JPH01155064A - 断熱エンジンの構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、断熱エンジンの構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、セラミック材を断熱材又は耐熱材として利用した
断熱エンジンは、例えば、特開昭５９−１２２７６５号
公報に開示されている。該断熱エンジンを第５図を参照
して概説すると、該断熱エンジン４０については、シリ
ンダライナ４２を存するセラミック製ライナヘッド４１
を鋳物から成るシリンダヘッド４３の内側に嵌合したも
のであり、このライナヘッド４１は、エンジンの１サイ
クル中最も高温・高圧ガスに晒され且つ最も熱の逃げが
多い部分であるシリンダヘッド内壁部５２とシリンダラ
イナ上部５１を一体に形成したものである。また、ピス
トンヘッド４４はシリコンナイトライドで製作され、そ
の中央部を凹ませ、下端外周には段部４６を形成してピ
ストンホディ４７との取付時の位置決め及び移動を防く
ようにし、中央四部４５にはピストンボディ結合用のボ
ルト挿通用の孔を設ける。ピストンボディ４７の上端外
周にはピストンヘット４４の下端外周を嵌入させる段部
４８を形成し、上面中央を上方へ突出させて、突出部４
９上面をピストンヘッド４４の下面に当接させ、ピスト
ンへソド４４とピストンボディ４７とをボルト５０で結
合したものであり、ピストンヘッド部を肉厚のモノリフ
イックタイプに形成したものである。

また、例えば、特開昭６１−１１９８９２号公報には、
金属構造体とセラミックス断熱壁との間の空部にセラミ
ソクスファイハ、ステンレスファイバ等の熱対流防止材
を充填した熱機関等の断熱構造が開示されている。該熱
機関等の断熱構造については、前記空部の内壁に耐熱性
金属から成る熱反射を備え、更に前記金属構造体と前記
セラミックス断熱壁とを結合するポル）・が前記空部を
貫通ずる部分に耐熱性金属板から成る袋体の内部に熱対
流防止材を充填してなる断熱ガスケットを介装したもの
であり、しかもピストンについては、上記のものと同様
に、ピストンヘッド部を肉厚のモノリフインクタイプに
形成したものである。

Ｃ発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上記のようなセラミ・ツク材を断熱材又
は耐熱材として利用するピストン等の断熱エンジン部材
において、断熱特性を十分に得ることは極めて困難なこ
とである。セラミ・ツク材が燃焼室側の高温に晒される
状態であり、そのため熱ショックを受け、セラミック材
の強度上の問題がある。また、断熱のため壁面のセラミ
ンク材の厚さを厚くすると、熱容量が大きくなり、吸入
工程時に吸入空気が燃焼室から多く受熱して高温になり
、吸入効率が低下して空気が吸入されなくなるという現
象が生じる反面、膨張工程では断熱性を向上させなけれ
ばならないという問題がある。そこで、前掲特開昭５９
−１２２７６５号公報、特開昭６１−１１９８９２号公
報に開示された断熱エンジンについて考察すると、セラ
ミック製のピストンヘソｌ’”部には凹部が形成され、
強度上その厚さも極めて厚く形成しなければならず、吸
入効率を向上させるため、熱容量を可及的に小さくする
ことと相反する構造となっている。それ故に、上記と同
様な問題点を有している。即ち、第４図では、エンジン
作動の時間の経過に伴うピストンヘッド部の温度状態を
表すグラフを示しているが、上記の断熱エンジンのよう
にモノリフインクに形成されたピストンヘッド部を用い
た場合には、第４図のグラフにおいて点線Ｍで示すよう
に、爆発工程及び排気工程での温度低下は小さく、高温
の状態が続いている。それ故に、吸入工程中の燃焼室内
の温度低下が十分でなく、新気が燃焼室内に吸入され難
くなり、吸入効率を低下させる原因になっている。

この発明の目的は、上記の問題点を解消することであり
、断熱エンジンの熱流速についてトップデッドセンタ（
ＴＤＣ即ち上死点）付近でガス温度及び圧力が高く、熱
伝達率が増大することに着眼し、高度の断熱性を得ると
共に燃焼ガスに晒されて高温になるピストンヘッドの表
面部の熱容量を可及的に小さく構成すると共に、ピスト
ンがトップデッドセンタ付近に位置する時はピストンヘ
ッド部の断熱部はシリンダヘッドライナの断熱部に囲ま
れて熱流出がないように構成し、またピストンが下方に
押し下げられると、ピストンヘッド部が下部に位置する
シリンダライナに接触して該ピストンヘッド部が放熱さ
れ、それによって吸入工程ではピストンヘッド部が下部
のシリンダライナとほとんど同一の温度にまで急速に低
下し、吸入効率の低下を防止し、ザイクル効率を向上さ
せることができる断熱エンジンの構造を提供することで
ある。

なお、ここでいうシリンダへソドライナは、燃焼室側に
断熱材を介して断熱ライナを配設した前記シリンダライ
ナ上部とシリンダヘッド下面を一体に形成したものを指
すものとする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の問題点を解消し、上記の目的を達成
するために、次のように構成されている。

即ち、この発明は、保持体の上面に断熱材を介して頂部
及び周囲部をセラミック材から成る薄肉部材を配設して
ピストンヘッド部を構成し、前記保持体を断熱ガスケッ
トを介してビス１−シスカー１〜部に取付け、更にシリ
ンダライナ上部と前記ピストンヘッド部とを非接触状態
に構成したことを特徴とする断熱エンジンの構造に関し
、更に具体的に詳述すると、燃焼室側に断熱材を介して
断熱ライナを配設した前記シリンダライナ上部とシリン
ダヘッド下面部を一体に形成し、また前記シリンダライ
ナ」二部が断熱力スヶソトを介してシリンダライナに取
付けられ、該シリンダライナの径を前記シリンダライナ
上部の径よりも小さく形成し、前記ピストンヘッド部を
前記シリンダライナに接触可能に構成したことを特徴と
する断熱エンジンの構造に関する。

〔作用〕

この発明による断熱エンジンの構造は、以上のように構
成されており、次のように作用する。即ち、この発明は
、保持体の上面に断熱材を介して頂部及び周囲部をセラ
ミック利がら成る薄肉部材を配設してピストンヘッド部
を構成し、前記保持体を断熱ガスケットを介してピスト
ンスカート部に取付け、更にシリンダライナ上部と前記
ピストンへ・７ド部とを非接触状態に構成し、また前記
ピストンヘッド部が下部のシリンダライナと接触可能に
構成したので、前記断熱材により高度の断熱性を得ると
共に、ピストンヘッド部のセラミック製薄肉部材により
高度の耐熱性を得て燃焼ガスに晒されて高温になるピス
トンヘッド部の表面部の熱容量を可及的に小さく構成し
、ピストンがトップデッドセンタ付近に位置する時には
ビストンヘンド部の断熱部はシリンダへソドライナの断
熱部に囲まれて熱流出がないように構成でき、またピス
トンが下方に押し下げられると、ピストンヘッド部が下
部のシリンダライナに接触して該ピストンヘッド部が迅
速に放熱され、それによって吸入工程ではピストンヘッ
ド部が下部のシリンダライナとほとんど同一の温度にま
で急速に低下することができる。詳しく説明すると、第
４図のグラフにおいて実線■］で示すように、爆発工程
における時間範囲りにおいて断熱状態を維持し、爆発工
程の終わり時期から排気工程の時間範囲Ｅにおいて放熱
を行うことが好ましいが、この構成によると、爆発工程
で断熱状態を維持し、爆発工程の終わり及び排気工程で
の温度低下が十分に大きく、吸入工程中の燃焼室内の温
度が好ましい程度にまで低下し、燃焼室内は吸入工程で
吸気を導入するのに理想的な温度状態になっている。即
ち、熱伝導に伴う伝熱量Ｑは、 α（ＴＩ　−Ｔ２　）ｓ／ａ　　に比例する。

（但し、α：熱伝導率、ＴＩ　−Ｔ２　：　２点間の温
度差、Ｓ：面積、ｄ：厚さ） また、熱伝達に伴う熱量Ｑｔは、 α、　　（Ｔ、　−Ｔｗ　）　Ｓ　　に比例する。

（但し、Ｓ；物体の表面積、Ｑｔ　：表面積Ｓを通じて
伝達される全熱量、α９　：熱伝達率、Ｔ、−Ｔ１．Ｉ
はガス温度ＴＧと壁温Ｔ。との差）である。従って、ピ
ストンヘッド部がシリンダライナ上部に位置している場
合には、ピストンヘット部の外周部はシリンダライナ」
二部に接触していないから、熱の流れは矢印Ａ（第２図
参照）のように流れ、ピストンヘッド部のセラミック製
の薄肉部材の伝導面積Ｓが小さく、厚さｄが極めて大き
いことになり、従って、熱伝導量即ち伝熱量Ｑは小さく
なり、熱の逃げる量は小さいものとなり、極めて断熱状
態が良い。また、ピストンヘッド部がシリンダライナ下
部であるシリンダライナに位置している場合には、ピス
トンの往復動に伴ってピストンヘッド部の外周部はシリ
ンダライナに接触するため、熱の流れは矢印Ｂ（第３図
参照）のように流れ、接触する表面積Ｓは大きくなり、
ガス温度ＴＧと壁温Ｔ１．ｌとの差が大きいので、従っ
て、熱伝達に伴う熱量Ｑｔが大きくなり、しかもピスト
ンヘット部は薄肉構造であり、その熱容量は小さく構成
されているので、シリンダライナを通じて放熱が極めて
良好に且つ迅速に行われることになる。それ故に、次の
吸入工程で新気が燃焼室内に吸入され易くなり、吸入効
率を低下するようなことがない。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による断熱エンジンの
構造の実施例を詳述する。

第１図において、この発明の一実施例である断熱エンジ
ンの構造が符号１０によって全体的に示されている。断
熱エンジン１０の構造は、主として、ピストンヘッド部
１と金属製ピストンスカート部２とから成るピストン２
０、鋳物から成るシリンダヘット（図示省略）の内側に
嵌合した窒化珪素等のセラミック類のシリンダへソドラ
イナ３０、及びシリンダライナ下部即ち下部に位置する
窒化珪素等のセラミック類のシリンダライナ２１から成
る。このシリンダヘッドライナ３０は、燃焼室１５側に
断熱材１６を介して断熱ライナ１７を配設したシリンダ
ライナ下部２３とシリンダヘッド下面部２２を一体に形
成したものである。シリンダへソトライナ３０には吸排
気バルブシート２５が形成されている。更に、シリンダ
ライナ上部２３は断熱ガスケット１２を介して下部のシ
リンダライナ２１に取付げられている。また、ピストン
２０におけるビス（・ンヘノド部１については、冊 保持体４の上面に断熱材３を介して頂部及び周囲部をセ
ラミック材から成る薄肉部材５．６を配設して構成した
ものである。即ち、燃焼室１５側の頂部に平らな形状即
ちフラットな面に形成したセラミック材から成る薄肉部
材５を配置すると共に、ピストンヘッド部１の周囲部に
セラミック材から成る薄肉部材６を配置する。このよう
に構成したピストンヘッド部１をピストンスカート定す
るには、保持体４とピストンスカートの間に断熱ガスケ
ソｌ−　８を介在させ、保持体４の取付ボス部７をピス
トンスカート部２の取付孔９に挿入して取付ボス部７に
ナツト１１を締付けることによって達成できる。このよ
うな構成において、この発明による断熱エンジン１０は
、特に、このシリンダライナ上部２３の径Ｄ１をシリン
ダライナ２１の径Ｄ２よりも大きく形成したものであり
、シリンダライナ」二部２３とシリンダライナ２１との
間には隙間りとなる段差が形成されている。この構成に
よって、ビス１−ンヘノド部１がシリンダライナ上部２
３に非接触状態になると共に、ピストンスカート部２が
シリンダライナ下部であるシリンダライナ２１に接触可
能になることができる。そして、シリンダへソドライナ
３０は、シリンダライナ上部２３とシリンダヘッド下面
部２２を結合した一体構成したものであり、燃焼の盛ん
な熱発生期間のみを熱遮断するための構造である。この
ような形状のシリンダへソドライナ３０とフラットな形
状のピストンヘッド部１のセラミック類の薄肉部材５に
よって形成される燃焼室１５は、断熱エンジンの燃焼室
としては最も適した構造に構成することができる。次に
、ピストン２０のビスＩ・ンヘノド部１の保持体４は、
中央に取付ホス部７を有しているが、セラミ・７り材と
熱膨張係数がほぼ等しく、強度が高（、ヤング率が比較
的に高い材料、例えば、サーメット、金属等の材料から
構成されている。この断熱ピストン２０の構造について
は、爆発による圧縮力を、チタン酸カリウム等の断熱＋
Ａ３によって均等に受ける必要があり、そのためにも保
持体４の燃焼室１５例の面及びセラミック類の薄肉部材
５ば平らな形状即ちフラットな形状に構成されている。

このピストンヘッド部１そのものには燃焼室が形成され
ておらず、ピストンヘッド部１の燃焼室側はフラットな
形状に構成されている。ピストンヘッド部１とピストン
スカート部２との間には、断熱ガスケット８及びピスト
ンスカート 段部１９に配置された断熱ガスケット１３を介在させ、
ピストンヘッド部１の取付ボス部７をピストンスカート
部２の中央取付孔９に嵌合し、ナツト１１で締め付ける
ことによって、ピストンヘッド部１をピストンスカート
部２に対して押圧状態に係止する。ピストンヘッド部１
の頂部の薄肉部材５は、窒化珪素、炭化珪素等のセラミ
ック材から成り、厚さ約１ｍｍ前後、或いは１ｍｍ以下
にＣＶＤ（化学蒸着）等によって製作されている。該頂
部の薄肉部材５、保持体４及び断熱ガスケソ＋−　８の
外周部には、同様な材料で形成されたセラミック類の薄
肉部材６が配置されており、該薄肉部材６も上記薄肉部
材５と同様に、ＣＶＤ等によって製作されている。ピス
トンヘッド部１の断熱材３については、例えば、チタン
酸カリウムウィスカー、ジルコニアファイバ、カーホン
ファイバ、アルミナファイバ等の材料から選択して構成
することができ、断熱機能を果たすと共に、爆発時に薄
肉部材５に作用する圧力を受は止める構造材としても機
能する。また、シリンダへソトライナ３０の断熱材１６
についても同様な材料から成り、断熱機能を果たす。ま
た、断熱ガスケソ）８．１２゜１３については、例えば
、チタン酸カリウムベーパ等を積層したもの、チタン酸
カリウムウィスカーに有機バインダを混合して一体成形
又は積層したもの、或いはチタン酸カリウムウィスカー
、アルミナファイバ及び有機バインダを混合して成形し
たもの等があり、この他、ジルコニアファイバ等のセラ
ミソクファイハ等を用いて製作することもできる。図中
、１４はピストンリング、１８はカバーを示す。

次に、第２図及び第３図を参照して、この発明による断
熱エンジン１０の作用、言い換えれば、ピストンヘッド
部１における熱流方向即ち放熱状態について説明する。

説明を分かり易くするため、断熱状態の部分についての
みハツチングを施し、熱流方向について矢印Ａ、Ｂが付
しである。

まず、第２図において、ピストン２０が上昇し、ピスト
ンヘッド部１がシリンダライナ上部２３に位置する場合
が示されている。ピストンヘッド部１の外周部の薄肉部
材６ばシリンダライナ上部２３の断熱ライナ１７にば接
触しておらず、隙間りが形成されている。この場合にば
、ピストン２０がトップデッドセンタ付近に位置し、圧
縮工程終了時にはガス温度及び圧力が高（なっている場
合である。しかも、燃焼室１５は、シリンダへソドライ
ナ３０の断熱材１６、ピストンヘッド部１の断熱材３及
び断熱ガスケット８、シリンダライナ上部２３とシリン
ダライナ２１との間の断熱ガスケット１２、並びにピス
トンヘッド部１とピストンスカーＩ・部２との間の断熱
ガスケット１３によって断熱状態に囲まれている。従っ
て、ピストンヘッド部１に与えられた熱エネルギーの熱
流方向については、矢印Ａで示すように、ピストンヘソ
ド部１の頂部の薄肉部材５及び外周部の薄肉部材６、並
びに保持体４及びその取付ボス部７を通じて放熱される
。従って、このような状態では、燃焼室１５ばほとんど
断熱状態にあり、断熱エンジンとしては理想的な状態を
維持することができる。

次に、第３図に示すように、ピストン２０が爆発工程を
経て下降した位置に来ると、ピストンへ・７Ｆ部１の外
周部の薄肉部材６ば、ビスＩ・ン２０の往復動に伴って
シリンダライナ２１に接触する状態になる。即ち、ピス
トン２０の上下運動によってピストンヘッド部１は左右
に振られ、ビス１−ンヘソド部１はシリンダライナ２１
に接触する。

ピストンヘッド部１の薄肉部材６がシリンダライナ２１
に接触することによって、ピストンヘッド部１に与えら
れた熱エネルギーの熱流方向については、矢印Ｂで示す
ように、ピストンヘッド部１の頂部の薄肉部材５及び外
周部の薄肉部材６、並びにシリンダライナ２１を通じて
急速に放熱される。従って、このような状態では、燃焼
室１５で得たピストンヘッド部１の熱は、シリンダライ
ナ２１を通じて直ちに放熱され、第４図の実線■］で示
すように、ビスＩ〜ンの爆発工程で急激に放熱され、ピ
ストン２０の吸入工程ではほとんどシリンダライナ２１
と同一の温度にまで低下し、次の吸入工程において吸入
効率を低下させる現象は生しない。従って、ピストンヘ
ッド部１の薄肉部材５゜６の熱容量は出来るだけ小さい
方が、シリンダライナ２１に与える熱放出量が小さくな
る。

この発明による断熱エンジン１０は、上記のように作用
するので、ピストンヘッド部１の温度については、断熱
、放熱を繰り返して理想的に変化し、燃焼室１５に面す
る壁面を可及的に薄肉に構成して熱容量を小さく構成す
ることができるので、断熱を最も必要とする時には確実
に且つ迅速に断熱機能を達成でき、また燃焼室１５の壁
面の温度を放熱して吸気の入り易い状態にする時には迅
速に且つ確実に放熱を行い吸入効率の低下を防止する。

従って、断熱エンジン１０の下流に設置されているエネ
ルギー回収装置、例えば、エンジンからの高温の排気ガ
スにより排気ターヒンを駆動し、その駆動によって排気
タービンで得られた出力により吸気コンブレソザを回転
してエンジンへの過給を行うと同時に発電機を回転させ
て発電するようなエネルギー回収装置によって、排気ガ
スが有する熱エネルギーを有効に回収することができる
。

〔発明の効果〕

この発明による断熱エンジンの構造は、以上のように構
成されているので、次のような特有の効果を奏する。即
ち、この発明は、保持体の上面に断熱材を介して頂部及
び周囲部をセラミック相から成る薄肉部材を配設してピ
ストンヘッド部を構成し、前記保持体を断熱ガスケット
を介してピストンスカート部に取付け、更にシリンダラ
イナ上部と前記ビス１〜ンヘソド部とを非接触状態に構
成し、また前記ピストンヘッド部が下部のシリンダライ
ナと接触可能に構成したので、前記断熱材により高度の
断熱性を得ると共に、ピストンヘッド部のセラミンク製
薄肉部材により高度の耐熱性を得て燃焼ガスに晒されて
高温になるピストンヘッド部の表面部の熱容量を可及的
に小さく構成し、ピストンがトップデッドセンタ付近に
位置する時にはピストンヘン１８部の断熱部はシリンダ
ヘッドライナの断熱部に囲まれて熱流出がないように構
成でき、またピストンが下方に押し下げられると、ピス
トンヘッド部が下部のシリンダライナに接触して該ピス
トンヘッド部が放熱され、それによって吸入工程ではピ
ストンヘッド部が下部のシリンダライナとほとんど同一
の温度まで急速に低下することができる。即ぢ、第４図
のグラフにおいて実線Ｈで示すように、爆発工程及び排
気工程での温度低下が大きく、吸入工程中の燃焼室内の
温度低下が十分となり、燃焼室内は吸入工程で吸気を導
入するのに理想的な温度状態になっている。それ故に、
吸入工程において新気が燃焼室内に吸入され易くなり、
吸入効率を向」ニさせることができる。しかるに、燃焼
ガスに晒されて高温になる前記シリンダヘットライナを
断熱構造に構成し、同様に燃焼ガスに晒されて高温にな
る前記ピストンヘッド部の表面部をフラットにして厚さ
の薄いセラミック製の薄肉部材で構成することができる
。

従って、前記薄肉部材の厚さを可及的に薄（形成でき、
その熱容量を可及的に小さく構成することができ、高度
の耐熱性を得ると共に前記断熱材によって高度の断熱性
を得ることができる。この場合に、前記ピストンヘッド
の前記セラミ・ツク製の前記頂部に吸入空気が接する量
が大きいとしても、前記ピストンヘッド部は熱容量が小
さくなるように構成されているので、吸入効率が低下す
るようなことがなく、吸入効率及びサイクル効率を向上
させることができる。即ち、前記ピストンヘッド部につ
いては、前記ピストンヘッド部のセラミ・ツク製の薄肉
部材の厚さを薄く構成する程、ガス温度への追従性がよ
くなり、前記燃焼室内の高温時と低温時との壁温振幅は
厚さが厚い場合に比較して大きくなり、結果的に燃焼ガ
スと燃焼室壁面のセラミック材との温度差が小さくなり
、熱伝達量が減少するため、吸入空気の受熱を減少させ
る。

しかも、耐熱性に冨んでいるため熱シヨ・ツタを受けて
も強度上の問題か生しることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による断熱エンジンの構造の一実施例
を示す断面図、第２図及び第３図は第１図の断熱エンジ
ンの構造の熱流状態を示す説明図、第４図はピストンヘ
ッド部の温度を経時的に示したグラフ、並びに第５図は
従来の断熱エンジンの一例を示す断面図である。 １−−−−−−−ピストンヘッド部、２−−−−−ピス
トンスカート部、３．１６−−−−−断熱材、４−−−
−保持体、５゜６−−−−−−薄肉部材、８，１２．１
３−一−−−−新熱ガスケソト、１０−−−〜−−−断
熱エンジン、１５−−−−一燃焼室、１７−−−−−−
−断熱ライナ、２０−−−−−＝ビスｌ−ン、２１−−
　シリンダライナ、２２−−−−−−−シリンダヘット
下面部、２３−−−−−シリンダライナ上部、３０−−
−シリンダへソドライナ、Ａ、Ｂ−−−−一熱の流れ方
向。 特許出願人　　いず−自動車株式会社 代理人　　　　弁理士　尾　仲　−宗 第４図 ９時間 第　　５　　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）保持体の上面に断熱材を介して頂部及び周囲部を
   セラミック材から成る薄肉部材を配設してピストンヘッ
   ド部を構成し、前記保持体を断熱ガスケットを介してピ
   ストンスカート部に取付け、更にシリンダライナ上部と
   前記ピストンヘッド部とを非接触状態に構成したことを
   特徴とする断熱エンジンの構造。
2. （２）燃焼室側に断熱材を介して断熱ライナを配設した
   前記シリンダライナ上部とシリンダヘッド下面を一体に
   形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の断熱エンジンの構造。
3. （３）前記シリンダライナ上部は断熱ガスケットを介し
   てシリンダライナに取付けられ、該シリンダライナの径
   を前記シリンダライナ上部の径よりも小さく形成し、前
   記ピストンヘッド部を前記シリンダライナ下部に接触可
   能に構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の断熱エンジンの構造。