JP5294063B2 - 内燃機関の潤滑装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の潤滑装置に係り、特に、油路の構造を改良した内燃機関の潤滑装置に関する。

内燃機関において潤滑油を供給する油路は、異物詰まり防止の観点から、φ１．２〜１．５ｍｍ程度より小さくすることが困難である。そのため必要以上にオイルを各部へ供給するが故、オイルポンプ容量が増え、機械的ロス増大ひいては燃費悪化の一因となっている。

エンジンオイル中には、加工時の切粉の残りや部品同士の摺動による摩耗粉、オイル劣化物などの異物が存在する。そして通常、異物はストレーナの金網やオイルフィルタによって取り除かれるが、全ての異物を取り除けるわけではない。そこで異物がこれらの下流側に流されることになるが、この異物の詰まりによる潤滑不良を防止するため、通常、油路をφ１．２〜１．５ｍｍ程度より小さくすることができない。

特開平１１−３２４６３５号公報

そこで、本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その一の目的は、異物の詰まりを防止しつつ断面積の小さな油路を設け、機械的ロス及び燃費悪化を抑制することができる内燃機関の潤滑装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、オイルポンプから供給されるオイルを濾過するオイルフィルタの下流側に、異物詰まりがないような最小の断面積を有する断面円形の第１油路と、前記第１油路の下流側に連なり、前記第１油路の断面積未満の断面積を有する断面扁平形状の第２油路と、前記第２油路の下流側に連なり、前記第１油路の断面積未満の断面積を有する第３油路とを設けたことを特徴とする内燃機関の潤滑装置が提供される。

本発明によれば、異物の詰まりを防止しつつ断面積の小さな油路を設け、機械的ロス及び燃費悪化を抑制することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態に係る内燃機関の潤滑装置の概略図である。 第１〜第３油路の断面図である。 第２油路の変形例を示す断面図である。 本実施形態の油路構造の一部を適用したカムキャップの斜視図である。 他の実施形態に係る内燃機関の潤滑装置の概略図である。 バルブの一例を示す概略斜視図である。 バルブの他の例を示す概略斜視図である。 油路圧力の所定値を規定するグラフである。 他の実施形態をカムシャフト周辺の油路構造に適用した例を示す概略図である。 図９のバルブ閉状態を示す概略図である。 他の実施形態の変形例の概略図である。 他の実施形態の別の変形例の概略断面図である。 図１２の異物詰まり状態を示す概略断面図である。 図１２の異物排出状態を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。

図１に、本実施形態に係る内燃機関（エンジン）の潤滑装置を概略的に示す。本実施形態のエンジンは自動車用エンジンであるが、エンジンの用途、種類、形式等は特に限定されない。

潤滑装置１は、矢印で示すオイル流れ方向の上流側から順に、ストレーナ２、オイルポンプ３、オイルフィルタ４、第１油路５（太実線で示す）、第２油路６（粗い破線で示す）および第３油路７（細かい破線で示す）を備えている。オイルポンプ３は、オイルパン等に貯留されたオイルＯをストレーナ２を通じて吸入する。ストレーナ２には金網等のメッシュ部材８が設けられ、オイルＯがメッシュ部材８を通過するときに大きな異物がオイルから取り除かれる。オイルポンプ３は、吸入したオイルをオイルフィルタ４に供給し、オイルフィルタ４は細かい異物をオイルから取り除いてオイルを濾過する。さらにオイルポンプ３は、オイルフィルタ４を通過したオイルを、第１〜第３油路５，６，７を含む各油路及び潤滑部へと圧送する。

図示例の場合、第１油路５は鉛直方向に延び、第２油路６は第１油路５の上端ないし下流端に連なって（或いは接続して）水平方向に延びる。第３油路７は、第２油路６の所定位置に連なって分岐し、上方及び下方へと延びる。

第１〜第３油路５，６，７の断面形状を図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にそれぞれ示す。なお大きさの比較のため、（Ｂ）に第１油路５を、（Ｃ）に第１および第２油路５，６を、それぞれ仮想線で示す。

第１油路５は、断面円形とされ、１．２〜１．５ｍｍ程度の直径Ｄを有する。即ち第１油路５は、異物詰まりがないような最小の断面積および直径を有している。

第２油路６は、第１油路５の断面積未満の断面積を有する断面扁平形状とされている。具体的には、第２油路６は、横長の断面長方形とされ、第１油路５の直径Ｄより大きい幅Ｗと、第１油路５の直径Ｄより小さい高さないし深さＨとを有する。

第３油路７は、第１油路５の断面積未満の断面積を有する。具体的には、第３油路７は、断面円形とされ、第１油路５の直径Ｄより小さい直径ｄを有する。

なお、第２油路６の断面形状は長方形に限らず、例えば図３（Ａ）に示すような楕円形、或いは図３（Ｂ）に示すような半楕円形、或いは図３（Ｃ）に示すような扁平な逆Ｕ次形であってもよい。

かかる油路構造によれば、第１〜第３油路５，６，７がオイルフィルタ４の下流側に設置されているので、第１〜第３油路５，６，７が大きな異物で閉塞されることが防止される。また、第２油路６の幅Ｗが第１油路５の直径Ｄより大きいので、第１油路５を通過した異物が第２油路６で完全に詰まることがない。たとえ多少詰まったとしても、エンジン停止時即ちオイルポンプ停止時に下方に落下する。さらに第２油路６で異物が詰まらないため、第１油路５よりも断面積の小さい第３油路７が形成可能となる。

このように、第１油路５から第２油路６、第２油路６から第３油路７へと順次断面積を小さくすることで、供給されるオイル量を減少することができる。供給オイル量を減少すると、オイルポンプ３の容量を減少することが可能となり、機械的ロスを減少し、燃費を改善することができる。また供給オイル量を減少すると、オイル攪拌によるフリクションも減少でき、同様に燃費を改善することができる。

ところで、かかる油路構造をヘッドカバー内にある動弁系潤滑部に適用すると、オイル劣化抑制効果も得られる。即ち、エンジンにおいてオイルが劣化しやすい部位はヘッドカバー直下の部位である。その理由は、ヘッドカバー内のブローバイガス中に含まれる水分が、温度の低いヘッドカバーに接触して結露水となり、この結露水が、ブローバイガス中に含まれるＮＯｘと反応して硝酸となる。この硝酸がオイルを劣化させる。

一方、かかる油路構造をヘッドカバー内の動弁系潤滑部に適用すると、動弁系潤滑部へのオイル供給量が減少する。するとオイルが硝酸に接触する機会が減るため、必然的にオイル劣化抑制効果が得られる。なお、ヘッドカバー内からブローバイガスを排出すると共にヘッドカバー内に新気を導入してヘッドカバー内を換気するシステム（所謂ＰＣＶシステム）があるが、このシステムでは、エンジン停止時や高負荷時（例えばスロットル全開時）以外、硝酸が留まり続けることがない。かかる油路構造によれば流通するオイル量が減少するため、オイルによって運ばれる硝酸の量も少なくなり、オイル劣化抑制が可能である。

また、かかる油路構造によれば、オイル消費抑制効果も得られる。即ち、オイルが各潤滑部に供給されると、オイルは摺動部品や高速回転部品に衝突してオイルミストとなる。一方前述のＰＣＶシステムでは、ヘッドカバー内から排出されたブローバイガスが吸気系に環流され、燃焼室内で燃焼される。このときオイルミストもブローバイガスと共に吸気系に環流されて燃焼室内で燃焼されるため、結果的にオイルが持ち去られ、オイルが消費されてしまう。

かかる油路構造によると、オイル供給量が減少するため、必然的にオイルミスト量も減少する。よって、燃焼室内で燃焼されるオイル量も減少し、結果的にオイル消費量を抑制することができる。

図４には、上述の油路構造の一部を、カムシャフトを上方から軸支するカムキャップに適用した例を示す。カムキャップ８は、互いに離間された二つの軸受面９，９と複数のボルト穴１０と位置決め穴１１とを備える。そして各軸受面９に、周方向に１／４周だけ延びる第２油路６と、第２油路６に連なってカムシャフト軸方向に延びる第３油路７とが形成されている。ここでは第２油路６が断面長方形とされ、第３油路７が断面半円形とされている。このように、第３油路７の断面形状も円形に限られない。

次に他の実施形態を説明する。なお前述の基本実施形態と同一の構成要素には図中同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

図５に示すように、この他の実施形態では、第２油路６、特にその上流部に、油路の断面積を可変とするためのバルブ２０が設けられ、バルブ２０の下流側に、第２油路６の圧力を検出する圧力センサ２１が設けられている。

バルブ２０は様々なタイプのものが使用可能である。例えば図６に示すように、バタフライ式の弁体２２を電気モータなどのアクチュエータ（図示せず）により回転させるものが使用可能である。或いは図７に示すように、スプール式の弁体２３をリニアソレノイドなどのアクチュエータ（図示せず）により直線的に往復動させるものが使用可能である。かかるスプール式バルブは例えば可変バルブタイミング機構を油圧制御するためのオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）に用いられるものが使用可能である。このようにバルブ２０を電気的に作動させることで、瞬時の作動が可能となり、信頼性が向上する。

バルブ２０は、第２油路６を所定の最小断面積まで絞る最小開度（閉状態、図７（Ａ）参照）と、第２油路６を最大断面積（即ち、第２油路６の元々の断面積）まで開く最大開度（開状態、図７（Ｂ）参照）との間で、作動可能である。バルブ２０と圧力センサ２１は電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）２４に接続されている。

ＥＣＵ２４は、通常、バルブ２０を最小開度に制御する。そして圧力センサ２１の検出値が所定値以下に達したときはバルブ２０を最大開度に制御する。そして再度バルブ２０を最小開度に制御し、再び圧力センサ２１の検出値が所定値以下に達したらバルブ２０を最大開度に制御する。ＥＣＵ２４はこのようなバルブ２０の開閉制御を繰り返し行う。つまりＥＣＵ２４は、圧力センサ２１の検出値が所定値より大きいときにはバルブ２０を最小開度に制御し、圧力センサ２１の検出値が所定値以下のときにはバルブ２０を最大開度に制御する。

通常時にバルブ２０を最小開度に制御するので、第２油路６を最小断面積まで絞り、ここを流れるオイル量を減じることができる。これにより、オイルポンプ３から供給されるオイル量をより一層減少し、オイルポンプ３の容量減少、機械的ロス減少、燃費改善が可能となる。このとき圧力センサ２１の位置ではオイルが問題なく流れているため、圧力センサ２１の検出値は所定値より大きくなっている。

ところで第２油路６を最小断面積まで絞ると、ここで異物が詰まる可能性がある。異物詰まりが発生すると、その下流側にオイルが少量しか流れず、油路の圧力が低下する。

この場合、圧力センサ２１の検出値が所定値以下に低下する。するとバルブ２０が最大開度に制御され、第２油路６が最大断面積となり、詰まった異物が下流側に排出される。これにより信頼性を大幅に向上することができる。異物が排出されればオイルが問題なく流れるようになり、圧力センサ２１の検出値は所定値より大きくなる。これに応答して、バルブ２０は再び最小開度に制御され、前述の燃費改善効果等を再度得られるようになる。

圧力センサ２１で油路圧力の低下を検出すると、潤滑部のメタル摩耗によるオイルクリアランス増加や、過度な油温上昇によるオイル粘度低下なども検出することができる。すなわち、前者について、軸と軸受の間にはオイルが供給されるオイルクリアランスがあるが、軸受のメタルが摩耗するとオイルクリアランスが増加し、オイルがより多く供給されるようになる。この分、圧力センサ２１がある油路へのオイル量が減り、油路圧力が低下する。よって油路圧力の低下を検出することでオイルクリアランス増加を検出することができる。

後者について、通常エンジンは冷却水で常時冷却されるため、油温は１３０〜１５０℃程度までしか上昇しない。しかし、油温がこれ以上上昇すると、オイル粘度が低下し、油圧も低下する。よって油路圧力の低下を検出することで、過度な油温上昇によるオイル粘度低下を検出することができる。

なお、バルブ２０の最大開度制御時に第２油路６を最大断面積まで開くと、他の油路の油圧が急激に低下する可能性がある。そこでこれが問題となる場合には、バルブ２０の最大開度制御時に、バルブ２０の開度を、第２油路６を最大断面積までは開かないが異物排出に十分な大きさの断面積まで開くような開度とするとよい。

代替的に、バルブ２０と圧力センサ２１を第１油路５に同様の位置関係で設けることも可能である。

この他の実施形態では、圧力センサ２１で検出された油路圧力以外の値にも基づいてバルブ２０を制御することも可能である。例えば、エンジンの水温を検出する水温センサを設け、水温センサの検出値に基づく制御も可能である。水温センサの検出値が所定値以下のとき即ちエンジンの低温時には、オイル粘度が高いため、バルブ２０を最大開度に制御し、オイルポンプの仕事量を減らし、燃費改善効果等を得る。特にエンジン始動時には水温センサの検出値が所定値以下となっていることが多いため、この方法は有効である。他方、水温センサの検出値が所定値より大きいとき即ちエンジンの暖機後には、オイル粘度が低いため、バルブ２０を最小開度に制御して燃費改善効果等を得る。

また、油路圧力の所定値（即ち、圧力センサ２１の検出値に関する所定値）を、油温及びエンジン回転数に応じて定めることも可能である。この場合、油温については油温センサを設けてこれで直接検出する方法や、前記水温センサの検出値で代用する方法が可能である。エンジン回転数については、通常通り、クランク角を検出するクランク角センサを設け、この検出値から演算して求める方法が可能である。

図８には、ある一定油温の下で油路圧力の所定値をエンジン回転数に応じて定めたときのグラフないしマップである。図中の実線が所定値を示し、圧力センサ２１の検出値が実線より上の領域にあるとき（「ＯＫ」ゾーンにあるとき）には、バルブ２０が最小開度に制御される。また、圧力センサ２１の検出値が実線以下の領域にあるとき（「ＮＧ」ゾーンにあるとき）には、バルブ２０が最大開度に制御される。このような所定値は各油温毎にも定められている。図示する線図は一例であり、実験等に基づき適宜定められる。なお、エンジン停止時には、バルブ２０が、最小開度よりも小さい、油路断面積をゼロとするような開度に制御され、油路は完全に閉じられる。

かかる油路圧力の所定値は、各潤滑部、油圧式ラッシュアジャスタ及び可変バルブタイミング機構等への給油量も考慮して定めるのが望ましい。即ちバルブ２０を最大開度にするとこれらへの給油量が少なくなるため、これらの作動を確保できるような所定値とするのが望ましい。

図９には、この他の実施形態を、カムシャフト（図示せず）の周辺の油路構造に適用した例を示す。オイルフィルタから排出されたオイルを上昇させる上昇油路５ａと、上昇されたオイルを水平方向に流す水平油路５ｂと、水平油路５ｂから一旦下降して再びオイルを横方向に流す下側油路５ｃと、水平油路５ｂから分岐して一旦上昇し、水平方向に屈曲してオイルを横方向に流す上側油路５ｄとが、第１油路５から構成されている。

下側油路５ｃからは、第２油路６から構成された二種類且つ複数ずつの油路６ａ，６ｂが上方に向かって分岐されている。一方の油路６ａは、油圧式ラッシュアジャスタ（以下ＨＬＡと称す）に給油するためのＨＬＡ油路であり、他方の油路６ｂは、カムジャーナル（カムシャフトに対する軸受部）に給油するためのジャーナル油路である。図示しないが、ＨＬＡ油路６ａの下流側には、ＨＬＡに形成された第３油路７が連なっている。またジャーナル油路６ｂの下流側には、例えば図４に示したように、カムジャーナルに形成された第３油路７が連なっている。なお下側油路５ｃはＨＬＡギャラリなどとも称される。

上側油路５ｄからは、第２油路６から構成された複数の噴射油路６ｃが下方に向かって分岐されている。噴射油路６ｃは、カムシャフト周辺に上方からオイルを噴射供給するカムシャワーを実行するための油路である。

水平油路５ｂにおいて、上側油路５ｄとの分岐点の上流側には、バルブ２０と圧力センサ２１とが設けられている。

図９に示すように、エンジン運転時には、バルブ２０が水平油路５ｂを最大開度または最小開度に開いており、その下流側にオイルが供給される。

他方、図１０に示すように、エンジンが停止されると、バルブ２０が水平油路５ｂを完全に閉じる。これによりオイルのドレーンバックが確実に防止される。

すなわち、エンジン停止時にバルブ２０が開いているとすると、上昇油路５ａのオイルがオイルパンに向かって重力により下降し、これに引っ張られて上昇油路５ａの下流側のオイルもオイルパンに戻ろうとする（これをドレーンバックという）。このとき、下側油路５ｃが水平油路５ｂから下降して水平方向に延びる形状を有しており、且つ噴射油路６ｃから空気が入るため、下側油路５ｃからのオイルの戻りは基本的に阻止され、上側油路５ｄおよび噴射油路６ｃのオイルのみが戻る。しかしそれでも、水平油路５ｂに戻り方向のオイルの流れがあるため、下側油路５ｃからのオイルの戻りは完全に阻止することができない。

しかし、エンジン停止時にバルブ２０を完全に閉じると、バルブ２０の下流側からのオイルの戻りが完全に阻止されるため、下側油路５ｃひいてはその下流側からのオイルの戻りが完全に阻止される。従って、次のエンジン始動時に、ＨＬＡ及びカムジャーナルに極短時間でオイルを供給でき、始動時の潤滑不良等を確実に防止することができる。

なお、バルブ２０の位置は変更可能であり、オイル戻りの阻止を要する部分に応じて任意の位置に設定可能である。例えば、最上流に位置するＨＬＡ油路６ａの上流側における下側油路５ｃにバルブ２０を設置するのも好ましい。

次に、他の実施形態の変形例を示す。図１１に示す例において、バルブ２０で詰まった異物を排出するための排出油路３０が追加して設けられている。排出油路３０は、異物排出が容易となるよう第１油路５と同等かそれ以上の断面積を有している。排出油路３０の上流端は、図示例では第１油路５に接続されているが、バルブ２０の上流側であればその接続位置は任意である。排出油路３０は、バルブ２０の位置で第２油路６と交差し、その下流端はオイルパンに連通されている。

図１２の例では、排出油路３０の上流端が、バルブ２０の弁体３１の直前位置の第２油路６に接続されている。バルブ２０としては、図示するようなスプール式の弁体３１を有するものが使用される。弁体３１は、第２油路６より小さい断面積を有する主油穴３２と、主油穴３２と同じ断面積を有する副油穴３３と、主油穴３２よりも大きい断面積を有し、異物排出に用いる排出油穴３４とを有する。

圧力センサ２１の検出値が所定値より大きいとき、即ち異物の詰まりがないときには、（Ａ）および（Ｂ）に示すように、主油穴３２を用いてオイルを流通させる。（Ａ）は主油穴３２の全部が第２油路６に開放している油路最大時、（Ｂ）は主油穴３２の一部しか第２油路６に開放していない油路最小時である。これら二つの開度の間でバルブ２０が圧力センサ２１の検出値に応じて制御される。排出油路３０は弁体３１によって閉じられている。

他方、図１３に示すように、異物Ｘが主油穴３２の手前で詰まり、圧力センサ２１の検出値が所定値以下に低下したときには、弁体３１を右方向に移動し、図１４に示す如く副油穴３３を第２油路６に開放させ、排出油穴３４を排出油路３０に開放させる。

こうなると、油路断面積の大きい排出油路３０の方へオイルが積極的に流れるようになり、且つ、異物Ｘが弁体３１に引き摺られて排出油路３０の方へ移動させられることから、異物Ｘがオイルと共に排出油路３０内に流入し、排出油穴３４を通じてオイルパンに向けて排出させられる。

こうして異物排出後、圧力センサ２１の検出値が所定値より大きくなったら、弁体３１を元の位置に復帰移動させる。

このように、詰まった異物を別経路を通じて排出できるので、バルブ２０の下流側への異物流出を効果的に防止でき、信頼性を高めることが可能となる。

なお、ここでのバルブ２０の制御についても前述の方法が適用可能である。例えば油路圧力の所定値を油温及びエンジン回転数に応じて定めたり、バルブ２０を水温に応じて制御したりすることが可能である。

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、内燃機関は自動車用以外であってもよい。

本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 潤滑装置
３ オイルポンプ
４ オイルフィルタ
５ 第１油路
６ 第２油路
７ 第３油路

Claims (6)

1. オイルポンプから供給されるオイルを濾過するオイルフィルタの下流側に、異物詰まりがないような最小の断面積を有する断面円形の第１油路と、前記第１油路の下流側に連なり、前記第１油路の断面積未満の断面積を有する断面扁平形状の第２油路と、前記第２油路の下流側に連なり、前記第１油路の断面積未満の断面積を有する第３油路とを設け、
   前記第２油路に、その断面積を可変とするためのバルブを設け、前記バルブの下流側に、前記第２油路の圧力を検出する圧力センサを設け、前記バルブで詰まった異物を排出すべく前記圧力センサの検出値に基づいて前記バルブを制御する電子制御ユニットを設けたことを特徴とする内燃機関の潤滑装置。
2. 前記電子制御ユニットは、前記圧力センサの検出値が所定値より大きいときには前記バルブを最小開度に制御し、前記圧力センサの検出値が所定値以下のときには、前記バルブに詰まった異物を下流側に排出すべく、前記バルブを最大開度に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潤滑装置。
3. 前記所定値が、油温及びエンジン回転数に応じて定められていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の潤滑装置。
4. 前記バルブで詰まった異物を排出するための排出油路が設けられ、前記排出油路は、前記第１油路と同等かそれ以上の断面積を有し、前記排出油路の上流端は、前記バルブの上流側の前記第１油路または前記第２油路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の潤滑装置。
5. 前記排出油路の上流端は、前記バルブのスプール式弁体の直前位置の前記第２油路に接続され、前記弁体は、前記第２油路より小さい断面積を有する主油穴と、前記主油穴と同じ断面積を有する副油穴と、前記主油穴よりも大きい断面積を有し、異物排出に用いる排出油穴とを有し、
   前記電子制御ユニットは、前記圧力センサの検出値が所定値より大きいときには、前記主油穴が前記第２油路に開放し、前記排出油路が前記弁体によって閉じられるよう、前記バルブを制御し、前記圧力センサの検出値が所定値以下に低下したときには、前記弁体を前記排出油穴の方向に移動し、前記副油穴が前記第２油路に開放し、前記排出油穴が前記排出油路に開放するよう、前記バルブを制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の潤滑装置。
6. 前記電子制御ユニットは、前記圧力センサの検出値が所定値より大きいときには、前記主油穴の全部が前記第２油路に開放する油路最大開度と前記主油穴の一部しか前記第２油路に開放しない油路最小開度との間で前記バルブを前記圧力センサの検出値に応じて制御し、前記圧力センサの検出値が所定値以下に低下したときには、前記副油穴の全部が前記第２油路に開放するよう、前記バルブを制御することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の潤滑装置。

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