(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのシリンダブロックに形成されたシリンダに内挿されるピストンの構造であって、
前記エンジンのシリンダヘッドの天井部は、ペントルーフ型の燃焼室を形成するようにそれぞれ傾斜する吸気側天井面及び排気側天井面によって構成され、
前記吸気側天井面及び前記排気側天井面は、エンジン出力軸方向に延びる谷部において連結され、
前記ピストンは、前記燃焼室を区画する冠面を有するクラウン部を備え、
前記冠面は、前記吸気側天井面及び前記排気側天井面のそれぞれに対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて傾斜した傾斜面によって隆起しており、
前記ピストンは、
前記クラウン部の裏面側で、前記エンジン出力軸方向に向かい合うように設けられた、一対の、ピストンピンのボス部と、
前記傾斜面の一部を抉るように前記冠面から凹陥しかつ、前記天井部の前記谷部に配設された燃料噴射弁に向かい合うように設けられることによって、前記燃焼室を形成するキャビティと、
前記クラウン部の外周側面に取り付けられるピストンリングと、
前記クラウン部における前記ピストンリングの径方向の内方に設けられかつ、前記キャビティから前記ピストンリングの方に前記ピストンの母材を介して熱が伝達することを抑制するよう構成された中空部と、をさらに備え、
前記中空部の裏面側は、塞がれており、
前記燃料噴射弁は、前記シリンダのボア中心に対して、前記エンジン出力軸方向の一側にずれた位置でかつ、噴射軸心が前記シリンダの軸心に沿う方向となるように配設され、
前記キャビティは、前記冠面を平面視で見たときに、前記エンジン出力軸方向に長い楕円形状を有していると共に、楕円形状の前記キャビティは、その中心位置が、前記燃料噴射弁の噴射軸心に対応するように、前記エンジン出力軸方向の一側にずれた位置に設けられ、
前記中空部は、前記一対のボス部のそれぞれに対し、前記エンジン出力軸方向の外側に設けられているエンジンのピストン構造。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンのピストン構造において、
前記ピストンは、前記エンジン出力軸方向に直交する吸排気方向に向かい合うように設けられた一対のスカート部をさらに備え、
前記クラウン部の裏面側における、一対の前記スカート部と、一対の前記ボス部とによって囲まれる領域内には、オイルジェット装置からのオイルが噴射されるように構成されているエンジンのピストン構造。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエンジンのピストン構造において、
前記クラウン部の外周側面において、前記中空部の形成位置を除く部位には、前記ピストンの径方向にオイルが流れる貫通孔が形成されているエンジンのピストン構造。
【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ピストン構造において、
前記冠面には遮熱層が形成されているエンジンのピストン構造。
【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ピストン構造において、
前記エンジンは、前記キャビティによって区画される前記燃焼室内において、混合気層と、その周囲の断熱ガス層とを形成すると共に、混合気を自着火させるように構成されているエンジンのピストン構造。
【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ピストン構造において、
前記キャビティと前記ボス部との間には、前記ピストンの母材よりも熱伝導性の低い部材が配置されているエンジンのピストン構造。
【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ピストン構造において、
シリンダライナーの少なくとも一部は、多孔質状に構成されているエンジンのピストン構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、エンジンのピストン構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、エンジンのピストン構造として、トップリングの熱的保護を図る構成が開示されている。特許文献１に記載されたエンジンは、未燃ガスの発生量を抑えるために、トップリングの位置をできるだけピストンの冠面に近づけている。そのため、トップリングは、熱的に厳しい状態に曝される。特許文献１には、ピストンの母材においてトップリングの径方向内方に、ピストンの裏面側に開口した徐肉部を設ける構成が開示されている。徐肉部内には、開口を通じてオイルミストが進入する。徐肉部内のオイルミストが吸熱をすることで、トップリング付近を冷却する。徐肉部は、冷却空間として機能することによって、トップリング付近の熱負荷が抑制される。
【０００３】
特許文献２にも、特許文献１と同様に、トップリングの熱的保護を図る構成が開示されている。具体的に特許文献２には、ピストン母材におけるトップリングの径方向内方に、冷却部を設ける構成が開示されている。この冷却部も、ピストンの裏面側に開口する空洞である。開口を通じて冷却部内に流入するオイルが吸熱することにより、トップリング付近が冷却される。
【０００４】
特許文献３には、燃焼室内を遮熱するよう構成されたエンジンのピストン構造が記載されている。具体的に、特許文献３には、セラミック材からなるピストンヘッドと、金属材料からなるピストンスカートとの間に、環状の遮熱空気層を形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５５７５９２６号公報
【特許文献２】特開２０１１−８５１０９号公報
【特許文献３】特開２００５−２１４０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃焼時に火炎がピストンの冠面に接触すると、ピストンの母材を介してピストンリングの付近に熱が伝わり、そこからシリンダブロックへと放熱される。冷却損失を低減するために、ピストンの冠面からピストンリング付近へ熱が伝わることを抑制したい。
【０００７】
また、エンジンが熱間状態にあるとき（例えば、高速の全負荷運転状態や、高速で加減速を繰り返す運転状態等）には、ピストンの冠面からピストンリング付近に伝わる熱量が増えて、ピストンリング付近の温度が極めて高温になる虞がある。信頼性を向上させる点からも、ピストンの冠面からピストンリング付近へ熱が伝わることを抑制したい。
【０００８】
さらに、例えば混合気を圧縮着火により燃焼させるよう構成されたエンジンでは、ピストンが圧縮上死点付近に到達したときの燃焼室の温度状態及び圧力状態を、自着火が可能となる状態にしなければならない。圧縮行程から排気行程にかけての期間において、ピストンの冠面からピストンリング付近へ熱が逃げると、燃焼室内の温度状態が、その分、低くなる。エンジンが低温状態にあるときには、ピストンが圧縮上死点付近に到達したときの燃焼室の温度状態が低くなってしまい、着火ミスが生じる虞がある。
【０００９】
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ピストンの母材を介した、ピストンの冠面からピストンリング付近への熱の伝わりを抑制するピストン構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
具体的にここに開示する技術は、エンジンのシリンダブロックに形成されたシリンダに内挿されるピストンの構造に係る。
【００１１】
前記エンジンのシリンダヘッドの天井部は、ペントルーフ型の燃焼室を形成するようにそれぞれ傾斜すると共に、エンジン出力軸方向に延びる谷部において連結された吸気側天井面及び排気側天井面によって構成されている。前記ピストンは、前記燃焼室を区画する冠面を有するクラウン部を備える。前記冠面は、前記吸気側天井面及び前記排気側天井面のそれぞれに対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて傾斜した傾斜面によって隆起している。
【００１２】
前記ピストンは、前記クラウン部の裏面側で、前記エンジン出力軸方向に向かい合うように設けられた、一対の、ピストンピンのボス部と、前記傾斜面の一部を抉るように前記冠面から凹陥しかつ、前記天井部の前記谷部に配設された燃料噴射弁に向かい合うように設けられることによって、前記燃焼室を形成するキャビティと、前記クラウン部の外周側面に取り付けられるピストンリングと、前記クラウン部における前記ピストンリングの径方向の内方に設けられかつ、前記キャビティから前記ピストンリングの方に前記ピストンの母材を介して熱が伝達することを抑制するよう構成された中空部と、をさらに備える。そして、前記中空部の裏面側は、塞がれている。
【００１３】
この構成によると、ピストンの冠面は、ペントルーフ型の燃焼室に対応するように、吸気側と排気側とのそれぞれにおいて傾斜した傾斜面によって構成されている。この構成は、ピストンが上死点に至ったときの燃焼室の容積を小さくすることができる。よって、この構成は、エンジンの幾何学的圧縮比を高くする上で有利である。
【００１４】
ピストンの冠面には、キャビティが設けられている。キャビティは燃焼室を形成する。キャビティに向かい合うように設けられた燃料噴射弁が噴射した燃料は、キャビティ内に収まるようになる。混合気の燃焼時に発生した熱の一部は、キャビティの壁面からピストンの母材を介して、ピストンリングの方へと伝わり、ピストンリングからシリンダブロックへと放熱される。
【００１５】
ここで、前記の構成では、クラウン部におけるピストンリングの径方向の内方に、中空部を設けている。中空部は、ピストンの母材よりも熱の伝達が悪い。キャビティとピストンリングとの間に中空部が介在することによって、ピストンの母材における熱の伝達経路は、中空部を迂回するように蛇行する。よって、キャビティからピストンリングの方へと向かう熱の流れが抑制される。中空部は、ピストンリング付近に伝わる熱量を減少させる。
【００１６】
中空部の裏面側は塞がれている。これにより、中空部内にオイルミストが流入することが防止される。中空部内にオイルミストが流入すると、オイルミストの吸熱によりピストンリング付近が冷却されるが、本構成は、ピストンリング付近の冷却を目的としない。そのため、中空部内にオイルミストが流入することは防止することが望ましい。また、中空部にオイルミストが存在していると、中空部にオイルミストが存在しない場合と比較して、熱伝導率が約２倍になり、体積比熱が約３０％増える。従って、中空部内のガスによって伝わる熱量が、オイルミストを含むことによって増える。本構成では、中空部の裏面側を塞いで中空部内にオイルミストが流入することを防止することにより、中空部内のガスを介して熱が伝わることが抑制されるため、キャビティからピストンリングの方に熱が伝達することを、より一層効果的に抑制することが可能になる。
【００１７】
前記キャビティは、前記冠面を平面視で見たときに、前記エンジン出力軸方向に長い楕円形状を有しており、前記中空部は、前記一対のボス部のそれぞれに対し、前記エンジン出力軸方向の外側に設けられている。
【００１８】
こうすることで、キャビティからピストンリングの方に、ピストンの母材を介して熱が伝達することが、効果的に抑制される。
【００１９】
前記燃料噴射弁は、前記シリンダのボア中心に対して、前記エンジン出力軸方向の一側にずれた位置でかつ、噴射軸心が前記シリンダの軸心に沿う方向となるように配設され、楕円形状の前記キャビティは、その中心位置が、前記燃料噴射弁の噴射軸心に対応するように、前記エンジン出力軸方向の一側にずれた位置に設けられている。
【００２０】
例えば、燃料噴射弁と、放電電極（例えば点火プラグや、混合気の自着火を促進する活性種生成装置）との両方を、シリンダのボア中心付近に配置しようとすると、燃料噴射弁を、ボア中心に対してずらして配置することになる。燃料噴射弁を、噴射軸心がシリンダの軸心に沿う方向にかつ、ボア中心に対してずらして配置するときに、キャビティ内で、混合気を偏りなく形成するには、前記の構成のように、キャビティの中心位置を燃料噴射弁の噴射軸心に対応させることが有利である。つまり、キャビティの中心位置は、シリンダのボア中心に対してずれる。
【００２１】
ところが、キャビティの中心位置がシリンダのボア中心に対してずれると、燃焼室内に発生するタンブル流の方向が偏向してしまう。つまり、シリンダヘッドの吸気側天井面に形成された吸気ポートを介してシリンダ内に流入した吸気の流れは、排気側においてシリンダの内周面に沿うように下降した後、ピストンの冠面において吸気側に向かうように流れる。こうしてシリンダ内でタンブル流を形成する。
【００２２】
ここで、ピストンの冠面は、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて傾斜した傾斜面によって三角屋根状に隆起している。ピストンの冠面に設けたキャビティの位置が、エンジン出力軸方向の一側にずれると、ピストンの傾斜面においてキャビティにより抉られる箇所が、シリンダのボア中心から、エンジン出力軸方向の一側にずれる。抉られた箇所はピストンの冠面の高さが低くなっている。抉られた箇所は、ピストンの冠面の高さが相対的に高い箇所、つまりキャビティが設けられていない箇所よりも、タンブル流が流れやすくなる。その結果、タンブル流は、排気側でかつエンジン出力軸方向の他側から、吸気側でかつエンジン出力軸方向の一側に向かう方向に、偏向するようになる。
【００２３】
縦渦であるタンブル流の両側の領域は、ガス流れが相対的に弱くなる。本構成では、タンブル流は、排気側でかつエンジン出力軸方向の他側から、吸気側でかつエンジン出力軸方向の一側に向かう方向に偏向するため、ガス流れが相対的に弱い領域は、キャビティ内において、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域と、吸気側でかつエンジン出力軸方向の他側の領域とである。燃料噴射弁から燃料を噴射したときに、燃料噴霧はガス流れが相対的に弱い領域に集まり易くなる。従って、本構成では、キャビティ内における、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域と、吸気側でかつエンジン出力軸方向の他側の領域との混合気が過濃になりやすい。これらの領域においては、燃焼火炎が、キャビティの壁面に接触し易くなり、そこから、ピストンの母材を介してピストンリングの方に熱が伝達し易くなる。特にボス部の付近は熱容量が相対的に大きいため、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域からは、ボス部を介してエンジン出力軸方向の一側のピストンリングの方へ熱が伝達し易く、吸気側でかつエンジン出力軸方向の他側の領域からは、ボス部を介してエンジン出力軸方向の他側のピストンリングの方へ熱が伝達し易い。
【００２４】
本構成において、中空部は、エンジン出力軸方向に向かう合う一対のボス部それぞれの外側に設けている。このことによって、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域からエンジン出力軸方向の一側のピストンリングの方へ熱が伝達することが、中空部によって有効に抑制されると共に、吸気側でかつエンジン出力軸方向の他側の領域からエンジン出力軸方向の他側のピストンリングの方へ熱が伝達することも、中空部によって有効に抑制される。
【００２５】
前記ピストンは、前記エンジン出力軸方向に直交する吸排気方向に向かい合うように設けられた一対のスカート部をさらに備え、前記クラウン部の裏面側における、一対の前記スカート部と、一対の前記ボス部とによって囲まれる領域内には、オイルジェット装置からのオイルが噴射されるように構成されている、としてもよい。
【００２６】
オイルジェット装置から噴射したオイルは、ピストンの裏面側において、一対のスカート部と一対のボス部とによって囲まれる領域内に進入し、キャビティを裏面側から冷却する。特にエンジンが熱間状態にあるときに、ピストンが高温になり過ぎることが防止され、信頼性が向上する。
【００２７】
中空部の裏面側は塞がれているため、オイルジェット装置からオイルを噴射しても、中空部にオイルが進入することが防止される。中空部は、キャビティからピストンリングの方への熱の伝達を抑制する機能を、確実に発揮することが可能になる。
【００２８】
前記クラウン部の外周側面において、前記中空部の形成位置を除く部位には、前記ピストンの径方向にオイルが流れる貫通孔が形成されている、としてもよい。
【００２９】
クラウン部の外周側面に形成した貫通孔は、ピストンの内側から外側にオイルを流して、シリンダライナーにオイルを供給する、及び／又は、ピストンの外側から内側にオイルを流して、シリンダライナー上の余分なオイルを除去する。
【００３０】
前記の構成では、中空部の形成位置に貫通孔は存在しない。貫通孔を通じて中空部内にオイルが流入することが防止される。中空部は、キャビティからピストンリングの方に熱が伝達することを、確実に抑制することが可能になる。
【００３１】
前記冠面には遮熱層が形成されている、としてもよい。こうすることで、ピストンの冠面からピストンの母材に熱が伝わることを抑制することが可能になる。
【００３２】
前記エンジンは、前記キャビティによって区画される前記燃焼室内において、混合気層と、その周囲の断熱ガス層とを形成すると共に、混合気を自着火させるように構成されている、としてもよい。
【００３３】
こうすることで、混合気の燃焼時には、断熱ガス層によって、火炎が燃焼室の壁面に触れることをできるだけ抑制することが可能になる。その結果、キャビティの壁面からピストンの母材に熱が伝わることが抑制される。
【００３４】
前記キャビティと前記ボス部との間には、前記ピストンの母材よりも熱伝導性の低い部材が配置されている、としてもよい。熱伝導性の低い部材は、熱伝導率の低い部材としてもよい。
【００３５】
こうすることで、キャビティからピストンの母材に伝わった熱が、ピストンピンの方に伝わることが抑制される。これにより、冷却損失が低減し、燃焼室内の温度低下が防止される。また、キャビティとボス部との間に別部材を介在させることにより、キャビティとボス部との間の部分の熱容量が小さくなる。その結果、キャビティからピストンの母材に伝達される熱量を少なくすることが可能になる。
【００３６】
シリンダライナーの少なくとも一部は、多孔質状に構成されている、としてもよい。
【００３７】
こうすることで、ピストンリングからシリンダライナーへの熱の伝達が抑制される。これにより、冷却損失の低減、及び、燃焼室内の温度低下の防止が図られる。
【発明の効果】
【００３８】
以上説明したように、前述したエンジンのピストン構造によると、クラウン部におけるピストンリングの径方向の内方に中空部を設けることによって、キャビティからピストンリングの方への熱が伝達することが抑制される。その結果、冷却損失の低減を図ることができると共に、燃焼室内の温度低下の防止、及び、信頼性の向上を図ることができる。
【００３９】
また、中空部の裏面側を塞ぐことによって、中空部内にオイルミストが流入することが防止され、キャビティからピストンリングの方への熱の伝達を、より効果的に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、エンジンの構造を示す、吸排気方向の断面図である。
【図２】図２は、エンジンの構造を示す、エンジン出力軸方向の断面図である。
【図３】図３は、ピストンの冠面を示す斜視図である。
【図４】図４は、ピストンの冠面を示す平面説明図である。
【図５】図５は、ピストンの裏面側を示す底面説明図である。
【図６】図６は、図４のVI−VI断面で切った斜視図である。
【図７】図７は、図４のVII−VII断面で切った斜視図である。
【図８】図８は、図４のVIII−VIII断面で切った斜視図である。
【図９】図９は、ピストンの、中空部付近を示す縦断面説明図である。
【図１０】図１０は、比較例のピストンの構造を示す図９対応図である。
【図１１】図１１は、中空部の形状を説明する縦断面図である。
【図１２】図１２は、図６とは異なる構成のピストンを示す図６対応図である。
【図１３】図１３は、図７とは異なる構成のピストンを示す図７対応図である。
【図１４】図１４は、図８とは異なる構成のピストンを示す図８対応図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、エンジンのピストン構造の実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明は例示である。
【００４２】
（エンジンの全体構成）
図１及び図２は、実施形態に係るピストン構造が適用されたエンジン１の構成を示している。このエンジン１の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。ここに開示するエンジン１の燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。
【００４３】
エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１が形成されている（図１及び図２では、１つのみ示す）。エンジン１は、多気筒エンジンである。各シリンダ１１内には、コネクティングロッド１４を介して図外のクランクシャフト（つまり、エンジン出力軸）に連結されたピストン３が、摺動自在に内挿されている。ピストン３は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画する。尚、「燃焼室」は、ピストン３が圧縮上死点に至ったときに形成される空間の意味に必ずしも限定されず、広義で用いる場合がある。
【００４４】
本実施形態では、燃焼室１７の天井部１７０（シリンダヘッド１３の下面）は、吸気ポート１８の開口部が設けられた吸気側天井面１７１と、排気ポート１９の開口部が設けられた排気側天井面１７２とを備えて構成されている。吸気側天井面１７１は、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となっている。排気側天井面１７２も、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となっている。吸気側天井面１７１及び排気側天井面１７２は、エンジン出力軸方向に延びる谷部において連結されている。燃焼室１７は、ペントルーフ型の燃焼室である。尚、ペントルーフの谷部の位置は、シリンダ１１のボア中心に一致する場合、及び、一致しない場合の両方があり得る。
【００４５】
ピストン３の冠面３０は、吸気側天井面１７１及び排気側天井面１７２に対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて、ピストン３の中央に向かって登り勾配となった傾斜面３０ａ、３０ｂによって、三角屋根状に隆起している。これにより、このエンジン１の幾何学的圧縮比は、１５以上の高い圧縮比に設定されている。また、ピストン３の冠面３０には、凹状のキャビティ３４が形成されている。ピストン３の構成については、後で詳述する。
【００４６】
シリンダブロック１２の下部には、ピストン３を冷却するためのオイルジェット装置１２０が取り付けられている。オイルジェット装置１２０は、オイルをピストン３の裏面側に向かって噴射する噴射ノズル１２１を有している。エンジン回転数が所定回転数以上になれば、オイルジェット装置１２０は、噴射ノズル１２１からピストン３に向かってオイルを噴射する。
【００４７】
図１には１つのみ示すが、シリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成されている。２つの吸気ポート１８の開口部は、シリンダヘッド１３の吸気側天井面１７１に、エンジン出力軸方向（つまり、図１の紙面に直交する方向）に並んで設けられている。２つの吸気ポート１８の開口部は、シリンダ１１のボア中心に対して対称に配設されている。吸気ポート１８は、各開口部を通じて燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、図外の吸気通路に接続されている。吸気通路には吸気流量を調節するスロットル弁が介設されている。
【００４８】
吸気ポート１８と同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成されている。２つの排気ポート１９の開口部は、シリンダヘッド１３の排気側天井面１７２に、エンジン出力軸方向に並んで設けられている。２つの排気ポート１９の開口部は、シリンダ１１のボア中心に対して対称に配設されている。排気ポート１９は、各開口部を通じて燃焼室１７に連通している。排気ポート１９は、図外の排気通路に接続されている。排気通路には、図示は省略するが、１つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバータは、三元触媒を含む。
【００４９】
シリンダヘッド１３には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、吸気ポート１８を燃焼室１７に対して開閉する。吸気弁２１は吸気弁駆動機構によって、所定のタイミングで往復動する。吸気弁駆動機構は、この例では、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）を、少なくとも含んで構成されている。
【００５０】
シリンダヘッド１３には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、排気ポート１９を燃焼室１７に対して開閉する。排気弁２２は排気弁駆動機構によって、所定のタイミングで往復動する。排気弁駆動機構は、この例では、液圧式又は電動式のＶＶＴを、少なくとも含んで構成されている。
【００５１】
シリンダヘッド１３には、燃焼室１７内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁６が取り付けられている。燃料噴射弁６は、吸気側天井面１７１と排気側天井面１７２とが交差するペントルーフの谷部であってかつ、図２に示すように、シリンダ１１のボア中心に対して、エンジン出力軸方向の一側に、ずれて配設されている。ここで、エンジン出力軸方向の一側は、図２における紙面左側であり、この実施形態では、エンジン１において反トランスミッション側の、いわゆるエンジン前側に相当する。燃料噴射弁６はまた、その噴射軸心が、シリンダ１１の軸心に沿うように配設されている。燃料噴射弁６は、ピストン３のキャビティ３４内に向かって、燃料を噴射する。
【００５２】
燃料噴射弁６は、図２に概念的に示すように、キャビティ３４内、つまり燃焼室１７内に、混合気層と、その周囲の断熱ガス層とを形成することが可能に構成されている。燃料噴射弁６は、例えば外開弁式の燃料噴射弁としてもよい。外開弁式の燃料噴射弁は、外開弁のリフト量を調整することにより、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。本願出願人が先に出願した特願２０１３−２４２５９７号に開示しているように、外開弁式の燃料噴射弁によって、圧縮上死点付近のタイミングで、複数回の噴射を含む所定態様の燃料噴射を行うと、キャビティ３４の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層が形成される。
【００５３】
また、外開弁式の燃料噴射弁に限らず、ＶＯＣ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプのインジェクタも、ノズル口に発生するキャビテーションの度合い調整することにより、噴口の有効断面積を変更して、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。従って、外開弁式の燃料噴射弁と同様に、キャビティ３４内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。
【００５４】
また、ヒータによって所定の温度まで加熱した燃料を、高圧雰囲気の燃焼室１７内に噴射することにより、燃料を超臨界状態とすることによっても、キャビティ３４内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。この技術は、燃焼室１７内に噴射した燃料を瞬時に気化させることによって燃料噴霧のペネトレーションが短くなり、キャビティ３４内における燃料噴射弁の近傍に、混合気層を形成するものである。尚、燃料噴射弁は、例えば複数の噴口を有するマルチホールタイプの燃料噴射弁において、燃料を加熱するヒータを備えて構成される。また、この構成以外の燃料噴射弁であってもよい。
【００５５】
これらの燃料噴射弁の構成は、公知であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００５６】
シリンダヘッド１３には、放電電極７が取り付けられている。放電電極７は、混合気にエネルギを与えて自着火を促す点火プラグ、又は、シリンダ１１内に混合気の自着火を促進する活性種を生成する装置（例えばオゾン生成装置）である。図２に示すように、放電電極７は、ペントルーフの谷部において、シリンダ１１のボア中心に対してエンジン出力軸方向の他側（つまり、エンジン後側）にずれて配設されている。燃料噴射弁６と放電電極７とは、シリンダ１１のボア中心を挟んだ、互いに反対側に配置されている。放電電極７は、燃料噴射弁６に近づく方向に、シリンダ１１の軸線に対し傾いて配設されている。これにより、燃料噴射弁６と放電電極７とは、シリンダ１１のボア中心近傍に、互いに近接して配設される。尚、燃料噴射弁６と放電電極７との配置を互いに入れ替えて、燃料噴射弁６をシリンダ１１のボア中心に対してエンジン出力軸方向の他側に配置しかつ、放電電極７をシリンダ１１のボア中心に対してエンジン出力軸方向の一側に配置してもよい。
【００５７】
このエンジン１は、前述したように、幾何学的圧縮比εが１５以上に設定されている。幾何学的圧縮比は、４０以下とすればよく、特に２０以上３５以下が好ましい。圧縮比が高いほど膨張比も高くなるため、エンジン１は、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジンでもある。このエンジン１は、基本的には全運転領域でシリンダ１１内に噴射した燃料を圧縮自着火により燃焼させる（以下、ＣＡＩ（Controlled Auto Ignition）燃焼という）よう構成されている。高い幾何学的圧縮比は、ＣＡＩ燃焼を安定化する。
【００５８】
ピストン３の構成の詳細は後述するが、このエンジン１は、幾何学的圧縮比を高くするために、ピストン３の冠面３０における吸気側裾面３０ｅ及び排気側裾面３０ｆ（つまり、冠面３０におけるフラット面）がそれぞれ、ピストン３が圧縮上死点付近にあるときに、シリンダヘッド１３とシリンダブロック１２との合わせ面よりも、シリンダヘッド１３の側に入り込むように構成されている（図１を参照）。よって、このエンジン１では、燃焼室１７は、実質的には、ピストン３の冠面３０と、シリンダヘッド１３の下面（天井部１７０）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成される。図９に示すように、このエンジン１では、燃焼室１７を区画する、これらの区画面に遮熱層１７３を設けている。遮熱層１７３は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。
【００５９】
遮熱層１７３は、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低い。ここでいう母材は、例えばピストン３であればアルミニウム又はアルミニウム合金である。遮熱層１７３は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、燃焼室１７を区画する面を通じて放出されることを抑制する。また、遮熱層１７３は、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、遮熱層１７３の熱容量を小さくして、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。こうすることで、燃焼ガスの温度と区画面の温度との差が小さくなるから、熱が、区画面を通じて母材に伝わることが抑制される。
【００６０】
遮熱層１７３は、中空粒子（例えばガラスバルーン）と、バインダとしてのシリコン樹脂と、を含有する遮熱材料を、区画面上に塗布し、加熱処理によって樹脂を硬化させることにより、形成してもよい。遮熱層１７３はまた、区画面上に、ＺｒＯ２等のセラミック材料を、プラズマ溶射によってコーティングすることにより、形成してもよい。
【００６１】
このエンジン１は、燃焼室１７の遮熱構造に加えて、前述したように、燃焼室１７内にガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減している。具体的には、圧縮行程以降において燃料噴射弁６からキャビティ３４内に燃料を噴射させる。このことにより、図２に示すように、燃料噴射弁６の近傍の、キャビティ３４内の中心部に混合気層を形成しかつ、その周囲に新気を含むガス層を形成するという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（つまり、ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっていても問題はない。ガス層は混合気層よりも燃料リーンであればよい。
【００６２】
燃焼室１７内にガス層と混合気層とが形成された状態で、混合気が圧縮着火燃焼すれば、混合気層と燃焼室１７の区画壁との間のガス層により、火炎がシリンダ１１の壁面に接触することが抑制される。また、ガス層が断熱層となるため、燃焼室１７の区画壁からの放熱が抑制される。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。
【００６３】
尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン１では、高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に変換している。すなわち、エンジン１は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、熱効率を大幅に向上させているということができる。
【００６４】
このような混合気層とガス層とを燃焼室１７内に形成するために、燃料を噴射するタイミングにおいては、燃焼室１７内のガス流動は弱いことが望ましい。そのため、吸気ポートは、燃焼室１７内でスワールが生じない、又は、生じ難いようなストレート形状を有していると共に、タンブル流もできるだけ弱くなるように、構成されている。
【００６５】
（ピストンの詳細構造）
次に、ピストン３の構成について、図を参照しながらさらに詳細に説明をする。ピストン３は、冠面３０を有する略円柱状のクラウン部３１と、一対のスカート部３２と、一対のボス部３３とを有している。
【００６６】
クラウン部３１は、図６及び図９に拡大して示すように、その外周側面に、上側から順に２つのシールリング溝３１ａ、３１ｂと、１つのオイルリング溝３１ｃと、が形成されている。各シールリング溝３１ａ、３１ｂには燃焼室１７の気密性を高めるためのシールリングが嵌め込まれ、オイルリング溝３１ｃには、シリンダライナー１１１の内周面に付着したオイルを掻き落とすためのオイルリングが嵌め込まれる。以下においては、シールリング及びオイルリングを総称して、ピストンリング３８という。
【００６７】
図１に示すように、各スカート部３２は、クラウン部３１の裏面側から下方に延びるように形成されている。各スカート部３２は、吸排気方向に向かい合うように配設されている。各スカート部３２の外側面は、略円弧状に形成されていて、ピストン３の往復運動時は、シリンダライナー１１１の内周面を摺動する。
【００６８】
ボス部３３は、一対のスカート部３２の側端部同士を連結するサイドウォール部３５に設けられる。一対のボス部３３は、クラウン部３１の裏面側で、エンジン出力軸方向に向かい合って配置される。ボス部３３には、ピストンピン３６が挿入される。
【００６９】
クラウン部３１の外周側面にはまた、図５に示すように、クラウン部３１の内外を連通させる貫通孔３７が、複数、形成されている。各貫通孔３７は、一対のスカート部３２と一対のサイドウォール部３５とによって囲まれた領域内に連通している。この領域は、オイルジェット装置１２０からオイルが噴射される領域である。各貫通孔３７は、ピストン３の内側から外側にオイルを流して、シリンダライナー１１１にオイルを供給する、または、ピストン３の外側から内側にオイルを流して、シリンダライナー１１１上の余分なオイルを除去する。
【００７０】
図３は、ピストン３の冠面３０の形状を示す斜視図である。図３における紙面右手前が吸気側、紙面左奥が排気側であり、紙面左手前がエンジン出力軸方向の一側、紙面右奥がエンジン出力軸方向の他側である。
【００７１】
前述したように、ピストン３の冠面３０は、吸気側傾斜面３０ａと排気側傾斜面３０ｂとがそれぞれ、ピストン３の中央に向かって登り勾配となって構成されている。吸気側傾斜面３０ａと排気側傾斜面３０ｂとは、稜部３０ｃによって滑らかに連結される。稜部３０ｃは、エンジン出力軸方向に延びている。ピストン３の冠面３０は、エンジン出力軸方向における一方の側から、エンジン出力軸に沿う方向にピストン３を見たときに、両側それぞれから中央部に向かって次第に隆起した三角屋根状を成している。
【００７２】
吸気側傾斜面３０ａには、バルブリセスが形成されている。排気側傾斜面３０ｂにも、バルブリセスが形成されている。
【００７３】
ピストン３の冠面３０は、テーパ面３０ｄをさらに有する。テーパ面３０ｄは、ピストン３の全周に亘って、クラウン部３１の外周側面（つまり、最上位のシールリング溝３１ａの上側である、いわゆるトップランド）の上側に設けられる。テーパ面３０ｄはまた、エンジン出力軸方向の一側と他側との２箇所においては、稜部３０ｃに向かうにつれてキャビティ３４に近づくように傾斜しながらトップランドと稜部３０ｃとを繋ぐ。図２及び図９に示すように、これら２箇所のテーパ面３０ｄは、シリンダヘッド１３の天井部１７０の湾曲形状に対応して設けられている。これは、エンジン１の幾何学的圧縮比を高くする上で有利な構成である。
【００７４】
ピストン３の吸気側傾斜面３０ａの、稜部３０ｃと反対側の端部には、該吸気側傾斜面３０ａから谷折り状に屈曲して拡がる吸気側裾面３０ｅが設けられている。吸気側裾面３０ｅは、シリンダ１１の軸心に直交する面である。吸気側裾面３０ｅは、いわゆるフラット面である。吸気側裾面３０ｅとピストン３の外側周面（つまり、トップランド）との間は、前述したテーパ面３０ｄが介在している。
【００７５】
一方、ピストン３の排気側傾斜面３０ｂの、稜部３０ｃと反対側の端部には、該排気側傾斜面３０ｂから谷折り状に屈曲して拡がる排気側裾面３０ｆが設けられている。排気側裾面３０ｆは、シリンダ１１の軸心に直交する面である。排気側裾面３０ｆは、いわゆるフラット面である。図１に示すように、排気側裾面３０ｆは、吸気側裾面３０ｅよりも、シリンダ１１の軸心の方向において稜部３０ｃ側に配置されている。すなわち、排気側裾面３０ｆは、吸気側裾面３０ｅよりも隆起している。排気側裾面３０ｆとピストン３の外側周面（つまり、トップランド）との間は、前述したテーパ面３０ｄが介在している。
【００７６】
ピストン３の冠面３０における吸気側裾面３０ｅに向かい合うシリンダヘッド１３の天井面は、シリンダヘッド１３とシリンダブロック１２との合わせ面（より正確には、シリンダヘッド１３とガスケット１２２との境界面）よりも没入した位置に設けられている。同様に、排気側裾面３０ｆに向かい合うシリンダヘッド１３の天井面は、シリンダヘッド１３の合わせ面よりも没入した位置に設けられている。ピストン３が圧縮上死点付近に位置したとき（より正確には、ピストン３が圧縮上死点の前後３０°ＣＡにあるとき）には、図１に示すように、吸気側裾面３０ｅ及び排気側裾面３０ｆはそれぞれ、シリンダヘッド１３の合わせ面よりも、シリンダヘッド１３の側に位置する。このように、ピストン３の冠面３０をシリンダヘッド１３の側に食い込ませることによって、幾何学的圧縮比を、大幅に高くすることが可能になる。
【００７７】
前述したように、ピストン３の冠面３０にはキャビティ３４が凹陥している。キャビティ３４は、図２に示すように、開口縁３４ａから凹陥するに従い、その大きさが次第に縮小するように設けられている。キャビティ３４は、ピストン３の冠面３０に連続する側壁と、側壁に連続する底壁とから構成されている。ピストン３の中心を通る縦断面において、キャビティ３４は、バスタブのような形状を有している。
【００７８】
キャビティ３４は、図４に示すように、平面視で見たときに、略楕円形状の開口縁３４ａを有する。この楕円は、広義の楕円であり、オーバル形状や長円形状も含む。キャビティ３４はまた、図２に示すように、その中心位置（より正確には、キャビティ３４の最大幅に相当する箇所において吸気側の端縁と排気側との端縁との中点でかつ、エンジン出力軸方向の一側の端縁と他側の端点との中点である中心位置）が、燃料噴射弁６の噴射軸心に一致するように設けられている。これにより、キャビティ３４内の中心部に混合気層を形成する上で有利になる。燃料噴射弁６の噴射軸心は、エンジン出力軸方向の一側にずれているため、キャビティ３４もまた、ピストン３の冠面３０において、ピストン３の中心（言い換えるとシリンダ１１のボア中心）に対し、エンジン出力軸方向の一側にずれて位置することになる。
【００７９】
キャビティ３４は、稜部３０ｃを横切って吸気側傾斜面３０ａ及び排気側傾斜面３０ｂに亘って形成されている。これにより、稜部３０ｃは、キャビティ３４を挟んで２つに分割される。吸気側傾斜面３０ａ及び排気側傾斜面３０ｂは傾斜しているので、吸気側傾斜面３０ａ及び排気側傾斜面３０ｂの一部はそれぞれ、キャビティ３４によって抉られる。吸気側傾斜面３０ａ及び排気側傾斜面３０ｂにおけるキャビティ３４の開口縁３４ａは、両側の稜部３０ｃから次第に下方に窪むように湾曲した形状となる。キャビティ３４がシリンダ１１のボア中心からずれて設けられることに伴い、吸気側傾斜面３０ａ及び排気側傾斜面３０ｂにおけるキャビティ３４の開口縁３４ａもまた、図２及び図４に示すように、ボア中心に対称となるのではなく、エンジン出力軸方向の一側にずれることになる。それに加え、エンジン出力軸方向の一側の稜部３０ｃが相対的に短くかつ、エンジン出力軸方向の他側の稜部３０ｃが相対的に長くなる。
【００８０】
前述したように、このエンジン１は、燃焼室１７内のガス流動が弱くなるように構成されているが、燃焼室１７内で、弱いタンブル流は発生し得る。三角屋根状に隆起したピストン３の冠面３０に、キャビティ３４を、エンジン出力軸方向の一側にずれて配設することに伴い、タンブル流が、シリンダ１１のボア中心からずれたキャビティ３４の方向に流れやすくなり、図４に白抜きの矢印で示すように、タンブル流は、燃焼室１７内において、排気側でかつエンジン出力軸方向の他側から、吸気側でかつエンジン出力軸方向の一側に向かう方向に、偏向するようになる。  
【００８１】
タンブル流の両側の領域、具体的には、図４に二点鎖線で囲んだ、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１と、吸気側でかつエンジン出力軸方向の他側の領域１０２とは、ガスの流動が弱くなる。燃料噴射弁６からキャビティ３４内に向かって燃料を噴射したときに、燃料噴霧は、ガスの流動が弱い領域に集まり易い。そのため、キャビティ３４内における、これら２箇所の領域１０１、１０２は、混合気が、相対的に過濃になり易い。このため、前述したように、このエンジン１では、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成するようにしているものの、混合気が過濃となった領域１０１、１０２では、燃焼が相対的に激しくなる結果、火炎が断熱ガス層を破って、キャビティ３４の壁面に触れやすくなる。こうして、これら２箇所の領域１０１、１０２では、燃焼時の熱がキャビティ３４から、ピストン３の母材へと伝わりやすくなる。
【００８２】
図５は、図４に示すピストン３を裏面側から見た図である。図５では、キャビティ３４の開口縁３４ａを破線で示している。また、前述した２つの領域１０１、１０２を、二点鎖線で示している。前述の通り、キャビティ３４の壁面からピストン３の母材へと伝わった熱は、熱容量の大きい方へと伝わり易い。単一材料であれば、熱容量は体積の大きい領域が大きくなる。このピストン３では、ボス部３３の付近の熱容量が相対的に大きい。キャビティ３４の壁面からピストン３の母材へと伝わった熱は、図４及び図５に矢印で示すように、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１から、エンジン出力軸方向の一側へと伝わり易く、吸気側でかつエンジン出力軸方向の他側の領域１０２から、エンジン出力軸方向の他側へと伝わり易い。そうして、ピストンリング３８及びシリンダライナー１１１を通じて、シリンダブロック１２に放熱されるようになる。
【００８３】
エンジン出力軸方向の一側は、上向きのタンブル流となるため、ピストン３が上昇する際に、強い上昇流が発生する（図４を参照）。このため、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１と、吸気側でかつエンジン出力軸方向の他側の領域１０２とを比較したときに、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１の方が、熱伝達率が高くなる。よって、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１から、エンジン出力軸方向の一側へと伝わる熱量の方が相対的に多くなる。
【００８４】
このような熱の伝わりは、冷却損失を増大させて、エンジン１の熱効率を低下させる。そのため、ピストン３の冠面３０からピストンリング３８付近に熱が伝わることを抑制したい。
【００８５】
また、圧縮行程から排気行程にかけての期間において、ピストン３の冠面３０からピストンリング３８の方に熱が逃げると、圧縮上死点付近における燃焼室１７内の温度状態が低くなってしまう。ＣＡＩ燃焼を行うエンジン１が低温状態のときに、着火ミスが生じる虞がある。
【００８６】
さらに、エンジン１が熱間状態にあるとき（例えば、高速の全負荷運転状態や、高速で加減速を繰り返す運転状態等）には、ピストン３の冠面３０からピストンリング３８の方に伝わる熱量が増えて、ピストンリング３８付近の温度が大幅に高くなる虞がある。信頼性を向上させる点からも、ピストン３の冠面３０からピストンリング３８の方への熱の伝わりを抑制したい。
【００８７】
そこで、このエンジン１のピストン３には、ピストン３の冠面３０からピストンリング３８の方へ熱が伝わることを抑制する中空部３９を設けている。具体的に、中空部３９は、図５、及び、図６〜８に示すように、クラウン部３１において、各サイドウォール部３５の径方向の外側の領域に形成されている。これにより、中空部３９は、ピストンリング３８の径方向の内方に位置している。
【００８８】
中空部３９は、ここに示す例では、ピストン３の裏面側に開口すると共に、ピストン３の冠面側に向かって広がる溝状である。中空部３９の上端部は、図１において破線で示すように、トップランドよりも高い位置に位置している（図９も参照）。従って、ピストン３が圧縮上死点付近にあるときには、中空部３９の上端部は、シリンダヘッド１３内に位置することになる。また、図２に示すように、中空部３９は、上側に向かうにしたがって径方向内側に傾斜している。
【００８９】
中空部３９内には、ボス部３３から径方向の外方に延びる２つのリブ３９４、３９５が形成されている。これにより、中空部３９は、吸気側の空間３９１と、排気側の空間３９２と、それらの間の中央の空間３９３との３つの空間に区画されている。これらの３つの空間３９１〜３９３の内、中央の空間３９３が、最も上方の位置まで延びている。
【００９０】
図９に示すように、ピストン３に設けた中空部３９は、ピストン３の母材において、キャビティ３４とピストンリング３８付近との間に介在する。この中空部３９によって、前述した領域１０１、１０２付近からピストン３の母材に入った熱が、ピストンリング３８の方へと伝わることが抑制される。
【００９１】
ここで、図１０は、比較例として、中空部３９を設けていないピストン３を示している。図１０に矢印で示すように、キャビティ３４からピストン３の母材に入った熱は、先ず、熱容量の大きいボス部３３の付近へと進入し、その後、ピストン３の母材内で、径方向の外方へと放射状に熱が伝わる。そうして、ピストンリング３８及びシリンダライナー１１１を通じて、シリンダブロック１２に放熱される。
【００９２】
これに対し、ピストン３に中空部３９を設けることによって、図９に示すように、ピストン３の母材に入った熱は、キャビティ３４に沿って稜部３０ｃ側の上方に向かい、中空部３９を迂回するように伝わる。このときに、吸気側斜面３０ａ及び排気側斜面３０ｂを通じて吸気側裾面３０ｅ及び排気側裾面３０ｆ、並びに、ピストン３０の外周面に伝わる熱量が減少し、これらの部位の温度は下がる。結果として、図４に矢印で示す熱の流れが形成されるが、この流れにおいて、図９に示すように、熱の伝達経路が蛇行することにより、ピストンリング３８付近に伝わる熱量が減少する。
【００９３】
ここで、図１１に示すように、中空部３９の高さＨは、十分に高く形成することが好ましい。図１１に一点鎖線で示すように、中空部３９の高さＨが低いときには、熱の伝達経路を大きく蛇行させることができない。そのため、ピストンリング３８の付近に伝わる熱量が増えてしまう。また、中空部３９の高さＨが低いと、熱の伝達経路が、シリンダブロック１２及びシリンダライナー１１１に近づくようになる。シリンダブロック１２及びシリンダライナー１１１には、遮熱層１７３を設けていない。シリンダブロック１２及びシリンダライナー１１１は、相対的に放熱し易い。そのため、ピストン３の母材内の熱の伝達経路は、シリンダブロック１２及びシリンダライナー１１１からできるだけ離すことが望ましい。
【００９４】
よって、中空部３９の高さＨは、十分に高く形成することが好ましい。ここに示す例では、前述したように、中空部３９の高さＨを、中空部３９の上端部が、トップランドよりも高い位置に位置するようにしている。これにより、中空部３９の上端部は、ピストン３が圧縮上死点付近に位置しているときに（前述したように、ピストン３が圧縮上死点前後３０°ＣＡにあるときに）、シリンダヘッド１３とシリンダブロック１２との合わせ面（前述したように、シリンダヘッド１３とガスケット１２２との境界面）よりも上側になる。こうすることで、ピストン３の母材内の熱の伝達経路が、大きく蛇行するようになる。ピストンリング３８付近に伝わる熱量が減少する。また、熱の伝達経路が、シリンダブロック１２及びシリンダライナー１１１から離れるようになる。シリンダブロック１２及びシリンダライナー１１１からの放熱が抑制される。さらに、ピストン３の母材内での熱の伝達経路が、ピストン３の冠面３０に近い位置、特にキャビティ３４の壁面に近い位置になる。これにより、キャビティ３４の壁面の温度が高まる。キャビティ３４の壁面の温度が高まると、燃焼時に、燃焼室１７内のガスの温度とキャビティ３４の壁面との温度差が小さくなる。これにより、キャビティ３４の壁面を通じて、ピストン３の母材に熱が伝わることが抑制される。
【００９５】
図１１に示すように、中空部３９を区画する面の内、径方向の外側の壁面の、鉛直方向に対する角度θは、大きい方が好ましい。角度θが小さいと、図１１に白抜きの矢印で示すピストン３のクラウン部３１の外周側面（例えばトップランド）と、中空部３９との距離が短くなる。これにより、熱の伝達経路が、クラウン部３１の外周側面の近くになるため、特にトップランド付近の温度が高まり易い。これに対し、角度θを大きくすると、熱の伝達経路がクラウン部３１の外周側面から離れるようになる。トップランド付近の温度の低下が図られ、シリンダブロック１２への放熱が抑制される。角度θは、例えば１４°以上とすることが好ましい。
【００９６】
ピストン３はまた、ピストン３の径方向に対する中空部３９の幅Ｗを十分に大きくすることができるよう、向かい合うボス部３３とボス部３３との距離を短くしている（図５も参照）。これにより、中空部３９の内側の壁部を径方向の内方に位置させることができるため、中空部３９の径方向の幅Ｗが大きくなる。
【００９７】
向かい合うボス部３３とボス部３３との距離を短くすることに伴い、図５に示すように、スカート部３２とボス部３３とをつなぐサイドウォール部３５の角度α、βは、それぞれ９０°以上となる。ここで、ボス部３３を挟んだ吸気側のサイドウォール部３５の角度αと、排気側のサイドウォール部３５の角度βとを比較したときに、排気側のサイドウォール部３５の角度βの方が、吸気側のサイドウォール部３５の角度αよりも大きい。これにより、排気側の空間３９２の幅Ｗは、吸気側の空間３９１の幅Ｗよりも大きい。前述したように、２箇所の領域１０１、１０２を比較したときに、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１の方が、強い上昇流が発生するため、熱伝達率が高くなる。よって、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１から、エンジン出力軸方向の一側へと伝わる熱量の方が相対的に多くなり得るが、排気側の空間３９２の幅Ｗを大きくすることによって、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１から、エンジン出力軸方向の一側へと伝わる熱量を有効に抑制することが可能になる。
【００９８】
尚、向かい合うボス部３３とボス部３３との距離を短くすることによって、ピストンピン３６の長さは短くなる。ピストンピン３６の面圧を下げるために、ピストンピン３６の径は、長さを短くする分、大きくしている。
【００９９】
中空部３９の裏面側の開口は、蓋部３１０によって塞がれている。蓋部３１０は、ピストン３の母材とは別体の部材である。蓋部３１０は、吸気側の空間３９１、排気側の空間３９２、及び、中央の空間３９３のそれぞれに対して、個別に取り付けられている。ピストン３の母材と別体である蓋部３１０は、ピストン３を鋳造によって製造するときに、予め用意した蓋部３１０を鋳型に入れた状態で鋳込むことにより、ピストン３の母材と一体的に設けることが可能になる。尚、成形したピストン３の開口に、別体の蓋部３１０を、後から取り付けるようにしてもよい。
【０１００】
前述したように、エンジン１が熱間状態にあるときには、オイルジェット装置１２０から、ピストン３の裏面側に、より詳細には、一対のサイドウォール部３５と、一対のスカート部３２とによって囲まれた領域内の、排気側に向けてオイルが噴射される。これにより、キャビティ３４が裏面側から冷却されて、ピストン３の信頼性が向上する。ここで、中空部３９の裏面側を蓋部３１０によって塞ぐことで、オイルミストが中空部３９内に進入することが防止される。中空部３９は、内部に進入したオイルミストの吸熱によって、ピストンリング３８付近を冷却するのではなく、前述したように、ピストン３の母材内でピストンリング３８の方に熱が伝達することを抑制する機能を有する。従って、中空部３９の内部にオイルミストが進入することは防止することが好ましい。また、中空部３９の内部にオイルミストが進入することを防止することによって、中空部３９内のガスを介して熱が伝わることが抑制される。その結果、前述したように、ピストン３の母材内で、熱の伝達経路を蛇行させる機能を有効に発揮することが可能になる。
【０１０１】
図２に示すように、クラウン部３１には、キャビティ３４とボス部３３との間に、ピストン３の母材よりも熱伝導性の低い部材３１１が配置されている（尚、図９等では図示を省略している）。当該部材３１１によって、ボス部３３においてピストンピン３６が接触する摺動面を形成してもよい。部材３１１によって、キャビティ３４からピストン３の母材に入った熱が、ピストンピン３６の方に伝わることが抑制される。また、キャビティ３４の裏面側の部分の熱容量が低くなり、キャビティ３４からピストン３の母材に熱が伝わることを抑制することが可能になる。この部材３１１は、多孔質材によって構成してもよい。こうすることで、ボス部３３の摺動面に、オイルを保持する空孔が形成されるようになり、潤滑性が向上する。前述したように、ピストンピン３６の長さが比較的短いことによって、ピストンピン３６の面圧が高くなって潤滑性に不利になるところ、ピストンピン３６の径の拡大によって面圧を下げると共に、多孔質材からなる部材３１１により、ピストンピン３６の潤滑状態を良好にすることが可能になる。こうした部材３１１は、ピストン３を鋳造によって製造するときに、予め用意した部材３１１を鋳型に入れた状態で鋳込むことにより、ピストン３の母材と一体的に設けることが可能になる。
【０１０２】
シリンダライナー１１１の一部、具体的には、図４に仮想的に示すように、シリンダライナー１１１を周方向に４等分したときの、エンジン出力軸方向の一側に位置するシリンダライナー１１１ａは、多孔質材によって構成されている。エンジン出力軸方向の一側は、キャビティ３４がシリンダ１１のボア中心に対してずれている方向であり、前述したように、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１から、エンジン出力軸方向の一側へと伝わる熱量の方が相対的に多くなる。そのため、エンジン出力軸方向の一側のシリンダライナー１１１ａを多孔質材によって構成することにより、シリンダライナー１１１ａからの放熱を抑制することが可能になる。これは、冷却損失の低減に効果的である。また、シリンダライナー１１１ａを多孔質材によって構成することにより、シリンダライナー１１１ａの内周面側の小孔にオイルが保持されるようになり、シリンダ１１の内周面の潤滑状態が良好になる、さらに、シリンダライナー１１１ａの外周面側にも小孔が現れるため、シリンダライナー１１１ａを鋳込むときに、シリンダブロック１２の母材が噛み込んで、シリンダライナー１１１ａを強固にシリンダブロック１２に固定することが可能になる、という利点もある。
【０１０３】
尚、シリンダライナー１１１の内、エンジン出力軸方向の他側のシリンダライナー１１１ｂも、一側のシリンダライナー１１１ａと同様に、多孔質材によって構成してもよい。また、シリンダライナー１１１を、エンジン出力軸方向の一側と他側とに二等分したときの一側のシリンダライナー１１１を、多孔質材によって構成してもよい。さらに、シリンダライナー１１１の全部を多孔質材によって構成してもよい。
【０１０４】
（まとめ）
以上説明したように、ここに開示するピストン３の構造は、冠面３０が、ペントルーフ型の燃焼室１７を構成する吸気側天井面１７１及び排気側天井面１７２のそれぞれに対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて傾斜した傾斜面３０ａ、３０ｂによって隆起していると共に、傾斜面３０ａ、３０ｂの一部を抉るように冠面３０から凹陥するキャビティ３４を有する。
【０１０５】
そして、ピストン３は、クラウン部３１におけるピストンリング３８の径方向の内方に設けられかつ、キャビティ３４からピストンリング３８の側にピストン３の母材を介して熱が伝達することを抑制するよう構成された中空部３９を備え、中空部３９の裏面側が、塞がれている。
【０１０６】
中空部３９は、ピストン３の母材よりも熱の伝達が悪い。中空部３９をキャビティ３４とピストンリング３８との間に介在させることによって、ピストン３の母材における熱の伝達経路は、中空部３９を迂回するように蛇行する。よって、キャビティ３４からピストンリング３８の側へと向かう熱の流れが抑制される。
【０１０７】
中空部３９の裏面側が塞がれていることにより、中空部３９内にオイルミストが流入することが防止される。中空部３９内にオイルミストが流入することを防止することによって、中空部３９内のガスを介して熱が伝わることが抑制されるから、キャビティ３４からピストンリング３８の方に、ピストン３の母材を介して熱が伝達することを、より一層効果的に抑制することが可能になる。
【０１０８】
キャビティ３４は、冠面３０を平面視で見たときに、エンジン出力軸方向に長い楕円形状を有しており、中空部３９は、一対のボス部３３のそれぞれに対し、エンジン出力軸方向の外側に設けられている。
【０１０９】
こうすることで、キャビティ３４からピストンリング３８の方に、ピストン３の母材を介して熱が伝達することが、効果的に抑制される。
【０１１０】
燃料噴射弁６は、シリンダ１１のボア中心に対して、エンジン出力軸方向の一側にずれた位置でかつ、噴射軸心がシリンダ１１の軸心に沿う方向となるように配設され、楕円形状のキャビティ２３は、その中心位置が、燃料噴射弁６の噴射軸心に対応するように、エンジン出力軸方向の一側にずれた位置に設けられている。
【０１１１】
キャビティ３４の中心位置がシリンダ１１のボア中心に対してずれると、燃焼室１７内に発生するタンブル流の方向が偏向するため、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１と、吸気側でかつエンジン出力軸方向の他側の領域１０２との混合気が過濃になりやすい。これら２つの領域１０１、１０２それぞれから、エンジン出力軸方向の一側のピストンリング３８の方とエンジン出力軸方向の他側のピストンリング３８の方とのそれぞれに、熱が伝達し易くなる。これに対し、前記の構成では、中空部３９を、エンジン出力軸方向に向かう合う一対のボス部３３それぞれの外側に設けることによって、排気側でかつエンジン出力軸方向の一側の領域１０１からエンジン出力軸方向の一側のピストンリング３８の方へ熱が伝達することが有効に抑制されると共に、吸気側でかつエンジン出力軸方向の他側の領域１０２からエンジン出力軸方向の他側のピストンリング３８の方へ熱が伝達することも有効に抑制される。
【０１１２】
ピストン３は、エンジン出力軸方向に直交する吸排気方向に向かい合うように設けられた一対のスカート部３２、３２をさらに備え、クラウン部３１の裏面における、一対のスカート部３２、３２と、一対のボス部３３、３３とによって囲まれる領域内には、オイルジェット装置１２０からのオイルが噴射されるように構成されている。
【０１１３】
オイルジェット装置１２０から噴射したオイルによって、キャビティ３４は、裏面側から冷却される。特にエンジン１が熱間状態にあるときに、ピストン３が高温になり過ぎることが防止され、信頼性が向上する。
【０１１４】
一方、中空部３９の裏面側は塞がれているため、オイルジェット装置１２０からオイルを噴射しても、中空部３９にオイルが進入することが防止される。中空部３９は、キャビティ３４からピストンリング３８の方への熱の伝達を抑制する機能を、確実に発揮することが可能になる。
【０１１５】
クラウン部３１の外周側面において、中空部３９の形成位置を除く部位には、ピストン３の径方向にオイルが流れる貫通孔３７が形成されている。
【０１１６】
中空部３９の形成位置には貫通孔３７を形成しないことによって、中空部３９内にオイルが流入することが防止される。
【０１１７】
冠面３０には遮熱層１７３が形成されている。こうすることで、ピストン３の冠面３０からピストン３の母材に熱が伝わることを抑制することが可能になる。
【０１１８】
エンジン１は、キャビティ３４によって区画される燃焼室１７内において、混合気層と、その周囲の断熱ガス層とを形成すると共に、混合気を自着火させるように構成されている。
【０１１９】
こうすることで、混合気の燃焼時には、断熱ガス層によって、火炎が燃焼室１７の壁面に触れることをできるだけ抑制することが可能になる。その結果、キャビティ３４の壁面からピストン３の母材に熱が伝わることを抑制することが可能になる。また、シリンダブロック１２への放熱が抑制されるため、圧縮上死点付近での燃焼室１７の温度状態を高めにして、エンジン１が低温状態にあるときに着火ミスが発生することが防止される。
【０１２０】
キャビティ３４とボス部３３との間には、ピストン３の母材よりも熱伝導性の低い部材３１１が配置されている。
【０１２１】
こうすることで、キャビティ３４からピストン３の母材に伝わった熱が、ピストンピン３６の方に伝わることが抑制される。また、キャビティ３４とボス部３３との間の部分の熱容量が小さくなる結果、キャビティ３４からピストン３の母材に伝達される熱量を少なくすることが可能になる。
【０１２２】
シリンダライナー１１１の少なくとも一部は、多孔質状に構成されている。これにより、ピストンリング３８からシリンダライナー１１１への熱の伝達が抑制される。これにより、冷却損失の低減が図られる。
【０１２３】
尚、図６〜図８に示す構成では、中空部３９の裏面側を塞ぐ蓋部を、ピストン３の母材とは別体の部材としているが、図１２〜１４に示すように、蓋部を別に設けるのではなく、ピストン３の母材と一体にして、中空部３９の裏面側を塞ぐようにしてもよい。
【０１２４】
参考例として、ピストン３のキャビティ３４とボス部３３との間に、ピストン３の母材よりも熱伝導性の低い部材３１１を配置する構成は、ピストン３の中空部３９の裏面側を塞ぐ構成と組み合わせなくても、単独で採用することが可能である。また、シリンダライナー１１１の一部を多孔質材とする構成も、ピストン３の中空部３９の裏面側を塞ぐ構成と組み合わせなくても、単独で採用することが可能である。さらに、ピストン３のキャビティ３４とボス部３３との間に、ピストン３の母材よりも熱伝導性の低い部材３１１を配置する構成と、シリンダライナー１１１の一部を多孔質材とする構成とを組み合わせることも可能である。
【０１２５】
また、ここに開示するピストン３の構造は、前述したエンジン１に適用することに限定されない。
【符号の説明】
【０１２６】
１  エンジン
１１  シリンダ
１１１  シリンダライナー
１１１ａ、１１１ｂ  シリンダライナー
１２  シリンダブロック
１２０  オイルジェット装置
１３  シリンダヘッド
１７  燃焼室
１７１  吸気側天井面
１７２  排気側天井面
１７３  遮熱層
３  ピストン
３０ａ  吸気側傾斜面
３０ｂ  排気側傾斜面
３１  クラウン部
３１１  部材（熱伝導性の低い部材）
３２  スカート部
３３  ボス部
３４  キャビティ
３６  ピストンピン
３８  ピストンリング
３９  中空部
６  燃料噴射弁
【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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