(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンの燃焼室構造であって、
上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成され、このキャビティの中央部に上方に突出した山形の突起部が形成されたピストンと、
上記ピストンの中央部に対応する位置に設けられ、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間において上記ピストンのキャビティ内に入るように燃料を噴射する燃料噴射弁と、
上記燃料噴射弁が設けられた位置に対応する上記ピストンの中央部よりも径方向外側で、且つ上記ピストンのキャビティの上方に対応する位置に設けられ、先端部の電極が燃焼室天井に沿うように配置されている点火プラグと、
を有し、
上記燃料噴射弁は、圧縮上死点において上記キャビティの突起部の傾斜に向けて燃料を噴射し、
上記ピストンのキャビティは、径方向外方に進むに従って曲率が小さくなる曲面によって形成され、この曲面は、その縁端部の接線方向が、上記点火プラグが設けられた位置よりも径方向外側の燃焼室天井と交差し、
上記燃料噴射弁から噴射された燃料を含む混合気を、上記キャビティの突起部の傾斜に衝突させてから上記キャビティの曲面に沿って径方向外方に移動させて、上記キャビティの縁端部から、上記点火プラグが設けられた位置よりも径方向外側の上記燃焼室天井に衝突させる、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
【請求項２】
上記ピストンのキャビティを形成する曲面の縁端部は、上記点火プラグが設けられた位置よりも径方向外側に位置し、且つ、その接線方向が上記ピストンの中心軸線方向に沿うように延びる、請求項１に記載の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、エンジンの燃焼室構造に係わり、特に、所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンの燃焼室構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的には、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いるエンジンでは、点火プラグによって着火する火花点火方式が広く採用されている。近年では、燃費の向上を図る観点などから、エンジンの幾何学的圧縮比として高圧縮比（例えば１４以上）を適用して、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いつつ、所定の運転領域において、圧縮自己着火（具体的にはＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression Ignition）と呼ばれる予混合圧縮自己着火）を行う技術が開発されている。
【０００３】
このような圧縮自己着火を行うようにしたエンジンの燃焼室構造が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、高圧縮比エンジンに適用される燃焼室構造に関して、ピストン上面の中央部に形成されたキャビティ内を十分に掃気するように構成して、充填効率の向上を図った技術が開示されている。その他にも、圧縮自己着火を行うようにしたエンジンが、例えば特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−４３７８２号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１５０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような圧縮自己着火を行うようにしたエンジンにおいては、所定の運転領域（例えば低回転・高負荷域）では、いわゆるプリイグニッション（過早着火）を抑制すべく、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火プラグによる強制点火を行っている。この場合、燃料を噴射してから点火するまでの時間が短いため、噴射した燃料を含む混合気を点火プラグ周りに早期に輸送することができずに、点火プラグによる着火性が悪化してしまう傾向にある。また、燃料を噴射してから点火するまでの時間が短いことで、燃焼室内に混合気の濃い部分と薄い部分とが生じる傾向にある、つまり燃焼室内の混合気の均質性が確保されない傾向にある。このように混合気の均質性が確保されなかった場合には、燃料を含む混合気が燃えずに排出されたり、燃焼すべきタイミングの後に燃焼（後燃え）が生じたりして、燃費が悪くなってしまう。加えて、スモークが発生して、エミッションも悪化してしまう。
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して圧縮上死点後に点火を行うエンジンにおいて、燃焼室内の混合気の均質性及び着火性の両方を適切に確保することができるエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明は、所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンの燃焼室構造であって、上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成され、このキャビティの中央部に上方に突出した山形の突起部が形成されたピストンと、ピストンの中央部に対応する位置に設けられ、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間においてピストンのキャビティ内に入るように燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁が設けられた位置に対応するピストンの中央部よりも径方向外側で、且つピストンのキャビティの上方に対応する位置に設けられ、先端部の電極が燃焼室天井に沿うように配置されている点火プラグと、を有し、燃料噴射弁は、圧縮上死点においてキャビティの突起部の傾斜に向けて燃料を噴射し、ピストンのキャビティは、径方向外方に進むに従って曲率が小さくなる曲面によって形成され、この曲面は、その縁端部の接線方向が、点火プラグが設けられた位置よりも径方向外側の燃焼室天井と交差し、燃料噴射弁から噴射された燃料を含む混合気を、キャビティの突起部の傾斜に衝突させてからキャビティの曲面に沿って径方向外方に移動させて、キャビティの縁端部から、点火プラグが設けられた位置よりも径方向外側の燃焼室天井に衝突させる、ことを特徴とする。
【０００８】
このように構成された本発明では、キャビティの曲面の曲率を径方向外方よりも径方向内方のほうが大きくなるように構成（つまり曲面のカーブを緩やかに構成）しているため、燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティの曲面に衝突してこの曲面に沿って径方向外方へと移動していく初期段階では、燃料を含む混合気が経由するキャビティの曲面の曲率が比較的大きいので、混合気の移動中にその移動方向がキャビティの曲面によって急激に曲げられることはない。そのため、混合気の運動量の減衰を適切に抑制することができる。つまり、本発明によれば、燃料噴射弁から噴射された燃料を含む混合気がキャビティの曲面に沿って移動していく初期段階では、混合気が有する比較的大きな運動量を適切に確保して、混合気をキャビティの曲面に沿って径方向外方へと速やかに移動させていくことができるのである。
そして、本発明では、キャビティの曲面に沿って混合気が径方向外方へと移動していくと、キャビティの曲面の曲率が徐々に小さくなっていくが、このような移動の間に燃料のガス化が進むことで、キャビティの曲面の曲率に対する混合気の感度が鈍くなっていく。そのため、混合気の運動量に対して影響をほとんど与えることなく、比較的小さな曲率のキャビティの曲面によって混合気を適切に方向付けることができるのである。したがって、本発明によれば、キャビティの曲面に沿って移動させた混合気を、その運動量を確保したまま、キャビティの曲面の縁端部を経由して燃焼室天井に衝突させることができる。その結果、燃焼室天井に衝突させた混合気を、当該燃焼室天井に沿って、点火プラグの方向へと移動させる混合気と、キャビティの径方向外側のピストン上面と燃焼室天井との間の空間（スキッシュエリア）の方向へと移動させる混合気と、に適切に分配することができる。
このように混合気を点火プラグの方向に移動させることで、点火プラグの周辺に混合気の濃い部分を作り出すことができ、つまり点火プラグの周りをリッチ化することができ、点火プラグによる着火性を適切に確保することができる。
また、混合気をスキッシュエリアの方向に移動させることで、スキッシュエリア内の空気を利用して、燃焼室内の混合気の均質性を適切に確保することができる。つまり、混合気をスキッシュエリア内に送り込むことで、燃焼室内において混合気がほぼ均一な状態を速やかに作り出すことができる。これにより、未燃や後燃えによる燃費の悪化や、スモークによるエミッションの悪化を改善することが可能となる。
以上のように、本発明によれば、焼室内の混合気の均質性及び着火性の両方を適切に確保することができる。
【０００９】
本発明において、好ましくは、ピストンのキャビティを形成する曲面の縁端部は、点火プラグが設けられた位置よりも径方向外側に位置し、且つ、その接線方向がピストンの中心軸線方向に沿うように延びる。
このように構成された本発明によれば、キャビティの縁端部の接線方向がピストンの中心軸線の方向に沿うように延びているので、言い換えるとほぼ垂直方向に延びているので、混合気を燃焼室天井に対してほぼ垂直方向に衝突させることができる。これにより、点火プラグの方向に移動させる混合気と、スキッシュエリアの方向に移動させる混合気との分配性を効果的に確保することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のエンジンの燃焼室構造によれば、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して圧縮上死点後に点火を行うエンジンにおいて、燃焼室内の混合気の均質性及び着火性の両方を適切に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造が適用された１つの気筒をシリンダ軸線方向の下方から見た概略平面図である。
【図２】本発明の実施形態によるピストンをシリンダ軸線方向の上方から見た平面図である。
【図３】図１中のIII−IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。
【図４】図１中のIV−IVに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図であって、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造の作用効果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造について説明する。
【００１４】
まず、本発明の実施形態の内容を説明する前に、本発明の実施形態によるエンジンの前提構成について簡単に説明する。本発明の実施形態によるエンジンは、幾何学的圧縮比が例えば１４以上（好適には１８〜２０）である高圧縮比にて運転を行うと共に、所定の低負荷領域において、ＨＣＣＩと呼ばれる予混合圧縮自己着火を行うものである。また、本発明の実施形態によるエンジンは、所定の運転領域（例えば低回転・高負荷域）において、プリイグニッションなどを抑制する観点から、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射（リタード噴射）して、圧縮上死点後に点火を行うものである。このようなエンジンに係る前提構成は、車両内のＥＣＵ（Electronic Control Unit）による制御によって実現される。
【００１５】
次に、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造について具体的に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造が適用された１つの気筒をシリンダ軸線方向の下方から見た概略平面図であり、図２は、本発明の実施形態によるピストンをシリンダ軸線方向の上方から見た平面図であり、図３は、図１中のIII−IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの一部分の断面図である。なお、図３は、ピストンが圧縮上死点に位置するときの図を示している。
【００１７】
図１において、符合Ｚは紙面直角方向に伸びるシリンダ軸線を示し、符合Ｙは、紙面上下方向に伸びる、クランク軸線に対応する線分である。本実施形態によるエンジンでは、シリンダヘッド側の燃焼室天井が切妻型の屋根状（ペントルーフ形状）に形成された燃焼室が適用されている（図３も参照）。上記した符合Ｙで示す線分は、燃焼室を構成するペントルーフ形状の稜線（以下では適宜「ペントルーフ稜線」と呼ぶ。）に相当する。また、符号Ｘは、燃焼室の中心を通り、つまりシリンダの中心軸線を通り、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分を示す。なお、図３は、このようなペントルーフ稜線Ｙに直交する線分Ｘに沿った面で切断した、ピストン及びシリンダヘッドなどの一部分の断面図である。
【００１８】
図１に示すように、１つの気筒（シリンダ）には、ペントルーフ稜線Ｙを挟んで一方側（図中左側）の領域に、２つの吸気バルブ１が配設されている。この２つの吸気バルブ１は、ペントルーフ稜線Ｙ方向に並んで配設されている。図１中の符号５は、吸気バルブ１により開閉される吸気ポートを示している。また、１つの気筒には、ペントルーフ稜線Ｙを挟んで他方側（図中右側）の領域に、２つの排気バルブ２が配設されている。２つの排気バルブ２は、ペントルーフ稜線Ｙ方向に並んで配設されている。図１中の符号６は、排気バルブ２により開閉される排気ポートを示している。また、シリンダ軸線Ｚ上に、１つの燃料噴射弁３が配設されている。加えて、２つの吸気バルブ１及び２つの排気バルブ２のそれぞれの間に、２つの点火プラグ４が配設されている。
【００１９】
次に、図２に示すように、ピストン１０の上面の中央部には、下方に凹んだキャビティ１１が形成されている（図３も参照）。具体的には、キャビティ１１は、シリンダ軸線Ｚ方向から見たときにほぼ円形となるように形成されており、中央部に、山形の突起部１１ａが形成され、且つ、この突起部１１ａの径方向外側に、突起部１１ａよりも高さが低い凹部１１ｂが突起部１１ａを取り囲むように形成されている。このようなキャビティ１１の突起部１１ａの真上に、燃料噴射弁３が配置されており、また、キャビティ１１の凹部１１ｂ内に、２つの点火プラグ４が配置されている（図１及び図３も参照）。
【００２０】
更に、ピストン１０の上部には、キャビティ１１の外縁からピストン１０の上面の外縁まで延び、キャビティ１１の径方向外側を取り囲む環状部１３を有する。この環状部１３には、例えば１ｍｍ程度、下方に凹んだ４つのバルブリセス１５が設けられている。４つのバルブリセス１５は、それぞれ、２つの吸気バルブ１に対応する位置及び２つの排気バルブ２に対応する位置に設けられている。また、４つのバルブリセス１５のそれぞれの間の部分１７は、凹んでおらず（つまりバルブリセス１５よりも高さが高くなっている）、ほぼ平坦となっている。以下では、４つのバルブリセス１５のそれぞれの間の部分１７を適宜「ピストン上面部１７」と呼ぶ。
【００２１】
次に、図３に示すように、燃料噴射弁３は、ピストン１０の中央部に対応するシリンダヘッド３０上の箇所に設けられ、具体的には当該燃料噴射弁３の中心軸線が上記したシリンダ軸線Ｚに沿うように設けられ、燃焼室２０内に燃料を直接噴射する。燃料噴射弁３は、１０〜１２個程度の噴孔（不図示）を有しており、これらの噴孔からシリンダ軸線Ｚについて軸対称に傘状に燃料を噴霧する。この場合、燃料噴射弁３は、前述したＥＣＵによる制御の基で圧縮行程後半から膨張行程前半までの間（例えば下死点後６０°）に噴射した燃料が、ピストン１０のキャビティ１１内に入るように（図３の矢印Ａ１参照）、言い換えるとピストン１０の環状部１３やシリンダ側壁（例えばシリンダライナなど）に衝突しないように、燃料の噴射角αが設定されている。また、燃料噴射弁３は、燃料噴射位置からキャビティ１１に燃料が衝突する位置までの噴霧衝突距離が、燃料噴射位置から燃料の初期分裂が生じる位置までの長さ（分裂長さ）よりも大きくなるように、噴射角αが設定されている。
なお、噴射角αは、シリンダ軸線Ｚを基準にして規定された、燃料噴射弁３からの燃料の噴霧が広がる範囲に相当し、例えば１００°程度に設定される。また、燃料噴射弁３には、比較的高い燃圧（例えば４０ＭＰａ〜１２０ＭＰａ）にて燃料が供給される。
【００２２】
更に、２つの点火プラグ４は、それぞれ、ピストン１０の中央部よりも径方向外側で、且つピストン１０のキャビティ１１の上方に対応するシリンダヘッド３０上の箇所に設けられている。つまり、点火プラグ４は、その先端部の電極４ａが径方向においてキャビティ１１内に含まれるような位置に設けられている。また、点火プラグ４は、電極４ａが燃焼室天井２０ａ（言い換えるとシリンダヘッド３０の下面である。以下同様とする。）に沿うように配置されている。詳しくは、点火プラグ４は、燃焼室２０への電極４ａの突出をできるだけ抑えつつ、電極４ａ部分の傾斜方向が燃焼室天井２０ａの傾斜に沿うように、シリンダヘッド３０に設けられている。
【００２３】
更に、ピストン１０のキャビティ１１は、上記した突起部１１ａと凹部１１ｂとが連なった曲面１１ｃによって形成されている。このキャビティ１１の曲面１１ｃは、図３中の破線領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３内の面の曲率を見れば分かるように、径方向外方へと進むに従って曲率が小さくなるように構成されている。例えば、キャビティ１１の曲面１１ｃには、クロソイド曲線のような緩和曲線が適用される。また、キャビティ１１の曲面１１ｃは、その縁端部１１ｄの接線方向ＴＬ（詳しくは曲面１１ｃを断面視したときの縁端部１１ｄの位置での接線の方向である）が、点火プラグ４が設けられた位置よりも径方向外側の燃焼室天井２０ａと交差するように構成されている。より具体的には、キャビティ１１の曲面１１ｃの縁端部１１ｄは、点火プラグ４の電極４ａに対応する位置よりも径方向外側に位置し、且つ、その接線方向ＴＬがピストン４の中心軸線ＣＡ（つまりシリンダ軸線Ｚ）の方向に沿うように延びている、言い換えると接線方向ＴＬがほぼ垂直方向に延びている。
【００２４】
なお、図３において、符号ＳＡを付したエリアは、ピストン上面部１７と燃焼室天井２０ａとの隙間に形成される空間である、スキッシュエリアを示している。このようなスキッシュエリアＳＡは、ピストン上面部１７と燃焼室天井２０ａとの隙間だけでなく、吸気バルブ１及び排気バルブ２に対応する位置に設けられたバルブリセス１５（図２参照）の上面と燃焼室天井２０ａとの隙間にも形成される。
【００２５】
次に、図４を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造の作用効果について説明する。図４は、図１中のIV−IVに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン１０及びシリンダヘッド３０などの一部分の断面図であり、図３と同様の図である。
【００２６】
図４に示すように、燃料噴射弁３から噴射された燃料は、まず、ピストン１０のキャビティ１１に衝突し（矢印Ａ１参照）、この後、当該燃料を含む混合気が、キャビティ１１の曲面１１ｃに沿って径方向外方へと移動していく（矢印Ａ２参照）。本実施形態では、キャビティ１１の曲面１１ｃの曲率を径方向外方よりも径方向内方のほうが大きくなるように構成（換言すると曲面１１ｃのカーブが緩やかになるように構成）しているため、燃料噴射弁３から噴射された燃料を含む混合気がキャビティ１１の曲面１１ｃに沿って径方向外方へと移動していく初期段階では、混合気が経由するキャビティ１１の曲面１１ｃの曲率が比較的大きい。そのため、混合気の移動中にその移動方向がキャビティ１１の曲面１１ｃによって急激に曲げられることがないため、混合気の運動量の減衰を適切に抑制することができる。つまり、燃料噴射弁３から噴射された燃料を含む混合気がキャビティ１１の曲面１１ｃに沿って移動していく初期段階では、混合気が有する比較的大きな運動量を適切に確保して、混合気をキャビティ１１の曲面１１ｃに沿って径方向外方へと速やかに移動させていくことができるのである。
【００２７】
そして、混合気がキャビティ１１の曲面１１ｃに沿って径方向外方へと移動していくと、キャビティ１１の曲面１１ｃの曲率が徐々に小さくなっていくが、このような移動の間に燃料のガス化が進むことで、キャビティ１１の曲面１１ｃの曲率に対する混合気の感度が鈍くなっていく。そのため、混合気の運動量に対して影響をほとんど与えることなく、比較的小さな曲率のキャビティ１１の曲面１１ｃによって混合気を適切に方向付けることができるのである。これにより、矢印Ａ２に示すように移動した混合気を、その運動量を確保したまま、キャビティ１１の曲面１１ｃの縁端部１１ｄを経由して、燃焼室天井２０ａに衝突させることができる（矢印Ａ３参照）。
【００２８】
こうして運動量が確保された状態で燃焼室天井２０ａに衝突した混合気は、この衝突により分散されて、燃焼室天井２０ａに沿って、点火プラグ４の方向へと移動していくと共に（矢印Ａ４参照）、スキッシュエリアＳＡの方向へと移動していく（矢印Ａ５参照）。本実施形態では、キャビティ１１の縁端部１１ｄの接線方向ＴＬ（図３参照）がピストン４の中心軸線ＣＡの方向に沿うように延びているので、言い換えるとほぼ垂直方向に延びているので、混合気を燃焼室天井２０ａに対してほぼ垂直方向に衝突させることができる。これにより、点火プラグ４の方向に移動させる混合気と、スキッシュエリアＳＡの方向に移動させる混合気との分配性を適切に確保することができる。
【００２９】
このように混合気を点火プラグ４の方向に移動させることで（矢印Ａ４参照）、点火プラグ４の先端部の電極４ａの周辺に混合気の濃い部分を作り出すことができ、つまり点火プラグ４の電極４ａの周りをリッチ化することができ、点火プラグ４による着火性を適切に確保することができる。特に、本実施形態では、点火プラグ４の電極４ａが燃焼室天井２０ａに沿うように配置されているので、燃焼室天井２０ａに衝突した後に当該燃焼室天井２０ａに沿って移動していく混合気によって、点火プラグ４の電極４ａの周りを効果的にリッチ化することができる。
【００３０】
また、混合気をスキッシュエリアＳＡの方向に移動させることで（矢印Ａ５参照）、スキッシュエリアＳＡ内の空気を利用して、燃焼室２０内の混合気の均質性を適切に確保することができる。つまり、混合気をスキッシュエリアＳＡ内に送り込むことで、燃焼室２０内において混合気がほぼ均一な状態を速やかに作り出すことができる。これにより、未燃や後燃えによる燃費の悪化や、スモークによるエミッションの悪化を改善することが可能となる。
【００３１】
次に、上記した実施形態の変形例について説明する。
上記した実施形態では、ペントルーフ形状に燃焼室２０が形成されたエンジンを示したが（図３等参照）、本発明は、燃焼室がペントルーフ形状ではない形状（例えば半球型やバスタブ型など）に形成されたエンジンにも適用可能である。
また、上記した実施形態では、２つの点火プラグ４を有するエンジンを示したが、本発明は、これら２つの点火プラグ４のうちの一方の点火プラグ４のみを有するエンジンにも適用可能である。
また、上記した実施形態では、火花点火式の点火プラグ４（スパークプラグ）を示したが、本発明は、レーザ点火式の点火プラグにも適用可能である。
【符号の説明】
【００３２】
３  燃料噴射弁
４  点火プラグ
４ａ  点火プラグの電極
１０  ピストン
１１  キャビティ
１１ｃ  キャビティの曲面
１１ｄ  キャビティの縁端部
１５  バルブリセス
１７  ピストン上面部
２０  燃焼室
２０ａ  燃焼室天井
３０  シリンダヘッド
ＳＡ  スキッシュエリア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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