JP2022136397A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ペントルーフ型の天井面を備えた燃焼室において、タンブル流を活用して燃焼速度を速くする。【解決手段】エンジンの燃焼室５は、ピストン４の冠面４０と、シリンダ２０の内壁面と、ペントルーフ型の燃焼室天井面５Ｕとによって区画されている。燃焼室天井面５Ｕには、火炎伝搬燃焼を実現させる点火部１０Ａが配置され、冠面４０の中央領域には、球冠状に凹設されたキャビティ８０が形成されている。点火部１０Ａは、シリンダ軸ＡＸに沿った断面視において、キャビティ８０の形成領域の上方であって、シリンダ中心線Ｃ１よりも排気側にオフセットした位置に配置されている。また、シリンダ軸ＡＸに沿った断面視におけるキャビティ中心点Ｃ３は、シリンダ中心線Ｃ１よりも吸気側にオフセットした位置に配置されている。【選択図】図５

Description

本発明は、ペントルーフ型の天井面及びキャビティ付きのピストン冠面にて区画される燃焼室を備えたエンジンの燃焼室構造に関する。

熱効率の改善、燃費性能の向上等の目的で、エンジンの燃焼室の構造、とりわけピストンの構造について日々研究がなされている。例えば特許文献１には、ペントルーフ型の天井面を備えた燃焼室において、ピストン中心線に対してペントルーフ頂点及び点火プラグを排気側にオフセットさせた燃焼室が開示されている。

特開２０１３－２４１９２２号公報

ペントルーフ型の天井面を有する燃焼室では、一般に吸気ポートはタンブルポートとなる。当該燃焼室において熱効率の改善並びに燃費性能の向上を図るには、タンブル流を圧縮行程後半まで維持させ、混合気の燃焼速度を速くすることが肝要となる。しかしながら、この要請をより高いレベルで達成する燃焼室構造は、未だ提案されていないのが実情である。

本発明の目的は、ペントルーフ型の天井面を備えた燃焼室において、タンブル流を活用して燃焼速度を速く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にある。

本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、ピストンの冠面と、前記ピストンが摺動可能に収容されるシリンダの内壁面と、シリンダヘッドに形成されたペントルーフ型の天井面とによって区画される燃焼室と、前記天井面に配置され、前記燃焼室内において火炎伝搬燃焼を実現させる点火部と、を備え、前記冠面の中央領域には、球冠状に凹設されたキャビティが形成され、前記天井面には、前記燃焼室に吸気を供給する吸気ポートの開口と、前記燃焼室から排気を排出する排気ポートの開口とが形成されているエンジンの燃焼室構造であって、前記吸気ポートが配設される側を吸気側、前記排気ポートが配設される側を排気側とするとき、前記点火部は、シリンダ軸に沿った断面視において、前記キャビティの形成領域の上方であって、前記シリンダの中心線よりも前記排気側にオフセットした位置に配置され、シリンダ軸に沿った断面視における前記キャビティの中心点は、前記シリンダの中心線よりも前記吸気側にオフセットした位置に配置されていることを特徴とする。

この燃焼室構造によれば、ペントルーフ型の天井面に吸気ポートが形成されるので、タンブル流が形成される燃焼室となる。ピストンの冠面にはキャビティが凹設されているので、タンブル流は、キャビティ部分においては排気側から吸気側へ向かう流動となる。このような燃焼室において、点火部はシリンダの中心線よりも排気側にオフセットした位置に配置されている。この構成により、キャビティ部分を流動するタンブル流の上流側で混合気に点火し、当該タンブル流に火炎を乗せることができる。また、キャビティの中心点は、シリンダの中心線よりも吸気側にオフセットしている。これにより、排気側で発生した火炎は、タンブル流によって吸気側へより向かい易くなる。従って、燃焼速度を速くすることができ、熱効率を改善すると共に燃費性能の向上を図ることができる。

上記の燃焼室構造において、前記点火部の前記排気側へのオフセット量は、前記キャビティの中心点の前記吸気側へのオフセット量よりも大きいことが望ましい。

この燃焼室構造によれば、キャビティ部分を流動するタンブル流の、より上流側で火炎を発生させ、吸気側へ火炎を伝搬させることができる。従って、より燃焼速度を速くすることができる。

上記の燃焼室構造において、前記吸気ポートから前記燃焼室に供給される吸気を過給する過給機をさらに備えることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、過給機の動作により吸気量を増大させてトルクを向上させつつ、燃焼速度を速くすることによる燃費性能の向上の効果も得ることができる。

上記の燃焼室構造において、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部が、前記燃焼室の前記吸気側に配設されていることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、燃料噴射部から噴霧された燃料を、燃焼室内で循環するタンブル流に乗せ易くなり、均質な混合気を燃焼室内に形成させることができる。

上記の燃焼室構造において、前記エンジンは、直列に配置された６つのシリンダを備え、当該６つのシリンダの配列方向が前記エンジンの搭載される車両の前後方向に沿うよう配置される縦置きエンジンであることが望ましい。

この燃焼室構造によれば、直列６気筒の縦置きエンジンについて、燃焼速度を速くし、燃費性能を向上させることができる。

本発明によれば、ペントルーフ型の天井面を備えた燃焼室において、タンブル流を活用して燃焼速度を速くし、燃費性能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、本発明に係るエンジンの燃焼室構造が適用される直列６気筒の縦置きエンジンの本体の概略斜視図である。 図２は、図１のエンジン本体を備えるエンジンシステムの概略構成図である。 図３は、前記エンジン本体が備える１つのシリンダの構造を示す、燃焼室付近の断面図である。 図４は、ピストンの斜視図である。 図５は、図３の要部拡大図である。 図６は、シリンダ軸と、点火位置及びキャビティ中心点との関係を説明するための模式図である。 図７は、燃焼室の模式図であって、タンブル流による火炎の伝搬を説明するための図である。 図８（Ａ）及び（Ｂ）は燃焼室の平面図にして、火炎の伝搬状況を模式的に示す図であって、（Ａ）は比較例の燃焼室構造の場合を、（Ｂ）は実施例の燃焼室構造の場合を各々示す。 図９は、ピストンの冠面の平面図である。 図１０は、図９のＸ－Ｘ線断面図である。 図１１は、図９のＸＩ線方向の矢視図である。

［エンジンの外観］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る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燃焼室構造が適用されたエンジン本体１の外観を示す概略斜視図である。ここに示されるエンジン本体１は、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、ターボ過給機付き４サイクル直列６気筒のガソリンエンジンである。

図１には、エンジン本体１が搭載される車両の前後方向に合わせた方向表示が付記されている。エンジン本体１が具備する６つのシリンダは、車両の前後方向に配列されている。すなわち、エンジン本体１は、車両に縦置きで配置される。当該車両のパワートレインのレイアウトは、例えばＦＲレイアウトとすることができる。各シリンダは、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式にて、吸気系及び排気系と接続されている。図１には、第１吸気ポート６Ａ及び第２吸気ポート６Ｂのペアからなる吸気ポート６が６セット、車両の前後方向に配列されている様子が表出している。

エンジン本体１の燃焼形式は、燃焼室内の混合気に強制的に点火することにより開始する火炎伝搬を伴うＳＩ（Spark Ignition）燃焼である。エンジン本体１は、ＳＩ燃焼と、混合気を圧縮自己着火させるＣＩ（Compression Ignition）燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ（Spark Controlled Compression Ignition）燃焼を実行するものであっても良い。

［エンジンの全体構成］
図２は、図１に示すエンジン本体１を備えるエンジンシステムＥの概略構成図である。エンジンシステムＥは、上述のエンジン本体１と、エンジン本体１に空気（吸気）を導入する吸気通路５０と、エンジン本体１から外部に排気を排出する排気通路６０と、排気の一部を吸気通路５０へ還流するＥＧＲ装置７０とを備えている。さらにエンジンシステムＥは、前記吸気を過給するターボ過給機５９を備えている。

エンジン本体１は、シリンダブロック２、シリンダヘッド３及びピストン４を備える。シリンダブロック２は、直列に配置された６つのシリンダ２０を有する。なお、図２には、一つのシリンダ２０だけが示されている。シリンダヘッド３は、シリンダブロック２の上面に取り付けられ、シリンダ２０の上部開口を塞いでいる。ピストン４は、各シリンダ２０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を介してクランク軸１５と連結されている。ピストン４の往復運動に応じて、クランク軸１５はその中心軸回りに回転する。

ピストン４の上方には燃焼室５が形成されている。燃焼室５にはガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ１１からの噴射によって供給される。供給された燃料と空気との混合気が燃焼室５で燃焼され、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン４が上下方向に往復運動する。シリンダ２０の幾何学的圧縮比、つまりピストン４が上死点にあるときの燃焼室５の容積とピストン４が下死点にあるときの燃焼室５の容積との比は、１１以上１３以下の範囲に設定される。因みに、通常のターボ過給機付きエンジンの圧縮比は１０．５程度であり、上記の圧縮比は通常よりも高圧縮比である。

シリンダヘッド３には、燃焼室５と連通する吸気ポート６及び排気ポート７が形成されている。吸気ポート６は燃焼室５に吸気を供給するポート、排気ポート７は燃焼室５から排気を排出するポートである。シリンダヘッド３の下面で構成される燃焼室天井面５Ｕ（天井面）には、吸気ポート６の下流端である吸気側開口と、排気ポート７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３には、前記吸気側開口を開閉する吸気弁８と、前記排気側開口を開閉する排気弁９とが組み付けられている。なお、吸気弁８を駆動する吸気弁駆動機構１８には、吸気弁８の開閉時期を変更する吸気開閉時期変更機構１８ａが付設されている。

燃焼室５に臨むように、点火プラグ１０（点火部）及びインジェクタ１１（燃料噴射部）が組付けられている。点火プラグ１０は、燃焼室天井面５Ｕに配置され、燃料と空気とが混合された混合気に点火し、燃焼室５内において火炎伝搬燃焼を実現させる。後記で詳述するが、点火プラグ１０は、シリンダの中心線に対して、吸気ポート６が配設される吸気側にオフセットした位置に配置される。

インジェクタ１１は、図略のフューエルシステムから供給される燃料を燃焼室５に噴射する。インジェクタ１１は、燃焼室天井面５Ｕの周縁であって、吸気側に配置されている。このような配置とすれば、インジェクタ１１から噴霧された燃料を燃焼室５内で循環するタンブル流に乗せ易くなり、燃焼室５内全体に燃料が行き渡り易くなる。つまり、均質な混合気を燃焼室５内に形成させることができる。

吸気通路５０は、吸気ポート６と連通し、各シリンダ２０の燃焼室５に吸気を供給する経路である。吸気通路５０の上流端から取り込まれた空気は、吸気通路５０及び吸気ポート６を通して燃焼室５に導入される。吸気通路５０には、その上流側から順に、エアクリーナ５１、コンプレッサ５２（ターボ過給機５９）、インタークーラ５３、スロットルバルブ５４及びサージタンク５５が配置されている。

エアクリーナ５１は、吸気中の異物を除去して吸気を清浄化する。コンプレッサ５２は、軸回りに回転し、吸気を過給する。インタークーラ５３は、ターボ過給機５９により圧縮された吸気を冷却する。スロットルバルブ５４は、図略のアクセルの踏み込み動作と連動して吸気通路５０を開閉し、吸気通路５０における吸気の流量を調整する。サージタンク５５は、複数のシリンダ２０に吸気を均等に配分するための空間を提供する。

排気通路６０は、排気ポート７と連通し、燃焼室５で生成された既燃ガス（排気ガス）を車両の外部に排出する経路である。排気通路６０には、タービン６１及び触媒コンバータ６３が配設されている。タービン６１は、排気通路６０を流れる排気流により回転する。触媒コンバータ６３は、排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒等が内蔵されている。

ターボ過給機５９は、上述のコンプレッサ５２及びタービン６１と、両者を連結する共通の回転軸とを含んで構成されている。ターボ過給機５９は、燃焼室５に導入される吸気を過給（圧縮）しつつ吸気通路５０の下流側へ送り出す。コンプレッサ５２は、排気流によりタービン６１が回転することで回転し、過給動作を行う。

本実施形態では、ツインスクロールターボ過給機を例示している。エンジン本体１が備える６つのシリンダ２０のうち、第１～第３シリンダ２０の排気は第１排気マニホールド６４ａで、第４～第６シリンダ２０の排気は第２排気マニホールド６４ｂにて、それぞれタービン６１に導かれる。また、排気通路６０には、タービン６１をバイパスするためのバイパス通路６５と、第１及び第２排気マニホールド６４ａ、６４ｂにて導出された排気をバイパス通路６５に流入させるウエストゲートバルブ６６とが配設されている。なお、本実施形態では排気圧を動力源とするターボ過給機５９を例示しているが、これに代えて、エンジン自体を動力源とするスーパーチャージャーや、電動スーパーチャージャーを用いても良い。

ＥＧＲ装置７０は、いわゆる高圧ＥＧＲを実現する装置であって、ＥＧＲ通路７１、ＥＧＲクーラ７２及びＥＧＲ弁７３を含む。ＥＧＲ通路７１は、排気通路６０と吸気通路５０とを接続する。ＥＧＲクーラ７２は、ＥＧＲ通路７１を通して排気通路６０から吸気通路５０に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）を熱交換により冷却する。ＥＧＲ弁７３は、ＥＧＲ通路７１を流れる排気ガスの流量を調整する。

エンジンシステムＥは、各種のセンサを含む。図２には、エンジン回転数センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２及び過給圧センサＳＮ３を例示している。エンジン回転数センサＳＮ１は、シリンダブロック２に取り付けられ、クランク軸１５の回転角度に基づきエンジン回転数を検出する。エアフローセンサＳＮ２は、エアクリーナ５１の下流に配置され、吸気通路５０を流通する吸気の流量を検出する。過給圧センサＳＮ３は、過給後の吸気の圧力を検出する。

［燃焼室及びピストンの詳細構造］
図３は、エンジン本体１が備える１つのシリンダ２０の構造を示す、燃焼室５付近の断面図である。図４は、ピストン４の斜視図である。シリンダ２０の内壁面は、シリンダライナ２１によって構成されている。シリンダ２０を取り囲むように、シリンダブロック２の内部にはウォータージャケット２２が備えられている。ピストン４は、シリンダライナ２１に対して摺動可能に、シリンダ２０内に収容されている。

燃焼室５は、シリンダ２０の内壁面（シリンダライナ２１）と、ピストン４の冠面４０と、シリンダヘッド３の底面に形成された燃焼室天井面５Ｕ（吸気弁８及び排気弁９の各バルブ面を含む）とによって区画されている。燃焼室天井面５Ｕは、上向きに凸のペントルーフ型の形状を有する天井面である。ペントルーフ型の燃焼室天井面５Ｕには、吸気ポート６の開口と、排気ポート７の開口とが形成されている。本実施形態の吸気ポート６は、タンブル流Ｆｔ（図５）を形成可能なタンブルポートである。

図３、図４及び他の図には、ＸＹＺの方向表示が付されている。Ｚ方向はシリンダ軸ＡＸ方向、Ｘ方向はクランク軸１５の延伸方向であるエンジン本体１の前後方向、Ｙ方向はＺ方向及びＸ方向の双方と直交する方向に各々相当する。以下の説明において、エンジン本体１の設置方向におけるフロント側、リア側という意味においてＦ側（＋Ｘ）、Ｒ側（－Ｘ）、吸気ポート６が配設される側という意味において吸気側（ＩＮ側；＋Ｙ）、排気ポート７が配設される側という意味において排気側（ＥＸ側；－Ｙ）、シリンダ軸ＡＸ上の上側、下側との意味において上（＋Ｚ）、下（－Ｚ）ということがある。

点火プラグ１０は、燃焼室天井面５Ｕから点火部１０Ａが燃焼室５内へ突出するように、シリンダヘッド３に上下方向に組付けられている。インジェクタ１１は、その先端の燃料噴射ヘッドが吸気側から燃焼室５に臨むように、シリンダヘッド３に略水平な状態で組付けられている。

ピストン４は、ピストンヘッド４Ａと、ピストンヘッド４Ａの下側（－Ｚ側）に連設されたスカート部４Ｂとを含む。ピストンヘッド４Ａは円柱体からなり、燃焼室５の壁面の一部（底面）を構成する冠面４０を上面に備える。冠面４０の中央領域には、球冠状に凹設されたキャビティ８０が形成されている。また、ピストンヘッド４Ａは、シリンダライナ２１に摺接する側周面４Ｃを備える。側周面４Ｃ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４Ｂは、ピストンヘッド４Ａの＋Ｙ側及び－Ｙ側に配置され、ピストン４の往復運動の際の首振り揺動を抑制する。スカート部４ＢのＹ方向の中央には、Ｘ方向に延びるピン孔を区画するピストンボス４Ｄが設けられている。ピストンボス４Ｄには、コネクティングロッド１２との連結のためのピストンピンが挿通される。

冠面４０は、燃焼室天井面５ＵとＺ方向に対向する略円形の面である。冠面４０は、排気側底部４１、吸気側底部４２、排気側傾斜面４３、吸気側傾斜面４４、平面４５、リセス間平面４６、Ｆ側側壁４７及びＲ側側壁４８を含む。これらに加えて冠面４０には、－Ｚ方向に積極的に凹没させた部分として、キャビティ８０及び小キャビティ９０を備えている。キャビティ８０の部分を除いて、排気側底部４１及び吸気側底部４２は、冠面４０において＋Ｚ方向の高さが最も低いベース面であり、平面４５及びリセス間平面４６が＋Ｚ方向の高さが最も高い頂面である。

排気側底部４１及び吸気側底部４２は、シリンダ軸ＡＸと直交するＸＹ方向に延びる平面であり、Ｚ方向に同じ高さ位置にある。なお、排気側底部４１及び吸気側底部４２は、前記ＸＹ方向に対して若干の傾きを持つ面、若しくは、僅かな凸又は凹曲面を持つ面であっても良い。排気側底部４１は、冠面４０のＥＸ側（－Ｙ）の端縁付近に配置されている。吸気側底部４２は、冠面４０のＩＮ側（＋Ｙ）の端縁付近に配置されている。

排気側底部４１は、冠面４０の－Ｙ側外周縁（側周面４Ｃ）を弧とし、Ｘ方向に延びる直線を弦とする弓形の平面である。吸気側底部４２は、冠面４０の＋Ｙ側外周縁を弧とし、Ｘ方向に延びる直線を弦とする弓形の平面である。排気側底部４１及び吸気側底部４２は、ピストン４が圧縮上死点に向かう際、スキッシュ流が形成されるスキッシュエリアである。本実施形態では、排気側底部４１の表面積よりも吸気側底部４２の表面積の方が広面積に設定されている。

排気側傾斜面４３は、排気側底部４１から冠面４０のＹ方向中央部（冠面４０の径方向中央部）に向けて徐々に上昇する傾斜面である。排気側傾斜面４３の下端は排気側底部４１の＋Ｙ端縁に連なり、上端は平面４５及びリセス間平面４６の－Ｙ端縁に連なっている。排気側傾斜面４３は、＋Ｘ側と－Ｘ側とで一対のリセス部４３１と、これらリセス部４３１に位置するリセス間部４３２とを含む。リセス部４３１は、一対の排気弁９との干渉を避けるための略半円型の窪みである。リセス間部４３２は、一対のリセス部４３１間に位置する略三角形の部分であって、リセス部４３１よりも一段高い部分である。リセス部４３１及びリセス間部４３２の、Ｙ方向に対する傾斜角は同一に設定されている。なお、前記傾斜角は、若干相違していても良い。

吸気側傾斜面４４は、吸気側底部４２から冠面４０のＹ方向中央部に向けて徐々に上昇する傾斜面である。吸気側傾斜面４４の下端は吸気側底部４２の－Ｙ端縁に連なり、上端は平面４５の＋Ｙ端縁に連なっている。本実施形態では、吸気側傾斜面４４がリセスを具備しない傾斜平面として例示されているが、吸気弁８との干渉が生じる場合には、排気側のリセス部４３１と同様なリセス部が設けられる。

平面４５は、冠面４０のＹ方向中央部においてシリンダ軸ＡＸと直交するＸＹ方向に延びる平面である。平面４５は、排気側傾斜面４３の上端と吸気側傾斜面４４の上端との間に連なっている。平面４５は、－Ｙ側の側辺としてＥＸ端縁４５１を、＋Ｙ側の側辺としてＩＮ端縁４５２を有している。ＥＸ端縁４５１は、一対のリセス部５３１の各上端に繋がっている。ＩＮ端縁４５２は、吸気側傾斜面４４の上端に繋がっている。キャビティ８０が冠面４０の径方向中央領域に存在することから、平面４５は＋Ｘ側と－Ｘ側とに分断されている。なお、平面４５は、タンブル流Ｆｔの流動を実質的に阻害しない範囲において、ＸＹ方向に対して僅かな傾きを持つ面、若しくは、僅かな凸又は凹曲面を持つ面であっても良い。

リセス間平面４６は、排気側傾斜面４３の一対のリセス部４３１間の上端付近に挟まれるように配置された平面である。リセス間平面４６も、ＸＹ方向に延びる平面であり、平面４５と同一平面内に存在する平面、つまり平面４５と同じＺ方向高さに位置する平面である。リセス間平面４６は、平面４５のＥＸ端縁４５１のＸ方向の中心付近から－Ｙ方向に延びている。

Ｆ側側壁４７は、平面４５の＋Ｘ端縁から下方に延びる側壁である。Ｒ側側壁４８は、平面４５の－Ｘ端縁から下方に延びる側壁である。Ｆ側側壁４７及びＲ側側壁４８は、排気側傾斜面４３及び吸気側傾斜面４４の＋Ｘ端縁、－Ｘ端縁に各々跨がっている。

図９に示す冠面４０の上面図も参照して、キャビティ８０は、平面４５に球冠状に凹設され、少なくとも平面４５の領域において上面視で円形の開口縁を備えている。キャビティ８０は、冠面４０においてＸ方向の中央に位置しているが、Ｙ方向においては＋Ｙ側に偏心した位置に配置されている。すなわち、平面４５はＹ方向の中央においてＸ方向に延在しているが、キャビティ８０は若干＋Ｙ方向にオフセットした位置にある。キャビティ８０のＥＸ側端縁８１は平面４５のＥＸ端縁４５１とほぼ同一位置にあるが、ＩＮ側端縁８２はＩＮ端縁４５２よりも＋Ｙ側に突出し、吸気側傾斜面４４の上端部分に差し掛かっている。このオフセットについては、後記で詳述する。

小キャビティ９０は、キャビティ８０の＋Ｙ側に配置された、キャビティ８０よりも小規模の窪みである。小キャビティ９０は、キャビティ８０のＩＮ側端縁８２並びに吸気側傾斜面４４の上端付近を椀型に窪ませて形成されている。つまり、小キャビティ９０は、キャビティ８０の吸気側に連設された小凹部であり、冠面４０の吸気側に偏在した位置に配置されている。なお、小キャビティ９０は、Ｘ方向においては、冠面４０の中央に位置している。小キャビティ９０の上面視の形状は、略楕円形である。

小キャビティ９０は、外周縁として、－Ｙ側のＥＸ側周縁９１と、＋Ｙ側のＩＮ側周縁９２とを含む。上面視において、ＥＸ側周縁９１は－Ｙ側に凸の第１曲線を有し、ＩＮ側周縁９２は＋Ｙ側に凸の第２曲線を有している。ＥＸ側周縁９１の第１曲線の曲率よりも、ＩＮ側周縁９２の第２曲線の方が大きな曲率を有している。つまり、ＩＮ側周縁９２の＋Ｙ側への膨出度合いの方が、ＥＸ側周縁９１の－Ｙ側への膨出度合いよりも大きい。このような曲率に設定することで小キャビティ９０は、ＩＮ側周縁９２からＥＸ側周縁９１に向けて筒内流動経路を絞り込むことが可能な形状を有している。

［点火部及びキャビティのオフセット］
続いて、図５及び図６を参照して、点火プラグ１０の点火部１０Ａ及びキャビティ８０のオフセット構造について説明する。図５は、図３の要部拡大図、図６は、前記オフセット構造を説明するための模式図である。図５及び図６には、シリンダ２０の軸心であるシリンダ中心線Ｃ１と、点火部１０Ａによる混合気への点火位置Ｃ２と、キャビティ８０の開口縁の径中心であるキャビティ中心点Ｃ３とが示されている。本実施形態では、キャビティ８０は球冠状の凹部であるので、キャビティ中心点Ｃ３はキャビティ８０の最深部でもある。

また、図５には、燃焼室５を流動するタンブル流Ｆｔが示されている。タンブル流Ｆｔは、ペントルーフ型の燃焼室天井面５Ｕの吸気ポート６の開口から燃焼室５内に流入する。タンブル流Ｆｔは、流入方向に沿って一旦排気側に向かい、その後に流動方向を反転させて、キャビティ８０上において排気側から吸気側へ向かう。そして、タンブル流Ｆｔは、キャビティ８０の吸気側端部から燃焼室天井面５Ｕへ上向きに流動し、続いて排気側に戻る。以後、同様な縦渦流動が繰り返される。

点火位置Ｃ２（点火部１０Ａ）は、シリンダ軸ＡＸに沿った断面視において、シリンダ中心線Ｃ１よりも排気側にオフセットした位置に配置されている。但し、点火位置Ｃ２は、キャビティ８０の形成領域内の上方において、燃焼室天井面５Ｕに配置されている。一方、キャビティ中心点Ｃ３は、シリンダ軸ＡＸに沿った断面視において、シリンダ中心線Ｃ１よりも吸気側にオフセットした位置に配置されている。なお、点火位置Ｃ２及びキャビティ中心点Ｃ３は、シリンダ中心線Ｃ１を通り吸気側と排気側とを結ぶ直線上に配置されている。

図５及び図６において、シリンダ中心線Ｃ１に対する点火位置Ｃ２のオフセット量をｄ１、シリンダ中心線Ｃ１に対するキャビティ中心点Ｃ３のオフセット量をｄ２で各々示している。本実施形態では、点火位置Ｃ２の排気側へのオフセット量は、キャビティ中心点Ｃ３の吸気側へのオフセット量よりも大きい。つまり、ｄ１＞ｄ２の関係を満たすように、点火位置Ｃ２及びキャビティ中心点Ｃ３のオフセット量が設定されている。なお、図６ではｄ１とｄ２の関係が誇張して描かれている。一例を挙げれば、ボア径＝１００ｍｍ程度のシリンダ２０で、ｄ１＝３．７ｍｍ、ｄ２＝３．４ｍｍである。

次に、点火部１０Ａ及びキャビティ８０のオフセット構造の利点について説明する。図７は、燃焼室５のシリンダ軸ＡＸに沿った断面の模式図であって、タンブル流Ｆｔによる火炎の伝搬を説明するための図である。ピストン４の冠面４０にはキャビティ８０が凹設されている。燃焼室５内に形成されるタンブル流Ｆｔは、キャビティ８０の壁面（底面）に沿って流れる部分に着目すると、図５に示したように排気側から吸気側へ向かう流動となる。点火プラグ１０の点火部１０Ａは、燃焼室５内の混合気に強制着火し、当該点火部１０Ａの近傍に火炎球３１を作る。この火炎球３１にタンブル流Ｆｔが作用することで、図７中に矢印Ｆ１で示すように、火炎が吸気側へ伝搬してゆく。

このような燃焼室５において、点火部１０Ａによる点火位置Ｃ２はシリンダ中心線Ｃ１よりも排気側にオフセットしている。このため、キャビティ８０部分を流動するタンブル流Ｆｔの上流側で混合気に点火して火炎球３１を作り、当該タンブル流Ｆｔに火炎を乗せて吸気側へ伝搬させることができる。また、キャビティ中心点Ｃ３は、シリンダ中心線Ｃ１よりも吸気側にオフセットしている。これにより、排気側で発生した火炎は、タンブル流Ｆｔによって吸気側へより向かい易くなる。つまり、オフセット分だけキャビティ８０に沿って火炎が吸気側に向かうことができる領域が長くなり、速やかに火炎を吸気側に伝搬させることができる。従って、燃焼速度を速くすることができ、熱効率を改善すると共に燃費性能の向上を図ることができる。

また、ｄ１＞ｄ２の関係を満たすように、シリンダ中心線Ｃ１に対する点火位置Ｃ２及びキャビティ中心点Ｃ３のオフセット量が設定されている。このため、キャビティ８０部分を流動するタンブル流Ｆｔの、より上流側で火炎球３１を発生させ、吸気側へ火炎を伝搬させることができる。従って、より燃焼速度を速くすることができる。

図８（Ａ）及び（Ｂ）は燃焼室の平面図にして、火炎の伝搬状況を模式的に示す図である。これらの図では、クランク角＝３８０ｄｅｇにおける火炎伝搬状況を示している。図８（Ａ）は、シリンダ中心線Ｃ１に対して点火位置Ｃ２及びキャビティ中心点Ｃ３をオフセットさせていない、比較例の燃焼室構造の場合の火炎伝搬状況を示している。ここでは、燃焼室５の周縁に向かって伝搬している火炎３２が描かれている。火炎３２のうち、吸気側へ向かう吸気側伝搬部分３３に着目すると、図中の点線で示す基準円の付近までしか火炎が伝搬していないことが判る。

これに対し、図８（Ｂ）は、シリンダ中心線Ｃ１に対して点火位置Ｃ２及びキャビティ中心点Ｃ３を図５に示す通りにオフセットさせた、実施例の燃焼室構造の場合の火炎伝搬状況を示している。図８（Ｂ）には、図７に示す火炎球３１を火種とした火炎３４が、燃焼室５の周縁に向かって伝搬している状態が示されている。火炎３４のうち、吸気側へ向かう吸気側伝搬部分３５に着目すると、図中の点線で示す基準円の位置を越えて、より吸気側に火炎が伝搬していることが判る。このことは、タンブル流Ｆｔによって火炎３４が速やかに吸気側へ伝搬したことを示す。つまり、実施例の燃焼室構造では燃焼速度が速くなることが実証されたものである。

［ピストン冠面の形状的工夫について］
以上説明したような火炎伝搬の実現には、タンブル流Ｆｔの貢献が不可欠である。すなわち、点火部１０Ａによる混合気への点火後に至っても強いタンブル流Ｆｔが燃焼室５に残存していること、つまりタンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させることが肝要となる。本実施形態のピストン４の冠面４０には、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させるため、及びこれに付随する種々の形状的工夫が施されている。以下、この形状的工夫について、上掲の図に加えて、図９～図１１を参照して説明する。図９は、ピストン４の冠面４０の平面図、図１０は、図９のＸ－Ｘ線断面図、図１１は、図９のＸＩ線方向の矢視図である。

＜冠面の山高さ、キャビティの深さ、径の関係＞
図９及び図１０には、冠面４０の形状に関するパラメータとして、山高さＨ、キャビティ深さＤ及びキャビティ径φが示されている。山高さＨは、冠面４０においてシリンダブロック２側に凸設された隆起部の高さである。本実施形態では山高さＨは、冠面４０の－Ｙ側又は＋Ｙ側の外縁部であって最下面である排気側底部４１又は吸気側底部４２から、最上面となる平面４５（及びリセス間平面４６）までのＺ方向高さである。

キャビティ深さＤは、キャビティ８０の底面８３における最深部から冠面４０の頂面である平面４５までの距離である。本実施形態では、キャビティ中心点Ｃ３におけるキャビティ８０の深さである。キャビティ径φは、冠面４０を上面視した場合における、球冠状のキャビティ８０の外周円の径である。図９に示すように本実施形態では、キャビティ８０の＋Ｙ側のＩＮ側端縁８２は、吸気側傾斜面４４に差し掛かっており、また、小キャビティ９０も配置されている。このため、キャビティ８０の上面視の外周円は＋Ｙ側で単純な円形状を為していない。このような場合、キャビティ径φは、本来の外周円の形状が表れる平面４５の領域において、キャビティ中心点Ｃ３を通過し、一端側の円弧から他端側の円弧に至る直線とする。

上述の通り、燃焼室５の幾何学的圧縮比は１１以上１３以下の範囲に設定される。この圧縮比の範囲において、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させて燃焼速度を速めるという観点から、冠面４０の山高さＨ、キャビティ深さＤ及びキャビティ径φの関係は、次の通りに設定することが望ましい。

先ず、山高さＨとキャビティ深さＤとの比であるＤ／Ｈについては、
０．３＜Ｄ／Ｈ＜１．９
の関係を満たすことが望ましい。より望ましくは、圧縮比＝１２付近において、
０．７５＜Ｄ／Ｈ＜１．７１
の範囲に設定される。

山高さＨが低ければ低いほど、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させ易くなる。しかし、山高さＨが低すぎると、高圧縮比化を図ることができない。キャビティ深さＤは、深ければ深いほど、タンブル流Ｆｔがキャビティ８０内で流動する領域（時間）が長くなる。このため、キャビティ８０の内面に対するタンブル流Ｆｔの接触抵抗等により、タンブル流Ｆｔが弱体化する傾向が発現する。また、キャビティ深さＤが深すぎると、圧縮比が低下してしまう。しかし、Ｄ／Ｈを上掲の関係に設定することにより、高圧縮比を達成しつつ、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させ、燃焼速度を速めることができる。従って、燃費性能を向上させることができる。

次に、キャビティ深さＤとキャビティ径φとの比であるφ／Ｄについては、
５．０＜φ／Ｄ＜３２．０
の関係を満たすことが望ましい。より望ましくは、
５．０＜φ／Ｄ＜１５．０
の範囲に設定される。

キャビティ径φは、大きければ大きいほど、タンブル流Ｆｔをキャビティ８０の内周面に沿って流動させることができるため、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させ易くなる。但し、キャビティ径φが大きすぎると、圧縮比が低下してしまう。キャビティ深さＤについては、上述の通りである。しかし、φ／Ｄを上掲の関係に設定することにより、高圧縮比を達成しつつ、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させ、燃焼速度を速めることができる。

＜キャビティのオフセットの態様＞
キャビティ８０は、ＩＮ側（＋Ｙ）にオフセットするように、冠面４０に配置されている。詳しくは、キャビティ８０のＥＸ側端縁８１が、排気側傾斜面４３の上端（平面４５のＥＸ端縁４５１）と一致するように、キャビティ８０が冠面４０に配置されている。一方、キャビティ８０のＩＮ側端縁８２は、平面４５のＩＮ端縁４５２よりも＋Ｙ側に突出し、吸気側傾斜面４４の上端部分に差し掛かっている。なお、ＥＸ側端縁８１は、排気側傾斜面４３の上端よりも吸気側に位置する態様としても良い。

冠面４０へのキャビティ８０の凹設により、タンブル流Ｆｔは圧縮行程後半に至ってもキャビティ８０の空間を利用してその流動を維持することが可能となる。従って、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させ易くなる。タンブル流Ｆｔは、キャビティ８０の部分においては排気側から吸気側へ向かう流動となる（図５参照）。ここで、冠面４０の排気側傾斜面４３にキャビティ８０のＥＸ側端縁８１が差し掛かっていると、排気側傾斜面４３にキャビティ８０の窪みに応じた凹部が表出する。この場合、圧縮行程後半までタンブル流Ｆｔが残存していると、前記凹部から当該タンブル流Ｆｔがキャビティ８０内に勢い良く入り込んでしまう。このタンブル流Ｆｔの勢いによって、排気側において燃焼室５の径方向外側に向かう火炎伝搬が阻害されることがある。結果として、燃焼室５の排気側で未燃ガスの自着火が生じ、ノッキングが発生することがある。

しかし、本実施形態では、キャビティ８０のＥＸ側端縁８１が、排気側傾斜面４３の上端と一致するように、キャビティ８０が冠面４０に配置されている。このため、排気側傾斜面４３にはキャビティ８０の一部が表出する前記凹部は形成されず、排気側傾斜面４３がキャビティ８０へのタンブル流Ｆｔの流入の規制壁となる。従って、排気側からキャビティ８０内に向かう勢い付いたタンブル流Ｆｔは形成されず、排気側において径方向外側へ向かう火炎伝搬は阻害されない。その結果として、未燃ガスの自着火に起因するノッキングが抑制される。

また、キャビティ８０のＩＮ側端縁８２が、吸気側傾斜面４４の上端部分に差し掛かるように、キャビティ８０が冠面４０に配置されている。このため、吸気側傾斜面４４の上端部分に差し掛かる分だけ、キャビティ８０を大きいサイズで設定できる。これにより、よりタンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させ易くなる。また、結果的にキャビティ８０が冠面４０の吸気側へ偏心した位置に配置されることになるため、キャビティ８０に沿ってタンブル流Ｆｔを吸気側へ導き易くなる。これにより、火炎球３１を起点とする吸気側への火炎伝搬を促進でき、燃焼速度を速めることができる。従って、熱効率を改善すると共に燃費性能の向上を図ることができる。

＜小キャビティの配置＞
本実施形態の冠面４０には、キャビティ８０に加えて小キャビティ９０が配置されている。小キャビティ９０は、キャビティ８０のＩＮ側端縁８２並びに吸気側傾斜面４４の上端の領域を椀型に窪ませることによって形成されている。既述の通り小キャビティ９０は、外周縁として、－Ｙ側に凸の第１曲線を有するＥＸ側周縁９１と、＋Ｙ側に凸の第２曲線を有するＩＮ側周縁９２とを含む。

ＥＸ側周縁９１は、キャビティ８０のＩＮ側端縁８２からキャビティ８０の内側（－Ｙ側）に入り込んでいる。一方、ＩＮ側周縁９２は、ＩＮ側端縁８２（吸気側傾斜面４４の上端付近）から吸気側傾斜面４４の中段付近まで＋Ｙ側に膨設されている。上面視において、ＥＸ側周縁９１の第１曲線の曲率よりも、ＩＮ側周縁９２の第２曲線の方が大きな曲率を有している。なお、図１１に示すように、ＩＮ側周縁９２は、側面視において下向き（－Ｚ）に凸に湾曲している。ＥＸ側周縁９１も同様である。

本実施形態によれば、小キャビティ９０がキャビティ８０のＩＮ側端縁８２に連設された構造となるので、冠面４０が具備するキャビティの窪みが吸気側へ延在された態様となる。このため、キャビティの大サイズ化を図ることができ、よりタンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させ易くなる。

さらに、小キャビティ９０のＩＮ側周縁９２が有する第２曲線は、ＥＸ側周縁９１が有する第１曲線よりも曲率が大きい構成を備える。このため、小キャビティ９０は吸気側へより大きく突出した形状となる。これにより、混合気の火炎は、タンブル流Ｆｔによって吸気側へより向かい易くなる。従って、燃焼速度を速くすることができ、熱効率を改善すると共に燃費性能の向上を図ることができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、次のような変形実施形態を取ることができる。

（１）上記実施形態では、シリンダ中心線Ｃ１に対する点火部１０Ａの排気側へのオフセット量（ｄ１）を、キャビティ中心点Ｃ３の吸気側へのオフセット量（ｄ２）よりも大きく設定した例を示した（図６；ｄ１＞ｄ２）。この態様は一例であり、点火部１０Ａが排気側へ、キャビティ中心点Ｃ３が吸気側へオフセットしている限りにおいて、ｄ１とｄ２との関係には制限はない。例えば、ｄ１＝ｄ２、若しくは、ｄ１＜ｄ２に設定しても良い。

（２）上記実施形態では、キャビティ８０の上面視における外周の形状が、ＩＮ側端縁８２の部分を除いて円形である球冠状のキャビティ８０を例示した。本発明でいう球冠状のキャビティとは、上面視の外周形状が円に限定されるものではなく、例えば円に近似する形状や楕円形状も含む。キャビティ８０が円形ではない形状の場合は、その近似円の中心をキャビティ中心点Ｃ３と扱うことができる。また、楕円形の場合は、その長軸と短軸との交点をキャビティ中心点Ｃ３と扱うことができる。

さらに、キャビティ８０の窪み形状も、完全な球冠形状に限定されず、椀型に窪んだ形状であれば良い。例えば、キャビティ８０の底面８３の一部がフラットな形状であっても良いし、底面８３の最深部がキャビティ中心点Ｃ３からシフトした位置にある形状としても良い。

（３）上記実施形態では、キャビティ８０のＥＸ側端縁８１が、排気側傾斜面４３の上端（平面４５のＥＸ端縁４５１）と一致するように、キャビティ８０が冠面４０に配置される例を示した。上述の通り、ＥＸ側端縁８１をＥＸ端縁４５１よりも吸気側（＋Ｙ側）に位置させても良いし、逆に、ＥＸ側端縁８１をＥＸ端縁４５１よりも排気側（－Ｙ側）に位置させても良い。また、ＩＮ側端縁８２が、吸気側傾斜面４４の上端（平面４５のＩＮ端縁４５２）と一致するように、キャビティ８０を冠面４０に配置しても良い。

（４）上記実施形態では、キャビティ８０のＩＮ側端縁８２に小キャビティ９０を連設する例を示した。これに代えて、小キャビティ９０を設けない態様としても良い。小キャビティ９０を設ける場合にあっても、上面視において、ＥＸ側周縁９１の第１曲線の曲率とＩＮ側周縁９２の第２曲線の曲率とを同一に設定する、或いは、前記第１曲線の曲率の方が前記第２曲線の曲率よりも大きく設定するようにしても良い。

１ エンジン本体
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１５ インジェクタ（燃料噴射部）
１６ 点火プラグ（点火部）
２０ シリンダ
４ ピストン
４０ 冠面
５ 燃焼室
５Ｕ 燃焼室天井面（ペントルーフ型の天井面）
５９ ターボ過給機（過給機）
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８０ キャビティ
８１ ＥＸ側端縁
８２ ＩＮ側端縁
ＡＸ シリンダ軸
Ｃ１ シリンダ中心線
Ｃ２ 点火位置
Ｃ３ キャビティ中心点
Ｆｔ タンブル流

Claims (5)

1. ピストンの冠面と、前記ピストンが摺動可能に収容されるシリンダの内壁面と、シリンダヘッドに形成されたペントルーフ型の天井面とによって区画される燃焼室と、
   前記天井面に配置され、前記燃焼室内において火炎伝搬燃焼を実現させる点火部と、を備え、
   前記冠面の中央領域には、球冠状に凹設されたキャビティが形成され、
   前記天井面には、前記燃焼室に吸気を供給する吸気ポートの開口と、前記燃焼室から排気を排出する排気ポートの開口とが形成されているエンジンの燃焼室構造であって、
   前記吸気ポートが配設される側を吸気側、前記排気ポートが配設される側を排気側とするとき、
   前記点火部は、シリンダ軸に沿った断面視において、前記キャビティの形成領域の上方であって、前記シリンダの中心線よりも前記排気側にオフセットした位置に配置され、
   シリンダ軸に沿った断面視における前記キャビティの中心点は、前記シリンダの中心線よりも前記吸気側にオフセットした位置に配置されている、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、
   前記点火部の前記排気側へのオフセット量は、前記キャビティの中心点の前記吸気側へのオフセット量よりも大きい、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、
   前記吸気ポートから前記燃焼室に供給される吸気を過給する過給機をさらに備える、エンジンの燃焼室構造。
4. 請求項１～３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、
   前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部が、前記燃焼室の前記吸気側に配設されている、エンジンの燃焼室構造。
5. 請求項１～４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、
   前記エンジンは、直列に配置された６つのシリンダを備え、当該６つのシリンダの配列方向が前記エンジンの搭載される車両の前後方向に沿うよう配置される縦置きエンジンである、エンジンの燃焼室構造。
   

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