JPH0346660B2

JPH0346660B2 -

Info

Publication number: JPH0346660B2
Application number: JP59500698A
Authority: JP
Inventors: Deeru Eru Haatosotsuku
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1983-12-27
Filing date: 1983-12-27
Publication date: 1991-07-16
Also published as: EP0167528A4; DE3379339D1; EP0167528A1; WO1985002884A1; EP0167528B1; JPS61500862A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、内燃エンジン用のヘツド組立体、特
にセラミツク体を使用したヘツド組立体に関す
る。

発明の背景と従来技術の開示ほとんどの燃焼エンジンでは、温度を高くする
とエンジン効率も高まる。しかし、従来の内燃エ
ンジンに使用されている金属は、耐久性に影響を
及ぼさないで、現在用いられているよりも高い温
度で運転することはできない。しかし、セラミツ
クはそうした高温に耐えることができ、またエン
ジン内の（ターボチヤージング等により排気ガス
から取り出される）燃焼熱を蓄熱しエンジン効率
を高めることができる。

セラミツクは好ましい高温特性を備えている
が、一般的にセラミツクの材料強度と高温下での
変形量は小さく、セラミツクの成形によつて生じ
る機械的なきずによつて欠けたりひび割れたりす
ることがよくあり、そうしたセラミツクをエンジ
ンに使用することはあまり好ましいことではな
い。このことについては、日本の最近の政府援助
研究報告書（ジヨン・ハートリ著、1982年12月発
行のポピユラーサイエンス、94〜96頁の“日本の
セラミツクデイーゼルエンジンについての実験か
ら”を参照）に例が記載されている。この研究報
告書では、京都セラミツク社は、ヘツドを断熱す
る平らなプレートとして窒化シリコンを使用し、
またタペツト、押し棒チツプおよび揺動アームパ
ツド等のゆるい取り付け部品と、ピストンとに窒
化シリコンを使用している。窒化シリコンは、あ
る種の他のセラミツクほど良好な断熱体ではな
い。また従来から使われてきたエンジンの金属部
品に近い熱膨張係数を有していないために、高温
が加わる場合には金属部品に接近して取り付ける
ことができないことが判明している。また、ヘツ
ドの一部にセラミツクのプレートを使用しても、
ヘツドの金属材料中に形成されている通路を通る
ガスからかなりな量の熱が漏洩してしまう。この
ような問題は、米国特許第4341826号においても
明らかにされている。

NGKスパーク・プラグ社は、エンジンの基体
的な構成要素（ヘツド、シリンダ、ピストンおよ
びクランクシヤフト等）を全体的に窒化シリコン
から形成することを試みた。そして、これら構成
要素が大きな荷重を受ける場合、セラミツクはそ
の荷重を受ける部材として不適当であることが判
明した。このエンジンは、シリンダ壁を吸排気ガ
スが通り、従つてシリンダを閉じるセラミツクプ
レートを必要としているにすぎない２サイクル型
式のエンジンであるため、NGK社の米国特許に
おいては、セラミツクヘツドを使用することにつ
いての細かい検討は行なわれていない。ジヨン・
ハートリ著、1982年９月発行の自動車産業誌の56
〜58頁、“セラミツク部品の形状の選択”を参照
されたい。京都セラミツク社とNGK社は、いか
にすれば大きな塊状のセラミツクを高温ガスが流
れる内部通路を持つヘツドに使用できるかについ
て何ら教示していない。このことは、窒化工程時
に材料を通じて窒素ガスが移動していく必要があ
るために、窒化シリコンを厚い断面に作ることが
困難であることからも理解できる。

ポピユラーサイエンス誌によれば、NGK社の
断熱体は、エンジンの金属部分を断熱する被覆材
として安定化ジルコニアを使用している。この被
覆材がどのように役立つかについて十分な説明は
されていないが、安定化ジルコニアは鋳鉄の80％
の熱膨張係数を有するものであり、そのジルコニ
アと鋳鉄との熱膨張係数の差は、セラミツクが鋳
鉄によつて密封状態に支持される場合、不満足な
結果をもたらす。

出願人の知るところでは、先に指摘した制約が
あるため、内燃エンジンの主要構成部品であるエ
ンジンブロツク及びシリンダヘツド等の材料とし
てセラミツクを使用している従来技術は存在しな
い。幾つかの問題点がこうしたセラミツクの使用
の妨げとなつている。その問題点には、(a)セラミ
ツクを、シリンダヘツドまたはエンジンブロツク
のように、吸排気ガス用の通路及び冷却油用の複
雑な通路等の、種々の複雑な通路を持つ大型のも
のに成形するのが困難であること、(b)セラミツク
が主要な構成部品であつてそれに応力が加わるよ
うな設計にした場合には、そのセラミツク部品を
含むシリンダヘツド等の強度を適切に維持するこ
とが困難であること、(c)シリンダヘツド等の全体
が同じ材料でできていない場合、異種材料間の熱
膨張係数の違いを適切に補償することが困難であ
ること、が含まれる。

発明の要約本発明は、内燃エンジン用のヘツド組立体にお
いて、厚みのある塊状のセラミツクを使用してヘ
ツドを通る高温ガスの燃焼熱をより効果的に蓄熱
できるようにするとともに、非セラミツク材料か
らなる組立部品がセラミツク体内へ延びるように
して、セラミツク体を通るガスの流れを制御でき
るようにしている。

本発明は、１つまたはそれ以上のシリンダボア
を形成している壁を有するシリンダブロツクを備
え、そのシリンダボア内でピストンが往復運動す
るようになつている内燃エンジン用のヘツド組立
体において、(a)側壁とそれ以外の壁とを有し、前
記シリンダブロツクの上部を覆つていて、前記ピ
ストン及びシリンダブロツクと共働して燃焼室を
形成する型成形されたセラミツク体を備え、その
セラミツク体は、該セラミツク体を貫通し、前記
燃焼室と該セラミツク体の側壁との間で燃焼ガス
と圧縮された排気ガスとを流すようになつている
通路を備えるとともに、該セラミツク体は、1.8
×10^-6cm／cm／℃（1.0×10^-6in／in／〓）以下の
熱膨張係数を有する材料からできており、さら
に、(b)前記セラミツク体を前記シリンダブロツク
に密封状態に締め付けるシエル手段を有し、その
シエル手段が、該セラミツク体の内部へ向かつて
延びていて該セラミツク体を通るガスの流れを制
御するための制御手段を支持するとともに、該シ
エル手段が、前記締め付けによつて加えられる圧
縮荷重の少なくとも一部を支えていることを特徴
とする、内燃エンジン用のヘツド組立体を提供す
る。

本発明においては、上記セラミツク体が設けら
れている。そのセラミツク体には、燃焼室の位置
から該セラミツク体の側壁の位置まで延びてい
て、燃焼ガスと排気ガスとを流す通路が設けられ
ており、かつガスの流れを制御するための前記制
御手段がセラミツク体の内部へ向かつて延びてい
る。このような通路と制御手段とが設けられてい
るような前記セラミツク体は、薄い板等から構成
することはできず、従つて、そのセラミツク体は
かなりの厚さを有する塊状のものになつている。
従つて、前記通路を通るガスの熱を良好に蓄熱す
ることができる。

前記制御手段は、セラミツク体ではなくてシエ
ル手段によつて支持されており、また、前記締め
付けによつて加えられる圧縮荷重の少なくとも一
部がシエル手段によつて支えられているために、
セラミツク体に大きな荷重が作用することによる
セラミツク体の損傷を防止できる。

また、前記セラミツク体は、上記したように低
い値の熱膨張係数を有しているが、このように低
い値の熱膨張係数を有するセラミツク体は、その
セラミツク体内部に急激な熱勾配が生じることに
よる破壊が生じにくいと言う利点がある。

好ましくは、前記シエル手段と前記セラミツク
体との熱膨張係数の差があまり大きくならないよ
うに、前記シエル手段の熱膨張係数は、3.6から
21.6×10^-6cm／cm／℃（２から12×10^-6in／in／
〓）以下にされるとともに、前記シエル手段と前
記セラミツク体との間に１つまたはそれ以上の変
形可能な部材が配置され、その変形可能な部材
が、1.8から21.6×10^-6cm／cm／℃（１から12×
10^-6in／in／〓）の範囲の、前記シエル手段と前
記セラミツク体との間の熱膨張係数の差を吸収す
るように構成される。その変形可能な部材は、高
温耐熱密封材料又はガスケツト材料より構成する
とよい。また、シエル手段は、セラミツク体を取
り囲む金属部材から構成するとよい。

また、前記セラミツク体が、導入されたガスの
ための予燃焼室を形成する壁を備え、前記制御手
段が、前記シエル手段を貫通して前記セラミツク
体内に延びかつ予燃焼室を形成する前記壁に向け
て延びる予燃焼装置を有する構成にするとよい。
前記セラミツク体と前記制御手段の一部との間に
セラミツク断熱部材を設けるとともに、そのセラ
ミツク断熱部材を流体冷却するための冷却手段を
設けた構成にすることもできる。この場合に、前
記制御手段がバルブ棒を有し、前記冷却手段が、
前記断熱部材と前記バルブ棒との間に加圧冷却油
を送るように構成するとよい。

発明を実施するための最良の形態金属シエルに収容した厚みのある塊状のセラミ
ツク体でエンジンヘツドを構成することにより、
熱効率に優れたエンジンが得られる。エンジンヘ
ツドを固定するのに必要な圧縮荷重は、金属シエ
ルとセラミツク体とで分散して支持される。セラ
ミツク体は、そのセラミツク体を貫通して延びる
細長いガス通路を形成するようにして型成形さ
れ、またそのセラミツク体は熱膨張係数の小さい
材料であるリチウムアルミニウムケイ酸塩
（lithium aluminum silicate）からできている。
この材料は、その熱膨張係数が小さいために、高
温ガスによりその材料中の温度勾配が急激に温度
変化しても、損傷を生じにくい。

第１図に示すように、内燃エンジン１０はシリ
ンダブロツク即ち鋳鉄ブロツク１１を備えてい
る。この鋳鉄ブロツク１１は、１つまたはそれ以
上のシリンダボア１２が形成されている壁を備
え、シリンダボア内で従来形式のピストン１３が
往復運動するようになつている。ヘツド組立体１
４は、型成形したセラミツク体１６と、シエル手
段即ち、金属シエル１５とで構成され、金属シエ
ル１５は、ガスの流れを制御するための制御手段
３３を支持している。セラミツク体はシリンダブ
ロツクに被さり、鋳鉄ブロツク１１およびピスト
ン１３と協働して燃焼室１７を形成している。

型成形したセラミツク体セラミツク体１６は、1.8×10^-6cm／cm／℃
（1.0×10^-6in／in／〓）以下の熱膨張係数を有し、
しかも成形の容易な材料から単体として型成形さ
れている。例えばその材料は、0.36×10^-6cm／
cm／℃（0.2×10^-6in／in／〓）までの熱膨張係数
を有するリチウムアルミニウムケイ酸塩である。
セラミツク体は流体冷却通路を備えていないが、
通路手段１８を有している。この通路手段は、細
長い通路から構成されている。その細長い通路
は、１つまたはそれ以上の図示されている吸気通
路と、１つまたはそれ以上の図示されていない排
気通路とを備えている。各々の通路１８の一端部
１８ａは、セラミツク体１６を整合位置に被せた
場合、シリンダボア１２に連通する。また、反対
の端部１８ｂはセラミツク体の側壁２０の位置に
あり、金属シエルに設けた開口１９と連通してい
る。通路は、かなりの長さにわたつて延びてい
て、燃焼室にガスを導びきまた燃焼室からガスを
排気させるようになつている。従つて、従来のヘ
ツド組立体においては失われてしまうガスの熱を
セラミツク体内に十分蓄熱することができる。セ
ラミツク体は、薄板材のようなものではなく、２
インチ（5.08センチ）程度の最小断面寸法（高
さ、長さまたは幅）を有し、高さ／幅／長さの寸
法が１：１：１から１：３：10の範囲の比率にな
つている。セラミツク体は予め成形された開口２
６，２７，２８および３０を備えている。これら
の開口は、シエルの開口に整合している。このこ
とについては以下にさらに説明する。

金属シエルシエル手段１５はセラミツク体を取り囲み、そ
のセラミツク体をシリンダブロツクにシール状態
に締め付けている。局所シールとして作用する変
形可能な部材によつてあ種の絶縁部が形成され
る。また、その変形可能な部材は、セラミツク体
と金属シエルとの間での、制限された範囲での相
対運動が生じることを可能にする。その相対運動
は、セラミツク体と金属シエルの材料との熱膨張
係数の僅かな差違に起因して生じる。金属シエル
の熱膨張係数は1.8−21.6×10^-6cm／cm／℃（１−
12×10^-6in／in／〓）より大きくはない。変形可
能な部材により、001〜．10インチ（0.025〜2.54
ミリメートル）の間隙をセラミツク体と金属シエ
ルとの間に設けるのが好ましい。シエル手段１５
は、セラミツク体内に延び、そのセラミツク体を
通るガスの流れを制御する制御手段３８を支持し
ている。セラミツク体は、スチールまたは鋳鉄に
よつて被覆されているのが望ましい。この被覆は
約10.8×10^-6cm／cm／℃（約6.0×10^-6in／in／
〓）の熱膨張係数を有し、かつ厚さと幅と高さの
比率が１：６：６から１：30：30である。シエル
手段は、セラミツク体の外側にあり、底部２１が
開口してセラミツク体の廻りに間隔を置いた関係
で嵌合している。シエル手段とセラミツク体との
間に１つまたはそれ以上の変形可能な部材２２を
設けることによつて、セラミツク体とシエル手段
との間の間隙が保たれている。圧縮ボルト４６
は、ブロツク１１に設けられたねじ付座とシエル
手段１５の肩部との間を、セラミツク体を貫通す
るか、或いはセラミツク体の側部に沿うようにし
て延びている。この圧縮ボルトによつて加えられ
る圧縮力は、３インチ（7.62センチ）の直径のシ
リンダボアを有するシリンダ当り、例えば約
40000ポンド（18144キログラム）である。

金属シエルは開口２３，２４および２５を備え
ている。これら開口はそれぞれ、セラミツク体を
通つて延びる予め形成された開口２６，２７およ
び２８に連通している。上記開口２３，２４，２
５は、機械的な組立部品を密封状態で受け入れる
ようになつている。前記組立部品には、点火手段
３１、燃料噴射手段３２、および制御手段若しく
はバルブ操作手段３３がある。これら手段は、各
開口２３，２４，２５にねじ込み等によつて固定
保持される。また、金属シエルは、セラミツク体
に形成された油通路３０に連通する冷却油供給通
路２９を備えている。

燃焼室１７内で燃料と空気との混合気を燃焼さ
せるための点火手段３１は、シエル手段１５に固
定したレセプター３５に保持された放電プラグ３
４を備えている。放電プラグ３４は、セラミツク
体の開口２６を通つて、予燃焼室３６内に進入す
るように延びている。予燃焼室は、（シリカまた
は窒化シリコンからなる）別体のセラミツク部材
３７を備えている。このセラミツク部材３７は、
燃焼ジエツトを燃焼室内に導入するためのノズル
通路３８を有する予燃焼室を形成することができ
るような形状に、予め成形されている。

燃焼室１７に導入する燃料を計量するための燃
料噴射手段３２は、金属シエルに斜めに取り付け
られて、段付き開口２７を通して燃料を予燃焼室
３６に噴射するようになつている噴射組立体を備
えている。

セラミツク体を通るガスの流れを制御するため
のバルブ操作手段３３は、シエル手段によつて支
持されたバルブ組立部品を備えている。このバル
ブ組立部品は、セラミツク断熱部材即ちスリーブ
４０内で（図示されていないカムの作用によつ
て）往復運動することのできるバルブ棒３９を有
するばね押えバルブから構成されている。スリー
ブ４０は、ケイ酸塩、窒化シリコン、シリコンカ
ーバイド、またはジルコニアからなる円筒体であ
る。このスリーブ４０は、セラミツク体１６内に
延びこのセラミツク体から間隔のあいた関係にあ
る部分４０ａと、シエル手段の開口２５内に位置
する部分とを備えている。断熱スリーブを冷却す
る手段は、スリーブ４０とセラミツク体１６との
〓間に冷却流体を流すための油通路４１を備えて
いる。

【図面の簡単な説明】

添付の図面は、本発明実施例の、内燃エンジン
用のヘツド組立体を示す縦断面図である。１１…シリンダブロツク（鋳鉄ブロツク）、１
４…ヘツド組立体、１５…シエル手段（金属シエ
ル）、１６…セラミツク体、１７…燃焼室、１８
…通路、２０…側壁、３３…制御手段。

Claims

【特許請求の範囲】１１つまたはそれ以上のシリンダボアを形成し
ている壁を有するシリンダブロツクを備え、その
シリンダボア内でピストンが往復運動するように
なつている内燃エンジン用のヘツド組立体におい
て、 (a) 側壁とそれ以外の壁とを有し、前記シリンダ
ブロツクの上部を覆つていて、前記ピストン及
びシリンダブロツクと共働して燃料室を形成す
る型成形されたセラミツク体を備え、そのセラ
ミツク体は、該セラミツク体を貫通し、前記燃
焼室と該セラミツク体の側壁との間で燃焼ガス
と圧縮された排気ガスとを流すようになつてい
る通路を備えるとともに、該セラミツク体は、
1.8×10^-6cm／cm／℃（1.0×10^-6in／in／〓）
以下の熱膨張係数を有する材料からできてお
り、さらに、 (b) 前記セラミツク体を前記シリンダブロツクに
密封状態に締め付けるシエル手段を有し、その
シエル手段が、該セラミツク体の内部へ向かつ
て延びていて該セラミツク体を通るガスの流れ
を制御するための制御手段を支持するととも
に、該シエル手段が、前記締め付けによつて加
えられる圧縮荷重の少なくとも一部を支えてい
ることを特徴とする、内燃エンジン用のヘツド
組立体。２前記セラミツク体がリチウムアルミニウムケ
イ酸塩から作られていることを特徴とする、特許
請求の範囲第１項記載の内燃エンジン用のヘツド
組立体。３前記シエル手段と前記セラミツク体との間に
１つまたはそれ以上の変形可能な部材が配置さ
れ、その変形可能な部材が、1.8から21.6×10^-6
cm／cm／℃（１から12×10^-6in／in／〓）の範囲
の、前記シエル手段と前記セラミツク体との間の
熱膨張係数の差を吸収するようになつていること
を特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の内燃
エンジン用のヘツド組立体。４前記変形可能な部材が耐高温密封材料から作
られていることを特徴とする、特許請求の範囲第
３項記載の内燃エンジン用のヘツド組立体。５前記シエル手段が前記セラミツク体を取り囲
む金属部材から作られていることを特徴とする、
特許請求の範囲第１項記載の内燃エンジン用のヘ
ツド組立体。６前記セラミツク体の最小断面寸法が5.08セン
チメートル（２インチ）程度であることを特徴と
する、特許請求の範囲第１項記載の内燃エンジン
用のヘツド組立体。７前記制御手段が前記シエル手段によつて支持
されたバルブ組立部品を備えていることを特徴と
する、特許請求の範囲第１項記載の内燃エンジン
用のヘツド組立体。８前記セラミツク体が、導入されたガスのため
の予燃焼室を形成する壁を備え、前記制御手段
が、さらに、前記シエル手段を貫通して前記セラ
ミツク体内に延びかつ予燃焼室を形成する前記壁
に向けて延びる予燃焼装置を有していることを特
徴とする、特許請求の範囲第７項記載の内燃エン
ジン用のヘツド組立体。９前記セラミツク体と前記制御手段の一部との
間にセラミツク断熱部材が設けられるとともに、
そのセラミツク断熱部材を流体冷却するための冷
却手段が設けられていることを特徴とする、特許
請求の範囲第８項記載の内燃エンジン用のヘツド
組立体。１０前記制御手段がバルブ棒を有し、前記冷却
手段が、前記断熱部材と前記バルブ棒との間に加
圧冷却油を送るようになつていることを特徴とす
る、特許請求の範囲第９項記載の内燃エンジン用
のヘツド組立体。１１前記セラミツク体の高さと幅と長さの寸法
比率が、１：１：１から１：３：10の範囲にある
ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の
内燃エンジン用のヘツド組立体。