JP2020531729A - 対向ピストンエンジン用の遮熱コーティングを含む排気プレナムチャンバ構造 - Google Patents

Abstract

対向ピストンエンジン用の遮熱コーティングを施した排気プレナムチャンバは、冷却剤への熱遮断を低減しながら、排気温度、燃料効率を高め、排気後処理点火を高速化する。排気プレナムチャンバは、チャンバの内面にコーティングを含むことができる。構造的であり、冷却チャネルまたは通路を提供するポストが排気プレナムチャンバ内に存在することができ、遮熱コーティング材料でコーティングすることができる。【選択図】図６

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１７年８月１８日出願の「Ｅｘｈａｕｓｔ Ｐｌｅｎｕｍ Ｃｈａｍｂｅｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ（対向ピストンエンジン用の遮熱コーティングを含む排気プレナムチャンバ構造）」と題する米国仮特許出願第６２／５４７，３７９号の優先権を主張する。

本願には、２０１４年８月４日に出願され、現在は２０１８年６月１９日発行の特許第１０，００１，０５７号となっている共通所有の「Ｅｘｈａｕｓｔ Ｌａｙｏｕｔ Ｗｉｔｈ Ａｃｃｏｍｐａｎｙｉｎｇ Ｆｉｒｉｎｇ Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｆｏｒ Ｔｗｏ−Ｓｔｒｏｋｅ Ｃｙｃｌｅ，Ｉｎｌｉｎｅ，Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ（２ストロークサイクル、インライン、対向ピストンエンジンの燃焼シーケンスを伴う排気レイアウト）」と題する米国特許出願第１４／４５０，８０８号、２０１４年５月２１日に出願され、現在は２０１７年２月２８日発行の特許第９，５８１，０２４号となっている「Ａｉｒ Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ（対向ピストンエンジン用の空気処理構造）」と題する米国特許出願第１４／２８４，０５８号、および２０１４年５月２１日に出願され、現在は２０１７年１月２４日発行の特許第９，５５１，２２０号となっている「Ｏｐｅｎ Ｉｎｔａｋｅ ａｎｄ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｃｈａｍｂｅｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ａｎ Ａｉｒ Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｎ Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ（ピストンエンジンの空気処理システム用の開放吸気および排気チャンバ構造）」と題する米国特許出願第１４／２８４，１３４号に関連する主題が含まれている。

本分野は、内燃機関に関する。特に、本分野は、車両、船舶、および定置用動力源に適用できる対向ピストンエンジンに関する。

２ストロークサイクルエンジンは、クランクシャフトの完全な１回転とクランクシャフトに接続されたピストンの２ストロークとで動作サイクルを完了する内燃機関である。ストロークは通常、圧縮およびパワーストロークとして示される。２ストロークサイクルエンジンの一例は、シリンダの中心軸に沿って反対方向に往復運動するためにシリンダのボアに２つのピストンが配置された対向ピストンエンジンである。各ピストンは、シリンダの一方の端に最も近い下死点（ＢＤＣ）位置と、一方の端から最も遠い上死点（ＴＤＣ）位置との間を移動する。シリンダには、それぞれのＢＤＣピストン位置の近くのシリンダ側壁にポートが形成されている。対向するピストンのそれぞれはポートの１つを制御し、ピストンがＢＤＣ位置に移動するとポートを開き、ＢＤＣからＴＤＣ位置に移動するとポートを閉じる。ポートの１つは給気をボアに入れる役割を果たし、もう１つはボアを出る燃焼生成物の通路を提供する。これらはそれぞれ「吸気」ポートおよび「排気」ポートと呼ばれる（一部の説明では、吸気ポートは「空気」ポートまたは「掃気」ポートと呼ばれる）。ユニフロー掃気対向ピストンエンジンでは、排気ガスが排気ポートから流出すると、加圧された給気が吸気ポートからシリンダに入るので、ガスはシリンダの長さに沿って、吸気ポートから排気ポートまでシリンダ内を単一方向（「ユニフロー」）に流れる。

給気および排気製品生成物は、空気処理システム（「ガス交換」システムとも呼ばれる）を介してシリンダを流れる。燃料は、燃料供給システムからの噴射により供給される。エンジンのサイクル中、エンジンの動作条件に応じて空気処理システムと燃料供給システムを操作することにより、制御機械が燃焼を制御する。空気処理システムには、燃焼中の望ましくない化合物の生成を減らすために、排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）システムが装備されていてもよい。

対向ピストンエンジンでは、空気処理システムは新鮮な空気をエンジンに送り込み、エンジンから燃焼ガス（排気）を排出する。これにはポンプ作業が必要である。ポンプ作業は、コンプレッサ（たとえば、ターボチャージャ）などのガスタービン駆動ポンプ、および／または過給機などの機械駆動ポンプによって行われてもよい。場合によっては、ターボチャージャのコンプレッサユニットは、２段ポンプ構成の過給機の上流または下流に配置してもよい。ポンプ装置（１段、２段、またはその他）は掃気プロセスを駆動できる。掃気プロセスは、効果的な燃焼を確保し、エンジンの指示熱効率を高め、ピストン、リング、シリンダなどのエンジンコンポーネントの寿命を延ばすために重要である。さらに、吸気と排気の圧力波と吸引波もポンプ作業を提供できる。ポンプ作業は、排気ガス再循環システムも駆動する。

対向ピストンエンジンには、エンジンガス（給気、排気）をシリンダに出し入れするように設計されたさまざまな構造が含まれている。たとえば、特許文献１は、他のシリンダのパイプと１本の排気パイプに合流する各シリンダの排気領域と連通するパイプを備えたマルチパイプ排気マニホールドを使用した初期の対向ピストン航空機エンジンについて説明している。マニホールドはエンジンの片側に取り付けられていた。

１９３０年代、ユモ２０５の対向ピストン航空機エンジンファミリは、デュアルクランクシャフトの対向ピストンエンジンの基本的な空気処理アーキテクチャを定義した。ユモエンジンには、６つのシリンダを備えたインラインシリンダブロックが含まれていた。シリンダブロックの構造には、排気ポートと吸気ポート用の個々のコンパートメントが含まれていた。個別化されたポートを提供するために構築されたマニホールドと導管は、シリンダブロックに取り付けられるか、シリンダブロック上に形成された。したがって、エンジンには、各シリンダの環状排気領域と連通する対向パイプのそれぞれのペアを配置するために、エンジンの両側にボルト締めされたマルチパイプ排気マニホールドが装備されていた。各排気マニホールドの出力パイプは、タービンの２つの入口のそれぞれに接続されていた。エンジンには、エンジンの両側に配置された吸気管も装備されており、シリンダの個々の吸気領域に給気を送っていた。２段圧力充填システムが、吸気管に加圧給気を供給していた。

従来技術の排気マニホールドは、エンジンのサイズと重量の増加という不利益を導出した。個々のパイプは、パイプの開口部をシリンダの環状排気空間と密接に結合するために構造的な支持体を必要としていた。典型的には、支持体は、各パイプの端部のフランジの形であり、フランジをシリンダブロックの側面の対応する領域に固定するためのねじ部品を受け入れるのに十分な面積を有していた。各マニホールドのフランジは、シリンダのインライン配置に一致するように行方向に配置されていた。これらのフランジに接続されたダクトの幅により、シリンダとシリンダの間隔が制限されたため、エンジンは比較的重く、大きくする必要があった。

最新の車両エンジンでは、出力、排気の両方の観点から、サイズ、重量、パフォーマンスはエンジンコンポーネントの設計においてバランスをとる要素である。サイズと重量を減らし、性能を向上させるために、各燃焼イベントの後にシリンダから排気を受け取るエンジン空間を最小化することが望ましい。ユニフロー掃気、対向ピストンエンジンの最新の設計では、エンジンガスを運ぶための外部マニホールドを排除することにより、これらの目的に近づいている。これらのエンジンには、すべてのシリンダ排気ポートが配置されている開放排気プレナムチャンバ（排気室とも呼ばれる）を含めることができる。すべてのシリンダから排出されたすべての排気は、排気プレナムチャンバの内部空間に集められ、シリンダブロックから排気システムの下流コンポーネントに運ばれる。

タービンの駆動や後処理装置の活性化（たとえば、触媒作用のために熱を提供する）などの有用な目的で下流で抽出される熱エネルギーを最大化するために、排気プレナムチャンバに排出される排気ガスに可能な限り多くの熱を保持することが望ましい。ただし、熱は、排気プレナムチャンバの構造と表面、および下流の排気システム構造を介した伝導によって失われる可能性がある。周囲の構造物に熱が入ると、エンジン冷却システムによってシリンダブロックから熱が伝導され、シリンダブロックへの熱応力が制限される。この方法で失われた熱エネルギーは、冷却剤に「遮断」されたと言われる。冷却剤の循環により、エンジンの寄生損失が付加される。したがって、エンジンの熱効率を高めるために、排気ガスが排気ポートから排出される空間を囲む排気プレナムチャンバの構造および表面への排気ガスからの熱の伝達を減らすことが望ましい。

一部の実装形態では、対向ピストンエンジンには、１つ以上の遮熱コーティングを有する開放排気プレナムチャンバ構造が提供される。排気プレナムチャンバは内面を含むことができ、遮熱コーティングは内面にあってもよい。

一部の態様では、対向ピストンエンジンは、エンジンのすべてのシリンダから排気を受け取る排気室を備えた、シリンダブロックに形成または支持された複数のシリンダを有する。排気室は、排気ガスからシリンダブロックへの熱伝達を低減するために、排気プレナムチャンバの少なくとも１つの内面に適用された遮熱コーティングまたは層を含む。

以下の特徴は、排気プレナムチャンバおよび／またはエンジンに適切な組み合わせで見ることができる。排気プレナムチャンバは、排気プレナムチャンバの対向する壁の間で力を伝達するための少なくとも１つのポスト（たとえば、構造的なアウトリガーポスト）を含むことができる。一部の実装形態では、少なくとも１つのポストは、エンジンの冷却システムと流体連通（流体接続）する実質的に軸方向の導管または通路を含むことができる。遮熱コーティングは断熱材料を含むことができ、一部の実装形態では、断熱材料は低熱伝導率を有することができる。コーティングは、ジルコニア、アルミナ、クロム含有組成物、コバルト含有組成物、ニッケル含有組成物、イットリウム含有組成物、およびそれらの任意の組み合わせのいずれかを含むことができる。コーティングは、排気室（つまり、排気プレナムチャンバ）の内面に噴霧堆積または浸漬コーティングすることができる。一部の実装形態では、排気プレナムチャンバは基材を含む金属表面を含むことができ、基材はねずみ鋳鉄を含むことができる。

関連する態様では、ユニフロー掃気対向ピストンエンジン用の排気プレナムチャンバの製造方法は、低熱伝導率の材料のコーティングを排気プレナムチャンバの内面に適用することを含む。排気プレナムチャンバは、排気プレナムチャンバの対向する壁の間で圧縮力を伝達するための少なくとも１つのポストを含むことができる。以下の機能は、本方法において任意の適切な組み合わせで見ることができる。本方法は、コーティングを適用するために排気プレナムの内面を準備することを含むことができる。追加的または代替的に、本方法は、コーティングの適用後に排気プレナムチャンバを処理することを含むことができる。排気プレナムチャンバはまた、床と天井を含むことができ、少なくとも１つのポストは床から天井まで延びることができる。

対向ピストンエンジンとエンジンで使用する空気処理システムの概略図であり、適切に「先行技術」とラベル付けされている。

例示的な対向ピストンエンジンを示し、適切に「先行技術」とラベル付けされている。 例示的な対向ピストンエンジンを示し、適切に「先行技術」とラベル付けされている。

図１の対向ピストンエンジンで使用するための例示的なシリンダアセンブリを示し、適切に「先行技術」とラベル付けされている。 図１の対向ピストンエンジンで使用するための例示的なシリンダアセンブリを示し、適切に「先行技術」とラベル付けされている。

図３Ａおよび３Ｂに示されるシリンダアセンブリを含む、本開示による例示的な排気プレナムチャンバを示す。 図３Ａおよび３Ｂに示されるシリンダアセンブリを含む、本開示による例示的な排気プレナムチャンバを示す。

図４Ａおよび４Ｂの排気プレナムチャンバ内の支持ポストに流体結合された冷却システムを示す概略図である。

図４Ａおよび４Ｂの排気プレナムチャンバに流体結合された排気チャネルを示す概略図である。

図４Ａおよび４Ｂの排気プレナムチャンバの内面上のコーティングの拡大断面図を示す。

本明細書による排気プレナムチャンバを作製する例示的な方法を示す。

コーティングなしの排気プレナムチャンバに対する熱の変化率を示すグラフである。

排気プレナムチャンバと排気プレナムチャンバの内面上に遮熱コーティングとを有するシリンダブロックを備えた対向ピストンエンジンについて説明する。遮熱コーティング、またはコーティング層は、より高い排気温度を提供し、エンジン内の冷却剤への熱遮断を低減し、排気プレナムチャンバとその構造的特徴のより高い疲労強度を可能にする。排気温度が高いと、エンジンのターボチャージャを駆動する排気エンタルピーが増加することによって、エンジンの燃料効率を向上させることができる。さらに、または逆に、排気温度が高いと、エンジンの後処理システムは、エンジンがより低い速度またはより低い負荷で動作しているときに、より迅速に点火し、動作温度を維持できる。本明細書には、コーティング材料の適用方法を含むコーティングの詳細も記載されている。

図１は、従来技術による、対向ピストンエンジン１１０およびエンジンの空気処理システムの一般的な例を示す概略図１００である。対向ピストンエンジン１１０は、複数のシリンダ１１１、吸気プレナムチャンバ１２０、および排気プレナムチャンバ１１５を有するものとして示されている。空気処理システムは、吸気プレナムチャンバ１２０および排気プレナムチャンバ１１５と流体連通しており、空気入口１０１、空気フィルタ１４５、コンプレッサ１４０およびタービン１２５を備えたターボチャージャ１２１、給気クーラ１５０、排気ガス再循環（ＥＧＲ）ミキサ１７５、過給機１６０、中間冷却器１６５、再循環弁１７０、ＥＧＲ弁１３０、ＥＧＲ冷却器１５５、背圧弁１７７、後処理システム１３５、および排気出口１９９を含む。後処理システム１３５は、１つ以上の後処理装置（たとえば、後処理システム、１つ以上の微粒子フィルタなど）を含むことができ、約１５０℃を超える温度で最適に動作する温度依存コンポーネントを含んでいてもよい。

図２Ａおよび２Ｂは、シリンダブロック２０２を含む組み立てられた形態の代表的な対向ピストンエンジン２００を示している。この特定のエンジンの例は、関連する米国特許第９，５８１，０２４号明細書に記載されているエンジンに対応している。シリンダブロック２０２は、シリンダ、冷却剤および潤滑通路、クランクケース、開放吸気プレナムチャンバ、および開放排気プレナムチャンバを含む統合構造を備えた単一のモノリシック要素である。シリンダブロック２０２は、鋳造、機械加工、および／または印刷などのエンジンブロック製造の既知の方法によって製造される。エンジンは、車両、機関車、海上船舶、定置用電源などの用途で最小限のスペースを占めるようにコンパクトに構成されている。エンジン２００の空気処理コンポーネントは、ターボチャージャ２１０、過給機２１４、吸気プレナムチャンバ２４０、排気プレナムチャンバ２４５、および様々なパイプ、マニホールド、および導管を含む。吸気および排気プレナムチャンバを除き、これらの要素は、従来の手段を使用してシリンダブロックに支持される。吸気および排気プレナムチャンバは、ブロックの製造時にシリンダブロック内の細長い開放型通廊または室として形成される。

ターボチャージャ２１０は、排気駆動タービン２１１とコンプレッサ２１３とを備えている。必須ではないが、好ましくは過給機２１４は、たとえばクランクシャフトによって機械的に駆動される。コンプレッサ２１３の出力は、導管２１７を介して過給機２１４の吸気口と流体連通している。一部の態様では、コンプレッサ２１３と過給機２１４との間の気流経路に給気冷却器２１５を配置することができる。過給機２１４の出力は、マニホールドを介して吸気プレナムチャンバと流体連通しており、マニホールドの各分岐２２１は、カバーを介して吸気チャンバのそれぞれの細長い開口部に結合されている。タービン２１１の入口は、カバー２３０を介して排気プレナムチャンバのそれぞれの細長い開口部に結合された導管２３１を介して排気プレナムチャンバと流体連通している。これらの図には示されていないが、エンジン２００は、排気プレナムチャンバとＥＧＲ（排気ガス再循環）用の過給機２１４との間にバルブ制御導管を備えていてもよい。

図２Ｂは、エンジン２００の片側の正面図を示しており、カバー２３０および吸気導管２１７などのコンポーネントが取り外されて、吸気プレナムチャンバ２４０および排気プレナムチャンバ２４５が見えるようになっている。吸気プレナムチャンバ２４０および排気プレナムチャンバ２４５は、シリンダブロック２０２の見える側を通って開き、追加の開口部が設けられ得るシリンダブロックの反対側まで続いている。シリンダブロック２０２は、複数のシリンダで構成されている。特定の例として、３つのシリンダ２５０が図２Ｂに示されているが、これは限定を意図していない。一部の態様において、シリンダブロック２０２は、シリンダブロックの長手方向Ｌに整列したインラインアレイにシリンダを配置するように製造されてもよい。

図３Ａおよび図３Ｂは、シリンダブロック２０２に設けることができるシリンダ構造の具体例を示している。シリンダは、シリンダブロック２０２のトンネル内に保持されるライナー（またはスリーブ）として示されているが、この表現は限定を意図していない。実際、シリンダは、ブロックの製造中にシリンダブロックに形成された穿孔またはチューブを含むこともできる。この特定の例では、シリンダ２５０（図２Ｂ）は、側壁３２０および内面を備えたボア３３７を画定する実質的に管状のライナー３００を含む。排気ポート３２６および吸気ポート３２５は、それぞれ、シリンダのそれぞれの開口端の内側の側壁を介してシリンダ内に形成される。排気ポート３２６および吸気ポート３２５は、シリンダ２５０の軸方向に沿って離されている。排気ポート３２６は、側壁３２０を通る少なくとも１つの実質的に周方向の配列または一連の開口部を含む。吸気ポート３２５は、側壁３２０を通る少なくとも１つの実質的に周方向の配列または一連の開口部を含む。各開放端は、最も近いポートで発生するガス運搬活動によって特徴付けられる。これに関して、排気ポート３２６に最も近い端部は、シリンダの「排気端」と呼ばれる。同様に、吸気ポート３２５に最も近い端部は、シリンダの「吸気端」と呼ばれる。注入口３４６は、ポート３２５と３２６との間のシリンダの側壁の一部に形成される。２つのピストン３３５および３３６は、ボア３３７内に対向して配置されている。ピストン３３５および３３６は、ピストンがそれぞれの上死点（ＴＤＣ）位置またはその近くにあるときに燃焼チャンバ３４１を部分的に画定する端面３３５ｅおよび３３６ｅをそれぞれ有する。また、燃焼チャンバ３４１は、吸気ポート３２５と排気ポート３２６との間の、シリンダの中間部分のシリンダボア３３７によって部分的に画定される。燃料噴射コンポーネント３４５は、開口部３４６内で支持されている。この特定のシリンダアセンブリの例は、米国公開第２０１６／０２９０２７７号として公開されている関連米国特許出願第１４／６７５，３４０号に詳細に記載されている。

図２Ｂに見られるように、シリンダ２５０は、すべての吸気ポート２５４がシリンダブロック２０２の吸気プレナムチャンバ２４０に含まれ、すべての排気ポート２５６がシリンダブロック２０２の排気プレナムチャンバ２４５に含まれるように相互に配向されている。排気プレナムチャンバ２４５は、排気マニホールドとは対照的に、すべてのシリンダの排気ポートが連通する単一の容積である。シリンダ内に保持されない燃焼によって生成された排気ガスはすべて排気プレナムチャンバに直接流れ、そこからタービンや１つ以上の後処理装置などの排気チャネルの下流要素に流れる。同様に、吸気プレナムチャンバ２４０は、吸気ポートのすべてを含む。つまり、エンジンの吸気ポートのそれぞれは皆、吸気プレナムチャンバからのみ給気を受け取る。そのような構成の一部の利点は、エンジンの軽量化とよりコンパクトな構成である。

図４Ａは、エンジン２００のような対向ピストンエンジンのシリンダブロック４００の一部を、シリンダブロック内の排気プレナムチャンバ４０５内を覗く形で正面から示している。エンジンは、３つのシリンダライナー３２０で構成されている。この図は、シリンダライナー３２０の排気ポート開口部３２６を示すために、マニホールドカバーがシリンダブロック４００から取り外された排気プレナムチャンバ４０５の側面開口部を通してのものである。排気プレナムチャンバ４０５は、シリンダブロックの２つの対向する内壁４０９と４１０の間に画定される。図４Ｂは、シリンダ３００の長手方向軸に直交する平面において排気プレナムチャンバ４０５の対向する内壁４０９と４１０の中間で取られた排気プレナムチャンバ４０５の断面を示している。図４Ａに示されるシリンダブロックの向きでは、これらの壁は、この説明のためだけであるが、排気プレナムチャンバ４０５の「天井」４０９および「床」４１０と呼ばれてもよい。天井４０９および床４１０のそれぞれは表面を含み、床４１０の表面は図４Ｂに見られる。シリンダブロックと一体に形成された支持ポスト４１５は、天井４０９と床４１０との間に延びて構造的支持を提供する。天井４０９、床４１０、および支持ポスト４１５の表面、および排気プレナムチャンバ４０５の他の要素は、エンジンの動作中に排気ポート３２６から流出する排気ガスの熱にさらされる。それらの表面を通る排気ガスからの熱の移動によって生じるシリンダブロック上の熱応力を緩和するために、支持ポスト４１５には、液体冷却剤を運ぶための軸方向通路４２０が設けられている。軸方向通路４２０は、冷却システム（図示せず）と流体連通している。そのような構成は、米国特許第９，５８１，０２４号に示され説明されている。

図４Ｃは、チャンバ天井４０９からチャンバ床４１０まで延びる、排気プレナムチャンバ４０５内のポスト４１５の断面の拡大図を示す概略図であり、ポスト４１５を通る軸方向冷却剤通路４２０と排気プレナムチャンバ４０５の内面上のコーティング４２５とを含む。図４Ｃの概略図は、冷却剤通路４２０に流体接続された冷却システム４９５も示している。冷却システム４９５は、液体冷却剤の供給源を含む。エンジンにおいて、排気プレナムチャンバ４０５内の冷却剤通路４２０は、１つ以上の戻り通路４９６Ｒおよび１つ以上の供給通路４９６Ｆを介して接続する。１つ以上の戻り通路４９６Ｒおよび１つ以上の供給通路４９６Ｆは、冷却剤が排気プレナムチャンバ４０５のポスト４１５内の通路４２０を通って流れ、エンジンの周りを移動することを可能にするトンネル、導管、またはシリンダブロックを通る他の通路、ならびに継手、ホース、管などのいずれかを含むことができる。

図５の概略図に示すように、図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃの排気プレナムチャンバ４０５は、排気チャネル５０５と流体連通する排気出口５０２を備え、排気チャネル５０５は、排気チャネルの下流コンポーネントによる使用のために排気ガスを運ぶことができる。排気プレナムチャンバ４０５の１つ以上の内面上のコーティング４２５は、排気ガスからシリンダブロックへの熱伝達を低減し、それにより、排気チャネルの下流コンポーネント用のエンタルピーを高めた排気ガスを提供する。これに関して、排気出口５０２は、排気プレナムチャンバ４０５を、排気チャネル５０５に配置されたタービン入口および後処理装置のうちの１つ以上と流体連通させる。この場合、タービンと後処理装置の順番は限定されない。排気プレナムチャンバ４０５はまた、別個の排気出口５１２によって、または排気チャネル５０５からの分岐５１４を介して、ＥＧＲシステム５１０と流体連通していてもよい。

対向ピストンエンジンのシリンダブロックは、さまざまな材料で構成できる。しかし、製造を容易にするため、また幅広い温度範囲にわたって適切な機械的特性を備えるため、エンジンブロックの製造用材料には鉄と鋼が選択されている。本明細書で説明されるエンジンブロック、したがって排気プレナムチャンバはねずみ鋳鉄のものとして説明されているが、アルミニウムなどの他の材料を使用することができる。

排気プレナムチャンバのベース金属に使用される金属の疲労強度は、温度の関数として変化する。たとえば、疲労曲線のアトラスの図１０−２（ハワード・Ｅ・ボイヤー、「Ａｔｌａｓ ｏｆ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｃｕｒｖｅｓ」、ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐａｒｋ、１９８６、図１０−２、２４６ページ）はねずみ鋳鉄について疲労限界強度を温度の関数として示している。６００℃では、ねずみ鋳鉄の疲労限界強度は約５〜７．５ＫＳＩ（キロ重量ポンド毎平方インチ）である。前述のように、対向ピストンエンジンの排気ガス温度は、５００℃〜７００℃以上の範囲に及ぶ可能性がある。ねずみ鋳鉄の排気プレナムチャンバの内面にコーティング層（たとえば、遮熱コーティング）を適用すると、ねずみ鋳鉄が受ける温度を少なくとも１００℃下げることができる。効果的に、バリアコーティングを施した排気プレナムチャンバのねずみ鋳鉄は、約１５ＫＳＩから約２３ＫＳＩの間の値で、より高い疲労限界強度を有することができる。

図６は、図４Ａおよび４Ｂの排気プレナムチャンバの内面上のコーティング６００の拡大断面図を示している。内面のベース金属６１０、たとえばねずみ鋳鉄は、間に界面６２５、その上にコーティング層６２０を有して示されている。コーティング層６２０は、１５０ミクロンと８３０ミクロンの間、たとえば３００ミクロンと６００ミクロンの間の厚さを有することができる。一部の実装形態では、排気プレナムチャンバの内面上のコーティング層は、約４００ミクロンと５００ミクロンの間の厚さを有することができる。

一般に、コーティング層の望ましい熱層特性には、低熱伝導率、熱疲労抵抗、熱衝撃抵抗、高温酸化および腐食抵抗、熱を排気に戻す能力、および排気プレナムチャンバの外側での熱遮断を低減する能力のいずれかを含むことができる。コーティング層は、低熱容量材料であり得る断熱材料を含むことができる。界面６２５で、ベース金属６１０は、コーティング層６２０の良好な接着を可能にする表面粗さを有することができる。したがって、ベース金属上のコーティング層６２０の接着力は、標準的な機械的試験を使用して試験した場合、３０００から５０００ＰＳＩ（ポンド毎平方インチ）の間の値を有することができる。

コーティング層の材料は、金属、セラミック、複合材（たとえば、サーメット）、ポリマー、高密度材料、およびポリマーまたはセラミックを含浸させた多孔質材料のいずれかを含むことができる。例示的なセラミック材料には、アルミナ、ジルコニア、フォステライト、ムライト、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が含まれ得る。さらに、コーティング材料に使用される金属には、シリコン、ニッケル、モリブデン、クロム、コバルト、イットリウム、アルミニウム、およびそれらの合金が含まれ得る。コーティングの材料準備方法には、噴霧堆積（たとえば、プラズマス噴霧）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）、スラリーコーティング（噴霧および浸漬コーティング）、電解プロセス、およびゾルゲルプロセスのいずれかが含まれ得る。

コーティング層の材料の多孔度は、１０〜１５体積％の間であり得る。コーティング層は、７．５〜１０．５×１０^−６ｃｍ／（ｃｍ・Ｋ）など、４〜１７×１０^−６ｃｍ／（ｃｍ・Ｋ）の熱膨張係数（α）を有することができる。別の測定可能な特性は、材料の熱伝導率である。コーティング層の熱伝導率の値は、約１〜８Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。一部の実装形態では、コーティング層は、下にあるベース金属が受ける温度を約１００℃から約３５０℃下げることができる。

上記のように、特にボイヤーの図１０−２に示されているグラフに関して、コーティング層（たとえば、遮熱層）は、エンジンの動作中に排気プレナムチャンバのベース金属が受ける温度を下げる場合があり、それによりベース金属（たとえば、ねずみ鋳鉄）の温度は約４５０または５００℃未満になる。ねずみ鋳鉄の場合、約５００℃以下の温度では、疲労限度は約６００℃の場合の２または３倍である。これは、排気プレナムチャンバのねずみ鋳鉄を約５００℃未満に維持することにより、チャンバの構造的完全性を、エンジンのシリンダを出る排気ガスの温度（たとえば、約６００℃以上）の場合より長時間維持できることを意味する。

同様に、エンジンの動作中に排気プレナムチャンバの周囲および中を通る冷却剤の流れは、ベース金属の温度を閾値点（たとえば、約５００℃）未満に維持し、チャンバの疲労強度と構造的堅牢性を維持するのに役立つ。冷却剤を運ぶための通路を備えた構造ポストと遮熱コーティングの両方を備えた排気プレナムチャンバ構成では、ベース金属（たとえば、ねずみ鋳鉄）の温度が、最適な疲労強度、ひいては排気プレナムチャンバの完全性の維持が可能になる温度以下に維持される可能性がさらに高くなる。遮熱コーティングを含めると、コーティングされていない排気プレナムチャンバと比較した場合、冷却剤とオイルへの熱遮断を少なくとも約１４％削減できる。遮熱コーティングを含めると、コーティングされていない排気プレナムチャンバと比較して、エンジン排気への熱を少なくとも約７％増加させることもできる。エンジン排気中の熱の増加は排気温度を少なくとも約９℃上昇させることができ、エンジン排気への熱の増加はブレーキ固有燃料消費（ＢＳＦＣ）を改善することができる。さらに、対向ピストンエンジンの排気プレナムチャンバに遮熱コーティング（たとえば、コーティング層）が存在すると、エンジンの冷却の必要性が減る可能性がある。冷却の必要性を減らすことで、冷却システムはより小さな冷却システムを使用できるようになり、それに応じてより小さな冷却ポンプを使用できるようになり、ポンプ負荷が軽減される。

図７は、対向ピストン、ユニフロー掃気、２ストロークエンジンの排気プレナムチャンバを作製するための例示的な方法７００を示している。最初に、方法は、７１０で、コーティング層のために対向ピストンエンジンの排気プレナムチャンバの内面を準備することを含む。内面の準備は、洗浄、エッチング、粗面化、平滑化、機械加工、化学的活性化、および結合層の適用のいずれかを含むことができる。次に、方法は、７２０で、排気プレナムチャンバの内面を遮熱コーティングでコーティングすることを含む。任意選択で、方法は、７３０で、対向ピストンエンジンが使用のために準備されるように、遮熱コーティングの適用後に排気プレナムチャンバを処理することも含む。排気プレナムチャンバの処理には、熱処理、表面仕上げなどが含まれ得る。

［例１］
遮熱コーティングを施した排気プレナムチャンバを備えた対向ピストンエンジンを、高負荷定格出力条件を含めて５３時間動作させた。テストされた排気プレナムチャンバには、高速ブローダウンイベントを受けるために配置された２つのポストが含まれ、その中を冷却剤が毎分１０ガロンで流れた。排気プレナムチャンバの後壁は、エンジンギアボックスおよびギアボックスオイルに隣接していた。排気プレナムチャンバの屋根と床は、エンジンブロックの残りの部分に通じていた。テストした排気プレナムチャンバでは、遮熱コーティングの厚さは１５０ミクロンから８３０ミクロンまで変化した。使用された遮熱コーティングは、１００〜３５０℃の特定の温度低下（つまり、排気プレナムチャンバ壁温度の低下）を有し、０．７〜２．４Ｗ／ｍ・Ｋの特定の熱伝導率を有していた。

この排気プレナムチャンバからの熱遮断を、コーティングされていない排気プレナムチャンバを含む同様のエンジンと比較し、結果を図８に示す。比較は、一致した定格電力条件で取得されたデータから行われた。コーティングされていない排気プレナムチャンバとコーティングされた排気プレナムチャンバのデータを比較することにより、コーティングされた排気プレナムチャンバの遮熱コーティングにより、冷却剤とエンジンオイルへの熱遮断が約１４％減少し、排気への熱注入が約７％増加することが計算された。また、排気温度が９．２℃上昇することも計算された。

図、特に図４Ａおよび４Ｂは、排気プレナムチャンバをインライン構成で３つのシリンダを囲み、カバーの助けを借りて密閉空間を作成するように示しているが、排気プレナムチャンバの他の構成は、本明細書に記載のコーティングおよびコーティング方法にも適合する。単一シリンダ、２シリンダ、または３シリンダを超えるエンジンは、上記のコーティングが施された排気プレナムチャンバを有することができる。排気プレナムチャンバは、大きなシングルカバーなしでシリンダブロック（またはエンジンブロック）に形成することができ、代わりにアクセスポート、複数の小さなカバー、または単にシリンダとエンジン導管の開口部があり、記載のコーティングおよび方法が適合する。

当業者は、本明細書に記載された特定の実施形態が単なる例示であり、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正が可能であり、実施できることを理解するであろう。

米国特許第１，５１７，６３４号明細書

Claims (19)

1. 対向ピストンエンジン（２００）であって、
   シリンダブロック（２０２、４００）と、
   前記シリンダブロック（２０２、４００）内に配置されたシリンダ（２５０）であって、該シリンダ（２５０）は、該シリンダの長手方向軸を中心とするボア（３３７）を画定する内面と、吸気ポート（３２５）および排気ポート（３２６）を有するシリンダ壁（３２０）とを含み、該吸気ポート（３２５）および該排気ポート（３２６）は、該シリンダ（２５０）の両端の近くの該シリンダ壁（３２０）に形成されており、該吸気ポート（３２５）および該排気ポート（３２６）は、それぞれ該シリンダ壁（３２０）を貫通して該ボア（３３７）に至るポート開口部の配列を含む、シリンダ（２５０）と、
   前記シリンダブロック（２０２、４００）内の排気プレナムチャンバ（２４５、４０５）であって、前記シリンダ（２５０）の前記排気ポート（３２６）は、該排気プレナムチャンバ（２４５、４０５）が前記シリンダ（２５０）からのすべての排気ガスを受け取るように配置されている、排気プレナムチャンバ（２４５、４０５）と、
   排気ガスから前記シリンダブロック（２０２、４００）への熱伝達を低減する、前記排気プレナムチャンバ（２４５、４０５）の内面上のコーティング（４２５、６２０）と、を備える、対向ピストンエンジン（２００）。
2. 前記排気プレナムチャンバ（４０５）は、前記エンジンブロック（２０２、４００）の少なくとも１つの支持ポスト（４１５）を備える、請求項１に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
3. 前記支持ポスト（４１５）は冷却剤通路（４２０）を備える、請求項２に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
4. 前記エンジンの動作中に液体冷却剤が前記冷却剤通路（４２０）を通って流れる、請求項３に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
5. 前記コーティング（４２５、６２０）は断熱材料を含む、請求項１に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
6. 前記断熱材料は低熱伝導率を有する、請求項５に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
7. 前記コーティング（４２５、６２０）は、ジルコニア、アルミナ、クロム含有組成物、コバルト含有組成物、ニッケル含有組成物、イットリウム含有組成物、およびそれらの任意の組み合わせのいずれかを含む、請求項５に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
8. 前記コーティング（４２５、６２０）は、前記排気プレナムチャンバ（４０５）の内面に噴霧堆積または浸漬コーティングされる、請求項５に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
9. 前記排気プレナムチャンバ（４０５）は、ねずみ鋳鉄を含むベース金属（６１０）を含む、請求項１に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
10. 前記シリンダブロック（２０２、４００）内に複数のシリンダ（２５０、３００）をさらに備え、該シリンダ（２５０、３００）はインラインアレイに配置されている、請求項１に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
11. 各シリンダ（２５０、３００）は、前記シリンダブロック（２０２、４００）のトンネル内に保持されたライナー（３２０）を備える、請求項１０に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
12. 前記シリンダ（２５０、３００）は、前記シリンダブロック（２０２、４００）内のトンネル内に保持されたライナー（３２０）を備える、請求項１に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
13. 前記排気プレナムチャンバ（２４５、４０５）は、少なくとも１つの排気出口（５０２、５１２）をさらに備え、該少なくとも１つの排気出口（５０２、５１２）は、
    タービン入口、
    ＥＧＲ入口、および
    後処理装置の１つ以上と流体連通している、請求項１、１０、または１２のいずれかに記載の対向ピストンエンジン（２００）。
14. 前記排気プレナムチャンバ（２４５、４０５）は、液体冷却剤供給源（４９５）に流体結合された冷却材通路（４２０）を備える少なくとも１つのエンジンブロック支持ポスト（４１５）を備える、請求項１、１０、または１２に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
15. 低熱伝導率の材料を含むコーティング層（６２０）を前記排気プレナムチャンバ（２４５、４０５）の内面に適用することを含む、対向ピストンエンジン（２００）用の排気プレナムチャンバ（２４５、４０５）の製造方法であって、前記排気プレナムチャンバは、少なくとも１つのポスト（４１５）を備える、方法。
16. 前記コーティング層（６２０）を適用するために、前記排気プレナムチャンバ（２４５，４０５）の内面のベース金属（６１０）を準備することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記コーティング層（６２０）の適用後に前記排気プレナムチャンバ（２４５、４０５）を処理することをさらに含む、請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記排気プレナムチャンバ（２４５、４０５）は、床（４１０）および天井（４０９）をさらに備え、前記少なくとも１つのポスト（４１５）は、前記床（４１０）から前記天井（４０９）まで延びる、請求項１５に記載の方法。
19. 前記少なくとも１つのポスト（４１５）は、前記少なくとも１つのポスト（４１５）の中心部を通る導管または通路（４２０）を含み、さらに、該導管または通路（４２０）は、冷却液供給源（４９５）に流体接続される、請求項１８に記載の方法。

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