JPH01110863A - 断熱燃焼室の構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、セラミックエンジン等における断熱燃焼室
の構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、エンジンの燃焼室壁部の断熱構造としては、例え
ば、実開昭６０−５８８２４号公報に開示されている。

該エンジンの燃焼室壁部の断熱構造は、エンジンの燃焼
ガスに接触するシリンダヘッドの内面、ピストンの頂端
面及びシリンダライナの内周面等に多数の空洞を有する
気孔率が８０％以上で、厚さが２．０ｍｍ以下のセラミ
ックスから成る壁体の表面に厚さが０．ｌｆｆ１ｍ以下
のセラミックスによるコーティング表面層又はステンレ
ス等の金属板を結合してなる断熱壁を備えたものである
。

また、ＣＶＤ法（化学蒸着法）によってセラミックコー
ティング層を形成する技術が既に開示されている。該Ｃ
ＶＤ法の応用分野としては、ＣＶＤの浸透性を利用して
、封孔、接着処理及び細孔、微小隙間内面へのメツキを
行ったり、耐熱性、耐摩耗性及び耐食性の保護被覆、装
飾被覆、或いは電気的、光学的特性を有する機能性物質
の被覆を形成するのに利用されている。流動式のＣＶＤ
装置では、ＣＶＤの出発物質としてコーティングしよう
とする物質を主成分とするコーティング試薬と、該試薬
のベーパと混合して反応室内の基板表面にメンキベーパ
を送るキャリヤガス及び反応性ガス等のガス源がある。

コーティング試薬には、主として揮発性の金属又はハロ
ゲン化物が用いられる。キャリヤガス及び反応性ガスに
は、水素ガスを主体とする窒素、アルゴン等の単体ガス
、炭化水素系ガス等が用いられる。〔「セラミックコー
ティング技術」昭和５９年５月２５日（発行日）■総合
技術センター（発行所）参照〕（発明が解決しようとす
る問題点〕 しかしながら、上記のようなエンジンの燃焼室壁部の断
熱構造では、セラミックスから成る壁体の表面にセラミ
ックスによるコーティング表面層又はステンレス等の金
属板を結合することが極めて困難であり、気孔率を上げ
ると断熱層が向上するが、該気孔率を上げようとすれば
前記壁体の強度が低下して一層結合が困難になるという
問題点を有している。結合を容易に行うべき前記壁体を
大きくすれば、熱容量が大きくなり、そのため吸入効率
が低下するという問題が住じる。

ところで、５ｉｓＮａ　、ＳｉＣ等のセラミンク材料を
接合又は複合化する場合にＣＶＤ法を用いることが好都
合である。例えば、５ｉｓＮａを接合する時、５ｉＣ１
４、ＮＨ３、Ｈｚ等のガスを混合し、高温炉内で反応さ
せることによって達成している。

この発明の目的は、上記の問題点を解消することであり
、シリンダヘッド下面部とシリンダライチ上部とを一体
構造としたシリンダヘッドライナの燃焼室側に面するセ
ラミック部材の肉厚を可及的に薄くできる構造に構成し
、燃焼室側に面した高温になる前記シリンダヘッドライ
ナの熱容量を小さく構成するため多孔質の断熱材即ち断
熱層を介在させ、それによってエンジンの吸入効率を向
上させると共に、セラミック材の肉厚の減少に伴う強度
劣化を断熱材中に支持部材を設けることによって改善し
、断熱機能を向上させると共に、互いの結合部を強固に
接合した断熱燃焼室の構造を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の問題点を解消し、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、セラミック材から成るシリンダヘッ
ド下面部とシリンダライチ上部とを一体構造に構成した
シリンダヘッドライナの燃焼室側に格子状のセラミック
材から成る隔壁を立てて固定し、該隔壁間に充填したカ
ーボン粉末と前記隔壁との露出面をセラミック材による
化学蒸着（即ち、ＣＶＤ）によって被覆して薄板を形成
したことを特徴とする断熱燃焼室の構造に関し、更に具
体的に詳述すると、各前記セラミック材が窒化珪素から
成り、前記薄板が化学蒸着によって前記隔壁に接合され
、また前記カーボン粉末を充填した前記隔壁間が化学蒸
着炉内で前記カーボン粉末の一部が反応して多孔質構造
を形成していることを特徴とする断熱燃焼室の構造に関
する。

〔作用〕

この発明による断熱燃焼室の構造は、以上のように構成
されており、次のように作用する。即ち、この断熱燃焼
室の構造は、シリンダヘッドライナの燃焼室側に格子状
のセラミック材から成る隔壁を立てて固定し、該隔壁間
に充填したカーボン粉末と前記隔壁との露出面をセラミ
ック材による化学蒸着によって被覆し、前記隔壁に薄板
を接合したので、前記隔壁と前記薄板とが極めて強固に
接合され、しかも薄板を形成するため、化学茎着をかけ
ることによって隔壁によって形成した格子間の空所に充
填したカーボン粉末間に存在する酸素とカーボン粉末の
一部とが反応して炭酸ガスとなり、発生した炭酸ガスの
部分が空隙となり多孔質構造を構成する。また、高温の
燃焼ガスに晒されるシリンダヘッド下面部及びシリンダ
ライチ上部の燃焼室側に面する前記１板のセラミック材
の肉厚を化学蒸着によって可及的に薄く形成することが
でき、前記薄板の熱容量を小さくすることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による断熱燃焼室の構
造の実施例を詳述する。

第１図及び第２図において、この発明による断熱燃焼室
の構造ＩＯがシリンダヘッドライナ１に適用された一実
施例が示されている。第１図はこの発明による断熱燃焼
室の構造の一実施例を示す第２図の線１−１における断
面図、及び第２図は第１図の線■−■における断面図で
ある。この断熱燃焼室の構造１０は、断熱エンジンにお
けるシリンダヘッド下面部とシリンダライナ上部の断熱
構造についての技術的思想を開示したものであるが、該
技術的思想はピストンヘッド等にも適用できることは勿
論である。また、上記以外の部分のシリンダ、ピストン
及び吸排気弁についての断熱構造については開示し且つ
図示していないが、これらシリンダ、ピストン及び吸排
気弁についても、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ、）等のセラミッ
ク材料、断熱材等によって断熱構造に構成することによ
って−ＪＩ＆１実に断熱の目的を達成できることは勿論
である。

第１図及び第２図に示すように、この発明による断熱燃
焼室の構造１０は、シリンダヘッド下面部２とシリンダ
ライナ上部３とを一体構造に構成したシリンダヘッドラ
イナ１の燃焼室５側を、カーボン６及び空気Ｎ８の断熱
層を介して薄板４で構成したものである。このシリンダ
ヘッドライナ１については、窒化珪素（Ｓｉ、Ｎ４）等
のセラミック材料で構成したものであり、吸排気バルブ
シート１７が形成されている。薄板４については、窒化
珪素（ＳｉａＮ４）等のセラミック材料から薄肉にＣＶ
Ｄ法（化学蒸着法）によって形成され、薄板４の熱容量
が小さくなるように構成されている。また、薄板４とシ
リンダヘッドライナ１との間には、窒化珪素（ＳｉａＮ
ａ）等のセラミック材料から成る格子状の隔壁７が立設
状態に固定して介在されており、該隔壁７によって形成
された隔壁７間に断熱層を形成している。該断熱層には
、カーボン粉末６から成る断熱材及び該断熱材中に多孔
質構造として存在する空隙８から構成されている。

上記のように構成されたこの断熱燃焼室の構造ＩＯは、
次のようにして成形することができる。

まず、射出成形機のＴ字型ノズル、十字型ノズル等のノ
ズルから窒化珪素（Ｓｉ３Ｎｍ）等のセラミ・７り材料
を射出して格子状の隔壁７をインジェクンヨンモールド
し、該隔壁７によってシリンダヘッド下面に位置する部
分１２とシリンダライナ上部に位置する部分１３とを一
体に形成する。次いで、例えば、第３図に示すように、
隔壁７間に形成された多数の直方体部分１４にカーボン
粉末６を充填して複合材の成形体を形成する。この複合
材の成形体の内側をポリッシングしてカーボン粉末６と
隔壁７とを交互に露出させる。言い換えれば、複合材の
成形体の内面に隔壁７によって形成される長方形が露出
するように研磨する。内面をポリッシングした該成形体
を、窒化珪素（ＳｉｓＮ４）等のセラミック材から成る
シリンダヘッド下面部２とシリンダライナ上部３とを一
体構造に構成したシリンダヘッドライナ１に嵌合した後
に、ＣＶＤ炉内に配置し、窒化珪素（Ｓｉ、Ｎ４）等の
セラミック材によるＣＶＤを行い、隔壁７とカーボン粉
末６の露出面に窒化珪素（ＳｉｓＮ４）等のセラミック
材の被膜である薄板４を形成させる。

この場合に、隔壁７と薄板４とは同一のセラミック材料
であるので両者は接合部９において極めて強固に接合さ
れ、カーボン粉末６には１板４がコーティング層１１と
して配置される。この薄板４は、エンジンの燃焼室５に
面する側に位置するようになる。また、成形体の露出面
にＣＶＤをかけて高温にすると、カーボン粉末６間には
酸素が含まれているので、該酸素はカーボン粉末６の一
部と酸化反応をして炭酸ガスになり、発生した炭酸ガス
の部分が空隙８となり、隔壁７の格子間が多孔質構造に
形成される。即ち、隔壁７によって形成された直方体部
分１４が、カーボンと空気層から成る断熱層に構成され
る。なお、図では、隔壁７間か直方体に形成されている
が、例えば、立法体、三角柱、六角柱等のどのような形
状でもよいことは勿論である。しかも、薄板４は隔壁７
の格子体によって支持されることになる。それ故に、薄
型被膜である薄板４は、エンジンの燃焼室５側に面して
高強度材を提供でき、しかもカーボン粉末６は、密度が
小さく熱伝導率が小さくなるように充填されているので
、高温下で一部は酸化されるが、カーボンと多孔質構造
から成る断熱層によって極めて良好な断熱性を提供でき
る。また、シリンダヘッド下面部２に形成された吸排気
バルブの通路１８の部分は、窒化珪素（ＳｉｓＮ４）等
のセラミック材料のコーティング部１１が形成されて薄
板４で被覆されている。

以上のように、この発明による断熱燃焼室の構造１０を
構成することによって、シリンダヘッドライナ１の内面
に配置されたセラミック部材である薄板４は、エンジン
の燃焼室５内の高温の燃焼ガスに晒されているものであ
るが、燃焼室５の内壁からの受熱を最小限にするため、
ＣＶＤ法によって薄板４の肉厚を可及的に薄く構成でき
、熱容量を小さくすることができる。更に、薄板４を薄
く構成することによって強度が劣化するのを防止するた
め、薄板４の外側をセラミック材の格子状の隔壁７によ
って強度を補強し、隔壁７間に充填したカーボン粉末６
及び空隙８から成る前記断熱層によって断熱性を向上さ
せることができる。

〔発明の効果〕 この発明による断熱燃焼室の構造は、以上のように構成
されているので、次のような効果を奏する。即ち、この
断熱燃焼室の構造は、シリンダヘッドライナの燃焼室側
に格子状のセラミック材から成る隔壁を立てて固定し、
該隔壁間に充填したカーボン粉末と前記隔壁との露出面
をセラミ・ツク材による化学蒸着によって被覆して薄板
を形成したので、前記隅壁と前記薄板とが極めて強固に
接合され、前記隔壁が前記薄板の補強材として機能し、
しかも格子状の前記隔壁内にはカーボン及び空隙が存在
して断熱層を構成しているので断熱効果が極めて良好に
なる。また、高温の燃焼ガスに晒されるシリンダヘッド
下面部及びシリンダライナ上部の燃焼室側に面する前記
薄板のセラミック材の肉厚を可及的に薄く形成すること
ができ、熱容量を小さくすることができる。更に、前記
シリンダヘッドライナのバルブ吸排気孔にセラミックコ
ーティング層を介して前記薄板が形成されているので、
前記バルブ吸排気孔部分についても断熱機能を向上させ
ることができる。詳しくは、エンジンの吸入効率を向上
させるため、断熱エンジンの燃焼室の内壁からの受熱を
最小限にするのに、高温になるセラミックス内壁の熱容
量を最小限にすることが重要なことであり、熱容量を小
さくすることによって、エンジンの吸気時に、壁面が直
ちに冷却し、吸気温度と壁面温度との温度差を小さくし
、それによって吸気を流入し易くする。また、燃焼室内
の最高温度時に、壁面に吸収される熱量を小さくして燃
焼ガス温度と壁面温度との温度差を小さくし、シリンダ
ヘッド、シリンダブロック等を通じて外部に逃げる熱エ
ネルギーを最小限に抑える。このようにエンジンの吸入
効率を向上させると共に、燃焼室における熱エネルギー
を最大限に排気ポートを通じて下流に設けたエネルギー
回収装置に送り込むことができ、従って該熱エネルギー
を最大限に回収することができる。例えば、断熱エンジ
ンにおいて、高温ガスが接触する部分即ち前記シリンダ
ヘッドライナの熱容量を小さく構成することによって、
前記エンジンの爆発工程及び排気工程において、熱エネ
ルギーが前記シリンダヘッドライナに保存されることな
く、言い換えれば、燃焼室内に熱エネルギーが残存する
ことなく、はとんどの熱エネルギーを排気ポートを経て
下流に設けられているエネルギー回収装置に送り込むこ
とができる。また、前記エンジンの吸入工程において、
高温ガスが接触する部分即ち前記シリンダヘッドライナ
は熱容量が小さいので、適度の温度にまで直ちに冷却さ
れ、吸気が燃焼室内に流入するのが阻止されるようなこ
とがなく、吸入効率が低下するような現象が生じること
がない、即ち、熱容量を小さくすることによって、吸気
時に、壁面が直ちに冷却し、吸気温度と壁面温度との温
度差を小さくし、それによって吸気が流入し易くなる。

また、燃焼室内の最高温度時に、壁面に吸収される熱量
を小さくして燃焼ガス温度と壁面温度との温度差を小さ
くし、シリンダヘッド、シリンダブロックを通じて外部
に逃げる熱エネルギーを最小限に抑えることができる。

このように構成することによって、エンジンの吸入効率
を向上させると共に、燃焼室における熱エネルギーを最
大限に回収することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による断熱燃焼室の構造の一実施例を
示す第２図のｙＩＩ−１における断面図、第２図は第１
図の線■−■における断面図、及び第３図は第２図の線
ｍ−ｍにおける拡大断面図である。 １−・・・・シリンダへンドライナ、２−・−・−・シ
リンダヘッド下面部、３−・・・・・−シリンダライチ
上部、４−・・・・−薄板、５・・−・燃焼室、６・・
−・・・・カーボン粉末（断熱材）、７−・・−隔壁、
８・・−・・・・空隙、９・・−・・−接合部、１０・
・−・−・断熱燃焼室の構造、１１・−・・・・・コー
ティング部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミック材から成るシリンダヘッド下面部とシ
   リンダライナ上部とを一体構造に構成したシリンダヘッ
   ドライナの燃焼室側に格子状のセラミック材から成る隔
   壁を立てて固定し、該隔壁間に充填したカーボン粉末と
   前記隔壁との露出面をセラミック材による化学蒸着によ
   って被覆して薄板を形成したことを特徴とする断熱燃焼
   室の構造。
2. （２）各前記セラミック材は窒化珪素から成り、前記薄
   板を化学蒸着によって前記隔壁に接合したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の断熱燃焼室の構造。
3. （３）前記カーボン粉末を充填した前記隔壁間には化学
   蒸着炉内で前記カーボン粉末の一部が反応して多孔質構
   造が形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の断熱燃焼室の構造。