(57)【要約】【課題】燃料ガスを燃焼室に導入する内燃機関において、より好適に成層分布を形成する。【解決手段】エンジン１０ａが有するピストン３０には、その上面であるピストンヘッドにキャビティ３２が設けられる。キャビティ内側面３６とキャビティ底面３８との成す角が略直角以下となっている。また、エンジン１０ａにおいては、吸気口１８からキャビティ３２に向けて燃料ガスを導入可能となっている。吸気口１８から導入された燃料ガスは、キャビティ内側面３６により水平方向への拡散が抑制されつつ、キャビティ底面３８に当たってその流れ方向が上向きとなる。これにより、キャビティ３２の上方に位置した点火プラグ２８を含む、燃焼室１４内の一定領域に可燃層４０が形成され、その余の領域において希薄層４２が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの上面に形成されたキャビティであって、前記キャビティの開口面の重心位置が前記ピストンの上面の中心からオフセットした位置に形成されるキャビティと、
指向性をもって燃料ガスを燃焼室に導入する燃料ガス導入部であって、前記キャビティに向けて前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入部と、
前記キャビティの上方に位置する点火プラグと、
を備え、
前記キャビティの底面と前記キャビティの内側面との成す角が略直角以下である、
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記燃料ガス導入部の前記燃料ガスの導入方向と、前記ピストンの往復運動方向が一致する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記燃料ガス導入部の導入方向の中心軸上に前記キャビティの開口面の重心位置がある、
ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記キャビティの開口面は、前記ピストンの径方向である長手方向の長さよりも、前記径方向に直交する水平方向である短手方向の長さの方が短い細長形状である、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記燃料ガス導入部の導入方向の中心軸と前記キャビティの開口面との交点が、前記キャビティの開口面の短手方向の中央に位置する、
ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記交点と、前記交点から前記ピストンの上面の中心へ向かう方向にある前記キャビティの開口端との間の長さよりも、前記交点と、前記交点から前記短手方向へ向かう方向にある前記キャビティの開口端との間の長さの方が短い、
ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記キャビティは、前記ピストンの上面の径方向外側に向けて開放している、
ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記キャビティの開口面の短手方向の長さは、前記交点の位置における長さが最大である、
ことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記交点と、前記交点から前記短手方向へ向かう方向にある前記キャビティの開口端との間の長さは、前記燃料ガス導入部の導入口の半径よりも長い、
ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを燃焼室に導入する内燃機関に関し、特に、成層分布を形成して燃焼を行う内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料直接噴射式の内燃機関が知られている。特に、燃費を向上させるなどの目的から、燃焼室内において燃料濃度の濃い層である可燃層と燃料濃度の薄い層である希薄層とからなる成層分布を形成する内燃機関が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１及び２には、燃焼室上部中央から燃焼室内に燃料ガス（燃料と空気などとの混合ガス）を噴射し、燃料ガスをピストンの上面中央部に形成されたキャビティで受けることにより成層分布を形成する技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献３には、液体燃料を燃焼室に直接噴霧する内燃機関であって、燃料噴霧口と点火プラグの位置をそれぞれ焦点とする楕円形に沿って、ピストンの上面に凹部（キャビティ）が形成された内燃機関が開示されている。当該内燃機関においては、ピストンの凹部に向けて液体燃料が噴霧され、当該凹部によって液体燃料を巻き上げて点火プラグへ向けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２６３５７０号公報
【特許文献２】特開昭６３−１０９２７９号公報
【特許文献３】特開２００３−１１３７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば特許文献１あるいは特許文献２のように、燃焼室の中心部において可燃層を形成する場合、周囲に燃料ガスが拡散しやすく、狙いとする位置に可燃層を形成することが難しくなる場合があった。
【０００７】
また、液体燃料を噴霧する場合においては、例えば特許文献３のようにピストンに形成されたキャビティを利用して液体燃料を点火プラグへ向けて巻き上げることも可能である。しかしながら、燃料ガスは液体燃料に比して拡散しやすいため、燃料ガスを導入する場合においては、燃料導入口と点火プラグの位置をそれぞれ焦点とする楕円形に沿ってピストンの上面にキャビティを形成した場合、当該キャビティに燃料ガスを導入したとしても、燃料ガスが拡散してしまい、点火プラグ周辺に好適に可燃層を形成することができない場合があった。すなわち、液体燃料を点火プラグへ巻き上げる構造をそのまま燃料ガスを導入する内燃構造に適用しても、好適に成層分布を形成できない場合があった。
【０００８】
本発明の目的は、燃料ガスを燃焼室に導入する内燃機関において、より好適に成層分布を形成することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ピストンの上面に形成されたキャビティであって、前記キャビティの開口面の重心位置が前記ピストンの上面の中心からオフセットした位置に形成されるキャビティと、指向性をもって燃料ガスを燃焼室に導入する燃料ガス導入部であって、前記キャビティに向けて前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入部と、前記キャビティの上方に位置する点火プラグと、を備え、前記キャビティの底面と前記キャビティの内側面との成す角が略直角以下である、ことを特徴とする内燃機関である。
【００１０】
望ましくは、前記燃料ガス導入部の前記燃料ガスの導入方向と、前記ピストンの往復運動方向が一致する、ことを特徴とする。
【００１１】
望ましくは、前記燃料ガス導入部の導入方向の中心軸上に前記キャビティの開口面の重心位置がある、ことを特徴とする。
【００１２】
望ましくは、前記キャビティの開口面は、前記ピストンの径方向である長手方向の長さよりも、前記径方向に直交する水平方向である短手方向の長さの方が短い細長形状である、ことを特徴とする。
【００１３】
望ましくは、前記燃料ガス導入部の導入方向の中心軸と前記キャビティの開口面との交点が、前記キャビティの開口面の短手方向の中央に位置する、ことを特徴とする。
【００１４】
望ましくは、前記交点と、前記交点から前記ピストンの上面の中心へ向かう方向にある前記キャビティの開口端との間の長さよりも、前記交点と、前記交点から前記短手方向へ向かう方向にある前記キャビティの開口端との間の長さの方が短い、ことを特徴とする。
【００１５】
望ましくは、前記キャビティは、前記ピストンの上面の径方向外側に向けて開放している、ことを特徴とする。
【００１６】
望ましくは、前記キャビティの開口面の短手方向の長さは、前記交点の位置における長さが最大である、ことを特徴とする。
【００１７】
望ましくは、前記交点と、前記交点から前記短手方向へ向かう方向にある前記キャビティの開口端との間の長さは、前記燃料ガス導入部の導入口の半径よりも長い、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料ガスを燃焼室に導入する内燃機関において、より好適に成層分布を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る第１の例のエンジンの側面断面図である。
【図２】第１の例において成層分布が形成される様子を示す図である。
【図３】本実施形態に係る第２の例のエンジンの側面断面図である。
【図４】第２の例において成層分布が形成される様子を示す図である。
【図５】本実施形態に係る第３及び第４の例のエンジンの側面断面図である。
【図６】キャビティの形状を示す図である。
【図７】燃料ガスがキャビティの短手方向に拡散することが抑制された様子を示す図である。
【図８】キャビティの変形例を示す図である。
【図９】燃料ガスがシリンダの内壁に沿って拡散することが抑制された様子を示す図である。
【図１０】キャビティの開口面の短手方向の長さと吸気口の半径との比較を示す図である。
【図１１】キャビティの開口面の短手方向の長さとインジェクタの噴射口の半径との比較を示す図である。
【図１２】キャビティ内側面の変形例を示す図である。
【図１３】ピストンヘッドのうち非キャビティ部分の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る内燃機関の第１の例であるエンジン１０ａの側面断面図である。本実施形態に係るエンジン１０ａは、吸気ポートなどで燃料と空気などを混合したガスを燃焼室に導入するエンジンであり、自動車などの車両に搭載されるものである。エンジン１０ａは、複数のシリンダ１２を有していてよいが、図１にはそのうち１つのシリンダ１２が示されている。
【００２２】
シリンダ１２は、円筒形状の部材であり、内部にピストン３０（後述）が配置される。シリンダ１２の内部空間であって、ピストン３０よりも上側の空間が燃焼室１４となっている。なお、本明細書において「上側」とは、シリンダ１２の延伸方向であって、後述の吸気口１８、排気口２４、あるいは点火プラグ２８が位置する側を意味する。
【００２３】
吸気ダクト１６は、ガソリンなどの燃料と、空気などのガスとが混合された燃料ガスが流通するダクトである。本実施形態では、吸気ダクト１６は、シリンダ１２の上部であって図１における右側に接続される。吸気ダクト１６と燃焼室１４との境界面が吸気口１８となる。
【００２４】
吸気弁２０は、メカ制御により動作することで、吸気口１８を開閉する弁である。吸気弁２０により吸気口１８が開状態となることで、燃料ガスが吸気口１８から燃焼室１４内へ導入される。特に、本実施形態における吸気弁２０は、指向性を持って、吸気口１８から燃焼室１４内へ燃料ガスを導入可能な形状となっている。図１においては、吸気口１８からの燃料ガスの導入方向の中心軸が軸Ａで示されている。本例では、軸Ａはシリンダ１２の延伸方向（つまり後述のピストン３０の往復運動方向）とは異なる方向となっており、具体的には燃料ガスは図１において左下方向に導入されるようになっている。以上のように、吸気口１８及び吸気弁２０は燃料ガス導入部として機能する。
【００２５】
また、図１には図示されていないが、シリンダ１２の上部には、空気あるいは排気ガスなどの希薄ガスが流通する第２の吸気ダクトが接続される。また、第２の吸気ダクトと燃焼室１４との境界面である第２の吸気口を開閉する第２の吸気弁が設けられる。エンジン１０ａの吸気行程において、先に第２の吸気ダクトから希薄ガスが燃焼室１４内へ導入され、その後、吸気ダクト１６から燃料ガスが指向性を持って燃焼室１４内へ導入される。
【００２６】
排気ダクト２２は、燃焼室１４からの排気ガスが流通するダクトである。本実施形態では、排気ダクト２２は、シリンダ１２の上部であって図１における左側に接続される。排気ダクト２２と燃焼室１４との境界面が排気口２４となる。排気弁２６は、メカ制御により動作することで、排気口２４を開閉する弁である。排気弁２６により排気口２４が開状態となることで、排気ガスが排気ダクト２２から燃焼室１４外へ排出される。
【００２７】
点火プラグ２８は、中心電極（プラス極）と接地電極（マイナス極）を有し、両極間で空中放電を起こすことで火花を発生するものである。これにより、エンジン１０ａの燃焼行程において、燃料ガスを燃焼させる。本例では、点火プラグ２８は、シリンダ１２の上部であって図１における左側に設けられる。
【００２８】
ピストン３０は、シリンダ１２の内部に配置される円柱形状の部材である。すなわち、ピストン３０は、平面視において円形となっている。ピストン３０は、エンジン１０ａの１サイクル（吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程）においてシリンダ１２内を上下方向に往復運動する。図１においては、ピストン３０の往復運動方向が軸Ｂで示されている。上述のように、本例においては、軸Ａ（燃料ガスの導入方向）と軸Ｂの向きは一致していない。ピストン３０には、不図示のクランクシャフトが接続されており、これによりピストン３０の往復運動が回転運動に変換される。なお、ピストン３０の位置はクランク角によって表される。例えば、上死点のクランク角は０度、下死点のクランク角は１８０度あるいは−１８０度である。
【００２９】
ピストン３０の上面（以後「ピストンヘッド」と記載する）には、キャビティ（凹部）３２が形成されている。特に、本実施形態におけるキャビティ３２は、ピストンヘッドの中央に設けられるのではなく、ピストンヘッドの径方向にオフセットした位置に設けられる。すなわち、キャビティ３２の開口面３４の重心位置Ｃが、ピストンヘッドの中心Ｏからオフセットしている。なお、図１には、ピストンヘッドの中心Ｏを通り、ピストン３０の往復運動方向に平行な軸であるピストン３０の中心軸が軸Ｄで示されている。
【００３０】
エンジン１０ａでは、吸気口１８から指向性を持って燃料ガスを導入可能となっているところ、燃料ガスがキャビティ３２に向けて導入されるように、キャビティ３２の位置が決定される。あるいは、キャビティ３２の位置に応じて吸気口１８の向きあるいは吸気弁２０の形状（すなわち燃料ガスの導入方向）が調整されるようにしてもよい。本例では、燃料ガスは図１において左下方向に導入されるから、キャビティ３２は、図１においてピストンヘッドの左側にオフセットして設けられている。
【００３１】
ピストン３０は軸Ｂに沿って上下に往復運動するために、本例においては、エンジン１０ａの１サイクルのうち、吸気口１８から燃料ガスが導入されるタイミング（本例ではクランク角が−９０度〜から１８０度の間）でキャビティ３２が軸Ａ上に位置するようになっている。なお、図１においては、軸Ａと開口面３４との交点Ｅが示されている。本例では、交点Ｅと開口面３４の重心位置Ｃとが一致していないが、交点Ｅと重心位置Ｃが一致していてもよい。
【００３２】
また、点火プラグ２８とキャビティ３２の位置関係に着目すると、キャビティ３２は、点火プラグ２８の下方に設けられる。換言すれば、点火プラグ２８は、キャビティ３２の上方に位置する。ここで、点火プラグ２８の下方とは、点火プラグ２８の真下のみならず、点火プラグ２８よりも下側であって、真下を中心とする一定の範囲を含む概念である。同様に、キャビティ３２の上方とは、キャビティ３２の真上のみならず、キャビティ３２よりも上側であって、真上を中心とする一定の範囲を含む概念である。
【００３３】
キャビティ３２の開口面３４は、ピストンヘッドの径方向（長手方向）におけるキャビティ３２の開口端間の長さよりも、ピストンヘッドの径方向に直交する水平方向（短手方向）におけるキャビティ３２の開口端間の長さが短い細長形状となっているのが好ましい。なお、本明細書において「水平方向」とは、上下方向（すなわちシリンダ１２の延伸方向）に直交する方向を意味する。
【００３４】
キャビティ３２は、キャビティ内側面３６と、キャビティ底面３８とを有する。本実施形態においては、キャビティ内側面３６とキャビティ底面３８との成す角が略直角以下となっている。ここで、略直角以下とは、厳格に９０度以下を意味するものではない。後述のように、キャビティ内側面３６とキャビティ底面３８との成す角が略直角以下となることで、キャビティ３２に向けて導入された燃料ガスの水平方向への拡散を抑止するところ、当該燃料ガスの拡散抑止力が発揮される程度の角以下であればよい。例えば、１００度以下までは許容することができる。より燃料ガスの拡散を抑制する観点からは、キャビティ内側面３６とキャビティ底面３８との成す角が９０度あるいはそれ以下であるのが望ましい。また、キャビティ内側面３６の全周に渡って、キャビティ底面３８との成す角が略直角以下であることが好ましい。
【００３５】
エンジン１０ａの構成概略は以上の通りである。以下、図２を参照しながら、エンジン１０ａにおける成層分布の形成について説明する。
【００３６】
図２（Ａ）は、吸気口１８から燃料ガスが導入されるタイミングにおける、吸気口１８からの燃料ガスの導入方向とピストン３０（特にキャビティ３２）の位置関係を示す図である。上述のように、燃料ガスはキャビティ３２に向かって導入される。図２（Ａ）においては、吸気口１８からの燃料ガスの導入方向が矢印ｄ１で示されている。
【００３７】
吸気口１８から導入された燃料ガスは、キャビティ底面３８に当たることで、図２（Ａ）の矢印ｄ２に示されるように、その流れ方向が上方向となる。本例では、燃料ガスは吸気口１８から左下方向に向けて導入されることから、特に、燃料ガスは、シリンダ１２の左側の壁に近い方向に流される。このとき、キャビティ内側面３６とキャビティ底面３８との成す角が略直角以下であるから、キャビティ内側面３６によって、流れ方向が上向きとなった燃料ガスの水平方向、特に、図２（Ａ）において紙面奥方向及び紙面手前方向への拡散が好適に抑制される。
【００３８】
キャビティ３２に向けて導入された燃料ガスが上述のように流れることから、図２（Ｂ）に示す通り、燃焼室１４の左側領域において燃料濃度が高い可燃層４０が形成される。可燃層４０は、紙面奥方向及び紙面手前方向への拡散が抑制されている。また、燃焼室１４の右側領域、あるいは、紙面奥方向及び紙面手前方向の領域において燃料濃度が低い希薄層４２が形成される。このように、エンジン１０ａでは、燃焼室１４内において成層分布が好適に形成される。
【００３９】
点火プラグ２８がキャビティ３２の上方に位置していることから、可燃層４０は点火プラグ２８を含む領域に形成される。したがって、ピストン３０が上死点近傍に来たとき（図２（Ｃ）参照）に、点火プラグ２８が可燃層４０を燃焼させることができる。
【００４０】
図３は、本実施形態に係る内燃機関の第２の例であるエンジン１０ｂの側面断面図である。エンジン１０ｂは、第１の例であるエンジン１０ａ（図１参照）に比して、燃料ガスの導入方向（軸Ａの方向）、点火プラグ２８の位置、及びキャビティ３２の位置が異なる。その他の点についてはエンジン１０ａと同様であるため、同様の部分については同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００４１】
エンジン１０ｂにおいては、吸気口１８が鉛直方向下方を向いており、吸気口１８からの燃料ガスが鉛直方向下方に導入される。すなわち、軸Ａが鉛直方向に伸びており、軸Ａの延伸方向は、ピストン３０の往復運動方向（すなわち軸Ｂの延伸方向）に一致する。なお、本例においては、軸Ａと開口面３４の交点Ｅと開口面３４の重心位置Ｃは一致していない。
【００４２】
燃料ガスがキャビティ３２に向けて導入されるように、キャビティ３２の位置が決定されるから、本例では、キャビティ３２は、開口面３４の重心位置Ｃがピストンヘッドの中心Ｏから図３において右側にオフセットするように設けられている。
【００４３】
また、点火プラグ２８は、キャビティ３２の上方に設けられるから、本例では、点火プラグ２８はシリンダ１２の上部中央、好適には図３においてやや右寄りに設けられる。
【００４４】
エンジン１０ｂの構成概略は以上の通りである。以下、図４を参照しながら、エンジン１０ｂにおける成層分布の形成について説明する。
【００４５】
図４（Ａ）においては、吸気口１８からの燃料ガスの導入方向が矢印ｄ３で示されている。上述のように、本例では、燃料ガスは鉛直方向下方に導入される。
【００４６】
吸気口１８から導入された燃料ガスは、キャビティ底面３８に当たることで、図４（Ａ）の矢印ｄ４に示されるように、その流れ方向が上方向となる。このとき、キャビティ内側面３６とキャビティ底面３８との成す角が略直角以下であるから、キャビティ内側面３６によって、流れ方向が上向きとなった燃料ガスの水平方向、特に、図４（Ａ）において紙面奥方向、紙面手前方向、及び左方向への拡散が好適に抑制される。
【００４７】
キャビティ３２に向けて導入された燃料ガスが上述のように流れることから、図４（Ｂ）に示す通り、燃焼室１４の右側領域において燃料濃度が高い可燃層４０が形成される。可燃層４０は、紙面奥方向及び紙面手前方向への拡散が抑制されている。また、燃焼室１４の左側領域、あるいは、紙面奥方向及び紙面手前方向の領域において燃料濃度が低い希薄層４２が形成される。このように、エンジン１０ｂにおいても、燃焼室１４内において成層分布が好適に形成される。
【００４８】
また、本例においても、点火プラグ２８がキャビティ３２の上方に位置していることから、可燃層４０は点火プラグ２８を含む領域に形成される。したがって、ピストン３０が上死点近傍に来たとき（図４（Ｃ）参照）に、点火プラグ２８が可燃層４０を燃焼させることができる。
【００４９】
図５（Ａ）は、本実施形態に係る内燃機関の第３の例であるエンジン１０ｃの側面断面図である。エンジン１０ｃは、第２の例であるエンジン１０ｂ（図３参照）に比して、軸Ａと重心位置Ｃの位置関係が異なるのみであり、その他の点についてはエンジン１０ｂと同様であるため、同様の部分については同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００５０】
エンジン１０ｃにおいては、開口面３４の重心位置Ｃが軸Ａ上にある。これにより、吸気口１８からの燃料ガスは、キャビティ３２の開口面３４の重心位置Ｃに向けて導入されることになり、第２の例に比してより燃料ガスの水平方向への拡散を抑制することができる。
【００５１】
図５（Ｂ）は、本実施形態に係る内燃機関の第４の例であるエンジン１０ｄの側面断面図である。エンジン１０ｄは、第２の例であるエンジン１０ｂ（図３参照）に比して、軸Ａの向きが異なるのみであり、その他の点についてはエンジン１０ｂと同様であるため、同様の部分については同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００５２】
エンジン１０ｄのように、吸気口１８とキャビティ３２とが共に図５（Ｂ）における右側に配置されている場合であっても、必ずしも軸Ａの延伸方向と軸Ｂの延伸方向とが一致していなくてもよい。
【００５３】
以下、キャビティ３２の形状について詳細に説明する。なお、以下に説明するキャビティ３２の形状に関する特徴は、上述のエンジン１０ａ〜ｄのいずれにも当てはまるものである。
【００５４】
図６（Ａ）は、ピストン３０の側面断面図であり、図６（Ｂ）はピストン３０の平面図である。上述の通り、キャビティ３２の開口面３４は細長形状となっているが、本実施形態では、キャビティ３２の開口面３４は、図６（Ｂ）に示される通り、平面視で楕円形状となっている。なお、キャビティ３２の形状としてはこれに限られず、例えば平面視で略長方形形状であってもよい。
【００５５】
図６（Ｂ）には、軸Ａとキャビティ３２の開口面３４との交点Ｅが示されている。交点Ｅは、開口面３４の短手方向の中央に位置している。つまり、図６（Ｂ）におけるａ１とａ２の長さが同じとなっている。これにより、燃料ガスは、開口面３４の短手方向中央に導入されることになり、開口面３４の短手方向側における燃料ガスの拡散を均等に抑制することができる。
【００５６】
また、交点Ｅと、交点Ｅからピストンヘッドの中心Ｏへ向かう方向にあるキャビティ３２の開口端との間の長さ（図６（Ｂ）におけるｂ）よりも、交点Ｅと、交点Ｅから開口面３４の短手方向にあるキャビティ３２の開口端との間の長さ（図６（Ｂ）におけるａ１又はａ２）の方が短くなっている。これにより、図７に示す通り、キャビティ底面３８に当たった燃料ガスが、交点Ｅから開口面３４の短手方向側へ拡散することをより好適に抑制でき、すなわち可燃層４０の短手方向側への拡散をより抑制することができる。
【００５７】
また、ピストンヘッドの中心Ｏから開口面３４の重心位置Ｃ（図６（Ｂ）においては交点Ｅと重心位置Ｃが一致している）までの距離が、ピストン３０の半径の１／４よりも大きくなっているのが好ましい。これにより、キャビティ３２が、よりピストン３０の径方向外側へ位置することになり、より可燃層４０を燃焼室１４の周縁部に形成することができる。
【００５８】
キャビティ３２の深さとしては、キャビティ３２内に流入した燃料ガスの水平方向の拡散を抑制する観点からは深い方が好ましい。例えば、キャビティ３２の深さは５ｍｍ以上であるのが望ましい。
【００５９】
図８には、ピストン３０（キャビティ３２）の変形例が示されている。図８（Ａ）は、変形例に係るピストン３０ａの側面断面図であり、図８（Ｂ）は変形例に係るピストン３０ａの平面図である。
【００６０】
キャビティ３２ａは、図６に示したキャビティ３２と同様細長形状を有しているが、キャビティ３２ａは、ピストンヘッドの径方向外側に向けて開放している。キャビティ３２ａのように、ピストンヘッドの径方向外側が開放している場合であっても、燃料ガスがキャビティ３２に向けて導入された場合、開放端側に流れた燃料ガスは、シリンダ１２の内壁に当たって上側に流れる。したがって、図４と同様に、燃焼室１４内において好適に成層分布を形成することができる。
【００６１】
また、キャビティ３２ａの開口面３４ａの短手方向の長さは、交点Ｅの位置における長さ（図８（Ａ）におけるａ）が最大となっている。開放端側において開口面３４ａの短手方向の長さが長くなっている場合（例えば開口面３４ａの短手方向の長さが開放端側に向かって末広がりに長くなっている場合）には、開放端側に流れる燃料ガスの量が多くなる。これにより、開放端側からシリンダ１２の内壁に沿って、燃料ガスがシリンダ１２（ピストン３０）の周方向側に流れてしまうおそれがある。したがって、開口面３４ａの短手方向の長さを、交点Ｅの位置における長さが最大とすることで、図９に示す通り、キャビティ３２ａの開放端からシリンダ１２の内壁に沿ってシリンダ１２の周方向側に燃料ガス（可燃層４０）が拡散することをより好適に抑制することができる。
【００６２】
図１０は、キャビティ３２の開口面３４の短手方向の長さと吸気口１８の半径との関係を示す図である。図１０（Ａ）には再度エンジン１０ｃの側面断面図が示され、図１０（Ｂ）には再度ピストン３０の平面図が示されている。
【００６３】
本実施形態においては、交点Ｅと、交点Ｅから開口面３４の短手方向にあるキャビティ３２の開口端との間の長さ（図１０（Ｂ）におけるａ）は、吸気口１８、つまり燃料ガスの導入口の半径（図１０（Ａ）におけるｃ）よりも長くなっている。本実施形態においては、長さａは吸気口１８の半径ｃの１．２倍となっている。吸気口１８から導入された燃料ガスは、軸Ａから少しずつ拡がりながら進んでいく。そのため、吸気口１８の半径ｃよりも長さａの方向を大きくしておくことで、燃料ガスを全てキャビティ３２内に導入することができる。これにより、好適に成層分布を形成することができる。
【００６４】
また、燃料ガス導入部としては、吸気口１８と吸気弁２０との組合せに代えて、図１１に示すように、燃料ガスを噴射するガスインジェクタ５０を用いるようにしてもよい。その場合においては、交点Ｅと、交点Ｅから開口面３４の短手方向にあるキャビティ３２の開口端との間の長さ（図１１（Ｂ）におけるａ）は、ガスインジェクタ５０の噴射口の半径（図１１（Ａ）におけるｃ’）よりも長くする。これにより、燃料ガス導入部としてガスインジェクタ５０を用いた場合であっても、燃料ガスを全てキャビティ３２内に導入することができ、好適に成層分布を形成することができる。
【００６５】
図１２には、ピストン３０の側面断面図であって、キャビティ３２の変形例、特にキャビティ内側面３６の変形例が示されている。上述のように、キャビティ内側面３６とキャビティ底面３８との成す角は略直角以下となっているが、キャビティ内側面３６が複数の面から構成される場合、当該複数の面のうちの１つの面とキャビティ底面３８との成す角が略直角以下であればよい。あるいは、キャビティ内側面３６が曲面である場合、当該曲面の一部とキャビティ底面３８との成す角が略直角以下であればよい。
【００６６】
図１２（Ａ）に示されたキャビティ３２ｂにおいては、キャビティ内側面３６は、垂直壁３６ａと、キャビティ３２ｂの開口部に設けられる斜面３６ｂとから構成されている。つまり、キャビティ３２ｂにおいては開口部に面取りが設けられている。この場合、斜面３６ｂとキャビティ底面３８とが成す角が略直角以上であったとしても、垂直壁３６ａとキャビティ底面３８とが略直角以下であればよい。
【００６７】
図１２（Ｂ）に示されたキャビティ３２ｃにおいては、キャビティ内側面３６は、垂直壁３６ａと、底面との接続部に設けられた丸み３６ｃとから構成されている。この場合、丸み３６ｃの一部とキャビティ底面３８とが成す角が略直角以上であったとしても、垂直壁３６ａとキャビティ底面３８とが略直角以下であればよい。
【００６８】
図１２（Ｃ）に示されたキャビティ３２ｄにおいては、キャビティ内側面３６は、曲面３６ｄにより構成されている。当該曲面３６ｄは、キャビティ３２ｄの高さ方向の中央部が内側に迫り出した形状となっている。この場合、曲面３６ｄの一部である上側部分３６ｄ１とキャビティ底面３８とが成す角が略直角以上であったとしても、曲面３６ｄの一部である下側部分３６ｄ２とキャビティ底面３８とが略直角以下であればよい。
【００６９】
図１２（Ｄ）に示されたキャビティ３２ｅにおいては、キャビティ内側面３６は、下側側面３６ｅ及び上側側面３６ｆの２つの面により構成されている。この場合、下側側面３６ｅとキャビティ底面３８とが成す角が略直角以上であったとしても、上側側面３６ｆとキャビティ底面３８とが略直角以下であればよい。
【００７０】
図１３は、ピストン３０の側面断面図であって、ピストンヘッドのうちキャビティ３２の開口面３４以外の部分である非キャビティ部分の変形例が示されている。
【００７１】
図１３（Ａ）に示されたピストン３０ｂにおいては、非キャビティ部分は斜面６０となっている。具体的には、斜面６０は、上側及びピストンヘッドの径方向外側を向いた斜面である。このように、非キャビティ部分は、軸Ｂ（ピストン３０の往復運動方向）に必ずしも直交している必要は無い。ピストン３０ｂによれば、斜面６０によって形成されるスキッシュ流を最適化し、より成層分布を形成しやすくすることができる。
【００７２】
図１３（Ｂ）に示されたピストン３０ｃにおいては、非キャビティ部分にリセス（凹部）６２が設けられている。リセス６２により、ピストン３０ｃと、排気弁２６や点火プラグ２８、あるいは吸気弁２０との干渉を防止することができる。
【００７３】
以上、本発明に係る実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１０ａ〜ｄ  エンジン、１２  シリンダ、１４  燃焼室、１６  吸気ダクト、１８  吸気口、２０  吸気弁、２２  排気ダクト、２４  排気口、２６  排気弁、２８  点火プラグ、３０，３０ａ〜ｃ  ピストン、３２，３２ａ〜ｅ  キャビティ、３４，３４ａ  開口面、３６  キャビティ内側面、３８  キャビティ底面、４０  可燃層、４２  希薄層、５０  ガスインジェクタ、６０  斜面、６２  リセス。
【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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