JP2008014151A - シリンダライナ潤滑構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃料を潤滑油として利用するディーゼルエンジンのシリンダにおける良好な潤滑性能を得ることができるシリンダライナ潤滑構造を提供することを課題とする。
【解決手段】シリンダライナ潤滑構造は、燃料を潤滑油として利用するエンジンに装着される。燃料噴射弁（１１）は、筒内燃焼を行うための燃焼噴射と、シリンダライナ（３ａ）に潤滑油を供給する潤滑噴射とを行う。燃料噴射弁（１１）は、燃料噴流の広がり角を調整する広がり角調整手段を有している。燃料噴射弁（１１）は、広がり角調整手段によって広がり角を変化させながらシリンダライナ（３ａ）に向けた潤滑油の噴射を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、軽油等の燃料を潤滑油として利用するエンジンのシリンダライナ潤滑構造に関する。

従来、大型船舶ディーゼル機関のシリンダライナ摺動面へシリンダ油を注入するシリンダ注油装置が提案されている（特許文献１）。特許文献１には、燃料噴射ポンプから吐出される燃料油により駆動されるプランジャピストンを設け、このプランジャピストンの往復動により、シリンダ油を燃料噴射時期と略同期のピストン上死点近傍で注油口に送給し、ピストン上死点近傍において充分な量のシリンダ油をシリンダライナの摺動面に供給する構成が開示されている。注油口からのシリンダ油の噴射は、機関のクランク軸に連動される燃料カムでプランジャが駆動されることによって行われる。

また、燃料である軽油を潤滑油として利用する軽油潤滑式ディーゼルエンジンが開示されている（特許文献２）。このような軽油潤滑式ディーゼルエンジンでは、燃料となる軽油がエンジン各部の潤滑剤としても用いられ、エンジン各部を循環する。このため、潤滑専用の油は不要であり、オイル交換の手間も省くことができる。

特開平７−４２５２２号公報 実開昭６０−１９４１１２号公報

特許文献１に開示されたシリンダ注油装置は、筒内での燃焼のために燃料噴射弁へ高圧の燃料を供給する燃料噴射ポンプから吐出された燃料をプランジャピストンへ分岐させ、このプランジャピストンの往復動によってシリンダ油を注油口に送給する構成となっている。すなわち、燃料噴射ポンプで圧力を高めた燃料を利用してプランジャピストンを駆動し、潤滑用のシリンダ油をシリンダライナへ供給する構成となっている。

このため、特許文献１に開示されたこのようなシリンダ注油装置を特許文献２に開示されたような燃料が潤滑油を兼ねる形式のディーゼルエンジンには、そのままの形態では搭載することはできない。

また、特許文献２に開示されたようなディーゼルエンジンでは、以下のような問題が生じるおそれがある。このようなディーゼルエンジンでは燃料として一般的に軽油を用い、軽油が潤滑系に供給されて各部の潤滑に寄与する。しかし、軽油は、一般的なエンジンオイルよりも蒸発し易く、粘度も低いことから、一旦エンジンが停止した後、再始動する際に、シリンダライナに供給されている潤滑油が不足して油膜切れを起こし、ピストンとシリンダライナとの摩耗が増大するおそれがある。

そこで、本発明は、エンジン、特に、燃料を潤滑油として利用するディーゼルエンジンのシリンダにおける良好な潤滑性能を得ることができるシリンダライナ潤滑構造を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するための、本発明のシリンダライナ潤滑構造は、燃料を潤滑油として利用するエンジンにおけるシリンダライナ潤滑構造であって、燃焼噴射と、潤滑噴射とを行う燃料噴射弁と、当該燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。本発明における燃料噴射弁は噴射した燃料に着火させるための燃焼噴射を行うのみならず、シリンダライナにおける潤滑油としての燃料を噴射する潤滑噴射を行う。従って、本発明では、このような燃料噴射弁を、一気筒につき、一本装着すればよい。

このようなシリンダライナ潤滑構造における前記燃料噴射弁は、前記潤滑噴射における燃料噴流の広がり角を調整する広がり角調整手段を有する構成とすることができる（請求項２）。このような構成とすることにより、潤滑油が付着する位置を上下させてシリンダライナに潤滑油を供給することができる。すなわち、前記燃料噴射弁は、前記燃料噴流における広がり角を調整する広がり角調整手段を有し、広がり角を変化させながら前記潤滑噴射を行う構成とすることができる（請求項３）。

潤滑噴射は、シリンダライナに潤滑油を供給する目的で行うものである。このような潤滑噴射により噴射された潤滑油がピストン頂部に付着すると、燃焼が行われる際に白煙が生じる等の不都合が生じる。このような事態を回避すべく、前記燃料噴射弁は、ピストン停止位置判定手段によってピストンが下死点近傍に停止していると判断されたときに、前記潤滑噴射を行う構成とすることができる（請求項４）。

また、本発明における燃料噴射弁は、前記のように燃焼噴射と潤滑噴射とを行うものである。このため、前記燃料噴射弁による前記燃焼噴射時に、ピストン頂部に形成されたキャビティ内に向かって噴射される燃料の噴流の延長線上にシリンダライナにおける潤滑油必要箇所の上端縁が設定されている構成とすることができる（請求項５）。燃料噴射弁は、前記のような広がり角調整手段を備えていない構成のものを採用することができるが、この場合、噴射された燃料の噴流の広がり角はほぼ一定となる。このため、前記のような位置関係を形成することにより、良好な燃焼特性と、潤滑特性とを両立させることができる。

前記のように潤滑噴射された潤滑油は、ピストンに付着すると種々の不都合が生じる。このような不都合を回避するため、本発明における前記燃料噴射弁は、ピストンに直接燃料が付着しない範囲内で前記潤滑噴射を行う構成とする（請求項６）。

本発明のシリンダライナ潤滑構造は、噴流の広がり角を調整したり、噴射のタイミングを調整したりすることによってシリンダライナに潤滑油を供給する。これらの制御は、本発明における制御手段によって行われる。

本発明によれば、気筒毎に設置される燃料噴射弁において、噴流の広がりを調整したり、噴射のタイミングを調整したりしてピストンが始動する以前にシリンダライナに潤滑油を供給するようにしたので、軽油等の燃料を潤滑油として利用したエンジンのエンジン再始動時においても良好な潤滑特性を確保することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、エンジン２に組み込んだ本発明のシリンダライナ潤滑構造１の概略構成を示した説明図である。エンジン２は、燃料である軽油を潤滑油として利用する形式のディーゼルエンジンである。エンジン２は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４を備えている。シリンダブロック３内には、シリンダライナ３ａが設けられると共にピストン５が組み込まれ、燃焼室６が形成されている。シリンダヘッド４には、一対の吸気ポート７が形成され、一対の吸気弁８が組み込まれている。さらに、一対の排気ポート９が形成され、一対の排気弁１０が組み込まれている。燃焼室６の頂部中央部には燃料噴射弁１１が装着されている。燃料噴射弁１１は、エンジン２のクランクシャフトにより駆動される噴射ポンプ１２と接続されている。燃料噴射弁１１と噴射ポンプ１２との間にはリザーバ１３が介装されている。リザーバ１３には、内部の燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ１３ａが装着されている。

図２は、燃料噴射弁１１の断面図である。燃料噴射弁１１は、ノズル口６０、このノズル口６０の開閉制御を行うニードル６１、加圧ピン６２を備えている。ニードル６１には、円錐状をなした受圧面６３が形成されており、この受圧面６３の周囲には燃料溜め６４が形成されている。この燃料溜め６４は、一方が燃料供給口６５に通じており、他方がノズル口６０に通じている。燃料噴射弁１１はさらに、ニードル６１に整列配置されたロッド７０、ピストン７１、このピストン７１を駆動するためのピエゾ圧電素子７２、ピストン７１をピエゾ圧電素子７２に向けて押圧するための皿ばね７３とが設けられ、ロッド７０とピストン７１間には燃料で満たされた圧力制御室７４が形成される。また、ロッド７０の周囲には燃料貯留室７５が形成されている。この燃料貯留室７５は一方では燃料溜め６４を通じてノズル口６０に連結され、他方では燃料供給口６５を通じてリザーバ１３内に連結される。

ピエゾ圧電素子７２は図１に示すように対応する駆動回路２８を介して出力ポート２６に連結される。ピエゾ圧電素子７２に電荷をチャージするとピエゾ圧電素子７２は軸方向に伸長し、ピストン７１が下降する。その結果、圧力制御室７４内の燃料圧が上昇するためにロッド７０を介してニードル６１が下方に付勢され、燃料噴射が停止される。一方、ピエゾ圧電素子７２から電荷をディスチャージするとピエゾ圧電素子７２は軸方向に収縮し、ピストン７１が上昇する。その結果、圧力制御室７４内の燃料圧が低下するためにニードル６１の受圧面６３に作用する燃料圧によってニードル６１が上昇し、燃料噴射が開始されることになる。

燃料噴射弁１１には、さらに、ニードル６１の先端部の周りに螺旋状をなす弾性体７６が配置されている。この螺旋状弾性体７６はその内周面がニードル６１の外周面上に接している断面矩形状をなし、螺旋状弾性体７６の上端部はスライダ７７上に着座している。燃料貯留室７５の上方にはロッド７０の軸線方向に摺動可能な環状ピストン７８が挿入されており、スライダ７７は連結ロッド７９を介して環状ピストン７８に連結される。従って環状ピストン７８が上下動するとそれに伴ってスライダ７７も上下動する。

環状ピストン７８の上方には圧力制御室７８ａが形成され、この圧力制御室７８ａは図１に示すようにリリーフ圧を制御可能なリリーフ弁９７及び燃料供給ポンプ９８を介して燃料タンク９９に連結される。リリーフ弁９７は対応する駆動回路２８を介して出力ポート２６に接続され、圧力制御室７８ａ内の燃料は電子制御ユニット２０の出力信号に基づいてリリーフ弁９７により予め定められた燃料圧に制御される。

リリーフ弁９７により圧力制御室７８ａ内の燃料圧が高くされるとピストン７８が下降し、図３（ａ）に示されるようにスライダ７７も下降する。スライダ７７が下降すると螺旋状弾性体７６がニードル６１の軸線方向に収縮し、螺旋状弾性体７６間を流れる燃料流に付与される旋回力が強められる。その結果、ノズル口６０から噴射された燃料の広がり角が大きくなる。これに対して、リリーフ弁９７により圧力制御室７８ａ内の燃料圧が低くされると環状ピストン７８が上昇し、図３（ｂ）に示されるようにスライダ７７も上昇する。スライダ７７が上昇すると螺旋状弾性体７６がニードル６１の軸線方向に伸張し、螺旋状弾性体７６間を流れる燃料流に付与される旋回力が弱められる。その結果、ノズル口６０から噴射された燃料の広がり角が小さくなる。

このようにこの実施例では圧力制御室７８ａ内の燃料圧を制御することによって噴射燃料の広がり角が制御される。すなわち、リリーフ弁９７、燃料供給ポンプ９８、螺旋状弾性体７６、スライダ７７、環状ピストン７８、連結ロッド７９が本発明における広がり角調整手段を構成している。

シリンダライナ潤滑構造１は、ディジタルコンピュータからなり、本発明における制御手段に相当する電子制御ユニット２０を備えている。この電子制御ユニット２０は、双方向性バス２１を介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２４、入力ポート２５および出力ポート２６を備えている。

エンジン１が搭載される車両が備えるアクセルペダル１４にはアクセルペダル１４の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ３０が取付けられ、この出力電圧はＡＤ変換器２７を介して入力ポート２５に入力される。また、入力ポート２５には他のＡＤ変換器２７を介して燃料圧センサ１３ａが接続されている。さらに、噴射ポンプ１２は、内部に組み込まれた歯車の外周面に対面する電磁ピックアップからなるクランク角センサ３１が配置されており、このクランク角センサ３１の出力信号が入力ポート２５に入力される。クランク角センサ３１は、本発明におけるピストン停止位置判定手段に相当する。このクランク角センサ３１の出力パルスから現在のクランク角とエンジン回転数とが算出される。

一方、出力ポート２６は対応する駆動回路２８を介して噴射ポンプ１２に装着されたスピル弁１２ａを駆動するのソレノイドに接続されている。また、出力ポート２６は他の駆動回路２８を介してリリーフ弁９７と、燃料噴射弁１１とに接続されている。

次に、以上のように構成されるシリンダライナ潤滑構造１の動作について説明する。まず、電子制御ユニット２０は図示しないイグニションのＯＮ信号を受けると、クランク角センサ３１からクランク角に関する情報を取得し、各気筒のピストン停止位置を確認する。エンジンが始動していない状態では、シリンダライナ３ａから潤滑油である軽油が流れ落ちていることが懸念される。この状態でエンジンが始動されると、油膜切れによる摩耗の増大が予想される。

電子制御ユニット２０は、ピストンが下死点近傍にあると判断した気筒に装着された燃料噴射弁１１に対して潤滑噴射指令を行う。また、潤滑指令を出した燃料噴射弁１１に接続されたリリーフ弁９７に対して指令を出し、圧力抑制室７８ａ内の燃料圧を変化させる。これにより、螺旋状弾性体７６を変形させ、図４中、θで示した噴流の広がり角を変化させることができる。θが広いときには潤滑油は図４(ａ)に示すようにシリンダライナ３ａの上部に付着する。一方、θが狭いときには潤滑油は図４（ｂ））に示すようにシリンダライナ３ａの下部に付着する。このため、圧力抑制室７８ａ内の圧力を徐々に変化させ、図４（ａ）に示す状態から図４（ｂ）に示す状態へ、または、図４（ｂ）に示す状態から図４（ａ）に示す状態へと広がり角を調整することにより、シリンダライナ３ａの潤滑油必要箇所に潤滑油を供給することができる。

一連の潤滑噴射が完了した後、電子制御ユニット２０は、エンジンの始動を許容し、クランキングが開始されたら燃焼噴射を開始する。以上のような行程を経ることにより、エンジン再始動時のシリンダライナにおける良好な潤滑特性を確保することができる。

ところで、電子制御ユニット２０がイグニションのＯＮ信号を受けた後に、広がり角θを変化させて潤滑噴射を行うと、潤滑噴射が完了するまでクランキングを行うことができない。そこで、ピストン５の動きに同期させて潤滑噴射を行うようにすることができる。図５（ａ）に示すように下死点近傍にピストン５が位置するシリンダのシリンダボアに対し、潤滑噴射を開始する。その後、クランキングにより図５（ｂ）に示すようにピストン５が上昇を始めると、これに伴って圧力抑制室７８ａ内の圧力を変化させて広がり角を大きくし、ピストン５の頂部に潤滑油が付着しないようにしながらシリンダライナ３ａへの潤滑油の供給を継続する。図５（ｃ）に示すように、さらにピストン５が上昇し、シリンダライナ３ａにおける潤滑油必要箇所を通過した後は、一旦潤滑油の噴射を停止する。その後、図５（ｄ）に示すようにさらにピストン５が上昇し、燃焼位置、すなわち上死点近傍迄到達すると燃料噴射弁１１は燃焼噴射を行う。なお、イグニションＯＮ時に上死点近傍にピストン５が位置している気筒については、下降するピストン５に追随するように広がり角を狭くさせながら潤滑噴射を行う。

以上のような潤滑噴射、燃焼噴射を行うことにより、エンジン始動時のシリンダライナ３ａの良好な潤滑特性を確保しつつ、エンジンの早期始動を実現することができる。

なお、本実施例における広がり角の制御は、螺旋状弾性体７６の変形によって実現しているが、例えば、ノズル口６０の直近に螺旋状の燃料通路を設け、この燃料通路を通過する燃料の圧力を制御することによって広がり角を調整する構成とすることもできる。

次に、本発明の実施例２について、図６、図７を参照しつつ説明する。図６は、実施例２のシリンダライナ潤滑構造１００を装着したシリンダ１０１の周辺を示した説明図である。図６は、シリンダ１０１内に設置されるピストン１０２が上死点近傍に位置しており、燃料噴射弁１０３による燃焼噴射が行われる状態を示している。ピストン１０２の頂部には図６において断面で示したようにキャビティ１０２ａが形成されている。一方、シリンダライナ１０１ａにはピストン１０２が摺動し、潤滑油の供給が必要となる潤滑油必要箇所Ａが規定されている。

実施例２における燃料噴射弁１０３の広がり角は一定である。すなわち、実施例２のシリンダライナ潤滑構造は、広がり角調整手段を有していない。従って、燃料噴射弁１０３は、一定の広がり角をもって潤滑噴射と燃焼噴射を行うことになる。

このようなキャビティ１０２ａと燃料噴射弁１０３、潤滑油必要箇所Ａとは、以下のような位置関係を形成している。すなわち、燃料噴射弁１０３による燃焼噴射時に、ピストン１０２の頂部に形成されたキャビティ１０２ａ内に向かって噴射される燃料の噴流の延長線上にシリンダライナ１０１ａにおける潤滑油必要箇所Ａの上端縁Ａ１が設定されている。このような位置関係を形成することにより、一定の広がり角を有する燃料噴射弁１０３の噴射により、適切な潤滑噴射と燃焼噴射を行うことができる。このように燃料噴射弁１０３は、図示しない電子制御ユニットによって潤滑噴射と燃焼噴射との切り替え、すなわち噴射するタイミングの制御、各噴射の噴射時間の制御等が行われる。

次に、以上のように構成されるシリンダライナ潤滑構造１００の動作につき、図７を参照しつつ説明する。まず、電子制御ユニットは、イグニションＯＮ信号を受けると、クランク角センサによりピストン１０３の位置を判定する。電子制御ユニットは、ピストン１０２の頂部が潤滑油必要箇所Ａの上縁部Ａ１よりも下側に位置している間、潤滑噴射を行う。従って、ピストン１０２が図７（ａ）や図７（ｂ）に示すような位置にあるときには燃料噴射弁１０３は、電子制御ユニットの指令に基づいて潤滑噴射を継続する。噴射された潤滑油は潤滑油必要箇所Ａの上縁部Ａ１に付着してシリンダライナ１０１ａを伝って流下する。この結果、潤滑油は、シリンダライナ１０１ａに油膜を形成し、ピストン１０２とシリンダライナ１０１ａとの潤滑に供される。

一方、図７（ｃ）に示すようにピストン１０２の頂部が潤滑油必要箇所Ａの上縁部Ａ１よりも上側に位置する状態では燃料噴射弁１０３は潤滑噴射を停止する。これは、噴射された潤滑油がピストン１０２の頂部に付着を防止するための措置である。

ピストン１０２がさらに上側に位置し、図７（ｄ）に示すように燃焼噴射を行う状態となると、燃焼噴射指令が出され、燃料噴射弁１０３は、燃焼のための燃料噴射を行う。燃焼噴射が行われると、噴射されて霧化状態となる燃料に着火するが、ピストン１０２の頂部には潤滑噴射時に噴射された潤滑油が付着していないので白煙の発生を抑制することができる。

以上、説明したように、広がり角調整手段を有していないシリンダライナ潤滑構造１００であっても、シリンダライナ１０１ａにおける良好な潤滑特性と、適切な燃焼特性を両立させることができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。また、燃料を潤滑油として利用する形式のディーゼルエンジンには、種々の配管形式が考えられ、付属する構成要素も様々なものが考えられるが、燃料を潤滑油として利用している形式のディーゼルエンジンであれば、どのような形式のディーゼルエンジンであっても本発明のシリンダライナ潤滑構造を搭載することができる。

また、本発明のシリンダライナ潤滑構造を構成する燃料噴射装置は、広がり角調整手段を利用して未燃ＨＣ発生を抑制する制御を行うことができる。すなわち、広がり角を調整することにより、燃焼噴射された燃料が、上下運動を行うピストンの上面に付着しないように燃焼室内全体に分散させることができる。

エンジンに組み込んだシリンダライナ潤滑構造の概略構成を示した説明図である。 実施例１のシリンダライナ潤滑構造に用いられる燃料噴射弁の断面図である。 燃料噴射弁の先端部分の断面図であり、（ａ）は、螺旋状弾性体が押し縮められて噴流の広がり角を広くする状態を示す図、（ｂ）は、螺旋状弾性体が伸びて噴流の広がり角を狭くする状態を示す図である。 燃料噴射弁による潤滑噴射の様子を示す説明図であり、（ａ）は、広がり角が広い状態を示す図、（ｂ）は、広がり角が狭い状態を示す図である。 他の実施例の燃料噴射弁による噴射の様子を示す説明図であり、（ａ）及び（ｂ）は、潤滑噴射を行っている状態、（ｃ）は噴射が停止している状態、（ｄ）は、燃焼噴射を行っている状態を示す図である。 実施例２のシリンダライナ潤滑構造の説明図である。 実施例２の燃料噴射弁による噴射の様子を示す説明図であり、（ａ）及び（ｂ）は、潤滑噴射を行っている状態、（ｃ）は噴射が停止している状態、（ｄ）は、燃焼噴射を行っている状態を示す図である。

符号の説明

１、１００ シリンダライナ潤滑構造
２ エンジン
３、１０１ シリンダブロック
３ａ、１０１ａ シリンダライナ
４ シリンダヘッド
５、１０２ ピストン
１０２ａ キャビティ
１１、１０３ 燃料噴射弁
２０ 電子制御ユニット
３１ クランク角センサ
７６ 螺旋状弾性体
７７ スライダ
７８ 環状ピストン
７８ａ 圧力抑制室
７９ 連結ロッド

Claims (6)

1. 燃料を潤滑油として利用するエンジンにおけるシリンダライナ潤滑構造であって、
   燃焼噴射と、潤滑噴射とを行う燃料噴射弁と、
   当該燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とするシリンダライナ潤滑構造。
2. 請求項１記載のシリンダライナ潤滑構造において、
   前記燃料噴射弁は、前記潤滑噴射における燃料噴流の広がり角を調整する広がり角調整手段を有することを特徴としたシリンダライナ潤滑構造。
3. 請求項１記載のシリンダライナ潤滑構造において、
   前記燃料噴射弁は、前記燃料噴流における広がり角を調整する広がり角調整手段を有し、広がり角を変化させながら前記潤滑噴射を行うことを特徴としたシリンダライナ潤滑構造。
4. 請求項１記載のシリンダライナ潤滑構造において、
   前記燃料噴射弁は、ピストン停止位置判定手段によってピストンが下死点近傍に停止していると判断されたときに、前記潤滑噴射を行うことを特徴としたシリンダライナ潤滑構造。
5. 請求項１記載のシリンダライナ潤滑構造において、
   前記燃料噴射弁による前記燃焼噴射時に、ピストン頂部に形成されたキャビティ内に向かって噴射される燃料の噴流の延長線上にシリンダライナにおける潤滑油必要箇所の上端縁が設定されていることを特徴としたシリンダライナ潤滑構造。
6. 請求項１記載のシリンダライナ潤滑構造において、
   前記燃料噴射弁は、ピストンに直接燃料が付着しない範囲内で前記潤滑噴射を行うことを特徴としたシリンダライナ潤滑構造。
   

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