JP2012145021A

JP2012145021A - エンジンの冷却装置

Info

Publication number: JP2012145021A
Application number: JP2011003476A
Authority: JP
Inventors: Hironari Takemoto; 大育竹本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-08-02
Also published as: EP2664762A1; US9181849B2; CN103038476A; EP2664762B1; WO2012096140A1; CN103038476B; US20130139768A1; EP2664762A4

Abstract

【課題】エンジン始動時及びエンジンの稼働状況に応じて、オイル噴射ノズルからの冷却用オイルの噴射量及び、冷却用オイルの温度を調節して、エンジンの始動性向上と暖気期間の短縮及び、中小出力時の燃焼効率向上を図り、燃料消費率の向上を図る。
【解決手段】ピストンを冷却するオイルジェット装置において、オイル噴射ノズル８の上流側に配設されたオイルクーラ４と、該オイルクーラ４の上流側に配設されたオイルポンプ５と、オイル噴射ノズル８とオイルクーラ４との間に配設され、オイルクーラ４からの冷却用オイルをオイル噴射ノズル８側とオイルパン側とに分流する比率を調整する第１切替調整弁６と、冷却水温度センサ３５、回転数センサ３６及び負荷センサ３７夫々の検出値によりピストン１の温度を算出するピストン温度算出マップに基づいて第１切替調整弁６を切替える油量調整マップ４１を有したコントロールユニットとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンのピストン冷却装置に関する。

一般にエンジンにおいては、ピストンに大きな熱負荷がかかるので、その熱負荷や、ピストンヘッドの高温によるノッキング等の異常燃焼を防止するために、ピストンの背面側に冷却用オイルを噴射して、ピストンヘッドの溶損や異常燃焼を防止する冷却装置が用いられている。
図９は、一般的なピストン冷却の要部の概要を示したもので、エンジンの回転中は、エンジンの駆動力によって駆動されるオイルポンプ５がエンジンのオイルパン（図示省略）からオイルを吸上げ、オイルクーラ４にてエンジンの冷却水によってオイルを冷却する。
オイルクーラ４で冷却されたオイルはオイル噴射ノズル８からピストン１の背面に噴射され、ピストン１を冷却する装置が用いられている。

また、ピストンの冷却装置について、特開２００６−２９１２７号公報（特許文献１）が開示されている。
特許文献１によると、ピストンヘッド部１ａに形成した内側の第１油路及び外側の第２油路からなる二重構造のクーリングチャンネルと、これらの第１又は、第２油路の内少なくとも何れか一方に対して機関冷却時に暖気オイルを供給する暖気オイル供給手段と、これら第１又は、第２油路の内の少なくとも何れか他方に対して、ピストン高温時に冷却オイルを供給する前記暖気オイル供給手段とで構成した技術が開示されている。

特開２００６−２９１２７号公報

ところが、オイルポンプ５はエンジンのクランクシャフト（図示省略）にギヤトレインによって連結されているので、オイルポンプ５はエンジンのクランクシャフトが回転すると同時に作動している。
従って、エンジン始動時においては、オイルポンプは駆動しており、オイルパンの冷えた状態のオイルはオイルポンプによって、ピストン背面に噴射され、ピストンは冷却され続ける。
従って、ピストン頭部の熱は上昇が遅くなり、エンジンが最良の状態になるまでの時間を多く要し、始動性の悪化と共に、燃料消費量が多くなる不具合を有している。
また、特許文献１によると、機関冷却時に暖気オイルを供給する暖気オイル供給手段を設けており、オイルを温めるための昇温手段を有しており、装置のコストが嵩むと共に、燃料消費の面からも好ましくない。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、エンジン始動時（エンジン冷状態時）及びエンジンの稼働状況に応じて、オイル噴射ノズルからの冷却用オイルの噴射量及び、冷却用オイルの温度を調節して、エンジン始動時はピストンの昇温を促進させ、中又は小出力時にはピストンの過冷却を防止して、エンジンの始動性向上と暖気期間の短縮及び、中又は小出力時の燃焼効率向上を図り、燃料消費率の向上を図ることを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するため、ピストンをオイルで冷却するオイルジェット装置を有するエンジンの冷却装置において、前記エンジンの温度を検知する冷却水温度センサと、前記エンジンの回転数を検知する回転数センサと、前記エンジンの負荷を検知する負荷センサと、前記エンジンのシリンダブロックに固定され、前記ピストンの背面に向け冷却用オイルを噴射するジェットノズルと、前記冷却用オイルの流通経路で、前記ジェットノズルの上流側に配設されたオイルクーラと、該オイルクーラの上流側で前記オイルクーラに冷却用オイルを圧送するオイルポンプと、前記ジェットノズルと前記オイルクーラとの間に配設され、前記オイルクーラからの冷却用オイルを前記ジェットノズル側とオイルパン側とに流す分流比率を調整する第１切替調整弁と、前記温度センサ、前記回転数センサ及び前記負荷センサ夫々の検出値により前記ピストンの温度を算出するピストン温度算出マップに基づいて前記第１切替調整弁を切替える油量調整マップを有したコントロールユニットとを備えたことを特徴とする。

このような構成により、ピストン温度を算出して、ピストンの過冷却によるエンジンの始動性及び、燃料消費率の悪化を防止できる。

また、本発明において好ましくは、前記冷却用オイルの前記流通経路において、前記オイルクーラと前記オイルポンプとの間に配設され、前記オイルポンプからの冷却用オイルを前記オイルクーラ側と、前記オイルクーラと前記第１切替調整弁との間に連結したバイパス回路側とに流す分流比率を決めて、前記バイパス回路通過後の冷却用オイルの温度調整する油温度調整マップに基づいて前記コントロールユニットにて第２切替調整弁を調整するとよい。

このような構成により、オイルクーラに流れる冷却用オイルの量を調整することにより、オイル温度の細かい制御が可能となり、オイルの過剰な上昇を抑えることが可能となり、オイルの劣化を防止できる。
また、バイパス回路を設けたので、冷却用オイルを冷却しすぎて、ピストンを過冷却させることも防止できる。

また、本発明において好ましくは、前記エンジンの始動時、又は中小負荷時において、前記ピストン温度算出マップで算出した値と、前記エンジンのシリンダ温度を検知するシリンダ温度センサ又は、及びシリンダヘッドの温度を検知するシリンダヘッド温度センサとによる検出値と比較して、差が閾値以上の場合には前記シリンダ温度センサ又は及び前記シリンダヘッドセンサの検出値を優先させることを特徴とする。

このような構成により、エンジン運転時のシリンダ及び又は、シリンダヘッドの温度をリアルタイムに監視できるので、過渡運転時の細かな冷却制御が可能となり、効率用よい運転ができる。
さらに、エンジン始動初期のピストンの過冷却を防止して、初期における燃料消費率の向上が可能となる。

エンジン始動時（エンジン冷状態時）には、オイルポンプからのオイルをオイル噴射ノズルの手前で迂回させて、ピストンの冷却を中止しすることにより、ピストンの昇温を促進させることにより、エンジンの始動性向上と暖気期間の短縮による燃料消費率の向上と、コスト低減効果を有する。

本発明の第１実施形態に係るエンジン冷却装置の概略構成図を示す。本発明の第１実施形態に係る切替バルブの制御フロー図を示す。（Ａ）は本発明の油量調整マップの構成図を示し、（Ｂ）はマップにおける流量比率を示す。本発明の第２実施形態に係るエンジン冷却装置の概略構成図を示す。本発明の第２実施形態に係る切替バルブの制御フロー図を示す。（Ａ）は本発明の油温調整マップの構成図を示し、（Ｂ）はマップにおける流量比率を示す。本発明の第３実施形態に係るエンジン冷却装置の概略構成図を示す。本発明の第３実施形態に係る切替バルブの制御フロー図を示す。従来技術における説明図を示す。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。
但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１に示すように、エンジン本体内に形成されたシリンダ２内を上下に摺動するピストン１が配設されている。
ピストン１の上部にはシリンダ２を閉塞するようにシリンダヘッド３が取付けられている。シリンダヘッド３には燃焼室３４に燃料を噴射する燃料噴射ノズル３１と、シリンダに空気を導入する吸入バルブ３２及び、燃焼ガスを排気する排気バルブ３３が装着されている。
ピストン１の下方に、ピストン１の背面に向けて、オイル噴射ノズル８がエンジン本体（図示省略）に固定されている。
５はオイルポンプで、エンジンのクランクシャフト（図示省略）にギヤトレインを介して連結され、エンジン始動と同時に駆動され、エンジンのオイルパン１０から冷却用オイルを吸上げる。
オイルクーラ４は一般的にはエンジン本体の側部に取付けられ、エンジンの冷却水によって冷却用オイルを冷却する。
６は第１切替調整弁で、オイルクーラ４から送出された冷却用オイルをオイル噴射ノズル８側とオイルパン１０側に流す量をコントロールユニット３０によって制御される。
コントロールユニット３０は負荷センサ３７（エンジントルク）、回転数センサ３６、冷却水温度センサ３５夫々の検出値によって、第１切替調整弁６を制御する。

１１は流通経路でエンジンが始動されると第１送油管１１１を介してオイルパン１０から冷却用オイルをオイルポンプ５によって吸上げる。オイルポンプ５によって吸上げられた冷却用オイルは第２送油管１１２を介してオイルクーラ４内に圧送され、エンジンの冷却水によって冷却される。
冷却された冷却用オイルはエンジンの稼働状態によって、コントロールユニット３０に配備されたオイル噴射ノズル８側とオイルパン１０側に流す量の比率を決める油量調整マップ４１に基づいて、第３送油管１１３の中間部に配設された第１切替調整弁６によって分流される。
分流された冷却用オイルの一方は、オイル噴射ノズル８側に流れ、ピストン１の背面側に噴射されピストン１を冷却する。
また、他方は、第４送油管１１４を介してオイルパン１０に戻される。

第１切替調整弁６の油量調整は、図２に示す第１切替調整弁６のバルブ制御フロー図によって行われる。
エンジンの稼働状況を冷却水温度センサ３５、回転数センサ３６、負荷センサ３７によって得た検出値に基づいて、ピストン温度算出マップ２０によって算出する。ピストン温度算出マップ２０はピストン１の温度を実験値によって求め、横軸に回転数（ｒｐｍ）、縦軸にトルク（Ｔ）を基軸にした、ピストン温度の特性曲線となっている。
負荷センサ３７は燃料の噴射量又は、アクセルペダルの踏込み量等を計測する。

ピストン温度算出マップ２０によって算出された温度に基づいて、第１切替調整弁６の流量比率を油量調整マップ４１にて決める。
図３（Ａ）に示すように、油量調整マップ４１は横軸にエンジン回転数（ｒｐｍ）、縦軸にピストン温度（ピストン温度算出マップ２０によって算出された温度）を基軸として桝目状のエリアに区切られている。
各エリアは第１切替調整弁の弁開度（流量比率）をＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３及び、Ａ４の段階に区切ってある。

そして、例えば、ピストン温度が低く、エンジンを始動した直後等の場合にはＡ０が選択される。
すると、図３（Ｂ）に示すように、コントロールユニット３０はオイル噴射ノズル８側を０（ゼロ）にして、オイルパン１０側流量を４（全量）に成るよう第１切替調整弁６のバルブ位置を調整する。
エンジンの暖気が進み、ピストン１の温度及び、エンジン回転数が上昇すると、Ａ１，Ａ２のエリアに進んでいき、エンジンの稼働状況（各センサからの検出値から判断）によって、オイル噴射ノズル８側とオイルパン１０側へとの流量調整が実施される。
ピストン温度が高く、エンジン回転数が高い、即ち、高負荷運転状態の場合にはＡ４が選択され、オイル噴射ノズル８側を４（全量）にして、オイルパン１０側流量を０（ゼロ）に成るよう第１切替調整弁６のバルブ位置が調整される。

本実施形態によると、エンジンの稼働状況を冷却水温度センサ３５、回転数センサ３６、負荷センサ３７によって得た検出値に基づいて、ピストン温度をピストン温度算出マップ２０よって算出し、算出結果に基づいて、ピストン１への冷却用オイルの噴射量を細かく制御して、ピストン１の過冷却によるエンジン始動性及び燃料消費の悪化を最小限に抑制できる効果を有している。

（第２実施形態）
図４に示した、第２実施形態に係るエンジン冷却装置の概略構成図に基づいて説明する。
尚、第１実施形態と同じものは、同一符号を付して、その説明を省略する。

流通経路１２には、オイルパン１０から第１送油管１１１を介して冷却用オイルをオイルポンプ５によって吸上げる。オイルポンプ５とオイルクーラ４とを連結する第２送油管１１２の中間部に、第２切替調整弁７が介装されている。
オイルクーラ４の流通経路１２下流側には中間部に第１切替調整弁６を有した第３送油管１１３が配設されている。
さらに、下流側にはオイル噴射ノズル８が配設されている。
第１切替調整弁６はコントロールユニット４０に配備されたオイル噴射ノズル８側とオイルパン１０側に流す量の比率を決める油量調整マップ４１に基づいて制御（分流）される。
制御（分流）された冷却用オイルの一方は、オイル噴射ノズル８側に流れ、ピストン１の背面側に噴射されピストン１を冷却する。
また、他方は、第４送油管１１４を介してオイルパン１０に戻される。

第２切替調整弁７には、一端が第３送油管１１３の第１切替調整弁６とオイルクーラ４との間に連通し、他端が第２切替調整弁７に連通したバイパス回路９が接続されている。
第２切替調整弁７は冷却用オイルをオイルクーラ４と、バイパス回路９とに分流させることにより、オイルクーラ４で冷却された冷却用オイルと、バイパス回路９を通過した冷却用オイルとが第３送油管１１３内で再度混合した際の温度を調整するために設けられている。
第２切替調整弁７は、エンジンの稼働状況を冷却水温度センサ３５、回転数センサ３６、負荷センサ３７によって得た検出値に基づいて、ピストン温度算出マップ２０によって算出し、算出結果に基づいてコントロールユニット４０に備えられた油温度調整マップ５１によって制御される。
第２切替調整弁７の油量調整は、図５に示す第２切替調整弁７のバルブ制御フロー図によって行われる。
エンジンの稼働状況を冷却水温度センサ３５、回転数センサ３６、負荷センサ３７によって得た検出値に基づいて、ピストン温度算出マップ２０によって算出する。

ピストン温度算出マップ２０によって算出された温度に基づいて、第２切替調整弁７の流量比率を油温度調整マップ５１にて決める。
図６（Ａ）に示すように、油温度調整マップ５１は横軸にエンジン回転数（ｒｐｍ）、縦軸にピストン温度（ピストン温度算出マップ２０によって算出された温度）を基軸として桝目状のエリアに区切られている。
各エリアは第２切替調整弁の弁開度（分流比率）をＢ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３及び、Ｂ４の段階に区切ってある。

そして、例えば、ピストン温度が低く、エンジンを始動した直後等の場合にはＢ０が選択される。
すると、図６（Ｂ）に示すように、コントロールユニット４０はオイルクーラ側を０（ゼロ）にして、バイパス回路９側流量を４（全量）に成るよう第２切替調整弁７のバルブ位置を調整する。
エンジンの暖気が進み、ピストン１の温度及び、エンジン回転数が上昇すると、Ｂ１，Ｂ２のエリアに進んでいき、エンジンの稼働状況（各センサからの検出値から判断）によって、４側及び、バイパス回路９側夫々への流量比率が調整される。
ピストン温度が高く、エンジン回転数が高い、即ち、高負荷運転状態の場合にはＢ４が選択され、オイルクーラ４側を４（全量）にして、バイパス回路９側流量を０（ゼロ）に成るよう第２切替調整弁７のバルブ位置が調整される。
第１切替調整弁６の制御については、第１実施形態と同じなので、説明を省略する。

本実施形態によると、オイルクーラ４のバイパス回路９を設け、エンジンの稼働状況を冷却水温度センサ３５、回転数センサ３６、負荷センサ３７によって得た検出値に基づいて、ピストン温度をピストン温度算出マップ２０よって算出し、算出されたピストン１の温度によってオイルクーラ４に流す量と、バイパス回路９に流す量を制御することにより、冷却用オイルの温度を細かく制御して、ピストン１の温度管理精度が向上させて、燃料消費悪化を防止できる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係るエンジン冷却装置の概略構成図を図８に基づいて説明する。
尚、第１及び、第２実施形態と同じものは、同一符号を付して、その説明を省略する。

流通経路１２には、オイルパン１０から第１送油管１１１を介して冷却用オイルをオイルポンプ５によって吸上げる。オイルポンプ５とオイルクーラ４とを連結する第２送油管には、第２切替調整弁７が介装されている。
オイルクーラ４の流通経路１２の下流側には中間部に第１切替調整弁６を有した第３送油管１１３が配設され、さらに、下流側にはオイル噴射ノズル８が配設されている。
第２切替調整弁７には、一端が第３送油管１１３の第１切替調整弁６とオイルクーラ４との間に連通し、他端が第２切替調整弁７に連通したバイパス回路９が接続されている。
コントロールユニット５０には、第１切替調整弁６を制御する油量調整マップ４１と、第２切替調整弁７を制御する油温度調整マップ５１が備えられている。
また、コントロールユニット５０には、エンジンの稼働状況を得るため、冷却水温度センサ３５、回転数センサ３６、負荷センサ４７及び、シリンダ温度センサ３８（又は及びシリンダヘッド温度センサ３９）が検知した検出値が導入される。

図８の第１切替調整弁６及び、第２切替調整弁７のバルブ制御フロー図によって、本実施形態の制御を説明する。
エンジンの稼働状況を得るため、冷却水温度センサ３５、回転数センサ３６及び、負荷センサ４７からの検出値に基づいてピストン温度算出マップ２０にてピストン１の温度を算出する。
一方、シリンダ２に装着したシリンダ温度センサ３８及び、シリンダヘッド（図示省略）に装着されたシリンダヘッド温度センサ３９を配設し、夫々のセンサによって温度を直接検出している。
シリンダ温度センサ３８の検出値と、シリンダヘッド温度センサ３９の検出値とを比較して、高い方の温度を検出値Ｋとする。
ピストン温度算出マップ２０にて算出したピストン温度算出値とを比較して差が閾値以上の場合には上記検出値Ｋを優先させてピストン１の温度として、油量調整マップ４１及び、油温度調整マップ５１の制御要素としている。
一方、差が閾値以上の場合にはピストン温度算出値を使用する。
油量調整マップ４１及び、油温度調整マップ５１の制御方法については、第２実施形態と同じなので、説明は省略する。
尚、本実施形態ではシリンダ温度センサ３８の検出値と、シリンダヘッド温度センサ３９の検出値を比較して高い方を優先させたが、シリンダ温度センサ３８の検出値又は、シリンダヘッド温度センサ３９の何れかを一方だけを用いてもよい。
その場合には、コスト低減が可能となる。

本実施形態によると、シリンダ温度センサ３８及び、シリンダヘッド温度センサ３９を直接測定することにより、エンジンの環境（極寒地、高地等）においてはピストン温度算出マップ２０で算出した温度と実態が異なることも考えられるので、実測値を油量調整マップ４１及び、油温度調整マップ５１の制御要素として、エンジン稼働時のシリンダ２及び、シリンダヘッドの温度をリアルタイムで監視できるので、過渡運転時の細かな冷却制御が可能となる。

ピストンの冷却装置を備えたエンジンの始動時に、ピストンの過冷却を防止して、エンジンの始動性及び、燃料消費の改善を行うエンジン冷却装置に用いられるとよい。

１ピストン
２シリンダ
３シリンダヘッド
４オイルクーラ
５オイルポンプ
６第１切替調整弁
７第２切替調整弁
８オイル噴射ノズル
９バイパス回路
１１，１２流通経路
２０ピストン温度算出マップ
３０、４０，５０コントロールユニット
３５冷却水温度センサ
３６回転数センサ
３７負荷センサ
３８シリンダ温度センサ
３９シリンダヘッド温度センサ
４１油量調整マップ
５１油温度調整マップ

Claims

ピストンをオイルで冷却するオイルジェット装置を有するエンジンの冷却装置において、前記エンジンの温度を検知する冷却水温度センサと、前記エンジンの回転数を検知する回転数センサと、前記エンジンの負荷を検知する負荷センサと、前記エンジンのシリンダブロックに固定され、前記ピストンの背面に向け冷却用オイルを噴射するジェットノズルと、前記冷却用オイルの流通経路で、前記ジェットノズルの上流側に配設されたオイルクーラと、該オイルクーラの上流側で前記オイルクーラに冷却用オイルを圧送するオイルポンプと、前記ジェットノズルと前記オイルクーラとの間に配設され、前記オイルクーラからの冷却用オイルを前記ジェットノズル側とオイルパン側とに流す分流比率を調整する第１切替調整弁と、前記温度センサ、前記回転数センサ及び前記負荷センサ夫々の検出値により前記ピストンの温度を算出するピストン温度算出マップに基づいて前記第１切替調整弁を切替える油量調整マップを有したコントロールユニットとを備えたことを特徴とするエンジンの冷却装置。
前記冷却用オイルの前記流通経路において、前記オイルクーラと前記オイルポンプとの間に配設され、前記オイルポンプからの冷却用オイルを前記オイルクーラ側と、前記オイルクーラと前記第１切替調整弁との間に連結したバイパス回路側とに流す分流比率を決めて、前記バイパス回路通過後の冷却用オイルの温度調整する油温度調整マップに基づいて前記コントロールユニットにて第２切替調整弁を調整するようにしたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの冷却装置。
前記エンジンの始動時、又は中小負荷時において、前記ピストン温度算出マップで算出した値と、前記エンジンのシリンダ温度を検知するシリンダ温度センサ又は、及びシリンダヘッドの温度を検知するシリンダヘッド温度センサとによる検出値と比較して、差が閾値以上の場合には前記シリンダ温度センサ又は及び前記シリンダヘッドセンサの検出値を優先させることを特徴とする請求項１記載のエンジンの冷却装置。