JPS59122764A - 断熱エンジン - Google Patents

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】 本発明はセラミック材よりなるシリンダライナーの外周
に配設されるリングとの間に隙間を形成して熱応力の減
少を図るようにした断熱エンジンに関する。

熱機関における効率はその発生した熱量を出来るだけ有
効に利用することであり、そのために種々に工夫が行な
われて来ているが、材料の耐熱上の問題等の為に、その
かなりの部分が冷却等の手段によって何ら有効に利用さ
れることなく排出されているのが現状である。

この材料の面で、高温に耐え、しかも断熱効果に優れた
ものとしてセラミックが注目され、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ッ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、これらセラミック
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
のではなかった。したがって、セラミック材を用いた断
熱効果による多少の熱効率の向上が得られる程度であっ
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、未燃焼の混合気か壁面上に滞留して、
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って、排気ガス
中に多量の炭化水素を含崩させ、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・ントを形成し、干渉又は
焼付を発生させることにもなる。従って、従来のセラミ
ッ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った。

さらに、従来のセラミックエンジンにおいてはピストン
リングがピストンのヘッ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ったのではセラミッ
クエンジンのように高温になるものでは従来手段のしゅ
う動は行い得す、固体潤滑が何らか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って来てい
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
率の改良効果も少く、排気ガス中の炭化水素の減少も多
くは期待出来ず、かつテポシントを発生し易く°、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
ンとなっている。そこで、ピストンへシト部、シリンタ
ライナー、シリンダヘッドの燃焼室面、および吸排気弁
に全べてセラミックを用いると共に、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クが移動す
る範囲程度とし、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、燃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シリンダ
ライナーの熱応力を減少さ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説明する。

第１［には本発明の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って駆動される
排気タービン、Ｃは該排気タービンＴによって駆動され
る吸気コンプレッサー、Ｇは同じく該排気タービンＴに
よっ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からの電力によっ
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からの高温の排気カ
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ッサ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
はキヤを介してエンジンＥのクランク軸へ付加されるこ
とになる。

第２図は断熱エンジンの断面図であり、この場合ツエン
ジンはディーゼルエンジンである。

図において、１はシリンダヘッド、２はシリンダブロッ
ク、３はシリンダライナーの上方部とシリンダヘッド内
壁部を一体化したライナーへンド４はシリンダライナー
、５はピストンヘッド、６はピストンボディ、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
へ・ノド５固定用のボルト、１２．１３は位置決めリン
グ１５．１６．１７は断熱ガスケット、１８は弁案内、
１９は弁案内スリーブ、２０は冷却ノズル、２１ａ、２
１ｂ、２２ａ、２２ｂは冷却用オイル室、６１．６２は
ピストンリングである。

シリンダヘッド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ッド
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
ナーへ・ンド３を嵌合する。

シリンダボディ２は鋳物で作りシリンダへ・ンド１か垂
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、２
２ａ、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およびライナーヘッ
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
ールすることによってピストンリングの潤滑が保証され
る程度にする。

ライナーヘッド３はシリコンナイトライド（ＳＩＪ　Ｎ
４）又はＰＳＺ　（Ｐａｒｔｉａｌｌｙ　　５ｔａｂｉ
ｌｉｚｅｄ　ＺｉｒｃＤｎｉａ　）で製作され、シリン
ダヘッド内面とシリンダライナー上方部を一体的に形成
し、エンジンの１サイクル中最も高温・高圧ガスにさら
される（最も熱の逃げが多い）シリンダヘット内面とシ
リンダライナー上方部を一体的に形成し、断熱ガスケン
ト１７の位置を高温・高圧のシリンタライナー上方部か
ら遠くなるような位置に設けたため、燃焼効率の改良効
果が大きくなると共に、断熱ガスケットの耐久性（熱劣
化性）をも改善出来る。また、シリンダへラドｌへの取
付は位置決リング１２．１３および上側に位置決めプレ
ートを有するガスケット１６を介在して該シリンダヘッ
ド１へ圧入、焼ばめ等により嵌合したので、シリンダヘ
ッド３との間に空気層が形成され、熱の逃げが少なくな
り、更に熱効率の改良効果が期待出来る。

シリンダライナー４はＰＳＺで製作され、シリンダボデ
ィ２へ組立式、鋳込式、焼ばめ、圧入等によって取付ら
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物と同程度であり、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。また、ライナーヘッド３をシリコン
ナイトライドにするとＰＳＺのシリンダライナーとのな
しみは非常に良好となる。

ピストンへラド５はシリコンナイトライドで製作され、
その中央部を凹ませ、下端外・周には段部を形成してピ
ストンボディ６との取付時の位置決めおよび移動を防ぐ
ようにし、７ｉ７１記中央凹部にはピストンボディ結合
用のポルトエｌ挿通用の孔を設ける。

ピストンボディ６はアルミニウム合金あるいは鋳物で製
作し、上端外周にはピストンヘッド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へラド５の下面に当接させ、核部に
ピストンへラド５と一致する孔を形成し、ポル）１１で
両者を結合する。

排（吸）無弁７はその燃焼室側に当る下面をシリコンナ
イトライド又はＰＳＺで製作するが、排気弁の方は弁全
体をシリコンナイトライド又はＰＳＺで製作してもよい
。また排気側の弁案内１８も同様にシリコンナイトライ
ド又はＰＳ’Ｚで製作する。

排気管８．９は排気ガスの高温のためステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ）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
ラミックを被覆する。

ボルト１１は、燃焼室に面する部分にシリコンナイトラ
イド又はＰＳＺ溶射で覆うようにする。

位置決めリング１２．１３はコノヘール又は４２アロイ
で製作することが好ましいが、シリコンナイトライドあ
るいはＰＳＺで製作してもよい。

冷却ノズル２０はセラミックで製作し、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の
作動以外にはシリンダより外部への逃げがなくなり、ま
だかなりのエネルギーを有する高温の排気ガスとして排
出され、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図はライナーヘッドの平面図であり、第１２図と同
一部材は同一符号で示す。

ライナーへット３のスラスト方向（矢印方向）および該
スラスト方向と直交する方向の最遠部にはリング１３と
接触する部分３３．３４を形成し他の部分には隙間３０
を形成する。この場合、それぞれの接触面の大きさは、
用いられる材料、ライナーヘッド３の寸法およびエンジ
ンの出力等によって適宜決定される。３１は吸気孔、３
２は排気孔である。なお、リング１２もリング１３と同
様に構成する。

第４図は熱伝導特性を示し、（Ａ）はライナーと金属（
例えばシリンダブロック鋳物）の間に空気層がある場合
であり、この場合、ライナーはライナーヘッド３あるい
はシリンダライナー４のいずれにおいても適用出来るも
のであり、金属は該ライナーヘッド３あるいはシリンダ
ライナー４に対応する外側のシリンダヘッドｌあるいは
シリンダブロック２を表わす。図において、−１ＴＩは
ライナーの内壁および外壁の温度、Ｌ、Ｌは空気のライ
ナー側および金属側１ａ度、１．モは金属の内壁および
外壁の温度である。（Ｂ）はライナーか直接金属に接し
ている場合であり、ライナーおよび金属は（Ａ）の場合
と同様のものである。図において、Ｔ；、Ｔ′はライナ
ーの内壁および外壁の温度であり、℃、では金属の内壁
および外壁の温度である。（Ａ）はライナーと金属との
間に空気層があるために熱は伝わりにくく、ライナー内
部の温度勾配Ｔ、　−Ｔ、はゆるやかになる。（Ｂ）は
ライナーが金属と直接接し、金属を通して熱は良く伝わ
るので、温度勾配で一■′は急（大））となる。

ライナー両側間で温度勾配が大きいと、ライチーには熱
応力が作用し、塑性変形に乏しいセラミック材よりなる
ライナーには好ましくない状態になる。それを上記のよ
うに形成することによって温度勾配をゆるやかにし、熱
応力の減少が図れることになる。

第５図は第２図のリング部１３を拡大して示し該リング
１３は外周に溝３５を形成し、シリンダヘッド１との間
の熱伝導を減少させる。この場合類リング１３は圧入、
メタライズ等によってライナーヘッド３へ固定される。

材料には金属が用いられるが、ＰＳＺでもよい。エンジ
ン作動時にはシリンダヘッド１側が冷えているので、リ
ング１３には圧縮力が作用することになり、ライナーヘ
ッド３を保持する作用もある。

以上詳細に説明したように、本発明は、セラミンク製の
シリンダライナーとその外周に配設されるリングとの間
に隙間が存在するように形成したので、シリンダライナ
一部における温度勾配がゆるやかとなり、シリンダライ
ナ一部における熱応力の減少を図ることが出来ることに
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図はライナーヘッドの平面図、第４図は熱伝
導特性説明図、第５図はリング部の断面図である。 ｌ・・シリンダヘッド、２・・シリンダブロック、３◆
嘩ライナーヘツド、４台・シリンダライナー、１３・Ｑ
リング、３０・・隙間、３３．３４拳・接触部 特許出願人　　　いすダ自動車株式会社代　　理　　人
　　　　　　弁理士　　辻　　　實（外２名） 第７図 Ｍα 第２図 □ ！ 第Ｓ図 ト （Ａ） （Ｆ３ン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミック製のシリンダライナーとその外周に配設され
   るリングとの間に隙間が存在するように形成したことを
   特徴とする断熱エンジン。