JPS58180750A - 往復式内燃機関用ピストンとシリンダの組合せ体 - Google Patents

往復式内燃機関用ピストンとシリンダの組合せ体

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JPS58180750A
JPS58180750A JP57151829A JP15182982A JPS58180750A JP S58180750 A JPS58180750 A JP S58180750A JP 57151829 A JP57151829 A JP 57151829A JP 15182982 A JP15182982 A JP 15182982A JP S58180750 A JPS58180750 A JP S58180750A
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liner
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FUORUSHIYUNGUSU UNTO FUERUZUTS
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DOITSUCHIE FUORUSHIYUNGUSU UNTO FUERUZUTSUHISU ANSHIYUTARUTO HIYURU RUFUTO UNTO RAUMU FUAARUTO EE FUAU
FUORUSHIYUNGUSU UNTO FUERUZUTS
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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】 本発明は、シリンダライナーと、このシリンダライナー
内に移動自在に支持されたピストンとから々す、そのピ
ストンは内部に、ピストン内に保持嘔れたピストンピン
と、やはりピストン内の球状圧力・譬、ドとを含むコン
ロッド用回転軸受を設けられていて、上記球状圧力・臂
ツドがコンロッドに設けられた対応の球状圧力パッドと
二次元接触している往復式内燃機関、特にオツトーまた
はディーゼル機関内ピストン−シリンダ・セットに関す
る・ かかる構成はドイツ国特許公開公報第２７３７５９６号
に開示されている。
往復式内燃機関にその燃料によって与えられる熱の大部
分は、冷媒で熱を除去しなければ々らないために、無駄
に々っている。従来の往復式内燃機関において冷媒で導
き去る熱エネルギ一部分は合計すれば、その機関の燃料
の出す熱の２５乃至３５チもなる。冷媒への熱伝達が起
る部位は断熱、燃焼室の壁、特にシリンダライナーであ
る。従来の往復式内炉機関では、シリンダライナーを冷
却し々ければ々らず、これを行なわねば、シリンダライ
ナーやピストンへの熱応力は極めて高くなってしまうか
らである。オ友ピストンリングの部位においては潤滑油
の炭化を防ぐのに特に冷却が必要であって、かかる炭化
によってその潤滑油の密封作用が減じかつピストンリン
グが指傷してしまうからである。こうした必要性の故に
、ピストンリングと接触する、ピストン−シリンダ・セ
ットの部位の最高温度は約２２０乃至２３０℃に制限さ
れる。
冷却Ｖこよる直接的な熱損失に加えて、冷却に必要な冷
媒回路を駆動することからもやはり熱損失が起る。
更に１　ピストンとシリンダ支承面との開をピストンリ
ングで完全密封しなければならないために、必要なピス
トンリングのグループによりシリンダに応力が集中して
しまう。十にピは明らかにシリンダの機械的弱点であっ
て、この部位に１ｊ４１５Ｆに壊れ易い材料を使用する
と、Ｔｈｅが生ずるおそれがある。
すでに知られている通り、鱈焼室からの熱損失を減ずべ
く手段が様々講じらり、ている、そうした手段として、
七ラミ、り製ピストンへ、ド含有スるピストンの使用、
別途のヘッドとスカートを備え几ピストンの使用（Ｅ１
ｍｂ＠ｔｔ＋Ｄｅｖｖｌｏｐｍ＠ｎｔｏｆ　ａ　Ｄｉｓ
ｍ＠ｌ　Ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｈｅａｔ−ｒ＠ｔａｉ
ｎｉｎｇＣｏｍｂｕｓｔｌｏｎ　Ｃｈａｍｂ＠ｒ　＊　
ＭＴＺ　４２−１９８１−３　）等がある。ピストンや
シリンダライニングにセラミ。
り材を使用することも知られている（　Ｃｅｒａｍｉｃ
ｓＥｌｉｍｉｎａｔ＠　Ｄｉｓｍａｌ　　Ｃｏｏｌｉｎ
ｇ　　＊　　Ａｕｔｏｍｏｔ、　　Ｉｎｄ。
１６０−１９８０−６　）。
しかし、上記手段のいずれもピストンリングＶこよるピ
ストンの、それらのシリンダライニングに対する密封の
必要性をなくすることにはならず、密封部位を低温圧す
る必要性を温存しなければならなかった。
これとは対照的に、本願の目的は高い熱応力に耐える、
単体としてのピストン−シリンダ・セ。
トケ提案することにある。
上記目的は本発明によれば下記のピストン−シリンダ・
セットを提供することにより達成される。
す々わち、本発明のピストン−シリンダ・セットは、冒
頭に記載したタイプのものにおいて、その径方向熱膨張
がシリンダライナーの熱膨優より低い繊維合成物からな
るバンドでシリンダライナー管囲んでこのバンドによる
シリンダライナーの膨張に対する阻止がシリンダライナ
ーの長ざに亘って変化するようにかし、ま几ピストンを
、ピストンヘッドｔｐ焼室に向けかつ実買上円筒形のピ
ストンスカート管シリンダ支承面に隣接させたキヤ、デ
と、ピストンピンと球状圧力・ゼットに幻する軸受會含
む力伝達コアとから構成し、この球状圧’ｊＪｚ４ッド
の上方においてピストンへ、ドと力伝達コアとの間の力
伝達結合がピストンとの長手方向軸線に対して回転相称
的に行なわれるようになし、キャップをピストンスカー
トの下縁で力伝達コアに接続するか、そうでなければ、
キャップと力伝達コアとを互いに接触させず、そしてシ
リンダライナーおよびキャップを両方共セラミック材で
作ることによって得られる本のである。
上１構成によって、運転中に発生する高温でもピストン
とシリンダライナーとの間を完全密封できるのでピスト
ンリングの必要が、なくなる。
上記は互いに補完し合い、全部−緒にし友時に、望まし
い密封性管も几らす一連の個別手段によって達成される
。
バンドでシリンダライナーを囲んだ結果、シリンダライ
ナーの径方向膨張は外温によって影譬され、シリンダラ
イナーがピストンの膨張と整合して径方向に熱膨張する
。この径方向熱膨張はシリンダライナーの全長に亘って
実質上一定であり、そして運転中シリンダライナーに長
手方向に生ずる温度勾配とは無関係である。このために
、バンドがシリンダライナーの径方向膨張を阻止する程
度はライナーの長に亘って異なる。上方の高温部位では
上記ライナーの径方向膨張は下方の低温部位よりも阻止
される程度が大きいので、ライナーの径方向膨張は単体
として均一になる。更に、セラミック製シリンダライナ
ーが適宜圧力予応力管流されているので、バンドは燃焼
圧力によって生じる力を＼受ける。シリンダライナーに
作用する引張応力は従って回避される。
上記はバンドの厚みまたは構造を変化させることにより
得られる。例えば繊維合成物のバンドの上方部及び下方
部に使用する繊維を相異なるものにしてもよく、あるい
はバンドの部位の異なる毎に繊維の向きを変えてもよい
。
同時に、本発明におけるピストンの構造により、支承面
に密接に接しているピストン部品が回転相称形の温度分
布を示し、そしてそれらの部品に回転相称的に力を伝達
することができる。七の結果。
シリンダライナーの支承面に接するピストン部分の変形
も回転相称形の状態に残るが、ピストンの特定部品はピ
ストンへのコンロッドのリンケージのために回転相称的
にはできない。本発明の範囲内では、上記はピストンｔ
２つの基本構成部分、すなわち、高温の燃焼ガスに曝さ
れる回転相称形キャップと、（ロ）転相称形部品のみに
よりそのキャップに接続されかつ高温の燃焼ガスを浴び
ない非回転相称形刃伝達コアとに分割すれば達成される
。
このようにして、蛤焼圧力は中央の力伝達により回転相
称性を伴って力伝達コアに伝えられる。キャップはその
円筒形下縁だけが力伝達コアの適当に構成された部分に
接合δれるので、このようにしても、ピストンスカート
の非相称的変化が避けられる。
従って、力伝達コアの回転非相称的な熱膨張はキャラｌ
に影醤し得ず、そしてその一方では、力伝達コアが燃焼
ガスの高温からキャップにより効率的にし中へいされる
ので、力伝達コアの熱會減する結果としてその回転相称
的変形も小さくされる。
これに関連して、もう１つの好ましい結果として、燃焼
圧力はピストンピンによってはコンロ。
ドに伝えられるのではなく、＠接的にコンロッドへ伝え
られるので、ピストンへの応力が減じられ、そして、ピ
ストンの重量によって生じる遠心カケ受容するだけでよ
くなる。その結果、必らずシリンダの長手方向軸線に対
して回転相称的な成分である１、ピストンピンの寸法も
減じてよい。従って望ましい回転相称性が乱されること
が少なくなる。
ピストンリングの廃止や、ピストンのキャップやシリン
ダライナーに対するセラミ、り材の使用により、単体と
してのピストン−シリンダ・セットは実債的に高い温度
で運転してもよい。本発明の好適実施例では、シリンダ
ライナーを、これケシリンダプロ、りから断熱する層で
囲むので、熱損失はできるだけ小さく抑えることができ
る。
好適構成において、シリンダライナーまたはキャップは
黒鉛を含有するセラミ、り材で作られる。
埋設した黒鉛粒は互いに他に対して運動する部品量潤滑
する作用を有し、そしてその作用を高温下でも発揮し得
る。
ここでは、燃焼室に隣接したピストンヘッドまたはシリ
ンダライナーの表面に耐腐蝕性、耐酸化性の表面層を設
けるのが有利である。これによって、高温の燃焼ガスに
最も曝されかつ、他の部品の相対運動がそれに対して生
じない、ピストンへ、ドおよびシリンダライナーの部位
が高温の燃焼ガスから保鰻される。特に、それによって
埋込黒鉛粒の破損が防がれる。
保＃ｌｉ！面層は好ましくはＭｏ８１ｚ　、　Ａｔ２Ｃ
）３またはＴｉｃで作ることである。ま几これはセラミ
ックベース材そのもので作ってもよい、好適実施例にお
いては、キャップＦｉ雪化珪素で作られ、キャップと力
伝達コアとの間に置かれることのある断熱性、圧力伝達
中間層はチタン酸アルミまたは蓋宵石、力伝達コアは−
、シリンダライナーは炭化珪素または炭化珪素−黒鉛合
成物、バンドは炭素繊維強化のアルミまたはガラス、断
熱層もチタン酸アルミまたは　青石、でそれぞれ作られ
る。
また、シリンダライナーの支承面またはキャップに好ま
しくはＴｉＮ　、　ＴｉｃまたＦｉｗ２ｃで作った減摩
面層を設けるのも有利である。
上記の構成では、ピストンリングによる密封やシリンダ
ライナーの冷却は々しで済ますことができる。しかし、
それでもピストンとシリンダの支承面との間を良好に密
封できると共に、単体を極めて高い温度で運転できる。
燃焼室からの熱損失を低減するために下記の多数の利点
が得られる。
壷　燃焼室からの熱損失低減により、排気への熱エネル
ギーの再分配が生じ、これを排気ターボチャージャやそ
の他の下流側装置において利用できる。
秦　高温排気で下流側で汚染物質を減らす方途が容易に
なる。
秦　ピストンとシリンダライニングは早々に表面温度が
高く々す、そのため、特にディーゼル・モータの場合に
１点火の遅れを減じかつ低温起動の期間を短縮できる。
秦　冷媒への熱発散が減るので放熱器の構造が小さくか
つ軽量化する。
ピストンとシリンダ壁との間の運転間隙を減らしたため
に更にその他の利点が多数得られる◎秦　ピストンがシ
リンダ内の位置を変える時に生じる衝撃力と騒音とが低
減される。
秦　ピストンシャンクとシリンダ壁との間の汚染物の形
成が減じられる。
更にσ、耐摩耗性のセラミ、り材を使用しているのでシ
リンダの摩損を低減できる。
次に添付図面に従い、本発明？更に詳しく説明する。
シリンダライナー１はシリンダブロック２内の対応アパ
ーチャＶＣ挿入てれている。このシリンダライナー１は
その外面全実質上その全長に亘ってバンド３で囲まれて
おり、このバンドは繊維が好ましくはシリンダライナー
の回りに周方向に配向されている繊維合成物から作られ
ている０図示実施例においては、バンド３は厚みがその
上端から下端にかけて減じている。
シリンダライナーとバンドとからなる雄体はそのシリン
ダライナー１管シリンダプロ、り２がら断熱する層４で
囲まれている。
シリンダライナー１内に移動自在にピストン５が支持さ
れており、このピストンは２つの部分、すなわち回転相
称形のキャップ６と回転非相称形の力伝達コア７とから
なっており、その力伝達コアはピストンピン９を受容す
る通し穴８を有している。上記力伝達コア７はピストン
ピン９νこよりコンロッド１０に回転接続されている。
コグロッド１０の頭部１１Ｆｉ球状圧カバ、ド１２ケ形
成しており、この圧力パッドは力伝達コアの補完用中央
伝達面１３に二次元接触している。
キャップ６ＩＩ′ｉピストンヘツド１５を有し、このピ
ストンへ、ドは中央凹部１６と円筒形ピストンスカート
１７とを有する燃焼室１４に而しており、上記ピストン
スカートの外面はシリンダライナー１の支承面に二次元
接触している。凹部１６の１側にＩ／ｉ、ピストンヘッ
ドがその中央部を半面状の圧カッ母ツドとして形成され
ており、このパッドは力伝達コア７の上側に輪状外層２
１を有する対応の平面状中央圧カノヤ、ド２０と向い合
った輪状外層１９を有する。上記２つの圧力・９．ド１
８と２０との間には中間層２２があり、その補強され友
縁部２３は圧力・ｅ、ド１８．２０・の上記輪状肩１９
．２１に嵌会し、従って中間層をそれら圧力・ｆラドと
モ行に固定している。
力伝達コア７はその下部に、径方向外方に突出したフラ
ンジ２５を有する円筒形剰余部２４含有する。下方スカ
ート部２６は力伝達コア７０円筒形剰余部２４と二次元
指触しかつフランジ２５に係止している。この都城でキ
ャップ６と力伝達コア７Ｆｉ可撓的もしくは確実りへあ
るいは接着剤にて嵌会嘔れている。
上記接合部と中間層２２の中央力伝達面とは。
キャップとノＪ伝達コアとの唯一の接触点になっている
。そうで彦けれは、これら２つの部品は中央力伝達点を
囲む輪状空洞２７により互いに他から切離される。
燃焼ガスによって発生させられ九力はピストンヘッド１
５、圧力パッド１８．中間層２２、力伝達面１３および
圧カバ、ド１２′？ｒ経て面接コンロッド１０の頭部１
１に伝達される。他方、コンロ、ド１０はピストンの重
量で生じる遠心力のみ管受けるだけでよいので、その寸
法Ｆｉ減じてもよい。
本発明の好適夾施的において、ピストンｆｌ−ｔ’ラミ
、り材、好ましくは窒化珪素で作られている。
一方でピストンヘッドから力伝達コアへ圧Ｍカ全伝達す
る機能を有する中間層２２はまたキャップを力伝達コア
から断熱する働きをなすものである。
この中間層はチタン酸アルミまたは蓋青石で作るのが好
ましい。
力伝達コアは、それｔ；その下方の低温部のみで接続さ
れているキャップにより熱い燃焼ガスから断熱されてい
るので、力伝達コアは−ＨｒこＬ−’１よい。
またシリンダライナーもセラミック材、−］えば炭炭化
系ま几は戻化珪累・黒鉛合成物で作るのが好ましい、こ
れらの材料はシリンダライナーの冷却が行なわれない本
発明の構成において発生する１１度に耐えるのに特に適
している。シリンダヘッドの上死点において上記温度は
７００℃に達し得る。このため高温耐性、熱衝撃耐性お
よび薬品耐性（ｔｋ化安定）が強く要求されるが、これ
らの要求は上記のセラミ、り材倉使用することで／ｌｋ
７′ｊされる。
上記のピストン＃ｔＦｊＶ、の結果として、ピストンは
実債上１１転相称的な変形を受ける。・キャップの高さ
に亘り温崖差があるが、キャラ１の簡さに亘り径方向に
はぼ一定の膨張があってもよい、使用のセラミック材は
概して熱彰張ｇＦ数が力伝達コアの製作に用いる銅より
も低い。ピストンの径方向熱膨張Ｖｉその上部において
は専らキャップの材料によって、しかしその下部におい
ては部分的には伝達コアの材料によって訣まるので、温
度差にかかわらず、ピストンはほぼ均一に径方向に熱膨
張逼せられる。
７リンダライナーの径方向熱膨張動作はバンド３によっ
てピストンのそれに髪合芒せられている。
バンドの径方向熱膨張はシリンダライナーよりも小さい
ので、シリンダライナーの径方向膨張は阻止されると共
にピストンの径方向熱膨張に対応する大きさに制限され
る。
同時に、バンドは温度差の結果としてシリンダの軸線Ｋ
Ｇって生じる。シリンダライナーの径方向膨張差を補償
する。
図示の実施列においてこれは、バンドがシリンダライナ
ーの上方高温部がその下方部よりも厚いことによって生
じる。
従って全体としては、シリンダライナーの全長に亘って
均一でしかもピストンの径方向順張に整合（−た径方向
膨張が得られる。
更に、バンドは燃焼圧力によって生じた力を、セラミッ
ク袈シリンダライナーの適当な圧縮予応力付加によって
受容する働きをなす。従ってシリンダライナーへの引俟
応力が回避される。
相対的肇位をさせられる部品、　ＦｐＯえばシリンダラ
イナーとキャラｆは、黒鉛を含有するセラミック材、例
えば炭化珪素・黒鉛合成物で作るのが有利である。これ
により摩擦し合う吃のどうしの間が潤滑され、他の潤滑
手段が故障しても少なくとも緊急の潤滑が確保きれる。
こねと関連して％高温の燃焼ガスと直接接触しかつ互い
に他に対して相対変位の生じ彦いシリンダライナーおよ
びキャップの部域、例えばピストンヘッドおよびシリン
ダライナーの上縁には、即設された黒鉛粒が高温の燃焼
ガスにより損傷されるのＹｒ肪ぐ保饅面層を設けるのが
好ましい、この保霞面層けＰＱＪげ、ＭｏＳｉ２　、　
Ａｔ２０５またけＴａＣで作ってよい・また、この保護
面ＮＡはセラミ、り材をベースそのものにして作る、す
なわち、シリンダライナーやピストンヘッドが、問題の
部域のＷ緘に埋込まれた黒鉛粒を倉ま々いようにしても
よい・ 中間層２２と断熱層４は拮抗部品、すなわちシリンダラ
イナー及びキャップを、感熱部品すなわチ、力伝達コア
、ピストンピン、コンロッド、シリンダブロックから断
熱している。このため、それら部品は良好な断熱性ケ有
する本のでなければならない。しかし更［Ｆｉ、中間層
も、ガスの圧力やピストンの慣性の力を受けるので、支
持機能を果す、従って中間層は圧縮強きが大きくなくて
はならない。この大きい圧縮強さや良好な断熱性の要求
を満几すのはセラミ、り材、特にチタン酸アルミ普たＦ
ｉ蓋青石である。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明のピストン−シリンダ・セットの縦断面図
である。 １・・・シリンダライナー、２・・・シリンダブロック
、３・・・バンド、４・・・断熱層、５・・・ピストン
、６・・・キヤ、ｆ、７・・・力伝達コア、９・・・ピ
ストンピン、ｌＯ・・・コンロ、ド、１２・・・球状圧
力・１．）’、１４・・・燃焼室％　１５・・・ピスト
ンヘッド、１６・・・凹部、１７・・・ピストンスカー
）、１８ｊ２０・・・平面状圧カバ、ド、１９．２１・
・・輪状外層、２２・・・中間層、２３・・・縁部、２
４・・・円筒形剰余部、２５・・・７ランノ、２６・・
・下方スカート部（下リム、下縁）、２７・・・空洞。 以下令白

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、　シリンダライナーと、このシリンダライナー内に
    移動自在に支持されたピストンとからなり。 そのピストンは内部に、ピストン内に保持はれたピスト
    ンピンと、やはりピストン内の球状圧力・母ッドとを含
    むコンロッド用回転軸受を設けられていて、上記球状圧
    力／臂、ドがコンロ、ドに設けられた対応の球状圧力パ
    ッドと二次元接触しており、その径方向熱膨張がシリン
    ダライナー（１）の熱膨張より低い繊維合成物からなる
    バンド（３）でシリンダライナー（１）が囲まれており
    、このバンド（３）によるシリンダライナー（１）の膨
    張に対する阻止がシリンダライナー（１）の長さＶＣは
    って変化し、またピストンが、ピストンヘッド（１５）
    を燃焼室に向けかつ夾質土円筒形のピストンスカート（
    １７）ｔ−シリンダ支承面に隣接嘔せたキャップ（６）
    と、ピストンピン（９）と球状圧力パッド（１３）に対
    する軸受を含む力伝達コア（７）とからなっており、こ
    の球状圧カッ４　ｙド（１３）の上方においてピストン
    ヘッド（１５）と力伝達コア（７）との間の力伝達納会
    がピストンの長手方向軸線に対して一転相称的に行なわ
    れており、キャップ（６）がピストンスカート（１７）
    の下リム（２６）で力伝達コア（７）Ｋｍ続されている
    か、そうで々ければ、キャップ（６）と力伝達コア（７
    ）とが互いに接触せず、そしてシリンダライナー（１）
    およびキャップ（６）ｔｉ両方共セラン、り材で作られ
    ていることを特徴とする、往復式内燃機関、特にオツト
    ーまたはディーゼル機関用ピストン−シリンダ・セット
    。 ２１、上記シリンダライナー（１）を囲んでそれをシリ
    ンダプロラン（２）から断熱している層（４）を含んで
    いることｔ％徴とする特許請求の範囲第１ＪＪＫ記載の
    ピストン−シリンダ・セット。 ３、　シリンダライナー（１）またはキャップ（６）が
    、黒鉛′を埋込んであるセラミック材で作られているこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記
    載のピストン−シリンダ・セット・ ４、燃焼室（１４）に隣接するピストンへ、ド（１５）
    または７リンメライナー（１）の縁が耐腐食性かつ耐酸
    化性の保護面層を有することを特徴とする特許請求の範
    囲第３項に記載のピストン−シリンダ・セット。 ５、上記保護面層がＭｏＳｉ２　、　Ａｔ２０５　、　
    ＴａＣ’！たはセラミ、クペース材七のもので作られて
    いることを特徴とする特許請求の範囲第４項に１軟のピ
    ストン−シリンダ・セット。 ６、　キヤ、！（６）が窒化珪素、できればキヤ、デ（
    ６）と力伝達コア（７）との間に設けられる断熱性、ホ
    カ伝達中間層（２２）がチタン酸アルミまたは菫青石、
    力伝達コア（７）が銅、バンド（３）が炭素繊維強化炭
    素または炭素繊維強化ガラス、また断熱層（４）がチタ
    ン酸アルミまたは菫青石、でそれぞれ作られていること
    ′１に％徴とする特許請求の範囲第１項から第５項まで
    のいずれか１項に記載のピストン−／リンダ・セット。 ７、　シリンダライナー（１）またはキャップ（６）の
    支承面が減摩摺動層を有すること管特徴とする特許請求
    の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に１賊のピ
    ストン−シリンダ・セット。 ８、上記摺動層がＴｉＮ　、　ＴｉＣまたはｗ２ｃで作
    られていることを特徴とする特計祠求の範囲第７項に記
    載のピストン−シリンダ・セット。
JP57151829A 1981-09-02 1982-09-02 往復式内燃機関用ピストンとシリンダの組合せ体 Granted JPS58180750A (ja)

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