JP6439751B2 - ピストン冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、ピストン冷却装置に係り、特に、内燃機関の気筒内に配置されたピストンの温度を適温に保つためのピストン冷却装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の気筒内に配置されたピストンを冷却するための冷却装置が開示されている。特許文献１に記載のピストンは、その内部に冷却空洞を備えている。冷却空洞は、ピストンの背面側に設けられた２つの入出孔に連通している。

ピストンの背面側には、２つのオイルジェットが設けられている。一方のオイルジェットは、ピストンが上死点付近に位置する際に一方の入出孔に向かうように設けられている。他方のオイルジェットは、ピストンが下死点付近に位置する際に他方の入出孔に向かうように設けられている。

上記の構成によれば、ピストンが上死点付近に位置する際に、一方の入出孔からオイルを供給して冷却空洞内にオイルの流れを作ることができる。また、ピストンが下死点付近に位置する際には、他方の入出孔からオイルを供給して冷却空洞内にオイルの流れを形成することができる。このため、上記従来の冷却装置によれば、内燃機関の作動中にピストンを、その内部から適切に冷却することができる。

特開２００３−３０１７４４号公報 特開２００８−１６３９３６号公報

内燃機関においては、上述したようなオイルジェットの他にも、ピストンの背面に向けてオイルを噴射するためのジェットなどが用いられることがある。そして、冷却空洞に向けてオイルを噴射するジェットと、他のオイルジェットとが併用して用いられる場合は、それら双方のジェットから、ピストンの温度を適切に保つうえで過不足のないオイルを噴射させることが必要である。

しかしながら、特許文献１に記載の冷却装置は、ピストンの冷却空洞にオイルを供給するジェットしか備えておらず、その種のジェットと、目的を異にする他のオイルジェットとが併用される場合の解決を与えるものではない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ピストンの冷却空洞にオイルを供給するためのオイルジェットと、目的を異にするオイルジェットとを併用して、長期的かつ安定的にピストンの温度を適切に保つことのできるピストン冷却装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関に搭載されるピストンの冷却装置であって、
前記ピストンの内部に設けられ、当該ピストンの背面に開口する入出孔を有する冷却空洞と、
前記入出孔に向けてオイルを噴射する第１オイルジェットと、
前記入出孔と異なる部位に向けてオイルを噴射する第２オイルジェットと、を備え、
前記第１オイルジェットは、前記第２オイルジェットに優先してオイルを噴射することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
オイルの噴射に必要な油圧を生成するオイルポンプを備え、
前記第１オイルジェットと前記第２オイルジェットの双方からオイルを噴射させるのに必要な油量に比して、前記オイルポンプの吐出油量が少ない場合に、当該吐出油量を優先的に前記第１オイルジェットからのオイル噴射に消費させることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記第１オイルジェット及び前記第２オイルジェットは、共通する油圧経路を介して前記オイルポンプと連通しており、
前記第１オイルジェットの開弁圧は、前記第２オイルジェットの開弁圧に比して低圧であることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記オイルポンプは、生成油圧を低圧側と高圧側の２段階に切り換える機能を有する２ステージ式オイルポンプであり、
前記第１オイルジェットの開弁圧は、前記低圧側の生成油圧以下であり、
前記第２オイルジェットの開弁圧は、前記低圧側の生成油圧より高く、かつ、前記高圧側の生成油圧以下であることを特徴とする。

また、第５の発明は、第３又は第４の発明において、
前記内燃機関は複数の気筒を備え、
前記第１オイルジェット及び前記第２オイルジェットは夫々の気筒に配置され、
前記油圧経路には、複数の気筒の夫々に属する第１オイルジェット及び第２オイルジェットが連通していることを特徴とする。

また、第６の発明は、第２の発明において、
前記第１オイルジェット及び前記第２オイルジェットは、共通する油圧経路を介して前記オイルポンプと連通しており、
前記第２オイルジェットから噴射される油量を制御する制御機構と、
前記第１オイルジェットに供給される油圧が当該第１オイルジェットからオイルを噴射させるのに必要な圧力に比して低い場合に、前記第２オイルジェットから噴射される油量が減少するように前記制御機構を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする。

また、第７の発明は、第２の発明において、
内燃機関の駆動トルクによって駆動されることにより前記第１オイルジェットに油圧を供給するオイルポンプと、
電力により駆動され前記第２オイルジェットに油圧を供給する電動オイルポンプと、
前記第２オイルジェットによるオイル噴射が要求される条件下で、前記電動オイルポンプから供給されるオイルを前記第２オイルジェットから噴射させる制御装置と、
を備えることを特徴とする。

また、第８の発明は、第１の発明において、前記第１オイルジェット及び前記第２オイルジェットの双方からオイルが噴射されると前記ピストンに過冷却が生ずる冷却能力過多条件下で、前記第２オイルジェットから噴射される油量を優先的に減量することを特徴とする。

また、第９の発明は、第８の発明において、
前記第２オイルジェットから噴射される油量を制御する制御機構と、
前記冷却能力過多条件下で、前記第２オイルジェットから噴射される油量が減少するように前記制御機構を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする。

また、第１０の発明は、第１乃至第９の発明の何れかにおいて、前記ピストンがスチール製であることを特徴とする。

第１の発明において、冷却空洞は、ピストン内部に設けられるため、ピストン表面からの温度を受け易い。このため、冷却空洞の内部にはデポジットが生じ易い。本発明では、内燃機関の運転中に、第２オイルジェットからのオイル噴射に対して、第１オイルジェットからのオイル噴射が優先される。第１オイルジェットからオイルが噴射されていれば、冷却空洞内でオイルの流れが維持され、デポジットの生成が抑えられる。このため、本発明によれば冷却空洞による冷却効率が損なわれ難く、長期的かつ安定的にピストンの温度を適切に保つことができる。

第２の発明によれば、オイルポンプの吐出油量の制約で双方のオイルジェットからオイルが噴射できない場合に、第１のオイルジェットに優先的にオイルを噴射させることができる。

第３の発明によれば、油圧経路の圧力が上昇する過程で、先ず、第１オイルジェットからのオイル噴射が開始される。このため、本発明によれば、オイルポンプの吐出油量が、双方のオイルジェットからオイルを噴射させるには不十分である状況下で、その吐出油量を優先的に第１オイルジェットからのオイル噴射に消費させることができる。

第４の発明によれば、オイルポンプの生成油圧が低圧側であれば、第１オイルジェットからはオイルが噴射され、一方、第２オイルジェットからはオイルが噴射されない。また、オイルポンプの生成油圧が高圧側であれば、双方のオイルジェットからオイルが噴射される。このため、本発明によれば、オイルポンプの状態を切り替えることにより、第１オイルジェット優先の状態と、双方噴射の状態とを確実に切り替えることができる。

第５の発明によれば、オイルポンプの生成油圧は、複数の気筒の夫々に配置される第１オイルジェット及び第２オイルジェットに共通に供給される。この場合、第１オイルジェットの開弁圧と第２オイルジェットの開弁圧が同じであると、生成油圧がその開弁圧に近い状況下では、一部の気筒では双方のオイルジェットが開弁し、一部の気筒では何れのオイルジェットも開弁しないといったバラツキが生じ得る。本発明では、開弁圧の違いに起因して、全ての気筒で第１オイルジェットが開弁しない限り、何れの気筒でも第２オイルジェットは開弁しない。このため、本発明によれば、ピストン冷却に関する気筒間のバラツキを抑えることができる。

第６の発明によれば、第１オイルジェットに供給される油圧が不十分である場合は、第２オイルジェットから噴射される油量が減量される。第１オイルジェットと第２オイルジェットは共通する油圧経路を介してオイルポンプと連通しているため、第２オイルジェットから噴射される油量が減れば、第１オイルジェットに供給される油圧が上昇する。このため、本発明によれば、油圧不足の環境下で、第１オイルジェットに優先的にオイルを噴射させることができる。

第７の発明によれば、第１オイルジェットには機械式の電動ポンプから油圧が供給される。第２オイルジェットには、電動ポンプから油圧が供給されるため、機械式の電動ポンプが生成する油圧は、第２オイルジェットで消費されることなく、第１オイルジェットに供給される。このため、本発明によれば、オイルポンプの能力が低い低負荷時においても、第１オイルジェットに十分な油量を提供することができ、第１オイルジェットから優先的にオイルを噴射させることができる。

第８の発明によれば、冷却能力過多条件の下では、第２オイルジェットからの油量が優先的に減量される。その結果、第１オイルジェットが、第２オイルジェットに対して優先的にオイルを噴射する状況が作り出される。この状況によれば、ピストンの過冷却を回避しつつ、冷却空洞内でのデポジットの堆積を有効に阻止することができる。

第９の発明によれば、第２オイルジェットからの油量を制御する制御機構と、その制御機構を制御する制御装置とを用いることで、冷却能力過多条件の成立下で、過冷却を発生させず、かつ、冷却空洞内にデポジットを堆積させない状態を有効に作り出すことができる。

第１０の発明によれば、スチール製のピストンを適切に冷却することができる。スチール製のピストンは、アルミ製のピストンに比して高温になり易く、冷却空洞内でデポジットが発生し易い。本発明によれば、冷却空洞内に優先的にオイルを供給することができるため、ピストンがスチール製であってもデポジットの堆積を有効に防ぐことができる。

本発明の実施の形態１の構成を示す図である。 アルミと鉄の特性を比較して表した図である。 アルミ製ピストンの温度とスチール製ピストンの温度を対比して表した図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３の動作を説明するためのタイミングチャートである。 二つのオイルジェットの開弁圧が同じである場合に生ずる気筒間バラツキを説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態３において気筒間バラツキが解消される様子を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態４の動作を説明するためのタイミングチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１のピストン冷却装置の構成を説明するための図である。図１は、内燃機関の一の気筒に配置されたシリンダライナ１０と、その中に配置されたピストン１２を示している。内燃機関は複数の気筒を有しているが、便宜上図１にはそれらの気筒の一つだけを示している。

ピストン１２の表面には、燃焼室１４に開口するキャビティ１６が設けられている。ピストン１２には、キャビティ１６を取り巻くように環状空洞１８が形成されている。環状空洞１８は、ピストン１２内部に設けられている。ピストン１２の内部には、更に、ピストン１２の直径方向に対向して配置される二つの入出孔２０，２２が設けられている。入出孔２０，２２は、ピストン１２の裏面に開口し、ピストン１２の軸方向に伸びて環状空洞１８に連通している。以下、環状空洞１８と入出孔２０，２２を総称して「冷却空洞」２６と称す。

ピストン１２は、裏面側にピンボス２８を備えている。ピンボス２８には、クランク軸に繋がるコンロッド（何れも図示略）が連結される。ピストン１２の裏面側、即ちクランクケース側には、第１オイルジェット３０が配置されている。第１オイルジェット３０には、既定の開弁圧で開弁するチェック弁が内蔵されている。開弁圧を超える油圧の供給を受けると、第１オイルジェット３０は、その噴射孔３２からオイルを噴射する。噴射孔３２は、そこから噴射されたオイルの軸線が、ピストン１２の往復運動の方向と平行になり、かつ、一方の入出孔２０の開口部に向かうように設けられている。このため、第１オイルジェット３０から噴射されたオイルは、ピストン１２の往復運動のほぼ全過程において、入出孔２０の開口部に向けて噴射される。

ピストン１２の裏面側には、また、第２オイルジェット３４が配置されている。第２オイルジェット３４は、第１オイルジェット３０と同様に、既定の開弁圧を超える油圧の供給を受けることでオイルを噴射する機能を有している。本実施形態では、第１オイルジェット３０の開弁圧と第２オイルジェット３４の開弁圧は同圧である。第２オイルジェット３４の噴射孔３６は、入出孔２０，２２の開口部ではなく、ピストン１２の背面に向けて、より具体的にはピンボス２８周辺に向けてオイルを噴射するように設けられている。

図１に示す構成は、第１オイルジェット３０及び第２オイルジェット３４にオイルを供給するための油圧回路を備えている。この油圧回路は、内燃機関のオイルパン３８からオイルを汲み上げるオイルポンプ４０を備えている。オイルポンプ４０は、内燃機関の駆動トルクにより駆動される機械式のポンプである。

オイルポンプ４０の吐出口は、メインギャラリ４２に連通している。メインギャラリ４２には、その内部の油圧を検知するための油圧センサ４４が取り付けられている。また、メインギャラリ４２には、内燃機関の各部位にオイルを供給するための油路４６、第１オイルジェット３０に通じる油路４８、及び第２オイルジェット３４に通じる油路５０が連通している。

第２オイルジェット３４に通じる油路５０には、オイル制御弁５２が組み込まれている。オイル制御弁５２は、外部からの指令を受けて開度を変化させる電子制御式の弁機構である。オイル制御弁５２によれば、メインギャラリ４２から第２オイルジェット３４に流れる油量を制御することができる。

オイル制御弁５２には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５４が接続されている。ＥＣＵ５４には、油圧センサ４４が接続されている。更に、ＥＣＵ５４には、内燃機関に搭載されている種々のセンサが接続されている。具体的には、ＥＣＵ５４には以下のようなセンサが接続されている。
・機関回転速度を検知する回転速度センサ５６
・吸入空気量を検出するエアフロメータ５８
・排気空燃比を検出する空燃比センサ６０
・冷却水温を検出する水温センサ６２
・第１オイルジェット３０に内蔵された油量センサ
・第２オイルジェット３４に内蔵された油量センサ

本実施形態において、内燃機関のピストン１２はスチール製である。図２は、アルミと鉄の特性を比較して表した図である。また、図３は、アルミ製のピストンの温度６４と、スチール製のピストンの温度６６とを対比して表した図である。尚、図３に示す温度６４、６６は、一定の回転速度の下で内燃機関の負荷を変化させた場合に得られる温度である。

図２に示すように、鉄の熱伝導率はアルミのそれに比して大幅に低い。このため、図３に示すように、スチール製のピストンの温度６６は、アルミ製のピストンの温度６４に比して高温になり易い。ここで、図３中に符号６８を付して示す破線は、オイルの炭化が発生し始める温度である。図３が示すように、スチール製のピストンでは、アルミ製のピストンに比して、その温度６６が炭化開始温度６８に到達し易い。このため、本実施形態のようにスチール製のピストン１２を用いる内燃機関においては、オイルの炭化が生じないように、ピストン１２を適切に冷却することが特に重要である。

［実施の形態１のピストン冷却装置の動作］
内燃機関の運転中は、燃焼室１４の内部で大きな燃焼熱が発生する。ピストン１２の表面はその燃焼熱に晒されて高温となる。環状空洞１８は、ピストン１２の表面に近接する位置に設けられている。このため、環状空洞１８の内部はピストン１２の背面に比して高温になり易い。反面、環状空洞１８を適切に油冷すれば、ピストン１２の背面を油冷するよりも効率的にピストン１２の表面温度を下げることができる。

（通常運転条件）
本実施形態のピストン冷却装置は、通常の運転条件下では、第１オイルジェット３０及び第２オイルジェット３４の双方からピストン１２に向けてオイルを噴射させる。第１オイルジェット３０から噴射されたオイルは入出孔２０から冷却空洞２６に入り、環状空洞１８を流れて入出孔２２から流出する。他方、第２オイルジェット３４から噴射されたオイルは、ピストン１２の背面、特にピンボスの周辺に噴射される。この場合、冷却空洞２６内にオイルを流通させ続けることが出来ると共に、ピストン１２を、背面からも冷却することができる。その結果、ピストン１２の過熱を適切に防ぐことができる。

（冷却能力過多条件）
燃焼室１４からピストン１２が受ける熱量は、内燃機関の負荷状態に応じて変動する。例えば、アイドル運転等の低負荷状態では、必然的にその熱量は少なくなる。このような状況下では、第１オイルジェット３０と第２オイルジェット３４の双方からオイルを噴射すると、ピストン１２が過冷却されてしまうことがある。以下、このような過冷却が生じ得る条件を「冷却能力過多条件」と称す。

冷却能力過多条件下では、ピストン１２の過冷却を回避するために、例えば、ピストン１２の油冷を停止することが考えられる。しかしながら、環状空洞１８の内部は、ピストン１２の表面に近く、このような条件下でも高温になり易い。そして、冷却能力過多条件下であっても、ピストン１２の油冷が停止されれば、環状空洞１８内の温度が炭化開始温度６８（図３参照）に到達してしまうことがある。

このため、本実施形態では、冷却能力過多条件の下では、オイル制御弁５２を閉じて第２オイルジェット３４からのオイル噴射だけを停止させる。この場合、ピストン１２の全体に対する冷却能力は通常運転条件下のそれに比して引き下げられる。その結果、ピストン１２の過冷却を適切に回避することができる。また、第１オイルジェット３０からの噴射が継続されるため、冷却空洞２６内にはオイルが流れ続ける。その結果、環状空洞１８内の温度が引き下げられ、オイルの炭化によるデポジットの生成が回避され、かつ、仮にオイルの炭化が生じたとしても、その炭化物が洗い流されるためデポジットの堆積が防止できる。

（油圧不足条件）
本実施形態において、オイルポンプ４０の生成油圧は内燃機関の状態に応じて変動する。例えば、内燃機関がアイドル運転等の低負荷状態にある場合は、その生成油圧は比較的低圧となる。他方、内燃機関が加速運転等の高負荷状態にある場合はその油圧が高圧となる。また、オイルポンプ４０の生成油圧は、オイルの粘度にも影響を受ける。このため、油温が高くオイル粘度が低い状況下では、オイルポンプ４０の生成油圧が比較的低圧となる。

図１に示すように、本実施形態のピストン冷却装置は、第１オイルジェット３０及び第２オイルジェット３４が、メインギャラリ４２を介して、共にオイルポンプ４０から油圧の供給を受けている。このため、オイルポンプ４０の生成油圧が低くなる低負荷状態、或いは高油温状態の下では、第１オイルジェット３０と第２オイルジェット３４の双方からオイルを噴射させることができない事態が生じ得る。

この場合、具体的には、メインギャラリ４２の油圧が第１オイルジェット３０及び第２オイルジェット３４の開弁圧に達した時点で、何れか一方のオイルジェットが開弁し、そのジェットからのオイル噴射が開始される。何れかのジェットからオイルが噴射され始めれば、メインギャラリ４２の油圧は低下し、他方のジェットは開弁できない状態となる。仮に第２オイルジェット３４からのオイル噴射が先行して開始されたとすれば、以後、第１オイルジェット３０からはオイルが噴射されないことになる。以下、このように、オイルポンプ４０の吐出油量が双方のオイルジェットからオイルを噴射させるには不十分となる条件を「油圧不足条件」と称す。

本実施形態では、油圧不足条件の下では、オイル制御弁５２を閉じて第２オイルジェット３４への油圧供給が遮断される。第２オイルジェット３４への油圧供給が遮断されれば、メインギャラリ４２の油圧が開弁圧に達した時点で確実に第１オイルジェット３０からのオイル噴射が開始される。

上述した通り、冷却空洞２６による油冷は、ピストン１２背面の油冷に比して効率よくピストン１２を冷却することができる。また、冷却空洞２６の内部、特に環状空洞１８の内部は、ピストン１２の背面に比して高温になり易く、デポジットを発生させ易い環境にある。このため、何れか一方のジェットからしかオイルが噴射できない環境下では、第１オイルジェット３０からの噴射を優先することが望ましい。本実施形態のピストン冷却装置によれば、油圧不足条件の下でその要求を満たすことができる。

（実施の形態１における制御フロー）
図４は、本発明の実施の形態１においてＥＣＵ５４が実行するルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンは、内燃機関の始動後所定の周期で繰り返し軌道される。このルーチンでは、先ず、内燃機関の運転状態が検出される（ステップ１００）。具体的には、ここでは、内燃機関に搭載されている各種センサから、ピストン１２の温度推定と、油温の検知に必要な情報が検出される。

次に、ピストン１２の温度が推定される（ステップ１０２）。ピストン１２の温度は、ピストン１２に対する入熱量Ｑｉｎとピストン１２からの放熱量Ｑｏｕｔに基づいて算出することができる。また、入熱量Ｑｉｎは、機関回転速度、燃料噴射量、及び燃焼室１４を流れるガス量等に基づいて公知の手法で算出することができる。他方、放熱量Ｑｏｕｔは、ピストン１２に向けて噴射されるオイルの油量及び油温等に基づいて公知の手法で算出することができる。尚、ピストン１２の温度は、機関回転速度、吸入空気量等をパラメータとして予め定めておいたマップに従って推定することとしてもよい。

次に、ピストン１２の温度が、冷却能力過多条件の判定温度より低いか否かが判別される（ステップ１０４）。本ステップの処理は、冷却能力過多条件の成否を判断するために実行される。尚、冷却能力過多条件の成否は、機関回転速度、機関負荷、冷却水温、吸入空気温などに基づいて判断することとしてもよい。

上記ステップ１０４において、ピストン１２の温度が判定温度より低いと判定された場合は、冷却能力過多条件が成立していると判断することができる。つまり、この場合は、第１オイルジェット３０及び第２オイルジェット３４の双方からオイルを噴射し続けると、ピストン１２が過冷却の状態に至ると判断することができる。この場合、第２オイルジェット３４からのオイル噴射が停止されるように、オイル制御弁５２が閉弁される（ステップ１０６）。

一方、上記ステップ１０４の処理で、ピストン１２の温度が判定温度より低温ではないと判別された場合は、冷却能力過多条件が成立していないと判断することができる。この場合、次に、メインギャラリ４２の圧力が、油圧不足条件の判定圧力より低いか否かが判別される（ステップ１０８）。本ステップの処理は、油圧不足条件の成否を判断するために実行される。尚、油圧不足条件の成否は、オイルポンプ４０の吐出油量（能力）に基づいて判断することとしてもよい。

上記ステップ１０８において、メインギャラリ４２の油圧が判定油圧より低いと判定された場合は、油圧不足条件が成立していると判断することができる。つまり、この場合は、オイルポンプ４０の吐出油量が、第１オイルジェット３０及び第２オイルジェット３４の双方からオイルを噴射するには不十分であると判断することができる。この場合、第１オイルジェット３０からのオイル噴射を優先するべく、上述したステップ１０６の処理が実行される。

一方、上記ステップ１０８において、メインギャラリ４２の油圧が判定油圧より低くないと判別された場合は、冷却能力過多条件も油圧不足条件も成立していないと判断することができる。この場合は、第１オイルジェット３０に加えて、第２オイルジェット３４からもオイルを噴射させるべく、オイル制御弁５２が開弁される（ステップ１１０）。

以上の処理によれば、冷却能力過多条件の下、及び油圧不足条件の下で、第２オイルジェット３４からのオイル噴射に優先して第１オイルジェット３０からオイルを噴射させることができる。このため、本実施形態のピストン冷却装置によれば、これらの条件の下でも、ピストン１２を適温に保つことができ、かつ、冷却空洞２６内におけるデポジットの生成又は堆積を有効に阻止することができる。このため、この装置によれば、ピストンを安定的に適温に冷却する能力を長期に渡って維持することができる。

［実施の形態１の変形例］
ところで、上述した実施の形態１では、スチール製のピストン１２を用いることとしているが、ピストン１２の材質は鉄に限定されるものではない。即ち、本発明は、アルミ製のピストンなど、鉄以外の材質で形成されたピストンに適用してもよい。

また、上述した実施の形態１では、冷却空洞２６の入出孔２０，２２と異なる部位に向けてオイルを噴射する第２オイルジェット３４がピストン１２の背面にオイルを噴射しているが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、第２オイルジェット３４は、例えば、ピストン１２以外の部位に向けてオイルを噴射するものであってもよい。更に、入出孔２０，２２と異なる部位にオイルを噴射するジェットの数は１つに限定されるものではなく、２つ以上であってもよい。

また、上述した実施の形態１では、第１オイルジェット３０からのオイル噴射を優先すべき場合に、第２オイルジェット３４からの噴射を停止させることとしているが、その手法はこれに限定されるものではない。例えば、冷却能力過多条件下で第１オイルジェット３０からの噴射を優先する場合には、ピストン１２の過冷却が生じない量まで第２オイルジェット３４からのオイル噴射量を減量することとしてもよい。また、油圧不足条件下で第１オイルジェット３０からの噴射を優先する場合は、第１オイルジェット３０に供給される油量が十分量になるように第２オイルジェット３４からの噴射量を減少させることとしてもよい。

また、上述した実施の形態１では、内燃機関の作動中は、第１オイルジェット３０が常にオイルを噴射することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。ピストン１２の冷却が全く不要な冷間時などは、第２オイルジェット３４からの噴射と共に、第１オイルジェット３０からの噴射も停止させることができる。

尚、上述した実施の形態１では、メインギャラリ４２が上記第３の発明における「共通する油圧経路」に相当している。また、オイル制御弁５２及びＥＣＵ５４が、上記第６又は第９の発明における「制御機構」及び「制御装置」に相当している。

実施の形態２．
次に、図５及び図６を参照して本発明の実施の形態２について説明する。図５は、本発明の実施の形態２のピストン冷却装置の構成を説明するための図である。図５に示す構成は、第２オイルジェット３４が、メインギャラリ４２からではなく、電動オイルポンプ７０から油圧の供給を受ける点を除いて、図１に示す構成と同様である。以下、図５において図１に示す要素と同一又は対応する要素については、共通する符号を付してその説明を省略又は簡略する。

本実施形態の構成によれば、第２オイルジェット３４からのオイル噴射は、メインギャラリ４２の油圧に影響を及ぼさない。このため、実施の形態１の場合と異なり、本実施形態では油圧不足条件が成立することがない。つまり、本実施形態のピストン冷却装置では、オイルポンプ４０の生成油圧が優先的に第１オイルジェット３０に与えられる状態が構造的に保証されている。このため、この装置によれば、油温が高く、オイル粘度が低く、その結果、第１オイルジェット３０から適切にオイルを噴射させることができる。

更に、本実施形態の構成によれば、実施の形態１では油圧不足条件が成立するような状況下でも、電動オイルポンプ７０を作動させることにより、第１オイルジェット３０と第２オイルジェット３４の双方からオイルを噴射させることができる。このため、本実施形態の装置によれば、このような状況下では、実施の形態１の装置に比して更に優れた冷却能力を発揮することができる。

図６は、本実施形態においてＥＣＵ５４が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すフローチャートは、ステップ１０８が削除されている点を除いて図４に示すルーチンと同様である。本実施形態では、ステップ１０６において第２オイルジェット３４の停止が指令されると、電動オイルポンプ７０に停止指令が発せられる。電動オイルポンプ７０が停止すれば、第２オイルジェット３４からのオイル噴射も停止される。このため、本実施形態の装置によれば、冷却能力過多条件の下で、冷却空洞２６にオイルを流通させつつ、ピストン１２に過冷却が生ずるのを適切に防ぐことができる。

図６に示すルーチン中ステップ１１０において第２オイルジェット３４からのオイル噴射が指令された場合は、電動オイルポンプ７０に作動指令が発せられる。電動オイルポンプ７０は、第２オイルジェット３４の開弁圧を超える油圧を発生することができる。このため、電動オイルポンプ７０が作動すれば、第２オイルジェット３４はピストン１２の背面に向けてオイルを噴射する。このため、本実施形態の装置によれば、通常の運転条件の下では、第１オイルジェット３０と第２オイルジェット３４の双方を用いて、ピストン１２を適切に冷却することができる。

以上説明した通り、本実施形態のピストン冷却装置は、実施の形態１の場合と同様に冷却空洞２６内にオイルを流通させることができる。また、この装置によれば、実施の形態１の場合以上に、ピストン１２を適切に冷却することができる。このため、本実施形態の装置によっても、長期的かつ安定的に、ピストン１２の温度を適切に維持することができる。

［実施の形態２の変形例］
尚、本実施形態においても、実施の形態１の場合と同様に、ピストン１２はアルミ製であってもよい。また、第２オイルジェット３４は、ピストン１２以外の部位に向けてオイルを噴射するものであってもよい。また、第２オイルジェット３４の数は２つ以上であってもよい。更に、冷却能力過多条件の下では、第２オイルジェット３４からのオイル噴射量を減少させることとしてもよい。そして、第１オイルジェット３０からのオイルは必要に応じて停止することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態２では、ＥＣＵ５４が上記第７の発明における「制御装置」に相当している。また、電動オイルポンプ７０及びＥＣＵ５４が、上記第９の発明における「制御機構」及び「制御装置」に相当している。

実施の形態３．
次に、図７乃至図１０を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。図７は本の実施の形態３のポンプ冷却装置の構成を説明するための図である。以下、図７において図１に示す要素と同一又は対応する要素については、共通する符号を付してその説明を省略又は簡略する。

本実施形態のピストン冷却装置は、第２オイルジェット７２を備えている。第２オイルジェット７２は、オイル制御弁５２（図１参照）を介することなくメインギャラリ４２に直接連通している。第２オイルジェット７２には、第１オイルジェット３０の開弁圧Ｐ１より高い開弁圧Ｐ２が与えられている。尚、本実施形態のピストン冷却装置は、実施の形態１又は２の場合と異なり、電子制御ユニットを必要としない。

［実施の形態３の動作］
（単一気筒内での動作）
図８は、図７に示すピストン冷却装置の動作と、比較例の装置の動作とを対比して説明するためのタイミングチャートである。ここで、「比較例の装置」とは、図７に示す構成において、第２オイルジェット７２を第２オイルジェット３４に置き換えた装置を指す。尚、比較例が用いる第２オイルジェット３４の開弁圧は、第１オイルジェット３０の場合と同様にＰ１に設定されている。

図８の最上段は、時刻ｔ０以後、機関回転速度が一定の割合で上昇している様子を示している。オイルポンプ４０は機械式のポンプであるから、機関回転速度が上昇するのに伴い、オイルポンプ４０からの吐出油量は増加する。

図８の第二段から最下段において、破線で示す波形７４，７６，７８，８０は、共通して比較例の装置の動作を表している。他方、これらのチャート中に実線で示す波形８２，８４，８６，８８は、共通して本実施形態の装置の動作を表している。

図８の第二段はメインギャラリ４２における油圧の変化を示す。第三段は、第１オイルジェット３０の開弁状態を示す。また、第四段は、第２オイルジェット７２又は３４の開弁状態を示す。

図８の第二段に示す波形７４は、比較例の油圧が、時刻ｔ１の時点で開弁圧Ｐ１に到達し、一端低下した後時刻ｔ２において再び開弁圧Ｐ１に達する様子を表している。比較例では、第１オイルジェット３０の開弁圧と第２オイルジェット３４の開弁圧が共にＰ１である。このため、四段目の波形７８が示すように、比較例の装置では時刻ｔ１の時点で第２オイルジェット３４が開弁することがある。

第２オイルジェット３４が開弁すれば、メインギャラリ４２の油圧はその時点で一時的に低下して開弁圧Ｐ１に満たない値となる（上記波形７４参照）。この際、第１オイルジェット３０は開弁することができず閉弁状態を維持する。そして、時刻ｔ２において油圧が再び開弁圧Ｐ１に復帰すると、その時点で第１オイルジェット３０が開弁状態に移行する（三段目の波形７６参照）。

図８の最下段は、ピストン１２の温度変化を示している。時刻ｔ１において第２オイルジェット３４が開弁し、時刻ｔ２に第１オイルジェット３０が開弁した場合、ピストン１２の温度は、波形８０に沿った変化を示す。第２オイルジェット３４による冷却効率は、第１オイルジェット３０による冷却効率ほど高くない。このため、比較例の場合は、時刻ｔ１の後、ピストン１２の温度は一端僅かに降下するが、その後再び上昇に転じる。そして、時刻ｔ２に冷却空洞２６の油冷が開始された後、その影響がピストン表面に及ぶまでは、その温度上昇が継続する。このため、波形８０に示すように、比較例におけるピストン１２の温度は、安定値に収束するまでに高温になり易い。

本実施形態の装置では、第２オイルジェット７２の開弁圧がＰ１より高いＰ２に設定されている。このため、この装置においては、時刻ｔ１の時点で第２オイルジェット７２が開弁することはなく（第四段の波形８６参照）、その時点で確実に第１オイルジェット３０が開弁する（第三段の波形８４参照）。

第二段の波形８２は、本実施形態における油圧が、時刻ｔ１において一端降下した後、時刻ｔ３において開弁圧Ｐ２に達する様子を示している。また、第三段の波形８６は、その油圧上昇を受けて、時刻ｔ３において本実施形態における第２オイルジェット７２が開弁状態に移行する様子を示している。

上述した通り、本実施形態では、時刻ｔ１の時点で第１オイルジェット３０によるオイル噴射が確実に開始される。この場合、ピストン１２の温度は、最下段の波形８８が示すように、時刻ｔ１の時点で大きく低下し、その後ほぼ安定した値を維持する。そして、時刻ｔ３において第２オイルジェット７２からの噴射が開始されると、ピストン１２の温度は更に降下して安定値に収束する。

以上説明した通り、本実施形態のピストン冷却装置によれば、油圧が低い環境下では第１オイルジェット３０に、第２オイルジェット７２に優先してオイルを噴射させることができる。冷却能力過多条件は、内燃機関の軽負荷運転中に成立し易い。そして、内燃機関の軽負荷運転中は、オイルポンプ４０の吐出油量が少なく、生成油圧が低圧になることが多い。本実施形態の装置は、このような環境下では、第１オイルジェット３０だけに優先的にオイルを噴射させる。このため、この装置によれば、冷却能力過多条件が成立する環境下で、冷却空洞２６内にデポジットを生じさせることなくピストン１２を適性温度に保ことができる。

また、本実施形態の装置によれば、油圧不足条件下では、必然的に、第２オイルジェット７２からのオイル噴射が停止され、第１オイルジェット３０だけがオイルを噴射する状況が作り出される。このため、この装置によれば、油圧不足条件の下でも、冷却空洞２６内にデポジットを生じさせることなくピストン１２を適性温度に保ことができる。

（複数気筒での動作）
図７に示す構成は、内燃機関が備える複数の気筒の夫々に設けられている。そして、各気筒が有する第１オイルジェット３０及び第２オイルジェット７２は、何れもメインギャラリ４２に連通されている。

図９は、比較例の装置において、♯１気筒と♯２気筒に生ずる動作を説明するためのタイミングチャートである。図９の第三段の波形９０は、時刻ｔ１において、♯１気筒の第１オイルジェット３０が開弁したことを示している。また、第四段の波形９１は、時刻ｔ２において、♯１気筒の第２オイルジェット３４が開弁したことを示している。そして、最下段の波形９２は、時刻ｔ３において、♯２気筒の第１オイルジェット３０が開弁したことを示している。

比較例の装置には、複数の気筒の夫々に、開弁圧が等しい第１オイルジェット３０及び第２オイルジェット３４が備わっている。これらのオイルジェットは、同じ開弁圧Ｐ１で開弁するため、メインギャラリ４２の油圧がそのＰ１付近にある環境下では、どのオイルジェットが開弁するかについて秩序が存在しない。つまり、図９に示す開弁順序は、実現可能性のある順序の一つに過ぎず、その順序に再現性はない。そして、最初の開弁が生じた後、全てのオイルジェットが開弁するまでの間は、開弁状態にあるオイルジェットの組み合わせにおいて気筒間バラツキが生ずる。その結果、比較例の装置によれば、各気筒におけるピストン１２の冷却能力に様々なバラツキが生ずることになる。

図１０は、本実施形態の装置において、♯１気筒と♯２気筒に生ずる動作を説明するためのタイミングチャートである。図９の第四段の波形９３は、油圧が繰り返し開弁圧Ｐ１に到達している状況下で、♯１気筒の第２オイルジェット７２が安定して閉弁状態を維持している様子を示している。

本実施形態の装置では、第２オイルジェット７２の開弁圧が上記の通りＰ１より高い値に設定されている。この設定の下では、全ての気筒において第１オイルジェット３０が開弁するまで、何れの気筒においても第２オイルジェット７２が開弁することはない。このように、本実施形態の装置では、全ての第１オイルジェット３０を、全ての第２オイルジェット７２に優先して開弁状態とすることができる。このため、この装置によれば、各気筒における冷却能力のバラツキを、比較例の場合に比して大きく抑制することができる。

［実施の形態３の変形例］
尚、本実施形態においても、実施の形態１の場合と同様に、ピストン１２はアルミ製であってもよい。また、第２オイルジェット３４は、ピストン１２以外の部位に向けてオイルを噴射するものであってもよい。また、第２オイルジェット３４の数は２つ以上であってもよい。そして、第１オイルジェット３０からのオイルは必要に応じて停止することとしてもよい。

実施の形態４．
次に、図７と共に図１１を参照して本発明の実施の形態４について説明する。本実施形態のピストン冷却装置は、図７に示す構成に、以下の３点の特徴を組み込むことにより実現することができる。
（１）オイルポンプ４０を２ステージ式のポンプとする。尚、「２ステージ式のポンプ」とは、生成油圧を選択的に低圧側（ＰＬ）と高圧側（ＰＨ）の２種類に切り替える機能を有するポンプを指すものとする。
（２）第１オイルジェット３０の開弁圧Ｐ１を低圧側の生成油圧ＰＬ以下の値とする。
（３）第２オイルジェット７２の開弁圧Ｐ２を、低圧側の生成油圧ＰＬより高く、かつ、高圧側の生成油圧ＰＨ以下の値とする。

２ステージ式のオイルポンプ４０は、内燃機関からの駆動力が、高圧側の油圧ＰＨを生成するのに不十分である軽負荷運転時には、当然に低圧側の油圧ＰＬを生成する。また、このオイルポンプ４０は、高圧側の油圧ＰＨを生成するのに十分な駆動力が得られる状況下でも、ＰＨの生成が不必要であると判断できる状況下では低圧側の油圧ＰＬを生成する。本実施形態の構成によれば、オイルポンプ４０の状態を適宜切り替えることにより、無駄仕事の量を削減することができる。

また、本実施形態の構成によれば、オイルポンプ４０が低圧側の油圧ＰＬを生成する状況下では、第１オイルジェット３０のみが開弁状態となる。また、オイルポンプ４０が高圧側の油圧ＰＨを生成すれば、第１オイルジェット３０と第２オイルジェット７２の双方が開弁状態となる。このため、この装置によれば、オイルポンプ４０の状態を切り替えることにより、オイルを噴射するジェットの組み合わせを意図的に切り替えることができる。

図１１は、本実施形態のピストン冷却装置の動作と、比較例の装置の動作とを対比して説明するためのタイミングチャートである。ここで、「比較例の装置」とは、本実施形態の構成において、第２オイルジェット７２を第２オイルジェット３４に置き換えた装置を指すものとする。

図１１の第二段は、２ステージ式のオイルポンプ４０の生成油圧を示す。ここでは、時刻ｔ２において、その生成油圧が低圧側の値ＰＬから高圧側の値ＰＨに切り替えられている。

図１１の第三段から最下段において、破線で示す波形は比較例の装置の動作を表している。他方、これらのチャート中に実線で示す波形は本実施形態の装置の動作を表している。

図１１の第三段は、メインギャラリ４２の油圧の変化を示す。ここでは、時刻ｔ１において、その油圧は開弁圧Ｐ１に到達している。その後一端の低下を経て、時刻ｔ２に、生成油圧の切り換えに伴いその油圧が開弁圧Ｐ２に達している。

比較例の装置では、第２オイルジェット３４の開弁圧が第１オイルジェット３０の開弁圧と同様にＰ１である。このため、五段目の波形９４が示すように、比較例の装置では時刻ｔ１の時点で第２オイルジェット３４が開弁することがある。この場合、第三段の波形９５が示すように、第１オイルジェット３０は時刻ｔ２まで開弁しない。その結果、最下だの波形９６が示すように、ピストン１２の温度は、安定値に収束する前に一時的に高温となる。

本実施形態の装置では、第２オイルジェット７２の開弁圧がＰ２であるため、時刻ｔ１の時点で第２オイルジェット７２が開弁することはない（第五段の波形９７参照）。その結果、この装置では、時刻ｔ１の時点で確実に第１オイルジェット３０が開弁する（第四段の波形９８参照）。

このように、本実施形態の装置では、オイルポンプ４０が低圧側の油圧ＰＬを生成している間は、第１オイルジェット３０だけが確実にオイルを噴射する。そして、その生成油圧が高圧側の値ＰＨに切り替わると、第１オイルジェット３０に加えて第２オイルジェット７２からもオイルが噴射され始める。

このため、本実施形態の装置によれば、実施の形態３の場合と同様に、冷却空洞２６にデポジットを生じさせることなく、ピストン１２を長期的かつ安定的に適温に冷却し続けることができる。更に、本実施形態の装置によれば、オイルポンプ４０の状態を切り替えることで、オイルを噴射するジェットの組み合わせを正確に切り替えることができる。このため、この装置によれば、実施の形態３の場合に比して更に意図的にピストン１２に対する冷却能力を制御することができる。

［実施の形態３との共通性］
尚、本実施形態の装置は、複数気筒における冷却能力のバラツキを抑えることができる点において、実施の形態３の装置と同様である。また、実施形態３について説明した変形例は、本実施形態の装置にも適用が可能である。

１２ ピストン
１８ 環状空洞
２０、２２ 入出孔
２６ 冷却空洞
３０ 第１オイルジェット
３４、７２ 第２オイルジェット
４０ オイルポンプ
４２ メインギャラリ
５４ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
７０ 電動オイルポンプ

Claims (4)

1. 内燃機関に搭載されるピストンの冷却装置であって、
   前記ピストンの内部に設けられ、当該ピストンの背面に開口する入出孔を備える冷却空洞と、
   噴射されたオイルの軸線が前記ピストンの往復運動の方向と平行になるように、前記入出孔に向けてオイルを噴射する第１オイルジェットと、
   前記入出孔と異なる部位に向けてオイルを噴射する第２オイルジェットと、を備え、
   前記第１オイルジェットは、前記第２オイルジェットに優先してオイルを噴射し、
   オイルの噴射に必要な油圧を生成するオイルポンプを備え、
   前記第１オイルジェットと前記第２オイルジェットの双方からオイルを噴射させるのに必要な油量に比して、前記オイルポンプの吐出油量が少ない場合に、当該吐出油量を優先的に前記第１オイルジェットからのオイル噴射に消費させ、
   前記第１オイルジェット及び前記第２オイルジェットは、共通する油圧経路を介して前記オイルポンプと連通しており、
   前記第１オイルジェットの開弁圧は、前記第２オイルジェットの開弁圧に比して低圧であり、
   前記オイルポンプは、生成油圧を低圧側と高圧側の２段階に切り換える機能を有する２ステージ式オイルポンプであり、
   前記第１オイルジェットの開弁圧は、前記低圧側の生成油圧以下であり、
   前記第２オイルジェットの開弁圧は、前記低圧側の生成油圧より高く、かつ、前記高圧側の生成油圧以下であることを特徴とするピストン冷却装置。
2. 前記内燃機関は複数の気筒を備え、
   前記第１オイルジェット及び前記第２オイルジェットは夫々の気筒に配置され、
   前記油圧経路には、複数の気筒の夫々に属する第１オイルジェット及び第２オイルジェットが連通していることを特徴とする請求項１に記載のピストン冷却装置。
3. 内燃機関に搭載されるピストンの冷却装置であって、
   前記ピストンの内部に設けられ、当該ピストンの背面に開口する入出孔を備える冷却空洞と、
   噴射されたオイルの軸線が前記ピストンの往復運動の方向と平行になるように、前記入出孔に向けてオイルを噴射する第１オイルジェットと、
   前記入出孔と異なる部位に向けてオイルを噴射する第２オイルジェットと、を備え、
   前記第１オイルジェットは、前記第２オイルジェットに優先してオイルを噴射し、
   オイルの噴射に必要な油圧を生成するオイルポンプを備え、
   前記第１オイルジェットと前記第２オイルジェットの双方からオイルを噴射させるのに必要な油量に比して、前記オイルポンプの吐出油量が少ない場合に、当該吐出油量を優先的に前記第１オイルジェットからのオイル噴射に消費させ、
   前記第１オイルジェット及び前記第２オイルジェットは、共通する油圧経路を介して前記オイルポンプと連通しており、
   前記第２オイルジェットから噴射される油量を制御する制御機構と、
   前記第１オイルジェットに供給される油圧が当該第１オイルジェットからオイルを噴射させるのに必要な圧力に比して低い場合に、前記第２オイルジェットから噴射される油量が減少するように前記制御機構を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とするピストン冷却装置。
4. 前記ピストンがスチール製であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のピストン冷却装置。

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