JP2020118039A - 圧縮着火エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】上下２段構造のキャビティ及びスキッシュエリアを有するピストン冠面で一部が区画される燃焼室において、酸素を使い切った燃焼を実現させる。【解決手段】キャビティ５Ｃは、下段キャビティ５１、上段キャビティ５２、第１リップ５３、第２リップ５４を含む。シリンダ軸方向に沿った断面において、上段キャビティ５２は、第１仮想円Ｑ１の円周に沿ったガイド曲面５２５を有し、第１リップ５３は、第２仮想円Ｑ２の円周に沿った曲面を有する。第１仮想円Ｑ２及び第２仮想円Ｑ２の共通接線Ｇの、シリンダ軸Ａ０に対してなす角度Ｘが、７５°＜Ｘ＜８０°の範囲内に設定される。ガイド曲面５２５は、第１仮想円Ｑ１の円周に占める当該ガイド曲面５２５の角度Ｙが、８０°＜Ｙ＜（１８０°−Ｘ）の範囲内に設定された曲面である。【選択図】図９

Description

本発明は、キャビティを備えるピストンによって燃焼室の一部が形成される圧縮着火エンジンに関する。

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。直噴式の圧縮着火エンジンでは、燃焼室天井面の径方向中央部に配置された燃料噴射弁から燃焼室に燃料が供給される。前記冠面にキャビティと、該キャビティを取り囲むスキッシュエリアとを配置し、前記キャビティに向けて燃料噴射弁から燃料を噴射させるエンジンが知られている。また、前記キャビティが上段キャビティと下段キャビティとの２段構造とされ、両キャビティの中間に位置するリップに、圧縮上死点において燃料を噴射させるエンジンも知られている（特許文献１）。

特開２０１０−１０１２４３号公報

燃焼室での燃焼の理想的な態様は、当該燃焼室内に存在する酸素を使い切った燃焼を行わせることである。上下２段構造のキャビティを有するピストン冠面で燃焼室の底面が区画されるエンジンでは、上段キャビティ及び下段キャビティの双方に燃料噴霧を分配させ、これらキャビティ内の酸素を有効活用することが肝要となる。さらに、キャビティ及びスキッシュエリアの上方空間に存在する酸素もまた、有効活用することが望ましい。

しかし、従来の燃焼室（ピストンの冠面）の構造では、キャビティに向けて噴射された燃料噴霧が、上段キャビティに滞留することがあった。この場合、上段キャビティ及びスキッシュエリアの上方空間へ燃料噴霧が十分に行き渡らず、前記上方空間の酸素を十分に活用した燃焼が実現できないという問題があった。

本発明は、上下２段構造のキャビティ及びスキッシュエリアを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンにおいて、燃焼室内に存在する酸素を使い切った燃焼を実現させることが可能な圧縮着火エンジンを提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る圧縮着火エンジンは、シリンダ、ピストンの冠面及び天井面により形成される燃焼室と、前記天井面の径方向中心部に配置され、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を含む圧縮着火エンジンであって、前記ピストンの冠面には、上面視で環状の形状を備え、前記冠面からシリンダ軸方向の下方に凹没した上段キャビティと、前記上段キャビティの径方向内側に配置され、前記冠面からシリンダ軸方向の下方に凹没した下段キャビティと、前記上段キャビティと前記下段キャビティとを繋ぐ第１リップと、前記上段キャビティの径方向外側に配置されたスキッシュエリアと、が形成され、シリンダ軸方向に沿った断面において、前記上段キャビティは、第１仮想円の円周に沿った曲面であって、径方向外側に膨らみつつシリンダ軸方向の上方に延びるように湾曲した第１曲面を有し、前記第１リップは、第２仮想円の円周に沿った第２曲面を有し、前記第１仮想円及び前記第２仮想円の共通接線のうち、両仮想円の中心点間に挟まれ且つ前記第２仮想円への接点が前記第１仮想円への接点よりも径方向内側に位置する共通接線の、シリンダ軸に対してなす角度Ｘが、７５°＜Ｘ＜８０°の範囲内に設定され、前記第１曲面は、前記第１仮想円の円周に占める前記第１曲面の角度Ｙが、８０°＜Ｙ＜（１８０°−Ｘ）の範囲内に設定された曲面であることを特徴とする。

この圧縮着火エンジンによれば、前記共通接線の角度Ｘが７５°＜Ｘ＜８０°の範囲内に設定されるので、前記リップから前記第１曲面に連なる領域を、一般的な燃料噴射弁の噴孔軸の傾き（コーン角）に沿った形状とすることができる。このため、前記燃料噴射弁からの燃料噴霧を前記上段キャビティに導入させ易くすることができる。そして、前記第１仮想円の円周に占める前記第１曲面の角度Ｙを８０°よりも大きくすることで、前記上段キャビティに導入された燃料噴霧を当該第１曲面でガイドさせ、前記上段キャビティの上方空間に導くことができる。また、角度Ｙを（１８０°−Ｘ）よりも小さくすることで、前記燃料噴霧を過剰に前記上段キャビティの上方空間に導かず、スキッシュエリアの上方空間にも適度に前記燃料噴霧を導くことができる。従って、前記上段キャビティの上方空間及びスキッシュエリアの上方空間の双方に存在する酸素を有効活用した燃焼を実現させることができる。

上記の圧縮着火エンジンにおいて、前記上段キャビティは、前記第１リップとの接続部から前記第１曲面の始点まで延び、径方向外側に向けて下降する傾斜平面を備えることが望ましい。

この圧縮着火エンジンによれば、前記上段キャビティに向けて噴射された燃料噴霧を、前記傾斜平面に沿って前記上段キャビティの深部までガイドさせ、次いで、前記第１曲面に沿ってシリンダ軸方向の上方に旋回するようにガイドさせ、その後に当該燃料噴霧を前記上段キャビティ及びスキッシュエリアの上方空間に向かわせる流動を形成することができる。

この場合、前記傾斜平面は、前記燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の指向方向である噴孔軸に沿う傾きを持つ平面からなることが望ましい。このような傾斜平面とすれば、燃料噴霧の流動に対する干渉が最も小さくなり、燃料噴霧をスムースに流動させることができる。

上記の圧縮着火エンジンにおいて、前記ピストンの冠面には、さらに前記第１曲面と前記スキッシュエリアとを繋ぐ第２リップが形成され、前記第２リップは、第３仮想円の円周に沿った第３曲面を有し、前記第１仮想円の半径をＲ１、前記第３仮想円の半径をＲ２とし、前記第１仮想円の中心点と前記第２仮想円の中心点との間の径方向の距離をＳｈとするとき、
Ｒ１＋Ｒ２＝Ｓｈ（但し、Ｒ２＝０を含む）
の関係を満たすことが望ましい。

この圧縮着火エンジンによれば、前記第２リップが、前記第１曲面に対して径方向内側へ突出したり、或いは、前記第１曲面がシリンダ軸方向の上方に十分立ち上がらない態様の曲面とされたりすることはない。従って、燃料噴霧を、前記上段キャビティ及びスキッシュエリアの双方の上方空間に、偏りなく分配させ易くなる。

上記の圧縮着火エンジンにおいて、前記ピストンの半径をａ、前記スキッシュエリアの径方向幅をｂとするとき、ａ／ｂが８〜４の範囲内に設定されていることが望ましい。

この圧縮着火エンジンによれば、ａ／ｂが８〜４の範囲内であるので、ピストンの冠面においてスキッシュエリアが占める領域は、比較的狭い領域となる。このような狭いスキッシュエリアを有する燃焼室において、前記第１曲面の角度Ｙを８０°＜Ｙ＜（１８０°−Ｘ）の範囲内に設定することで、当該スキッシュエリアの上方空間へ適度に燃料噴霧を導くことができる。従って、スキッシュエリアの上方空間の酸素を有効活用すると共に、シリンダライナへの燃料噴霧の付着を防止することができる。

上記の圧縮着火エンジンにおいて、前記燃料噴射弁の燃料噴射動作を制御する燃料噴射制御部をさらに備え、前記燃料噴射制御部は、前記ピストンが下降中であって、前記仮想円が前記天井面と接するタイミングで前記上段キャビティに燃料噴霧が流入するように、燃料噴射時期を設定することが望ましい。

前記上段キャビティに流入した燃料噴霧は、第１仮想円に沿った第１曲面でガイドされ、前記上段キャビティから上方へ飛び出す。上記の通りに燃料噴射時期を設定すれば、ピストンの下降によって徐々に広くなる前記上段キャビティ及びスキッシュエリアの上方空間の酸素を活用した燃焼を実現させることができる。また、上段キャビティから上方へ飛び出した燃料噴霧のうち、径方向内側へ向かう燃料噴霧は、前記第１仮想円に沿った流動経路を進む傾向がある。従って、上記の通りに燃料噴射時期を設定することで、前記燃料噴霧が燃焼室の天井面に衝突することが回避できる。つまり、前記衝突が生じると燃料噴霧の流動が弱まって当該燃料噴霧の上方空間への拡散が不十分となりがちとなるが、そのような不都合を防止することができる。

上記の圧縮着火エンジンにおいて、前記燃料噴射弁の燃料噴射動作を制御する燃料噴射制御部をさらに備え、前記燃料噴射制御部は、前記燃料噴射弁に、圧縮上死点よりも進角側で燃料を噴射させる前段噴射と、この前段噴射よりも遅角側で燃料を噴射させる主噴射とを実行させるものであり、前記燃料噴射制御部は、前記前段噴射の燃料噴霧と、前記主噴射の少なくとも後半の燃料噴霧とが前記上段キャビティに流入することが望ましい。

この圧縮着火エンジンによれば、前段噴射及び主噴射の各々に起因する燃焼において、燃焼室内の酸素を有効活用した燃焼を行わせることができる。

本発明によれば、上下２段構造のキャビティ及びスキッシュエリアを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンにおいて、燃焼室内に存在する酸素を使い切った燃焼を実現させることが可能な圧縮着火エンジンを提供することができる。

図１は、本発明に係る圧縮着火エンジンの一実施形態に係るディーゼルエンジンの、シリンダ軸方向の概略断面図である。 図２（Ａ）は、図１に示されたディーゼルエンジンのピストンの、冠面部分の斜視図、図２（Ｂ）は、前記ピストンの断面付きの斜視図である。 図３は、図２（Ｂ）に示すピストン断面の拡大図である。 図４は、上段、下段キャビティ及びリップの曲面形状を説明するための図である。 図５は、中低負荷時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６は、高負荷時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は、プレ噴射が実行される場合の、キャビティにおける燃料噴霧の流動状態を示す、ピストンの断面図である。 図８は、ピストンの下降時に噴射が行われる場合の、キャビティにおける燃料噴霧の流動状態を示す、ピストンの断面図である。 図９は、上段キャビティの曲面形状を説明するための模式図である。 図１０は、上段キャビティの曲面が仮想円に占める角度Ｙについての説明図である。 図１１は、スキッシュエリア及び上段キャビティの上方空間への燃料噴霧の分配状況と角度Ｙとの関係を示すグラフである。 図１２は、望ましい上段キャビティの曲面形状を説明するための模式図である。 図１３は、望ましい燃料噴射時期を説明するための模式図である。 図１４（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の実施形態に係る上段キャビティで底面が区画された燃焼室における、燃料噴霧の流動状況を示す図である。 図１５（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の実施形態に係る上段キャビティで底面が区画された燃焼室における、燃料噴霧の流動状況を示す図である。 図１６（Ａ）〜（Ｄ）は、比較例１に係る上段キャビティで底面が区画された燃焼室における、燃料噴霧の流動状況を示す図である。 図１７（Ａ）〜（Ｄ）は、比較例２に係る上段キャビティで底面が区画された燃焼室における、燃料噴霧の流動状況を示す図である。 図１８は、変形例に係る上段キャビティの形状を示す模式図である。

［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圧縮着火エンジンについて詳細に説明する。図１は、本発明の圧縮着火エンジンの一実施形態に係る直噴式のディーゼルエンジンエンジンを示す概略断面図である。本実施形態に係るディーゼルエンジンは、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な形状を有している。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４Ａと、排気ポート１０の上流端である排気側開口部４Ｂ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４Ａを開閉する吸気バルブ１１と、排気側開口部４Ｂ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４Ａ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４Ｂ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（天井面）、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４Ａを開閉し、排気バルブ１２の弁体が排気側開口部４Ｂ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に直接噴射する。本実施形態では、インジェクタ１８は、燃焼室６の径方向Ｂの中心部においてシリンダ軸方向Ａに沿うようにシリンダヘッド４に配置され、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４）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（Ａ）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（Ａ）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２（Ｂ）は、ピストン５の径方向断面付きの斜視図である。図３は、図２（Ｂ）に示す径方向断面の拡大図である。なお、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）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、スキッシュエリア５５及び側周面５７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。スキッシュエリア５５は、キャビティ５Ｃの径方向Ｂの外側であって、冠面５０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、スキッシュエリア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５７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、下段キャビティ５１、上段キャビティ５２、第１リップ５３、第２リップ５４及び山部５６を含む。下段キャビティ５１は、冠面５０の径方向Ｂの中心領域に配置され、冠面５０からシリンダ軸方向Ａの下方に凹没している。上段キャビティ５２は、上面視で環状の形状を備え、冠面５０からシリンダ軸方向Ａの下方に凹没している。下段キャビティ５１は、上段キャビティ５２の径方向Ｂの内側に配置されている。第１リップ５３は、下段キャビティ５１と上段キャビティ５２とを径方向Ｂに繋ぐ部分である。第２リップ５４は、上段キャビティ５２とスキッシュエリア５５とを径方向Ｂに繋ぐ部分である。山部５６は、冠面５０（下段キャビティ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５６は、インジェクタ１８のノズルヘッド１８１の直下の位置に凸設されている（図７）。

下段キャビティ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、下段キャビティ５１において最も高い位置にあり、第１リップ５３に連なっている。第１底部５１２は、下段キャビティ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は最深部である。上面視において、第１底部５１２は、第１リップ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、第１リップ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、下段キャビティ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。

上段キャビティ５２は、第２内側端部５２１、第２底部５２２、第２上端部５２３、傾斜平面５２４及びガイド曲面５２５（第１曲面）を含む。第２内側端部５２１は、上段キャビティ５２において最も径方向内側の位置にあり、第１リップ５３に連なっている。第２底部５２２は、上段キャビティ５２において最も凹没した領域である。但し、シリンダ軸方向Ａにおいて、第２底部５２２の凹没深さは第１底部５１２よりも浅い。つまり、上段キャビティ５２は、下段キャビティ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、ガイド曲面５２５の上端であって、第２リップ５４を介してスキッシュエリア５５に連なっている。

傾斜平面５２４は、第１リップ５３との接続部である第２内側端部５２１から第２底部５２２に向けてガイド曲面５２５の始点まで延び、径方向外側に向けて下降する平面である。図３に示されているように、傾斜平面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。傾斜ラインＬ２は、インジェクタ１８の噴孔１８２から噴射される燃料の指向方向である噴孔軸ＡＸ（図７）に沿う傾きを持つ平面からなる。傾斜ラインＬ２と噴孔軸ＡＸとは必ずしも一致させる必要は無いが、噴孔軸ＡＸに沿う傾きを持つ傾斜平面５２４とすれば、上段キャビティ５２に流入する燃料噴霧の流動に対する干渉が最も小さくなり、燃料噴霧をスムースに流動させることができる利点がある。

ガイド曲面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。シリンダ軸方向Ａに沿った断面において、ガイド曲面５２５は、径方向Ｂの外側に膨らみつつシリンダ軸方向Ａの上方に延びるように湾曲した曲面である。後記で詳述するが、ガイド曲面５２５は、所定の半径を有する仮想円の円周に沿った曲面である。

第１リップ５３は、シリンダ軸方向Ａに沿った断面において、下側に位置する下段キャビティ５１と上側に位置する上段キャビティ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。第１リップ５３もまた、所定の半径を有する仮想円の円周に沿った曲面である。第１リップ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、下段キャビティ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、上段キャビティ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は第１リップ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。上述の傾斜平面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、本実施形態の上段キャビティ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からスキッシュエリア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。

第２リップ５４は、上段キャビティ５２の第２上端部５２３とスキッシュエリア５５の内周縁５５１とを径方向Ｂに繋いでいる。第２リップ５４は、シリンダ軸方向Ａに沿った断面において、上向きに湾曲したガイド曲面５２５と水平なスキッシュエリア５５との間で、径方向Ｂの内側に向けて凸の曲面形状を有している。第２リップ５４も、所定の半径を有する仮想円の円周に沿った曲面である。

山部５６は、上方に向けて突出しているが、その突出高さは第１リップ５３の第３上端部５３２の高さと同一であり、スキッシュエリア５５よりは窪んだ位置にある。山部５６は、上面視で円形の下段キャビティ５１の中心に位置しており、これにより下段キャビティ５１は山部５６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４は、下段キャビティ５１、上段キャビティ５２、第１リップ５３及び第２リップ５４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。下段キャビティ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、下段キャビティ５１は、インジェクタ１８の噴孔１８２から最も遠い円弧状の第１部分Ｃ１と、第１部分Ｃ１と第１リップ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。上掲の図３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４では、噴孔１８２から噴射される燃料の噴孔軸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。下段キャビティ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４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）。第１リップ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。

第１リップ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（第２曲面）からなる凸面形状を有している。上段キャビティ５２は、第２底部５２２からガイド曲面５２５にかけて、所定の半径ｒ５（第１仮想円の半径Ｒ１）を有する曲面（第１曲面）からなる凹面形状を有している。第２リップ５４は、所定の半径ｒ６（第３仮想円の半径Ｒ２）を有する曲面（第３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（但し、ｒ６＝０を含む）
の関係を満たすように、半径ｒ４、ｒ５、ｒ６の数値が選ばれる。

とりわけ、ｒ５＋ｒ６＝Ｓｈ（但し、ｒ６＝０を含む）の関係を満たすことが望ましい。この関係を満たすと、シリンダ軸方向Ａに沿った断面において、Ｓｈの線分と、スキッシュエリア５５とが平行になる。この場合、第２リップ５４が、ガイド曲面５２５に対して径方向内側へ突出したり、或いは、ガイド曲面５２５がシリンダ軸方向Ａの上方に十分立ち上がらない態様の曲面とされたりすることはない。これにより、燃料噴霧を、上段キャビティ５２及びスキッシュエリア５５の双方の上方空間に、偏りなく分配させ易くなる。

上段キャビティ５２において、第２底部５２２からガイド曲面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、ガイド曲面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、スキッシュエリア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、ガイド曲面５２５の上端位置Ｃ４に対してガイド曲面５２５の下方部分は、径方向Ｂの内側に位置している。つまり、ガイド曲面５２５には、下段キャビティ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、ガイド曲面５２５がこのような円弧形状とされるのは、下段キャビティ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、ガイド曲面５２５よりも径方向Ｂの外側に配置されているスキッシュエリア５５上の空間（スキッシュ上方空間ＳＰ２）も有効に活用した燃焼を行わせるためである。

スキッシュエリア５５は、シリンダ軸Ａ０と直交する方向（径方向Ｂ）に延びる平面である。本実施形態では、ピストン５の冠面５０においてスキッシュエリア５５が占める領域は、比較的狭い領域とされている。具体的には、図４に示す通りピストン５の半径をａ、スキッシュエリア５５の径方向幅をｂとするとき、ａ／ｂが８〜４の範囲内に設定されている。この範囲にａ／ｂが設定されていても、後述するガイド曲面５２５の作用によって、スキッシュエリア５５の上方空間の酸素を有効活用すると共に、シリンダライナへの燃料噴霧の付着を防止することができる。

［燃料噴射パターンについて］
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。燃料噴射制御部１８Ａは、エンジン負荷やエンジン回転数等に応じて予め設定されたマップに基づいて、燃料噴射パターンを変更する。

図５は、エンジン負荷が低負荷〜中負荷の運転領域において、燃料噴射制御部１８Ａがインジェクタ１８に実行させる燃料噴射パターンと、当該噴射に基づく燃焼を実行させた場合の熱発生率特性Ｈ１とを示すタイムチャートである。低負荷〜中負荷の運転領域においては、燃料噴射制御部１８Ａは、１サイクル当たり、プレ噴射Ｐ１（前段噴射）、メイン噴射Ｐ２（主噴射）及び中段噴射Ｐ３をインジェクタ１８に実行させる。

プレ噴射Ｐ１は、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側に位置する時期に実行される燃料噴射である。プレ噴射Ｐ１は、噴射した燃料を予混合燃焼させることを企図したものであり、筒内圧及び筒内温度がある程度高くなる圧縮行程後期に実行される。メイン噴射Ｐ２は、プレ噴射Ｐ１よりも遅角側であって、当該プレ噴射Ｐ１で噴射された燃料が予混合燃焼している期間中に開始される。つまり、メイン噴射Ｐ２は、予混合燃焼の熱を利用して噴射した燃料を拡散燃焼させることを企図したものであり、概ねピストン５がＴＤＣ付近に位置するタイミングに開始される燃料噴射である。中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２との間の時期に実行される噴射である。中段噴射Ｐ３で噴射された燃料は、プレ噴射Ｐ１の燃焼とメイン噴射Ｐ２の燃焼との間に燃焼させることが企図されている。中段噴射Ｐ３も、概ね拡散燃焼となる。

図５では、クランク角−ＣＡ１６ｄｅｇから−ＣＡ１２ｄｅｇの期間にプレ噴射Ｐ１が実行される例を示している。中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２に比較して、少量の燃料噴射である。図５では、クランク角−ＣＡ６ｄｅｇから中段噴射Ｐ３が開始される例を示している。メイン噴射Ｐ２の噴射期間は、エンジン負荷によって変動する。すなわち、メイン噴射Ｐ２の噴射開始時期はＴＤＣ付近であるが、噴射終了時期はエンジン負荷が高くなるほど遅角する。低負荷〜中負荷の運転領域において、エンジン負荷が比較的低い場合には、図５の実線の通り、メイン噴射Ｐ２の噴射期間はＴＤＣ〜クランク角ＣＡ３ｄｅｇ程度の期間となる。一方、エンジン負荷が比較的高い場合には、図５で点線にて示すメイン噴射Ｐ２Ｅの通り、ＴＤＣ〜クランク角ＣＡ１０ｄｅｇを超過する期間がメイン噴射の噴射期間となる。この場合、プレ噴射Ｐ１の燃料噴霧と、メイン噴射Ｐ２Ｅの後半の燃料噴霧とが上段キャビティ５２に流入することになる。

図５に示された熱発生率特性Ｈ１は、プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３の各燃焼によって生じる熱発生率特性である。熱発生率特性Ｈは、プレ噴射Ｐ１に伴う予混合燃焼によって生じる前段山部と、メイン噴射Ｐ２に伴う拡散燃焼によって生じる後段山部と、両山部の間の谷部分とを有する。すなわち、熱発生率特性Ｈ１には、時間的に分離して実行される比較的噴射量の多いプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の各燃焼に起因して、二段階で熱発生率のピークが発生する。中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の各燃焼に起因する熱発生率のピークを抑制するための噴射である。中段噴射Ｐ３は、このピーク抑制によって、燃焼騒音の低減に貢献する。なお、噴射終了時期が遅角するメイン噴射Ｐ２Ｅが採用される場合には、上記後段山部がより長い期間発生する。

次に、図６は、エンジン負荷が高回転高負荷の運転領域において、燃料噴射制御部１８Ａがインジェクタ１８に実行させる燃料噴射パターンと、当該噴射に基づく燃焼を実行させた場合の熱発生率特性Ｈ２とを示すタイムチャートである。高回転高負荷の運転領域においては、燃料噴射制御部１８Ａは、１サイクル当たり、長い噴射期間の単発噴射Ｐ４をインジェクタ１８に実行させる。

単発噴射Ｐ４は、クランク角−ＣＡ８ｄｅｇ付近で開始され、ＴＤＣを跨いでＣＡ２７ｄｅｇ付近まで継続する噴射期間を有している。高負荷のトルク要求を満たす燃料噴射量を確保するため、燃料噴射期間は自ずと長くなる。すなわち、膨張行程においてピストン５が相当下降する期間まで、燃料が噴射されることになる。単発噴射Ｐ４の燃焼によって生じる熱発生率特性Ｈ２は、図６に示す通り、単発ピークが比較的長い期間継続する特性となる。

［燃料噴霧の流動について］
続いて、上記の燃料噴射が行われた場合の、燃焼室６内における燃料噴霧の流動状態について説明する。図７は、燃焼室６の簡略的な断面図であって、プレ噴射Ｐ１が実行された場合の、インジェクタ１８からキャビティ５Ｃへの燃料噴射状況、及び噴射後の混合気の流れを示す図である。図７には、インジェクタ１８から噴射される燃料噴霧Ｅの噴孔軸ＡＸと、噴射後の混合気の流れを模式的に表す矢印Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ１３、Ｆ２１、Ｆ２２、Ｆ２３とが示されている。プレ噴射Ｐ１は、第１リップ５３を指向して実行される。つまり、燃料噴射制御部１８Ａは、圧縮行程において上昇するピストン５の第１リップ５３と噴孔軸ＡＸとが交差し、燃料噴霧Ｅが第１リップ５３に吹き当たるタイミングで、プレ噴射Ｐ１をインジェクタ１８に実行させる。

図７では、インジェクタ１８のノズルヘッド１８１が燃焼室天井面６Ｕの中央に配置され、ノズルヘッド１８１が備える複数の噴孔のうちの１つ噴孔１８２から燃料が噴射される様子が示されている。噴孔１８２から燃料は、図中の噴孔軸ＡＸに沿って噴霧される。噴霧された燃料は、噴霧角θをもって拡散する。図７には、噴孔軸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。つまり、噴孔軸ＡＸに沿って噴霧される燃料噴霧Ｅは、噴霧角θで円錐状に拡散しながら、第１リップ５３に向かう。この燃料噴霧Ｅは、燃焼室６の空気と混合されて混合気を形成しつつ、第１リップ５３に吹き当たる。

第１リップ５３に衝突した燃料噴霧Ｅは、その後、下段キャビティ５１の方向（下方向）へ向かうもの（矢印Ｆ１１）と、上段キャビティ５２の方向（上方向）へ向かうもの（矢印Ｆ２１）とに空間的に分配される。すなわち、第１リップ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、その後は各々下段、上段キャビティ５１、５２に存在する空気と混合して混合気を形成しながら、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、第１リップ５３の下端部５３１から下段キャビティ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を有する下段キャビティ５１の底面形状に倣って流動する。この際、混合気は、下段キャビティ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、下段キャビティ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ゆく。

一方、矢印Ｆ２１の方向（上方向）に向かう混合気は、第１リップ５３の第３上端部５３２から上段キャビティ５２の傾斜平面５２４に入り込み、傾斜平面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、傾斜平面５２４は噴孔軸ＡＸに沿う傾きを持つ面とされている。このため、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、傾斜平面５２４の存在、並びに、第１リップ５３の第３上端部５３２の下方に位置する第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からガイド曲面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、前記混合気は上段キャビティ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ガイド曲面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、ガイド曲面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、ガイド曲面５２５は、その下方部分が、上端位置に対して径方向Ｂの内側に位置する形状を備えている。換言すると、第２リップ５４がガイド曲面５２５に対して径方向Ｂの内側に突出していない形状を備える。このため、矢印Ｆ２２で示す流動は過度に強くならず、矢印Ｆ２３にて示す径方向Ｂの外側へ向かう流動も発生する。従って、ガイド曲面５２５よりも径方向外側の空間（スキッシュエリア５５上の空間）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。

次に、図８は、比較的噴射期間が長いメイン噴射Ｐ２Ｅ（図５）、若しくは単発噴射Ｐ４（図６）が実行された場合に生じ得る、インジェクタ１８からキャビティ５Ｃへの燃料噴射状況、及び噴射後の混合気の流れを示す図である。メイン噴射Ｐ２Ｅ及び単発噴射Ｐ４の後期では、ピストン５が相当下降した状態となる。従って、燃料噴霧Ｅの噴孔軸ＡＸは、第１リップ５３の上端付近乃至は上段キャビティ５２の第２底部５２２を指向するようになる。

このため、燃料噴霧Ｅは、混合気を形成しながら、矢印Ｆ３１で示すように専ら第１リップ５３から上段キャビティ５２の方向へ向かう。以降は上記と同様に、混合気は、上段キャビティ５２の傾斜平面５２４に入り込み、傾斜平面５２４の傾きに沿って斜め下方に向かう。そして、前記混合気は矢印Ｆ３２で示すように、第２底部５２２からガイド曲面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。しかる後、前記混合気は、矢印Ｆ３２にて示す径方向Ｂの内側へ向かう流動と、矢印Ｆ３３にて示す径方向Ｂの外側へ向かう流動とに分離する。

矢印Ｆ３２方向の混合気は、上段キャビティ５２の上方に位置するキャビティ上方空間ＳＰ１に流入する。また、矢印Ｆ３３方向の混合気は、スキッシュエリア５５の上方に位置するスキッシュ上方空間ＳＰ２に流入する。下段キャビティ５１内の酸素は、プレ噴射Ｐ１による燃焼、若しくは単発噴射Ｐ４の前半部分による燃焼によってほぼ使い切っている。一方、キャビティ上方空間ＳＰ１及びスキッシュ上方空間ＳＰ２には、酸素が残存している状態である。このため、メイン噴射Ｐ２Ｅ又は単発噴射Ｐ４の後半部分による燃焼では、これら上方空間ＳＰ１、ＳＰ２に残存する酸素を有効活用することが望ましい。

そのためには、キャビティ上方空間ＳＰ１とスキッシュ上方空間ＳＰ２とに、混合気（燃料噴霧Ｅ）を適度に配分することが肝要となる。本実施形態では、大きな偏りなくキャビティ上方空間ＳＰ１及びスキッシュ上方空間ＳＰ２に混合気を導くことができるように、上段キャビティ５２、第１リップ５３及び第２リップ５４に形状的な工夫が施されている。以下、この点について詳述する。

［キャビティの形状的な特徴］
図９は、上段キャビティ５２、第１リップ５３及び第２リップ５４の曲面形状を説明するための、シリンダ軸Ａ０に沿ったピストン５の断面の模式図である。シリンダ軸Ａ０に沿った断面において、上段キャビティ５２のガイド曲面５２５（第１曲面）は、先に図４に示した通り、所定長の半径ｒ５を有する第１仮想円Ｑ１の円周に沿った曲面である。つまり、ガイド曲面５２５は、第１仮想円Ｑ１の円周の一部に一致する曲面形状を有している。また、シリンダ軸Ａ０に沿った断面において、第１リップ５３（第２曲面）は、半径ｒ５よりも短い半径ｒ４の第２仮想円Ｑ２の円周に沿った曲面形状を、第２リップ５４（第３曲面）は、半径ｒ４よりもさらに短い半径ｒ６の第３仮想円Ｑ３の円周に沿った曲面形状を各々有している。つまり、第１、第２リップ５３、５４は、それぞれ、第２、第３仮想円Ｑ２、Ｑ３の円周の一部に一致する曲面形状を有している。

ここで、互いに離間する第１仮想円Ｑ１及び第２仮想円Ｑ２の４つの共通接線のうち、第１仮想円Ｑ１の中心点Ｑ１Ｃと第２仮想円Ｑ２の中心点Ｑ２Ｃとの間に挟まれ、且つ、第２仮想円Ｑ２への接点ｊ２が第１仮想円Ｑ１への接点ｊ１よりも径方向内側に位置する関係にある共通接線Ｇに着目する。上述の通り、上段キャビティ５２は第１リップ５３よりも径方向Ｂの外側に位置し、第２底部５２２は第１リップ５３よりも下方に窪んだ位置に存在している。このため、第１仮想円Ｑ１が第２仮想円Ｑ２よりも径方向Ｂの外側に位置し、第２仮想円Ｑ２の最上部は、第１仮想円Ｑ１の最下部よりも上方に位置している。従って、共通接線Ｇは、シリンダ軸Ａ０と交差し、径方向Ｂの外側に向けて下降する接線となる。

本実施形態では、共通接線Ｇのシリンダ軸Ａ０に対してなす角度Ｘが、７５°＜Ｘ＜８０°の範囲内に設定される。この角度Ｘは、インジェクタ１８の噴孔軸ＡＸ（図７）のシリンダ軸Ａ０に対してなす角度（コーン角）と略一致している。傾斜平面５２４は、接点ｊ１と接点ｊ２との間において延びる平面であって、共通接線Ｇに沿う平面である。角度Ｘを上記の範囲に設定することで、傾斜平面５２４を噴孔軸ＡＸに沿う傾きを持つ平面とすることができる。従って、燃料噴霧をスムースに上段キャビティ５２へ流入させることができる。

＜第１曲面について＞
ガイド曲面５２５（第１曲面）の径方向内側端部である始点は、傾斜平面５２４の下端への連設点である。この始点は、傾斜平面５２４の直線的な下降ラインが、第１仮想円Ｑ１に沿う曲面に変わる変曲点である。当該始点は、接点ｊ１の位置に略等しい。一方、ガイド曲面５２５の径方向外側端部である終点は、第２リップ５４への接続点ｊ３である。この接続点ｊ３も、湾曲方向が変わる変曲点である。ここで、第１仮想円Ｑ１の中心点Ｑ１Ｃと前記始点及び前記終点と各々結ぶ線同士がなす角度Ｙを、第１仮想円Ｑ１の円周に占めるガイド曲面５２５の角度Ｙと定義する。本実施形態では、この角度Ｙが、
８０°＜Ｙ＜（１８０°−Ｘ）
の範囲内に設定される。

ガイド曲面５２５の角度Ｙを８０°よりも大きくすることで、上段キャビティ５２に導入された燃料噴霧を当該ガイド曲面５２５でガイドさせ、上段キャビティ５２のキャビティ上方空間ＳＰ１（図８）に導くことができる。また、角度Ｙを（１８０°−Ｘ）よりも小さくすることで、燃料噴霧を過剰にキャビティ上方空間ＳＰ１に導かず、スキッシュ上方空間ＳＰ２にも適度に燃料噴霧を導くことができる。従って、キャビティ上方空間ＳＰ１及びスキッシュ上方空間ＳＰ２の双方に存在する酸素を有効活用した燃焼を実現させることができる。

上式の通りに角度Ｙを設定することの根拠を、図１０及び図１１に基づいて説明する。図１０は、上段キャビティ５２の傾斜平面５２４が傾きの無い水平面であると仮定し、ガイド曲面５２５が第１仮想円Ｑ１に占める角度を、角度Ｙ１〜Ｙ４まで振った状態を示す図である。Ｙ１＝９０°、Ｙ２＝７５°、Ｙ３＝６０°、Ｙ４＝４５°である。第１仮想円Ｑ１に占める角度が小さいほど、スキッシュエリア５５の高さ位置は低くなる。図１０では、ガイド曲面５２５が角度Ｙ１〜Ｙ４で設定された場合のスキッシュエリア５５の高さ位置を、５５（Ｙ１）〜５５（Ｙ４）にて各々示している。

本実施形態では、上段キャビティ５２の径方向長さである上段キャビティ長５２Ｌと、スキッシュエリア５５の径方向長さであるスキッシュ長５５Ｌとは、同一長である。なお、ここで言う「同一長」は、両者の長さが完全に同一であるほか、実質的に同一であることを包含する。例えば、両者の長さに１０％〜１５％程度の差異が存在していても、「同一長」の範囲である。

図１１は、ガイド曲面５２５の角度を図１０に示すＹ１〜Ｙ４のように変更した場合の、上段キャビティ５２上のキャビティ上方空間ＳＰ１と、スキッシュエリア５５上のスキッシュ上方空間ＳＰ２とへの、燃料噴霧の分配状況の解析結果を示すグラフである。当該グラフの横軸は角度Ｙ、縦軸は、上段キャビティ５２のガイド曲面５２５にてシリンダ軸方向Ａの上方にガイドされた燃料噴霧が、２つの上方空間ＳＰ１、ＳＰ２の各々にどれだけ流入したかを示す分配率である。曲線Ｄ１は、キャビティ上方空間ＳＰ１への分配率、曲線Ｄ２は、スキッシュ上方空間ＳＰ２への分配率を各々示している。なお、図１１には、図１０で例示していない角度Ｙ＝８０°、１０５°のプロットも示されている。

図１１に示された曲線Ｄ１の通り、角度Ｙが大きくなるほど、キャビティ上方空間ＳＰ１へ流入する燃料噴霧の割合が高くなる。一方、曲線Ｄ２の通り、角度Ｙが大きくなるほど、スキッシュ上方空間ＳＰ２へ流入する燃料噴霧の割合が小さくなる。これは、角度Ｙが大きいほど、ガイド曲面５２５のシリンダ軸方向Ａへの立ち上がり度合が顕著となり（例えば図１０の５５（Ｙ１）を参照）、燃料噴霧がガイド曲面５２５によって燃焼室天井面６Ｕ乃至は燃焼室６の径方向Ｂの内側へガイドされ易くなることによる。逆に、角度Ｙが小さいほど、ガイド曲面５２５は立ち上がり度合の緩い曲面となり（例えば図１０の５５（Ｙ４）を参照）、燃料噴霧を径方向Ｂの外側へ逃がしてしまう度合が高まることによる。

図１０に示した通り、本実施形態では、上段キャビティ長５２Ｌとスキッシュ長５５Ｌとは同一長である。一方、スキッシュエリア５５は上段キャビティ５２よりも径方向Ｂの外側に位置しており、冠面５０の周方向の面積で比較すると、スキッシュエリア５５は上段キャビティ５２よりもやや広い面積を有している。つまり、インジェクタ１８の一つの噴孔１８２当たりに対応する容積は、スキッシュ上方空間ＳＰ２の方がキャビティ上方空間ＳＰ１よりも若干大きい。

このため、スキッシュ上方空間ＳＰ２の方に若干多くの燃料噴霧を流入させる分配率とすることが望ましい。具体的には、ＳＰ１：ＳＰ２＝５０：５０〜４０：６０程度の分配率とすることが望ましい。図１１では、このような分配率となる角度Ｙの範囲を矢印ＤＡにて示している。図１１より、望ましい角度Ｙの範囲は、概ね８０°〜９５°ということができる。

但し、図１０のモデルでは、傾斜平面５２４の傾きが考慮されていない。図９を参照して、傾斜平面５２４は、シリンダ軸Ａ０に対して角度Ｘを有する共通接線Ｇに沿った傾きを持つ平面である。傾斜平面５２４がシリンダ軸Ａ０と直交する径方向Ｂに延びる平面である場合、ガイド曲面５２５の始点は、中心点Ｑ１Ｃの垂下線と第１仮想円Ｑ１の円周とが交差する交点ｊ１１となる。しかし、傾斜平面５２４が径方向Ｂに対して傾きを持つ平面である場合、ガイド曲面５２５の始点は、交点ｊ１１から接点ｊ１まで角度ΔＹだけシフトすることになる。つまり、望ましい角度Ｙの範囲の上限は、角度ΔＹの分だけ拡張することができる。

角度ΔＹは、角度Ｘに由来する角度である。従って、角度Ｘを用いると、
ΔＹ＝１８０°−（９０°＋Ｘ）
と表わすことができる。従って、ガイド曲面５２５の始点が交点ｊ１１の位置の場合は角度Ｙ＝９０°であるので、望ましい角度Ｙの上限は、
Ｙ＝９０°＋ΔＹ＝１８０°−（９０°＋Ｘ）＝１８０°−Ｘ
にて表現することができる。また、望ましい角度Ｙの範囲の下限は、図１１の解析結果より８０°である。よって、望ましい角度Ｙの範囲は、先に示した通り、
８０°＜Ｙ＜（１８０°−Ｘ）、但し、７５°＜Ｘ＜８０°
となる。

このような角度Ｙの範囲は、本実施形態のように比較的狭いスキッシュエリア５５を備える燃焼室６において、とりわけ有効となる。上述の通り、本実施形態においては、ピストン５の半径ａとスキッシュエリア５５の径方向幅ｂとの関係は、ａ／ｂ＝８〜４の範囲内とされる。このような狭いスキッシュエリア５５を有する燃焼室６において、燃料噴霧の分配を適正化しないと、シリンダ２の内壁面に燃料噴霧が付着したり（分配過剰）、スキッシュ上方空間ＳＰ２の酸素を有効活用できなかったり（分配不足）する不具合が生じ易い。角度Ｙを８０°＜Ｙ＜（１８０°−Ｘ）の範囲内に設定することで、上記の不具合を解消することができる。

＜第１曲面と第２リップとの関係について＞
図１２は、望ましい上段キャビティ５２（ガイド曲面５２５）と第２リップ５４との関係を説明するための模式図である。図４に基づき上述した通り、ｒ５＋ｒ６＝Ｓｈの関係を満たすようにガイド曲面５２５及び第２リップ５４を設定することが望ましい。既述の通り、ガイド曲面５２５は、半径ｒ５の第１仮想円Ｑ１の円周に沿う曲面であり、第２リップ５４は半径ｒ６の第３仮想円Ｑ３の円周に沿う曲面である。図１２は、第１仮想円Ｑ１の中心点Ｑ１Ｃと第３仮想円Ｑ３の中心点Ｑ３Ｃとの間の距離Ｓｈと、半径ｒ５と半径ｒ６との和とが等しいキャビティ形状を示している。この場合、距離Ｓｈを示す仮想線と、スキッシュエリア５５の平面とが平行になる。

ｒ５＋ｒ６＞Ｓｈの関係となると、前記平行は崩れ、結果として第２リップ５４がガイド曲面５２５に対して径方向Ｂの内側へ突出した曲面となる、或いは、ガイド曲面５２５がシリンダ軸方向Ａの上方に十分立ち上がらない態様の曲面となる。前者の場合、ガイド曲面５２５の終点である第２リップ５４への接続点ｊ３（図９）は、第１仮想円Ｑ１の円周に沿ってより上方且つ径方向内側の位置に至る。このため、燃料噴霧を過剰にキャビティ上方空間ＳＰ１に導いてしまうことになる。後者の場合、逆に接続点ｊ３はより低い位置となり、スキッシュ上方空間ＳＰ２へ過剰に燃料噴霧を導いてしまう。ｒ５＋ｒ６に対してＳｈが小さくなりすぎると、上記の傾向は顕著となる。なお、ｒ５＋ｒ６＜Ｓｈの関係となると、何らかの中間面がガイド曲面５２５と第２リップ５４との間に介在することになるが、前記中間面が大きな領域を持つと燃料噴霧の分配に影響を与えるので、ｒ５＋ｒ６に対してＳｈが大きくなりすぎることは好ましくない。

＜燃料噴射タイミング＞
図１３は、インジェクタ１８からの望ましい燃料噴射時期を説明するための模式図である。図１３に示すように、燃料噴射制御部１８Ａ（図１）は、ピストン５が下降中であって、第１仮想円Ｑ１の最上端が燃焼室天井面６Ｕと接するタイミングで上段キャビティ５２に燃料噴霧が流入するように、燃料噴射時期を設定することが望ましい。

上段キャビティ５２に流入した燃料噴霧は、第１仮想円Ｑ１に沿ったガイド曲面５２５でガイドされ、上段キャビティ５２から上方へ飛び出す（図８の矢印Ｆ３２、Ｆ３３参照）。上記の通りに燃料噴射時期を設定すれば、ピストン５の下降によって徐々に広くなるキャビティ上方空間ＳＰ１及びスキッシュ上方空間ＳＰ２の酸素を活用した燃焼を実現させることができる。

また、上段キャビティ５２から上方へ飛び出した燃料噴霧のうち、径方向Ｂの内側へ向かう燃料噴霧は、第１仮想円Ｑ１に沿った流動経路を進む傾向がある。従って、第１仮想円Ｑ１の最上端が燃焼室天井面６Ｕと接するタイミングで、上段キャビティ５２に燃料噴霧を流入させることで、前記燃料噴霧が燃焼室天井面６Ｕに衝突することが回避できる。つまり、前記衝突が生じると燃料噴霧の流動が弱まって当該燃料噴霧の上方空間への拡散が不十分となりがちとなるが、そのような不都合を防止することができる。

第１仮想円Ｑ１の最上端が燃焼室天井面６Ｕと接するタイミングは、ＣＡ＝５ｄｅｇ〜１０ｄｅｇ程度である。従って、燃料噴射制御部１８Ａは、少なくともＣＡ＝５ｄｅｇ〜１０ｄｅｇよりも早いタイミングにおいて、インジェクタ１８に燃料噴射動作を実行させる。なお、図５に示したメイン噴射Ｐ２Ｅ、図６に示した単発噴射Ｐ４は、上記のタイミングを含む噴射である。

［検証例］
続いて、燃料噴霧の流動状況についての検証例を、実施例及び比較例１、２について示す。燃料噴射パターンは、図６に示した単発噴射Ｐ４（燃料噴射期間＝ＡＴＤＣ−８°〜＋２７ｄｅｇ）を用いている。

＜実施例＞
図１４（Ａ）〜（Ｄ）及び図１５（Ａ）〜（Ｄ）は、ガイド曲面５２５の角度Ｙが８０°＜Ｙ＜（１８０°−Ｘ）の範囲内に設定された、本実施形態に係る上段キャビティ５２にて底面が区画された燃焼室６における、燃料噴霧の流動状況を示す図である。なお、図１４（Ａ）以外は、図示簡素化のため、ピストン５他の符号の記載を省いている。これらの図中では燃料噴霧が拡散してゆく様子が示されており、濃度が濃く描かれているほど燃料の濃度が濃いことを示している。

図１４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、クランク角ＣＡ＝ＡＴＤＣ−８°、０°、１０°、２０°における燃料噴霧の流動状況を示している。図１４（Ａ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ−８°は、単発噴射Ｐ４において、インジェクタ１８からキャビティ５Ｃに向けて燃料の噴射が開始された直後の状態である。図１４（Ｂ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ０°では、燃料噴霧はキャビティ５Ｃの壁面に向かっているが、まだ前記壁面に到達していない状態である。ピストン５が、最も高い圧縮上死点に位置することから、燃料噴霧は下段キャビティ５１寄りの壁面と対向している。

図１４（Ｃ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ１０°では、燃料噴霧の先頭部分が第１リップ５３に吹き当たっている。このＡＴＤＣ１０°付近が、図１３で説明した通り、圧縮上死点から下降しつつあるピストン５において、第１仮想円Ｑ１の最上端が燃焼室天井面６Ｕと接するタイミングである。このタイミングで、図１４（Ｃ）に示す通り、燃料噴霧が上段キャビティ５２に流入し始めていることが判る。当該流入開始タイミングから逆算して、単発噴射Ｐ４における燃料噴射の開始タイミングが設定される。

図１４（Ｄ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ２０°では、燃料噴霧が、図７に示した流動と同様な流動を行っていることが判る。すなわち、第１リップ５３に吹き当たった燃料噴霧は、下段キャビティ５１と上段キャビティ５２とに空間的に分離され、一方が下段キャビティ５１にガイドされて燃焼室６の径方向内側へ、他方が上段キャビティ５２にガイドされて径方向外側へ向かっている。

図１５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、クランク角ＣＡ＝ＡＴＤＣ２５°、３０°、４０°、５０°における燃料噴霧の流動状況を示している。図１５（Ａ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ２５°では、上段キャビティ５２（ガイド曲面５２５）にガイドされた燃料噴霧が、ピストン５の下降により徐々に広くなるキャビティ上方空間ＳＰ１及びスキッシュ上方空間ＳＰ２（図８参照）に流入している。

図１５（Ｂ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ３０°は、インジェクタ１８からの燃料噴射が終了した直後の状態である。燃料噴霧は、第２リップ５４の位置を境にして、上段キャビティ５２上のキャビティ上方空間ＳＰ１と、スキッシュエリア５５上のスキッシュ上方空間ＳＰ２とに、ほぼ対称に分配されていることが判る。この分配傾向は、図１５（Ｃ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ４０°でも継続している。キャビティ上方空間ＳＰ１及びスキッシュ上方空間ＳＰ２には、良好に均質化された混合気が存在している。図１５（Ｄ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ５０°は、燃焼がほぼ終了している状態である。

＜比較例１＞
図１６（Ａ）〜（Ｄ）は、ガイド曲面５２５の角度Ｙが過剰である場合、つまり角度Ｙが上限（１８０°−Ｘ）を超過する場合における、燃料噴霧の流動状況を示す図である。図１６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、クランク角ＣＡ＝ＡＴＤＣ２５°、３０°、４０°、５０°における燃料噴霧の流動状況を示している。なお、ＡＴＤＣ２０°までは、上掲の図１４（Ａ）〜（Ｄ）と大差ないため、掲載を省いている。

比較例１では、角度Ｙが過剰であることから、実施例に比べて上段キャビティ５２（ガイド曲面５２５）がより深く形成され、また第２リップ５４が径方向内側へやや突出する態様となっている。図１６（Ａ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ２５°では、燃料噴霧が上段キャビティ５２によって上方にガイドされている様子が示されている。インジェクタ１８からの燃料噴射が終了する図１６（Ｂ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ３０°では、ピストン５の下降により徐々に広くなるキャビティ上方空間ＳＰ１及びスキッシュ上方空間ＳＰ２に、燃料噴霧が流入している。

図１５（Ｂ）と図１６（Ｂ）とを比較すると明らかなように、比較例１では上段キャビティ５２上のキャビティ上方空間ＳＰ１に燃料噴霧が専ら流入し、スキッシュエリア５５上のスキッシュ上方空間ＳＰ２にはあまり流入していない。これは、角度Ｙが過剰であるため、スキッシュ上方空間ＳＰ２に向かう流動が形成され難く、キャビティ上方空間ＳＰ１側に偏った流動となることによる。また、比較例１では燃料噴霧が燃焼室天井面６Ｕに吹き当たり、流動が停滞気味になっていることが判る。このような偏在傾向は、図１６（Ｃ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ４０°でも継続している。燃料噴霧は、キャビティ上方空間ＳＰ１及びスキッシュ上方空間ＳＰ２において、あまり均質化されない状態で存在してしまっている。また、上段キャビティ５２内に燃料噴霧が滞留気味となっている。従って、これら空間ＳＰ１、ＳＰ２内の酸素は、十分活用されていないと言える。

＜比較例２＞
図１７（Ａ）〜（Ｄ）は、ガイド曲面５２５の角度Ｙが不足している場合、つまり角度Ｙが下限８０°を下回る場合における、燃料噴霧の流動状況を示す図である。図１７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、クランク角ＣＡ＝ＡＴＤＣ２５°、３０°、４０°、５０°における燃料噴霧の流動状況を示している。なお、ＡＴＤＣ２０°までは、上掲の図１４（Ａ）〜（Ｄ）と大差ないため、掲載を省いている。

比較例２では、角度Ｙが不足していることから、実施例に比べて上段キャビティ５２（ガイド曲面５２５）がより浅く形成されている。図１７（Ａ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ２５°では、燃料噴霧が上段キャビティ５２によって上方にガイドされている様子が示されている。図１７（Ｂ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ３０°では、ピストン５の下降により徐々に広くなるキャビティ上方空間ＳＰ１及びスキッシュ上方空間ＳＰ２に、燃料噴霧が流入している。

図１５（Ｂ）と図１７（Ｂ）とを比較すると明らかなように、比較例２では上段キャビティ５２からの燃料噴霧の立ち上がりが鈍く、スキッシュエリア５５上のスキッシュ上方空間ＳＰ２側に偏り気味の流動が生じていることが判る。これは、角度Ｙが不足しているため、ガイド曲面５２５による径方向内側へのガイド効果が弱く、スキッシュ上方空間ＳＰ２に向かう流動が比較的強く形成されることによる。このような偏った流動傾向となる結果、図１７（Ｃ）のＣＡ＝ＡＴＤＣ４０°に示すように、燃料噴霧は、シリンダ２の内壁と接する状態となっている。また、上段キャビティ５２内に燃料噴霧が滞留気味となっている。従って、キャビティ上方空間ＳＰ１及びスキッシュ上方空間ＳＰ２を十分に有効活用した燃料噴霧の流動が形成されていないと言える。

［変形例］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、次のような変形実施形態を取ることができる。

（１）上記実施形態では、上段キャビティ５２が傾斜平面５２４を具備する態様、つまり、第１リップ５３とガイド曲面５２５との間に第１仮想円Ｑ１及び第２仮想円Ｑ２の共通接線Ｇに沿う傾斜平面５２４が存在する例を示した。これに代えて、傾斜平面５２４が存在しない上段キャビティ５２としても良い。

図１８は、変形例に係る上段キャビティ５２の形状を示す模式図である。ガイド曲面５２５が第１仮想円Ｑ１の円周に沿う曲面であり、第１リップ５３が第２仮想円Ｑ２の円周に沿う曲面であることは、図９に示した上記実施形態と同様である。しかし、第１リップ５３に対してガイド曲面５２５の始点が直結している点において、上記実施形態と相違する。この態様では、第１、第２仮想円Ｑ１、Ｑ２が接することとなり、両仮想円Ｑ１、Ｑ２の中心点Ｑ１Ｃ、Ｑ２Ｃ間に挟まれる共通接線は、図１８に示す１本の共通接線Ｇである。なお、本変形例では、共通接線Ｇの第２仮想円Ｑ２への接点が第１仮想円Ｑ１への接点に限りなく接近することになるが、本発明はかかる態様も包含する。この変形例が採用される場合にも、共通接線Ｇがシリンダ軸Ａ０に対してなす角Ｘが、７５°＜Ｘ＜８０°の範囲内に設定される。

（２）上記実施形態では、第２リップ５４が、所定の半径ｒ６を有する第３仮想円Ｑ３の円周に沿う曲面とされている例を示した。第２リップ５４は、曲面ではなく角部によって構成されていても良い。つまり、第２リップ５４が、ｒ６＝０の態様とされていても良い。

（３）上記実施形態では、下段キャビティ５１の方が上段キャビティ５２に比べて容積が大きいキャビティ５Ｃを例示した。両者のキャビティの容積は適宜に設定して良く、上段キャビティ５２の方が下段キャビティ５１よりも大きい容積を備えるキャビティ５Ｃとしても良い。

１ エンジン本体（圧縮着火エンジン）
１８ インジェクタ（燃料噴射弁）
１８Ａ 燃料噴射制御部
２ シリンダ
５ ピストン
５０ 冠面
５Ｃ キャビティ
５１ 下段キャビティ
５２ 上段キャビティ
５２１ 第２内側端部（第１リップとの接続部）
５２４ 傾斜平面
５２５ ガイド曲面（第１曲面）
５３ 第１リップ（第２曲面）
５４ 第２リップ（第３曲面）
５５ スキッシュエリア
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面（天井面）
Ａ シリンダ軸方向
Ａ０ シリンダ軸
ＡＸ 噴孔軸
Ｂ 燃焼室の径方向
Ｇ 共通接線
Ｐ１ プレ噴射（前段噴射）
Ｐ２ メイン噴射（主噴射）
Ｑ１ 第１仮想円
Ｑ２ 第２仮想円
Ｑ３ 第３仮想円

Claims (7)

1. シリンダ、ピストンの冠面及び天井面により形成される燃焼室と、
   前記天井面の径方向中心部に配置され、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を含む圧縮着火エンジンであって、
   前記ピストンの冠面には、
   上面視で環状の形状を備え、前記冠面からシリンダ軸方向の下方に凹没した上段キャビティと、
   前記上段キャビティの径方向内側に配置され、前記冠面からシリンダ軸方向の下方に凹没した下段キャビティと、
   前記上段キャビティと前記下段キャビティとを繋ぐ第１リップと、
   前記上段キャビティの径方向外側に配置されたスキッシュエリアと、が形成され、
   シリンダ軸方向に沿った断面において、前記上段キャビティは、第１仮想円の円周に沿った曲面であって、径方向外側に膨らみつつシリンダ軸方向の上方に延びるように湾曲した第１曲面を有し、前記第１リップは、第２仮想円の円周に沿った第２曲面を有し、
   前記第１仮想円及び前記第２仮想円の共通接線のうち、両仮想円の中心点間に挟まれ且つ前記第２仮想円への接点が前記第１仮想円への接点よりも径方向内側に位置する共通接線の、シリンダ軸に対してなす角度Ｘが、７５°＜Ｘ＜８０°の範囲内に設定され、
   前記第１曲面は、前記第１仮想円の円周に占める前記第１曲面の角度Ｙが、８０°＜Ｙ＜（１８０°−Ｘ）の範囲内に設定された曲面である、圧縮着火エンジン。
2. 請求項１に記載の圧縮着火エンジンにおいて、
   前記上段キャビティは、前記第１リップとの接続部から前記第１曲面の始点まで延び、径方向外側に向けて下降する傾斜平面を備える、圧縮着火エンジン。
3. 請求項２に記載の圧縮着火エンジンにおいて、
   前記傾斜平面は、前記燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の指向方向である噴孔軸に沿う傾きを持つ平面からなる、圧縮着火エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮着火エンジンにおいて、
   前記ピストンの冠面には、さらに前記第１曲面と前記スキッシュエリアとを繋ぐ第２リップが形成され、前記第２リップは、第３仮想円の円周に沿った第３曲面を有し、
   前記第１仮想円の半径をＲ１、前記第３仮想円の半径をＲ２とし、前記第１仮想円の中心点と前記第２仮想円の中心点との間の径方向の距離をＳｈとするとき、
   Ｒ１＋Ｒ２＝Ｓｈ（但し、Ｒ２＝０を含む）
   の関係を満たす、圧縮着火エンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧縮着火エンジンにおいて、
   前記ピストンの半径をａ、前記スキッシュエリアの径方向幅をｂとするとき、ａ／ｂが８〜４の範囲内に設定されている、圧縮着火エンジン。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧縮着火エンジンにおいて、
   前記燃料噴射弁の燃料噴射動作を制御する燃料噴射制御部をさらに備え、
   前記燃料噴射制御部は、前記ピストンが下降中であって、前記仮想円が前記天井面と接するタイミングで前記上段キャビティに燃料噴霧が流入するように、燃料噴射時期を設定する、圧縮着火エンジン。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧縮着火エンジンにおいて、
   前記燃料噴射弁の燃料噴射動作を制御する燃料噴射制御部をさらに備え、
   前記燃料噴射制御部は、前記燃料噴射弁に、圧縮上死点よりも進角側で燃料を噴射させる前段噴射と、この前段噴射よりも遅角側で燃料を噴射させる主噴射とを実行させるものであり、
   前記燃料噴射制御部は、前記前段噴射の燃料噴霧と、前記主噴射の少なくとも後半の燃料噴霧とが前記上段キャビティに流入するように、前記前段噴射及び前記主噴射の燃料噴射時期を設定する、圧縮着火エンジン。
   

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