特許 7586059 内燃機関の暖機システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-11

(45)【発行日】2024-11-19

(54)【発明の名称】内燃機関の暖機システム

(51)【国際特許分類】

   F01P 3/10 20060101AFI20241112BHJP

   F01M 1/08 20060101ALI20241112BHJP

   F01M 1/16 20060101ALI20241112BHJP

   F02F 3/22 20060101ALI20241112BHJP

【ＦＩ】

F01P3/10 A

F01M1/08 B

F01M1/16 F

F02F3/22 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021192738

(22)【出願日】2021-11-29

(65)【公開番号】P2023079322

(43)【公開日】2023-06-08

【審査請求日】2024-02-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】近末 吉人

【審査官】佐々木 淳

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０３９３４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０７９３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１７１１３０１９（ＤＥ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０７４８９５１１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｐ ３／１０

Ｆ０１Ｍ １／０８

Ｆ０１Ｍ １／１６

Ｆ０２Ｆ ３／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の暖機システムであって、
潤滑油を前記内燃機関の各部へ供給するオイルポンプと、
前記オイルポンプから供給された潤滑油を、ピストンの内部に形成した冷却通路の導入口へ向けて噴射するオイルジェットと、を備え、
前記ピストンは、前記導入口から前記冷却通路に流入した潤滑油を排出する排出口を有し、
前記冷却通路は、前記導入口から流入した潤滑油が排気側を経由して前記排出口に流れる排気側通路と、前記導入口から流入した潤滑油が吸気側を経由して前記排出口に流れる吸気側通路とから構成され、さらに、
前記ピストンの温度が所定温度より低いとき前記吸気側通路を閉じるとともに、前記ピストンの温度が所定温度より高いとき前記吸気側通路を開く弁手段を備えた、内燃機関の暖機システム。

【請求項2】

前記弁手段は、感温作動式の弁である、請求項１に記載の内燃機関の暖機システム。

【請求項3】

前記弁手段は、
前記ピストンの温度を検出する温度センサと、
前記温度センサで検出した前記ピストンの温度に基づいて、前記吸気側通路を開閉する電動式の弁から構成される、請求項１に記載の内燃機関の暖機システム。

【請求項4】

前記弁手段は、前記排出口より前記導入口に近い位置において、前記吸気側通路を閉じる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関の暖機システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、内燃機関の暖機システムに関し、特に、冷却通路を有するピストンを備えた内燃機関の暖機システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特開２０１１－１２７５７１号公報（特許文献１）には、内燃機関の温度が所定値未満である場合、オイルジェットから噴射される潤滑油の量が多くなるようにした、内燃機関の早期暖機制御方法が開示されている。特許文献１によれば、冷却水温度、潤滑油の温度、あるいは、シリンダブロックの温度が、所定値未満である場合、ピストンの頂面の裏面に向けて噴射される潤滑油の量が多くなるよう制御している。そして、頂面はピストンの部分でも温度が高くなる部位であるので、ピストンを効果的に冷却し、潤滑油は効率よく暖められ、暖められた潤滑油がオイルパンに存在する潤滑油に混合するので、潤滑油全体の温度が急速に上昇するとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１１－１２７５７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

冷却水温度、潤滑油の温度、あるいは、シリンダブロックの温度等は、内燃機関の暖機状態を代表するパラメータではあるが、ピストンの温度を正確に表すものではない。また、燃焼室内の温度は、排気側の方が吸気側よりも高いので、ピストンの温度も、排気側の方が吸気側より高くなる。したがって、ピストンから受熱する潤滑油を活用して内燃機関の早期暖機化を図るには、改良の余地がある。

【0005】

本開示の目的は、好適に、内燃機関の早期暖機を行うことである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の内燃機関の暖機システムは、潤滑油を内燃機関の各部へ供給するオイルポンプと、オイルポンプから供給された潤滑油を、ピストンの内部に形成した冷却通路の導入口へ向けて噴射するオイルジェットと、を備える内燃機関の暖機システムである。ピストンは、導入口から冷却通路に流入した潤滑油を排出する排出口を有する。冷却通路は、導入口から流入した潤滑油が排気側を経由して排出口に流れる排気側通路と、導入口から流入した潤滑油が吸気側を経由して排出口に流れる吸気側通路とから構成される。内燃機関の暖機システムは、さらに、ピストンの温度が所定温度より低いとき吸気側通路を閉じるとともに、ピストンの温度が所定温度より高いとき吸気側通路を開く弁手段を備える。

【0007】

この構成によれば、ピストンの温度が所定温度より低いとき、弁手段により吸気側通路が閉じられる。したがって、ピストンが低温であり、内燃機関の暖機が望まれるとき、導入口から流入した潤滑油は、排気側通路を経由して排出口から排出される。排気側通路は、吸気側通路より高温であり、導入口から流入するすべての潤滑油が効率的に受熱を行い、好適に、内燃機関の早期暖機を行うことができる。

【0008】

また、ピストンの温度が所定温度より高いとき、弁手段により吸気側通路が開かれる。これにより、導入口から流入した潤滑油は、吸気側通路および排気側通路を経由して排出口から排出される。したがって、ピストンの高温時には、冷却通路の全体（吸気側通路および排気側通路）を用いてピストンを好適に冷却することができる。

【0009】

好ましくは、弁手段は、感温作動式の弁であってよい。
感温作動式の弁としては、たとえば、バイメタルによって駆動される弁、サーモワックスによって駆動される弁であってよい。この構成によれば、比較的シンプルな構造で、暖機システムを構成できる。

【0010】

好ましくは、弁手段は、ピストンの温度を検出する温度センサと、温度センサで検出したピストンの温度に基づいて、吸気側通路を開閉する電動式の弁から構成されるようにしてもよい。

【0011】

この構成によれば、吸気側通路を開閉する温度の変更／設定を比較的容易に行うことができる。

【0012】

好ましくは、弁手段は、排出口より導入口に近い位置において、吸気側通路を閉じるようにしてもよい。

【0013】

この構成によれば、吸気側通路は、排出口より導入口に近い位置において、弁手段によって閉じられるので、吸気側通路が閉じられたとき、吸気側通路に滞留する潤滑油の量を少なくすることができる。

【発明の効果】

【0014】

本開示によれば、好適に、内燃機関の早期暖機を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本実施の形態における内燃機関の暖機システムの概略構成を示す図である。

【図2】図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿ったピストンの断面図である。

【図3】（Ａ）および（Ｂ）は、弁手段の概略構成図である。

【図4】（Ａ）および（Ｂ）は、変形例１における弁手段の概略構成図である。

【図5】（Ａ）および（Ｂ）は、変形例２における弁手段の概略構成図である。

【図6】制御ユニット６４ｂの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本開示の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

【0017】

図１は、本実施の形態における内燃機関の暖機システムの概略構成を示す図である。内燃機関の暖機システム１は、たとえば、直列４気筒ディーゼルエンジンの暖機システムである。図１は、１つの気筒の概略断面と潤滑油供給システムの概略構成を示している。図１において、符号２は、ピストン１０を収容するシリンダであり、符号３は、シリンダヘッドである。ピストン１０の中心線であるピストン軸Ａ１を基準とした周方向を「周方向」と称する場合がある。ピストン１０は、その頂面にキャビティ１１を備え、ピストン頂面、キャビティ１１、シリンダ２およびシリンダヘッド３とともに、燃焼室Ｃを形成する。燃焼室Ｃを形成するシリンダヘッド３には、吸気弁４および排気弁５が設けられる。本実施の形態では、ピストン軸Ａ１を基準として、吸気弁４が左側（以下、「吸気側」と称する）に設けられ、排気弁５が右側（以下、「排気側」と称する）に設けられる。

【0018】

ピストン１０の頂面下方の内部には、クーリングチャンネル（潤滑油循環路）として、冷却通路２０が形成されている。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿ったピストン１０の断面図である。冷却通路２０は、図２に示すように、周方向に延びて１周する環状に形成されている。図２において、鎖線Ａ２は、図示しないピストンピンの軸（ピストンピン軸）を示しており、鎖線Ａ３は、ピストンピン軸Ａ２に直交する直交軸を表している。なお、図１に示したピストン１０の断面は、図１中のＩ－Ｉ線に沿ったピストン１０の断面である。

【0019】

図１を参照して、導入口２１および排出口２２は、それぞれ、ピストン１０の下方に向けて開口しており、冷却通路２０に連通している。図２に示すように、導入口２１は、周方向において、ピストンピン軸Ａ２よりも排気側に位置し、排出口２２は、ピストン軸Ａ１に対して、導入口２１と反対側に位置している。冷却通路２０は、直交軸Ａ３上の排気側の冷却通路２０を通過する排気側通路２０ａと、直交軸Ａ３上の吸気側の冷却通路２０を通過する吸気側通路２０ｂとに区分される。排気側通路２０ａは、導入口２１から排出口２２に至る通路であって、吸気側より排気側で長い距離を通過する区間である。吸気側通路２０ｂは、導入口２１から排出口２２に至る通路であって、排気側より吸気側で長い距離を通過する区間である。

【0020】

図１を参照して、内燃機関は潤滑油供給システムを備えており、シリンダブロックには、オイルジェット５０が設けられている。符号３０は、オイルパンであり、潤滑油（エンジンオイル）を貯留している。オイルパン３０内の潤滑油は、オイルポンプ４０によって圧送され、潤滑油通路４２を介して、コンロッド大端部等、内燃機関の各部に潤滑油が供給される。また、オイルポンプ４０から圧送された潤滑油は、潤滑油通路４２を介して、オイルジェット５０に供給される。

【0021】

オイルジェット５０に供給された潤滑油は、オイルジェット５０のノズルから、矢印Ｓで示すように、導入口２１に向けて噴射される。導入口２１から流入した潤滑油は、冷却通路２０を流れたあと、矢印Ｄで示すように、排出口２２から排出されオイルパン３０に回収される。

【0022】

図２に示すように、吸気側通路２０ｂには、導入口２１の近傍に弁手段６が設けられている。図３は、弁手段６の概略構成図である。図３（Ａ）は、暖機時における弁手段の作動状態を示し、図３（Ｂ）は、暖機後（暖機完了時）における弁手段の作動状態を示している。図３において、弁手段６は、バイメタルを用いた感温作動式の弁（バイメタル式感温作動弁）６０である。図３（Ａ）および（Ｂ）において、上段の図は上面視であり、下段の図は側面視である。

【0023】

図３において、バイメタル式感温作動弁６０は、ゼンマイ状（渦巻状）のバイメタル６１と、弁軸６２を備えたバラフライ弁６３から構成される。バタフライ弁６３の弁軸６２は、ゼンマイ状のバイメタル６１の中心軸に固定されており、この中心軸を中心に回転することにより、バタフライ弁６３が吸気側通路２０ｂを開閉する。バタフライ弁６３は、図２の弁手段６の位置で示すように、導入口２１の近傍に設けられており、排出口２２よりも導入口２１に近い位置において、吸気側通路２０ｂを開閉する。ゼンマイ状のバイメタル６１は、ピストン１０に設けられており、ピストン１０の温度に応じて、延びたり縮んだりする。

【0024】

ピストン１０の温度が所定温度（たとえば、１００°Ｃ）より低いとき、図３（Ａ）に示すように、バイメタル式感温作動弁６０（バラフライ弁６３）は、吸気側通路２０ｂを閉じている。このため、導入口２１から流入した潤滑油は、矢印Ｅで示すように、排気側通路２０ａのみを流れた後、排出口２２から排出され、吸気側通路２０ｂには流れない。

【0025】

ピストン１０の温度が所定温度を超えると、ゼンマイ状のバイメタル６１が延びることにより、バイメタル６１の中心軸が回転する。これに伴い、弁軸６２が回転するので、図３（Ｂ）に示すように、バイメタル式感温作動弁６０（バラフライ弁６３）は、吸気側通路２０ｂを開く。これにより、導入口２１から流入した潤滑油は、矢印Ｅで示すように、排気側通路２０ａに流入するとともに、矢印Ｋで示すように、吸気側通路２０ｂにも流入する。そして、排気側通路２０ａおよび吸気側通路２０ｂを流れた潤滑油は、排出口２２から排出される。なお、ピストン１０の温度が所定温度より低くなると、ゼンマイ状のバイメタル６１が縮むので、これに伴い弁軸６２が回転し、図３（Ａ）の状態に戻り、バタフライ弁６３が吸気側通路２０ｂを閉じる。

【0026】

内燃機関の作動中、燃焼室Ｃ内の熱がピストン１０に伝達し、ピストン１０は高温になる。オイルジェット５０から噴射された潤滑油が、導入口２１から冷却通路２０に流入し、排出口２２から排出される。これにより、ピストン１０の熱が冷却通路２０を流れる潤滑油に吸収されて、ピストン１０の冷却が行われる。また、内燃機関の暖機時（内燃機関の温度が低いとき）には、冷却通路２０を流れる潤滑油が、ピストン１０の熱によって暖められることによって、内燃機関の暖機運転に要する時間を短縮することができる。

【0027】

燃焼室Ｃ内の温度は、排気側の方が吸気側より高いので、ピストン１０の温度も、排気側の方が吸気側より高くなる。このため、排気側通路２０ａの温度の方が吸気側通路２０ｂの温度より高くなる。本実施の形態では、ピストン１０の温度が所定温度より低いとき、すなわち、内燃機関の暖機時には、図３（Ａ）に示すように、バイメタル式感温作動弁６０（バラフライ弁６３）は、吸気側通路２０ｂを閉じており、導入口２１から流入した潤滑油は、矢印Ｅで示すように、排気側通路２０ａのみを流れ、吸気側通路２０ｂには流れない。したがって、高温の排気側通路２０ａに多くの潤滑油を流通させて、ピストン１０から多くの熱を受け取ることが可能になり、好適に、内燃機関の早期暖機を行うことができる。

【0028】

本実施の形態では、バイメタル式感温作動弁６０（バラフライ弁６３）は、ピストン１０の温度に応じて作動する。したがって、冷却水温度、潤滑油の温度、あるいは、シリンダブロックの温度等に比較して、ピストン１０の温度に対して、精度よくバタフライ弁６３を開閉することができる。このため、ピストン１０の冷却が必要な温度になるまで（ピストン１０自体の暖機が完了するまで）、吸気側通路２０ｂを閉じておくことができ、高温の排気側通路２０ａに多くの潤滑油を流通させて、好適に、内燃機関の早期暖機を行うことができる。

【0029】

本実施の形態では、バタフライ弁６３は、導入口２１の近傍に設けられており、排出口２２よりも導入口２１に近い位置において、吸気側通路２０ｂを開閉する。したがって、吸気側通路２０ｂが閉じているときに、吸気側通路２０ｂに滞留する潤滑油の量を少なくすることができる。

【0030】

なお、排気側通路２０ａは、吸気側より排気側で長い距離を通過する冷却通路であり、且つ、吸気側通路２０ｂは排気側より吸気側で長い距離を通過する冷却通路であればよく、この要件を満たせば、導入口２１および排出口２２の位置は、どのような位置であってもよい。また、内燃機関は、ガソリンエンジン（火花点火式内燃機関）であってもよい。

【0031】

（変形例１）
図４は、変形例１における弁手段６の概略構成図である。図４（Ａ）は、暖機時における弁手段の作動状態を示し、図４（Ｂ）は、暖機後（暖機完了時）における弁手段の作動状態を示している。図４において、弁手段６は、サーモワックスを用いた感温作動式の弁（サーモワックス式感温作動弁）６０ａである。

【0032】

図４において、サーモワックス式感温作動弁６０ａは、たとえば、パラフィンワックスが封入されたサーモアクチュエータ６１ａと、サーモアクチュエータ６１ａのロッド６２ａと一体的に形成された弁体６３ａから構成される。サーモアクチュエータ６１ａは、ピストン１０に設けられており、ピストン１０の温度が所定温度（たとえば、１００°Ｃ）を超えると、封入されたパラフィンワックスの熱膨張により、ロッド６２ａが伸びる。また、ピストン１０の温度が所定温度より低くなると、膨張していたパラフィンワックスが収縮し、伸びていたロッド６２ａが縮む（元に戻る）。弁体６３ａは、吸気側通路２０ｂを開閉するものであり、ロッド６２ａと一体的に形成されている。

【0033】

ピストン１０の温度が所定温度より低いとき、図４（Ａ）に示すように、サーモワックス式感温作動弁６０ａ（弁体６３ａ）は、吸気側通路２０ｂを閉じている。このため、導入口２１から流入した潤滑油は、矢印Ｅで示すように、排気側通路２０ａのみを流れた後、排出口２２から排出され、吸気側通路２０ｂには流れない。

【0034】

ピストン１０の温度が所定温度を超えると、ロッド６２ａが伸びることにより、図４（Ｂ）に示すように、サーモワックス式感温作動弁６０ａ（弁体６３ａ）は、吸気側通路２０ｂを開く。これにより、導入口２１から流入した潤滑油は、矢印Ｅで示すように、排気側通路２０ａに流入するとともに、矢印Ｋで示すように、吸気側通路２０ｂにも流入する。なお、ピストン１０の温度が所定温度より低くなると、図４（Ａ）の状態に戻り、弁体６３ａが吸気側通路２０ｂを閉じる。

【0035】

この変形例１においても、上記実施の形態と同様の作用効果を奏する。
（変形例２）
図５は、変形例２における弁手段６の概略構成図である。図４（Ａ）は、暖機時における弁手段の作動状態を示し、図４（Ｂ）は、暖機後（暖機完了時）における弁手段の作動状態を示している。図４において、弁手段６は、温度センサで検出したピストン１０の温度に基づいて、吸気側通路２０ｂを開閉する電動式の弁（電動弁ユニット６０ｂ）から構成される。

【0036】

図５において、電動弁ユニット６０ｂは、モータ６１ｂと、モータ６１ｂの出力軸６２ｂに固定されたバタフライ弁６３ｂと、制御ユニット６４ｂとを含む。出力軸６２ｂが回転することにより、バタフライ弁６３ｂが吸気側通路２０ｂを開閉する。

【0037】

図６は、制御ユニット６４ｂの構成を示す図である。符号６４１は、振動発電ユニットであり、ピストン１０の上下振動（往復振動）を利用して発電を行う。振動発電ユニット６４１は、たとえば、圧電素子を用いたものや、磁歪材料を用いたものであってよい。振動発電ユニット６４１で発電された電力は、キャパシタ６４２に蓄電される。温度センサ６４４は、ピストン１０の温度を検出する。温度センサ６４４は、半導体温度センサであってよい。ＩＣ（Integrated Circuit）６４３は、温度センサ６４４で検出したピストン１０の温度Ｔｐと所定温度ｔｈ（たとえば、１００°Ｃ）とを比較し、温度Ｔｐが所定温度ｔｈ以上になると、モータ６１ｂを駆動してバタフライ弁６３ｂを開弁し（図５（Ｂ）参照）する。また、ＩＣ６４３は、温度Ｔｐが所定温度ｔｈより低いとき、バタフライ弁６３ｂが閉弁するよう、モータ６１ｂを駆動する（図５（Ａ）参照）。なお、ＩＣ６４３、温度センサ６４４、およびモータ６１ｂの作動に必要な電力は、キャパシタ６４２に蓄電された電力で賄われる。

【0038】

これにより、温度Ｔｐが所定温度ｔｈより低い暖機時には、バタフライ弁６３ｂが閉弁して、吸気側通路２０ｂを閉じている。このため、導入口２１から流入した潤滑油は、矢印Ｅで示すように、排気側通路２０ａのみを流れた後、排出口２２から排出され、吸気側通路２０ｂには流れない（図５（Ａ）参照）。また、温度Ｔｐが所定温度ｔｈ以上になり暖機が完了すると、バタフライ弁６３ｂが開弁し導入口２１から流入した潤滑油は、矢印Ｅで示すように、排気側通路２０ａに流入するとともに、矢印Ｋで示すように、吸気側通路２０ｂにも流入する（図５（Ｂ）参照）。

【0039】

この変形例２においても、上記実施の形態と同様の作用効果を奏する。変形例２では、ＩＣ６４３における所定温度ｔｈ（閾値）の値を変更することにより、吸気側通路２０ｂ（バタフライ弁６３ｂ）を開閉する温度（ピストン温度）を容易に設定することができ、適合を比較的容易に行うことができる。なお、ＩＣ６４３は、通信機能とモータ６１ｂの駆動機能を備えるものであってもよい。この場合、ＩＣ６４３は、温度センサ６４４で検出したピストンの温度ＴｐをエンジンＥＣＵに送信し、エンジンＥＣＵにおける温度Ｔｐと所定温度ｔｈとの比較結果を受信して、モータ６１ｂを駆動するようにしてもよい。

【0040】

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0041】

１ 内燃機関の暖機システム、２ シリンダ、３ シリンダヘッド、４ 吸気弁、５ 排気弁、６ 弁手段、１０ ピストン、１１ キャビティ、２０ 冷却通路、２０ａ 排気側通路、２０ｂ 排気側通路、２１ 導入口、２２ 排出口、３０ オイルパン、４０ オイルポンプ、４２ 潤滑油通路、５０ オイルジェット、６０ バイメタル式感温作動弁、６０ａ サーモワックス式感温作動弁、６０ｂ 電磁弁ユニット、６１ バイメタル、６１ａ サーモアクチュエータ、６１ｂ モータ、６２ 弁軸、６２ａ ロッド、６２ｂ 出力軸、６３ バタフライ弁、６３ａ 弁体、６３ｂ バタフライ弁、６４ａ 制御ユニット、６４１ 振動発電ユニット、６４２ キャパシタ、６４３ ＩＣ、６４４ 温度センサ、Ｃ 燃焼室。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】