JP6424851B2 - 内燃機関の燃焼室構造 - Google Patents

Description

この発明は内燃機関の燃焼室構造に関し、より詳細には、頂面に遮熱膜が形成されたピストンを備える内燃機関の燃焼室構造に関する。

内燃機関の燃焼室は一般に、シリンダヘッドとシリンダブロックを合わせたときに、当該シリンダブロックのボア面と、当該ボア面に収容されるピストンの頂面と、当該シリンダヘッドの底面と、によって囲まれる空間として定義される。このような燃焼室の壁面には、当該壁面を経由して当該燃焼室内の熱が外部に放散するのを抑えるために各種の遮熱膜が形成されることがある。

特開２００８−２１５２４４号公報には、直噴式の燃料噴射弁を備え、ピストンの頂面のうち当該燃料噴射弁からの燃料が直接衝突する領域を除いた領域にセラミックス製の遮熱膜を形成した内燃機関の燃焼室構造が開示されている。燃料噴射弁からの燃料が直接衝突する領域に遮熱膜が形成されていると、この燃料の燃焼に伴い当該領域が高温化する。そうすると、燃料噴射弁から噴射されて間もない高濃度状態の燃料が、頂面への衝突時に高温の雰囲気に曝されて一気に燃焼し、多くの煤が発生してしまう。この点、上記燃焼室構造では、燃料噴射弁からの燃料が直接衝突する領域に遮熱膜が形成されていないので、当該領域に衝突した燃料を燃焼室内に拡散させつつ燃焼させることができる。

特開２００８−２１５２４４号公報 特開２０１５−０３１２２６号公報 特開２０１３−１８５２００号公報 特開２０１５−０６８３０２号公報 特開昭５９−１８００５０号公報

ところで、近年においては、燃焼室内のガス温度を高温に保つ従来タイプの遮熱膜とは異なる、燃焼室内のガス温度に表面温度を追従させるタイプの遮熱膜が開発されている。この新しいタイプの遮熱膜は、熱伝導率と単位体積当たりの熱容量が共に低いという熱特性を有している。ここで、上述した煤の発生は、内燃機関のあるサイクルでの燃焼の完了からその次のサイクルで燃料噴射が開始されるまでに、遮熱膜の表面温度が下がり切らないことに起因したものであるが、新しいタイプの遮熱膜の表面温度は、あるサイクルの爆発行程では燃焼室内のガス温度に追従して上がり、その次のサイクルの吸入行程では燃焼室内に流入するガス温度（吸気温度）に追従して下がることになる。従って、新しいタイプの遮熱膜によれば、上述した噴射燃料が直接衝突する領域に形成した場合であっても、煤の発生を抑えることが可能となる。

しかし本発明者によれば、このような新しいタイプの遮熱膜には改善の余地があることが明らかになった。すなわち、熱伝導率と単位体積当たりの熱容量が共に低いという熱特性が故に、爆発行程において燃焼室内のガス温度に追従して高温化する膜表面と、相対的に低温な膜内部との間の温度差により生じた熱応力が作用することで遮熱膜が劣化し易いことが判明した。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱伝導率と単位体積当たりの熱容量とが共に低い遮熱膜が燃焼室の壁面に適用される内燃機関において、膜表面と膜内部との間の温度差に起因した遮熱膜の劣化を抑制することにある。

本発明に係る内燃機関の燃焼室構造は、母材よりも低い熱伝導率と単位体積当たりの熱容量とを有し、表面に細孔を有する単一種類の多孔質の遮熱膜が頂面に形成されたピストンと、前記頂面に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、を備えており、前記遮熱膜の表面が、前記燃料噴射弁からの燃料が直接衝突する領域を含み前記表面の細孔を塞ぐシリカ膜で覆われた封孔領域と、前記封孔領域以外の領域であって前記表面の細孔が露出する露出領域と、を備えることを特徴としている。

母材よりも低い熱伝導率と単位体積当たりの熱容量とを有し、表面に細孔を有する単一種類の多孔質の遮熱膜がピストンの頂面に露出領域として形成されていることで、燃焼室内のガス温度に当該頂面の温度が追従する。また、燃料噴射弁からの燃料が直接衝突する領域は、燃料の着火によって生じた初期火炎が接触する領域に相当し、内燃機関の爆発行程において高温化する遮熱膜の表面のうち最も高温化してその内部との間の温度差が最大となる領域である。このような領域を含む封孔領域を遮熱膜の表面が備えることで、温度差に起因した膜劣化を抑えることができる。

本発明に係る内燃機関の燃焼室構造において、前記燃料噴射弁が放射状に設けられた複数の噴孔を備える場合は、前記封孔領域が、前記ピストンが圧縮上死点に位置する場合において前記噴孔の各中心を通って燃料噴射方向に延びる直線が前記表面と交わる点を中心として形成され、尚且つ、前記封孔領域のうちの隣り合う２つの領域が、前記露出領域によって隔てられて互いに非接続とされていることが好ましい。

封孔領域以外の領域にもシリカ膜を設けると、遮熱膜の表面の細孔が埋まり過ぎてしまい、ピストンの頂面全体で見たときの遮熱膜の熱容量が増えた結果、燃焼室内のガスの温度への追従性が低下するおそれがある。ピストンが圧縮上死点に位置する場合において燃料噴射弁の噴孔の各中心を通って燃料噴射方向に延びる直線が遮熱膜の表面と交わる点を中心として封孔領域が形成され、尚且つ、封孔領域のうちの隣り合う２つの領域を露出領域によって隔てて互いに非接続とすることで、露出領域の面積をある程度確保して燃焼室内のガス温度への追従性を担保しつつ、膜表面と膜内部との間の温度差に起因した膜劣化を抑えることができる。

本発明に係る内燃機関の燃焼室構造において、前記内燃機関が筒内にスワールが生成されるように構成され、尚且つ、前記燃料噴射弁が放射状に設けられた複数の噴孔を備える場合は、前記封孔領域が、前記ピストンが圧縮上死点に位置する場合において前記噴孔の各中心を通って燃料噴射方向に延びる直線が前記表面と交わる点から、最高出力を発生するエンジン回転速度において前記筒内に生成するスワールの流れ方向にオフセットされた点を中心として形成されていることが好ましい。

最高出力を発生するエンジン回転速度での運転時においては燃焼室内での熱発生量が最大となり、爆発行程において到達する遮熱膜の表面温度も最高となる。ピストンが圧縮上死点に位置する場合において燃料噴射弁の噴孔の各中心を通って燃料噴射方向に延びる直線が遮熱膜の表面と交わる点から、最高出力を発生するエンジン回転速度において筒内に生成するスワールの流れ方向にオフセットされた点を中心として封孔領域が形成されていることで、筒内にスワールが生成される場合においても、膜表面と膜内部との間の温度差に起因した膜劣化を抑えることができる。

本発明に係る内燃機関の燃焼室構造において、前記ピストンが前記頂面の中央部にキャビティを備え、尚且つ、前記キャビティが底面と、前記底面と前記頂面との両方に繋がる側面と、を備える場合は、前記封孔領域が、前記側面に設けられていることが好ましい。前記頂面が、前記頂面と前記側面の間に、前記頂面から前記側面に向かうほど径が縮小するテーパ面を備える場合は、前記封孔領域が、前記側面と前記テーパ面の両方に跨って設けられていることが好ましい。前記封孔領域が、前記底面、前記側面および前記テーパ面に跨り、尚且つ、前記燃料噴射弁の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる直線に沿って設けられていてもよい。

本発明に係る内燃機関の燃焼室構造によれば、熱伝導率と単位体積当たりの熱容量が共に低い遮熱膜が燃焼室の壁面に適用される内燃機関において、膜表面と膜内部との間の温度差に起因した遮熱膜の劣化を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。 図１に示したピストン１２の斜視図である。 図２に示した遮熱膜ＰＡと遮熱膜ＳＲＡの構成を説明するための図である。 膜構成の異なる２種類の遮熱膜のビッカーズ硬度の結果を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。 図５に示したピストン３２の斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。 図７に示したピストン４２の斜視図である。 本発明の実施の形態４における遮熱膜の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態５における遮熱膜の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態６における遮熱膜の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態７に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。 図１２に示した底面６６ａのうちの燃焼室の壁面に相当する領域を示した図である。 本発明の実施の形態８に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。 図１４に示した底面７０ａのうちの燃焼室の壁面に相当する領域を示した図である。 本発明の実施の形態９に係る燃焼室構造のシリンダヘッドの底面を示した図である。 本発明の実施の形態１０に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。 図１７に示したピストン７６の斜視図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
先ず、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼室構造について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。図１に示す内燃機関１０（具体的にはディーゼルエンジン）は、ピストン１２と、ピストン１２を収容するシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４とガスケット１６を介して締結されるシリンダヘッド１８と、を備えている。内燃機関１０の燃焼室は、少なくともピストン１２の頂面１２ａと、シリンダブロック１４のボア面１４ａと、シリンダヘッド１８の底面１８ａと、によって画定される。

頂面１２ａの中央には、キャビティ２０が凹むように設けられている。キャビティ２０も内燃機関１０の燃焼室の一部を構成する。キャビティ２０は、底面２０ａと、底面２０ａから上向きに立ち上がり頂面１２ａに繋がる側面２０ｂと、から構成されている。シリンダヘッド１８には、キャビティ２０に向かって燃料を直接噴射する燃料噴射弁２２が設けられている。燃料噴射弁２２の先端部には合計１０個の噴孔（図示しない）が放射状に形成されており、図１にはそれらのうちの２個の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる２本の軸線ＡＸが描かれている（但し、噴孔の総数はこれに限られない）。図１においてピストン１２は圧縮上死点に位置しており、２本の軸線ＡＸの延長線上には側面２０ｂが位置している。

図２は、図１に示したピストン１２の斜視図である。なお、図２に示す線Ａ−Ａとピストン１２の中心線の両方を通る面で内燃機関１０を切断したときの断面が図１に相当している。図２に示すように、頂面１２ａや底面２０ａには、遮熱膜ＰＡが形成されている。遮熱膜ＰＡは具体的には多孔質アルミナの膜であり、アルミ合金を母材とするピストン１２の陽極酸化処理により形成される、いわゆる陽極酸化皮膜である。一方、側面２０ｂに点在する円状領域には、遮熱膜ＳＲＡが形成されている。これらの円状領域は、図１に示した燃料噴射弁２２の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸと、側面２０ｂとの交点を中心とし、尚且つ、圧縮上死点の近傍のタイミングで当該噴孔から吐き出された燃料が直接衝突する領域を含んでいる。加えて、隣り合う２つの円状領域は互いに重なり合わず、側面２０ｂにも形成された遮熱膜ＰＡによって隔てられている。故に、円状領域の総数は燃料噴射弁２２の噴孔の総数と等しい。

図３は、図２に示した遮熱膜ＰＡと遮熱膜ＳＲＡの構成を説明するための図であり、図２に示す線Ａ−Ａとピストン１２の中心線の両方を通る面でピストン１２を切断したときの側面２０ｂ周辺の断面の拡大模式図に相当している。図３に示すように、遮熱膜ＰＡは、アルミ合金（ピストンの母材）との境界面から表面に向かう多数の細孔を有する多孔質アルミナから構成されており、これらの細孔の開口部は露出している。一方、遮熱膜ＳＲＡは、遮熱膜ＰＡを下層とし、遮熱膜ＰＡの表面を覆って細孔の開口部を塞ぐシリカの膜を上層とする構成となっている。シリカ膜は、ポリシラザンなどのシリカ成分を含有する無機または有機溶剤を多孔質アルミナの表面に塗布し、次いでこれを加熱して焼成することにより形成される、いわゆる封孔膜である。封孔膜の形成の有無で遮熱膜ＰＡと遮熱膜ＳＲＡの形成領域を区別すると、形成領域（つまり、遮熱膜ＳＲＡが形成された領域）は封孔領域と称すことができ、非形成領域（つまり、遮熱膜ＰＡが形成された領域）は露出領域と称すことができる。

図３に示した多孔質構造の遮熱膜ＰＡは、ピストンの母材（アルミ合金）や従来タイプの遮熱膜に比べて、熱伝導率と単位体積当たりの熱容量において低い熱特性を示す。そのため、遮熱膜ＰＡによれば、燃焼室内のガス温度に遮熱膜ＰＡの表面温度を追従させることができる。すなわち、内燃機関のあるサイクルの爆発行程では燃焼室内のガス温度に追従させて、遮熱膜ＰＡの表面温度を上げて冷却損失を低減することができる。その次のサイクルの吸入行程では燃焼室内に流入するガス温度（吸気温度）に追従させて、遮熱膜ＰＡの表面温度を下げて異常燃焼の発生を抑制することもできる。

また、図３に示した構成の遮熱膜ＳＲＡは、遮熱膜ＰＡに比べて硬度に優れる。図４は、膜構成の異なる２種類の遮熱膜のビッカーズ硬度の結果を示した図である。図４の左方が遮熱膜ＰＡ同様の構成の多孔質アルミナの結果であり、右方が遮熱膜ＳＲＡ同様の構成のシリカ膜付きの多孔質アルミナの結果である。この図の結果から、シリカ膜を付けることで多孔質アルミナが補強され、遮熱膜の硬度が向上することが分かる。

上述した熱特性を有する遮熱膜ＰＡにおいては、爆発行程において高温化する遮熱膜ＰＡの表面と、相対的に低温な内部との間に温度差が生じ、熱応力が作用することになる。従って、遮熱膜ＰＡをピストンの頂面全体に形成した場合は、遮熱膜ＰＡが劣化し易くなる。ここで、図２に示した円状領域は、燃料の着火によって生じた火炎（初期火炎）の接触領域に相当し、爆発行程において高温化する側面２０ｂを含む頂面１２ａのうち最も高温化してその内部との間の温度差が最大となる領域であるといえる。この点、図４に示した結果から分かるように、円状領域の多孔質アルミナをシリカ膜で補強することで、温度差に起因した熱応力に対抗することが可能となる。従って、図２に示した円状領域の遮熱膜ＳＲＡの劣化を抑えることができる。

遮熱膜ＰＡの劣化を抑える観点からすれば、図２に示した円状領域以外の領域にもシリカ膜を設けて、図２に示した頂面１２ａの全体を遮熱膜ＳＲＡで覆うことも考えられる。しかし、シリカ膜の材料を多く塗布すると多孔質アルミナの細孔が埋まり過ぎてしまい、ピストンの頂面全体で見たときの遮熱膜の熱容量が増えた結果、燃焼室内のガスの温度への追従性が低下するおそれがある。また、シリカ膜の材料は一般に高価であることから、シリカ膜材料を多く使用することはコストの増加に繋がり望ましくない。この点、本実施の形態では、図２に示した円状領域にのみ膜材料を使用するので、シリカ膜材料の使用によるコストを最小限に抑え、燃焼室内のガス温度への追従性を担保しながら、ピストンの頂面全体に形成した遮熱膜の劣化を抑えることができる。

なお、圧縮上死点の近傍のタイミングで燃料噴射弁２２の噴孔から吐き出された燃料が直接衝突する領域は、最高出力を発生するエンジン回転速度で内燃機関１０を運転した場合に、当該噴孔から吐き出された燃料が実際に側面２０ｂに衝突する領域に設定することが望ましい。最高出力を発生するエンジン回転速度での運転時においては燃焼室内での熱発生量が最大となり、爆発行程において到達する遮熱膜の表面温度も最高となることから、このようなエンジン回転速度での運転時に燃料が実際に側面２０ｂに衝突する領域に設定することで、温度差に起因した熱応力に効果的に対抗することが可能となる。

ところで、上記実施の形態においては、図２に示した隣り合う２つの円状領域が互いに重なり合わない例を示した。しかし既に述べたように、円状領域そのものは、図１に示した燃料噴射弁２２の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸと、側面２０ｂとの交点を中心とし、尚且つ、圧縮上死点の近傍のタイミングで当該噴孔から吐き出された燃料が直接衝突する領域を含んでいればよいことから、シリカ膜材料の使用によるコストの増加を許容できる範囲内において側面２０ｂにおける円状領域の面積を多少拡大してもよく、その結果として、隣り合う２つの円状領域が部分的に重なり合っていてもよい。

実施の形態２．
次に、図５乃至図６を参照して、本発明の実施の形態２に係る内燃機関の燃焼室構造について説明する。なお、本実施の形態に係る燃焼室構造は、ピストンの頂面の形状および遮熱膜ＳＲＡの形成領域において上記実施の形態１に係る燃焼室構造と異なることから、以下においてはこの相違点を中心に説明する。

図５は、本発明の実施の形態２に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。図５に示す内燃機関３０の基本的な構成は、図１で説明した内燃機関１０の構成と同じである。すなわち、内燃機関３０は、ピストン３２と、シリンダブロック１４と、シリンダヘッド１８と、を備えている。内燃機関３０の燃焼室は、少なくともピストン３２の頂面３２ａと、ボア面１４ａと、底面１８ａと、によって画定される。

ピストン３２の基本的な構成は、図１乃至２で説明したピストン１２の構成と同じである。すなわち、頂面３２ａの中央には、キャビティ３４が凹むように設けられている。キャビティ３４は、底面３４ａと、底面３４ａから上向きに立ち上がる側面３４ｂとから構成されている。但し、ピストン１２とは異なり、頂面３２ａと側面３４ｂの間には、頂面３２ａ側から下方に向かうほど径が縮小するテーパ面３６が設けられている。図５においてピストン３２は圧縮上死点に位置しており、燃料噴射弁２２の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸの延長線上には、側面３４ｂが位置している。

図６は、図５に示したピストン３２の斜視図である。なお、図６に示す線Ａ−Ａとピストン３２の中心線の両方を通る面で内燃機関３０を切断したときの断面が図５に相当している。図５に示すように、頂面３２ａや底面３４ａには遮熱膜ＰＡが形成されている。一方、側面３４ｂとテーパ面３６の両方に跨って点在する円状領域には、遮熱膜ＳＲＡが形成されている。遮熱膜ＰＡと遮熱膜ＳＲＡについては、上記実施の形態１で説明した通りである。図６に示す円状領域は、図５に示した燃料噴射弁２２の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸと、側面３４ｂとの交点を中心とし、尚且つ、圧縮上死点の近傍のタイミングで当該噴孔から吐き出された燃料が直接衝突する領域を含んでいる。

頂面３２ａと側面３４ｂの間にテーパ面３６が設けられている場合は、燃料の着火によって生じた火炎（初期火炎）の接触領域が図６に示す円状領域に相当し、この円状領域は、爆発行程において高温化する側面３４ｂやテーパ面３６を含む頂面３２ａのうち最も高温化してその内部との間の温度差が最大となる領域であるといえる。故に、図６に示す円状領域に遮熱膜ＳＲＡが形成される本実施の形態の燃焼室構造によれば、上記実施の形態１の燃焼室構造における効果と略同一の効果を得ることができる。

実施の形態３．
次に、図７乃至図８を参照して、本発明の実施の形態３に係る内燃機関の燃焼室構造について説明する。なお、本実施の形態に係る燃焼室構造は、遮熱膜ＳＲＡの形成領域において上記実施の形態２に係る燃焼室構造と異なることから、以下においてはこの相違点を中心に説明する。

図７は、本発明の実施の形態３に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。図７に示す内燃機関４０の基本的な構成は、図５で説明した内燃機関３０の構成と同じである。すなわち、内燃機関４０は、ピストン４２と、シリンダブロック１４と、シリンダヘッド１８と、を備えている。内燃機関４０の燃焼室は、少なくともピストン４２の頂面４２ａと、ボア面１４ａと、底面１８ａと、によって画定される。

ピストン４２の基本的な構成は、図５乃至６で説明したピストン３２の構成と同じである。すなわち、頂面４２ａの中央にはキャビティ４４が設けられており、キャビティ４４は底面４４ａと側面４４ｂとから構成されている。頂面４２ａと側面４４ｂの間にはテーパ面４６が設けられている。図７においてピストン４２は圧縮上死点に位置しており、燃料噴射弁２２の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸの延長線上には、側面４４ｂが位置している。

図８は、図７に示したピストン４２の斜視図である。なお、図８に示す線Ａ−Ａとピストン４２の中心線の両方を通る面で内燃機関４０を切断したときの断面が図７に相当している。図８に示すように、頂面４２ａには遮熱膜ＰＡが形成されている。一方、底面４４ａ、側面４４ｂおよびテーパ面４６に跨って点在する帯状領域には、遮熱膜ＳＲＡが形成されている。遮熱膜ＰＡと遮熱膜ＳＲＡについては、上記実施の形態１で説明した通りである。図８に示す帯状領域は、図７に示した燃料噴射弁２２の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸと、側面４４ｂとの交点を中心として軸線ＡＸに沿って延び、尚且つ、圧縮上死点の近傍のタイミングで当該噴孔から吐き出された燃料が直接衝突する領域を含んでいる。

図６の説明の際に述べたように、燃料の着火によって生じた火炎（初期火炎）の接触領域が図６に示した円状領域に相当する。ここで、この初期火炎に引火する燃料の多くは、この初期火炎を生ぜしめた燃料を吐き出した噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線（具体的には、図７の軸線ＡＸ）上に存在することから、初期火炎の流動方向はこの軸線に沿った方向となる。故に、この流動方向に延びる領域は、図６に示した円状領域ほどではないものの、爆発行程において十分に高温化してその内部との間の温度差が大きくなる領域であるといえる。この点、図８に示した帯状領域の多孔質アルミナがシリカ膜によって補強されることで、温度差に起因した熱応力に対抗することが可能となる。故に、図８に示した帯状領域に遮熱膜ＳＲＡが形成される本実施の形態の燃焼室構造によれば、上記実施の形態２の燃焼室構造における効果と略同一の効果を得ることができる。

実施の形態４．
次に、図９を参照して、本発明の実施の形態４に係る内燃機関の燃焼室構造について説明する。なお、本実施の形態に係る燃焼室構造は、遮熱膜ＳＲＡの形成領域において上記実施の形態１に係る燃焼室構造と異なることから、以下においてはこの相違点を中心に説明する。

本実施の形態に係る燃焼室構造は、筒内（燃焼室内）にスワールが生成される内燃機関を前提としている。例えば、シリンダヘッドに形成される２つの吸気ポートの一方をスワール生成用のタンジェンシャルポートとし、他方を流量確保用のヘリカルポートとすることで、筒内にスワールが生成される。なお、このような吸気ポート構造は公知であることから、ここでは説明を省略する。

図９は、本発明の実施の形態４における遮熱膜の構成を説明するための図である。図９に示すピストン４８の基本的な構成は、図１乃至図２で説明したピストン１２の構成と同じである。すなわち、ピストン４８の頂面４８ａの中央にはキャビティ５０が設けられており、キャビティ５０は底面５０ａと側面５０ｂとから構成されている。

図９に矢印で示す方向にスワールＳＷが発生する場合、燃料噴射弁の噴孔から吐き出された燃料は、スワールＳＷの流れ方向に流されつつ、側面５０ｂに衝突する。側面５０ｂに点在する円状領域は、圧縮上死点の近傍のタイミングで燃料噴射弁の噴孔から吐き出された燃料が直接衝突する領域を含んでいる。但し、図２と図９を比較すると分かるように、図９に示した円状領域の中心は、図２または図９に示す燃料噴射弁の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸと側面５０ｂとの交点からスワールＳＷの流れ方向にオフセットされている。

このオフセット量は、最高出力を発生するエンジン回転速度で内燃機関を運転した場合において、スワールＳＷの流れ方向に流される燃料が実際に側面５０ｂに衝突するときを基準として設定することが望ましい。上記実施の形態１で述べたように、最高出力を発生するエンジン回転速度での運転時においては燃焼室内での熱発生量が最大となり、爆発行程において到達する遮熱膜の表面温度も最高となることから、このようなエンジン回転速度を基準としてオフセット量を設定することで、温度差に起因した熱応力に効果的に対抗することが可能となる。故に、図９に示す円状領域に遮熱膜ＳＲＡが形成される本実施の形態の燃焼室構造によれば、筒内にスワールが生成される場合においても、上記実施の形態１の燃焼室構造における効果と同一の効果を得ることができる。

実施の形態５．
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態５に係る内燃機関の燃焼室構造について説明する。なお、本実施の形態に係る燃焼室構造は、上記実施の形態４同様、筒内にスワールが生成される内燃機関を前提としており、また、遮熱膜ＳＲＡの形成領域において上記実施の形態２に係る燃焼室構造と異なることから、以下においてはこの相違点を中心に説明する。

図１０は、本発明の実施の形態５における遮熱膜の構成を説明するための図である。図１０に示すピストン５２の基本的な構成は、図５乃至図６で説明したピストン３２の構成と同じである。すなわち、ピストン５２の頂面５２ａの中央にはキャビティ５４が設けられており、キャビティ５４は底面５４ａと側面５４ｂとから構成されている。頂面５２ａと側面５４ｂの間にはテーパ面５６が設けられている。

図１０に矢印で示す方向にスワールＳＷが発生する場合、燃料噴射弁の噴孔から吐き出された燃料は、スワールＳＷの流れ方向に流されつつ、側面５４ｂに衝突する。側面５４ｂとテーパ面５６の両方に跨って点在する円状領域は、圧縮上死点の近傍のタイミングで燃料噴射弁の噴孔から吐き出された燃料が直接衝突する領域を含んでいる。そして、図６と図１０を比較すると分かるように、図１０に示した円状領域の中心は、図６または図１０に示す燃料噴射弁の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸと側面５４ｂとの交点からスワールＳＷの流れ方向にオフセットされている。

このオフセット量は、上記実施の形態４同様、最高出力を発生するエンジン回転速度で内燃機関を運転した場合において、スワールＳＷの流れ方向に流される燃料が実際に側面５４ｂに衝突するときを基準として設定されている。よって、図１０に示す円状領域に遮熱膜ＳＲＡが形成される本実施の形態の燃焼室構造によれば、筒内にスワールが生成される場合においても、上記実施の形態２の燃焼室構造における効果と同一の効果を得ることができる。

実施の形態６．
次に、図１１を参照して、本発明の実施の形態６に係る内燃機関の燃焼室構造について説明する。なお、本実施の形態に係る燃焼室構造は、上記実施の形態４同様、筒内にスワールが生成される内燃機関を前提としており、また、遮熱膜ＳＲＡの形成領域において上記実施の形態３に係る燃焼室構造と異なることから、以下においてはこの相違点を中心に説明する。

図１１は、本発明の実施の形態６における遮熱膜の構成を説明するための図である。図１１に示すピストン５８の基本的な構成は、図５乃至６で説明したピストン３２の構成と同じである。すなわち、ピストン５８の頂面５８ａの中央にはキャビティ６０が設けられており、キャビティ６０は底面６０ａと側面６０ｂとから構成されている。頂面５８ａと側面６０ｂの間にはテーパ面６２が設けられている。

図１１に矢印で示す方向にスワールＳＷが発生する場合、燃料噴射弁の噴孔から吐き出された燃料は、スワールＳＷの流れ方向に流されつつ、側面６０ｂに衝突する。底面６０ａ、側面６０ｂおよびテーパ面６２に跨って点在する帯状領域は、圧縮上死点の近傍のタイミングで燃料噴射弁の噴孔から吐き出された燃料が直接衝突する領域を含んでいる。そして、図８と図１１を比較すると分かるように、図１１に示した帯状領域の中心は、図８または図１１に示す燃料噴射弁の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸと側面５４ｂとの交点からスワールＳＷの流れ方向にオフセットされている。

このオフセット量は、上記実施の形態４同様、最高出力を発生するエンジン回転速度で内燃機関を運転した場合において、スワールＳＷの流れ方向に流される燃料が実際に側面６０ｂに衝突するときを基準として設定されている。よって、図１１に示す帯状領域に遮熱膜ＳＲＡが形成される本実施の形態の燃焼室構造によれば、筒内にスワールが生成される場合においても、上記実施の形態３の燃焼室構造における効果と同一の効果を得ることができる。

実施の形態７．
次に、図１２乃至図１３を参照して、本発明の実施の形態７に係る内燃機関の燃焼室構造について説明する。なお、本実施の形態に係る燃焼室構造は、シリンダヘッドの底面に形成する遮熱膜の種類において上記実施の形態１に係る燃焼室構造と異なることから、以下においてはこの相違点を中心に説明する。

図１２は、本発明の実施の形態７に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。図１２に示す内燃機関６４の基本的な構成は、図１で説明した内燃機関１０の構成と同じである。すなわち、内燃機関６４は、ピストン１２と、シリンダブロック１４と、シリンダブロック１４とガスケット１６を介して締結されるシリンダヘッド６６と、を備えている。内燃機関６４の燃焼室は、少なくとも頂面１２ａと、ボア面１４ａと、シリンダヘッド６６の底面６６ａと、によって画定される。

底面６６ａには遮熱膜ＴＳＺが形成されている。図１３は、図１２に示した底面６６ａのうちの燃焼室の壁面に相当する領域を示した図である。図１３に示すように、底面６６ａの中央部には、遮熱膜ＴＳＺが形成されている。遮熱膜ＴＳＺは具体的には多孔質ジルコニアの膜であり、底面１８ａにジルコニアの粉末を溶射によって噴き付けることにより形成される、いわゆる溶射膜である。また、遮熱膜ＴＳＺの外側の領域には、遮熱膜ＳＲＺが形成されている。遮熱膜ＳＲＺは具体的に、図１２に示した頂面１２ａと側面２０ｂの境界線Ｌ１よりも外側の、いわゆるスキッシュ領域に相当する領域に形成されている。

遮熱膜ＴＳＺの表面には多数の細孔が開口しており、遮熱膜ＳＲＺは、この遮熱膜ＴＳＺを下層とし、遮熱膜ＴＳＺの表面を覆って細孔の開口部を塞ぐシリカ膜を上層とする構成となっている。シリカ膜は、ポリシラザンなどのシリカ成分を含有する無機または有機溶剤を多孔質ジルコニアの表面に塗布し、次いでこれを加熱して焼成することにより形成される、いわゆる封孔膜である。

図１で説明した内燃機関１０においては、シリンダヘッド１８の底面１８ａに遮熱膜ＰＡが形成されているのに対して、図１２に示した底面６６ａには遮熱膜ＴＳＺだけでなく遮熱膜ＳＲＺも形成されている。遮熱膜ＴＳＺは遮熱膜ＰＡ同様、ピストンの母材（アルミ合金）や従来タイプの遮熱膜に比べて、熱伝導率と単位体積当たりの熱容量において低い熱特性を示すことから、遮熱膜ＴＳＺによれば、燃焼室内のガス温度に遮熱膜ＰＡの表面温度を追従させることができる。

但し、遮熱膜ＰＡがシリンダヘッド１８の母材（アルミ合金）から直接的に形成されているのに対し、遮熱膜ＴＳＺは底面６６ａに付着させた膜であることからシリンダヘッド６６との結合力が低く、温度差に起因した熱応力への耐性が相対的に低い。また、スキッシュ領域は、図２で説明した円状領域ほどではないものの、スキッシュ領域を流れるガス速度が速いがために熱伝達率が高くなるので、爆発行程において瞬間的に高温化してその内部との間の温度差が大きくなる領域であるといえる。この点、スキッシュ領域に相当する領域の多孔質ジルコニアがシリカ膜によって補強されることで、温度差に起因した熱応力に対抗することが可能となる。従って、図１３に示したスキッシュ領域に相当する領域の遮熱膜ＴＳＺの劣化は勿論のこと、それ以外の領域の遮熱膜ＴＳＺの劣化をも抑えることもできる。

ところで、上記実施の形態７では、ジルコニアの溶射膜を例として説明した。しかし、ジルコニアの溶射膜の代わりに、アルミナ、チタニアといったセラミックスの溶射膜、または、サーメット、ムライト、コージライト、ステアタイトなどの複合セラミックスの溶射膜をシリンダヘッドの底面に形成してもよい。或いは、ジルコニアの溶射膜の代わりに、シリカ等の中空粒子を含有する樹脂、または、発泡断熱塗料の塗布膜をシリンダヘッドの底面に形成してもよい。これらの膜は何れも、多孔質構造を有することでピストンの母材（アルミ合金）や従来タイプの遮熱膜に比べて、熱伝導率と単位体積当たりの熱容量において低い熱特性を示す膜であり、その一方で、シリンダヘッドの底面に付着形成される膜である。従って、これらの膜のうちのスキッシュ領域に相当する領域に、これらの膜の表面の細孔の開口部を塞ぐシリカ膜を形成すれば、上記実施の形態７と同様の効果を得ることができる。なお、本変形例については、後述の実施の形態８乃至１０においても同様に適用できる。

実施の形態８．
次に、図１４乃至図１５を参照して、本発明の実施の形態８に係る内燃機関の燃焼室構造について説明する。なお、本実施の形態に係る燃焼室構造は、シリンダヘッドの底面に形成する遮熱膜の種類において上記実施の形態２に係る燃焼室構造と異なることから、以下においてはこの相違点を中心に説明する。

図１４は、本発明の実施の形態８に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。図１４に示す内燃機関６８の基本的な構成は、図５で説明した内燃機関３０の構成と同じである。すなわち、内燃機関６８は、ピストン３２と、シリンダブロック１４と、シリンダブロック１４とガスケット１６を介して締結されるシリンダヘッド７０と、を備えている。内燃機関６８の燃焼室は、少なくとも頂面３２ａと、ボア面１４ａと、シリンダヘッド７０の底面７０ａと、によって画定される。

底面７０ａには遮熱膜ＴＳＺが形成されている。図１５は、図１４に示した底面７０ａのうちの燃焼室の壁面に相当する領域を示した図である。図１５に示すように、底面７０ａの中央部には、遮熱膜ＴＳＺが形成されている。遮熱膜ＴＳＺの外側には、遮熱膜ＳＲＺが形成されている。遮熱膜ＴＳＺと遮熱膜ＳＲＺについては、上記実施の形態７で説明した通りである。遮熱膜ＳＲＺは具体的に、図１４に示した側面３４ｂとテーパ面３６の境界線Ｌ２よりも外側の領域に形成されている。

上記実施の形態７で説明したように、スキッシュ領域は、爆発行程において瞬間的に高温化してその内部との間の温度差が大きくなる領域である。また、上記実施の形態２で説明したように、図６に示した円状領域は、爆発行程において高温化する側面３４ｂやテーパ面３６を含む頂面３２ａのうち最も高温化してその内部との間の温度差が最大となる領域である。更に、スキッシュ領域に繋がるテーパ面３６は、底面７０ａとの距離が近いことから、図６に示した円状領域のうちのテーパ面３６内の領域も、爆発行程において瞬間的に高温化してその内部との間の温度差が大きくなる領域であるといえる。この点、図１４に示した遮熱膜ＳＲＺは、底面７０ａのうち、側面３４ｂとテーパ面３６の境界線Ｌ２よりも外側の領域に形成されているので、温度差に起因した熱応力に対抗することが可能となる。従って、上記実施の形態７の燃焼室構造における効果と略同一の効果を得ることができる。

実施の形態９．
次に、図１６を参照して、本発明の実施の形態９に係る内燃機関の燃焼室構造について説明する。なお、本実施の形態に係る燃焼室構造は、シリンダヘッドの底面に形成する遮熱膜ＳＲＺの領域において上記実施の形態７に係る燃焼室構造と異なることから、以下においてはこの相違点を中心に説明する。

図１６は、本発明の実施の形態９に係る燃焼室構造のシリンダヘッドの底面を示した図である。上記実施の形態３で説明したように、燃焼室内で生じた初期火炎の流動方向は、燃料噴射弁の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線に沿った方向となることから、流動状態の初期火炎をシリンダヘッドの底面７２ａに投影すると図１６の如く表される。図１３と図１６を比較すると分かるように、本実施の形態では、図１３に示した遮熱膜ＳＲＺの形成領域と、流動状態の初期火炎の投影面ＰＤとが重複する領域に、遮熱膜ＳＲＺが形成されている。

上記実施の形態７で説明したように、スキッシュ領域は爆発行程において瞬間的に高温化してその内部との間の温度差が大きくなる領域である。しかし、上記実施の形態１で述べたように、シリカ膜材料の多くの使用はコストの増加に繋がるという弱点もある。この点、遮熱膜ＴＳＺと底面７２ａの結合力だけでも温度差に起因した熱応力に対抗することができるような場合には、スキッシュ領域よりも高温化する図１６に示した領域にのみシリカ膜を設けることで、シリカ膜材料の使用によるコストを抑えながら、シリンダヘッドの底面に形成した遮熱膜の劣化を抑えることができる。

ところで、上記実施の形態９では、上記実施の形態７のピストン構成を前提とし、図１３に示した遮熱膜ＳＲＺの形成領域と、流動状態の初期火炎の投影面ＰＤとが重複する領域に、遮熱膜ＳＲＺを形成した。しかし、前提とするピストン構成は、上記実施の形態８のピストン構成でもよい。この場合は、図１５に示した遮熱膜ＳＲＺの形成領域と、流動状態の初期火炎の投影面ＰＤとが重複する領域に、遮熱膜ＳＲＺを形成すればよい。

実施の形態１０．
最後に、図１７乃至図１８を参照して、本発明の実施の形態１０に係る内燃機関の燃焼室構造について説明する。なお、本実施の形態に係る燃焼室構造は、ピストンの頂面に形成する遮熱膜の種類において上記実施の形態７に係る燃焼室構造と異なることから、以下においてはこの相違点を中心に説明する。

図１７は、本発明の実施の形態１０に係る内燃機関の燃焼室構造を示す断面図である。図１７に示す内燃機関７４の基本的な構成は、図１２で説明した内燃機関６４の構成（つまり、図１で説明した内燃機関１０の構成）と同じである。すなわち、内燃機関７４は、ピストン７６と、シリンダブロック１４と、シリンダヘッド６６と、を備えている。内燃機関７４の燃焼室は、少なくともピストン７６の頂面７６ａと、ボア面１４ａと、シリンダヘッド６６の底面６６ａと、によって画定される。

ピストン７６の基本的な構成は、図１乃至図２で説明したピストン１２の構成と同じである。すなわち、頂面７６ａの中央にはキャビティ７８が設けられており、キャビティ７８は底面７８ａと側面７８ｂとから構成されている。図１７においてピストン７６は圧縮上死点に位置しており、燃料噴射弁２２の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸの延長線上には、側面７８ｂが位置している。

図１８は、図１７に示したピストン７６の斜視図である。なお、図１８に示す線Ａ−Ａとピストン７６の中心線の両方を通る面で内燃機関７４を切断したときの断面が図１７に相当している。図１８に示すように、底面７８ａには遮熱膜ＴＳＺが形成されている。一方、頂面７６ａの全体と、側面７８ｂに点在する円状領域には、遮熱膜ＳＲＺが形成されている。遮熱膜ＴＳＺと遮熱膜ＳＲＺについては、上記実施の形態７で説明した通りである。図１８に示す円状領域は、図１７に示した燃料噴射弁２２の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる軸線ＡＸと、側面７８ｂとの交点を中心とし、尚且つ、圧縮上死点の近傍のタイミングで当該噴孔から吐き出された燃料が直接衝突する領域を含んでいる。

上記実施の形態１で説明したように、図２に示した円状領域は、燃料の着火によって生じた火炎（初期火炎）の接触領域に相当し、爆発行程において高温化する側面７８ｂを含む頂面７６ａのうち最も高温化してその内部との間の温度差が最大となる領域である。また、上記実施の形態７で説明したように、スキッシュ領域は爆発行程において瞬間的に高温化してその内部との間の温度差が大きくなる領域である。故に、図１８に示す頂面７６ａの全体と、側面７８ｂに点在する円状領域とに遮熱膜ＳＲＺが形成される本実施の形態の燃焼室構造によれば、これらの領域の遮熱膜ＴＳＺの劣化は勿論のこと、それ以外の領域の遮熱膜ＴＳＺの劣化をも抑えることもできる。

１０，３０，４０，６４，６８，７４ 内燃機関
１２，３２，４２，４８，５２，５８，７６ ピストン
１２ａ，３２ａ，４２ａ，４８ａ，５２ａ，５８ａ，７６ａ 頂面
１４ シリンダブロック
１４ａ ボア面
１８，６６，７０ シリンダヘッド
１８ａ，６６ａ，７０ａ，７２ａ 底面
２０，３４，４４，５０，６０，７８ キャビティ
２０ａ，３４ａ，４４ａ，５０ａ，５４ａ，６０ａ，７８ａ 底面
２０ｂ，３４ｂ，４４ｂ，５０ｂ，５４ｂ，６０ｂ，７８ｂ 側面
２２ 燃料噴射弁
３６，４６，５６，６２ テーパ面
ＡＸ 軸線
Ｌ１，Ｌ２ 境界線
ＰＡ，ＳＲＡ，ＴＳＺ，ＳＲＺ 遮熱膜
ＰＤ 投影面
ＳＷ スワール

Claims (7)

1. 母材よりも低い熱伝導率と単位体積当たりの熱容量とを有し、表面に細孔を有する単一種類の多孔質の遮熱膜が頂面に形成されたピストンと、前記頂面に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、を備える内燃機関の燃焼室構造であって、
   前記遮熱膜の表面は、前記燃料噴射弁からの燃料が直接衝突する領域を含み前記表面の細孔を塞ぐシリカ膜で覆われた封孔領域と、前記封孔領域以外の領域であって前記表面の細孔が露出する露出領域と、を備えることを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。
2. 前記燃料噴射弁は、放射状に設けられた複数の噴孔を備え、
   前記封孔領域は、前記ピストンが圧縮上死点に位置する場合において前記噴孔の各中心を通って燃料噴射方向に延びる直線が前記表面と交わる点を含むように形成されたものであり、
   前記封孔領域のうちの隣り合う２つの領域が、前記露出領域によって隔てられて互いに非接続とされていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。
3. 前記内燃機関は、筒内にスワールが生成されるように構成され、
   前記燃料噴射弁は、放射状に設けられた複数の噴孔を備え、
   前記封孔領域は、前記ピストンが圧縮上死点に位置する場合において前記噴孔の各中心を通って燃料噴射方向に延びる直線が前記表面と交わる点から、最高出力を発生するエンジン回転速度において前記筒内に生成するスワールの流れ方向にオフセットされた点を含むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。
4. 前記ピストンは、前記頂面の中央部にキャビティを備え、
   前記キャビティは、底面と、前記底面と前記頂面との両方に繋がる側面と、を備え、
   前記封孔領域が、前記側面に設けられることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造。
5. 前記頂面は、前記頂面と前記側面の間に、前記頂面から前記側面に向かうほど径が縮小するテーパ面を備え、
   前記封孔領域が、前記側面と前記テーパ面の両方に跨って設けられることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃焼室構造。
6. 前記封孔領域が、前記底面、前記側面および前記テーパ面に跨り、尚且つ、前記燃料噴射弁の噴孔の中心を通って燃料噴射方向に延びる直線に沿って設けられることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の燃焼室構造。
7. 前記封孔領域が、前記燃料の着火により生成する初期火炎が接触することで前記表面のうち最も高温化する領域であることを特徴とする請求項１乃至５何れか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造。

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