JPH0118817Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案はピストンヘツドとピストンボデイの二
部分より構成される断熱エンジンのピストンに関
する。

熱機関における熱効率はその発生した熱量を出
来るだけ有効に使うことであり、そのために種々
の工夫が行われて来ているが、材料の耐熱上の問
題等のために、その熱量のかなりの部分が冷却等
の手段によつて何ら有効に利用されることなく排
出されているのが現状である。

この材料の面で、高温に耐え、しかも断熱効果
に優れたものとしてセラミツクが注目され、その
利用分野を広げつつあり、エンジンにおいても、
その熱的負荷の高い部分に在来の材料に変えてセ
ラミツクを用いるようにしたものが開発されて来
ている。しかし、これらセラミツクを用いたもの
は単に材料を置換した程度のものにすぎず、材料
の有する断熱特性以外のものは何ら利用されるも
のではなかつた。したがつて、セラミツク材を用
いた断熱効果による多少の熱効率の向上が得られ
る程度であつた。

また、一般に内燃機関の燃焼において、壁面温
度の低い運転条件では燃焼室近傍における壁面の
冷却効果による消炎現象が生じ、未燃焼の混合気
が壁面上に滞留して、未燃焼炭化水素を多く含む
消炎層を形成し、それが機関の排気行程において
排出されることによつて、排気ガス中に多量の炭
化水素を含有させ、さらに、前記未燃焼炭化水素
の一部は熱分解や重合を起こして燃焼室壁面やピ
ストン頭頂面に付着しデポジツトを形成し、干渉
又は焼付を発生させることにもなる。従つて、従
来のセラミツク材に単に置換した程度のエンジン
においては、このような問題も大幅に改善するも
のではなかつた。

さらに、従来のセラミツクエンジンにおいては
ピストンリングがピストンのヘツド部に近いとこ
ろに設けられている。これは、現実には該位置に
あつたのではセラミツクエンジンのように高温に
なるものでは従来手段のしゆう動は行い得ず、固
体潤滑か何らかの手段で解決されるだろうとの前
提のもとにそのような位置に持つて来ていると思
われる。

このような従来の材料置換程度の断熱エンジン
では熱効率の改良効果も少なく、排気ガス中の炭
化水素の減少も多くは期待できず、かつデポジツ
トを発生し易く、しかも潤滑上の問題もからみ実
際には作動し得ないエンジンとなつている。

例えば、実開昭55−172633号公報には、シリン
ダライナの少なくとも内表面をセラミツクとする
一方、ピストン本体の外周部に、少なくとも外表
面をセラミツクとした合口を有する円筒状のピス
トンライナを弾性体を介して装着し、このピスト
ンライナを前記シリンダライナに押圧しつつ摺動
させるようにしたことを特徴とする往復動内燃機
関の発明が開示されているが、燃焼室まわりの十
分な断熱化による熱効率の向上も、摺動部の無潤
滑化の実現もまた十分には実現できていなかつ
た。

そこで、ピストンヘツド部、シリンダライナ
ー、シリンダヘツドの燃焼室面、および吸排気弁
に全てセラミツクを用いると共にその接続部を断
熱構造とし、ピストンリングを作動ガス温度の低
いピストンの最下部に設け、それに伴う冷却を該
リングが移動する範囲程度として、ピストンリン
グのしゆう動を実際に行いうるようにし、しか
も、燃焼室でのピストンを動かすことに用いられ
る以外のエネルギーの逃散を出来るだけ少なくし
て排気ガスを高温で排出し、該排気ガスで排気タ
ービンを回転させ、該排気タービンにおいて排気
ガスのエネルギーを回収し、電動機等を介してク
ランク軸にトルクを伝達することにより、大幅な
エンジンの熱効率の向上を図ろうとするエンジン
を提供しようとするものであり、本考案はこのよ
うなエンジンにおけるピストンを断熱材よりなり
上方部にピストンボデイの外径と同径のピストン
リングを装着したピストンヘツドとアルミニユー
ム合金又は鋳鉄等の金属よりなるピストンボデイ
とより構成し、高温でのピストン作動を円滑に行
なわせると共に、ピストン外周におけるシールを
良くするようにするのがその目的である。

次に本考案の実施例を図面を用いて詳細に説明
する。

第１図は本考案のピストンを有する断熱エンジ
ンが適用されるシステムを示し、図においてＥは
断熱エンジン、Exは断熱エンジンＥの排気マニ
ホールド、Inは吸気マニホールド、Ｔは断熱エン
ジンＥからの排気ガスによつて駆動される排気タ
ービン、Ｃは該排気タービンＴによつて駆動され
る吸気コンプレツサー、Ｇは同じく該排気タービ
ンＴによつて駆動される発電機、Ｓは該発電機の
回転速度を検出する速度検出計、Ｍは前記発電機
Ｇからの電力によつて駆動される電動機、Maは
該電動機の回転速度を検出する速度検出計、Co
は前記速度検出計ＳおよびMaからの信号により
電動機Ｍへの電力の供給を制御するコントローラ
である。

このような構成により、エンジンＥからの高温
の排気ガスにより排気タービンＴを駆動し、該駆
動により排気タービンＴで得られた出力により吸
気コンプレツサＣを回転してエンジンＥへの過給
を行なうと同時に発電機Ｇを回転させて発電し、
その電力をコントローラCoを介して電動機Ｍへ
供給し、該電動機Ｍを回転させ、その出力はギヤ
を介してエンジンＥのクランク軸へ付加されるこ
とになる。

第２図は第１図のシステムに用いられる断熱エ
ンジンであり、この場合のエンジンはデイーゼル
エンジンである。

図において、１はシリンダヘツド、２はシリン
ダブロツク、３はシリンダライナーの上方部とシ
リンダヘツド内壁部を一体化したライナーヘツ
ド、４はシリンダライナー、５はピストンヘツ
ド、６はピストンボデイ、７は排（吸）気弁、８
は２重ポートのインナー、９は２重ポートのアウ
ター、１０は排気マニホールド、１１はピストン
ヘツド５固定用のボルト、１２，１３は位置決め
リング、１５，１６，１７は断熱ガスケツト、１
８は弁案内、１９は弁案内スリーブ、２０は冷却
ノズル、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂは冷却
用オイル室、６１，６２はピストンリングであ
る。

シリンダヘツド１は鋳物で作り、シリンダライ
ナーの上方部分１ａも一体に形成し、その内側に
シリンダヘツド内壁部とシリンダライナー上方部
を一体に形成したライナーヘツド３を嵌合する。

シリンダボデイ２は鋳物で作りシリンダヘツド
１が垂下して一体的に形成されたシリンダ部分よ
り下側の部分を構成するものであり、ピストンの
下死点時におけるほぼ全高に亘る位置に冷却用オ
イル室２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂを形成し
内側にはシリンダライナー４を嵌合する。そして
シリンダライナー４およびライナーヘツド３の内
面は両者を組付けた後に同時加工を行う。冷却は
上下のオイル室の油温を検知して油の流れをコン
トロールすることによつてピストンリングの潤滑
が保証される程度にする。

ライナーヘツド３はシリコンナイトライド
（Si₃N₄）又はPSZ（Partially Stabilized
Zirconia）で製作し、シリンダヘツド内面とシリ
ンダライナー上方部を一体的に形成し、シリンダ
ヘツド１への取付は位置決めリング１２，１３お
よび上側に位置決めプレートを有するガスケツト
１６を介在して該シリンダヘツド１へ嵌合され
る。嵌合手段としては、圧入、焼ばめ等がある。

シリンダライナー４はPSZで製作し、シリンダ
ボデイ２へ組立式、鋳込式、焼ばめ、圧入等によ
つて取付られる。PSZは鋼と同じ位の弾性を有
し、磁気を帯びず、熱膨張係数が鉄や鋳鉄と同程
度であり、反面熱伝導率はシリコンナイトライド
の1/4と低く、摩耗にも強い特性を有している。

ピストンヘツド５はナイトライドで製作し、そ
の中央部を凹ませ、下端外周には段部を形成して
ピストンボデイ６との取付時の位置決めおよび移
動を防ぐようにし、前記中央凹部にはピストンボ
デイ６結合用のボルト１１挿通用の孔を設ける。

ピストンボデイ６はアルミニウム合金あるいは
鋳鉄等の金属で製作し、上端外周にはピストンヘ
ツド５下端外周を嵌入させる段部を形成し、上面
中央を上方へ突出させて、該突出部上面をピスト
ンヘツド５の下面に当接させ、該部にピストンヘ
ツド５と一致する孔を形成しボルト１１で両者を
結合する。

排（吸）気弁７はその下面をナイトライド又は
PSZで製作するが、排気弁の方は弁全体をナイト
ライド又はPSZで製作してもよい。また排気側の
弁案内１８も同様にナイトライド又はPSZで製作
する。

排気管８，９はステンレス鋼（SUS）の２重
配管とする。

断熱マニホールド１０は耐熱合金で製作するか
内面にセラミツクを被覆する。

ボルト１１は、燃焼室に面する部分はナイトラ
イド又はPSZで覆うようにする。

位置決めリング１２，１３はコバール又は42ア
ロイで製作するが、ナイトライドで製作してもよ
い。

冷却ノズル２０はセラミツクで製作し、ノズル
のまわりに冷却水通路を有するように形成する。

以上の構成により、エンジンで発生する熱はピ
ストンの作動以外にはシリンダより外部への逃げ
がなくなり、まだかなりエネルギーを有する高温
の排気ガスとして排出され、次工程において排気
タービンの動力として利用され、そのエネルギー
の回収が図られることになる。

第３図Ａ，Ｂは、第２図のピストンの拡大断面
図であり、図において、第２図と同一部材は同一
符号で示す。

第３図Ａにおいて、セラミツクよりなるピスト
ンヘツド５は、上部中央に凹部５３を有し、下部
外周にフランジ５１を一体的に形成し、該フラン
ジ５１の下端外周には全周に亘つて削成した段部
５２を形成し、さらにピストンボデイ６と熱膨張
係数の違いによりしゆう動するそのしゆう動面に
隣接する部分を大面取りか曲面接続とする。ま
た、ピストンヘツド５の外周は往復動時シリンダ
ライナー内壁面と接触しないようにピストンボデ
イ６より小径としているため、ガスシール性が不
十分となる。このため該シリンダライナーとのシ
ールを図るために、ピストンヘツド５の上端部に
PSZ等より製作されるピストンリング２６を装着
する。このピストンリング２６は摩滅防止のため
通常はシリンダライナーと接触しないで微小隙間
を保つて浮いている状態とする。そして大きな爆
発圧力が作用した時には、部分的にシリンダライ
ナーと接触する程度とするため、リング２６の剛
性を高くし最小限の接触が行なわれるようにして
いる。また温度が高くなつた場合でもピストンヘ
ツド５を熱膨張の少ないセラミツク材より製作し
たため、前記微小隙間が確保できる。そのため、
ピストンリング２６は摩滅することがなく、ま
た、シリンダライナーへの熱の逃げが少なくな
る。

第３図Ｂに示すように、たとえばアルミニウム
合金よりなるピストンボデイ６は前記削成段部５
２に嵌合する突出部６５を上部外周に形成し、該
突出部６５先端外周には前記フランジ５１との当
接面にかけて前記フランジ５１側と同様に大面取
りか曲面接続とする。またボデイ６の最も温度が
低い下端部外周には、ピストンリング６１とオイ
ルリング６２（ピストンリングでもよい）を備
え、そして、リング６１，６２の上下しゆう動範
囲とほぼ対応する位置にオイル室２１ａ，２１
ｂ，２２ａ，２２ｂを形成して、オイル潤滑を可
能としている。この場合、セラミツクの熱膨張係
数がアルミニウム合金のそれより小さいので、前
記嵌合部においては、セラミツクよりなるピスト
ンヘツド５を内側に、アルミニウム合金よりなる
ピストンボデイ６を外側にする。また、ピストン
ボデイ６の突出部６５の内側には全周に亘つて溝
６４を形成する。

２８は該溝６４に装填されるシール材であり、
カーボン繊維綿等で作成される。なお、２５は座
金つきナツト、５３はピストンヘツド上面の凹
部、６３はピストンピンポス部、６６はピストン
ボデイ６上面の上方突出部である。

ボルト１１は燃焼効率の向上を図るために燃料
噴射ノズルとの関係でピストンの中心より偏心し
た位置に配設され、また、頭部裏面には断熱およ
び締付上の弾性を付与するための溝２７が設けら
れる。

ピストンヘツド５、ピストンボデイ６、および
ボルト１１は材料が相違し、その熱膨張係数も相
違するので、この点を考慮してボルトにはいかな
る温度でも、テンシヨンが生じるように、また、
ピストンヘツド５とピストンボデイ６の熱膨張に
よるテンシヨンに降伏しない（たとえばニツケル
基またはコバルト基の耐熱合金）ような適当な材
料を選ぶ。さもないと、高温時ピストンヘツド５
とピストンボデイ６との間に隙間が生じガタ付く
ことになる。また前記凹部５３は燃焼室を形成す
る為ばかりでなく、ボルトで連結される部分の厚
さを薄くするものでもある。このようにすること
によつて材料が異なることによる熱膨張係数の相
違に基づく変化を少なくすることが出来る。

上述のピストン構造により、ピストンヘツド５
はシリンダライナーとの間に隙間を有することに
なるが、ピストンリング２６がシリンダライナー
と近接するので、そのシールは良好となる。また
ピストンヘツド５とピストンボデイ６との間には
中央部および周辺部を除き断熱空間が形成され、
両者間の熱伝達を防ぐことになるが、さらに、両
者の接触部における熱伝達を減少させるために、
該接触部に断熱材を介在させ、あるいはボルト１
１とピストンヘツド上面との間に断熱材で形成し
た座金を介在させるようにすることも、また、ボ
ルト１１の頭部前面にセラミツクコーテイングを
施すことも出来る。

以上本考案の断熱エンジンのピストンによれ
ば、金属性のピストンボデイに、それより小径の
断熱材からなるピストンヘツドを断熱的に接続
し、前記ヘツド外周に爆発時のみシリンダライナ
と接触する第１ピストンリングを設け、前記ピス
トンボデイの下端部外周には第２ピストンリング
を設けるようにしたので、断熱エンジンとしての
熱効率の向上を図ることができ、しかも、高温の
下でのピストン作動を円滑に行なうことができ、
かつピストン外周におけるシール効率も良好に保
持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はシステムの構成図、第２図は断熱エン
ジンの断面図、第３図Ａは第２図のピストンの拡
大断面図、第３図Ｂは第３図Ａの要部拡大断面図
である。 ５……ピストンヘツド、６……ピストンボデ
イ、１１……ボルト、２８……シール、５１……
フランジ、５２……段部、５３……凹部、２６，
６１，６２……ピストンリング、６３……ピスト
ンピンボス、６４……溝、６５……突出部。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 金属性のピストンボデイに、それより小径の断
   熱材からなるピストンヘツドを断熱的に接続し、
   前記ヘツド外周に爆発時のみシリンダライナと接
   触する第１ピストンリングを設け、前記ピストン
   ボデイの下端部外周には第２ピストンリングを設
   けたことを特徴とする断熱エンジンのピストン。