JP2018204599A - 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、点火プラグの着火性を向上させることができる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、ピストン５の冠面５０と、シリンダヘッド４に形成された燃焼室天井面６Ｕとを含む。燃焼室天井面６Ｕには、インジェクタ１８及び点火プラグ１７が配置されている。インジェクタ１８は、冠面５０の中央部分に対向して配置され、ピストン５が圧縮上死点に到達する前に燃料噴射を開始するように構成されている。冠面５０のうち、着火部１７Ａに対応する領域であるプラグ対応領域（小キャビティ５１）は、当該プラグ対応領域以外の領域の一部（大キャビティ５２）よりも気筒軸方向において相対的に燃焼室天井面６Ｕに近くな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。一般に前記燃焼室は、気筒の内壁面、シリンダヘッドの底面（燃焼室天井面）及びピストンの冠面によって区画され、前記点火プラグの着火部は前記燃焼室天井面に配置される。特許文献１には、前記着火部と対向する位置において、前記冠面にキャビティを配置してなる燃焼室構造が開示されている。

上記のエンジンにおいてＮＯｘやＣＯの排出量を低減するためには、前記燃焼室内での混合気の燃焼の際に、局所的に高温となる部分や酸素が不足する部分が生成されないようにすることが肝要であり、この場合、燃料分布が均質で燃料濃度の薄い混合気を、燃焼室空間を広く利用して燃焼させることが理想的である。

特開２０１６−９４９２５号公報

ところで、前記燃焼室天井面には、先の排気行程で掃気しきれなかった残留ガスが存在する場合が多い。この残留ガスが前記点火プラグの着火部の周囲に存在していると、着火部周辺の混合気濃度が薄くなって点火プラグの着火性が悪化する。そのため、燃料濃度の薄い混合気を燃焼させる場合には特に不利となる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、火花点火式のエンジンにおいて、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、ピストンの冠面と、シリンダヘッドに形成された燃焼室天井面とを含み、前記燃焼室天井面には、燃料噴射弁及び点火プラグが配置され、前記燃料噴射弁は、前記冠面の中央部分に対向して配置され、前記ピストンが圧縮上死点に到達する前に燃料噴射を開始するように構成され、前記冠面は、前記点火プラグに対応するプラグ対応領域が、前記点火プラグに対応しない領域よりも相対的に前記燃焼室天井面に近くなるように形成されているものである。なお、上記「冠面の中央部分」とは、冠面の中心およびその近傍を含む意味である。

この燃焼室構造によれば、燃料噴射弁がピストンの冠面の中央部分に対向して配置されている、すなわち燃焼室天井面の中央部分に配置されているので、燃焼室全体に斑なく燃料を噴射して均質な混合気を形成することができる。

また、ピストンが圧縮上死点に近づくに伴い、ピストンの冠面のプラグ対応領域以外の領域にあるガス（空気、混合気）をプラグ対応領域に寄せることが可能となるので、点火プラグ周辺の残留ガスを掃気しつつ、混合気を点火プラグに寄せて着火性を確保することができる。例えば、前記燃焼室内に生成される気流のスワール成分（単にスワール流という）を、前記プラグ対応領域へ向けて斜め上方へせり上がる斜めスワール流とすることができる。このため、プラグ対応領域に配置されている点火プラグに存在する残留ガスを、斜めスワール流によって除去することが可能となる。従って、点火プラグに新鮮な混合気を与えて、点火プラグによる着火性を向上させることが可能となる。

上記の燃焼室構造にいて、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、前記点火プラグの着火部は、前記吸気側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、点火プラグの着火部が吸気側に配置されているので、排気側に着火部が配置される場合に比べて着火部周りに残留ガスが存在し難くなる。そのため、点火プラグによる着火性を向上させるうえで有利となる。

上記の燃焼室構造において、前記冠面のうち、前記点火プラグに対応しない領域は、前記排気側に位置しかつ前記プラグ対応領域よりも気筒軸方向において相対的に燃焼室天井面から遠くなるように形成された下段部を含み、前記プラグ対応領域と前記下段部とは曲面で繋がっているのが好適である。

この燃焼室構造によれば、例えば燃焼室内に生成される前記スワール流が、下段部からプラグ対応領域へ向けて斜め上方へせり上がる斜めスワール流となる。この場合、プラグ対応領域と下段部とが曲面で繋がっているので、斜めスワール流の形成が段差によって妨げられることが抑制され、良好な斜めスワール流を形成することが可能となる。

上記の燃焼室構造において、前記エンジンは、燃焼室内に強制的にスワール流を生成するためのスワール流生成部を備えるものであって、前記燃料噴射弁は、気筒軸方向視において前記排気側に向かって燃料を噴射することが可能に構成されているのが好適である。

この燃焼室構造によれば、比較的温度の高い排気側（排気ポート側）に向かって燃料が噴射されるので、燃料の霧化が促進される。そして、スワール流生成部により生成される強力な斜めスワール流により、前記霧化した燃料が点火プラグの着火部に円滑に運ばれる。そのため、着火部周辺に効果的に新鮮な混合気を与えて着火燃焼性を向上させ、良好な火炎伝播を起こさせて未燃燃料の発生を抑制することが可能となる。

上記の燃焼室構造において、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、前記プラグ対応領域の方向及び前記下段部の方向の双方へ燃料を噴射するとともに、当該噴射時には、前記下段部の方向に噴射する量よりも少量の燃料をプラグ対応領域の方向に噴射し、前記プラグ対応領域は、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の混合気を前記燃焼室天井面に向かって案内可能な、前記冠面に凹設されたキャビティであるのが好適である。

この燃焼室構造によれば、プラグ対応領域に噴射された比較的少量の燃料を利用して点火プラグにより良好に火種を形成することができ、この火種に対して、排気側で霧化された燃料が斜めスワール流によって運ばれる。そのため、点火プラグによる着火性及びその後の燃焼性を向上させることが可能となる。

上記の燃焼室構造において、前記キャビティを第１キャビティとしたときに、前記下段部は、前記冠面のうち、前記第１キャビティに隣接する位置に凹設され、前記第１キャビティよりも気筒軸方向の投影面積が大きい第２キャビティであるのが好適である。

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。

上記の燃焼室構造において、前記第２キャビティは、少なくとも前記スワール流が前記排気側から前記吸気側に向かう部分の深さが、前記排気側から前記吸気側に向かって漸減的に浅くなっているのが好適である。

この構成によれば、前記斜めスワール流をより良好に形成し、排気側で霧化された燃料を当該斜めスワール流によって円滑に点火プラグの着火部周辺に運ぶことができる。そのため、燃焼性を向上させるうえで更に有利となる。

上記の燃焼室構造において、前記プラグ対応領域及び前記下段部は、各々前記冠面に凹設されたキャビティであり、これらキャビティは、互いに滑らかに連続して一つの環状のキャビティを形成しているのが好適である。

この構成によれば、排気側で霧化された燃料を環状のキャビティに沿って円滑に点火プラグの着火部周辺に運ぶことが可能となる。

この場合、前記環状キャビティは、気筒軸方向視したときに前記冠面において排気側に偏って形成されているものであるのが好適である。

この構成によれば、排気側で霧化される燃料を安定的に点火プラグの着火部周辺に運ぶことが可能となる。

本発明によれば、火花点火式のエンジンにおいて、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、本発明の第１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、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４は、前記ピストンの冠面の平面図である。 図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。 図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図７は、図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面の展開図である。 図８は、燃焼室天井面の平面図である。 図９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１０は、燃焼室で発生するスワール流を説明するための平面図である。 図１１は、燃焼室で発生するスワール流を説明するための断面図である。 図１２は、燃料噴射直後の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は、燃料噴射直後の燃焼室における混合気のフローを説明するための断面図である。 図１４は、本発明の第２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のシリンダヘッド要部の断面図である。 図１５は、燃焼室天井面の平面図である。 図１６は、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１７は、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平面図である。 図１８は、前記ピストンの冠面の平面図である。 図１９は、前記ピストンの正面図（吸気側から視た図）である。 図２０は、前記ピストンの背面図（排気側から視た図）である。 図２１は、前記ピストンの側面図である。 図２２は、図１８のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面図である。 図２３は、図１８のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線断面図である。 図２４は、前記ピストンの斜視図（排気側から視た斜視図）である。 図２５は、前記ピストンの斜視図（吸気側から視た斜視図）である。 図２６は、ピストンが上死点にあるときの燃焼室を示す断面図である。 図２７は、圧縮行程の燃焼室を示す断面図である。 図２８は、吸気の流れとインジェクタ（ノズルヘッド）との関係を説明するための断面図である。 図２９（ａ）及び図２９（ｂ）は、変形例に係るピストン冠面を備えたピストンの模式的な断面図である。 図３０は、変形例に係る大キャビティの断面図（図７に対応する断面の展開図）である。

（第１の実施形態）
［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明の第１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、本発明の第１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、図２及びこれら以降の図においては、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、気筒（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７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８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。

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。すなわち、シリンダブロック３、シリンダヘッド４、ピストン５及びバルブ１１、１２は、燃焼室６を構成する燃焼室構成部材と言える。

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。

なお、図１において、符号９１は、スワールコントロールバルブ（ＳＣＶ／本発明のスワール流生成部に相当する）であり、２つの吸気側開口部４１に連通する吸気ポート９のうちの一つに設けられている。前記エンジン本体１では、運転状態（モード）に応じて、このＳＣＶ９１により一方の吸気ポート９（吸気側開口部４１）を閉止又はそれに近い状態とすることにより、燃焼室６内に気筒軸周りの渦流であるスワール流を発生させ、着火性及び燃焼性を向上させている。当例では、前記ＳＩ燃焼やＳＩＣＩ燃焼が実行される際に、図外の制御回路の制御によりＳＣＶ９１が駆動され、前記一方の吸気ポート９（吸気側開口部４１）が閉止又はそれに近い状態とされる。

［ピストンの詳細構造］
図３〜図７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４は、冠面５０の平面図である。また、図５、図６は、それぞれ図４のＶ−Ｖ線、ＶＩ−ＶＩ線断面図であり、図７は、図４のＶＩＩ−ＶＩＩ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５）。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（本発明のプラグ対応領域／第１キャビティに相当する）、大キャビティ５２（本発明の下段部／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３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４）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。すなわち、インジェクタ１８（ノズルヘッド１８Ｎ）は、冠面５０のＸＹ方向の中央部分に対向して配置されている。

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。小キャビティ５１のキャビティ形状は、インジェクタ１８から当該小キャビティ５１に噴射される燃料を燃焼室天井面６Ｕに向かって案内できる形状、すなわち燃料を点火プラグ１７の着火部１７Ａに向かって案内できる形状とされている（図１３参照）。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４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（開放端縁）に相当する。前記共通周縁部は、図３、図６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４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。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５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。換言すれば、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相対的に燃焼室天井面６Ｕに近くなるように形成されている。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８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。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４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６及び図７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り、大キャビティ５２は、その底面５２２から前記第２周縁５２１に向かって曲面状に立ち上がっている。つまり、大キャビティ５２は、曲面で小キャビティ５１に繋がっている。

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。この組付けにより、インジェクタ１８の後記噴射孔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。

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、その中心軸周りの複数の位置に噴射孔１８１が形成された構造を有する。当例では、図１２に示すように、第１〜第１０の合計１０個の噴射孔１８１ａ〜１８１ｊが中心軸周りに等間隔で形成されている。この構成により、インジェクタ１８（ノズルヘッド１８Ｎ）を中心として、噴射孔１８１ａ〜１８１ｊから燃焼室６内に放射状に燃料が噴射される。各噴射孔１８１からは先広がりの円錐状（コーン状）に燃料が噴射されるが、図１２では、噴射孔１８１ａ〜１８１ｊからの噴射燃料を、各噴射孔１８１ａ〜１８１ｉの指向軸（破線矢印）１８１Ｅａ〜１８１Ｅｊで示している。

各噴射孔１８１ａ〜１８１ｊは、ピストン５のＴＤＣ又はその近傍付近で燃料が噴射された場合に、キャビティ５Ｃ（小キャビティ５１及び大キャビティ５２）に燃料が向かうように指向軸１８１Ｅａ〜１８１Ｅｊの向きが設定されている。詳しくは、第１〜第１０の噴射孔１８１ａ〜１８１ｊのうち、互いに隣接する第１、第２の噴射孔１８１ａ、１８１ｂは、燃料が小キャビティ５１に向かうように指向軸１８１Ｅａ、１８１Ｅｂの向きが設定され、それ以外の噴射孔１８１ｃ〜１８１ｊは、燃料が大キャビティ５２に向かうように指向軸１８１Ｅｃ〜１８１Ｅｊの向きが設定なっている。よって、大キャビティ５２への燃料の噴射量よりも小キャビティ５１への燃料の噴射量は少ない。

［燃料噴射および点火のタイミング］
図９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９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、上述のリタード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、上述の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］
既述の通り、ＳＩ燃焼やＳＩＣＩ燃焼が実行される際には、ＳＣＶ９１が駆動され、２つの吸気側開口部４１のうちの一方が閉止又はそれに近い状態とされる。これにより、吸気行程には、図１０に示すように、他方の吸気側開口部４１から気筒２の略接線方向に沿って燃焼室６に吸気が導入され、白抜き矢印で示すように、燃焼室６内に気筒軸周りの渦流であるスワール流ＦＳが形成される。

吸気行程後、圧縮行程が進行し、ピストン５がＴＤＣに近づくに連れて、スワール流ＦＳは、燃焼室６内において徐々に気筒軸方向に圧縮されていく。

図１１は、図９のタイミングＴ１１の直前の状態を示している。つまり、モードＩ（リタードＳＩ燃焼の実行）の圧縮行程後期において、インジェクタ１８による燃料噴射が開始される直前の状態を示している。既述した通り、小キャビティ５１の底面５１２は、大キャビティ５２の底面５２２よりも気筒軸方向において高い位置に形成されている。すなわち、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。このため、ピストン５がＴＤＣ付近にあるときの燃焼室６内のスワール流ＦＳは、同図に示すように、大キャビティ５２から小キャビティ５１へ向けて斜め上方へせり上がる斜めスワール流ＦＳとなる。この斜めスワール流ＦＳは、小キャビティ５１の上方領域において燃焼室天井面６Ｕに到達し、小キャビティ５１に対応する位置に配置された着火部１７Ａを通過することとなる。

着火部１７Ａは、燃焼室天井面６Ｕのプラグ凹部４５に収容されている。プラグ凹部４５の近傍には、着火時に発生するガス（残留ガス）が滞留しがちとなるが、斜めスワール流ＦＳがプラグ凹部４５を通過することにより、着火部１７Ａに存在する残量ガスが、斜めスワール流ＦＳによって除去されることとなる。すなわち、放電空間となる前記ギャップＧやその周辺に存在する残留ガスが除去される。

図１２、図１３は、図９のタイミングＴ１１の直後の状態を示している。つまり、モードＩの圧縮行程後期において、燃料噴射が開始された直後の状態を示している。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ＦＡとなる。このように充分に混合された混合気ＦＡは、前記斜めスワール流ＦＳによって着火部１７Ａに運ばれる（図１２）。一方、小キャビティ５１に噴射された燃料は、その底面５１２に沿ってインジェクタ１８の着火部１７Ａに向かって案内される（図１３）。

その後、図９のタイミングＴ１３で着火部１７Ａによる着火が行われる。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が一気に燃焼する。これは、斜めスワール流ＦＳによって着火部１７Ａに存在する残量ガスが除去されるとともに、高温の排気側で霧化が促進された燃料と吸気との混合気ＦＡが斜めスワール流ＦＳにより着火部１７Ａ及び小キャビティ５１に運ばれることで、小キャビティ５１内の混合気の着火性が良好となっていることによる。

前記強制着火により着火部１７Ａの周囲に形成された燃焼領域は、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へ火炎伝播して、大キャビティ５２内に燃焼領域を作り、これを拡張させてゆく。このとき、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（逆スキッシュ流の形成）も相俟って火炎伝播し、燃焼領域を拡大させてゆく。

そして、この燃焼領域の拡大による燃焼室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。

以上、主にモードＩ（リタードＳＩ燃焼）の燃焼状態について説明したが、モードＩＩについてもＳＩＣＩ燃焼が実行される際には、２つの吸気側開口部４１のうちの一方が閉止又はそれに近い状態とされることで燃焼室６内にスワール流ＦＳが形成される。そして、ピストン５の上昇に伴い斜めスワール流ＦＳとなり、このスワール流ＦＳにより着火部１７Ａに存在する残量ガスが除去される。また、排気側で霧化が促進された燃料と吸気の混合気が斜めスワール流ＦＳによって着火部１７Ａ及び小キャビティ５１に運ばれる。そのため、図９のタイミングＴ２３で着火が行われると、小キャビティ５１内において火炎が高速で拡がり、さらに燃焼室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が実現される。

［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、燃焼室６の底面を区画するピストン５の冠面５０は、点火プラグ１７の着火部１７Ａに対応する領域に凹設された小キャビティ５１と、小キャビティ５１に隣接する位置に凹設された大キャビティ５２とを有し、この小キャビティ５１の底面５１２は大キャビティ５２の底面５２２よりも気筒軸方向において高い位置に形成されている（図４）。すなわち、小キャビティ５１は大キャビティ５２よりも気筒軸方向の高い位置にある。

そのため、ピストン５が上死点付近にあるときに、燃焼室６内に生成されるスワール流ＦＳを小キャビティ５１へ向けて斜め上方へせり上がる斜めスワール流ＦＳとすることができる（図１０、図１１）。つまり、小キャビティ５１に対応する位置に配置されている着火部１７Ａに存在する残留ガスを、斜めスワール流ＦＳによって除去することが可能となる。従って、点火プラグ１７の着火部１７Ａに新鮮な混合気を与え、点火プラグ１７による着火性を向上させることができる。そして、小キャビティ５１で発生した火炎（火種）を、小キャビティ５１よりも気筒軸方向の投影面積が大きい第２キャビティ５２内へ火炎伝播させることにより、急速に大キャビティ５２内の混合気を燃焼させることができる。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。

特に、点火プラグ１７の着火部１７Ａが、燃焼室６のうち、排気ポート１０が設けられる側とは反対側の吸気側に配置されていることで、着火部１７Ａの周りに残留ガスが比較的存在し難くなり、仮に溜まっていたとしても少量となる。そのため、残留ガスを斜めスワール流ＦＳによって難なく除去することができる。

また、小キャビティ５１と大キャビティ５２とは曲面で繋がっているので（図６、図７）、斜めスワール流ＦＳの形成が段差によって妨げられることが抑制される。そのため、より良好に斜めスワール流ＦＳを形成すること、ひいては点火プラグ１７による着火性をより一層向上させることができる。

本実施形態では、エンジン本体１は、燃焼室６内に強制的にスワール流ＦＳを生成するためのＳＣＶ９１（スワール流生成部）を備えており（図１）、気筒軸方向視において排気側に向かって燃焼を噴射するように燃焼室天井面６Ｕにインジェクタ１８が配置されている（図１２）。つまり、比較的温度の高い排気側（排気ポート１０側）に向かって燃料を噴射させることで、燃料の霧化を促進させるとともに、この霧化した燃料を、強力な斜めスワール流ＦＳにより吸気と充分に混合させながら点火プラグ１７の着火部１７Ａに運ぶことができる。そのため、この点でも点火プラグ１７による着火性を向上させることができる。

なお、モードＩ（リタードＳＩ燃焼）のように、ピストン５が上死点位置又はその近傍にあるときに燃料を噴射し、その直後に点火プラグ１７により着火を行う場合、排気側で霧化した燃料が斜めスワール流ＦＳによって点火プラグ１７に運ばれるまでにタイムラグが生じて着火に支障が生じることが考えられる。この点、本実施形態では、インジェクタ１８により小キャビティ５１及び大キャビティ５２の双方へ燃料を噴射し、当該噴射時には、大キャビティ５２の方向に噴射する量よりも少量の燃料を小キャビティ５１の方向に噴射するようにしている。また、小キャビティ５１は、インジェクタ１８から噴射された燃料の混合気を燃焼室天井面６Ｕに向かって案内可能に形成されている。これにより、小キャビティ５１に噴射された比較的少量の燃料を利用して点火プラグ１７より火種を形成し、この火種に対して、排気側で霧化された燃料を斜めスワール流ＦＳによって与えることができる。そのため、上記のようなタイムラグによる不都合が生じることが抑制され、点火プラグ１７による着火性及びその後の燃焼性を向上させることが可能となる。

また、点火プラグ１７の着火部１７Ａは、Ｌ字型の接地電極１７２の先端が、燃焼室６の径方向外側、すなわちインジェクタ１８の配置位置から離間する方向を指向するように燃焼室天井面６Ｕ（プラグ凹部４５）に配置されている。これにより、着火部１７Ａの放電空間となるギャップＧに、ノズルヘッド１８Ｎから噴射された燃料が、充分に霧化しない状態で入り込まないようにされている。つまり、図２に示すように、接地電極１７２自身で噴射された燃料がブロックされるので、ギャップＧを挟んだ中心電極１７１及び対向部１７３に霧化不足の燃料が直接付着して炭化する、いわゆるプラグ被りを防止できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２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。なお、第２実施形態の基本的な構造は第１実施形態と共通するため、以下の説明では、第１実施形態と共通する構成要素については同一符号を付して説明を省略又は簡略化し、主に第１実施形態に係る燃焼室構造との相違点について詳細に説明する。

図１４は、第２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のシリンダヘッドの要部の断面図であり、図１５は、燃焼室天井面の平面図である。

燃焼室天井面６Ｕは、第１実施形態と同様にペントルーフ型の形状である。第１実施形態の燃焼室天井面６Ｕが、図２に示すような浅型の（勾配の小さい）ペントルーフ型であるのに対して、第２実施形態の燃焼室天井面６Ｕは、深型の（勾配が大きい）ペントルーフ型である。つまり、第２実施形態の燃焼室６は、第１実施形態よりも燃焼室６の容積を大きくして圧縮比を下げた構造となっている。

このような深型のペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕにおいて、２つの吸気側開口部４１の間にインジェクタ１８を配置しながら、必要とされる各吸気側開口部４１の開口面積を確保するには、Ｘ方向において、２つの吸気側開口部４１をより気筒２の中心寄りに配置する必要がある。そのため、第２実施形態では、図１５に示すように、２つの吸気側開口部４１は、それら一部分が気筒２の中心２ａよりも排気側に位置するように配置されている。

これに伴い、インジェクタ１８（ノズルヘッド１８Ｎ）も気筒２の中心２ａから排気側にオフセットされた配置となっている。インジェクタ１８のオフセット量は、主にモードＩＩにおける燃料噴射時、すなわち吸気行程の中期にノズルヘッド１８Ｎから噴射される燃料が、吸気側開口部４１から燃焼室６に導入される吸気の主流に乗って拡散し易い位置に設定されており、当例では、インジェクタ１８は、気筒２の中心２ａから約２ｍｍだけ排気側にオフセットされている。

図２８は、吸気行程の中期の吸気の流れとインジェクタ１８との関係を説明するための断面図である。同図に示すように、吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される吸気の主流Ｍｓは、吸気ポート９の上側壁面に沿って燃焼室６に導入されつつタンブル流を形成する。このような状態において、気筒２の中心２ａにインジェクタ１８の中心が位置する場合には、燃料の一部は吸気の主流Ｍｓよりも下方でノズルヘッド１８Ｎから噴射されることとなり、吸気の主流Ｍｓに乗り難くなる。これに対して、インジェクタ１８が気筒２の中心２ａから排気側にオフセットされた構成によれば、吸気の主流Ｍｓよりも上方又はその近傍位置でノズルヘッド１８Ｎから噴射されるため、燃料が吸気の主流Ｍｓに乗って拡散し易くなる。

なお、この実施形態では、気筒２の中心２ａからインジェクタ１８（ノズルヘッド１８Ｎ）の中心が約２ｍｍだけ排気側にオフセットされているが、この場合のオフセット量は、インジェクタ１８から噴射される燃料が吸気の主流Ｍｓに乗って良好に拡散されるように設定されていればよく、例えば、気筒２の中心２ａから、当該気筒２の直径（ボア径）の２〜５％の範囲内で排気側にオフセットされているのが好適である。

第２実施形態のピストン５の冠面５０もキャビティ５Ｃ、吸気側平面部５５、排気側平面部５６及び一対の側方上面５７を含む点で第１実施形態と構成が共通している。しかし、以下の点で第１実施形態と具体的な構造が相違している。

図１６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１７は、同配置関係を示す平面図である。図１８は、ピストン５の冠面５０の平面図であり、図１９〜図２１は、それぞれピストン５の正面図（吸気側から視た図）、背面図（排気側から視た図）、側面図であり、図２２、図２３は、それぞれ図１８のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線、ＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線断面図である。また、図２４は、排気側から視たピストン５の斜視図であり、図２５は、吸気側から視たピストン５の斜視図である。

第２実施形態のキャビティ５Ｃは、小キャビティ５１（プラグ対応部）と大キャビティ５２（下段部）とが稜線５４により区切られることなく（換言すれば、稜線５４を介することなく）滑らかに連続した形状を有している。つまり、キャビティ５Ｃは、図１８に示すように、凸部５３とこれを取り囲むように滑らかに連続する一つの環状のキャビティ（以下、環状キャビティ５８と称す）とを含む。環状キャビティ５８は、稜線５４により区切られていないが、環状キャビティ５８のうち、主に吸気側の底面（第１実施形態の小キャビティ５１の底面５１２に対応する部分）はそれ以外の部分の底面（第１実施形態の大キャビティ５２の底面５２２に対応する部分）よりも気筒軸方向において高い位置に形成されている。すなわち、環状キャビティ５８のうち、主に吸気側はそれ以外の部分よりも気筒軸方向において相対的に燃焼室天井面６Ｕに近くなるように形成されている。

図１８〜図２１に示すように、冠面５０のうち、吸気側平面部５５と環状キャビティ５８との間であってかつ一対の側方上面５７の間には、吸気側斜面部６１が設けられ、排気側平面部５６と環状キャビティ５８との間であってかつ一対の側方上面５７の間には排気側斜面部６２が設けられている。

吸気側斜面部６１は、吸気側平面部５５の末端部分から排気側に向かって先上がりに傾斜する平坦な斜面であり、排気側斜面部６２は、排気側平面部５６の末端部分から吸気側に向かって先上がりに傾斜する平坦な斜面である。図２６に示すように、各斜面部６１、６２は、ピストン５が上死点位置にあるときに、燃焼室天井面６Ｕのペントルーフ部分に近接して対向し、当該ペントルーフ部分と略平行に延びる面である。

環状キャビティ５８は、冠面５０において排気側に偏って形成されている。凸部５３は、図１８に示すように、気筒軸方向視においてＸ方向の寸法５３ＸがＹ方向の寸法５３Ｙよりも大きい、つまりＸ方向に細長いオーバル形状（長円形）を有している。凸部５３の中心５３ａは、インジェクタ１８に対応して冠面５０の中心５ａ（気筒２の中心２ａ）から排気側にオフセットされており、これにより、凸部５３の中心はインジェクタ１８（ノズルヘッド１８Ｎ）の直下に位置している。

環状キャビティ５８は、当該環状キャビティ５８を区画する周縁である内周縁５８１と外周縁５８２とを含む。内周縁５８１は、凸部５３との境界線となり、外周縁５８２は、吸気側斜面部６１、排気側斜面部６２及び側方上面５７との境界線となる。

外周縁５８２のうち、冠面５０の中心５ａ（図１８中のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線）よりも排気側の部分（排気側外周縁５８２ｂ）であって側方上面５７との境界線となる部分は、当該中心５ａを中心とする略真円に沿った円弧状であり、他方、冠面５０の中心５ａよりも吸気側の部分（吸気側外周縁５８２ａ）であって側方上面５７との境界線となる部分は、当該中心５ａを中心とする楕円又はＹ方向に細長い長円に沿った円弧状である。このように、環状キャビティ５８及び凸部５３が形成される結果、当該環状キャビティ５８は冠面５０において排気側に偏っている。

第２実施形態では、図１４及び図１６に示すように、点火プラグ１７は第１実施形態とは反対の向きで燃焼室天井面６Ｕ（プラグ凹部４５）に配置されている。具体的には、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の径方向内側を向くように配置されている。燃焼室天井面６Ｕが深型のペントルーフ型とされ、冠面５０に吸気側斜面部６１が設けられている第２実施形態では、このように点火プラグ１７が配置されることで、圧縮行程時に着火部１７Ａの周りの掃気効果を高めるようにされている。つまり、ピストン５の冠面５０に、燃焼室天井面６Ｕのペントルーフ部分に対応する吸気側斜面部６１が設けられる第２実施形態では、圧縮行程時に、燃焼室天井面６Ｕの吸気側天面４３とピストン５の吸気側平面部５５との間で吸気又は混合気が圧縮されるに伴い、図２７中に矢印で示すように、吸気側斜面部６１に沿って燃焼室天井面６Ｕに向かうスキッシュ流が生成される。この際、接地電極１７２の先端が燃焼室６の径方向内側を向くように点火プラグ１７が配置されていることで、当該スキッシュ流によりプラグ凹部４５内の残留ガスを押し出し易くなる。つまり、着火部１７Ａの周りの掃気効果が高められる。

環状キャビティ５８のキャビティ形状は、モードＩにおいて、ピストン５が圧縮上死点位置又はその近傍にあるときにインジェクタ１８から噴射される燃料を燃焼室天井面６Ｕに沿って円滑に巻き上げることが可能な形状とされている。詳しくは、環状キャビティ５８は、図２６に示すように、当該環状キャビティ５８の内周側に位置し、ピストン５が圧縮上死点位置又はその近傍にあるときにインジェクタ１８から噴射された燃料を凸部５３に沿って外向きに案内する助走部５９ａと、この助走部５９ａの外周に位置し、当該助走部５９ａに沿って案内される燃料を燃焼室天井面６Ｕに向かって巻き上げる巻き上げ部５９ｂとを含む。助走部５９ａは凸部５３に滑らかに連続する断面円弧状であり、巻き上げ部５９ｂは助走部５９ａよりも曲率半径が小さい断面円弧状である。吸気側斜面部６１及び排気側斜面部６２に対応する部分では、これら斜面部６１、６２が設けられている分、巻き上げ部５９ｂがより上方まで延在している。これにより、図２６中に破線矢印で示すように、ノズルヘッド１８Ｎから噴射される燃料が燃焼室天井面６Ｕのペントルーフ部分に沿って効果的に巻き上げられ、燃料の霧化促進が図られるようになっている。

なお、環状キャビティ５８の吸気側外周縁５８２ａのうち、一対の側方上面５７の末端に対応する部分（図１７の破線丸枠の部分）は、気筒軸方向視で点火プラグ１７の着火部１７Ａに湾曲して指向している。すなわち、一対の側方上面５７の末端に対応する部分から吸気側外周縁５８２ａを延長したとすると、吸気側外周縁５８２ａが着火部１７Ａを通るように、当該吸気側外周縁５８２ａのうち一対の側方上面５７の末端に対応する部分が形成されている。これにより、図１７中の矢印で示すように、環状キャビティ５８に沿って排気側から吸気側に流れる混合気が着火部１７Ａに向かって案内されるようになっている。

第２実施形態のピストン５においては、図１９〜図２１に示すように、当該ピストン５のピストンヘッド５Ａの上端部外周に段差部６３が形成されている。この段差部６３は、膨張行程において、当該ピストンヘッド５Ａの上端部外周面と気筒２の内周面との間に未燃焼ガスを逃がすための隙間を形成するためのものであり、これによりノック音の発生が抑制されるようになっている。

以上が第２実施形態の燃焼室構造である。第２実施形態の燃焼室構造は、燃焼室６の容積を大きくして圧縮比を下げるために、燃焼室天井面６Ｕが深型のペントルーフ型とされたものであるが、基本的な構造は第１実施形態と共通する。そのため、第２実施形態の燃焼室構造についても第１実施形態の燃焼室構造とほぼ同等の作用効果を享受することができる。すなわち、ピストン５が上死点付近にあるときに、燃焼室６内に生成されるスワール流ＦＳを環状キャビティ５８に沿って排気側から吸気側へ向けて斜め上方へせり上がる斜めスワール流ＦＳとし、着火部１７Ａに存在する残留ガスを、斜めスワール流ＦＳによって除去することが可能となる。従って、点火プラグ１７の着火部１７Ａに新鮮な混合気を与え、点火プラグ１７による着火性を向上させることができる。

［変形例］
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、次のような変形例に係る実施形態を取り得る。

（１）上記第１実施形態では、斜めスワール流ＦＳを形成するために、ピストン５の冠面５０に、互いに高さの異なる小キャビティ５１と大キャビティ５２とを形成した例について示した。しかし、ピストン５は、例えばより単純に、冠面５０の半分の領域が、それ以外の領域よりも高く（又は低く）形成された構成であってもよい。図２９（ａ）、（ｂ）は、その例示（模式図）である。図２９（ａ）は、冠面５０のうち、点火プラグ１７の着火部１７Ａの下方位置を含む吸気側の領域５０ａが、残りの領域（排気側の領域５０ｂ）よりも気筒軸方向に高い位置に形成された例である。各領域５０ａ、５０ｂの上面はほぼ平坦である。この構成によれば、燃焼室６内に生成されるスワール流ＦＳを、排気側の領域５０ｂから吸気側の領域５０ａへ向けて斜め上方へせり上がる斜めスワール流ＦＳとすることができる。

なお、図２９（ｂ）に示すように、図２９（ａ）とは逆の構成を採用することもできる。すなわち、燃焼室６の吸気側に着火部１７Ａが位置するように点火プラグ１７を燃焼室天井面６Ｕに配置され、冠面５０のうち、点火プラグ１７の着火部１７Ａの下方位置を含む排気側の領域５０ｂが、残りの領域（吸気側の領域５０ａ）よりも気筒軸方向に高い位置に形成されている。この構成によれば、図２９（ａ）とは異なり、吸気側の領域５０ａから排気側の領域５０ｂへ向けて斜め上方へせり上がる斜めスワール流ＦＳが形成される。しかし、着火部１７Ａが排気側に位置しているので、上記実施形態と同様に、着火部１７Ａに存在する残留ガスを、斜めスワール流ＦＳによって除去することが可能となる。

なお、図２９（ａ）、（ｂ）の例についても、良好な斜めスワール流ＦＳを形成するうでは、両領域５０ａ、５０ｂが曲面で繋がっているのが望ましい。

（２）上記第１実施形態では、図７に示したように、大キャビティ５２の底面５２２は略一定の高さに形成されている。しかし、大キャビティ５２は、例えば図３０に示すように、排気側領域５２Ａの底面５２２が最も深く、この排気側領域５２Ａから隣接領域５２Ｃに向かって漸減的に浅くなるように形成されていてもよい。つまり、大キャビティ５２のうち、少なくとも排気側から吸気側に向かってスワール流ＦＳが流れる部分はその深さが漸減的に浅くなっている。この構成によれば、斜めスワール流ＦＳの良好な形成に寄与する。そのため、排気側で霧化された燃料をより円滑に点火プラグ１７の着火部１７Ａに運ぶことができ、燃焼性をより一層向上させることができる。

なお、図示を省略するが、第２実施形態の環状キャビティ５８についても同様である。この場合には、環状キャビティ５８のうち、主に吸気側（第１実施形態の小キャビティ５１に対応する部分）以外の部分の底面（第１実施形態の大キャビティ５２の底面５２２に対応する部分）が上述するように、排気側から吸気側に向かって漸減的に浅くなるようにすればよい。

（３）上記第１、第２実施形態では、スワール流ＦＳを形成するために、２つの吸気側開口部４１に連通する吸気ポート９のうちの一つにＳＣＶ９１が設けられている。しかし、スワール流ＦＳを生成するための構成（すなわち、本発明のスワール流生成部の構成）は、これに限らない。例えば、ＳＣＶ９１を設ける代わりに、気筒軸方向視において、２つの吸気ポート９がそれぞれ吸気側開口部４１に対してＸ方向よりも＋Ｙ方向側（又は−Ｙ方向側）から斜めに連通するように形成してもよい。すなわち、吸気ポート９自身がスワール流生成部としての機能を兼ねた構成でもよい。この構成によれば、２つの吸気側開口部４１からの吸気が気筒２の内周面に沿って流れ易くなり、上記実施形態と同様に、燃焼室６内にスワール流ＦＳを形成することが可能となる。

（４）スワール流ＦＳを強制的に生成するための構成（上記スワール流生成部）は省略されてもよい。吸気バルブ１１は傘状の弁体１１ａを備えており、吸気側開口部４１から気筒２内に導入される吸気は、この傘状の弁体１１ａに沿って気筒内に流入することでスワール成分（スワール流）を含む流れとなる。そのため、スワール流ＦＳを強制的に生成するための構成を備えていない場合であっても、ある程度は上記実施形態で説明したような作用効果を享受することが可能となる。

（５）上記第１、第２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
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
５ ピストン
５Ｃ キャビティ
５０ 冠面
５１ 小キャビティ（プラグ対応領域／第１キャビティ）
５１１ 第１周縁
５１２ 底面
５２ 大キャビティ（下段部／第２キャビティ）
５２１ 第２周縁
５２２ 底面
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面
９ 吸気ポート
９１ スワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）
１０ 排気ポート
１１ 吸気バルブ
１２ 排気バルブ
１７ 点火プラグ
１７Ａ 着火部
１８ インジェクタ（燃料噴射弁）
ＦＳ スワール流

Claims (9)

1. 火花点火式のエンジンの燃焼室構造であって、
   ピストンの冠面と、シリンダヘッドに形成された燃焼室天井面とを含み、
   前記燃焼室天井面には、燃料噴射弁及び点火プラグが配置され、
   前記燃料噴射弁は、前記冠面の中央部分に対向して配置され、前記ピストンが圧縮上死点に到達する前に燃料噴射を開始するように構成され、
   前記冠面は、前記点火プラグに対応するプラグ対応領域が、前記点火プラグに対応しない領域よりも相対的に前記燃焼室天井面に近くな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に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   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、
   前記点火プラグの着火部は、前記吸気側に配置されている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
3. 請求項２に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記冠面のうち、前記点火プラグに対応しない領域は、前記排気側に位置しかつ前記プラグ対応領域よりも気筒軸方向において相対的に燃焼室天井面から遠くなるように形成された下段部を含み、
   前記プラグ対応領域と前記下段部とは曲面で繋がっている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
4. 請求項２又は３に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記エンジンは、燃焼室内に強制的にスワール流を生成するためのスワール流生成部を備えるものであって、
   前記燃料噴射弁は、気筒軸方向視において前記排気側に向かって燃料を噴射することが可能に構成されている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
5. 請求項４に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   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、前記プラグ対応領域の方向及び前記下段部の方向の双方へ燃料を噴射するとともに、当該噴射時には、前記下段部の方向に噴射する量よりも少量の燃料をプラグ対応領域の方向に噴射し、
   前記プラグ対応領域は、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の混合気を前記燃焼室天井面に向かって案内可能な、前記冠面に凹設されたキャビティである、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
6. 請求項５に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記キャビティを第１キャビティとしたときに、
   前記下段部は、前記冠面のうち、前記第１キャビティに隣接する位置に凹設され、前記第１キャビティよりも気筒軸方向の投影面積が大きい第２キャビティである、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
7. 請求項６に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記第２キャビティは、少なくとも前記スワール流が前記排気側から前記吸気側に向かう部分の深さが、前記排気側から前記吸気側に向かって漸減的に浅くなっている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
8. 請求項３に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記プラグ対応領域及び前記下段部は、各々前記冠面に凹設されたキャビティであり、これらキャビティは、互いに滑らかに連続して一つの環状のキャビティを形成している、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
9. 請求項８に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記環状のキャビティは、気筒軸方向視したときに前記冠面において排気側に偏って形成されている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
   

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