(57)【要約】【課題】内燃機関の冷却損失を低減して熱効率を向上させる。【解決手段】ピストン１２内部には、冷却液が供給される水チャンネル２２と、水チャンネル２２内の冷却液をピストン頂面１２ａに送り出すための冷却液送出口２４と、水チャンネル２２と冷却液送出口２４との連通を許容または遮断する送出調整弁２６とが設けられている。シリンダ１１内で燃料を燃焼させる際に、プッシュロッド３２により送出調整弁２６を駆動して水チャンネル２２と冷却液送出口２４とを連通させることで、水チャンネル２２内の冷却液を冷却液送出口２４からピストン頂面１２ａに送り出して水膜１６を形成する。この水膜１６と水膜１６が蒸発してできる水蒸気層１７とを断熱層として利用して、燃焼室１３内の高温の燃焼ガス１９から燃焼室１３壁面への熱伝達を低下させる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンが往復運動するシリンダ内に燃料を噴射する内燃機関であって、
ピストン内部には、冷却液が供給される冷却液流路と、冷却液流路内の冷却液をピストン頂面に送り出すための冷却液送出口と、冷却液流路と冷却液送出口との連通を許容または遮断する送出調整弁と、が設けられており、
冷却液流路に冷却液を供給する冷却液供給手段と、
シリンダ内で燃料を燃焼させる際に、送出調整弁を駆動して冷却液流路と冷却液送出口とを連通させることで、冷却液流路内の冷却液を冷却液送出口からピストン頂面に送り出す送出調整弁駆動手段と、
を備える、内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関であって、
送出調整弁は、冷却液流路内の冷却液の圧力上昇に応じて冷却液流路と冷却液送出口との連通を許容する弁であり、
送出調整弁駆動手段は、
シリンダ軸線方向においてピストンと対向してシリンダヘッドに配設され、シリンダ軸線方向に沿って移動することが可能な可動部材と、
シリンダ軸線方向において可動部材と対向してピストンに配設され、可動部材により押圧されることで冷却液流路内の冷却液を加圧する加圧部材と、
可動部材を加圧部材側へ移動させて、可動部材により加圧部材を押圧することで、送出調整弁を駆動して冷却液流路と冷却液送出口とを連通させる可動部材駆動手段と、
を含む、内燃機関。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関であって、
可動部材駆動手段は、可動部材を加圧部材側へ移動させる期間と可動部材の加圧部材側への移動量とのいずれか１つ以上を調整することで、冷却液送出口からの冷却液の送出期間及び送出量のいずれか１つ以上を調整する、内燃機関。
【請求項４】
請求項２または３に記載の内燃機関であって、
可動部材駆動手段は、ピストンが圧縮上死点付近に位置する時期に可動部材が加圧部材を押圧するように、可動部材を加圧部材側へ移動させる、内燃機関。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１に記載の内燃機関であって、
可動部材駆動手段は、クランクシャフトの回転に伴う回転運動を可動部材のシリンダ軸線方向の運動に変換するための送出用カム機構を含む、内燃機関。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１に記載の内燃機関であって、
可動部材は、吸気弁よりも排気弁の方が近い位置に配置されている、内燃機関。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１に記載の内燃機関であって、
ピストンには、冷却液流路に供給される冷却液を受け入れる冷却液受入口と、冷却液受入口を開閉する受入調整弁と、がシリンダ軸線方向においてシリンダヘッドと対向して設けられており、
冷却液供給手段は、シリンダヘッド側から受入調整弁を駆動して冷却液受入口を開けて冷却液流路に冷却液を供給する手段である、内燃機関。
【請求項８】
請求項７に記載の内燃機関であって、
冷却液供給手段は、
シリンダ軸線方向においてピストンと対向してシリンダヘッドに配設された冷却液供給ノズルであって、冷却液を吐出する冷却液吐出口と、シリンダ軸線方向において受入調整弁と対向し且つ受入調整弁側へ移動することで冷却液吐出口を開ける吐出調整弁と、が設けられた冷却液供給ノズルと、
冷却液供給ノズルをピストン側へ移動させてピストンに当接させるノズル駆動手段と、
冷却液供給ノズルがピストンに当接している状態で、吐出調整弁を受入調整弁側へ移動させて、吐出調整弁により受入調整弁を駆動して冷却液受入口を開けることで、冷却液吐出口から冷却液受入口を通じて冷却液流路に冷却液を供給する吐出調整弁駆動手段と、
を含む、内燃機関。
【請求項９】
請求項８に記載の内燃機関であって、
ノズル駆動手段は、ピストンが吸気上死点付近に位置する時期に冷却液供給ノズルがピストンに当接するように、冷却液供給ノズルをピストン側へ移動させる、内燃機関。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の内燃機関であって、
ノズル駆動手段は、クランクシャフトの回転に伴う回転運動を冷却液供給ノズルのシリンダ軸線方向の運動に変換するための供給用カム機構を含む、内燃機関。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１に記載の内燃機関であって、
冷却液供給ノズルは、排気弁よりも吸気弁の方が近い位置に配置されている、内燃機関。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１に記載の内燃機関であって、
ピストン頂面の中央部には窪み部が形成されており、
冷却液流路は窪み部の周囲に設けられている、内燃機関。
【請求項１３】
請求項１２に記載の内燃機関であって、
冷却液送出口は、ピストン頂面における窪み部の縁部に冷却液を送り出す、内燃機関。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の内燃機関であって、
冷却液送出口は、ピストン頂面における窪み部より外側に冷却液を送り出す、内燃機関。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１に記載の内燃機関であって、
冷却液流路内の冷却液が沸騰しているか否かを判定する沸騰判定手段を備える、内燃機関。
【請求項１６】
請求項１５に記載の内燃機関であって、
沸騰判定手段で冷却液流路内の冷却液が沸騰していると判定された場合は、シリンダ内への燃料噴射量を減少させる、またはシリンダ内への燃料噴射を停止させる、内燃機関。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の内燃機関であって、
沸騰判定手段で冷却液流路内の冷却液が沸騰していると判定された場合は、冷却液送出口からの冷却液の送出量を増大させる、内燃機関。
【請求項１８】
請求項１５〜１７のいずれか１に記載の内燃機関であって、
沸騰判定手段は、冷却液供給手段から冷却液流路に冷却液が供給される際に、冷却液供給手段における冷却液の圧力変化に基づいて、冷却液流路内の冷却液が沸騰しているか否かを判定する、内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンが往復運動するシリンダ内に燃料を噴射する内燃機関に関し、特に、その冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な内燃機関の冷却構造においては、シリンダヘッド内部とシリンダブロック内部とに冷却水が流れる水ジャケットを形成し、ピストンに冷却用のオイルが流れるクーリングチャンネルを形成している。下記非特許文献１によると、燃焼によって生じてピストンに伝わった熱のうち過半数の熱は、クーリングチャンネルを通過するオイルに伝わり、クーリングチャンネル出口よりピストン外へ放出される。ピストンに伝わった残りの熱は、ピストンリングやピストンスカートを通じてシリンダライナに伝わり、水ジャケット内を流れる冷却水へ放出される。また、燃焼によって生じてシリンダヘッド下面に伝わった熱は、シリンダヘッド内部の水ジャケット内を流れる冷却水へ放出される。冷却水に放出された熱は、ラジエータによって大気中へ放出される。オイルに伝わった熱もオイルパンやオイルクーラーを通じて大気中へ放出される。
【０００３】
また、冷却損失を低減するために、セラミックで燃焼室壁面をコーティングしたセラミック遮熱型の内燃機関が提案されており、その関連技術が下記非特許文献２に開示されている。
【０００４】
また、燃料と水とを同一の噴射弁から燃焼室内に噴射する二種流体噴射装置をシリンダヘッドに配設した内燃機関が提案されており、その関連技術が下記特許文献１及び非特許文献３に開示されている。特許文献１においては、主に燃焼制御（ＮＯｘや煤）を抑制するために噴射される水をシリンダヘッド側から排気弁等の燃焼室壁高温部へ向けて噴射することで、燃焼室壁面の熱応力の低減を図っている。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１５０９６６号公報
【非特許文献１】エンジンテクノロジー編集委員会編、「自動車エンジン要素技術Ｉ  進化を続けるテクノロジーのすべて」、初版、株式会社山海堂、２００６年５月１５日、p.62
【非特許文献２】関山恵夫、他２名、「セラミック遮熱ディーゼルエンジンにおける高温燃焼の観察」、自動車技術会論文集、１９９４年１月、Vol25、No1、p.28-33
【非特許文献３】高石龍夫、他５名、「水利用層状噴射によるスモークレスディーゼルエンジンの研究開発」、［online］、ＪＰＥＣ（財団法人石油産業活性化センター）、［２００６年１０月２日検索］、インターネット、＜URL：http://www.pecj.or.jp/japanese/report/2005report/05P315.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した一般的な内燃機関の冷却構造においては、燃焼によって生じる熱の約１／３程度がピストン頂面等の燃焼室壁面から冷媒を介して冷却損失として放出されており、熱効率が低い。特に、ピストン頂面については、燃焼によって生じる熱の伝達が大きくなり、熱がピストン頂面から冷媒を介して冷却損失として放出されやすい。燃焼室壁面が断熱壁であれば、この壁面への冷却損失が無く、理想的な熱効率が得られる。
【０００７】
そこで、セラミック遮熱型の内燃機関においては、セラミック壁で断熱を図ることにより、冷却損失の低減を図っている。しかし、この場合は、セラミック壁に熱が蓄積され、燃焼室壁の温度が高温になるという欠点がある。
【０００８】
また、水をシリンダヘッド側から燃焼室壁へ向けて噴射する内燃機関において、水をピストン頂面へ向けて噴射してピストン頂面を冷却しようとすると、噴射された水がピストン頂面に到達する前に高温の筒内ガス中を進む過程で、水分の多くが筒内ガスから熱を受けて蒸発する。したがって、ピストン頂面を冷却するためには、ピストン頂面に到達して冷却を行う水量に加えて、途中で蒸発して失われる水量も余分に噴射する必要がある。
【０００９】
本発明は、冷却損失を低減することができ、熱効率を向上させることができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る内燃機関は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【００１１】
本発明に係る内燃機関は、ピストンが往復運動するシリンダ内に燃料を噴射する内燃機関であって、ピストン内部には、冷却液が供給される冷却液流路と、冷却液流路内の冷却液をピストン頂面に送り出すための冷却液送出口と、冷却液流路と冷却液送出口との連通を許容または遮断する送出調整弁と、が設けられており、冷却液流路に冷却液を供給する冷却液供給手段と、シリンダ内で燃料を燃焼させる際に、送出調整弁を駆動して冷却液流路と冷却液送出口とを連通させることで、冷却液流路内の冷却液を冷却液送出口からピストン頂面に送り出す送出調整弁駆動手段と、を備えることを要旨とする。
【００１２】
本発明によれば、シリンダ内で燃料を燃焼させる際に、ピストンに設けた冷却液送出口から冷却液流路内の冷却液をピストン頂面に送り出すことで、ピストン頂面上に水膜を形成する。そして、この水膜と水膜が蒸発してできる水蒸気とを断熱層として利用して、シリンダ内の高温の燃焼ガスからピストン頂面への熱伝達を低下させることができる。したがって、ピストン頂面の温度上昇を抑制することができるとともに、ピストン頂面からの冷却損失を低減することができる。その結果、内燃機関の熱効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の一態様では、送出調整弁は、冷却液流路内の冷却液の圧力上昇に応じて冷却液流路と冷却液送出口との連通を許容する弁であり、送出調整弁駆動手段は、シリンダ軸線方向においてピストンと対向してシリンダヘッドに配設され、シリンダ軸線方向に沿って移動することが可能な可動部材と、シリンダ軸線方向において可動部材と対向してピストンに配設され、可動部材により押圧されることで冷却液流路内の冷却液を加圧する加圧部材と、可動部材を加圧部材側へ移動させて、可動部材により加圧部材を押圧することで、送出調整弁を駆動して冷却液流路と冷却液送出口とを連通させる可動部材駆動手段と、を含むことが好適である。これによって、ピストン内部に設けられた送出調整弁をシリンダヘッド側から駆動することができる。
【００１４】
本発明の一態様では、可動部材駆動手段は、可動部材を加圧部材側へ移動させる期間と可動部材の加圧部材側への移動量とのいずれか１つ以上を調整することで、冷却液送出口からの冷却液の送出期間及び送出量のいずれか１つ以上を調整することが好適である。これによって、シリンダ内の高温の燃焼ガスからピストン頂面への熱伝達を調整することができる。
【００１５】
本発明の一態様では、可動部材駆動手段は、ピストンが圧縮上死点付近に位置する時期に可動部材が加圧部材を押圧するように、可動部材を加圧部材側へ移動させることが好適である。これによって、ピストンが圧縮上死点付近に位置する時期に冷却液をピストン頂面に送り出すことができる。
【００１６】
本発明の一態様では、可動部材駆動手段は、クランクシャフトの回転に伴う回転運動を可動部材のシリンダ軸線方向の運動に変換するための送出用カム機構を含むことが好適である。これによって、クランクシャフトの回転を利用して送出調整弁を駆動することができる。
【００１７】
本発明の一態様では、可動部材は、吸気弁よりも排気弁の方が近い位置に配置されていることが好適である。
【００１８】
本発明の一態様では、ピストンには、冷却液流路に供給される冷却液を受け入れる冷却液受入口と、冷却液受入口を開閉する受入調整弁と、がシリンダ軸線方向においてシリンダヘッドと対向して設けられており、冷却液供給手段は、シリンダヘッド側から受入調整弁を駆動して冷却液受入口を開けて冷却液流路に冷却液を供給する手段であることが好適である。
【００１９】
本発明の一態様では、冷却液供給手段は、シリンダ軸線方向においてピストンと対向してシリンダヘッドに配設された冷却液供給ノズルであって、冷却液を吐出する冷却液吐出口と、シリンダ軸線方向において受入調整弁と対向し且つ受入調整弁側へ移動することで冷却液吐出口を開ける吐出調整弁と、が設けられた冷却液供給ノズルと、冷却液供給ノズルをピストン側へ移動させてピストンに当接させるノズル駆動手段と、冷却液供給ノズルがピストンに当接している状態で、吐出調整弁を受入調整弁側へ移動させて、吐出調整弁により受入調整弁を駆動して冷却液受入口を開けることで、冷却液吐出口から冷却液受入口を通じて冷却液流路に冷却液を供給する吐出調整弁駆動手段と、を含むことが好適である。これによって、ピストン内部に設けられた冷却液流路に冷却液をシリンダヘッド側から供給することができる。
【００２０】
本発明の一態様では、ノズル駆動手段は、ピストンが吸気上死点付近に位置する時期に冷却液供給ノズルがピストンに当接するように、冷却液供給ノズルをピストン側へ移動させることが好適である。これによって、ピストンが吸気上死点付近に位置する時期に冷却液を冷却液流路に供給することができる。
【００２１】
本発明の一態様では、ノズル駆動手段は、クランクシャフトの回転に伴う回転運動を冷却液供給ノズルのシリンダ軸線方向の運動に変換するための供給用カム機構を含むことが好適である。これによって、クランクシャフトの回転を利用して冷却液供給ノズルをピストン側へ移動させることができる。
【００２２】
本発明の一態様では、冷却液供給ノズルは、排気弁よりも吸気弁の方が近い位置に配置されていることが好適である。これによって、冷却液供給ノズルが高熱に晒されるのを避けることができる。
【００２３】
本発明の一態様では、ピストン頂面の中央部には窪み部が形成されており、冷却液流路は窪み部の周囲に設けられていることが好適である。この態様では、冷却液送出口は、ピストン頂面における窪み部の縁部に冷却液を送り出すことで、シリンダ内の燃焼ガスからの熱伝達が大きくなる領域に水膜を形成することができる。また、この態様では、冷却液送出口は、ピストン頂面における窪み部より外側に冷却液を送り出すことによっても、シリンダ内の燃焼ガスからの熱伝達が大きくなる領域に水膜を形成することができる。
【００２４】
本発明の一態様では、冷却液流路内の冷却液が沸騰しているか否かを判定する沸騰判定手段を備えることが好適である。この態様では、沸騰判定手段で冷却液流路内の冷却液が沸騰していると判定された場合は、シリンダ内への燃料噴射量を減少させる、またはシリンダ内への燃料噴射を停止させることで、冷却液流路内の冷却液の温度を下げることができる。また、この態様では、沸騰判定手段で冷却液流路内の冷却液が沸騰していると判定された場合は、冷却液送出口からの冷却液の送出量を増大させることによっても、冷却液流路内の冷却液の温度を下げることができる。また、この態様では、沸騰判定手段は、冷却液供給手段から冷却液流路に冷却液が供給される際に、冷却液供給手段における冷却液の圧力変化に基づいて、冷却液流路内の冷却液が沸騰しているか否かを判定することが好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００２６】
図１，２は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図であり、本発明をディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関に適用した場合を示す。図１はシリンダ１１の軸線方向と直交する方向から見た内部構成の概略を示し、図２はシリンダ１１の軸線方向上側から見た内部構成の概略を示す。内燃機関（エンジン）は、シリンダブロック９及びシリンダヘッド１０を備え、シリンダブロック９及びシリンダヘッド１０によりシリンダ１１を形成する。シリンダ１１内には、その軸線方向に沿って往復運動するピストン１２が収容されている。ピストン１２の頂面１２ａ、シリンダブロック９の内壁、及びシリンダヘッド１０の下面１０ａに囲まれた空間は、燃焼室１３を形成する。シリンダヘッド１０には、燃料をシリンダ１１内（燃焼室１３内）に直接噴射する燃料噴射弁１４が燃焼室１３に臨んで配設されている。例えばピストン１２が圧縮上死点付近に位置するときに燃料噴射弁１４から燃焼室１３内に燃料を噴射すると、燃焼室１３内の燃料が自着火して燃焼する。ここでの燃料噴射制御は、図示しない電子制御装置により行われる。また、燃焼室１３に面するピストン頂面１２ａの中央部には、窪み部１２ｂ（ピストンキャビティ）が形成されている。図１，２は、噴孔が形成された燃料噴射弁１４の先端部が燃焼室１３内のほぼ中央部に臨んで配置され、燃料噴射弁１４の噴孔から燃料噴霧１５が窪み部１２ｂへ向けて放射状に噴出する例を示している。
【００２７】
本実施形態では、ピストン１２の内部には、冷却水（冷却液）が供給される環状の水チャンネル（冷却液流路）２２が窪み部１２ｂの周囲を取り囲んで形成されている。水チャンネル２２に冷却水を供給するための構成については後述する。さらに、ピストン１２の内部には、水チャンネル２２内の冷却水をピストン頂面１２ａに送り出すための複数の冷却水送出口２４と、水チャンネル２２と複数の冷却水送出口２４との連通を許容または遮断する送出調整弁２６と、が設けられている。図１，２は、送出調整弁２６として、シリンダ周方向に沿って移動可能な円環状のスライド弁が設けられた例を示している。送出調整弁（スライド弁）２６には受圧プランジャ２７が連結されており、受圧プランジャ２７には、ばね２８による付勢力と、水チャンネル２２内の冷却水による押圧力と、が互いに反対方向に作用する。水チャンネル２２内の冷却水の圧力が低下してばね２８による付勢力が水チャンネル２２内の冷却水による押圧力を上まわるときは、図３に示すように、スライド弁２６がシリンダ周方向の一方側（図の反時計まわり）へ付勢されることで、水チャンネル２２と冷却水送出口２４との連通が遮断される。一方、水チャンネル２２内の冷却水の圧力が上昇して水チャンネル２２内の冷却水による押圧力がばね２８による付勢力を上まわると、図２に示すように、スライド弁２６がシリンダ周方向の他方側（図の時計まわり）に回転移動することで、水チャンネル２２と冷却水送出口２４との連通が許容される。このように、送出調整弁２６は、水チャンネル２２内の冷却水の圧力上昇に応じて水チャンネル２２と冷却水送出口２４との連通を許容し、水チャンネル２２内の冷却水の圧力低下に応じて水チャンネル２２と冷却水送出口２４との連通を遮断する。
【００２８】
次に、送出調整弁２６を駆動するための構成例について説明する。図４に示すように、プッシュロッド３２は、シリンダ軸線方向においてピストン１２と対向してシリンダヘッド１０に配設されており、シリンダヘッド１０に対しシリンダ軸線方向に沿って摺動可能である。プッシュロッド３２には、燃焼室１３内のガスの流出を防止するためのガスシールリング３３が装着されている。オイル室シリンダ３６は、プッシュロッド３２よりシリンダ軸線方向の一方側（図４の上側）でシリンダヘッド１０に固定されており、プッシュロッド３２には、ばね３５の弾性力によりオイル室シリンダ３６側への付勢力が作用している。さらに、プッシュロッド３２よりシリンダ軸線方向の一方側には、オイル室シリンダ３６に対しシリンダ軸線方向に沿って摺動可能なアクチュエータ３８が配設されており、アクチュエータ３８には、ばね３９の弾性力によりシリンダ軸線方向の一方側への付勢力が作用している。
【００２９】
プッシュロッド３２、アクチュエータ３８、及びオイル室シリンダ３６に囲まれた空間により、オイル室３７が形成されている。逆止弁４６は、オイル流入口３６ａからオイル室３７へのオイルの流れを許容し、且つオイル室３７からオイル流入口３６ａへのオイルの流れを遮断する。この逆止弁４６によって、オイル室３７内のオイル圧力が上昇したときにオイルの流れがせき止められる。制御弁４８は、オイル室３７とオイル流出口３６ｂとの連通を許容または遮断する。制御弁４８が閉じている場合は、オイル室３７からオイル流出口３６ｂへのオイルの流出が遮断され、制御弁４８が開いている場合は、オイル室３７からオイル流出口３６ｂへのオイルの流出が許容される。ここでの制御弁４８の開閉制御は、図示しない電子制御装置により行われる。
【００３０】
ロッカーアーム４１は、アクチュエータ３８に連結されており、アーム軸４２まわりに揺動可能に支持されている。ローラー４３はロッカーアーム４１に回転自在に支持されており、送出用カム４４はローラー４３に当接している。送出用カム４４の回転軸は図示しない排気カムの回転軸と一体であり、図示しないクランクシャフトの回転に連動して送出用カム４４が回転し、クランクシャフトが２回転するのに対して送出用カム４４が１回転する。送出用カム４４の回転に連動して、ロッカーアーム４１がアーム軸４２まわりに揺動し、アクチュエータ３８がシリンダ軸線方向に沿って移動する。制御弁４８が閉じている場合は、オイル室３７内のオイル圧力によってアクチュエータ３８のシリンダ軸線方向の運動がプッシュロッド３２に伝えられ、プッシュロッド３２がシリンダ軸線方向に沿って移動する。このように、クランクシャフトの回転に伴う送出用カム４４の回転運動がプッシュロッド３２のシリンダ軸線方向の運動に変換される。
【００３１】
一方、ピストン１２には、プランジャ３４がシリンダ軸線方向においてプッシュロッド３２と対向して配設されている。プランジャ３４は、ピストン１２に対しシリンダ軸線方向に沿って摺動可能である。送出用カム４４の回転によりプッシュロッド３２をプランジャ３４側（シリンダ軸線方向の他方側、図４の下側）へ移動させて、プッシュロッド３２によりプランジャ３４を押圧することで、水チャンネル２２内の冷却水がプランジャ３４によって加圧される。水チャンネル２２内の冷却水が加圧されると、送出調整弁２６が駆動されて水チャンネル２２と冷却水送出口２４とが連通することで、水チャンネル２２内の冷却水が冷却水送出口２４からピストン頂面１２ａに送り出される。一方、プッシュロッド３２がシリンダヘッド１０側（シリンダ軸線方向の一方側）へ移動すると、プランジャ３４による冷却水の加圧が終了し、水チャンネル２２内の冷却水の圧力が低下することで、水チャンネル２２と冷却水送出口２４との連通が遮断され、冷却水送出口２４からの冷却水の送出が停止する。このように、プッシュロッド３２によりプランジャ３４を押圧することで、ピストン１２内部に設けられた送出調整弁２６をシリンダヘッド１０側から駆動することができる。さらに、クランクシャフトの回転を利用して送出調整弁２６を駆動することができる。
【００３２】
燃焼室１３内の燃料の燃焼によって生じた熱がピストン頂面１２ａ等の燃焼室１３壁面に伝わると、冷媒を介して冷却損失として放出されることで熱効率が低下する。ピストン頂面１２ａ等の燃焼室１３壁面が断熱壁であれば、この壁面への冷却損失が無く、理想的な熱効率が得られる。
【００３３】
そこで、本実施形態では、図５〜７に示すように、シリンダ１１内で燃料を燃焼させる際に、プッシュロッド３２により送出調整弁２６を駆動して水チャンネル２２と冷却水送出口２４とを連通させることで、水チャンネル２２内の冷却水を冷却水送出口２４からピストン頂面１２ａ等の燃焼室１３壁面に送り出す。ここでは、例えば圧縮行程終盤から、プッシュロッド３２のプランジャ３４側への移動が開始される。冷却水送出口２４から流出した冷却水は、図６に示すように、ピストン頂面１２ａ等の燃焼室１３壁面上に水膜１６を形成する。この水膜１６と水膜１６が蒸発してできる水蒸気層１７とを断熱層として利用して、燃焼室１３内の高温の燃焼ガス１９から燃焼室１３壁面への熱伝達を低下させることで、燃焼室１３壁面からの冷却損失を低減する。また、この水蒸気層１７によって燃焼温度を下げることで、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制する。ここでの水膜１６については、図８に示すように、火炎１８が激しく衝突して燃焼室１３壁面への熱伝達が大きくなる領域に形成することが好ましい。例えば、冷却水送出口２４は、燃料噴射弁１４から噴射される燃料噴霧１５の延長線上を含む領域に冷却水を送り出して水膜１６を形成することが好ましい。
【００３４】
また、燃焼室１３内の高温の燃焼ガス１９は、ピストン１２が下降を始めると、図７に示すように、ピストン１２上部のスキッシュエリア１３ａへ流出する。その際に、燃焼ガス１９のスキッシュエリア１３ａへの流出速度が極めて速くなることで流動が生じるため、ピストン頂面１２ａにおける窪み部１２ｂの縁部（リップ部）１２ｃや、ピストン頂面１２ａにおける窪み部１２ｂより外側の領域（スキッシュエリア１３ａに面する領域）１２ｄや、シリンダヘッド下面１０ａにおけるスキッシュエリア１３ａに面する領域１０ｂへの熱流束が大きくなる。そのため、冷却水送出口２４は、図６，７に示すように、ピストン頂面１２ａにおける窪み部１２ｂの縁部１２ｃに冷却水を送り出して水膜１６を形成することが好ましい。また、冷却水送出口２４は、図６，７に示すように、ピストン頂面１２ａにおける窪み部１２ｂより外側の領域１２ｄに冷却水を送り出して水膜１６を形成することも好ましい。さらに、ピストン頂面１２ａ（窪み部１２ｂより外側の領域１２ｄ）に送り出された冷却水は、図６，７に示すように、ピストン頂面１２ａだけでなく、シリンダヘッド下面１０ａ（スキッシュエリア１３ａに面する領域１０ｂ）にも到達して水膜１６及び水蒸気層１７を形成する。
【００３５】
また、シリンダ１１内にスワール流を形成する内燃機関においては、図８に示すように、燃焼に伴って生じる火炎１８がスワール流によってスワール下流側へ流される。そのため、冷却水送出口２４は、図８に示すように、燃料噴射弁１４から噴射される燃料噴霧１５の延長線上よりスワール下流側の領域に冷却水を送り出して水膜１６を形成することが好ましい。また、燃焼室１３壁面（ピストン頂面１２ａやシリンダヘッド下面１０ａ）に送り出された冷却水は、スワール流によって燃焼室１３壁面に伝ってスワール下流側へ流される。そのため、冷却水送出口２４は、図２，８に示すように、シリンダ径方向に対してスワール下流側に傾斜して形成されていることが好ましい。これによって、ピストン頂面１２ａやシリンダヘッド下面１０ａに水膜１６及び水蒸気層１７（断熱層）を形成する領域を広げることができ、燃焼室１３内の高温の燃焼ガス１９からピストン頂面１２ａやシリンダヘッド下面１０ａへの熱伝達をより効果的に低下させることができる。なお、シリンダ１１内にスワール流を形成するための具体的構成については、公知技術を適用可能であるため、ここでは説明を省略する。
【００３６】
現状の水冷式の内燃機関においては、図９に示すように、高温の燃焼ガスから金属壁（燃焼室壁）へ熱が伝わり、金属壁から冷却水へ熱が伝わる。この場合の熱伝達率は、燃焼ガスと金属壁との間の熱伝達率αｇよりも金属壁から冷却水への熱伝達率αｗの方が大きく、言い換えれば、熱流路は、燃焼ガスと金属壁との間よりも金属壁から冷却水の方が広くなっている。そのため、熱流束、すなわち燃焼室壁面からの冷却損失は、燃焼ガスと金属壁との間の熱伝達率αｇで制限されている。
【００３７】
また、セラミック遮熱型の内燃機関においては、金属壁の代わりに耐熱性の高いセラミックを用いることで水冷無しの状態に耐えられ、熱が遮断される。この場合の熱流束をみると、図９に示すように、燃焼ガスとセラミック壁との間の熱伝達率αｇは、素材を金属からセラミックに換えてもあまり変化しないが、セラミック壁から外側空気への熱伝達率αｗが小さくなることで熱流束が制限される。しかし、この場合は、セラミック壁内に熱が蓄積されていくため、セラミック壁の温度が上昇する。そのため、セラミック壁からの受熱により吸気温度が上昇し、例えば圧縮上死点で一般的な水冷式の内燃機関より約２５０℃高い温度となる。高温雰囲気に噴射された燃料噴霧は着火遅れ期間が減少し、十分な予混合気を形成することなく拡散燃焼が進行する。そのため、初期熱発生率のピークが低く、等容燃焼割合が少なくなって熱効率が低下する。また、燃焼期間中のガス温度が水冷式の内燃機関に比べて大きく上昇するため、ＮＯｘが増加する。また、吸入空気が燃焼室壁面より熱を受けて膨張するため、吸気の体積効率が低下する。その結果、空気不足のため、煤排出量が増加する。このように、圧縮自着火式内燃機関においてセラミック壁により遮熱を行っても、熱効率を向上させることができず、排気エミッションも増大する。
【００３８】
これに対して本実施形態では、図７，９に示すように、金属壁（ピストン頂面１２ａやシリンダヘッド下面１０ａ）と燃焼ガス１９との間に水膜１６及び水蒸気層１７による断熱層を形成し、この断熱層により燃焼室１３内の熱を閉じこめることで、燃焼室１３内の燃焼ガス１９から金属壁（燃焼室１３壁面）への熱伝達率αｇを低下させることができる。したがって、燃焼室１３壁面（ピストン頂面１２ａやシリンダヘッド下面１０ａ）に伝わる熱量が減ることで、燃焼室１３壁面の温度上昇を抑制することができるとともに、燃焼室１３壁面から外部へ熱が放出されることで生じる冷却損失を低減することができる。その結果、内燃機関の熱効率を向上させることができ、燃費を向上させることができる。
【００３９】
そして、燃焼室１３壁面に伝わる熱量を減らすことができるため、水ジャケット内の冷却水を経由して大気へ放出される熱量も減らすことができる。その結果、ラジエータの小型化を図ることができ、エンジンの小型化及び軽量化を図ることができる。同様に、クーリングチャンネル内のオイルを経由して大気へ放出される熱量も減らすことができるので、オイルクーラーの小型化もしくは省略が可能となり、オイルの熱的劣化を弱めることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、冷却水送出口２４から送り出された冷却水が蒸発することで、燃焼室１３内の火炎の燃焼温度を下げることができる。その結果、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成を抑制することができる。なお、ＮＯｘの抑制にはＥＧＲ（排気再循環）が用いられるが、排気ガスが燃焼室を出て排気管→ＥＧＲクーラー→吸気管を経て再び燃焼室に供給される過程で時間遅れが生じるため、過渡運転時にはＮＯｘ抑制効果が低下する。これに対して本実施形態では、時間遅れが生じることなく、燃焼期間直前に燃焼室１３内に水を直接供給することができるため、過渡運転時でもＮＯｘの生成を十分に抑制することができる。
【００４１】
なお、冷却水をシリンダヘッド側からピストン頂面へ向けて噴射して水膜を形成する場合は、噴射された冷却水がピストン頂面に到達する前に高温の筒内ガス中を進む過程で、水分の多くが筒内ガスから熱を受けて蒸発する。したがって、ピストン頂面に水膜を形成するためには、ピストン頂面に到達する水量に加えて、途中で蒸発して失われる水量も余分に噴射する必要がある。
【００４２】
これに対して本実施形態では、水膜１６を形成するピストン頂面１２ａにピストン１２内部から冷却水が供給されるため、冷却水が高温の筒内ガス中を通過して無駄に蒸発するのを抑えることができる。なお、冷却水がシリンダヘッド下面１０ａ（スキッシュエリア１３ａに面する領域１０ｂ）に供給される際には、冷却水が高温の筒内ガス中を通過することになるが、燃焼期間中のピストン頂面１２ａ（窪み部１２ｂより外側の領域１２ｄ）とシリンダヘッド下面１０ａ（スキッシュエリア１３ａに面する領域１０ｂ）との距離は極めて短いため、シリンダヘッド下面１０ａに到達する前に蒸発して失われる冷却水の量は僅かである。また、水等の液体（非圧縮性流体）であれば、圧縮後の燃焼室１３内へ送り出すことは比較的容易である。液体は、気体（圧縮性流体）とは異なり密度変化がほとんど無いため、圧力を上げることが容易であり、そのための機械仕事も少なくて済む。
【００４３】
さらに、本実施形態では、プッシュロッド３２（送出調整弁２６）の駆動制御により、プッシュロッド３２をプランジャ３４側へ移動させる期間とプッシュロッド３２のプランジャ３４側へ移動量とのいずれか１つ以上を制御することができ、冷却水送出口２４からの冷却水の送出期間及び送出量のいずれか１つ以上を制御することができる。これによって、燃焼室１３内の高温の燃焼ガス１９から燃焼室１３壁面（ピストン頂面１２ａやシリンダヘッド下面１０ａ）へ伝達される熱量を制御することができる。以下、冷却水送出口２４からの冷却水の送出期間・送出量の制御の具体例について、図１０〜１３を用いて説明する。
【００４４】
図１０〜１３は、クランク角度（時間）に対するプッシュロッド３２先端及びピストン頂面１２ａの位置（シリンダヘッド１０の下面１０ａを０とする）の関係を示す。図１０〜１３では、時期ｔ０にてプッシュロッド３２がピストン頂面１２ａ（プランジャ３４）側へ移動し始める。そして、プッシュロッド３２先端がピストン頂面１２ａ（プランジャ３４上端）に当たる時期ｔ１から、送出調整弁２６が駆動されて冷却水送出口２４からの冷却水の流出が始まり、プッシュロッド３２先端がプランジャ３４を最も深い位置まで押し込んだ時期、言い換えればプッシュロッド３２先端位置とピストン頂面１２ａ位置との距離が最大になる時期ｔ２に、冷却水送出口２４からの冷却水の流出が終了する。ここで、時期ｔ０から時期ｔ２までの期間は、プッシュロッド３２がプランジャ３４側へ移動する期間である。そして、時期ｔ１から時期ｔ２までの期間は、プッシュロッド３２がプランジャ３４を押圧する期間であり、冷却水送出口２４からの冷却水の送出期間である。さらに、時期ｔ２におけるプッシュロッド３２先端位置とピストン頂面１２ａ位置との距離は、冷却水送出口２４からの冷却水の送出量に相当する。
【００４５】
図１０に示す例では、制御弁４８が閉状態に保たれている。さらに、プッシュロッド３２の繰り出しが開始される時期ｔ０、及びプッシュロッド３２がプランジャ３４に当たる時期ｔ１が圧縮上死点ＴＤＣ前になり、且つプッシュロッド３２の繰り出し量が最大となる時期ｔ２が圧縮上死点ＴＤＣに一致するように、送出用カム４４のプロフィールが設定されている。
【００４６】
図１１に示す例では、図１０に示す例と比較して、圧縮上死点ＴＤＣ前の時期ｔ０にて制御弁４８を開状態から閉状態に切り換える。制御弁４８が開状態にあるとき（時期ｔ０以前）には、送出用カム４４がアクチュエータ３８を駆動しても、オイル室３７内のオイルが制御弁４８を通ってオイル流出口３６ｂへ流出することで、アクチュエータ３８の運動がプッシュロッド３２に伝えられないため、プッシュロッド３２は駆動されない。そして、制御弁４８が閉状態に切り換えられた後（時期ｔ０以後）に、プッシュロッド３２が繰り出される。図１１に示す例では、図１０に示す例と比較して、プッシュロッド３２の繰り出し開始時期ｔ０が遅くなることで、冷却水の送出開始時期ｔ１が遅くなるため、冷却水の送出期間が短くなり、冷却水の送出量が減少する。
【００４７】
図１２に示す例では、図１０に示す例と比較して、圧縮上死点ＴＤＣ前の時期ｔ２にて制御弁４８を閉状態から開状態に切り換える。制御弁４８が開状態に切り換えられた後（時期ｔ２以後）は、オイル室３７内のオイルが制御弁４８を通ってオイル流出口３６ｂへ流出することで、プッシュロッド３２がシリンダヘッド１０側へ戻り、冷却水の送出が停止する。図１２に示す例では、図１０に示す例と比較して、冷却水の送出終了時期ｔ２が早くなることで、冷却水の送出期間が短くなり、冷却水の送出量が減少する。
【００４８】
図１３に示す例では、図１０に示す例と比較して、プッシュロッド３２（アクチュエータ３８）のフルリフト量が大きく揚程区間の傾きが急になるように、送出用カム４４のプロフィールが設定されている。圧縮上死点ＴＤＣ前の時期ｔ１にてプッシュロッド３２がプランジャ３４に当たることで冷却水の送出が開始され、圧縮上死点ＴＤＣを過ぎてもプッシュロッド３２がプランジャ３４を押圧し続けることで冷却水の送出が続けられる。そして、圧縮上死点ＴＤＣ後の時期ｔ２にてプッシュロッド３２先端位置とピストン頂面１２ａ位置との距離が最大になり、冷却水の送出が終了する。図１３に示す例では、図１０に示す例と比較して、冷却水の送出終了時期ｔ２が遅くなることで冷却水の送出期間が長くなり、プッシュロッド３２の繰り出し量が増大することで冷却水の送出量が増大する。内燃機関の高負荷運転時には、燃焼期間が長くなり、圧縮上死点ＴＤＣ後２０°以降まで燃焼室１３が高温の燃焼ガス１９に晒される。そのため、内燃機関の高負荷運転時には、、燃焼ガス１９から燃焼室１３壁面への熱伝達を低下させるために、図１３に示すように、圧縮上死点ＴＤＣ以降においても冷却水の送出を続けて冷却水の送出量を増大させる。なお、図１３に示すように、冷却水の送出終了時期ｔ２にて制御弁４８を閉状態から開状態に切り換えることで、冷却水の送出を終了した後にプッシュロッド３２をシリンダヘッド１０側へ速やかに戻すことができる。また、図１１，１２に示す例と同様に制御弁４８の開閉制御を行うことで、冷却水の送出期間を短くすることもできるし、冷却水の送出量を減少させることもできる。
【００４９】
上記のように、ピストン１２が圧縮上死点ＴＤＣ付近に位置する時期にプッシュロッド３２がプランジャ３４を押圧するように、プッシュロッド３２のプランジャ３４側への移動が送出用カム４４により行われる。さらに、制御弁４８の開閉制御を行うことで、プッシュロッド３２（送出調整弁２６）の駆動制御を行うことができ、冷却水送出口２４からの冷却水の送出期間及び送出量のいずれか１つ以上を制御することができる。ただし、本実施形態では、プッシュロッド３２を駆動する送出用カム４４を切り換えて送出用カム４４のプロフィールを変更することによっても、プッシュロッド３２をプランジャ３４側へ移動させる期間とプッシュロッド３２のプランジャ３４側へ移動量とのいずれか１つ以上を変更することができ、冷却水送出口２４からの冷却水の送出期間及び送出量のいずれか１つ以上を変化させることができる。なお、送出用カム４４を切り換えるための具体的構成については、可変バルブタイミング機構の公知技術を適用可能であるため、ここでは説明を省略する。
【００５０】
次に、水チャンネル２２に冷却水を供給するための構成例について説明する。水チャンネル２２への冷却水の供給については、現状の内燃機関で広く用いられているピストンピンへのオイル供給方法、すなわちクランクシャフト〜コネクティングロッド〜ピストンピンという経路で各部品の内部に流路を設けてオイルを送り出す方法を冷却水の供給にも適用することが可能である。ただし、この場合は、各軸受け部品から冷却水が漏れることが避けられず、クランクシャフト等の潤滑をオイルで行う場合は冷却水がオイルと混ざりやすくなる。この方法を用いるには、オイル水分離装置を追加する、もしくはクランクシャフト等の潤滑を水で行う必要がある。そのため、本実施形態では、シリンダヘッド１０側から水チャンネル２２に冷却水を供給することが好ましい。以下、その構成例について説明する。
【００５１】
図１４に示すように、ピストン１２には、水チャンネル２２に供給される冷却水を受け入れる冷却水受入口５４と、冷却水受入口５４を開閉する受入調整弁５６と、がシリンダ軸線方向においてシリンダヘッド１０と対向して設けられている。受入調整弁５６には、ばね５５の弾性力によりシリンダヘッド１０側（シリンダ軸線方向の一方側）への付勢力が作用している。ばね５５の付勢力によって受入調整弁５６がピストン１２に設けられたシート部に当接している場合は、冷却水受入口５４が閉じている。
【００５２】
一方、シリンダヘッド１０には、水供給ノズル６２がシリンダ軸線方向においてピストン１２と対向して配設されている。水供給ノズル６２は、シリンダヘッド１０に対しシリンダ軸線方向に沿って摺動可能である。オイル室シリンダ６６は、水供給ノズル６２よりシリンダ軸線方向の一方側でシリンダヘッド１０に固定されており、水供給ノズル６２には、ばね６５の弾性力によりオイル室シリンダ６６側への付勢力が作用している。さらに、水供給ノズル６２よりシリンダ軸線方向の一方側には、オイル室シリンダ６６に対しシリンダ軸線方向に沿って摺動可能なアクチュエータ６８が配設されており、アクチュエータ６８には、ばね６９の弾性力によりシリンダ軸線方向の一方側への付勢力が作用している。
【００５３】
水供給ノズル６２、アクチュエータ６８、及びオイル室シリンダ６６に囲まれた空間により、オイル室６７が形成されている。逆止弁７６は、オイル流入口６６ａからオイル室６７へのオイルの流れを許容し、且つオイル室６７からオイル流入口６６ａへのオイルの流れを遮断する。開閉制御弁７８は、オイル室６７とオイル流出口６６ｂとの連通を許容または遮断する。開閉制御弁７８が閉じている場合は、オイル室６７からオイル流出口６６ｂへのオイルの流出が遮断され、開閉制御弁７８が開いている場合は、オイル室６７からオイル流出口６６ｂへのオイルの流出が許容される。ここでの開閉制御弁７８の開閉制御は、図示しない電子制御装置により行われる。さらに、オイル室６７とオイル流出口６６ｂとの間には、圧力制御弁７９が開閉制御弁７８と並列に設けられている。オイル室６７内のオイルの圧力が設定圧力より高い場合には、開閉制御弁７８が閉じていても圧力制御弁７９が開くことで、オイル室６７からオイル流出口６６ｂへのオイルの流出が許容される。これによって、オイル室６７内のオイルの圧力が設定圧力以下に保たれる。
【００５４】
ロッカーアーム７１は、アクチュエータ６８に連結されており、アーム軸７２まわりに揺動可能に支持されている。ローラー７３はロッカーアーム７１に回転自在に支持されており、供給用カム７４はローラー７３に当接している。供給用カム７４の回転軸は図示しない吸気カムの回転軸と一体であり、クランクシャフトの回転に連動して供給用カム７４が回転し、クランクシャフトが２回転するのに対して供給用カム７４が１回転する。供給用カム７４の回転に連動して、ロッカーアーム７１がアーム軸７２まわりに揺動し、アクチュエータ６８がシリンダ軸線方向に沿って移動する。開閉制御弁７８が閉じている場合は、オイル室６７内のオイル圧力によってアクチュエータ６８のシリンダ軸線方向の運動が水供給ノズル６２に伝えられ、水供給ノズル６２がシリンダ軸線方向に沿って移動する。このように、クランクシャフトの回転に伴う供給用カム７４の回転運動が水供給ノズル６２のシリンダ軸線方向の運動に変換される。
【００５５】
水供給ノズル６２には、図示しない冷却水供給源から冷却水（高圧水）が供給される加圧室８３と、加圧室８３に供給された冷却水を吐出する冷却水吐出口８４と、シリンダ軸線方向において受入調整弁５６と対向し且つシリンダ軸線方向に沿って摺動することで冷却水吐出口８４を開閉する吐出調整弁８６と、が設けられている。吐出調整弁８６には、ばね８５の弾性力により加圧室８３側（シリンダ軸線方向の一方側）への付勢力が作用するとともに、加圧室８３内の冷却水の圧力により受入調整弁５６側（シリンダ軸線方向の他方側）への押圧力が作用する。ここでの吐出調整弁８６は、受入調整弁５６側へ移動することで冷却水吐出口８４を開け、加圧室８３側へ移動することで冷却水吐出口８４を閉じる外開弁である。開閉制御弁８８は、冷却水供給源と加圧室８３との連通を許容または遮断する。開閉制御弁８８を閉じる場合は、冷却水供給源から加圧室８３への冷却水の供給が遮断されることで、ばね８５による付勢力が加圧室８３内の冷却水による押圧力を上まわり、吐出調整弁８６は冷却水吐出口８４を閉じる。一方、開閉制御弁８８を開ける場合は、冷却水供給源から加圧室８３への冷却水の供給が許容されることで、加圧室８３内の冷却水による押圧力がばね８５による付勢力を上まわり、吐出調整弁８６は受入調整弁５６側へ移動して冷却水吐出口８４を開ける。ここでの開閉制御弁８８の開閉制御は、図示しない電子制御装置により行われる。冷却水供給源から加圧室８３に冷却水が供給される際には、水供給ノズル６２に設けられた水シールリング９１，９２により冷却水の漏れが防止される。
【００５６】
図１５〜１９に、冷却水供給過程を示す。まず排気行程終盤において、図１５に示すように、供給用カム７４の回転により水供給ノズル６２をピストン１２側（シリンダ軸線方向の他方側）へ移動させて、水供給ノズル６２を最下点まで繰り出しておく。ここでは、開閉制御弁７８は閉じており、水供給ノズル６２の運動は供給用カム７４の運動に従っている。その後、水供給ノズル６２が上昇中にピストン１２がそれより速い速度で上昇して水供給ノズル６２に追いつくことで、図１６に示すように、水供給ノズル６２とピストン１２とがドッキング（当接）する。このとき、オイル室６７が水供給ノズル６２によって押されてオイル室６７内のオイルの圧力が前述の設定圧力を超えると、圧力制御弁７９が開いてオイル室６７内のオイルが流出することで、ドッキングの際の衝撃を和らげることができる。その後、ピストン１２が吸気上死点付近に位置する時期において、水供給ノズル６２先端は、一定のオイル圧力でピストン頂面１２ａに当接する。その際には、水供給ノズル６２先端に設けられたシール座金９３により水供給ノズル６２とピストン１２との間のシールが確保される。
【００５７】
水供給ノズル６２がピストン１２に当接している状態で、開閉制御弁８８を閉状態から開状態に切り換えると、吐出調整弁８６は、加圧室８３に供給された冷却水の圧力によって受入調整弁５６側へ移動する。これによって、図１７に示すように、冷却水吐出口８４が開くとともに、吐出調整弁８６が受入調整弁５６を押圧することで、受入調整弁５６がピストン１２に設けられたシート部から離れて冷却水受入口５４が開く。そのため、加圧室８３内の冷却水が冷却水吐出口８４及び冷却水受入口５４を通って水チャンネル２２に供給される。このように、吐出調整弁８６によりシリンダヘッド１０側から受入調整弁５６を駆動して冷却水受入口５４を開けることで、冷却水吐出口８４から冷却水受入口５４を通じて水チャンネル２２に冷却水を供給することができる。開閉制御弁８８を開状態から閉状態に切り換えると、吐出調整弁８６が加圧室８３側へ移動することで、冷却水吐出口８４及び冷却水受入口５４が閉じ、水供給ノズル６２から水チャンネル２２への冷却水の供給が停止する。その後、ピストン１２は上死点で上昇を止めて下降に転じ、水供給ノズル６２は上昇を続けるため、図１８に示すように、水供給ノズル６２はピストン１２から離れる。そして、図１９に示すように、水供給ノズル６２はシリンダヘッド１０内に格納される。アクチュエータ６８は供給用カム７４の回転に従って上昇し、途中でオイル室６７内のオイルの圧力が下がるため、逆止弁７６を介してオイル室６７にオイルが供給される。
【００５８】
図２０に、プッシュロッド３２及び水供給ノズル６２の配置例を示す。図２０に示す例では、２つの排気弁ＥＸの間にプッシュロッド３２が配置され、２つの吸気弁ＩＮの間に水供給ノズル６２が配置されている。つまり、プッシュロッド３２は、吸気弁ＩＮよりも排気弁ＥＸの方が近い位置に配置され、水供給ノズル６２は、排気弁ＥＸよりも吸気弁ＩＮの方が近い位置に配置されている。排気弁ＥＸの間の領域は、排気行程中に排気ポートを通過する排気ガスによって吸気弁ＩＮの間の領域よりも高温になる。そこで、水チャンネル２２に冷却水を供給する水供給ノズル６２が高熱に晒されるのを避けるために、吸気弁ＩＮの間の領域に水供給ノズル６２を配置している。一方、送出調整弁２６を駆動するプッシュロッド３２は高熱に晒されても問題は生じないため、排気弁ＥＸの間の領域にプッシュロッド３２を配置している。
【００５９】
なお、水チャンネル２２内の冷却水が沸騰すると、水チャンネル２２の圧力が高くなって水チャンネル２２への冷却水の供給が困難になることや、プランジャ３４が水チャンネル２２内の冷却水を押圧しても沸騰した蒸気によって吸収されて冷却水の送出量が減少する等の問題点が生じる。そこで、本実施形態では、図２１に示すように、水チャンネル２２内における冷却水の沸騰の有無を検知するために、図示しない冷却水供給源と水供給ノズル６２（加圧室８３）とを接続する水供給流路９４に水圧センサ９６を設けて、水供給流路９４内の冷却水の圧力を検出する。そして、電子制御装置は、水供給ノズル６２から水チャンネル２２に冷却水を供給する際に、水圧センサ９６で検出された水供給流路９４内の冷却水の圧力変化に基づいて、水チャンネル２２内の冷却水が沸騰しているか否かを判定する。
【００６０】
より具体的には、水チャンネル２２内の冷却水に沸騰が生じていなければ、水チャンネル２２内の冷却水の圧力が冷却水供給源からの冷却水の圧力より低いため、開閉制御弁８８が開いて吐出調整弁８６が受入調整弁５６を駆動することで加圧室８３が水チャンネル２２に繋がった瞬間に、水供給流路９４内の冷却水の圧力（水圧センサ９６の検出圧力）が低下する。一方、水チャンネル２２内の冷却水に沸騰が生じて圧力が高くなっていると、加圧室８３が水チャンネル２２に繋がった瞬間における水圧センサ９６の検出圧力の低下幅が減少する。電子制御装置は、開閉制御弁８８を開けたときにおける水圧センサ９６の検出圧力の低下幅が所定値以下である場合は、水チャンネル２２内の冷却水が沸騰していると判定する。
【００６１】
そして、電子制御装置は、水チャンネル２２内の冷却水が沸騰していると判定した場合は、その直後のサイクルにおいてシリンダ１１内への燃料噴射量を減少させる、またはシリンダ１１内への燃料噴射を停止させることで、ピストン１２を冷却して水チャンネル２２内の冷却水の温度を下げる。これによって、水チャンネル２２内の冷却水の沸騰を抑える。また、電子制御装置は、水チャンネル２２内の冷却水が沸騰していると判定した場合は、その直後のサイクルにおいて冷却水送出口２４からの冷却水の送出量を増大させるようにプッシュロッド３２の駆動制御を行うことによっても、ピストン１２を冷却して水チャンネル２２内の温度を下げることができる。また、水チャンネル２２内で沸騰が生じないように水チャンネル２２内の冷却水の圧力はできるだけ高めに設定する。なお、水チャンネル２２内の冷却水が大量に沸騰すると、水チャンネル２２の破損が懸念されるが、送出調整弁２６は水チャンネル２２内の圧力がある値を超えると自動的に開く構造になっているため、水チャンネル２２内で大量に沸騰が生じても蒸気によって水チャンネル２２が破損することなない。
【００６２】
次に、本実施形態の他の構成例について説明する。図２２，２３は、送出調整弁２６として、シリンダ軸線方向に沿って移動可能なニードル弁が複数設けられた例を示している。送出調整弁（ニードル弁）２６には、ばね２８による付勢力と、水チャンネル２２内の冷却水による押圧力と、が互いに反対方向に作用する。水チャンネル２２内の冷却水の圧力が低下してばね２８による付勢力が水チャンネル２２内の冷却水による押圧力を上まわるときは、図２４に示すように、ニードル弁２６がシリンダ軸線方向の一方側（図の上側）へ付勢されてピストン１２に設けられたシート部２３に当接することで、水チャンネル２２と冷却水送出口２４との連通が遮断される。一方、水チャンネル２２内の冷却水の圧力が上昇して水チャンネル２２内の冷却水による押圧力がばね２８による付勢力を上まわると、図２２に示すように、ニードル弁２６がシート部２３から離れてシリンダ軸線方向の他方側（図の下側）に移動することで、水チャンネル２２と冷却水送出口２４との連通が許容される。図２２，２３に示す構成例でも、図１，２に示す構成例と同様に、プッシュロッド３２によりプランジャ３４を押圧することで、送出調整弁（ニードル弁）２６を駆動して水チャンネル２２と冷却水送出口２４とを連通させることができる。
【００６３】
以上の実施形態の説明では、本発明をディーゼルエンジンに適用した場合について説明した。ただし、本発明を直噴ガソリンエンジン等の内燃機関に対しても適用することができる。
【００６４】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。
【図４】送出調整弁を駆動するための構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る内燃機関の動作を説明する図である。
【図６】本発明の実施形態に係る内燃機関の動作を説明する図である。
【図７】本発明の実施形態に係る内燃機関の動作を説明する図である。
【図８】本発明の実施形態に係る内燃機関の動作を説明する図である。
【図９】本発明の実施形態に係る内燃機関の作用効果を説明する図である。
【図１０】冷却水送出口からの冷却水の送出期間・送出量の制御の一例を説明する図である。
【図１１】冷却水送出口からの冷却水の送出期間・送出量の制御の一例を説明する図である。
【図１２】冷却水送出口からの冷却水の送出期間・送出量の制御の一例を説明する図である。
【図１３】冷却水送出口からの冷却水の送出期間・送出量の制御の一例を説明する図である。
【図１４】水チャンネルに冷却水を供給するための構成例を示す図である。
【図１５】水供給ノズルから水チャンネルに冷却水を供給する動作を説明する図である。
【図１６】水供給ノズルから水チャンネルに冷却水を供給する動作を説明する図である。
【図１７】水供給ノズルから水チャンネルに冷却水を供給する動作を説明する図である。
【図１８】水供給ノズルから水チャンネルに冷却水を供給する動作を説明する図である。
【図１９】水供給ノズルから水チャンネルに冷却水を供給する動作を説明する図である。
【図２０】プッシュロッド及び水供給ノズルの配置例を示す図である。
【図２１】水チャンネル内における冷却水の沸騰の有無を検知するための構成例を示す図である。
【図２２】本発明の実施形態に係る内燃機関の他の概略構成を示す図である。
【図２３】本発明の実施形態に係る内燃機関の他の概略構成を示す図である。
【図２４】本発明の実施形態に係る内燃機関の他の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
９  シリンダブロック、１０  シリンダヘッド、１１  シリンダ、１２  ピストン、１２ａ  頂面、１２ｂ  窪み部、１３  燃焼室、１４  燃料噴射弁、１６  水膜、１７  水蒸気層、１８  火炎、１９  燃焼ガス、２２  水チャンネル、２４  冷却水送出口、２６  送出調整弁、３２  プッシュロッド、３４  プランジャ、３７，６７  オイル室、３８，６８  アクチュエータ、４１，７１  ロッカーアーム、４２，７２  アーム軸、４３，７３  ローラー、４４  送出用カム、４６，７６  逆止弁、４８  制御弁、５４  冷却水受入口、５６  受入調整弁、６２  水供給ノズル、７４  供給用カム、７８，８８  開閉制御弁、７９  圧力制御弁、８３  加圧室、８６  吐出調整弁、９４  水供給流路、９６  水圧センサ。
【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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【図２３】
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【図２４】
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