JP2020007977A - 圧縮自着火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料又は筒内ガスが通過する整流通路の通路壁部を備える圧縮自着火式内燃機関において、通路壁部の形状維持の信頼性の確保と、整流通路の壁面温度の上昇抑制とを両立させる。
【解決手段】圧縮自着火式内燃機関１０は、燃焼室１２に露出する先端部２０ａに設けられた噴孔２２を有する燃料噴射ノズル２０と、噴孔２２から噴射された燃料が通過する整流通路３２を形成する通路形成部材（ダクト３０）と、を備える。通路形成部材は、整流通路３２の径方向外側に位置する通路壁部３６を含む。通路壁部３６は、シリンダヘッド１８に繋がる基部である第１層３６ａと、第１層３６ａの径方向外側に位置する第２層３６ｂとを含む。第１層３６ａの靱性は第２層３６ｂの靱性よりも高く、かつ、第２層３６ｂの熱伝導率は第１層３６ａの熱伝導率よりも低い。
【選択図】図２

Description

この発明は、圧縮自着火式内燃機関に関する。

例えば、特許文献１には、圧縮自着火式の内燃機関において、燃料と充填空気との燃焼室での予混合を促進するための技術が開示されている。この技術では、燃焼室に露出する燃料噴射装置の先端部の開口部（噴孔）に近接して、中空管で構成されたダクトが設けられている。開口部から噴射された燃料は、このダクトを通過した後に燃焼室へと噴射される。

米国特許出願公開第２０１６／００９７３６０号明細書 特開２０１３−０９２１０３号公報 特許第５６２９４６３号

特許文献１に記載の内燃機関におけるダクトは、燃焼室に露出している。このため、高温の燃焼ガスに晒されることによって、ダクトが高温になることが懸念される。また、ダクトには、内燃機関自体が発生させる振動、サイクル中に上下する筒内圧、及び燃料噴射圧などの影響により、様々な荷重又は負荷が繰り返しかかることが想定される。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料又は筒内ガスが通過する整流通路の通路壁部を備える圧縮自着火式内燃機関において、通路壁部の形状維持の信頼性の確保と、整流通路の壁面温度の上昇抑制とを両立させることにある。

本発明の一態様に係る圧縮自着火式内燃機関は、
燃焼室に露出する先端部に設けられた噴孔を有する燃料噴射ノズルと、
前記噴孔から噴射された燃料が通過する整流通路を形成する通路形成部材と、
を備える。
前記通路形成部材は、前記整流通路の径方向外側に位置する通路壁部を含む。
前記通路壁部は、シリンダヘッドに繋がる基部である第１層と、前記第１層の径方向外側又は内側に位置する第２層とを含む。
前記第１層の靱性は前記第２層の靱性よりも高く、かつ、前記第２層の熱伝導率は前記第１層の熱伝導率よりも低い。

前記第２層は、前記第１層の径方向外側に位置していてもよい。

前記噴孔の出口と前記整流通路の入口との間には、隙間が形成されていてもよい。そして、前記第２層の単位体積当たりの熱容量は、前記第１層の単位体積当たりの熱容量よりも小さくてもよい。

前記通路壁部には、前記整流通路と前記燃焼室とを連通させる連通孔が形成されていてもよい。そして、前記第２層の単位体積当たりの熱容量は、前記第１層の単位体積当たりの熱容量よりも小さくてもよい。

前記通路形成部材は、前記通路壁部と、前記第１層と前記シリンダヘッドとを繋ぐ支柱部と、を含んでいてもよい。そして、前記通路壁部は、前記第１層と前記第２層からなり、かつ、筒状に形成されていてもよい。

前記通路形成部材は、前記シリンダヘッドと一体的に形成されていてもよい。

前記通路形成部材は、前記シリンダヘッドの燃焼室天井部に締結されていてもよい。

本発明の他の態様に係る圧縮自着火式内燃機関は、
燃焼室天井部の中央において燃焼室に露出する先端部に設けられた噴孔を有する燃料噴射ノズルと、
シリンダの内部に配置され、筒内ガスが通過する整流通路が形成された頂部を有するピストンと、
を備える。
前記整流通路は、前記シリンダのボア壁面側において前記燃焼室に露出する入口からボア中心側において前記燃焼室に露出する出口に向かって連通している。
前記ピストンは、前記整流通路に対して前記燃焼室天井部の側に位置する通路壁部を含む。
前記通路壁部は、前記ピストンに繋がる基部である第１層と、前記第１層に対して前記ピストンの側又は前記燃焼室天井部の側に位置する第２層とを含む。
前記第１層の靱性は前記第２層の靱性よりも高く、かつ、前記第２層の熱伝導率は前記第１層の熱伝導率よりも低い。

前記第２層の単位体積当たりの熱容量は、前記第１層の単位体積当たりの熱容量よりも小さくてもよい。

本発明の一態様によれば、噴孔から噴射された燃料が通過する整流通路の通路壁部は、第１層と、第１層の径方向外側又は内側に位置する第２層とを含んでいる。そして、第１層は、シリンダヘッドに繋がっており、かつ、その靱性は、第２層の靱性よりも高い。これにより、上述の荷重又は負荷が通路壁部に繰り返しかかったとしても、通路壁部の形状を長期間にわたって保持し易くすることができる。また、第２層の熱伝導率は、第１層の熱伝導率よりも低い。これにより、通路壁部の周囲の高温の燃焼ガスから通路壁部の外壁に伝えられた熱が、通路壁部の内壁（すなわち、整流通路の壁面）に伝わることを抑制できる。このように、本発明の一態様によれば、通路壁部の形状維持の信頼性の確保と、整流通路の壁面温度の上昇抑制とを好適に両立させることができる。

また、本発明の他の態様によれば、ピストンの頂部には、シリンダのボア壁面側において燃焼室に露出する入口からボア中心側において燃焼室に露出する出口に向かって連通する整流通路が形成されている。ピストンは、この整流通路に対して燃焼室天井部の側に位置する通路壁部を含んでいる。通路壁部は、第１層と、第１層に対してピストン側又は燃焼室天井部側に位置する第２層とを含んでいる。そして、第１層は、ピストンに繋がっており、かつ、その靱性は、第２層の靱性よりも高い。これにより、上述の荷重又は負荷が通路壁部に繰り返しかかったとしても、通路壁部の形状を長期間にわたって保持し易くすることができる。また、第２層の熱伝導率は、第１層の熱伝導率よりも低い。これにより、通路壁部の周囲の高温の燃焼ガスから通路壁部の燃焼室天井部側の壁に伝えられた熱が、通路壁部のピストン側の壁（すなわち、整流通路の壁面）に伝わることを抑制できる。このように、本発明の他の態様によっても、通路壁部の形状維持の信頼性の確保と、整流通路の壁面温度の上昇抑制とを好適に両立させることができる。

本発明の実施の形態１に係る圧縮自着火式内燃機関の燃焼室周りの構成を模式的に表した縦断面図である。 図１中の１つのダクトの周りの部位を拡大して示す縦断面図である。 図１に示すダクトの横断面図である。 通路壁部の第１層及び第２層の他の構成例を説明するための図である。 通路壁部の第１層及び第２層の他の構成例を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係るダクトの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３に係るダクトの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係る圧縮自着火式内燃機関の燃焼室周りの構成を模式的に表した縦断面図である。 図８中のＡ−Ａ線で通路壁部を切断して得られる横断面図である。 本発明の実施の形態５に係る圧縮自着火式内燃機関の燃焼室周りの構成を模式的に表した縦断面図である。 本発明の実施の形態６に係る圧縮自着火式内燃機関の燃焼室周りの構成を模式的に表した縦断面図である。 図１１に示す整流板が固定されたピストンをその頂面の側から見下ろした図である。 図１１に示す整流板周りの構成を拡大して示す図である。 整流板を備えていない比較例のピストンを備える圧縮自着火式内燃機関の燃焼室内の空気の流れを説明するための模式図である。 図１１に示す整流板が固定された実施の形態６のピストンを備える圧縮自着火式内燃機関の燃焼室内の空気の流れを説明するための模式図である。 整流板（通路壁部）の第１層及び第２層の他の構成例を説明するための図である。

以下に説明される各実施の形態において、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略又は簡略する。また、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．実施の形態１
まず、図１〜図５を参照して、本発明の実施の形態１及びその変形例について説明する。

１−１．燃焼室周りの構成
図１は、本発明の実施の形態１に係る圧縮自着火式内燃機関（以下、単に「内燃機関」と略する）１０の燃焼室１２周りの構成を模式的に表した縦断面図である。図１に示す内燃機関１０は、一例として、ディーゼルエンジンである。

図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダブロック１４と、ピストン１６と、シリンダヘッド１８とを備えている。ピストン１６は、シリンダブロック１４に形成されたシリンダの内部を往復移動する。シリンダヘッド１８は、シリンダブロック１４の上方に配置されている。燃焼室１２は、主に、シリンダブロック１４のシリンダボア面１４ａと、ピストン１６の頂面１６ａと、シリンダヘッド１８の燃焼室天井部１８ａの表面と、図示省略する吸排気バルブの底面とによって画定される。

内燃機関１０は、さらに、燃料噴射ノズル２０とダクト３０とを備えている。燃料噴射ノズル２０は、燃焼室天井部１８ａの中央に配置されている。燃料噴射ノズル２０は、燃焼室１２に露出する先端部２０ａを有する。先端部２０ａには、複数（例えば、８つ）の噴孔２２が形成されている。８つの噴孔２２は、燃料がシリンダボア面１４ａに向けて放射状に噴射されるように設けられている。

ダクト３０は、８つの噴孔２２のそれぞれに対して設けられている。したがって、図１に示す例におけるダクトの数は８つである。個々のダクト３０は、筒状に形成されている。個々のダクト３０の内部には、整流通路３２が形成されている。噴孔２２から噴射された燃料は、整流通路３２を通過した後に燃焼室１２内に噴射される。なお、本発明の一態様に係る「整流通路」は、必ずしも噴孔と同じ数だけ設けられている必要はなく、複数の噴孔の一部にのみ備えられてもよい。以下、図２及び図３を参照して、ダクト３０周りの具体的な構造について詳述する。

１−１−１．ダクト周りの具体的な形状
図２は、図１中の１つのダクト３０の周りの部位を拡大して示す縦断面図である。図３は、図１に示すダクト３０の横断面図である。図２に示す例では、ダクト３０は、支柱部３４を介して、シリンダヘッド１８の燃焼室天井部１８ａに固定されている（吊り下げられている）。ダクト３０は、整流通路３２の中心軸線が噴孔２２の軸線Ｌ１と一致するように配置されている。換言すると、ダクト３０は、噴孔２２の軸線Ｌ１に沿って直線的に延びるように形成されている。また、図３に示すように、ダクト３０の流路断面は、一例として円形であり、したがって、ダクト３０（より詳細には、後述の通路壁部３６）は円筒形状を有している。

本実施形態では、支柱部３４を介して燃焼室天井部１８ａから吊り下げられたダクト３０が、整流通路３２を形成する「通路形成部材」の一例に相当する。ダクト３０は、整流通路３２の径方向外側に位置する通路壁部３６と、上記の支柱部３４とを有している。通路壁部３６は、第１層３６ａと第２層３６ｂとからなる２層構造である。

第１層３６ａは、支柱部３４を介してシリンダヘッド１８の燃焼室天井部１８ａに繋がる基部（基層）に相当する。すなわち、ダクト３０の第１層３６ａが支柱部３４によって支持されている。図２に示す例では、第１層３６ａ及び支柱部３４は、燃焼室天井部１８ａと一体的に形成されているが、これらのうちの任意の２つ又はすべては、別体でもよい。換言すると、第１層３６ａは、シリンダヘッド１８と一体的又は別体的に繋がっていればよい。

第２層３６ｂは、第１層３６ａの径方向外側（すなわち、外周側）に位置している。また、図２に示す例では、第２層３６ｂは、第１層３６ａだけでなく、支柱部３４をも覆うように形成されている。付け加えると、図２に示す例では、第１層３６ａ及び第２層３６ｂは、共に円筒形状を有している。そして、第１層３６ａは整流通路３２の長さ方向における通路壁部３６の全体にわたって延在し、かつ、第２層３６ｂは第１層３６ａの全体を覆うように形成されている。また、第２層３６ｂは、その周方向についても、第１層３６ａを全体的に覆っている。

また、図２に示す例では、噴孔２２を有する先端部２０ａの外表面とダクト３０とは接触していない。換言すると、噴孔２２の出口と、整流通路３２の入口との間には、隙間Ｇが形成されている。付け加えると、ダクト３０（整流通路３２）の出口だけでなくその入口も、燃焼室１２に露出している。燃焼室１２内のガス（作動ガス）は、この隙間Ｇを利用して、噴孔２２から噴射された燃料とともに整流通路３２に流入する。

１−１−２．ダクトの２層構造の材質の具体例
ダクト３０の第１層３６ａと第２層３６ｂとは、それらの材料の靱性及び熱伝導率に関して、次のような関係を満たしている。すなわち、ダクト３０の基層である第１層３６ａの靱性は、外層である第２層３６ｂの靱性よりも高い。そして、第２層３６ｂの熱伝導率は、第１層３６ａの熱伝導率よりも低い。これらの関係を満たす第１層３６ａの材料の一例は、アルミニウム又は鉄などの金属であり、第２層３６ｂの材料の一例は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）である。なお、ここでいう「靱性」とは、材料の破壊に対する粘り強さの特性を意味し、その具体的な指標の１つは破壊靱性である。

より詳細には、第２層３６ｂは、例えば溶射によって第１層３６ａの上に窒化ケイ素の被膜を形成することによって得られる。上述のように第２層３６ｂの熱伝導率は第１層３６ａの熱伝導率よりも低いため、第２層３６ｂは遮熱膜として機能する。

１−２．効果
１−２−１．ダクト（整流通路）の利用による効果
圧縮自着火式内燃機関１０では、燃焼室１２内に充填された空気が圧縮された状態で、燃料噴射ノズル２０から燃料が噴射される。噴射された燃料は、充填空気と混合されて燃料濃度の均質化が進められた後、自着火による燃焼が行われることが望ましい。しかしながら、例えば、ダクト３０を備えていない構成では、燃料噴射ノズル２０から噴射された燃料が、燃焼室１２の熱を受けて逸早く過熱し、充填空気と十分に混合される前に自着火してしまうおそれがある。その結果、過濃燃料が燃焼することによるスモークの発生、又は後燃え期間が長期化することによる熱効率の低下が問題となる。

本実施形態１の内燃機関１０では、上記の問題を解決するために、燃焼室１２内にダクト３０を設けることとしている。このような構成によれば、燃料噴射ノズル２０の噴孔２２から噴射された燃料の噴霧は、ダクト３０の内部（整流通路３２）へと導入される。また、ダクト３０の入口は燃焼室１２内に露出しているため、燃焼室１２内の充填空気も、ダクト３０の入口から内部へと導かれる。その結果、基本的に周囲と比べて低温のダクト３０の内部では、燃料噴霧と充填空気とが冷却されながら混合されるので、早期に自着火することなく燃料濃度の均質化が進められる。そして、十分に予混合が進められた後に、混合気がダクト３０の出口から噴射されることになる。噴射された混合気は、燃焼室１２の熱を受けて自着火して燃焼する。

上述のように、ダクト３０（整流通路３２）の設置により、噴射された燃料の噴霧がダクト３０を通過する過程で、自着火を抑制しながら燃料噴霧と充填空気との予混合を促進することができる。これにより、均質化される前の過濃燃料が自着火することによるスモークの発生を抑制することが可能となる。また、ダクト３０の設置により、ダクト３０を通過する間の自着火が抑制されるため、自着火時期を遅らせることができる。これにより、後燃え期間が短縮されるので、熱効率の向上を図ることができる。

１−２−２．ダクト（整流通路）の設置に関する課題
ダクト３０のようなダクトは、燃焼室に露出している。つまり、このようなダクトは、高温の燃焼ガスに晒されることによって高温になり易い環境下に配置されている。燃焼ガスからの受熱によって整流通路の壁面（ダクトの内壁）が高温になると、ダクトを通過する燃料噴霧が整流通路の壁面からの受熱によって温められてしまう。その結果、着火遅れが短縮する（上記の自着火時期を遅らせる効果が減少する）ため、燃料噴霧と充填空気との混合が不足したまま燃焼が開始される。これにより、スモークの発生を適切に抑制することが難しくなることが懸念される。

また、ダクトには、内燃機関自体が発生させる振動、サイクル中に上下する筒内圧、及び燃料噴射圧などの影響により、様々な荷重又は負荷が繰り返しかかることが想定される。したがって、整流通路の壁面（ダクトの内壁）の温度上昇の抑制に関する対策は、そのような荷重又は負荷がダクトにかかったとしても、より確実にダクトの形状を長期間にわたって維持できることを保証しつつなされることが要求される。

１−２−３．２層構造を有するダクトの採用
上記の課題に鑑み、本実施形態のダクト３０の通路壁部３６では、第１層３６ａは、支柱部３４を介してシリンダヘッド１８（燃焼室天井部１８ａ）に繋がる基部として構成されている。そして、この第１層３６ａの靱性が第２層３６ｂの靱性よりも高くなるように両者の材料が選定されている。これにより、上述の荷重又は負荷がダクト３０に繰り返しかかったとしても、ダクト３０（通路壁部３６）の形状を長期間にわたって保持し易くすることができる。

そして、第１層３６ａの外周側に位置する第２層３６ｂの熱伝導率が第１層３６ａの熱伝導率よりも低くなるように両者の材料が選定されている。これにより、ダクト３０の周囲の高温の燃焼ガスから通路壁部３６の外壁（第２層３６ｂの外壁）に伝えられた熱が、通路壁部３６の内壁（すなわち、整流通路３２の壁面）に伝わることを抑制できる。このため、通路壁部３６の内側の整流通路３２を燃料が通過する際に、燃料の温度上昇を抑制することができる。その結果、自着火時期を遅らせる効果の減少を抑制できる。

以上のように、本実施形態の内燃機関１０によれば、ダクト３０（通路壁部３６）の形状維持の信頼性の確保と、整流通路３２の壁面温度の上昇抑制とを好適に両立させることができる。

また、本実施形態のダクト３０では、支柱部３４も第２層３６ｂによって覆われている。このため、高温の燃焼ガスから支柱部３４を介して第１層３６ａ（整流通路３２の内壁を構成する部位）に熱が伝わることも効果的に抑制できる。

１−３．実施の形態１に関する変形例
１−３−１．ダクトの２層構造の他の例
図４は、通路壁部の第１層及び第２層の他の構成例を説明するための図である。図４に示す例では、ダクト４０（通路形成部材）は、支柱部３４とともに、通路壁部４２を備えている。通路壁部４２は、第１層４２ａと、その径方向外側に位置する第２層４２ｂとを有する。

図２に示すダクト３０の例では、第１層３６ａは整流通路３２の長さ方向における通路壁部３６の全体にわたって延在し、かつ、第２層３６ｂは第１層３６ａの全体を覆うように形成されている。これに対し、図４に示すダクト４０の例では、第１層４２ａは整流通路３２の長さ方向における通路壁部４２の全体にわたって延在しておらず、整流通路３２の出口側の端部では、第２層４２ｂによって整流通路３２の内壁が構成されている。

上記の例が示すように、本発明の一態様に係る「第１層」は、必ずしも整流通路の長さ方向の全体に及ぶように延在していなくてもよく、このことは、「第２層」に置き換えても同様である。換言すると、２層構造は、ダクト（通路壁部）の全体ではなく、その一部にのみ設けられていてもよい。ただし、このことは、第１層の形状維持の信頼性の確保のために、第１層とシリンダヘッドとの繋がりが第２層によって遮断されないことを条件とする。また、このことは、他の実施の形態２〜６についても同様である。

１−３−２．ダクトの２層構造の他の例
図５は、通路壁部の第１層及び第２層の他の構成例を説明するための図である。図５に示す例では、ダクト５０（通路形成部材）は、支柱部５４とともに、通路壁部５２を備えている。通路壁部５２は、図２に示すダクト３０の例とは異なり、第１層５２ａと、その径方向内側に位置する第２層５２ｂとを有する。

上記のように遮熱膜に相当する第２層５２ｂが第１層５２ａ（気層）の内側に配置された構成によっても、ダクト５０の周囲の高温の燃焼ガスから通路壁部５２の外壁（第１層５２ａの外壁）に伝えられた熱が、通路壁部５２の内壁（すなわち、整流通路３２の壁面）に伝わることを抑制できる。通路壁部の製造の容易性をも考慮すると、図２に示すダクト３０のように第２層３６ｂが径方向外側に位置する構成の方が優れている。ただし、整流通路３２の壁面温度の上昇を抑制する効果を得るという観点では、図５に示すような構成が採用されてもよい。

２．実施の形態２
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

２−１．実施の形態１に対する相違点
図６は、本発明の実施の形態２に係るダクト６０の構成を説明するための図である。本実施形態の内燃機関は、以下に説明する点において、実施の形態１の内燃機関１０と相違している。

図６に示すダクト６０は、支柱部３４とともに、通路壁部６２を備えている。通路壁部６２は、第１層６２ａと第２層６２ｂとを備えている。第１層６２ａの形状及び材質は、図２に示す第１層３６ａのそれらと同じである。一方、第２層６２ｂは、その形状に関しては図２に示す第２層３６ｂと同じであるが、その材質に関しては以下に説明するように第２層３６ｂと相違している。

具体的には、第２層６２ｂに用いられる材料の一例は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）である。ジルコニアを材料とする第２層６２ｂは、例えば溶射によって第１層６２ａの上にジルコニアの被膜を形成することによって得られる。このように材料が選定された第２層６２ｂと第１層６２ａとは、それらの材料の靱性、熱伝導率、及び単位体積当たりの熱容量に関して、次のような関係を満たしている。すなわち、靱性と熱伝導率に関しては、実施の形態１と同じであり、第１層６２ａの靱性は第２層６２ｂの靱性よりも高く、かつ、第２層６２ｂの熱伝導率は第１層６２ａの熱伝導率よりも低い。そのうえで、第２層６２ｂの単位体積当たりの熱容量は、第１層６２ａの単位体積当たりの熱容量よりも小さい。

２−２．効果
以上説明したダクト６０を備える本実施形態の内燃機関によっても、ダクト６０（通路壁部）の形状維持の信頼性の確保と、整流通路３２の壁面温度の上昇抑制とを好適に両立させることができる。そのうえで、本実施形態によれば、以下に説明する追加の課題についても解決することができる。

すなわち、ダクト３０、６０のようなダクトを利用する内燃機関では、噴孔とダクトの入口との隙間（図２、６に示す隙間Ｇがこれに相当）から、ダクトの周囲の充填空気（作動ガス）がダクトの内部（整流通路）に吸い込まれる。低熱伝導率の第２層３６ｂを備える実施の形態１のダクト３０の利用により、第１層３６ａの内壁（整流通路３２の壁面）の温度上昇を抑制することはできる。しかしながら、窒化ケイ素のように第２層３６ｂとして用いられる材料の単位体積当たりの熱容量が大きいと、ダクト３０の外壁（第２層３６ｂの外周壁）の温度が常に高くなる。その結果、ダクト３０がその周囲の充填空気を吸い込む際に、外壁によって充填空気を加熱してしまう。これにより、ダクトの利用による着火抑制効果（自着火時期を遅らせる効果）を十分に引き出せない恐れがある。

上記の追加の課題に対し、本実施形態のダクト６０（通路壁部６２）では、ダクト６０の外壁を構成する第２層６２ｂは、単位体積当たりの熱容量に関して第１層６２ａよりも小さくなるように両者の材料が選定されている。これにより、第２層６２ｂの温度は、１サイクル中に筒内ガス温度が上下することに追従して上下し易くなる。このため、第２層６２ｂの温度が常に高くなることが抑制される。したがって、本実施形態のダクト６０によれば、整流通路３２の壁面（第１層６２ａの内壁）の温度上昇を抑制する効果（実施の形態１と同様）とともに、隙間Ｇ（図６参照）を介してダクト６０に吸い込まれる充填空気の加熱が抑制される。このため、ダクト６０の利用による着火抑制効果（自着火時期を遅らせる効果）を実施の形態１と比べてより効果的に引き出せるようになる。

３．実施の形態３
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。

３−１．実施の形態２に対する相違点
図７は、本発明の実施の形態３に係るダクト７０の構成を説明するための図である。本実施形態の内燃機関は、以下に説明する点において、実施の形態２の内燃機関と相違している。

具体的には、実施の形態２では、噴孔２２の出口とダクト６０の入口（整流通路３２の入口）との間には、隙間Ｇが形成されている（図６参照）。これに対し、本実施形態では、図７に示すように、そのような隙間Ｇは設けられておらず、噴孔２２を有する先端部２０ａの外壁とダクト７０の入口（整流通路３２の入口）とは接している。付け加えると、ダクト７０の通路壁部７２は、噴孔２２の軸線Ｌ１に沿って先端部２０ａの外壁から突出している。

通路壁部７２は、第１層７２ａと第２層７２ｂとを備える。第１層７２ａの材質は実施の形態２の第１層６２ａの材質と同じであり、第２層７２ｂの材質は第２層６２ｂの材質と同じである。ただし、図７に示すように、通路壁部７２には、整流通路３２と燃焼室１２とを連通させるために、任意の数（例えば、３つ）の連通孔７４が形成されている。連通孔７４は、第１層７２ａと第２層７２ｂとを貫通している。このような連通孔７４を備えるダクト７０によれば、ダクト７０の周囲の充填ガスは、この連通孔７４を利用して、噴孔２２から噴射された燃料とともに整流通路３２に流入する。

３−２．効果
以上説明したように、本実施形態のダクト７０の第１層７２ａ及び第２層７２ｂの材質は、実施の形態２の第１層６２ａ及び第２層６２ｂの材質と同じである。このため、本実施形態のダクト７０によっても、実施の形態２と同様の効果が得られる。すなわち、整流通路３２の壁面（第１層７２ａの内壁）の温度上昇を抑制する効果とともに、連通孔７４を介してダクト７０に吸い込まれる充填ガスの加熱が抑制される。

なお、上述した実施の形態３のダクト７０は、連通孔７４を利用しているが、この連通孔７４とともに隙間Ｇを有するように配置されたダクトによっても、実施の形態２及び３と同様の効果を奏する。

４．実施の形態４
次に、図８及び図９を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。

４−１．実施の形態２に対する相違点
図８は、本発明の実施の形態４に係る圧縮自着火式内燃機関８０の燃焼室８２周りの構成を模式的に表した縦断面図である。図９は、図８中のＡ−Ａ線で通路壁部８８を切断して得られる横断面図である。本実施形態の内燃機関８０は、以下に説明する点において、実施の形態２の内燃機関と相違している。

具体的には、内燃機関８０は、燃焼室天井部８４ａを有するシリンダヘッド８４を備えている。燃焼室天井部８４ａには、図６に示す整流通路３２と同様の機能を有する整流通路８６が形成されている。換言すると、本実施形態では、整流通路８６を形成する「通路形成部材」は、シリンダヘッド８４（燃焼室天井部８４ａ）と一体化されている。

図８及び図９に示すように、燃焼室天井部８４ａは、整流通路８６の径方向外側に位置する通路壁部８８を備えている。通路壁部８８は、第１層８８ａと第２層８８ｂとを有する。第１層８８ａは、シリンダヘッド８４（燃焼室天井部８４ａ）に繋がる基部である。すなわち、第１層８８ａは、シリンダヘッド８４と一体的に形成されている。付け加えると、第１層８８ａは、燃焼室天井部８４ａの基本面８４ａ１から燃焼室１２側に突出するように形成されている。

第２層８８ｂは、第１層８８ａの径方向外側に位置している。図９に示す例では、第２層８８ｂは、燃焼室天井部８４ａの基本面８４ａ１から突出している第１層８８ａを覆うように形成されている。また、この例では、第２層８８ｂは、整流通路８６の入口側における第１層８８ａの端面８８ａ１をも覆うように形成されている。

本実施形態の通路壁部８８の第１層８８ａ及び第２層８８ｂの材質は、一例として、実施の形態２の第１層６２ａ及び第２層６２ｂの材質と同じである。また、本実施形態においても、噴孔２２の出口と整流通路８６の入口との間には、隙間Ｇが形成されている。内燃機関８０は、このような隙間Ｇに代え、或いはそれとともに、連通孔７４（図７参照）と同様の連通孔を備えていてもよい。

４−２．効果
以上説明した通路壁部８８を有する内燃機関８０によっても、ダクト６０を有する実施の形態２の内燃機関と同様の効果を奏する。また、図８に示す例では、第２層８８ｂは、整流通路８６の入口側における第１層８８ａの端面８８ａ１をも覆うように形成されている。これにより、高温の燃焼ガスから当該８８ａ１への入熱に起因して整流通路７６の壁面温度が上昇することをも抑制できる。

なお、本実施形態のダクト６０の第２層８８ｂの材料として、実施の形態１の第２層３６ｂと同じ窒化ケイ素（すなわち、熱容量に関しては上述の関係を満たさない材料の例）が用いられてもよい。そして、この例（すなわち、隙間Ｇ（図６参照）や連通孔を介してダクトに吸い込まれる充填空気の加熱の抑制効果までは求めない例）では、第２層８８ｂは、図８に示す例に代え、第１層８８ａの径方向内側に設けられてもよい。このことは、後述の実施の形態５についても同様である。

５．実施の形態５
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。

５−１．実施の形態４に対する相違点
図１０は、本発明の実施の形態５に係る圧縮自着火式内燃機関９０の燃焼室９２周りの構成を模式的に表した縦断面図である。本実施形態の内燃機関９０は、以下に説明する点において、実施の形態４の内燃機関８０と相違している。

具体的には、内燃機関９０は、燃焼室天井部９４ａを有するシリンダヘッド９４を備えている。燃焼室天井部９４ａには、図８に示す整流通路８６と同様の機能を有する整流通路９６を形成する通路形成部材９８が締結具（図示省略）によって締結されている。すなわち、本実施形態では、通路形成部材９８は、シリンダヘッド９４と別体である。通路形成部材９８は、第１層１００ａと第２層１００ｂとを有する通路壁部１００を備えている。通路壁部１００は、図８に示す通路壁部８８と同様に構成されている。付け加えると、第１層１００ａは、通路壁部１００とシリンダヘッド９４との締結面を介してシリンダヘッド９４と繋がっている。

５−２．効果
以上説明したように、本実施形態の通路壁部１００は、シリンダヘッド９４と別体の通路形成部材９８に形成されている。このような構成を有する内燃機関９０によっても、ダクト６０を有する実施の形態２の内燃機関と同様の効果を奏する。

６．実施の形態６
次に、図１１〜図１６を参照して、本発明の実施の形態６及びその変形例について説明する。

６−１．燃焼室周りの構成
図１１は、本発明の実施の形態６に係る圧縮自着火式内燃機関１１０の燃焼室１１２周りの構成を模式的に表した縦断面図である。以下、実施の形態１の内燃機関１０に対する本実施形態の内燃機関１１０の相違点を中心に説明する。

図１１に示すように、内燃機関１１０は、シリンダ１１４の内部にピストン１１６を備えている。ピストン１１６の中央部にはキャビティ１１８が形成されている。キャビティ１１８も燃焼室１１２の一部を構成する。シリンダヘッド１２０の燃焼室天井部１２０ａの中央には、燃料噴射ノズル２０が配置されている。

ピストン１１６は、その頂部に整流板１２２を備えている。整流板１２２は、ピストン１１６の頂面に構成されたキャビティ１１８との間に所定の隙間を置いてピストン１１６に固定されている。以下、図１２及び図１３も参照して、整流板１２２が固定されたピストン１１６の構成について、さらに詳しく説明する。

図１２は、図１１に示す整流板１２２が固定されたピストン１１６をその頂面の側から見下ろした図である。図１３は、図１１に示す整流板１２２周りの構成を拡大して示す図である。これらの図に示すように、整流板１２２は、キャビティ１１８を構成する面のうち、ピストン１１６の外周方向に向かって下方に傾斜した円錐面１２４を覆うように、円錐面で構成された円環形状を有している。整流板１２２は、円錐面１２４との隙間が一定となるように構成され、支柱部１２６を介してピストン１１６に固定されている。

支柱部１２６は、隣り合う燃料噴霧Ｆの間の位置において、円環形状の整流板１２２の内縁端から外縁端に向かって放射状に延びている。このような構成によれば、それぞれの燃料噴霧Ｆの下方には、整流板１２２と円錐面１２４との隙間に、外縁端側（つまりシリンダ１１４のボア壁面側）の入口１２８から内縁端側（つまりシリンダ１１４のボア中心側）の出口１３０へと連通する整流通路１３２が形成される。入口１２８及び出口１３０は、燃焼室１１２に露出している。

６−１−１．２層構造を有する整流板（通路壁部）
整流板１２２は、整流通路１３２に対して燃焼室天井部１２０ａの側に位置している。本実施形態の内燃機関１１０では、この整流板１２２が本発明の他の態様に係る「通路壁部」の一例に相当する。図１３に示すように、整流板（通路壁部）１２２は、第１層１２２ａと第２層１２２ｂとからなる２層構造である。

第１層１２２ａは、支柱部１２６を介して、ピストン１１６に繋がる基部（基層）に相当する。すなわち、整流板（通路壁部）１２２の第１層１２２ａが支柱部１２６によって支持されている。

第２層１２２ｂは、第１層１２２ａに対して燃焼室天井部１２０ａの側に位置している。より詳細には、第２層１２２ｂは、一例として、第１層１２２ａの全体を覆うように形成されている。また、第１層１２２ａ及び第２層１２２ｂの材質は、一例として、実施の形態１の第１層３６ａ及び第２層３６ｂの材質と同じである。すなわち、第１層１２２ａの靱性は第２層１２２ｂの靱性よりも高く、かつ、第２層１２２ｂの熱伝導率は第１層１２２ａの熱伝導率よりも低い。

６−２．効果
６−２−１．整流板（通路壁部）の利用による効果
まず、図１４及び図１５を参照して、整流板１２２の作用及び効果について説明する。図１４は、整流板を備えていない比較例のピストン２００を備える圧縮自着火式内燃機関の燃焼室内の空気の流れを説明するための模式図である。また、図１５は、図１１に示す整流板１２２が固定された実施の形態６のピストン１１６を備える圧縮自着火式内燃機関１１０の燃焼室１１２内の空気の流れを説明するための模式図である。

まず、比較例として、整流板１２２を備えていないピストン２００を備える内燃機関の燃焼室内の空気の流れを説明する。図１４に示すように、整流板１２２を備えていない内燃機関では、筒内ガス（より詳細には、燃焼室内の新気）が高温の既燃ガスと混ざりながら燃料噴霧Ｆの根元部分に取り込まれる。このような構成によれば、着火後の高温の既燃ガスが燃料噴霧Ｆに混ざることとなるため、噴射された燃料が逸早く自着火してしまうおそれがある。その結果、過濃燃料が燃焼することによるスモークの発生、又は後燃え期間が長期化することによる熱効率の低下が問題となる。

これに対し、本実施形態の内燃機関１１０では、上記の問題を解決するために、ピストン１１６に整流板１２２を設けることとしている。図１５に示すように、ピストン１１６の円錐面１２４と整流板１２２との間の隙間には、整流通路１３２が形成されている。燃料噴射ノズル２０から噴射された燃料噴霧Ｆは、整流板１２２の上面（燃焼室天井部１２０ａ側の表面）に沿ってキャビティ１１８内へと拡散する。この際、燃焼室１１２内の新気は、入口１２８から整流通路１３２の内部へと導入される。整流通路１３２は、整流板１２２によって燃料噴霧Ｆと隔絶されている。このため、入口１２８から整流通路１３２の内部へと導入された新気は、高温の既燃ガスと混ざることが抑制されながら出口１３０から導出される。これにより、低温を維持した新気が燃料噴霧Ｆの根元部分へと取り込まれるため、噴射された燃料が着火するまでの時間が確保される。これにより、過濃燃料が燃焼することを防ぐことができるので、スモークの発生、及び後燃え期間が長期化することによる熱効率の低下を抑制することが可能となる。

また、本実施形態の内燃機関１１０では、燃料噴霧Ｆの下側に整流通路１３２が設けられているため、出口１３０から導出された低温の新気を燃料噴霧Ｆの根元部分へと効率よく取り込ませることが可能となる。

６−２−２．整流板（通路壁部）の設置に関する課題
整流板１２２のような整流板は、燃焼室に露出している。つまり、整流板１２２は、実施の形態１のダクト３０の例と同様に、高温の燃焼ガスに晒されることによって高温になり易い環境下に配置されている。燃焼ガスからの受熱によって整流通路の壁面（整流板のピストン側の壁面）自体が高温になると、整流板を通過する新気が整流板からの受熱によって温められてしまう。その結果、着火遅れが短縮する（自着火時期を遅らせる効果が減少する）ため、燃料噴霧と充填空気との混合が不足したまま燃焼が開始される。これにより、スモークの発生を適切に抑制することが難しくなることが懸念される。

また、ダクトの例と同様に、整流板（通路壁部）に関しても、温度上昇の抑制に関する対策は、荷重又は負荷が整流板に繰り返しかかったとしても、より確実に整流板の形状を長期間にわたって維持できることを保証しつつなされることが要求される。

１−２−３．２層構造を有する整流板（通路壁部）の採用
上記の課題に鑑み、本実施形態の整流板（通路壁部）１２２では、第１層１２２ａは、支柱部１２６を介してピストン１１６に繋がる基部として構成されている。そして、この第１層１２２ａの靱性が第２層１２２ｂの靱性よりも高くなるように両者の材料が選定されている。これにより、上述の荷重又は負荷が整流板１２２に繰り返しかかったとしても、より確実に整流板１２２の形状を長期間にわたって保持できる。

そして、整流板１２２の第２層１２２ｂの熱伝導率が第１層１２２ａの熱伝導率よりも低くなるように両者の材料が選定されている。これにより、整流板１２２の周囲の高温の燃焼ガスから整流板１２２の燃焼室天井部１２０ａ側の壁（第２層１２２ｂの外壁）に伝えられた熱が、整流板１２２のピストン１１６側の壁（すなわち、整流通路１３２の壁面）に伝わることを抑制できる。このため、整流板１２２のピストン１１６側に位置する整流通路１３２を筒内ガス（新気）が通過する際に、新気の温度上昇を抑制することができる。その結果、自着火時期を遅らせる効果の減少を抑制できる。

以上のように、本実施形態の内燃機関１１０によれば、整流板１２２（通路壁部）の形状維持の信頼性の確保と、整流通路１３２の壁面温度の上昇抑制とを好適に両立させることができる。

また、第２層１２２ｂの材料として、実施の形態２の６２ｂと同様に、第１層１２２ａと比べて単位時間当たりの熱容量の小さなものが選定されてもよい。その結果、第２層１２２ｂの温度が常に高くなることを抑制できるので、整流通路１３２の壁面の温度上昇をより効果的に抑制できるようになる。

６−３．実施の形態６に関する変形例
６−３−１．通路壁部の２層構造の他の例
図１６は、整流板（通路壁部）の第１層及び第２層の他の構成例を説明するための図である。図１６に示す例では、整流板１４０（通路壁部）は、基部である第１層１４０ａと、第１層１４０ａに対してピストン１１６の側に位置する第２層１４０ｂとを有する。このように、通路壁部の２層構造の構成が変更されてもよい。

６−３−２．整流通路の他の構成例
上述した実施の形態６における整流通路１３２は、整流板１２２とキャビティ１１８との間に形成されている。しかしながら、本発明の他の態様に係るピストンの頂部に形成される「整流通路」は、上記の構成に代え、ピストンのキャビティを構成する壁部に直接的に形成された貫通孔であってもよい。この例では、２重底形状を有するキャビティの壁部のうちの燃焼室天井部側の部位が本発明の他の態様に係る「通路壁部」の一例に相当する。

７．他の実施の形態
７−１．第２層の材料の他の選定例
靱性と熱伝導率に加え、単位時間当たりの熱容量に関しても上述の関係を満たす「第２層」の他の例は、既述したジルコニア（ＺｒＯ_２）に代え、次のようなものであってもよい。すなわち、「第１層」の材料としてアルミニウム合金を使用する場合には、第１層の表面に対して陽極酸化処理を施すことにより形成されるアルマイト膜であってもよい。アルマイト膜によれば、陽極酸化処理の過程で形成される細孔を有する多孔質構造が得られるので、第２層は、第１層よりも熱伝導率及び単位体積当たりの熱容量の小さい遮熱膜として機能する。

また、「第２層」の他の例は、既述したジルコニア（ＺｒＯ_２）に代え、ジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）、シリカ（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの他のセラミックスの溶射により得られる膜であってもよい。これらの溶射膜は、溶射の過程で形成される内部気泡を有するので、アルマイト膜と同様に、第１層の材料として用いられるアルミニウム又は鉄などの金属と比べて、単位体積当たりの熱容量の小さい遮熱膜として機能する。

さらに、「第２層」の他の例は、第２層の全体として靱性、熱伝導率及び単位時間当たりの熱容量に関する上述の関係を満たす限り、次のような構造を有する断熱膜（遮熱膜）であってもよい。すなわち、この遮熱膜は、第１の断熱材及び第２の断熱材を含む。第１の断熱材は、母材（第１層）よりも低い熱伝導率及び母材よりも低い単位体積あたりの熱容量を有する。第２の断熱材は、母材以下の熱伝導率を有する。また、第１の断熱材は、第２の断熱材よりも低い熱伝導率及び第２の断熱材よりも低い単位体積あたりの熱容量を有する。そして、第１の断熱材は、中空のセラミックビーズ、中空のガラスビーズ、微細多孔構造の断熱材、シリカエアロゲル、またはこれら複数の組み合わせであり、第２の断熱材は、ジルコニア、シリコン、チタン、ジルコニウム、セラミック、セラミック繊維、またはこれら複数の組み合わせである。なお、このような構成を有する遮熱膜の詳細については、特許第５６２９４６３号に記載されている。

７−２．圧縮自着火式内燃機関の他の例
上述した実施の形態１〜６においては、圧縮自着火式内燃機関の例として、ディーゼルエンジンが用いられている。しかしながら、本発明の対象となる圧縮自着火式内燃機関は、ディーゼルエンジンに代え、例えば、ガソリンを燃料として用いる予混合圧縮自着火式内燃機関であってもよい。

７−３．２層よりも多い多層構造の例
本発明に係る整流通路の通路壁部は、本発明に係る「第１層」及び「第２層」を含むものであれば、上述した実施の形態１〜６のような２層構造に限られず、３層以上の多層構造を有してもよい。すなわち、例えば、通路壁部は、「第１層」と「第２層」との間に中空層を有する３層構造を有してもよい。また、通路壁部は、例えば、通路壁部の靱性を上げるために、或いは伝熱量を下げるために、「第１層」と「第２層」との間、「第１層」における「第２層」と反対側、又は、「第２層」における「第１層」と反対側に、異なる材質の第３層を有してもよい。このような第３層の例には、第１層と第２層との接合を強固にしたり又は第１層に対する第２層のコーティングを強固にしたりするための部材を有する層が含まれる。

７−４．通路壁部の他の例
本発明の対象となり、かつ、シリンダヘッドに繋がる第１層を有する「通路壁部」には、上述した実施の形態１〜５とは異なり、隙間Ｇ（図２参照）及び連通孔７４（図７参照）の何れも有しない通路壁部も含まれる。すなわち、このような通路壁部を対象として、整流通路の壁面温度の上昇を抑制するために、「第１層」及び「第２層」を含むように通路壁部が構成されてもよい。

以上説明した各実施の形態に記載の例及び他の各変形例は、明示した組み合わせ以外にも可能な範囲内で適宜組み合わせてもよいし、また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形してもよい。

１０、８０、９０、１１０ 圧縮自着火式内燃機関
１２、８２、９２、１１２ 燃焼室
１４、８４、９４、１２０ シリンダブロック
１６、１１６ ピストン
１８ シリンダヘッド
１８ａ、８４ａ、９４ａ、１２０ａ 燃焼室天井部
２０ 燃料噴射ノズル
２０ａ 燃料噴射ノズルの先端部
２２ 燃料噴射ノズルの噴孔
３０、４０、５０、６０、７０ ダクト
３２、７６、８６、９６ 整流通路
３４、５４、１２６ 支柱部
３６、４２、５２、６２、７２、８８、１００ 通路壁部
３６ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａ、７２ａ、８８ａ、１００ａ、１２２ａ、１４０ａ 第１層
３６ｂ、４２ｂ、５２ｂ、６２ｂ、７２ｂ、８８ｂ、１００ｂ、１２２ｂ、１４０ｂ 第２層
７４ 連通孔
９８ 通路形成部材
１１８ ピストンのキャビティ
１２２、１４０ 整流板
１２４ キャビティの円錐面
１３２ 整流通路

Claims (9)

1. 燃焼室に露出する先端部に設けられた噴孔を有する燃料噴射ノズルと、
   前記噴孔から噴射された燃料が通過する整流通路を形成する通路形成部材と、
   を備え、
   前記通路形成部材は、前記整流通路の径方向外側に位置する通路壁部を含み、
   前記通路壁部は、シリンダヘッドに繋がる基部である第１層と、前記第１層の径方向外側又は内側に位置する第２層とを含み、
   前記第１層の靱性は、前記第２層の靱性よりも高く、
   前記第２層の熱伝導率は、前記第１層の熱伝導率よりも低い
   ことを特徴とする圧縮自着火式内燃機関。
2. 前記第２層は、前記第１層の径方向外側に位置している
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧縮自着火式内燃機関。
3. 前記噴孔の出口と前記整流通路の入口との間には、隙間が形成されており、
   前記第２層の単位体積当たりの熱容量は、前記第１層の単位体積当たりの熱容量よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮自着火式内燃機関。
4. 前記通路壁部には、前記整流通路と前記燃焼室とを連通させる連通孔が形成されており、
   前記第２層の単位体積当たりの熱容量は、前記第１層の単位体積当たりの熱容量よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の圧縮自着火式内燃機関。
5. 前記通路形成部材は、前記通路壁部と、前記第１層と前記シリンダヘッドとを繋ぐ支柱部と、を含み、
   前記通路壁部は、前記第１層と前記第２層からなり、かつ、筒状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の圧縮自着火式内燃機関。
6. 前記通路形成部材は、前記シリンダヘッドと一体的に形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の圧縮自着火式内燃機関。
7. 前記通路形成部材は、前記シリンダヘッドの燃焼室天井部に締結されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の圧縮自着火式内燃機関。
8. 燃焼室天井部の中央において燃焼室に露出する先端部に設けられた噴孔を有する燃料噴射ノズルと、
   シリンダの内部に配置され、筒内ガスが通過する整流通路が形成された頂部を有するピストンと、
   を備え、
   前記整流通路は、前記シリンダのボア壁面側において前記燃焼室に露出する入口からボア中心側において前記燃焼室に露出する出口に向かって連通し、
   前記ピストンは、前記整流通路に対して前記燃焼室天井部の側に位置する通路壁部を含み、
   前記通路壁部は、前記ピストンに繋がる基部である第１層と、前記第１層に対して前記ピストンの側又は前記燃焼室天井部の側に位置する第２層とを含み、
   前記第１層の靱性は、前記第２層の靱性よりも高く、
   前記第２層の熱伝導率は、前記第１層の熱伝導率よりも低い
   ことを特徴とする圧縮自着火式内燃機関。
9. 前記第２層の単位体積当たりの熱容量は、前記第１層の単位体積当たりの熱容量よりも小さい
   ことを特徴とする請求項８に記載の圧縮自着火式内燃機関。

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