JPH08100659A - 熱エンジンのピストン及び燃焼チェンバーの構造及びエンジンの熱の熱的管理方法 - Google Patents
熱エンジンのピストン及び燃焼チェンバーの構造及びエンジンの熱の熱的管理方法Info
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- JPH08100659A JPH08100659A JP7192066A JP19206695A JPH08100659A JP H08100659 A JPH08100659 A JP H08100659A JP 7192066 A JP7192066 A JP 7192066A JP 19206695 A JP19206695 A JP 19206695A JP H08100659 A JPH08100659 A JP H08100659A
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- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 環境に影響を与えることなく、エンジンの効
率を上昇させることのできるエンジン構造を提供するこ
と。 【解決手段】 本構造は燃料燃焼領域に面した冠部（１
４）を有するピストンボディー（２７）と、前記ピスト
ンと協動する燃焼チェンバー壁（１２）と、前記冠部及
びチェンバー面に塗布した、熱半導体として作用する効
果的厚さを有した熱拡散性のある塗膜（１３）とからな
っており、ピストンボディー及びチェンバーへの熱移行
を抑制し、また燃焼の前に前記燃料ガスへの熱移行を抑
制する。本方法はエンジンの圧縮比を増加させること
と、少なくとも前記ピストンの冠部とチェンバーに低い
熱拡散率の塗膜を塗布することと、そういう状態でエン
ジンを作動させることとからなり、燃料はチェンバー内
へ低温で吸引され、従って前記チェンバーから冷却ジャ
ケットへは殆ど熱が放出されない。
率を上昇させることのできるエンジン構造を提供するこ
と。 【解決手段】 本構造は燃料燃焼領域に面した冠部（１
４）を有するピストンボディー（２７）と、前記ピスト
ンと協動する燃焼チェンバー壁（１２）と、前記冠部及
びチェンバー面に塗布した、熱半導体として作用する効
果的厚さを有した熱拡散性のある塗膜（１３）とからな
っており、ピストンボディー及びチェンバーへの熱移行
を抑制し、また燃焼の前に前記燃料ガスへの熱移行を抑
制する。本方法はエンジンの圧縮比を増加させること
と、少なくとも前記ピストンの冠部とチェンバーに低い
熱拡散率の塗膜を塗布することと、そういう状態でエン
ジンを作動させることとからなり、燃料はチェンバー内
へ低温で吸引され、従って前記チェンバーから冷却ジャ
ケットへは殆ど熱が放出されない。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は化石燃料エンジンの
ためのピストンと、それに関連する熱エンジン（熱機
関）構成要素の表面を設計、製造する技術に関し、前記
表面は化学エネルギーの機械エネルギーへの転換に影響
を与え、その燃焼過程の結果として生じる排気に影響を
与える。本発明は、特に、燃焼チェンバーと燃料導入表
面とに係り、これらはピストンの設計と、（ｉ）熱を選
択的に貯蔵、放出することができ、（ii）ピストンと構
成要素の表面の温度を制御あるいは制限することがで
き、あるいは（iii)内燃エンジン（ＩＣ）内での構成要
素、主としてピストンの熱膨張を制御あるいは防止する
ことのできる材料を含んでいる。
ためのピストンと、それに関連する熱エンジン（熱機
関）構成要素の表面を設計、製造する技術に関し、前記
表面は化学エネルギーの機械エネルギーへの転換に影響
を与え、その燃焼過程の結果として生じる排気に影響を
与える。本発明は、特に、燃焼チェンバーと燃料導入表
面とに係り、これらはピストンの設計と、（ｉ）熱を選
択的に貯蔵、放出することができ、（ii）ピストンと構
成要素の表面の温度を制御あるいは制限することがで
き、あるいは（iii)内燃エンジン（ＩＣ）内での構成要
素、主としてピストンの熱膨張を制御あるいは防止する
ことのできる材料を含んでいる。
【０００２】
【従来の技術】今日、自動車に用いられてる内燃エンジ
ン（ガソリンあるいはディーゼル）のような熱機関にお
いては、燃焼ガスの熱の幾らかは、ピストン（ガソリン
エンジンにおいては普通はアルミニウム合金でできてい
る）の中を前進する熱行路を通り、ピストンリングを通
って金属製のエンジンブロック及びシリンダー頭部へ吸
収され、これらは水ジャケットによって冷却され、それ
によってそのような熱は排出される。そのような派生的
な熱損失は利用可能な出力とエンジンの効率を制限す
る。燃料サイクルの力学と、内燃エンジンの熱移行特性
とによって、そのような熱行路に沿って大量の熱が、エ
ンジンの作動サイクルの内の燃料行程と排気行程との間
に、これらの構造物の中に貯められる。この貯められた
熱の一部は、吸気行程と圧縮行程（例えば４サイクルエ
ンジン）との間に、燃料と空気の混合気に移行される。
このことは、火花点火のガソリンエンジンの作動の場合
に特に不利であり、その圧縮比はノック制限によって規
定され、従って圧縮比は自動点火の結果生じるエンジン
のノックないしノッキングを避けるために選ばれる。し
かしながら、ノック制限された圧縮比が大きくなればな
るほど、出力とエンジン効率は大きくなる。逆に、圧縮
比が１ポイント減る毎に、そのような設計上の制限のた
めに、エンジンの燃料の経済性は約２ないし２．５％低
下し、エンジン出力も約２．５ないし３．０％低下す
る。大きく圧縮すると、濃縮された燃料ガスをノック制
限温度以上にまでもっと簡単に加熱してしまうことにな
るので、圧縮比は減少される。
ン（ガソリンあるいはディーゼル）のような熱機関にお
いては、燃焼ガスの熱の幾らかは、ピストン（ガソリン
エンジンにおいては普通はアルミニウム合金でできてい
る）の中を前進する熱行路を通り、ピストンリングを通
って金属製のエンジンブロック及びシリンダー頭部へ吸
収され、これらは水ジャケットによって冷却され、それ
によってそのような熱は排出される。そのような派生的
な熱損失は利用可能な出力とエンジンの効率を制限す
る。燃料サイクルの力学と、内燃エンジンの熱移行特性
とによって、そのような熱行路に沿って大量の熱が、エ
ンジンの作動サイクルの内の燃料行程と排気行程との間
に、これらの構造物の中に貯められる。この貯められた
熱の一部は、吸気行程と圧縮行程（例えば４サイクルエ
ンジン）との間に、燃料と空気の混合気に移行される。
このことは、火花点火のガソリンエンジンの作動の場合
に特に不利であり、その圧縮比はノック制限によって規
定され、従って圧縮比は自動点火の結果生じるエンジン
のノックないしノッキングを避けるために選ばれる。し
かしながら、ノック制限された圧縮比が大きくなればな
るほど、出力とエンジン効率は大きくなる。逆に、圧縮
比が１ポイント減る毎に、そのような設計上の制限のた
めに、エンジンの燃料の経済性は約２ないし２．５％低
下し、エンジン出力も約２．５ないし３．０％低下す
る。大きく圧縮すると、濃縮された燃料ガスをノック制
限温度以上にまでもっと簡単に加熱してしまうことにな
るので、圧縮比は減少される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】自動車を運転するため
に、燃焼行程と膨張行程の間に、多くの燃焼熱を保持し
て機械的な仕事をさせることが望ましい。火花点火エン
ジンの場合には、吸気行程の間にピストンあるいは他の
燃焼チェンバーの構造物から燃料の中へ入っていく熱を
制御し、従ってエンジンの容積効率を増加させることが
望ましい。導入燃料へ移行（伝達）された貯蔵熱は、シ
リンダー孔壁上で凝縮するのを避けるために、燃料を蒸
発させるように改良するのに十分なものになっているは
ずである。ディーゼルエンジンの場合には、エンジンの
暖機後において、混合気の内の空気の濃度がより重要で
ある。火花点火エンジンとは異なって、吸気弁が閉じた
後の混合気が暖まっていればいるほど、エンジンの作動
にとってより好都合であり、その理由は、点火の遅れが
減少し、それがエンジンの燃焼を改良するからである。
そのような温度条件で運用する時には、ピストンの冠部
（crown)に近いピストンボディーの熱膨張特性を制御す
ることも望ましいであろう。
に、燃焼行程と膨張行程の間に、多くの燃焼熱を保持し
て機械的な仕事をさせることが望ましい。火花点火エン
ジンの場合には、吸気行程の間にピストンあるいは他の
燃焼チェンバーの構造物から燃料の中へ入っていく熱を
制御し、従ってエンジンの容積効率を増加させることが
望ましい。導入燃料へ移行（伝達）された貯蔵熱は、シ
リンダー孔壁上で凝縮するのを避けるために、燃料を蒸
発させるように改良するのに十分なものになっているは
ずである。ディーゼルエンジンの場合には、エンジンの
暖機後において、混合気の内の空気の濃度がより重要で
ある。火花点火エンジンとは異なって、吸気弁が閉じた
後の混合気が暖まっていればいるほど、エンジンの作動
にとってより好都合であり、その理由は、点火の遅れが
減少し、それがエンジンの燃焼を改良するからである。
そのような温度条件で運用する時には、ピストンの冠部
（crown)に近いピストンボディーの熱膨張特性を制御す
ることも望ましいであろう。
【０００４】ピストンを通過する熱の流れを熱的に管理
するための従来技術による試みは、ある種のタイプの熱
バリヤ（米国特許第２，８１７，５６２におけるテフロ
ン、米国特許第５，１５８，０５２におけるニッケル金
属、米国特許第４，７３５，１２８における酸化クロ
ム）の使用に限定されていた。そのような熱バリヤは、
熱を適当に管理するのには不十分であり、その理由は、
それらが極めて厚く、従って、容積効率に逆影響を与え
（すなわち、導入される燃料に余りに多くの貯蔵熱を移
行させることを許している）、燃料への吸収とは無関係
に燃焼チェンバーの表面から貯蔵熱を除去するための装
置が設けられていない点にある。
するための従来技術による試みは、ある種のタイプの熱
バリヤ（米国特許第２，８１７，５６２におけるテフロ
ン、米国特許第５，１５８，０５２におけるニッケル金
属、米国特許第４，７３５，１２８における酸化クロ
ム）の使用に限定されていた。そのような熱バリヤは、
熱を適当に管理するのには不十分であり、その理由は、
それらが極めて厚く、従って、容積効率に逆影響を与え
（すなわち、導入される燃料に余りに多くの貯蔵熱を移
行させることを許している）、燃料への吸収とは無関係
に燃焼チェンバーの表面から貯蔵熱を除去するための装
置が設けられていない点にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、熱的な
管理（ないし制御）方法と、そのような熱的な管理を組
み込んだエンジンの構造とを提供することにあり、以下
の１あるいはそれ以上を達成することにある。すなわ
ち、（ｉ）エンジンの冷却系統へ放出する熱を減らすた
めに、熱の移行を制御し、管理すること。（ii）エンジ
ン構造物の平均温度をより低い値に維持すること。（ii
i)貯蔵熱が吸気行程と圧縮行程中に燃料混合気を過剰に
加熱するのを制限すること。そのような熱的な管理を行
うと、エンジンの容積効率はより大きくなり、放出は少
なくなり、ガソリンエンジンに関しては、圧縮比が大き
くなることを許し、エンジン出力が増加する。
管理（ないし制御）方法と、そのような熱的な管理を組
み込んだエンジンの構造とを提供することにあり、以下
の１あるいはそれ以上を達成することにある。すなわ
ち、（ｉ）エンジンの冷却系統へ放出する熱を減らすた
めに、熱の移行を制御し、管理すること。（ii）エンジ
ン構造物の平均温度をより低い値に維持すること。（ii
i)貯蔵熱が吸気行程と圧縮行程中に燃料混合気を過剰に
加熱するのを制限すること。そのような熱的な管理を行
うと、エンジンの容積効率はより大きくなり、放出は少
なくなり、ガソリンエンジンに関しては、圧縮比が大き
くなることを許し、エンジン出力が増加する。
【０００６】第１の観点からいうと、本発明は熱移行の
ダイオードとして機能する低い熱拡散率の塗膜を採用す
る熱エンジンのピストンと燃焼チェンバーの構造であ
り、前記塗膜は燃焼行程中にエンジンの冷却材への熱の
流れを制限し、ピストンの膨張行程と排気行程中には幾
らかの制限された熱の移行を許し、前記塗膜は貯蔵熱が
吸気行程及び圧縮行程中に、新鮮な燃焼ガスの中へ流入
することを制限し、あるいは防止する。熱拡散率は塗膜
材料の密度及び質量比熱容量に反比例するので、材料は
熱伝導率以上に注意を払って選択しなければならず、従
来技術での選択においては熱伝導率だけが注意する特性
であった。低い熱拡散率の半導体塗膜の厚さは重要であ
り、その理由は適当な熱移行（伝熱）を確保するために
は十分な質量を有しながらも、厚さを最小にしなければ
ならないからである。
ダイオードとして機能する低い熱拡散率の塗膜を採用す
る熱エンジンのピストンと燃焼チェンバーの構造であ
り、前記塗膜は燃焼行程中にエンジンの冷却材への熱の
流れを制限し、ピストンの膨張行程と排気行程中には幾
らかの制限された熱の移行を許し、前記塗膜は貯蔵熱が
吸気行程及び圧縮行程中に、新鮮な燃焼ガスの中へ流入
することを制限し、あるいは防止する。熱拡散率は塗膜
材料の密度及び質量比熱容量に反比例するので、材料は
熱伝導率以上に注意を払って選択しなければならず、従
来技術での選択においては熱伝導率だけが注意する特性
であった。低い熱拡散率の半導体塗膜の厚さは重要であ
り、その理由は適当な熱移行（伝熱）を確保するために
は十分な質量を有しながらも、厚さを最小にしなければ
ならないからである。
【０００７】第２の観点においては、本発明は出力と燃
料経済を増加するために、内燃エンジンによって発生さ
れる熱を熱的に管理する方法である。この方法は、
（ａ）エンジンの圧縮比を１０ないし２０％だけ増加さ
せることと、（ｂ）ピストンの冠部と燃焼チェンバーの
表面とを、熱ダイオードとして機能する低い熱拡散率の
塗膜で塗付することと、（ｃ）そのように冠部と表面と
を塗布し、増加した圧縮比を用いてエンジンを作動させ
ることとからなり、従って、燃焼チェンバーへの新鮮な
吸気混合気は、より低い温度とより大きな容積効率でチ
ェンバー内に吸引され、燃焼行程及び膨張行程の初期の
熱解放部分の間は、燃焼チェンバーからエンジンブロッ
クの冷却ジャケットへ熱は殆ど放出されない。最終的に
ダイオード塗膜を介してピストンボディーや、エンジン
ブロック、及び頭部へ移行された熱は、それらの温度を
より低い値に維持し、かつ温度差をより小さくすること
によって塗膜の機能を補強するために制御される。この
ことによって、またアルミニウムのピストンボディーの
過大な熱膨張を防ぐことができる。前記制御は、（ａ）
利用可能な熱をブロック及び頭部の水冷却系に伝達する
ためのピストンボディーの少なくとも頭部ランドにおけ
る、改良された、熱伝導性のある、摩耗可能な塗膜、
（ｂ）好ましくは、弁列冷却材から隔離されていて、従
って粘性が低くてもよいオイル冷却材を、ピストンの内
部にスプレーすること、及び（ｃ）ピストンボディーの
中に、ピストンの冠部の近くに、鋳込み型の熱膨張防止
体を埋め込むこと、によって行われる。容積効率を増加
させるための補助として、吸気（及び排気）マニホルド
の壁は２重の壁／空気ギャップで隔離された構造を有す
るように製作され、新鮮な燃料が空気入口から吸気孔を
通ってエンジンの中へ入る時に、それを加熱することを
防いでいる。前記２重壁構造の特徴は非常に薄い内壁約
０．０１５インチないし０．０１３インチ（０．３８ｍ
ｍないし０．７９ｍｍ）と、非常に熱伝導率の小さなス
テンレス鋼とである。これはエンジンの熱が燃料の中へ
流れるのを隔離するだけでなく、冷間起動の間の燃料の
凝縮を減少させる。
料経済を増加するために、内燃エンジンによって発生さ
れる熱を熱的に管理する方法である。この方法は、
（ａ）エンジンの圧縮比を１０ないし２０％だけ増加さ
せることと、（ｂ）ピストンの冠部と燃焼チェンバーの
表面とを、熱ダイオードとして機能する低い熱拡散率の
塗膜で塗付することと、（ｃ）そのように冠部と表面と
を塗布し、増加した圧縮比を用いてエンジンを作動させ
ることとからなり、従って、燃焼チェンバーへの新鮮な
吸気混合気は、より低い温度とより大きな容積効率でチ
ェンバー内に吸引され、燃焼行程及び膨張行程の初期の
熱解放部分の間は、燃焼チェンバーからエンジンブロッ
クの冷却ジャケットへ熱は殆ど放出されない。最終的に
ダイオード塗膜を介してピストンボディーや、エンジン
ブロック、及び頭部へ移行された熱は、それらの温度を
より低い値に維持し、かつ温度差をより小さくすること
によって塗膜の機能を補強するために制御される。この
ことによって、またアルミニウムのピストンボディーの
過大な熱膨張を防ぐことができる。前記制御は、（ａ）
利用可能な熱をブロック及び頭部の水冷却系に伝達する
ためのピストンボディーの少なくとも頭部ランドにおけ
る、改良された、熱伝導性のある、摩耗可能な塗膜、
（ｂ）好ましくは、弁列冷却材から隔離されていて、従
って粘性が低くてもよいオイル冷却材を、ピストンの内
部にスプレーすること、及び（ｃ）ピストンボディーの
中に、ピストンの冠部の近くに、鋳込み型の熱膨張防止
体を埋め込むこと、によって行われる。容積効率を増加
させるための補助として、吸気（及び排気）マニホルド
の壁は２重の壁／空気ギャップで隔離された構造を有す
るように製作され、新鮮な燃料が空気入口から吸気孔を
通ってエンジンの中へ入る時に、それを加熱することを
防いでいる。前記２重壁構造の特徴は非常に薄い内壁約
０．０１５インチないし０．０１３インチ（０．３８ｍ
ｍないし０．７９ｍｍ）と、非常に熱伝導率の小さなス
テンレス鋼とである。これはエンジンの熱が燃料の中へ
流れるのを隔離するだけでなく、冷間起動の間の燃料の
凝縮を減少させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】ピストンと燃焼チェンバー壁とに
対して熱管理の塗膜を塗布せず、吸気マニホルドと排気
マニホルドとの構造に２重壁を使用せずにいると、内燃
エンジンからの燃焼熱の大部分が、膨張行程と排気行程
の間において、アルミニウムのピストンの冠部及びシリ
ンダーの頭部へ伝達されるであろう。従来型のエンジン
においては、より高温のピストンがそのような熱を、シ
リンダーブロックと接触したピストンリングを介して冷
却ジャケット（ブロックあるいは頭部）へ移行させ、そ
こから最終的に熱は放出される。より高温になった頭部
も同様に熱をその中へ延在している冷却ジャケットへ移
行させ、そこから熱は放出される。これらの熱放出行路
は制限され、かつ厳しく拘束されているので、アルミニ
ウムピストンの質量はヒートシングとして作用させられ
る。ピストンボディー、特に塗膜のないピストンの冠部
表面によって吸収された熱は、ピストンがアルミニウム
のような熱伝導率の大きな金属でできているので、吸収
された熱をピストンの質量を通して移行させるであろ
う。結果として、ピストンはより高温に、かつ、より弱
くなるであろう。このようにより高温になったピストン
と燃焼チェンバーの表面とは、吸気行程と圧縮行程の間
に燃焼チェンバー内へ入る吸気混合気の温度に悪影響を
与え、吸引された空気と燃料の混合気は吸気行程の最終
時には起動時に比べ比較的高温になり、容積効率は低下
するであろう。エンジンの設計者はノックを避けるため
火花点火エンジンの圧縮比を調節するであろう。例え
ば、圧縮行程の最後における燃焼ガスの温度は、圧縮比
を制限することによってより低温になるように設計しな
ければならない。ピストンのクラウンないし冠部（crow
n)の表面部の熱は、燃焼可能な混合気が設計温度を３０
ないし４０°Ｆ（１６ないし２２℃）だけ越えた時に、
燃焼チェンバー内の混合気を自動点火させるであろう。
さらに、（吸収されかつ抗散された熱の結果として）ア
ルミニウムのピストンの温度がより高温になるので、ピ
ストンはシリンダー孔壁を構成している材料とは異なっ
たより大きな熱膨張特性を経験するであろう。このこと
により、アルミニウムのピストンは、最も厳しい温度条
件、例えばエンジンの最大負荷条件において、ピストン
とシリンダー孔壁との間の熱膨張差の最も厳しい場合を
吸収できるような間隙を有するように設計する必要があ
る。エンジンが部分負荷状態にある場合には、温度が低
くなっており、従って、ピストンの熱膨張が減少してい
るので、アルミニウムピストンとシリンダー孔との間の
間隙は増加するであろう。これによって、ピストンとシ
リンダー孔壁との間のクレビス容積が大きく増加し、多
量のカーボンの放出を増加させるだけでなく、ピストン
リングと冠部とをバイパスするガス状の漏れが増加す
る。
対して熱管理の塗膜を塗布せず、吸気マニホルドと排気
マニホルドとの構造に２重壁を使用せずにいると、内燃
エンジンからの燃焼熱の大部分が、膨張行程と排気行程
の間において、アルミニウムのピストンの冠部及びシリ
ンダーの頭部へ伝達されるであろう。従来型のエンジン
においては、より高温のピストンがそのような熱を、シ
リンダーブロックと接触したピストンリングを介して冷
却ジャケット（ブロックあるいは頭部）へ移行させ、そ
こから最終的に熱は放出される。より高温になった頭部
も同様に熱をその中へ延在している冷却ジャケットへ移
行させ、そこから熱は放出される。これらの熱放出行路
は制限され、かつ厳しく拘束されているので、アルミニ
ウムピストンの質量はヒートシングとして作用させられ
る。ピストンボディー、特に塗膜のないピストンの冠部
表面によって吸収された熱は、ピストンがアルミニウム
のような熱伝導率の大きな金属でできているので、吸収
された熱をピストンの質量を通して移行させるであろ
う。結果として、ピストンはより高温に、かつ、より弱
くなるであろう。このようにより高温になったピストン
と燃焼チェンバーの表面とは、吸気行程と圧縮行程の間
に燃焼チェンバー内へ入る吸気混合気の温度に悪影響を
与え、吸引された空気と燃料の混合気は吸気行程の最終
時には起動時に比べ比較的高温になり、容積効率は低下
するであろう。エンジンの設計者はノックを避けるため
火花点火エンジンの圧縮比を調節するであろう。例え
ば、圧縮行程の最後における燃焼ガスの温度は、圧縮比
を制限することによってより低温になるように設計しな
ければならない。ピストンのクラウンないし冠部（crow
n)の表面部の熱は、燃焼可能な混合気が設計温度を３０
ないし４０°Ｆ（１６ないし２２℃）だけ越えた時に、
燃焼チェンバー内の混合気を自動点火させるであろう。
さらに、（吸収されかつ抗散された熱の結果として）ア
ルミニウムのピストンの温度がより高温になるので、ピ
ストンはシリンダー孔壁を構成している材料とは異なっ
たより大きな熱膨張特性を経験するであろう。このこと
により、アルミニウムのピストンは、最も厳しい温度条
件、例えばエンジンの最大負荷条件において、ピストン
とシリンダー孔壁との間の熱膨張差の最も厳しい場合を
吸収できるような間隙を有するように設計する必要があ
る。エンジンが部分負荷状態にある場合には、温度が低
くなっており、従って、ピストンの熱膨張が減少してい
るので、アルミニウムピストンとシリンダー孔との間の
間隙は増加するであろう。これによって、ピストンとシ
リンダー孔壁との間のクレビス容積が大きく増加し、多
量のカーボンの放出を増加させるだけでなく、ピストン
リングと冠部とをバイパスするガス状の漏れが増加す
る。
【０００９】図１に示したように、本発明は、火花点火
エンジンの場合において熱機関１０の容積効率を増加さ
せ、より高い圧縮比の時の自動点火を防ぎ、熱機関の全
寿命に亘って燃焼チェンバーの表面１２の汚染を防ぐと
共に排出物１１を減少させるための熱管理塗膜あるいは
層を採用している。第１に、熱ダイオードとして作用す
る低い熱拡散率（低アルファ）塗膜１３が、ピストンの
冠部、及び弁頭部表面１６を含む頭部における燃焼チェ
ンバーの表面１５に塗布されている（図２参照）。熱拡
散率は、密度（ｋｇ／ｍ3 ）と質量比熱容量（ジュール
／ｋｇ°ｋ）との積に対する熱伝導率（ワット／ｍ°
ｋ）の比として表される。本発明に関する良好な低い熱
拡散率は、アルミニウムの熱拡散率、例えば、９３×１
０-6の約半分であり、ジルコニアでは５４×１０-6、３
１６ステンレス鋼では５１×１０-6、チタン合金では６
２×１０-6（メートルないしＭＫＳ単位）である。本発
明の目的のための半導体として機能するために、前記塗
膜は次の様になっていなければならない。即ち、（ｉ）
熱伝導率は比較的小さいこと。（ii) 冷却系に対して消
費されるような方向における熱の伝達を制限するため
に、所定の望の熱カロリー量を維持することが可能であ
ること。（iii)入ってくる、より低温の燃料の充填方向
とは逆の方向における貯蔵された熱の流れを制限するた
めに、十分に薄くするかあるいは量を十分少なくするこ
と。塗膜を介する熱移行が殆どないので塗膜の温度は上
昇し、従って排気行程の終わりにおいては、ピストンの
冠部は、金属部分への熱の流れを加熱することによっ
て、しかしながら、金属部分から冷却材の方への熱流束
を制限することによってではなく、より低温になるであ
ろう。ダイオード塗膜は冷却系統への熱移行を実質的に
低下あるいは制限するであろうし、蓄積された熱は吸気
行程及び圧縮行程の間に、新しい吸引燃料への逆移行を
抑制するように制限され、ピストンの中へ入り込んだ熱
は、以下順次説明するような、より良好な熱伝達路によ
って容易に除去される。燃料混合気の温度が約５００°
Ｆ（２６０℃），冷却材の温度が約１００°Ｆ（３８
℃）と仮定した場合、半導体塗膜は、代表的には、火花
点火ガソリンエンジンにおいて、約３７５°Ｆ（１９０
℃）の安定温度に到達し、ピストンの冠部は塗膜よりも
少なくとも約１００°Ｆ（５６℃）だけ低温にすること
ができる。
エンジンの場合において熱機関１０の容積効率を増加さ
せ、より高い圧縮比の時の自動点火を防ぎ、熱機関の全
寿命に亘って燃焼チェンバーの表面１２の汚染を防ぐと
共に排出物１１を減少させるための熱管理塗膜あるいは
層を採用している。第１に、熱ダイオードとして作用す
る低い熱拡散率（低アルファ）塗膜１３が、ピストンの
冠部、及び弁頭部表面１６を含む頭部における燃焼チェ
ンバーの表面１５に塗布されている（図２参照）。熱拡
散率は、密度（ｋｇ／ｍ3 ）と質量比熱容量（ジュール
／ｋｇ°ｋ）との積に対する熱伝導率（ワット／ｍ°
ｋ）の比として表される。本発明に関する良好な低い熱
拡散率は、アルミニウムの熱拡散率、例えば、９３×１
０-6の約半分であり、ジルコニアでは５４×１０-6、３
１６ステンレス鋼では５１×１０-6、チタン合金では６
２×１０-6（メートルないしＭＫＳ単位）である。本発
明の目的のための半導体として機能するために、前記塗
膜は次の様になっていなければならない。即ち、（ｉ）
熱伝導率は比較的小さいこと。（ii) 冷却系に対して消
費されるような方向における熱の伝達を制限するため
に、所定の望の熱カロリー量を維持することが可能であ
ること。（iii)入ってくる、より低温の燃料の充填方向
とは逆の方向における貯蔵された熱の流れを制限するた
めに、十分に薄くするかあるいは量を十分少なくするこ
と。塗膜を介する熱移行が殆どないので塗膜の温度は上
昇し、従って排気行程の終わりにおいては、ピストンの
冠部は、金属部分への熱の流れを加熱することによっ
て、しかしながら、金属部分から冷却材の方への熱流束
を制限することによってではなく、より低温になるであ
ろう。ダイオード塗膜は冷却系統への熱移行を実質的に
低下あるいは制限するであろうし、蓄積された熱は吸気
行程及び圧縮行程の間に、新しい吸引燃料への逆移行を
抑制するように制限され、ピストンの中へ入り込んだ熱
は、以下順次説明するような、より良好な熱伝達路によ
って容易に除去される。燃料混合気の温度が約５００°
Ｆ（２６０℃），冷却材の温度が約１００°Ｆ（３８
℃）と仮定した場合、半導体塗膜は、代表的には、火花
点火ガソリンエンジンにおいて、約３７５°Ｆ（１９０
℃）の安定温度に到達し、ピストンの冠部は塗膜よりも
少なくとも約１００°Ｆ（５６℃）だけ低温にすること
ができる。
【００１０】本発明の目的のための熱半導体として機能
する熱拡散材料の例としては、チタニウム・アルミナイ
ド、チタン−６アルミニウム合金、酸化ジルコニウム、
酸化トリウム、及び（約２０％の）クロムと（約８％
の）ニッケルとを含んだ２００シリーズあるいは３００
シリーズのステンレス鋼（例えば、３１６ステンレス
鋼）がある。
する熱拡散材料の例としては、チタニウム・アルミナイ
ド、チタン−６アルミニウム合金、酸化ジルコニウム、
酸化トリウム、及び（約２０％の）クロムと（約８％
の）ニッケルとを含んだ２００シリーズあるいは３００
シリーズのステンレス鋼（例えば、３１６ステンレス
鋼）がある。
【００１１】次の表は前述した例の各々に関する特定の
熱拡散に係る数値を示しており、それには熱拡散率、密
度、及び比熱が含まれている。
熱拡散に係る数値を示しており、それには熱拡散率、密
度、及び比熱が含まれている。
【００１２】熱伝導率はほぼ零から２１ｗ／ｍ°ｋまで
の範囲で低く、密度は普通は５０００ないし９０００ｋ
ｇ／ｍ3 の運用可能な範囲にあり、比熱は５００Ｊ／ｋ
ｇ°ｋより大きく、塗膜の熱さは０．７５ないし１．２
２ｍｍの運用可能な範囲にあり、また熱拡散率は従って
だいたいほぼ零から６２までの範囲にある。
の範囲で低く、密度は普通は５０００ないし９０００ｋ
ｇ／ｍ3 の運用可能な範囲にあり、比熱は５００Ｊ／ｋ
ｇ°ｋより大きく、塗膜の熱さは０．７５ないし１．２
２ｍｍの運用可能な範囲にあり、また熱拡散率は従って
だいたいほぼ零から６２までの範囲にある。
【００１３】そのような低い熱拡散率の塗膜の厚さ１７
は、エンジンの構成要素の周期的作動（即ち、加熱と冷
却）のために、熱ダイオードとしての機能に関して重要
である、図３に示したように、燃料混合気１８からの熱
損失の物理現象は、固体金属２０（あるいは本発明の場
合には低い熱拡散率の塗膜１３）の直ぐ近くにおけるガ
ス境界層１９を通り、前記固体金属の厚さ部分を通り、
さらに空気あるいは水の冷却材２２（移行してきた熱を
受け、大気中へ放出する役割を果たす）の薄い境界層２
１を通る行路から熱的に構成されていることがわかる。
各々の層１９，２０，２１には熱勾配が存在し、前記層
１９と２１には最大ではあるが最短の熱勾配が生じる。
同様に、シリンダー壁の上部マージン部分１３において
も熱損失の物理現象が生じるが、そのような熱損失はエ
ンジンのクランクケースからそれに沿ってはねかけられ
るオイルによって付加的に影響を受ける。各種材料に関
する塗膜の最適な厚さは、実験的なデータによって、酸
化トリウムでは０．７０ｍｍ，酸化ジルコニウムでは
０．７６ｍｍ，チタンニウム・アルミナイドでは０．８
０ｍｍ，３１６ステンレス鋼では０．８５ｍｍであるこ
とが証明されている。
は、エンジンの構成要素の周期的作動（即ち、加熱と冷
却）のために、熱ダイオードとしての機能に関して重要
である、図３に示したように、燃料混合気１８からの熱
損失の物理現象は、固体金属２０（あるいは本発明の場
合には低い熱拡散率の塗膜１３）の直ぐ近くにおけるガ
ス境界層１９を通り、前記固体金属の厚さ部分を通り、
さらに空気あるいは水の冷却材２２（移行してきた熱を
受け、大気中へ放出する役割を果たす）の薄い境界層２
１を通る行路から熱的に構成されていることがわかる。
各々の層１９，２０，２１には熱勾配が存在し、前記層
１９と２１には最大ではあるが最短の熱勾配が生じる。
同様に、シリンダー壁の上部マージン部分１３において
も熱損失の物理現象が生じるが、そのような熱損失はエ
ンジンのクランクケースからそれに沿ってはねかけられ
るオイルによって付加的に影響を受ける。各種材料に関
する塗膜の最適な厚さは、実験的なデータによって、酸
化トリウムでは０．７０ｍｍ，酸化ジルコニウムでは
０．７６ｍｍ，チタンニウム・アルミナイドでは０．８
０ｍｍ，３１６ステンレス鋼では０．８５ｍｍであるこ
とが証明されている。
【００１４】前記塗膜は、好ましくは、第１にピストン
の冠面１４と、他の燃焼面１５と、弁頭部表面１６とを
清浄にして、かつ汚染のない状態にして準備すること
と、第２にピストンの冠面と他の燃焼チェンバーの表面
との上に、例えばプラズマ／熱スプレーによって半導体
塗膜材料を沈積させることによって塗付される。前記熱
拡散性材料はプラズマの中へ注入された粉末状になって
塗布するか、あるいは、周囲温度スプレーのために溶剤
の中へ溶かし込んで塗布することができる。プラズマス
プレーされた塗膜はピストンに対しては２０００ｐｓｉ
（１４０ｋｇ／ｃｍ2 ）以上、好ましくは６０００ｐｓ
ｉ（４２０ｋｇ／ｃｍ2 ）以上の接着強度と、３ないし
５％の多孔度とを有しているはずである。もし溶剤スプ
レーを採用した場合には、溶剤にはスプレーの前にジル
コニウムや、チタン−アルミニウム合金や、あるいはス
テンレス鋼のような適当な固体と、高温ポリイミド−ポ
リアミドのような適当な接着剤とが充填される。溶剤ス
プレーが完了すると、その混合物は表面上に固着し、そ
の後で溶剤が蒸発するであろう。もしピストンの冠部１
４が皿状の表面１４Ａを有している場合には、塗膜１３
はそのような中央の皿状部分の輪郭に従うことになるで
あろう（図２、図５参照）。そのような合体性を許すた
めには、用いられる粉末状材料の粒子寸法は、沈積ない
し堆積の場合には、８５ないし３０ミクロン、好ましく
は６０ないし４５ミクロンの範囲内に入る。
の冠面１４と、他の燃焼面１５と、弁頭部表面１６とを
清浄にして、かつ汚染のない状態にして準備すること
と、第２にピストンの冠面と他の燃焼チェンバーの表面
との上に、例えばプラズマ／熱スプレーによって半導体
塗膜材料を沈積させることによって塗付される。前記熱
拡散性材料はプラズマの中へ注入された粉末状になって
塗布するか、あるいは、周囲温度スプレーのために溶剤
の中へ溶かし込んで塗布することができる。プラズマス
プレーされた塗膜はピストンに対しては２０００ｐｓｉ
（１４０ｋｇ／ｃｍ2 ）以上、好ましくは６０００ｐｓ
ｉ（４２０ｋｇ／ｃｍ2 ）以上の接着強度と、３ないし
５％の多孔度とを有しているはずである。もし溶剤スプ
レーを採用した場合には、溶剤にはスプレーの前にジル
コニウムや、チタン−アルミニウム合金や、あるいはス
テンレス鋼のような適当な固体と、高温ポリイミド−ポ
リアミドのような適当な接着剤とが充填される。溶剤ス
プレーが完了すると、その混合物は表面上に固着し、そ
の後で溶剤が蒸発するであろう。もしピストンの冠部１
４が皿状の表面１４Ａを有している場合には、塗膜１３
はそのような中央の皿状部分の輪郭に従うことになるで
あろう（図２、図５参照）。そのような合体性を許すた
めには、用いられる粉末状材料の粒子寸法は、沈積ない
し堆積の場合には、８５ないし３０ミクロン、好ましく
は６０ないし４５ミクロンの範囲内に入る。
【００１５】前記チェンバー壁部、特にアルミニウム製
のピストンの冠部１４は運転中に隔離あるいは分散され
ていたカーボンの沈積物を集合させることがあり、前記
沈積物は、最終的にはコークスになり、汚染物を作り出
し、その結果自動点火を誘発するばかりではなく、ピス
トンリングの間にはさまった場合には、シリンダー孔の
摩耗あるいは損傷の原因にもなるであろう。同様に、そ
のような表面上の熱ダイオードの塗膜１３もまた、その
ような沈積物によって汚染されることがある。そのよう
な沈積物がピストンの冠部の表面に固着するのをなくす
ため、またそのような沈積物が塗膜上で濃縮されるのを
防ぐために、熱拡散性塗膜１３上には極めて不活性な材
料でできた超薄のオーバーレイ２５（図５参照）が位置
されている。そのような沈積物防止塗膜２５は、好まし
くは、金、アルミニウム青銅、白金、亜硝酸チタンない
し窒化チタン、亜硝酸シリコンないし窒化シリコン、ニ
ッケル・アルミナイド、チタニウム・アルミナイドから
なるグループから選択された材料でなければならない。
前記沈積物防止塗膜２５は、好ましくは、１００オング
ストロームから５ミクロンまでの範囲の厚さになって塗
布されなければならない。この塗膜は非常に薄くて、そ
れが覆っている塗膜の熱ダイオード効果に影響を与える
ことはないであろう。沈積物防止塗膜は、約１２００°
Ｆ（６５０℃）のような極めて高い温度においても明ら
かに安定であるはずである。
のピストンの冠部１４は運転中に隔離あるいは分散され
ていたカーボンの沈積物を集合させることがあり、前記
沈積物は、最終的にはコークスになり、汚染物を作り出
し、その結果自動点火を誘発するばかりではなく、ピス
トンリングの間にはさまった場合には、シリンダー孔の
摩耗あるいは損傷の原因にもなるであろう。同様に、そ
のような表面上の熱ダイオードの塗膜１３もまた、その
ような沈積物によって汚染されることがある。そのよう
な沈積物がピストンの冠部の表面に固着するのをなくす
ため、またそのような沈積物が塗膜上で濃縮されるのを
防ぐために、熱拡散性塗膜１３上には極めて不活性な材
料でできた超薄のオーバーレイ２５（図５参照）が位置
されている。そのような沈積物防止塗膜２５は、好まし
くは、金、アルミニウム青銅、白金、亜硝酸チタンない
し窒化チタン、亜硝酸シリコンないし窒化シリコン、ニ
ッケル・アルミナイド、チタニウム・アルミナイドから
なるグループから選択された材料でなければならない。
前記沈積物防止塗膜２５は、好ましくは、１００オング
ストロームから５ミクロンまでの範囲の厚さになって塗
布されなければならない。この塗膜は非常に薄くて、そ
れが覆っている塗膜の熱ダイオード効果に影響を与える
ことはないであろう。沈積物防止塗膜は、約１２００°
Ｆ（６５０℃）のような極めて高い温度においても明ら
かに安定であるはずである。
【００１６】金属チェンバーの表面から熱の強制除熱 熱ダイオード塗膜１３は、塗膜の熱容量のためにピスト
ンボディー（本体）２７への熱の流れを抑制している
（それによってアルミニウム製のピストンの主たるボデ
ィーの全体的な温度を低下させる）が、ピストンのボデ
ィー２７の温度はそれでも十分に高く、従って、シリン
ダー孔壁部３１がボディーと異なった材料でできている
か、あるいは同じ材料でできているかには無関係に、シ
リンダー孔壁３１との間に熱膨張の差が生じるであろ
う。厳しい条件の下でそのような膨張差を制御して、防
止するために、熱拡散性の層１３の直下において、しか
しながら間隙をおいて熱膨張の少ない、熱伝導率の大き
な挿入体２６が鋳込まれている。前記挿入体２６は、固
体カーボン（グラファイト）、炭化シリコン、窒化シリ
コン、チタン−アルミニウム合金あるいはキン青石（コ
ーディエライト）やベータコウ輝石のような低膨張性の
セラミックからなるグループから選択された材料ででき
ていてもよいが、アルミニウムとの共立性ないし相溶性
又は互換性があって、熱膨張が小さくかつ軽量であれば
他の材料であっても用いることができる。好ましくは、
前記挿入体は窒化シリコン、炭化シリコン、あるいは酸
化アルミニウムのような低熱膨張ファイバーとアルミニ
ウム粉末とからなる金属母材混合物として製作される。
このファイバーは熱膨張を防止するために、予想される
熱膨張の方向において望ましく整列されている。前記挿
入体は多孔質のパンケーキ、リング形状、あるいは蜂の
巣状の薄切り円板として形成してもよい。前記挿入体
は、その周りで鋳造される溶融アルミニウムの温度の約
４０％にまで挿入体を予熱することによって鋳込まなけ
ればならない。前記挿入体はエンジンの速度や負荷の変
動によってもたらされる温度の極値からの熱膨張を減少
させるであろう。
ンボディー（本体）２７への熱の流れを抑制している
（それによってアルミニウム製のピストンの主たるボデ
ィーの全体的な温度を低下させる）が、ピストンのボデ
ィー２７の温度はそれでも十分に高く、従って、シリン
ダー孔壁部３１がボディーと異なった材料でできている
か、あるいは同じ材料でできているかには無関係に、シ
リンダー孔壁３１との間に熱膨張の差が生じるであろ
う。厳しい条件の下でそのような膨張差を制御して、防
止するために、熱拡散性の層１３の直下において、しか
しながら間隙をおいて熱膨張の少ない、熱伝導率の大き
な挿入体２６が鋳込まれている。前記挿入体２６は、固
体カーボン（グラファイト）、炭化シリコン、窒化シリ
コン、チタン−アルミニウム合金あるいはキン青石（コ
ーディエライト）やベータコウ輝石のような低膨張性の
セラミックからなるグループから選択された材料ででき
ていてもよいが、アルミニウムとの共立性ないし相溶性
又は互換性があって、熱膨張が小さくかつ軽量であれば
他の材料であっても用いることができる。好ましくは、
前記挿入体は窒化シリコン、炭化シリコン、あるいは酸
化アルミニウムのような低熱膨張ファイバーとアルミニ
ウム粉末とからなる金属母材混合物として製作される。
このファイバーは熱膨張を防止するために、予想される
熱膨張の方向において望ましく整列されている。前記挿
入体は多孔質のパンケーキ、リング形状、あるいは蜂の
巣状の薄切り円板として形成してもよい。前記挿入体
は、その周りで鋳造される溶融アルミニウムの温度の約
４０％にまで挿入体を予熱することによって鋳込まなけ
ればならない。前記挿入体はエンジンの速度や負荷の変
動によってもたらされる温度の極値からの熱膨張を減少
させるであろう。
【００１７】ピストン２９の頂部円形ランド２８は、熱
膨張差の制御を行うと共に、強く接着された、熱伝導性
のある、摩耗可能な塗膜３０を有することがあり、この
塗膜はピストン２９からブロック３２のシリンダー孔壁
３１へのより熱伝導性のある熱行路を発展させる。この
ことによってピストンは、（ｉ）より低温に維持され、
（ii）ピストンリング３３の効果には無関係に、シリン
ダー孔壁３１との間隙をほぼ零にすることができる。前
記摩耗可能な塗膜３０は、ランド２８とシリンダー孔壁
３１との間の間隙に対して少なくとも等しいか、望まし
くはそれより少し大きな厚さになって、ランド２８上に
沈積され、従って、初期のエンジン運転の間に、塗膜３
０は摩耗し、シリンダー孔壁３１の環状部に合致した滑
らかな表面にまで磨かれ、塗膜とシリンダー孔壁３１上
のオイル膜３４との間の半径方向の間隙は殆どなくなる
か、あるいは全くなくなるであろう。本発明の概念にお
ける“摩耗（abrade)"するという語句は、塗膜がシリン
ダー孔壁に対する圧力接触によって容易に摩耗すること
ができることを意味している。ここでの摩耗可能性はテ
フロンやあるいはポリマーのような材料が柔化して、ピ
ストンリングの溝を満たして、リング機能に逆の影響を
与えることを含んでいるとの意味はない。
膨張差の制御を行うと共に、強く接着された、熱伝導性
のある、摩耗可能な塗膜３０を有することがあり、この
塗膜はピストン２９からブロック３２のシリンダー孔壁
３１へのより熱伝導性のある熱行路を発展させる。この
ことによってピストンは、（ｉ）より低温に維持され、
（ii）ピストンリング３３の効果には無関係に、シリン
ダー孔壁３１との間隙をほぼ零にすることができる。前
記摩耗可能な塗膜３０は、ランド２８とシリンダー孔壁
３１との間の間隙に対して少なくとも等しいか、望まし
くはそれより少し大きな厚さになって、ランド２８上に
沈積され、従って、初期のエンジン運転の間に、塗膜３
０は摩耗し、シリンダー孔壁３１の環状部に合致した滑
らかな表面にまで磨かれ、塗膜とシリンダー孔壁３１上
のオイル膜３４との間の半径方向の間隙は殆どなくなる
か、あるいは全くなくなるであろう。本発明の概念にお
ける“摩耗（abrade)"するという語句は、塗膜がシリン
ダー孔壁に対する圧力接触によって容易に摩耗すること
ができることを意味している。ここでの摩耗可能性はテ
フロンやあるいはポリマーのような材料が柔化して、ピ
ストンリングの溝を満たして、リング機能に逆の影響を
与えることを含んでいるとの意味はない。
【００１８】ピストンから摩耗塗膜３０を通る拡大され
た直接的な熱行路は、塗膜母材の中へ銅あるいはアルミ
ニウムような熱伝導性のある粒子あるいはフレーク３５
を取り入れることによって達成されるが、銅フレークが
好ましい媒体である。シリンダー孔壁上のオイル膜が不
調になったと仮定しても、ピストンはほぼ零の間隙の状
態で、それらの間に入り込むガスの膜の潤滑のみによっ
てシリンダー孔壁内で作動することできる。塗膜３０と
シリンダー孔壁３１あるいはその上のオイル膜３４との
間の間隙が５ミクロン以上（例えば、１０ないし１５ミ
クロンまで）になるように設計されていたり、あるいは
許容されている場合には、摩耗可能な塗膜は固体膜の潤
滑材として必要な組成を含有していなければならない。
そのような固体潤滑材は、４００°Ｆないし７００°Ｆ
（２００℃ないし３７０℃）において０．０６以下の摩
擦係数を有し、かつそのような温度において熱的に安定
している材料であると理解できる。そのような基準を満
足する塗膜は、好ましくは、グラファイトや、二硫化モ
リブデンや、窒化ボロンからなるグループから選択され
た少なくとも２つの要素の混合物からなっており、前記
混合物はポリマーの混濁液の中で沈積保持され、前記ポ
リマー（ポリアミドあるいは熱硬化性のあるエポキシ）
は膜状の塗膜をランドの表面に接着させる。
た直接的な熱行路は、塗膜母材の中へ銅あるいはアルミ
ニウムような熱伝導性のある粒子あるいはフレーク３５
を取り入れることによって達成されるが、銅フレークが
好ましい媒体である。シリンダー孔壁上のオイル膜が不
調になったと仮定しても、ピストンはほぼ零の間隙の状
態で、それらの間に入り込むガスの膜の潤滑のみによっ
てシリンダー孔壁内で作動することできる。塗膜３０と
シリンダー孔壁３１あるいはその上のオイル膜３４との
間の間隙が５ミクロン以上（例えば、１０ないし１５ミ
クロンまで）になるように設計されていたり、あるいは
許容されている場合には、摩耗可能な塗膜は固体膜の潤
滑材として必要な組成を含有していなければならない。
そのような固体潤滑材は、４００°Ｆないし７００°Ｆ
（２００℃ないし３７０℃）において０．０６以下の摩
擦係数を有し、かつそのような温度において熱的に安定
している材料であると理解できる。そのような基準を満
足する塗膜は、好ましくは、グラファイトや、二硫化モ
リブデンや、窒化ボロンからなるグループから選択され
た少なくとも２つの要素の混合物からなっており、前記
混合物はポリマーの混濁液の中で沈積保持され、前記ポ
リマー（ポリアミドあるいは熱硬化性のあるエポキシ）
は膜状の塗膜をランドの表面に接着させる。
【００１９】熱膨張差を付加的に制御するために、ピス
トンの内部２９Ａにはクランクケースの油溜め３７から
オイルがスプレー（噴霧）される。オイルは油溜め３７
から吸引、送給され、連結棒３８を上昇し、その後、連
結棒の小端３８Ａにおける半径方向の開口３９からスプ
レーされ、ピストン２９の内面２９Ａを浸す。そのよう
にピストンの下側２９Ａをオイルでスプレーして、シリ
ンダー壁３４をオイルをはねかけて冷却することによ
り、ピストンとシリンダー孔との間隙４０は設計範囲、
好ましくはほぼ零に維持されるであろう。オイルスプレ
ーが故障すると、結果としてピストンの冠部が過熱し、
それが膨張して普通はエンジンを故障させることになる
が、摩耗可能な塗膜が破壊的な故障になるのを防止す
る。
トンの内部２９Ａにはクランクケースの油溜め３７から
オイルがスプレー（噴霧）される。オイルは油溜め３７
から吸引、送給され、連結棒３８を上昇し、その後、連
結棒の小端３８Ａにおける半径方向の開口３９からスプ
レーされ、ピストン２９の内面２９Ａを浸す。そのよう
にピストンの下側２９Ａをオイルでスプレーして、シリ
ンダー壁３４をオイルをはねかけて冷却することによ
り、ピストンとシリンダー孔との間隙４０は設計範囲、
好ましくはほぼ零に維持されるであろう。オイルスプレ
ーが故障すると、結果としてピストンの冠部が過熱し、
それが膨張して普通はエンジンを故障させることになる
が、摩耗可能な塗膜が破壊的な故障になるのを防止す
る。
【００２０】ピストンとシリンダー壁とのオイル冷却の
効率を増加させるためには、ピストン冷却のためのオイ
ル回路は、クランクシャフト用や、弁列の潤滑及び冷却
用のような他のオイル冷却系から分離させなければなら
ない。図６に示したように、Ｖ−８エンジンブロックの
ための２重冷却の単一回路は主ラインのオイルポンプ４
０を有し、これは加圧流体をライン４１を通ってオイル
フィルター４２と第１オイルクーラ４３へ送り、更に水
平な主戻りライン４４へ送る。（前記主戻りラインに沿
った４つのステーションからの）下向きの供給ライン４
５、４６、４７、４８がクランクシャフトのベアリング
４９へそれぞれオイルを供給する。上向きの供給ライン
５１、５２はＶ字形ブロックの各々の側において各々の
エンジン頭部に関する弁列レイアウト５３、５４へそれ
ぞれオイルを供給し、オイルは図示していないラインを
通って前記レイアウト５３、５４からサンプ５５へ戻
る。弁列レイアウトへ循還されるオイルを付加的に冷却
するために第１オイルクーラ４３から出たライン６３か
ら取り出されるオイルを冷却するために、ライン６４に
おいて第２クーラ６２が用いられ、前記ライン６４は分
割され、他の場所において弁列レイアウトに連結されて
いる。前記第２クーラ６２はオイルを約１６０°Ｆ（７
１℃）の最高温度に保持しなければならない。このよう
に低い温度によってエンジン頭部の全体的な温度を低下
させ易くなり、それによって取り入れ口と取り入れマニ
ホルドからの取り入れ燃料へ移行することのできる熱を
制限する。
効率を増加させるためには、ピストン冷却のためのオイ
ル回路は、クランクシャフト用や、弁列の潤滑及び冷却
用のような他のオイル冷却系から分離させなければなら
ない。図６に示したように、Ｖ−８エンジンブロックの
ための２重冷却の単一回路は主ラインのオイルポンプ４
０を有し、これは加圧流体をライン４１を通ってオイル
フィルター４２と第１オイルクーラ４３へ送り、更に水
平な主戻りライン４４へ送る。（前記主戻りラインに沿
った４つのステーションからの）下向きの供給ライン４
５、４６、４７、４８がクランクシャフトのベアリング
４９へそれぞれオイルを供給する。上向きの供給ライン
５１、５２はＶ字形ブロックの各々の側において各々の
エンジン頭部に関する弁列レイアウト５３、５４へそれ
ぞれオイルを供給し、オイルは図示していないラインを
通って前記レイアウト５３、５４からサンプ５５へ戻
る。弁列レイアウトへ循還されるオイルを付加的に冷却
するために第１オイルクーラ４３から出たライン６３か
ら取り出されるオイルを冷却するために、ライン６４に
おいて第２クーラ６２が用いられ、前記ライン６４は分
割され、他の場所において弁列レイアウトに連結されて
いる。前記第２クーラ６２はオイルを約１６０°Ｆ（７
１℃）の最高温度に保持しなければならない。このよう
に低い温度によってエンジン頭部の全体的な温度を低下
させ易くなり、それによって取り入れ口と取り入れマニ
ホルドからの取り入れ燃料へ移行することのできる熱を
制限する。
【００２１】ピストンとシリンダー壁とのためにのみ低
粘性オイルを用い易くするために、図７は弁列レイアウ
トへ循還されたオイルがピストンとシリンダー壁のため
の主オイル回路８０から隔離されている装置を示してお
り、そのようにして隔離されたオイル回路８１は循還の
ためのそれ自身の小さな電動オイルポンプ８２を有して
いる。
粘性オイルを用い易くするために、図７は弁列レイアウ
トへ循還されたオイルがピストンとシリンダー壁のため
の主オイル回路８０から隔離されている装置を示してお
り、そのようにして隔離されたオイル回路８１は循還の
ためのそれ自身の小さな電動オイルポンプ８２を有して
いる。
【００２２】ピストン５６の内部のためのオイル冷却
は、ピストン内部へオイルを上方へ送給する上方へ延在
したライン５７によって説明される。さらに特に図１に
示したように、ピストンの内部へのオイルは、連結棒３
８を通して送給されるか、あるいはピストン内部に沿っ
てスプレーされ、通路５８に沿ってサンプ５５へ戻され
る。同様なライン５９、６０、６１が各々のクランクシ
ャフトのベアリングから上方へ延在しており、エンジン
の一方の側に沿って他のピストンに供給し、補足的なポ
ンプを有した補足的なラインがエンジンの他の側におい
てピストンにオイルを供給する。８個のシリンダー孔壁
へのオイルは、７０、７１、７２、７３、７４、７５、
７６及び７７で示したようなクランクシャフトのベアリ
ングにおける孔からはねかけられる。
は、ピストン内部へオイルを上方へ送給する上方へ延在
したライン５７によって説明される。さらに特に図１に
示したように、ピストンの内部へのオイルは、連結棒３
８を通して送給されるか、あるいはピストン内部に沿っ
てスプレーされ、通路５８に沿ってサンプ５５へ戻され
る。同様なライン５９、６０、６１が各々のクランクシ
ャフトのベアリングから上方へ延在しており、エンジン
の一方の側に沿って他のピストンに供給し、補足的なポ
ンプを有した補足的なラインがエンジンの他の側におい
てピストンにオイルを供給する。８個のシリンダー孔壁
へのオイルは、７０、７１、７２、７３、７４、７５、
７６及び７７で示したようなクランクシャフトのベアリ
ングにおける孔からはねかけられる。
【００２３】この回路８０のためのオイルは４０℃にお
いて３ないし５ｃｐ（従来型のエンジンオイル系統に関
しては１００ｃｐ）のように低粘性でなければならない
が、その理由は，粘性が低くなると０°Ｆ（−１８℃）
より十分低い温度においてエンジンの摩擦とオイルポン
プの出力損失とが減少するからである。ピストン−シリ
ンダー壁の回路を隔離することの重要性は、非常な冷温
条件においても低摩擦と容易なポンプ作動を容易に得る
ことにある。
いて３ないし５ｃｐ（従来型のエンジンオイル系統に関
しては１００ｃｐ）のように低粘性でなければならない
が、その理由は，粘性が低くなると０°Ｆ（−１８℃）
より十分低い温度においてエンジンの摩擦とオイルポン
プの出力損失とが減少するからである。ピストン−シリ
ンダー壁の回路を隔離することの重要性は、非常な冷温
条件においても低摩擦と容易なポンプ作動を容易に得る
ことにある。
【００２４】別の観点から見た本発明は、ピストンを壁
部に沿って動かさなければならない内燃エンジンによっ
て発生される熱を熱的に管理する方法に関しており、そ
のようなエンジンは空気と燃料の混合気を燃焼させるた
めの燃焼チェンバーと、そのような壁部を冷却するため
の冷却ジャケットとを有している。本方法は、エンジン
の圧縮比を増加（即ち、約１０ないし２０％）させるこ
とと、燃焼チェンバーに面したピストンの冠部を、熱半
導体として機能する低い熱拡散率の層を塗布すること
と、そのようにして塗布されたピストンと増加した圧縮
比とでエンジンを運転させ、燃焼チェンバーへの新鮮な
取り入れ混合気をより低温状態で、より大きな容積効率
でチェンバー内へ吸引し、ピストンの冠部からの熱のそ
のような混合気への移行量を少なくすることとからなっ
ている。燃焼からの熱へ冷却ジャケットへの排出は殆ど
なくなっている。約３．０リットルの寸法のエンジンに
関しては、圧縮比は約８：１から約１０：１に増加させ
ることができる。エンジンへの新鮮な取り入れ混合気
は、圧縮行程の開始時において、温度が約１６０°Ｆ
（９１℃）から約１２０°Ｆ（４９℃）へ低下すること
ができる。混合気への熱の移行は、ピストンの塗膜層へ
の照射によって殆どなくなり、それによって直前のピス
トン作動サイクルからの貯蔵された熱は、燃焼より先に
この新鮮な混合気を加熱することを防がれている。塗膜
の厚さは低い熱拡散率のための方程式を満足するために
最小化しなけばならない（即ち１ｍｍ以下）。
部に沿って動かさなければならない内燃エンジンによっ
て発生される熱を熱的に管理する方法に関しており、そ
のようなエンジンは空気と燃料の混合気を燃焼させるた
めの燃焼チェンバーと、そのような壁部を冷却するため
の冷却ジャケットとを有している。本方法は、エンジン
の圧縮比を増加（即ち、約１０ないし２０％）させるこ
とと、燃焼チェンバーに面したピストンの冠部を、熱半
導体として機能する低い熱拡散率の層を塗布すること
と、そのようにして塗布されたピストンと増加した圧縮
比とでエンジンを運転させ、燃焼チェンバーへの新鮮な
取り入れ混合気をより低温状態で、より大きな容積効率
でチェンバー内へ吸引し、ピストンの冠部からの熱のそ
のような混合気への移行量を少なくすることとからなっ
ている。燃焼からの熱へ冷却ジャケットへの排出は殆ど
なくなっている。約３．０リットルの寸法のエンジンに
関しては、圧縮比は約８：１から約１０：１に増加させ
ることができる。エンジンへの新鮮な取り入れ混合気
は、圧縮行程の開始時において、温度が約１６０°Ｆ
（９１℃）から約１２０°Ｆ（４９℃）へ低下すること
ができる。混合気への熱の移行は、ピストンの塗膜層へ
の照射によって殆どなくなり、それによって直前のピス
トン作動サイクルからの貯蔵された熱は、燃焼より先に
この新鮮な混合気を加熱することを防がれている。塗膜
の厚さは低い熱拡散率のための方程式を満足するために
最小化しなけばならない（即ち１ｍｍ以下）。
【００２５】従って、図８に示したように、第１段階に
おいては、塗膜されたピストンは殆ど排気行程の完了に
近づいており、排気弁だけが開いている。（第２段階に
おけるように）極めて短い距離だけ排気行程の全完了に
向かって移動すると、吸気弁と排気弁との両方が開いて
いるであろう。約９０°Ｆないし１００°Ｆ（約３２℃
ないし３８℃）の温度（代表的には吸気ダクトの温度）
において導入された混合気がシリンダー孔の中へ吸引さ
れると、塗膜１３からの熱（サイクル作動によって予熱
されている）の移行が生じるが、塗膜の熱的組成及び塗
膜の抑制された熱伝導性によって厳しく制限される。そ
のような混合気は導入中は温度が上昇するであろう。混
合気は温度が１２０°Ｆ（４９℃）とより低温で、密度
がより大きい（それに対して従来技術の温度は１６０°
Ｆ（７１℃））ために、燃焼チェンバーへ導入される混
合気の質量がより多量になるので、容積効率は増加し、
エンジン設計者は、圧縮行程（第４段階）中に混合気が
自動点火温度（即ち約８００°Ｆ（４３０℃））に到達
する恐れなしに、圧縮比を（例えば約８：１から１０：
１へ）増加させることができる。前記塗膜は、圧縮中の
燃焼チェンバー壁から混合気への熱の移行を、その低熱
拡散性によって抑制する。点火が生じ（第５段階）、膨
張中はピストンとチェンバー壁に移行されるスロットル
熱が低熱拡散率塗膜の存在の結果として発生し、それに
よってそのような仕事行程の間に作用する燃焼熱の量が
より多くなる。
おいては、塗膜されたピストンは殆ど排気行程の完了に
近づいており、排気弁だけが開いている。（第２段階に
おけるように）極めて短い距離だけ排気行程の全完了に
向かって移動すると、吸気弁と排気弁との両方が開いて
いるであろう。約９０°Ｆないし１００°Ｆ（約３２℃
ないし３８℃）の温度（代表的には吸気ダクトの温度）
において導入された混合気がシリンダー孔の中へ吸引さ
れると、塗膜１３からの熱（サイクル作動によって予熱
されている）の移行が生じるが、塗膜の熱的組成及び塗
膜の抑制された熱伝導性によって厳しく制限される。そ
のような混合気は導入中は温度が上昇するであろう。混
合気は温度が１２０°Ｆ（４９℃）とより低温で、密度
がより大きい（それに対して従来技術の温度は１６０°
Ｆ（７１℃））ために、燃焼チェンバーへ導入される混
合気の質量がより多量になるので、容積効率は増加し、
エンジン設計者は、圧縮行程（第４段階）中に混合気が
自動点火温度（即ち約８００°Ｆ（４３０℃））に到達
する恐れなしに、圧縮比を（例えば約８：１から１０：
１へ）増加させることができる。前記塗膜は、圧縮中の
燃焼チェンバー壁から混合気への熱の移行を、その低熱
拡散性によって抑制する。点火が生じ（第５段階）、膨
張中はピストンとチェンバー壁に移行されるスロットル
熱が低熱拡散率塗膜の存在の結果として発生し、それに
よってそのような仕事行程の間に作用する燃焼熱の量が
より多くなる。
【００２６】熱半導体塗膜は更に、極めて薄い層の金の
ような沈積物防止塗膜で保護してもよい。本方法はさら
に、ピストンをその冠部に熱ダイオード塗膜を有するだ
けでなく、このダイオード塗膜の直下において低熱膨張
性で高熱伝導性のある埋込体を有するようにして製作す
ることを含んでいてもよい。このことは冠部の形状を維
持して、エンジンの速度や負荷の変動の結果として生じ
る熱膨張を吸収し、熱をスプレーオイルの中へ迅速に放
出し、ピストンの温度上昇を最少にしている。
ような沈積物防止塗膜で保護してもよい。本方法はさら
に、ピストンをその冠部に熱ダイオード塗膜を有するだ
けでなく、このダイオード塗膜の直下において低熱膨張
性で高熱伝導性のある埋込体を有するようにして製作す
ることを含んでいてもよい。このことは冠部の形状を維
持して、エンジンの速度や負荷の変動の結果として生じ
る熱膨張を吸収し、熱をスプレーオイルの中へ迅速に放
出し、ピストンの温度上昇を最少にしている。
【００２７】本方法はさらに、ピストンを（ｉ）エンジ
ンブロックへ熱を移行させるのに効果のある、熱伝導性
のある摩耗可能な頂部ランドの塗膜や、（ii) エンジン
のオイル冷却系統へ熱を移行させるのに効果のある、ピ
ストンの内面をオイルで浸すためのオイルスプレー装
置、のような増加したヒートシンク能力を有するように
して製作することを含んでいてもよい。
ンブロックへ熱を移行させるのに効果のある、熱伝導性
のある摩耗可能な頂部ランドの塗膜や、（ii) エンジン
のオイル冷却系統へ熱を移行させるのに効果のある、ピ
ストンの内面をオイルで浸すためのオイルスプレー装
置、のような増加したヒートシンク能力を有するように
して製作することを含んでいてもよい。
【図１】本発明の熱管理特性を示した、内燃火花点火エ
ンジンの中心部の側断面図。
ンジンの中心部の側断面図。
【図２】図１の塗布された燃焼チェンバーの拡大断片的
断面図。
断面図。
【図３】ガス薄膜層と、本発明の塗膜と、金属基板と、
冷却材の液状膜と、液体冷却材自身とからなる各種の媒
体を通って、混合気から熱が移行する物理現象を示すダ
イヤグラム。
冷却材の液状膜と、液体冷却材自身とからなる各種の媒
体を通って、混合気から熱が移行する物理現象を示すダ
イヤグラム。
【図４】図３の媒体が熱の流れに対する抵抗として作用
することを示す模式図。
することを示す模式図。
【図５】本発明の熱管理の原理をより完全に具現する、
内燃エンジンのシリンダー孔壁内のピストンの上部右側
角部の、大きく拡大した断片的断面図。
内燃エンジンのシリンダー孔壁内のピストンの上部右側
角部の、大きく拡大した断片的断面図。
【図６】２重冷却系統を有したエンジンの弁列と燃焼領
域とを潤滑するための、単一のオイル行路の概略図。
域とを潤滑するための、単一のオイル行路の概略図。
【図７】ピストンを冷却するのに粘性のより小さなオイ
ルを用いることが容易な、エンジンの各種部分を潤滑す
るための２重オイル行路の概略図。
ルを用いることが容易な、エンジンの各種部分を潤滑す
るための２重オイル行路の概略図。
【図８】塗膜の結果として熱の流れを抑制し、またより
高い圧縮比を得易くする４行程エンジンの各段階の複合
的な説明図。
高い圧縮比を得易くする４行程エンジンの各段階の複合
的な説明図。
１０ エンジン １２ 燃焼チェンバー表面 １３ 塗膜 １４ ピストン冠部 １４Ａ カーボー沈積物防止塗膜 １７ 塗膜の厚さ ２６ 挿入体 ２７ ピストンボディー ２８ 頭部 ２９ ピストン ３０ 摩耗可能な塗膜 ３２ ブロック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 3/14 3/22 Ｚ
Claims (10)
- 【請求項１】 ガス状燃料燃焼領域をとりかこみ、前記
領域内へ燃焼可能な燃料を導入する熱エンジンのピスト
ン及び燃焼チェンバーの構造において、（ａ）前記燃料
燃焼領域に対面した冠部を有するピストンボディーと、
（ｂ）前記領域のとりかこみを完全にすべく、前記ピス
トンと協動する燃焼チェンバーの表面と、（ｃ）前記ピ
ストンボディー及び燃焼チェンバーへの熱の移行を抑制
し、燃焼の前に前記燃焼可能な燃料に熱が移行するのを
抑制すべく、熱のダイオートとして作動するのに効果的
な厚さを有する、前記冠部及び燃焼チェンバーの表面に
おける低い熱拡散率の塗膜、とを具備する構造。 - 【請求項２】 請求項１記載の構造において、前記塗膜
がほぼ零から７０メートル単位（アルミニウムピストン
の場合９３であるのに対して）の範囲の熱拡散率を有し
ている構造。 - 【請求項３】 請求項２記載の構造において、前記熱拡
散性のある塗膜の厚さが０．５ｍｍないし１．８ｍｍの
範囲にある構造。 - 【請求項４】 請求項１記載の構造において、前記エン
ジンが、前記燃料が前記領域へ入る前に、前記エンジン
から前記燃料への熱移行を防ぐべく、空気間隙絶縁部を
有している構造。 - 【請求項５】 請求項１記載の構造において、前記エン
ジンが前記塗膜と前記冠部あるいはチェンバーの表面と
の間の温度差を減らすための強化されたヒートシンクを
有しており、前記ヒートシンクが冷却されたブロックと
アルミニウム合金の頭部とからなり、また前記冷却され
たブロックと頭部に対して熱の流路を密接配置すべく、
前記ピストンの側壁の少なくともある部分に熱伝導性の
ある、減摩擦性の摩耗可能な塗膜を含んでいる構造。 - 【請求項６】 請求項１記載の構造において、前記エン
ジンが前記塗膜と前記冠部あるいはチェンバーの表面と
の間の温度差を減らすための強化されたヒートシンクを
有しており、前記ピストンボディーがアルミニウムでで
きており、前記強化されたヒートシンクは前記ピストン
ボディーの内側にオイル潤滑剤を噴霧する手段を有して
いる熱エンジンのピストンと燃焼チェンバーの構造。 - 【請求項７】 請求項６記載の構造において、熱拡散性
のある塗膜の近くで、かつ該塗膜に沿って埋め込まれた
挿入体を有するピストンボディーを更に有し、前記埋込
体は熱膨張の小さい、熱伝導率の大きい材料からなって
いる構造。 - 【請求項８】 請求項１記載の構造において、前記ピス
トンの冠部が前記熱拡散性のある塗膜を覆う超薄のカー
ボン堆積防止塗膜を更に有している構造。 - 【請求項９】 請求項１記載の構造において、前記カー
ボン堆積防止塗膜が、金、アルミニウム青銅、白金、窒
化チタン、チタニウム・アルミナイド、及び酸化銅から
なるグループから選択された材料を有し、前記カーボン
堆積防止塗膜が１００オングストロームから１０ミクロ
ンの範囲の厚さを有している構造。 - 【請求項１０】 空気と燃料との混合気を燃焼させるた
めの燃焼チェンバー壁と、該壁を冷却するための冷却ジ
ャケットと、前記壁の部分に沿って可動なピストンとか
らなる内燃エンジンから発生する熱を熱的に管理する方
法において、（ａ）塗膜のないチェンバーに対してエン
ジンのノッキングを誘発させるために、エンジンの圧縮
比を増加することと、（ｂ）少なくともピストンの冠部
及び前記燃焼チェンバー壁に、熱のダイオードとして機
能する低い熱拡散率の層を塗布して、前記塗膜に対して
垂直な両方向における熱の移行を抑制することと、
（ｃ）前記塗付したチェンバー壁及び増加した圧縮比を
備えた前記エンジンを作動させ、それによって前記燃焼
チェンバーへの燃焼可能な混合気の新鮮な吸気が、より
低い温度で所望の容積効率で吸引され、前記燃焼チェン
バーからの熱が前記冷却ジャケットへ無駄に放出されな
いようにすること、とを含む内燃エンジンの熱の管理方
法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US315162 | 1994-09-29 | ||
| US08/315,162 US5477820A (en) | 1994-09-29 | 1994-09-29 | Thermal management system for heat engine components |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08100659A true JPH08100659A (ja) | 1996-04-16 |
Family
ID=23223177
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7192066A Pending JPH08100659A (ja) | 1994-09-29 | 1995-07-27 | 熱エンジンのピストン及び燃焼チェンバーの構造及びエンジンの熱の熱的管理方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5477820A (ja) |
| JP (1) | JPH08100659A (ja) |
| CA (1) | CA2159232A1 (ja) |
| DE (1) | DE19524015C2 (ja) |
| GB (1) | GB2293863B (ja) |
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