(57)【要約】      （修正有）【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、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には、燃焼室内において生じる筒内ガス主流の流動方向を、燃焼室の径方向Ａの内側へ偏向させるガイド部５７が備えられている。ガイド部５７は、径方向Ａへ延びる凸条である。燃焼室はペントルーフ型の燃焼室であり、ガイド部５７は冠面５０の稜線部５６に対応する位置に、当該稜線部５６が延びる方向に延在している。【選択図】図１２
2018087508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記径方向壁面には、前記燃焼室内において生じる筒内ガス主流の流動方向を前記燃焼室の径方向内側へ偏向させるガイド部が備えられている、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、
前記ガイド部が、前記径方向壁面に突設され、前記燃焼室の径方向に延びる凸条である、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、
前記燃焼室構成部材は、前記燃焼室の天井面が、傾斜方向の異なる一対の斜面部と、これら斜面部の上端同士が交差する稜線部とを備えるペントルーフ型の燃焼室を区画するものであり、
前記凸条は、前記稜線部に対応する位置に、当該稜線部が延びる方向に延在している、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、
前記燃焼室は、前記凸条の形成により、スキッシュクリアランスが前記斜面部の位置よりも前記稜線部の位置の方が小さい構造を有する、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、
前記微細溝及び前記ガイド部が形成される前記径方向壁面は、前記ピストンの冠面であり、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、
前記キャビティの開口縁から前記冠面の外周縁に至る領域の少なくとも一部に、前記微細溝及び前記ガイド部が形成されている、エンジンの燃焼室構造。
【請求項６】
請求項１〜５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７】
請求項６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。
【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、前記径方向壁面には、前記燃焼室内において生じる筒内ガス主流の流動方向を前記燃焼室の径方向内側へ偏向させるガイド部が備えられていることを特徴とする。
【０００７】
一般に、エンジンの燃焼室には、当該燃焼室の径方向内側に向かう筒内ガス主流（スキッシュ流）に加え、エンジンの吸気工程では燃焼室の周方向に旋回する筒内ガス主流（スワール流）や、シリンダ軸と直交する軸回りに旋回する筒内ガス主流（タンブル流）が発生する。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が、スワール流やタンブル流の影響を受ける。このため、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を含むことになる。
【０００８】
上記の点に鑑み、上記の燃焼室構造は、燃焼室の径方向壁面に、燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝を具備すると共に、前記燃焼室内の筒内ガス主流の流動方向を当該燃焼室の径方向内側へ偏向させるガイド部を備える。前記ガイド部により、筒内ガス主流の全体的な流動を、径方向内側（スキッシュ方向）に揃えることが可能となる。これにより、筒内ガス主流の流動方向を、前記微細溝が延在する方向に沿わせることができるようになる。従って、前記微細溝による燃焼室の冷却損失抑制機能を十分に発揮させることができる。
【０００９】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記ガイド部が、前記径方向壁面に突設され、前記燃焼室の径方向に延びる凸条であることが望ましい。
【００１０】
この燃焼室構造によれば、凸条という簡易な構造体によって、筒内ガス主流の流動方向を燃焼室の径方向内側へ偏向させることが可能となる。
【００１１】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記燃焼室構成部材は、前記燃焼室の天井面が、傾斜方向の異なる一対の斜面部と、これら斜面部の上端同士が交差する稜線部とを備えるペントルーフ型の燃焼室を区画するものであり、前記凸条は、前記稜線部に対応する位置に、当該稜線部が延びる方向に延在している構成とすることができる。
【００１２】
一般にペントルーフ型の燃焼室では、前記斜面部よりも前記稜線部に対応する位置においてスキッシュクリアランスが大きい。このため、凸条という突起物を形成する位置として、前記稜線部に対応する位置は好適である。また、前記スキッシュクリアランスを利用して、燃焼室の軸方向高さの高い凸条が形成し易く、筒内ガス主流を偏向させるのに有利な凸条とすることができる。さらに、前記稜線部に対応する位置には、燃焼室の天井面側においては吸気／排気開口が設けられず、燃焼室の底面側においては吸気／排気バルブリセスが設けられないので、前記凸条の形成には有利である。
【００１３】
この場合、前記燃焼室は、前記凸条の形成により、スキッシュクリアランスが前記斜面部の位置よりも前記稜線部の位置の方が小さい構造を有することが望ましい。
【００１４】
この燃焼室構造によれば、前記稜線部の位置におけるスキッシュクリアランスが前記斜面部よりも小さくなるほどの凸条が、前記稜線部に形成されることになる。このような凸条であれば、筒内ガス主流の円周方向の流れを阻害し、これを燃焼室の径方向内側へ良好に偏向させることができる。
【００１５】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記微細溝及び前記ガイド部が形成される前記径方向壁面は、前記ピストンの冠面であり、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、前記キャビティの開口縁から前記冠面の外周縁に至る領域の少なくとも一部に、前記微細溝及び前記ガイド部が形成されていることが望ましい。
【００１６】
ピストンの冠面は、燃焼室の径方向に延びる面であるため、燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝及びガイド部を形成するには適した面である。また、キャビティが備えられている場合、スキッシュ流の流速はキャビティに隣接する箇所、つまり径方向内側部分において顕著に速くなる。例えば正スキッシュ流は、キャビティに流入する箇所において圧力が急激に開放されることに伴い噴流的な流れとなり、流速が特に速くなる。従って、本発明に係る微細溝及びガイド部の形成箇所として、ピストンの冠面は好適である。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【発明の効果】
【００２１】
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】
【００２２】
【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、ペントルーフ型の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、図４（Ａ）のＶＡ−ＶＡ線断面図、図５（Ｂ）は、図４（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線断面図である。
【図６】図６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である。
【図７】図７は、前記燃焼室内においてピストンの冠面上で発生するタンブル流を説明するための模式図である。
【図８】図８は、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９】図９（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９（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１０】図１０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１１】図１１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１２】図１２は、本発明の実施形態に係る微細溝及びガイド部が形成された、ピストンの冠面を示す平面図である。
【図１３】図１３（Ａ）、（Ｂ）は、図１２のＸＩＩＩＡ−ＸＩＩＩＡ線、ＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線断面図、図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）の要部拡大図である。
【図１４】図１４（Ａ）〜（Ｄ）は、ガイド部の断面形状の例を示す図である。
【図１５】図１５（Ａ）は、ガイド部が存在しない場合の筒内ガス主流の流動状態を示す説明図、図１５（Ｂ）は、ガイド部が存在する場合の筒内ガス主流の流動状態を示す説明図である。
【図１６】図１６は、ガイド部が存在する場合における、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１７】図１７（Ａ）は、タンブル流を積極的に発生させる燃焼室において望ましいガイド部の配置を示す平面図、図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）のＸＶＩＩＢ−ＸＶＩＩＢ線断面図である。
【図１８】図１８は、スワール流を積極的に発生させる燃焼室において望ましいガイド部の配置を示す平面図である。
【図１９】図１９は、微細溝の模式的な断面図である。
【図２０】図２０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２１】図２１は、微細溝パターンの変形例を示す、ピストンの冠面を示す平面図である。
【図２２】図２２は、微細溝パターンの他の変形例を示す、ピストンの冠面を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。本実施形態の燃焼室６は、上記燃焼室壁面にて区画されるペントルーフ型の燃焼室である。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
［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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、スキッシュ方向の筒内ガス主流（スキッシュ流）、スワール方向の筒内ガス主流（スワール流）及びタンブル方向の筒内ガス主流（タンブル流）が生じる構造を有する燃焼室である。
【００３８】
図４（Ａ）は、圧縮工程時に、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（正スキッシュ流）を示す模式的な平面図である。図４（Ａ）には、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２（吸気側開口部４１及び排気側開口部４２）の配置位置を点線で示している。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３０が生じる。図示はしていないが、膨張工程では、キャビティ５Ｃの開口縁５２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が生じる。
【００３９】
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。
【００４０】
本実施形態の燃焼室６は、ペントルーフ型の燃焼室であるため、スキッシュ流３０の流動に関して特徴を有する。図５（Ａ）は、図４（Ａ）のＶＡ−ＶＡ線断面図、図５（Ｂ）は、図４（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線断面図である。ペントルーフ型の燃焼室６の天井面を区画する燃焼室天井面６０は、傾斜方向の異なる一対の天井斜面部６１（斜面部）と、これら天井斜面部６１の上端同士が交差する頂部６２（稜線部）とを含む。一方、燃焼室天井面６０と対向し燃焼室６の底面を区画するピストン５の冠面５０は、傾斜方向の異なる一対の冠面斜面部５５と、これら冠面斜面部５５の上端同士が交差する稜線部５６とを含む。この稜線部５６は、キャビティ５Ｃによって径方向中心付近で分断されている。天井斜面部６１と冠面斜面部５５とは、気筒２の軸線ｕ１方向において互いに対向している。
【００４１】
ピストン５が上死点に達した状態において、燃焼室天井面６０と冠面５０との間にはスキッシュクリアランスが形成される。一般に、頂部６２と稜線部５６との間におけるスキッシュクリアランスｄ１の方が、天井斜面部６１と冠面斜面部５５との間におけるスキッシュクリアランスｄ２よりも大きく設定されている。すなわち、天井斜面部６１と冠面斜面部５５とは、気筒２の軸線ｕ１方向に沿った断面視で、略平行に配置される。しかし、稜線部５６は、一対の冠面斜面部５５が上端で交差する頂点部分を面取りした形態で設けられる。従って、一般的な燃焼室６では、ｄ１＞ｄ２の関係となる。
【００４２】
スキッシュ流３０は、稜線部５６が延びる径方向と交差する角度が大きいほど、強くなる傾向がある。図４（Ａ）には、稜線部５６が延びる径方向に対して交差する角度が異なるスキッシュ流３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを、それぞれ矢印で記載している。各々の矢印の太さは、各スキッシュ流３０Ａ〜３０Ｄの強さを示している。稜線部５６の延伸方向に対して直交する流動であるスキッシュ流３０Ａは、最も強い流れを有する。稜線部５６の延伸方向に対する交差角が徐々に小さくなるスキッシュ流３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄの順に、スキッシュ流の流れは弱くなる。
【００４３】
次に、図６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。スワール流３３は、図４（Ｂ）に示したスキッシュ流と同様に、主流と、この主流に伴う副流である渦流とを含む。前記主流は、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。つまりスワール流３３は、稜線部５６（頂部６２）の位置を横切って流動する。前記渦流は、前記主流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。
【００４４】
図７は、前記燃焼室６内において冠面５０上で発生するタンブル流３４を説明するための模式図である。燃焼室６内に生じるタンブル流３４は、燃焼室６の中心軸（軸線ｕ１）と直交する軸回りに旋回する主流である。このタンブル流３４も、タンブル方向に向かう主流と、この主流の進行軸の軸回りに旋回する渦流とを含む。タンブル流３４もまた、稜線部５６（頂部６２）の位置を横切って流動する。
【００４５】
［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。
【００４６】
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８は、スキッシュ方向に延びる微細溝２０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２０が設けられている。図８では、図示簡略化のため複数の微細溝２０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。
【００４７】
このような微細溝２０を形成することの利点を図９（Ａ）、（Ｂ）に基づき説明する。図９（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。
【００４８】
一方、図９（Ｂ）は、燃焼室壁面（冠面５０）に微細溝２０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２０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２０が冠面５０に設けられていることで、渦流３２（乱流）は微細溝２０に入り込むことができず、微細溝２０の頂部に留まるようになる。つまり、図９（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。
【００４９】
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２０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２０に加えて構造的工夫を施すことで、より熱効率を向上させる余地があることが判明した。
【００５０】
図１０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、径方向内側に向かうスキッシュ流３０に加えて、スワール流３３及びタンブル流３４（図６及び図７）が生じる。スワール流３３は、専ら燃焼室６の円周方向に移動する流動であり、タンブル流３４も前記円周方向に向かう成分を含む流動である。
【００５１】
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の流速が速くなる。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及びタンブル流３４の影響を受け、筒内ガス主流Ｑ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。
【００５２】
図１０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１０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１１は、筒内ガス主流Ｑ（スキッシュ流３０）と微細溝２０との交差状況を示す模式図である。微細溝２０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２０と筒内ガス主流Ｑとがなす角αでもある。
【００５３】
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及びタンブル流３４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。
【００５４】
直線Ｌと筒内ガス主流Ｑとがなす角が最も小さい角α４である筒内ガス主流Ｑ４は、ほぼ微細溝２０が延びる方向に流動する。次に小さい角α３である筒内ガス主流Ｑ３も、概ね微細溝２０が延びる方向に流動する。この場合、図９（Ｂ）に示した微細溝２０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１１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２０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。
【００５５】
［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。さらに、冠面５０には、燃焼室６内において生じる筒内ガス主流の流動方向を径方向Ａの内側へ偏向させるガイド部５７が備えられている。本実施形態のガイド部５７は、冠面５０（基準面５１）に突設され、径方向Ａに延びる凸条である。
【００５６】
冠面５０の基準面５１、すなわちキャビティ５Ｃの開口縁５２から冠面５０の外周縁５４に至る領域には、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、開口縁５２から外周縁５４にかけて、放射線状に延びている。なお、図１２では、微細溝２０が基準面５１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が基準面５１の全域に刻設されている。なお、微細溝２０は、開口縁５２から外周縁５４に至る径方向領域の少なくとも一部形成されていれば良く、必ずしも図１２に示すように開口縁５２から外周縁５４の全域に形成されていなくとも良い。
【００５７】
微細溝２０は、様々な加工方法にて冠面５０に形成することができる。例えば、基準面５１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基準面５１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。
【００５８】
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、前記遮熱層の基準面５１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。
【００５９】
続いて、図１３（Ａ）〜（Ｃ）も参照して、ガイド部５７について説明する。図１３（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ図１２のＸＩＩＩＡ−ＸＩＩＩＡ線、ＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線断面図、図１３（Ｃ）は、図１３（Ａ）の要部拡大図である。凸条からなるガイド部５７は、冠面５０の稜線部５６に対応する位置に、当該稜線部５６が延びる方向に延在している。ここでは、稜線部５６の全長（開口縁５２から外周縁５４に至る径方向領域）に亘ってガイド部５７が設けられている例を示しているが、稜線部５６の一部に相当する領域にガイド部５７が設けられていても良い。部分的なガイド部５７とする場合は、少なくとも稜線部５６の径方向外側部分に相当する領域にガイド部５７を設けることが望ましい。
【００６０】
ガイド部５７は、冠面斜面部５５の上端が交差する通常の稜線部５６よりも上方（燃焼室天井面６０に接近する方向）に突出する凸条である。図１３（Ｂ）、（Ｃ）には、通常の稜線部５６の高さ位置を点線で示している。図１３（Ｃ）を参照して、一対の冠面斜面部５５の傾斜に沿った直線の上方への延長線をｆ１、ｆ２とする。一対の冠面斜面部５５傾斜方向が異なるので、これら延長線ｆ１、ｆ２は交差点ｆａを持つことになる。通常の稜線部５６は、上述の通り、この交差点ｆａよりも低い位置に設定される。一方、本実施形態のガイド部５７は、交差点ｆａよりも高く突出するように、稜線部５６に沿って突設されている。このような高さを有するガイド部５７を具備させることで、筒内ガス主流Ｑはガイド部５７に吹き当たり、流動方向が径方向Ａの内側へ偏向されるようになる。
【００６１】
凸条からなるガイド部５７の形成によって、稜線部５６に対応する位置におけるスキッシュクリアランスは、一般的なペントルーフ型の燃焼室に比べて狭くなっている。本実施形態では、燃焼室天井面６０の頂部６２とガイド部５７の頂面との間（稜線部の位置）におけるスキッシュクリアランスｄ１１は、天井斜面部６１と冠面斜面部５５との間（斜面部の位置）におけるスキッシュクリアランスｄ２よりも小さく設定されている。このように、ｄ１１＜ｄ２の関係となるほどの凸条が、稜線部５６に対応する位置に形成されることになる。一般的なペントルーフ型の燃焼室では、先に図５（Ａ）に基づき説明した通りｄ１＞ｄ２の関係であり、本実施形態の燃焼室構造はこれとは逆の関係とされている。このようなガイド部５７であれば、筒内ガス主流Ｑの円周方向の流れを阻害し、これを燃焼室６の径方向Ａの内側へ良好に偏向させることができる。
【００６２】
図１４（Ａ）〜（Ｄ）は、ガイド部５７の断面形状の例を示す図である。ここでは、各種形状のガイド部５７Ａ〜５７Ｄの、径方向Ａと直交する断面を示している。図１４（Ａ）は、断面矩形型のガイド部５７Ａである。図１４（Ｂ）は、断面三角形のガイド部５７Ｂである。図１４（Ｃ）は、断面半円形乃至は半楕円形のガイド部５７Ｃである。図１４（Ｄ）は、図１３（Ａ）に例示したような、裾野部を有する断面山型のガイド部５７Ｄである。いずれのガイド部５７Ａ〜５７Ｄも、燃焼室６の円周方向と交差する側壁を有しており、この側壁に筒内ガス主流Ｑが吹き当たることにより、その流動方向が偏向されるものである。
【００６３】
図１５（Ａ）は、ガイド部５７が存在しない場合の筒内ガス主流ＱＡの流動状態を示す説明図、図１５（Ｂ）は、ガイド部５７が存在する場合の筒内ガス主流ＱＢの流動状態を示す説明図である。ガイド部５７が存在しない場合、先に図１０に基づき説明した通り、筒内ガス主流ＱＡは、キャビティ５Ｃの開口縁５２付近では概ね径方向内側を指向するが、径方向外側付近ではスワール流及びタンブル流の影響を強く受けて概ね円周方向へ流動する。この場合、径方向外側付近では微細溝２０の効果をあまり享受することができない。これに対し、ガイド部５７が存在する場合、筒内ガス主流ＱＢは、図１５（Ｂ）に示す通りガイド部５７の凸条に案内されて、全体的に径方向内側を指向するようになる。
【００６４】
図１６は、図１０との比較において示す、ガイド部５７が存在する場合における、燃焼室内の筒内ガス主流Ｑの流動方向分布を示す平面図である。ここでは、基準面５１のキャビティ５Ｃの開口縁５２付近を除いた領域に、径方向Ａに延びるガイド部５７を周方向に所定のピッチで複数本設けた例を示している。図１０の例とは異なり、筒内ガス主流Ｑがガイド部５７によって径方向Ａの内側に偏向されていることが分かる。
【００６５】
図１６に示す筒内ガス主流Ｑ２Ａは、図１０に示した筒内ガス主流Ｑ２とほぼ同じ径方向位置に存在する筒内ガス主流である。ガイド部５７が存在しない場合、径方向Ａに延びる直線Ｌと筒内ガス主流Ｑ２とがなす角α２は、約５０°である。これに対し、ガイド部５７が存在する場合、直線Ｌと筒内ガス主流Ｑ２Ａとがなす角α２Ａは、約２５°であり、径方向Ａの内側への指向性が２倍程度に高められている。従って、ガイド部５７を設けることで、径方向Ａに延びる微細溝２０の効果を良好に享受できるようになる。
【００６６】
図１７（Ａ）は、タンブル流３４を積極的に発生させる燃焼室６において望ましいガイド部５７の配置を示す平面図である。タンブル流３４は、吸気側開口部４１を起点として燃焼室６の中心軸と直交する軸回りに旋回する筒内ガス主流であり、ペントルーフ型の燃焼室の場合、冠面５０の稜線部５６の位置を横切って流動する傾向がある。このため、冠面５０に凸条からなるガイド部を設ける場合は、図１２に示した通り、稜線部５６に沿ってガイド部５７を設けることが望ましい。
【００６７】
一方、燃焼室天井面６０に凸条からなるガイド部を設ける場合は、頂部６２に沿って突設されたガイド部６３とすることができる。図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）のＸＶＩＩＢ−ＸＶＩＩＢ線断面図であって、頂部６２に沿うガイド部６３の例を示している。頂部６２は、一対の天井斜面部６１の上端同士が交差する位置であって、冠面５０の稜線部５６と対向する位置にある。ガイド部６３は、この頂部６２を下方に膨出させる態様で、頂部６２に沿って径方向に延びている。このようなガイド部６３であっても、冠面５０に設けたガイド部５７と同様に、筒内ガス主流を径方向内側へ誘導することができる。
【００６８】
図１８は、スワール流３３を積極的に発生させる燃焼室６において望ましいガイド部５７の配置を示す平面図である。スワール流３３は、燃焼室６の円周方向に流動する主流である。このためガイド部５７は、稜線部５６の位置だけでなく、他の円周方向の位置にも設けることが望ましい。図１８では、燃焼室６の径方向に延びる８本のガイド部５７を周方向に均等ピッチで放射状に設けた例を示している。この態様によれば、スワール方向へ向かうベクトル成分が支配的な筒内ガス主流を、円周方向の各所に設置されたガイド部５７によって、径方向内側へそれぞれ誘導させることができる。
【００６９】
［溝幅の決定方法］
図１９は、微細溝２０の断面形状の一例を示す断面図である。ここに示す微細溝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。微細溝２０の形状は適宜選択することができ、図９（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。
【００７０】
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。
【００７１】
【数１】
2018087508.tif 000003
【００７２】
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。
【００７３】
【数２】
2018087508.tif 000004
【００７４】
上記式（１）及び式（２）より、溝幅Ｓは次の式（３）で与えられる。
【００７５】
【数３】
2018087508.tif 000005
【００７６】
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。
【００７７】
【数４】
2018087508.tif 000006
【００７８】
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。
【００７９】
【数５】
2018087508.tif 000007
【００８０】
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。
【００８１】
図２０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２０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２０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。
【００８２】
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９（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９（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。
【００８３】
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２０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。
【００８４】
図２０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。
【００８５】
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
【００８６】
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。ここで、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。従って、２μｍ〜２５０μｍの範囲内において、基準面５１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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
［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は、燃焼室６の径方向壁面である冠面５０に、燃焼室６の径方向Ａへ放射状に延びる複数の微細溝２０を具備すると共に、燃焼室６内の筒内ガス主流Ｑの流動方向を径方向Ａの内側へ偏向させるガイド部５７を備える。燃焼室６内においてスキッシュ流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が、スワール流３３やタンブル流３４の影響を受ける。このため、筒内ガス主流Ｑの全体的な流動としては、燃焼室６の周方向に向かう成分を含むことになる。しかしながら、ガイド部５７により、筒内ガス主流Ｑの全体的な流動を、径方向Ａの内側（スキッシュ方向）に揃えることが可能となる。これにより、筒内ガス主流Ｑの流動方向を、微細溝２０が延在する径方向Ａに沿わせることができるようになる。従って、微細溝２０による燃焼室６の冷却損失抑制機能を十分に発揮させることができる。
【００９０】
ガイド部５７は、図１４（Ａ）〜（Ｄ）に例示した通り、冠面５０（基準面５１）に突設され、燃焼室６の径方向に延びる凸条である。このように、凸条という簡易な構造体からなるガイド部５７によって、筒内ガス主流Ｑの流動方向を燃焼室６の径方向内側へ偏向させることができ、ピストン５の構造を特段複雑化させることはない。
【００９１】
上記実施形態の燃焼室６は、ペントルーフ型の燃焼室であって、ピストン５の冠面５０には、一対の冠面斜面部５５の上端同士が交差する稜線部５６が備えられている。そして、前記凸条からなるガイド部５７は、稜線部５６に対応する位置に、当該稜線部５６が延びる方向（径方向Ａ）に延在している。一般にペントルーフ型の燃焼室６では、冠面斜面部５５よりも稜線部５６に対応する位置においてスキッシュクリアランスが大きい。このため、凸条（ガイド部５７）という突起物を形成する位置として、稜線部５６に対応する位置は好適である。また、スキッシュクリアランスを利用して、燃焼室６の軸方向高さの高い凸条が形成し易く、筒内ガス主流Ｑを偏向させるのに有利な凸条とすることができる。さらに、冠面５０の稜線部５６に対応する位置には、吸気／排気バルブリセスが設けられないので、前記凸条の形成には有利である。また、図１７（Ｂ）のように、燃焼室天井面６０の頂部６２（稜線部）に凸条からなるガイド部６３を設ける実施態様であっても、頂部６２には吸気側、排気側開口部４１、４２が設けられないので、前記凸条の形成には有利である。
【００９２】
［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。
【００９３】
（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の基準面５１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８、図１２に示したような微細溝２０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２０を設けても良い。勿論、冠面５０及び燃焼室天井面６０の双方に微細溝２０を設けても良い。
【００９４】
（２）微細溝２０は、ガイド部５７、６３の表面に設けられていても良い。ガイド部５７、６３が広幅なものである場合、ガイド部５７、６３において渦流３２からの熱伝達が起こり得る。ガイド部５７、６３は径方向Ａに延びる凸条であるので、径方向Ａに延伸することが求められる微細溝２０を形成可能である。
【００９５】
（３）図２１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、冠面５０（基準面５１）の径方向全域に亘って直線状に延びる微細溝２０が形成される例を示した。これに対し、図２１では、冠面５０を径方向Ａに第１、第２、第３、第４、第５環状領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５の５つに区分し、これら環状領域Ｒ１〜Ｒ５に、溝幅の異なる第１、第２、第３、第４、第５微細溝２１、２２、２３、２４、２５を設けている。最も径方向内側の第１環状領域Ｒ１に形成される第１微細溝２１の溝幅が最も小さく、最も径方向外側の第５環状領域Ｒ５に形成される第５微細溝２５の溝幅が最も大きい。第２〜第４微細溝２２〜２４は、第１、第５微細溝２１、２５の溝幅の間において、徐々に大きくなる溝幅を有している。第１〜第５環状領域Ｒ１〜Ｒ５では、それぞれ第１〜第５微細溝２１〜２５が、概ね溝幅≒配列ピッチとなるように密に配列されている。
【００９６】
既述の通り、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り、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が小さくなる傾向がある。このような現象に鑑みると、冠面５０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２１の変形例によれば、燃焼室６の径方向におけるスキッシュ流３０の流速変化に応じた微細溝２１〜２５を、冠面５０に設定することができる。つまり、冠面５０上の微細溝２１〜２５が、冠面５０の径方向Ａにおける渦流３２の渦スケールＤの変化に応じた溝幅を具備するようになり、第１〜第５環状領域Ｒ１〜Ｒ５の各々において、渦流３２を適正に冠面５０から離間させることができる。従って、冷却損失を一層低減させることができ、エンジンの熱効率を高めることができる。
【００９７】
（４）図２２は、本実施形態の他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。ここでは、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とに区分されている。そして、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ている。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。
【００９８】
径方向外側の第２環状領域Ｒ２においては、ガイド部５７、６３を設けた場合においても、筒内ガス主流Ｑの流動は、円周方向に向かう成分が支配的となってしまう場合がある。この場合、筒内ガス主流Ｑの流動と微細溝２０とがなす角度が大きくなる。その結果、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。しかしながら図２２の変形例では、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。
【符号の説明】
【００９９】
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
５５  冠面斜面部（斜面部）
５６  稜線部
５７  ガイド部
６  燃焼室
６０  燃焼室天井面（燃焼室壁面／径方向壁面）
６１  天井斜面部（斜面部）
６２  頂部（稜線部）
６３  ガイド部
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
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  タンブル流
Ｓ  溝幅
ｈ  溝高さ
Ａ、Ｂ  径方向、円周方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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