JP2021173214A - 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及びピストン５によって区画される燃焼室６を備える。シリンダブロック３は、シリンダ内壁面２Ｓを有するブロック本体３０と、シリンダ内壁面２Ｓを覆うコート層７０とを含む。コート層７０は、シリンダ内壁面２Ｓのうち、ピストンリング５１が摺接しない上端領域ＵＡを覆う遮熱層７２と、遮熱層７２の背面側に配置される断熱層７１と、断熱層７１と遮熱層７２との間に配置される熱拡散層７３とを含む。断熱層７１は熱伝導率がブロック本体３０よりも小さく、遮熱層７２は熱伝導率がブロック本体３０及び断熱層７１よりも小さく、熱拡散層７３は熱伝導率が断熱層７１及び遮熱層７２よりも大きい。熱拡散層７３は、ブロック本体３０に当接する下端縁７３１及び延出部７３２を備えている。【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、シリンダブロックのシリンダ内壁面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、シリンダ内壁面からの放熱も抑止する必要がある。そこで、シリンダ内壁面にも、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、シリンダ内壁面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。この加温によってシリンダ内壁面が高温化し、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シリンダ内壁面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、シリンダヘッド及びピストン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、前記シリンダブロックは、前記燃焼室に対向するシリンダ内壁面を有するブロック本体と、前記シリンダ内壁面のうち、少なくともピストンの側周面に保持されたピストンリングが摺接しない上端領域を覆う遮熱層と、前記シリンダ内壁面における、前記遮熱層で覆われる領域に配置される断熱層と、前記断熱層と前記遮熱層との間に配置される熱拡散層と、を含み、前記断熱層は熱伝導率が前記ブロック本体よりも小さく、前記遮熱層は熱伝導率が前記ブロック本体及び前記断熱層よりも小さく、前記熱拡散層は熱伝導率が前記断熱層及び前記遮熱層よりも大きく、前記熱拡散層は、前記ブロック本体に当接する当接部を備えている。

この燃焼室構造によれば、熱伝導率がシリンダブロックのブロック本体及び断熱層よりも小さい遮熱層によって、シリンダ内壁面の少なくとも上端領域が覆われる。このため、ブロック本体と燃焼室との温度差を小さくし、ブロック本体への熱伝達（冷損）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、ブロック本体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ブロック本体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シリンダ内壁面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、前記熱拡散層は、前記断熱層よりもシリンダ軸方向に延出する延出部を備え、当該延出部が前記ブロック本体に当接する前記当接部であることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、熱拡散層と断熱層とが同じサイズであって、前記熱拡散層の端縁部がブロック本体に対する当接部である場合に比較して、延出部の分だけ前記熱拡散層と前記ブロック本体との接触面積を大きくすることができる。従って、より前記断熱層の熱を前記ブロック本体へ逃がし易くすることができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記断熱層及び前記熱拡散層は、前記シリンダ内壁面の周方向の全長に亘って設けられることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、シリンダ内壁面の全周に亘って、熱拡散層を通して断熱層の熱を放熱させることが可能な構造とすることができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記シリンダブロックは、所定方向に並ぶ複数のシリンダを備え、隣り合うシリンダ間には中間壁が備えられ、前記シリンダ内壁面の周方向において、前記中間壁の領域には、前記遮熱層及び前記熱拡散層の二層が配置され、前記中間壁以外の領域には、前記遮熱層、前記断熱層及び前記熱拡散層の三層が配置されている構造とすることができる。

シリンダ間に配設される中間壁は、二つのシリンダから熱を与えられるため、本来的に高熱化する壁である。このような中間壁の表面に配置される遮熱層は、自ずと高温に維持される。従って、前記中間壁の領域については断熱層を設けず、前記遮熱層及び前記熱拡散層の二層コートとし、中間壁以外の領域については断熱層を含む三層コートとすることで、シリンダブロックの実際の熱分布に即した保温及び放熱機能を有する燃焼室構造を実現することができる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記シリンダブロックは、所定方向に並ぶ複数のシリンダを備え、隣り合うシリンダ間には中間壁が備えられ、前記中間壁の内部には冷却水通路が備えられ、前記熱拡散層は、前記冷却水通路の周囲を覆う放熱部を備えることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、熱拡散層は、断熱層から受け取った熱を、放熱部を通して冷却水通路内を流通する冷却水に放熱することができる。従って、過昇温し易いシリンダ間の中間壁を、適温に維持することが可能となる。

上記のエンジンの燃焼室構造において、前記シリンダブロックは、所定方向に並ぶ複数のシリンダを備え、隣り合うシリンダ間には中間壁が備えられ、前記熱拡散層は、前記中間壁の領域において、前記ブロック本体に対する前記当接部の接触面積が、前記中間壁以外の領域に比べて大きくなる形状を備えていることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、シリンダ間の中間壁の領域において当接部の放熱能力を高めることができる。従って、過昇温し易いシリンダ間の中間壁を、適温に維持することが可能となる。

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シリンダ内壁面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、第１実施形態に係るシリンダブロックの上面図である。 図３（Ａ）は、シリンダ内壁面に設けられる比較例のコート層を示す模式図、図３（Ｂ）は、比較例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４は、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図５は、図２の破線Ａ部の拡大図である。 図６は、図４の破線Ｂ部の拡大図であって、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図７は、シリンダ内壁面におけるコート層の形成領域を示す断面図である。 図８は、図４のＣ部拡大図である。 図９（Ａ）は、図４のＤ部拡大図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢ線断面図、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＩＸＣ−ＩＸＣ線断面図である。 図１０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１１は、第２実施形態に係るシリンダブロックの上面図である。 図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。 図１３（Ａ）は、図１２の要部拡大断面図、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）のＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線断面図、図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）のＸＩＩＩＣ−ＸＩＩＩＣ線断面図である。 図１４は、第３実施形態に係るシリンダブロックの断面図である。

［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１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の下面（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。本実施形態のエンジン本体１は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、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。

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の下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、その点火部が燃焼室天井面６Ｕの径方向中央付近において燃焼室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は、燃焼室天井面６Ｕの径方向中央空間に配置されている。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。

図２は、第１実施形態に係るシリンダブロック３の上面図である。図２及び以下のいくつかの図には、Ｘ、Ｙ、Ｚの方向表示が付されている。Ｘ方向は、クランク軸７の延在方向、Ｙ方向は吸気ポート９と排気ポート１０とが対向する方向（図１の断面方向）、Ｚ方向はシリンダ軸方向（上下方向）である。

シリンダブロック３は、Ｘ方向に並ぶ４つのシリンダ２（所定方向に並ぶ複数のシリンダ）を備えている。各シリンダ２には、ピストン５が摺動可能に収容される。シリンダブロック３は、円柱状のシリンダ２の空間を区画するシリンダ内周壁２Ｓを有するブロック本体３０と、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域を覆うコート層７０とを含む。なお、コート層７０の下方においてシリンダ内周壁２Ｓには、ライナー２１（図６〜図９参照）が組み込まれている。

ブロック本体３０は、シリンダ内周壁２Ｓを形成するための壁として、周囲壁３１（中間壁以外の領域）及び中間壁３２と含む。周囲壁３１は、円筒型のシリンダ内周壁２Ｓの大半を形成する壁である。中間壁３２は、いわゆるボア間壁であって、隣り合う２つのシリンダ２間に形成されている壁である。４つのシリンダ２のうち、中央の２つのシリンダ２は、Ｘ方向の一方と他方とに中間壁３２を有し、残部が周囲壁３１である。外側の２つのシリンダ２は、Ｘ方向の一方のみに中間壁３２を有し、残部が周囲壁３１である。

コート層７０は、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域、つまりライナー２１が配置されない領域からの放熱（冷損）を抑止するために配置されている。このためコート層７０は、燃焼室６内の燃焼ガスとの温度差を小さくするよう当該コート層７０を保温する機能と、コート層７０を過剰に高温化させないようにする放熱の機能とを有している。

［比較例の燃焼室構造］
本発明の実施形態に係る燃焼室構造の説明に先立ち、比較例に係る燃焼室構造について説明する。図３（Ａ）は、比較例に係る燃焼室構造を模式図に示す断面図である。シリンダブロック３は、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域に配置されたコート層７００を備えている。コート層７００は、シリンダ内周壁２Ｓにおいてピストン５の側周壁が摺接しない領域にコーティングされている。コート層７００の下方のシリンダ内周壁２Ｓには、ライナー２１が組み入れられている。

コート層７００は、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域の全周を覆うように形成された断熱層７１０と、断熱層７１０の上に形成された遮熱層７２０とからなる。遮熱層７２０は、耐熱性のシリコーン樹脂のような、シリンダブロック３の基材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。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。燃焼室６内には、遮熱層７２０が露呈している。

図７に基づき後述するが、コート層７００が配置されるシリンダ内周壁２Ｓの上端領域は、圧縮上死点のクランク角でもピストン５のトップリングが進入しない領域である。従って、当該上端領域は、燃焼室６と常時対向して燃焼ガスに曝される面となるため高温化する。このようなシリンダ内周壁２Ｓの前記上端領域では、シリンダブロック３の基材への熱伝達が増加するため、冷損を抑止する対策を施す必要がある。その対策として、コート層７００が設けられている。

シリンダ内周壁２Ｓ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シリンダ内周壁２Ｓの表面温度との間の温度差を小さくし、シリンダブロック３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、完全にはシリンダブロック３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。

そこで、遮熱層７２０の背面側に断熱層７１０が配置される。つまり、比較例では、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域が、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、遮熱層７２０を通過した熱を蓄熱する。このため、断熱層７１０は、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域を覆う遮熱層７２０を加温（保温）する。従って、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域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側からシリンダブロック３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、２層構造のコート層７００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、比較例のコート層７００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、シリンダ内周壁２Ｓの表面温度を、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、シリンダ内周壁２Ｓ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、シリンダ内周壁２Ｓの表面温度は相当に高くなる。

図３（Ｂ）は、比較例のコート層７００をシリンダ内周壁２Ｓの上端領域に施し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。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、シリンダ内周壁２Ｓ（遮熱層７２０）が高温を帯びるようになる。過剰な高温に加温されたシリンダ内周壁２Ｓは、矢印Ｈで示すように燃焼室６を加熱する熱を発生し、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。

［本実施形態に係る燃焼室構造の例示］
本実施形態では、シリンダ内周壁２Ｓを通してシリンダブロック３のブロック本体３０に逃げる冷損を低減しつつ、図３（Ｂ）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。

＜第１実施形態＞
図４は、第１実施形態に係る燃焼室構造を示す図であって、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５は、図２の破線Ａ部の拡大図である。図６は、図４の破線Ｂ部の拡大図であって、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。図２に示した通り、シリンダブロック３は、燃焼室６の一部を区画するシリンダ内周壁２Ｓを有するブロック本体３０と、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域を覆うように配置されたコート層７０とを含む。

ブロック本体３０は、隣り合うシリンダ２に位置する中間壁３２と、個々のシリンダ２の中間壁３１以外の壁面を形成する周囲壁３１とを含む。４つのシリンダ２が配列されている部分の下方には、ロアブロック３３が形成されている（図４）。図６に示されているように、中間壁３２の内部には、Ｙ方向に延びる冷却水通路３４が備えられている。中間壁３２は、隣接する２つのシリンダ２から熱を受けるため、高温化し易い壁である。このため、冷却水通路３４には、エンジン本体１が具備するウォータージャケットの冷却水が流通され、中間壁３２を冷却する。

図７は、シリンダ内壁面２Ｓにおけるコート層７０の形成領域を示す断面図である。シリンダブロック３の上面とシリンダヘッド４の下面とは、ガスケット３５を介して接合され、密閉された燃焼室６を形成している。コート層７０は、シリンダ内壁面２Ｓの上端領域ＵＡの、周方向の全長に亘って設けられている。図７には、上死点まで上昇したピストン５が示されている。

ピストン５の側周面５Ｅには、燃焼室６を密閉化するためのピストンリング５１が保持されている。このピストンリング５１は、ピストン５の最も高い位置に嵌め込まれるトップリングである。上端領域ＵＡは、ピストン５が上死点に至ったとしても、ピストンリング５１がシリンダ内壁面２Ｓに摺接しない領域である。この上端領域ＵＡよりも下方に位置するシリンダ内壁面２Ｓには、円筒型のライナー２１が嵌め込まれている。ピストンリング５１は、ライナー２１の内周面に対して摺動する。

コート層７０は、比較例でも示した断熱層７１及び遮熱層７２と、比較例では具備されていない熱拡散層７３とを備えている。遮熱層７２は、シリンダ内壁面２Ｓの上端領域ＵＡの全周を覆うように配置されている。遮熱層７２は、コート層７０において最も外側の層であり、燃焼室６に露呈している。断熱層７１は、遮熱層７２の背面側（シリンダ内周壁２Ｓ側）に配置され、同様に上端領域ＵＡの全周に亘って配置されている。すなわち断熱層７２は、シリンダ内壁面２Ｓにおける、遮熱層７２で覆われる領域に配置されている。熱拡散層７３は、断熱層７１と遮熱層７２との間に配置されている。すなわち、上端領域ＵＡにおいて中間壁３１及び周囲壁３２は、断熱層７１、遮熱層７２及び熱拡散層７３の三層で覆われている。

コート層７０の構成部材間の熱伝導率の関係は次の通りである。断熱層７１は、ブロック本体３０よりも熱伝導率の小さい材料で形成されている。遮熱層７２は、ブロック本体３０及び断熱層７１よりも熱伝導率の小さい材料で形成されている。熱拡散層７３は、断熱層７１及び遮熱層７２よりも熱伝導率の大きい材料で形成されている。

断熱層７１は、シリンダ２の径方向に所定の厚みを有し、シリンダ軸方向（Ｚ方向）の平面視で、シリンダ２の周囲を取り囲むリング形状を有している。断熱層７１の径方向の厚さは、例えば１ｍｍ〜６ｍｍの範囲から選択することができる。なお、断熱層７１のシリンダ軸方向の幅は、上述の上端領域ＵＡの幅にもよるが、３ｍｍ〜１０ｍｍ程度に設定することができる。

断熱層７１としては、燃焼室６からシリンダブロック３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、少なくともブロック本体３０よりも小さい熱伝導率を有する材料が用いられる。また、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域ＵＡ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、片面が燃焼室６に露呈し、背面が熱拡散層７３に保持される態様で、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域ＵＡの全周を覆うように配置されている。遮熱層７２は、上端領域ＵＡが受けた熱がブロック本体３０を通して放熱されることを抑止するという観点から、ブロック本体３０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上端領域ＵＡ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のシリンダ径方向の厚さは、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６側の面が遮熱層７２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。結果として熱拡散層７３も、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域ＵＡの全周を覆うように配置されている。

熱拡散層７３は、断熱層７１が配置されたシリンダ内周壁２Ｓの上端領域ＵＡ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ブロック３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ブロック３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のシリンダ径方向の厚さは、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。

続いて、ブロック本体３０の周囲壁３１及び中間壁３２におけるコート層７０の断面形状について詳述する。図８は、図４のＣ部拡大図である。図９（Ａ）は、図４のＤ部拡大図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢ線断面図、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＩＸＣ−ＩＸＣ線断面図である。図８は、ブロック本体３０の周囲壁３１におけるコート層７０の断面形状を示し、図９（Ａ）は、中間壁３２におけるコート層７０の断面形状を示している。

図８を参照して、周囲壁３１において熱拡散層７３は、ブロック本体３０に直接的に当接する当接部となる側端縁７３１及び延出部７３２を備えている。側端縁７３１は、熱拡散層７３のシリンダ軸方向の下端縁である。延出部７３２は、断熱層７１の下端縁よりもシリンダ軸方向の下側に延出した部分である。これら側端縁７３１及び延出部７３２は、断熱層７１に阻まれることなく、直接的にブロック本体３０に接触する部分となる。

熱拡散層７３は、断熱層７１に蓄えられすぎた熱を受け取り、この熱を側端縁７３１及び延出部７３２からブロック本体３０へ放熱する。つまり、側端縁７３１及び延出部７３２が、放熱部として機能する。なお、延出部７３２を省いて断熱層７１と同幅とし、側端縁７３１だけがブロック本体３０に接触する部分としても良い。但し、延出部７３２を具備させる方が、熱拡散層７３とブロック本体３０との接触面積を大きくし、より断熱層７１の熱をブロック本体３０へ逃がし易くすることができるので好ましい。

遮熱層７２の下端縁と断熱層７１の下端縁とは、ほぼ同位置に存在している。つまり、三層構造のコート層７０において、熱拡散層７３の延出部７３２だけが下方に突出している。一方、断熱層７１の上端縁と熱拡散層７３の上端縁とは面一である。これに対し、遮熱層７２の上端は、熱拡散層７３の上端よりも上方へ突出すると共に、径方向外側へ僅かに延出して、熱拡散層７３の上端面の一部に覆い被さっている。

図９（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、中間壁３２におけるコート層７０の態様は、周囲壁３１とは異なっている。まず、断熱層７１については、中間壁３２において合流部７１１が形成されている。合流部７１１は、互いに隣接する２つのシリンダ２のうち、一方のシリンダ２に施与されている断熱層７１と、他方のシリンダ２に施与されている断熱層７１とが合流した部分である。もちろん、合流部７１１を設けることなく、隣接する２つのシリンダ２の各断熱層７１が、中間壁３２においても独立的に形成されていても良い。

次に、熱拡散層７３は、中間壁３２において受熱部７３３、放熱部７３４及び下端面７３５（当接部）を備えている。受熱部７３３は、隣接する２つのシリンダ２の各断熱層７１と断熱層７１（合流部７１１）との間に各々介在される部分である。放熱部７３４は、受熱部７３３の下端から下方に延出する部分である。放熱部７３４は、隣接する２つのシリンダ２の一方の熱拡散層７３と、他方の熱拡散層７３とが合流して一体化している部分でもある。

また、放熱部７３４は、中間壁３２内を貫通する冷却水通路３４の周囲を覆っている。図９（Ｂ）に示すように、冷却水通路３４の入口部分及び出口部分は、中間壁３２によって区画されているが、中間部分については熱拡散層７３によって区画されている。これにより、熱拡散層７３が保有する熱と冷却水通路３４を流通する冷却水とが熱交換可能となっている。

下端面７３５は、中間壁３２（ブロック本体３０）と熱拡散層７３とが直接的に当接する当接部となる部分である。下端面７３５は、上述の放熱部７３４の下端面であり、中間壁３２と同じ径方向の幅を有している。下端面７３５は、中間壁３２の上端面に接触している。従って熱拡散層７３は、断熱層７１から受け取った熱を、下端面７３５を介して中間壁３２に放熱することが可能である。さらに、熱拡散層は７３、受け取った熱を、放熱部７３４を通して冷却水通路３４内を流通する冷却水に放熱することができる。従って、過昇温し易いシリンダ２間の中間壁３２を、適温に維持することが可能となる。

以上の通りの３層構造のコート層７０の動作を説明する。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、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域ＵＡにおいて、燃焼室６の内の燃焼ガスからブロック本体３０への熱伝達を相当程度は遮断することができる。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、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が配置された上端領域ＵＡを高温に維持することができる。しかし、上述の比較例で説明した通り、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との間に配置されている。熱拡散層７３が断熱層７１から受け取った熱は、周囲壁３１においては側端縁７３１及び延出部７３２から周囲壁３１（ブロック本体３０）へ放熱される。また、中間壁３２においては、放熱部７３４から冷却水通路３４へ、及び下端面７３５から中間壁３２へ、受け取った熱を放熱させることができる。従って、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域ＵＡ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１１及び排気バルブ１２の基材としては、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１１の基材としては、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１２の基材としては、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。

遮熱層７２は、シリンダブロック３の構成部材（ブロック本体３０、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が形成されたシリンダ内周壁２Ｓの上端領域ＵＡ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、ブロック本体３０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に蓄熱された熱を延出部７３２等からブロック本体３０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、シリンダブロック３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１０に、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の基材、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１０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。

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る燃焼室構造では、中間壁３２において断熱層７１が省かれる例を示す。図１１は、第２実施形態に係るコート層７０Ａを備えたシリンダブロック３Ａの上面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。図１３（Ａ）は、図１２に示す中間壁３２の部分の拡大断面図、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）のＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線断面図、図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）のＸＩＩＩＣ−ＸＩＩＩＣ線断面図である。

コート層７０Ａは、シリンダ内周壁２Ｓの上端領域ＵＡ（図７参照）の全周を覆うように配置された遮熱層７２を含む。そして、遮熱層７２の背面側（シリンダ内周壁２Ｓ側）には断熱層７１が配置され、断熱層７１と遮熱層７２との間に熱拡散層７３が配置されるという基本構成は、第１実施形態と同様である。また、周囲壁３１におけるコート層７０Ａの構造は、先に図８で示した構造と同じであるので、ここでは説明を省略する。

中間壁３２におけるコート層７０Ａの構造は、第１実施形態と異なる。中間壁３２におけるコート層７０Ａは、断熱層７１を具備していない。すなわち、シリンダブロック３Ａは、シリンダ内周壁２Ｓの周方向において、中間壁３２の領域には遮熱層７２及び熱拡散層７３の二層が配置され、中間壁３２以外の領域である周囲壁３１には、遮熱層７２、断熱層７１及び熱拡散層７３の三層が配置されている構造を有している。

隣り合う２つのシリンダ２の各断熱層７１は、第１実施形態のような合流部７１１を形成することなく、中間壁３２の周方向の端部付近に端縁部を有する。つまり、隣り合う２つのシリンダ２が最も接近する位置及びその近傍には、断熱層７１が設けられていない。従って、隣り合うシリンダ２の各遮熱層７２が、熱拡散層７３を挟んで対峙する態様となっている。

一方、熱拡散層７３は、中間壁３２において、隣り合う２つのシリンダ２の各熱拡散層７３が一体化してなる合流部７３６を有している。また、第２実施形態の熱拡散層７３は、第１実施形態の放熱部７３４のように、下方に延び出す部分を具備しない。合流部７３６の下端面７３７（当接部）は、中間壁３２の上端面に当接すると共に、冷却水通路３４にも当接している。つまり、冷却水通路３４の一部を、下端面７３７が区画している。このため、下端面７３７は、熱拡散層７３が受け取った熱を、中間壁３２及び冷却水通路３４内の冷却水に放熱することができる。

中間壁３２は、隣り合う２つのシリンダ２から熱を与えられるため、本来的に高熱化する壁である。このような中間壁３２の表面に配置される遮熱層７２は、自ずと高温に維持される。従って、中間壁３２の領域については断熱層７１を設けず、遮熱層７２及び熱拡散層７３の二層コートとし、周囲壁３１については断熱層７１を含む三層コートとしたコート層７０Ａとすることで、シリンダブロック４の実際の熱分布に即した保温及び放熱機能を有する燃焼室構造を実現することができる。

＜第３実施形態＞
図１４は、第３実施形態に係るコート層７０Ｂを備えたシリンダブロック３Ｂの断面図である。コート層７０Ｂの基本構造は、第２実施形態のコート層７０Ａと同じである。中間壁３２には遮熱層７２及び熱拡散層７３の二層が配置され、周囲壁３１には、遮熱層７２、断熱層７１及び熱拡散層７３の三層が配置されている。

コート層７０Ｂが第２実施形態のコート層７０Ａと相違する点は、中間壁３２において熱拡散層７３が、下方延長部７３８（当接部）を備えている点である。下方延長部７３８は、一方のシリンダ２側と他方のシリンダ２側との一対で配置され、合流部７３６の下端から相当の長さを持って下方に延び出した部分である。一対の下方延長部７３８は、冷却水通路３４を挟むようにして下方に延びている。下方延長部７３８の片面はライナー２１の背面と接しているが、他面は中間壁３２と接しており、中間壁３２に対する当接部を構成している。

下方延長部７３８が中間壁３２の下方へ延出する度合いは、周囲壁３１における延出部７３２よりもかなり大きい。このため、第３実施形態の熱拡散層７３は、中間壁３２の領域において、ブロック本体３０に対する当接部（下方延長部７３８）の接触面積が、周囲壁３１に比べて大きくなる形状を備えている。この燃焼室構造によれば、中間壁３２の領域において当接部の放熱能力を高めることができる。従って、過昇温し易いシリンダ２間の中間壁３２を、適温に維持することができる。

１ エンジン本体
２ シリンダ
３ シリンダブロック
３０ ブロック本体
３１ 周囲壁（中間壁以外の領域）
３２ 中間壁
３４ 冷却水通路
４ シリンダヘッド
５ ピストン
５１ ピストンリング
６ 燃焼室
７１ 断熱層
７２ 遮熱層
７３ 熱拡散層
７３１ 下端縁（当接部）
７３２ 延出部（当接部）
７３４ 放熱部
７３５、７３７ 下端面（当接部）
７３８ 下方延長部（当接部）
ＰＩＧ プリイグニッション
ＵＡ 上端領域

Claims (6)

1. シリンダブロック、シリンダヘッド及びピストン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、
   前記シリンダブロックは、
   前記燃焼室に対向するシリンダ内壁面を有するブロック本体と、
   前記シリンダ内壁面のうち、少なくともピストンの側周面に保持されたピストンリングが摺接しない上端領域を覆う遮熱層と、
   前記シリンダ内壁面における、前記遮熱層で覆われる領域に配置される断熱層と、
   前記断熱層と前記遮熱層との間に配置される熱拡散層と、を含み、
   前記断熱層は熱伝導率が前記ブロック本体よりも小さく、前記遮熱層は熱伝導率が前記ブロック本体及び前記断熱層よりも小さく、前記熱拡散層は熱伝導率が前記断熱層及び前記遮熱層よりも大きく、
   前記熱拡散層は、前記ブロック本体に当接する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、
   前記熱拡散層は、前記断熱層よりもシリンダ軸方向に延出する延出部を備え、当該延出部が前記ブロック本体に当接する前記当接部である、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、
   前記断熱層及び前記熱拡散層は、前記シリンダ内壁面の周方向の全長に亘って設けられている、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、
   前記シリンダブロックは、所定方向に並ぶ複数のシリンダを備え、隣り合うシリンダ間には中間壁が備えられ、
   前記シリンダ内壁面の周方向において、前記中間壁の領域には、前記遮熱層及び前記熱拡散層の二層が配置され、前記中間壁以外の領域には、前記遮熱層、前記断熱層及び前記熱拡散層の三層が配置されている、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、
   前記シリンダブロックは、所定方向に並ぶ複数のシリンダを備え、隣り合うシリンダ間には中間壁が備えられ、
   前記中間壁の内部には冷却水通路が備えられ、
   前記熱拡散層は、前記冷却水通路の周囲を覆う放熱部を備える、エンジンの燃焼室構造。
6. 請求項３に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記シリンダブロックは、所定方向に並ぶ複数のシリンダを備え、隣り合うシリンダ間には中間壁が備えられ、
   前記熱拡散層は、前記中間壁の領域において、前記ブロック本体に対する前記当接部の接触面積が、前記中間壁以外の領域に比べて大きくなる形状を備えている、エンジンの燃焼室構造。
   

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