JP2526947B2 - 断熱エンジンの構造 - Google Patents
断熱エンジンの構造Info
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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、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号公報に
開示されている。該断熱エンジンを第５図を参照して概
説する。
た断熱エンジンは、例えば、特開昭59−122765号公報に
開示されている。該断熱エンジンを第５図を参照して概
説する。
第５図に示すように、断熱エンジン40は、シリンダラ
イナ42を有するセラミック製ライナヘッド41を鋳物から
成るシリンダヘッド43の内側に嵌合したものであり、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52とシリンダライナ上部51を一体
に形成したものである。
イナ42を有するセラミック製ライナヘッド41を鋳物から
成るシリンダヘッド43の内側に嵌合したものであり、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52とシリンダライナ上部51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とピストンボディ47とをボルト50で結合したもので
あり、ピストンヘッド部を肉厚のモノリフィックタイプ
に形成したものである。
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とピストンボディ47とをボルト50で結合したもので
あり、ピストンヘッド部を肉厚のモノリフィックタイプ
に形成したものである。
また、例えば、特開昭61−119892号公報には、金属構
造体とセラミックス断熱壁との間の空部にセラミックス
ファイバ、ステンレスファイバ等の熱対流防止材を充填
した熱機関等の断熱構造が開示されている。
造体とセラミックス断熱壁との間の空部にセラミックス
ファイバ、ステンレスファイバ等の熱対流防止材を充填
した熱機関等の断熱構造が開示されている。
該熱機関等の断熱構造については、前記空部の内壁に
耐熱性金属から成る熱反射を備え、更に前記金属構造体
と前記セラミックス断熱壁とを結合するボルトが前記空
部を貫通する部分に耐熱性金属板から成る袋体の内部に
熱対流防止材を充填してなる断熱ガスケットを介装した
ものであり、しかもピストンについては、上記のものと
同様に、ピストンヘッド部を肉厚のモノリフィックタイ
プに形成したものである。
耐熱性金属から成る熱反射を備え、更に前記金属構造体
と前記セラミックス断熱壁とを結合するボルトが前記空
部を貫通する部分に耐熱性金属板から成る袋体の内部に
熱対流防止材を充填してなる断熱ガスケットを介装した
ものであり、しかもピストンについては、上記のものと
同様に、ピストンヘッド部を肉厚のモノリフィックタイ
プに形成したものである。
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。
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、吸入行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
空気が吸入されなくなるという現象が生じる反面、膨張
行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。
ると、熱容量が大きくなり、吸入行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
空気が吸入されなくなるという現象が生じる反面、膨張
行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。
そこで、前掲特開昭59−122765号公報、特開昭61−11
9892号公報に開示された断熱エンジンについて考察する
と、セラミック製のピストンヘッド部には凹部が形成さ
れ、強度上その厚さも極めて厚く形成しなければなら
ず、吸入効率を向上させるため、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。それ故に、上
記と同様な問題点を有している。
9892号公報に開示された断熱エンジンについて考察する
と、セラミック製のピストンヘッド部には凹部が形成さ
れ、強度上その厚さも極めて厚く形成しなければなら
ず、吸入効率を向上させるため、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。それ故に、上
記と同様な問題点を有している。
即ち、第４図では、エンジン作動の時間の経過に伴う
ピストンヘッド部の温度状態を表すグラフを示している
が、上記の断熱エンジンのようにモノリフィックに形成
されたピストンヘッド部を用いた場合には、第４図のグ
ラフにおいて点線Ｍで示すように、爆発行程及び排気行
程での温度低下は小さく、高温の状態が続いている。そ
れ故に、吸入行程中の燃焼室内の温度低下が十分でな
く、新気が燃焼室内に吸入され難くなり、吸入効率を低
下させる原因になっている。
ピストンヘッド部の温度状態を表すグラフを示している
が、上記の断熱エンジンのようにモノリフィックに形成
されたピストンヘッド部を用いた場合には、第４図のグ
ラフにおいて点線Ｍで示すように、爆発行程及び排気行
程での温度低下は小さく、高温の状態が続いている。そ
れ故に、吸入行程中の燃焼室内の温度低下が十分でな
く、新気が燃焼室内に吸入され難くなり、吸入効率を低
下させる原因になっている。
この発明の目的は、上記の問題点を解消することであ
り、断熱エンジンの熱流速についてトップデッドセンタ
（TDC即ち上死点）付近でガス温度及び圧力が高く、熱
伝達率が増大することに着眼し、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と共に、ピスト
ンがトップデッドセンタ付近に位置する時はピストンヘ
ッド部の断熱部はシリンダヘッドライナの断熱部に囲ま
れて熱流出がないように構成し、またピストンが下方に
押し下げられると、ピストンヘッド部が下部に位置する
シリンダライナに接触して該ピストンヘッド部が放熱さ
れ、それによって吸入行程ではピストンヘッド部が下部
のシリンダライナとほとんど同一の温度にまで急速に低
下し、吸入効率の低下を防止し、サイクル効率を向上さ
せることができる断熱エンジンの構造を提供することで
ある。
り、断熱エンジンの熱流速についてトップデッドセンタ
（TDC即ち上死点）付近でガス温度及び圧力が高く、熱
伝達率が増大することに着眼し、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と共に、ピスト
ンがトップデッドセンタ付近に位置する時はピストンヘ
ッド部の断熱部はシリンダヘッドライナの断熱部に囲ま
れて熱流出がないように構成し、またピストンが下方に
押し下げられると、ピストンヘッド部が下部に位置する
シリンダライナに接触して該ピストンヘッド部が放熱さ
れ、それによって吸入行程ではピストンヘッド部が下部
のシリンダライナとほとんど同一の温度にまで急速に低
下し、吸入効率の低下を防止し、サイクル効率を向上さ
せることができる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、燃焼室側
に断熱材を介して断熱ライナを配設した前記シリンダラ
イナ上部とシリンダヘッド下面を一体に形成したものを
指すものとする。
に断熱材を介して断熱ライナを配設した前記シリンダラ
イナ上部とシリンダヘッド下面を一体に形成したものを
指すものとする。
この発明は、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、シリンダライナ
下部、該シリンダライナ下部に断熱ガスケットを介して
取り付けられ且つ前記シリンダライナ下部の径より大き
い径に形成されたシリンダライナ上部及び前記シリンダ
ライナ下部と前記シリンダライナ上部とによって形成さ
れるシリンダ内を往復動可能に配設されたピストンを具
備し、前記ピストンは保持体の上面に断熱材を介在させ
た頂部及び周囲部をセラミック材から成る薄肉部材を配
設して形成され且つ前記シリンダライナ下部に接触可能
に構成されたピストンヘッド部と該ピストンヘッド部の
前記保持体を断熱ガスケットを介して取り付けたピスト
ンスカート部とから構成されていることを特徴とする断
熱エンジンの構造に関する。
に構成されている。即ち、この発明は、シリンダライナ
下部、該シリンダライナ下部に断熱ガスケットを介して
取り付けられ且つ前記シリンダライナ下部の径より大き
い径に形成されたシリンダライナ上部及び前記シリンダ
ライナ下部と前記シリンダライナ上部とによって形成さ
れるシリンダ内を往復動可能に配設されたピストンを具
備し、前記ピストンは保持体の上面に断熱材を介在させ
た頂部及び周囲部をセラミック材から成る薄肉部材を配
設して形成され且つ前記シリンダライナ下部に接触可能
に構成されたピストンヘッド部と該ピストンヘッド部の
前記保持体を断熱ガスケットを介して取り付けたピスト
ンスカート部とから構成されていることを特徴とする断
熱エンジンの構造に関する。
また、この断熱エンジンの構造において、前記シリン
ダライナ上部はシリンダヘッド下面部と一体に形成され
てシリンダヘッドライナを構成し、該シリンダヘッドラ
イナの燃焼室側に断熱材を介して断熱ライナが配設され
ているものである。
ダライナ上部はシリンダヘッド下面部と一体に形成され
てシリンダヘッドライナを構成し、該シリンダヘッドラ
イナの燃焼室側に断熱材を介して断熱ライナが配設され
ているものである。
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、ピストンがトップデッドセンタ付近に位置する時に
はピストンヘッド部の断熱部はシリンダヘッドライナの
断熱部に囲まれて熱流出がないように構成でき、またピ
ストンが下方に押し下げられると、ピストンヘッド部の
セラミック材から成る薄肉部材がシリンダライナ下部に
接触して、高温に保たれていた該薄肉部材の熱が迅速に
放熱される。
構成されており、次のように作用する。即ち、この発明
は、ピストンがトップデッドセンタ付近に位置する時に
はピストンヘッド部の断熱部はシリンダヘッドライナの
断熱部に囲まれて熱流出がないように構成でき、またピ
ストンが下方に押し下げられると、ピストンヘッド部の
セラミック材から成る薄肉部材がシリンダライナ下部に
接触して、高温に保たれていた該薄肉部材の熱が迅速に
放熱される。
特に、ピストンヘッド部の表面部を形成するサラミッ
ク製薄肉部材はその熱容量を可及的に小さく構成され、
しかも断熱断熱ガスケットによって断熱されているの
で、シリンダライナ下部との接触によって迅速に冷却さ
れ、それによって吸入行程ではピストンヘッド部がシリ
ンダライナ下部とほとんど同一の温度にまで急速に低下
することができる。
ク製薄肉部材はその熱容量を可及的に小さく構成され、
しかも断熱断熱ガスケットによって断熱されているの
で、シリンダライナ下部との接触によって迅速に冷却さ
れ、それによって吸入行程ではピストンヘッド部がシリ
ンダライナ下部とほとんど同一の温度にまで急速に低下
することができる。
詳しく説明すると、第４図のグラフにおいて実線Ｈで
示すように、爆発行程における時間範囲Ｄにおいて断熱
状態を維持し、爆発行程の終わり時期から排気行程の時
間範囲Ｅにおいて放熱を行うことが好ましいが、この構
成によると、爆発行程で断熱状態を維持し、爆発行程の
終わり及び排気行程での温度低下が十分に大きく、吸入
行程中の燃焼室内の温度が好ましい程度にまで低下し、
燃焼室内は吸入行程で吸気を導入するのに理想的な温度
状態になっている。
示すように、爆発行程における時間範囲Ｄにおいて断熱
状態を維持し、爆発行程の終わり時期から排気行程の時
間範囲Ｅにおいて放熱を行うことが好ましいが、この構
成によると、爆発行程で断熱状態を維持し、爆発行程の
終わり及び排気行程での温度低下が十分に大きく、吸入
行程中の燃焼室内の温度が好ましい程度にまで低下し、
燃焼室内は吸入行程で吸気を導入するのに理想的な温度
状態になっている。
即ち、熱伝導に伴う伝熱量Ｑは、 α（T1−T2）S/dに比例する。
（但し、α：熱伝導率、T1−T2:2点間の温度差、S:面
積、d:厚さ） また、熱伝達に伴う熱量Qtは、 αg（TG−TW）Ｓに比例する。
積、d:厚さ） また、熱伝達に伴う熱量Qtは、 αg（TG−TW）Ｓに比例する。
（但し、S:物体の表面積、Qt：表面積Ｓを通じて伝達
される全熱量、αg：熱伝達率、TG−TWはガス温度TGと
壁温TWとの差）である。
される全熱量、αg：熱伝達率、TG−TWはガス温度TGと
壁温TWとの差）である。
従って、ピストンヘッド部がシリンダライナ上部に位
置している場合には、ピストンヘッド部の外周部はシリ
ンダライナ上部に接触していないから、熱の流れは矢印
Ａ（第２図参照）のように流れ、ピストンヘッド部のセ
ラミック製の薄肉部材の伝導面積Ｓが小さく、厚さｄが
極めて大きいことになり、従って、熱伝導量即ち伝熱量
Ｑは小さくなり、熱の逃げる量は小さいものとなり、極
めて断熱状態が良い。
置している場合には、ピストンヘッド部の外周部はシリ
ンダライナ上部に接触していないから、熱の流れは矢印
Ａ（第２図参照）のように流れ、ピストンヘッド部のセ
ラミック製の薄肉部材の伝導面積Ｓが小さく、厚さｄが
極めて大きいことになり、従って、熱伝導量即ち伝熱量
Ｑは小さくなり、熱の逃げる量は小さいものとなり、極
めて断熱状態が良い。
また、ピストンヘッド部がシリンダライナ下部である
シリンダライナに位置している場合には、ピストンの往
復動に伴ってピストンヘッド部の外周部はシリンダライ
ナに接触するため、熱の流れは矢印Ｂ（第３図参照）の
ように流れ、接触する表面積Ｓは大きくなり、ガス温度
TGと壁温TWとの差が大きいので、従って、熱伝達に伴う
熱量Qtが大きくなり、しかもピストンヘッド部は薄肉構
造であり、その熱容量は小さく構成されているので、シ
リンダライナを通じて放熱が極めて良好に且つ迅速に行
われることになる。
シリンダライナに位置している場合には、ピストンの往
復動に伴ってピストンヘッド部の外周部はシリンダライ
ナに接触するため、熱の流れは矢印Ｂ（第３図参照）の
ように流れ、接触する表面積Ｓは大きくなり、ガス温度
TGと壁温TWとの差が大きいので、従って、熱伝達に伴う
熱量Qtが大きくなり、しかもピストンヘッド部は薄肉構
造であり、その熱容量は小さく構成されているので、シ
リンダライナを通じて放熱が極めて良好に且つ迅速に行
われることになる。
それ故に、次の吸入行程で新気が燃焼室内に吸入され
易くなり、吸入効率を低下するようなことがない。
易くなり、吸入効率を低下するようなことがない。
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。
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10によって全体的に示されている。
ジンの構造が符号10によって全体的に示されている。
この断熱エンジン10の構造は、主として、ピストンヘ
ッド部１と金属製ピストンスカート部２とから成るピス
トン20、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30、及びシリンダライナ下部即ち下部に位置す
る窒化珪素等のセラミック製のシリンダライナ21から成
る。
ッド部１と金属製ピストンスカート部２とから成るピス
トン20、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30、及びシリンダライナ下部即ち下部に位置す
る窒化珪素等のセラミック製のシリンダライナ21から成
る。
シリンダヘッドライナ30は、燃焼室15側に断熱材16を
介して断熱ライナ17を配設したシリンダライナ上部23と
シリンダヘッド下面部22を一体に形成したものである。
シリンダヘッドライナ30には吸排気バルブシート25が形
成されている。更に、シリンダライナ上部23は断熱ガス
ケット12を介して下部のシリンダライナ21に取り付けら
れている。
介して断熱ライナ17を配設したシリンダライナ上部23と
シリンダヘッド下面部22を一体に形成したものである。
シリンダヘッドライナ30には吸排気バルブシート25が形
成されている。更に、シリンダライナ上部23は断熱ガス
ケット12を介して下部のシリンダライナ21に取り付けら
れている。
また、ピストン20におけるピストンヘッド部１につい
ては、保持体４の上面に断熱材３を介して頂部及び周囲
部をセラミック材から成る薄肉部材5,6を配設して構成
したものである。即ち、燃焼室15側の頂部に平らな形状
即ちフラットな面に形成したセラミック材から成る薄肉
部材５を配置すると共に、ピストンヘッド部１の周囲部
にセラミック材から成る薄肉部材６を配置する。
ては、保持体４の上面に断熱材３を介して頂部及び周囲
部をセラミック材から成る薄肉部材5,6を配設して構成
したものである。即ち、燃焼室15側の頂部に平らな形状
即ちフラットな面に形成したセラミック材から成る薄肉
部材５を配置すると共に、ピストンヘッド部１の周囲部
にセラミック材から成る薄肉部材６を配置する。
このように構成したピストンヘッド部１をピストンス
カート部２に固定するには、保持体４とピストンスカー
ト部２との間に断熱ガスケット８を介在させ、保持体４
の取付ボス部７をピストンスカート部２の取付孔９に挿
入して取付ボス部７にナット11を締め付けることによっ
て達成できる。
カート部２に固定するには、保持体４とピストンスカー
ト部２との間に断熱ガスケット８を介在させ、保持体４
の取付ボス部７をピストンスカート部２の取付孔９に挿
入して取付ボス部７にナット11を締め付けることによっ
て達成できる。
このような構成において、この発明による断熱エンジ
ン10は、特に、このシリンダライナ上部23の径D1をシリ
ンダライナ21の径D2よりも大きく形成したものであり、
シリンダライナ上部23とシリンダライナ21との間には隙
間Ｌとなる段差が形成されている。
ン10は、特に、このシリンダライナ上部23の径D1をシリ
ンダライナ21の径D2よりも大きく形成したものであり、
シリンダライナ上部23とシリンダライナ21との間には隙
間Ｌとなる段差が形成されている。
この構成によって、ピストンヘッド部１がシリンダラ
イナ上部23に非接触状態になると共に、ピストンスカー
ト部２がシリンダライナ下部であるシリンダライナ21に
接触可能になることができる。そして、シリンダヘッド
ライナ30は、シリンダライナ上部23とシリンダヘッド下
面部22を結合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。
イナ上部23に非接触状態になると共に、ピストンスカー
ト部２がシリンダライナ下部であるシリンダライナ21に
接触可能になることができる。そして、シリンダヘッド
ライナ30は、シリンダライナ上部23とシリンダヘッド下
面部22を結合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ヘッドライナ30とフラット
な形状のピストンヘッド部１のセラミック製の薄肉部材
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た構造に構成することができる。
な形状のピストンヘッド部１のセラミック製の薄肉部材
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た構造に構成することができる。
次に、ピストン20のピストンヘッド部１の保持体４
は、中央に取付ボス部７を有しているが、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、サーメット、金属等の材料か
ら構成されている。
は、中央に取付ボス部７を有しているが、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、サーメット、金属等の材料か
ら構成されている。
この断熱ピストン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、そのためにも保持体４の燃焼室15側
の面及びセラミック製の薄肉部材５は平らな形状即ちフ
ラットな形状に構成されている。
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、そのためにも保持体４の燃焼室15側
の面及びセラミック製の薄肉部材５は平らな形状即ちフ
ラットな形状に構成されている。
ピストンヘッド部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１の燃焼室側はフラットな形
状に構成されている。ピストンヘッド部１とピストンス
カート部２との間には、断熱ガスケット８及びピストン
スカート部２の上部外周部の段部19に配置された断熱ガ
スケット13を介在させ、ピストンヘッド部１の取付ボス
部７をピストンスカート部２の中央取付孔９に嵌合し、
ナット11で締め付けることによって、ピストンヘッド部
１をピストンスカート部２に対して押圧状態に係止す
る。
おらず、ピストンヘッド部１の燃焼室側はフラットな形
状に構成されている。ピストンヘッド部１とピストンス
カート部２との間には、断熱ガスケット８及びピストン
スカート部２の上部外周部の段部19に配置された断熱ガ
スケット13を介在させ、ピストンヘッド部１の取付ボス
部７をピストンスカート部２の中央取付孔９に嵌合し、
ナット11で締め付けることによって、ピストンヘッド部
１をピストンスカート部２に対して押圧状態に係止す
る。
ピストンヘッド部１の頂部の薄肉部材５は、窒化珪
素、炭化珪素等のセラミック材から成り、厚さ約1mm前
後、或いは1mm以下にCVD（化学蒸着）等によって製作さ
れている。該頂部の薄肉部材５、保持体４及び断熱ガス
ケット８の外周部には、同様な材料で形成されたセラミ
ック製の薄肉部材６が配置されており、該薄肉部材６も
上記薄肉部材５と同様に、CVD等によって製作されてい
る。
素、炭化珪素等のセラミック材から成り、厚さ約1mm前
後、或いは1mm以下にCVD（化学蒸着）等によって製作さ
れている。該頂部の薄肉部材５、保持体４及び断熱ガス
ケット８の外周部には、同様な材料で形成されたセラミ
ック製の薄肉部材６が配置されており、該薄肉部材６も
上記薄肉部材５と同様に、CVD等によって製作されてい
る。
ピストンヘッド部１の断熱材３については、例えば、
チタン酸カリウムウイスカー、ジルコニアファイバー、
カーボンファイバー、アルミナファイバー等の材料から
選択して構成することができ、断熱機能を果たすと共
に、爆発時に薄肉部材５に作用する圧力を受け止める構
造材としても機能する。
チタン酸カリウムウイスカー、ジルコニアファイバー、
カーボンファイバー、アルミナファイバー等の材料から
選択して構成することができ、断熱機能を果たすと共
に、爆発時に薄肉部材５に作用する圧力を受け止める構
造材としても機能する。
また、シリンダヘッドライナ30の断熱材16についても
同様な材料から成り、断熱機能を果たす。また、断熱ガ
スケット8,12,13については、例えば、チタン酸カリウ
ムペーパー等を積層したもの、チタン酸カリウムウイス
カーに有機バインダを混合して一体成形又は積層したも
の、或いはチタン酸カリウムウイスカー、アルミナファ
イー及び有機バインダを混合して成形したもの等があ
り、この他、ジルコニアファイバー等のセラミックファ
イバー等を用いて製作することもできる。図中、14はピ
ストンリング、18はカバーを示す。
同様な材料から成り、断熱機能を果たす。また、断熱ガ
スケット8,12,13については、例えば、チタン酸カリウ
ムペーパー等を積層したもの、チタン酸カリウムウイス
カーに有機バインダを混合して一体成形又は積層したも
の、或いはチタン酸カリウムウイスカー、アルミナファ
イー及び有機バインダを混合して成形したもの等があ
り、この他、ジルコニアファイバー等のセラミックファ
イバー等を用いて製作することもできる。図中、14はピ
ストンリング、18はカバーを示す。
次に、第２図及び第３図を参照して、この発明による
断熱エンジン10の作用、言い換えれば、ピストンヘッド
部１における熱流方向即ち放熱状態について説明する。
説明を分かり易くするため、断熱状態の部分についての
みハッチングを施し、熱流方向について矢印A,Bが付し
てある。
断熱エンジン10の作用、言い換えれば、ピストンヘッド
部１における熱流方向即ち放熱状態について説明する。
説明を分かり易くするため、断熱状態の部分についての
みハッチングを施し、熱流方向について矢印A,Bが付し
てある。
まず、第２図において、ピストン20が上昇し、ピスト
ンヘッド部１がシリンダライナ上部23に位置する場合が
示されている。ピストンヘッド部１の外周部の薄肉部材
６はシリンダライナ上部23の断熱ライナ17に接触してお
らず、隙間Ｌが形成されている。
ンヘッド部１がシリンダライナ上部23に位置する場合が
示されている。ピストンヘッド部１の外周部の薄肉部材
６はシリンダライナ上部23の断熱ライナ17に接触してお
らず、隙間Ｌが形成されている。
この場合には、ピストン20がトップデッドセンタ付近
に位置し、圧縮行程終了時にはガス温度及び圧力が高く
なっている場合である。しかも、燃焼室15は、シリンダ
ヘッドライナ30の断熱材16、ピストンヘッド部１の断熱
材３及び断熱ガスケット８、シリンダライナ上部23とシ
リンダライナ21との間の断熱ガスケット12、並びにピス
トンヘッド部１とピストンスカート部２との間の断熱ガ
スケット13によって断熱状態に囲まれている。
に位置し、圧縮行程終了時にはガス温度及び圧力が高く
なっている場合である。しかも、燃焼室15は、シリンダ
ヘッドライナ30の断熱材16、ピストンヘッド部１の断熱
材３及び断熱ガスケット８、シリンダライナ上部23とシ
リンダライナ21との間の断熱ガスケット12、並びにピス
トンヘッド部１とピストンスカート部２との間の断熱ガ
スケット13によって断熱状態に囲まれている。
従って、ピストンヘッド部１に与えられた熱エネルギ
ーの熱流方向については、矢印Ａで示すように、ピスト
ンヘッド部１の頂部の薄肉部材５及び外周部の薄肉部材
６、並びに保持体４及びその取付ボス部７を通じて放熱
される。従って、このような状態では、燃焼室15はほと
んど断熱状態にあり、断熱エンジンとしては理想的な状
態を維持することができる。
ーの熱流方向については、矢印Ａで示すように、ピスト
ンヘッド部１の頂部の薄肉部材５及び外周部の薄肉部材
６、並びに保持体４及びその取付ボス部７を通じて放熱
される。従って、このような状態では、燃焼室15はほと
んど断熱状態にあり、断熱エンジンとしては理想的な状
態を維持することができる。
次に、第３図に示すように、ピストン20が爆発行程を
経て下降した位置に来ると、ピストンヘッド部１の外周
部の薄肉部材６は、ピストン20の往復動に伴ってシリン
ダライナ21に接触する状態になる。即ち、ピストン20の
上下運動によってピストンヘッド部１は左右に振られ、
ピストンヘッド部１はシリンダライナ21に接触する。ピ
ストンヘッド部１の薄肉部材６がシリンダライナ21に接
触することによって、ピストンヘッド部１に与えられた
熱エネルギーの熱流方向については、矢印Ｂで示すよう
に、ピストンヘッド部１の頂部の薄肉部材５及び外周部
の薄肉部材６、並びにシリンダライナ21を通じて急速に
放熱される。
経て下降した位置に来ると、ピストンヘッド部１の外周
部の薄肉部材６は、ピストン20の往復動に伴ってシリン
ダライナ21に接触する状態になる。即ち、ピストン20の
上下運動によってピストンヘッド部１は左右に振られ、
ピストンヘッド部１はシリンダライナ21に接触する。ピ
ストンヘッド部１の薄肉部材６がシリンダライナ21に接
触することによって、ピストンヘッド部１に与えられた
熱エネルギーの熱流方向については、矢印Ｂで示すよう
に、ピストンヘッド部１の頂部の薄肉部材５及び外周部
の薄肉部材６、並びにシリンダライナ21を通じて急速に
放熱される。
従って、このような状態では、燃焼室15で得たピスト
ンヘッド部１の熱は、シリンダライナ21を通じて直ちに
放熱され、第４図の実線Ｈで示すように、ピストンの爆
発行程で急激に放熱され、ピストン20の吸入行程ではほ
とんどシリンダライナ21と同一の温度にまで低下し、次
の吸入行程において吸入効率を低下させる現象は生じな
い。従って、ピストンヘッド部１の薄肉部材5,6の熱容
量は出来るだけ小さい方が、シリンダライナ21に与える
熱放出量が小さくなる。
ンヘッド部１の熱は、シリンダライナ21を通じて直ちに
放熱され、第４図の実線Ｈで示すように、ピストンの爆
発行程で急激に放熱され、ピストン20の吸入行程ではほ
とんどシリンダライナ21と同一の温度にまで低下し、次
の吸入行程において吸入効率を低下させる現象は生じな
い。従って、ピストンヘッド部１の薄肉部材5,6の熱容
量は出来るだけ小さい方が、シリンダライナ21に与える
熱放出量が小さくなる。
この発明による断熱エンジン10は、上記のように作用
するので、ピストンヘッド部１の温度については、断
熱、放熱を繰り返して理想的に変化し、燃焼室15に面す
る壁面を可及的に薄肉に構成して熱容量を小さく構成す
ることができるので、断熱を最も必要とする時には確実
に且つ迅速に断熱機能を達成でき、また燃焼室15の壁面
の温度を放熱して吸気の入り易い状態にする時には迅速
に且つ確実に放熱を行い吸入効率の低下を防止する。
するので、ピストンヘッド部１の温度については、断
熱、放熱を繰り返して理想的に変化し、燃焼室15に面す
る壁面を可及的に薄肉に構成して熱容量を小さく構成す
ることができるので、断熱を最も必要とする時には確実
に且つ迅速に断熱機能を達成でき、また燃焼室15の壁面
の温度を放熱して吸気の入り易い状態にする時には迅速
に且つ確実に放熱を行い吸入効率の低下を防止する。
従って、断熱エンジン10の下流に設置されているエネ
ルギー回収装置、例えば、エンジンからの高温の排気ガ
スにより排気タービンを駆動し、その駆動によって排気
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
て発電するようなエネルギー回収装置によって、排気ガ
スが有する熱エネルギーを有効に回収することができ
る。
ルギー回収装置、例えば、エンジンからの高温の排気ガ
スにより排気タービンを駆動し、その駆動によって排気
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
て発電するようなエネルギー回収装置によって、排気ガ
スが有する熱エネルギーを有効に回収することができ
る。
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、シリンダライナ下部と、該シリンダ
ライナ下部に断熱ガスケットを介して取り付けられシリ
ンダライナ下部の径より大きい径に形成されたシリンダ
ライナ上部と、保持体の上面に断熱材を介して頂部及び
周囲部をセラミック材から成る薄肉部材を配設して形成
され前記シリンダライナ下部に接触可能に構成されたピ
ストンヘッド部と該ピストンヘッド部の前記保持体を断
熱ガスケットを介して取付けたピストンスカート部とに
よって構成され前記シリンダライナ下部と前記シリンダ
ライナ上部とによって形成されるシリンダ内に往復動可
能に配設されたピストンと、からなっているので、ピス
トンがトップデッドセンタ付近に位置する時にはピスト
ンヘッド部の断熱部はシリンダヘッドライナの断熱部に
囲まれて熱流出がないように構成でき、またピストンが
下方に押し下げられると、ピストンヘッド部のセラミッ
ク材から成る薄肉部材がシリンダライナ下部に接触し
て、高温に保たれていた該薄肉部材の熱が迅速に放熱さ
れる。
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、シリンダライナ下部と、該シリンダ
ライナ下部に断熱ガスケットを介して取り付けられシリ
ンダライナ下部の径より大きい径に形成されたシリンダ
ライナ上部と、保持体の上面に断熱材を介して頂部及び
周囲部をセラミック材から成る薄肉部材を配設して形成
され前記シリンダライナ下部に接触可能に構成されたピ
ストンヘッド部と該ピストンヘッド部の前記保持体を断
熱ガスケットを介して取付けたピストンスカート部とに
よって構成され前記シリンダライナ下部と前記シリンダ
ライナ上部とによって形成されるシリンダ内に往復動可
能に配設されたピストンと、からなっているので、ピス
トンがトップデッドセンタ付近に位置する時にはピスト
ンヘッド部の断熱部はシリンダヘッドライナの断熱部に
囲まれて熱流出がないように構成でき、またピストンが
下方に押し下げられると、ピストンヘッド部のセラミッ
ク材から成る薄肉部材がシリンダライナ下部に接触し
て、高温に保たれていた該薄肉部材の熱が迅速に放熱さ
れる。
特に、ピストンヘッド部の表面部を形成するセラミッ
ク製薄肉部材はその熱容量を可及的に小さく構成され、
しかも断熱断熱ガスケットによって断熱されているの
で、シリンダライナ下部との接触によって迅速に冷却さ
れ、それによって吸入行程ではピストンヘッド部がシリ
ンダライナ下部とほとんど同一の温度にまで急速に低下
することができる。
ク製薄肉部材はその熱容量を可及的に小さく構成され、
しかも断熱断熱ガスケットによって断熱されているの
で、シリンダライナ下部との接触によって迅速に冷却さ
れ、それによって吸入行程ではピストンヘッド部がシリ
ンダライナ下部とほとんど同一の温度にまで急速に低下
することができる。
即ち、第４図のグラフにおいて実線Ｈで示すように、
爆発行程及び排気行程での温度低下が大きく、吸入行程
中の燃焼室内の温度低下が十分となり、燃焼室内は吸入
行程で吸気を導入するのに理想的な温度状態になってい
る。
爆発行程及び排気行程での温度低下が大きく、吸入行程
中の燃焼室内の温度低下が十分となり、燃焼室内は吸入
行程で吸気を導入するのに理想的な温度状態になってい
る。
それ故に、吸入行程において新気が燃焼室内に吸入さ
れ易くなり、吸入効率を向上させることができる。しか
るに、燃焼ガスに晒されて高温になる前記シリンダヘッ
ドライナを断熱構造に構成し、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部の表面部をフラット
にして厚さの薄いセラミック製の薄肉部材で構成するこ
とができる。
れ易くなり、吸入効率を向上させることができる。しか
るに、燃焼ガスに晒されて高温になる前記シリンダヘッ
ドライナを断熱構造に構成し、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部の表面部をフラット
にして厚さの薄いセラミック製の薄肉部材で構成するこ
とができる。
従って、前記薄肉部材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、
高度の耐熱性を得ると共に前記断熱材によって高度の断
熱性を得ることができる。この場合に、前記ピストンヘ
ッドの前記セラミック製の前記頂部に吸入空気が接する
量が大きいとしても、前記ピストンヘッド部は熱容量が
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。
き、その熱容量を可及的に小さく構成することができ、
高度の耐熱性を得ると共に前記断熱材によって高度の断
熱性を得ることができる。この場合に、前記ピストンヘ
ッドの前記セラミック製の前記頂部に吸入空気が接する
量が大きいとしても、前記ピストンヘッド部は熱容量が
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。
即ち、前記ピストンヘッド部については、前記ピスト
ンヘッド部のセラミック製の薄肉部材の厚さを薄く構成
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
ミック材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、耐熱性に
富んでいるため熱ショックを受けても強度上の問題が生
じることがない。
ンヘッド部のセラミック製の薄肉部材の厚さを薄く構成
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
ミック材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、耐熱性に
富んでいるため熱ショックを受けても強度上の問題が生
じることがない。
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図及び第３図は第１図の断熱エンジ
ンの構造の熱流状態を示す説明図、第４図はピストンヘ
ッド部の温度を経時的に示したグラフ、並びに第５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、
3,16……断熱材、４……保持体、5,6……薄肉部材、8,1
2,13……断熱ガスケット、10……断熱エンジン、15……
燃焼室、17……断熱ライナ、20……ピストン、21……シ
リンダライナ、22……シリンダヘッド下面部、23……シ
リンダライナ上部、30……シリンダヘッドライナ、A,B
……熱の流れ方向。
を示す断面図、第２図及び第３図は第１図の断熱エンジ
ンの構造の熱流状態を示す説明図、第４図はピストンヘ
ッド部の温度を経時的に示したグラフ、並びに第５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、
3,16……断熱材、４……保持体、5,6……薄肉部材、8,1
2,13……断熱ガスケット、10……断熱エンジン、15……
燃焼室、17……断熱ライナ、20……ピストン、21……シ
リンダライナ、22……シリンダヘッド下面部、23……シ
リンダライナ上部、30……シリンダヘッドライナ、A,B
……熱の流れ方向。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 3/10 Ｆ０２Ｆ 3/10 Ｂ 3/12 3/12
Claims (2)
- 【請求項１】シンダライナ下部、該シリンダライナ下部
に断熱ガスケットを介して取り付けられ且つ前記シリン
ダライナ下部の径より大きい径に形成されたシリンダラ
イナ上部及び前記シリンダライナ下部と前記シリンダラ
イナ上部とによって形成されるシリンダ内を往復動可能
に配設されたピストンを具備し、前記ピストンは保持体
の上面に断熱材を介在させた頂部及び周囲部をセラミッ
ク材から成る薄肉部材を配設して形成され且つ前記シリ
ンダライナ下部に接触可能に構成されたピストンヘッド
部と該ピストンヘッド部の前記保持体を断熱ガスケット
を介して取り付けたピストンスカート部とから構成され
ていることを特徴とする断熱エンジンの構造。 - 【請求項２】前記シリンダライナ上部はシリンダヘッド
下面部と一体に形成されてシリンダヘッドライナを構成
し、該シリンダヘッドライナの燃焼室側に断熱材を介し
て断熱ライナが配設されている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。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62314184A JP2526947B2 (ja) | 1987-12-14 | 1987-12-14 | 断熱エンジンの構造 |
| EP88311690A EP0321159B1 (en) | 1987-12-14 | 1988-12-09 | Heat insulating engine |
| DE198888311690T DE321159T1 (de) | 1987-12-14 | 1988-12-09 | Isolierte brennkraftmaschine. |
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