JPH0118811Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案はシリンダヘツド内壁部と一体に形成さ
れたシリンダライナー上方部とピストンヘツド部
との接触を生じさせないようにする断熱エンジン
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
の手段によつ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
に優れたものとしてセラミツクが注目され、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
ラミツクを用いるようにしたものが開発されて来
ており、たとえば特開昭57−59018号公報に記載
されている。しかし、これらセラミツクを用いた
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
るものではなかつた。したがつて、セラミツク材
を用いた断熱効果による多少の熱効率の向上が得
られる程度であつた。

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つて、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ツトを形成し、干
渉又は焼付を発生させることともなる。従つて、
従来のセラミツ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
ものではなかつた。

さらに、従来のセラミツクエンジンにおいて
は、ピストンリングがピストンのヘツド部に近い
ところに設けられている。これは、現実には該位
置にあつたのではセラミツクエンジンのように高
温になるものでは従来手段のしゆう動は行い得
ず、固体潤滑から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つて来て
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、かつデポジツ
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つている。そこ
で、ピストンヘツド部、シリンダライナー、シリ
ンダヘツドの燃焼室面、および吸排気弁に全べて
セラミツクを用いると共に、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、本考案はこのようなエ
ンジンにおけるシリンダヘツド内壁部と一体に形
成したシリンダライナー上方部をピストンヘツド
部との接触をさせないようにするとともに円滑に
動作する断熱エンジンを提供するのがその目的で
ある。

次に本考案の実施例を図面を用いて詳細に説明
する。

第１図は本考案のシリンダライナーを有する断
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つて駆動さ
れる排気タービン、Ｃは排気タービンＴによつて
駆動される吸気コンプレツサー、Ｇは同じく該排
気タービンＴによつ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からの電力によつて駆動される電動
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よりの高温
の排気ガスにより排気タービンＴを駆動し、該排
気タービンＴは得られた出力により吸気コンプレ
ツサ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イーゼル
エンジンである。

図において、１はシリンダヘツド、２はシリン
ダブロツク、３はシリンダライナーの上方部とシ
リンダヘツド内壁部を一体化したライナーヘツ
ド、４はシリンダライナー、５はピストンヘツ
ド、６はピストンボデイ、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
ヘツド５固定用のボルト、１２，１３は位置決め
リング、１５，１６，１７は断熱ガスケツト、１
８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。

シリンダヘツド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
シリンダヘツ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ツド３を嵌合する。

シリンダボデイ２は鋳物で作りシリンダヘツド
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およびライナーヘツド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つてピストンリングの
潤滑が保証される程度にする。

ライナーヘツド３はシリコンナイトライド
（Si₅N₄）又はPSZ（Partially Stabilized
Zirconia）で製作し、シリンダヘツド内面とシリ
ンダライナー上方部を一体的に形成し、シリンダ
ヘツド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ツト
１６を介在して該シリンダヘツド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
ボデイ２へ組立式、鋳込式、焼ばめ、圧入等によ
つて取付られる。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。

ピストンヘツド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
ピストンボデイ６との取付時の位置決めおよび移
動を防ぐようにし、前記中央凹部にはピストンボ
デイ結合用のボルト１１挿通用の孔を設ける。

ピストンボデイ６はアルミニウム合金あるいは
鋳鉄等の金属で製作し、上端外周にはピストンヘ
ツド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
ンヘツド５の下面に当接させ、該部にピストンヘ
ツド５と一致する孔を形成しボルト１１で両者を
結合する。

排（吸）気弁７はその下面をナイトライド又は
PSZで作成するが、排気弁の方は弁全体をナイト
ライド又はPSZで作成してもよい。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（SUS）の２重
配管とする。

断熱マニホールド１０は耐熱合金で作成する
か、内面にセラミツクを被覆する。

ボルト１１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42ア
ロイで作成するが、ナイトライドで作成してもよ
い。

冷却ノズル２０はセラミツクで製作し、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図はシリンダライナーとピストンの断面図
であり、ライナーヘツド３のライナー部３０はそ
の内径をシリンダライナー４の内径より大きく形
成し、両者間には隙間２３を形成する。この隙間
２３はエンジン稼動時に熱と燃焼による爆発力と
でピストンが最も膨張したときでも接触しないよ
うな寸法とする。そのために、ヘツド側を径を大
きくしている。また、ピストン側ではピストン頂
部に向つて径を細くしたり、ピストンヘツド５を
細径としても良い。

第４図は第３図と同様に隙間２３を形成してい
るが、シリンダライナー４の上端部内側４１を端
部にゆくに従つて大径化した他の実施例を示すも
のである。これは熱膨張のため前記ピストンヘツ
ド５とピストンボデイ６との接合部に段差が生
じ、前記ライナー４とライナー部３０との段部に
前記接合部が引掛かり、該部が衝突破損すること
を防止したものである。

ライナーヘツド３とピストンヘツド５はセラミ
ツクで作成されており、両者の接触により小さな
切欠き等が生ずると該部分よりクラツクが発生し
たり、該切欠き片がしゆう動部にきずを形成させ
たりする不都合が起こるので、両者の接触は絶対
にさせないようにしなければならない。前述の構
成においてはこの接触はさけられることになる。

以上詳細に説明したように、本考案はシリンダ
ヘツド内壁部とシリンダライナー上方部とを一体
に形成したライナーヘツドの該ライナー部の内径
をシリンダライナーの内径より大きくしたので、
該ヘツドのライナー部とピストンヘツドとの接触
が起こらずさらに本考案はシリンダヘツド内壁部
とシリンダライナー上方部とを一体に形成したセ
ラミツク製のライナーヘツドをシリンダヘツドの
凹部に熱絶縁層を介して嵌合すると共にライナー
ヘツドとシリンダライナ内部にはシリンダライナ
の被冷却部分を摺動するピストンリングと上端に
セラミツク製のピストンヘツドとを設けたピスト
ンボデイを摺動自在に設けたので、断熱エンジン
は円滑で耐久性の良い作動が行ない得ることにな
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、ライナーヘツ
ド及びシリンダライナーの一実施例の断面図、第
４図はピストン、ライナーヘツド及びシリンダラ
イナーの他の実施例の断面図である。 ２……シリンダブロツク、３……ライナーヘツ
ド、４……シリンダライナー。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. シリンダヘツド内壁部とシリンダライナー上方
   部とを一体に形成したセラミツク製のライナーヘ
   ツドをシリンダヘツドの凹部に熱絶縁層を介して
   嵌合すると共に、該ライナーヘツド下方には上記
   シリンダライナー上部より径の小さいシリンダラ
   イナを配置し、ライナーヘツドとシリンダライナ
   内部にはシリンダライナの被冷却部分を摺動する
   ピストンリングと上端にセラミツク製のピストン
   ヘツドとを設けたピストンボデイを摺動自在に設
   けたことを特徴とする断熱エンジン。