JP3158456B2 - 断熱吸排気ポート及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，シリンダヘッド
に形成した断熱吸排気ポート及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来，エンジンの吸排気ポートの構造に
関して，チタン酸アルミニウム（Ａｌ₂ ＴｉＯ₅ ）等の
低熱伝導材料から成るポートライナを製作してアルミニ
ウム合金，Ｆｃ等の金属材料に鋳込んでシリンダヘッド
に吸排気ポートを作製するものが開示されている。

【０００３】また，セラミックポートライナとして，例
えば，実開昭６３−１７０５５５号公報に開示されてい
るものがある。該セラミックポートライナは，セラミッ
ク製ポートライナ本体の外周を，加熱により非可逆的に
膨張するセラミックシートにより被覆したものである。
更に，セラミックポートライナにおいて，セラミックシ
ートが，バーミキュライト，セラミックファイバー及び
微量の有機バインダから構成されている。

【０００４】また，エンジンの断熱装置として，特開昭
６１−７９８１８号公報に記載されたものがある。該エ
ンジンの断熱装置は，金属から成るエンジンの一部にセ
ラミック成形体を鋳込んで断熱を行うものであり，セラ
ミック成形体の鋳ぐるみ側にステンレスメッシュ或いは
セラミック繊維集合体又は前記２者の積層体を配置した
ものである。更に，該エンジンの断熱装置において，セ
ラミック成形体の鋳造金属によって支持される部分に鋳
造金属と溶着し易い金属メッシュ成形体を嵌合させる
か，或いは当該部分に金属メッシュ成形体を嵌合させる
と共に，この金属メッシュ成形体に鋳造金属と溶着し易
い金属メッキを施すものである。更に，該エンジンの断
熱装置において，金属メッシュ成形体に膨張黒鉛を充填
してガスシールを行うものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，チタン
酸アルミニウム等の低熱伝導材料から成るポートライナ
を金属材料に鋳込む場合に，Ａｌ又はＦｃの金属材料に
鋳込み後の収縮による圧縮力により，ポートライナには
高い圧縮応力が作用する。該圧縮応力によってポートラ
イナが破損する場合があり，特に，Ｆｃの場合にこの破
損現象が発生する。

【０００６】この鋳込み後の収縮によるポートライナの
破損を防止する対策として，ポートライナの外周部をア
ルミナファイバー等の材料により巻き込むことが考えら
れる。例えば，図７に示すように，シリンダヘッド１１
に吸排気ポート１４を形成する製造方法において，セラ
ミックスのポートライナ１３をシリンダヘッド１１の鋳
込み時に鋳ぐるんで断熱構造に構成する場合に，シリン
ダヘッド１１を構成する鋳込み金属材料が凝固する時
に，該金属材料の収縮力によってポートライナ１３が圧
縮応力を受けて破損するのを防止するため，シリンダヘ
ッド１１とポートライナ１３との間に緩衝層１２を設け
て鋳ぐるんで作製していた。なお，符号１５はバルブシ
ートを示す。

【０００７】しかしながら，このような場合に，アルミ
ナファイバー部に鋳造時の金属材料の湯が流れ込まない
ように，継ぎ目の処理，端面の処理等を行う必要があ
り，処理工程が複雑になり，寸法公差を含めて量産化を
行うことができないという問題があった。

【０００８】この発明の目的は，上記の課題を解決する
ことであり，金属製シリンダヘッドに形成される吸排気
ポートに配置したポートライナを，内側部分をチタン酸
アルミニウム等の低熱伝導率で且つ緻密質のセラミック
材料のマトリックス材の量を多く構成し且つシリンダヘ
ッドの壁面に向かうに従って該マトリックス材の量を少
なくすると共にアルミナファイバー，アルミナウィスカ
ー，アルミナ短繊維等の繊維強化セラミック材の密度を
高くした複合ポートライナを構成し，該複合ポートライ
ナを型に配置して金属材料を鋳込んでシリンダヘッドを
作製し，鋳込み後の金属材料の収縮で複合ポートライナ
の内側部分が破損するのを防止した断熱吸排気ポート及
びその製造方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は，上記の目的
を達成するために，次のように構成されている。即ち，
この発明は，金属製シリンダヘッドに形成した吸排気ポ
ートにセラミック製ポートライナを配置した断熱吸排気
ポートにおいて，前記ポートライナの流体に晒される内
側部分を低熱伝導率で且つ緻密質のセラミック製マトリ
ックス材から構成し，前記ポートライナの外側部分に向
かって前記マトリックス材の含有量を減少させると共に
前記外側部分に向かって低熱伝導率の繊維強化セラミッ
ク層の密度を高くなるように構成した複合ポートライ
ナ，を有することを特徴とする断熱吸排気ポートに関す
る。

【００１０】更に，この断熱吸排気ポートは，前記低熱
伝導率で且つ緻密質のセラミック製マトリックス材はチ
タン酸アルミニウムであり，また，前記低熱伝導率の繊
維強化セラミック層はアルミナファイバー又はアルミナ
ウィスカーである。

【００１１】また，この発明は，低熱伝導率の繊維強化
セラミックスから外側部分の密度を高く且つ内側部分の
密度を低く構成した成形体を作製する工程，前記成形体
を型に配置して前記成形体の内部にセラミック材料から
成るスラリーを流し込むと共に前記成形体の内面に前記
スラリーの着肉層を形成させて低熱伝導率で且つ緻密質
のセラミック層を形成して厚さ方向に繊維強化セラミッ
ク層の異なる複合成形体を作製する工程，前記複合成形
体を乾燥し焼成して複合ポートライナを作製する工程，
次いで前記複合ポートライナを型に配置して金属材料を
鋳込んでシリンダヘッドを作製する工程，から成る断熱
吸排気ポートの製造方法に関する。

【００１２】更に，この断熱吸排気ポートの製造方法に
おいて，前記低熱伝導率の繊維強化セラミックスはアル
ミナファイバー又はアルミナウィスカーであり，また，
前記セラミック材料はチタン酸アルミニウムである。

【００１３】この断熱吸排気ポートは，上記のように構
成されているので，前記複合ポートライナをシリンダヘ
ッドの鋳込みで形成する場合に，鋳込み後の金属材料の
収縮で前記複合ポートライナの外側部分が緩衝材として
作用し，前記複合ポートライナの内側部分が破損するよ
うなことがない。

【００１４】また，この断熱吸排気ポートの製造方法
は，上記のように構成されているので，金属材料を鋳込
んでシリンダヘッドを形成する場合に，鋳込み後の金属
材料の収縮で複合ポートライナの内側部分が破損するの
を防止できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下，図面を参照して，この発明
による断熱吸排気ポート及びその製造方法の一実施例を
説明する。図１はこの発明による断熱吸排気ポートの一
実施例を示す断面図，図２はこの発明による断熱吸排気
ポートを構成する複合ポートライナの断面図，及び図３
は図２の符号Ａの部分を拡大した説明図である。

【００１６】図１に示すように，この発明による断熱吸
排気ポートは，金属製シリンダヘッド１に形成した吸排
気ポート４にセラミック材料から成る複合ポートライナ
８を配置したものであり，特に，複合ポートライナ８を
アルミナファイバー，アルミナウィスカー，アルミナ長
繊維等の繊維強化セラミックス（ＦＲＣ）で作製し，場
合によっては，該繊維強化セラミック層に傾斜構造を持
たせて作製し，該複合ポートライナ８を直接シリンダヘ
ッドの鋳造で鋳ぐるんで製造したものであり，複合ポー
トライナ８に対して緩衝材を配置して鋳ぐるむ必要なし
に，鋳ぐるみ時に発生する金属材料の収縮による圧縮応
力を複合ポートライナ８の外側部分で吸収し，複合ポー
トライナ８の内側部分に亀裂，クラックが発生して破損
することを防止したものである。図中，符号９はバルブ
シートを示す。

【００１７】この断熱吸排気ポートにおける複合ポート
ライナ８は，厚さ方向に繊維強化層の密度を変化させた
ものであり，排気ガス等の流体が流れる面を構成する内
側部分３をチタン酸アルミニウム等の低熱伝導率で且つ
緻密質のセラミック製マトリックス材７から構成し，複
合ポートライナ８の外側部分２に向かって該マトリック
ス材７の含有量を減少させると共に外側部分２に向かっ
てアルミナファイバー，アルミナウィスカー等の低熱伝
導率の強化繊維セラミック層６の密度を高くなるように
構成したものである。

【００１８】例えば，図３に示すように，符号ａの部分
は，アルミニウム合金，Ｆｃ等の金属材料から成るシリ
ンダヘッド１に面する側に位置する最外層であり，マト
リックス材７が極めて少なく且つ強化繊維セラミック層
６の密度が高くなった軟質部分であり，シリンダヘッド
の金属材料の鋳込み後の金属材料の収縮により発生する
圧縮応力を吸収して緩衝作用を果たす部分である。符号
ｂの部分は，シリンダヘッド１と吸排気ポート４との間
のシリンダヘッド１側の中間部に位置する中間層であ
り，マトリックス材７が少なく且つ強化繊維セラミック
層６の密度が最外層ａより低くなった外側中間部分５Ｏ
であり，シリンダヘッド１に複合ポートライナ８を保持
させる作用を果たす部分である。また，符号ｃの部分
は，シリンダヘッド１と吸排気ポート４との間の吸排気
ポート４側の中間部に位置する中間層であり，マトリッ
クス材７が中間層ｂより多く且つ強化繊維セラミック層
６の密度が中間層ｂより低くなった内側中間部分５Ｉで
あり，中間層ｂと同様にシリンダヘッド１に複合ポート
ライナ８を保持させる作用を果たす部分である。更に，
符号ｄの部分は，吸排気ポート４を流れる燃焼ガス等の
流体に面する側に位置する最内層であり，マトリックス
材７が極めて多く且つ強化繊維セラミック層６がほとん
ど無い状態で且つ表面が滑らかな面に成形された低熱伝
導率で且つ緻密質のセラミック部分であり，該部分は耐
熱性に富み且つ高温高強度を有する内側部分である。

【００１９】この断熱吸排気ポートにおいて，マトリッ
クス材７を構成するチタン酸アルミニウムＡｌ₂ ＴｉＯ
₅ の熱伝導率は，０．００４ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃
である。また，繊維強化セラミック６は，アルミナファ
イバー，アルミナウィスカー等の低熱伝導率のセラミッ
クスから製作されている。アルミナモールド品の熱伝導
率は，０．０００２〜０．０００５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅ
ｃ・℃である。シリンダヘッド１は，Ａｌ，Ｆｃ等の金
属材料から製作されている。

【００２０】この発明による断熱吸排気ポートは，次の
ようにして製造することができる。即ち，この発明によ
る断熱吸排気ポートの製造方法は，まず，複合ポートラ
イナ８を形成するため，例えば，図５に示すように，ア
ルミナファイバー，アルミナウィスカー等の低熱伝導率
の強化繊維セラミック材料から複合成形体８Ｍを構成す
るため，セラミック繊維密度の異なる繊維強化セラミッ
ク層ａ，ｂ，ｃをそれぞれ作製する。この場合，このア
ルミナ成形体２Ｍを作製する場合には，アルミナファイ
バー，アルミナウィスカー，アルミナ短繊維等の低熱伝
導率のセラミックスを使用し，真空成形法，ファイバー
キャスト法等によって成形体を成形する。この時，ファ
イバーの種類及び密度は，自由に調整することができ
る。ここでは，繊維強化セラミック層ａは繊維密度が大
きく即ち高く，繊維強化セラミック層ｂは繊維密度が中
間であり，また繊維強化セラミック層ｃは繊維密度が小
さい即ち低い構造を有する平らな板である。

【００２１】これらの繊維強化セラミック層ａ，ｂ，ｃ
を重ねてポートライナ成形型に配置し，押圧成形して図
６に示すような吸排気ポートの片側形状を有する一方の
複合成形体部分８ＭＲを作製する。次いで，図示してい
ないが，同様な成形によって他方の複合成形体部分８Ｍ
Ｌを作製する。次いで，複合成形体部分８ＭＲと複合成
形体部分８ＭＬとを整合させ，場合によっては両者を接
合して複合成形体８Ｍを作製する。

【００２２】次いで，上記工程で成形したアルミナ系繊
維強化成形体である複合成形体８Ｍを，図４に示すよう
に，石膏等の吸水性材料から形成した型１０内に収容す
る。この型１０は，例えば，右側型１０Ｒ及び左側型１
０Ｌから構成することができる。複合成形体８Ｍを型１
０内に配置した後，図示のように，複合成形体８Ｍの上
部内側開口からチタン酸アルミニウム等のセラミック材
料から成るスラリーＳを流し込み，繊維強化セラミック
層ａには僅かな量のスラリーＳを進入させ，繊維強化セ
ラミック層ｂにはそれより多くの量のスラリーＳを進入
させる。また，繊維強化セラミック層ｃには更に多くの
量のスラリーＳを進入させる。更に，スラリーＳを流し
込んで所定の時間放置することによって，該スラリーＳ
は繊維強化セラミック層ｃの内側に固化に伴って排泥鋳
込成形法によってスラリーＳが着肉し，着肉層を形成し
てチタン酸アルミニウムから成るマトリックス材が形成
され，低熱伝導率で且つ緻密質のセラミック層を形成し
て厚さ方向に強化繊維セラミック層の異なる構造の複合
成形体８Ｍが形成される。

【００２３】次いで，この複合成形体８Ｍを乾燥し焼成
し，図３に示すような構造を有する焼結体から成る複合
ポートライナ８が作製される。更に，該複合ポートライ
ナ８を鋳型に配置してアルミニウム合金或いはＦｃの金
属材料を鋳込んでシリンダヘッド１を作製する。

【００２４】即ち，石膏型１０内に複合成形体８Ｍを配
置し，該複合成形体８Ｍ内にスラリー３Ｓを流し込むこ
とによって，石膏が吸水してスラリーを複合成形体８Ｍ
の内部に進入すると共に，その内面に着肉させ，着肉層
が所定の肉厚になったところで，着肉していないスラリ
ーＳを複合成形体８Ｍから排出する。排泥後，型１０内
の成形体即ちチタン酸アルミニウムの着肉層は型１０の
吸水によって硬くなると共に収縮する。チタン酸アルミ
ニウムの着肉層即ちマトリックス材７がある程度乾燥し
たところで，複合成形体８Ｍを型１０から脱型する。こ
こで，アルミナ系の繊維強化材６とチタン酸アルミニウ
ム系のマトリックス材７とが厚さ方向に傾斜構造に異な
る複合成形体８Ｍが形成されることになる。更に，この
複合成形体８Ｍを乾燥する。複合成形体８Ｍの乾燥時に
は，チタン酸アルミニウム層のマトリックス材７は１〜
２％収縮するが，該チタン酸アルミニウムの一部はアル
ミナ系繊維強化材６内に流れ込んだ状態になっているた
め，繊維強化材６とマトリックス材７とが分離するよう
なことはない。

【００２５】複合成形体８Ｍを所定の程度にまで乾燥し
た後，該乾燥複合成形体８Ｍを一体焼成し，複合ポート
ライナ８を作製する。アルミナファイバーのモールド品
の耐熱温度は，ファイバーの材料によって変化するが，
通常，１３００℃〜１７００℃である。また，チタン酸
アルミニウムの焼成温度は，最大で１５００℃程度であ
る。そして，アルミナファイバーの高温時の収縮割合
は，１５００℃で材料によって変化するが，２〜３％程
度であり，材料によって収縮割合は調節できる。更に，
チタン酸アルミニウムについては，チタン酸アルミニウ
ムとして合成した後，粉砕して形成した場合には，焼成
収縮割合は２〜３％程度である。

【００２６】複合成形体８Ｍを焼成して複合焼結体とし
た複合ポートライナ８を，シリンダヘッド１を形成する
鋳型に配置し，Ａｌ，Ｆｃ等の金属材料の湯を鋳込んで
シリンダヘッド１を形成する。このような製造工程を経
ることによって，この発明による断熱吸排気ポートを製
造することができる。

【００２７】

【発明の効果】この発明による断熱吸排気ポート及びそ
の製造方法は，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，この断熱吸排気ポートは，ポー
トライナの流体に晒される内側部分をチタン酸アルミニ
ウム等の低熱伝導率で且つ緻密質のセラミック製マトリ
ックス材から構成し，前記ポートライナの外側部分に向
かって該マトリックス材の含有量を減少させると共に前
記外側部分に向かってアルミナファイバー，アルミナウ
ィスカー等の低熱伝導率の繊維強化セラミック層の密度
を高くなるように構成した複合ポートライナから構成し
たので，該複合ポートライナの内側部分は耐熱性と高温
強度に富み且つ外側部分は緩衝作用を有し，前記複合ポ
ートライナをシリンダヘッドの鋳込みで形成する場合
に，鋳込み後の金属材料の収縮で前記外側部分が緩衝材
として作用し，前記内側部分が破損するようなことがな
い。

【００２８】この断熱吸排気ポートについて，セラミッ
クスから成る前記複合ポートライナは前記シリンダヘッ
ドの鋳込み後の金属材料の収縮によって発生する圧縮応
力を受けても前記複合ポートライナの外側部分が緩衝材
として機能して該圧縮力を吸収し，前記複合ポートライ
ナの内側部分に亀裂，クラック等の破損が発生するよう
なことがない。しかも，前記複合ポートライナは断熱性
に富むと共に耐熱性に富み，高温高強度の壁面を提供
し，且つ前記複合ポートライナの外側部分によって高度
の断熱性を提供できる。

【００２９】更に，この発明による断熱吸排気ポートの
製造方法は，アルミナファイバー，アルミナウィスカー
等の低熱伝導率の繊維強化セラミックスから外側部分の
密度を高く且つ内側部分の密度を低く構成した成形体を
作製する工程，該成形体を型に配置して前記成形体の内
部にチタン酸アルミニウム等のセラミック材料から成る
スラリーを流し込むと共に前記成形体の内面に前記スラ
リーの着肉層を形成させて低熱伝導率で且つ緻密質のセ
ラミック層を形成して厚さ方向に繊維強化セラミック層
の異なる複合成形体を作製する工程，該複合成形体を乾
燥し焼成して複合ポートライナを作製する工程，次いで
該複合ポートライナを型に配置して金属材料を鋳込んで
シリンダヘッドを作製する工程から成るので，前記複合
ポートライナは内側から外側に向かって緩衝機能が大き
くなる傾斜構造に構成され，前記複合ポートライナを金
属材料を鋳込んでシリンダヘッドを形成する場合に，前
記複合ポートライナの外側部分が緩衝材として機能し，
前記複合ポートライナの外周面に緩衝材を配置或いは巻
き付ける必要がなく，鋳込み後の金属材料の収縮で前記
内側部分が破損するのを防止できる。

【００３０】しかも，前記複合ポートライナは低熱伝導
率で且つ緻密質のセラミック層となり，耐熱性に富んだ
壁面を提供できる。また，一旦前記複合ポートライナを
形成して焼結体に構成した後に，前記シリンダヘッドを
形成するための金属材料の鋳込みを行っても，金属材料
がアルミナファイバーから成る前記複合ポートライナに
鋳造時に湯が流れ込むことがなく，従って，前記複合ポ
ートライナの継ぎ目或いは端面の処理を行う必要がな
く，製造工程が簡単になり，寸法公差を含め量産化を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による断熱吸排気ポートの一実施例を
示す断面図である。

【図２】この発明による断熱吸排気ポートを構成する複
合ポートライナの一例を示す断面図である。

【図３】図２の符号Ａの部分を拡大した説明図である。

【図４】この発明による断熱吸排気ポートの製造方法に
おけるスラリーの流し込み工程を示す概略斜視図であ
る。

【図５】この発明による断熱吸排気ポートの製造方法に
おける複合成形体を作製する繊維強化層を示す概略斜視
図である。

【図６】図５に示す繊維強化層から成形した一方の複合
成形体部分を示す概略斜視図である。

【図７】従来の断熱吸排気ポートの一例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ シリンダヘッド ２ 外側部分 ３ 内側部分 ４ 吸排気ポート ５ 中間部分 ６ 繊維強化セラミック層 ７ マトリックス材 ８ 複合ポートライナ １０ 型

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−154757（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−21008（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−63441（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−52451（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−178506（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−298672（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−79818（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−175693（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−121114（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−102445（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−139522（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−174552（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−170555（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−134849（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−93060（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02F 1/00 - 1/42 B22D 19/00 B22D 19/08

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製シリンダヘッドに形成した吸排気
   ポートにセラミック製ポートライナを配置した断熱吸排
   気ポートにおいて，前記ポートライナの流体に晒される
   内側部分を低熱伝導率で且つ緻密質のセラミック製マト
   リックス材から構成し，前記ポートライナの外側部分に
   向かって前記マトリックス材の含有量を減少させると共
   に前記外側部分に向かって低熱伝導率の繊維強化セラミ
   ック層の密度を高くなるように構成した複合ポートライ
   ナ，を有することを特徴とする断熱吸排気ポート。
2. 【請求項２】 前記低熱伝導率で且つ緻密質のセラミッ
   ク製マトリックス材はチタン酸アルミニウムであり，ま
   た，前記低熱伝導率の繊維強化セラミック層はアルミナ
   ファイバー又はアルミナウィスカーであることを特徴と
   する請求項１に記載の断熱吸排気ポート。
3. 【請求項３】 低熱伝導率の繊維強化セラミックスから
   外側部分の密度を高く且つ内側部分の密度を低く構成し
   た成形体を作製する工程，前記成形体を型に配置して前
   記成形体の内部にセラミック材料から成るスラリーを流
   し込むと共に前記成形体の内面に前記スラリーの着肉層
   を形成させて低熱伝導率で且つ緻密質のセラミック層を
   形成して厚さ方向に繊維強化セラミック層の異なる複合
   成形体を作製する工程，前記複合成形体を乾燥し焼成し
   て複合ポートライナを作製する工程，次いで前記複合ポ
   ートライナを型に配置して金属材料を鋳込んでシリンダ
   ヘッドを作製する工程，から成る断熱吸排気ポートの製
   造方法。
4. 【請求項４】 前記低熱伝導率の繊維強化セラミックス
   はアルミナファイバー又はアルミナウィスカーであり，
   また，前記セラミック材料はチタン酸アルミニウムであ
   ることから成る請求項３に記載の断熱吸排気ポートの製
   造方法。