JPH0325627B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシリンダライナー上方部のスラストが
作用する側を厚くかつ円周方向に幅広く形成する
ことによつてスラストに対抗し得るようにすると
共に、排気孔の燃焼室面周囲に断熱カバーを設け
て吸気孔との間の熱応力の減少を図り、該部分を
保護するようにした断熱エンジンのライナーヘツ
ドに関する。

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、その熱量に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。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、未燃焼炭火水素を多く含む
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、前記未燃焼炭火水素
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摺動は行い得ず、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、ピストンリングの摺動
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
おけるライナーヘツドのライナー部のスラストが
作用する側を補強すると共に、ライナーヘツドの
排気孔部の保護を図るようにするのがその目的で
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図は本発明のライナーヘツドを有する断熱
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
ツサー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
ダボデイ、３はライナーヘツド、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重ポードのアウター、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，２１
ｂ，２２ａ，２２ｂは冷却用オイル室、６１，６
２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にライナーヘツド３を設け
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を設ける。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。

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図はライナーヘツドの底面図、第４図は第
３図の線Ｂ−Ｂでとつた断面図であり、ピストン
のスラストはＡ方向に作用する。このスラストの
作用する側の半径をr₀とし、他の部分の半径r_Nよ
り大きくし突出部３０を形成する。該突出部３０
の外側はリング１３に内接する円形の一部とし、
半径r_Nへの移行部は大きなＲとする。

３１はスラスト方向と直交する方向に形成され
た突出部であり、該突出部３１はリング１３への
ライナーヘツド３の位置を保持するために形成さ
れるものであり、リング１３との接触面は小さく
てよい。該接触面および半径r_Nへの移行部は膨出
３０と同様にする。突出部３０，３１を形成する
ことにより半径r_Nの部分の外側にはリング１３と
の間に隙間３２₁〜３２₄が形成される。３３は吸
気孔、３４は排気孔、３５は該排気孔周囲に張り
付けられる断熱カバーである。該断熱カバー３５
は特に温度勾配の大きい部分のみに設けることも
できるし、広く張設することもでき、該断熱カバ
ー３５により排気孔３４と吸気孔３３との間の狭
い部分における排気ガスと吸気による温度差に基
ずく大きな温度勾配を緩和し、該部分における熱
応力とストレスを減少させるものである。このた
めに、吸、排気孔を楕円形として両者の間隔を大
きくし、その上に断熱カバーを設けることも出来
る。従来、排気弁はカボーンの付着により作動に
障害が生じることを防ぐため強制的に回転させる
ようにしていたが、本発明が適用される断熱エン
ジンにおいては燃焼室内でカーボンは完全に燃焼
しカーボンの付着はないので、楕円形状の吸排気
機構も十分適用出来るものである。

また、前記突出部３０の替わりにボアを楕円形
とすることも出来る。この場合には吸排気孔を楕
円の長軸方向に離して設けることが出来るので、
吸排気孔間の熱負荷はさらに小さく出来ることに
なる。

ライナーヘツド３のシリンダヘツド１への取付
はガスケツト１６に積層する位置決めリング１４
の厚さを調整することによつてその深さを、リン
グ１２，１３を調整することによつてその心合せ
の調整を行う。なお、位置決めリング１４は位置
決めリング１２，１３と同様にコバール又は42ア
ロイで作成する。

以上の構成により、スラスト作用側は強度が向
上し、耐久性が良くなると共に突出部の形成によ
り得られる隙間によつて断熱効果も生じ熱応力と
ストレス減少も図れることになる。また、断熱材
の保護カバーを排気孔の燃焼室面周囲に張りつけ
ることにより、吸、排気孔の間の狭い部分の温度
勾配を緩和させる。

以上詳細に説明したように、本発明は、ライナ
ーヘツドのライナー部のスラスト作用側を強化す
ると共に、排気孔周囲燃焼室面に断熱カバーを設
けたので、ヘツドの強度が向上し耐久性が増し円
滑な運転が維持されることになり、また、吸排気
孔の狭い部分の温度勾配を緩和させ、該部分の熱
応力とストレスの減少が図れることになる。

【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３，４図は第２図の要部底面図
および断面図である。 ３……ライナーヘツド、３０……突出部、３４
……排気孔、３５……断熱カバー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シリンダボデイと、該シリンダボデイ上に取
   付けられるシリンダヘツドと、該シリンダボデイ
   の内壁部に設けられるシリンダライナーと、該シ
   リンダヘツドの内壁部に位置し、かつ上記シリン
   ダライナー上に設けられるライナーヘツドとを設
   け、該ライナヘツドのライナー部のスラスト作用
   側を厚くかつ円周方向に幅広く形成すると共に該
   ライナヘツドの排気孔周囲燃焼室面に断熱カバー
   を設けたことを特徴とする断熱エンジンのライナ
   ーヘツド。