JPS59225871A - 断熱エンジンのピストンの製造法 - 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】 本発明はピストンヘッドとピストンボディのニ。

部分より構成される断熱エンジンのピストンの製造法に
関する。

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」二の問題等のために、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。

この材ネニ１の面で、高温に耐え、しかも断熱効果に（
Ｄ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、セラミック相を用
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ｉ１１合気が壁面」−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
が機関の損気行程において排出されることによって、４
）１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
、干渉ヌ１す焼料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中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−ヒの問題もからみ実際には作動し得ないエンジ
ンどなっている。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、ビスＩ・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ピス
トンを断熱材よりなるピストンヘッドへアルミニウム合
金又は鋳鉄等の金属よりなるピストンボディを鋳込むこ
とにより製造し、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図は本発明の製造法になる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は吸気マこホールド。

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、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）気弁、８は２重ポートのインナー、９は２重ボー
トのアウター、１０は排気マニホールド、１２．１３は
位置決めリング、１５．１６．１７は断！　カスケラト
、１８は弁案内、１９は弁案内スリーブ、２０は冷却ノ
ズル、２１ａ、２１ｂ、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」
〕方部分１ａも一体に形成し、その内側にシリンダヘッ
ド内壁部とシリング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１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
全高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４およびライナーヘッド
３の内面は両者な紹イ」けた後に同時加工を行う。冷却
は−ｈ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（Ｓ１３Ｎ４
）又はＰ　Ｓ　Ｚ　（Ｐａｒｔｉａｌｌｙ　　５ｔａｂ
ｉｌｉ２ｅｄ　　Ｚｉｒｃｏｎｉａ）で製作し、シリン
ダヘッド内面とシリンダライナー」ユ方部を一体的に形
成し、シリンダへラド１への取付は位置決めリング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へラド１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、圧入等によって敷料られ
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、その上面中
央部を凹ませ、下面は第３図に詳細に示す構造を有する
。

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、上面にはピストンヘッド５と結合するた
めに第３図に示される構造を有する。

排（吸）気弁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ｗＩ（ＳＵＳ）の２重配管と
する。

断熱で二ホールド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。

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」二の構成により、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には」−血中央部に燃焼室を形成する
四部５２を設け、該四部５２の中央部に燃焼を良くする
ために隆起部を形成し、該隆起部を燃料噴射ポンプとの
関係でピストンの中心より偏心した位置に配設して、さ
らに燃焼効率の向」二を図るようにする。また、該ピス
トンヘッド５下面には中央部に狭窄根元部を有する突出
部５１を設は該突出部５１とフランジ５０との間を空隙
とし、該空隙の形状は、燃焼等を形成する凹部５２の形
状に合せてほぼ等肉厚にするため、前記狭窄根元部から
外方に移行する部分は上あがりの下方に凸の曲面とし、
その先端が前記四部５２の低面より少し上方において反
転し円弧を描いてフランジ５０の外周側面と平行な内側
の直線部に移行させる。該直線部の下端部においては一
旦内方に傾斜させさらに該直線部と平行にすることによ
り下方隆起部５３を形成する。そして、前記フランジ５
０の下面を中央突出部５１の下面より下方にあるように
する。

ピストンボディ６は前記ピストンヘッド５下面に断熱材
２５．２６を設け、ＳＵＳメツシュ２７笠の変形に柔軟
な通気性耐熱材料を挿入後アルミニウム合金等を鋳込む
ことによって製作するものである。

ＳＵＳメツシュ２７は前記ピストンヘッド５下面の四部
へ取付るために第４図に示されるように三分割した方が
良く、前記中央突出部５１下面に掛る部分は一部を該突
出部５１側部まで切欠いた切欠２９を設けているが、断
熱材２５又は２６を取り除いて、その代りにＳＵＳメツ
シュを入れるかあるいはピストンヘッド５の突出部５１
とピストンボディ６を直接接合するようにさせても良い
。前記鋳込時にピストンヘッド５側にピストンボディ６
側から接合面に対して圧力を加えると、ＳＵＳメツシュ
２７にピストンボディ６からのアルミニウムが入ってき
てＳＵＳメツシュ２７内部の空気を押し出して樹枝状体
２８（図において、枝状の濃い線で示す）が生成し、該
ＳＵＳメツシュ２７をかなり硬い層に形成することで、
ＳＵＳメツシュ２７と、ピストンボディ６とが一体化さ
れピストンヘッド５の嵌合部をホールドする。

このピストンヘッド５およびピストンボディ６の結合の
ために更に隆起部および嵌合部の係合関係を深くするこ
とによって結合を強固にすることも出来る。

なお、−に記ＳＵＳメツシュ内はアルミニウムで完全に
満たされないようにしているため、ＳＵＳメツシュ内で
は、空気の断熱層が形成される。

ところで、前記鋳込時において、アルミニウムがピスト
ンヘッド５下面設置位置に慣じまないでボール状になる
場合がある。この場合には、ＳＵＳメツシュの温１＆を
上げておいてＨｐ　Ｓ　Ｕ　Ｓメツシュをアルミニウム
の中に浸せば、ＳＵＳメツシュのワイヤ表面の酸化ｌり
が取れてＳＵＳワイヤの鉄分と共析層を作り、それによ
ってアルミニウムの薄い被膜がＳＵＳメツシュに被せら
れることになる。そしてこのＳＵＳメツシュをピストン
ヘッド５下面に挿入後ピストンボディ６成形用のアルミ
ニウム合金等を鋳込めば、ＳＵＳメツシュ内に該アルミ
ニウム合金等が入りやすくなる。

なお、前記ＳＵＳメツシュ２７は、その材質をスチール
としても良い。また、ＳＵＳメツシュ２７に換えてジル
コニアの多孔質のものを入れるとピストンヘッド５から
ピストンボディ６への断熱性は更に良くなる。さらに、
前記ＳＵＳメツシュ２７のかわりにＳＵＳ織布或いはグ
ラスウールに金属を鋳込んだものを用いても良い。

このようなピストンの構成により、ピストンヘッド５と
ピストンボディ６間に通気性耐熱材料を使用することに
より断熱が図れると共に、両者間の強固な結合かえられ
ることになる。

以−ヒ詳細に説明したように、本発明は、断熱材よりな
るピストンヘッドの下面中央部に根元部を狭窄した突出
部を形成し、前記ピストンヘッド下面に通気性耐熱材料
を挿入し、該耐熱材料の下面に金属よりなるピストンボ
ディを鋳込むことによってピストンを製造することとし
たので、燃焼室側が高温になっていても、十分な断熱が
図られ、ピストンボディにアルミニウム合金を用いても
十分使用に耐えることが出来ることになる。また、ピス
トンの往復動によって受る力にも十分耐えうろことにな
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図はピストンの拡大断面図、第４図はメツシ
ュの説明図である。 ５・・ピストンヘッド、６・・ピストンボディ２６・・
断熱材、２７・・断熱メツシュ、５゜・−フランジ、５
１・・突出部、５２ψφ凹部５３・・内側隆起部、６４
・φ嵌合部 特許出願人　　　いすぐ自動車株式会社代　　理　　人
　　　　　　弁理士　　辻　　　實（外１名） Ｍａ 第２図 ７１８．９ ０ ６８ ０ ３１５ １２ １ｏ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１７
＼ ２　　　　　　　＼　　　　　　− ／″ ○ 盗 １６２ １０００寸 〜へいへψ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 断熱材よりなるピストンヘッドのド面中央部に根元部を
   狭窄した突出部を形成し、前記ピストンヘッド下面に通
   気性耐熱材料を挿入し、該耐熱材料の下面に金属よりな
   るピストンボディを鋳込むことによってピストンを製造
   することを特徴とする断熱エンジンのピストンの製造法
   。