JPH0988534A - 内燃機関の潤滑システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の潤滑システムにおいて、低中速域
から高速域に渡ってコンロッド軸受の潤滑条件を改善
し、摩擦損失の低減をはかる 【解決手段】 シリンダ１１の下部を避けてシリンダ１
１の上部のまわりに冷却水を循環させる浅底形ウォータ
ジャケット１３を備え、コンロッド軸受の軸受表面に全
周に渡って形成したクランクピンより熱伝導率の高いオ
ーバレイ層を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の潤滑シ
ステムの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の自動車用機関等にあっては、機関
の高速化がはかられる一方で、ウォータジャケットの小
型化に伴って機関を循環する潤滑油の平衡温度が例えば
１３０°程度に上昇する傾向にあるため、コンロッド軸
受とクランクピン間に介在する潤滑油膜の放熱性を高め
て潤滑性を維持することが要求される。

【０００３】従来の水冷式内燃機関の潤滑システムとし
て、例えば図１８、図１９に示すようなものがある。

【０００４】これについて説明すると、シリンダブロッ
ク１０には、各シリンダ１１の上部から下部に渡って冷
却水を循環させる深底形ウォータジャケット１９が形成
される。ウォータジャケット１９の前部には図示しない
ウォータポンプから吐出される冷却水が流入し、ウォー
タジャケット１９に流入した冷却水は機関の前部から後
部へと流れつつ、シリンダヘッド９に形成された図示し
ないウォータジャケットへ分流する。

【０００５】メインギャラリ６は深底形ウォータジャケ
ット１９の近傍に位置してクランクケース１２に形成さ
れる。メインギャラリ６はクランクシャフト３０と平行
なシリンダ列方向に延びている。

【０００６】オイルポンプ１は機関により駆動され、オ
イルパン２からストレーナ３を介して吸い上げた潤滑油
を吐出し、オイルポンプ１から吐出される潤滑油はリリ
ーフバルブ４、オイルフィルタ５を経てメインギャラリ
６へと導入される。

【０００７】メインギャラリ６に流入した潤滑油は、機
関の前方から後方に向けて流れ、深底形ウォータジャケ
ット１９を循環する冷却水によってクランクケース１２
を介して冷却される。

【０００８】クランクシャフトには、メインギャラリ６
から主軸受８に供給された潤滑油は、クランクシャフト
の内部通路を通ってクランクピンと軸受メタルの隙間に
送り込まれ、主軸受８ならびにコンロッド軸受の潤滑が
行われ、この潤滑によって冷却も行われる。

【０００９】また、従来のコンロッド軸受は、クランク
ピンに対する焼き付きを防ぐなじみ性、異物の埋収性を
確保するために、その軸受表面に鉛（Ｐｂ）を主成分と
する鉛合金からなるオーバレイ層が形成されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シリンダの
下部を避けてシリンダの上部のまわりに冷却水を循環さ
せる浅底形ウォータジャケットを設けるものがある。こ
の場合、機関を循環する冷却水量を減らして冷機時の水
温上昇を速めて、未燃焼ＨＣ排出量を低減するようにな
っている。

【００１１】しかしながら、このような浅底形ウォータ
ジャケットを備える従来装置にあっては、潤滑油から冷
却水への放熱が抑えられ、潤滑油温度が上昇する傾向に
ある。

【００１２】このため、機関の低中速運転時のクランク
ピンの回転速度が低い条件では、本来コンロッド軸受に
潤滑油膜が構成されにくく、しかも高負荷時は燃焼室に
発生する燃焼ガス圧によりクランクピンに働く荷重は高
速運転時よりも高くなるため、クランクピンとコンロッ
ド軸受の間に形成される潤滑油膜が薄いが、さらに潤滑
油温度の上昇に伴ってクランクピンの摩擦損失が増大す
る可能性がある。

【００１３】コンロッド軸受の耐久性は温度への依存度
が高く、クランクピンの温度レベルによって、回転数の
上限が決められたり、あるいはオイルクーラ等の装着が
必要とされる。

【００１４】そこで、このクランクピンの冷却を強化す
るものとして、例えば実開昭６３ー２８９１３号公報に
示されたように、クランクピン部分に潤滑油を送るオイ
ル通路を設けて、摺動面に潤滑油を供給すると共に、ク
ランクピンを冷却するようにしたものが提案されてい
る。

【００１５】オイル通路を流れる潤滑油によってそれな
りの冷却効果はあるが、コンロッド側とのわずかな隙間
（例えば５０ミクロン程度）から摺動面に流出されるつ
まり洩れる油量だけでは、実際オイル通路を流れる潤滑
油量も少なく、このためクランクピンの内側の冷却効果
に限界があった。

【００１６】この場合、冷却効果を増大させようとし
て、オイル通路を流れる潤滑油量を増やすように摺動面
の隙間を拡大したのでは、軸受メタルの打音の問題がト
レードオフとして発生してくる。

【００１７】本発明は上記の問題点を解消し、低中速域
から高速域に渡ってコンロッド軸受の潤滑条件を改善
し、摩擦損失の低減をはかることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の内燃機
関の潤滑システムは、ピストンが摺動可能に嵌合するシ
リンダと、ピストンの往復動をクランクシャフトの回転
運動に変換するコンロッドと、コンロッドにクランクシ
ャフトのクランクピンを回転可能に支承するコンロッド
軸受と、オイルポンプから吐出される潤滑油をコンロッ
ド軸受に供給するメインギャラリと、シリンダの下部を
避けてシリンダの上部のまわりに冷却水を循環させる浅
底形ウォータジャケットと、コンロッド軸受の軸受表面
に全周に渡って形成したクランクピンより熱伝導率の高
いオーバレイ層と、を備える。

【００１９】請求項２に記載の内燃機関の潤滑システム
は、請求項１に記載の発明において、前記オイルポンプ
から吐出される潤滑油をウォータジャケット内もしくは
ウォータジャケットの近傍を通す熱交換通路を備える。

【００２０】請求項３に記載の内燃機関の潤滑システム
は、請求項２に記載の発明において、前記熱交換通路を
流れる潤滑油量を機関の運転条件に応じて調節する弁手
段を備える。

【００２１】請求項４に記載の内燃機関の潤滑システム
は、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明におい
て、前記コンロッド軸受の軸受表面にクランクピンより
熱伝導率の高いオーバレイ層をアルミニウムと錫を主成
分とする合金により形成する。

【００２２】請求項５に記載の内燃機関の潤滑システム
は、請求項１から４のいずれか一つに記載の発明におい
て、前記クランクピンにマイクロフィニッシュ仕上げ加
工を施す。

【００２３】

【作用】請求項１に記載の内燃機関の潤滑システムにお
いて、浅底形ウォータジャケットを循環する冷却水は、
シリンダの上部を介してピストンの熱をもち去る。浅底
形ウォータジャケットはシリンダの下部に面して形成さ
れていないため、燃焼室からシリンダの下部を経てクラ
ンクケースに伝わる熱量が増えて、クランクケースに触
れる潤滑油が加熱されるため、潤滑油の平衡温度が上昇
する傾向がある。

【００２４】潤滑油の平衡温度が上昇することに対処し
て、コンロッド軸受の軸受表面となるオーバレイ層を全
周に渡ってクランクピンより熱伝導率の高い材質により
形成したため、クランクピンより熱伝導率の高いオーバ
レイ層から潤滑油への放熱が促されて、クランクピンの
最小油膜部近傍の温度上昇が抑えられ、コンロッド軸受
の摩擦損失が急増することを防止できる。

【００２５】この冷却作用について詳述すると、クラン
クピンより熱伝導率の高いコンロッド軸受のオーバレイ
層は、コンロッド軸受からクランクピンに懸かる瞬時的
な荷重下で昇温、昇圧する最小油膜部からの熱を主にコ
ンロッド軸受側に速やかに流入させる。続いて、最小油
膜部から熱を吸収した部位が、クランクピンの回転によ
り周方向に移動し、油膜厚さの大きい部位の潤滑油にさ
らされるのに伴って、一旦コンロッド軸受に吸収された
熱は再び潤滑油に流入し（オーバレイ層の熱伝導率が高
いために、これも速やかに行われる）、潤滑油と共にコ
ンロッド軸受の外側に逃がされる。つまり、最小油膜部
と常に対峙するために潤滑油による冷却が困難となるク
ランクピンの内側領域の特定部位に、最小油膜部で発生
した熱が流入することを大幅に抑えられて、クランクピ
ンの最小油膜部近傍の温度上昇が抑えられる。

【００２６】また、浅底形ウォータジャケットを介して
潤滑油の平衡温度を高められ効果により、高熱伝導率の
オーバーレイ層を介して潤滑油温度が低くなり過ぎるこ
とを防止し、摩擦損失を低減できる。

【００２７】請求項２に記載の内燃機関の潤滑システム
において、機関の暖機後、熱交換通路を流れる潤滑油
は、ウォータジャケットを循環する冷却水との間で熱交
換を行うことによって冷却される。

【００２８】ウォータジャケットを循環する冷却水に対
する熱交換通路を循環する潤滑油の熱交換率は、ウォー
タジャケットにおける冷却水の流速に依存する特性があ
るため、低中速運転時は高速運転時に比べて油水温差
（冷却水と潤滑油の温度差）が大きくなる傾向がある。

【００２９】機関の低中速運転時にクランクピンの回転
速度が低くなるため、コンロッド軸受に潤滑油膜が構成
されにくく、しかも高負荷時は燃焼室に発生する燃焼ガ
ス圧によりクランクピンに働く荷重は高速運転時よりも
高くなるため、クランクピンとコンロッド軸受の間に形
成される潤滑油膜が薄くなる。

【００３０】これに対処して、浅底形ウォータジャケッ
トおよび熱交換通路を備える機関において、コンロッド
軸受の軸受メタルのクランクピンに摺接する軸受表面
に、オーバレイ層がクランクピンより熱伝導率の高い材
質により形成した構造を設けることにより、低中速運転
時からコンロッド軸受の温度上昇を抑えて、潤滑条件の
悪化を防止する。

【００３１】低中速運転時は高速運転時に比べて最小油
膜部の厚さが減少して、油膜のせん断率が大きくなるた
め、高熱伝導率のオーバーレイ層によるクランクピンの
冷却効果は大きくなる。したがって、低中速運転時に潤
滑油温度が上昇する浅底形ウォータジャケットを備える
機関においても、低中速運転時にクランクピンの冷却効
果が大きい高熱伝導率のオーバーレイ層を設けることに
より、コンロッド軸受が過熱されることを防止して、ク
ランクピンの摩擦損失を低減できる。

【００３２】また、浅底形ウォータジャケットを介して
潤滑油の平衡温度が上昇する効果により、高熱伝導率の
オーバーレイ層を介して低中速運転時に潤滑油温度が低
くなり過ぎることを防止し、摩擦損失を低減し、常用域
の燃費改善効果が大きい。

【００３３】請求項３に記載の内燃機関の潤滑システム
において、機関の運転条件に応じて熱交換通路を流れる
潤滑油は、ウォータジャケットを循環する冷却水との間
で熱交換を行うことによって冷却される。

【００３４】浅底形ウォータジャケットおよび熱交換通
路を備える機関において、コンロッド軸受の軸受メタル
のクランクピンに摺接する軸受表面に、オーバレイ層が
クランクピンより熱伝導率の高い材質により形成した構
造を設けることにより、弁手段を介して熱交換通路に対
する潤滑油の流れが減少する運転条件でも、コンロッド
軸受の温度上昇を抑えて、コンロッド軸受が過熱される
ことを防止して、クランクピンの摩擦損失を低減でき
る。

【００３５】また、浅底形ウォータジャケットを介して
潤滑油の平衡温度が上昇する効果により、高熱伝導率の
オーバーレイ層を介して低中速運転時に潤滑油温度が低
くなり過ぎることを防止し、摩擦損失を低減し、常用域
の燃費改善効果が大きい。

【００３６】請求項４記載の内燃機関の潤滑システムに
おいて、コンロッドベアリングはオーバレイ層をアルミ
ニウムと錫を主成分とする合金により形成する構造のた
め、潤滑油膜からオーバレイ層への熱伝導量を確保す
る。

【００３７】コンロッド軸受はメタル層を銅と鉛を主成
分とする合金により形成する構造のため高速時に要求さ
れる耐荷重性を確保することができる。

【００３８】請求項５記載の内燃機関の潤滑システムに
おいて、マイクロフィニッシュ仕上げ加工が施されたク
ランクピンは、ラッピング仕上げ加工が施されたクラン
クピンよりも、熱伝導率の高いオーバレイ層に支承され
るクランクピンの温度が低下する。

【００３９】この理由は、マイクロフィニッシュ仕上げ
加工が施されたクランクピンの平滑な軸受表面に支持さ
れる油膜は、高温高圧下で薄くなっても流体潤滑状態が
保たれ、局所的に高粘度化した潤滑油の影響を受けやす
くなるためである。

【００４０】したがって、マイクロフィニッシュ仕上げ
加工を施されたクランクピンが、熱伝導率の高いオーバ
レイ層に支承される構造により、流体潤滑状態が維持さ
れ、最小油膜部における液膜のせん断率が著しく高くな
って摩擦損失が急増することを防止できる。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、第一の実施形態を添付図面
に基づいて説明する。

【００４２】図１、図２に示すように、シリンダブロッ
ク１０は、ピストンが摺動可能に嵌合するシリンダ１１
と、クランクケース１２等を有する。

【００４３】メインギャラリ６は各シリンダ１１の下部
に連接してクランクケース１２に形成される。メインギ
ャラリ６はクランクシャフト３０と平行なシリンダ列方
向に延びている。オイルポンプ１から送られる潤滑油
は、機関の前方から後方に向けて流れる。

【００４４】シリンダブロック１０には、各シリンダ１
１の下部を避けて冷却水を循環させる浅底形ウォータジ
ャケット１３が形成される。ウォータジャケット１３は
ピストンのトップリングが摺動するシリンダ１１の上部
に限定して形成される。浅底形ウォータジャケット１３
が設けられることにより、シリンダブロック１０はウォ
ータジャケット１３とメインギャラリ６の間には、ウォ
ータジャケット１３に囲まれずに外気に晒される外壁部
１４を有する。

【００４５】ピストンの外周に嵌められるトップリング
は、できるだけピストンの上部に配置される。これによ
り、トップリングとピストンおよびシリンダ１１の間に
画成される燃焼室のクレビスボリュームの低減がはから
れるとともに、浅底形ウォータジャケット１３をシリン
ダ１１に対してより上部に配置することができる。

【００４６】ウォータジャケット１３の前部には図示し
ないウォータポンプから吐出される冷却水が流入し、ウ
ォータジャケット１３に流入した冷却水は機関の前部か
ら後部へと流れつつ、シリンダヘッド９に形成された図
示しないウォータジャケットへ分流する。

【００４７】浅底形ウォータジャケット１３を循環する
冷却水は、シリンダ１１の上部の熱をもち去る。ピスト
ンからシリンダ１１への放熱は、大半がトップリング等
のピストンリングを介して行われるが、浅底形ウォータ
ジャケット１３はシリンダ１１のトップリングの摺動範
囲を包むように形成されているため、ウォータジャケッ
ト１３を循環する冷却水はピストンの熱をシリンダ１１
の上部を介して有効にもち去り、ピストンの冷却性を確
保できる。

【００４８】また、浅底形ウォータジャケット１３を設
けることにより、深底形ウォータジャケットを設けるこ
とに比べて、機関を循環する冷却水の総量を削減し、冷
間始動時からの暖機運転中における冷却水温度の上昇速
度を高められる。

【００４９】図３に示すように、定容量型オイルポンプ
１は機関により駆動され、オイルパン２からストレーナ
３を介して吸い上げた潤滑油を吐出し、オイルポンプ１
から吐出される潤滑油はリリーフバルブ４、オイルフィ
ルタ５を経てメインギャラリ６とヘッドギャラリ７の２
系統に分流する。

【００５０】オイルポンプ１から吐出される潤滑油は、
ヘッドギャラリ７を通って図示しないカムシャフト等の
摺動部に供給される。

【００５１】オイルポンプ１から吐出される潤滑油は、
メインギャラリ６を通って図示しないクランクシャフト
を支承する各主軸受８に供給される。

【００５２】図４に示すように、クランクシャフト３０
は、機関本体の主軸受８に支承されるジャーナル部３３
と、コンロッド３１のコンロッド軸受３２に支承される
クランクピン３５を有する。

【００５３】この４気筒機関はクランクシャフト３０の
各ジャーナル部３３を支承する５つの主軸受８を備え
る。各主軸受８にはジャーナル部３３に摺接する軸受メ
タル２３が介装される。

【００５４】コンロッド３１のコンロッド軸受３２には
クランクピン３５に摺接する上下の軸受メタル２２，２
１が介装される。

【００５５】クランクシャフト３０の内部には各ジャー
ナル部１２とクランクピン５を結ぶクランク内部通路２
９が形成される。オイルポンプ１から吐出される潤滑油
は、シリンダブロックのメインギャラリ６から分岐する
供給路３６を通って各主軸受８に供給され、軸受メタル
２３のグルーブ３７から各クランク内部通路２９を通っ
て各コンロッド軸受３２に供給される。

【００５６】図５に示すように、コンロッド軸受３２に
介装される軸受メタル２２，２１は、半割り形をした円
筒状の裏金５６を主体として形成される。裏金５６は鋼
材により形成される。クランクピン３５は鋼材または鋳
鉄材により形成される。

【００５７】図６において、５１は軸受メタル２２，２
１の裏金５６の軸受面側に形成されるメタル層である。
このメタル層５１は銅（Ｃｕ）と鉛（Ｐｂ）を主成分と
するケルメット合金により、３００μｍの厚さをもった
層状に形成される。なお、このメタル層５１の熱伝導率
は１３０Ｗ／ｍＫ程度に設定される。

【００５８】軸受メタル２２，２１のクランクピン３５
に摺接する軸受表面には、メタル層５１より硬度の低い
オーバレイ層５２が形成される。軸受メタル２２，２１
のクランクピン３５に摺接する軸受表面に、メタル層５
１に比べて柔らかい材質でオーバレイ層５２が形成され
ることにより、クランクピン３５に対する初期なじみ
性、異物の埋収性が確保される。

【００５９】この実施の形態では、メタル層５１とオー
バレイ層５２の間にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする材
質によって中間層５３が、１μｍ程度の厚さをもって層
状に形成される。なお、この中間層５３の熱伝導率は７
０Ｗ／ｍＫ程度である。

【００６０】オーバレイ層５２はクランクピン３５より
熱伝導率の高い材質として、アルミニウム（Ａｌ）と錫
（Ｚｎ）を主成分とする合金により形成される。鉄（Ｆ
ｅ）を主成分とするクランクピン３５の熱伝導率が５０
Ｗ／ｍＫ程度であるのに対して、オーバレイ層５２の熱
伝導率は１２０Ｗ／ｍＫ程度に設定される。

【００６１】このオーバレイ層５２は、上下の軸受メタ
ル２２，２１の全周に渡って、２０ミクロン程度の厚さ
で層状に形成される。

【００６２】なお、本実施の形態では、主軸受８に介装
される軸受メタル２３の軸受表面にもアルミニウム−錫
系のオーバーレイ層が施される。

【００６３】一方、クランクピン３５の摺動面は、図７
に示すような加工精度と真円度を有するマイクロフィニ
ッシュ仕上げ加工が施され、通常のラッピン仕上げ加工
に対してその表面粗度を小さくするとともに、その真円
度を高めている。なお、図７には、一般的に施されるラ
ッピング仕上げ加工の加工精度と真円度を同時に示して
ある。

【００６４】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００６５】浅底形ウォータジャケット１３を備える機
関は、燃焼室からシリンダ１１を経てクランクケース１
２に伝わる熱量が増えて、クランクケース１２に触れる
潤滑油が加熱されるとともに、メインギャラリ６を流れ
る潤滑油が加熱されるため、図８に示すように、潤滑油
の平衡温度が深底形ウォータジャケットを備える機関に
比べて高くなる。

【００６６】これに対処して本発明は、浅底形ウォータ
ジャケット１３を備える機関において、コンロッド軸受
３２の軸受メタル２２，２１のクランクピン３５に摺接
する軸受表面に、オーバレイ層５２がクランクピン３５
より熱伝導率の高い材質として、アルミニウム（Ａｌ）
と錫（Ｚｎ）を主成分とする合金により形成した構造に
より、図９に示すように、コンロッド軸受３２に生じる
摩擦発熱を低減して潤滑油の平衡温度を低減する効果が
得られるとともに、コンロッド軸受３２の許容最高温度
を低減する効果が得られ、コンロッド軸受３２の潤滑条
件が悪化することを防止できる。

【００６７】以下、上記アルミニウム−錫系のオーバー
レイ層５２によるクランクピン３５の冷却作用について
詳述する。

【００６８】オーバレイ層が熱伝導率の低い鉛と錫を主
成分とする合金で形成された従来の軸受メタルに支承さ
れるクランクピンに付与される摩擦損失は、軸表面の温
度が上昇するのに伴って、１００°Ｃ程度に達するまで
は減少するが、１００°Ｃ程度を越えてからは逆に増大
する特性がある。

【００６９】この摩擦損失が潤滑油温度に応じて変化す
る現象は、一般に、潤滑油温度が上昇して１００°Ｃ程
度に達するまでは、潤滑油の粘度が低下して摩擦損失が
減少する一方、潤滑油温度が１００°Ｃ程度を越えてか
らは、潤滑油の粘度がさらに低下して油膜の厚さが減少
し、潤滑状態が流体潤滑から固体表面どうしの接触と液
膜せん断（流体潤滑）が共存する混合潤滑に移行するも
のと考えられていた（参考資料…機械学会論文 講演前
刷り ７１期１９９３年 ３３２〜３３４貢）。

【００７０】しかし、本出願人は、潤滑油の温度が１０
０°Ｃ程度を越えて上昇するような高温高荷重潤滑条件
になると、最も薄い油膜厚さは１〜２ミクロン程度とな
り、圧力の上昇により潤滑油の粘度が高くなり、油膜の
薄い部分は液膜のせん断率が高くなって、摩擦損失が急
増するものと考えている。

【００７１】荷重の大きい条件では油温が上昇するのに
伴って摩擦損失が大きくなる。この理由は、高温の場
合、最小油膜厚さが小さくなるために、油膜圧力は大と
なり、圧力による粘度上昇を考慮すると、最小油膜部５
４の潤滑油粘度は高温条件の方が逆に高くなり、油膜厚
さが薄いためにせん断率が高いこともあって、軸受全体
としては摩擦損失が増大する傾向がある。

【００７２】そこで、こうした高温高荷重潤滑条件にお
いて摩擦損失を低減するために、瞬時的な荷重下で昇
温、昇圧して粘度が高くなる油膜の薄い部分（以下、最
小油膜部５４と呼ぶ）から熱を速やかに逃がし、潤滑油
の昇温を抑制する必要がある。

【００７３】クランクピン３５と上下軸受メタル２２，
２１の軸受隙間に供給される潤滑油によってクランクピ
ン３５の冷却が行われる。上下軸受メタル２２，２１
は、それぞれのオーバレイ層５２にクランクピン３５よ
り熱伝導率の高いアルミニウム合金で形成されているた
め、オーバレイ層が熱伝導率の低い鉛と錫を主成分とす
る合金で形成された従来の軸受メタルに比べて、潤滑油
膜のオーバレイ層５２への放熱性を高められる。

【００７４】クランクピン３５は最小油膜部５４に対し
て常にその主軸側領域が対峙する。一方、軸受メタル２
２，２１が最小油膜部５４に対峙する部位はクランクピ
ン３５の回転に伴って、刻々略全周に渡って移動する。

【００７５】最小油膜部５４は軸受側からみれば、瞬時
的に発生し、位置が刻々と変化する現象であり、軸と軸
受の相対回転に起因する油膜せん断により、摩擦トルク
が発生するが、最小油膜部５４で発生した熱はクランク
ピン３５より熱伝導率の高いオーバレイ層５２に速やか
に流入し、最小油膜部５４に対峙する部位はクランクピ
ン３５の回転に伴って周方向に移動して最小油膜部５４
から外れることにより、軸受メタル２２，２１に吸収さ
れた熱が再び軸受隙間に介在する潤滑油に流入する。こ
の結果、オーバレイ層に熱伝導率の低い鉛合金で形成さ
れた軸受メタルに比べて、（最小）潤滑油膜からの放熱
性が高められる。

【００７６】オーバレイ層５２の厚さは２０μｍ程度の
厚さしかないものの、最小油膜部５４の厚さが数μｍ程
度であり、最小油膜部５４で発生する熱を吸収するうえ
で十分な熱容量を有している。さらに、最小油膜部５４
は移動する瞬時現象であることから、最小油膜部５４で
発生した熱のほとんどがオーバレイ層５２に流入したと
しても、温度が急上昇して、熱的に飽和することがな
く、２０μｍ程度の厚さしかないオーバレイ層５２が潤
滑油の温度に与える影響は大きい。

【００７７】従来のオーバレイ層を鉛合金で形成した軸
受メタルにあっては、オーバレイ層の熱伝導率が３０Ｗ
／ｍＫ程度であり、鉄を主成分とするクランクピンの熱
伝導率が５０Ｗ／ｍＫであるのに比べて大幅に低いた
め、最小油膜部で発生する摩擦熱の大半はクランクピン
に流入し、クランクピンの主軸側領域の局所的な温度上
昇を招いて、油膜の温度を上昇させて、最小油膜部で発
生する摩擦熱が増大するという悪循環に陥る。

【００７８】以上のように、コンロッド軸受３２の軸受
メタル２２，２１に高熱伝導率のオーバーレイ層５２が
形成されて、軸受表面の熱伝導率がクランクピン３５よ
り高められることにより、クランクピン３５から潤滑油
を経てオーバレイ層５２へ伝わる熱流速が高まるととも
に、クランクシャフト３０の回転に伴って負荷が軽減し
ている間にオーバレイ層５２からその表面を流れる潤滑
油に伝わる熱流速が高まり、クランクピン３５の冷却効
果を高められる。

【００７９】マイクロフィニッシュ仕上げ加工が施され
たクランクピン３５は、ラッピング仕上げ加工が施され
たクランクピンよりも、機関の高速域で熱伝導率の高い
オーバレイ層５２に支承されるクランクピン３５の温度
が低下する。

【００８０】この理由は、マイクロフィニッシュ仕上げ
加工が施されたクランクピン３５の平滑な軸受表面に支
持される油膜は、高温高圧下で薄くなっても流体潤滑状
態が保たれ、局所的に高粘度化した潤滑油の影響を受け
やすくなるためである。

【００８１】したがって、マイクロフィニッシュ仕上げ
加工を施されたクランクピン３５が、熱伝導率の高いオ
ーバレイ層５２に支承される構造により、機関の高速域
まで流体潤滑状態が維持され、最小油膜部５４における
液膜のせん断率が著しく高くなって摩擦損失が急増する
ことを防止できる。

【００８２】次に、図１０、図１１に示す第二の実施形
態について説明する。なお、図１、図２等との対応部分
には同一符号を用いる。

【００８３】シリンダブロック１０には、各シリンダ１
１の下部を避けて冷却水を循環させる浅底形ウォータジ
ャケット１３が形成されるとともに、クランクケース１
２に連接して冷却水を循環させるサイドウォータジャケ
ット１５が形成される。

【００８４】シリンダブロック１０は、ウォータジャケ
ット１３とサイドウォータジャケット１５の間に外気に
晒される外壁部１４を有する。

【００８５】シリンダブロック１０のクランクケース１
２にはサイドウォータジャケット１５に連接して潤滑油
を循環させる熱交換通路（メインギャラリ）１６が形成
される。熱交換通路１６はクランクシャフト３０と平行
なシリンダ列方向に延びている。オイルポンプ１から送
られる潤滑油は、機関の前方から後方に向けて流れ、サ
イドウォータジャケット１５を循環する冷却水との間で
熱交換が行われる。

【００８６】オイルポンプ１から吐出される潤滑油は、
熱交換通路１６から分岐する供給路３６を通って各主軸
受８に供給され、軸受メタル２３のグルーブ３７から各
クランク内部通路２９を通って各コンロッド軸受３２に
供給される。

【００８７】前記実施の形態と同じく、コンロッド軸受
３２に介装される軸受メタル２２，２１は、図５、図６
に示すように、軸受メタル２２，２１のクランクピン３
５に摺接するオーバレイ層５２は、クランクピン３５よ
り熱伝導率の高い材質として、アルミニウム（Ａｌ）と
錫（Ｚｎ）を主成分とする合金により形成される。

【００８８】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００８９】機関の暖機後、サイドウォータジャケット
１５を循環する冷却水の温度は所定値に保たれており、
熱交換通路１６を流れる潤滑油はシリンダブロック１０
を介してサイドウォータジャケット１５を循環する冷却
水との間で熱交換を行うことによって冷却される。

【００９０】サイドウォータジャケット１５の冷却水に
対する熱交換通路１６の潤滑油の熱交換率は、サイドウ
ォータジャケット１５における冷却水の流速に依存する
特性があるため、図９に示すように、低中速運転時は高
速運転時に比べて油水温差（冷却水と潤滑油の温度差）
が大きくなる傾向がある。

【００９１】機関の低中速運転時にクランクピン３５の
回転速度が低くなるため、コンロッド軸受３２に潤滑油
膜が構成されにくく、しかも高負荷時は燃焼室に発生す
る燃焼ガス圧によりクランクピン３５に働く荷重は高速
運転時よりも高くなるため、クランクピン３５とコンロ
ッド軸受３２の間に形成される潤滑油膜が薄くなる。

【００９２】図１２は、コンロッド軸受のオーバレイ層
をクランクピンより熱伝導率の小さいケルメット合金等
で形成した機関において、機関回転数に対するクランク
ピンの温度特性を示している。これから、浅底形ウォー
タジャケット１３および熱交換通路１６を備えても、深
底形ウォータジャケットを備えるものに比べて、低中速
運転時にコンロッド軸受に発生する摩擦熱が増大し、潤
滑条件が悪化する傾向がある。

【００９３】これに対処して本発明は、浅底形ウォータ
ジャケット１３および熱交換通路１６を備える機関にお
いて、コンロッド軸受３２の軸受メタル２２，２１のク
ランクピン３５に摺接する軸受表面にクランクピン３５
より熱伝導率の高い材質によりオーバレイ層５２を形成
した構造により、低中速運転時からコンロッド軸受３２
の温度上昇を抑えて、潤滑条件の悪化を防止する。

【００９４】図１３は、本発明のコンロッド軸受３２に
高熱伝導率オーバレイ層５２を備える機関において、機
関回転数に対するクランクピン３５の温度特性を示して
いる。これから、浅底形ウォータジャケット１３および
熱交換通路１６を備えることにより、深底形ウォータジ
ャケットを備えるものに比べて、低中速運転時にコンロ
ッド軸受に発生する摩擦熱が低減することがわかる。

【００９５】低中速運転時は高速運転時に比べて最小油
膜部５４の厚さが減少して、油膜のせん断率が大きくな
るため、高熱伝導率のオーバーレイ層５２によるクラン
クピン３５の冷却効果は大きくなる。したがって、低中
速運転時に潤滑油温度が上昇する浅底形ウォータジャケ
ット１３を備える機関においても、低中速運転時にクラ
ンクピン３５の冷却効果が大きい高熱伝導率のオーバー
レイ層５２を設けることにより、コンロッド軸受３２が
過熱されることを防止して、クランクピン３５の摩擦損
失を低減できる。

【００９６】また、浅底形ウォータジャケット１３を介
して潤滑油の平衡温度が上昇する効果により、高熱伝導
率のオーバーレイ層５２を介して潤滑油温度が低くなり
過ぎることを防止し、摩擦損失を低減できる。

【００９７】図１４は深底形ウォータジャケットを備え
る機関におけるクランクピン３５の表面温度と摩擦損失
の関係を示している。この場合、深底形ウォータジャケ
ットが設けられることより、潤滑油が冷却水へ放熱する
ことが促されるため、高熱伝導率のオーバーレイ層５２
を設けることにより、低中速運転時に潤滑油温度が低く
なり過ぎて、摩擦損失が増大する。

【００９８】図１５は浅底形ウォータジャケット１３を
備える機関におけるクランクピン３５の表面温度と摩擦
損失の関係を示している。この場合、この場合、浅底形
ウォータジャケット１３が設けられることより、潤滑油
が冷却水へ放熱することが抑えられるため、高熱伝導率
のオーバーレイ層５２を設けることにより、低中速運転
時に潤滑油温度が低くなり過ぎることを防止し、摩擦損
失を低減し、常用域の燃費改善効果が大きい。

【００９９】次に、図１６、図１７に示す第三の実施形
態について説明する。なお、図１、図２等との対応部分
には同一符号を用いる。

【０１００】シリンダブロック１０のクランクケース１
２にはサイドウォータジャケット１５に連接して潤滑油
を循環させる第一熱交換通路１７と第二熱交換通路（メ
インギャラリ）１８が並んで形成される。第一熱交換通
路１７と第二熱交換通路１８はそれぞれクランクシャフ
ト３０と平行なシリンダ列方向に延びている。オイルポ
ンプ１から送られる潤滑油は、機関の前方から後方に向
けて流れ、サイドウォータジャケット１５を循環する冷
却水との間で熱交換が行われる。

【０１０１】第一熱交換通路１７、第二熱交換通路１８
を流れる潤滑油量を機関の運転条件に応じて調節する弁
手段として、第二熱交換通路１８の下流側端部はオイル
ポンプ１を介してオイルパン２に連通する。

【０１０２】オイルポンプ１から吐出される潤滑油は、
オイルフィルター５を通過した後、オイルポンプ１の吐
出圧が所定値を越えて上昇する高速運転時にリリーフバ
ルブ４が開弁すると、第一熱交換通路１７を通って機関
前部から後部へと流れた後、第二熱交換通路１８を通っ
て機関後部から前部へと流れ、その一部がリリーフバル
ブ４を介してオイルパン２へと戻される。

【０１０３】前記実施の形態と同じく、コンロッド軸受
３２に介装される軸受メタル２２，２１は、図５、図６
に示すように、軸受メタル２２，２１のクランクピン３
５に摺接するオーバレイ層５２は、クランクピン３５よ
り熱伝導率の高い材質として、アルミニウム（Ａｌ）と
錫（Ｚｎ）を主成分とする合金により形成される。

【０１０４】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【０１０５】機関の暖機後、サイドウォータジャケット
１５を循環する冷却水の温度は所定値に保たれており、
高速運転時に第一熱交換通路１７および第二熱交換通路
１８を流れる潤滑油は、シリンダブロック１０を介して
サイドウォータジャケット１５を循環する冷却水との間
で熱交換を行うことによって冷却される。

【０１０６】リリーフバルブ４が閉弁した低中速運転時
は、潤滑油が第一熱交換通路１７および第二熱交換通路
１８を流れることなく、図９に示すように、低中速運転
時は高速運転時に比べて油水温差（冷却水と潤滑油の温
度差）が大きくなる傾向がある。

【０１０７】機関の低中速運転時にクランクピン３５の
回転速度が低くなるため、コンロッド軸受３２に潤滑油
膜が構成されにくく、しかも高負荷時は燃焼室に発生す
る燃焼ガス圧によりクランクピン３５に働く荷重は高速
運転時よりも高くなるため、クランクピン３５とコンロ
ッド軸受３２の間に形成される潤滑油膜が薄くなる。

【０１０８】これに対処して本発明は、コンロッド軸受
３２の軸受メタル２２，２１のクランクピン３５に摺接
する軸受表面に、オーバレイ層５２がクランクピン３５
より熱伝導率の高い材質により形成した構造により、低
中速運転時からコンロッド軸受３２の温度上昇を抑え
て、潤滑条件の悪化を防止する。

【０１０９】また、浅底形ウォータジャケット１３を介
して潤滑油の平衡温度が上昇する効果により、高熱伝導
率のオーバーレイ層５２を介して潤滑油温度が低くなり
過ぎることを防止し、摩擦損失を低減できる。

【０１１０】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載の内
燃機関の潤滑システムは、浅底形ウォータジャケットを
介して潤滑油の平衡温度が上昇することに対処して、コ
ンロッド軸受の軸受表面となるオーバレイ層を全周に渡
ってクランクピンより熱伝導率の高い材質により形成し
たため、クランクピンより熱伝導率の高いオーバレイ層
から潤滑油への放熱が促されて、クランクピンの最小油
膜部近傍の温度上昇を抑えて、クランクピンの摩擦損失
を低減できる。また、浅底形ウォータジャケットを介し
て潤滑油の平衡温度を高めることにより、高熱伝導率の
オーバーレイ層を介して潤滑油温度が低くなり過ぎるこ
とを防止し、摩擦損失を低減できる。

【０１１１】請求項２に記載の内燃機関の潤滑システム
は、冷却水に対する熱交換通路を循環する潤滑油の熱交
換率が低中速運転時に低いことに対処して、コンロッド
軸受の軸受表面となるオーバレイ層を全周に渡ってクラ
ンクピンより熱伝導率の高い材質により形成したため、
クランクピンより熱伝導率の高いオーバレイ層から潤滑
油への放熱が促されて、コンロッド軸受の温度上昇を抑
えて、潤滑条件の悪化を防止する。また、浅底形ウォー
タジャケットを介して潤滑油の平衡温度を高めることに
より、高熱伝導率のオーバーレイ層を介して潤滑油温度
が低くなり過ぎることを防止し、摩擦損失を低減でき
る。

【０１１２】請求項３に記載の内燃機関の潤滑システム
は、弁手段を介して熱交換通路に対する潤滑油の流れが
減少する運転条件でも、熱伝導率の高いオーバレイ層を
介してコンロッド軸受の温度上昇を抑えて、コンロッド
軸受が過熱されることを防止して、クランクピンの摩擦
損失を低減できる。

【０１１３】請求項４に記載の内燃機関の潤滑システム
は、コンロッドベアリングはオーバレイ層をアルミニウ
ムと錫を主成分とする合金により形成する構造のため、
潤滑油膜からオーバレイ層への熱伝導量を確保するとと
もに、高速時に要求される耐面圧性能を確保することが
できる。

【０１１４】請求項５記載の内燃機関の潤滑システム
は、クランクピンにマイクロフィニッシュ仕上げ加工が
施されることにより、クランクピンの油膜が高温高圧下
で薄くなっても流体潤滑状態が維持され、最小油膜部に
おける液膜のせん断率が著しく高くなって摩擦損失が急
増することを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態を示すシリンダブロッ
クの断面図。

【図２】同じく潤滑経路を示す機関の斜視図。

【図３】同じく潤滑経路図。

【図４】同じくクランクシャフト等の断面図。

【図５】同じくコンロッド軸受構造を示す断面図。

【図６】同じく軸受メタルの断面図。

【図７】同じく軸の表面粗度を示す図表。

【図８】機関回転数と油水温差の関係を示す特性図。

【図９】機関回転数と油水温差の関係を示す特性図。

【図１０】第二の実施形態を示すシリンダブロックの断
面図。

【図１１】同じく潤滑経路を示す機関の斜視図。

【図１２】低熱伝導率オーバレイ層を備える機関回転数
とクランクピン温度の関係を示す特性図。

【図１３】高熱伝導率オーバレイ層を備える機関回転数
とクランクピン温度の関係を示す特性図。

【図１４】深底形ウォータジャケットを備える機関の軸
表面温度と摩擦損失の関係を示す特性図。

【図１５】浅底形ウォータジャケットを備える機関の軸
表面温度と摩擦損失の関係を示す特性図。

【図１６】第三の実施形態を示すシリンダブロックの断
面図。

【図１７】同じく潤滑経路を示す機関の斜視図。

【図１８】従来例を示すシリンダブロックの断面図。

【図１９】同じく潤滑経路を示す機関の斜視図。

【符号の説明】

１ オイルポンプ ２ オイルパン ４ リリーフバルブ ６ メインギャラリ ７ ヘッドギャラリ １０ シリンダブロック １１ シリンダ １２ クランクケース １３ 浅底形ウォータジャケット １５ サイドウォータジャケット １６ 熱交換通路 １７ 第一熱交換通路 １８ 第二熱交換通路 ２２ 上軸受メタル ２３ 下軸受メタル ３０ クランクシャフト ３１ コンロッド ３２ コンロッド軸受 ３５ クランクピン ５２ オーバレイ層 ５４ 最小油膜部 ５５ 軸受隙間

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ピストンが摺動可能に嵌合するシリンダ
   と、 ピストンの往復動をクランクシャフトの回転運動に変換
   するコンロッドと、 コンロッドにクランクシャフトのクランクピンを回転可
   能に支承するコンロッド軸受と、 オイルポンプから吐出される潤滑油をコンロッド軸受に
   供給するメインギャラリと、 シリンダの下部を避けてシリンダの上部のまわりに冷却
   水を循環させる浅底形ウォータジャケットと、 コンロッド軸受の軸受表面に全周に渡って形成したクラ
   ンクピンより熱伝導率の高いオーバレイ層と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の潤滑システム。
2. 【請求項２】前記オイルポンプから吐出される潤滑油を
   ウォータジャケット内もしくはウォータジャケットの近
   傍を通す熱交換通路を備えたことを特徴とする請求項１
   に記載の内燃機関の潤滑システム。
3. 【請求項３】前記熱交換通路を流れる潤滑油量を機関の
   運転条件に応じて調節する弁手段を備えたことを特徴と
   する請求項２に記載の内燃機関の潤滑システム。
4. 【請求項４】前記コンロッド軸受の軸受面側に裏金より
   硬度の低いメタル層を銅と鉛を主成分とする合金により
   形成し、 コンロッド軸受の軸受表面にクランクピンより熱伝導率
   の高いオーバレイ層をアルミニウムと錫を主成分とする
   合金により全周に渡って形成したことを特徴とする請求
   項１から３のいずれか１つに記載の内燃機関のコンロッ
   ド軸受構造。
5. 【請求項５】前記クランクピンにマイクロフィニッシュ
   仕上げ加工を施したことを特徴とする請求項１から４の
   いずれか１つに記載の内燃機関の潤滑システム。