JP7283055B2 - engine combustion chamber structure - Google Patents

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Description

本発明は、混合気の一部を火花点火によりSI燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼が可能なエンジンの燃焼室構造に関する。 The present invention relates to a combustion chamber structure of an engine capable of partial compression ignition combustion in which part of an air-fuel mixture is subjected to SI combustion by spark ignition and the rest of the air-fuel mixture is subjected to CI combustion by self-ignition.

ガソリンエンジンの燃焼態様として、火花点火をきっかけに混合気の一部を火炎伝播により強制的に燃焼(SI燃焼)させ、その他の混合気を自着火により燃焼(CI燃焼)させることを企図した部分圧縮着火燃焼(SPCCI燃焼)が知られている。SPCCI燃焼を行わせる燃焼室は、CI燃焼が発生し易い環境とするため、幾何学的圧縮比が15以上の高圧縮比に設定されることが多い。また、幾何学的圧縮比を項圧縮比とする火花点火式エンジンの燃焼室構造として、例えば特許文献1には、燃焼室天井面をペントルーフ形状とし、燃焼室底面となるピストン冠面にキャビティを設ける構造が開示されている。 As a combustion mode of a gasoline engine, part of the air-fuel mixture is forcibly burned (SI combustion) by flame propagation triggered by spark ignition, and the other air-fuel mixture is burned by self-ignition (CI combustion). Compression ignition combustion (SPCCI combustion) is known. A combustion chamber in which SPCCI combustion is performed is often set to a high geometric compression ratio of 15 or more in order to create an environment in which CI combustion is likely to occur. In addition, as a combustion chamber structure of a spark ignition engine with a geometric compression ratio as a term compression ratio, for example, Patent Document 1 discloses that the ceiling surface of the combustion chamber has a pent roof shape and a cavity is formed on the crown surface of the piston, which is the bottom surface of the combustion chamber. A structure for providing is disclosed.

特開2014-98391号公報JP 2014-98391 A

SPCCI燃焼では、燃焼性の向上のため、スワール流が可及的に圧縮行程後期まで維持されることが望ましい。しかし、幾何学的圧縮比が15以上の高圧縮比エンジンにおいて、スワール流を圧縮行程後期まで維持させることは容易ではない。また、実際のエンジンでは、エンジン回転数や負荷に応じて、例えば一般的なSI燃焼と、SPCCI燃焼とが併用される。SI燃焼では、タンブル流が、可及的に圧縮行程後期まで維持されることが望ましい。しかし、従来の燃焼室構造では、高圧縮比を保ちながら、タンブル流とスワール流との双方を圧縮行程後期まで十分に維持することはできないという問題があった。 In SPCCI combustion, in order to improve combustibility, it is desirable to maintain the swirl flow as much as possible until the latter part of the compression stroke. However, in a high compression ratio engine with a geometric compression ratio of 15 or more, it is not easy to maintain the swirl flow until the latter half of the compression stroke. Further, in an actual engine, for example, general SI combustion and SPCCI combustion are used in combination depending on the engine speed and load. In SI combustion, it is desirable that the tumble flow is maintained as late as possible in the compression stroke. However, the conventional combustion chamber structure has a problem that it is not possible to sufficiently maintain both the tumble flow and the swirl flow until the latter half of the compression stroke while maintaining a high compression ratio.

本発明の目的は、SPCCI燃焼を行う幾何学的圧縮比が15以上の高圧縮比エンジンにおいて、スワール流を圧縮行程後期まで維持できるエンジンの燃焼室構造を提供すること、並びに、SI燃焼とSPCCI燃焼とを併用する同エンジンにおいて、タンブル流及びスワール流の双方を圧縮行程後期まで維持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にある。 An object of the present invention is to provide an engine combustion chamber structure that can maintain a swirl flow until the latter half of the compression stroke in a high compression ratio engine that performs SPCCI combustion and has a geometric compression ratio of 15 or more, and also to provide SI combustion and SPCCI. To provide a combustion chamber structure of an engine which can maintain both tumble flow and swirl flow until the latter half of the compression stroke in the same engine which also uses combustion.

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気筒の内壁面と、ペントルーフ型の天井面とによって区画される燃焼室を有し、当該燃焼室の幾何学的圧縮比が15以上であって、混合気の一部を火花点火によりSI燃焼させると共にその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼室構造であって、前記天井面は、吸気ポートと排気ポートとを備え、前記冠面は、椀状に凹設されてなるキャビティと、前記吸気ポートと前記排気ポートとの配列方向に直交する方向における、前記キャビティとピストン外縁部との間の外周領域において各々気筒軸方向に突設され、かつペントルーフ型の前記天井面に沿う山形形状を有する一対の隆起部と、を備え、前記キャビティは、凹設された当該キャビティの下方領域であってかつ気筒軸方向における前記天井面側からの平面視で外周縁が円形の底部と、前記直交する方向に沿った面で断面視する場合に、前記直交する方向において、前記底部の一方側に位置する一方側壁部および他方側に位置する他方側壁部と、を備え、前記一方側壁部は、前記底部の前記外周縁から前記一対の隆起部のうちの一方側の隆起部の前記天井面側の尾根部まで延設される曲面からなり、前記他方側壁部は、前記底部の前記外周縁から前記一対の隆起部のうちの他方側の隆起部の前記天井面側の尾根部まで延設される曲面からなり、前記キャビティの底部の前記外周縁の直径をD、前記ピストンの直径をBとするとき、前記ピストンの直径Bと前記キャビティの前記直径Dとの比であるB/Dが1.19以上2.94以下の範囲に設定されており、前記キャビティは、前記気筒軸方向における前記天井面側からの平面視において、前記直交する方向に幅広の楕円形状を有することを特徴とする。 An engine combustion chamber structure according to one aspect of the present invention has a combustion chamber defined by a crown surface of a piston, an inner wall surface of a cylinder in which the piston is slidably accommodated, and a pent roof type ceiling surface. And the geometric compression ratio of the combustion chamber is 15 or more, and a part of the air-fuel mixture is SI-burned by spark ignition and the other air-fuel mixture is CI-burned by self-ignition. In the combustion chamber structure, the ceiling surface is provided with an intake port and an exhaust port, and the crown surface is perpendicular to the array direction of the bowl-shaped cavity and the intake port and the exhaust port. a pair of protuberances protruding in the cylinder axial direction in the outer peripheral region between the cavity and the piston outer edge in the direction of the piston and having a chevron shape along the pent roof type ceiling surface, the cavity is a recessed area below the cavity, and when viewed in plan from the ceiling surface side in the axial direction of the cylinder, the bottom portion has a circular outer peripheral edge, and when viewed in cross section along the orthogonal direction, , one side wall portion located on one side of the bottom portion and the other side wall portion located on the other side in the orthogonal direction, wherein the one side wall portion extends from the outer peripheral edge of the bottom portion to the pair of raised portions. The other side wall portion is formed by a curved surface extending to the ridge portion on the ceiling surface side of the raised portion on one side of the pair of raised portions, and the other side wall portion is the raised portion on the other side of the pair of raised portions. When the diameter of the outer peripheral edge of the bottom of the cavity is D and the diameter of the piston is B, the diameter B of the piston and the diameter of the cavity B/D, which is a ratio to the diameter D, is set within a range of 1.19 or more and 2.94 or less, and the cavity is perpendicular to the It is characterized by having an elliptical shape that is wide in the direction.

この燃焼室構造によれば、B/Dが上記の範囲に設定されることにより、底部が比較的大きいキャビティとすることができ、スワール流を維持させ易くすることができる。すなわち、スワール流が底部に沿って安定的に流動し易くなる。従って、燃焼室の容積が狭くなる圧縮行程後期までスワール流を維持させることができる。なお、B/Dが2.94より大きくなると、キャビティの前記直径Dが比較的小さなものとなり、スワール流を流動させるための空間が不足してスワール流の維持ができなくなる傾向が顕著となる。また、B/Dが1.19未満となると、キャビティの容積が大きくなりすぎて、SPCCI燃焼に必要な幾何学的圧縮比=15以上を確保し難くなる。
また、タンブル流の流動方向においてキャビティが幅広となる形状を有しているので、当該キャビティにてタンブル流をガイドさせ易くすることができ、タンブル流の安定的な流動に寄与するものとなる。
According to this combustion chamber structure, by setting B/D within the above range, the cavity can have a relatively large bottom portion, and the swirl flow can be easily maintained. That is, it becomes easy for the swirl flow to flow stably along the bottom. Therefore, the swirl flow can be maintained until the latter part of the compression stroke when the volume of the combustion chamber becomes narrow. When B/D is larger than 2.94, the diameter D of the cavity becomes relatively small, and there is a marked tendency that the swirl flow cannot be maintained due to insufficient space for the swirl flow. On the other hand, if B/D is less than 1.19, the volume of the cavity becomes too large, making it difficult to secure the geometric compression ratio of 15 or more required for SPCCI combustion.
In addition, since the cavity has a shape that widens in the flow direction of the tumble flow, the tumble flow can be easily guided by the cavity, contributing to the stable flow of the tumble flow.

本発明の他の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気筒の内壁面と、ペントルーフ型の天井面とによって区画される燃焼室を有し、当該燃焼室の幾何学的圧縮比が15以上であって、混合気を火花点火により燃焼させるSI燃焼と、混合気の一部を火花点火によりSI燃焼させると共にその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼とを併用して行うエンジンの燃焼室構造であって、前記天井面は、吸気ポートと排気ポートとを備え、前記冠面は、椀状に凹設されてなるキャビティと、前記吸気ポートと前記排気ポートとの配列方向に直交する方向における、前記キャビティとピストン外縁部との間の外周領域において各々気筒軸方向に突設され、かつペントルーフ型の前記天井面に沿う山形形状を有する一対の隆起部と、を備え、前記キャビティは、凹設された当該キャビティの下方領域であってかつ気筒軸方向における前記天井面側からの平面視で外周縁が円形の底部と、前記直交する方向に沿った面で断面視する場合に、前記直交する方向において、前記底部の一方側に位置する一方側壁部および他方側に位置する他方側壁部と、を備え、前記一方側壁部は、前記底部の前記外周縁から前記一対の隆起部のうちの一方側の隆起部の前記天井面側の尾根部まで延設される曲面からなり、前記他方側壁部は、前記底部の前記外周縁から前記一対の隆起部のうちの他方側の隆起部の前記天井面側の尾根部まで延設される曲面からなり、前記キャビティの底部の前記外周縁の直径をD、前記ピストンの直径をBとするとき、前記ピストンの直径Bと前記キャビティの前記直径Dとの比であるB/Dが1.19以上2.20以下の範囲に設定されており、前記キャビティは、前記気筒軸方向における前記天井面側からの平面視において、前記直交する方向に幅広の楕円形状を有することを特徴とする。 An engine combustion chamber structure according to another aspect of the present invention includes a combustion chamber defined by a crown surface of a piston, an inner wall surface of a cylinder in which the piston is slidably accommodated, and a pent roof-type ceiling surface. The combustion chamber has a geometric compression ratio of 15 or more, SI combustion in which the air-fuel mixture is burned by spark ignition, and SI combustion of a part of the air-fuel mixture by spark ignition and the other air-fuel mixture is automatically burned. A combustion chamber structure for an engine that performs jointly with partial compression ignition combustion for CI combustion by ignition, wherein the ceiling surface includes an intake port and an exhaust port, and the crown surface is recessed in a bowl shape. and a pent roof type ceiling surface protruding in the cylinder axial direction in an outer peripheral region between the cavity and the outer edge of the piston in a direction perpendicular to the arrangement direction of the intake port and the exhaust port. and a pair of protruding portions having a chevron shape along the line, wherein the cavity is a recessed lower region of the cavity and has a circular outer peripheral edge in a plan view from the ceiling surface side in the cylinder axial direction. a bottom portion; and one side wall portion located on one side and the other side wall portion located on the other side of the bottom portion in the orthogonal direction when viewed in cross section along the orthogonal direction, One side wall portion is formed of a curved surface extending from the outer peripheral edge of the bottom portion to a ridge portion on the ceiling surface side of one of the pair of raised portions, and the other side wall portion is the bottom portion. from the outer peripheral edge of the pair of raised portions to the ridge on the ceiling surface side of the other raised portion of the pair of raised portions, the diameter of the outer peripheral edge of the bottom of the cavity is D, the piston When B is the diameter of the It is characterized by having an elliptical shape that is wide in the orthogonal direction in a plan view from the ceiling surface side in the axial direction of the cylinder.

この燃焼室構造によれば、B/Dが上記の範囲に設定されることにより、底部が比較的大きいキャビティとすることができ、スワール流を維持させ易くすることができる。すなわち、スワール流が底部に沿って安定的に流動し易くなる。さらに、タンブル流もキャビティ内に集まり易くすることができる。以上により、スワール流及びタンブル流をキャビティ内において維持させ易くなる。従って、燃焼室の容積が狭くなる圧縮行程後期までスワール流及びタンブル流を維持することができる。なお、B/Dが2.20より大きくなると、キャビティの前記直径Dが比較的小さなものとなり、底部に沿ったタンブル流の安定的な流動が阻害される傾向が顕著となる。また、B/Dが1.19未満となると、キャビティ容積が大きくなりすぎて、SPCCI燃焼に必要な幾何学的圧縮比=15以上を確保し難くなる。
また、タンブル流の流動方向においてキャビティが幅広となる形状を有しているので、当該キャビティにてタンブル流をガイドさせ易くすることができ、タンブル流の安定的な流動に寄与するものとなる。
According to this combustion chamber structure, by setting B/D within the above range, the cavity can have a relatively large bottom portion, and the swirl flow can be easily maintained. That is, it becomes easy for the swirl flow to flow stably along the bottom. Furthermore, the tumble flow can also be made easier to gather in the cavity. As described above, it becomes easier to maintain the swirl flow and the tumble flow in the cavity. Therefore, the swirl flow and the tumble flow can be maintained until the latter part of the compression stroke when the volume of the combustion chamber becomes narrow. When B/D is larger than 2.20, the diameter D of the cavity becomes relatively small, and there is a pronounced tendency to impede the stable flow of the tumble flow along the bottom. On the other hand, when B/D is less than 1.19, the cavity volume becomes too large, and it becomes difficult to secure the geometric compression ratio of 15 or more required for SPCCI combustion.
In addition, since the cavity has a shape that widens in the flow direction of the tumble flow, the tumble flow can be easily guided by the cavity, contributing to the stable flow of the tumble flow.

上記の燃焼室構造において、前記キャビティの前記底部は、当該キャビティの最深部を含む一定の曲率を有する領域であり、当該一定の曲率を有する領域の外縁が前記気筒軸方向における天井面側からの平面視で円形であることが望ましい。 In the above combustion chamber structure, the bottom portion of the cavity is a region having a constant curvature including the deepest portion of the cavity, and the outer edge of the region having a constant curvature extends from the ceiling surface side in the axial direction of the cylinder. It is desirable to be circular in plan view .

この燃焼室構造によれば、キャビティの底部が一定の曲率を有する領域となるので、スワール流及びタンブル流がキャビティにおいて流動し易い態様とすることができる。 According to this combustion chamber structure, the bottom of the cavity becomes a region having a constant curvature, so that the swirl flow and the tumble flow can easily flow in the cavity.

本発明によれば、SPCCI燃焼を行う幾何学的圧縮比が15以上の高圧縮比エンジンにおいて、スワール流を圧縮行程後期まで維持できるエンジンの燃焼室構造、並びに、SI燃焼とSPCCI燃焼とを併用する同エンジンにおいて、タンブル流及びスワール流の双方を圧縮行程後期まで維持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ができる。 According to the present invention, in a high compression ratio engine with a geometric compression ratio of 15 or more that performs SPCCI combustion, an engine combustion chamber structure that can maintain a swirl flow until the latter half of the compression stroke, and SI combustion and SPCCI combustion are combined. In the same engine, it is possible to provide an engine combustion chamber structure that can maintain both the tumble flow and the swirl flow until the latter half of the compression stroke.

図1は、本発明に係る燃焼室構造が適用された部分圧縮着火式エンジンの全体構成を示すシステム図である。FIG. 1 is a system diagram showing the overall configuration of a partial compression ignition engine to which a combustion chamber structure according to the present invention is applied. 図2は、前記エンジンが備える1つの気筒の模式的な斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view of one cylinder provided in the engine. 図3は、気筒およびその近傍の吸排気系の構造を示す概略平面図である。FIG. 3 is a schematic plan view showing the structure of a cylinder and an intake/exhaust system in the vicinity thereof. 図4は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing an engine control system. 図5は、エンジンの運転領域を燃焼形態の相違により区分けした運転マップである。FIG. 5 is an operation map in which the engine operation regions are divided according to the difference in combustion mode. 図6は、エンジンの各運転領域で行われる燃焼制御を概略的に説明するためのタイムチャートである。FIG. 6 is a time chart for schematically explaining combustion control performed in each operating region of the engine. 図7は、SPCCI燃焼(部分圧縮着火燃焼)時の熱発生率の波形を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the waveform of the heat release rate during SPCCI combustion (partial compression ignition combustion). 図8は、ピストンの斜視図である。FIG. 8 is a perspective view of a piston. 図9は、ピストンの冠面の平面図である。FIG. 9 is a plan view of the crown surface of the piston. 図10は、図9のX-X線断面図である。10 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 9. FIG. 図11は、図9のXI-XI線断面図である。11 is a cross-sectional view taken along line XI-XI of FIG. 9. FIG. 図12は、キャビティに関連する各種パラメータを付記した、ピストンの斜視図である。FIG. 12 is a perspective view of the piston with various parameters associated with the cavity. 図13(A)~(D)は、吸気行程におけるタンブル流の流動を模式的に示す図である。FIGS. 13A to 13D are diagrams schematically showing the flow of the tumble flow during the intake stroke. 図14(A)~(D)は、圧縮行程におけるタンブル流の流動を模式的に示す図である。FIGS. 14A to 14D are diagrams schematically showing the tumble flow in the compression stroke. 図15(A)は、図14(D)の状態に相当する、燃焼室の模式的な断面図、図15(B)は、圧縮TDCにおける燃焼室の模式的な断面図である。FIG. 15(A) is a schematic cross-sectional view of the combustion chamber corresponding to the state of FIG. 14(D), and FIG. 15(B) is a schematic cross-sectional view of the combustion chamber at compression TDC. 図16(A)~(D)は、吸気行程におけるスワール流の流動を模式的に示す図である。FIGS. 16A to 16D are diagrams schematically showing swirl flow in the intake stroke. 図17(A)~(D)は、圧縮行程におけるスワール流の流動を模式的に示す図である。FIGS. 17A to 17D are diagrams schematically showing swirl flow in the compression stroke. 図18(A)は、図17(D)の状態に相当する、燃焼室内におけるスワール流の発生状態を示す模式図、図18(B)は、圧縮TDCでの燃焼室内におけるスワール流の発生状態を示す模式図である。FIG. 18(A) is a schematic diagram showing the state of swirl flow generation in the combustion chamber corresponding to the state of FIG. 17(D), and FIG. 18(B) is the state of swirl flow generation in the combustion chamber at compression TDC. It is a schematic diagram showing. 図19は、本実施形態を採用した場合における、タンブル流及びスワール流の維持効果を示すグラフである。FIG. 19 is a graph showing the effect of maintaining tumble flow and swirl flow when this embodiment is adopted. 図20は、キャビティの底部の直径Dと圧縮比との関係を示すグラフである。FIG. 20 is a graph showing the relationship between the diameter D of the bottom of the cavity and the compression ratio. 図21(A)は、B/Dを適正範囲に設定した場合におけるタンブル流を示す模式図、図21(B)は、B/Dが適正範囲を上回る場合におけるスワール流を示す模式図、図21(C)は、B/Dが適正範囲を上回る場合におけるタンブル流を示す模式図である。FIG. 21(A) is a schematic diagram showing a tumble flow when B/D is set within the proper range, and FIG. 21(B) is a schematic diagram showing a swirl flow when B/D exceeds the proper range. 21(C) is a schematic diagram showing a tumble flow when B/D exceeds the appropriate range.

[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ついて詳細に説明する。先ず、図1に示すシステム図を参照して、本発明に係る燃焼室構造が適用された部分圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジンという)の全体構成を説明する。図1に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された4サイクルのガソリン直噴エンジンであり、エンジン本体1と、エンジン本体1に導入される吸気が流通する吸気通路30と、エンジン本体1から排出される排気ガスが流通する排気通路40と、排気通路40を流通する排気ガスの一部を吸気通路30に還流する外部EGR装置45と、エンジン本体1にガソリンを主成分とする燃料を供給するフューエルシステム150と、を備えている。
[Overall structure of the engine]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings. First, referring to the system diagram shown in FIG. 1, the overall configuration of a partial compression ignition engine (hereinafter simply referred to as engine) to which the combustion chamber structure according to the present invention is applied will be described. The engine shown in FIG. 1 is a four-cycle gasoline direct-injection engine mounted on a vehicle as a power source for running. An exhaust passage 40 through which exhaust gas discharged from the engine body 1 flows; an external EGR device 45 that recirculates a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 40 to the intake passage 30; and a fuel system 150 that supplies fuel to the engine.

エンジン本体1は、気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、気筒2を上から閉塞するようにシリンダブロック3の上面に取り付けられたシリンダヘッド4と、気筒2内に収容されたピストン5とを有している。エンジン本体1は、典型的には複数の(例えば4つの)気筒を有する多気筒型のものであるが、図1では簡略化のため、1つの気筒2のみを図示している。図2には、1つの気筒2を模式的な斜視図にて示している。ピストン5は、気筒2のボア径Bに応じた外径を有し、所定のストロークSで往復摺動可能に気筒2内に収容されている。ピストン5の下方には、エンジン本体1の出力軸であるクランク軸7が設けられている。クランク軸7は、ピストン5とコネクティングロッド8を介して連結され、ピストン5の往復運動に応じて中心軸回りに回転駆動される。 The engine body 1 includes a cylinder block 3 in which a cylinder 2 is formed, a cylinder head 4 attached to the upper surface of the cylinder block 3 so as to block the cylinder 2 from above, and a piston 5 accommodated in the cylinder 2. and The engine body 1 is typically of a multi-cylinder type having a plurality of (for example, four) cylinders, but only one cylinder 2 is shown in FIG. 1 for the sake of simplification. FIG. 2 shows one cylinder 2 in a schematic perspective view. The piston 5 has an outer diameter corresponding to the bore diameter B of the cylinder 2 and is accommodated in the cylinder 2 so as to be able to reciprocate with a predetermined stroke S. A crankshaft 7 that is an output shaft of the engine body 1 is provided below the piston 5 . The crankshaft 7 is connected to the piston 5 via a connecting rod 8 and is driven to rotate about the central axis according to the reciprocating motion of the piston 5 .

ピストン5の上方には燃焼室6が区画されている。燃焼室6には、後述するインジェクタ15からの噴射によって前記燃料が供給される。供給された燃料が燃焼室6で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン5が上下方向に往復運動する。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の上面である冠面50、及び、シリンダヘッド4の底面である燃焼室天井面6U(吸気バルブ11及び排気バルブ12の各バルブ面を含む)からなる。燃焼室天井面6Uは、上向きに凸のペントルーフ型の形状を有している。 A combustion chamber 6 is defined above the piston 5 . The fuel is supplied to the combustion chamber 6 by injection from an injector 15, which will be described later. The supplied fuel burns while being mixed with air in the combustion chamber 6, and the piston 5, which is pushed down by the expansion force due to the combustion, reciprocates in the vertical direction. The combustion chamber wall surfaces defining the combustion chamber 6 are the inner wall surface of the cylinder 2, the crown surface 50 that is the upper surface of the piston 5, and the combustion chamber ceiling surface 6U that is the bottom surface of the cylinder head 4 (the intake valve 11 and the exhaust valve 12). (including each valve face). The combustion chamber ceiling surface 6U has an upwardly convex pent roof shape.

気筒2の幾何学的圧縮比、つまりピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積とピストン5が下死点にあるときの燃焼室6の容積との比は、後述するSPCCI燃焼(部分圧縮着火燃焼)に好適な値として、15以上30以下、好ましくは15以上18以下の高圧縮比に設定される。幾何学的圧縮比を15以上の高圧縮比に設定することで、燃焼室6内において混合気に圧縮着火が発生し易い環境とすることができる。 The geometric compression ratio of the cylinder 2, that is, the ratio between the volume of the combustion chamber 6 when the piston 5 is at top dead center and the volume of the combustion chamber 6 when the piston 5 is at bottom dead center, is determined by SPCCI combustion, which will be described later. A value suitable for (partial compression ignition combustion) is set to a high compression ratio of 15 or more and 30 or less, preferably 15 or more and 18 or less. By setting the geometric compression ratio to a high compression ratio of 15 or more, it is possible to create an environment in which the mixture in the combustion chamber 6 is likely to undergo compression ignition.

シリンダブロック3には、クランク角センサSN1及び水温センサSN2が組み付けられている。クランク角センサSN1は、クランク軸7の回転角度(クランク角)及びクランク軸7の回転速度(エンジン回転速度)を検出する。水温センサSN2は、シリンダブロック3およびシリンダヘッド4の内部を流通する冷却水の温度(エンジン水温)を検出する。 A crank angle sensor SN1 and a water temperature sensor SN2 are assembled to the cylinder block 3 . The crank angle sensor SN1 detects the rotation angle (crank angle) of the crankshaft 7 and the rotation speed of the crankshaft 7 (engine rotation speed). The water temperature sensor SN2 detects the temperature of cooling water (engine water temperature) flowing through the cylinder block 3 and the cylinder head 4 .

シリンダヘッド4の燃焼室天井面6Uには、燃焼室6に向けて開口する吸気ポート9及び排気ポート10と、吸気ポート9を開閉する吸気弁11と、排気ポート10を開閉する排気弁12とが設けられている。本実施形態のエンジンのバルブ形式は、図2及び図3に示すように、吸気2バルブ×排気2バルブの4バルブ形式である。図3は、気筒2及びその近傍の吸排気系の構造を示す概略平面図である。吸気ポート9は、第1吸気ポート9A及び第2吸気ポート9Bを有し、排気ポート10は、第1排気ポート10A及び第2排気ポート10Bを有している。吸気弁11は、第1吸気ポート9A及び第2吸気ポート9Bに対しそれぞれ1つずつ設けられ、排気弁12は、第1排気ポート10A及び第2排気ポート10Bに対しそれぞれ1つずつ設けられている。 On the combustion chamber ceiling surface 6U of the cylinder head 4, there are an intake port 9 and an exhaust port 10 that open toward the combustion chamber 6, an intake valve 11 that opens and closes the intake port 9, and an exhaust valve 12 that opens and closes the exhaust port 10. is provided. As shown in FIGS. 2 and 3, the valve type of the engine of this embodiment is a 4-valve type consisting of 2 intake valves and 2 exhaust valves. FIG. 3 is a schematic plan view showing the structure of the cylinder 2 and its adjacent intake and exhaust system. The intake port 9 has a first intake port 9A and a second intake port 9B, and the exhaust port 10 has a first exhaust port 10A and a second exhaust port 10B. One intake valve 11 is provided for each of the first intake port 9A and second intake port 9B, and one exhaust valve 12 is provided for each of the first exhaust port 10A and second exhaust port 10B. there is

図3に示すように、第1、第2吸気ポート9A、9Bのうち、第2吸気ポート9Bには、当該第2吸気ポート9Bを開閉可能なスワール弁17が設けられている。スワール弁17が閉方向に駆動されると、スワール弁17が設けられていない第1吸気ポート9Aから燃焼室6に流入する吸気の割合が増大する。このため、気筒軸AX(燃焼室6の中心軸)の回りを旋回する旋回流、つまりスワール流を強化することができる。逆に、スワール弁17を開方向に駆動すればスワール流を弱めることができる。なお、本実施形態の吸気ポート9は、タンブル流(縦渦)を形成可能なタンブルポートである。このため、スワール弁17の閉時に形成されるスワール流は、タンブル流とミックスされた斜めスワール流となる。 As shown in FIG. 3, of the first and second intake ports 9A and 9B, the second intake port 9B is provided with a swirl valve 17 capable of opening and closing the second intake port 9B. When the swirl valve 17 is driven in the closing direction, the proportion of intake air flowing into the combustion chamber 6 from the first intake port 9A without the swirl valve 17 increases. Therefore, it is possible to strengthen the swirling flow that swirls around the cylinder axis AX (the central axis of the combustion chamber 6), that is, the swirl flow. Conversely, the swirl flow can be weakened by driving the swirl valve 17 in the opening direction. The intake port 9 of this embodiment is a tumble port capable of forming a tumble flow (longitudinal vortex). Therefore, the swirl flow formed when the swirl valve 17 is closed becomes an oblique swirl flow mixed with the tumble flow.

吸気弁11及び排気弁12は、シリンダヘッド4に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構13、14により、クランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。吸気弁11用の動弁機構13には、吸気弁11の開閉時期を変更可能な吸気VVT13aが、排気弁12用の動弁機構14には、排気弁12の開閉時期を変更可能な排気VVT14aが、各々内蔵されている。吸気、排気VVT13a、14aは、いわゆる位相式の可変機構であり、吸気弁11、排気弁12の開時期および閉時期を同時にかつ同量だけ変更する。 The intake valve 11 and the exhaust valve 12 are driven to open and close in conjunction with rotation of the crankshaft 7 by valve mechanisms 13 and 14 including a pair of camshafts disposed in the cylinder head 4 . The valve mechanism 13 for the intake valve 11 has an intake VVT 13a capable of changing the opening/closing timing of the intake valve 11, and the valve mechanism 14 for the exhaust valve 12 has an exhaust VVT 14a capable of changing the opening/closing timing of the exhaust valve 12. are built into each. The intake and exhaust VVTs 13a and 14a are so-called phase-type variable mechanisms that change the opening and closing timings of the intake valve 11 and the exhaust valve 12 simultaneously and by the same amount.

シリンダヘッド4には、インジェクタ15及び点火プラグ16が組み付けられている。インジェクタ15は、フューエルシステム150から供給される燃料を燃焼室6に噴射する。点火プラグ16は、インジェクタ15から燃焼室6に噴射された燃料と、吸気ポート9(9A、9B)を通して燃焼室6に導入された空気とが混合された混合気に点火する。シリンダヘッド4には、さらに、燃焼室6の圧力(筒内圧力)を検出する筒内圧センサSN3が設けられている。図2に示されているように、インジェクタ15は、燃焼室天井面6Uの径方向中央部であって、ペントルーフの頂部付近に先端部(噴孔)が表出するように配置されている。また、点火プラグ16は、燃焼室天井面6Uにおけるペントルーフの斜面部であって、一対の吸気ポート9A、9B間において先端部(電極部)が表出するように配置されている。 An injector 15 and a spark plug 16 are assembled to the cylinder head 4 . The injector 15 injects fuel supplied from the fuel system 150 into the combustion chamber 6 . The spark plug 16 ignites a mixture of fuel injected from the injector 15 into the combustion chamber 6 and air introduced into the combustion chamber 6 through the intake ports 9 (9A, 9B). The cylinder head 4 is further provided with an in-cylinder pressure sensor SN3 that detects the pressure in the combustion chamber 6 (in-cylinder pressure). As shown in FIG. 2, the injector 15 is arranged in the radial center of the combustion chamber ceiling surface 6U so that the tip (injection hole) is exposed near the top of the pent roof. Also, the spark plug 16 is a pent roof inclined portion on the combustion chamber ceiling surface 6U, and is arranged so that the tip portion (electrode portion) is exposed between the pair of intake ports 9A and 9B.

インジェクタ15は、その先端部に複数の噴孔を有した多噴孔型のインジェクタであり、当該複数の噴孔から放射状に燃料を噴射することが可能である。図2中の符号Gの領域は、各噴孔から噴射された燃料の噴霧を表している。後記で詳述するが、ピストン5の冠面50には、その径方向中央領域をシリンダヘッド4とは反対側(下方)に凹没させてなるキャビティ51が形成されている。インジェクタ15の先端部はキャビティ51と対向しており、このキャビティ51に向けて前記噴孔から燃料が噴射される。 The injector 15 is a multi-hole type injector having a plurality of nozzle holes at its tip, and can radially inject fuel from the plurality of nozzle holes. The region of symbol G in FIG. 2 represents the spray of fuel injected from each injection hole. As will be described in detail later, the crown surface 50 of the piston 5 is formed with a cavity 51 formed by recessing a radially central region thereof toward the opposite side (downward) of the cylinder head 4 . A tip portion of the injector 15 faces a cavity 51 , and fuel is injected from the injection hole toward the cavity 51 .

インジェクタ15に燃料を供給するフューエルシステム150は、フューエルタンク151、フューエルポンプ152、フューエルレール153及びパージ通路154を含む。フューエルタンク151は燃料を貯留するタンクである。フューエルポンプ152は、インタンク式のポンプであり、燃料をフューエルタンク151からフューエルレール153へ送り出す。フューエルレール153は、各気筒2に備えられているインジェクタ15に燃料を分配する。パージ通路154は、フューエルタンク151内で気化した燃料を回収し、吸気通路30に導入して燃焼させるための通路である。 A fuel system 150 that supplies fuel to the injectors 15 includes a fuel tank 151 , a fuel pump 152 , a fuel rail 153 and a purge passage 154 . Fuel tank 151 is a tank that stores fuel. Fuel pump 152 is an in-tank pump, and pumps fuel from fuel tank 151 to fuel rail 153 . A fuel rail 153 distributes fuel to the injectors 15 provided in each cylinder 2 . The purge passage 154 is a passage for recovering vaporized fuel in the fuel tank 151 and introducing it into the intake passage 30 for combustion.

吸気通路30は、吸気ポート9と連通するように、シリンダヘッド4の一側面に接続されている。吸気通路30の上流端から取り込まれた空気(新気)は、吸気通路30及び吸気ポート9を通じて燃焼室6に導入される。吸気通路30には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ31と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁32と、吸気を圧縮しつつ送り出す過給機33と、過給機33により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ35とが設けられている。 The intake passage 30 is connected to one side surface of the cylinder head 4 so as to communicate with the intake port 9 . Air (fresh air) taken from the upstream end of the intake passage 30 is introduced into the combustion chamber 6 through the intake passage 30 and the intake port 9 . The intake passage 30 includes, in order from the upstream side thereof, an air cleaner 31 that removes foreign matter from the intake air, a throttle valve 32 that can be opened and closed to adjust the flow rate of the intake air, a supercharger 33 that compresses and delivers the intake air, and a supercharger. An intercooler 35 is provided to cool the intake air compressed by the feeder 33 .

吸気通路30の適所には、吸気の流量を検出するエアフローセンサSN4と、吸気の温度を検出する第1・第2吸気温センサSN5、SN7と、吸気の圧力を検出する第1・第2吸気圧センサSN6、SN8とが設けられている。エアフローセンサSN4及び第1吸気温センサSN5は、吸気通路30におけるエアクリーナ31とスロットル弁32との間の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の流量および温度を検出する。第1吸気圧センサSN6は、吸気通路30におけるスロットル弁32と過給機33との間であって、後述するEGR通路451の接続口よりも下流側の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の圧力を検出する。第2吸気温センサSN7は、吸気通路30における過給機33とインタークーラ35との間の部位に設けられ、当該部位を通過する吸気の温度を検出する。第2吸気圧センサSN8は、吸気通路30におけるインタークーラ35と吸気ポート9との間の吸気の圧力を検出する。 At appropriate locations in the intake passage 30 are an air flow sensor SN4 for detecting the flow rate of the intake air, first and second intake temperature sensors SN5 and SN7 for detecting the temperature of the intake air, and first and second intake air pressure sensors for detecting the pressure of the intake air. Air pressure sensors SN6 and SN8 are provided. The airflow sensor SN4 and the first intake air temperature sensor SN5 are provided at a portion between the air cleaner 31 and the throttle valve 32 in the intake passage 30, and detect the flow rate and temperature of the intake air passing through these portions. The first intake pressure sensor SN6 is provided between the throttle valve 32 and the supercharger 33 in the intake passage 30 and downstream of a connection port of the EGR passage 451, which will be described later. Detects intake pressure. The second intake air temperature sensor SN7 is provided at a portion between the supercharger 33 and the intercooler 35 in the intake passage 30, and detects the temperature of the intake air passing through that portion. A second intake pressure sensor SN8 detects the pressure of intake air between the intercooler 35 and the intake port 9 in the intake passage 30 .

過給機33は、エンジン本体1と機械的に連係された機械式の過給機(スーパーチャージャ)である。過給機33の具体的な形式は特に問わないが、例えばリショルム式、ルーツ式、または遠心式といった公知の過給機のいずれかを過給機33として用いることができる。過給機33には、締結と解放を電気的に切り替えることが可能な電磁クラッチ34が付設されている。電磁クラッチ34が締結されると、エンジン本体1から過給機33に駆動力が伝達されて、過給機33による過給が行われる。一方、電磁クラッチ34が解放されると、上記駆動力の伝達が遮断されて、過給機33による過給が停止される。 The supercharger 33 is a mechanical supercharger (supercharger) mechanically linked to the engine body 1 . The specific type of the supercharger 33 is not particularly limited, but any known supercharger such as Lysholm type, Roots type, or centrifugal type can be used as the supercharger 33 . The supercharger 33 is provided with an electromagnetic clutch 34 that can be electrically switched between engagement and disengagement. When the electromagnetic clutch 34 is engaged, driving force is transmitted from the engine body 1 to the supercharger 33, and supercharging by the supercharger 33 is performed. On the other hand, when the electromagnetic clutch 34 is released, the transmission of the driving force is interrupted and the supercharging by the supercharger 33 is stopped.

吸気通路30には、過給機33をバイパスして吸気を流通させるためのバイパス通路36が付設されている。バイパス通路36には、当該バイパス通路36を開閉可能なバイパス弁37が設けられている。バイパス通路36は、過給機33よりも上流側で吸気通路30から分岐し、インタークーラ35の下流側において吸気通路30に合流する合流部38を形成している。この合流部38は、図略のサージタンクの近傍に配置される。なお、バイパス通路36は、後述するEGR通路451と前記サージタンクとを接続する通路でもある。 The intake passage 30 is provided with a bypass passage 36 for bypassing the supercharger 33 and allowing intake air to flow. The bypass passage 36 is provided with a bypass valve 37 capable of opening and closing the bypass passage 36 . The bypass passage 36 branches off from the intake passage 30 on the upstream side of the supercharger 33 and forms a confluence portion 38 that merges with the intake passage 30 on the downstream side of the intercooler 35 . This junction 38 is arranged near a surge tank (not shown). The bypass passage 36 is also a passage that connects an EGR passage 451, which will be described later, and the surge tank.

排気通路40は、各気筒2の排気ポート10と排気マニホールド41を介して連通している。各燃焼室6で生成された既燃ガスは、排気ポート10、排気マニホールド41及び排気通路40を通じて外部に排出される。排気通路40には、排気ガスの流通方向における上流側、下流側に、各々上流触媒コンバータ42、下流触媒コンバータ43が設けられている。上流触媒コンバータ42には、三元触媒421及びGPF(ガソリン・パティキュレート・フィルタ)422が備えられている。三元触媒421は、排気通路40を流通する排気ガス中に含まれる有害成分(HC、CO、NOx)を捕集する。GPF422は、排気ガス中に含まれる煤に代表される粒子状物質を捕集する。下流触媒コンバータ43は、三元触媒やNOx触媒等の適宜の触媒を内蔵した触媒コンバータである。 The exhaust passage 40 communicates with the exhaust port 10 of each cylinder 2 through an exhaust manifold 41 . The burned gas generated in each combustion chamber 6 is discharged to the outside through the exhaust port 10, the exhaust manifold 41 and the exhaust passage 40. The exhaust passage 40 is provided with an upstream catalytic converter 42 and a downstream catalytic converter 43, respectively, on the upstream side and the downstream side in the exhaust gas flow direction. The upstream catalytic converter 42 is equipped with a three-way catalyst 421 and a GPF (gasoline particulate filter) 422 . The three-way catalyst 421 collects harmful components (HC, CO, NOx) contained in the exhaust gas flowing through the exhaust passage 40 . The GPF 422 collects particulate matter typified by soot contained in the exhaust gas. The downstream catalytic converter 43 is a catalytic converter containing an appropriate catalyst such as a three-way catalyst or a NOx catalyst.

排気通路40における上流触媒コンバータ42よりも上流側の部位には、排気ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するリニアOセンサSN9が配置されている。リニアOセンサSN9は、酸素濃度の濃淡に応じて出力値がリニアに変化するセンサであり、その出力値に基づいて、混合気の空燃比を推定することが可能である。また、三元触媒421とGPF422との間には、排気中のNOx濃度を計測するNOxセンサSN9が配置されている。 A linear O2 sensor SN9 that detects the concentration of oxygen contained in the exhaust gas is arranged in the exhaust passage 40 upstream of the upstream catalytic converter 42 . The linear O2 sensor SN9 is a sensor whose output value linearly changes according to the concentration of oxygen, and it is possible to estimate the air-fuel ratio of the air-fuel mixture based on the output value. A NOx sensor SN9 is arranged between the three-way catalyst 421 and the GPF 422 to measure the NOx concentration in the exhaust gas.

外部EGR装置45は、排気通路40と吸気通路30とを接続するEGR通路451と、EGR通路451に設けられたEGRクーラ452及びEGR弁453とを有している。EGR通路451は、排気通路40における上流触媒コンバータ42よりも下流側の部位と、吸気通路30におけるスロットル弁32と過給機33との間の部位とを互いに接続している。EGRクーラ452は、EGR通路451を通して排気通路40から吸気通路30に還流される排気ガス(外部EGRガス)を、熱交換により冷却する。EGR弁453は、EGRクーラ452よりも下流側のEGR通路451に配置され、当該EGR通路451を流通する排気ガスの流量を調整する。 The external EGR device 45 has an EGR passage 451 connecting the exhaust passage 40 and the intake passage 30 , and an EGR cooler 452 and an EGR valve 453 provided in the EGR passage 451 . The EGR passage 451 connects a portion of the exhaust passage 40 downstream of the upstream catalytic converter 42 and a portion of the intake passage 30 between the throttle valve 32 and the supercharger 33 . The EGR cooler 452 cools the exhaust gas (external EGR gas) recirculated from the exhaust passage 40 to the intake passage 30 through the EGR passage 451 by heat exchange. The EGR valve 453 is arranged in the EGR passage 451 downstream of the EGR cooler 452 and adjusts the flow rate of the exhaust gas flowing through the EGR passage 451 .

[制御系統]
続いて、上述したエンジンの制御系統について説明する。図4は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。制御系統はECU20を備える。ECU20は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
[Control system]
Next, a control system for the engine described above will be described. FIG. 4 is a block diagram showing an engine control system. A control system includes an ECU 20 . The ECU 20 is a microprocessor for overall control of the engine, and includes a well-known CPU, ROM, RAM, and the like.

ECU20には各種センサによる検出信号が入力される。ECU20は、上述したクランク角センサSN1、水温センサSN2、筒内圧センサSN3、エアフローセンサSN4、第1・第2吸気温センサSN5,SN7、第1・第2吸気圧センサSN6,SN8、リニアOセンサSN9及びNOセンサSN10と電気的に接続されている。これらのセンサによって検出された情報(つまりクランク角、エンジン回転速度、エンジン水温、筒内圧力、吸気流量、吸気温、吸気圧、排気ガスの酸素濃度、NOx濃度等)は、ECU20に逐次入力される。また、車両には、図略のアクセルペダルの開度を検出するアクセルセンサSN11が設けられている。このアクセルセンサSN11による検出信号も、ECU20に入力される。 Detection signals from various sensors are input to the ECU 20 . The ECU 20 includes the crank angle sensor SN1, the water temperature sensor SN2, the in-cylinder pressure sensor SN3, the airflow sensor SN4, the first and second intake air temperature sensors SN5 and SN7, the first and second intake pressure sensors SN6 and SN8, and the linear O2 sensor. It is electrically connected to sensor SN9 and NOx sensor SN10. Information detected by these sensors (i.e., crank angle, engine speed, engine water temperature, cylinder pressure, intake flow rate, intake air temperature, intake pressure, exhaust gas oxygen concentration, NOx concentration, etc.) is sequentially input to the ECU 20. be. The vehicle is also provided with an accelerator sensor SN11 that detects the opening of an accelerator pedal (not shown). A detection signal from the accelerator sensor SN11 is also input to the ECU 20 .

ECU20は、上記各センサからの入力情報に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ECU20は、吸気VVT13a、排気VVT14a、インジェクタ15、点火プラグ16、スワール弁17、スロットル弁32、電磁クラッチ34、バイパス弁37、およびEGR弁453等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。 The ECU 20 controls each part of the engine while executing various determinations and calculations based on the input information from each sensor. That is, the ECU 20 is electrically connected to the intake VVT 13a, the exhaust VVT 14a, the injector 15, the spark plug 16, the swirl valve 17, the throttle valve 32, the electromagnetic clutch 34, the bypass valve 37, the EGR valve 453, and the like. Control signals are output to each of these devices based on the results of the above.

ECU20は、所定のプログラムが実行されることによって、演算部21、噴射制御部22、点火制御部23、スワール制御部24、吸気制御部25、EGR制御部26及び全体制御部27を機能的に具備するように動作する。 The ECU 20 functionally controls the calculation unit 21, the injection control unit 22, the ignition control unit 23, the swirl control unit 24, the intake control unit 25, the EGR control unit 26, and the general control unit 27 by executing a predetermined program. It works as if it were equipped.

噴射制御部22は、インジェクタ15による燃料の噴射動作を制御する制御モジュールである。点火制御部23は、点火プラグ16による点火動作を制御する制御モジュールである。スワール制御部24は、スワール弁17の開度を制御する制御モジュールである。吸気制御部25は、燃焼室6に導入される吸気の流量や圧力を調整する制御モジュールであり、スロットル弁32及びバイパス弁37の各開度や電磁クラッチ34のON/OFFを制御する。EGR制御部26は、燃焼室6に導入されるEGRガスの量を調整する制御モジュールであり、吸気VVT13aおよび排気VVT14aの各動作やEGR弁453の開度を制御する。 The injection control unit 22 is a control module that controls the fuel injection operation of the injector 15 . The ignition control unit 23 is a control module that controls the ignition operation of the spark plug 16 . The swirl control section 24 is a control module that controls the degree of opening of the swirl valve 17 . The intake control unit 25 is a control module that adjusts the flow rate and pressure of intake air introduced into the combustion chamber 6 , and controls the opening degrees of the throttle valve 32 and the bypass valve 37 and ON/OFF of the electromagnetic clutch 34 . The EGR control unit 26 is a control module that adjusts the amount of EGR gas introduced into the combustion chamber 6 , and controls each operation of the intake VVT 13 a and the exhaust VVT 14 a and the opening of the EGR valve 453 .

演算部21は、上記の各制御部22~26による制御目標値の決定や、エンジンの運転状態の判定のための各種演算を実行する制御モジュールである。全体制御部27は、エンジンの運転シーン等に応じて演算部21及び各制御部22~26を統括的に制御し、必要な演算及び制御を実行させる。 The calculation unit 21 is a control module that executes various calculations for determining control target values by the control units 22 to 26 and determining the operating state of the engine. The overall control unit 27 comprehensively controls the calculation unit 21 and the respective control units 22 to 26 according to the operating scene of the engine, etc., and executes necessary calculations and controls.

[運転状態に応じた制御]
図5は、本実施形態のエンジンの温間時に使用される運転マップであり、エンジンの回転速度/負荷に応じた制御の相違を示す図である。なお、以下の説明において、エンジンの負荷が高い(低い)とは、エンジンの要求トルクが高い(低い)ことと等価である。
[Control according to operating conditions]
FIG. 5 is an operation map used when the engine is warm according to the present embodiment, and is a diagram showing differences in control according to engine rotation speed/load. In the following description, a high (low) engine load is equivalent to a high (low) required torque of the engine.

エンジンが温間状態にあるとき、エンジンの運転領域は、燃焼形態の相違によって3つの運転領域A1~A3に大別される。これら運転領域A1~A3を、それぞれ第1運転領域A1、第2運転領域A2、第3運転領域A3と呼ぶ。第3運転領域A3は、回転速度が高い高速領域である。第1運転領域A1は、第3運転領域A3よりも低速側の領域から高負荷側の一部を除いた低・中速/低負荷の領域である。第2運転領域A2は、第1、第3運転領域A1,A3以外の残余の領域、つまり低・中速/高負荷の領域である。以下、各運転領域で選択される燃焼形態等について順に説明する。 When the engine is in a warm state, the operating range of the engine is roughly divided into three operating ranges A1 to A3 depending on the combustion mode. These operating regions A1 to A3 are called a first operating region A1, a second operating region A2, and a third operating region A3, respectively. The third operating region A3 is a high speed region where the rotation speed is high. The first operating range A1 is a low/medium speed/low load range obtained by excluding a portion of the high load side from the range on the low speed side of the third operating range A3. The second operating area A2 is a remaining area other than the first and third operating areas A1 and A3, that is, a low/medium speed/high load area. The combustion mode and the like selected in each operating range will be described below in order.

<第1運転領域>
低・中速/低負荷の第1運転領域A1では、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた部分圧縮着火燃焼(以下、これをSPCCI燃焼という)が実行される。SI燃焼とは、点火プラグ16から発生する火花により混合気に点火し、その点火点からその周囲へと燃焼領域を拡げていく火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させる燃焼形態のことである。CI燃焼とは、ピストン5の圧縮により高温・高圧化された環境下で、混合気を自着火により燃焼させる燃焼形態のことである。これらSI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室6内の混合気の一部をSI燃焼させ、このSI燃焼の後に(当該SI燃焼に伴うさらなる高温・高圧化によって)、燃焼室6内の他の混合気を自着火によりCI燃焼させる燃焼形態である。なお、「SPCCI」は「Spark Controlled Compression Ignition」の略である。
<First operating region>
In the low/medium speed/low load first operating region A1, partial compression ignition combustion (hereinafter referred to as SPCCI combustion) combining SI combustion and CI combustion is performed. SI combustion is a combustion mode in which the air-fuel mixture is ignited by a spark generated from the spark plug 16, and the air-fuel mixture is forcibly burned by flame propagation that spreads the combustion area from the ignition point to the surroundings. . CI combustion is a combustion mode in which an air-fuel mixture is combusted by self-ignition under an environment of high temperature and high pressure due to compression of the piston 5 . SPCCI combustion, which is a combination of these SI combustion and CI combustion, involves SI combustion of part of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 by spark ignition performed in an environment just before the air-fuel mixture self-ignites. This is a combustion mode in which another air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is later CI-burned by self-ignition (due to further increase in temperature and pressure accompanying the SI combustion). “SPCCI” is an abbreviation for “Spark Controlled Compression Ignition”.

SPCCI燃焼は、SI燃焼時の熱発生よりもCI燃焼時の熱発生の方が急峻になるという性質がある。図7は、SPCCI燃焼時の熱発生率の波形を示すグラフである。当該波形における点X1は、SI燃焼の開始に伴って熱発生率が立ち上がる熱発生点(クランク角θsi)である。熱発生点以降、SI燃焼に対応する燃焼初期の立ち上がりの傾きが、その後のCI燃焼に対応して生じる立ち上がりの傾きよりも小さくなっている。すなわち、SPCCI燃焼時の熱発生率の波形は、SI燃焼に基づく相対的に立ち上がりの傾きが小さい第1熱発生率部R1と、CI燃焼に基づく相対的に立ち上がりの傾きが大きい第2熱発生部R2とが、この順に連続するように形成される。また、このような熱発生率の傾向に対応して、SPCCI燃焼では、SI燃焼時に生じる燃焼室6内の圧力上昇率(dp/dθ)がCI燃焼時のそれよりも小さくなる。 SPCCI combustion has the property that heat release during CI combustion is steeper than heat release during SI combustion. FIG. 7 is a graph showing the waveform of the heat release rate during SPCCI combustion. A point X1 in the waveform is a heat release point (crank angle θsi) at which the heat release rate rises with the start of SI combustion. After the heat release point, the slope of the rise at the beginning of combustion corresponding to SI combustion is smaller than the slope of rise corresponding to subsequent CI combustion. That is, the waveform of the heat release rate during SPCCI combustion has a first heat release rate portion R1 with a relatively small rising slope based on SI combustion and a second heat release rate portion R1 with a relatively large rising slope based on CI combustion. and R2 are formed so as to be continuous in this order. Further, in response to such a tendency of the heat release rate, in SPCCI combustion, the pressure rise rate (dp/dθ) in the combustion chamber 6 occurring during SI combustion is smaller than that during CI combustion.

SI燃焼によって、燃焼室6内の温度および圧力が高まると、これに伴い未燃混合気が自着火し、CI燃焼が開始される。このCI燃焼が開始するタイミングで、熱発生率の波形の傾きが小から大へと変化する。すなわち、SPCCI燃焼における熱発生率の波形は、CI燃焼が開始するタイミングで現れる変曲点(図7の点X2=クランク角θci)を有している。 When the temperature and pressure in the combustion chamber 6 increase due to SI combustion, the unburned air-fuel mixture self-ignites and CI combustion starts. At the timing when this CI combustion starts, the slope of the waveform of the heat release rate changes from low to high. That is, the waveform of the heat release rate in SPCCI combustion has an inflection point (point X2 in FIG. 7=crank angle θci) that appears at the timing when CI combustion starts.

CI燃焼の開始後は、SI燃焼とCI燃焼とが並行して行われる。CI燃焼は、SI燃焼よりも混合気の燃焼速度が速いため、熱発生率は相対的に大きくなる。ただし、CI燃焼は、圧縮上死点の後に行われるため、熱発生率の波形の傾きが過大になることはない。すなわち、圧縮上死点を過ぎるとピストン5の下降によりモータリング圧力が低下するので、このことが熱発生率の上昇を抑制する結果、CI燃焼時のdp/dθが過大になることが回避される。このように、SPCCI燃焼では、SI燃焼の後にCI燃焼が行われるという性質上、燃焼騒音の指標となるdp/dθが過大になり難く、単純なCI燃焼(全ての燃料をCI燃焼させた場合)に比べて燃焼騒音を抑制することができる。 After the start of CI combustion, SI combustion and CI combustion are performed in parallel. In CI combustion, the combustion speed of air-fuel mixture is faster than in SI combustion, so the heat generation rate is relatively large. However, since CI combustion is performed after compression top dead center, the slope of the heat release rate waveform does not become excessive. That is, when the compression top dead center is passed, the motoring pressure drops due to the descent of the piston 5, which suppresses the rise in the heat release rate, thereby avoiding an excessive increase in dp/dθ during CI combustion. be. In this way, in SPCCI combustion, CI combustion is performed after SI combustion. ), combustion noise can be suppressed.

CI燃焼の終了に伴いSPCCI燃焼も終了する。CI燃焼はSI燃焼に比べて燃焼速度が速いので、単純なSI燃焼(全ての燃料をSI燃焼させた場合)に比べて燃焼終了時期を早めることができる。言い換えると、SPCCI燃焼では、燃焼終了時期を膨張行程内において圧縮上死点に近づけることができる。これにより、SPCCI燃焼では、単純なSI燃焼に比べて燃費性能を向上させることができる。第1運転領域A1におけるSPCCI燃焼の実行の際、ECU20の全体制御部27は、各制御部22~26を次のような制御を実行させる。 SPCCI combustion also ends with the end of CI combustion. Since the CI combustion has a higher combustion speed than the SI combustion, it is possible to advance the combustion end timing as compared to the simple SI combustion (when all the fuel is SI-burned). In other words, in SPCCI combustion, the end of combustion can be brought closer to compression top dead center in the expansion stroke. As a result, SPCCI combustion can improve fuel consumption performance compared to simple SI combustion. When executing SPCCI combustion in the first operating region A1, the overall control unit 27 of the ECU 20 causes the control units 22 to 26 to perform the following controls.

火花点火に関し全体制御部27は、点火プラグ16から火花を2回発生させ、2回目の火花点火をきっかけにして、混合気をSPCCI燃焼させる制御を実行する。具体的には、点火プラグ16(点火制御部23)は、圧縮上死点から十分に進角された時期に火花を発生させる先行点火と、先行点火よりも圧縮上死点に近い時期に火花を発生させる主点火とを実行する。先行点火は、圧縮行程前期または中期のいずれか(BTDC180~60°CA)に実行される。主点火は、SI燃焼を開始させる点火であり、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内(BTDC60~ATDC60°CA)に実行される。なお、燃料噴射後であれば、吸気行程において先行点火を実行させても良い。 Regarding the spark ignition, the overall control unit 27 generates sparks from the spark plug 16 twice, and with the second spark ignition as a trigger, executes control for SPCCI combustion of the air-fuel mixture. Specifically, the spark plug 16 (ignition control unit 23) generates a spark at a timing sufficiently advanced from the top dead center of the compression stroke, and generates a spark at a timing closer to the top dead center of the compression stroke than the preceding ignition. to generate the main ignition and Pre-ignition is performed either early or mid compression stroke (BTDC 180-60° CA). Main ignition is ignition that starts SI combustion, and is performed within a period from the latter half of the compression stroke to the beginning of the expansion stroke (BTDC60-ATDC60°CA). Preliminary ignition may be executed in the intake stroke after fuel injection.

図6は、エンジンの各運転領域で行われる燃焼制御を概略的に説明するためのタイムチャートである。第1運転領域A1における低負荷側の運転ポイントP1、P2において、点火制御部23は点火プラグ16を制御して、図6のチャート(a)、(b)に各々示すように、圧縮行程前期に先行点火を実行するとともに、圧縮行程後期に主点火を実行する。ただし、高負荷側の運転ポイントP2における先行点火の時期は、低負荷側の運転ポイントP1における先行点火の時期よりも進角側に設定される。これは、後述する第2噴射(1サイクル中の最後の燃料噴射)の時期に連動したものである。すなわち、点火制御部23は、第2噴射の終了時期から先行点火までのクランク角期間が略一定に維持されるように、第2噴射の時期に連動して先行点火の時期が高負荷側ほど進角させる。噴射制御部22は、第2噴射の時期をエンジン負荷(運転状態)に応じて変更し、点火制御部23は、第2噴射の時期変更の前後において、第2噴射の終了時期から先行点火の時期までの期間が略一定に維持されるように、先行点火の時期を変更する。 FIG. 6 is a time chart for schematically explaining combustion control performed in each operating region of the engine. At operating points P1 and P2 on the low-load side in the first operating region A1, the ignition control unit 23 controls the spark plug 16 so that, as shown in charts (a) and (b) of FIG. Pre-ignition is performed at the end of the compression stroke, and main ignition is performed at the end of the compression stroke. However, the advance ignition timing at the operating point P2 on the high load side is set to be more advanced than the advance ignition timing at the operating point P1 on the low load side. This is interlocked with the timing of the second injection (the last fuel injection in one cycle), which will be described later. That is, the ignition control unit 23 adjusts the timing of the advance ignition in conjunction with the timing of the second injection so that the crank angle period from the end timing of the second injection to the advance ignition is maintained substantially constant. Advance. The injection control unit 22 changes the timing of the second injection according to the engine load (operating state), and the ignition control unit 23 changes the timing of the advance ignition from the end timing of the second injection before and after changing the timing of the second injection. To change the timing of advance ignition so that the period to timing is maintained substantially constant.

圧縮上死点から十分に進角された時期に実行される先行点火は、混合気の火炎伝播を生じさせない。この先行点火は、火花(アーク)の周囲の混合気を850K以上1140K未満という狙いの温度にまで上昇させることにより、燃料成分(炭化水素)を開裂させてOHラジカルを含む中間生成物を生成することを目的として行われる。また、火炎伝播が生じるのを確実に防止するため、先行点火のエネルギーは、主点火のエネルギーよりも小さくされる。したがって、このような先行点火が行われても、混合気には実質的に火炎が形成されず、SI燃焼は開始されない。 Pre-ignition, which is performed at a timing well advanced from compression top dead center, does not cause flame propagation of the air-fuel mixture. This pre-ignition raises the air-fuel mixture around the spark (arc) to a target temperature of 850 K or more and less than 1140 K to cleave the fuel components (hydrocarbons) to produce intermediate products containing OH radicals. It is done for the purpose of Also, the energy of the pre-ignition is made smaller than the energy of the main ignition to ensure that flame propagation does not occur. Therefore, even if such pre-ignition is performed, substantially no flame is formed in the air-fuel mixture, and SI combustion is not initiated.

一方、圧縮上死点に比較的近い時期に実行されるエネルギーの大きい主点火は、混合気の火炎伝播を生じさせ、SI燃焼を引き起こす。SI燃焼が開始されると、燃焼室6が高温・高圧化し、そのことがCI燃焼を引き起こす。すなわち、主点火をきっかけにSPCCI燃焼が開始され、燃焼室6内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼(SI燃焼)し、その他の混合気が自着火により燃焼(CI燃焼)する。 On the other hand, the high-energy main ignition, which is performed relatively close to compression top dead center, causes flame propagation of the air-fuel mixture and causes SI combustion. When SI combustion is started, the temperature and pressure of the combustion chamber 6 are increased, which causes CI combustion. That is, SPCCI combustion is started with the main ignition, a part of the mixture in the combustion chamber 6 burns due to flame propagation (SI combustion), and the rest of the mixture burns due to self-ignition (CI combustion).

インジェクタ15は、1サイクル中に噴射すべき燃料を2回に分けて、吸気行程中に噴射する。第1運転領域A1において噴射制御部22は、インジェクタ15を制御して、上述した先行点火よりも早い所定の期間内に、第1噴射と第2噴射との2回に分けて燃料を噴射させる。運転ポイントP1、P2において、インジェクタ15は、図6のチャート(a)、(b)に示すように、吸気行程前半に第1噴射を開始するとともに、吸気行程後半に第2噴射を開始する。ただし、高負荷側の運転ポイントP2における第2噴射の開始時期は、低負荷側の運転ポイントP1における第2噴射の開始時期よりも進角側に設定される。 The injector 15 divides the fuel to be injected in one cycle into two times and injects it during the intake stroke. In the first operating region A1, the injection control unit 22 controls the injector 15 to inject fuel in two steps, the first injection and the second injection, within a predetermined period earlier than the preceding ignition. . At operating points P1 and P2, the injector 15 starts the first injection in the first half of the intake stroke and the second injection in the second half of the intake stroke, as shown in charts (a) and (b) of FIG. However, the start timing of the second injection at the operating point P2 on the high load side is set to be more advanced than the start timing of the second injection at the operating point P1 on the low load side.

第2噴射の時期は、第1運転領域A1内で負荷が増大するほど進角される。分割噴射によりインジェクタ15から噴射される燃料の総量は、要求トルクが高くなる高負荷側ほど多くなるように設定される。また、第1・第2噴射の分割比は、高負荷側ほど第1噴射の割合が小さくなるように設定される(噴射量は第1噴射>第2噴射)。例えば、第1・第2噴射の分割比は、第1運転領域A1内における低負荷側から高負荷側にかけて、概ね9:1から6:4まで変化するように設定される。これにより、燃料が成層化され過ぎてエミッション性能が低下することを回避できる。 The timing of the second injection is advanced as the load increases within the first operating region A1. The total amount of fuel injected from the injector 15 by split injection is set so as to increase on the high load side where the required torque increases. Further, the split ratio of the first injection and the second injection is set so that the ratio of the first injection decreases as the load increases (the injection amount is the first injection>the second injection). For example, the split ratio of the first and second injections is set to vary from approximately 9:1 to 6:4 from the low load side to the high load side within the first operating region A1. As a result, it is possible to avoid the deterioration of emission performance due to excessive stratification of the fuel.

第1運転領域A1での運転時、スロットル弁32の開度は、理論空燃比相当の空気量よりも多くの空気が吸気通路30を通じて燃焼室6に導入されるような開度に設定される。すなわち、吸気制御部25は、吸気通路30を通じて燃焼室6に導入される空気(新気)と、上記第1・第2噴射によって燃焼室6に噴射される燃料との重量比である空燃比(A/F)が、理論空燃比(14.7)よりも大きくなるように、スロットル弁32の開度を比較的高めに設定する(A/Fリーン)。これにより、理論空燃比相当の空気量よりも多くの空気が、吸気通路30を通じて燃焼室6に導入される。 During operation in the first operating region A1, the opening degree of the throttle valve 32 is set to such an opening degree that more air than the amount of air corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio is introduced into the combustion chamber 6 through the intake passage 30. . That is, the intake control unit 25 controls the air-fuel ratio, which is the weight ratio between the air (fresh air) introduced into the combustion chamber 6 through the intake passage 30 and the fuel injected into the combustion chamber 6 by the first and second injections. (A/F) is larger than the theoretical air-fuel ratio (14.7), the opening of the throttle valve 32 is set relatively high (A/F lean). As a result, more air than the amount of air corresponding to the stoichiometric air-fuel ratio is introduced into the combustion chamber 6 through the intake passage 30 .

全体制御部27は、過給機33を、図5に示される過給ラインTの内側領域(第1運転領域A1の低速側)ではOFF状態とし、過給ラインTの外側領域(第1運転領域A1の高速側)ではON状態とする。第1運転領域A1の低速側では、電磁クラッチ34が解放されて過給機33とエンジン本体1との連結が解除されると共に、バイパス弁37が全開とされることにより、過給機33による過給が停止される。一方、第1運転領域A1の高速側では、電磁クラッチ34が締結されて過給機33とエンジン本体1とが連結されることにより、過給機33による過給が行われる。このとき、第2吸気圧センサSN8により検出される過給圧が、エンジンの運転条件(回転速度や負荷等の条件)ごとに予め定められた目標圧力に一致するように、吸気制御部25は、バイパス弁37の開度を制御する。 The overall control unit 27 turns off the turbocharger 33 in the inner region of the supercharging line T (low speed side of the first operating region A1) shown in FIG. On the high speed side of the area A1). On the low speed side of the first operating region A1, the electromagnetic clutch 34 is released to disconnect the supercharger 33 and the engine body 1, and the bypass valve 37 is fully opened, so that the supercharger 33 Supercharging is stopped. On the other hand, on the high speed side of the first operating region A1, the electromagnetic clutch 34 is engaged and the supercharger 33 and the engine body 1 are connected, whereby supercharging by the supercharger 33 is performed. At this time, the intake control unit 25 controls the boost pressure detected by the second intake pressure sensor SN8 so that it matches a predetermined target pressure for each operating condition of the engine (conditions such as rotational speed and load). , controls the degree of opening of the bypass valve 37 .

EGR制御部26はEGR弁453を、SPCCI燃焼に適した筒内温度が実現されるように、第1運転領域A1内の多くの領域において開弁する。すなわち、EGR通路451を通じて燃焼室6に排気ガスを還流する外部EGRが実現されるように、EGR弁453が開弁される。EGR弁453の開度は、所望のSPCCI燃焼の波形を得るのに適した筒内温度が実現されるように調整される。 The EGR control unit 26 opens the EGR valve 453 in many regions within the first operating region A1 so as to achieve an in-cylinder temperature suitable for SPCCI combustion. That is, the EGR valve 453 is opened so that the external EGR that recirculates the exhaust gas to the combustion chamber 6 through the EGR passage 451 is realized. The opening degree of the EGR valve 453 is adjusted so as to achieve an in-cylinder temperature suitable for obtaining a desired SPCCI combustion waveform.

スワール制御部24は、スワール弁17の開度を、半開(50%)よりも低い低開度に設定する。スワール弁17の開度が低減されることにより、燃焼室6に導入される吸気は、その大部分が第1吸気ポート9A(図3)からの吸気となり、燃焼室6内に強いスワール流が形成される。このスワール流は、吸気行程中に成長して圧縮行程の途中まで残存し、燃料の成層化を促進する。つまり、燃焼室6の径方向中央部の燃料濃度がその外側の領域(外周部)に比べて濃くなるという濃度差が形成される。 The swirl control unit 24 sets the degree of opening of the swirl valve 17 to a low degree of opening lower than half-open (50%). By reducing the opening degree of the swirl valve 17, most of the intake air introduced into the combustion chamber 6 becomes intake air from the first intake port 9A (Fig. 3), and a strong swirl flow is generated in the combustion chamber 6. It is formed. This swirl flow grows during the intake stroke and remains until the middle of the compression stroke, promoting stratification of the fuel. That is, a concentration difference is formed in which the fuel concentration in the radially central portion of the combustion chamber 6 is higher than in the outer region (peripheral portion).

<第2運転領域>
低・中速/高負荷の第2運転領域A2では、1回の火花点火によって混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。換言すると、第2運転領域A2では、上述した第1運転領域A1における先行点火が省略されて、主点火のみが実行される。このような1回点火によるSPCCI燃焼を実現するため、第2運転領域A2では、ECU20の全体制御部27によってエンジンの各部が次のように制御される。
<Second operating region>
In the second operating region A2 of low/medium speed/high load, control is executed for SPCCI combustion of the air-fuel mixture by one spark ignition. In other words, in the second operating region A2, the preceding ignition in the first operating region A1 is omitted, and only main ignition is performed. In order to realize such SPCCI combustion by one-time ignition, in the second operating region A2, the general control section 27 of the ECU 20 controls each section of the engine as follows.

点火プラグ16は、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に1回の火花点火を実行する。第2運転領域A2に含まれる運転ポイントP3において、点火プラグ16は、図6のチャート(c)に示すように、圧縮行程後期に1回の火花点火を実行する。この火花点火をきっかけにSPCCI燃焼が開始され、燃焼室6内の一部の混合気が火炎伝播により燃焼(SI燃焼)し、その他の混合気が自着火により燃焼(CI燃焼)する。インジェクタ15は、運転ポイントP3において、図6のチャート(c)に示すように、1サイクル中に噴射すべき燃料の全量を供給する1回の燃料噴射を吸気行程中に実行する。 The spark plug 16 performs one spark ignition during the period from the latter half of the compression stroke to the beginning of the expansion stroke. At the operating point P3 included in the second operating region A2, the spark plug 16 performs spark ignition once in the latter half of the compression stroke, as shown in chart (c) of FIG. Triggered by this spark ignition, SPCCI combustion is started, a part of the mixture in the combustion chamber 6 is combusted by flame propagation (SI combustion), and the other mixture is combusted by self-ignition (CI combustion). At operating point P3, the injector 15 performs one fuel injection during the intake stroke to supply the entire amount of fuel to be injected during one cycle, as shown in chart (c) of FIG.

スロットル弁32の開度は、理論空燃比相当の空気量が吸気通路30を通じて燃焼室6に導入されるような開度、つまり、燃焼室6内の空気(新気)と燃料との重量比である空燃比(A/F)が理論空燃比(14.7)に略一致するような開度に設定される(λ≒1)。過給機33は、過給ラインTの内側領域と重複する低負荷かつ低速側の一部においてOFF状態とされ、それ以外の領域でON状態とされる。EGR弁453は、第2運転領域A2でのSPCCI燃焼に適した量の外部EGRガスが燃焼室6に導入されるように適宜の開度まで開弁される。スワール弁17の開度は、第1運転領域A1での開度と同程度の値か、もしくはこれよりも大きい所定の中間開度に設定される。 The opening of the throttle valve 32 is such that the amount of air corresponding to the theoretical air-fuel ratio is introduced into the combustion chamber 6 through the intake passage 30, that is, the weight ratio of the air (fresh air) in the combustion chamber 6 to the fuel. is set to an opening (λ≈1) such that the air-fuel ratio (A/F), which is equal to , substantially coincides with the theoretical air-fuel ratio (14.7). The supercharger 33 is turned off in a portion of the low load and low speed side that overlaps the inner region of the supercharging line T, and is turned on in the other region. The EGR valve 453 is opened to an appropriate opening so that an amount of external EGR gas suitable for SPCCI combustion in the second operating region A2 is introduced into the combustion chamber 6 . The degree of opening of the swirl valve 17 is set to a value approximately equal to the degree of opening in the first operating region A1 or a predetermined intermediate degree of opening larger than this.

<第3運転領域>
上記第1・第2運転領域A1,A2よりも高速側の第3運転領域A3では、SI燃焼が実行される。このSI燃焼の実現のために、第3運転領域A3では、全体制御部27によってエンジンの各部が次のように制御される。
<Third operating region>
SI combustion is performed in a third operating region A3, which is on the higher speed side than the first and second operating regions A1, A2. In order to realize this SI combustion, the overall control section 27 controls each section of the engine in the third operating region A3 as follows.

点火プラグ16は、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に、1回の火花点火を実行する。例えば、第3運転領域A3に含まれる運転ポイントP4において、点火プラグ16は、図6のチャート(d)に示すように、圧縮行程後期に1回の火花点火を実行する。そして、この火花点火をきっかけにSI燃焼が開始され、燃焼室6内の混合気の全てが火炎伝播により燃焼する。 The spark plug 16 performs one spark ignition during the period from the latter half of the compression stroke to the beginning of the expansion stroke. For example, at the operating point P4 included in the third operating region A3, the spark plug 16 performs spark ignition once in the latter half of the compression stroke, as shown in chart (d) of FIG. This spark ignition initiates SI combustion, and all of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is combusted by flame propagation.

インジェクタ15は、吸気行程から圧縮行程にかけた一連の期間にわたって燃料を噴射する。なお、運転ポイントP4は、かなり高速かつ高負荷の条件であるため、1サイクル中に噴射すべき燃料の量がそもそも多い上に、所要量の燃料を噴射するのに要するクランク角期間が長期化する。運転ポイントP4における燃料の噴射期間が既述の他の運転ポイント(P1~P3)のいずれよりも長いのはこのためである。 The injector 15 injects fuel over a series of periods from the intake stroke to the compression stroke. Since the operating point P4 is a condition of considerably high speed and high load, the amount of fuel to be injected in one cycle is originally large, and the crank angle period required to inject the required amount of fuel is lengthened. do. This is the reason why the fuel injection period at the operating point P4 is longer than any of the other operating points (P1 to P3) already described.

過給機33はON状態とされ、過給機33による過給が行われる。このときの過給圧は、バイパス弁37によって調整される。スロットル弁32およびEGR弁453は、燃焼室6内の空燃比(A/F)が理論空燃比もしくはこれよりもややリッチな値(λ≦1)となるように、それぞれの開度が制御される。スワール弁17は全開とされる。これにより、第1吸気ポート9Aだけでなく第2吸気ポート9Bが完全に開放されて、エンジンの充填効率が高められる。 The supercharger 33 is turned on, and supercharging by the supercharger 33 is performed. The boost pressure at this time is adjusted by the bypass valve 37 . The opening degrees of the throttle valve 32 and the EGR valve 453 are controlled so that the air-fuel ratio (A/F) in the combustion chamber 6 becomes the stoichiometric air-fuel ratio or a slightly richer value (λ≦1) than the stoichiometric air-fuel ratio. be. The swirl valve 17 is fully opened. As a result, not only the first intake port 9A but also the second intake port 9B are completely opened, thereby enhancing the charging efficiency of the engine.

[各燃焼態様における望ましい筒内流動]
本実施形態の燃焼室6内では、筒内流動として、少なくともタンブル流とスワール流とが発生する。すなわち、上記で説明した通り、本実施形態の吸気ポート9(9A、9B)は、タンブル流を形成可能なタンブルポートである。また、スワール弁17の開閉により、スワール流を形成することができる。本実施形態のエンジンは、SI燃焼とSPCCI燃焼とが併用されるが、前者の燃焼態様ではタンブル流が肝要となり、後者の燃焼態様ではスワール流が肝要となる。
[Desired in-cylinder flow in each combustion mode]
In the combustion chamber 6 of the present embodiment, at least a tumble flow and a swirl flow are generated as in-cylinder flows. That is, as described above, the intake ports 9 (9A, 9B) of this embodiment are tumble ports capable of forming a tumble flow. Further, a swirl flow can be formed by opening and closing the swirl valve 17 . The engine of the present embodiment uses both SI combustion and SPCCI combustion. The former combustion mode requires a tumble flow, and the latter combustion mode requires a swirl flow.

SI燃焼では、専ら高回転高負荷領域での燃焼であるため、熱効率を向上させることが求められる。熱効率の向上には、タンブル流を吸気行程から圧縮行程後期(圧縮上死点付近)まで維持させ、維持されたタンブル流を圧縮上死点付近で一気に乱流に変換することが望ましい。タンブル流の可及的な維持により、SI燃焼の火炎伝播を高速化することができ、熱効率の向上を実現することができる。 In SI combustion, since the combustion is performed exclusively in the high-rotation, high-load region, it is required to improve the thermal efficiency. In order to improve thermal efficiency, it is desirable to maintain the tumble flow from the intake stroke to the latter half of the compression stroke (near compression top dead center) and convert the maintained tumble flow into turbulent flow at once near compression top dead center. By maintaining the tumble flow as much as possible, flame propagation in SI combustion can be sped up, and thermal efficiency can be improved.

一方、SPCCI燃焼では、前段のSI燃焼により発生させた点火プラグ16付近の火炎(火種)を、燃焼室6の周縁の領域へ速く運ぶことが求められる。火種の前記周縁領域への運搬に貢献するのは、専らスワール流である。従って、スワール流を吸気行程から圧縮上死点付近で維持させることが望ましい。スワール流による火種の運搬効果により、筒内温度が高められ、後段のCI燃焼における圧縮着火を促進させることができる。以上の観点より、SI燃焼とSPCCI燃焼とを併用する本実施形態に係るエンジンでは、通常のガソリンエンジンやディーゼルエンジンとは異なり、タンブル流及びスワール流を、吸気行程から圧縮上死点付近まで維持させることが望ましい。 On the other hand, in the SPCCI combustion, it is required that the flame (fire source) near the spark plug 16 generated by the preceding SI combustion be carried to the peripheral region of the combustion chamber 6 quickly. It is exclusively the swirl flow that contributes to the transport of the spark to said peripheral region. Therefore, it is desirable to keep the swirl flow near the compression top dead center from the intake stroke. Due to the effect of carrying the spark by the swirl flow, the in-cylinder temperature is increased, and compression ignition in the subsequent CI combustion can be promoted. From the above point of view, the engine according to the present embodiment, which uses both SI combustion and SPCCI combustion, maintains the tumble flow and swirl flow from the intake stroke to near the compression top dead center, unlike ordinary gasoline engines and diesel engines. It is desirable to

[ピストンの詳細構造]
続いて、図8~図11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。本実施形態では、冠面50に、上述したタンブル流及びスワール流の双方を圧縮上死点付近まで維持させることを可能とする形状的工夫が施されている。図8は、図1及び図2に示されたピストン5の斜視図、図9は、冠面50の平面図、図10は、図9のX-X線断面図、図11は、図9のXI-XI線断面図である。図8~図11では、説明の明確性を担保するため、XYZの方向表示を付している。Z方向は気筒軸AX方向、X方向はクランク軸7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。各図には、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側)、R側(-X側)と、吸気ポート9及び排気ポート10と各々対向する側であるという意味においてIN側(+Y側)、EX側(-Y側)との表記が付されている。
[Detailed structure of the piston]
Next, the structure of the piston 5, especially the structure of the crown surface 50 will be described in detail with reference to FIGS. 8 to 11. FIG. In the present embodiment, the crown surface 50 is shaped so that both the tumble flow and swirl flow described above can be maintained up to near the compression top dead center. 8 is a perspective view of the piston 5 shown in FIGS. 1 and 2, FIG. 9 is a plan view of the crown surface 50, FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 9, and FIG. is a cross-sectional view taken along line XI-XI. In FIGS. 8 to 11, directions of XYZ are indicated in order to ensure clarity of explanation. The Z direction corresponds to the AX direction of the cylinder axis, the X direction corresponds to the longitudinal direction of the engine body 1, which is the extending direction of the crankshaft 7, and the Y direction corresponds to the direction perpendicular to both the Z and X directions. Each figure shows the F side (+X side) and R side (−X side) in terms of the front side and the rear side in the installation direction of the engine body 1, and the side facing the intake port 9 and the exhaust port 10 respectively. In this sense, IN side (+Y side) and EX side (−Y side) are indicated.

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、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5Cとを備える。側周面5C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+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。ピストンヘッド5Aの下方には、X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、コネクティングロッド8との連結のためのピストンピンが挿通される。 The piston 5 includes a piston head 5A and a skirt portion 5S that is continuously provided below the piston head 5A (on the −Z side). The piston head 5A is formed of a cylindrical body, has a crown surface 50 forming a part (bottom surface) of the wall surface of the combustion chamber 6 on the upper surface, and has a side peripheral surface 5C that is in sliding contact with the inner wall surface of the cylinder 2 . The side peripheral surface 5C is provided with a plurality of ring grooves into which piston rings are fitted. The skirt portion 5S is arranged on the +Y side and the -Y side of the piston head 5A, and suppresses the swinging motion of the piston 5 during the reciprocating motion. A piston boss 5B defining a pin hole extending in the X direction is provided below the piston head 5A. A piston pin for connection with the connecting rod 8 is inserted through the pin hole of the piston boss 5B.

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椀状のキャビティ51を含む。キャビティ51は、インジェクタ15から燃料の噴射を受ける部分であって、冠面50が下方(-Z側)に凹設された部分である。なお、ここでの「凹設」とは、ペントルーフ型の燃焼室天井面6Uに沿う冠面形状を想定した場合において径方向中央部分が凹没している意味合いであって、必ずしも冠面50においてキャビティ51が最も低い部分を構成していなくても良い。 The crown surface 50 is a surface facing the combustion chamber ceiling surface 6U in the Z direction. The crown surface 50 includes a bowl-shaped cavity 51 arranged substantially in the center in its radial direction (X direction and Y direction). The cavity 51 is a portion that receives fuel injection from the injector 15, and is a portion where the crown surface 50 is recessed downward (to the -Z side). It should be noted that the term "recessed" as used herein means that the central portion in the radial direction is recessed when the shape of the crown surface along the pent roof-type combustion chamber ceiling surface 6U is assumed. The cavity 51 does not have to constitute the lowest portion.

+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、F側凸部52F、R側凸部52R、IN側平面部53、EX側平面部54、IN側斜面部55及びEX側斜面部56が配置されている。F側凸部52Fはキャビティ51の+X側に、R側凸部52Rは-X側に、各々隣接する凸面である。IN側平面部53はキャビティ51の+Y側に、EX側平面部54は-Y側に、各々位置する平面である。IN側斜面部55は、キャビティ51の+Y側端縁とIN側平面部53との間に配置された斜面である。EX側斜面部56は、キャビティ51の-Y側端縁とEX側平面部54との間に配置された斜面である。 In a plan view from the +Z side, the outer peripheral portion surrounding the cavity 51 on the crown surface 50 includes an F-side convex portion 52F, an R-side convex portion 52R, an IN-side flat portion 53, an EX-side flat portion 54, and an IN-side slope portion 55. and an EX side slope portion 56 are arranged. The F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R are convex surfaces adjacent to the +X side and the -X side of the cavity 51, respectively. The IN side plane portion 53 is a plane located on the +Y side of the cavity 51, and the EX side plane portion 54 is a plane located on the -Y side. The IN side slope portion 55 is a slope arranged between the +Y side edge of the cavity 51 and the IN side flat portion 53 . The EX side slope portion 56 is a slope disposed between the −Y side edge of the cavity 51 and the EX side flat portion 54 .

F側凸部52F及びR側凸部52R(一対の隆起部)は、冠面50におけるキャビティ51とピストン5の側周面5C(外縁部)との間の外周領域において+Z方向(気筒軸方向)に突設されている。F側凸部52F及びR側凸部52Rは、一対の斜面部521と稜線部522とによって各々構成されている。一対の斜面部521は、燃焼室天井面6Uのペントルーフ形状に沿う山型の傾斜面を形成している。稜線部522は、一対の斜面部521の頂部において、X方向に帯状に延びる平面である。図9に示すように、+Z側からの平面視(冠面50の上面視)において、キャビティ51はX方向が長軸である楕円形状を有している。つまり、キャビティ51は稜線部522の延在方向に幅広、換言すると、2つの吸気ポート9A、9Bの並び方向に幅広の楕円形状を備えている。また、F側凸部52F及びR側凸部52Rは、キャビティ51の長軸と交差する略U字型の形状を有している。F側凸部52Fの外周側及びR側凸部52Rの外周側に各々隣接して、円弧形の帯状平面からなるF側平面部523F及びR側平面部523Rが、各々配置されている。 The F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R (a pair of raised portions) extend in the +Z direction (cylinder axial direction) in the outer peripheral region between the cavity 51 in the crown surface 50 and the side peripheral surface 5C (outer edge portion) of the piston 5. ). Each of the F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R is composed of a pair of slope portion 521 and ridgeline portion 522 . The pair of inclined surfaces 521 form mountain-shaped inclined surfaces along the pent roof shape of the combustion chamber ceiling surface 6U. The ridge line portion 522 is a flat surface extending in the X direction in a belt shape at the top portion of the pair of slope portions 521 . As shown in FIG. 9, in a plan view from the +Z side (a top view of the crown surface 50), the cavity 51 has an elliptical shape with the major axis in the X direction. That is, the cavity 51 has an elliptical shape that is wide in the extending direction of the ridgeline portion 522, in other words, wide in the direction in which the two intake ports 9A and 9B are arranged. The F-side protrusion 52</b>F and the R-side protrusion 52</b>R have a substantially U-shape that intersects the long axis of the cavity 51 . An F-side flat surface portion 523F and an R-side flat surface portion 523R each having an arc-shaped belt-like flat surface are arranged adjacent to the outer peripheral side of the F-side convex portion 52F and the outer peripheral side of the R-side convex portion 52R, respectively.

IN側平面部53は、冠面50の+Y側外周縁(側周面5C)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。IN側平面部53は、ピストン5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。EX側平面部54は、冠面50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。本実施形態では、EX側平面部54よりもIN側平面部53の方が広面積に設定されている。この面積差に応じて、F側、R側凸部52F、52Rの-Y側斜面部521の裾野が、+Y側斜面部521よりも長くなっている。なお、IN側平面部53、EX側平面部54、F側平面部523F及びR側平面部523Rは、ほぼ同じ高さ位置にある平面である。これら平面のうちIN側平面部53は、冠面50の加工時において各部の高さ位置を定める基準面とされる。 The IN side plane portion 53 is an arcuate plane having an arc at the +Y side outer peripheral edge (side peripheral surface 5C) of the crown surface 50 and a straight line extending in the X direction as a chord. The IN-side flat portion 53 is a squish area where a squish flow is formed when the piston 5 moves toward compression top dead center. The EX-side planar portion 54 is an arcuate plane having an arc at the −Y-side outer peripheral edge of the crown surface 50 and a straight line extending in the X direction as a chord. In this embodiment, the IN side flat portion 53 is set to have a larger area than the EX side flat portion 54 . In accordance with this area difference, the bases of the −Y side slope portions 521 of the F-side and R-side protrusions 52F and 52R are longer than the +Y side slope portions 521 . The IN side flat portion 53, the EX side flat portion 54, the F side flat portion 523F and the R side flat portion 523R are planes at substantially the same height position. Of these planes, the IN side plane portion 53 is used as a reference plane for determining the height position of each portion during processing of the crown surface 50 .

IN側斜面部55及びEX側斜面部56は、冠面50におけるキャビティ51の外周領域において、稜線部522の延在方向(X方向)と直交する方向(+Y、-Y方向)の位置に突設されている。IN側斜面部55は、IN側平面部53の弦の位置を立ち上がり位置として、冠面50の径方向内側(-Y側)に向かって+Z側にせり上がり、キャビティ51の+Y側端縁に至る傾斜面である。EX側斜面部56は、EX側平面部54の弦の位置を立ち上がり位置として、冠面50の径方向内側(+Y側)に向かって+Z側にせり上がり、キャビティ51の-Y側端縁に至る傾斜面である。 The IN side slope portion 55 and the EX side slope portion 56 protrude in the direction (+Y, −Y direction) perpendicular to the extending direction (X direction) of the ridgeline portion 522 in the outer peripheral region of the cavity 51 in the crown surface 50. is set. The IN side slope portion 55 rises to the +Z side toward the radial direction inner side (−Y side) of the crown surface 50 with the position of the chord of the IN side flat portion 53 as the rising position, and reaches the +Y side edge of the cavity 51. It is a sloping surface. The EX side slope portion 56 uses the position of the chord of the EX side flat portion 54 as a rising position, rises to the +Z side toward the radial direction inner side (+Y side) of the crown surface 50, and reaches the -Y side edge of the cavity 51. It is a sloping surface.

各斜面部521の裾野部分に対して、IN側斜面部55及びEX側斜面部56は高い位置に存在しており、両者の境界には段差部524が形成されている。この段差部524の形成によって凹没した部分は、吸気弁11及び排気弁12との干渉を防止するバルブリセスとなる。換言すると、IN側斜面部55は、一対の吸気弁11用のバルブリセス間に形成された隆起部、EX側斜面部56は、一対の排気弁12用のバルブリセス間に形成された隆起部である。 The IN-side slope portion 55 and the EX-side slope portion 56 are positioned higher than the base portion of each slope portion 521, and a stepped portion 524 is formed at the boundary between the two. The recessed portion formed by the formation of the stepped portion 524 serves as a valve recess that prevents interference with the intake valve 11 and the exhaust valve 12 . In other words, the IN side slope portion 55 is a protrusion formed between the pair of valve recesses for the intake valves 11, and the EX side slope portion 56 is a protrusion formed between the pair of valve recesses for the exhaust valve 12. .

図11に示されているように、IN側斜面部55及びEX側斜面部56のせり上がり高さ(最も+Z側に突出した高さ位置)よりも、F側凸部52F及びR側凸部52Rの稜線部522の高さは高い位置にある。また、IN側斜面部55よりもEX側斜面部56の方が、Y方向の長さが長い。両斜面部55、56の傾斜角度は概ね同一であり、Y方向の長さが長い分だけ、EX側斜面部56の方が+Z側への突出高さも高い。 As shown in FIG. 11, the F-side convex portion 52F and the R-side convex portion The height of the ridgeline portion 522 of 52R is at a high position. In addition, the EX side slope portion 56 is longer in the Y direction than the IN side slope portion 55 . The slopes 55 and 56 have substantially the same inclination angle, and the EX-side slope 56 protrudes to the +Z side higher than the EX-side slope 56 due to its longer length in the Y direction.

キャビティ51は、底部511、F側周壁512F、R側周壁512R、IN側周壁513及びEX側周壁514を備えている。底部511は、椀状に凹設されたキャビティ51の下方領域を構成する部分である。底部511は、-Z方向に緩く凹没した曲面からなり、その外周縁は+Z側からの平面視で円形の形状を有している。底部511の径方向中央に、キャビティ51において-Z側に最も凹没した地点である最深部51Bが位置している。最深部51Bは、ピストン5の径方向の中心に対してややEX側にシフトした位置に存在している。F側周壁512Fは、底部511の+X側周縁からF側凸部52Fに向けて立ち上がる曲面である。R側周壁512Rは、底部511の-X側周縁からR側凸部52Rに向けて立ち上がる曲面である。F側周壁512F及びR側周壁512Rの高さは、各稜線部522の位置において最も高く、斜面部521の裾野に向かうに連れて徐々に低くなっている。また、F側周壁512F及びR側周壁512Rが有する曲面の曲率半径Rf、Rrは、底部511の曲面の曲率半径Rよりも小さい。 The cavity 51 includes a bottom portion 511 , an F side peripheral wall 512</b>F, an R side peripheral wall 512</b>R, an IN side peripheral wall 513 and an EX side peripheral wall 514 . The bottom portion 511 is a portion that forms a lower region of the bowl-shaped cavity 51 . The bottom portion 511 has a curved surface that is gently concave in the -Z direction, and the outer peripheral edge thereof has a circular shape in a plan view from the +Z side. The deepest portion 51B, which is the most recessed point on the −Z side of the cavity 51, is located at the center of the bottom portion 511 in the radial direction. The deepest portion 51B exists at a position slightly shifted to the EX side with respect to the radial center of the piston 5 . The F-side peripheral wall 512F is a curved surface that rises from the +X-side peripheral edge of the bottom portion 511 toward the F-side convex portion 52F. The R-side peripheral wall 512R is a curved surface that rises from the −X-side peripheral edge of the bottom portion 511 toward the R-side convex portion 52R. The height of the F-side peripheral wall 512F and the R-side peripheral wall 512R is highest at the position of each ridge line portion 522 and gradually decreases toward the base of the slope portion 521 . Further, the curvature radii Rf and Rr of the curved surfaces of the F-side peripheral wall 512F and the R-side peripheral wall 512R are smaller than the curvature radius R of the curved surface of the bottom portion 511 .

IN側周壁513は、底部511の+Y側周縁からIN側斜面部55に向けて立ち上がる曲面である。EX側周壁514は、底部511の-Y側周縁からEX側斜面部56に向けて立ち上がる曲面である。IN側周壁513及びEX側周壁514が有する曲面の曲率半径Rin、Rexもまた、底部511の曲面の曲率半径Rよりも小さい。IN側のバルブリセス間の間隔がEX側よりも広いことから、IN側周壁513の方がEX側周壁514よりも周方向幅が長くなっている。 The IN-side peripheral wall 513 is a curved surface that rises from the +Y-side peripheral edge of the bottom portion 511 toward the IN-side slope portion 55 . The EX side peripheral wall 514 is a curved surface that rises from the −Y side peripheral edge of the bottom portion 511 toward the EX side slope portion 56 . The curvature radii Rin and Rex of the curved surfaces of the IN side peripheral wall 513 and the EX side peripheral wall 514 are also smaller than the curvature radius R of the curved surface of the bottom portion 511 . Since the interval between the valve recesses on the IN side is wider than that on the EX side, the circumferential width of the IN side peripheral wall 513 is longer than that of the EX side peripheral wall 514 .

[キャビティの各種パラメータ]
図12は、キャビティ51に関連する各種パラメータを示す図である。図中には、FR周壁高さH1(隆起部の高さ)、IN側周壁高さH2、キャビティ径D、FR間周壁長さL、ボア径B及びストロークSが示されている。FR周壁高さH1は、F側凸部52F又はR側凸部52Rの高さ、換言するとR側周壁512R又はF側周壁512Fの高さである。IN側周壁高さH2は、IN側斜面部55のせり上がり高さ、換言するとIN側周壁513の高さである。これらの高さH1、H2は、キャビティ51の最深部51B(所定の基準高さ位置)からの高さである。
[Various parameters of the cavity]
FIG. 12 is a diagram showing various parameters related to the cavity 51. As shown in FIG. In the drawing, FR peripheral wall height H1 (height of raised portion), IN side peripheral wall height H2, cavity diameter D, FR peripheral wall length L, bore diameter B and stroke S are shown. The FR peripheral wall height H1 is the height of the F-side protruding portion 52F or the R-side protruding portion 52R, in other words, the height of the R-side peripheral wall 512R or the F-side peripheral wall 512F. The IN-side peripheral wall height H2 is the height of the IN-side slope portion 55 rising, in other words, the height of the IN-side peripheral wall 513 . These heights H1 and H2 are heights from the deepest portion 51B of the cavity 51 (predetermined reference height position).

キャビティ径Dは、キャビティ51における、最深部51Bを含む一定の曲率を有する領域の外周縁の直径、本実施形態では底部511の直径である。FR間周壁長さLは、F側凸部52FとR側凸部52Rとの間の間隔、換言するとR側周壁512Rの最上部(稜線部522の内側エッジ)とF側周壁512Fの最上部との間の間隔である。ボア径Bは、図2に示した通り気筒2の内径であって、ピストン5の直径に相当する長さである。ストロークSは、TDC(上死点)~BDC(下死点)間にピストン5がZ方向に移動する長さである。 The cavity diameter D is the diameter of the outer peripheral edge of a region having a constant curvature including the deepest portion 51B in the cavity 51, which is the diameter of the bottom portion 511 in this embodiment. The FR-to-FR peripheral wall length L is the distance between the F-side protruding portion 52F and the R-side protruding portion 52R, in other words, the uppermost portion of the R-side peripheral wall 512R (inner edge of the ridgeline portion 522) and the uppermost portion of the F-side peripheral wall 512F. is the interval between The bore diameter B is the inner diameter of the cylinder 2 as shown in FIG. 2 and has a length corresponding to the diameter of the piston 5 . The stroke S is the length of movement of the piston 5 in the Z direction between TDC (top dead center) and BDC (bottom dead center).

図10及び図11には、キャビティ51の曲面形状に関するパラメータも示されている。これらの図中には、半径R、Rf、Rr、Rin、Rexが示されている。半径Rは、キャビティ51の底部511を形成する曲面の半径である。この半径Rにて凹没する領域の外周縁が、底部511と他の周壁512R、512F、513、514との境界であって、上面視で円形形状(その直径=キャビティ径D)を有している。半径RfはF側周壁512F、半径RrはR側周壁512Rを各々形成する曲面の半径である。キャビティ51のX方向断面においては、半径Rの領域(底部511)の+X側及び-X側端部に、各々半径Rf、Rrの領域(F側周壁512F、R側周壁512R)が連設されている。また、半径RinはIN側周壁513、半径RexはEX側周壁514を各々形成する曲面の半径である。キャビティ51のY方向断面においては、半径Rの領域(底部511)の+Y側及び-Y側端部に、各々半径Rin、Rexの領域(IN側周壁513、REX側周壁514)が連設されている。 10 and 11 also show parameters related to the curved shape of the cavity 51. FIG. The radii R, Rf, Rr, Rin and Rex are shown in these figures. Radius R is the radius of the curved surface forming bottom 511 of cavity 51 . The outer peripheral edge of the recessed region with the radius R is the boundary between the bottom portion 511 and the other peripheral walls 512R, 512F, 513, 514, and has a circular shape (its diameter=cavity diameter D) when viewed from above. ing. The radius Rf is the radius of the curved surface forming the F-side peripheral wall 512F, and the radius Rr is the radius of the curved surface forming the R-side peripheral wall 512R. In the X-direction cross section of the cavity 51, regions with radii Rf and Rr (F-side peripheral wall 512F and R-side peripheral wall 512R) are connected to +X-side and -X-side ends of the region with radius R (bottom portion 511). ing. Also, the radius Rin is the radius of the curved surface forming the IN-side peripheral wall 513, and the radius Rex is the radius of the curved surface forming the EX-side peripheral wall 514, respectively. In the Y-direction cross section of the cavity 51, regions with radii Rin and Rex (IN-side peripheral wall 513 and REX-side peripheral wall 514) are connected to the +Y-side and -Y-side ends of the region with radius R (bottom portion 511), respectively. ing.

本実施形態では、ボア径(ピストンの直径)Bとキャビティ径Dとの比であるB/Dが所定の範囲内に設定されている。具体的には、専らSPCCI燃焼においてスワール流を圧縮行程後期まで維持させるという観点からは、
1.19≦B/D≦2.94・・・(1)
の関係を満たすように設定される。
In this embodiment, B/D, which is the ratio of the bore diameter (piston diameter) B and the cavity diameter D, is set within a predetermined range. Specifically, from the viewpoint of maintaining the swirl flow until the latter half of the compression stroke exclusively in SPCCI combustion,
1.19≤B/D≤2.94 (1)
is set so as to satisfy the relationship of

B/Dが上記(1)式の範囲に設定されることにより、冠面50に底部511が比較的大きいキャビティ51を配置することができ、スワール流を維持させ易くすることができる。すなわち、スワール流が底部511に沿って安定的に流動し易くなる。従って、燃焼室6の容積が狭くなる圧縮行程後期までスワール流を維持させることができる。なお、B/Dが2.94より大きくなると、キャビティ51の前記直径Dが比較的小さなものとなり、スワール流を流動させるための空間が不足してスワール流の維持ができなくなる傾向が顕著となる。また、B/Dが1.19未満となると、キャビティ51の容積が大きくなって、高圧縮比の達成には不利となる。従って、SPCCI燃焼に必要な幾何学的圧縮比=15以上を確保し難くなる。 By setting B/D within the range of the formula (1), the cavity 51 having a relatively large bottom portion 511 can be arranged on the crown surface 50, and the swirl flow can be easily maintained. That is, the swirl flow becomes easier to stably flow along the bottom portion 511 . Therefore, the swirl flow can be maintained until the latter part of the compression stroke when the volume of the combustion chamber 6 becomes narrower. Incidentally, when B/D is larger than 2.94, the diameter D of the cavity 51 becomes relatively small, and there is a marked tendency that the swirl flow cannot be maintained due to lack of space for the swirl flow. . Also, if B/D is less than 1.19, the volume of the cavity 51 increases, which is disadvantageous in achieving a high compression ratio. Therefore, it becomes difficult to secure the geometric compression ratio of 15 or more required for SPCCI combustion.

次に、SI燃焼とSPCCI燃焼とを併用し、SPCCI燃焼においてスワール流を圧縮行程後期まで維持させると共に、高回転のSI燃焼においてタンブル流を圧縮行程後期まで維持させるという観点からは、
1.19≦B/D≦2.20・・・(2)
の関係を満たすように設定される。
Next, from the viewpoint of using both SI combustion and SPCCI combustion to maintain the swirl flow until the latter half of the compression stroke in SPCCI combustion, and to maintain the tumble flow until the latter half of the compression stroke in high-rpm SI combustion,
1.19≤B/D≤2.20 (2)
is set so as to satisfy the relationship of

ペントルーフ型の燃焼室天井面6Uを備える燃焼室6では、吸気はF側凸部52F及びR側凸部52Rの稜線部522が延在する方向(X方向)と直交する方向(Y方向)に流入し、タンブル流を形成する。B/Dが上記(2)式の範囲に設定されることにより、底部511が比較的大きいキャビティ51を配置することができ、タンブル流をキャビティ51内に集まり易くすることができる。スワール流の維持については、上述の通りである。従って、SI燃焼とSPCCI燃焼とを併用する場合において、スワール流及びタンブル流をキャビティ内において維持させ易くなり、燃焼室6の容積が狭くなる圧縮行程後期までスワール流及びタンブル流を維持することができる。なお、B/Dが2.20より大きくなると、キャビティ51の前記直径Dが比較的小さなものとなり、底部511に沿ったタンブル流の安定的な流動が阻害される傾向が顕著となる。また、B/Dが1.19未満となると、上述の通り、SPCCI燃焼に必要な幾何学的圧縮比=15以上を確保し難くなる。 In the combustion chamber 6 having the pent roof-type combustion chamber ceiling surface 6U, the intake air is directed (Y direction) perpendicular to the direction (X direction) in which the ridge line portions 522 of the F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R extend. flows in and forms a tumble flow. By setting B/D within the range of the above formula (2), the cavity 51 having a relatively large bottom portion 511 can be arranged, and the tumble flow can be easily gathered in the cavity 51 . The maintenance of the swirl flow is as described above. Therefore, when SI combustion and SPCCI combustion are used together, the swirl flow and the tumble flow can be easily maintained in the cavity, and the swirl flow and the tumble flow can be maintained until the latter part of the compression stroke when the volume of the combustion chamber 6 becomes narrower. can. When B/D is larger than 2.20, the diameter D of the cavity 51 becomes relatively small, and the tendency of disturbing the stable flow of the tumble flow along the bottom portion 511 becomes remarkable. Further, when B/D is less than 1.19, it becomes difficult to secure the geometric compression ratio of 15 or more required for SPCCI combustion, as described above.

上記のB/Dの他、スワール流及びタンブル流の維持に関して好ましい他の設定は次の通りである。まず、FR周壁高さH1とIN側周壁高さH2とについて、専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
1.79≦H1/H2≦3.29
の関係を満たすように設定される。上記の関係を満たすことで、F側凸部52F及びR側凸部52RとIN側斜面部55との高さ比が適正化され、スワール流がIN側斜面部55(IN側周壁513)の領域で良好にガイドされるようになり、スワール流をキャビティ51内において維持させ易くなる。また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流及びタンブル流の維持を考慮する場合には、
1.92≦H1/H2≦2.75
の関係を満たすように設定される。上記の関係を満たすことで、IN側斜面部55よりも高いF側凸部52F及びR側凸部52Rによってタンブル流がキャビティ51内へガイドされるので、タンブル流の維持効果を高めることができる。
In addition to B/D above, other preferred settings for maintaining swirl and tumble flows are as follows. First, regarding the FR peripheral wall height H1 and the IN side peripheral wall height H2, when considering exclusively maintaining the swirl flow in SPCCI combustion,
1.79≤H1/H2≤3.29
is set so as to satisfy the relationship of By satisfying the above relationship, the height ratio between the F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R and the IN-side slope portion 55 is optimized, and the swirl flow is generated on the IN-side slope portion 55 (IN-side peripheral wall 513). The region is well guided, and the swirl flow is easily maintained within the cavity 51 . Also, when considering the maintenance of swirl flow and tumble flow in combination with SI combustion and SPCCI combustion,
1.92≤H1/H2≤2.75
is set so as to satisfy the relationship of By satisfying the above relationship, the tumble flow is guided into the cavity 51 by the F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R, which are higher than the IN-side slope portion 55, so that the effect of maintaining the tumble flow can be enhanced. .

F側凸部52F及びR側凸部52Rの高さH1とキャビティ径Dとについて、専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
0.05≦H1/D≦0.36
の関係を満たすように設定される。上記の関係を満たすことで、F側凸部52F及びR側凸部52Rの高さ(F側周壁512F及びR側周壁512R)が適度な高さH1を有し、スワール流がキャビティ51の底部511の外周縁領域において良好にガイドされる。このため、スワール流をキャビティ51内において維持させ易くなる。また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流及びタンブル流の維持を考慮する場合には、
0.050≦H1/D≦0.235
の関係を満たすように設定される。上記の関係を満たすことで、タンブル流もF側凸部52F及びR側凸部52Rによってガイドされ易くなり、タンブル流の維持効果を高めることができる。
Regarding the height H1 of the F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R and the cavity diameter D, when considering exclusively maintaining the swirl flow in SPCCI combustion,
0.05≦H1/D≦0.36
is set so as to satisfy the relationship of By satisfying the above relationship, the heights of the F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R (the F-side peripheral wall 512F and the R-side peripheral wall 512R) have an appropriate height H1, and the swirl flow reaches the bottom of the cavity 51. 511 is well guided in the peripheral region. Therefore, it becomes easier to maintain the swirl flow within the cavity 51 . Also, when considering the maintenance of swirl flow and tumble flow in combination with SI combustion and SPCCI combustion,
0.050≦H1/D≦0.235
is set so as to satisfy the relationship of By satisfying the above relationship, the tumble flow can be easily guided by the F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R, and the effect of maintaining the tumble flow can be enhanced.

FR間周壁長さLとボア径Bとの関係については、専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
1.0<B/F≦2.86
の関係を満たすように設定される。また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流及びタンブル流の維持を考慮する場合には、
1.0<B/L≦1.52
の関係を満たすように設定される。
Regarding the relationship between the FR peripheral wall length L and the bore diameter B, when considering the maintenance of the swirl flow exclusively in SPCCI combustion,
1.0<B/F≤2.86
is set so as to satisfy the relationship of Also, when considering the maintenance of swirl flow and tumble flow in combination with SI combustion and SPCCI combustion,
1.0<B/L≤1.52
is set so as to satisfy the relationship of

キャビティ51の底部511の半径Rと、ボア径Bとの関係については、専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
0.0<R/B≦2.42
の関係を満たすように設定される。また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流及びタンブル流の維持を考慮する場合には、
1.06≦R/B≦2.42
の関係を満たすように設定される。
Regarding the relationship between the radius R of the bottom portion 511 of the cavity 51 and the bore diameter B, when considering exclusively maintaining the swirl flow in SPCCI combustion,
0.0<R/B≤2.42
is set so as to satisfy the relationship of Also, when considering the maintenance of swirl flow and tumble flow in combination with SI combustion and SPCCI combustion,
1.06≤R/B≤2.42
is set so as to satisfy the relationship of

キャビティ51の底部511の半径Rと、F側周壁512Fの半径Rf及びR側周壁512Rの半径Rrとの関係については、専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
1.0<(R/Rf=R/Rr)≦64
の関係を満たすように設定される。また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流及びタンブル流の維持を考慮する場合には、
1.0<(R/Rf=R/Rr)≦12
の関係を満たすように設定される。
Regarding the relationship between the radius R of the bottom portion 511 of the cavity 51 and the radius Rf of the F-side peripheral wall 512F and the radius Rr of the R-side peripheral wall 512R, when considering the maintenance of the swirl flow exclusively in SPCCI combustion,
1.0<(R/Rf=R/Rr)≦64
is set so as to satisfy the relationship of Also, when considering the maintenance of swirl flow and tumble flow in combination with SI combustion and SPCCI combustion,
1.0<(R/Rf=R/Rr)≦12
is set so as to satisfy the relationship of

また、半径Rと、IN側周壁513の半径Rin及びEX側周壁514の半径Rexとの関係については、専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
1.0<(R/Rin=R/Rex)≦78
の関係を満たすように設定される。また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流及びタンブル流の維持を考慮する場合には、
1.0<(R/Rin=R/Rex)≦14.5
の関係を満たすように設定される。
Regarding the relationship between the radius R, the radius Rin of the IN-side peripheral wall 513, and the radius Rex of the EX-side peripheral wall 514, when considering exclusively maintaining the swirl flow in SPCCI combustion,
1.0<(R/Rin=R/Rex)≦78
is set so as to satisfy the relationship of Also, when considering the maintenance of swirl flow and tumble flow in combination with SI combustion and SPCCI combustion,
1.0<(R/Rin=R/Rex)≦14.5
is set so as to satisfy the relationship of

[筒内流動についての説明]
以下、本実施形態に係るキャビティ51を有するピストン5が用いられた場合の筒内流動について、図13~図18を参照して説明する。図13~図15では、図5の第3運転領域(SI燃焼)において肝要となるタンブル流が維持される状況が示されている。図16~図18では、第1、第2運転領域(SPCCI燃焼)において肝要となるスワール流が維持される状況が示されている。図13、図14、図16、図17では、気筒2が簡略的に示されていると共に、ピストン5、インジェクタ15及び点火プラグ16の位置関係が示されている。
[Description of in-cylinder flow]
In-cylinder flow when the piston 5 having the cavity 51 according to the present embodiment is used will be described below with reference to FIGS. 13 to 18. FIG. FIGS. 13 to 15 show situations in which the tumble flow, which is essential in the third operating region (SI combustion) of FIG. 5, is maintained. FIGS. 16 to 18 show situations in which the swirl flow, which is essential in the first and second operating regions (SPCCI combustion), is maintained. 13, 14, 16, and 17, the cylinder 2 is simply shown, and the positional relationship among the piston 5, injector 15 and spark plug 16 is shown.

<タンブル流>
図13(A)~(D)は、SI燃焼の吸気行程におけるタンブル流の流動を模式的に示す図である。ここでは、タンブル比=2(排気TDC~圧縮TDCの間にタンブル流が2回転する)である例を示す。図13(A)は、ピストン5が排気TDCの位置にある状態を示している。この状態では、吸気弁11は開いておらず、吸気ポート9から新気は気筒2(燃焼室6)に流入していない。
<Tumble style>
FIGS. 13A to 13D are diagrams schematically showing the tumble flow in the intake stroke of SI combustion. Here, an example is shown in which the tumble ratio is 2 (the tumble flow rotates twice between the exhaust TDC and the compression TDC). FIG. 13A shows the state where the piston 5 is at the exhaust TDC position. In this state, the intake valve 11 is not open, and fresh air is not flowing from the intake port 9 into the cylinder 2 (combustion chamber 6).

図13(B)は、ピストン5が排気TDCから45deg程度下降した状態を示している。この状態では吸気弁11は開かれ、ピストン5の下降に伴う圧力低下により、新気が吸気ポート9から気筒2(燃焼室6)に流入する。既述の通り吸気ポート9はタンブルポートの形状を有しているので、前記新気の流入によって気筒2内にはタンブル流Ftが発生する。タンブル流Ftは、中央タンブル流Ftcと外縁タンブル流Fteとを含む。中央タンブル流Ftcは、キャビティ51の径方向中央領域に向かう比較的強い流動である。外縁タンブル流Fteは、中央タンブル流Ftcの両サイドに発生する流動であって、キャビティ51の径方向周縁領域に向かう比較的弱い流動である。SI燃焼ではスワール弁17が全開とされるので、新気は2つの吸気ポート9A、9Bから気筒2に流入する。これらの2つの新気流入の干渉により、径方向中央領域では比較的強い中央タンブル流Ftcが発生するものである。 FIG. 13(B) shows a state in which the piston 5 has descended by about 45 degrees from the exhaust TDC. In this state, the intake valve 11 is opened, and fresh air flows from the intake port 9 into the cylinder 2 (combustion chamber 6) due to the pressure drop accompanying the downward movement of the piston 5. Since the intake port 9 has the shape of a tumble port as described above, a tumble flow Ft is generated in the cylinder 2 by the inflow of fresh air. The tumble flow Ft includes a central tumble flow Ftc and an outer edge tumble flow Fte. Central tumble flow Ftc is a relatively strong flow toward the radially central region of cavity 51 . The outer edge tumble flow Fte is a flow generated on both sides of the central tumble flow Ftc and is a relatively weak flow directed toward the radial peripheral edge region of the cavity 51 . Since the swirl valve 17 is fully opened in SI combustion, fresh air flows into the cylinder 2 from the two intake ports 9A and 9B. Due to the interference of these two fresh air inflows, a relatively strong central tumble flow Ftc is generated in the radially central region.

図13(C)は、ピストン5が排気TDCから90deg下降した状態である。タンブル流Ftは、キャビティ51内に入り込んでいる。詳しくは、中央タンブル流Ftcはキャビティ51の径方向中央領域に入り込み、外縁タンブル流Fteは径方向周縁領域に入り込んでいる。図13(D)は、ピストン5が排気TDCから135deg程度下降した状態である。中央タンブル流Ftc及び外縁タンブル流Fteの双方共、キャビティ51にガイドされるようにして、流動方向を上方向に反転させている。なお、インジェクタ15は、図6に例示した通り、吸気行程において運転シーンに応じたタイミングで、燃料を噴射する。 FIG. 13(C) shows a state in which the piston 5 is lowered by 90 degrees from the exhaust TDC. The tumble flow Ft enters the cavity 51 . Specifically, the central tumble flow Ftc enters the radial central region of the cavity 51, and the outer edge tumble flow Fte enters the radial peripheral region. FIG. 13(D) shows a state in which the piston 5 has descended by about 135 degrees from the exhaust TDC. Both the central tumble flow Ftc and the outer edge tumble flow Fte are guided by the cavity 51 to reverse their flow directions upward. As shown in FIG. 6, the injector 15 injects fuel at a timing corresponding to the driving scene during the intake stroke.

図14(A)~(D)は、圧縮行程におけるタンブル流Ftの流動を模式的に示す図である。図14(A)は、ピストン5が吸気BDCの位置にある状態を示している。吸気BDC付近で吸気弁11は閉じられ、燃焼室6内の混合気は圧縮され始める。この段階ではタンブル流Ftは、燃焼室天井面6Uに向かうように流動している。 FIGS. 14A to 14D are diagrams schematically showing the flow of the tumble flow Ft in the compression stroke. FIG. 14A shows the state where the piston 5 is at the intake BDC position. The intake valve 11 is closed near the intake BDC, and the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 begins to be compressed. At this stage, the tumble flow Ft is flowing toward the combustion chamber ceiling surface 6U.

図14(B)は、ピストン5が吸気BDCから45deg程度上昇した状態を示している。タンブル流Ftは、燃焼室天井面6Uにガイドされるようにして、流動方向を下方向に反転させている。再び、中央タンブル流Ftcはキャビティ51の径方向中央領域に、外縁タンブル流Fteは径方向周縁領域に、各々向かっている。 FIG. 14B shows a state in which the piston 5 has risen by about 45 degrees from the intake BDC. The tumble flow Ft is guided by the combustion chamber ceiling surface 6U and reverses its flow direction downward. Again, the central tumble flow Ftc is directed to the radial central region of the cavity 51 and the outer edge tumble flow Fte is directed to the radial peripheral region.

図14(C)は、ピストン5が吸気BDCから90deg上昇した状態である。中央タンブル流Ftcはキャビティ51の径方向中央領域に、外縁タンブル流Fteは径方向周縁領域に各々入り込み、キャビティ51でガイドされている。図14(D)は、ピストン5が吸気BDCから135deg程度上昇した状態である。圧縮行程の後期に至っても、キャビティ51が適宜な面積及び容積を具備し、且つ、上記(2)式のB/D=1.19~1.52の関係を満たすボア径(ピストンの直径)Bとキャビティ51の直径Dとを少なくとも具備していることから、タンブル流Ftは維持される。但し、燃焼室6の容積が小さくなることに伴い、外縁タンブル流Fteは消失気味となり、専ら中央タンブル流Ftcが残存する。なお、点火プラグ16は、図6に例示した通り、圧縮行程において運転シーンに応じたタイミングで、混合気に点火する。 FIG. 14(C) shows a state in which the piston 5 has risen by 90 degrees from the intake BDC. The central tumble flow Ftc and the outer edge tumble flow Fte enter the radial central region of the cavity 51 and the radial peripheral region, respectively, and are guided by the cavity 51 . FIG. 14(D) shows a state in which the piston 5 has risen by about 135 degrees from the intake BDC. Even in the latter half of the compression stroke, the cavity 51 has an appropriate area and volume, and the bore diameter (piston diameter) that satisfies the relationship of B / D = 1.19 to 1.52 in the above equation (2) With at least B and the diameter D of the cavity 51, the tumble flow Ft is maintained. However, as the volume of the combustion chamber 6 becomes smaller, the outer edge tumble flow Fte tends to disappear and the central tumble flow Ftc remains. As shown in FIG. 6, the ignition plug 16 ignites the air-fuel mixture in the compression stroke at a timing corresponding to the driving scene.

図15(A)は、図14(D)の状態に相当する、燃焼室6の気筒軸方向の模式的な断面図である。図15(B)は、図14(D)の状態からピストン5の上昇がさらに進んだ、圧縮TDCにおける燃焼室6の気筒軸方向の模式的な断面図である。図15(A)に示す圧縮行程の後期の状態では、上述の通り、タンブル流Ftは維持されている。 FIG. 15(A) is a schematic cross-sectional view of the combustion chamber 6 in the cylinder axial direction, corresponding to the state of FIG. 14(D). FIG. 15(B) is a schematic cross-sectional view of the combustion chamber 6 in the cylinder axial direction at compression TDC, in which the piston 5 has further risen from the state of FIG. 14(D). In the latter stage of the compression stroke shown in FIG. 15(A), the tumble flow Ft is maintained as described above.

その後、図15(B)に示すように、圧縮TDCに至ると、タンブル流Ftが一気に乱流Tuに変換される。乱流Tuは、タンブル流Ftの形態で層流を為していた混合気が、燃焼室6空間の縮小に伴って行き場を失い、混合気の各ガス成分がランダムな方向に移動することによって生じる。この時点では、ほぼタンブル流Ftは消失している。タンブル流Ftを可及的に維持して圧縮TDC付近で一気に乱流Tuに変換することで、SI燃焼の火炎伝播が高速化され、熱効率が向上する。このようなタンブル流の可及的な維持に、上記(2)式の関係を満たす本実施形態に係るキャビティ51は貢献している。 Thereafter, as shown in FIG. 15(B), when the compression TDC is reached, the tumble flow Ft is transformed into the turbulent flow Tu at once. The turbulent flow Tu occurs when the air-fuel mixture, which has been laminar in the form of a tumble flow Ft, loses its way as the space in the combustion chamber 6 shrinks, and each gas component of the air-fuel mixture moves in random directions. occur. At this point, the tumble flow Ft has almost disappeared. By maintaining the tumble flow Ft as much as possible and converting it into a turbulent flow Tu in the vicinity of the compression TDC, the flame propagation of the SI combustion is accelerated and the thermal efficiency is improved. The cavity 51 according to the present embodiment, which satisfies the above equation (2), contributes to maintaining such a tumble flow as much as possible.

<スワール流>
図16(A)~(D)は、吸気行程におけるスワール流の流動を模式的に示す図である。図16(A)は、ピストン5が排気TDCの位置にある状態を示している。この状態では、吸気弁11は開いておらず、吸気ポート9から新気は気筒2(燃焼室6)に流入していない。既述の通り、SPCCI燃焼においてスワール流の形成が必要とされる際、スワール弁17の開度が制限され、新気は専ら吸気ポート9Aから導入される(図3)。
<Swirl style>
FIGS. 16A to 16D are diagrams schematically showing swirl flow in the intake stroke. FIG. 16A shows the state where the piston 5 is at the exhaust TDC position. In this state, the intake valve 11 is not open, and fresh air is not flowing from the intake port 9 into the cylinder 2 (combustion chamber 6). As described above, when SPCCI combustion requires swirl flow formation, the opening of the swirl valve 17 is restricted and fresh air is introduced exclusively from the intake port 9A (FIG. 3).

図16(B)は、ピストン5が排気TDCから45deg程度下降した状態を示している。この状態では吸気弁11は開かれ、ピストン5の下降に伴う圧力低下により、新気が吸気ポート9Aから気筒2に流入する。このため、燃焼室6内でスワール流Fsが生じる。ここで、吸気ポート9はタンブルポートであるので、スワール流Fsはタンブル流の影響を受けて斜め下方向に下降する斜めスワール流となる。 FIG. 16B shows a state in which the piston 5 has descended by about 45 degrees from the exhaust TDC. In this state, the intake valve 11 is opened, and fresh air flows into the cylinder 2 from the intake port 9A due to the pressure drop associated with the downward movement of the piston 5 . Therefore, a swirl flow Fs is generated within the combustion chamber 6 . Here, since the intake port 9 is a tumble port, the swirl flow Fs becomes an oblique swirl flow that descends obliquely downward under the influence of the tumble flow.

図16(C)は、ピストン5が排気TDCから90deg下降した状態である。スワール流Fsは、斜め下向きに大きく旋回しながら、キャビティ51に向かって進行している。図16(D)は、ピストン5が排気TDCから135deg程度下降した状態である。スワール流Fsの一部は、キャビティ51内に入り込み、当該キャビティ51にガイドされながら旋回している。 FIG. 16(C) shows a state in which the piston 5 is lowered by 90 degrees from the exhaust TDC. The swirl flow Fs advances toward the cavity 51 while swirling obliquely downward. FIG. 16(D) shows a state in which the piston 5 has descended by about 135 degrees from the exhaust TDC. Part of the swirl flow Fs enters the cavity 51 and swirls while being guided by the cavity 51 .

図17(A)~(D)は、圧縮行程におけるスワール流Fsの流動を模式的に示す図である。図17(A)は、ピストン5が吸気BDCの位置にある状態を示している。吸気BDC付近で吸気弁11は閉じられ、燃焼室6内の混合気は圧縮され始める。この段階ではスワール流Fsは、キャビティ51によるガイド効果も相俟って、旋回しながら燃焼室天井面6Uに向けて斜め上方向に流動している。 FIGS. 17A to 17D are diagrams schematically showing the swirl flow Fs in the compression stroke. FIG. 17A shows the state where the piston 5 is at the intake BDC position. The intake valve 11 is closed near the intake BDC, and the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 begins to be compressed. At this stage, the swirl flow Fs flows obliquely upward toward the combustion chamber ceiling surface 6U while swirling, coupled with the guide effect of the cavity 51 .

図17(B)は、ピストン5が吸気BDCから45deg程度上昇した状態を示している。スワール流Fsは、燃焼室天井面6Uにガイドされるようにして、流動方向を斜め下方向に反転させて旋回している。これにより、再びスワール流Fsはキャビティ51に向かうことになる。 FIG. 17(B) shows a state in which the piston 5 has risen by about 45 degrees from the intake BDC. The swirl flow Fs is guided by the combustion chamber ceiling surface 6U and swirls with its flow direction reversed obliquely downward. As a result, the swirl flow Fs is directed toward the cavity 51 again.

図17(C)は、ピストン5が吸気BDCから90deg上昇した状態である。この圧縮行程中期まで、スワール流Fsは斜めスワール流の状態を維持している。スワール流Fsの一部は、キャビティ51に入り込み、当該キャビティ51でガイドされている。図17(D)は、ピストン5が吸気BDCから135deg程度上昇した状態である。圧縮行程の後期に至ると、燃焼室6の容積が小さくなることに伴い、スワール流Fsは斜め成分がほぼ消失した横スワール流の状態となる。 FIG. 17(C) shows a state in which the piston 5 has risen by 90 degrees from the intake BDC. The swirl flow Fs maintains an oblique swirl flow until the middle of the compression stroke. Part of the swirl flow Fs enters the cavity 51 and is guided by the cavity 51 . FIG. 17(D) shows a state in which the piston 5 has risen by about 135 degrees from the intake BDC. In the latter half of the compression stroke, as the volume of the combustion chamber 6 becomes smaller, the swirl flow Fs becomes a horizontal swirl flow with almost no oblique component.

図18(A)は、図17(D)の状態に相当する、燃焼室6内におけるスワール流Fsの発生状態を示す模式図である。図18(B)は、圧縮TDCでの燃焼室6内におけるスワール流Fsの発生状態を示す模式図である。図18(A)に示す圧縮行程の後期の状態では、キャビティ51内及びキャビティ51の外周側においてスワール流Fsが維持されている。 FIG. 18(A) is a schematic diagram showing the state of generation of the swirl flow Fs in the combustion chamber 6, corresponding to the state of FIG. 17(D). FIG. 18(B) is a schematic diagram showing how the swirl flow Fs is generated in the combustion chamber 6 at compression TDC. In the latter stage of the compression stroke shown in FIG. 18A, the swirl flow Fs is maintained inside the cavity 51 and on the outer peripheral side of the cavity 51 .

その後、図18(B)に示すように、圧縮TDCに至ると、キャビティ51の外周側のスワール流Fsは消失するものの、キャビティ51内においてはスワール流Fsが維持される。スワール流を圧縮TDC付近まで維持することで、前段のSI燃焼を企図して点火プラグ16付近で生じさせた火種を燃焼室6の周縁領域へ運搬させ、後段のCI燃焼における圧縮着火を促進させることができる。このようなスワール流Fsの維持に、少なくとも上記(1)式の1.19≦B/D≦2.94の関係を満たすボア径(ピストンの直径)Bとキャビティ51の直径Dとが貢献している。 Thereafter, as shown in FIG. 18(B), when compression TDC is reached, the swirl flow Fs on the outer peripheral side of the cavity 51 disappears, but the swirl flow Fs is maintained inside the cavity 51 . By maintaining the swirl flow near the compression TDC, the spark generated near the spark plug 16 intended for the SI combustion in the previous stage is transported to the peripheral area of the combustion chamber 6, promoting compression ignition in the CI combustion in the subsequent stage. be able to. At least the bore diameter (piston diameter) B and the cavity 51 diameter D that satisfy the relationship 1.19≤B/D≤2.94 in the above equation (1) contribute to the maintenance of the swirl flow Fs. ing.

[タンブル流及びスワール流の維持効果]
図19は、本実施形態を採用した場合における、タンブル流及びスワール流の維持効果を示すグラフである。当該グラフの横軸は、B/Dの値を、縦軸はタンブル流及びスワール流の存続度合いを示す評価値であるスワール比及びタンブル比の値を各々示している。ここでは、B/Dの値を、
2.78(圧縮比ε=16.93);B=83.5mm、D=30mm
2.06(ε=16.3);B=83.5mm、D=40.58mm
1.67(ε=16);B=83.5mm、D=50mm
に設定したときの、スワール比及びタンブル比の値がプロットされている。なお、ストロークS=91.2mmである。さらに図19には、各々のプロットに基づいた近似線である、スワール比特性Cs及びタンブル比特性Ctが示されている。スワール比特性Cs及びタンブル比特性Ctは、B/Dとスワール比及びタンブル比との関係を示す直線である。
[Maintenance effect of tumble flow and swirl flow]
FIG. 19 is a graph showing the effect of maintaining tumble flow and swirl flow when this embodiment is adopted. The horizontal axis of the graph indicates the B/D value, and the vertical axis indicates the values of the swirl ratio and the tumble ratio, which are evaluation values indicating the degree of survival of the tumble flow and the swirl flow. Here, the value of B/D is
2.78 (compression ratio ε=16.93); B=83.5 mm, D=30 mm
2.06 (ε=16.3); B=83.5 mm, D=40.58 mm
1.67 (ε=16); B=83.5 mm, D=50 mm
The swirl ratio and tumble ratio values are plotted when set to . Note that the stroke S=91.2 mm. Furthermore, FIG. 19 shows the swirl ratio characteristic Cs and the tumble ratio characteristic Ct, which are approximate lines based on each plot. The swirl ratio characteristic Cs and the tumble ratio characteristic Ct are straight lines showing the relationship between B/D and the swirl ratio and the tumble ratio.

エンジンの低回転領域から高回転領域まで、良好なSPCCI燃焼を実現するためには、スワール比が3.45以上必要である。スワール比が3.45未満であることは、燃焼室6内においてSPCCI燃焼を実現するための水平旋回するスワール流Fsが十分でないことを示す。スワール比=3.45のラインと、スワール比特性Csとの交点が、B/D=2.94であって、上記(1)式の上限値である。 A swirl ratio of 3.45 or more is required in order to achieve good SPCCI combustion from the low engine speed range to the high engine speed range. A swirl ratio of less than 3.45 indicates that the horizontally swirling swirl flow Fs for achieving SPCCI combustion in the combustion chamber 6 is not sufficient. The intersection of the swirl ratio=3.45 line and the swirl ratio characteristic Cs is B/D=2.94, which is the upper limit of the above equation (1).

また、図5の運転マップに例示するように、低~中回転領域ではSPCCI燃焼を、高回転領域ではSI燃焼を実行させる場合、良好なSI燃焼を実現するためには、タンブル比が1.79以上必要である。タンブル比が1.79未満であることは、燃焼室6内においてSI燃焼を実現するための縦旋回するタンブル流Ftが十分でないことを示す。タンブル比=1.79のラインと、タンブル比特性Ctとの交点が、B/D=2.20であって、上記(2)式の上限値である。 Further, as exemplified in the operation map of FIG. 5, when SPCCI combustion is executed in the low to medium speed range and SI combustion is executed in the high speed range, the tumble ratio must be 1.0 to achieve good SI combustion. 79 or higher is required. A tumble ratio of less than 1.79 indicates that the vertically swirling tumble flow Ft for achieving SI combustion in the combustion chamber 6 is not sufficient. The intersection of the tumble ratio=1.79 line and the tumble ratio characteristic Ct is B/D=2.20, which is the upper limit of the above equation (2).

B/Dの値が小さくなるほど、相対的にキャビティ51の底部511の直径Dが大きくなる。そして、F側凸部52F及びR側凸部52Rの高さH1が一定で、キャビティ51の底部511が一定の曲率半径Rを有することから、B/Dの値が小さくなるほどキャビティ51の容積が増える。図19において、スワール比特性Cs及びタンブル比特性Ctは、B/Dの値が小さくなるほど良好となる傾向を有している。しかし、B/Dの値が小さくなりすぎると、キャビティ51の容積増加に伴い、良好なSPCCI燃焼において必須となる圧縮比=15以上の達成が困難となる。このような観点より、上記(1)式及び(2)式の下限値がB/D=1.19に設定されているものである。すなわち、図20は、キャビティ51の底部511の直径Dと圧縮値比との関係を示すグラフであるが、同図に示す通り、圧縮値比=15以上を達成するには、前記直径D=70.3以上である必要がある。よって、上記の通りボア径B=83.5であることから、B/Dの下限値は1.19に設定されている。 As the value of B/D decreases, the diameter D of the bottom portion 511 of the cavity 51 relatively increases. Since the height H1 of the F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R is constant, and the bottom portion 511 of the cavity 51 has a constant radius of curvature R, the volume of the cavity 51 increases as the value of B/D decreases. increase. In FIG. 19, the swirl ratio characteristic Cs and the tumble ratio characteristic Ct tend to improve as the value of B/D decreases. However, if the value of B/D becomes too small, it becomes difficult to achieve a compression ratio of 15 or more, which is essential for good SPCCI combustion, as the volume of the cavity 51 increases. From this point of view, the lower limit of the above formulas (1) and (2) is set to B/D=1.19. That is, FIG. 20 is a graph showing the relationship between the diameter D of the bottom portion 511 of the cavity 51 and the compression value ratio. Must be 70.3 or higher. Therefore, since the bore diameter B=83.5 as described above, the lower limit of B/D is set to 1.19.

上記の実証例に加えて、タンブル流及びスワール流の維持効果について、図説する。図21(A)は、B/Dを上記(1)式若しくは(2)式の範囲に設定した場合におけるスワール流及びタンブル流を示す模式図である。ここでは、筒内流動として、図13及び図14で示した中央タンブル流Ftc及び外縁タンブル流Fteと、図16及び図17で示したスワール流Fsとを示している。 In addition to the above demonstration example, the effect of maintaining tumble flow and swirl flow will be illustrated. FIG. 21A is a schematic diagram showing a swirl flow and a tumble flow when B/D is set within the range of the above formula (1) or (2). Here, as in-cylinder flows, the central tumble flow Ftc and the outer edge tumble flow Fte shown in FIGS. 13 and 14 and the swirl flow Fs shown in FIGS. 16 and 17 are shown.

B/Dが適正化されている場合、タンブル流Ftはキャビティ51の形成領域に集められるようになり、当該キャビティ51の空間を利用して圧縮行程後期に至っても存続する。すなわち、中央タンブル流Ftcは、キャビティ51の底部511にガイドされるように流動し、外縁タンブル流FteはF側凸部52F及びR側凸部52Rの隆起によって形成されるF側周壁512F及びR側周壁512Rでガイドされるように流動する。このため、圧縮行程後期まで、タンブル流Ftを存続させ易くすることができる。また、スワール流Fsは、キャビティ51の比較的大きい底部511に沿った安定的な流動を維持する。このため、圧縮行程後期まで、スワール流Fsを存続させ易くすることができる。 When B/D is optimized, the tumble flow Ft comes to be collected in the formation area of the cavity 51, and continues even in the latter half of the compression stroke by utilizing the space of the cavity 51 concerned. That is, the central tumble flow Ftc flows so as to be guided by the bottom portion 511 of the cavity 51, and the outer edge tumble flow Fte flows along the F-side peripheral walls 512F and R formed by the protrusions of the F-side convex portion 52F and the R-side convex portion 52R. It flows so as to be guided by the side peripheral wall 512R. Therefore, the tumble flow Ft can be easily maintained until the latter part of the compression stroke. Also, the swirl flow Fs maintains a stable flow along the relatively large bottom portion 511 of the cavity 51 . Therefore, it is possible to easily maintain the swirl flow Fs until the latter part of the compression stroke.

これに対し、図21(B)は、B/Dが上記(1)式の上限値(2.94)より大きい場合のスワール流Fsの挙動を示す模式図である。B/Dの値が大きいということは、キャビティ51の底部511の直径Dが比較的小さく、F側周壁512F及びR側周壁512Rが比較的なだらとなるため、スワール流を流動させるための空間が相対的に縮小されることを意味する。このため、スワール流Fsは、IN側周壁513及びEX側周壁514の領域でガイドされ難くなり、キャビティ51から径方向外側へ抜け出し易くなる。このため、スワール流Fsの存続性が低下する(スワール比が低下する)。 On the other hand, FIG. 21B is a schematic diagram showing the behavior of the swirl flow Fs when B/D is larger than the upper limit value (2.94) of the above formula (1). A large value of B/D means that the diameter D of the bottom portion 511 of the cavity 51 is relatively small, and the F-side peripheral wall 512F and the R-side peripheral wall 512R are relatively gentle, so there is a space for the swirl flow to flow. is relatively reduced. Therefore, the swirl flow Fs is less likely to be guided by the regions of the IN-side peripheral wall 513 and the EX-side peripheral wall 514, and easily escapes from the cavity 51 to the outside in the radial direction. Therefore, the continuity of the swirl flow Fs is reduced (the swirl ratio is reduced).

図21(c)は、上記(2)式の上限値(2.20)より大きい場合(同図では図21(B)と同じ値の場合を示している)のタンブル流Ft(Fte)の挙動を示す模式図である。上記の通り、B/Dの値が大きくなると、F側周壁512F及びR側周壁512Rが比較的なだらとなるため、B/Dを、上限値(2.20)より大きくなるように設定すると、タンブル流Ftの維持効果が希薄化する。すなわち、外縁タンブル流Fteが冠面50におけるキャビティ51の形成領域から径方向外側に抜け出易くなり、中央タンブル流Ftcと外縁タンブル流Fteとが共にキャビティ51内に収斂されることに伴う強いタンブル流Ftが形成され難くなる。このため、タンブル流Ftの存続性が低下する(タンブル比が低下する)ようになる。 FIG. 21(c) shows the tumble flow Ft (Fte) when it is larger than the upper limit value (2.20) of the above equation (2) (the figure shows the same value as in FIG. 21(B)). It is a schematic diagram which shows a behavior. As described above, when the value of B/D increases, the F-side peripheral wall 512F and the R-side peripheral wall 512R become relatively smooth. , the effect of maintaining the tumble flow Ft is diluted. That is, the outer edge tumble flow Fte easily escapes radially outward from the formation region of the cavity 51 in the crown surface 50, and the central tumble flow Ftc and the outer edge tumble flow Fte are both converged within the cavity 51, resulting in a strong tumble flow. It becomes difficult to form Ft. Therefore, the continuity of the tumble flow Ft is reduced (the tumble ratio is reduced).

[変形例]
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形実施形態を取ることができる。例えば、上記実施形態では、上記(1)式及び(2)式のほか、H1/H2、H1/D、B/L、R/B、R/Rf及びR/Rr、R/Rin及びR/Rexについても数値範囲を示した。これらについては、B/Dの数値範囲が上記(1)式及び(2)式の範囲を満たしている限りにおいて、上記で例示した数値範囲から外れるものであってもよい。
[Modification]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various modified embodiments are possible. For example, in the above embodiment, in addition to the above formulas (1) and (2), H1/H2, H1/D, B/L, R/B, R/Rf and R/Rr, R/Rin and R/ Numerical ranges are also shown for Rex. As for these, as long as the numerical range of B/D satisfies the ranges of the above formulas (1) and (2), it may be outside the numerical range exemplified above.

1 エンジン本体
2 気筒
5 ピストン
5C 側周面(外縁部)
50 冠面
51 キャビティ
51B 最深部
511 底部
6 燃焼室
6U 燃焼室天井面(ペントルーフ型の天井面)
Fs スワール流
Ft タンブル流
B ボア径(ピストンの直径)
D キャビティ径(キャビティの底部の外周縁の直径)
1 engine body 2 cylinder 5 piston 5C side peripheral surface (outer edge)
50 crown surface 51 cavity 51B deepest part 511 bottom part 6 combustion chamber 6U combustion chamber ceiling surface (pent roof type ceiling surface)
Fs Swirl flow Ft Tumble flow B Bore diameter (piston diameter)
D Cavity diameter (diameter of the outer periphery of the bottom of the cavity)

Claims (3)

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気筒の内壁面と、ペントルーフ型の天井面とによって区画される燃焼室を有し、当該燃焼室の幾何学的圧縮比が15以上であって、混合気の一部を火花点火によりSI燃焼させると共にその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼室構造であって、
前記天井面は、吸気ポートと排気ポートとを備え、
前記冠面は、
椀状に凹設されてなるキャビティと、
前記吸気ポートと前記排気ポートとの配列方向に直交する方向における、前記キャビティとピストン外縁部との間の外周領域において各々気筒軸方向に突設され、かつペントルーフ型の前記天井面に沿う山形形状を有する一対の隆起部と、を備え、
前記キャビティは
設された当該キャビティの下方領域であってかつ気筒軸方向における前記天井面側からの平面視で外周縁が円形の底部と、
前記直交する方向に沿った面で断面視する場合に、前記直交する方向において、前記底部の一方側に位置する一方側壁部および他方側に位置する他方側壁部と、を備え、
前記一方側壁部は、前記底部の前記外周縁から前記一対の隆起部のうちの一方側の隆起部の前記天井面側の尾根部まで延設される曲面からなり、
前記他方側壁部は、前記底部の前記外周縁から前記一対の隆起部のうちの他方側の隆起部の前記天井面側の尾根部まで延設される曲面からなり、
前記キャビティの底部の前記外周縁の直径をD、前記ピストンの直径をBとするとき、前記ピストンの直径Bと前記キャビティの前記直径Dとの比であるB/Dが1.19以上2.94以下の範囲に設定されており、
前記キャビティは、前記気筒軸方向における前記天井面側からの平面視において、前記直交する方向に幅広の楕円形状を有することを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
It has a combustion chamber defined by a crown surface of a piston, an inner wall surface of a cylinder in which the piston is slidably accommodated, and a pent roof type ceiling surface, and the combustion chamber has a geometric compression ratio of 15 or more. A combustion chamber structure of an engine that performs partial compression ignition combustion in which a part of the air-fuel mixture is SI-burned by spark ignition and the other air-fuel mixture is CI-burned by self-ignition,
The ceiling surface has an intake port and an exhaust port,
The crown surface is
a cavity recessed in the shape of a bowl;
In the direction perpendicular to the direction in which the intake ports and the exhaust ports are arranged, each projecting in the axial direction of the cylinder in the outer peripheral region between the cavity and the outer edge of the piston, and has a mountain-shaped shape along the pent roof ceiling surface. a pair of ridges having
The cavity is
a bottom portion that is a recessed lower region of the cavity and has a circular outer peripheral edge in plan view from the ceiling surface side in the cylinder axial direction;
one side wall portion located on one side and the other side wall portion located on the other side of the bottom portion in the orthogonal direction when viewed in cross section along the orthogonal direction;
The one side wall portion has a curved surface extending from the outer peripheral edge of the bottom portion to a ridge portion on the ceiling surface side of one of the pair of raised portions,
The other side wall portion has a curved surface extending from the outer peripheral edge of the bottom portion to a ridge portion on the ceiling surface side of the other raised portion of the pair of raised portions,
Where D is the diameter of the outer peripheral edge of the bottom of the cavity and B is the diameter of the piston, B/D, which is the ratio of the diameter B of the piston to the diameter D of the cavity, is 1.19 or more.2. It is set in the range of 94 or less,
A combustion chamber structure for an engine, wherein the cavity has an elliptical shape with a width extending in the orthogonal direction in a plan view from the ceiling surface side in the axial direction of the cylinder.
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気筒の内壁面と、ペントルーフ型の天井面とによって区画される燃焼室を有し、当該燃焼室の幾何学的圧縮比が15以上であって、混合気を火花点火により燃焼させるSI燃焼と、混合気の一部を火花点火によりSI燃焼させると共にその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼とを併用して行うエンジンの燃焼室構造であって、
前記天井面は、吸気ポートと排気ポートとを備え、
前記冠面は、
椀状に凹設されてなるキャビティと、
前記吸気ポートと前記排気ポートとの配列方向に直交する方向における、前記キャビティとピストン外縁部との間の外周領域において各々気筒軸方向に突設され、かつペントルーフ型の前記天井面に沿う山形形状を有する一対の隆起部と、を備え、
前記キャビティは
設された当該キャビティの下方領域であってかつ気筒軸方向における前記天井面側からの平面視で外周縁が円形の底部と、
前記直交する方向に沿った面で断面視する場合に、前記直交する方向において、前記底部の一方側に位置する一方側壁部および他方側に位置する他方側壁部と、を備え、
前記一方側壁部は、前記底部の前記外周縁から前記一対の隆起部のうちの一方側の隆起部の前記天井面側の尾根部まで延設される曲面からなり、
前記他方側壁部は、前記底部の前記外周縁から前記一対の隆起部のうちの他方側の隆起部の前記天井面側の尾根部まで延設される曲面からなり、
前記キャビティの底部の前記外周縁の直径をD、前記ピストンの直径をBとするとき、前記ピストンの直径Bと前記キャビティの前記直径Dとの比であるB/Dが1.19以上2.20以下の範囲に設定されており、
前記キャビティは、前記気筒軸方向における天井面側からの平面視において、前記直交する方向に幅広の楕円形状を有することを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
It has a combustion chamber defined by a crown surface of a piston, an inner wall surface of a cylinder in which the piston is slidably accommodated, and a pent roof type ceiling surface, and the combustion chamber has a geometric compression ratio of 15 or more. SI combustion, in which the air-fuel mixture is burned by spark ignition, and partial compression ignition combustion, in which part of the air-fuel mixture is SI-burned by spark ignition and the other air-fuel mixture is CI-burned by self-ignition, are used in combination. An engine combustion chamber structure,
The ceiling surface has an intake port and an exhaust port,
The crown surface is
a cavity recessed in the shape of a bowl;
In the direction perpendicular to the direction in which the intake ports and the exhaust ports are arranged, each projecting in the axial direction of the cylinder in the outer peripheral region between the cavity and the outer edge of the piston, and has a mountain-shaped shape along the pent roof ceiling surface. a pair of ridges having
The cavity is
a bottom portion that is a recessed lower region of the cavity and has a circular outer peripheral edge in plan view from the ceiling surface side in the cylinder axial direction;
one side wall portion located on one side and the other side wall portion located on the other side of the bottom portion in the orthogonal direction when viewed in cross section along the orthogonal direction;
The one side wall portion has a curved surface extending from the outer peripheral edge of the bottom portion to a ridge portion on the ceiling surface side of one of the pair of raised portions,
The other side wall portion has a curved surface extending from the outer peripheral edge of the bottom portion to a ridge portion on the ceiling surface side of the other raised portion of the pair of raised portions,
Where D is the diameter of the outer peripheral edge of the bottom of the cavity and B is the diameter of the piston, B/D, which is the ratio of the diameter B of the piston to the diameter D of the cavity, is 1.19 or more.2. It is set in the range of 20 or less,
A combustion chamber structure for an engine, wherein the cavity has an elliptical shape with a width extending in the orthogonal direction in a plan view from the ceiling surface side in the axial direction of the cylinder.
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、
前記キャビティの前記底部は、当該キャビティの最深部を含む一定の曲率を有する領域であり、当該一定の曲率を有する領域の外縁が前記気筒軸方向における天井面側からの平面視で円形であることを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
In the engine combustion chamber structure according to claim 1 or 2,
The bottom portion of the cavity is a region having a constant curvature including the deepest portion of the cavity, and the outer edge of the region having a constant curvature is circular in plan view from the ceiling side in the cylinder axial direction. A combustion chamber structure for an engine characterized by:
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