JPH07111155B2 - 断熱エンジン構造及びその製造方法 - Google Patents

断熱エンジン構造及びその製造方法

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JPH07111155B2
JPH07111155B2 JP62087924A JP8792487A JPH07111155B2 JP H07111155 B2 JPH07111155 B2 JP H07111155B2 JP 62087924 A JP62087924 A JP 62087924A JP 8792487 A JP8792487 A JP 8792487A JP H07111155 B2 JPH07111155 B2 JP H07111155B2
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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エンジ
ン構造及びその製造方法に関する。
〔従来の技術〕
従来、セラミック材を断熱材又は耐熱材として利用した
断熱エンジン等のエンジン部材は、例えば、特開昭60−
90955号公報に開示されている。該公報に開示された断
熱エンジンについて、第７図を参照して概説する。
第７図において、断熱エンジンの構造が符号30によって
全体的に示されている。この断熱エンジンの構造30は、
シリンダヘッド31の下半分に設けた円筒部32の内周壁33
に熱反射面を形成し、前記シリンダヘッド31の円筒部32
にセラミックスから成る逆カップ状のヘッドライナ34を
この周囲に空部35を設けて嵌装したものである。また、
シリンダヘッド31の円筒部とヘッドライナ34との間の空
部35には、セラミックスファイバ、グラスファイバ等の
断熱材36が収容されている。
更に、ヘッドライナ34の上端壁41がガスケット43を介し
てシリンダヘッド31の円筒部32の内端壁33に、またヘッ
ドライナ34の下端壁が弾性ガスケット44を介してシリン
ダブロック37及びシリンダライナ39の上端部にそれぞれ
押付けられ、締付力の不均衡、熱変形によってヘッドラ
イナ34に応力集中が生じるのを緩和すると共に、空部35
が形成されるので燃焼室40を囲むヘッドライナ34からシ
リンダヘッド31への熱伝導が遮断され、熱の放散を抑え
ることができる。また、内端壁33の熱反射面により熱輻
射が反射され、シリンダヘッド31への熱伝達を抑えるこ
とができる。
更に、空部35にセラミックスファイバ等の断熱材36を収
容することによって、空部35における空気の対流を阻止
し、ヘッドライナ34の壁部からシリンダヘッド31への熱
伝達を抑えることができる。従って、燃焼室40の熱がヘ
ッドライナ34から外部へ放散されるのを抑えることがで
きるから、排気ガスを高温の状態で排気通路を経て排気
ターボ過給機等へ送り出すことができ、排気ガスの持つ
熱エネルギーを最大限に利用することができるものであ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、上記のようなセラミックスを断熱材又は
耐熱材として利用するシリンダヘッド等の断熱エンジン
部材において断熱特性を十分に得ることは、極めて困難
であり、十分な断熱特性を得るため壁厚が厚くなるとい
う問題がある。
即ち、エンジンの燃焼室に面する部分は耐熱性、断熱
性、熱ショック性に優れた窒化珪素にて構成し、高温燃
焼ガスに耐えることができるが、余り壁厚が大きいと、
熱容量が大きくなり過ぎ、吸入効率が低下するという問
題点が生じる。
ところで、前掲特開昭60−90955号公報に開示された断
熱エンジンの構造については、ヘッドライナ34の上端壁
41がガスケット43を介してシリンダヘッド31の円筒部32
の内端壁33に、またヘッドライナ34の下端壁が弾性ガス
ケット44を介してシリンダブロック37及びシリンダライ
ナ39の上端部にそれぞれ押付けられて設置されており、
ヘッドライナ34とシリンダヘッド31との間には空部35が
形成された構成であるので、必ずしも耐圧性に優れた断
熱構造を得ることができず、問題点を有していると共
に、上記と同様な問題点を有している。
この発明の目的は、上記の問題点を解消することであ
り、シリンダヘッドライナの肉厚を可及的に薄く構成
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し、それによってエンジンの
吸入効率を向上させると共に、前記シリンダヘッドライ
ナの耐圧性を向上させた断熱エンジン構造及びその製造
方法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、この出
願の第１番目の発明は、金属製シートとチタン酸カリウ
ムを主成分とした断熱材とを交互にスパイラル状に巻上
げた断熱積層材を、窒化珪素系等のセラミック製の筒状
シリンダヘッドライナの外面に圧縮力を作用させた状態
で被覆したことを特徴とする断熱エンジン構造に関す
る。
また、この断熱エンジン構造において、前記シリンダヘ
ッドライナの熱容量を小さくするため肉厚を可及的に薄
く構成し、巻上げた前記断熱積層材が前記シリンダヘッ
ドライナの環状溝内に収容され且つ前記断熱積層材の両
端面が露出しておらず、前記断熱積層材には空気層が形
成され、また前記断熱積層材が前記金属製シートに前記
断熱材をコーティングしたものであるか、前記断熱材が
チタン酸カリウムと有機バインダとの混合物であるか、
チタン酸カリウムペーパの上下面をアルミナファイバに
よって補強したシートであるか、チタン酸カリウムウィ
スカーとアルミナファイバの混合物から成るシートであ
るか、又はチタン酸カリウムフィスカーに発泡剤を混合
したものである。
また、この出願の第２番目の発明は、窒化珪素系等のセ
ラミック製の筒状シリンダヘッドライナの外面に、金属
製シートを加熱して熱膨張させた状態にし、その金属製
シート上に断熱材を重ねてスパイラル状に巻上げ、巻上
げ後に前記金属製シートの収縮によって前記シリンダヘ
ッドライナに圧縮力を作用させたことを特徴とする断熱
エンジン構造の製造方法に関する。
また、この断熱エンジン構造の製造方法において、前記
金属製シートに前記断熱材をコーティングするか、前記
断熱材をチタン酸カリウムと有機バインダとの混合物か
ら構成し且つ該混合物をノズルから前記金属製シート上
に塗布するか、前記断熱材がシートの場合には前記シー
トと前記金属製シートとを重ね合わせながら巻上げるも
のである。
〔作用〕
この発明による断熱エンジン構造及びその製造方法は、
以上のように構成されており、次のように作用する。即
ち、この出願の第１番目の発明は、金属製シートとチタ
ン酸カリウムを主成分とした断熱材とを交互にスパイラ
ル状に巻上げた断熱積層材を、窒化珪素系等のセラミッ
ク製の筒状シリンダヘッドライナの外面に圧縮力を作用
させた状態で被覆したので、高温の燃焼ガスに晒される
前記シリンダヘッドライナの肉厚を薄く形成して熱容量
を小さくすることができ、従ってエンジンの吸入効率を
向上させると共に、前記シリンダヘッドライナの耐圧性
を向上させる。
即ち、断熱エンジンの筒内内壁からの受熱を最小限とす
るためには、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るが、この発明によれ
ば、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。
しかも、前記金属製シートによって剛性を高め、耐圧性
を向上させ、更にチタン酸カリウムを主成分とした断熱
積層材を使用しているので断熱性に優れ、また金属と断
熱材との反復によって熱伝導に反復時の損失が生じ、断
熱性を向上でき、しかも前記断熱積層材に形成される空
気層によって一層優れた断熱効果を得ることができる。
また、この出願の第２番目の発明は、窒化珪素系等のセ
ラミック製の筒状シリンダヘッドライナの外面に、金属
製シートを加熱して熱膨張させた状態にし、その金属製
シート上に断熱材を重ねてスパイラル状に巻上げて構成
したので、巻上げ後に前記金属製シートの収縮によって
前記シリンダヘッドライナに圧縮力を作用させることが
でき、前記シリンダヘッドライナは肉厚が薄く構成され
ているにもかかわらず、高圧に耐えることのできる構造
に構成できる。
〔実施例〕
以下、図面を参照して、この発明による断熱エンジン構
造の実施例を詳述する。
第１図において、この発明の一実施例である断熱エンジ
ン構造が符号10によって全体的に示されている。この断
熱エンジン構造10は、断熱エンジンにおけるシリンダヘ
ッドの断熱構造についての技術的思想のみを開示したも
のであり、上記以外の部分のシリンダ12、ピストン８及
び吸排気弁９についての断熱構造については開示即ち図
示していないものであるが、断熱エンジンについては、
これらシリンダ、ピストン及び吸排気弁についても、窒
化珪素系セラミックス、断熱シール材等によって断熱構
造に構成することによって一層確実に達成できることは
勿論である。
この断熱エンジンの構造10において、燃焼室５に面する
シリンダヘッドライナ１はヘッドライナ部２とシリンダ
ライナ部３とから成る。シリンダヘッドライナ１は窒化
珪素系等のセラミックスから構成されている。また、シ
リンダヘッドライナ１はガスケット７を介してシリンダ
12に結合されている。シリンダ12内には、ピストンヘッ
ド13とピストンスカート14から成るピストン８が往復運
動するように構成されている。シリンダヘッドライナ１
には吸排気ポート11が形成され、この吸排気ポート11は
吸排気弁９によって開閉されるように構成されている。
シリンダヘッドライナ１は、図に示すように、筒状シリ
ンダライナ部３の外周面に環状溝６が形成され、それに
よってシリンダライナ部３の肉厚が出来るだけ即ち可及
的に薄くなるように形成されている。そして、環状溝６
内に断熱積層材４が収容されるように構成されている。
断熱積層材４は、金属製シート15をスパイラル状に巻上
げ、金属製シート15間にチタン酸カリウムを主成分とし
た断熱材19を介在させてものである。言い換えれば、窒
化珪素系等のセラミック製の筒状シリンダライナ部３の
外面に形成された環状溝６を断熱積層材４によって被覆
するように構成されている。
しかも、シリンダヘッドライナ１の熱容量を小さくする
ため、シリンダライナ部３の肉厚を可及的に薄く構成し
ている。このように構成することによって、シリンダヘ
ッドライナ１におけるシリンダライナ部３の外面は、断
熱積層材４によって被覆されているので、断熱性及び耐
圧性に優れた構造に構成される。
次に、第２図及び第３図を参照して、断熱積層材４の一
例について詳述する。第２図は第１図の線Ａ−Ａにおけ
る断面図、及び第３図は第２図の一部拡大断面図であ
る。
断熱積層材４は、断熱材19と金属製シート15とを交互に
ラミネート即ち積層して構成されている。また、断熱材
19と金属製シート15との接触部及び断熱材19の内部に
は、空気層18が形成されている。金属製シート15の金属
材料は、シリンダヘッドライナ１の材質である窒化珪素
と熱膨張係数がほぼ同一であるもの、例えば、コバール
（フェルニコ:Fe−Ni−Co系合金）、インコネル（ニッ
ケル合金）、42アロイ等が好ましい。
また、断熱材19は、例えば、主成分としてチタン酸カリ
ウムウィスカー16を約80％と、副成分としてアルミナフ
ァイバ17を約20％との混合物から構成されており、これ
らのウィスカー及びファイバの繊維は連続しておらず、
内部に空気層18が形成され、一層優れた断熱効果を得る
ことができるように構成されている。
チタン酸カリウムは、例えば、ウィスカー状チタン酸カ
リウム（K2Ti6O13、融点1370℃、比重3.2、熱伝導率0.0
0012cal/cm sec℃）である。
また、断熱積層材４の構成について、金属製シート15と
断熱材19との積層状態に種々の構成のものがある。即
ち、断熱積層材４としては、例えば、金属製シート15に
断熱材19をコーティングし且つそれを巻上げて構成した
もの、チタン酸カリウムウィスカーを主成分として有機
バインダを混合してペーパ状に構成した断熱材19を金属
製シート15と積層したもの、チタン酸カリウムウィスカ
ー16を主成分として有機バインダを構成してペーパ状に
構成したシートをアルミナファイバシートによって上下
面を挟んで補強した断熱材19と金属製シート15とを積層
したもの、或いは、チタン酸カリウムウィスカー16を主
成分としてアルミナ短繊維であるアルミナファイバ17を
混合してペーパ状に構成した断熱材19と金属製シート15
とを積層して強度を向上させたもの、チタン酸カリウム
ウィスカーに発泡剤を混合して構成した断熱材19と金属
製シート15とを積層したもの等がある。
次に、この発明による断熱エンジン構造の製造方法につ
いて、第４図、第５図及び第６図を参照して詳述する。
この断熱エンジン構造の製造方法については、金属製シ
ート15と断熱材19から成る薄板即ちシートを、窒化珪素
系等のセラミック製シリンダヘッド１のシリンダライナ
部３に形成された環状溝６に巻上げて構成するものであ
る。
まず、第１図及び第４図を参照して、この断熱エンジン
構造の製造方法の一実施例を説明する。金属製シート15
にチタン酸カリウム16′を主成分とした断熱材19をコー
ティングしたシートを、ロール20から繰り出し、この繰
り出されたシートを加熱装置21によって加熱し、金属製
シート15を熱膨張させた状態にする。次いで、加熱され
たシートを、窒化珪素系等のセラミック製の筒状シリン
ダヘッド１のシリンダライナ部３に形成された環状溝６
の外面にスパイラル状に重ねて巻上げ、最後にシートに
おける金属製シート15の端部をスポット溶接等によって
内側の金属製シート15に固着し、シリンダライナ部３の
外周面に断熱積層材４を設置する。シートの巻上げ後
に、金属製シート15は収縮し、それによって断熱積層材
４がシリンダライナ部３に圧縮力を作用させるように構
成される。それ故に、シリンダライナ部３、従ってシリ
ンダヘッドライナ１を高圧に耐える構造に構成すること
ができる。
次に、第１図及び第５図を参照して、この断熱エンジン
構造の製造方法の別の実施例を説明する。この断熱エン
ジン構造の製造方法については、断熱材19をチタン酸カ
リウム16と有機バインダ23とを混合した粘性状の混合物
24をノズル22から金属製シート15上に塗布して巻上げ、
シリンダライナ部３の外周面に断熱積層材19を設置する
ものである。その他の点については、上記実施例と同様
であるので、それらについての説明は省略する。
また、第１図及び第６図を参照して、この断熱エンジン
構造の製造方法の更に別の実施例を説明する。この断熱
エンジン構造の製造方法については、断熱材19がシート
25の場合であり、シート25と金属製シート15とを重ね合
わせながら巻上げ、シリンダライナ部３の外周面に断熱
積層材４を設置するものである。このシート25について
は、チタン酸カリウムウィスカー16を主成分として有機
バインダ23を混合してペーパ状に構成したシート25をア
ルミナファイバシートによって上下面を挟んで補強した
断熱材、或いはチタン酸カリウムウィスカー16を主成分
としてアルミナ短繊維であるアルミナファイバ17を混合
してペーパ状に構成した断熱材等がある。その他の点に
ついては、上記第１番目の実施例と同様であるので、そ
れらについての説明は省略する。
〔発明の効果〕
この発明による断熱エンジン構造及びその製造方法は、
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。
この出願の第１番目の発明による断熱エンジン構造は、
金属製シートとチタン酸カリウムを主成分とした断熱材
とを交互にスパイラル状に巻上げた断熱積層材を、窒化
珪素系等のセラミック製の筒状シリンダヘッドライナの
外面に圧縮力を作用させた状態で被覆したので、エンジ
ンの高温燃焼ガスに晒される前記シリンダヘッドライナ
におけるシリンダライナ部の肉厚を可及的に薄く形成す
ることができ、前記シリンダライナ部の熱容量を小さく
することができ、従ってエンジンの吸入効率を向上させ
ると共に、前記シリンダヘッドライナの耐圧性を向上さ
せる。
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行程及び排気行
程において、熱エネルギーが前記シリンダヘッドライナ
に保有されることなく、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、ほ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行程において、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、筒
内最高温度時に、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
装置に送り込み、該熱エネルギーを最大限に回収するこ
とができる。しかも、前記金属製シートによって断熱積
層材の剛性を高め、耐圧性を向上でき、更に前記断熱積
層材はチタン酸カリウムを主成分としているので優れた
断熱構造に構成でき、巻上げた前記断熱積層材が前記シ
リンダヘッドライナの環状溝内に収容され且つ前記断熱
積層材の両端面が露出していないので、前記断熱積層材
が前記シリンダヘッドライナから脱落するようなことが
なく、また前記断熱積層材は異なる材質で構成されてい
るので、金属と断熱材との反復によって熱伝導に反復時
の損失が生じ、断熱性を更に向上でき、しかも前記断熱
積層材に形成された空気層、即ち断熱材自体又は前記断
熱材と前記金属製シートとの接触部に形成された空気層
によって一層優れた断熱効果を得ることができ、熱エネ
ルギーを前記燃焼室に閉じ込めることができる。それ故
に、上記エネルギー回収装置によって、熱エネルギーを
有効に回収することができる。
また、この出願の第２番目の発明による断熱エンジン構
造の製造方法は、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。
この断熱エンジン構造の製造方法は、窒化珪素系等のセ
ラミック製の筒状シリンダヘッドライナの外面に、金属
製シートを加熱して熱膨張させた状態にし、その金属製
シート上に断熱材を重ねてスパイラル状に巻上げて構成
したので、巻上げ後に前記金属製シートの収縮によって
前記シリンダヘッドライナに圧縮力を簡単に作用させる
ことができ、前記シリンダヘッドライナは肉厚が可及的
に薄く構成されているにもかかわらず、高圧に耐える構
造に構成できる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明による断熱エンジン構造の一実施例を
示す断面図、第２図は第１図の線Ａ−Ａにおける断面
図、第３図は第２図の一部拡大断面図、第４図はこの発
明による断熱エンジン構造の製造方法の一実施例を説明
するための概略図、第５図はこの発明による断熱エンジ
ン構造の製造方法の別の実施例を説明するための概略
図、第６図はこの発明による断熱エンジン構造の製造方
法の更に別の実施例を説明するための概略図、及び第７
図は従来の断熱エンジンの構造を示す断面図である。 １……シリンダヘッドライナ、４……断熱積層材、５…
…燃焼室、７……ガスケット、８……ピストン、10……
断熱エンジン構造、15……金属製シート、16……チタン
酸カリウムウィスカー、17……アルミナファイバ、18…
…空気層、19……断熱材、23……有機バインダ、24……
混合物、25……シート。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】金属製シートとチタン酸カリウムを主成分
    とした断熱材とを交互にスパイラル状に巻上げた断熱積
    層材を、セラミック製の筒状シリンダヘッドライナの外
    面に圧縮力を作用させた状態で被覆したことを特徴とす
    る断熱エンジン構造。
  2. 【請求項２】前記シリンダヘッドライナの熱容量を小さ
    くするため肉厚を可及的に薄く構成したことを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項に記載の断熱エンジン構造。
  3. 【請求項３】前記巻上げた断熱積層材は前記シリンダヘ
    ッドライナの環状溝内に収容され、前記断熱積層材の両
    端面が露出していないことを特徴とする特許請求の範囲
    第１項に記載の断熱エンジン構造。
  4. 【請求項４】前記断熱積層材には空気層が形成されてい
    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
    エンジン構造。
  5. 【請求項５】前記断熱積層材は前記金属製シートに前記
    断熱材をコーティングしたものであることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項に記載の断熱エンジン構造。
  6. 【請求項６】前記断熱材はチタン酸カリウムと有機バイ
    ンダとの混合物であることを特徴とする特許請求の範囲
    第１項に記載の断熱エンジン構造。
  7. 【請求項７】前記断熱材はチタン酸カリウムペーパの上
    下面をアルミナファイバによって補強したシートである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の断熱エ
    ンジン構造。
  8. 【請求項８】前記断熱材はチタン酸カリウムウィスカー
    とアルミナファイバの混合物から成るシートであること
    を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の断熱エンジ
    ン構造。
  9. 【請求項９】前記断熱材はチタン酸カリウムウィスカー
    に発泡剤を混合したものであることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項に記載の断熱エンジン構造。
  10. 【請求項１０】セラミック製の筒状シリンダヘッドライ
    ナの外面に、金属製シートを加熱して熱膨張させた状態
    にし、その金属製シート状に断熱材を重ねてスパイラル
    状に巻上げ、巻上げ後に前記金属製シートの収縮によっ
    て前記シリンダヘッドライナに圧縮力を作用させたこと
    を特徴とする断熱エンジン構造の製造方法。
  11. 【請求項１１】前記金属製シートに前記断熱材をコーテ
    ィングしたことを特徴とする特許請求の範囲第10項に記
    載の断熱エンジン構造の製造方法。
  12. 【請求項１２】前記断熱材をチタン酸カリウムと有機バ
    インダとの混合物から構成し、該混合物をノズルから前
    記金属製シート上に塗布したことを特徴とする特許請求
    の範囲第10項に記載の断熱エンジン構造の製造方法。
  13. 【請求項１３】前記断熱材がシートの場合には、前記シ
    ートと前記金属製シートとを重ね合わせながら巻上げた
    ことを特徴とする特許請求の範囲第10項に記載の断熱エ
    ンジン構造の製造方法。
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