JPS59213938A - 断熱エンジンのピストン - 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】 本発明はビス）・ンヘッドとピストンボディの二部分よ
り構成される断熱エンジンのピストンに関する８ 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って何ら有効に利
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、高温に酎え、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って、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ポジットを形成し、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、固体潤滑か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、かつデポジットを発生し易く、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、ピストンヘッド部、シリンダラ
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グが移動する範
囲程度として、ピストンリングのしゅう動を実際に行い
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Ｄ［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ッ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ィとより構成し、
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説明する。

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かもの排気ガスによ
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４ａＧ
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ィーゼルエンジンである
。

図において、■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ヘッド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）無弁、８は２重ボートのインナー、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
ヘッド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、１
９は弁案内スリーブ、２０は冷却ノズル、２１ａ、２１
ｂ、２２ａ、２２ｂは冷却用オイル室、６１６２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、シリンタライナーの上
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
ナーヘッド３を嵌合する。

シリンダボディ２は鋳物で作りシリンダヘッドｌ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
全品に亘る位置に冷却用オイル室２１ａ、２１ｂ、２２
ａ、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４８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。

ライナーへラド３はシリコンナイトライド（ＳＬｓＮ４
）又はＰ　Ｓ　Ｚ　（Ｐａｒｔｉａｌｌｙ　　Ｓ　ｔａ
ｂｉｌｉｚｅｄ　Ｚ　１ｒｃｏｎｉａ）で製作１７、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、シリンダヘッド１への取付は位置決めリング１
２．１３および上側に位置決めプレートを有するガスケ
ツ）１６を介在して該シリンダヘッドｌ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。

ピストンヘッド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
ィ６との取付時の位置決めおよび移動を防ぐようにし、
前記中央四部にはピストンボディ結合用のポル）１１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鉄等の
金属で製作し、上☆−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ヘッド５の下面に当接さ
せ、核部にピストンヘッド５と一致する孔を形成しポル
ト１１で両者を結合するようにする。

排（吸）無弁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Ｐ
ＳＺ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（ＳＵ、５）ｃ７）２ｆｆ
ｉ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ｌｌ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４２７０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
だかなり江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。

ピストンヘッド５は上部中央に四部５２を設け、下部外
周にフランジ５１を−１的に形成し、該フランジ５１の
下端外周には全周に亘って削成した段部５２を形成する
。また、ピストンヘッド５は作動時シリンダライナーの
しゅう動面と接触せず、ピストンボディ側で接触するよ
うに、ピストンヘッド５の外周径はピストンボディ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
トンボディ、６と前記フランジ５１下端のしゅう動面に
隣接する部分を大面取りか曲面接続としピッチングが発
生しないようにする。

ピストンボディ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、ボディ６の最も温度か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、２
２ａ、２２ｂを形成して、オイル潤滑を可能としている
。セラミッ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、セラミックよ
りなるピストンヘッド５を内側に、アルミニウム合金よ
りなるピストンボディ６を外側にする。また、前記突出
部６５の内側には全周に亘って溝６４を形成する。

２８は該満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はピストンヘッド上
面の凹部、６３はピストンピンポス部、６６はピストン
ボディ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イづ
与するだめの溝２７が設けられる。

ピストンヘッド５、ピストンボディ６、およびボルトｌ
ｌは材料が相違し、その熱膨張係数も相違するので、こ
の点を考助ニジてボルトにはいかなる温度でも、テンシ
官ンが生じるように、また、ピストンヘッド５とピスト
ンボディ６の熱膨張によるテンションに降イ入しない（
たとえばニッケル基又はコバルト基の耐熱合金）ような
適当な材Ｉｔを選ぶ。さもないと、高温時ピストンヘッ
ド５とピストンボディ６との間に隙間が生じガタイづく
ことになる。また前記四部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って材料か異な
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はピストンヘッド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ッド
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、ビスｉ・ンヘ・ンド５とピ
ストンボディ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な誠少させるた
めに、該接触部に断熱材を介在させ、あるいはボルト１
１とピストンヘッ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、またポルｌ−１１の頭
部前面にセラミックコーティングを施すことも出来る。

また、ピストンヘッド５およびピストンボディ６の外周
しゅう動面に隣接する当接部において、該しゅう動面か
ら当接部にかけて曲面となるアールを形成したので、ピ
ッ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た断熱材よりなるピストンヘ
ッドと、前記ボルト挿通孔と一致するボルト挿通孔を有
し、ピストンピンポスより下方にピストンリングを装着
したピストンボディとを、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
、高温のピストンヘッドからピストンボディへの熱伝達
は遮えぎられ、しゅう動部であるピストンボディ及びピ
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ろことになる。

【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・−ピストンヘッド、６・−ピストンボデ１１１・・
ボルト、２８１１Φシール、５１・Φフランジ、５２・
一段部、５３命−凹部、６１．６２・・ピストンリング
、６３中・ピストンピンポス、６４・金満、６５−−突
出部 第７図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 上面中央部の凹８１（にポルト挿通孔を形成した断熱材
   よりなるビス）・ンヘッドと、前記ポルト挿通孔と一致
   するボルト挿通孔を有し、ピストンピンポスより下方に
   ピストンリングを装着したビストンボディンを、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赫徴
   とする断熱エンジンのピストン。