JP5528647B1

JP5528647B1 - ピストン型内燃機関

Info

Publication number: JP5528647B1
Application number: JP2014031357A
Authority: JP
Inventors: 信也 ▲高▼原
Original assignee: 信也 ▲高▼原
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: US9255544B2; US20150240742A1; JP2015155676A

Abstract

【課題】熱効率を向上させる。
【解決手段】シリンダー１１内をその長さ方向において２分割し、その下側一方の室をピストン往復動の機械的な駆動部２１とするとともに、上側他方の室を燃焼用ガスを吸引・圧縮、燃焼爆発及び排気する動力部２０とする。動力部に至る有蓋の円筒部１５をピストン１２の頂部に連続して設け、その円筒部はシリンダーの動力部内周面とは間隙１２ａを有している。動力部の内周面はシリンダーに嵌め込んだ遮熱筒１３により構成されて、その遮熱筒外周に断熱筒１４を設けている。ピストン１２は動力部２０に至らないため、冷却路８を小さくし得て、またその冷却作用が動力部に極力影響がないものとなるため、動力部は冷却されずに熱効率の高いものとなる。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、ピストン型の内燃機関(internal-combustion engine)の熱効率向上に関するものである。

ピストン型内燃機関（レシプロエンジン）は、例えば、図４Ａ〜図４Ｃに示す４サイクルにおいては、シリンダー（シリンダボア）１と、そのシリンダー１内に進退自在に収納したピストン２と、そのピストン２とクランクシャフト３とを連結するコネクティングロッド４と、吸排気用バルブ５、５と、点火プラグ６とを備えたものが一般的である。

この内燃機関は、ピストン２が最上部に位置した状態（図４Ａ）から中間位置（図４Ｂ）を経て最下部（図４Ｃ）まで下降することによって、まず、一方のバルブ５を介して燃料と空気の混合気をシリンダー１内に供給し（吸引し）、ピストン２がその最下部から中間位置（図４Ｂの鎖線）を経て最上部まで上昇することによって混合気を圧縮する。
つぎに、その混合気が圧縮された状態で、点火プラグ６によって圧縮混合気を燃焼爆発（膨張）させ、その爆発力（膨張力）によってピストン２が最下部まで下降する（図４Ａ→図４Ｂ→図１Ｃ参照）。

さらに、その最下部から上昇することによって他方のバルブ５を介し燃焼ガスをシリンダー１内から排気し（図４Ｃ→図４Ｂ鎖線→図４Ａ参照）、その後、前記吸気行程に移行する、吸気→圧縮→燃焼・膨張→排気という４つの工程を行い、そのピストン２の上下動によるコネクティングロッド５を介したクランクシャフト４の回転によって、各種の回転軸７を回転させる。自動車においては、その回転軸７が車輪を動かす駆動軸となる。

このように、内燃機関（エンジン）においては、ピストン２がシリンダー１内面に接触しながら燃焼用混合ガスを吸入、圧縮、燃焼・膨張、排気する各工程の往復運動を行い、この工程に伴って、高圧高温の燃焼ガスがシリンダー１内面を直接加熱する。このとき、ピストン２の外周面とシリンダー１の内周面との摩擦による両者の損傷を防止するため、ピストンリング９でもってシリンダー１内周面の摺動を担うとともに、通常、図４に示すように、シリンダー１に冷却路８を形成し、その冷却路８に水等を通すことによってシリンダー１の冷却を行い、その冷却によってピストン２の放熱（冷却）を行っている。

上記従来のピストン型内燃機関において、シリンダー１の冷却は、熱エネルギーを奪い取って燃焼・膨張時の温度上昇の妨げることであることから、燃焼・膨張時の多くの熱エネルギーの損失となり、熱効率の低下となる。即ち、動力を発生する高圧高温の燃焼ガスと接触して高温となるシリンダー内面と、潤滑のために低温を要するピストンが摺動するシリンダー内面の条件が矛盾するにも関わらず、シリンダーが同一共用である為にシリンダー１を冷却しなければならない構造が低熱効率の原因となっている。

本発明は、高圧高温のガスの中でもピストンが円滑に作動し、放熱部分の大部分を占めるシリンダーの冷却に要する熱損失を減少して熱効率を向上させること課題とする。

上記課題を達成するため、本発明は、シリンダーを燃焼室とピストン駆動部に分割したのである。
すなわち、本発明は、シリンダーの上部を従来構造より長くし、その上部に、吸入、圧縮、燃焼・膨張、排気の動力部を形成し、下部は従来と同構造のピストン往復動の機械的な駆動部として上下部を一体としたピストン形内燃機関の構造とし、ピストン上部にはシリンダーの動力部内面を往復動する耐圧、耐熱の円筒部を設けた構造としたのである。

このようにすると、ピストンを従来の燃焼室である動力部まで至らす必要がなくなり、そのピストンの駆動部のみを冷却すれば良いこととなる。このため、その冷却によって燃焼室（動力部）が冷却されることが極力少なくなるため、熱効率の高い燃焼を行うことができる。すなわち、燃焼効率の高い内燃機関となる。

本発明は、以上のように構成したので、従来のピストン形内燃機関の熱効率を高くして燃費節減の効果がある。このため、従来の内燃機関と同出力のものとすれば、効率向上によるＣＯ₂の減少、吸入・排気ガスの減少により吸入、排気弁（バルブ）のポンプ損失の減少、冷却動力の減少、冷却装置の減少等の利点がある。

本発明に係る内燃機関の一実施形態の断面図同実施形態の作用説明用断面図同作用説明用断面図同実施形態の一部分解斜視図他の実施形態の作用説明用断面図同作用説明用断面図同作用説明用断面図従来例の断面図同従来例の作用説明用断面図同作用説明用断面図

この発明の実施形態としては、ピストン及びシリンダーを従来構造の上部よりピストン行程分長くして燃焼室を形成して動力部とし、従来のシリンダーとピストンの駆動機構は燃焼ガスを直接受けず略常温でピストンを駆動する純機械的な駆動装置（駆動部）とし、その両者を一体化した構造を採用する。

このようにすれば、シリンダーを延長する結果、その分、機体が長くなるが、同時に効率上昇分だけ出力が増大するので、従来形と同出力にすれば、エンジン全体の容積は同様かそれ以下になる。又、多筒式の本数を減らす事も出来る。

具体的な構成としては、シリンダーと、そのシリンダー内に進退自在に収納したピストンと、そのピストンとクランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、吸排気用バルブとを備えた内燃機関において、前記シリンダー内をその長さ方向において２分割し、その一方の室をピストン往復動の機械的な駆動部とするとともに、他方の室を燃焼用ガスを吸引・圧縮、燃焼爆発及び排気する動力部とし、その動力部に至る有蓋の円筒部をその蓋部をシリンダー内の頂部側に向けてピストンの頂部に連続して設け、その円筒部はシリンダーの前記動力部内周面とは間隙を有している構成を採用する。

シリンダーの長さ及び動力部と駆動部の境界（分割）位置は、燃焼効率を考慮して実験等によって適宜に設定する。例えば、ピストン及びシリンダーを従来構造の上部よりピストン行程分長くして燃焼室を形成して動力部とする。このように、燃焼室をピストン行程分長くすれば、従来と同様の燃焼・膨張ストロークを得て同様の運動（動力）エネルギーを確保することができる。

上記燃焼室となる動力部の内周面をなすシリンダーの内面は高圧・高温になるため、その耐圧・耐熱の円筒（以下、「遮熱筒」と称する。）によって構成し、その遮熱筒の外周にはさらに断熱円筒（以下、「断熱筒」と称する。）を設けることが好ましい。この遮熱筒及び上記ピストン上部の円筒部は、冷却すると、熱効率の低下を招くため、上記冷却通路８のような冷却手段を設けることは好ましくない。このため、高熱に耐えるべく、その円筒部及び遮熱筒には、シリンダー又はピストンに比べて耐熱性の高い材料を適宜に使用する。遮熱筒の中心線は円滑な往復運動のため駆動部の中心線と一致するようにシリンダー（シリンダボア）に嵌合する。
シリンダー及びピストンには従来と同程度の耐熱性材料、又は低い耐熱性材料を採用することができる。

上記燃焼室に延長したピストン上部の円筒部の径は、シリンダーとの間に接触摺動しない程度の僅かの空隙を設けて接触抵抗なく運動するとともに円滑な吸引、圧縮、燃焼・膨張及び排気作用が行われるように設定する。その空隙への燃焼ガス漏洩は下部駆動部、すなわち従来のピストン部分で阻止する。このピストン上部の燃焼ガスとの接触面積は、前記空隙の大きさであるため、従来に比べて非常に小さいものとなり、ピストンの昇温も少なく、そのための冷却機能も小さいものとし得る。

なお、上記ピストン及びシリンダーの延長しない部分は従来通りの構造とし、従来と同様に、バルブ、その他、附属構造と合わせてシリンダー断熱のピストン型内燃機関とする。

本発明の一実施例を図１Ａ〜図１Ｃ、図２に示し、この実施例を、そのピストン１２が最下部に位置した状態の図１Ｃと従来例の同図４Ｃとで比較しながら説明すると、上記と同一符号は同一物であって、実施例のピストン１２の長さＬ₁は従来例のピストン２の長Ｌ_１’よりストローク長Ｌ_２（＝Ｓ）だけ長くし（Ｌ_１＝Ｌ_１’+Ｓ）、シリンダー１１もそれに応じて長さＬ₃（＝Ｓ）だけ長くしている。ピストン１２の長くした円筒部１５の直径はシリンダー内面１１ａに対し隙間１２ａを有するように設定する。その隙間１２ａの大きさ（幅）の設定は、ピストン１２上部の円筒部１５がシリンダー１１内面に摺動せずに、遮熱筒内面との摩擦によって損傷せず、かつ、燃焼（爆発）・膨張作用に支障が出ないように、実験などによって適宜に設定する。

シリンダー１１、ピストン１２は、従来から使用されているアルミニウム合金、ダグタイル鋳鉄（ＦＣＤ）等を使用し得るが、特にこれに限定するものではない。一方、円筒部１５は、燃焼室（動力部２０）に入り込むため、従来のピストン１２と同等又はそれ以上の耐圧・耐熱性を有する材料、例えば、Ｃｒ−Ｎｉ鋼等の耐熱鋼又は耐熱合金等を使用する。円筒部１５はピストン１２上部への嵌め込み固着でもって一体にしても良いが、図１Ｃの鎖線で示すように、ピン１６によるなどの種々の手段でもって一体とする。

シリンダー１１の従来に比べて延長された上部の内面には遮熱筒１３及び断熱筒１４を嵌め込み固定している。遮熱筒１３の長さＬ_４はピストン行程長Ｓ（＝Ｌ_３）でもよいが、若干長くするのが好ましい（Ｌ_４≧Ｌ_３）。遮熱筒１３の内面１３ａの内径はピストン１２が移動する下部シリンダー１１の内面１１ａの内径と同一とし、その外周面に断熱筒１４を設けてシリンダー１１の上部に組込んでいる。
遮熱筒１３は円筒部１５と同じ耐熱鋼又は耐熱合金等を使用し、断熱筒１４には窒化珪素等のセラミックやさらに耐熱低伝導率のアルミナナノ粒子からなるセラミックを使用する。

遮熱筒１３の中心線とシリンダー１１の内面１１ａの中心線を合わせるには図１Ｃ、図２に示すように、シリンダー１１への熱伝導による損失を少なくする為に接触面積の少ない突起部１３ｂでもって行っている。断熱筒１４は図２の如く二ツ割１４ａ，１４ａとして遮熱筒１３に組付ける。

この実施例は以上の構成であり、従来と同様に、図１Ａに示す、ピストン１２が最上部に位置した状態から、図１Ｂを経て図１Ｃに示す最下部まで下降することによって（図１Ａ→図１Ｂ→図１Ｃ）、まず、一方のバルブ５を介して燃料と空気の混合気をシリンダー１内に供給し（吸引し）、ピストン１２がその最下部から最上部まで上昇することによって混合気を圧縮する（図１Ｃ→図１Ｂ鎖線→図１Ａ）。

つぎに、その混合気が圧縮された状態で、点火プラグ６によってその圧縮混合気を燃焼爆発させ、その爆発力（膨張）によってピストン１２が最下部まで下降する（本願図１Ａ→図１Ｂ→図１Ｃ）。
さらに、その最下部から上昇することによって他方のバルブ５を介し燃焼ガスをシリンダー１内から排気し（図１Ｃ→図１Ｂ鎖線→図１Ａ）、その後、前記吸気行程に移行する、吸気→圧縮→燃焼→排気という４つの工程を行い、そのピストン１２の上下動によるコネクティングロッド４を介したクランクシャフト４の回転によって、回転軸７を回転させる。

この作用において、ピストン１２は、図１Ａ〜図１Ｃの何れにおいても、燃焼室である動力部２０に至らず、その動力部２０の下方で構成される従来の駆動部２１内に位置するとともに、円筒部１５内の空気層によって断熱されるため、その駆動部２１では、熱を直接受けない略常温下でピストン運動の機械的作用を行う。
このため、ピストン１２の冷却のために、冷却路８に多くの水等の冷却媒体を流す必要も無くなり、図示のように、冷却路８を小さいものとすることができる（図１Ａ等と図４Ａ等を対比）。また、その冷却作用が動力部２０に極力影響がないものとなる。この影響が無くなることは、動力部２０の温度低下を招かないことであり、熱効率の高い動力部２０となる。

他の実施形態を図３Ａ〜図３Ｃに示し、この実施形態は、内燃機関（エンジン）全体を可成り小さくしたものであって、ピストン１２上部の円筒部１５の長さを短くし、それに伴って遮熱通１３及び断熱筒１４も短くし、動力部２０を小さくした（筒長を短くした）ものである。
すなわち、ピストン１２の全長Ｌ_１１は従来形のピストン全長Ｌ_１’にストローク長Ｓより短い長さＬ_２２（＜Ｌ_２）を延長した長さとしている。シリンダー１１の上部の遮熱筒１３_２及び断熱筒１４_２の長さも同様に短くし、遮熱筒１３_２の長さＬ_３２はピストン１１の延長部の長さＬ_２２と同一としている（図３Ｃ参照）。
また、その有蓋円筒状延長部１５ａはピストン１２と一体物としているが、上記実施例のように別物とし得る。

この実施例も、上記実施例と同様に、図３Ａ→図３Ｂ→図３Ｃに示すように、ピストン１２が最上部に位置した状態から最下部まで下降することによって、燃料と空気の混合気をシリンダー１内に吸引し、図３Ｃ→図３Ｂ鎖線→図３Ａに示すように、ピストン１２がその最下部から最上部まで上昇することによって混合気を圧縮する。
つづいて、その混合気が圧縮された状態で、点火プラグ６によってその圧縮混合気を燃焼爆発させ、図３Ａ→図３Ｂ→図３Ｃに示すように、その圧縮混合気の点火プラグ６による燃焼爆発によってピストン１２が最下部まで下降し、さらに、図３Ｃ→図３Ｂ鎖線→図３Ａに示すように、その最下部から上昇することによって排気する工程を行い、そのピストン１２の上下動によるコネクティングロッド４を介したクランクシャフト３の回転によって、回転軸７を回転させる。

この作用において、同様に、有蓋円筒状延長部１５ａ以外のピストン１２は、図３Ａ〜図３Ｃの何れにおいても、燃焼室である動力部２０に至らず、その動力部２０の下方で構成される従来の駆動部２１内に位置し、その駆動部２１では、熱を直接受けない略常温下でピストン運動の機械的作用を行う。
このため、同様に、冷却路８を小さいものとなり、また、その冷却作用が動力部２０に極力影響がないものとなって、熱効率の高い動力部２０となる。

この実施例にあっては、遮熱筒１３_２を設けていないシリンダー１１の内面の長さＬ_５２の間はピストン１２がストロークＳ（＝Ｌ_３）の最下端に達するまでの間に燃焼室（動力部）２０内の燃焼ガスが接する事となり、ガスのエネルギーの一部がシリンダー１１に放熱されて熱損失が生じるが、この時は燃焼ガスが膨張し、圧力、温度が低下しているので、図４の従来例に比べて比較的に損失は少ない。
この実施例は、図１Ａ等に示した実施例に対しては、エンジンの全高が低くなり、形態が小さくなる利点がある。

なお、シリンダー１１の高温化による吸気不足は、適宜に過給機を付設してシリンダー１１内に空気を円滑に送り込むようにすることが好ましい。
本発明は、点火プラグ６を有しないディーゼルエンジンにも採用できることは勿論である。また、燃料噴射方式は、ポート噴射でも筒内噴射等の周知の方式を適宜に採用すればよいが、筒内噴射が好ましい。

１、１１シリンダー（シリンダボア）
２、１２ピストン
３クランクシャフト
４コネクティングロッド
５吸排気用バルブ
６点火プラグ
７回転軸（駆動軸）
８冷却路
９ピストンリング
１３、１３_２遮熱筒
１４、１４_２断熱筒
１５、１５ａ円筒部（延長部）
２０動力部（燃焼室）
２１駆動部
Ｌ₁ ピストン（円筒部１５を含む）の長さ
Ｌ₁’従来のピストンの長さ
Ｌ₂、Ｌ_２２円筒部１５、１５ａの長さ
Ｌ_４、Ｌ_３２遮熱筒１３、１３_２の長さ
Ｌ_１１短縮形のピストン（延長部１５ａを含む）の長さ
Ｓピストン１２の行程

Claims

シリンダー（１１）と、そのシリンダー（１１）内に進退自在に収納したピストン（１２）と、そのピストン（１２）とクランクシャフト（３）とを連結するコネクティングロッド（４）と、吸排気用バルブ（５、５）とを備えたピストン型内燃機関であって、
上記シリンダー（１１）内をその長さ方向において２分割し、その下側一方の室を上記ピストン往復動の機械的な駆動部（２１）とするとともに、上側他方の室を燃焼用ガスを吸引・圧縮、燃焼爆発及び排気する動力部（２０）とし、その動力部（２０）に至る有蓋の円筒部（１５、１５ａ）をその蓋部をシリンダー（１１）内の頂部側に向けて前記ピストン（１２）の頂部に連続して設け、その円筒部（１５、１５ａ）はシリンダー（１１）の前記動力部（２０）内周面とは間隙（１２ａ）を有していることを特徴とするピストン型内燃機関。
上記動力部（２０）の内周面は、シリンダー（１１）に嵌め込んだ遮熱筒（１３、１３_２）により構成されて、その遮熱筒（１３、１３_２）の外周には断熱筒（１４、１４_２）を設けたことを特徴とする請求項１に記載のピストン型内燃機関。