(57)【要約】【課題】火花点火式のエンジンにおいて、均質燃焼が可能で、大きいエンジントルクを得ることができる燃焼室構造を提供する。【解決手段】エンジンの燃焼室構造は、気筒２及びピストン５を含むエンジンの燃焼室６と、着火部１７Ａを備えた点火プラグ１７と、複数の噴射孔１８Ｈを有するノズルヘッド１８Ｎを具備するインジェクタ１８とを備える。ピストン５の冠面５０は、小キャビティ５１と大キャビティ５２とを含む。小キャビティ５１は、ピストン５が圧縮ＴＤＣ近傍にあるときに燃料噴射を実行させるモードにおいて、点火プラグ１７の着火部１７Ａの配置位置を指向する第１噴射孔１８Ｈ１から噴射された燃料を捕捉可能な位置に凹設されている。大キャビティ５２は、ピストン５が圧縮ＴＤ近傍よりも進角側にあるときに燃料噴射を実行させるモードにおいて、第２噴射孔１８Ｈ２から噴射された燃料を捕捉可能な位置に凹設されている。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火式のエンジンの燃焼室構造であって、
気筒及びピストンを含むエンジンの燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、
前記燃焼室内に着火部が配置された点火プラグと、
互いに異なる方向を指向する複数の噴射孔を有するノズルヘッドを備え、前記複数の噴射孔を通して前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁による燃料噴射のタイミングを制御する燃料噴射制御部と、を備え、
前記燃料噴射制御部は、前記ピストンが圧縮上死点近傍にあるときに燃料噴射を実行させる第１噴射モードと、前記ピストンが前記圧縮上死点近傍よりも進角側にあるときに燃料噴射を実行させる第２噴射モードとで、前記タイミングを制御可能であり、
前記燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面と、該冠面と対向する燃焼室天井面とによって形成され、
前記ノズルヘッドは、気筒軸方向視で前記燃焼室天井面の略中心位置に配置され、前記複数の噴射孔は、気筒軸方向視で環状に配列されており、
前記冠面は、
前記第１噴射モードにおいて、前記複数の噴射孔のうち前記着火部の配置位置を指向する第１噴射孔から噴射された燃料を捕捉可能な位置に凹設された第１キャビティと、
前記第２噴射モードにおいて、前記複数の噴射孔のうち前記第１噴射孔を除く第２噴射孔から噴射された燃料を捕捉可能な位置に凹設された第２キャビティと、
を含むことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記複数の噴射孔のうち、隣接する２つの噴射孔が前記第１噴射孔とされ、
前記着火部は、前記２つの噴射孔が各々有する燃料噴射の指向軸の間に挟まれる位置に配置されている、エンジンの燃焼室構造。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記第２噴射孔は、前記第１噴射孔から噴射される燃料の量よりも多くの量の燃料を噴射可能であり、
前記燃焼室天井面には、吸気ポートと排気ポートとが配置され、前記燃焼室において前記吸気ポートが配置される側を吸気側、前記排気ポートが配置される側を排気側とするとき、
前記第２キャビティの少なくとも一部は、前記燃料噴射弁よりも前記排気側に配置されている、エンジンの燃焼室構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記第２キャビティは、前記第１キャビティよりも気筒軸方向の投影面積が大きく設定されている、エンジンの燃焼室構造。
【請求項５】
請求項４に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記第１キャビティは、当該第１キャビティの外周縁である第１周縁を含み、
前記第２キャビティは、当該第２キャビティの外周縁である第２周縁を含み、
前記第１周縁の一部は、前記第２周縁の一部を兼ねる共通周縁部であり、該共通周縁部は稜線である、エンジンの燃焼室構造。
【請求項６】
請求項４又は５に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記第２キャビティは、前記冠面の気筒軸方向視において、前記燃料噴射弁を取り囲むような略Ｃ字形状を有し、
前記第１キャビティは、前記Ｃ字形状の開放部分に挟まれる位置に形成されている、エンジンの燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火式のエンジンの燃焼室構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの車両用のガソリンエンジンでは、点火プラグを用いて燃焼室内の混合気に着火させる火花点火方式が広く採用されている。一般に前記燃焼室は、気筒の内壁面、シリンダヘッドの底面（燃焼室天井面）及びピストンの冠面によって区画され、前記点火プラグの着火部は前記燃焼室天井面に配置される。特許文献１には、前記着火部と対向する位置において、前記冠面にキャビティを配置してなる燃焼室構造が開示されている。
【０００３】
ところで、火花点火式のエンジンでは、エンジンの回転数や負荷に応じて、インジェクタによる前記燃焼室への燃料噴射のタイミングが変更される場合がある。例えば、ノッキングの発生が懸念される運転領域において前記ノッキングを回避するため、ピストンが圧縮上死点近傍にあるときに燃料噴射を実行させるモードと、ノッキングの心配がない運転領域において、前記圧縮上死点近傍よりも進角側で燃料噴射を実行させるモードとを、適宜使い分ける場合がある。この場合、いずれのモードにおいても、高速で、燃焼室空間の全体を利用した均質な燃焼を実現させることが望ましいが、その要請に十分に応えるエンジンの燃焼室構造は未だ提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１２１６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであって、火花点火式のエンジンにおいて、高速且つ燃焼室空間の全体を利用した均質な燃焼が実現可能なエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、火花点火式のエンジンの燃焼室構造であって、気筒及びピストンを含むエンジンの燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、前記燃焼室内に着火部が配置された点火プラグと、互いに異なる方向を指向する複数の噴射孔を有するノズルヘッドを備え、前記複数の噴射孔を通して前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁による燃料噴射のタイミングを制御する燃料噴射制御部と、を備え、前記燃料噴射制御部は、前記ピストンが圧縮上死点近傍にあるときに燃料噴射を実行させる第１噴射モードと、前記ピストンが前記圧縮上死点近傍よりも進角側にあるときに燃料噴射を実行させる第２噴射モードとで、前記タイミングを制御可能であり、前記燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面と、該冠面と対向する燃焼室天井面とによって形成され、前記ノズルヘッドは、気筒軸方向視で前記燃焼室天井面の略中心位置に配置され、前記複数の噴射孔は、気筒軸方向視で環状に配列されており、前記冠面は、前記第１噴射モードにおいて、前記複数の噴射孔のうち前記着火部の配置位置を指向する第１噴射孔から噴射された燃料を捕捉可能な位置に凹設された第１キャビティと、前記第２噴射モードにおいて、前記複数の噴射孔のうち前記第１噴射孔を除く第２噴射孔から噴射された燃料を捕捉可能な位置に凹設された第２キャビティと、を含むことを特徴とする。
【０００７】
この燃焼室構造によれば、前記第１噴射モードが実行される場合には、第１キャビティによって点火プラグの着火部に向けて第１噴射孔から噴射された燃料が捕捉される。このため、ピストンが圧縮上死点近傍にあるときに燃料が噴射される場合でも、前記着火部の周囲に燃料を含む混合気の乱流を集約させ、前記着火部による着火性を良好にすることができる。また、前記第１キャビティ内において火炎を高速で拡げることができる。一方、前記第２噴射モードが実行される場合には、第２キャビティによって第２噴射孔から噴射された燃料が捕捉される。すなわち、噴射燃料が冠面で跳ね返されて気筒の内周壁に付着、炭化するといった不具合を起こさないよう、第２キャビティで噴射燃料がトラップされる。従って、前記第２噴射モードにおいて均質燃焼を実現することができる。
【０００８】
上記の燃焼室構造において、前記複数の噴射孔のうち、隣接する２つの噴射孔が前記第１噴射孔とされ、前記着火部は、前記２つの噴射孔が各々有する燃料噴射の指向軸の間に挟まれる位置に配置されていることが望ましい。
【０００９】
この燃焼室構造によれば、適切に霧化された燃料を着火部に向かわせることができる。例えば、高負荷運転時のように噴射孔からの燃料噴射量が多い場合には、前記指向軸に沿って拡散しながら霧化する燃料の拡散エッジ付近だけが前記着火部に向かう。このため、過剰な燃料（混合気）が着火部へ向かうことを回避でき、これにより前記着火部に燃料が付着して炭化するプラグ被りを防止できる。また、噴射孔からの燃料噴射量が比較的少ない場合には、燃焼室内で発生するスワール流等を利用して、混合気を前記着火部へ輸送させることができる。
【００１０】
上記の燃焼室構造において、前記第２噴射孔は、前記第１噴射孔から噴射される燃料の量よりも多くの量の燃料を噴射可能であり、前記燃焼室天井面には、吸気ポートと排気ポートとが配置され、前記燃焼室において前記吸気ポートが配置される側を吸気側、前記排気ポートが配置される側を排気側とするとき、前記第２キャビティの少なくとも一部は、前記燃料噴射弁よりも前記排気側に配置されていることが望ましい。
【００１１】
一般に、燃焼室においては、吸気側よりも排気側の方が高温となる。上記の燃焼室構造によれば、比較的高温の排気側に第２キャビティが配置されると共に、より多くの量の燃料が前記第２キャビティへ噴射されるので、燃焼室全体として燃料の霧化を促進することができる。
【００１２】
上記の燃焼室構造において、前記第２キャビティは、前記第１キャビティよりも気筒軸方向の投影面積が大きく設定されていることが望ましい。
【００１３】
この燃焼室構造によれば、第１キャビティによって着火部の周囲に混合気の乱流が集約され、上述の通り前記着火部による着火性が良好となり、前記第１キャビティ内において火炎を高速で拡げることができる。一方、投影面積が大きい第２キャビティにも前記混合気の乱流が集約されるため、前記第１キャビティで発生した火炎が前記第２キャビティ内へ火炎伝播する、或いは高温化により自己着火することによって、急速に前記第２キャビティ内の混合気が燃焼する。従って、燃焼室全体に火炎を高速で拡大させ、燃焼室空間の全体を利用した均質燃焼を実現させることができる。
【００１４】
上記の燃焼室構造において、前記第１キャビティは、当該第１キャビティの外周縁である第１周縁を含み、前記第２キャビティは、当該第２キャビティの外周縁である第２周縁を含み、前記第１周縁の一部は、前記第２周縁の一部を兼ねる共通周縁部であり、該共通周縁部は稜線であることが望ましい。
【００１５】
この燃焼室構造によれば、前記稜線を間に介して第１、第２キャビティが隣り合う態様となる。従って、前記第１キャビティで発生した火炎が前記第２キャビティ内の混合気にスムースに燃え移り、燃焼室全体としてより高速な燃焼を行わせることができる。
【００１６】
上記の燃焼室構造において、前記第２キャビティは、前記冠面の気筒軸方向視において、前記燃料噴射弁を取り囲むような略Ｃ字形状を有し、前記第１キャビティは、前記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とが望ましい。
【００１７】
この燃焼室構造によれば、比較的高温の排気側で充分に霧化された混合気が、ピストンが上死点付近に到達した際に、前記第２キャビティのＣ字形状に沿って、前記第１キャビティに集約される。これにより、前記着火部による着火性を一層高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、火花点火式のエンジンにおいて、高速且つ燃焼室空間の全体を利用した均質な燃焼が実現可能なエンジンの燃焼室構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の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の概略断面図である。
【図２】図２は、図１に示されたシリンダヘッド要部の断面図である。
【図３】図３は、図１に示されたエンジンのピストンの斜視図である。
【図４】図４は、前記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。
【図５】図５は、前記ピストンの冠面の平面図である。
【図６】図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】図８は、図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】図９は、燃焼室天井面の平面図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、インジェクタのノズルヘッドの概略断面図、図１０（Ｂ）は、前記ノズルヘッドの下面の平面図である。
【図１１】図１１は、前記ノズルヘッドが有する噴射孔の、燃料噴射の指向軸を説明するための模式的な平面図である。
【図１２】図１２は、点火プラグの着火部の方向を指向する噴射孔からの、燃料噴射の状況を示す模式図である。
【図１３】図１３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１４】図１４は、第１噴射モードにおける燃料噴射の状況を示す、燃焼室の断面図である。
【図１５】図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、燃焼室における混合気の燃焼状況を説明するための平面図である。
【図１６】図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）は、燃焼室における混合気の燃焼状況を説明するための平面図である。
【図１７】図１７は、第２噴射モードにおける燃料噴射の状況を示す、燃焼室の断面図である。
【図１８】図１８は、燃焼室における混合気のフローを説明するための斜視図である。
【図１９】図１９は、燃焼室で発生する斜めスワール流を説明するための断面図である。
【図２０】図２０は、スワールコントロールの状況を示す燃焼室の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に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、本発明の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、これら以降の図において、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。
【００２１】
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前記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。
【００２２】
本実施形態のエンジン本体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共に、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。
【００２３】
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（これらは、本発明における「燃焼室構成部材」の一例である）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気筒２（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の上面に取り付けられ、気筒２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各気筒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の往復運動に応じて、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、図３〜図８に基づき後記で詳述する。
【００２４】
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４１と、排気ポート１０の上流端である排気側開口部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。燃焼室天井面６Ｕの平面図である図９を参照して、本実施形態のエンジン本体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、各気筒２につき２つずつ設けられると共に、吸気バルブ１１および排気バルブ１２も２つずつ設けられている。
【００２５】
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、いわゆる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。
【００２６】
吸気バルブ１１及び排気バルブ１２も、上記の「燃焼室構成部材」に相当する。本実施形態において、燃焼室６を区画する燃焼室壁面は、気筒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。
【００２７】
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、各吸気バルブ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。
【００２８】
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。吸気側ＶＶＴ１５は、吸気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴであり、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する。同様に、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。排気側ＶＶＴ１６は、排気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴであり、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。
【００２９】
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ーを供給する点火プラグ１７が、各気筒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。点火プラグ１７の配置、着火部１７Ａの構造などについては、後記で詳述する。
【００３０】
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、各気筒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が接続されている。インジェクタ１８は、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。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（図示せず）が接続されている。この高圧燃料ポンプと燃料供給管１９との間には、全気筒２に共通の蓄圧用のコモンレール（図示せず）が設けられている。このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒２のインジェクタ１８に供給されることにより、各インジェクタ１８からは、高い圧力の燃料が燃焼室６内に噴射される。
【００３１】
インジェクタ１８は、例えばソレノイド型インジェクタ、又はピエゾ型のインジェクタであり、電気信号が与えられることによって開閉される弁装置を備える。この弁装置が「開」とされることで、燃料噴射が実行される。インジェクタ１８による燃料噴射のタイミングは、燃料噴射制御部１８Ａによって制御される。
【００３２】
［ピストンの詳細構造］
図３〜図８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５は、冠面５０の平面図である。また、図６、図７、図８は、それぞれ図５のＶＩ−ＶＩ線、ＶＩＩ−ＶＩＩ線、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【００３３】
ピストン５は、ピストンヘッド５Ａと、ピストンヘッド５Ａの下方（−Ｚ側）に連設されたスカート部５Ｓとを含む。ピストンヘッド５Ａは円柱体からなり、上記の通り燃焼室６の壁面の一部（底面）を形成する冠面５０を上面に備えると共に、気筒２の内壁面と摺接する側周面とを備える。前記側周面には、ピストンリングが嵌め込まれるリング溝が複数備えられている。スカート部５Ｓは、ピストンヘッド５Ａの＋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。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の前記ピン孔には、ピストンピン８１が挿通される（図６）。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。
【００３４】
冠面５０は、燃焼室天井面６ＵとＺ方向に対向する面である。冠面５０は、その径方向（Ｘ方向及びＹ方向）の概ね中央部分に配置されたキャビティ５Ｃを含む。キャビティ５Ｃは、冠面５０が下方（−Ｚ側）に凹没された部分であり、例えば上述のリタードＳＩ燃焼を行うモードにおいて、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においてキャビティ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側に隣接する平面、排気側平面部５６は、キャビティ５Ｃの＋Ｘ側に隣接する平面、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。
【００３５】
キャビティ５Ｃは、小キャビティ５１（第１キャビティ）、大キャビティ５２（第２キャビティ）及び凸部５３を含む。小キャビティ５１は、図４に示すように、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の直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、気筒軸方向の上面視（図５）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。小キャビティ５１の大きさは、後述する燃料噴射期間ＰＦ１のタイミングで、後述するインジェクタ１８に設けられた複数の噴射孔のうち隣接する２つの噴射孔の中心軸線（燃料噴射の指向軸）が収まる程度の大きさに設定している。大キャビティ５２は、後述する燃料噴射期間ＰＦ２で燃料を噴射するタイミングで、残りの噴射孔の中心軸線が収まるように設定されている。その結果、本実施形態では、大キャビティ５２の気筒軸方向の投影面積が、小キャビティ５１よりも８倍程度大きい態様となっている。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、インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎの直下の位置に凸設されている。
【００３６】
後記で詳述するが、小キャビティ５１は、着火部１７Ａ周辺の比較的狭い領域に混合気の乱流を集約し、着火部１７Ａによる強制点火によって火種となる燃焼領域を作る役目を果たす。従って、小キャビティ５１の気筒軸方向の投影面積は、着火部１７Ａの周囲を取り囲む程度の小面積で足りる。また、小キャビティ５１のキャビティ形状は、特に限定されものではないが、例えば着火部１７Ａの鉛直下方を中心とするパラボラ形状は、好ましい形状の一つである。
【００３７】
一方、大キャビティ５２は、同様に混合気の乱流を集約する役目を果たすが、小キャビティ５１で発生した火炎を火種として、燃焼室６の全体に速やかにその火炎を拡張させることも企図されたキャビティである。また、火炎を燃焼室６の全体に均等に拡張させるためには、図５に例示しているように大キャビティ５２は、上面視において冠面５０と大略的に同心円となる外形形状を備えていることが望ましい。
【００３８】
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、上面視で略扇型の形状であり、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、上面視で略Ｃ字型の形状を有している。つまり、大キャビティ５２は、冠面５０の気筒軸方向視において略Ｃ字形状を有している。第２周縁５２１は、凸部５３、吸気側平面部５５、排気側平面部５６、側方上面５７及び小キャビティ５１との境界線となる。
【００３９】
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。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、前記Ｃ字形状の開放部分（開放端縁）に相当する。前記共通周縁部は、図３、図７、図８に示されているように、上方へ突出した稜線５４である。すなわち、本実施形態では、稜線５４だけを間に介して小キャビティ５１と大キャビティ５２とが隣り合っている。
【００４０】
図５を参照して、大キャビティ５２は、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、大キャビティ５１、５２によって、凸部５３と略同心の環状凹部が冠面５０に形成されている。
【００４１】
凸部５３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ので、小キャビティ５１及び大キャビティ５２はノズルヘッド１８Ｎを取り囲む形状を有しているとも言える。ノズルヘッド１８Ｎは、放射状に燃料を噴射可能なマルチホールタイプのヘッドであり、小、大キャビティ５１、５２の双方へ燃料噴射が可能である。ノズルヘッド１８Ｎの構造については、図１０〜図１２を参照して後記で詳述する。
【００４２】
吸気側平面部５５は、小キャビティ５１の−Ｘ側に隣接する平面であり、平面視で概ね扇型の形状を有している。排気側平面部５６は、大キャビティ５２の＋Ｘ側に隣接する平面であり、吸気側平面部５５よりも小さいが、同様に平面視で概ね扇型の形状を有している。吸気側平面部５５及び排気側平面部５６は同じ高さ位置にある平面であり、冠面５０において最も高い位置にある。一対の側方上面５７は、大キャビティ５２の＋Ｙ側及び−Ｙ側に各々隣接し、大キャビティ５２の外側において吸気側平面部５５と排気側平面部５６とを繋ぐ面である。側方上面５７は、吸気側及び排気側平面部５５、５６よりもやや高さ位置が低い部分であり、燃焼室天井面６Ｕの緩いペントルーフ形状に応じた緩い凸形状を有している。側方上面５７は、吸気、排気バルブ１１、１２と冠面５０との干渉を回避するバルブリセスでもある。
【００４３】
図６を参照して、キャビティ５Ｃの深さに関し、小キャビティ５１の底面５１２は、大キャビティ５２の底面５２２よりも気筒軸方向（Ｚ方向）において高い位置に形成されている。底面５１２、５２２は、それぞれ小、大キャビティ５１、５２において、吸気側及び排気側平面部５５、５６に対する窪み深さが最も深い部分である。凸部５３は、底面５１２、５２２よりも高い位置にあるが、吸気側及び排気側平面部５５、５６に対しては窪んだ位置にある。
【００４４】
小キャビティの底面５１２のＺ方向における高さ位置をｈ１、大キャビティ５２の底面５２２のＺ方向における高さ位置をｈ２とするとき、ｈ１はｈ２よりも高い位置（＋Ｚ側）にあり、両者間には所定の高低差ｄが与えられている。これによりキャビティ５Ｃの小、大キャビティ５１、５２からなる環状凹部は、その底面が−Ｘ側が＋Ｘ側よりも高くなるように傾斜する傾向を有している。
【００４５】
［燃焼室構造の詳細］
続いて、冠面５０を含む燃焼室６の各部の構造について説明する。図９は、燃焼室天井面６Ｕの平面図である。燃焼室天井面６Ｕは、シリンダヘッド４の底面４ａと、吸気ポート９の２つの吸気側開口部４１を開閉する２つの吸気バルブ１１のバルブ面１１ｃと、排気ポート１０の２つの排気側開口部４２を開閉する２つの排気バルブ１２のバルブ面１２ｃとによって構成されている。２つの吸気側開口部４１（吸気ポート９）は、−Ｘ側においてＹ方向に２つが並ぶように配置されている。排気側開口部４２（排気ポート１０）は、＋Ｘ側においてＹ方向に２つが並ぶように配置されている。以下、燃焼室６において、吸気ポート９が配置される側を吸気側、排気ポート１０が配置される側を排気側という。
【００４６】
燃焼室天井面６Ｕの吸気側には吸気側天面４３が、排気側には排気側天面４４が備えられている。吸気側天面４３は、２つの吸気側開口部４１の間の−Ｘ側領域において延びる平坦な面である。排気側天面４４は、２つの排気側開口部４２の間の＋Ｘ側領域において延びる平坦な面である。吸気側天面４３は、冠面５０の吸気側平面部５５と対向する面、排気側天面４４は、排気側平面部５６と対向する面である。バルブ面１１ｃ、１２ｃは、概ね半分が側方上面５７と対向し、残りの半分が大キャビティ５２と対向する。
【００４７】
２つの吸気側開口部４１の中間にはプラグ凹部４５が凹設されている。プラグ凹部４５は、点火プラグ１７の着火部１７Ａを燃焼室６内に露出させるための円柱型の凹部である。インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎは、燃焼室天井面６Ｕにおいて、Ｘ方向及びＹ方向の略中心位置に配置されている。着火部１７Ａは、このノズルヘッド１８Ｎよりも吸気側寄りに配置されている。
【００４８】
小、大キャビティ５１、５２の燃焼室６内の配置に関し、大略的には、小キャビティ５１は吸気側、大キャビティ５２は排気側に配置されている。図５を参照して、ノズルヘッド１８Ｎと対向する位置にある凸部５３よりも−Ｘ側が吸気側、＋Ｘ側が排気側となる。着火部１７Ａと対向する小キャビティ５１は、全体が吸気側に位置している。一方、大キャビティ５２は、大部分（少なくとも一部）が排気側に位置している。
【００４９】
大キャビティ５２は、凸部５３よりも＋Ｘ側の排気側領域５２Ａと、凸部５３の＋Ｙ側及び−Ｙ側に位置する側方領域５２Ｂと、小キャビティ５１の＋Ｙ側及び−Ｙ側に隣接する隣接領域５２Ｃとを含む。排気側領域５２Ａは、投影面積及び容積が最も大きい領域であって、排気側（燃料噴射弁よりも排気側寄り）に位置している。側方領域５２Ｂは、吸気側と排気側とのボーダー上に位置している。一方、隣接領域５２Ｃは吸気側に位置している。隣接領域５２Ｃ及び側方領域５２Ｂは、排気側領域５２Ａに比べて投影面積が小さい領域であり、排気側領域５２Ａと小キャビティ５１とを繋ぐ領域である。
【００５０】
大キャビティ５２の底面５２２の高さ位置は、排気側領域５２Ａから隣接領域５２Ｃにかけて同じ高さとしても良いし、異なる高さとしても良い。なお、後述する斜めスワール流ＦＳ（図１９）の良好な形成のために、排気側領域５２Ａが最も深く、側方領域５２Ｂから隣接領域５２Ｃに向けて徐々に浅くなるように、底面５２２の高さ位置を設定しても良い。
【００５１】
次に、図２を主に参照して、点火プラグ１７の着火部１７Ａの構造を説明する。着火部１７Ａは、中心電極１７１と、Ｌ字型に折曲された角棒からなる接地電極１７２とを含む。接地電極１７２は、放電空間となるギャップＧを隔てて中心電極１７１と対向する対向部１７３と、対向部１７３に連なる基部１７４とを含む。基部１７４は、点火プラグ１７の軸心方向に延びている。対向部１７３は、Ｌ字型に突出する接地電極１７２の先端部であって、基部１７４と直交する方向に延びている。
【００５２】
着火部１７Ａは、インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎと小キャビティ５１との間に配置され（図４）、且つ、対向部１７３がノズルヘッド１８Ｎの配置位置から離間する方向を指向するように、燃焼室６に配置されている。つまり、中心電極１７１と対向部１７３との間に形成されているギャップＧとノズルヘッド１８Ｎとの間に、基部１７４（接地電極１７２）が介在するように、着火部１７Ａがシリンダヘッド４に対して組み付けられている。
【００５３】
既述の通り、ノズルヘッド１８Ｎはマルチホールタイプのヘッドであり、環状に配置された複数の噴射孔１８Ｈを備える。複数の噴射孔１８Ｈは、次述の通り、小キャビティ５１を指向した噴射孔１８Ｈを含む。上記の通りの着火部１７Ａの組み付けにより、当該噴射孔１８Ｈから噴き出される噴射燃料１８Ｅは、接地電極１７２にブロックされて放電空間であるギャップＧに直接入り込むことができない。つまり、噴射燃料１８Ｅが、充分に霧化しない状態でギャップＧに入り込まないように工夫されている。
【００５４】
続いて、ノズルヘッド１８Ｎについて詳述する。図１０（Ａ）は、ノズルヘッド１８Ｎの概略断面図、図１０（Ｂ）は、ノズルヘッド１８Ｎの下面の平面図である。図１１は、ノズルヘッド１８Ｎが有する噴射孔１８Ｈ（１８Ｈ１、１８Ｈ２）の、燃料噴射の指向軸ＡＸ１、ＡＸ２を説明するための模式的な平面図である。ノズルヘッド１８Ｎは、互いに異なる方向を指向する複数（図例では１０個）の噴射孔１８Ｈを有する。インジェクタ１８は、これら噴射孔１８Ｈを通して燃焼室６内に燃料を噴射する。ノズルヘッド１８Ｎの配置位置は、気筒軸方向視で燃焼室天井面６Ｕの略中心位置である（図２、図４）。
【００５５】
図１０（Ａ）を参照して、ノズルヘッド１８Ｎは、ヘッド筐体１８１を含む。ヘッド筐体１８１は、内部に燃料を保持する中空部１８２を備えた筒体であって、下面側に円錐型の下壁面１８Ｂを有する。複数の噴射孔１８Ｈは、それぞれ異なる指向軸ＡＸを持つように下壁面１８Ｂに穿孔されている。図１０（Ｂ）を参照して、複数の噴射孔１８Ｈは、下壁面１８Ｂの円錐頂点を中心として、気筒軸方向視で環状に等ピッチで配列されている。中空部１８２には、Ｚ方向に移動自在のプランジャー１８３が収容されている。プランジャー１８３が−Ｚ方向へ移動することで、各噴射孔１８Ｈから指向軸ＡＸが延びる方向へ燃料が噴射される。
【００５６】
図１０（Ｂ）、図１１を参照して、複数の噴射孔１８Ｈは、着火部１７Ａの配置位置を指向する２つの第１噴射孔１８Ｈ１と、これら第１噴射孔１８Ｈ１を除く８つの第２噴射孔１８Ｈ２とからなる。２つの第１噴射孔１８Ｈ１は、互いに隣接する噴射孔であり、着火部１７Ａに向かう方向の指向軸ＡＸ１を各々有している。８つの第２噴射孔１８Ｈ２は、燃焼室６の径方向外側へ向かう指向軸ＡＸ２を各々有している。２つの指向軸ＡＸ１及び８つの指向軸ＡＸ２は、周方向に所定のピッチで並んでおり、ノズルヘッド１８Ｎから放射状に延び出している。第１、第２噴射孔１８Ｈ１、１８Ｈ２の内径は同じであって、個々噴射孔から噴射される燃料の量は同じである。但し、第２噴射孔１８Ｈ２の方が数の多い分だけ、第１噴射孔１８Ｈ１から噴射される燃料の量よりも多くの量の燃料を噴射する。
【００５７】
小、大キャビティ５１、５２と噴射孔１８Ｈの配置との関係について、第１噴射孔１８Ｈ１の２つの指向軸ＡＸ１は、小キャビティ５１を指向しており、第２噴射孔１８Ｈ２の８つの指向軸ＡＸ２は大キャビティ５２を指向している。換言すると、小キャビティ５１は第１噴射孔１８Ｈ１から噴射された燃料を捕捉可能な位置に凹設され、大キャビティ５２は第２噴射孔１８Ｈ２から噴射された燃料を捕捉可能な位置に凹設されている。
【００５８】
図１２は、２つの第１噴射孔１８Ｈ１と着火部１７Ａとの位置関係及び燃料噴射の状況を示す模式図である。着火部１７Ａは、２つの第１噴射孔１８Ｈ１の指向軸ＡＸ１の間に挟まれる位置に配置されている。これは、過剰な燃料（混合気）が着火部１７Ａへ向かうことを回避するためである。第１噴射孔１８Ｈ１から噴射された噴射燃料１８Ｅは、指向軸ＡＸ１に沿って進行しつつ、拡散しながら霧化する。本実施形態の配置によれば、噴射燃料１８Ｅの拡散エッジｅ付近の燃料だけが直接的に着火部１７Ａに向かう。高負荷運転時のように噴射孔１８Ｈからの燃料噴射量が多い場合に、指向軸ＡＸ１に沿った噴射燃料１８Ｅの主流が直接的に着火部１７Ａに向かうと、着火部１７Ａに燃料が付着して炭化するプラグ被りが発生することがある。しかし、本実施形態によれば、適切に霧化された燃料を着火部１７Ａに向かわせることができ、前記プラグ被りを防止することができる。
【００５９】
［燃料噴射タイミング］
図１３は、燃料噴射タイミング（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。本実施形態のエンジン本体１は、燃料噴射制御部１８Ａ（図１）が、ピストン５が圧縮ＴＤＣ近傍にあるときに燃料噴射を実行させるモードＩ（第１噴射モード）と、ピストン５が圧縮ＴＤＣ近傍よりも進角側にあるときに燃料噴射を実行させるモードＩＩ（第２噴射モード）との間で、燃料噴射タイミングを制御可能とされ、これら燃料噴射期間及びこれに応じた点火タイミングで、少なくとも運転を成立させる。
【００６０】
モードＩは、上掲のリタード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ＴＤＣの近傍、点火タイミングは膨張行程初期である。すなわち、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。このタイミングＴ１１〜Ｔ１２が燃料噴射期間ＰＦ１である。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。一例を挙げると、−ＣＡ１１は圧縮ＴＤＣ前１０°、＋ＣＡ１２は圧縮ＴＤＣ後２°、＋ＣＡ１３は圧縮ＴＤＣ後９°である。このモードＩによれば、圧縮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。
【００６１】
モードＩＩは、上掲の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（圧縮ＴＤＣ近傍よりも進角側）、点火タイミングは圧縮ＴＤＣ付近である。すなわち、排気ＴＤＣからピストン５が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、圧縮ＴＤＣに至るタイミングＴ２３である。一例を挙げると、ＣＡ２は排気ＴＤＣ後７０°である。なお、ノッキング防止のため、圧縮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良い。
【００６２】
［燃焼動作］
図１４は、モードＩにおける燃料噴射の状況を示す、燃焼室６の断面図である。上述の通り、モードＩではピストン５がＴＤＣ付近にあるときに、インジェクタ１８のノズルヘッド１８Ｎから燃料が噴射される。図１４において、符号１８Ｅ１は、第１噴射孔１８Ｈ１から噴射された噴射燃料を、符号１８Ｅ２は、第２噴射孔１８Ｈ２から噴射された噴射燃料を、それぞれ模式的に示している。モードＩにおいて、着火部１７Ａを指向する第１噴射孔１８Ｈ１の噴射燃料１８Ｅ１は、小キャビティ５１に捕捉される。小キャビティ５１は、冠面５０において、前記捕捉が可能な位置に凹設されている。なお、第２噴射孔１８Ｈ２の噴射燃料１８Ｅ２は、大キャビティ５２に捕捉される。
【００６３】
吸気行程で吸気側開口部４１（図１）を通して吸気ポート９から燃焼室６に導入された吸気は、圧縮行程初期においては、燃焼室６内でタンブル流乃至はスワール流を形成する。圧縮行程が進行し、ピストン５がＴＤＣに近づくに連れて、一定の規則性を持ったタンブル流は徐々に潰され、乱流に変換されてゆく。圧縮行程終盤では、スワール流が少々残存するものの、前記乱流が支配的となる。冠面５０にはキャビティ５Ｃ（小、大キャビティ５１、５２）が形成されているので、前記乱流はキャビティ５Ｃに集約されるようになる。従って、噴射燃料１８Ｅ１、１８Ｅ２は、キャビティ５Ｃ内で前記乱流によって掻き回され、霧化が促進される。
【００６４】
図１５（Ａ）、（Ｂ）及び図１６（Ａ）、（Ｂ）は、モードＩ（リタードＳＩ燃焼）が採用された場合の、燃焼室６における混合気の燃焼状況を経時的に説明するための、冠面５０の平面図である。まず、図１５（Ａ）は、図１３のタイミングＴ１２の直後の状態を示している。つまり、圧縮ＴＤＣの後、膨張行程においてピストン５が下降を開始している共に、圧縮ＴＤＣを跨いだ燃料噴射期間ＰＦ１が終了した状態である。このとき、冠面５０の吸気側平面部５５上に、逆スキッシュ流ＲＳが発生する。逆スキッシュ流ＲＳは、冠面５０の径方向中心から径方向外側に向かうフローである。
【００６５】
吸気側平面部５５は冠面５０において最も高い位置にある平面であって、燃焼室天井面６Ｕの吸気側天面４３（図２）と対向している。吸気側天面４３は、吸気側平面部５５と略平行な面であり、吸気側平面部５５はピストン５がＴＤＣにあるとき、冠面５０において燃焼室天井面６Ｕに最も接近する領域となる。このため、ピストン５の下降によって吸気側平面部５５と吸気側天面４３との間が拡開することにより、両者間の空間には負圧が発生する。前記負圧によって燃焼室６内の流体が引き寄せられ、逆スキッシュ流ＲＳを形成する。この意味で、吸気側平面部５５は逆スキッシュ流生成部ということができる。
【００６６】
なお、排気側平面部５６も排気側天面４４に同様に接近するが、吸気側平面部５５は排気側平面部５６に比べて投影面積が充分大きい。従って、前記逆スキッシュ流ＲＳは、排気側平面部５６の存在によって妨げられない。因みに、排気側平面部５６が存在することにより、ＴＤＣ付近において燃焼室天井面６Ｕと冠面５０との間隔が狭くなり、ＴＤＣ付近での燃料噴射された場合に、当該燃料が気筒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。
【００６７】
上述の通り燃料は、ノズルヘッド１８Ｎの第１、第２噴射孔１８Ｈ１、１８Ｈ２から、小、大キャビティ５１、５２に向けて噴射される。ここで、大キャビティ５２の大部分（排気側領域５２Ａ）は、排気側に配置されている。排気側は、燃焼後の高温ガスを排出する排気ポート１０を有するので、吸気側よりも高温化している。従って、大キャビティ５２に向けて噴射された燃料は、吸気側の熱によって比較的早く霧化し易くなり、短時間で充分に吸気と混合された混合気を得ることができる。
【００６８】
そして、この大キャビティ５２の混合気は、逆スキッシュ流ＲＳによって吸気側に引き寄せられ、混合気フローＦ１が形成される。混合気フローＦ１は、大キャビティ５２のＣ字形状に沿って吸気側へ流れ、当該Ｃ字形状の開放部分に位置する小キャビティ５１に向かうフローである。なお、混合気フローＦ１の形成には、図１８に基づき後述するように、吸気側と排気側との混合気の温度差も貢献している。
【００６９】
図１５（Ｂ）は、図１３のタイミングＴ１３の直前の状態を示している。つまり、混合気に強制点火される直前の状態であり、特に小キャビティ５１の状態に着目している。点火直前の燃焼室６内においては、タンブル流などの筒内主流がほとんど存在せず（スワール流が僅かに残る）、乱流が支配的となる。この燃焼室６内のうちの一部の乱流ＦＲ１が、図１５（Ｂ）に示されているように、小キャビティ５１に集約される。つまり、点火プラグ１７の着火部１７Ａの周囲に乱流ＦＲ１が集約される。
【００７０】
この集約は、小キャビティ５１という凹部自体が乱流ＦＲ１を閉じ込める作用を有すること、上記の逆スキッシュ流ＲＳに伴う混合気フローＦ１によって、大キャビティ５２内の乱流が小キャビティ５１へ導かれること、等によって達成される。また、大キャビティ５２とは別個に独立して小キャビティ５１が設けられていることも、前記集約に貢献している。すなわち、小キャビティ５１が存在せず、単に一つの大きなキャビティが冠面５０の径方向中央付近に凹設されているだけでは、乱流を当該キャビティに閉じ込めることはできるとしても、着火部１７Ａの周囲に乱流を集約することはできない。
【００７１】
図１６（Ａ）は、図１３のタイミングＴ１３の状態を示している。つまり、混合気への強制点火が行われた状態であり、図中に着火部１７Ａによる着火点ＩＰを示している。この強制点火によって、小キャビティ５１内において火炎が高速で拡がる。つまり、小キャビティ５１に集約された混合気の乱流ＦＲ１が一気に燃焼し、燃焼領域Ｂ１を作る。これは、高温の排気側に配置された大キャビティ５２で吸気と燃料が混合された混合気が、小キャビティ５１に集約されることによって、小キャビティ５１内の混合気（乱流ＦＲ１）の着火性が良好となっていることによる。なお、図１５（Ｂ）では記載を省いたが、図１６（Ａ）に示す通り、大キャビティ５２にも混合気の乱流ＦＲ２が閉じ込められている。但し、着火性は小キャビティ５１内の乱流ＦＲ１に劣るので、この時点では燃焼していない。
【００７２】
図１６（Ｂ）は、図１３のタイミングＴ１３の直後の状態を示している。つまり、燃焼が投影面積の大きい大キャビティ５２、ひいては燃焼室６全体に拡がりつつある状態を示している。着火部１７Ａの周囲に形成された燃焼領域Ｂ１は、燃焼室６内の残りの混合気を燃焼させるための火種となる。すなわち、小キャビティ５１で発生した火炎が、大キャビティ５２に集約された混合気（乱流ＦＲ２）へ火炎伝播して、大キャビティ５２内に燃焼領域Ｂ２を作り、これを拡張させてゆく。また、吸気側平面部５５上では、ピストン５の下降に伴う負圧力の作用も相俟って火炎伝播し、燃焼領域Ｂ３を作る。
【００７３】
さらに、燃焼領域Ｂ１の発生、或いは燃焼領域Ｂ１〜Ｂ３の発生による、燃焼室６内の高温高圧化によって、大キャビティ５２及びその他の残部領域において自己着火Ｂ４による燃焼も発生する。これら火炎伝播及び自己着火によって、大キャビティ５２内の混合気及びその他の残部領域において燃焼が急速に拡がる。従って、燃焼室６全体に火炎を高速で拡大させ、燃焼室６の空間全体を利用した均質燃焼を実現させることができる。なお、自己着火Ｂ４による燃焼が発生せず、火炎伝播のみで燃焼が完遂される場合もある。
【００７４】
図１７は、モードＩＩにおける燃料噴射の状況を示す、燃焼室６の断面図である。モードＩでは、ピストン５がＴＤＣから相当下降した位置にあるときに、ノズルヘッド１８Ｎから燃料が噴射される。第２噴射孔１８Ｈ２から噴射された噴射燃料１８Ｅ２は、大キャビティ５２に向けて噴射され、当該大キャビティ５２によって捕捉される。従って、噴射燃料１８Ｅ２は、冠面５０で跳ね返され、気筒２の内壁面へ付着するようなことはない。なお、第１噴射孔１８Ｈ１から噴射された噴射燃料１８Ｅ１は、小キャビティ５１に捕捉される。
【００７５】
図１８は、モードＩＩ（ＳＩ燃焼、ＳＩＣＩ燃焼）が採用された場合に、燃焼室６において発生する混合気フローＦ２を説明するための斜視図である。上述の通り、小キャビティ５１は比較的低温の吸気側に、大キャビティ５２は比較的高温の排気側寄りに、各々形成されている。燃焼室６の燃焼室壁面は、排気側の壁面の方が吸気側よりも高温となることから、燃焼室６内の混合気の温度も排気側がより高温となる。従って、大キャビティ５２（排気側領域５２Ａ）に存在する混合気ＦＡも高温となり、当該混合気ＦＡは燃料の霧化が良好に進んだものとなる。
【００７６】
圧縮行程においてピストン５が上昇しＴＤＣに近づくにつれ、燃焼室６内の吸気側空間と排気側空間との間における混合気の温度差によって、図１８に示すような混合気フローＦ２が発生する。すなわち、排気側の混合気ＦＡの方が吸気側よりも高温であることから、当該温度差に基づき、混合気ＦＡが大キャビティ５２の有するＣ字形状に沿って流れる混合気フローＦ２が形成される。この混合気フローＦ２によって、高温で良好に燃料が霧化された混合気ＦＡが、小キャビティ５１に供給されることになる。つまり、着火部１７Ａの周囲に着火性に優れる混合気ＦＡが供給される。従って、良好な着火性を得ることができる。
【００７７】
［作用効果］
以上説明した本実施形態に係る火花点火式のエンジンの燃焼室構造によれば、次のような作用効果を奏する。本実施形態のエンジン本体１において、燃焼室６の底面を区画するピストン５の冠面５０は、小キャビティ５１と大キャビティ５２とを含む。小キャビティ５１は、ピストン５が圧縮ＴＤＣ近傍にあるときに燃料噴射を実行させるモードＩにおいて、点火プラグ１７の着火部１７Ａの配置位置を指向する第１噴射孔１８Ｈ１から噴射された燃料を捕捉可能な位置において、冠面５０に凹設されている。大キャビティ５２は、ピストン５が圧縮ＴＤ近傍よりも進角側にあるときに燃料噴射を実行させるモードＩＩにおいて、第２噴射孔１８Ｈ２から噴射された燃料を捕捉可能な位置において、冠面５０に凹設されている。
【００７８】
このため、モードＩが実行される場合には、小キャビティ５１によって着火部１７Ａに向けて第１噴射孔１８Ｈ１から噴射された燃料が捕捉される。従って、ピストン５が圧縮ＴＤＣ近傍にあるときに燃料が噴射される場合でも、着火部１７Ａの周囲に燃料を含む混合気の乱流を集約させ、着火部１７Ａによる着火性を良好にすることができる。また、小キャビティ５１内において火炎を高速で拡げることができる。一方、モードＩＩが実行される場合には、大キャビティ５２によって第２噴射孔１８Ｈ２から噴射された燃料が捕捉される。すなわち、第２噴射孔１８Ｈ２からの噴射燃料１８Ｅ２が冠面５０で跳ね返されて気筒２の内周壁に付着、炭化するといった不具合を起こさないよう、大キャビティ５２で噴射燃料１８Ｅ２がトラップされる。従って、モードＩＩにおいて均質燃焼を実現することができる。
【００７９】
ノズルヘッド１８Ｎが備える複数の噴射孔１８Ｈのうち、隣接する２つの噴射孔が第１噴射孔１８Ｈ１とされ、着火部１７Ａは、２つの第１噴射孔１８Ｈ１が各々有する燃料噴射の指向軸ＡＸ１の間に挟まれる位置に配置されている（図１２）。これにより、適切に霧化された燃料を着火部１７Ａに向かわせることができる。例えば、高負荷運転時のように噴射孔１８Ｈからの燃料噴射量が多い場合には、指向軸ＡＸ１に沿って拡散しながら霧化する燃料の拡散エッジｅ付近だけが着火部１７Ａに向かう。このため、過剰な燃料（混合気）が着火部１７Ａへ向かうことを回避でき、プラグ被りを防止できる。また、噴射孔１８Ｈからの燃料噴射量が比較的少ない場合には、燃焼室６内で発生するスワール流等を利用して、混合気を着火部１７Ａへ輸送させることができる。
【００８０】
本実施形態では、小キャビティ５１が比較的低温となる吸気側に配置され、大キャビティ５２が比較的高温となる排気側寄りに配置されている。そして、孔数が多く総量として多くの量の燃料を噴射する第２噴射孔１８Ｈ２から噴射された燃料が、大キャビティ５２にて捕捉される。つまり、より多くの量の燃料が比較的高温となる大キャビティ５２へ噴射されるので、燃焼室６全体として燃料の霧化を促進することができる。
【００８１】
また、小キャビティ５１が点火プラグ１７の着火部１７Ａに対応する位置に配置され、この小キャビティ５１に隣接する位置に、気筒軸方向の投影面積が大きい大キャビティ５２が配置されている。着火部１７Ａの直下位置に小キャビティ５１が配置されているので、図１５（Ｂ）に示したように、当該着火部１７Ａの周囲に混合気の乱流ＦＲ１が集約されるようになる。とりわけ、大キャビティ５２は気筒軸方向視において、インジェクタ１８を取り囲むようなＣ字形状を有し、小キャビティ５１は、前記Ｃ字形状の開放部分に挟まれる位置に形成されている。従って、比較的高温の排気側で充分に霧化された混合気が、ピストン５がＴＤＣ付近に到達した際に、大キャビティ５２のＣ字形状に沿って、小キャビティ５１に集約される。
【００８２】
このため、着火部１７Ａによる前記混合気への着火性が良好となり、また、小キャビティ５１内において火炎を高速に拡げることができる。この小キャビティ５１に隣接して、投影面積が大きい大キャビティ５２が配置されている。当該大キャビティ５２にも混合気の乱流ＦＲ２が集約されるため、小キャビティ５１で発生した火炎が大キャビティ５２内へ火炎伝播する、或いは前記火炎の発生に伴う高温化により自己着火が発生することによって、急速に大キャビティ５２内の混合気、燃焼室６内の他の領域の混合気が燃焼する。従って、燃焼室６全体に火炎を高速で拡大させ、燃焼室６空間の全体を利用した均質燃焼を実現させることができる。また、ピストン５のＴＤＥ付近で混合気を高速燃焼させることができ、結果としてエンジン本体１に大きなエンジントルクを発生させることが可能となる。
【００８３】
また、小キャビティ５１と大キャビティ５２とが、稜線５４を間に介して隣り合うように配置されている。従って、小キャビティ５１と大キャビティ５２との間にプラトー部が存在するような態様に比較して、図１６（Ａ）に例示したステップにおいて、小キャビティ５１で発生した火炎が大キャビティ５２内の混合気にスムースに燃え移るようにすることができる。これにより、燃焼室６全体としてより高速な燃焼を行わせることができる。
【００８４】
さらに、図６に示したように、小キャビティ５１の底面５１２は、大キャビティ５２の底面５２２よりも気筒軸方向において高い位置に形成されている。このため、ピストン５がＴＤＣ付近にあるときに燃焼室６内で残存するスワール流を、図１９に示すように、大キャビティ５２から小キャビティ５１へ向けて斜め上方へせり上がる斜めスワール流ＦＳとすることができる。斜めスワール流ＦＳは、小キャビティ５１の上方領域において燃焼室天井面６Ｕに到達し得る。
【００８５】
着火部１７Ａは、燃焼室天井面６Ｕのプラグ凹部４５に収容されている。プラグ凹部４５の近傍には、着火時に発生するガス（残留ガス）が滞留しがちとなる。本実施形態では、着火部１７Ａは、小キャビティ５１に対応する位置に配置されている。そして、斜めスワール流ＦＳは、プラグ凹部４５を通過する。このため、着火部１７Ａに存在する残量ガスを、斜めスワール流ＦＳによって除去することができる。従って、着火部１７Ａに新鮮な混合気を与え、小キャビティ５１内において火炎をより高速で拡げることができる。
【００８６】
なお、より良好な斜めスワール流ＦＳの形成のため、大キャビティ５２の底面５２２の高さを、排気側が最も深く、Ｃ字形状の開放部分付近（稜線５４付近）に向けて徐々に浅くなるように設定することが望ましい。このように、底面５２２が排気側領域５２Ａ（図５）から隣接領域５２Ｃにかけてせり上がる底面５２２とすることで、より確実に着火部１７Ａを経由する斜めスワール流ＦＳを発生させ易くすることができる。
【００８７】
［変形実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、次のような変形実施形態を取り得る。
【００８８】
（１）上記実施形態では、小キャビティ５１と大キャビティ５２とが、稜線５４を間に介して隣り合うように配置されている例を示したが、両者は互いに隣接している限りにおいて、実質的に離間していても良い。例えば、小キャビティ５１と大キャビティ５２との間に平面部を設け、両者を独立的な凹部としても良い。
【００８９】
（２）上記実施形態では、燃焼室天井面６Ｕに２つの吸気側開口部４１が設けられる例を示した。そのうちの一つの吸気側開口部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におけるスワール流を積極的に発生させることが可能な構成としても良い。スワール流を積極的に活用する状況において、前記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、気筒軸回りの渦流であるスワール流を発生させ易くする。例えば、上掲のＳＩ燃焼やＳＩＣＩ燃焼（モードＩＩ）の燃焼において、前記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。
【００９０】
また、スワール流を積極的に作り出すことで、着火部１７Ａへの混合気の輸送を促進することができる。図２０は、スワールコントロールの状況を示す燃焼室６の平面図である。ここでは、図略のスワールコントロールバルブにより、＋Ｙ側の吸気側開口部４１が閉止されている状態を示している。この場合、−Ｙ側の吸気側開口部４１から燃焼室６へ吸気が流入し、スワール流ＦＳを形成する。上述の通り、着火部１７Ａは、２つの第１噴射孔１８Ｈ１の指向軸ＡＸ１に挟まれるように配置されている。例えば低負荷運転時のように噴射孔１８Ｈからの燃料噴射量が少ない場合には、前記スワール流ＦＳによって混合気を着火部１７Ａへ良好に輸送させることができる。
【符号の説明】
【００９１】
１  エンジン本体
２  気筒（燃焼室壁面）
３  シリンダブロック（燃焼室構成部材）
４  シリンダヘッド（燃焼室構成部材）
５  ピストン（燃焼室構成部材）
５Ｃ  キャビティ
５０  冠面（燃焼室壁面）
５１  小キャビティ（第１キャビティ）
５１１  第１周縁
５２  大キャビティ（第２キャビティ）
５２１  第２周縁
５４  稜線（共通周縁部）
６  燃焼室
６Ｕ  燃焼室天井面（燃焼室壁面）
９  吸気ポート
１０  排気ポート
１１  吸気バルブ（燃焼室構成部材）
１２  排気バルブ（燃焼室構成部材）
１７  点火プラグ
１７Ａ  着火部
１８  インジェクタ（燃料噴射弁）
１８Ａ  燃料噴射制御部
１８Ｎ  ノズルヘッド
１８Ｈ  噴射孔
１８Ｈ１  第１噴射孔
１８Ｈ２  第２噴射孔
ＡＸ、ＡＸ１、ＡＸ２  指向軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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