JPH07259642A - 断熱ポートライナー組立体 - Google Patents

断熱ポートライナー組立体

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JPH07259642A
JPH07259642A JP7036370A JP3637095A JPH07259642A JP H07259642 A JPH07259642 A JP H07259642A JP 7036370 A JP7036370 A JP 7036370A JP 3637095 A JP3637095 A JP 3637095A JP H07259642 A JPH07259642 A JP H07259642A
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port liner
liner assembly
layer
port
insulating material
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Michael H Haselkorn
エイチ ヘイゼルコーン マイケル
Michael C Long
シー ロング マイケル
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Caterpillar Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】安価で優れた断熱性能を有するポートライナー
組立体を得ること。 【構成】封入手段(84)は、高温に耐える性能のファイバ
ーグラス布でできている。ファイバーグラス布で断熱材
料層(80)を包み込んで封入し、ブランケット(88)を形成
する。ブランケットをキルティングしたパターン(90)に
縫い、複数のそれぞれのポケット(94)を形成する。ポー
トライナー(60)のセラミックの胴体(62)には、ブランケ
ットが巻き回されている。キルティングし縫ったパター
ンは、断熱材料層をそれぞれのポケットに分離すること
で、ポケットをそれぞれ保護する。もし、複数のポケッ
トの１つに損傷が起きても、断熱材料層は、残りの複数
のポケット内に無傷で残る。それゆえ、取り巻くポケッ
トはそれぞれの断熱材料層を保持し、ブランケットの耐
久性を増し、断熱層の寿命を伸ばす。 【効果】断熱材料層を致命的な損傷から保護することが
できるので、有効性が増し、熱損失の割合を減少させ、
その結果エンジンの効率が増加する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般には内燃エンジン
に使用するポートライナーに関し、より詳しくは熱損失
を減少させるためのポートライナーの断熱に関する。
【０００２】
【従来の技術】成田義則らによる1987年 6月30日の米国
特許第4,676,064 号に開示されている鋳物製の装置の断
熱ポートライナーは、セラミック材料で出来た管状のポ
ートライナー、ライナーの外表面に配置され、耐熱性繊
維でできた第１カバー層、及び第１カバー層の外表面に
配置され、鋳造金属の融点より低くない融点の金属でで
きた第２カバー層を含む。ポートライナーは、チタン酸
アルミニウム等の熱膨張係数が低く熱抵抗が高い材料で
できている。残念なことに、成田は、製造中のセラミッ
ク材料中の応力を制御する性能を含めなかった。さら
に、ポートライナーの端部の補助フランジのようなセラ
ミック材料をシリンダーヘッド内に支持する簡単な方法
はない。さらに、第１カバー層は支持されていないの
で、繊維が一般的なエンジンの振動にさらされると、耐
熱性繊維の縮みが起こる。この縮みの効果により、断熱
効果が制限される。内燃エンジンの排気通路を断熱する
装置と方法が、ベムラパリＤラオによる1980年 6月10日
の米国特許第4,206,598 号に開示されている。室温で加
硫したシリコンスリーブでできた外側ゾーン、打抜き後
にシーム溶接した高強度アルミ−クロム鋼合金でできた
内側ゾーン、セラミックウールマットでできた中間ゾー
ンからなる３ゾーンライナー組立体が、提供される。断
熱性セラミックウールマットでできた中間ゾーンは、シ
ーム溶接した金属の内側ゾーン内に入っていて、断熱材
を損傷から保護する。しかし、成田の特許と同様に、も
し溶接が破壊すると、断熱材が損傷を受ける場合があ
り、その結果断熱材が崩壊し、断熱層全体が破壊するこ
とになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
を解決することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の一態様では、内
燃エンジン用のポートライナー組立体が提供される。組
立体には、管状ポートライナーが含まれる。ポートライ
ナーは、外側表面と半径方向外側へ延びる環状フランジ
を有する胴体を含む。断熱材料層がほぼ外側表面を囲
む。断熱材料層を包み込む封入手段が備えられる。封入
手段は、熱抵抗性が高い断熱材でできている。本発明の
他の態様では、内燃エンジンのシリンダーヘッドに使う
ポートライナー組立体が提供される。シリンダーヘッド
はポートライナーの断熱材料と封入層の周りに形作られ
た鋳物でできている。本発明の他の態様は、内燃エンジ
ンに使う断熱ポートライナー組立体を作る方法に関す
る。本発明は、熱抵抗性の断熱材料内に入れた断熱性の
内部に封入された層を使うことで、熱損失を制限する簡
単で耐久性のある方法を提供し、エンジンの効率を高め
る。
【０００５】
【実施例】ボア16を形成するシリンダーブロック14を有
する内燃エンジン12を図１に示す。ボア16には、その中
にシリンダーライナー18が配置されている。シリンダー
ライナー18がシリンダーボア20を形成し、シリンダーヘ
ッド22は、外側取付け表面24とシリンダーボア20を閉じ
るような関係でシリンダーブロック14に付く内側取付け
表面26を有する。シリンダーヘッド22は、鋳鉄ででき、
好適な鋳造プロセスで形成することができる。ピストン
28がシリンダーボア20内に往復動可能に取り付けられ、
シリンダーヘッド22と共に可変容積燃焼室30を形成す
る。排気マニホルド32がシリンダーヘッド22に着脱可能
に取り付けられ、又取付け表面34を有する。排気ガスケ
ット36又は好適なシーリング手段が、シリンダーヘッド
22の外側取付け表面24と排気マニホルド32の取付け表面
34の間に複数のボルト（２つを37と38で示す）で取り付
けられている。シリンダーヘッド22内に、吸気ポート40
と排気ポート42が形成されている。少なくとも排気ポー
ト42の一部は、燃焼室30と排気マニホルド32の間を延び
るほぼ円筒形の壁44を有し、これらの間を流体接続させ
る。通常開位置と閉位置を有する吸気弁46と排気弁48
が、それぞれ吸気ポートと排気ポート40,42 の中に配置
されている。吸気ポート40が、エンジン12の吸入サイク
ルの間、吸入空気を燃焼室30へ流通させる。排気ポート
42が、エンジン12の排気サイクルの間、燃焼室30から出
る排気空気を流通させる。ターボチャージャー（図示せ
ず）が、排気ポート42及び燃焼室30と吸入空気の間の吸
気ポート40に接続されている。
【０００６】ポートライナー組立体50を図１，２に示
し、シリンダーヘッド22内に置かれて鋳造されている。
ポートライナー組立体50は、排気ポートライナー60を含
み、該排気ポートライナーは、排気ポート42内に配置さ
れ、円筒壁44に沿って延びる円筒形の胴体62を有する。
円筒形の胴体62は外側表面64を有し、窒化珪素、シリコ
ン−アルミニウム−オキシ−ナイトライド（Silicon-al
minum-oxy-nitride SiALON）、又は窒化アルミニウム等
の熱膨張係数が低く熱導電率が高い構造用セラミックで
できている。熱膨張係数は３から５×１０6 ／℃の範囲
内で、熱導電性は１５〜１５０Ｗ／Ｍ°Ｋの範囲である
必要がある。環状フランジ66が胴体62に付き、胴体62か
ら円筒壁44を通り、シリンダーヘッド22内に所定の距離
だけ、半径方向外側に延びる。環状フランジ66は、ステ
ンレス鋼のような熱膨張係数の高い材料でできていて、
ロー付け又はプレス嵌めのような好適な手段で胴体62に
取り付けられている。フランジ66は鋳造プロセス中にシ
リンダーヘッド22と化学結合を生ぜずに一体になり、排
気ポートライナー60を排気ポート42内に支持する。胴体
62は排気ポート42の円筒壁44から所定の距離だけ離れて
いる。シリンダーの円筒壁44に近接して、外に延びる環
状リップ72が胴体62に取り付けられ、排気ポートライナ
ー60とシリンダーヘッド22の間にほぼ囲われたスペース
76が形成される。環状リップ72は、ステンレス鋼のよう
な熱膨張係数の高い材料でできていて、ロー付け又はプ
レス嵌めのような好適な手段で胴体62に取り付けられて
いる。
【０００７】ここに開示した円筒壁44と胴体62は円筒形
であるが、矩形、正方形、楕円その他のどのような好適
な幾何学的な形にしてもよいことが分かるであろう。ま
た、ポートライナー60の位置は、排気ポート42に限ら
ず、吸気ポート40のような他の位置でもよいことが分か
るであろう。環状リップ72、環状フランジ66、及び胴体
62は、一部品として一体で鋳造しても、別部品として加
工しても、鋳造と加工工程の組み合わせで製造してもよ
い。断熱材料層80を図１〜３に示すが、より詳しくは図
３に示し、囲われたスペース76内に配置され、ほぼ外側
表面64を囲い、ポートライナー60の円筒形胴体62を覆
う。断熱材料層80は、繊維端部の玉の少ないアルミノ珪
酸塩の繊維又は粉末、ミネラルウール、耐熱セラミック
繊維のような断熱材料を含み、アルミノ珪酸塩が好まし
い。２方向編みファイバーグラスのような断熱材料でで
きた封入手段84が、断熱材料層80を内部に包み込むのに
使われる。封入手段84は、1400℃を超える鋳造温度に耐
えられるファイバーグラス布でできている必要がある。
断熱材料層80は、内側材料層を形成し、織りファイバー
グラス84が外側材料層を形成する。断熱材料層80とファ
イバーグラス84でできた内側材料と外側材料層が、それ
ぞれ断熱ブランケット88を形成するのに使われる。ブラ
ンケット88は約0.25インチ(6.35mm)から0.325 インチ
(8.26mm)の範囲の厚さである。ブランケット88はキルテ
ィングしたパターン90に縫われ、複数のそれぞれの分離
したポケット94を形成する。
【０００８】保護材料層100 をブランケット88の周囲に
形成し、さらに内側の断熱材料層80を保護するようにし
てもよい。保護材料層100 はどのような好適な材料でで
も作ることができるが、ステンレス鋼ホイルが好まし
い。使用において、燃焼で発生した高温の排気ガスは、
内燃エンジン12の排気工程で放出される。排気ガスは、
排気弁48が開位置にあるとき燃焼室30から排気ポート42
へ通じる。高温排気ガスから生じる熱が排気マニホルド
32に入る前に排気ポート42内に保持され、より多くの熱
エネルギーがターボチャージャー（図示せず）に供給さ
れ、より大きなエンジン効率が得られることが重要であ
る。さらに、冷却水に放熱される熱が減少することによ
り、冷却システムの必要条件が緩和される。セラミック
の断熱材料層80の内側層がファイバーグラス84の外側層
内に内部に封入して、ブランケット88を形成する。ファ
イバーグラス84は、鋳造プロセスの高温とそれに続く排
気ガス温度に耐えることができなければならない。ブラ
ンケット88はキルティングしたパターン90に縫われ、断
熱材料をそれぞれのポケット94に分離する。ブランケッ
ト88は、ポートライナー60のセラミック胴体62の外側表
面64に巻き回され、ポートライナー組立体50を形成す
る。
【０００９】ポートライナー組立体50は、次にシリンダ
ーヘッド22内に置かれて鋳造される。鋳鉄とポートライ
ナー組立体50の間の熱膨張係数が大きく異なるので、鋳
造工程中に応力が発生する。熱膨張係数が違うので、胴
体62のセラミック材料が損傷を受ける場合がある。しか
し、本発明ではセラミックの胴体62の損傷は実質的に減
少する。これは、鋼のリップ72とフランジ66が、溶融し
た鉄に加熱されるとき、セラミック胴体62から伸びて離
れることにより、セラミック胴体62の端部に発生する応
力を減少させて達成される。鋳物が冷却するとき、リッ
プ72とフランジ66が、セラミック胴体62の周りで縮んで
それを支持する。セラミック胴体62は冷却プロセスで固
くは固定されていないので、セラミック胴体62内で応力
が減少し、損傷を起こさないように保護する。ブランケ
ット88は、溶融した鉄がセラミック胴体62に接触しない
ようにすることで、セラミック胴体62の残りを鋳造応力
と熱衝撃から保護する。溶融した鉄はセラミック胴体62
と直接は接触しないが、なお熱がリップ72とフランジ66
を通ってセラミック胴体62へ伝わる。高熱伝導性のセラ
ミック胴体62が、迅速で均一にこの熱を放熱し、また熱
膨張係数が低いため、セラミック胴体62の熱衝撃応力は
減少する。さらに、セラミック胴体62は、通常のエンジ
ンの運転の間に起こる熱サイクルによりよく耐えること
ができる。これは、冷却器を通る排気温度、冷却水温度
で、セラミック胴体62が鋳鉄と同じ全熱膨張率を有する
ようにすることで達成できる。セラミック胴体62が鋳鉄
と同じ熱膨張率を保持することで、ポートライナー60の
耐久性が増す。
【００１０】キルティングし縫ったパターン90は、断熱
材料層80を複数のそれぞれのポケット94に分離すること
で、ポケット94をそれぞれ支持し保護する。もし、複数
のポケット94の１つに損傷が起こると、内側の断熱材料
層80は、残りの複数のポケット94内では無傷で残る。そ
れゆえ、取り巻くポケット94はそれぞれの内側の断熱材
料層80を保持し、ブランケット88の耐久性を増し、断熱
材料層80の寿命を伸ばす。断熱材料層80を致命的な損傷
から保護する能力があるので、有効性が増し、熱損失の
割合が減少する。熱損失の割合が減少すると、排気ガス
中の熱エネルギーを保持し、ターボチャージャー（図示
せず）を速い速度で駆動し、入ってくる空気の圧力が増
加し、エンジンの効率が増加する。以上から、本発明は
熱抵抗性の断熱材料内に断熱材料層を包み込む封入手段
を提供し、熱損失を制限する簡単で経済的な方法を提供
し、エンジン効率を高めることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃エンジンの一部の断面図である。
【図２】図１の線２で囲まれた領域の拡大図である。
【図３】本発明の一部を示す概略図である。
【符号の説明】
１２・・エンジン １４・・シリンダーブロック １６・・ボア １８・・シリンダーライナー ２０・・シリンダーボア ２２・・シリンダーヘッド ２４・・外側取付け表面 ２６・・内側取付け表面 ２８・・ピストン ３０・・燃焼室 ３２・・排気マニホルド ３４・・取付け表面 ３６・・排気ガスケット ３７，３８・・ボルト ４０・・吸気ポート ４２・・排気ポート ４４・・円筒壁 ４６・・吸気弁 ４８・・排気弁 ５０・・ポートライナー組立体 ６０・・ポートライナー ６２・・胴体 ６４・・外側表面 ６６・・環状フランジ ７２・・環状リップ ７６・・スペース ８０・・断熱材料層 ８４・・封入手段 ８８・・ブランケット ９０・・パターン ９４・・ポケット １００・・保護材料層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル シー ロング アメリカ合衆国 イリノイ州 61614 ピ オーリア ウェスト リヴィエラ ドライ ヴ 2310

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 外側表面(24)と半径方向外側へ延びる環
    状フランジ(66)を有する胴体(62)を含む環状ポートライ
    ナー(60)、 前記外側表面をほぼ取り囲む断熱材料層(80)、及び、 高い熱抵抗性を有する断熱材料でできた、前記断熱材料
    層の全体を包み込む封入手段(84)、を備える内燃エンジ
    ン(12)用のポートライナー組立体(50)。
  2. 【請求項２】 前記フランジが前記胴体に取り付けら
    れ、リップ(72)が前記胴体の前記フランジと反対側に取
    り付けられていることを特徴とする請求項１記載のポー
    トライナー組立体。
  3. 【請求項３】 前記封入手段の断熱材料は、ファイバー
    グラス布であることを特徴とする請求項２記載のポート
    ライナー組立体。
  4. 【請求項４】 前記胴体が、熱膨張係数が低く熱伝導性
    が高いセラミック材料でできていることを特徴とする請
    求項３記載のポートライナー組立体。
  5. 【請求項５】 前記フランジと前記リップは、前記胴体
    の材料より熱膨張係数が高い材料でできていることを特
    徴とする請求項４記載のポートライナー組立体。
  6. 【請求項６】 前記フランジと前記リップは、ステンレ
    ス鋼でできていることを特徴とする請求項５記載のポー
    トライナー組立体。
  7. 【請求項７】 前記封入手段と前記断熱材料層が結合し
    て、前記外側表面に着脱可能に適合するブランケット(8
    8)を形成することを特徴とする請求項１記載のポートラ
    イナー組立体。
  8. 【請求項８】 前記ブランケットが、キルティングした
    パターン(90)に縫われ、複数のポケット(94)を形成する
    ことを特徴とする請求項７記載のポートライナー組立
    体。
  9. 【請求項９】 前記ブランケットの周りに保護材料層(1
    00) が形成されていることを特徴とする請求項８記載の
    ポートライナー組立体。
  10. 【請求項１０】 前記保護材料層は、ステンレス鋼ホイ
    ルであることを特徴とする請求項９記載のポートライナ
    ー組立体。
  11. 【請求項１１】 前記胴体が、熱膨張係数が低く熱伝導
    性が高いセラミック材料でできていることを特徴とする
    請求項１０記載のポートライナー組立体。
  12. 【請求項１２】 前記断熱材料層は、アルミノ珪酸塩、
    ミネラルウール、耐熱性繊維でできていることを特徴と
    する請求項１記載のポートライナー組立体。
  13. 【請求項１３】 前記断熱材料層は、ほぼ繊維端部の玉
    のないアルミノ珪酸塩でできていることを特徴とする請
    求項１２記載のポートライナー組立体。
  14. 【請求項１４】 環状ポートライナーを形成し、 前記ポートライナー外側表面を実質的にセラミック繊維
    を含む断熱材料層で覆い、 前記断熱材料層を、熱抵抗性の高い織成ファイバーグラ
    ス材料により、封入する、ステップを備える内燃エンジ
    ン用の断熱性ポートライナー組立体を製造する方法。
  15. 【請求項１５】 環状ポートライナーを形成するステッ
    プは、 熱膨張係数が低く熱伝導性が高い構造用セラミックを含
    む材料で胴体を形成し、 前記胴体の端部に熱膨張係数が高い材料でできたフラン
    ジを取り付け、 前記フランジの反対側の端部に熱膨張係数が高い材料で
    できたリップを取り付けるステップを含む、請求項１４
    記載の断熱性ポートライナー組立体を製造する方法。
  16. 【請求項１６】 織成ファイバーグラス材料をキルティ
    ングしたパターンに縫い、複数のポケットを形成するス
    テップを含む、請求項１５記載の断熱性ポートライナー
    組立体を製造する方法。
  17. 【請求項１７】 織成ファイバーグラス材料をステンレ
    ス鋼ホイルでできた保護材料層で覆うステップを含む、
    請求項１６記載の断熱性ポートライナー組立体を製造す
    る方法。
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