JP2019105193A - 予混合圧縮着火式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】着火アシストを行う予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼室内における火炎伝播の偏在を防止し、燃焼騒音及び異常燃焼の抑制を図る。【解決手段】予混合圧縮着火式エンジンは、吸気ポート９からの吸気によってタンブル流Ｔｕが発生し、混合気を圧縮着火燃焼させる燃焼室６と、燃焼室６の径方向Ｂの中心領域に向けて燃料を噴射するインジェクタ１４と、着火部１３Ａを備えた点火プラグ１３と、着火タイミングを制御する着火制御部とを備える。着火部１３Ａは、燃焼室６において吸気ポート９が配置される吸気側に偏在した位置であって、キャビティ５Ｃに沿って流れるタンブル流Ｔｕとスキッシュ生成面５１から噴き出すスキッシュ流Ｓｑとが合流する合流領域Ｍに配置されている。前記着火制御部は、圧縮上死点よりも前のタイミングで前記混合気に強制着火するよう、点火プラグ１３を制御する。【選択図】図７

Description

本発明は、ガソリンを含む燃料を空気と混合しつつ自着火させる予混合圧縮着火燃焼が可能であって、強制着火源で混合気の着火をアシストするようにした予混合圧縮着火エンジンに関する。

予混合圧縮着火燃焼を行うエンジン（例えば特許文献１参照）においては、当該エンジンが高負荷、高回転になるほど、急峻に燃焼圧が上昇し燃焼期間が過度に短期間となる過早燃焼（急激な熱発生）が生じる傾向がある。この過早燃焼が生じると、燃焼騒音が大きくなる、異常燃焼が生じるといった不具合が生じる。この不具合を防止するには、燃焼初期は比較的緩慢に、燃焼後期は比較的急速に燃焼させることによって燃焼期間を適度に延ばし、後期重心型の熱発生パターンとすることが望ましい。

上記の後期重心型の熱発生パターンを得るには、ＳＩ（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼とＣＩ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼とを組み合わせた燃焼が有効である。すなわち、燃焼室の混合気に強制着火を行い火炎伝播による燃焼（ＳＩ燃焼）を行わせ、このＳＩ燃焼により発生する熱によって燃焼室内の未燃混合気を自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）させる複合燃焼方式である。

特開２０１３−１９４７１２号公報

上記の複合燃焼方式おいて、タンブル流などの筒内流動によって、ＳＩ燃焼における火炎伝播が燃焼室全方位に均質に拡がらない場合がある。この場合、火炎伝播の偏在によって燃焼室空間においてＣＩ燃焼に基づく自着火が生じる領域が増加し、当該自着火による熱発生量が過度になって、所期の燃焼騒音低減効果、異常燃焼抑制効果が得られないという問題が生じる。

本発明の目的は、着火アシストを行う予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼室内における火炎伝播の偏在を可及的に防止することにより、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることにある。

本発明の一局面に係る予混合圧縮着火式エンジンは、少なくともガソリンを含む燃料を用いる予混合圧縮着火式エンジンであって、吸気ポート及び排気ポートを備え、前記吸気ポートからの吸気によってタンブル流が発生し、前記燃料の供給によって生成される混合気を圧縮着火燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の径方向の中心領域に向けて前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室内に着火部が配置される強制着火源と、前記強制着火源による着火タイミングを制御する着火制御部と、を備え、前記着火部は、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、前記吸気側に偏在して配置され、前記着火制御部は、圧縮上死点よりも前のタイミングで前記混合気に強制着火するよう、前記強制着火源を制御することを特徴とする。

この予混合圧縮着火式エンジンによれば、燃料噴射弁の燃料噴射によって燃焼室の径方向の中心領域に混合気が形成されたとしても、強制着火で生じる火炎はタンブル流の影響によって排気側に流され、火炎伝播が排気側に向かう方向に偏る傾向が出る。しかし、上記強制着火源の着火部は、前記吸気側に偏在して配置されている。これにより、燃焼室において吸気側に偏った位置が強制着火点となり、前記吸気側から前記排気側に向かうタンブル流に乗せて火炎伝播を燃焼室の径方向中心領域へ向かわせることができる。その結果、火炎伝播による燃焼が前記排気側に偏ることが抑制され、専ら燃焼室の径方向中心領域で火炎伝播燃焼が生じ、その後に燃焼室の周辺領域で自着火燃焼が生じるようになる。従って、自着火による熱発生量が過度となることはなく、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることができる。

上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記燃焼室を区画する燃焼室壁面の一部は、ピストンの冠面と、該冠面と対向する燃焼室天井面とによって形成され、前記吸気ポート及び前記排気ポートは、前記燃焼室天井面に開口されており、前記冠面は、径方向の中央領域に凹設されたキャビティと、少なくとも前記吸気側における前記キャビティの径方向外側に配置され前記燃焼室天井面と略平行な平面からなるスキッシュ生成面とを含み、前記着火部は、圧縮行程後期において、前記キャビティに沿って流れる前記タンブル流と、前記スキッシュ生成面に沿って流れるスキッシュ流とが合流する合流領域に配置されていることが望ましい。なお、上記の「略平行」とは、前記燃焼室天井面と前記スキッシュ生成面とが平行に態様だけでなく、一方が他方に対して±５度程度以内の傾きを具備する態様も包含する意味である。

この予混合圧縮着火式エンジンによれば、キャビティ内に混合気を形成することが可能となる。そして、前記合流領域に前記着火部を配置することで、前記タンブル流と、前記スキッシュ生成面から燃焼室の径方向中心に向かうスキッシュ流とを利用して、火炎伝播を前記キャビティの径方向中央部に指向させることができる。なお、膨張行程初期においては、前記スキッシュ生成面に生じる逆スキッシュ流によって、燃焼室の径方向外側領域における自着火燃焼を促進させることができる。

上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記キャビティは、底部と、この底部から当該キャビティの外周縁に向けて立ち上がる斜面部とを含み、前記スキッシュ生成面は前記キャビティの外周縁から前記冠面の径方向外側に向けて延出する平面であって、前記合流領域は、気筒軸方向に沿った断面視において、前記スキッシュ生成面が延出する前記外周縁部分の径方向内側であって、前記斜面部の上方部分に隣接する領域であることが望ましい。

上記の領域は、前記タンブル流と前記スキッシュ流とが自ずと合流する領域であるので、前記着火部の配置箇所としては最適である。

上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記燃焼室天井面には、前記吸気ポート及び前記排気ポートが各々２個ずつ開口されており、前記スキッシュ生成面は、２つの前記吸気ポートの間から前記冠面の径方向外側に向けて延出する平面であって、前記合流領域は、前記燃焼室の気筒軸方向の平面視において、前記キャビティの外周縁の内側であって、２つの前記吸気ポートの間の領域であることが望ましい。

上記の領域は、吸排気２弁構成（４バルブ式）を採用する燃焼室において、前記タンブル流と前記スキッシュ流とが合流する領域となる。従って、かかる燃焼室において前記着火部の配置箇所としては最適である。

上記の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、前記燃料噴射弁からの燃料噴射は、前記キャビティ内に混合気が形成され、且つ、前記混合気と前記キャビティの壁面との間に空気層が形成されるように実行されることが望ましい。

この予混合圧縮着火式エンジンによれば、前記キャビティ内に混合気層と該混合気層を取り囲む空気層とが成層化され、冷却損失を低減できる。そして、このような燃料分布の成層化が図られた状態において、火炎伝播をキャビティ内の全方位で均質に発生させることができる。

本発明によれば、着火アシストを行う予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼室内における火炎伝播の偏在を可及的に防止することにより、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることができる。

図１は、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンが適用されるエンジンシステムの構成の概略図である。 図２は、エンジン本体の気筒軸方向に沿った概略断面図である。 図３は、前記予混合圧縮着火エンジンの制御構成を示すブロック図である。 図４は、燃料噴射、強制着火及び熱発生の関係を示すタイムチャートである。 図５（Ａ）は、燃焼室内における混合気の形成状況を示す断面図、図５（Ｂ）は燃焼室内における燃焼の態様を示す平面図である。 図６は、ピストン冠面の平面図であって、着火部のレイアウトを説明するための図である。 図７は、燃焼室の気筒軸方向に沿った断面図であって、着火部のレイアウトを説明するための図である。 図８（Ａ）及び（Ｂ）は、燃焼室内で発生するタンブル流及びスキッシュ流を説明するための、エンジン本体の気筒軸方向に沿った概略断面図である。 図９（Ａ）及び（Ｂ）は、比較例において生成される火炎伝播ゾーンを示す図である。 図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施形態において生成される火炎伝播ゾーンを示す図である。 図１１は、本実施形態における燃焼後期の状態を示す図である。 図１２は、比較例及び本実施形態の燃焼室における熱発生率を示すグラフである。

［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予混合圧縮着火式エンジンを詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る予混合圧縮着火エンジンが適用されるエンジンシステムの概略構成図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された排気を排出するための排気通路３０と、排気通路３０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２０に還流するＥＧＲ装置４０とを備える。

図２は、エンジン本体１の気筒軸方向Ａに沿った概略断面図である。エンジン本体１は、４つの気筒２が図１の紙面と直交する方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。図２では、４つの気筒２のうちの１つのみを示している。前記エンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン本体１は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される予混合圧縮着火式エンジンである。なお、燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。

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、上述の４つの気筒を形成するシリンダライナを有する。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、上向きに僅かに凸の傾斜面を有する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と、排気ポート１０の上流端である排気側開口とが形成されている。シリンダヘッド４には、前記吸気側開口を開閉する吸気バルブ１１と、前記排気側開口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、吸気ポート９の開口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、排気ポート１０の開口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。なお、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（図６参照）、前記吸気側開口及び排気側開口は、各気筒２につき２つずつ設けられるとともに、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２も２つずつ設けられている。

燃焼室６の底面は、ピストン５の冠面５０によって区画されている。冠面５０には、キャビティ５Ｃが凹設されている。キャビティ５Ｃは、上面視で略円形の形状を有し、燃焼室６の径方向Ｂにおいて冠面５０の中央領域に、下方に凹没するように形成されている。キャビティ５Ｃの径方向Ｂの外側には、スキッシュ生成面５１が備えられている。スキッシュ生成面５１は、ペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕと平行な平面からなり、両者間の間隙は径方向Ｂにおいて略一定である。なお、冠面５０の表面は、断熱層５Ｈによってコーティングされている。

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の冠面５０、冠面５０と対向する燃焼室天井面６Ｕ、及び、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各バルブ面からなる。また、本実施形態のエンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積との比は、１３以上３５以下（例えば２０程度）の高圧縮比に設定されている。

シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気に強制点火するための点火プラグ１３（強制着火源）が、各気筒２につき１つずつ装着されている。点火プラグ１３は、火花を放電して混合気に点火エネルギーを付与する電極を備えた着火部１３Ａを有する。この着火部１３Ａが燃焼室６内に突出して配置される態様で、点火プラグ１３はシリンダヘッド４に取り付けられている。本実施形態において着火部１３Ａは、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、前記吸気側に偏在して配置されている点に特徴を有する。この点については、後記で詳述する。

シリンダヘッド４（燃焼室天井面６Ｕ）には、燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ１４（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１４には図略の燃料供給管が接続され、インジェクタ１４は、前記燃料供給管を通して供給された燃料を燃焼室６に噴射する外開弁式のインジェクタであって、当該インジェクタ１４の下端には、ホロコーン噴霧を形成する燃料噴射口を有するヘッド部１４Ａが備えられている。本実施形態ではインジェクタ１４は、気筒軸方向Ａに沿い、ヘッド部１４Ａが径方向Ｂの中心において燃焼室６内に突出するように、シリンダヘッド４に組み付けられている。図２において噴射燃料Ｆを模式的に示しているように、ヘッド部１４Ａは、燃焼室６の径方向Ｂの中心領域、つまりピストン５のキャビティ５Ｃに向けて燃料を噴射する。

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１５、排気側動弁機構１６が配設されている（図１）。これら動弁機構１５、１６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の弁体が吸気ポート９の開口を開閉し、排気バルブ１２の弁体が排気ポート１０の開口を開閉する。

吸気通路２０には、吸気流の上流側から順に、吸気を清浄化するエアクリーナ２１と、吸気通路２０を開閉するためのスロットルバルブ２２とが設けられている。本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ２２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持される。エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ、スロットルバルブ２２が閉弁されて吸気通路２０を遮断する。

排気通路３０には、排気を浄化するための浄化装置３１が設けられている。浄化装置３１は、例えば、三元触媒を内蔵している。

ＥＧＲ装置４０は、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２２よりも下流側の部分と、排気通路３０のうち浄化装置３１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４１を有する。さらにＥＧＲ装置４０は、ＥＧＲ通路４１を開閉するＥＧＲバルブ４２と、ＥＧＲ通路４１を通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３とを備える。ＥＧＲ通路４１を通して還流されるＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ４３にて冷却された後に吸気通路２０に向かう。

［制御構成］
図３は、前記エンジンシステムの制御構成を示すブロック図である。本実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

前記エンジンシステムが搭載される車両には各種センサが設けられており、ＰＣＭ１００はこれらセンサと電気的に接続されている。例えば、シリンダブロック３には、エンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路２０を通って各気筒２に吸入される空気量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。さらに、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられている。

ＰＣＭ１００は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ３及び他のセンサからの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、点火プラグ１３、インジェクタ１４、スロットルバルブ２２及びＥＧＲバルブ４２を含むエンジンの各部を制御する。

ＰＣＭ１００は、機能的に着火制御部１０１を備えている。着火制御部１０１は、点火プラグ１３の着火タイミング、すなわち着火部１３Ａが混合気に強制着火するタイミングを制御する。本実施形態のエンジン本体１は、ガソリンを含む燃料を空気と混合しつつ自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うものであって、点火プラグ１３で混合気の着火をアシストする燃焼方式が採られる。すなわち、燃焼室６内の混合気に強制着火を行い火炎伝播による燃焼（ＳＩ燃焼）を行わせ、このＳＩ燃焼により発生する熱によって燃焼室６内の未燃混合気を自着火により燃焼（ＣＩ燃焼）させる複合燃焼方式（ＳＩ＋ＣＩ燃焼）が実行される。着火制御部１０１は、点火プラグ１３による着火アシストのタイミングを制御する。

図４は、エンジン本体１における燃料噴射及び強制着火のタイミングと及び熱発生率ｄＱとの関係を示すタイムチャートである。図４では、インジェクタ１４からの燃料噴射Ｆ１が、圧縮行程の中期に行われる例を示している。燃料噴射タイミングや噴射量（インジェクタ１４のリフト量）は、エンジン回転数やエンジン負荷等に応じて変更しても良い。例えば、圧縮行程において複数回に分けて燃料噴射を行わせる、或いは吸気行程に一部の燃料噴射を行わせるようにしても良い。

着火制御部１０１は、圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも前のタイミングで燃焼室６内の混合気に強制着火するよう、点火プラグ１３を制御する。図４では、ＴＤＣよりも僅かに進角側のタイミングにおいて、強制着火（着火アシスト）が実行されている例を示している。なお、エンジン本体１が特定の運転条件にあるとき、例えば低回転低負荷の運転領域にあるときには、前記着火アシストを実行しないようにしても良い。

図５（Ａ）は、燃焼室６内における混合気の形成状況を示す断面図である。上述の通り、インジェクタ１４は、ピストン５のキャビティ５Ｃに向けて燃料を噴射する。ＰＣＭ１００は、前記噴射の噴射圧（リフト量）を、ヘッド部１４Ａからの燃料噴霧のペネトレーションがキャビティ５Ｃの底部まで届かない程度の強さに設定する。なお、図５（Ａ）では、次述の本実施形態（図６、図７）における点火プラグ１３の配置との対比のため、インジェクタ１４に隣接するように点火プラグ１３が燃焼室天井面６Ｕの中心付近に配置されている例を示している。

これにより、図５（Ａ）に示すように、混合気は、キャビティ５Ｃ内（燃焼室６の中央部）に限定的に形成される。それゆえ、この限定的な混合気層は、新たな吸気を含む空気層で囲まれるようになり、いわゆる燃料分布の成層化が達成される。このような成層化によって、混合気層とキャビティ５Ｃの壁面（燃焼室壁面）との間には空気層が形成される。かかる空気層の形成は、混合気の燃焼ガスが燃焼室壁面と直接接触する面積を減少させることに繋がるので、冷却損失を低減することができる。

図５（Ｂ）は燃焼室６内におけるＳＩ＋ＣＩ燃焼の態様を示す平面図である。ここでは、後述する筒内流動（タンブル流及びスキッシュ流）の影響を考慮しない、基本的な燃焼の態様を示す。燃焼室６内では、燃焼初期にＳＩ燃焼が生じ、燃焼後期にＣＩ燃焼が生じる。ＳＩ燃焼は、燃焼室６の中央側領域Ｒ１（キャビティ５Ｃの形成領域）で発生し、ＣＩ燃焼は、中央側領域Ｒ１の周囲の外周側領域Ｒ２で発生する。

すなわち、図５（Ａ）に示したように、混合気はキャビティ５Ｃ内に限定的に形成される。この混合気に曝されている点火プラグ１３の着火部１３Ａにおいて放電を発生させることで、着火部１３Ａ周りの混合気が強制的に着火される。この着火点を起点として、火炎伝播による燃焼がキャビティ５Ｃ内に生じる（ＳＩ燃焼）。筒内流動の影響がなければ、火炎伝播は燃焼室６内の全方位に均質に拡がり、中央側領域Ｒ１がＳＩ燃焼によって燃焼することになる。このＳＩ燃焼により発生する熱によって燃焼室６内は昇温され、外周側領域Ｒ２が未燃混合気の自着火により燃焼する（ＣＩ燃焼）。

以上が、ＳＩ＋ＣＩ燃焼の基本動作であるが、燃焼室６内の筒内流動によって、ＳＩ燃焼における火炎伝播が燃焼室６の全方位に均質に拡がらない場合がある。すなわち、図５（Ａ）に示すように、キャビティ５Ｃ内に混合気を成層化した場合でも、筒内流動によって火炎の伝播方向が偏在してしまうことがある。この場合、燃焼室６内においてＣＩ燃焼に基づく自着火が生じる領域が増加し、当該自着火による熱発生量が過度になって、燃焼騒音が大きくなったり、異常燃焼が発生したりする不具合が生じる。本実施形態では、この不具合の解消のため、燃焼室６内における着火部１３Ａの配置位置に工夫を施している。以下、この点について詳述する。

［着火部の配置位置について］
図６は、ピストン５の冠面５０の上面視の平面図であって、着火部１３Ａのレイアウトを説明するための図である。本実施形態の燃焼室６においては、図６中に点線で示すように、燃焼室天井面６Ｕに吸気ポート９及び排気ポート１０が各々２個ずつ開口されている。詳しくは、ペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕの稜線（冠面５０の稜線部５４に対向する部分）を境にして、図６の右方側に２つの吸気ポート９Ａ、９Ｂが前記稜線方向に間隔をおいて配置され、左方側に２つの排気ポート１０Ａ、１０Ｂが前記稜線方向に間隔をおいて配置されている。ここで、燃焼室６において吸気ポート９Ａ、９Ｂが配置される側を吸気側、排気ポート１０Ａ、１０Ｂが配置される側を排気側とする。

冠面５０においてキャビティ５Ｃは径方向Ｂの中央領域に配置され、キャビティ５Ｃの外周を区画する外周縁５Ｅは上面視で略円形である。吸気ポート９Ａ、９Ｂ及び排気ポート１０Ａ、１０Ｂの内側の一部と、キャビティ５Ｃの外周縁５Ｅ付近の一部とは、気筒軸方向Ａにおいて重なっている。スキッシュ生成面５１は、２つの吸気ポート９Ａ、９Ｂの間において、外周縁５Ｅから冠面５０の径方向Ｂの外側に向けて延出する平面である。スキッシュ生成面５１の周方向幅は、外周縁５Ｅからの延び出し部である基部５１Ｅの付近（２つの吸気ポート９Ａ、９Ｂが最接近する付近）において最も狭く、径方向Ｂの外側に向かうに連れて幅広となっている。スキッシュ生成面５１がこのような形状となるのは、冠面５０の吸気ポート９Ａ、９Ｂと対向する領域に、バルブリセスが凹設されるからでもある。なお、２つの排気ポート１０Ａ、１０Ｂ間にも同様なスキッシュ生成面が存在するが、図６では記載を省いている。

上記のような燃焼室６の構造において、インジェクタ１４のヘッド部１４Ａは径方向Ｂの中心付近に配置されているが、点火プラグ１３の着火部１３Ａは、吸気側に偏在して配置されている。より詳しくは、気筒軸方向Ａに沿った平面視において、キャビティ５Ｃの外周縁５Ｅの内側近傍であって、２つの吸気ポート９Ａ、９Ｂの間に配置されている。スキッシュ生成面５１との関係では、基部５１Ｅの径方向Ｂ内側に隣接するように、着火部１３Ａが配置されている。この配置は、基部５１Ｅが、後述するスキッシュ流Ｓｑのキャビティ５Ｃ上への噴き出し領域となることに鑑みた配置である。

図７は、燃焼室６の気筒軸方向Ａに沿った断面図である。キャビティ５Ｃは、底部５２と、この底部５２から外周縁５Ｅに向けて立ち上がる斜面部５３とを備えている。既述の通り、スキッシュ生成面５１は外周縁５Ｅから冠面５０の径方向Ｂの外側に向けて延出する平面である。図７では、点火プラグ１３の着火部１３Ａの位置を、模式的に丸印で示している。この位置は、強制着火点となる位置、すなわち火花放電が起きる着火部１３Ａの電極間の位置に相当する。着火部１３Ａは、外周縁５Ｅの内側に隣接し、且つ、スキッシュ生成面５１の径方向Ｂ内側への延長線５１ａよりも上方の位置に配置されている。

図６及び図７に示す着火部１３Ａの配置位置は一例であり、着火部１３Ａはこれらの図に示す合流領域Ｍに配置されていれば良い。合流領域Ｍは、圧縮行程後期において、キャビティ５Ｃに沿って流れるタンブル流Ｔｕと、スキッシュ生成面５１に沿って流れるスキッシュ流Ｓｑとが合流する領域である。これは、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流Ｓｑとを利用して、吸気側に偏在した位置にある着火部１３Ａを起点として発生する火炎伝播を、キャビティ５Ｃの径方向Ｂ中央部に指向させることを企図したものである。

図８を参照して、燃焼室６で発生する筒内流動について説明する。図８（Ａ）は、吸気行程における筒内流動を示す、エンジン本体１の気筒軸方向Ａの断面図である。吸気バルブ１１が開弁を開始すると共にピストン５が下降すると、吸気ポート９から燃焼室６内に勢いよく吸気が流れ込む。具体的には、吸気ポート９から燃焼室６の排気側寄りの部分に向かって吸気が流れ込む。これにより、気筒軸方向Ａと直交する方向を回転軸とするタンブル流Ｔｕが燃焼室６内に発生する。タンブル流Ｔｕは、キャビティ５Ｃに沿って流れ、燃焼室天井面６Ｕへ向かう。

図８（Ｂ）は、圧縮行程後期における筒内流動を示している。ピストン５の上昇に伴ってタンブル流Ｔｕは徐々に消失して行くが、圧縮行程後期においてもタンブル流Ｔｕが残存している。図７も参照して、この残存タンブル流Ｔｕは、キャビティ５Ｃの底部５２に沿って流れ、斜面部５３において立ち上がり、その後に燃焼室天井面６Ｕに沿って燃焼室６の径方向Ｂの中心に向かう流動となる。これに加え、スキッシュ生成面５１にはスキッシュ流Ｓｑが発生する。スキッシュ流Ｓｑ（正スキッシュ流）は、スキッシュ生成面５１と燃焼室天井面６Ｕとの間に存在する気体が、ピストン５の上昇によって行き場を失い、径方向Ｂの外側からキャビティ５Ｃに向かって噴き出すように流れる筒内流動である。

合流領域Ｍは、上記のようにして発生するタンブル流Ｔｕとスキッシュ流Ｓｑとが合流する領域である。具体的には合流領域Ｍは、図７で一点鎖線の囲み線で示すように、気筒軸方向Ａに沿った断面視において、スキッシュ生成面５１が延出するキャビティ５Ｃの外周縁５Ｅ部分よりも径方向内側であって、前記斜面部５３の上方部分に隣接する領域である。また、図６に示すように合流領域Ｍは、気筒軸方向Ａの平面視において、外周縁５Ｅ部分よりも径方向内側であって、２つの排気ポート１０Ａ、１０Ｂ間の領域である。この領域は、吸排気２弁構成（４バルブ式）を採用する燃焼室６において、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流Ｓｑとが自ずと合流する領域である。

本実施形態では、点火プラグ１３の着火部１３Ａが、図７に示すように、合流領域Ｍ内であって、スキッシュ生成面５１に沿ったラインをキャビティ５Ｃへ延長した延長線５１ａよりも上側の領域に配置されている例を示している。この領域は、圧縮行程後期において、スキッシュ流Ｓｑがスキッシュ生成面５１からキャビティ５Ｃへの噴き出しが起きる領域であり、且つ、タンブル流Ｔｕが斜面部５３に沿ってせり上がってスキッシュ流Ｓｑと衝突する領域である。このような着火部１３Ａの配置は、好ましい一例ではあるが、図７で点線にて示すように、圧縮行程後期において、延長線５１ａよりも下側（つまりキャビティ５Ｃ内）であって、斜面部５３の上方部分に対して接触しない程度に隣接した位置に、着火部１３Ａを配置しても良い。

［着火部を偏在させる理由について］
続いて、着火部１３Ａを吸気側に偏在した位置に配置させる理由について説明する。先ずは、図９（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、比較例について説明する。比較例では、燃焼室６の径方向Ｂの中心付近に着火部１３ＡＸが配置されている。既述の通り、圧縮行程の後期において燃焼室６には、タンブル流Ｔｕが残存し、しかもスキッシュ流Ｓｑが発生する。このような筒内流動が存在している状態で、着火部１３ＡＸが混合気に強制着火すると、その後の火炎伝播は、前記筒内流動によって流されて、排気側に偏った方向に進展する傾向が出てしまう。

すなわち、キャビティ５Ｃ内に混合気が均質に成層されている場合でも（図５（Ａ）参照）、また、燃焼室６全体に混合気が均質に形成されている場合でも、強制着火によってＳＩ燃焼が生じる火炎伝播ゾーンＲ１１は、燃焼室６の全方位に均等には拡がらず、排気側に偏在するようになる。また、排気側に流される結果として、火炎伝播ゾーンＲ１１自体が狭小となる。このような火炎伝播ゾーンＲ１１を除いた残部が、未燃の混合気によってＣＩ燃焼が生じるエンドガスゾーンＲ１２となる。このエンドガスゾーンＲ１２も、燃焼室６の径方向中心に対して偏心して円環状の領域となる。具体的には、火炎伝播ゾーンＲ１１自体が狭小となる結果としてエンドガスゾーンＲ１２が広くなり、しかも排気側が狭くなるものの吸気側が広範化するように偏ったエンドガスゾーンＲ１２となる。この場合、とりわけ吸気側のエンドガスゾーンＲ１２において自着火による大きな熱量が発生し、ＳＩ燃焼による熱発生量よりもＣＩ燃焼による熱発生量の方が多くなる傾向が出る。このことは、燃焼騒音の悪化や異常燃焼の問題を招来する。

図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施形態における着火部１３Ａの配置において生成される火炎伝播ゾーンＲ１１、エンドガスゾーンＲ１２を示す図である。本実施形態では着火部１３Ａは、燃焼室６内において吸気側に偏在して配置されている。着火部１３Ａが混合気に強制着火すると、タンブル流Ｔｕ及びスキッシュ流Ｓｑが合流した筒内流動によって、火炎伝播は排気側に偏って進展する点は比較例と同じである。しかし、着火部１３Ａが吸気側に偏在しているので、前記偏った進展の結果として形成される火炎伝播ゾーンＲ１１は、燃焼室６の全方位に均等に拡がったものとなる。

しかも、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流Ｓｑとが合流する筒内流動の強い箇所が着火部１３Ａによる強制着火位置となるため、その後の火炎伝播の進展が促進され、ＳＩ燃焼によって燃焼される混合気量が多くなる。すなわち、図９（Ｂ）の比較例のように、燃焼室６の径方向中央部から排気側に押し遣られるように進展する火炎伝播に比べて、本実施形態では図１０（Ｂ）に示すように、燃焼室６の中央領域に広範に火炎伝播ゾーンＲ１１が形成される。その結果、エンドガスゾーンＲ１２は、燃焼室６の径方向中心と概ね同心で、幅の狭い円環状の領域となる。従って、エンドガスゾーンＲ１２においてＣＩ燃焼により発生する熱量は比較的小さく、ＳＩ燃焼による熱発生量の方がＣＩ燃焼による熱発生量よりも多くなる傾向が出る。このことは、燃焼騒音や異常燃焼の抑制に貢献する。

図１１は、本実施形態における、燃焼後期の燃焼室６の状態を示す図である。この状態は、ＴＤＣからピストン５が下降を開始した直後の膨張行程初期の段階である。この段階では、キャビティ５Ｃ内の混合気がＳＩ燃焼により燃焼し、ピストン５の下降に伴ってスキッシュ生成面５１に逆スキッシュ流ＲＳｑが発生する。未燃の混合気は、逆スキッシュ流ＲＳｑによって燃焼室６の径方向外側へ向かい、このことがＣＩ燃焼を促進することに繋がる。従って、ＣＩ燃焼は比較的短時間で終了し、燃焼期間が徒に長引くことはない。

図１２は、比較例及び本実施形態の燃焼室６における熱発生率を示すグラフである。図１２において、符号Ｌで示すラインは、燃焼騒音が顕著になる、及び異常燃焼の発生が顕著となる限界ラインＬである。つまり、熱発生率ｄＱ／ｄθが限界ラインＬを超過すると、燃焼騒音、異常燃焼が許容レベルを越えることになる。

まず、図１２中の熱発生率曲線ｄＱ１は、予混合圧縮着火式エンジンの高負荷高回転時において、上述のＳＩ−ＣＩ燃焼を採用しない場合に生じる過早燃焼を示している。過早燃焼では、急峻に熱発生率（燃焼圧）が上昇し燃焼期間が過度に短期間となる。熱発生率曲線ｄＱ１におけるｄＱ／ｄθのピーク値は、限界ラインＬを大きく越えている。

次に、熱発生率曲線ｄＱ２は、図９に示した比較例に対応するものである。クランク角ＣＡ１において着火部１３ＡＸにて強制着火が実行されて火炎伝播によるＳＩ燃焼が始まり、クランク角ＣＡ２においてＣＩ燃焼が始まっている。上述の通り、筒内流動の影響を受けて火炎伝播は排気側に偏って進展し、火炎伝播ゾーンＲ１１は狭小となるので、当該ＳＩ燃焼によって燃焼する燃料量は少なく、クランク角ＣＡ１〜ＣＡ２の間は緩慢な燃焼となる。その分、クランク角ＣＡ２以降のＣＩ燃焼では、未燃の混合気が一気に燃焼する。このため、熱発生率曲線ｄＱ２では、一応は後期重心型の燃焼特性にはなるものの、ｄＱ／ｄθのピーク値は限界ラインＬを超過してしまう。

これに対し、熱発生率曲線ｄＱ３は、図１０に示した本実施形態に対応するものである。クランク角ＣＡ１において着火部１３Ａにて強制着火が実行されて火炎伝播によるＳＩ燃焼が始まり、クランク角ＣＡ２よりも遅角したクランク角ＣＡ３においてＣＩ燃焼が開始している。上述の通り、吸気側に偏在して配置された着火部１３Ａによって強制着火させることで、火炎伝播ゾーンＲ１１は燃焼室６の全方位に均等に拡がるので、当該ＳＩ燃焼によって燃焼する燃料量は多くなる。このため、熱発生率曲線ｄＱ３においてはＳＩ燃焼の期間が長くなり、その結果急激な熱発生率ｄＱ／ｄθの上昇が生じず、クランク角ＣＡ１〜ＣＡ３の間において限界ラインＬを超過しない。

さらに、ＳＩ燃焼で消費される燃料量が多いので、クランク角ＣＡ３以降のＣＩ燃焼で燃焼する燃料量は多くない。従って、当該ＣＩ燃焼においても、ｄＱ／ｄθのピーク値は限界ラインＬを超過することはない。しかも、逆スキッシュ流ＲＳｑによってＣＩ燃焼が促進されるので、燃焼終点がそれほど遅角化しない。このように、熱発生率曲線ｄＱ３では、後期重心型の燃焼特性になると共に、ｄＱ／ｄθのピーク値が限界ラインＬを超過しないし、燃焼期間も長期化しない。従って、本実施形態によれば、燃焼騒音及び異常燃焼を抑制し、熱効率を良好とすることができる。

［作用効果］
以上説明した本実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジンによれば、次のような作用効果を奏する。シリンダヘッド４に組み付けられる点火プラグ１３は、着火部１３Ａが燃焼室６の吸気側に偏在して配置される。そして、着火制御部１０１は、ＴＤＣよりも前のタイミングで混合気に強制着火するよう、点火プラグ１３を制御する。

燃焼室６の径方向Ｂの中心領域に混合気が形成されたとしても、強制着火で生じる火炎はタンブル流Ｔｕやスキッシュ流Ｓｑ等の筒内流動の影響によって排気側に流され、火炎伝播が排気側に向かう方向に偏る傾向が出る。しかし、本実施形態では、燃焼室６において吸気側に偏った位置が強制着火点となり、吸気側から排気側に向かう筒内流動に乗せて火炎伝播を燃焼室６の径方向Ｂの中心領域へ向かわせることができる。その結果、火炎伝播ゾーンＲ１１が排気側に偏ることが抑制され、専ら燃焼室６の径方向中心領域でＳＩ燃焼が生じる。しかも、ＳＩ燃焼で消費される燃料量も多くなる。その後、燃焼室６の径方向Ｂの周辺領域でＣＩ燃焼が生じるが、未燃の燃料量は比較的少ないので、ＣＩ燃焼による熱発生量が過度となることはない。従って、燃焼騒音の低減及び異常燃焼の抑制を図ることができる。

また、着火部１３Ａは、圧縮行程後期において、キャビティ５Ｃに沿って流れるタンブル流Ｔｕと、スキッシュ生成面５１に沿って流れるスキッシュ流Ｓｑとが合流する合流領域Ｍに配置されている。このため、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流Ｓｑとを利用して、火炎伝播を、混合気が成層化されているキャビティ５Ｃの径方向中央部に指向させることができる。また、膨張行程初期においては、スキッシュ生成面５１に生じる逆スキッシュ流ＲＳｑによって、燃焼室６の径方向外側領域のエンドガスゾーンＲ１２におけるＣＩ燃焼を促進させることができる。

さらに、着火部１３Ａが配置される合流領域Ｍは、気筒軸方向Ａに沿った断面視において、スキッシュ生成面５１の基部５１Ｅとなるキャビティ５Ｃの外周縁５Ｅの径方向内側であって、キャビティ５Ｃの斜面部５３の上方部分に隣接する領域とされる。また、合流領域Ｍは、燃焼室６の気筒軸方向の平面視において、２つの吸気ポート９Ａ、９Ｂの間の領域である。このような合流領域Ｍは、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流Ｓｑとが自ずと合流する領域であるので、着火部１３Ａにおいて発生した火炎を強い筒内流動に乗せて燃焼室６の径方向中心に向かわせるには最適である。

また、インジェクタ１４からの燃料噴射は、キャビティ５Ｃ内に混合気が形成され、且つ、混合気とキャビティ５Ｃの底部５２（壁面）との間に空気層が形成されるように実行される。これにより、キャビティ５Ｃ内に混合気層と該混合気層を取り囲む空気層とが成層化され、冷却損失を低減できる。そして、本実施形態によれば、キャビティ５Ｃ内で燃料分布の成層化が図られた状態において、火炎伝播をキャビティ５Ｃの全方位で均質に発生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、例えば次のような変形実施形態を採ることができる。

（１）上記実施形態では、ピストン５の冠面５０にキャビティ５Ｃが備えられている燃焼室６を例示した。これに代えて、キャビティ５Ｃを備えないピストン５を用いるようにしても良い。

（２）上記実施形態では、タンブル流Ｔｕとスキッシュ流Ｓｑとが合流する合流領域Ｍに着火部１３Ａを配置した例を示したが、少なくともタンブル流Ｔによって火炎を燃焼室６の径方向内側へ向かわせる態様であれば良い。

（３）上記実施形態では、点火プラグ１３として、中心電極１３１と接地電極１３２との間に火花放電を発生させるタイプの点火プラグを例示した。点火プラグ１３は、各種の放電を行う放電電極を備えるものであれば良い。例えば、プラズマ放電を行う放電電極を備えたプラズマジェットプラグを、点火プラグ１３として用いても良い。

（４）上記実施形態では、ピストンの冠面５０のスキッシュ生成面５１と燃焼室天井面６Ｕとが平行な構造を例示した。これら２つの面は必ずしも平行に形成しなくとも良く、スキッシュ生成面５１が、燃焼室天井面６Ｕに対して最大±５度程度傾斜しても良い。この範囲内であれば、スキッシュ流Ｓｑは充分に生成することができる。なお、図５（Ａ）に図示されているように、スキッシュ生成面５１が、燃焼室天井面６Ｕに対して、キャビティ５Ｃ側に向かうほど離間する（２つの面間の距離が若干広がる）構造としてもよい。

（５）上記実施形態では、インジェクタ１４として、ホロコーン噴霧を形成する燃料噴射口を有する外開弁式のインジェクタを例示した。これに代えて、インジェクタ１４のヘッド部１４Ａに複数の燃料噴射口を設けたインジェクタを用いても良い。

１ エンジン本体
２ 気筒（燃焼室壁面）
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
５ ピストン
５Ｃ キャビティ
５Ｅ 外周縁
５０ 冠面（燃焼室壁面）
５１ スキッシュ生成面
５２ 底部
５３ 斜面部
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面（燃焼室壁面）
９、９Ａ、９Ｂ 吸気ポート
１０、１０Ａ、１０Ｂ 排気ポート
１３ 点火プラグ（強制着火源）
１３Ａ 着火部
１４ インジェクタ（燃料噴射弁）
１０１ 着火制御部

Claims (5)

1. 少なくともガソリンを含む燃料を用いる予混合圧縮着火式エンジンであって、
   吸気ポート及び排気ポートを備え、前記吸気ポートからの吸気によってタンブル流が発生し、前記燃料の供給によって生成される混合気を圧縮着火燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室の径方向の中心領域に向けて前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃焼室内に着火部が配置される強制着火源と、
   前記強制着火源による着火タイミングを制御する着火制御部と、を備え、
   前記着火部は、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、前記吸気側に偏在して配置され、
   前記着火制御部は、圧縮上死点よりも前のタイミングで前記混合気に強制着火するよう、前記強制着火源を制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記燃焼室を区画する燃焼室壁面の一部は、ピストンの冠面と、該冠面と対向する燃焼室天井面とによって形成され、前記吸気ポート及び前記排気ポートは、前記燃焼室天井面に開口されており、
   前記冠面は、径方向の中央領域に凹設されたキャビティと、少なくとも前記吸気側における前記キャビティの径方向外側に配置され前記燃焼室天井面と略平行な平面からなるスキッシュ生成面とを含み、
   前記着火部は、圧縮行程後期において、前記キャビティに沿って流れる前記タンブル流と、前記スキッシュ生成面に沿って流れるスキッシュ流とが合流する合流領域に配置されている、予混合圧縮着火式エンジン。
3. 請求項２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記キャビティは、底部と、この底部から当該キャビティの外周縁に向けて立ち上がる斜面部とを含み、前記スキッシュ生成面は前記キャビティの外周縁から前記冠面の径方向外側に向けて延出する平面であって、
   前記合流領域は、気筒軸方向に沿った断面視において、前記スキッシュ生成面が延出する前記外周縁部分の径方向内側であって、前記斜面部の上方部分に隣接する領域である、予混合圧縮着火式エンジン。
4. 請求項２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記燃焼室天井面には、前記吸気ポート及び前記排気ポートが各々２個ずつ開口されており、
   前記スキッシュ生成面は、２つの前記吸気ポートの間から前記冠面の径方向外側に向けて延出する平面であって、
   前記合流領域は、前記燃焼室の気筒軸方向の平面視において、前記キャビティの外周縁の内側であって、２つの前記吸気ポートの間の領域である、予混合圧縮着火式エンジン。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記燃料噴射弁からの燃料噴射は、前記キャビティ内に混合気が形成され、且つ、前記混合気と前記キャビティの壁面との間に空気層が形成されるように実行される、予混合圧縮着火式エンジン。
   

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