(57)【要約】【課題】冷却損失の低減を図ることが可能なエンジンの燃焼室構造を提供する。【解決手段】エンジンの燃焼室構造は、燃焼室６を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、前記燃焼室壁面のうち径方向Ａに拡がりをもつピストン５の冠面５０に形成され、燃焼室６の径方向Ａへ放射状に延びる複数の微細溝２０とを備える。冠面５０のキャビティ５Ｃを除く基準面５１は、キャビティ５Ｃの存在位置に近い径方向Ａの内側の第１環状領域Ｒ１と、第１環状領域Ｒ１よりも径方向Ａの外側の第２環状領域Ｒ２とに区分される。第１環状領域Ｒ１には、微細溝２０が形成される。一方、第２環状領域Ｒ２は、微細溝２０が形成されない平面とされている。【選択図】図１２
2018087507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、冠面の径方向中央部分に凹没したキャビティを備えるピストンと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、
前記燃焼室壁面に形成され、前記燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝と、を備え、
前記微細溝は、前記燃焼室壁面のうち、前記燃焼室の径方向に拡がりをもつ径方向壁面に形成されるものであって、
前記径方向壁面は、少なくとも前記燃焼室の前記キャビティの存在位置に近い径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域よりも径方向外側の第２環状領域とを含み、
前記第１環状領域に前記微細溝が形成され、前記第２環状領域は前記微細溝が形成されない平面である、エンジンの燃焼室構造。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記径方向壁面は、前記ピストンの前記冠面であり、
前記第１環状領域は、前記キャビティの開口縁から径方向外側に向けて所定幅を有する領域であり、
前記第２環状領域は、前記第１環状領域の径方向外側の縁部から前記冠面の外周縁に至る領域である、エンジンの燃焼室構造。
【請求項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、
前記微細溝の溝幅は、２μｍ〜２５０μｍの範囲から選ばれる、エンジンの燃焼室構造。
【請求項４】
請求項３に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記微細溝の溝幅をＳとし、溝高さをｈとするとき、Ｓ≧ｈの関係を満たす、エンジンの燃焼室構造。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記燃焼室は、当該燃焼室内において少なくともスキッシュ方向及びスワール方向の筒内ガス主流が生じる構造を有し、
前記筒内ガス主流の速度ベクトルを、円周方向に配向する円周方向成分と径方向内側へ向かう径方向成分とで表す場合に、
前記第１環状領域は、前記径方向成分が支配的な領域であり、
前記第２環状領域は、前記円周方向成分が支配的な領域である、エンジンの燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの熱効率を向上させるための技術として、特許文献１には、ピストンの冠面に複数のディンプル（半球面状の凹部）が形成されたエンジンの燃焼室構造が開示されている。特許文献１に係る燃焼室構造によれば、燃料燃焼時にディンプル内に空気が留まることにより、この空気が断熱層の役割を果たす。このため、ピストンを介した熱損失が低減され、熱効率の向上を図ることができるとされている。しかし、上記ディンプル内に空気を留めるためには、ディンプルは、燃料噴射弁からの噴射燃料が直接当たらない位置に設けられる必要がある。このため、特許文献１の図２に示されるように、ディンプルが形成される領域は狭い領域に限定されており、熱効率の向上が十分とは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−９４４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、熱損失低減の異なるアプローチとして、燃焼室を区画する燃焼室壁面に、筒内ガスの主流（スキッシュ流等）方向に沿って延びる複数の微細溝を形成することが考えられる。前記主流は、主流方向を回転方向とする縦渦（副流）を伴うが、この縦渦（以下、渦流と称す）が前記微細溝の頂部に留まるようになる。これにより、前記渦流が燃焼室壁面から離間され、燃焼室壁面を通した放熱（冷却損失）が抑制される。しかしながら、例えばスキッシュ方向に単に微細溝を形成しただけでは、十分に冷却損失を抑制できない場合がある。
【０００５】
本発明の目的は、燃焼室壁面に形成する微細溝構造をより適正化することで、冷却損失の一層の低減を図ることが可能なエンジンの燃焼室構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、シリンダと、冠面の径方向中央部分に凹没したキャビティを備えるピストンと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、前記燃焼室壁面に形成され、前記燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝と、を備え、前記微細溝は、前記燃焼室壁面のうち、前記燃焼室の径方向に拡がりをもつ径方向壁面に形成されるものであって、前記径方向壁面は、少なくとも前記燃焼室の前記キャビティの存在位置に近い径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域よりも径方向外側の第２環状領域とを含み、前記第１環状領域に前記微細溝が形成され、前記第２環状領域は前記微細溝が形成されない平面であることを特徴とする。
【０００７】
一般に、エンジンの燃焼室には、当該燃焼室の周方向に向かう筒内ガス主流（スワール流）と、径方向内側に向かう筒内ガス主流（スキッシュ流）とが生じる。スキッシュ流は、ピストンが上死点付近に位置するときに強く発生する。とりわけ、ピストン冠面の径方向中央部分にキャビティが存在している場合、燃焼室内における前記キャビティの周辺でスキッシュ流の流速が大きくなる。その一方で、燃焼室の径方向外側領域においては、スワール流の影響を受け、筒内ガス主流の全体的な流動としては燃焼室の周方向に向かう成分が多くなる傾向がある。
【０００８】
上記の傾向に鑑み、上記の燃焼室構造では、燃焼室の径方向壁面を、キャビティの存在位置に近い径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域よりも径方向外側の第２環状領域とに区分する。そして、前記第１環状領域には放射状に延びる複数の微細溝を形成し、前記第２環状領域は前記微細溝が形成されない平面とする。これにより、前記第１環状領域においては、前記微細溝によってスキッシュ流の渦流を径方向壁面から離間させ、前記渦流から前記径方向壁面への熱伝達を抑制し、燃焼室の冷熱損失を抑制することができる。これに対し、前記第２環状領域に前記微細溝を設けた場合、スワール方向に向かう筒内ガス主流の流動と前記微細溝とがなす角度は大きくなってしまう。この場合、前記冷熱損失の抑制効果は低減し、むしろ前記流動が含む渦流が前記微細溝の凹凸に吹き当たることで、前記径方向壁面への熱伝達が促進されかねない。しかしながら上記の燃焼室構造では、前記第２環状領域は平面とされているので、前記渦流の前記微細溝への吹き当たりが生じることはない。
【０００９】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記径方向壁面は、前記ピストンの前記冠面であり、前記第１環状領域は、前記キャビティの開口縁から径方向外側に向けて所定幅を有する領域であり、前記第２環状領域は、前記第１環状領域の径方向外側の縁部から前記冠面の外周縁に至る領域であることが望ましい。
【００１０】
この燃焼室構造によれば、ピストン冠面のキャビティに近い領域においては、微細溝によってスキッシュ流の渦流を冠面から離間させることができる。一方、前記冠面の外周縁に近い領域においては、前記渦流の前記微細溝への吹き当たりが生じないようにすることができる。
【００１１】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記微細溝の溝幅は、２μｍ〜２５０μｍの範囲から選ばれることが望ましい。
【００１２】
この燃焼室構造によれば、前記微細溝の溝幅サイズが適正化される。溝幅が２μｍよりも小さいと、径方向壁面が平面に近くなり、前記スキッシュ流の前記渦流を前記径方向壁面から離間させ難くなる。一方、溝幅が２５０μｍを超過すると、前記渦流が溝内に入り込み易くなり、やはり前記渦流を前記径方向壁面から離間させ難くなる。
【００１３】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記微細溝の溝幅をＳとし、溝高さをｈとするとき、Ｓ≧ｈの関係を満たすことが望ましい。
【００１４】
前記渦流を径方向壁面からなるべく離間させるには、溝高さを高くすれば良いことになるが、過度にこれを高くすると径方向壁面の表面積が大きくなりすぎる。この場合、表面積の増加に伴う放熱性向上が、前記渦流を燃焼室壁面から離間させる効果に勝ってしまう。しかし、上記の燃焼室構造によれば、微細溝の形成による径方向壁面の表面積増加と、前記渦流を前記径方向壁面から離間させることによる熱伝導抑制の効果とのバランスを取ることができる。
【００１５】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記燃焼室は、当該燃焼室内において少なくともスキッシュ方向及びスワール方向の筒内ガス主流が生じる構造を有し、前記筒内ガス主流の速度ベクトルを、円周方向に配向する円周方向成分と径方向内側へ向かう径方向成分とで表す場合に、前記第１環状領域は、前記径方向成分が支配的な領域であり、前記第２環状領域は、前記円周方向成分が支配的な領域であることが望ましい。
【００１６】
この燃焼室構造によれば、筒内ガス主流の速度ベクトルの径方向成分が支配的な領域（第１環状領域）には、燃焼室の径方向へ放射状に延びる微細溝が形成されるので、この微細溝に沿って流動する筒内ガス主流（スキッシュ流）の渦流を、径方向壁面から遠ざけることができる。一方、円周方向成分が支配的な領域（第２環状領域）は、平面とされるので、円周方向へ流動する筒内ガス主流（スワール流）の渦流と微細溝との干渉を未然に防止することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃焼室構造によれば、燃焼室壁面に形成する微細溝構造を適正化し、エンジンの冷却損失の一層の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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】図２は、図１に示された燃焼室付近を示す断面図である。
【図３】図３は、図１に前記燃焼室をシリンダヘッド側から見た平面図である。
【図４】図４（Ａ）は、前記燃焼室内においてピストンの冠面上で発生するスキッシュ流を説明するための模式図、図４（Ｂ）は、スキッシュ流の態様を示す模式図である。
【図５】図５（Ａ）は、前記燃焼室内においてピストンの冠面上で発生するスワール流を説明するための模式図、図５（Ｂ）は、スワール流の態様を示す模式図である。
【図６】図６は、比較例に係る微細溝パターンが形成された、ピストンの冠面を示す平面図である。
【図７】図７（Ａ）は、燃焼室壁面が平坦な場合における、スキッシュ流の縦渦（渦流）と当該燃焼室壁面との位置関係を示す図、図７（Ｂ）は、燃焼室壁面に微細溝が形成されている場合における、前記渦流と当該燃焼室壁面との位置関係を示す図である。
【図８】図８は、燃焼室内の筒内ガス主流の流動方向分布を示す平面図である。
【図９】図９は、筒内ガス主流と微細溝との交差状況を示す模式図である。
【図１０】図１０は、ピストン冠面の平面図である。
【図１１】図１１は、筒内ガス主流の速度ベクトルと径方向位置との関係を示す模式図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態に係る微細溝パターンが採用された、ピストンの冠面を示す平面図である。
【図１３】図１３は、本実施形態の微細溝パターンを説明するための模式図である。
【図１４】図１４は、微細溝の模式的な断面図である。
【図１５】図１５は、微細溝による冷却損失低減効果を示すグラフであって、微細溝の無次元溝幅と冷却損失低減率との関係を示すグラフである。
【図１６】図１６は、本実施形態の変形例に係る微細溝パターンを説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［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、図２は、図１に示す燃焼室付近を拡大して示す断面図、図３は、図１に前記燃焼室をシリンダヘッド側から見た平面図である。ここに示されるエンジンは、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往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。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。エンジン本体１に供給される燃料は、本実施形態では、ガソリンを主成分とするものである。
【００２０】
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。
【００２１】
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。図３に示す通り、本実施形態のエンジンは、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンである。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ともに、吸気バルブ１１および排気バルブ１２も２つずつ設けられている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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が各気筒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。
【００２７】
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。
【００２８】
［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６０である。これら冠面５０及び燃焼室天井面６０が、燃焼室６を区画する燃焼室壁面のうち、燃焼室６の径方向に拡がりをもつ径方向壁面である。燃焼室天井面６０は、シリンダヘッド４の底面４ａ、２つの吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃ及び２つの排気バルブ１２のバルブ面１２ｃによって構成されている。燃焼室天井面６０は、上向きに凸の緩やかな曲面形状を有している。
【００２９】
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。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は、シリンダヘッド４の底面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６０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。
【００３０】
図３に示されるように、弁体１１ａが開閉する吸気側開口部４１と弁体１２ａが開閉する排気側開口部４２とは、燃焼室天井面６０に、その周方向に並んで開口している。２つの吸気側開口部４１と２つの排気側開口部４２とは、燃焼室６の天井面６０の中心を通る直線ｕ２を挟んで両側に設けられている。図３の例では、２つの吸気側開口部４１（弁体１１ａ）は、燃焼室天井面６０の直線ｕ２の左側に設けられており、２つの排気側開口部４２（弁体１２ａ）は、燃焼室天井面６０の直線ｕ２の右側に設けられている。
【００３１】
冠面５０は、燃焼室天井面６０と上下方向に対向する面であり、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の径方向中央部分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６０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である。基準面５１と燃焼室天井面６０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。
【００３２】
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である。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。
【００３３】
エンジン本体１における吸気工程、圧縮工程、膨張工程及び排気工程において、燃焼室６内には筒内ガスの流れが発生する。筒内ガスの流れの向きや形態は、燃焼室６の形状、燃焼室６内の圧力や温度等により様々に変化するが、モデル化すると、スキッシュ方向、スワール方向及びタンブル方向の筒内ガス主流に区分することができる。本実施形態に係る燃焼室６は、圧縮／膨張工程時において、少なくともスキッシュ方向の筒内ガス主流（スキッシュ流）及びスワール方向の筒内ガス主流（スワール流）が生じる構造を有する燃焼室である。
【００３４】
図４（Ａ）は、燃焼室６内においてピストン５の冠面５０上で発生するスキッシュ流３０を説明するための模式的な平面図である。燃焼室６内には、スキッシュ流３０として、正スキッシュ流ＳＱと逆スキッシュ流ＲＳＱとが生じる。圧縮工程においては、冠面５０の外周縁５４から径方向内側に向かい、キャビティ５Ｃに至る正スキッシュ流ＳＱが生じる。一方、膨張工程では、キャビティ５Ｃから径方向外側に向かい、外周縁５４に至る逆スキッシュ流ＲＳＱが生じる。
【００３５】
図４（Ｂ）は、スキッシュ流３０の態様を示す模式図である。スキッシュ流３０は、主流３１と、この主流３１に伴う副流である渦流３２とを含む。主流３１は、スキッシュ方向に向かうガス流である。渦流３２は、主流３１の進行軸の軸回りに旋回する縦渦である。この渦流３２には、熱を輸送する性質が強いという特徴がある。
【００３６】
図５（Ａ）は、燃焼室６内においてピストン５の冠面５０上で発生するスワール流３３を説明するための模式的な平面図である。燃焼室６内に生じるスワール流３３は、燃焼室６の中心軸（軸線ｕ１）回りに一方向に旋回する主流である。図５（Ｂ）は、スワール流３３の態様を示す模式図である。スワール流３３は、主流３４と、この主流３４に伴う副流である渦流３５とを含む。主流３４は、スワール方向に向かうガス流であり、冠面５０の円周方向に進行する。渦流３５は、主流３４の進行軸の軸回りに旋回する渦であり、同様に熱を輸送する性質が強い。
【００３７】
［微細溝の利点及び問題点］
上述の通り、渦流３２が熱輸送の性質を有することから、スキッシュ流３０が燃焼室壁面、つまりピストン５の冠面５０に近接する位置を通過すると、渦流３２と冠面５０との間における熱エネルギーの授受（熱伝達）が活発となってしまう。このような熱伝達は、燃焼室６内の熱が燃焼室壁面を通して放熱されてしまう冷却損失に繋がり、エンジンの熱効率を低下させる。
【００３８】
この問題の解決手段として、燃焼室６を区画する燃焼室壁面に、筒内ガスの主流方向に沿って延びる複数の微細溝を形成する方法がある。図６は、スキッシュ方向に延びる微細溝２００が形成された、ピストン５の冠面５０を示す平面図である。冠面５０の、キャビティ５Ｃを除くスキッシュエリア（基準面５１）には、ピストン５の径方向中心から放射状に延びる複数の微細溝２００が設けられている。図６では、図示簡略化のため複数の微細溝２００が粗に配列されているが、実際は溝同士が隣接する程度に密に配列される。
【００３９】
このような微細溝２００を形成することの利点を図７（Ａ）、（Ｂ）に基づき説明する。図７（Ａ）は比較例であり、燃焼室壁面（例えば冠面５０）が平坦な場合における、スキッシュ流３０の渦流３２と当該燃焼室壁面との位置関係を示す図である。燃焼室壁面が平坦であると、渦流３２は燃焼室壁面に接近することが可能となり、これに伴い両者間で熱伝達が行われ易くなる。このため、燃焼室６内の熱が前記燃焼室壁面を通して外部に放熱され易くなる。
【００４０】
一方、図７（Ｂ）は、燃焼室壁面（冠面５０）に微細溝２００が形成されている場合における、渦流３２と冠面５０との位置関係を示す図である。微細溝２００は、断面Ｕ字状の溝であり、その溝幅Ｓは、スキッシュ流３０の渦流３２の渦スケールＤ（直径）よりも小さく設定されている。このような微細溝２００が冠面５０に設けられていることで、渦流３２（乱流）は微細溝２００に入り込むことができず、微細溝２００の頂部に留まるようになる。つまり、図７（Ａ）のように平坦な燃焼室壁面の場合に比べて、渦流３２が燃焼室壁面（冠面５０）から離間されるようになる。従って、渦流３２と冠面５０との間において熱伝達は行われ難くなり、冠面５０を通した放熱が抑制される。
【００４１】
しかしながら、本発明者らの検討によれば、冠面５０にスキッシュ方向へ放射状に延びる微細溝２００を単に形成しただけでは、十分に冷却損失を抑制できない場合があることが判明した。換言すると、微細溝の形成パターンを工夫することで、より熱効率を向上させる余地があることが判明した。
【００４２】
図８は、燃焼室６内の筒内ガス主流Ｑ（Ｑ１〜Ｑ４）の流動方向分布の一例を示す平面図である。図中の矢印は、冠面５０の各位置における筒内ガス主流Ｑの流動方向を示している。既述の通り、燃焼室６には、当該燃焼室の周方向に向かう筒内ガス主流（スワール流３３）と、径方向内側に向かう筒内ガス主流（スキッシュ流３０）とが生じる。スキッシュ流３０は、ピストン５が上死点付近に位置するときに強く発生する。とりわけ、本実施形態のように冠面５０の径方向中央部分にキャビティ５Ｃが存在している場合、このキャビティ５Ｃの開口縁５２付近でスキッシュ流３０の流速が大きくなる。その一方で、燃焼室６の径方向外側領域においては、スワール流３３の影響を受け、筒内ガス主流の全体的な流動としては燃焼室６の円周方向に向かう成分が多くなる傾向がある。
【００４３】
図８に示す筒内ガス主流Ｑの流動方向分布は、上記の傾向を良く示している。図８には、冠面５０の径方向中心から径方向Ａの外側に延びる直線Ｌと、径方向Ａの各点における筒内ガス主流Ｑ（Ｑ１〜Ｑ４）とがなす角α（α１〜α４）が示されている。図９は、筒内ガス主流Ｑと微細溝２００との交差状況を示す模式図である。微細溝２００は径方向Ａに放射状に延びているので、直線Ｌと筒内ガス主流Ｑとがなす角αは、微細溝２００と筒内ガス主流Ｑとがなす角αでもある。
【００４４】
先ず、径方向Ａの外側付近の筒内ガス主流Ｑ１は、スワール流３３の影響を強く受け、概ね円周方向へ流動している。このため、直線Ｌと筒内ガス主流Ｑ１とがなす角α１は、比較的大きな角度となっている。これに対し、筒内ガス主流Ｑ１よりも径方向Ａ内側の筒内ガス主流Ｑ２は、Ｑ１よりも径方向Ａを指向している。このため、直線Ｌと筒内ガス主流Ｑ２とがなす角α２は、α１よりも小さい。同様に、筒内ガス主流Ｑ２よりも径方向Ａ内側の筒内ガス主流Ｑ３は、Ｑ２よりも径方向Ａを指向し、直線Ｌと筒内ガス主流Ｑ３とがなす角α３は、α２よりも小さい。径方向Ａの最も内側付近の筒内ガス主流Ｑ４は、筒内ガス主流Ｑ３よりもさらに径方向Ａを指向しており、直線ＬとＱ４とがなす角α４は最も小さい。すなわち、直線Ｌと筒内ガス主流Ｑ１〜Ｑ４とがなす角α１〜α４は、
α１＞α２＞α３＞α４
の関係となる。
【００４５】
図１０及び図１１を参照して、図８に示した筒内ガス主流Ｑ１〜Ｑ４の速度ベクトルについて説明する。図１０は、ピストン５の冠面５０の平面図であり、筒内ガス主流Ｑ１〜Ｑ４の径方向位置Ｐ１〜Ｐ４を模式的に示している。径方向位置Ｐ１は、径方向Ａの外側付近の筒内ガス主流Ｑ１の位置を示している。径方向位置Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、それぞれ順次径方向内側に位置する筒内ガス主流Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の位置を示している。
【００４６】
図１１は、筒内ガス主流Ｑ１〜Ｑ４の速度ベクトルと径方向位置Ｐ１〜Ｐ４との関係を示す模式図である。筒内ガス主流Ｑ１〜Ｑ４の各速度ベクトルは、円周方向に配向する円周方向成分と、径方向内側へ向かう径方向成分とからなる。大略的に、円周方向成分はスワール方向成分、径方向成分はスキッシュ方向成分ということができる。最も径方向外側の径方向位置Ｐ１における筒内ガス主流Ｑ１は、円周方向成分が径方向成分に比べてかなり大きい。つまりＱ１は、スワール方向成分が支配的であって、スワール方向への指向性が高い。従って、筒内ガス主流Ｑ１の速度ベクトルは、径方向Ａに延びる直線Ｌに対して直交に近い角度（α１）で交差する。径方向位置Ｐ１よりも径方向内側の径方向位置Ｐ２における筒内ガス主流Ｑ２の速度ベクトルは、Ｑ１と比較して、円周方向成分が小さく、径方向成分が大きい。但し、Ｑ２の円周方向成分が径方向成分に比べて大きく、スワール方向成分が支配的であることは、Ｑ１と同じである。
【００４７】
一方、径方向位置Ｐ２よりも径方向内側の径方向位置Ｐ３における筒内ガス主流Ｑ３の速度ベクトルは、円周方向成分よりも径方向成分がやや大きい。そして、径方向Ａの最も内側の径方向位置Ｐ４における筒内ガス主流Ｑ４の速度ベクトルは、径方向成分が円周方向成分に比べてかなり大きくなっている。つまり、スキッシュ方向成分が支配的であって、スキッシュ方向への指向性が高い。従って、筒内ガス主流Ｑ４の速度ベクトルは、直線Ｌに対して最も平行に近い角度（α４）で交差する。
【００４８】
直線Ｌと筒内ガス主流Ｑとがなす角αが比較的小さい角α４、α３である筒内ガス主流Ｑ４、Ｑ３は、概ね微細溝２００が延びる方向に流動する。この場合、図７（Ｂ）に示した微細溝２００の作用により、筒内ガス主流Ｑ４、Ｑ３（スキッシュ流３０）の渦流３２を冠面５０から離間させ、燃焼室６の冷熱損失を抑制することができる。しかしながら、図９に示すように、直線Ｌと筒内ガス主流Ｑとがなす角が比較的大きい角α１、α２である筒内ガス主流Ｑ１、Ｑ２の場合、微細溝２００となす角度も大きくなってしまう。この場合、前記冷熱損失の抑制効果は低減し、むしろ渦流３２が微細溝２００の凹凸に吹き当たることで、冠面５０への熱伝達が促進されかねない。
【００４９】
［微細溝パターンの実施形態］
図１２は、本実施形態に係る微細溝パターンが採用された、ピストン５の冠面５０を示す平面図である。図１２では、燃焼室６（冠面５０）の径方向を矢印Ａ、円周方向を矢印Ｂで示している。冠面５０（燃焼室壁面／径方向壁面）には、基準面５１の内側領域において、燃焼室６の径方向Ａの中心側から外側へ放射状に延びる複数の微細溝２０が設けられている。微細溝２０の放射中心は冠面５０の径方向中心Ｏである。
【００５０】
冠面５０は、径方向Ａの内側から外側に向けて、２つの円環状の領域、第１環状領域Ｒ１と第２環状領域Ｒ２とに区分されている。第１環状領域Ｒ１は、冠面５０（基準面５１）においてキャビティ５Ｃの存在位置に近い径方向Ａの内側領域である。第２環状領域Ｒ２は、第１環状領域Ｒ１よりも径方向外側に位置する外側領域である。具体的には、第１環状領域Ｒ１は、キャビティ５Ｃの開口縁５２から径方向外側に向けて所定幅を有する領域である。図１２では、基準面５１の径方向幅の全長の約半分の長さの幅を第１環状領域Ｒ１は有している。そして、第２環状領域Ｒ２は、第１環状領域Ｒ１の径方向外側の縁部から冠面５０の外周縁５４に至る領域である。
【００５１】
第１環状領域Ｒ１には、径方向Ａ（スキッシュ方向）に延びる多数の微細溝２０が配置されている。多数の微細溝２０は、第１環状領域Ｒ１の内周縁から外周縁にかけて、放射線状に延びている。なお、図１２では、微細溝２０が第１環状領域Ｒ１の一部に刻設されているように描かれているが、これは図示簡略化のためであり、実際は微細溝２０が第１環状領域Ｒ１の全域に刻設されている。
【００５２】
これに対し、第２環状領域Ｒ２は平面である。すなわち、第２環状領域Ｒ２には微細溝２０に相当する凹凸が形成されていない平面とされている。ここで、「平面」とは、微細溝２０が形成されていない意味においての平面であり、比較的大きな凹凸が、第２環状領域Ｒ２に存在していても良い。例えば、冠面５０には、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２との干渉を防止するためにバルブリセス（弁体１１ａ、１２ａを受け入れる凹部）が凹設されることがある。第２環状領域Ｒ２は、その表面に微細溝２０が形成されていない限りにおいて、上記のような凹部が形成されていても良い。
【００５３】
ここで、第１環状領域Ｒ１は、筒内ガス主流の速度ベクトルの径方向成分が支配的な領域である。例えば、先に図１１に基づいて説明した、スキッシュ方向への指向性が高い筒内ガス主流Ｑ４、Ｑ３が存在する、径方向位置Ｐ４、Ｐ３に相当する領域である。一方、第２環状領域Ｒ２は、筒内ガス主流の速度ベクトルの円周方向成分が支配的な領域である。図１１の例では、スワール方向への指向性が高い筒内ガス主流Ｑ１、Ｑ２が存在する、径方向位置Ｐ１、Ｐ２に相当する領域である。このように、第１、第２環状領域Ｒ１、Ｒ２の境界は、速度ベクトルの径方向成分が支配的であるか否か、換言するとスキッシュ方向への指向性が高い領域であるか否かに基づいて設定することができる。
【００５４】
図１３は、本実施形態に係る微細溝パターンを説明するための模式図であり、第１環状領域Ｒ１に形成される微細溝２０を平面的に示した図である。図１４は、微細溝２０の断面形状を示している。図１３には、図１２に示した径方向Ａ及び円周方向Ｂに各々対応する矢印Ａ、Ｂが記載されている。また、第２環状領域Ｒ２には微細溝２０が形成されないことを示すため、第１環状領域Ｒ１には（平面）とだけ記述されている。
【００５５】
微細溝２０は、所定長の溝幅Ｓを有する、断面Ｖ字型の溝である。微細溝２０は、Ｖ字溝の開口縁である一対の頂部２０１と、Ｖ字溝の最深部である谷部２０２と、一対の頂部２０１と谷部２０２との間に存在する一対の傾斜面２０３とからなる。一対の傾斜面２０３がなす角度θは、例えば６０°に設定することができる。図１３では、頂部２０１を太線で、谷部２０２を細線で描いている。これは、両者の識別を容易にするためであり、頂部２０１及び谷部２０２の実際の幅を示すものではない。なお、微細溝２０の形状は適宜選択することができ、図７（Ｂ）に示したような断面Ｕ字型の溝、或いは断面矩形型の溝等であっても良い。
【００５６】
複数の微細溝２０は、円周方向Ｂに所定の配列ピッチＰで配置されている。ここで、図１４に示すように、微細溝２０の溝幅Ｓと微細溝２０の配列ピッチＰとが実質的に同じとされていることが望ましい。すなわち、隣り合う微細溝２０が、その頂部２０１同士が隣接（接合）するように、円周方向Ｂに配列されていることが望ましい。この場合、微細溝２０の延伸方向と直交する断面視（図１４）において、隣り合う微細溝２０間に頂部２０１同士の接合部からなる尖った山部が存在する構造、つまり、微細溝２０間には平面部が実質的に存在しない構造となる。このような構造とすれば、渦流３２が対峙できる平面が存在しなくなるので、より冷熱損失の低減効果を高めることができる。
【００５７】
但し、微細溝２０は径方向外側へ放射状に延出する溝であるため、溝幅が一定であれば、一対の微細溝２０間には径方向外側へ向かうに連れて広幅となる平面部が形成されるようになる。図５に示したように、冠面５０の径方向中心Ｏから単純に放射状に延びる複数の微細溝２００を形成した場合、冠面５０の径方向外側領域では微細溝２０間の平面が相当広くなり、渦流３２が接近できる平面が実質的に形成され得る。しかし、本実施形態では、微細溝２０は径方向内側の第１環状領域Ｒ１にのみ設けられるので、微細溝２０間に過度に広い平面が形成されることはない。
【００５８】
換言すると、径方向に一定幅を有する複数の微細溝２０を、所定のピッチで配列できる範囲内を、第１環状領域Ｒ１と定めることが望ましい。例えば、第１環状領域Ｒ１の内周縁においては、図１４に示したような溝幅Ｓ≒配列ピッチＰで微細溝２０を配置する。そして、第１環状領域Ｒ１の外周縁は、例えば２Ｓ≒Ｐ以下程度の平面部、つまり微細溝２０間に溝幅Ｓに相当する幅以下の平面部が形成される径方向位置に定める。これにより、渦流３２が対峙して熱伝導を行ってしまう平面が、第１環状領域Ｒ１に形成されないようにすることができる。
【００５９】
微細溝２０は、様々な加工方法にて冠面５０の第１環状領域Ｒ１に形成することができる。例えば、第１環状領域Ｒ１にレーザー加工を施して微細溝２０を刻設する方法、微細溝構造を表面に備えたローラーを第１環状領域Ｒ１に押圧、転動させることによって微細溝２０を刻設する方法、あるいは、ピストン５を成型する鋳型の内面に微細溝構造を設けておく方法、等を挙げることができる。
【００６０】
ピストン５の表面に遮熱層が設けられる場合がある。例えば、アルミニウム合金ＡＣ８Ａなどの金属製母材にて鋳造されたピストン５の冠面５０に、遮熱層として耐熱性シリコーン樹脂が施工される。この遮熱層により、燃焼室６の熱損失が抑制される。この場合、前記遮熱層の第１環状領域Ｒ１に相当する領域に微細溝２０が形成される。前記金属製母材に遮熱層が施工された後、上述のレーザー加工或いは微細溝構造付きローラーによって前記遮熱層に微細溝２０が刻設される。あるいは、前記遮熱層の形成用として内面に微細溝構造を有する鋳型を準備し、当該鋳型に前記金属製母材を収容して前記遮熱層材料を注型することによって、微細溝２０付きの遮熱層が施工される。
【００６１】
［溝幅の決定方法］
続いて、燃焼室６の冷却損失の低減効果を得ることができる微細溝２０の溝幅Ｓの決定方法の一例について、具体的に説明する。微細溝２０による冷却損失の低減効果は、溝幅Ｓを無次元化したＳ＋（無次元溝幅）によって変化する。Ｓ＋は、溝幅をＳ［ｍ］、摩擦速度をＵτ［ｍ／ｓ］、動粘性係数をν［ｍ２／ｓ］とするとき、次の式（１）で定義される。
【００６２】
【数１】
2018087507.tif 000003
【００６３】
式（１）における摩擦速度Ｕτは、スキッシュ流３０（筒内ガス主流Ｑ）の平均流速をＵｍ［ｍ／ｓ］、摩擦係数をＣｆとするとき、次の式（２）で定義される。
【００６４】
【数２】
2018087507.tif 000004
【００６５】
上記式（１）及び式（２）より、溝幅Ｓは次の式（３）で与えられる。
【００６６】
【数３】
2018087507.tif 000005
【００６７】
ここで、摩擦係数Ｃｆは、レイノルズ数Ｒｅを用いて、次の式（４）で表すことができる。また、レイノルズ数Ｒｅは、次の式（５）で定義される。式（５）において、Ｄｈは水力相当直径［ｍｍ］である。
【００６８】
【数４】
2018087507.tif 000006
【００６９】
以上の式（１）〜式（５）より、溝幅Ｓは、次の式（６）にて求めることができる。
【００７０】
【数５】
2018087507.tif 000007
【００７１】
ここで、動粘性係数νは、エンジンの負荷によって決まる物理量であり、その数値範囲は、２．３４×１０−７〜４．５×１０−７［ｍ２／ｓ］である。スキッシュ流３０の平均流速Ｕｍは、エンジンの回転数によって決まる物理量であり、その数値範囲は、０．３〜５０［ｍ／ｓ］である。水力相当直径Ｄｈは、燃焼室６の形状によって定まる物理量であり、その数値範囲は、５．５〜６．４［ｍｍ］である。
【００７２】
図１５は、微細溝２０による冷却損失低減効果を示すグラフである。ここでは、筒内ガス主流（スキッシュ流）の流速を所定の値に設定した場合における、微細溝２０の無次元溝幅Ｓ＋と冷却損失低減率との関係を示している。図１５のグラフより、冷却損失低減率（燃焼室６の熱損失低減率）は、無次元溝幅Ｓ＋がゼロを少し超えた辺りから３０より少し小さい辺りまでの領域（図１５では「低減領域」と表示している）において正の値であり、この低減領域において微細溝による冷却損失低減効果が認められることがわかる。とりわけ、無次元溝幅Ｓ＋が１３〜１７である場合に冷却損失低減率が特に大きく、無次元溝幅Ｓ＋が１５である場合に冷却損失低減率が最大になることが分かる。
【００７３】
上記の低減領域で冷却損失低減率が正の値となる理由は、渦流３２が微細溝２０の溝内に入り込まず、かつ、溝幅Ｓが渦流３２の渦スケールＤに対して小さ過ぎないという条件が、無次元溝幅Ｓ＋が上記低減領域にある場合に満たされるためである。溝幅Ｓが渦流３２の渦スケールＤよりも狭広であれば、渦流３２は微細溝２０内に入り込むことができる。このため、図７（Ｂ）に示す状態が形成できず、渦流３２を冠面５０（径方向壁面）から離間させることができない。また、溝幅Ｓが渦流３２の渦スケールＤに対して小さ過ぎると、図７（Ａ）に示す「平坦な燃焼室壁面」に近似してしまい、やはり渦流３２を冠面５０から離間させることができない。
【００７４】
無次元溝幅Ｓ＋が３０以上になると、冷却損失低減率が負の値に転じている（図１５では「悪化領域」と表示している）。その理由は、渦流３２が微細溝２０の溝内に入り込むためである。渦流３２が微細溝２０内に入ってしまうと、渦流３２による熱輸送の影響が燃焼室壁面の広範囲に及び、悪化領域を生んでしまうものである。
【００７５】
図１５に示したように、無次元溝幅Ｓ＋＝１５である場合に冷却損失低減率が最大になるため、溝幅Ｓの決定に際しては、式（６）のＳ＋＝１５が代入される。式（６）の動粘性係数ν、平均流速Ｕｍ及び水力相当直径Ｄｈは、それぞれ、エンジンの負荷［ｋＰａ］、回転数［ｒｐｍ］及び燃焼室６の形状に応じた値が代入される。
【００７６】
式（６）を用い、供試ガソリンエンジンについて、異なる運転条件下（負荷及び回転数を変更）において、スキッシュエリアの径方向内側から外側まで（キャビティ５Ｃの開口縁５２から冠面５０の外周縁５４まで）の望ましい溝幅Ｓの分布を算出した例を下記に示す。
［回転数］      ［負荷］        ［溝幅分布：内側〜外側］
・１０００ｒｐｍ／２５０ｋＰａ：    １０〜２００μｍ
・１０００ｒｐｍ／５５０ｋＰａ：    ７〜２５０μｍ
・２５００ｒｐｍ／９００ｋＰａ：    ２．５〜８０μｍ
・３２５０ｒｐｍ／５３０ｋＰａ：    ２〜７０μｍ
【００７７】
以上の算出結果より、微細溝２０の溝幅Ｓは、２μｍ〜２５０μｍの範囲から選ばれることが望ましい。上述の通り、溝幅Ｓが２μｍよりも小さいと燃焼室壁面が平面に近くなり、溝幅が２５０μｍを超過すると渦流３２が微細溝２０内に入り込み易くなり、いずれも冷却損失低減効果が期待できない。本実施形態において、微細溝２０が形成されるのは、スキッシュエリアの全域ではなく、開口縁５２に近い第１環状領域Ｒ１のみである。従って、２μｍ〜２５０μｍの範囲内において、第１環状領域Ｒ１の径方向位置のスキッシュ流速に応じて、最適な微細溝２０の溝幅Ｓを設定すれば良い。
【００７８】
溝幅Ｓは上記の通り決定するとして、溝高さｈも適正に設定することが望ましい。渦流３２を燃焼室壁面（冠面５０）からなるべく離間させるには、溝高さｈを高くすれば良いことになるが、過度にこれを高くすると燃焼室壁面の表面積が大きくなりすぎる。この場合、表面積の増加に伴う放熱性向上が、渦流３２を燃焼室壁面から離間させる効果に勝ってしまう。従って、微細溝２０の溝幅Ｓと、溝高さｈとは、Ｓ≧ｈを満たす関係とすることが望ましい。
【００７９】
ここで、溝高さｈが低すぎると、渦流３２を燃焼室壁面から離間させる効果が比較的小さくなってしまう。従って、ｈ／Ｓが０．５〜１．０の範囲となるよう、微細溝２０の溝幅Ｓ及び溝高さｈを設定することが特に望ましい。これにより、微細溝２０の形成による燃焼室壁面の表面積増加と、渦流３２を燃焼室壁面から離間させることによる熱伝導抑制の効果とのバランスを取ることができる。
【００８０】
［本実施形態の効果］
本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造によれば、燃焼室６を区画する燃焼室壁面のうち径方向に拡がりをもつ径方向壁面である冠面５０の基準面５１（スキッシュエリア）が、キャビティ５Ｃに近い径方向内側の第１環状領域Ｒ１と、径方向外側の第２環状領域Ｒ２とに区分される。図８〜図１１に基づき説明した通り、筒内ガス主流Ｑは、燃焼室６の径方向外側領域ではスワール方向への指向性が高く、キャビティ５Ｃに近い径方向内側領域ではスキッシュ方向への指向性が高くなる。
【００８１】
上記の傾向に鑑み、本実施形態の燃焼室構造では、第１環状領域Ｒ１には放射状に延びる複数の微細溝２０が形成され、第２環状領域Ｒ２は微細溝２０が形成されない平面とされる。これにより、第１環状領域Ｒ１においては、微細溝２０によってスキッシュ流３０の渦流３２を径方向壁面から離間させ、渦流３２から冠面５０への熱伝達を抑制し、燃焼室６の冷熱損失を抑制することができる。一方、第２環状領域Ｒ２に同様な微細溝２０を設けた場合、スワール方向に向かう筒内ガス主流Ｑの流動と微細溝２０とがなす角度αが大きくなってしまう。この場合、前記冷熱損失の抑制効果は低減し、むしろ筒内ガス主流Ｑが含む渦流３２が微細溝２０の凹凸（頂部２０１）に吹き当たることで、冠面５０への熱伝達が促進されかねない。しかしながら上記の燃焼室構造では、第２環状領域Ｒ２は平面とされているので、渦流３２の微細溝２０への吹き当たりが生じることはなく、前記熱伝達の促進を未然に防止することができる。
【００８２】
また、筒内ガス主流Ｑの速度ベクトルを、円周方向に配向する円周方向成分と径方向内側へ向かう径方向成分とで表す場合に、第１環状領域Ｒ１は、前記径方向成分が支配的な領域であり、第２環状領域Ｒ２は、前記円周方向成分が支配的な領域である。そして、第１環状領域Ｒ１には微細溝２０が形成されるので、この微細溝２０に沿って流動する筒内ガス主流（スキッシュ流３０）の渦流３２を、冠面５０から遠ざけることができる。一方、第２環状領域Ｒ２は平面とされるので、円周方向へ流動する筒内ガス主流（スワール流３３）の渦流３５と微細溝２０との干渉を未然に防止することができる。
【００８３】
［変形実施形態の説明］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば下記のような変形実施形態を取ることができる。
【００８４】
（１）上記実施形態では、燃焼室６を形成する燃焼室壁面のうち、径方向Ａに拡がりをもつ径方向壁面としてピストン５の冠面５０に着目し、この冠面５０の第１環状領域Ｒ１に微細溝２０を形成する例を示した。これに代えて、燃焼室天井面６０に図１２に示した微細溝パターンを設けるようにしても良い。或いは、燃焼室天井面６０の表面に遮熱層を設け、当該遮熱層に微細溝パターンを設けても良い。勿論、冠面５０及び燃焼室天井面６０の双方に、図１２と同様な微細溝パターンを設けても良い。
【００８５】
（２）図１６は、本実施形態の変形例に係る微細溝パターンを説明するための模式図である。上記実施形態では、ピストン５の冠面５０が、径方向Ａに第１、第２環状領域Ｒ１、Ｒ２の２つに区分される例を示した。これに対し、図１６では、さらに第１環状領域Ｒ１が、内側環状領域Ｒ１１と外側環状領域Ｒ１２との２つに区分される例を示す。内側環状領域Ｒ１１には第１の溝幅Ｓ１の第１微細溝２１が配置され、外側環状領域Ｒ１２には第２の溝幅Ｓ２（Ｓ１＜Ｓ２）の第２微細溝２２が配置されている。内側環状領域Ｒ１１と外側環状領域Ｒ１２とは仮想的に区画された領域であるが、第１微細溝２１と第２微細溝２２との溝幅差（Ｓ１＜Ｓ２）に起因して、環状領域Ｒ１１、Ｒ１２の境界には、断層部Ｃが形成されている。
【００８６】
上述の通り、燃焼室６内で発生するスキッシュ流３０の流速は、燃焼室６の径方向内側へ向かうほど大きくなる傾向がある。また、スキッシュ流３０の流速が大きいほど、渦流３２の渦スケールＤ（径）が小さくなる傾向がある。このような現象に鑑みると、第１環状領域Ｒ１に配置する微細溝２０の溝幅Ｓを径方向全長に亘って一定幅とするのではなく、スキッシュ流３０の流速（渦スケールＤ）に応じて設定された溝幅を有する微細溝、径方向に複数段配置することが望ましいと言える。図１６に示す例では、内側環状領域Ｒ１１には狭い溝幅Ｓ１の第１微細溝２１が配置され、外側環状領域Ｒ１２にはＳ１よりも広い溝幅Ｓ２の第２微細溝２２が配置される。従って、冠面５０の径方向位置に適した溝幅Ｓ１、Ｓ２を有する微細溝２１、２２が配置されるようになり、より高い冷却損失の低減効果を得ることができる。また、内外環状領域Ｒ１１、Ｒ１２に適した溝幅の微細溝２１、２２を配置できるので、微細溝間に平面部が可及的に生じないようにすることができる。なお、第１環状領域Ｒ１を３以上の環状領域に区分しても良い。
【符号の説明】
【００８７】
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／径方向壁面）
５１  基準面
５２  開口縁
５４  外周縁
６  燃焼室
６０  燃焼室天井面（燃焼室壁面／径方向壁面）
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）
２０  微細溝
２１、２２  第１、第２微細溝
３０  スキッシュ流
３１  主流
３２  渦流（主流方向を回転軸とする縦渦）
３３  スワール流
３４  主流
３５  渦流
Ｓ  溝幅
ｈ  溝高さ
Ａ、Ｂ  径方向、円周方向
Ｒ１、Ｒ２  第１、第２環状領域
【図１】
2018087507.tif 000008
【図２】
2018087507.tif 000009
【図３】
2018087507.tif 000010
【図４】
2018087507.tif 000011
【図５】
2018087507.tif 000012
【図６】
2018087507.tif 000013
【図７】
2018087507.tif 000014
【図８】
2018087507.tif 000015
【図９】
2018087507.tif 000016
【図１０】
2018087507.tif 000017
【図１１】
2018087507.tif 000018
【図１２】
2018087507.tif 000019
【図１３】
2018087507.tif 000020
【図１４】
2018087507.tif 000021
【図１５】
2018087507.tif 000022
【図１６】
2018087507.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月10日(2018.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、冠面の径方向中央部分に凹没したキャビティを備えるピストンと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、
前記燃焼室壁面に形成され、前記燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝と、を備え、
前記微細溝は、前記燃焼室壁面のうち、前記燃焼室の径方向に拡がりをもつ径方向壁面に形成されるものであって、
前記径方向壁面は、少なくとも前記燃焼室の前記キャビティの存在位置に近い径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域よりも径方向外側の第２環状領域とを含み、
前記第１環状領域に前記微細溝が形成され、前記第２環状領域は前記微細溝が形成されない平面である、エンジンの燃焼室構造において、
前記径方向壁面は、前記ピストンの前記冠面であり、
前記第１環状領域は、前記キャビティの開口縁から径方向外側に向けて所定幅を有する領域であり、
前記第２環状領域は、前記第１環状領域の径方向外側の縁部から前記冠面の外周縁に至る領域である、エンジンの燃焼室構造。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記微細溝の溝幅は、２μｍ〜２５０μｍの範囲から選ばれる、エンジンの燃焼室構造。
【請求項３】
請求項２に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記微細溝の溝幅をＳとし、溝高さをｈとするとき、Ｓ≧ｈの関係を満たす、エンジンの燃焼室構造。
【請求項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、
前記燃焼室は、当該燃焼室内において少なくともスキッシュ方向及びスワール方向の筒内ガス主流が生じる構造を有し、
前記筒内ガス主流の速度ベクトルを、円周方向に配向する円周方向成分と径方向内側へ向かう径方向成分とで表す場合に、
前記第１環状領域は、前記径方向成分が支配的な領域であり、
前記第２環状領域は、前記円周方向成分が支配的な領域である、エンジンの燃焼室構造。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、シリンダと、冠面の径方向中央部分に凹没したキャビティを備えるピストンと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、前記燃焼室壁面に形成され、前記燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝と、を備え、前記微細溝は、前記燃焼室壁面のうち、前記燃焼室の径方向に拡がりをもつ径方向壁面に形成されるものであって、前記径方向壁面は、少なくとも前記燃焼室の前記キャビティの存在位置に近い径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域よりも径方向外側の第２環状領域とを含み、前記第１環状領域に前記微細溝が形成され、前記第２環状領域は前記微細溝が形成されない平面である、エンジンの燃焼室構造において、前記径方向壁面は、前記ピストンの前記冠面であり、前記第１環状領域は、前記キャビティの開口縁から径方向外側に向けて所定幅を有する領域であり、前記第２環状領域は、前記第１環状領域の径方向外側の縁部から前記冠面の外周縁に至る領域であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
また、前記径方向壁面は、前記ピストンの前記冠面であり、前記第１環状領域は、前記キャビティの開口縁から径方向外側に向けて所定幅を有する領域であり、前記第２環状領域は、前記第１環状領域の径方向外側の縁部から前記冠面の外周縁に至る領域である。