JPH0324937Y2

JPH0324937Y2 -

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Publication number: JPH0324937Y2
Application number: JP1983129243U
Authority: JP
Priority date: 1983-08-20
Filing date: 1983-08-20
Publication date: 1991-05-30
Also published as: JPS6037657U

Description

【考案の詳細な説明】（産業上の利用分野）本考案はピストンピンへの熱伝達を遮断するよ
うにした断熱エンジンのピストンピン軸受部構造
に関する。

（従来の技術）熱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
させているので現状である。

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
体潤滑か何らかの手段で解決されるだろうとの前
提のもの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が提案さ
れている。

（考案が解決しようとする問題点）上記のように燃焼室まわりを断熱構造に構成し
たエンジンにおいても、ピストンからピストンピ
ンを通つてコンロツドから放熱する熱が相当あ
り、断熱エンジンにとしては、この熱放出を防ぐ
ことも一つの課題である。

（問題点を解決するための手段）本考案は、上記問題を解決るためになされたも
ので、その要旨は、ピストンに形成されたピスト
ンピンボス部或は該ボス部に嵌合せしめられるピ
ストンピンの少なくとも一方に断熱層を形成した
ことを特微とる断熱エンジンのピストンピン軸受
部構造にある。

（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、
C₀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C₀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はシリコンナイトライドで製
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はステンレス鋼（SUS）の２重
配管とする。

断熱マニホールド１０か耐熱合金で製作する
が、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ね、そのエネルギー
の回収が図られることになる。

第３図は第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。

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を形成する。また、ピストンヘツド５は
作動時シリンダライナー４のしゆう動面と接触せ
ずピストンポデイ６側で接触するようにするが、
前記フランジ５１下端のしゆう動面に隣接する部
分を大面取りか曲面接触としピツチング発生しな
いようにする。

ピストンボデイ６は前記削成段部に嵌合する突
出部６５を一体に形成し、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該フラ
ンジ５１側と同様に大面取りか曲面接続とする。
セラミツクの熱膨張係数はアルミニウム合金のそ
れよりも小さいので、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側を内側にア
ルミニウム合金よりなるピストンボデイ６側を外
側にする。また、前記突出部６５の内側には全周
に亘つて溝６４を形成する。

以上のようなピストンヘツド５とピストンボデ
イ６の構成により、両者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１１とピストンヘツ
ド５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出来る。また、ピストンヘ
ツド５およびピストンボデイ６の外周しゆう動面
に隣接する当接部において、該しゆう動面から当
接部にかけて曲面となるアールを形成したのでピ
ツチングは生じなくなる。

６７は溝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に形成さ
れる燃焼室としての凹部、６６はピストンボデイ
６上面の上方突出部である。

２８はピストンピンボス６３に設けられる軸受
メタルであり、該軸受メタル２８の外周である内
側（外周であるが軸受メタル２８に覆われて内部
となるので内側と称する）には断熱層２９を形成
する。軸受メタル２８はスチールあるいはPSZで
製作し、断熱層２９はグラスウール等で製作す
る。断熱層２９、軸受メタル２８はピストンから
の熱流を遮断する目的で設する。ピストンから放
熱する熱流経路はシリンダライナー及びコンロツ
ドであり、シリンダライナーが約60％、コンロツ
ドが40％と云われる。しかるに本考案のように断
熱構造を持つピストン及びシリンダライナーでは
ピストンからの熱量は温度の高いシリンダライナ
ーに流出出来ずほとんどの熱はコンロツドに流れ
る。コンロツドへ多量の熱が移動するとコンロツ
ド、ピストンピン間の温度が高くなり、潤滑油が
変質したり、炭化したりする。また、ピストンの
断熱が難しくなり、エネルギ損失の原因となる。
このため軸受メタル２８は断熱構造とすることが
必要で第３図に示すような構造が要求される。

ボルト１１は燃焼効率のの向上を図るために燃
料噴射ノズルとの関係およびコネクテイングロツ
ド上端部に対するスペース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前記熱
膨張を吸収出来る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。

第４図はピストンピンに断熱層を形成した場合
であり、３０はピストンピンであり、３１はピス
トンピンの外形を構成する層であり、熱伝導の悪
い耐熱金属、SUSあるいはPSZよりなるものであ
る。３４はピストンピンの中心部を構成する金属
又は窒化珪素円筒である。３２，３３は断熱層で
あり、例えば、SUSメツシユを網状に、固着し
た層状パイプ３２を形成し、アルミ溶触液を含浸
させ、枝状に固定する層３３を形成し剛性円柱体
３４と密着固定させる構造をとる。アルミ材の中
間層は、円柱又は円筒の剛体３４とはメタライズ
又はロー接により接着し、これらの構造により断
熱性に優れ剛性のある断熱ピストンピンが構成来
る。剛性円柱体３４は窒化珪素でも良く軽量のピ
ストンピンが実現出来る。

ピストンピンボス６３又はピストンピン３０の
以上のよ構成により該ピストンピンボス６３から
ピストンピン３０を通しての熱伝達は遮えぎられ
ることになる。

一方ピストンピン３０は第５図に示されるよう
に、PSZ製のプツシユ７１を外周に嵌入し鉄鋼性
のピストンピン中心軸と組合せることにより構成
される。即ち断熱ブツシユを熱伝導率の悪いジル
コニアとして熱伝導量を抑制し、断熱性を高める
ことが出来る。一方第６図に示すようにピストン
ピン８２とピストンハウジング６３の一部に熱伝
導率の悪いジルコニア（PSZ）を扇状に埋設（同
図の６４に示す）し、かつピストンピンの外周に
断熱ブツシユ８１を取付け組合わせることにより
上記の優れた断熱ピストンが提供される。

（考案の効果）以上詳細に説明したように、本考案は、ピスト
ンピン或いはピストンピンボス部の少なくとも一
方の内側に断熱層を形成するすることによつてピ
ストンピン軸受部を構成するようにしたので、ピ
ストンボスからピストンピンを通しての熱の逃げ
が防げることになり、ピストンヘツド側のその分
だけ高温に保持出来、エンジンの熱効率の向上を
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図は第２図のピストンの拡大
断面図、第４図Ａはピストンピンの一部断面で示
した側面図、第４図Ｂはピストンピンの横断面
図、第５図及び第６図は第３図のピストンピンボ
スの別の例を示す拡大図である。５……ピストンヘツド、６……ピストンボデ
イ、２８，３１……表面金属層、２９，３２，３
３……断熱層、３０……ピストンピン、６３……
ピストンピンボス。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

セラミツク材料をエンジンの一部に用いた断熱
エンジンのピストンピン軸受構造において、ピス
トン側に設けられピストンピンを軸承する断熱材
製軸受部材と、空気を含有する繊維質からなり該
軸受部材とピストンとの間に介在された断熱層と
を有することを特徴とする断熱エンジンのピスト
ンピン軸受構造。