JPH05256191A - 燃焼装置の排気通路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 排気通路ライナーの靭性ならびに耐熱性およ
び断熱性をより一層向上させ、熱的応力や機械的応力な
どによるクラックないしは破損を生じがたいものにする
と共に、燃焼排ガスの温度を高く維持することが可能で
ある燃焼装置の排気通路を提供する。 【構成】 炭化けい素（ＳｉＣ）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ
_３）とアルミニウム（Ａｌ）を主体とする排気通路ライ
ナー８をそなえ、前記排気通路ライナー８の排気通路側
表面をムライト層８ｂの形成によりムライト質とした燃
焼装置の排気通路７。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関などの各種
燃焼装置の排気系統に利用される燃焼装置の排気通路に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関の排気バルブに連通する
排気通路としては、水冷されたシリンダヘッドに設けた
ものが多く使用されているが、この排気通路における断
熱性能を向上させて燃焼排ガスの温度低下を極力防止
し、例えば、排ガス浄化用触媒の初期転換効率の向上，
酸素センサ素子の初期応答特性の向上，タービン式過給
機の作動効率の向上などをはかるようにするために、シ
リンダヘッドに設けた排気通路の壁面にライニングを施
す構成のものとすることも考えられている。

【０００３】このような断熱性能を向上させた排気通路
としては、シリンダヘッドの排気通路形成部分の壁面
に、無機繊維からなる層を設け、この無機繊維からなる
層の内面にセラミックスからなる層を設けた構造をなす
もの（特開昭５９−１７５６９３号，特開昭６０−１８
０６５９号，実開昭６０−１４９８５３号）や、シリン
ダヘッドの排気通路形成部分の壁面に管状のセラミック
ス体を設け、このセラミックス体の固定を確実なものと
するために少なくとも一部分にジルコニアなどからなる
補強体を設けた構成をなすもの（特開昭６０−１６９６
５５号公報）や、シリンダヘッドに設けた排気通路の壁
面にセラミック溶射層を設けた構造をなすもの（特開昭
５８−９９１８０号，特開昭６２−４０２３２号）など
があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の排気通路では、熱的な応力や機械的な応力に
よってセラミックスにクラックなどによる破損を生じる
ことがありうると共に、排気方向と直交方向に逃げる熱
量が多いために燃焼排ガスの温度を低下させることがあ
るという問題点があった。また、セラミック溶射層を設
けたものにあっても熱的な応力や機械的な応力などによ
って剥離を生じることがあるという問題点があり、これ
らの問題点を解決することが課題となっていた。

【０００５】

【発明の目的】この発明は、上記した従来の課題にかん
がみてなされたものであって、排気通路ライナーの靭性
ならびに耐熱性および断熱性をより一層向上させ、熱的
応力や機械的応力などによるクラックないしは破損を生
じがたいものにすることが可能であると共に、排気方向
と直交方向への熱の逃げに比べて排気方向への熱の伝達
がより一層良好であって燃焼排ガスの温度低下を極力防
止することが可能であり、例えば、内燃機関の排気通路
に適用した場合に、排ガス浄化用触媒の初期転換効率の
向上，酸素センサ素子の初期応答特性の向上，タービン
式過給機の作動効率の向上などをはかることができる耐
熱性および断熱性の良好な燃焼装置の排気通路を提供す
ることを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる燃焼装
置の排気通路は、炭化けい素（ＳｉＣ）とアルミナ（Ａ
ｌ_２Ｏ_３）とアルミニウム（Ａｌ）を主体とする排気通
路ライナーをそなえ、前記排気通路ライナーの排気通路
側表面をムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質とし
た構成としたことを特徴としており、このような燃焼装
置の排気通路に係わる発明の構成をもって前述した従来
の課題を解決するための手段としている。

【０００７】この発明に係わる燃焼装置の排気通路にお
いて用いられる排気通路ライナーは、炭化けい素（Ｓｉ
Ｃ）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）とアルミニウム（Ａｌ）
を主体とするものであり、例えば、ＳｉＣ：３０〜５５
重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：６７〜３０重量％、Ａｌ：３〜１
５重量％の組成のものとすることが望ましい。

【０００８】この場合、炭化けい素（ＳｉＣ）は排気通
路ライナーの強度および靭性を向上させるのに有効であ
るので３０〜５５重量％とするのが良く、アルミナ（Ａ
ｌ_２Ｏ_３）は、高融点低熱伝導率を有していることから
排気通路ライナーの耐熱性および断熱性を向上させるの
に有効であるので６７〜３０重量％とするのが良く、ア
ルミニウム（Ａｌ）は上記炭化けい素とアルミナを主体
とするセラミックス粒界層に残留してセラミックス主体
の強度と靭性値を向上させ、鋳造によるＡｌと排気通路
ライナー中のＡｌとが溶融結合することによってＡｌ製
シリンダブロック等への結合強度を高いものとするのに
有効であるので、３〜１５重量％とするのが良い。

【０００９】また、上記排気通路ライナーの排気通路側
表面をムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質とする
に際しては、ムライト粉末を用いてプラズマ溶射などを
行う溶射法、イオンプレーティングなどの蒸着法、ペー
ストを塗布したのち焼成する焼成法などを採用すること
ができる。

【００１０】そして、この場合、排気通路ライナーの排
気通路側表面をムライト質とするためにムライト層を設
けた場合には、その層厚さを５〜１０μｍ程度とするの
がよく、あまり薄いと耐熱層および断熱層としての効果
が少なくなり、あまり厚いとクラックなどが生じやすく
なるので好ましくない。

【００１１】また、このムライト層を上記したように適
切なる層厚さのものにすると共に、空孔を有する多孔質
のものとすることによって、素材自体の耐熱性のほか、
耐熱衝撃性のより一層の向上、低熱伝導性による断熱性
のより一層の向上がもたらされることとなる。

【００１２】

【発明の作用】この発明に係わる燃焼装置の排気通路で
は、炭化けい素とアルミナとアルミニウムを主体とする
排気通路ライナーをそなえ、前記排気通路ライナーの排
気通路側表面をムライト質とした構成としているので、
排気通路側表面がこのような耐熱衝撃性ならびに耐熱性
および断熱性に優れた高融点低熱伝導率のムライト質に
形成されていることによって、排気通路ライナーの靭性
ならびに耐熱性および断熱性がより一層向上したものと
なり、クラックなどによる破損が生じがたいものになる
と共に、燃焼排ガスのもつ熱のうち排気方向に伝達され
る熱量が多くなりかつ排気方向と直交する方向に伝達さ
れる熱量が少なくなって、燃焼排ガスの温度が大きく低
下することなく下流側に排出されるようになり、燃焼排
ガスの温度が従来以上に上昇したものとなることによっ
て、例えば内燃機関の排気通路に適用した場合に、排ガ
ス浄化用触媒の初期転換効率のより一層の向上、酸素セ
ンサ素子の初期応答特性のより一層の向上、タービン式
過給機の作動効率のより一層の向上などが実現されるも
のとなる。

【００１３】

【実施例】図１はこの発明の一実施例による燃焼装置の
排気通路を示し、燃焼装置が内燃機関である場合を示し
ている。

【００１４】図１において、１はシリンダヘッド、２は
シリンダヘッド１に設けた冷却水通路、３は燃焼室、４
はバルブシート、５は排気バルブ、６はバルブステムガ
イド、７は排気通路、８は排気通路７の壁面に設けられ
る排気通路ライナーであり、この排気通路ライナー８
は、排気通路ライナー主体８ａの排気通路側表面をムラ
イト質のものにするために、ムライト層８ｂを蒸着法
（ＣＶＤ法）により形成した構成を有するものである。

【００１５】この実施例において、排気通路ライナー８
を製作するにあたっては、炭化けい素（ＳｉＣ）：５０
重量％、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）：４０重量％、アルミ
ニウム（Ａｌ）：１０重量％よりなる組成をもつ筒状の
排気通路ライナー主体８ａを排気通路７の形状に合わせ
て製作し、次いで、前記筒状の排気通路ライナー主体８
ａの内側表面にムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）
を用いた蒸着法（ＣＶＤ法）によって厚さ８μｍのムラ
イト層８ｂを形成させ、これによって、排気通路側表面
をムライト質とした排気通路ライナー８を得た。

【００１６】次に、このようにして作製した排気通路ラ
イナー８を内燃機関のシリンダブロック鋳造型にセット
し、アルミニウム合金溶湯を鋳込むことによって、排気
通路ライナー８を鋳包んだ図１に示したようなアルミニ
ウム合金製シリンダヘッド１を得た。

【００１７】したがって、このようにして製造されたア
ルミニウム合金製シリンダヘッド１は、排気通路７の表
面が、耐熱衝撃性，耐熱性，断熱性に優れた高融点低熱
伝導率のムライト層８ｂで形成されていると共に、排気
通路ライナー主体８ａが炭化けい素（ＳｉＣ）およびア
ルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主体とするセラミックスと金属
（Ａｌ）との複合体であり、鋳造によるＡｌと排気通路
ライナー主体８ａ中のＡｌとが溶着されたものとなって
いて、排気通路ライナー８はシリンダヘッド１の排気通
路７側に強固に結合したものとなっている。

【００１８】そして、排気通路ライナー８の排気通路側
表面を形成するムライト質セラミックスは、耐熱衝撃性
に優れているため、エンジン回転数の増減によって異な
る排気温度の上昇，下降による熱衝撃に十分耐えること
が可能であると共に、セラミックスの特性のひとつであ
る耐熱性および断熱性（低熱伝導率）の特長を合わせも
つため、排気温度を水冷コア方向（排気方向と直交方
向）には伝えにくく、排気温度を高く保持したまま出口
方向へ放出する作用を果たす。

【００１９】そのため、燃焼排ガスの温度低下を有効に
阻止することが可能であって排ガス温度を高いものとす
る。

【００２０】そして、ムライト層８ｂには、空孔も多数
存在し、このような空孔によっても耐衝撃性を良くする
と共に、低熱伝導性をもたらすことにより耐熱性および
断熱性の向上に寄与する。

【００２１】そしてさらに、排気通路ライナー主体８ａ
は、セラミックス（ＳｉＣ，Ａｌ_２Ｏ_３）：９０重量
％、金属（Ａｌ）：１０重量の組成となっているため、
セラミックスが完全に結合したものとなっており、粒界
層に金属が残留した状態となっているため、セラミック
ス本体の強度と靭性値が高く、機械的振動や熱的衝撃が
著しいエンジンン部品としての使用に十分耐えうるもの
である。そして、表面にムライト層８ｂがなければ、金
属Ａｌ分が溶出して構造体の破壊をもたらしやすいもの
となる。

【００２２】次に、本発明の実施例における図１に示し
たシリンダヘッド１を各エンジンに組み付け、全負荷に
よる台上耐久試験およびゴー・ストップ耐久試験を２０
０時間ずつ行ったところ、排気ポートライナー周辺での
破損は認められず、不具合は何ら発生していなかった。

【００２３】また、排気温度も通常のアルミニウム合金
製エンジンの場合に比べて排気ポート出口で約１５０℃
の上昇が認められた。

【００２４】そして、炭化けい素（ＳｉＣ）とアルミナ
（Ａｌ_２Ｏ_３）とを複合化させた破壊靭性に優れた排気
通路ライナー主体８ａを用いているため、当初心配され
ていた振動による排気ポートの破損を伴うことなく、高
温の燃焼排ガスを下流のＯ_２センサー系や排ガス浄化用
触媒系やタービン式過給機系などに送り込むことができ
るため、この熱を有効に活用することができるようにな
り、Ｏ_２センサーの立上がり特性の向上や、排ガス浄化
用触媒の初期転換効率の向上や、タービン式過給機によ
る過給効率の向上などを実現できることが確かめられ
た。

【００２５】

【発明の効果】この発明に係わる燃焼装置の排気通路で
は、炭化けい素とアルミナとアルミニウムを主体とする
排気通路ライナーをそなえ、前記排気通路ライナーの排
気通路側表面をムライト質とした構成としたから、排気
通路ライナーの靭性ならびに耐熱性および断熱性をより
一層向上したものとすることが可能であり、熱的な応力
や機械的な応力などによるクラックないしは破損を生じ
がたいものにすることが可能であると共に、排気方向と
直交方向における燃焼排ガスの熱の逃げをより少なくし
て排気方向における熱の伝達をより多くすることが可能
であり、燃焼排ガスの温度低下をできるだけ阻止して高
温の燃焼排ガスを下流側に流すことができるようになる
ので、例えば、燃焼装置における空燃比制御に用いられ
るＯ_２センサーの立上り特性の向上、排ガス浄化用触媒
の初期転換効率の向上、タービン式過給機の過給効率の
向上などがもたらされるという著しく優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係わる燃焼装置の排気通路の一実施
例を示す内燃機関のシリンダヘッド部分の断面説明図で
ある。

【符号の説明】

７ 排気通路 ８ 排気通路ライナー ８ａ 排気通路ライナー主体 ８ｂ ムライト層

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年３月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】したがって、このようにして製造されたア
ルミニウム合金製シリンダヘッド１は、排気通路７の表
面が、図２に示すように、耐熱衝撃性，耐熱性，断熱性
に優れた高融点低熱伝導率のムライト層８ｂで形成され
ていると共に、排気通路ライナー主体８ａが炭化けい素
（ＳｉＣ）およびアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主体とする
セラミックスと金属（Ａｌ）との複合体であり、鋳造に
よるＡｌと排気通路ライナー主体８ａ中のＡｌとが溶着
されたものとなっていて、排気通路ライナー８はシリン
ダヘッド１の排気通路７側に強固に結合したものとなっ
ている。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】そして、ムライト層８ｂには、図２に示し
たように、空孔も多数存在し、このような空孔によって
も耐衝撃性を良くすると共に、低熱伝導性をもたらすこ
とにより耐熱性および断熱性の向上に寄与する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図２

【補正方法】追加

【補正内容】

【図２】この発明に係わる燃焼装置の排気通路の一実施
例における排気通路ライナーの断面構造を示す顕微鏡写
真（×９３３倍）である。

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】追加

【補正内容】

【図２】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化けい素とアルミナとアルミニウムを
   主体とする排気通路ライナーをそなえ、前記排気通路ラ
   イナーの排気通路側表面をムライト質としたことを特徴
   とする燃焼装置の排気通路。