JP6565968B2 - エンジン - Google Patents

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。

近年、自動車などの車両用のガソリンエンジンでは、熱効率向上のために高圧縮化の取り組みが広がっている。この種のエンジンではプリイグニッションが起こり易くなる。プリイグニッションとは、圧縮工程における筒内温度の上昇により、先の工程で残った未燃燃料が火種となって、点火プラグの着火による燃焼より前に燃焼が起きる現象である。プリイグニッションの発生を抑制するには、圧縮工程において、ピストンが上死点付近にあるときに燃焼室内に燃料を直接噴射し、その直後に点火プラグにより着火を行うことが有効である。特許文献１には、そのようなエンジン（直噴型エンジン）が例示されている。

特開２０１２−２１５０９８号公報

ところで、エンジンの高負荷運転時には低負荷運転時に比べて燃焼室温度が高く、プリイグニッションがより発生し易くなる。そのため、前記直噴型エンジンにおいては、燃料噴射後、より早期に着火を行えるように、燃料噴射弁と点火プラグの着火部とを近接して配置するのが理想的である。しかし、燃料噴射弁と点火プラグの着火部とが近接していると、燃焼室温度が比較的低い場合（例えばエンジン始動直後など）に、噴射燃料が充分に霧化されないまま着火部に到達して着火不良を誘発することが考えられる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、火花点火式エンジンにおいて、燃焼室低温時の着火性を向上させることを目的とする。

本発明の一局面に係るエンジンは、火花点火式のエンジンであって、キャビティを備えるピストン及び気筒を含むエンジンの燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、前記燃焼室内の上部に着火部が配置された点火プラグと、燃料噴射弁と、を備え、前記燃焼室壁面の一部は、吸気側開口部及び排気側開口部を有する燃焼室天井面で形成され、前記吸気側開口部は、第１吸気側開口部と第２吸気側開口部とで構成され、前記点火プラグは、前記着火部が、気筒軸方向視で前記第１吸気側開口部の中心と前記第２吸気側開口部の中心との間に対応する位置に配設され、前記燃料噴射弁は、当該燃料噴射弁の中心軸周りに等間隔で複数の噴射孔が形成されたノズルヘッドが前記燃焼室天井面の略中心に位置するように配置され、前記複数の噴射孔は、前記キャビティ内に燃料を噴射可能に構成され、前記複数の噴射孔は、指向軸が前記着火部の気筒軸方向下方を通過するように設定されており、前記着火部は、中心電極と、気筒軸方向と直交する方向視においてＬ字型をなす接地電極とを備えており、前記点火プラグは、前記燃焼室の中心よりも径方向外側かつ前記キャビティの周縁よりも径方向内側に前記着火部が位置し、かつ、気筒軸方向視において前記接地電極の先端が前記径方向外側を向くように前記燃焼室天井面に配置され、前記キャビティの周縁部のうち、気筒軸方向視で点火プラグに対応する部分は、その両側に設けられた、燃焼室径方向内方に向けて凹む窪み部を介して当該周縁部のその他の部分に連続するとともに、当該その他の部分に対して燃焼室径方向外方に向けて突出しているものである。

上記の燃焼室構造によれば、ピストンが上死点付近にあるときに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）が点火プラグの着火部に導かれ易くなる。つまり、混合気がスワール流によって着火部に運ばれ易くなる。特に、スワール流は気筒の内壁面に沿って流れ易いため、接地電極の先端が燃焼室の径方向外側を向くように点火プラグが配設された上記燃焼室構造によれば、混合気をより円滑に着火部に運ぶことができ、燃焼室温度が比較的低い場合の点火プラグの着火性を向上させることが可能となる。そのため、高圧縮比のガソリンエンジンにおいて、プリイグニッションの発生を抑制すべく、ピストンが上死点位置又はその近傍にあるときに燃焼室内に燃料が直接噴射されて着火が行われるような場合でも、燃焼室低温時の着火不良の発生を抑制することが可能
となる。
また、接地電極の先端が燃焼室の径方向外側を向くように点火プラグが配設される上記燃焼室構造によれば、噴射燃料が接地電極によってブロックされる。すなわち、充分に霧化しない状態の噴射燃料が中心電極と接地電極との間の空間（放電空間）に入り込むことが防止される。そのため、プラグ被りの発生を抑制することができる。
また、燃料噴射弁から噴射された燃料は、キャビティの底面等に沿って案内されつつその間に霧化されて点火プラグの着火部に到達する。そのため、ピストンが上死点位置又はその近傍にあるときに燃料を噴射させながらも、点火プラグの着火部に対して霧化された燃料を与えることが可能となる。
また、第１、第２吸気側開口部を通じて燃焼室に入る吸気の一部が各吸気バルブ（弁体）に沿って点火プラグの着火部に運ばれる。そのため、着火部の周りの残留ガスが効果的に排除される。従って、点火プラグの着火部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るのが好適である。

この燃焼室構造によれば、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、混合気が点火プラグの着火部に円滑に運ばれることとなる。そのため、点火プラグによる着火性をより一層向上させることが可能となる。

本発明によれば、火花点火式エンジンにおいて、燃焼室低温時の着火性を向上させることが可能なエンジン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、前記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、燃焼室天井面の平面図である。 図８は、図１２の要部拡大図である。 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、吸気バルブに沿って流入する吸気の流を示す平面図である。

［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（これらは、本発明における「燃焼室構成部材」の一例である）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６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７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。

吸気バルブ１１及び排気バルブ１２も、上記の「燃焼室構成部材」に相当する。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。

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６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（本発明のキャビティに相当する）、大キャビティ５２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。

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とも言える。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７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。つまり、着火部１７Ａは、２つの吸気側開口部４１の間に配置されている。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。従って、インジェクタ１８は、気筒軸方向視において、点火プラグ１７の着火部１７Ａよりも燃焼室６の中心寄りの位置に配置されている。

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、気筒軸方向と直交する方向視（＋Ｙ方向又は−Ｙ方向から視た場合）において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の反基部側の端部が、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〜１８１ｉ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〜１８１ｉ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８参照）、図１２では、噴射孔１８１ａ〜１８１ｉからの噴射燃料を、各噴射孔１８１ａ〜１８１ｉの指向軸（破線矢印）１８１Ｅａ〜１８１Ｅｉで示している。

各噴射孔１８１ａ〜１８１ｉ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〜１８１Ｅｉの向きが設定されている。詳しくは、第１〜第１０の噴射孔１８１ａ〜１８１ｉ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〜１８１ｉは、燃料が大キャビティ５２に向かうように指向軸１８１Ｅｃ〜１８１Ｅｉ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。

前記第１、第２の噴射孔１８１ａ、１８１ｂの指向軸１８１Ｅａ、１８１Ｅｂは、図８に示すように、気筒軸方向視において着火部１７Ａの両脇を通過するように設定されている。つまり、インジェクタ１８は、第１、第２の噴射孔１８１ａ、１８１ｂの指向軸１８１Ｅａ、１８１Ｅｂの間に着火部１７Ａが位置するように配置されている。これにより、第１、第２の噴射孔１８１ａ、１８１ｂから円錐状（コーン状）に噴射される燃料のうち、主に霧化が進んだ周縁部の燃料が着火部１７Ａに与えられるようにされている。

［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。このモードＩによれば、圧縮ＴＤＣ前後で燃料が噴射されるので、プリイグニッションを防止することができる。

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、プリイグニッション防止のため、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のほぼ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）の圧縮工程後期において、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の圧縮工程後期において、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、点火プラグ１７は、燃焼室６の中心位置よりも径方向外側に着火部１７Ａが位置し、かつ、接地電極１７２の先端、すなわち対向部１７３の反基部側の端部が燃焼室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。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内に生成される前記スワール流ＦＳによって混合気が円滑に着火部１７Ａに運ばれ易い。特に、スワール流ＦＳは気筒２の内壁面に沿って流れ易いため、接地電極１７２の先端が燃焼室６の径方向外側を向くように点火プラグ１７が配設された本実施形態の構造によれば、混合気がより円滑に中心電極１７１と接地電極１７２（対向部１７３）との間のギャップＧ（放電空間）に運ばれる。従って、ピストン５が上死点位置又はその近傍にあるときに燃焼室６内に燃料が直接噴射されてその直後に着火が行われるような上記モードＩにおいて、燃焼室温度が比較的低い場合（例えばエンジン始動直後など）であっても、着火部１７Ａの上記ギャップＧに混合気を到達させて、点火プラグ１７による着火を良好に行わせることができる。

なお、本実施形態のエンジン本体１では、燃焼室天井面６Ｕのうち、点火プラグ１７の着火部１７Ａの位置よりも燃焼室６の中心寄りの位置に、インジェクタ１８が着火部１７Ａに近接して配置されている。この構造では、燃料が充分に霧化されないまま着火部１７Ａに到達し、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誘発することが考えられる。しかし、点火プラグ１７は、上記の通り接地電極１７２の先端が燃焼室６の径方向外側を向くように配置されている。これにより、噴射燃料は接地電極１７２によってブロックされ、充分に霧化しない状態の噴射燃料が中心電極１７１と接地電極１７２との間のギャップＧに入り込むことが防止される。そのため、プラグ被りを効果的に防止することができる。

また、ピストン５の冠面５０には、点火プラグ１７の着火部１７Ａに対応する位置に小キャビティ５１が凹設されており、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が噴射される場合（モードＩ）には、この小キャビティ５１に向かって燃料が噴射される。小キャビティ５１に向かって噴射された燃料は、小キャビティ５１の底面５１２に沿って案内されつつその間に霧化されて点火プラグ１７の着火部１７Ａに到達することになる。そのため、着火部１７Ａに対して霧化された燃料を与え易くなり、燃焼室温度が比較的低い場合の点火プラグ１７による着火性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、インジェクタ１８は、複数（第１〜第１０）の噴射孔１８１ａ〜１８１ｊから燃料を噴射するマルチホールタイプなので、必要な噴射量を確保しつつ噴射孔からの噴射量を少なくして、噴射燃料の霧化を促進させることができる。しかも、第１、第２の噴射孔１８１ａ、１８１ｂの指向軸１８１Ｅａ、１８１Ｅｂの間に点火プラグ１７の着火部１７Ａが位置しており、着火部１７Ａに対しては、第１、第２の噴射孔１８１ａ、１８１ｂから円錐状（コーン状）に噴射される燃料のうち、主に霧化が進んだ周縁部の燃料が主に与えられる（図８）。そのため、この点でも、点火プラグ１７による着火性が向上する。また、燃料噴射量が比較的多い高負荷運転時などに、充分に霧化されない状態の燃料が過剰に着火部１７Ａに与えられることに起因するプラグ被りを抑制することもできる。

［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。

（２）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自ずとスワール成分（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スワール流ＦＳによる作用効果を享受することが可能となる。

この場合、２つの吸気側開口部４１の間に点火プラグ１７の着火部１７Ａが配置されている上記実施形態の構造によれば、図１４の２点鎖線矢印に示すように、２つの吸気側開口部４１を通じて燃焼室６に入ってくる吸気の一部が各吸気バルブ１１の弁体１１ａに沿って点火プラグ１７の着火部１７Ａに運ばれる。そのため、着火部１７Ａの周りの残留ガス、特に、中心電極１７１と接地電極１７２（対向部１７３）との間のギャップＧの残留ガスが効果的に排除される。従って、点火プラグ１７の着火部１７Ａに新鮮な混合気を与えて、点火プラグ１７による着火性を向上させることが可能となる。なお、このような構成では、前記２つの吸気側開口部４１およびこれらを開閉する前記２つの吸気バルブ１１が、本発明の第１、第２吸気側開口部および第１、第２吸気バルブに相当する。

（３）上記実施形態では、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（燃焼室壁面）
３ シリンダブロック（燃焼室構成部材）
４ シリンダヘッド（燃焼室構成部材）
５ ピストン（燃焼室構成部材）
５Ｃ キャビティ
５０ 冠面（燃焼室壁面）
５１ 小キャビティ（キャビティ）
５１１ 第１周縁
５１２ 底面
５２ 大キャビティ
５２１ 第２周縁
５２２ 底面
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面（燃焼室壁面）
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（燃焼室構成部材）
１２ 排気バルブ（燃焼室構成部材）
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 (2)

1. 火花点火式のエンジンであって、
   キャビティを備えるピストン及び気筒を含むエンジンの燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、
   前記燃焼室内の上部に着火部が配置された点火プラグと、
   燃料噴射弁と、を備え、
   前記燃焼室壁面の一部は、吸気側開口部及び排気側開口部を有する燃焼室天井面で形成され、
   前記吸気側開口部は、第１吸気側開口部と第２吸気側開口部とで構成され、
   前記点火プラグは、前記着火部が、気筒軸方向視で前記第１吸気側開口部の中心と前記第２吸気側開口部の中心との間に対応する位置に配設され、
   前記燃料噴射弁は、当該燃料噴射弁の中心軸周りに等間隔で複数の噴射孔が形成されたノズルヘッドが前記燃焼室天井面の略中心に位置するように配置され、
   前記複数の噴射孔は、前記キャビティ内に燃料を噴射可能に構成され、
   前記複数の噴射孔は、指向軸が前記着火部の気筒軸方向下方を通過するように設定されており、
   前記着火部は、中心電極と、気筒軸方向と直交する方向視においてＬ字型をなす接地電極とを備えており、
   前記点火プラグは、前記燃焼室の中心よりも径方向外側かつ前記キャビティの周縁よりも径方向内側に前記着火部が位置し、かつ、気筒軸方向視において前記接地電極の先端が前記径方向外側を向くように前記燃焼室天井面に配置され、
   前記キャビティの周縁部のうち、気筒軸方向視で点火プラグに対応する部分は、その両側に設けられた、燃焼室径方向内方に向けて凹む窪み部を介して当該周縁部のその他の部分に連続するとともに、当該その他の部分に対して燃焼室径方向外方に向けて突出している、ことを特徴とするエンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンにおいて、
   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る、ことを特徴とするエンジン。

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