JP2011256742A - Cooling system for piston - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関のピストンを冷却する技術に関し、特にクーリングチャネルを具備したピストンを冷却する技術に関する。 The present invention relates to a technique for cooling a piston of an internal combustion engine, and more particularly to a technique for cooling a piston provided with a cooling channel.
内燃機関のピストンには、切れ目(合口)を有する環状のピストンリングが取り付けられる。このようなピストンリングとしては、合口を介して対向する2つの端面(対向端面)のそれぞれに弾性樹脂を設けたものが提案されている(たとえば、特許文献1を参照)。 An annular piston ring having a cut (abutment) is attached to the piston of the internal combustion engine. As such a piston ring, one in which an elastic resin is provided on each of two end faces (opposing end faces) facing each other through a joint has been proposed (for example, see Patent Document 1).
ところで、気筒内(燃焼室)で燃料が燃焼した際に発生する熱の一部は、ピストンを介してピストンリングへ伝達される。そのため、燃焼室で発生する熱量が多くなると、ピストンリングの熱膨張量が増加する。その結果、合口の幅(隙間)が狭められ、圧縮漏れやブローバイガスが低減される。 By the way, a part of the heat generated when the fuel burns in the cylinder (combustion chamber) is transmitted to the piston ring through the piston. Therefore, when the amount of heat generated in the combustion chamber increases, the amount of thermal expansion of the piston ring increases. As a result, the width (gap) of the joint is narrowed, and compression leakage and blow-by gas are reduced.
しかしながら、燃焼室で発生する熱量がさらに増加すると、ピストンリングの熱膨張量がさらに増加するため、合口の対向端面が互いに突き当たる可能性がある。ピストンリングの合口において対向端面が互いに突き当たると、ピストンリングに作用する応力が増大したり、ピストンリングとシリンダボア壁面との接触荷重が増大したりする可能性があるこのような問題は、燃焼室に最も近いピストンリング(トップリング)において顕著となる。 However, if the amount of heat generated in the combustion chamber is further increased, the amount of thermal expansion of the piston ring is further increased, so that the opposite end faces of the joint may collide with each other. Such problems that may increase the stress acting on the piston ring or increase the contact load between the piston ring and the cylinder bore wall when the opposite end surfaces abut each other at the joint of the piston ring are caused by the combustion chamber. It becomes prominent in the nearest piston ring (top ring).
このような問題に対し、合口の隙間を大きくする方法が考えられるが、燃焼室で発生する熱量が少ないとき、又はピストンの温度が低いときに、合口隙間が過大となって圧縮漏れやブローバイガスが増加するという問題が生じる。 To solve this problem, a method of enlarging the gap at the joint is conceivable. However, when the amount of heat generated in the combustion chamber is small, or when the temperature of the piston is low, the gap at the joint is excessive, causing compression leakage and blow-by gas. The problem arises that increases.
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のピストンを冷却するシステムにおいて、トップリングの温度変化幅を小さくすることにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to reduce the temperature change width of the top ring in a system for cooling a piston of an internal combustion engine.
本願発明者は、上記した課題を解決するために、ピストンに設けられるクーリングチャネルを利用することにより、トップリングの温度を調整可能な事項を見出した。すなわち、本願発明者は、鋭意の実験及び検証を行った結果、ピストンにおいてトップリングが取り付けられるトップリング溝にクーリングチャネルを隣接させ、該クーリングチャネルに対するオイル供給量を燃焼室で発生する熱量に応じて調整することにより、内燃機関の運転時におけるピストンリングの温度変化幅が小さくなることを見出した。 In order to solve the above-described problems, the inventor of the present application has found that the temperature of the top ring can be adjusted by using a cooling channel provided in the piston. That is, as a result of earnest experiment and verification, the inventor of the present application makes a cooling channel adjacent to a top ring groove to which a top ring is attached in a piston, and the amount of oil supplied to the cooling channel depends on the amount of heat generated in the combustion chamber. It was found that the temperature change width of the piston ring during the operation of the internal combustion engine is reduced by adjusting the pressure.
そこで、本発明の内燃機関のピストン冷却システムは、
ピストンの外周面に設けられた環状の溝であって、トップリングが取り付けられるトップリング溝と、
前記ピストンに設けられた環状のオイル通路であって、前記トップリング溝に隣接するクーリングチャネルと、
前記クーリングチャネルへオイルを供給するオイルジェットと、
燃焼室で発生する熱量が多いときは少ないときに比べ、前記オイルジェットから前記クーリングチャネルへ供給されるオイル量を多くする制御部と、
を備えるようにした。
Therefore, the piston cooling system of the internal combustion engine of the present invention is
An annular groove provided on the outer peripheral surface of the piston, and a top ring groove to which the top ring is attached;
An annular oil passage provided in the piston, the cooling channel adjacent to the top ring groove;
An oil jet for supplying oil to the cooling channel;
When the amount of heat generated in the combustion chamber is large, a control unit that increases the amount of oil supplied from the oil jet to the cooling channel compared to when the amount of heat is small,
I was prepared to.
燃焼室で発生した熱は、ピストンの頂面に伝達される。ピストンの頂面に伝達された熱は、主としてピストン頂面からトップリング溝へ向かってピストン内を伝わり、トップリング溝からトップリングを介してシリンダボア壁面へ放熱される。 The heat generated in the combustion chamber is transferred to the top surface of the piston. The heat transmitted to the top surface of the piston is transmitted through the piston mainly from the top surface of the piston toward the top ring groove, and is radiated from the top ring groove to the cylinder bore wall surface through the top ring.
燃焼室で発生する熱量が多いときは、ピストンからトップリングへ伝わる熱量に対し、トップリングからシリンダボア壁面へ伝わる熱量の比率が低くなる。そのため、燃焼室で発生する熱量が多いときは、トップリングの温度上昇量が多くなる。 When the amount of heat generated in the combustion chamber is large, the ratio of the amount of heat transmitted from the top ring to the cylinder bore wall surface becomes lower than the amount of heat transmitted from the piston to the top ring. Therefore, when the amount of heat generated in the combustion chamber is large, the amount of temperature rise of the top ring increases.
一方、燃焼室で発生する熱量が少ないときは、ピストンからトップリングへ伝わる熱量に対し、トップリングからシリンダボア壁面へ伝わる熱量の比率が高くなる。そのため、燃焼室で発生する熱量が少ないときは、トップリングの温度上昇量が少なくなる。 On the other hand, when the amount of heat generated in the combustion chamber is small, the ratio of the amount of heat transmitted from the top ring to the cylinder bore wall surface becomes higher than the amount of heat transmitted from the piston to the top ring. Therefore, when the amount of heat generated in the combustion chamber is small, the amount of temperature rise of the top ring is small.
このように、トップリングの温度は燃焼室で発生する熱量に応じて大きく変化する。トップリングの温度が大きく変化すると、それに応じて合口隙間の大きさも大きく変化する。そのため、トップリングの温度が低いときに合口隙間が適当な大きさとなるようにトップリングが形成された場合は、トップリングの温度が高くなったときに合口の対向端面が互いに突き当たる事態が発生する。一方、トップリングの温度が高いときに合口隙間が適当な大きさとなるようにトップリングが形成された場合は、トップリングの温度が低くなったときに合口隙間の大きさが過大となる事態が発生する。 As described above, the temperature of the top ring greatly varies depending on the amount of heat generated in the combustion chamber. When the temperature of the top ring changes greatly, the size of the abutment gap also changes accordingly. Therefore, when the top ring is formed so that the abutment gap has an appropriate size when the temperature of the top ring is low, a situation occurs in which the opposite end surfaces of the abutment abut each other when the temperature of the top ring becomes high. . On the other hand, when the top ring is formed so that the abutment gap has an appropriate size when the top ring temperature is high, the size of the abutment gap may become excessive when the top ring temperature is low. appear.
これに対し、クーリングチャネルがトップリング溝に隣接して配置された場合、特にピストン頂面からトップリング溝へ向かう伝達経路上にクーリングチャネルが配置された場合は、ピストン頂面からトップリング溝へ伝わる熱がクーリングチャネル内のオイルに奪われるようになる。 On the other hand, when the cooling channel is disposed adjacent to the top ring groove, particularly when the cooling channel is disposed on the transmission path from the piston top surface to the top ring groove, the piston top surface to the top ring groove. The transmitted heat is lost to the oil in the cooling channel.
したがって、燃焼室で発生する熱量が多いときにクーリングチャネルを流れるオイル量が多くされると、ピストン頂面からトップリング溝へ向かう熱のうち、クーリングチャネル内のオイルに奪われる熱量が多くなる。そのため、ピストン頂面からトップリング溝へ伝わる熱量が過剰に多くなる事態を回避することができる。その結果、燃焼室で発生する熱量が多いときに、トップリングの温度が過剰に高くなる事態を回避することができる。 Therefore, if the amount of oil flowing through the cooling channel is increased when the amount of heat generated in the combustion chamber is large, the amount of heat taken away by the oil in the cooling channel increases from the heat toward the top ring groove from the piston top surface. Therefore, it is possible to avoid a situation in which the amount of heat transferred from the piston top surface to the top ring groove becomes excessive. As a result, when the amount of heat generated in the combustion chamber is large, a situation in which the temperature of the top ring becomes excessively high can be avoided.
一方、燃焼室で発生する熱量が少ないときにクーリングチャネルを流れるオイル量が少なくされると、ピストン頂面からトップリング溝へ向かう熱のうち、クーリングチャネル内のオイルに奪われる熱量が少なくなる。そのため、ピストン頂面からトップリング溝へ伝達される熱量が過剰に少なくなる事態を回避することができる。その結果、燃焼室で発生する熱量が少ないときに、トップリングの温度が過剰に低くなる事態を回避することができる。 On the other hand, when the amount of oil flowing through the cooling channel is reduced when the amount of heat generated in the combustion chamber is small, the amount of heat taken by the oil in the cooling channel is reduced among the heat from the piston top surface toward the top ring groove. Therefore, it is possible to avoid a situation in which the amount of heat transmitted from the piston top surface to the top ring groove is excessively reduced. As a result, it is possible to avoid a situation in which the temperature of the top ring becomes excessively low when the amount of heat generated in the combustion chamber is small.
なお、燃焼室で発生する熱量が極めて少ないとき(たとえば、内燃機関が低負荷かつ低回転で運転されるとき)は、燃焼室からピストンへ伝達される熱の大部分がシリンダボア壁面へ放熱される可能性がある。そのような場合は、ピストン及びトップリングの温度は
、一時的に上昇した後に低下してしまう可能性がある。
When the amount of heat generated in the combustion chamber is extremely small (for example, when the internal combustion engine is operated at a low load and low rotation), most of the heat transferred from the combustion chamber to the piston is dissipated to the cylinder bore wall surface. there is a possibility. In such a case, the temperature of the piston and the top ring may decrease after being temporarily increased.
これに対し、本発明の制御部は、燃焼室で発生する熱量が予め定められた下限値以下であるときは、オイルジェットからクーリングチャネルへ供給されるオイル量を零(オイルジェットを停止)にしてもよい。ここでいう「下限値」は、トップリングの温度が予め想定した温度域(トップリングの合口隙間が想定した大きさとなる温度域)より低くなると考えられる値であり、予め実験などを用いた適合処理によって定められている。 In contrast, the control unit of the present invention sets the amount of oil supplied from the oil jet to the cooling channel to zero (stops the oil jet) when the amount of heat generated in the combustion chamber is equal to or less than a predetermined lower limit value. May be. The “lower limit value” here is a value that the temperature of the top ring is considered to be lower than the temperature range assumed in advance (the temperature range in which the joint gap of the top ring assumes the assumed size). It is determined by processing.
オイルジェットが停止された場合は、ピストンからオイルへ放熱される熱量が略零となる。また、オイルジェットが停止された場合は、クーリングチャネル内が空気で満たされることになる。クーリングチャネル内の空気は、ピストン頂面からトップリング溝へ伝わる熱を減少又は遮断する断熱層として機能する。そのため、ピストンからシリンダボア壁面へ放熱される熱量が減少する。 When the oil jet is stopped, the amount of heat radiated from the piston to the oil becomes substantially zero. In addition, when the oil jet is stopped, the cooling channel is filled with air. The air in the cooling channel functions as a heat insulating layer that reduces or blocks heat transferred from the top surface of the piston to the top ring groove. Therefore, the amount of heat radiated from the piston to the cylinder bore wall surface is reduced.
このようにピストンからオイルへ放熱される熱量、及びピストンからシリンダボア壁面へ放熱される熱量が減少されると、ピストン(特に、トップリング溝周辺)の温度低下が抑制される。トップリング周辺の温度低下が抑制されると、それに応じてトップリングの温度低下も抑制される。 When the amount of heat radiated from the piston to the oil and the amount of heat radiated from the piston to the cylinder bore wall surface are reduced in this way, the temperature drop of the piston (particularly around the top ring groove) is suppressed. When the temperature decrease around the top ring is suppressed, the temperature decrease of the top ring is also suppressed accordingly.
以上述べたようにオイルジェットからクーリングチャネルへ供給される熱量が調整されると、トップリングの温度が略一定の温度(以下、「適温」と称する)に保たれるようになる。その結果、内燃機関の運転中において、トップリングの合口隙間の大きさを略一定に保つことが可能になる。 As described above, when the amount of heat supplied from the oil jet to the cooling channel is adjusted, the temperature of the top ring is maintained at a substantially constant temperature (hereinafter referred to as “appropriate temperature”). As a result, during operation of the internal combustion engine, the size of the top ring joint gap can be kept substantially constant.
内燃機関の運転時においてトップリングの合口隙間の大きさが略一定に保たれるようになると、上記した適温において合口隙間が所望の大きさとなるようにトップリングを設計することができる。その結果、燃焼室で発生する熱量などにかかわらず圧縮漏れやブローバイガスを可及的に低減することも可能となる。 When the size of the joint gap of the top ring is kept substantially constant during the operation of the internal combustion engine, the top ring can be designed so that the joint gap becomes a desired size at the above-described appropriate temperature. As a result, it is possible to reduce compression leakage and blow-by gas as much as possible regardless of the amount of heat generated in the combustion chamber.
ここで、燃焼室で発生する熱量は、燃料噴射量に相関する。そこで、制御部は、燃料噴射量をパラメータとして、オイルジェットからクーリングチャネルへ供給されるオイル量を調整してもよい。また、燃料噴射量は機関負荷と機関回転数をパラメータとして決定されるため、制御部は、機関回転数と機関負荷をパラメータとして、オイルジェットからクーリングチャネルへ供給されるオイル量を調整してもよい。 Here, the amount of heat generated in the combustion chamber correlates with the fuel injection amount. Therefore, the control unit may adjust the amount of oil supplied from the oil jet to the cooling channel using the fuel injection amount as a parameter. Further, since the fuel injection amount is determined using the engine load and the engine speed as parameters, the control unit may adjust the amount of oil supplied from the oil jet to the cooling channel using the engine speed and the engine load as parameters. Good.
ところで、トップリングとピストンとシリンダボアとに囲まれた空間(以下、「第1空間」と称する)の圧力は、燃焼室の圧力変化と略同期して変化する。これに対し、トップリングとセカンドリングとピストンとシリンダボアとに囲まれた空間(以下、「第2空間」と称する)の圧力変化は、燃焼室の圧力変化より遅くなる。その際のタイムラグは、トップリングの合口隙間から第2空間へ流入するブローバイガスの流量が少なくなるほど大きくなる。すなわち、上記したタイムラグは、トップリングの合口隙間が小さくなるほど大きくなる。 By the way, the pressure in the space surrounded by the top ring, the piston, and the cylinder bore (hereinafter referred to as “first space”) changes substantially in synchronization with the pressure change in the combustion chamber. On the other hand, the pressure change in the space surrounded by the top ring, the second ring, the piston and the cylinder bore (hereinafter referred to as “second space”) is slower than the pressure change in the combustion chamber. The time lag at that time increases as the flow rate of blow-by gas flowing into the second space from the joint gap of the top ring decreases. That is, the time lag described above increases as the gap between the top rings becomes smaller.
したがって、トップリングの合口隙間が可及的に小さくされた場合は、上記したタイムラグが大きくなる。そのため、第2空間の圧力が第1空間の圧力を上回る事態が発生する可能性がある。そのような場合は、トップリングがトップリング溝内で浮き上がるため、トップリングのシール性能が低下する可能性もある。 Therefore, when the joint gap of the top ring is made as small as possible, the time lag described above becomes large. Therefore, a situation may occur in which the pressure in the second space exceeds the pressure in the first space. In such a case, since the top ring floats in the top ring groove, the sealing performance of the top ring may be reduced.
なお、第2空間の圧力が第1空間の圧力より高くなる現象は、燃焼室で発生する熱量が多いときに発生しやすい。これは、燃焼室で発生する熱量が多いときは、ピストンにおけ
るセカンドランド(トップリング溝とセカンドリング溝との間の部位)の外径が拡大して第2空間の容積が縮小するためであると考えられる。
The phenomenon that the pressure in the second space becomes higher than the pressure in the first space is likely to occur when the amount of heat generated in the combustion chamber is large. This is because when the amount of heat generated in the combustion chamber is large, the outer diameter of the second land (portion between the top ring groove and the second ring groove) in the piston is enlarged, and the volume of the second space is reduced. it is conceivable that.
そこで、本発明に係わるクーリングチャネルは、トップリング溝に加え、セカンドランドにも隣接するように形成されてもよい。このような構成によれば、燃焼室で発生する熱量が多いときに、セカンドランドの熱がクーリングチャネル内のオイルに奪われるようになる。その結果、セカンドランドの温度上昇が抑制される。 Therefore, the cooling channel according to the present invention may be formed adjacent to the second land in addition to the top ring groove. According to such a configuration, when the amount of heat generated in the combustion chamber is large, the heat of the second land is taken away by the oil in the cooling channel. As a result, the temperature rise of the second land is suppressed.
セカンドランドの温度上昇が抑制されると、セカンドランドの外径の拡大(熱膨張)が抑制される。その結果、第2空間の容積の縮小が緩和される。第2空間の容積の縮小が緩和されると、第2空間の圧力が第1空間の圧力より高くなる現象が発生しにくくなる。 When the temperature increase of the second land is suppressed, the expansion (thermal expansion) of the outer diameter of the second land is suppressed. As a result, the reduction in the volume of the second space is alleviated. When the reduction in the volume of the second space is alleviated, a phenomenon in which the pressure in the second space becomes higher than the pressure in the first space is less likely to occur.
また、本発明に係わる制御部は、内燃機関が暖機過程にあるときは、機関負荷及び機関回転数が同等となる暖機完了後に比べ、オイルジェットからクーリングチャネルへ供給されるオイル量が多くなるようにオイルジェットを制御してもよい。 In addition, the control unit according to the present invention has a larger amount of oil supplied from the oil jet to the cooling channel when the internal combustion engine is in the warm-up process than after the warm-up is completed in which the engine load and the engine speed are equal. You may control an oil jet so that it may become.
内燃機関が暖機過程にあるときは、ピストンとシリンダボアとの温度差が大きくなる。これは、ピストンは燃焼室で発生した熱により直接暖められるが、シリンダボアはピストンから放出される熱を受けて間接的に暖められることになるからである。さらに、シリンダボアの熱容量はピストンより大きいため、シリンダボアの昇温速度はピストンより遅くなる。 When the internal combustion engine is in the warm-up process, the temperature difference between the piston and the cylinder bore increases. This is because the piston is directly warmed by the heat generated in the combustion chamber, but the cylinder bore is indirectly warmed by receiving heat released from the piston. Furthermore, since the heat capacity of the cylinder bore is larger than that of the piston, the temperature increase rate of the cylinder bore is slower than that of the piston.
ピストンとシリンダボアとの温度差が大きいときは、ピストンが膨張した状態(ピストンの外径が拡大した状態)になる一方で、シリンダボアが殆ど膨張していない状態(シリンダボアの内径が殆ど拡大していない状態)になる。そのため、ピストンとシリンダボアのクリアランスや、ピストンリングとシリンダボアのクリアランスが小さくなる。その結果、ピストン、ピストンリング、シリンダボアなどが摩耗したり、フリクションが大きくなったりする可能性がある。 When the temperature difference between the piston and cylinder bore is large, the piston expands (piston outer diameter is expanded) while the cylinder bore is hardly expanded (cylinder bore inner diameter is not expanded) State). Therefore, the clearance between the piston and the cylinder bore and the clearance between the piston ring and the cylinder bore are reduced. As a result, there is a possibility that the piston, piston ring, cylinder bore, etc. will be worn out and friction will increase.
これに対し、内燃機関が暖機過程にあるときにオイルジェットからクーリングチャネルへ供給されるオイル量が暖機完了後より多くされると、ピストンの熱膨張が緩和される。その結果、上記した問題の発生を回避することができる。 On the other hand, if the amount of oil supplied from the oil jet to the cooling channel is increased after the warm-up is completed when the internal combustion engine is in the warm-up process, the thermal expansion of the piston is alleviated. As a result, the occurrence of the above-described problem can be avoided.
また、本発明に係わる制御部は、内燃機関の冷却水温度が予め定められた上限水温以上であるとき、又はオイルの温度(油温)が予め定められた上限油温以上であるときは、オイルジェットを作動させ続けるようにしてもよい。言い換えれば、冷却水温度が上限水温以上であるとき、又は油温が上限油温以上であるときは、オイルジェットの停止が禁止されるようにしてもよい。ここでいう「上限水温」及び「上限油温」は、内燃機関が過熱すると考えられる温度又はオイルの油膜切れが発生すると考えられる温度から所定のマージンを減算した温度である。このようにオイルジェットが制御されると、内燃機関の過熱やオイルの油膜切れを防止することができる。 Further, the control unit according to the present invention, when the cooling water temperature of the internal combustion engine is equal to or higher than a predetermined upper limit water temperature, or when the oil temperature (oil temperature) is equal to or higher than a predetermined upper limit oil temperature, The oil jet may continue to operate. In other words, when the cooling water temperature is equal to or higher than the upper limit water temperature, or when the oil temperature is equal to or higher than the upper limit oil temperature, the stop of the oil jet may be prohibited. The “upper limit water temperature” and “upper limit oil temperature” herein are temperatures obtained by subtracting a predetermined margin from a temperature at which the internal combustion engine is considered to be overheated or a temperature at which oil film breakage occurs. When the oil jet is controlled in this way, overheating of the internal combustion engine and oil film breakage of the oil can be prevented.
本発明によれば、内燃機関のピストンを冷却するシステムにおいて、トップリングの温度変化幅を小さくすることができる。そのため、トップリングの合口隙間を好適な間隔に維持することが可能となり、圧縮漏れやブローバイガスを可及的に低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the temperature change width | variety of a top ring can be made small in the system which cools the piston of an internal combustion engine. Therefore, it becomes possible to maintain the joint gap of the top ring at a suitable interval, and it is possible to reduce compression leakage and blow-by gas as much as possible.
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the present embodiment are not intended to limit the technical scope of the invention to those unless otherwise specified.
<実施例1>
先ず、本発明の第1の実施例について図1乃至図5に基づいて説明する。図1は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図2は、本実施例におけるピストンの構成を示す断面図である。
<Example 1>
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which the present invention is applied. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the piston in this embodiment.
内燃機関1は、複数の気筒(シリンダ)2を有する圧縮着火式の内燃機関(ディーゼルエンジン)である。なお、図1においては、複数の気筒2のうち1つの気筒2のみが示されている。内燃機関1の各気筒2には、ピストン3がシリンダ軸方向へ摺動自在に装填されている。ピストン3は、図示しないクランクシャフトとコネクティングロッド4を介して連結されている。
The
ピストン3の頂面には、略円筒状に窪んだ燃焼室30が形成されている。また、ピストン3の外周面には、3本の環状溝31,32,33が形成されている。3本の環状溝31,32,33のうち、最も上死点寄り(図2中の最も上)に位置する環状溝31は、トップリング5を嵌合させるための溝である(以下、環状溝31を「トップリング溝31」と記す)。3本の環状溝31,32,33のうち、トップリング溝31の直下に位置する環状溝32は、セカンドリング6を嵌合させるための溝である(以下、環状溝32を「セカンドリング溝32」と記す)。3本の環状溝31,32,33のうち、最も下死点寄り(図2中の最も下)に位置する環状溝33は、オイルリング7を嵌合させるための溝(以下、環状溝33を「オイルリング溝33」と記す)。なお、トップリング5、セカンドリン
グ6、及びオイルリング7は、合口を備えた環状の部材である。
A
トップリング溝31は、ピストン3に鋳込まれた耐摩環300の外周面に設けられている。耐摩環300は、ピストン3より硬度及び耐摩耗性が高い材料(たとえば、ニレジスト材)により形成された環状の部材である。
The
ピストン3において、前記耐摩環300の内側には中空耐摩環310が鋳込まれている。中空耐摩環310は、外周側に開口部を有する断面コ字状の環状部材である。中空耐摩環310の外周側は、前記耐摩環300の内周面に当接している。つまり、中空耐摩環310の断面コ字状の開口部は前記耐摩環300の内周面によって閉塞されている。中空耐摩環310と耐摩環300とに囲まれた環状の空間34は、後述するオイルジェット8から供給されるオイルの通路として機能する(以下、空間34を「クーリングチャネル34」と記す)。
In the
ピストン3には、該ピストン3の底面に形成された開口部と前記クーリングチャネル34とを連通する連通路35,36が形成されている。連通路35,36のうち、一方の連通路35は、オイルジェット8から噴射されたオイルをクーリングチャネル34へ導く通路として機能する(以下、連通路35を「導入路35」と記す)。連通路35,36のうち、他方の連通路36は、クーリングチャネル34から流出するオイルを排出する排出路として機能する(以下、連通路36を「排出路36」と記す)。
In the
内燃機関1は、気筒2内の下死点側から上死点側へオイルを噴射するオイルジェット8を備えている。なお、オイルジェット8は、ピストン3が下死点に位置するときに該ピストン3より下方に位置するように配置されるものとする。さらに、オイルジェット8は、該オイルジェット8から噴射されたオイルが前記導入路35へ指向するように配置及び形成されるものとする。
The
オイルジェット8は、供給路9を介してオイルパン10に連通している。供給路9の途中には、オイルパン10内のオイルを吸い上げるオイルポンプ11が設けられている。オイルジェット8とオイルポンプ11との間の供給路9には、流量調整弁12が配置されている。流量調整弁12は、供給路9内を流れるオイルの量を調整する弁である。流量調整弁12が供給路9内のオイル流量を調整することにより、オイルジェット8から噴射されるオイル量(オイル噴射量)が増減されるようになっている。
The
なお、流量調整弁12としては、開弁時間と閉弁時間との比率をデューティ制御される電動式の弁機構や、開度を連続的又は段階的に変更可能な電動式の弁機構を用いることができる。また、流量調整弁12は、オイルの圧力が一定値以上のときに開弁するチェック弁と、供給路9内のオイルの圧力を調整する圧力調整弁と、を含む弁機構であってもよい。
As the flow
前記供給路9には、前記オイルポンプ11を迂回するリターン通路13が設けられている。このリターン通路13は、オイルポンプ11より下流の供給路9からオイルポンプ11より上流の供給路9へ余剰のオイルを戻すための通路である。リターン通路13には、オイルポンプ11より下流の供給路9からオイルポンプ11より上流の供給路9へ向かう流れのみを許容するワンウェイバルブ(チェックバルブ)14が配置されている。
The supply passage 9 is provided with a
このように構成された内燃機関1には、ECU15が併設されている。ECU15は、CPU、ROM、RAM、バックアップRAMなどを備えた電子制御ユニットである。ECU15には、水温センサ16、クランクポジションセンサ18、アクセルポジションセンサ19、油温センサ20などの各種センサの出力信号が入力されるようになっている。
The
水温センサ16は、内燃機関1を循環する冷却水の温度に相関する電気信号を出力するセンサである。クランクポジションセンサ18は、クランクシャフトの回転位置に相関する電気信号を出力するセンサである。アクセルポジションセンサ19は、アクセルペダルの踏み込み量(機関負荷)に相関する電気信号を出力するセンサである。油温センサ20は、内燃機関1を循環するオイルの温度(油温)に相関する電気信号を出力するセンサである。
The
ECU15は、上記した各種センサの出力信号に基づいて、燃料噴射制御などの既知の制御に加え、オイルジェット8からクーリングチャネル34へ供給されるオイル量を制御(以下、「オイルジェット制御」と称する)する。以下、オイルジェット制御の実行方法について述べる。なお、ECU15がオイルジェット制御を実行することにより本発明に係わる制御部が実現される。
The
本実施例のオイルジェット制御は、トップリング5の温度が略一定の温度となるようにオイルジェット8のオイル噴射量を調整する制御である。つまり、本実施例のオイルジェット制御は、トップリング5の合口隙間が略一定の大きさとなるようにオイルジェット8のオイル噴射量を調整する制御である。
The oil jet control of the present embodiment is control for adjusting the oil injection amount of the
トップリング5の温度は、燃焼室30で発生する熱量に応じて変化する。たとえば、燃焼室30で発生する熱量が多いときは、ピストン3の温度上昇量が多くなるため、それに応じてトップリング5の温度上昇量も多くなる。
The temperature of the
トップリング5の温度が高くなると、該トップリング5が熱膨張して合口隙間が小さくなる。トップリング5の温度がさらに上昇すると、合口の対向端面が互いに突き当たり、トップリング5の外径を拡大させようとする力を発生させる。
When the temperature of the
その際、気筒2の内壁面(シリンダボア壁面)の温度が高ければ、気筒2の内径が拡大することによって上記した力が相殺される。しかしながら、シリンダボア壁面の温度がピストン3の温度より低く、かつその温度差が大きいときは、トップリング5と気筒2とが締まりばめになるため、トップリング5に作用する応力が過大となったり、トップリング5とシリンダボア壁面との接触荷重が過大となったりする可能性がある。
At this time, if the temperature of the inner wall surface (cylinder bore wall surface) of the
よって、トップリング5の温度が高く、かつシリンダボア壁面の温度が低くなる場合に、合口の対向端面が互いに押し合う事態が発生しないように合口隙間の大きさを決める必要がある。しかしながら、このような方法により合口隙間の大きさが決定されると、トップリング5の温度が低いときに合口隙間が過大となって圧縮漏れやブローバイガスの増加を招く可能性がある。
Therefore, when the temperature of the
そこで、本実施例のオイルジェット制御では、ECU15は、燃焼室30で発生する熱量が多くなるとき(ピストン3とシリンダボア壁面との温度差が大きくなるとき)はトップリング5の温度上昇を抑制し、燃焼室30で発生する熱量が少なくなるとき(ピストン3とシリンダボア壁面との温度差が小さくなるとき)はトップリング5の温度低下を抑制又は温度上昇を促進するようにオイル噴射量を調整するようにした。
Therefore, in the oil jet control of this embodiment, the
燃焼室30で発生する熱量は、燃焼室30で燃焼される燃料の量、すなわち燃料噴射量によって変化する。燃料噴射量は、原則として内燃機関1の負荷(機関負荷)Qと内燃機関1の回転数(機関回転数)Neとをパラメータにして決定される。そこで、本実施例では、機関負荷Qと機関回転数Neとをパラメータにしてオイル噴射量を調整する例について述べる。
The amount of heat generated in the
図3は、温度差ΔTと機関負荷Qと機関回転数Neとの関係を示す図である。ここでいう「温度差ΔT」は、ピストン3の温度(好ましくは、トップリング溝31の温度)とシリンダボア壁面の温度との差である。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship among the temperature difference ΔT, the engine load Q, and the engine speed Ne. The “temperature difference ΔT” here is the difference between the temperature of the piston 3 (preferably the temperature of the top ring groove 31) and the temperature of the cylinder bore wall surface.
図3において、機関負荷Q及び機関回転数Neが低いときは高いときに比べ、燃焼室30で発生する熱量が少なくなる。そのため、温度差ΔTが小さくなるとともに、トップリング5の合口隙間が大きくなる。
In FIG. 3, when the engine load Q and the engine speed Ne are low, the amount of heat generated in the
一方、機関負荷Q及び機関回転数Neが高いときは低いときに比べ、燃焼室30で発生する熱量が多くなる。そのため、温度差ΔTが大きくなるとともに、トップリング5の合口隙間が小さくなる。
On the other hand, when the engine load Q and the engine speed Ne are high, more heat is generated in the
これに対し、ECU15は、燃焼室30で発生する熱量が多いときは少ないときに比べ、オイルジェット8のオイル噴射量が多くなるように流量調整弁12を制御する。言い換えると、ECU15は、前記温度差ΔTが大きいときは小さいときに比べ、オイルジェット8のオイル噴射量が多くなるように流量調整弁12を制御する。
On the other hand, the
詳細には、ECU15は、図4に示すようなマップにしたがって流量調整弁12を制御してもよい。図4に示すマップは、機関負荷Qと機関回転数Neとオイル噴射量との関係を定めたマップである。
Specifically, the
図4において、機関負荷Q及び機関回転数Neが高いとき(図4中の領域A)は、オイル噴射量が最大量にされる。機関負荷Q及び機関回転数Neが低いとき(図4中の領域C)は、オイル噴射量が零(オイルジェット8を停止)にされる。ただし、ピストン3とシリンダボア壁面との間の潤滑、或いはピストン3とコネクティングロッド4との間の潤滑を目的としたオイル噴射は実施されてもよい。また、機関負荷Q及び機関回転数Neが領域Aと領域Cの中間の領域(図4中の領域B)にあるときは、オイル噴射量が前記した最大量より少なくされる。なお、図4中の領域Cは、燃焼室30で発生する熱量が下限値以下となる領域である。ここでいう「下限値」は、トップリング5の温度が後述する適温より低くなる可能性がある値である。
In FIG. 4, when the engine load Q and the engine speed Ne are high (region A in FIG. 4), the oil injection amount is set to the maximum amount. When the engine load Q and the engine speed Ne are low (region C in FIG. 4), the oil injection amount is made zero (
ここで、燃焼室30で発生した熱の一部は、ピストン3の頂面からトップリング溝31へ向かって伝わり、トップリング溝31からシリンダボア壁面へ放熱される。詳細には、図5に示すように、燃焼室30内からピストン3へ伝達される熱は、主としてピストン3における燃焼室30の上縁部30aからトップリング溝31(耐摩環300)へ向かって伝わる(図5中の矢印を参照)。これに対し、トップリング溝31の内側にクーリングチャネル34が配置されると、該クーリングチャネル34は前記した熱の経路上に位置することになる。言い換えると、クーリングチャネル34は、前記した熱の経路上に配置されることが好ましいといえる。
Here, part of the heat generated in the
よって、機関負荷Q及び機関回転数Neが高いときにオイル噴射量が最大にされると、前記上縁部30aからトップリング溝31へ向かう熱の大部分がクーリングチャネル34内のオイルによって奪われるようになる。その結果、ピストン3及びトップリング溝31の温度上昇が抑制され、それに応じてトップリング5の温度上昇も抑制される。
Therefore, when the oil injection amount is maximized when the engine load Q and the engine speed Ne are high, most of the heat from the
機関負荷Q及び機関回転数Neが高いときにトップリング5の温度上昇が抑制されると、トップリング5の合口において対向端面が突き当たる事態を回避することができる。よって、トップリング5とシリンダボア壁面との接触荷重が過大となる事態を回避することが可能となる。
If the temperature rise of the
一方、機関負荷Q及び機関回転数Neが低いときにオイル噴射量が零にされると、クーリングチャネル34内が空気で満たされるようになる。クーリングチャネル34内の空気は、前記上縁部30aからトップリング溝31へ向かう熱を遮断する断熱層として機能する。そのため、ピストン3からシリンダボア壁面へ放熱される熱量が減少する。その結果、ピストン3及びトップリング5溝の温度低下が抑制され、それに応じてトップリング5の温度低下も抑制される。
On the other hand, when the oil injection amount is made zero when the engine load Q and the engine speed Ne are low, the cooling
機関負荷Q及び機関回転数Neが低いときにトップリング5の温度低下がされると、トップリング5の合口隙間が過大となる事態を回避することができる。よって、圧縮漏れやブローバイガスが増加する事態を回避することが可能となる。また、トップリング溝31の温度低下が抑制されると、ピストン3のトップランドとシリンダボア壁面との隙間(クレビス)の雰囲気温度が高く保たれることになる。クレビスの雰囲気温度が高いときは低いときに比べ、トップリング5の合口隙間を通過するガスの温度も高くなる。その結果、トップリング5の合口隙間を流れるガスの質量がさらに減少する。
If the temperature of the
機関負荷Q及び機関回転数Neが中負荷・中回転領域にあるときにオイル噴射量が最大量より少なくされると、前記上縁部30aからトップリング溝31へ向かう熱の量に対して、ピストン3からオイルへ奪われる熱の量が過大となる事態が回避される。その結果、ピストン3及びトップリング溝31の過冷却が抑制され、それに応じてトップリング5の過冷却も抑制される。なお、前述した図4の領域Bにおけるオイル噴射量は、固定量であってもよいが、機関負荷Q及び機関回転数Neに応じて変更される量であってもよい。その際のオイル噴射量は、機関負荷Qが低いときより高いときに多くされるとともに、機関回転数Neが低いときより高いときに多くされてもよい。
If the oil injection amount is less than the maximum amount when the engine load Q and the engine speed Ne are in the medium load / medium rotation region, the amount of heat from the
以上述べたようにECU15がオイルジェット制御を実行することにより、内燃機関1の運転状態に関わらず、トップリング5の温度を略一定の温度(適温)に保つことが可能になる。ここでいう「適温」は、トップリング5の合口における対向端面の突き当たりが発生しない範囲内で前記合口隙間が最も小さくなる温度である。なお、トップリング5は、前記した適温において前記合口隙間が所望の大きさとなるように設計されるものとする。
As described above, the
したがって、本実施例のピストンの冷却システムによれば、燃焼室30で発生する熱量が多いときにトップリング5の合口隙間が過少となって合口の対向端面が互いに突き当たる事態、並びに、燃焼室30で発生する熱量が少ないときにトップリング5の合口隙間が過大となって圧縮漏れやブローバイガスが増加する事態を回避することが可能となる。
Therefore, according to the piston cooling system of the present embodiment, when the amount of heat generated in the
なお、本実施例では、機関負荷Q及び機関回転数Neが低いときにオイルジェット8を停止させる例について述べたが、水温センサ16の出力信号(冷却水温度)が上限水温以上である場合及び油温センサ20の出力信号(オイル温度)が上限油温以上である場合は、オイルジェット8の停止が禁止されるようにしてもよい。ここでいう「上限水温」及び「上限油温」は、内燃機関が過熱する可能性がある温度又はオイルの油膜切れが発生する可能性がある温度から所定のマージンを減算した温度である。このようにオイルジェット8の停止が禁止されると、内燃機関1の過熱やオイルの油膜切れを防止することができる。
In the present embodiment, the example in which the
<実施例2>
次に、本発明の第2の実施例について図6乃至図9に基づいて説明する。ここでは、前述した第1の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
<Example 2>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, a configuration different from that of the first embodiment will be described, and description of the same configuration will be omitted.
前述した第1の実施例と本実施例との相違点は、クーリングチャネルの構成にある。前述した第1の実施例ではクーリングチャネルがトップリング溝を集中的に冷却するように配置される例について述べたが、本実施例ではクーリングチャネルがトップリング溝に加えセカンドランドも冷却するように配置される例について述べる。 The difference between the first embodiment and the present embodiment is the configuration of the cooling channel. In the first embodiment described above, an example in which the cooling channel is arranged so as to cool the top ring groove intensively has been described, but in this embodiment, the cooling channel also cools the second land in addition to the top ring groove. An example of arrangement will be described.
図6は、本実施例におけるピストン3の構成を示す断面図である。図6において、前述した第1の実施例(図2を参照)と同様の構成要素には同一の符号が付されている。本実施例の耐摩環300は、シリンダ軸方向の長さ(幅)が前述した第1の実施例より広く形成されている。詳細には、耐摩環300は、ピストン3のトップランドからサードランドに及ぶ幅を有している。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of the
耐摩環300には、トップリング溝31に加え、セカンドリング溝32も形成されている。その結果、トップリング溝31とセカンドリング6溝との間に位置する耐摩環300がセカンドランド37を兼ねるようになっている。
In addition to the
ピストン3における耐摩環300の内側には、該耐摩環300と略同等の幅を有する中空耐摩環310が鋳込まれている。中空耐摩環310は、前述した第1の実施例と同様に断面コ字状の環状部材である。中空耐摩環310の開口部は前記耐摩環300の内周面によって閉塞されている。中空耐摩環310と耐摩環300とに囲まれた環状の空間34は、クーリングチャネルとして機能する。
A hollow wear-
このように構成されたピストン3に対して、前述した第1の実施例と同様のオイルジェット制御が実行されると、燃焼室30で発生する熱量が多いとき(機関負荷Q及び機関回転数Neが高いとき)にトップリング5の温度上昇が抑制されるとともに、セカンドランド37の温度上昇も抑制されることになる。
When the oil jet control similar to that of the first embodiment described above is performed on the
ここで、ピストン3とシリンダボア壁面との隙間の拡大図を図7に示す。図7中のV1は、トップリング5とピストン3(トップランド)とシリンダボア壁面とに囲まれた空間(第1空間)を示している。図7中のV2は、トップリング5とピストン3(セカンドランド37)とセカンドリング6とシリンダボア壁面とに囲まれた空間(第2空間)を示している。
Here, the enlarged view of the clearance gap between
第1空間V1の圧力Pv1は、図8に示すように、燃焼室30内の圧力と略同期して変化する(図8中の実線を参照)。これに対し、第2空間V2の圧力Pv2は、燃焼室30内の圧力より遅れて変化する(図8中の一点鎖線を参照)。その際のタイムラグは、トップリング5の合口隙間が小さくなるほど大きくなる。よって、前述した第1の実施例で述べたように、トップリング5の合口隙間が可及的に小さくされると、第2空間V2の圧力Pv2が第1空間V1の圧力Pv1より高くなる期間(図8中の網掛け部分を参照)が発生する可能性がある。
As shown in FIG. 8, the pressure Pv1 in the first space V1 changes substantially in synchronization with the pressure in the combustion chamber 30 (see the solid line in FIG. 8). On the other hand, the pressure Pv2 in the second space V2 changes later than the pressure in the combustion chamber 30 (see the alternate long and short dash line in FIG. 8). The time lag at that time becomes larger as the joint gap of the
特に、機関負荷Q及び機関回転数Neが高いとき、言い換えればセカンドランド37とシリンダボア壁面との温度差が大きくなるときは、第2空間V2の容積が縮小するため、第2空間V2の圧力Pv2が第1空間V1の圧力Pv1より高くなり易い。
In particular, when the engine load Q and the engine speed Ne are high, in other words, when the temperature difference between the
第2空間V2の圧力Pv2が第1空間V1の圧力Pv1より高くなると、図9に示すように、トップリング5がトップリング溝31内においてシリンダ軸方向の上死点側へ浮き上がる現象が発生する。このようにトップリング5が浮き上がると、トップリング5とトップリング溝31との隙間からブローバイガスが漏れる可能性がある。
When the pressure Pv2 in the second space V2 becomes higher than the pressure Pv1 in the first space V1, a phenomenon occurs in which the
これに対し、機関負荷Q及び機関回転数Neが高いときにセカンドランド37の温度上昇が抑制されると、セカンドランド37の外径の拡大が抑制され、或いはセカンドランド37の外径が縮小される。その場合、第2空間V2の容積の縮小が抑制され、或いは第2空間V2の容積が拡大する。その結果、第2空間V2の圧力Pv2が上昇し難くなる。
On the other hand, when the temperature rise of the
また、セカンドランド37の温度上昇が抑制されると、第2空間V2に存在するガスの容積拡大も抑制される。その結果、第2空間V2の圧力Pv2が一層上昇し難くなる。さらに、クーリングチャネル34内のオイルによってセカンドリング溝32及びセカンドリング6が少なからず冷却されるため、セカンドリング6の合口隙間が拡大する。セカンドリング6の合口隙間が拡大すると、第2空間V2のガスが合口隙間から排出される。その結果、第2空間V2の圧力Pv2が第1空間V1の圧力Pv1より高くなる事態をより確実に回避することが可能になる。
Moreover, when the temperature rise of the
以上述べた実施例によれば、第2空間V2の圧力Pv2が第1空間V1の圧力Pv1より高くなる事態が回避されるため、前述した第1の実施例と同等の効果に加え、トップリング5の浮き上がり現象を抑制することもできる。その結果、トップリング5のシール性の低下によるブローバイガスの増加を抑制することができる。
According to the embodiment described above, a situation in which the pressure Pv2 in the second space V2 becomes higher than the pressure Pv1 in the first space V1 is avoided, so in addition to the same effect as the first embodiment described above, the
<実施例3>
次に、本発明の第3の実施例について図10に基づいて説明する。ここでは前述した第1の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
<Example 3>
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, a configuration different from that of the first embodiment will be described, and description of the same configuration will be omitted.
前述した第1の実施例と本実施例との相違点は、内燃機関1が暖機過程にあるときと内燃機関1の暖機完了後とにおいて、オイルジェット制御の実行方法を変える点にある。ピストン3はシリンダブロックに比べ熱容量が小さい。さらに、シリンダボア壁面はピストン3及びピストンリングを介して間接的に燃焼室30の熱を受けるのに対し、ピストン3は燃焼室30の熱を直に受ける。よって、内燃機関1が暖機過程にあるときは暖機完了後に比べ、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTが大きくなり易い。
The difference between the first embodiment and the present embodiment is that the method of executing oil jet control is changed between when the
ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTが大きくなると、トップリング5の外径の拡大量と気筒2の内径の拡大量との差が大きくなる。その結果、トップリング5に作用する応力が過大となったり、トップリング5とシリンダボア壁面との接触荷重が過大となったりする可能性がある。
As the temperature difference ΔT between the
そこで、ECU15は、内燃機関1が暖機過程にあるときは暖機完了後に比べ、オイル噴射量が多くなるようにオイルジェット8を制御するようにした。図10は、オイル噴射量と機関負荷Qと機関回転数Neとの関係を規定したマップの模式図である。図10中の実線は暖機過程における領域A,B,Cの境界線を示し、図10中の一点鎖線は暖機完了における領域A,B,Cの境界線を示している。
Therefore, the
図10に示すように、内燃機関1が暖機過程にあるときは暖機完了後に比べ、各境界線が低負荷・低回転側へシフトしている。そのため、内燃機関1が暖機過程にあるときは暖機完了に比べ、オイルジェット8のオイル噴射量が多くなる。
As shown in FIG. 10, when the
その結果、内燃機関1の暖機過程において、トップリング5の外径の拡大量と気筒2の内径の拡大量との差が暖機完了後より大きくなる事態が回避される。よって、内燃機関1が暖機過程にある場合であっても、圧縮漏れやブローバイガスの増加を抑えつつ、トップリング5に作用する応力が過大となる事態やトップリング5とシリンダボア壁面との接触荷重が過大となる事態を回避することが可能になる。
As a result, during the warm-up process of the
<実施例4>
次に、本発明の第4の実施例について図11乃至図17に基づいて説明する。ここでは前述した第3の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
<Example 4>
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, a configuration different from the above-described third embodiment will be described, and description of the same configuration will be omitted.
前述した第3の実施例では内燃機関1が暖機過程において定常運転された場合のオイルジェット制御の実行方法について述べたが、本実施例では内燃機関1が暖機過程において過渡運転された場合のオイルジェット制御の実行方法について述べる。
In the third embodiment described above, the execution method of the oil jet control when the
内燃機関1が冷間始動後に過渡運転されると、ピストン3の温度は急速に上昇するが、シリンダボア壁面(シリンダブロック)の温度は殆ど上昇しない事態が発生する。そのような場合は、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTがより大きくなる可能性がある。ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTが大きくなると、トップリング5の外径の拡大量と気筒2の内径の拡大量との差が大きくなる。その結果、トップリング5に作用する応力が過大となったり、トップリング5とシリンダボア壁面との接触荷重が過大となったりする可能性がある。このような問題は、ピストン3の温度上昇率(温度上昇速度)が高く、且つシリンダボア壁面の温度が低くなるほど顕著となる。
When the
そこで、本実施例では、ECU15は、ピストン3の温度上昇率とシリンダボア壁面の温度とをパラメータとしてオイルジェット制御の実行方法を変更するようにした。たとえば、ECU15は、ピストン3の温度上昇率が高く且つシリンダボア壁面の温度が低いときは、ピストン3の温度上昇率が低く且つシリンダボア壁面の温度が高いときに比べ、オイル噴射量が多くなるように流量調整弁12を制御する。ここでいう「ピストン3の温度上昇率が高く且つシリンダボア壁面の温度が低いとき」と「ピストン3の温度上昇率が低く且つシリンダボア壁面の温度が高いとき」とは、機関負荷Q及び機関回転数Neが同等であるものとする。
Therefore, in this embodiment, the
ピストン3の温度上昇率は、冷却水温度の温度上昇率と相関する。そのため、ピストン3の温度上昇率としては、一定時間あたりにおける冷却水温度の変化量を用いることができる。また、シリンダボア壁面の温度は、シリンダブロックを流れる冷却水の温度と略同等となる。そのため、シリンダボア壁面の温度としては、水温センサ16の出力信号(冷却水温度)を用いることができる。
The temperature increase rate of the
図11は、冷却水温度の経時変化を示す図である。図11中の2点鎖線X1は、内燃機関1が暖機過程において定常運転された場合の冷却水温度の変化を示している。図11中の一点鎖線X2は、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合の冷却水温度の変化を示している。図11中の実線X3は、内燃機関1が暖機過程において高負荷・高回転運転された場合の冷却水温度の変化を示している。図11中のthw0は、オイルジェット制御実行時における冷却水温度を示している。図11中のΔP1,ΔP2,ΔP3は、X1,X2,X3の各々の所定時間tあたりにおける冷却水温度の変化量(温度上昇率)を示している。
FIG. 11 is a diagram showing a change with time of the cooling water temperature. A two-dot chain line X1 in FIG. 11 indicates a change in the coolant temperature when the
図11中の2点鎖線X1に示すように、内燃機関1が暖機過程において定常運転された場合は、ECU15は、図12に示すようなマップにしたがってオイル噴射量を制御する。なお、図12に示すマップは、前述した第3の実施例で述べたマップ(図10を参照)と同等であり、内燃機関1の暖機完了後に比べ領域A,B,Cの境界線が低負荷・低回転側へシフトされている。
As indicated by a two-dot chain line X1 in FIG. 11, when the
次に、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合の温度上昇率ΔP2は、内燃機関1が暖機過程においてアイドル運転された場合の温度上昇率ΔP1より大
きくなる。そのため、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合は、内燃機関1が暖機過程においてアイドル運転された場合に比べ、ピストン3とシリンダブロックとの温度差ΔTが大きくなると予想される。
Next, the temperature increase rate ΔP2 when the
そこで、図11中の一点鎖線X2で示すように、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合は、ECU15は、図13に示すようなマップにしたがってオイル噴射量を制御する。なお、図13中の実線は、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合における領域A,B,Cの境界線を示している。図13中の一点鎖線は、内燃機関1が暖機過程において定常運転された場合における領域A,B,Cの境界線を示している。
Therefore, as shown by a one-dot chain line X2 in FIG. 11, when the
図13において、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合における領域A,B,Cの境界線は、内燃機関1が暖機過程において定常運転された場合における領域A,B,Cの境界線に比べ、低負荷・低回転側へシフトされている。よって、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合のオイル噴射量は、内燃機関1が暖機過程において定常運転された場合のオイル噴射量よりも多くなる。その結果、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTの拡大を抑制することができる。
In FIG. 13, the boundary lines of the regions A, B, and C when the
また、内燃機関1が暖機過程において高負荷・高回転運転された場合の温度上昇率ΔP3は、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合の温度上昇率ΔP2よりさらに大きくなる。そのため、内燃機関1が暖機過程において高負荷・高回転運転された場合は、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合に比べ、ピストン3とシリンダブロックとの温度差ΔTがさらに多くなると予想される。
Further, the temperature increase rate ΔP3 when the
そこで、図11中の実線X3に示すように、内燃機関1が暖機過程において高負荷・高回転運転された場合は、ECU15は、図14に示すようなマップにしたがってオイル噴射量を制御する。なお、図14中の実線は、内燃機関1が暖機過程において高負荷・高回転運転された場合における領域A,Bの境界線を示している。図14中の一点鎖線は、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合における領域A,Bの境界線を示している。
Therefore, as shown by a solid line X3 in FIG. 11, when the
図14において、内燃機関1が暖機過程において高負荷・高回転運転された場合における領域A,Bの境界線は、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合における領域A,Bの境界線に比べ、低負荷・低回転側へシフトしている。さらに、図14に示すマップでは、オイルジェット8の停止領域(図12,13中の領域Cに相当する領域)が削除されている。すなわち、内燃機関1が高負荷・高回転運転領域から低負荷・低回転運転領域へ移行した場合であっても、オイルジェット8から少量のオイルが噴射されるようになっている。
In FIG. 14, the boundary line between regions A and B when the
よって、内燃機関1が暖機過程において高負荷・高回転運転された場合のオイル噴射量は、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合のオイル噴射量よりも多くなる。その結果、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTの拡大を抑制することができる。
Therefore, the oil injection amount when the
なお、オイルジェット制御実行時における冷却水温度(シリンダボア壁面の温度)が前述したthw0より低い場合は、冷却水温度がthw0である場合に比べ、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTが大きくなる可能性がある。よって、冷却水温度がthwより低い場合は、冷却水温度がthw0である場合に比べ、オイル噴射量がさらに多くされることが望ましい。
When the cooling water temperature (temperature of the cylinder bore wall surface) at the time of executing the oil jet control is lower than thw0 described above, the temperature difference ΔT between the
たとえば、内燃機関1が暖機過程において定常運転された場合は、ECU15は、図15に示すようなマップにしたがってオイル噴射量を制御する。なお、図15中の実線は冷却水温度がthw0より低い場合における領域A,B,Cの境界線を示し、図15中の一点鎖線は冷却水温度がthw0である場合における領域A,B,Cの境界線(図12における領域A,B,Cの境界線と同等である)を示している。
For example, when the
図15において、冷却水温度がthw0より低い場合における領域A,B,Cの境界線は、冷却水温度がthw0である場合における領域A,B,Cの境界線に比べ、低負荷・低回転側へシフトされている。よって、内燃機関1が暖機過程において定常運転された場合のオイル噴射量は、冷却水温度が低くなるほど多くなる。その結果、冷却水温度(シリンダボア壁面の温度)が低くなった場合であっても、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTの拡大が抑制される。
In FIG. 15, the boundary lines of the regions A, B, and C when the cooling water temperature is lower than thw0 are lower in load and rotation than the boundary lines of the regions A, B, and C when the cooling water temperature is thw0. Shifted to the side. Therefore, the oil injection amount when the
また、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合は、ECU15は、図16に示すようなマップにしたがってオイル噴射量を制御する。なお、図16中の実線は冷却水温度がthw0より低い場合における領域A,Bの境界線を示し、図16中の一点鎖線は冷却水温度がthw0である場合における領域A,Bの境界線(図13における領域A,Bの境界線と同等である)を示している。
When the
図16において、冷却水温度がthw0より低い場合における領域A,Bの境界線は、冷却水温度がthw0である場合における領域A,Bの境界線に比べ、低負荷・低回転側へシフトされている。さらに、図16に示すマップにおいては、オイルジェット8の停止領域(図13における領域Cに相当する領域)は削除されている。よって、内燃機関1が暖機過程において中負荷・中回転運転された場合のオイル噴射量は、冷却水温度が低くなるほど多くなる。その結果、冷却水温度(シリンダボア壁面の温度)が低くなった場合であっても、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTの拡大が抑制される。
In FIG. 16, the boundary line between the regions A and B when the cooling water temperature is lower than thw0 is shifted to the low load / low rotation side as compared with the boundary line between the regions A and B when the cooling water temperature is thw0. ing. Further, in the map shown in FIG. 16, the stop area of the oil jet 8 (area corresponding to the area C in FIG. 13) is deleted. Therefore, the oil injection amount when the
さらに、内燃機関1が暖機過程において高負荷・高回転運転された場合は、ECU15は、図17に示すようなマップにしたがってオイル噴射量を制御する。図17に示すマップにおいては、オイルジェット8から少量のオイルが噴射される領域(図14における領域Bに相当する領域)は削除されている。すなわち、内燃機関1の全ての運転領域においてオイル噴射量が最大量にされている。よって、内燃機関1が暖機過程にあり且つシリンダボア壁面の温度が低いときに、内燃機関1が高負荷・高回転運転されても、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTの拡大を抑制することができる。
Further, when the
以上述べた実施例によれば、内燃機関1の暖機過程においてピストン3の温度上昇率ΔPが高くなった場合であっても、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTの拡大を抑制することができる。その結果、トップリング5の外径の拡大量を少なく抑えることが可能となる。よって、トップリング5に作用する応力が過大となったり、トップリング5とシリンダボア壁面との接触荷重が過大となったりする事態を回避することができる。
According to the embodiment described above, even when the temperature increase rate ΔP of the
なお、本実施例では、オイルジェット制御実行時における冷却水温度と冷却水の温度上昇率ΔPとをパラメータにしてマップを切り換える例について述べたが、前述した図12から図17に示す関係を網羅する関数式を用いてもよい。すなわち、冷却水温度と温度上昇率と機関負荷Qと機関回転数Neとを引数とする関数式を用いてオイル噴射量が決定されるようにしてもよい。 In this embodiment, the example in which the map is switched using the cooling water temperature and the temperature increase rate ΔP of the cooling water at the time of executing the oil jet control as parameters is described, but the relationship shown in FIGS. 12 to 17 described above is covered. A functional expression may be used. In other words, the oil injection amount may be determined using a function equation having the cooling water temperature, the temperature increase rate, the engine load Q, and the engine speed Ne as arguments.
また、本実施例では、ピストン3の温度上昇率として、冷却水温度の温度上昇率を用いる例について述べたが、ピストン3の温度変化が冷却水温度に反映されるまでには多少のタイムラグが発生する可能性がある。
In the present embodiment, the example in which the temperature increase rate of the cooling water temperature is used as the temperature increase rate of the
そこで、燃料噴射量をパラメータとして燃焼室30からピストン3へ伝わる熱量を演算し、その演算結果とシリンダボア壁面の温度(冷却水温度)とをパラメータにしてマップの切り換えが行われるようにしてもよい。その際、一定時間tinjあたりに燃焼室30からピストン3へ伝わる熱量Hqは、以下の式に基づいて算出してもよい。
Accordingly, the amount of heat transmitted from the
Hq=Hinj×∫(ΣFinj)dt÷tinj Hq = Hinj × ∫ (ΣFinj) dt / tinj
上記した式において、Hinjは燃料の低発熱量(J/g)を示し、ΣFinjは一定時間tinj内における燃料噴射量Finjの総和を示す。 In the above equation, Hinj represents the low calorific value (J / g) of the fuel, and ΣFinj represents the sum of the fuel injection amount Finj within the fixed time tinj.
ECU15は、上記した式により求められた熱量Hqが多く且つ冷却水温度(シリンダボア壁面の温度)が低い場合は、熱量Hqが少なく且つ冷却水温度(シリンダボア壁面の温度)が高い場合に比べ、オイル噴射量が多くなるように流量調整弁12を制御すればよい。
When the amount of heat Hq obtained by the above equation is large and the cooling water temperature (cylinder bore wall surface temperature) is low, the
このような方法によれば、ピストン3の実際の温度に応じたオイルジェット制御を実行することが可能になる。
According to such a method, it is possible to execute oil jet control in accordance with the actual temperature of the
なお、ECU15は、冷却水温度の温度上昇率ΔPに基づくオイル噴射量の演算と、燃焼室30からピストン3へ伝わる熱量Hqに基づくオイル噴射量の演算と、を並行して実行し、2つの演算結果のうち何れか多い方にしたがって流量調整弁12を制御してもよい。この方法によれば、ピストン3とシリンダボア壁面の温度差ΔTの拡大をより確実に抑制することが可能となる。
The
<実施例5>
次に、本発明の第5の実施例について説明する。ここでは、前述した第1の実施例と異なる構成について説明し、同等の構成については説明を省略する。
<Example 5>
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. Here, a configuration different from that of the first embodiment described above will be described, and description of equivalent configurations will be omitted.
本実施例では、内燃機関1の冷却系が故障した場合、特にサーモスタットバルブが開弁状態で固着した場合のように、シリンダボア壁面が過冷却される場合にオイルジェット制御を実行する例について述べる。
In this embodiment, an example will be described in which oil jet control is executed when the cooling system of the
サーモスタットバルブが開弁状態で固着した場合は、冷却水温度がサーモスタットバルブの開弁温度(又は閉弁温度)未満であっても、冷却水がラジエータを通過することになる。そのため、冷却水温度が一層低下する可能性がある。このように冷却水温度が低下すると、シリンダボア壁面が過冷却されることになる。 When the thermostat valve is stuck in the open state, the cooling water passes through the radiator even if the cooling water temperature is lower than the valve opening temperature (or valve closing temperature) of the thermostat valve. Therefore, there is a possibility that the cooling water temperature is further lowered. When the cooling water temperature is thus lowered, the cylinder bore wall surface is supercooled.
シリンダボア壁面が過冷却されると、燃焼室30で発生する熱量が少ない場合であっても、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTが拡大する可能性がある。ピストン3とシリンダボア壁面との温度差ΔTが拡大すると、トップリング5の外径の拡大量が気筒2の内径の拡大量に対して過大となる可能性がある。その結果、燃焼室30で発生する熱量が少ない場合であっても、トップリング5に作用する応力が過大となったり、トップリング5とシリンダボア壁面との接触荷重が過大になったりする可能性がある。
If the cylinder bore wall surface is supercooled, the temperature difference ΔT between the
これに対し、本実施例のオイルジェット制御では、ECU15は、冷却系の故障が発生した場合は、前述した図17のマップと同様に、内燃機関1の運転状態(機関負荷Q及び機関回転数Ne)にかかわらずオイル噴射量を最大量に設定するようにした。
On the other hand, in the oil jet control of the present embodiment, when the failure of the cooling system occurs, the
ここで、冷却系の故障を検出する方法としては、冷却水温度の低下率(低下速度)が予
め定められた上限低下率より大きい場合、又は冷却水の温度低下量が予め定められた上限低下量より大きい場合に、冷却系が故障していると判定する方法を用いることができる。ここでいう「上限低下率」は、サーモスタットバルブが開弁状態で故障した場合の低下率又は該低下率から所定のマージンを減算した値である。また、「上限低下量」は、サーモスタットバルブが開弁状態で固着した場合の温度低下量、又は該温度低下量から所定のマージンを減算した値である。
Here, as a method of detecting a failure in the cooling system, when the cooling water temperature decrease rate (decrease rate) is larger than a predetermined upper limit decrease rate, or the cooling water temperature decrease amount is a predetermined upper limit decrease. A method of determining that the cooling system has failed when larger than the amount can be used. Here, the “upper limit reduction rate” is a reduction rate when the thermostat valve fails in the open state or a value obtained by subtracting a predetermined margin from the reduction rate. The “upper limit decrease amount” is a temperature decrease amount when the thermostat valve is stuck in the open state, or a value obtained by subtracting a predetermined margin from the temperature decrease amount.
本実施例によれば、冷却系が故障した場合に、ピストン3とシリンダボア壁面との温度差が拡大する事態を回避することができる。その結果、トップリング5の外径の拡大が抑制される。よって、燃焼室30で発生する熱量が少ない場合に、トップリング5に作用する応力が過大となったり、トップリング5とシリンダボア壁面との接触荷重が過大となったりする事態を回避することが可能になる。
According to this embodiment, it is possible to avoid a situation in which the temperature difference between the
なお、以上述べた第1から第5の実施例の少なくとも2つ、或いは全部を組み合わせることができる。その結果、内燃機関1が暖機過程にある場合、内燃機関1が暖機完了状態にある場合、内燃機関1の冷却系が故障している場合などの様々な場合において、トップリング5の合口隙間を略一定の大きさに維持することができる。
Note that at least two or all of the first to fifth embodiments described above can be combined. As a result, in various cases such as when the
また、以上述べた第1から第5の実施例では、クーリングチャネル34が中空耐摩環によって構成される例について述べたが、トップリング5(及びセカンドランド37)に隣接して配置される限り、如何なる構成であっても構わない。
In the first to fifth embodiments described above, an example in which the cooling
1 内燃機関
2 気筒
3 ピストン
4 コネクティングロッド
5 トップリング
6 セカンドリング
7 オイルリング
8 オイルジェット
9 供給路
10 オイルパン
11 オイルポンプ
12 流量調整弁
13 リターン通路
14 ワンウェイバルブ
15 ECU
16 水温センサ
18 クランクポジションセンサ
19 アクセルポジションセンサ
20 油温センサ
30 燃焼室
30a 上縁部
31 トップリング溝
32 セカンドリング溝
33 オイルリング溝
34 クーリングチャネル
35 導入路
36 排出路
37 セカンドランド
300 耐摩環
310 中空耐摩環
DESCRIPTION OF
16 Water temperature sensor 18
Claims (5)
前記ピストンに埋設される環状のオイル通路であって、前記トップリング溝に隣接するクーリングチャネルと、
前記クーリングチャネルへオイルを供給するオイルジェットと、
燃焼室で発生する熱量が多いときは少ないときに比べ、前記オイルジェットから前記クーリングチャネルへ供給されるオイル量を多くする制御部と、
を備えるピストンの冷却システム。 An annular groove provided on the outer peripheral surface of the piston, and a top ring groove to which the top ring is attached;
An annular oil passage embedded in the piston, the cooling channel adjacent to the top ring groove;
An oil jet for supplying oil to the cooling channel;
When the amount of heat generated in the combustion chamber is large, a control unit that increases the amount of oil supplied from the oil jet to the cooling channel compared to when the amount of heat is small,
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