JP6627843B2 - 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。

自動車等の車両における火花点火式のエンジンでは、燃焼室内に対してインジェクタから燃料を噴射するとともに、吸気口から空気等を導入して燃料を霧化した混合気を形成し、これに点火プラグを用いて着火する構成が採用されている。

特許文献１には、圧縮上死点付近で燃料噴射し、点火プラグで着火（火花点火）するエンジンが開示されている。また、特許文献１のエンジンでは、ピストンの冠面にキャビティを設けている。

このように、火花点火式のエンジンでは、ピストンの冠面にキャビティを設けることによって、インジェクタから噴射された燃料を霧化するための移動距離を確保し易くなり、圧縮上死点付近で燃料噴射する場合にあっても、短時間で十分な霧化が可能となる。

特開２０１７−６１９０７号公報

ところで、車両等のエンジンでは、燃料と空気との混合時間を長く確保するために燃料噴射期間を吸気行程中に設定する場合がある。このような場合においては、混合気における燃料と空気との均質な混合を確保するために、できるだけピストンにおけるキャビティ径を大きく確保しながら、着火時に混合気を点火プラグの着火部周辺に存在させて着火させることが望まれる。

本発明は、上記のような課題の解決を図ろうとなされたものであって、着火時に混合気を点火プラグの着火部及びその周辺に存在させることにより、混合気の高い着火性を確保することができるエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る火花点火式のエンジンの燃焼室構造は、ピストンの冠面と、シリンダヘッドに形成された燃焼室天井面と、前記燃焼室天井面に取り付けられているとともに、前記燃焼室を臨むように配された着火部を有する点火プラグと、前記燃焼室天井面に開口され、互いが機関出力軸方向に沿って配置された２つの吸気口と、を備え、前記点火プラグの前記着火部は、前記２つの吸気口の間に配置されており、前記ピストンの冠面は、気筒軸方向からの平面視で前記点火プラグの前記着火部の下方を含む領域において、前記気筒軸方向に凹設されてなるキャビティを有し、前記キャビティの周縁部は、機関出力軸方向の両側に当該周縁部の他の領域よりも、前記気筒軸方向に立ち上がり、且つ、前記ピストンが圧縮上死点にあるときに前記着火部を間に挟み、前記燃焼室内の混合気を前記着火部に案内する案内部を有し、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、その両側の部分よりも燃焼室径方向外方に向けてオフセットされており、前記案内部は、前記キャビティを前記気筒軸方向から平面視したときに、前記キャビティにおける前記機関出力軸方向の両側部分に形成されており、前記案内部及び前記周縁部の内側の領域は、ともに前記気筒軸方向の前記燃焼室天井面から離れる方向に湾曲した湾曲面を以って構成されており、前記案内部における曲率半径は、前記内側の領域の曲率半径よりも小さく、前記ピストンの冠面は、さらに、前記キャビティよりも吸気側の気筒壁面寄りの部分に形成された吸気側平面部と、前記キャビティと前記吸気側平面部との間において当該吸気側平面部に連続して形成されて前記着火部に指向して傾斜する傾斜面部とを有し、前記燃焼室天井面は、吸気側天井面部と排気側天井面部とを有するペントルーフ型を成し、前記吸気側平面部及び前記傾斜面部は、前記機関出力軸方向からの側面視で、前記ピストンが圧縮上死点にある場合に、それぞれ、前記吸気側天井面部と対向しかつ当該吸気側天井面部との間に同等の隙間を形成するように構成され、前記傾斜面部と前記吸気側天井面部のうち当該傾斜面部に対向する領域とは、それらの組み合わせを以って、前記ピストンの上昇時にスキッシュ流を生成するスキッシュ流生成部を構成する。

上記態様に係るエンジンの燃焼室構造では、ピストンが圧縮上死点にあるときに点火プラグの着火部を間に挟むように案内部が設けられているので、圧縮行程中におけるピストンの上昇に伴って、燃焼室内における筒内流動がキャビティ内に集約される際に、混合気が案内部によって点火プラグの着火部及びその周辺に導かれる。

従って、上記態様に係るエンジンの燃焼室構造では、着火時に混合気を点火プラグの着火部及びその周辺に存在させることにより、混合気の高い着火性を確保することができる。
また、案内部が湾曲面を以って構成されているとともに、当該案内部の曲率半径が前記内側の領域の曲率半径よりも小さくなっているので、点火プラグの着火部の着火により形成された火炎を、燃焼室内において機関出力軸方向にスムーズに広げることができる。
また、ピストンの冠面に傾斜面部が設けられ、燃焼室天井面のうち当該傾斜面部と対向する領域との組み合わせを以ってスキッシュ流生成部が構成されている。そして、傾斜面部は、ピストンが圧縮上死点にある場合に点火プラグの着火部に指向するように設けられているので、圧縮行程時にピストンが上昇する際に、点火プラグの着火部に向けたスキッシュ流を生成することができる。よって、上記態様に係るエンジンの燃焼室構造では、ピストンの上昇時に生成されるスキッシュ流を利用して、点火プラグの着火部及びその周辺の残留ガスを掃気することができる。

本発明の別態様に係るエンジンの燃焼室構造は、上記態様であって、前記キャビティは、前記気筒軸方向において、前記燃焼室天井面から離れる方向に凸の、椀状に構成されている。

上記態様に係るエンジンの燃焼室構造では、キャビティが燃焼室天井面から離れる方向に凸（下凸）の椀状、換言すると、底面部に上凸の障害物が存在しない椀状のキャビティを採用するので、着火後における火炎伝播が燃焼室全体にスムーズに実行される。

本発明の別態様に係るエンジンの燃焼室構造は、上記態様であって、前記案内部と前記内側の領域とは、互いの境界部分で前記湾曲面同士が接している。

上記態様に係るエンジンの燃焼室構造では、案内部と内側の領域との湾曲面同士が境界部分で接しているので、当該境界部分が滑らかに構成されている。よって、上記態様に係るエンジンの燃焼室構造では、点火プラグの着火部の着火により形成された火炎を、燃焼室内において機関出力軸方向にさらにスムーズに広げることができる。

本発明の別態様に係るエンジンの燃焼室構造は、上記態様であって、前記燃焼室天井面に設けられたインジェクタを、さらに備え、前記インジェクタは、吸気行程中の中盤で、前記キャビティに向けて燃料噴射を実行する。

上記態様に係るエンジンの燃焼室構造では、吸気行程の中盤でインジェクタから燃料噴射が実行されるように構成されているので、筒内流動が比較的弱い段階（吸気行程の中盤）で燃料を噴射することとなる。上記態様に係るエンジンの燃焼室構造では、前記のような燃料噴射のタイミングを採用するに当たり、キャビティ内に噴霧を集約させることにより、気筒壁面への燃料付着を抑制することができる。

上記の各態様に係るエンジンの燃焼室構造では、着火時に混合気を点火プラグの着火部及びその周辺に存在させることにより、混合気の高い着火性を確保することができる。

第１実施形態に係るエンジンの燃焼室構造を示す模式断面図である。 エンジンにおけるピストンの構成を示す模式斜視図である。 ピストンの冠面の構成を示す模式平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面を示す図であって、ピストンの冠面の構成を示す模式断面図である。 図３のＶ−Ｖ断面を示す図であって、ピストンの冠面の構成を示す模式断面図である。 図３のＶＩ−ＶＩ断面を示す図であって、ピストンの冠面の構成を示す模式断面図である。 ピストンのキャビティと点火プラグの着火部及びインジェクタとの位置関係を示す模式平面図である。 ピストンの冠面における吸気側平面部及び吸気側斜面部とシリンダヘッドにおける吸気側天面部との関係を示す模式断面図である。 燃料噴射期間及び点火タイミングを示すタイムチャートである。 燃焼室に噴射された燃料と燃焼室内で生じるスワール流とを示す模式平面図である。 （ａ）は、圧縮行程前半でピストンが上昇中である場合の燃焼室を示す模式断面図であり、（ｂ）は、ピストンが圧縮上死点付近である場合の燃焼室を示す模式断面図である。 ピストンの吸気側平面部及び吸気側斜面部とシリンダヘッドの吸気側天面部との間で生じるスキッシュ流を示す模式断面図である。 第２実施形態に係る燃料噴射期間及び点火タイミングを示すタイムチャートである。

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。

以下の説明で用いる図面において、Ｘ方向はエンジンの機関出力軸方向であり、Ｚ方向は気筒軸方向である。

［第１実施形態］
１．エンジンの全体構成
第１実施形態に係る火花点火式のエンジンの燃焼室構造について、図１を用い説明する。

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吸排気マニホールド及び各種ポンプ等の補機とを含む（吸排気マニホールド及び各種ポンプ等の補機については、図示を省略）。エンジン本体１に供給される燃料は、例えば、ガソリンを主成分とするものである。

図１に示すように、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、Ｘ方向に並ぶ複数の気筒を有している（図１では、１つの気筒のみを図示）。本実施形態に係るエンジン本体１において、気筒壁面２は、内側に嵌入されたシリンダライナ２０により構成されている。

シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上に取り付けられ、気筒の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各気筒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と連結されている（図１では、コネクティングロッド及びクランク軸の図示を省略）。

ピストン５における＋Ｚ側の冠面５０よりも上方には、燃焼室６が形成されている。燃焼室６の燃焼室天井面６Ｕには、吸気口４１及び排気口（図示を省略。）が開口されている。本実施形態に係るエンジン本体１では、吸気口４１及び排気口が各２つ開口されている。

吸気口４１には、吸気ポートが連通し、排気口には、排気ポートが連通している（吸気ポート及び排気ポートについては、図示を省略）。シリンダヘッド４には、吸気口４１を開閉する吸気バルブ１１と、排気口を開閉する排気バルブ（図示を省略。）と、が組み付けられている。

燃焼室天井面６Ｕは、シリンダヘッド４の底面（−Ｚ側の面）であり、上向き（＋Ｚ側の向き）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。

ここで、本実施形態において、燃焼室６を区画する燃焼室壁面は、気筒壁面２と、ピストン５の冠面５０と、シリンダヘッド４の底面である燃焼室天井面６Ｕと、吸気バルブ１１のバルブ面と、排気バルブのバルブ面と、で構成されている。即ち、シリンダブロック３、シリンダヘッド４、ピストン５、吸気バルブ１１、及び排気バルブは、燃焼室６を構成する燃焼室構成部材ということができる。

シリンダヘッド４には、点火プラグ１７が取り付けられており、当該点火プラグ１７の着火部１７０が、燃焼室天井面６Ｕから燃焼室６を臨むように配されている。点火プラグ１７は、点火回路（図示を省略。）からの給電に応じて着火部１７０から火花を放電して、燃焼室６内の混合気に点火する。

また、シリンダヘッド４には、インジェクタ（燃料噴射弁）１８が取り付けられており、当該インジェクタ１８の噴射孔１８１が、燃焼室天井面６Ｕから燃焼室６を臨むように配されている。インジェクタ１８には、高圧燃料ポンプに繋がる燃料供給管が接続されている（高圧燃料ポンプ及び燃料供給管については、図示を省略）。なお、高圧燃料ポンプと燃料供給管との間には、エンジン本体１の全気筒に共通の蓄圧用のコモンレール（図示を省略。）が設けられている。これら構成により、インジェクタ１８の噴射孔１８１からは、高圧の燃料が燃焼室６内に噴射される。

２．ピストン５の構成
ピストン５の構成について、図２〜図６を用い説明する。図２は、ピストン５の構成を示す模式斜視図であり、図３は、ピストン５の冠面５０の構成を示す模式平面図であり、図４〜図６は、ピストン５の冠面５０の構成を示す模式断面図である。

図２に示すように、ピストン５は、ピストンヘッド部５Ａと、その下方（−Ｚ側）に連接されたピストンスカート部５Ｓと、を含む。ピストンヘッド部５Ａは円柱形状を有し、燃焼室６の壁面の一部（底部）を構成する冠面５０を上面（＋Ｚ側の面）に備えるとともに、気筒壁面２と摺接する側周面とを備える。

ピストンスカート部５Ｓは、ピストンヘッド部５Ａの＋Ｙ側及び−Ｙ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部分である。

ピストンヘッド部５Ａの下方（−Ｚ側）には、Ｘ方向に延びるピン孔を区画するピストンボス部５Ｂが設けられている。ピストンボス部５Ｂのピン孔には、ピストンピンが挿通される。

ピストン５の冠面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）の略中央部分に椀状のキャビティ５１を含む。キャビティ５１は、−Ｚ側に向けて凹入された（凹設された）部分であり、インジェクタ１８からの燃料噴射を受ける部分である。

＋Ｚ側からの平面視において、冠面５０におけるキャビティ５１を囲む外周部分には、上凸部５２、吸気側平面部５３、排気側平面部５４、吸気側斜面部５５、及び排気側斜面部５６が設けられている。上凸部５２は、キャビティ５１に対して−Ｘ側及び＋Ｘ側の外周部分に設けられており、＋Ｚ側に向けて錐台状に突設されてなる部分である。

吸気側平面部５３は、キャビティ５１に対して＋Ｙ側の外周部分に設けられ、排気側平面部５４は、キャビティ５１に対して−Ｙ側の外周部分に設けられている。本実施形態に係るピストン５では、吸気側平面部５３の方が排気側平面部５４よりも大きな面積を有するよう構成されている。

吸気側斜面部５５は、キャビティ５１と吸気側平面部５３との間の領域に設けられており、＋Ｙ側から−Ｙ側へ行くに従って＋Ｚ側に向けてせり上がっている。排気側斜面部５６は、キャビティ５１と排気側平面部５４との間の領域に設けられており、−Ｙ側から＋Ｙ側へと行くに従って＋Ｚ側に向けてせり上がっている。

図３に示すように、キャビティ５１は、側方立面部５１２と、排気側立面部５１３と、吸気側立面部５１４と、底面部５１１と、を有している。この内、側方立面部５１２、排気側立面部５１３、及び吸気側立面部５１４は、ピストン５の冠面５０を平面視する場合に、キャビティ５１の周縁部に配設されている。これに対して、底面部５１１は、キャビティ５１の内側の領域に配設されている。

図４に示すように、キャビティ５１において、底面部５１１は、曲率半径Ｒ_５１１の湾曲面を以って構成されており、側方立面部５１２は、曲率半径Ｒ_５１２の湾曲面を以って構成されている。底面部５１１及び側方立面部５１２の各曲率中心は、＋Ｚ側に存在する。

本実施形態に係るピストン５において、曲率半径Ｒ_５１１と曲率半径Ｒ_５１２とは、次の関係を満足する。

［数１］Ｒ_５１１＞Ｒ_５１２
［数１］の関係を換言すると、側方立面部５１２は、底面部５１１よりもＺ方向に立ち上がった湾曲面を以って構成されている。

なお、図４の拡大部分に示すように、側方立面部５１２と底面部５１１とは、互いの境界部分Ｐ_５１で湾曲面同士が接している。

また、図１及び図４を総合して見る場合に、２箇所の側方立面部５１２は、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）にある場合に、間に点火プラグ１７の着火部１７０を挟んだ状態となっている。これにより、図５に示すように、側方立面部５１２は、圧縮行程中におけるピストン５の上昇に伴って、燃焼室６内における筒内流動がキャビティ５１内に集約される際に、混合気の流れＦｌｏｗ１を点火プラグ１７の着火部１７０に向けて導く案内部として機能する。

図６に示すように、排気側立面部５１３及び吸気側立面部５１４についても、底面部５１１よりもＺ方向に立ち上がった湾曲面を以って構成されており、底面部５１１と境界部分で接している。

なお、図６に示すように、排気側立面部５１３は、排気側斜面部５６に対して稜線を挟んで連続し、吸気側立面部５１４は、吸気側斜面部５５に対して稜線を挟んで連続している。

３．ピストン５のキャビティ５１と点火プラグ１７の着火部１７０及びインジェクタ１８との位置関係
ピストン５のキャビティ５１と点火プラグ１７の着火部１７０及びインジェクタ１８との位置関係について、図７を用い説明する。図７は、ピストン５のキャビティ５１と点火プラグ１７の着火部１７０及びインジェクタ１８との位置関係を示す模式平面図である。

図７に示すように、ピストン５の冠面５０におけるキャビティ５１は、点火プラグ１７における着火部１７０の下方（紙面に垂直な方向）を含む領域に設けられている。また、燃焼室天井面６Ｕ（図１を参照。）には、２つの吸気口４１と２つの排気口４２とが設けられている。そして、吸気口４１及び排気口４２は、Ｚ方向からの平面視で、各一部がキャビティ５１と重複するようになっている。

２つの吸気口４１は、Ｘ方向に互いに間隔を空けた状態で設けられており、間に点火プラグ１７の着火部１７０を挟むよう配置されている。

また、吸気側立面部５１４における＋Ｙ側の端部を通り、Ｘ方向に沿う仮想線ＬＮ_１と、吸気口４１の−Ｙ側の端部を通り、Ｘ方向に沿う仮想線ＬＮ_２と、を引くとき、仮想線ＬＮ_１と仮想線ＬＮ_２とで挟まれた領域において、点火プラグ１７の着火部１７０の両横（＋Ｘ側及び−Ｘ側）に側方立面部５１２が配されている。

ここで、図７の二点鎖線で囲んだ部分に示すように、点火プラグ１７の着火部１７０は、中心電極１７１と接地電極１７２とにより構成されている。中心電極１７１と接地電極１７２とは、互いに放電ギャップＧを空けて配設されている。接地電極１７２は、対向部１７３に連続する先端部分であり、対向部１７３と接地電極１７２とを側面視するとき、全体としてＬ字形状となっている。

インジェクタ１８は、ピストン５の冠面５０におけるキャビティ５１の略中央部分の上方に設けられており、噴射孔１８１（図１を参照。）からは、キャビティ５１内に向けて燃料噴射を実行するようになっている。

なお、図７に示すように、Ｚ方向からの平面視において、エンジン本体１では、点火プラグ１７の着火部１７０がインジェクタ１８が設けられた部分と吸気側平面部５３との間の部分に配されている。また、点火プラグ１７は、対向部１７３がインジェクタ１８に対して背を向ける状態で配されている。

４．ピストン５の冠面５０における吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５とシリンダヘッド４における吸気側天面部４３
ピストン５の冠面５０における吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５とシリンダヘッド４における吸気側天面部４３との関係について、図８を用い説明する。図８は、ピストン５の冠面５０における吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５とシリンダヘッド４における吸気側天面部４３との関係を示す模式断面図である。

図８に示すように、シリンダヘッド４における吸気側天面部４３は、ピストン５の冠面５０における吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５に対して、沿うように構成されている。そして、図８に示すようにピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）付近にあるときに、シリンダヘッド４における吸気側天面部４３と、ピストン５の冠面５０における吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５とは、僅かな隙間を空けて対向するようになっている。

なお、矢印Ａで指し示すように、吸気側斜面部５５は、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）にある場合に点火プラグ１７の着火部１７０を指向するように設けられている。

本実施形態に係るエンジン本体１では、上記のようにシリンダヘッド４における吸気側天面部４３と、ピストン５の冠面５０における吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５と、の組み合わせを以ってスキッシュ流生成部を構成している。これについては、後述する。

また、シリンダヘッド４における排気側天面部４４についても、ピストン５の冠面５０における排気側平面部５４及び排気側斜面部５６に対して、沿うように構成されている。上記同様に、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）付近にあるときに、シリンダヘッド４における排気側天面部４４と、ピストン５の冠面５０における排気側平面部５４及び排気側斜面部５６とについても、僅かな隙間を空けて対向するようになっている。

５．燃料噴射期間及び点火タイミングの関係
本実施形態に係る燃料噴射期間及び点火タイミングについて、図９を用い説明する。図９は、燃料噴射期間及び点火タイミング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では、少なくともモードＩとモードＩＩの燃料噴射期間及び点火タイミングで、運転を成立させている。

（１）モードＩ
モードＩは、エンジン本体１が高負荷低回転領域から高負荷中回転領域までの運転状態にある際に適用されるモードである。

図９に示すように、モードＩでは、吸気行程の中盤での前段噴射ＰＦ１と、圧縮上死点（ＴＤＣ）直前での後段噴射ＰＦ２と、が実行される。前段噴射ＰＦ１は、例えば、吸気行程の前半のタイミングＴ１に開始され、吸気行程の鋼板のタイミングＴ２に終了される。タイミングＴ１及びタイミングＴ２は、排気行程における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（例えば、ＴＤＣ後７０°ＣＡ）を挟んだタイミングに設定されている。このように、吸気行程の中盤で前段噴射ＰＦ１を行うことにより、燃焼室６内での混合気の形成時間を十分に確保することができる。

後段噴射ＰＦ２は、例えば、圧縮行程の後期のタイミングＴ３に開始され、圧縮上死点（ＴＤＣ）の直前のタイミングＴ４に終了される。タイミングＴ３は、例えば、圧縮上死点（ＴＤＣ）前１０°ＣＡとすることができる。このように、圧縮上死点（ＴＤＣ）前に後段噴射ＰＦ２を実行することにより、ノッキングの防止を図ることができる。

点火プラグ１７による点火ＩＧ１は、圧縮上死点（ＴＤＣ）付近のタイミングＴ５に実行される。

なお、モードＩでは、後段噴射ＰＦ２を実行することにより、点火直前に燃焼室６内のガス流動（筒内流動）を強くすることができる。そして、燃料圧力は、例えば、３０ＭＰａ以上の高い圧力に設定されており、これにより、燃料の噴射期間及び混合気の形成期間（ミキシング期間）を短くすることができるとともに、燃焼室６内のガス流動をより強いものとすることができる。燃料圧力については、例えば、１２０ＭＰａを上限値とすることもできる。

（２）モードＩＩ
モードＩＩは、エンジン本体１が高回転領域の運転状態にある際に適用され、ＳＩ燃焼を行うモードである。

図９に示すように、モードＩＩでは、吸気行程の前半のタイミングＴ１１から噴射ＰＦ１１が開始され、圧縮行程の前半のタイミングＴ１２に終了される。モードＩＩでは、吸気行程から圧縮行程に至る期間で、一括して燃料噴射ＰＦ１１が実行される。

点火プラグ１７による点火ＩＧ１１は、圧縮上死点（ＴＤＣ）前のタイミングＴ１５に実行される。

モードＩＩにおける燃料噴射ＰＦ１１については、上記のように、吸気行程から圧縮行程に至る期間に一括して実行されるので、燃焼室６内に均質又は略均質な混合気を形成することができる。また、モードＩＩでは、エンジン本体１の回転数が高い状態で、燃料の気化時間をできるだけ長く確保することができ、未燃損失の低減を図ることもできる。

このように、モードＩＩを以って高回転領域の運転が実行されるエンジン本体１では、混合気の空燃比を略理論空燃比とすることにより、三元触媒を利用して燃焼室６から排出された排気ガスを浄化することができるとともに、ＳＩ燃焼の実行により異常燃焼を回避することができる。

６．燃焼室６内で生じるスワール流
燃焼室６内で生じるスワール流について、図１０を用い説明する。図１０は、燃焼室６内に噴射された燃料と燃焼室６内で生じるスワール流とを示す模式平面図である。

図１０に示すように、Ｚ軸方向（図面に垂直な方向）からの平面視で、燃焼室６の略中央部分に配設されたインジェクタ１８からは、放射状に燃料が噴射される（噴射燃料１８Ｅ）。具体的に、インジェクタ１８からは、ピストン５の冠面５０に設けられたキャビティ５１内に向けて燃料が噴射されるように構成されている。

なお、本実施形態に係るエンジン本体１では、インジェクタ１８からの燃料噴射が、点火プラグ１７の着火部１７０に対して指向軸が向かないようになっている。即ち、インジェクタ１８からの噴射燃料１８Ｅは、その指向軸が点火プラグ１７の着火部１７０の両脇を通過するようになっている。これにより、プラグ被りの発生を抑制することができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１では、上記のように、点火プラグ１７における対向部１７３が−Ｙ側に向けられており、着火部１７０がインジェクタ１８の噴射孔１８１に背を向けるようになっている。これによっても、プラグ被りの発生を抑制することができる。

燃焼室６内では、矢印で示すように、キャビティ５１の周縁部を周回するようにスワール流Ｆｌｏｗ２は生じる。このようにキャビティ５１の周縁部に生じるスワール流Ｆｌｏｗ２によって、空気と燃料との混合が十分に行われ、点火プラグ１７の着火部１７０及びその近傍へと導かれる。

なお、図５を用い説明したように、キャビティ５１の周縁部に設けられた側方立面部（案内部）５１２によって、スワール流Ｆｌｏｗ２が周回する内に点火プラグ１７の着火部１７０及びその近傍へと向けて混合気が＋Ｚ側（紙面手前側）に持ち上げられる。

また、上記のように、混合気が点火プラグ１７の着火部１７０及びその近傍へと導かれることにより、着火部１７０近傍の残留ガスを押し流すこともできる。

７．燃焼室６内で生じるスキッシュ流
燃焼室６内で生じるスキッシュ流について、図１１及び図１２を用い説明する。図１１は、（ａ）が圧縮行程前半でピストン５が上昇中である場合の燃焼室６の状態を示す模式断面図であり、（ｂ）が、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）付近である場合の燃焼室６の状態を示す模式断面図である。図１２は、ピストン５の吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５とシリンダヘッド４の吸気側天面部４３との間で生じるスキッシュ流を示す模式断面図である。

図１１（ａ）に示すように、圧縮行程においてピストン５が＋Ｚ側に上昇中の状態では、ピストン５の吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５と燃焼室天井面６Ｕとの間隔が狭まるに従って、矢印Ｂで指し示す部分に存在する混合気が圧縮されてゆく。

図１１（ｂ）に示すように、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）付近に到達した状態では、矢印Ｃで指し示すように、ピストン５の吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５と燃焼室天井面６Ｕとは、僅かな隙間を残して対向することとなる。

図１２に示すように、本実施形態に係るエンジン本体１では、ピストン５における吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５と、シリンダヘッド４における吸気側天面部４３と、は互いに沿う状態で形成されている。そして、Ｙ方向において、吸気側斜面部５５は、点火プラグ１７の着火部１７０よりも気筒壁面２（図１２では、図示を省略。）よりの領域（＋Ｙ側の領域）に設けられている。

ピストン５の吸気側斜面部５５は、ピストン５がＴＤＣに位置する状態で、指向軸ＤＲが点火プラグ１７の着火部１７０に向くように設けられている。

上記のように、ピストン５における吸気側平面部５３及び吸気側斜面部５５を設けているので、シリンダヘッド４における吸気側天面部４３との間で圧縮された混合気は、吸気側斜面部５５と吸気側天井面４３との間の隙間から、点火プラグ１７の着火部１７０に向けたスキッシュ流Ｆｌｏｗ３として噴出される。即ち、ピストン５における吸気側斜面部５５とシリンダヘッド４における吸気側天面部４３との組み合わせは、ピストン５の上昇時にスキッシュ流生成部として機能する。

よって、本実施形態に係るエンジン本体１では、ピストン５の上昇時に生成されるスキッシュ流Ｆｌｏｗ３を利用して、点火プラグ１７の着火部１７０及びその周辺の残留ガスを掃気することができる。

なお、図１１（ａ）に示したように、ピストン５には、排気側平面部５４及び排気側斜面部５６と、シリンダヘッド４における排気側天面部４４（図８を参照。）と、についてもピストン５がＴＤＣに位置する状態で、僅かな隙間を残して対向する。このため、ピストン５の上昇に伴って、燃焼室６内における排気側の領域からも燃焼室天井６Ｕに沿う混合気の流れが生成される。これによって、燃焼室６内におけるインジェクタ１８の噴射孔１８１及びその周辺の残留側を掃気することもできる。

８．効果
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が圧縮上死点（ＴＤＣ）にあるときに点火プラグ１７の着火部１７０を間に挟むように側方立面部（案内部）５１２が設けられているので、圧縮行程中におけるピストン５の上昇に伴って、燃焼室６内における筒内流動がキャビティ５１内に集約される際に、混合気が側方立面部５１２によって点火プラグ１７の着火部１７０及びその周辺に導かれる。

従って、本実施形態に係るエンジン本体１では、着火時に混合気を点火プラグ１７の着火部１７０及びその周辺に存在させることにより、混合気の高い着火性を確保することができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、キャビティ５１が燃焼室天井面６Ｕから離れる方向に凸（下凸）の椀状、換言すると、底面部５１１に上凸の障害物が存在しない椀状のキャビティ５１を採用するので、着火後における火炎伝播が燃焼室６全体にスムーズに実行される。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、図４を用い説明したように、側方立面部５１２が湾曲面を以って構成されているとともに、当該側方立面部５１２の曲率半径Ｒ_５１２が底面部５１１の曲率半径Ｒ_５１１よりも小さくなっているので、点火プラグ１７の着火部１７０での着火により形成された火炎を、燃焼室６内においてＸ方向（機関出力軸方向）にスムーズに広げることができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、ピストン５の側方立面部（案内部）５１２と底面部５１１との湾曲面同士が境界部分Ｐ_５１で接しているので、当該境界部分Ｐ_５１で側方立面部５１２と底面部５１１とが滑らかに接するよう構成されている。よって、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１７０での着火により形成された火炎を、燃焼室６内においてＸ方向（機関出力軸方向）にさらにスムーズに広げることができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、ピストン５の冠面５０に吸気側斜面部５５が設けられているので、シリンダヘッド４の吸気側天面部４３との組み合わせを以ってスキッシュ流生成部が構成される。このため、圧縮行程時にピストン５が上昇する際に、点火プラグ１７の着火部１７０に向けたスキッシュ流Ｆｌｏｗ３を生成することができる。よって、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の上昇時に生成されるスキッシュ流Ｆｌｏｗ３を利用して、点火プラグ１７の着火部１７０及びその周辺の残留ガスを掃気することができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、吸気行程の中盤でインジェクタ１８から燃料噴射が実行されるように構成されているので、筒内流動が比較的弱い段階（吸気行程の中盤）で燃料を噴射することとなる。本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、上記のような燃料噴射のタイミングを採用するに当たり、キャビティ５１内に噴霧を集約させることにより、気筒壁面２への燃料付着を抑制することができる。

従って、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、着火時に混合気を点火プラグ１７の着火部１７０及びその周辺に存在させることにより、混合気の高い着火性を確保することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態に係る火花点火式のエンジンについて、図１３を用い説明する。図１３は、本実施形態に係る燃料噴射期間及び点火タイミングを示すタイムチャートである。

なお、本実施形態に係るエンジンでは、上記第１実施形態に対して、燃料噴射期間が一部異なる以外は同じ構成を採用しているので、燃料噴射期間及び点火タイミングについてのみ説明する。

図１３に示すように、本実施形態に係るエンジンでも、少なくともモードＩとモードＩＩの燃料噴射期間及び点火タイミングで、運転を成立させている。この内、モードＩＩについては、上記第１実施形態と同じであるので、以下では、モードＩについてのみ説明する。

本実施形態に係るモードＩでは、吸気行程中盤から圧縮行程前半にかけての燃料噴射ＰＦ２１は実行されるが、上記第１実施形態と異なり圧縮上死点（ＴＤＣ）直前での燃料噴射は実行されない。即ち、本実施形態に係るモードＩにおいて、燃料噴射ＰＦ２１は、吸気行程の中盤のタイミングＴ２１に燃料噴射が開始され、圧縮行程の前半のタイミングＴ２２に終了される。

ここで、燃料噴射ＰＦ２１の開始タイミングＴ２１は、例えば、圧縮上死点（ＴＤＣ）前２８０°ＣＡとすることができる。

なお、点火プラグ１７による点火ＩＧ２１は、上記第１実施形態のモードＩと同様に、圧縮上死点（ＴＤＣ）付近のタイミングＴ２５に実行される。

本実施形態に係るモードＩでは、図１３に示すような燃料噴射ＰＦ２１の期間を設定することにより、燃焼室６の外周部においてＣＩ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼のための混合気を形成することができるとともに、燃焼室６の中央部において、ＳＩ（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｍｉｔｉｏｎ）燃焼のための混合気を形成することができる。

なお、燃焼室６の中央部における混合気は、好ましくは空気過剰率λが１以下であり、外周部の混合気は、空気過剰率λが１以下（好ましくは、１未満）である。そして、燃焼室６の中央部での混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、例えば、１３以上、理論空燃比（１４．７）以下とすることが可能である。

また、燃焼室６の外周部における混合気の空燃比については、例えば、１１以上、理論空燃比（１４．７）以下、あるいは、１１以上、又は１２．５以上、１３以下とすることもできる。

即ち、本実施形態では、エンジン本体１の回転数が高い状態において、燃料噴射ＰＦ２１によって噴射された燃料が反応する時間が短くなるため、混合気の反応を抑制するための後段噴射（上記第１実施形態の後段噴射ＰＦ２）を省略することができる。

本実施形態では、上記第１実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６と同じ構成を採用しているので、上記第１実施形態と同様に、着火時に混合気を点火プラグ１７の着火部１７０及びその周辺に存在させることにより、混合気の高い着火性を確保することができる。

［変形例］
上記第１実施形態及び上記第２実施形態では、ピストン５のキャビティ５１について、図３のＩＶ−ＩＶ断面（図４に示す断面）で、１つの底面部５１１と２つの側方立面部５１２との組み合わせを以って断面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。例えば、底面部５１１と側方立面部５１２との間に湾曲面や平面が介挿された断面構成を採用することもできる。

また、上記第１実施形態及び上記第２実施形態では、底面部５１１と側方立面部５１２とが境界部分Ｐ_５１で接することとしたが、本発明は、必ずしもこれに限定を受けるものではない。微小な角度で交差することとしてもよい。これによっても、筒内気流への影響はほとんどないものと考えることができる。

また、上記第１実施形態及び上記第２実施形態では、ピストン５における吸気側平面部５３、排気側平面部５４、吸気側斜面部５５、及び排気側斜面部５６を、それぞれ平面で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。例えば、凹曲面や凸曲面で構成することも可能である。

また、上記第１実施形態及び上記第２実施形態では、ピストン５における吸気側平面部５３を排気側平面部５４よりも大面積である構成を採用したが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、面積が同じである吸気側平面部と排気側平面部を採用することもできる。

ただし、吸気側からのスキッシュ流Ｆｌｏｗ３の流れを、排気側からの気流の流れよりも強くして、点火プラグ１７の着火部１７０及びその周辺の残留ガスを掃気するという機能を考える場合には、上記第１実施形態及び上記第２実施形態と同じ構成を採用することが望ましい。

また、上記第１実施形態及び上記第２実施形態では、燃焼室天井面６Ｕを扁平なペントルーフ形状で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。より高いレシオのペントルーフ形状を採用することもできる。このように高いレシオのペントルーフ形状の燃焼室天井面を採用する場合には、強いタンブル流を生成するのに優位となる。

また、上記第１実施形態及び上記第２実施形態では、吸気口４１に繋がる吸気ポートなどについては特に言及しなかったが、本発明では、種々のバリエーション構成を採用することができる。例えば、２つの吸気口に繋がる吸気ポートの内の一方にスワールコントロールバルブを設けることもできる。このような構成を採用する場合には、スワールコントロールバルブの開閉制御により、燃焼室６内におけるスワール流Ｆｌｏｗ２をより積極的に発生させることが可能となる。

具体的には、スワールコントロールバルブを閉止することにより、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。

１ エンジン本体
２ 気筒壁面
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
５ ピストン
６ 燃焼室
１７ 点火プラグ
１８ インジェクタ
４１ 吸気口
４３ 吸気側天面部
５０ 冠面
５１ キャビティ
５３ 吸気側平面部
５４ 排気側平面部
５５ 吸気側斜面部（傾斜面部）
１７０ 着火部
５１１ 底面部
５１２ 側方立面部（案内部）

Claims (4)

1. 火花点火式のエンジンの燃焼室構造において、
   ピストンの冠面と、
   シリンダヘッドに形成された燃焼室天井面と、
   前記燃焼室天井面に取り付けられているとともに、前記燃焼室を臨むように配された着火部を有する点火プラグと、
   前記燃焼室天井面に開口され、互いが機関出力軸方向に沿って配置された２つの吸気口と、を備え、
   前記点火プラグの前記着火部は、前記２つの吸気口の間に配置されており、
   前記ピストンの冠面は、気筒軸方向からの平面視で前記点火プラグの前記着火部の下方を含む領域において、前記気筒軸方向に凹設されてなるキャビティを有し、
   前記キャビティの周縁部は、機関出力軸方向の両側に当該周縁部の他の領域よりも、前記気筒軸方向に立ち上がり、且つ、前記ピストンが圧縮上死点にあるときに前記着火部を間に挟み、前記燃焼室内の混合気を前記着火部に案内する案内部を有し、
   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、その両側の部分よりも燃焼室径方向外方に向けてオフセットされており、
   前記案内部は、前記キャビティを前記気筒軸方向から平面視したときに、前記キャビティにおける前記機関出力軸方向の両側部分に形成されており、
   前記案内部及び前記周縁部の内側の領域は、ともに前記気筒軸方向の前記燃焼室天井面から離れる方向に湾曲した湾曲面を以って構成されており、
   前記案内部における曲率半径は、前記内側の領域の曲率半径よりも小さく、
   前記ピストンの冠面は、さらに、前記キャビティよりも吸気側の気筒壁面寄りの部分に形成された吸気側平面部と、前記キャビティと前記吸気側平面部との間において当該吸気側平面部に連続して形成されて前記着火部に指向して傾斜する傾斜面部とを有し、
   前記燃焼室天井面は、吸気側天井面部と排気側天井面部とを有するペントルーフ型を成し、
   前記吸気側平面部及び前記傾斜面部は、前記機関出力軸方向からの側面視で、前記ピストンが圧縮上死点にある場合に、それぞれ、前記吸気側天井面部と対向しかつ当該吸気側天井面部との間に同等の隙間を形成するように構成され、
   前記傾斜面部と前記吸気側天井面部のうち当該傾斜面部に対向する領域とは、それらの組み合わせを以って、前記ピストンの上昇時にスキッシュ流を生成するスキッシュ流生成部を構成する、
   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、
   前記キャビティは、前記気筒軸方向において、前記燃焼室天井面から離れる方向に凸の、椀状に構成されている、
   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であって、
   前記案内部と前記内側の領域とは、互いの境界部分で前記湾曲面同士が接している、
   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、
   前記燃焼室天井面に設けられたインジェクタを、さらに備え、
   前記インジェクタは、吸気行程中の中盤で、前記キャビティに向けて燃料噴射を実行する、
   エンジンの燃焼室構造。

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