JP4723566B2 - 内燃機関用のオイル供給機構 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載された形式の内燃機関用のオイル供給機構、並びに請求項１３の上位概念部に記載された形式の２サイクルエンジン用のオイル供給機構に関する。

このような形式のオイル供給機構はＤＥ４２４３５７１Ａ１に基づいて公知である。この公知の構成では、内燃機関においてピストンがシリンダ内を往復動可能であり、オイルを、ノズルを介してピストンに向かって噴射することができる。ピストンがその下死点の領域を占めている場合に、オイルはノズルからピストンの摺動面に向かって噴射され、そこに延在する溝を介してピストンの周囲に分配される。これに対してピストンがその上死点の領域を占めている場合には、オイルはノズルから、ピストンつまりピストンヘッドの下側に噴射されて、ピストンもしくはピストンヘッドを冷却することができる。エンジンの負荷が小さい場合又はなおエンジンの冷機時においては、ノズルが露出していると、つまりピストンがノズルの直前に位置していないと、オイル噴流がノズルから噴射されない。エンジンが暖機されて負荷が増大した場合に初めて、ピストンヘッドもまたオイル噴流によって冷却される。

ＥＰ０６０９８６６Ａ１に基づいて、ピストン摺動面を内燃機関の運転中にオイルによって直接的に潤滑することが公知である。

ＤＥ１００４５７２５Ａ１に基づいて公知の２サイクルエンジン用のリーン潤滑システム（Magerschmierungssystem）では、同様に潤滑オイルは単にピストンとシリンダとの間における接触面の領域にだけもたらされ、しかもこの場合オイルはオイルエーロゾルの形でもたらされる。
ＤＥ１９９２７９３１Ａ１に基づいて公知の、ピストンヘッドとピストンスカートとから成るピストンを備えた内燃機関では、ピストンヘッドの下側に冷却パンが設けられていて、この冷却パンによってピストンにより冷却室が形成されている。供給開口を介してオイルは冷却室内にもたらされ、流出開口を介して再び流出させられる。そのために下死点において上昇管が冷却パンと連結される。同様な配置形式はＤＥ１９８３４１３８Ｃ１に基づいて公知である。

本発明の課題は、内燃機関用のオイル供給機構をさらに改善して、一方では十分な潤滑状態による内燃機関の確実な機能を保証し、かつ他方ではオイル需要を最小にすることである。

この課題は、請求項１記載の構成によって解決されている。本発明の別の有利な構成は従属請求項に記載されている。前記課題を解決する同様に有利な本発明の構成は、請求項１１に記載されている。

本発明によれば、オイル供給機構が、ピストンにオイルを供給するオイル供給装置を有しており、該オイル供給装置は次のように、すなわち、少なくともピストンがその下死点の領域を占めている時点では、オイル供給装置によってオイルが液体の形で直接的にピストンヘッドの下側領域及びピストンスカートの内部領域にもたらされるように、形成されている。

ピストンを連接棒と接続しているピストンピンと、このピストンピンのピストン及び連接棒における支承部もしくは軸受とは、内燃機関の運転中に特に高い負荷を受ける。エンジンの多くの軸受が耐用寿命にわたって潤滑することなしにつまり無給油に構成することができるのに対して、ピストンピンの軸受のためには高い熱負荷及び機械的な負荷に基づいて、軸受を無給油潤滑で実現することは困難である。従って、オイルがオイル供給装置によって、最良には下から、つまりピストンヘッドの、燃焼室とは反対の背面側から接近可能であるピストンピンに、可能な限り接近させられると極めて有利である。

オイルが液体の形で、ほぼ無圧で供給可能であると、特に有利である。つまりオイルは不要なオイル量を回避するために、圧力をもって供給されず、かつピストンに向かって噴射されないことが望ましい。むしろ、オイル供給装置によってオイル滴がピストンの下死点の近傍において形成され、そしてオイル滴がピストンのさらなる運動時に、例えばクランク室における空気運動によって剥離されるようになっていることが、望ましい。このようにすると、オイルエーロゾルの形成を回避することができ、もしオイルエーロゾルが形成されてしまうと、潤滑のために寄与することなく、オイルは空気流と共に例えば２サイクルエンジンのオーバフロー通路を通ってクランク室から運び出されてしまう。これに対してコンパクトなオイル滴は、ピストンのさらなる運動時にピストンに向かって跳ね上がり、これによって所望のようにピストンピン及びその軸受並びにピストン摺動面の潤滑のために使用されることができる。

本発明の特に有利な構成では、オイル供給装置が少なくとも１つの管エレメントを有していて、該管エレメントが、シリンダ壁から又はシリンダ壁に接続するクランク室壁からピストンヘッドの下側領域に進入していて、オイルが管エレメントの内部を通して供給可能である。

管エレメントを用いると、オイルを可能な限りピストンもしくはピストンヘッドの下側に接近させることが、特に簡単に可能になる。オイルは、クランク室に進入する管エレメントの流出開口に向かって小さな吐出圧で送られるので、オイルが噴射されることはない。そしてオイルは、流出速度がオイル表面張力を上回ることなしに、流出開口から単に湧き上がるだけである。このようにして流出開口の所に形成されたオイル滴は、クランク室内における空気運動によって管エレメントの端部から連行される。管エレメントの流出開口における高い流出速度による、又は圧力空気とオイルとの混合によるエーロゾル形成は、確実に回避されることができる。従って、場合によっては管エレメントの流出開口において使用されるノズルは、オイルがこのノズルによって噴射されないように形成されていることが望ましい。

本発明の別の有利な構成では、管エレメントの長さは、ピストンがその下死点に達した時に管エレメントの流出開口に辛うじて接触しないように、設定されている。この場合理想的には、管エレメントはピストンスカートの直ぐ下又はピストンスカートの内部の領域に進入している。このように構成されていると、オイルは、所望のようにピストンピンの領域に案内されることができ、しかもその際に途中でクランク室内において不必要に分配されることはない。オイル滴は単数又は複数の管エレメントを介して供給され、クランクケース内においてその中の空気流によって剥離されて、まず初めにピストンピンへと導かれ、そしてそこにおける高負荷される箇所を潤滑することができる。その後で初めて、オイルはそこからピストンにおけるピストンピン孔を通して、もしくはピストンピンとその軸受箇所との間における遊びに基づいて、ピストンとシリンダとの間の摺動面に分配される。

さらにまた、管エレメントの流出開口から湧き出るオイルが滴を形成し、この滴にピストン又は連接棒の一部が浸漬ようになっている構成も可能であり、このように構成されていると、オイルは可動の部材に直接的に伝達されるか、又は、進入するエレメント（例えば先端）の押し退け作用に基づいて所望の箇所へと跳ね飛ばされる。

滴の形成を助成するために、本発明の別の有利な構成では、管エレメントが、内燃機関の通常の運転位置において上方に向けられており、これによってオイルは管エレメントの上側に集められることができ、かつ上方に向かって取り出される。

本発明の別の有利な構成では、オイル供給装置がオイルポンプを有していて、該オイルポンプが、内燃機関の回転数又は負荷状態に関連して制御可能である。

このような構成において、オイルポンプが、ピストンがその下死点の領域を占めている時点においてだけオイルを圧送するようになっていると、特に有利である。そのためにオイルポンプは、それぞれ所望の時点に、オイル滴のために必要なオイル量を圧送するように構成されていることができる。さらにまた、オイルポンプはオイルを断続的に、ピストンの行程運動によって所定されたサイクルで圧送するように構成することも可能であり、このようになっていると、オイル滴をタイミング制御して生ぜしめることができ、この場合１つのオイル供給サイクルは、エンジンの複数の作業サイクル（行程運動）を含んでいることが望ましい。

上に述べたように、内燃機関においてオイル供給は、ピストンの直ぐ下の領域、特にピストンピンに制限されていることが望ましいので、本発明の特に有利な別の構成ではピストンが、エマージェンシ層（Notlaufschicht）及び／又はオイル溜層（Oeldepotschicht）を備えたピストン摺動面を有している。このように構成されていると、ピストン摺動面、ひいてはピストンとシリンダとの間における接触面に常にオイルを供給する必要がなくなる。そして、ピストン摺動面のオイル溜は十分に持続的な潤滑のために働くので、持続的なオイル供給なしに十分な時間にわたって十分な潤滑を保証することができる。

本発明の特に有利な別の構成では、オイル供給機構が特に２サイクルエンジンのために形成されており、この場合管エレメントは、クランク室の壁を、少なくとも１つのオーバフロー通路の入口開口の近傍において貫通している。２サイクルエンジンにおいてオーバフロー通路を設けることは公知であり、機能を満たすために必要である。オーバフロー通路はクランク室から燃焼室への直接噴射時に、空気・燃料混合物又は燃焼空気をさらに導くために働く。オーバフロー通路については既に種々様々に記載されているので、ここで詳しい説明をすることは省く。

本発明の有利な構成では、管エレメントがクランク室内に上方に向かって進入していて、管エレメントの内部を通ってクランクピンに向かって圧送されるオイルの少なくとも一部が、管エレメントの流出開口における流出後に、管エレメントの外側に沿ってオーバフロー通路の流入開口に戻り流れるようになっている。そして戻されたオイルは、そこにおける空気・燃料混合物の流れによってオーバフロー通路内に該オーバフロー通路の壁を壁膜として湿らすために連行されかつ／又は直接的にオーバフロー通路の壁において分配される。

２サイクルエンジンにおいて判明していることであるが、極めて僅かなオイル潤滑の場合、特に、クランク室を貫流する空気・燃料混合物がオイル滴を連行しない場合には、オーバフロー通路内においてカーボンの付着するおそれがある。そして２サイクルエンジンのこのような最小潤滑において観察されたことであるが、オーバフロー通路が燃焼室近傍において炭化したガソリン残留物によって覆われ、これによってエンジンの機能及び確実性が著しく損なわれ、完全に故障してしまうことがある。しかしながら、カーボン付着傾向は、オーバフロー通路の表面をオイルによって湿らせることによって阻止することができ、このことは、管エレメントからのオイルの一部を上述のように戻し流すことによって、保証される。

択一的に、本発明の別の独立請求項の構成では、２サイクルエンジン用のオイル供給機構において、オイルがオイル供給装置によって、オーバフロー通路の流入開口の領域に又はオーバフロー通路自体の中に、適切にもたらされるようになっている。２サイクルエンジンのその他の領域へのオイル供給は不要である。

このようなオイル供給機構では、２サイクルエンジンのすべての可動部分を、つまりクランク軸軸受、連接棒軸受、クランクピン軸受又は、ピストンとシリンダとの間における接触面を、耐用寿命にわたって適宜につまり無給油式に潤滑することができるので、これらの部分のためにはオイル潤滑は必要ない。

オーバフロー通路におけるカーボン付着のおそれを回避するためには、しかしながらオーバフロー通路へのオイル供給を保証することができる。オイルはオーバフロー通路の流入開口のところでもたらされ、空気流によってオーバフロー通路内にほぼ壁膜として連行されることができる。択一的にオイルは直接オーバフロー通路自体の中に、例えば適宜な管エレメントを用いて又はオーバフロー通路の壁におけるオイル流出開口を通してもたらされることができ、この場合オーバフロー通路の燃焼室近傍の端部においてオイルをもたらすと特に有利なことがある。

このようにオーバフロー通路にオイルを供給すると、２サイクルエンジンにおいて、その他の付加的なオイル潤滑を不要にすることができる。

次に図面を参照しながら本発明の有利な実施形態を説明する。

図１は、２サイクルエンジンを断面して示す図である。本発明はしかしながら、その他の形式の内燃機関、特にオイル溜を備えていない４サイクルエンジンのためにも適している。

クランクケース１には、クランク軸２が公知の形式で回転可能に支承されている。クランク軸２は、クランクケース１に設けられたクランク室３を貫通しており、このクランク室３内においては、図示されていない連接棒軸受を介してクランク軸２に保持された連接棒４もまた自体公知の形式で運動する。

連接棒４の、連接棒軸受とは反対側の端部は、別の連接棒軸受５を介してピストンピン６を有している。このピストンピン６は両側においてそれぞれ、ピストン８に形成されたピストンピン孔７を貫通している。ピストン８はシリンダ９内において往復動可能であり、ピストン８とシリンダ９との間には接触面が存在していて、この接触面は、ピストン８の円筒形の周面として形成されたピストン摺動面１０によって擦過される。

シリンダ９内においてピストン８の上には燃焼室１１が存在しているが、この燃焼室１１は図面において一部が略示されているだけである。

ピストン８は主として、燃焼室１１に直接隣接している原則的に円板形のピストンヘッド１２から成っている。このピストンヘッド１２を起点として、同様にピストン８の１構成部分として、原則的に円筒スリーブ形のピストンスカート１３が延びている。このピストンスカート１３にはピストンピン孔７が形成されていて、ピストンピン６が支承されている。

ピストンスカート１３もしくはピストンヘッド１２には外周部に、つまりピストン摺動面１０に、さらに溝１４が形成されており、これらの溝１４には図示されていないピストンリング、例えば台形リングが公知の形式で挿入される。以上述べた点ではピストン８は自体公知の構造を有している。しかしながら、ピストン摺動面１０におけるオイル潤滑需要を最小にするために、ピストン摺動面１０がエマージェンシ層及び／又はオイル溜層を備えていると有利である。

クランク室３の壁には、オーバフロー通路１５ａのための流入開口１５が形成されており、これらのオーバフロー通路１５ａは流出開口１５ｂにおいて開口している。ピストン８の下降運動時に、クランク室３内に存在する空気・燃料混合物はクランク室３から押し退けられ、単数又は複数のオーバフロー通路１５ａを通って燃焼室１１へと運ばれ、この燃焼室１１において空気・燃料混合物は次の作業サイクルにおいて、ピストン８による新たな圧縮の後で点火される。２サイクルエンジンのこの作業原理は既に良く知られているので、ここにおいて、オーバフロー通路１５ａの構造を含めてさらなる説明をすることは省く。

図示の２サイクルエンジンは本発明によるオイル供給機構を備えており、このオイル供給機構は特に、ピストン８にオイルを供給するためのオイル供給装置を有している。

このオイル供給装置は２つの管エレメント１６を有していて、両管エレメント１６は入口側において図示されていないオイルポンプと接続されている。

オイルポンプもしくは調量ポンプは、連続的なポンプ（例えば歯車ポンプ）として形成されていてもよいし、又は断続的に作動するポンプ（例えばピストンポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピエゾポンプ又はバブル・ジェットポンプ）として形成されていてもよい。オイルポンプはオイルを小さな吐出圧で、管エレメント１６の各流出開口１７に送ることが望ましい。このように噴射圧が生ぜしめられないようになっていると、表面張力を流出速度が上回ることなしに、オイルは流出開口１７から湧き出す。このようにして流出されるオイル滴は、クランク室３における空気運動によって、特にピストン８の運動によって剥離され、その結果オイル滴はピストン８のさらなる運動時に連接棒４又はピストンピン６に衝突する。連接棒４又はピストンピン６からオイルは例えば連接棒軸受５又はピストンピン孔７に分配され、最終的にピストン８の外側、つまりピストン摺動面１０にも達することができる。

流出開口１７特にそこに挿入されたノズルにおける高い流出速度によるオイルのエーロゾル形成、又はオイルへの圧力空気の添加によるオイルのエーロゾル形成は、回避されることが望ましく、これによってピストンヘッド１２の下側へのもしくはピストンスカート１３の内部への集中的なオイル供給を保証することができる。これに対してオイルエーロゾルは、クランク室３内において、そもそも潤滑の必要がない箇所にも達してしまう。

管エレメント１６は下からピストン８の下側領域に進入し、この場合管エレメント１６は、ピストン８が図示された下死点を占めている場合に、管エレメント１６がピストンピン６の可能な限り近くに接近するように、延びていることが望ましい。そして管エレメント１６がピストンスカート１３の内部に進入していると、特に有利である。

流出開口１７は連接棒４のロッドの近くでほぼ連接棒軸受５の真ん中に向かって終わっている。オーバフロー通路１５ａへの不要なオイル損失を回避するために、管エレメント１６の端部が可能な限り高い位置で終わっていると有利である。すなわち管エレメント１６はピストン８の下死点において可能な限り高い位置でピストンスカート１３内に進入している。

流出開口１７において流出するオイルの一部は、ピストン８によって連行されずに、管エレメント１６の外側に沿って再び流入開口１５に向かって戻り、ひいてはオーバフロー通路１５ａ内に達する。そこからオイルは空気・燃料混合物の流れによってさらにオーバフロー通路１５ａ内に引き込まれ、そして各オーバフロー通路１５ａの燃焼室近傍の領域であって、オーバフロー通路１５ａの他方の端部である流出開口１５ｂに達することができる。このようにしてオーバフロー通路１５ａのカーボン付着を効果的に阻止することができる。オイルは壁におけるオイル膜コーティングとして運ばれることが望ましい。この場合オーバフロー通路１５ａにおける方向付けられた空気流は駆動手段として働く。

択一的に、本発明の図示されていない別の実施形態では、オイルを直接的にオーバフロー通路１５ａ内に導入することが可能である。このようなオーバフロー通路１５ａ内へのオイル供給は、（例えば付加的な管エレメント１６を用いた）ピストン８へのオイル供給に加えて行うことが可能である。オーバフロー通路１５ａ内に導入されるオイル量は、次いでシリンダ摺動面において分配され、これによってピストン、ピストンリング及びシリンダの摩擦対偶を潤滑するために働く。

さらに別の実施形態では、オイルはもっぱらオーバフロー通路１５ａ内にだけ導入され、連接棒軸受５及びピストンピン孔７は次のように、すなわち無給油の潤滑が保証され、持続的なオイル供給を行う必要がないように、構成されている。このような構成のためには例えば自体公知のカーボンブシュ及びカーボンピンが適している。この場合においてももちろん、エンジンにおける他のすべての軸受箇所が無給油潤滑されていると有利であり、このようになっていると、軸受箇所は付加的なオイル潤滑なしに持続運転を可能にする。この場合ピストン８へのオイル供給は不要である。

実験により判明したことであるが、このような潤滑コンセプトでは最小潤滑が可能であり、使用されるオイル量とガソリン量との比は、１／２００よりも小さく、特に１／６００よりも小さくなる。１／６００のオイル・ガソリン比においてもエンジン（ここでは２サイクルエンジン）の持続運転が可能である。

必要なオイル量とガソリン量との比はしかしながら固定的ではない。調量されるオイル量は、既に知られているように、回転数に関連して、又は特性線マップの設定に応じて供給させることができる。全負荷時には、部分負荷時やアイドリング時に比べてより多くのオイル量が必要とされる。特にアイドリング時には、そもそもオイルを圧送する必要がないこともある。

ポンプの制御形式、及び場合によっては所属の特性線マップは、有利にはエンジンの点火モジュール又は電流供給モジュールに組み込まれているプロセッサ制御に保管されることができる。

２サイクルエンジンを断面して示す図である。

Claims (10)

1. 内燃機関用のオイル供給機構であって、
   内燃機関が少なくとも１つのシリンダ（９）と、該シリンダ（９）内において往復動可能なピストン（８）とを有していて、該ピストン（８）がピストンヘッド（１２）と該ピストンヘッド（１２）に接続したピストンスカート（１３）とを備えており、
   オイルをピストン（８）に供給するオイル供給装置が設けられており、
   該オイル供給装置が次のように、すなわち少なくともピストン（８）がその下死点の領域を占めている時点では、オイル供給装置によってオイルが液体の形で直接的にピストンヘッド（１２）の下側領域及びピストンスカート（１３）の内部領域にもたらされるように、形成されている形式のものにおいて、
   オイル供給装置が少なくとも１つの管エレメント（１６）を有していて、該管エレメント（１６）が、シリンダ壁から又はシリンダ壁に接続するクランク室壁からピストンヘッド（１２）の下側領域に進入していて、オイルが管エレメント（１６）の内部を通して供給可能であり、
   しかもオイルは、該オイルが管エレメント（１６）の流出開口（１７）から湧き出すが噴射されないような圧力で、供給可能であることを特徴とする、内燃機関用のオイル供給機構。
2. 管エレメント（１６）の長さは、ピストン（８）がその下死点に達した時に管エレメント（１６）の流出開口（１７）に辛うじて接触しないように、設定されている、請求項１記載のオイル供給機構。
3. 管エレメント（１６）の長さは、管エレメント（１６）の流出開口（１７）において流出するオイル滴が、ピストン（８）の一部によってちょうど接触されるように、設定されている、請求項１記載のオイル供給機構。
4. ピストン（８）がその下死点を占めている場合に、管エレメント（１６）がピストンスカート（１３）の直ぐ下又は内部の領域に進入する、請求項１から３までのいずれか１項記載のオイル供給機構。
5. ピストン（８）がその下死点を占めている場合に、管エレメント（１６）が、ピストン（８）を連接棒（４）と接続するピストンピン（６）の近くの領域において終わっている、請求項１から４までのいずれか１項記載のオイル供給機構。
6. 管エレメント（１６）が、内燃機関の通常の運転位置において上方に向けられていて、オイルが上方に向かって流出される、請求項１から５までのいずれか１項記載のオイル供給機構。
7. オイル供給装置がオイルポンプを有していて、該オイルポンプが、内燃機関の回転数又は負荷状態に関連して制御可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載のオイル供給機構。
8. オイル供給装置がオイルポンプを有していて、該オイルポンプは、ピストン（８）がその下死点の領域を占めている時点においてだけオイルを圧送する、請求項１から７までのいずれか１項記載のオイル供給機構。
9. ピストン（８）がピストン摺動面（１０）を有しかつ／又はシリンダ（９）がシリンダ摺動面を有していて、該摺動面にエマージェンシ層及び／又はオイル溜層が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載のオイル供給機構。
10. 内燃機関が２サイクルエンジンであり、
    管エレメント（１６）がクランク室壁をオーバフロー通路の流入開口（１５）において貫通しており、
    管エレメント（１６）が上方に向かって方向付けられてクランク室（３）内に進入していて、管エレメント（１６）の内部を通って圧送されるオイルの少なくとも一部が、管エレメント（１６）の流出開口（１７）における流出後に、管エレメント（１６）の外側に沿ってオーバフロー通路（１５）の流入開口に戻り流れる、請求項１から９までのいずれか１項記載のオイル供給機構。

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