JP2011153566A - 内燃機関の潤滑冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構成で内燃機関のピストンを適切に冷却することができる内燃機関の潤滑冷却装置を提供する。
【解決手段】エンジンのピストンにエンジンオイルを噴射するオイル噴射装置４ｅの装置本体内に、エンジンオイルの温度に応じてオイル供給口を開閉するサーモエレメントバルブ１２を設けた。サーモエレメントバルブ１２は、エンジンオイルの温度が低い時にはオイル供給口８ｂを閉じているが、エンジンオイルの温度が高くなるとシャフト１３ｂが延びてボディ１３ａがバネ１５の付勢力に抗して締結用ボルト８の頭部側に移動することでオイル供給口８ｂを開く。オイル供給口８ｂが開くとオイルギャラリー部５ａのエンジンオイルが導管１０ａ等を通じてピストンの裏面に噴射される。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の潤滑冷却装置に関し、更に詳しくは、単純な構成で内燃機関のピストンを適切に冷却することが可能な内燃機関の潤滑冷却装置に関する。

エンジンの潤滑冷却装置は、エンジンの潤滑冷却対象部（回転部および摺動部）にエンジンオイルを供給することで、その各部の摩擦抵抗（フリクション）の低減や冷却を促し、エンジンの機能の発揮と、エンジンの保護とを図る機能を備えている。

この潤滑冷却装置において潤滑冷却対象部としてピストンを冷却する機構には、潤滑冷却装置のオイル噴射装置にチェックバルブが取り付けられており、エンジンオイルの圧力が上昇するとチェックバルブが開いてエンジンオイルをピストンの裏面に向けて噴射しピストンを冷却する構成のものがある。

しかしながら、この構成の場合、油圧が高くなるとエンジン始動直後の低温時であっても低温のエンジンオイルをピストンに噴射してしまうため、下げる必要のない時でもピストンの温度を下げてしまう結果、エンジン始動直後に未燃炭化水素（Total Hydro Carbon；ＴＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）の排出量が増大してしまう、という問題がある。

また、上記の潤滑冷却装置の場合、本来、冷却する必要のない低回転・低負荷のエンジン運転時でもピストンに向けてエンジンオイルを噴射してピストンの熱を奪って冷却しているので排気温度が低下し、排気後処理装置での後処理効率が低下する。この排気後処理装置での後処理効率の低下を防ぐために、燃料消費率を高くして排気温度を上げる制御を行うので燃料消費量が多くなる、という問題がある。

このような問題に対して、オイル噴射装置本体にシリンダ壁潤滑用オイル導管およびピストン冷却用オイル導管への各々のオイル供給口を開閉する圧力弁を備え、かつ、その圧力弁をオイル噴射装置内の油温によって作動させるサーモスタットを装備して、オイル供給口を圧力弁により潤滑油圧と共に油温に応じて開閉制御するように構成したものがある（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、この構成の場合、オイル噴射装置のオイル供給口を油圧と共に油温に応じて開閉制御するので、油圧と油温との２つに対応する構成が必要となり、装置の小型化に反するとともに、装置各部の設定が難しくなる、という問題がある。

特開平７−３１７５１９号公報

本発明の目的は、単純な構成で内燃機関のピストンを適切に冷却することができる内燃機関の潤滑冷却装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の潤滑冷却装置は、装置本体のオイル流入口に流入するエンジンオイルを、前記装置本体のオイル供給口に接続された導管を通じて内燃機関のピストンに噴射する内燃機関の潤滑冷却装置であって、前記オイル流入口に流入するエンジンオイルの温度に応じて前記オイル供給口を開閉するサーモエレメントバルブを備えたものである。

また、上記の内燃機関の潤滑冷却装置において、前記装置本体は、前記オイル供給口が前記サーモエレメントバルブにより閉じている際に、前記オイル流入口に流入するエンジンオイルを、前記装置本体内に形成されたオイル流路を通じて前記装置本体の外部に流出するためのオイル流出口を備えている。

また、上記の内燃機関の潤滑冷却装置において、前記オイル流路は、エンジンオイルが前記サーモエレメントバルブのサーモエレメント本体の側面に接して流れるように形成されている。

また、上記の内燃機関の潤滑冷却装置において、前記装置本体は、前記内燃機関のシリンダブロックに着脱自在に取り付け可能な締結用ボルトと一体的に形成されている。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、前記潤滑冷却装置を備えるものである。

本発明の内燃機関の潤滑冷却装置によれば、オイル流入口に流入するエンジンオイルの温度に応じてオイル供給口を開閉するサーモエレメントを備えたことにより、単純な構成で内燃機関のピストンを適切に冷却することができる。その結果、シリンダ内の燃焼温度を適切な温度に保つことができて、排気ガス温度の低下を防止できるので、排気ガス浄化のために排気ガス温度を上昇させるための燃料の消費量を低減することができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の潤滑系系統の一例の構成図である。 図１の潤滑系系統における潤滑部であるピストンクーリングオイル噴射装置の取り付け状態を示す分解斜視図である。 図２のピストンクーリングオイル噴射装置を構成する締結用ボルトおよびこれが取り付けられたシリンダブロックの要部断面図である。 図３の締結用ボルトのねじ先面および座面の平面図である。 図３のオイルギャラリー部でのエンジン回転数と発生トルクにおけるエンジンオイルの温度を例示する図である。 図２のピストンクーリングオイル噴射装置におけるオンオフ制御の領域を例示する図である。 エンジンオイルが低温時のサーモエレメントバルブの状態を示す図３の締結用ボルトの要部断面図である。 エンジンオイルが高温時のサーモエレメントバルブの状態を示す図３の締結用ボルトの要部断面図である。

以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に本実施の形態の内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の潤滑系系統１の一例を示す。

潤滑系系統１は、オイルパン（オイル貯留槽）２に貯留されたエンジンオイルを、循環駆動源３を通じてオイルパン２と複数の潤滑部４との間で循環させる系であり、エンジンオイルを循環駆動源３から各潤滑部４に直接供給する第１経路と、エンジンオイルを循環駆動源３からオイルギャラリー部５に送り、そこから各潤滑部４に供給する第２経路とを有している。なお、潤滑系系統１は、上記の他に、オイルレベルスイッチ６ａ、オイルプレッシャースイッチ６ｂおよびウォーニングランプ６ｃ等を有している。

循環駆動源３は、主駆動系３ａと、オイルフィルター＆クーラー系３ｂとを有している。主駆動系３ａは、オイルパン２に貯留されたエンジンオイルを吸引し、所望の圧力に調整して潤滑部４に供給（圧送）する系であり、オイルポンプ３ａｐと、オイルストレーナ３ａｓと、リリーフバルブ３ａｒとを有している。

オイルフィルター＆クーラー系３ｂは、主駆動系３ａから送られたエンジンオイルを冷却し、エンジンオイル内の異物を除去する系であり、オイルクーラー３ｂｃと、オイルフィルター３ｂｆと、その各々をバイパスするバイパスバルブ３ｂｖ，３ｂｖとを有している。

潤滑系系統１の第１経路には、例えばカムシャフトベアリング４ａ、ロッカーアーム４ｂ、タイミングチェーンオイル噴射装置４ｃおよびターボチャージャー４ｄ等の潤滑部４が並列に配置されている。潤滑系系統１の第２経路には、例えばピストンクーリングオイル噴射装置（潤滑冷却装置、以下、単にオイル噴射装置という）４ｅ、アイドルギアシャフト４ｆ、ベアリング４ｇ、バキュームポンプ４ｈおよびチェーンテンショナー４ｉ等のような各潤滑部４が並列に配置されている。ベアリング４ｇには、クランクシャフトベアリング４ｇｓと、コネクティングロッドベアリング４ｇｃとが含まれている。なお、これら各潤滑部４に供給されたエンジンオイルは、オイルパン２に戻り、繰り返し使用される。

次に、図２にオイル噴射装置４ｅの取り付け状態を示す。

オイル噴射装置４ｅは、図示しないピストンの裏面にエンジンオイルを噴射（供給）する装置であり、締結用ボルト（装置本体、バンジョーボルト）８、リング９、導管１０ａ，１０ｂ、ノズル部１０ｃおよびボルト１１ａ，１１ｂを有している。

締結用ボルト８は、シリンダブロック７の裏面に着脱自在の状態で螺合される。この締結用ボルト８の内部には後述するサーモエレメントバルブ（図２には図示しない）が設けられており、エンジンオイルの温度に応じてオイル噴射装置４ｅのオンオフ動作を制御することが可能になっている。なお、オイル噴射装置４ｅのオン動作とはエンジンオイルをピストン裏面に対して噴射することを言い、オフ動作とはその噴射を停止することを言う。

リング９は、締結用ボルト８の軸部が挿入され、締結用ボルト８の頭部とシリンダブロック７の裏面との間に挟持された状態でシリンダブロック７に固定される。このリング９の外周には２つの導管１０ａ，１０ａがほぼ左右対称となるように接続されている。この２つの導管１０ａ，１０ａは、リング９を中心としてシリンダ７ｃの配列に沿って互いに離間する方向に延在した状態で形成されている。導管１０ａは、ボルト１１ａによって着脱自在の状態でシリンダブロック７に固定される。

各導管１０ａ，１０ａには、２つの導管１０ｂ，１０ｂが導管１０ａに交差した状態で接続されている。この各導管１０ｂ，１０ｂは、その先端のノズル部１０ｃがシリンダ７ｃの近傍、すなわち、図示しないピストンの裏面側に位置するように、導管１０ａから各シリンダ７ｃに向かって延在した状態で形成されている。また、各導管１０ｂはボルト１１ｂによって着脱自在の状態でシリンダブロック７に固定される。

次に、締結用ボルト８の構造を図３および図４を参照しながら説明する。図３は締結用ボルト８およびシリンダブロック７の要部断面図、図４は締結用ボルト８のねじ先面および座面の平面図をそれぞれ示している。

図３に示すように、締結用ボルト８には、オイル流入口８ａと、オイル供給口８ｂと、オイル戻し口（オイル流出口）８ｃとが形成されているとともに、これらを繋ぐオイル流路８ｄ（８ｄａ，８ｄｂ，８ｄｃ）にサーモエレメントバルブ１２が設けられている。

オイル流入口８ａは、締結用ボルト８のねじ先面に形成されている。オイル流入口８ａの配置は、例えば図４に示すように、締結用ボルト８のねじ先面内の４箇所に均等に分散されて配置されている。このオイル流入口８ａは、図１のオイルギャラリー部５の一例として図３に示すシリンダブロック７のオイルギャラリー部５ａに接続されている。オイルギャラリー部５ａは、上記した循環駆動源３から圧送されたエンジンオイルが流入する領域である。

オイル供給口８ｂは、締結用ボルト８の軸部外周面に開口形成されており、リング９のオイル流路９ａを通じて導管１０ａに接続されている。したがって、オイル流入口８ａからオイル流路８ｄａを通じてオイル供給口８ｂに流れたエンジンオイルは、導管１０ａ，１０ｂを通じて各ピストンの裏面に噴射される。

オイル戻し口８ｃは、締結用ボルト８の頭頂面に開口形成されている。オイル流入口８ａからオイル流路８ｄ（８ｄａ，８ｄｂ，８ｄｃ）を通じてオイル戻し口８ｃに流れたエンジンオイルは、ピストンの裏面に噴射されることなく図１に示したオイルパン２に戻る。

サーモエレメントバルブ１２は、サーモエレメント１３と、バルブ１４と、バネ１５とを有している。サーモエレメント１３は、サーモスタット等に内蔵されているもので、サーモエレメント１３のボディ（サーモエレメント本体）１３ａ内に封入されたワックス成分が、予め設定された温度になると固体から液体に相変化を起こして体積膨張をすることで、サーモエレメント１３のシャフト１３ｂが延びる。これにより、サーモエレメント１３のボディ１３ａがエンジンオイルの温度に応じて締結用ボルト８の軸方向に移動する。

バルブ１４は、サーモエレメント１３のボディ１３ａの外周を取り囲むように設けられており、ボディ１３ａの移動と一緒に締結用ボルト８の軸方向に移動する。このバルブ１４の停止位置により、オイル流入口８ａとオイル供給口８ｂとを繋ぐ一方でオイル流入口８ａとオイル戻し口８ｃとの流路を切断し、逆に、オイル流入口８ａとオイル戻し口８ｃとを繋ぐ一方でオイル流入口８ａとオイル供給口８ｂとの流路を切断するようになっている。このため、本実施の形態のオイル噴射装置４ｅでは、エンジンオイルの温度に応じてバルブ１４の停止位置が変わることにより、オイル供給口８ｂを開閉して、オイル噴射装置４ｅのオンオフ動作を制御することが可能になっている。なお、図３の締結用ボルト８は、エンジンオイルが低温状態の時、すなわち、オイル噴射装置４ｅがオフ動作の時の状態を示し、オイル供給口８ｂが閉じて、オイル流入口８ａとオイル戻し口８ｃとが接続されている状態が示されている。

バネ１５は、サーモエレメント１３のボディ１３ａの背面側（シャフト１３ｂとは反対側の端面側）に設置されている。このバネ１５は、サーモエレメント１３のシャフト１３ｂを縮ませる方向に付勢する手段であり、エンジンオイルが高温の時に延びたシャフト１３ｂを、エンジンオイルが低温の時に縮ませる機能を備えている。

なお、締結用ボルト８の頭部内側には、止めネジ１６が螺合されており、この止めネジ１６を外すことで、サーモエレメントバルブ１２を取り出すことが可能になっている。

次に、図５にオイルギャラリー部５ａでのエンジン回転数とトルクとにおけるエンジンオイルの温度マップの例を示し、図６にオイル噴射装置４ｅにおけるオンオフ制御の領域を示す。いずれもほぼ同じような領域となっており、図５の破線で示したようなエンジンオイルの温度でオイル噴射装置４ｅをオンオフできれば良いことが分かる。

次に、オイル噴射装置４ｅのオンオフ動作について図７および図８を参照しながら説明する。図７はエンジンオイルが低温時のサーモエレメントバルブ１２の状態を示し、図８はエンジンオイルが高温時のサーモエレメントバルブ１２の状態をそれぞれ示している。

エンジン始動直後の低温時には、図７に示すように、低温のエンジンオイルは矢印Ａで示すように締結用ボルト８のオイル流入口８ａからオイル流路８ｄ（８ｄａ，８ｄｂ，８ｄｃ）を通じてオイル戻し口８ｃに流れオイルパン２に戻る。すなわち、エンジン始動直後の低温時には、エンジンオイルがピストンに噴射されず、ピストンが不必要に冷却されることがない。その結果、良好な燃焼状態を保つことができ、ＴＨＣやＣＯの排出量を低減できる。

この時、エンジンオイルがサーモエレメント１３のボディ１３ａに接することでエンジンオイルの温度をサーモエレメント１３に伝える。ここで、エンジンが高負荷運転状態になりエンジンオイルが高温となると、図８に示すように、サーモエレメント１３のシャフト１３ｂが延びて、締結用ボルト８内のバルブ１４が締結用ボルト８の頭部側（図８の左方向）に移動する。これにより、オイル供給口８ｂが開く一方でオイル戻し口８ｃが閉じることで、エンジンオイルの流路が切り替わり、エンジンオイルは矢印Ｂに示すように、オイル流入口８ａからオイル流路８ｄａを通じてオイル供給口８ｂに流れ、上記したように導管１０ａ，１０ｂを通じてピストンの裏面に噴射され、ピストンを冷却する。このため、単純な構成で内燃機関のピストンを適切に冷却することができる。その結果、シリンダ内の燃焼温度を適切な温度に保つことができて、排気ガス温度の低下を防止できるので、排気ガス浄化のために排気ガス温度を上昇させるための燃料の消費量を低減することができる。

次いで、エンジンが低回転・低負荷運転状態になるとエンジンオイルの温度が低下して、サーモエレメント１３のボディ１３ａ内のワックス成分が収縮すると、バネ１５の付勢力によりシャフト１３ｂが縮み、図７の状態になることで、オイル噴射装置４ｅからピストンに対してエンジンオイルが噴射しなくなる。すなわち、エンジンが低回転・低負荷運転の時にはピストンの冷却が行われなくなる。その結果、ピストンの温度は下がらなくなり、良好な燃焼状態を保つことができるのでＴＨＣやＣＯの排出量を低減することができる。また、ピストンの浄化のための熱損失量が少なくなることで燃費の向上や排気温度上昇の効果が得られる。排気ガス後処理装置付きのエンジンでは、エンジンが低回転・低負荷時に後処理効率の向上のため燃料を用いて排気温度を上昇させているが、その必要がなくなるので、燃料の消費量を低減することができる。

また、従来技術で紹介した特許文献１のオイル噴射装置では、油圧と油温との両方でオイル噴射のオンオフを制御するため、油圧と油温とで各々の構成が必要となり、オイル噴射装置の小型化を阻害する。また、油圧と油温との２つの条件に応じて制御が行われるようにオイル噴射装置４ｅの各部の設定やエンジンオイルの圧力調整等が必要となるので、その設定や調整が難しい。

これに対して、図３の構成のオイル噴射装置４ｅにおいては、油温のみでオイル噴射のオンオフを制御するので、サーモエレメントバルブ１２を単純な構成とすることができる。このため、サーモエレメントバルブ１２を小型化することができる。この結果、サーモエレメントバルブ１２を締結用ボルト８内や配管内に容易に設置することができる。

また、オイル噴射装置４ｅにおいては、油温のみでオイル噴射のオンオフを制御するので、エンジンオイルの圧力の調整を従来技術のようにする必要がない。

また、オイル流入口８ａとオイル戻し口８ｃとを繋ぐオイル流路８ｄのうちのオイル流路８ｄｂは、バルブ１４の内周とサーモエレメント１３のボディ１３ａの外周との間に形成されており、オイル流入口８ａからオイル戻し口８ｃに向かって流れるエンジンオイルがオイル流路８ｄｂを通過する時にサーモエレメント１３のボディ１３ａに接して流れるようになっている。すなわち、エンジンオイルが低温でオイル供給口８ｂが閉じている時は、オイル流入口８ａから流入してきたエンジンオイルは、オイル流路８ｄａでボディ１３ａの前面肩部に接し、さらにオイル流路８ｄｂでボディ１３ａの側面に直接接した状態で流れ、オイル戻し口８ｃから排出される。これにより、エンジンオイルが低温状態から高温状態に変わる時の温度検出精度を向上させることができるので、より高い精度でピストンの冷却処理に移行することができる。

さらに、オイル供給口８ｂが閉じている時にもオイル経路の抵抗を大きくすることがないので、オイルポンプの駆動損失が大きくならない。このため、燃費の悪化を招くことがない。

なお、本実施の形態のオイル噴射装置４ｅでは、締結用ボルト８内にサーモエレメントバルブ１３を内蔵した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば締結用ボルト８の外部のエンジンオイルの流路内に同様の機構を設けることで同様の効果を得ることができる。

本発明の内燃機関の潤滑冷却装置は、ピストンにエンジンオイルを供給するオイル噴射装置内に、エンジンオイルの温度に応じて供給口を開閉するサーモエレメントを備えたことにより、単純な構成で内燃機関のピストンを適切に冷却することができるので、自動車等の内燃機関の潤滑冷却装置に利用できる。

１ 潤滑系系統
２ オイルパン（オイル貯留槽）
３ 循環駆動源
４ 潤滑部
４ｅ ピストンクーリングオイル噴射装置（潤滑冷却装置）
５，５ａ オイルギャラリー部
７ シリンダブロック
７ｃ シリンダ
８ 締結用ボルト（装置本体）
８ａ オイル流入口
８ｂ オイル供給口
８ｃ オイル戻し口（オイル流出口）
８ｄ，８ｄａ，８ｄｂ，８ｄｃ オイル流路
９ リング
９ａ オイル流路
１０ａ，１０ｂ 導管
１０ｃ ノズル部
１２ サーモエレメントバルブ
１３ サーモエレメント
１３ａ ボディ（サーモエレメント本体）
１３ｂ シャフト
１４ バルブ
１５ バネ

Claims (5)

1. 装置本体のオイル流入口に流入するエンジンオイルを、前記装置本体のオイル供給口に接続された導管を通じて内燃機関のピストンに噴射する内燃機関の潤滑冷却装置であって、前記オイル流入口に流入するエンジンオイルの温度に応じて前記オイル供給口を開閉するサーモエレメントバルブを備えた内燃機関の潤滑冷却装置。
2. 前記装置本体は、前記オイル供給口が前記サーモエレメントバルブにより閉じている際に、前記オイル流入口に流入するエンジンオイルを、前記装置本体内に形成されたオイル流路を通じて前記装置本体の外部に流出するためのオイル流出口を備えている請求項１記載の内燃機関の潤滑冷却装置。
3. 前記オイル流路は、エンジンオイルが前記サーモエレメントバルブのサーモエレメント本体の側面に接して流れるように形成されている請求項２記載の内燃機関の潤滑冷却装置。
4. 前記装置本体は、前記内燃機関のシリンダブロックに着脱自在に取り付け可能な締結用ボルトと一体的に形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の潤滑冷却装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の潤滑冷却装置を備える内燃機関。

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