JP2021161978A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

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バルブの高温化を抑止する。【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、ピストン５、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２によって区画される燃焼室６を備える。吸気バルブ１１（排気バルブ１２）は、バルブヘッド１１３及びバルブフェース１１４を有する傘部１１１を含む吸気バルブ本体１１０と、バルブヘッド１１３に配置され、熱伝導率がバルブ本体１１０よりも小さい断熱層７１と、断熱層７１が配置されたバルブヘッド１１３を覆うように配置され、熱伝導率がバルブ本体１１０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、吸気バルブ１１の閉弁時にシリンダヘッド４に当接する当接部７３１を備える。【選択図】図６

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。

特許文献１には、ピストン冠面に、遮熱層に加えて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が形成される。このような温度分布は、予混合圧縮着火燃焼を実行させる場合に燃焼を緩慢化させ、筒内圧の急上昇や冷損を抑止できる利点がある。

特開２０１８−１７２９９７号公報

エンジンの燃焼室は、吸気バルブ及び排気バルブによっても区画されている。従って、燃焼室の冷損低減には、吸気バルブ及び排気バルブからの放熱も抑止する必要がある。そこで、吸気バルブ及び排気バルブのバルブヘッドにも、特許文献１のように遮熱層及び断熱層を設けることが考えられる。しかし、前記断熱層が過度に熱を蓄熱し、バルブを高温化させる不具合が生じ得る。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。この加温によってバルブ自体が高温化し、筒内温度を上昇させてしまう。これにより、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バルブの高温化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、ピストン及びバルブ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、
前記バルブは、前記燃焼室に対するポート開口を開閉する部材であって、傘部及び軸部を有し、前記傘部が、前記燃焼室に対向するバルブヘッドと、前記燃焼室とは反対側のバルブフェースと、を含むバルブ本体と、前記バルブヘッドに配置され、熱伝導率が前記バルブ本体よりも小さい断熱層と、前記断熱層が配置された前記バルブヘッドを覆うように配置され、熱伝導率が前記バルブ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、前記バルブの閉弁時に前記傘部が前記シリンダヘッドに対して当接する位置まで延設された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、熱伝導率が前記バルブ本体及び前記断熱層よりも小さい遮熱層によって、バルブヘッドが覆われる。このため、バルブヘッドと燃焼室との温度差を小さくし、バルブ本体への熱伝達を抑制することができる。また、前記遮熱層を通過した熱は、前記断熱層に蓄熱される。このため、前記遮熱層（バルブヘッド）を高温に維持することができる。一方、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、シリンダヘッドに当接する当接部を備えている。このため、前記断熱層が過剰に蓄熱する状態に至ったとしても、前記熱拡散層を通してその熱を前記シリンダヘッドに放熱させることができる。従って、プリイグニッションの発生要因となるようなバルブの高温化を防止することができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記シリンダヘッドが、前記バルブ本体の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を備えていることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、前記熱拡散層が運ぶ断熱層の熱を、バルブ本体よりもシリンダヘッド側へ積極的に逃がすことができる。

上記エンジンの燃焼室構造において、前記シリンダヘッドは、前記ポート開口に配置され、前記バルブ本体の前記傘部の一部が当接するバルブシートを備え、前記熱拡散層の前記当接部は、前記傘部における前記バルブシートへの当接部分に配置されていることが望ましい。

ポート開口に配置されるバルブシートは、吸気又は排気のポートが閉とされるときに傘部が必ず当接する。従って、前記傘部の前記バルブシートへの当接部分に、前記熱拡散層の当接部を配置することで、バルブ本体から記シリンダヘッドへの確実な放熱ルートを確保することができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記バルブが吸気バルブであって、前記遮熱層は、前記傘部の前記バルブフェース上にも配置されていることが望ましい。この場合、前記遮熱層は、さらに前記軸部の上にも配置されていることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、吸気バルブのバルブ本体が高温化した場合でも、バルブフェース又は軸部からの放熱を、遮熱層によって抑止することができる。従って、吸気ポートを通過する吸気を吸気バルブが過剰に加温しないようにし、プリイグニッションを防止することができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記バルブが排気バルブであって、前記遮熱層は、前記傘部の前記バルブフェース上にも配置されていることが望ましい。この場合、前記遮熱層は、さらに前記軸部の上にも配置されていることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、排気バルブの傘部のバルブフェース、さらには軸部の表面温度を、遮熱層によって高温に維持することができる。排気ポートに配置される排気バルブは、燃焼ガスの排気熱により高温に曝される。従って、前記バルブフェース並びに前記軸部にも遮熱層を配置することで、排気バルブのバルブ本体への入熱、つまり冷損を抑制することができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記熱拡散層は、前記バルブヘッドにおいて前記断熱層と前記遮熱層との間に配置される第１部分と、前記当接部と、前記バルブフェース及び前記軸部に配置された前記遮熱層の下地層となる第２部分とを含むことが望ましい。

この燃焼室構造によれば、バルブヘッドの熱を熱拡散層の第１部分が受熱し、バルブフェース及び軸部の熱を第２部分が受熱する。前記第１部分及び第２部分が受け取った熱は、前記当接部からシリンダヘッドに逃がされる。排気バルブにあっては、排気ポートを通過する排気から受熱するため、高温化する。また、吸気バルブにあっては、バルブオーバーラップ期間の設定により、燃焼室からの燃焼ガスの吹き戻しガスやＥＧＲガスから受熱するため、高温化し得る。従って、上記第１部分及び第２部分を備えた熱拡散層を具備させることで、排気バルブ又は吸気バルブの過剰な加温を防止することができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記バルブが排気バルブであって、前記断熱層及び前記熱拡散層は、前記傘部の全体を覆うように配置され、前記遮熱層は、前記当接部を除いて、前記傘部の全体を覆うように配置されていることが望ましい。この場合、前記断熱層、前記熱拡散層及び前記遮熱層は、前記軸部の少なくとも前記傘部に連なる部分を覆うように配置されていることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、バルブの傘部が、前記当接部を除いて、断熱層、熱拡散層及び遮熱層の三層構造で覆われる。より好ましくは、前記軸部の少なくとも前記傘部に連なる部分も、前記三層構造とされる。つまり、燃焼室に対向するバルブヘッドだけでなく、その反対側のバルブフェース、さらには軸部にも断熱層が配置される。従って、バルブフェース並びに軸部上の遮熱層を断熱層によって高温に維持でき、排気バルブにおいて冷損を抑制することができる。また、断熱層が過剰に蓄熱しないよう、熱拡散層による放熱ルートが確保されるので、排気バルブが過度に高温化することはない。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記バルブが、前記バルブ本体に冷媒の封入部を備えた冷却機能付きの排気バルブであり、前記断熱層及び前記熱拡散層は、前記傘部を覆うように配置され、前記遮熱層は、前記当接部を除いて、前記傘部を覆うように配置され、さらに前記遮熱層及び前記熱拡散層は、前記封入部と重複する位置まで延設されていることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、断熱層が溜め込んだ熱、或いは遮熱層が受けた熱を、熱流層を介して冷媒の封入部に運ばせることが可能となる。従って、排気バルブが過度に高温化しない構造とすることができる。

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バルブの高温化を抑止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、図１に示された吸気バルブの詳細を示す断面図である。 図３は、比較例１のバルブを示す一部破断側面図である。 図４は、比較例２のバルブを示す一部破断側面図である。 図５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６は、本発明の実施例１に係るバルブを示す一部破断側面図である。 図７は、実施例１のバルブを用いた場合の熱の挙動を説明するため図である。 図８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９は、実施例２に係る吸気バルブを示す一部破断側面図である。 図１０は、実施例３に係る吸気バルブを示す一部破断側面図である。 図１１は、実施例４に係る排気バルブを示す一部破断側面図である。 図１２は、実施例５に係る排気バルブを示す一部破断側面図である。 図１３は、実施例６に係る排気バルブを示す一部破断側面図である。

［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の冠面５Ｈには、シリンダ軸方向の下方に窪んだキャビティ５Ｃが形成されている。

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、燃焼室６に対する開口として、吸気ポート９の下流端である吸気側開口部４１（ポート開口）と、排気ポート１０の上流端である排気側開口部４２（ポート開口）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の構造については、後記で詳述する。

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の各傘部（バルブヘッド１１３、１２３）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キャビティ５Ｃに向けて噴射する。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。

［バルブの詳細構造］
続いて、吸気バルブ１１（バルブ）の詳細構造について説明する。なお、排気バルブ１２の基本構造も、この吸気バルブ１１と同様である。図２は、吸気バルブ１１の詳細を示す断面図である。吸気バルブ１１（排気バルブ１２）は、いわゆるポペットバルブであって、傘部１１１と軸部１１２とを有する吸気バルブ本体１１０（バルブ本体）を備える。

傘部１１１は、燃焼室６に対向するバルブヘッド１１３と、燃焼室６とは反対側に位置するバルブフェース１１４とを備えている。既述の通り、バルブヘッド１１３は、燃焼室６の一部を区画する燃焼室壁面でもある。軸部１１２は、傘部１１１に連結される先端部１１２Ａと、吸気側動弁機構１３から駆動力を与えられる基端部１１２Ｂとを備える。軸部１１２は、バルブガイド１３１によって軸方向へ移動可能に保持されている。

軸部１１２には、バルブスプリング１３２が遊嵌されている。バルブスプリング１３２は、基端部１１２Ｂ付近に固定されたスプリングシート１３３とシリンダヘッド４の上面との間に介在されている。バルブスプリング１３２がスプリングシート１３３を押圧することで、吸気バルブ１１は、傘部１１１が吸気側開口部４１を封止する方向（上方向）に付勢されている。

吸気側開口部４１の開口縁には、リング状のバルブシート４Ｓが配置されている。バルブシート４Ｓには、傘部１１１の一部が当接する。詳しくは、吸気バルブ１１の閉弁時に、バルブフェース１１４の外周縁付近が、バルブシート４Ｓの内周壁に当接する。傘部１１１のバルブシート４Ｓへの当接により、吸気ポート９と燃焼室６とは遮断され、燃焼室６は気密化される。一方、吸気バルブ１１の開弁時には、吸気バルブ１１の下降に伴い傘部１１１はバルブシート４Ｓから離間し、吸気ポート９と燃焼室６とは連通状態となる。

［バルブの比較例の説明］
本発明の実施形態に係るバルブの説明に先立ち、比較例に係るバルブについて説明する。図３は、比較例１の吸気バルブ１１Ｐ１（排気バルブも同様）を示す一部破断側面図である。吸気バルブ１１Ｐ１は、遮熱層７２０のみを有している。具体的には吸気バルブ１１Ｐ１は、傘部１１１と軸部１１２とを含む吸気バルブ本体１１０を備え、その傘部１１１の全体（バルブヘッド１１３及びバルブフェース１１４）が遮熱層７２０によって覆われている。遮熱層７２０は、耐熱性のシリコーン樹脂のような、吸気バルブ本体１１０に対して熱伝導率が十分に小さいコーティング層からなる。

吸気バルブ１１Ｐ１の傘部１１１、とりわけバルブヘッド１１３は、燃焼室６と対峙するため、高温に曝される。例えば吸気／排気４バルブ形式のエンジン本体１であれば、４つのバルブヘッド１１３が占める面積は、燃焼室壁面の全面積に対して相当大きな割合となる。このため、吸気バルブ１１Ｐ１を通した冷損を抑止する対策を施す必要がある。

傘部１１１を覆っている遮熱層７２０は、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傘部１１１の表面温度との間の温度差を小さくし、吸気バルブ本体１１０への熱伝達をある程度は遮断することができる。従って、冷損をある程度は低減できる。しかし、一般に遮熱層７２０は、体積比熱の小さい材料にて形成される薄層である。このため、遮熱層７２０は蓄熱機能に乏しく、完全には吸気バルブ本体１１０への熱伝達を遮断することはできず、十分に冷損を低減することはできない。

図４は、比較例２の吸気バルブ１１Ｐ２（排気バルブも同様）を示す一部破断側面図である。吸気バルブ１１Ｐ２は、遮熱層７２０に加えて断熱層７１０を有している。吸気バルブ１１Ｐ２の傘部１１１の全体が遮熱層７２０によって覆われている点は、比較例１の吸気バルブ１１Ｐ１と同じである。さらに吸気バルブ１１Ｐ２は、バルブヘッド１１３に対応する領域において、遮熱層７２０の裏面側に断熱層７１０が隣接して配置されている。つまり、バルブヘッド１１３は、断熱層７１０と、その上の遮熱層７２０との２層によって覆われている。

断熱層７１０は、体積比熱の大きい部材からなり、蓄熱性を備える。断熱層７１０は、遮熱層７２０を通過した熱を蓄熱する。このため、断熱層７１０は、バルブヘッド１１３上に配置された断熱層７１０を加温（保温）する。従って、バルブヘッド１１３の表面温度は高温化され、燃焼室６内の燃焼ガスとの温度差を小さくすることができる。換言すると、断熱層７１０が燃焼室６側から吸気バルブ本体１１０への熱伝達をブロックし、放熱が抑止される。これにより、冷損を相当程度低減することができる。

しかし、本発明者らの研究によれば、吸気バルブ１１Ｐ２の構造では、次のような問題が有ることが判明した。燃焼室６内が比較的高温化しない場合、例えば、低負荷の運転領域において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場合、比較例２の吸気バルブ１１Ｐ２は有効に機能する。すなわち、断熱層７１０が適度な蓄熱温度を持ち、遮熱層７２０を適度に加温する。従って、バルブヘッド１１３の表面を、冷損の抑制に適した温度に至らせることができる。

これに対し、燃焼室６内が比較的高温化する場合には、高温を蓄熱した断熱層７１０が過剰に遮熱層７２０を加温する。エンジン本体１は、例えば、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を実行し、高負荷の運転領域ではλ＝１の火花点火燃焼を実行する。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、バルブヘッド１１３も高熱を受けるようになり、断熱層７１０も高温の熱を蓄熱することになる。このような断熱層７１０によって遮熱層７２０が加温されることから、バルブヘッド１１３の表面温度は相当に高くなる。

図５は、比較例の吸気バルブ１１Ｐ２を用いた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５では、吸気バルブ１１Ｐ２だけでなく、これと同等の構造を備える排気バルブ１２Ｐ２も示している。排気バルブ１２Ｐ２は、傘部１２１と軸部１２２とを備え、傘部１２１は吸気バルブ１１Ｐ２と同様な断熱層７１０及び遮熱層７２０を具備しているものとする。

断熱層７１０が高い熱を蓄熱し、その熱で遮熱層７２０が加温されると、吸気バルブ１１Ｐ２及び排気バルブ１２Ｐ２の各バルブヘッド１１３、１２３が高温を帯びるようになる。過剰な高温に加温されたバルブヘッド１１３、１２３は、燃焼室６を加熱する熱（図５の矢印Ｈ）を発生し、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等の不具合が生じることがある。

［バルブの実施例の説明］
本実施形態では、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２を通した冷損を低減しつつ、図５に示したプリイグニッションＰＩＧの発生を抑制することが可能な燃焼室構造を提供する。以下に示す実施例１〜６では、上記燃焼室構造を実現可能な吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各種構造を例示する。

＜実施例１＞
図６は、実施例１に係る吸気バルブ１１を示す一部破断側面図である。図７は、図６における吸気バルブ１１の断面部分の拡大図であって、バルブシート４Ｓ（シリンダヘッド４）に対する位置関係が示されている。ここに示す吸気バルブ１１の構造は、排気バルブ１２にも適用できる。吸気バルブ１１は、傘部１１１と軸部１１２とを含む吸気バルブ本体１１０と、比較例２でも示した断熱層７１及び遮熱層７２と、比較例２では具備されていない熱拡散層７３とを備えている。

断熱層７１は、傘部１１１のうち、バルブヘッド１１３に配置されている。断熱層７１は、バルブ軸方向に所定の厚みを有し、バルブ軸方向の平面視でバルブヘッド１１３と同様の円形の形状を有している。断熱層７１の円形の外周縁７１１は、バルブヘッド１１３（傘部１１１）の外周縁付近まで延在している。勿論、断熱層７１を平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。また、バルブヘッド１１３より小サイズの断熱層７１としても良く、例えばバルブヘッド１１３の径方向中央領域だけに断熱層７１を配置しても良い。断熱層７１のバルブ軸方向の厚さは、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から吸気バルブ１１（排気バルブ１２）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、少なくとも吸気バルブ本体１１０（排気バルブ本体１２０）よりも小さい熱伝導率を有する材料が用いられる。また、バルブヘッド１１３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、吸気バルブ本体１１０を通した冷損の抑止のため、断熱層７１が配置されたバルブヘッド１１３を覆うように配置されている。つまり、バルブヘッド１１３の表面には遮熱層７２が露出している。遮熱層７２は、バルブヘッド１１３から吸気バルブ本体１１０への放熱を抑止するという観点から、吸気バルブ本体１１０及び断熱層７１よりも熱伝導率が小さく設定される。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バルブヘッド１１３との温度差を小さくし、冷損を低減することができる。遮熱層７２のバルブ軸方向の厚さは、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、その燃焼室側の面が断熱層７１に接触すると共に、その反対面が断熱層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が配置されたバルブヘッド１１３が高温化しすぎないよう、断熱層７１に蓄熱された熱をシリンダヘッド４へ逃がす機能を持つ層である。断熱層７１が保有する熱をシリンダヘッド４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のバルブ軸方向の厚さは、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の厚さは、用いる材料の熱伝導率を考慮して設定される。

図７を参照して、熱拡散層７３は、バルブヘッド１１３の外周縁からバルブフェース１１４の一部に至る位置まで回り込むように延設された当接部７３１を備えている。バルブフェース１１４の外周縁（最も径が大きい部分）付近が、傘部１１１において吸気バルブ１１の閉弁時にバルブシート４Ｓと接触する接触面ＣＰ（当接する位置）となる。当接部７３１は、この接触面ＣＰの位置まで延設されている。つまり、当接部７３１は、吸気バルブ１１の閉弁時にバルブシート４Ｓの受け面４３と直接的に当接する部分に配置されている。熱拡散層７３は、断熱層７１に蓄えられすぎた熱を受け取り、この熱を当接部７３１からバルブシート４Ｓを介してシリンダヘッド４へ放熱する。

上記の放熱動作を、図７に示した矢印Ｄ１〜Ｄ３に基づき説明する。矢印Ｄ１で示すように、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ため、燃焼室６の内の燃焼ガスから吸気バルブ本体１１０への熱伝達を相当程度は遮断することができる。つまり、燃焼室６からバルブヘッド１１３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、矢印Ｄ２に示すように、ある程度は熱を通過させる。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、遮熱層７２を加熱するようになる。従って、断熱層７１が配置されたバルブヘッド１１３を高温に維持することができる。しかし、比較例２で説明した通り、燃焼ガスの温度が比較的高い運転領域になると、断熱層７１は高温の熱を蓄熱する。このため、遮熱層７２を過剰に加熱し、プリイグニッションを惹起してしまう。この不具合を防止するため、断熱層７１の熱を受け取らせるように、熱拡散層７３が断熱層７１及び遮熱層７２との間に配置される。そして、矢印Ｄ３で示すように、当接部７３１がバルブシート４Ｓの当接する際に、熱拡散層７３が断熱層７１から受け取った熱をバルブシート４Ｓへ放熱させる。その熱は、バルブシート４Ｓからシリンダヘッド４へ伝熱される。従って、バルブヘッド１１３が過剰に高温化せず、プリイグニッションの発生を未然に防止することができる。

続いて、燃焼室６の構成部材として好適に用いることができる材料例を示す。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。

吸気バルブ本体１１０及び排気バルブ本体１２０としては、耐熱性、耐摩耗性、耐腐食性に優れた耐熱鋼を用いることができる。例えば、吸気バルブ本体１１０としては、クロム、シリコーン及び炭素をベースとしたマルテンサイト系の耐熱鋼ＳＵＨ１１（熱伝導率＝２５Ｗ／ｍＫ、体積比熱＝３８５０ｋＪ／ｍ^３Ｋ）を用いることができる。また、排気バルブ本体１２０としては、クロム、ニッケル及び炭素をベースとしたオーステナイト系の耐熱鋼ＳＵＨ３５（熱伝導率＝１８Ｗ／ｍＫ、体積比熱＝３５６５ｋＪ／ｍ^３Ｋ）を用いることができる。

上掲の例の通り、シリンダヘッド４が、吸気バルブ本体１１０及び排気バルブ本体１２０の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を備えていることが望ましい。熱拡散層７３の当接部７３１は、傘部１１１のバルブフェース１１４に接しているので、吸気バルブ本体１１０へも放熱し得る。しかし、シリンダヘッド４の熱伝導率を、吸気バルブ本体１１０及び排気バルブ本体１２０の熱伝導率よりも大きく設定しておくことで、当接部７３１から、バルブ本体１１０、１２０よりもシリンダヘッド４側へ積極的に逃がすことができる。

遮熱層７２は、吸気バルブ１１又は排気バルブ１２の構成部材（吸気バルブ本体１１０又は排気バルブ本体１２０、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が形成された傘部１１１のバルブフェース１１４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、吸気バルブ本体１１０又は排気バルブ本体１２０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に蓄熱された熱を当接部７３１からシリンダヘッド４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、吸気バルブ１１又は排気バルブ１２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、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。

図８に、吸気バルブ本体１１０及び排気バルブ本体１２０（バルブ基材）、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５の基材、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８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。

＜実施例２＞
実施例２では、吸気バルブ１１として好適な例を示す。図９は、実施例２に係る吸気バルブ１１Ａを示す一部破断側面図である。吸気バルブ１１Ａは、傘部１１１と軸部１１２とを含む吸気バルブ本体１１０、断熱層７１、遮熱層７２及び熱拡散層７３を備えている。実施例１と相違する点は、傘部１１１のバルブフェース１１４上を覆うように配置されたバルブフェース遮熱層７２１を備えている点である。

バルブフェース遮熱層７２１は、傘部１１１の基端部１１１Ａ（軸部１１２の先端部１１２Ａに連結される部分）から、当接部７３１と一部重なる位置まで、バルブフェース１１４を覆っている。つまり、当接部７３１が傘部１１１の接触面ＣＰにおいて露出している点は、実施例１と同様である。バルブフェース遮熱層７２１としては、遮熱層７２と同じ材料、厚さのものを用いることができる。なお、軸部１１２の一部（先端部１１２Ａから基端部１１２Ｂへ向けて所定長さ）の上まで遮熱層７２１を延在させても良い。

バルブヘッド１１３側に断熱層７１及び遮熱層７２を配置したとしても、吸気バルブ本体１１０は熱を帯びる。燃焼室６における燃焼ガスの温度が高くなるほど、吸気バルブ本体１１０は高温化する。図２に示したように、吸気バルブ本体１１０の傘部１１１は、閉弁時には吸気ポート９内に位置する。このとき、吸気ポート９内の吸気は、傘部１１１のバルブフェース１１４と接する。また、開弁時においても、吸気ポート９から燃焼室６へ流れ込む吸気が、バルブフェース１１４に吹き当たる。このため、バルブフェース１１４の表面が高温化していると、吸気の温度を上昇させてしまう。加温されすぎた吸気が吸気行程で燃焼室６に導入されると、圧縮行程においてプリイグニッションが発生し得る。

バルブフェース遮熱層７２１は、傘部１１１の保有する熱が、バルブフェース１１４から外部へ放熱されることを防止する層である。つまり、図９の矢印Ｄ４で示すように、バルブフェース遮熱層７２１は傘部１１１内に熱を閉じ込める役目を果たす。このため、吸気バルブ１１の傘部１１１が高温化した場合でも、バルブフェース１１４からの放熱を抑止することができる。従って、吸気ポート９を通過する吸気を吸気バルブ１１が過剰に加温しないようにし、前記プリイグニッションを防止することができる。

なお、傘部１１１の熱は、熱拡散層７３の当接部７３１を通して、ある程度はシリンダヘッド４へ放熱される。この点は、バルブフェース遮熱層７２１を具備しない実施例１の吸気バルブ１１でも同様である。しかし、当接部７３１を通した放熱は十分でない場合が多いので、本実施例のように、バルブフェース遮熱層７２１を設けてバルブフェース１１４からの放熱を抑止することが望ましい。

＜実施例３＞
実施例３でも、吸気バルブ１１として好適な例を示す。図１０は、実施例３に係る吸気バルブ１１Ｂを示す一部破断側面図である。吸気バルブ１１Ｂは、傘部１１１と軸部１１２とを含む吸気バルブ本体１１０、断熱層７１、遮熱層７２及び熱拡散層７３を備えている。実施例２と相違する点は、バルブフェース遮熱層７２１に加えて、軸部１１２上を覆う軸部遮熱層７２２を備える点、及び、熱拡散層７３がバルブフェース１１４から軸部１１２まで延在している点である。

実施例２と同様に、バルブフェース遮熱層７２１は、当接部７３１の端縁から基端部１１１Ａまで、バルブフェース１１４の上に配置されている。軸部遮熱層７２２は、バルブフェース遮熱層７２１に連なって、軸部１１２の上に配置されている。すなわち、バルブフェース遮熱層７２１及び軸部遮熱層７２２は、当接部７３１を除いて、バルブフェース１１４及び軸部１１２を覆っている。軸部遮熱層７２２は、軸部１１２の先端部１１２Ａ付近、特にバルブガイド１３１（図２）から下方に突出する部分を覆っていることが望ましい。

熱拡散層７３は、バルブヘッド熱拡散層７３０（第１部分）、上記の当接部７３１、バルブフェース熱拡散層７３２（第２部分）及び軸部熱拡散層７３３（第２部分）を備えている。バルブヘッド熱拡散層７３０は、バルブヘッド１１３において断熱層７１と遮熱層７２との間に配置される部分である。当接部７３１は、実施例１，２と同様に、傘部１１１の接触面ＣＰにおいて露出し、バルブシート４Ｓと接触する部分である。バルブフェース熱拡散層７３２は、バルブフェース１１４上に配置されるバルブフェース遮熱層７２１の下地層となる部分である。軸部熱拡散層７３３は、軸部１１２上に配置される軸部遮熱層７２２の下地層となる部分である。

吸気バルブ１１は、排気ガスから受熱することがある。例えば、バルブオーバーラップ期間の設定により、吸気バルブ１１の閉時期が遅延された場合、燃焼室６から吸気ポート９へ燃焼後の排気ガスが吹き戻ることがある。この場合、吹き戻りの排気ガスによって吸気バルブ１１が加温される。とりわけ、傘部１１１が加温される。また、ＥＧＲガスによっても吸気バルブ１１は加温され得る。このように排気ガスで加温された吸気バルブ１１は、吸気を過度に加温することがある。

そこで、第３実施例の吸気バルブ１１Ｂは、熱拡散層７３にバルブフェース熱拡散層７３２及び軸部熱拡散層７３３を具備させることで、傘部１１１及び軸部１１２が受熱した熱を、当接部７３１からシリンダヘッド４へ逃がす構造としている。すなわち、図１０の矢印Ｄ４で示すように、バルブフェース遮熱層７２１は傘部１１１内に熱を閉じ込める役目を果たす。これは、実施例２と同じである。また、軸部遮熱層７２２は、矢印Ｄ４１で示すように、軸部１１２内に熱を閉じ込める役目を果たす。このため、吸気バルブ１１の傘部１１１及び軸部１１２が高温化した場合でも、バルブフェース１１４及び軸部１１２表面からの放熱を抑止することができる。

一方、バルブフェース遮熱層７２１及び軸部遮熱層７２２が排気ガス等との接触によって高温に曝された場合、熱拡散層７３が放熱の機能を果たす。すなわち、バルブフェース熱拡散層７３２がバルブフェース遮熱層７２１から、軸部熱拡散層７３３が軸部遮熱層７２２から各々熱を受け取る。その熱は、矢印Ｄ５で示すように、当接部７３１からシリンダヘッド４に逃がされる。従って、吸気バルブ１１Ｂの過剰な加温を防止することができる。

＜実施例４＞
実施例４では、排気バルブ１２として好適な例を示す。図１１は、実施例４に係る排気バルブ１２Ａを示す一部破断側面図である。排気バルブ１２Ａは、傘部１２１と軸部１２２とを含む排気バルブ本体１２０と、断熱層７１、遮熱層７２及び熱拡散層７３と、傘部１２１のバルブフェース１２４上を覆うように配置されたバルブフェース遮熱層７２１と、を備えている。実施例４の層構造は、実施例２の吸気バルブ１１Ａと同じである。

バルブフェース遮熱層７２１は、傘部１２１の基端部１２１Ａから、熱拡散層７３の当接部７３１と一部重なる位置まで、バルブフェース１２４を覆っている。上掲の各実施例と同様に、当接部７３１は、傘部１２１のバルブシート４Ｓへの接触面ＣＰにおいて露出している。なお、軸部１２２の一部（（先端部１１２Ａから基端部１１２Ｂへ向けて所定長さ）の上まで遮熱層７２１を延在させても良い。

排気ポート１０に配置される排気バルブ１２Ａは、燃焼ガスの排気熱により高温に曝される。実施例２とは異なり、ここでのバルブフェース遮熱層７２１は、傘部１２１が排気熱を受熱することを抑制する層である。バルブフェース遮熱層７２１は、高温の排気ガスとの接触により高温化し、排気ガスとバルブフェース１２４との温度差を小さくする。従って、バルブフェース遮熱層７２１の配置によって、図１１に矢印Ｄ６で示すように、バルブフェース１２４を通して排気熱が傘部１２１に入熱することを抑制することができる。つまり、冷損を抑制することができる。

＜実施例５＞
実施例５でも、排気バルブ１２として好適な例を示す。図１２は、実施例５に係る排気バルブ１２Ｂを示す一部破断側面図である。排気バルブ１２Ｂは、排気バルブ本体１２０が、当接部７３１を除いて、断熱層、遮熱層及び熱拡散層の三層構造で覆われた構造を備えている。実施例５では、軸部１２２の傘部１２１に連なる部分が前記三層構造で覆われる例を示すが、傘部１２１だけが前記三層構造で覆われるようにしても良い。

排気バルブ１２Ｂは、断熱層として、バルブヘッド１２３に対応して配置された断熱層７１、この断熱層７１の外周縁７１１からバルブフェース１２４上に延びて配置されたバルブフェース断熱層７１２、及び、軸部１２２上に配置された軸部断熱層７１３を備えている。また、遮熱層として、バルブヘッド１２３を覆う遮熱層７２に加えて、バルブフェース１２４を覆うバルブフェース遮熱層７２１、軸部１２２を覆う軸部遮熱層７２２が備えられている。

熱拡散層７３は、バルブヘッド熱拡散層７３０（第１部分）、上記の当接部７３１、バルブフェース熱拡散層７３２（第２部分）及び軸部熱拡散層７３３（第２部分）を備えている。バルブヘッド熱拡散層７３０は、バルブヘッド１２３において断熱層７１と遮熱層７２との間に配置される部分である。当接部７３１は、傘部１２１の接触面ＣＰにおいて露出し、バルブシート４Ｓと接触する部分である。バルブフェース熱拡散層７３２は、バルブフェース１２４において、バルブフェース断熱層７１２とバルブフェース遮熱層７２１との間に配置されている。軸部熱拡散層７３３は、軸部１２２において、軸部断熱層７１３と軸部遮熱層７２２との間に配置されている。

バルブフェース遮熱層７２１は、実施例４と同様に、傘部１２１が排気熱を受熱することを抑制する層である。バルブフェース遮熱層７２１の配置によって、図１２に矢印Ｄ６で示すように、バルブフェース１２４を通して排気熱が傘部１２１に入熱することを抑制できる。軸部遮熱層７２２も同様に、矢印６１で示すように、排気熱の軸部１２２への入熱を抑制する。バルブフェース断熱層７１２、軸部断熱層７１３は、それぞれ、バルブフェース遮熱層７２１、軸部遮熱層７２２を高温に維持させるために配置されている。バルブフェース断熱層７１２及び軸部断熱層７１３は、矢印Ｄ７で示すように、バルブフェース遮熱層７２１及び軸部遮熱層７２２を通過する熱を蓄熱し、これら遮熱層７２１、７２２を加温する。かかる構成により、排気バルブ１２Ｂを通した冷損を確実に抑制することができる。

バルブフェース熱拡散層７３２及び軸部熱拡散層７３３は、バルブフェース断熱層７１２及び軸部断熱層７１３に蓄熱された熱を放熱するために配置されている。バルブフェース熱拡散層７３２は、バルブフェース断熱層７１２及びバルブフェース遮熱層７２１から熱を受け取る。軸部熱拡散層７３３は、軸部断熱層７１３及び軸部遮熱層７２２から各々熱を受け取る。その熱は、矢印Ｄ８で示すように、当接部７３１からシリンダヘッド４に逃がされる。つまり、バルブフェース断熱層７１２及び軸部断熱層７１３が過度に高温に蓄熱した場合でも、熱拡散層７３２、７３３による放熱ルートが確保されている。なお、バルブヘッド熱拡散層７３０が、バルブヘッド１２３の断熱層７１の放熱機能を果たすことは、他の実施例と同じである。従って、プリイグニッションの発生に繋がるような、排気バルブ１２Ｂの過剰な昇温を防止することができる。

＜実施例６＞
実施例６も、排気バルブ１２として好適な例である。図１３は、実施例６に係る排気バルブ１２Ｃを示す一部破断側面図である。排気バルブ１２Ｃは、排気バルブ本体１２０内に、冷媒の封入部１２５を備えた冷却機能付きの排気バルブである。封入部１２５は、軸部１２２から傘部１２１の基端部１２１Ａよりやや奥側の領域まで延びている。封入部１２５に封入される冷媒は、例えば金属ナトリウムである。

排気バルブ１２Ｃの断熱層７１及び熱拡散層７３は、傘部１２１を覆うように配置されている。遮熱層７２は、当接部７３１を除いて、傘部１２１を覆うように配置されている。さらに遮熱層７２及び熱拡散層７３は、封入部１２５と重複するように、軸部１２２まで延設されている。つまり、傘部１２１における封入部１２５の端縁までは、先の実施例５と同様に、当接部７３１を除いて断熱層７１、遮熱層７２及び熱拡散層７３の三層構造である。一方、封入部１２５と重複する部分については、遮熱層７２及び熱拡散層７３の二層構造である。

詳しくは、バルブフェース１２４において、バルブフェース熱拡散層７３２はバルブフェース断熱層７１２とバルブフェース遮熱層７２１との間に配置されている。これに対し、軸部熱拡散層７３３は、その外側面は軸部遮熱層７２２と接触しているが、内側面は軸部１２２の表面と接している。つまり、軸部熱拡散層７３３は封入部１２５と対向している。

バルブフェース遮熱層７２１、軸部遮熱層７２２の配置によって、図１３に矢印Ｄ６、矢印６１で示すように、排気バルブ本体１２０への入熱を抑制できる。バルブフェース断熱層７１２は、バルブフェース遮熱層７２１を通過する熱を蓄熱し（矢印Ｄ７）、当該遮熱層７２１を高温に維持する。バルブフェース断熱層７１２が過度に高温に蓄熱した場合には、矢印Ｄ８で示すように、その熱はバルブフェース熱拡散層７３２にて伝熱され、当接部７３１からシリンダヘッド４に逃がされる。

断熱層７１及びバルブフェース断熱層７１２の熱は、熱拡散層７３によって封入部１２５へも放熱される。すなわち、熱拡散層７３は、断熱層７１に接するバルブヘッド熱拡散層７３０と、バルブフェース断熱層７１２に接するバルブフェース熱拡散層７３２とが当接部７３１によって繋がれ、封入部１２５と対向する軸部熱拡散層７３３を有する。このため、断熱層７１、７１２の熱が軸部熱拡散層７３３へ運ばれ、矢印Ｄ９で示すように、封入部１２５へ放熱される。軸部遮熱層７２２が高温に曝された場合も、封入部１２５へ放熱される。従って、プリイグニッションの発生に繋がるような、排気バルブ１２Ｃの過剰な昇温を防止することができる。

［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、熱伝導率が吸気バルブ本体１１０、排気バルブ本体１２０及び断熱層７１よりも小さい遮熱層７２によって、少なくともバルブヘッド１１３、１２３が覆われる。このため、バルブヘッド１１３、１２３と燃焼室６内の燃焼ガスとの温度差を小さくし、バルブ本体１１０、１２０への熱伝達を抑制することができる。また、遮熱層７２を通過した熱は、断熱層７１に蓄熱される。このため、遮熱層７２（バルブヘッド１１３、１２３）を高温に維持することができる。従って、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２を通した冷損を低減できる。

一方、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、シリンダヘッド４のバルブシート４Ｓに当接する当接部７３１を備えている。このため、断熱層７１が過剰な高温を蓄熱する状態に至ったとしても、その熱を熱拡散層７３で受け取り、当接部７３１を通してシリンダヘッド４に放熱させることができる。従って、プリイグニッションの発生要因となるような、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の高温化を防止することができる。

１ エンジン本体
１１、１１Ａ、１１Ｂ 吸気バルブ（バルブ）
１１０ 吸気バルブ本体（バルブ本体）
１１１ 傘部
１１２ 軸部
１１３ バルブヘッド
１１４ バルブフェース
１２ 排気バルブ（バルブ）
１２０ 排気バルブ本体（バルブ本体）
１２１ 傘部
１２２ 軸部
１２３ バルブヘッド
１２４ バルブフェース
１２５ 封入部
２ シリンダ
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
４Ｓ バルブシート
４１ 吸気側開口部（ポート開口）
４２ 排気側開口部（ポート開口）
５ ピストン
６ 燃焼室
７１ 断熱層
７２ 遮熱層
７３ 熱拡散層
７３０ バルブヘッド熱拡散層（第１部分）
７３１ 当接部
７３２ バルブフェース熱拡散層（第２部分）
７３３ 軸部熱拡散層（第２部分）
ＣＰ 接触面（当接する位置）
ＰＩＧ プリイグニッション

Claims (11)

1. シリンダブロック、シリンダヘッド、ピストン及びバルブ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、
   前記バルブは、前記燃焼室に対するポート開口を開閉する部材であって、
   傘部及び軸部を有し、前記傘部が、前記燃焼室に対向するバルブヘッドと、前記燃焼室とは反対側のバルブフェースと、を含むバルブ本体と、
   前記バルブヘッドに配置され、熱伝導率が前記バルブ本体よりも小さい断熱層と、
   前記断熱層が配置された前記バルブヘッドを覆うように配置され、熱伝導率が前記バルブ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、前記バルブの閉弁時に前記傘部が前記シリンダヘッドに対して当接する位置まで延設された当接部を備えている、
   エンジンの燃焼室構造。
2. 請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記シリンダヘッドが、前記バルブ本体の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を備えている、エンジンの燃焼室構造。
3. 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、
   前記シリンダヘッドは、前記ポート開口に配置され、前記バルブ本体の前記傘部の一部が当接するバルブシートを備え、
   前記熱拡散層の前記当接部は、前記傘部における前記バルブシートへの当接部分に配置されている、エンジンの燃焼室構造。
4. 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、
   前記バルブが吸気バルブであって、
   前記遮熱層は、前記傘部の前記バルブフェース上にも配置されている、エンジンの燃焼室構造。
5. 請求項４に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記遮熱層は、さらに前記軸部の上にも配置されている、エンジンの燃焼室構造。
6. 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、
   前記バルブが排気バルブであって、
   前記遮熱層は、前記傘部の前記バルブフェース上にも配置されている、エンジンの燃焼室構造。
7. 請求項６に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記遮熱層は、さらに前記軸部の上にも配置されている、エンジンの燃焼室構造。
8. 請求項５又は７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、前記バルブヘッドにおいて前記断熱層と前記遮熱層との間に配置される第１部分と、前記当接部と、前記バルブフェース及び前記軸部に配置された前記遮熱層の下地層となる第２部分とを含む、エンジンの燃焼室構造。
9. 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、
   前記バルブが排気バルブであって、
   前記断熱層及び前記熱拡散層は、前記傘部の全体を覆うように配置され、
   前記遮熱層は、前記当接部を除いて、前記傘部の全体を覆うように配置されている、エンジンの燃焼室構造。
10. 請求項９に記載のエンジンの燃焼室構造において、
    前記断熱層、前記熱拡散層及び前記遮熱層は、前記軸部の少なくとも前記傘部に連なる部分を覆うように配置されている、エンジンの燃焼室構造。
11. 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、
    前記バルブが、前記バルブ本体に冷媒の封入部を備えた冷却機能付きの排気バルブであり、
    前記断熱層及び前記熱拡散層は、前記傘部を覆うように配置され、
    前記遮熱層は、前記当接部を除いて、前記傘部を覆うように配置され、
    さらに前記遮熱層及び前記熱拡散層は、前記封入部と重複する位置まで延設されている、エンジンの燃焼室構造。

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