JPH0585747B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はセラミクスを利用した断熱構造の内燃
機関に関するものである。

［従来の技術］ シリンダライナ、ピストン、シリンダヘツドな
どの燃焼室を区画する壁面にセラミクス材料を用
い、従来の冷却水を通じて外部へ放出していた熱
エネルギを、排気に集中させて排気タービンへ送
り、排気タービンの動力をクランク軸に戻す断熱
機関が提案されている。しかし、燃焼室を断熱構
造にすると、燃焼室の壁部の温度が上昇し、噴射
ノズルから噴射される燃料に早期着火が生じる。
この結果、圧力上昇率が低下し、熱効率が低下す
る恐れがある。また、燃焼室の壁部の温度が上昇
すると、吸気効率が低下し、平均有効圧が低下す
るので、出力低下や燃費低下を来たすことがあ
る。

この点について詳述すると、理論的には、従来
の水冷機関の熱サイクルは、第１図に示すＴ−ｓ
線図において、A′B′C′D′で表されるのに対し、
断熱機関の熱サイクルはABCDで表される。こ
こで、A′B′は燃焼行程、B′C′は膨張行程、
C′D′は吸排気行程、D′A′は圧縮行程を表す。
ABCDで表される断熱機関では、燃焼室の断熱
効果により、燃焼行程のＢ点はB′点よりもかな
り高くなり、仕事量は断熱機関の方が水冷機関よ
りも増加するものと考えられる。

しかし、実際には、冷却機関の燃焼行程は第２
図にA′E′B′で示すように、A′E′で等容変化をし、
E′B′で等圧変化をする。等容変化A′E′は等圧変
化E′B′よりも勾配が急である。水冷機関のように
燃料の着火遅れの傾向が強いと、等容変化
A′E′の割合が増加し、等圧変化E′B′の割合が減
少する。

これに対し、断熱機関の熱サイクルは、第２図
に実線AEBCDで示すように、燃焼室の温度が高
く保たれるので、燃料の着火遅れが短くなり、燃
焼行程での等容変化AEの割合が減少する。その
結果、等圧変化EBの割合が大幅に増加し、最高
温度は従来の水冷機関とあまり変らない。このよ
うに、断熱機関の出力AEBCDは水冷機関よりも
低下することがある。

ところで、特開昭58−138239号公報に開示され
る通常の水冷機関では、吸気の酸素濃度を高くす
ると、燃焼速度も上昇するが、熱負荷が大きくな
り、ピストン、シリンダライナなどの耐熱限度を
超え、焼付きが発生する恐れがあるので、機関の
運転域が制限される。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は上述の問題に鑑み、簡単な構成
で、機関の燃焼での等容変化の割合を大きくし
得、且つ酸素富化器が目詰りした場合等に同富化
器の故障を未然に防止し、またエンジンの円滑な
運転を実現できる断熱内燃機関を提供することに
ある。

［問題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の構成は燃
焼室の内壁にセラミツクス製の壁材を結合してな
る断熱内燃機関において、吸気管を上流側吸気管
と下流側吸気管に分割して酸素富化器を結合し、
該酸素富化器は外筒の内部に多数の出口孔を有す
る端壁と平行な仕切板を結合し、周壁に多数の入
口孔を有する上流側吸気管を外筒の一端壁を貫通
して仕切板に結合し、外筒の他端部の開口に下流
側吸気管を嵌合し、上流側吸気管の外周壁と外筒
の内周壁との間に、蛇腹状に湾曲した酸素富化膜
を結合して形成し、上流側吸気管を閉鎖する仕切
板に電磁開閉弁を、下流側吸気管に吸気管負圧を
感知する圧力センサをそれぞれ設け、圧力センサ
が検出する吸気管負圧が所定値以下の時電磁開閉
弁を開くための電気制御装置を備えたものであ
る。

［作用］ 断熱機関に酸素濃度の高い吸気を供給すると、
機関の運転に伴い、吸気が酸素富化器の酸素富化
膜を通過すると、吸気の酸素濃度が増加し、これ
により燃焼速度が上昇し、燃焼行程における等容
変化の割合が増加し、機関出力が増大し、燃費が
向上するとともに、燃焼室が高温に維持されるの
で、低速・高負荷運転でも燃焼が改善され、スモ
ークは低減する。

また、機関の急加速または酸素富化膜が目詰り
を起こした場合には、吸気管の吸気抵抗が増大し
て吸気管内負圧が所定値以下となつて圧力センサ
を作動し、該センサの信号に基づく電気制御装置
の出力により電磁開閉弁が開かれ、内筒が下流側
吸気管に連通されて酸素富化膜の通気抵抗が開放
され、該膜の破損を阻止し、吸気量を増してエン
ジンの円滑な運転円継続させる。

［発明の実施例］ 第３図に示すように、機関はシリンダ本体１に
形成したシリンダにピストン４を嵌挿され、ピス
トン４にピストンピン１４により連結した連接棒
６を、クランク軸７の腕に連結される。シリンダ
本体１の上端部はシリンダヘツド２により閉鎖さ
れ、燃焼室１５を区画される。燃焼室１５に連な
る吸気口１０と排気口１３が、シリンダヘツド２
に設けられ、吸気弁８と同様の排気弁（図示せ
ず）によりそれぞれ開閉される。

断熱機関では、シリンダ本体１の内壁面にセラ
ミクス製のシリンダライナ３が嵌合され、シリン
ンダヘツド２の内壁面にセラミクス製のヘツドラ
イナ９が結合され、ピストン４の頂端面にセラミ
クス製のピストンライナ５が結合される。好まし
くは、吸気弁８と排気弁もセラミクスから一体的
に構成されれる。このように、燃焼室１５を囲む
壁部は、全て耐熱性と断熱性を有するセラミクス
製の壁材を結合され、燃焼室１５の燃焼ガスの熱
が外部へ流出するのを抑える。

本発明によれば、吸気口１０に連なる吸気管１
１を上流側吸気管と下流側吸気管に分割して、酸
素富化器３０を接続される。第４，５図に示すよ
うに、酸素富化器３０は上流側吸気管と一体の内
筒３８と外筒３１との間に、花弁形ないし蛇腹状
に折り曲げられたポリオレフイン膜などの酸素富
化膜３２を配設して、内室２５と外室２６を区画
される。外筒３１は両端部を端壁３９，４１によ
り閉鎖される。内室２５は内筒３８の入口孔３６
を経て内筒３８の内部へ連通される。一方、外室
２６は外筒３１の仕切板４０の出口孔３７を経
て、仕切板４０と端壁４１の間の室２８へ連通さ
れる。室２８は端壁４１の開口に嵌合した下流側
吸気管３ａに連通される。下流側吸気管３１ａに
は吸気管負圧を感知する圧力センサ３５が設けら
れる。

上流側吸気管を兼ねる内筒３８の端部に電磁開
閉弁３４が配設され、通常はばね２９により内筒
３８の内端部の弁座３４ａへ押し付けられる。圧
力センサ３５により検出された吸気管負圧が所定
値よりも低くなると、圧力センサ３５の信号に基
づく電気制御装置２０の出力信号により電磁開閉
弁３４が励磁され、弁体が弁座３４ａから引き離
される。酸素富化膜３２は多数の通孔を備えた金
属補強板３３に重合せ結合される。

機関の運転に伴い、吸気は吸気清浄器１２から
吸気管１１、内筒３８の入口孔３６を経て内室２
５に入に、酸素富化膜３２を経て外室２６へ出
る。吸気が酸素富化膜３２を通過すると、吸気の
酸素濃度が高くなる。酸素濃度の高い吸気は外室
２６から出口孔３７、室２８、下流側吸気管３１
ａを経て、シリンダの燃焼室１５へ供給される。

酸素富化器３０を経て燃焼室１５へ供給される
吸気は、酸素濃度が高いので、燃焼速度が高く、
機関の燃焼行程における等容変化の割合が増加す
る。つまり、第２図におけるＥ点とＢ点の温度が
高くなり、機関の出力（AEBCDの面積）が増大
する。

燃焼ガスの熱は燃焼室１５の壁部からの流出を
抑えられるので、排気は高温の状態で排気口１３
から排気タービンへ供給される。排気タービンの
動力は歯車機構などの適当な手段によりクランク
軸７へ伝達される。

機関の急加速時または酸素富化膜３２が目詰り
を起こした場合には、吸気管１１の吸気抵抗が増
大して吸気管内負圧が所定値以下となつて圧力セ
ンサ３５を作動し、該センサ３５の信号に基づく
電気制御装置２０の出力により電磁開閉弁３４が
開かれ、内筒３８が下流側吸気管３１ａに連通さ
れて酸素富化膜３２の通気抵抗が開放され、該膜
３２の破損を防止し、吸気量を増してエンジンの
円滑な運転を継続させる。

［発明の効果］ 本発明断熱内燃機関は上述のように、燃焼室の
内壁にセラミクス製の壁材を結合してなる断熱内
燃機関において、吸気管を上流側吸気管と下流側
吸気管に分割して酸素富化器を結合し、該酸素富
化器は外筒の内部に多数の出口孔を有する端壁と
平行な仕切板を結合し、周壁に多数の入口孔を有
する上流側吸気管を外筒の一端を貫通して仕切板
に結合し、外筒の他端壁の開口に下流吸気管を嵌
合し、上流側吸気管の外周壁と外筒の内周壁との
間に、蛇腹状に湾曲した酸素富化膜を結合して形
成し、上流側吸気管を閉鎖する仕切板に電磁開閉
弁を、下流側吸気管に吸気管負圧を感知する圧力
センサをそれぞぞれ設け、圧力センサが検出する
吸気管負圧が所定値以下の時電磁開閉弁を開くた
めの電気制御装置を備えたことを特徴とするの
で、まず、吸気の酸素濃度が増加し、燃焼速度が
上昇し、燃焼行程における等容変化の割合が増加
し、機関出力が増大し、燃費が向上するととも
に、燃焼室が高温に維持されるので、低速・高負
荷運転でも燃消が改善され、スモークが低減され
る。

また、機関の急加速運転或いは酸素富化膜の目
詰り等により、酸素富化器の通気抵抗が大きくな
ると、吸気管内に設けた圧力センサが敏感にその
負圧を感知して、電気制御装置を介して迅速に電
磁開閉弁を開き、これにより断熱エンジンの吸気
量が増加するので、円滑な運転性能が得られ、ま
た酸素富化膜の破損が防止される。

更に、本発明によれば、酸素富化器は吸気管と
一体的に構成されるから、機関への搭載スペース
が僅かで取付が容易であり、構成上も単一の電磁
開閉弁で通常空気による運転に切り代えるので、
安価に提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な水冷内燃機関と断熱内燃機関
とを比較して表す理論上にＴ−ｓ線図、第２図は
実際のＴ−ｓ線図、第３図は本発明に係る断熱内
燃機関の概略構成を示す正面断面図、第４図は同
断熱内燃機関に取り付けられる酸素富化器の側面
断面図、第５図は同正面断面図である。 ３：シリンダライナ、４：ピストン、５：ピス
トンライナ、９：ヘツドライナ、１１：吸気管、
１２：吸気清浄器、１５：燃焼室、３０：酸素富
化器、３２：酸素富化膜、３４：電磁開閉弁、３
５：圧力センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃焼室の内壁にセラミツクス製の壁材を結合
   してなる断熱内燃機関において、吸気管を上流側
   吸気管と下流側吸気管に分割して酸素富化器を結
   合し、該酸素富化器は外筒の内部に多数の出口孔
   を有する端壁と平行な仕切板を結合し、周壁に多
   数の入口孔を有する上流側吸気管を外筒の一端を
   貫通して仕切板に結合し、外筒の他端壁の開口に
   下流吸気管を嵌合し、上流側吸気管の外周壁と外
   筒に内周壁との間に、蛇腹状に湾曲した酸素富化
   膜を結合して形成し、上流側吸気管を閉鎖する仕
   切板に電磁開閉弁を、下流側吸気管に吸気管負圧
   を感知する圧力センサをそれぞれ設け、圧力セン
   サが検出する吸気管負圧が所定値以下の時電磁開
   閉弁を開くための電気制御装置を備えたことを特
   徴とする断熱内燃機関。