WO2016103735A1 - 直噴エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

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WO2016103735A1
WO2016103735A1 PCT/JP2015/006488 JP2015006488W WO2016103735A1 WO 2016103735 A1 WO2016103735 A1 WO 2016103735A1 JP 2015006488 W JP2015006488 W JP 2015006488W WO 2016103735 A1 WO2016103735 A1 WO 2016103735A1
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WO
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tip
combustion chamber
cavity
fuel
fuel injection
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PCT/JP2015/006488
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English (en)
French (fr)
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和晃 楢原
太田　統之
芳尚 乃生
陰山　明
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マツダ株式会社
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Publication date
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    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B23/101—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
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    • F02B2023/102—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the spark plug being placed offset the cylinder centre axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/24—Pistons  having means for guiding gases in cylinders, e.g. for guiding scavenging charge in two-stroke engines
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to the combustion chamber structure of a direct injection engine.
  • Patent Document 1 describes a spark ignition direct injection engine that injects fuel into a combustion chamber constituted by a cavity recessed from the top surface of a piston.
  • combustion is accelerated by adding ozone to the intake air introduced into the cylinder, and the fuel spray injected from the fuel injection valve disposed at the center of the bore of the cylinder flies.
  • the combustion is terminated.
  • a gas layer that does not contribute to combustion is formed between the combustion gas at the center in the combustion chamber (that is, inside the cavity) and the cavity wall surface, and the cooling loss is greatly reduced.
  • the direct injection engine described in Patent Document 1 is also configured to have a high compression ratio of a geometric compression ratio of 15 or more, and in combination with the reduction of the cooling loss described above, the thermal efficiency is greatly increased. improves.
  • Patent Document 2 is not a technique for reducing the cooling loss as described in Patent Document 1, a fuel injection valve is provided on the exhaust side and a non-intake side on the intake side in the ceiling of the cylinder head. It is described that an active species generating device that generates radicals by balanced plasma discharge is disposed adjacent to a fuel injection valve.
  • the active species generating device is configured to generate radicals in an ignition chamber that is deep from the combustion chamber.
  • gas flow accompanying fuel injection from a fuel injection valve adjacent to the active species generating device is used. Thus, negative pressure is generated in the vicinity of the opening of the ignition chamber, and radicals generated in the ignition chamber are drawn out into the combustion chamber.
  • Patent Document 3 is not a technique for reducing cooling loss as in Patent Document 2, but a fuel injection valve is provided on the exhaust side and a spark plug is provided on the intake side of the cylinder head ceiling. It is described that it is arranged adjacent to the injection valve. In this engine, the fuel injection valve performs a second-stage injection that injects fuel around the discharge gap of the spark plug after the main injection, thereby reducing the required secondary voltage of the spark plug.
  • the applicant of the present application is to inject fuel into the combustion chamber in the latter half of the compression stroke as a technique for reducing cooling loss, which is different from the technique described in Patent Document 1, and devise the fuel injection mode at that time.
  • an air-fuel mixture layer is provided at the center of the combustion chamber, an adiabatic gas layer is formed around the air-fuel mixture layer, and the air-fuel mixture is combusted in that state (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2015). -102004).
  • the geometric compression ratio of the engine is set to 15 or more as in the technology described in Patent Document 1.
  • the valve shaft center of the fuel injection valve is arranged along the axis of the cylinder, and the cavity is formed in the fuel injection valve.
  • the shape symmetrical to the injection axis of the fuel injection valve so as to face the injection tip is effective in preventing contact between the fuel spray and the wall of the cavity while making the cavity as small as possible. It is.
  • a fuel injection valve and a discharge electrode such as a spark plug or an active species generator are arranged adjacent to each other on the ceiling of the cylinder head.
  • a discharge electrode such as a spark plug or an active species generator
  • the fuel injected from the fuel injection valve for example, in a cone shape at a predetermined spray angle, adheres directly to the tip of the discharge electrode, and the reliability of the discharge electrode is improved. Secured.
  • the technology disclosed herein has been made in view of such a point, and the purpose thereof is a direct injection configured to form an air-fuel mixture layer and an insulating gas layer in a combustion chamber constituted by cavities.
  • the fuel spray injected at a predetermined spray angle is to prevent the fuel spray from coming into contact with the wall surface of the cavity due to a long flight distance of the fuel spray in a specific direction.
  • FIG. 8 shows the ceiling of the cylinder head 13 that partitions the combustion chamber 17.
  • an outer valve fuel injection valve 6 and a discharge electrode 7 are arranged side by side near the center of the bore of the cylinder.
  • the fuel injection valve 6 is not limited to the open valve type, and may be any fuel injection valve that injects fuel at a predetermined spray angle.
  • the discharge electrode 7 is a spark plug that has a center electrode and a ground electrode at its tip, and ignites the air-fuel mixture by discharging between the center electrode and the ground electrode.
  • the discharge electrode 7 is not limited to a spark plug.
  • the discharge electrode 7 has an electrode that protrudes into the combustion chamber 17 in a state of being electrically insulated from the cylinder head 13 and the cylinder block at the tip thereof, and is controlled in a pulse-like height.
  • a discharge plug that generates an extremely short pulse discharge (streamer discharge) in the combustion chamber 17 by applying a voltage to the electrode may be used.
  • ozone By attaching a discharge plug to the engine instead of the spark plug, ozone can be generated in the combustion chamber 17.
  • the arrangement direction of the fuel injection valve 6 and the discharge electrode 7 is not particularly limited, and is the direction different from the engine output shaft direction (including the intake and exhaust directions orthogonal to the engine output shaft) even in the engine output shaft direction. May be.
  • the fuel injection valve 6 and the discharge electrode 7 are arranged in the engine output shaft direction. That is, FIG. 8 is a longitudinal section of the combustion chamber 17 cut along a plane passing through the injection tip of the fuel injection valve 6 and the tip of the discharge electrode 7, and this longitudinal section is in the direction along the engine output shaft. Corresponds to a longitudinal section cut by a plane.
  • the fuel injection valve 6 is arranged such that its valve axis is along the cylinder axis (vertical direction in FIG. 8), whereas the discharge electrode 7 has a tip at the fuel injection valve 6. In the approaching direction, it is inclined with respect to the axis of the cylinder.
  • the distal end portion (particularly, the insulator portion of the distal end) of the discharge electrode 7 is accommodated in a recess 131 that is recessed from the ceiling surface.
  • the injection tip of the fuel injection valve 6 is also accommodated in a recess 132 that is recessed from the ceiling surface so that the temperature at the injection tip of the fuel injection valve 6 does not become too high.
  • the tip is configured not to protrude into the combustion chamber 17. Since the injection tip of the fuel injection valve 6 and the tip of the discharge electrode 7 are adjacent to each other, the two recesses 131 and 132 partially overlap each other, and the two recesses 131 and 132 are continuous. (See the two-dot chain line in FIG. 8).
  • the fuel injection valve 6 injects fuel at a predetermined spray angle from the injection tip.
  • the externally opened fuel injection valve 6 injects fuel in a hollow cone shape from its injection tip.
  • a vortex is generated due to the flow of the spray.
  • the vortex flows in the direction in which the fuel spray rolls outward, and as shown by the arrow in FIG. 8, after returning from the front side to the root side in the fuel spray injection direction, it flows into the fuel spray, The fuel spray flows from the root side to the front side.
  • the recess 131 that accommodates the tip of the discharge electrode 7 is provided in the vicinity of the injection tip of the fuel injection valve 6 so that the recess 131 is formed when viewed from the injection tip.
  • the area around the outer periphery of the fuel spray is relatively wide (corresponding to the position on the right side of the paper with respect to the injection tip in FIG. 8), and the area where the recess 131 is not formed is the outer periphery of the fuel spray. Is relatively narrow (in FIG. 8, corresponding to the left side of the paper with respect to the ejection tip). In a place where the outer space of the fuel spray is relatively narrow, the amount of gas flowing into the fuel spray due to the vortex (that is, the air in the combustion chamber 17) is small. .
  • the gas flowing into the fuel spray is increased by the vortex, and the fuel spray is strongly pushed out.
  • the penetration force of the fuel spray is stronger at the portion where the outer peripheral space of the fuel spray is relatively wide than the portion where the outer peripheral space of the fuel spray is relatively narrow, and the white arrow in FIG. It is considered that the flight distance of the fuel spray becomes longer as indicated by.
  • the outer periphery of the fuel spray can be obtained if the tip of the discharge electrode 7 is accommodated in the recess 131. In this case, a relatively wide space and a narrow space are formed.
  • the distance between the injection tip of the fuel injection valve 6 and the wall surface of the cavity is relatively short, so that the fuel spray is reduced in the cavity. It becomes easy to contact the wall surface.
  • the squish area becomes larger as the cavity is made smaller, the squish becomes relatively strong, and the above-described extrusion of fuel spray is further promoted. As a result, a part of the fuel spray is easily brought into contact with the wall surface of the cavity.
  • the wall surface of the cavity is basically configured to have a symmetrical shape centering on the injection tip of the fuel injection valve.
  • the outer peripheral space of the injected fuel spray is relatively The fuel spray is in contact with the cavity wall surface by making the cavity shape asymmetrical with respect to the injection tip of the fuel injection valve. Decided to prevent that.
  • the technology disclosed herein relates to a combustion chamber structure of a direct injection engine.
  • the combustion chamber structure is inserted into a cylinder and has a cavity having a cavity recessed from the top surface thereof, and an internal structure of the cylinder.
  • a cylinder head having a ceiling surface defining a combustion chamber together with a peripheral surface and the top surface of the piston, and a ceiling portion of the cylinder head so that an injection tip faces the combustion chamber
  • a fuel injection valve that is disposed and configured to inject fuel at a predetermined spray angle from the injection tip toward the cavity, and a tip that faces the combustion chamber at the ceiling of the cylinder head,
  • a discharge electrode disposed adjacent to the injection tip of the fuel injection valve.
  • a recess for accommodating the tip part of the discharge electrode is provided to be recessed from the ceiling surface,
  • the center of the cavity is shifted with respect to the bore center of the cylinder, and the combustion chamber is cut by a plane passing through the injection tip of the fuel injection valve and the tip of the discharge electrode.
  • the wall surface shape of the cavity on the side where the discharge electrode is disposed across the injection tip of the fuel injection valve is closer to the injection tip than the wall surface shape of the cavity on the opposite side across the injection tip. Is configured to be long.
  • the fuel injection valve and the discharge electrode are both attached to the ceiling of the cylinder head, and the injection tip of the fuel injection valve and the tip of the discharge electrode are disposed adjacent to each other.
  • the discharge electrode is an ignition plug or a discharge plug, and the tip of the discharge electrode is accommodated in the recess, thereby preventing the fuel spray injected from the fuel injection valve from directly attaching to the tip of the discharge electrode. . For this reason, it becomes possible to ensure the reliability of the discharge electrode. Since the recess is provided at a position adjacent to the injection tip of the fuel injection valve, the fuel injected at a predetermined spray angle from the injection tip at the location where the recess is provided when the injection tip is the center. The space around the outer periphery of the spray becomes relatively wide, and the space around the outer periphery of the fuel spray becomes relatively narrow at a location where no recess is provided.
  • the cavity is provided on the top surface of the piston so that the center is displaced with respect to the center of the bore of the cylinder, the top surface of the piston provided with the cavity, the inner peripheral surface of the cylinder, and the cylinder head
  • a combustion chamber is defined by the ceiling surface of the chamber.
  • the wall shape of the cavity on the side where the discharge electrode is disposed across the injection tip is The distance from the injection tip is longer than the wall shape of the cavity on the opposite side across the tip.
  • the wall surface of the cavity includes a side wall and a bottom wall in the cavity recessed from the top surface of the piston. Increasing the distance from the injection tip includes widening the cavity opening by moving the cavity sidewall away from the injection tip, deepening the cavity bottom wall away from the injection tip, and the cavity sidewall and Moving each of the bottom walls away from the spray tip.
  • the side where the discharge electrode is disposed across the injection tip corresponds to a portion where a recess is provided, and the space around the outside of the fuel spray becomes relatively wide. Therefore, although the flight distance of the fuel spray becomes relatively long, even if the flight distance becomes longer by configuring the cavity wall surface shape so that the distance from the injection tip becomes longer, Contact with the wall surface is suppressed.
  • the side opposite to the side where the discharge electrode is disposed across the injection tip corresponds to a portion where no recess is provided, and the space around the outer periphery of the fuel spray is relatively Narrow. Therefore, since the flight distance of the fuel spray becomes relatively short, it is not necessary to configure the wall surface shape of the cavity so that the distance from the injection tip becomes long. Therefore, the wall surface shape of the cavity is set so that the distance from the injection tip is relatively short. This corresponds to making the volume of the cavity provided on the top surface of the piston as small as possible, which is advantageous in increasing the geometric compression ratio of the combustion chamber.
  • a second recess for receiving the injection tip of the fuel injection valve is provided in the ceiling of the cylinder head so as to be recessed from the ceiling surface, and the recess for receiving the tip of the discharge electrode.
  • the second recess that accommodates the injection tip of the fuel injection valve is continuous so that a part thereof overlaps each other, and when the combustion chamber is viewed in plan view, In the angular range sandwiched by the line connecting the boundary between the ejection tip and the recess centered on the ejection tip, in a longitudinal section cut by a plane passing through the specific position in the angle range and the ejection tip,
  • the wall surface shape at the specific position of the cavity is longer than the wall surface shape of the cavity at the opposite symmetrical position across the injection tip with respect to the specific position. It is configured to be a.
  • Storing the injection tip of the fuel injection valve in the second recess prevents the injection tip from protruding into the combustion chamber, so that it is possible to avoid an increase in the temperature of the injection tip.
  • the combustion chamber is seen in plan view, that is, When the combustion chamber is viewed from one end of the axis of the cylinder along the axis, the range of the angle between the injection tip of the fuel injection valve and the boundary between the recesses is centered on the injection tip.
  • the space around the outside of the fuel spray injected from is equivalent to a relatively wide area. Therefore, at least within the angular range, the wall shape at the specific position of the cavity sandwiches the injection tip with respect to the specific position in a longitudinal section cut by a plane passing through the specific position within the angular range and the injection tip.
  • the distance from the injection tip is longer than the wall shape of the cavity at the symmetrical position on the opposite side.
  • the specific position is an arbitrary position within the angle range.
  • the opening edge of the cavity is formed in an elliptical shape that is long in the direction connecting the injection tip of the fuel injection valve and the tip of the discharge electrode when the top surface of the piston is viewed in plan view. It is good as well.
  • An ellipse is an ellipse in a broad sense, and is endless by a smoothly connected curve, or a curve and a straight line, in addition to an ellipse that is a locus of points whose sum of distances from two fixed points is constant on one plane.
  • the oval shape formed in the above is also included in the elliptical shape referred to herein.
  • the opening edge of the cavity is Alternatively, the fuel injection valve may be formed in an oval shape that is long in the direction connecting the injection tip and the tip of the discharge electrode.
  • the fuel injection valve is disposed offset from the bore center of the cylinder, and the discharge electrode is disposed on the opposite side of the fuel injection valve across the bore center of the cylinder, The center of the cavity may be shifted to the side where the fuel injection valve is disposed with respect to the bore center of the cylinder.
  • the injection tip of the fuel injection valve and the center of the cavity coincide with each other. This is advantageous in preventing the fuel spray from coming into contact with the wall surface of the cavity.
  • the opening edge of the cavity is separated from the injection tip of the fuel injection valve and the tip of the discharge electrode.
  • the center of the cavity is displaced toward the tip of the discharge electrode with respect to the jet tip.
  • the center of the cavity is shifted from the injection tip of the fuel injection valve toward the tip of the discharge electrode.
  • the center of the cavity becomes closer to the bore center of the cylinder, but the configuration is nevertheless the center of the cavity is on the side where the fuel injection valve is disposed with respect to the bore center of the cylinder.
  • the configuration is deviated. This means that even if the wall surface of the cavity on the side where the discharge electrode is disposed is moved away from the injection tip, the volume of the cavity is made as small as possible by keeping the distance to a minimum. As a result, as described above, it is advantageous in increasing the geometric compression ratio of the combustion chamber.
  • the ceiling portion of the cylinder head has an intake-side inclined surface provided with an intake port opening and an exhaust-side inclined surface provided with an exhaust port opening, and defines the pent roof type combustion chamber.
  • the top surface of the piston is raised by an inclined surface inclined on each of the intake side and the exhaust side so as to correspond to each of the intake side slope and the exhaust side slope of the ceiling portion.
  • the injection tip of the fuel injection valve is disposed on the ridgeline of the pent roof where the intake-side inclined surface and the exhaust-side inclined surface intersect at the ceiling of the cylinder head, and the discharge electrode The tip may be disposed adjacent to the injection tip of the fuel injection valve on the ridge line of the pent roof.
  • the ceiling portion of the cylinder head is configured to be a pent roof type combustion chamber by an intake side inclined surface and an exhaust side inclined surface.
  • the top surface of the piston bulges in a triangular roof shape so as to correspond to the ceiling portion by inclined surfaces inclined on the intake side and the exhaust side.
  • this direct injection engine is set to have a relatively high geometric compression ratio.
  • the geometric compression ratio may be 15 or more, for example.
  • the gas between the ceiling portion having the intake-side inclined surface and the exhaust-side inclined surface and the top surface of the raised piston is compressed along the ridgeline of the pent roof.
  • Flowing squish occurs.
  • the injection tip of the fuel injection valve and the tip of the discharge electrode are disposed adjacent to each other on the ridgeline of the pent roof, the squish causes a relatively large space around the outside of the fuel spray.
  • the amount of gas flowing into the portion, that is, the recess that accommodates the tip of the discharge electrode is increased, and accordingly, the penetration force of the fuel spray can be further increased.
  • the fuel injection valve may be arranged such that its valve axis is in a direction along the axis of the cylinder.
  • the fuel spray is injected at a predetermined spray angle from the injection tip of the fuel injection valve provided on the ceiling of the cylinder head toward the inside of the cavity provided on the top surface of the piston.
  • the air-fuel mixture layer at the center of the combustion chamber (that is, inside the cavity) and to form a heat insulating gas layer around the air-fuel mixture layer.
  • the center axis of the injected fuel spray coincides with the valve axis of the fuel injection valve. This includes both cases where the shaft is tilted with respect to the valve axis of the fuel injector.
  • the fuel injection valve has a central axis of fuel spray injected from the injection tip at a predetermined spray angle in a direction approaching the discharge electrode, and a valve axis centering on the axis of the cylinder. It is good also as arrange
  • the central axis of the fuel spray is inclined in a direction approaching the tip of the discharge electrode.
  • the space around the outer periphery of the combustion spray can be narrowed even at the concave portion that accommodates the tip of the discharge electrode.
  • the configuration in which the valve axis of the fuel injection valve is inclined is advantageous in increasing the geometric compression ratio of the direct injection engine. Even in a configuration in which the valve axis of the fuel injection valve is inclined with respect to the axis of the cylinder, the center axis of the injected fuel spray coincides with the valve axis of the fuel injection valve, and the center axis of the fuel spray However, it includes both cases of tilting with respect to the valve axis of the fuel injection valve.
  • the fuel spray center axis is inclined with respect to the valve axis of the fuel injection valve. Similar to the configuration in which the valve shaft center of the injection valve is tilted with respect to the axis of the cylinder, it is possible to suppress an increase in the flight distance of the fuel spray.
  • the discharge electrode is disposed across the injection tip in a longitudinal section obtained by cutting the combustion chamber by a plane passing through the injection tip of the fuel injection valve and the tip of the discharge electrode.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the engine.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the combustion chamber.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the shape of the top surface of the piston.
  • FIG. 4 is an explanatory plan view showing the top surface of the piston.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a cavity different from that shown in FIG.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a cavity different from those in FIGS. 2 and 5.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing the arrangement of fuel injection valves different from that shown in FIG.
  • FIG. 8 is an enlarged longitudinal sectional view showing the ceiling portion of the combustion chamber.
  • FIG. 1 shows a configuration of an engine 1 according to the embodiment.
  • the crankshaft 15 of the engine 1 is connected to drive wheels via a transmission.
  • the vehicle is propelled by the output of the engine 1 being transmitted to the drive wheels.
  • the fuel of the engine 1 is gasoline in the present embodiment, but it may be gasoline containing bioethanol or the like, and may be any fuel as long as it is a liquid fuel containing at least gasoline.
  • the engine 1 includes a cylinder block 12 and a cylinder head 13 placed thereon, and a plurality of cylinders 11 are formed inside the cylinder block 12 (only one is shown in FIG. 1). .
  • the engine 1 is a multi-cylinder engine. Although not shown, a water jacket through which cooling water flows is formed inside the cylinder block 12 and the cylinder head 13. In each cylinder 11, a piston 16 connected to a crankshaft 15 via a connecting rod 14 is slidably fitted. The piston 16 divides the combustion chamber 17 together with the cylinder 11 and the cylinder head 13.
  • the ceiling portion 170 (the lower surface of the cylinder head 13) of the combustion chamber 17 is provided with an intake side inclined surface 171 provided with an opening 180 of the intake port 18 and having an upward slope toward the center of the cylinder 11.
  • the exhaust port 19 is provided with an opening 190 and an exhaust side inclined surface 172 having an upward slope toward the center of the cylinder 11.
  • the combustion chamber 17 is a pent roof type combustion chamber. Note that the ridgeline of the pent roof may coincide with the bore center of the cylinder 11 and may not coincide with each other. However, here, the ridgeline of the pent roof coincides with the bore center of the cylinder 11. Therefore, in FIG.
  • the alternate long and short dash line extending in the left-right direction on the paper surface corresponds to the ridgeline of the pent roof.
  • the top surface 160 of the piston 16 has an upward slope toward the center of the piston 16 on each of the intake side and the exhaust side so as to correspond to the intake side inclined surface 171 and the exhaust side inclined surface 172 of the ceiling portion 170.
  • the inclined surfaces 161 and 162 are projected in a triangular roof shape. Thereby, the geometric compression ratio of the engine 1 is set to a high compression ratio of 15 or more.
  • a concave cavity 163 is formed on the top surface 160 of the piston 16. The shape of the top surface 160 of the piston 16 will be described in detail later.
  • two intake ports 18 are formed in the cylinder head 13 for each cylinder 11.
  • the opening 180 of the intake port 18 is provided on the intake side inclined surface 171 of the cylinder head 13 along the direction of the engine output shaft (that is, the crankshaft 15).
  • the intake port 18 passes through the opening 180 and is in the combustion chamber 17. Communicating with The openings 180 of the two intake ports 18 are disposed symmetrically with respect to the bore center of the cylinder 11, and the axis of the throat portion of the intake port 18 is symmetrical with respect to the bore center of the cylinder 11. Is provided.
  • two exhaust ports 19 are formed in the cylinder head 13 for each cylinder 11.
  • the opening 190 of the exhaust port 19 is provided on the exhaust-side inclined surface 172 of the cylinder head 13 along the direction of the engine output shaft, and the exhaust port 19 communicates with the combustion chamber 17 through the opening 190.
  • the openings 190 of the two exhaust ports 19 are arranged symmetrically with respect to the bore center of the cylinder 11.
  • the intake port 18 is connected to the intake passage 181. Although not shown, the intake passage 181 is provided with a throttle valve for adjusting the intake flow rate.
  • the exhaust port 19 is connected to the exhaust passage 191. Although not shown, an exhaust gas purification system having one or more catalytic converters is disposed in the exhaust passage 191.
  • the catalytic converter includes a three-way catalyst.
  • the cylinder head 13 is provided with an intake valve 21 and an exhaust valve 22 so that the intake port 18 and the exhaust port 19 can be shut off (closed) from the combustion chamber 17, respectively.
  • the intake valve 21 is driven by an intake valve drive mechanism
  • the exhaust valve 22 is driven by an exhaust valve drive mechanism.
  • the intake valve 21 and the exhaust valve 22 reciprocate at a predetermined timing to open and close the intake port 18 and the exhaust port 19, respectively, and perform gas exchange in the cylinder 11.
  • the intake valve drive mechanism and the exhaust valve drive mechanism each have an intake cam shaft and an exhaust cam shaft that are drivingly connected to the crankshaft 15, and these camshafts are synchronized with the rotation of the crankshaft 15. Then rotate.
  • the intake valve drive mechanism and the exhaust valve drive mechanism are a hydraulic or electric phase variable mechanism (Variable Valve Timing: VVT) capable of continuously changing the phase of the intake camshaft within a predetermined angle range. 23 and 24 are included at least.
  • the intake valve driving mechanism and / or the exhaust valve driving mechanism may be provided with a variable lift mechanism capable of changing the valve lift amount together with the VVTs 23 and 24.
  • the lift variable mechanism may be CVVL (Continuous Variable Valve Lift) in which the lift amount can be continuously changed.
  • the valve mechanism that drives the intake valve 21 and the exhaust valve 22 may be any type, for example, a hydraulic or electromagnetic drive mechanism may be employed.
  • the cylinder head 13 is provided with a fuel injection valve 6 that directly injects fuel into the combustion chamber 17.
  • the fuel injection valve 6 is on the ridgeline of the pent roof where the intake-side inclined surface 171 and the exhaust-side inclined surface 172 intersect each other, and as shown in FIG. 2 (this is the left side in FIG. 2, which corresponds to the so-called front side of the engine on the non-transmission side of the engine 1 in this embodiment).
  • the fuel injection valve 6 is also arranged such that its valve axis is along the axis of the cylinder 11, and the injection tip faces the combustion chamber 17.
  • the cavity 163 of the piston 16 is provided so as to face the fuel injection valve 6.
  • the fuel injection valve 6 injects fuel into the cavity 163.
  • the fuel injection valve 6 is configured such that a (combustible) mixture layer and a surrounding insulating gas layer can be formed in the combustion chamber 17 (that is, in the cavity 163). ing.
  • the fuel injection valve 6 may inject fuel at a predetermined spray angle, for example, an externally opened fuel injection valve.
  • the externally opened fuel injection valve can change the particle size of the fuel spray to be injected by adjusting the lift amount of the valve.
  • the fuel injection mode based on multi-stage injection is utilized by utilizing the characteristics of the outer valve-open type fuel injection valve 6.
  • the scattering distance in the traveling direction of the fuel spray and the spread of the fuel spray with respect to the central axis can be adjusted. For this reason, by injecting fuel at a timing near the compression top dead center, it is possible to form an air-fuel mixture layer at the center of the cavity 163 and an insulating gas layer around the outer periphery thereof.
  • the fuel injection valve of the VOC (Valve Covered Orifice) nozzle type is not limited to the outside-open type fuel injection valve, and the effective sectional area of the injection port is changed by adjusting the degree of cavitation generated at the nozzle port. Thus, it is possible to change the particle size of the fuel spray to be injected.
  • the fuel injection valve 6 may be a multi-hole type fuel injection valve that is provided with a plurality of injection holes at its injection tip and injects fuel at a predetermined spray angle, or a swirl that injects fuel in a hollow cone shape. It may be an injector.
  • the injection tip of the fuel injection valve 6 is accommodated in a recess 132 provided as a recess from the ceiling surface of the cylinder head 13, as shown in an enlarged manner in FIGS. This prevents the injection tip from protruding into the combustion chamber 17 and prevents the temperature of the injection tip from becoming high.
  • the recess 132 has a circular shape corresponding to the injection tip having a circular cross section.
  • the recess 132 is also configured so that its diameter gradually increases from the injection tip of the fuel injection valve 6 toward the ceiling surface of the cylinder head 13. Thereby, fuel spray injected in a hollow cone shape whose diameter gradually increases downward from the injection tip along the axis of the cylinder 11 is prevented from coming into contact with the peripheral surface of the recess 132.
  • the ignition plug 7 as a discharge electrode is attached to the cylinder head 13.
  • the spark plug 7 is disposed on the ridgeline of the pent roof and shifted to the other side in the engine output shaft direction (that is, the engine rear side) with respect to the bore center of the cylinder 11.
  • the spark plug 7 is disposed so as to be inclined with respect to the axis of the cylinder 11 in a direction in which a tip portion thereof approaches the fuel injection valve 6.
  • the spark plug 7 is inclined on the ridgeline of the pent roof.
  • the injection tip of the fuel injection valve 6 and the tip of the spark plug 7 are disposed close to each other along the ridgeline of the pent roof in the vicinity of the bore center of the cylinder 11.
  • a discharge plug that generates ozone in the combustion chamber 17 may be attached to the cylinder head 13 as a discharge electrode.
  • the tip of the spark plug 7 is also housed in a recess 131 that is recessed from the ceiling surface of the cylinder head 13.
  • the distal end portion of the spark plug 7, particularly the recess 131 for accommodating the insulator portion has a circular shape corresponding to the distal end portion having a circular cross section, and the distal end portion of the spark plug 7.
  • the recess 131 that accommodates the tip of the spark plug 7 is inclined with respect to the axis of the cylinder 11 in correspondence with the spark plug 7 being inclined with respect to the axis of the cylinder 11. Therefore, although the broken line and the two-dot chain line shown in FIG. 4 indicate the opening edge of the recess 131 in the ceiling part 170 of the cylinder head 13, the opening edge is elliptical in plan view.
  • the recesses 131 and 132 for accommodating these parts overlap each other, and the two recesses 131 and 132 is continuous. Therefore, in FIG. 4, the opening edge portion indicated by the two-dot chain line of the recess 131 does not actually exist, and as described above, the opening edge portion indicated by the two-dot chain line of the recess 132 is also actually Does not exist (see also FIG. 8).
  • This engine 1 has a geometric compression ratio set to 15 or more as described above.
  • the geometric compression ratio may be 40 or less, and particularly preferably 20 or more and 35 or less. Since the engine 1 is configured such that the higher the compression ratio is, the higher the expansion ratio is. Therefore, the engine 1 is also an engine 1 having a relatively high expansion ratio simultaneously with the high compression ratio.
  • the engine 1 is basically configured to burn the fuel injected into the cylinder 11 in the entire operation region by compression ignition. A high geometric compression ratio stabilizes compression ignition combustion.
  • the combustion chamber 17 is defined by the inner peripheral surface of the cylinder 11, the top surface 160 of the piston 16, the lower surface (ceiling portion 170) of the cylinder head 13, and the valve head surfaces of the intake valve 21 and the exhaust valve 22. Is formed.
  • the combustion chamber 17 is insulated by providing a heat shielding layer on these sections.
  • the heat shielding layer may be provided on all of these section screens, or may be provided on a part of these section screens. Further, although it is not the wall surface that directly partitions the combustion chamber 17, a heat shield layer may be provided on the port wall surface near the opening on the ceiling portion 170 side of the combustion chamber 17 in the intake port 18 or the exhaust port 19.
  • thermal barrier layers are set to have a lower thermal conductivity than the metal base material constituting the combustion chamber 17 in order to prevent the heat of the combustion gas in the combustion chamber 17 from being released through the section screen.
  • the heat shield layer preferably has a specific volume heat smaller than that of the base material in order to reduce cooling loss. That is, it is preferable to reduce the heat capacity of the heat shield layer so that the temperature of the section screen of the combustion chamber 17 changes following the fluctuation of the gas temperature in the combustion chamber 17.
  • the thermal barrier layer may be formed, for example, by coating a ceramic material such as ZrO 2 on the base material by plasma spraying.
  • the ceramic material may contain a number of pores. If it does in this way, the thermal conductivity and volume specific heat of a thermal insulation layer can be made lower.
  • a heat insulating layer is formed by a gas layer in the combustion chamber 17, so that the cooling loss is greatly reduced.
  • the cavity 163 is formed from the injection tip of the fuel injection valve 6 after the compression stroke so that a gas layer containing fresh air is formed at the outer peripheral portion in the combustion chamber 17 and an air-fuel mixture layer is formed at the center.
  • a gas layer containing fresh air is formed at the outer peripheral portion in the combustion chamber 17 and an air-fuel mixture layer is formed at the center.
  • an air-fuel mixture layer is formed in the central portion of the cavity 163 in the vicinity of the fuel injection valve 6, and a gas layer containing fresh air is formed around it.
  • This gas layer may be only fresh air, and may contain burned gas (EGR gas) in addition to fresh air. It should be noted that there is no problem even if a small amount of fuel is mixed in the gas layer, and the fuel layer may be leaner than the gas mixture layer so that the gas layer can serve as a heat insulating layer.
  • the gas layer between the mixture layer and the wall surface of the combustion chamber 17 causes the flame of the mixture layer to burn into the combustion chamber.
  • the gas layer becomes a heat insulating layer without contacting the wall surface of the heat 17 and the release of heat from the wall surface of the combustion chamber 17 can be suppressed. As a result, the cooling loss can be greatly reduced.
  • the cooling loss is simply reduced, the reduced cooling loss is converted into exhaust loss and does not contribute much to the improvement in the illustrated thermal efficiency.
  • the energy of the combustion gas corresponding to the reduced cooling loss is efficiently converted into mechanical work. That is, it can be said that the illustrated thermal efficiency is greatly improved in the engine 1 by adopting a configuration that reduces both the cooling loss and the exhaust loss.
  • the gas flow in the combustion chamber 17 is weak at the timing of fuel injection.
  • the intake port is configured to have a straight shape in which swirl does not occur or hardly occurs in the combustion chamber 17, and the tumble flow is also weakened as much as possible.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the shape of the top surface 160 of the piston 16.
  • the right front side of the page is the intake side
  • the left back side of the paper is the exhaust side
  • the left front side of the page is one side in the engine output axis direction (that is, the front side of the engine)
  • the right back side of the page is the other side in the engine output axis direction (that is, , The rear side of the engine).
  • the top surface 160 of the piston 16 is configured such that the inclined surface 161 on the intake side and the inclined surface 162 on the exhaust side are each inclined upward toward the center of the piston 16.
  • the top surface of the piston 16 has a triangular roof shape that gradually protrudes from both sides toward the center when viewed from the one side of the engine output shaft in the direction along the engine output shaft. Yes.
  • Valve recesses are formed on the intake-side inclined surface 161 and the exhaust-side inclined surface 162, respectively.
  • a portion corresponding to the space between the valve heads of the two intake valves 21 aligned in the direction of the engine output shaft is also cut along with the valve recess, and the inclined surface 161 is cut off.
  • the inclined surface 161 is provided with a valve recess, the inclined surface 161 constitutes a substantially flat surface.
  • the inclined surface 162 on the exhaust side a portion corresponding to the space between the valve heads of the two exhaust valves 22 aligned in the direction of the engine output shaft is left without being cut. This portion becomes a squish area 162b that generates squish from the exhaust side toward the center of the combustion chamber 17 when the piston 16 reaches near the top dead center.
  • the inclined surface 162 on the exhaust side is constituted by the valve recess 162a and the squish area 162b.
  • the top surface 160 of the piston 16 also has a ridge 164 that connects the inclined surface 161 on the intake side and the inclined surface 162 on the exhaust side.
  • the ridge portion 164 faces the ridge portion of the pent roof at the ceiling portion 170 of the cylinder head 13.
  • both end portions in the vicinity of the ridge portion 164 in the engine output shaft direction are curved so that the piston diameter decreases toward the top surface 160.
  • This curve is provided corresponding to the curve shape of the ceiling portion 170 of the cylinder head 13. This is an advantageous configuration for increasing the geometric compression ratio of the engine 1.
  • the ridge 164 of the piston 16 When the piston 16 reaches near the top dead center, the ridge 164 of the piston 16 has a combustion chamber 17 from one side in the direction of the engine output shaft along the ridge line of the pent roof as shown by an arrow in FIG. This is a squish area that generates a squish heading toward the center of the combustion chamber 17 and a squish heading toward the center of the combustion chamber 17 from the other side.
  • the cavity 163 is recessed in the top surface 160 of the piston 16.
  • the cavity 163 is provided so that the size thereof gradually decreases as the cavity 163 is recessed from the opening edge 163 a, and the cavity 163 includes a side wall 1631 continuous with the top surface 160 of the piston 16, The bottom wall 1632 is continuous with the side wall 1631.
  • the cavity 163 has a bathtub-like shape in a longitudinal section passing through the center of the piston 16.
  • the side wall 1631 has a different angle from the top surface 160 and the bottom wall 1632 of the piston 16, and is between the top surface 160 and the side wall 1631 of the piston 16 and between the side wall 1631 and the bottom wall 1632. , Each is provided.
  • the position where the top surface 160 and the radius are in contact with each other is defined as the boundary between the top surface 160 and the side wall 1631. To do. This boundary constitutes the opening edge 163 a of the cavity 163. Further, assuming that the radius between the side wall 1631 and the bottom wall 1632 is included in the side wall 1631, the position where the radius and the bottom wall 1632 contact each other is defined as the boundary between the side wall 1631 and the bottom wall 1632. Note that the boundary between the top surface 160 and the side wall 1631 and the boundary between the side wall 1631 and the bottom wall 1632 may be set differently from the above-described definitions.
  • the position where the radius and the side wall 1631 contact each other may be the boundary between the top surface 160 and the side wall 1631.
  • the center of the radius can be the boundary between the top surface 160 and the side wall 1631.
  • the radius between the side wall 1631 and the bottom wall 1632 is included in the bottom wall 1632, and the position where the radius is in contact with the side wall 1631 may be the boundary between the side wall 1631 and the bottom wall 1632.
  • the center of the round can be a boundary between the side wall 1631 and the bottom wall 1632.
  • the cavity 163 has a substantially elliptical opening edge 163a.
  • This elliptical shape is an elliptical shape in a broad sense.
  • the cavity 163 provided on the top surface of the piston 16 is basically provided so that the center thereof coincides with the valve axis of the fuel injection valve 6. In this way, while the volume of the cavity 163 is reduced, the distance from the injection tip of the fuel injection valve 6 to the wall surface of the cavity 163 is not biased, and the fuel spray injected uniformly from the injection tip is the wall surface of the cavity 163.
  • This is advantageous in forming an air-fuel mixture layer in the center of the cavity 163 and an insulating gas layer in the outer periphery thereof.
  • the hollow cone-shaped fuel spray injected from the injection tip is uniform because the recess 131 that accommodates the tip of the spark plug 7 is formed close to the injection tip of the fuel injection valve 6.
  • the fuel spray corresponding to the location where the recess 131 is formed does not fly in the distance, and the flight distance is relatively long. That is, as described with reference to FIG. 8, due to gas flow accompanying fuel injection and squish at the ridge 164, the fuel spray flows into the fuel spray at a location where the space around the fuel spray is wide. As the amount of gas increases, the fuel spray is strongly pushed forward in the injection direction, the penetration force of the fuel spray is strengthened and the flight distance is increased.
  • the wall surface shape of the cavity 163 is asymmetric with respect to the injection tip of the fuel injection valve 6 in response to the non-uniform flight of fuel spray.
  • the cavity 163 has an elliptical shape that is long in the direction connecting the injection tip of the fuel injection valve 6 and the tip of the spark plug 7, but is orthogonal to the direction of the engine output shaft.
  • the intake / exhaust direction (that is, the vertical direction in the drawing in FIG. 4) is provided so as to be symmetric with respect to a line passing through the bore center of the cylinder 11.
  • the major axis of the elliptical cavity 163 coincides with the ridgeline of the pent roof of the cylinder head 13, and the valve shaft center of the fuel injection valve 6 and the center of the spark plug 7 are respectively elliptical cavity. It is located on the long axis at 163.
  • the elliptical cavity 163 is provided such that the center of the cavity 163 is shifted from the bore center of the cylinder 11 in the direction of the engine output shaft (that is, the horizontal direction in FIG. 4).
  • the ignition plug is sandwiched between the injection tip of the fuel injection valve 6 in a longitudinal section cut by a plane passing through the injection tip of the fuel injection valve 6 and the tip of the ignition plug 7.
  • the wall surface shape of the cavity 163 on the side where 7 is disposed is the wall surface shape of the cavity on the opposite side across the ejection tip (that is, the wall surface shape on the left side of FIG. 2). ), The distance from the injection tip is longer.
  • the alternate long and short dash line indicates that the cavity wall surface on the other side in the engine output axis direction sandwiching the fuel injection valve 6 is symmetric with the cavity wall surface on one side in the engine output axis direction. Is shown.
  • the bottom wall 1632 of the cavity 163 has a substantially circular shape in plan view, and an opening edge 163a of the cavity 163 is a solid line and a one-dot chain line in FIG.
  • the fuel injection valve 6 has an elliptical (or oval) shape that is symmetric with respect to the engine output shaft direction about the valve axis. Further, as shown in FIG.
  • the side wall 1631 and the bottom of the cavity 163 are respectively disposed on one side (solid line) and the other side (one-dot chain line) in the engine output shaft direction across the valve shaft center of the fuel injection valve 6.
  • the distance between the wall 1632 and the injection tip is the same.
  • the wall surface of the cavity 163 is relatively distant from the injection tip on the other side in the direction of the engine output shaft.
  • the bottom wall 1632 of the cavity 163 is expanded to the other side in the engine output axial direction without changing its depth position, and the side wall 1631 of the cavity 163 is moved in the other direction in the engine output axial direction. It is shifted towards the side.
  • the bottom wall 1632 of the cavity 163 has an elliptical shape in plan view, and the shape of the opening edge 163a of the cavity 163 extends to the other side in the direction of the engine output shaft. It becomes an elliptical shape.
  • the center of the cavity 163 in the direction of the engine output shaft is shifted to the other side in the direction of the engine output shaft from the valve axis of the fuel injection valve 6 as shown in FIG.
  • the position of the side wall 1631 of the cavity 163 is largely shifted to the other side in the direction of the engine output shaft.
  • the size of the opening of the cavity 163 increases, and the volume of the cavity 163 increases. This is disadvantageous for the present engine which increases the geometric compression ratio. Therefore, it is preferable that the shift amount of the position of the side wall 1631 of the cavity 163 is as small as possible. In the example shown in FIGS.
  • the displacement of the side wall 1631 of the cavity 163 to the other side in the direction of the engine output shaft is made as small as possible, and the direction of the engine output shaft of the cavity 163 is as small as possible.
  • the center of the cylinder 11 is shifted to the other side in the direction of the engine output shaft with respect to the valve shaft center of the fuel injection valve 6. That is, it is shifted to the side where the fuel injection valve 6 is disposed.
  • the range in which the wall surface of the cavity 163 extends to the other side in the direction of the engine output shaft is the entire range on the other side in the direction of the engine output shaft with the fuel injection valve 6 sandwiched in the example shown in FIG. . That is, the wall surface of the cavity 163 is widened in about half of the elliptical cavity 163. This makes it possible to reliably prevent the fuel spray from coming into contact with the wall surface of the cavity 163 over a wider range.
  • the place where the flight distance of the fuel spray becomes long is the place where the recess 131 of the spark plug 7 is provided in the outer periphery of the fuel spray, so that as shown in FIG. A boundary between the injection tip and the two recesses 131 and 132 (that is, this boundary is an ellipse indicating the opening edge of the recess 131 and a circle indicating the opening edge of the recess 132 when the combustion chamber 17 is viewed in plan view). It is preferable to extend the wall surface of the cavity 163 to the other side in the direction of the engine output shaft at least within an angle range between the lines connecting the two points.
  • the central part (the part corresponding to the ridgeline of the pent roof, away from the boundary of the range) is such that the wall surface of the cavity 163 is farthest from the injection tip. Also in the portion (portion close to the boundary line of the range), it is preferable that the wall surface of the cavity 163 is sufficiently far from the injection tip. By doing so, it becomes possible to effectively prevent the fuel spray from coming into contact with the wall surface of the cavity 163.
  • the range of the wall surface of the cavity 163 is made as narrow as possible, the volume of the cavity 163 can be made as small as possible, and the geometric compression ratio of the engine 1 can be increased. This is advantageous.
  • the opening edge 163a of the cavity 163 with respect to the entire area of the piston 16 (that is, the area of a circle formed by the outer peripheral edge of the piston 16).
  • the ratio of the area of the ellipse formed by may be 50% or less. In this way, the geometric compression ratio can be increased to 15 or more.
  • the area ratio is preferably 40% or less, more preferably 35% or less.
  • FIG. 5 shows a configuration example different from FIG.
  • the position of the bottom wall 1632 of the cavity 163 is changed.
  • the combustion chamber 17 is ignited with respect to the fuel injection valve 6 in a longitudinal section cut by a plane passing through the injection tip of the fuel injection valve 6 and the tip of the ignition plug 7.
  • the bottom wall 1632 of the cavity 163 on the side where the plug 7 is disposed is compared with the bottom wall 1632 of the cavity 163 on the opposite side (see the one-dot chain line in FIG. 5), the distance from the injection tip becomes longer. And deep. By doing so, it is possible to prevent the fuel spray from coming into contact with the wall surface of the cavity 163 even if the flight distance of the fuel spray becomes long.
  • the position of the side wall 1631 of the cavity 163 is the same or almost the same on both sides of the injection tip of the fuel injection valve 6, and the position of the opening edge 163 a of the cavity 163. This is also the same on both sides of the injection tip of the fuel injection valve 6.
  • the shape of the opening edge 163a of the cavity 163 is a symmetrical elliptical shape centering on the valve axis of the fuel injection valve 6. It becomes. That is, in FIG. 5, the center of the cavity 163 coincides with the valve axis of the fuel injection valve 6, and accordingly, the center of the cavity 163 is on the side where the fuel injection valve 6 is disposed with respect to the bore center of the cylinder 11. Sneak away.
  • the angular range of the location where the bottom wall 1632 of the cavity 163 is relatively deep is at least the injection tip and two recesses centered on the injection tip of the fuel injection valve 6 as described with reference to FIG. What is necessary is just to set it as the angle range enclosed by the line
  • FIG. 6 shows a configuration example in which the configuration shown in FIG. 2 and the configuration shown in FIG. 5 are combined.
  • the side wall 1631 of the wall surface of the cavity 163 on the side where the spark plug 7 is disposed, with the injection tip of the fuel injection valve 6 interposed therebetween, is moved away from the injection tip, and the bottom wall 1632 is made deeper. Keep away from the injection tip.
  • FIG. 7 is a configuration example in which inclining the valve axis of the fuel injection valve 6 is combined with the configuration example shown in FIG.
  • the fuel injection valve 6 is inclined such that its valve axis is closer to the tip of the spark plug 7.
  • the valve axis of the fuel injection valve 6 is inclined on the ridgeline of the pent roof.
  • the fuel spray injected at a predetermined spray angle from the tip of the inclined fuel injection valve 6 also inclines in the direction in which the central axis approaches the tip of the spark plug 7 with respect to the axis of the cylinder 11. become. For this reason, in the location where the recessed part 131 was formed, the space of the outer periphery of fuel spray becomes narrow compared with the structural example shown in FIG. 2 (and FIG.
  • the wall surface of the cavity 163 can be brought closer to the injection tip accordingly. This is advantageous in minimizing the volume of the cavity 163 provided on the top surface 160 of the piston 16 and increasing the geometric compression ratio of the engine 1.
  • the central axis of the fuel spray injected at a predetermined spray angle is inclined with respect to the axis of the cylinder 11 by tilting the valve axis of the fuel injection valve 6.
  • the fuel injection valve 6 configured such that the central axis of the injected fuel spray is inclined with respect to the valve axis of the fuel injection valve 6 may be employed.
  • the swirl injector it is possible to incline the central axis of the fuel spray with respect to the valve axis of the fuel injection valve by inclining the fuel injection hole.
  • the fuel injection valve is disposed so that its valve axis is along the axis of the cylinder 11, while the fuel spray injected from the fuel injection valve
  • the central axis is inclined with respect to the axis of the cylinder, and the recess 131 can prevent the fuel spray from flying unevenly. Disposing the valve axis of the fuel injection valve 6 along the axis of the cylinder 11 may be advantageous from the viewpoint of the layout of the fuel injection valve 6.
  • the discharge electrode including the spark plug 7 may be disposed so as to be shifted from the ridgeline of the pent roof.

Abstract

　燃料噴射弁６は、シリンダヘッド１３の天井部１７０に配設される。放電電極（点火プラグ７）の先端部は、その噴射先端に隣接して配設される。天井部には、放電電極の先端部を収容する凹部１３１が設けられる。ピストン１６に設けられたキャビティ１６３の中心は、シリンダのボア中心に対してずれている。燃焼室１７内を、燃料噴射弁の噴射先端と放電電極の先端部とを通る平面で切った縦断面において、噴射先端を挟んで、放電電極が配設された側のキャビティの壁面形状は、逆側のキャビティの壁面形状よりも、噴射先端からの距離が長くなるように構成されている。

Description

直噴エンジンの燃焼室構造
　ここに開示する技術は、直噴エンジンの燃焼室構造に関する。
　特許文献１には、ピストンの頂面から凹陥するキャビティによって構成される燃焼室内に、燃料を噴射する火花点火式直噴エンジンが記載されている。この直噴エンジンでは、シリンダ内に導入する吸気にオゾンを添加することによって燃焼を早めており、シリンダのボア中心に配設した燃料噴射弁から噴射した燃料噴霧が飛翔することに伴い燃焼室の中心部から外周部に広がる火炎が、キャビティの壁面に到達する前に、燃焼を終了させる。こうすることにより、燃焼室（つまり、キャビティ内）における中心部の燃焼ガスと、キャビティ壁面との間に、燃焼に寄与しないガス層が形成されることになり、冷却損失を大幅に低減することが可能になる。特許文献１に記載されている直噴エンジンはまた、幾何学的圧縮比が１５以上の高い圧縮比となるように構成されており、前述した冷却損失の低減と組み合わさって、熱効率が大幅に向上する。
　特許文献２には、特許文献１に記載しているような冷却損失を低減する技術ではないが、シリンダヘッドの天井部において、排気側に燃料噴射弁を配設すると共に、吸気側に、非平衡プラズマ放電によってラジカルを生成する活性種生成装置を、燃料噴射弁に隣接して配設することが記載されている。活性種生成装置は、燃焼室から奥まった点火室においてラジカルを生成するように構成されており、このエンジンでは、活性種生成装置に隣接した燃料噴射弁からの燃料噴射に伴うガス流動を利用して、点火室の開口部付近に負圧を発生させ、点火室内で生成したラジカルを燃焼室内に引き出すようにしている。
　特許文献３には、特許文献２と同様に冷却損失を低減する技術ではないが、シリンダヘッドの天井部において、排気側に燃料噴射弁を配設すると共に、吸気側に、点火プラグを、燃料噴射弁に隣接して配設することが記載されている。このエンジンでは、燃料噴射弁が、メイン噴射の後に、点火プラグの放電ギャップ周辺に燃料を噴射する二段目噴射を行うことによって、点火プラグの要求二次電圧を低下させるようにしている。
特開２０１３－１９４７１２号公報 特開２０１０－３７９４８号公報 特開２０１０－２７０６９６号公報
　本願出願人は、特許文献１に記載した技術とは別の、冷却損失を低減する技術として、圧縮行程の後半に燃焼室内に燃料を噴射すると共に、そのときの燃料の噴射形態を工夫することによって、燃焼室内の中心部に混合気層を設けると共に、その混合気層の周囲に断熱ガス層を形成し、その状態で、混合気を燃焼させることを提案している（例えば、特開２０１５－１０２００４号公報）。尚、ここでいう混合気層は、可燃混合気によって構成及び形成される層であり、可燃混合気は、例えば当量比φ＝０．１以上の混合気としてもよい。燃焼室内に混合気層と、それを囲む断熱ガス層とを形成することによって、断熱ガス層が燃焼ガスと壁面との接触を抑制するから、特許文献１に記載している技術と同様に、冷却損失を大幅に低減することが可能になる。
　この先行出願において提案している技術も、特許文献１に記載している技術と同様に、エンジンの幾何学的圧縮比を１５以上に設定している。ここで、幾何学的圧縮比を高くするために、ピストンの頂面に設けるキャビティは、できるだけ小さい容積とすることが有利である。
　一方で、先行出願において提案している技術では、燃料噴射弁が噴射した燃料噴霧が、燃焼室の壁面、つまり、キャビティの壁面に接触することを防止しなければならない。そうすると、噴射先端から所定の噴霧角で均等に燃料が噴射されるという前提において、燃料噴射弁の弁軸心をシリンダの軸心に沿うように配設すると共に、キャビティを、その燃料噴射弁の噴射先端に対して向かい合うように、燃料噴射弁の噴射軸心に対して対称な形状にすることが、キャビティをできるだけ小容量にしつつ、燃料噴霧とキャビティの壁面との接触を防止する上で有効である。
　ここで、前記特許文献２や特許文献３には記載されていないが、シリンダヘッドの天井部に、燃料噴射弁と、点火プラグ又は活性種生成装置のような放電電極とを隣り合って配設しようとしたときには、シリンダヘッドの天井面から凹陥する凹部内に、放電電極の先端部を収容することが望ましい。こうすることで、燃料噴射弁から、所定の噴霧角で、例えばコーン状に噴射される燃料が、放電電極の先端部に直接的に付着してしまうことが回避され、放電電極の信頼性が確保される。
　ところが、本願発明者等の検討によると、燃料噴射弁の噴射先端に隣接して、天井面から凹陥する凹部を設けた場合、その噴射先端から所定の噴霧角で噴射される燃料噴霧において、凹部が形成された箇所では、燃料噴霧の飛翔距離が長くなって、キャビティの壁面に燃料噴霧が接触し易くなることが判明した。
　ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャビティによって構成される燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを形成するよう構成された直噴エンジンにおいて、所定の噴霧角で噴射した燃料噴霧につき、特定方向に、燃料噴霧の飛翔距離が長くなって、キャビティの壁面に燃料噴霧が接触してしまうことを抑制することにある。
　先ず、図８を参照しながら、燃料噴射弁から所定の噴霧角で噴射された燃料噴霧につき、特定方向に、燃料噴霧の飛翔距離が長くなるメカニズムについて、さらに詳細に説明をする。図８は、燃焼室１７を区画するシリンダヘッド１３の天井部を示している。天井部には、シリンダのボア中心付近に、例えば外開弁式の燃料噴射弁６と、放電電極７とが並んで配置されている。燃料噴射弁６は外開弁式に限らず、所定の噴霧角で燃料を噴射する燃料噴射弁であればよい。放電電極７は、図例では、その先端部に中心電極と接地電極とを有し、中心電極と接地電極との間で放電を行うことにより、混合気に点火する点火プラグである。但し、放電電極７は、点火プラグに限らない。放電電極７は、図示は省略するが、その先端部に、シリンダヘッド１３やシリンダブロックから電気的に絶縁された状態で燃焼室１７内に突出する電極を有し、制御されたパルス状の高電圧をその電極に印加することによって、燃焼室１７内で極短パルス放電（ストリーマ放電）を生じさせる放電プラグとしてもよい。点火プラグに代えて、放電プラグをエンジンに取り付けることによって、燃焼室１７内にオゾンを生成することが可能になる。
　燃料噴射弁６と放電電極７との並び方向は特に制限されず、エンジン出力軸方向であっても、エンジン出力軸方向とは異なる方向（エンジン出力軸に直交する吸排気方向を含む）であってもよい。図例は、エンジン出力軸方向に燃料噴射弁６と放電電極７とが並んでいるものとする。つまり、図８は、燃料噴射弁６の噴射先端と放電電極７の先端部とを通る平面で切った、燃焼室１７の縦断面であるが、この縦断面は、エンジン出力軸に沿う方向の平面で切った縦断面に相当する。燃料噴射弁６は、その弁軸心が、シリンダの軸線（図８の紙面上下方向）に沿うように配設されているのに対し、放電電極７は、その先端部が燃料噴射弁６に近づく方向に、シリンダの軸線に対して傾いて配設されている。
　ここで、放電電極７の信頼性を確保する観点から、放電電極７の先端部（特に、先端の碍子部分）は、天井面から凹陥して設けられた凹部１３１内に収容されている。また、図例では、燃料噴射弁６の噴射先端の温度が高くなりすぎないように、燃料噴射弁６の噴射先端もまた、天井面から凹陥して設けられた凹部１３２内に収容され、噴射先端が燃焼室１７内に突出しないように構成されている。燃料噴射弁６の噴射先端と放電電極７の先端部とは隣接しているため、２つの凹部１３１、１３２は、その一部が互いに重なり合っていて、２つの凹部１３１、１３２は連続している（図８の二点鎖線参照）。
　燃料噴射弁６は、その噴射先端から所定の噴霧角で燃料を噴射する。外開弁式の燃料噴射弁６は、その噴射先端からホローコーン状に燃料を噴射する。噴射した燃料噴霧の外周囲には、その噴霧の流れに起因して渦流が発生する。渦流は、燃料噴霧が外側に巻き上がるような向きであって、図８に矢印で示すように、燃料噴霧の噴射方向における先側から根元側に戻った後、燃料噴霧内に流入して、燃料噴霧を根元側から先側へと押し出すように流れる。
　前述の通り、燃料噴射弁６の噴射先端の近傍に、放電電極７の先端部を収容する凹部１３１が設けられていることにより、噴射先端を中心として見たときに、当該凹部１３１が形成されている箇所は、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広く（図８では、噴射先端に対して紙面右側の箇所に相当）、凹部１３１が形成されていない箇所は、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に狭くなる（図８では、噴射先端に対して紙面左側の箇所に相当）。燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に狭い箇所では、渦流によって燃料噴霧内に流入するガス（つまり、燃焼室１７内の空気）が少ないため、ガス流動による燃料噴霧の押し出しは、それほど強くならない。しかしながら、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所では、渦流によって燃料噴霧内に流入するガスが多くなり、燃料噴霧の押し出しが強くなる。その結果、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所では、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に狭い箇所よりも、燃料噴霧の貫徹力が強くなり、図８に白抜きの矢印で示すように、燃料噴霧の飛翔距離が、より長くなると考えられる。尚、図８とは異なり、燃料噴射弁６の噴射先端が凹部１３２内に収容されていない構成においても、放電電極７の先端部が凹部１３１内に収容されていれば、燃料噴霧の外周囲において、空間が相対的に広い箇所と狭い箇所とが形成されることになる。
　また、燃焼室１７内では、燃料噴射に伴うガス流動だけではなく、ピストンが圧縮上死点に近づくことに伴い、燃焼室１７の外周部から中心部へと向かうスキッシュが生じるが、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所には、このスキッシュよるガスの流入量が相対的に多くなるため、前述した燃料噴霧の押し出しが、さらに助長される。
　こうして、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所では、燃料噴射に伴うガス流動（及び、スキッシュ）に起因して、圧縮行程の後半において噴射した燃料噴霧の一部が、ピストンの頂面に形成したキャビティの壁面に接触してしまう。その結果、当該箇所では、混合気層の周囲に断熱ガス層が形成されなくなるのである。
　特に、幾何学的圧縮比を高くするために、小容積のキャビティを設けているときには、燃料噴射弁６の噴射先端とキャビティの壁面との距離が比較的近くなるため、燃料噴霧が、キャビティの壁面に接触し易くなる。その上、キャビティを小さくすることに伴いスキッシュエリアが大きくなるため、スキッシュが比較的強くなり、前述した燃料噴霧の押し出しが、さらに助長される。その結果、燃料噴霧の一部が、キャビティの壁面に接触し易くなる。
　ここに開示する技術は、本願発明者等が前述した課題を見出したことにより完成に至ったものである。キャビティの壁面は、基本的には燃料噴射弁の噴射先端を中心とした対称形状となるように構成されるところ、ここに開示する技術は、噴射される燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広くなる箇所に対応するキャビティの壁面を、噴射先端から遠ざけることにより、キャビティの形状を、燃料噴射弁の噴射先端に対し、敢えて非対称な形状とすることによって、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触することを防止することにした。
　具体的に、ここに開示する技術は、直噴エンジンの燃焼室構造に係り、この燃焼室構造は、シリンダに内挿されかつ、その頂面から凹陥するキャビティを有するピストンと、前記シリンダの内周面及び前記ピストンの前記頂面と共に、燃焼室を区画する天井面を有して構成されたシリンダヘッドの天井部と、噴射先端が前記燃焼室内に臨むように前記シリンダヘッドの前記天井部に配設されかつ、前記噴射先端から前記キャビティに向かって、所定の噴霧角で燃料を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、前記シリンダヘッドの前記天井部において前記燃焼室内に臨む先端部が、前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接して配設された放電電極と、を備える。
　そして、前記シリンダヘッドの前記天井部において前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接した位置には、前記放電電極の前記先端部を収容する凹部が、その天井面から凹陥して設けられており、前記キャビティの中心は、前記シリンダのボア中心に対してずれており、前記燃焼室内を、前記燃料噴射弁の前記噴射先端と前記放電電極の前記先端部とを通る平面で切った縦断面において、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を挟んで、前記放電電極が配設された側の前記キャビティの壁面形状は、前記噴射先端を挟んだ逆側の前記キャビティの壁面形状よりも、前記噴射先端からの距離が長くなるように構成されている。
　この構成によると、燃料噴射弁と放電電極とは共に、シリンダヘッドの天井部に取り付けられており、燃料噴射弁の噴射先端と、放電電極の先端部とは隣接して配設されている。放電電極は、点火プラグ又は放電プラグであり、その先端部を凹部内に収容することによって、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が放電電極の先端部に直接的に付着することが回避される。このため、放電電極の信頼性を確保することが可能になる。凹部は、燃料噴射弁の噴射先端に隣接した位置に設けられるため、噴射先端を中心としたときに、この凹部が設けられた箇所においては、噴射先端から、所定の噴霧角で噴射された燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広くなり、凹部が設けられてない箇所においては、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に狭くなる。
　前記の構成では、ピストンの頂面に、シリンダのボア中心に対して中心がずれるようにキャビティが設けられており、キャビティが設けられたピストンの頂面と、シリンダの内周面と、シリンダヘッドの天井面とによって燃焼室が区画される。その燃焼室内を、燃料噴射弁の噴射先端と放電電極の先端部とを通る平面で切った縦断面において、噴射先端を挟んで、放電電極が配設された側のキャビティの壁面形状は、噴射先端を挟んだ逆側のキャビティの壁面形状よりも、噴射先端からの距離が長くなるように構成している。ここで、キャビティの壁面は、ピストンの頂面から凹陥したキャビティにおける側壁及び底壁を含む。噴射先端からの距離が長くなることには、キャビティの側壁を噴射先端から遠ざけることによってキャビティの開口を広げること、キャビティの底壁が噴射先端から遠ざかるように深くすること、及び、キャビティの側壁及び底壁のそれぞれを噴射先端から遠ざけること、が含まれる。
　前記の縦断面において、噴射先端を挟んで、放電電極が配設された側は、凹部が設けられた箇所に相当し、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広くなる。従って、燃料噴霧の飛翔距離が相対的に長くなるものの、キャビティの壁面形状を、噴射先端からの距離が長くなるように構成することによって、飛翔距離が長くなったとしても、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触することが抑制される。
　一方、前記の縦断面において、噴射先端を挟んで、放電電極が配設された側とは逆側は、凹部が設けられていない箇所に相当し、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に狭くなる。従って、燃料噴霧の飛翔距離が相対的に短くなるため、キャビティの壁面形状を、噴射先端からの距離が長くなるように構成する必要がない。そこで、キャビティの壁面形状を、噴射先端からの距離が相対的に短くなるようにする。これは、ピストンの頂面に設けるキャビティの容積を、できるだけ小さくすることに相当するから、燃焼室の幾何学的圧縮比を高くする上で有利になる。
　前記シリンダヘッドの前記天井部には、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を収容する第２凹部が、前記天井面から凹陥して設けられており、前記放電電極の前記先端部を収容する前記凹部と、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を収容する前記第２凹部とは、その一部が互いに重なるように連続しており、前記燃焼室を平面視で見たときに、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を中心として、前記噴射先端と凹部同士の境界とを結ぶ線によって挟まれる角度範囲内においては、当該角度範囲内の特定位置と前記噴射先端とを通る平面で切った縦断面において、前記キャビティの前記特定位置における壁面形状が、前記特定位置に対して前記噴射先端を挟んだ逆側の対称位置における前記キャビティの壁面形状よりも、前記噴射先端からの距離が長くなるように構成されている、としてもよい。
　燃料噴射弁の噴射先端を第２凹部に収容することによって、噴射先端が燃焼室内に突出しなくなるため、噴射先端の温度が高くなることを回避することが可能になる。
　放電電極の先端部を収容する凹部と、燃料噴射弁の噴射先端を収容する第２凹部との一部が互いに重なるように連続している構成において、燃焼室を平面視で見た、つまり、シリンダの軸線の一端から軸線に沿って燃焼室を見たときに、燃料噴射弁の噴射先端を中心として、その噴射先端と凹部同士の境界とを結ぶ線によって挟まれる角度範囲内は、噴射先端から噴射した燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所に相当する。そこで、当該角度範囲内においては少なくとも、その角度範囲内の特定位置と噴射先端とを通る平面で切った縦断面において、キャビティの特定位置における壁面形状が、特定位置に対して噴射先端を挟んだ逆側の対称位置におけるキャビティの壁面形状よりも、噴射先端からの距離が長くなるように構成する。ここで、特定位置は、前記角度範囲内における任意の位置である。こうすることで、燃料噴霧の飛翔距離が長くなる可能性がある角度範囲の全域において、キャビティの壁面の位置が、燃料噴射弁の噴射先端から遠ざけられるため、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触してしまうことが抑制される。
　前記キャビティの開口縁は、前記ピストンの前記頂面を平面視でみたときに、前記燃料噴射弁の前記噴射先端と、前記放電電極の前記先端部とを結ぶ方向に長い楕円状に形成されている、としてもよい。
　楕円状は、広義の楕円状であり、一平面上で２定点からの距離の和が一定であるような点の軌跡である楕円の他に、滑らかにつながる曲線、又は、曲線及び直線によって無端に構成される長円状の形状も、ここでいう楕円状に含まれる。
　前述したように、噴射先端と凹部同士の境界とを結ぶ線によって挟まれる角度範囲内の全体に亘って、キャビティの壁面の位置を燃料噴射弁の噴射先端から遠ざける結果として、キャビティの開口縁は、燃料噴射弁の噴射先端と、放電電極の先端部とを結ぶ方向に長い楕円状に形成してもよい。
　前記燃料噴射弁は、前記シリンダのボア中心に対してずれて配設されており、前記放電電極は、前記シリンダのボア中心を挟んで前記燃料噴射弁とは逆側に配設されており、前記キャビティの中心は、前記シリンダのボア中心に対して、前記燃料噴射弁が配設されている側にずれている、としてもよい。
　燃焼室の中心部に混合気層を形成しかつ、その周囲に断熱ガス層を形成しようとしたときに、燃料噴射弁の噴射先端とキャビティの中心とを一致させる構成は、前述したように、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触することを防止する上で有利である。
　これに対し、前記の構成のように、キャビティの壁面の一部を、燃料噴射弁の噴射先端から遠ざけることによって、キャビティの開口縁を、燃料噴射弁の噴射先端と放電電極の先端部とを結ぶ方向に長い楕円状に形成した場合、キャビティの中心は、その噴射先端に対して、放電電極の先端部の方にずれるようになる。
　燃料噴射弁と放電電極とを、シリンダのボア中心を挟んだ一側と他側とに配設した構成において、キャビティの中心を燃料噴射弁の噴射先端から放電電極の先端部の方向にずらした場合、キャビティの中心は、シリンダのボア中心に近づくようになるが、前記の構成はそれでもなお、キャビティの中心は、前記シリンダのボア中心に対して、前記燃料噴射弁が配設されている側にずれている構成とする。これは、放電電極の配設側のキャビティの壁面を、噴射先端から遠ざけるとしても、その距離を最小限に留めることで、キャビティの容積をできるだけ小さくしていることを意味する。その結果、前述の通り、燃焼室の幾何学的圧縮比を高める上で有利になる。
　前記シリンダヘッドの前記天井部は、吸気ポートの開口部が設けられた吸気側斜面と、排気ポートの開口部が設けられた排気側斜面とを有していて、ペントルーフ型の前記燃焼室を区画するよう構成されており、前記ピストンの前記頂面は、前記天井部の前記吸気側斜面及び前記排気側斜面のそれぞれに対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて傾斜した傾斜面によって隆起しており、前記燃料噴射弁の前記噴射先端は、前記シリンダヘッドの前記天井部において、前記吸気側斜面と前記排気側斜面とが交差するペントルーフの稜線上に配設され、前記放電電極の前記先端部は、前記ペントルーフの稜線上において、前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接して配設されている、としてもよい。
　この構成では、シリンダヘッドの天井部は、吸気側斜面と排気側斜面とによって、ペントルーフ型の燃焼室となるように構成されている。ピストンの頂面は、この天井部に対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて傾斜した傾斜面によって、いわば三角屋根状に隆起している。これにより、この直噴エンジンは、幾何学的圧縮比が比較的高く設定される。幾何学的圧縮比は、例えば１５以上としてもよい。幾何学的圧縮比を高くすることによって、エンジンの熱効率が高まると共に、燃焼室内の混合気を圧縮着火燃焼させる場合は、その安定化が図られる。尚、ペントルーフの稜線と、シリンダのボア中心とは一致する場合、及び、一致しない場合の両方が含まれる。
　前記の構成ではまた、ピストンが圧縮上死点に近づくに従い、吸気側斜面及び排気側斜面を有する天井部と隆起したピストンの頂面との間のガスが圧縮されて、ペントルーフの稜線に沿って流れるスキッシュが発生する。その一方で、燃料噴射弁の噴射先端と放電電極の先端部とが、ペントルーフの稜線上において隣接して配設されているため、そのスキッシュによって、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所、つまり、放電電極の先端部を収容する凹部へのガスの流入量が増え、それに伴い、燃料噴霧の貫徹力も、より一層増大し得る。
　しかしながら、前述の通り、凹部が設けられた箇所に相当するキャビティの壁面を、噴射先端から遠ざけることによって、スキッシュによって燃料噴霧の飛翔距離が長くなったとしても、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触してしまうことを抑制することが可能になる。
　前記燃料噴射弁は、その弁軸心が前記シリンダの軸線に沿う方向となるように配設されている、としてもよい。
　こうすることで、シリンダヘッドの天井部に設けられた燃料噴射弁の噴射先端から、ピストンの頂面に設けられたキャビティ内に向かうように、所定の噴霧角で燃料噴霧が噴射される。その結果、混合気層を燃焼室内（つまり、キャビティ内）の中心に形成し、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成することが可能になる。尚、燃料噴射弁の弁軸心をシリンダの軸線に沿う方向にする構成には、噴射された燃料噴霧の中心軸が、燃料噴射弁の弁軸心と一致する場合、及び、燃料噴霧の中心軸が、燃料噴射弁の弁軸心に対して傾く場合の両方が含まれる。
　これとは異なり、前記燃料噴射弁は、前記噴射先端から所定の噴霧角で噴射される燃料噴霧の中心軸が、前記放電電極に近づく方向に、その弁軸心が前記シリンダの軸線に対して傾いて配設されている、としてもよい。
　この構成では、燃料噴霧の中心軸が、放電電極の先端部に近づく方向に傾いている。このため、燃料噴霧の外周囲において、放電電極の先端部を収容する凹部の箇所においても、燃焼噴霧の外周囲の空間を狭くすることが可能になる。これにより、前述した、燃料噴射に伴うガス流動やスキッシュに起因する、燃料噴霧の特定箇所における貫徹力の増大自体を抑制することが可能になる。つまり、燃料噴霧の飛翔距離が長くなることが抑制される。そのため、キャビティの壁面を、噴射先端にできるだけ近づけることが可能になるから、キャビティの容積をできるだけ小さくすることが可能になる。つまり、燃料噴射弁の弁軸心を傾ける構成は、直噴エンジンの幾何学的圧縮比を高くする上で有利になる。尚、燃料噴射弁の弁軸心をシリンダの軸線に対して傾ける構成においても、噴射された燃料噴霧の中心軸が、燃料噴射弁の弁軸心と一致する場合、及び、燃料噴霧の中心軸が、燃料噴射弁の弁軸心に対して傾く場合の両方が含まれる。
　また、前述したように、燃料噴射弁の弁軸心をシリンダの軸線に沿う方向にした構成において、燃料噴霧の中心軸を、燃料噴射弁の弁軸心に対して傾くようにした場合、燃料噴射弁の弁軸心をシリンダの軸線に対して傾ける構成と同様に、燃料噴霧の飛翔距離が長くなることを抑制することが可能になる。
　前記の直噴エンジンの燃焼室構造によると、燃焼室内を、燃料噴射弁の噴射先端と放電電極の先端部とを通る平面で切った縦断面において、噴射先端を挟んで、放電電極が配設された側のキャビティの壁面形状を、噴射先端を挟んだ逆側のキャビティの壁面形状よりも、噴射先端からの距離が長くなるように構成することにより、当該箇所において燃料噴霧の飛翔距離が長くなったとしても、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触することが抑制され、冷却損失を抑制することができる。
図１は、エンジンの構成を示す概略図である。 図２は、燃焼室の構成を示す縦断面図である。 図３は、ピストンの頂面形状を示す斜視図である。 図４は、ピストンの頂面を示す平面説明図である。 図５は、図２とは異なるキャビティの構成を示す縦断面図である。 図６は、図２及び図５とは異なるキャビティの構成を示す縦断面図である。 図７は、図２とは異なる燃料噴射弁の配設構成を示す縦断面図である。 図８は、燃焼室の天井部を拡大して示す縦断面図である。
　以下、実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は例示である。
　（エンジンの全体構成）
　図１は、実施形態に係るエンジン１の構成を示している。エンジン１のクランクシャフト１５は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。ここで、エンジン１の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。
　エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１が形成されている（図１では、１つのみ示す）。エンジン１は、多気筒エンジンである。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。各シリンダ１１内には、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されたピストン１６が摺動自在に嵌挿されている。ピストン１６は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。
　本実施形態では、燃焼室１７の天井部１７０（シリンダヘッド１３の下面）は、吸気ポート１８の開口部１８０が設けられかつ、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となった吸気側斜面１７１と、排気ポート１９の開口部１９０が設けられかつ、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となった排気側斜面１７２とを備えて構成されている。燃焼室１７は、ペントルーフ型の燃焼室である。尚、ペントルーフの稜線は、シリンダ１１のボア中心に一致する場合、及び一致しない場合の両方があり得るが、ここでは、ペントルーフの稜線は、シリンダ１１のボア中心に一致しているとする。従って、ピストン１６の頂面１６０を平面視で見た図４において、紙面左右方向に延びる一点鎖線は、ペントルーフの稜線に相当する。また、ピストン１６の頂面１６０は、天井部１７０の吸気側斜面１７１及び排気側斜面１７２に対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて、ピストン１６の中央に向かって登り勾配となった傾斜面１６１、１６２によって、三角屋根状に隆起している。これにより、このエンジン１の幾何学的圧縮比は、１５以上の高い圧縮比に設定されている。また、ピストン１６の頂面１６０には、凹状のキャビティ１６３が形成されている。ピストン１６の頂面１６０の形状については、後で詳述する。
　図１には１つのみ示すが、シリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成されている。吸気ポート１８の開口部１８０は、シリンダヘッド１３の吸気側斜面１７１に、エンジン出力軸（つまり、クランクシャフト１５）の方向に並んで設けられ、吸気ポート１８は、この開口部１８０を通じて燃焼室１７に連通している。２つの吸気ポート１８の開口部１８０は、シリンダ１１のボア中心に対して対称に配設されていると共に、吸気ポート１８のスロート部の軸線は、シリンダ１１のボア中心に対して対称となるように設けられている。同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成されている。排気ポート１９の開口部１９０は、シリンダヘッド１３の排気側斜面１７２に、エンジン出力軸の方向に並んで設けられ、排気ポート１９は、この開口部１９０を通じて燃焼室１７に連通している。２つの排気ポート１９の開口部１９０は、シリンダ１１のボア中心に対して対称に配設されている。
　吸気ポート１８は、吸気通路１８１に接続されている。吸気通路１８１には、図示は省略するが、吸気流量を調節するスロットル弁が介設されている。排気ポート１９は、排気通路１９１に接続されている。排気通路１９１には、図示は省略するが、１つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバータは、三元触媒を含む。
　シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフト１５に駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフト１５の回転と同期して回転する。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、この例では、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３、２４を、少なくとも含んで構成されている。尚、吸気弁駆動機構及び／又は排気弁駆動機構は、ＶＶＴ２３、２４と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。リフト可変機構は、リフト量を連続的に変更可能なＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift）としてもよい。尚、吸気弁２１及び排気弁２２を駆動する動弁機構は、どのようなものであってもよく、例えば油圧式や電磁式の駆動機構を採用してもよい。
　シリンダヘッド１３には、燃焼室１７内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁６が取り付けられている。燃料噴射弁６は、吸気側斜面１７１と排気側斜面１７２とが交差するペントルーフの稜線上であってかつ、図２に示すように、シリンダ１１のボア中心に対して、エンジン出力軸方向の一側（図２における紙面左側であり、これは、この実施形態ではエンジン１において反トランスミッション側の、いわゆるエンジン前側に相当する）に、ずれて配設されている。燃料噴射弁６はまた、その弁軸心が、シリンダ１１の軸線に沿うように配設され、噴射先端が、燃焼室１７内に臨んでいる。ピストン１６のキャビティ１６３は、この燃料噴射弁６に向かい合うように設けられている。燃料噴射弁６は、このキャビティ１６３内に向かって、燃料を噴射する。
　燃料噴射弁６は、図２に概念的に示すように、燃焼室１７内（つまり、キャビティ１６３内）に、（可燃）混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成可能に構成されている。燃料噴射弁６は、所定の噴霧角で燃料を噴射する、例えば外開弁式の燃料噴射弁としてもよい。外開弁式の燃料噴射弁は、弁のリフト量を調整することにより、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。本願出願人が先に出願した特願２０１３－２４２５９７号に記載しているように、この外開弁式の燃料噴射弁６の特性を利用して、多段噴射を基本とした燃料噴射態様を、適宜制御することにより、燃料噴霧の進行方向への飛散距離、及び、燃料噴霧の中心軸に対する広がりを調整することができる。このため、圧縮上死点付近のタイミングで燃料を噴射することにより、キャビティ１６３の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。また、外開弁式の燃料噴射弁に限らず、ＶＯＣ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプの燃料噴射弁も、ノズル口に発生するキャビテーションの度合いを調整することにより、噴口の有効断面積を変更して、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。従って、外開弁式の燃料噴射弁と同様に、圧縮上死点付近のタイミングで噴射する燃料噴霧の進行方向への飛散距離及び燃料噴霧の中心軸に対する広がりを調整することにより、キャビティ１６３内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。
　さらに、燃料噴射弁６は、その噴射先端に複数の噴孔が設けられかつ、所定の噴霧角で燃料を噴射するマルチホールタイプの燃料噴射弁としてもよいし、ホローコーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタとしてもよい。
　燃料噴射弁６の噴射先端は、図２及び図８には拡大して示すように、シリンダヘッド１３の天井面から凹陥して設けられた凹部１３２内に収容されている。これにより、噴射先端が、燃焼室１７内に突出しなくなり、噴射先端の温度が高くなってしまうことが防止される。凹部１３２は、図４に破線及び二点鎖線で示すように、断面円形状の噴射先端に対応して円形状を有している。尚、図４における破線及び二点鎖線は、シリンダヘッド１３の天井部１７０における凹部１３２の開口縁を示しており、後述の通り、二点鎖線で示す開口縁の部分は、実際には存在しない。凹部１３２はまた、図８に示すように、燃料噴射弁６の噴射先端から、シリンダヘッド１３の天井面に向かって、径が次第に拡大するように構成されている。これにより、噴射先端から、シリンダ１１の軸線に沿って下向きに、径が次第に拡大するようなホローコーン状に噴射される燃料噴霧が、凹部１３２の周面に接触することが防止される。
　シリンダヘッド１３には、放電電極としての点火プラグ７が取り付けられている。点火プラグ７は、図２に示すように、ペントルーフの稜線上でかつ、シリンダ１１のボア中心に対してエンジン出力軸方向の他側（つまり、エンジン後側）にずれて配設されている。点火プラグ７は、その先端部が燃料噴射弁６に近づく方向に、シリンダ１１の軸線に対し傾いて配設されている。点火プラグ７は、ペントルーフの稜線上において傾いている。これにより、燃料噴射弁６の噴射先端と、点火プラグ７の先端部とは、シリンダ１１のボア中心付近において、ペントルーフの稜線に沿って互いに近接して配設される。尚、点火プラグ７の代わりに、放電電極として、燃焼室１７内でオゾンを生成する放電プラグを、シリンダヘッド１３に取り付けてもよい。
　点火プラグ７の先端部もまた、シリンダヘッド１３の天井面から凹陥して設けられた凹部１３１内に収容されている。点火プラグ７の先端部、特にその碍子部分を収容する凹部１３１は、図２及び図４に示すように、断面円形状の先端部に対応して円形状であると共に、点火プラグ７の先端部から、シリンダヘッド１３の天井面に向かうに従って、径が拡大するように構成されている。尚、点火プラグ７の先端部を収容する凹部１３１は、点火プラグ７がシリンダ１１の軸線に対して傾いて配設されていることに対応して、シリンダ１１の軸線に対して傾いている。そのため、図４に示す破線及び二点鎖線は、シリンダヘッド１３の天井部１７０における凹部１３１の開口縁を示しているが、その開口縁は、平面視では楕円になる。
　燃料噴射弁６の噴射先端と、点火プラグ７の先端部とが互いに近接していることにより、これらを収容する凹部１３１、１３２同士は、その一部が重なるようになり、２つの凹部１３１、１３２は連続している。従って、図４において、凹部１３１の、二点鎖線で示す開口縁の部分は、実際には存在しないと共に、前述の通り、凹部１３２の、二点鎖線で示す開口縁の部分も、実際には存在しない（図８も参照）。
　このエンジン１は、前述したように、幾何学的圧縮比が１５以上に設定されている。幾何学的圧縮比は、４０以下とすればよく、特に２０以上３５以下が好ましい。エンジン１は圧縮比が高いほど膨張比も高くなる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン１でもある。このエンジン１は、基本的には全運転領域でシリンダ１１内に噴射した燃料を圧縮着火により燃焼させるよう構成されている。高い幾何学的圧縮比は、圧縮着火燃焼を安定化する。
　燃焼室１７は、シリンダ１１の内周面と、ピストン１６の頂面１６０と、シリンダヘッド１３の下面（天井部１７０）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。冷却損失を低減すべく、これらの区画面に、遮熱層を設けることによって、燃焼室１７が遮熱化されている。遮熱層は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、燃焼室１７を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート１８や排気ポート１９における、燃焼室１７の天井部１７０側の開口近傍のポート壁面に遮熱層を設けてもよい。
　これらの遮熱層は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。
　また、遮熱層は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、遮熱層の熱容量を小さくして、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。
　前記遮熱層は、例えば、母材上にＺｒＯ２等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングして形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、遮熱層の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。
　本実施形態では、前記の燃焼室１７の遮熱構造に加えて、燃焼室１７内においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減するようにしている。
　具体的には、燃焼室１７内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程以降において燃料噴射弁６の噴射先端からキャビティ１６３内に燃料を噴射させることにより、図２に示すように、燃料噴射弁６の近傍の、キャビティ１６３内の中心部に混合気層が形成されかつ、その周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。
　前記のようにガス層と混合気層とが形成された状態で燃料が圧縮着火燃焼すれば、混合気層と燃焼室１７の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎が燃焼室１７の壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、燃焼室１７の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。
　尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン１では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、エンジン１は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。
　このような混合気層とガス層とを燃焼室１７内に形成するために、燃料を噴射するタイミングにおいては、燃焼室１７内のガス流動は弱いことが望ましい。そのため、吸気ポートは、燃焼室１７内でスワールが生じない、又は、生じ難いようなストレート形状を有していると共に、タンブル流もできるだけ弱くなるように、構成されている。
　次に、燃焼室１７の構成について、図を参照しながらさらに詳細に説明をする。図３は、ピストン１６の頂面１６０の形状を示す斜視図である。図３における紙面右手前が吸気側、紙面左奥が排気側であり、紙面左手前がエンジン出力軸方向の一側（つまり、エンジン前側）、紙面右奥がエンジン出力軸方向の他側（つまり、エンジン後側）である。
　前述したように、ピストン１６の頂面１６０は、吸気側の傾斜面１６１と、排気側の傾斜面１６２とがそれぞれ、ピストン１６の中央に向かって登り勾配となって構成されており、これにより、ピストン１６の頂面は、エンジン出力軸における一方の側から、エンジン出力軸に沿う方向にピストン１６を見たときに、両側それぞれから中央部に向かって次第に隆起した三角屋根状を成している。吸気側の傾斜面１６１及び排気側の傾斜面１６２には、それぞれバルブリセスが形成されている。この内、吸気側の傾斜面１６２では、エンジン出力軸の方向に並んだ２つの吸気弁２１のバルブヘッドの間に相当する部分も、バルブリセスと共に、傾斜面１６１が削られており、吸気側の傾斜面１６１は、バルブリセスが設けられているものの、実質的に平坦な面を構成する。一方、排気側の傾斜面１６２では、エンジン出力軸の方向に並んだ２つの排気弁２２のバルブヘッドの間に相当する部分は、削られずに残されている。この部分は、ピストン１６が上死点付近に至ったときに、排気側から燃焼室１７の中央に向かうスキッシュを発生させるスキッシュエリア１６２ｂとなる。従って、排気側の傾斜面１６２は、バルブリセス１６２ａとスキッシュエリア１６２ｂとによって構成される。
　ピストン１６の頂面１６０はまた、吸気側の傾斜面１６１と排気側の傾斜面１６２とを連結する稜部１６４を有している。稜部１６４は、シリンダヘッド１３の天井部１７０において、ペントルーフの稜線部分と対向する。この稜部１６４付近における、エンジン出力軸方向の両側端部は、図２にも示すように、頂面１６０に向かってピストン径が縮小するように湾曲している。この湾曲は、シリンダヘッド１３の天井部１７０の湾曲形状に対応して設けられている。これは、エンジン１の幾何学的圧縮比を高くする上で有利な構成である。
　ピストン１６の稜部１６４は、ピストン１６が上死点付近に至ったときには、図２に矢印で示すように、ペントルーフの稜線に沿うように、エンジン出力軸の方向の、一側から燃焼室１７の中央に向かうスキッシュと、他側から燃焼室１７の中央に向かうスキッシュとのそれぞれを発生させるスキッシュエリアとなる。
　前述したように、ピストン１６の頂面１６０にはキャビティ１６３が凹陥している。キャビティ１６３は、図２に示すように、開口縁１６３ａから凹陥するに従い、その大きさが次第に縮小するように設けられており、キャビティ１６３は、ピストン１６の頂面１６０に連続する側壁１６３１と、側壁１６３１に連続する底壁１６３２とから構成されている。図２に示すように、ピストン１６の中心を通る縦断面において、キャビティ１６３は、バスタブのような形状を有している。側壁１６３１は、ピストン１６の頂面１６０及び底壁１６３２とは異なる角度を有しており、ピストン１６の頂面１６０と側壁１６３１との間、及び、側壁１６３１と底壁１６３２との間には、それぞれアールが設けられている。
　以下においては、ピストン１６の頂面１６０と側壁１６３１との間のアールは、キャビティの側壁１６３１に含まれるとして、頂面１６０とアールとが接する位置を、頂面１６０と側壁１６３１との境界とする。この境界は、キャビティ１６３の開口縁１６３ａを構成する。また、側壁１６３１と底壁１６３２との間のアールは、側壁１６３１に含まれるとして、アールと底壁１６３２とが接する位置を、側壁１６３１と底壁１６３２との境界とする。尚、頂面１６０と側壁１６３１との境界、及び、側壁１６３１と底壁１６３２との境界はそれぞれ、前述した定義とは異なるように設定することも可能である。例えば、頂面１６０と側壁１６３１との間のアールは、頂面１６０に含まれるとして、アールと側壁１６３１とが接する位置を、頂面１６０と側壁１６３１との境界としてもよい。また、そのアールの中央を、頂面１６０と側壁１６３１との境界とすることも可能である。同様に、側壁１６３１と底壁１６３２との間のアールは、底壁１６３２に含まれるとして、アールと側壁１６３１とが接する位置を、側壁１６３１と底壁１６３２との境界としてもよい。また、そのアールの中央を、側壁１６３１と底壁１６３２との境界とすることも可能である。頂面１６０、側壁１６３１及び底壁１６３２をどのように定義しても、以下に説明するキャビティ形状に関する構成は、全て成立し得る。
　キャビティ１６３は、図３及び図４に示すように、略楕円形状の開口縁１６３ａを有する。この楕円状は、広義の楕円状である。
　ここで、ピストン１６の頂面に設けられるキャビティ１６３は、基本的には、その中心が、燃料噴射弁６の弁軸心と一致するように設けられる。こうすることで、キャビティ１６３の容積を小さくしつつも、燃料噴射弁６の噴射先端からキャビティ１６３の壁面までの距離に偏りが生じず、噴射先端から均等に噴射した燃料噴霧がキャビティ１６３の壁面に接触することを防止して、キャビティ１６３内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成する上で有利になる。しかしながら、燃料噴射弁６の噴射先端に近接して、点火プラグ７の先端部を収容する凹部１３１が形成されていることに起因して、噴射先端から噴射されるホローコーン状の燃料噴霧は、均等に飛翔せず、前記凹部１３１の形成箇所に対応する燃料噴霧は、その飛翔距離が相対的に長くなる。つまり、図８を参照しながら説明したように、燃料噴射に伴うガス流動や、稜部１６４におけるスキッシュに起因して、燃料噴霧の外周囲の空間が広い箇所においては、燃料噴霧内に流入するガス量が増えて、燃料噴霧を、噴射方向の先側に強く押し出すようになり、燃料噴霧の貫徹力が強まって飛翔距離が長くなるのである。
　そこで、このエンジン１では、燃料噴霧の飛翔が不均等になることに対応して、キャビティ１６３の壁面形状を、燃料噴射弁６の噴射先端に対して非対称な形状にしている。
　具体的に、キャビティ１６３は、図４に示すように、燃料噴射弁６の噴射先端と、点火プラグ７の先端部とを結ぶ方向に長い楕円形状であるが、エンジン出力軸の方向に直交する吸排気方向（つまり、図４における紙面上下方向）については、シリンダ１１のボア中心を通る線に対して対称となるように設けられている。これにより、楕円形状のキャビティ１６３における長軸は、シリンダヘッド１３のペントルーフの稜線と一致することになり、燃料噴射弁６の弁軸心、及び、点火プラグ７の中心はそれぞれ、楕円形状のキャビティ１６３における長軸上に位置することになる。
　一方で、楕円形状のキャビティ１６３は、エンジン出力軸の方向（つまり、図４における紙面左右方向）については、キャビティ１６３の中心が、シリンダ１１のボア中心に対し、ずれて設けられている。
　より詳細には、図２に示すように、燃料噴射弁６の噴射先端と点火プラグ７の先端部とを通る平面で切った縦断面において、燃料噴射弁６の噴射先端を挟んで、点火プラグ７が配設された側のキャビティ１６３の壁面形状（つまり、図２の紙面右側の壁面形状）は、噴射先端を挟んだ逆側のキャビティの壁面形状（つまり、図２の紙面左側の壁面形状）よりも、噴射先端からの距離が長くなるように構成されている。
　図２及び図４において一点鎖線は、燃料噴射弁６を挟んだ、エンジン出力軸方向の他側のキャビティ壁面を、仮に、エンジン出力軸方向の一側のキャビティ壁面と対称となる形状にした場合を示している。この場合は、図４に実線及び一点鎖線で示すように、キャビティ１６３の底壁１６３２が、平面視で略円形状になると共に、キャビティ１６３の開口縁１６３ａは、図４に実線及び一点鎖線で示すように、燃料噴射弁６の弁軸心を中心としたエンジン出力軸方向に対称な楕円（又は長円）形状になる。また、図２に示すように、燃料噴射弁６の弁軸心を挟んだ、エンジン出力軸方向の一側（実線）と他側（一点鎖線）とのそれぞれにおいて、キャビティ１６３の側壁１６３１及び底壁１６３２と、噴射先端との距離は、互いに同じになる。
　これに対し、本構成では、図２に実線で示すように、エンジン出力軸の方向の他側において、キャビティ１６３の壁面を、噴射先端に対して、相対的に遠ざけている。具体的には、キャビティ１６３の底壁１６３２を、その深さ位置を変えずに、エンジン出力軸方向の他側の方に広げると共に、キャビティ１６３の側壁１６３１の位置を、エンジン出力軸方向の他側の方にずらしている。これに伴い、図４に実線で示すように、キャビティ１６３の底壁１６３２は、平面視で楕円形状になると共に、キャビティ１６３の開口縁１６３ａの形状は、エンジン出力軸の方向の他側に広げた楕円形状になる。結果として、キャビティ１６３の、エンジン出力軸の方向の中央は、図２に示すように、燃料噴射弁６の弁軸心よりも、エンジン出力軸の方向の他側にずれる。
　キャビティ１６３の側壁１６３１を、一点鎖線で示すときよりも、エンジン出力軸の方向の他側に位置をずらすことによって、燃料噴霧の外周囲において、凹部１３１が形成されている箇所は、燃料噴霧の飛翔距離が相対的に伸びるものの、噴射先端とキャビティ１６３の壁面との距離が相対的に長くなるため、燃料噴霧がキャビティ１６３の壁面に接触することを抑制することができる。
　ここで、燃料噴霧がキャビティ１６３の壁面に接触することを抑制する上では、キャビティ１６３の側壁１６３１の位置を、エンジン出力軸の方向の他側に大きくずらすことが考えられる。しかしながら、こうした場合、キャビティ１６３の開口の大きさが大きくなり、キャビティ１６３の容積が大きくなる。これは、幾何学的圧縮比を高くする本エンジンにおいては、不利になる。そこで、キャビティ１６３の側壁１６３１の位置のずれ量は、できるだけ小さいことが好ましい。図２及び図４に示す例では、キャビティ１６３の側壁１６３１の位置の、エンジン出力軸の方向の他側へのずれ量を可及的に小さくしており、キャビティ１６３の、エンジン出力軸の方向に対する中央は、前述の通り、燃料噴射弁６の弁軸心よりも、エンジン出力軸の方向の他側にずれるものの、シリンダ１１のボア中心に対しては、エンジン出力軸の方向の一側、つまり燃料噴射弁６の配設されている側にずれている。
　また、キャビティ１６３の壁面を、エンジン出力軸の方向の他側に広げる範囲は、図４に示す例では、燃料噴射弁６を挟んだ、エンジン出力軸の方向の他側の範囲の全体としている。つまり、楕円形状のキャビティ１６３における約半分の部分において、キャビティ１６３の壁面を広げている。こうすることで、燃料噴霧がキャビティ１６３の壁面に接触してしまうことを、より広い範囲に亘って、確実に防止することが可能になる。
　ここで、燃料噴霧の飛翔距離が長くなる箇所は、燃料噴霧の外周囲の内、点火プラグ７の凹部１３１が設けられた箇所であることから、図４に示すように、燃料噴射弁６の噴射先端と、２つの凹部１３１、１３２同士の境界（つまり、この境界は、燃焼室１７を平面視で見たときに、凹部１３１の開口縁を示す楕円と、凹部１３２の開口縁を示す円とが交わる２点に相当する）とを結ぶ線によって挟まれる角度範囲内においては少なくとも、キャビティ１６３の壁面を、エンジン出力軸の方向の他側に広げることが好ましい。この角度範囲内において、中央部（その範囲の境界線から離れた、ペントルーフの稜線上に対応する部分）は、キャビティ１６３の壁面が噴射先端から最も遠ざかっていることが好ましいが、角度範囲の両側部（その範囲の境界線に近い部分）においても、キャビティ１６３の壁面が噴射先端から十分に遠ざかっていることが好ましい。こうすることで、燃料噴霧が、キャビティ１６３の壁面に接触することを、効果的に防止することが可能になる。一方で、キャビティ１６３の壁面を、エンジン出力軸の方向の他側に広げる範囲をできるだけ狭くすれば、キャビティ１６３の容積をできるだけ小さくすることが可能になり、エンジン１の幾何学的圧縮比を高くする上で有利になる。
　図４に示すように、ピストン１６の頂面を平面視で見たときに、ピストン１６全体の面積（つまり、ピストン１６の外周縁によって構成される円の面積）に対する、キャビティ１６３の開口縁１６３ａによって構成される楕円の面積の比率（楕円の面積／ピストン全体の面積）は、５０％以下とすればよい。こうすることで幾何学的圧縮比を１５以上にすることが可能になる。面積比は、好ましくは４０％以下であり、より好ましくは３５％以下である。
　また、キャビティ１６３の開口縁１６３ａの位置を、エンジン出力軸の他側の方にずらす結果として、図２に端的に示されるように、ピストン１６の頂面１６０において、エンジン出力軸の方向の他側における稜部１６４の長さが短くなる。これにより、スキッシュが弱くなるから、燃料噴霧の貫徹力が増大してしまうことが抑制される。このことによっても、燃料噴霧が、キャビティ１６３の壁面に接触してしまうことが防止される。
　図５は、図２とは異なる構成例を示している。図５に示す構成例においては、キャビティ１６３の底壁１６３２の位置を変更している。具体的には、図２と同様に、燃焼室１７を、燃料噴射弁６の噴射先端と、点火プラグ７の先端部とを通る平面で切った縦断面において、燃料噴射弁６に対し、点火プラグ７が配設された側のキャビティ１６３の底壁１６３２を、逆側のキャビティ１６３の底壁１６３２と比較したときに（図５の一点鎖線参照）、噴射先端からの距離がより長くなるよう、深くしている。こうすることで、燃料噴霧の飛翔距離が長くなっても、燃料噴霧がキャビティ１６３の壁面に接触することを抑制することが可能になる。
　ここで、図５に示す構成例では、キャビティ１６３の側壁１６３１の位置は、燃料噴射弁６の噴射先端を挟んだ両側において、同じ、又は、ほとんど同じであり、キャビティ１６３の開口縁１６３ａの位置も、燃料噴射弁６の噴射先端を挟んだ両側において互いに同じである。このため、図示は省略するが、ピストン１６の頂面１６０を平面視で見たときに、キャビティ１６３の開口縁１６３ａの形状は、燃料噴射弁６の弁軸心を中心とした対称な楕円形状となる。つまり、図５において、キャビティ１６３の中心は、燃料噴射弁６の弁軸心と一致し、それに伴い、キャビティ１６３の中心は、シリンダ１１のボア中心に対して、燃料噴射弁６の配設側にずれる。
　尚、キャビティ１６３の底壁１６３２を相対的に深くする箇所の角度範囲は、図４を参照しながら説明したように、少なくとも、燃料噴射弁６の噴射先端を中心として、噴射先端と２つの凹部１３１、１３２同士の境界とを結ぶ線によって囲まれた角度範囲とすればよい。尚、この角度範囲を超えて、キャビティ１６３の底壁１６３２を相対的に深くしてもよい。
　図６は、図２に示す構成と、図５に示す構成とを組み合わせた構成例を示している。つまり、燃料噴射弁６の噴射先端を挟んで、点火プラグ７が配設された側のキャビティ１６３の壁面につき、側壁１６３１を、噴射先端に対して遠ざけると共に、底壁１６３２を、より深くして、噴射先端に対し遠ざける。こうすることで、図２及び図５に示す構成例と同様に、燃料噴射弁６の弁軸心から、ホローコーン状に噴射された燃料噴霧において、点火プラグ７の凹部１３１が設けられた箇所における燃料噴霧の飛翔距離が長くなっても、キャビティ１６３の側壁１６３１や底壁１６３２に接触してしまうことを回避することが可能になる。尚、燃料噴射弁６の噴射先端を中心として、噴射先端と２つの凹部１３１、１３２同士の境界とを結ぶ線によって囲まれた角度範囲において少なくとも、キャビティ１６３の壁面の位置を変更することは、前記と同じである。
　図７は、図２に示す構成例に対して、燃料噴射弁６の弁軸心を傾けることを組み合わせた構成例である。この構成例では、燃料噴射弁６は、その弁軸心が、点火プラグ７の先端部に近づく方向に、傾斜している。燃料噴射弁６の弁軸心は、ペントルーフの稜線上において傾いている。この傾いた燃料噴射弁６の噴射先端から、所定の噴霧角で噴射される燃料噴霧もまた、その中心軸が、シリンダ１１の軸線に対して、点火プラグ７の先端部に近づく方向に傾くようになる。このため、凹部１３１が形成された箇所において、燃料噴霧の外周囲の空間は、図２（及び図８）に示す構成例と比較して狭くなる。これは、燃料噴射に伴うガス流動やスキッシュに起因して、燃料噴霧の外周囲の空間から燃料噴霧内に流入するガス量が制限され、燃料噴霧の貫徹力が増大すること自体が抑制される。その結果、燃料噴霧の飛翔距離が長くなることが抑制され、キャビティ１６３の壁面を噴射先端から遠ざけることと組み合わさって、燃料噴霧が、キャビティ１６３の壁面に接触することを、より一層確実に防止することができる。
　また、燃料噴霧の飛翔距離を短くすることが可能であるから、キャビティ１６３の壁面を、その分、噴射先端に近づけることも可能になる。これは、ピストン１６の頂面１６０に設けるキャビティ１６３の容積をできるだけ小さくして、エンジン１の幾何学的圧縮比を高くする上で有利になる。
　尚、図７の例では、燃料噴射弁６の弁軸心を傾けることによって、所定の噴霧角で噴射される燃料噴霧の中心軸を、シリンダ１１の軸線に対して傾けるようにているが、これとは異なり、燃料噴射弁６の弁軸心に対し、噴射した燃料噴霧の中心軸が傾くように構成された燃料噴射弁６を採用してもよい。例えばマルチホールタイプの燃料噴射弁において、その噴孔を傾けて形成することによって、燃料噴射弁の弁軸心に対して、燃料噴霧の中心軸を傾けることが可能である。また、スワールインジェクタにおいても、燃料噴射孔を傾けることによって、燃料噴射弁の弁軸心に対し、燃料噴霧の中心軸を傾けることが可能である。こうした燃料噴射弁を採用すれば、図示は省略するが、燃料噴射弁は、その弁軸心がシリンダ１１の軸線に沿うように配設する一方で、その燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の中心軸がシリンダの軸線に対して傾くようになり、凹部１３１によって燃料噴霧が不均等に飛翔してしまうことを抑制することが可能になる。燃料噴射弁６の弁軸心をシリンダ１１の軸線に沿って配設することは、燃料噴射弁６のレイアウトの観点で有利になる場合がある。
　また、点火プラグ７を含む放電電極は、ペントルーフの稜線からずれて配設される場合がある。
１　エンジン
１１　シリンダ
１３　シリンダヘッド
１３１　凹部
１３２　凹部（第２凹部）
１６　ピストン
１６０　（ピストンの）頂面
１６１　傾斜面
１６２　傾斜面
１６３　キャビティ
１６３１　側壁（キャビティの壁面）
１６３２　底壁（キャビティの壁面）
１７　燃焼室
１７０　天井部
１７１　吸気側斜面
１７２　排気側斜面
１８　吸気ポート
１９　排気ポート
６　燃料噴射弁
７　点火プラグ（放電電極）

Claims (8)

  1. 　シリンダに内挿されかつ、その頂面から凹陥するキャビティを有するピストンと、
    　前記シリンダの内周面及び前記ピストンの前記頂面と共に、燃焼室を区画する天井面を有して構成されたシリンダヘッドの天井部と、
    　噴射先端が前記燃焼室内に臨むように前記シリンダヘッドの前記天井部に配設されかつ、前記噴射先端から前記キャビティに向かって、所定の噴霧角で燃料を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、
    　前記シリンダヘッドの前記天井部において前記燃焼室内に臨む先端部が、前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接して配設された放電電極と、を備え、
    　前記シリンダヘッドの前記天井部において前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接した位置には、前記放電電極の前記先端部を収容する凹部が、その天井面から凹陥して設けられており、
    　前記キャビティの中心は、前記シリンダのボア中心に対してずれており、
    　前記燃焼室内を、前記燃料噴射弁の前記噴射先端と前記放電電極の前記先端部とを通る平面で切った縦断面において、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を挟んで、前記放電電極が配設された側の前記キャビティの壁面形状は、前記噴射先端を挟んだ逆側の前記キャビティの壁面形状よりも、前記噴射先端からの距離が長くなるように構成されている直噴エンジンの燃焼室構造。
  2. 　請求項１に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
    　前記シリンダヘッドの前記天井部には、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を収容する第２凹部が、前記天井面から凹陥して設けられており、
    　前記放電電極の前記先端部を収容する前記凹部と、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を収容する前記第２凹部とは、その一部が互いに重なるように連続しており、
    　前記燃焼室を平面視で見たときに、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を中心として、前記噴射先端と凹部同士の境界とを結ぶ線によって挟まれる角度範囲内においては、当該角度範囲内の特定位置と前記噴射先端とを通る平面で切った縦断面において、前記キャビティの前記特定位置における壁面形状が、前記特定位置に対して前記噴射先端を挟んだ逆側の対称位置における前記キャビティの壁面形状よりも、前記噴射先端からの距離が長くなるように構成されている直噴エンジンの燃焼室構造。
  3. 　請求項２に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
    　前記キャビティの開口縁は、前記ピストンの前記頂面を平面視でみたときに、前記燃料噴射弁の前記噴射先端と、前記放電電極の前記先端部とを結ぶ方向に長い楕円状に形成されている直噴エンジンの燃焼室構造。
  4. 　請求項３に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
    　前記燃料噴射弁は、前記シリンダのボア中心に対してずれて配設されており、
    　前記放電電極は、前記シリンダのボア中心を挟んで前記燃料噴射弁とは逆側に配設されており、
    　前記キャビティの中心は、前記シリンダのボア中心に対して、前記燃料噴射弁が配設されている側にずれている直噴エンジンの燃焼室構造。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
    　前記シリンダヘッドの前記天井部は、吸気ポートの開口部が設けられた吸気側斜面と、排気ポートの開口部が設けられた排気側斜面とを有していて、ペントルーフ型の前記燃焼室を区画するよう構成されており、
    　前記ピストンの前記頂面は、前記天井部の前記吸気側斜面及び前記排気側斜面のそれぞれに対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて傾斜した傾斜面によって隆起しており、
    　前記燃料噴射弁の前記噴射先端は、前記シリンダヘッドの前記天井部において、前記吸気側斜面と前記排気側斜面とが交差するペントルーフの稜線上に配設され、
    　前記放電電極の前記先端部は、前記ペントルーフの稜線上において、前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接して配設されている直噴エンジンの燃焼室構造。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
    　前記燃料噴射弁は、その弁軸心が前記シリンダの軸線に沿う方向となるように配設されている直噴エンジンの燃焼室構造。
  7. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
    　前記燃料噴射弁は、前記噴射先端から所定の噴霧角で噴射される燃料噴霧の中心軸が、前記放電電極に近づく方向に、その弁軸心が前記シリンダの軸線に対して傾いて配設されている直噴エンジンの燃焼室構造。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
    　幾何学的圧縮比が１５以上となるように構成されている直噴エンジンの燃焼室構造。
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