JPH0131024B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃焼室内で発生する熱の該燃焼室から
の逃散を防ぐようにした断熱エンジンに関する。

熱機関における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、このようなものとして、例えば特開昭57
−59018号公報や特開昭55−75529中公報に記載さ
れているようなものを挙げることができる。しか
し、これらセラミツクを用いたものは単に材料を
置換して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ボジツトを形成し、干渉
又は焼付を発生させることにもなる。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
体潤滑が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出来ず、かつデボジツ
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する
のが本発明の目的である。

次に本発明の実施列を図面を用いて詳細に説明
する。

第１図は本発明の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は該
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からの高温
Ｈ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図は本発明実施例の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カツプ状のライ
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、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、その内面凹
部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
（Si₃N₄）又はPSZ（Partially Stabilized
Zirconia）で製作され、エンジン１のサイクル中
最も高温・高圧ガスにさらされる（最も熱の逃げ
が多い）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、断熱ガスケツト１７の
位置を高温・高圧のシリンダライナー上方部から
遠くなるような位置に設けたため、燃焼効率の改
良効果が大きくなると共に、断熱ガスケツトの耐
久性（熱劣化性）をも改善出来る。また、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へ圧入、焼
ばめ等により嵌合したので、シリンダヘツド１と
ライナーヘツド３との間に空気層が形成され、熱
の逃げが少なくなり、更に熱効率の改良効果が期
待出来る。

シリンダライナー４はPSZで製作され、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物と同程
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。
また、ライナーヘツド３をシリコンナイトライド
にするとPSZのシリンダライナーとのなじみが非
常に良好となる。

ピストンヘツド５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
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
鋳物で製作し、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はその燃焼室側に当る下面をシ
リコンナイトライド又はPSZで製作するが、排気
弁の方は弁全体をシリコンナイトライド又はPSZ
で製作してもよい。また排気側の弁案内１８も同
様にシリコンナイトライド又はPSZで製作する。

排気管８，９は排気ガスの高温のためステンレ
ス鋼（SUS）の２重配管とする。

断熱マニホールド１０は耐熱合金で製作するか
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にシリコン
ナイトライド又はPSZで溶射で覆うようにする。

位置決めリング１２，１３はコバール又は４２
アロイ［ニツケル42％含有鉄合金（Ni：42％、
Mn：0.4％、Ｃ：0.1％、他はFe）日刊工業新聞
編“工業材料便覧”618頁参照］で製作すること
が好ましいがシリコンナイトライドあるいはPSZ
で製作してもよい。

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、まだかなりの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。

以上詳細に説明したように、本発明は、シリン
ダライナー部を有するセラミツク製ライナーヘツ
ドをシリンダヘツドの内側に絶縁層を介して嵌合
するようにしたので、燃焼は完全に行なわれ、未
燃焼炭化水素が発生すると言うようなことはなく
なり、発生するエネルギーの増大化が図れ、また
エンジンで発生した熱の外部への逃げが防げ、排
気ガスはまだかなりのエネルギーを有するので、
次工程における排気ガスの利用が図れ、熱効率を
大幅に向上しうることになる。しかも、本願発明
は、ライナーヘツドとシリンダライナ内部に、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設け
たピストンボデイを摺動自在に設けているので、
燃焼室内が従来のエンジンに比べて高温になつて
も、ピストンをこの高熱から守り、さらにこのよ
うな高温下にてもエンジンを円滑に動作させるこ
とができる。

【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
ジンの断面図である。 １……シリンダヘツド、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、５……ピストンヘツド、６……ピストンボ
デイ、７……排（吸）気弁、Ｅ……エンジン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ カツプ状でシリンダライナー部を有するセラ
   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。 ２ カツプ状でシリンダライナー部を有するセラ
   ミツク製のライナーヘツドをシリンダヘツドの凹
   部に空隙からなる熱絶縁層を介して嵌合したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の断熱エ
   ンジン。 ３ カツプ状でシリンダライナー部を有するセラ
   ミツク製のライナーヘツドをシリンダヘツドの凹
   部に断熱ガスケツトからなる熱絶縁層を介して嵌
   合したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の断熱エンジン。