JPS61500860A - セラミツクライナ−を収容する様にエンジンの燃焼室を改変する方法および装置 - 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】 セラミックライカーな収容する様：Ｃエンノンの燃焼室な改変する方法および装 置 本発明は、断熱要素としてセラミックを使用し内燃機関の構成要素を製作する技 術に関する。

内燃機関のシリンダ壁およびヘラＰの高温面は、エンジンハウシングの断熱性能 な改善するためにセラミックベースの材料によって内張すされる。例えば、米国 特許第４，３４１，８２６号では、該技術は、炭化硅素線維補強のセラミックま たはプラスの混合物から形成されるエンジン部品の製造を教示する。本来、セラ ミックは、ヘッドの高温面と同様にシリンダ壁のライナーとして使用され、ピス トンの上側面に使用されてもよく、これ等の面は、代表的な内燃機関の燃焼室の 臨界的に加熱されるｆｆ１Ｋ該当する。他の例として、米国特許第４，２４５， ６１１号では、アルミニウムのピストンは、その高温上側面の断熱性能を改善す るためにセラミックで被覆される。

上述の従来技術の解決方法は、Ｉａ）　ピストンに装着される金属シールリング が、シリンダ壁のライナーとして使用される際のセラミックに対して適当に苫封 するのカー不能であり、ｔｂ）セラミックがピストンだ被覆される際に該被覆が 唾めて厚くなげ７−Ｌは、アルミニウムのピストンの高温面が、不充分に断熱さ ｎ、該被覆の色めて厚（・ことが、アルミニウムの支持ピストンに関連する割れ および差異熱膨張に寄与するため、完全、て好結果ではなかった。

必要なものは、現存ないし通常の内燃機関）・ウジングが、セラミック祈熱部材 を収容する様に改変可能であり、これてより、ピストンのシールリングが、金属 シリンダ壁に対して当接するのを継続し、セラミックの断熱性能が、ピストンに おける使用によって害されない方法である。

本発明は、セラミックを収容する様に通常の内燃機関を改変する方法と、その結 果得られる改変された装置とである。該エンジンは、ボア開口部を限定する壁を 有する通常のエンジンブロックと、エンジンヘッドと、該ボア開口部内のピスト ンとを備え、該ピストンは、燃焼室を限定する様にエンジンゾロツクおよびヘッ ドと共に協働する上部およびシールリングを有している。該方法の手順は、販） 延長部材をエンジンブロックに結合し、該延長部材が、エンジンブロックのボア 開口部に整合するが該開口部よりも大きいボア開ロ部？：限定する壁を有し、該 延長部材が、ピストンの軸方向ストロークのかなりな部分に等しいか、または該 部分よりも大きい高さな有し、（ｂ）ボア開口部を限定する延長部材の壁にほぼ 軸方向に整合する半径方向外側面を有する環状肩を形成する様；７＋：ざア開ロ 部を限定するエンジンブロックの壁の上部の直径を拡大し、（Ｃ１延長部材の膣 壁と該ブロックの鉄屑の半径方向外側面との両者に共通に沿って円筒形セラミッ クライカーＹＷ定し、該ライナーが、約３．６　Ｘ　１０−’　３／個／’Ｃ（ ２，Ｏｘ　１Ｑ−’　ｉｎ／　ｉｎ／下）までだけブロックの熱膨張係数と：家 具なる熱膨張係数を有する材料から成り、は）延長部材の有効高さに相応する距 離だけ有効なピストン上部を延長する様忙ピストンの上部にキャップを取付ける ことを包含する。

好ましくは、金属スリーブは、−円筒形セラミックライナーを延長部材の壁との 間に圧入され、少くとも７．０３１　Ｋｐ；７ｃｍ”　（１００，０００ｐｓ＝ 　）の引張り強さと、セラミックスリーブおよび延長部材の材料の熱膨張係数の 中間の熱膨張係数とを有する材料から成る。有利に、金属スリープは、４００シ リーズのステンレス鋼から成り、セラミックライナーは、ジルコニアおよびアル ミナから選択される材料から成り、延長部材およびゾロツクの各々は、＠鉄から 成る。

好ましくは、キャップは、セラミックフェーシングを装着し、該セラミックフェ ーシングとピストンとの間に捕捉される空気間隙を限定する。該キャップは、好 ましくは、約３．６　Ｘ　１０−’　ｃｍ／彌／’Ｃ（２，ＯＸ　１０−’ｉｎ 　／　ｉｎ　／″Ｆ）ｔでだけセラミックフェーシングの熱形５張係数とは異な る熱膨張係数を有する材料から成る。

該キャップー家、好ましくは、ピストンの側部に撃合する側壁な有する態様で固 硫されろ。

有゛利に、セラミックフェーシングおよびセラミックライナーは、１９．０５鵬 （０，７５’）以下、最適にはさは、燃焼室の断熱性能の所望の変化を促進する 様て変更される。

好ましくは、ピストンのシールリングの各々は、以前の様にエンジンブロックの 同一部分に係合するのを′ａ！続する。：＠定されたライナーおよび取付けられ たキャップは、エンジンの運転中、少くとも５５．６℃（１００″Ｆ）だけ燃焼 室のピーク運転温度の上昇を容易忙する。

セラミック７エーシングとピストンとの間に捕捉される空気間隙は、好ましくは 、約１．２７鵡から７６．２ｍ　（０，０５’から３．０’）の高さの寸法と、 ピスト／の直径の少くとも７５チの直径とを有している。

本発明の装置（家、本質的に、ざア開ロ部を限定する壁のあるゾロツクを有する エンジン・・ウジングと、エンジンヘッドと、該ボア開口部内のピストンとを備 え、該ピストンが、該ゾロツクおよびヘラｒと共に燃焼室を限定する様に協働す る上部およびソールリング？有し、前記ブロックの壁が、前記ボア開口部を拡大 する環状溝をその上端に有し、該溝が、半径方向外側の円筒形面を・艮定し、更 に、＋ｂ＋前記ブロックのボア開口部に整合するが該開口部よりも大きいボア開 口部を限定する璧を有し該ブロックに結合される延長部材を備え、該延長部材の 壁が、該ブロックの前記半径方向外側の円筒形面にほぼ軸方向に督合し、更に、 （Ｃ１該延長部材の壁と該ブロックの半径方向外側の円筒形面とに沿って固定さ れるセラミックライナーを備え、該ライナーが、約３．６Ｘ　１０−””／傭／ ”Ｃ（２−ＯＸ　１０−’　ｉｎ／ｉｒ１／”Ｆ）までだけ該ブロックの熱膨張 係数とは異なる熱膨張係数を有する材料から成り、更に、（ｄｌ前記延長部材の 有効高さに相応する距離だけ有効なピストン上部を延長する様に、前記ピストン て取付けられるキャップを備えている。

図　面　の　要　約 第１図は、エンジン・・ウジング内で作用可能なぎストンを有し本発明によって 改変された内燃機関の中心断荀の立面図である。

発明を実施するための最良の形態 本発明は、通常の内燃機関の燃焼室を一層効果的に断熱して機関の効率を向上す るためにセラミック材料を収容する様に該機関？改変する方法：である。エンジ ンの通常の部分は、第１図１′Ｃ示す様に、所定の内径１２を有する円筒形メア 開口部１１を限定する藍を備える鉄ベースのエンジンブロック１０を包含する。

ブロック１０は、ざア開ロ部１１のまわつでブロック１０の軸方向長さに沿って タエびる様ンζ配璽される内部冷却チャンネル１３を有している。好ましくは、 冷却チャンネル１３は、ボア開口部１１の壁のと部層１４て隣接して増大する金 属を与える様に上部類１３ａにおいて狭くされる。エンジンのヘッド１５は、エ ンジンブロックのボア開口部１１にわたって延びる面１６゛を与えろ金属部材（ アルミニウムの様な）である。

ピストン１７）工、エフアル（ａｃｉａｌ　）ストロークを限定する上下の位置 の間を往復運動する様にボア開口部１１内に作用可徒：Ｃ装着される。該ピスト ンは、燃焼室を限定する様にエンジンブロック１０およびヘラＶ１５と共に協働 する分割された環状シールリング１８を装着する。ピストンの下の往復運動位賃 （工、燃焼室の最大体積を限定し、上の位置は、燃尭室の最小圧縮体積を限定す る。ぎストン１７は、通常、アルミニウムまたはアルミニウム合金で作られ、溝 １９に収容される分割されたシールリング１８は、エンジンブロックのボアの内 側面１１と相互に摺動係合して支持される。

現存の鋳鉄エンジンブロック１０は、最初に鋳鉄延長部材２０を２２において該 ブロックに冶金的に結合することによって変形される。延長部材２０は、第１゜ 図に示す様に、エンジンブロックのｆア開ロ部１１を・　限定する対応する壁に 整合して膣壁よりも大きいゼア開口部２１を限定する壁を有している。延長部材 ２０のボア開口部２１は、５．０８膓から２５．４１Ｂ　（０，２’から１．０ ’）までの範囲の寸法だけボア開口部１１の直径よりも大きい直径を有している 。該延長ブロックは、ピストンの軸方向ストロークのかなりな部分に等しいか、 または該部分よりも大きい高さを有している。該延長ゾロツクは、好ましくは、 鑞付けによって現存するブロックに結合される。

次に、延長ブロック２０およびエンジンブロック１００組立体は、機械加工操作 を受け、これにより、エンジンブロックのボア開口部１１の壁の上部の直径は、 延長部材のボア開口部２１の壁にほぼ軸方向で整合する半径方向の外側面２３ａ と、半径方向へ延びる平坦面２３ｂとな有する肩２３を形成する直径２４に拡大 される。肩１３の深さは、１２．７腸から２５．４襲（０，５″から１．０’） までの範囲内であるが、ピストンリ。

ング１８がビストンストロークの際に肩の空間に遭遇ズのステンレス鋼から成る ）は、肩２３て向って挿入され、壁２１および面２３ａに焼き嵌めまたは圧入さ れる外側面２５ａを有している。セラミックシリンダないしスリーブ２６は、ス リーブ２５にしつくり挿入され、ボア開口部１１の内側後ないし面に一致な（・ し軸方向に整合する内ｆｉ１Ｎないし面２６ａ’に有する様に寸法を与えられる 。

セラミックシリンダは、９．０−１０．０８　ｘ　１０−’傭／”／’Ｃ（５− ０−５−６×１０−’　ｉｎ／　ｉｎ／’Ｆ、）の熱膨張係数を与える様にセラ ミックに対して高い熱膨張Ｃ数を有し従ってアルミナおよびジルコニアから選択 される材料から成る。セラミックスリーグの熱膨張係数は、３．６　Ｘ　１０− ’　−／　”／’Ｃ（２，ＯＸ　ｉ　Ｏ−’　ｉｎ　／　ｉｎ／′Ｆ）以上に支 持部材の熱膨張係数と異ってはならない。ここではスリーブ２５である直接の支 持部材は、好ましくは、約１０．０８ｘ　１０−’　ｍ／け／’Ｃ（５，６Ｘｌ 　０−６ｉｎ　／　１ｎ　／　’Ｆ　）の熱膨張Ｃ４数な有する４００シリーズ のステンレス列から成る。特定の場合には、ブロックの構造が隣接するざア間で ある材料の塊の高温を抑制すれば、鋳鉄延長部材て直接にセラミックスリーブを 配置する三とが可能である。これは、大抵の場合に実施不能であり、従って、熱 的応力を軽減する様にセラミックスリープと鋳鉄延長部材との間に金属スリーブ ２５を使用することが必要である。４００ンリーズのステンレス鋼は、単に鋳鉄 （１１，５２Ｘ　１０−’ｃｍ／ｃｍ／’Ｃ（６−４Ｘ　１０−’　ｉｎ／　＝ ｎ／’Ｆ　）　）よりも僅かに小さいＭ膨Ｈｍ数（１０，０８Ｘ　１０−’　ｆ ｆｉ／ｆｆｉ／℃（５，６Ｘ　Ｉ　Ｑ−’　ｉｎ／　ｔｎ／下）〕を有している が、鋳鉄の約２．１０９３１ｆＰ／ｃｌＩ２（３０，０００ｐｓｉ　）　Ｋａぎ ない引張り強さの反対に著しく大きい引張り強さ〔約９．１４０１ｒＰ／”２（ １３０，０ＣＩＯｐｓｘ　）　）を有している。一層強いステンレス鋼スリーブ は、エンジンの運転中、セラミックスリーブを圧縮状態江保持し、セラミックを 破砕しようとするブロックの応力に反作用する。この現象は、ブロックの材料の 塊が非常に薄く、従って金属の温度がかなり高くなる隣接するビア間の領域で特 に著しい。

延長部材の高さは、セラミックスリープの断熱性能の所望の変化を促進し、これ Ｋより、燃虜室の４熱性・能の所望の変化な促進する様に、変更されてもよい。

延長部材の高さは、ピストンに装着されるシールリングがチャンネル１３によっ て冷却される現存のブロック１００部分に滑り係合を継続するのを可能くする様 に定められねばならない。

ピストンの改変 金属延長キャップ３ｏは、ピストン１７．０上部に３１において取付けられる。

該キャップは、その上側面３Ｑａの凹所においてセラミックフェーシングないし 円板３２を支持する。該フェーシングのセラミックは、ジルコニアおよびアルミ ナから成るグループから選択され、該セラミックフェーシングは、１９．０５易 （０，７５’）以下の厚さ３６を有している。該キャップは、ピストンの側壁に 沿って下方へ延び該ｉｇＩＩ壁に重なる円筒形壁３３を有する櫟に構成されろ。

また、該キャンプは、セラミックフェーシングに対する凹んだ開口部を限定する 環状リップ３５を有している。壁３３は、その外径３８がピストンの外径３７に 相応する様てピストンの縮小部分ないし頂部分に取付けられる。

第１図に示す位置に設置されるとき、ピストンの延長キャップは、キャップのウ ェブ３０ｂと現存ピストンの上４面４０との間に捕捉される空気間隙３９を限定 する。該キャップは、延長ブロックの高さに相応する高さを有し、間隙３９が１ ．２７１１から７６．２ｍ（０゜０５’カら３．０’）の高さと、ピストンの直 径の７５チから９８−の直径とを有するのを容易にする。

国際調査報告 −一鳴一Φ−ｊＡ＃ｔｈＪ１１ＭＩｋ、ｐ（Ｔ／ＩＪＳａコ／　０２Ｃ４０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ポア開口部を限定する壁を有するエンジンブロツクと，エンジンヘツドと， 前記ポア開口部内のピストンとを備え，該ピストンが、燃焼室を限定する様に前 記エンジンブロツクおよびヘツドと共に協働する上部およびシールリングを有す る通常の内燃機関をセラミツクを収容する様に改変する方法において，（ａ）． 前記エンジンブロツクに延長部材を結合し、該延長部材が、該エンジンブロツク のポア開口部に整合するが該開口部よりも大きいポア開口部を限定する壁を有し ， （ｂ）ポア開口部を限定する延長部材の該壁にほぼ軸方向に整合する半径方向外 側面を有する環状肩を形成する様にポア開口部を限定する該エンジンブロツクの 前記壁の上部の直径を拡大し， （ｃ）該延長部材の壁と、該ブロツクの肩の半径方向外側面との両者に共通に沿 つて円筒形セラミツクライナ一固定し，該ライナーが、３．６＊１０−６ｃｍ／ ｃｍ／℃（２．０＊１０−６ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）までだけ該ブロツクの熱膨脹係 数とは異なる熱膨脹係数を有する材料から成り， （ｄ）前記延長部材の有効高さに相応する距離だげ有効なピストン上部を延長す る様に前記ピストンの上部にキヤツプを取付ける 手順を備える方法。 ２．前記延長部材の高さが、前記ピストンの軸方向ストロークに相応する請求の 範囲第１項に記載の方法。 ３．金属スリーブが、前記円筒形セラミツクライナーと前記延長部材の壁との間 に圧入され、少くとも７．０３１ｋｇ／ｃｍ２（１００，０００ｐｓｉ）の引張 り強さと，該セラミツクスリーブおよび延長部材の材料の熱膨脹係数の中間の熱 脹係数とを有する材料から成る請求の範囲第１項に記載の方法。 ４．前記金属スリーブが、４００シリーズのステンレス鋼から成る請求の範囲第 ３項に記載の方法。 ５．前記セラミツクライナーが、アルミナおよびジルコニアから選択される材料 から成り，前記エンジンブロツクおよび延長部材の各々が、鋳鉄から成る請求の 範囲第１項に記載の方法。 ６．前記キヤツプが、セラミツクフエーシングを装着する様に形成され、該セラ ミツクフエーシングと前記ピストンとの間に捕捉され空気間を限定し、約３．６ ＊１０−６ｃｍ／ｃｍ／℃（２．０＊１０−６ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）までだけ該セ ラミツクフエーシングの熱膨脹係数とは異なる熱膨脹係数を有する材料から成る 請求の範囲第１項に記載の方法。 ７．前記キヤツプが、前記ピストンの側部に整合する側壁を有する態様で固定さ れる請求の範囲第６項に記載の方法。 ８．前記延長部材が、前記エンジンブロツクに冶金的に結合される請求の範囲第 １項に記載の方法。 ９．ポア開口部を限定する壁を有するエンジンブロツクと、エンジンヘツドと， 前記ポア閉口部内のピストンとを備え、該ピストンが、燃焼室を限定する様に前 記エンジンブロツクおよびヘツドと共に協働する上部およびシールリングを有す る通常の内燃機関をセラミツクを収容する様に改変する方法において，（ａ）延 長部材を前記エンジンブロツクに結合し，該延長部材が、該エンジンブロツクの ボア開口部に整合するが該開口部よりも大きいポア開口部を限定する壁を有し、 該延長部材が、前記ピストンの軸方向ストロークのかなりな部分に等しいか、ま たは該部分よりも大きい高さを有し， （ｂ）ポア開口部を限定する該延長部材の壁にほぼ軸方向に整合する半径方向外 側面を有する環状肩を形成する様にポア開口部を限定する前記エンジンブロツク の壁の上部の直径を拡大し， （ｃ）該延長部材の壁と、該ブロツクの肩の半径方向外側面との両者に共通に沿 つて円筒形セラミツクライナーを固定し、該円筒形セラミツクライナーが、ポア 開口部を限定する該ブロツクの壁に整合する半径方向内側面を有し， （ｄ）セラミツクフエーシングを有するキヤツプを前記ピストンの上部に取付け ，該キヤツプが、前記延長部材の有効高さに相応する距離だけ該ピストンより上 に該セラミツクフエーシングを装着する様な有効高さを有し、該セラミツクフエ ーシングと該ピストンとの間に捕捉される空気間を限定する 方法。 １０．前記キヤツプが、前記ピストンの側部に整合する側壁を有する様に固定さ れる請求の範囲第９項に記載の方法。 １１．前記セラミツクフエーシングおよびセラミツクライナーが、１９．０５■ （０．７５′）以下の厚さを有する請求の範囲第９項に記載の方法。 １２．前記ブロツク延長部材の高さが、前記燃焼室の断熱性能の所望の変化を促 進する様に変更される請求の範囲第９項に記載の方法。 １３．前記エンジンピストンのシールリングの各々が、前記エンジンブロツクの みに係合するのを継続する請求の範囲第９項に記載の方法。 １４．前記固定されたライナーおよび取付けられたキヤツプが、エンジンの運転 中、少くとも５５．６℃（１００°Ｆ）だけ前記燃焼室のピーク運転温度の上昇 を容易にする請求の範囲第９項に記載の方法。 １５．前記セラミツクフエーシングとピストンとの間に捕される空間が、１．２ ７■から７６．２■（００５”から３．０”）の高さの寸法と、該ピストンの直 径の少くとも７５％の直径とを有する請求の範囲第９項に記載の方法。 １６．セラミツクフエーシング材料を収容する様に改変される通常のエンジン装 置において，（ａ）ポア開口部を限定する壁のあるブロツクを有するエンジンハ ウジングと、エンジンヘツドと、該ポア開口部内のピストンとを備え、該ピスト ンが、該プロツクおよびヘツドと共に燃焼室を限定する様に協働する上部および シールリングを有し，前記ブロツク壁が、前記ポア開口部を拡大する環状溝をそ の上端に有し、該溝が、半径方向外側の円筒形面を限定し，更に，（ｂ）該ブロ ツクのポア開口部に整合するが、該開口部よりも大きいポア開口部を限定する壁 を有し該プロツクに結合される延長部材を備え、該延長部材の壁が、該ブロツク の前記半径方向外側の円筒形面にほぼ軸方向に整合され，更に， （ｃ）該延長部材の壁および該ブロツクの半径方向外側の円筒形面に沿つて固定 されるセラミツクライナーを備え，該ライナーが、約３．６＊１０−６ｃｍ／ｃ ｍ／℃（２．０＊１０−６ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）までだけ該ブロツクの熱膨脹係数 とは異なる熱膨脹係数を有する材料から成り，更に， （ｄ）前記延長部材の有効高さに相応する距離だけ有効なピストン上部を延長す る様に前記ピストンに取付げられるキヤツプを備える エンジン装置。 １７．前記延長部材の高さが、前記ピストンの軸方向ストロークに相応する請求 の範囲第１６項に記載の装置。 １８．金属スリーブが、前記円筒形セラミツクライナーと前記延長部材の壁との 間に圧入され、少くとも７．０３１Ｋｇ／ｃｍ２（１００，００ｐｓｉ）の引張 り強さと、該セラミツクスリーブおよび延長部材の材料の熱膨脹係数の中間の熱 膨脹係数とを有する材料から成る請求の範囲第１６項に記載の方法。 １９．前記金属スリーブが、４００シリーズのステンレス鋼から成る請求の範囲 第１８項に記載の方法。 ２０．前記セラミツクライナーが、アルミナおよびジルコニアから選択される材 料から成り，前記エンジンブロツクおよび延長部材の各々が、鋳鉄から成る請求 の範囲第１６項に記載の方法。 ２１．前記キヤツプが、セラミツクフエーシングを装着する様に形成され、該セ ラミツクフエーシングと前記ピストンとの間に捕捉される空気空間を限定し、約 ３．６＊１０−６ｃｍ／ｃｍ／℃（２．Ｏ＊ｌＯ−６ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）までだ け該セラミツクフエーシングの熱膨脹係数とは異なる熱膨脹係数を有する材料か ら成る請求の範囲第１６項に記載の方法。 ２２，前記セラミツクフエーシングおよびセラミツクライナーが、１９．０５■ （０．７５”）以下の厚さを有する請求の範囲第２１項に記載の方法。