JPH0350332A - アルコール断熱エンジン - 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、アルコール燃料を用いるアルコール断熱エ
ンジンに関する。

〔従来の技術〕

従来、断熱エンジンとして、シリンダライナ上部を有す
るセラミック製ライナヘッドをシリンダヘッドの内側に
嵌合したものは、例えば、特開昭５９−１２２７６５号
公報に開示されている。

更に、従来の２サイクルエンジンにおいて、シリンダヘ
ッドに形成した排気ポートに排気バルブを配置し、又は
シリンダライナ上部の全円周に排気孔を設け、掃気孔を
シリンダライナ下部の全円周に設け、掃気及び排気ガス
が入り乱れるのを防止して掃気効率及び吸気効率を高め
、非対称掃気型で、且つ後吸気を行うことができるユニ
フロー掃気式のものがある。

ところで、２サイクル断熱エンジンを構成する時、クラ
ンク室をコンプレツサとして機能させることは一般的に
行われている。

また、エンジンから排気される排気ガスによる環境汚染
が問題になり、最近、アルコールエンシンが注目される
ようになっている。アルコールエンジンでは、排気ガス
中の炭酸ガス、炭化物の含有量は、ガソリン、軽油等の
燃料に比較して非常に少ないものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、アルコール燃料を使う２サイクルエンジ
ンでは、アルコール燃料の着火性が悪くなるという問題
点がある。即ち、アルコールは、ガソリン、軽油等に比
較して気化するための潜熱が高く、例えば、ガソリンが
燃料の０．７％の気化潜熱を要するのに対し、アルコー
ル燃料は燃料の５％の気化潜熱を要するものであり、気
化し難いという性質を有しているからである。しかも、
アルコールインジェクタ即ち燃料噴射ノズルから吸気通
路の空気中に噴射されたアルコール燃料は、吸気の温度
を低下させ、その状態で燃焼室に導入された時には着火
を悪化させることになる。

そこで、アルコールを燃料とする断熱エンジンでは、エ
ンジンボディ全体を高温度にし、吸入したアルコール燃
料を気化するために高温度になった壁面から熱を奪い、
気化潜熱を与えるように構成すれば、アルコール燃料の
気化が促進され良好な混合気が生成されることになる。

しかしながら、エンジン全体を高温度にした場合には、
クランク室にオイルを収容することはできず、通常、こ
のような２１ノイクル断熱エンジンでは、クランク軸の
クランクジャーナル、コンロッド大径部及びコンロッド
小径部の回転摺動部を潤滑する潤滑系に種々の対策が講
じられている。

また、ピストンリングとシリンダライナとの摺動運動に
対して、該摺動部が高温度になれば、焼き付きの問題が
発生する。そこで、これらの摺動部に対して如何に潤滑
系を構成するかの課題があった。

また、２サイクルの作動のエンジンでは、空気交換は排
気バルブが開弁し、排気ボートを通じて排気される時、
シリンダ内に圧力波即ちパルス波が発生し、排気ガスを
押し出す現象になる。それによって、該排気ガスの後流
に発生した負の圧力ゾーンに新気がシリンダ下部から流
入するが、シリンダ下部はシリンダヘッドに比較してそ
れほど高温になっていないので、新気はシリンダ下部の
壁面温度の影響を余り受けない。このことは、特に、断
熱エンジンにおいて、２サイクルの作動を行ってシリン
ダ下部より新気を吸入すれば、掃気空気量或いは吸入空
気量が減少しないというメリットがある。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
アルコールがガソリン、軽油等に比較して気化するため
の潜熱が高く、気化し難いという性質を有しているが、
アルコールがセラミック材料に対して極めて優れた潤滑
作用を有していることに着眼し、シリンダライナ、ピス
トンヘッド等のエンジンボディ全体を高温度に維持し、
特に燃焼室上部を断熱構造によって高温度にし、アルコ
ール燃料の気化を促進すると共に、摺動部を金属材料で
構成した場合には該金属材料が含水性の良いアルコール
中に含まれる水分によって腐食する現象が発生するが、
このエンジンでは、シリンダライナ、ピストンリング、
コンロッド、クランク軸等の摺動部或いは回転摺動部に
対してアルコール燃料と非反応性のセラミック材料で構
成してアルコールによる腐食を防止し、更に、クランク
室に吸入空気を送り込む吸気通路にアルコールインジェ
クタを設けて、アルコール燃料を先ずクランク室に導入
して該クランク室から燃焼室へ送り込むように構成し、
セラミック材料から成る摺動部、ピストンリングとシリ
ンダライナとの摺動部をアルコールによって摺動作用を
補助する潤滑材として機能させることを特徴とするアル
コール燃料を用いるアルコール断熱エンジンを提供する
ことである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記目的を達成するため、次のように構成
されている。即ち、この発明は、断熱材を配置して断熱
構造に構成した燃焼室上部及びピストンヘッド部、アル
コール燃料と非反応性のセラミック材から成るシリンダ
ライナ及びピストンリング、クランク軸及びコンロッド
の回転摺動部に配置したセラミック材から成るヘアリン
グ、シリンダライナ下部の周方向に多数形成した吸気口
とクランク室とを連通ずる第１吸気通路、及び吸入空気
をクランク室内に導入する第２吸気通路に設けたアルコ
ールインジェクタから成るアルコール断熱エンジンに関
する。

また、このアルコール断熱エンジンにおいて、前記シリ
ンダライナと前記ピストンリングの摺動面を構成する前
記セラミック材はアルコール燃料と非反応性のジルコニ
ア或いは炭化珪素を選定したものである。

〔作用〕

この発明によるアルコール断熱エンジンは、上記のよう
に構成され、次のように作用する。即ち、このアルコー
ル断熱エンジンは、断熱材を配置して断熱構造に構成し
た燃焼室上部及びピストンヘッド部、アルコール燃料と
非反応性のセラミック材から成るシリンダライナ及びピ
ストンリング、クランク軸及びコンロッドの回転摺動部
に配置したセラミック材から成るベアリング、シリンダ
ライナ下部の周方向に多数形成した吸気口とクランク室
とを連通ずる第１吸気通路、及び吸入空気をクランク室
内に導入する第２吸気通路に設けたアルコールインジェ
クタから構成したので、ピストンの下死点Ｂ、Ｄ、Ｃ，
付近の周方向に多数開口している前記吸気口から吸入空
気に混合してアルコール燃料がシリンダ内に吸入される
と、アルコールの未気化成分或いは霧化成分がシリンダ
ライナ内壁面に付着し、アルコールの液膜を形成する。

セラミック材料同士の摺動接触については、境界潤滑と
なるものであり、摺動摩擦抵抗が大きくなると、セラミ
ック材料を構成する粒子が脱落し即ち粒子脱落となって
潤滑されており、しかも、セラミック材料同士の摺動運
動では両者間のフリックジョンを低減するため、セラミ
ック材料の表面に存在するポロシティ−即ちボア一部に
流体を保持することが好ましいものである。ポロシティ
−に保持される該流体として上記液膜が機能し、該液膜
が潤滑膜となってピストンの上昇行程によってシリンダ
ライナとピストンスカートいはピストンスカートとの間
の摺動運動に対してセラミック材料同士の摺動運動がス
ムースになるように補助し、更に該潤滑膜はシリンダラ
イナ内壁面に停留し、ピストンの下降行程での該摺動部
の摺動を助ける。

また、第２吸気通路から吸入空気に混合してアルコール
燃料がクランク室内に吸入されると、アルコールの未気
化成分或いは霧化成分がピストンスカート壁面に付着し
、アルコールの潤滑膜を形成し、同様に、ピストンの往
復動で上記摺動部の摺動運動を助ける。

また、エンジンボディ全体が高温度に維持できるので、
クランク室内に溜まったアルコールも、クランク等の回
転によってミストが維持或いは生成されて順次気化して
前記燃焼室へ送り込まれ、燃焼される。しかも、前記ク
ランク室に吸入されたアルコールは、クランク軸のクラ
ンクジャーナル、コンロッドの大径部及び小径部の回転
摺動部がセラミック製のベアリングで構成されているの
で、これらの摺動部の腐食は発生しなく、アルコール自
体は該摺動部の潤滑を助けて、摺動特性を向上させる。

更に、アルコールはガソリン、軽油等に比較して気化す
るための潜熱が高く、気化し歎いので、シリンダヘッド
下面部及びシリンダライナ上部の外周に断熱材を配置し
て断熱構造に構成し、それによって、アルコール燃料の
気化を促進すると共に、前記クランク室への吸入空気及
びアルコール燃料の混合気の導入によって前記クランク
室を高圧にしてガスの吹き抜けを防止している。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によるアルコール断熱
エンジンの実施例を説明する。

第１図において、この発明によるアルコール断熱エンジ
ンの一実施例が示されている。このアルコール断熱エン
ジンは、シリンダヘッド３に排気バルブ１を配置し且つ
シリンダライナ４の下部周囲方向に多数の吸気口２０を
有するユニフロー掃気タイプに構成され、クランク室を
コンプレツサに利用した２サイクル作動のエンジンであ
り、掃気作用をシリンダ中心線に対して一定方向の気流
によって行わせ、エンジンの効率をアップさせたもので
ある。

このアルコール断熱エンジンにおいて、シリンダヘッド
３がシリンダブロック６にガスケット２２を介して固定
され、シリンダヘッド下面ｍ５とシリンダライナ上部９
とを一体構造に構成したヘッドライナが断熱ガスケット
１０を介在させてシリンダヘッド３に嵌合して取付けら
れている。このヘッドライナは、燃焼室８の上部を構成
するものであり、ジルコニア（ＺｒＯ□）、窒化珪素（
ＳｉＪｎ）、炭化珪素（ＳｉＣ）　、チタン酸アルミニ
ウム等のセラミック材料で製造され、特に耐熱性を有し
ている。断熱ガスケット１０は、チタン酸アルミニウム
、チタン酸カリウム等の断熱材から製造され、ヘッドラ
イナの外面に配置されている。従って、この断熱ガスケ
ット１０の配置によって、燃焼室８の上部は断熱構造に
構成され、燃焼室上部からシリンダヘッド３への熱の放
散は防止される。また、断熱構造に構成したシリンダヘ
ッド下面部５に形成した排気ポート２にはバルブシート
２４が配置され、該バルブシート２４には排気バルブ１
１ が配置されている。更に、シリンダヘッド３には、空気
とアルコール燃料との混合気に着火する手段として点火
プラグ３５が設けられている。

更に、シリンダブロック６に形成されたシリンダ２３に
はシリンダライナ４が嵌合されている。

シリンダライナ上部９とシリンダライナ４との間には、
断熱材から成る断熱ガスケット２１が介在し、シリンダ
ライナ上部９の熱がシリンダライナ４に伝達されるのを
防止しζいる。燃焼室８は、シリンダヘッド下面部５と
シリンダライナ上部９から成るヘッドライナ、シリンダ
ライナ４及びピストン７のピストンヘッドによって囲ま
れて形成される室である。シリンダライナ４については
、ピストン７が往復動する摺動面２８を提供する部分で
あるので、該シリンダライナ４は、アルコール燃料と非
反応性のジルコニア（ＺｒＯ□）、又は炭化珪素（Ｓｉ
Ｃ）等のセラミック材料で製作する。このアルコール断
熱エンジンは、燃料としてアルコールを使用するので、
摺動面２８を提供するシリンダライナ４を窒化珪素（Ｓ
ｉｓＮｔ）のセラミック材料２ で作ると、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎｎ）が摺動運動に際して
アルコールに含まれる水分等によって溶融し、反応して
シリサイドが生成され摩耗即ち摩滅する恐れがある。従
って、シリンダライナ４については、摺動運動によって
溶融の発生しない上記セラミック材料を使用する。また
、シリンダブロック６の下部には、クランクケース１６
によってクランク室１２が構成されている。

また、シリンダ即ちシリンダライナ４内を往復運動スる
ピストン７については、図面で詳細には図示していない
が、ピストンヘッド部３４及びピストンスカート３６か
ら構成され、ピストンヘッド部３４にジルコニア（Ｚｒ
０２）　、チタン酸アルミニウム等の断熱材、セラミッ
ク材料等を用いて断熱構造に構成することができる。更
に、ピストン７のピストンリング溝には、ピストンリン
グ２７が嵌合している。これらのピストンリング２７は
、上記シリンダライナ４の場合と同様に、摺動部品であ
るので、シリンダライナ４と同様に、アルコール燃料と
非反応性のジルコニア（ＺｒＯ２）、炭化珪素（ＳｉＣ
）等のセラミック材料から製作する。勿論、ピストンリ
ング２７の摺動面が上記セラミック材で構成されれば、
該セラミック材がピストンリング本体にコーティング等
で被覆される構造でも十分である。

このアルコール断熱エンジンにおいて、シリンダブロッ
ク６の下部内周部には、シリンダライナ４に形成した吸
気口２０に対向して周方向の環状の吸気ポート３８が形
成されている。更に、吸気ポート３８に吸入空気を導入
するため、クランク室１２を吸気ボー′１−３８に連通
ずる第１吸気通路１８が形成されている。また、クラン
ク室１２はクランクケース１６に形成された連通孔３７
が形成され、該連通孔３７には、クランク室１２の圧縮
空気が第２吸気通路３９に逆流するのを防止するため、
リード弁等から成る逆止弁１３が設けられている。第２
吸気通路３９には、吸入空気と共にアルコール燃料をク
ランク室１２に吸入させるため、アルコールインジェク
タ１１が設けられている。この第２吸気通路３９は、場
合によっては、ターボチャージャのコンプレッサに連通
することもできる。この構成によって、第２吸気通路３
９に噴射されたアルコール燃料は吸入空気と混合気とな
って逆止弁１３を通ってクランク室１２に吸入される。

クランク室１２に吸入された混合気はシリンダライナ４
の端部とシリンダブロック６に形成されたシリンダ２３
との間に形成される連通口３３から第１吸気通路１８、
吸気ボート１８及び吸気口２０を通じてシリンダ内即ち
燃焼室８へ吸入される。

更に、この発明によるアルコール断熱エンジンは、上記
の構成に加えて、次の構成に特徴を有している。ピスト
ン７を往復動させるため、ピストン７にはコンロッド２
５の小径部が回転摺動可能に連結されている。即ち、ピ
ストン７のピストンピンボス２９に形成されたピストン
ピン孔β０には、ピストンピン１７との間にセラミック
材料から成るボールベアリング１４が組み込まれている
。

従って、ピストンピン孔３０を構成するビスＩ・ンピン
ボス２９が通常のボールベアリングのアウタ５ レースを構成し、また、ピストンピン１７がインナレー
スを構成していることになる。

また、コンロッド２５の大径部４０は、クランクシャフ
トのクランクピン１９に回転摺動可能に連結されている
。即ち、コンロッド２５の大径部４０に形成されたクラ
ンクピン孔３１には、クランクピン１９との間にセラミ
ック材料から成るローラベアリング１５が組み込まれて
いる。従って、クランクピン孔３１を構成する大径部４
０が通常のローラベアリングのアウタレースを構成し、
また、クランクピン１９がインナレースを構成している
ことになる。

更に、クランクシャフトをシリンダブロック６の軸受部
３２に回動可能に取付けるため、クランクシャフトのク
ランクジャーナル２６は、該軸受部３２との間にセラミ
ック材料から成るローラベアリング１５が組み込まれて
いる。従って、シリンダブロック６の軸受部３２が通常
のローラベアリングのアウタレースを構成し、また、ク
ランクジャーナル２６がインナレースを構成しているこ
６ とになる。

この発明によるアルコール断熱エンジンは、上記のよう
に、クランク室１２にアルコール燃料が導入されるもの
であるので、上記のボールベアリング１４及びローラベ
アリング１５を構成する材料は、上記と同様に、アルコ
ール燃料と非反応性のジルコニア（ＺｒＯ□）、炭化珪
素（ＳｉＣ）等のセラミック材料で作ることが好ましい
ものである。

〔発明の効果〕

この発明によるアルコール断熱エンジンは、上記のよう
に構成されており、次のような効果を有する。

即ち、このアルコール断熱エンジンは、断熱材を配置し
て断熱構造に構成した燃焼室上部及びピストンヘッド部
、アルコール燃料と非反応性のセラミック十Ａから成る
シリンダライナ及びピストンリング、クランク軸及びコ
ンロッドの回転摺動部に配置したセラミック材から成る
ベアリング、シリンダライナ下部の周方向に多数形成し
た吸気口とクランク室とを連通ずる第１吸気通路、及び
吸入空気をクランク室内に導入する第２吸気通路に設け
たアルコールインジェクタから構成したので、ピストン
の下死点Ｂ、Ｄ、Ｃ，付近でライナ周方向に多数開口し
ている前記吸気口から吸入空気に混合してアルコール燃
料がシリンダ内に吸入されると、アルコールの未気化成
分或いは霧化成分がシリンダライナ内壁面に付着し、ア
ルコールの潤滑膜を形成する。この潤滑膜はピストンの
上昇行程によってピストンリング或いはビス！・ンスカ
ートとの間の摺動部を潤滑し、更に該潤滑膜はシリンダ
ライナ内壁面に停留し、ピストンの下降行程で該摺動部
を潤滑する。また、前記第２吸気通路から吸入空気に混
合してアルコール燃料がクランク室内に吸入されると、
アルコールの未気化成分或いは霧化成分がピストンスカ
ー１−壁面に付着し、アルコールの潤滑膜を形成し、同
様に、ピストンの往復動で上記摺動部を潤滑する。

また、エンジンボディ全体が高温度に維持できるので、
クランク室内に溜まったアルコールも、クランク等の回
転によってミストが維持或いは生成されて順次気化して
燃焼室へ送り込まれ、燃焼される。しかも、クランク室
に吸入されたアルコールは、クランク軸、コンロッドの
大径部及び小径部の回転摺動部がセラミック製のベアリ
ングで構成されているので、これらの摺動部の腐食は発
生しな（、アルコール自体は該摺動部の潤滑を助けて、
摺動特性を向上させる。

更に、アルコールはガソリン、軽油等に比較して気化す
るための潜熱が高く、気化し難いので、シリンダヘッド
下面部及びシリンダライナ上部の外周に断熱材を配置し
て断熱構造に構成し、それによって、アルコール燃料の
気化を促進すると共に、前記クランク室への吸入空気及
びアルコール燃料の混合気の導入によって前記クランク
室を高圧にしてガスの吹き抜けを防止している。

また、このアルコール断熱エンジンは、前記シリンダラ
イナと前記ピストンリングの摺動面をアルコール燃料と
非反応性のジルコニア、炭化珪素等のセラミック材料で
製作したので、摺動面を提供するシリンダライナを、例
えば、窒化珪素（Ｓｉ３９ Ｎ４）のセラミック材料で作ると、窒化珪素（ＳｉＪ４
）が摺動運動に際してアルコールに含まれる水分等によ
って溶融し、反応してシリサイドが生成され摩耗即ち摩
滅する恐れがあるが、この発明によるアルコール断熱エ
ンジンの前記シリンダライナ及び前記ピストンリングは
、両者の摺動運動によって負荷がかかっても溶融して反
応する恐れがな（、焼き付き等の現象は避けることがで
き、良好な摺動面を提供できる。

更に、このアルコール断熱エンジンは、シリンダヘッド
部即ち燃焼室上部が高温領域になるが、シリンダ下部は
低温領域であるので、吸気即ち新気が高温領域の熱影響
を受けることがなく、吸入空気が熱膨張によって吸気流
量が減少することがない。更に、前記クランク軸及び前
記コンロッドの大径部の回転摺動部にセラミック材から
成るローラベアリングを組み込み、前記コンロッドの小
径部との回転摺動部にボールベアリングを組み込んだ構
造に構成したので、これらの回転摺動部がアルコールに
よって腐食することがなく、しかも０ ピストンの往復運動をクランクの回転運動にスムースに
変換し、エンジン出力に対して支障となることがない。

更に、排気バルブをシリンダヘッドに配置したユニフロ
ウタイブに構成して掃気作用をシリンダ中心線に対して
一定方向の気流によって行わせ、排気ボートから排気ガ
スを効率良く排気し、次いで、排気ガスのパルス波の後
流に負圧の領域を埋める状態で吸入空気が吹き込まれる
ので、流れは単一方向となり、従って、シリンダヘッド
及びシリンダ上部の壁温が高温になっていたとしても吸
入効率の低下は少なく、エンジンの効率をアップさせる
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アルコール断熱エンジンの一実
施例を説明するための概略断面図である。 １−−−−一排気バルプ、３−−−−シリンダヘッド、
４シリンダライナ、５−　シリンダヘッド下面部、６−
　シリンダブロック、７−−−−−−−ピストン、８　
、燃焼室、９−−−−−シリンダライナ上部、１゜断熱
ガスケット、１１−−−−−−アルコールインジェクタ
、１２−−−−−クランク室、１４−・−ボールベアリ
ング、１５−−−−一ローラベアリング、１６クランク
ケース、１７−−−ピストンピン、１８−−−−−−一
第１吸気通路、２０−−−−−一吸気口、２１−−−一
断熱ガスケット、２３−−−−−シリンダ、２５−−−
−−コンロッド、２７・−−−ｍ−・ピストンリング、
２８−−−−一摺動面、３４−−−−・−ピストンヘッ
ド部、３５−−−一一−−点火プラグ、３６−−−−ピ
ストンスカート、３８−・−吸気ポート、３９−ｍ−−
−・・第２吸気通路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）断熱材を配置して断熱構造に構成した燃焼室上部
   及びピストンヘッド部、アルコール燃料と非反応性のセ
   ラミック材から成るシリンダライナ及びピストンリング
   、クランク軸及びコンロッドの回転摺動部に配置したセ
   ラミック材から成るベアリング、シリンダライナ下部の
   周方向に多数形成した吸気口とクランク室とを連通する
   第１吸気通路、及び吸入空気をクランク室内に導入する
   第２吸気通路に設けたアルコールインジェクタから成る
   アルコール断熱エンジン。
2. （２）前記シリンダライナと前記ピストンリングの摺動
   面を構成するセラミック材はアルコール燃料と非反応性
   のジルコニア或いは炭化珪素である請求項１に記載のア
   ルコール断熱エンジン。