JP2020531733A - 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マニホールド構造 - Google Patents
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マニホールド構造 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020531733A JP2020531733A JP2020509110A JP2020509110A JP2020531733A JP 2020531733 A JP2020531733 A JP 2020531733A JP 2020509110 A JP2020509110 A JP 2020509110A JP 2020509110 A JP2020509110 A JP 2020509110A JP 2020531733 A JP2020531733 A JP 2020531733A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- exhaust
- exhaust manifold
- engine
- cylinder
- manifold assembly
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
- F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
- F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
- F01N13/102—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds having thermal insulation
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
- F01N13/06—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00 specially adapted for star-arrangement of cylinders, e.g. exhaust manifolds
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
- F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
- F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
- F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
- F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
- F01N13/105—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds having the form of a chamber directly connected to the cylinder head, e.g. without having tubes connected between cylinder head and chamber
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
- F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
- F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
- F01N13/107—More than one exhaust manifold or exhaust collector
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
- F01N13/16—Selection of particular materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
- F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
- F02B25/08—Engines with oppositely-moving reciprocating working pistons
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
- F02B75/282—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders the pistons having equal strokes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
- F01N2510/00—Surface coverings
- F01N2510/02—Surface coverings for thermal insulation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
- Exhaust Silencers (AREA)
- Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
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マニホールドアセンブリは、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。排気マニホールドアセンブリは、マニホールドアセンブリの内面にコーティングを含むことができる。コーティングされた排気マニホールドアセンブリは、広範囲の動作温度で排気マニホールドアセンブリの構造的な堅牢性を確保できる。【選択図】図3
Description
[関連出願の相互参照]
本願は、2017年8月18日出願の「Exhaust Manifold 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マニホールド構造)」と題する米国仮特許出願第62/547,364号の優先権を主張する。
本願は、2017年8月18日出願の「Exhaust Manifold 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マニホールド構造)」と題する米国仮特許出願第62/547,364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(対向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。
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、排気マニホールド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、熱は排気マニホールドの構造と表面を伝導することで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(つまり、エンジンブロック)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マニホールド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排気マニホールドアセンブリ構造が提供される。排気マニホールドアセンブリ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。
以下の特徴は、排気マニホールドアセンブリおよび/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。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、排気マニホールド)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、排気マニホールドアセンブリは基材を含む金属表面を含むことができ、基材はねずみ鋳鉄および/またはアルミニウム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マニホールドアセンブリを作成する方法は、低熱伝導率の材料のコーティングを排気マニホールドアセンブリの内面に適用することを含む。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マニホールドアセンブリ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マニホールドアセンブリを処理することを含むことができる。
排気マニホールドアセンブリと排気マニホールドアセンブリの内面上に遮熱コーティングを有するエンジンブロックと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、排気マニホールド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では、ユニフロー掃気、2ストロークサイクル内燃エンジンが、少なくとも1つのポート付きシリンダ50を有する対向ピストンエンジン49によって具体化されている。たとえば、エンジンには、1つのポート付きシリンダ、2つのポート付きシリンダ、3つのポート付きシリンダ、または4つ以上のポート付きシリンダがあってよい。各ポート付きシリンダ50は、ボア52と、シリンダ壁のそれぞれの端部に形成または機械加工された長手方向に間隔を空けた排気ポート54および吸気ポート56とを有する。排気ポート54および吸気ポート56のそれぞれは、隣接する開口部が中実のブリッジによって離されている開口部の1つ以上の周方向配列を含む。一部の説明では、各開口部は「ポート」と呼ばれるが、そのような「ポート」の周方向配列の構造は、図1に示されるポート構造と変わらない。図示の例では、エンジン49はさらに2つのクランクシャフト71および72を含む。排気ピストン60および吸気ピストン62は、それらの端面61および63が互いに対向する状態で、ボア52内に摺動可能に配置されている。排気ピストン60はクランクシャフト71に結合され、吸気ピストンはクランクシャフト72に結合されている。
ピストン60および62がTCの近くにあるとき、ピストンの端面61および63の間のボア52内に燃焼チャンバが画定される。燃料は、シリンダ50の側壁を貫通する開口部に配置された少なくとも1つの燃料噴射ノズル100を介して燃焼チャンバに直接噴射される。燃料は、吸気ポート56からボアに入れられた給気と混合する。混合気が端面間で圧縮されると、燃焼を引き起こす温度に達する。
さらに図1を参照すると、エンジン49は、エンジン49に供給される給気およびエンジン49によって生成される排気ガスの運搬を管理する空気処理システム51を含む。代表的な空気処理システムの構造には、給気サブシステムと排気サブシステムが含まれる。空気処理システム51では、給気サブシステムは、新鮮な空気を受け取ってそれを給気に処理する給気源と、給気をエンジンの少なくとも1つの吸気ポートに運ぶ給気源に結合された給気チャネルと、エンジンの吸気ポートへの供給前に給気(または給気を含むガスの混合物)を受け取って冷却するように結合された給気チャネル内の少なくとも1つの空気冷却器とを含む。そのような冷却器は、空気から液体および/または空気から空気への装置、または別の冷却装置を含むことができる。排気サブシステムには、他の排気コンポーネントに送るためにエンジンの排気ポートから排気生成物を運ぶ排気チャネルが含まれる。
さらに図1を参照すると、空気処理システム51は、共通シャフト123上で回転するタービン121およびコンプレッサ122を備えたターボチャージャ120を含む。タービン121は排気サブシステムに結合され、コンプレッサ122は給気サブシステムに結合されている。ターボチャージャ120は、排気ポート54を出る排気ガスからエネルギーを抽出し、排気ポート54から直接、または排気ポート54から出力される排気ガスを収集する排気マニホールド125から排気チャネル124に流れ込む。これに関して、タービン121は、そこを通過する排気ガスによって回転する。これにより、コンプレッサ122が回転し、新鮮な空気を圧縮することにより、コンプレッサ122に給気を生成させる。給気サブシステムは、過給機110を含む。コンプレッサ122によって出力された給気は、給気チャネル126を通って冷却器127に流れ、そこから過給機110によって吸気ポートに圧送される。過給機110によって圧縮された給気は、冷却器129を介して吸気マニホールド130に出力することができる。吸気ポート56は、吸気マニホールド130を介して、過給機110によって圧送された給気を受け取る。好ましくは、多気筒対向ピストンエンジンでは、吸気マニホールド130は、すべてのシリンダ50の吸気ポート56と連通する吸気プレナムで構成される。
一部の態様において、図1に示される空気処理システムは、エンジンのポート付きシリンダを通して排気ガスを再循環させることにより、燃焼により生成されるNOx排出を低減するように構築することができる。再循環された排気ガスは、ピーク燃焼温度を下げるために給気と混合され、NOxの生成が低減される。このプロセスは、排気ガス再循環(「EGR」)と呼ばれる。示されているEGR構造は、掃気中にポート54から流れる排気ガスの一部を取得し、それらをシリンダ外部のEGRループを介して給気サブシステム内の新鮮な吸気の流入ストリームに運ぶ。好ましくは、EGRループはEGRチャネル131を含む。再循環排気ガスは、弁138(この弁は「EGR弁」と呼ばれることもある)の制御下でEGRチャネル131を通って流れる。
図2Aは、吸気マニホールド210、排気マニホールドアセンブリ220を備え、シリンダ用の3つの実質的に管状のシリンダライナー230を含む、エンジン200の部品を示しており、各ライナー230は、エンジン200のエンジンブロックのそれぞれのトンネルに保持されている。シリンダライナー230の各々は、吸気ポート235および排気ポート236(図2Bおよび2Cに示す)を有する。各吸気ポートおよび排気ポートは、シリンダボア237から空気処理システム(すなわち、それぞれ吸気または排気マニホールド、排気処理システム、排気ガス再循環システム)まで延びるポート開口部の配列を有する。
図2B〜2Eは、耐熱性材料(たとえば、遮熱コーティング)でコーティングすることができる、図2Aに示す対向ピストンエンジン200で使用するための排気マニホールドアセンブリ220の図を示している。図2Bは、排気ポート236および排気ポート開口部241を通して切断した3つのシリンダボア237を示す排気マニホールドアセンブリ220の断面平面図である。シリンダボア237を囲むエンジンブロック240の境界の輪郭が図2Bに示されている。排気マニホールドアセンブリ220は、各排気ポート236を囲むエンジンブロック240内の一対のランナー部分(例えば、ランナープレナム)243eと、エンジンブロック240内の各ランナー部分243eを排気パイプ245に接続する排気ランナー243とを含む。排気マニホールドアセンブリのランナー部分243eはエンジンブロック240に形成され、ランナー243および排気パイプ245はエンジンブロック240に取り付けられている。図2Bに示される排気マニホールドアセンブリ220は、アセンブリの各側に1つずつ、2つの排気パイプ245を有する。各排気パイプ245は、排気マニホールドアセンブリ220を排気処理システム、排気ガス再循環システム、または排気処理システムと排気ガス再循環システムの両方に連結する接続部分245aを有する。図2Bでは、図2C〜図2Eに示される立面図が取られる平面を示す線が示されている。図2B〜2Eでは、エンジンブロック240、排気ランナー243、および排気パイプ245の排気ランナー部分243eの内面に遮熱材料247のコーティングが示されている。
図2A〜2Eに示される構成は例示的なものであり、排気マニホールドアセンブリ220は、1つ、2つ、3つ、4つ、またはそれ以上のシリンダのエンジンで使用することができる。排気マニホールドアセンブリ220では、排気パイプ接続部分245aは、空気処理コンポーネント(たとえば、排気ガス処理システム、排気ガス再循環システム)を含むエンジンのパッケージングに対応するために、図2A〜2Eに示される向きおよび構成を有することができ、または排気パイプ接続部分245aは、任意の適切な方向に向けられるか、各排気パイプ245に沿った任意の点に位置することができる。
対向ピストンエンジンのエンジンブロックまたは交互に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、したがって排気マニホールドアセンブリ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。
排気マニホールド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、Atlas of Fatigue Curves1の図10−2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℃の範囲に及ぶ可能性がある。ねずみ鋳鉄の排気マニホールド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100℃〜350℃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マニホールドのねずみ鋳鉄は、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。
1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
1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
図3は、図2A〜2Eの排気マニホールドの内面上のコーティング300の拡大断面図を示している。排気マニホールドのベース金属310、たとえばねずみ鋳鉄は、間に界面325、その上にコーティング層320を有して示されている。コーティング層320は、150ミクロンと800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、排気マニホールド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、および排気マニホールド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325で、ベース金属310は、コーティング層320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320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。
上記のように、特にボイヤー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マニホールド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2。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、排気マニホールドのねずみ鋳鉄を約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。
2同上
2同上
同様に、エンジンの動作中に排気マニホールド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マニホールド構成では、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、ひいては排気マニホールド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。さらに、対向ピストンエンジンの排気マニホールド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いポンプを使用できるようになり、それによりポンプ負荷が軽減されるだけでなく、冷却システムのグリルやその他の部品も小さくなる。
図4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マニホールドを作製するための例示的な方法400を示している。最初に、方法は、410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マニホールド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、420で、排気マニホールド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、430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マニホールドを処理することも含む。排気マニホールドの処理には、熱処理、表面仕上げなどが含まれ得る。
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。
Claims (13)
- 対向ピストンエンジン(200)であって、
エンジンブロック(240)と、
前記エンジンブロック(240)内に配置されたシリンダ(50)であって、該シリンダは、該シリンダ(50)の長手方向軸を中心とするボア(237)を画定する内面と、吸気ポート(235)および排気ポート(236)を有するシリンダ壁とを含み、該吸気ポート(235)および該排気ポート(236)は、該シリンダ(50)の両端の近くの該シリンダ壁に形成されており、該吸気ポート(235)および該排気ポート(236)は、それぞれ該シリンダ壁を貫通して該ボア(237)に至るポート開口部(241)の配列を含む、シリンダ(50)と、
ランナー(243)と、排気パイプ(245)と、前記エンジンブロック(240)内のランナープレナム(243e)とを含む排気マニホールドアセンブリ(220)であって、該ランナープレナム(243e)は前記排気ポート開口部(241)を囲む、排気マニホールドアセンブリ(220)と、
排気ガスから前記エンジンブロック(240)への熱伝達を低減する前記排気マニホールドアセンブリ(220)の内面上のコーティング層(320)と、を備える、対向ピストンエンジン(200)。 - 前記コーティング層(320)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)。
- 前記断熱材料は、低熱伝導率を有する、請求項2に記載の対向ピストンエンジン(200)。
- 前記コーティング層(320)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2に記載の対向ピストンエンジン(200)。
- 前記コーティング層(320)は、前記排気マニホールドアセンブリ(220)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2に記載の対向ピストンエンジン(200)。
- 前記排気マニホールドアセンブリ(220)は、ねずみ鋳鉄を含むベース金属(310)を含む、請求項1に記載の対向ピストンエンジン(200)。
- 前記エンジンブロック内(240)に複数のシリンダ(50)をさらに備え、該シリンダ(50)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)。
- 各シリンダ(50)は、前記シリンダブロック(240)内のトンネル内に保持されたライナー(230)を備える、請求項7に記載の対向ピストンエンジン(200)。
- 前記シリンダ(50)は、前記シリンダブロック(240)内のトンネル内に保持されたライナー(230)を備える、請求項1に記載の対向ピストンエンジン(200)。
- 前記排気マニホールドアセンブリ(220)は、少なくとも1つの排気パイプ(245)をさらに備え、該少なくとも1つの排気パイプ(245)は、
タービン(121)入口、
EGR入口(131)、および
排気処理システムの1つ以上と流体連通している、請求項1、7、または9のいずれかに記載の対向ピストンエンジン(200)。 - 低熱伝導率の材料を含むコーティング層(320)を前記排気マニホールドの内面に適用することを含む、対向ピストンエンジン(200)用の排気マニホールドアセンブリ(220)の製造方法。
- 前記コーティング層(320)を適用するために前記排気マニホールドアセンブリ(220)の内面を準備することをさらに含む、請求項11記載の方法。
- 前記コーティング層(320)の適用後に前記排気マニホールドアセンブリ(220)を処理することをさらに含む、請求項11または12のいずれかに記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201762547364P | 2017-08-18 | 2017-08-18 | |
US62/547,364 | 2017-08-18 | ||
PCT/US2018/045324 WO2019036212A1 (en) | 2017-08-18 | 2018-08-06 | EXHAUST MANIFOLD CONSTRUCTIONS COMPRISING THERMAL BARRIER COATINGS FOR OPPOSED PISTON ENGINES |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020531733A true JP2020531733A (ja) | 2020-11-05 |
Family
ID=63371778
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020509110A Pending JP2020531733A (ja) | 2017-08-18 | 2018-08-06 | 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マニホールド構造 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11098634B2 (ja) |
EP (1) | EP3645844A1 (ja) |
JP (1) | JP2020531733A (ja) |
CN (1) | CN111051662A (ja) |
WO (1) | WO2019036212A1 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11319894B2 (en) * | 2020-05-29 | 2022-05-03 | GM Global Technology Operations LLC | Insulated exhaust port liner for a cylinder head assembly of a motor vehicle |
Family Cites Families (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1517634A (en) | 1920-09-08 | 1924-12-02 | Junkers Hugo | Exhaust manifold |
CA1200166A (en) | 1980-08-22 | 1986-02-04 | Jay D. Rynbrandt | Internal combustion engine having manifold and combustion surfaces coated with a foam |
JPS613914U (ja) | 1984-06-14 | 1986-01-11 | 日産ディーゼル工業株式会社 | 内燃機関の排気通路構造 |
US5239956A (en) | 1991-06-07 | 1993-08-31 | Detroit Diesel Corporation | Internal combustion engine cylinder heads and similar articles of manufacture and methods of manufacturing same |
JPH08189336A (ja) | 1995-01-04 | 1996-07-23 | Isuzu Ceramics Kenkyusho:Kk | ディーゼルパティキュレートフィルタを備えた遮熱エンジン |
US5718046A (en) * | 1995-12-11 | 1998-02-17 | General Motors Corporation | Method of making a ceramic coated exhaust manifold and method |
US6993839B2 (en) * | 2002-07-15 | 2006-02-07 | Omni Integrated Technologies, Inc. | Method for machining a stainless steel exhaust manifold for a multi-cylinder combustion engine |
US20120048227A1 (en) | 2008-11-20 | 2012-03-01 | Volvo Aero Corproation | Method for coating an exhaust port and apparatus for performing the method |
JP2015075061A (ja) * | 2013-10-10 | 2015-04-20 | イビデン株式会社 | 構造体及び表面被覆層形成用塗料 |
US20150300241A1 (en) * | 2014-02-04 | 2015-10-22 | Ronald A. Holland | Opposed Piston Engine |
US9581024B2 (en) | 2014-05-21 | 2017-02-28 | Achates Power, Inc. | Air handling constructions for opposed-piston engines |
US9551220B2 (en) | 2014-05-21 | 2017-01-24 | Achates Power, Inc. | Open intake and exhaust chamber constructions for an air handling system of an opposed-piston engine |
US10001057B2 (en) * | 2014-08-04 | 2018-06-19 | Achates Power, Inc. | Exhaust layout with accompanying firing sequence for two-stroke cycle, inline, opposed-piston engines |
WO2016077425A1 (en) * | 2014-11-11 | 2016-05-19 | Ecomotors, Inc. | Barrel for an internal combustion engine |
US9845764B2 (en) | 2015-03-31 | 2017-12-19 | Achates Power, Inc. | Cylinder liner for an opposed-piston engine |
US10519854B2 (en) | 2015-11-20 | 2019-12-31 | Tenneco Inc. | Thermally insulated engine components and method of making using a ceramic coating |
DE102016201166B3 (de) | 2016-01-27 | 2017-05-04 | Ford Global Technologies, Llc | Fremdgezündete flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit gekühltem Zylinderkopf |
-
2018
- 2018-08-06 WO PCT/US2018/045324 patent/WO2019036212A1/en unknown
- 2018-08-06 JP JP2020509110A patent/JP2020531733A/ja active Pending
- 2018-08-06 CN CN201880051592.6A patent/CN111051662A/zh active Pending
- 2018-08-06 EP EP18759791.9A patent/EP3645844A1/en not_active Withdrawn
-
2020
- 2020-02-05 US US16/783,067 patent/US11098634B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US11098634B2 (en) | 2021-08-24 |
EP3645844A1 (en) | 2020-05-06 |
US20200173334A1 (en) | 2020-06-04 |
WO2019036212A1 (en) | 2019-02-21 |
CN111051662A (zh) | 2020-04-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10087894B2 (en) | Cylinder head of an internal combustion engine | |
US20090020958A1 (en) | Methods and apparatus for operating an internal combustion engine | |
KR20120116474A (ko) | 직접 연통식 터보차저 | |
US10036344B2 (en) | Opposed piston two stroke engine liner construction | |
US9777619B2 (en) | Ship engine | |
RU2637160C2 (ru) | Двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением и способ работы двигателя внутреннего сгорания | |
EP2594763A3 (en) | Improved vehicles, craft and equipment | |
JP2016521330A (ja) | 対向ピストンエンジンのためのターボコンパウンドを有する空気処理構造 | |
US10724467B2 (en) | Pistons with thermal barrier coatings | |
US9951740B2 (en) | Internal combustion engine | |
Crabb et al. | New modular engine platform from Volvo | |
US11098634B2 (en) | Exhaust manifold constructions including thermal barrier coatings for opposed-piston engines | |
US20200182114A1 (en) | Exhaust plenum chamber constructions including thermal barrier coatings for opposed-piston engines | |
CN209875317U (zh) | 一种缸内涂覆涂层的发动机部件 | |
US10865667B2 (en) | Internal combustion engine | |
US10066590B2 (en) | Opposed piston three nozzle combustion chamber design | |
US20180156064A1 (en) | Turbocharger heat shield thermal barrier coatings | |
Tricoire et al. | Insulated piston heads for diesel engines | |
US20080271597A1 (en) | Methods and apparatus for operating an internal combustion engine | |
US11180996B2 (en) | Thermal barrier coated vehicle turbocharger turbine wheel | |
US10954884B2 (en) | Internal combustion engine with cylinder head, and method for producing a cylinder head of an internal combustion engine of said type | |
CN109404158B (zh) | 一种v型大功率中速柴油机 | |
JP6530042B2 (ja) | 大型ターボ過給機付き2行程圧縮点火内燃エンジンのシリンダ内に燃料を噴射するための燃料バルブ用のノズルおよびそのためのエンジン | |
EP3336342A1 (en) | Nozzle for fuel valve for injecting fuel into the cylinders of a large turbocharged two-stroke compression-ignited internal combustion engine | |
Noor et al. | Review on ceramic application in automotive turbocharged engines |