時におけるオイルジェットからの供給量を示す図である。 本発明に係るピストン温度制御装置における実施例1の機械式オイルポンプの性能曲線を表した図である。 ピストン下降時においてピストンとシリンダボア壁面との間に掛かるスラスト力を説明する図である。 ピストン上昇時においてピストンとシリンダボア壁面との間に掛かるスラスト力を説明する図である。 本発明に係るピストン温度制御装置の実施例2の構成を示す説明図である。 1本オイル噴射ノズルを具備するオイルジェットと、本実施例2における2本のオイル噴射ノズルを具備するオイルジェットとによるピストン温度の相違を表した図である。 本発明に係るピストン温度制御装置の実施例3の構成を示す説明図である。 本発明に係るピストン温度制御装置における実施例3の機械式オイルポンプの性能曲線を表した図である。 本発明に係るピストン温度制御装置の実施例4の構成を示す説明図である。 本発明に係るピストン温度制御装置の実施例5の構成を示す説明図である。
符号の説明
1 ピストン
1a ピストンヘッド部
2 クーリングチャンネル
3 第1油路
3a 第1オイル導入路
3b 第1オイル排出路
4 第2油路
4a 第2オイル導入路
4b 第2オイル排出路
20 暖機オイル供給手段
21 オイルジェット
21a オイル噴射ノズル
22 油路
23 昇温手段
24 制御装置
25 オイルジェット
25a 第1オイル噴射ノズル
25b 第2オイル噴射ノズル
30 冷却オイル供給手段
31 オイルジェット
31a オイル噴射ノズル
32 油路
33 冷却手段
34 制御装置
41 第1オイル送出路
42 第2オイル送出路
43 バイパス油路
Pe 電動式オイルポンプ
Pm 機械式オイルポンプ

Claims (5)

  1. ピストンヘッド部に形成した内側の第1油路及び外側の第2油路からなる二重構造のクーリングチャンネルと、
    前記第1又は第2の油路の内の少なくとも何れか一方に対して機関冷間時に暖機オイルを供給する暖機オイル供給手段と、
    前記第1又は第2の油路の内の少なくとも何れか他方に対してピストン高温時に冷却オイルを供給する前記暖機オイル供給手段とは別構造の冷却オイル供給手段と、
    で構成したことを特徴とするピストン温度制御装置。
  2. 前記暖機オイル供給手段は前記第1油路に対して前記暖機オイルを供給し、前記冷却オイル供給手段は前記第2油路に対して前記冷却オイルを供給するよう構成したことを特徴とする請求項1記載のピストン温度制御装置。
  3. 前記暖機オイル供給手段は、オイルを温める昇温手段と、該昇温手段により温められた暖機オイルを前記オイル供給対象の油路のオイル導入路に噴射するオイルジェットとを備え、前記冷却オイル供給手段は、オイルを冷却する冷却手段と、該冷却手段により冷却された冷却オイルを前記オイル供給対象の油路のオイル導入路に噴射するオイルジェットとを備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のピストン温度制御装置。
  4. 前記暖機オイル供給手段のオイルジェットを、前記第1及び第2の油路の双方のオイル導入路に暖機オイルが噴射されるよう構成したことを特徴とする請求項3記載のピストン温度制御装置。
  5. 前記暖機オイル供給手段へのオイル供給を行うオイルポンプとして電動式オイルポンプを設け、前記冷却オイル供給手段へのオイル供給を行うオイルポンプとして電動式オイルポンプ又は機械式オイルポンプを設けたことを特徴とする請求項1,2,3又は4に記載のピストン温度制御装置。
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