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「舶用エンジン向け大型セラミック部品の実用化技術の研究開発」の報告書

 事業名 舶用エンジン向け大型セラミック部品の実用化技術の研究開発
 団体名 シップ・アンド・オーシャン財団  


■事業の内容

先端材料であるセラミックの優れた耐熱性を利用し、従来の水冷型ディーゼルエンジンに比べ、高効率、低重量、低NOx、長寿命等優れた面を持つ遮熱型セラミックターボコンパウンドエンジンの研究開発は、基礎研究が概ね終了し、自動車用、産業用等各種の燃料を用いた応用研究が既にスタートしているが、こうした展開の中にあって船舶関係は未着手であった。これまで、舶用エンジンに対するセラミック部品の適用に関する研究がなされたことはあったが、舶用サイズの部品製造における品質管理が困難で、強度的信頼性が低く、かつコストが高い等の要因により採用には至っていない。
 よって本事業では、現在までに培われたセラミック材料開発技術並びに既に開発済みの新材料と、遮熱エンジンへのセラミック部品の利用技術を用いて、船舶用エンジンへのセラミック材料利用技術の実用化の研究開発を行い、船舶用エンジンの耐久信頼性・省燃費性の向上を図り、我が国造船業の発展に資することを目的とし、実施した。
 [1] 舶用エンジン向けセラミック部品実用化のため、低コストで強度、靱性、耐熱衝撃性等の要求品質基準を満足する、大型セラミック部品の製造技術
 [2] 適用部品毎に異なる要求品質特性に適合させるため、表面処理が容易なセラミック材料を利用し、低摩擦性等の特性を付加したシリンダーライナー、耐熱性耐食性を付与したピストンクラウン等の大型部品の試作。
 [3] 舶用エンジンの使用環境、使用特性を考慮し、セラミック部品の破損事故を未然に予知しうる破壊自己検出機能、あるいは適正なメンテナンスタイミングを知らせる磨耗を自己検出する機能を備えたインテリジェントマテリアルの開発、及びその材料を用いた大型部品の試作。
(1) 実施内容
 [1] 低コスト大型セラミック部品製造技術の開発
  a.耐熱、耐腐食性材料の開発と部品化
   (a) 平成9年度に開発した耐熱・耐腐食性材料の窒化珪素材でφ133mmのピストンクラウンを成形し、反応焼結、本焼結の後、強度試験を実施し、目標値を満足する試験用ピストンクラウンの製作を行った。
   (b) φ300mmのピストンクラウンを成形し、反応焼結、本焼結の後、強度試験を実施し、目標値を満足する試験用ピストンクラウンの製作を行った。
 [2] インテリジェントマテリアル化
  a.機能の融合化
   (a) 平成9年度に開発した低摩擦、低摩耗表面を有した繊維強化窒化珪素材で摩耗、亀裂、破壊の検知機能を付与したφ133mmのシリンダーライナーを成形し、反応焼結、本焼結を実施したが表面に剥離が見られたためシリンダーライナーの製作法の調整を行った後、エンジン試験用φ133mmシリンダーライナーの製作を行った。
     また、φ300mmのシリンダーライナーを成形し反応焼結を実施したが、本体に剥離・割れ等が見られたため、シリンダーライナーの製作法の調整を行った後、φ300mmのシリンダーライナーの製作を行った。
   (b) 試験用単気筒エンジン(φ133mm)の予備評価試験を行った。
(3) 委員会の開催
   開催日および主な審議事項
 [1] 第8回 平成10年5月27日(水)
  ・平成10年度事業計画について
  ・平成10年度事業実施計画(案)について
 [2] 第9回 平成10年10月12日(月)
  ・平成10年度事業実施経過について
   実施計画概要、研究開発実施経過、今後の課題等
 [3] 第10回 平成10年12月14日(木)
  ・平成10年度事業実施経過について
   実施計画概要、研究開発実施経過、今後の課題等
 [4] 第11回 平成11年2月22日(月)
  ・平成10年度事業実施経過について
   実施計画概要、研究開発実施経過、今後の課題等
  ・平成10年度事業報告書(案)について
■事業の成果

先端材料であるセラミックの優れた遮熱性を利用し、従来の水冷型ディーゼルエンジンに比べ、高効率、低重量、低NOx、長寿命等優れた面を持つ遮熱型セラミックターボコンパウンドエンジンの研究開発は、基礎研究が概ね終了し、自動車用、産業用等各種の燃料を用いた応用研究が既にスタートしているが、こうした展開の中にあって船舶関係は未着手であった。これまで、舶用エンジンに対するセラミック部品の適用に関する研究がなされたことはあったが、舶用サイズの部品製造における品質管理が困難で、強度的信頼性が低く、かつコストが高い等の要因により採用には至っていなかった。
 本研究開発では、その後のセラミック材料技術が格段に進歩したことにより、舶用エンジンへの大型セラミック部品の適用の可能性が大きくなったため、セラミック材料利用技術の実用化の研究開発を行い、舶用エンジンが抱える耐久性・信頼性の向上、省燃費の促進を図るため、多機能(高強度、靱性、低摩擦、検知機能等)を有し、安価なセラミック材料の開発、単気筒エンジン試験用部品の製作、舶用をターゲッ 本年度得られた主な成果は次のとおりである。
(1) ピストンクラウン
 ピストンクラウンを対象にした基盤材の開発では、平成8〜9年度に開発した窒化珪素(Si3N4)に酸化マンガン(MnO2)を添加した安価(400円/kg)で高強度な基盤材料を用い、更に高強度・高靱性で耐熱、耐食性を有する基盤材料にするため、元素周期表5a族の金属酸化物を添加した材料を用いて、加圧成型法によりφ133mmの単気筒エンジン試験用部品とφ300mmの大型部品の製作を行った。更に同部品の試験片でリグ試験(静的加圧試験)を行い、応力等の評価を行った結果、単気筒エンジン試験用のφ300mmおよび大型のφ300mmの部品とも当初の開発目標値をほぼ達成しており、開発の目処がついた。(曲げ強度:目標800MPa、現状800MPa、破壊靱性:目標8MPa・m1/2、現状7.8MPa・m1/2)
(2) シリンダーライナー
 シリンダーライナーを対象にした基盤材の開発では、ピストンクラウンで用いた基盤材料に補強繊維を混入した複合材を製作したが、強度・靱性値が目標値を下回ったため、強度・靱性値を向上させるため2種の製作法(スリップキャスト法〔泥奨鋳込み〕およびシート積層法〔繊維補強セラミックシートを円筒に巻き付ける〕)で部品の製作を行った。
 スリップキャスト法では、基盤材に焼結助剤としたムライト(Al6Si2O13)を添加した材料に炭素繊維を複合した部品を製作し焼結した結果、強度410MPa、破壊靱性9MPa・m1/2を有する複合材が得られたが、目標値(強度:600MPa、破壊靱性:17MPa・m1/2)を達成出来なかった。しかし、補強繊維の長さを最適化することで破壊靱性値を向上できる目処はついており、また、窒化珪素材の組成の適性化お シート積層法では、基盤材に長さ20mmの補強繊維(炭素繊維)を複合し部品を製作した結果、破壊靱性は目標値の17MPa・m1/2を有する複合材が得られたが、強度は480MPaで、目標値の600MPaを達成出来なかった。今後、積層体の脱脂 現在、両方法共、目標値に達 今後、製作したφ133mmの試験用ピストンクラウンおよびシリンダーライナーを用いた単気筒エンジン試験により、強度、摩擦・摩耗、耐熱、腐食性能等の評価を行い、総合報告書を作成して平成11年9月30日迄に本事業を完了する予定である。





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更新日: 2020年4月4日

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