JPH0343391Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案はシリンダ上半部の外気に触れる部分の
断熱を図つた断熱エンジンに関する。

（従来の技術） 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、一般にエンジン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
の金属部品を単にセラミツク材に置換した程度の
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摺動は行い得ず、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、ピストンリングの摺
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が提案されて
いる。

また、排気管を同芯２重構造とし、内部管路を
排気ガスの通路とし、外周部管路を空気による断
熱層とすることにより、排気タービンに導かれる
排気ガスの有する熱エネルギを減ずることなく排
気管外周面温度を低下させて、エンジンの効率を
向上させる排気管の構造が実開昭50−79811号公
報に記載されている。

また、燃焼室内に噴射された燃料が燃焼室内壁
により冷却されると該燃焼の蒸発が阻害され、煤
等が発生するため、シリンダライナの上部内面を
セラミツクで被覆し保温効果を上げることにより
該煤等の発生を抑制しようとするエンジンの構造
が実開昭58−48948号公報に記載されている。

（考案が解決しようとする課題） 上記のように燃焼室まわりを断熱構造に構成し
たエンジンにおいても、シリンダライナからシリ
ンダボデイへの熱伝達を完全に遮断することは不
可能であり、特に燃焼室内部温度が高温度である
シリンダ上部からの放熱量は大である。

しかも、上記２つの公開公報に記載されている
エンジンでは、部分的にセラミツクを使用したも
のに過ぎず、大量の熱の逸散を免れることはでき
ない。

そこで、本考案は、断熱材からなる部品を使用
したエンジンにおいて、燃焼室から発生する熱を
外部に可及的に漏洩せしめないような断熱エンジ
ンを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上述の如き本考案の目的を達成するために、本
考案は、エンジンの燃焼室壁面の少なくとも一部
にセラミツクからなる部品を配置した断熱エンジ
ンにおいて、開閉自在なセラミツクの吸気と排気
弁を有し、セラミツクでカツプ状に形成され、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と、該ライナーヘツ
ドを内包するシリンダヘツドと、該ライナーヘツ
ドとシリンダヘツドとの間に介在する断熱層と、
ライナーヘツドの下部開口と密接連結されたセラ
ミツクの下部シリンダライナーと、該下部シリン
ダライナーの下方外周に配設された冷却手段と、
該下部シリンダライナー内面と摺接するピストン
リングを持つ金属製のピストンボデイと該ピスト
ンボデイの上部に固定されこれとともにシリンダ
ライナー内を移動自在なセラミツクのピストンヘ
ツドとからなるピストン本体と、を有することを
特徴とする断熱エンジンが提供される。

（作用） 燃料が爆発しエンジンの燃焼室内で発生した熱
エネルギーでピストンが押し上げられ、エンジン
が回転するが、該燃焼室の周囲において、吸排気
弁、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、下部シリン
ダライナー、ピストンヘツドが全て断熱性を有す
るセラミツクから構成されており、かつライナー
ヘツドとシリンダヘツドとの間には断熱層が介在
しており、しかも熱の逸散が大きいピストンリン
グはピストン本体の下部に設けられているので、
エンジン回転に寄与しなかつた熱は、燃焼室壁面
付近から外部に逸散することなく、排気ガスによ
つて排気タービンに運ばれて回収される。

（実施例） 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、
E_X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、M_aは該電動機の回転
速度を検出する速度検出計、C_pは前記速度検出計
ＳおよびM_a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C_p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ズル
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は円筒の一方端を閉口してカツプ
状に形成し、開口する他方端に下部開口３″を形
成するとともに排気口３′と吸気口（第２図及び
後述する第３図には示されてはいないが、周知の
エンジンと同じように排気口３′の奥に吸気口が
形成されている）とを有し内部が燃焼室の一部を
形成するセラミツク製のライナーヘツドである。
４は下部シリンダライナー、５はピストンヘツ
ド、６はピストンボデイ、７は排気弁である。な
お、第２図及び後述する第３図には示されてはい
ないが、周知のエンジンと同じように、排気弁７
の奥には吸気弁が設けられている。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、１
５，１６，１７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。なおラ
イナーヘツド３と下部シリンダライナー４とピス
トンヘツド５に囲まれた内部は燃焼室１００を構
成する。

シリンダヘツド１は鋳物で作り、ライナーヘツ
ド３のシリンダライナーの上方部を取り囲んだ袴
部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、断熱ガスケツト１６、
空気層２５からなる断熱層を介して嵌合する。

シリンダブロツク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袴部１ａの
下端部と断熱ガスケツト１７を介して密に接続さ
れ、内側には下部シリンダライナー４が嵌合され
ている。シリンダブロツク２はシリンダ部分の下
側の部分を外包するものであり、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が形成されて
いる。そして下部シリンダライナー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）で作成され、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カツプ状に形成
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。

下部シリンダライナー４はPSZで作成され、シ
リンダブロツク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。

よつて、本考案による断熱エンジンのシリンダ
は、共に断熱性を有するライナーヘツド３と下部
シリンダライナー４とから構成される。

なお、ライナーヘツド３とシリンダヘツド１と
は、位置決めリング１２，１３及び断熱ガスケツ
ト１７を介し、直接接触していないためシリンダ
ヘツド１への熱伝達量は少ない。よつて、より機
械的強度を重視する場合にはライナーヘツド３を
シリコンナイトライドにて形成しても十分な断熱
性が得られる。むろん、より断熱性を重視する場
合にはPSZにて形成する。

一方、下部シリンダライナー４はシリンダブロ
ツク２と直接接触している。よつて、冷却しない
部分、すなわち燃焼室に対応する上端部分は十分
に断熱する必要があり、したがつて、該下部シリ
ンダライナー４は断熱性に優れたPSZにて形成さ
れる必要がある。

ピストンヘツド５はナイトライドで作成され、
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６と結合させるためのボルト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
鋳鉄等の金属で作成し、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、側面
周囲にはピストンリング６１，６２を嵌合させる
リング溝が形成され、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。そして、ピ
ストンヘツド５とピストンボデイ６でもつて、ピ
ストン本体２６を構成する。

前述の排気弁７及び吸気弁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で作成する。

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。

噴射ノズル２０の先端はセラミツクより作成さ
れ、噴射ノズル２０の中央部のまわりには冷却水
通路又は油通路が位置するように形成される。

以上の構成により、エンジンで発生する熱はピ
ストンを駆動する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図はシリンダ上半部の断面を示し、第２図
と同一部材は同一符号で示す。

３０は断熱カバーであり、シリンダボデイ２の
油室２１ａ，２１ｂより上方部およびシリンダヘ
ツド１のライナーヘツド３装着部に亘つて設けら
れ、該部の外周を覆うように構成される。即ち、
エンジンの燃焼室の側外壁部分に配設される。

断熱カバー３０はセラミツクフアイバーあるい
はグラスフアイバー等から構成され、その厚さは
エンジンの種類や使用条件等によつて適宜決定さ
れる。また、エンジンは通常複数の気筒を有する
が、断熱カバー３０はこれらの気筒の燃焼室の側
外壁部分全体をカバーするように配設するのが好
ましい。

なお、断熱カバー３０は、 (1) グラスフアイバー（セラミツクフアイバー）
を撚糸にし、これを編織して布状に構成する方
法で作成される。

(2) また、断熱カバー３０は、上記(1)の方法で作
成された布を多層に重ねて金属繊維の糸にて縫
合したものであつてもよい。

(3) さらに、断熱カバー３０はグラスフアイバー
あるいはセラミツクフアイバーにて作られた不
織布にて構成してもよい。

(4) さらにまた、断熱カバー３０は、上記(1)，
(2)，(3)の方法にて作成されたものをいつたん焼
結することにより、これを構成しているグラス
フアイバーあるいはセラミツクフアイバー同志
の結合たる焼結体にて構成することもできる。
このように構成することにより、耐振動性に優
れた断熱カバーを形成することができる。

同図のように構成された断熱エンジンにおい
て、下部シリンダライナー４はピストンが摺動
し、ピストンのスラスト力を衝撃的に受けるた
め、外周のシリンダブロツク２と密着結合されて
いなければならない。しかるに燃焼行程におい
て、下部シリンダライナー４の上部は、未だ高温
ガスが存在し、この部分から放散される熱量は多
く、断熱エンジンの目的が達成されない恐れがあ
る。また、シリンダブロツク２の外周２３は、車
両走行時、外部から空気流によつて冷却されるた
め、温度低下を起こし、下部シリンダライナー４
とシリンダブロツク２の外周２３の温度差が大き
くなり、セラミツク製シリンダライナー４の外周
部に歪応力が作用し、破壊する虞がある。更に、
該歪応力は車両の停止・走行毎に繰り返し作用す
るため、破壊する確率は増大する。従つて断熱カ
バー３０によりシリンダブロツク２の外周２３を
カバーし、空気による断熱層２４を形成すること
が有効である。

ところで、上記説明のごとく断熱カバー３０を
配設しなければならないのはシリンダブロツク２
の外周２３部分であるが、第３図に示すごとくシ
リンダヘツド１の外周面まで延長して配設しても
なんら問題はないどころか、該シリンダヘツド１
からの熱放散量を低減することができる効果があ
る。

（考案の効果） 以上詳細に説明したように、本考案は、開閉自
在なセラミツクの吸気と排気弁を有し、セラミツ
クでカツプ状に形成され、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
ーヘツドと、該ライナーヘツドを内包するシリン
ダヘツドと、該ライナーヘツドとシリンダヘツド
との間に介在する断熱層と、ライナーヘツドの下
部開口と密接連結されたセラミツクの下部シリン
ダライナーと、該下部シリンダライナーの下方外
周に配設された冷却手段と、該下部シリンダライ
ナー内面と摺接するピストンリングを持つ金属製
のピストンボデイと該ピストンボデイの上部に固
定されこれとともにシリンダライナー内を移動自
在なセラミツクのピストンヘツドとからなるピス
トン本体とを有するので、エンジン回転に寄与し
なかつた熱は、燃焼室壁面付近から外部に逸散す
ることなく、排気ガスによつて排気タービンに運
ばれて回収されるため、従来のエンジンには見ら
れない、非常に効率の良い断熱エンジンを得るこ
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、第３図は断熱カバーを装着した断
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……下部シリンダ
ライナー、５……ピストンヘツド、６……ピスト
ンボデイ、７……吸・排気弁、２５……断熱層、
２６……ピストン本体、３０……断熱カバー、６
１，６２……ピストンリング、１００……燃焼
室。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) エンジンの燃焼室壁面の少なくとも一部にセ
   ラミツクからなる部品を配置した断熱エンジン
   において、 円筒の一方端を閉口してカツプ状に形成し開
   口する他方端に下部開口を形成するとともに排
   気口と吸気口とを有し内部が燃焼室の一部を形
   成するセラミツク製のライナーヘツドと、 少なくとも燃焼室に面する下面がセラミツク
   で構成され前記ライナーヘツドの排気口と吸気
   口とを夫々開閉する排気弁と吸気弁と、 該ライナーヘツドを内包するシリンダヘツド
   と、 該ライナーヘツドとシリンダヘツドとの間に
   介在する断熱層と、 該ライナーヘツドの下部開口の内径と同一の
   内径を有する円筒に形成され、該下部開口と連
   通して該ライナーヘツドの下部開口と密接連結
   されたセラミツク製の下部シリンダライナー
   と、 該下部シリンダライナーの下方外周に配設さ
   れた冷却手段と、 該下部シリンダライナー内面と摺接するピス
   トンリングを持つ金属製のピストンボデイと該
   ピストンボデイの上部に固定されこれとともに
   シリンダライナー内を移動自在なセラミツク製
   のピストンヘツドとからなるピストン本体と、 を有することを特徴とする断熱エンジン。 (2) 少なくとも下部シリンダライナーの上部外側
   部分に配設された断熱カバーを設けたことを特
   徴とする実用新案登録請求の範囲第(1)項記載の
   断熱エンジン。 (3) シリンダヘツドの袴部の外周面と下部シリン
   ダライナーの上部外側部分に配設された断熱カ
   バーを設けたことを特徴とする実用新案登録請
   求の範囲第(1)項記載の断熱エンジン。