JP2012237316A

JP2012237316A - 内燃機関用ピストンの冷却装置

Info

Publication number: JP2012237316A
Application number: JP2012162198A
Authority: JP
Inventors: Yuzuru Yamazaki; 譲山崎
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2012-12-06

Abstract

【課題】機関高回転時において、ピストンへのオイルの過度な供給量を抑制し得る内燃機関用ピストンの冷却装置を提供する。
【解決手段】シリンダブロック内のメインオイルギャラリー１１と連通する供給口３５を介して内部に供給されたオイルを吐出する吐出口３６とを有するボディ３１と、吐出口の下流側に接続され、先端部の噴射口からピストンに向けてオイルを噴射する噴射ノズル３３と、ボディの内部に設けられて、前記供給口の下流側開口端を開閉する開閉弁３８と、を備え、開閉弁は、弁体３９が圧縮コイルばね４０によって閉方向に付勢されていると共に、供給口から作用するオイル圧によって圧縮コイルばねの付勢力に抗して弁体が開作動した際に、弁体が吐出口の開口面積を減少させるように形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のピストンや、該ピストンとシリンダボアとの間にオイル（潤滑油）を強制的に供給して冷却などを行う冷却装置に関する。

従来の内燃機関用ピストンの冷却装置は、噴射ノズルからピストンの内部に向けて潤滑油であるオイルを噴射してピストンの冷却やシリンダボアとの間の潤滑を行っているが、機関の冷機状態や暖機状態であるにも拘わらず、前記噴射ノズルから噴射されるオイルの量がほぼ一定になっている。このため、例えば、機関始動直後の冷機状態で過剰にオイルをピストンに噴射することから暖機時間が長くなって、排気ガス中のハイドロカーボン(ＨＣ)などの発生が多くなるおそれがある。

そこで、以下の特許文献１に記載された冷却装置のように、機関の温度に応じてオイル噴射量を可変にする技術が提供されている。

この冷却装置は、入力ポートと出力ポートが形成されたプランジャケーシングと、該プランジャケーシング内を摺動するプランジャと、該プランジャを入力ポートの閉方向に付勢する開弁圧設定用スプリングと、該開弁圧設定用スプリングと対峙して設けられ、形状記憶合金材によって形成された開弁圧補正用スプリングと、ピストン内部に向けてオイルを噴射する噴射ノズルと、を備えている。

そして、機関始動直後の冷機状態では、開弁圧設定用スプリングによって前記プランジャを押圧して入力ポートを閉止し、これによってオイルを内部に供給しないようになっている。

一方、暖機完了後は、油温が高くなって、開弁圧補正用スプリングが延伸し始めて、この開弁圧補正用スプリングの荷重が前記開弁圧設定用スプリングの付勢力に打ち勝ってプランジャを押し下げ、前記入力ポートを開く。これによって、入力ポートから噴射ノズルまで連通状態となり、オイルが噴射ノズルからピストンの内部に向かって噴射されてピストンを冷却するようになっている。

特開平０９−３２４６２７号公報

しかしながら、前記公報記載の冷却装置にあっては、開弁圧補正用スプリングが形状記憶合金材によって形成されていることから、かかる形状記憶合金材が経時的に劣化するおそれがあり、この結果、開弁圧補正用スプリングのばね反力の精度が落ちて油温に適したオイル噴射量に調整することができなくなる、といった課題を招いている。

請求項１に記載の発明は、機関本体の内部に設けられて、ピストンにオイルを噴射する内燃機関用ピストンの冷却装置であって、
前記機関本体のオイル供給通路と連通する供給口と、該供給口を介して内部に供給されたオイルを吐出する吐出口とを有するボディと、
基端部が前記吐出口の下流側に接続され、先端部の噴射口から前記ピストンに向けてオイルを噴射する噴射ノズルと、
前記ボディの内部に設けられて、前記供給口の下流側開口端を開閉する開閉弁と、
を備え、
前記開閉弁は、弁体が付勢部材によって閉方向に付勢されていると共に、前記供給口から作用するオイル圧によって前記付勢部材の付勢力に抗して前記弁体が開作動した際に、該弁体が前記吐出口の開口面積を減少させるように形成したことを特徴としている。

本発明によれば、機関高回転時において、ピストンへのオイルの過度な供給量が抑制されることから、ピストンとシリンダ壁との間のフリクションの発生を低減でき、この結果、機関の負荷を低減させることができる。

本発明の第１実施形態のオイルジェットがシリンダブロックに取り付けられた状態を示す要部拡大断面図である。本実施形態のオイルジェットの作用を示す要部拡大断面図である。本実施形態のオイルジェットと従来のオイルジェットの油圧と流量との関係を示す特性図である。本実施形態のオイルジェットが取り付けられた内燃機関の縦断面図である。第２実施形態のオイルジェットを断面して示す斜視図である。本実施形態のオイルジェットの作用を示す縦断面図である。本実施形態のオイルジェットの作用を示す縦断面図である。本実施形態のオイルジェットの作用を示す縦断面図である。第３実施形態のオイルジェットを示す縦断面図である。本実施形態のオイルジェットの作用を示す縦断面図である。

以下、本発明の内燃機関用ピストンの冷却装置をいわゆるレシプロ型内燃機関に適用した実施形態を図面に基づいて詳述する。

〔第１実施形態〕
すなわち、前記内燃機関１は、図４に示すように、シリンダブロック２のクランクケース３で隔成されたクランク室４の内部にクランクシャフト５が図外の軸受けによって回転自在に支持されている。また、クランクケース３の上部に形成された円筒状のシリンダ壁６の内部には、前記クランクシャフト５とコンロッド７を介して連結されたピストン８が摺動自在に設けられている。

前記シリンダ壁６の壁内には、冷却水が循環するウォータジャケット９が形成されていると共に、前記クランクケース３とシリンダ壁６との間の隔壁１０の内部には、図外のオイルポンプから吐出されたオイル（潤滑油)を各機関の各摺動部などに供給するメインオイルギャラリー１１、あるいは後述するオイルジェット３０へ供給するためのオイル通路が形成されている。また、前記隔壁１０の下部には、図１に示すように、前記メインオイルギャラリー１１と連通する連通孔１２が上下方向に沿って形成されていると共に、該連通孔１２の内周面には雌ねじ１２ａが形成されている。

そして、前記隔壁１０には、前記シリンダ壁６の内周面とピストン８との間などに冷却用及び潤滑用のオイルを供給するオイル供給装置としてのオイルジェット３０が取り付けられている。

このオイルジェット３０は、図１及び図２に示すように、金属材によって形成された円筒状のボディ３１と、該ボディ３１の外周部に嵌合保持されたほぼ円環状のリテーナ３２と、該リテーナ３２の周壁に径方向から固定された噴射ノズル３３と、を備えている。

前記ボディ３１は、例えば冷間鍛造及び加工などによって有底円筒状のボルト状に形成され、下端側には外周にスパナ等の工具が嵌着可能な多角形部を有する大径部３１ａが設けられている共に、該大径部３１ａの上端側には、外周に前記リテーナ３２の下端部を載置保持するフランジ部３１ｂが一体に設けられている。また、筒状の上端部３１ｃの外周には、シリンダブロック隔壁１０の連通孔１２の雌ねじ１２ａに螺着する雄ねじ３１ｄが形成されている。

また、前記ボディ３１は、内部に円柱状のオイル室３４が形成されている共に、該オイル室３４の上端側、つまり前記上端部３１ｃの内側には、前記連通孔１２と連通する大径円柱状の供給口３５が形成されている。さらに、前記ボディ３１の軸方向のほぼ中央位置には、前記オイル室３４と連通する吐出口３６が前記オイル室３４を径方向から貫通する形で形成されている。また、ボディ３１の下端部には、前記オイル室３４の下端を閉止する円形状の栓体４１が液密的に圧入固定されている。さらに、前記供給口３５の内部開口端には、テーパ円環状のシート面３５ａが形成されている。

前記リテーナ３２は、金属材によって一体に形成され、周壁の側部に小径円筒状の突起部３２ａが一体に設けられていると共に、円環状の内周面と前記ボディ３１の周壁外周面との間に、前記吐出口３６と噴射ノズル３３の基端部３３ａ内とを連通する環状通路３７が形成されている。前記突起部３２ａの内部には、前記噴射ノズル３３のほぼ水平な基端部３３ａが挿通されつつロー付けによって固定されている。

また、このリテーナ３２は、前記ボディ３１の上端部３１ｃを前記連通孔１２に雌雄ねじ１２ａ、３１ｄを介してねじ込んで固定した際に、前記フランジ部３１ｂ上面と前記連通孔１２の下端孔縁、つまり隔壁１０の下面との間に挟持状態に締め付け固定されて、上端面が前記隔壁１０の下面に圧接することによって、前記環状通路３７をシールするようになっている。

前記噴射ノズル３３は、金属パイプ状のほぼ中央位置から上方へほぼＬ字形状に折曲形成され、先端部３３ｂが基端部３３ａ側よりも漸次小さくなるように先端先細り状に形成されて先端の噴射口３３ｃの開口面積ｄ１が最小となるように形成されている。また、前記先端部３３ｂは、前記ピストン８の下方から内部に指向している。

そして、前記オイル室３４内には、前記メインオイルギャラリー１１から供給口３５内に導入されたオイル圧に応じて前記供給口３５を開閉する開閉弁３８が設けられている。

前記開閉弁３８は、図１及び図２に示すように、前記オイル室３４内に配置されて、前記シート面３５ａに離着座して前記供給口３５の下部開口端を開閉する弁体であるプランジャ型の弁体３９と、一端が前記栓体４１の上面、つまり、オイル室３４の底面に弾持され、他端が前記弁体３９の内部段差面に弾接して前記弁体３９を閉方向(シート面３５ａの着座方向)へ付勢する付勢部材である圧縮コイルばね４０と、を備えている。

前記弁体３９は、小径な有蓋円筒状の上端弁部３９ａと、該上端弁部３９ａの下端に一体に設けられて、オイル室３４の内周面を摺動するスカート部３９ｂと、を備えている。前記上端弁部３９ａは、円錐テーパ状の上面が前記シート面３５ａに離着座して前記供給口３５を開閉するようになっていると共に、周壁の径方向に貫通した４つの通路孔３９ｃが円周方向の等間隔位置に穿設されている。また、前記上端弁部３９ａの外周面には、オイル室３４の内周面と共同して環状通路４２が形成されており、この環状通路４２は、前記各通路孔３９ｃと連通している。

前記スカート部３９ｂは、円筒状に形成されて、図中上下の摺動位置に応じて下端縁で前記吐出口３６の開口面積を増減変化させるようになっている。すなわち、上端弁部３９ａがシート面３５ａに着座している位置では、前記吐出口３６の開口面積を最大とし、下降へ摺動するにしたがって開口面積を減少させるようになっており、図２に示す最大下降位置では最小開口面積となるように設定されている。

なお、弁体３９の最大下降位置は、前記圧縮コイルばね４０の最大圧縮変形によって規制されるようになっている。また、オイル室３４の内周面にストッパ突部を設けて規制することも可能である。

また、この実施形態では、前記メインオイルギャラリー１１にオイルを供給するオイルポンプとして、本出願人が先に出願した例えば特開２００９−０９２０２３号公報などに記載された可変容量型ポンプが用いられている。

概略を説明すれば、この可変容量型ポンプは、内燃機関のシリンダブロックの前端部などに設けられ、一端開口がカバーによって閉塞された有蓋円筒状のポンプハウジングと、該ポンプハウジングのほぼ中心部を貫通して、機関のクランク軸によって回転駆動される駆動軸と、前記ポンプハウジングの内部に回転自在に収容され、中心部が前記駆動軸に結合されたロータと、該ロータの外周側に揺動自在に配置された偏心移動可能なカムリングと、前記ロータの内周部側の両側面に摺動自在に配置された小径な一対のベーンリングと、を備えている。

前記カムリングは、内外二重の圧縮コイルばねによって一方向へ最大偏心回動位置に保持されて、機関回転の上昇に伴って吐出油圧によって前記各圧縮コイルばねのばね力に抗して他方向へ偏心回動するようになっている。

前記２つの圧縮コイルばねは、吐出油圧の上昇に伴って前記カムリングが所定の移動量に達したところで段階的にばね荷重が作用するように圧縮変形して非線形状態になって、カムリングを特異な揺動変化にさせる。これによって、オイルポンプの不必要な油圧上昇を抑制して動力損失を低減するようになっている。

したがって、この実施形態によれば、例えば機関の冷機始動後のアイドリング運転時には、前記可変容量ポンプから吐出されたオイル(潤滑油)がメインオイルギャラリー１１を介して供給口３５に供給されるが、この油圧はいまだ十分に上昇していないことから、図１に示すように、前記弁体３９が圧縮コイルばね４０のばね力によって閉方向へ付勢されて、上端弁部３９ａがシート面３５ａに着座して供給口３５の開口端を閉塞している。したがって、オイル室３４にはオイルが供給されず、噴射ノズル３３からピストン８へオイルが噴射されない。

アイドリング運転から低回転運転に移行すると、可変容量ポンプの吐出量が急激に上昇して、メインオイルギャラリー１１から供給口３５に供給された油圧も急激に上昇する。これによって、弁体３９は、圧縮コイルばね４０のばね力に抗して徐々に下降移動してシート面３５ａから離間し、上端弁部３９ａが供給口３５の開口端を開成する。このため、供給口３５内のオイルが、図１の一点鎖線の矢印で示すように、環状通路４２から各通路孔３９ｃを通ってオイル室３４内に流入し、ここから吐出口３６を通って噴射ノズル３３内に流入して先端部３３ｂからピストン８内に噴射される。

そして、機関が低回転域から高回転域に移行した場合は、前記弁体３９は、供給口３５内の油圧の上昇によって前記圧縮コイルばね４０のばね力に抗して漸次下降移動し、図２に示すように、前記スカート部３９ｂの下端縁で前記吐出口３６の開口面積を次第に減少させる。

このため、前記供給口３５からオイル室３４内に流入したオイル(実線矢印)は、前記スカート部３９ｂの下端縁と吐出口３０の孔縁との間に形成された絞り部４２の変化、つまり開口面積の減少変化に応じて噴射ノズル３３側への流入量が漸次制限される状態になる。

すなわち、図３は前記開閉弁３８に作用する油圧と噴射ノズル３３からピストン８への供給油量との関係を示す特性図であって、前記アイドリング運転中では、前述したように、弁体３９に作用する油圧が圧縮コイルばね４０のばね力に打ち勝つほど高くないことから閉弁状態となる。このため、図３のａ領域で示すように、オイルの噴射量は零になり、この結果、暖機性能が向上する。

続いて、機関低回転域に移行すると、前記弁体３９に作用する油圧が急激に高くなって圧縮コイルばね４０のばね力に抗して前記供給口３５の開口端を開成することから、図３のｂ領域に示すように、オイルの噴射量が急激に多くなってピストン８を効果的に冷却する。

その後、低中回転域から高回転域に移行すると、前記可変容量型ポンプの吐出量が所定まで僅かに上昇した後に制限されて、前記メインオイルギャラリー１１への過度な供給量が抑制される。このため、供給口３５内での油圧は、当初は前記ポンプの吐出圧に追随して僅かに上昇するものの、その後はほぼ一定の大きさになって弁体３９が供給口３５の開口端を開成した状態を維持する。

したがって、弁体３９は、図２に示すように、最大に下降した位置に維持されて、スカート部３９ｂの下端縁によって吐出口３６の前記絞り部４２の開口面積が小さくなる。このため、噴射ノズル３３からピストン８に噴射されるオイルの流量は、図３のｃ領域に示すように、当初は僅かに上昇するものの、その後は所定のほぼ一定量に制限される。

よって、機関高回転時において、ピストン８へのオイルの過度な供給量が抑制されることから、ピストン８とシリンダ壁との間のフリクションの発生を低減でき、この結果、機関の負荷を低減させることが可能になる。

なお、図３の細い実線は、実施形態のオイルジェットを用いて開弁圧を先の実施形態のものよりも小さくした場合の油圧とオイル流量の特性を示し、この場合も油圧に応じてオイル流量が僅かに大きくなるものの、所定以上で一定に低減される。

図３の破線は、前記従来のオイルジェットを用いた場合のオイル流量と油圧を示しており、この場合は、前述したように、機関高回転域では油圧の上昇に伴ってオイル流量も比例的に上昇してしまうことが明らかである。

すなわち、従来の内燃機関では、オイルポンプから圧送されたオイル(潤滑油)は、メインオイルギャラリーから各摺動部の他に、機関内部に設けられたオイルジェットからピストンの内部に噴射供給されて冷却用として用いられている。

しかし、前記オイルポンプは、機関の回転上昇と共に吐出量が多くなり、前記オイルジェットから噴射される冷却用オイルの供給量も多くなる。特に、機関高回転高負荷時には、ピストンを十分に冷却する必要があることから、従来のオイルジェットからの多量のオイルが噴射されている。

このため、ピストンとシリンダ壁との間にも多量のオイルが供給されて、必要以上のオイルが供給されると却ってピストンとシリンダ壁との間の摺動抵抗を招くおそれがあると共に、オイル消費量が多くなってオイルポンプの負荷、ひいては内燃機関の負荷が大きくなって燃費に影響を与えることになる。

そこで、本発明では、油圧感応型のオイル供給装置(オイルジェット)を用いて必要以上のオイルの供給量を抑制したものである。

〔第２実施形態〕
図５〜図８は第２実施形態を示し、基本構造は第１実施形態と同じであるが、特に前記栓体４１の上面ほぼ中央位置に、ほぼ円柱状のガイド部４３を立設した点が異なっている。このガイド部４３は、前記圧縮コイルばね４０の伸縮変形時に、該圧縮コイルばね４０の内周面を摺動案内して傾きを規制するものである。

この第２実施形態も第１実施形態と同じように、まず、アイドリング運転時には、図６に示すように、供給口３５内の油圧が低いことから、弁体３９は供給口３５の開口端を閉止した状態となり、したがって、ピストン８へのオイル噴射は行われない。

次に、低回転域に移行すると、図７に示すよう、弁体３９が圧縮コイルばね４０のばね力に抗して僅かに下降移動して、供給口３５の開口端を開く(開弁初期)。これによって、ノズル先端部３３ｂからピストン８へオイルが噴射されて効果的に冷却する。

その後、高回転域に移行した場合は、図８に示すように、弁体３９が最大下降移動して供給口３５の開口端を大きく開成するものの、スカート部３９ｂの下端縁で吐出口３６の開口面積を絞って小さくする。

このため、噴射ノズル３３からピストン８へのオイル噴射量を十分に低減させることが可能になり、前記第１実施形態と同じように図３の細線で示すような特性が得られる。

また、前記ガイド部４３によって圧縮コイルばね４０の変形時の傾きを抑制するので、弁体３９に対する圧縮コイルばね４０の安定したばね作用が得られる。この結果、弁体３９の上下摺動作用が安定化して、絞り部４２の開口面積変化を精度良く行うことが可能になる。

〔第３実施形態〕
図９及び図１０は第３実施形態を示し、弁体３９のほぼ円盤状に形成された弁部３９ａ上端面に、供給口３５の内部を軸方向へ貫通配置されたロート状の絞り部材４４が一体に設けられている。この絞り部材４４は、均一径の軸部４４ａと、該軸部４４ａの上端に一体に設けられた縦断面逆三角形状の絞り部４４ｂと、から構成されている。

そして、前述したように、前記供給口３５内の油圧が小さい場合は、図９に示すように、前記絞り部４４ｂが供給口３５の上部開口端３５ｂから上方に離間して該開口端３５ｂを全開状態とすると共に、弁部３９ａが供給口３５の円環状シート面３５ａに着座して下部開口端を閉止している。よって、ピストン８へのオイル噴射がない。

一方、機関低回転域から高回転域になると、前記供給口３５内の油圧が上昇して弁体３９が圧縮コイルばね４０のばね力に抗して下降移動して供給口３５の開口端を開成し、さらに所定量まで下降移動すると、図１０に示すように、弁部３９ｂが吐出口３６の一部も漸次開いて供給口３５と吐出口３６を連通させる。これによって、噴射ノズル３３からピストン８へオイルが噴射されるが、この噴射量も、前記図３の細線で示すように、特に高回転域では所定量に抑制されることから、第１、第２実施形態と同様な作用効果が得られる。

なお、前記弁体３９の最大下降移動位置は、ボディ３１の内周に形成された段差部４５によって規制されるようになっている。

１…内燃機関
４…クランク室
８…ピストン
１０…隔壁
１１…メインオイルギャラリー
１２…連通孔
３０…オイルジェット(オイル供給装置)
３１…ボディ
３２…リテーナ
３３…噴射ノズル
３４…オイル室
３５…供給口
３６…吐出口
３７…環状通路
３８…開閉弁
３９…弁体
４０…圧縮コイルばね(付勢部材)
４１…栓体
４２…環状通路
４３…ガイド部

Claims

機関本体の内部に設けられて、ピストンにオイルを噴射する内燃機関用ピストンの冷却装置であって、
前記機関本体のオイル供給通路と連通する供給口と、該供給口を介して内部に供給されたオイルを吐出する吐出口とを有するボディと、
基端部が前記吐出口の下流側に接続され、先端部の噴射口から前記ピストンに向けてオイルを噴射する噴射ノズルと、
前記ボディの内部に設けられて、前記供給口の下流側開口端を開閉する開閉弁と、
を備え、
前記開閉弁は、弁体が付勢部材によって閉方向に付勢されていると共に、前記供給口から作用するオイル圧によって前記付勢部材の付勢力に抗して前記弁体が開作動した際に、該弁体が前記吐出口の開口面積を減少させるように形成したことを特徴とする内燃機関用ピストンの冷却装置。
機関本体の内部に設けられて、ピストンにオイルを噴射する内燃機関用ピストンの冷却装置であって、
オイルポンプから圧送されたオイル圧が所定値になると前記ピストンに向かってオイルを噴射すると共に、前記オイル圧が所定値以上になると前記ピストンへのオイル噴射量を減少させるように形成したことを特徴とする内燃機関用ピストンの冷却装置。
機関本体の内部に設けられて、ピストンにオイルを噴射する内燃機関用ピストンの冷却装置であって、
前記機関本体のオイル供給通路と連通する供給口と、該供給口を介して内部に供給されたオイルを吐出する吐出口とを有するボディと、
基端部が前記吐出口の下流側に接続され、先端部の噴射口から前記ピストンに向けてオイルを噴射する噴射ノズルと、
前記ボディの内部に設けられて、前記供給口の下流側開口端を弁体が開閉する開閉弁と、
を備え、
前記供給口から前記弁体に作用するオイル圧が所定圧になると、付勢部材の付勢力に抗して前記弁体が開作動して前記供給口と吐出口を連通させて前記噴射口からオイルをピストンに向けて噴射すると共に、オイル圧が所定圧以上になると前記弁体が吐出口の開口面積を減少させてオイル噴射量を減少させることを特徴とする内燃機関用ピストンの冷却装置。