JP2007046510A - ピストン冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン冷却装置において、内燃機関の始動時の燃焼室温度を低くすることができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関１の停止中にピストン３を冷却するピストン冷却手段８を備えた。内燃機関１の停止中にピストン３を冷却することにより、機関停止中の燃焼室の温度上昇を抑制することができるので、ノッキングの発生を抑制することができる。例えばオイルをピストン３の裏側に吹きつけて該ピストン３の温度を低下させることにより、燃焼室温度を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピストン冷却装置に関する。

燃費向上のために車両の停止時に運転者の操作によらず内燃機関を停止させる技術が知られている。また、ハイブリッド車においては、内燃機関を停止させつつモータにより走行することができる。

このような車両において、内燃機関が高負荷高回転で運転された後に内燃機関が停止されると、機関停止に伴い冷却水の循環も停止されるため、内燃機関が過熱することがある。これにより、例えば燃料噴射装置内または燃料パイプ内の燃料が気化してしまい次回の機関始動時に、始動しにくくなる。

これに対し、機関停止から所定時間はエンジンルームを冷却するファンを作動させることにより、内燃機関の温度上昇を抑制し、以て燃料の気化を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−３５１０号公報 特開平８−２１２３９号公報

ここで、内燃機関の停止時間が短いと内燃機関内部の温度をファンにより低下させることが困難となり、該燃焼室内の温度が高いまま内燃機関が始動されるおそれがある。これにより、ノッキングが発生するおそれがある。また、ノッキングを抑制する処理を行うと、内燃機関の出力が低下してしまう。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、ピストン冷却装置において、内燃機関の始動時の燃焼室温度を低くすることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明によるピストン冷却装置は、以下の手段を採用した。すなわち、

内燃機関の停止中にピストンを冷却するピストン冷却手段を備えたことを特徴とする。

内燃機関の停止中には冷却水の循環も停止して燃焼室壁温が上昇するが、機関停止中にピストンを冷却することにより燃焼室の温度上昇を抑制することができる。これにより、ノッキングの発生を抑制することができる。

また、本発明においては、前記ピストン冷却手段は、ピストンの裏側にオイルを吹き付けることによりピストンを冷却し、且つ内燃機関の停止中にピストンにオイルを吹き付ける時間を所定時間とすることができる。

ここで、ピストンの裏側とは、シリンダ内のピストンにおいて燃焼室に臨む面の反対側（例えばオイルパン側）を示している。このピストンの裏側にオイルを吹き付けることにより、ピストンの裏側からオイルに熱伝達が起こる。これにより、ピストンの温度を低下
させることができる。しかし、ピストンの裏側に吹き付けたオイルは、ピストンの裏側から流れ落ちてシリンダの壁面に付着する。このようにシリンダの壁面に付着するオイルの量が多くなると、機関始動時にピストンリングをすり抜けて燃焼室内に入るオイルの量が多くなるため、燃焼室内で燃焼するオイルの量が多くなり白煙が発生するおそれがある。これに対し、オイルの吹き付けを所定時間だけ行うことにより、シリンダ壁へのオイルの付着量を抑制することができる。これにより、機関始動時の白煙の発生を抑制することができる。

本発明においては、前記ピストン冷却手段は、ピストンの裏側にオイルを吹き付けることによりピストンを冷却し、

前記内燃機関の停止中にピストンの裏側にオイルを吹きつけた時間に応じて内燃機関を始動させるためのトルクを変更する始動トルク変更手段をさらに備えることができる。

内燃機関を始動させるためのトルクを大きくすると、内燃機関の始動時間が短くなる。また、機関始動時のピストン速度が速くなる。ここで、シリンダ壁に付着したオイルは、ピストンリングにより掻き落とされるが、ピストン速度が速くなるほど、より多くのオイルを掻き落とすことができる。すなわち、内燃機関の始動をさせるためのトルクを大きくすると、シリンダ壁に付着したオイルがより多く掻き落とされるため、燃焼室内に入るオイルの量を減少させることができる。これにより、白煙の発生を抑制することができる。

しかし、内燃機関を始動させるためのトルクを大きくすると、それだけエネルギを消費するため燃費の悪化等を招く。

したがって、ピストンの裏側にオイルを吹きつけた時間に応じて内燃機関を始動させるためのトルクを変更する。これにより、燃費の悪化を抑制しつつ白煙の発生を抑制することができる。

本発明に係るピストン冷却装置は、内燃機関の停止中にピストンの温度を低下させることにより、内燃機関の始動時の燃焼室温度を低くすることができる。

以下、本発明に係るピストン冷却装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係るピストン冷却装置を採用した内燃機関１の概略構成を示す図である。

内燃機関１には、シリンダ２が形成されており、該シリンダ２内には該シリンダ２内で往復運動を行うピストン３が備わる。このピストン３には、３つのピストンリング４が備わる。ピストンリング４は、上の２つが主に燃焼室の気密性を確保するコンプレッションリングであり、下の１つが主にオイルの吹き上げを抑制するオイルリングである。なお、本実施例では特に明記しない限り、ピストンリング４といえばオイルリングを指し示すものとする。

ピストン３よりも下側には、オイルを貯留するオイルパン５が設けられている。該オイルパン５に貯留されているオイルは、オイル通路６を介してオイルポンプ７により吸い上げられる。そして、オイルポンプ７から吐出されたオイルは、オイルジェット８から噴射
されてピストン３の裏側へ吹き付けられる。

オイルポンプ７は、後述するＥＣＵ９からの信号により作動する電動ポンプである。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ９が併設されている。このＥＣＵ９は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ９には、内燃機関１の吸入空気量に応じた信号を出力するエアフローメータ１０、およびアクセル開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ１１が電気配線を介して接続されており、このエアフローメータ１０およびアクセル開度センサ１１の出力信号がＥＣＵ９に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ９には、オイルポンプ７およびスタータモータ１２が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ９はこのオイルポンプ７およびスタータモータ１２を制御する。ＥＣＵ９は、内燃機関１の停止中であっても、オイルポンプ７を作動させることができる。また、ＥＣＵ９は、スタータモータ１２に供給する電力量を調整することができる。なお、実施例１および２においては、スタータモータ１２に供給する電力量を調整する必要は無い。

また、ＥＣＵ９は、車両の停止中に、運転者の意思によらず内燃機関１を停止させて燃費の向上を図る。なお、内燃機関１はハイブリッド車に搭載されていてもよい。この場合、運転者が要求する負荷が小さいときに、ＥＣＵ９は内燃機関１を停止させ且つモータを作動させて車両を走行させる。このように、運転者の意思によらずに内燃機関１を停止させることを、以下「機関自動停止」という。

そして、本実施例においては、機関自動停止中にオイルポンプ７を作動させてピストン３の冷却を行う。

ここで、機関自動停止中にはピストン３の温度が上昇し、またはほとんど変化せず、次回機関始動時にノッキングが発生しやすい。すなわち、機関自動停止中には冷却水の循環が停止されるので、ピストン３の持つ熱が燃焼室内の温度を上昇させる。機関停止時間が長いと、ピストン３の温度はその後に低下して燃焼室内の温度も低下するが、機関自動停止では、ピストン３の温度が低下する前に再始動されることが多い。特に、内燃機関１が高回転高負荷状態で運転されていた場合には、機関自動停止中にピストンが高温となるために、次回機関始動時にノッキングが発生しやすくなる。

その点、機関自動停止中にオイルポンプ７を作動させることにより、ピストン３の裏側へオイルを吹き付けて該ピストン３の温度を低下させることができる。これにより、ノッキングの発生を抑制することができる。

次に、本実施例におけるピストン冷却のフローについて説明する。以下、特に明記しない限り、機関停止とは機関自動停止のことを指している。

図２は、本実施例におけるピストン３の冷却フローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、機関停止中であるか否か判定される。すなわち、ピストン３の冷却が必要な状態であるか否か判定される。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定
判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０２では、内燃機関１が停止されてからの経過時間が所定時間以内であるか否か判定される。ここで、ピストン３裏側へのオイルの吹き付け量が多くなりすぎるとピストン３の温度が低下しすぎてしまい、次回機関始動時の燃焼状態が悪化するおそれがある。そのため、内燃機関１が停止されてから所定時間内だけオイルを噴射させている。所定時間は、例えば１分であり、内燃機関１の排気量、ピストンの大きさ、またはオイルが吹き付けられるピストンの表面積等により変わる値である。

ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０３では、オイルポンプ７を作動させてピストン３の裏側へ向けてオイルを噴射させる。

このようにして、機関停止中であってもピストン３を冷却することができるため、次回機関始動にノッキングが発生することを抑制できる。

なお、本実施例においては、機関自動停止中のオイル噴射について説明したが、これに代えて運転者のキー操作による機関の停止中においてオイル噴射を行ってピストン３を冷却してもよい。

本実施例においては、オイルを噴射する時間を制限して白煙の発生を抑制する。通常、シリンダ２の壁面に付着しているオイルは、ピストン３が下側へ移動するに伴いピストンリング４によりオイルパン５へと掻き落とされる。これにより、燃焼室内へオイルが入ることを抑制している。しかし、シリンダ２の壁面にオイルが多く付着していると、ピストンリング４では掻ききれなくなり燃焼室へオイルが入ってしまう。これにより、白煙が発生するおそれがある。

そこで、本実施例では、オイルポンプ７の作動時間を制限することにより、シリンダ２の壁面へのオイル付着量をピストンリング４で掻ききれる範囲に制限して白煙の発生を抑制する。

次に、本実施例におけるピストン冷却のフローについて説明する。

図３は、本実施例におけるピストン３の冷却フローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ２０１では、機関運転中であるか否か判定される。本ルーチンでは機関運転中にピストン３の温度を推定し、この温度に応じた目標オイル噴射時間を設定する。ここで、目標オイル噴射時間とは、オイル噴射を行うときに目標とされる噴射時間である。

ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０６へ進む。

ステップＳ２０２では、現時点でのピストン３の温度が推定される。ピストン３の温度は吸入空気量との関係から求められる。すなわち、吸入空気量は、燃料噴射量と相関があり、さらに内燃機関１で発生した熱量と相関があるため、この相関からピストン３の温度を推定する。以下、推定されたピストン３の温度をピストン推定温度という。

図４は、ピストン推定温度と積算吸入空気量との関係を示した図である。この関係は予め実験等により求めてマップ化し、ＥＣＵ９に記憶させておく。

積算吸入空気量は、現時点から所定時間（例えば２０から６０秒）前までの吸入空気量を積算したものである。現時点から所定時間前としたのは、所定時間よりもさらに前の吸入空気量が現時点でのピストン３の温度に及ぼす影響は小さいためである。この図４に示した関係は、予め実験等により求めてマップ化しＥＣＵ９に記憶させておく。そして、ＥＣＵ９は、吸入空気量を積算し、その値を積算吸入空気量として図４に代入することにより、ピストン推定温度を得ることができる。

ステップＳ２０３では、目標オイル噴射時間が算出される。目標オイル噴射時間は、ピストン３の推定温度に応じて算出される。

ここで、図５は、目標オイル噴射時間とピストン推定温度との関係を示した図である。この関係は予め実験等により求めてマップ化し、ＥＣＵ９に記憶させておく。ピストン推定温度が高いほど、ピストン３の温度を低下させるために要するオイル量が多くなるため、目標オイル噴射時間が長くなる。

ステップＳ２０４では、目標オイル噴射時間が第１所定値よりも大きいか否か判定される。本実施例では、ピストン３の推定温度が高い場合には、機関運転中であってもオイル噴射を行う。そのため、本ステップでは機関運転中のオイル噴射が必要であるか否か判定される。すなわち、ピストン３の推定温度と目標オイル噴射時間とは、図５に示した関係がある。したがって、目標オイル噴射時間に基づいて機関運転中のオイル噴射の可否を判断することができる。

なお、第１所定値は、ノッキングが発生するおそれのないピストン温度の上限値から求まる目標オイル噴射時間とすることができる。

ステップＳ２０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ２０５では、オイル噴射を実行する。前記ステップＳ１０３と同じ処理がなされる。

ステップＳ２０６では、目標オイル噴射時間が第２所定値よりも大きいか否か判定される。ここで、目標オイル噴射時間は、機関運転中にステップＳ２０３で算出された値が用いられる。この値は、機関停止直後のピストン３の推定温度と相関がある。また、第２所定値は、第１所定値よりも小さな値である。

本ステップでは、ステップＳ２０４と同様に、ピストンの冷却が必要であるほどピストン３の推定温度が高いか否か判定されるが、機関停止中ではピストン３の温度が上昇するため第２所定値は第１所定値よりも小さな値とされる。すなわち、機関停止直後からの温度上昇を見込んで、機関運転中よりも低いピストン推定温度でオイル噴射が行われるようにしている。

ステップＳ２０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０７へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ２０７では、内燃機関１が停止されてからの経過時間が目標オイル噴射時間
よりも短いか否か判定される。すなわち、目標オイル噴射時間の分のオイルを噴射したか否か判定される。

ステップＳ２０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

このようにして、ピストン３の温度が過剰に低下することを抑制し、且つ過剰に上昇することを抑制することができるため、ピストン３の温度を適正範囲に保つことができる。これにより、ノッキングの発生および燃焼状態の悪化を抑制することができる。また、シリンダ２の壁面へのオイル付着量を制限することができるので、オイルが燃焼室に入ることによる白煙の発生を抑制することができる。

本実施例においては、機関停止中にオイルを噴射した時間に応じて、内燃機関１を始動させるためのトルク（以下、始動トルクという。）を変更する。具体的には、目標オイル噴射時間が長いほど、始動トルクを大きくして内燃機関１の始動時間を短縮させる。

ここで、ピストン３の速度と、オイルが掻き落とされる量と、には相関があり、ピストン３の速度が速くなるほどより多くのオイルが掻き落とされる。すなわち、ピストン３の裏側へ向けて多くのオイルを噴射することにより、シリンダ２の壁面に多くのオイルが付着したとしても、ピストン３の速度を速くすることにより掻き落とされるオイルの量を多くすることができる。これにより、燃焼室へオイルが入ることによる白煙の発生を抑制することができる。

そして、始動トルクを大きくすることによりピストン３の速度を速くすることができる。ここで、この始動トルクを常に大きくすると、消費電力が大きくなり燃費が悪化してしまう。そのため、本実施例においては、シリンダ２の壁面に付着しているオイルの量に応じて始動トルクを変更している。なお、シリンダ２の壁面に付着しているオイルの量と、オイルを実際に噴射している時間（以下、オイル噴射実行時間という。）と、には比例関係があるとして、オイル噴射実行時間に基づいて始動トルクを変更する。

なお、始動トルクを大きくするには、例えば内燃機関１を始動させるためのモータであるスタータモータ１２に供給する電力を大きくする。または、ハイブリッド車では、車両駆動用のモータの出力を制御することにより始動トルクの大きさを変更することができる。

次に、本実施例における始動トルクの大きさを制御するためのフローについて説明する。

図６は、本実施例における始動トルクの大きさを制御するためのフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ３０１では、機関始動中であるか否か判定される。すなわち、始動トルクの制御が必要な状態であるか否か判定される。例えば、運転者がアクセルを踏み込むことによりＥＣＵ９が内燃機関１を始動させようとしているときに機関始動中であると判定される。

ステップＳ３０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ３０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ３０２では、オイル噴射実行時間に基づいて始動トルクが算出される。このオイル噴射実行時間の算出タイミングについては、後述する。

ここで、図７は、始動トルクとオイル噴射実行時間との関係を示した図である。この関係は予め実験等により求めてマップ化し、ＥＣＵ９に記憶させておく。

この図７に示すように、オイル噴射実行時間が長くなるほど、始動トルクを大きくする。

なお、図８は、本実施例におけるピストン３の冷却フローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。また、ステップＳ４０１以外は図３のフローで説明したものと同じ処理がなされる。

そして、ステップＳ４０１では、オイル噴射実行時間が算出される。ＥＣＵ９は、オイルポンプ７を作動させた時間をカウントし、その積算値をオイル噴射実行時間とする。

このようにして、オイル噴射実行時間に応じて始動トルクを変えるため、燃焼室へオイルが入ることを抑制し、さらには白煙の発生を抑制することができる。また、常に高トルクで内燃機関１を始動させるものと比較して、消費電力の低減を図ることができるため、燃費の悪化を抑制することができる。

実施例に係るピストン冷却装置を採用した内燃機関の概略構成を示す図である。 実施例１におけるピストンの冷却フローを示したフローチャートである。 実施例２におけるピストンの冷却フローを示したフローチャートである。 ピストン推定温度と積算吸入空気量との関係を示した図である。 目標オイル噴射時間とピストン推定温度との関係を示した図である。 実施例３における始動トルクの大きさを制御するためのフローを示したフローチャートである。 始動トルクとオイル噴射実行時間との関係を示した図である。 実施例３におけるピストンの冷却フローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダ
３ ピストン
４ ピストンリング
５ オイルパン
６ オイル通路
７ オイルポンプ
８ オイルジェット
９ ＥＣＵ
１０ エアフローメータ
１１ アクセル開度センサ
１２ スタータモータ

Claims (3)

1. 内燃機関の停止中にピストンを冷却するピストン冷却手段を備えたことを特徴とするピストン冷却装置。
2. 前記ピストン冷却手段は、ピストンの裏側にオイルを吹き付けることによりピストンを冷却し、且つ内燃機関の停止中にピストンにオイルを吹き付ける時間を所定時間とすることを特徴とする請求項１に記載のピストン冷却装置。
3. 前記ピストン冷却手段は、ピストンの裏側にオイルを吹き付けることによりピストンを冷却し、
   前記内燃機関の停止中にピストンの裏側にオイルを吹きつけた時間に応じて内燃機関を始動させるためのトルクを変更する始動トルク変更手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のピストン冷却装置。

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