JP2016128669A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内のスキッシュエリアのバランスを確保するよう構成することで、燃焼室内の混合気を適切に均一化することができるエンジンの燃焼室構造を提供する。【解決手段】エンジンの燃焼室構造であって、キャビティ１１が形成されたピストン１０と、ペントルーフ形状の燃焼室を形成するように構成されたシリンダヘッド３０とを有し、ピストン１０は、その上部にキャビティ１１の外側を取り囲む環状部１３を有し、この環状部１３は、ペントルーフ稜線Ｙの下方に位置する第１のピストン上面部１０Ａと、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分Ｘの下方に位置する第２のピストン上面部１０Ｂとを有し、第２のピストン上面部１０Ｂによって形成されるスキッシュエリアＳＡ３に対する第１のピストン上面部１０Ａによって形成されるスキッシュエリアＳＡ１の容積比が所定値以下となるように構成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、エンジンの燃焼室構造に係わり、特に、所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に気筒内に燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンの燃焼室構造に関する。

一般的には、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いるエンジンでは、点火プラグによって着火する火花点火方式が広く採用されている。一方、最近では、燃費の向上を図る観点などから、エンジンの幾何学的圧縮比として高圧縮比（例えば１７以上）を適用して、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いつつ、所定の運転領域において、圧縮自己着火（具体的にはＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression Ignition）と呼ばれる予混合圧縮自己着火）を行う技術が開発されている。

このような圧縮自己着火を行うようにしたエンジンの燃焼室構造が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、高圧縮比エンジンに適用される燃焼室構造に関して、ピストン上面の中央部に形成されたキャビティ内を十分に掃気するように構成して、充填効率の向上を図った技術が開示されている。

特開２０１４−４３７８２号公報

圧縮自己着火を行うようにしたエンジンでは、所定の運転領域（例えば低回転・高負荷域）において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して点火を行うが、その場合、燃料噴射してから点火するまでの時間が短いため、燃焼室内で混合気を均一に拡散させることが困難となる。そのため、燃焼室内に混合気の濃い部分と薄い部分とが生じ、燃料を含む混合気が燃えずに排出されたり、燃焼すべきタイミングの後に燃焼（後燃え）が生じたりして、燃費が悪くなってしまう。また、スモークが発生して、エミッションも悪化してしまう。

したがって、上記のような圧縮自己着火を行うようにしたエンジンでは、燃料噴射を行った後に、燃焼室内の混合気が均一な状態を速やかに作り出せるようにすることが望ましい、言い換えると、燃焼室内の混合気の均質性を速やかに確保できるようにすることが望ましい。

ところで、従来より、吸気バルブ及び排気バルブの配置の便宜上の観点などから、シリンダヘッド側の燃焼室天井が切妻型の屋根状（ペントルーフ形状）に形成された燃焼室が採用されているが、上記のような圧縮自己着火を行うようにしたエンジンにそのような燃焼室を適用すると、燃焼室内の混合気が不均一になる傾向にある。その理由は以下の通りである。

ペントルーフ形状の燃焼室を用いるエンジンでは、ペントルーフ形状を構成する稜線（ペントルーフの頂上部に位置し、２つのルーフ（傾斜面）が交わる線分に相当し、以下では適宜「ペントルーフ稜線」と呼ぶ。）に沿った燃焼室の断面と、このペントルーフ稜線に直交する線分に沿った燃焼室の断面とが異なる形状となる。したがって、ピストンが上死点に位置するときに、ペントルーフ稜線の下方に位置するピストン上部の外縁部（キャビティの外側の部分を意味する。以下同様とする。）とシリンダヘッドの下面（燃焼室の天井を意味する。以下同様とする。）との間に形成される空間の容積と、ペントルーフ稜線に直交する線分の下方に位置するピストン上面の外縁部とシリンダヘッドの下面との間に形成される空間の容積とが異なるものとなる。なお、ピストン上面の外縁部とシリンダヘッドの下面との間に形成される空間は、一般的に「スキッシュエリア」と呼ばれる。

そのため、圧縮上死点後に発生する、ピストン上面の外縁部とシリンダヘッドの下面との隙間にガスが流れ込む逆スキッシュ流の強さが、燃焼室内の位置によって変わることで、燃焼室内に不均一な流れが発生する。したがって、ペントルーフ形状の燃焼室を適用したエンジンでは、このような燃焼室内に発生する不均一な流れにより、燃焼室内の混合気が不均一になる傾向にある。その結果、上述したように、未燃や後燃えにより燃費が悪化してしまったり、スモークによりエミッションが悪化してしまったりする。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、燃焼室内のスキッシュエリアのバランスを確保するよう構成することで、燃焼室内の混合気を適切に均一化することができるエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に気筒内に燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンの燃焼室構造であって、上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成されたピストンと、ペントルーフ形状の燃焼室を形成するように構成されたシリンダヘッドであって、ピストンの中央部に対応する位置に燃料噴射弁が配置され、且つ、ペントルーフ形状の稜線を挟んだ両側に２つの吸気バルブと２つの排気バルブとがそれぞれ配置された、シリンダヘッドと、を有し、ピストンは、その上部に、キャビティの外縁から当該ピストンの上面の外縁まで延び、キャビティの外側を取り囲む環状部を有し、ピストンの環状部は、ペントルーフ形状の稜線の下方に位置する部分である第１のピストン上面部と、ペントルーフ形状の稜線に直交し、燃焼室の中心軸線を通る線分の下方に位置する部分である第２のピストン上面部と、を有し、ピストンが上死点に位置するときに、第２のピストン上面部とシリンダヘッドの下面との間に形成された空間の容積に対する、第１のピストン上面部とシリンダヘッドの下面との間に形成された空間の容積の比率が所定値以下となるように構成されている、ことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、ピストンが上死点に位置するときに、ペントルーフ形状の稜線に直交し、燃焼室の中心軸線（シリンダの中心軸線に対応する）を通る線分の下方に位置する第２のピストン上面部と、シリンダヘッドの下面との間に形成された空間の容積に対する、ペントルーフ形状の稜線の下方に位置する第１のピストン上面部と、シリンダヘッドの下面との間に形成された空間の容積の比率が、所定値以下となるように構成されているので、燃焼室全体でのスキッシュエリアの大きさのバランスを確保することができ、燃焼室内に生じる逆スキッシュ流の強弱を適切に緩和することができる。その結果、燃料噴射を行った後に、燃焼室内の混合気がほぼ均一な状態を速やかに作り出すことが可能となる、言い換えると燃焼室内の混合気の均質性を速やかに確保することが可能となる。したがって、未燃や後燃えによる燃費の悪化や、スモークによるエミッションの悪化を改善することが可能となる。

本発明において、好ましくは、第２のピストン上面部は、第１のピストン上面部よりも下方に位置するように構成されている。
このように構成された本発明によれば、第１のピストン上面部よりも下方に位置させるように第２のピストン上面部を構成した場合には、第２のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアの容積を大きくし、第１のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアの容積に近付けることができる。若しくは、第２のピストン上面部よりも上方に位置させるように第１のピストン上面部を構成した場合には、第１のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアの容積を小さくし、第２のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアの容積に近付けることができる。以上により、第２のピストン上面部によるスキッシュエリアの容積に対する第１のピストン上面部によるスキッシュエリアの容積の比率を、適切に所定値以下にすることが可能となる。

本発明において、好ましくは、第２のピストン上面部は、ペントルーフ形状の傾斜に応じて、ピストンの上面の外縁に向って下方向に傾斜している。
このように構成された本発明によれば、第２のピストン上面部を、ペントルーフ形状の傾斜に応じて、ピストン上面の外縁に向って下方向に傾斜させるので、キャビティの形状などを適切に維持しつつ、第２のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアの容積を適切に大きくし、第１のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアの容積に近付けることができる。

本発明において、好ましくは、ピストンが上死点に位置するときに、第２のピストン上面部とシリンダヘッドの下面との間に形成された空間の容積に対する、第１のピストン上面部とシリンダヘッドの下面との間に形成された空間の容積の比率がほぼ１となるように構成されている。
このように構成された本発明によれば、第２のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアの容積に対する第１のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアの容積の比率がほぼ１となるように構成することで、つまり、第２のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアの容積と第１のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアの容積とをほぼ等しくするので、燃焼室内に均一な逆スキッシュ流を確実に生じさせることができる。

本発明の好適な例では、第１のピストン上面部は、２つの吸気バルブの一方とこの吸気バルブに隣接する排気バルブとの間に対応する場所に位置する環状部の部分と、２つの吸気バルブの他方とこの吸気バルブに隣接する排気バルブとの間に対応する場所に位置する環状部の部分と、を含み、第２のピストン上面部は、２つの吸気バルブの間に対応する場所に位置する環状部の部分と、２つの排気バルブの間に対応する場所に位置する環状部の部分と、を含んでいてもよい。

別の観点では、本発明は、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に気筒内に燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンの燃焼室構造であって、上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成されたピストンと、ペントルーフ形状の燃焼室を形成するように構成されたシリンダヘッドであって、ピストンの中央部に対応する位置に燃料噴射弁が配置され、且つ、ペントルーフ形状の稜線を挟んだ両側に２つの吸気バルブと２つの排気バルブとがそれぞれ配置された、シリンダヘッドと、を有し、ピストンは、その上部に、キャビティの外縁から当該ピストンの上面の外縁まで延び、キャビティの外側を取り囲む環状部を有し、ピストンの環状部は、ペントルーフ形状の稜線の下方に位置する部分である第１のピストン上面部と、ペントルーフ形状の稜線に直交し、燃焼室の中心軸線を通る線分の下方に位置する部分である第２のピストン上面部と、を有し、第２のピストン上面部は、第１のピストン上面部よりも下方に位置するように構成されている、ことを特徴とする。
このように構成された本発明によっても、燃焼室全体でのスキッシュエリアの大きさのバランスを確保することができ、燃焼室内にほぼ均一な逆スキッシュ流を生じさせることが可能となる。

本発明のエンジンの燃焼室構造によれば、燃焼室内のスキッシュエリアのバランスを確保するよう構成することで、燃焼室内の混合気を適切に均一化することができ、燃費やエミッションの悪化などを改善することが可能となる。

本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造が適用された１つの気筒をシリンダ軸線方向の上方から見た概略平面図である。 本発明の実施形態によるピストンをシリンダ軸線方向の上方から見た平面図である。 図１中のIII−IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。 図１中のIV−IVに沿って見た、比較例に係るピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。 図２と同様の図であり、比較例による問題点についての説明図である。 図１中のVI−VIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造について説明する。

ここで、本発明の実施形態の内容を説明する前に、本発明の実施形態によるエンジンの前提としている構成について簡単に説明する。本発明の実施形態によるエンジンは、例えば幾何学的圧縮比が１４以上（好適には１７〜１８）である高圧縮比で運転すると共に、所定の運転領域（例えば低回転・高負荷域）において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射（リタード噴射）して、圧縮上死点後に点火を行うものである。また、本発明の実施形態によるエンジンは、所定の低負荷領域において、ＨＣＣＩと呼ばれる予混合圧縮自己着火を行うものである。また、本発明の実施形態によるエンジンは、シリンダヘッド側の燃焼室天井が切妻型の屋根状（ペントルーフ形状）に形成された燃焼室が適用されているものとする。

図１は、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造が適用された１つの気筒をシリンダ軸線方向の上方から見た概略平面図である。図１において、符合Ｚは紙面直角方向に伸びるシリンダ軸線を示し、符合Ｙは、紙面上下方向に伸びる、燃焼室を構成するペントルーフ形状の稜線（ペントルーフ稜線）を示す。このペントルーフ稜線Ｙは、クランク軸線に対応する。また、符号Ｘは、燃焼室の中心を通り、つまりシリンダの中心軸線を通り、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分を示す。

図１に示すように、１つの気筒（シリンダ）には、ペントルーフ稜線Ｙを挟んで一方側（図中左側）の領域に、２つの吸気バルブ１Ａ、１Ｂが配設されている。この２つの吸気バルブ１Ａ、１Ｂは、ペントルーフ稜線Ｙ方向に並んで配設されている。図１中の符号５は、吸気バルブ１Ａ、１Ｂにより開閉される吸気ポートを示している。なお、以下では、２つの吸気バルブ１Ａ、１Ｂを区別しないで用いる場合には、単に「吸気バルブ１」と表記する。

また、１つの気筒（シリンダ）には、ペントルーフ稜線Ｙを挟んで他方側（図中右側）の領域において、２つの排気バルブ２Ａ、２Ｂが配設されている。２つの排気バルブ２Ａ、２Ｂは、ペントルーフ稜線Ｙ方向に並んで配設されている。図１中の符号６は、排気バルブ２Ａ、２Ｂにより開閉される排気ポートを示している。なお、以下では、２つの排気バルブ２Ａ、２Ｂを区別しないで用いる場合には、単に「排気バルブ２」と表記する。

また、シリンダ軸線Ｚ上に、１つの燃料噴射弁３が配設されている。加えて、吸気バルブ１Ａと吸気バルブ１Ｂとの間には、第１点火プラグ４Ａが配設され、排気バルブ２Ａと排気バルブ２Ｂとの間には、第２点火プラグ４Ｂが配設されている。なお、以下では、２つの第１点火プラグ４Ａ及び第２点火プラグ４Ｂを区別しないで用いる場合には、単に「点火プラグ４」と表記する。

図２は、本発明の実施形態によるピストンをシリンダ軸線方向の上方から見た平面図である。

図２に示すように、ピストン１０の上面の中央部には、下方に凹んだキャビティ１１が形成されている。キャビティ１１は、シリンダ軸線Ｚ方向から見たとき円形とされており、その中央部には、山形の突起部１１ａが形成されている。また、キャビティ１１には、その両端に２つの凹部１２Ａ、１２Ｂが連なっている。キャビティ１１の突起部１１ａの真上に燃料噴射弁３が配置され、凹部１２Ａ内に第１点火プラグ４Ａが配置され、凹部１２Ｂ内に第２点火プラグ４Ｂが配置される。

また、ピストン１０の上部には、キャビティ１１（凹部１２Ａ、１２Ｂを含む）の外縁からピストン１０の上面の外縁まで延び、キャビティ１１（凹部１２Ａ、１２Ｂを含む）の外側を取り囲む環状部１３を有する。この環状部１３には、例えば１ｍｍ程度、下方に凹んだ４つのバルブリセス１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂが設けられている。バルブリセス１５Ａは吸気バルブ１Ａに対応する位置に設けられ、バルブリセス１５Ｂは吸気バルブ１Ｂに対応する位置に設けられ、バルブリセス１６Ａは排気バルブ２Ａに対応する位置に設けられ、バルブリセス１６Ｂは排気バルブ２Ｂに対応する位置に設けられている。

更に、環状部１３には、バルブリセス１５Ａとバルブリセス１６Ａとの間及びバルブリセス１５Ｂとバルブリセス１６Ｂとの間のそれぞれに第１のピストン上面部１０Ａ１、１０Ａ２が設けられ、バルブリセス１５Ａとバルブリセス１５Ｂとの間及びバルブリセス１６Ａとバルブリセス１６Ｂとの間のそれぞれに第２のピストン上面部１０Ｂ１、１０Ｂ２が設けられている。具体的には、第１のピストン上面部１０Ａ１、１０Ａ２は、上記したペントルーフ稜線Ｙ（図１参照）の下方に対応する位置に設けられている、言い換えると吸気バルブ１Ａ、１Ｂと排気バルブ２Ａ、２Ｂとの間に対応する位置にそれぞれ設けられている。また、第２のピストン上面部１０Ｂ１、１０Ｂ２は、ペントルーフ稜線Ｙに直交し、燃焼室の中心を通る線分Ｘ（図１参照）の下方に対応する位置に設けられている、言い換えると２つの吸気バルブ１Ａ、２Ｂの間及び２つの排気バルブ２Ａ、２Ｂの間に対応する位置にそれぞれ設けられている。

詳細は後述するが、本実施形態においては、第２のピストン上面部１０Ｂ１、１０Ｂ２は、第１のピストン上面部１０Ａ１、１０Ａ２よりも下方に位置するように構成されている。具体的には、第１のピストン上面部１０Ａ１、１０Ａ２は、平坦面にて構成されており（図３参照）、第２のピストン上面部１０Ｂ１、１０Ｂ２は、傾斜面にて構成されている（図６参照）。

なお、以下では、第１のピストン上面部１０Ａ１、１０Ａ２を区別しない場合には、単に「第１のピストン上面部１０Ａ」と表記し、第２のピストン上面部１０Ｂ１、１０Ｂ２を区別しない場合には、単に「第２のピストン上面部１０Ｂ」と表記する。

図３は、図１中のIII−IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン１０及びシリンダヘッド３０などの一部分の断面図である。言い換えると、ペントルーフ稜線Ｙに沿った面で切断した、ピストン１０及びシリンダヘッド３０などの一部分の断面図である。なお、図３は、ピストン１０が圧縮上死点に位置するときの図を示している。また、図３では、燃料噴射弁３については、断面ではなく側面を図示している。

図３に示すように、本実施形態では、燃料噴射弁３は、１０〜１２個程度の噴孔（不図示）を用いて、シリンダ軸線Ｚについて軸対称に傘状に燃料を噴霧する。こうすることで、燃焼室内に均一に燃料が噴射されるようにしている。

また、図３において、符号ＳＡ１を付したエリアは、第１のピストン上面部１０Ａ１、１０Ａ２と、燃焼室の天井部、つまりシリンダヘッド３０の下面３０ａとの隙間に形成される空間である、スキッシュエリアを示している。圧縮行程においてピストン１０が上昇するときには、スキッシュエリアＳＡ１からガスが中央に向かって流出するスキッシュ流が発生する。一方で、膨張行程においてピストン１０が下降するときには、スキッシュエリアＳＡ１にガスが流れ込む逆スキッシュ流が発生する。このようなスキッシュ流及び逆スキッシュ流の大きさは、スキッシュエリアＳＡ１の容積に応じて決まる。

図３に示すスキッシュエリアＳＡ１においては、その上部を構成するシリンダヘッド３０の下面３０ａが、略水平なペントルーフ稜線Ｙによって構成されるため、比較的高い場所に位置するので、スキッシュエリアＳＡ１は比較的広い空間となっている。そのため、スキッシュエリアＳＡ１では、比較的小さなスキッシュ流及び逆スキッシュ流が発生することとなる。

次に、図４を参照して、比較例に係る第２のピストン上面部によって形成されるスキッシュエリアについて説明する。以下では、説明の便宜上、比較例に係るピストンを「ピストン１０’」と表記し、この比較例に係るピストン１０’が有する第２のピストン上面部を「第２のピストン上面部１０Ｂ１’、１０Ｂ２’」又は「第２のピストン上面部１０Ｂ’」と表記する。比較例に係るピストン１０’は、従来用いられていたピストンの１つに相当し、第２のピストン上面部１０Ｂ１、１０Ｂ２の代わりに第２のピストン上面部１０Ｂ１’、１０Ｂ２’を有する点以外は、本実施形態によるピストン１０と同様であるものとする。また、この比較例に係る第２のピストン上面部１０Ｂ１’、１０Ｂ２’は、第１のピストン上面部１０Ａ１、１０Ａ２と同じ高さを有するものとする。

図４は、図１中のIV−IVに沿って見た、比較例に係るピストン１０’及びシリンダヘッド３０などの一部分の断面図である。言い換えると、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分Ｘに沿った面で切断した、比較例に係るピストン１０’及びシリンダヘッド３０などの一部分の断面図である。なお、図４は、ピストン１０’が圧縮上死点に位置するときの図を示している。また、図４では、燃料噴射弁３及び点火プラグ４については、断面ではなく側面を図示している。

図４において、符号ＳＡ２を付したエリアは、比較例に係る第２のピストン上面部１０Ｂ１’、１０Ｂ２’と、シリンダヘッド３０の下面３０ａとの隙間に形成されるスキッシュエリアを示している。図４に示すスキッシュエリアＳＡ２においては、その上部を構成するシリンダヘッド３０の下面３０ａが、ペントルーフ形状の傾斜面（つまりピストン上面の外縁に向って下方向に傾斜する面）の一部及びこの傾斜面の下端に連結された略平坦面によって構成されるため、比較的低い場所に位置するので、スキッシュエリアＳＡ２は比較的狭い空間となっている。そのため、比較例に係るスキッシュエリアＳＡ２では、比較的大きなスキッシュ流及び逆スキッシュ流が発生することとなる。具体的には、図３に示したスキッシュエリアＳＡ１よりも、大きなスキッシュ流及び逆スキッシュ流が発生することとなる。

次に、図５を参照して、上記した比較例の問題点について説明する。図５は、比較例に係る構成における気筒内で生じる燃焼の様子を時系列的に示した図であり、図２と同様の図に、比較例に係るピストン１０’をシリンダ軸線方向の上方から見た平面図を示している。なお、比較例に係る構成では、第２のピストン上面部１０Ｂ１、１０Ｂ２の代わりに、第１のピストン上面部１０Ａ１、１０Ａ２と同じ高さの第２のピストン上面部１０Ｂ１’、１０Ｂ２’が適用されている。

図５（ａ）に示すように、まず、燃料噴射弁３からの噴霧は、キャビティ１１に沿って外側へと輸送される（矢印Ａ１１参照）。次に、図５（ｂ）に示すように、吸排気側（図５（ｂ）の左側及び右側）ではスキッシュ流が強いため、噴霧及び混合気が中心に向かいにくくなるため、吸排気側にリッチ部分が形成される（矢印Ａ１２、領域Ｂ１２参照）。これと同時に、図５（ｂ）の前側及び後ろ側ではペントルーフ形状によりスキッシュ流が弱いため、シリンダヘッド３に衝突した噴霧及び混合気が矢印Ａ１２に示す流れに引きずられて、中心部Ｂ１３の方に向かう（矢印Ａ１３参照）。この時、ペントルーフ形状により空間も広く、中心部Ｂ１３の空気も利用できるため、燃料と空気との均質化が進む。次に、図５（ｃ）に示すように、上記した矢印Ａ１２及びＡ１３に示した流れにより中心部Ｂ１３に残っていた空気が、吸排気方向に伸長することで（矢印Ａ１５、領域Ｂ１５参照）、リーン部分が形成される。その結果、リッチ部分が四隅に存在するような混合気分布が形成される（領域Ｂ１６参照）。このような混合気分布が形成されると、未燃や後燃えにより燃費が悪化してしまったり、スモークによりエミッションが悪化してしまったりする。

したがって、本実施形態では、燃料噴射後に燃焼室内に均一な逆スキッシュ流を生じさせるべく、つまり燃焼室内に生じる逆スキッシュ流の強弱を緩和するべく、燃焼室内のスキッシュエリアのバランスを確保するような構成を採用する。具体的には、本実施形態では、第２のピストン上面部１０Ｂとシリンダヘッド３０の下面３０ａとの間に形成されるスキッシュエリア（以下では「スキッシュエリアＳＡ３」と表記する。）の容積に対する、第１のピストン上面部１０Ａとシリンダヘッド３０の下面３０ａとの形成されるスキッシュエリアＳＡ１の容積の比率が所定値以下となるように構成する。より詳しくは、本実施形態では、第２のピストン上面部１０Ｂを第１のピストン上面部１０Ａよりも下方に位置するように構成することにより、第２のピストン上面部１０Ｂによって形成されるスキッシュエリアＳＡ３の容積を大きくし、第１のピストン上面部１０Ａによって形成されるスキッシュエリアＳＡ１の容積に近付けるようにする。こうすることで、燃焼室全体でのスキッシュエリアの大きさのバランスを確保して、燃焼室内に均一な逆スキッシュ流が生じるようにする。

図６は、本実施形態に係る第２のピストン上面部１０Ｂによって形成されるスキッシュエリアＳＡ３について説明する。図６は、図１中のVI−VIに沿って見た、本実施形態に係るピストン１０及びシリンダヘッド３０などの一部分の断面図である。言い換えると、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分Ｘに沿った面で切断した、本実施形態に係るピストン１０及びシリンダヘッド３０などの一部分の断面図である。なお、図６は、ピストン１０が圧縮上死点に位置するときの図を示している。また、図６では、燃料噴射弁３及び点火プラグ４については、断面ではなく側面を図示している。

図６に示すように、本実施形態では、第２のピストン上面部１０Ｂ１、１０Ｂ２は、ピストン１０の上面の外縁に向って下方向に傾斜している。具体的には、第２のピストン上面部１０Ｂは、キャビティ１１の外縁端から外方に向かって下方向に傾斜している。そのため、第２のピストン上面部１０Ｂは、全体的に、第１のピストン上面部１０Ａよりも下方に位置することとなる。１つの例では、第２のピストン上面部１０Ｂは、第１のピストン上面部１０Ａと同様の高さにある状態のものを削り加工することにより作り出される。

また、図６に示すように、このような第２のピストン上面部１０Ｂによって、シリンダヘッド３０の下面３０ａとの隙間にスキッシュエリアＳＡ３が形成される。このスキッシュエリアＳＡ３は、図４に示したスキッシュエリアＳＡ２よりも大きくなっていることがわかる。本実施形態では、第２のピストン上面部１０Ｂによって形成されるスキッシュエリアＳＡ３の容積に対する、第１のピストン上面部１０Ａによって形成されるスキッシュエリアＳＡ１の容積の比率が所定値以下となるように、ペントルーフ形状の傾斜面などに応じて、第２のピストン上面部１０Ｂの形態（傾斜角など）を構成するようにする。この所定値は、燃費の悪化及びエミッションの悪化を適切に抑制可能な、言い換えると許容できる燃費及びエミッションが得られる、逆スキッシュ流による混合気の流れが燃焼室内に生じるような、スキッシュエリアＳＡ３の容積に対するスキッシュエリアＳＡ１の容積の比率に基づき設定される。好適には、スキッシュエリアＳＡ３の容積に対するスキッシュエリアＳＡ１の容積の比率がほぼ１となるように、つまりスキッシュエリアＳＡ３の容積がスキッシュエリアＳＡ１の容積とほぼ等しくなるように、第２のピストン上面部１０Ｂの傾斜角などを適用するとよい。

次に、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造の作用効果について説明する。

上述したように、本実施形態によれば、第２のピストン上面部１０Ｂを第１のピストン上面部１０Ａよりも下方に位置するように構成して、第２のピストン上面部１０Ｂによって形成されるスキッシュエリアＳＡ３の容積に対する、第１のピストン上面部１０Ａによって形成されるスキッシュエリアＳＡ１の容積の比率を所定値以下にするので、燃焼室全体でのスキッシュエリアの大きさのバランスを確保することができ、燃焼室内に生じる逆スキッシュ流の強弱を適切に緩和することができる。その結果、燃料噴射を行った後に、燃焼室内の混合気がほぼ均一な状態を速やかに作り出すことが可能となる、言い換えると燃焼室内の混合気の均質性を速やかに確保することが可能となる。よって、未燃や後燃えによる燃費の悪化や、スモークによるエミッションの悪化を改善することが可能となる。

また、本実施形態によれば、第２のピストン上面部１０Ｂを、ペントルーフ形状の傾斜面に応じて、ピストン１０の上面の外縁に向って下方向に傾斜させるので、燃焼室全体でのスキッシュエリアの大きさのバランスを適切に確保することができる。

また、本実施形態によれば、第２のピストン上面部１０ＢによるスキッシュエリアＳＡ３の容積に対する、第１のピストン上面部１０ＡによるスキッシュエリアＳＡ１の容積の比率がほぼ１となるように、つまりスキッシュエリアＳＡ３の容積がスキッシュエリアＳＡ１の容積とほぼ等しくなるように、第２のピストン上面部１０Ｂを構成した場合には、燃焼室内に均一な逆スキッシュ流を確実に生じさせることができる。

次に、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造の変形例について説明する。

上述した実施形態では、第１のピストン上面部１０Ａよりも下方に位置するように第２のピストン上面部１０Ｂを構成していたが、他の例では、この代わりに、第２のピストン上面部１０Ｂよりも上方に位置するように第１のピストン上面部１０Ａを構成してもよい、言い換えると、第１のピストン上面部１０Ａを第２のピストン上面部１０Ｂよりも高い位置に形成してもよい。そうした場合には、第１のピストン上面部１０Ａによって形成されるスキッシュエリアＳＡ１の容積が小さくなり、第２のピストン上面部１０Ｂによって形成されるスキッシュエリアＳＡ３の容積に近付くことで、スキッシュエリアＳＡ３の容積に対するスキッシュエリアＳＡ１の容積の比が所定値以下にすることができる。

更に他の例では、第１のピストン上面部１０Ａよりも下方に位置するように第２のピストン上面部１０Ｂを構成したり、第２のピストン上面部１０Ｂよりも上方に位置するように第１のピストン上面部１０Ａを構成したりする代わりに、スキッシュエリアＳＡ３の容積に対するスキッシュエリアＳＡ１の容積の比が所定値以下になるように、第２のピストン上面部１０Ｂ又は第１のピストン上面部１０Ａに対向するシリンダヘッド３０の下面３０ａを構成してもよい。１つの例では、第２のピストン上面部１０Ｂに対向するシリンダヘッド３０の下面３０ａをより高い位置に設けるよう構成することにより、第２のピストン上面部１０Ｂによって形成されるスキッシュエリアＳＡ３の容積を大きくして、第１のピストン上面部１０Ａによって形成されるスキッシュエリアＳＡ１の容積に近付けるようにすることができる。他の例では、第１のピストン上面部１０Ａに対向するシリンダヘッド３０の下面３０ａをより低い位置に設けるよう構成することにより、第１のピストン上面部１０Ａによって形成されるスキッシュエリアＳＡ１の容積を小さくして、第２のピストン上面部１０Ｂによって形成されるスキッシュエリアＳＡ３の容積に近付けることができる。

１Ａ、１Ｂ 吸気バルブ
２Ａ、２Ｂ 排気バルブ
３ 燃料噴射弁
４Ａ 第１点火プラグ
４Ｂ 第２点火プラグ
１０ ピストン
１０Ａ１、１０Ａ２ 第１のピストン上面部
１０Ｂ１、１０Ｂ２ 第２のピストン上面部
１１ キャビティ
１３ 環状部
１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ バルブリセス
３０ シリンダヘッド
Ｙ ペントルーフ稜線
ＳＡ１ スキッシュエリア

Claims (6)

1. 所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に気筒内に燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンの燃焼室構造であって、
   上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成されたピストンと、
   ペントルーフ形状の燃焼室を形成するように構成されたシリンダヘッドであって、上記ピストンの中央部に対応する位置に燃料噴射弁が配置され、且つ、上記ペントルーフ形状の稜線を挟んだ両側に２つの吸気バルブと２つの排気バルブとがそれぞれ配置された、上記シリンダヘッドと、を有し、
   上記ピストンは、その上部に、上記キャビティの外縁から当該ピストンの上面の外縁まで延び、上記キャビティの外側を取り囲む環状部を有し、
   上記ピストンの環状部は、上記ペントルーフ形状の稜線の下方に位置する部分である第１のピストン上面部と、上記ペントルーフ形状の稜線に直交し、燃焼室の中心軸線を通る線分の下方に位置する部分である第２のピストン上面部と、を有し、
   上記ピストンが上死点に位置するときに、上記第２のピストン上面部と上記シリンダヘッドの下面との間に形成された空間の容積に対する、上記第１のピストン上面部と上記シリンダヘッドの下面との間に形成された空間の容積の比率が所定値以下となるように構成されている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
2. 上記第２のピストン上面部は、上記第１のピストン上面部よりも下方に位置するように構成されている、請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
3. 上記第２のピストン上面部は、上記ペントルーフ形状の傾斜に応じて、上記ピストンの上面の外縁に向って下方向に傾斜している、請求項２に記載のエンジンの燃焼室構造。
4. 上記ピストンが上死点に位置するときに、上記第２のピストン上面部と上記シリンダヘッドの下面との間に形成された空間の容積に対する、上記第１のピストン上面部と上記シリンダヘッドの下面との間に形成された空間の容積の比率がほぼ１となるように構成されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエンジンの燃焼室構造。
5. 上記第１のピストン上面部は、上記２つの吸気バルブの一方とこの吸気バルブに隣接する排気バルブとの間に対応する場所に位置する上記環状部の部分と、上記２つの吸気バルブの他方とこの吸気バルブに隣接する排気バルブとの間に対応する場所に位置する上記環状部の部分と、を含み、
   上記第２のピストン上面部は、上記２つの吸気バルブの間に対応する場所に位置する上記環状部の部分と、上記２つの排気バルブの間に対応する場所に位置する上記環状部の部分と、を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエンジンの燃焼室構造。
6. 圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に気筒内に燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンの燃焼室構造であって、
   上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成されたピストンと、
   ペントルーフ形状の燃焼室を形成するように構成されたシリンダヘッドであって、上記ピストンの中央部に対応する位置に燃料噴射弁が配置され、且つ、上記ペントルーフ形状の稜線を挟んだ両側に２つの吸気バルブと２つの排気バルブとがそれぞれ配置された、上記シリンダヘッドと、を有し、
   上記ピストンは、その上部に、上記キャビティの外縁から当該ピストンの上面の外縁まで延び、上記キャビティの外側を取り囲む環状部を有し、
   上記ピストンの環状部は、上記ペントルーフ形状の稜線の下方に位置する部分である第１のピストン上面部と、上記ペントルーフ形状の稜線に直交し、燃焼室の中心軸線を通る線分の下方に位置する部分である第２のピストン上面部と、を有し、
   上記第２のピストン上面部は、上記第１のピストン上面部よりも下方に位置するように構成されている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。

Images