JPH0433981B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はピストンヘツドとピストンボデイの二
部分より構成される断熱エンジンのピストンに関
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
の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
ンダヘツドの熱焼室面、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、熱焼
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
ジンにおけるピストンを断熱材よりなるピストン
ヘツドとアルミニーム合金又は鋳鉄等の金属より
なるピストンボデイとより構成し、高温でのピス
トン作動を円滑に行なわせ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節明
する。

第１図は本発明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、その出力はギア
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
ダブロツクシリンダボデイ、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、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と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
よび上側に位置決めプレートを有するガスケツト
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
結合するようにする。

排（吸）気弁７はその下面をナイトライド又は
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は耐熱合金で製作するか
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
排気ガスとして排気され、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を設
け、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のしゆう動面と接触
せず、ピストンボデイ側で接触するように、ピス
トンヘツド５の外周径はピストンボデイ６の外周
径より小さくし、熱膨張の違いにより摺動するピ
ストンボデイ６と前記フランジ５１の下端のしゆ
う動面に隣接する部分を大面取りか曲面接続とし
ピツチングが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。
また、ボデイ６の最も温度が低い下端部外周に
は、ピストンリング６１とオイルリング６２（ピ
ストンリングでもよい）を備え、そして、リング
６１，６２の上下摺動範囲とほぼ対応する位置に
オイル室２１ａ。２１ｂ，２２ａ，２２ｂを形成
して、オイル潤滑を可能としている。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を内側に、アルミニウム
合金よりなるピストンボデイ６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６
４を形成する。

２８は該溝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
ヘツド上面の凹部、６３はピストンピンボス部、
６６はピストンボデイ６上面の上方突出部であ
る。

ボルト１１は燃焼効率の向上を図るために燃料
噴射ノズルと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いかなる
温度でも、テンシヨンが生じるように、また、ピ
ストンヘツド５とピストンボデイ６の熱膨張によ
るテンシヨンに降伏しない（たとえばニツケル基
又はコバルト基の耐熱合金）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
薄くするものでもある。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。

さらに、５４はピストンヘツド５の外周に設け
た溝で、排気ガスの吹き抜けを防止するとともに
ピストンヘツド５上部から下部への熱伝導量をコ
ントロールする。

上述のピストン構造により、ピストンヘツド５
とピストンボデイ６と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、またボルト１１の頭部前面
にセラミツクコーテイングを施すことも出来る。
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。

以上詳細に説明したように、本発明は、上面中
央部の凹部にボルト挿通孔を形成し、上部外周に
周方向に溝を設けた断熱材よりなるピストンヘツ
ドと、上面に上方突出部を形成し、該上方突出部
に前記ボルト挿通孔と一致するボルト挿通孔を有
し、ピストンピンボスより下方にピストンリング
を装着したピストンボデイとを、両者の熱膨張の
差を補完するボルトにより結合したことよりピス
トンを構成したので、ピストンヘツドの外周の溝
により排気ガスの吹抜けを防止するとともにピス
トンヘツドの上部から下部への熱伝導を抑制する
ことができ、またピストンヘツド下面と、ピスト
ンボデイに形成された上方突起部とにより形成さ
れる空間によつて両者間の熱伝導が遮られるので
ピストンヘツドとピストンボデイに特別な熱伝導
を遮る部材を設けることなく、両者を直にボルト
により結合することができるので簡単な構造で高
温のピストンヘツドからピストンボデイへの熱伝
導は遮られ、摺動部であるピストンボデイ及びピ
ストンリング等は作動に支障のない温度に維持さ
れてピストンは円滑に作動しうる。高温のピスト
ンヘツドからピストンボデイへの熱伝達は遮えぎ
られ、しゆう動部であるピストンボデイ及びピス
トンリング等は作動に支障のない温度に維持され
るので、ピストンは円滑に作動しうることにな
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Ａは第２図のピストンの拡
大断面図、第３図Ｂは第３図Ａの一部拡大断面図
である。 ５…ピストンヘツド、６…ピストンボデイ、１
１…ボルト、２８…シール、５１…フランジ、５
２…段部、５３…凹部、６１，６２…ピストンリ
ング、６３…ピストンピンボス、６４…溝、６５
…突出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 上面中央部の凹部にボルト挿通孔を形成し、
   上部に周方向に溝を設けた断熱材よりなるピスト
   ンヘツドと、上面に上方突出部を形成し、該上方
   突出部に前記ボルト挿通孔と一致するボルト挿通
   孔を有し、ピストンピンボスより下方にピストン
   リングを装着したピストンボデイとを、両者の熱
   膨張の差を補完するボルトにより結合したことを
   特徴とする断熱エンジンのピストン。