JP6350449B2

JP6350449B2 - エンジンの燃焼室構造

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Publication number: JP6350449B2
Application number: JP2015162744A
Authority: JP
Inventors: 涼清末
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: JP2017040216A

Description

本発明は、エンジンの燃焼室構造に関する。

エンジンの熱効率を向上させるための技術として、特許文献１には、ピストンの頂面に複数のディンプル（半球面状の凹部）が形成されたエンジンの燃焼室構造が開示されている。特許文献１に係る燃焼室構造によれば、燃料燃焼時にディンプル内に空気が留まることにより、この空気が断熱層の役割を果たすため、ピストンを介した熱損失が低減され、熱効率の向上を図ることができる。

特開２０１１−９４４９６号公報

しかしながら、上記ディンプル内に空気を留めるためには、ディンプルは、燃料噴射弁からの燃料噴射が直接当たらない位置に設けられる必要がある。このため、特許文献１の図２に示されるように、ディンプルが形成される領域は狭い領域に限定されており、熱効率の向上が十分とは言えなかった。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができるエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、エンジンの燃焼室を形成する燃焼室構成部材を備えたエンジンの燃焼室構造であって、前記燃焼室構成部材における燃焼室形成面に、筒内ガスの主流方向に沿って延びる複数の溝が形成され、前記溝の幅は、前記主流に沿って形成されて前記主流方向を軸方向として旋回する渦の径よりも小さく、かつ、前記主流の流速が相対的に小さい領域における当該溝の幅が前記主流の流速が相対的に大きい領域における当該溝の幅よりも大きいことを特徴とする、エンジンの燃焼室構造を提供する。

本発明における「筒内ガスの主流」には、例えば、スワール、タンブル、およびスキッシュが含まれ、さらに、スワール、タンブル、スキッシュのうちの少なくとも２つの流れの合成流が含まれる。

本発明によれば、燃焼室構成部材における燃焼室形成面に、筒内ガスの主流方向に沿って延びる複数の溝が形成されているため、燃焼室内に発生する乱流に起因する熱損失を低減することができ、これにより、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。

詳しく説明すると、筒内ガスの主流（スキッシュ等）には、主流方向を軸方向として旋回する渦（副流）が付随していることが多い。この渦は、熱を伝達および拡散する性質が強いため、燃焼室形成面と渦との距離が小さい程、燃焼室内の熱が燃焼室形成面を介して外部に放熱され易くなる。

例えば、燃焼室形成面が平坦であると、渦（乱流）が燃焼室形成面の近傍に発生するため、燃焼室内の熱が燃焼室形成面を介して外部に放熱され易くなる。これに対し、本発明のように、燃焼室形成面に筒内ガスの主流方向に沿って延びる複数の溝が形成されている場合には、渦が溝から離れた位置（頂部付近）に留まるため、渦と燃焼室形成面との距離が大きくなり、その結果、燃焼室内の熱が燃焼室形成面を介して外部に放熱されることが抑制される。従って、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。しかも、筒内ガスの主流方向に沿った広い領域に溝を形成することが可能であるため、特許文献１のように放熱抑制領域が狭い領域に限定されてしまうことがない。

本発明においては、前記燃焼室形成面が遮熱材により形成されていることが好ましい。

この構成によれば、溝による熱損失抑制効果に加えて、遮熱材による熱損失抑制効果が奏され、より効果的にエンジンの熱効率を向上させることができる。しかも、遮熱材の遮熱機能により、燃焼室形成面が高温になるため、燃焼室形成面にカーボン粒子が接近しても、燃焼室形成面またはその近傍でカーボン粒子が燃焼し、これにより、溝内にカーボン粒子が蓄積することによる熱損失抑制機能の低下が抑えられる。

本発明においては、前記燃焼室形成面は、シリンダ内を往復動するピストンの冠面と、当該ピストンの冠面と対向するシリンダヘッドの底面と、吸気バルブの傘部における前記燃焼室に臨む吸気側傘表面と、排気バルブの傘部における前記燃焼室に臨む排気側傘表面とを有し、前記溝は、前記冠面、前記底面、前記吸気側傘表面、および、前記排気側傘表面のうちの少なくとも一つに形成されていることが好ましい。

この構成によれば、ピストン等を介した熱損失を効果的に抑制することができる。

本発明においては、前記燃焼室内にスキッシュ方向の主流が生じる場合に、前記複数の溝は、前記燃焼室の径方向中心から放射状に延びた状態で形成されることが好ましい。

この構成によれば、燃焼室内にスキッシュが生じた場合に、スキッシュに沿って形成される渦（スキッシュ方向を軸方向として旋回する渦）に起因する熱損失を低減することができる。
この場合、例えば、前記冠面は、その中央部に形成されて下方に凹状に湾曲するキャビティと、このキャビティの開口縁から当該冠面の径方向外側に向かうにつれて下方に傾斜する基準面と、当該冠面の径方向中心から放射状に延びた状態で形成される前記複数の溝とを備え、前記キャビティは、その中央に位置する円形状の平坦面と、当該平坦面の外周縁から外側に斜め上向きに立ち上がり、前記開口縁に繋がる傾斜面とを備え、前記溝は、前記開口縁から前記傾斜面の上部に亘る領域における当該溝の幅が、前記傾斜面の下部から前記平坦面に亘る領域における当該溝の幅及び前記基準面の領域における当該溝の幅よりも大きい、構成とすることができる。

本発明においては、前記燃焼室内にスワール方向の主流が生じる場合に、前記複数の溝は、前記燃焼室の径方向中心を中心とする同心円状に形成されることが好ましい。

この構成によれば、燃焼室内にスワールが生じた場合に、スワールに沿って形成される渦（スワール方向を軸方向として旋回する渦）に起因する熱損失を低減することができる。

本発明においては、前記燃焼室内にタンブル方向の主流が生じる場合に、前記複数の溝は、前記タンブル方向に沿って直線状に形成されることが好ましい。

この構成によれば、燃焼室内にタンブルが生じた場合に、タンブルに沿って形成される渦（タンブル方向を軸方向として旋回する渦）に起因する熱損失を低減することができる。

以上説明したように、本発明によれば、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。

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断面図である。（ａ）は、図１における要部を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるピストンの冠面の一部を拡大して示す図である。図１における燃焼室をシリンダヘッド側から見た状態で示す図である。（ａ）は、ピストンの冠面に形成される溝のパターンを示す図であり、（ｂ）は、スキッシュおよびスキッシュに沿って形成される渦を模式的に示す図である。（ａ）は、シリンダヘッドの底面に形成される溝のパターンを示す図であり、（ｂ）は、スワールおよびスワールに沿って形成される渦を模式的に示す図である。断面Ｕ字状の溝を示す図である。溝と渦（乱流）との位置関係を示す図である。ピストンの冠面に形成される溝のパターンを拡大して示す図である。燃焼室形成面が平坦である場合における、燃焼室形成面と渦（乱流）との位置関係を示す図である。溝による熱損失低減効果の一例を示すグラフであり、冷却損失低減率（熱損失低減率）と溝幅（無次元溝幅）との関係を示すグラフである。（ａ）は、冠面にキャビティが形成されたピストンとシリンダヘッドの底面との間に形成される燃焼室にスワール方向の主流が生じている状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の主流に沿った同心円状の溝がピストンの冠面に形成されている状態を示す図である。（ａ）は、冠面にキャビティが形成されたピストンとシリンダヘッドの底面との間に形成される燃焼室にタンブル方向の主流が生じている状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の主流に沿った直線状の溝がピストンの冠面に形成されている状態を示す図である。断面Ｖ字状の溝を示す図である。平板状の壁と壁の間に形成された溝を示す図である。溝が形成される断熱層を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳述する。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。このエンジンのエンジン本体１は、紙面に直交する方向に並ぶ複数の気筒２（図中ではそのうちの１つのみを示す）を有するシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、各気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。シリンダヘッド４およびピストン５は、本発明における「燃焼室構成部材」に相当する。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。

ピストン５は、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、先端部から燃焼室６内に燃料（ガソリンを主成分とする燃料）を噴射するインジェクタ２１が、各気筒２につき１つずつ取り付けられている。

インジェクタ２１には燃料供給管２３が接続されており、インジェクタ２１は、この燃料供給管２３を通じて供給された燃料を噴射する。燃料供給管２３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）が接続されているとともに、この高圧燃料ポンプと燃料供給管２３との間には、全気筒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。そして、このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒２のインジェクタ２１に供給されることにより、各インジェクタ２１からは、高い圧力の燃料が噴射される。

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２０が各気筒２につき１つずつ取り付けられている。この点火プラグ２０は、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。この点火プラグ２０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。

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および排気ポート１０が形成されている。すなわち、燃焼室６には、吸気ポート９と連通する吸気側開口部６１と排気ポート１０と開口する排気側開口部６２とが形成されている。シリンダヘッド４には、各開口部６１，６２を開閉する吸気バルブ１１および排気バルブ１２がそれぞれ設けられている。吸気バルブ１１および排気バルブ１２は、本発明における「燃焼室構成部材」に相当する。

なお、図例のエンジンはいわゆる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。吸気側開口部６１と排気側開口部６２とは、各気筒２につき２つずつ設けられるとともに、吸気バルブ１１および排気バルブ１２も２つずつ設けられている。

図２に示されるように、吸気バルブ１１および排気バルブ１２は、それぞれ、各開口部６１，６２を開閉する傘状の弁体（本発明における「傘部」に相当する）１１ａ，１２ａと、この弁体１１ａ，１２ａから垂直に延びるステム１１ｂ，１２ｂとを有するいわゆるポペットバルブである。弁体１１ａは、燃焼室６に臨むバルブ面（本発明における「燃焼室形成面」および「吸気側傘表面」に相当する）１１ｃを有し、弁体１２ａは、燃焼室６に臨むバルブ面（本発明における「燃焼室形成面」および「排気側傘表面」に相当する）１２ｃを有している。

吸気バルブ１１および排気バルブ１２は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された動弁機構１３，１４によりクランク軸７の回転に連動して各ステム１１ｂ，１２ｂが駆動され、これにより吸気側開口部６１と排気側開口部６２とを開閉する。

吸気バルブ１１用の動弁機構１３には、吸気側可変バルブタイミング機構（以下、吸気側ＶＶＴ）と称する）１５が組み込まれている。吸気側ＶＶＴ１５は、吸気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴ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。

排気バルブ１２用の動弁機構１４には、排気側可変バルブタイミング機構（以下、排気側ＶＶＴ）と称する）１６が組み込まれている。排気側ＶＶＴ１６は、排気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴ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。

（２）燃焼室の詳細構造
エンジンの燃焼室内における筒内ガスの流れの向きや形態は、燃焼室の形状、燃焼室内の圧力や温度等により様々に変化するが、以下の説明では、理解を容易にするために、燃焼室の形状、筒内ガスの流れの向きおよび形態について、一つのモデルを例に採ることとする。

具体的には、エンジン本体１における吸気工程、圧縮工程、膨張（爆発）工程、排気工程の４工程のうち、圧縮工程において、燃焼室６におけるピストン５付近でスキッシュ方向（径方向内向き）の主流３０が生じる（図４（ａ）参照）とともに、燃焼室６におけるシリンダヘッド４付近でスワール方向の主流７０（図５（ａ）参照）が生じるものとする。また、膨張工程において、燃焼室６におけるピストン５付近でスキッシュ方向（径方向外向き）の主流３１が生じる（図４（ａ）参照）とともに、燃焼室６におけるシリンダヘッド４付近でスワール方向の主流７０（図５（ａ）参照）が生じるものとする。

さらに、図４（ｂ）に示されるように、主流３０，３１には、渦（副流）３２が付随しているものとする。すなわち、渦３２は、主流３０，３１に沿って形成され、主流方向を軸方向として旋回する渦である。

また、図５（ｂ）に示されるように、主流７０には、渦（副流）７１が付随しているものとする。すなわち、渦７１は、主流７０に沿って形成され、主流方向を軸方向として旋回する渦である。

図２に示されるように、燃焼室６の底面を構成するピストン５の冠面（本発明における「燃焼室形成面」に相当する）５０は、その中央部分に形成されて下方に凹状に湾曲するキャビティ４０と、このキャビティ４０の開口縁４０ａ（図２，３参照）から径方向外側に向かうにつれて下方に傾斜する基準面４１とからなる。基準面４１は、上向きに凸の緩やかな曲面形状を有しており、燃焼室天井面６０と平行に形成されている。

キャビティ４０の内周面は、キャビティ４０の径方向中心から外側に広がる円形状の平坦面４０ｃと、平坦面４０ｃの外周縁から外側へ斜め上向きに立ち上がり、キャビティ４０の開口縁４０ａに繋がる傾斜面４０ｂとを有しており、このキャビティ４０とインジェクタ２１とは対向している。傾斜面４０ｂは、上向きに凸の曲面形状を有している。

このように、ピストン５の冠面５０は、燃焼室天井面６０と平行に延びる略円錐面状の基準面４１の内側端部にキャビティ４０が連続して形成された形状を有している。

図４（ａ）に示されるように、ピストン５の冠面５０には、筒内ガスの主流方向（スキッシュ方向）に沿って延びる複数の溝５１が形成されている。具体的には、複数の溝５１は、ピストン５の冠面５０における径方向中心から周縁部に亘る領域で、冠面５０の径方向中心から放射状に形成されている。なお、図４（ａ）においては、溝５１を見易くするために、溝５１を破線で示している。

溝５１は、図６に示されるように、主流方向（スキッシュ方向）に延びる平坦な底面５１ａと、底面５１ａの幅方向（主流方向に直交する方向）の両端部から立ち上がる側壁面５１ｂとを有している。側壁面５１ｂは、底面５１ａの幅方向端部から傾斜が徐々に大きくなるように、主流方向から見て円弧状に形成されている。このため、溝５１は、断面Ｕ字状に形成されている。

溝５１の幅Ｓ１（図６，７参照）は、渦３２の径Ｓ２（図７参照）よりも小さい値に設定されている。これにより、溝５１内に渦３２が入り込むことが防止される。

なお、キャビティ４０の開口縁４０ａ（図２（ｂ）参照）から傾斜面４０ｂの上部に亘る領域Ｒ２（図２（ｂ）参照）における溝５１の幅Ｓ１ａ（図８参照）は、キャビティ４０の傾斜面４０ｂの下部から平坦面４０ｃに亘る領域Ｒ１（図２（ｂ）参照）における溝５１の幅Ｓ１ｂ（図８参照）および基準面４１の領域Ｒ３における溝５１の幅Ｓ１ｃ（図８参照）よりも大きい値に設定されている。

図２に示されるように、燃焼室６の天井面６０を構成するとともに、ピストン５の冠面５０と対向するシリンダヘッド４の底面（本発明における「燃焼室形成面」に相当する）６０ａは、その径方向中心すなわち気筒２の軸線ｕ１上の点を頂部として径方向外側に向かうに従って高さが低くなる略円錐面状に形成されている。なお、図２に示される例では、燃焼室６の天井面６０は、径方向中心よりもやや外側の部分から周縁部までの領域が、上向きに凸の緩やかな曲面形状を有している。

図５（ａ）に示されるように、シリンダヘッド４の底面６０ａには、筒内ガスの主流方向（スワール方向）に沿って延びる複数の溝６３が形成されている。具体的には、複数の溝６３は、底面６０ａにおける径方向中心付近（インジェクタ２１の外側）から周縁部に亘る領域で、底面６０ａの径方向中心を中心とする同心円状に形成されている。なお、図５（ａ）においては、溝６３を見易くするために、溝６３を破線で示している。

溝６３は、図６に示されるように、主流方向（スワール方向）に延びる平坦な底面６３ａと、底面６３ａの幅方向（主流方向に直交する方向）の両端部から立ち上がる側壁面６３ｂとを有している。側壁面６３ｂは、底面６３ａの幅方向端部から傾斜が徐々に大きくなるように、主流方向から見て円弧状に形成されている。このため、溝６３は、断面Ｕ字状に形成されている。

溝６３の幅Ｓ３（図６，７参照）は、渦７１の径Ｓ４（図７参照）よりも小さい値に設定されている。これにより、溝６３内に渦７１が入り込むことが防止される。溝６３の幅Ｓ３は、長手方向全体において一定の値（同一幅）に設定されている。

図２に示されるように、燃焼室６の天井面６０を構成するとともに、ピストン５の冠面５０と対向する吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃが、シリンダヘッド４の底面６０ａと同じ曲率で周方向および上向きに湾曲した状態で形成されている。同様に、排気バルブ１２のバルブ面１２ｃが、シリンダヘッド４の底面６０ａと同じ曲率で周方向および上向きに湾曲するように形成されている。

図５（ａ）に示されるように、吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃおよび排気バルブ１２のバルブ面１２ｃには、筒内ガスの主流方向（スワール方向）に沿って延びる複数の溝６３が形成されている。

インジェクタ２１は、その先端部が燃焼室天井面６０の頂部近傍（この頂部よりわずかに下方）に位置して、その軸線が気筒２の軸線ｕ１と一致するように配設されている。

図３に示されるように、吸気側開口部６１と排気側開口部６２とは、燃焼室６の天井面６０に、その周方向に並んで開口している。２つの吸気側開口部６１と２つの排気側開口部６２とは、燃焼室６の天井面６０の中心を通る直線を挟んで両側に設けられている。図３に示される例では、２つの吸気側開口部６１は、燃焼室天井面６０の右側に設けられており、２つの排気側開口部６２は、燃焼室天井面６０の左側に設けられている。

（本実施形態の効果）
本実施形態によれば、燃焼室形成面（ピストン５の冠面５０等）に、筒内ガスの主流方向に沿って延びる複数の溝５１等が形成されているため、燃焼室６内に発生する乱流に起因する熱損失を低減することができ、これにより、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。

詳しく説明すると、筒内ガスの主流（スキッシュ）には、主流方向を軸方向として旋回する渦３２（副流）が付随し、同様に、筒内ガスの主流（スワール）には、主流方向を軸方向として旋回する渦７１（副流）が付随している。これらの渦３２，７１は、熱を伝達および拡散する性質が強いため、燃焼室形成面（ピストン５の冠面５０）と渦３２との距離が小さい程、燃焼室６内の熱が燃焼室形成面を介して外部に放熱され易くなり、同様に、燃焼室形成面（シリンダヘッド４の底面６０ａ、吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃ、排気バルブ１２のバルブ面１２ｃ）と渦７１との距離が小さい程、燃焼室６内の熱が燃焼室形成面を介して外部に放熱され易くなる。

例えば、図９に示されるように、燃焼室形成面が平坦であると、渦（乱流）が燃焼室形成面の近傍に発生するため、燃焼室内の熱が燃焼室形成面を介して外部に放熱され易くなる。

これに対し、本実施形態のように、燃焼室形成面（ピストン５の冠面５０）に筒内ガスの主流方向に沿って延びる複数の溝５１等が形成されている場合には、渦３２が溝５１から離れた位置（頂部付近）に留まるため、渦３２と燃焼室形成面（溝５１の内壁面）との距離が大きくなり、その結果、燃焼室６内の熱が燃焼室形成面を介して外部に放熱されることが抑制される。同様に、燃焼室形成面（シリンダヘッド４の底面６０ａ、吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃ、排気バルブ１２のバルブ面１２ｃ）に筒内ガスの主流方向に沿って延びる複数の溝６３が形成されている場合には、渦７１が溝６３から離れた位置（頂部付近）に留まるため、渦７１と燃焼室形成面（溝６３の内壁面）との距離が大きくなり、その結果、燃焼室６内の熱が燃焼室形成面を介して外部に放熱されることが抑制される。

従って、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。しかも、筒内ガスの主流方向に沿った広い領域に溝５１，６３を形成することが可能であるため、特許文献１のように放熱抑制領域が狭い領域に限定されてしまうことがない。

また、本実施形態においては、溝５１の幅は、渦３２の径よりも小さいため、渦（乱流）３２が溝５１内に入り込むことを防止して、溝５１内への渦３２の影響を抑制することができ、これにより、燃焼室６内に発生する渦３２に起因する熱損失をより効果的に低減することができる。同様に、溝６３の幅は、渦７１の径よりも小さいため、渦（乱流）７１が溝６３内に入り込むことを防止して、溝６３内への渦７１の影響を抑制することができ、これにより、燃焼室６内に発生する渦７１に起因する熱損失をより効果的に低減することができる。

また、本実施形態においては、領域Ｒ２（図２（ｂ）参照）における溝５１の幅Ｓ１ａ（図８参照）が、領域Ｒ１（図２（ｂ）参照）における溝５１の幅Ｓ１ｂ（図８参照）および領域Ｒ３における溝５１の幅Ｓ１ｃ（図８参照）よりも大きい値に設定されているため、各領域Ｒ１〜Ｒ３において、渦３２に起因する熱損失をより効果的に低減することができる。

詳しく説明すると、冷却損失低減効果（熱損失低減効果）と溝幅との間には一定の関係があり（図１０参照）、具体的には、溝５１による熱損失低減効果を発揮するためには、（ｉ）渦３２が溝５１内に入り込まず、かつ、（ｉｉ）渦３２の大きさに対して溝幅が小さ過ぎないことが必要とされる。つまり、溝幅が渦３２の径よりも小さく、かつ、小さ過ぎない所定の範囲の大きさである場合に、溝５１による熱損失低減効果を発揮することができるのである。なお、図１０は、主流の流速が所定の値に設定された場合における冷却損失低減率（熱損失低減率）と無次元溝幅（溝幅を無次元化したもの）との関係を示すグラフであり、同図では、無次元幅がゼロを少し超えた辺りから３０より少し小さい辺りまでの領域が熱損失低減効果が発揮される領域となっている。

上記（ｉ）および（ｉｉ）の条件が必要とされる理由は、以下の通りである。すなわち、溝幅が渦３２の径よりも大きいと、渦３２が溝５１内に入り込む可能性が高くなり、そして、渦３２が溝５１内に入り込むと、渦３２が溝５１の内壁面に接近してしまい、その結果、渦３２に起因する熱伝達量が大きくなってしまうこと、および、溝幅が渦３２の大きさに対して小さ過ぎると、燃焼室形成面が渦３２に対して相対的に平滑面に近づいてしまい、その結果、溝５１による熱損失低減効果が小さくなってしまうためである。

さらに、主流の流速と渦の径との間には、主流の流速が小さくなるにつれて渦の径が大きくなるという関係がある。

このため、上記（ｉ）および（ｉｉ）の条件を満たす溝幅は、主流の流速が小さくなる程大きくなる。つまり、主流の流速が小さい領域Ｒ２における溝幅Ｓ１ａは、主流の流速が大きい領域Ｒ１における溝幅Ｓ１ｂおよび主流の流速が大きい領域Ｒ３における溝幅Ｓ１ｃよりも大きい値に設定される必要がある。

ここで、溝幅の決定方法の一例について、具体的に説明する。

溝による熱損失の低減効果は、溝幅Ｓを無次元化したＳ^＋（無次元幅）によって変化し、Ｓ^＋は以下の式１で定義される。

式１におけるｕ_τは以下の式２で定義され、νは以下の式３で定義される。

式１〜３における文字の意味は、Ｓ^＋：無次元幅［−］、Ｓ：溝幅［ｍ］、ｕ_τ：摩擦速度［ｍ／ｓ］、ν：動粘性係数［ｍ^２／ｓ］、τ_ｗ：壁面せん断応力［Ｐａ］、μ：粘性係数［Ｐａ^＊ｓ］、ρ：密度［ｋｇ／ｍ^３］である。

溝幅Ｓは、式１〜３より、以下の式４で表すことができる。

図１０は、図６に示される溝について、主流の流速を所定の値に設定した場合の冷却損失低減率（熱損失低減率）と無次元幅Ｓ^＋との関係を表すグラフである。図１０に示されるグラフからは、冷却損失低減率すなわち熱損失の低減率は、無次元幅Ｓ^＋がゼロを少し超えた辺りから３０より少し小さい辺りまでの領域（以下、「効果有り領域」と称する）で正の値であり、この効果有り領域で溝による熱損失低減効果が認められることがわかる。さらに、無次元幅Ｓ^＋が１３〜１７である場合に熱損失低減率が特に大きく、無次元幅Ｓ^＋が１５である場合に熱損失低減率が最大になることが分かる。

上記の効果有り領域で熱損失の低減率が正の値となる理由は、溝が熱損失低減効果を発揮するために条件、すなわち上述の（ｉ）渦が溝内に入り込まず、かつ、（ｉｉ）溝幅が渦の大きさに対して小さ過ぎないという条件が、Ｓ^＋が上記効果有り領域にある場合に満たされるためである。

なお、無次元幅Ｓ^＋が３０以上になると、熱損失の低減率が負の値に転じているが、その理由は、上記の（ｉ）の条件が満たされなくなるためである。

上記したように、無次元幅Ｓ^＋が１５である場合に熱損失低減率が最大になるため、式４のＳ^＋には１５が代入され、τ_ｗ、μ、ρには、各々、燃焼室内の条件から求められた値が代入される。この代入により、溝幅Ｓは、例えば、８μｍ程度に設定することができる。また、溝深さｈ（図６参照）は、例えば、溝幅Ｓを０．７倍した値（５．６μｍ程度）に設定することができる。

なお、上記実施形態を以下のように変更することも可能である。

例えば、上記実施形態では、燃焼室６におけるピストン５付近でスキッシュ方向の主流３０が生じる場合について説明したが、図１１（ａ）に示されるように、ピストン５付近でスワール方向の主流３０１が生じる場合には、図１１（ｂ）に示されるように、ピストン５の冠面５０に、スワール方向に沿って延びる同心円状の複数の溝５１０を形成してもよい。

また、図１２（ａ）に示されるように、ピストン５付近でタンブル方向の主流３０２が生じる場合には、図１２（ｂ）に示されるように、ピストン５の冠面５０に、タンブル方向に沿って延びる直線状の複数の溝５１１を形成してもよい。

また、上記実施形態では、断面Ｕ字状の溝５１，６３が形成される場合について説明したが、図１３に示されるように、断面Ｖ字状の溝５１２が形成されてもよく、或いは、図１４に示されるように、ピストン５の冠面５０に、当該冠面５０から垂直方向に突出する平板状の突起５１３が所定間隔で互いに平行に設けられることにより、突起５１３，５１３間に溝５１４が形成されてもよい。この溝５１４は、シリンダヘッド４の底面６０ａや、吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃおよび排気バルブ１２のバルブ面１２ｃに設けることも可能である。

また、ピストン５の冠面５０、シリンダヘッド４の底面６０ａ、吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃ、および排気バルブ１２のバルブ面１２ｃを遮熱材により構成し、この遮熱材からなる冠面５０等に上記した溝（図６，１３，１４参照）を形成してもよい。

遮熱材の構成は、特に限定されるものではないが、例えば、以下のように構成することが可能である。

具体的には、図１５に示される例では、ピストン５は、エンジンの燃焼室６を形成する冠面（壁面）に断熱層（本発明における「遮熱材」に相当する）１００を備えている。この断熱層１００は、ピストン５の金属製母材の頂面全体に亘って形成される第１樹脂層１１０と、第１樹脂層１１０の上面に順番に形成される第２樹脂層１２０、第３樹脂層１３０及び第４樹脂層１４０とからなる。なお、当例では、ピストン５の前記金属製母材は、例えば鋳物用アルミニウム合金ＡＣ８Ａである。

第１樹脂層１１０は、シリコーン樹脂のみにより形成されており、前記金属製母材の上面全体に略一定の厚みで形成されている。

第２〜第４の各樹脂層１２０〜１４０はそれぞれ、複数の中空粒子２００と当該中空粒子２００を保持するシリコーン樹脂２２０とにより形成されている。各樹脂層１２０〜１４０の中空粒子２００は、同図に示されるように、下位の樹脂層に沿って敷き詰められた状態でシリコーン樹脂２２０により保持されている。なお、図１５に示されるように、第１樹脂層１１０の上面とその上の第２の樹脂層１２０におけるシリコーン樹脂２２０の下面や、第２の樹脂層１２０におけるシリコーン樹脂２２０の上面とその上の第３の樹脂層におけるシリコーン樹脂２２０の下面とは、部分的に非接触であってもよく、このような形態であれば非接触部分（Ａ部）は断熱空気層を形成することになり、断熱性確保の点で有利である。

ここで、各樹脂層１１０〜１４０のシリコーン樹脂は、例えば、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が好適である。具体的には、ポリアルキルフェニルシロキサンなどが好適である。

また、第２〜第４の各樹脂層１２０〜１４０に含まれる中空粒子２００は、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、エアロゲルバルーン等のＳｉ系酸化物成分（例えばＳｉＯ_２）を含有するセラミック系中空粒子が好適である。

例えば、フライアッシュバルーンの化学組成は、質量％で、ＳｉＯ_２；４０．１〜７４．４％、ＡＩ_２Ｏ_３；１５．７〜３５．２％、Ｆｅ_２Ｏ_３；１．４〜１７．５％、ＭｇＯ；０．２〜７．４％、ＣａＯ；０．３〜１０．１％である。シラスバルーンの化学組成は、質量％で、ＳｉＯ_２；７５〜７７％、ＡＩ_２Ｏ_３；１２〜１４％、Ｆｅ_２Ｏ_３；１〜２％、Ｎａ_２Ｏ；３〜４％、Ｋ_２Ｏ；２〜４％、ＩｇＬｏｓｓ；２〜５％である。

なお、中空粒子の平均粒子径は５μｍ以上３０μｍ以下であるのが好適であり、各樹脂層１２〜１４内における含有率は、２０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下であるのが好適である。これは、この範囲内にすれば、中空粒子内に含まれる空気量をある程度大きくしながら、各樹脂層１２〜１４の厚さに対して含有できる粒子量を多くすることができ、これにより、必要な断熱特性を良好に得ることができるためである。

また、断熱層１００は、その厚さが６０μｍ以上２００μｍ以下となるように形成されている。これは、必要とする断熱特性を良好に確保しながら、エンジンの高温時における断熱層１００の収縮、および断熱層１００からのアウトガスの発生を抑制でき、断熱層１００の剥離を防ぐことができるためである。

このように、燃焼室形成面が遮熱材により形成される場合には、溝による熱損失抑制効果に加えて、遮熱材（断熱層１００）による熱損失抑制効果が奏され、より効果的にエンジンの熱効率を向上させることができる。しかも、遮熱材の遮熱機能により、燃焼室形成面（断熱層１００の表面）が高温になるため、燃焼室形成面にカーボン粒子が接近しても、燃焼室形成面またはその近傍でカーボン粒子が燃焼し、これにより、溝内にカーボン粒子が蓄積することが抑制され、溝による熱損失抑制機能が維持される。

１エンジン本体
４シリンダヘッド（燃焼室構成部材）
５ピストン（燃焼室構成部材）
６燃焼室
１１吸気バルブ
１１ｃ吸気側バルブ面（燃焼室形成面、吸気側傘表面）
１２排気バルブ
１２ｃ排気側バルブ面（燃焼室形成面、排気側傘表面）
３２渦（スキッシュに沿った渦）
５０ピストンの冠面（燃焼室形成面）
５１溝（スキッシュ方向に延びる溝）
６０ａシリンダヘッドの底面（燃焼室形成面）
６３溝（スワール方向に延びる溝）
７１渦（スワールに沿った渦）
１００断熱層（遮熱材）
５１１溝（タンブル方向に延びる溝）
Ｓ１，Ｓ３溝幅
Ｓ２，Ｓ４渦の径

Claims

エンジンの燃焼室を形成する燃焼室構成部材を備えたエンジンの燃焼室構造であって、
前記燃焼室構成部材における燃焼室形成面に、筒内ガスの主流方向に沿って延びる複数の溝が形成され、
前記溝の幅は、前記主流に沿って形成されて前記主流方向を軸方向として旋回する渦の径よりも小さく、かつ、前記主流の流速が相対的に小さい領域における当該溝の幅が前記主流の流速が相対的に大きい領域における当該溝の幅よりも大きいことを特徴とする、エンジンの燃焼室構造。
前記燃焼室形成面が遮熱材により形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
前記燃焼室形成面は、シリンダ内を往復動するピストンの冠面と、当該ピストンの冠面と対向するシリンダヘッドの底面と、吸気バルブの傘部における前記燃焼室に臨む吸気側傘表面と、排気バルブの傘部における前記燃焼室に臨む排気側傘表面とを有し、
前記溝は、前記冠面、前記底面、前記吸気側傘表面、および、前記排気側傘表面のうちの少なくとも一つに形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のエンジンの燃焼室構造。
前記燃焼室内にスキッシュ方向の主流が生じる場合に、前記複数の溝は、前記燃焼室の径方向中心から放射状に延びた状態で形成されることを特徴とする、請求項３に記載のエンジンの燃焼室構造。
前記燃焼室内にスワール方向の主流が生じる場合に、前記複数の溝は、前記燃焼室の径方向中心を中心とする同心円状に形成されることを特徴とする、請求項３に記載のエンジンの燃焼室構造。
前記燃焼室内にタンブル方向の主流が生じる場合に、前記複数の溝は、前記タンブル方向に沿って直線状に形成されることを特徴とする、請求項３に記載のエンジンの燃焼室構造。
前記冠面は、その中央部に形成されて下方に凹状に湾曲するキャビティと、このキャビティの開口縁から当該冠面の径方向外側に向かうにつれて下方に傾斜する基準面と、当該冠面の径方向中心から放射状に延びた状態で形成される前記複数の溝とを備え、
前記キャビティは、その中央に位置する円形状の平坦面と、当該平坦面の外周縁から外側に斜め上向きに立ち上がり、前記開口縁に繋がる傾斜面とを備え、
前記溝は、前記開口縁から前記傾斜面の上部に亘る領域における当該溝の幅が、前記傾斜面の下部から前記平坦面に亘る領域における当該溝の幅及び前記基準面の領域における当該溝の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項４に記載のエンジンの燃焼室構造。