JP2018172997A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮着火式のエンジンにおいて、筒内圧の急上昇を抑制すると共に、冷却損失の低減を図る。【解決手段】エンジンの燃焼室構造は、予混合圧縮着火式のエンジンの燃焼室構造であって、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を含む燃焼室構成部材が備える燃焼室壁面によって区画される燃焼室６と、燃焼室壁面の径方向中央領域に配置され、熱伝導率が前記燃焼室構成部材よりも小さい断熱層７１とを備える。断熱層７１は、前記燃焼室壁面のうち、ピストン５の冠面５０に配置されている。断熱層７１の配置によって、冠面５０の径方向中央領域が高温となり、燃焼室６内に温度分布を形成することができ、緩慢燃焼によって筒内圧の急上昇を抑制することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、予混合圧縮着火式のエンジンの燃焼室構造に関する。

自動車などの車両用の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、予混合圧縮着火式のエンジンが検討されている。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新たな問題を惹起する。例えば、大きな筒内圧の発生によって燃焼騒音が大きくなり、燃焼室やエンジン機構各部に大きな荷重が加わる。また、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放熱（冷却損失）が大きくなる。このため、予混合圧縮着火式のエンジンにおいては、燃焼騒音の低減、エンジン各部の強度強化及び冷却損失の低減などが課題となる。なお、特許文献１には、燃焼室壁面に熱伝導を遮断する機能を有する溶射皮膜をコーティングし、燃焼室壁面に遮熱性を具備させる技術が開示されている。

特開２０１６−９８４０７号公報

しかしながら、特許文献１のように、燃焼室壁面全体に単に遮熱性を有するコーティング層を設けるだけでは、予混合圧縮着火式のエンジンにおいて課題となる、筒内圧が急激上掲の燃焼騒音の低減、エンジン各部の強度強化及び冷却損失の抑制等に対して、十全に対処することができない。

本発明の目的は、予混合圧縮着火式のエンジンにおいて、筒内圧の急上昇を抑制すると共に、冷却損失の低減を図ることが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、予混合圧縮着火式のエンジンの燃焼室構造であって、シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、前記燃焼室壁面の径方向中央領域に配置され、熱伝導率が前記燃焼室構成部材よりも小さい断熱層と、を備えることを特徴とする。

この燃焼室構造によれば、断熱層を燃焼室壁面の径方向中央領域に配置することで、当該中央領域を熱が逃げ難い領域とすることができる。これにより燃焼時に、前記径方向において燃焼室壁面に温度分布を持たせることができる。すなわち、断熱層が存在する径方向中央領域の燃焼室壁面については放熱が抑止されて比較的高温となる。一方、断熱層が存在しない径方向外側領域の燃焼室壁面については、燃焼室構成部材を通して相応の放熱が生じることから比較的低温となる。

このような温度勾配が燃焼室壁面に形成されることに伴い、燃焼室の径方向中央領域で自着火が生じ易い燃焼室環境とすることができる。このため、前記自着火の後、径方向中央領域で初期燃焼が起こり、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、という燃焼形態を生成することができる。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、筒内圧の急上昇を抑制することができる。また、火炎が比較的低温の燃焼室壁面へ一気にアプローチせず、しかも初期燃焼が起こる領域は前記断熱層によって断熱されているので、冷却損失を低減することができる。

上記の燃焼室構造において、前記燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面で形成され、前記冠面の径方向中央部分には、凹没したキャビティが備えられ、前記断熱層は、前記キャビティの底面に配置されていることが望ましい。

一般に、ピストンの冠面は、燃焼室壁面のうち径方向に延在する主要面であり、キャビティはインジェクタ等から燃料の噴射を受ける部分であって前記冠面の径方向中央部分に位置している。このようなキャビティの底面に前記断熱層を配置することで、ピストン冠面の径方向に所期の温度分布を具備させることができる。

上記の燃焼室構造において、熱伝導率が前記燃焼室構成部材よりも小さく前記断熱層よりも大きい部材であって、体積比熱が前記断熱層よりも小さい部材からなり、前記燃焼室壁面を覆う遮熱層をさらに備え、前記遮熱層は、前記断熱層が形成される前記燃焼室壁面の径方向中央領域と、該中央領域の周辺の径方向外側領域とを覆っていることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、前記遮熱層によって前記燃焼室壁面が覆われることにより、燃焼室構成部材を通した放熱を制限することができる。従って、一層冷熱損失を低減させることができる。また、前記遮熱層は体積比熱が前記断熱層よりも小さい部材からなる。換言すると、前記断熱層は体積比熱が比較的大きい部材であり、前記遮熱層に比べて蓄熱性に優れる。従って、前記燃焼室壁面の径方向中央領域については、前記断熱層によって高温を維持させることができ、前記燃焼室壁面に良好な前記温度分布を形成することができる。

上記の燃焼室構造において、前記断熱層が、セラミックス材料からなることが望ましい。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、前記断熱層として好適である。

上記の燃焼室構造において、前記燃焼室の径方向中央空間に配置された着火源をさらに備えることが望ましい。この燃焼室構造によれば、着火源によるアシストにより、良好な燃焼を行わせることができる。

本発明によれば、予混合圧縮着火式のエンジンにおいて、筒内圧の急上昇を抑制すると共に、冷却損失の低減を図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、図１に示されたエンジンの燃焼室付近を示す断面図である。 図３は、ピストンの冠面の概略的な平面図である。 図４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５は、本実施形態の燃焼室構造における燃焼室壁面の温度分布を説明するための模式図である。 図６（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態の燃焼室構造における燃焼態様を順次説明するための模式図である。 図７は、熱発生率とクランク角との関係を示すグラフである。 図８は、本実施形態の燃焼室構造による、遮熱及び蓄熱効果を説明するための模式図である。 図９は、燃焼室中央部の温度とクランク角との関係を示すグラフである。

［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予混合圧縮着火式の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、図２は、図１に示すエンジンの燃焼室付近を拡大して示す断面図である。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を自着火させる予混合圧縮着火式の燃焼を行う。また、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。

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（これらは、本発明における「燃焼室構成部材」の一例である）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気筒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、気筒２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各気筒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、各気筒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。

図２に示されるように、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る。吸気バルブ１１は、吸気側開口部４１を開閉する傘状の弁体１１ａと、この弁体１１ａから垂直に延びるステム１１ｂとを含む。同様に、排気バルブ１２は、排気側開口部４２を開閉する傘状の弁体１２ａと、この弁体１２ａから垂直に延びるステム１２ｂとを含む。吸気バルブ１１の弁体１１ａは、燃焼室６に臨むバルブ面１１ｃを有する。排気バルブ１２の弁体１２ａは、燃焼室６に臨むバルブ面１２ｃを有する。

吸気バルブ１１及び排気バルブ１２も、上記の「燃焼室構成部材」に相当する。本実施形態において、燃焼室６を区画する燃焼室壁面は、気筒２の内壁面、ピストン５の上面である冠面５０、シリンダヘッド４の底面４ａ、吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃ及び排気バルブ１２のバルブ面１２ｃ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、各ステム１１ｂ、１２ｂが駆動される。これらステム１１ｂ、１２ｂの駆動により、吸気バルブ１１の弁体１１ａが吸気側開口部４１を開閉し、排気バルブ１２の弁体１２ａ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ＶＶＴ）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。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ＶＶＴ）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。

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（着火源）が各気筒２につき１つずつ取り付けられている（図２では図示を省いている）。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、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、全気筒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気筒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。

［燃焼室の詳細構造］
図２を参照して、燃焼室６の底面はピストン５の冠面５０であり、燃焼室６の上面は燃焼室天井面６Ｕである。すなわち、冠面５０及び燃焼室天井面６Ｕは、前記燃焼室壁面のうち、燃焼室６の径方向に延びる壁面である。本実施形態においては、燃焼室６における混合気の燃焼時に、径方向に延びる燃焼室壁面が温度分布を持つような燃焼室構造とされる。前記温度分布は、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。このような温度分布の実現のため、本実施形態では、冠面５０の径方向中央領域に断熱層７１が配置されている。さらに、断熱層７１が配置された冠面５０の上を覆うように、遮熱層７２が設けられている。以下、燃焼室６の各部の構造について詳述する。

燃焼室天井面６Ｕは、シリンダヘッド４の底面４ａ、吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃ及び排気バルブ１２のバルブ面１２ｃによって構成されている。燃焼室天井面６Ｕは、上向きに凸の緩やかな曲面形状を有している。詳述すると、シリンダヘッド４の底面４ａ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。バルブ面１１ｃ、１２ｃは、底面４ａと同じ曲率で湾曲する湾曲面に形成されている。インジェクタ１８は、その先端部が燃焼室天井面６Ｕの頂部近傍に位置し、その軸線が軸線ｕ１と一致するように配設されている。

冠面５０は、燃焼室天井面６Ｕと上下方向に対向する面である。図３は、冠面５０の上方視の概略的な平面図である。冠面５０は、その径方向中央部分に配置されたキャビティ５Ｃと、キャビティ５Ｃの外周に同心円状に配置された基準面５１とを備えている。キャビティ５Ｃは、冠面５０の径方向中央領域が下方に凹没湾曲された部分であり、インジェクタ１８から燃料の噴射を受ける部分である。基準面５１は、燃焼室天井面６Ｕの湾曲形状に沿う、上向きに凸の緩やかな曲面形状を有している。すなわち、基準面５１は、キャビティ５Ｃとの境界となる開口縁５２から、径方向外側に向かうにつれて下方に傾斜する緩い凸曲面を有する。基準面５１と燃焼室天井面６Ｕとの間においては、燃焼室６の上下方向の間隔は略一定である。

冠面５０は、上述のキャビティ５Ｃと基準面５１とが径方向に連なった凹凸面からなる。冠面５０の径方向中心付近には、キャビティ５Ｃの最深部である底面部５３が位置している。キャビティ５Ｃの開口縁５２には、基準面５１の内周縁が連設されている。基準面５１の外周縁５４は、気筒２の壁面に近接している。

断熱層７１は、軸線ｕ１方向に所定の厚みを有する、上面視で円形の部材である。断熱層７１は、キャビティ５Ｃの底面部５３に配置されている。図３に示されているように、断熱層７１と、冠面５０及びキャビティ５Ｃとは同心状の配置であり、冠面５０の径方向中央領域が断熱層７１の配置領域とされている。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。一方、遮熱層７２は、概ね冠面５０の上面全域を覆うものであり、断熱層７１が配置される径方向中央領域の上面と、該中央領域の周辺の径方向外側領域とを覆うように配置されている。

断熱層７１としては、燃焼室６から燃焼室構成部材（ピストン５）通して熱が逃げること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い。また、冠面５０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としては、同様に放熱を抑止するという観点からは、熱伝導率が小さいことが望ましい。但し、遮熱層７２が断熱層７１と同レベルに小さい熱伝導率を具備していると、冠面５０の径方向に有意な温度分布の形成が困難になるので、断熱層７１よりは大きい熱伝導率を具備していることが望ましい。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５０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、やはり有意な温度分布の形成が困難になるので、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。

シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５の燃焼室構成部材は、例えば、アルミニウム合金ＡＣ８Ａなどの金属製母材の鋳造品によって形成される。断熱層７１としては、その熱伝導率が、上記の燃焼室構成部材が有する熱伝導率よりも極めて小さい値を持つ材料が選ばれる。同様に、遮熱層７２としても、その熱伝導率が、上記の燃焼室構成部材が有する熱伝導率よりも小さい値を持つ材料が選ばれる。このような材料選定により、前記燃焼室構成部材（ピストン５）を通した放熱が効果的に抑止される。

体積比熱に関しては、断熱層７１は、前記燃焼室構成部材よりも大きい体積比熱を有していることが望ましい。これにより、断熱層７１の蓄熱性を前記燃焼室構成部材よりも高めることができ、前記温度分布の形成に有利となる。一方、遮熱層７２の体積比熱については、上述の通り断熱層７１よりも小さいだけでなく、前記燃焼室構成部材よりも小さいことが望ましい。これにより、冠面５０の径方向外側領域の蓄熱性を低減させ、前記温度分布をより大きくすることができる。

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＝２８２０ＫＪ／ｍ³Ｋ）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も例示することができる。

断熱層７１は、キャビティ５Ｃの底面部５３の表面に配置される。或いは、断熱層７１は、底面部５３の表面近くに埋設されていても良い。断熱層７１の配置の手法としては、底面部５３に収容凹部を設け、該収容凹部に断熱層７１を圧入する方法、鋳ぐるみ成型によって底面部５３に溶着させる方法などを例示することができる。

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、例えばコーティング処理により、断熱層７１の上面を含めて、冠面５０の全面に形成される。なお、断熱層７１の直上部分には遮熱層７２を形成しないようにしても良い。

表１に、燃焼室構成部材（ピストン５）、断熱層７１及び遮熱層７２の好ましい材料選定例を、熱伝導率及び体積比熱に基づいて示す。また、断熱層７１及び遮熱層７２の好ましい膜厚例示す。

［断熱層の意義］
続いて、予混合圧縮着火式のエンジンにおいて、上述の断熱層７１が果たす意義について説明する。図４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４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４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気筒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（燃焼室壁面）の径方向に積極的に温度勾配を形成する。具体的には、燃焼室６０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５は、本実施形態における冠面５０（燃焼室壁面）の温度分布を説明するための模式図である。本実施形態では、上述のような温度分布を形成するために、冠面５０の径方向中央領域（キャビティ５Ｃの底面部５３）が断熱層７１の配置領域、径方向外側領域が断熱層７１の存在しない領域とされる。なお、図５では遮熱層７２の記載を省いている。

冠面５０において断熱層７１が配置された領域については、熱伝導率が小さくなる。このため、矢印ａ１で示す燃焼室６側からピストン５への熱伝達は、断熱層７１でブロックされ、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、矢印ａ２で示すように、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、蓄熱作用によって高温を維持することができる。これらの作用により、図５の下段に示しているように、冠面５０の温度分布ｂ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。

［燃焼動作］
このような温度分布ｂが燃焼室６内における混合気の燃焼に与える影響について説明する。図６（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態の燃焼室６における混合気の燃焼態様を順次説明するための模式図である。なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）では、図示簡略化のため、ピストン５の上下動作までは表していない。

図６（Ａ）は、ピストン５による圧縮行程における燃焼初期の状態を示している。冠面５０（燃焼室６）に上述の温度分布ｂが存在することで、径方向中央領域の方が径方向外側領域よりも着火が生じ易い状態が形成されている。このため、ピストン５が上昇し混合気の圧縮が高まってゆくと、径方向中央領域だけに自着火が発生する。つまり、燃焼室６の径方向中央領域だけに燃焼領域Ｆ１が発生する。このとき、火炎は気筒２の内壁面には至っておらず、冷却損失は発生し難い状態である。

図６（Ｂ）は、燃焼中期の状態を示している。混合気の燃焼は、径方向中央領域からその周辺に拡がってゆく。つまり、燃焼中期においては、図６（Ａ）の燃焼領域Ｆ１の燃焼の伝播や温度上昇等によって、径方向中央領域に隣接する周辺領域が燃焼領域Ｆ２となる。このように燃焼は、径方向内側から外側へ徐々にシフトしてゆくことになる。

図６（Ｃ）は、燃焼後期の状態を示している。燃焼後期においては、燃焼室６の径方向外側領域が燃焼領域Ｆ３となる。すなわち、図６（Ｂ）の燃焼領域Ｆ２の燃焼の伝播や温度上昇等によって、さらにその外側領域が燃焼する。このように、本実施形態の燃焼室６では、図４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。

図７は、燃焼室６における熱発生率とクランク角との関係を示すグラフである。図７は、クランク角との関係において、燃料噴射タイミング及び着火タイミングを示すグラフでもある。ここでは、予混合圧縮着火式のエンジンであって、燃焼室壁面（冠面５０）に断熱層７１を具備していない比較例の燃焼室における熱発生率曲線Ｔ１と、本実施形態のように冠面５０の径方向中央領域に断熱層７１を具備した燃焼室６における熱発生率曲線Ｔ２とを併記している。なお、熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の急峻な上昇は、燃焼室６の筒内圧（ｄｐ／ｄθ）の急激な上昇を意味する。

比較例の熱発生率曲線Ｔ１では、ＴＤＣ（上死点）の手前で着火が生じた後、熱発生率はＴＤＣの後に急激に上昇し、非常に大きい値に到達した後、急激に下降していることが判る。これは、上述の同時着火によって燃焼室６内の全域で同時に混合気が燃焼し、且つ同時に燃焼が終了したことに起因している。このような熱発生率の急上昇は筒内圧の急上昇を招来し、大きな燃焼騒音を発生させ、エンジン機構各部に大きな荷重を与える。さらには冷熱損失を悪化させる。

これに対し、本実施形態の熱発生率曲線Ｔ２は、ＴＤＣの手前で着火が生じた後、熱発生率はＴＤＣの後に急激には上昇せず、熱発生率の最高値も熱発生率曲線Ｔ１に比べて相当小さくなっている。また、燃焼期間を比較すると、熱発生率曲線Ｔ２は比較例の熱発生率曲線Ｔ１よりも相当に緩慢である。これは、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、燃焼室６内における燃焼が、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であることによる。つまり、本実施形態では、燃焼開始のタイミングが燃焼室６の空間分布によって異なることで、緩慢な燃焼が生じるものである。このような熱発生率の比較的緩やかな上昇及び下降の実現は、前記燃焼騒音及び加重の低減、冷熱損失の改善に寄与する。

図７のグラフには、好ましい燃料噴射のタイミングも付記されている。インジェクタ１８から燃焼室６内への燃料噴射は、圧縮行程の後期に実行されることが望ましい。図２に示すように、本実施形態ではインジェクタ１８は、気筒２の軸線ｕ１上に配置され、キャビティ５Ｃに向けて燃料を噴射する。従って、圧縮行程の後期に燃料噴射を実行させると、燃焼室６の径方向中央領域、すなわち断熱層７１によって高温化されている領域に混合気を形成することができる。従って、前記径方向中央領域において最初に自着火が一層生じ易い環境を創出することができる。

［断熱層及び遮熱層の相乗作用について］
本実施形態では、冠面５０に対して断熱層７１及び遮熱層７２が施与されている。これら両層を設けることによる相乗作用について説明する。図８は、本実施形態の燃焼室構造による、遮熱及び蓄熱効果を説明するための模式図である。

遮熱層７２は、先に表１に例示したように、熱伝導率が「小」であり、体積比熱も「小」である。このため、熱伝達をある程度は遮断できるが、蓄熱する機能は乏しい。遮熱層７２は、冠面５０の全面にコーティングされているので、図８の矢印Ｄ１に示すように、燃焼室６から冠面５０を通した熱の逃げ出しを阻止することができる。つまり、冷熱損失を低減できる。しかし、蓄熱性能は低いので、遮熱層７２だけがコーティングされている領域は、燃焼室６の室内温度に依存して温度変化する傾向がある。

一方、断熱層７１は、熱伝導率が遮熱層７２よりもさらに小さい「極小」であり、体積比熱は遮熱層７２及びピストン５（燃焼室構成部材）よりも大きい「大」である。このため、熱伝達の遮断機能は大きく、蓄熱する機能に優れている。従って、冠面５０の径方向中央領域が高度に断熱されるだけでなく、図８の矢印Ｄ２、Ｄ３に示すように、断熱層７１の周囲の熱が当該断熱層７１に蓄熱されるようになる。従って、断熱層７１の配置により、冠面５０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。

図９は、燃焼室６の径方向中央領域の温度とクランク角との関係を示すグラフである。図９には、温度変化特性Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４が示されている。温度変化特性Ｅ１は、冠面５０に断熱層７１及び遮熱層７２の双方を設けない場合、つまりピストン５の母材（アルミニウム合金）が表出している状態における、燃焼室６の径方向中央領域のクランク角の変化に伴う温度変化を示す特性である。温度変化特性Ｅ２は、冠面５０に断熱層７１だけが設けられている状態における温度変化特性、温度変化特性Ｅ３は、冠面５０に遮熱層７２だけが設けられている状態における温度変化特性、温度変化特性Ｅ４は、本実施形態のように冠面５０に断熱層７１及び遮熱層７２の双方が設けられている状態における温度変化特性を各々示している。

温度変化特性Ｅ１及びＥ２を比較して明らかな通り、断熱層７１の形成によって燃焼室６の径方向中央領域の温度はΔＥａだけ嵩上げされる。つまり、前記径方向中央領域の温度を、クランク角に依存せずに、径方向外側領域に比べてΔＥａだけ高くすることができ（図５も参照）、当該中央領域において自着火が生じ易い環境を形成できる。

温度変化特性Ｅ３に示される通り、遮熱層７２の形成によって、ＴＤＣ付近のクランク角において前記径方向中央領域の温度を上昇させることができる。これは、燃焼室６においてＴＤＣ付近で燃焼が生じ、遮熱層７２がピストン５への熱の逃げ出しを阻止するからである。但し、遮熱層７２の効果は径方向中央領域だけでなく、外側領域にも及ぶので、温度勾配の形成にはあまり寄与しない。

遮熱層７２に加えて断熱層７１を形成することによって、温度変化特性Ｅ４に示される通り、ＴＤＣ付近のクランク角において前記径方向中央領域の温度を、温度変化特性Ｅ３よりもさらにΔＥｂだけ高くすることができる。温度変化特性Ｅ４は、上述のΔＥａの嵩上げ分が温度変化特性Ｅ３に重畳された特性ということができる。従って、本実施形態によれば、前記径方向中央領域において自着火がより生じ易い環境を形成できる。

［作用効果］
以上説明した本実施形態に係る予混合圧縮着火式のエンジンの燃焼室構造によれば、次のような作用効果を奏する。先ず、断熱層７１が冠面５０（燃焼室壁面）の径方向中央領域に配置されるので、当該中央領域を熱が逃げ難い領域とすることができる。これにより燃焼時に、燃焼室６の径方向において冠面５０に温度分布を持たせることができる。すなわち、断熱層７１が存在する冠面５０の径方向中央領域については放熱が抑止されて比較的高温となる。一方、断熱層７１が存在しない冠面５０の径方向外側領域については、断熱層７１による断熱効果が無いので比較的低温となる。

このような温度勾配が冠面５０に形成されることに伴い、燃焼室６の径方向中央領域で自着火が生じ易い燃焼室環境とすることができる。このため、前記自着火の後、径方向中央領域で初期燃焼が起こり、その後、比較的低温である燃焼室６の径方向外側領域へ火炎が燃え広がる、という燃焼形態を生成することができる。従って、予混合圧縮着火式を採用しながらも、燃焼室６内において混合気を緩慢に燃焼させることができ、筒内圧の急上昇を抑制することができる。その結果、燃焼騒音を低減し、エンジン機構各部に大きな荷重が加わることを抑止でしる。また、火炎が比較的低温の気筒２の内壁面へ一気にアプローチせず、しかも初期燃焼が起こる領域は断熱層７１によって断熱されているので、冷却損失を低減することができる。

断熱層７１は、キャビティ５Ｃの底面部５３に配置されている。ピストン５の冠面５０は、燃焼室壁面のうち径方向に延在する主要面であり、キャビティ５Ｃはインジェクタ１８から燃料の噴射を受ける部分であって冠面５０の径方向中央部分に位置している。このようなキャビティ５Ｃの底面部５３に断熱層７１を配置することで、冠面５０の径方向に望ましい温度分布を具備させることができる。

また、冠面５０の略全面を覆う遮熱層７２が設けられている。遮熱層７２は、熱伝導率がピストン５よりも小さく、断熱層７１よりも大きい部材であって、体積比熱が断熱層７１よりも小さい部材からなる。この遮熱層７２によって、ピストン５を通した放熱を制限することができる。従って、一層冷熱損失を低減させることができる。また、遮熱層７２は体積比熱が断熱層７１よりも小さい部材からなる。換言すると、断熱層７１は体積比熱が比較的大きい部材であり、遮熱層７２に比べて蓄熱性に優れる。従って、冠面５０の径方向中央領域については、断熱層７１によって高温を維持させることができ、冠面５０に良好な前記温度分布を形成することができる。

さらに、点火プラグ１７が燃焼室６の径方向中央空間に配置されている。このため、エンジンの冷間始動の際など、燃焼室６内に温度勾配を形成することが困難な状況において、点火プラグ１７による着火アシストを行わせることにより、燃焼初期時に燃焼室６の径方向中央領域で強制燃焼を行わせることが可能となる。

１ エンジン本体
２ 気筒（燃焼室壁面）
３ シリンダブロック（燃焼室構成部材）
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）
５Ｃ キャビティ
５０ 冠面（燃焼室壁面）
５３ 底面部（キャビティの底面）
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面（燃焼室壁面）
７１ 断熱層
７２ 遮熱層
１１ 吸気バルブ（燃焼室構成部材）
１２ 排気バルブ（燃焼室構成部材）

Claims (5)

1. 予混合圧縮着火式のエンジンの燃焼室構造であって、
   シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、
   前記燃焼室壁面の径方向中央領域に配置され、熱伝導率が前記燃焼室構成部材よりも小さい断熱層と、
   を備え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、
   前記燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面で形成され、前記冠面の径方向中央部分には、凹没したキャビティが備えられ、
   前記断熱層は、前記キャビティの底面に配置されている、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、
   熱伝導率が前記燃焼室構成部材よりも小さく前記断熱層よりも大きい部材であって、体積比熱が前記断熱層よりも小さい部材からなり、前記燃焼室壁面を覆う遮熱層をさらに備え、
   前記遮熱層は、前記断熱層が形成される前記燃焼室壁面の径方向中央領域と、該中央領域の周辺の径方向外側領域とを覆っている、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、
   前記断熱層が、セラミックス材料からなる、エンジンの燃焼室構造。
5. 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、
   前記燃焼室の径方向中央空間に配置された着火源をさらに備える、エンジンの燃焼室構造。
   

Images