JP6126448B2

JP6126448B2 - ピストン冷却装置

Info

Publication number: JP6126448B2
Application number: JP2013092287A
Authority: JP
Inventors: 有吾工藤; 悦弘舩山
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: JP2014214664A

Description

本発明は、内燃機関のピストン冷却装置に関する。

従来の内燃機関のピストン冷却装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、ピストンにオイルを噴射するオイルジェットを備え、これによりピストンの冷却を行うものが知られている。このピストン冷却装置では、内燃機関がプレイグニッションの発生し易い低回転高負荷である場合に、爆発工程でのみオイルを噴射するようにオイルジェットが制御され、プレイグニッションの発生確率を低減している。

特開２０１２−１３６９５３号公報

上記従来のピストン冷却装置では、前述のように、爆発工程、すなわち、燃焼により生じた熱がピストンに伝達される燃焼行程及び膨張行程にて、オイルを噴射するように制御される。しかし、このようなピストン冷却装置では、過冷却により内燃機関の気筒内の遮熱性が低下し、熱損失が大きくなる虞があり、よって、熱効率の向上の点で改善の余地がある。

そこで、本発明は、熱効率の向上を図ることが可能なピストン冷却装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るピストン冷却装置は、ピストンを有する内燃機関のピストン冷却装置であって、ピストンにオイルを噴射して冷却するオイルジェットと、オイルジェットからのオイルの噴射を許容及び停止させる電磁弁と、電磁弁の動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、内燃機関の少なくとも燃焼行程及び膨張行程にてオイルの噴射を停止する部分噴射を、内燃機関における負荷及び回転数を含む運転状態に基づき実施させる。

本発明のピストン冷却装置では、少なくとも燃焼行程及び膨張行程におけるオイルの噴射が、内燃機関の運転状態に基づき停止される。これにより、運転状態に応じて燃焼行程及び膨張行程における過冷却を抑制でき、内燃機関の気筒内の遮熱性を高めて熱効率の向上を図ることができる。

また、制御部は、回転数に関する負荷が閾値以下の場合に、部分噴射を実施させることが好ましい。このように構成することで、回転数に関する負荷が閾値以下の部分負荷の場合に、上記効果を好適に奏する。

また、部分噴射は、排気工程の少なくとも一部にて更にオイルの噴射を停止することが好ましい。このように構成することで、排気行程の少なくとも一部におけるオイルの噴射が、内燃機関の運転状態に基づき更に停止される。これにより、運転状態に応じて排気工程における排気温度の低下を抑制でき、後処理装置の温度維持、排熱回収による触媒の活性、及び、排気タービンの駆動力向上等に排気を好適に利用できる。

また、制御部は、運転状態に応じてオイルの噴射パターンを定める噴射制御マップを有しており、当該噴射制御マップにより決定される噴射パターンでオイルの噴射を実施させ、噴射パターンは、部分噴射、内燃機関の全工程にてオイルを噴射する全噴射、及び、内燃機関の全工程にてオイルの噴射を停止する噴射停止を含んでいることが好ましい。このように構成することで、内燃機関の運転状態に基づき部分噴射を行うだけでなく、全噴射及び噴射停止を行うことができる。

また、運転状態は、水温、油温及び吸気温の少なくとも一つをさらに含み、制御部は、内燃機関における水温、油温及び吸気温の少なくとも一つに応じて異なる複数の噴射制御マップを有していることが好ましい。このように構成することで、内燃機関の水温、油温及び吸気温の少なくとも一つに基づき好適に噴射制御マップを決定することができる。

本発明によれば、熱効率の向上を図ることが可能なピストン冷却装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るピストン冷却装置を示す概略図である。噴射制御マップの例を示す図である。噴射制御マップに対応する水温、油温及び吸気温の範囲を説明する図である。図１のピストン冷却装置における各工程の動作例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るピストン冷却装置を示す概略図である。図１に示すように、ピストン冷却装置１は、４サイクル内燃機関におけるピストンＰ（図４参照）を冷却するためのものであって、ピストンＰにオイルを噴射して冷却するオイルジェット２と、オイルジェット２からのオイルの噴射を許容及び停止させる電磁弁３と、電磁弁３の動作を制御する制御部４と、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出部５と、を備えている。

また、ピストン冷却装置１は、メインオイルギャラリ６、ポンプ７、サブオイルギャラリ８、逆止弁９、電磁弁１０、圧力センサ１１及び安全弁１２を含んでいる。メインオイルギャラリ６には、ポンプ７により汲み上げられたオイルが、矢印１２の方向に流れている。メインオイルギャラリ６とサブオイルギャラリ８とは、逆止弁９及び電磁弁１０を介して互いに連通されている。メインオイルギャラリ６を流れるオイルは、矢印１３の方向に流れ、サブオイルギャラリ８内に流入される。

逆止弁９は、サブオイルギャラリ８からメインオイルギャラリ６へのオイルの逆流を防止する。電磁弁１０は、その開閉が制御部４により制御され、これにより、サブオイルギャラリ８内のオイル圧力やオイル量を可変に制御することができる。また、サブオイルギャラリ８には圧力センサ１１が設けられ、当該圧力センサ１１によりサブオイルギャラリ８内の圧力が検出される。

また、メインオイルギャラリ６とサブオイルギャラリ８とは、安全弁１２を介して互いに連通されている。安全弁１２は、サブオイルギャラリ８内の圧力が一定以上となった場合に、サブオイルギャラリ８内のオイルを矢印１４の方向へ流出させ、これにより、サブオイルギャラリ８内の圧力が過剰に上昇するのを防止する。サブオイルギャラリ８内のオイルは、各オイルジェット２に供給される。

オイルジェット２は、ピストンＰ毎に配置され、例えば金属等により形成されたパイプ形状とされている。オイルジェット２は、その基端がサブオイルギャラリ８に連通され、サブオイルギャラリ８から供給されたオイルを、先端からピストンＰに向けて噴射する。オイルジェット２からの噴射は、電磁弁３の開閉により許容及び停止される。電磁弁３は、サブオイルギャラリ８と各オイルジェット２との間に配置され、オイルジェット２毎に噴射を実施又は停止させる。この電磁弁３の開閉動作は、制御部４により制御される。

制御部４は、内燃機関における負荷及び回転数を含む運転状態に基づいて、内燃機関の少なくとも燃焼行程及び膨張行程にてオイルの噴射を停止する部分噴射を実施させる。運転状態検出部５は、内燃機関の運転状態を検出して制御部４に出力する。内燃機関の運転状態としては、例えば負荷（アクセル）、回転数、水温、油温及び吸気温等が挙げられる。以下、制御部４によるオイルジェット２の制御について、詳細に説明する。

図２は噴射制御マップの例を示す図、図３は噴射制御マップに対応する水温、油温及び吸気温の範囲を説明する図である。図２の横軸は回転数、縦軸は負荷を示す。噴射制御マップＭは、運転状態に応じてオイルの噴射パターンを定めるものであり、例えば図２の境界線ａ，ｂ，ｃにより分けられる領域毎にオイルの噴射パターンを定める。

図２に示すように、境界線ａと境界線ｂとの間における領域Ａが示す噴射パターンは、内燃機関の全工程にてオイルの噴射を実施させる全噴射である。境界線ｂと境界線ｃとの間における領域Ｂが示す噴射パターンは、内燃機関の少なくとも燃焼行程及び膨張行程にてオイルの噴射を停止する部分噴射である。なお、ここでの部分噴射は、排気工程の少なくとも一部にて更にオイルの噴射を停止している。境界線ｃ以下の領域Ｃが示す噴射パターンは、内燃機関の全工程にてオイルの噴射を停止する噴射停止である。

制御部４は、例えば図２に示すような噴射制御マップＭ１，Ｍ２を含む複数の噴射制御マップＭを有しており、当該噴射制御マップＭにより決定される噴射パターンでオイルの噴射を実施させる。例えば、制御部４は、回転数に関する負荷が境界線ｂ上の閾値以下であり、領域Ｂに該当するような場合に、部分噴射を実施させる。また、回転数に関する負荷が境界線ｂ上の閾値より大きく、領域Ａに該当するような場合に、全噴射を実施させる。また、回転数に関する負荷が境界線ｃ上の閾値よりも小さく、領域Ｃに該当するような場合に、噴射を停止させる。この噴射制御マップＭは、内燃機関における水温、油温及び吸気温の少なくとも一つに応じて互いに異なっている。すなわち、制御部４は、水温、油温及び吸気温に応じた複数の噴射制御マップを有している。

図３の（ａ）に示すように、本実施形態では、水温の範囲としては、４０℃以下を低温、４０℃〜６０℃を中温、６０℃以上を高温としている。図３の（ｂ）に示すように、油温の範囲としては、４０℃以下を低温、４０℃〜９０℃を中温、９０℃以上を高温としている。図３の（ｃ）に示すように、吸気温の範囲としては、０℃以下を低温、０℃〜２０℃を中温、２０℃以上を高温としている。このように水温、油温及び吸気温のそれぞれについて、低温、中温及び高温の状態を定義する場合、制御部４は、水温、油温及び吸気温に応じた２７つの噴射制御マップＭを有することになる。

例えば、図２の（ａ）における噴射制御マップＭ１は高水温、高油温及び高吸気温の場合を示し、図２の（ｂ）における噴射制御マップＭ２は低水温、低油温及び低吸気温の場合を示している。制御部４により、水温、油温及び吸気温がいずれも高温であると判断された場合には、図２の（ａ）に示す噴射制御マップＭ１により決定される噴射パターンでオイルの噴射を実施させる。一方、制御部４により、水温、油温及び吸気温がいずれも低温であると判断された場合には、図２の（ｂ）に示す噴射制御マップＭ２により決定される噴射パターンでオイルの噴射を実施させる。

ここで、図２の（ｂ）に示す境界線ｂは、図２の（ａ）に示す境界線ｂよりも上昇した位置にある。同様に、図２の（ｂ）に示す境界線ｃは、図２の（ａ）に示す境界線ｃよりも上昇した位置にある。よって、部分噴射又は噴射停止のいずれかの噴射パターンを示す領域が、図２の（ａ）よりも図２の（ｂ）の方が広くなっている。すなわち、水温、油温及び吸気温がいずれも低温である場合の噴射制御マップＭ２は、これらがいずれも高温である場合よりも、部分噴射及び噴射停止の領域が拡大されている。換言すると、複数の噴射制御マップＭは、水温、油温及び吸気温の少なくとも一つが低温になるほど、部分噴射及び噴射停止の領域が拡大するように設定されている。

次に、本実施形態に係るピストン冷却装置１が内燃機関の各工程において行う動作について、噴射パターンが部分噴射の場合（運転状態が領域Ｂのとき）を例示して説明する。

図４は、図１のピストン冷却装置における各工程の動作例を示す図である。このような噴射パターンは、例えば運転状態が部分負荷の場合に適用される。図４の（ａ）〜（ｆ）は内燃機関の各工程を示しており、（ａ）は圧縮工程、（ｂ）は燃焼行程、（ｃ）は膨張行程、（ｄ）は排気工程、（ｅ）及び（ｆ）は吸気工程である。

図４の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、燃焼行程及び膨張行程においては、制御部４により電磁弁３が閉弁され、オイルの噴射が停止される。これにより、熱損失が抑制される。また、図４の（ｄ）に示すように、更に排気工程にて、オイルの噴射が停止される。これにより、排気温度の低下が抑制される。図４の（ａ）、（ｅ）及び（ｄ）に示すように、圧縮工程及び吸気工程においては、オイルの噴射が実施される。特に、吸気工程においては、充填効率向上のためにオイルの噴射が実施される。

このように、本実施形態では、オイルの噴射の実施及び停止の動作が、運転状態に基づき決定された噴射パターンに応じて各工程で変化している。すなわち、内燃機関の各工程と運転状態とに連動させて、各工程におけるオイルの噴射が間欠に制御されることになる。

以上、本実施形態のピストン冷却装置１によれば、少なくとも燃焼行程及び膨張行程におけるオイルの噴射が、内燃機関の運転状態に基づき停止される。これにより、運転状態に応じて燃焼行程及び膨張行程における過冷却を抑制でき、内燃機関の気筒内の遮熱性を高めて熱効率の向上を図ることができる。

さらに、オイルの噴射を間欠に制御できるため、例えばオイルジェット２用ポンプの駆動損失を低減でき、燃費の向上を図ることができる。また、回転数に関する負荷が閾値以下の場合に、部分噴射を実施させることができる。

また、排気行程の少なくとも一部におけるオイルの噴射が、内燃機関の運転状態に基づきさらに停止される。これにより、運転状態に応じて排気工程における排気温度の低下を抑制でき、後処理装置の温度維持、排熱回収による触媒の活性、及び、排気タービンの駆動力向上等に利用できる。

また、制御部４は、噴射制御マップＭにより決定される噴射パターンに応じて、内燃機関の運転状態に基づき部分噴射を行うだけでなく、全噴射及び噴射停止を行うことができる。

また、内燃機関における水温、油温及び吸気温の少なくとも一つに応じて異なる、複数の噴射制御マップＭを有している制御部４により、内燃機関の水温、油温及び吸気温の少なくとも一つに基づき好適に噴射制御マップを決定することができる。

以上、本実施形態の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、運転状態は負荷、回転数、水温、油温及び吸気温に限られず、その他の種々の運転状態を含んでもよい。

また、噴射制御マップは油温、水温及び吸気温の少なくとも一つに応じて異なるのみならず、他の条件に応じて変化するものとしてもよい。また、油温、水温及び吸気温の範囲は、高温、中温及び低温に分類することに限られず、例えばより細かく分類等を行ってもよい。

また、上記実施形態では、いわゆるコモンレール式のサブオイルギャラリ８を設けたが、これに限定されず、当該サブオイルギャラリ８を設けない場合もある。また、上記実施形態における部分噴射は、排気工程の少なくとも一部にて更にオイルの噴射を停止しているが、当該排気工程において噴射を行ってもよい。また、気筒休止の際には、過冷却及びオイル駆動損失低減のため、その気筒のオイルジェットの噴射を全停止させてもよい。

１…ピストン冷却装置、２…オイルジェット、３…電磁弁、４…制御部、Ｍ（Ｍ１，Ｍ２）…噴射制御マップ、Ｐ…ピストン。

Claims

ピストンを有する内燃機関のピストン冷却装置であって、
前記ピストンにオイルを噴射して冷却するオイルジェットと、
前記オイルジェットからの前記オイルの噴射を許容及び停止させる電磁弁と、
前記電磁弁の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記内燃機関の少なくとも燃焼行程及び膨張行程にて前記オイルの噴射を停止する部分噴射を、前記内燃機関における負荷及び回転数を含む運転状態に基づき実施させ、
前記部分噴射は、前記内燃機関の少なくとも吸気行程にて前記オイルの噴射を実施する、
ピストン冷却装置。
前記制御部は、前記回転数に関する前記負荷が閾値以下の場合に、前記部分噴射を実施させる、
請求項１に記載のピストン冷却装置。
前記部分噴射は、排気工程の少なくとも一部にて更に前記オイルの噴射を停止する、請求項１又は２に記載のピストン冷却装置。
前記制御部は、前記運転状態に応じて前記オイルの噴射パターンを定める噴射制御マップを有しており、当該噴射制御マップにより決定される前記噴射パターンで前記オイルの噴射を実施させ、
前記噴射パターンは、前記部分噴射、前記内燃機関の全工程にて前記オイルを噴射する全噴射、及び、前記内燃機関の全工程にて前記オイルの噴射を停止する噴射停止を含んでいる、
請求項１〜３の何れか一項に記載のピストン冷却装置。
前記運転状態は、水温、油温及び吸気温の少なくとも一つをさらに含み、
前記制御部は、前記内燃機関における前記水温、前記油温及び前記吸気温の少なくとも一つに応じて異なる複数の前記噴射制御マップを有している、請求項４に記載のピストン冷却装置。