(57)【要約】対向ピストンエンジン用の遮熱コーティングを施した排気マニホールドアセンブリは、冷却剤への熱遮断を低減しながら、排気温度、燃料効率を高め、排気後処理点火を高速化する。排気マニホールドアセンブリは、マニホールドアセンブリの内面にコーティングを含むことができる。コーティングされた排気マニホールドアセンブリは、広範囲の動作温度で排気マニホールドアセンブリの構造的な堅牢性を確保できる。【選択図】図３
2020531733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向ピストンエンジン（２００）であって、
エンジンブロック（２４０）と、
前記エンジンブロック（２４０）内に配置されたシリンダ（５０）であって、該シリンダは、該シリンダ（５０）の長手方向軸を中心とするボア（２３７）を画定する内面と、吸気ポート（２３５）および排気ポート（２３６）を有するシリンダ壁とを含み、該吸気ポート（２３５）および該排気ポート（２３６）は、該シリンダ（５０）の両端の近くの該シリンダ壁に形成されており、該吸気ポート（２３５）および該排気ポート（２３６）は、それぞれ該シリンダ壁を貫通して該ボア（２３７）に至るポート開口部（２４１）の配列を含む、シリンダ（５０）と、
ランナー（２４３）と、排気パイプ（２４５）と、前記エンジンブロック（２４０）内のランナープレナム（２４３ｅ）とを含む排気マニホールドアセンブリ（２２０）であって、該ランナープレナム（２４３ｅ）は前記排気ポート開口部（２４１）を囲む、排気マニホールドアセンブリ（２２０）と、
排気ガスから前記エンジンブロック（２４０）への熱伝達を低減する前記排気マニホールドアセンブリ（２２０）の内面上のコーティング層（３２０）と、を備える、対向ピストンエンジン（２００）。
【請求項２】
前記コーティング層（３２０）は断熱材料を含む、請求項１に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
【請求項３】
前記断熱材料は、低熱伝導率を有する、請求項２に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
【請求項４】
前記コーティング層（３２０）は、ジルコニア、アルミナ、クロム含有組成物、コバルト含有組成物、ニッケル含有組成物、イットリウム含有組成物、およびそれらの任意の組み合わせのいずれかを含む、請求項２に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
【請求項５】
前記コーティング層（３２０）は、前記排気マニホールドアセンブリ（２２０）の内面に噴霧堆積または浸漬コーティングされる、請求項２に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
【請求項６】
前記排気マニホールドアセンブリ（２２０）は、ねずみ鋳鉄を含むベース金属（３１０）を含む、請求項１に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
【請求項７】
前記エンジンブロック内（２４０）に複数のシリンダ（５０）をさらに備え、該シリンダ（５０）はインラインアレイに配置されている、請求項１に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
【請求項８】
各シリンダ（５０）は、前記シリンダブロック（２４０）内のトンネル内に保持されたライナー（２３０）を備える、請求項７に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
【請求項９】
前記シリンダ（５０）は、前記シリンダブロック（２４０）内のトンネル内に保持されたライナー（２３０）を備える、請求項１に記載の対向ピストンエンジン（２００）。
【請求項１０】
前記排気マニホールドアセンブリ（２２０）は、少なくとも１つの排気パイプ（２４５）をさらに備え、該少なくとも１つの排気パイプ（２４５）は、
タービン（１２１）入口、
ＥＧＲ入口（１３１）、および
排気処理システムの１つ以上と流体連通している、請求項１、７、または９のいずれかに記載の対向ピストンエンジン（２００）。
【請求項１１】
低熱伝導率の材料を含むコーティング層（３２０）を前記排気マニホールドの内面に適用することを含む、対向ピストンエンジン（２００）用の排気マニホールドアセンブリ（２２０）の製造方法。
【請求項１２】
前記コーティング層（３２０）を適用するために前記排気マニホールドアセンブリ（２２０）の内面を準備することをさらに含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記コーティング層（３２０）の適用後に前記排気マニホールドアセンブリ（２２０）を処理することをさらに含む、請求項１１または１２のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１７年８月１８日出願の「Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｍａｎｉｆｏｌｄ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  ｆｏｒ  Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ（対向ピストンエンジン用の遮熱コーティングを含む排気マニホールド構造）」と題する米国仮特許出願第６２／５４７，３６４号の優先権を主張する。
【０００２】
本願には、２０１４年８月４日に出願され、現在は２０１８年６月１９日発行の特許第１０，００１，０５７号となっている共通所有の「Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｌａｙｏｕｔ  Ｗｉｔｈ  Ａｃｃｏｍｐａｎｙｉｎｇ  Ｆｉｒｉｎｇ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅ  Ｆｏｒ  Ｔｗｏ−Ｓｔｒｏｋｅ  Ｃｙｃｌｅ，Ｉｎｌｉｎｅ，Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ（２ストロークサイクル、インライン、対向ピストンエンジンの燃焼シーケンスを伴う排気レイアウト）」と題する米国特許出願第１４／４５０，８０８号、２０１４年５月２１日に出願され、現在は２０１７年２月２８日発行の特許第９，５８１，０２４号となっている「Ａｉｒ  Ｈａｎｄｌｉｎｇ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ（対向ピストンエンジン用の空気処理構造）」と題する米国特許出願第１４／２８４，０５８号、および２０１４年５月２１日に出願され、現在は２０１７年１月２４日発行の特許第９，５５１，２２０号となっている「Ｏｐｅｎ  Ｉｎｔａｋｅ  ａｎｄ  Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｃｈａｍｂｅｒ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ａｎ  Ａｉｒ  Ｈａｎｄｌｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｏｆ  ａｎ  Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅ（対向ピストンエンジンの空気処理システム用の開放吸気および排気チャンバ構造）」と題する米国特許出願第１４／２８４，１３４号に関連する主題が含まれている。
【０００３】
本分野は、内燃機関に関する。特に、本分野は、車両、船舶、および定置用動力源に適用できる対向ピストンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００４】
２ストロークサイクルエンジンは、クランクシャフトの完全な１回転とクランクシャフトに接続されたピストンの２ストロークとで動作サイクルを完了する内燃機関である。ストロークは通常、圧縮およびパワーストロークとして示される。２ストロークサイクルエンジンの一例は、シリンダの中心軸に沿って反対方向に往復運動するためにシリンダのボアに２つのピストンが配置された対向ピストンエンジンである。各ピストンは、シリンダの一方の端に最も近い下死点（ＢＤＣ）位置と、一方の端から最も遠い上死点（ＴＤＣ）位置との間を移動する。シリンダには、それぞれのＢＤＣピストン位置の近くのシリンダ側壁にポートが形成されている。対向するピストンのそれぞれはポートの１つを制御し、ピストンがＢＤＣ位置に移動するとポートを開き、ＢＤＣからＴＤＣ位置に移動するとポートを閉じる。ポートの１つは給気をボアに入れる役割を果たし、もう１つはボアを出る燃焼生成物の通路を提供する。これらはそれぞれ「吸気」ポートおよび「排気」ポートと呼ばれる（一部の説明では、吸気ポートは「空気」ポートまたは「掃気」ポートと呼ばれる）。ユニフロー掃気対向ピストンエンジンでは、排気ガスが排気ポートから流出すると、加圧された給気が吸気ポートからシリンダに入るので、ガスはシリンダの長さに沿って、吸気ポートから排気ポートまでシリンダ内を単一方向（「ユニフロー」）に流れる。
【０００５】
給気および排気製品生成物は、空気処理システム（「ガス交換」システムとも呼ばれる）を介してシリンダを流れる。燃料は、燃料供給システムからの噴射により供給される。エンジンのサイクル中、エンジンの動作条件に応じて空気処理システムと燃料供給システムを操作することにより、制御機械が燃焼を制御する。空気処理システムには、燃焼中の望ましくない化合物の生成を減らすために、排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）システムが装備されていてもよい。
【０００６】
対向ピストンエンジンでは、空気処理システムは新鮮な空気をエンジンに送り込み、エンジンから燃焼ガス（排気）を排出する。これにはポンプ作業が必要である。ポンプ作業は、コンプレッサ（たとえば、ターボチャージャ）などのガスタービン駆動ポンプ、および／または過給機などの機械駆動ポンプによって行われてもよい。場合によっては、ターボチャージャのコンプレッサユニットは、２段ポンプ構成の過給機の上流または下流に配置してもよい。ポンプ装置（１段、２段、またはその他）は掃気プロセスを駆動できる。掃気プロセスは、効果的な燃焼を確保し、エンジンの指示熱効率を高め、ピストン、リング、シリンダなどのエンジンコンポーネントの寿命を延ばすために重要である。さらに、吸気と排気の圧力波と吸引波もポンプ作業を提供できる。ポンプ作業は、排気ガス再循環システムも駆動する。
【０００７】
対向ピストンエンジンには、エンジンガス（給気、排気）をシリンダに出し入れするように設計されたさまざまな構造が含まれている。たとえば、特許文献１は、他のシリンダのパイプと１本の排気パイプに合流する各シリンダの排気領域と連通するパイプを備えたマルチパイプ排気マニホールドを使用した初期の対向ピストン航空機エンジンについて説明している。マニホールドはエンジンの片側に取り付けられていた。
【０００８】
１９３０年代、ユモ２０５の対向ピストン航空機エンジンファミリは、デュアルクランクシャフトの対向ピストンエンジンの基本的な空気処理アーキテクチャを定義した。ユモエンジンには、６つのシリンダを備えたインラインシリンダブロックが含まれていた。シリンダブロックの構造には、排気ポートと吸気ポート用の個々のコンパートメントが含まれていた。個別化されたポートを提供するために構築されたマニホールドと導管は、シリンダブロックに取り付けられるか、シリンダブロック上に形成された。したがって、エンジンには、各シリンダの環状排気領域と連通する対向パイプのそれぞれのペアを配置するために、エンジンの両側にボルト締めされたマルチパイプ排気マニホールドが装備されていた。各排気マニホールドの出力パイプは、タービンの２つの入口のそれぞれに接続されていた。エンジンには、エンジンの両側に配置された吸気管も装備されており、シリンダの個々の吸気領域に給気を送っていた。２段圧力充填システムが、吸気管に加圧給気を供給していた。
【０００９】
従来技術の排気マニホールドは、エンジンのサイズと重量の増加という不利益を導出した。個々のパイプは、パイプの開口部をシリンダの環状排気空間と密接に結合するために構造的な支持体を必要としていた。典型的には、支持体は、各パイプの端部のフランジの形であり、フランジをシリンダブロックの側面の対応する領域に固定するためのねじ部品を受け入れるのに十分な面積を有していた。各マニホールドのフランジは、シリンダのインライン配置に一致するように行方向に配置されていた。これらのフランジに接続されたダクトの幅により、シリンダとシリンダの間隔が制限されたため、エンジンは比較的重く、大きくする必要があった。
【００１０】
最新の車両エンジンでは、出力、排気の両方の観点から、サイズ、重量、パフォーマンスはエンジンコンポーネントの設計においてバランスをとる要素である。サイズと重量を減らし、性能を向上させるために、各燃焼イベントの後にシリンダから排気を受け取るエンジン空間を最小化することが望ましい。
【００１１】
タービンの駆動や後処理装置の活性化（たとえば、触媒作用のために熱を提供する）などの有用な目的で下流で抽出される熱エネルギーを最大化するために、排気マニホールドに排出される排気ガスに可能な限り多くの熱を保持することが望ましい。ただし、熱は排気マニホールドの構造と表面を伝導することで失われる可能性がある。周囲の構造物に熱が入ると、エンジン冷却システムによってシリンダブロック（つまり、エンジンブロック）から熱が伝導され、シリンダブロックへの熱応力が制限される。この方法で失われた熱エネルギーは、冷却剤に「遮断」されたと言われる。冷却剤の循環により、エンジンの寄生損失が付加される。したがって、エンジンの熱効率を高めるために、排気ガスが排気ポートから排出される空間を囲む排気マニホールドの構造および表面への排気ガスからの熱の伝達を減らすことが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一部の実装形態では、対向ピストンエンジンには、１つ以上の遮熱コーティングを有する排気マニホールドアセンブリ構造が提供される。排気マニホールドアセンブリは内面を含むことができ、遮熱コーティングは内面にあってもよい。
【００１３】
以下の特徴は、排気マニホールドアセンブリおよび／またはエンジンに適切な組み合わせで見ることができる。遮熱コーティングは断熱材料を含むことができ、一部の実装形態では、断熱材料は低熱伝導率を有することができる。コーティングは、ジルコニア、アルミナ、クロム含有組成物、コバルト含有組成物、ニッケル含有組成物、イットリウム含有組成物、およびそれらの任意の組み合わせのいずれかを含むことができる。コーティングは、排気室（つまり、排気マニホールド）の内面に噴霧堆積または浸漬コーティングすることができる。一部の実装形態では、排気マニホールドアセンブリは基材を含む金属表面を含むことができ、基材はねずみ鋳鉄および／またはアルミニウムを含むことができる。
【００１４】
関連する態様では、ユニフロー掃気対向ピストンエンジン用の排気マニホールドアセンブリを作成する方法は、低熱伝導率の材料のコーティングを排気マニホールドアセンブリの内面に適用することを含む。以下の機能は、本方法において任意の適切な組み合わせで見ることができる。本方法は、コーティングを適用するために排気マニホールドアセンブリの内面を準備することを含むことができる。追加的または代替的に、本方法は、コーティングの適用後に排気マニホールドアセンブリを処理することを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】対向ピストンエンジンとエンジンで使用する補助システムの概略図であり、適切に「先行技術」とラベル付けされている。
【００１６】
【図２Ａ】本開示による例示的な排気マニホールドアセンブリを示す。
【図２Ｂ】本開示による例示的な排気マニホールドアセンブリを示す。
【図２Ｃ】本開示による例示的な排気マニホールドアセンブリを示す。
【図２Ｄ】本開示による例示的な排気マニホールドアセンブリを示す。
【図２Ｅ】本開示による例示的な排気マニホールドアセンブリを示す。
【００１７】
【図３】図２Ａ〜２Ｅの排気マニホールドアセンブリの内面上のコーティングの拡大断面図を示す。
【００１８】
【図４】本明細書による排気マニホールドアセンブリを作製する例示的な方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
排気マニホールドアセンブリと排気マニホールドアセンブリの内面上に遮熱コーティングを有するエンジンブロックとを備えた対向ピストンエンジンについて説明する。遮熱コーティング、またはコーティング層は、より高い排気温度を提供し、エンジン内の冷却剤への熱遮断を低減し、排気マニホールドとその構造的特徴のより高い疲労強度を可能にする。排気温度が高いと、エンジンのターボチャージャを駆動する排気エンタルピーが増加することによって、エンジンの燃料効率を向上させることができる。さらに、または逆に、排気温度が高いと、エンジンの後処理システムは、エンジンがより低い速度またはより低い負荷で動作しているときに、より迅速に点火し、動作温度を維持できる。本明細書には、コーティング材料の適用方法を含むコーティングの詳細も記載されている。
【００２０】
図１では、ユニフロー掃気、２ストロークサイクル内燃エンジンが、少なくとも１つのポート付きシリンダ５０を有する対向ピストンエンジン４９によって具体化されている。たとえば、エンジンには、１つのポート付きシリンダ、２つのポート付きシリンダ、３つのポート付きシリンダ、または４つ以上のポート付きシリンダがあってよい。各ポート付きシリンダ５０は、ボア５２と、シリンダ壁のそれぞれの端部に形成または機械加工された長手方向に間隔を空けた排気ポート５４および吸気ポート５６とを有する。排気ポート５４および吸気ポート５６のそれぞれは、隣接する開口部が中実のブリッジによって離されている開口部の１つ以上の周方向配列を含む。一部の説明では、各開口部は「ポート」と呼ばれるが、そのような「ポート」の周方向配列の構造は、図１に示されるポート構造と変わらない。図示の例では、エンジン４９はさらに２つのクランクシャフト７１および７２を含む。排気ピストン６０および吸気ピストン６２は、それらの端面６１および６３が互いに対向する状態で、ボア５２内に摺動可能に配置されている。排気ピストン６０はクランクシャフト７１に結合され、吸気ピストンはクランクシャフト７２に結合されている。
【００２１】
ピストン６０および６２がＴＣの近くにあるとき、ピストンの端面６１および６３の間のボア５２内に燃焼チャンバが画定される。燃料は、シリンダ５０の側壁を貫通する開口部に配置された少なくとも１つの燃料噴射ノズル１００を介して燃焼チャンバに直接噴射される。燃料は、吸気ポート５６からボアに入れられた給気と混合する。混合気が端面間で圧縮されると、燃焼を引き起こす温度に達する。
【００２２】
さらに図１を参照すると、エンジン４９は、エンジン４９に供給される給気およびエンジン４９によって生成される排気ガスの運搬を管理する空気処理システム５１を含む。代表的な空気処理システムの構造には、給気サブシステムと排気サブシステムが含まれる。空気処理システム５１では、給気サブシステムは、新鮮な空気を受け取ってそれを給気に処理する給気源と、給気をエンジンの少なくとも１つの吸気ポートに運ぶ給気源に結合された給気チャネルと、エンジンの吸気ポートへの供給前に給気（または給気を含むガスの混合物）を受け取って冷却するように結合された給気チャネル内の少なくとも１つの空気冷却器とを含む。そのような冷却器は、空気から液体および／または空気から空気への装置、または別の冷却装置を含むことができる。排気サブシステムには、他の排気コンポーネントに送るためにエンジンの排気ポートから排気生成物を運ぶ排気チャネルが含まれる。
【００２３】
さらに図１を参照すると、空気処理システム５１は、共通シャフト１２３上で回転するタービン１２１およびコンプレッサ１２２を備えたターボチャージャ１２０を含む。タービン１２１は排気サブシステムに結合され、コンプレッサ１２２は給気サブシステムに結合されている。ターボチャージャ１２０は、排気ポート５４を出る排気ガスからエネルギーを抽出し、排気ポート５４から直接、または排気ポート５４から出力される排気ガスを収集する排気マニホールド１２５から排気チャネル１２４に流れ込む。これに関して、タービン１２１は、そこを通過する排気ガスによって回転する。これにより、コンプレッサ１２２が回転し、新鮮な空気を圧縮することにより、コンプレッサ１２２に給気を生成させる。給気サブシステムは、過給機１１０を含む。コンプレッサ１２２によって出力された給気は、給気チャネル１２６を通って冷却器１２７に流れ、そこから過給機１１０によって吸気ポートに圧送される。過給機１１０によって圧縮された給気は、冷却器１２９を介して吸気マニホールド１３０に出力することができる。吸気ポート５６は、吸気マニホールド１３０を介して、過給機１１０によって圧送された給気を受け取る。好ましくは、多気筒対向ピストンエンジンでは、吸気マニホールド１３０は、すべてのシリンダ５０の吸気ポート５６と連通する吸気プレナムで構成される。
【００２４】
一部の態様において、図１に示される空気処理システムは、エンジンのポート付きシリンダを通して排気ガスを再循環させることにより、燃焼により生成されるＮＯｘ排出を低減するように構築することができる。再循環された排気ガスは、ピーク燃焼温度を下げるために給気と混合され、ＮＯｘの生成が低減される。このプロセスは、排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）と呼ばれる。示されているＥＧＲ構造は、掃気中にポート５４から流れる排気ガスの一部を取得し、それらをシリンダ外部のＥＧＲループを介して給気サブシステム内の新鮮な吸気の流入ストリームに運ぶ。好ましくは、ＥＧＲループはＥＧＲチャネル１３１を含む。再循環排気ガスは、弁１３８（この弁は「ＥＧＲ弁」と呼ばれることもある）の制御下でＥＧＲチャネル１３１を通って流れる。
【００２５】
図２Ａは、吸気マニホールド２１０、排気マニホールドアセンブリ２２０を備え、シリンダ用の３つの実質的に管状のシリンダライナー２３０を含む、エンジン２００の部品を示しており、各ライナー２３０は、エンジン２００のエンジンブロックのそれぞれのトンネルに保持されている。シリンダライナー２３０の各々は、吸気ポート２３５および排気ポート２３６（図２Ｂおよび２Ｃに示す）を有する。各吸気ポートおよび排気ポートは、シリンダボア２３７から空気処理システム（すなわち、それぞれ吸気または排気マニホールド、排気処理システム、排気ガス再循環システム）まで延びるポート開口部の配列を有する。
【００２６】
図２Ｂ〜２Ｅは、耐熱性材料（たとえば、遮熱コーティング）でコーティングすることができる、図２Ａに示す対向ピストンエンジン２００で使用するための排気マニホールドアセンブリ２２０の図を示している。図２Ｂは、排気ポート２３６および排気ポート開口部２４１を通して切断した３つのシリンダボア２３７を示す排気マニホールドアセンブリ２２０の断面平面図である。シリンダボア２３７を囲むエンジンブロック２４０の境界の輪郭が図２Ｂに示されている。排気マニホールドアセンブリ２２０は、各排気ポート２３６を囲むエンジンブロック２４０内の一対のランナー部分（例えば、ランナープレナム）２４３ｅと、エンジンブロック２４０内の各ランナー部分２４３ｅを排気パイプ２４５に接続する排気ランナー２４３とを含む。排気マニホールドアセンブリのランナー部分２４３ｅはエンジンブロック２４０に形成され、ランナー２４３および排気パイプ２４５はエンジンブロック２４０に取り付けられている。図２Ｂに示される排気マニホールドアセンブリ２２０は、アセンブリの各側に１つずつ、２つの排気パイプ２４５を有する。各排気パイプ２４５は、排気マニホールドアセンブリ２２０を排気処理システム、排気ガス再循環システム、または排気処理システムと排気ガス再循環システムの両方に連結する接続部分２４５ａを有する。図２Ｂでは、図２Ｃ〜図２Ｅに示される立面図が取られる平面を示す線が示されている。図２Ｂ〜２Ｅでは、エンジンブロック２４０、排気ランナー２４３、および排気パイプ２４５の排気ランナー部分２４３ｅの内面に遮熱材料２４７のコーティングが示されている。
【００２７】
図２Ａ〜２Ｅに示される構成は例示的なものであり、排気マニホールドアセンブリ２２０は、１つ、２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のシリンダのエンジンで使用することができる。排気マニホールドアセンブリ２２０では、排気パイプ接続部分２４５ａは、空気処理コンポーネント（たとえば、排気ガス処理システム、排気ガス再循環システム）を含むエンジンのパッケージングに対応するために、図２Ａ〜２Ｅに示される向きおよび構成を有することができ、または排気パイプ接続部分２４５ａは、任意の適切な方向に向けられるか、各排気パイプ２４５に沿った任意の点に位置することができる。
【００２８】
対向ピストンエンジンのエンジンブロックまたは交互にシリンダブロックは、さまざまな材料で構成できる。しかし、製造を容易にするため、また幅広い温度範囲にわたって適切な機械的特性を備えるため、エンジンブロックの製造用材料には鉄と鋼が選択されている。本明細書で説明されるエンジンブロック、したがって排気マニホールドアセンブリはねずみ鋳鉄のものとして説明されているが、アルミニウムなどの他の材料を使用することができる。
【００２９】
排気マニホールドのベース金属に使用される金属の疲労強度は、温度の関数として変化する。たとえば、Ａｔｌａｓ  ｏｆ  Ｆａｔｉｇｕｅ  Ｃｕｒｖｅｓ１の図１０−２は、ねずみ鋳鉄について疲労限界強度を温度の関数として示している。６００℃では、ねずみ鋳鉄の疲労限界強度は約５〜７．５ＫＳＩ（キロ重量ポンド毎平方インチ）である。前述のように、対向ピストンエンジンの排気ガス温度は、５００℃〜７００℃の範囲に及ぶ可能性がある。ねずみ鋳鉄の排気マニホールドの内面にコーティング層（たとえば、遮熱コーティング）を適用すると、ねずみ鋳鉄が受ける温度を１００℃〜３５０℃下げることができる。効果的に、バリアコーティングを施した排気マニホールドのねずみ鋳鉄は、約１５ＫＳＩから約２３ＫＳＩの間の値で、より高い疲労限界強度を有することができる。
１ハワード・Ｅ・ボイヤー、「Ａｔｌａｓ  ｏｆ  Ｆａｔｉｇｕｅ  Ｃｕｒｖｅｓ」、ＡＳＭ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｐａｒｋ、１９８６、図１０−２、２４６ページ
【００３０】
図３は、図２Ａ〜２Ｅの排気マニホールドの内面上のコーティング３００の拡大断面図を示している。排気マニホールドのベース金属３１０、たとえばねずみ鋳鉄は、間に界面３２５、その上にコーティング層３２０を有して示されている。コーティング層３２０は、１５０ミクロンと８００ミクロンの間、たとえば３００ミクロンと６００ミクロンの間の厚さを有することができる。一部の実装形態では、排気マニホールドの内面上のコーティング層は、約４００ミクロンと５００ミクロンの間の厚さを有することができる。
【００３１】
一般に、コーティング層の望ましい熱層特性には、低熱伝導率、熱疲労抵抗、熱衝撃抵抗、高温酸化および腐食抵抗、熱を排気に戻す能力、および排気マニホールドの外側での熱遮断を低減する能力のいずれかを含むことができる。コーティング層は、低熱容量材料であり得る断熱材料を含むことができる。界面３２５で、ベース金属３１０は、コーティング層３２０の良好な接着を可能にする表面粗さを有することができる。したがって、ベース金属上のコーティング層３２０の接着力は、標準的な機械的試験を使用して試験した場合、３０００から５０００ＰＳＩ（ポンド毎平方インチ）の間の値を有することができる。
【００３２】
コーティング層の材料は、金属、セラミック、複合材（たとえば、サーメット）、ポリマー、高密度材料、およびポリマーまたはセラミックを含浸させた多孔質材料のいずれかを含むことができる。例示的なセラミック材料には、アルミナ、ジルコニア、フォステライト、ムライト、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が含まれ得る。さらに、コーティング材料に使用される金属には、シリコン、ニッケル、モリブデン、クロム、コバルト、イットリウム、アルミニウム、およびそれらの合金が含まれ得る。コーティングの材料準備方法には、噴霧堆積（たとえば、プラズマス噴霧）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）、スラリーコーティング（噴霧および浸漬コーティング）、電解プロセス、およびゾルゲルプロセスのいずれかが含まれ得る。
【００３３】
コーティング層の材料の多孔度は、１０〜１５体積％の間であり得る。コーティング層は、７．５〜１０．５×１０−６ｃｍ／（ｃｍ・Ｋ）など、４〜１７×１０−６ｃｍ／（ｃｍ・Ｋ）の熱膨張係数（α）を有することができる。別の測定可能な特性は、材料の熱伝導率である。コーティング層の熱伝導率の値は、約１〜８Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
【００３４】
上記のように、特にボイヤーに示されているグラフに関して、コーティング層（たとえば、遮熱層）は、エンジンの動作中に排気マニホールドのベース金属が受ける温度を下げる場合があり、それによりベース金属（たとえば、ねずみ鋳鉄）の温度は約４５０または５００℃未満になる２。ねずみ鋳鉄の場合、約５００℃以下の温度では、疲労限度は約６００℃の場合の２または３倍である。これは、排気マニホールドのねずみ鋳鉄を約５００℃未満に維持することにより、チャンバの構造的完全性を、エンジンのシリンダを出る排気ガスの温度（たとえば、約６００℃以上）の場合より長時間維持できることを意味する。
２同上
【００３５】
同様に、エンジンの動作中に排気マニホールドの周囲および中を通る冷却剤の流れは、ベース金属の温度を閾値点（たとえば、約５００℃）未満に維持し、チャンバの疲労強度と構造的堅牢性を維持するのに役立つ。冷却剤を運ぶための通路を備えた構造ポストと遮熱コーティングの両方を備えた排気マニホールド構成では、ベース金属（たとえば、ねずみ鋳鉄）の温度が、最適な疲労強度、ひいては排気マニホールドの完全性の維持が可能になる温度以下に維持される可能性がさらに高くなる。さらに、対向ピストンエンジンの排気マニホールドに遮熱コーティング（たとえば、コーティング層）が存在すると、エンジンの冷却の必要性が減る可能性がある。冷却の必要性を減らすことで、冷却システムはより小さいポンプを使用できるようになり、それによりポンプ負荷が軽減されるだけでなく、冷却システムのグリルやその他の部品も小さくなる。
【００３６】
図４は、対向ピストン、ユニフロー掃気、２ストロークエンジンの排気マニホールドを作製するための例示的な方法４００を示している。最初に、方法は、４１０で、コーティング層のために対向ピストンエンジンの排気マニホールドの内面を準備することを含む。内面の準備は、洗浄、エッチング、粗面化、平滑化、機械加工、化学的活性化、および結合層の適用のいずれかを含むことができる。次に、方法は、４２０で、排気マニホールドの内面を遮熱コーティングでコーティングすることを含む。任意選択で、方法は、４３０で、対向ピストンエンジンが使用のために準備されるように、遮熱コーティングの適用後に排気マニホールドを処理することも含む。排気マニホールドの処理には、熱処理、表面仕上げなどが含まれ得る。
【００３７】
当業者は、本明細書に記載された特定の実施形態が単なる例示であり、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正が可能であり、実施できることを理解するであろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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