JP2017014994A - チェックバルブ及び、ピストン冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温のピストンを効果的に冷却する。
【解決手段】
オイルジェット１５に用いられるチェックバルブ４３であって、バルブ内流路５１ａにおける閉弁位置と開弁位置の間を移動可能に配置され、閉弁位置ではオイルのノズル４１への流入を阻止し、開弁位置ではオイルのノズル４１への流入を許容する弁体５３と、弁体５３を介して作用されるオイル圧力に応じて変形し、オイルが所定圧力に満たない場合には弁体５３を閉弁位置に位置付け、オイルが所定圧力以上の場合には弁体５３を開弁位置に位置付ける第１コイルバネ５４と、温度に応じて変形する形状記憶合金で作製され、所定温度以上の場合には第１コイルバネ５４の復元力に抗して弁体５３を開弁位置に移動させる第２コイルバネ５５を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、チェックバルブ及び、ピストン冷却装置に関する。

内燃機関が備えるピストンを冷却する冷却装置として、ピストンにオイルを噴射するものが知られている。この冷却装置では、オイル流路の途中にチェックバルブが設けられており、チェックバルブよりも上流側のオイルが所定圧力以上になると、ノズルからオイルを噴射させている。

一方、低温状態のピストンにオイルを吹き付けてしまうと、ピストンの昇温までに時間が掛かってしまうことから、低温状態ではオイルを噴射させないようにした冷却装置が知られている。

例えば、特許文献１には、雰囲気温度が低温のときに弁体を閉弁位置に固定する形状に変形し、雰囲気温度が高温のときに弁体の固定を解除する形状に変形する形状記憶合金製のバルブ動作制御装置が開示されている。

特許文献２には、供給油圧によって動作する第１バルブ機構と、オイルの温度によって動作する第２バルブ機構を備え、オイルの低温状態では第２バルブ機構が閉弁状態になってオイルの下流側への流れが阻止され、オイルの高温状態では第２バルブ機構が開弁状態になると共に、オイルの供給圧力に応じて第１バルブ機構が開閉されるオイルジェット装置が開示されている。

特開平８−３２６５３５号公報 特開２０１１−１２６５０号公報

上述の各特許文献に記載された装置は何れも、低温時にはオイル圧力に関わらずオイル噴射を停止させ、高温時にはオイル圧力が高くなった際にオイル噴射を実施させている。このため、ピストンが高温であってもオイル圧力が低い場合には、オイル噴射は行われない。高温のピストンに起因する不具合を軽減するためには、オイル圧力が低くてもオイル噴射を実施させて、ピストンを冷却することが有効である。

開示の装置は、高温のピストンを効果的に冷却することを目的とする。

開示の装置は、ピストンが往復移動されるシリンダ内部にノズルからオイルを噴射させるピストン冷却装置に用いられ、前記ノズルよりもオイル流れ方向の上流側に配設されるチェックバルブであって、バルブ内流路における閉弁位置と開弁位置の間を移動可能に配置され、前記閉弁位置では前記オイルの前記ノズルへの流入を阻止し、前記開弁位置では前記オイルの前記ノズルへの流入を許容する弁体と、前記弁体を介して作用される前記オイルの圧力に応じて変形し、前記オイルが所定圧力に満たない場合には前記弁体を前記閉弁位置に位置付け、前記オイルが前記所定圧力以上の場合には前記弁体を前記開弁位置に位置付ける第１バネ部材と、温度に応じて変形する形状記憶合金で作製され、所定温度以上の場合には前記第１バネ部材の復元力に抗して前記弁体を前記開弁位置に移動させる第２バネ部材とを備える。

開示の装置によれば、高温のピストンを効果的に冷却できる。

エンジンを模式的に説明する断面図である。 オイルジェットを模式的に説明する断面図である。 チェックバルブを模式的に説明する断面図であり、（Ａ）は非高温であって低圧時の状態を、（Ｂ）は非高温であって高圧時の状態を、（Ｃ）は高温時の状態をそれぞれ示す。 ピストンの非高温時におけるピストン冷却装置の動作を模式的に説明する断面図であり、（Ａ）はオイルが低圧時の状態を、（Ｂ）はオイルが高圧時の状態をそれぞれ示す。 ピストンの高温時におけるピストン冷却装置の動作を模式的に説明する断面図であり、（Ａ）はオイルが低圧時の状態を、（Ｂ）はオイルが高圧時の状態をそれぞれ示す。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジン１（内燃機関の一例，以下単にエンジン１という）について説明する。

エンジン１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３を備えている。シリンダブロック２の上側半部はシリンダ部１０であり、内部には上下方向に延びる円形状の穴部１１が設けられている。この穴部１１には、シリンダライナ１２が圧入されている。シリンダライナ１２には、ピストン１３が往復移動可能な状態で収納される。本実施形態では、シリンダ部１０及びシリンダライナ１２が、本発明に係るシリンダに相当する。

シリンダライナ１２の下端、すなわちピストン１３における下死点側の端には、クランクケース部２０が設けられている。クランクケース部２０には、クランク軸２１が回転可能な状態で配置されている。クランク軸２１が備えるクランクピン２２には、コネクティングロッド２３の大径部が回転可能な状態で取り付けられている。コネクティングロッド２３の小径部は、ピストン１３が備えるピストンピン１３ａに回転可能な状態で取り付けられている。

シリンダ部１０の下端部には、オイル流路１４が設けられている。オイル流路１４は、主オイル流路１４ａと副オイル流路１４ｂを含む。主オイル流路１４ａには、オイルポンプ（不図示）によってオイル（潤滑油）が供給される。副オイル流路１４ｂは、主オイル流路１４ａよりも小さい直径の流路であり、主オイル流路１４ａとシリンダ部１０の下面１０ａ（図２を参照）を連通する。

シリンダ部１０とクランクケース部２０の境界位置には、オイル流路１４から供給されたオイルをシリンダライナ１２の内部空間に向けて噴射するオイルジェット１５が設けられている。このオイルジェット１５は、本発明に係るピストン冷却装置の一例である。すなわち、オイルジェット１５から噴射されたオイルの一部は、ピストン１３の内部に設けられたクーリングチャンネル１３ｂに流入され、ピストン１３の冷却に使用される。また、噴射されたオイルの一部はシリンダライナ１２の内周面を流下するので、シリンダライナ１２の冷却にも使用される。なお、オイルジェット１５については、後で詳しく説明する。

シリンダヘッド３には、吸気ポート３１と排気ポート３２が形成されている。吸気ポート３１は新気を導入する流路であり、排気ポート３２は排気を排出する流路である。吸気ポート３１には吸気バルブ３３が配置され、排気ポート３２には排気バルブ３４が配置されている。吸気バルブ３３及び吸気バルブ３３には、それぞれの軸部に設けられたバルブスプリング３５によって上向きの力が加えられている。吸気カム３６及び排気カム３７のカムプロフィールに従ってロッカーアーム３８が揺動すると、吸気バルブ３３や吸気バルブ３３は、ロッカーアーム３８の揺動に応じて上下方向に移動する。すなわち、吸気バルブ３３や吸気バルブ３３は、ピストン１３の上下方向の往復移動に連動して開閉される。

吸気バルブ３３と排気バルブ３４の間にはインジェクタ３９が配置されている。インジェクタ３９は、燃料を燃焼室内に噴射する部材であり、燃焼室内に配置された先端部には噴射孔３９ａが形成されている。ピストン１３の上死点で噴射孔３９ａから燃料を噴射させると、圧縮行程で圧縮された空気に触れて自己着火し、膨張行程に移行される。

次に、オイルジェット１５について詳細に説明する。図２に示すように、オイルジェット１５は、ノズル４１と、台座４２と、チェックバルブ４３を備えている。

ノズル４１は、円筒管によって作製されており、基端部４１ａが台座４２に取り付けられると共に、先端部４１ｂが上死点側に向けて屈曲されている。ノズル４１の先端部４１ｂは、先端に向かうほどに縮径されたテーパー形状となっている。

台座４２は、金属製の筒状部材によって作製されており、シリンダ部１０の下面１０ａに下方から取り付けられている。台座４２の内周側には、円形断面の内部空間４２ａが形成されている。内部空間４２ａにはチェックバルブ４３の筒状軸部５１が挿入され、かつ、筒状軸部５１の周囲がオイルで満たされている。このため、内部空間４２ａの直径は、筒状軸部５１の直径よりも一回り大きい。台座４２には、側面と内部空間４２ａとを連通する取付孔４２ｂが設けられており、ノズル４１の基端部４１ａが取付孔４２ｂに圧入されている。従って、台座４２は、内部空間４２ａのオイル圧力によって変形せず、ノズル４１の基端部４１ａを支持可能な壁厚に定められている。この台座４２は、後述するように、チェックバルブ４３によってシリンダ部１０に固着されている。

チェックバルブ４３は、ノズル４１よりもオイル流れ方向の上流側に配設されており、オイル流路１４に存在するオイルの圧力や温度に応じて開閉される。そして、閉弁状態ではオイルのノズル４１への流入が阻止され、開弁状態ではオイルのノズル４１への流入が許容される。

図３（Ａ）に示すように、チェックバルブ４３は、筒状軸部５１、頭部５２、弁体５３、第１コイルバネ５４、及び、第２コイルバネ５５を備える。

筒状軸部５１は、円筒状金属によって作製されており、内部空間がバルブ内流路５１ａとされている。筒状軸部５１の先端にはオイルの流入孔５１ｂが設けられており、筒状軸部５１の基端部側面にはオイルの排出孔５１ｃが周方向に間隔を空けて複数設けられている。筒状軸部５１の直径は、副オイル流路１４ｂの直径よりも僅かに大きく定められている。筒状軸部５１の先端側部分は、副オイル流路１４ｂにカシメられる（図２参照）。

頭部５２は、筒状軸部５１の基端に設けられており、厚さ方向の途中までバルブ内流路５１ａが設けられている。本実施形態における頭部５２は、筒状軸部５１の軸方向から見た形状が正六角形をしている。頭部５２における筒状軸部５１側の面は、台座４２の内部空間４２ａにおける直径よりも大きい面積に設けられている。これは、チェックバルブ４３をシリンダ部１０に取り付ける際に、頭部５２によって台座４２をシリンダ部１０側に押圧して固着させ、もしくは、シリンダ部の下面１０ａのめねじ加工されたチェックバルブ４３の取り付け穴におねじ加工された筒状軸部５１をねじ込むことにより固着させ、かつ、頭部５２によって台座４２の開口を塞いで液密状態とするためである。

弁体５３は、バルブ内流路５１ａを筒状軸部５１の軸方向に沿って移動可能に配置されている。弁体５３は、例えば円柱形状をした金属製部材で作製される。弁体５３の直径と筒状軸部５１の内径は揃えられている。これにより、弁体５３の外周面は筒状軸部５１の内周面に接触され、接触面が液密状態にシーリングされている。

第１コイルバネ５４は、本発明の第１バネ部材の一例であり、バルブ内流路５１ａにおける弁体５３よりも排出孔５１ｃ側の部分（オイル流れ方向の下流側）に配置されている。本実施形態において、第１コイルバネ５４は、圧縮コイルバネが用いられている。この第１コイルバネ５４は、オイルなどによって弁体５３に頭部方向への外力が作用すると、外力の大きさに応じて中心軸方向に収縮する。第１コイルバネ５４の収縮に伴い、弁体５３が頭部方向へ移動される。

図３（Ａ）において、弁体５３は、筒状軸部５１の排出孔５１ｃよりも流入孔５１ｂ側に位置している。この状態では、流入孔５１ｂと排出孔５１ｃが弁体５３によって遮断されているため、チェックバルブ４３は閉弁状態になる。便宜上、以下の説明では、閉弁状態に対応する弁体５３の位置を閉弁位置という。

図３（Ｂ）において、弁体５３は、筒状軸部５１の排出孔５１ｃよりも頭部５２側に位置している。この状態では、流入孔５１ｂと排出孔５１ｃがバルブ内流路５１ａによって連通されているため、チェックバルブ４３は開弁状態になる。便宜上、以下の説明では、開弁状態に対応する弁体５３の位置を開弁位置という。

第２コイルバネ５５は、本発明の第２バネ部材の一例であり、図３（Ａ）に示すように、オイル流路１４における弁体５３よりも流入孔５１ｂ側（オイル流れ方向の上流側）の部分に配置されている。本実施形態において、第２コイルバネ５５は、形状記憶合金によって作製されている。この第２コイルバネ５５は、雰囲気温度が高くなるほど中心軸方向へ伸長される。非高温下（例えば８０℃未満）における第２コイルバネ５５の長さは、弁体５３を閉弁位置に位置付けるために必要な長さに定められている。このため、非高温下で弁体５３は、第１コイルバネ５４によって閉弁位置に配置される。

第２コイルバネ５５の伸長に伴う弁体５３の押圧力は、弁体５３の開弁位置における第１コイルバネ５４の復元力以上に定められている。このため、図３（Ｃ）に示すように、所定の高温下（例えば８０〜１００℃）では、第１コイルバネ５４の復元力に抗して、第２コイルバネ５５が弁体５３を開弁位置まで移動させる。

次に、本実施形態のオイルジェット１５の作用について説明する。

まず、図４を参照して、ピストン１３が通常温度である場合の作用について説明する。ピストン１３の温度とオイルの温度には相関関係があり、ピストン１３が通常温度である場合、オイルは非高温（例えば８０℃未満）になる。非高温下において、第２コイルバネ５５は収縮されている。このため、バルブ内流路５１ａにおける弁体５３の位置は、オイル圧力に応じて定められる。

オイル圧力がオイル噴射に至らない所定圧力未満である場合、図４（Ａ）に示すように、第１コイルバネ５４の復元力がオイル圧力に勝り、弁体５３は閉弁位置に配置される。これにより、弁体５３がオイルの下流側への流出を阻止し、ノズル４１からオイルは噴射されない。

オイル圧力がオイル噴射に応じた所定圧力以上である場合、図４（Ｂ）に示すように、オイル圧力が第１コイルバネ５４の復元力に勝り、弁体５３は開弁位置に移動される。これにより、流入孔５１ｂと排出孔５１ｃが連通され、ノズル４１からはオイル圧力に応じた量のオイルが噴射される。

次に、図５を参照して、ピストン１３が高温状態である場合の作用について説明する。ピストン１３が高温状態である場合、オイルも高温（例えば８０〜１００℃）になる。高温下において、弁体５３には、第２コイルバネ５５の変形に起因する付勢力とオイル圧力が作用する。これにより、弁体５３は、第１コイルバネ５４の復元力に抗して移動し、開弁位置に移動する。このため、オイルはチェックバルブ４３からノズル４１へ流入し、ノズル４１からはオイル圧力に応じた量のオイルが噴射される。

例えば、図５（Ａ）に示すように、オイル圧力が低い場合には、比較的少量のオイルがノズル４１から噴射される。一方、図５（Ｂ）に示すように、オイル圧力が高い場合には、比較的多量のオイルがノズル４１から噴射される。このように、ピストン１３が高温状態にある場合、オイル圧力の高低に関わらずノズル４１からはオイルが噴射される。これにより、ピストン１３が冷却される。また、オイルによってシリンダライナ１２も冷却される。

以上詳述したように、本実施形態のオイルジェット１５（チェックバルブ４３）では、バルブ内流路５１ａにおける閉弁位置と開弁位置の間を移動可能に配置され、閉弁位置ではオイルのノズル４１への流入を阻止し、開弁位置ではオイルのノズル４１への流入を許容する弁体５３と、弁体５３を介して作用されるオイル圧力に応じて変形し、オイルが所定圧力に満たない場合には弁体５３を閉弁位置に位置付け、オイルが所定圧力以上の場合には弁体５３を開弁位置に位置付ける第１コイルバネ５４と、温度に応じて変形する形状記憶合金で作製され、所定温度以上の場合には第１コイルバネ５４の復元力に抗して弁体５３を開弁位置に移動させる第２コイルバネ５５を備えているので、ピストン１３が高温状態の場合には、オイルも高温になるため、第２コイルバネ５５が弁体５３を開弁位置に移動させる。これにより、オイル圧力の高低に関わらずオイルが噴射され、ピストン１３やシリンダライナ１２を効果的に冷却できる。

また、第１コイルバネ５４が、バルブ内流路５１ａにおける弁体５３よりもオイル流れ方向の下流側に配置された圧縮コイルバネであり、第２コイルバネ５５が、バルブ内流路５１ａにおける弁体５３よりもオイル流れ方向の上流側に配置され、温度が高くなるほど中心軸方向へ伸長されるコイルバネであるので、構成の簡素化が図れ、高い信頼性を得ることができる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。

例えば、内燃機関に関し、ディーゼルエンジン１に限定されない。ガソリンエンジン１であってもよいし、シリンダライナ１２を備えていないエンジン１であっても同様に適用できる。

前述の実施形態では、第１バネ部材として圧縮コイルバネで作製された第１コイルバネ５４を用い、第２バネ部材として所定の高温状態で伸長する形状記憶合金製の第２コイルバネ５５を用いたが、各バネ部材は、これらに限定されるものではない。

例えば、第１バネ部材として引張コイルバネを用い、第２バネ部材として所定の高温状態で中心軸方向に収縮する形状記憶合金製のコイルバネを用いることもできる。この場合、第１バネ部材の一端をバルブ内流路５１ａにおける流入孔５１ｂ側に、他端を弁部材にそれぞれ接合し、第２バネ部材の一端を弁部材に、他端をバルブ内流路５１ａにおける頭部５２側にそれぞれ接合する。

また、チェックバルブ４３の頭部５２は、台座４２の開口を液密状態で塞ぐことができれば、六角形以外の形状であってもよい。例えば、円形や正方形であってもよい。

１…ディーゼルエンジン，２…シリンダブロック，３…シリンダヘッド，１０…シリンダ部，１０ａ…シリンダ部の下面，１１…穴部，１２…シリンダライナ，１３…ピストン，１３ａ…ピストンピン，１３ｂ…クーリングチャンネル，１４…オイル流路，１４ａ…主オイル流路，１４ｂ…副オイル流路，１５…オイルジェット，２０…クランクケース部，２１…クランク軸，２２…クランクピン，２３…コネクティングロッド，３１…吸気ポート，３２…排気ポート，３３…吸気バルブ，３４…排気バルブ，３５…バルブスプリング，３６…吸気カム，３７…排気カム，３８…ロッカーアーム，３９…インジェクタ，３９ａ…噴射孔，４１…ノズル，４１ａ…ノズルの基端部，４１ｂ…ノズルの先端部，４２…台座，４２ａ…台座の内部空間，４２ｂ…台座の取付孔，４３…チェックバルブ，５１…筒状軸部，５１ａ…バルブ内流路，５１ｂ…オイルの流入孔，５１ｃ…オイルの排出孔，５２…頭部，５３…弁体，５４…第１コイルバネ，５５…第２コイルバネ

Claims (3)

1. ピストンが往復移動されるシリンダ内部にノズルからオイルを噴射させるピストン冷却装置に用いられ、前記ノズルよりもオイル流れ方向の上流側に配設されるチェックバルブであって、
   バルブ内流路における閉弁位置と開弁位置の間を移動可能に配置され、前記閉弁位置では前記オイルの前記ノズルへの流入を阻止し、前記開弁位置では前記オイルの前記ノズルへの流入を許容する弁体と、
   前記弁体を介して作用される前記オイルの圧力に応じて変形し、前記オイルが所定圧力に満たない場合には前記弁体を前記閉弁位置に位置付け、前記オイルが前記所定圧力以上の場合には前記弁体を前記開弁位置に位置付ける第１バネ部材と、
   温度に応じて変形する形状記憶合金で作製され、所定温度以上の場合には前記第１バネ部材の復元力に抗して前記弁体を前記開弁位置に移動させる第２バネ部材とを備える
   ピストン冷却装置用のチェックバルブ。
2. 前記第１バネ部材は、前記バルブ内流路における前記弁体よりもオイル流れ方向の下流側に配置された圧縮コイルバネであり、
   前記第２バネ部材は、前記バルブ内流路における前記弁体よりもオイル流れ方向の上流側に配置され、温度が高くなるほど中心軸方向へ伸長されるコイルバネである
   請求項１に記載のピストン冷却装置用のチェックバルブ。
3. オイルを噴射するノズル、及び、前記ノズルよりもオイル流れ方向の上流側に配設されたチェックバルブを備え、ピストンが往復移動されるシリンダ内部に前記オイルを噴射するピストン冷却装置であって、
   前記チェックバルブは、
   バルブ内流路における閉弁位置と開弁位置の間を移動可能に配置され、前記閉弁位置では前記オイルの前記ノズルへの流入を阻止し、前記開弁位置では前記オイルの前記ノズルへの流入を許容する弁体と、
   前記弁体を介して作用される前記オイルの圧力に応じて変形し、前記オイルが所定圧力に満たない場合には前記弁体を前記閉弁位置に位置付け、前記オイルが前記所定圧力以上の場合には前記弁体を前記開弁位置に位置付ける第１バネ部材と、
   温度に応じて変形する形状記憶合金で作製され、所定温度以上の場合には前記第１バネ部材の復元力に抗して前記弁体を前記開弁位置に移動させる第２バネ部材とを備える
   ピストン冷却装置。

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