JPH03124944A - 断熱エンジン部品とその製造方法および断熱ピストン - 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） 本発明は、セラミックスを利用した断熱エンジン部品と
その製造方法に関する。

（従来の技術） 近年、高温強度、耐腐食性、硬さなどにおいて特殊合金
を上回る性能を示す窒化けい素、炭化けい素などの非酸
化物系のセラミックスが断熱エンジン部品に利用される
ようになってきている。しかしセラミックスを利用した
断熱エンジンは、熱効率を高めるために燃焼室の壁温を
高温に保持することが必要であって、シリンダの内部温
度が８００℃以上に上昇するから、断熱構造を実現する
エンジン部品に通常のセラミックスを使用するときには
、セラミックスと同時に断熱材が必要になる。

（発明が解決しようとする課題） このように、断熱エンジンの構成部品に使用する材料は
、高温高強度、低熱伝導材であることが望ましいのであ
るが、現在おもに使用されている窒化けい素（Ｓｉ５　
Ｎ４　）などでは、熱伝導率が高く、断熱という面では
チタン酸アルミ等のセラミックス材料には及ばないとい
う問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、
セラミックスウィスカーを通常のセラミックスと一体に
形成して、その内部に所定の割合で気孔を形成すること
により、十分な強度を持ち、かつ熱伝導率の小さい断熱
エンジン部品とその製造方法を提供することを目的とし
ている。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、断熱エンジンの加熱部への表出面には
、セラミックスの緻密な焼結体の薄膜が配置され、その
内部には、セラミックスのウィスカー同士の接点を再焼
結させた断熱材を有し、この断熱材はその外周に配置さ
れる金属鋳物と前記緻密な焼結体と一体に構成されてい
ることを特徴とする断熱エンジン部品を提供できる。

さらに、本発明によれば、焼成済のモノリス・セラミッ
クスと鋳込金属型で断熱エンジンのスリップキャスト型
を構成し、そこにセラミックスウィスカーのスラリーを
流し込んで断熱層を形成し、この断熱層を再焼結したこ
とを特徴とする断熱エンジン部品の製造方法が提供でき
る。

（作用） 本発明の断熱エンジン部品とその製造方法では、エンジ
ンの燃焼ガスと接触する内側の面を、高温高強度のセラ
ミックスで形成し、その外側にセラミックスウィスカー
の再焼成した断熱層を形成し、この断熱層の外側を金属
により強化している。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に従って詳細に説明する
。

第１図は、本発明の断熱エンジン部品の一実施例を示す
ブロック図であり、シリンダヘッドに適用した例を示し
ている。

このシリンダヘッド１は、主燃焼室などの加熱部への表
出面には、窒化けい素（シリコンナイトライド：５ｉ３
Ｎ４）の緻密な焼結体（以下、モノリス５１ｇＮ４とい
う）の薄膜２が配置され、その内部には、５ｉ３Ｎ４ウ
イス力−同士の接点を再焼結させた断熱材３を有し、こ
の断熱材３はその外周、つまり主燃焼室に面していない
外周部分を金属４により鋳込んで、モノリスＳｉ３Ｎ４
の薄膜２と一体に構成されている。このシリンダヘッド
１により構成される燃焼室と外部との間には、吸排気口
５が形成され、そこにはバルブシート用のリング６が配
置され、さらに、シリンダヘッド１の下部には、−点鎖
線により示す位置に、シリンダライナ７が設けられてい
る。なお、上記金属４は、例えばアルミニウム合金の鋳
造したもの、あるいは鉄の合金を鋳造したものよりなり
、断熱材３との接合面には所定の曲率で曲面が形成され
ている。

上記断熱材３を構成するＳｉ３Ｎ４ウィスカーの再焼結
体は、高断熱性を有するだけでなく、その熱膨張率がモ
ノリスＳｉ５　Ｎ４２と同一であるという特徴を有して
いる。そして、その断熱効果は、その内部の気孔率を種
々に変化して生成することが可能であり、例えば気孔率
が体積比で３０％のものでは、緻密質のモノリス・シリ
コンナイトライドに比較して熱伝導率は５分の１程度で
あり、同様に気孔率が体積比で９０％とすれば、４０分
の１程度になる。

そこで、必要な断熱効果を実現した上でなお、その強度
を低下させないように、上記アルミニウムあるいは鉄の
合金を鋳込んで、シリンダヘッド１全体に圧縮残留応力
を作用させるようにして、その強度を維持している。こ
の金属４と断熱材３との間に、高断熱性の粉体などをコ
ーティングしておくことにより、さらに断熱効果を高め
ることが可能である。

第２図は、本発明の他の実施例を示す図であり、第１図
のものと同様に、セラミック燃焼室を形成するシリンダ
へラド１１に適用した例を示している。

ここでは、鋳込み成形、プレス成形などで所定の形状と
した焼成済のモノリス・セラミックス、例えばシリコン
ナイトライド１２によって５ｉ３Ｎ４のウィスカー１３
を成形し、それらを再焼成することによりシリンダヘッ
ドの構造部材を作り、その後にこのシリンダヘッド１１
の気密性を要する表出面に、化学蒸着法によるＣＶＤ薄
膜１４を配置したものである。その結果、ＣＶＤ薄膜１
４の内部には、セラミックスのウィスカー同士の接点を
再焼結させた断熱材を有し、この断熱材はその外周で緻
密な焼結体と一体に構成される。しかも、ＣＶＤ薄膜１
４をコーティングするときに昇温しても、その内部の断
熱材との間の熱膨張率に差が無く、冷却時に熱応力が発
生しない。このため、５ｉ３Ｎ４のウィスカー１３の表
面にＣＶＤ薄膜１４を形成した後に、再度高温にして、
ＣＶＤ薄膜１４とウィスカー１３との間の結合力を高め
ることが可能である。

第３図は、本発明を断熱ピストンのヘッド部に通用した
場合の実施例を示す図である。

アルミニウムあるいは鉄などの金属からなるピストンス
カート部２１、モノリス・シリコンナイトライドからな
るピストンクラウン部２２を有する断熱ピストン２０に
おいて、ピストンクラウン部２２の頂面は、Ｓ：３Ｎ４
ウイスカーの再焼結体２３により構成し、その表面にシ
リコンＣＶＤ膜２４を形成したものである。

ピストンクラウン部２２には、抜は止め部２２ａが形成
されており、また、ピストンクラウン部２２とＳｉ３Ｎ
４ウィスカーの再焼結体２３とは焼成時に接合されてい
る。

この実施例では、５ｆ３Ｎ４ウイスカーの再焼結体２３
が高断熱性を有し、それ故に、そこにピストンのトップ
・リング２５を設けている。したがって、複雑なシール
構造を必要とせずに、金属のピストンスカート部２１へ
の熱伝導を抑制することができる。なお、ピストンスカ
ート部２１にはピストンピン穴２６が形成されており、
その上部の取付ボス部２７に、金属リング２８によって
上記ピストンクラウン部２２が固着されている。

また、ピストンクラウン部２２のモノリス・シリコンナ
イトライドは、高剛性であるために、燃焼室に面するＳ
ｉ３Ｎ４ウィスカーの再焼結体２３は、機械的な応力を
受けることがなく、熱応力のみであるため、耐久性に優
れたものとなる。なお、表面のシリコンＣＶＤ膜２４は
、前記第２図の実施例の場合と同様に、表面での気密性
を保持するものである。

以上、この発明をある程度詳細にその最も好ましい実施
態様について説明したが、その好ましい実施態様の説明
は、構成の詳細な部分についての変形、特許請求の範囲
に記載された本発明の精神に反しない限りでの種々な変
形、あるいはそれらを組み合わせたものに変更すること
ができることは明らかである。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、気孔率を調整す
ることにより適宜な断熱性を有するセラミックスウィス
カーを利用して、加熱部への表出面あるいは気密部への
表出面を高温高強度にすることができ、かつ全体として
はその内部の断熱材により低熱伝導材をなす断熱エンジ
ン部品とその製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示すシリンダヘッドの断
面図、第２図は、本発明の他の実施例を示すシリンダヘ
ッドの断面図、第３図は、本発明を断熱ピストンのヘッ
ド部に適用した場合の実施例を示す断面図である。 １・・・シリンダヘッド、２・・・モノリス５１ｇＮ４
の薄膜、３・・・断熱材、４・・・外周部分の金属。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）断熱エンジンの加熱部への表出面には、セラミッ
   クスの緻密な焼結体の薄膜が配置され、その内部には、
   セラミックスのウィスカー同士の接点を再焼結させた断
   熱材を有し、この断熱材はその外周に配置される金属鋳
   物と前記緻密な焼結体と一体に構成されていることを特
   徴とする断熱エンジン部品。
2. （２）焼成済のモノリス・セラミックスと鋳込金属型で
   断熱エンジンのスリップキャスト型を構成し、そこにセ
   ラミックスウィスカーのスラリーを流し込んで断熱層を
   形成し、この断熱層を再焼結したことを特徴とする断熱
   エンジン部品の製造方法。
3. （３）断熱エンジンの気密部への表出面には、化学蒸着
   法によるＣＶＤ薄膜が配置され、その内部には、セラミ
   ックスのウィスカー同士の接点を再焼結させた断熱材を
   有し、この断熱材は前記ＣＶＤ薄膜と一体に構成されて
   いることを特徴とする断熱エンジン部品。
4. （４）断熱エンジンのスリップキャスト型によってセラ
   ミックスウィスカーを成形し、それを再焼結して断熱層
   を形成し、この断熱層の気密部への表出面に化学蒸着法
   によるセラミックス薄膜を形成したことを特徴とする断
   熱エンジン部品の製造方法。
5. （５）前記断熱材をなすセラミックスのウィスカーが窒
   化けい素（Ｓｉ＿３Ｎ＿４）であることを特徴とする請
   求項（１）または（３）に記載の断熱エンジン部品。
6. （６）前記断熱層をなすセラミックスのウィスカーが窒
   化けい素（Ｓｉ＿３Ｎ＿４）であることを特徴とする請
   求項（２）または（４）に記載の断熱エンジン部品の製
   造方法。
7. （７）金属からなるピストンスカート部と、セラミック
   スからなるピストンクラウン部を有する断熱ピストンに
   おいて、前記ピストンクラウン部の頂面は、シリコンウ
   ィスカーの再焼結体により構成し、その表面にシリコン
   ＣＶＤ膜を形成したことを特徴とする断熱ピストン。