JPH03151545A - ピストン‐シリンダ組立体 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は内燃機関エンジンに係り、とりわけピストンお
よびシリンダの金属成分に関する。

（従来の技術） 従来、内燃機関エンジンの効率を上昇させる試みが行な
われてきた。代替および改良された構造が提案されてき
たけれども、スパーク点火およびディーゼル構造のもの
が、はとんどの陸上および海上エンジンとして用いられ
ている。

大量生産エンジンは、平均的効率が約３５〜４０％とな
っている。この多量の非効率性は、排熱となっている。

このため、エンジンの研究は、ブロック、冷却水、ラジ
エタ、および排気システムを通って大気へ排気される他
の損失熱動力に向けられている。

研究は低排熱エンジン（普通名称であるが、正式には断
熱エンジン）に向けられている。単純な理論−排熱をと
らえて更なる仕事に転換するーであるけれども、実際上
はむずかしい。

（発明が解決しようとする課題） 最大の課題はエンジン構成要素の材料の上限温度である
。例えば、鋳鉄、アルミニウム合金、およびステレス鋼
のような一般材料は、新しい構造に伴う高いエンジン温
度の厳しさに耐えられない。

セラミックおよび合成材料はこわれ易く、適当な形状に
することがむずかしい。

新規な合成過給エンジンは、１９８９年９月１２日付の
特許出願に提案されている。低排熱エンジンの実施例に
ついて、以下説明する。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は従来のエンジンを用いているが、低排熱エンジ
ン用の材料選択に関するものである。

調整された体積熱膨張係数の合金が互いに連結され、ピ
ストンおよびシリンダ壁に沿ってその断面を変化させて
いる。これら成分を断熱することによって、エンジンの
効率は基本的に上昇し、従来の冷却システムは不要とな
る。

（実施例） 本発明は低排熱エンジン（“ＬＨＲＥ’　Ｓ″）に関す
る。特に熱膨張特性が調整された断熱金属成分が用いら
れたエンジンに関する。

ＬＨＲＥ’　Ｓ用の金属の選定について重要なことは、
使用温度である。もし金属製エンジンが十分断熱されて
いた場合、高温成分の平均温度は、略その成分に接触す
る平均ガス温度に等しくなる。

例えば、前述のカナダ特許出願節 ６６１．０３８号に開示された過給のクロスオーバエン
ジンであって、十分に断熱されたサイクルは、約２１８
％の通気率であって、平均ガス温度は約４８５℃（９３
１丁）と計算されている。

平均ガス温度、すなわち断熱エンジンの平均ピストンク
ラウン温度または平均ヘッド温度は、通気率の関数とし
て図示される（第１図の実線参照）。

エンジンのターボ給気すなわち過給することによって平
均ガス温度が、全範囲にわたって約６３’Ｃ（１７１下
）だけ上昇する。第１図破線参照。

給気を中間冷却することによって温度上昇が低下する。

従って、平均ガス温度の大きな調整は、エンジン関数で
通気率である。

通常のエンジンにおいて、通気率は１５０％以下に落ち
るべきではない。これは排煙制限に接近するからであり
、またエンジンの効率が悪化するからである。

非制限的な目的をもって、２１８％の通気率の過給クロ
スオーバエンジンについて説明する。

平均温度、すなわちエンジンヘッドのピストンクラウン
は約４８５℃となる。いくつかの従来の超合金の強度を
温度の関数と−して第２図に示す。

特に、インコロニ（登録商標）合金９０９は、ニッケル
ー鉄−コバルトの高強度で低膨張係数の合金であり、一
定の弾性係数を有している。

この合金は、添加ニオブおよびチタンによる析出硬化熱
処理によって強化されている。これは、特にクリアラン
スおよび公差の精密な調整を行なう際、有用となってい
る。実例としては、ガスタービン翼、ケーシング、シャ
フトおよびシュラウド等が挙げられる。合金９０９はク
ロムを含有していないので、一般に腐食環境には用いら
れない。

合金９０９の公称組成は次のとおりである（重量％）。

ニッケル　　３８ コバルト　　１３ 鉄　　　　　　４２ ニオブ　　　　４．７ チタン　　　　１．５ シリコン　　　０．４ インコネル合金７１８は、耐久力のある超合金である。

これは高強度、耐腐食性の材料であって、約９８０℃（
１８００°Ｆ）まで所望特性を維持する。従って、ガス
タービンエンジン、ロケットモータ、原子炉、および押
出機によく用いられている。

合金７１８の公称組成は次のとおりである（重量％）。

ニッケル　　　　　５２，５ クロム　　　　　　１９ 鉄　　　　残余 ニオブ（＋タンタル）５，１ モリブデン　　　　　３ チタン　　　　　　　１ アルミニウム　　　　０．　６ コバルト　　　　　　　１，００ 第２図に示すように、この合金は７００℃以下で良好な
強度を示す。

合金７１８と９０９の熱膨張係数を第３図に示す。

本発明の好適実施例を第４図に示す。

ピストン−シリンダ組立体１０は、例えばジルコニア耐
火物のような断熱体１２によって覆われている。

合成ピストン１４は合成シリンダ３４内に配設されてい
る。シリンダ３４の半径は、例えば約３インチ（７６，
２ｍ＋＊）となっている。

ピストン１４は、形状が変化するスカート部１６と合金
合成体とからなっている。ピストン１４のクラウン１８
は、合金９０９の層２２上の合金７１８の層２０を有し
ている。例えばジルコニア耐火物の断熱ディスク２４は
、上部合金９０９の層２２と、合金９０９からなるピス
トン１４の本体２６との間に挾まれている。合金７１８
の層２０はスカート部１６に沿って下方に延びている。

スカート部１６は末端に向って（クラウン１８から離れ
る）、その形状が変化している。

複数のピストンリング溝２８がスカート部１６の回りに
設けられている。好ましくは合金７１８からなるビン３
０が、連結ロッド３２に通常の方法で連結されている。

この連結ロッド３２は適当なアルミニウム合金からなっ
ている。

シリンダ３４は合金７１８の管３８を囲む合金９０９の
切頭円すいジャケット３６からなっている。

ピストン１４およびシリンダ３４は、ともに合金７１８
の薄層２０または管３８に連結された種々の壁厚の合金
９０９（符号２２および３６）を用いている。

本発明の特徴は、２つの合金が当初互いに連結され、強
制的に特別の方向に伸び、この場合、リングおよび２つ
の合金が温度の関数として同様の強度および率を有する
ので、熱膨張係数（“ＣＴＥ“）は、測定点における合
金７１８および９０９の平均体積量となることである。

２つの合金を並列に配置することによって、シリンダ３
４の壁面が形成されるが、この壁面は上部において低熱
膨張係数となっているが、下部において高熱膨張係数を
有している。

この構造による根拠となるものは、エンジン内に配設さ
れ十分に断熱された場合、大気温度および高温作動温度
において、真直なボアを維持することができるシリンダ
壁を得ることである。

ピストン１４も同様に、低熱膨張係数の上部と高熱膨張
係数の下部とを有している。クラウン１８は断熱体２４
が連設された合金７１８の薄層２０を有する合金９０９
となっている。クラウン１８は上部ピストンリングの直
径より数７１０００インチだけ小さくなっている。上部
リングからスカート１６の底部のピストン１４の下方部
分は、合金９０９および合金７１８により勾配が付けら
れている（第４図参照）。

下表は、合金９０９／７１８が変化するピストン−シリ
ンダシステム１０における種々の地点と温度の関係、各
々の熱膨張係数および測定された膨張長さを示している
。

文字Ａ−Ｇは第４図に示す地点と同一である。

地点ＡおよびＢは上部ピストンリング逆転点より上方に
おり、またシリンダ３４の壁面はこれらの地点より上方
に正確にある必要はない。

基本的には、シリンダ３４の直径が一定でなければなら
ないのは、ピストンリングがシリンダ壁面と摺動する場
所である。

Ａ　　　４８５　　９２／８ Ｂ　　　４００　　９２／８ Ｃ３５０８３／１７ Ｄ　　　２９０　　５０１５０ Ｅ　　　２９０　　５０１５０ Ｆ　　　２５０　　１７／８３ Ｇ　　　２５０　　１７７８３ ８．５　　　　９．８ ８．５　　　　９．６ ９８．８ １１　　　　　　８．８ １１　　　　　８．８ １３　　　　　８．８ １３　　　　　８．８ （０，２４） （０，２４） （０，２２） （０，２２） （０，２２） （０，２２） （０，２２） 本発明は、このように高温度すなわち低熱排気エンジン
に伴う主要な構造問題を解決している。

すなわち、単一材料からピストンヘッドあるいはシリン
ダ壁面を設計し、シリンダ壁面が４８５℃〜２５０℃ま
で変化した場合、リングではシールできないピストンと
シリンダの間の大きなりリアランスを生じないようにす
ることは不可能である。

水冷却エンジンにおいて、このような問題は生じない。

鋳鉄シリンダ壁の表面温度は、冷却水によって、上部お
よび底部とも１４０℃に維持されている。鋳鉄ピストン
の温度は、上部リングにおいて２１５℃となる。このた
め、冷間（２５℃）のクリアランスは、上部リングにお
いて０．００３インチ（０，０８ｍｍ）となっており、
高温クリアランスはこの時６インチ（１５２ｍ＋＊）直
径ピストン用となる。

０．００３−　（２１５−２５）Ｘ１２Ｘ１０’Ｘ３’
＋（１４０−２５）Ｘ１２Ｘ１０−６ｘ３’　　Ｏｒｏ
、００３−０．００６８＋０．００４１−０．０００３
４インチ（０，００８６ｍｍ）しかしながら、もし同様
のエンジンが単一材料、例えば合金９０９から冷却しな
いよう設計された場合、温度は表に示すように上昇する
であろう。

従って、上部リングにおけるピストンは、上部間隙が底
部における間隙０の場合よりも ０．００３４インチ（０，０８６ｍｍ）だけ大きくなる
よう加工されなけばならない。すなわち、リングはスト
ロークの上部における下部よりも０．００２５インチ（
０，０６３５ｍｍ）だけの大きい膨張を吸収しなければ
ならない。このことはむずかしい仕事である。なぜなら
、エンジンは璧つ 耗した場合に再加工しなければならないからである。

本発明によれば、あらゆる実用的な値 （０，０００５〜０．００１インチ（０，０１３〜０．
０２５ｍｍ））に所望クリアランスを調整することがで
きる。また、同一クリアランスは高温状態から低温状態
まで、またストロークの上部からストロークの下部まで
維持することができる。

更に、膨張率およびクリアランスは調整可能なので、リ
ングのないピストンをシリンダに挿入することもできる
。

各位置において、例えば地点Ｃにおいて、シリンダ３４
の壁厚は変化し、体積で９２％の合金９０９と８％（体
積）の合金７１８からなる。この組成においてＣＴＥが
９．　０ｐｐｍ　／”Ｃであることが示されている。下
方へ降下するにつれて、例えば地点Ｆにおいて、体積％
は１７％合金合金９と８３％合金合金８に変化する。こ
の組成においては、合金７１８の増加量ゆえに高いＣＴ
Ｅとなる。２またはそれ以上の他の組成を用いても、同
様の利益を得る。

シリンダジャケット１３６の厚さは、底部よりも上部に
おいて大きくなっていることは良いことである。このこ
とは、シリンダ３４の最上部に最高圧があるので、好ま
しい。

２つの合金の組成は、基本的にはピストンおよびシリン
ダの予想体積膨張の関数となる。エンジンは合金７１８
の厚さを当初定めることによって断熱されることが好ま
しいので、合金９０９の成分は、ピストン−シリンダ組
立体１０の平均膨張係数を略一定に維持するため変化さ
せることが良い。このようにした場合、熱膨張は所望範
囲内に維持される。

ピストン１４およびシリンダ３４の製造は職工の能力範
囲内のことである。生産物は、合金７１８および合金９
０９の共押出、合金７１８の周囲への合金９０９のチル
鋳込、あるいはシュリンク取付、合金同志の拡散結合に
よって行なわれる。

実例として上述の２１８％通気率のものを用いた。この
状態において、上部リング逆転点において、シリンダ壁
は３５０℃（地点Ｃ）であり、高温液体潤滑の最高温３
７５℃より低い。このため潤滑システムにおいて変更す
る必要はない。もし低通気率が同一エンジンにおいて所
望であれば（高い乍均ガス温度が得られる）、この場合
は上部リング逆転温度は、ピストンの内側において潤滑
油を冷却することによって３５０℃に保持することがで
きる。この場合は、エンジンの効率が少し低下するが、
エンジンの特殊出力が得られる。

ピストンは延長でき、またリングはピストンにおいて降
下させることができる。このためリングは冷却された下
方壁面と接触する。このことは深いエンジンの生産にお
いて損失となる。

構造の他の実施例は、合金９０９のような調整された膨
張合金の使用によって、空気プラズマスプレィによる部
分的に安定したジルコニウムコートがピストンのクラウ
ンまたはエンジンヘッドに塗布される。合金９０９のＣ
ＴＥおよび部分的に安定したジルコニウムのＣＴＥは、
米国特許第４．９００，６４０号に示すように長期間路
間−である。

上述のように、本発明のエンジンは冷却の必要がない。

エンジンに用いられる超合金は、鋳鉄、鋳込アルミ等よ
りも高価である。しかしながら、従来のようなエンジン
ブロックは不要なので、減量することができる。従来の
エンジンブロック水冷却を行なう必要がないので、関連
するラジエタ、ファン、ポンプ水管、ホース等を取除く
ことができる。代わりに、断熱シリンダ、バルブ、クラ
ンクシャフト、燃料供給システム等を保持する開放フレ
ームｔＭ造が、かさの大きな固いエンジンブロックの代
わりに必要となる。

超合金成分の重量は、その高強度特性を利用することに
より低減することができる。すなわちこの引張強度は最
高１８０，０００ポンド／ＩＮ２（１２４１ＭＰａ）と
なり、鋳込アルミニウムまたは鋳鉄の３０，０００〜４
０，０００ポンド／ＩＮ２　（２０７〜２７６ＭＰａ）
に比較して大きくなっている。

本発明は、ここでは特別の実帷例について説明したけれ
ども、当業者であれば、特許請求の範囲から外れない範
囲で改良および改善を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は平均ガス温度と通気％の関係を示す図表であり
、 第２図は複数の合金の引張張力の曲線であり、第３図は
２つの合金の熱膨張係数であり、第４図は本発明の実施
例の一部断面図である。 １０・・・ピストン−シリンダ組立体、１４・・・ピス
トン、１６・・・スカート部、１８−・・クラウン、２
０・・・合金７１８層、２２・・・９０９層、２４・・
・断熱ディスク、２６・・・本体、３４・・・シリンダ
、３６・・・ジャケット、３８・・・管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリンダとこのシリンダ内に配設されたピストンと
   を備え、前記シリンダは少なくとも２つの異なる熱膨張
   係数を有する合金からなる合成壁面を有し、前記合金の
   体積変化率は、大気温度から作動温度までボアを略真直
   に維持するものであることを特徴とするピストン−シリ
   ンダ組立体。 ２、ピストンは少なくとも２つの異なる熱膨張係数を有
   する合金からなる合成体を有し、前記合金の体積変化率
   は、大気温度から作動温度までピストン側面を略真直に
   維持するものであることを特徴とする請求項１記載のピ
   ストン−シリンダ組立体。 ３、合成体のシリンダ壁面とピストンは、略低熱膨張係
   数の合金をもつものから略高熱膨張係数の合金をもつも
   のへ減少していくことを特徴とする請求項２記載のピス
   トン−シリンダ組立体。 ４、ピストンのクラウンに断熱体が配設されていること
   を特徴とする請求項１記載のピストン−シリンダ組立体
   。 ５、低熱膨張係数の合金は合金９０９であることを特徴
   する請求項１記載のピストン−シリンダ組立体。 ６、高熱膨張係数の合金は合金７１８であることを特徴
   とする請求項１記載のピストン−シリンダ組立体。 ７、エンジンは低排熱エンジンであることを特徴とする
   請求項１記載のピストン−シリンダ組立体。 ８、シリンダのヘッドは部分的に安定したジルコニウム
   によってコーティングされていることを特徴とする請求
   項１記載のピストン−シリンダ組立体。 ９、エンジンは合金体からなり、過給されることを特徴
   とする請求項１記載のピストン−シリンダ組立体。 １０、ピストンのクラウンは部分的に安定したジルコニ
   ウムによってコーティングされていることを特徴とする
   請求項１記載のピストン−シリンダ組立体。 １１、ピストンは少なくとも１つのピストンリングを有
   し、シリンダボアはピストンリング逆転点を以下におい
   て略一定であることを特徴とする請求項１記載のピスト
   ン−シリンダ組立体。 １２、シリンダ内にリングレスピストンが配設されてい
   ることを特徴とする請求項１記載のピストン−シリンダ
   組立体。 １３、合金は互いに連結されていることを特徴とする請
   求項１記載のピストン−シリンダ組立体。