自動車のエンジンについて教えてください。 例えばフェラーリはブロックもヘッドもアルミ製と思われますが、 なぜ軽量で強度があるカーボン製のエンジンを開発しないんですか？

Question

技術的に難しいんですかね.....

補足

みなさん回答ありがとうございます。 学生ですがとても参考になります。

Answer 1

エンジンの場合は厚みが必要になる為今の時点ではカーボンでの製作は難しいと思います確かにカーボンは軽くてかなり丈夫なメリットは有りますがエンジンになるとピストンなどエンジン内で上下運動しているしオイルや水が循環している為最低25cm〜30cmの厚みがないと作れないので難しいとは思いますアルミニュームは塊になり輸入して加工する為どんな大きさにも加工がし易く割と強く軽い為どこのメーカーも車に使用しています又最近では強化プラスチックもエンジンに使われる様になっていますが寿命が短いのがデメリットです。

Answer 2

カーボンブロックは、既に日産が特許を取得しています。

※但しフルカーボンではなく、シリンダーやベアリングキャップを鋳造し、外側にプリプレグ（いわゆるドライカーボンのCFRP）を貼りつけてブロック剛性を上げつつ、鋳造金属とカーボンの間をウォータージャケットにして水冷し、エンジンとカーボン板（耐熱温度は250℃）の両方を冷却するという構造です。

※この構造というか原理自体は、別に目新しいものではありません。
複雑な鋳物が難しかった戦前にはよくあった構造で、例えばブガッティは鋳鉄シリンダーにエンジンターン加工された板を貼った『組立式水冷ブロック』を使っていました。
もっともカーボンブロックの場合、一部は金属製のシリンダーを包む様に接着されていて、単に板を貼るのとは別の技術が必要ですが。

※この構造の場合、一番心配するのは皆さんが指摘されている熱そのものではなく、熱膨張です。鋳造金属とカーボンの線膨張係数が違うため、高温になるとカーボンが剥がれると予想されます。
この問題を回避する手段は（自分が見た限りでは）特許に含まれていないので、うまい手段がまだ無いのかもしれません。

・・・日産は、将来的にはフルカーボンブロックを目指しているそうです。CFRPでなくC/C（カーボン・カーボン)を使えば、加工精度と耐熱性、それに熱膨張の問題は一気に克服出来る余地がありそうですが、C/Cは非常に脆く、C/Cでシリンダーを作ってそれをCFRPで包む、という様な構造が考えられます。
尚、シリンダー壁は現在ではマーレ社のニカジルメッキ技術が安く使えるので、金属製のシリンダースリーブを入れなくても何とかなるんじゃないか？という気がします。（←この点は良く調べていませんが・・・C/Cにメッキがかけられるのかどうか・・・）

>技術的に難しいんですかね.....

現状ではそういうことになりますが、ブレイクスルー技術もいくつか思いつきます。決して『絵空事』ではないでしょう。
もっとも、燃焼温度の関係で、ヘッドまでカーボン化はさすがに難しいんじゃないかと思います。そうなるとブロックとの熱膨張の違いが新たな問題になりそうですが。

Answer 3

圧縮 燃焼が伴う発動機の材質には耐熱性・耐衝撃性・隙間の無い金属材料が必要です。
また砂型で複雑な3次元構造を形成して鋳型の中に金属を流し込み製造される事を考えるとカーボン製のエンジンは原理的にあり得ません。

ココでフェラーリのマラネロ工場内にあるアルミ重量鋳造部門の説明をしますので、果たしてカーボン製エンジンがあり得るのか？考えて下さい

フェラーリの鋳物工場で働く人々は、各自の仕事が熱さとの戦いであるにもかかわらず、それぞれのスキルとテクニックによってアルミのインゴットを高性能なレース用コンポーネントに変えられることに大きな誇りを持っています。

技術は年々進化しても、彼らが職人であることに変わりはありません。自分たちの手や目、そして最終的には判断力を駆使し、工場から出荷されるすべての部品が最高の品質となるよう務めているのです。

実際のところ、エンジンの製造過程は、エンツォ・フェラーリが創業した当時からさほど変わっていません。固形のアルミインゴットを、2基の大型溶解炉で加熱し、 溶解させて砂や鉄の鋳造型に流し込んで部品を作ります。簡単そうに思えるかもしれませんが、実際はどうでしょう？

合金の溶解から最終的な鋳造部品までのプロセス全体をご覧ください

まずは、かなりの高温にさらされます。溶解炉はメンテナンスのため、年に2回稼働が停止しますが、それ以外の日は2,000 kgの合金を液状に保つため、平均700 ℃以上で稼働しています。合金はレードルに移すとすぐに冷え始めるので、作業は迅速かつ正確に行われます。

次は、鋳型の製造工程です。現在は機械で砂型が作られていますが、完璧なものを作り続けるには職人の高度な技が不可欠です。砂型が形成されると（二酸化硫黄を吹き付けて砂を強化する工程）、工員が一つひとつの型について欠陥の有無を調べ、バリを取り除くなどの作業を行います。ここでのミスはエンジン部品の欠陥につながる可能性があるため、この段階で細心の注意を払うことがきわめて重要になります。

いよいよ鋳込みです。伝統的な手法に従って砂に火を入れます。これによって合金は途中で流れが滞ったり急激に冷えたりすることなく、スムーズに型へと流れ込んでいくようになるのです。こうして、レードル、もしくは炉から合金を直接流し込みます。

そして、最終段階となる注湯でも、最高の品質を確保するために職人の経験が生かされています。オペレーターが手作業で溶融合金を流し込み、温度をチェックし、必要な変更を加えていきます。こうしたことからも分かるように、技術がどれほど進化しても、75年間にわたって品質を維持してきたのはフェラーリで働く人々なのです。

Answer 4

カーボンでは、耐圧耐熱性が足らない。
熱伝導が悪いので 冷却性が良くない 経年劣化が早く寿命が保てない。
導通性が無いので配線が増える。

Answer 5

まぁ何らかの問題があるのだろう。
作製出来るなら世界中のどこかで存在してニュースになるだろうから。
熱とか強度か辺りかな。
カーボンはどの程度強度あるのか知らないがカーボン素材のホイールは市販されたやつあるのか無いのかレベルだよね。
割れやすいと聞いた。
硬度があるやつはちょっと変形させたらパキッとなる。
それを考えたらエンジンは無理ではないか。

Answer 6

カーボンの熱伝導率はアルミニウムの半分です。
鉄よりちょっと良い程度。
強度があると言っても重量比での話で、1000馬力を絞り出すRB26のシリンダーヘッドに使ったら高温高圧では条件が違う。
他に耐摩耗性やオイル保持力の問題もあるし、
本当に良ければとっくに使われていたでしょう。

Answer 7

現在のエンジンは殆どが、電子的制御エンジンですょ・・
自社では開発でき無いで、全て他社の流用品製作ですょ・・

その様な現状の会社には、如何考えても無理です・・
RRやベントレー・・ランボルギーニ&フェラーリー・・テスタ・ロッサや512BB等は、購入時は高額車でも現在はただの鉄屑です。

Answer 8

*********さんへ

>フェラーリはブロックもヘッドもアルミ製と思われますが、
いえいえ、敢えてブロックを鋳鉄で作った事も在りますよ。(F-1で d(^^;)
但し、単なる鋳鉄では無い高強度で精密な物でしたが。(=非常に高い)

>なぜ
>カーボン製のエンジンを開発しないんですか？
カーボンでエンジンを作ると、

>軽量で強度がある
物に出来るんでしょうか? そこが問題です。
現状では

>軽量で強度がある
物に出来無い。もしくは、未だ研究段階で安定して製造出来ない。と成ると品質に不安、信頼性が獲得出来ていない、と言う事に成って実戦投入出来ないですよね?
せめて全開最大出力で1分間、位は持つ様に成らなければ。。。

又、トルクを絞り出すのにピストンとシリンダーのクリアランスは非常に大事ですが、熱膨張係数が違うと小さく設定出来ません。
すると、ハイシリコンブロックやメッキシリンダー、コーティング処理等の策が採れず、シリンダーライナーを別に作って入れる構造に成る。。。
ここら辺を割り切って、エンジンブロックが唯のケース、ってな存在に出来れば可能性が出て来るかもしれませんが、現状では「漏れ」に対するシビアな要求が在る。
振動面からの衝撃だけじゃ無くて、熱的な衝撃にも耐えねばいけない。(真っ赤に焼けた鉄を水に放り込んでも、焼き割れを除けば大丈夫)
そういう問題を、製造コスト低減と共に解決出来そうだと成った時に、実現性が出て来るのだと思います。

Answer 9

できないです技術的な問題で。実験的には可能です。
いすゞなどはエンジン全体と多くのパーツを瀬戸物＝セラミックで作って走らせそれを公開したこともある。
セラミックでできるのだからカーボンやアラミドだって作れますが商品化や実用化となれば話は違う。
非金属ブロックを研究中という噂は30年ぐらい前からありますけどね。
熱伝導が悪すぎるとか熱膨張が金属とは違うなど困難に激突していると思う。
山ほどのデメリットに対してメリットは少ないし。
それと日本の技術は落ちに落ちまくりすでに他社他国のアイデアを購入して改善し商品化することしかできないレベルに落ちました。
国際的に30年前レベルの報酬では優秀な技術者は育たない。

Answer 10

仮に作れたとしましょう。

価格は度外視ですか？