JP6566000B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式のエンジンに関する。

自動車等の車両の火花点火式のエンジンでは、インジェクタから燃焼室内に燃料を噴射し、当該噴射燃料が霧化されてなる混合気に対して、点火プラグを用いて着火させる構成が採用されている。

ところで、エンジンを高負荷運転域で運転する場合には、燃焼室が高温となる。このため、高負荷運転域においては、ピストンが圧縮上死点近傍にあるタイミングで燃料噴射することにより、プリイグニッションの発生を抑えることがなされる。

上記のようなタイミングで燃料噴射する場合には、燃料噴射から着火までの時間が短くなる。これに対する方策としては、例えば、特許文献１に開示されているような、相対的に内壁温度が高い排気側に向けて燃料噴射する構成を採用することが考えられる。このような構成を採用することにより、燃料噴射から着火までの時間が短時間の場合にあっても十分に霧化を図ることができる。

特開２０１６−９４９２５号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成のように、排気側に向けて多めの燃料噴射を行う場合には、燃焼の際に燃焼室全体の酸素を使いきれず、未燃燃料が残ってしまうことが懸念される。即ち、排気側に向けて多めの燃料噴射を行う場合には、燃焼室全体として見たときに、排気側に偏った状態で燃料濃度の高い領域が発生し、逆に吸気側などには燃料濃度の低い領域が発生する。このような燃料濃度の偏りに起因して、燃焼室内に未燃燃料が残ってしまう場合が生じ、エミッション性能の低下が懸念される。

本発明は、上記のような問題の解決を図ろうとなされたものであって、高負荷運転域での運転においてもプリイグニッションの発生を抑えることができるとともに、燃焼室全体での均質な燃焼によりエミッション性能の低下を抑制可能なエンジンを提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る火花点火式のエンジンは、ピストンの冠面と、シリンダヘッドに形成された燃焼室天井面と、前記燃焼室天井面に設けられたインジェクタ及び点火プラグと、前記燃焼室の天井面に開口された吸気口及び排気口と、を備える。

本局面に係るエンジンでは、前記点火プラグは、ピストンが膨張行程にあるときに点火を実行し、気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記点火プラグの着火部が配置された箇所を基準とし、前記吸気口が開口された側を前記燃焼室の吸気口側、前記排気口が開口された側を前記燃焼室の排気口側とするとき、前記ピストンは、冠面の前記吸気口側の端部と前記排気口側の端部とに、燃焼室天井面に沿って互いに非連続で形成された吸気側平面部と排気側平面部とを備え、前記インジェクタは、少なくとも前記排気口側に向けて燃料を噴射可能に構成されており、前記吸気側平面部は、前記燃焼室天井面との組み合わせを以って膨張行程中の前記ピストンの移動に伴い混合気を前記吸気口側へと引き込む逆スキッシュ流生成部として作用し、前記吸気側平面部は、前記排気側平面部よりも面積が大きく、機関出力軸方向において、前記排気側平面部の最大幅は前記吸気側平面部の最大幅よりも狭く形成されている。

上記局面に係るエンジンでは、排気口側に向けて燃料を噴射可能にインジェクタが構成されているので、燃焼室が高温になる高負荷運転領域においても、短時間での霧化が可能である。よって、上記局面では、高負荷運転域におけるプリイグニッションの発生を抑制することができる。

また、上記局面に係るエンジンでは、燃焼室に逆スキッシュ流生成部が形成されているので、膨張行程時においてピストンが下降するのに伴い、排気口側で霧化された混合気を点火プラグの側へと引き込むことができる。よって、上記局面では、燃焼室全体の酸素を使って燃焼を生じさせ、エミッション性能の低下を抑制することができる。

従って、上記局面に係るエンジンでは、高負荷運転域での運転においてもプリイグニッションの発生を抑えることができるとともに、燃焼室全体での均質な燃焼によりエミッション性能の低下を抑制可能である。

本発明の別局面に係るエンジンでは、上記局面において、前記ピストンの冠面は、気筒軸方向に凹設されてなるキャビティを含み、前記キャビティは、底面の深さが、前記排気口側から前記点火プラグの着火部の側に向けて漸次浅くなるように形成されている。

上記局面に係るエンジンでは、点火プラグの着火部の側に向けて深さが漸次浅くなるように、キャビティの底面が形成されているので、ピストンの上昇時において、キャビティ内でのスワール成分は、点火プラグの着火部に向けて持ち上げられることになる。よって、新気と燃料との混合気が点火プラグの着火部近傍に導かれ、着火部近傍の残留ガスを押し流すことができる。

また、上記局面に係るエンジンでは、ピストンの下降時に生じる逆スキッシュ流を利用する場合においても、点火プラグの着火部に向けてスムーズに混合気が導かれる。

本発明の別局面に係るエンジンは、上記局面において、気筒軸方向の一方側からの平面視で、前記キャビティは、前記点火プラグの着火部と一部が重複する状態で、環状に形成されてなる。

上記局面に係るエンジンでは、キャビティが環状に形成されているので、ピストンが圧縮上死点に近付くに従って、混合気が相対的に高温の排気口側から相対的に低温の吸気口側へと流れ、点火プラグの着火部近傍に導かれる。そして、平面視において、点火プラグの着火部がキャビティの一部と重複するように配設されているので、優れた着火性を確保することができる。

本発明の別局面に係るエンジンは、上記局面において、前記燃焼室天井面は、ペントルーフ形状で形成されてなる。

上記局面に係るエンジンでは、燃焼室（気筒）の天井面がペントルーフ形状で形成されているので、燃焼室内にタンブル流を形成することができ、燃焼室全体での均質な燃焼が可能である。

本発明の別局面に係るエンジンは、上記局面において、前記キャビティの外縁は、気筒軸方向視において前記点火プラグの着火部に指向して湾曲するプラグ指向部を有する。

上記局面に係るエンジンでは、キャビティに沿って案内される混合気が点火プラグの着火部近傍に良好に導かれる。そのため、優れた着火性を確保することができる。

本発明の別局面に係るエンジンは、上記局面において、前記吸気側平面部と、この吸気側平面部と前記点火プラグに対応する領域との間に位置し、吸気口側から排気口側に向かって先上がりに傾斜する吸気側斜面部とが形成され、前記点火プラグは、前記着火部が側面視でＬ字形の接地電極を有するとともに、気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記接地電極の先端が気筒の径方向内側を向いている。

上記局面に係るエンジンでは、圧縮行程においてピストンが移動（上昇）すると、燃焼室天井面とピストンの吸気側平面部との間で混合気（吸気）が圧縮され、吸気側斜面部に沿って燃焼室天井面に向かうスキッシュ流が生成される。そしてこの際、接地電極の先端が気筒の径方向内側を向くように点火プラグが配置されていることで、当該スキッシュ流により残留ガスを押し出し易くなり、着火部周りの掃気効果が高められる。

本発明の別局面に係るエンジンは、上記局面において、前記ピストンの冠面は、気筒軸方向の一方側からの平面視で、前記逆スキッシュ流生成部よりも前記排気口側の位置において気筒軸方向に凹設されてなる椀状のキャビティを含む。

上記局面に係るエンジンでは、圧縮行程中におけるピストンの上昇に伴って、混合気がキャビティ内に集約され、膨張行程時においてピストンが下降するのに伴い、排気口側で霧化された混合気が点火プラグの着火部及びその周辺に導かれる。そのため、混合気の高い着火性を確保することができる。特に、キャビティの内側に障害物が存在しないので、混合気をスムーズに点火プラグに導くことができるとともに、着火後の火炎伝搬をスムーズに実行させることが可能となる。

上記局面に係るエンジンにおいて、前記キャビティは、気筒軸方向に湾曲した湾曲面を以って構成されており、気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記キャビティの周縁部のうち機関出力軸方向の両側部分は、当該周縁部の内側の領域よりも曲率半径が小さい湾曲面を以って構成されている。

上記局面に係るエンジンでは、キャビティの周縁部のうち機関出力軸方向の両側部分がそれよりも内側の領域に比べて立ち上がった形状となるので、キャビティ内の混合気がよりスムーズに点火プラグに導かれ、また、着火により形成された火炎が、燃焼室内において機関出力軸方向にスムーズに広がることとなる。

本発明の別局面に係るエンジンは、上記局面において、前記キャビティの周縁部のうち機関出力軸方向の両側部分は、前記ピストンが圧縮上死点位置にあるときに前記着火部を間に挟み得る位置にある。

上記局面に係るエンジンでは、圧縮行程中におけるピストンの上昇に伴って、燃焼室内における筒内流動がキャビティ内に集約される際に、混合気が点火プラグ及びその周辺に良好に導かれる。そのため、より高い着火性を確保することが可能となる。

本発明の別局面に係るエンジンは、上記局面において、気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記キャビティは、前記点火プラグの着火部と一部が重複している。

上記局面に係るエンジンでは、ピストンが圧縮上死点に近付くに従って、混合気が相対的に高温の排気口側から相対的に低温の吸気口側へと流れ、点火プラグの着火部近傍に導かれる。そして、平面視において、点火プラグの着火部がキャビティの一部と重複するように配設されているので、優れた着火性を確保することができる。

本発明の別局面に係るエンジンは、上記局面において、前記燃焼室天井面は、ペントルーフ形状で形成されてなる。

上記局面に係るエンジンでは、燃焼室（気筒）の天井面がペントルーフ形状で形成されているので、燃焼室内にタンブル流を形成することができ、燃焼室全体での均質な燃焼が可能である。

本発明の別局面に係るエンジンは、上記局面において、前記吸気側平面部と、この吸気側平面部と前記点火プラグに対応する領域との間に位置し、吸気口側から排気口側に向かって先上がりに傾斜する吸気側斜面部とが形成され、前記点火プラグは、前記着火部が側面視でＬ字形の接地電極を有するとともに、気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記接地電極の先端が気筒の径方向外側を向いている。

上記局面に係るエンジンでは、圧縮行程においてピストンが移動（上昇）すると、燃焼室天井面とピストンの吸気側平面部との間で混合気（吸気）が圧縮され、吸気側斜面部に沿って燃焼室天井面に向かうスキッシュ流が生成される。そしてこの際、当該スキッシュ流により残留ガスが押し出され、これにより着火部周りの掃気効果が高められる。
なお、本発明の別局面に係るエンジンは、前記ピストンは、前記吸気側平面部と排気側平面部との間で燃焼室天井面に向かって突出する一対の側方上面部を備えているものであってもよい。

上記の各態様に係るエンジンでは、高負荷運転域での運転においてもプリイグニッションの発生を抑えることができるとともに、燃焼室全体での均質な燃焼によりエミッション性能の低下を抑制可能である。

第１実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が適用されるエンジンを示す気筒軸方向での概略断面図である。 図１におけるシリンダヘッド要部の断面図である。 図１におけるエンジンのピストンの斜視図である。 ピストンに対する点火プラグ及びインジェクタの配置を示す斜視図である。 ピストンの冠面の平面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図５のＶＩＩ―ＶＩＩ線断面図である。 燃料噴射期間及び点火タイミングとクランク角との関係を示すタイムチャートである。 ピストンが圧縮上死点付近にある状態での燃焼室を示す断面図である。 （ａ）は、ピストンが圧縮上死点付近にある状態での燃焼室を示す断面図であり、（ｂ）は、ピストンが圧縮上死点後に下降した状態での燃焼室を示す断面図である。 燃焼室内で生じるスワール流と点火プラグにおける着火部の配置を示す断面図である。 燃焼室に噴射された燃料と燃焼室内で生じるスワール流とを示す平面図である。 第２実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が適用されるエンジンのシリンダヘッド要部の断面図である。 燃焼室天井面の平面図である。 ピストンに対する点火プラグ及びインジェクタの配置を示す斜視図である。 ピストンに対する点火プラグ及びインジェクタの配置を示す平面図である。 ピストンの冠面の平面図である。 ピストンの正面図（吸気口側から視た図）である。 ピストンの背面図（排気口側から視た図）である。 ピストンの側面図である。 図１７のＸＸＩ−ＸＸＩ線断面図である。 図１７のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面図である。 ピストンの斜視図（排気口側から視た斜視図）である。 ピストンの斜視図（吸気口側から視た斜視図）である。 ピストンが上死点にあるときの燃焼室を示す断面図である。 圧縮行程の燃焼室を示す断面図である。 吸気の流れとインジェクタ（ノズルヘッド）との関係を説明するための断面図である。 第３実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が適用されるエンジンの要部断面図である。 ピストンの斜視図である。 ピストンの冠面の平面図である。 図３０のＸＸＸＩ−ＸＸＸＩ線断面図である。 図３０のＸＸＸＩＩ−ＸＸＸＩＩ線断面図である。 モードＩＩＩに係る燃料噴射期間及び点火タイミングとクランク角との関係を示すタイムチャートである。

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

（第１の実施形態）
［エンジンの全体構成］
図面に基づいて、第１実施形態に係る火花点火式のエンジンの燃焼室構造を詳細に説明する。図１は、第１実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が適用されるエンジンを示す概略断面図、図２は、図１に示されたシリンダヘッドの要部の断面図である。図１及び図２、及び図３以降において、ＸＹＺの方向表示を付している。Ｚ方向は気筒軸方向、Ｙ方向はクランク軸の延伸方向、Ｘ方向はＺ方向及びＹ方向の双方と直交する方向である。

本実施形態に係るエンジンは、シリンダ及びピストンを含み、自動車等の車両の走行駆動用の動力源として、車両に搭載される多気筒エンジンである。エンジンは、エンジン本体１と、これに組み付けられた図外の吸排気マニホールド及び各種ポンプ等の補機とを含む。エンジン本体１に供給される燃料は、ガソリンを主成分とするものである。

本実施形態に係るエンジン本体１は、点火プラグにて燃焼室内の混合気に強制点火する通常のＳＩ（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼と、ＳＩ燃焼において燃料噴射のタイミングを圧縮上死点（ＴＤＣ）付近とするリタードＳＩ燃焼と、ＳＩ燃焼とＣＩ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼とを組み合わせたＳＩＣＩ燃焼と、を実行することが可能とされている。ＳＩ燃焼では、吸気行程の中期に燃料が噴射され、圧縮行程のＴＤＣ付近で混合気に強制点火されるが、リタードＳＩ燃焼では、圧縮行程のＴＤＣ前後で燃料が噴射され、その後の膨張行程初期に混合気に強制点火される。ＳＩＣＩ燃焼では、燃焼室の混合気に強制点火して火炎伝播により燃焼させるとともに、燃焼室内の未燃混合気を自己着火により燃焼させる。

なお、ＳＩＣＩ燃焼において、自己着火を発生させず、火炎伝播により燃焼を完了させる場合もある。これらの燃焼態様は、運転領域に応じて選択される。例えば、ＳＩ燃焼は、エンジンの高回転・高負荷領域で、リタードＳＩ燃焼は低回転・高負荷領域で、ＳＩＣＩ燃焼は回転数に依らず低負荷領域で、各々選択される。

エンジン本体１は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、図１の紙面に垂直な方向に並ぶ複数のシリンダ２（気筒／図中ではそのうちの１つのみを示す。）を有している。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３上に取り付けられ、シリンダ２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各シリンダ２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されている。ピストン５の往復摺動に応じて、クランク軸７はその中心軸回りに回転する。ピストン５の構造については、後述する。

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の底面４ａは燃焼室天井面６Ｕであり、この燃焼室天井面６Ｕは、上向きに僅かに凸のペントルーフ型の形状（扁平ペントルーフ型形状）を有している。燃焼室天井面６Ｕには、吸気ポート９の下流端である吸気側開口部（吸気口）４１と、排気ポート１０の上流端である排気側開口部（排気口）４２とが形成されている。シリンダヘッド４には、吸気側開口部４１を開閉する吸気バルブ１１と、排気側開口部４２を開閉する排気バルブ１２とが組み付けられている。

なお、本実施形態に係るエンジン本体１は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、吸気側開口部４１と排気側開口部４２とは、各シリンダ２につき２つずつ設けられると共に、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２も２つずつ設けられている。

図２に示されるように、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２は、所謂ポペットバルブである。吸気バルブ１１は、吸気側開口部４１を開閉する傘状の弁体１１ａと、この弁体１１ａから垂直に延びるステム１１ｂとを含む。同様に、排気バルブ１２は、排気側開口部４２を開閉する傘状の弁体１２ａと、この弁体１２ａから垂直に延びるステム１２ｂとを含む。吸気バルブ１１の弁体１１ａは、燃焼室６に臨むバルブ面１１ｃを有する。排気バルブ１２の弁体１２ａは、燃焼室６に臨むバルブ面１２ｃを有する。

本実施形態において、燃焼室６を区画する燃焼室壁面は、シリンダ２の内壁面、ピストン５の上面（＋Ｚ側の面）である冠面５０、シリンダヘッド４の底面４ａ、吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃ及び排気バルブ１２のバルブ面１２ｃからなる。すなわち、シリンダブロック３、シリンダヘッド４、ピストン５及びバルブ１１、１２は、燃焼室６を構成する燃焼室構成部材と言える。

シリンダヘッド４には、吸気バルブ１１、排気バルブ１２を各々駆動する吸気側動弁機構１３、排気側動弁機構１４が配設されている。これら動弁機構１３，１４によりクランク軸７の回転に連動して、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が駆動される。これら吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の駆動により、吸気バルブ１１の弁体１１ａが吸気側開口部４１を開閉し、排気バルブ１２の弁体１２ａが排気側開口部４２を開閉する。

吸気側動弁機構１３には、吸気側可変バルブタイミング機構（吸気側ＶＶＴ）１５が組み込まれている。また、排気側動弁機構１４には、排気側可変バルブタイミング機構（排気側ＶＶＴ）１６が組み込まれている。吸気側ＶＶＴ１５は吸気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴであり、排気側ＶＶＴ１６は排気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴである。そして、吸気側ＶＶＴ１５はクランク軸７に対する吸気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、吸気バルブ１１の開閉タイミングを変更し、排気側ＶＶＴ１６はクランク軸７に対する排気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、排気バルブ１２の開閉タイミングを変更する。

シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気に点火エネルギを供給する点火プラグ１７が、各シリンダ２につき１つずつ取り付けられている。点火プラグ１７は、その先端に着火部１７Ａを備え、この着火部１７Ａが燃焼室６内に臨む姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。点火プラグ１７は、図外の点火回路からの給電に応じてその先端から火花を放電して、燃焼室６内の混合気に点火する。

シリンダヘッド４（燃焼室天井面６Ｕ）には、先端部から燃焼室６内にガソリンを主成分とする燃料を噴射するインジェクタ１８（燃料噴射弁）が、各シリンダ２につき１つずつ取り付けられている。インジェクタ１８には、燃料供給管１９が接続されており、当該燃料供給管１９を通して供給された燃料を燃焼室６に噴射する（噴射燃料１８Ｅ）。図２に示すように、本実施形態では、インジェクタ１８からは、燃焼室６内の少なくとも排気口側（＋Ｘ側）に向けて燃料噴射可能となっている。

なお、図示を省略しているが、燃料供給管１９の上流側には、クランク軸７と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプが接続されている。そして、高圧燃料ポンプと燃料供給管１９との間には、全シリンダ２に共通の蓄圧用のコモンレールが設けられている。この構成により、インジェクタ１８からは、高い圧力の燃料が燃焼室
６内に噴射される。

［ピストンの詳細構造］
図３〜図７を参照して、ピストン５の構造、とりわけ冠面５０の構造について詳細に説明する。図３は、ピストン５の斜視図、図４は、ピストン５の冠面５０と点火プラグ１７及びインジェクタ１８との配置関係を示す斜視図、図５は、冠面５０の平面図である。また、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図であり、図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。

ピストン５は、ピストンヘッド５Ａと、その下方（−Ｚ側）に連接されたスカート部５Ｓを含む。ピストンヘッド５Ａは円柱体からなり、燃焼室６の壁面の一部（底面）を構成する冠面５０を上面に備えると共に、シリンダ２の内壁面と摺接する側周面とを備える。なお、スカート部５Ｓは、ピストンヘッド５Ａの＋Ｘ側及び−Ｘ側に配置され、ピストン５の往復運動の際の首振り揺動を抑制する。図７に示されるように、ピストンヘッド５Ａの下方には、Ｙ方向に延びるピン孔を区画するピストンボス５Ｂが設けられている。ピストンボス５Ｂのピン孔には、ピストンピン８１が挿通される。ピストンピン８１は、コネクティングロッド８の小端部８Ｓと、ピストン５とを連結するピンである。

冠面５０は、燃焼室天井面６ＵとＺ方向に対向する面であって、その径方向（Ｘ方向及びＹ方向）の概ね中央部分に略環状のキャビティ５Ｃを含む。キャビティ５Ｃは、−Ｚ側に凹入された部分であり、インジェクタ１８から燃料の噴射を受ける部分である。冠面５０におけるキャビティ５Ｃの外周には、吸気側平面部５５、排気側平面部５６及び一対の側方上面５７が配置されている。吸気側平面部５５は、キャビティ５Ｃの−Ｘ側に隣接する領域に設けられる平面、排気側平面部５６は、キャビティ５Ｃの＋Ｘ側に隣接する領域に設けられる平面、一対の側方上面５７はキャビティ５Ｃの＋Ｙ側及び−Ｙ側に各々隣接する、概ね平坦な面である。また、キャビティ５Ｃの内側部分には、キャビティ５Ｃの底部よりも＋Ｚ側に***した凸部５３が設けられている。

吸気側平面部５５は、ピストン５が上死点（ＴＤＣ）付近にあるときに、図２に示されるシリンダヘッド４における吸気側天面４３に僅かな隙間を空けて沿うよう設けられており、排気側平面部５６は、同様に、ピストン５が上死点（ＴＤＣ）付近にあるときに、図２に示されるシリンダヘッド４における排気側天面４４に沿うよう設けられている。ここで、エンジン本体１においては、吸気側平面部５５と吸気側天面４３との組み合わせにより逆スキッシュ流生成部が構成されている。具体的に、逆スキッシュ流生成部とは、ピストン５が上死点（ＴＤＣ）付近にある状態から−Ｚ側に下降して行く際に、燃焼室６の径方向中央領域から径方向外縁領域に向けた混合気の流れを生成する部分である。

キャビティ５Ｃは、小キャビティ５１、大キャビティ５２を含む。図４に示すように、小キャビティ５１は、点火プラグ１７の着火部１７Ａに対応する位置、つまり着火部１７Ａの真下の位置に凹設されている。大キャビティ５２は、小キャビティ５１に隣接する位置に凹設され、＋Ｚ側からの平面視において、小キャビティ５１よりも大きい投影面積を有している。例えば、大キャビティ５２の投影面積は、小キャビティ５１の投影面積に対して８倍程度大きい。凸部５３は、冠面５０のＸＹ方向の中央付近に配置されている。凸部５３は、ＸＹ面方向において、燃焼室６の略中央部分に設けられており、インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎ（図４を参照。）の真下の位置に凸設されている。

小キャビティ５１は、当該小キャビティ５１を区画する外周縁である第１周縁５１１を含む。大キャビティ５２は、当該大キャビティ５２を区画する外周縁である第２周縁５２１を含む。第１周縁５１１は、＋Ｚ側からの平面視において、略扇形の形状であり、凸部５３、吸気側平面部５５及び大キャビティ５２との境界線となる。第２周縁５２１は、＋Ｚ側からの平面視において、略Ｃ字形の形状を有する。つまり、大キャビティ５２は、冠面５０を＋Ｚ側から平面視した場合において、略Ｃ字形状をしている。第２周縁５２１は、凸部５３、吸気側平面部５５、排気側平面部５６及び小キャビティ５１との境界線となる。

第１周縁５１１の一部は、第２周縁５２１の一部を兼ねる共通周縁部である。換言すると、小キャビティ５１の第１周縁５１１は、その一部において、大キャビティ５２の第２周縁５２１の一部と境界を接する。より具体的には、第１周縁５１１における、凸部５３及び吸気側平面部５５と各々境界をなす円弧状部分を除いた部分は、第２周縁５２１の一部と共通である。この第２周縁５２１の一部は、Ｃ字形状の開放部分（開放端縁）に相当する。共通周縁部は、図４等に示されているように、上方へ突出した稜線５４である。即ち、本実施形態では、稜線５４を境に小キャビティ５１と大キャビティ５２とが隣り合っている。

図５等に示されるように、大キャビティ５２は＋Ｚ側からの平面視において略円形の凸部５３を取り囲むＣ字形状を有している。小キャビティ５１は、このような大キャビティ５２の、Ｃ字形状の開放部分に挟まれる位置に形成されている。これにより、稜線５４で区切られてはいるが、小キャビティ５１及び大キャビティ５２によって、凸部５３の周囲を囲む略環状のキャビティ５Ｃが冠面５０に形成されている。

また、凸部５３の外周における周縁部５３１は、小キャビティ５１の第１周縁５１１の一部及び大キャビティ５２の第２周縁５２１の一部と境界を接する。なお、本実施形態では、凸部５３は山形状に形成されており、周縁部５３１が山の裾野となっている。

インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎには、放射状に複数の噴射孔１８１が設けられており、ノズルヘッド１８Ｎの各噴射孔からは、小キャビティ５１及び大キャビティ５２に向けて燃料が噴射される。このとき、噴射燃料１８Ｅは、斜面である第１周縁５１１及び第２周縁５２１に沿って各キャビティ５１，５２内へと円滑に導入される。

図７に示すように、吸気側平面部５５及び排気側平面部５６を基準としたときの大キャビティ５２の深さｈ２は、小キャビティ５１の深さｈ１よりも深くなっている。これにより、キャビティ５Ｃは、その底面の深さが排気口側（＋Ｘ側）から吸気口側（−Ｘ側）に行くのに従って浅くなるようになっている。より具体的には、キャビティ５Ｃの底面は、＋Ｘ側から点火プラグ１７の着火部１７Ａの真下へと行くのに従って、上方（＋Ｚ側）へと漸次上がっている。

また、上述のように、大キャビティ５２の投影面積は、小キャビティ５１の投影面積よりも大きいので、各キャビティ５１，５２の深さ（凹入深さ）ｈ１，ｈ２を合わせて考慮するとき、大キャビティ５２は小キャビティ５１に比べて大きな容積を以って形成されていることになる。

［燃料噴射期間及び点火タイミングとクランク角］
図８を参照して、燃料噴射期間及び点火タイミングとクランク角との関係を説明する。図８は、燃料噴射期間及び点火タイミングとクランク角との関係を示すタイムチャートである。

図８に示すように、本実施形態に係るエンジン本体１は、少なくともモードＩ及びモードＩＩの燃料噴射期間及び点火タイミングで、運転を成立させる。

モードＩは、上述のリタードＳＩ燃焼の実行の際に採用されるもので、燃料噴射期間ＰＦ１は圧縮行程のＴＤＣ前後、点火タイミングは膨張行程初期である。即ち、ＴＤＣよりも前の圧縮行程終盤のクランク角−ＣＡ１１のタイミングＴ１１からインジェクタ１８による燃料噴射が開始され、ＴＤＣ後の膨張行程開始初期のクランク角＋ＣＡ１２のタイミングＴ１２まで燃料噴射が実行される。その後、膨張行程初期の所定のクランク角＋ＣＡ１３のタイミングＴ１３において、点火プラグ１７によって混合気に点火される。各クランク角は、例えば、−ＣＡ１１がＴＤＣ前１５°（より好ましくはＴＤＣ前、１０°）、＋ＣＡ１２がＴＤＣ後５°（より好ましくは、ＴＤＣ後２°）、＋ＣＡ１３が圧縮ＴＤＣ後８〜１０°（より好ましくは、ＴＤＣ後９°）である。このモードＩによれば、ＴＤＣ前後で燃料が噴射されるので、ノッキングを防止することができる。

モードＩＩは、上述のＳＩ燃焼及びＳＩＣＩ燃焼の際に採用されるもので、燃料噴射期間ＰＦ２は吸気行程の中期、点火タイミングは圧縮行程のＴＤＣ付近である。即ち、排気工程におけるＴＤＣからピストン５が行程の半分程度下降するクランク角ＣＡ２を挟んだタイミングＴ２１〜Ｔ２２が、燃料噴射期間ＰＦ２とされる。点火タイミングは、ＴＤＣに至るタイミングＴ２３である。ＣＡ２は、例えば、ＴＤＣ後７０°である。

なお、ノッキング防止のため、ＴＤＣ前のクランク角ＣＡ３で、ＣＡ２に加えて追加的に燃料噴射を行わせてもよい。

［逆スキッシュ流］
燃焼室６内で生じる逆スキッシュ流について、図９及び図１０を用い説明する。図９及び図１０（ａ）は、ピストン５がＴＤＣ付近にある場合の燃焼室６を示す断面図、図１０（ｂ）は、ＴＤＣ後にピストン５が下降した状態での燃焼室６を示す断面図である。

先ず、図９に示すように、点火プラグ１７の着火部１７Ａを通り、Ｚ方向に延びる仮想線ＬＳＰを引く。

図９に示すように、ピストン５がＴＤＣ付近にある場合、上記仮想線ＬＳＰよりも＋Ｘ側の部分（Ａ部分；矢印Ａで指し示す部分）と、上記仮想線ＬＳＰよりも−Ｘ側の部分（Ｂ部分；矢印Ｂで指し示す部分）と、を比較する。図９からも明らかなように、本実施形態に係る燃焼室６の構造では、Ｂ部分の容積は、Ａ部分の容積よりも小さくなっている。

燃焼室６においては、上記のような燃焼室容積の差異により、膨張行程中のピストン５の下降に伴い混合気を＋Ｘ側から−Ｘ側へと引き込む逆スキッシュ流が生成されることになる。即ち、燃焼室６では、上記燃焼室容積の差異により、逆スキッシュ流生成部を形成している。

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

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

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

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

［スワール流］
燃焼室６内で生じるスワール流について、図１１及び図１２を用い説明する。図１１は、燃焼室６内で生じるスワール流ＦＳを示す断面図であり、図１２は、燃焼室６内で生じるスワール流ＦＳを示す平面図である。

図１２に示すように、燃焼室６の径方向中心部分に配設されたインジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎからは、放射状に燃料が噴射される（噴射燃料１８Ｅ）。即ち、インジェクタ１８からは、排気口側である＋Ｘ側にある大キャビティ５２内に向けて燃料が噴射されるとともに、吸気口側である−Ｘ側にある小キャビティ５１に向けても燃料が噴射される。

ただし、小キャビティ５１に向けての燃料噴射は、点火プラグ１７の着火部１７Ａに対して指向軸が向かないようになっている。即ち、小キャビティ５１に向けての燃料噴射は、指向軸が点火プラグ１７の着火部１７Ａの両脇を通過するようになっている。これにより、プラグ被りの発生を抑制することができる。また、本実施形態では、点火プラグ１７における接地電極１７２の背部（基部１７４）が、−Ｘ側（燃焼室６の径方向外側）を向けられている。これによっても、プラグ被りの発生を抑制することができる。

燃焼室６内には、図１２の白抜き矢印で示すように、環状のキャビティ５Ｃ（小キャビティ５１と大キャビティ５２との組み合わせ）の外縁部分を周回するようにスワール流ＦＳが生じる。そして、新気と燃料との混合気がスワール流ＦＳにより点火プラグ１７の着火部１７Ａの近傍へと導かれる。

ここで、環状のキャビティ５Ｃの底面に仮想線Ｌ５２Ｂを引くとき、当該底面は、箇所Ｐ１から箇所Ｐ２を通り箇所Ｐ３へと行くに従って上方（図１２の紙面手前側）に上がってくるように構成されている。このため、図１１に示すように、スワール流ＦＳに導かれた混合気が、＋Ｘ側から点火プラグ１７の着火部１７Ａ付近に向けて漸次＋Ｚ側へと持ち上げられる。よって、燃焼室６では、着火部１７Ａ近傍の残留ガスを押し流すことができる。

［効果］
本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、排気口側（＋Ｘ側）を含み燃料を噴射可能にインジェクタ１８が構成されているので、燃焼室６が高温になる高負荷運転領域においても、短時間での霧化が可能である。よって、本実施形態では、高負荷運転域におけるプリイグニッションの発生を抑制することができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、図９及び図１０を用い説明したように、燃焼室６において、ピストン５が−Ｚ側へと下降するのに伴い混合気を吸気口側へと引き込む逆スキッシュ流生成部が設けられているので、燃焼室６における全体の酸素を使って燃焼を生じさせ、エミッション性能の低下を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態では、混合気を吸気口側のＢ部分と排気口側のＡ部分との燃焼室容積の差異を以って逆スキッシュ流生成部を形成することとしているので、膨張行程時においてピストン５が−Ｚ側に向けて下降するのに伴い、吸気口側（特に、点火プラグ１７の着火部１７Ａの下方）が負圧となり、これにより排気口側で霧化された混合気を点火プラグ１７の着火部１７Ａが配設された部分へと引き込むことができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、図１０を用い説明したように、シリンダヘッド４の底面である燃焼室６の天井面６Ｕにおける吸気側天面４３と、ピストン５の冠面５０における吸気側平面部５５と、が互いに沿い、且つ、互いに近接するようになっているので、ピストン５がＴＤＣを通過した後に生じる点火プラグ１７の着火部１７Ａ付近で生じる負圧を利用して、燃焼室６内に逆スキッシュ流を生成することができる。

よって、本実施形態では、燃焼室６における全体の酸素を使って燃焼を生じさせ、エミッション性能の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態では、吸気側天面４３と吸気側平面部５５とを、それぞれ平面で構成することとしているので、これら領域を曲面で構成する場合に比べて、製造が容易であり、製造コストの上昇を抑えながら、逆スキッシュ流生成部を設けることが可能となる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、排気口側においても、排気側天面４４と排気側平面部５６とが対向するようにし、図１０（ａ）に示すように、ピストン５がＴＤＣ付近にある場合においては、排気側天面４４と排気側平面部５６とを近接させているので、燃料噴射時において、シリンダライナの排気口側に対して燃料が付着するのを抑制することができる。よって、本実施形態では、デポジットの発生を抑制することができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、＋Ｚ側からの平面視において、排気側天面４４と排気側平面部５６との対向面積を、吸気側天面４３と吸気側平面部５５との対向面積よりも小面積としているので、ピストン５が−Ｚ側に向けて下降する際における逆スキッシュ流の生成が阻害され難い。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、図１１及び図１２を用い説明したように、点火プラグ１７の着火部１７Ａに向けて深さが漸次浅くなるように、キャビティ５Ｃの底面が形成されているので、ピストン５が＋Ｚ側に向けて上昇する際において、キャビティ５Ｃ内でのスワール成分（スワール流ＦＳ）は、点火プラグ１７の着火部１７Ａに向けて持ち上げられることになる。よって、新気と燃料との混合気が点火プラグ１７の着火部１７Ａ近傍に導かれ、着火部１７Ａ近傍の残留ガスを押し流すことができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、ピストン５が−Ｚ側に向けて下降する際に生じる逆スキッシュ流を利用する場合においても、点火プラグ１７の着火部１７Ａに向けてスムーズに混合気が導かれる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、小キャビティ５１と大キャビティ５２との組み合わせよりなるキャビティ５Ｃが平面視で環状に形成されているので、図１２を用い説明したように、ピストン５がＴＤＣに近付くに従って、混合気が相対的に高温の排気口側から相対的に低温の吸気口側へと流れ、点火プラグ１７の着火部１７Ａ近傍に導かれる。そして、図４及び図１２に示すように、＋Ｚ側からの平面視において、点火プラグ１７の着火部１７Ａがキャビティ５Ｃの一部と重複するように配設されているので、優れた着火性を確保することができる。

また、本実施形態に係るエンジン本体１の燃焼室６では、燃焼室６の天井面（燃焼室天井面６Ｕ）がペントルーフ形状で形成されているので、燃焼室６内にタンブル流を形成することができ、燃焼室６全体での均質な燃焼が可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る火花点火式のエンジンの燃焼室構造を詳細に説明する。なお、第２実施形態の基本的な構造は第１実施形態と共通するため、以下の説明では、第１実施形態と共通する構成要素については同一符号を付して説明を省略又は簡略化し、主に第１実施形態に係る燃焼室構造との相違点について詳細に説明する。

図１３は、第２実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が適用されるエンジンのシリンダヘッドの要部の断面図であり、図１４は、燃焼室天井面の平面図である。

燃焼室天井面６Ｕは、第１実施形態と同様にペントルーフ型の形状である。第１実施形態の燃焼室天井面６Ｕが、図２に示すような浅型の（勾配の小さい）ペントルーフ型であるのに対して、第２実施形態の燃焼室天井面６Ｕは、深型の（勾配が大きい）ペントルーフ型である。つまり、第２実施形態の燃焼室６は、第１実施形態よりも燃焼室６の容積を大きくして圧縮比を下げた構造となっている。

このような深型のペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕにおいて、２つの吸気側開口部４１の間にインジェクタ１８を配置しながら、必要とされる各吸気側開口部４１の開口面積を確保するには、Ｘ方向において、２つの吸気側開口部４１をよりシリンダ２の中心寄りに配置する必要がある。そのため、第２実施形態では、図１４に示すように、２つの吸気側開口部４１は、それら一部分がシリンダ２の中心２ａよりも排気口側に位置するように配置されている。

これに伴い、インジェクタ１８（ノズルヘッド１８Ｎ）もシリンダ２の中心２ａから排気口側にオフセットされた配置となっている。インジェクタ１８のオフセット量は、主にモードＩＩにおける燃料噴射時、すなわち吸気行程の中期にノズルヘッド１８Ｎから噴射される燃料が、吸気側開口部４１から燃焼室６に導入される吸気の主流に乗って拡散し易い位置に設定されており、当例では、インジェクタ１８は、シリンダ２の中心２ａから約２ｍｍだけ排気口側にオフセットされている。

図２７は、吸気行程の中期の吸気の流れとインジェクタ１８との関係を説明するための断面図である。同図に示すように、吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される吸気の主流Ｍｓは、吸気ポート９の上側壁面に沿って燃焼室６に導入されつつタンブル流を形成する。このような状態において、シリンダ２の中心２ａにインジェクタ１８の中心が位置する場合には、燃料の一部は吸気の主流Ｍｓよりも下方でノズルヘッド１８Ｎから噴射されることとなり、吸気の主流Ｍｓに乗り難くなる。これに対して、インジェクタ１８がシリンダ２の中心２ａから排気口側にオフセットされた構成によれば、吸気の主流Ｍｓよりも上方又はその近傍位置でノズルヘッド１８Ｎから噴射されるため、燃料が吸気の主流Ｍｓに乗って拡散し易くなる。

なお、この実施形態では、シリンダ２の中心２ａからインジェクタ１８（ノズルヘッド１８Ｎ）の中心が約２ｍｍだけ排気口側にオフセットされているが、この場合のオフセット量は、インジェクタ１８から噴射される燃料が吸気の主流Ｍｓに乗って良好に拡散されるように設定されていればよく、例えば、シリンダ２の中心２ａから、当該シリンダ２の直径（ボア径）の２〜５％の範囲内で排気口側にオフセットされているのが好適である。

第２実施形態のピストン５の冠面５０もキャビティ５Ｃ、吸気側平面部５５、排気側平面部５６及び一対の側方上面５７を含む点で第１実施形態と構成が共通している。しかし、以下の点で第１実施形態と具体的な構造が相違している。

図１５は、ピストン５に対する点火プラグ１７及びインジェクタ１８の配置関係を示す斜視図、図１６は、同配置関係を示す平面図である。図１８は、ピストン５の冠面５０の平面図であり、図１８〜図２０は、それぞれピストン５の正面図（吸気口側から視た図）、背面図（排気口側から視た図）、側面図であり、図２１、図２２は、それぞれ図１７のＸＸＩ−ＸＸＩ線、ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面図である。また、図２３は、排気側から視たピストン５の斜視図であり、図２４は、吸気口側から視たピストン５の斜視図である。

第２実施形態のキャビティ５Ｃは、小キャビティ５１と大キャビティ５２とが稜線５４により区切られることなく（換言すれば、稜線５４を介することなく）滑らかに連続した形状を有している。つまり、キャビティ５Ｃは、図１７に示すように、凸部５３とこれを取り囲むように滑らかに連続する一つの環状のキャビティ（以下、環状キャビティ５８と称す）とを含む。環状キャビティ５８は、稜線５４により区切られていないが、第１実施形態と同様に、環状キャビティ５８（キャビティ５Ｃ）の底面は、排気側から点火プラグ１７の着火部１７Ａの真下へと行くのに従って、上方（＋Ｚ側）へと漸次上がっている。

図１７〜図２０に示すように、冠面５０のうち、吸気側平面部５５と環状キャビティ５８との間であってかつ一対の側方上面５７の間には、吸気側斜面部６１が設けられ、排気側平面部５６と環状キャビティ５８との間であってかつ一対の側方上面５７の間には排気側斜面部６２が設けられている。

吸気側斜面部６１は、吸気側平面部５５の末端部分から排気口側に向かって先上がりに傾斜する平坦な斜面であり、排気側斜面部６２は、排気側平面部５６の末端部分から吸気側に向かって先上がりに傾斜する平坦な斜面である。図２５に示すように、各斜面部６１、６２は、ピストン５が上死点位置にあるときに、燃焼室天井面６Ｕのペントルーフ部分に近接して対向し、当該ペントルーフ部分と略平行に延びる面である。なお、燃焼室天井面６Ｕが深型のペントルーフ型であるため、冠面５０のうち各側方上面５７に対応する部分は、当該燃焼室天井面６Ｕに向かって錐台状に突出している。以下の説明では、この錐台状の突出部分のことを側方上面部５７と称する場合がある。

環状キャビティ５８は、冠面５０において排気口側に偏って形成されている。凸部５３は、図１７に示すように、気筒軸方向視においてＸ方向の寸法５３ＸがＹ方向の寸法５３Ｙよりも大きい、つまりＸ方向に細長いオーバル形状（長円形）を有している。凸部５３の中心５３ａは、インジェクタ１８に対応して冠面５０の中心５ａ（シリンダ２の中心２ａ）から排気口側にオフセットされており、これにより、凸部５３の中心はインジェクタ１８（ノズルヘッド１８Ｎ）の直下に位置している。

環状キャビティ５８は、当該環状キャビティ５８を区画する周縁である内周縁５８１と外周縁５８２とを含む。内周縁５８１は、凸部５３との境界線となり、外周縁５８２は、吸気側斜面部６１、排気側斜面部６２及び側方上面５７との境界線となる。

外周縁５８２のうち、冠面５０の中心５ａ（図１７中のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線）よりも排気側の部分（排気側外周縁５８２ｂ）であって側方上面５７との境界線となる部分は、当該中心５ａを中心とする略真円に沿った円弧状であり、他方、冠面５０の中心５ａよりも吸気口側の部分（吸気側外周縁５８２ａ）であって側方上面５７との境界線となる部分は、当該中心５ａを中心とする楕円又はＹ方向に細長い長円に沿った円弧状である。このように、環状キャビティ５８及び凸部５３が形成される結果、当該環状キャビティ５８は冠面５０において排気口側に偏っている。

第２実施形態では、図１３及び図１５に示すように、点火プラグ１７は第１実施形態とは反対の向きで燃焼室天井面６Ｕ（プラグ凹部４５）に配置されている。具体的には、点火プラグ１７は、接地電極１７２の先端、すなわち対向部１７３の反基部側の末端が、気筒軸方向視において燃焼室６の径方向内側を向くように配置されている。燃焼室天井面６Ｕが深型のペントルーフ型とされ、冠面５０に吸気側斜面部６１が設けられている第２実施形態では、このように点火プラグ１７が配置されることで、圧縮行程時に着火部１７Ａの周りの掃気効果を高めるようにされている。つまり、ピストン５の冠面５０に、燃焼室天井面６Ｕのペントルーフ部分に対応する吸気側斜面部６１が設けられる第２実施形態では、圧縮行程時に、燃焼室天井面６Ｕの吸気側天面４３とピストン５の吸気側平面部５５との間で吸気又は混合気が圧縮されるに伴い、図２６中に矢印で示すように、吸気側斜面部６１に沿って燃焼室天井面６Ｕに向かうスキッシュ流が生成される。この際、接地電極１７２の先端が燃焼室６の径方向内側を向くように点火プラグ１７が配置されていることで、当該スキッシュ流によりプラグ凹部４５内の残留ガスを押し出し易くなる。つまり、着火部１７Ａの周りの掃気効果が高められる。

環状キャビティ５８のキャビティ形状は、モードＩにおいて、ピストン５が圧縮上死点位置又はその近傍にあるときにインジェクタ１８から噴射される燃料を燃焼室天井面６Ｕに沿って円滑に巻き上げることが可能な形状とされている。詳しくは、環状キャビティ５８は、図２５に示すように、当該環状キャビティ５８の内周側に位置し、ピストン５が圧縮上死点位置又はその近傍にあるときにインジェクタ１８から噴射された燃料を凸部５３に沿って外向きに案内する助走部５９ａと、この助走部５９ａの外周に位置し、当該助走部５９ａに沿って案内される燃料を燃焼室天井面６Ｕに向かって巻き上げる巻き上げ部５９ｂとを含む。助走部５９ａは凸部５３に滑らかに連続する断面円弧状であり、巻き上げ部５９ｂは助走部５９ａよりも曲率半径が小さい断面円弧状である。吸気側斜面部６１及び排気側斜面部６２に対応する部分では、これら斜面部６１、６２が設けられている分、巻き上げ部５９ｂがより上方まで延在している。これにより、図２５中に破線矢印で示すように、ノズルヘッド１８Ｎから噴射される燃料が燃焼室天井面６Ｕのペントルーフ部分に沿って効果的に巻き上げられ、燃料の霧化促進が図られるようになっている。

なお、環状キャビティ５８の吸気側外周縁５８２ａのうち、一対の側方上面５７の末端に対応する部分（図１６の破線丸枠の部分／本発明のプラグ指向部に相当する）は、気筒軸方向視で点火プラグ１７の着火部１７Ａに湾曲して指向している。すなわち、一対の側方上面５７の末端に対応する部分から吸気側外周縁５８２ａを延長したとすると、吸気側外周縁５８２ａが着火部１７Ａを通るように、当該吸気側外周縁５８２ａのうち一対の側方上面５７の末端に対応する部分が形成されている。これにより、図１６中の矢印で示すように、環状キャビティ５８に沿って排気口側から吸気口側に流れる混合気が着火部１７Ａに向かって案内されるようになっている。

第２実施形態のピストン５においては、図１８〜図２０に示すように、当該ピストン５のピストンヘッド５Ａの上端部外周に段差部６３が形成されている。この段差部６３は、膨張行程において、当該ピストンヘッド５Ａの上端部外周面とシリンダ２の内周面との間に未燃焼ガスを逃がすための隙間を形成するためのものであり、これによりノック音の発生が抑制されるようになっている。

以上が第２実施形態の燃焼室構造である。第２実施形態の燃焼室構造は、燃焼室６の容積を大きくして圧縮比を下げるために、燃焼室天井面６Ｕが深型のペントルーフ型とされたものであるが、基本的な構造は第１実施形態と共通する。そのため、第２実施形態の燃焼室構造についても第１実施形態の燃焼室構造とほぼ同等の作用効果を享受することができる。すなわち、膨張行程においてピストン５が−Ｚ側へと下降する際には、混合気を吸気口側へと引き込む逆スキッシュ流が生成され、燃焼室６における全体の酸素を使って燃焼を生じさせ、エミッション性能の低下を抑制することが可能となる。また、圧縮行程においてピストン５が＋Ｚ側に向けて上昇する際には、環状キャビティ５８内でのスワール成分（スワール流ＦＳ）が、点火プラグ１７の着火部１７Ａに向かって持ち上げられることになる。よって、点火プラグ１７の着火部１７Ａ近傍の残留ガスを押し流すことができ、着火安定性の向上を図ることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る火花点火式のエンジンの燃焼室構造を詳細に説明する。第３実施形態の基本的な構造は第２実施形態と共通するため、以下の説明では、主に第２実施形態に係る燃焼室構造との相違点について詳細に説明する。

図２８は、第３実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が適用されるエンジンの要部断面図である。また、図２９〜図３２は、ピストン５を示しており、具体的は、図２９は斜視図で、図３０は平面図で、図３１及び図３２は断面図でそれぞれピストン５を示している。

第３実施形態のピストン５の冠面５０もキャビティ５Ｃ（気筒軸方向視においてほぼ円形の外縁を有するキャビティ）、吸気側平面部５５、排気側平面部５６、一対の側方上面５７（側方上面部５７）、吸気側斜面部６１及び排気側斜面部６２を含む点で第２実施形態と構成が共通している。しかし、以下の点で第２実施形態と具体的な構造が相違している。

第２実施形態では、冠面５０には、凸部５３とこれを取り囲む環状キャビティ５８とを含むキャビティ５Ｃが設けられていたが、第３実施形態では、下向きに（−Ｚ側）に凹入した一つの椀状のキャビティ５Ｃが冠面５０に設けられている。

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

図３１に示すように、キャビティ５Ｃにおいて、底面部５１１は、曲率半径Ｒ_５１１の湾曲面を以って構成されており、側方立面部５１２は、曲率半径Ｒ_５１２の湾曲面を以って構成されている。曲率半径Ｒ_５１２は曲率半径Ｒ_５１１よりも小さい。つまり、側方立面部５１２は、底面部５１１よりもＺ方向に立ち上がった湾曲面を以って構成されている。なお、側方立面部５１２と底面部５１１とは、互いの境界部分Ｐ_５１で湾曲面同士が接している。

図３０に示すように、側方立面部５１２は側方上面部５７に対応するキャビティ５Ｃの側面であり、この図３０及び図２８から見てとれるように、各側方立面部５１２は、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）にある場合に、間に点火プラグ１７の着火部１７Ａを挟み得るような位置まで立ち上がっている（図２８の二点鎖線参照）。これにより、側方立面部５１２は、圧縮行程中におけるピストン５の上昇に伴って、燃焼室６内における筒内流動がキャビティ５Ｃ内に集約される際に、混合気の流れを点火プラグ１７の着火部１７Ａに向けて導く案内部として機能する。なお、詳細図は示していないが、第３実施形態では、点火プラグ１７は、第１実施形態と同様に、接地電極１７２の先端、すなわち対向部１７３の反基部側の末端が、気筒軸方向視において燃焼室６の径方向外側を向くように配置されている。

側方立面部５１２と同様に、排気側立面部５１３及び吸気側立面部５１４も底面部５１１よりもＺ方向に立ち上がった湾曲面を以って構成されており、底面部５１１と境界部分で接している。そして、図３０に示すように、排気側立面部５１３は、排気側斜面部６２に稜線を介して連続し、吸気側立面部５１４は、吸気側斜面部６１に稜線を介して連続している。

なお、この第３実施形態に係るエンジン本体１は、上述したようなモードＩＩと、図３３に示すモードＩＩＩの燃焼噴射時期及び点火タイミングで運転を成立させる。モードＩＩはＳＩ燃焼の際に採用され、モードＩＩＩはＳＩＣＩ燃焼の際に主に採用される。そのため、エンジンの高回転域では主にモードＩＩが選択され、高負荷低回転域から高負荷中回転域では主にモードＩＩＩが選択される。

モードＩＩＩの燃料噴射期間ＰＦ３、ＰＦ４は吸気行程の中期および圧縮行程の後期であり、点火タイミングは膨張行程の初期である。即ち、排気工程におけるＴＤＣからピストン５が行程の半分程度下降するクランク角ＣＡ４を挟んだタイミングＴ３１〜Ｔ３２が前段の燃料噴射期間ＰＦ３とされ、圧縮工程の後期のタイミングＴ３３から圧縮行程におけるＴＤＣ直前のタイミングＴ３４が後段の燃料噴射期間ＰＦ４とされる。また、点火タイミングは、膨張行程初期の所定のクランク角＋ＣＡ５のタイミングＴ３５である。ＣＡ４は、ＴＤＣ後７０°である。後段の燃料噴射期間ＰＦ４の始期は例えば圧縮行程におけるＴＤＣ前１０°である。なお、このようにモードＩＩとモードＩＩＩとで運転を成立させる場合、図８に示す、モードＩＩの燃料噴射期間ＰＦ２の終期（タイミングＴ２２）は、例えば圧縮工程中期とされ、吸気行程から圧縮行程に亘って一括して燃料が噴射されるようにしてもよい。

以上のような第３実施形態の燃焼室構造の場合も、膨張行程においてピストン５が−Ｚ側へと下降する際には、混合気を吸気口側へと引き込む逆スキッシュ流が生成され、燃焼室６における全体の酸素を使って燃焼を生じさせ、エミッション性能の低下を抑制することが可能となる。

なお、第３実施形態では、キャビティ５Ｃが下向き（燃焼室天井面６Ｕから離れる方向）に凹入した椀状であり、内側に障害物が存在しない、つまり底面部５１１に障害物が存在しないので、キャビティ５Ｃ内の混合気をスムーズに点火プラグ１７の着火部１７Ａに導くことができるとともに、着火後の火炎伝搬がスムーズに実行される。

また、キャビティ５Ｃは、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）にあるときに点火プラグ１７の着火部１７Ａを間に挟む側方立面部５１２を備えているので、ピストン５の上昇に伴って燃焼室６内の筒内流動がキャビティ５Ｃ内に集約される際に、混合気が当該側方立面部５１２によって点火プラグ１７の着火部１７Ａ及びその周辺にスムーズに導かれる。そのため、高い着火性が実現される。

特に、キャビティ５Ｃの側方立面部５１２が湾曲面を以って構成されているとともに、当該側方立面部５１２の曲率半径Ｒ_５１２が底面部５１１の曲率半径Ｒ_５１１よりも小さくなっているので、キャビティ５Ｃ内の混合気をよりスムーズに点火プラグ１７の着火部１７Ａに導くことができるとともに、着火により形成された火炎を、燃焼室６内においてＹ方向（機関出力軸方向）にスムーズに広げることができる。

また、第３実施形態では、エンジン本体１は、筒内流動が比較的弱い吸気行程の中盤にインジェクタ１８からキャビティ５Ｃに向かって燃料噴射を実行するように構成されているので、キャビティ５Ｃ内に噴霧を集約させて、シリンダ２の内壁面への燃料付着を抑制することができる。従って、着火時に点火プラグ１７の着火部１７Ａ及びその周辺に混合気を良好に存在させることができ、これにより混合気の高い着火性を確保することができる。

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

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

また、上記第１実施形態では、小キャビティ５１と大キャビティ５２との組み合わせを以ってキャビティ５Ｃを構成することとしたが、一体の環状キャビティを構成することとしてもよいし、３つ以上のキャビティの組み合わせを以って環状キャビティを構成してもよい。

（２）上記第１〜第３実施形態では、吸気側平面部５５及び吸気側天面４３をそれぞれ平面でもうけることとしたが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、互いに対向する曲面を以って構成することとしてもよい。

（３）上記第１実施形態では、ピストン５の冠面５０に設けた小キャビティ５１と大キャビティ５２とについて、大キャビティ５２の投影面積が小キャビティ５１の投影面積よりも広く、かつ、大キャビティ５２の深さｈ２が小キャビティ５１の深さｈ１よりも深いとの構成を例として示したが、本発明はこれに限定を受けるものではない。例えば、大キャビティと小キャビティとの深さを同一とし、投影面積の差異だけで、大キャビティの容積を小キャビティの容積よりも大きくすることも可能である。

（４）上記第１〜第３実施形態では、燃焼室天井面６Ｕに２つの吸気側開口部４１が設けられてなる例を示したが、そのうちの１つの吸気側開口部４１に連通する吸気ポート９に、スワールコントロールバルブを設け、燃焼室６内におけるスワール流ＦＳを積極的に発生させることが可能な構成を採用することとしてもよい。

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

（５）上記第１〜第３実施形態では、吸気側開口部４１及び排気側開口部４２を燃焼室天井面６Ｕに開口することとしたが、本発明はこれに限定を受けるものではない。例えば、燃焼室６の上部におけるシリンダ２の側周面に開口することとしてもよい。

（６）上記第１〜第３実施形態では、燃焼室６の天井面（燃焼室天井面６Ｕ）を比較的扁平なペントルーフ形状で構成することとしたが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、より高レシオのペントルーフ形状とすることなどもできる。これによって、さらに強いタンブル流を生成するのに優位となる。

（７）上記第１実施形態では、図９に示すようなＡ部分とＢ部分との燃焼室容積の差異、及び図１０に示すような吸気側平面部５５と吸気側天面４３との組み合わせ、を以って逆スキッシュ流生成部を構成することとしたが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、Ａ部分とＢ部分との燃焼室容積の差異だけを以って逆スキッシュ流生成部を構成することとしてもよいし、逆に、吸気側平面部５５と吸気側天面４３との組み合わせだけを以って逆スキッシュ流生成部を構成することとしてもよい。

（８）上記第３実施形態では、ピストン５のキャビティ５Ｃについて（図３０のＸＸＸＩ−ＸＸＸＩ断面）、１つの底面部５１１と２つの側方立面部５１２との組み合わせを以って断面を構成することとしたが、本発明は、これに限定されない。例えば、底面部５１１と側方立面部５１２との間に湾曲面や平面が介挿された断面構成を採用することもできる。

１ エンジン本体
２ シリンダ（気筒）
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
５ ピストン
５Ｃ キャビティ
１７ 点火プラグ
１７Ａ 着火部
１８ インジェクタ
４３ 吸気側天面
４４ 排気側天面
５０ 冠面
５１ 小キャビティ
５２ 大キャビティ
５３ 凸部
５５ 吸気側平面部
５６ 排気側平面部

Claims (13)

1. 火花点火式のエンジンであって、
   ピストンの冠面と、
   シリンダヘッドに形成された燃焼室天井面と、
   前記燃焼室天井面に設けられたインジェクタ及び点火プラグと、
   前記燃焼室の天井面に開口された吸気口及び排気口と、を備え、
   前記点火プラグは、ピストンが膨張行程にあるときに点火を実行し、
   気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記点火プラグの着火部が配置された箇所を基準とし、前記吸気口が開口された側を前記燃焼室の吸気口側、前記排気口が開口された側を前記燃焼室の排気口側とするとき、
   前記ピストンは、冠面の前記吸気口側の端部と前記排気口側の端部とに、燃焼室天井面に沿って互いに非連続で形成された吸気側平面部と排気側平面部とを備え、
   前記インジェクタは、少なくとも前記排気口側に向けて燃料を噴射可能に構成されており、
   前記吸気側平面部は、前記燃焼室天井面との組み合わせを以って膨張行程中の前記ピストンの移動に伴い混合気を前記吸気口側へと引き込む逆スキッシュ流生成部として作用し、
   前記吸気側平面部は、前記排気側平面部よりも面積が大きく、
   機関出力軸方向において、前記排気側平面部の最大幅は前記吸気側平面部の最大幅よりも狭く形成されている、
   エンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンであって、
   前記ピストンの冠面は、気筒軸方向に凹設されてなるキャビティを含み、
   前記キャビティは、底面の深さが、前記排気口側から前記点火プラグの着火部の側に向けて漸次浅くなるように形成されている、
   エンジン。
3. 請求項２に記載のエンジンであって、
   気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記キャビティは、前記点火プラグの着火部と一部が重複する状態で、環状に形成されてなる、
   エンジン。
4. 請求項１から請求項３の何れかに記載のエンジンであって、
   前記燃焼室天井面は、ペントルーフ形状で形成されてなる、
   エンジン。
5. 請求項３に記載のエンジンであって、
   前記キャビティの外縁は、気筒軸方向視において前記点火プラグの着火部に指向して湾曲するプラグ指向部を有する、
   エンジン。
6. 請求項１に記載のエンジンであって、
   前記吸気側平面部と、この吸気側平面部と前記点火プラグに対応する領域との間に位置し、吸気口側から排気口側に向かって先上がりに傾斜する吸気側斜面部とが形成され、
   前記点火プラグは、前記着火部が側面視でＬ字形の接地電極を有するとともに、気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記接地電極の先端が気筒の径方向内側を向いている、
   エンジン。
7. 請求項１に記載のエンジンであって、
   前記ピストンの冠面は、気筒軸方向の一方側からの平面視で、前記逆スキッシュ流生成部よりも前記排気口側の位置において気筒軸方向に凹設されてなる椀状のキャビティを含む、
   エンジン。
8. 請求項７に記載のエンジンであって、
   前記キャビティは、気筒軸方向に湾曲した湾曲面を以って構成されており、
   気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記キャビティの周縁部のうち機関出力軸方向の両側部分は、当該周縁部の内側の領域よりも曲率半径が小さい湾曲面を以って構成されている、
   エンジン。
9. 請求項８に記載のエンジンであって、
   前記キャビティの周縁部のうち機関出力軸方向の両側部分は、前記ピストンが圧縮上死点位置にあるときに前記着火部を間に挟み得る位置にある、
   エンジン。
10. 請求項７から９の何れか一項に記載のエンジンであって、
    気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記キャビティは、前記点火プラグの着火部と一部が重複している、
    エンジン。
11. 請求項７から請求項１０の何れかに記載のエンジンであって、
    前記燃焼室天井面は、ペントルーフ形状で形成されてなる、
    エンジン。
12. 請求項７から請求項１１の何れかに記載のエンジンであって、
    前記吸気側平面部と、この吸気側平面部と前記点火プラグに対応する領域との間に位置し、吸気口側から排気口側に向かって先上がりに傾斜する吸気側斜面部とが形成され、
    前記点火プラグは、前記着火部が側面視でＬ字形の接地電極を有するとともに、気筒軸方向の一方側からの平面視において、前記接地電極の先端が気筒の径方向外側を向いている、
    エンジン。
13. 請求項１に記載のエンジンであって、
    前記ピストンは、前記吸気側平面部と排気側平面部との間で燃焼室天井面に向かって突出する一対の側方上面部を備えている、
    エンジン。