JPH0220412Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、シリンダライナーの上方部でシリン
ダヘツドと一体をなす燃焼室を備えた断熱エンジ
ンに関する。

（従来の技術） 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。

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。例えば、実開昭58−79020号公報には、
シリンダブロツクとシリンダヘツドとの間にセラ
ミツクス製のスペーサ部材が取付けられ、該スペ
ーサ部材により燃焼室の天井部が構成されている
内燃機関が開示されており、セラミツクス製のス
ペーサ部材には、耐熱性と断熱性に優れたセラミ
ツクス、例えばシリコンナイトライドや二酸化ジ
リコニウムセラミツクス等が使用され、排気ポー
ト等をなす開口のバルブシート面部の耐摩耗性の
向上を図つている。

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、鉄や鋳鉄な
ど従来の金属材料と比較したとき、その断熱特性
以外の性質を積極的に利用するものではなかつ
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、一般に内燃機関に燃焼において、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。

すなわち、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が少ないだけでなく、排気
ガス中の炭化水素の減少も多くは期待できず、か
つデボ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に限定して、ピスト
ンリングの実際的な摺動を確保するようにし、し
かも、燃焼室でピストンを動かすことに用いられ
てなお残留するエネルギーが、燃焼室から無駄に
逃散する割合を出来るだけ少なくし、排気ガスを
高温の状態で排出し、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が提案
されている。

この種の断熱エンジンは、ライナーヘツドがシ
リンダヘツド内壁部でシリンダライナーの上方部
と一体になつて燃焼室を構成するものであつて、
このライナーヘツドには、耐熱性および耐熱衝撃
性に優れた窒化けい素（シリコンナイトライド：
Si₃N₄）が用いられている。

（考案が解決しようとする課題） しかしながら、このシリコンナイトライドなど
のセラミツク材は、機械的衝撃に対してもろいた
め、排気弁が繰り返し当接する排気口のバルブシ
ート部の耐久性に問題があつた。

本考案は、このようなシリンダライナーの上方
部でシリンダヘツドと一体をなす燃焼室を備えた
断熱エンジンにおいて、その熱効率を改良するう
えで必要なライナーヘツドの排気口の強化をする
ことをその目的としている。

（課題を解決するための手段） 本考案によれば、ライナーヘツドがシリンダヘ
ツド内壁部でシリンダライナーの上方部と一体に
なつて燃焼室を構成する断熱エンジンにおいて、
シリコンナイトライドよりなり前記燃焼室内壁部
をなすライナーヘツドと、このライナーヘツドよ
り高強度であつて熱膨張係数の大きい部分安定化
ジルコニアよりなるバルブシートとを具備し、前
記ライナーヘツドの燃焼室側に形成された排気口
周囲の穿孔に前記バルブシートを強嵌合せしめた
ことを特徴とする断熱エンジンを提供できる。

（作用） 本考案では、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に限定して、ピスト
ンリングの実際的な摺動を確保するようにし、し
かも、燃焼室でピストンを動かすことに用いられ
てなお残留するエネルギーが、燃焼室から無駄に
逃散する割合を出来るだけ少なくし、排気ガスを
高温の状態で排出し、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
エネルギーを回収することができる。

（実施例） 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、本考案の断熱エンジンが適用される
システムを示している。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から排出さ
れる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。

図において、１はシリンダヘツド、２はシリン
ダボデイ、３はシリンダライナー４の上方部で燃
焼室内壁部を構成するライナーヘツド、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、２
０は冷却ノズル、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２
ｂ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は鋳物で作られ、シリンダラ
イナー４の上方部分１ａも一体に形成され、シリ
ンダヘツド１内壁部にシリンダライナーの上方部
と一体になつたライナーヘツド３が嵌合される。

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）で作成され、燃焼室内壁部をなしてお
り、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（部分安定化ジルコ
ニア：Partially Stabilized Zirconia）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。また排気弁の
弁案内１８も同様にナイトライド又は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
アロイで作成する。がナイトライドで作成しても
よい。

燃料噴射ノズル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図はライナーヘツド３の排気口（および吸
気口）にバルブシート３１を設けたものを示し、
図において第２図と同一部材には同一符号を用い
る。

本考案では、ライナーヘツド３の燃焼室側に形
成された排気口周囲の穿孔に、このライナーヘツ
ド３より高強度であつて熱膨張係数の大きい部分
安定化ジルコニア（PSZ）よりなるバルブシート
３１を強嵌合せしめている。これらライナーヘツ
ド３とバルブシート３１が強嵌合されることによ
りバルブシート３１には圧縮力が働き、ライナー
ヘツド３が燃焼時の高温により膨張しても、バル
ブシート３１がそれ以上に膨張するから、排気弁
７による機械的衝撃によつてもライナーヘツド３
からバルブシート３１が脱落しない。

このPSZとナイトライドとは馴みが良く安定し
た取付がなされる。また、PSZは機械的強度が高
いだけでなく、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と低いから、ライナーヘツド３を排気口側から
不均等に加熱することなく、したがつてライナー
ヘツドが熱的に破壊されるおそれもすくなくな
る。さらに、バルブシート３１は嵌合後排気弁の
円滑な作動が行なわれるようにシリンダヘツドの
バルブガイドと共に加工される。

３０はライナーヘツド３を締付るバンドであ
り、これは鋳物とセラミツクとの熱膨張係数が異
なるため、その結合が熱膨張でガタガタになるの
を防ぐために用いられるものであり、金属または
PSZで作成される。

以上の構成によりライナーヘツド３の排気口に
は弾性を有し、しかも熱伝達の悪いPSZよりなる
バルブシート３１を嵌合したので、排気弁による
機械的衝撃に対しても耐久性があり、高温の排気
ガスが流動しても十分にその熱に耐えることがで
き、その熱をライナーヘツドに伝達しにくいた
め、不均等な加熱によりライナーヘツドが熱的に
破壊されるおそれがなくなる。

（考案の効果） 以上詳細に説明したように、本考案は、ライナ
ーヘツドの排気口に部分安定化ジルコニア
（PSZ）よりなるバルブシートを嵌合したので、
ライナーヘツドの排気口の強化は十分におこなわ
れ、断熱エンジンの熱効率が効果的に改良される
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図はバルブシート及びバンド
を装着した状態を示す断面図である。 ３……ライナーヘツド、３１……バルブシー
ト。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. ライナーヘツドがシリンダヘツド内壁部でシリ
   ンダライナーの上方部と一体になつて燃焼室を構
   成する断熱エンジンにおいて、シリコンナイトラ
   イドよりなり前記燃焼室内壁部をなすライナーヘ
   ツドと、このライナーヘツドより高強度であつて
   熱膨係数の大きい部分安定化ジルコニアよりなる
   バルブシートとを具備し、前記ライナーヘツドの
   燃焼室側に形成された排気口周囲の穿孔に前記バ
   ルブシートを強嵌合せしめたことを特徴とする断
   熱エンジン。