(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、スキッシュ流が生じる燃焼室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ピストン５の冠面５０に形成され、燃焼室６の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝２０とを備える。冠面５０は、燃焼室６の径方向内側の第１環状領域Ｒ１と、第１環状領域Ｒ１に隣接し第１環状領域Ｒ１よりも径方向外側の第２環状領域Ｒ２とを含む。微細溝２０は、第１環状領域Ｒ１に配置される複数の第１微細溝２１と、第２環状領域Ｒ２に配置される複数の第２微細溝２２とを含む。第１微細溝２１は、第１の溝幅Ｓ１を有する。第２微細溝２２は、第１の溝幅Ｓ１よりも広い第２の溝幅Ｓ２を有する。【選択図】図７
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【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であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる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、
前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域に隣接し前記第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環状領域において前記複数の微細溝の各々は、第１の溝幅を有し、
前記第２環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第１の溝幅よりも広い第２の溝幅を有する、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、
前記第１の溝幅及び前記第２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３に記載のエンジンの燃焼室構造において、
ｈ／Ｓが、０．５〜１．０の範囲に設定されている、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、
前記第１環状領域には、前記第１の溝幅を有する複数の第１微細溝が、円周方向に第１配列ピッチで配置され、
前記第２環状領域には、前記第２の溝幅を有する複数の第２微細溝が、円周方向に第２配列ピッチで配置され、
前記第１環状領域と前記第２環状領域との境界には、前記第１の溝幅と前記第２の溝幅との溝幅差に基づき、前記第１配列ピッチと前記第２配列ピッチとが前記円周方向にオフセットした断層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５に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記第１配列ピッチと前記第１の溝幅とが実質的に同じであり、前記第２配列ピッチと前記第２の溝幅とが実質的に同じである、エンジンの燃焼室構造。
【請求項７】
請求項１〜６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、
前記第１及び第２環状領域は、前記キャビティの開口縁と前記ピストンの外周縁との間において前記冠面に配置されている、エンジンの燃焼室構造。
【請求項８】
請求項１〜７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、
前記燃焼室壁面が、径方向に３以上の環状領域に区分され、
前記環状領域の各々に、前記スキッシュ方向の筒内ガス主流の流速に応じて設定された溝幅を有する微細溝が配置されている、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、シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる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、前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域に隣接し前記第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環状領域において前記複数の微細溝の各々は、第１の溝幅を有し、前記第２環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第１の溝幅よりも広い第２の溝幅を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明者らの知見によれば、エンジンの圧縮／膨張工程時において燃焼室内で発生するスキッシュ方向の筒内ガス主流（スキッシュ流）の流速は、燃焼室の径方向内側へ向かうほど大きくなる傾向がある。また、スキッシュ流の流速が大きいほど、その副流である渦流の径（スケール）が小さくなる傾向がある。つまり、燃焼室の径方向内側の方が前記渦流の径が小さくなる。さらに、微細溝は、燃焼室壁面の表面積を徒に増加させることなく、前記渦流を溝内に入り込ませずに溝頂部付近に留め、前記渦流からの前記燃焼室壁面に対する熱伝達を抑制することが可能な溝幅を有することが望ましい。
【０００８】
かかる知見に基づき、上記燃焼室構造では、燃焼室の径方向内側の第１環状領域には所定の第１の溝幅を有する微細溝を配置する一方で、径方向外側の第２環状領域には前記第１の溝幅よりも広い第２の溝幅を有する微細溝を配置する。これにより、燃焼室の径方向におけるスキッシュ流の流速変化に応じた微細溝を、燃焼室壁面に設定することができる。つまり、前記微細溝が、径方向における渦流の径変化に応じた溝幅を具備するようになり、前記第１、第２環状領域の各々において、渦流を適正に燃焼室壁面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。
【０００９】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記第１の溝幅及び前記第２の溝幅は、２μｍ〜２５０μｍの範囲から選ばれることが望ましい。
【００１０】
この燃焼室構造によれば、前記第１、第２の溝幅のサイズが適正化される。溝幅が２μｍよりも小さいと、燃焼室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燃焼室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燃焼室壁面から離間させ難くなる。
【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。この場合、ｈ／Ｓが、０．５〜１．０の範囲に設定されていることが特に望ましい。
【００１２】
前記渦流を燃焼室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、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燃焼室壁面の表面積増加と、前記渦流を前記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。
【００１３】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記第１環状領域には、前記第１の溝幅を有する複数の第１微細溝が、円周方向に第１配列ピッチで配置され、前記第２環状領域には、前記第２の溝幅を有する複数の第２微細溝が、円周方向に第２配列ピッチで配置され、前記第１環状領域と前記第２環状領域との境界には、前記第１の溝幅と前記第２の溝幅との溝幅差に基づき、前記第１配列ピッチと前記第２配列ピッチとが前記円周方向にオフセットした断層部が形成されていることが望ましい。
【００１４】
この燃焼室構造によれば、複数の微細溝の各々が、燃焼室の径方向中心から外側に向けて直線状に延びるのではなく、前記断層部においてオフセットすることになる。つまり、上記燃焼室構造では、少なくとも一部の第１微細溝と第２微細溝との、径方向における直線的な連続性が失われることを許容する。従って、前記第１、第２環状領域の各々において、前記第１、第２微細溝を、スキッシュ流の流速変化に応じた適正な溝幅にて自在に設定することができる。
【００１５】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記第１配列ピッチと前記第１の溝幅とが実質的に同じであり、前記第２配列ピッチと前記第２の溝幅とが実質的に同じであることが望ましい。
【００１６】
この燃焼室構造によれば、微細溝の配列ピッチと溝幅とが実質的に同じであるので、隣り合う第１微細溝同士、及び隣り合う第２微細溝同士は、その上部開口縁同士が隣接するようになる。このため、微細溝の延伸方向と直交する断面視において、微細溝間に尖った山部が存在する構造、つまり、微細溝間には平面部が実質的に存在しない構造となる。従って、前記スキッシュ流の前記渦流が平面部と対峙する部分が存在しなくなり、前記渦流と前記燃焼室壁面との間における熱エネルギーの授受を効果的に抑制することができる。
【００１７】
上記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、前記第１及び第２環状領域は、前記キャビティの開口縁と前記ピストンの外周縁との間において前記冠面に配置されていることが望ましい。
【００１８】
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大きくなる。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、流速が特に大きくなる。従って、本発明に係る微細溝の形成箇所として、ピストンの冠面は好適である。
【００１９】
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記燃焼室壁面が、径方向に３以上の環状領域に区分され、前記環状領域の各々に、前記スキッシュ方向の筒内ガス主流の流速に応じて設定された溝幅を有する微細溝が配置されていることが望ましい。
【００２０】
この燃焼室構造によれば、スキッシュ流の流速に応じて径方向に多段階に微細溝の溝幅を変更することが可能となる。従って、冷却損失を一層低減させることができる。
【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、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６】図６（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６（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７】図７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８】図８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９】図９は、微細溝の模式的な断面図である。
【図１０】図１０は、比較例の微細溝パターンを説明するための模式図である。
【図１１】図１１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１２】図１２は、微細溝の無次元長さと燃焼室壁面に対する熱伝達率低減率との関係を示すグラフである。
【図１３】図１３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。
【図１４】図１４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。
【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。
【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。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、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）が生じる燃焼室である。
【００３８】
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。
【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。他の筒内ガス主流（スワール流及びタンブル流）についても同様である。
【００４０】
［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。
【００４１】
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５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５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。
【００４２】
このような微細溝２００を形成することの利点を図６（Ａ）、（Ｂ）に基づき説明する。図６（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。
【００４３】
一方、図６（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６（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。
【００４４】
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。
【００４５】
図５に示すように、キャビティ５Ｃの開口縁５２から外周縁５４にかけて、直線的に、放射状に延びる複数の微細溝２００であると、微細溝２００同士の間隔が、冠面５０の径方向外側に向かうほど広くなってしまう。すなわち、微細溝２００の溝幅が径方向に一定である場合、冠面５０の径方向内側の領域では隣り合う微細溝２００同士が近接するが、径方向外側の領域では隣り合う微細溝２００同士の間隔が開いてしまう。従って、前記径方向外側の領域では、微細溝２００間に平面部が形成されてしまう。この場合、図６（Ａ）に基づき説明した通り、前記平面部にスキッシュ流３０の渦流３２が接近し得るようになるので、冷却損失を十分に抑制できなくなる。
【００４６】
各々の微細溝２００の溝幅を、径方向外側に向かうほど幅広とし、隣り合う微細溝２００同士を径方向全長に亘って近接させることも考えられる。しかし、この場合、径方向外側に向かうに従って溝幅が大きくなり過ぎ、平面に近い状態となるため、径方向外側の領域において、熱伝達抑制効果が小さくなる。
【００４７】
［微細溝パターンの実施形態］
図７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７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）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Ｏから径方向Ａの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。
【００４８】
冠面５０は、径方向Ａの内側から外側に向けて、５つの円環状の領域、第１環状領域Ｒ１、第２環状領域Ｒ２、第３環状領域Ｒ３、第４環状領域Ｒ４及び第５環状領域Ｒ５に区分されている。この領域区分は一例であり、後述する通り、スキッシュ流３０の流速分布に応じて適宜区分することができる。第１環状領域Ｒ１は、最も径方向内側に位置する領域である。第２環状領域Ｒ２は、第１環状領域Ｒ１に隣接し当該第１環状領域Ｒ１よりも径方向外側に位置している。以下同様に、第３環状領域Ｒ３、第４環状領域Ｒ４及び第５環状領域Ｒ５が径方向外側に向けて順次配置されている。
【００４９】
第１環状領域Ｒ１には、径方向Ａ（スキッシュ方向）に延びる多数の第１微細溝２１が配置されている。多数の第１微細溝２１は、第１環状領域Ｒ１の内周縁から外周縁にかけて、中心Ｏを基準として放射線状に延びている。同様に、第２環状領域Ｒ２には多数の第２微細溝２２が、第３環状領域Ｒ３には多数の第３微細溝２３が、第４環状領域Ｒ４には多数の第４微細溝２４が、第５環状領域Ｒ５には多数の第５微細溝２５が各々配置されている。図７では、第１〜第５微細溝２１〜２５が第１〜第５環状領域Ｒ１〜Ｒ５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２１〜２５が環状領域Ｒ１〜Ｒ５の全域に刻設されている。
【００５０】
図８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〜第５微細溝２１〜２５からなる微細溝２０を平面的に示した図である。図８には、図７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。図９は、微細溝２０の断面形状を示している。
【００５１】
第１微細溝２１は、所定長の溝幅からなる第１の溝幅Ｓ１を有する、断面Ｖ字型の溝である。第１微細溝２１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（第２〜第５微細溝２２〜２５も同様）。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８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６（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。
【００５２】
複数の第１微細溝２１は、円周方向Ｂに第１配列ピッチで配置されている。本実施形態では、図９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。すなわち、隣り合う微細溝２０は、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。このため、微細溝２０の延伸方向と直交する断面視（図９）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されている。ここで、溝幅Ｓと配列ピッチＰとが「実質的に」同じとしているのは、隣り合う微細溝２０の頂部２０１間に、加工上において不可避的に生じる微細幅の平面部や、前記山部が尖りすぎないように僅かな幅の平面部を積極的に形成するケースが想定されているからである。
【００５３】
第２微細溝２２は、第１の溝幅Ｓ１よりも広い第２の溝幅Ｓ２を有している。また、複数の第２微細溝２２は、第２の溝幅Ｓ２と実質的に同一の第２配列ピッチで円周方向Ｂに配列されている。第１環状領域Ｒ１と第２環状領域Ｒ２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、第１環状領域Ｒ１と第２環状領域Ｒ２との境界には、断層部Ｃ１が形成されている。
【００５４】
断層部Ｃ１では、第１の溝幅Ｓ１と第２の溝幅Ｓ１との溝幅差に基づき、前記第１配列ピッチ（≒Ｓ１）と前記第２配列ピッチ（≒Ｓ２）とが前記円周方向にオフセットしている。つまり、第１微細溝２１及び第２微細溝２２の各配列ピッチが相互に異なるため、断層部Ｃ１において第１微細溝２１と第２微細溝２２との径方向Ａにおける連続性が途絶えている。このことは、第１、第２環状領域Ｒ１、Ｒ２間における微細溝の連続性を考慮から外し、各環状領域Ｒ１、Ｒ２において最適な溝幅Ｓ１、Ｓ２を有する第１、第２微細溝２１、２２を配置可能とすることを意味する。
【００５５】
第３微細溝２３は、第２の溝幅Ｓ２よりも広い第３の溝幅Ｓ３を有している。複数の第３微細溝２３は、第３の溝幅Ｓ３と実質的に同一の第３配列ピッチで円周方向Ｂに配列されている。同様に、複数の第４微細溝２４は、各々第３の溝幅Ｓ３よりも広い第４の溝幅Ｓ４を有し、第４の溝幅Ｓ４と実質的に同一の第４配列ピッチで円周方向Ｂに配列されている。複数の第５微細溝２５は、各々第４の溝幅Ｓ４よりも広い第５の溝幅Ｓ５を有し、第５の溝幅Ｓ５と実質的に同一の第５配列ピッチで円周方向Ｂに配列されている。
【００５６】
上記と同様に、第２微細溝２２と第３微細溝との溝幅差（Ｓ２＜Ｓ３）に起因して、第２環状領域Ｒ２と第３環状領域Ｒ３との境界には、断層部Ｃ２が形成されている。また、第３、第４微細溝２３、２４の溝幅差（Ｓ３＜Ｓ４）に起因して、第３、第４環状領域Ｒ３、Ｒ４の境界には断層部Ｃ３が、第４、第５微細溝２４、２５の溝幅差（Ｓ４＜Ｓ５）に起因して、第４、第５環状領域Ｒ４、Ｒ５の境界には断層部Ｃ４が形成されている。
【００５７】
以上の通り、第１〜第５の溝幅Ｓ１〜Ｓ５の相互の関係は、
Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４＜Ｓ５
とされている。つまり、冠面５０の径方向Ａの外側の環状領域ほど、当該領域に形成される微細溝の溝幅が広く設定されている。このような溝幅設定が行われるのは、スキッシュ流３０の流速と渦流３２との関係を考慮してのことである。エンジンの圧縮／膨張工程時において燃焼室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。本実施形態のように、ペントルーフ型の燃焼室６であって冠面５０の径方向中央部分にキャビティ５Ｃが備えられている場合、一層その傾向は強くなる。例えば正スキッシュ流ＳＱは、キャビティ５Ｃ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、流速が特に大きくなる。
【００５８】
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。つまり、径方向Ａの外側ではスキッシュ流３０のレイノルズ数は低く、渦流３２の渦スケールＤは比較的大きいが、径方向Ａの内側ではスキッシュ流３０のレイノルズ数は高く、渦スケールＤは比較的小さくなる。後記で詳述するが、燃焼室壁面と渦流３２との間の熱伝達を低減させるために、渦流３２の渦スケールＤに適した溝幅Ｓが存在する。すなわち、スキッシュ流３０の径方向Ａにおける流速分布に応じた最適な溝幅Ｓが存在する。従って、第１〜第５の溝幅Ｓ１〜Ｓ５を、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４＜Ｓ５という関係とすることで、径方向Ａにおける渦流３２の渦スケール変化に応じた溝幅を有する微細溝２１〜２５を各環状領域Ｒ１〜Ｒ５に設けることが可能となる。
【００５９】
このように本実施形態では、第１〜第５環状領域Ｒ１〜Ｒ５の各々に、スキッシュ流３０の流速に基づいて設定される最適な溝幅Ｓ１〜Ｓ５を有する微細溝２１〜２５が配置される。結果的に、断層部Ｃ１〜Ｃ４において隣接する微細溝間の配列ピッチにオフセットが生じるが、各環状領域Ｒ１〜Ｒ５においては実質的に平面部が生じないように微細溝２１〜２５を形成し易くなる。
【００６０】
図１０は、比較例の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、図５に示したような、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の一部を拡大して示している。この比較例では、隣接する一対の微細溝２００Ａ、２００Ｂ間の間隔は、円周長の漸増に従って、径方向Ａの内側では小さいが、径方向Ａの外側に向かうにつれ大きくなっている。つまり、微細溝２００Ａの頂部２０１Ａと微細溝２００Ｂの頂部２０１Ｂとは、径方向Ａの内側では隣接しているが、径方向Ａの外側では大きく離間している。この結果、一対の微細溝２００Ａ、２００Ｂ間には、径方向Ａの外側に向かうほど幅広となる平面部２０４が形成されるようになる。このような平面部２０４は、冷却損失の抑制を阻害する。これに対し、本実施形態では図８に示したように、第１〜第５環状領域Ｒ１〜Ｒ５の各々において、第１〜第５微細溝２１〜２５を密に形成し、微細溝間に平面部が生じないようにすることができる。
【００６１】
微細溝２０は、様々な加工方法にて冠面５０のスキッシュエリア（基準面５１）に形成することができる。例えば、スキッシュエリア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スキッシュエリアに押圧、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。
【００６２】
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。
【００６３】
［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。
【００６４】
【数１】
2018087506.tif 000003
【００６５】
式（１）における摩擦速度Ｕτは、スキッシュ流３０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。
【００６６】
【数２】
2018087506.tif 000004
【００６７】
上記式（１）及び式（２）より、溝幅Ｓは次の式（３）で与えられる。
【００６８】
【数３】
2018087506.tif 000005
【００６９】
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。
【００７０】
【数４】
2018087506.tif 000006
【００７１】
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。
【００７２】
【数５】
2018087506.tif 000007
【００７３】
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。
【００７４】
図１１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１１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１１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。
【００７５】
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６（Ｂ）に示す状態が形成できず、渦流３２を冠面５０（燃焼室壁面）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６（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。
【００７６】
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１１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。
【００７７】
図１１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。
【００７８】
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
【００７９】
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。そして、この範囲から、スキッシュエリアの径方向位置に応じて、最適な溝幅Ｓを設定すれば良い。例えば、図７に示した冠面５０の場合ならば、最も径方向内側の第１環状領域Ｒ１に設ける第１微細溝２１の溝幅Ｓ１は、上記溝幅分布の下限付近の値（２〜２０μｍ程度）とし、最も径方向外側の第５環状領域Ｒ５に設ける第５微細溝２５の溝幅Ｓ５は、上記溝幅分布の上限付近の値（５０〜２５０μｍ程度）とし、これらの間の第２〜第４微細溝２２〜２４の溝幅Ｓ２〜Ｓ５については、両者間の適宜な値に設定することができる。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
図７に一例を示した通り、本実施形態では微細溝２０は、いわば第１〜第５微細溝２１〜２５に径方向Ａに分割されている。つまり、第１〜第５環状領域Ｒ１〜Ｒ５の各境界には、微細溝の配列ピッチがオフセットした断層部Ｃ１〜Ｃ４が存在し、微細溝２０の径方向Ａにおける直線性が失われている。このため、断層部Ｃ１〜Ｃ４において、渦流３２（乱流）を燃焼室壁面から良好に離間させ得るか、つまり熱伝達を抑制できるのかについて懸念が生じる。
【００８３】
しかし、本発明者らのＤＮＳ（直接数値シミュレーション）によれば、第１〜第５微細溝２１〜２５を、Ｓ＋＝１５を満たす溝幅Ｓとすることで、熱伝達を抑制することが判明した。図１２は、微細溝の径方向Ａにおける無次元長さと、燃焼室壁面に対する熱伝達率低減率との関係を示すグラフである。図１２のグラフにおいて、横軸の無次元長さは、一本の微細溝の径方向長さであり、図７に当て嵌めれば、第１〜第５微細溝２１〜２５のいずれかの径方向長さに相当する。
【００８４】
無次元溝幅Ｓ＋＝１５の場合、微細溝の無次元長さに関わらず、熱伝達率低減率は一定である。つまり、直線的に延びる一本の微細溝の無次元長さが２５程度であっても、３６０程度であっても、良好な熱伝達率低減率を確保できる。点線ｅ１は、無次元溝幅Ｓ＋＝１５の微細溝が無限長に延びている場合の熱伝達率低減率である。このことから、Ｓ＋＝１５であれば、短尺の微細溝の複数が、径方向に非直線的に配列されていても、熱伝達率低減率において無限長の微細溝と相違が無いことが分かる。すなわち、図７の例のように、第１〜第５微細溝２１〜２５の配列ピッチがオフセットしていても、Ｓ＋＝１５であれば熱伝達率低減率が良好であることが分かる。
【００８５】
これに対し、Ｓ＋＝３０、４５の場合は、微細溝の無次元長さが短いほど、熱伝達率低減率は悪化する。点線ｅ２、ｅ３は、Ｓ＋＝３０、４５の微細溝が無限長に延びている場合の熱伝達率低減率であるが、これに比較してもＳ＋＝３０、４５の熱伝達率低減率は悪化している。Ｓ＋＝１５の微細溝では、そもそも渦流３２が微細溝内に入り込まないので、無次元長さが短くても、つまり断層部Ｃ１〜Ｃ４が存在していても特段影響はない。しかし、Ｓ＋＝３０、４５クラスの微細溝では、断層部Ｃ１〜Ｃ４の上流側で燃焼室壁面近傍に渦流３２が存在し、無次元長さが短いほど、渦流３２による熱輸送の影響が燃焼室壁面の広範囲に及ぶため、熱伝達率低減率を悪化させる。
【００８６】
［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、冠面５０（燃焼室壁面）が径方向Ａにおいて複数の環状領域Ｒ１〜Ｒ５に区分される。そして径方向内側の第１環状領域Ｒ１には第１の溝幅Ｓ１を有する微細溝２１が配置される一方で、第１環状領域Ｒ１よりも径方向外側の第２環状領域Ｒ２には、第１の溝幅Ｓ１よりも広い第２の溝幅Ｓ２を有する微細溝２２が配置される。このような溝幅の関係が、第２〜第５環状領域Ｒ２〜Ｒ５の相互間においても成立するよう、第３〜第５の溝幅Ｓ３〜Ｓ５が設定される。
【００８７】
これにより、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２０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Ｓ１〜Ｓ５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。
【００８８】
また、複数の第１〜第５微細溝２１〜２５の配列ピッチが、断層部Ｃ１〜Ｃ４においてオフセットしている。つまり、第１〜第５微細溝２１〜２５が燃焼室６の径方向中心Ｏから外側に向けて直線状に繋がるように延びず、断層部Ｃ１〜Ｃ４において直線的な連続性が失われることを許容している。従って、第１〜第５環状領域Ｒ１〜Ｒ５の各々において、第１〜第５微細溝２１〜２５を、スキッシュ流３０の流速変化に応じた適正な溝幅Ｓ１〜Ｓ５にて自在に設定することができる。
【００８９】
さらに、図９に例示したように、微細溝２０（２１〜２５）の配列ピッチＰと溝幅Ｓとが実質的に同じとされている。これにより、隣り合う微細溝２０同士は、その上部開口縁である頂部２０１同士が隣接するようになる。このため、微細溝２０間に尖った山部が存在し、両者間には平面部が実質的に存在しない構造となる。従って、スキッシュ流３０の渦流３２が平面部と対峙する部分が存在しなくなり、渦流３２と燃焼室壁面との間における熱エネルギーの授受を効果的に抑制することができる。
【００９０】
［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。
【００９１】
（１）図１３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、燃焼室壁面としてのピストン５の冠面５０が、径方向Ａに第１〜第５環状領域Ｒ１〜Ｒ５の５つに区分される例を示した。これに対し、図１３では、燃焼室壁面が径方向Ａに第１、第２環状領域Ｒ１、Ｒ２の２つに区分される例を示す。第１環状領域Ｒ１には第１の溝幅Ｓ１の第１微細溝２１が配置され、第２環状領域Ｒ２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。
【００９２】
このように、燃焼室壁面を径方向Ａに２つの領域に区分し、各領域に適した溝幅を有する微細溝を配置するだけでも、冷却損失の低減効果を得ることができる。もちろん、燃焼室壁面が、径方向Ａに３以上の環状領域に区分され、前記環状領域の各々に、スキッシュ流３０の流速に応じて設定された溝幅を有する微細溝が配置されていることがより望ましい。例えば、燃焼室壁面を径方向Ａに１０〜１５程度の領域に区分し、各領域に適した溝幅を有する微細溝を各々配置することが望ましい。
【００９３】
（２）図１４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、燃焼室壁面が径方向Ａに第１〜第４環状領域Ｒ１〜Ｒ４の４つに区分され、各環状領域Ｒ１〜Ｒ４には溝幅Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４）を各々有する第１〜第４微細溝２１Ａ〜２４Ａが配置されている。上記実施形態と相違する点は、第１〜第４微細溝２１Ａ〜２４Ａの配列ピッチが相互にオフセットしていない点である。すなわち、第１〜第４微細溝２１Ａ〜２４Ａは、各々独自の頂部２０１を有するが、谷部２０２は共通である。このような態様であっても、第１〜第４微細溝２１Ａ〜２４Ａの溝幅Ｓ１〜Ｓ４がスキッシュ流３０の流速に応じた溝幅であれば、冷却損失の低減効果を得ることができる。
【００９４】
（３）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に拡がりをもつ壁面としてピストン５の冠面５０に着目し、この冠面５０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７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、微細溝パターンを設けても良い。
【符号の説明】
【００９５】
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）
６  燃焼室
６０  燃焼室天井面（燃焼室壁面）
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
２１〜２５  第１〜第５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）
Ｓ  溝幅
Ｓ１〜Ｓ５  第１〜第５の溝幅
ｈ  溝高さ
Ａ、Ｂ  径方向、円周方向
Ｃ１〜Ｃ４  断層部
Ｏ  径方向中心
Ｐ  配列ピッチ
Ｒ１〜Ｒ５  第１〜第５環状領域
【図１】
2018087506.tif 000008
【図２】
2018087506.tif 000009
【図３】
2018087506.tif 000010
【図４】
2018087506.tif 000011
【図５】
2018087506.tif 000012
【図６】
2018087506.tif 000013
【図７】
2018087506.tif 000014
【図８】
2018087506.tif 000015
【図９】
2018087506.tif 000016
【図１０】
2018087506.tif 000017
【図１１】
2018087506.tif 000018
【図１２】
2018087506.tif 000019
【図１３】
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【図１４】
2018087506.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月13日(2018.4.13)
【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】
シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる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、
前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域に隣接し前記第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環状領域において前記複数の微細溝の各々は、一定の第１の溝幅で径方向に延びており、
前記第２環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第１の溝幅よりも広い一定の第２の溝幅で径方向に延び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、
前記第１の溝幅及び前記第２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３に記載のエンジンの燃焼室構造において、
ｈ／Ｓが、０．５〜１．０の範囲に設定されている、エンジンの燃焼室構造。
【請求項５】
シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる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、
前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域に隣接し前記第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環状領域において前記複数の微細溝の各々は、第１の溝幅を有し、
前記第２環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第１の溝幅よりも広い第２の溝幅を有し、
前記第１環状領域には、前記第１の溝幅を有する複数の第１微細溝が、円周方向に第１配列ピッチで配置され、
前記第２環状領域には、前記第２の溝幅を有する複数の第２微細溝が、円周方向に第２配列ピッチで配置され、
前記第１環状領域と前記第２環状領域との境界には、前記第１の溝幅と前記第２の溝幅との溝幅差に基づき、前記第１配列ピッチと前記第２配列ピッチとが前記円周方向にオフセットした断層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５に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記第１配列ピッチと前記第１の溝幅とが実質的に同じであり、前記第２配列ピッチと前記第２の溝幅とが実質的に同じである、エンジンの燃焼室構造。
【請求項７】
請求項１〜６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、
前記第１及び第２環状領域は、前記キャビティの開口縁と前記ピストンの外周縁との間において前記冠面に配置されている、エンジンの燃焼室構造。
【請求項８】
シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる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、
前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域に隣接し前記第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環状領域において前記複数の微細溝の各々は、第１の溝幅を有し、
前記第２環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第１の溝幅よりも広い第２の溝幅を有し、
前記燃焼室壁面が、径方向に３以上の環状領域に区分され、
前記環状領域の各々に、前記スキッシュ方向の筒内ガス主流の流速に応じて設定された溝幅を有する微細溝が配置されている、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、シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる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、前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域に隣接し前記第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環状領域において前記複数の微細溝の各々は、一定の第１の溝幅で径方向に延びており、前記第２環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第１の溝幅よりも広い一定の第２の溝幅で径方向に延びてい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】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の他の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であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる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、前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域に隣接し前記第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環状領域において前記複数の微細溝の各々は、第１の溝幅を有し、前記第２環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第１の溝幅よりも広い第２の溝幅を有し、前記第１環状領域には、前記第１の溝幅を有する複数の第１微細溝が、円周方向に第１配列ピッチで配置され、前記第２環状領域には、前記第２の溝幅を有する複数の第２微細溝が、円周方向に第２配列ピッチで配置され、前記第１環状領域と前記第２環状領域との境界には、前記第１の溝幅と前記第２の溝幅との溝幅差に基づき、前記第１配列ピッチと前記第２配列ピッチとが前記円周方向にオフセットした断層部が形成されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明のさらに他の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であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる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、前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第１環状領域と、前記第１環状領域に隣接し前記第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環状領域において前記複数の微細溝の各々は、第１の溝幅を有し、前記第２環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第１の溝幅よりも広い第２の溝幅を有し、前記燃焼室壁面が、径方向に３以上の環状領域に区分され、前記環状領域の各々に、前記スキッシュ方向の筒内ガス主流の流速に応じて設定された溝幅を有する微細溝が配置されている。