JP2011007126A - 内燃機関の潤滑装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カムとローラとの接触面への余分な潤滑油の供給を制限して潤滑の効率を高めることが可能な内燃機関の潤滑装置を提供する。
【解決手段】カム６とロッカーアームのローラ５１と接触面でのカム６とロッカーアームのローラ５１の滑り（カム６の回転数とローラ５１の回転数とを比較した値）を検出し、該滑りが大きいほど、接触面への潤滑油の供給量を増大させる。逆に該滑りが小さいほど、接触面への潤滑油の供給量を小さくする。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の可変動弁機構の一部をなすカムと、カムにより駆動されるローラとを備える内燃機関の潤滑装置に関し、特に潤滑油の供給制御を行う潤滑油供給装置に関する。

内燃機関の可変動弁機構の一部をなすカムと、カムシャフトの上方に給油管を配置し、給油管に形成された給油孔から潤滑油を噴出させてカムとロッカーアームの接触面（間隙）に対して潤滑油を供給するものや、潤滑油の給油系にカムシャワー部を設けたものがある（特許文献１から特許文献２を参照）。カムシャワーと呼ばれている潤滑方式である。

特許文献１には、内燃機関のカムとロッカーアームとの接触面に潤滑油を供給する内燃機関の潤滑装置であって、潤滑油を圧送するオイルポンプと、接触面に潤滑油を供給するカムシャワー部と、オイルポンプとカムシャワー部とを結ぶ潤滑油供給通路と、潤滑油供給通路に設けられ、接触面への潤滑油の供給及びその停止を切替える遮断弁と、内燃機関の始動に合わせて接触面への潤滑油の供給が開始され、その後、内燃機関の運転中に接触面への潤滑油の供給が停止されるように、遮断弁の動作を制御する潤滑油供給装置と、を具備していることが記載されている。

カムシャワーを行う理由は、カムによって駆動されるロッカーアームやバルブリフター等の被駆動対象とカムとの接触面に油膜を形成して摩擦を低減することにある。そして、この接触面に対して積極的に潤滑油を供給すべき時期は、上記接触面の油膜が切れる又は不足する内燃機関の始動時であることが多い。そこで、特許文献１の記載の潤滑装置では、内燃機関によってオイルポンプが作動している間はカムシャワーが中止されない。つまり、内燃機関の運転中にはカムシャワーの実行が常時継続される。ところが、内燃機関の運転中にはカムシャフトの軸受部に供給された潤滑油が飛散して上記接触面に供給されて油膜が形成される。このため、このような潤滑装置のように内燃機関の運転中にカムシャワーを常時実行することは潤滑油の余分な供給を招き潤滑の効率が悪化する。一方、この潤滑装置では、内燃機関の完爆を判定した場合、カムシャワー部への潤滑油の流入が遮断され接触面への潤滑油の供給が停止されるように遮断弁の閉弁操作を行う。

特開２００６−１０５０２３号公報 特開２００８−０５０９７２号公報

特許文献１に記載の潤滑装置では、潤滑油の流入を内燃機関の始動後、内燃機関の完爆を判定するまで、一定量の潤滑油を供給することとしている。しかしながら、接触面に対して積極的に潤滑油を供給すべき時期は、始動時に限らない。始動時か否かに関わらず、接触面の油膜が切れる又は不足する時期に積極的に潤滑油を供給することが望ましい。また、接触面の油膜切れがない（または不足ない）時期においては、潤滑油の供給を低減又は停止することが望ましい。

そこで、本発明は、カムと接触または非接触な状態になるようにして前記カムにより駆動されるローラとの接触面へ、余分な潤滑油の供給を制御することで、潤滑の効率を高めることが可能な内燃機関の潤滑装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の内燃機関の潤滑装置は、内燃機関に搭載された可変動弁機構の一部をなすカムと、カムにより駆動されるローラと、ローラ及びカムの間に潤滑油を供給するオイルポンプと、ローラが回転する速度及び前記カムが回転する速度を検出し、ローラ及びカムの間に滑りが発生していることを検出し、該滑りの量である滑り量を算出する検出部と、該検出部によって検出された該滑りが大きい場合には、該滑りが小さい場合と比して、カム及びローラの接触面に供給される潤滑油の量を、大きくなるように潤滑油の量を供給する潤滑油供給装置と、を備えることを特徴とする。請求項２に記載の内燃機関の潤滑装置の潤滑油供給装置は、内燃機関の始動後所定期間を経た後に、該検出部によって検出された該滑りが大きい場合には、該滑りが小さい場合と比して、カム及びローラの間隙に供給される潤滑油の量を、大きくなるように潤滑油の量を供給する、ことを特徴とする。請求項３に記載の内燃機関の潤滑装置の検出部は、ローラの楕円の周の長さをカムの楕円の周の長さで割った値を、滑りなしを示す判定値とし、該判定値に対し、ローラの回転数をカムの回転数で割った検出値が小さいことをもって滑りが発生したことを検出する、ことを特徴とする。請求項４に記載の内燃機関の潤滑装置の潤滑油供給装置は、内燃機関の回転数が小さい場合の潤滑油の量と比して、内燃機関の回転数が大きい場合の潤滑油の量を小さくなるように潤滑油の量を供給する、ことを特徴とする。

本発明によれば、カム及びローラの接触面へ、余分な潤滑油が供給されないようにできるため、潤滑油供給の効率を高めるることができる。

本発明の実施例１による内燃機関を示す全体図である。 内燃機関の潤滑油の全体を示す模式図である。 内燃機関の可変動弁機構を上から見た図である。 （ａ）は、カム６とロッカーアーム５とを示して可変動弁機構を説明する図であり、（ｂ）は、ロッカーアーム５を上から見た図であり、（ｃ）は、ローラ５１を横から見た図である。 滑りに対して、接触面Ｃに供給する潤滑油の供給量を示した図である。

図１は本発明の一実施形態に係る潤滑装置を適用した内燃機関１の全体像を示した図である。内燃機関1の全体を斜視した斜視図になっている。なお、本発明の要旨と直接関係しない構造に関しては図示が適宜に省略されている。

図２は内燃機関１の全体に流れる潤滑油（オイル）の全体図を示す図である。図３は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１８への入力を示したものである。図４はカム６とロッカーアーム５とを詳しく図示したものである。図５は、切替手段の動作制御を説明するための図である。

図１は内燃機関１の内部が透視されている。一つの気筒が透視されている。この内燃機関１は、気筒２のそれぞれに２つづつ配置された吸気弁３、及び排気弁４を持つ。また、この内燃機関１は、この吸気弁３、及び排気弁４に連結されたロッカーアーム５を持つ。図４(a)にロッカーアーム５の詳細が記載されている。この内燃機関１は、非円形状で楕円状のカム６を持つ。このように楕円形状であるため、ロッカーアーム５が上下する。このロッカーアーム５は、このカム６に接触する面をもつローラ５１を備える。このローラ５１は略円形状である。ただし、厳密な円形状とは限らないので、このローラ５１の形状を以下では楕円形状と称する。

この内燃機関１は、各気筒につながれたカム６を一律に回転させるカムシャフト７を備える。このカムシャフト７は図示しないタイミングチェーンによって駆動され、回転する。このローラ５１とカム６とが接触しつつロッカーアーム５が駆動されることで、所定のタイミングで吸気弁３及び排気弁４が開閉する。本実施形態のロッカーアーム５はニードルローラベアリング（不図示）を内蔵し、これによりローラ５１を回転可能に支持する構造となっている。これはローラーロッカーアームと称される。このロッカーアーム５は、図４（a）に記載の通り、ローラ５１とアーム部５２とセンサ保持部５３とから構成される。

図１又は図２で示されるように、内燃機関１は、内燃機関１にて駆動されてオイルパン１０内の潤滑油を、オイルストレーナ１１を介して汲み上げて圧送するオイルポンプ９を備える。また、内燃機関１は、カムシャフト７の上方に配置され、カム６とロッカーアーム５との接触面Ｃ（カム６とロッカーアーム５との間隙）へ潤滑油を供給するカムシャワー部（潤滑油供給部）１２を備える。オイルポンプ９とカムシャワー部１２とを結ぶ潤滑油供給通路１３を備える。この潤滑油供給通路１３には、メインギャラリー１３ａと、カムシャフト７，７のジャーナル部（不図示）へオイル（潤滑油）を導くカムジャーナル用供給路１３ｂがある。カムシャワー部１２へとオイル（潤滑油）を導くカムシャワー用供給路１３ｃがある。カムシャワー部１２は、カムシャワー用供給路１３ｃとの接続部１２ａからカムシャフト７，７に沿うようにして吸気弁３，３側及び排気弁４，４側のそれぞれに延びる一対のシャワーパイプ１４，１４を備える。シャワーパイプ１４には、適宜数（本実施形態では一のシャワーパイプ１４について８個）の噴口１４ａが形成されている。こうして、シャワーパイプ１４の先端部１４ｂは閉塞されている。

接続部１２ａの上流側、即ちオイルポンプ９側のカムシャワー用供給路１３ｃには、カムシャワー用供給路１３ｃを開閉する遮断弁１５と開閉弁１６とがそれぞれ設けられている。遮断弁１５と開閉弁１６との間には、潤滑油を蓄えかつ蓄えた潤滑油の温度を保持する蓄熱タンク１７が設けられている。遮断弁１５及び開閉弁１６は、ＥＣＵ１８の指令に応じてそれぞれ動作制御される電磁制御弁であり、後述する制御ルーチンに基づいて開閉制御される。

内燃機関１の運転中にはオイルポンプ９が駆動されるので、遮断弁１５が閉じられた状態で開閉弁１６が開かれることにより、オイルポンプ９にて圧送された潤滑油が蓄熱タンク１７内に蓄えられる。蓄熱タンク１７内に潤滑油が蓄えられた後に開閉弁１６を閉じることにより、蓄熱タンク１７内の潤滑油が高温高圧状態で保持される。内燃機関１の停止中には、遮断弁１５及び開閉弁１６の両者は閉弁状態に保持される。そして、内燃機関１の始動に合わせて蓄熱タンク１７に潤滑油が蓄えられた状態で遮断弁１５が開かれると、図３に示したように、蓄熱タンク１７に蓄えられた潤滑油がシャワーパイプ１４に導かれ、シャワーパイプ１４に導かれた潤滑油が噴口１４ａから噴出してカム６に吹きつけられる。カム６に吹きつけられた潤滑油は、カム６とロッカーアーム５との接触面Ｃまで回り込み、接触面Ｃに油膜が形成される。蓄熱タンク１７（不図示）は、外壁と内壁とを備えた二重構造の壁で構成されており、外壁と内壁間に真空層が形成されて蓄熱性が高められている。潤滑油供給通路１３には、以上の他に潤滑油内の異物を除去するオイルフィルター１４と油圧を調整する調整弁２０とが設けられている。調整弁２０はオイルポンプ９に内蔵されている。このようにして、内燃機関１は、吸気弁３、３及び排気弁４、４の開閉タイミングを可変制御するための可変動弁機構３０が構成されている。

図１に示したＥＣＵ１８は、各種センサ等からの入力情報に基づいて内燃機関１の運転状態を目標の状態に適正制御するコンピュータであり、マイクロプロセッサ及びその周辺機器としてのＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。ＥＣＵ１８に接続されるセンサ等は多数に及ぶが、本実施形態に関連するものとして、図１では内燃機関１の機関回転数（回転速度）を検知するカム角センサ２１、ローラ回転数センサ２２の図示に留めた。カム角センサ２１はカムシャフトに設置され、所定のカム角（例えば３０°）毎にパルスを出力し、この出力をECU１８に入力することで、カム角回転数が検出できる。

図３又は図４に示したローラセンサ２２について説明する。図４（ｂ）は図４（ａ）を上から（Ｂ-Ｂ方向へ）見た図である。図４（ｃ）は、ローラ５１を横から見た図である。ロッカーアーム５は、ローラ５１とアーム部５２とセンサ保持部５３と備える。センサ保持部５３には、ローラ回転数センサ５３が設置され、所定のカム角（例えば３０°）毎にパルスを出力し、この出力をECU１８に入力することで、ローラ回転数が検出できる。なお、図４（ｃ）に示すように、ローラ５１はは切り欠き５１１乃至５１４を備える。カム６とローラ５１の接触面Ｃで、滑りがないとすると、カム６が１回転する毎にローラ５１は２回転するように設計されている。言い換えると、ローラ５１の円周長の２倍が、カム６の楕円周の長さである。

次に、潤滑装置の動作を説明する。接触面Ｃへの潤滑油の供給量を決めるＥＣＵ１８により、潤滑油供給装置が構成される。潤滑油供給装置は、図５のマップを参照して、接触面Ｃへの潤滑油の供給量を決める。以下、図５を参照して潤滑油供給制御を説明する。図５（a）は、従来の潤滑油供給制御を説明する図である。例えば、特開２００６−１０５０２３号公報に記載の潤滑油供給制御では、内燃機関の始動後、ＥＣＵ１８は、電磁弁１５を制御して、潤滑油供給が徐々に増大し、カム６とローラ５１との接触面Ｃへの潤滑油供給が増大する。そして、エンジン回転数が１０００ｒｐｍ程度までに上昇すると、オイル供給量は略一定となり、安定して潤滑油供給が行われる。この安定して潤滑油供給が行われる１０００ｒｐｍまでエンジンの回転数が上昇した後（内燃機関の始動後所定期間を経た後）に、検出部によって検出された該滑りが大きい場合には、該滑りが小さい場合と比して、カム及び前記ローラの間隙に供給される潤滑油の量を、大きくなるように潤滑油の量を供給する。これは、この安定して潤滑油供給が行われる１０００ｒｐｍまでエンジンの回転数が上昇した後（内燃機関の始動後所定期間を経た後）に、滑りが発生していないとして供給される潤滑油は制限する制御を開始する、ことを意味する。

次に、図５（b）及び(c)を使って本実施形態に係る潤滑装置の動作を説明する。内燃機関の始動後、エンジン回転数が徐々に増加するに伴い、カム６とローラ５１の回転数が増大する。しかし、始動直後（例えば、エンジン回転数が３００ｒｐｍ未満）では、カム６に対してローラ５１に滑りが発生する。滑りとは、カム６が回転する速度とローラ５１が回転する速度に不一致が生じている状態をいう。この滑り状態とは、潤滑油の状態に応じて、次のように引起こされるものと考えられている。カム６の周面のうち、ローラ５１の周面と潤滑油を媒介として接触する面がある（この面を接触面Ｃと呼ぶ）。接触面Ｃにおいて、この媒介である潤滑油がより潤沢にあるほど、回転するカム６の回転エネルギーが潤滑油に伝わりやすく、潤滑油に伝わった回転エネルギーがローラ５１に伝わりやすいものと考えられる。そのため、回転しているカム６の回転エネルギーがローラ５１に伝わりやすい。結果、滑りの状態が起き難いものと考えられる。逆に、潤滑油がより少量であるほど、回転するカム６の回転エネルギーが潤滑油に伝わり難く、潤滑油に伝わった回転エネルギーがローラ５１に伝わり難いものと考えられる。結果、滑りの状態が起きやすいものと考えられる。また、潤滑油の温度や粘度に応じても、滑りの状態が起きやすいもしくは起き難いとも考えられる。
この滑りの状態が発生しているかを定量的に判断する例を挙げて説明する。カム６の回転数とローラ５１の回転数の比をもって、「滑りがある」か否かを判断することができる。本実施例では、カム６の接触面Ｃの周長とローラ５１の接触面Ｃの周長との比が２であるようなカム６及びローラ５１を採用している。このようなカム６及びローラ５１を採用していると、「滑りがない」場合には、カム６が１回転する間に、ローラ５１が２回転する。一方、２回転しない場合、「滑りがある」と判断できる。すなわち、カム６及びローラ５１の回転数を比べることで、「滑りがある」か否かを判断できる。ここで、運転状態の推移及び変更に応じて、この「滑りがある」か否かを判断し、特に「滑りがある」場合は、どの程度の「滑りがある」か、を定量的に判断することによって、余分な潤滑油の供給を制御することで、潤滑の効率を高めることが可能な内燃機関の潤滑装置について説明する。

始動直後（例えば、エンジン回転数が３００ｒｐｍ未満の図５（ｃ）参照）では、カム６の回転数とローラ５１の回転数の比が２よりも小さい。この場合には、接触面Ｃでカム６とローラ５１とで滑りが発生していることがわかる。滑りが発生しているときには、潤滑油を接触面Ｃに供給して、滑りを抑制する。一方、内燃機関１の始動後、内燃機関１の回転数が所定以上になった場合には（例えば、エンジン回転数が３００ｒｐｍ以上の図５（ｃ）参照）、カム６の回転数とローラ５１の回転数の比が２となる。このとき、カム６の回転数とローラ５１の接触面Ｃでは滑りが発生していない。滑りが発生していない場合には、供給する潤滑油の量を制限する。言い換えると、滑りが発生している場合には、接触面Ｃに供給される潤滑油の量を増大させる必要がある一方で、滑りが発生していない場合には、接触面Ｃに供給される潤滑油の量を増大させる必要はない。そのため、このような場合には、オイルポンプ９の作動を制限するようにしたので、フリクション低減が達成できる。

本実施形態に係る内燃機関の潤滑装置は、滑りを検出する検出部を備える。この検出部を図５（ｃ）を参照して説明する。図５（ｃ）は、ローラ５１/カム６の回転数比を縦軸としている。この値の最大値は、カム６の回転数とローラ５１の回転数の比が２となる。この値が最大値２より小さい場合には接触面Cで滑りが発生したことが検出できる。そして、この値が２より大幅に小さい場合には、滑りが大幅に発生していることが判断できる。検出部は、ＥＣＵ１８によって構成される。潤滑油供給装置は、この検出部によって検出された滑りが大きい場合には滑りが小さい場合と比して、接触面に供給される潤滑油の量を大きくなるように潤滑油の量を供給する。
潤滑油供給装置は、滑りが大きいほど（すなわち、ローラ５１/カム６の回転数比が２と比べて小さいほど）、接触面Ｃへの潤滑油の供給量を増大させる。該滑りが小さいほど（すなわち、ローラ５１/カム６の回転数比が大きい値であって、２に近いほど）、接触面Ｃへの潤滑油の供給量を減少させるように潤滑油の量を供給する。より詳しく説明すると、潤滑油供給装置は、カム６とローラ５１の滑りを検出し、該滑りが大きい場合には、該滑りが小さい場合と比して、接触面Ｃへの潤滑油の供給量が大きくし、該滑りが小さい場合には、該滑りが大きい場合と比して、接触面Ｃへの潤滑油の供給量を減少させるように潤滑油の量を供給する。

なお、本実施例ではカム６の回転数とローラ５１の回転数の比を算出することでカム６とローラ５１の滑りを検出しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、カム６の回転数とローラ５１の回転数に基づきカム６とローラ５１の滑りを検出し、カム６の回転数とローラ５１の回転数を入力としてマップによって、供給される潤滑油の量を決定するようにしてもよい。このようにマップを用いることで、カム６とローラ５１の滑りを予め工場出荷前に詳細な実験をすることができる。そのため、精度よく潤滑油の量を決定することができるので、余分な潤滑油の供給を制御することで、潤滑の効率を高めることができる。

本実施例の他の変形例について説明する。図５（ｃ）に示す通り、内燃機関の始動後所定期間を経た後では、エンジン回転数と滑りに相関関係をもつことによる。図５（ｃ）に示す通りエンジン回転数が大きいほど、滑りが小さくなることが分かる。そのため、潤滑油供給装置は、内燃機関の回転数(エンジン回転数)が小さい場合の潤滑油の量と比して、前記内燃機関の回転数が大きい場合の潤滑油の量を小さくなるように潤滑油の量を供給するとしてもよい。このように簡略化することで、検出部による演算が減り、ECU１８資源の低減することが可能である。

本発明は以上の実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態で実施して
よい。例えば、本発明の潤滑装置は、カムによってバルブリフターを駆動して吸排気弁を
開閉動作させる直動式の動弁機構を備えた内燃機関にも適用できる。

１ 内燃機関
５ ロッカーアーム（被駆動対象）
６ カム
９ オイルポンプ
１２ カムシャワー部（潤滑油供給部）
１３ 潤滑油供給通路
１５ 遮断弁（切替手段）
１６ 開閉弁
１７ 蓄熱タンク
１８ ECU（潤滑油供給装置）
Ｃ 接触面

Claims (4)

1. 内燃機関に搭載された可変動弁機構の一部をなすカムと、
   前記カムにより駆動されるローラと、
   前記ローラ及び前記カムの間に潤滑油を供給するオイルポンプと、
   前記ローラが回転する速度及び前記カムが回転する速度を検出し、前記ローラ及び前記カムの間に滑りが発生していることを検出し、該滑りの量である滑り量を算出する検出部と、
   該検出部によって検出された該滑りが大きい場合には、該滑りが小さい場合と比して、前記カム及び前記ローラの接触面に供給される潤滑油の量を、大きくなるように潤滑油の量を供給する潤滑油供給装置と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の潤滑装置。
2. 前記潤滑油供給装置は、前記内燃機関の始動後所定期間を経た後に、
   該検出部によって検出された該滑りが大きい場合には、該滑りが小さい場合と比して、前記カム及び前記ローラの間隙に供給される潤滑油の量を、大きくなるように潤滑油の量を供給する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の潤滑装置。
3. 前記検出部は、前記ローラの楕円の周の長さを前記カムの楕円の周の長さで割った値を、滑りなしを示す判定値とし、該判定値に対し、前記ローラの回転数を前記カムの回転数で割った検出値が小さいことをもって滑りが発生したことを検出する、
   ことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか1項に記載の内燃機関の潤滑装置。
4. 前記潤滑油供給装置は、前記内燃機関の回転数が小さい場合の潤滑油の量と比して、前記内燃機関の回転数が大きい場合の潤滑油の量を小さくなるように潤滑油の量を供給する、
   ことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか1項に記載の内燃機関の潤滑装置。

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