JP2018204512A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】火花点火式のエンジンにおいて、燃料の霧化を促進させ、点火プラグによる着火性を向上させる。【解決手段】エンジンの燃焼室構造は、気筒２及びピストン５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、燃焼室６内に着火部１７Ａが配置された点火プラグ１７とを備える。燃焼室６において吸気ポート９が配置される側を吸気側、排気ポート１０が配置される側を排気側とするとき、着火部１７Ａは、気筒軸方向視において燃焼室６の中心よりも吸気側に配置される。冠面５０には、気筒軸方向視においてＣ字形状をなす大キャビティ５２が凹設される。大キャビティ５２は、少なくともその一部が燃焼室６の中心よりも排気側に位置し、Ｃ字形状の両端部に挟まれる領域の上方に着火部１７Ａが位置するように形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、火花点火式のエンジンの燃焼室構造に関する。

自動車などの車両用のガソリンエンジンでは、点火プラグを用いて燃焼室内の混合気に着火させる火花点火方式が広く採用されている（例えば特許文献１）。この種のエンジンの開発には、常にエミッションの向上という潜在的な課題がある。例えば、前記エンジンから排出される炭化水素（ＨＣ）は光化学スモッグ等の原因の一つとなるため抑制することが強く求められる。

前記エンジンから排出される炭化水素の多くは燃焼工程で燃え切らなかった燃料、いわゆる未燃燃料である。この未燃燃料の発生を抑制するには、燃焼室内に噴射した燃料を充分に霧化させたうえで点火プラグの着火を行うことが肝要となる。しかし、外気温度が低いときや、始動直後のエンジン温度が低いとき等には、燃焼室温度が比較的低く、燃料を霧化することが難しくなり、点火プラグの着火性が低下する傾向がある。

特開２０１６−１２１６３０号公報

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであって、火花点火式のエンジンにおいて、燃料の霧化を促進させ、点火プラグによる着火性を向上させることが可能なエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、火花点火式のエンジンの燃焼室構造であって、気筒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、前記燃焼室内に着火部が配置された点火プラグとを備え、前記燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面と当該冠面に対向する燃焼室天井面とで形成され、前記燃焼室天井面には、吸気ポートと排気ポートとが配置され、前記燃焼室において前記吸気ポートが配置される側を吸気側、前記排気ポートが配置される側を排気側とするとき、前記着火部は、気筒軸方向視において前記燃焼室の中心よりも吸気側に配置され、前記冠面には、気筒軸方向視においてＣ字形状をなすキャビティが凹設され、前記キャビティは、少なくともその一部が前記燃焼室の中心よりも前記排気側に位置し、前記Ｃ字形状の両端部に挟まれる領域の上方に前記着火部が位置するように形成されているものである。

一般に、燃焼室においては、吸気側よりも排気側の方が高温となる。そのため、上記の燃焼室構造によれば、比較的高温の排気側で充分に霧化された混合気が、ピストンの冠面に形成されたキャビティのＣ字形状に沿って点火プラグの着火部に運ばれる。特に、排気側に対して相対的に温度の低い吸気側に点火プラグの着火部が配置されていることで、その温度差により着火部へ向かう混合気の流れが促進される。つまり、点火プラグの着火部及びその周辺に良質の混合気を効率良く集めることができ、これにより、点火プラグによる着火性を高めることが可能となる。

上記の燃焼室構造においては、前記キャビティの前記Ｃ字形状の両端部のうち、少なくとも一方側の端部は、前記着火部に向かうスロープ状に形成されているのが好適である。

この燃焼室構造によれば、キャビティの端部に段差が形成されて混合気の流れが妨げられることを回避できる。そのため、排気側で霧化された混合気を、キャビティのＣ字形状に沿ってより円滑に着火部に運ぶことが可能となる。

上記の燃焼室構造においては、前記燃焼室天井面に、前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁が配置され、前記キャビティを第２キャビティとしたときに、前記冠面のうち、前記第２キャビティの前記Ｃ字形状の両端部に挟まれる領域に、当該第２キャビティよりも容積が小さい第１キャビティが形成され、前記燃料噴射弁は、前記ピストンが上死点位置又はその近傍にあるときに、前記第１キャビティの方向及び前記第２キャビティの方向の双方へ燃料を噴射可能であるのが好適である。

この燃焼室構造によれば、ピストンが上死点位置又はその近傍にあるときに燃焼室内に直接燃料が供給され、その直後に点火プラグによる着火が行われる場合でも、高速燃焼を有利に実現させることができる。すなわち、第１キャビティの方向に噴射された比較的少量の燃料により着火が行われることで火種が形成され、この火種に対して、第２キャビティに沿って運ばれる良質の混合気が与えられる。これにより、第１キャビティで発生した火炎（火種）が第２キャビティ内へ火炎伝播することによって、急速に第２キャビティ内の混合気が燃焼する。従って、燃焼室全体に火炎を高速で拡大させ、燃焼室空間の全体を利用した均質燃焼を実現させることができる。

なお、上記の燃焼室構造において、前記燃料噴射弁は、気筒軸方向視において、前記第２キャビティに取り囲まれる領域の中心又はその近傍位置に配置されているのが好適である。

この燃焼室構造によれば、第１キャビティの方向及び第２キャビティの方向の双方に同等のタイミングで素早く燃料を噴射させることできる。そのため、点火プラグによる着火後の燃焼室全体への火炎の高速拡大に寄与するものとなる。

上記の燃焼室構造において、前記点火プラグは、前記ピストンが上死点位置を過ぎた後に着火するものであり、前記冠面は、前記点火プラグの前記着火部よりも気筒軸方向視において反排気側となる領域に、前記燃焼室天井面に対応する形状を有しかつ前記ピストンの下降に伴い前記燃焼室内に逆スキッシュ流を形成する逆スキッシュ流生成部を有するのが好適である。

この燃焼室構造によれば、逆スキッシュ流によって吸気側に引き寄せられる、混合気フローが形成される。この混合気フローは、Ｃ字形状のキャビティ（第２キャビティ）に沿って点火プラグの着火部に向かう。そのため、着火部及びその周辺に良質の混合気を効果的に集めることができ、点火プラグによる着火性をより一層高めることが可能となる。

本発明によれば、火花点火式のエンジンにおいて、燃料の霧化を促進させ、点火プラグによる着火性を向上させることが可能なエンジンの燃焼室構造を提供することができる。

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である。 図２は、図１に示されたシリンダヘッド要部の断面図である。 図３は、図１に示されたエンジンのピストンの斜視図である。 図４は、前記ピストンに対する点火プラグ及びインジェクタの配置を示す斜視図である。 図５は、前記ピストンの冠面の平面図である。 図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 図８は、図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面の展開図である。 図９は、燃焼室天井面の平面図である。 図１０は、燃料噴射期間及び点火タイミングとクランク角との関係を示すタイムチャートである。 図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、燃焼室における混合気の燃焼状況を説明するための平面図である。 図１２は、燃焼室における混合気のフローを説明するための斜視図である。 図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、燃焼室における混合気の燃焼状況を説明するための平面図である。 図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）は、変形例に係る燃焼室構造の模式的な斜視図である。

［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火花点火式の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に示されたシリンダヘッドの要部の断面図である。図１及び図２、これら以降の図において、ＸＹＺの方向表示を付している。Ｚ方向は気筒軸方向、Ｙ方向はクランク軸の延伸方向、Ｘ方向はＺ方向及びＹ方向の双方と直交する方向である。

本実施形態に係るエンジンは、シリンダ及びピストンを含み、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多気筒エンジンである。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、ガソリンを主成分とするものである。

本実施形態のエンジン本体１は、点火プラグにて燃焼室内の混合気に強制点火する通常のＳＩ（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼と、ＳＩ燃焼において燃料噴射のタイミングを圧縮上死点（ＴＤＣ）付近とするリタードＳＩ燃焼と、ＳＩ燃焼とＣＩ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼とを組み合わせたＳＩＣＩ燃焼と、を実行することが可能とされている。ＳＩ燃焼では、吸気行程の中期に燃料が噴射され、圧縮行程のＴＤＣ付近で混合気に強制点火されるが、リタードＳＩ燃焼では、圧縮行程のＴＤＣ前後で燃料が噴射され、その後の膨張行程初期に混合気に強制点火される。ＳＩＣＩ燃焼では、燃焼室の混合気に強制点火して火炎伝播により燃焼させると共に、燃焼室内の未燃混合気を自己着火により燃焼させる。なお、ＳＩＣＩ燃焼において、自己着火を発生させず、火炎伝播により燃焼を完了させる場合もある。これらの燃焼態様は、運転領域に応じて選択される。例えば、ＳＩ燃焼は、エンジンの高回転・高負荷領域で、リタードＳＩ燃焼は低回転・高負荷領域で、ＳＩＣＩ燃焼は回転数に依らず低負荷領域で、各々選択される。

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。ピストン５の構造については、図３〜図８に基づき後記で詳述する。

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は燃焼室天井面６Ｕであり、この燃焼室天井面６Ｕは、上向きに僅かに凸のペントルーフ型の形状を有している。燃焼室天井面６Ｕ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。燃焼室天井面６Ｕの平面図である図９を参照して、本実施形態のエンジン本体１は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、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共に、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。

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。

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（＋Ｚ側の面）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。

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、吸気バルブ１１および排気バルブ１２が駆動される。これら吸気バルブ１１および排気バルブ１２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。

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が組み込まれており、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。

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、その先端に着火部１７Ａを備え、この着火部１７Ａ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。点火プラグ１７の配置、着火部１７Ａの構造などについては、後記で詳述する。

シリンダヘッド４（燃焼室天井面６Ｕ）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（燃料噴射弁）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を通して供給された燃料を燃焼室６に噴射する。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。

［ピストンの詳細構造］
図３〜図８を参照して、ピストン５の構造、とりわけ冠面５０の構造について詳細に説明する。図３は、ピストン５の斜視図、図４は、ピストン５に対する点火プラグ１７及びインジェクタ１８の配置関係を示す斜視図、図５は、冠面５０の平面図である。また、図６、図７は、それぞれ図５のＶＩ−ＶＩ線、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図、図８は、図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面の展開図である。

ピストン５は、ピストンヘッド５Ａと、ピストンヘッド５Ａの下方（−Ｚ側）に連設されたスカート部５Ｓとを含む。ピストンヘッド５Ａは円柱体からなり、上記の通り燃焼室６の壁面の一部（底面）を形成する冠面５０を上面に備えると共に、気筒２の内壁面と摺接する側周面とを備える。前記側周面には、ピストンリングが嵌め込まれるリング溝が複数備えられている。スカート部５Ｓは、ピストンヘッド５Ａの＋Ｘ側及び−Ｘ側に配置され、ピストン５の往復運動の際の首振り揺動を抑制する。ピストンヘッド５Ａの下方には、Ｙ方向に延びるピン孔を区画するピストンボス５Ｂが設けられている。ピストンボス５Ｂの前記ピン孔には、ピストンピン８１が挿通される（図６）。ピストンピン８１は、コネクティングロッド８の小端部８Ｓと、ピストン５とを連結するピンである。

冠面５０は、燃焼室天井面６ＵとＺ方向に対向する面である。冠面５０は、その径方向（Ｘ方向及びＹ方向）の概ね中央部分に配置されたキャビティ５Ｃを含む。キャビティ５Ｃは、冠面５０が下方（−Ｚ側）に凹没された部分であり、例えば上述のリタードＳＩ燃焼を行うモードにおいて、インジェクタ１８から燃料の噴射を受ける部分である。冠面５０においてキャビティ５Ｃの外周には、吸気側平面部５５、排気側平面部５６及び一対の側方上面５７が配置されている。吸気側平面部５５は、キャビティ５Ｃの−Ｘ側に隣接する平面、排気側平面部５６は、キャビティ５Ｃの＋Ｘ側に隣接する平面、一対の側方上面５７はキャビティ５Ｃの＋Ｙ側及び−Ｙ側に各々隣接する、概ね平坦な面である。

キャビティ５Ｃは、小キャビティ５１（本発明の「第１キャビティ」に相当する）、大キャビティ５２（本発明の「第２キャビティ」に相当する）及び山型の形状を有する凸部５３を含む。小キャビティ５１は、図４に示すように、点火プラグ１７の着火部１７Ａに対応する位置、つまり着火部１７Ａの直下の位置を含む領域に凹設されている。大キャビティ５２は、小キャビティ５１に隣接する位置に凹設され、気筒軸方向の上面視（図５）において、小キャビティ５１よりも大きい投影面積を有している。本実施形態では、大キャビティ５２の気筒軸方向の投影面積が、小キャビティ５１よりも８倍程度大きい態様を例示している。凸部５３は、冠面５０のＸＹ方向の中央付近に配置されている。凸部５３は、インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎの直下の位置に凸設されている。

後記で詳述するが、小キャビティ５１は、着火部１７Ａ周辺の比較的狭い領域に混合気の乱流を集約し、着火部１７Ａによる強制点火によって火種となる燃焼領域を作る役目を果たす。従って、小キャビティ５１の気筒軸方向の投影面積は、着火部１７Ａの周囲を取り囲む程度の小面積で足りる。また、小キャビティ５１のキャビティ形状は、特に限定されものではないが、例えば着火部１７Ａの鉛直下方を中心とするパラボラ形状は、好ましい形状の一つである。

一方、大キャビティ５２は、同様に混合気の乱流を集約する役目を果たすが、小キャビティ５１で発生した火炎を火種として、燃焼室６の全体に速やかにその火炎を拡張させることが企図されたキャビティである。このため、大キャビティ５２の投影面積はなるべく大きいことが望ましく、小キャビティ５１の投影面積に対して５〜１５倍程度の投影面積を具備していることが望ましい。また、火炎を燃焼室６の全体に均等に拡張させるためには、図５に例示しているように、上面視において冠面５０と大略的に同心円となる外形形状を備えていることが望ましい。

小キャビティ５１は、当該小キャビティ５１を区画する外周縁である第１周縁５１１を含む。大キャビティ５２は、当該大キャビティ５２を区画する外周縁である第２周縁５２１を含む。第１周縁５１１は、上面視で略扇型の形状であり、凸部５３、吸気側平面部５５及び大キャビティ５２との境界線となる。第２周縁５２１は、上面視で略Ｃ字型の形状を有している。つまり、大キャビティ５２は、冠面５０の気筒軸方向視において略Ｃ字形状を有している。第２周縁５２１は、凸部５３、吸気側平面部５５、排気側平面部５６、側方上面５７及び小キャビティ５１との境界線となる。

第１周縁５１１の一部は、第２周縁５２１の一部を兼ねる共通周縁部である。具体的には、第１周縁５１１における、凸部５３及び吸気側平面部５５と各々境界をなす円弧状部分を除いた部分は、第２周縁５２１の一部と共通である。この第２周縁５２１の一部は、前記Ｃ字形状の開放部分に相当する。前記共通周縁部は、図３、図７に示されているように、上方へ突出した稜線５４である。すなわち、本実施形態では、稜線５４だけを間に介して小キャビティ５１と大キャビティ５２とが隣り合っている。

図５を参照して、大キャビティ５２は、略円形の凸部５３を取り囲むＣ字形状を有している。小キャビティ５１は、このような大キャビティ５２のＣ字形状の開放部分、すなわちＣ字形状の両端部に挟まれる位置に形成されている。これにより、稜線５４で区切られてはいるが、小、大キャビティ５１、５２によって、凸部５３と略同心の環状凹部が冠面５０に形成されている。

凸部５３はインジェクタ１８（ノズルヘッド１８Ｎ）の直下に位置しているので、小キャビティ５１及び大キャビティ５２はノズルヘッド１８Ｎを取り囲む形状を有しているとも言える。つまり、ノズルヘッド１８Ｎは、気筒軸方向視において、大キャビティ５２に取り囲まれる領域の中心又はその近傍位置に配置されている。ノズルヘッド１８Ｎは、放射状に燃料を噴射可能なマルチホールタイプのヘッドであり、ノズルヘッド１８Ｎからピストン５のＴＤＣ又はその近傍付近で燃料が噴射される場合には、当該燃料は小、大キャビティ５１、５２（上記の環状凹部）に向かうことになる。つまり、ノズルヘッド１８Ｎは、小、大キャビティ５１、５２の双方へ燃料噴射が可能である。

吸気側平面部５５は、小キャビティ５１の−Ｘ側に隣接する平面であり、平面視で概ね扇型の形状を有している。排気側平面部５６は、大キャビティ５２の＋Ｘ側に隣接する平面であり、吸気側平面部５５よりも小さいが、同様に平面視で概ね扇型の形状を有している。吸気側平面部５５及び排気側平面部５６は同じ高さ位置にある平面であり、冠面５０において最も高い位置にある。一対の側方上面５７は、大キャビティ５２の＋Ｙ側及び−Ｙ側に各々隣接し、大キャビティ５２の外側において吸気側平面部５５と排気側平面部５６とを繋ぐ面である。側方上面５７は、吸気側及び排気側平面部５５、５６よりもやや高さ位置が低い部分であり、燃焼室天井面６Ｕの緩いペントルーフ形状に応じた緩い凸形状を有している。側方上面５７は、吸気、排気バルブ１１、１２と冠面５０との干渉を回避するバルブリセスでもある。

図６を参照して、キャビティ５Ｃの深さに関し、小キャビティ５１の底面５１２は、大キャビティ５２の底面５２２よりも気筒軸方向（Ｚ方向）において高い位置に形成されている。つまり、小キャビティ５１は大キャビティ５２よりも気筒軸方向において高い位置に形成されているとも言える。底面５１２、５２２は、それぞれ小、大キャビティ５１、５２において、吸気側及び排気側平面部５５、５６に対する窪み深さが最も深い部分である。凸部５３は、底面５１２、５２２よりも高い位置にあるが、吸気側及び排気側平面部５５、５６に対しては窪んだ位置にある。

小キャビティの底面５１２のＺ方向における高さ位置をｈ１、大キャビティ５２の底面５２２のＺ方向における高さ位置をｈ２とするとき、ｈ１はｈ２よりも高い位置（＋Ｚ側）にあり、両者間には所定の高低差ｄが与えられている。これによりキャビティ５Ｃの小、大キャビティ５１、５２からなる環状凹部は、その底面が−Ｘ側が＋Ｘ側よりも高くなるように傾斜する傾向を有している。

［燃焼室構造の詳細］
続いて、冠面５０を含む燃焼室６の各部の構造について説明する。図９は、燃焼室天井面６Ｕの平面図である。燃焼室天井面６Ｕは、シリンダヘッド４の底面４ａと、吸気ポート９の２つの吸気側開口部４１を開閉する２つの吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃと、排気ポート１０の２つの排気側開口部４２を開閉する２つの排気バルブ１２のバルブ面１２ｃとによって構成されている。２つの吸気側開口部４１（吸気ポート９）は、−Ｘ側においてＹ方向に２つが並ぶように配置されている。排気側開口部４２（排気ポート１０）は、＋Ｘ側においてＹ方向に２つが並ぶように配置されている。以下、燃焼室６において、吸気ポート９が配置される側を吸気側、排気ポート１０が配置される側を排気側という。

燃焼室天井面６Ｕの吸気側には吸気側天面４３が、排気側には排気側天面４４が備えられている。吸気側天面４３は、２つの吸気側開口部４１の間の−Ｘ側領域において延びる平坦な面である。排気側天面４４は、２つの排気側開口部４２の間の＋Ｘ側領域において延びる平坦な面である。吸気側天面４３は、冠面５０の吸気側平面部５５と対向する面、排気側天面４４は、排気側平面部５６と対向する面である。バルブ面１１ｃ、１２ｃは、概ね半分が側方上面５７と対向し、残りの半分が大キャビティ５２と対向する。

２つの吸気側開口部４１の中間にはプラグ凹部４５が凹設されている。プラグ凹部４５は、点火プラグ１７の着火部１７Ａを燃焼室６内に露出させるための円柱型の凹部である。インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎは、燃焼室天井面６Ｕにおいて、Ｘ方向及びＹ方向の略中心位置に配置されている。つまり、ノズルヘッド１８Ｎは、気筒軸方向視において燃焼室６の中心部に配置されているとも言える。着火部１７Ａは、このノズルヘッド１８Ｎよりも吸気側寄りに配置されている。

小、大キャビティ５１、５２の燃焼室６内の配置に関し、大略的には、小キャビティ５１は吸気側、大キャビティ５２は排気側に配置されている。図５を参照して、ノズルヘッド１８Ｎと対向する位置にある凸部５３よりも−Ｘ側が吸気側、＋Ｘ側が排気側となる。着火部１７Ａと対向する小キャビティ５１は、全体が吸気側に位置している。一方、大キャビティ５２は、大部分（少なくとも一部）が排気側に位置している。

大キャビティ５２は、凸部５３よりも＋Ｘ側の排気側領域５２Ａと、凸部５３の＋Ｙ側及び−Ｙ側に位置する側方領域５２Ｂと、小キャビティ５１の＋Ｙ側及び−Ｙ側に隣接する隣接領域５２Ｃとを含む。排気側領域５２Ａは、投影面積及び容積が最も大きい領域であって、排気側（燃料噴射弁よりも排気側寄り）に位置している。側方領域５２Ｂは、吸気側と排気側とのボーダー上に位置している。一方、隣接領域５２Ｃは吸気側に位置している。隣接領域５２Ｃ及び側方領域５２Ｂは、排気側領域５２Ａに比べて投影面積が小さい領域であり、排気側領域５２Ａと小キャビティ５１とを繋ぐ領域である。

図７及び図８に示すように、大キャビティ５２の底面５２２の高さ位置は、排気側領域５２Ａから隣接領域５２Ｃにかけて略同じ高さ位置である。大キャビティ５２の底面５２２は、前記第２周縁５２１の近傍で曲面でスロープ状に立ち上がっている。上記の通り、小キャビティ５１の上方には着火部１７Ａが配置されている。よって、大キャビティ５２の隣接領域５２Ｃ、つまり大キャビティ５２のＣ字形状の両端部は、その底面５２２が着火部１７Ａに向かうスロープ状に形成されていると言える。なお、排気側領域５２Ａが最も深く、側方領域５２Ｂから隣接領域５２Ｃに向けて徐々に浅くなるように、底面５２２の高さ位置を設定しても良い。

次に、図２を主に参照して、点火プラグ１７の着火部１７Ａの構造を説明する。着火部１７Ａは、中心電極１７１と、Ｌ字型に折曲された角棒からなる接地電極１７２とを含む。接地電極１７２は、放電空間となるギャップＧを隔てて中心電極１７１と対向する対向部１７３と、対向部１７３に連なる基部１７４とを含む。基部１７４は、点火プラグ１７の軸心方向に延びている。対向部１７３は、基部１７４と直交する方向に延びている。

点火プラグ１７は、接地電極１７２の先端、すなわち対向部１７３の反基部側の末端が、気筒軸方向視において燃焼室６の径方向外側を向くように燃焼室天井面６Ｕ（プラグ凹部４５）に配置されている。つまり、中心電極１７１と対向部１７３との間に形成されているギャップＧとノズルヘッド１８Ｎとの間に、基部１７４（接地電極１７２）が介在するように、点火プラグ１７がシリンダヘッド４に対して組み付けられている。

既述の通り、ノズルヘッド１８Ｎはマルチホールタイプのヘッドであり、環状に配置された複数の噴射孔１８１を備える。複数の噴射孔１８１は、小キャビティ５１を指向した噴射孔１８１を含む。上記の通りの着火部１７Ａの組み付けにより、当該噴射孔１８１から噴き出される噴射燃料１８Ｅ（図２参照）は、接地電極１７２にブロックされて放電空間であるギャップＧに直接入り込むことができない。つまり、噴射燃料１８Ｅが、充分に霧化しない状態でギャップＧに入り込まないように工夫されている。

［燃料噴射および点火タイミング］
図１０は、燃料噴射期間及び点火タイミングとクランク角との関係を示すタイムチャートである。本実施形態のエンジン本体１は、図１０に示す、少なくともモードＩ及びモードＩＩの燃料噴射期間及び点火タイミングで、運転を成立させる。

モードＩは、上掲のリタードＳＩ燃焼の実行の際に採用されるもので、燃料噴射期間ＰＦ１は圧縮行程のＴＤＣ前後、点火タイミングは膨張行程初期である。すなわち、ＴＤＣよりも前の圧縮行程終盤のクランク角−ＣＡ１１のタイミングＴ１１からインジェクタ１８による燃料噴射が開始され、ＴＤＣ後の膨張行程開始期のクランク角＋ＣＡ１２のタイミングＴ１２まで燃料噴射が実行される。このタイミングＴ１１〜Ｔ１２が燃料噴射期間ＰＦ１である。その後、膨張行程初期の所定のクランク角＋ＣＡ１３のタイミングＴ１３において、点火プラグ１７によって混合気に点火される。一例を挙げると、−ＣＡ１１は圧縮ＴＤＣ前１０°、＋ＣＡ１２は圧縮ＴＤＣ後２°、＋ＣＡ１３は圧縮ＴＤＣ後９°である。

モードＩＩは、上掲のＳＩ燃焼及びＳＩＣＩ燃焼の際に採用されるもので、燃料噴射期間ＰＦ２は吸気行程の中期、点火タイミングは圧縮ＴＤＣ付近である。すなわち、排気ＴＤＣからピストン５が半分程度下降するクランク角ＣＡ２を挟んだタイミングＴ２１〜Ｔ２２が、燃料噴射期間ＰＦ２とされる。点火タイミングは、圧縮ＴＤＣに至るタイミングＴ２３である。一例を挙げると、ＣＡ２は排気ＴＤＣ後７０°である。なお、圧縮ＴＤＣ前のクランク角ＣＡ３で、ＣＡ２に加えて追加的に燃料噴射を行わせても良い。

［燃焼動作］
次に、燃焼室６における混合気の燃焼動作について説明する。ここでは、本発明との関連性が高い燃焼動作、具体的には、図１２のモードＩ（リタードＳＩ燃焼）が採用された場合の燃焼動作について説明する。

図１１（Ａ）は、図１０のタイミングＴ１２の直後の状態を示している。つまり、圧縮ＴＤＣの後、膨張行程においてピストン５が下降を開始している共に、圧縮ＴＤＣを跨いだ燃料噴射期間ＰＦ１が終了した状態である。このとき、冠面５０の吸気側平面部５５上に、逆スキッシュ流ＲＳが発生する。逆スキッシュ流ＲＳは、冠面５０の径方向中心から径方向外側に向かうフローである。

吸気側平面部５５は冠面５０において最も高い位置にある平面であって、燃焼室天井面６Ｕの吸気側天面４３（図２）と対向している。吸気側天面４３は、吸気側平面部５５と略平行な面であり、吸気側平面部５５はピストン５がＴＤＣにあるとき、冠面５０において燃焼室天井面６Ｕに最も接近する領域となる。すなわち、吸気側平面部５５は、燃焼室天井面６Ｕ（吸気側天面４３）に対応する形状を有する。このため、ピストン５の下降によって吸気側平面部５５と吸気側天面４３との間が拡開することにより、両者間の空間には負圧が発生する。前記負圧によって燃焼室６内の流体が引き寄せられ、逆スキッシュ流ＲＳを形成する。この意味で、吸気側平面部５５は、逆スキッシュ流生成部ということができる。

なお、排気側平面部５６も排気側天面４４に同様に接近するが、吸気側平面部５５は排気側平面部５６に比べて投影面積が充分大きい。従って、前記逆スキッシュ流ＲＳは、排気側平面部５６の存在によって妨げられない。因みに、排気側平面部５６が存在することにより、ＴＤＣ付近において燃焼室天井面６Ｕと冠面５０との間隔が狭くなり、ＴＤＣ付近での燃料噴射された場合に、当該燃料が気筒２の内壁面（シリンダライナ）に直接付着することが防止される。

燃料は、インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎによって、小キャビティ５１及び大キャビティ５２に噴射される。ここで、大キャビティ５２の大部分（排気側領域５２Ａ）は、排気側に配置されている。排気側は、燃焼後の高温ガスを排出する排気ポート１０を有するので、吸気側よりも高温化している。従って、大キャビティ５２に向けて噴射された燃料は、排気側の熱によって比較的早く霧化し易くなり、短時間で充分に吸気と混合された混合気を得ることができる。

そして、この大キャビティ５２の混合気は、逆スキッシュ流ＲＳによって吸気側に引き寄せられ、混合気フローＦ１が形成される。混合気フローＦ１は、大キャビティ５２のＣ字形状に沿って吸気側へ流れ、当該Ｃ字形状の開放部分に位置する小キャビティ５１に向かうフローである。

なお、このような混合気フローの形成には、吸気側と排気側との混合気の温度差も貢献している。上述の通り、小キャビティ５１は比較的低温の吸気側に、大キャビティ５２は比較的高温の排気側寄りに、各々形成されている。燃焼室６の燃焼室壁面は、排気側の壁面の方が吸気側よりも高温となることから、燃焼室６内の混合気の温度も排気側がより高温となる。従って、大キャビティ５２（排気側領域５２Ａ）に存在する混合気ＦＡ（図１２参照）も高温となり、当該混合気ＦＡは燃料の霧化が良好に進んだものとなる。

圧縮行程においてピストン５が上昇しＴＤＣに近づくにつれ、燃焼室６内の吸気側空間と排気側空間との間における混合気の温度差によって、図１２に示すような混合気フローＦ２が発生する。すなわち、排気側の混合気ＦＡの方が吸気側よりも高温であることから、当該温度差に基づき、混合気ＦＡが大キャビティ５２の有するＣ字形状に沿って流れる混合気フローＦ２が形成される。この混合気フローＦ２によって、高温で良好に燃料が霧化された混合気ＦＡが、小キャビティ５１に供給されることになる。

上述の通り、大キャビティ５２の隣接領域５２Ｃ（Ｃ字形状の両端部）は、その底面５２２が着火部１７Ａに向かうスロープ状に形成されている。そのため、混合気フローＦ１、Ｆ２により、着火性に優れる混合気ＦＡが、小キャビティ５１を含む着火部１７Ａの周囲に運ばれることとなる。

図１１（Ｂ）は、図１０のタイミングＴ１３の直前の状態を示している。つまり、混合気に強制点火される直前の状態であり、特に小キャビティ５１の状態に着目している。点火直前の燃焼室６内においては、タンブル流などの筒内主流がほとんど存在せず（スワール流が僅かに残る）、乱流が支配的となる。この燃焼室６内のうちの一部の乱流ＦＲ１が、図１３（Ｂ）に示されているように、小キャビティ５１に集約される。つまり、点火プラグ１７の着火部１７Ａの周囲に乱流ＦＲ１が集約される。

この集約は、小キャビティ５１という凹部自体が乱流ＦＲ１を閉じ込める作用を有すること、上記の混合気フローＦ１、Ｆ２によって、大キャビティ５２内の乱流が小キャビティ５１へ導かれること、等によって達成される。また、大キャビティ５２とは別個に独立して小キャビティ５１が設けられていることも、前記集約に貢献している。すなわち、小キャビティ５１が存在せず、単に一つの大きなキャビティが冠面５０の径方向中央付近に凹設されているだけでは、乱流を当該キャビティに閉じ込めることはできるとしても、着火部１７Ａの周囲に乱流を集約することはできない。

図１３（Ａ）は、図１０のタイミングＴ１３の状態を示している。つまり、混合気への強制点火が行われた状態であり、図中に着火部１７Ａによる着火点ＩＰを示している。この強制点火によって、小キャビティ５１内において火炎が高速で拡がる。つまり、小キャビティ５１に集約された混合気の乱流ＦＲ１が一気に燃焼し、燃焼領域Ｂ１を作る。これは、高温の排気側に配置された大キャビティ５２で吸気と燃料が混合された混合気が、小キャビティ５１に集約されることによって、小キャビティ５１内の混合気（乱流ＦＲ１）の着火性が良好となっていることによる。なお、図１１（Ｂ）では記載を省いたが、図１３（Ａ）に示す通り、大キャビティ５２にも混合気の乱流ＦＲ２が閉じ込められている。但し、着火性は小キャビティ５１内の乱流ＦＲ１に劣るので、この時点では燃焼していない。

図１３（Ｂ）は、図１０のタイミングＴ１３の直後の状態を示している。つまり、燃焼が投影面積の大きい大キャビティ５２、ひいては燃焼室６全体に拡がりつつある状態を示している。着火部１７Ａの周囲に形成された燃焼領域Ｂ１は、燃焼室６内の残りの混合気を燃焼させるための火種となる。すなわち、小キャビティ５１で発生した火炎が、大キャビティ５２に集約された混合気（乱流ＦＲ２）へ火炎伝播して、大キャビティ５２内に燃焼領域Ｂ２を作り、これを拡張させてゆく。また、吸気側平面部５５上では、ピストン５の下降に伴う負圧力の作用も相俟って火炎伝播し、燃焼領域Ｂ３を作る。

さらに、燃焼領域Ｂ１の発生、或いは燃焼領域Ｂ１〜Ｂ３の発生による、燃焼室６内の高温高圧化によって、大キャビティ５２及びその他の残部領域において自己着火Ｂ４による燃焼も発生する。これら火炎伝播及び自己着火によって、大キャビティ５２内の混合気及びその他の残部領域において燃焼が急速に拡がる。従って、燃焼室６全体に火炎を高速で拡大させ、燃焼室６の空間全体を利用した均質燃焼を実現させることができる。なお、自己着火Ｂ４による燃焼が発生せず、火炎伝播のみで燃焼が完遂される場合もある。

［作用効果］
以上説明した本実施形態に係る火花点火式のエンジンの燃焼室構造によれば、次のような作用効果を奏する。

本実施形態のエンジン本体１において、点火プラグ１７の着火部１７Ａは、気筒軸方向視において燃焼室６の中心よりも吸気側に配置されており、ピストン５の冠面５０には、気筒軸方向視においてＣ字形状をなす大キャビティ５２が凹設されている。この大キャビティ５２は、少なくともその一部が燃焼室６の中心よりも排気側に位置し、Ｃ字形状の両端部（隣接領域５２Ｃ）に挟まれる領域の上方に着火部１７Ａが位置するように形成されている。

そのため、比較的高温の排気側で充分に霧化された混合気ＦＡが、ピストン５の冠面５０に形成された大キャビティ５２のＣ字形状に沿って点火プラグ１７の着火部１７Ａに運ばれ易い。特に、排気側に対して相対的に温度の低い吸気側に着火部１７Ａが配置されていることで、その温度差により着火部へ向かう混合気ＦＡの流れ（混合気フローＦ２）が促進される（図１２）。従って、点火プラグ１７の着火部１７Ａ及びその周辺に充分に霧化された良質の混合気を効率良く集めることができ、これにより、点火プラグ１７による着火性を高めることができる。

しかも、大キャビティ５２の両端部は、着火部１７Ａに向って上昇するスロープ状に形成されているので、大キャビティ５２の端部に段差が形成されて混合気の流れ（混合気フローＦ２）が妨げられることが回避される。そのため、排気側で生成された良質の混合気ＦＡを、大キャビティ５２のＣ字形状に沿ってより円滑に着火部１７Ａに運ぶことができる。

また、ピストン５の冠面５０のうち、大キャビティ５２のＣ字形状の両端部に挟まれる領域には、大キャビティ５２よりも容積が小さい小キャビティ５１が形成されており、インジェクタ１８（ノズルヘッド１８Ｎ）は、ピストン５が上死点位置又はその近傍にあるときに、小キャビティ５１の方向及び大キャビティ５２の方向の双方へ燃料を噴射可能である。そのため、高速燃焼を有利に実現させることができる。すなわち、小キャビティ５１の方向に噴射された比較的少量の燃料により着火が行われることで火種が形成され、この火種に対して、大キャビティ５２に沿って運ばれる良質の混合気が与えられる。これにより、上述の通り、小キャビティ５１で発生した火炎（火種）が大キャビティ５２内へ火炎伝播することによって、急速に大キャビティ５２内の混合気が燃焼する。従って、燃焼室全体に火炎を高速で拡大させ、燃焼室空間の全体を利用した均質燃焼を実現させることができる。

また、当実施形態では、インジェクタ１８は、気筒軸方向視において大キャビティ５２に取り囲まれる領域の中心又はその近傍位置に配置されているので、小キャビティ５１の方向及び大キャビティ５２の双方に同等のタイミングで素早く燃料を噴射させることできる。そのため、点火プラグ１７による着火後の燃焼室全体への火炎の高速拡大に寄与するものとなる。

また、ピストン５の冠面５０のうち、点火プラグ１７の着火部１７Ａよりも気筒軸方向視において反排気側となる領域には、燃焼室天井面６Ｕ（吸気側天面４３）に対応する形状を有しかつピストン５の下降に伴い燃焼室６に逆スキッシュ流を形成することが可能な吸気側平面部５５が設けられている。そのため、混合気が逆スキッシュ流によって吸気側に引きが寄せられる、混合気フローＦ１が良好に形成される（図１２）。この混合気フローＦ１は、大キャビティ５２のＣ字形状に沿って点火プラグ１７の着火部１７Ａに向かうため、温度差により形成される前記混合気フローＦ２と相俟って、着火部１７Ａ及びその周辺に良質の混合気を効果的に集めることができる。従って、点火プラグ１７による着火性をより一層高めることができる。

［変形実施形態］
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、次のような変形実施形態を取り得る。

（１）上記実施形態では、インジェクタ１８はマルチホールタイプのノズルヘッド１８Ｎを有するものであり、気筒軸方向視において燃焼室６の中心部にノズルヘッド１８Ｎが位置するように燃焼室天井面６Ｕに配置されている。しかし、インジェクタ１８は、ピストン５が上死点位置又はその近傍にあるときに、小キャビティ５１の方向及び大キャビティ５２の方向の双方へ燃料を噴射可能であれば、ノズルヘッド１８Ｎのタイプや配置は上記実施形態には限られない。例えば、図１４（Ａ）に示すように、大キャビティ５２のうち、最も排気側に位置する第２周縁５２１又はその近傍位置の上方にノズルヘッド１８Ｎが位置し、排気側から吸気側に向かって燃料が噴射されるよにインジェクタ１８が配置されていてもよい。また、図１４（Ｂ）に示すように、吸気側平面部５５の上方にノズルヘッド１８Ｎが位置し、吸気側から排気側に向かって燃料が噴射されるよにインジェクタ１８が配置されていてもよい。

（２）上記実施形態では、インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎが燃焼室６内に配置され、直噴方式で燃料が燃焼室６に供給される例を示した。これに代えて、吸気ポート９にインジェクタ１８を配置するポート噴射方式を採用しても良い。

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）
５１ 小キャビティ（第１キャビティ）
５２ 大キャビティ（第２キャビティ）
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面（燃焼室壁面）
９ 吸気ポート
１０ 排気ポート
１７ 点火プラグ
１７Ａ 着火部
１８ インジェクタ（燃料噴射弁）
１８１ 噴射孔

Claims (5)

1. 火花点火式のエンジンの燃焼室構造であって、
   気筒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、
   前記燃焼室内に着火部が配置された点火プラグと、を備え、
   前記燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面と当該冠面に対向する燃焼室天井面とで形成され、
   前記燃焼室天井面には、吸気ポートと排気ポートとが配置され、前記燃焼室において前記吸気ポートが配置される側を吸気側、前記排気ポートが配置される側を排気側とするとき、
   前記着火部は、気筒軸方向視において前記燃焼室の中心よりも吸気側に配置され、
   前記冠面には、気筒軸方向視においてＣ字形状をなすキャビティが凹設され、
   前記キャビティは、少なくともその一部が前記燃焼室の中心よりも前記排気側に位置し、前記Ｃ字形状の両端部に挟まれる領域の上方に前記着火部が位置するように形成されている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
2. 請求項１に記載の火花点火式のエンジンの燃焼室構造であって、
   前記キャビティの前記Ｃ字形状の両端部のうち、少なくとも一方側の端部は、前記着火部に向かうスロープ状に形成されている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
3. 請求項１又は２に記載の火花点火式のエンジンの燃焼室構造であって、
   前記燃焼室天井面に、前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁が配置され、
   前記キャビティを第２キャビティとしたときに、
   前記冠面のうち、前記第２キャビティの前記Ｃ字形状の両端部に挟まれる領域に、当該第２キャビティよりも容積が小さい第１キャビティが形成され、
   前記燃料噴射弁は、前記ピストンが上死点位置又はその近傍にあるときに、前記第１キャビティの方向及び前記第２キャビティの方向の双方へ燃料を噴射可能である、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
4. 請求項３に記載の火花点火式のエンジンの燃焼室構造であって、
   前記燃料噴射弁は、気筒軸方向視において、前記第２キャビティに取り囲まれる領域の中心又はその近傍位置に配置されている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の火花点火式のエンジンの燃焼室構造であって、
   前記点火プラグは、前記ピストンが上死点位置を過ぎた後に着火するものであり、
   前記冠面は、前記点火プラグの前記着火部よりも気筒軸方向視において反排気側となる領域に、前記燃焼室天井面に対応する形状を有しかつ前記ピストンの下降に伴い前記燃焼室内に逆スキッシュ流を形成する逆スキッシュ流生成部を有する、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。

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