JP6544378B2

JP6544378B2 - Engine combustion chamber structure

Info

Publication number: JP6544378B2
Application number: JP2017070348A
Authority: JP
Inventors: 雄司原田; 青木　理; 理青木; 慎一藤巻; 義行古賀
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: JP2018172997A

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。 The present invention relates to a combustion chamber structure of a premixed compression ignition engine.

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。 As a gasoline engine for a vehicle such as a car, a premixed compression ignition type engine is under consideration, in which a mixture of pre-mixed fuel and air is self-ignited in a combustion chamber. The premixed compression ignition engine is characterized in that the mixture starts combustion simultaneously at various points in the combustion chamber. For this reason, there are merits such as improvement of fuel consumption and cleaning of exhaust gas.

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。 On the other hand, with simultaneous combustion of the air-fuel mixture in various places in the combustion chamber, the pressure in the combustion chamber, that is, the in-cylinder pressure rising rapidly causes a new problem. For example, the generation of a large in-cylinder pressure increases combustion noise, and a large load is applied to the combustion chamber and each part of the engine mechanism. In addition, since the flame generated at once in the combustion chamber contacts the wall surface of the combustion chamber, the heat radiation (cooling loss) through the wall surface of the combustion chamber becomes large. For this reason, in the premixed compression ignition type engine, problems such as the reduction of combustion noise, the strengthening of each part of the engine, and the reduction of cooling loss become problems. Patent Document 1 discloses a technology in which a thermal spray coating having a function of blocking heat conduction is coated on the wall surface of the combustion chamber, and the wall surface of the combustion chamber is provided with a heat insulating property.

特開２０１６−９８４０７号公報JP, 2016-98407, A

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。 However, as in Patent Document 1, simply providing a coating layer having thermal insulation only on the entire wall surface of the combustion chamber leads to a problem in the engine of the premixed compression ignition type engine, in which the in-cylinder pressure is sharply reduced. It is not possible to fully cope with strengthening of engine parts and suppression of cooling loss.

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。 An object of the present invention is to provide an engine combustion chamber structure capable of suppressing a rapid increase in in-cylinder pressure and reducing cooling loss in a premixed compression ignition engine.

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、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と、を備え、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を特徴とする。 A combustion chamber structure of an engine according to one aspect of the present invention is a combustion chamber structure of a premixed compression ignition type engine, and a combustion chamber component having a combustion chamber wall surface defining a combustion chamber of the engine including a cylinder and a piston. And a heat insulating layer disposed in a radially central region of the wall surface of the combustion chamber and having a thermal conductivity smaller than that of the combustion chamber component, and a member having a volume specific heat smaller than that of the heat insulating layer, covering the wall surface of the combustion chamber A heat shield layer, wherein the heat shield layer covers a radially central region of the wall surface of the combustion chamber in which the heat insulation layer is formed, and a radially outer region around the central region. I assume.

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。 According to this combustion chamber structure, by disposing the heat insulating layer in the radial central region of the wall surface of the combustion chamber, the central region can be made into a region where heat is less likely to escape. Thereby, at the time of combustion, the temperature distribution can be given to the wall surface of the combustion chamber in the radial direction. That is, the heat radiation is suppressed and the temperature is relatively high at the wall surface of the combustion chamber in the radial direction central region where the heat insulating layer is present. On the other hand, the wall surface of the combustion chamber in the radially outer region where the heat insulating layer does not exist has a relatively low temperature because the corresponding heat radiation occurs through the combustion chamber components.

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。
さらに、遮熱層によって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。 With such a temperature gradient being formed on the wall surface of the combustion chamber, it is possible to provide a combustion chamber environment in which self-ignition tends to occur in the radial center region of the combustion chamber. Therefore, after the self-ignition, an initial combustion occurs in the central region in the radial direction, and thereafter, a combustion form can be generated in which the flame is spread to the radially outer region of the combustion chamber which is relatively low temperature. Therefore, the air-fuel mixture can be burned slowly in the combustion chamber while adopting the premixed compression ignition system, and a rapid rise in in-cylinder pressure can be suppressed. In addition, since the flame does not reach the wall surface of the combustion chamber at a relatively low temperature all at once and the area where the initial combustion takes place is insulated by the heat insulating layer, the cooling loss can be reduced.
Furthermore, by covering the combustion chamber wall surface with the heat shield layer, it is possible to limit the heat radiation through the combustion chamber components. Therefore, the cooling loss can be further reduced. Further, the heat shielding layer is made of a member having a volume specific heat smaller than that of the heat insulating layer. In other words, the heat insulation layer is a member having a relatively large volume specific heat, and is superior in heat storage property to the heat shield layer. Therefore, in the radially central region of the wall surface of the combustion chamber, a high temperature can be maintained by the heat insulation layer, and the favorable temperature distribution can be formed on the wall surface of the combustion chamber.

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。 In the above combustion chamber structure, a part of the wall surface of the combustion chamber is formed by a crown surface of the piston, a radially central portion of the crown surface is provided with a recessed cavity, and the heat insulating layer is It is desirable to be disposed at the bottom of the cavity.

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。 Generally, the crown surface of the piston is a main surface extending radially in the wall surface of the combustion chamber, and the cavity is a portion which receives injection of fuel from an injector or the like and is located at the radial center portion of the crown surface. There is. By disposing the heat insulating layer on the bottom surface of such a cavity, a desired temperature distribution can be provided in the radial direction of the piston crown surface.

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。 In the above combustion chamber structure, it is desirable that the heat insulation layer be made of a ceramic material. Generally, ceramic materials are suitable as the heat insulation layer because they have low thermal conductivity, high volume specific heat, and excellent heat resistance.

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。 In the above combustion chamber structure, it is desirable to further include an ignition source disposed in a radial center space of the combustion chamber. According to this combustion chamber structure, good combustion can be performed by assist by the ignition source.

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。 According to the present invention, in a premixed compression ignition engine, it is possible to provide a combustion chamber structure of an engine capable of suppressing a rapid increase in in-cylinder pressure and reducing a cooling loss.

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。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an engine to which a combustion chamber structure of an engine according to an embodiment of the present invention is applied. 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。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the vicinity of a combustion chamber of the engine shown in FIG. 図３は、ピストンの冠面の概略的な平面図である。FIG. 3 is a schematic plan view of the crown surface of the piston. 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。FIG. 4 is a schematic view for explaining the combustion mode of the premixed compression ignition type engine. 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。FIG. 5 is a schematic view for explaining the temperature distribution of the combustion chamber wall surface in the combustion chamber structure of the present embodiment. 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。6 (A) to 6 (C) are schematic views for sequentially explaining the combustion mode in the combustion chamber structure of the present embodiment. 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。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the heat release rate and the crank angle. 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。FIG. 8 is a schematic view for explaining the heat shielding and heat storage effect by the combustion chamber structure of the present embodiment. 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。FIG. 9 is a graph showing the relationship between the temperature of the central portion of the combustion chamber and the crank angle.

［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。 [Overall configuration of engine]
Hereinafter, a combustion chamber structure of a premixed compression ignition engine according to an embodiment of the present invention will be described in detail based on the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing an engine to which a combustion chamber structure of an engine according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 is an enlarged sectional view showing the vicinity of a combustion chamber of the engine shown in FIG. The engine shown here is a multi-cylinder engine including a cylinder and a piston and mounted on the vehicle as a power source for driving a vehicle such as an automobile. The engine includes an engine body 1 and auxiliary machinery such as an intake manifold (not shown) and various pumps attached thereto. The engine main body 1 of the present embodiment performs a premixed compression ignition type combustion in which a mixture of fuel and air is self-ignited in a combustion chamber. Further, the fuel supplied to the engine body 1 is mainly composed of gasoline.

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。 The engine body 1 includes a cylinder block 3, a cylinder head 4 and a piston 5 (these are examples of “combustion chamber components” in the present invention). The cylinder block 3 has a plurality of cylinders 2 (only one of which is shown in the figure) aligned in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. The cylinder head 4 is attached to the upper surface of the cylinder block 3 and closes the upper opening of the cylinder 2. The pistons 5 are slidably accommodated in the respective cylinders 2 and are connected to the crankshaft 7 via the connecting rods 8. In response to the reciprocating motion of the piston 5, the crankshaft 7 rotates about its central axis.

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。 A combustion chamber 6 is formed above the piston 5. An intake port 9 and an exhaust port 10 communicating with the combustion chamber 6 are formed in the cylinder head 4. An intake side opening 41 which is the downstream end of the intake port 9 and an exhaust side opening 42 which is the upstream end of the exhaust port 10 are formed on the bottom surface 4 a (the combustion chamber ceiling 6 U) of the cylinder head 4 . The cylinder head 4 is assembled with an intake valve 11 for opening and closing the intake side opening 41 and an exhaust valve 12 for opening and closing the exhaust side opening 42. For example, in the case of a double overhead camshaft (DOHC) engine, two intake side openings 41 and two exhaust side openings 42 are provided for each cylinder 2, and two intake valves 11 and two exhaust valves 12 are also provided. Provided one by one.

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。 As shown in FIG. 2, the intake valve 11 and the exhaust valve 12 are so-called poppet valves. The intake valve 11 includes an umbrella-like valve body 11a for opening and closing the intake side opening 41, and a stem 11b extending perpendicularly from the valve body 11a. Similarly, the exhaust valve 12 includes an umbrella-like valve body 12a for opening and closing the exhaust side opening 42, and a stem 12b extending vertically from the valve body 12a. The valve body 11 a of the intake valve 11 has a valve surface 11 c facing the combustion chamber 6. The valve body 12 a of the exhaust valve 12 has a valve surface 12 c facing the combustion chamber 6.

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。 The intake valve 11 and the exhaust valve 12 also correspond to the above-mentioned "combustion chamber component". In the present embodiment, the wall surface of the combustion chamber that divides the combustion chamber 6 is the inner wall surface of the cylinder 2, the crown surface 50 which is the upper surface of the piston 5, the bottom surface 4a of the cylinder head 4, the valve surface 11c of the intake valve 11, and the exhaust valve 12 Of the valve surface 12c.

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。 The cylinder head 4 is provided with an intake-side valve operating mechanism 13 and an exhaust-side valve operating mechanism 14 for driving the intake valve 11 and the exhaust valve 12 respectively. The stems 11 b and 12 b are driven by the valve operating mechanisms 13 and 14 in conjunction with the rotation of the crankshaft 7. By driving the stems 11b and 12b, the valve body 11a of the intake valve 11 opens and closes the intake side opening 41, and the valve body 12a of the exhaust valve 12 opens and closes the exhaust side opening 42.

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。 An intake-side variable valve timing mechanism (intake-side VVT) 15 is incorporated in the intake-side valve operating mechanism 13. The intake side VVT 15 is an electric VVT provided on the intake camshaft, and the opening and closing timing of the intake valve 11 is continuously changed by continuously changing the rotational phase of the intake camshaft relative to the crankshaft 7 within a predetermined angle range. Change Similarly, an exhaust-side variable valve timing mechanism (exhaust-side VVT) 16 is incorporated in the exhaust-side valve mechanism 14. The exhaust side VVT 16 is an electric VVT provided on the exhaust camshaft, and the opening and closing timing of the exhaust valve 12 is continuously changed by continuously changing the rotational phase of the exhaust camshaft relative to the crankshaft 7 within a predetermined angular range. Change

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。 An ignition plug 17 (ignition source) for supplying ignition energy to the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is attached to the cylinder head 4 for each cylinder 2 (not shown in FIG. 2). The spark plug 17 is disposed in the radial center space of the combustion chamber 6 and attached to the cylinder head 4 in such a manner that the ignition point thereof faces the inside of the combustion chamber 6. The spark plug 17 discharges a spark from its tip in response to power supplied from an ignition circuit (not shown) to ignite the mixture in the combustion chamber 6. In the present embodiment, the ignition plug 17 has difficulty in self-ignition as immediately after cold start of the engine, or in the case of assisting premixed compression ignition combustion under predetermined load and speed conditions (spark assist) Used for etc.

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。 The cylinder head 4 is provided with an injector 18 for injecting fuel containing gasoline as a main component into the combustion chamber 6 from the front end thereof, one for each cylinder 2. A fuel supply pipe 19 is connected to the injector 18. The injector 18 injects the fuel supplied through the fuel supply pipe 19. On the upstream side of the fuel supply pipe 19, a high pressure fuel pump (not shown) including a plunger type pump and the like interlocked and connected with the crankshaft 7 is connected. A common rail (not shown) for accumulating pressure common to all the cylinders 2 is provided between the high pressure fuel pump and the fuel supply pipe 19. The fuel accumulated in the common rail is supplied to the injectors 18 of the cylinders 2 so that fuel of high pressure is injected from the injectors 18 into the combustion chamber 6.

［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。 [Detailed structure of combustion chamber]
Referring to FIG. 2, the bottom of combustion chamber 6 is a crown surface 50 of piston 5, and the upper surface of combustion chamber 6 is a combustion chamber ceiling 6 </ b> U. That is, the crown surface 50 and the combustion chamber ceiling surface 6U are wall surfaces extending in the radial direction of the combustion chamber 6 among the wall surfaces of the combustion chamber. In this embodiment, at the time of combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6, the combustion chamber structure is such that the wall surface of the combustion chamber extending in the radial direction has a temperature distribution. The temperature distribution is a temperature distribution in which the radially central region is at a relatively high temperature and the radially outer region is at a relatively low temperature. In order to realize such a temperature distribution, in the present embodiment, the heat insulating layer 71 is disposed in the radial center region of the crown surface 50. Furthermore, a heat shield layer 72 is provided so as to cover the crown surface 50 on which the heat insulation layer 71 is disposed. Hereinafter, the structure of each part of the combustion chamber 6 will be described in detail.

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。 The combustion chamber ceiling surface 6U is configured by the bottom surface 4a of the cylinder head 4, the valve surface 11c of the intake valve 11, and the valve surface 12c of the exhaust valve 12. The combustion chamber ceiling surface 6U has a gently curved shape convex upward. More specifically, the bottom surface 4a of the cylinder head 4 is formed in a substantially conical surface whose height decreases toward the radially outer side with the radial center, that is, a point on the axis u1 of the cylinder 2 as the top. . The valve surfaces 11c and 12c are formed in a curved surface that curves with the same curvature as the bottom surface 4a. The injector 18 is disposed such that its tip is near the top of the combustion chamber ceiling 6U and its axis coincides with the axis u1.

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。 The crown surface 50 is a surface that vertically faces the combustion chamber ceiling surface 6U. FIG. 3 is a schematic plan view of the crown surface 50 as viewed from above. The crown surface 50 includes a cavity 5C disposed at the radial center portion thereof, and a reference surface 51 disposed concentrically around the periphery of the cavity 5C. The cavity 5 </ b> C is a portion in which a radially central region of the crown surface 50 is concaved and bent downward, and is a portion that receives injection of fuel from the injector 18. The reference surface 51 has an upwardly convex gently curved surface shape along the curved shape of the combustion chamber ceiling surface 6U. That is, the reference surface 51 has a loose convex curved surface that inclines downward as it goes radially outward from the opening edge 52 that is the boundary with the cavity 5C. The interval in the vertical direction of the combustion chamber 6 is substantially constant between the reference surface 51 and the combustion chamber ceiling surface 6U.

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。 The crown surface 50 is an uneven surface in which the cavity 5C and the reference surface 51 described above are connected in the radial direction. In the vicinity of the radial center of the crown surface 50, a bottom surface portion 53 which is the deepest portion of the cavity 5C is located. The inner peripheral edge of the reference surface 51 is connected to the opening edge 52 of the cavity 5C. The outer peripheral edge 54 of the reference surface 51 is close to the wall surface of the cylinder 2.

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。 The heat insulating layer 71 is a member having a predetermined thickness in the direction of the axis u1, and is a circular member in top view. The heat insulating layer 71 is disposed on the bottom surface portion 53 of the cavity 5C. As shown in FIG. 3, the heat insulating layer 71, the crown surface 50 and the cavity 5 </ b> C are arranged concentrically, and the radial center region of the crown surface 50 is the arrangement region of the heat insulating layer 71. Of course, making the heat insulating layer 71 circular in top view is an example, and it may be a polygon or another shape. On the other hand, the heat shield layer 72 generally covers the entire upper surface of the crown surface 50 so as to cover the upper surface of the radial central region where the heat insulating layer 71 is disposed and the radial outer region around the central region. Is located in

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。 From the viewpoint of suppressing heat escape from the combustion chamber 6 through the combustion chamber component (piston 5) as the heat insulating layer 71, it is desirable that the thermal conductivity be as small as possible. Further, from the viewpoint of maintaining the radial center region of the crown surface 50 at a high temperature, the heat insulating layer 71 has a large volume specific heat as much as possible, that is, has a high heat storage property. desirable.

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。 From the viewpoint of similarly suppressing heat radiation, it is desirable for the heat shield layer 72 to have a low thermal conductivity. However, if the heat shield layer 72 has a thermal conductivity as low as that of the heat insulating layer 71, it becomes difficult to form a significant temperature distribution in the radial direction of the crown surface 50, so it is larger than the heat insulating layer 71. It is desirable to have thermal conductivity. In addition, when the heat shield layer 72 has a large volume specific heat (heat storage property) at the same level as the heat insulating layer 71, not only the radial center region but also the outer region of the crown surface 50 is maintained at high temperature. It is desirable to have a volume specific heat smaller than that of the heat insulating layer 71 because it becomes difficult to form a significant temperature distribution.

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小さい値を持つ材料が選ばれる。遮熱層７２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。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。 The combustion chamber constituent members of the cylinder block 3, the cylinder head 4 and the piston 5 are formed of, for example, a cast product of a metal base material such as aluminum alloy AC 8A. The heat insulating layer 71, the thermal conductivity, the material having a small difference value than the thermal conductivity with the above-mentioned combustion chamber structure member is chosen. As the heat layer 72 barrier, thermal conductivity, a material having an extremely smaller value than the thermal conductivity with the above-mentioned combustion chamber structure member is chosen. By such material selection, the heat radiation through the combustion chamber component (piston 5) is effectively suppressed.

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。 Regarding the volume specific heat, it is desirable that the heat insulating layer 71 have a volume specific heat larger than that of the combustion chamber component. Thereby, the thermal storage property of the heat insulation layer 71 can be improved rather than the said combustion chamber structural member, and it becomes advantageous to formation of the said temperature distribution. On the other hand, the volume specific heat of the heat shield layer 72 is preferably smaller than the heat insulating layer 71 as described above, and smaller than the combustion chamber component. Thereby, the heat storage property of the radial direction outside region of crown face 50 can be reduced, and the above-mentioned temperature distribution can be enlarged more.

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。 As a material of the heat insulation layer 71 which satisfy | fills said requirements, a ceramic material can be illustrated, for example. Generally, ceramic materials are suitable as the heat insulating layer 71 because they have low thermal conductivity, large volume specific heat, and excellent heat resistance. Specifically, a preferable ceramic material is zirconia (thermal conductivity = 3 W / mk, volume specific heat = 2820 KJ / m ³ K). Besides these, ceramic materials such as silicon nitride, silica, cordierite and mullite can also be exemplified.

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。 The heat insulating layer 71 is disposed on the surface of the bottom portion 53 of the cavity 5C. Alternatively, the heat insulating layer 71 may be embedded near the surface of the bottom portion 53. As a method of arrangement of the heat insulating layer 71, a method of providing a receiving recess in the bottom face portion 53 and pressing the heat insulating layer 71 into the receiving recess, a method of welding on the bottom face portion 53 by cast molding, and the like can be illustrated.

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。 As a material of the heat shielding layer 72 which satisfy | fills said requirements, a heat resistant silicone resin can be illustrated, for example. Examples of silicone resins include silicone resins composed of highly branched three-dimensional polymers, represented by methyl silicone resins and methylphenyl silicone resins. For example, polyalkylphenyl siloxanes and the like are suitable. Such silicone resin may contain hollow particles such as Shirasu balloon. The heat shielding layer 72 is formed on the entire surface of the crown surface 50 including the upper surface of the heat insulating layer 71 by, for example, a coating process. The heat shielding layer 72 may not be formed immediately above the heat insulating layer 71.

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。 Table 1 shows preferable material selection examples of the combustion chamber component (piston 5), the heat insulating layer 71, and the heat shielding layer 72 based on the thermal conductivity and the volume specific heat. Moreover, the preferable film thickness example of the heat insulation layer 71 and the thermal insulation layer 72 is shown.

［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。 [Significance of thermal insulation layer]
Subsequently, the significance of the above-described heat insulating layer 71 in the premixed compression ignition engine will be described. FIG. 4 is a schematic view for explaining the combustion mode of the premixed compression ignition type engine. In FIG. 4, the pent roof type combustion chamber 60 is schematically shown, and the cavity 5C is omitted.

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。 In a premixed compression ignition engine, a mixture of fuel and air is self-ignited in the combustion chamber 60 as it is compressed by the piston 5. For this reason, combustion does not start from the forced ignition point as in spark ignition combustion, but as shown in FIG. 4, ignition points IP are generated in various places of the combustion chamber 60, and the mixture starts combustion simultaneously. By such simultaneous combustion, the pressure (in-cylinder pressure) in the combustion chamber 60 rapidly rises. For this reason, a large combustion noise may be generated, or a large load may be applied to each part of the engine mechanism such as the connection between the connecting rod 8 and the crankshaft 7. The measures against the combustion noise and the need for measures to improve the strength of each part of the engine mechanism are factors that inhibit the practical use of the premixed compression ignition type engine. Further, since the flame is generated at once in the combustion chamber 6 by the simultaneous combustion, the heat dissipation (cooling loss) through the wall surface of the combustion chamber, especially the cooling loss through the inner wall of the relatively low temperature cylinder 2 becomes large. Thus, the thermal efficiency of the engine is reduced.

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。 It can be said that the reason why the multiple ignition points IP occur in each combustion chamber 60 is that the temperature of the combustion chamber 60 (the wall surface of the combustion chamber) is uniform. That is, since the temperature is uniform, when the air-fuel mixture is compressed in the compression stroke and reaches a certain pressure condition, the ignition condition is established at each place of the combustion chamber 60. In view of this point, in the present embodiment, a temperature gradient is positively formed in the radial direction of the combustion chamber 60 (the wall surface of the combustion chamber). Specifically, the radially central region of the combustion chamber 60 has a relatively high temperature, and the radially outer region has a relatively low temperature distribution.

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。 FIG. 5 is a schematic view for explaining the temperature distribution of the crown surface 50 (the wall surface of the combustion chamber) in the present embodiment. In the present embodiment, in order to form the temperature distribution as described above, the radial central region (bottom surface portion 53 of the cavity 5C) of the crown surface 50 is the arrangement region of the heat insulating layer 71, and the radial outer region is the heat insulating layer 71. It is considered as a nonexistent region. In FIG. 5, the heat shield layer 72 is omitted.

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。 The thermal conductivity is reduced in the region where the heat insulating layer 71 is disposed in the crown surface 50. For this reason, the heat transfer from the combustion chamber 6 side indicated by the arrow a1 to the piston 5 is blocked by the heat insulating layer 71, and the heat radiation is suppressed. On the other hand, in the region where the heat insulating layer 71 is not disposed, heat transfer from the combustion chamber 6 side to the piston 5 occurs according to the thermal conductivity of the piston 5 as indicated by the arrow a2. Although the heat transfer is suppressed to some extent by providing the heat shield layer 72, heat transfer that is larger than the arrangement region of the heat insulating layer 71 occurs. Furthermore, in the present embodiment, since the heat insulating layer 71 is made of a member having a large volume specific heat, the high temperature can be maintained by the heat storage effect. Due to these actions, as shown in the lower part of FIG. 5, the temperature distribution b of the crown surface 50 is high in the radial center area corresponding to the arrangement area of the heat insulation layer 71 and corresponds to the non-arrangement area of the heat insulation layer 71 The radially outer region has a low temperature distribution.

［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。 [Combustion operation]
The influence of such temperature distribution b on the combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 will be described. FIGS. 6A to 6C are schematic diagrams for sequentially describing the combustion mode of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 of the present embodiment. In FIGS. 6A to 6C, the vertical movement of the piston 5 is not shown for simplification of the drawing.

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。 FIG. 6A shows the state of the initial stage of combustion in the compression stroke by the piston 5. The presence of the above-described temperature distribution b in the crown surface 50 (the combustion chamber 6) forms a state in which ignition is more likely to occur in the radially central region than in the radially outer region. For this reason, when the piston 5 ascends and compression of the air-fuel mixture increases, self-ignition occurs only in the radial center region. That is, the combustion area F1 is generated only in the radial center area of the combustion chamber 6. At this time, the flame does not reach the inner wall surface of the cylinder 2 and the cooling loss is unlikely to occur.

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。 FIG. 6 (B) shows the middle stage of combustion. The combustion of the mixture spreads from the radial center region to the periphery thereof. That is, in the middle stage of combustion, the peripheral region adjacent to the radial center region becomes the combustion region F2 due to the propagation of the combustion in the combustion region F1 of FIG. Thus, the combustion is gradually shifted from the radially inner side to the outer side.

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。 FIG. 6C shows the state after the combustion. At the late stage of combustion, the radially outer region of the combustion chamber 6 becomes the combustion region F3. That is, the propagation of the combustion in the combustion area F2 of FIG. 6 (B), the temperature rise and the like further burn the outer area. Thus, in the combustion chamber 6 of the present embodiment, as shown in FIG. 4, simultaneous ignition and simultaneous combustion do not occur at each location of the combustion chamber 60, and from the radial center region to the radially outer region of the combustion chamber 6 Slow combustion is what happens.

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。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the heat release rate in the combustion chamber 6 and the crank angle. FIG. 7 is also a graph showing the fuel injection timing and the ignition timing in relation to the crank angle. Here, as in the present embodiment, the heat generation rate curve T1 in the combustion chamber of the comparative example which is a premixed compression ignition engine and does not have the heat insulating layer 71 on the wall surface (the crown surface 50) of the combustion chamber. The heat release rate curve T2 in the combustion chamber 6 provided with the heat insulating layer 71 in the radial direction central region of the crown surface 50 is also shown. The steep rise of the heat generation rate (dQ / dθ) means a sharp rise of the in-cylinder pressure (dp / dθ) of the combustion chamber 6.

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。 In the heat release rate curve T1 of the comparative example, after ignition occurs before TDC (top dead center), the heat release rate rises sharply after TDC, reaches a very large value, and then drops rapidly. It is understood that This is due to the simultaneous combustion of the mixture at the same time in the entire combustion chamber 6 due to the simultaneous ignition described above, and the simultaneous completion of the combustion. Such a rapid rise in the rate of heat generation causes a rapid rise in the in-cylinder pressure, causing a large combustion noise and giving a large load to each part of the engine mechanism. Furthermore, the cold heat loss is exacerbated.

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。 On the other hand, in the heat release rate curve T2 of this embodiment, after ignition occurs before TDC, the heat release rate does not increase sharply after TDC, and the maximum value of the heat release rate is also the heat release rate curve It is much smaller than T1. Further, when the combustion period is compared, the heat release rate curve T2 is considerably slower than the heat release rate curve T1 of the comparative example. This is because, as shown in FIGS. 6A to 6C, the combustion in the combustion chamber 6 is a combustion that is sequentially shifted from the radially inner space to the outer space. That is, in the present embodiment, the timing of the start of combustion differs depending on the space distribution of the combustion chamber 6, so that slow combustion occurs. The realization of such a relatively slow rise and fall of the heat release rate contributes to the reduction of the combustion noise and the load, and the improvement of the cooling loss.

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。 The preferred fuel injection timing is also noted in the graph of FIG. The fuel injection from the injector 18 into the combustion chamber 6 is preferably performed late in the compression stroke. As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the injector 18 is disposed on the axis u1 of the cylinder 2 and injects fuel toward the cavity 5C. Therefore, when fuel injection is performed in the latter stage of the compression stroke, air-fuel mixture can be formed in the radially central region of the combustion chamber 6, that is, the region heated by the heat insulating layer 71. Therefore, it is possible to create an environment in which self-ignition is more likely to occur initially in the radial center region.

［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。 [Synergy of thermal insulation layer and thermal barrier layer]
In the present embodiment, the heat insulating layer 71 and the heat shielding layer 72 are applied to the crown surface 50. The synergy of providing both layers will be described. FIG. 8 is a schematic view for explaining the heat shielding and heat storage effect by the combustion chamber structure of the present embodiment.

遮熱層７２は、先に表１に例示したように、体積比熱が「小」である。このため、蓄熱する機能は乏しい。遮熱層７２は、熱伝導率が「極小」であり、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。 The thermal barrier layer 72, as illustrated above in Table 1, the body volume specific heat is "small". For this reason,蓄 heat function is poor. The thermal barrier layer 72 has a "minimal" thermal conductivity and is coated on the entire surface of the crown surface 50 , and therefore, as shown by arrow D1 in FIG. It can prevent runaway. That is, the cooling loss can be reduced. However, since the heat storage performance is low, the region coated with only the heat shielding layer 72 tends to change in temperature depending on the temperature of the combustion chamber 6.

一方、断熱層７１は、熱伝導率が小さい「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。 On the other hand, the heat insulating layer 71 has a thermal conductivity of a small again "small", volume specific heat is the thermal barrier coating is greater than 72 and the piston 5 (combustion chamber components) "large". Therefore, the heat transfer blocking function is large and the heat storing function is excellent. Therefore, not only the radially central region of the crown surface 50 is heated cross, as shown by the arrow D2, D3 of FIG. 8, the heat of the surrounding heat insulating layer 71 is to be accumulated in the heat insulating layer 71. Therefore, the arrangement of the heat insulating layer 71 can maintain the radial central region of the crown surface 50 at a higher temperature than the outer region.

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。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the temperature in the radial direction central region of the combustion chamber 6 and the crank angle. FIG. 9 shows temperature change characteristics E1, E2, E3, and E4. The temperature change characteristic E1 is the center in the radial direction of the combustion chamber 6 when the heat insulating layer 71 and the heat shielding layer 72 are not provided on the crown surface 50, that is, the base material (aluminum alloy) of the piston 5 is exposed. It is a characteristic which shows temperature change accompanying change of a crank angle of a field. The temperature change characteristic E2 is a temperature change characteristic in a state where only the heat insulating layer 71 is provided on the crown surface 50, and the temperature change characteristic E3 is a temperature change characteristic in a state where only the heat shielding layer 72 is provided on the crown surface 50. The temperature change characteristic E4 indicates the temperature change characteristic in a state in which both the heat insulating layer 71 and the heat shielding layer 72 are provided on the crown surface 50 as in the present embodiment.

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。 As apparent from the comparison of the temperature change characteristics E1 and E2, the temperature of the radially central region of the combustion chamber 6 is raised by ΔEa by the formation of the heat insulating layer 71. That is, the temperature of the radial central region can be increased by ΔEa compared to the radial outer region without depending on the crank angle (see also FIG. 5), and an environment in which self-ignition tends to occur in the central region Can be formed.

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。 As shown in the temperature change characteristic E3, the formation of the heat shield layer 72 can raise the temperature of the radially central region at a crank angle near TDC. This is because combustion occurs near TDC in the combustion chamber 6 and the heat shield layer 72 prevents the escape of heat to the piston 5. However, since the effect of the heat shield layer 72 extends not only to the radial central region but also to the outer region, it does not contribute much to the formation of the temperature gradient.

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。 By forming the heat insulating layer 71 in addition to the heat shield layer 72, as shown in the temperature change characteristic E4, the temperature of the radial central region at a crank angle near TDC is higher by ΔEb than the temperature change characteristic E3. can do. The temperature change characteristic E4 can be said to be a characteristic in which the increased amount of ΔEa described above is superimposed on the temperature change characteristic E3. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to form an environment in which self-ignition is more likely to occur in the radial center region.

［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。 [Function effect]
According to the combustion chamber structure of the premixed compression ignition engine according to the present embodiment described above, the following operation and effects can be achieved. First, since the heat insulating layer 71 is disposed in the radial central region of the crown surface 50 (the wall surface of the combustion chamber), the central region can be made into a region where heat is less likely to escape. Thus, at the time of combustion, the crown surface 50 can have a temperature distribution in the radial direction of the combustion chamber 6. That is, the heat radiation is suppressed and the temperature is relatively high at the radially central region of the crown surface 50 where the heat insulating layer 71 is present. On the other hand, the radially outer region of the crown surface 50 where the heat insulating layer 71 does not exist has a relatively low temperature because there is no heat insulating effect by the heat insulating layer 71.

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。 With such a temperature gradient being formed on the crown surface 50, it is possible to provide a combustion chamber environment in which self-ignition tends to occur in the radial center region of the combustion chamber 6. For this reason, after the self-ignition, an initial combustion occurs in the radial center region, and thereafter, a combustion form can be generated in which the flame is spread to the radially outer region of the combustion chamber 6 which is relatively low temperature. Therefore, even though the premixed compression ignition system is adopted, the air-fuel mixture can be burned slowly in the combustion chamber 6, and the rapid increase of the in-cylinder pressure can be suppressed. As a result, combustion noise is reduced, and application of a large load to each part of the engine mechanism can be suppressed. In addition, since the flame does not reach the inner wall surface of the relatively low temperature cylinder 2 at a stretch, and the area where the initial combustion takes place is insulated by the heat insulating layer 71, the cooling loss can be reduced.

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。 The heat insulating layer 71 is disposed on the bottom surface portion 53 of the cavity 5C. The crown surface 50 of the piston 5 is a main surface extending radially in the wall surface of the combustion chamber, and the cavity 5C is a portion receiving injection of fuel from the injector 18 and is located at the radial center portion of the crown surface 50. ing. By disposing the heat insulating layer 71 on the bottom surface portion 53 of such a cavity 5C, a desirable temperature distribution can be provided in the radial direction of the crown surface 50.

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、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。 In addition, a heat shield layer 72 covering substantially the entire surface of the crown surface 50 is provided. The thermal barrier layer 72 has a thermal conductivity of less than piston 5, the body volume specific heat is a small member than the heat insulating layer 71. The heat shield layer 72 can limit the heat dissipation through the piston 5. Therefore, the cooling loss can be further reduced. Further, the heat shield layer 72 is made of a member whose volume specific heat is smaller than that of the heat insulating layer 71. In other words, the heat insulating layer 71 is a member having a relatively large volume specific heat, and is superior to the heat shielding layer 72 in heat accumulation. Therefore, the heat insulating layer 71 can maintain the high temperature in the radial direction central region of the crown surface 50, and the favorable temperature distribution can be formed on the crown surface 50.

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。 Furthermore, the spark plug 17 is disposed in the radial center space of the combustion chamber 6. For this reason, in a situation where it is difficult to form a temperature gradient in the combustion chamber 6 at cold start of the engine, etc., the ignition plug 17 performs ignition assist so that the radial direction of the combustion chamber 6 at the initial stage of combustion. It is possible to perform forced combustion in the central region.

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） 1 Engine body 2 cylinders (combustion chamber wall)
3 Cylinder block (combustion chamber component)
4 Cylinder head (combustion chamber component)
5 Piston (combustion chamber component)
5C cavity 50 top surface (combustion chamber wall surface)
53 Bottom (bottom of cavity)
6 combustion chamber 6U combustion chamber ceiling surface (combustion chamber wall surface)
71 thermal insulation layer 72 thermal barrier layer 11 intake valve (combustion chamber component)
12 Exhaust valve (combustion chamber component)

Claims

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、
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と、を備え、
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。 The combustion chamber structure of a premixed compression ignition engine,
A combustion chamber component having a combustion chamber wall surface defining a combustion chamber of an engine including a cylinder and a piston;
A heat insulating layer disposed in a radially central region of the combustion chamber wall surface and having a thermal conductivity smaller than that of the combustion chamber constituent member;
A heat shield layer made of a member having a volume specific heat smaller than that of the heat insulation layer and covering the wall surface of the combustion chamber;
The heat shield layer covers a radially central region of the wall surface of the combustion chamber in which the heat insulating layer is formed, and a radially outer region around the central region.
Engine combustion chamber structure.

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。 In the engine combustion chamber structure according to claim 1,
A part of the wall surface of the combustion chamber is formed by a crown surface of the piston, and a radially central portion of the crown surface is provided with a recessed cavity.
The combustion chamber structure of an engine, wherein the heat insulating layer is disposed on the bottom of the cavity.

請求項１〜２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。 The combustion chamber structure of an engine according to any one of claims 1 to 2 .
A combustion chamber structure of an engine, wherein the heat insulating layer is made of a ceramic material.

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。
The combustion chamber structure of an engine according to any one of claims 1 to 3 ,
A combustion chamber structure of an engine, further comprising an ignition source disposed in a radial center space of the combustion chamber.