JP2020067039A - 内燃機関の潤滑装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化および高コスト化を抑制し、かつ凝縮水による腐食および摩耗を抑制することが可能な内燃機関の潤滑装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、ＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路を備える内燃機関のボアにオイルを供給するオイル供給部と、前記オイル供給部から供給されるオイルの量を制御する制御部と、を具備し、前記ＥＧＲ通路に前記ＥＧＲガスが流通するとき、前記ＥＧＲガスから生じる凝縮水の前記ボアへの滞留量または前記凝縮水の滞留速度が所定値以上である場合、前記滞留量または前記滞留速度が前記所定値未満である場合に比較して、前記制御部は前記オイルの量を増加させる内燃機関の潤滑装置である。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の潤滑装置に関する。

排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減のため、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ通路により接続し、排気の一部を燃焼室に導入する技術が知られている。冷間時などはボアの壁面温度が低く、ＥＧＲガス中の水分、および硫酸蒸気などの酸が凝縮し、酸性の凝縮水が発生する恐れがある。こうした凝縮水はボアの内壁を腐食および摩耗させてしまう。そこで酸を中和する中和剤を供給する技術が開発されている（例えば特許文献１）。

特開平９−３２４７０６号公報

しかし中和剤、およびその供給装置を新たに設けることで内燃機関が大型化および高コスト化する。そこで、大型化および高コスト化を抑制し、かつ凝縮水による腐食および摩耗を抑制す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。

上記目的は、ＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路を備える内燃機関のボアにオイルを供給するオイル供給部と、前記オイル供給部から供給されるオイルの量を制御する制御部と、を具備し、前記ＥＧＲ通路に前記ＥＧＲガスが流通するとき、前記ＥＧＲガスから生じる凝縮水の前記ボアへの滞留量または前記凝縮水の滞留速度が所定値以上である場合、前記滞留量または前記滞留速度が前記所定値未満である場合に比較して、前記制御部は前記オイルの量を増加させる内燃機関の潤滑装置によって達成できる。

大型化および高コスト化を抑制し、かつ凝縮水による腐食および摩耗を抑制することが可能な内燃機関の潤滑装置を提供できる。

図１は潤滑装置を例示する模式図である。 図２（ａ）は水温と壁温との関係を示す図である。図２（ｂ）は飽和水蒸気曲線を示す図である。図２（ｃ）は壁面からの距離と吸気の温度との関係を示す図である。図２（ｄ）は吸気の温度および壁温に基づく結露量のマップである。 図３は水温と凝縮水の滞留量との関係を例示する図である。 図４はＥＣＵが実行する処理を例示するフローチャートである。 図５はＥＣＵが実行する処理を例示するフローチャートである。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態の内燃機関の潤滑装置について説明する。図１は潤滑装置１００を例示する模式図である。潤滑装置１００は内燃機関１０に適用され、バルブ４４、オイルジェット４６、およびＥＣＵ（Electric Control Unit）５０を備え、自動車などの車両に搭載される。

内燃機関１０は例えばガソリンエンジンであり、シリンダヘッド１１、シリンダブロック１２、ピストン１４、コンロッド１５、燃料噴射弁２２、および点火プラグ２４を備える。

シリンダブロック１２の上部にシリンダヘッド１１が取り付けられる。シリンダヘッド１１およびシリンダブロック１２にはボア１３が形成されている。ピストン１４はボア１３内に摺動可能に配置されている。コンロッド１５の一端はピストン１４に連結され、他端はクランクシャフト１６に連結されている。ボア１３には燃焼室１９が形成される。内燃機関１０のボア１３の周囲には冷却水が流れるウォータジャケット１７が設けられている。

シリンダヘッド１１に、点火プラグ２４、吸気バルブ２６および排気バルブ２８が設けられ、吸気通路２０および排気通路２１が接続される。吸気通路２０には、上流側から順に、エアフロ―メータ２３、スロットルバルブ２５、温度センサ２７、および燃料噴射弁２２が設けられている。排気通路２１には不図示のフィルタおよび触媒などが設けられている。

エアフロ―メータ２３は吸気の流量を測定する。スロットルバルブ２５の開度に応じて吸気の流量が調整され、開度が大きいほど流量は大きくなる。温度センサ２７は吸気の温度を測定する。

燃料噴射弁２２は吸気通路２０に設けられており、燃料を噴射する。吸気バルブ２６が開くことで、吸気通路２０から燃焼室１９内に燃料と空気との混合気が導入される。ピストン１４が上昇し、混合気が圧縮される。点火プラグ２４により混合気に点火すると、混合気の燃焼により筒内圧力が高まり、ピストン１４は下方向に摺動する。このとき動力がクランクシャフト１６に伝達される。クランク角センサ２９は内燃機関１０の回転数を検出する。ピストン１４が上昇し、排気バルブ２８が開くことで燃焼後の排気は排気通路２１へと排出される。排気の一部はＥＧＲ通路３０を通じて吸気通路２０に循環する。

吸気通路２０と排気通路２１との間にＥＧＲ通路３０が接続される。ＥＧＲ通路３０の一端は吸気通路２０のスロットルバルブ２５と燃料噴射弁２２との間に接続され、他端は排気通路２１に接続される。排気の一部（ＥＧＲガス）はＥＧＲ通路３０を通じて吸気通路２０に還流し、内燃機関１０に供給される。

ＥＧＲ通路３０の途中にはＥＧＲクーラ３４が設けられている。ＥＧＲクーラ３４においてＥＧＲガスと冷却水とが熱交換し、ＥＧＲガスが冷却される。ＥＧＲ通路３０のうちＥＧＲクーラ３４と吸気通路２０との間にＥＧＲバルブ３８が設けられている。ＥＧＲバルブ３８の開度によりＥＧＲガスの流量は調整され、開度が大きいほど流量は大きくなる。ＥＧＲクーラ３４には温度センサ３６が設けられている。温度センサ３６は、ＥＧＲクーラ３４における冷却水の温度を測定する。

ＥＧＲ通路３０にはバイパス通路３２が接続され、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ３４を通らず、バイパス通路３２を通り吸気通路２０に流れ込むことも可能である。バイパス通路３２にはバイパスバルブ３３が設けられ、バイパスバルブ３３の開度によりバイパス通路３２におけるＥＧＲガスの流量が調整される。

内燃機関１０のシリンダブロック１２にはオイルジェット４６（オイル供給部）が設けられ、オイルジェット４６のノズルはボア１３内に配置されている。オイルパン４０にはオイルが貯留され、オイルパン４０とオイルジェット４６とはオイル通路４１により接続されている。オイル通路４１にはポンプ４２およびバルブ４４が設けられている。

ポンプ４２は、クランクシャフト１６の回転により動作し、オイルパン４０からオイルを汲み上げオイルジェット４６に共有する。オイルジェット４６はボア１３内のピストン１４に向けてオイルを噴射する。オイルが油膜を形成することでピストン１４の潤滑および冷却が行われる。

バルブ４４によりオイルジェット４６へのオイルの供給を調整する。バルブ４４が開くことでオイルジェット４６にオイルが供給され、バルブ４４が閉じることでオイルの供給は停止する。

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶装置を備える。ＥＣＵ５０は記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。ＥＣＵ５０は、エアフロ―メータ２３から吸気の流量を取得し、温度センサ２７から吸気の温度を取得し、温度センサ３６から水温を取得する。ＥＣＵ５０は、スロットルバルブ２５の開度およびＥＧＲバルブ３８の開度を調節する。ＥＧＲバルブ３８の開度は例えば内燃機関１０の回転数などに応じて制御される。ＥＣＵ５０は、例えばＥＧＲバルブ３８の開度などからＥＧＲガスの流量（ＥＧＲ流量）を算出し、吸気流量およびＥＧＲ流量に基づいてＥＧＲ率を算出する。例えばＥＧＲバルブ３８が全閉ならばＥＧＲ率はゼロであり、ＥＧＲバルブ３８が開弁していればＥＧＲ率はゼロより大きい。

後述のように、ＥＣＵ５０は、凝縮水の滞留速度および滞留量を算出し、かつ滞留量を記憶する。さらにＥＣＵ５０は、バルブ４４の開度を調節することでオイルジェット４６からのオイル噴射量を制御する制御部として機能する。

例えば機関冷間時においては、オイルの温度が低いため、オイルジェット４６がボア１３にオイルを供給すると内燃機関１０の暖気性能が悪化する。また、オイルの粘性が高いためポンプ４２の仕事量が増大し、内燃機関１０への付加も増大する。そこで、ＥＣＵ５０はバルブ４４を閉弁し、オイルジェット４６によるオイルの供給を停止することが可能である。オイルによるピストン１４などの冷却が抑制され、暖機性能が向上する。また、ポンプ４２の仕事量が低減し燃費が改善する。

機関冷間時にはボア１３の壁面温度が低いため、ＥＧＲガスを内燃機関１０に導入すると、ＥＧＲガスの水分および硫酸蒸気が凝縮し、酸性の凝縮水が発生することがある。酸性の凝縮水によりボア１３の内壁などが腐食し、また油膜が破断されボア１３の内壁およびピストン１４などが摩耗してしまう。凝縮水のボア１３の内壁への滞留量が多いほどボア１３の摩耗速度は大きくなる。

凝縮水の生成について説明する。図２（ａ）は水温と壁温との関係を示す図である。横軸はＥＧＲクーラ３４の水温Ｔｗ１を表し、縦軸はボア１３の内壁の温度Ｔｗ２を表す。図２（ａ）に示すように水温Ｔｗ１が高いほど壁温Ｔｗ２も高い。このためＥＣＵ５０は温度センサ３６から取得する水温Ｔｗ１に基づいて壁温Ｔｗ２を推定することができる。

図２（ｂ）は飽和水蒸気曲線を示す図である。横軸は温度を表し、縦軸は飽和水蒸気圧を表す。ＥＧＲガス混合後の吸気中の飽和水蒸気圧Ｐｍに対応する温度が、混合後の吸気の露点Ｔｄである。ＥＧＲガス混合後の吸気中の飽和水蒸気圧Ｐｍは、ＥＧＲガスの飽和水蒸気圧Ｐｅおよび吸気の水蒸気圧Ｐｉを用いて、次式で求められる。
Ｐｍ＝ＥＧＲ率×Ｐｅ＋（１−ＥＧＲ率）×Ｐｉ

図２（ｃ）は壁面からの距離と吸気の温度との関係を示す図である。横軸はボア１３の内壁からの距離を表し、縦軸は混合後の吸気の温度を表す。図２（ｃ）に示すように、内壁において吸気の温度は内壁の温度Ｔｗ２に一致し、内壁から離れるほど温度は上昇し、一定に近づく。点線は露点Ｔｄであり、斜線で示す部分は吸気の温度が露点Ｔｄ以下となる部分である。この温度領域において凝縮水が発生する。つまり、ボア１３の内壁近傍のガスが凝集しやすい。また、壁温Ｔｗ２が低く、露点Ｔｄが高いほど、斜線の領域が広くなり、結露量が増大する。

図２（ｄ）は吸気の温度および壁温に基づく結露量のマップである。横軸は露点Ｔｄを表し、縦軸は壁温Ｔｗ２を表す。図２（ｄ）に示す複数の実線は露点Ｔｄおよび壁温Ｔｗ２から決まる結露量（凝縮水の生成速度）であり、上側から下側にかけて結露量は多くなる。つまり、壁温Ｔｗ２が低く、露点Ｔｄが高いほど、結露量が多くなる。以上のように、水温Ｔｗ１、壁温Ｔｗ２、ＥＧＲ率、飽和水蒸気曲線に基づき、結露量を求めることができる。

凝縮水の一部は蒸発し、蒸発速度は飽和水蒸気圧と混合後の吸気中の実水蒸気圧との差に比例する。例えば同一の実水蒸気圧に対しては、吸気の温度が高いほど飽和水蒸気圧が上昇し、実水蒸気圧との差が大きくなるため、蒸発速度が大きくなる。同一の温度に対しては、実水蒸気圧が低いほど蒸発速度が大きくなる。後述のように、凝縮水の生成速度と凝縮水とに基づいて、ボア１３への凝縮水の滞留量が決まる。

図３は水温と凝縮水の滞留量との関係を例示する図である。横軸はＥＧＲクーラ３４の水温Ｔｗ１であり、縦軸はボア１３における凝縮水の滞留量である。ＥＧＲバルブ３８が開弁し、ＥＧＲガスが吸気通路２０に流入すると、図３に示す温度Ｔ１からＴ２の範囲において滞留量は閾値Ｗ１を超え、摩耗速度も大きくなる。本実施形態ではオイルにより凝縮水の酸を中和する。

図４はＥＣＵ５０が実行する処理を例示するフローチャートであり、例えば内燃機関１０の冷間時に行われる。図４に示すように、ＥＣＵ５０は、温度センサ３６から水温Ｔｗ１を取得し、温度センサ２７から吸気温度を取得する。さらにＥＣＵ５０は、吸気流量およびＥＧＲバルブ３８の開度などからＥＧＲ率を取得する（ステップＳ１０）。

ＥＣＵ５０はＥＧＲ率が０であるか否か判定する（ステップＳ１１）。肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ５０はバルブ４４を閉弁し、オイル供給を停止する（ステップＳ２２）。否定判定（Ｎｏ）の場合、ＥＣＵ５０は、図２（ａ）から図２（ｄ）において説明したように、水温Ｔｗ１、壁温Ｔｗ２、ＥＧＲ率、飽和水蒸気曲線に基づき、凝縮水の生成速度を算出する（ステップＳ１２）。ＥＣＵ５０は、吸気の温度に基づき凝縮水の蒸発速度を算出する（ステップＳ１４）。

ＥＣＵ５０は、生成速度と蒸発速度とに基づき凝縮水の滞留速度Ｖを算出する（ステップＳ１６）。滞留速度Ｖは例えば次式のように生成速度と蒸発速度との差である。
滞留速度Ｖ＝生成速度−蒸発速度

ＥＣＵ５０は凝縮水の滞留量Ｗを算出する（ステップＳ１８）。ＥＣＵ５０は、今回の処理開始前の滞留量を記憶しており、例えば当該滞留量と滞留速度Ｖの時間積分とを含む次式で滞留量Ｗを算出する。
滞留量Ｗ＝処理開始前の滞留量＋滞留速度Ｖの時間積分

ＥＣＵ５０は、滞留量Ｗが閾値Ｗ１以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。前述のように滞留量はボア１３の摩耗速度に比例し、滞留量Ｗが閾値Ｗ１を超えると摩耗速度が許容限界を超える。肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ５０はバルブ４４を閉弁し、オイルジェット４６からのオイル供給を停止する（ステップＳ２２）。一方、否定判定（Ｎｏ）の場合、ＥＣＵ５０はバルブ４４を開弁し、オイルジェット４６を用いてボア１３内にオイルを供給する（ステップＳ２４）。ステップＳ２２またはＳ２４の後、処理は終了する。

第１実施形態によれば、ＥＣＵ５０は、水温およびＥＧＲ率に基づいて凝縮水の滞留量Ｗを求め、Ｗが閾値Ｗ１より多い場合、オイルジェット４６からのオイル供給を行う。オイル中の塩基成分により凝縮水の酸成分が中和され、凝縮水によるボア１３の内壁およびピストン１４の腐食および摩耗が抑制される。

オイルジェット４６およびバルブ４４など内燃機関１０に設けられた部品を用いてオイルを供給できるため、中和剤およびその供給装置を追加しなくてよい。したがって、内燃機関１０の大型化および高コスト化が抑制される。

ＥＣＵ５０はバルブ４４の開度などによりオイルジェット４６からのオイル噴射量を定めることができる。オイルがボア１３およびピストン１４に形成する油膜の塩基価が、凝縮水の酸成分の中和が可能な程度に高ければよい。

ＥＣＵ５０はオイル供給と停止とを切り替えるとしたが、オイルの供給量を増減させてもよい。すなわち、滞留量Ｗが閾値Ｗ１以下の場合、オイル供給量はゼロでもよいし、ゼロでなくてもよい。滞留量ＷがＷ１より多ければ、Ｗ１以下の場合に比べてオイル供給量を増加させる。なお、閾値Ｗ１は摩耗速度の許容限界に対応し、例えばボア１３の寸法および内壁の材質などに応じて定めてもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態においても図１の構成は共通である。図５はＥＣＵ５０が実行する処理を例示するフローチャートである。ステップＳ１０からステップＳ１６まで図４と同じである。ＥＣＵ５０は滞留速度Ｖが正であるか否か判定する（ステップＳ２１）。否定判定の場合、ＥＣＵ５０はオイル供給を停止する（ステップＳ２２）。肯定判定の場合、ＥＣＵ５０はオイルジェット４６からオイルを供給する（ステップＳ２４）。

第２実施形態によれば、水温およびＥＧＲ率に基づいて凝縮水の滞留速度Ｖを求め、Ｖが正の場合、オイルジェット４６からのオイル供給を行う。これにより第１実施形態と同様に、凝縮水によるボア１３の内壁およびピストン１４の腐食および摩耗が抑制される。

滞留速度Ｖが０より大きければＥＣＵ５０が直ちにオイル供給を行うため、凝縮水の滞留をより効果的に抑制することができる。滞留速度Ｖに対する閾値は０以外でもよく、例えば滞留速度Ｖが所定の値より大きいときにオイル供給が行われてもよい。

ＥＣＵ５０はオイル供給と停止とを切り替えるとしたが、オイルの供給量を増減させてもよい。すなわち、滞留速度Ｖがゼロ以下の場合、オイル供給量はゼロでもよいし、ゼロでなくてもよい。滞留速度Ｖが正ならば、Ｖがゼロ以下の場合に比べてオイル供給量を増加させる。

ＥＣＵ５０はＥＧＲクーラ３４の水温に基づき凝縮水の生成速度、蒸発速度および滞留速度Ｖなどを求めるとしたが構成はこれに限定されない。内燃機関１０の温度、すなわち水温または部品の温度を用いることができ、例えばウォータジャケット１７の水温、または吸気通路２０の温度などを用いてもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 内燃機関
１１ シリンダヘッド
１２ シリンダブロック
１３ ボア
１４ ピストン
１５ コンロッド
１６ クランクシャフト
１７ ウォータジャケット
１９ 燃焼室
２０ 吸気通路
２１ 排気通路
２２ 燃料噴射弁
２３ エアフロ―メータ
２４ 点火プラグ
２５ スロットルバルブ
２６ 吸気バルブ
２７、３６ 温度センサ
２８ 排気バルブ
２９ クランク角センサ
３０ ＥＧＲ通路
３２ バイパス通路
３３ バイパスバルブ
３４ ＥＧＲクーラ
３８ ＥＧＲバルブ
４０ オイルパン
４２ ポンプ
４４ バルブ
４６ オイルジェット
５０ ＥＣＵ
１００ 潤滑装置

Claims (1)

1. ＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路を備える内燃機関のボアにオイルを供給するオイル供給部と、
   前記オイル供給部から供給されるオイルの量を制御する制御部と、を具備し、
   前記ＥＧＲ通路に前記ＥＧＲガスが流通するとき、前記ＥＧＲガスから生じる凝縮水の前記ボアへの滞留量または前記凝縮水の滞留速度が所定値以上である場合、前記滞留量または前記滞留速度が前記所定値未満である場合に比較して、前記制御部は前記オイルの量を増加させる内燃機関の潤滑装置。

Images