JPS59226256A - 断熱エンジンのピストン構造 - 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二部性より
構成される断熱エンジンのピストン構造に関する。

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
て来ているか、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、高温に耐え、しかも断熱効果に優れＩ
こ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、羽村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、排気カ
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で
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ては従来手段のしゆ
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」二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抽気ガス
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ウム合金又
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
ターピン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重ポー
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、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。

シリンダボディイ２はＩＮ勿で作りシリンタ′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
、２２ａ、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の内面は同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疏れをコ
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（Ｓ１５Ｎ４
）又はＰ　Ｓ　Ｚ　（Ｐａｒｔｉａｌｌｙ　　Ｓ　ｔａ
ｂｉｌｉｚｅｄ　Ｚ　１ｒｃｏｎｉａ）で製作し、シリ
ンダヘッド内面とシリンダライナー」三方蔀を一体的に
形成し、シリンダへラド１への取付は位置決めリング１
２．１３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、圧入等によって取伺られ
る。ＰＳＺは鋼と同じ位の弾性を有し、磁気を帯びず、
熱膨張係数が鉄や銃鉄と同程度であり、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
性を治している。

ピストンヘッド５７オナイ）・ライトで製作し、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特鉄等の
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。

＃）ｌｉ　Ｃ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ＰＳＺで製作してもよい。またＩノ［気側の弁案
内１８も同様にナイｊ・ライド又はＰＳＺで製作する。

排気管８．９はステンレス鋼（ＳＵＳ）　の２重配管と
する。

断熱マニホールドｌｏ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
た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には上面中央部に燃焼室を形成する四
部５２を設け、該凹部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
に燃焼効率の向上を図るようにする。また、該ピストン
ヘント５下面には中央部に狭窄根元部を有する突出部５
１を設け、該突出部５１と２ランジ５０との間を空隙と
し、該空隙の形状は、燃焼室を形成する四部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
方に移行する部分を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」三方において反
転し円弧を描いてフランジ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Ｉよ一月
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２ランジ５０
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等の変形に柔軟
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下面の凹部
へ取イづるために第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５
１とピストンボディ６を直接接合するようにさせてもよ
い。前記鋳込詩にピストンヘッド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メンシュ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Ｓ　Ｕ　Ｓ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とビストンボティ６とが一体化されピストンへ・ラ
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、上記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、前記鋳込眸において、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メツシュの温度を上げ
ておいて該ＳＵＳ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膜が取れて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へラド５から
ピストンボディ６に対する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、ピストンへラド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。

以上詳細に説明したように、本発明は、断熱材よりなる
ピストンヘッドと、金属よりなるビス）・ンポディとを
、削熱材料を媒介させて結合することによりピストンを
構成したので、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ける力にも十分耐えうる
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、５２命・凹部５３・壷内側隆起Ｂ１）、
６４・・１侯合８１（特許出願人　　　いす＼自動車株
式会社代　　理　　人　　　　　　弁理士　　辻　　　
實（外１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 断熱材よりなるピストンへ・ンドと、金属よりなるピス
   トンボディとを、耐熱材料を媒介させて結合したことを
   特徴とする断熱エンジンのピストン構造。