JP4720668B2 - 内燃機関のピストン冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、ドライサンプ式の潤滑装置を備えた内燃機関のピストン冷却システムに関する。

ドライサンプ式の潤滑装置を備えた内燃機関では、フィードポンプによって機関本体とは別体に設けられたオイルタンクから機関本体の各部にオイルを供給し、スカベンジポンプによって機関本体の各部で使用されたオイルを機関本体からオイルタンクに戻す。このようなドライサンプ式の潤滑装置において、スカベンジポンプにて回収されたオイルの一部をスカベンジポンプから内燃機関のヘッド部にオイルを直接供給する供給通路を設け、内燃機関の回転数が高いほどヘッド部に直接供給するオイル量が減少するように内燃機関の回転数に応じてヘッド部に直接供給するオイル量を調整する潤滑装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜５が存在する。

特開２００５−１２０８２７号公報 特開２００３−２６９１６３号公報 特開２００４−８４５２６号公報 特開２００４−２８５９７４号公報 特開２００４−１５６４５１号公報

ピストンにオイルを噴射するオイルジェット機構には機関本体の他の供給対象に供給するオイルと比較して気泡の多いオイルを供給してもそのオイルにて適切にピストンの潤滑及び冷却を行うことができる。そのため、オイルジェット機構にもスカベンジポンプから直接オイルを供給することができる。ピストンへのオイル噴射は内燃機関が高回転で運転されている場合、又はノッキングが発生している場合などに必要となるが、特許文献１に記載されている制御方法によってオイルの供給量を制御すると内燃機関が高回転で運転されているときにオイルの供給量が減らされるため、この制御方法はピストンへのオイル噴射に適していない。

そこで、本発明は、内燃機関の運転状態に応じてピストンへのオイル噴射を適切に制御することが可能な内燃機関のピストン冷却システムを提供することを目的とする。

本発明の内燃機関のピストン冷却システムは、第１オイル供給対象及び第２オイル供給対象が設けられた機関本体とは別体に設けられるオイルタンクと前記機関本体に設けられたオイル回収部とを接続するオイル排出通路と、前記オイル排出通路に設けられて前記オイル回収部からオイルを汲み出す排出ポンプと、前記オイルタンクと前記第１オイル供給対象とを接続するオイル供給通路と、前記オイル供給通路に設けられて前記オイルタンク内のオイルを前記第１オイル供給対象に供給する供給ポンプと、を有するドライサンプ式の潤滑装置を備えた内燃機関に適用され、前記第２オイル供給対象である前記内燃機関のピストンにオイルを噴射するオイルジェット機構を備えた内燃機関のピストン冷却システムにおいて、前記排出ポンプより下流側のオイル排出通路と前記オイルジェット機構とを接続するオイル導入通路と、前記オイル導入通路を介して前記オイルジェット機構に導かれるオイル量を調整するオイル量調整手段と、ノッキングの回避の要否を判定する判定手段と、前記判定手段によりノッキングの回避が必要と判定された場合は前記判定手段によりノッキングの回避が不要と判定された場合と比較して前記オイルジェット機構に導かれるオイル量が増加するように前記オイル量調整手段を制御する動作制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

ピストンの温度が高くなるほどノッキングが発生し易くなるため、ノッキングの回避が必要な場合は多くのオイルをピストンに噴射してピストンを冷却する必要がある。本発明のピストン冷却システムによれば、ノッキングの回避が必要と判定された場合にオイルジェット機構に導かれるオイル量を増加させるので、ノッキングを適切に抑制することができる。一方、ノッキングの回避が不要と判定された場合にはオイルジェット機構に導かれるオイル量が少なくなるため、ピストンの無駄な冷却を抑制して内燃機関の熱効率を改善することができる。そのため、このようにオイルジェット機構に導くオイル量を調整することにより、内燃機関の運転状態に応じてピストンへのオイル噴射を適切に制御することができる。

なお、本発明において「ノッキングの回避」とは、ノッキングが発生してからノッキングを解消すること、ノッキングの遷移状態を検知してからノッキングの発生を抑制すること、及びノッキング又はノッキングの遷移状態の発生を内燃機関の運転条件から事前に予測してノッキングの発生を抑制することのいずれも含む概念である。

本発明のピストン冷却システムの一形態においては、前記オイルタンクに貯留されているオイル貯留量を取得するオイル貯留量取得手段をさらに備え、前記動作制御手段は、前記オイル貯留量取得手段により取得されたオイル貯留量が予め設定した所定量以下の場合、前記オイルジェット機構に導かれるオイル量が制限されるように前記オイル量調整手段を制御してもよい（請求項２）。このようにオイルジェット機構に導かれるオイル量を調整することにより、オイルタンクが空になることを防止できる。そのため、第１オイル供給対象に供給するオイルをオイルタンクに確保しつつオイルジェット機構にオイルを導くことができる。

この形態において、前記動作制御手段は、前記オイル貯留量取得手段により取得されたオイル貯留量が前記所定量以下の場合、前記オイルジェット機構へのオイルの導入が禁止されるように前記オイル量調整手段を制御してもよい（請求項３）。このようにオイル量を調整することにより、オイルタンクが空になることをさらに確実に防止できる。

また、これらの形態において、前記内燃機関は、燃焼室内の燃料混合気に点火する点火プラグを備え、前記動作制御手段は、前記オイル貯留量取得手段により取得されたオイル貯留量が前記所定量以下の場合、前記オイルジェット機構に導かれるオイル量が制限されるように前記オイル量調整手段を制御するとともに、ノッキングを回避する効果を増大すべく前記点火プラグの点火時期を遅角させてもよい（請求項４）。この場合、オイル噴射及び点火時期遅角制御の両方を併用してノッキングを抑制するので、オイルタンクが空になることを防止しつつノッキングを抑制することができる。また、オイルタンク内に所定量より多くのオイルが貯留されるとオイル噴射が行われるので、点火時期を過度に遅角させることなくノッキングを抑制することができる。

以上に説明したように、本発明のピストン冷却システムによれば、ノッキングの回避の要否を判定する判定手段の判定結果に基づいてオイルジェット機構に導かれるオイル量を調整するので、ピストンへのオイル噴射を適切に制御してノッキングを適切に抑制するとともにピストンの無駄な冷却を抑制できる。

（第１の形態）
図１は、本発明の第１の形態に係るピストン冷却システムが組み込まれた内燃機関の一例を示している。図１の内燃機関（以下、エンジンと呼ぶこともある。）１は、車両に走行用動力源として搭載されるもので、複数（図１では１つのみを示す。）の気筒２が設けられる機関本体３と、吸気通路４及び排気通路５と、潤滑装置２０とを備えている。各気筒２には、ピストン６が往復動可能なようにそれぞれ挿入されるとともに燃焼室７がそれぞれ形成される。ピストン６は、コンロッド８によって機関本体３に回転自在に支持されるクランク軸９と連結されている。各燃焼室７には、吸気通路４を開閉する吸気弁１０、排気通路５を開閉する排気弁１１、及び燃焼室７内に燃料混合気に点火するための点火プラグ１２が設けられている。吸気弁１０及び排気弁１１は、クランク軸９の回転が伝達されることによって回転駆動されるカム１３、１４にて開閉駆動される。吸気通路４には、吸気量を調整するためのスロットルバルブ１５が設けられている。機関本体３には、ピストン６の裏側（燃焼室７の反対側）に向けてオイルを噴射するためのオイル噴射ノズル１６を備えたオイルジェット機構１７が設けられている。機関本体３には、オイルジェット機構１７の他にもクランク軸９を支持する不図示のクランクジャーナル、コンロッド８及びカムジャーナル（不図示）などオイルを供給すべき複数の複数のオイル供給対象が設けられている。オイルジェット機構１７以外のオイル供給対象は図１に示したメインオイルホール１８と連通しており、このメインオイルホール１８を介してこれら複数のオイル供給対象にオイルが供給される。

潤滑装置２０は、ドライサンプ式の潤滑装置であり、機関本体３と別体に設けられるオイルタンク２１と、機関本体３の底部に設けられたオイル回収部２２とオイルタンク２１とを接続するオイル排出通路２３と、オイルタンク２１とメインオイルホール１８とを接続するオイル供給通路２４とを備えている。オイル排出通路２３には排出ポンプとしてのスカベンジポンプ２５が設けられ、オイル供給通路２４には供給ポンプとしてのフィードポンプ２６が設けられている。また、図１に示したように潤滑装置２０は、スカベンジポンプ２５より下流側のオイル排出通路２３とオイルジェット機構１７とを連通するオイル導入通路２７及び切替弁２８を備えている。切替弁２８は、スカベンジポンプ２５から吐出されたオイルを図１の矢印Ａのようにオイルタンク２１に導く第１状態と、スカベンジポンプ２５から吐出されたオイルを図１の矢印Ｂのようにオイルジェット機構１７に導く第２状態とに切り替えることができる。このようにオイルの流れを切り替えてオイルジェット機構１７に導くオイルの量を調整するので、切替弁２８が本発明のオイル量調整手段に相当する。オイル導入通路２７には、油圧を高めるための絞り２９が設けられている。このようにオイル供給通路２４及びオイル導入通路２７が接続されることにより、オイルジェット機構１７が本発明の第２オイル供給対象に相当し、オイルジェット機構１７以外のクランクジャーナルなどのオイル供給対象が本発明の第１オイル供給対象に相当する。

切替弁２８の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０によって制御される。ＥＣＵ４０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、点火プラグ１２などの各種の装置を操作してエンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。ＥＣＵ４０は、例えば燃焼室７内にて燃料混合気が正常に燃焼するように点火プラグ１２の点火時期を制御する。また、ＥＣＵ４０には、エンジン１のクランク角度に対応した信号を出力するクランク角センサ４１、エンジン１のオイルの温度に対応した信号を出力する油温センサ４２、エンジン１の冷却水の温度（以下、冷却水温と略称することもある。）に対応した信号を出力する冷却水温センサ４３、スロットルバルブ１５の開度に対応した信号を出力するスロットルバルブ開度センサ４４、エンジン１のノッキング状態を検出するノックセンサ４５など各種のセンサが接続されており、ＥＣＵ４０はこれらのセンサの出力信号を参照して点火プラグ１２などの各種の装置を制御する。なお、上述した各センサは、一般に車両用エンジンに設けられるセンサと同様のものでよいため、詳細な説明は省略する。

図２は、ＥＣＵ４０が切替弁２８の動作を制御するためにエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行する切替弁制御ルーチンを示している。図２の制御ルーチンにおいてＥＣＵ４０は、まずステップＳ１１でエンジン１の運転状態を取得する。エンジン１の運転状態としては、上述したセンサ４１〜４５の出力信号に基づいて例えばエンジン１の回転数、冷却水温、オイルの温度（以下、油温と略称することもある。）、スロットルバルブ１５の開度、及びノッキングが発生しているか否かなどが取得される。次のステップＳ１２においてＥＣＵ４０は、ノッキングが発生しているか否か判断する。ノッキングが発生していると判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ４０は切替弁２８を第２状態に切り替える。すなわち、スカベンジポンプ２５から吐出されたオイルがオイルジェット機構１７に導かれてピストン６へのオイル噴射が実施される。その後、今回に制御ルーチンを終了する。

一方、ノッキングが発生していないと判断した場合はステップＳ１４に進み、ＥＣＵ４０は切替弁２８を第１状態に切り替える。すなわち、スカベンジポンプ２５から吐出されたオイルをオイルタンク２１に導き、ピストン６へのオイル噴射を停止させる。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

図２の制御ルーチンによれば、ノッキングの発生時は切替弁２８が第２状態に切り替えられるので、オイル噴射が実施される。そのため、ピストン６を冷却してノッキングを解消することができる。また、オイルジェット機構１７にはスカベンジポンプ２５から直接オイルを供給するので、フィードポンプ２６の仕事を低減できる。一方、ノッキングが発生していない場合は切替弁２８が第１状態に切り替えられるので、オイル噴射を停止させてピストン６の無駄な冷却を防止できる。そのため、エンジン１の熱効率を改善できる。

なお、切替弁２８の代わりにスカベンジポンプ２５から吐出されたオイルの一部をオイルタンク２１に導くとともに、残りのオイルをオイルジェット機構１７に導くことが可能な流量調整バルブを設けてもよい。この場合は、ノッキングの発生時にノッキングが発生していないときと比較してオイルジェット機構１７に導かれるオイルの量が増加するように流量調整バルブの動作を制御する。このようにオイルジェット機構１７に導かれるオイル量を調整してもノッキングを適切に抑制しつつピストン６の無駄な冷却を防止できる。

図２の制御ルーチンを実行して切替弁２８の動作を制御することにより、ＥＣＵ４０が本発明の動作制御手段として機能する。また、ステップＳ１２の処理を実行してノッキングが発生しているか否か判断することにより、ＥＣＵ４０が本発明の判定手段として機能する。

切替弁２８の第２状態への切り替えはノッキング発生時以外の時期に行ってもよい。例えば、エンジン１が高負荷かつ高回転で運転されている場合はピストン６の温度が上昇するため、このような時期にピストン６を冷却するべく切替弁２８を第２状態に切り替えてもよい。このような切替弁２８の制御は、例えば図３に示した制御ルーチンをＥＣＵ４０に実行させることにより行うことができる。図３は、切替弁制御ルーチンの変形例を示している。なお、図３において図２と同一の処理には同一の参照符号を付して説明を省略する。

図３の制御ルーチンにおいてＥＣＵ４０はステップＳ１２まで図２の制御ルーチンと同様に処理を進める。ステップＳ１２でノッキングが発生していると判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ４０は切替弁２８を第２状態に切り替える。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

一方、ノッキングが発生していないと判断した場合はステップＳ２１に進み、ＥＣＵ４０はスロットルバルブ１５の開度（以下、スロットル開度と略称する。）が所定の閾値より大きいか否か判断する。エンジン１の負荷が高くなるほどスロットル開度が大きくなる。そこで、所定の閾値としてはエンジン１が高負荷で運転されていると判断できるスロットル開度が設定される。このようなスロットル開度としては、例えばスロットル開度の全開を１００％、同じく全閉を０％とした場合の８０％程度が設定される。

スロットル開度が所定の閾値より大きいと判断した場合はステップＳ２２に進み、ＥＣＵ４０はエンジン１の回転数が所定の判定回転数より大きいか否か判断する。判定回転数は、エンジン１が高回転で運転されているか否か判断する基準値として設定され、例えば６０００ｒ．ｐ．ｍ．が設定される。なお、この基準値はエンジン１に応じて異なるため、判定回転数はエンジン１に応じて適宜変更してよい。

エンジン１の回転数が判定回転数より大きいと判断した場合はステップＳ２３に進み、ＥＣＵ４０は冷却水温が所定の判定水温より大きいか否か判断する。冷却水温が高くなるほどピストン６から機関本体３に熱が逃げ難くなるため、ピストン６の温度が上昇し易い。そこで、このような場合にはオイルジェット機構１７からピストン６にオイルを噴射してピストン６を冷却する。一方、冷却水温が低く、ピストン６から機関本体３に熱を十分に逃がすことができてピストン６が適切に冷却されているときにオイルジェット機構１７からピストン６にオイルを供給すると、ピストン６を無駄に冷却してエンジン１の熱効率を低下させるおそれがある。所定の判定水温は、このようなピストン６の無駄な冷却を防止でき、かつピストン６の過熱を防止できるように設定される。そこで、所定の判定水温には、例えばピストン６から機関本体３への熱の移動のみではピストン６の冷却が不十分となる冷却水温の下限値を設定する。

冷却水温が所定の判定水温より大きいと判断した場合はステップＳ２４に進み、ＥＣＵ４０は油温が所定の判定油温より大きいか否か判断する。この処理もステップＳ２３と同様にピストン６の無駄な冷却を防止するとともにピストン６の過熱を防止するための処理である。油温とピストン６の温度との関係は冷却水温とピストン６の温度との関係とほぼ同様であるため、所定の判定油温には例えばピストン６から機関本体３への熱の移動のみではピストン６の冷却が不十分となる油温の下限値が設定される。油温が所定の判定油温より大きいと判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ４０は切替弁２８を第２状態に切り替えた後、今回の制御ルーチンを終了する。

ステップＳ２１、ステップＳ２２、ステップＳ２３又はステップＳ２４が否定判定された場合はステップＳ１４に進み、ＥＣＵ４０は切替弁２８を第１状態に切り替える。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

図３の制御ルーチンによれば、エンジン１が高負荷かつ高回転で運転されているときにもピストン６へのオイル噴射が行われるので、ピストン６の過熱を防止できる。これにより、ピストン６の焼き付き及び亀裂の発生を防止できる。

（第２の形態）
図４及び図５を参照して本発明の第２の形態について説明する。図４は、第２の形態に係るピストン冷却システムが組み込まれたエンジン１の一例を示している。なお、図４において図１と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。図４に示したようにこの形態では、オイルタンク２１内に貯留されているオイル量（以下、オイル貯留量と略称することもある。）に対応した信号を出力するオイル貯留量取得手段としてのレベルセンサ５０が設けられており、ＥＣＵ４０がレベルセンサ５０の出力信号も参照して切替弁２８を制御する点が第１の形態と異なる。

図５は、本形態においてＥＣＵ４０が切替弁２８の動作を制御すべくエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行する切替弁制御ルーチンである。なお、図５において図２と同一の処理には同一の参照符号を付して説明を省略する。図５の制御ルーチンにおいてＥＣＵ４０はステップＳ１２まで図２と同様に処理を進める。ステップＳ１２においてノッキングが発生していないと判断した場合はステップＳ１４にて切替弁２８を第１状態に切り替え、その後今回の制御ルーチンを終了する。

一方、ノッキングが発生していると判断した場合はステップＳ３１に進み、ＥＣＵ４０はレベルセンサ５０の出力信号を参照してオイル貯留量が予め設定した所定量以下か否か判断する。所定量には、例えばメインオイルホール１８と連通している各オイル供給対象にそれぞれオイルを十分に供給可能なオイル量が設定される。オイル貯留量が所定量より多いと判断した場合はステップＳ１３に進み、ＥＣＵ４０は切替弁２８を第２状態に切り替えてピストン６へのオイル噴射を実施する。その後、今回の制御ルーチンを終了する。

一方、オイル貯留量が所定量以下と判断した場合はステップＳ３２に進み、ＥＣＵ４０は点火プラグ１２の点火時期を予め設定した所定クランク角度ずつ遅角させる点火時期遅角制御を行う。この点火時期遅角制御はノッキングを解消するべく行うものであり、その制御方法は一般のエンジンでノッキングを解消するために行われる点火時期遅角制御と同様でよい。続くステップＳ１４でＥＣＵ４０は切替弁２８を第１状態に切り替え、その後今回の制御ルーチンを終了する。

この形態では、オイル貯留量が所定量以下の場合、切替弁２８が第１状態に切り替えられてスカベンジポンプ２５から吐出されたオイルがオイルタンク２１に導かれるので、オイルタンク２１が空になることを防止できる。また、オイル貯留量が所定量以下の場合は点火プラグ１２の点火時期遅角制御が行われるので、この遅角制御によってノッキングを解消できる。

点火時期遅角制御によって遅角させるクランク角度は一定でなくてもよい。例えば、ノックセンサ４５から出力される信号の大きさに応じて遅角させるクランク角度を設定してもよい。例えば、ノックセンサ４５の出力信号が大きいほど点火時期を大きく遅角させてもよい。

本発明は、上述した各形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、上述した各形態ではノックセンサによってノッキングが検出された場合にピストンにオイルが噴射されるように切替弁を動作させたが、エンジンの運転状態に基づいてノッキングが発生するか否か予測し、ノッキングが発生すると予測された場合にオイル噴射が実施されるように切替弁を動作させてもよい。この場合、ノッキングが発生する前にピストンを冷却できるので、ノッキングを回避することができる。

本発明の第１の形態に係るピストン冷却システムが組み込まれた内燃機関の一例を示す図。 図１のＥＣＵが実行する切替弁制御ルーチンを示すフローチャート。 図１のＥＣＵが実行する切替弁制御ルーチンの変形例を示すフローチャート。 本発明の第２の形態に係るピストン冷却システムが組み込まれた内燃機関の一例を示す図。 図４のＥＣＵが実行する切替弁制御ルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 機関本体
６ ピストン
７ 燃焼室
１２ 点火プラグ
１７ オイルジェット機構
２０ 潤滑装置
２１ オイルタンク
２２ オイル回収部
２３ オイル排出通路
２４ オイル供給通路
２５ スカベンジポンプ（排出ポンプ）
２６ フィードポンプ（供給ポンプ）
２７ オイル導入通路
２８ 切替弁（オイル量調整手段）
４０ エンジンコントロールユニット（動作制御手段、判定手段）
５０ レベルセンサ（オイル貯留量取得手段）

Claims (4)

1. 第１オイル供給対象及び第２オイル供給対象が設けられた機関本体とは別体に設けられるオイルタンクと前記機関本体に設けられたオイル回収部とを接続するオイル排出通路と、前記オイル排出通路に設けられて前記オイル回収部からオイルを汲み出す排出ポンプと、前記オイルタンクと前記第１オイル供給対象とを接続するオイル供給通路と、前記オイル供給通路に設けられて前記オイルタンク内のオイルを前記第１オイル供給対象に供給する供給ポンプと、を有するドライサンプ式の潤滑装置を備えた内燃機関に適用され、前記第２オイル供給対象であり、前記内燃機関のピストンにオイルを噴射するオイルジェット機構を備えた内燃機関のピストン冷却システムにおいて、
   前記排出ポンプより下流側のオイル排出通路と前記オイルジェット機構とを接続するオイル導入通路と、前記オイル導入通路を介して前記オイルジェット機構に導かれるオイル量を調整するオイル量調整手段と、ノッキングの回避の要否を判定する判定手段と、前記判定手段によりノッキングの回避が必要と判定された場合は前記判定手段によりノッキングの回避が不要と判定された場合と比較して前記オイルジェット機構に導かれるオイル量が増加するように前記オイル量調整手段を制御する動作制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関のピストン冷却システム。
2. 前記オイルタンクに貯留されているオイル貯留量を取得するオイル貯留量取得手段をさらに備え、
   前記動作制御手段は、前記オイル貯留量取得手段により取得されたオイル貯留量が予め設定した所定量以下の場合、前記オイルジェット機構に導かれるオイル量が制限されるように前記オイル量調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン冷却システム。
3. 前記動作制御手段は、前記オイル貯留量取得手段により取得されたオイル貯留量が前記所定量以下の場合、前記オイルジェット機構へのオイルの導入が禁止されるように前記オイル量調整手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のピストン冷却システム。
4. 前記内燃機関は、燃焼室内の燃料混合気に点火する点火プラグを備え、
   前記動作制御手段は、前記オイル貯留量取得手段により取得されたオイル貯留量が前記所定量以下の場合、前記オイルジェット機構に導かれるオイル量が制限されるように前記オイル量調整手段を制御するとともに、ノッキングを回避する効果を増大すべく前記点火プラグの点火時期を遅角させることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関のピストン冷却システム。

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