JP6245164B2

JP6245164B2 - エンジン

Info

Publication number: JP6245164B2
Application number: JP2014261241A
Authority: JP
Inventors: 勇馬宮内; 克晶安富
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2034-12-24
Also published as: JP2016121599A

Description

本発明は、摺動部において、一方の部材を他方の部材に対して浮揚させることで、摩擦を低減させたエンジンに関する。

従来からエンジンの燃費性能及び出力性能をさらに向上させることが望まれており、そのためには、例えばエンジン内の各摺動部の摩擦抵抗を低減することが有効である。摺動部の摩擦抵抗の低減方法として、特許文献１には、摺動部を、被摺動部材と、被摺動部材との摺動面に所定の低摩擦層を備えた摺動部材とで構成し、両部材間の相対速度が所定の速度以上になった場合に、摺動部材が被摺動部材に対して非接触となって浮揚状態となることで、該摺動部における摩擦抵抗を低減させる方法が開示されている。

この場合、前記低摩擦層は、ＣＶＤダイヤモンド又はＤＬＣによってコーティングされたコーティング層の表面を、部分的に鏡面研磨し、鏡面研磨される微少な島状部分の高さが同じ高さになるようにすることで形成される。そして、両部材間の相対速度が所定の速度となった場合に、摺動部材が被摺動部材に対して浮揚状態となる。

特開２００６−１４４９７９号公報

ところで、特許文献１の低摩擦層をエンジン内の各摺動部に適用する場合、様々な問題が生じる。すなわち、エンジンの摺動部として、例えばシリンダ内面とピストンリング、クランクシャフトの主軸部とシリンダブロックの軸受部、コンロッドの小端部とピストンピン、及びコンロッドの大端部とクランクシャフトのピン部がある。しかしながら、これらの摺動部は、エンジンの回転速度に応じて、様々な相対速度で動作する。

このため、摺動部を構成する摺動部材は、その相対速度が所定の速度を越える場合は、両部材間に生じる動圧の発生により、一方の部材が他方の部材に対して浮揚状態になり得る。一方、例えばエンジン停止時において、相対速度が前記所定の速度を下回る場合には、両部材間に十分な動圧が発生しないために、両部材が浮揚状態になり得ず接触してしまう。この結果、両部材が、接触して摺れ合うために、低摩擦層が損耗してしまい、浮揚効果が得られなくなるおそれあり、摺動部の信頼性が低下する。

この発明は、浮揚による摩擦低減方法を用いた場合の上記課題を解決するためになされたものであり、エンジンが所定の回転速度から停止状態に至るまでのエンジン停止時において、摺動部を構成する両部材の少なくとも一方の摺動面に形成された低摩擦層が、摺れ合いによって損耗することを抑制できる、エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本願発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、第１部材と、前記第１部材に対して相対運動する第２部材と、を備え、前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の部材の摺動面に、両部材の相対速度が所定以上のときいずれか一方の部材を他方の部材に対して浮揚させる摩擦低減処理が施された低摩擦層を有する、エンジンであって、前記低摩擦層は、頂面の面粗度Ｒａが０．１μｍ以下である複数の凸部であって、それぞれ同じ高さに形成された複数の凸部と、前記凸部の周囲に位置しており深さが３〜１０μｍである複数の凹部と、を有する、所定のコーティング層により構成され、前記エンジンの停止動作時に、エンジン負荷を増大させるエンジン負荷増大手段及び前記摺動面に空気を供給する空気供給手段を備え、前記空気供給手段は、エンジンの回転数が、一方の部材が他方の部材に対して浮揚状態となるエンジン回転速度に下降するタイミングで作動され、上記一方の部材が他方の部材に対して浮遊状態となるエンジン回転速度は、アイドル運転時のエンジン回転数よりも低い値に設定されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のエンジンにおいて、前記空気供給手段は、前記エンジンの停止後に、前記空気の供給を終了する、ことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記請求項２に記載のエンジンにおいて、前記空気供給手段は、前記空気の供給量を徐々に低減させながら前記空気の供給を終了する、ことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、前記請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、前記エンジン負荷増大手段は、エンジン負荷を増大させた後に、前記エンジン負荷の増大を徐々に低減させながら前記エンジンを停止させる、ことを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、前記空気供給手段は、空気ポンプと、前記空気ポンプと前記エンジンの複数の摺動面とを連通して、複数の前記摺動面に前記空気ポンプからの空気を供給するための、空気供給経路と、を有している、ことを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、前記請求項５に記載のエンジンにおいて、複数の前記摺動面は、クランクジャーナル外周面と主軸受内周面との間に構成される第１摺動部と、クランクピン外周面とコンロッド大端部内周面との間に構成される第２摺動部と、コンロッド小端部内周面とピストンピン外周面との間に構成される第３摺動部と、ピストンリングとシリンダの内面との間に構成される第４摺動部と、に設けられ、前記空気供給経路は、前記空気ポンプと前記主軸受内周面とを連通する、第１空気通路と、クランクシャフトに形成されており、前記クランクジャーナル外周面と前記クランクピン外周面とを連通する、第２空気通路と、コンロッドに形成されており、前記コンロッド大端部内周面と前記コンロッド小端部内周面とを連通する、第３空気通路と、を有しており、前記空気ポンプから吐出された空気が、前記第１空気通路、前記第２空気通路、及び前記第３空気通路を経由して、ピストンから前記シリンダの内面に噴出されるようになっている、ことを特徴とする。

前記の構成により、本願各請求項の発明によれば、次の効果が得られる。

まず、請求項１に記載の発明によれば、エンジンの停止動作時に、エンジン負荷が増大されるので、エンジンの停止に要する時間が短縮される。これに伴い、エンジンの停止動作時の、両部材間の相対速度が所定の速度を下回る時間が短縮される。よって、両部材が接触して摺れ合う時間が短縮される。したがって、低摩擦層の摩耗を抑制して、摺動面の信頼性の低下を抑制できる。

また、摺動部に空気を供給することによって浮揚状態を維持できるので、エンジンの停止動作時における両部材間の相対速度が所定の速度を下回る場合でも、両部材が接触することを防止できる。よって、両部材間の摺れ合いが防止され、これにより、低摩擦層の損耗を防止して、摺動部の信頼性の低下をさらに抑制できる。

また、請求項２に記載の発明によれば、不必要な空気供給が防止されるので、空気供給手段を駆動させるためのエネルギの消費を抑制できる。よって、燃費の悪化を抑制できる。

また、請求項３に記載の発明によれば、エンジンの停止時において、浮揚状態の一方の部材を他方の部材に徐々に接触させることができるので、両部材が接触するときの衝撃を緩和できる。よって、該衝撃によって低摩擦層が損傷されることを抑制できる。

また、請求項４に記載の発明によれば、エンジンを緩やかに停止させることができる。これにより、エンジン停止時の衝撃によって、低摩擦層が損傷されることを抑制できる。

すなわち、本発明に係るエンジンによれば、浮揚による摩擦低減方法をエンジンに用いた場合に、エンジンが所定の回転速度から停止状態に至るまでのエンジン停止時において、摺動部を構成する両部材の少なくとも一方の摺動面に形成された低摩擦層が、摺れ合いによって損耗することを抑制できる。

本発明の第１実施形態に係るエンジンの、主運動系の概略構成を示す断面図である。摩擦低減処理が施された低摩擦層を拡大して示す図である。図１のIII−III線における断面図である。複数気筒における空気供給経路の一例を示すエンジンの断面図である。エンジンシステムの概略構成を示すブロック図である。制御システムの概略構成を示すブロック図である。エンジン停止時のエンジンシステムの作動を示すフローチャートである。図７のタイムチャートである。第２実施形態に係るエンジンシステムの作動を示すフローチャートである。第２実施形態に係るエンジンシステムの作動を示すタイムチャートである。第３実施形態に係るエンジンシステムの作動を示すフローチャートである。第３実施形態に係るエンジンシステムの作動を示すタイムチャートである。

［第１実施形態］
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係るエンジンについて説明する。図１は、エンジン１の主運動系の概略構成を示すもので、エンジン１は、多気筒エンジン（図１では１気筒分のみ示されている）であって、図示しない車両に搭載されている。

エンジン１は、クランクシャフト１０がクランクジャーナル部１１において、シリンダブロック２の主軸受部３に回動可能に支持されている。クランクシャフト１０のクランクピン部１２には、コンロッド２０の大端部２１が回動可能に支持されている。コンロッド２０の小端部２２には、ピストン３０と連結するためのピストンピン３１が回動可能に支持されている。ピストン３０は、周部にピストンリング３２を備え、該ピストンリング３２でシリンダ４の内面であるシリンダ内面４ａに往復運動可能に支持されている。

すなわち、エンジン１の主運動系は、クランクジャーナル部１１及び主軸受部３によって第１摺動部４１が構成され、クランクピン部１２及び大端部２１によって第２摺動部４２が構成され、小端部２２及びピストンピン３１によって第３摺動部４３が構成され、ピストンリング３２及びシリンダ４によって第４摺動部４４が構成されている。

具体的には、第１摺動部４１は、互いに対向して相対的に回転運動する、クランクジャーナル部１１の外周面であるクランクジャーナル外周面１１ａと、主軸受部３の内周面である主軸受内周面３ａと、によって、摺動面が構成されている。

第２摺動部４２は、互いに対向して相対的に回転運動する、クランクピン部１２の外周面であるクランクピン外周面１２ａと、大端部２１の内周面である大端部内周面２１ａと、によって、摺動面が構成されている。

第３摺動部４３は、互いに対向して相対的に回転往復運動する、小端部２２の内周面である小端部内周面２２ａと、ピストンピン３１のピストンピン外周面３１ａと、によって、摺動面が構成されている。なお、回転往復運動とは、一方側に相対的に回転する運動と、反対側に相対的に回転する運動と、を繰り返す運動を称する。

第４摺動部４４は、互いに対向して相対的に直線往復運動する、ピストンリング３２の外周面であるピストンリング外周面３２ａと、シリンダ内面４ａと、によって、各摺動面が構成されている。なお、直線往復運動とは、一方側に相対的に直線移動する運動と、反対側に相対的に直線移動する運動と、を繰り返す運動を称する。

第１〜第４摺動部４１〜４４を構成する少なくとも一方の部材の摺動面には、所定の低摩擦処理が施された低摩擦層４０が形成されている。図２は、摺動面に形成された低摩擦層４０の一例を拡大して示している。所定の低摩擦処理とは、気相合成（ＣＶＤ）ダイヤモンド、人工サファイヤ、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、炭化ケイ素、炭化チタン、酸化アルミナ、又はアルミナ等の材料でコーティングされた微少な凹凸を有する表面を、凹部４０ａが残留する程度に凸部４０ｂを平滑状に研磨することであり、これによって、摺動面に低摩擦層４０が形成される。

凹部４０ａは、３〜１０μｍの深さとなるのが好ましく、また凸部４０ｂは、研磨された頂面の面粗度Ｒａが０．１μｍ以下となるように研磨されるのが好ましい。この低摩擦層によれば、両部材間の相対速度Ｕが所定の速度Ｕ０以上となる場合に、前記凹部４０ａ内に動圧が生じて、該動圧によって一方の部材が他方の部材に対して浮揚するという浮揚効果が得られる。

図１に示すように、本実施形態では、低摩擦層４０をクロスハッチングで示しており、第１摺動部４１においては主軸受内周面３ａに低摩擦層４０_１が形成され、第２摺動部４２においては大端部内周面２１ａに低摩擦層４０_２が形成され、第３摺動部４３においてはピストンピン外周面３１ａに低摩擦層４０_３が形成され、第４摺動部４４においてはピストンリング外周面３２ａに低摩擦層４０_４形成されている。

つまり、第１摺動部４１において、クランクジャーナル外周面１１ａ及び主軸受内周面３ａ間の相対速度が所定の速度以上となる場合に、クランクジャーナル外周面１１ａが、主軸受内周面３ａに対して非接触となる浮揚状態となる。このとき、クランクジャーナル外周面１１ａと主軸受内周面３ａとの間に、気層からなる第１気層４１ａが形成される。

同様に、第２〜第４摺動部４２〜４４において、摺動部を構成する両部材間の相対速度が所定の速度以上となる場合に、一方の部材が他方の部材に対して非接触となる浮揚状態となる。すなわち、第２摺動部４２において、クランクピン外周面１２ａと大端部内周面２１ａとの間に気層からなる第２気層４２ａが形成され、第３摺動部４３において、小端部内周面２２ａとピストンピン外周面３１ａとの間に気層からなる第３気層４３ａが形成さる。一方、第４摺動部４４において、ピストンリング３２はリング張力によってシリンダ内面４ａに付勢されているので浮揚することはない。

これによって、第１〜第４摺動部４１〜４４における、摩擦抵抗が大幅に低減されるので、本実施形態では、潤滑油による潤滑が不要とされている。なお、本明細書では、摺動の概念を、一方の部材が他方の部材に接触している場合に加えて、一方の部材が他方の部材に対して非接触となる浮揚状態も含めるものとする。

本実施形態においては、所定の速度Ｕ０は、エンジン１の回転数ＮＥが第１速度Ｖ１以上となる場合に、実現されるようになっている。例えば本実施形態では、エンジン１の第１速度Ｖ１は、２００ｒｐｍであって、アイドル回転数（例えば６００ｒｐｍ）よりも低い。すなわち、第１速度Ｖ１はエンジンの常用回転域よりも低いので、エンジン１が始動された後においては、浮揚効果が各摺動部４１〜４４において常時得られるようになっている。逆に、エンジン１の停止動作時又はエンジン始動動作時において、エンジン１の回転数ＮＥが、第１速度Ｖ１を下回る場合に、前記浮揚効果が弱まることになる。

また、エンジン１は、空気ポンプ５を備え、空気ポンプ５から、各摺動部４１〜４４の各摺動面に空気が供給されるようになっている。シリンダブロック２は、主軸受内周面３ａに形成された環状の主軸受内周溝３ｂと、主軸受内周溝３ｂと空気ポンプ５からの空気供給管５ａとを連通する第１空気通路１３と、を備えている。

クランクシャフト１０は、第２空気通路２３を備えている。第２空気通路２３は、一端部側の開口部２３ａがクランクジャーナル外周面１１ａに開口されており、他端部側の開口部２３ｂがクランクピン外周面１２ａに開口されている。

コンロッド２０は、大端部内周面２１ａに形成された環状の大端部内周溝２１ｂと、第３空気通路３３と、を備えている。第３空気通路３３は、大端部内周溝２１ｂに開口した開口部３３ａと、小端部内周面２２ａに開口した開口部３３ｂとを有している。

上記構成によって、空気ポンプ５から吐出された空気は、空気供給管５ａ及び第１空気通路１３を介して、まず主軸受内周溝３ｂに供給され、次いで主軸受内周溝３ｂから第１摺動部４１の各摺動面１１ａ，３ａに供給される。図３は図１のIII−III線に沿った第１摺動部４１の断面図であり、主軸受内周溝３ｂは環状に形成されているので、第２空気通路２３の開口部２３ａは、クランクシャフト１０の回転によらず、主軸受内周溝３ｂと常時対向することになり、空気が、第１空気通路１３から第２空気通路２３へ常時、効率的に供給される。

図１に示すように、このとき、第１摺動部４１の各摺動面１１ａ，３ａに供給された空気の一部は、第２空気通路２３へ供給されず、主軸受内周面３ａとクランクジャーナル外周面１１ａとの間の間隙（第１気層４１ａ）を通して摺動面の外部へ噴出される。

第２空気通路２３に供給された空気は、第２摺動部４２の各摺動面１２ａ，２１ａへ供給される。大端部内周溝２１ｂは環状に形成されているので、第２空気通路２３の開口部２３ｂは、クランクシャフト１０の回転によらず、大端部内周溝２１ｂに常時対向するので、第２空気通路２３から大端部内周溝２１ｂを介して、第３空気通路３３へ空気が常時、効率的に供給される。

このとき、第２摺動部４２の各摺動面１２ａ，２１ａに供給された空気の一部は、第３空気通路３３へ供給されず、大端部内周面２１ａとクランクピン外周面１２ａとの間の間隙（第２気層４２ａ）を通して摺動面の外部へ噴出される。

第３空気通路３３に供給された空気は、第３摺動部４３の各摺動面２２ａ，３１ａへ供給され、小端部内周面２２ａとピストンピン外周面３１ａとの間の間隙（第３気層４３ａ）を通して、摺動面の外部へ噴出され、その一部はピストンピン孔３０ａとピストンピン外周面３１ａとの間を通過して、シリンダ内面４ａへ噴出される。シリンダ内面４ａに噴出された空気は、シリンダ内面４ａに沿って、ピストンリング外周面３２ａに供給される。

すなわち、少なくとも、空気供給管５ａと、第１空気通路１３と、主軸受内周溝３ｂと、第１気層４１ａと、第２空気通路２３と、第２気層４２ａと、大端部内周溝２１ｂと、第３空気通路３３と、第３気層４３ａとによって、空気ポンプ５から各摺動面へ至る空気供給経路１１０が構成されている。空気供給経路１１０は各気筒に対応して設けられており、例えば、図４に示すようにエンジン１が４気筒エンジンである場合には、第１〜第４気筒に対応して、空気ポンプ５から各気筒の各摺動部４１〜４４にそれぞれ至る第１〜第４空気供給経路１１１〜１１４が設けられている。そして、空気供給経路１１０と空気ポンプ５とによって本発明の空気供給手段１００が構成されている。

すなわち、空気供給手段１００を作動させることによって、各摺動部４１〜４３に第１〜第３気層４１ａ〜４３ａを形成して空気軸受を構成できるので、摺動面の相対速度Ｕが所定の速度Ｕ０を下回る場合でも、各摺動部４１〜４３を浮揚状態に維持しやく、摺動面における摩擦抵抗を大幅に低減させることができるとともに、各摺動面が接触して摺れ合うことが抑制される。

しかも、第１摺動部４１において、摺動面１１ａ，３ａから外部へ空気を噴出させることができ、第２摺動部４２において、摺動面１２ａ，２１ａから外部へ空気を噴出させることができ、第３摺動部４３において、摺動面２２ａ，３１ａから外部又はシリンダ内面４ａへ空気を噴出させることができる。

これによって、摺動面への異物の侵入が阻止され、摺動面への異物の付着が抑制される。したがって、摺動面の面性状が低摩擦処理が施された状態に維持されるので、摺動面における摩擦抵抗の増大が抑制され、よって、一方の部材を他方の部材に対して浮揚させる浮揚効果を持続させることができる。

次に、上記主運動系を備えたエンジン１とその装備品とで構成されるエンジンシステム６０について説明する。図５は、エンジンシステム６０の概略構成を示すブロック図である。エンジンシステム６０は、エンジン１と、変速機６１と、スタータ６２と、空気ポンプ５と、空調装置（図示しない）用のエアコンコンプレッサ６３と、エンジン１に冷却水を循環させるための水ポンプ６４と、オルターネータ６５と、点火プラグ６６と、燃料噴射弁６７と、排気シャットバルブ６８と、を備えている。

変速機６１は、エンジン１の駆動力を所定の減速比で変速して駆動輪へ出力する変速機本体６１１と、変速機本体６１１とエンジン１とを動力伝達可能に接続するトルクコンバータ６１２と、を備えている。トルクコンバータ６１２は、ロックアップクラッチ６１２ａを備えており、ロックアップクラッチ６１２ａを接続させることにより、エンジン１及び変速機本体６１１間の動力伝達を直結状態にすることができる。

スタータ６２は、クランクシャフト１０を回転駆動するためのモータであり、例えば通電されると、クランクシャフト１０の変速機６１側の軸端部に設けたフライホィールの外周部のリングギヤ（図示しない）に係合して、クランクシャフト１０を回転駆動させる。スタータ６２として、駆動ベルト及びプーリを介して、クランクシャフト１０を回転駆動させてもよいし、常時リングギヤに噛み合うタイプのスタータを採用してもよい。

エアコンコンプレッサ６３、水ポンプ６４、及びオルターネータ６５は、それぞれ補機ベルト６９及び各駆動プーリ６３１，６４１，６５１を介して、クランクシャフト１０のクランクプーリ１０１に動力伝達可能に連結されている。さらに、エアコンコンプレッサ６３、水ポンプ６４、及びオルターネータ６５は、各駆動プーリ６３１，６４１，６５１との動力伝達を分離することができるクラッチ機構６３２，６４２，６５２をそれぞれ備えるようにしてもよい。

エアコンコンプレッサ６３及び水ポンプ６４は、それぞれ吐出容量を調整可能な可変容量タイプである。すなわち、エアコンコンプレッサ６３及び水ポンプ６４は、それぞれ駆動要求が無い場合には、吐出容量を小さく又は０にしてエンジン負荷を低減させることができ、駆動要求が有る場合には、吐出容量を大きくしてエンジン負荷を増大させることができる。

オルターネータ６５は、バッテリ（図示しない）の充電状況及びエンジン１の運転状況に応じて、発電負荷を自在に調整できるようになっている。すなわち、発電負荷を小さくすることによって、発電量を抑制させてエンジン負荷を低減させることができ、発電負荷を大きくすることによって、発電量を増大させてエンジン負荷を増大させることができる。

また、このほか、エンジン１に装備される補機として、オイルポンプや負圧ポンプを備える場合には、これらのポンプを、エアコンコンプレッサ６３，水ポンプ６４と同様に、吐出容量を調整可能な可変タイプを採用するとともに、補機ベルトからの動力伝達を分離するクラッチ機構を備えるようにすればよい。これにより、エンジン負荷を自在に増大させ、又は低減させることができる。

点火プラグ６６は、エンジン１の点火を行うものである。燃料噴射弁６７は、エンジン１へ燃料を供給するものである。すなわち、点火プラグ６６及び燃料噴射弁６７を制御することで、エンジン１の燃焼が制御されるようになっている。

排気シャットバルブ６８は、エンジン１から排気ガスを排出する排気管６に設けられており、排気管６内の排気流路を開閉できるバルブである。排気シャットバルブ６８を閉弁させることで、排気管６内の背圧を上昇させてエンジン回転を低減させることができる。

すなわち、エンジンシステム６０は、上記各装備品を適宜制御することによって、エンジン１の負荷を増大させ又は低減させることができるようになっている。例えば、エンジン負荷を増大させる場合、変速機６１のロックアップクラッチ６１２ａを接続してエンジン１と変速機本体６１１とを直結状態とさせ、エアコンコンプレッサ６３及び水ポンプ６４の吐出量を増大させ、オルターネータ６５の発電負荷を増大させ、及び排気シャットバルブ６８を閉弁させることの、少なくとも１つを行えばよい。

逆に、エンジン負荷を低減させる場合には、変速機６１のロックアップクラッチ６１２ａを分離させ、エアコンコンプレッサ６３及び水ポンプ６４の吐出量を０又は低減させ、オルターネータ６５の発電負荷を０又は低減させ、及び排気シャットバルブ６８を開弁させることの、少なくとも１つを行えばよい。また、エアコンコンプレッサ６３、水ポンプ６４及びオルターネータ６５がクラッチ機構６３２，６４２，６５２を備えている場合には、クラッチ機構６３２，６４２，６５２分離させることによって、エアコンコンプレッサ６３，水ポンプ６４及びオルターネータ６５の回転抵抗分、さらにエンジン負荷を低減させることができる。

したがって、変速機６１のロックアップクラッチ６１２ａと、エアコンコンプレッサ６３と、水ポンプ６４と、オルターネータ６５と、排気シャットバルブ６８と、によって、エンジン負荷増大手段及びエンジン負荷低減手段としての、エンジン負荷設定手段６００が構成される。

また、エンジンシステム６０は、エンジンシステム６０を操作するための操作部５０と、センサ７０と、制御装置９０と、を備えている。制御装置９０は、センサ７０で検出された、操作部５０への操作入力及びエンジンシステム６０の運転状態に基づいて、エンジンシステム６０の各種動作を制御している。

センサ７０には、例えばエンジン回転センサ７１、トルクセンサ７２、筒内圧力センサ７３、燃圧センサ７４、車速センサ７７、ＩＧセンサ７８、アクセル開度センサ７９、ブレーキセンサ８０、及びレンジセンサ８１が含まれる。図６を併せて参照して、エンジンシステム６０の制御システムについて説明する。

エンジン１には、エンジン回転センサ７１と、トルクセンサ７２と、筒内圧力センサ７３と、燃圧センサ７４と、が設けられている。変速機６１には、車速センサ７７が設けられている。

エンジン回転センサ７１は、クランクシャフト１０の回転を検出する。トルクセンサ７２は、エンジン１の実トルクを検出する。筒内圧力センサ７３はシリンダ４（図１参照）内の燃焼圧力を検出する。燃圧センサ７４は、燃料噴射弁６７に供給される燃料の圧力を検出する。車速センサ７７は、車両の車速を検出する。

また、操作部５０には、イグニッションスイッチ５１のＯＮ／ＯＦＦを検知するＩＧセンサ７８と、アクセルペダル装置５２のペダル開度を検出するアクセル開度センサ７９と、ブレーキペダル装置５３のＯＮ／ＯＦＦを検出するブレーキセンサ８０と、変速機６１を操作するためのシフトレバー５４のシフト位置を検出するレンジセンサ８１と、が設けられている。

制御装置９０は、エンジン回転センサ７１からの信号を受けて、エンジン１の回転速度とクランクシャフト１０の回転角度とを算出し、さらにクランクシャフト１０の回転角度に基づいて各気筒の燃焼行程を判定する。

また、制御装置９０は、ＩＧセンサ７８からの信号を受けて、エンジン停止要求及びエンジン始動要求を判定する。具体的には、イグニッションスイッチ５１がＯＮ位置からＯＦＦ位置へ切換操作された場合、エンジン停止要求を判定し、イグニッションスイッチ５１がＯＦＦ位置からＯＮ位置へ切換操作された場合、エンジン始動要求を判定する。また、エンジンシステム６０がアイドルストップ機構を備えている場合、制御装置９０は、アイドルストップさせるためのエンジン停止要求と、アイドルストップした状態から再始動させるためのエンジン始動要求と、を判定している。

具体的には、制御装置９０は、例えば、車速センサ７７、アクセル開度センサ７９、ブレーキセンサ８０、及びレンジセンサ８１からの信号を受けて、車速が０であり、シフトレバー５４がＤ（ドライブ）レンジに位置しており、アクセルペダル装置５２のペダル開度が０であり、ブレーキペダル装置５３がＯＮ操作されている場合、アイドルストップに入るためのエンジン停止要求を判定する。

また、例えば、制御装置９０は、エンジン１がアイドルストップしている状態において、ブレーキセンサ８０及びレンジセンサ８１からの信号を受けて、シフトレバー５４がＤレンジに位置しており、ブレーキペダル装置５３がＯＮ状態からＯＦＦ操作された場合、アイドルストップから再始動させるためのエンジン始動要求を判定する。

また、制御装置９０は、エンジン停止要求を判定した場合、点火プラグ６６及び燃料噴射弁６７を制御して、エンジン停止動作を開始させる。加えて、制御装置９０は、エンジン停止動作において、エンジン負荷を増大させるようにエンジン負荷設定手段６００を制御するとともに、各摺動部４１〜４４に空気が供給されるように空気ポンプ５を制御する。

また、制御装置９０は、エンジン回転センサ７１からの信号に基づいてエンジン１が停止したことを検出した場合、エンジン負荷設定手段６００によるエンジン負荷の増大を取り消すとともに、空気ポンプ５による空気の供給を停止させる。

次に、エンジン１を停止させるときに、制御装置９０によって制御されるエンジンシステム６０の作動について、図７のフローチャート及び図８のタイムチャートを参照して説明する。

図７に示すように、ステップＳ１０１において、制御装置９０は、各種センサ７０からの信号を読み込む。

ステップＳ１０２において、制御装置９０は、エンジン回転センサ７１からの信号に基づいて、エンジン１が運転中か否かを判定する。

エンジン１が運転中であると判定された場合、ステップＳ１０３において、制御装置９０は、エンジン停止要求を判定する。具体的には、ＩＧセンサ７８からの信号に基づいて、又は車速センサ７７、アクセル開度センサ７９、ブレーキセンサ８０、及びレンジセンサ８１からの信号に基づいてアイドルストップさせるためのエンジン停止要求を判定する。

エンジン停止要求が判定された場合、ステップＳ１０４において、制御装置９０は、点火プラグ６６及び燃料噴射弁６７を制御して、エンジン１をエンジン停止動作に移行させる。

エンジン１がエンジン停止動作に移行されたとき、ステップＳ１０５において、制御装置９０は、エンジン負荷を増大させるように、エンジン負荷設定手段６００を作動させる。これによって、エンジン１が停止に要する時間が短縮される。

さらに、ステップＳ１０６において、制御装置９０は、空気ポンプ５を作動させて、各摺動部４１〜４４に空気を供給させる。これによって、各摺動部４１〜４４において、空気軸受が構成される。

ステップＳ１０７において、制御装置９０は、エンジン回転センサ７１からの信号に基づいて、エンジン１が停止したか否かを判定する。

エンジン１が停止したと判定された場合、ステップＳ１０８において、制御装置９０は、エンジン負荷設定手段６００の作動を停止させて、エンジン負荷の増大を取り消す。

さらに、ステップＳ１０９において、制御装置９０は、空気ポンプ５の作動を停止させる。

したがって、図８に示すように、制御装置９０は、時間ｔ１において、エンジン停止要求を判定すると、エンジン１をエンジン停止動作に移行させながら、エンジン負荷設定手段６００及び空気ポンプ５を作動させ、時間ｔ３において、エンジン１の停止が検知されると、エンジン負荷設定手段６００及び空気ポンプ５の作動を停止させる。

上述した実施形態によれば、エンジン１の停止動作時に、エンジン負荷が増大されるので、エンジン１が停止に要する時間が短縮される。これに伴い、エンジン１の停止動作時において、エンジン１の回転数ＮＥが、第１速度Ｖ１を下回る時間が短縮される。よって、各摺動部４１〜４４において、両部材が接触して摺れ合う時間が短縮される。さらに、空気ポンプ５から供給される空気によって各摺動部４１〜４４における浮揚状態を、エンジン停止動作時を通して維持させやすい。

したがって、各摺動部４１〜４４を構成する、両部材の少なくとも一方の摺動面に形成された低摩擦層４０が、摺れ合いによって損耗（摩耗、損傷）することが抑制され、各摺動部４１〜４４の信頼性の低下を抑制できる。

また、空気ポンプ５は、エンジン１が停止した後に停止されるので、不必要な空気供給が防止されるので、空気ポンプを駆動させるためのエネルギの消費を抑制できる。よって、燃費の悪化を抑制できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態に対して制御装置のみ異なり、他は同一である。以下相違点について説明する。第２実施形態の制御装置２００は、第１実施形態の制御装置９０に対して、第１速度Ｖ１をエンジンの運転状態に応じて補正する機能をさらに備えている。

具体的には、制御装置２００は、第１速度Ｖ１を、トルクセンサ７２、筒内圧力センサ７３、燃圧センサ７４からの入力信号に基づいて、各摺動部４１〜４４にかかる荷重を算出して、該荷重に抗して浮揚効果を生させるように、第１速度Ｖ１を補正する。すなわち、各摺動部４１〜４４にかかる荷重が高くなるにつれて、第１速度Ｖ１を増大させるように補正し、各摺動部４１〜４４にかかる荷重が低くなるにつれて、第１速度Ｖ１を低減させるように補正する。

また、制御装置２００は、エンジン１の回転数が第１速度Ｖ１に到達するタイミングで空気ポンプ５を作動させる機能と、エンジン１が停止した後に、空気の供給量を徐々に減少させるように、空気ポンプ５を停止させる機能と、をさらに備えている。

次に、エンジン１を停止させるときに、制御装置２００によって制御されるエンジンシステム６０の作動について、図９のフローチャート及び図１０のタイムチャートを参照して説明する。

図９に示すように、第１実施形態のステップＳ１０１〜Ｓ１０５と同様に、ステップＳ２０１〜Ｓ２０５において、エンジン１の運転時に、エンジン停止要求が判定された場合、制御装置２００は、エンジン１を停止動作に移行させるとともに、エンジン負荷設定手段６００を作動させる。

このとき、制御装置２００は、エンジンの運転状態から第１速度Ｖ１を補正する。そして、エンジン１の回転数が前記補正された第１速度Ｖ１に到達するタイミングで、空気ポンプ５による空気の供給が開始されるように、所定のタイミングで空気ポンプ５を作動させる。すなわち、図１０に示すように、時間ｔ１においてエンジン１の停止要求が判定されたタイミングから、時間差をもった時間ｔ２で、エンジン１の回転数が補正された第１速度Ｖ１に到達するとともに、空気ポンプ５よる空気の供給が開始される。

図９に示すように、ステップＳ２０８において、制御装置２００は、エンジン回転センサ７１からの信号に基づいて、エンジン１が停止したか否かを判定する。エンジン１が停止したと判定された場合、ステップＳ２０９において、制御装置２００は、エンジン負荷設定手段６００の作動を停止させて、エンジン負荷の増大を取消す。

さらに、ステップＳ２１０において、制御装置２００は、空気の供給量が徐々に低減されるように空気ポンプ５の作動を制御して停止させる。すなわち、図１０に示すように、制御装置２００は、エンジン１が停止した時間ｔ３から、徐々に空気の供給量を低減させて時間ｔ４において停止させるように、空気ポンプ５を制御する。

第２実施形態によれば、エンジン１の停止動作時において、エンジン１の回転数が第１速度Ｖ１を上回る場合には、各摺動部４１〜４４における浮揚状態が維持されるために、空気軸受を構成する必要がなく、このタイミングで無駄に空気ポンプ５を作動させることを防止できる。さらに、エンジン停止時において、各摺動部４１〜４４を構成する一方の部材を他方の部材に、浮揚状態から徐々に接触させることができるので、両部材が接触するときの衝撃を緩和できる。

また、第１速度Ｖ１を、各摺動部４１〜４４に作用する荷重に応じて、適宜補正して適切なタイミングで空気ポンプ５を作動させることで、各摺動部４１〜４４の浮揚状態を、精度よく維持できる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態では、第１実施形態に対して制御装置のみ異なり、他は同一である。以下相違点について説明する。第３実施形態の制御装置３００は、第１実施形態の制御装置９０に対して、エンジン始動動作時において、エンジン負荷を低減させる機能をさらに備えている。

具体的には、制御装置３００は、停止状態にあるエンジン１のエンジン始動要求を判定した場合、点火プラグ６６、燃料噴射弁６７、及びスタータ６２によって、エンジン始動動作を開始させる。加えて、制御装置３００は、エンジン１の始動動作において、エンジン負荷を低減させるように、エンジン負荷設定手段６００を制御する。

また、制御装置３００は、エンジン始動動作において、各摺動部４１〜４４に空気が供給されるように空気ポンプ５を制御する機能を、さらに備えている。

次に、エンジン１を停止させた後にエンジン１を再始動させるときに、制御装置３００によって制御されるエンジンシステム６０の作動について、図１１のフローチャート及び図１２のタイムチャートを参照して説明する。

図１１に示すように、第１実施形態のステップＳ１０１〜Ｓ１０９と同様に、ステップＳ３０１〜Ｓ３０９において、エンジン１の運転時に、エンジン停止要求が判定された場合、制御装置３００は、エンジン１を停止動作に移行させるとともに、エンジン負荷設定手段６００を作動させてエンジン負荷を増大させるとともに、及び空気ポンプ５を作動させて、各摺動部４１〜４４における浮揚状態を維持させたまま、エンジン１を短時間で停止させる。

次に、ステップＳ３１０において、制御装置３００は、エンジン始動要求を判定する。具体的には、ＩＧセンサ７８からの信号に基づいて、又はアイドルストップ中である場合には、ブレーキセンサ８０及びレンジセンサ８１からの信号に基づいて再始動要求を判定する。

エンジン始動要求が判定された場合、ステップＳ３１１において、制御装置３００は、空気ポンプ５を始動させて、各摺動部４１〜４４に空気の供給を開始させる。

次に、ステップＳ３１２において、制御装置３００は、点火プラグ６６、燃料噴射弁６７、及びスタータ６２を制御して、エンジン１を始動動作に移行させる。

エンジン１が始動動作に移行されたとき、ステップＳ３１３において、制御装置３００は、エンジン負荷を低減させるように、エンジン負荷設定手段６００を作動させる。これによって、エンジン１が始動に要する時間が短縮される。

さらに、ステップＳ３１４において、空気ポンプ５による空気の供給が開始され、各摺動部４１〜４４に空気軸受が構成される。

ステップＳ３１５において、制御装置３００は、エンジン回転センサ７１からの信号に基づいて、エンジン１が始動したか否かを判定する。

エンジン１が始動したと判定された場合、ステップＳ３１６において、制御装置３００は、エンジン負荷設定手段６００の作動を停止させて、エンジン負荷の低減を取り消す。

さらに、ステップＳ３１７において、制御装置３００は、空気ポンプ５の作動を停止させる。

したがって、図１２に示すように、制御装置３００は、時間ｔ１において、エンジン停止要求を判定すると、エンジン負荷設定手段６００及び空気ポンプ５を作動させ、時間ｔ３において、エンジン１の停止が検知されると、エンジン負荷設定手段６００及び空気ポンプ５の作動を停止させる。また、時間ｔ５において、エンジン始動要求を判定すると、エンジン負荷設定手段６００及び空気ポンプ５を作動させ、時間ｔ６において、エンジン１の始動が検知されると、エンジン負荷設定手段６００及び空気ポンプ５の作動を停止させる。

第３実施形態によれば、第１実施形態におけるエンジン停止時の作用効果に加えて加えて、次の効果を奏する。すなわち、エンジン１の始動動作時に、エンジン負荷が低減されるので、エンジン１が始動に要する時間が短縮される。これに伴い、エンジン１の始動動作時において、エンジン１の回転数ＮＥが、第１速度Ｖ１を下回る時間が短縮される。よって、各摺動部４１〜４４において、両部材が接触して摺れ合う時間が短縮される。さらに、空気ポンプ５から供給される空気によって各摺動部４１〜４４における浮揚状態を、エンジン始動動作時を通して維持させやすい。

また、上記の各実施形態において、エンジン負荷設定手段６００を制御して、エンジン停止時に、エンジン負荷の増大を徐々に低減させてもよい。これにより、エンジン１を緩やかに停止させることができるので、各摺動部４１〜４４を構成する両部材を浮揚状態から徐々に接触させることができる。

また、上記の各実施形態では、エンジン負荷設定手段６００によるエンジン負荷の調整に加えて、空気ポンプ５による空気の供給を行っているが、どちらか一方のみ実施してもよい。すなわち、エンジン負荷設定手段６００を作動させた場合には、エンジン１の始動動作及び停止動作に要する時間を短縮させることができ、空気ポンプ５を作動させた場合には、各摺動部４１〜４４における浮揚状態を、第１速度Ｖ１を下回るエンジン１の運転領域においても実現できる。

また、上記の実施形態では、エンジン１の主運動系の摺動部に摩擦低減処理を施した場合を例にとり説明したが、エンジン１の動弁系や、変速機６１等、様々な摺動部に適用することができる。また、上記の各実施形態では、無潤滑とした場合を例にとり説明したが、潤滑を併用してもよい。

なお、本発明は、以上の実施形態に示すものに限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、各種変形および変更を行うことも可能である。

以上説明したように、本発明によれば、浮揚による摩擦低減方法をエンジンに用いた場合に、エンジンが所定の回転速度から停止状態に至るまでのエンジン停止時において、摺動部を構成する両部材の少なくとも一方の摺動面に施された摩擦低減処理が、摺れ合いによって損耗することを抑制できるので、この種の製造技術分野において好適に利用される可能性がある。

１エンジン
２シリンダブロック
３主軸受部
４シリンダ
５空気ポンプ
１０クランクシャフト
２０コンロッド
３０ピストン
３１ピストンピン
３２ピストンリング
４１第１摺動部
４２第２摺動部
４３第３摺動部
４４第４摺動部
５０操作部
６０エンジンシステム
６１変速機
６２スタータ
６３エアコンコンプレッサ
６４水ポンプ
６５オルターネータ
６６点火プラグ
６７燃料噴射弁
６８排気シャットバルブ
６９補機ベルト
７０センサ
７１エンジン回転センサ
７２トルクセンサ
７３筒内圧力センサ
７６エアフロセンサ
７７車速センサ
７８ＩＧセンサ
７９アクセル開度センサ
８０ブレーキセンサ
８１レンジセンサ
９０制御装置
１００空気供給手段
２００制御装置
３００制御装置
６００エンジン負荷設定手段

Claims

第１部材と、前記第１部材に対して相対運動する第２部材と、を備え、前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の部材の摺動面に、両部材の相対速度が所定以上のときいずれか一方の部材を他方の部材に対して浮揚させる摩擦低減処理が施された低摩擦層を有する、エンジンであって、
前記低摩擦層は、頂面の面粗度Ｒａが０．１μｍ以下である複数の凸部であって、それぞれ同じ高さに形成された複数の凸部と、前記凸部の周囲に位置しており深さが３〜１０μｍである複数の凹部と、を有する、所定のコーティング層により構成され、
前記エンジンの停止動作時に、エンジン負荷を増大させるエンジン負荷増大手段及び前記摺動面に空気を供給する空気供給手段を備え、
前記空気供給手段は、エンジンの回転数が、一方の部材が他方の部材に対して浮揚状態となるエンジン回転速度に下降するタイミングで作動され、
上記一方の部材が他方の部材に対して浮遊状態となるエンジン回転速度は、アイドル運転時のエンジン回転数よりも低い値に設定されていることを特徴とするエンジン。
前記空気供給手段は、前記エンジンの停止後に、前記空気の供給を終了する、
請求項１に記載のエンジン。
前記空気供給手段は、前記空気の供給量を徐々に低減させながら前記空気の供給を終了する、
請求項２に記載のエンジン。
前記エンジン負荷増大手段は、エンジン負荷を増大させた後に、前記エンジン負荷の増大を徐々に低減させながら前記エンジンを停止させる、
請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジン。
前記空気供給手段は、
空気ポンプと、
前記空気ポンプと前記エンジンの複数の摺動面とを連通して、複数の前記摺動面に前記空気ポンプからの空気を供給するための、空気供給経路と、
を有している、
請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンジン。
複数の前記摺動面は、
クランクジャーナル外周面と主軸受内周面との間に構成される第１摺動部と、
クランクピン外周面とコンロッド大端部内周面との間に構成される第２摺動部と、
コンロッド小端部内周面とピストンピン外周面との間に構成される第３摺動部と、
ピストンリングとシリンダの内面との間に構成される第４摺動部と、
に設けられ、
前記空気供給経路は、
前記空気ポンプと前記主軸受内周面とを連通する、第１空気通路と、
クランクシャフトに形成されており、前記クランクジャーナル外周面と前記クランクピン外周面とを連通する、第２空気通路と、
コンロッドに形成されており、前記コンロッド大端部内周面と前記コンロッド小端部内周面とを連通する、第３空気通路と、
を有しており、
前記空気ポンプから吐出された空気が、前記第１空気通路、前記第２空気通路、及び前記第３空気通路を経由して、ピストンから前記シリンダの内面に噴出されるようになっている、
請求項５に記載のエンジン。