JPH0131023B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミツク材よりなるシリンダライナ
ーと、このシリンダライナーの外周に配設され、
シリンダヘツドと一体的に設けたシリンダライナ
ーの上端部分との間に隙間を形成して熱応力の減
少を図るようにした断熱エンジンに関する。

熱機関における効率はその発生した熱量を出来
るだけ有効に利用することであり、そのために
種々に工夫が行なわれて来ているが、材料の耐熱
上の問題等の為に、そ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せることなく排出
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ボジツトを形成し、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
体潤滑が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く、排気ガス中の炭化
水素の減少も多くは期待出来ず、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。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べて
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、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、本発明はこのようなエン
ジンにおけるシリンダライナーの熱応力を減少さ
せるようにするのが目的である。

次に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明
する。

第１図は本発明の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
動される発電気、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図は断熱エンジンの断面図であり、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カツプ状のライ
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、１８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）で製作され、エンジンの１サイクル中
最も高温・高圧ガスにさらされる（最も熱の逃げ
が多い）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、断熱ガスケツト１７の
位置を高温・高圧のシリンダライナー上方部から
遠くなるような位置に設けたため、燃焼効率の改
良効果が大きくなると共に、断熱ガスケツトの耐
久性（熱劣化性）をも改善出来る。また、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へ圧入、焼
ばめ等により嵌合したので、シリンダヘツド３と
の間に空気層が形成され、熱の逃げが少なくな
り、更に熱効率の改良効果が期待出来る。

シリンダライナー４はPSZで製作され、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物と同程
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。
また、ライナーヘツド３をシリコンナイトライド
にするとPSZのシリンダライナーとのなじみは非
常に良好となる。

ピストンヘツド５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
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
鋳物で製作し、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はその燃焼室側に当る下面をシ
リコンナイトライド又はPSZで製作するが、排気
弁の方は弁全体をシリコンナイトライド又はPSZ
で製作してもよい。また排気側の弁案内１８も同
様にシリコンナイトライド又はPSZで製作する。

排気管８，９は排気ガスの高温のためステンレ
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にシリコン
ナイトライド又はPSZ溶射で覆うようにする。

位置決めリング１２，１３はコバール又は４２
アロイ［ニツケル42％含有鉄合金（Ni：42％、
Mn：0.4％、Ｃ：0.1％、他はFe）日刊工業新聞
編“工業材料便覧”618頁参照］で製作すること
が好ましいが、シリコンナイトライドあるいは
PSZ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
のまわりに冷却液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、まだかなりの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図はライナーヘツドの平面図であり、第
１、第２図と同一部材は同一符号で示す。

ライナーヘツド３のスラスト方向（矢印方向）
および該スラスト方向と直交する方向の最遠部に
は位置決めリング１３と接触する部分３３，３４
を形成し他の部分には隙間３０を形成する。この
場合、それぞれの接触面の大きさは、用いられる
材料、ライナーヘツド３の寸法およびエンジンの
出力等によつて適宜決定される。３１は吸気孔、
３２は排気孔である。なお、リング１２もリング
１３と同様に構成する。

第４図は熱伝導特性を示し、Ａはライナーと金
属（例えばシリンダブロツク鋳物）の間に空気層
がある場合であり、この場合、ライナーはライナ
ーヘツド３あるいはシリンダライナー４のいずれ
においても適用出来るものであり、金属は該ライ
ナーヘツド３あるいはシリンダライナー４に対応
する外側のシリンダヘツド１あるいはシリンダボ
デイ２を表わす。図において、T₀、T₁はライナ
ーの内壁および外壁の温度、T₂、T₃は空気のラ
イナー側および金属側温度、T₄、T₅は金属の内
壁および外壁の温度である。Ｂはライナーが直接
金属に接している場合であり、ライナーおよび金
属はＡの場合と同様のものである。図において、
T′₀、T′₁はライナーの内壁および外壁の温度であ
り、T′₄、T′₅は金属の内壁および外壁の温度であ
る。Ａはライナーと金属との間に空気層があるた
めに熱は伝わりにくく、ライナー内部の温度勾配
T₀−T₁はゆるやかになる。Ｂはライナーが金属
と直接接し、金属を通して熱は良く伝わるので、
温度勾配T′₀−T′₁は急（大））となる。

ライナー両側間で温度勾配が大きいと、ライナ
ーには熱応力が作用し、塑性変形に乏しいセラミ
ツク材よりなるライナーには好ましくない状態に
なる。それを上記のように形成することによつて
温度勾配をゆるやかにし、熱応力の減少が図れる
ことになる。

第５図は第２図のリング部１３を拡大して示し
該リング１３は外周に溝３５を形成し、シリンダ
ヘツド１との間の熱伝導を減少させる。この場合
該リング１３は圧入、メタライズ等によつてライ
ナーヘツド３へ固定される。材料には金属が用い
られるが、PSZでもよい。エンジン作動時にはシ
リンダヘツド１側が冷えているので、リング１３
には圧縮力が作用することになり、ライナーヘツ
ド３を保持する作用もある。

以上詳細に説明したように、本発明は、シリン
ダヘツドに設けたシリンダライナーの上方部分で
形成される凹部内に、カツプ状でセラミツク製の
ライナーヘツドを配設し、該ライナーヘツドの外
側側面であつて、ピストン運動のスラスト方向部
分とスラスト方向と直交する方向部分に設けた突
起状の部分とシリンダヘツド凹部内側面との間に
リングを介在せしめ、ライナーヘツド側面とシリ
ンダヘツド凹部内側面との間に断熱と応力逃げの
隙間を設けたので、セラミツクで形成された燃焼
室内で発生した熱がシリンダヘツド方向へ逃げ難
くなつて、セラミツクを用いた断熱エンジンの燃
焼効率が向上するほか、シリンダライナー部にお
ける温度勾配がゆるやかとなり、シリンダライナ
ー部における熱応力の減少を図ることが出来るこ
とになる。

【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図はライナーヘツドの平面
図、第４図は熱伝導特性説明図、第５図はリング
部の断面図である。 １……シリンダヘツド、２……シリンダブロツ
ク、３……ライナーヘツド、４……シリンダライ
ナー、１３……リング、３０……隙間、３３，３
４……接触部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シリンダヘツドに設けたシリンダライナーの
   上方部分で形成される凹部内に、カツプ状でセラ
   ミツク製のライナーヘツドを配設し、該ライナー
   ヘツドの外側側面であつて、ピストン運動のスラ
   スト方向部分とスラスト方向と直交する方向部分
   に設けた突起状の部分とシリンダヘツド凹部内側
   面との間にリングを介在せしめ、ライナーヘツド
   側面とシリンダヘツド凹部内側面との間に断熱と
   応力逃げの隙間を設けた断熱エンジン。