なぜエンジンの素材って鉄とかアルミばかりなんですか？もう少し断熱性の良い物質を使えば燃焼効率が良くなるのでは？ 断熱性の良い物質ならば冷却水とかもいらなくなるかもしれないし。素人考えですかね？

Answer 1

1151207581さんへ

>もう少し断熱性の良い物質を使えば
>燃焼効率が良くなるのでは？
>断熱性の良い物質ならば
>冷却水とかもいらなくなるかもしれないし。
という考え方で、かつてファインセラミックの応用が試行されました。エンジン各部をファインセラミックで作って。。。
京セラがいすゞに協力して、社内ではニセラミックと陰口を叩かれたんだとか。d(^^;)

基本から書いて行きますね。
米陸軍が、戦車用に、冷却の要らないエンジン、という事を考えます。赤外線を放出しちゃう冷却風の出口は対戦車ミサイルの赤外線センサーの標的に成る、と言う事なので。
で、過給の応用とか色々考えられた訳ですね。(Turboを使うと排気温が下がる)
リショルム過給機はご存知でしょうか? スクリューコンプレッサーとして世に知られる物です。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AA%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%AB%E3%83%A0%E3%83%BB%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%83%E3%82%B5

これを圧縮機では無く、排気の膨張機として働かせて、トルクをクランク軸に直接回収する事も考えられました。
(鈍く赤く輝く棒が無潤滑で1万rpm以上も回る、と)

でも高温強度の高い材ってのは高かったり加工し難かったりして、中々難しいよね、セラミックか?、という話に成って来た。
所がこの話が日本に伝わって来たら、何故か「部品をセラミックに置き換える」という話に化けてしまった。
で、京セラの偉大な協力の下に白いシリンダーヘッドとかが作られた訳です。
結果は、東京モーターショーに展示して終わり。(展示すると言う事は秘密でも何でも無く成るので、売る気が無いから展示する)

この展示を観て、セラミックエンジンの発案者は、同行した
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%BC%E5%9D%82%E5%BC%98

を「何て事するんだ！」と突き飛ばした、という話さえ在ります。(by モーターファン誌のコラム「究極のエンジンを求めて」、別名毒舌評論にて本人が記述)

セラミックのモノリス(塊)でエンジンの主要部材を構成する。なら確かに冷却は不要に成ったりしますが、冷やさないと言う事は、燃焼室の壁がチンチンに熱く成ってしまうと言う事。
これに吸入新気が触れると、熱膨張して大事な充填効率が上がらないし、NOx生成排出量は増えちゃうし、と良い所が見出せなかったのです。
高温過ぎたら潤滑油も焦げ着いちゃいますし。(微小隙間を油で埋める事で気密を得ている)
又、硬いが故に精密加工にはダイヤモンドが要る。時間も掛かるし高い。d(^^;)
加えて、コンクリートと同じで、圧縮に対しては強くても、引っ張り力には、からきし弱いと来ているので、エンジン各部の構造を、引っ張り力が掛からない形に変えなければいけない。
とても「設計変更」ってなレベルじゃ済まない話に成って行きます。
と言う事で、モノリスのセラミックで構造材を置き換える、という構想は頓挫したのです。

もう一つ。
最近話題に成ってる大型車の雄：日野もセラミックをやってみてますが、その中の一つが、ピストン頭頂部にセラミック層を設けて断熱しよう、という物。
断熱したいのでモノリスでは駄目で、多孔質な層を形成する訳(空気が断熱材)ですが、硬い、と言う事は脆い。熱膨張でパリパリ割れて・砕けて剥がれて行ってしまう。
セラメタにすれば砕け難くは成る物の、肝心の熱伝導率が上がってしまう。
それでも諦めず、セラミック層の厚みを変えて実験を重ねてみると、、、薄い方がパワーが出た。
つまり、鋳鉄の部品を溶接で組み上げたピストン(薄肉で油jetで良く冷える)の頭に乗せる・付ける断熱層が薄い方が、吸入新気を熱する率が少なく成って充填効率が上がった、という結果に成ったのです。
やる意味無いじゃん d(^=^;)

・・・と言う事で、断熱性の高い物を使えれば、確かに冷却損は減らせるかもしれません。が、硬い・擦り減らない構造材でそれが出来るか? と言う事に成ってしまうんですね。
引退したスペースシャトルの耐熱タイルも、ホワホワで強く無い耐熱タイルでしたよね。
自身が熱く成らない or 熱容量が無い、という性質を持ち、且つ硬くて擦り減らず、他と擦り合わせても焼き着か無い物、、、は果たして在るのでしょうか?
少なく共、未だ人類は見つけられていない、という話でした。

どんなモンですかね? 何か有りましたら補足なさって下さいな。d(^^;)

Answer 2

断熱性が良い=冷却性も悪いという事になります。鍋で言えば保温性に優れた土鍋か、加熱性が良く冷めやすいアルミ鍋です。

例えば土鍋エンジン。シリンダーで1発点火するごとに1℃ずつ上昇していくとすると、アイドリングだけで1分後には1000℃になり溶岩超えます。耐熱の砂型やレンガですら2分もたず、数分後にはシリンダーは太陽すら凌駕します。
外からどれだけ水をかけた所で冷却水も断熱してしまうので、あとは土鍋が溶けるのを待つしかなくなります。

一方アルミ鍋エンジン。1発で1℃上昇しますが、冷却水をかけると2℃冷やせます。後は水の量と温度をファンでコントロールしてやれば、一定以上には上がらなくなります。

モーターや電池、むしろ人間もそうですが、寒すぎても熱をもたせすぎても性能が落ちるので、エンジンには発熱しやすく冷却しやすいアルミが使われます。携帯も重いゲームやってると発熱して処理が落ちますよね？エンジンこそないのでスマホは空冷ですが、PCならCPU冷却用に簡易ラジエターがついてます。

あえて発熱（パワー）を抑えた冷却水のない油冷や空冷のエンジンはあります（バイクに多いです）。

また鉄と言っても色々用途があり、耐摩耗性が求められる所は焼入された45C、複雑な形状の鋳造、それ以外は圧延鋼板等がよく使われます。鉄に色々添加物を入れて加工性を上げたものを鋼と言います。

目につく部品で言えば、ピストンやブレーキディスク、エキマニ、ボンネットです。材質は全て異なりますが、通常全て鋼です。

Answer 3

セラミックエンジンというものが研究されましたが
エンジンブロックの温度が高い状態で
ガソリンを噴射するとその時点で発火してしまいます
（考えてみれば当然です）
ノッキング状態になってしまいますので、
やはりセラミックでも冷却は必要ということです
耐久性や重量など考慮すると、アルミか鉄が最善のようですね

Answer 4

セラミックを使うと良いそうですが実現しませんね。

Answer 5

消えたセラミックエンジンとか・・・
https://autoc-one.jp/word/1389106/