JPH0357818A - 副室の断熱構造 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、副室の断熱構造に関する．〔従来の技術〕 従来、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
ック製の円筒に、圧粉戒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威すべき断熱室の形状と略同等な
形状に戒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．また、ディーゼルエンジンの渦
流室構造については、例えば、実開昭６３−８７２２６
号公報に開示されている。該ディーゼルエンジンの渦流
室構造は、シリンダヘンド又はシリンダブロック側にシ
ェル状部材とホットプラグを埋め込むことによって渦流
室を構戒したものであり、エンジンのｌ尚流室構造にお
いて、前記シェル状部材及びホノトプラグを耐熱鋼で形
威し、両部材又はいずれか一方の部材の外表面に溶射に
よる多孔質セラミソク層を形或し、前記シリンダヘッド
又はシリンダプロソク側に埋め込んで渦流室を構戒した
ものである。

〔発明が解決しようとするｙＡ１１１ｍ）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、ｄ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
或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戒した場合には、副室に発
生する温度差で発生する熱応力のため、該副室が亀裂、
破損等が発生し、該副室の耐久性の問題が発生する．即
ち、副室をｆＪＩｔ戒する内壁面の温度分布は、主燃焼
室と副室を連通ずる噴孔の噴孔形戒部位が特に高温度に
なり、しかも噴孔部周囲における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
の内壁部を構戒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形戊部位のまわり
の温度分布が相当に異なり、勢応力が発生することに戒
り，セラＱ　’７ク材料の強度に悪影響を及ぼし、耐久
性に問題が生しる。そこで、副室ブロソクの耐久性を向
上させるために副室自体を如何に構成したら良いかの課
題がある．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、圧縮力をコントロ
ールしたり、或いは断熱度をコントロールすることはで
きず、セラξフ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。

また、前掲実開昭６３−８７２２６号公報に開示された
ディーゼルエンジンの渦流室構造は、副室を構或するブ
ロックは金属材料から或り、該ブロソクの外周部にセラ
ミック層を配置したものであり、１亥ブロックをセラミ
ック層で｛Ｒ威したものでなく、該ブロックの耐久性を
向上させるという技術的思想はないものである。

更に、従来のように、シリンダヘッド等の大物に、副室
を横或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、５００１１１１１程
度の大きさの場合に、±１．５ｖｗ程となるが、副室の
位置寸法の精度は±０　．　２＋Ｉｌ＋ｇ程度は必要な
ものである． 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ξフク材
料に有効な圧縮残留応力を付与することができない． この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
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、副室の燃焼ガスに晒される内壁部を耐熱性、
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こ
とができる構造に構戊し、特に、耐高温且つ高強度のセ
ラミフク材料から戒る副室ブロックと金属材料から成る
外側プロソクとの間に断熱層を配置して副室の断熱度を
向上させ、また、副室ブロノクの外面に金属材料を鋳込
むことによって該副室ブロックの所定の部位に圧縮残留
応力を与えて該部位の強度を確保すると共に、上記断熱
層の厚さ及び配置部位を最適条件に選定することによっ
て断熱性のコントロール及び圧縮残留応力のコントロー
ルを行うことであり、副室の噴孔部等の高温領域となる
部位の断熱程度を低減して熱蓄積を緩和して熱放散が生
じるように構戒し、副室ブロックの噴孔部全周部位は勿
論のこと副室プロノク全体に渡って温度分布が均一にな
るように構成し、熱応力の発生を防止し、副室ブロック
自体の強度を向上させて耐久性を向上した副室の断熱構
造を提供することである． 〔！！！題を解決するための手段〕 この発明は、上記の目的を達戒するために次のように構
或されている．即ち、この発明は、主燃焼室に噴孔を通
して連通した副室を形戒するセラ〔ツタ製の副室ブロッ
ク、前記副室ブロンクの外側に配置し且つ該副室ブロッ
クの高温度になる部位の断熱度を他の部位より低減した
断熱層、及び該断熱層の外回及び露出した前記副室ブロ
ックの外面に対して鋳込みによって配置した金属製の外
側ブロックから成る副室の断熱構造に関する．また、こ
の副室の断熱構造において、前記副室の断熱度は前記断
熱層の厚さの設定値及び前記断熱層の配置位置によって
調節可能に構戒したものである． 〔作用〕 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高温度になる部
位を除いて前記副室ブロックの外面に断熱層を配置する
か、又は該断熱層の厚さを前記副室ブロックの高温度に
なる部位を他の部位より薄く構成し、該断熱層の外回及
び露出した前記副室ブロックの外面に対して鋳込みによ
って金属製の外側ブロックを配置したので、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と金
属材料から成る前記外側プロソクとの間との間の断熱度
を向上させ、また、前記断熱層の厚さの設定値或いは前
記断熱層の配置部位を最適条件に選定することによって
、前記副室ブロックからシリンダヘッド側へ放散する熱
量をコントロールして断熱度をコントロールでき、前記
副室ブロンクの温度分布を均一にし、それによって温度
差で前記副室ブロソクに発生する熱応力を低戚し、更に
、前記副室ブロソクの外側に金属材料を鋳込むことによ
って前記外側ブロンク即ち鋳込金属の圧縮力を前記副室
ブロソクに付与し、前記副室ブロックの強度を確保して
前記副室ブロノクの亀裂、破壊等の損傷の発生を防止す
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図において、この発明による副室の断熱構造の一実
施例が示されている．この副室の断熱構造は、主として
、主燃焼室１に噴孔３を通じて副室２を連通し、該副室
２を形成する副室ブロック４を窒化珪素（ＳＬ３Ｎ＋）
　、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミック材料によって構
成し、該副室ブロソク４の外側に断熱１１５を配置し、
更に、該断熱層５の外回及び露出した副室ブロック４の
外面に対して鋳込みによって金属製の外側ブロック６に
配置したものである．この副室の断熱構造は、副室２を
構戊する副室ブロック４の外側に金属を鋳込むことによ
って配置し、断熱度のコントロール及び圧縮残留応力の
コントロールを行うことを目的とするものであり、該目
的を達成するため、セラミック製の副室ブロック４を金
属で鋳込んで一体構造に構成する場合に、副室ブロック
４と鋳込金属即ち［１１ブロック６との間にセラξフク
粉末、セラ旦ックウィスカー等のボーラスなセラミンク
材料から戒る断熱層又は応力緩和層５を設けたことを特
徴とすることである． 副室ブロック４は、耐高温で且つ高強度のセラ多ソク材
料、例えば、窒化珪素（ＳｌｓＮ．．）　、炭化珪素（
ＳｉＣ）　、チタン酸アルミニウム等のセラミック材料
から製作されている．これらのセラミノク材料は、一般
に、熱伝導率が高くて断熱度が低い材料である．そこで
、副室２の断熱度を向上させるため、副室ブロソク４の
外側に断熱層５を配置する。この断熱層５は、窒化珪素
、炭化珪素、チタン酸アルミニウム、チタン酸カリウム
等の断熱材から威るセラミックウィスカー、セラミノク
均末等でボーラスな構造に構成されている。更に、副室
ブロック４の強度を確保するため、外側プロ・ック６を
副室ブロック４に鋳込み、副室ブロノク４に予め圧縮残
留応力を付与させる。この外側プロンク６は、アル竃ニ
ウム（Ａｌ）　、鋳鉄（Ｆｃ）　、ニレジス｝　（Ｎｉ
−ＲｅｓｉｓＬ）等の金属材料から製作されている． 更に、副室ブロック４と外側プロソク６との間に介在し
た断熱層５については、断熱機能の他、応力緩和材とし
て機能するものであり、ｇリ室ブロック４の温度分布を
均一化するため、副室ブロソク４の高温度になる部位（
符号八で示す）の断熱度を他の部位より低減するように
、断熱層５の厚さを低減、或いは介在させないように構
成されている。即ち、副室ブロノク４の符号Ａで示す領
域は、主燃焼室１の中央側に位置し、副室ブロノク４の
他の部位に比較して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。

外側ブロック６は、シリンダヘッド１０の気箇数に対応
した数の穴１３に空気Ｎ７を形威した状態で嵌人されて
いる。シリンダヘットｊｌｏはへッドガスケ７トｌ４を
介在してシリンダブロソク１１に固定されている．シリ
ンダブロノク１１に形戊した複数のシリンダにはシリン
ダライナ１５が各々嵌合し、咳各シリンダライナｌ５に
は、ピストンリングｌ６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．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皮び噴霧さ
れた燃料を着火させるグローブラグ９が配置されている
．なお、図示していないが、シリンダヘッド１０には、
各シリンダに対応して吸排気ボートが形威されており、
シリンダヘッド１０の下面部にはバルブシ一トが形成さ
れ、該バルブシ一トには吸排気ボートを開閉するため吸
排気バルブが配置されている。また、場合によっては、
吸気ボートはシリンダライナ１５の下部に形威した構造
に構或することもできる． この発明による副室の断熱構造は、例えば、次のように
して製造することができる。

まず、副室ブロック４を、窒化珪素（ＳｉＪ４）、炭化
珪素（ＳｉＣ）　、チタン酸アルミニウム等のサーマル
ショックに強いセラミノク材料で製作する。

副室ブロノク４の製作については、副室ブτコソク４の
形状に一体構造で或形し、次いでそれを焼結して製作す
ることができる。或いは、副室ブロソク４を上副室ブロ
ンクと下副室ブロックに二分割して戒形し焼結して製作
し、次いで、化学渾着（ＣＶＤ）等によって両者を接合
して完或する。

又は、副室ブロソク４を左副室ブロソクと右副室ブロッ
クに二分割して或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して完或する。副室
ブロソク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ｌ７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、
テーパ状に形戒して多少小径に構戒することが好ましい
。

副室ブロック４の噴孔形戒部位１７の外周面４Ｅの形状
をテーバ状に形威した場合には、外側ブロノク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ソク４の
必要な箇所に対して機械加工を施して副室ブロック４の
最終形状に仕上げる．次いで、セラξフク材料から成る
副室ブロック４の外周に、セラミック粉末、セラミック
ウィスカー等をスラリー状にした断熱材を、化学蒸着（
ＣＶＤ）、プラズマスプレー・コーティング、吹き付け
、塗布等によってコーティングして乾燥させる．この時
、副室ブロック４の高温度になる部位（符号Ａで示す）
即ち主燃焼室１の中央側の部位の副室ブロソク４の外側
に対しては、断熱材の厚さを薄くコーティングするか又
は断熱材をコーティングしないようにする。

或いは、第２図に示すように、セラミックファイバー等
の断熱材を副室ブロック４の外側に嵌合する形状に或形
する．この成形した断熱層５を、第３図に示す副室プロ
ンク４の外側に、第４図に示すように、嵌合即ち被せて
一体構造にする。断熱層５と副室ブロック４とを一体構
造に構戒したものを鋳型に設置し、該鋳型に金属材料を
鋳込むことによって外側ブロソク６を形或することがで
きる．例えば、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及びグローブラグ９の
挿入孔２２を構戒する部分に、鋳砂を充填する．鋳砂を
充填した副室ブロック４と断熱層５を、砂型等の鋳型内
に配置して外側ブロノク６の形状の空洞部を形成する。

この時、副室ブロンク４の内部に充填した鋳砂から発生
するガス等を外部に逃がすためガス抜きパイプを配置し
てお＜．ＡＩ，Ｆｃ等の溶融金属の湯を、湯口部より上
記空洞部へ注入し、該空洞部を湯で充填する。

外側ブロノク６を構成する溶融金属が冷却して固化した
後、外側ブロソク６が鋳込まれた副室ブロソク４を鋳型
から取り出し、外側ブロノク６に対して外側ブロノク６
の最終形状に機械加工を施し、断熱副室構造として完成
する。最後に、シリンダヘッド１０に形戒された穴１３
に外側ブロック６を嵌合し、且つ外側ブロンク６のフラ
ンジ部１９をシリンダヘンド１０の穴１３の入口部ｌ８
に圧大して外側ブロノク６をシリンダヘソド１０に固定
する。

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。

副室ブロノク４を構成する窒化珪素（ＳｈＮ４）、炭化
珪素（ＳｉＣ）　、チタン酸アルミニウム等のセラミッ
ク材料は、高瓜度に耐える耐熱性に冨んでおり且つ高強
度な材料であるが、引張力に対しては弱い性質を有して
いる。熱伝導率が高←断熱度は低い材料であり、また、
ヤング率が高いため、耐変形性に冨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．また、上記のセラよノク材料は、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ｍ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、セラミソク材ネ４の黙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、該セラミノク材才１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ノク
４に予め圧縮力を付与して副室ブロノク４の強度を確保
する。？九膨張率は、例えば、セラミノク材料の窒化珪
素（ｓ；ｉＮ４）は、３．２Ｘ１０−”であり、また、
チタン酸アルミニウムは、約１×１０−ｈである。これ
に対して、金属材料の鋳鉄はＩＩＸＩＯ−’であり、ま
た、アルミニウムは２２ＸＩＱ−”である。従って、１
７Ｃ、Ａ！等の金属材料が溶融状態から固化して常温に
なると、セラ旦ソク材料との間に、約ｌ／１０ほどの熱
収縮差が生しる。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ンク材料
に圧縮残留応力が付与されることになる。

例えば、断熱構造の副室２については、噴孔３の形威さ
れた副室ブロック４については、噴孔部が噴孔部以外の
部分より高温度になり、更に、噴孔部についても、主燃
焼室１の中心側の噴孔部位Ａが主燃焼室１から離れる噴
孔部位Ｂより高温度になる．それ故に、副室ブロノク４
の噴孔部位Ａに、大きな熱的応力及び機械的応力が作用
し強度的に過酷な部位になる。そこで、副室ブロノク４
の外側に噴孔部位Ａ以外の部位には断熱層５を配置し、
噴孔部位八の断熱層５を、第１図に示すように比較的に
厚さを薄く、或いは第５図に示すように排除することに
よって、該噴孔部位Ａの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の噴孔部位Ａに熱を
蓄熱させることなく、噴孔部位Ａからシリンダヘノド１
０へ熟放敗させ、副室ブロノク４の該噴孔部位八の温度
を過度に上昇させないように横戊し、副室ブロソク４の
噴孔部位Ａと噴孔部位Ｂの温度差が小さくなり、副室ブ
ロノク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。即ち、上記のように、副室ブロノク４の
外側に配置する断熱層５の厚さの設定値或いは断熱層５
の配置位置を調節することによって、セラミック材料か
ら戒る副室ブロノク４の温度分布を自由に変更すること
ができる。

また、副室ブロック４と断熱層５とを一体構造に構戒し
たものに対して金属を鋳込むと、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、外側プロソク６の鋳込金
属には圧縮力が発生し、副室ブロノク４には圧縮残留応
力が付与されることになる。また、副室ブロソク４の噴
孔部位Ａに対して金属鋳込みの外側ブロノク６の圧縮力
を他の部位より増大させることができ、副室プロノク４
の強度を確保できる。

或いは、副室ブロック４と外側プロノク６との間に配置
される断熱層５は、該断熱層５がポーラスなセラくツク
材料で製作されると、応力緩和層として機能する。そこ
で、外側ブロソク６の鋳込金属の冷却時における収縮に
よる圧縮力をコントロールするため、外側ブロック６に
部分的に過大に圧縮力が作用する部位には、断２！Ｖ層
５の厚さを厚くするか、又は該断熱層５の密度を低く構
或することによって、鋳込金属に発生する圧縮力を低減
することもできる．勿論、副室ブロック４と外側ブロッ
ク６との全体の圧縮力をコントロールするため、断熱層
５の厚さの設定値、密度及び配置位置等を最適条件に選
定して、副室ブロック４に付与される圧縮残留応力をコ
ントロールすることが重要なことである． 〔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
を形成するセラ稟ツク製の副室ブロック、前記副室プロ
ソクの外側に配置し且つ該副室ブロックの高温度になる
部位の断熱度を他の部位より低減した断熱層、及び該断
熱層の外回及び露出した前記副室ブロンクの外面に対し
て鋳込みによって配置した金属製の外側ブロノクから構
成したので、耐高温且つ高強度のセラミック材料から成
る前記副室ブロノクと金属材料から成る前記外側ブロッ
クとの間に配置された前記断熱層によって、副室の断熱
度を向上させ、また、前記断熱層の厚さの程度或いは配
置部位のコントロールによって前記副室ブロックから放
散する熱量を変化させて断熱性をコン１・ロールでき、
前記副室ブロソクの温度分布を均一にし、それによって
温度差で前記副室ブロソクにかかる熱応力を低減できる
．更に、前記副室ブロ，クの外側に前記外側ブロックの
金属材料を鋳込むことによって、金属材料の冷却によっ
て発生するセラくソク材料と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．前記
副室ブロンクに圧縮残留応力を発生させることによって
、エンジン駆動時に発生する各種の応力、特に引張力に
対して該圧縮残留応力が相殺の作用を果たし、前記副室
ブロンクの強度を確保できる．また、前記断熱層の厚さ
の設定値及び前記断熱層の配置位置によって前記副室の
断熱度を調節できるものであり、例えば、前記副室ブロ
ソクの外側に配置する前記断熱層の厚さの厚い部位と薄
い部位、或いは前記断熱層の存在しない部位、或いは断
熱層の密度を最適条件に選定することによって、前記副
室ブロックの温度分布を最適状態即ち均一化するように
コントロールすることができ、前記副室ブロノクに発生
する熱応力を低減し、前記副室ブロックのクランク、亀
裂、破壊等の損傷の発生を防止し、それによって副室の
耐久性を向上させる。

また、前記外側ブロックを前記シリンダヘッドに形威し
た穴部に空気層を形成して嵌合し且つ前記フランジ部を
前記穴部の入口部に嵌人固定して組み込む構戒となるの
で、従来のように、シリンダヘッド等の大物に、副室を
構或するブロックを直接鋳込む場合と比較して、鋳込時
の寸法のずれが過大となることがなく、製品の品質が信
頼性に冨んだものとなる。

【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ん
だ断熱層を示す断面図、第３図は第１図の副室の断熱構
造に組み込んだ副室ブロックを示す断面図、第４図は第
１図の副室の断熱構造に組み込んだ断熱層と副室ブロッ
クを組み込んだ状態を示す断面図、及び第５図はこの発
明による副室の断熱構造の別の実施例の一部を示す断面
図である。 ｌ・−・一生燃焼室、２−−−−一副室、３−一一一−
・噴孔、４・−・−・一副室ブロック、５・−・−・断
熱層、６−一一一外側ブロフク、７・・・・−・空気層
、１　０−−−・・シリンダヘッド。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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
   に配置し且つ該副室ブロックの高温度になる部位の断熱
   度を他の部位より低減した断熱層、及び該断熱層の外回
   及び露出した前記副室ブロックの外面に対して鋳込みに
   よって配置した金属製の外側ブロックから成る副室の断
   熱構造。
2. （２）前記副室の断熱度を前記断熱層の厚さの設定値及
   び前記断熱層の配置位置によって調節可能に構成した請
   求項１に記載の副室の断熱構造。