JPH0668247B2 - アルコール燃料を用いるセラミックエンジン - Google Patents

アルコール燃料を用いるセラミックエンジン

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JPH0668247B2
JPH0668247B2 JP1182454A JP18245489A JPH0668247B2 JP H0668247 B2 JPH0668247 B2 JP H0668247B2 JP 1182454 A JP1182454 A JP 1182454A JP 18245489 A JP18245489 A JP 18245489A JP H0668247 B2 JPH0668247 B2 JP H0668247B2
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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、アルコール燃料を用いるセラミックエンジ
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
ンク室をコンプレッ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、アルコールエンジンが注目される
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２サイクル断熱エンジンは、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、排気ポ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するが、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、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アルコールによって腐
食する現象が発生することを防止するため、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アルコール燃料を用いるセ
ラミック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、シリンダブロック、該
シリンダブロックに配設されたセラミック材から成るシ
リンダライナ、前記シリンダブロックの上に配設された
シリンダヘッド、該シリンダヘッドに形成された排気ポ
ート、該排気ポートに配設された排気バルブ、前記シリ
ンダライナの下部の周方向に多数形成した吸気口、該吸
気口とクランク室とを連通する第１吸気通路、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、並びに前記シリンダライナ内に摺動
可能に配設されたピストンとクランク軸とを連結するコ
ンロッドの小径部と大径部及び前記クランク軸の回転摺
動部に組み込んだセラミック材から成るベアリングから
成るアルコール燃料を用いるセラミックエンジンに関す
る。
また、このセラミックエンジンは、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、更に、前記クランク室と前記第２吸気
通路が前記クランク室に連通する部位に逆止弁を設けた
ものである。
更に、このセラミックエンジンは、前記クランク軸のク
ランクジャーナル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、また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ものである。
〔作用〕
この発明によるアルコール燃料を用いるセラミックエン
ジンは、上記のように構成され、次のように作用する。
即ち、ピストンの下死点B.D.C.付近で周囲方向に多数開
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、該ライナ壁面に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シ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ー即ちポアー部に
流体を保持することが好ましいものである。
ポロシティー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リング或いはピストンスカ
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
で該摺動部の摺動を助ける。
また、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、クランク等の回転運動
によってアルコール燃料はミスト状態が維持或いはミス
ト生成され、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、ピストンとクランク軸とを
連結するコンロッドの小径部と大径部および前記クラン
ク軸の回転摺動部が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
気化を促進して燃焼をスムースに行わせ、前記クランク
室への吸入室気及びアルコール燃料の混合気の導入によ
っ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燃料
を用いるセラミック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燃料を用い
るセラミックエンジンの一実施例が示されている。この
セラミックエンジンは、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ッサに利用した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。
このセラミックエンジンにおいて、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部５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に嵌合して取り付けられてい
る。
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（ZrO2）、窒化珪素（Si3N4）、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、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ている。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（Zr
O2）、又は炭化珪素（SiC）等のセラミック材料で製作
する。
このセラミックエンジンは、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（Si3N4）のセラミック材料で作ると、窒化珪素
（Si3N4）が摺動運動に際して、即ち負荷を受けた下で
窒化珪素（Si3N4）が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内を往復運動する
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とピストンスカート部36から構
成でき、ピストンヘッド部34をジルコニア（ZrO2）、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。
このセラミックエンジンにおいて、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を吸気ポート38に連通する第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。
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39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連通孔37に配置した逆止弁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、吸気ポート38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、このセラミックエンジンは、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25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30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を構成するピストンピンボス29が通常のボールベア
リングのアウタレースを構成し、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40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に回動可能に取り付けるため、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15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とにな
る。
このセラミックエンジンは、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、ジルコニア（ZrO2）、炭化珪
素（SiC）等のセラミック材料で製作することが好まし
いものである。
〔発明の効果〕
この発明によるアルコール燃料を用いるセラミックエン
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、このセラミックエンジンは、シリンダ
ブロックに配設されたセラミック材から成るシリンダラ
イナ、前記シリンダブロックの上に配設されたシリンダ
ヘッド、該シリンダヘッドに形成された排気ポートに配
置された排気バルブ、前記シリンダライナの下部の周方
向に多数形成した吸気口、該吸気口とクランク室とを連
通する第１吸気通路、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、前記
シリンダライナ内に摺動可能に配設されたピストンとク
ランク軸とを連結するコンロッドの小径部と大径部及び
前記クランク軸の回転摺動部に組み込んだセラミック材
から成るベアリングから構成したので、ピストンの下死
点B.D.C.付近で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
グ或いはピスト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、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、このセラミックエンジンは、シリンダヘッドの下
面部及びシリンダライナの上部の外周に断熱材を配置し
て断熱構造に構成し、更に、前記クランク室と前記第２
吸気通路が前記クランク室に連通する部位に逆止弁を設
け、吸気口をシリンダライナ下部に形成して、吸入空気
を低温度領域から導入するので、シリンダヘッド部が高
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、
断熱エンジンであるのに、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、このセラミックエンジンは、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、ピストンピンと前
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、エンジン出力の発生の支障となることがない。
更に、シリンダヘッドに排気ポートを形成し、該排気ポ
ートに排気バルブを配置したユニフロウタイプに構成し
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、排気ポ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燃料を用いるセラミ
ック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……排気バルブ、２……排気ポート、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、11……アルコ
ールインジェクタ、12……クランク室、13……逆止弁、
14……ボールベアリング、15……ローラベアリング、16
……クランクケース、18……第１吸気通路、20……吸気
口、25……コンロッド、29……コンロッドの小径部、40
……コンロッドの大径部。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリンダブロック、該シリンダブロックに
    配設されたセラミック材から成るシリンダライナ、前記
    シリンダブロックの上に配設されたシリンダヘッド、該
    シリンダヘッドに形成された排気ポート、該排気ポート
    に配置された排気バルブ、前記シリンダライナの下部の
    周方向に多数形成した吸気口、該吸気口とクランク室と
    を連通する第１吸気通路、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、
    並びに前記シリンダライナ内に摺動可能に配設されたピ
    ストンとクランク軸とを連結するコンロッドの小径部と
    大径部及び前記クランク軸の回転摺動部に組み込んだセ
    ラミック材から成るベアリングから成るアルコール燃料
    を用いるセラミックエンジン。
  2. 【請求項２】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、更
    に、前記クランク室と前記第２吸気通路が前記クランク
    室に連通する部位に逆止弁を設けた請求項１に記載のア
    ルコール燃料を用いるセラミックエンジン。
  3. 【請求項３】前記クランク軸のクランクジャーナル及び
    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
    小径部の回転摺動部にボールベアリングを組み込んだ請
    求項１に記載のアルコール燃料を用いるセラミックエン
    ジン。
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