(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストレート状のポートを備えた鋳込みによって作製された金属から成るシリンダヘッド，前記シリンダヘッドに対向して配置され且つ燃焼室と前記燃焼室にバルブによって開口するポートを備えた燃焼室部材，前記燃焼室部材の前記ポートに連通するように前記シリンダヘッドの前記ポートに挿入され且つ予め決められた所定の角度に傾斜してストレート状に延びる耐熱性セラミックスから成るポートライナ，前記ポートライナと前記シリンダヘッドの前記ポートとの間に形成された遮熱層，及び前記ポートライナの両端に配置されたガスケット，から成る遮熱形エンジンの構造。
【請求項２】
前記シリンダヘッドに形成された前記ポートの出口側開口面を前記シリンダヘッドの下面に対して傾斜した面に形成し，前記ポートに挿入された前記ポートライナが前記燃焼室部材に形成された前記ポートに連通するように配置されていることから成る請求項１に記載の遮熱形エンジンの構造。
【請求項３】
前記ポートのうち少なくとも排気側のポートに挿入される前記ポートライナの外周には金属，セラミック繊維又はセラミックスでコーティングされたカーボン繊維から成る補強材が設けられていることから成る請求項１に記載の遮熱形エンジンの構造。
【請求項４】
前記ポートのうち少なくとも排気側のポートに挿入される前記ポートライナの外周には，金属製二重管から成る補強パイプが設けられていることから成る請求項１に記載の遮熱形エンジンの構造。
【請求項５】
前記補強パイプの前記二重管の中空部が実質的に真空にされると共に前記二重管の前記中空部にはその形状を保持する支持部材が配置されていることから成る請求項４に記載の遮熱形エンジンの構造。
【請求項６】
前記ガスケットはセラミック繊維製ガスケットから構成されていることから成る請求項１〜５のいずれか１項に記載の遮熱形エンジンの構造。
【請求項７】
前記ポートライナに形成されたバルブが貫通する前記ポートライナに形成されたバルブ孔の領域には，セラミック繊維製ガスケットが配置されていることから成る請求項１〜６のいずれか１項に記載の遮熱形エンジンの構造。
【請求項８】
前記ポートライナは二つ割り構造に構成されていることから成る請求項１〜７のいずれか１項に記載の遮熱形エンジンの構造。
【請求項９】
前記シリンダヘッドと前記シリンダヘッドに取り付けられたシリンダブロックとの間に配置されたスペーサの孔部に遮熱層を介して前記燃焼室部材が配置され，前記燃焼室部材には前記ポートライナで形成されるポートと前記燃焼室とを連通するポートと該ポートを開閉するバルブが配置されたバルブシートとが形成されていることから成る請求項１〜８のいずれか１項に記載の遮熱形エンジンの構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，シリンダヘッドに配設された遮熱層を備えたセラミック製ポートライナから成る遮熱形エンジンの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常のエンジンのシリンダヘッドは，燃焼室に対向する面と吸気マニホルドや排気マニホルドを取り付ける取付面とは同一面を構成しておらず，燃焼室に対向する面に対して取付面はほぼ垂直に形成されている。そこで，シリンダヘッドに設けられたポートを遮熱構造に構成するため，予めセラミックスによってセラミック製ポートライナを作製し，アルミニウム合金，Ｆｃ等の金属材料から鋳込みによってシリンダヘッドを作製する際に，ポートライナを鋳込み型に配置して鋳込みによってシリンダヘッド内にポートライナを配置していた。
【０００３】
しかしながら，チタン酸アルミニウム等の低熱伝導材料から成るポートライナを金属材料に鋳込む場合に，Ａｌ又はＦｃの金属材料に鋳込み後の収縮による圧縮力により，ポートライナには高い圧縮応力が作用する。該圧縮応力によってポートライナが破損する場合がある。そこで，鋳込み後の収縮によるポートライナの破損を防止する対策として，ポートライナの外周部をアルミナファイバー等の材料により巻き込むことが考えられる。例えば，シリンダヘッドに吸排気ポートを形成する製造方法は，セラミックスのポートライナをシリンダヘッドの鋳込み時に鋳ぐるんで断熱構造に構成する場合に，シリンダヘッドを構成する鋳込み金属材料が凝固する時に，該金属材料の収縮力によってポートライナが圧縮応力を受けて破損するのを防止するため，シリンダヘッドとポートライナとの間に緩衝層を設けて鋳ぐるんで作製していた。
【０００４】
また，特開平８−１５０４６３号公報に開示されたセラミック製ポートライナは，シリンダヘッドの鋳込み時の金属の収縮によってセラミック製ポートライナの破損を防止し，内包される応力緩衝層を封入したものである。該セラミック製ポートライナは，セラミックスでポートライナと板材で外殻を作製し、ポートライナの外面を緩衝材から成る応力緩衝層で覆うと共に応力緩衝層の外面と端面及びポートライナの端面とを外殻で覆い，ポートライナの両端の開口をプラグで閉鎖して中子を作製し，中子をシリンダヘッド鋳型に配置して溶湯を鋳込み，遮熱層を構成する応力緩衝層が露出しない程度に外殻の開口端面を切削加工してポートライナを鋳込んだシリンダヘッドを作製している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，セラミックエンジンの構造は，主室である燃焼室部材とピストンヘッド部の遮熱構造によって熱流を外側に放散することを防止しているが，燃焼室部材に吸気マニホルドや排気マニホルドとの間を連通させるシリンダヘッドに形成された吸気ポートや排気ポートが形成されている。しかしながら，大型トラック等に搭載される大型エンジンについては，シリンダヘッドは鋳鉄が主流で作製されている。従って，大型の鋳鉄製シリンダヘッドにおける吸気ポートや排気ポートを遮熱構造に構成するため，鋳鉄を鋳込んでシリンダヘッドを作製する場合に，セラミック製ポートライナを配置して作製できないという問題がある。即ち，鋳鉄の溶湯温度は１４５０℃〜１５００℃程度であるのに対して，Ｓｉ３  Ｎ４  の耐熱温度は１１５０〜１２００℃程度，アルミナやＡｌ２  Ｏ３  の耐熱温度は９００℃程度，ＳｉＣの耐熱温度は１４００〜１５００℃程度であり，エンジンから放出される排気ガス温度は９００℃程度である。従って，各種の耐熱セラミックスは，鋳鉄の溶湯温度で熱的に損傷を受けることになり，ポートライナをセラミックスで作製することは困難である。
【０００６】
また，シリンダヘッドに屈曲形状のるポートを形成した場合に，ポートに連通するマニホルドをシリンダヘッドに取り付けるため，シリンダヘッドの取付面を平坦に形成する加工が困難であり，製造コストをアップし，必ずしも好ましい製造方法ではなかった。
【０００７】
また，シリンダヘッドとポートライナとの間に緩衝層を設けて鋳ぐるんで作製するような場合に，アルミナファイバー部に鋳造時の金属材料の湯が流れ込まないように，継ぎ目の処理，端面の処理等を行う必要があり，処理工程が複雑になり，寸法公差を含めて量産化を行うことができないという問題があった。また，シリンダヘッドの端面にはアルミナ繊維等の緩衝層が露出し，緩衝層の一部が脱落し，遮熱層の性能劣化やセラミック製ポートライナのがた付きが発生し，破損に至ることがある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の課題を解決するため，セラミックスから成るポートライナを予め作製し，シリンダヘッドをストレート状のポートを備えた形状に鋳込みによって作製し，その後，該ポートに予め作製したセラミックポートライナを挿入して所定の位置に配置し，セラミックポートライナが鋳込みによる熱的影響を受けないように構成した遮熱形エンジンの構造を提供することである。
【０００９】
この発明は，ストレート状のポートを備えた鋳込みによって作製された金属から成るシリンダヘッド，前記シリンダヘッドに対向して配置され且つ燃焼室と前記燃焼室にバルブによって開口するポートを備えた燃焼室部材，前記燃焼室部材の前記ポートに連通するように前記シリンダヘッドの前記ポートに挿入され且つ予め決められた所定の角度に傾斜してストレート状に延びる耐熱性セラミックスから成るポートライナ，前記ポートライナと前記シリンダヘッドの前記ポートとの間に形成された遮熱層，及び前記ポートライナの両端に配置されたガスケットから成る遮熱形エンジンの構造に関する。
【００１０】
この遮熱形エンジンの構造は，前記シリンダヘッドに形成された前記ポートの出口側開口面を前記シリンダヘッドの下面に対して傾斜した面に形成し，前記ポートに挿入された前記ポートライナが前記燃焼室部材に形成された前記ポートに連通するように配置されている。
【００１１】
前記ポートのうち少なくとも排気側のポートに挿入される前記ポートライナの外周には，金属，セラミック繊維又はセラミックスでコーティングされたカーボン繊維から成る補強材が設けられている。ポートライナを形成するセラミックスは，熱伝導率が小さいが，強度が弱いので，ポートライナの強度を補強するため，その外側を補強材で補強してもよい。
【００１２】
前記ポートのうち少なくとも排気側のポートに挿入される前記ポートライナの外周には，金属製二重管から成る補強パイプが設けられている。更に，前記補強パイプの前記二重管の中空部が実質的に真空にされると共に前記二重管の前記中空部にはその形状を保持する支持部材が配置されている。即ち，前記ポートライナがストレートに形成されているので，ポートライナの外側に内部が真空にされた金属製二重管を配置でき，ポートライナの補強を達成すると共に遮熱性を向上させることができる。
【００１３】
前記ガスケットは，セラミック繊維製ガスケットから構成されている。更に，前記ポートライナに形成されたバルブが貫通する前記ポートライナに形成されたバルブ孔の領域には，セラミック繊維製ガスケットが配置されている。
【００１４】
前記ポートライナは二つ割り構造に構成することもできる。前記ポートライナを分割すれば，前記シリンダヘッドの前記ポートへの前記ポートライナの挿入を容易にすることもできるが，ガス漏洩を防止するように考慮した構造に構成する必要がある。
【００１５】
この遮熱形エンジンの構造は，前記シリンダヘッドと前記シリンダヘッドに取り付けられたシリンダブロックとの間に配置されたスペーサの孔部に遮熱層を介して前記燃焼室部材が配置され，前記燃焼室部材には前記ポートライナで形成されるポートと前記燃焼室とを連通するポートと該ポートを開閉するバルブが配置されたバルブシートとが形成されている。
【００１６】
この遮熱形エンジンの構造は，シリンダヘッドの鋳込み時には，セラミック製ポートライナを配置することなく，シリンダヘッドが作製でき，その後にシリンダヘッドに鋳込みによって形成したポートにセラミック製ポートライナを配置するので，ポートライナは鋳込み時の金属溶湯の熱的影響を受けることがなく，ポートライナに鋳込み時における熱損傷が発生することがない。従って，シリンダヘッドに配置されたセラミック製ポートライナは，耐久性に富んだものに構成できる。しかも，本発明では，シリンダヘッドに形成したポートは，従来のように屈曲した形状に形成せず，ストレート状に形成したので，該ストレート状ポートにストレート状のセラミック製ポートライナを容易に差し込んで固定することができ，しかも，セラミック製ポートライナの両端に繊維ガスケットを配置しておけば，該繊維ガスケットがエンジン運転時にポートに発生する圧力差を吸収してセラミック製ポートライナを緩衝することができ，セラミック製ポートライナの圧力差による損傷を防止できる。
【００１７】
従来の遮熱形エンジンの構造は，燃焼室側が水平面に取付部があり，ポートライナとマニホルドが連通する面が垂直に取付部がある構造ではポートライナを加圧して取り付けることができなかったが，この発明による遮熱形エンジンの構造は，上記のように，前記シリンダヘッドに形成された前記ポートの出口側開口面を前記シリンダヘッドの下面に対して傾斜した面に形成したので，確実に強固にポートライナをシリンダヘッドに取り付けることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による遮熱形エンジンの構造の一実施例を説明する。図１はこの発明による遮熱形エンジンの構造の一実施例を示す断面図，及び図２は図１の遮熱形エンジンの構造に適用されたポートライナの別の実施例を示す断面図である。
【００１９】
図１に示すように，この発明による遮熱形エンジンの構造は，ディーゼルエンジン，ガスエンジン，ガソリンエンジン等の遮熱形エンジンに適用でき，図示した燃焼室２３を備えたタイプの他，図示していないが，燃焼室として主室と副室を備えたタイプにも適用できる。この遮熱形エンジンは，主として，シリンダブロック１４，シリンダブロック１４の上面にガスケット２９，３６及びシリンダスペーサ１５を介して固定されたシリンダヘッド３，シリンダブロック１４に形成した孔部２４に嵌合したシリンダ２５を構成するシリンダライナ２６，シリンダヘッド３の一部を構成するシリンダスペーサ１５の孔部３７に配置された燃焼室部材１０，及びシリンダライナ２６に形成したシリンダ２５内を往復運動するピストン２０を有している。また，シリンダヘッド３に形成されたポート７は，燃焼室部材１０に対向する側の端部が水平に延び，また，排気マニホルド１６及び吸気マニホルド１８に対向する側の端部が傾斜面４２に形成されている。排気マニホルド１６の内面には排気ポートライナ１７が空気層４３を形成して配置され，また，吸気マニホルド１８の内面には吸気ポートライナ１９が空気層４４を形成して配置されている。
【００２０】
燃焼室部材１０は，Ｓｉ３  Ｎ４  等のセラミックスや耐熱合金の耐熱材から形成されている。燃焼室部材１０は，ヘッド下面部２８とそれと一体構造のライナ上部２７から構成されたヘッドライナから構成されている。燃焼室部材１０は，シリンダヘッド３とシリンダブロック１４との間に位置するシリンダスペーサ１５の外周面とシリンダスペーサ１５に形成した孔部３７との間に遮熱空気層１３を形成するように，ガスケット３８を介在してシリンダスペーサ１５の孔部３７に配置され，燃焼室２３が遮熱構造に構成されている。燃焼室部材１０のヘッド下面部２８には，ポート５，６及び燃焼室２３が形成されている。
【００２１】
また，シリンダヘッド３に形成された一方のポート７には，排気ポート８を形成するセラミック製ポートライナ１が遮熱空気層４０を形成するように配置され，他方のポート７には，吸気ポート９を形成するセラミック製ポートライナ２が遮熱空気層４０を形成するように配置されている。ポート５は，ポートライナ１に形成された排気ポート８に連通している。ポート６は，ポートライナ２に形成された吸気ポート９に連通している。排気ポートライナ１の外周には，補強材４が巻き上げられている。燃焼室部材１０のヘッド下面部２８には，排気側のポート５と吸気側のポート６とが形成されている。
【００２２】
燃焼室部材１０のポート５に設けたバルブシート５１には排気バルブ１１が配置され，また，ポート６に設けたバルブシート５１には吸気バルブ１２が配置されている。排気バルブ１１と吸気バルブ１２は，それらの上部にはバルブスプリングリテーナ４１がコッタで固定され，バルブスプリングリテーナ４１とシリンダヘッド３の上面との間にはバルブスプリング３２が配置され，カム式動弁機構によってシリンダヘッド３に設けられたバルブガイド３１に案内されて上下動可能に構成されている。
【００２３】
ピストン２０は，Ｓｉ３  Ｎ４  等のセラミックスや耐熱合金の耐熱材から形成されたピストンヘッド２１と，ピストンヘッド２１に固定されたＡｌ合金等の金属材から形成されたピストンスカート２２とから構成されている。ピストンヘッド２１とピストンスカート２２との間にはガスケット３３が介在して遮熱空気層３４が形成されている。ピストンヘッド２１とピストンスカート２２とは結合リング３５でメタルフロー等によって固定されている。燃焼室２３は，燃焼室部材１０のヘッド下面部２８の下面３９，シリンダライナ２６とライナ上部２７とで形成されたシリンダ２５及びピストンヘッド２１の上面とで囲まれる領域，及び上面に形成された凹部によって形成される。
【００２４】
この遮熱形エンジンの構造は，鋳鉄，アルミニウム，その合金等の金属から作製したシリンダヘッド３には，ストレート状の形状のポート７を形成するように鋳込みによって作製されている。シリンダヘッド３のポート７には，ストレート状のセラミック製ポートライナ１，２が遮熱空気層４０を形成するように配置されている。セラミック製ポートライナ１，２は，耐熱性セラミックスから形成され，シリンダヘッド３のポート７に挿入されている。セラミック製ポートライナ１，２は，燃焼室部材１０のポート５，６にそれぞれ連通するように，予め決められた所定の傾斜角に傾斜してストレートに延びるように挿入されている。即ち，シリンダヘッド３に形成されたポート７の排気マニホルド１６と吸気マニホルド１８との出口側開口部は，シリンダヘッド３の下面４５に対して傾斜した傾斜面４２に形成され，ポート７は燃焼室部材１０に形成されたポート５，６に連通するように傾斜状態にストレートに延びている。
【００２５】
ポートライナ１，２とシリンダヘッド３のポート７との間には遮熱層４０が形成され，また，ポートライナ１，２の一端部と燃焼室部材１０との間，及びポートライナ１，２の他端部と排気マニホルド１６及び吸気マニホルド１８との間には，繊維製ガスケット３０が配置されている。繊維製ガスケット３０は，耐熱性のアルミナファイバー，アルミナウィスカー，アルミナ長繊維等のセラミックス繊維製ガスケットから構成されている。吸気バルブ１２と排気バルブ１１が貫通するポートライナ１，２に形成されたバルブ孔５０の領域には，セラミック繊維製ガスケット３０が配置されている。また，ポート７のうち少なくとも排気ポート８に挿入されるポートライナ１の外周には，セラミック繊維又はセラミックスでコーティングされたカーボン繊維から成る補強材４が設けられている。
【００２６】
次に，図２を参照して，この発明による遮熱形エンジンの構造の別の実施例を説明する。まず，ポートライナ２は，その外周に金属製二重管４７から成る補強パイプ４６を設ける構造に構成することができる。補強パイプ４６の二重管４７の中空部４９が実質的に真空にされると共に，二重管４９の中空部４９にはその形状を保持する波形の支持部材４８が配置されている。この場合に，二重管４９と支持部材４８の凸部とは局部的に接触するのみであり，中空部４９の真空層によって十分な遮熱層を形成することができる。
【００２７】
又は，この遮熱形エンジンの構造は，図示していないが，ポートライナを二つ割り構造に構成することもできる。ポートライナを二つ割り構造に構成した場合には，シリンダヘッド３のポート７への挿入を容易に行なうことができる。或いは，シリンダヘッド３内でポート７が屈折した形状に構成されている場合には，シリンダヘッド３内に両側の開口部，即ち，燃焼室部材１０側の開口部と吸気マニホルド１８側及び排気マニホルド１６側の開口部からストレート状のポートライナをそれぞれ挿入できるように構成することもできる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明による遮熱形エンジンの構造は，シリンダヘッドとポートライナとをそれぞれ別工程で作製し，次いで，シリンダヘッドのポートにポートライナを挿入して排気ポートライナと吸気ポートライナを形成するので，ポートライナがシリンダヘッドの鋳込み時の熱影響を受けることがなく，ポートライナにクラックや割れが発生することがなく，耐久性に富んだ遮熱形エンジンを作製することができる。また，この遮熱形エンジンの構造は，良好な遮熱構造を提供できるので，シリンダヘッド領域での熱放散を抑制でき，ポートライナ後流に設けられたターボチャージャやエンジン回収装置へ排気ガスを送り込んで，十分に熱エネルギを回収することができる。また，前記ポートライナの両端には耐熱性ガスケットが配置されているので，ポートライナの内側の圧力と外側の圧力の変化に対して緩衝され，ポートライナが破損することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による遮熱形エンジンの構造の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の遮熱形エンジンの構造に適用されたポートライナの別の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１，２    ポートライナ
３    シリンダヘッド
４    補強材
５，６，７  ポート
８    排気ポート
９    吸気ポート
１０  燃焼室部材
１１，１２  バルブ
１３  遮熱空気層
１４  シリンダブロック
１５  シリンダスペーサ
２３  燃焼室
３０    繊維製ガスケット
３７  孔部
４０    遮熱空気層
４２  傾斜面
４５  シリンダヘッド下面
４６  補強パイプ
４７  二重管
４８  支持部材
４９  中空部
５０  バルブ孔
５１  バルブシート
【図１】
0003555431.tif 000002
【図２】
0003555431.tif 000003