(57)【要約】【課題】ピストン冷却のために噴射される潤滑油の余剰分によるピストン摺動抵抗の増加を防止すると共に、ピストンの冷却性能をより向上させる。【解決手段】オイルポンプ３３からの潤滑油がオイルジェットノズル３１からピストン５下部周辺に向けて噴射され、ピストン５等が冷却される。このとき、オイルジェットノズル３１から噴出された潤滑油はピストン５裏面からシリンダボア３のライナ壁面に流れ出るが、ＥＣＵ５０によりエアジェット通路４２のエアジェット制御バルブ４３を開弁させることで、過給された空気をエアジェットノズル４１から高速に噴射させる。これにより、ピストン５の裏面周辺に付着した余分な潤滑油を吹き飛ばして除去してピストン摺動抵抗の増加を防止すると共に、高速で噴出される空気自体によってピストン５を効果的に冷却することができ、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのピストンを挟んで燃焼室とは反対側に配設された第１のノズルから前記ピストンに向けて潤滑油を噴射し、前記ピストンを冷却するオイルジェット機構と、
過給機を経て前記エンジンに供給される空気の一部を導入し、導入した空気を前記ピストンを挟んで前記燃焼室とは反対側に配設された第２のノズルから前記ピストンに向けて噴射し、前記オイルジェット機構によって噴射された潤滑油を除去すると共に前記ピストンを冷却するエアジェット機構と、
を備えることを特徴とする過給機付エンジンのピストン冷却装置。
【請求項２】
前記第２のノズルに空気を供給する通路に介装した開閉弁と、前記開閉弁を前記エンジンのインターセプト以降の運転領域で開弁させる制御部とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の過給機付エンジンのピストン冷却装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２のノズルが配設されるクランク室の圧力が閾値を超えた場合、前記開閉弁を閉弁させることを特徴とする請求項２記載のエンジンの冷却装置。
【請求項４】
前記第２のノズルから噴射する空気の導入口を、前記過給機のコンプレッサの直下流に開口したことを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載のエンジンの冷却装置。
【請求項５】
前記第２のノズルから噴射する空気の導入口を、前記過給機によって過給された空気を冷却するインタークーラとスロットル弁との間の吸気通路に開口したことを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載のエンジンの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンに潤滑油を噴射してピストンを冷却する過給機付エンジンのピストン冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジンにおいては、ピストンを挟んで燃焼室とは反対側から、そのピストンに向けて潤滑油を噴射するオイルジェットにより、ピストンを冷却する技術が知られている。例えば、特許文献１には、オイルジェットの中に空気を混入させることにより、ピストンの冷却効果を高める技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭５８−１９８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、オイルジェットによるピストン冷却は、ノック抑制に一定の効果がある反面、ピストンに噴射された潤滑油が流れてシリンダ壁面に付着し、ピストンが往復運動する際の抵抗になる虞がある。特に、過給機で過給した空気を取り入れる過給機付きエンジンでは、高負荷運転時のノッキング発生を効果的に抑制するためには、余分な潤滑油によるピストン摺動抵抗の増加を防止した上で、ピストン冷却性能をより向上させる必要がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ピストン冷却のために噴射される潤滑油の余剰分によるピストン摺動抵抗の増加を防止すると共に、ピストンの冷却性能をより向上させることのできる過給機付エンジンのピストン冷却装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による過給機付エンジンのピストン冷却装置は、エンジンのピストンを挟んで燃焼室とは反対側に配設された第１のノズルから前記ピストンに向けて潤滑油を噴射し、前記ピストンを冷却するオイルジェット機構と、過給機を経て前記エンジンに供給される空気の一部を導入し、導入した空気を前記ピストンを挟んで前記燃焼室とは反対側に配設された第２のノズルから前記ピストンに向けて噴射し、前記オイルジェット機構によって噴射された潤滑油を除去すると共に前記ピストンを冷却するエアジェット機構とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ピストン冷却のために噴射される潤滑油の余剰分によるピストン摺動抵抗の増加を防止すると共に、ピストンの冷却性能をより向上させることができ、ノッキング発生を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】過給機付エンジンのピストン冷却装置を示す全体構成図
【図２】オイルジェットとエアジェットとを模式的に示す説明図
【図３】エアジェット制御処理のフローチャート
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。  
図１において、符号１はエンジンであり、本実施の形態においては、過給機の一例であるターボ過給機１７を備えるエンジンである。このエンジン１に、シリンダヘッド２と気筒毎のシリンダボア３を有するシリンダブロック４とが備えられ、シリンダヘッド２に各気筒に連通する吸気ポート２ａと排気ポート２ｂとが形成され、各シリンダボア３内にピストン５が往復動可能に収容されている。
【００１０】
各ピストン５は、コネクティングロッド６を介してエンジン１の出力軸であるクランク軸７に連結されている。クランク軸７は、各気筒のクランク室８を挿通して各クランク室８の仕切壁で軸受けを介して懸架されており、各ピストン５の往復運動がコネクティングロッド６によって回転運動に変換された後、クランク軸７に伝達される。エンジン１の燃焼室９は、ピストン５の頂面、シリンダボア３の壁面及びシリンダヘッド２の下面によって区画・囲繞される空間によって形成され、この燃焼室９内では、吸気系からの空気及び燃料の混合気が点火プラグ１０の放電火花によって着火され、爆発・燃焼する。そして、このときに生じた高温高圧の燃焼ガスにより、ピストン５が往復動されてクランク軸７が回転され、エンジン１の駆動力（出力トルク）が得られる。
【００１１】
エンジン１の吸気系としては、各吸気ポート２ａに吸気マニホルド１１が分岐された状態で連通され、吸気マニホルド１１の各気筒の吸気ポート２ａの直上流にインジェクタ１２が配設されている。吸気マニホルド１１は上流側で集合されてエアチャンバ１３に連通され、エアチャンバ１３上流側の吸気通路１４にスロットル弁１５ａが介装されている。スロットル弁１５ａは、スロットルアクチュエータ１５ｂに連設され、後述する電子制御装置（ＥＣＵ）５０からの駆動信号に基づいて開閉動作される電子制御スロットル装置（ＥＴＣ）を構成している。更に、スロットル弁１５ａの上流にインタークーラ１６が介装され、このインタークーラ１６の上流側にターボ過給機１７のコンプレッサ１７ｂが介装され、コンプレッサ１７ｂの上流側にエアクリーナ１８が介装されている。
【００１２】
一方、エンジン１の排気系としては、シリンダヘッド２の各排気ポート２ｂに連通する排気マニホルド２０が合流され、排気通路２１に連通されている。排気通路２１にはターボ過給機１７のタービン１７ａが介装され、タービン１７ａの下流側に、触媒２２、マフラ２３が配設されている。ターボ過給機１７は、タービン１７ａに導入する排気のエネルギによりコンプレッサ１７ｂを回転駆動し、空気を吸入、加圧して過給するものであり、タービン１７ａ側に、ダイヤフラム式アクチュエータからなるウエストゲート弁作動用アクチュエータ２４を備えたウエストゲート弁２５が設けられている。
【００１３】
ウエストゲート弁作動用アクチュエータ２４は、ダイヤフラムにより２室に仕切られ、一方が過給圧制御用ソレノイド弁２６に連通する圧力室を形成し、他方がウエストゲート弁２５を閉方向に付勢するスプリングを収納すると共に、ダイヤフラムとウエストゲート弁２５とを連設するロッドが延出されるスプリング室を形成している。尚、スプリング室は大気に解放されている。
【００１４】
過給圧制御用ソレノイド弁２６は、コンプレッサ１７ｂの下流側の吸気通路１４に連通するポートと、ウエストゲート弁作動用アクチュエータ２４の圧力室に連通するポートと、コンプレッサ１７ｂの上流側の吸気通路１４に連通するポートとを有している。この過給圧制御用ソレノイド弁２６は、例えばＥＣＵ５０から出力されるデューティ信号によって制御され、コンプレッサ１７ｂの上流側から下流側へリリーフされる圧力が調整されてウエストゲート弁作動用アクチュエータ２４の圧力室に供給される制御圧が調圧され、ウエストゲート弁２５の開度が調節されて過給圧が制御される。
【００１５】
このようなターボ過給機１７を有するエンジン１には、ピストン５に下方から潤滑油を噴射（オイルジェット）するオイルジェット機構３０が備えられ、このオイルジェット機構３０からのオイルジェットによってピストン５を冷却し、ノッキングの発生を抑制するようにしている。オイルジェット機構３０は、各気筒のシリンダボア３毎に、潤滑油を噴射する第１のノズル（以下、「オイルジェットノズル」と記載）３１を備えており、各オイルジェットノズル３１は、シリンダブロック４において燃焼室９とは反対側（図１の下側）のクランク室８内に配置され、その先端がピストン５下部に向けられている。
【００１６】
オイルジェットノズル３１は、シリンダブロック４に設けられたオイル通路３２等を介してオイルポンプ３３に接続されている。オイルポンプ３３は、例えばエンジン１により駆動される機械式ポンプであり、オイルポンプ３３から吐出された潤滑油がオイル通路３２を通じて各オイルジェットノズル３１に分配供給され、オイルジェットノズル３１からピストン５下部周辺に向けて潤滑油が噴射される。
【００１７】
また、エンジン１には、オイルジェット機構３０に加え、各気筒のピストン５の下方に空気を噴射（エアジェット）するエアジェット機構４０が備えられている。エアジェット機構４０は、オイルジェット機構３０によって供給された潤滑油によるピストンの摺動抵抗を低減するため、ピストン５とシリンダボア３の壁面との間に停滞する余分な潤滑油を、空気の噴射によって除去するものである。
【００１８】
本実施の形態においては、エアジェット機構４０は、各気筒のシリンダボア３毎に備えられて空気を噴射する第２のノズル（以下、「エアジェットノズル」と記載）４１と、このエアジェットノズル４１に空気を導くエアジェット通路４２に介装されたエアジェット制御バルブ４３とを主として構成されており、ターボ過給機１７による過給圧を利用してエアジェットノズル４１から高速の空気を噴射させ、噴出された空気で余分な潤滑油を除去すると共に、エアジェットによりピストン５を効果的に冷却することができる。
【００１９】
具体的には、エアジェットノズル４１は、シリンダブロック４において燃焼室９とは反対側（図１の下側）のクランク室８内に配置され、その先端のノズル出口がピストン５下部に向けられている。このエアジェットノズル４１のノズル出口は、例えばオリフィス状に形成され、ノズル出口から噴出される空気の流速を速めてエアジェットを効率良くピストン５の下部裏面に当てるように形成されている。
【００２０】
尚、図１においては、エアジェットノズル４１がコネクティングロッド６を間に挟んでオイルジェットノズル３１と対向する位置に配置されている例を示しているが、これとは異なる位置に配置されても良い。
【００２１】
また、エアジェット通路４２は、ターボ過給機１７のコンプレッサ１７ｂ直下流に開口される空気導入口から延出され、エアジェット制御バルブ４３を介してエアジェットノズル４１に接続されている。エアジェット制御バルブ４３は、本実施の形態においてはＥＣＵ５０によって駆動制御される電磁開閉弁であり、後述するように、ターボ過給機１７の過給による運転領域がインターセプト点以降の領域で開弁駆動され、エアジェットノズル４１から所定の圧力の空気を噴出させる。
【００２２】
ＥＣＵ５０は、マイクロコンピュータを中心として構成される電子制御ユニットであり、入力インターフェースを介して入力される各種センサ類からの信号に基づいてエンジン１の運転状態を検出し、出力インターフェースに接続される各種アクチュエータ類を介して各種制御を実行する。ＥＣＵ５０に接続されるセンサ類としては、エアクリーナ１８とコンプレッサ１７ｂとの間に介装されて吸入空気量を検出する吸入空気量センサ６０、エアチャンバ１３内の吸気圧を検出する吸気圧センサ６１、クランク室８内の圧力を検出するクランク内圧センサ６２、その他、図示しない各種センサ類がある。また、ＥＣＵ５０に接続されるアクチュエータ類としては、インジェクタ１２、点火プラグ１０に接続される点火コイル７０、スロットルアクチュエータ１５ｂ、過給圧制御用ソレノイド弁２６、エアジェット制御バルブ４３、その他、図示しない各種アクチュエータ類がある。
【００２３】
尚、エアジェット制御バルブ４３は、ＥＣＵ５０によって駆動制御される電磁開閉弁に限定されることなく、所定の吸気圧でＯＮする圧力スイッチで開弁される電磁開閉弁、或いは、エアジェット制御バルブ４３の上下流の差圧が所定の圧力を超えたときに機械的に開弁する逆止弁として構成することも可能である。
【００２４】
以上のオイルジェット機構３０及びエアジェット機構４０を有するエンジン１では、エンジン１の運転中、図２に示すように、オイルポンプ３３から吐出される潤滑油がオイルジェット機構３０に供給され、オイルジェットノズル３１からピストン５下部周辺に向けて潤滑油が噴射される。オイルジェットノズル３１は、噴出する潤滑油ＬＱがピストン５の降下時に効果的に付着するように一定の位置に配置されており、往復動に伴って発生する熱で高温となったピストン５等を効果的に冷却することができる。
【００２５】
オイルジェットノズル３１から噴出された潤滑油ＬＱは、ピストン５裏面からシリンダボア３のライナ壁面に流れ出るが、ＥＣＵ５０によりエアジェット通路４２のエアジェット制御バルブ４３を開弁させることで、過給された空気をエアジェットノズル４１から高速に噴射させる。これにより、ピストン５の裏面周辺に付着した余分な潤滑油を吹き飛ばして除去し、余分な潤滑油によるピストン摺動抵抗の増加を防止すると共に、高速で噴出される空気自体によってピストン５を効果的に冷却することができ、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。
【００２６】
ここで、ＥＣＵ５０によるエアジェット制御は、ターボ過給機１７による余剰過給分をエンジン１のクランク室８内へ導き、オイルジェットによるピストン５裏面周辺のオイルだれを吹き飛ばすエアジェットとして利用している。具体的には、過給圧の上昇が制限されるインターセプト以降の運転領域でコンプレッサ１７ｂからの余剰過給分を各気筒に分配することで、オイルジェットによる余分な潤滑油を除去してピストン摺動抵抗の低減を図ると共に、エアジェットによる効果的な冷却を可能としている。
【００２７】
図３のフローチャートは、ＥＣＵ５０で実行されるエアジェット制御のプログラム処理を示している。以下、このエアジェット制御処理について説明する。
【００２８】
このエアジェット制御処理では、先ず、最初のステップＳ１において、クランク内圧センサ６２で検出したクランク室８内の圧力（クランク内圧）が予め設定した閾値以下か否かを調べる。これは、前回までに実施されたエアジェットによってクランク内圧が上昇している場合、更なるエアジェットの実施によってピストン下降時の抵抗となることを防止するためである。
【００２９】
そして、クランク内圧が閾値を超えている場合、ステップＳ１からステップＳ４へ進んでエアジェット制御バルブ４３を閉弁させ、エアジェットを停止させる。このとき、クランク室８内の空気は、例えば、既存のブローバイ配管（図示せず）を通してコンプレッサ１７ｂ上流側の吸気通路１４に再導入させる等して、低負荷運転に移行したときに徐々に逃がしていくようにする。
【００３０】
一方、ステップＳ１においてクランク内圧が閾値以下である場合には、ステップＳ１からステップＳ２へ進み、エンジン回転数及びエンジン負荷等に基づいて現在の運転領域がインターセプト領域か否かを調べる。その結果、インターセプト領域でない場合には、ステップＳ２から前述のステップＳ４へ進んでエアジェット制御バルブ４３を閉弁させてエアジェットを停止させ、インターセプト領域の場合、ステップＳ２からステップＳ３へ進んでエアジェット制御バルブ４３を開弁させる。
【００３１】
このエアジェット制御バルブ４３の開弁により、インターセプト以降の領域では、ターボ過給機１７のコンプレッサ１７ｂで過給された空気の一部がエアジェット通路４２を通ってエアジェットノズル４１から高速の空気流となって噴出され、ピストン５の下部裏面に高速の空気流を吹きつけてオイルジェットによる余分な潤滑油を除去し、また、高速の空気量でピストン５を直接的に冷却する。
【００３２】
この場合、エアジェットノズル４１から噴出させる空気は、コンプレッサ１７ｂ直下流からの導入に限定されることなく、図１中に破線で示すように、インタークーラ１６とスロットル弁１５ａとの間の吸気通路１４に開口する通路４２ａを介して導入するようにしても良い。
【００３３】
すなわち、上述したように、コンプレッサ１７ｂ直下流からエアジェット用の空気を導入する場合、エアジェット通路４２内の圧力を高めてエアジェットノズル４１から高速の空気流を噴出させることができるが、コンプレッサ１７ｂによる過給直後の空気であるため、比較的温度が高い。このため、インタークーラ１６を通過した吸気をエアジェットノズル４１に導くことで、比較的温度の低い空気をピストン５に吹きつけ、冷却効果を向上することが可能となる。
【００３４】
また、インタークーラ１６下流の通路４２ａからエアジェット用の空気を導入する場合には、一般的に、インタークーラ１６はエンジン１本体に近い位置に設置されることから、コンプレッサ１７ｂ直下流からエアジェット用の空気を導入する場合に比較して配管長を短くすることが可能であり、より迅速な応答性を期待することができる。
【００３５】
更に、インタークーラ１６下流の通路４２ａに代えて、同じく図１中に破線で示す通路４２ｂ、すなわち過給圧制御用ソレノイド弁２６とコンプレッサ１７ｂの下流側の吸気通路１４の間のバイパス通路に連通する通路を介して、エアジェット用の空気を導入することも可能である。この場合には、バイパス通路内はほぼ大気圧のため、コンプレッサ１７ｂ直下流やインタークーラ１６下流からエアジェット用空気を導入する場合に比較して空気の流速が遅くなると考えられるが、オイルジェットの油量や供給方式に応じて適用可能である。
【００３６】
また、本実施の形態においては、オイルジェット及びエアジェットをピストン位置（クランク角）に関連付けることなく実施する例について説明したが、ピストン位置に応じてオイルジェットを間欠的に実施する場合には、これに対応してピストン位置に応じてエアジェットを間欠的に実施するようにしても良い。更には、エアジェット制御バルブ４３を、エンジン負荷に応じたデューティ比で間欠的に駆動する等して、エンジン負荷に応じてエアジェット量を制御するようにしても良い。
【００３７】
このように本実施の形態においては、ターボ過給機付エンジンのインターセプト以降の余剰過給分をエアジェットとして利用し、ピストン冷却のためのオイルジェットの余剰な潤滑油を吹き飛ばすようにしている。これにより、ピストン摺動部でのフリクションロスを小さくすることができるばかりでなく、エアジェット自体によるピストンの冷却を効果的に行うことができ、ノッキングの発生を抑制することができる。更には、エアジェットによりオイルジェットの余剰の潤滑油を確実に除去できることから、オイルジェットによる潤滑油の噴出量を増やしてピストン冷却性能を更に向上することができ、ノック抑制効果をより高めることが可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
１  エンジン
５  ピストン
８  クランク室
９  燃焼室
１５ａ  スロットル弁
１６  インタークーラ
１７  ターボ過給機
１７ａ  タービン
１７ｂ  コンプレッサ
２６  過給圧制御用ソレノイド弁
３０  オイルジェット機構
３１  オイルジェットノズル
４０  エアジェット機構
４１  エアジェットノズル
４３  エアジェット制御バルブ
５０  電子制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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