JPH0141870Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案はピストンの潤滑を保証すると共に、シ
リンダライナーにおける温度勾配をなだらかにす
る断熱エンジンの冷却装置に関する。

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
出させているのが現状である。有効に利用されず
に排出される熱エネルギーを利用するための冷却
装置が従来より開示されており、例えば、内燃機
関の冷却すべき部分を適当数に分けて形成された
被冷却部内の冷却水温度を検知し、該冷却水温度
に基づいて、冷却水の流量を制御する内燃機関の
冷却装置が実開昭57−178124号公報に記載されて
いる。また、吸気通路周辺部分の冷却温度を、エ
ンジン内の他の部分の冷却温度とは別に、より高
温で行なうため、エンジン全体は充分冷却される
と共に、吸気通路内での燃料の気化が促進され、
安定した燃焼を行なうための内燃機関の冷却装置
が特開昭51−7348号公報に記載されており、ラジ
エターの入水口と出水口とを、該入水口から該出
水口方向への流量が可変であるポンプでバイパス
すると共に、冷却水温度を検知し、該冷却水が高
温になるに従い上記ポンプによるバイパス流量を
減少させる水冷式エンジンの過冷却防止装置が特
公昭50−35974号公報に記載されている。該各引
例により開示されている装置はいずれも金属材料
により形成されたエンジンの冷却を目的としてお
り、金属材料は耐熱性が劣るため、エンジン全体
を冷却しなければならない。

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ともなる。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。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の潤滑の保証とシリダライナ
ーにおける温度勾配をなだらかにし、熱応力を緩
和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図は本考案の冷却装置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よりの高温
の排気ガスにより排気タービンＴを駆動し、該排
気タービンＴは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。

同図において、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）で作成され、シリンダヘツド内側とシ
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で作成され、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はシリコンナイトライドで作
成され、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
るいは鋳鉄等の金属で作成し、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はその下面をシリコンナイトラ
イド又はPSZで作成するが、排気弁の方は弁全体
をナイトライド又はPSZで作成してもよい。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で作成する。

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は耐熱合金で作成する
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シリコン
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（鉄、ニ
ツケル、コバルト合金）又は42アロイで作成する
がシリコンナイトライドで作成してもよい。

冷却ノズル２０はセラミツクより作成され、ノ
ズルのまわりに冷却水通路を有するように形成さ
れる。

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図は本考案に係る断熱エンジンの冷却装置
を示し、各冷却室２１（２１ａと２１ｂは連通し
ている）、２２（２２ａと２２ｂは連通している）
にはそれぞれ温度センサ２３ａ，２３ｂが設けら
れ、それぞれのギヤラリー温度を検出し、もし冷
却室２１の温度が高くなつた時、コントローラ３
１は、信号を出し、モータ３２を駆動して、モー
タ軸と同軸で回転されるオイルポンプ３６を連動
させると同時に、バルブ３３を第３図中のの場
所に設定して通路イを通して冷却室２１部の冷却
を行なう。切換バルブ３３はレバー３４を介し
て、レバー移動装置３５によつて位置変換する。
なおここで、コントローラ３１には、デイスクリ
ート回路を使用してもよいし、マイコンを使用し
てもよい。

なおここで、モータ３２、オイルポンプ３６、
切換バルブ３３、レバー３４、レバー移動装置３
５及びコントローラ３１を総称して冷媒制御手段
という。

冷却室２２部の温度が高くなると、温度センサ
２３ｂの検出信号によつて、コントローラ３１は
信号を出し、モータ３２を増速して送油量を増加
し、レバー移動装置３５は切換バルブ３３をの
場所に移動させてオイルポンプ３６の送油を通路
イ，ロから同時に実施する。この様に冷却室２
１，２２の油度によつて冷却状態を変換すること
によつて、シリンダ油度の最適化を図ることが出
来る。なお、シリンダギヤラリーハの２つの通路
は、オイルポンプ３６送油孔と連絡している。な
お、３７は油ポンプのギヤである。

冷却にはオイルを用いる。これを一室で冷却す
ると、セラミツクライナーの冷却室上方と該冷却
室との温度勾配が急となり、セラミツクライナー
にとつては応力が高くなり好ましくない。それを
二室にすることによつて、その温度勾配はなだら
かとなる。また、該冷却によつてピストンの潤滑
も支障なく行われるようにするものである。

なお、上記実施例においては、冷却室をシリン
ダブロツクの上下二段に形成したが、該冷却室は
シリンダブロツクの上下三段以上に亘つて形成し
てもよい。

さらに、冷媒駆動手段は、上記実施例のものに
限られず、冷媒を駆動する種々のポンプ手段及び
冷媒の流路を切換える種々の切替弁手段の組合せ
であればよいことはいうまでもない。

以上詳細に説明したように、本考案はシリンダ
ライナーの、ピストンリングが摺動する部分のみ
を、該摺動方向に複数設けた冷却室により段階的
に冷却するので、冷却水に奪われる熱エネルギー
が最少で済むため、エンジンの熱効率を低下させ
ることなく、ピストンリングの摺動部分を潤滑す
ることができる。また、シリンダライナーにおけ
る温度勾配が緩やかに連続するので、部分冷却す
ることにより発生する熱応力が緩和され、該熱応
力によつてシリンダライナーが破壊することを防
止する断熱エンジンの冷却装置を提供することが
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図は本考案に係る断熱エンジ
ンの冷却装置を示す図である。 ２……シリンダブロツク、４……シリンダライ
ナー、２１，２２……冷却室、２３ａ，２３ｂ…
…温度センサ、３１……コントローラ。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) シリンダライナーの、ピストンリングが摺動
   する部分に相当する外周面に周設され、該摺動
   方向に少なくとも２以上に分割された冷却室
   と、該冷却室の各々に配設された温度センサ
   と、該温度センサからの温度信号により、上記
   各冷却室内の冷媒流速を制御し、冷却室内温度
   を燃焼室側から順次低温にする冷媒制御手段と
   を有する断熱エンジンの冷却装置。 (2) 上記シリンダライナーがセラミツクスにより
   形成されていることを特徴とする実用新案登録
   請求の範囲第(1)項記載の断熱エンジンの冷却装
   置。 (3) 上記セラミツクスは部分安定化ジルコニアで
   あることを特徴とする実用新案登録請求の範囲
   第(2)項記載の断熱エンジンの冷却装置。