特許 5978678 圧縮自己着火エンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5978678

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月24日

(54)【発明の名称】圧縮自己着火エンジン

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/02 20060101AFI20160817BHJP

   F02F 1/00 20060101ALI20160817BHJP

   F02F 1/24 20060101ALI20160817BHJP

   F02F 3/28 20060101ALI20160817BHJP

   F02B 77/11 20060101ALI20160817BHJP

【ＦＩ】

   F02B23/02 L

   F02B23/02 E

   F02B23/02 H

   F02F1/00 R

   F02F1/24 N

   F02F3/28 B

   F02B77/11 A

【請求項の数】3

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-60768(P2012-60768)

(22)【出願日】2012年3月16日

(65)【公開番号】特開2013-194560(P2013-194560A)

(43)【公開日】2013年9月30日

【審査請求日】2015年1月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】乃生 芳尚

(72)【発明者】

【氏名】楢原 和晃

(72)【発明者】

【氏名】藤本 昌彦

(72)【発明者】

【氏名】田中 達也

【審査官】 永田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２１５９７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−４７１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平５−８３３２８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０００−２３４５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭４８−９５２１（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ２３／００−２３／１０，７７／１１，

Ｆ０２Ｆ １／００−３／２８，

Ｆ１６Ｊ １／００−１／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に気筒が形成されたシリンダブロックと、該シリンダブロック上に配置されたシリンダヘッドと、前記気筒内に嵌挿されたピストンと、前記シリンダブロックと該シリンダヘッドと前記ピストンとによって区画される燃焼室内に燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁と、を備え、前記燃料噴射弁により燃料噴霧を噴射する期間を圧縮行程後期に設定すると共に、前記燃焼室内に噴射した燃料噴霧を自己着火させるようした圧縮自己着火エンジンであって、
前記シリンダヘッドは、その下面の中央部に内壁が径方向の中央から外方に向かって下方に傾斜する凹部が形成されていると共に、その下面における該凹部の径方向の外方に該凹部に連続する外周部が形成されており、
前記ピストンは、その冠面の中央部に径方向の外方から中央に向かって隆起する隆起部が形成されていると共に、その冠面における前記外周部に対応する部分に圧縮行程後期にその冠面に沿って径方向の外方から中央に向かって流れるスキッシュ流を前記外周部と共に発生させるスキッシュ発生部が形成され、その冠面における前記隆起部及び前記スキッシュ発生部の間にこれらに曲面状に滑らかに連続する中間部が形成されており、
前記燃料噴射弁は、前記シリンダヘッドに前記気筒の軸心に沿って配置されかつ、燃料噴霧を前記燃焼室内における前記凹部と前記隆起部と前記中間部とによって区画される部分に噴射し、
圧縮行程後期において、前記燃料噴射弁のノズル口の中心軸線に直交する方向に関して、前記中心軸線から前記凹部の内壁までの距離が該中心軸線から前記ピストンの冠面までの距離よりも長く設定されることを特徴とする圧縮自己着火エンジン。

【請求項2】

請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンにおいて、
前記凹部の内壁は、底壁と、該底壁の径方向の外方に該底壁に連続するように形成されかつ、前記気筒の軸心方向に対する傾斜が前記底壁よりも大きい側壁とによって構成されていることを特徴とする圧縮自己着火エンジン。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の圧縮自己着火エンジンにおいて、
前記燃焼室を区画する区画面のうち少なくとも前記凹部の内壁には断熱層が設けられていることを特徴とする圧縮自己着火エンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気筒内に供給された燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火エンジンに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、エンジンにおける希薄混合気の燃焼改善のために、様々な方法が提案されている。例えば特許文献１には、圧縮行程終期に吸気側及び排気側のスキッシュエリアからそれぞれ燃焼室天井面及びピストン冠面に沿って流れるスキッシュ流を発生させ、混合気を燃焼室中央部に集合させることで、燃料の着火性を改善すると共に、希薄燃焼を実現した火花点火式エンジンが記載されている。

【0003】

また、希薄混合気の燃焼改善を図る目的で、燃焼期間を短縮させて燃焼させる圧縮自己着火燃焼を行うことが既に知られている。この圧縮自己着火燃焼によれば、有効膨張比を高めることで、排気損失を低減して、機関運転効率を向上させることができる。圧縮自己着火燃焼においては、着火時期に筒内温度を高めることが必要であるため、高温の既燃ガスを燃焼室内に残す残留ガス量を制御したり、吸入ガスの温度を高めたり、幾何学的圧縮比を高めたりしている。ここで、幾何学的圧縮比を高めると、機関運転効率を向上させることができる反面、圧縮上死点における燃焼室の容積が小さくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実開平５−８３３２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、圧縮自己着火エンジンにおいて、高負荷運転時や高回転運転時に過早着火や燃焼騒音を抑制するために、圧縮行程後期に燃焼噴射弁から燃料を噴射することがある。

【0006】

しかしながら、圧縮行程後期に燃焼室の容積が小さくなる高圧縮比の圧縮自己着火エンジンにおいて、圧縮行程後期に燃料を噴射すると、噴射された燃料が燃焼室の壁面に到達し、燃焼室壁面付近でも混合気濃度が高まり、高温の燃焼ガスが燃焼室壁面に接触して、冷却損失が大きくなるという課題がある。特に、幾何学的圧縮比が高くなるほど、気筒内の混合気が圧縮されて燃焼ガス温度が高くなるため、燃焼室壁面を通じて放出される熱放出量が大きくなる。従って、従来よりも高圧縮化したものにおいて、前記課題はとりわけて顕著になる。

【0007】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、気筒内に供給された燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火エンジンにおいて、冷却損失を低減することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記の課題を解決するため、本発明は、圧縮行程後期において、燃焼噴射弁のノズル口の中心軸線に直交する方向に関して、中心軸線からシリンダヘッドの下面に形成された凹部の内壁までの距離を中心軸線からピストンの冠面までの距離よりも長く設定すると共に、圧縮行程後期にピストンの冠面に沿って径方向の外方から中央に向かって流れるスキッシュ流を発生させるようにしたことを特徴とする。

【0009】

具体的には、本発明は、内部に気筒が形成されたシリンダブロックと、該シリンダブロック上に配置されたシリンダヘッドと、前記気筒内に嵌挿されたピストンと、前記シリンダブロックと該シリンダヘッドと前記ピストンとによって区画される燃焼室内に燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁と、を備え、前記燃料噴射弁により燃料噴霧を噴射する期間を圧縮行程後期に設定すると共に、前記燃焼室内に噴射した燃料噴霧を自己着火させるようした圧縮自己着火エンジンを対象とし、次のような解決手段を講じた。

【0010】

すなわち、第１の発明は、前記シリンダヘッドは、その下面の中央部に内壁が径方向の中央から外方に向かって下方に傾斜する凹部が形成されていると共に、その下面における該凹部の径方向の外方に該凹部に連続する外周部が形成されており、前記ピストンは、その冠面の中央部に径方向の外方から中央に向かって隆起する隆起部が形成されていると共に、その冠面における前記外周部に対応する部分に圧縮行程後期にその冠面に沿って径方向の外方から中央に向かって流れるスキッシュ流を前記外周部と共に発生させるスキッシュ発生部が形成され、その冠面における前記隆起部及び前記スキッシュ発生部の間にこれらに曲面状に滑らかに連続する中間部が形成されており、前記燃料噴射弁は、前記シリンダヘッドに前記気筒の軸心に沿って配置されかつ、燃料噴霧を前記燃焼室内における前記凹部と前記隆起部と前記中間部とによって区画される部分に噴射し、圧縮行程後期において、前記燃料射弁のノズル口の中心軸線に直交する方向に関して、前記中心軸線から前記凹部の内壁までの距離が該中心軸線から前記ピストンの冠面までの距離よりも長く設定されることを特徴とするものである。

【0011】

これによれば、圧縮行程後期において、燃焼噴射弁のノズル口の中心軸線に直交する方向に関して、中心軸線からシリンダヘッドの下面に形成された凹部の内壁までの距離を中心軸線からピストンの冠面までの距離よりも長く設定するため、圧縮行程後期に噴射された燃料噴霧をシリンダヘッドの下面（凹部の内壁）に到達（衝突）しないようにすることができ、凹部の内壁と燃料噴霧との間に空気層（エアーカーテン）を介在させることができる。その結果、燃焼ガスがシリンダヘッドの下面に接触することを抑制することができ、冷却損失を低減することができる。

【0012】

また、スキッシュ流を、圧縮行程後期にピストンの冠面（スキッシュ発生部、中間部及び隆起部）に沿って径方向の外方から中央に向かって流すため、ピストンの冠面と圧縮行程後期に噴射された燃料噴霧との間に空気層（エアーカーテン）を形成することができ、中心軸線からピストンの冠面までの距離を短くしたにも拘わらず、燃料噴霧がピストンの冠面に到達することを抑制することができる。その結果、燃焼ガスがピストンの冠面に接触することを抑制することができ、冷却損失をより低減することができる。

【0013】

尚、冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−燃焼室の区画面の温度）によって決定されるため、前述したように、エアーカーテンを形成すると、熱伝達率が大きくなってしまうが、従来のように、圧縮行程後期に噴射された燃料が燃焼室の区画面に到達して燃焼ガスの熱が燃焼室区画面を通じて放出される場合よりも、冷却損失が低減する。

【0014】

第２の発明は、前記第１の発明において、前記凹部の内壁は、底壁と、該底壁の径方向の外方に該底壁に連続するように形成されかつ、前記気筒の軸心方向に対する傾斜が前記底壁よりも大きい側壁とによって構成されていることを特徴とするものである。

【0015】

これによれば、凹部の内壁を、底壁と、底壁の径方向の外方に底壁に連続するように形成されかつ、気筒の軸心方向に対する傾斜が底壁よりも大きい側壁とによって構成しているため、噴霧渦流が広がっていくことを凹部の側壁によって抑制することができ、噴霧渦流を燃焼室の中央部に集中させることができる。

【0016】

第３の発明は、前記第１又は第２の発明において、前記燃焼室を区画する区画面のうち少なくとも前記凹部の内壁には断熱層が設けられていることを特徴とするものである。

【0017】

これによれば、燃焼室を区画する区画面のうち少なくとも凹部の内壁に断熱層を設けているため、燃焼室を断熱化することができ、冷却損失をより低減することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、圧縮行程後期において、燃焼噴射弁のノズル口の中心軸線に直交する方向に関して、中心軸線からシリンダヘッドの下面に形成された凹部の内壁までの距離を中心軸線からピストンの冠面までの距離よりも長く設定するため、圧縮行程後期に噴射された燃料噴霧をシリンダヘッドの下面に到達しないようにすることができ、凹部の内壁と燃料噴霧との間に空気層を介在させることができ、その結果、圧縮行程後期に燃焼室内に燃料噴霧を噴射しかつ、圧縮行程後期に燃焼室の容積が小さくなる高圧縮比の圧縮自己着火エンジンにおいて、燃焼ガスがシリンダヘッドの下面に接触することを抑制することができ、冷却損失を低減することができると共に、スキッシュ流を、圧縮行程後期にピストンの冠面に沿って径方向の外方から中央に向かって流すため、ピストンの冠面と燃料噴霧との間に空気層を形成することができ、中心軸線からピストンの冠面までの距離を短くしたにも拘わらず、燃料噴霧がピストンの冠面に到達することを抑制することができ、その結果、前記高圧縮比の圧縮自己着火エンジンにおいて、燃焼ガスがピストンの冠面に接触することを抑制することができ、冷却損失をより低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの構成を概略的に示す図であり、（ａ）は、圧縮行程後期でかつ、燃料噴霧の噴射直後における状態を示す図、（ｂ）は、圧縮行程後期でかつ、（ａ）よりも後における状態を示す図、（ｃ）は、圧縮行程後期でかつ、（ｂ）よりも後における状態を示す図、（ｄ）は、上死点における状態を示す図である。

【図2】燃料噴射弁の構成を示す図であり、（ａ）は、燃料噴射弁の下部の構成を示す部分断面図であり、（ｂ）は、燃料噴射弁の要部の構成を示す断面図である。

【図3】スキッシュ流速とクランク角との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、実施形態に係るディーゼルエンジンを図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図１は、実施形態に係るエンジン１の概略構成を示す。このエンジン１は、自動車等の車両に搭載されると共に、軽油を主成分とした燃料が供給される圧縮自己着火式内燃機関であって、図例では一つのみ図示するが、複数のシリンダ（気筒）１１を有する。エンジン１は、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部にシリンダ１１が形成されている。各シリンダ１１内には、ピストン１４が摺動可能に嵌挿されており、ピストン１４は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１５を区画している。

【0021】

シリンダヘッド１３の下面（燃焼室１５の上面を区画する天井面）には、その中央部に内壁（内面）が径方向の中央から外方に向かって下方に傾斜する、シリンダ１１の軸心Ｘ方向から見ると円状のヘッド側凹部１３ａが凹嵌して形成されている。ヘッド側凹部１３ａは、その中心軸がシリンダ１１の軸心Ｘに一致して配置され、この例では、その内壁は、円錐状の底壁１３ｂと、底壁１３ｂの径方向の外方に底壁１３ｂに連続するように形成されかつ、シリンダ１１の軸心Ｘ方向に対する傾斜が底壁１３ｂよりも大きい側壁１３ｃとによって構成されている。また、ヘッド側凹部１３ａ底部からヘッド側凹部１３ａ開口に向かって、ヘッド側凹部１３ａが拡径するように、ヘッド側凹部１３ａの側壁１３ｃが、シリンダ１１の軸心Ｘ方向に対して傾斜している。シリンダヘッド１３の下面には、ヘッド側凹部１３ａの径方向の外方にヘッド側凹部１３ａの側壁１３ｃに連続する、シリンダ１１の軸心Ｘ方向から見ると円環状の外周部１３ｄが形成されている。外周部１３ｄは、その中心軸がシリンダ１１の軸心Ｘに一致して配置され、シリンダ１１の軸心Ｘに対して垂直な面で構成されている。

【0022】

ピストン１４の冠面には、その中央部に径方向の外方から中央に向かって隆起する略円錐台状の隆起部１４ａが形成されている。隆起部１４ａは、その中心軸がシリンダ１１の軸心Ｘに一致して配置され、その側壁（側面）が後述する燃料噴射弁１７により噴射される燃料噴霧Ｆに対応した形状でかつ、燃料噴霧Ｆに沿った形状に形成されている。さらに、隆起部１４ａは、隆起部１４ａ頂部が径方向の外方から中央に向かって沈下するように、その頂壁が、シリンダ１１の軸心Ｘに直交する方向に対して傾斜している。ピストン１４の冠面には、隆起部１４ａの径方向の外方でかつ、外周部１３ｄに対応する部分にシリンダ１１の軸心Ｘ方向から見ると円環状のスキッシュ発生部１４ｂが形成されている。スキッシュ発生部１４ｂは、その中心軸がシリンダ１１の軸心Ｘに一致して配置され、外周部１３ｄに対応して、外周部１３ｄと平行に延びている。ピストン１４の冠面には、隆起部１４ａ及びスキッシュ発生部１４ｂの間に隆起部１４ａの側壁及びスキッシュ発生部１４ｂに曲面状に滑らかに連続する、シリンダ１１の軸心Ｘ方向から見ると円環状の中間部１４ｃが形成されている。中間部１４ｃは、その中心軸がシリンダ１１の軸心Ｘに一致して配置され、その径方向の中央部が両端部よりも沈下するように、その一部が、シリンダ１１の軸心Ｘに直交する方向に対して傾斜している。また、中間部１４ｃ及び隆起部１４ａの側壁は、その連続部が曲面状になるように滑らかに連続している。

【0023】

こうして、このエンジン１では、ヘッド側凹部１３ａと、隆起部１４ａと、中間部１４ｃと、外周部１３ｄとスキッシュ発生部１４ｂとにより区画されるスキッシュエリア１６とによって、高い幾何学的圧縮比を実現している。幾何学的圧縮比は、本実施形態では、好ましくは２０以上、より好ましくは２５以上４０以下である。

【0024】

シリンダヘッド１３には、各シリンダ１１毎に吸気ポート及び排気ポート（図示省略）が２つずつ形成されていると共に、これら吸気ポート及び排気ポートの燃焼室１５側の開口を開閉する吸気弁及び排気弁（図示省略）がそれぞれ配設されている。

【0025】

シリンダヘッド１３には、各シリンダ１１毎に燃料噴射弁１７が設けられている。燃料噴射弁１７は、シリンダ１１の軸心Ｘに沿って配置され、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取り付けられている。燃料噴射弁１７の先端は、燃焼室１５の天井面（ヘッド側凹部１３ａの内壁）の中心に臨んでいる。

【0026】

図２に示すように、燃料噴射弁１７は、燃焼室１５内に燃料噴霧Ｆを噴射するノズル口１８を開閉する外開弁１９を有する、外開弁式のインジェクタである。ノズル口１８は、シリンダ１１の軸心Ｘに沿って延びる燃料管２０の先端部において、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。燃料管２０の基端側の端部は、内部にピエゾ素子（図示省略）が配設されたケース２１に接続されている。外開弁１９は、弁本体１９ａと、弁本体１９ａから燃料管２０内を通ってピエゾ素子に接続された連結部１９ｂとを有している。弁本体１９ａの連結部１９ｂ側の部分が、ノズル口１８と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口１８に当接（着座）しているときには、ノズル口１８が閉状態となる。このとき、弁本体１９ａの先端側の部分は、燃料管２０の外側に突出した状態となっている。

【0027】

ピエゾ素子は、電圧の印加による変形により、外開弁１９をシリンダ１１の軸心Ｘ方向の燃焼室１５側に押圧することで、その外開弁１９を、ノズル口１８を閉じた状態からリフトさせてノズル口１８を開放する。このとき、ノズル口１８から燃焼室１５内（詳しくは燃焼室１５内におけるヘッド側凹部１３ａと隆起部１４ａと中間部１４ｃとによって区画される部分）に燃料噴霧Ｆが、シリンダ１１の軸心Ｘを中心とするコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。そして、ピエゾ素子への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子が元の状態に復帰することで、外開弁１９がノズル口１８を再び閉状態とする。

【0028】

そうして、このエンジン１では、燃料噴射弁１７により燃料噴霧Ｆを噴射する噴射期間を、圧縮行程後期でかつ、スキッシュエリア１６によって発生させる（生成する）スキッシュ流Ｓの発生期間の範囲内、例えばエンジン回転数が２０００ｒｐｍのときにおいてＢＴＤＣ２０°〜３０°ＣＡ（圧縮行程上死点付近）に設定する。スキッシュ流Ｓの発生期間は、例えば図３に示すように、ＢＴＤＣ５０°〜６０°ＣＡから上死点の範囲である。この例では、スキッシュ流速は、徐々に速くなって、ＢＴＤＣ５°ＣＡ付近で最大となり、その後、徐々に遅くなって、上死点で０となる（図１の（ａ）〜（ｄ）も参照）。尚、図３のスキッシュ流速は、燃焼室１５の、スキッシュ発生部１４ｂと中間部１４ｃとの境界部（外周部１３ｄとヘッド側凹部１３ａとの境界部）におけるスキッシュ流Ｓの平均流速を示している。また、膨張行程では、逆スキッシュ流が発生する。

【0029】

ここで、図中の符号Ｙは、ノズル口１８の中心軸線（燃料噴霧Ｆの噴霧軸線）であり、この中心軸線Ｙは、断面視においてノズル口１８のコーン状開放部分（図２の（ｂ）を参照）の中心を通る、各位置における直線を示している。

【0030】

そうして、圧縮行程後期でかつ、燃料噴霧Ｆが噴射された後において、例えば、図１の（ｃ）及び（ｄ）に示すように、エンジン回転数が２０００ｒｐｍのときにおけるＢＴＤＣ１０°ＣＡ（又はＢＴＤＣ１５°ＣＡ）から上死点の範囲において、ノズル口１８の中心軸線Ｙに直交する方向に関して、中心軸線Ｙからヘッド側凹部１３ａの内壁までの距離Ｌ１が中心軸線Ｙからピストン１４の冠面（詳しくは隆起部１４ａの側壁及び中間部１４ｃ）までの距離Ｌ２よりも長く設定されている（図１の（ａ）及び（ｂ）では、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも短くなっている。）。この例では、中心軸線Ｙ上の全ての区間（隆起部１４ａの側壁及び中間部１４ｃ上の全ての区間）において、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも長くなっている。距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも長い期間は、圧縮行程後期でかつ、燃料噴霧Ｆが噴射された後の全ての範囲であってもよいし、少なくとも上死点を含む、その範囲の一部であってもよい。また、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも長い区間は、中心軸線Ｙ上の全ての区間であってもよいし、この区間の一部であってもよい。

【0031】

また、燃焼室１５は、図１に示すように、シリンダ１１の壁面と、ピストン１４の冠面と、シリンダヘッド１３の下面と、吸気弁及び排気弁それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されており、シリンダヘッド１３の下面に、後述する構成を有する断熱層２２が設けられることによって、燃焼室１５が断熱化されている。断熱層２２は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、少なくともヘッド側凹部１３ａの内壁を含む、これらの区画面の一部に設けてもよい。尚、図１に図示する断熱層２２の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示である。

【0032】

燃焼室１５の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室１５の断熱構造は、前述したように、燃焼室１５を区画する各区画面のうちシリンダヘッド１３の下面に設けた断熱層２２によって構成されるが、この断熱層２２は、燃焼室１５内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室１５を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダヘッド１３の下面に設けた断熱層２２についてはシリンダヘッド１３が母材である。従って、母材の材質は、シリンダヘッド１３については、アルミニウム合金や鋳鉄となる。

【0033】

また、断熱層２２は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室１５内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。

【0034】

一方で、冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、前述したように、燃焼室１５の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。

【0035】

そこで、前記の断熱層２２は熱容量を小さくし、燃焼室１５の区画面の温度が、燃焼室１５内のガス温度の変動に追従して変化することが好ましい。

【0036】

断熱層２２の例示として、この断熱層２２は、シリンダヘッド１３の下面に、例えばプラズマ溶射により形成した、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、又は、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）の皮膜によって構成してもよい。ジルコニア又は部分安定化ジルコニアは、熱伝導率が比較的低くかつ、容積比熱も比較的小さいため、母材よりも熱伝導率が低くかつ、容積比熱が母材と同じか、それよりも小さい断熱層２２が構成される。

【0037】

ここで、エンジン１は、前述したように、シリンダヘッド１３内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、シリンダヘッド１３は、ピストン１４よりも冷却損失が大きくなる。

【0038】

圧縮行程後期における燃焼室１５内の状態について説明する。圧縮行程後期に、ピストン１４の上昇に伴って、シリンダ１１の軸心Ｘに対して垂直な面で構成されている外周部１３ｄ及びスキッシュ発生部１４ｂに挟まれた部分の空気が径方向の中央側のより広い空間へと押し出されることによって、スキッシュエリア１６からピストン１４の冠面（中間部１４ｃ及び隆起部１４ａの側壁）に沿って径方向の外方から中央に向かって流れるスキッシュ流Ｓが発生する。そして、圧縮行程上死点付近で、燃料噴射弁１７のノズル口１８から燃焼室１５内に燃料噴霧Ｆが、シリンダ１１の軸心Ｘ位置から径方向の外方にかつ、中間部１４ｃに向かって、コーン状に噴射される。

【0039】

燃料噴霧Ｆの噴射に伴って燃料噴射弁１７の先端付近に負圧が発生することによって、燃料噴霧Ｆの上方側及び下方側（径方向の外方側及び内方側）それぞれに、燃料噴霧Ｆから離れる方向に流れた後に燃料噴射弁１７の先端に向かって（燃料噴霧Ｆの噴霧方向とは逆方向に）流れる噴霧渦流Ｒが発生する。燃料噴霧Ｆ上方側（シリンダヘッド１３側）の噴霧渦流Ｒは、燃料噴霧Ｆ下方側（ピストン１４側）の噴霧渦流Ｒよりも大きさが大きい。また、燃焼室１５の中央部に、燃料噴射弁１７の先端に向かって上方に流れるファンネルフロー（図示省略）も発生する。

【0040】

ここで、前述したように、圧縮行程後期でかつ、燃料噴霧Ｆが噴射された後において、ノズル口１８の中心軸線Ｙに直交する方向に関して、中心軸線Ｙからシリンダヘッド１３の下面に形成されたヘッド側凹部１３ａの内壁までの距離Ｌ１を中心軸線Ｙからピストン１４の冠面（詳しくは隆起部１４ａの側壁及び中間部１４ｃ）までの距離Ｌ２よりも長く設定するため、圧縮行程上死点付近で噴射された燃料噴霧Ｆを、冷却損失が大きいシリンダヘッド１３の下面（ヘッド側凹部１３ａの内壁）に到達（衝突）しないようにすることができ、ヘッド側凹部１３ａの内壁と燃料噴霧Ｆとの間に空気層（エアーカーテン）を介在させることができる。その結果、燃焼ガスがシリンダヘッド１３の下面に接触することを抑制することができ、冷却損失を低減することができる。つまり、圧縮行程後期でかつ、燃料噴霧Ｆが噴射された後において、距離Ｌ１，Ｌ２は、燃料噴霧Ｆがシリンダヘッド１３の下面（ヘッド側凹部１３ａの内壁）に到達しないような長さにそれぞれ設定される。

【0041】

また、スキッシュ流Ｓを、圧縮行程後期にピストン１４の冠面（スキッシュ発生部１４ｂ、中間部１４ｃ及び隆起部１４ａの側壁）に沿って径方向の外方から中央に向かって流すことによって、ピストン１４の冠面と燃料噴霧Ｆとの間に空気層（エアーカーテン）を形成することができ、中心軸線Ｙからピストン１４の冠面までの距離を短くしたにも拘わらず、燃料噴霧Ｆ、特に燃料噴霧Ｆ下方側の噴霧渦流Ｒに含まれる燃料噴霧Ｆがピストン１４の冠面に到達することを抑制することができる。その結果、燃焼ガスがピストン１４の冠面に接触することを抑制することができ、冷却損失をより低減することができる。

【0042】

さらに、ヘッド側凹部１３ａの内壁を、底壁１３ｂと、底壁１３ｂの径方向の外方に底壁１３ｂに連続するように形成されかつ、シリンダ１１の軸心Ｘ方向に対する傾斜が底壁１３ｂよりも大きい側壁１３ｃとによって構成していることによって、燃料噴霧Ｆが径方向の外方に広がるのに伴って燃料噴霧Ｆ上方側の噴霧渦流Ｒが径方向の外方に広がっていくことをヘッド側凹部１３ａの側壁１３ｃによって抑制することができ、燃料噴霧Ｆ上方側の噴霧渦流Ｒを燃焼室１５の中央部に集中させることができる。

【0043】

また、ピストン１４の冠面に径方向の外方から中央に向かって隆起する隆起部１４ａを形成していることによって、ピストン１４の上昇に伴ってコーン状に噴射された燃料噴霧Ｆ内の中央空間を隆起部１４ａによって圧縮することができ、燃料噴霧Ｆがピストン１４の冠面に到達することをより抑制することができる。その結果、燃焼ガスがピストン１４の冠面に接触することをより抑制することができ、冷却損失をより低減することができる。

【0044】

さらに、中間部１４ｃ及び隆起部１４ａの側壁を、その連続部が曲面状になるように滑らかに連続させていることによって、スキッシュ流Ｓを中間部１４ｃ及び隆起部１４ａの側壁に沿って滑らかに流すことができ、スキッシュ流Ｓが燃料噴霧Ｆに向かって流れることを抑制することができる。

【0045】

また、隆起部１４ａをピストン１４の冠面に形成していることによって、燃料噴霧Ｆが径方向の外方に広がるのに伴って燃料噴霧Ｆ下方側の噴霧渦流Ｒが径方向の外方に広がっていくことを隆起部１４ａによって抑制することができ、燃料噴霧Ｆ下方側の噴霧渦流Ｒを燃焼室１５の中央部に集中させることができる。

【0046】

さらに、隆起部１４ａを、その側壁が燃料噴霧Ｆに対応した形状でかつ、燃料噴霧Ｆに沿った形状に形成していることによって、燃料噴霧Ｆの形状を維持することができる。

【0047】

また、隆起部１４ａ頂部が径方向の外方から中央に向かって沈下するように、隆起部１４ａの頂壁を、シリンダ１１の軸心Ｘに直交する方向に対して傾斜させていることによって、隆起部１４ａの頂壁を燃料噴霧Ｆ下方側の噴霧渦流Ｒに対応した形状にすることができ、燃料噴霧Ｆ下方側の噴霧渦流Ｒを隆起部１４ａの頂壁によって、確実に燃料噴射弁１７の先端に向かって上方に流すことができる。

【0048】

（その他の実施形態）
尚、隆起部１４ａは、その頂壁がシリンダ１１の軸心Ｘに直交する方向に対して傾斜しているが、隆起部は、その頂壁がシリンダ１１の軸心Ｘに対して垂直な面で構成されてもよい。

【0049】

また、ヘッド側凹部１３ａは、その内壁が底壁１３ｂと側壁１３ｃとによって二段構成されているが、ヘッド側凹部は、その内壁が径方向の中央から外方に向かって下方に傾斜する限り、一段又は三段以上で構成されてもよい。

【0050】

さらに、ヘッド側凹部１３ａの底壁１３ｂ及び側壁１３ｃの、シリンダ１１の軸心Ｘに対する傾斜の大きさは、全周に亘って同一であるが、その大きさは、０にならない限り、変化してもよい。同様に、隆起部１４ａの側壁の傾斜の大きさも、変化してもよい。

【0051】

また、スキッシュ発生部１４ｂは、外周部１３ｄと平行に延びているが、スキッシュ発生部は、スキッシュ流Ｓがピストン１４の冠面に沿って径方向の外方から中央に向かって流れる限り、外周部１３ｄに対して傾斜してもよい。

【0052】

さらに、中間部１４ｃは、その径方向の中央部が両端部よりも沈下するように、その一部が、シリンダ１１の軸心Ｘに直交する方向に対して傾斜しているが、中間部は、シリンダ１１の軸心Ｘに対して垂直な面で構成されてもよい。

【0053】

また、燃料噴射期間は、圧縮行程上死点付近に設定されているが、燃料噴射期間は、圧縮行程後期でかつ、スキッシュ流Ｓの発生期間の範囲内で、適宜設定すればよい。

【0054】

さらに、断熱層２２は、ジルコニア又は部分安定化ジルコニアの皮膜によって構成しているが、断熱層は、例えば、ジルコニア以外のセラミック系、非セラミック系、又は、シリコン系樹脂の皮膜によって構成してもよい。

【0055】

また、エンジン１は、ディーゼルエンジンによって構成しているが、エンジンは、例えば、ガソリンエンジンによって構成してもよい。このとき、エンジンは、例えば、ＨＣＣＩモードで運転される。

【0056】

さらに、燃料噴射弁１７は、アクチュエータとしてピエゾ素子を採用しているが、燃料噴射弁は、例えば、アクチュエータとしてソレノイドを採用してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0057】

以上説明したように、本発明に係る圧縮自己着火エンジンは、冷却損失を低減することが必要な用途等に適用することができる。

【符号の説明】

【0058】

１ エンジン
１１ シリンダ（気筒）
１２ シリンダブロック
１３ シリンダヘッド
１３ａ ヘッド側凹部
１３ｂ 底壁
１３ｃ 側壁
１３ｄ 外周部
１４ ピストン
１４ａ 隆起部
１４ｂ スキッシュ発生部
１４ｃ 中間部
１５ 燃焼室
１６ スキッシュエリア
１７ 燃料噴射弁
１８ ノズル口
２２ 断熱層
Ｆ 燃料噴霧
Ｌ１ ノズル口の中心軸線からヘッド側凹部の内壁までの距離
Ｌ２ ノズル口の中心軸線からピストンの冠面までの距離
Ｒ 噴霧渦流
Ｓ スキッシュ流
Ｘ シリンダの軸心
Ｙ ノズル口の中心軸線

【図1】

【図2】

【図3】