JP2019039419A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの冠面にキャビティを備えたエンジンの燃焼室構造において、燃焼室内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成する。【解決手段】燃焼室６を区画する燃焼室壁面の下面は、ピストン５の冠面５０で形成され、冠面５０にはキャビティ５Ｃが備えられている。インジェクタ１８は、キャビティ５Ｃに向けて燃料を噴射する。キャビティ５Ｃは、冠面５０の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部５１２を備えた第１キャビティ部５１と、第１キャビティ部５１の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部５２２を備えた第２キャビティ部５２と、第１キャビティ部５１と第２キャビティ部５２とを繋ぐ連結部５３と、を含む。第２底部５２２は、連結部５３におけるシリンダ軸方向の上端部５３２よりも下方に位置している。【選択図】図５

Description

本発明は、シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室構造に関する。

自動車などの車両用エンジンの燃焼室は、シリンダの内壁面、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ている。前記燃焼室には、燃料噴射弁から燃料が供給される。前記ピストンの冠面にキャビティ（凹部）を配置し、このキャビティに向けて前記燃料噴射弁から燃料が噴射されるように構成された燃焼室構造が知られている。特許文献１には、前記キャビティが上側キャビティと下側キャビティとの２段構造とされた燃焼室構造が開示されている。

仏国特許出願公開第２９０２４６２号明細書

上記のエンジンにおいてＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ、ＰＭ（煤）など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となる。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。上述のピストン冠面へのキャビティ形成は、良好な燃焼に貢献し得るが、理想状態の燃焼には未だ及ばないのが現状である。例えば、特許文献１のキャビティ構造では、上側キャビティに沿って流れる混合気が燃焼室の径方向外側へ充分に進行できない形状であるので、リーンな混合気の形成には不十分である。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであって、ピストンの冠面にキャビティを備えたエンジンの燃焼室構造において、燃焼室内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を可及的に抑制す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、シリンダヘッドの下面、シリンダ及びピストンの冠面により形成されるエンジンの燃焼室と、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を含むエンジンの燃焼室構造であって、前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、前記燃料噴射弁は、前記キャビティに向けて燃料を噴射するものであって、前記燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置され、前記キャビティは、前記冠面の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、前記第１キャビティと前記第２キャビティ部とを繋ぐ連結部と、前記第２キャビティ部の前記第２底部よりも径方向外側に配置された立ち壁領域と、を含み、前記第２底部は、前記連結部におけるシリンダ軸方向の上端部よりも下方に位置しており、前記立ち壁領域の上端位置に対して前記立ち壁領域の下方部分は、径方向内側に位置していることを特徴とする。

この燃焼室構造によれば、ピストンの冠面に形成されるキャビティが、前記冠面の径方向中心領域の第１キャビティ部と、該第１キャビティ部よりもシリンダ軸方向の深さが浅く径方向外周側に配置される第２キャビティ部との２段構造とされる。さらに、前記第２キャビティ部の第２底部が、両キャビティを繋ぐ連結部の上端部よりも下方に位置している構造を有する。このため、燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置された燃料噴射弁からキャビティに向けて燃料が噴射されると、その燃料と燃焼室内の空気とが混合した混合気が前記第２底部に向かうようになり、混合気を燃焼室の径方向外側へ向かわせ易くすることができる。従って、上記の燃焼室構造によれば、燃焼室内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成でき、煤などの発生を抑制することができる。

また、前記第２キャビティ部の前記第２底部よりも径方向外側には立ち壁領域が具備される。この立ち壁領域によって、混合気がシリンダ内周壁に容易に到達し難い構造とすることができ、冷損を低減することができる。さらに、前記立ち壁領域の下方部分が、前記立ち壁領域の上端位置に対して径方向内側に位置する構造を有する。これにより、混合気が燃焼室の径方向内側へ戻り過ぎないようにし、前記立ち壁領域よりも径方向外側の空間（スキッシュ空間）も有効に活用した燃焼を行わせることができる。

すなわち、前記立ち壁領域の下方部分が、上端位置に対して径方向外側に位置する部分を含むような、外側に抉れた第２キャビティ部とすると、その抉れた形状に沿った筒内流動が生じ得る。この筒内流動は、径方向内側へ戻る力の強い流動となる。このため、燃料噴射弁から噴射された燃料が、燃焼室内において十分拡散する前に燃焼を伴う前記筒内流動と衝突する傾向が生じ、均質な燃焼を阻害して煤などを発生させる。これに対し、本発明によれば、径方向内側へ向かう筒内流動を強くしすぎず、前記立ち壁領域よりも径方向外側へ向かう筒内流動も、ピストン下降時に発生する逆スキッシュ流のアシストを受ける等して、ある程度発生させることができる。従って、煤の発生などを抑止し、燃焼室空間の全体を有効活用した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１キャビティ部は、シリンダ軸を含む断面において、前記燃料噴射弁から最も遠い円弧状の第１部分と、前記第１部分と前記連結部との間に位置する第２部分と、前記第１部分から径方向内側に延びる第３部分とを含み、前記第２部分から前記第１部分にかけて円弧の半径が小さくなり、前記第１部分から前記第３部分にかけて円弧の半径が大きくなる円弧形状を有することが望ましい。

この燃焼室構造によれば、第１〜第３部分が連なる円弧形状によって、前記第１キャビティ部において混合気を滞留させることなく良好に流動させることができる。すなわち、前記連結部から、第２部分を経て第１部分へ向かう筒内流動は、前記第１部分にかけて円弧の半径が小さくなることから加速される。その後、筒内流動は、前記第３部分で減速されつつ、径方向内側へ案内される。前記逆スキッシュ流が存在する場合には、これに前記筒内流動は牽引され、再び径方向外側へ向かうようになる。このような流動が確保されることから、前記第１キャビティ部での混合気の滞留を抑止することができる。

上記の燃焼室構造において、前記燃料噴射弁は、燃料を噴射する噴射孔を有し、前記噴射孔は、所定のクランク角において前記連結部に向けて燃料を噴射する噴射軸を有する噴射孔であることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、前記連結部に向けて噴射された燃料は、当該連結部に衝突し、これにより第１キャビティ部方向（下方向）へ向かうものと、第２キャビティ部方向（上方向）へ向かうものとに空間的に分離される。このため、第１及び第２キャビティ部の空間に各々存在する空気を活用して混合気を生成することができる。

上記の燃焼室構造において、前記燃料噴射弁による燃料噴射の動作を制御する燃料噴射制御部を備え、前記燃料噴射制御部は、少なくとも前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するタイミングで前記燃料噴射を行わせるメイン噴射と、このメイン噴射よりも早いタイミングで前記燃料噴射を行わせるパイロット噴射とを前記燃料噴射弁に実行させるものであって、前記噴射孔は、前記パイロット噴射が実行されるクランク角において前記連結部に向けて燃料を噴射する噴射軸を有する噴射孔であることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、前記パイロット噴射において噴射された燃料が、上述の空間的に分離される燃料となる。このため、メイン噴射で噴射される燃料は、第１及び第２キャビティ部の空間に入り込むように空間的に分離された混合気の間に存在する空気を活用して、新たな混合気を形成することになる。つまり、前記パイロット噴射とは時間的に分離して、燃焼室内に存在する空気を用いて混合気が形成される。従って、燃焼室内において、より均質で薄い混合気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、前記燃料噴射制御部は、エンジンの負荷が中負荷となる運転領域において、前記パイロット噴射を実行させることが望ましい。

上述の燃料の空間的分離の効用は、噴射される燃料量が多すぎる場合（高負荷）、及び少なすぎる場合（低負荷）には充分に発揮されない傾向がある。前者の場合、シリンダ軸方向で下側に位置する第１キャビティ部の容積が燃料量に対して充分でないことに起因して、つまりキャビティを２つのキャビティ部に分けたことで第１キャビティ部が小容積となることに起因して、燃料濃度の高い混合気が形成され、煤が発生する傾向がある。後者の場合、第１及び第２キャビティ部の空間内の混合気の燃料濃度が薄くなりすぎて、着火性が低下する傾向がある。従って、これらの傾向が出にくい、中負荷となる運転領域において、前記パイロット噴射を実行させることが望ましい。

上記の燃焼室構造において、前記キャビティは、前記連結部の前記上端部から前記第２キャビティ部の前記第２底部に向けて延びるテーパ領域を備え、前記テーパ領域は、前記噴射軸に沿う傾きを持つ面であることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、前記キャビティが、燃料噴射弁の噴射軸に沿う傾きを持つテーパ領域を備えるので、噴射された燃料は阻害を受けずに前記テーパ領域に沿って燃焼室の径方向外側へスムースに向かうことができる。従って、より均質で薄い混合気の形成に寄与する。

本発明によれば、ピストンの冠面にキャビティを備えたエンジンの燃焼室構造において、燃焼室内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を可及的に抑制す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シリンダ軸方向の概略断面図である。 図２は、図１に示されたエンジンのピストンの、冠面部分の斜視図である。 図３は、前記ピストンの断面付きの斜視図である。 図４Ａは、図３に示すピストン断面の拡大図である。 図４Ｂは、第１、第２キャビティ部及び連結部の曲面形状を説明するための図である。 図５は、前記ピストンの冠面とインジェクタによる燃料の噴射軸との関係を説明するための、ピストンの断面図である。 図６は、本発明の実施形態に係るキャビティを採用した場合における、燃料噴射のタイミング及び熱発生率を示すタイムチャートである。 図７（Ａ）〜（Ｄ）は、燃焼室における混合気の生成状況を、クランク角に沿って模式的に示す図である。 図８は、比較例１のキャビティ構造を示す断面図である。 図９は、図６のタイムチャートに、比較例１に係るキャビティを採用した場合における、燃料噴射のタイミング及び熱発生率を重畳して記載したタイムチャートである。 図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、比較例１の燃焼室における混合気の生成状況を模式的に示す図である。 図１１は、比較例２のキャビティ構造を示す断面図である。 図１２（Ａ）は比較例２の筒内流動を、図１２（Ｂ）は本実施形態の筒内流動を各々示す図である。

［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ディーゼル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シリンダ若しくはシリンダライナ（以下、単に「シリンダ２」という。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、シリンダ２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各シリンダ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、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の底面は燃焼室天井面６Ｕであり、この燃焼室天井面６Ｕは、水平方向に延びるフラット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。

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と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。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と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の前記弁体の各々は、燃焼室６に臨むバルブ面を有する。

本実施形態において、燃焼室６を区画する燃焼室壁面は、シリンダ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の底面からなる燃焼室天井面６Ｕ、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各バルブ面からなる。

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、各吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が駆動される。これら吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の駆動により、吸気バルブ１１の弁体が吸気側開口部４１を開閉し、排気バルブ１２の弁体が排気側開口部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が組み込まれている。吸気側ＶＶＴ１５は、吸気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴであり、クランク軸７に対する吸気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、吸気バルブ１１の開閉タイミングを変更する。同様に、排気側動弁機構１４には、排気側可変バルブタイミング機構（排気側ＶＶＴ）１６が組み込まれている。排気側ＶＶＴ１６は、排気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴであり、クランク軸７に対する排気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、排気バルブ１２の開閉タイミングを変更する。

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内に燃料を噴射するインジェクタ１８（燃料噴射弁）が、各シリンダ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。本実施形態では、インジェクタ１８は、ノズル１８１（図５）が燃焼室６の径方向中心又はその近傍に位置するように、シリンダヘッド４に組み付けられ、ピストン５の冠面５０に形成された後述のキャビティ５Ｃ（図２〜図４Ｂ）に向けて燃料を噴射する。

燃料供給管１９の上流側には、クランク軸７と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプ（図示せず）が接続されている。この高圧燃料ポンプと燃料供給管１９との間には、全シリンダ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シリンダ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］
続いて、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２は、ピストン５の上方部分を主に示す斜視図である。ピストン５は、上方側のピストンヘッドと、下方側に位置するスカート部とを備えるが、図２では、冠面５０を頂面に有する前記ピストンヘッド部分を示している。図３は、ピストン５の径方向断面付きの斜視図、図４Ａは、図３に示す径方向断面の拡大図である。なお、図３及び図４Ａにおいて、シリンダ軸方向Ａ及び燃焼室の径方向Ｂを矢印で示している。

ピストン５は、キャビティ５Ｃ、周縁平面部５５及び側周面５６を含む。上述の通り、燃焼室６を区画する燃焼室壁面の一部（底面）は、ピストン５の冠面５０で形成されており、キャビティ５Ｃは、この冠面５０に備えられている。キャビティ５Ｃは、シリンダ軸方向Ａにおいて冠面５０が下方に凹没された部分であり、インジェクタ１８から燃料の噴射を受ける部分である。周縁平面部５５は、冠面５０において径方向Ｂの外周縁付近の領域に配置された環状の平面部である。キャビティ５Ｃは、周縁平面部５５を除く冠面５０の径方向Ｂの中央領域に配置されている。側周面５６は、シリンダ２の内壁面と摺接する面であり、図略の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。

キャビティ５Ｃは、第１キャビティ部５１、第２キャビティ部５２、連結部５３及び山部５４を含む。第１キャビティ部５１は、冠面５０の径方向Ｂの中心領域に配置された凹部である。第２キャビティ部５２は、冠面５０における第１キャビティ部５１の外周側に配置された、環状の凹部である。連結部５３は、第１キャビティ部５１と第２キャビティ部５２とを径方向Ｂに繋ぐ部分である。山部５４は、冠面５０（第１キャビティ部５１）の径方向Ｂの中心位置に配置された山型の凸部である。山部５４は、インジェクタ１８のノズル１８１の直下の位置に凸設されている（図５）。

第１キャビティ部５１は、第１上端部５１１、第１底部５１２及び第１内側端部５１３を含む。第１上端部５１１は、第１キャビティ部５１において最も高い位置にあり、連結部５３に連なっている。第１底部５１２は、第１キャビティ部５１において最も凹没した、上面視で環状の領域である。キャビティ５Ｃ全体としても、この第１底部５１２は最深部であって、第１キャビティ部５１は、第１底部５１２においてシリンダ軸方向Ａに所定の深さ（第１の深さ）を有している。上面視において、第１底部５１２は、連結部５３に対して径方向Ｂの内側に近接した位置にある。

第１上端部５１１と第１底部５１２との間は、径方向Ｂの外側に湾曲した径方向窪み部５１４で繋がれている。径方向窪み部５１４は、連結部５３よりも径方向Ｂの外側に窪んだ部分を有している。第１内側端部５１３は、第１キャビティ部５１において最も径方向内側の位置にあり、山部５４の下端に連なっている。第１内側端部５１３と第１底部５１２との間は、裾野状に緩やかに湾曲した曲面で繋がれている。

第２キャビティ部５２は、第２内側端部５２１、第２底部５２２、第２上端部５２３、テーパ領域５２４及び立ち壁領域５２５を含む。第２内側端部５２１は、第２キャビティ部５２において最も径方向内側の位置にあり、連結部５３に連なっている。第２底部５２２は、第２キャビティ部５２において最も凹没した領域である。第２キャビティ部５２は、第２底部５２２においてシリンダ軸方向Ａに第１底部５１２よりも浅い深さを備えている。つまり、第２キャビティ部５２は、第１キャビティ部５１よりもシリンダ軸方向Ａにおいて上側に位置する凹部である。第２上端部５２３は、第２キャビティ部５２において最も高い位置であって最も径方向外側に位置し、周縁平面部５５に連なっている。

テーパ領域５２４は、第２内側端部５２１から第２底部５２２に向けて延び、径方向外側へ先下がりに傾斜した面形状を有する部分である。図４Ａに示されているように、テーパ領域５２４は、径方向Ｂに延びる水平ラインＬ１に対して傾き角αで交差する傾斜ラインＬ２に沿った傾きを有している。立ち壁領域５２５は、第２底部５２２よりも径方向外側において、比較的急峻に立ち上がるように形成された壁面である。径方向Ｂの断面形状において、第２底部５２２から第２上端部５２３にかけて、第２キャビティ部５２の壁面が水平方向から上方向へ向かうように湾曲された曲面とされており、第２上端部５２３の近傍において垂直壁に近い壁面とされている部分が立ち壁領域５２５である。

連結部５３は、径方向Ｂの断面形状において、下側に位置する第１キャビティ部５１と上側に位置する第２キャビティ部５２との間で、径方向内側にコブ状に突出する形状を有している。連結部５３は、下端部５３１及び第３上端部５３２（シリンダ軸方向の上端部）と、これらの間の中央に位置する中央部５３３とを有している。下端部５３１は、第１キャビティ部５１の第１上端部５１１に対する連設部分である。第３上端部５３２は、第２キャビティ部５２の第２内側端部５２１に対する連設部分である。

シリンダ軸方向Ａにおいて、下端部５３１は連結部５３の最も下方に位置する部分、第３上端部５３２は最も上方に位置する部分である。上述のテーパ領域５２４は、第３上端部５３２から第２底部５２２に向けて延びる領域でもある。第２底部５２２は、第３上端部５３２よりも下方に位置している。つまり、本実施形態の第２キャビティ部５２は、第３上端部５３２から径方向Ｂの外側に水平に延びる底面を有しているのではなく、換言すると、第３上端部５３２から周縁平面部５５までが水平面で繋がっているのではなく、第３上端部５３２よりも下方に窪んだ第２底部５２２を有している。

山部５４は、上方に向けて突出しているが、その突出高さは連結部５３の第３上端部５３２の高さと同一であり、周縁平面部５５よりは窪んだ位置にある。山部５４は、上面視で円形の第１キャビティ部５１の中心に位置しており、これにより第１キャビティ部５１は山部５４の周囲に形成された環状溝の態様となっている。

［キャビティ部の曲面形状について］
図４Ｂは、第１、第２キャビティ部５１、５２及び連結部５３の曲面形状を説明するための、シリンダ軸方向Ａに沿った断面図である。第１キャビティ部５１は、シリンダ軸を含む断面において、デカルトの卵型楕円曲線に沿った面形状（以下、エッグシェープ形状という）を備えている。具体的には、第１キャビティ部５１は、インジェクタ１８（噴射孔１８２）から最も遠い円弧状の第１部分Ｃ１と、第１部分Ｃ１と連結部５３との間に位置する第２部分Ｃ２と、第１部分Ｃ１から径方向Ｂの内側に延びる第３部分Ｃ３とを含む。上述の図４Ａの形状に当て嵌めると、第１部分Ｃ１は、径方向窪み部５１４の中央領域に、第２部分Ｃ２は、径方向窪み部５１４から第１上端部５１１へ至る領域に、第３部分Ｃ３は、径方向窪み部５１４から第１底部５１２へ至る領域に各々相当する。

図４Ｂでは、インジェクタ１８から噴射される燃料の噴射軸ＡＸが、インジェクタ１８から最も遠い第１部分Ｃ１と交差している状態を示している。第１キャビティ部５１が備えるエッグシェープ形状は、このような第１部分Ｃ１の半径ｒ１が最も小さく、第１部分Ｃ１から第２部分Ｃ２方向側に向かうに連れ、並びに第１部分Ｃ１から第３部分Ｃ３方向側に向かうに連れ、連続的に半径が大きくなる円弧形状である。すなわち、第２部分Ｃ２の半径ｒ２は、図４Ｂの断面において、第１部分Ｃ１から反時計方向に離れるほど大きくなる。また、第３部分Ｃ３の半径ｒ３は、第１部分Ｃ１から時計方向に離れるほど、第２部分Ｃ２の半径ｒ２を同じ割合で大きくなる（ｒ２＝ｒ３）。連結部５３を起点として前記エッグシェープ形状を表すと、第２部分Ｃ２から第１部分Ｃ１にかけて円弧の半径が小さくなり、第１部分Ｃ１から第３部分Ｃ３にかけて円弧の半径が大きくなる円弧形状を有している。

連結部５３は、下端部５３１（第１上端部５１１）から第３上端部５３２（第２内側端部５２１）にかけて、所定の半径ｒ４を有する曲面からなる凸面形状を有している。第２キャビティ部５２は、第２底部５２２から立ち壁領域５２５にかけて、所定の半径ｒ５を有する曲面からなる凹面形状を有している。第２上端部５２３は、所定の半径ｒ６を有する曲面からなる凸面形状を有している。半径ｒ４の中心点と半径ｒ５の中心点との間のシリンダ軸方向Ａの距離を第１距離Ｓｖ、半径ｒ５の中心点と半径ｒ６の中心点との間の径方向Ｂの距離を第２距離Ｓｈとするとき、
ｒ４＋ｒ５＞Ｓｖ
ｒ５＋ｒ６≦Ｓｈ
の関係を満たすように、半径ｒ４、ｒ５、ｒ６の数値が選ばれる。

第２キャビティ部５２において、第２底部５２２から立ち壁領域５２５の上端位置Ｃ４に至る部分は、半径ｒ５のおおよそ１／４円弧によって形成されている。そして、立ち壁領域５２５の上端位置Ｃ４は、半径ｒ６のおおよそ１／４円弧からなる第２上端部５２３の下端位置に連なっている。なお、第２上端部５２３の上端は、周縁平面部５５に連なっている。このような曲面形状とされている結果、立ち壁領域５２５の上端位置Ｃ４に対して立ち壁領域５２５の下方部分は、径方向Ｂの内側に位置している。つまり、立ち壁領域５２５には、第１キャビティ部５１の径方向窪み部５１４のように、径方向Ｂの外側に抉れた形状部分は存在していない。後記で詳述するが、立ち壁領域５２５がこのような円弧形状とされるのは、第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状と協働して、混合気が燃焼室６の径方向Ｂの内側へ戻り過ぎないようにし、立ち壁領域５２５よりも径方向Ｂの外側の空間（スキッシュ空間）も有効に活用した燃焼を行わせるためである。

［燃料噴射の空間的分離について］
続いて、インジェクタ１８によるキャビティ５Ｃへの燃料噴射状況、及び噴射後の混合気の流れについて、図５に基づいて説明する。図５は、燃焼室６の簡略的な断面図であって、冠面５０（キャビティ５Ｃ）とインジェクタ１８から噴射される燃料の噴射軸ＡＸとの関係と、噴射後の混合気のフローを模式的に表す矢印Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ１３、Ｆ２１、Ｆ２２、Ｆ２３とが示されている。

インジェクタ１８は、燃焼室天井面６Ｕから燃焼室６へ下方に突出するように配置されたノズル１８１を備えている。ノズル１８１は、燃焼室６内へ燃料を噴射する噴射孔１８２を備えている。図５では一つの噴射孔１８２を示しているが、実際は複数個の噴射孔１８２がノズル１８１の周方向に当ピッチで配列されている。噴射孔１８２から噴射される燃料は、図中の噴射軸ＡＸに沿って噴射される。噴射された燃料は、噴霧角θをもって拡散する。図５には、噴射軸ＡＸに対する上方向への拡散を示す上拡散軸ＡＸ１と、下方向への拡散を示す下拡散軸ＡＸ２とが示されている。噴霧角θは、上拡散軸ＡＸ１と下拡散軸ＡＸ２とがなす角である。

噴射孔１８２は、キャビティ５Ｃの連結部５３に向けて燃料を噴射可能である。すなわち、噴射孔１８２は、ピストン５の所定のクランク角において、連結部５３に向けて燃料を噴射する噴射軸ＡＸを有するように、ノズル１８１に設けられている。図５は、前記所定のクランク角における噴射軸ＡＸとキャビティ５Ｃとの位置関係を示している。噴射孔１８２から噴射された燃料は、燃焼室６の空気と混合されて混合気を形成しつつ、連結部５３に吹き当たることになる。

第２キャビティ部５２のテーパ領域５２４は、噴射軸ＡＸに沿う傾きを持つ面とされている。噴射軸ＡＸに沿う傾きとは、径方向Ｂの水平ラインＬ１（図４Ａ）に対する噴射軸ＡＸの傾きに一致する傾きの他、ほぼ同一の傾きを含む。例えばテーパ領域５２４は、上拡散軸ＡＸ１又は下拡散軸ＡＸ２の傾きに一致する傾き、或いは上拡散軸ＡＸ１又は下拡散軸ＡＸ２と概ね一致する傾きを持つ傾斜面であっても良い。

図５に示すように、噴射軸ＡＸに沿って連結部５３に向けて噴射された燃料は、連結部５３に衝突し、その後、第１キャビティ部５１の方向（下方向）へ向かうもの（矢印Ｆ１１）と、第２キャビティ部５２の方向（上方向）へ向かうもの（矢印Ｆ２１）とに空間的に分離される。すなわち、連結部５３の中央部５３３を指向して噴射された燃料は、上下に分離され、その後は各々第１、第２キャビティ部５１、５２に存在する空気と混合しながら、これらキャビティ部５１、５２の面形状に沿って流動する。

詳しくは、矢印Ｆ１１の方向（下方向）に向かう混合気は、連結部５３の下端部５３１から第１キャビティ部５１の径方向窪み部５１４へ入り込み、下方向に流れる。その後、混合気は、径方向窪み部５１４の湾曲形状によって流動方向を下方向から径方向Ｂの内側方向へ変え、矢印Ｆ１２で示すように、第１底部５１２を有する第１キャビティ部５１の底面形状に倣って流動する。この際、混合気は、第１キャビティ部５１の空気と混合して濃度を薄めて行く。

山部５４が存在することによって、第１キャビティ部５１の底面は径方向中央に向けてせり上がる形状を有している。従って、矢印Ｆ１２方向に流動する混合気は上方に持ち上げられ、ついには矢印Ｆ１３で示すように、燃焼室天井面６Ｕから径方向外側へ向かうように流動する。このような流動の際にも、前記混合気は燃焼室６内に残存する空気と混合し、均質で薄い混合気となって行く。

上記の矢印Ｆ１１〜Ｆ１３のスムースな流動の形成には、図４Ｂに基づき上述した第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状も貢献している。 時計方向でみて、第２部分Ｃ２、第１部分Ｃ１及び第３部分Ｃ３が順次連なる円弧形状によって、第１キャビティ部５１において混合気を滞留させることなく良好に流動させることができる。すなわち、連結部５３から、第２部分Ｃ２を経て第１部分Ｃ１へ向かう混合気（筒内流動）は、第１部分Ｃ１にかけて円弧の半径が小さくなることから加速される。このことは、矢印Ｆ１１の流動を促進させる。

一方、第１部分Ｃ１から第３部分Ｃ３に向かうに連れて円弧の半径が大きくなる。このため、混合気は第３部分Ｃ３で減速されつつ、径方向内側へ案内される。つまり、混合気が急峻に上方に向かって流動を乱すことはなく、矢印Ｆ１２で示すように第１底部５１２に沿って流動した上で上方に向かう。燃焼後期には、ピストン５の下降に伴って、周縁平面部５５に径方向Ｂの外側へ向かう逆スッキシュ流が発生する。第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状の形状的な効果に加え、逆スッキシュ流に牽引されることも相俟って、混合気は矢印Ｆ１３で示すように径方向Ｂの外側へ向かうようになる。このような流動が確保されることから、第１キャビティ部５１での混合気の滞留を抑止することができる。

一方、矢印Ｆ２１の方向（上方向）に向かう混合気は、連結部５３の第３上端部５３２から第２キャビティ部５２のテーパ領域５２４に入り込み、テーパ領域５２４の傾きに沿って斜め下方に向かう。そして、矢印Ｆ２２で示すように、前記混合気は第２底部５２２に至る。ここで、テーパ領域５２４は噴射軸ＡＸに沿う傾きを持つ面であるので、前記混合気は径方向外側へスムースに流動することができる。つまり前記混合気は、テーパ領域５２４の存在、並びに、連結部５３の第３上端部５３２も下方に位置する第２底部５２２の存在によって、燃焼室６の径方向外側の奥深い位置まで到達することができる。

しかる後、前記混合気は、第２底部５２２から立ち壁領域５２５の間の立ち上がり曲面によって上方に持ち上げられ、燃焼室天井面６Ｕから径方向内側へ向かうように流動する。このような、矢印Ｆ２２で示す流動の際に、前記混合気は第２キャビティ部５２内の空気と混合し、均質で薄い混合気となって行く。ここで、第２底部５２２よりも径方向外側に、概ね上下方向に延びる立ち壁領域５２５が存在することで、噴射された燃料（混合気）がシリンダ２の内周壁（一般に、図略のライナーが存在する）に到達することが阻止される。つまり、前記混合気は、第２底部５２２の形成によって燃焼室６の径方向外側付近まで流動できるが、立ち壁領域５２５の存在によって、シリンダ２の内周壁との干渉は抑止される。このため、前記干渉による冷損の発生を抑制することができる。

ここで、立ち壁領域５２５は、その下方部分が、上端位置Ｃ４に対して径方向Ｂの内側に位置する形状を備えている。このため、矢印Ｆ２２で示す流動は過度に強くならず、混合気が径方向Ｂの内側へ戻り過ぎないようにすることができる。矢印Ｆ２２の流動が強すぎると、一部燃焼している混合気が新たに噴射された燃料が十分に拡散する前に当該燃料と衝突し、均質な燃焼を阻害して煤などを発生させる。しかし、本実施形態の立ち壁領域５２５は、径方向外側に抉れた形状を備えておらず、矢印Ｆ２２の流動は抑制的となり、矢印Ｆ２３にて示す径方向Ｂの外側へ向かう流動も生成する。とりわけ、燃焼後期では前記逆スッキシュ流に牽引されることもあり、矢印Ｆ２３の流動が生じ易くなる。従って、立ち壁領域２５２よりも径方向外側の空間（周縁平面部５５上のスキッシュ空間）も有効に活用した燃焼を行わせることができる。従って、煤の発生などを抑止し、燃焼室空間の全体を有効活用した燃焼を実現させることができる。

以上の通り、噴射軸ＡＸに沿って連結部５３に向けて噴射された燃料が、連結部５３に衝突して空間的に分離され、第１、第２キャビティ部５１、５２の空間に各々存在する空気を活用して混合気を生成する。これにより、燃焼室６の空間を広く利用して均質で薄い混合気を形成でき、燃焼時に煤などの発生を抑制することができる。

［燃料噴射の時間的分離について］
本実施形態では、上述した燃料噴射の空間的分離に加え、時間的にも分離して、より燃焼室６内の空気を有効活用する例を示す。図６は、インジェクタ１８からキャビティ５Ｃへの燃料噴射のタイミングの一例と、その時の熱発生率特性Ｅ１とを示すタイムチャートである。なお、図６には、熱発生率の理想特性Ｅ０を併記している。理想特性Ｅ０は、当容度が高く、燃焼期間の短い（クランク角ＣＡ１０程度）熱発生率特性である。上述の燃料噴射の空間的分離、並びに、ここで説明する燃料噴射の時間的分離は、理想特性Ｅ０に可及的に近い熱発生率特性Ｅ１を得るための工夫である。

インジェクタ１８による燃料噴射の動作は、燃料噴射制御部１８Ａ（図１参照）によって制御される。本実施形態において燃料噴射制御部１８Ａは、１サイクル当たり、パイロット噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及びプレ噴射Ｐ３の３回の燃料噴射をインジェクタ１８に実行させる。

メイン噴射Ｐ２は、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）付近に位置するタイミングで実行される燃料噴射である。図６では、ＴＤＣよりも僅かに遅角となるタイミングで、メイン噴射Ｐ２が実行される例を示している。パイロット噴射Ｐ１は、メイン噴射Ｐ２よりも早いタイミングであって、ＴＤＣよりも早いタイミングで実行される燃料噴射である。図６では、クランク角−ＣＡ１６から−ＣＡ１２の期間にパイロット噴射Ｐ１が実行される例を示している。燃料の噴射率ピーク値は、パイロット噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２とで同一であるが、燃料噴射期間は前者の方が長く設定されている。プレ噴射Ｐ３は、パイロット噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２との間において実行される、少量の燃料噴射である。このプレ噴射Ｐ３は、熱発生率特性Ｅ１におけるピーク間の谷部（クランク角ＣＡ２〜３付近の谷部）を可及的に小さくして消音を図る目的で実行されるが、当該プレ噴射Ｐ３を省くようにしても良い。

上述の連結部５３に向けた燃料噴射は、パイロット噴射Ｐ１の際に実行される。すなわち、インジェクタ１８の噴射孔１８２は、パイロット噴射Ｐ１が実行されるクランク角において連結部５３に向けて燃料を噴射する噴射軸ＡＸを有する噴射孔である。メイン噴射Ｐ２は、パイロット噴射Ｐ１にて噴射された燃料（混合気）が、図５に示すように上下に空間的に分離される流動を形成した後に、その分離された２つの混合気流の間の空間に残存する空気を活用して新たな混合気を形成するべく実行される、燃料噴射である。つまり、燃料噴射制御部１８Ａは、１回目の燃料噴射（パイロット噴射Ｐ１）で供給された燃料が第１、第２キャビティ部５１、５２の空間に入り込んで空間的に分離されたタイミングで、上下の混合気間に存在する空気を活用する２回目の燃料噴射（メイン噴射Ｐ２）を、時間的に分離して実行させるものである（燃料噴射の時間的分離）。

［燃焼室内における混合気の形成状況］
以上のような燃料噴射の空間的分離と時間的分離との併用により、燃焼室内において、より均質で薄い混合気を形成することが可能となる。この点を、図７に基づいて説明する。図７（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施形態の燃焼室６における混合気の生成状況を、クランク角ＣＡに沿って模式的に示す図である。図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれ、クランク角ＣＡ＝−１１ｄｅｇ、３ｄｅｇ、４ｄｅｇ、２０ｄｅｇにおける混合気の生成状況を示す。図７（Ａ）〜（Ｄ）において、濃く色付けされている部分は、燃料濃度が高い混合気であることを表している。

図７（Ａ）は、パイロット噴射Ｐ１が終了するタイミング（図６）に相当する、クランク角ＣＡ＝−１１ｄｅｇにおける燃焼室６の状況である。パイロット噴射Ｐ１では、キャビティ５Ｃの連結部５３を指向して燃料が噴射される。パイロット噴射Ｐ１の噴射燃料は、燃焼室６内の空気と混合されて第１混合気Ｍ１となりつつ、連結部５３に吹き当たる。このときの第１混合気Ｍ１は、まだ拡散が進んでおらず、燃料濃度が濃い状態である。連結部５３への吹き当たりによって、第１混合気Ｍ１は、第１キャビティ部５１へ向かう下側混合気Ｍ１１と、第２キャビティ部５２へ向かう上側混合気Ｍ１２とに分離される。これが上述した混合気の空間的分離である。

図７（Ｂ）は、メイン噴射Ｐ２が終了するタイミング（図６）に相当する、クランク角ＣＡ＝３ｄｅｇにおける燃焼室６の状況である。このタイミングではピストン５はほぼＴＤＣの位置にあるので、メイン噴射Ｐ２では、連結部５３のやや下方位置を指向して燃料が噴射されることになる。先に噴射されたパイロット噴射Ｐ１の下側混合気Ｍ１１、上側混合気Ｍ１２は、各々第１キャビティ部５１、第２キャビティ部５２に入り込み、それぞれの空間の空気と混合して稀釈化が進行している。メイン噴射Ｐ２が開始される直前は、下側混合気Ｍ１１と上側混合気Ｍ１２との間に未使用の空気（燃料と混合していない空気）が存在する状態である。このような未使用空気層の形成に、第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状が貢献する。メイン噴射Ｐ２の噴射燃料は、下側混合気Ｍ１１と上側混合気Ｍ１２との間に入り込む形態となり、前記未使用の空気と混合されて第２混合気Ｍ２となる。

図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）の状態から１ｄｅｇだけクランク角が進行した燃焼室６の状況である。下側混合気Ｍ１１及び上側混合気Ｍ１２は、拡散が進んで面積大きくなっている。第２混合気Ｍ２は、下側混合気Ｍ１１と上側混合気Ｍ１２との間において、前記未使用の空気との混合が進んで濃度が低下した混合気Ｍ２１となっていることがわかる。これが燃料噴射の時間的分離である。

ここで特筆される作用を２つ挙げることができる。１つは、パイロット噴射Ｐ１の噴射燃料とメイン噴射Ｐ２の噴射燃料とが、燃焼室６内で干渉せずに、各々混合気を生成している点である。つまり、下側混合気Ｍ１１及び上側混合気Ｍ１２が既に存在している空間に、重畳的にメイン噴射Ｐ２による燃料が噴射されるのではなく、両混合気Ｍ１１、Ｍ１２の間の空間に燃料が噴射される。このため、燃焼室６の空間（空気）を有効利用する形で混合気Ｍ２１が生成される。２つは、上側混合気Ｍ１２がシリンダ２の内周壁に到達していない点である。これは、上述の立ち壁領域５２５の存在によって、周縁平面部５５への上側混合気Ｍ１２の進入が起こり難いという、第２キャビティ部５２の形状的特徴に由来する。このことは、冷損の抑制に貢献する。

図７（Ｄ）は、燃焼が終了するタイミングに相当する、クランク角ＣＡ＝２０ｄｅｇにおける燃焼室６の状況である。パイロット噴射Ｐ１による下側混合気Ｍ１１及び上側混合気Ｍ１２と、メイン噴射Ｐ２による混合気Ｍ２１とが、メイン噴射Ｐ２によって生成される噴流で流動が促進されることも相俟って、良好に混ざり合って合成混合気Ｍ３を形成している。つまり、燃焼室６内の空間を広く使った均質で薄い合成混合気Ｍ３が生成されていることが分かる。従って、煤が発生し難い燃焼を実現することができる。

［比較例との対比］
本実施形態に係るキャビティ５Ｃを備えたピストン５の評価のため、比較例１及び比較例２を示す。

＜比較例１＞
図８は、比較例１に係るキャビティ５０Ｃを備えたピストン５００の断面図である。本実施形態のキャビティ５Ｃの断面形状は点線で示している。比較例１のキャビティ５０Ｃは、ピストン５００の径方向中央領域に凹設されたキャビティ部５１０と、径方向外側領域に設けられた平面部５７１と、キャビティ部５１０と平面部５７１との間のリップ部５７２とを備えている。

端的には、比較例１のキャビティ５０Ｃは、本実施形態における第２キャビティ部５２が存在しない態様である。つまり、キャビティ５０Ｃは、リップ部５７２（本実施形態の連結部５３に相当する部分）よりも径方向外側に、当該リップ部５７２よりも下方に位置している部分が存在していない点で、本実施形態のキャビティ５Ｃと相違する。

図９は、図６のタイムチャートに、比較例１に係るキャビティ５０Ｃを採用した場合における、燃料噴射のタイミング及び熱発生率を重畳して記載したタイムチャートである。比較例１においても、１サイクル当たり、パイロット噴射Ｑ１、メイン噴射Ｑ２及びプレ噴射Ｑ３の３回の燃料噴射が行われる点は、本実施形態と同じである。但し、キャビティ５０Ｃでは、第２キャビティ部５２が存在しない分だけリップ部５７２の位置が本実施形態の連結部５３の位置よりも高くなる。このため、パイロット噴射Ｑ１の開始タイミングが、本実施形態のパイロット噴射Ｐ１に比べてクランク角ＣＡで８ｄｅｇ程度早く設定され、噴射軸ＡＸがリップ部５７２を指向するようにしている。なお、メイン噴射Ｑ２の開始タイミングも、メイン噴射Ｐ２に比べて若干遅く設定されている。

図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、比較例１のキャビティ５０Ｃが採用された場合の、燃焼室６における混合気の生成状況を模式的に示す図である。図１０（Ａ）は、パイロット噴射Ｑ１の実行時における燃焼室の状況である。パイロット噴射Ｑ１では、キャビティ５０Ｃのリップ部５７２を指向して燃料が噴射される。パイロット噴射Ｑ１の噴射燃料は、燃焼室内の空気と混合されて第１混合気Ｎ１となりつつ、リップ部５７２に吹き当たる。これにより第１混合気Ｎ１は、キャビティ部５１０へ向かう下側混合気Ｎ１１と、上方へ向かう上側混合気Ｎ１２とに分離される。

図１０（Ｂ）は、メイン噴射Ｑ２が終了するタイミングにおける燃焼室の状況である。このタイミングではピストン５はほぼＴＤＣの位置にあるので、メイン噴射Ｑ２では、リップ部５７２の下方に位置するキャビティ部５１０を指向して燃料が噴射されることになる。メイン噴射Ｑ２の噴射燃料は、第２混合気Ｎ２となる。ここで、先に噴射されたパイロット噴射Ｑ１の上側混合気Ｎ１２は、本実施形態の第２キャビティ部５２が存在しないため図５の矢印Ｆ２２で示したような流動は発生せず、平面部５７１と燃焼室天井面との間の領域（スキッシュエリア）に深く入り込んでいる。このため、このため、上側混合気Ｎ１２はシリンダ２の内周壁を干渉し、冷損が発生する。

図１０（Ｃ）は、燃焼が終了するタイミングに相当するタイミングにおける燃焼室の状況である。メイン噴射Ｑ２による第２混合気Ｎ２と、パイロット噴射Ｑ１による下側混合気Ｎ１１とが混ざり合って合成混合気Ｎ３を形成している。しかし、上側混合気Ｎ１２は合成混合気Ｎ３とは充分に混ざり合わず、両者間には空気層Ｎ０（若しくは燃料濃度が相当薄い混合気）が介在している。このため、燃焼室内において、充分に均質で薄い混合気が生成されているとは言い難い状態である。

以上の比較例１との比較から明らかな通り、本実施形態のキャビティ５Ｃを採用することによって、シリンダ２の内周壁と混合気との干渉を起き難くして冷損を抑制すると共に、燃焼室６内の流動を促進して均質で薄い混合気を生成することができることが分かる。また、図９から明らかな通り、本実施形態によれば、燃料の噴霧期間（パイロット噴射Ｐ１開始〜メイン噴射Ｐ２終了の期間）を、比較例１の噴霧期間（パイロット噴射Ｑ１開始〜メイン噴射Ｑ２終了の期間）よりも短くすることができる。これにより、１０−９０％燃焼期間も、比較例１ではクランク角換算で２０．３ｄｅｇを要したが、本実施形態によれば１５．９ｄｅｇに短縮することができた。これにより、本実施形態のキャビティ５Ｃの適用によって燃費性能が向上することが確認された。

＜比較例２＞
図１１は、比較例２のキャビティ５００Ｃの構造を示す断面図である。図１１では、本実施形態のキャビティ５Ｃの断面形状は点線で示している。比較例２のキャビティ５００Ｃは、ピストン５００Ａの径方向中央領域に凹設された第１キャビティ部５１Ａと、第１キャビティ部５１Ａの径方向Ｂの外側領域に設けられた第２キャビティ部５２Ａと、両キャビティ部５１Ａ、５２Ａを繋ぐ連結部５３Ａとを備えている。第２キャビティ部５２Ａの底部よりも径方向Ｂの外側には、立ち壁領域５２５Ａが備えられている。つまり、比較例２のキャビティ５００Ｃの構成要素は、本実施形態のキャビティ５Ｃと同じである。

キャビティ５００Ｃが本実施形態のキャビティ５Ｃと相違する点は、立ち壁領域５２５Ａの形状である。立ち壁領域５２５Ａは、その上端位置Ｃ４に対して立ち壁領域５２５Ａの下方部分は、径方向Ｂの外側に位置している。すなわち、上端位置Ｃ４と接する垂線ｅに対して、立ち壁領域５２５Ａは径方向Ｂの外側に抉れた形状を備えている。

図１２（Ａ）は比較例２のキャビティ５００Ｃが採用された場合の筒内流動を、図１２（Ｂ）は本実施形態のキャビティ５Ｃが採用された場合の筒内流動を各々示す図である。図１２（Ａ）、（Ｂ）に示したタイミングは、図７（Ｂ）のメイン噴射Ｐ２が行われたタイミングに相当する。比較例２のキャビティ５００Ｃの場合でも、パイロット噴射Ｐ１が連結部５３Ａを指向して実行されると、その混合気は、第１キャビティ部５１Ａへ向かう下側混合気Ｍ１１０と、第２キャビティ部５２Ａへ向かう上側混合気Ｍ１２０とに分離される。

下側混合気Ｍ１１０は、第１キャビティ部５１Ａの面形状に沿って、径方向Ｂの内側へ進む。上側混合気Ｍ１２０も、第２キャビティ部５２Ａの面形状に沿って、径方向Ｂの外側へ向かった後、立ち壁領域５２５Ａに突き当たることによって進行方向が変更される。ここで、立ち壁領域５２５Ａは径方向Ｂの外側に抉れた円弧形状であるため、上側混合気Ｍ１２０は当該円弧形状部分によって径方向Ｂの内側に勢いよく折り返されるようになる。ピストン５の下降時に発生する逆スキッシュ流ＲＳＱのアシストがあっても、上側混合気Ｍ１２０のこの流動傾向はあまり変わらない。

そして、上側混合気Ｍ１２０は、メイン噴射Ｐ２によって噴射された燃料と衝突する。すなわち、メイン噴射Ｐ２の噴射燃料が、燃焼室６内において十分拡散する前に、上側混合気Ｍ１２０と衝突する。上側混合気Ｍ１２０は、この段階では一部燃焼して火炎化しており、前記衝突によって噴射燃料が均質な混合気となる前に燃焼してしまう。従って、煤などを発生させてしまうことがある。

これに対し、本実施形態に係る形状を有する立ち壁領域５２５を備えたキャビティ５Ｃによれば、上記の問題を解消できる。パイロット噴射Ｐ１がキャビティ５Ｃの連結部５３を指向して実行されると、その混合気は、第１キャビティ部５１へ向かう下側混合気Ｍ１１と、第２キャビティ部５２へ向かう上側混合気Ｍ１２とに分離される。下側、上側混合気Ｍ１１、Ｍ１２は、それぞれ第１、第２キャビティ部５１、５２の面形状に沿って流動する。ここで、立ち壁領域５２５は、当該立ち壁領域５２５の下方部分が、その上端位置Ｃ４に対して径方向Ｂの内側に位置する形状を有する。より具体的には、第２キャビティ部５２の第２底部５２２から上端位置Ｃ４にかけて、半径ｒ５を有するおおよそ１／４円弧の曲面とされている。

このため、上側混合気Ｍ１２は、比較例２のように径方向Ｂの内側に勢いよく折り返されるのではなく、シリンダ軸方向Ａへ持ち上げられる。その後、上側混合気Ｍ１２は、径方向Ｂの内側へ向かう内側成分Ｍ１２Ａと、径方向Ｂの外側へ向かう外側成分Ｍ１２Ｂとに分かれる。逆スキッシュ流ＲＳＱは、外側成分Ｍ１２Ｂの形成に寄与する。内側成分Ｍ１２Ａは、メイン噴射Ｐ２の噴射燃料と衝突するほどの勢いを持たず、第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状並びに逆スキッシュ流ＲＳＱによってもたらされる下側混合気Ｍ１１の循環流動（図５の矢印Ｆ１３で示す径方向Ｂの外側への流動）を大きく妨げることはない。このように、本実施形態によれば、第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状及び第２キャビティ部５２の立ち壁領域５２５の形状的特徴との相乗効果によって、燃焼室６の空間全体に混合気を拡散させることができる。

［パイロット噴射実行の好ましい運転シーン］
図６に示した燃料噴射制御部１８Ａによる燃料噴射制御は、エンジン本体１がディーゼルエンジンであって、部分的に予混合圧縮着火（ＰＣＩ）燃焼を行わせる場合に有用である。この場合、燃料噴射制御部１８Ａは、エンジン本体１の負荷が中負荷となる運転領域において、パイロット噴射Ｐ１を含む上記の燃料噴射を実行させることが望ましい。上記の中負荷は、例えばエンジン回転数＝２０００ｒｐｍ、ＢＭＥＰが６００ｋＰａ程度の運転領域である。

上述の混合気の空間的分離の効用は、インジェクタ１８から噴射される燃料量が多い場合（高負荷）、及び少ない場合（低負荷）には充分に発揮されない傾向がある。高負荷の場合、第１キャビティ部５１の容積が燃料量に対して充分でないことに起因して、つまりキャビティ５Ｃを２つのキャビティ部５１、５２に分けたことで第１キャビティ部５１が小容積となることに起因して、燃料濃度の高い混合気が形成される傾向がある。この場合、燃焼室６内において混合気が部分的に濃い領域が生成されるので、煤が発生することがある。一方、低負荷の場合、第１、第２キャビティ部５１、５２の空間内の混合気の燃料濃度が薄くなりすぎて、着火性が低下する傾向がある。従って、これらの傾向が出にくい、上記の中負荷となる運転シーンにおいて、パイロット噴射Ｐ１を含む燃料噴射制御を実行させることが望ましい。

［作用効果］
以上説明した本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造によれば、ピストン５の冠面５０に形成されるキャビティ５Ｃが、径方向Ｂの中心領域の第１キャビティ部５１と、第１キャビティ部５１よりもシリンダ軸方向Ａの深さが浅く径方向Ｂの外周側に配置される第２キャビティ部５２との２段構造とされる。さらに、第２キャビティ部５２の第２底部５２２が、両キャビティ５１、５２を繋ぐ連結部５３の第３上端部５３２よりも下方に位置している構造を有する。インジェクタ１８からキャビティ５Ｃに向けて燃料が噴射されると、その燃料と燃焼室内の空気とが混合した混合気が第２底部５２２に向かうようになり、混合気を燃焼室６の径方向外側へ向かわせ易くすることができる。従って、燃焼室６内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成でき、煤などの発生を抑制することができる。

加えて、第２キャビティ部５２には立ち壁領域５２５が具備される。この立ち壁領域５２５によって、混合気がシリンダ２の内周壁に容易に到達し難くはするが、ある程度は径方向Ｂの外側へ向かわせ得る構造とすることができる。さらに、立ち壁領域５２５の下方部分が、立ち壁領域５２５の上端位置Ｃ４に対して径方向Ｂの内側に位置する構造を有する。これにより、冷損を低減しつつ、混合気が燃焼室６の径方向Ｂの内側へ戻り過ぎないようにし、立ち壁領域５２５よりも径方向外側の空間（スキッシュ空間）も有効に活用した燃焼を行わせることができる。第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状によってもたらされる流動もまた、スキッシュ空間の有効活用に貢献する。

また、インジェクタ１８の噴射孔１８２から連結部５３に向けて燃料が噴射され、その混合気は連結部５３に衝突し、これにより第１キャビティ部５１へ向かう下側混合気Ｍ１１と、第２キャビティ部５２へ向かう上側混合気Ｍ１２とに空間的に分離される。このため、第１及び第２キャビティ部５１、５２の空間に各々存在する空気を活用して混合気を生成することができる。

さらに、燃料噴射制御部１８Ａは、ＴＤＣ付近で燃料噴射を行わせるメイン噴射Ｐ２と、このメイン噴射Ｐ２よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロット噴射Ｐ１とをインジェクタ１８に実行させるものであって、パイロット噴射Ｐ１において連結部５３に向けて燃料を噴射させる。このため、メイン噴射Ｐ２で噴射される燃料は、第１、第２キャビティ部５１、５２の空間に入り込むように空間的に分離された下側混合気Ｍ１１と上側混合気Ｍ１２の間に存在する空気を活用して、新たな第２混合気Ｍ２を形成することができる。つまり、パイロット噴射Ｐ１とは時間的に分離して、メイン噴射Ｐ２によって燃焼室６内に存在する空気を用いて混合気が形成される。従って、燃焼室６内において、より均質で薄い混合気を形成することができる。

１ エンジン本体
２ シリンダ
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 第１キャビティ部
５１２ 第１底部
５２ 第２キャビティ部
５２２ 第２底部
５２４ テーパ領域
５２５ 立ち壁領域
５３ 連結部
５３２ 第３上端部（シリンダ軸方向の上端部）
６ 燃焼室
１８ インジェクタ（燃料噴射弁）
１８１ 噴射孔
１８Ａ 燃料噴射制御部
Ａ シリンダ軸方向
Ｂ 燃焼室の径方向
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 第１部分、第２部分、第３部分
ＡＸ 噴射軸
Ｐ１ パイロット噴射
Ｐ２ メイン噴射

Claims (6)

1. シリンダヘッドの下面、シリンダ及びピストンの冠面により形成されるエンジンの燃焼室と、
   前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を含むエンジンの燃焼室構造であって、
   前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、
   前記燃料噴射弁は、前記キャビティに向けて燃料を噴射するものであって、前記燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置され、
   前記キャビティは、
   前記冠面の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、
   前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、
   前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐ連結部と、
   前記第２キャビティ部の前記第２底部よりも径方向外側に配置された立ち壁領域と、を含み、
   前記第２底部は、前記連結部におけるシリンダ軸方向の上端部よりも下方に位置しており、
   前記立ち壁領域の上端位置に対して前記立ち壁領域の下方部分は、径方向内側に位置している、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、
   前記第１キャビティ部は、シリンダ軸を含む断面において、
   前記燃料噴射弁から最も遠い円弧状の第１部分と、前記第１部分と前記連結部との間に位置する第２部分と、前記第１部分から径方向内側に延びる第３部分とを含み、
   前記第２部分から前記第１部分にかけて円弧の半径が小さくなり、前記第１部分から前記第３部分にかけて円弧の半径が大きくなる円弧形状を有する、エンジンの燃焼室構造。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記燃料噴射弁は、燃料を噴射する噴射孔を有し、
   前記噴射孔は、所定のクランク角において前記連結部に向けて燃料を噴射する噴射軸を有する噴射孔である、エンジンの燃焼室構造。
4. 請求項３に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記燃料噴射弁による燃料噴射の動作を制御する燃料噴射制御部を備え、
   前記燃料噴射制御部は、少なくとも前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するタイミングで前記燃料噴射を行わせるメイン噴射と、このメイン噴射よりも早いタイミングで前記燃料噴射を行わせるパイロット噴射とを前記燃料噴射弁に実行させるものであって、
   前記噴射孔は、前記パイロット噴射が実行されるクランク角において前記連結部に向けて燃料を噴射する噴射軸を有する噴射孔である、エンジンの燃焼室構造。
5. 請求項３又は４に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記燃料噴射制御部は、エンジンの負荷が中負荷となる運転領域において、前記パイロット噴射を実行させる、エンジンの燃焼室構造。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
   前記キャビティは、前記連結部の前記上端部から前記第２キャビティ部の前記第２底部に向けて延びるテーパ領域を備え、
   前記テーパ領域は、前記噴射軸に沿う傾きを持つ面である、エンジンの燃焼室構造。