JPH0350331A - アルコール燃料を用いるセラミックエンジン - Google Patents

アルコール燃料を用いるセラミックエンジン

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JPH0350331A
JPH0350331A JP1182454A JP18245489A JPH0350331A JP H0350331 A JPH0350331 A JP H0350331A JP 1182454 A JP1182454 A JP 1182454A JP 18245489 A JP18245489 A JP 18245489A JP H0350331 A JPH0350331 A JP H0350331A
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    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、アルコール燃料を用いるセラミックエンジ
ンに関する。
〔従来の技術〕
従来、断熱エンジンとして、シリンダライナ上部を有す
るセラミック製ライナヘッドをシリンダヘッドの内側に
嵌合したものは、例えば、特開昭５９−１２２７６５号
公報に開示されている。
更に、従来の２サイクルエンジンにおいて、シリンダヘ
ッドに形成した排気ボートに排気パルプを配置し、又は
シリンダライナ上部の全円周に排気孔を設け、掃気孔を
シリンダライナ下部の全円周に設け、掃気及び排気ガス
が入り乱れるのを防止して掃気効率及び吸気効率を高め
、非対称掃気型で、且つ後吸気を行うことができるユニ
フロー掃気式のものがある。
ところで、２サイクル断熱エンジンを構成する時、クラ
ンク室をコンプレッサとして機能させることは一般的に
行われている。
また、エンジンから排気される排気ガスによる環境汚染
が問題になり、最近、アルコールエンジンが注目される
ようになっている。アルコールエンジンでは、排気ガス
中の炭酸ガス、炭化物の含有量は、ガソリン、軽油等の
燃料に比較して非常に少ないものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、アルコール燃料を使う２サイクルエンジ
ンでは、アルコール燃料の着火性が悪くなるという問題
点がある。即ち、アルコールは、ガソリン、軽油等に比
較して気化するための潜熱が高く、例えば、ガソリンが
燃料の０．７％の気化潜熱を要するのに対し、アルコー
ル燃料は燃料の５％の気化潜熱を要するものであり、気
化し難いという性質を有しているからである。しかも、
アルコールインジェクタ即ち燃料噴射ノズルから吸気通
路の空気中に噴射されたアルコール燃料は、吸気の温度
を低下させ、その状態で燃焼室に導入された時には着火
を悪化させることになる。
そこで、アルコールを燃料とする断熱エンジンでは、エ
ンジンボディ全体を高温度にし、吸入したアルコール燃
料を気化するために高温度になった壁面から熱を奪い、
気化潜熱を与えるように構成すれば、アルコール燃料の
気化が促進され良好な混合気が生成されることになる。
しかしながら、エンジン全体を高温度にした場合には、
クランク室にオイルを収容することはできず、通常、こ
のような２サイクル断熱エンジンでは、クランク軸のク
ランクジャーナル、コンロッド大径部及びコンロッド小
径部の回転摺動部を潤滑する潤滑系に種々の対策が講じ
られている。
′また、ピストンリングとシリンダライナとの摺動運動
に対して、該摺動部が高温度になれば、焼き付きの問題
が発生する。そこで、これらの摺動部に対して如何に潤
滑系を構成するかの課題があった。
また、２サイクルの作動のエンジンでは、空気交換は排
気バルブが開弁し、排気ポートを通じて排気される時、
シリンダ内に圧力波即ちパルス波が発生し、排気ガスを
押し出す現象になる。それによって、該排気ガスの後流
に発生した負の圧力ゾーンに新気がシリンダ下部から流
入するが、シリンダ下部はシリンダヘッドに比較してそ
れほど高温になっていないので、新気はシリンダ下部の
壁面温度の影響を余り受けない。このことは、特に、断
熱エンジンにおいて、２サイクルの作動を行ってシリン
ダ下部より新気を吸入すれば、掃気空気量或いは吸入空
気量が減少しないというメリットがある。
この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
アルコールがガソリン、軽油等に比較して気化するため
の潜熱が高く、気化し難いという性質を有するが、アル
コールがセラミック材料に対して極めて優れた潤滑作用
を有していることに着眼し、シリンダライナ、ピストン
ヘッド等のエンジンボディ全体を高温度に維持し、アル
コール燃料の気化を促進すると共に、摺動部を金属材料
で構成した場合には該金属材料がアルコールによって腐
食する現象が発生することを防止するため、シリンダラ
イナ、ピストンリング、コンロッド、クランク軸等の摺
動部或いは回転摺動部に対してセラミック材料で構成し
てアルコールによる腐食を防止し、更に、クランク室に
吸入空気を送り込む吸気通路にアルコールインジェクタ
を設けて、アルコール燃料を先ずクランク室に導入して
該クランク室から燃焼室へ送り込むように構成し、セラ
ミック材料から成る摺動部、ピストンリングとシリンダ
ライナとの摺動部をアルコールによって摺動作用を補助
する潤滑材として機能させることを特徴とするアルコー
ル燃料を用いるセラミックエンジンを提供することであ
る。
〔課題を解決するための手段〕
この発明は、上記目的を達成するため、次のように構成
されている。即ち、この発明は、セラミック材から成る
シリンダライナ、クランク軸及びコンロッドの大径部と
小径部の回転摺動部に組み込んだセラミック材から成る
ベアリング、シリンダライナ下部の周方向に多数形成し
た吸気口、該吸気口とクランク室とを連通ずる第１吸気
通路、及び吸入空気をクランク室内に導入する第２吸気
通路に設けたアルコールインジェクタから成るアルコー
ル燃料を用いるセラミックエンジンに関する。
また、このセラミックエンジンは、シリンダヘッド下面
部及びシリンダライナ上部の外周に断熱材を配置して断
熱構造に構成し、更に、前記クランク室と前記第２吸気
通路が前記クランク室に連通ずる部位に逆止弁を設けた
ものである。
更に、このセラミックエンジンは、前記クランク軸のク
ランクジャーナル及び前記コンロッドの大径部の回転摺
動部にセラミック材から成るローラベアリングを組み込
み、また前記コンロッドの小径部との回転摺動部にボー
ルベアリングを組み込んだものである。
〔作用〕
この発明によるアルコール燃料を用いるセラミックエン
ジンは、上記のように構成され、次のように作用する。
即ち、このセラミックエンジンは、セラミック材から成
るシリンダライナ、クランク軸及びコンロッドの大径部
と小径部の回転摺動部に組み込んだセラミック材から成
るベアリング、シリンダライナ下部の周方向に多数形成
した吸気口、該吸気口とクランク室とを連通ずる第１吸
気通路、及び吸入空気をクランク室内に導入する第２吸
気通路に設けたアルコールインジェクタから構成したの
で、ピストンの下死点Ｂ、Ｄ、Ｃ，付近で周囲方向に多
数開口している前記吸気口から吸入空気に混合してアル
コール燃料がシリンダ内に吸入されると、アルコールの
未気化成分或いは霧化成分がシリンダライナ内壁面に付
着し、該ライナ壁面にアルコールの液膜を形成する。セ
ラミック材料同士の摺動接触については、境界潤滑とな
るものであり、摺動摩擦抵抗が大きくなると、セラミッ
ク材料を構成する粒子が脱落し即ち粒子脱落となって潤
滑されており、しかも、セラミック材料同士の摺動運動
では両者間のフリックジョンを低減するため、セラミッ
ク材料の表面に存在するポロシティ−即ちボア一部に流
体を保持することが好ましいものである。ポロシティ−
に保持される該流体として上記液膜が機能し、該液膜が
潤滑膜となってピストンの上昇行程によってシリンダラ
イナとピストンリング或いはピストン叉カートとの間の
摺動運動に対してセラミック材料同士の摺動運動がスム
ースになるように補助し、更に該潤滑膜はシリンダライ
ナ内壁面に停留し、ピストンの下降行程で該摺動部の摺
動を助ける。また、吸気通路から吸入空気に混合してア
ルコール燃料がクランク室内に吸入されると、クランク
等の回転運動によってアルコール燃料はミスト状態が維
持或いはミスト生成され、アルコールの未気化成分或い
は霧化成分がピストンスカート壁面に付着し、アルコー
ルの潤滑膜を形成し、同様に、ピストンの往復動で上記
摺動部を潤滑する。
また、エンジンボディ全体が高温度に維持できるので、
クランク室内に溜まったアルコールも、クランク等の回
転によってミストが維持或いは生成されて順次気化して
燃焼室へ送り込まれ、燃焼される。しかも、クランク室
に吸入されたアルコールは、クランク軸、コンロッドの
大径部及び小径部の回転摺動部がセラミック製のベアリ
ングで構成されているので、これらの摺動部の腐食は発
生しなく、アルコール自体は該摺動部の潤滑を助けて、
摺動特性を向上させる。
更に、アルコールはガソリン、軽油等に比較して気化す
るための潜熱が高く、気化し難いので、シリンダヘッド
下面部及びシリンダライナ上部の外周に断熱材を配置し
て断熱構造に構成し、それによって、アルコール燃料の
気化を促進して燃焼をスムースに行わせ、前記クランク
室への吸入空気及びアルコール燃料の混合気の導入によ
ってガスの吹き抜けを防止している。
〔実施例〕
以下、図面を参照して、この発明によるアルコール燃料
を用いるセラミックエンジンの実施例を説明する。
第１図において、この発明によるアルコール燃料を用い
るセラミックエンジンの一実施例が示されている。この
セラミックエンジンは、シリンダへラド３に排気バルブ
１を配置し且つシリンダライナ４の下部周囲方向に多数
の吸気口２０を有するユニフロー掃気タイプに構成され
、クランク室をコンプレッサに利用した２サイクル作動
のエンジンであり、掃気作用をシリンダ中心線に対して
一定方向の気流によって行わせ、エンジンの効率をアン
プさせたものである。
このセラミックエンジンにおいて、シリンダヘッド３が
シリンダブロック６にガスケット２２を介して固定され
、シリンダヘッド下面部５とシリンダライナ上部９とを
一体構造に構成したヘッドライナが断熱ガスケット１０
を介在させてシリンダヘッド３に嵌合して取付けられて
いる。このヘッドライナは、燃焼室８の上部を構成する
ものであり、ジルコニア（ＺｒＯｚ）、窒化珪素（Ｓｉ
Ｊｔ）　、炭化珪素（ＳｉＣ）　、チタン酸アルミニウ
ム等のセラミック材料で製造され、特に、耐熱性を有し
ている。
１ 断熱ガスケット１０は、チタン酸アルミニウム、チタン
酸カリウム等の断熱材から製造され、ヘッドライナの外
面に配置されている。従って、この断熱ガスケット１０
の配置によって、燃焼室８の上部は断熱構造に構成され
、燃焼室上部からシリンダヘッド３への熱の放散は防止
される。また、断熱構造に構成したシリンダヘッド下面
部５に形成した排気ボート２にはバルブシート２４が配
置され、該バルブシート２４には排気バルブｌが配置さ
れている。更に、シリンダへラド３には、空気とアルコ
ール燃料との混合気に着火する手段として点火プラグ３
５が設けられている。
更に、シリンダブロック６に形成されたシリンダ２３に
はシリンダライナ４が嵌合されている。
シリンダライナ上部９とシリンダライナ４との間には、
断熱材から成る断熱ガスケット２１が介在し、シリンダ
ライナ上部９の熱がシリンダライナ４に伝達されるのを
防止している。燃焼室８は、シリンダヘッド下面部５と
シリンダライナ上部９から成るヘッドライナ、シリンダ
ライナ４及びピ２ ストン７のピストンヘッドによって囲まれて形成される
室である。シリンダライナ４については、ピストン７が
往復動する摺動面２８を提供する部分であるので、該シ
リンダライナ４はアルコール燃料と非反応性のジルコニ
ア（ＺｒＯｚ）、又は炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミッ
ク材料で製作する。このセラミックエンジンは、燃料と
してアルコールを使用するので、摺動面２８を提供する
シリンダライナ４を窒化珪素（ＳｉＪ４）のセラミック
材料で作ると、窒化珪素（ＳｉＪ４）が摺動運動に際し
て、即ち負荷を受けた下で窒化珪素（ＳｉｓＮ４）がア
ルコールに含まれる水分等によって溶融し、反応してシ
リサイドが生成され摩耗即ち摩滅する恐れがある。
従って、シリンダライナ４については、摺動運動によっ
て溶融の発生しない上記セラミック材料を使用する。ま
た、シリンダブロック６の下部には、クランクケース１
６によってクランク室１２が構成されている。
また、シリンダ即ちシリンダライナ４内を往復運動する
ピストン７については、図面で詳細には図示していない
が、ピストンヘッド部３４とピストンスカート部３６か
ら構成でき、ピストンヘッド部３４をジルコニア（Ｚｒ
（ｈ）、チタン酸アルミニウム等の断熱材、セラミック
材料等を用いて断熱構造に構成することができる。更に
、ピストン７のピストンリング溝には、ピストンリング
２７が嵌合している。これらのピストンリング２７は、
上記シリンダライナ４の場合と同様に、摺動部品である
ので、シリンダライナ４と同様に、アルコール燃料と非
反応性のジルコニア（ＺｒＯ□）、炭化珪素（ＳｉＣ）
等のセラミック材料から製作する。勿論、ピストンリン
グ２７の摺動面が上記セラミック材で構成されれば、該
セラミック材がピストンリング本体にコーティング等で
被覆される構造でも十分である。
このセラミックエンジンにおいて、シリンダブロック６
の下部内周部には、シリンダライナ４に形成した吸気口
２０に対向して周方向の環状の吸気ポート３８が形成さ
れている。更に、吸気ポート３８に吸入空気を導入する
ため、クランク室１２を吸気ボート３８に連通ずる第１
吸気通路１８が形成されている。また、クランク室１２
はクランクケース１６に形成された連通孔３７が形成さ
れ、該連通孔３７には、クランク室１２の圧縮空気が第
２吸気通路３９に逆流するのを防止するため、リード弁
等から成る逆止弁１３が設けられている。第２吸気通路
３９には、吸入空気と共にアルコール燃料をクランク室
１２に吸入させるため、アルコールインジェクタ１１が
設けられている。
この第２吸気通路３９は、場合によっては、ターボチャ
ージャのコンプレッサに連通することもできる。この構
成によって、第２吸気通路３９に噴射されたアルコール
燃料は吸入空気と混合気となって連通孔３７に配置した
逆止弁１３を通ってクランク室１２に吸入される。クラ
ンク室１２に吸入された混合気はシリンダライナ４の端
部とシリンダブロック６に形成されたシリンダ２３との
間に形成される連通口３３から第１吸気通路１８、吸気
ポート３８及び吸気口２０を通じてシリンダ内即ち燃焼
室８へ吸入される。
５ 更に、この発明によるセラミックエンジンは、上記の構
成に加えて、次の構成に特徴を有している。ピストン７
を往復動させるため、ピストン７にはコンロッド２５の
小径部が回転摺動可能に連結されている。即ち、ピスト
ン７のピストンピンボス２９に形成されたピストンピン
孔３０には、ピストンピン１７との間にセラミック材料
から成るボールベアリング１４が組み込まれている。従
って、ピストンピン孔３０を構成するピストンピンボス
２９が通常のボールベアリングの７ウタレースを構成し
、また、ピストンピン１７がインナレースを構成してい
ることになる。
また、コンロッド２５の大径部４０は、クランクシャフ
トのクランクピン１９に回転摺動可能に連結されている
。即ち、コンロッド２５の大径部４０に形成されたクラ
ンクピン孔３１には、クランクピン１９との間にセラミ
ック材料から成るローラベアリング１５が組み込まれて
いる。従って、クランクピン孔３１を構成する大径部４
０が通常のローラベアリングのアウタレースを構成し、
ま６ た、クランクピン１９がインナレースを構成しているこ
とになる。
更に、クランクシャフトをシリンダブロック６の軸受部
３２に回動可能に取付けるため、クランクシャフトのク
ランクジャーナル２６は、該軸受部３２との間にセラミ
ック材料から成るローラベアリング１５が組み込まれて
いる。従って、シリンダブロック６の軸受部３２が通常
のローラベアリング１５のアウタレースを構成し、また
、クランクジャーナル２６がインナレースを構成してい
ることになる。
この発明によるセラミックエンジンは、上記のように、
クランク室１２にアルコール燃料が導入されるものであ
るので、上記のボールベアリング１４及びローラベアリ
ング１５を構成する材料は、上記と同様に、ジルコニア
（ＺｒＯｚ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミンク材料
で製作することが好ましいものである。
〔発明の効果〕
この発明によるアルコール燃料を用いるセラミックエン
ジンは、上記のように構成されており、次のような効果
を有する。
即ち、このセラミックエンジンは、セラミック材から成
るシリンダライナ、クランク軸及びコンロッドの大径部
と小径部の回転摺動部に組み込んだセラミック材から成
るベアリング、シリンダライナ下部の周方向に多数形成
した吸気口、該吸気口とクランク室とを連通ずる第１吸
気通路、及び吸入空気をクランク室内に導入する第２吸
気通路に設けたアルコールインジェクタから構成したの
で、ピストンの下死点Ｂ、Ｄ、Ｃ，付近で開口している
前記吸気口から吸入空気に混合してアルコール燃料がシ
リンダ内に吸入されると、アルコールの未気化成分或い
は霧化成分がシリンダライナ内壁面に付着し、アルコー
ルの潤滑膜を形成する。この潤滑膜はピストンの上昇行
程によってピストンリング或いはピストンスカート 滑し、更に該潤滑膜はシリンダライナ内壁面に停留し、
ピストンの下降行程で該摺動部を潤滑する。
また、吸気通路から吸入空気に混合してアルコール燃料
がクランク室内に吸入されると、アルコールの未気化成
分或いは霧化成分がピストンスカート壁面に付着し、ア
ルコールの潤滑膜を形成し、同様に、ピストンの往復動
で上記摺動部を潤滑する。
また、エンジンボディ全体が高温度に維持できるので、
クランク室内に溜まったアルコールも、クランク等の回
転によってミストが維持或いは生成されて順次気化して
燃焼室へ送り込まれ、燃焼される。しかも、クランク室
に吸入されたアルコールは、クランク軸のクランクジャ
ーナル、コンロッドの大径部及び小径部の回転摺動部が
セラミック製のベアリングで構成されているので、これ
らの摺動部の腐食は発生しなく、アルコール自体は該摺
動部の潤滑を助けて、摺動特性を向上させる。
更に、アルコールはガソリン、軽油等に比較して気化す
るための潜熱が高く、気化し難いので、シリンダヘッド
下面部及びシリンダライナ上部の外周に断熱材を配置し
て断熱構造に構成し、それ９ によって、アルコール燃料の気化を促進すると共に、前
記クランク室への吸入空気及びアルコール燃料の混合気
の導入によって前記クランク室を高圧にしてガスの吹き
抜けを防止している。
また、このセラミックエンジンは、シリンダヘッド下面
部及びシリンダライナ上部の外周に断熱材を配置して断
熱構造に構成し、更に、前記クランク室と前記第２吸気
通路が前記クランク室に連通ずる部位に逆止弁を設け、
吸気口をシリンダライナ上部に形成して、吸入空気を低
温度領域から導入するので、シリンダヘッド部が高温領
域になるが、シリンダ下部は低温領域であるので、吸気
即ち新気が高温領域の熱影響を受けることがなく、断熱
エンジンであるのに、吸入空気が熱膨張によって吸気流
量が減少することがない。
更に、このセラミックエンジンは、前記クランク軸及び
前記コンロッドの大径部の回転摺動部にセラミック材か
ら成るローラベアリングを組み込み、ピストンピン前記
コンロッドの小径部との回転摺動部にボールベアリング
を組み込んだ構造に０ 構成したので、これらの回転摺動部がアルコールによっ
て腐食することがなく、しかもピストンの往復運動をク
ランクの回転運動にスムースに変換し、エンジン出力の
発生の支障となることがない。
更に、排気バルブをシリンダヘッドに配置したユニフロ
ラタイプに構成して掃気作用をシリンダ中心線に対して
一定方向の気流によって行わせ、排気ポートから排気ガ
スを効率良く排気し、次いで、排気ガスのパルス波の後
流に負圧の領域を埋める状態で吸入空気が吹き込まれる
ので、流れは単一方向となり、従って、シリンダヘッド
及びシリンダ上部の壁温が高温になっていたとしても吸
入効率の低下は少なく、エンジンの効率をアップさせる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明によるアルコール燃料を用いるセラミ
ックエンジンの一実施例を説明するための概略断面図で
ある。 １−−−−一排気バルプ、３−・−−−一−シリンダヘ
ッド、４シリンダライナ、５−−−シリンダヘッド下面
部、６−・−シリンダブロック、７−−−−−ピストン
、８−−−一燃焼室、９、−−−−−−シリンダライナ
上部、１゜−・・−、断熱ガスケット、１１−−−・−
アルコールインジェクタ、１２・・・−・クランク室、
１４−−−−一ボールベアリング、１５−・・−・−ロ
ーラベアリング、１６−・−・−クランクケース、１．
７−−−−ピストンピン、１８−・・−・・−第１吸気
通路、２０−・−−一−−吸気口、２１−−−−−−断
熱ガスケット、２３−−−−−−−シリンダ、２５−−
−−−−コンロッド、２６−−−−−−−クランクジヤ
ーナル、２７ピストンリング、２８−−−−−−一摺動
面、２９−・−−−−コンロッドの小径部、３４−−−
−−ピストンヘッド部、３５・−・−・・−点火プラグ
、３６−・−−−−−ピストンスカート、３８−・・−
・・吸気ボート、３９−・−・・・第２吸気通路、４０
・−・・コンロッドの大径部。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）セラミック材から成るシリンダライナ、クランク
    軸及びコンロッドの大径部と小径部の回転摺動部に組み
    込んだセラミック材から成るベアリング、シリンダライ
    ナ下部の周方向に多数形成した吸気口、該吸気口とクラ
    ンク室とを連通する第１吸気通路、及び吸入空気をクラ
    ンク室内に導入する第２吸気通路に設けたアルコールイ
    ンジェクタから成るアルコール燃料を用いるセラミック
    エンジン。
  2. （２）シリンダヘッド下面部及びシリンダライナ上部の
    外周に断熱材を配置して断熱構造に構成し、更に、前記
    クランク室と前記第２吸気通路が前記クランク室に連通
    する部位に逆止弁を設けた請求項１に記載のアルコール
    燃料を用いるセラミックエンジン。
  3. （３）前記クランク軸のクランクジャーナル及び前記コ
    ンロッドの大径部の回転摺動部にセラミック材から成る
    ローラベアリングを組み込み、前記コンロッドの小径部
    の回転摺動部にボールベアリングを組み込んだ請求項１
    に記載のアルコール燃料を用いるセラミックエンジン。
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