JPH0666200A

JPH0666200A - 高温エンジン用ハイブリッドピストン

Info

Publication number: JPH0666200A
Application number: JP20048391A
Authority: JP
Inventors: Kamo Loy; カモロイ
Original assignee: Adiabatics Inc
Current assignee: Adiabatics Inc
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1994-03-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】高温で作動しうる高温エンジン用ハイブリッド
ピストンの提供。【構成】耐熱合金製のボルト１８、ナット２０及び皿ば
ね座金１９で連結された上方部分と下方部分とを有し、
上方部分即ちピストンクラウン１６は固体潤滑剤材料か
らなるシリンダ係合表面を備え、下方部分即ちピストン
スカート１７は液体潤滑剤制御手段を含むシリンダ係合
表面を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、従来の液体潤滑剤に対
しては高すぎる温度で作動するエンジンのためのピスト
ンに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃エンジンの作動温度を高くするのが
望ましい。何故ならば、一般に作動温度が高い程、燃料
の消費効率が高く、エミッションが減少し、水なしの非
冷却作動の可能性が生ずるからである。エンジンの高い
温度は、一般にエンジンの燃焼室の表面を断熱すること
により得られる。然しながら、もしもエンジンの作動温
度が約177 ℃(355°F)まで上昇すれば、従来の有機質の
液体潤滑剤は燃焼し始めてブレークダウンし、シリンダ
壁上とリングの溝にスラッジの堆積物を形成する。これ
らの堆積物は、シリンダ、ピストン及びピストンリング
上の摩耗を増大させ、ライナのこすりとリングの固着を
引き起こす。ポリエステルベースの液体潤滑剤は316 ℃
(600°F)までの温度に耐えることができるが、より高い
作動温度を得るのが望ましい。液体潤滑剤のブレークダ
ウンを最少にしながら高いエンジン作動温度を得る１つ
の方法は、第４図で示すように、ピストン頂部の温度が
ピストン底部の温度より常に高いという事実を利用する
ことである。その理由は、ピストンの頂部はシリンダ内
の燃焼室により直接に加熱され、他方、ピストンの底部
は、ピストンの中間部分により幾らか「断熱（絶縁）」
され、ピストンの底部にはねかかる油で冷却されるから
である。第３図に示すように、シリンダライナの軸線長
さに沿って頂部リング反転点（ＴＲＲ点）から温度が急
速に低下する。従って、１つの解決法は、通常はピスト
ンの上部周囲に配置されるピストンリングを除去するこ
とである。このうよなピストンは第４図に示されてい
る。この解決法が有効に働くためには、ピストンの下部
周囲（下方リングパック）に油制御リングを設け、油が
ピストンの上部周囲に達しないようにしなければならな
い。この技術により、液体潤滑剤が熱いピストンの上部
周囲に達することが防止される。ピストンの上部周囲に
は液体潤滑剤が存在しないので、高温でエンジンを作動
することが可能である。理論上、頂部リング反転（ＴＲ
Ｒ）点（下降したピストンパック内）におけるピストン
リングの温度は、液体潤滑剤のブレークダウンを防ぐよ
うに十分に低い。然しながら、単に上方ピストンリング
を除去するだけでは他の問題が生ずる。即ち、ピストン
とシリンダとの間でピストンの上部周囲のまわりにより
大きい環状のエアギャップが形成されるという問題が生
ずる。このデッドエアスペースは、空気の利用を悪く
し、その結果、不十分なエミッションとブレーキ比燃料
消費量の不足をもたらす。より高い作動温度を達成する
もう１つの方法は、液体潤滑剤を完全に除去し、その代
わりに固体潤滑剤を用いることである。固体潤滑剤はよ
り高い温度に耐えることができ、ピストンリングの表面
上及びシリンダ壁の表面上に配置することができる。こ
のうよな固体潤滑剤の例として、高密度化された酸化ク
ロム、ステライト１及びステライト６（ゴセンのストウ
ーディデロロステライトインコーポレーテッドか
ら入手）、ハステロイＸ綱（ウエストヴァージニア、
ハンティントンのインコアロイズインタナショナル
から入手）、トライボリ綱（ニューヨーク、ロングアイ
ドのメトコインコーポレーテッドから入手）、モリブ
デン、酸化鉛又はチタンと合金された銅、及び銅又はモ
リブデンと合金にされた弗化リチウムが挙げられる。米
国特許第3675,738号は、シリンダ壁と係合する弗化カル
シウム製の固体潤滑剤円板を有するピストンを開示して
いる。米国特許第3,890,950 号は、グラファイト製のシ
リンダ係合表面を有するピストンを開示している。乾燥
潤滑剤の１つの利点は、油の消費から生ずる粒子の排出
物がなくなることである。このような固体潤滑剤の欠点
は、高い摩擦係数(0.20 〜0.50）を有することである。
これは、液体潤滑剤の摩擦係数（約0.04）よりはるかに
高い。もう１つの欠点は、固定潤滑剤単独の高い摩耗率
である。従って、液体潤滑剤の低摩擦と長寿命及び固体
潤滑剤の耐高温能力を同時に満足させるようなピストン
系統を得ることが望ましい。液体潤滑されるエンジンに
おいては、固体潤滑剤を燃焼室内へ導入して摩擦を更に
減少させることも知られている。米国特許第3,994,697
号は金属と二硫化モリブデンのような金属塩とからなる
ペレットを開示しており、このペレットは、ガスタンク
内に置かれるとき溶融して金属塩の固体潤滑剤を燃料系
統を通して燃焼室へ導入する。これは、金属成分の表面
の凹凸を満たして平滑にする固体潤滑剤により摩擦を減
少させるものと思われる。また液体潤滑剤と固体潤滑剤
を組み合わせて米国特許第4,127,491 号、第4,284,518
号、及び第4,349,444 号に開示されているような単一組
成物にすることも知られている。液体と固体の潤滑剤を
同時に使用すると或る場合には摩擦を減少させるかも知
れないけれども、これらの潤滑剤では、エンジン作動温
度を上述の限界以上に高めることはできない。最近、NA
SAのH.E.Sliney氏は固体潤滑材料(PS212) を開発し、こ
の材料がスターリングエンジンにおいてテストされた。
この"PS212" 材料は、ステライト6Bに対して摩擦するCr
C₂のマトリックス内にAg、CaF₂、及びBaF₂を包合する。
(Journal of Vacuum Science and Technology 、Vol 4
、No.6l、Nov/Dec 、1986参照)。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の１つの目的
は、ピストンのトップリング反転（ＴＲＲ）点における
温度がポリエステルベースの液体潤滑剤のブレークダウ
ン温度（約316 ℃(600°F)) より高いようなピストンを
提供することである。本発明のもう１つの目的は、固体
潤滑剤の摩擦係数より小さくかつ液体潤滑剤の摩擦係数
に匹敵しうる摩擦係数を有するシリンダ係合表面を備え
たピストンを提供することである。本発明のもう１つの
目的は、トップピストンリングの上方におけるピストン
の周りの環状のデッドエアスペースを最少にするピスト
ンを提供することである。本発明のもう１つの目的は、
固体潤滑剤と液体潤滑剤の両方を利用しうるエンジンを
提供することである。本発明のもう１つの目的は、トッ
プピストンライナー部分に乾燥した潤滑剤の領域を設け
て、油の燃焼による微粒子排出物を最少にすることであ
る。本発明の他の目的と利点は、好ましい実施態様につ
いての以下の説明から当業者に明らかになるであろう。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上方部分と下
方部分とを有するピストンを包合する。上方部分は、固
体潤滑材料からなる（ピストンリングのような）シリン
ダ係合表面を備えている。下方部分は、液体潤滑剤制御
手段からなるシリンダ係合表面を備えている。上方と下
方のシリンダ係合表面の間の距離は、通常のエンジン運
転中少なくとも93℃(200°F)の温度差を与えるのに十分
な大きさである。これは、トップリング反転点における
シリンダライナの温度が液体潤滑剤のブレークダウン温
度以上の温度にあるとき、ボトムリング反転（ＢＲＲ）
点におけるシリンダの温度を液体潤滑剤のブレークダウ
ン温度以下の温度に維持するのに適当である。所望の温
度差は、ピストンの頂部乾燥領域と下方湿潤領域との間
の絶縁（断熱）の程度により設計することができる。

【０００５】

【実施例】図１図参照すると、シリンダ11（シリンダラ
イラ12を含む）と、往復動ピストン13とシリンダヘッド
14と、弁フェース15とを備えたエンジンの燃焼室が開示
されている。この実施態様に適当なエンジンは、130.22
mm(5.125インチ) のボアと、165.1mm(6.5 インチ) のス
トロークと、2.2 リットル(134.1立方インチ) の変位量
と、16.5対１の圧縮比とを有する公知の1Y73カタピラで
ある。燃焼室の全部又はその一部は、米国特許第4,852,
542 号に開示されているような耐火性酸化物被覆を用い
て断熱するのがよい。ピストン13は、第５図に示すよう
なアーティキュレーテッドピストンであるのが好まし
く、窒化珪素、チタン又は他の低熱伝導性材料で作られ
たピストンクラウン16と鋳鉄製ピストンスカート17とか
ら構成されていて、これらは耐熱合金製のボルト18、ナ
ット20及び皿ばね座金19で連結されている。セラミック
ファイバ製のガスケット21、22は、ピストンクラウン16
をピストンスカート17からシールし絶縁（断熱）して
いる。第１図に示すピストンはそのストロークの頂部に
あり、シリンダ11内でのトップリング反転（ＴＲＲ）点
は25として指示されている。

【０００６】ピストン13の上方部分、即ちピストンクラ
ウン16は、一対の圧縮リング23、24を備えている。これ
らのピストンリングはM2綱製であって、シリンダライナ
12と係合する固体潤滑剤外側被覆を有する。固体潤滑剤
は、上述の固体潤滑剤の何れでもよく、周知の技術を用
いて適用することができる。ピストン13の下方部分は、
シリンダライナ12の表面と係合する油制御手段（即ち、
油制御ピストンリング26、27）を備えている。従来の油
ポンプ（図示せず）のような液体潤滑手段が、シリンダ
の下方領域29を経てピストン13の下方部分と連通してい
る。下方リング26のボトムリング反転（ＢＲＲ）点は28
として指示されている。

【０００７】本発明の重要な特徴は、上方リング23、24
がピストン13の中間部分31により下方リング26、27から
隔てられ、内燃エンジンに用いられたときこの中間部分
31が約93℃(200°F)の温度差を与えるのに十分な手段を
提供することである。この温度差のため、トップリング
23のＴＲＲ点におけるシリンダライナ12の温度が液体潤
滑剤のブレークダウン温度以上の温度にあるとき、ＢＲ
Ｒ点28におけるシリンダライナ12の温度を液体潤滑剤の
ブレークダウン温度以下の温度に維持することができ
る。

【０００８】もう１つのピストン設計は、第５図に示す
アーティキュレーテッドピストンである。熱いピストン
クラウン71がリストピン72に取付けられ、この同じリス
トピン72により冷たいピストンスカート73が取付けられ
ている。アーティキュレーテッドピストンの設計は、サ
イドスラストをもたず、従って上方ピストンリング76、
77への負荷を最少にする。このサイドスラストは下方の
ピストンスカート73で支持される。或るステンレス鋼、
チタニウム又はセラミックのような熱伝導性の低いリス
トピンを用いて、下方スカートを熱いピストンクラウン
から全く効果的に絶縁（断熱）し、上方ピストンリング
76、77と下方ピストンリング78、79との間に著しい温度
差を生じさせることができる。オイルデフレクタを用い
て、ピストンクラウン71の隙間とピストンスカート73と
の間のシリンダライナ上に油がかかるのを防ぐことがで
きる。

【０００９】図２は、シリンダ内の頂部41と底部40のデ
ッドセンタ位置にある本発明のピストンを示す合成図で
ある。これらの位置の間の距離は、シリンダ内でのピス
トンのストロークである。シリンダ内のトップリング移
動領域は42として示され、ボトムリング移動領域は43と
して示されている。ボトムリング26、27のみが液体潤滑
剤で潤滑されるので、43で示すシリンダの部分は油膜を
有し、他方44で示す部分はほぼ乾燥したままである。ほ
ぼ乾燥した領域44は、少量の油が下方領域43から掻き入
れられる下方部分46を有する。この潤滑剤の膜は熱い乾
燥した領域44内で焼かれ、高温エンジン作動中、（液体
潤滑剤に比較して）低い摩擦の膜を形成する。

【００１０】シリンダの乾燥領域44は乾燥したままであ
るので、液体潤滑剤のブレーキダウン点以上の温度に耐
えることができる。上方リング23、24は固体潤滑剤のみ
を用いるので、これらの温度に耐えることができ、それ
故ピストンの頂部の近くに配置してデッドエアスペース
を最少にすると共に乾燥状態で作動することができ、従
って、空気の利用、排出特性及びブレーキの比燃料消費
量を改善することができる。ボトムリング26、27に対す
る液体潤滑剤の使用により、トップリングとボトムリン
グの両方に固体潤滑剤のみを用いる場合と比較して、エ
ンジンに対する摩擦係数を減少させることができる。

【００１１】本発明の基礎にある考え方は、図３を参照
して理解することができる。図３は、燃焼室の頂部から
の種々の距離において図２に44として示した領域におけ
る絶縁されたシリンダライナの予期されるピーク温度を
示すグラフである。シリンダ表面において測定された燃
焼室の温度は一定でない。この温度は、燃焼が起こるシ
リンダ頂部において、より熱い。この温度は、シリンダ
の頂部からの距離が増大するにつれて急速に低下する。

【００１２】線51は、ＴＲＲ点において1300°F(704
℃) のピーク温度を達成するように断熱されたエンジン
に対する温度を示し、線52は、ＴＲＲ点において1100°
F(593℃) のピーク温度を達成するように断熱されたエ
ンジンに対する温度を示す。本発明に従って修正された
1Y73カタピラエンジンにあっては、ＴＲＲ点はシリンダ
頂部から0.788 インチ(20mm)の所にあり、ＢＲＲ点はシ
リンダ（図３に示されていない）頂部から5.906 インチ
(150mm) の所にある。図３から明らかなように、ポリエ
ステルベースの液体潤滑剤のブレークダウン温度600 °
F(316 ℃) は、シリンダの頂部から約3.5 インチ(89mm)
の所にある。然しながら、この位置はＢＲＲ点（図２の
領域43の頂部) の上方約2.4 インチ(61mm)にあり、この
位置では油膜が生じ、従って油は、潤滑剤のブレークダ
ウンを引き起こすほど十分に高い温度にさらされない。

【００１３】図３の右手部分から明らかなように、シリ
ンダブロック11とシリンダライナ12の温度は、シリンダ
の頂部からの距離が増大するにつれて、そしてシリンダ
表面からの距離が増大するにつれて低下する。

【００１４】上述の構成に多くの変更を施すことがで
き、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、本発
明の種々の実施態様を作ることができる。例えば、本発
明は、アーティキュレーテッドピストン又は複合ピスト
ンの何れにおいても用いることができ、乾燥潤滑剤で被
覆された上述のピストンリングを、米国特許第3,675,73
8 号に開示されているような固体潤滑剤の円板で置き換
えることができる。更にシリンダの表面を乾燥潤滑剤で
被覆することもできる。従って、上述の説明中に含まれ
又は添付図面に示されたすべての事項は、本発明の例示
として解釈されるべきであって限定を意味するものでな
いことが意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のピストンを示す部分断面図である。

【図２】シリンダ内の頂部デッドセンタ位置と底部デッ
ドセンタ位置にある本発明のピストンを示す部分断面図
である。

【図３】燃焼室の頂部からの種々の深さと距離における
断熱されたシリンダライナの計算上のピーク温度を示す
グラフである。

【図４】従来技術のピストンの断面図で、高温エンジン
内で用いたならばピストンクラウン内の温度分布がどう
なるかを示す。

【図５】サイドスラストを最少にするように設計された
本発明によるアーティキュレーテッド２ピースピストン
の他の実施態様を示す断面図である。

【符号の説明】

１３ピストン１６上方部分（ピストンクラウン）１７下方部分（ピストンスカート）１２シリンダライナ２５トップリング反転点２８ボトムリング反転点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上方部分と下方部分とを有するピストン
本体を備え、前記上方部分は固体潤滑剤材料からなるシ
リンダ係合表面を備え、前記下方ピストン部分は液体油
滑剤制御手段を含むシリンダ係合表面を備えたこと、を
特徴とするピストン。
【請求項２】前記上方ピストン部分のシリンダ係合表
面と下方ピストン部分のシリンダ係合表面とは、内燃エ
ンジン内で用いるとき少なくとも93℃(200°F)の温度差
を与えるのに十分な距離だけ隔てられていることを特徴
とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】前記上方ピストン部分のシリンダ係合表
面と下方ピストン部分のシリンダ係合表面とは、トップ
リング反転点におけるシリンダの温度が液体潤滑剤のブ
レークダウン温度以上の温度にあるとき、ボトムリング
反転点におけるシリンダの温度を液体潤滑剤のブレーク
ダウン温度以下の温度に維持するのに十分な距離だけ隔
てられていること、を特徴とする請求項項１記載のピス
トン。
【請求項４】シリンダを備えた燃焼室と、前記シリン
ダ内でストロークする往復動ピストンとを備えたエンジ
ンであって、前記ピストンは上方部分と下方部分とを有
し、前記上方ピストン部分は固体潤滑剤材料からなるシ
リンダ係合表面を有し、前記下方ピストン部分は液体潤
滑剤制御手段を備えたシリンダ係合表面を有し、前記エ
ンジンは、前記ピストンの下方部分と連通する液体潤滑
装置を備えていること、を特徴とするエンジン。
【請求項５】前記上方ピストン部分のシリンダ係合表
面と前記下方ピストン部分のシリンダ係合表面とは、内
燃エンジン内で用いられたとき少なくとも93℃(200°F)
の温度差を与えるのに十分な距離だけ隔てられているこ
と、を特徴とする請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】前記上方ピストン部分のシリンダ係合表
面と下方ピストン部分のシリンダ係合表面とは、トップ
リング反転点におけるシリンダの温度が液体潤滑剤のブ
レークダウン温度以上の温度にあるとき、ボトムリング
反転点におけるシリンダの温度を液体潤滑剤のブレーク
ダウン温度以下の温度に維持するのに十分な距離だけ隔
てられていること、を特徴とする請求項４に記載のエン
ジン。
【請求項７】前記燃焼室の少なくとも一部分が断熱さ
れていること、を特徴とする請求項４に記載のエンジ
ン。
【請求項８】上方部分と下方部分とを有する往復動ピ
ストンを内設したシリンダを備えた内燃エンジンの作動
方法において；前記上方ピストン部分に固体潤滑剤から
なるシリンダ係合表面を設ける段階と；前記下方ピスト
ン部分に液体潤滑剤制御手段からなるシリンダ係合表面
を設ける段階と；を含むことを特徴とする内燃エンジン
の作動方法。
【請求項９】前記上方ピストン部分のシリンダ係合表
面と下方ピストンの部分のシリンダ係合表面とは、内燃
エンジン内で用いられたとき、少なくとも93℃(200°F)
の温度差を与えるのに十分な断熱手段により隔てられて
いること、を特徴とする請求項８に記載の内燃エンジン
の作動方法。
【請求項１０】前記上方部分のシリンダ係合表面と下
方ピストン部分のシリンダ係合表面とは、トップリング
反転点におけるシリンダの温度が液体潤滑剤のブレーク
ダウン温度以上の温度にあるとき、ボトムリング反転点
におけるシリンダライナの温度を液体潤滑剤のブレーク
ダウン温度以下の温度に維持するのに十分な距離だけ隔
てられていることを特徴とする請求項８に記載の作動方
法。