JP6620783B2 - エンジンの燃焼室構造 - 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。

自動車などの車両のガソリンエンジンでは、点火プラグを用いて燃焼室内の混合気に着火させる火花点火式が広く採用されている。一般に燃焼室は、シリンダの側周面、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、点火プラグの着火部は燃焼室天井面に配置される。特許文献１には、ピストンの冠面にキャビティを配置してなる燃焼室構造が開示されている。

上記燃焼室構造のガソリンエンジンでは、インジェクタから噴射された燃料をキャビティ内にトラップし、スワール流により燃料噴霧を点火プラグの電極周辺に集めて燃焼することができる。

ところで、エンジンの駆動では、燃焼室が高温になる高負荷運転域において、プリイグニッションを回避するために圧縮上死点近傍で燃料噴射を行うこともなされている。ここで、プリイグニッションとは、エンジンの運転環境の変化などに伴い、シリンダ内の混合気が点火後の正常燃焼タイミングよりも前のタイミングで自己着火する現象をいう。

特開２０１６−１２１６３０号公報

しかしながら、上記のようにプリイグニッションを回避するために圧縮上死点付近で燃料噴射を行った場合には、燃料噴射してから点火プラグで着火するまでの期間が短くなってしまい、十分な霧化が行われないことによりデポジットが生成されてしまうことが懸念される。

また、点火プラグについては、その冷却性能を確保する必要があるため、比較的冷却し易い場所、具体的には吸気バルブ側の場所に配置することが望ましい。このため、燃焼室の中央部分から点火プラグの電極までの距離が長くなり、燃料噴霧への着火という面で不利となる。場合によっては、着火不良を生じ、エンジントルクの低下を招くことも懸念される。

本発明は、上記のような問題の解決を図ろうとなされたものであって、プリイグニッションの発生を抑制しながら、高速かつ燃焼室全体での均質な燃焼が可能である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火花点火式のエンジンの燃焼室構造は、シリンダと、ピストンと、燃焼室構成部材と、インジェクタと、点火プラグと、吸気口及び排気口と、を備える。

互いに直交する第１軸及び第２軸を仮定するとき、前記シリンダは、前記第１軸上に中心線が配置されている。前記ピストンは、前記シリンダ内を前記第１軸に沿って往復摺動する。前記燃焼室構成部材は、前記シリンダ及び前記ピストンを含む前記エンジンの燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する。前記インジェクタは、前記燃焼室を臨むように設けられた噴射孔を有する。前記点火プラグは、前記燃焼室を臨むよう設けられた着火部を有する。前記吸気口及び前記排気口は、それぞれが前記燃焼室に開口され、前記第２軸に沿った方向に並んでいる。

本局面に係るエンジンの燃焼室構造において、前記ピストンが圧縮行程中に移動する方向を第１方向、当該第１方向とは反対側の方向を第２方向とするとともに、前記第２軸に沿った方向のうち、前記吸気口が開口された側を吸気口側、前記排気口が開口された側を排気口側とするとき、前記燃焼室壁面における前記第２方向側の一部は、前記ピストンの冠面で形成され、前記冠面は、前記第１方向側に開口する第１キャビティ及び第２キャビティを含む。そして、本局面では、前記冠面を前記第１方向側から平面視するとき、前記第１キャビティは、前記点火プラグの着火部と一部が重複する領域に設けられ、前記第２キャビティは、前記第１キャビティよりも前記排気口側に配された領域を有し、前記第１キャビティと前記第２キャビティとは、隣接配置されている。そして、本局面において、前記第２キャビティの容積は、前記第１キャビティの容積に対して大きい。
また、本局面に係るエンジンの燃焼室構造において、前記燃焼室壁面における前記第１方向側の部分は、前記シリンダの天井面で形成され、前記天井面を前記第２方向側から平面視するとき、前記インジェクタは、前記天井面における中心部分（前記第１軸が交差する部分）に配設されており、前記インジェクタは、前記ピストンが上死点位置及びその近傍にあるときに、前記第１キャビティ及び前記第２キャビティの双方に対して燃料を噴射可能な噴射孔を有しており、前記冠面を前記第１方向側から平面視するとき、当該冠面には、前記インジェクタが配設された箇所と少なくとも一部が重複する箇所に、前記第１方向側に向けて膨出する凸部が形成されており、前記凸部の周縁部は、前記第１キャビティの周縁部の一部及び前記第２キャビティの周縁部の一部と境界を接する。

上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、相対的に容積が小さい第１キャビティを吸気口側に設けている。逆に言うと、上記態様では、相対的に容積が大きい第２キャビティを高温になる排気口側に設けている。これにより、上記態様では、インジェクタから噴射された燃料の霧化を素早く行うことが可能となる。

また、上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、第１方向側からの平面視で、第１キャビティを点火プラグの着火部と重複する箇所に設けている。これにより、相対的に容積が小さな第１キャビティ内の燃料噴霧に対して着火させることができる。そして、上記局面では、第１キャビティと第２キャビティとが隣接配置されているので、第１キャビティ内で着火した火炎を第２キャビティ内にも伝搬させることができるので、燃焼室内に未燃燃料を残すことなく、燃焼室全体に均質な燃焼を行うことができる。

また、上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、点火プラグを吸気口側に配置しているので、その冷却性能の確保が可能である。そして、上記のように第１キャビティ内で着火した火炎を第２キャビティへと伝播させることができるので、点火プラグの配置を吸気側としても着火性の低下を招き難い。

従って、上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、プリイグニッションを回避するために上死点位置及びその近傍で燃料噴射を行った場合にあっても、高速かつ燃焼室全体での均質な燃焼が可能である。
また、上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、インジェクタから噴射された燃料が、凸部の周縁部に沿って第１キャビティ及び第２キャビティ内へと導かれる。よって、上記局面では、第１キャビティ及び第２キャビティの双方に対して高効率に燃料を供給することができ、燃焼室全体に均質な燃焼を生じさせる上でより望ましい。

本発明の別局面に係るエンジンの燃焼室構造は、上記局面において、前記冠面を前記第１方向側から平面視するとき、前記第２キャビティの投影面積は、前記第１キャビティの投影面積に対して大きい。

上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、第２キャビティの投影面積を第１キャビティの投影面積よりも大きく形成し、これにより、第２キャビティの容積を第１キャビティの容積よりも大きくしているので、点火プラグの着火部から第２キャビティの底部までの距離が遠くなるのを防ぐことができる。よって、上記局面では、燃焼室全体に均質な燃焼を生じさせる上でより望ましい。

本発明の別局面に係るエンジンの燃焼室構造は、上記局面において、前記冠面を前記第１方向側から平面視するとき、前記第２キャビティは、前記凸部の周囲を取り囲む略Ｃ字形状を有し、前記第１キャビティは、前記Ｃ字形状の開放部分に挟まれる位置に形成されている。

上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、第１キャビティと第２キャビティとの組み合わせにより、環状のキャビティが構成されていることとなり、第２キャビティに沿って流れてくる混合気を第１キャビティ内に供給することができ、高い着火性を確保することができる。また、第１キャビティと第２キャビティとの組み合わせを以って構成される環状のキャビティにより、燃焼室内においてスワール流を積極的に利用して燃焼室全体での均質な燃焼を実現することができる。

なお、上記局面に係るエンジンの燃焼構造では、第２キャビティが平面視でＣ字形状をしているので、第２キャビティの開口領域の図心が第１キャビティの開口領域の図心よりも排気口側に位置することとなる。

本発明の別局面に係るエンジンの燃焼室構造は、上記局面において、前記点火プラグは、前記ピストンが上死点を通過した後のタイミングで点火するように構成されており、前記インジェクタと前記点火プラグとを前記第１方向側から平面視するとき、前記点火プラグの着火部は、前記第２軸上において、前記インジェクタよりも前記吸気口側の箇所に配置されており、前記燃焼室においては、前記点火プラグの着火部よりも更に前記吸気口側の領域に、膨張行程中に混合気を前記吸気口側へと引き込む逆スキッシュ流生成部が設けられている。

上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、点火プラグの着火部よりも更に吸気口側の領域に逆スキッシュ流生成部が設けられているので、ピストンが下降するのに従って霧化された混合気を点火プラグの着火部に集めることができる。よって、上記局面では、短時間での霧化を実現しながら、燃焼室全体の酸素を使って燃焼を生じさせることができ、エミッション性能の低下（ＮＯ_Ｘの発生など）を抑制することができる。

なお、上記において「点火プラグの着火部よりも更に吸気口側の領域」とは、第１方向からの平面視において、吸気口が配置された箇所よりも更に燃焼室の外縁領域を含むことを意味する。

本発明の別局面に係るエンジンの燃焼室構造は、上記局面において、前記逆スキッシュ流生成部は、互いに沿う状態で対向する、前記シリンダにおける天井面の一部領域と前記ピストンの冠面の一部領域とにより形成されてなる。

上記局面に係るエンジンの燃焼構造では、互いに沿う状態で対向する、シリンダにおける天井面の一部領域とピストンの冠面の一部領域とにより形成されているので、ピストンが上死点を通過した後に生じる上記領域間での負圧を利用して、燃焼室内に逆スキッシュ流を生成することができ、上記のようにエミッション性能の低下を抑制することができる。

本発明の別局面に係るエンジンの燃焼室構造は、上記局面において、前記点火プラグの着火部は、側面視でＬ字形の接地電極を有し、前記点火プラグは、前記接地電極における前記Ｌ字形の先端が前記吸気口側を向くように、前記シリンダに取り付けられている。

上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、上記のように点火プラグをＬ字形の先端が吸気口側を向くよう取り付けているので、インジェクタの噴射孔から噴射された燃料が直接点火プラグの電極間ギャップ（中心電極と接地電極との間のギャップ）に付着するのを抑制することができる。即ち、Ｌ字形の背部分により電極間ギャップを噴射孔の影に配することとなり、プラグ被りが生じるのを抑制することができる。そして、第１キャビティの表面を通過し、十分に混合された混合気に対して着火することができる。

本発明の別局面に係るエンジンの燃焼室構造は、上記局面において、前記冠面を前記第１方向側から平面視するとき、前記第１キャビティの周縁部の一部と前記第２キャビティの周縁部の一部とは、境界を接し、前記第１キャビティの周縁部と前記第２キャビティの周縁部とが境界を接する部分は、稜線となっている。

上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、第１キャビティと第２キャビティとを稜線を介して接続しているので、第１キャビティ内で高速に拡がる火炎を、スムーズに第２キャビティ内の混合気に伝搬させることができ、燃焼室全体での高速な燃焼を生じさせることができる。

本発明の別局面に係るエンジンの燃焼室構造は、上記局面において、前記第１キャビティと前記第２キャビティとを前記第１方向側から平面視するとき、前記第１キャビティ及び前記第２キャビティの各々は、前記第２軸に対して線対称の形状を以って形成されている。

上記局面に係るエンジンの燃焼室構造では、第１キャビティ及び第２キャビティの各々が、第２軸に対して線対称の形状を以って形成されているので、燃焼室内での偏りなく燃焼を生じさせることができる。よって、燃焼室内での更なる均質な燃焼が可能である。

上記の各局面に係るエンジンの燃焼室構造では、プリイグニッションの発生を抑制しながら、高速かつ燃焼室全体での均質な燃焼が可能である。

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気筒軸方向での概略断面図である。 図１におけるシリンダヘッド要部の断面図である。 図１におけるエンジンのピストンの斜視図である。 ピストンの冠面の平面図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 図４のＶＩ―ＶＩ線断面図である。 ピストンの冠面に対する、インジェクタ及び点火プラグの配置関係を示す平面図である。 ピストンの冠面に対するインジェクタの配置関係を示す断面図である。 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。 （ａ）は、圧縮上死点付近でのピストンを示す断面図であり、（ｂ）は、圧縮上死点後におけるピストンを示す断面図である。

以下では、本発明の実施形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下で説明の形態は、本発明の一態様であって、本発明は、その本質的な構成を除き何ら以下の形態に限定を受けるものではない。

［エンジンの全体構成］
図面に基づいて、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、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及び図２、これら以降の図において、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、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、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、これに組み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。

本実施形態に係るエンジン本体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ともに、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シリンダ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上に取り付けられ、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（扁平ペントルーフ型形状）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。

なお、本実施形態に係るエンジン本体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、各シリンダ２につき２つずつ設けられると共に、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。

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、所謂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、本発明の「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、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が組み込まれている。また、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。吸気側ＶＶＴ１５は吸気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴであり、排気側ＶＶＴ１６は排気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴである。そして、吸気側ＶＶＴ１５はクランク軸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し、排気側ＶＶＴ１６はクランク軸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、各シリンダ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。

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が接続されており、当該燃料供給管１９を通して供給された燃料を燃焼室６に噴射する。

なお、図示を省略しているが、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が接続されている。そして、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が設けられている。この構成により、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］
図３〜図８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の斜視図、図４は、冠面５０の平面図である。また、図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図であり、図６は、図４のＶＩ−ＶＩ線断面図である。また、図７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の配置関係を示す平面図、図８は、冠面５０とインジェクタ１８との配置関係を示す断面図である。

ピストン５は、ピストンヘッド５Ａと、その下方（−Ｚ側）に連接されたスカート部５Ｓを含む。ピストンヘッド５Ａは円柱体からなり、燃焼室６の壁面の一部（底面）を構成する冠面５０を上面に備えると共に、シリンダ２の内壁面と摺接する側周面とを備える。なお、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。図６に示されるように、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のピン孔には、ピストンピン８１が挿通される。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って、その径方向（Ｘ方向及びＹ方向）の概ね中央部分にキャビティ５Ｃを含む。キャビティ５Ｃは、＋Ｚ側に開口し、−Ｚ側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。冠面５０におけるキャビティ５Ｃの外周には、当該キャビティ５Ｃの−Ｘ側（吸気口側）に隣接する領域に吸気側平面部５５が配置され、キャビティ５Ｃの＋Ｘ側（排気口側）に隣接する領域に排気側平面部５６が配置されている。

吸気側平面部５５は、ピストン５が上死点（ＴＤＣ）付近にあるときに、図２に示されるシリンダヘッド４における吸気側天面４３に僅かな隙間を空けて沿うよう設けられており、排気側平面部５６は、同様に、ピストン５が上死点（ＴＤＣ）付近にあるときに、図２に示されるシリンダヘッド４における排気側天面４４に沿うよう設けられている。ここで、エンジン本体１においては、吸気側平面部５５と吸気側天面４３との組み合わせにより逆スキッシュ流生成部が構成されている。これについては、後述する。

キャビティ５Ｃは、小キャビティ５１（第１キャビティ）、大キャビティ５２（第２キャビティ）及び凸部５３を含む。図７に示すように、小キャビティ５１は、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の真下の位置に凹設されている。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、＋Ｚ側からの平面視において、小キャビティ５１よりも大きい投影面積を有している。例えば、大キャビティ５２の投影面積は、小キャビティ５１の投影面積に対して８倍程度大きい。凸部５３は、冠面５０のＸＹ方向の中央付近に配置されている。図７に示すように、凸部５３は、インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎ（図２を参照。）の真下の位置に凸設されている。

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、＋Ｚ側からの平面視において、略扇形の形状であり、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、＋Ｚ側からの平面視において、略Ｃ字形の形状を有する。つまり、大キャビティ５２は、冠面５０を＋Ｚ側から平面視した場合において、略Ｃ字形状をしている。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。換言すると、小キャビティ５１の第１周縁５１１は、その一部において、大キャビティ５２の第２周縁５２１の一部と境界を接する。より具体的には、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、Ｃ字形状の開放部分（解放端縁）に相当する。共通周縁部は、図４等に示されているように、上方へ突出した稜線５４である。即ち、本実施形態では、稜線５４を境に小キャビティ５１と大キャビティ５２とが隣り合っている。

図４等に示されるように、大キャビティ５２は＋Ｚ側からの平面視において略円形の凸部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、小キャビティ５１及び大キャビティ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。

また、凸部５３の外周縁である周縁部５７は、小キャビティ５１の第１周縁５１１の一部及び大キャビティ５２の第２周縁５２１の一部と境界を接する。なお、本実施形態では、凸部５３は、山形状に形成されており、周縁部５７が山の裾野となっている。

インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎには、放射状に複数の噴射孔１８１が設けられている（図２を参照）。つまり、本実施形態に係るインジェクタ１８は、マルチポートタイプのノズルヘッド１８Ｎを備える。このため、図７及び図８に示すように、インジェクタ１８からは、＋Ｚ側からの平面視において、放射状に燃料が噴射され、噴射された燃料（噴射燃料１８Ｅ）は、小キャビティ５１及び大キャビティ５２に向かうことになる。このとき、噴射燃料１８Ｅは、斜面である第１周縁５１１及び第２周縁５２１に沿って各キャビティ５１，５２内へと円滑に導入される。

図６に示すように、吸気側平面部５５及び排気側平面部５６を基準としたときの大キャビティ５２の深さｈ２は、小キャビティ５１の深さｈ１よりも深くなっている。上述のように、大キャビティ５２の投影面積は、小キャビティ５１の投影面積よりも低いので、各キャビティ５１，５２の深さｈ１，ｈ２を合わせて考慮するとき、大キャビティ５２は小キャビティ５１に比べて大きな容積を以って形成されていることになる。

［燃料噴射期間及び点火タイミングとクランク角］
図９を参照して、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説明する。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９に示すように、本実施形態に係るエンジン本体１は、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。即ち、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後の膨張行程開始初期のクランク角＋ＣＡ１２のタイミングＴ１２まで燃料噴射が実行される。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。各クランク角は、例えば、−ＣＡ１１がＴＤＣ前１５°（より好ましくは、ＴＤＣ前１０°）、＋ＣＡ１２がＴＤＣ後５°（より好ましくは、ＴＤＣ後２°）、＋ＣＡ１３が圧縮ＴＤＣ後８〜１０°（より好ましくは、ＴＤＣ後９°）である。このモードＩによれば、ＴＤＣ前後で燃料が噴射されるので、ノッキング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行程のＴＤＣ付近である。即ち、排気工程におけるＴＤＣからピストン５が行程の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、ＴＤＣに至るタイミングＴ２３である。ＣＡ２は、例えば、ＴＤＣ後７０°である。

なお、ノッキング防止のため、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よい。

［逆スキッシュ流の生成］
図１０を参照しながら、モードＩ（リタードＳＩ燃焼）が採用された場合に生成される逆スキッシュ流について説明する。図１０（ａ）は、ＴＤＣ付近での断面図であり、図１０（ｂ）は、ＴＤＣ後での断面図である。

図１０（ａ）に示すように、ＴＤＣ付近においては、ピストン５の冠面５０が燃焼室天井面６Ｕに最も接近した状態となっている。そして、吸気側平面部５５が吸気側天面４３に対して僅かな隙間を空けた状態で対向し（矢印Ａで指し示す部分を参照）、排気側平面部５６も排気側天面４４に対して狭い隙間を空けた状態で対向している。

図１０（ｂ）に示すように、ＴＤＣ後の膨張行程において、ピストン５が下降して行くと吸気側平面部５５が吸気側天面４３から離間し（矢印Ｂで指し示す部分を参照）、排気側平面部５６も排気側天面４４から離間する。このとき、ハッチングを付した矢印で示すように、点火プラグ１７の着火部１７Ａよりも−Ｘ側に向けた逆スキッシュ流（混合気を−Ｘ側の領域に引き込む流れ）が生成される。これより、本実施形態では、吸気側平面部５５と吸気側天面４３とにより、逆スキッシュ流生成部が構成されているといえる。

なお、排気側平面部５６と排気側天面４４とについても互いに沿った状態にあるが、ピストン５及び燃焼室天井面６Ｕでは、吸気側平面部５５と吸気側天面４３との対向面積が、排気側平面部５６と排気側天面４４との対向面積よりも大きいため、矢印で示すような逆スキッシュ流が生成される。

ここで、図１０（ａ）に示す状態において、互いに近接して対向する排気側平面部５６と排気側天面４４とを設けることにより、ＴＤＣ付近で燃料噴射された際に、噴射燃料がシリンダ２の内壁面（シリンダライナ）に直接付着することが防止される。

［効果］
本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６の構造では、燃焼室壁面の一部をなすピストン５の冠面５０が、小キャビティ５１（第１キャビティ）及び大キャビティ５２（第２キャビティ）を含み、小キャビティ５１が、＋Ｚ側からの平面視において、点火プラグ１７の着火部１７Ａと一部が重複する領域に設けられ、小キャビティ５１を大キャビティ５２よりも吸気側開口部４１側（−Ｘ側）に配しているとともに、小キャビティ５１と大キャビティ５２とを隣接配置している。そして、大キャビティ５２の容積は、小キャビティ５１の容積に対して大きい。

このような構造を採用する本実施形態では、相対的に容積が小さい小キャビティ５１を吸気側開口部４１側（−Ｘ側）に設けている。逆に言うと、本実施形態では、相対的に容積が大きい大キャビティ５２を高温になる排気側開口部４２側（＋Ｘ側）に設けている。これにより、本実施形態では、インジェクタ１８から噴射された燃料（噴射燃料１８Ｅ）の霧化を素早く行うことが可能となる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１では、＋Ｚ側からの平面視において、小キャビティ５１を点火プラグ１７の着火部１７Ａと重複する箇所に設けている。これにより、相対的に容積が小さな小キャビティ５１内の燃料噴霧に対して着火させることができる。そして、本実施形態では、小キャビティ５１と大キャビティ５２とが稜線５４を挟んで隣接配置されているので、小キャビティ５１内での着火により発生した火炎を大キャビティ５２内にも伝搬させることができ、燃焼室６内に未燃燃料を残すことなく、燃焼室６全体に均質な燃焼を行うことができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、点火プラグ１７の着火部１７Ａを吸気バルブ１１が配された吸気側の部分に配置しているので、点火プラグ１７の冷却性能を確保することができる。

従って、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６の構造では、プリイグニッションを回避するためにＴＤＣ付近で燃料噴射を行った場合にあっても、高速かつ燃焼室６全体での均質な燃焼が可能である。

図３及び図４等からも分かるように、本実施形態に係るエンジン本体１のピストン５では、冠面５０を＋Ｚ側から平面視するとき、大キャビティ５２（第２キャビティ）の投影面積は、小キャビティ５１（第１キャビティ）の投影面積に対して大きい。これにより、本実施形態に係る燃焼室６の構造では、点火プラグ１７の着火部１７Ａから大キャビティ５２の底部までの距離が不要に遠くなるのを防ぐことができ、燃焼室６全体に均質な燃焼を生じさせる上でより望ましい。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６においては、シリンダ２の天井面（シリンダヘッド４の底面４ａ）を−Ｚ側から平面視するとき、インジェクタ１８が、底面４ａの略中央領域に配設されており、インジェクタ１８は、ピストン５がＴＤＣ直前の位置にあるときに、小キャビティ５１及び大キャビティ５２の双方に対して燃料を噴射可能な噴射孔を有している（図８等を参照）。そして、ピストン５の冠面５０を＋Ｚ側から平面視するとき、当該冠面５０には、インジェクタ１８が配設された箇所と少なくとも一部が重複する箇所に凸部５３が形成されており（図７を参照。）、凸部５３の周縁部５７は、小キャビティ５１の周縁部（第１周縁５１１）の一部及び大キャビティ５２の周縁部（第２周縁５２１）の一部と境界を接する。

本実施形態では、このような構成を採用することにより、インジェクタ１８から噴射された燃料（噴射燃料１８Ｅ）が、凸部５３の裾野部である山周縁部５７に沿って小キャビティ５１及び大キャビティ５２内へと導かれる（図７及び図８を参照）。よって、エンジン本体１の燃焼室６では、小キャビティ５１及び大キャビティ５２の双方に対して高効率に燃料を供給することができ、燃焼室６全体に均質な燃焼を生じさせる上でより望ましい。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、ピストン５の冠面５０を＋Ｚ側から平面視するとき、大キャビティ５２は、凸部５３の周囲を取り囲む略Ｃ字形状を有し、小キャビティ５１は、Ｃ字形状の開放部分に挟まれる位置に形成されている（図４を参照）。

このような構成を採用する本実施形態では、小キャビティ５１と大キャビティ５２との組み合わせにより、環状のキャビティ５Ｃが構成されていることとなり、大キャビティ５２と小キャビティ５１との双方に混合気を円滑に流通させることができ、高い着火性を確保することができる。また、小キャビティ５１と大キャビティ５２との組み合わせを以って構成される環状のキャビティ５Ｃにより、燃焼室６内においてスワール流を積極的に利用して燃焼室６全体での均質な燃焼を実現することができる。

なお、本実施形態では、＋Ｚ側からの平面視において、大キャビティ５２がＣ字形状をしているので、大キャビティ５２の開口領域の図心が小キャビティ５１の開口領域の図心よりも排気側開口部４２側に位置することとなる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１では、点火プラグ１７の着火部１７Ａよりも更に−Ｘ側（吸気側）の領域に逆スキッシュ流生成部（吸気側平面部５５と吸気側天面４３との組み合わせ）が設けられているので（図１０等を参照）、ピストン５が−Ｚ側へ下降するのに従って霧化された混合気を点火プラグ１７の着火部１７Ａに集めることができる。よって、エンジン本体１の燃焼室６では、短時間での霧化を実現しながら、燃焼室６全体の酸素を使って燃焼を生じさせることができ、エミッション性能の低下（ＮＯ_Ｘの発生など）を抑制することができる。

図２等に示すように、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、点火プラグ１７の着火部１７Ａは、側面視でＬ字形の接地電極１７２を有し、点火プラグ１７は、接地電極１７２におけるＬ字形の先端（対向部１７３）が−Ｘ側（インジェクタ１８とは反対側）を向くように、シリンダヘッド４に取り付けられている。このような構成を採用することにより、インジェクタ１８の噴射孔１８１から噴射された燃料（噴射燃料１８Ｅ）が直接点火プラグ１７の電極間ギャップ（中心電極１７１と接地電極１７２との間のギャップＧ）に付着するのを抑制することができる。即ち、Ｌ字形の背部分（基部１７４）により電極間のギャップＧを噴射孔１８１の影に配することとなり、プラグ被りが生じるのを抑制することができる。そして、小キャビティ５１内を通過し、十分に混合された混合気に対して着火することができる。

図３及び図４等に示すように、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、ピストン５の冠面５０を＋Ｚ側から平面視するとき、小キャビティ５１の周縁部（第１周縁５１１）の一部と大キャビティ５２の周縁部（第２周縁５２１）の一部とは、境界を接し、当該境界部分が稜線５４（共通周縁部）となっている。本実施形態では、このような構成を採用することにより、小キャビティ５１内で高速に拡がる火炎を、スムーズに大キャビティ５２内の混合気に伝搬させることができ、燃焼室６全体での高速な燃焼を生じさせることができる。

図４等に示すように、本実施形態に係るピストン５は、＋Ｚ側からの平面視において、小キャビティ５１と大キャビティ５２の各々が、冠面５０の中心を通りＸ方向に延伸する仮想軸に対して線対称の形状を以って形成されている。本実施形態では、このような構成を採用することにより、燃焼室６内での偏りなく燃焼を生じさせることができ、燃焼室６内での更なる均質な燃焼が可能である。

［変形例］
以上、本発明の一態様としての実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、次のような変形例を採用することも可能である。

（１）上記実施形態では、小キャビティ５１と大キャビティ５２とが、稜線５４を介して互いに接するように配置されている例を示したが、本発明はこれに限定を受けるものではない。例えば、第１キャビティである小キャビティと第２キャビティである大キャビティとは、混合気の流れ（スワール流）及び火炎伝播の観点で実質的に隣接配置されていればよく、構造的に互いが離間していてもよい。

（２）上記実施形態では、ピストン５の冠面５０に吸気側平面部５５を設け、シリンダヘッド４の底面４ａに吸気側天面４３を設けることで、逆スキッシュ流生成部を構成することとしたが、本発明は、逆スキッシュ流生成部を必ずしも具備しなくてもよい。

（３）また、上記実施形態では、ピストン５の冠面５０に吸気側平面部５５を設け、シリンダヘッド４の底面４ａに吸気側天面４３を設けることで、逆スキッシュ流生成部を構成することとしたが、本発明はこれに限定を受けるものではない。即ち、燃焼室内における吸気側の領域に、ピストンの冠面の一部とシリンダヘッドの底面の一部とが沿う領域を形成し、これにより逆スキッシュ流生成部を構成することができればよく、上記実施形態のように必ずしも平面で各部分を構成する必要はなく、曲面同士とすることもできる。

（４）上記実施形態では、ピストン５の冠面５０に設けた小キャビティ５１と大キャビティ５２とについて、大キャビティ５２の投影面積が小キャビティ５１の投影面積よりも広く、かつ、大キャビティ５２の深さｈ２が小キャビティ５１の深さｈ１よりも深いとの構成を例として示したが、本発明はこれに限定を受けるものではない。例えば、大キャビティと小キャビティとの深さを同一とし、投影面積の差異だけで、大キャビティの容積を小キャビティの容積よりも大きくすることも可能である。

（５）上記実施形態では、ピストン５の冠面５０に２つのキャビティ（小キャビティ５１と大キャビティ５２）を設けることとしたが、本発明はこれに限定を受けるものではない。例えば、上記実施形態と同様の特徴を有する小キャビティ及び大キャビティの他に、１又は複数のキャビティを形成することとしてもよい。

（６）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内に噴射される例を示したが、本発明はこれに限定を受けるものではない。例えば、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することとしてもよい。

（７）上記実施形態では、燃焼室天井面６Ｕに２つの吸気側開口部４１が設けられてなる例を示したが、そのうちの１つの吸気側開口部４１に連通する吸気ポート９に、スワールコントロールバルブを設け、燃焼室６内におけるスワール流を積極的に発生させることが可能な構成を採用することとしてもよい。

スワール流を積極的に活用する状況において、スワールコントロールバルブによって一方の吸気側開口部４１を閉止し、シリンダ軸回り（気筒軸周り）の渦流であるスワール流を発生させ易くすることができる。これにより、例えば、上述のＳＩ燃焼やＳＩＣＩ燃焼（モードＩＩ）の燃焼において、スワールコントロールバルブを動作させることが望ましい。

（８）上記実施形態では、吸気側開口部４１及び排気側開口部４２を燃焼室天井面６Ｕに開口することとしたが、本発明はこれに限定を受けるものではない。例えば、燃焼室６の上部におけるシリンダ２の側周面に開口することとしてもよい。

１ エンジン本体
２ シリンダ（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
１７ 点火プラグ
１７Ａ 着火部
１８ インジェクタ
４３ 吸気側天面
５０ 冠面
５１ 小キャビティ（第１キャビティ）
５２ 大キャビティ（第２キャビティ）
５３ 凸部
５４ 稜線
５５ 吸気側平面部
１７２ 接地電極

Claims (8)

1. 火花点火式のエンジンの燃焼室構造において、
   互いに直交する第１軸及び第２軸を仮定するとき、
   前記第１軸上に中心線が配置されたシリンダと、
   前記シリンダ内を前記第１軸に沿って往復摺動するピストンと、
   前記シリンダ及び前記ピストンを含む前記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、
   前記燃焼室を臨むよう設けられた噴射孔を有するインジェクタと、
   前記燃焼室を臨むよう設けられた着火部を有する点火プラグと、
   前記燃焼室に開口され、前記第２軸に沿った方向に並ぶ吸気口及び排気口と、
   を備え、
   前記ピストンが圧縮行程中に移動する方向を第１方向、当該第１方向とは反対側の方向を第２方向とするとともに、前記第２軸に沿った方向のうち、前記吸気口が開口された側を吸気口側、前記排気口が開口された側を排気口側とするとき、
   前記燃焼室壁面における前記第２方向側の部分は、前記ピストンの冠面で形成され、
   前記冠面は、前記第１方向側に開口する第１キャビティ及び第２キャビティを含み、
   前記冠面を前記第１方向側から平面視するとき、前記第１キャビティは、前記点火プラグの着火部と一部が重複する領域に設けられ、前記第２キャビティは、前記第１キャビティよりも前記排気口側に配された領域を有し、前記第１キャビティと前記第２キャビティとは、隣接配置されており、
   前記第２キャビティの容積は、前記第１キャビティの容積に対して大きく、
   前記燃焼室壁面における前記第１方向側の部分は、前記シリンダの天井面で形成され、
   前記天井面を前記第２方向側から平面視するとき、前記インジェクタは、前記天井面における中心部分に配設されており、
   前記インジェクタは、前記ピストンが上死点位置及びその近傍にあるときに、前記第１キャビティ及び前記第２キャビティの双方に対して燃料を噴射可能な噴射孔を有しており、
   前記冠面を前記第１方向側から平面視するとき、
   当該冠面には、前記インジェクタが配設された箇所と少なくとも一部が重複する箇所に、前記第１方向側に向けて膨出する凸部が形成されており、
   前記凸部の周縁部は、前記第１キャビティの周縁部の一部及び前記第２キャビティの周縁部の一部と境界を接する、
   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であって、
   前記冠面を前記第１方向側から平面視するとき、前記第２キャビティの投影面積は、前記第１キャビティの投影面積に対して大きい、
   エンジンの燃焼室構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載のエンジンの燃焼室構造であって、
   前記冠面を前記第１方向側から平面視するとき、
   前記第２キャビティは、前記凸部の周囲を取り囲む略Ｃ字形状を有し、
   前記第１キャビティは、前記Ｃ字形状の開放部分に挟まれる位置に形成されている、
   エンジンの燃焼室構造。
4. 請求項１から請求項３の何れかに記載のエンジンの燃焼室構造であって、
   前記点火プラグは、前記ピストンが上死点を通過した後のタイミングで点火するように構成されており、
   前記インジェクタと前記点火プラグとを前記第１方向側から平面視するとき、前記点火プラグの着火部は、前記第２軸上において、前記インジェクタよりも前記吸気口側の箇所に配置されており、
   前記燃焼室においては、前記点火プラグの着火部よりも更に前記吸気口側の領域に、膨張行程中に混合気を前記吸気口側へと引き込む逆スキッシュ流生成部が設けられている、
   エンジンの燃焼室構造。
5. 請求項４に記載のエンジンの燃焼室構造であって、
   前記逆スキッシュ流生成部は、互いに沿う状態で対向する、前記シリンダにおける天井面の一部領域と前記ピストンの冠面の一部領域とにより形成されてなる、
   エンジンの燃焼室構造。
6. 請求項４又は請求項５に記載のエンジンの燃焼室構造であって、
   前記点火プラグの着火部は、側面視でＬ字形の接地電極を有し、
   前記点火プラグは、前記接地電極における前記Ｌ字形の先端が前記吸気口側を向くように、前記シリンダに取り付けられている、
   エンジンの燃焼室構造。
7. 請求項１から請求項６の何れかに記載のエンジンの燃焼室構造であって、
   前記冠面を前記第１方向側から平面視するとき、前記第１キャビティの周縁部の一部と前記第２キャビティの周縁部の一部とは、境界を接し、
   前記第１キャビティの周縁部と前記第２キャビティの周縁部とが境界を接する部分は、稜線となっている、
   エンジンの燃焼室構造。
8. 請求項１から請求項７の何れか記載のエンジンの燃焼室構造であって、
   前記第１キャビティと前記第２キャビティとを前記第１方向側から平面視するとき、前記第１キャビティ及び前記第２キャビティの各々は、前記第２軸に対して線対称の形状を以って形成されている、
   エンジンの燃焼室構造。
   

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