JPH0650054B2

JPH0650054B2 - 副室の断熱構造及びその製造法

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Publication number: JPH0650054B2
Application number: JP1205644A
Authority: JP
Inventors: 寛松岡
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1989-08-10
Filing date: 1989-08-10
Publication date: 1994-06-29
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: DE69003629T2; JPH0370814A; DE412659T1; DE69003629D1; EP0412659B1; EP0412659A1; US5010861A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、副室の断熱構造及びその製造法に関する。

〔従来の技術〕

従来、エンジンの副燃焼室については、例えば、特開昭
６２−６７２１９号公報に開示されたものがある。該公
報に開示されたエンジンの副燃焼室は、副室を構成する
セラミック製の副室構成部材と、上記副室構成部材の外
周部に嵌合された金属製筒部材とを備えたものであり、
上記筒部材を、重量比で 0.13 〜 0.45 ％のＣと 0.3〜
2.5％のＳｉと 0.5〜 1.0％のＭｎと 10.0 〜 13.0 ％
のＣr と 0.3〜 1.3％のＭo と残部を実質的に占めるＦ
ｅとからなり実質的にマルテンサイト組織化されたマル
テンサイト系耐熱鋼で構成し、この筒部材を副室構成部
材に焼嵌め嵌合後焼戻し処理してソルバイト組織にした
ものである。

また、エンジンの副室の製造法については、例えば、特
開昭６１−８３４５１号公報に開示されたものがある。
該公報に開示されたエンジンの副室の製造法は、セラミ
ック製の内筒に、圧粉成形ないしは予備焼結した鉄系焼
結材製の外筒を嵌合した後、本焼結することによって両
者を接合一体化してエンジンの副室を製造するにあたっ
て、セラミック粒子を銅系接合材で一体化して、前記内
外筒間の所定位置に形成すべき断熱室の形状と略同等な
形状に成形したインサート部材を準備し、該インサート
部材を前記内外筒間の所定位置に介装した後、本焼結工
程を供するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、内燃機関の燃焼室において、副室式は燃料と空
気との混合が副燃焼室と主燃焼室とで２回行われ、混合
状態が直接噴射式に比較して良好である。また、副室式
は直接噴射式に比較して冷却水損失が大きく、燃費が悪
くなる。そこで、冷却水損失を少なくするため、副室を
断熱構造に構成する試みが行われている。しかしなが
ら、副室の外面を同程度に断熱する構造に構成した場合
には、熱応力の差に起因する副室の耐久性の問題が発生
する。また、副室ブロックを構成するセラミック材料が
窒化珪素(Si₃N₄)、炭化珪素(SiC)等である場合に、一般
に、窒化珪素(Si₃N₄)、炭化珪素(SiC)等のセラミック材
料は、高温度に耐える耐熱性であり且つ高強度な材料で
あるが、熱伝導率が高く断熱度は低い材料であり、ま
た、ヤング率が高く、耐変形性に富んでいるため、温度
分布に不均一が発生すると、高い熱応力が作用すること
になる。更に、副室を構成する内壁面の温度分布は、主
燃焼室と副室を連通する噴孔部が高温度になり、しか
も、噴孔部周囲の温度分布についても主燃焼室の中央側
の噴孔部が特に高くなる。従って、副室の内壁部を構成
する副室ブロックをセラミック材料で製作した場合に、
該副室ブロックの噴孔部についての温度分布が相当に異
なり、熱応力がかかることに成り、セラミック材料の強
度に悪影響を及ぼし、耐久性に問題が生じる。そこで、
副室ブロックの耐久性を向上させるために副室自体を如
何に構成するかの課題がある。

前掲特開昭６２−６７２１９号公報に開示されたエンジ
ンの副燃焼室は、前記筒部材を前記副室構成部材に焼嵌
め嵌合後焼戻し処理してソルバイト組織にしたものであ
り、前記筒部材によって前記副室構成部材に十分な圧縮
残留応力を付与することはできず、前記副室構成部材を
セラミック材料で製作した場合には温度分布の不均一に
よって発生する熱応力に耐えることができない。また、
セラミック材料に対して金属材料の焼嵌め等によって、
セラミック材料に圧縮残留応力を付与することは、圧縮
力の付加方向が一方向であるため、セラミック材料に有
効な圧縮残留応力を付与することができない。

また、前掲特開昭６１−８３４５１号公報に開示された
エンジンの副室の製造法は、外周金属材料が焼結材によ
って構成されている。従って、該焼結金属は断熱層を封
入する機能を有するのみであり、セラミック製の内筒に
対する圧縮力のコントロール、外筒の熱膨張率及び熱伝
導率のコントロールを行うことはできず、セラミック材
の内筒の耐久性を向上させるという技術的思想を有する
ものではない。

更に、従来のように、シリンダヘッド等の大物に、副室
を構成するブロックを直接鋳込む場合には、鋳込時の寸
法のずれが過大となり、製品として使用できないものと
なる。鋳込寸法のずれは、例えば、500mm 程度の大きさ
の場合に、±1.5mm 程となるが、副室の位置寸法の精度
は±0.2mm 程度は必要なものである。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
副室の燃焼ガスに晒される副室ブロックを耐熱性、熱シ
ョック性に優れた窒化珪素、チタン酸アルミニウム等の
セラミック材料で形成して高温燃焼ガスに耐える構造に
構成し、特に、副室ブロックの外面に金属材料を鋳込む
ことによって耐高温且つ高強度のセラミック材料から成
る副室ブロックに金属材料から成る鋳込金属ブロックで
付与される圧縮力をコントロールし、該副室ブロックに
圧縮残留応力を与えて強度を確保すると共に、鋳込金属
ブロック中に繊維強化材を埋め込んだ構造に構成し且つ
前記繊維強化材の材料、量を調節することによって前記
鋳込金属ブロックの熱膨張率及び熱伝導率をコントロー
ルし、特に、断熱構造の副室の噴孔部は熱応力及び機械
的応力に対して強度上過酷な部位であり且つ温度が高温
度になることを考慮して該噴孔形成部位の強度及び温度
コントロールができる構造に構成し、更に、前記外側ブ
ロックとシリンダヘッドとの接触部位及び接触面積を最
適条件に設定して副室ブロックの温度分布を均一的にコ
ントロールし、副室の噴孔部等の高温領域となる部位の
熱放散を盛んにして熱蓄積を緩和するように構成し、副
室ブロックの噴孔部全周部位は勿論のこと副室ブロック
全体に渡って温度分布が均一になるように構成し、副室
ブロックへの熱応力の発生を防止して副室ブロック自体
の強度を向上させた耐久性に富んだ副室の断熱構造及び
その製造法を提供することである。

〔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、主燃焼室に噴孔を通
じて連通した副室を形成するセラミック製の副室ブロッ
ク、前記副室ブロックの外側に配置した繊維強化材の成
形体の隙間部に鋳込まれた金属材料から成る鋳込金属ブ
ロック、及び該鋳込金属ブロックをシリンダヘッドに形
成した取付穴に空気層を形成して嵌入固定したことから
成る副室の断熱構造に関する。

また、この副室の断熱構造は、前記副室ブロックと前記
鋳込金属ブロックとの間に断熱層を介在させたものであ
る。

更に、この副室の断熱構造は、前記成形体をセラミック
ウイスカー、セラミックファイバー又はステンレススチ
ールファイバーから成形したものである。

或いは、この発明は、主燃焼室に噴孔を通じて連通した
副室を形成する副室ブロックをセラミック材料で形成す
る工程、前記副室ブロックの外側に繊維強化材から成る
成形体を組み込む工程、前記成形体の隙間部に金属材料
を鋳込んで鋳込金属ブロックを形成する工程、及び前記
鋳込金属ブロックをシリンダヘッドに形成した取付穴に
空気層を形成して組込む工程、から成る副室の断熱構造
の製造法に関する。

〔作用〕

この発明は、以上のように構成されており、次のように
作用する。即ち、この副室の断熱構造は、セラミック製
の副室ブロックの外側に配置した繊維強化材の成形体の
隙間部に金属材料を鋳込んで鋳込金属ブロックを形成
し、該鋳込金属ブロックをシリンダヘッドに形成した取
付穴に組み込んだので、耐高温且つ高強度のセラミック
材料から成る副室ブロックに鋳込金属ブロックの鋳込に
よって圧縮力が付与され、前記副室ブロックの強度を確
保して前記副室ブロックの亀裂、破壊等の損傷の発生を
防止し副室の耐久性を向上させる。また、前記鋳込金属
ブロック中の前記繊維強化材の材料及び含有量を調節す
ることによって、前記鋳込金属ブロックの熱伝導率及び
熱膨張率を最適状態にコントロールすることができ、副
室の耐熱性を向上でき且つ前記副室ブロックの温度分布
を均一にして熱応力の発生を低減する。

或いは、この発明による副室の断熱構造の製造法は、主
燃焼室に噴孔を通じて連通した副室を形成する副室ブロ
ックをセラミック材料で形成する工程、前記副室ブロッ
クの外側に繊維強化材から成る成形体を組み込む工程、
前記成形体の隙間部に金属材料を鋳込んで鋳込金属ブロ
ックを形成する工程、及び前記鋳込金属ブロックをシリ
ンダヘッドに形成した取付穴に空気層を形成して組込む
工程から構成したので、上記構成の副室の断熱構造を容
易に得ることができ、製造工程における寸法精度のずれ
を低減でき、製品の品質の信頼性を向上できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による副室の断熱構造
の実施例を詳述する。

第１図はこの発明による副室の断熱構造の一実施例を示
す断面図である。この副室の断熱構造は、主として、副
室２を形成し且つ該副室２と主燃焼室１とを連通する噴
孔３を形成した副室ブロック４、該副室ブロック４の外
側に鋳込みよって配置された鋳込金属ブロック６、及び
該鋳込金属ブロック６の外側に空気層７を形成して位置
するシリンダヘッド１０から構成されている。副室２を
形成する副室ブロック４は、窒化珪素(Si₃N₄)、炭化珪
素(SiC)、チタン酸アルミニウム、複合材料等のセラミ
ック材料によって形成されている。この副室ブロック４
については、噴孔３を形成した回りの部分即ち噴孔３の
噴孔形成部位１７の厚さが他の部位の厚さより厚く形成
され、高温度に耐えるように耐熱性及び強度を増大して
いる。また、副室ブロック４の外面１５に対して鋳込に
よって配置された鋳込金属ブロック６は、セラミック材
料から成る成形体９は埋め込んだアルミニウム（Al）、
鋳鉄（Fc）、ニレジスト（Ni-Resist）等の金属材料、
言い換えれば、繊維強化金属（ＦＲＭ）から形成されて
いる。成形体９は、窒化珪素(Si₃N₄)、炭化珪素(SiC)、
酸化アルミニウム(Al₂O₃)等のセラミック材料から成る
セラミックウイスカー又はセラミックファイバー、或い
はステンレススチールから成るファイバーによって成形
されたものである。この鋳込金属ブロック６について
は、ヘッド下面部を構成する部位にフランジ部５を設け
ている。また、シリンダヘッド１０には、エンジンの気
筒数に対応した数の取付穴１３が形成されている。鋳込
金属ブロック６は、シリンダヘッド１０に形成した取付
穴１３に空気層７を形成した状態で嵌合して組み込ま
れ、しかも、鋳込金属ブロック６のフランジ部５が取付
穴１３の入口部１８に圧入等によって固定されている。
また、副室２には、副室２に燃料を噴霧する燃料噴射ノ
ズル８が配置され、場合によっては、噴霧された燃料を
着火させるグロープラグ（図示せず）が配置されてい
る。更に、図示していないが、シリンダヘッド１０に
は、吸排気ポートが形成され、該吸排気ポートを開閉す
る吸排気バルブが配置されている。シリンダヘッド１０
は、ヘッドガスケット１４を介在してシリンダブロック
１１に固定されている。シリンダブロック１１に形成し
た複数のシリンダにはシリンダライナが各々嵌合し、該
各シリンダライナには、ピストンリング３４を嵌着した
ピストン１２が各々往復運動するように構成されてい
る。

この副室の断熱構造において、副室ブロック４の噴孔３
が形成された噴孔形成部位１７は、他の部位より高温度
になり、熱的にも強度的にも厳しい領域である。また、
副室ブロック４の噴孔３が形成された噴孔形成部位１７
でも、主燃焼室１の中央側に位置する部位Ａの方が主燃
焼室１から離れる側に位置する部位Ｂより過酷な熱影響
を受ける所であり且つ部分的に過大な圧縮力が作用する
ところである。

そこで、この副室の断熱構造は、副室ブロック４を耐高
温且つ高強度のセラミック材料から構成して耐熱性を向
上させ、しかも、副室２を構成する副室ブロック４の外
側にセラミック材料から成る成形体９を組み込んで、該
成形体９にアルミニウム、鋳鉄等の金属材料を鋳込んで
鋳込金属ブロック６を配置し且つ該鋳込金属ブロック６
の厚さ、材料を最適条件に設定即ちコントロールするこ
とによって副室ブロック４に発生する圧縮残留応力のコ
ントロールを行うと共に、成形体９の材料、含有量を最
適条件に設定即ちコントロールすることによって鋳込金
属ブロック６の熱膨張率及び熱伝導率のコントロールを
行う。

更に、この副室の断熱構造において、鋳込金属ブロック
６のフランジ部５とシリンダヘッド１０の取付穴１３の
入口部１８との接触面積及び接触領域を最適条件に設定
即ちコントロールすることによって副室ブロック４の断
熱度のコントロールを行うものである。従って、この副
室の断熱構造において、鋳込金属ブロック６に副室ブロ
ック４の噴孔形成部位１７を接触させることによって熱
の蓄積を低減し、断熱度を他の部位より低下させる。そ
れによって、副室ブロック４に発生する熱エネルギーを
噴孔形成部位１７からシリンダヘッド１０へ熱放散さ
せ、副室ブロック４の該噴孔形成部位１７の温度を過度
に上昇させないように構成し、副室ブロック４の噴孔形
成部位１７と他の部位との温度差を小さくでき、それに
よって副室ブロック４に発生する熱応力を低減すること
ができ、副室ブロック全体として均一な温度分布にコン
トロールすることができる。また、副室ブロック４の外
側の鋳込金属ブロック６のフランジ部５とシリンダヘッ
ド１０の嵌合穴即ち入口部１８との接触面積及び接触領
域を最適条件に設定することによって、シリンダヘッド
１０に熱放散される熱エネルギーをコントロールでき、
セラミック材料から成る副室ブロック４の温度分布を最
適状態にコントロールすることができる。

また、鋳込金属ブロック６の外面に当接する突出部３０
が、シリンダヘッド１０の取付穴１３に形成されてい
る。これらの突出部３０は、シリンダヘッド１０又は鋳
込金属ブロック６のいずれの側に形成されてもよいもの
である。鋳込金属ブロック６とシリンダヘッド１０とが
突出部３０によって接触することによって、鋳込金属ブ
ロック６からシリンダヘッド１０へ流れる熱流をコント
ロールすることができる。しかも、突出部３０の設置位
置、サイズ、数、当接面積等によって、鋳込金属ブロッ
ク６とシリンダヘッド１０との接触面積、接触部位がコ
ントロールされるので、鋳込金属ブロック６からシリン
ダヘッド１０に熱放散される熱エネルギーは、これらの
突出部３０の選定された条件によって最適状態にコント
ロールされることになる。

この発明による副室の断熱構造は、例えば、次のように
して製作することができる。即ち、この副室の断熱構造
は、主として、主燃焼室１に噴孔３を通じて連通した副
室２を形成する副室ブロック４をセラミック材料で形成
する工程、副室ブロック４の外面１５にセラミックウイ
スカー、セラミックファイバー等の繊維強化材から成る
成形体９を組み込む工程、成形体９に形成された隙間部
にアルミニウム等の金属材料を鋳込んで鋳込金属ブロッ
ク６を形成する工程、及び鋳込金属ブロック６をシリン
ダヘッド１０に形成した取付穴１３に空気層７を介して
組込む工程によって製造することができる。

この副室の断熱構造の製造法は、具体的には、次の各工
程によって達成される。この副室の断熱構造における副
室ブロック４は、窒化珪素(Si₃N₄)、炭化珪素(SiC)、チ
タン酸アルミニウム、複合材料等のサーマルショックに
強いセラミック材料で製作するものである。まず、副室
ブロック４の製作については、副室ブロック４の形状に
一体構造で成形し、次いでそれを焼結して製作すること
ができる。或いは、第２図に示すように、副室ブロック
４を上副室ブロック４Ｕと下副室ブロック４Ｌに二分割
して成形し焼結して製作し、次いで、化学蒸着（ＣＶ
Ｄ）等によって両者を接合部１９で接合して完成する。
又は、第３図に示すように、副室ブロック４を左副室ブ
ロック４Ｈと右副室ブロック４Ｒに二分割して成形し焼
結して製作し、次いで、化学蒸着（ＣＶＤ）等によって
両者を接合部２０で接合して完成する。副室ブロック４
は、上記のようにして製作できるが、副室ブロック４の
噴孔形成部位１７の外周面４Ｅの形状について、ストレ
ート状に形成してもよいが、図示のように、テーパ状に
形成して多少小径に構成することが好ましい。副室ブロ
ック４の噴孔形成部位１７の外周面４Ｅの形状をテーパ
状に形成した場合には、鋳込金属ブロック６が副室ブロ
ック４に接触する接触面積が大きくなり、副室ブロック
４に発生する圧縮残留応力が有効に付与されることにな
る。次に、上記製造工程によって製作した副室ブロック
４の必要な箇所に対して機械加工を施し、第４図に示す
ように、副室ブロック４の最終形状に仕上げる。

次に、繊維強化材、例えば、窒化珪素(Si₃N₄)、炭化珪
素(SiC)、酸化アルミニウム(Al₂O₃)、複合材料等のセラ
ミック材料から成るセラミックウイスカー又はセラミッ
クファイバー、或いはステンレススチールから成るファ
イバーによって、第５図に示すように、所定の形状に成
形して成形体９を製作する。従って、成形体９には、多
数の空隙、ファイバー間の隙間が多数形成された構造に
構成される。また、成形体９にはヘッド下面部を構成す
る部位にフランジ部５を設けておく。次いで、第６図に
示すように、成形体９の内面３１に副室ブロック４の外
面１５を嵌合して組み込む。

更に、第８に示すように、副室ブロック４に組み込んだ
成形体９を鋳型にセットする。この場合に、副室ブロッ
ク４における副室２、噴孔３、燃料噴射ノズル８の挿入
孔２１、及び成形体９の燃料噴射ノズル８の挿入孔３
２、場合によっては、グロープラグの各挿入孔を構成す
る部分に、鋳砂２３を充填する。鋳砂２３を充填した副
室ブロック４と成形体９を、その外形の形状の空洞部２
７を形成した砂型等の鋳型２４，２５内に配置する。こ
の時、副室ブロック４の内部に充填した鋳砂２３から発
生するガス等を外部に逃がすためガス抜きパイプ２８を
配置しておく。このように成形体９と副室ブロック４と
を鋳型２４，２５内に配置した後、アルミニウム（A
l）、鋳鉄（Fc）、ニレジスト（Ni-Resist）等から成る
溶融金属の湯を、湯口部４６より矢印で示すように、鋳
型２４，２５の空洞部２７に位置する成形体９に形成さ
れている多数の隙間、空隙部へ注入し、成形体９の隙
間、空隙部等を充填する。鋳込金属ブロック６を構成す
る溶融金属が冷却して固化した後、鋳込金属ブロック６
が鋳込まれた副室ブロック４を鋳型２４，２５から取り
出し、鋳込金属ブロック６に対して該鋳込金属ブロック
６の最終形状に機械加工を施す。言い換えれば、副室ブ
ロック４の外側に繊維強化金属（ＦＲＭ）が鋳込まれた
状態の断熱副室構造として完成する（第７図参図）。最
後に、シリンダヘッド１０に形成された取付穴１３に鋳
込金属ブロック６を嵌合し、且つ鋳込金属ブロック６の
フランジ部５をシリンダヘッド１０の取付穴１３の入口
部１８に圧入して鋳込金属ブロック６をシリンダヘッド
１０に固定する。

第１０図において、この発明による副室の断熱構造の別
の実施例が示されている。この副室の断熱構造は、第１
図に示した副室の断熱構造と比較して、鋳込金属ブロッ
ク６と副室ブロック４との間に断熱層３３を形成した構
造及び該構造により若干機能が相違する以外は、全く同
一の構成及び機能を有しているので、同一の部品には同
一の符号を付して重複する説明を省略する。鋳込金属ブ
ロック６と副室ブロック４との間に介在させた断熱層３
３は、セラミック粉体等の断熱材によって構成すること
ができる。このセラミック粉体等の断熱材を成形体９に
組み込むには、成形体９を成形する時に、該成形体９の
所定の位置の内周面に複数個の凹部を形成し、該各凹部
に断熱材を配置することによって、成形体９と副室ブロ
ック４との間に断熱層３３を構成することができる。

この発明による副室の断熱構造は、上記のように構成さ
れており、次のような機能を有する。

副室ブロック４を構成する窒化珪素(Si₃N₄)、炭化珪素
(SiC)、チタン酸アルミニウム、複合材料等のセラミッ
ク材料は、耐熱性に富んでいるが、引張力に対しては弱
い性質を有している。また、セラミック材料は、圧縮強
度は引張強度に比較して一般に１０倍程度の強度を有し
ており、圧縮強度に対しては極めて耐久性に富んでいる
ものである。更に、セラミック材料の熱膨張率は金属材
料の熱膨張率に比較して小さいものである。

そこで、上記のように、該セラミック材料を金属に鋳込
むことによって、溶融金属の冷却によって収縮する程度
がセラミック材料より大きく、金属の収縮による寸法変
化を利用して、セラミック材料から成る副室ブロック４
に予め圧縮力を付与して副室ブロック４の強度を確保す
る。熱膨張率は、例えば、セラミック材料の窒化珪素(S
i₃N₄)は、３．２×１０^-6であり、また、チタン酸アル
ミニウムは、約１×１０^-6である。これに対して、金属
材料の鋳鉄は１１×１０^-6であり、また、アルミニウム
は２２×１０^-6である。従って、Ｆｃ、Ａ１等の金属材
料が溶融状態から固化して常温になると、セラミック材
料との間に、約１／１０ほどの熱収縮差が生じる。この
熱収縮差の分だけが、金属材料に圧縮力として発生し、
該金属材料によるセラミック材料に圧縮残留応力が付与
されることになる。即ち、セラミック材料の副室ブロッ
ク４の外側に位置する繊維強化材から成る成形体９に対
して、溶融金属を鋳込むと、該溶融金属が冷却する時
に、該金属材料はセラミック材料に対して収縮度が大き
いため、その収縮度の差によって、鋳込金属ブロック６
には圧縮力が発生し、副室ブロック４には圧縮残留応力
が付与されることになる。また、副室ブロック４の噴孔
形成部位１７の部位Ａに対して金属鋳込みの鋳込金属ブ
ロックの厚さを最適厚さに選定することによって、該部
位の圧縮力を他の部位より増大させることができ、副室
ブロック４の強度を全体に渡って好ましい状態の強度を
確保するようにコントロールすることができる。

次に、第９図（Ａ）及び第９図（Ｂ）を参照して、副室
の断熱構造がエンジンに搭載されて使用された場合の副
室ブロックに作用する圧縮力と引張力との一例を説明す
る。第９図（Ａ）はこの発明による副室の断熱構造の場
合を示し、また、第９図（Ｂ）は従来の副室の断熱構造
の場合を示す。図において、縦軸の上側に圧縮力を且つ
下側に引張力をとり、また横軸に時間をとる。図から明
らかなように、第９図（Ａ）において、副室ブロック４
を構成するセラミック材料に予め圧縮残留応力Ｐが付与
されていると、エンジン運転時に、各種の応力即ち圧縮
力と引張力とが副室２を構成する副室ブロック４に作用
しても、副室ブロック４には、予め付与された圧縮残留
応力Ｐのため、引張力が過大になっても副室ブロック４
自体は圧縮力を受けている状態であり、副室ブロック４
に引張力による亀裂、破損等の損傷が発生することがな
い。これに反して、第９図（Ｂ）に示すように、従来の
副室の断熱構造の副室ブロックには予め圧縮残留応力が
付与されていないので、各種の応力即ち圧縮力と引張力
がそのまま該副室ブロックに作用することになり、特に
副室ブロックは引張力をそのまま受けて、副室ブロック
に亀裂、破損等の損傷を発生させる原因になる。

更に、鋳込金属ブロック６における金属材料中に存在す
るセラミックウイスカー、セラミックファイバー等の繊
維強化材の含有量を種々に変更すること、セラミック材
料の材質の選定、或いは厚み、配置位置等の変更調節に
よって、鋳込金属ブロック６の熱伝導率及び熱膨張率
を、所望の設定値にコントロールすることができる。

また、セラミック材料の副室ブロック４と鋳込金属ブロ
ック６とでは、温度差が生じるが、温度差が小さく、全
体が温度上昇する場合に、上記の熱膨張率の差より圧縮
残留応力が低下する場合がある。この場合には、鋳込金
属材料としてニレジスト（Ni-Resist ）等の低熱膨張金
属を用いることによってこの発明の作用を有効にするこ
とができる。これらの材料の選定は、セラミック材料と
鋳込金属の温度分布によって自由に選定することができ
る。

更に、セラミック材料の副室ブロック４に付与される圧
縮残留応力は、鋳込金属ブロック６の厚さによっても異
なり、例えば、鋳込金属ブロック６の厚さを厚くすれ
ば、副室ブロック４には大きな圧縮残留応力が付与され
ることになる。逆に、セラミック材料に過大な圧縮残留
応力が付与されると、副室ブロック４に亀裂、破壊等が
発生するので、鋳込金属の厚さについては、副室ブロッ
ク４及び鋳込金属ブロック６の形状、圧縮力、材料強度
等に応じて最適条件に選定することが好ましいものであ
る。

上記のように、この発明による副室の断熱構造は、シリ
ンダヘッド１０に直接鋳込んで構成したものでないか
ら、副室ブロック４に付与する圧縮残留応力は所望な値
にコントロールすることができる。また、シリンダヘッ
ド１０がアルミニウム（Ａｌ）、鋳鉄（Ｆｃ）のいずれ
の材料で製作されていても、副室２を鋳込む金属材料
は、シリンダヘッド１０の材料に関係なく、自由に選定
することができる。

〔発明の効果〕

この発明による副室の断熱構造は、以上のように構成さ
れているので、次のような効果を有する。即ち、この副
室の断熱構造は、主燃焼室に噴孔を通じて連通した副室
を形成するセラミック製の副室ブロック、前記副室ブロ
ックの外側に配置した繊維強化材の成形体の隙間部に鋳
込まれた金属材料から成る鋳込金属ブロック、及び該鋳
込金属ブロックをシリンダヘッドに形成した取付穴に空
気層を形成して嵌入固定したことから構成したので、耐
高温且つ高強度のセラミック材料から成る前記副室ブロ
ックに前記鋳込金属ブロックによって圧縮残留応力が付
与され、前記副室ブロックの強度を確保して前記副室ブ
ロックの亀裂、破壊等の損傷の発生を防止し副室の耐久
性を向上できる。しかも、前記鋳込金属ブロックの厚さ
及び前記副室ブロックとの接触部位を最適に選定するこ
とによって前記副室ブロックに付与する圧縮残留応力を
全体的に且つ部分的に自由にコントロールすることがで
きる。特に、前記鋳込金属ブロックを繊維強化金属で構
成したもので、該鋳込金属ブロック内の前記繊維強化材
の含有量或いは材質、例えば、前記繊維強化材を窒化珪
素(Si₃N₄)、炭化珪素(SiC)、酸化アルミニウム、複合材
料等のセラミック材料から成るセラミックウイスカー、
セラミックファイバー又はステンレススチールファイバ
ーから最適条件のものを選定することによって、前記鋳
込金属ブロックの熱膨張率及び熱伝導率を自由にコント
ロールすることができる。また、強度的に最も厳しい前
記副室ブロックの前記噴孔形成部位の厚さを厚く構成す
ると、該噴孔形成部位の強度を十分に確保することがで
きる。

更に、セラミック材料で構成された前記副室ブロックの
厚さを最適条件に選定し且つ前記鋳込金属ブロックと前
記シリンダヘッドとの間の空気層の厚みを最適条件に選
定することによって、副室に良好な断熱度を得ることが
でき、しかも、前記鋳込金属ブロックとシリンダヘッド
との接触面積或いは接触部位を最適状態に選定すること
によって、シリンダヘッドへ熱放散する前記副室ブロッ
クの熱エネルギー量をコントロールでき、特に、前記副
室ブロックの前記噴孔形成部位の熱蓄積を緩和して該部
位の過熱を防止でき、前記副室ブロックの噴孔部全周部
位は勿論のこと、副室ブロック全体に渡って温度分布を
均一化し、前記副室ブロックに対して熱応力の発生を低
減して耐久性を向上させることができる。

また、前記鋳込金属ブロックの外面と前記シリンダヘッ
ドに形成した前記穴部の内面との接触面積及び接触位置
をコントロールすることによって、前記副室ブロックの
温度コントロールを最適状態に設定でき、温度コントロ
ールを極めて良好に且つ迅速に達成でき、前記副室ブロ
ックを常に良好な温度分布に維持することができる。

また、前記副室ブロックと前記鋳込金属ブロックとの間
に断熱層を介在させたので、前記断熱層の厚さ、材質を
選定することによって副室の最も好ましい断熱度を容易
に得ることができる。

或いは、この発明による副室の断熱構造の製造法は、主
燃焼室に噴孔を通じて連通した副室を形成する副室ブロ
ックをセラミック材料で形成する工程、前記副室ブロッ
クの外側に繊維強化材から成る成形体を組み込む工程、
前記成形体の隙間部に金属材料を鋳込んで鋳込金属ブロ
ックを形成する工程、及び前記鋳込金属ブロックをシリ
ンダヘッドに形成した取付穴に空気層を介して組込む工
程から構成したので、各工程そのものは簡単な工程から
なり、前記鋳込金属ブロックによって前記副室ブロック
に対して容易に圧縮残留応力を付与した上記副室の断熱
構造を製造することができる。しかも、個々の副室の断
熱構造を製造した後、前記シリンダヘッドに組み込むの
で、従来のように、シリンダヘッド等の大物に、副室を
構成するブロックを直接鋳込む場合と異なり、鋳込時の
寸法のずれが過大となることがなく、製品として信頼性
に富んだ副室の断熱構造を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による副室の断熱構造の一実施例を示
す断面図、第２図は第１図の副室の断熱構造に組み込む
副室ブロックの一例を示す断面図、第３図は第１図の副
室の断熱構造に組み込む副室ブロックの別の例を示す断
面図、第４図は第１図の副室の断熱構造における副室ブ
ロックの一例を示す断面図、第５図は第１図の副室の断
熱構造における成形体の一例を示す断面図、第６図は第
４図の副室ブロックに第５図の成形体を組み込んだ状態
を示す断面図、第７図は第６図の副室ブロックに組み込
んだ成形体に金属材料を鋳込んで鋳込金属ブロックを形
成した状態を示す断面図、第８図は第１図の副室の断熱
構造の副室ブロックに金属材料を鋳込む方法を説明する
鋳型を示す説明図、第９図（Ａ）はこの発明による副室
の断熱構造の使用時の応力の作用状態を説明する説明
図、第９図（Ｂ）は従来の副室の断熱構造の使用時の応
力の作用状態を説明する説明図、及び第１０図はこの発
明による副室の断熱構造の別の実施例を示す断面図であ
る。１……主燃焼室、２……副室、３……噴孔、４……副室
ブロック、５……フランジ部、６……鋳込金属ブロッ
ク、７……空気層、９……成形体、１０……シリンダヘ
ッド、１３……取付穴、１７……噴孔形成部位、１８…
…入口部、３０……突出部、３３……断熱層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主燃焼室に噴孔を通じて連通した副室を形
成するセラミック製の副室ブロック、前記副室ブロック
の外側に配置した繊維強化材の成形体の隙間部に鋳込ま
れた金属材料から成る鋳込金属ブロック、及び該鋳込金
属ブロックをシリンダヘッドに形成した取付穴に空気層
を形成して嵌入固定したことから成る副室の断熱構造。
【請求項２】前記副室ブロックと前記鋳込金属ブロック
との間に断熱層を介在させた請求項１に記載の副室の断
熱構造。
【請求項３】前記成形体をセラミックウイスカー、セラ
ミックファイバー又はステンレススチールファイバーか
ら成形した請求項１に記載の副室の断熱構造。
【請求項４】主燃焼室に噴孔を通じて連通した副室を形
成する副室ブロックをセラミック材料で形成する工程、
前記副室ブロックの外側に繊維強化材から成る成形体を
組み込む工程、前記成形体の隙間部に金属材料を鋳込ん
で鋳込金属ブロックを形成する工程、及び前記鋳込金属
ブロックをシリンダヘッドに形成した取付穴に空気層を
形成して組込む工程、から成る副室の断熱構造の製造
法。