JPH0375744B2 - - Google Patents

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JPH0375744B2
JPH0375744B2 JP58140049A JP14004983A JPH0375744B2 JP H0375744 B2 JPH0375744 B2 JP H0375744B2 JP 58140049 A JP58140049 A JP 58140049A JP 14004983 A JP14004983 A JP 14004983A JP H0375744 B2 JPH0375744 B2 JP H0375744B2
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JP
Japan
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engine
ceramic
heat insulating
temperature side
insulating material
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Toshio Kyota
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Hino Motors Ltd
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Hino Motors Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/02Surface coverings of combustion-gas-swept parts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/11Thermal or acoustic insulation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24Cylinder heads
    • F02F2001/249Cylinder heads with flame plate, e.g. insert in the cylinder head used as a thermal insulation between cylinder head and combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2203/00Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/08Ceramics; Oxides

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関から成るエンジンの断熱装置
に係り、とくにエンジンの高温の部分を局部的に
セラミツク材で断熱するようにしたエンジンの断
熱装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a heat insulating device for an internal combustion engine, and more particularly to a heat insulating device for an engine in which high temperature parts of the engine are locally insulated with ceramic material.

従来の内燃機関から成るエンジンは、その構成
部品の大部分が金属を鋳造した部品から構成され
ていた。従つてこのような従来のエンジンの部品
は、とくに高い熱負荷を受ける部分においては、
熱疲労および高温酸化によつて、熱応力が集中す
る部分から亀裂が発生し、やがては破壊に至ると
いう不都合を生じていた。このような熱負荷によ
るエンジンの構成部品の亀裂や破壊を防止するた
めに、耐熱性に優れた金属材料を使用することも
試みられているが、十分な効果が得られてはいな
い。さらに金属によつて熱負荷の対策を施して
も、エンジンに対して断熱性を付与することがで
きない。従つて熱が外部に逃げ易くなり、エンジ
ンの熱効率を高めて燃費を向上させることができ
ない。
Most of the components of conventional internal combustion engines are made of cast metal parts. Therefore, such conventional engine parts, especially in the parts that are subjected to high heat loads,
Due to thermal fatigue and high-temperature oxidation, cracks occur in areas where thermal stress is concentrated, eventually resulting in failure. In order to prevent engine components from cracking or breaking due to such heat loads, attempts have been made to use metal materials with excellent heat resistance, but this has not been sufficiently effective. Furthermore, even if measures are taken to reduce the heat load by using metal, it is not possible to provide heat insulation to the engine. Therefore, heat tends to escape to the outside, making it impossible to increase the thermal efficiency of the engine and improve fuel efficiency.

このような問題点に鑑みて、エンジンの構成部
品、例えばピストンの少なくとも一部をセラミツ
ク等の耐熱性に優れた材料から構成する試みがな
されている。断熱性を考える場合には、エンジン
を構成する部品の総てをセラミツク化すればよい
が、この場合には機械的な強度が不足し、またコ
ストが非常に高くなるという欠陥を生ずる。従つ
て内燃機関を構成する各部品をそれぞれセラミツ
クのみによつて構成することは実用的でない。そ
こでセラミツクをエンジンの各部品に用いる場合
において、セラミツクを部分的に複合する試みが
なされている。ところがセラミツクと金属との間
の熱膨張係数に差によつて、両者の境界部分に熱
応力が発生し、両者が互に分離してセラミツクが
脱落するという不都合を生ずることになる。
In view of these problems, attempts have been made to construct at least a portion of the engine components, such as the piston, from a material with excellent heat resistance such as ceramic. When considering heat insulation, all the parts constituting the engine may be made of ceramic, but this has the drawbacks of insufficient mechanical strength and extremely high cost. Therefore, it is not practical to construct each component of an internal combustion engine solely from ceramic. Therefore, when ceramics are used for various engine parts, attempts have been made to partially compose ceramics. However, due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic and the metal, thermal stress is generated at the boundary between the two, resulting in the inconvenience that the two separate from each other and the ceramic falls off.

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたも
のであつて、エンジンの高温の部分を局部的にセ
ラミツク材で複合して断熱する場合において、金
属母体とセラミツク材との間における熱膨脹係数
の差によつて生ずるセラミツク材の金属母材から
の剥離を効果的に防止するようにしたエンジンの
断熱装置を提供することを目的とするものであ
る。
The present invention has been made in view of these problems, and when the high-temperature parts of an engine are locally insulated with a composite ceramic material, the thermal expansion coefficient between the metal matrix and the ceramic material can be improved. It is an object of the present invention to provide a heat insulating device for an engine that effectively prevents the peeling of a ceramic material from a metal base material caused by differences in the ceramic material from the metal base material.

以下本発明を図示の一実施例につき説明する。
第1図は本実施例に係る断熱装置を備えたエンジ
ンの要部の断面を示しており、このエンジンはシ
リンダブロツク1を備えている。シリンダブロツ
ク1内にはシリンダライナ2が装着されており、
ライナ2の外周側にはウオータジヤケツト3が形
成されている。なおこのウオータジヤケツト3は
従来のものより小さくするか、あるいは省略する
ことができる。そしてシリンダライナ2の内側に
はピストン4が摺動可能に配されている。またシ
リンダブロツク1の上部にはシリンダヘツド5が
組付けられている。このシリンダヘツド5には吸
気ポート6と排気ポート7とがそれぞれ形成され
るとともに、その内部には空洞から成るウオータ
ジヤケツト8が形成されている。なおこのウオー
タジヤケツト8も従来より小さくし、あるいは省
略することが可能である。また吸気ポート6およ
び排気ポート7にはそれぞれ吸気バルブ9および
排気バルブ10が取付けられている。
The present invention will be explained below with reference to an illustrated embodiment.
FIG. 1 shows a cross section of a main part of an engine equipped with a heat insulating device according to this embodiment, and this engine is equipped with a cylinder block 1. As shown in FIG. A cylinder liner 2 is installed inside the cylinder block 1.
A water jacket 3 is formed on the outer peripheral side of the liner 2. Note that this water jacket 3 can be made smaller than the conventional one or can be omitted. A piston 4 is slidably disposed inside the cylinder liner 2. Further, a cylinder head 5 is attached to the upper part of the cylinder block 1. An intake port 6 and an exhaust port 7 are formed in the cylinder head 5, and a water jacket 8 consisting of a cavity is formed inside the cylinder head 5. Note that this water jacket 8 can also be made smaller than conventional ones or can be omitted. Further, an intake valve 9 and an exhaust valve 10 are attached to the intake port 6 and the exhaust port 7, respectively.

つぎにこのエンジンの断熱装置の構造について
述べると、ピストン4の頂面および燃焼室の内表
面、シリンダライナ2の上部側の内表面、シリン
ダヘツド5の下面、および排気ポート7の内表面
にはそれぞれ第1図に示すように断熱材11が複
合されている。これらの断熱材11は第2図に示
すように3層構造をなしており、高温側の第1層
12と中間層を構成する第2層13と、そして低
温側の第3層14とから構成されている。そして
断熱材11は鋳ぐるみ、冷しばめ、接着等の方法
によつて上記の各部位に結合されている。
Next, we will discuss the structure of the heat insulating device for this engine. As shown in FIG. 1, a heat insulating material 11 is combined in each case. These heat insulating materials 11 have a three-layer structure as shown in FIG. 2, consisting of a first layer 12 on the high temperature side, a second layer 13 forming an intermediate layer, and a third layer 14 on the low temperature side. It is configured. The heat insulating material 11 is connected to each of the above-mentioned parts by a method such as casting, cold fitting, or gluing.

断熱材11の高温側の第1層12は、アルミ
ナ、窒化珪素等の比較的熱膨脹係数の小さなセラ
ミツク材料から構成されている。これに対して低
温側の第3層14は、ジルコニア等の比較的熱膨
脹係数の大きなセラミツク材料から構成されてい
る。これに対して断熱緩衝帯である中間層を構成
する第2層13は、無数の気孔を有する金属繊維
集合体あるいはセラミツク繊維集合体から構成さ
れている。なお金属繊維の場合には、耐熱メツシ
ユ、ステンレス等の材料が用いられ、無機繊維の
場合には、アルミナ、炭化珪素、カーボン繊維等
が用いられている。これらの繊維はメツシユ状に
編成したものであつてよく、あるいはまた短繊維
を互に絡ませて所定の形状に成形し、必要に応じ
て焼結したものであつてよい。またこれらの繊維
の結合性および耐酸化性を必要に応じて向上させ
る場合には、イオンプレーテイングや無電解メツ
キ等を施すことによつて可能である。
The first layer 12 on the high temperature side of the heat insulating material 11 is made of a ceramic material having a relatively small coefficient of thermal expansion, such as alumina or silicon nitride. On the other hand, the third layer 14 on the low temperature side is made of a ceramic material having a relatively large coefficient of thermal expansion, such as zirconia. On the other hand, the second layer 13 constituting the intermediate layer, which is a heat insulating buffer zone, is composed of a metal fiber aggregate or a ceramic fiber aggregate having countless pores. In the case of metal fibers, materials such as heat-resistant mesh and stainless steel are used, and in the case of inorganic fibers, alumina, silicon carbide, carbon fibers, etc. are used. These fibers may be knitted into a mesh shape, or short fibers may be entangled with each other, formed into a predetermined shape, and sintered if necessary. If necessary, the bonding properties and oxidation resistance of these fibers can be improved by applying ion plating, electroless plating, or the like.

以上のような構成に係るエンジンは、図外の燃
料供給手段によつて供給された燃料と、吸気ポー
ト6を通して供給された空気とがシリンダ内にお
いて混合されて燃焼爆発を起こし、このときの圧
力によつてピストン4が下方へ移動される。そし
てこのピストン4の直線運動がクランクシヤフト
によつて回転運動に変換され、エンジンが出力を
生ずることになる。シリンダ内における上記の燃
焼爆発によつて生じた燃焼ガスと接触する部分、
あるいはこの燃焼ガスによる高温の熱が通過する
部分には、上述の如く断熱材11が複合されてい
るために、この断熱材11によつてエンジンを構
成する部品を保護することができ、これによつて
各部品の熱亀裂を防止することができる。さらに
高温部分が断熱材11によつて断熱されるため
に、エンジンの熱効率が高くなつて出力の向上を
図ることができるとともに、燃費の低減を行なう
ことが可能になる。
In the engine configured as described above, fuel supplied by a fuel supply means (not shown) and air supplied through the intake port 6 are mixed in the cylinder to cause a combustion explosion, and the pressure at this time is The piston 4 is moved downward. This linear motion of the piston 4 is converted into rotational motion by the crankshaft, and the engine produces output. A part in the cylinder that comes into contact with the combustion gas generated by the above combustion explosion,
Alternatively, since the heat insulating material 11 is composited in the part through which the high temperature heat from the combustion gas passes, as described above, the parts constituting the engine can be protected by this insulating material 11. Therefore, thermal cracking of each component can be prevented. Furthermore, since the high temperature portion is insulated by the heat insulating material 11, the thermal efficiency of the engine is increased, making it possible to improve output and reduce fuel consumption.

しかも上記断熱材11は第2図に示すように3
層構造から構成されており、高温側の第1層12
が熱膨脹係数の小さなセラミツクから構成されて
おり、これに対して金属と接触する低温側が金属
により近い大きな燃膨脹係数を有するセラミツク
材料から構成されている。そして両者の中間層1
3が、無数の気孔を有する繊維集合体から構成さ
れており、この集合体の気孔部による空気断熱に
よつて断熱性を高めるとともに、第1層12と第
3層14との間の熱膨脹係数の差に伴なう熱応力
を緩衡し、熱応力の発生を防止するようにしてい
る。従つてこのような3層構造から成る断熱材1
1によれば、金属母体からの剥離を確実に防止す
ることができる。従つて少量の断熱材11によつ
てエンジンの断熱を効果的に行なうことができる
とともに、断熱材11の剥離を防止して信頼性の
高いエンジンを供給することが可能となる。
Moreover, the heat insulating material 11 has three parts as shown in FIG.
It is composed of a layered structure, and the first layer 12 on the high temperature side
is made of a ceramic material with a small coefficient of thermal expansion, whereas the low temperature side that contacts the metal is made of a ceramic material with a large coefficient of thermal expansion that is closer to that of the metal. And the middle layer 1 between the two
3 is composed of a fiber aggregate having countless pores, and the pores of this aggregate improve the heat insulation properties by air insulation, and the coefficient of thermal expansion between the first layer 12 and the third layer 14 increases. The thermal stress caused by the difference in temperature is balanced out and the generation of thermal stress is prevented. Therefore, the insulation material 1 consisting of such a three-layer structure
According to No. 1, peeling from the metal base can be reliably prevented. Therefore, it is possible to effectively insulate the engine using a small amount of the heat insulating material 11, and it is also possible to prevent the heat insulating material 11 from peeling off, thereby providing a highly reliable engine.

以上本発明を図示の一実施例につき述べたが本
発明はこの実施例によつて限定されることなく、
本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能
である。例えば上記実施例における断熱材11の
複合部位は任意に変更可能であつて、一部の断熱
材を省略してもよく、あるいはさらに別の部位に
も断熱材を取付けてもよい。例えばエアインテー
クヒータのケース等にも断熱材11を取付けるこ
とが可能である。また上記断熱材11の3層1
2,13,14のそれぞれの構成材料については
各種の変更が可能であつて、例えば中間層13に
は金属繊維集合体あるいは無機繊維集合体に代え
て、海綿状金属を用いることも可能である。
Although the present invention has been described above with reference to the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this embodiment.
Various modifications are possible based on the technical idea of the present invention. For example, the composite part of the heat insulating material 11 in the above embodiment can be changed arbitrarily, and some of the heat insulating material may be omitted, or the heat insulating material may be attached to other parts. For example, it is possible to attach the heat insulating material 11 to the case of an air intake heater. In addition, the three layers 1 of the above-mentioned heat insulating material 11
Various changes can be made to the constituent materials of layers 2, 13, and 14. For example, it is also possible to use a spongy metal instead of the metal fiber aggregate or inorganic fiber aggregate for the intermediate layer 13. .

以上に述べたように本発明は、セラミツクから
成る断熱材を3層構造とし、高温側に接触する部
分と低温側金属母材に接触する部分との間に無数
の気孔を有する中間層を設けるようにしたもので
ある。従つて本発明によれば、上記の中間層によ
つて熱膨脹係数の差に伴なう熱応力を緩衝すると
共に熱衝撃を吸収緩和し、セラミツク材の金属母
体からの剥離を効果的に防止することが可能とな
る。従つて少量のセラミツクによつて効果的に断
熱を行なうことができ、エンジンの熱効率を改善
することができるとともに、エンジンを構成する
部品の熱負荷に伴なう破壊を防止することが可能
となる。
As described above, the present invention has a three-layer structure for the heat insulating material made of ceramic, and an intermediate layer having countless pores is provided between the part that contacts the high temperature side and the part that contacts the metal base material on the low temperature side. This is how it was done. Therefore, according to the present invention, the above-mentioned intermediate layer buffers the thermal stress caused by the difference in coefficient of thermal expansion, absorbs and alleviates thermal shock, and effectively prevents the ceramic material from peeling off from the metal matrix. becomes possible. Therefore, it is possible to effectively insulate with a small amount of ceramic, improve the thermal efficiency of the engine, and prevent the parts that make up the engine from being destroyed due to heat load. .

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例に係るエンジン要部
縦断面図、第2図はこのエンジンの用いられてい
るセラミツクから成る断熱材の拡大断面図であ
る。 なお図面に用いた符号において、11……断熱
材、12……第1層(高温側)、13……第2層
(中間層)、14……第3層(低温側)である。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of the main parts of an engine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a heat insulating material made of ceramic used in this engine. In addition, in the reference numerals used in the drawings, 11...insulating material, 12...first layer (high temperature side), 13...second layer (intermediate layer), 14...third layer (low temperature side).

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 エンジンの高温の部分を局部的にセラミツク
材で断熱するようにした装置において、前記断熱
材を3層構造とし、高温側に接触する部分を熱膨
脹係数の小さなセラミツクとし低温側に接触する
部分を熱膨脹係数の大きいセラミツクとすると共
に高温側に接触する部分と低温側金属母材に接触
する部分との間に無数の気孔を有する繊維集合体
から構成された中間層を設けたことを特徴とする
エンジンの断熱装置。
1. In a device that locally insulates a high temperature part of an engine with a ceramic material, the heat insulating material has a three-layer structure, the part that contacts the high temperature side is made of ceramic with a small coefficient of thermal expansion, and the part that contacts the low temperature side is made of ceramic material. It is characterized by being made of ceramic with a large coefficient of thermal expansion and by providing an intermediate layer composed of a fiber aggregate having countless pores between the part in contact with the high temperature side and the part in contact with the metal base material on the low temperature side. Engine insulation device.
JP14004983A 1983-07-29 1983-07-29 Heat insulating device for engine Granted JPS6030451A (en)

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