WO2018180129A1 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

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秀馬 青木
宏彰 村中
山口　直宏
好隆 和田
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マツダ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a spark ignition internal combustion engine, and more particularly, to a spark ignition internal combustion engine in which a raised portion is provided on the top surface of a piston and a cavity is provided at a position corresponding to the spark plug in the raised portion.
  • the cylinder head 4 is formed with an intake port 15 and an exhaust port 16 that open to the intake-side inclined surface 13 and the exhaust-side inclined surface 14 of the ceiling surface 12, respectively.
  • Two intake ports 15 and exhaust ports 16 are provided for each cylinder 2, and the two intake ports 15 and exhaust ports 16 are separated from each other in a direction perpendicular to the central axis 2 a of the cylinder 2 (axial direction of the crankshaft 6). It is provided to do.
  • the fuel injection valve 24 is connected to a fuel supply pipe 28 through which fuel pumped from a fuel supply system (not shown) including a fuel tank, a fuel pump, and the like flows.
  • the fuel injection valve 24 is disposed between the two intake ports 15 and has a front end surface 27 exposed to the combustion chamber 8.
  • the fuel injection valve 24 is disposed such that the front end surface 27 faces obliquely downward, and injects fuel from the front end surface 27 toward the top surface 10 of the piston 5 at a predetermined timing.
  • spark ignition by the spark plug 25 is executed in the second half of the compression stroke and in the vicinity of the compression top dead center, and the air-fuel mixture is combusted. Spark ignition is performed, for example, when the crank angle is 340 degrees.
  • fuel is injected in two portions, and an air-fuel mixture having a relatively high fuel concentration is formed around the spark plug 25 at the time of spark ignition, so that combustion stability is sufficiently high. It is supposed to be.
  • the engine 1 has a geometric compression ratio that is a ratio of the volume of the combustion chamber 8 when the piston 5 is at the top dead center and the volume of the combustion chamber 8 when the piston 5 is at the bottom dead center. Is set to 12 or more.
  • the top surface 10 of the piston 5 includes a base surface 30 that is orthogonal to the central axis 2 a of the cylinder 2, and a raised portion 31 that protrudes above the base surface 30 (on the cylinder head 4 side). And have.
  • the raised portion 31 is raised so as to be higher toward the center side of the piston 5 along the ceiling surface 12 of the combustion chamber 8.
  • a cavity 40 that is recessed downward is formed at a position corresponding to the spark plug 25 in the center of the raised portion 31.
  • the raised portion 31 extends between the intake-side inclined surface 34 and the exhaust-side inclined surface 35, and a pair of ring-shaped upper surfaces 36 extending along the peripheral edge of the cavity 40 while being inclined from the upper surface 36 toward the outer peripheral side of the piston 5.
  • the upper surface 36 is formed in a flat shape parallel to the base surface 30 in the central portion of the piston 5 (around the cavity 40).
  • the pair of side surfaces 37 are formed in a conical surface shape.
  • the cavity 40 is formed so as to delay interference with a virtual spherical surface 25c simulating a flame that grows in a spherical shape from the central ignition point 25b between the electrodes 25a of the spark plug 25.
  • the cavity 40 has a circular flat bottom surface portion 41 and a substantially cylindrical peripheral surface portion 42 that rises upward from the periphery of the bottom surface portion 41.
  • the peripheral surface portion 42 is smoothly connected to the bottom surface portion 41 by forming a lower portion thereof in a curved shape in a sectional view.
  • the peripheral surface portion 42 of the cavity 40 can also be formed in a shape that coincides with at least a part of the phantom spherical surface 25c.
  • a notch 34 a is provided at the upper end of the intake side inclined surface 34 of the piston 5, in other words, at a part of the peripheral side of the cavity 40 on the intake side.
  • the fuel spray F ⁇ b> 1 injected from the first injection port 24 a of the fuel injection valve 24 during the second injection passes through the notch 34 a and collides with the peripheral surface 42 on the exhaust side of the cavity 40.
  • the spray F ⁇ b> 1 that has collided with the peripheral surface portion 42 is guided upward by the peripheral surface portion 42 and moves toward the electrode 25 a of the spark plug 25.
  • the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 have an angle ⁇ 4 formed by the exhaust side inclined surface 35 and the side surface 37, and an angle ⁇ 3 formed by the intake side inclined surface 34 and the side surface 37, respectively.
  • the angle difference ( ⁇ 4 ⁇ 3) between the angle ⁇ 4 formed by the exhaust side inclined surface 35 and the side surface 37 and the angle ⁇ 3 formed by the intake side inclined surface 34 and the side surface 37 is 5 degrees. It is formed as described above. For example, the angle ⁇ 3 formed between the intake side inclined surface 34 and the side surface 37 is set to 162.4 degrees, and the angle ⁇ 4 formed between the exhaust side inclined surface 35 and the side surface 37 is set to 169.8 degrees. The angle difference ( ⁇ 4 ⁇ 3) between the two is set to 7.4 degrees.
  • the length L1 of the intake side inclined surface 34 is defined by the boundary edge between the intake side inclined surface 34 and the intake side horizontal surface 32 and the boundary edge between the intake side inclined surface 34 and the upper surface 36. Is the length between.
  • the length L2 of the exhaust side inclined surface 35 is the length between the boundary edge between the exhaust side inclined surface 35 and the exhaust side horizontal surface 33 and the boundary edge between the exhaust side inclined surface 35 and the upper surface 36. It is.
  • the ratio of the length L2 of the exhaust side inclined surface 35 to the length L1 of the intake side inclined surface 34 (L2 / L1) is excessively increased while the volume of the raised portion 31 is kept equal, the height of the raised portion 31 is increased.
  • the depth H1 of the cavity 40 (height of the peripheral surface portion 42) becomes excessively small, and the peripheral surface portion 42 of the cavity 40 guides the fuel during the second injection, that is, the fuel is directed around the spark plug 25. The action of moving upward will be reduced.
  • the ratio (L2 / L1) is preferably set to 1.9 or less.
  • the raised portion 31 is formed such that the ratio of the height H2 of the raised portion 31 to the inner diameter D2 of the cylinder 2 (H2 / D2) is 0.08 or less.
  • the height H ⁇ b> 2 of the raised portion 31 is a height from the base surface 30 (the intake side horizontal surface 32 and the exhaust side horizontal surface 33) of the top surface 10 of the piston 5 to the upper surface 36.
  • the ratio (H2 / D2) of the height H2 of the raised portion 31 to the inner diameter D2 of the cylinder 2 is set to 0.066 to 0.078.
  • the ratio of the height H2 of the raised portion 31 to the inner diameter D2 of the cylinder 2 (H2 / D2) is excessively reduced while maintaining the volume of the raised portion 31 to be equal, the height of the raised portion 31 and consequently the cavity 40
  • the depth H1 (height of the peripheral surface portion 42) becomes excessively small, and the peripheral surface portion 42 of the cavity 40 guides the fuel during the second injection, that is, the effect of moving the fuel upward around the spark plug 25. It will decline.
  • the ratio (H2 / D2) is preferably set to 0.056 or more.
  • the ratio of the length L3 of the upper surface 36 to the length L4 of the second inclined surface 37b (L3 / L4) is excessively reduced while maintaining the volume of the raised portion 31 to be equal, the height H2 of the raised portion 31 is increased.
  • the depth H1 of the cavity 40 (height of the peripheral surface portion 42) becomes excessively small, and the peripheral surface portion 42 guides the fuel during the second injection, that is, the fuel moves upward toward the spark plug 25. The effect of making it fall.
  • the raised portion 31 including the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 is provided on the top surface 10 of the piston 5, A cavity 40 is provided at a position corresponding to the spark plug 25 in the raised portion 31, and an intake port 15 capable of generating a tumble flow is provided in the cylinder head 4.
  • the intake-side inclined surface 34 and the exhaust-side inclined surface 35 have an inclination angle ⁇ 2 of the exhaust-side inclined surface 35 smaller than the inclination angle ⁇ 1 of the intake-side inclined surface 34, and the intake-side inclined surface 34 and the exhaust-side inclined surface.
  • the inclination angle difference ( ⁇ 1 ⁇ 2) with respect to 35 is 4 degrees or more.
  • the raised portion 31 is provided on the top surface 10 of the piston 5, the volume of the combustion chamber 8 is narrowed by the raised portion 31, and the geometric compression ratio can be increased. Moreover, since the cavity 40 is provided in the position corresponding to the ignition plug 25 in the protruding part 31, interference with piston 5 and a flame can be delayed and flame propagation property can be improved.
  • the exhaust-side inclined surface 35 is a surface with which the tumble flow comes into contact when the tumble flow flows from the exhaust side to the intake side along the top surface 10 of the piston 5.
  • the small angle ⁇ ⁇ b> 2 leads to a reduction in the effect that the tumble flow is decelerated (inhibited) by the raised portion 31. Thereby, since the tumble flow is maintained at a high speed, the energy of the turbulent flow generated by the collapse of the tumble flow can be increased, and the fuel consumption performance can be improved by shortening the combustion period.
  • the intake side inclined surface 34 is provided to be orthogonal to the valve axis 20 d of the intake valve 20, and the exhaust side inclined surface 35 is provided to be orthogonal to the valve axis 21 d of the exhaust valve 21.
  • the intake side inclined surface 34 is parallel to the umbrella bottom surface 20c of the intake valve 20 and the exhaust side inclined surface 35 is parallel to the umbrella bottom surface 21c of the exhaust valve 21.
  • the flow path of the blow-through flow flowing into the can be secured at a substantially constant height.
  • both the intake valve 20 and the exhaust valve 21 are opened in the exhaust stroke, and the intake port 15 A blow-through flow that flows from the exhaust port 16 to the exhaust port 16 may be formed.
  • the inclined surfaces 34 and 35 and the umbrella bottom surfaces 20c and 21c are parallel to each other as described above, the flow passage height of the blow-through flow becomes substantially constant, so that the growth of the blow-through flow is hardly hindered. Become.
  • the scavenging performance of the residual exhaust gas is improved and the temperature of the combustion chamber 8 is lowered, so that the occurrence of abnormal combustion due to the high compression ratio can be prevented, and the fuel efficiency can be improved.
  • the engine 51 according to the second embodiment also includes the cylinder 2, the piston 55 disposed so as to be reciprocable in the cylinder 2, and the ceiling surface 12 of the combustion chamber 8.
  • An intake port 15 capable of generating a tumble flow in the combustion chamber 8 is provided in the cylinder head 4.
  • the engine 51 has a geometric compression ratio set to 12 or more.
  • the top surface 60 of the piston 55 has a base surface 30 orthogonal to the central axis 2 a of the cylinder 2, and And a raised portion 61 that is raised above the base surface 30 (on the cylinder head 4 side).
  • the raised portion 61 is raised so as to be higher toward the center side of the piston 55 along the ceiling surface 12 of the combustion chamber 8.
  • a cavity 40 that is recessed downward is formed at a position corresponding to the spark plug 25 in the center of the raised portion 61.
  • the base surface 30 has an intake side horizontal surface 62 and an exhaust side horizontal surface 63.
  • An intake valve recess 62 a that is recessed downward is provided at a position corresponding to the intake valve 20 on the intake side horizontal surface 62 in order to avoid contact with the intake valve 20.
  • the raised portion 61 has an intake-side inclined surface 64 that is inclined along the intake-side inclined surface 13 of the ceiling surface 12, and an exhaust-side inclined surface 65 that is inclined along the exhaust-side inclined surface 14 of the ceiling surface 12. Yes.
  • the intake side inclined surface 64 and the exhaust side inclined surface 65 are each formed in a planar shape.
  • An exhaust valve recess 65 a that is recessed downward is provided at a position corresponding to the exhaust valve 21 on the exhaust-side inclined surface 65 of the raised portion 61 in order to avoid contact with the exhaust valve 21.
  • the exhaust valve recess 65 a is formed so that the bottom surface thereof is parallel to the umbrella bottom surface 21 c of the exhaust valve 21.
  • the raised portion 61 includes a ring-shaped upper surface 66 along the peripheral edge of the cavity 40 between the intake-side inclined surface 64 and the exhaust-side inclined surface 65, and a pair of side surfaces extending while being inclined from the upper surface 66 to the outer peripheral side of the piston 55. 67.
  • the pair of side surfaces 67 are not divided by the cavity 40 and are continuous with each other on the exhaust side of the cavity 40.
  • the upper surface 66 is formed in a planar shape parallel to the base surface 30 in the central portion of the piston 55 (around the cavity 40).
  • the pair of side surfaces 67 are formed in a conical surface shape.
  • the geometric compression ratio is increased by providing the raised portion 61 on the top surface 60 of the piston 55, and the cavity 40 is positioned at the position corresponding to the spark plug 25 in the raised portion 61. Is provided so that the interference between the initial flame surface and the piston 55 is delayed to improve the flame propagation property.
  • the intake-side inclined surface 64 and the exhaust-side inclined surface 65 of the raised portion 61 have an inclination angle ⁇ 2 of the exhaust-side inclined surface 65 with respect to the base surface 30 as shown in FIG.
  • the inclination surface 64 is formed to be smaller than the inclination angle ⁇ 1, and the inclination angle difference ( ⁇ 1 ⁇ 2) between the intake side inclination surface 64 and the exhaust side inclination surface 65 is 4 degrees or more.
  • the inclination angle ⁇ 1 of the intake side inclined surface 64 is set to 23 degrees and the inclination angle ⁇ 2 of the exhaust side inclined surface 65 is set to 15.1 degrees
  • the difference in inclination angle between both ( ⁇ 1 ⁇ 2) is set.
  • the raised portion 61 including the intake side inclined surface 64 and the exhaust side inclined surface 65 is provided on the top surface 60 of the piston 55.
  • a cavity 40 is provided at a position corresponding to the spark plug 25 in the raised portion 61, and an intake port 15 capable of generating a tumble flow is provided in the cylinder head 4.
  • the intake-side inclined surface 64 and the exhaust-side inclined surface 65 have an inclination angle ⁇ 2 of the exhaust-side inclined surface 65 smaller than the inclination angle ⁇ 1 of the intake-side inclined surface 64, and the intake-side inclined surface 64 and the exhaust-side inclined surface.
  • the inclination angle difference ( ⁇ 1 ⁇ 2) with respect to 65 is 4 degrees or more.
  • the simulation analysis was performed on the engine 1 including the piston 5 in which the inclination angle between the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 of the raised portion 31 of the first embodiment was variously changed. Specifically, the engine 1 having the piston 5 in which the difference in inclination angle ( ⁇ 1 ⁇ 2) between the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 is variously maintained while maintaining the volume of the raised portion 31 to be equal.
  • the simulation analysis was performed under the operating conditions of the above, and the turbulent energy of the mixture in the combustion chamber 8 at the top dead center of the piston 5 was examined.
  • FIG. 16 is a graph obtained by the above-described simulation analysis. The difference in inclination angle ( ⁇ 2 ⁇ 1) between the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 and the inside of the combustion chamber 8 at the top dead center of the piston 5 are shown. The relationship with the turbulent energy of the air-fuel mixture is shown.
  • An engine provided with a conventional piston in which the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 have substantially the same inclination angle is used as a conventional example, and an inclination angle difference between the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 (
  • An engine including the piston 5 according to this embodiment in which ⁇ 2 ⁇ 1) is set to 4 degrees or more is taken as an example.
  • the results obtained when the tilt angle ⁇ 1 is set to 23 degrees and the tilt angle ⁇ 2 is set to 22 degrees are displayed as black square plots.
  • a spark ignition internal combustion engine includes a cylinder, a piston disposed in the cylinder so as to be capable of reciprocating, and a pent roof type combustion disposed on the cylinder and together with an inner peripheral surface of the cylinder and a top surface of the piston.
  • a cylinder head that forms a chamber; and a spark plug disposed on the cylinder head so as to face the combustion chamber.
  • the top surface of the piston is provided with a raised portion having an intake side inclined surface and an exhaust side inclined surface along the ceiling surface of the combustion chamber.
  • a cavity recessed downward is provided at a position corresponding to the spark plug in the raised portion.
  • the cylinder head is provided with an intake port capable of generating a tumble flow in the combustion chamber.
  • the exhaust side inclined surface is a surface that comes into contact with the tumble flow when the tumble flow flows from the exhaust side to the intake side along the top surface of the piston. This reduces the effect of the tumbling portion decelerating (inhibiting) the tumble flow. Thereby, since the tumble flow is maintained at a high speed, the energy of the turbulent flow generated by the collapse of the tumble flow can be increased, and the fuel consumption performance can be improved by shortening the combustion period.

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Abstract

吸気側傾斜面（３４）及び排気側傾斜面（３５）を含む***部（３１）がピストン（５）の頂面（１０）に設けられると共に、***部（３１）における点火プラグに対応する位置にキャビティ（４０）が設けられた火花点火式内燃機関において、吸気側傾斜面（３４）及び排気側傾斜面（３５）は、排気側傾斜面（３５）の傾斜角度が吸気側傾斜面（３４）の傾斜角度よりも小さくなり、且つ吸気側傾斜面（３４）と排気側傾斜面（３５）との傾斜角度差が４度以上であるように形成される。

Description

火花点火式内燃機関
　本発明は、火花点火式内燃機関に関し、特に、ピストンの頂面に***部が設けられると共に当該***部における点火プラグに対応する位置にキャビティが設けられた火花点火式内燃機関に関する。
　自動車等の車両に搭載されるペントルーフ型の燃焼室を有する火花点火式内燃機関において、ピストンの頂面に***部を設けて幾何学的圧縮比を高めると共に、***部の中央であって点火プラグに対応する位置に下方に窪むキャビティを設けることが知られている。この種の内燃機関では、点火プラグによる点火後に初期火炎面がピストンの頂面と干渉する時期を遅らせることができる。これにより、火炎伝播性が高まり、燃費性能が向上する。
　例えば特許文献１には、図１７に示すような火花点火式内燃機関が開示されている。この図１７に示される内燃機関１００は、ペントルーフ型の燃焼室１０１と、燃焼室１０１の天井面１０２を規定するシリンダヘッドに形成された吸気ポート１０３及び排気ポート１０４と、シリンダヘッドに取り付けられた点火プラグ１０５及び燃料噴射弁１０６とを有している。点火プラグ１０５は、天井面１０２の中央部（吸気ポート１０３及び排気ポート１０４の間）に配設されている。燃料噴射弁１０６は、天井面１０２の中央部よりも吸気側にオフセットした位置に配設されている。
　特許文献１の内燃機関１００では、燃焼室１０１の底面を規定するピストン１０７の頂面１０８に、燃焼室１０１の天井面１０２に沿った吸気側傾斜面１０９及び排気側傾斜面１１０を有する***部１１１が形成されている。***部１１１の中央であって点火プラグ１０５に対応する位置には、下方に窪むキャビティ１１２が形成されている。これにより、幾何学的圧縮比を１３以上としながら、火炎伝播性を高めて燃費性能を向上できるとされている。
　火花点火式内燃機関では、吸気ポートとして、燃焼室内にタンブル流（縦渦）を生成可能な所謂タンブルポートが採用されることがある。タンブルポートが採用された火花点火式内燃機関では、ピストンが圧縮上死点に近づくにつれて（つまり燃焼室が縮小するにつれて）崩壊するタンブル流から生じる乱流によって燃焼が促進され、燃費性能の向上が図られる。図１７に矢印１１３で示すように、タンブル流は、吸気ポート１０３から下方且つ排気側に向かって流れた後、シリンダの内周面に沿って方向転換し、ピストン１０７の頂面１０８に沿って排気側から吸気側へと流れる。さらに、タンブル流は、吸気側においてシリンダの内周面に沿って上方に方向転換した後、燃焼室の天井面１０２に沿って吸気側から排気側へと流れる。
　しかしながら、上記特許文献１のような***部及びキャビティを有するピストンを採用した火花点火式内燃機関では、タンブル流がピストンの頂面に沿って排気側から吸気側に流れる際に、***部によってタンブル流が阻害されて、タンブル流が減速されやすいという問題があった。タンブル流の減速は、タンブル流の崩壊により生じる乱流のエネルギを減少させ、燃焼促進効果を低減するので、燃費性能の面で好ましくない。
特開２０１０－１４０８１号公報
　そこで、本発明は、ピストンの頂面に***部が設けられると共に当該***部における点火プラグに対応する位置にキャビティが設けられた火花点火式内燃機関において、ピストンの頂面におけるタンブル流の減速作用を軽減し、もって燃費性能を向上させることを課題とする。
　前記課題を解決するための本発明の火花点火式内燃機関は、シリンダと、前記シリンダ内に往復動可能に配置されたピストンと、前記シリンダ上に配設されると共に前記シリンダの内周面及び前記ピストンの頂面と共にペントルーフ型の燃焼室を形成するシリンダヘッドと、前記燃焼室に臨むように前記シリンダヘッドに配設された点火プラグとを備える。前記ピストンの頂面には、前記燃焼室の天井面に沿った吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を有する***部が設けられる。前記***部における前記点火プラグに対応する位置には、下方に窪むキャビティが設けられる。前記シリンダヘッドには、前記燃焼室内にタンブル流を生成可能な吸気ポートが設けられる。前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面は、前記排気側傾斜面の傾斜角度が前記吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなり、且つ前記吸気側傾斜面と前記排気側傾斜面との傾斜角度差が４度以上となるように形成される。
本発明の第１実施形態に係る火花点火式内燃機関の構成を示す概略図である。 前記内燃機関のピストン、燃料噴射弁及び点火プラグを示す斜視図である。 燃料噴射弁の先端面を示す斜視図である。 燃料噴射のタイミングを示すタイムチャートである。 燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧を説明するための説明図である。 ピストンの斜視図である。 ピストンの平面図である。 図７におけるＹ８－Ｙ８線に沿ったピストンの断面図である。 図７におけるＹ９－Ｙ９線に沿ったピストンの断面図である。 図７におけるＹ１０－Ｙ１０線に沿ったピストンの断面図である。 ***部に設けられたキャビティの形状を説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態に係る火花点火式内燃機関のピストンの斜視図である。 前記内燃機関のピストンの平面図である。 図１３におけるＹ１４－Ｙ１４線に沿ったピストンの断面図である。 図１３におけるＹ１５－Ｙ１５線に沿ったピストンの断面図である。 ***部の吸気側傾斜面と排気側傾斜面との傾斜角度差と乱流エネルギとの関係を示すグラフである。 従来の火花点火式内燃機関を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
　図１は、本発明の第１実施形態に係る火花点火式内燃機関の構成を示す概略図である。図２は、前記内燃機関のピストン、燃料噴射弁及び点火プラグを示す斜視図である。図１及び図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る火花点火式内燃機関としてのエンジン１は、複数のシリンダ２が列状に配置された多気筒のガソリンエンジンであり、自動車等の車両に搭載される。エンジン１は、内部にシリンダ２が形成されたシリンダブロック３と、シリンダ２を上から閉塞するようにシリンダブロック３上に配設されたシリンダヘッド４とを備えている。なお、図１及び図２において、「ＩＮ」は吸気側を示し、「ＥＸ」は排気側を示す（他図でも同様）。
　シリンダ２内には、ピストン５が往復動可能に配置されている。ピストン５は、シリンダブロック３の下部に回転自在に支持されたクランクシャフト６にコンロッド７を介して連結され、ピストン５の往復運動がクランクシャフト６の回転運動に変換されるようになっている。
　ピストン５の上方には、シリンダ２の内周面９とピストン５の頂面１０とシリンダヘッド４の下面１１とに囲まれたペントルーフ型の燃焼室８が形成されている。シリンダヘッド４の下面１１のうち燃焼室８を覆う部分である天井面１２は、ペントルーフ状（三角屋根状）に形成され、吸気側及び排気側においてそれぞれ傾斜する吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４を有している。吸気側傾斜面１３は、シリンダ２の中心軸２ａと直交する直交面とのなす角度が２３度になるように形成され、排気側傾斜面１４は、シリンダ２の中心軸２ａと直交する直交面とのなす角度が１７度になるように形成されている。
　シリンダヘッド４には、天井面１２の吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４にそれぞれ開口する吸気ポート１５及び排気ポート１６が形成されている。各シリンダ２につき２つの吸気ポート１５及び排気ポート１６が設けられ、２つの吸気ポート１５及び排気ポート１６は、それぞれ、シリンダ２の中心軸２ａと直交する方向（クランクシャフト６の軸方向）に離間するように設けられている。
　吸気ポート１５には、燃焼室８に空気を供給する吸気通路１７が接続され、排気ポート１６には、燃焼室８から燃焼ガス（排気ガス）を排出する排気通路１８が接続されている。排気通路１８には、排気ガスを浄化する触媒を備えた触媒装置（不図示）が介設されている。
　吸気ポート１５は、燃焼室８内にタンブル流が生成されるように、燃焼室８から斜め上方に直線状に延びる状態で燃焼室８の天井面１２に開口している。吸気ポート１５からの吸気の導入に伴い、燃焼室８内には、図２の矢印１９で示すタンブル流が生成される。タンブル流は、吸気ポート１５から下方且つ排気側に向かって流れた後、シリンダ２の内周面９に沿って方向転換し、ピストン５の頂面１０に沿って排気側から吸気側へと流れる。さらに、タンブル流は、吸気側においてシリンダ２の内周面９に沿って上方に方向転換した後、燃焼室８の天井面１２に沿って吸気側から排気側へと流れる。
　シリンダヘッド４には、吸気ポート１５及び排気ポート１６をそれぞれ開閉する吸気弁２０及び排気弁２１が配設されている。吸気弁２０は、クランクシャフト６に連動連結された吸気カムシャフト２２によって駆動され、吸気行程中に燃焼室８に空気が導入されるように所定のタイミングで吸気ポート１５を開閉する。排気弁２１は、クランクシャフト６に連動連結された排気カムシャフト２３によって駆動され、排気行程中に燃焼室８から排気ガスが排出されるように所定のタイミングで排気ポート１６を開閉する。
　シリンダヘッド４には、図示しない可変バルブ機構が設けられる。可変バルブ機構は、吸気弁２０及び排気弁２１が吸気ポート１５及び排気ポート１６を開閉するタイミングを変更する。可変バルブ機構は、排気行程において吸気弁２０及び排気弁２１の双方を開弁させることがある。これは、吸気ポート１５からの吸気を利用して残留排気ガスを排出するためである。
　吸気弁２０は、弁軸部２０ａと、その下端部に形成された傘部２０ｂとを有している。傘部２０ｂの底面である傘部底面２０ｃは、弁軸部２０ａの中心軸であるバルブ軸線２０ｄと直交し且つ天井面１２の吸気側傾斜面１３と平行になるように形成されている。すなわち、吸気弁２０の傘部底面２０ｃは、シリンダ２の中心軸２ａと直交する直交面とのなす角度が２３度になるように形成されている。
　排気弁２１は、弁軸部２１ａと、その下端部に形成された傘部２１ｂとを有している。傘部２１ｂの底面である傘部底面２１ｃは、弁軸部２１ａの中心軸であるバルブ軸線２１ｄと直交し且つ天井面１２の排気側傾斜面１４と平行になるように形成されている。すなわち、排気弁２１の傘部底面２１ｃは、シリンダ２の中心軸２ａと直交する直交面とのなす角度が１７度になるように形成されている。
　シリンダヘッド４には、燃焼室８内に燃料を噴射する燃料噴射弁２４と、当該噴射によって燃焼室８内に形成される燃料と空気とを含む混合気に点火する点火プラグ２５とが備えられている。燃料噴射弁２４は、天井面１２の吸気側の周縁部において燃焼室８を臨むように配設されている。点火プラグ２５は、天井面１２の中央部において燃焼室８を臨むように配設されている。
　点火プラグ２５は、その先端部の電極２５ａが燃焼室８内に露出するようにシリンダヘッド４に取り付けられている。点火プラグ２５には、シリンダヘッド４の上部に設けられた点火コイルユニット２６が接続されている。点火コイルユニット２６は、所定のタイミングで点火プラグ２５の電極２５ａから火花を生じさせ、燃焼室８内の混合気に点火する。
　燃料噴射弁２４には、燃料タンクや燃料ポンプ等を含む燃料供給システム（不図示）から圧送される燃料が流通する燃料供給管２８が接続されている。燃料噴射弁２４は、２つの吸気ポート１５の間に配置されると共に、燃焼室８に露出する先端面２７を有している。燃料噴射弁２４は、先端面２７が斜め下方を向くように配置され、当該先端面２７からピストン５の頂面１０に向けて所定のタイミングで燃料を噴射する。
　図３は、燃料噴射弁２４の詳細を示す斜視図である。図３に示すように、燃料噴射弁２４は、その先端面２７に複数の噴口を有するマルチホール型の噴射弁である。先端面２７は、上下方向に延びる中心軸２７ａに対して左右対称に配置された複数の噴口２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを有している。具体的に、先端面２７は、上段中央に位置する１つの第１噴口２４ａと、中段上寄りに位置する２つの第２噴口２４ｂと、中段下寄りに位置する２つの第３噴口２４ｃと、下段中央に位置する１つの第４噴口２４ｄとを有している。第１噴口２４ａ及び第４噴口２４ｄは、ともに中心軸２７ａ上に配置されている。第２噴口２４ｂは、中心軸２７ａを挟んだ左右２カ所に配置されている。第３噴口２４ｃは、中心軸２７ａを挟んだ左右２カ所であって、第２噴口２４ｂよりも中心軸２７ａから離れた位置に配置されている。各噴口２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄから噴射された燃料は、それぞれ円錐状の噴霧を形成しつつ燃焼室８内を飛翔し、燃焼室８内に均等に分散する。
　上述したように、本実施形態のエンジン１では、吸気ポート１５として、燃焼室８内にタンブル流を生成可能な吸気ポート（タンブルポート）が採用されている。タンブル流は、燃料と空気との混合を促進するだけでなく、燃料と空気とを含む混合気の燃焼を促進する役割を果たす。すなわち、ピストン５が圧縮上死点に近づくにつれて（つまり燃焼室８が縮小するにつれて）タンブル流が崩壊すると、当該崩壊によって燃焼室８に乱流が生成され、生成された乱流によって混合気の燃焼が促進される。タンブル流の流速が速いほど乱流のエネルギが増大し、混合気の燃焼が促進される。ここで、本明細書において、乱流のエネルギが増大するとは、乱流が有する運動エネルギが増大することを意味する。乱流のエネルギは、例えば、乱流の流速が増大するか、または乱流の数が増大したときに、増大する。
　図４は、燃料噴射のタイミングを示すタイムチャートである。図４に示すように、エンジン１の通常運転時、燃料噴射弁２４からの燃料噴射は、吸気行程と圧縮行程との２回に分けて行われる。すなわち、燃料噴射弁２４は、吸気行程の前半に第１噴射を実行すると共に、圧縮行程の後半に第２噴射を実行する。第１噴射は、例えばクランク角度が８０度であるときに終了され、第２噴射は、例えばクランク角度が３２５度であるときに終了される。なお、ここでいうクランク角度は、吸気上死点を０度とした場合のクランク角度である（以下同じ）。
　吸気行程の前半に実行される第１噴射は、圧縮上死点の近傍において燃焼室８内に均一な混合気（燃料と混合気とが均一に混ざった混合気）を形成する。圧縮行程の後半に実行される第２噴射は、圧縮上死点の近傍において点火プラグ２５の周りに相対的に燃料の濃度が濃い（つまり燃焼しやすい）混合気を形成する。第２噴射は、ピストン５が比較的上死点に近づいてから実行される。このため、第２噴射の実行時における燃焼室８の容積は、第１噴射の実行時における燃焼室８の容積よりも小さい。
　図５は、燃料噴射弁２４から噴射される燃料の噴霧を説明するための説明図である。具体的に、図５では、燃料噴射弁２４が上述した第２噴射を実行したときの燃料の噴霧を示している。図５に示すように、第２噴射によって第１噴口２４ａから噴射された燃料の噴霧Ｆ１は、ピストン５の頂面１０に設けられるキャビティ４０（詳細は後述する）に向けて飛翔する。また、第２噴射によって第２噴口２４ｂ及び第３噴口２４ｃから噴射された燃料の噴霧Ｆ２、Ｆ３は、ピストン５の頂面１０に設けられる***部３１の吸気側傾斜面３４（詳細は後述する）に向けて飛翔する。
　第２噴射が実行されるのに伴い、第１噴口２４ａからの噴霧Ｆ１は、キャビティ４０の周面部４２によって上方にガイドされて点火プラグ２５に向けて移動し、第２噴口２４ｂ及び第３噴口２４ｃからの噴霧Ｆ２、Ｆ３は、吸気側傾斜面３４に衝突した後に点火プラグ２５に向けて移動する。これにより、点火プラグ２５の周り（燃焼室８の中心部）に、それ以外の部分（燃焼室８の外周部）の混合気よりも燃料の濃度が濃い混合気が形成される。
　第２噴射の後、圧縮行程の後半且つ圧縮上死点の近傍で、点火プラグ２５による点火（火花点火）が実行され、混合気が燃焼させられる。火花点火は、例えばクランク角度が３４０度であるときに実行される。本実施形態のエンジン１では、燃料が２回に分けて噴射され、火花点火の時点で点火プラグ２５周りに相対的に燃料濃度の濃い混合気が形成されるので、燃焼安定性は十分に高いものとされる。
　上記のように火花点火が圧縮行程の後半（例えばクランク角度が３４０度のとき）に行われるのは、暖機が完了した後の通常運転時である。一方、冷間始動時には、触媒の温度を上昇させて触媒を活性化させるため、火花点火の時期（点火時期）を遅らせて排気ガス温度を上昇させることが行われる。点火時期が遅くされると、有効膨張比が低下して排気ガスの温度低下が抑制されるので、触媒に排出される排気ガスが高温に維持される。このように点火時期が遅くされる冷間運転時においても、点火プラグ２５周りに相対的に濃い混合気を形成する上述した噴射パターンを採用することにより、良好な燃焼安定性を確保することができる。
　エンジン１には、図示されていないが、エンジン１及びそれに関係する構成を制御する制御ユニットが備えられる。制御ユニットは、センサ等から得られる各種情報に基づいて、燃料噴射弁２４、点火プラグ２５、可変バルブ機構等の各部を制御する。
　次に、本実施形態に係るエンジン１のピストン５について説明する。
　図６は、ピストン５の斜視図、図７は、ピストン５の平面図、図８は、図７におけるＹ８－Ｙ８線に沿ったピストン５の断面図、図９は、図７におけるＹ９－Ｙ９線に沿ったピストン５の断面図、図１０は、図７におけるＹ１０－Ｙ１０線に沿ったピストン５の断面図である。
　本実施形態に係るエンジン１は、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室８の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室８の容積との比である幾何学的圧縮比が１２以上に設定されている。図６から図１０に示すように、ピストン５の頂面１０は、シリンダ２の中心軸２ａと直交するベース面３０と、ベース面３０よりも上方（シリンダヘッド４側）に***する***部３１とを有している。***部３１は、燃焼室８の天井面１２に沿うように、ピストン５の中央側ほど高さが高くなるように***している。***部３１の中央であって点火プラグ２５に対応する位置には、下方に窪むキャビティ４０が形成されている。
　ベース面３０は、***部３１よりも吸気側に位置する吸気側水平面３２と、***部３１よりも排気側に位置する排気側水平面３３とを有している。吸気側水平面３２及び排気側水平面３３は、ピストン５の中心軸（シリンダ２の中心軸２ａ）と直交するように設けられている。吸気側水平面３２における吸気弁２０に対応する位置には、吸気弁２０との接触を回避するために下方に窪む吸気弁リセス３２ａが設けられている。
　***部３１は、燃焼室８の天井面１２に沿ってペントルーフ状に形成されている。すなわち、***部３１は、天井面１２の吸気側傾斜面１３に沿って（吸気側に至るほど高さが低くなるように）傾斜する吸気側傾斜面３４と、天井面１２の排気側傾斜面１４に沿って（排気側に至るほど高さが低くなるように）傾斜する排気側傾斜面３５とを有している。吸気側傾斜面３４は、吸気弁２０のバルブ軸線２０ｄと直交する平面状に形成され、排気側傾斜面３５は、排気弁２１のバルブ軸線２１ｄと直交する平面状に形成されている。
　***部３１は、吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５の間に、キャビティ４０の周縁に沿ったリング状の上面３６と、上面３６からピストン５の外周側に向かって傾斜しつつ延びる一対の側面３７とを有している。上面３６は、ピストン５の中央部（キャビティ４０の周囲）において、ベース面３０と平行な平面状に形成されている。一対の側面３７は、円錐面状に形成されている。
　一対の側面３７はそれぞれ、ピストン５の中央側に配置されて上面３６からピストン５の外周側に向けて下方に傾斜しつつ延びる第１傾斜面３７ａと、第１傾斜面３７ａよりもピストン５の外周側に配置され、第１傾斜面３７ａよりも大きい傾斜角度をもって下方に傾斜する第２傾斜面３７ｂとを有している。第１傾斜面３７ａ及び第２傾斜面３７ｂはそれぞれ円錐面状に形成されている。
　図１１は、***部３１に設けられたキャビティ４０の形状を説明するための説明図である。本実施形態のエンジン１では、ピストン５の頂面１０に***部３１が設けられるため、仮に***部３１にキャビティ４０が形成されなかった場合には、点火プラグ２５による点火をきっかけに燃え広がる初期火炎の外周面である初期火炎面がピストン５の頂面１０と早期に干渉してしまう。これに対し、本実施形態では、***部３１における点火プラグ２５に対応する位置にキャビティ４０が設けられているため、初期火炎面とピストン５との干渉を遅らせることができる。
　図１１に示すように、キャビティ４０は、点火プラグ２５の電極２５ａ間の中央の点火点２５ｂから球状に成長する火炎を模擬した仮想球面２５ｃとの干渉を遅らせるように形成されている。具体的に、キャビティ４０は、円形平面状の底面部４１と、底面部４１の周縁から上方に立ち上がる略円筒状の周面部４２とを有している。周面部４２は、その下部が断面視で曲面状に形成されることにより、滑らかに底面部４１に接続される。なお、キャビティ４０の周面部４２は、仮想球面２５ｃの少なくとも一部と一致するような形状に形成することも可能である。
　図５～図８に示すように、ピストン５の吸気側傾斜面３４の上端部、言い換えるとキャビティ４０の周縁部における吸気側の一部には、切欠部３４ａが設けられている。燃料噴射弁２４の第１噴口２４ａから第２噴射時に噴射された燃料の噴霧Ｆ１は、切欠部３４ａを通過して、キャビティ４０の排気側の周面部４２に衝突する。周面部４２に衝突した噴霧Ｆ１は、周面部４２により上方にガイドされて点火プラグ２５の電極２５ａに向けて移動する。
　以上のように、本実施形態のエンジン１では、ピストン５の頂面１０に***部３１を設けることで幾何学的圧縮比を高めると共に、***部３１における点火プラグ２５に対応する位置にキャビティ４０を設けることで初期火炎面とピストン５との干渉を遅らせ、火炎伝播性を高めるようにしている。
　本実施形態では、***部３１の吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５は、図８に示すように、ベース面３０に対する排気側傾斜面３５の傾斜角度θ２が、ベース面３０に対する吸気側傾斜面３４の傾斜角度θ１よりも小さくなるように形成されると共に、吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度差（θ１－θ２）が４度以上となるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面３４の傾斜角度θ１が２３度に設定されると共に、排気側傾斜面３５の傾斜角度θ２が１７度に設定されることにより、両者の傾斜角度差（θ１－θ２）が６度に設定されている。
　これにより、排気側傾斜面３５の傾斜角度θ２を小さくしつつ、高圧縮比を実現するのに十分な体積の***部３１を形成することができる。排気側傾斜面３５は、吸気ポート１５から排気側へと流れたタンブル流（図２の矢印１９参照）がピストン５の頂面１０に沿って排気側から吸気側に戻るときに、当該タンブル流が接触する面である。このため、排気側傾斜面３５の傾斜角度θ２が小さいことは、タンブル流が***部３１によって減速（阻害）される作用を軽減することにつながる。
　なお、***部３１の体積を同等に維持しつつ吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度差（θ１－θ２）を過度に大きくすると、***部３１の高さ、ひいてはキャビティ４０の深さＨ１（周面部４２の高さ）が過度に小さくなり、第２噴射時にキャビティ４０の周面部４２が燃料をガイドする作用、つまり燃料を点火プラグ２５周りに向けて上方に移動させる作用が低下してしまう。この燃料のガイド作用を十分に発揮させるには、周面部４２の高さを十分に確保する必要があり、そのためには、吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５の傾斜角度差を１１度以下とすることが好ましい。
　また、吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５は、図１０に示すように、排気側傾斜面３５と側面３７とのなす角度θ４が、吸気側傾斜面３４と側面３７とのなす角度θ３よりも大きくなるように形成されると共に、排気側傾斜面３５と側面３７とのなす角度θ４と吸気側傾斜面３４と側面３７とのなす角度θ３との角度差（θ４－θ３）が５度以上となるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面３４と側面３７とのなす角度θ３が１６２．４度に設定されると共に、排気側傾斜面３５と側面３７とのなす角度θ４が１６９．８度に設定されることにより、両者の角度差（θ４－θ３）が７．４度に設定されている。
　これにより、排気側傾斜面３５と側面３７との間の角度変化が緩やかになるので、タンブル流がピストン５の頂面１０における外周側部分を流れるときに、当該タンブル流を排気側傾斜面３５から一対の側面３７に向けて円滑に案内できると共に、当該タンブル流が頂面１０から剥離するのを抑制することができる。
　図７に示すように、ピストン５が上死点にあるときに、吸気弁２０のバルブ軸線２０ｄと吸気側傾斜面３４との交点Ｐ１を通り且つクランク軸線６ａ（クランクシャフト６の軸方向）と直交する直交面６ｂと、吸気側傾斜面３４及び側面３７の間の稜線Ｓ１との交点をＰ２とする。上述した吸気側傾斜面３４と側面３７とのなす角度θ３は、この交点Ｐ２において吸気側傾斜面３４と側面３７とが交差する角度である。より具体的に、角度θ３は、図１０に示すように、交点Ｐ２において側面３７と接し且つ直交面６ｂ（クランク軸線６ａと直交する面）と平行な接線Ｔ１と吸気側傾斜面３４とのなす角度である。
　同様に、ピストン５が上死点にあるときに、排気弁２１のバルブ軸線２１ｄと排気側傾斜面３５との交点Ｐ３を通り且つクランク軸線６ａ（クランクシャフト６の軸方向）と直交する直交面６ｃと、排気側傾斜面３５及び側面３７の間の稜線Ｓ２との交点をＰ４とする。上述した排気側傾斜面３５と側面３７とのなす角度θ４は、この交点Ｐ４において排気側傾斜面３５と側面３７とが交差する角度である。より具体的に、角度θ４は、図１０に示すように、交点Ｐ４において側面３７と接し且つ直交面６ｂ（クランク軸線６ａと直交する面）と平行な接線Ｔ２と排気側傾斜面３５とのなす角度である。
　図７及び図８に示すように、***部３１に設けられたキャビティ４０は、キャビティ４０の直径Ｄ１に対するキャビティ４０の深さＨ１の割合（Ｈ１／Ｄ１）が０．３以下となるように形成されている。例えば、キャビティ４０の直径Ｄ１に対するキャビティ４０の深さＨ１の割合（Ｈ１／Ｄ１）は、０．２５ないし０．２９に設定される。なお、キャビティ４０の直径Ｄ１は、キャビティ４０の上端部における直径、より詳しくは、キャビティ４０の周面部４２のうちその上端のフィレット（面取り部）を除いた部分の上端位置での直径とする。
　上記割合（Ｈ１／Ｄ１）が０．３以下であることは、キャビティ４０が比較的扁平（浅底）であることを意味する。キャビティ４０が偏平であれば、キャビティ４０内での流動が低下しにくくなる。これにより、キャビティ４０による下方（底面部４１側）への引き込み作用が軽減されるので、タンブル流がピストン５の頂面１０の中央部分を流れるときに、当該タンブル流がキャビティ４０の底面部４１側に移動するのを抑制することができ、当該タンブル流を排気側傾斜面３５から吸気側傾斜面３４に向けて円滑に移動させることができる。
　なお、***部３１の体積を同等に維持しつつキャビティ４０の直径Ｄ１に対するキャビティ４０の深さＨ１の割合（Ｈ１／Ｄ１）を過度に小さくすると、キャビティ４０の深さＨ１（周面部４２の高さ）が過度に小さくなり、第２噴射時にキャビティ４０の周面部４２が燃料をガイドする作用、つまり燃料を点火プラグ２５周りに向けて上方に移動させる作用が低下してしまう。この燃料のガイド作用を十分に発揮させるには、上記割合（Ｈ１／Ｄ１）を０．１６以上とすることが好ましい。
　図９に示すように、***部３１の側面３７は、その傾斜角度θ５、詳しくは、側面３７の第１傾斜面３７ａのベース面３０に対する傾斜角度θ５が１０度以下となるように形成されている。例えば、第１傾斜面３７ａの傾斜角度θ５は、８度ないし９．２度に設定される。
　これにより、側面３７のうちピストン５の中央側に位置する第１傾斜面３７ａを緩やかに傾斜させながら、この第１傾斜面３７ａの外周側に傾斜角度の大きい（段差の大きい）第２傾斜面３７ｂを形成することができる。このことは、高圧縮比を実現するのに十分な体積の***部３１を形成するのに有利である。また、流量の多いピストン５の中央側においてタンブル流が流動しやすくなるので、***部３１によるタンブル流の減速作用を総じて軽減することができる。
　図７及び図８に示すように、***部３１の吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５は、ピストン５の中心軸を通り且つクランク軸線６ａと直交する断面において、吸気側傾斜面３４の長さＬ１に対する排気側傾斜面３５の長さＬ２の割合（Ｌ２／Ｌ１）が１．２５以上となるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面３４の長さＬ１に対する排気側傾斜面３５の長さＬ２の割合（Ｌ２／Ｌ１）は、１．３３に設定される。なお、図７に示すように、吸気側傾斜面３４の長さＬ１は、吸気側傾斜面３４と吸気側水平面３２との境界縁部と、吸気側傾斜面３４と上面３６との境界縁部との間の長さである。同様に、排気側傾斜面３５の長さＬ２は、排気側傾斜面３５と排気側水平面３３との境界縁部と、排気側傾斜面３５と上面３６との境界縁部との間の長さである。
　これにより、排気側傾斜面３５上を流れるタンブル流の流路が長くなるので、排気側傾斜面３５によるタンブル流のガイド作用を有効に発揮させることができる。この結果、***部３１によるタンブル流の減速作用が軽減されて、タンブル流が高速に維持される。
　なお、***部３１の体積を同等に維持しつつ吸気側傾斜面３４の長さＬ１に対する排気側傾斜面３５の長さＬ２の割合（Ｌ２／Ｌ１）を過度に大きくすると、***部３１の高さ、ひいてはキャビティ４０の深さＨ１（周面部４２の高さ）が過度に小さくなり、第２噴射時にキャビティ４０の周面部４２が燃料をガイドする作用、つまり燃料を点火プラグ２５周りに向けて上方に移動させる作用が低下してしまう。この燃料のガイド作用を十分に発揮させるには、周面部４２の高さを十分に確保する必要があり、そのためには、上記割合（Ｌ２／Ｌ１）を１．９以下とすることが好ましい。
　図８に示すように、***部３１は、シリンダ２の内径Ｄ２に対する***部３１の高さＨ２の割合（Ｈ２／Ｄ２）が０．０８以下となるように形成されている。なお、***部３１の高さＨ２は、ピストン５の頂面１０のベース面３０（吸気側水平面３２及び排気側水平面３３）から上面３６までの高さである。例えば、シリンダ２の内径Ｄ２に対する***部３１の高さＨ２の割合（Ｈ２／Ｄ２）は、０．０６６ないし０．０７８に設定される。
　これにより、高圧縮比を実現するのに十分な体積の***部３１を形成しながらも、その高さＨ２が増大するのを抑制することができる。この結果、タンブル流がピストン５の頂面１０に沿って排気側から吸気側に流れる際に、当該タンブル流が***部３１によって減速させられるのを抑制することができる。
　なお、***部３１の体積を同等に維持しつつシリンダ２の内径Ｄ２に対する***部３１の高さＨ２の割合（Ｈ２／Ｄ２）を過度に小さくすると、***部３１の高さ、ひいてはキャビティ４０の深さＨ１（周面部４２の高さ）が過度に小さくなり、第２噴射時にキャビティ４０の周面部４２が燃料をガイドする作用、つまり燃料を点火プラグ２５周りに向けて上方に移動させる作用が低下してしまう。この燃料のガイド作用を十分に発揮させるには、周面部４２の高さを十分に確保する必要があり、そのためには、上記割合（Ｈ２／Ｄ２）を０．０５６以上とすることが好ましい。
　ピストン５は、図９に示す径方向断面視において、第２傾斜面３７ｂの長さＬ４に対する上面３６の長さＬ３の割合（Ｌ３／Ｌ４）が０．８以下となるように形成されている。例えば、第２傾斜面３７ｂの長さＬ４に対する上面３６の長さＬ３の割合（Ｌ３／Ｌ４）は、０．３４ないし０．５７に設定される。
　このように、ピストン５の外周側に位置する第２傾斜面３７ｂを、ピストン５の中央部の上面３６よりも長くした場合には、これらの間を延びる第１傾斜面３７ａの傾斜角度が小さくなる。これにより、側面３７のうちピストン５の中央側に位置する第１傾斜面３７ａを緩やかに傾斜させながら、この第１傾斜面３７ａの外周側に傾斜角度の大きい（段差の大きい）第２傾斜面３７ｂを形成することができる。このことは、高圧縮比を実現するのに十分な体積の***部３１を形成するのに有利である。また、流量の多いピストン５の中央側においてタンブル流が流動しやすくなるので、***部３１によるタンブル流の減速を総じて抑制することができる。
　なお、***部３１の体積を同等に維持しつつ第２傾斜面３７ｂの長さＬ４に対する上面３６の長さＬ３の割合（Ｌ３／Ｌ４）を過度に小さくすると、***部３１の高さＨ２が小さくなると共にキャビティ４０の深さＨ１（周面部４２の高さ）が過度に小さくなり、第２噴射時に周面部４２が燃料をガイドする作用、つまり燃料を点火プラグ２５周りに向けて上方に移動させる作用が低下してしまう。
　以上説明したように、本実施形態に係るエンジン（火花点火式内燃機関）１では、吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５を含む***部３１がピストン５の頂面１０に設けられると共に、***部３１における点火プラグ２５に対応する位置にキャビティ４０が設けられ、タンブル流を生成可能な吸気ポート１５がシリンダヘッド４に設けられている。そして、吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５は、排気側傾斜面３５の傾斜角度θ２が吸気側傾斜面３４の傾斜角度θ１よりも小さくなり、且つ吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度差（θ１－θ２）が４度以上となるように形成されている。
　この構成によれば、ピストン５の頂面１０に***部３１が設けられるので、この***部３１によって燃焼室８の容積が狭められ、幾何学的圧縮比を高めることができる。また、***部３１における点火プラグ２５に対応する位置にキャビティ４０が設けられるので、ピストン５と火炎との干渉を遅らせることができ、火炎伝播性を高めることができる。
　また、***部３１は、排気側傾斜面３５の傾斜角度θ２が吸気側傾斜面３４の傾斜角度θ１よりも小さくなるように形成されるので、高圧縮比を実現するのに十分な***部３１の体積を確保しながら、当該***部３１によるタンブル流の減速作用を軽減することができ、燃費性能を向上させることができる。
　すなわち、排気側傾斜面３５は、タンブル流がピストン５の頂面１０に沿って排気側から吸気側へと流れる際に当該タンブル流が接触する面であるから、この排気側傾斜面３５の傾斜角度θ２が小さいことは、***部３１によってタンブル流が減速（阻害）される作用を軽減することにつながる。これにより、タンブル流が高速に維持されるので、タンブル流の崩壊により生じる乱流のエネルギを増大させることができると共に、燃焼期間を短縮して燃費性能を向上させることができる。
　また、吸気側傾斜面３４は吸気弁２０のバルブ軸線２０ｄと直交するように設けられ、排気側傾斜面３５は排気弁２１のバルブ軸線２１ｄと直交するように設けられている。これにより、吸気側傾斜面３４が吸気弁２０の傘部底面２０ｃと平行になると共に、排気側傾斜面３５が排気弁２１の傘部底面２１ｃと平行になるので、吸気ポート１５から排気ポート１６へと流れる吹き抜け流の流路を略一定の高さで確保することができる。すなわち、エンジン１の運転条件によっては、燃焼室８に残留する排気ガス（残留排気ガス）を排出するために、排気行程において吸気弁２０及び排気弁２１の双方を開弁させて、吸気ポート１５から排気ポート１６へと流れる吹き抜け流を形成することがある。このとき、上記のように各傾斜面３４，３５と傘部底面２０ｃ，２１ｃとが平行であれば、上記吹き抜け流の流路高さが略一定になるので、吹き抜け流の成長が阻害され難くなる。この結果、残留排気ガスの掃気性が向上し、燃焼室８の温度が低下するので、高圧縮比に起因した異常燃焼の発生を防止でき、燃費性能を向上させることができる。
［第２実施形態］
　図１２は、本発明の第２実施形態に係る火花点火式内燃機関のピストンの斜視図、図１３は、前記内燃機関のピストンの平面図、図１４は、図１３におけるＹ１４－Ｙ１４線に沿ったピストンの断面図、図１５は、図１３におけるＹ１５－Ｙ１５線に沿ったピストンの断面図である。本発明の第２実施形態に係る火花点火式内燃機関としてのエンジン５１は、第１実施形態に係るエンジン１とピストンの頂面及び燃焼室の天井面の形状が異なるものであり、エンジン１と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。
　この第２実施形態に係るエンジン５１についても、第１実施形態のエンジン１と同様に、シリンダ２と、シリンダ２内に往復動可能に配置されたピストン５５と、燃焼室８の天井面１２を形成するシリンダヘッド４と、燃焼室８に臨むようにシリンダヘッド４に配設された燃料噴射弁２４と、燃焼室８に臨むようにシリンダヘッド４に配設された点火プラグ２５とを備え、燃焼室８内にタンブル流を生成可能な吸気ポート１５がシリンダヘッド４に設けられている。
　エンジン５１は、幾何学的圧縮比が１２以上に設定されており、図１２から図１５に示すように、ピストン５５の頂面６０は、シリンダ２の中心軸２ａと直交するベース面３０と、ベース面３０よりも上方（シリンダヘッド４側）に***する***部６１とを有している。***部６１は、燃焼室８の天井面１２に沿うように、ピストン５５の中央側ほど高さが高くなるように***している。***部６１の中央であって点火プラグ２５に対応する位置には、下方に窪むキャビティ４０が形成されている。
　ベース面３０は吸気側水平面６２及び排気側水平面６３を有している。吸気側水平面６２における吸気弁２０に対応する位置には、吸気弁２０との接触を回避するために下方に窪む吸気弁リセス６２ａが設けられている。
　***部６１は、天井面１２の吸気側傾斜面１３に沿って傾斜する吸気側傾斜面６４と、天井面１２の排気側傾斜面１４に沿って傾斜する排気側傾斜面６５とを有している。吸気側傾斜面６４及び排気側傾斜面６５はそれぞれ平面状に形成されている。
　***部６１の吸気側傾斜面６４は、天井面１２の吸気側傾斜面１３と平行に設けられる。一方、***部６１の排気側傾斜面６５は、天井面１２の排気側傾斜面１４と非平行とされる。具体的に、***部６１の排気側傾斜面６５は、シリンダ２の中心軸２ａと直交する直交面とのなす角度が、天井面１２の排気側傾斜面１４のそれよりも小さくなるように形成されている。
　吸気弁２０は、その傘部底面２０ｃが天井面１２の吸気側傾斜面１３と平行になるように設けられ、排気弁２１は、その傘部底面２１ｃが天井面１２の排気側傾斜面１４と平行になるように設けられている。具体的に、吸気弁２０の傘部底面２０ｃは、シリンダ２の中心軸２ａと直交する直交面とのなす角度が２３度になるように形成され、排気弁２１の傘部底面２１ｃは、シリンダ２の中心軸２ａと直交する直交面とのなす角度が２２度になるように形成されている。
　***部６１の排気側傾斜面６５における排気弁２１に対応する位置には、排気弁２１との接触を回避するために下方に窪む排気弁リセス６５ａが設けられている。排気弁リセス６５ａは、その底面が排気弁２１の傘部底面２１ｃと平行になるように形成されている。
　***部６１は、吸気側傾斜面６４及び排気側傾斜面６５の間に、キャビティ４０の周縁に沿ったリング状の上面６６と、上面６６からピストン５５の外周側に傾斜しつつ延びる一対の側面６７とを有している。ただし、本第２実施形態では、第１実施形態とは異なり、一対の側面６７はキャビティ４０によって分断されておらず、キャビティ４０の排気側において互いに連続している。上面６６は、ピストン５５の中央部（キャビティ４０の周囲）において、ベース面３０と平行な平面状に形成されている。一対の側面６７は、円錐面状に形成されている。
　一対の側面６７はそれぞれ、ピストン５５の中央側に配置されて上面６６からピストン５５の外周側に向けて下方に傾斜しつつ延びる第１傾斜面６７ａと、第１傾斜面６７ａよりもピストン５５の外周側に配置され、第１傾斜面６７ａよりも大きい傾斜角度をもって下方に傾斜する第２傾斜面６７ｂとを有している。第１傾斜面６７ａ及び第２傾斜面６７ｂはそれぞれ円錐面状に形成されている。
　以上のように、本実施形態のエンジン５１では、ピストン５５の頂面６０に***部６１を設けることで幾何学的圧縮比を高めると共に、***部６１における点火プラグ２５に対応する位置にキャビティ４０を設けることで初期火炎面とピストン５５との干渉を遅らせ、火炎伝播性を高めるようにしている。
　本実施形態では、***部６１の吸気側傾斜面６４及び排気側傾斜面６５は、図１４に示すように、ベース面３０に対する排気側傾斜面６５の傾斜角度θ２が、ベース面３０に対する吸気側傾斜面６４の傾斜角度θ１よりも小さくなるように形成されると共に、吸気側傾斜面６４と排気側傾斜面６５との傾斜角度差（θ１－θ２）が４度以上となるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面６４の傾斜角度θ１が２３度に設定されると共に、排気側傾斜面６５の傾斜角度θ２が１５．１度に設定されることにより、両者の傾斜角度差（θ１－θ２）が７．９度に設定されている。
　図１３及び図１４に示すように、***部６１に設けられたキャビティ４０は、キャビティ４０の直径Ｄ１に対するキャビティ４０の深さＨ１の割合（Ｈ１／Ｄ１）が０．３以下となるように形成されている。例えば、キャビティ４０の直径Ｄ１に対するキャビティ４０の深さＨ１の割合（Ｈ１／Ｄ１）は、０．２６に設定される。
　図１３及び図１４に示すように、***部６１の吸気側傾斜面６４及び排気側傾斜面６５は、ピストン５５の中心軸を通り且つクランク軸線６ａ（クランクシャフト６の軸方向）と直交する断面において、吸気側傾斜面６４の長さＬ１に対する排気側傾斜面６５の長さＬ２の割合（Ｌ２／Ｌ１）が１．２５以上となるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面６４の長さＬ１に対する排気側傾斜面６５の長さＬ２の割合（Ｌ２／Ｌ１）は、１．４８に設定される。
　図１４に示すように、***部６１は、シリンダ２の内径Ｄ２に対する***部６１の高さＨ２の割合（Ｈ２／Ｄ２）が０．０８以下となるように形成されている。例えば、シリンダ２の内径Ｄ２に対する***部６１の高さＨ２の割合（Ｈ２／Ｄ２）は、０．０６に設定される。
　ピストン５５は、図１５に示す径方向断面において、第２傾斜面６７ｂの長さＬ４に対する上面６６の長さＬ３の割合（Ｌ３／Ｌ４）が０．８以下となるように形成されている。例えば、第２傾斜面６７ｂの長さＬ４に対する上面６６の長さＬ３の割合（Ｌ３／Ｌ４）は、０．２４に設定される。
　以上説明したように、本実施形態に係るエンジン（火花点火式内燃機関）５１においても、吸気側傾斜面６４及び排気側傾斜面６５を含む***部６１がピストン５５の頂面６０に設けられると共に、***部６１における点火プラグ２５に対応する位置にキャビティ４０が設けられ、タンブル流を生成する可能な吸気ポート１５がシリンダヘッド４に設けられている。そして、吸気側傾斜面６４及び排気側傾斜面６５は、排気側傾斜面６５の傾斜角度θ２が吸気側傾斜面６４の傾斜角度θ１よりも小さくなり、且つ吸気側傾斜面６４と排気側傾斜面６５との傾斜角度差（θ１－θ２）が４度以上となるように形成されている。
　この構成によれば、ピストン５５の頂面６０に形成された***部６１によって幾何学的圧縮比を高めることができると共に、***部６１に形成されたキャビティ４０によって火炎伝播性を高めることができる。
　また、***部６１は、排気側傾斜面６５の傾斜角度θ２が吸気側傾斜面６４の傾斜角度θ１よりも小さくなるように形成されるので、高圧縮比を実現するのに十分な***部６１の体積を確保しながら、当該***部６１によるタンブル流の減速作用を軽減することができ、燃費性能を向上させることができる。
　すなわち、排気側傾斜面６５は、タンブル流がピストン５５の頂面６０に沿って排気側から吸気側に流れる際に当該タンブル流が接触する面であるから、この排気側傾斜面６５の傾斜角度θ２が小さいことは、***部６１によってタンブル流が減速（阻害）される作用を軽減することにつながる。これにより、タンブル流が高速に維持されるので、タンブル流の崩壊により生じる乱流のエネルギを増大させることができると共に、燃焼期間を短縮して燃費性能を向上させることができる。
　本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能である。
　第１実施形態の***部３１の吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度を種々変更したピストン５を備えたエンジン１についてシミュレーション解析を実施した。具体的には、***部３１の体積を同等に維持しつつ吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度差（θ１－θ２）を種々変更したピストン５を備えたエンジン１について同一の運転条件下でシミュレーション解析を行い、ピストン５の上死点における燃焼室８内の混合気の乱流エネルギを調べた。
　図１６は、上記シミュレーション解析によって得られたグラフであり、吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度差（θ２－θ１）と、ピストン５の上死点における燃焼室８内の混合気の乱流エネルギとの関係を示している。
　吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度がほぼ等しく形成された従来のピストンを備えたエンジンを従来例とし、吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度差（θ２－θ１）が４度以上とされた本実施形態に係るピストン５を備えたエンジンを実施例とする。具体的に、図１６では、従来例として、傾斜角度θ１を２３度に設定し且つ傾斜角度θ２を２２度に設定した場合に得られた結果を黒四角のプロットで表示している。また、実施例として、傾斜角度θ１を２３度に設定し且つ傾斜角度θ２を１８度に設定した場合に得られた結果と、傾斜角度θ１を２３度に設定し且つ傾斜角度θ２を１７度に設定した場合に得られた結果とを、それぞれ白四角のプロットで表示している。さらに、これら各プロットに基づいて、吸気側傾斜面と排気側傾斜面との傾斜角度差と乱流エネルギとの関係を示すラインＺを併せて表示している。
　図１６のラインＺに示すように、吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度差が大きくなるにつれて、乱流エネルギは大きくなる。また、ラインＺは、傾斜角度差が４度付近の位置に変曲点を有しており、この変曲点では、従来例のエンジンに対して、乱流エネルギが少なくとも１０％増大している。このことから、吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度差を４度以上（図１６の破線参照）に設定することで、タンブル流の減速作用を軽減して乱流エネルギを効果的に増大できることが分かる。
　＜実施形態のまとめ＞
　前記実施形態をまとめると以下のとおりである。
　火花点火式内燃機関は、シリンダと、前記シリンダ内に往復動可能に配置されたピストンと、前記シリンダ上に配設されると共に前記シリンダの内周面及び前記ピストンの頂面と共にペントルーフ型の燃焼室を形成するシリンダヘッドと、前記燃焼室に臨むように前記シリンダヘッドに配設された点火プラグとを備える。前記ピストンの頂面には、前記燃焼室の天井面に沿った吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を有する***部が設けられる。前記***部における前記点火プラグに対応する位置には、下方に窪むキャビティが設けられる。前記シリンダヘッドには、前記燃焼室内にタンブル流を生成可能な吸気ポートが設けられる。前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面は、前記排気側傾斜面の傾斜角度が前記吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなり、且つ前記吸気側傾斜面と前記排気側傾斜面との傾斜角度差が４度以上となるように形成される。
　この構成によれば、ピストンの頂面に***部が設けられるので、この***部によって燃焼室の容積が狭められ、幾何学的圧縮比を高めることができる。また、***部における点火プラグに対応する位置にキャビティが設けられるので、ピストンと火炎との干渉を遅らせることができ、火炎伝播性を高めることができる。
　また、***部は、排気側傾斜面の傾斜角度が吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなるように形成されるので、高圧縮比を実現するのに十分な***部の体積を確保しながら、当該***部によるタンブル流の減速作用を軽減することができ、燃費性能を向上させることができる。
　すなわち、排気側傾斜面は、タンブル流がピストンの頂面に沿って排気側から吸気側へと流れる際に当該タンブル流が接触する面であるから、この排気側傾斜面の傾斜角度が小さいことは、***部によってタンブル流が減速（阻害）される作用を軽減することにつながる。これにより、タンブル流が高速に維持されるので、タンブル流の崩壊により生じる乱流のエネルギを増大させることができると共に、燃焼期間を短縮して燃費性能を向上させることができる。
　好ましくは、前記吸気側傾斜面は吸気弁のバルブ軸線と直交するように設けられ、前記排気側傾斜面は排気弁のバルブ軸線と直交するように設けられる。
　この構成によれば、吸気側傾斜面が吸気弁の傘部底面と平行になると共に、排気側傾斜面が排気弁の傘部底面と平行になるので、吸気ポートから排気ポートへと流れる吹き抜け流の流路を略一定の高さで確保することができる。すなわち、内燃機関の運転条件によっては、燃焼室に残留する排気ガス（残留排気ガス）を排出するために、排気行程において吸気弁及び排気弁の双方を開弁させて、吸気ポートから排気ポートへと流れる吹き抜け流を形成することがある。このとき、前記のように各傾斜面と傘部底面とが平行であれば、上記吹き抜け流の流路高さが略一定になるので、吹き抜け流の成長が阻害され難くなる。この結果、残留排気ガスの掃気性が向上し、燃焼室の温度が低下するので、高圧縮比に起因した異常燃焼の発生を防止でき、燃費性能を向上させることができる。
　以上のような効果につながる前記各構成は、シリンダの幾何学的圧縮比を高めることを可能にする。このため、シリンダの幾何学圧縮比は、例えば１２以上に設定することが可能である。
　以上のように、本発明によれば、ピストンの頂面に***部が設けられると共に***部における点火プラグに対応する位置にキャビティが設けられた火花点火式内燃機関において、***部によるタンブル流の減速作用を軽減して燃費性能の向上を図ることが可能となるから、この種の火花点火式内燃機関を搭載する車両などの製造技術分野において好適に利用される可能性がある。

Claims (3)

  1. 　シリンダと、
    　前記シリンダ内に往復動可能に配置されたピストンと、
    　前記シリンダ上に配設されると共に前記シリンダの内周面及び前記ピストンの頂面と共にペントルーフ型の燃焼室を形成するシリンダヘッドと、
    　前記燃焼室に臨むように前記シリンダヘッドに配設された点火プラグとを備え、
    　前記ピストンの頂面に、前記燃焼室の天井面に沿った吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を有する***部が設けられ、
    　前記***部における前記点火プラグに対応する位置に、下方に窪むキャビティが設けられ、
    　前記シリンダヘッドに、前記燃焼室内にタンブル流を生成可能な吸気ポートが設けられ、
    　前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面は、前記排気側傾斜面の傾斜角度が前記吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなり、且つ前記吸気側傾斜面と前記排気側傾斜面との傾斜角度差が４度以上となるように形成されている、
    火花点火式内燃機関。
  2. 　前記吸気側傾斜面は吸気弁のバルブ軸線と直交するように設けられ、前記排気側傾斜面は排気弁のバルブ軸線と直交するように設けられている、
    請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
  3. 　前記シリンダの幾何学的圧縮比が１２以上である、
    請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022083619A (ja) 2020-11-25 2022-06-06 マツダ株式会社 エンジンの燃焼室構造
GB2620066A (en) * 2021-03-26 2023-12-27 Jaguar Land Rover Ltd A piston for a lean-burn gasoline engine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11117749A (ja) * 1997-10-21 1999-04-27 Nissan Motor Co Ltd 筒内噴射式内燃機関のピストン
JP2000045778A (ja) * 1998-07-31 2000-02-15 Daihatsu Motor Co Ltd 筒内噴射エンジンの燃焼室
JP2002038956A (ja) * 2000-07-24 2002-02-06 Nissan Motor Co Ltd 直噴火花点火式内燃機関のピストン
JP2010014081A (ja) 2008-07-07 2010-01-21 Mazda Motor Corp 火花点火式内燃機関
JP2016118169A (ja) * 2014-12-22 2016-06-30 マツダ株式会社 直噴エンジンの燃焼室構造

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0826772B2 (ja) * 1988-02-26 1996-03-21 トヨタ自動車株式会社 火花点火筒内噴射エンジン
WO1996036801A1 (fr) * 1995-05-15 1996-11-21 Mitsubishi Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha Moteur a combustion interne de type a injection en cylindre, et dispositif de commande d'injection de carburant pour ce dernier
US5720253A (en) * 1995-09-11 1998-02-24 Nissan Motor Co., Ltd. Direct-injection type spark-ignition internal combustion engine
JP3148617B2 (ja) * 1996-01-30 2001-03-19 三菱自動車工業株式会社 筒内噴射型火花点火式内燃機関
US5960767A (en) * 1996-02-09 1999-10-05 Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha Combustion chamber of in-cylinder direct fuel injection engine
DE19713029C2 (de) * 1996-04-01 2000-02-24 Avl List Gmbh Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung
DE19713028C2 (de) * 1996-04-01 2000-02-24 Avl List Gmbh Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung
US5878712A (en) * 1996-09-20 1999-03-09 Fev Motorentechnik Gmbh & Co. Kg System for the direct injection of fuel in internal-combustion engines
CN1083528C (zh) * 1997-06-03 2002-04-24 日产自动车株式会社 用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞
JP2003113716A (ja) 2001-10-03 2003-04-18 Nissan Motor Co Ltd 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン
US6883581B2 (en) * 2001-11-27 2005-04-26 Ford Motor Company Method and arrangement for implementing heat treatment during the execution of spray-form techniques
US6910455B2 (en) * 2002-03-13 2005-06-28 Ford Global Technologies, Llc Spark ignition engine with shallow bowl-in-piston geometry
US8732644B1 (en) * 2003-09-15 2014-05-20 Nvidia Corporation Micro electro mechanical switch system and method for testing and configuring semiconductor functional circuits
US8775997B2 (en) * 2003-09-15 2014-07-08 Nvidia Corporation System and method for testing and configuring semiconductor functional circuits
US8872833B2 (en) * 2003-09-15 2014-10-28 Nvidia Corporation Integrated circuit configuration system and method
US7028662B2 (en) * 2003-11-06 2006-04-18 Nissan Motor Co., Ltd. Direct fuel injection engine
US8711161B1 (en) * 2003-12-18 2014-04-29 Nvidia Corporation Functional component compensation reconfiguration system and method
US8723231B1 (en) * 2004-09-15 2014-05-13 Nvidia Corporation Semiconductor die micro electro-mechanical switch management system and method
US8711156B1 (en) * 2004-09-30 2014-04-29 Nvidia Corporation Method and system for remapping processing elements in a pipeline of a graphics processing unit
JP4428325B2 (ja) 2005-09-15 2010-03-10 マツダ株式会社 火花点火式エンジンの燃焼室構造
US7360531B2 (en) 2005-09-15 2008-04-22 Oki Electric Industry Co., Ltd. Combustion chamber structure for spark-ignition engine
US7318406B2 (en) * 2006-04-10 2008-01-15 Ford Global Technologies Llc Bowl-in-piston of a cylinder in a direct injection engine
US8724483B2 (en) * 2007-10-22 2014-05-13 Nvidia Corporation Loopback configuration for bi-directional interfaces
JP5003496B2 (ja) * 2008-01-08 2012-08-15 マツダ株式会社 レシプロエンジン
US9331869B2 (en) * 2010-03-04 2016-05-03 Nvidia Corporation Input/output request packet handling techniques by a device specific kernel mode driver
JP5861840B2 (ja) 2010-10-15 2016-02-16 三菱自動車工業株式会社 吸気ポート燃料噴射エンジン
JP5584673B2 (ja) * 2011-11-25 2014-09-03 本田技研工業株式会社 内燃機関
US10036381B2 (en) * 2015-09-14 2018-07-31 Westinghouse Air Brake Technologies Corporation Compressor piston shape to reduce clearance volume
US10233865B2 (en) * 2016-09-30 2019-03-19 Mahle International Gmbh Piston crown having conical valve pocket

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11117749A (ja) * 1997-10-21 1999-04-27 Nissan Motor Co Ltd 筒内噴射式内燃機関のピストン
JP2000045778A (ja) * 1998-07-31 2000-02-15 Daihatsu Motor Co Ltd 筒内噴射エンジンの燃焼室
JP2002038956A (ja) * 2000-07-24 2002-02-06 Nissan Motor Co Ltd 直噴火花点火式内燃機関のピストン
JP2010014081A (ja) 2008-07-07 2010-01-21 Mazda Motor Corp 火花点火式内燃機関
JP2016118169A (ja) * 2014-12-22 2016-06-30 マツダ株式会社 直噴エンジンの燃焼室構造

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3584420A4

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