JPS63302125A - 断熱エンジンの構造 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、断熱エンジンの構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、セラミック材を断熱材又は耐熱材として利用した
断熱エンジンは、例えば、特開昭５９＝１２２７６５号
公報等に開示されている。この断熱エンジンを、第３図
を参照して説明する。この断熱エンジン４０については
、シリンダライナ４２を有するセラミック製ライナヘノ
ｌ’４１を１１７物から成るシリンダヘッド４３の内側
に嵌合したものである。このライナヘッド４１は、エン
ジンの１サイクル中最も高温・高圧ガスに晒され且つ最
も熱の逃げが多い部分であるシリンダヘッド内壁部とシ
リンダライナ上部を一体に形成したものである、また、
ピストンヘッド４４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４６を形成し
てピストンボディ４７との取付時の位置決め及び移動を
防ぐようにし、中央凹部４５にはピストンボディ結合用
のボルト挿通用の孔を設ける。ピストンボディ４７の上
端外周にはピストンヘッド４４の下端外周を嵌入させる
段部４８を形成し、上面中央を上方へ突出させて、突出
部４９上面をピストンヘッド４４の下面に当接させ、ピ
ストンヘッド４４とビストンボ゛ディ４７とをボルト５
０で結合したものである。

更に、バルブ５１はヘッド下面５２にシリンダライナ４
２の軸線方向に配置されている。このような構成におい
て、エンジンからの高温の排気ガスにより排気タービン
を９勤し、その９勤によ−１．て排気タービンで得られ
た出力により吸気コンプレッサを回転してエンジンへの
過給を行うと同時に発電機を回転させて発電し、その電
力をコントローラを介して電動機を回転させ、その出力
はギヤを介してエンジンのクランク軸へ付加されること
になる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のようなセラミック材を断熱材又は
耐熱材として利用するピストン等の断熱エンジン部材に
おいて、断熱特性を十分に得ることは極めて困難なこと
である。セラミック材が燃焼室側の高温に晒される状態
であり、そのため熱ショックを受け、セラミック材の強
度上の問題がある。また、断熱のため壁面のセラミック
材の厚さを厚くすると、熱容量が大きくなり、吸入工程
時に吸入空気が燃焼室から多く受熱して高温になり、吸
入効率が低下して空気が吸入されな（なるという現象が
生じる反面、膨張工程では断熱性を向上させなければな
らないという問題がある。

ところで、前掲特開昭５９−１２２７６５号公報に開示
された断熱エンジン４０については、セラミック製のピ
ストンヘッド部４４には凹部４５が形成され、強度上そ
の厚さも極めて厚く形成しなければならず、熱容量を可
及的に小さくすることと相反する構造となっている。ま
た、バルブ５１はピストンヘッド４４の構造に応じてシ
リンダライナ４２の軸線方向に設置され、ヘッド下面５
２はフラットに形成され、従うて吸入空気は半径方向外
向きに噴霧され、シリンダライナ及びヘッド下面部から
受熱し易くなる。それ故に、上記と同様な問題点を有し
ている。

この発明の目的は、上記の問題点を解消することであり
、高度の断熱性を得ると共に燃焼ガスに晒されて高温に
なるピストンヘッドの表面部の熱容量を可及的に小さく
構成するためフラットな面に構成し、それに応じてシリ
ンダヘッドライナ側に燃焼室を構成すると共に、燃焼室
の形状を燃料噴霧軌跡に沿って形成し、更に吸入空気の
流入部位を中央付近に多く流入するように構成し、それ
によって吸入効率及びサイクル効率を向上させ、しかも
熱ショックを受けても強度上の問題が生じることがなく
、耐熱性を向上させ、しかも安定した取付状態を得るこ
とができ、更に爆発時にピストンヘッドに作用する圧力
を好ましい状態で受は止めることができる構造に構成し
た断熱エンジンの構造を提供することである。

なお、ここでいうシリンダヘッドライナはシリンダライ
ナ上部とヘッド下面部を合成したものであり、燃焼の盛
んな熱発生期間のみを熱遮断するための構造である。

（問題点を解決するための手段〕 この発明は、上記の問題点を解消し、上記の目的を達成
するために、次のように構成されている。

即ち、この発明は、燃焼室側をフラットな面に形成した
ピストンヘッド、シリンダ中心部が低く且つシリンダ外
周部が高い形状の燃焼室を構成するシリンダヘッドライ
ナ、及び前記シリンダ中心部から前記シリンダ外周部に
傾斜したヘッド下面の傾斜面に設置したバルブから成る
ことを特徴とする断熱エンジンの構造に関し、更に具体
的に詳述すると、前記バルブを逆Ｖ字型に設置し、ガス
圧力に対して大きくなるよう前記シリンダヘッドライナ
がセラミック製から成り且つシリンダライナ上部とヘッ
ド下面を一体に形成し、また前記ピストンヘッドの燃焼
室側にはセラミック薄板を配置し、更に前記シリンダ中
心部に燃料噴射ノズルを設置し且つ前記燃料噴射ノズル
の噴霧軌跡即ち噴霧パターンに対応するように前記燃焼
室を形成したことを特徴とする断熱エンジンの構造に関
する。

〔作用〕

この発明による断熱エンジンの構造は、以上のように構
成されており、次のように作用する。即ち、この発明は
、燃焼室側の面をフラットに形成したセラミック製のピ
ストンヘッド、シリンダ中心部が低く且つシリンダ外周
部が高い形状に形成されたセラミック製のシリンダヘッ
ドライナ、及び前記シリンダ中心部から前記シリンダ外
周部に傾斜したヘッド下面の傾斜面に設置された各バル
ブから構成したので、燃焼ガスに晒されて高温になる前
記シリンダヘッドライナに燃焼室を形成し、また燃焼ガ
スに晒されて高温にな゛る前記ピストンヘッドの表面部
をフラットにしてセラミック薄板で構成できる。従って
、前記セラミック薄板の厚さを可及的に薄く形成でき、
その熱容量を可及的に小さく構成することができ、高度
の断熱性を得ることができ、吸入効率及びサイクル効率
を向上させる。しかも、吸入空気のメインの流れは前記
バルブ及びバルブシートの中央付近に位置する部位から
前記燃焼室内に垂直に且つ中央に向けて流入でき、それ
故に、吸入空気は高温状態の前記シリンダヘッドライナ
の内壁面に接することが少なくなり、熱伝達による受熱
量が減少するため、流入する吸入空気の熱膨張が小さく
なり、吸入効率の低下が生じない、この場合に、前記ピ
ストンヘッドの前記セラミック薄板部ち頂面に吸入空気
が接する量が増大したとしても、前記ピストンヘッドは
熱容量が小さくなるように構成されているので、吸入効
率が低下するようなことがない、更に、前記シリンダ中
心部に燃料噴射ノズルを設置し且つ前記燃料噴射ノズル
の噴霧パターンに対応するように前記燃焼室を形成した
ので、スワールの形成が弱（、吸入空気の受熱は小さく
抑えられる。

即ち、前記ピストンヘッドのセラミック薄板の厚さを薄
く構成する程、ガス温度への追従性がよくなり、前記燃
焼室内の高温時と低温時との壁温振幅は厚さが厚い場合
に比較して大きくなり、結果的に燃焼ガスと前記燃焼室
壁面のセラミックスとの温度差が小さくなり、熱伝達量
が減少するため、吸入空気の受熱を減少させる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による断熱エンジンの
構造の実施例を詳述する。

第１図において、この発明の一実施例である断熱エンジ
ンの構造が符号ｌＯによって全体的に示されている。断
熱エンジンの構造１０は、土として、ピストンヘッド部
ｌと金属製ピストンスカート部２とから成るピストン２
０．鋳物から成るシリンダヘッド（図示省略）の内側に
嵌合した窒化珪素等のセラミック製のシリンダヘッドラ
イナ３０１シリンダヘッドライナ３０の中央部に設置さ
れた燃料噴射ノズル２５、及びシリンダヘッドライナ３
０のヘッド下面部２２に設置されたバルブ（図では吸気
バルブ２１のみを示す）から成る。

また、ピストン２０におけるピストンヘッド部ｌの燃焼
室側を平らな形状即ちフラットな面に形成したセラミッ
ク薄板５を配置する。また、ピストンヘッド部ｌにおけ
るセラミック薄板５がフラットな面を構成するのに対応
して、シリンダヘッドライナ３０をシリンダ中心部が低
く且つシリンダ外周部が高い形状の燃焼室１５を形成す
るように構成する。シリンダヘッドライナ３０は、シリ
ンダライチ上部２３とヘッド下面部２２を合成した一体
構成したものであり、燃焼の盛んな熱発生期間のみを熱
遮断するための構造である。このような形状のシリンダ
へ７ドライナ３０とフラットな形状のピストンヘッド部
ｌのセラミック薄板５によって形成される燃焼室１５は
、断熱エンジンの燃焼室としては最も適している浅皿型
で外周はど体積が増大する形状に構成することができる
。また、バルブ２１は、シリンダヘッドライナ３０にお
けるシリンダ中心部からシリンダ外周部に傾斜したヘッ
ド下面部２２の傾斜面に設置されている。

ヘッド下面部２２は、図で示すように、半径方向外向き
に立ち、上がった傾斜面であるので、該傾斜面に吸気バ
ルブシート及び排気バルブシートのバルブシートをそれ
ぞれ形成し、各バルブシートに吸気バルブ２１を設置す
れば、吸気バルブ２１は図示していない排気バルブと逆
Ｖ字型に設置されることになる。この吸気バルブ２１の
傾きのため、吸入工程における吸入空気の流れは、第２
図に示すように、半径方向外側からヘッド下面部２２へ
と伸長している吸気ポート２９の形状を考慮すると、第
２図の矢印Ａで示すように、エンジンの垂直方向で且つ
燃焼室１５の中央に向けてメインの流れが形成される。

それ故に、吸入空気は、高温となっているシリンダヘッ
ドライナ３０の内壁面に接することが少なくなり、熱伝
達による受熱量が減少するため、流入する吸入空気の熱
膨張が小さくなり、吸入効率の低下が生じない、この場
合に、ピストンヘッド部１のセラミック薄板５即ち頂面
に吸入空気が接する量が増大したとしても、ピストン２
０は後述のように熱容量が小さくなるように構成されて
いるので、そのことが原因で吸入効率が低下するような
ことはない、更に、燃料噴射ノズル２５は、シリンダヘ
ッドライナ３０におけるヘッド下面部２２のシリンダ中
心部、言い換えれば、燃焼室１５の最も低い部位に設置
されている。しかも、燃料噴射ノズル２５の噴孔即ち噴
口は、ピストンヘッド部１のセラミック薄板５に平行で
且つ半径方向外向きに形成されている。

従って、燃料噴射ノズル２５の噴霧パターン（図で矢印
Ｂ方向で示す噴霧軌跡）に対応して燃焼室　、１５が形
成されていることになる。

次に、ピストン２ｏについては、ピストンヘッド部ｌは
、中央に取付ボス部４を有し、またセラミック材と熱膨
張係数がほぼ等しく、強度が高く、ヤング率が比較的に
高い材料、例えば、サーメツト、金属等の材料から構成
されている。このピストンへアト部１そのものには燃焼
室が形成されておらず、ピストンヘッド部ｌの燃焼室側
はフラットな形状に構成されている。ピストンスカート
部２には、中央にピストンヘッド部１の取付ボス部４が
嵌合する中央取付孔１２が形成されている。

ピストンヘッド部１の取付ボス１１４はピストンスカー
ト部の中央取付孔１２に嵌合され、取付ボス部４に形成
された嵌合溝１４とピストンスカート部２の中央取付孔
１２に形成された嵌合溝１３とに跨がって金属製リング
！１が変形収容され、ピストンヘッド部１はピストンス
カート部２に対して押圧状態に係止されている。更に、
ピストンヘッド部１とピストンスカート部２との中央部
の当接部位には断熱ガスケットから成る緩衝材Ｂが押圧
状態に介在しており、この緩衝材８は断熱機能も有して
いる。また、ピストンヘッド部１とピストンヘッド部２
との間には、断熱空気層９が形成されている。このピス
トン２０については、セラミンク薄板５が燃焼室１５に
面するようにピストンヘッド部ｌに断熱材３を介して配
置されていることである。セラミック薄板５は、窒化珪
素等のセラミックスから成り、厚さ約１−前後、或いは
１麟−以下に製作されている。このセラミック薄板５の
外周部には、同様な材料で形成されたセラミックリング
６が嵌合しており、セラミック薄板５とセラミックリン
グ６とは、例えば、符号１８で示す接触部でＣＶＤ　（
化学蒸着）によって接合されている。セラミックリング
６の内周面には段部１６が形成されており、ピストンヘ
ッド部１の外周部１７がセラミックリング６の段部１６
に当接するようにセラミックリング６に嵌合している。

セラミック薄板５、セラミックリング６及びピストンヘ
ッド部１によって形成される空間部には、断熱材３が封
入されている。この断熱材３は、チタン酸カリウムウィ
スカー、ジルコニアファイバ等の材料から成り、断熱機
能を果たすと共に、爆発時にセラミック薄板５に作用す
る圧力を受は止める構造材としても機能する。ピストン
ヘッド部１がピストンスカート部２に押圧状態に取付け
られることによって、ピストンヘッド部１の外周部１７
がセラミックリング６の段部１６に押し付けられ、セラ
ミックリング６がピストンスカート部２の周囲部に押圧
される。この場合に、セラミックリング６とピストンス
カート部２とのシールのため、ガスケットであるカーボ
ンシール７が介在されている。カーボンシール７に対す
るシール軸力は、ピストンヘッド部１がピストンスカー
ト部２に押圧状態に取付けられることによって作用する
。このピストン２０の構造については、爆発による圧縮
力を、チタン酸カリウム等の断熱材３によって均等に受
ける必要があり、そのためにもピストンヘッド部ｌの燃
焼室側の面及びセラミック薄板５は平らな形状即ちフラ
ットな形状に構成されている。

〔発明の効果〕

この発明による断熱エンジンの構造は、以上のように構
成されているので、次のような特有の効果を奏する。即
ち、この発明は、燃焼室側の面をフラットに形成したセ
ラミック製のピストンヘッド、シリンダ中心部が低く且
つシリンダ外周部が高い形状に形成されたセラミック製
のシリンダヘッドライナ、及び前記シリンダ中心部から
前記シリンダ外周部に傾斜したヘッド下面の傾斜面に設
置された各バルブから構成したので、燃焼ガスに晒され
て高温になる前記シリンダヘッドライナに半径方向外向
きに拡がる燃焼室を形成し、同様に燃焼ガスに晒されて
高温になる前記ピストンヘッドの表面部をフラットにし
て厚さの薄いセラミック薄板で構成できる。従って、前
記セラミック薄板の厚さを可及的に薄（形成でき、その
熱容量を可及的に小さく構成することができ、高度の断
熱性を得ることができる。しかも、吸入空気のメインの
流れは前記バルブ及びバルブシートの中央付近に位置す
る部位から前記燃焼室内に垂直に且つ中央に向けて流入
でき、それ故に、吸入空気は高温となっている前記シリ
ンダヘッドライナの内壁面に接することが少なくなり、
熱伝達による受熱量が減少するため、流入する吸入空気
の熱膨張が小さくなり、吸入効率の低下が生じない、こ
の場合に、前記ピストンヘッドの前記セラミック薄板部
ち頂面に吸入空気が接する量が増大したとしても、前記
ピストンヘッドは熱容量が小さくなるように構成されて
いるので、吸入効率が低下するようなことがなく、吸入
効率及びサイクル効率を向上させることができる。更に
、前記シリンダ中心部に燃料噴射ノズルを設置し且つ前
記燃料噴射ノズルの噴霧軌跡、言い換えれば、噴霧パタ
ーンに対応するように前記燃焼室を形成したので、スワ
ールの形成が弱くなり、吸入空気の受熱量が少なくなり
、吸入空気の熱膨張を小さく抑えることができ、吸気の
流入状態とあいまって燃料噴霧が吸入空気と良好に混合
され、通常よりも圧縮比を下げることができ、良好な燃
焼を得ることができる。

前記ピストンヘッドについては、前記ピストンヘッドの
セラミック薄板の厚さを薄く構成する程、ガス温度への
追従性がよくなり、前記燃焼室内の高温時と低温時との
壁温振幅は厚さが厚い場合に比較して大きくなり、結果
的に燃焼ガスと燃焼室壁面のセラミックスとの温度差が
小さくなり、熱伝達量が減少するため、吸入空気の受熱
を減少させる。しかも、熱シリンダを受けても強度上の
問題が生じることがなく、耐熱性を向上させ、しかも安
定した取付状態を得ることができ、更に爆発時に前記セ
ラミック薄板に作用する圧力を好ましい状態で受は止め
ることができる。しかも、前記セラミック薄板とサーメ
ット等のピストンヘッド部とは、熱膨張係数がほぼ等し
いので、両者の結合状態に問題が生じるようなことはな
い、また、前記ピストンヘッド部は剛性が高く、高圧が
掛かったとしても変形し難く、前記ピストンヘッド部と
前記ピストンスカート部との間の結合状態は安定してお
り、しかも境界部のガスシールを安定して達成すること
ができる。しかも、前記断熱材は、例えば、チタン酸カ
リウムウィスカー、ジルコニアファイバ等、或いはこれ
らとグラスファイバとの混合材で構成され、前記エンジ
ンの前記燃焼室に対して高性能の断熱機能を果たし、前
記燃焼室からピストンを通じての熱エネルギーの流出は
なく、熱エネルギーを前記燃焼室に閉じ込めることがで
きる。従って、排気ガス流れ方向の下流に設置したエネ
ルギー回収装置によって、熱エネルギーを有効に回収す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による断熱エンジンの構造の一実施例
を示す断面図、第２図は第１図のサイクル工程の一例を
示す断熱エンジンの構造を示す断面図、及び第３図は従
来の断熱エンジンの一例を示す断面図である。 １・・−・・−・ピストンヘッド部、２・・・・・−・
・ピストンスカート部、３・・−・・−断熱材、４・・
・・・−・取付ボス部、５・−・−・・・・セラミック
薄板、６−・・−・・・セラミックリング、７・−・−
カーボンシール、８−・−・・緩衝材、９−−−−−−
・・断熱空気層、ｌＯ・・−・・・・−・断熱エンジン
の構造、１１・・・・−・・金属リング、１２・・・・
・・−中央取付孔、１３．１４−・−・・・嵌合溝、１
５−・−・−・燃焼室、１６・・−・・・・段部、１７
・・−・・・ピストンヘッド部の外周部、２０−・・−
・ピストン、２１・−・・・−・・吸気バルブ、２２−
・−・・ヘッド下面部、２３・・−・−シリンダライナ
、２５−・・・・−・燃料噴射ノズル、２９−・−・・
−吸気ポート、３０・−・−・・・シリンダへンドライ
ナ、Ａ・・・−・・・吸入空気の流れ方向、Ｂ・−・−
・・燃料噴霧軌跡（噴霧パターン）。 特許出願人　　　いすり自動車株式会社代理人　弁理士
　　　　尾　仲　−家 弟　　１　　＠ 第　　２　図 第　　３ＦＩＡ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃焼室側をフラットな面に形成したピストンヘッ
   ド、シリンダ中心部が低く且つシリンダ外周部が高い形
   状の燃焼室を構成するシリンダヘッドライナ、及び前記
   シリンダ中心部から前記シリンダ外周部に傾斜したヘッ
   ド下面の傾斜面に設置したバルブから成ることを特徴と
   する断熱エンジンの構造。
2. （２）前記バルブを逆Ｖ字型に設置したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の断熱エンジンの構造。
3. （３）前記シリンダヘッドライナはセラミック材から成
   り、シリンダライナ上部とヘッド下面を一体に形成した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の断熱エ
   ンジンの構造。
4. （４）前記ピストンヘッドの燃焼室側をセラミック薄板
   で構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の断熱エンジンの構造。
5. （５）前記シリンダ中心部に燃料噴射ノズルを設置し、
   前記燃料噴射ノズルの噴霧パターンに対応して前記燃焼
   室を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の断熱エンジンの構造。