JP2021161977A

JP2021161977A - エンジンの燃焼室構造

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Publication number: JP2021161977A
Application number: JP2020065717A
Authority: JP
Inventors: 芳尚乃生; Yoshihisa Noo; 理青木; Osamu Aoki; 雄司原田; Yuji Harada; 健司内田; Kenji Uchida; 晰遥葛; Sekiyou Katsu
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2021-10-11
Anticipated expiration: 2040-04-01
Also published as: US11078866B1; EP3889415A1; EP3889415B1; JP7396173B2

Abstract

【課題】冷却損失の低減を図りつつ、プリイグニッションの発生要因となるような遮熱層の温度上昇を抑止する。【解決手段】エンジンの燃焼室構造は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５によって区画される燃焼室６を備える。ピストン５は、燃焼室６に対向する上面５０１を有するピストン本体５０と、上面５０１の少なくとも径方向中央領域に配置され、熱伝導率がピストン本体５０よりも小さい断熱層７１と、上面５０１を覆うように配置され、熱伝導率がピストン本体５０及び断熱層７１よりも小さい遮熱層７２と、断熱層７１と遮熱層７２との間に配置され、熱伝導率が断熱層７１及び遮熱層７２よりも大きい熱拡散層７３と、を含む。熱拡散層７３は、ピストン本体５０に当接する側端縁７３１及び延出部７３２を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、冷却損失を抑制する遮熱層を備えたエンジンの燃焼室構造に関する。

車両用のガソリンエンジン等の燃焼室では、燃焼室壁面を通した放熱（冷損）を低減することが求められる。冷損の低減のため、ピストンの冠面などの燃焼室壁面に、低熱伝導率の材料からなる遮熱層をコーティングする技術が知られている。遮熱層を設けることで、燃焼室内で発生する燃焼ガスと燃焼室壁面との温度差を小さくし、冷損を低減することができる。

ガソリンエンジンとして、予め混合された燃料と空気の混合気を燃焼室内で自着火させる、予混合圧縮着火燃焼を実行可能なエンジンが知られている。予混合圧縮着火式のエンジンは、燃焼室内の各所において混合気が同時に燃焼を開始するという特徴がある。このため、燃費の向上、排気ガスのクリーン化などのメリットがある。その一方で、燃焼室内で一気に発生する火炎が燃焼室壁面と接触することから、燃焼室壁面を通した冷損が大きくなる。また、燃焼室内の各所での混合気の同時燃焼に伴い、燃焼室内の圧力、すなわち筒内圧が急激に上昇することが問題となる。大きな筒内圧の発生は、大きな燃焼騒音をもたらし、また、燃焼室やエンジン機構各部に大きな荷重を与える。

この問題に対処すべく、特許文献１には、ピストン冠面に遮熱層及び断熱層を設けてなる燃焼室構造が開示されている。前記遮熱層は、ピストン冠面の全面を覆い、ピストン本体を通した放熱を抑制する。前記断熱層は、前記遮熱層の下方であってピストン冠面の径方向中央領域に配置され、当該中央領域を熱が逃げ難い領域としている。これにより、燃焼室の径方向中央領域で自着火が生じ、当該中央領域で初期燃焼が起こる。その後、比較的低温である燃焼室の径方向外側領域へ火炎が燃え拡がる。従って、予混合圧縮着火式を採用しながらも、燃焼室内において混合気を緩慢に燃焼させることができ、冷損や筒内圧の急上昇を抑制することができる。

特開２０１８−１７２９９７号公報

特許文献１の燃焼室構造は、例えば、比較的エンジン負荷が低い予混合圧縮着火燃焼では有用である。しかし、比較的エンジン負荷が高い状況で行われる予混合圧縮着火燃焼又は火花点火燃焼では、前記断熱層が過度に熱を蓄熱する不具合が生じることが判明した。すなわち、前記遮熱層で遮熱し切れない熱を前記断熱層が蓄熱し、高熱を保有した前記断熱層が前記遮熱層を加温する。この加温によって筒内温度が上昇し、吸気行程で取り入れた空気が過度に熱せられ、圧縮行程において過早着火（プリイグニッション）が生じる。

本発明の目的は、冷却損失の低減を図りつつ、プリイグニッションの発生要因となるような遮熱層の温度上昇を抑止できるエンジンの燃焼室構造を提供することにある。

本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、シリンダブロック、シリンダヘッド及びピストンによって区画される燃焼室を備えるエンジンの燃焼室構造であって、前記ピストンは、前記燃焼室に対向する上面を有するピストン本体と、前記上面の少なくとも径方向中央領域に配置され、熱伝導率が前記ピストン本体よりも小さい断熱層と、前記上面を覆うように配置され、熱伝導率が前記ピストン本体及び前記断熱層よりも小さい遮熱層と、前記断熱層と前記遮熱層との間に配置され、熱伝導率が前記断熱層及び前記遮熱層よりも大きい熱拡散層と、を含み、前記熱拡散層は、前記ピストン本体に当接する当接部を備えていることを特徴とする。

この燃焼室構造によれば、断熱層に伝熱した熱を当該断熱層に蓄熱させず、ピストン本体へ逃がす構造が実現される。すなわち、断熱層と遮熱層との間には、熱拡散層が介在される。前記熱拡散層は、熱伝導率が前記断熱層及び前記遮熱層の双方よりも大きく、前記ピストン本体に当接する当接部を備えている。このため、前記断熱層が蓄熱したとしても、前記熱拡散層を通してその熱を前記ピストン本体に伝熱させることができる。つまり、前記断熱層が蓄熱した熱を、前記遮熱層へは伝熱させず、前記ピストン本体へ放熱させることができる。従って、前記遮熱層の温度上昇は抑制され、プリイグニッションを発生させるような筒内温度の上昇を生じさせないようにすることができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記ピストン本体は、前記上面をシリンダ軸方向の下方へ窪ませたキャビティを備え、前記キャビティは、前記径方向中央領域に対応する位置に配置されていることが望ましい。

燃焼室の径方向中央領域に位置するキャビティの形成領域は、燃焼時に高温化する。上記の燃焼室構造によれば、前記キャビティが配置される位置に断熱層が配置される。つまり、ピストンの燃焼時に高温化する領域において、遮熱層の裏面側に断熱層が配置される。このため、燃焼室内の燃焼ガスと遮熱層（ピストン冠面）との温度差を可及的に小さくし、冷損を低減させることができる。他方、前記熱拡散層の介在によって、前記断熱層の熱が前記ピストン本体へ放熱されるので、過剰に前記遮熱層が熱上昇することはない。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記熱拡散層は、前記断熱層の外周縁よりも径方向外側に延出する延出部を備え、当該延出部が前記ピストン本体に当接する前記当接部であることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、熱拡散層と断熱層とが同じサイズであって、前記熱拡散層の側縁部がピストン本体に対する当接部である場合に比較して、前記熱拡散層と前記ピストン本体との接触面積を大きくすることができる。従って、より前記断熱層の熱を前記ピストン本体へ逃がし易くすることができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記熱拡散層の外周縁は、前記ピストン本体の前記上面の外周縁まで延在していることが望ましい。この構造とすれば、より一層、前記断熱層の熱を前記ピストン本体へ逃がし易くすることができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、冷却用のオイルを噴射するオイルジェット装置をさらに備え、前記ピストン本体は、シリンダ軸方向に貫通する貫通孔を備え、前記熱拡散層は、前記ピストン本体の前記上面付近において前記貫通孔の一部を封止する封止部を備え、前記オイルジェット装置は、前記貫通孔の下方から、前記封止部に向けて前記オイルを噴射する構成とすることができる。

この燃焼室構造によれば、前記封止部において前記熱拡散層と前記ピストン本体との当接部を確保し、前記断熱層の熱の放熱経路を確保することができる。これに加え、オイルジェット装置が前記封止部に向けて前記オイルを噴射することで、前記熱拡散層を冷却することができる。従って、前記遮熱層の過度の熱上昇を抑止することができる。

本発明によれば、冷却損失の低減を図りつつ、プリイグニッションの発生要因となるような遮熱層の温度上昇を抑止することができるエンジンの燃焼室構造を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が適用されるエンジンを示す概略断面図である。図２は、ピストンの冠面の平面図である。図３（Ａ）は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の要部拡大断面図である。図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５は、他の実施形態に係るピストンの断面図である。図６は、他の実施形態に係るピストンの断面図である。図７は、エンジンの燃焼室構造の構成部材に適用可能な材料を示す表形式の図である。図８は、予混合圧縮着火式のエンジンの燃焼態様を説明するための模式図である。図９は、比較例の燃焼室構造における、遮熱及び蓄熱作用を説明するための模式図である。図１０は、比較例の燃焼室構造における、ピストン表面温度分布を説明するための模式図である。図１１は、比較例の燃焼室構造において発生し得るプリイグニッションの説明図である。図１２（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施形態の燃焼室構造における、熱の挙動を説明するための模式図である。図１３は、ピストン表面（冠面）からの深さと壁温との関係を示すグラフである。図１４は、本実施形態の燃焼室構造における、ピストン表面温度分布を説明するための模式図である。図１５は、本実施形態の燃焼室構造における、ピストン表面温度分布を説明するための模式図である。図１６は、本実施形態の燃焼室構造における、ピストン表面温度分布を説明するための模式図である。図１７（Ａ）は、オイルジェット冷却が適用される場合の実施形態を示すピストンの断面図、図１７（Ｂ）は、オイルがピストンに噴射されている状態を示す断面図である。図１８は、オイルジェット冷却が適用される場合の他の実施形態を示すピストンの断面図である。

［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が適用されるエンジンを示す概略断面図である。ここに示されるエンジンは、シリンダ及びピストンを含み、自動車等の車両の走行駆動用の動力源として前記車両に搭載される多気筒エンジンである。エンジンは、エンジン本体１と、これに組付けられた図外の吸排気マニホールド及び各種ポンプ等の補機とを含む。

本実施形態のエンジン本体１は、燃焼室内で燃料と空気との混合気に火花で点火する火花点火燃焼（ＳＩ燃焼）と、前記混合気を自着火させる予混合圧縮着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）とを実行させることが可能なエンジンである。エンジン本体１に供給される燃料は、ガソリンを主成分とするものである。大略的に、エンジン本体１では、高負荷又は高回転の運転領域では火花点火燃焼が実行され、中・低負荷で中・低回転の運転領域では予混合圧縮着火燃焼が実行される。なお、本発明は、予混合圧縮着火燃焼を実行することができないエンジンの燃焼室にも適用が可能である。

エンジン本体１は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、図１の紙面に垂直な方向に並ぶ複数のシリンダ２（図中ではそのうちの１つのみを示す）を有している。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上面に取り付けられ、シリンダ２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各シリンダ２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されている。ピストン５の往復運動に応じて、クランク軸７はその中心軸回りに回転する。

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の底面４ａ（燃焼室天井面６Ｕ）には、吸気ポート９の下流端である吸気側開口部４１と、排気ポート１０の上流端である排気側開口部４２とが形成されている。

シリンダヘッド４には、吸気側開口部４１を開閉する吸気バルブ１１と、排気側開口部４２を開閉する排気バルブ１２とが組み付けられている。例えば、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンである場合、吸気側開口部４１と排気側開口部４２とは、各シリンダ２につき２つずつ設けられると共に、吸気バルブ１１および排気バルブ１２も２つずつ設けられる。吸気バルブ１１及び排気バルブ１２は、いわゆるポペットバルブであって、傘部と軸部とを備える。

本実施形態において、燃焼室６は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５によって区画されている。より詳しくは、燃焼室６を区画している燃焼室壁面は、シリンダ２の内壁面、ピストン５の上面である冠面５Ｈ、シリンダヘッド４の底面である燃焼室天井面６Ｕ、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各バルブヘッドからなる。

シリンダヘッド４には、吸気バルブ１１、排気バルブ１２を各々駆動する吸気側動弁機構１３、排気側動弁機構１４が配設されている。これら動弁機構１３、１４によりクランク軸７の回転に連動して、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各軸部が駆動される。この駆動により、吸気バルブ１１のバルブヘッドが吸気側開口部４１を開閉し、排気バルブ１２のバルブヘッドが排気側開口部４２を開閉する。

吸気側動弁機構１３には、吸気側可変バルブタイミング機構（吸気側Ｓ−ＶＴ）１５が組み込まれている。吸気側Ｓ−ＶＴ１５は、吸気カム軸に設けられた電動式のＳ−ＶＴであり、クランク軸７に対する吸気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、吸気バルブ１１の開閉タイミングを変更する。同様に、排気側動弁機構１４には、排気側可変バルブタイミング機構（排気側Ｓ−ＶＴ）１６が組み込まれている。排気側ＳＶ−Ｔ１６は、排気カム軸に設けられた電動式のＳ−ＶＴであり、クランク軸７に対する排気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、排気バルブ１２の開閉タイミングを変更する。

シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグ１７が各シリンダ２につき１つずつ取り付けられている。点火プラグ１７は、燃焼室６の径方向中央空間に配置され、その点火点が燃焼室６内に臨む姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。点火プラグ１７は、図外の点火回路からの給電に応じてその先端から火花を放電して、燃焼室６内の混合気に点火する。本実施形態では点火プラグ１７は、高負荷・高回転時に火花点火燃焼を実行させる際に使用される。また、予混合圧縮着火燃焼を実行させる際に、エンジンが冷間始動された直後のように自着火が困難な場合や、所定の負荷や速度条件の下で予混合圧縮着火燃焼を補助する場合（スパークアシスト）等に使用される。

シリンダヘッド４には、先端部から燃焼室６内にガソリンを主成分とする燃料を噴射するインジェクタ１８が、各シリンダ２につき１つずつ取り付けられている。インジェクタ１８には燃料供給管１９が接続されている。インジェクタ１８は、燃料供給管１９を通じて供給された燃料を噴射する。燃料供給管１９の上流側には、クランク軸７と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプ（図示せず）が接続されている。この高圧燃料ポンプと燃料供給管１９との間には、全シリンダ２に共通の蓄圧用のコモンレール（図示せず）が設けられている。このコモンレール内で蓄圧された燃料が各シリンダ２のインジェクタ１８に供給されることにより、各インジェクタ１８からは、高い圧力の燃料が燃焼室６内に噴射される。

［ピストンの詳細構造］
次に、ピストン５の構造について詳述する。図２は、ピストン５の上面図である。図３（Ａ）は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の要部拡大断面図である。図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。ピストン５は、ピストン本体５０、断熱層７１、遮熱層７２及び熱拡散層７３を備えている。図２〜図４には、Ｘ、Ｙ、Ｚの方向表示が付されている。Ｘ方向は、クランク軸７の延在方向、Ｙ方向は吸気ポート９と排気ポート１０とが対向する方向（図１の断面方向）、Ｚ方向はシリンダ軸方向（上下方向）である。

ピストン本体５０は、シリンダ２のボア径に略等しい円柱体からなる。ピストン本体５０は、燃焼室６に対向する上面５０１と、シリンダ２の内壁と対向する外周縁５Ｅとを有する。外周縁５Ｅには、ピストンリングが嵌め込まれる複数のリング溝５０２が設けられている。ピストン本体５０の下方には、ピストンボス５０３及びスカート５０５が一体的に配置されている。ピストンボス５０３には、コネクティングロッド８とピストン５とを連結するためのピストンピン孔５０４が備えられている。ピストン本体５０の外周縁５Ｅの近傍には、下方に向けて開口する冷却凹部５０６が設けられている。冷却凹部５０６には、図略のオイルジェットノズルから冷却用オイルが噴射される。

ピストン本体５０は、上面５０１をシリンダ軸方向の下方へ窪ませたキャビティ５Ｃを有する。キャビティ５Ｃは、概ね上面５０１の径方向中央領域に対応する位置に配置されている。燃焼室天井面６Ｕの径方向中心に配置されたインジェクタ１８は、キャビティ５Ｃに向けて燃料を噴射することになる。図２に示すように、上面視でキャビティ５Ｃは、Ｘ方向に長い楕円型の形状を備え、底面部５１、長径側稜線部５２及び短径側稜線部５３によって形成されている。底面部５１は、キャビティ５Ｃにおいて最も深い位置にある略平坦な円形領域であり、上面５０１の径方向中央に位置している。

長径側稜線部５２は、キャビティ５ＣのＸ方向の開口縁であり、上面５０１において最も高く突出している。径方向外側に向かう方向において、底面部５１の周縁から長径側稜線部５２までは上りの傾斜面であり、長径側稜線部５２から外周縁５Ｅまでは下りの傾斜面である。短径側稜線部５３は、キャビティ５ＣのＹ方向の開口縁であり、長径側稜線部５２よりも低い突出高さを有している。底面部５１の周縁から短径側稜線部５３までは、径方向外側に向かう上りの傾斜面である。短径側稜線部５３よりも径方向外側には、下りの傾斜面、及びスキッシュ部５４が順次連なっている。スキッシュ部５４は、上面５０１のＹ方向端部に配置された半月型の平面部分である。

本実施形態では、燃焼室６における混合気の燃焼時に、ピストン５の冠面５Ｈが径方向に温度勾配を持つような燃焼室構造とされる。前記温度勾配は、径方向中央領域が比較的高温で、径方向外側領域が比較的低温となる温度分布である。他方、径方向中央領域がプリイグニッションを引き起すような高温とならないよう、ピストン本体５０を通して放熱が可能な燃焼室構造とされる。このような燃焼室構造の実現のため、本実施形態では、ピストン本体５０の上面５０１の径方向中央領域に断熱層７１が配置されている。遮熱層７２は、断熱層７１が配置された上面５０１の上を完全に覆うように配置されている。熱拡散層７３は、断熱層７１と遮熱層７２との間に配置されている。かかる積層構造が上面５０１に形成されている結果、ピストン５の燃焼室６への露出面となる冠面５Ｈには、遮熱層７２が表出している。

断熱層７１は、Ｚ方向に所定の厚みを有する、上面視で円形の部材である。勿論、断熱層７１を上面視で円形とするのは一例であり、多角形や他の形状としても良い。断熱層７１は、少なくとも上面５０１の径方向中央領域に配置される。図３及び図４では、キャビティ５Ｃの底面部５１に対応する位置に、断熱層７１が配置されている例を示している。断熱層７１は、底面部５１の径方向外側に存在する上りの傾斜面に至る範囲まで、長径側稜線部５２及び／又は短径側稜線部５３に至る範囲まで、或いは、長径側稜線部５２及び／又は短径側稜線部５３よりもさらに径方向外側の範囲まで延在していても良い。断熱層７１のＺ方向の厚さは、例えば１ｍｍ〜６ｍｍの範囲から選択することができる。

断熱層７１としては、燃焼室６からピストン５を通して熱が逃げることを抑止（冷損を抑止）する観点からは、熱伝導率が可及的に小さいことが望ましく、少なくともピストン本体５０よりも小さい熱伝導率を有する材料が用いられる。また、冠面５Ｈの径方向中央領域を高温に維持するという観点からは、断熱層７１は、可及的に大きい体積比熱を有していること、すなわち高い蓄熱性を有していることが望ましい。

遮熱層７２は、冠面５Ｈを通した冷損の抑止のため、ピストン本体５０の上面５０１の全域を覆っている。遮熱層７２としては、冠面５Ｈからの放熱を抑止するという観点から、ピストン本体５０及び断熱層７１よりも熱伝導率が小さいことが望ましい。遮熱層７２を設けることで、燃焼室６内で発生する燃焼ガスと冠面５Ｈとの温度差を小さくし、冷損を低減することができる。また、遮熱層７２が断熱層７１と同レベルに大きい体積比熱（蓄熱性）を有していると、冠面５Ｈの径方向中央領域だけでなく外側領域も高温に維持されてしまい、有意な温度分布の形成が困難になる。このため、遮熱層７２は、断熱層７１よりは小さい体積比熱を具備していることが望ましい。遮熱層７２のＺ方向の厚さは、例えば０．０３ｍｍ〜０．２５ｍｍの範囲から選択することができる。

熱拡散層７３は、その下面が断熱層７１に接触すると共に、上面が断熱層７１に接触するように、断熱層７１と遮熱層７２との間に配置されている。熱拡散層７３は、断熱層７１の配置箇所において冠面５Ｈが高温化しすぎないよう、断熱層７１に蓄熱された熱をピストン本体５０へ逃がす機能を持つ層である。断熱層７１が保有する熱をピストン本体５０へ直ちに伝達する観点から、熱拡散層７３は熱伝導率が可及的に大きいことが望ましい。このため、熱拡散層７３は、断熱層７１及び遮熱層７２よりも大きい熱伝導率を具備する層とされる。熱拡散層７３のＺ方向の厚さは、例えば１ｍｍ〜５ｍｍの範囲から選択することができる。なお、熱拡散層７３は、「熱伝導率／厚さ」で表される熱抵抗が可及的に小さい層であることが、熱拡散を良好とする点で望ましい。このため、熱拡散層７３のＺ方向の厚さは、用いる材料の熱伝導率を考慮して設定される。

図３（Ｂ）を参照して、熱拡散層７３は、断熱層７１よりも大きいサイズを有している。すなわち、熱拡散層７３は、断熱層７１の外周縁７１１よりも径方向外側に位置する側端縁７３１を有する。この結果、熱拡散層７３は、断熱層７１の外周縁７１１よりも径方向外側に延出する延出部７３２（当接部）を備えている。側端縁７３１及び延出部７３２は、ピストン本体５０に直接的に当接する部分である。熱拡散層７３は、遮熱層７２が遮熱し切れなかった熱を断熱層７１に伝熱する。その一方、熱拡散層７３は、断熱層７１に蓄えられすぎた熱を受け取り、この熱を側端縁７３１及び延出部７３２からピストン本体５０へ放熱する。

断熱層７１及び熱拡散層７３は、ピストン本体５０の上面５０１に設けられた凹部５０１Ｒに収容されている。つまり、キャビティ５Ｃの底面部５１から突出しない態様で、断熱層７１及び熱拡散層７３が凹部５０１Ｒ内に配置されている。断熱層７１及び熱拡散層７３は、予め上面５０１に凹部５０１Ｒを形成した上で断熱層７１及び熱拡散層７３に相当するシートを圧入する方法、或いは、鋳ぐるみ成型によって底面部５１に溶着させる方法などで製作することができる。

シリンダブロック３の基材及びシリンダヘッド４の基材としては、例えば、アルミニウム合金ＡＣ４Ｂ（熱伝導率＝９６Ｗ／ｍＫ、体積比熱＝２６６７ｋＪ／ｍ^３Ｋ）などの金属製母材の鋳造品を用いることができる。また、ピストン５の基材（ピストン本体５０）については、アルミニウム合金ＡＣ８Ａ（熱伝導率＝１２５Ｗ／ｍＫ、体積比熱＝２６００ｋＪ／ｍ^３Ｋ）を用いることができる。

ピストン５の冠面５Ｈに表出する遮熱層７２は、ピストン５の構成部材（ピストン本体５０、断熱層７１、遮熱層７２及び熱拡散層７３）の中で、最も小さい熱伝導率及び体積比熱を有する材料が選ばれる。つまり、熱を拡散させ難く、熱を溜め込み難い層となるように、遮熱層７２の構成材料が選ばれる。遮熱層７２としての好ましい熱伝導率の範囲は、０．０５〜１．５０Ｗ／ｍＫ、好ましい体積比熱の範囲は５００〜１５００ｋＪ／ｍ^３Ｋ程度である。

上記の要件を満たす遮熱層７２の材料としては、例えば耐熱性のシリコーン樹脂を例示することができる。シリコーン樹脂としては、メチルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂に代表される、分岐度の高い３次元ポリマからなるシリコーン樹脂を例示することができ、例えば、ポリアルキルフェニルシロキサンなどが好適である。このようなシリコーン樹脂に、シラスバルーンのような中空粒子が含まれていても良い。遮熱層７２は、例えば断熱層７１及び熱拡散層７３が形成された上面５０１に、上記のシリコーン樹脂にてコーティング処理を施すことによって形成することができる。

断熱層７１は、熱を拡散させ難い一方で、熱を溜め込み易い層とされる。熱拡散の抑制のため、断熱層７１は、遮熱層７２よりも大きいものの、ピストン本体５０よりも極めて小さい熱伝導率を持つ材料が選ばれる。また、良好な蓄熱性を具備させるため、断熱層７１は、遮熱層７２よりも大きい体積比熱及び熱抵抗を持つ材料が選ばれる。断熱層７１としての好ましい熱伝導率の範囲は、０．２〜１０Ｗ／ｍＫ、好ましい体積比熱の範囲は１８００〜３５００ｋＪ／ｍ^３Ｋ程度である。

上記の要件を満たす断熱層７１の材料としては、例えばセラミックス材料を例示することができる。一般に、セラミックス材料は、熱伝導率が低い一方で体積比熱が大きく、また耐熱性にも優れるので、断熱層７１として好適である。具体的に、好ましいセラミックス材料は、ジルコニア（熱伝導率＝３Ｗ／ｍＫ、体積比熱＝２５７６ｋＪ／ｍ^３Ｋ）である。この他、窒化ケイ素、シリカ、コージライト、ムライト等のセラミックス材料、或いは、ポーラスなＳＵＳ系材料やケイ酸カルシウム等も、断熱層７１の形成材料として用いることができる。

熱拡散層７３は、断熱層７１に蓄熱された熱をピストン本体５０へ逃がす役目を担うので、熱を拡散させ易い層とされる。このため熱拡散層７３は、ピストン５の構成部材の中で最も大きい熱伝導率を持つ層とされる。熱拡散層７３として好ましい熱伝導率の範囲は、３５〜６００Ｗ／ｍＫ程度である。また、熱拡散層７３は、熱抵抗が０．００２〜０．０６ｍ^２Ｋ／Ｗの範囲となるように、Ｚ方向厚さを設定することが望ましい。上記の要件を満たす熱拡散層７３の材料としては、例えば銅系材料（熱伝導率＝４００Ｗ／ｍＫ、体積比熱＝３５００ｋＪ／ｍ^３Ｋ）や、コルソン合金、ベリリウム銅、繊維強化アルミ合金、チタンアルミ等を用いることができる。前記銅系材料を用いる場合、厚さを２ｍｍに設定した場合でも、熱拡散層７３の熱抵抗＝０．００５ｍ^２Ｋ／Ｗに抑制できるので特に好ましい。

熱拡散層７３は、ピストン本体５０に当接する当接部を具備していることが必須であるが、その当接の態様は種々選択することができる。図５は、他の実施形態に係るピストン５−１の断面図である。図５のピストン５−１の断熱層７１及び遮熱層７２については、図３及び図４のピストン５と同様である。しかし、ピストン５−１が備える熱拡散層７３Ａは、径方向幅が断熱層７１と同じサイズに設定されている。すなわち、断熱層７１の外周縁７１１と熱拡散層７３Ａの側端縁７３１Ａとが、径方向の同じ位置にある。このような熱拡散層７３Ａでは、先述の熱拡散層７３が備える延出部７３２は存在しないものの、側端縁７３１Ａがピストン本体５０への当接部として機能する。つまり、側端縁７３１Ａを通して、断熱層７１の熱がピストン本体５０へ放熱される。但し、延出部７３２を具備させる方が、熱拡散層７３とピストン本体５０との接触面積を大きくすることができ、より断熱層７１の熱をピストン本体５０へ逃がし易くすることができるので好ましい。

図６は、さらに他の実施形態に係るピストン５−２の断面図である。ピストン５−２の断熱層７１及び遮熱層７２については、図３及び図４のピストン５と同様である。一方、ピストン５−２が備える熱拡散層７３Ｂは、径方向幅が遮熱層７２と同じサイズに設定されている。すなわち、熱拡散層７３Ｂの側端縁７３１Ｂは、ピストン本体５０の外周縁５Ｅまで延在している。これにより、熱拡散層７３Ｂの上面は、遮熱層７２の下面と全域に亘って接触している。また、熱拡散層７３Ｂの下面は、断熱層７１の配置部分を除いて、ピストン本体５０の上面５０１の全域と接触している。このような熱拡散層７３Ｂでは、ピストン本体５０に対する接触面積を最も大きくすることができ、断熱層７１の熱を上面５０１の全域に配分して放熱させることができる。従って、より一層、断熱層７１の熱をピストン本体５０へ逃がし易くすることができる。

図７に、ピストン５のピストン本体５０、断熱層７１、遮熱層７２及び熱拡散層７３の好ましい材料選定例を示す。図７では、これらの材料の熱伝導率λ、体積比熱ρｃ、熱拡散率（λ／ρｃ）、Ｚ方向厚さｔ、熱抵抗（ｔ／λ）及び熱浸透率（√λρｃ）を示している。なお、熱拡散率の右側の小欄は、遮熱層７２の熱拡散率を「１」とした場合の、各層の比率を示している。

［断熱層の意義］
続いて、上述の断熱層７１及び熱拡散層７３が果たす意義について説明する。ここでは、予混合圧縮着火燃焼を実行可能なエンジンを取り上げて説明する。図８は、予混合圧縮着火式のエンジンの燃焼態様を説明するための模式図である。図８では、ペントルーフ型の燃焼室６０を模式的に示し、キャビティ５Ｃの記載を省いている。

予混合圧縮着火式のエンジンでは、燃料と空気の混合気をピストン５による圧縮に伴い燃焼室６０内で自着火させる。このため、火花着火燃焼のように強制着火点から燃焼が始まるのではなく、図８に示すように、燃焼室６０の各所に着火点ＩＰが生じ、前記混合気が同時に燃焼を開始する。このような同時燃焼により、燃焼室６０内の圧力（筒内圧）が急上昇する。このため、大きな燃焼騒音が生じたり、コネクティングロッド８とクランク軸７との接続部等のエンジン機構各部に大きな荷重を与えたりする。前記燃焼騒音への対策や、エンジン機構各部の強度向上策を要することは、予混合圧縮着火式のエンジンの実用化の阻害要因となる。さらに、前記同時燃焼によって燃焼室６内で火炎が一気に発生することから、前記燃焼室壁面を通した放熱（冷却損失）、とりわけ比較的低温のシリンダ２の内壁を通した冷却損失が大きくなる。従って、エンジンの熱効率が低下する。

燃焼室６０の各所においてマルチプルに着火点ＩＰが生じるのは、燃焼室６０（燃焼室壁面）の温度が均質であることが原因であると言える。すなわち、温度が均質であるがゆえ、圧縮行程において混合気が圧縮され一定の圧力条件に至ると、燃焼室６０の各所において着火条件が整ってしまう。この点に鑑み、本実施形態では、燃焼室６０の径方向、つまりピストン５の冠面５Ｈに積極的に温度勾配を形成する。具体的には、冠面５Ｈの径方向中央領域については比較的高温で、径方向外側領域が比較的低温となる温度分布を具備させる。

図９は、遮熱層７２及び断熱層７１を備えたピストン５を用いた燃焼室構造における、遮熱及び蓄熱作用を説明するための模式図である。上述の通り遮熱層７２は、極めて熱伝導率が小さい層であり、燃焼室６の室内温度に依存して温度変化する。このため、燃焼室６の内の燃焼ガスの温度と冠面５Ｈの温度との間の温度差を小さくし、ピストン本体５０への熱伝達を相当程度は遮断することができる。つまり、図９の矢印Ｄ１に示すように、燃焼室６から冠面５Ｈを通した熱の逃げ出しを阻止することができる。これにより、冷熱損失を低減できる。但し、遮熱層７２は完全には熱伝達を遮断することはできないので、図９の矢印Ｄ２に示すように、ある程度は熱を通過させる。

断熱層７１が配置された領域については、ピストン５において熱伝導率が小さい領域となる。つまり、断熱層７１が燃焼室６側からピストン５への熱伝達をブロックし、放熱が抑止される。一方、断熱層７１が配置されていない領域については、ピストン５の熱伝導率に応じて燃焼室６側からピストン５への熱伝達が生じてしまう。遮熱層７２を設けることで前記熱伝達はある程度抑制されるが、断熱層７１の配置領域よりは大きい熱伝達が生じる。さらに、本実施形態では断熱層７１が体積比熱の大きい部材からなるため、優れた蓄熱機能を発揮する。このため、遮熱層７２を通過した熱（矢印Ｄ２）や、周囲の熱（矢印Ｄ３）が断熱層７１に蓄熱される。

すると、熱を保有した断熱層７１が、上層の遮熱層７２を加熱するようになる。従って、断熱層７１が配置された冠面５Ｈの径方向中央領域を外側領域に比べて高温に維持することができる。このような温度勾配が径方向に形成されることで、燃焼室６内における予混合圧縮着火燃焼を、径方向内側空間から外側空間へ順次シフトしてゆく燃焼とすることができる。すなわち、図８に示したように燃焼室６０の各所で同時着火及び同時燃焼は起きず、燃焼室６の径方向中央領域から径方向外側領域へ向けての緩慢な燃焼が生じるものである。従って、予混合圧縮着火燃焼において、燃焼騒音及び機械荷重の低減、冷熱損失の改善を図ることができる。

［熱拡散層の意義］
熱拡散層７３を断熱層７１と遮熱層７２との間に介在させることで、中負荷及び高負荷運転時に、冠面５Ｈにおける断熱層７１の配置領域が過剰に高温化することを防止できる。図１０は、比較例における冠面５Ｈの温度分布（ピストン表面温度）を説明するための模式図である。比較例の燃焼室構造は、冠面５Ｈの径方向中央領域に断熱層７１が埋め込まれ、冠面５Ｈの全体が遮熱層７２で覆われている点は上掲の実施形態と同一であるが、熱拡散層７３が存在しない点で相違している。

図１０の温度分布Ｌ１は、低負荷運転時におけるピストン表面温度を示している。既述の通り、本実施形態のエンジン本体１は、低負荷の運転領域ではリーンな混合気を用いた予混合圧縮着火燃焼が実行される。低負荷運転時はインジェクタ１８からの燃料噴射量も比較的少ないため、燃焼室６内の燃焼ガスの温度も比較的低い。このため、ピストン表面温度も全体的に低いものとなる。但し、冠面５Ｈの径方向中央領域には断熱層７１が埋め込まれているので、当該中央領域についてはピストン表面温度が高くなることは上述した通りである。従って、温度分布Ｌ１は、断熱層７１の配置領域に相当する径方向中央領域が高く、断熱層７１の非配置領域に相当する径方向外側領域が低い温度分布となる。

図１０の温度分布Ｌ２は、中負荷・高負荷運転時におけるピストン表面温度を示している。エンジン本体１は、中負荷の運転領域ではリーンな混合気を用いた予混合圧縮着火燃焼が実行され、高負荷の運転領域ではλ＝１の火花点火燃焼が実行される。温度分布Ｌ２の分布傾向は温度分布Ｌ１と同じであり、径方向中央領域が高く、径方向外側領域が低い温度分布である。しかし、中負荷・高負荷運転時には燃料噴射量が比較的多くなるため、燃焼室６内の燃焼ガスの温度が比較的高くなる。このため、ピストン表面温度も全体的に高くなり、断熱層７１も高温の熱を蓄熱することになる。このような断熱層７１によって遮熱層７２が加温されることから、温度分布Ｌ２は、断熱層７１が配置された径方向中央領域の温度がとりわけ高い温度分布となる。

図１１は、比較例の燃焼室構造において中負荷・高負荷運転時に発生し得る現象を示す図である。図１０の温度分布Ｌ２のように、冠面５Ｈ（遮熱層７２）の径方向中央領域が極端に高い温度を持つようになると、筒内温度を過剰に高くしてしまう。すると、吸気行程中において燃焼室６内に取り入れられた空気の温度が上昇し、圧縮行程でその加温された空気が圧縮されると、プリイグニッションＰＩＧが発生する。つまり、本来の圧縮着火時期よりも早い時期に、混合気の一部に着火してしまう現象が生じる。この場合、エンジン本体１のトルク変動や出力低下が生じることがある。

図１２（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施形態の燃焼室構造における、熱の挙動を説明するための模式図である。図１２（Ａ）は、低負荷運転時の熱の挙動を示す。比較例と同様に、遮熱層７２は、燃焼室６から冠面５Ｈを通した熱の逃げ出しを阻止する（矢印Ｄ１）。但し、遮熱層７２は完全に熱伝達を遮断できないので、ある程度は熱を通過させる（矢印Ｄ２）。遮熱層７２を通過した熱は熱拡散層７３に進入するが、当該遮熱層７２は高い熱伝導率を有するので、その熱は断熱層７１へ伝熱される。また、熱拡散層７３は、ピストン本体５０の熱も断熱層７１へ伝熱することになる（矢印Ｄ４）。ピストン本体５０の熱は、直接的にも断熱層７１へ伝熱する（矢印Ｄ３）。これらの熱を断熱層７１は蓄熱し、結果として、断熱層７１の配置領域に相当する冠面５Ｈの径方向中央領域が高く、断熱層７１の非配置領域に相当する径方向外側領域が低い温度分布が形成される。

図１２（Ｂ）は、中・高負荷運転時の熱の挙動を示す。中・高負荷運転時には、燃焼室６の燃焼ガス温度が上がり、遮熱層７２は熱を遮断するものの（矢印Ｄ１）、より高温でより多くの熱量を伴う熱が遮熱層７２を通過する（矢印Ｄ２）。断熱層７１の配置位置において、遮熱層７２を通過した熱は熱拡散層７３に進入し、断熱層７１へ伝熱される。このため、断熱層７１は高温化する。しかし、断熱層７１がピストン本体５０よりも高温になると、熱拡散層７３が断熱層７１の熱をピストン本体５０へ伝熱するようになる（矢印Ｄ５）。つまり、断熱層７１の熱をピストン本体５０へ放熱させる役目を、熱拡散層７３が果たす。これにより、断熱層７１の配置領域に相当する冠面５Ｈの径方向中央領域の、過度の高温化を抑止することができる。

図１３は、ピストン表面（冠面５Ｈ）からの深さと壁温との関係を示すグラフである。ピストン表面からの深さ＝０ｍｍの壁温が冠面５Ｈの壁温であり、各種の燃焼室構造に基づく温度特性Ｈ１〜Ｈ１０の径方向中央領域の壁温がプロットされている。図１３のグラフは、低負荷運転時において、熱拡散層７３が断熱層７１と遮熱層７２との間に介在されていても、冠面５Ｈの径方向中央領域の温度を、熱拡散層７３を介在させない場合（図１０）と同等に高温化できることを示すグラフである。なお、測定条件は、エンジン本体１の圧縮比＝１７、エンジンン回転数＝２０００ｒｐｍ、１／４負荷である。

図１３の温度特性Ｈ１（１０６℃）は、断熱層７１、遮熱層７２及び熱拡散層７３を備えないピストン（ピストン本体５０の上面５０１が剥き出し）についての温度特性である。温度特性Ｈ２（２４３℃）は、上面５０１に７５μｍ厚の遮熱層７２のみを備えたピストンの温度特性である。これら温度特性Ｈ１、Ｈ２は壁温が低く、低負荷運転時において冠面５Ｈの径方向中央領域を高温化する温度分布を形成できないことが判る。

温度特性Ｈ３、Ｈ４は、上面５０１に断熱層７１のみを設けた場合の温度特性である。温度特性Ｈ３は、断熱層７１の厚さが２ｍｍの場合、温度特性Ｈ４は、断熱層７１の厚さが３ｍｍの場合である。温度特性Ｈ５、Ｈ６は、上面５０１に断熱層７１及び遮熱層７２を設けた場合（図９の比較例の構造）の温度特性である。温度特性Ｈ５は、遮熱層７２の厚さが７５μｍ、断熱層７１の厚さが２ｍｍの場合、温度特性Ｈ６は、遮熱層７２の厚さが７５μｍ、断熱層７１の厚さが３ｍｍである。温度特性Ｈ３、Ｈ５の壁温は４２４℃であり、温度特性Ｈ４、Ｈ６の壁温は４５２℃であって、低負荷運転時において冠面５Ｈの径方向中央領域を十分に高温化する温度分布を形成できることが判る。

温度特性Ｈ７〜Ｈ１０は、上面５０１に断熱層７１、遮熱層７２及び熱拡散層７３を設ける本実施形態に係るピストンの温度特性である。温度特性Ｈ７は、遮熱層７２の厚さが７５μｍ、断熱層７１の厚さが２ｍｍ、厚さが２ｍｍのアルミ合金からなる熱拡散層７３の場合の温度特性である。温度特性Ｈ８は、断熱層７１の厚さが３ｍｍで有る他は、温度特性Ｈ７の場合と同じ構成を備えるピストンの温度特性である。温度特性Ｈ９は、遮熱層７２の厚さが７５μｍ、断熱層７１の厚さが２ｍｍ、厚さが２ｍｍのＳＵＳ系材料からなる熱拡散層７３の場合の温度特性である。温度特性Ｈ１０は、断熱層７１の厚さが３ｍｍで有る他は、温度特性Ｈ９の場合と同じ構成を備えるピストンの温度特性である。

温度特性Ｈ７、Ｈ９（断熱層７１の厚さが２ｍｍ）の壁温は４２７℃であり、温度特性Ｈ８、Ｈ１０（断熱層７１の厚さが２ｍｍ）の壁温は４５５℃である。温度特性Ｈ７、Ｈ９の壁温は、断熱層７１の厚さが２ｍｍの場合の温度特性Ｈ３、Ｈ５の壁温（４２４℃）とほぼ同一である。また、温度特性Ｈ８、Ｈ１０の壁温も、断熱層７１の厚さが３ｍｍの場合の温度特性Ｈ４、Ｈ６の壁温（４５２℃）とほぼ同一である。従って、断熱層７１と遮熱層７２との間に熱拡散層７３を介在させた場合でも、低負荷運転時において冠面５Ｈの径方向中央領域を十分に高温化する温度分布を形成できる。

図１４〜図１６は、本実施形態の燃焼室構造における、ピストン表面温度分布を説明するための模式図である。図１４〜図１６の燃焼室構造は、冠面５Ｈの径方向中央領域に断熱層７１が埋め込まれ、冠面５Ｈの全体が遮熱層７２で覆われている点において、共通の構造を備えている一方、熱拡散層７３の径方向幅が異なる例を示している。

図１４は、図５に示すピストン５−１に対応する燃焼室構造であり、その熱拡散層７３Ａの径方向幅が断熱層７１と同じサイズである。先述の通りこの態様では、熱拡散層７３Ａの側端縁７３１Ａから、断熱層７１の熱がピストン本体５０へ放熱される。図１４に示された温度分布Ｌ１１は、低負荷運転時におけるピストン５−１の表面温度（冠面５Ｈの温度）を示している。この温度分布は、比較例として示した図１０の温度分布Ｌ１と同等である。温度分布Ｌ１１は、断熱層７１の配置領域に相当する冠面５Ｈの径方向中央領域が高く、断熱層７１の非配置領域に相当する径方向外側領域が低い温度分布となっている。従って、低負荷運転時の燃焼室６内において、径方向中央領域から径方向外側領域へ向かう緩慢な燃焼が生じさせることができる。

図１４の温度分布Ｌ２１は、中負荷・高負荷運転時におけるピストン５−１の表面温度を示している。比較のため、比較例における中負荷・高負荷運転時の温度分布Ｌ２が点線で書き加えられている。中負荷・高負荷運転時には燃焼室６内の燃焼ガスの温度が比較的高くなるため、温度分布Ｌ２１のピストン表面温度は、低負荷の温度分布Ｌ１１に比べて全体的に高くなっている。

しかし、温度分布Ｌ２１の径方向中央領域のピストン表面温度については、比較例の温度分布Ｌ２に比べて相当程度低減されている。これは、断熱層７１に溜め込まれた熱を、熱拡散層７３Ａがピストン本体５０へ放熱したことによる。前記放熱によって断熱層７１の直上の遮熱層７２の加熱の程度が低下し、ピストン表面温度が低下するものである。なお、ピストン本体５０への放熱によって、径方向外側領域のピストン表面温度は、比較例の温度分布Ｌ２に比べて温度分布Ｌ２１の方が若干上昇している。しかし、冠面５Ｈ全体の表面温度でみると、比較例の温度分布Ｌ２に比べて温度分布Ｌ２１の方が下がっていると評価できる。従って、吸気が過剰に加熱されることはなく、上述のプリイグニッションの発生を抑止することができる。

図１５は、図３及び図４に示すピストン５に対応する燃焼室構造であり、熱拡散層７３は、断熱層７１よりもやや大きいサイズを有している。先述の通りこの態様では、熱拡散層７３の側端縁７３１及び延出部７３２から、断熱層７１の熱がピストン本体５０へ放熱される。図１５に示された温度分布Ｌ１２は、低負荷運転時におけるピストン５の表面温度を示している。この温度分布Ｌ１２は、図１４の温度分布Ｌ１１と同等であり、径方向中央領域が高く、径方向外側領域が低い温度分布である。

図１５の温度分布Ｌ２２は、中負荷・高負荷運転時におけるピストン５の表面温度を示している。ここでも、比較例の温度分布Ｌ２が点線で書き加えられている。温度分布Ｌ２２の径方向中央領域のピストン表面温度については、比較例の温度分布Ｌ２に比べて相当程度低減されている。また、図１４の温度分布Ｌ２１と比較しても、温度分布Ｌ２２の径方向中央領域のピストン表面温度は低減されている。これは、ピストン本体５０と接触面として、熱拡散層７３は側端縁７３１だけでなく延出部７３２も備えていることから、断熱層７１に溜め込まれた熱がより多くピストン本体５０へ放熱されたことによる。

図１６は、図６に示すピストン５−２に対応する燃焼室構造であり、その熱拡散層７３Ｂの径方向幅は遮熱層７２と同じサイズである。この態様では、熱拡散層７３Ｂは、断熱層７１の配置部分を除いて、ピストン本体５０の全域と接触するので、断熱層７１の熱をピストン本体５０の全域に配分するように放熱する。図１６に示された温度分布Ｌ１３は、低負荷運転時におけるピストン５−２の表面温度を示している。この温度分布Ｌ１３は、図１４、図１５の温度分布Ｌ１１、Ｌ１２と同等であり、径方向中央領域が高く、径方向外側領域が低い温度分布である。

図１６の温度分布Ｌ２３は、中負荷・高負荷運転時におけるピストン５−２の表面温度を示している。ここでも、比較例の温度分布Ｌ２が点線で書き加えられている。温度分布Ｌ２３の径方向中央領域のピストン表面温度は、比較例の温度分布Ｌ２に比べてより一層低減されている。また、図１４、図１５の温度分布Ｌ２１、Ｌ２２と比較しても、温度分布Ｌ２３の径方向中央領域のピストン表面温度は低減されている。これは、断熱層７１の配置部分を除くピストン本体５０の全域に、断熱層７１に溜め込まれた熱が放熱されたことによる。

以上の通り、本実施形態のいずれの燃焼室構造によっても、低負荷運転時においては、ピストンの表面温度を、緩慢な燃焼に適した温度分布とすることができる。一方、中負荷・高負荷運転時においては、径方向中央領域のピストン表面温度が過剰に上昇しないようにすることができる。従って、プリイグニッションＰＩＧ（図１１）を発生させるような筒内温度の上昇を発生させないようにすることができる。

［オイルジェット冷却を伴う実施形態］
本発明の他の実施形態を説明する。図１７（Ａ）は、オイルジェット冷却が適用される場合の実施形態を示すピストン５−３の断面図である。ピストン５−３のピストン本体５０は、冷却凹部５０６に連なるように配置された一対の開口５０７を備えている。冷却凹部５０６と開口５０７とが連なることで、ピストン本体５０をシリンダ軸方向に貫通する一対の貫通孔が備えられている。

断熱層７１Ａは、一対の開口５０７の間の領域において、ピストン本体５０の上面５０１の上に配置されている。開口５０７は、キャビティ５Ｃの長径側稜線部５２に配置されている。このため、断熱層７１Ａはキャビティ５Ｃの配置位置に対応して設けられることになる。熱拡散層７３Ｃは、上面５０１の全域を覆うように配置されている。また、熱拡散層７３Ｃは、開口５０７を埋める封止部７３３を備えている。封止部７３３は、ピストン本体５０の上面５０１付近において、冷却凹部５０６及び開口５０７により形成された前記貫通孔の一部を封止している。遮熱層７２は、このような熱拡散層７３Ｃの径方向全域を覆うように配置されている。

図１７（Ｂ）は、冷却用オイル８１がピストン５−３に噴射されている状態を示す断面図である。ピストン５−３の下方には、冷却用オイル８１を噴射するオイルジェットノズル８０（オイルジェット装置）が配置されている。オイルジェットノズル８０は、冷却凹部５０６（貫通孔）の下方から、熱拡散層７３Ｃの封止部７３３に向けて冷却用オイル８１を噴射する。

このピストン５−３を用いた燃焼室構造によれば、開口５０７の内周面と封止部７３３との接触部分において、熱拡散層７３Ｃとピストン本体５０との当接部を確保することができる。つまり、断熱層７１Ａの熱のピストン本体５０への放熱経路を確保することができる。これに加え、オイルジェットノズル８０が封止部７３３に向けて冷却用オイル８１を噴射することで、熱拡散層７３Ｃを冷却することができる。従って、遮熱層７２の過度の熱上昇を抑止することができる。さらに、インジェクタ１８から燃料が噴射され高温化するキャビティ５Ｃの領域において、遮熱層７２の裏面側に断熱層７１Ａが存在するので、冷損を効果的に抑止することができる。

図１８は、オイルジェット冷却が適用される場合の他の実施形態を示すピストン５−４の断面図である。図１７（Ａ）のピストン５−３と相違する点は、開口５０７よりも径方向外側に位置する延長部７１２を有する断熱層７１Ｂが用いられている点である。この態様でも、熱拡散層７３Ｃとピストン本体５０との当接部は、開口５０７の内周面と封止部７３３との接触部分である。このピストン５−４によれば、冠面５Ｈの径方向全域において、遮熱層７２の裏面側に断熱層７１Ａが存在するので、より一層、冷損を抑止することができる。なお、図示は省いているが、冷却凹部５０６の下方から、熱拡散層７３Ｃの封止部７３３に向けて冷却用オイル８１を噴射される点は、先のピストン５−３と同じである。

［作用効果］
以上説明した本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造によれば、断熱層７１に伝熱した熱を当該断熱層７１に蓄熱させず、ピストン本体５０へ逃がす構造が実現される。すなわち、断熱層７１と遮熱層７２との間には、熱拡散層７３が介在される。熱拡散層７３は、熱伝導率が断熱層７１及び遮熱層７２の双方よりも大きく、ピストン本体５０に当接する当接部（側端縁７３１又は延出部７３２）を備えている。このため、断熱層７１が蓄熱したとしても、熱拡散層７３を通してその熱をピストン本体５０に伝熱させることができる。つまり、断熱層７１が蓄熱した熱を、遮熱層７２へは伝熱させず、ピストン本体５０へ放熱させることができる。従って、例えば高負荷・中負荷運転時における遮熱層７２の過剰な温度上昇は抑制され、プリイグニッションを発生させる程に筒内温度を上昇させないようにすることができる。

また、断熱層７１は、キャビティ５Ｃが形成されるピストン本体５０の径方向中央領域に対応する位置に配置されている。つまり、ピストン５のうち、燃焼時にとりわけ高温化する領域に、遮熱層７２の裏面側に断熱層７１が配置される。このため、燃焼室６内の燃焼ガスと遮熱層７２（冠面５Ｈ）との温度差を可及的に小さくし、冷損を低減させることができる。他方、熱拡散層７３の介在によって、断熱層７１の熱がピストン本体５０へ放熱されるので、過剰に遮熱層７２が熱上昇することはない。

１エンジン本体
２シリンダ
３シリンダブロック
４シリンダヘッド
５ピストン
５Ｃキャビティ
５Ｅ外周縁
５Ｈ冠面
５０ピストン本体
５０１上面
５０７開口（貫通孔）
６燃焼室
７１断熱層
７２遮熱層
７３熱拡散層
７３１側端縁（当接部）
７３２延出部（当接部）
７３３封止部
８０オイルジェットノズル
８１冷却用オイル

Claims

シリンダブロック、シリンダヘッド及びピストンによって区画される燃焼室を備えるエンジンの燃焼室構造であって、
前記ピストンは、
前記燃焼室に対向する上面を有するピストン本体と、
前記上面の少なくとも径方向中央領域に配置され、熱伝導率が前記ピストン本体よりも小さい断熱層と、
前記上面を覆うように配置され、熱伝導率が前記ピストン本体及び前記断熱層よりも小さい遮熱層と、
前記断熱層と前記遮熱層との間に配置され、熱伝導率が前記断熱層及び前記遮熱層よりも大きい熱拡散層と、を含み、
前記熱拡散層は、前記ピストン本体に当接する当接部を備えている、
エンジンの燃焼室構造。
請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記ピストン本体は、前記上面をシリンダ軸方向の下方へ窪ませたキャビティを備え、
前記キャビティは、前記径方向中央領域に対応する位置に配置されている、エンジンの燃焼室構造。
請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記熱拡散層は、前記断熱層の外周縁よりも径方向外側に延出する延出部を備え、当該延出部が前記ピストン本体に当接する前記当接部である、エンジンの燃焼室構造。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記熱拡散層の外周縁は、前記ピストン本体の前記上面の外周縁まで延在している、エンジンの燃焼室構造。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
冷却用のオイルを噴射するオイルジェット装置をさらに備え、
前記ピストン本体は、シリンダ軸方向に貫通する貫通孔を備え、
前記熱拡散層は、前記ピストン本体の前記上面付近において前記貫通孔の一部を封止する封止部を備え、
前記オイルジェット装置は、前記貫通孔の下方から、前記封止部に向けて前記オイルを噴射する、エンジンの燃焼室構造。