(57)【要約】      （修正有）【課題】キャビティによって構成される燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを形成するよう構成された直噴エンジンにおいて、所定の噴霧角で噴射した燃料噴霧につき、特定方向に、燃料噴霧の飛翔距離が長くなって、キャビティの壁面に燃料噴霧が接触してしまうことを抑制する。【解決手段】シリンダヘッドの天井部１７０には燃料噴射弁６が配設されると共に、その噴射先端に隣接して、放電電極（点火プラグ７）の先端部が配設される。天井部には、放電電極の先端部を収容する凹部１３１が設けられる。ピストン１６に設けられたキャビティ１６３の中心は、シリンダのボア中心に対してずれている。燃焼室１７内を、燃料噴射弁の噴射先端と放電電極の先端部とを通る平面で切った縦断面において、噴射先端を挟んで、放電電極が配設された側のキャビティの壁面形状は、逆側のキャビティの壁面形状よりも、噴射先端からの距離が長くなるように構成されている。【選択図】図２
2016121630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダに内挿されかつ、その頂面から凹陥するキャビティを有するピストンと、
前記シリンダの内周面及び前記ピストンの前記頂面と共に、燃焼室を区画する天井面を有して構成されたシリンダヘッドの天井部と、
噴射先端が前記燃焼室内に臨むように前記シリンダヘッドの前記天井部に配設されかつ、前記噴射先端から前記キャビティに向かって、所定の噴霧角で燃料を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、
前記シリンダヘッドの前記天井部において前記燃焼室内に臨む先端部が、前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接して配設された放電電極と、を備え、
前記シリンダヘッドの前記天井部において前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接した位置には、前記放電電極の前記先端部を収容する凹部が、その天井面から凹陥して設けられており、
前記キャビティの中心は、前記シリンダのボア中心に対してずれており、
前記燃焼室内を、前記燃料噴射弁の前記噴射先端と前記放電電極の前記先端部とを通る平面で切った縦断面において、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を挟んで、前記放電電極が配設された側の前記キャビティの壁面形状は、前記噴射先端を挟んだ逆側の前記キャビティの壁面形状よりも、前記噴射先端からの距離が長くなるように構成されている直噴エンジンの燃焼室構造。
【請求項２】
請求項１に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
前記シリンダヘッドの前記天井部には、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を収容する第２凹部が、前記天井面から凹陥して設けられており、
前記放電電極の前記先端部を収容する前記凹部と、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を収容する前記第２凹部とは、その一部が互いに重なるように連続しており、
前記燃焼室を平面視で見たときに、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を中心として、前記噴射先端と凹部同士の境界とを結ぶ線によって挟まれる角度範囲内においては、当該角度範囲内の特定位置と前記噴射先端とを通る平面で切った縦断面において、前記キャビティの前記特定位置における壁面形状が、前記特定位置に対して前記噴射先端を挟んだ逆側の対称位置における前記キャビティの壁面形状よりも、前記噴射先端からの距離が長くなるように構成されている直噴エンジンの燃焼室構造。
【請求項３】
請求項２に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
前記キャビティの開口縁は、前記ピストンの前記頂面を平面視でみたときに、前記燃料噴射弁の前記噴射先端と、前記放電電極の前記先端部とを結ぶ方向に長い楕円状に形成されている直噴エンジンの燃焼室構造。
【請求項４】
請求項３に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
前記燃料噴射弁は、前記シリンダのボア中心に対してずれて配設されており、
前記放電電極は、前記シリンダのボア中心を挟んで前記燃料噴射弁とは逆側に配設されており、
前記キャビティの中心は、前記シリンダのボア中心に対して、前記燃料噴射弁が配設されている側にずれている直噴エンジンの燃焼室構造。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
前記シリンダヘッドの前記天井部は、吸気ポートの開口部が設けられた吸気側斜面と、排気ポートの開口部が設けられた排気側斜面とを有していて、ペントルーフ型の前記燃焼室を区画するよう構成されており、
前記ピストンの前記頂面は、前記天井部の前記吸気側斜面及び前記排気側斜面のそれぞれに対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて傾斜した傾斜面によって隆起しており、
前記燃料噴射弁の前記噴射先端は、前記シリンダヘッドの前記天井部において、前記吸気側斜面と前記排気側斜面とが交差するペントルーフの稜線上に配設され、
前記放電電極の前記先端部は、前記ペントルーフの稜線上において、前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接して配設されている直噴エンジンの燃焼室構造。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
前記燃料噴射弁は、その弁軸心が前記シリンダの軸線に沿う方向となるように配設されている直噴エンジンの燃焼室構造。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
前記燃料噴射弁は、前記噴射先端から所定の噴霧角で噴射される燃料噴霧の中心軸が、前記放電電極に近づく方向に、その弁軸心が前記シリンダの軸線に対して傾いて配設されている直噴エンジンの燃焼室構造。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
幾何学的圧縮比が１５以上となるように構成されている直噴エンジンの燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、直噴エンジンの燃焼室構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ピストンの頂面から凹陥するキャビティによって構成される燃焼室内に、燃料を噴射する火花点火式直噴エンジンが記載されている。この直噴エンジンでは、シリンダ内に導入する吸気にオゾンを添加することによって燃焼を早めており、シリンダのボア中心に配設した燃料噴射弁から噴射した燃料噴霧が飛翔することに伴い燃焼室の中心部から外周部に広がる火炎が、キャビティの壁面に到達する前に、燃焼を終了させる。こうすることにより、燃焼室（つまり、キャビティ内）における中心部の燃焼ガスと、キャビティ壁面との間に、燃焼に寄与しないガス層が形成されることになり、冷却損失を大幅に低減することが可能になる。特許文献１に記載されている直噴エンジンはまた、幾何学的圧縮比が１５以上の高い圧縮比となるように構成されており、前述した冷却損失の低減と組み合わさって、熱効率が大幅に向上する。
【０００３】
特許文献２には、特許文献１に記載しているような冷却損失を低減する技術ではないが、シリンダヘッドの天井部において、排気側に燃料噴射弁を配設すると共に、吸気側に、非平衡プラズマ放電によってラジカルを生成する活性種生成装置を、燃料噴射弁に隣接して配設することが記載されている。活性種生成装置は、燃焼室から奥まった点火室においてラジカルを生成するように構成されており、このエンジンでは、活性種生成装置に隣接した燃料噴射弁からの燃料噴射に伴うガス流動を利用して、点火室の開口部付近に負圧を発生させ、点火室内で生成したラジカルを燃焼室内に引き出すようにしている。
【０００４】
特許文献３には、特許文献２と同様に冷却損失を低減する技術ではないが、シリンダヘッドの天井部において、排気側に燃料噴射弁を配設すると共に、吸気側に、点火プラグを、燃料噴射弁に隣接して配設することが記載されている。このエンジンでは、燃料噴射弁が、メイン噴射の後に、点火プラグの放電ギャップ周辺に燃料を噴射する二段目噴射を行うことによって、点火プラグの要求二次電圧を低下させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９４７１２号公報
【特許文献２】特開２０１０−３７９４８号公報
【特許文献３】特開２０１０−２７０６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願出願人は、特許文献１に記載した技術とは別の、冷却損失を低減する技術として、圧縮行程の後半に燃焼室内に燃料を噴射すると共に、そのときの燃料の噴射形態を工夫することによって、燃焼室内の中心部に混合気層を設けると共に、その混合気層の周囲に断熱ガス層を形成し、その状態で、混合気を燃焼させることを提案している（例えば、特願２０１３−２４２５９７号）。尚、ここでいう混合気層は、可燃混合気によって構成及び形成される層であり、可燃混合気は、例えば当量比φ＝０．１以上の混合気としてもよい。燃焼室内に混合気層と、それを囲む断熱ガス層とを形成することによって、断熱ガス層が燃焼ガスと壁面との接触を抑制するから、特許文献１に記載している技術と同様に、冷却損失を大幅に低減することが可能になる。
【０００７】
この先行出願において提案している技術も、特許文献１に記載している技術と同様に、エンジンの幾何学的圧縮比を１５以上に設定している。ここで、幾何学的圧縮比を高くするために、ピストンの頂面に設けるキャビティは、できるだけ小さい容積とすることが有利である。
【０００８】
一方で、先行出願において提案している技術では、燃料噴射弁が噴射した燃料噴霧が、燃焼室の壁面、つまり、キャビティの壁面に接触することを防止しなければならない。そうすると、噴射先端から所定の噴霧角で均等に燃料が噴射されるという前提において、燃料噴射弁の弁軸心をシリンダの軸心に沿うように配設すると共に、キャビティを、その燃料噴射弁の噴射先端に対して向かい合うように、燃料噴射弁の噴射軸心に対して対称な形状にすることが、キャビティをできるだけ小容量にしつつ、燃料噴霧とキャビティの壁面との接触を防止する上で有効である。
【０００９】
ここで、前記特許文献２や特許文献３には記載されていないが、シリンダヘッドの天井部に、燃料噴射弁と、点火プラグ又は活性種生成装置のような放電電極とを隣り合って配設しようとしたときには、シリンダヘッドの天井面から凹陥する凹部内に、放電電極の先端部を収容することが望ましい。こうすることで、燃料噴射弁から、所定の噴霧角で、例えばコーン状に噴射される燃料が、放電電極の先端部に直接的に付着してしまうことが回避され、放電電極の信頼性が確保される。
【００１０】
ところが、本願発明者等の検討によると、燃料噴射弁の噴射先端に隣接して、天井面から凹陥する凹部を設けた場合、その噴射先端から所定の噴霧角で噴射される燃料噴霧において、凹部が形成された箇所では、燃料噴霧の飛翔距離が長くなって、キャビティの壁面に燃料噴霧が接触し易くなることが判明した。
【００１１】
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャビティによって構成される燃焼室内に混合気層と断熱ガス層とを形成するよう構成された直噴エンジンにおいて、所定の噴霧角で噴射した燃料噴霧につき、特定方向に、燃料噴霧の飛翔距離が長くなって、キャビティの壁面に燃料噴霧が接触してしまうことを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
先ず、図８を参照しながら、燃料噴射弁から所定の噴霧角で噴射された燃料噴霧につき、特定方向に、燃料噴霧の飛翔距離が長くなるメカニズムについて、さらに詳細に説明をする。図８は、燃焼室１７を区画するシリンダヘッド１３の天井部を示している。天井部には、シリンダのボア中心付近に、例えば外開弁式の燃料噴射弁６と、放電電極７とが並んで配置されている。燃料噴射弁６は外開弁式に限らず、所定の噴霧角で燃料を噴射する燃料噴射弁であればよい。放電電極７は、図例では、その先端部に中心電極と接地電極とを有し、中心電極と接地電極との間で放電を行うことにより、混合気に点火する点火プラグである。但し、放電電極７は、点火プラグに限らない。放電電極７は、図示は省略するが、その先端部に、シリンダヘッド１３やシリンダブロックから電気的に絶縁された状態で燃焼室１７内に突出する電極を有し、制御されたパルス状の高電圧をその電極に印加することによって、燃焼室１７内で極短パルス放電（ストリーマ放電）を生じさせる放電プラグとしてもよい。点火プラグに代えて、放電プラグをエンジンに取り付けることによって、燃焼室１７内にオゾンを生成することが可能になる。
【００１３】
燃料噴射弁６と放電電極７との並び方向は特に制限されず、エンジン出力軸方向であっても、エンジン出力軸方向とは異なる方向（エンジン出力軸に直交する吸排気方向を含む）であってもよい。図例は、エンジン出力軸方向に燃料噴射弁６と放電電極７とが並んでいるものとする。つまり、図８は、燃料噴射弁６の噴射先端と放電電極７の先端部とを通る平面で切った、燃焼室１７の縦断面であるが、この縦断面は、エンジン出力軸に沿う方向の平面で切った縦断面に相当する。燃料噴射弁６は、その弁軸心が、シリンダの軸線（図８の紙面上下方向）に沿うように配設されているのに対し、放電電極７は、その先端部が燃料噴射弁６に近づく方向に、シリンダの軸線に対して傾いて配設されている。
【００１４】
ここで、放電電極７の信頼性を確保する観点から、放電電極７の先端部（特に、先端の碍子部分）は、天井面から凹陥して設けられた凹部１３１内に収容されている。また、図例では、燃料噴射弁６の噴射先端の温度が高くなりすぎないように、燃料噴射弁６の噴射先端もまた、天井面から凹陥して設けられた凹部１３２内に収容され、噴射先端が燃焼室１７内に突出しないように構成されている。燃料噴射弁６の噴射先端と放電電極７の先端部とは隣接しているため、２つの凹部１３１、１３２は、その一部が互いに重なり合っていて、２つの凹部１３１、１３２は連続している（図８の二点鎖線参照）。
【００１５】
燃料噴射弁６は、その噴射先端から所定の噴霧角で燃料を噴射する。外開弁式の燃料噴射弁６は、その噴射先端からホローコーン状に燃料を噴射する。噴射した燃料噴霧の外周囲には、その噴霧の流れに起因して渦流が発生する。渦流は、燃料噴霧が外側に巻き上がるような向きであって、図８に矢印で示すように、燃料噴霧の噴射方向における先側から根元側に戻った後、燃料噴霧内に流入して、燃料噴霧を根元側から先側へと押し出すように流れる。
【００１６】
前述の通り、燃料噴射弁６の噴射先端の近傍に、放電電極７の先端部を収容する凹部１３１が設けられていることにより、噴射先端を中心として見たときに、当該凹部１３１が形成されている箇所は、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広く（図８では、噴射先端に対して紙面右側の箇所に相当）、凹部１３１が形成されていない箇所は、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に狭くなる（図８では、噴射先端に対して紙面左側の箇所に相当）。燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に狭い箇所では、渦流によって燃料噴霧内に流入するガス（つまり、燃焼室１７内の空気）が少ないため、ガス流動による燃料噴霧の押し出しは、それほど強くならない。しかしながら、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所では、渦流によって燃料噴霧内に流入するガスが多くなり、燃料噴霧の押し出しが強くなる。その結果、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所では、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に狭い箇所よりも、燃料噴霧の貫徹力が強くなり、図８に白抜きの矢印で示すように、燃料噴霧の飛翔距離が、より長くなると考えられる。尚、図８とは異なり、燃料噴射弁６の噴射先端が凹部１３２内に収容されていない構成においても、放電電極７の先端部が凹部１３１内に収容されていれば、燃料噴霧の外周囲において、空間が相対的に広い箇所と狭い箇所とが形成されることになる。
【００１７】
また、燃焼室１７内では、燃料噴射に伴うガス流動だけではなく、ピストンが圧縮上死点に近づくことに伴い、燃焼室１７の外周部から中心部へと向かうスキッシュが生じるが、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所には、このスキッシュよるガスの流入量が相対的に多くなるため、前述した燃料噴霧の押し出しが、さらに助長される。
【００１８】
こうして、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所では、燃料噴射に伴うガス流動（及び、スキッシュ）に起因して、圧縮行程の後半において噴射した燃料噴霧の一部が、ピストンの頂面に形成したキャビティの壁面に接触してしまう。その結果、当該箇所では、混合気層の周囲に断熱ガス層が形成されなくなるのである。
【００１９】
特に、幾何学的圧縮比を高くするために、小容積のキャビティを設けているときには、燃料噴射弁６の噴射先端とキャビティの壁面との距離が比較的近くなるため、燃料噴霧が、キャビティの壁面に接触し易くなる。その上、キャビティを小さくすることに伴いスキッシュエリアが大きくなるため、スキッシュが比較的強くなり、前述した燃料噴霧の押し出しが、さらに助長される。その結果、燃料噴霧の一部が、キャビティの壁面に接触し易くなる。
【００２０】
ここに開示する技術は、本願発明者等が前述した課題を見出したことにより完成に至ったものである。キャビティの壁面は、基本的には燃料噴射弁の噴射先端を中心とした対称形状となるように構成されるところ、ここに開示する技術は、噴射される燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広くなる箇所に対応するキャビティの壁面を、噴射先端から遠ざけることにより、キャビティの形状を、燃料噴射弁の噴射先端に対し、敢えて非対称な形状とすることによって、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触することを防止することにした。
【００２１】
具体的に、ここに開示する技術は、直噴エンジンの燃焼室構造に係り、この燃焼室構造は、シリンダに内挿されかつ、その頂面から凹陥するキャビティを有するピストンと、前記シリンダの内周面及び前記ピストンの前記頂面と共に、燃焼室を区画する天井面を有して構成されたシリンダヘッドの天井部と、噴射先端が前記燃焼室内に臨むように前記シリンダヘッドの前記天井部に配設されかつ、前記噴射先端から前記キャビティに向かって、所定の噴霧角で燃料を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、前記シリンダヘッドの前記天井部において前記燃焼室内に臨む先端部が、前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接して配設された放電電極と、を備える。
【００２２】
そして、前記シリンダヘッドの前記天井部において前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接した位置には、前記放電電極の前記先端部を収容する凹部が、その天井面から凹陥して設けられており、前記キャビティの中心は、前記シリンダのボア中心に対してずれており、前記燃焼室内を、前記燃料噴射弁の前記噴射先端と前記放電電極の前記先端部とを通る平面で切った縦断面において、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を挟んで、前記放電電極が配設された側の前記キャビティの壁面形状は、前記噴射先端を挟んだ逆側の前記キャビティの壁面形状よりも、前記噴射先端からの距離が長くなるように構成されている。
【００２３】
この構成によると、燃料噴射弁と放電電極とは共に、シリンダヘッドの天井部に取り付けられており、燃料噴射弁の噴射先端と、放電電極の先端部とは隣接して配設されている。放電電極は、点火プラグ又は放電プラグであり、その先端部を凹部内に収容することによって、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が放電電極の先端部に直接的に付着することが回避される。このため、放電電極の信頼性を確保することが可能になる。凹部は、燃料噴射弁の噴射先端に隣接した位置に設けられるため、噴射先端を中心としたときに、この凹部が設けられた箇所においては、噴射先端から、所定の噴霧角で噴射された燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広くなり、凹部が設けられてない箇所においては、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に狭くなる。
【００２４】
前記の構成では、ピストンの頂面に、シリンダのボア中心に対して中心がずれるようにキャビティが設けられており、キャビティが設けられたピストンの頂面と、シリンダの内周面と、シリンダヘッドの天井面とによって燃焼室が区画される。その燃焼室内を、燃料噴射弁の噴射先端と放電電極の先端部とを通る平面で切った縦断面において、噴射先端を挟んで、放電電極が配設された側のキャビティの壁面形状は、噴射先端を挟んだ逆側のキャビティの壁面形状よりも、噴射先端からの距離が長くなるように構成している。ここで、キャビティの壁面は、ピストンの頂面から凹陥したキャビティにおける側壁及び底壁を含む。噴射先端からの距離が長くなることには、キャビティの側壁を噴射先端から遠ざけることによってキャビティの開口を広げること、キャビティの底壁が噴射先端から遠ざかるように深くすること、及び、キャビティの側壁及び底壁のそれぞれを噴射先端から遠ざけること、が含まれる。
【００２５】
前記の縦断面において、噴射先端を挟んで、放電電極が配設された側は、凹部が設けられた箇所に相当し、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広くなる。従って、燃料噴霧の飛翔距離が相対的に長くなるものの、キャビティの壁面形状を、噴射先端からの距離が長くなるように構成することによって、飛翔距離が長くなったとしても、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触することが抑制される。
【００２６】
一方、前記の縦断面において、噴射先端を挟んで、放電電極が配設された側とは逆側は、凹部が設けられていない箇所に相当し、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に狭くなる。従って、燃料噴霧の飛翔距離が相対的に短くなるため、キャビティの壁面形状を、噴射先端からの距離が長くなるように構成する必要がない。そこで、キャビティの壁面形状を、噴射先端からの距離が相対的に短くなるようにする。これは、ピストンの頂面に設けるキャビティの容積を、できるだけ小さくすることに相当するから、燃焼室の幾何学的圧縮比を高くする上で有利になる。
【００２７】
前記シリンダヘッドの前記天井部には、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を収容する第２凹部が、前記天井面から凹陥して設けられており、前記放電電極の前記先端部を収容する前記凹部と、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を収容する前記第２凹部とは、その一部が互いに重なるように連続しており、前記燃焼室を平面視で見たときに、前記燃料噴射弁の前記噴射先端を中心として、前記噴射先端と凹部同士の境界とを結ぶ線によって挟まれる角度範囲内においては、当該角度範囲内の特定位置と前記噴射先端とを通る平面で切った縦断面において、前記キャビティの前記特定位置における壁面形状が、前記特定位置に対して前記噴射先端を挟んだ逆側の対称位置における前記キャビティの壁面形状よりも、前記噴射先端からの距離が長くなるように構成されている、としてもよい。
【００２８】
燃料噴射弁の噴射先端を第２凹部に収容することによって、噴射先端が燃焼室内に突出しなくなるため、噴射先端の温度が高くなることを回避することが可能になる。
【００２９】
放電電極の先端部を収容する凹部と、燃料噴射弁の噴射先端を収容する第２凹部との一部が互いに重なるように連続している構成において、燃焼室を平面視で見た、つまり、シリンダの軸線の一端から軸線に沿って燃焼室を見たときに、燃料噴射弁の噴射先端を中心として、その噴射先端と凹部同士の境界とを結ぶ線によって挟まれる角度範囲内は、噴射先端から噴射した燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所に相当する。そこで、当該角度範囲内においては少なくとも、その角度範囲内の特定位置と噴射先端とを通る平面で切った縦断面において、キャビティの特定位置における壁面形状が、特定位置に対して噴射先端を挟んだ逆側の対称位置におけるキャビティの壁面形状よりも、噴射先端からの距離が長くなるように構成する。ここで、特定位置は、前記角度範囲内における任意の位置である。こうすることで、燃料噴霧の飛翔距離が長くなる可能性がある角度範囲の全域において、キャビティの壁面の位置が、燃料噴射弁の噴射先端から遠ざけられるため、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触してしまうことが抑制される。
【００３０】
前記キャビティの開口縁は、前記ピストンの前記頂面を平面視でみたときに、前記燃料噴射弁の前記噴射先端と、前記放電電極の前記先端部とを結ぶ方向に長い楕円状に形成されている、としてもよい。
【００３１】
楕円状は、広義の楕円状であり、一平面上で２定点からの距離の和が一定であるような点の軌跡である楕円の他に、滑らかにつながる曲線、又は、曲線及び直線によって無端に構成される長円状の形状も、ここでいう楕円状に含まれる。
【００３２】
前述したように、噴射先端と凹部同士の境界とを結ぶ線によって挟まれる角度範囲内の全体に亘って、キャビティの壁面の位置を燃料噴射弁の噴射先端から遠ざける結果として、キャビティの開口縁は、燃料噴射弁の噴射先端と、放電電極の先端部とを結ぶ方向に長い楕円状に形成してもよい。
【００３３】
前記燃料噴射弁は、前記シリンダのボア中心に対してずれて配設されており、前記放電電極は、前記シリンダのボア中心を挟んで前記燃料噴射弁とは逆側に配設されており、前記キャビティの中心は、前記シリンダのボア中心に対して、前記燃料噴射弁が配設されている側にずれている、としてもよい。
【００３４】
燃焼室の中心部に混合気層を形成しかつ、その周囲に断熱ガス層を形成しようとしたときに、燃料噴射弁の噴射先端とキャビティの中心とを一致させる構成は、前述したように、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触することを防止する上で有利である。
【００３５】
これに対し、前記の構成のように、キャビティの壁面の一部を、燃料噴射弁の噴射先端から遠ざけることによって、キャビティの開口縁を、燃料噴射弁の噴射先端と放電電極の先端部とを結ぶ方向に長い楕円状に形成した場合、キャビティの中心は、その噴射先端に対して、放電電極の先端部の方にずれるようになる。
【００３６】
燃料噴射弁と放電電極とを、シリンダのボア中心を挟んだ一側と他側とに配設した構成において、キャビティの中心を燃料噴射弁の噴射先端から放電電極の先端部の方向にずらした場合、キャビティの中心は、シリンダのボア中心に近づくようになるが、前記の構成はそれでもなお、キャビティの中心は、前記シリンダのボア中心に対して、前記燃料噴射弁が配設されている側にずれている構成とする。これは、放電電極の配設側のキャビティの壁面を、噴射先端から遠ざけるとしても、その距離を最小限に留めることで、キャビティの容積をできるだけ小さくしていることを意味する。その結果、前述の通り、燃焼室の幾何学的圧縮比を高める上で有利になる。
【００３７】
前記シリンダヘッドの前記天井部は、吸気ポートの開口部が設けられた吸気側斜面と、排気ポートの開口部が設けられた排気側斜面とを有していて、ペントルーフ型の前記燃焼室を区画するよう構成されており、前記ピストンの前記頂面は、前記天井部の前記吸気側斜面及び前記排気側斜面のそれぞれに対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて傾斜した傾斜面によって隆起しており、前記燃料噴射弁の前記噴射先端は、前記シリンダヘッドの前記天井部において、前記吸気側斜面と前記排気側斜面とが交差するペントルーフの稜線上に配設され、前記放電電極の前記先端部は、前記ペントルーフの稜線上において、前記燃料噴射弁の前記噴射先端に隣接して配設されている、としてもよい。
【００３８】
この構成では、シリンダヘッドの天井部は、吸気側斜面と排気側斜面とによって、ペントルーフ型の燃焼室となるように構成されている。ピストンの頂面は、この天井部に対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて傾斜した傾斜面によって、いわば三角屋根状に隆起している。これにより、この直噴エンジンは、幾何学的圧縮比が比較的高く設定される。幾何学的圧縮比は、例えば１５以上としてもよい。幾何学的圧縮比を高くすることによって、エンジンの熱効率が高まると共に、燃焼室内の混合気を圧縮着火燃焼させる場合は、その安定化が図られる。尚、ペントルーフの稜線と、シリンダのボア中心とは一致する場合、及び、一致しない場合の両方が含まれる。
【００３９】
前記の構成ではまた、ピストンが圧縮上死点に近づくに従い、吸気側斜面及び排気側斜面を有する天井部と隆起したピストンの頂面との間のガスが圧縮されて、ペントルーフの稜線に沿って流れるスキッシュが発生する。その一方で、燃料噴射弁の噴射先端と放電電極の先端部とが、ペントルーフの稜線上において隣接して配設されているため、そのスキッシュによって、燃料噴霧の外周囲の空間が相対的に広い箇所、つまり、放電電極の先端部を収容する凹部へのガスの流入量が増え、それに伴い、燃料噴霧の貫徹力も、より一層増大し得る。
【００４０】
しかしながら、前述の通り、凹部が設けられた箇所に相当するキャビティの壁面を、噴射先端から遠ざけることによって、スキッシュによって燃料噴霧の飛翔距離が長くなったとしても、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触してしまうことを抑制することが可能になる。
【００４１】
前記燃料噴射弁は、その弁軸心が前記シリンダの軸線に沿う方向となるように配設されている、としてもよい。
【００４２】
こうすることで、シリンダヘッドの天井部に設けられた燃料噴射弁の噴射先端から、ピストンの頂面に設けられたキャビティ内に向かうように、所定の噴霧角で燃料噴霧が噴射される。その結果、混合気層を燃焼室内（つまり、キャビティ内）の中心に形成し、混合気層の周囲に断熱ガス層を形成することが可能になる。尚、燃料噴射弁の弁軸心をシリンダの軸線に沿う方向にする構成には、噴射された燃料噴霧の中心軸が、燃料噴射弁の弁軸心と一致する場合、及び、燃料噴霧の中心軸が、燃料噴射弁の弁軸心に対して傾く場合の両方が含まれる。
【００４３】
これとは異なり、前記燃料噴射弁は、前記噴射先端から所定の噴霧角で噴射される燃料噴霧の中心軸が、前記放電電極に近づく方向に、その弁軸心が前記シリンダの軸線に対して傾いて配設されている、としてもよい。
【００４４】
この構成では、燃料噴霧の中心軸が、放電電極の先端部に近づく方向に傾いている。このため、燃料噴霧の外周囲において、放電電極の先端部を収容する凹部の箇所においても、燃焼噴霧の外周囲の空間を狭くすることが可能になる。これにより、前述した、燃料噴射に伴うガス流動やスキッシュに起因する、燃料噴霧の特定箇所における貫徹力の増大自体を抑制することが可能になる。つまり、燃料噴霧の飛翔距離が長くなることが抑制される。そのため、キャビティの壁面を、噴射先端にできるだけ近づけることが可能になるから、キャビティの容積をできるだけ小さくすることが可能になる。つまり、燃料噴射弁の弁軸心を傾ける構成は、直噴エンジンの幾何学的圧縮比を高くする上で有利になる。尚、燃料噴射弁の弁軸心をシリンダの軸線に対して傾ける構成においても、噴射された燃料噴霧の中心軸が、燃料噴射弁の弁軸心と一致する場合、及び、燃料噴霧の中心軸が、燃料噴射弁の弁軸心に対して傾く場合の両方が含まれる。
【００４５】
また、前述したように、燃料噴射弁の弁軸心をシリンダの軸線に沿う方向にした構成において、燃料噴霧の中心軸を、燃料噴射弁の弁軸心に対して傾くようにした場合、燃料噴射弁の弁軸心をシリンダの軸線に対して傾ける構成と同様に、燃料噴霧の飛翔距離が長くなることを抑制することが可能になる。
【発明の効果】
【００４６】
前記の直噴エンジンの燃焼室構造によると、燃焼室内を、燃料噴射弁の噴射先端と放電電極の先端部とを通る平面で切った縦断面において、噴射先端を挟んで、放電電極が配設された側のキャビティの壁面形状を、噴射先端を挟んだ逆側のキャビティの壁面形状よりも、噴射先端からの距離が長くなるように構成することにより、当該箇所において燃料噴霧の飛翔距離が長くなったとしても、燃料噴霧がキャビティの壁面に接触することが抑制され、冷却損失を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】エンジンの構成を示す概略図である。
【図２】燃焼室の構成を示す縦断面図である。
【図３】ピストンの頂面形状を示す斜視図である。
【図４】ピストンの頂面を示す平面説明図である。
【図５】図２とは異なるキャビティの構成を示す縦断面図である。
【図６】図２及び図５とは異なるキャビティの構成を示す縦断面図である。
【図７】図２とは異なる燃料噴射弁の配設構成を示す縦断面図である。
【図８】燃焼室の天井部を拡大して示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は例示である。
【００４９】
（エンジンの全体構成）
図１は、実施形態に係るエンジン１の構成を示している。エンジン１のクランクシャフト１５は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。ここで、エンジン１の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。
【００５０】
エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１が形成されている（図１では、１つのみ示す）。エンジン１は、多気筒エンジンである。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。各シリンダ１１内には、コネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されたピストン１６が摺動自在に嵌挿されている。ピストン１６は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。
【００５１】
本実施形態では、燃焼室１７の天井部１７０（シリンダヘッド１３の下面）は、吸気ポート１８の開口部１８０が設けられかつ、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となった吸気側斜面１７１と、排気ポート１９の開口部１９０が設けられかつ、シリンダ１１の中央に向かって登り勾配となった排気側斜面１７２とを備えて構成されている。燃焼室１７は、ペントルーフ型の燃焼室である。尚、ペントルーフの稜線は、シリンダ１１のボア中心に一致する場合、及び一致しない場合の両方があり得るが、ここでは、ペントルーフの稜線は、シリンダ１１のボア中心に一致しているとする。従って、ピストン１６の頂面１６０を平面視で見た図４において、紙面左右方向に延びる一点鎖線は、ペントルーフの稜線に相当する。また、ピストン１６の頂面１６０は、天井部１７０の吸気側斜面１７１及び排気側斜面１７２に対応するように、吸気側及び排気側のそれぞれにおいて、ピストン１６の中央に向かって登り勾配となった傾斜面１６１、１６２によって、三角屋根状に隆起している。これにより、このエンジン１の幾何学的圧縮比は、１５以上の高い圧縮比に設定されている。また、ピストン１６の頂面１６０には、凹状のキャビティ１６３が形成されている。ピストン１６の頂面１６０の形状については、後で詳述する。
【００５２】
図１には１つのみ示すが、シリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成されている。吸気ポート１８の開口部１８０は、シリンダヘッド１３の吸気側斜面１７１に、エンジン出力軸（つまり、クランクシャフト１５）の方向に並んで設けられ、吸気ポート１８は、この開口部１８０を通じて燃焼室１７に連通している。２つの吸気ポート１８の開口部１８０は、シリンダ１１のボア中心に対して対称に配設されていると共に、吸気ポート１８のスロート部の軸線は、シリンダ１１のボア中心に対して対称となるように設けられている。同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成されている。排気ポート１９の開口部１９０は、シリンダヘッド１３の排気側斜面１７２に、エンジン出力軸の方向に並んで設けられ、排気ポート１９は、この開口部１９０を通じて燃焼室１７に連通している。２つの排気ポート１９の開口部１９０は、シリンダ１１のボア中心に対して対称に配設されている。
【００５３】
吸気ポート１８は、吸気通路１８１に接続されている。吸気通路１８１には、図示は省略するが、吸気流量を調節するスロットル弁が介設されている。排気ポート１９は、排気通路１９１に接続されている。排気通路１９１には、図示は省略するが、１つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバータは、三元触媒を含む。
【００５４】
シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフト１５に駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフト１５の回転と同期して回転する。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、この例では、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３、２４を、少なくとも含んで構成されている。尚、吸気弁駆動機構及び／又は排気弁駆動機構は、ＶＶＴ２３、２４と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。リフト可変機構は、リフト量を連続的に変更可能なＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift）としてもよい。尚、吸気弁２１及び排気弁２２を駆動する動弁機構は、どのようなものであってもよく、例えば油圧式や電磁式の駆動機構を採用してもよい。
【００５５】
シリンダヘッド１３には、燃焼室１７内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁６が取り付けられている。燃料噴射弁６は、吸気側斜面１７１と排気側斜面１７２とが交差するペントルーフの稜線上であってかつ、図２に示すように、シリンダ１１のボア中心に対して、エンジン出力軸方向の一側（図２における紙面左側であり、これは、この実施形態ではエンジン１において反トランスミッション側の、いわゆるエンジン前側に相当する）に、ずれて配設されている。燃料噴射弁６はまた、その弁軸心が、シリンダ１１の軸線に沿うように配設され、噴射先端が、燃焼室１７内に臨んでいる。ピストン１６のキャビティ１６３は、この燃料噴射弁６に向かい合うように設けられている。燃料噴射弁６は、このキャビティ１６３内に向かって、燃料を噴射する。
【００５６】
燃料噴射弁６は、図２に概念的に示すように、燃焼室１７内（つまり、キャビティ１６３内）に、（可燃）混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成可能に構成されている。燃料噴射弁６は、所定の噴霧角で燃料を噴射する、例えば外開弁式の燃料噴射弁としてもよい。外開弁式の燃料噴射弁は、弁のリフト量を調整することにより、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。本願出願人が先に出願した特願２０１３−２４２５９７号に記載しているように、この外開弁式の燃料噴射弁６の特性を利用して、多段噴射を基本とした燃料噴射態様を、適宜制御することにより、燃料噴霧の進行方向への飛散距離、及び、燃料噴霧の中心軸に対する広がりを調整することができる。このため、圧縮上死点付近のタイミングで燃料を噴射することにより、キャビティ１６３の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。また、外開弁式の燃料噴射弁に限らず、ＶＯＣ（Valve Covered Orifice）ノズルタイプの燃料噴射弁も、ノズル口に発生するキャビテーションの度合いを調整することにより、噴口の有効断面積を変更して、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。従って、外開弁式の燃料噴射弁と同様に、圧縮上死点付近のタイミングで噴射する燃料噴霧の進行方向への飛散距離及び燃料噴霧の中心軸に対する広がりを調整することにより、キャビティ１６３内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。
【００５７】
さらに、燃料噴射弁６は、その噴射先端に複数の噴孔が設けられかつ、所定の噴霧角で燃料を噴射するマルチホールタイプの燃料噴射弁としてもよいし、ホローコーン状に燃料を噴射するスワールインジェクタとしてもよい。
【００５８】
燃料噴射弁６の噴射先端は、図２及び図８には拡大して示すように、シリンダヘッド１３の天井面から凹陥して設けられた凹部１３２内に収容されている。これにより、噴射先端が、燃焼室１７内に突出しなくなり、噴射先端の温度が高くなってしまうことが防止される。凹部１３２は、図４に破線及び二点鎖線で示すように、断面円形状の噴射先端に対応して円形状を有している。尚、図４における破線及び二点鎖線は、シリンダヘッド１３の天井部１７０における凹部１３２の開口縁を示しており、後述の通り、二点鎖線で示す開口縁の部分は、実際には存在しない。凹部１３２はまた、図８に示すように、燃料噴射弁６の噴射先端から、シリンダヘッド１３の天井面に向かって、径が次第に拡大するように構成されている。これにより、噴射先端から、シリンダ１１の軸線に沿って下向きに、径が次第に拡大するようなホローコーン状に噴射される燃料噴霧が、凹部１３２の周面に接触することが防止される。
【００５９】
シリンダヘッド１３には、放電電極としての点火プラグ７が取り付けられている。点火プラグ７は、図２に示すように、ペントルーフの稜線上でかつ、シリンダ１１のボア中心に対してエンジン出力軸方向の他側（つまり、エンジン後側）にずれて配設されている。点火プラグ７は、その先端部が燃料噴射弁６に近づく方向に、シリンダ１１の軸線に対し傾いて配設されている。点火プラグ７は、ペントルーフの稜線上において傾いている。これにより、燃料噴射弁６の噴射先端と、点火プラグ７の先端部とは、シリンダ１１のボア中心付近において、ペントルーフの稜線に沿って互いに近接して配設される。尚、点火プラグ７の代わりに、放電電極として、燃焼室１７内でオゾンを生成する放電プラグを、シリンダヘッド１３に取り付けてもよい。
【００６０】
点火プラグ７の先端部もまた、シリンダヘッド１３の天井面から凹陥して設けられた凹部１３１内に収容されている。点火プラグ７の先端部、特にその碍子部分を収容する凹部１３１は、図２及び図４に示すように、断面円形状の先端部に対応して円形状であると共に、点火プラグ７の先端部から、シリンダヘッド１３の天井面に向かうに従って、径が拡大するように構成されている。尚、点火プラグ７の先端部を収容する凹部１３１は、点火プラグ７がシリンダ１１の軸線に対して傾いて配設されていることに対応して、シリンダ１１の軸線に対して傾いている。そのため、図４に示す破線及び二点鎖線は、シリンダヘッド１３の天井部１７０における凹部１３１の開口縁を示しているが、その開口縁は、平面視では楕円になる。
【００６１】
燃料噴射弁６の噴射先端と、点火プラグ７の先端部とが互いに近接していることにより、これらを収容する凹部１３１、１３２同士は、その一部が重なるようになり、２つの凹部１３１、１３２は連続している。従って、図４において、凹部１３１の、二点鎖線で示す開口縁の部分は、実際には存在しないと共に、前述の通り、凹部１３２の、二点鎖線で示す開口縁の部分も、実際には存在しない（図８も参照）。
【００６２】
このエンジン１は、前述したように、幾何学的圧縮比が１５以上に設定されている。幾何学的圧縮比は、４０以下とすればよく、特に２０以上３５以下が好ましい。エンジン１は圧縮比が高いほど膨張比も高くなる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン１でもある。このエンジン１は、基本的には全運転領域でシリンダ１１内に噴射した燃料を圧縮着火により燃焼させるよう構成されている。高い幾何学的圧縮比は、圧縮着火燃焼を安定化する。
【００６３】
燃焼室１７は、シリンダ１１の内周面と、ピストン１６の頂面１６０と、シリンダヘッド１３の下面（天井部１７０）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。冷却損失を低減すべく、これらの区画面に、遮熱層を設けることによって、燃焼室１７が遮熱化されている。遮熱層は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、燃焼室１７を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート１８や排気ポート１９における、燃焼室１７の天井部１７０側の開口近傍のポート壁面に遮熱層を設けてもよい。
【００６４】
これらの遮熱層は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。
【００６５】
また、遮熱層は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、遮熱層の熱容量を小さくして、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。
【００６６】
前記遮熱層は、例えば、母材上にＺｒＯ２等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングして形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、遮熱層の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。
【００６７】
本実施形態では、前記の燃焼室１７の遮熱構造に加えて、燃焼室１７内においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減するようにしている。
【００６８】
具体的には、燃焼室１７内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程以降において燃料噴射弁６の噴射先端からキャビティ１６３内に燃料を噴射させることにより、図２に示すように、燃料噴射弁６の近傍の、キャビティ１６３内の中心部に混合気層が形成されかつ、その周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。
【００６９】
前記のようにガス層と混合気層とが形成された状態で燃料が圧縮着火燃焼すれば、混合気層と燃焼室１７の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎が燃焼室１７の壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、燃焼室１７の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。
【００７０】
尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン１では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、エンジン１は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。
【００７１】
このような混合気層とガス層とを燃焼室１７内に形成するために、燃料を噴射するタイミングにおいては、燃焼室１７内のガス流動は弱いことが望ましい。そのため、吸気ポートは、燃焼室１７内でスワールが生じない、又は、生じ難いようなストレート形状を有していると共に、タンブル流もできるだけ弱くなるように、構成されている。
【００７２】
次に、燃焼室１７の構成について、図を参照しながらさらに詳細に説明をする。図３は、ピストン１６の頂面１６０の形状を示す斜視図である。図３における紙面右手前が吸気側、紙面左奥が排気側であり、紙面左手前がエンジン出力軸方向の一側（つまり、エンジン前側）、紙面右奥がエンジン出力軸方向の他側（つまり、エンジン後側）である。
【００７３】
前述したように、ピストン１６の頂面１６０は、吸気側の傾斜面１６１と、排気側の傾斜面１６２とがそれぞれ、ピストン１６の中央に向かって登り勾配となって構成されており、これにより、ピストン１６の頂面は、エンジン出力軸における一方の側から、エンジン出力軸に沿う方向にピストン１６を見たときに、両側それぞれから中央部に向かって次第に隆起した三角屋根状を成している。吸気側の傾斜面１６１及び排気側の傾斜面１６２には、それぞれバルブリセスが形成されている。この内、吸気側の傾斜面１６２では、エンジン出力軸の方向に並んだ２つの吸気弁２１のバルブヘッドの間に相当する部分も、バルブリセスと共に、傾斜面１６１が削られており、吸気側の傾斜面１６１は、バルブリセスが設けられているものの、実質的に平坦な面を構成する。一方、排気側の傾斜面１６２では、エンジン出力軸の方向に並んだ２つの排気弁２２のバルブヘッドの間に相当する部分は、削られずに残されている。この部分は、ピストン１６が上死点付近に至ったときに、排気側から燃焼室１７の中央に向かうスキッシュを発生させるスキッシュエリア１６２ｂとなる。従って、排気側の傾斜面１６２は、バルブリセス１６２ａとスキッシュエリア１６２ｂとによって構成される。
【００７４】
ピストン１６の頂面１６０はまた、吸気側の傾斜面１６１と排気側の傾斜面１６２とを連結する稜部１６４を有している。稜部１６４は、シリンダヘッド１３の天井部１７０において、ペントルーフの稜線部分と対向する。この稜部１６４付近における、エンジン出力軸方向の両側端部は、図２にも示すように、頂面１６０に向かってピストン径が縮小するように湾曲している。この湾曲は、シリンダヘッド１３の天井部１７０の湾曲形状に対応して設けられている。これは、エンジン１の幾何学的圧縮比を高くする上で有利な構成である。
【００７５】
ピストン１６の稜部１６４は、ピストン１６が上死点付近に至ったときには、図２に矢印で示すように、ペントルーフの稜線に沿うように、エンジン出力軸の方向の、一側から燃焼室１７の中央に向かうスキッシュと、他側から燃焼室１７の中央に向かうスキッシュとのそれぞれを発生させるスキッシュエリアとなる。
【００７６】
前述したように、ピストン１６の頂面１６０にはキャビティ１６３が凹陥している。キャビティ１６３は、図２に示すように、開口縁１６３ａから凹陥するに従い、その大きさが次第に縮小するように設けられており、キャビティ１６３は、ピストン１６の頂面１６０に連続する側壁１６３１と、側壁１６３１に連続する底壁１６３２とから構成されている。図２に示すように、ピストン１６の中心を通る縦断面において、キャビティ１６３は、バスタブのような形状を有している。側壁１６３１は、ピストン１６の頂面１６０及び底壁１６３２とは異なる角度を有しており、ピストン１６の頂面１６０と側壁１６３１との間、及び、側壁１６３１と底壁１６３２との間には、それぞれアールが設けられている。
【００７７】
以下においては、ピストン１６の頂面１６０と側壁１６３１との間のアールは、キャビティの側壁１６３１に含まれるとして、頂面１６０とアールとが接する位置を、頂面１６０と側壁１６３１との境界とする。この境界は、キャビティ１６３の開口縁１６３ａを構成する。また、側壁１６３１と底壁１６３２との間のアールは、側壁１６３１に含まれるとして、アールと底壁１６３２とが接する位置を、側壁１６３１と底壁１６３２との境界とする。尚、頂面１６０と側壁１６３１との境界、及び、側壁１６３１と底壁１６３２との境界はそれぞれ、前述した定義とは異なるように設定することも可能である。例えば、頂面１６０と側壁１６３１との間のアールは、頂面１６０に含まれるとして、アールと側壁１６３１とが接する位置を、頂面１６０と側壁１６３１との境界としてもよい。また、そのアールの中央を、頂面１６０と側壁１６３１との境界とすることも可能である。同様に、側壁１６３１と底壁１６３２との間のアールは、底壁１６３２に含まれるとして、アールと側壁１６３１とが接する位置を、側壁１６３１と底壁１６３２との境界としてもよい。また、そのアールの中央を、側壁１６３１と底壁１６３２との境界とすることも可能である。頂面１６０、側壁１６３１及び底壁１６３２をどのように定義しても、以下に説明するキャビティ形状に関する構成は、全て成立し得る。
【００７８】
キャビティ１６３は、図３及び図４に示すように、略楕円形状の開口縁１６３ａを有する。この楕円状は、広義の楕円状である。
【００７９】
ここで、ピストン１６の頂面に設けられるキャビティ１６３は、基本的には、その中心が、燃料噴射弁６の弁軸心と一致するように設けられる。こうすることで、キャビティ１６３の容積を小さくしつつも、燃料噴射弁６の噴射先端からキャビティ１６３の壁面までの距離に偏りが生じず、噴射先端から均等に噴射した燃料噴霧がキャビティ１６３の壁面に接触することを防止して、キャビティ１６３内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成する上で有利になる。しかしながら、燃料噴射弁６の噴射先端に近接して、点火プラグ７の先端部を収容する凹部１３１が形成されていることに起因して、噴射先端から噴射されるホローコーン状の燃料噴霧は、均等に飛翔せず、前記凹部１３１の形成箇所に対応する燃料噴霧は、その飛翔距離が相対的に長くなる。つまり、図８を参照しながら説明したように、燃料噴射に伴うガス流動や、稜部１６４におけるスキッシュに起因して、燃料噴霧の外周囲の空間が広い箇所においては、燃料噴霧内に流入するガス量が増えて、燃料噴霧を、噴射方向の先側に強く押し出すようになり、燃料噴霧の貫徹力が強まって飛翔距離が長くなるのである。
【００８０】
そこで、このエンジン１では、燃料噴霧の飛翔が不均等になることに対応して、キャビティ１６３の壁面形状を、燃料噴射弁６の噴射先端に対して非対称な形状にしている。
【００８１】
具体的に、キャビティ１６３は、図４に示すように、燃料噴射弁６の噴射先端と、点火プラグ７の先端部とを結ぶ方向に長い楕円形状であるが、エンジン出力軸の方向に直交する吸排気方向（つまり、図４における紙面上下方向）については、シリンダ１１のボア中心を通る線に対して対称となるように設けられている。これにより、楕円形状のキャビティ１６３における長軸は、シリンダヘッド１３のペントルーフの稜線と一致することになり、燃料噴射弁６の弁軸心、及び、点火プラグ７の中心はそれぞれ、楕円形状のキャビティ１６３における長軸上に位置することになる。
【００８２】
一方で、楕円形状のキャビティ１６３は、エンジン出力軸の方向（つまり、図４における紙面左右方向）については、キャビティ１６３の中心が、シリンダ１１のボア中心に対し、ずれて設けられている。
【００８３】
より詳細には、図２に示すように、燃料噴射弁６の噴射先端と点火プラグ７の先端部とを通る平面で切った縦断面において、燃料噴射弁６の噴射先端を挟んで、点火プラグ７が配設された側のキャビティ１６３の壁面形状（つまり、図２の紙面右側の壁面形状）は、噴射先端を挟んだ逆側のキャビティの壁面形状（つまり、図２の紙面左側の壁面形状）よりも、噴射先端からの距離が長くなるように構成されている。
【００８４】
図２及び図４において一点鎖線は、燃料噴射弁６を挟んだ、エンジン出力軸方向の他側のキャビティ壁面を、仮に、エンジン出力軸方向の一側のキャビティ壁面と対称となる形状にした場合を示している。この場合は、図４に実線及び一点鎖線で示すように、キャビティ１６３の底壁１６３２が、平面視で略円形状になると共に、キャビティ１６３の開口縁１６３ａは、図４に実線及び一点鎖線で示すように、燃料噴射弁６の弁軸心を中心としたエンジン出力軸方向に対称な楕円（又は長円）形状になる。また、図２に示すように、燃料噴射弁６の弁軸心を挟んだ、エンジン出力軸方向の一側（実線）と他側（一点鎖線）とのそれぞれにおいて、キャビティ１６３の側壁１６３１及び底壁１６３２と、噴射先端との距離は、互いに同じになる。
【００８５】
これに対し、本構成では、図２に実線で示すように、エンジン出力軸の方向の他側において、キャビティ１６３の壁面を、噴射先端に対して、相対的に遠ざけている。具体的には、キャビティ１６３の底壁１６３２を、その深さ位置を変えずに、エンジン出力軸方向の他側の方に広げると共に、キャビティ１６３の側壁１６３１の位置を、エンジン出力軸方向の他側の方にずらしている。これに伴い、図４に実線で示すように、キャビティ１６３の底壁１６３２は、平面視で楕円形状になると共に、キャビティ１６３の開口縁１６３ａの形状は、エンジン出力軸の方向の他側に広げた楕円形状になる。結果として、キャビティ１６３の、エンジン出力軸の方向の中央は、図２に示すように、燃料噴射弁６の弁軸心よりも、エンジン出力軸の方向の他側にずれる。
【００８６】
キャビティ１６３の側壁１６３１を、一点鎖線で示すときよりも、エンジン出力軸の方向の他側に位置をずらすことによって、燃料噴霧の外周囲において、凹部１３１が形成されている箇所は、燃料噴霧の飛翔距離が相対的に伸びるものの、噴射先端とキャビティ１６３の壁面との距離が相対的に長くなるため、燃料噴霧がキャビティ１６３の壁面に接触することを抑制することができる。
【００８７】
ここで、燃料噴霧がキャビティ１６３の壁面に接触することを抑制する上では、キャビティ１６３の側壁１６３１の位置を、エンジン出力軸の方向の他側に大きくずらすことが考えられる。しかしながら、こうした場合、キャビティ１６３の開口の大きさが大きくなり、キャビティ１６３の容積が大きくなる。これは、幾何学的圧縮比を高くする本エンジンにおいては、不利になる。そこで、キャビティ１６３の側壁１６３１の位置のずれ量は、できるだけ小さいことが好ましい。図２及び図４に示す例では、キャビティ１６３の側壁１６３１の位置の、エンジン出力軸の方向の他側へのずれ量を可及的に小さくしており、キャビティ１６３の、エンジン出力軸の方向に対する中央は、前述の通り、燃料噴射弁６の弁軸心よりも、エンジン出力軸の方向の他側にずれるものの、シリンダ１１のボア中心に対しては、エンジン出力軸の方向の一側、つまり燃料噴射弁６の配設されている側にずれている。
【００８８】
また、キャビティ１６３の壁面を、エンジン出力軸の方向の他側に広げる範囲は、図４に示す例では、燃料噴射弁６を挟んだ、エンジン出力軸の方向の他側の範囲の全体としている。つまり、楕円形状のキャビティ１６３における約半分の部分において、キャビティ１６３の壁面を広げている。こうすることで、燃料噴霧がキャビティ１６３の壁面に接触してしまうことを、より広い範囲に亘って、確実に防止することが可能になる。
【００８９】
ここで、燃料噴霧の飛翔距離が長くなる箇所は、燃料噴霧の外周囲の内、点火プラグ７の凹部１３１が設けられた箇所であることから、図４に示すように、燃料噴射弁６の噴射先端と、２つの凹部１３１、１３２同士の境界（つまり、この境界は、燃焼室１７を平面視で見たときに、凹部１３１の開口縁を示す楕円と、凹部１３２の開口縁を示す円とが交わる２点に相当する）とを結ぶ線によって挟まれる角度範囲内においては少なくとも、キャビティ１６３の壁面を、エンジン出力軸の方向の他側に広げることが好ましい。この角度範囲内において、中央部（その範囲の境界線から離れた、ペントルーフの稜線上に対応する部分）は、キャビティ１６３の壁面が噴射先端から最も遠ざかっていることが好ましいが、角度範囲の両側部（その範囲の境界線に近い部分）においても、キャビティ１６３の壁面が噴射先端から十分に遠ざかっていることが好ましい。こうすることで、燃料噴霧が、キャビティ１６３の壁面に接触することを、効果的に防止することが可能になる。一方で、キャビティ１６３の壁面を、エンジン出力軸の方向の他側に広げる範囲をできるだけ狭くすれば、キャビティ１６３の容積をできるだけ小さくすることが可能になり、エンジン１の幾何学的圧縮比を高くする上で有利になる。
【００９０】
図４に示すように、ピストン１６の頂面を平面視で見たときに、ピストン１６全体の面積（つまり、ピストン１６の外周縁によって構成される円の面積）に対する、キャビティ１６３の開口縁１６３ａによって構成される楕円の面積の比率（楕円の面積／ピストン全体の面積）は、５０％以下とすればよい。こうすることで幾何学的圧縮比を１５以上にすることが可能になる。面積比は、好ましくは４０％以下であり、より好ましくは３５％以下である。
【００９１】
また、キャビティ１６３の開口縁１６３ａの位置を、エンジン出力軸の他側の方にずらす結果として、図２に端的に示されるように、ピストン１６の頂面１６０において、エンジン出力軸の方向の他側における稜部１６４の長さが短くなる。これにより、スキッシュが弱くなるから、燃料噴霧の貫徹力が増大してしまうことが抑制される。このことによっても、燃料噴霧が、キャビティ１６３の壁面に接触してしまうことが防止される。
【００９２】
図５は、図２とは異なる構成例を示している。図５に示す構成例においては、キャビティ１６３の底壁１６３２の位置を変更している。具体的には、図２と同様に、燃焼室１７を、燃料噴射弁６の噴射先端と、点火プラグ７の先端部とを通る平面で切った縦断面において、燃料噴射弁６に対し、点火プラグ７が配設された側のキャビティ１６３の底壁１６３２を、逆側のキャビティ１６３の底壁１６３２と比較したときに（図５の一点鎖線参照）、噴射先端からの距離がより長くなるよう、深くしている。こうすることで、燃料噴霧の飛翔距離が長くなっても、燃料噴霧がキャビティ１６３の壁面に接触することを抑制することが可能になる。
【００９３】
ここで、図５に示す構成例では、キャビティ１６３の側壁１６３１の位置は、燃料噴射弁６の噴射先端を挟んだ両側において、同じ、又は、ほとんど同じであり、キャビティ１６３の開口縁１６３ａの位置も、燃料噴射弁６の噴射先端を挟んだ両側において互いに同じである。このため、図示は省略するが、ピストン１６の頂面１６０を平面視で見たときに、キャビティ１６３の開口縁１６３ａの形状は、燃料噴射弁６の弁軸心を中心とした対称な楕円形状となる。つまり、図５において、キャビティ１６３の中心は、燃料噴射弁６の弁軸心と一致し、それに伴い、キャビティ１６３の中心は、シリンダ１１のボア中心に対して、燃料噴射弁６の配設側にずれる。
【００９４】
尚、キャビティ１６３の底壁１６３２を相対的に深くする箇所の角度範囲は、図４を参照しながら説明したように、少なくとも、燃料噴射弁６の噴射先端を中心として、噴射先端と２つの凹部１３１、１３２同士の境界とを結ぶ線によって囲まれた角度範囲とすればよい。尚、この角度範囲を超えて、キャビティ１６３の底壁１６３２を相対的に深くしてもよい。
【００９５】
図６は、図２に示す構成と、図５に示す構成とを組み合わせた構成例を示している。つまり、燃料噴射弁６の噴射先端を挟んで、点火プラグ７が配設された側のキャビティ１６３の壁面につき、側壁１６３１を、噴射先端に対して遠ざけると共に、底壁１６３２を、より深くして、噴射先端に対し遠ざける。こうすることで、図２及び図５に示す構成例と同様に、燃料噴射弁６の弁軸心から、ホローコーン状に噴射された燃料噴霧において、点火プラグ７の凹部１３１が設けられた箇所における燃料噴霧の飛翔距離が長くなっても、キャビティ１６３の側壁１６３１や底壁１６３２に接触してしまうことを回避することが可能になる。尚、燃料噴射弁６の噴射先端を中心として、噴射先端と２つの凹部１３１、１３２同士の境界とを結ぶ線によって囲まれた角度範囲において少なくとも、キャビティ１６３の壁面の位置を変更することは、前記と同じである。
【００９６】
図７は、図２に示す構成例に対して、燃料噴射弁６の弁軸心を傾けることを組み合わせた構成例である。この構成例では、燃料噴射弁６は、その弁軸心が、点火プラグ７の先端部に近づく方向に、傾斜している。燃料噴射弁６の弁軸心は、ペントルーフの稜線上において傾いている。この傾いた燃料噴射弁６の噴射先端から、所定の噴霧角で噴射される燃料噴霧もまた、その中心軸が、シリンダ１１の軸線に対して、点火プラグ７の先端部に近づく方向に傾くようになる。このため、凹部１３１が形成された箇所において、燃料噴霧の外周囲の空間は、図２（及び図８）に示す構成例と比較して狭くなる。これは、燃料噴射に伴うガス流動やスキッシュに起因して、燃料噴霧の外周囲の空間から燃料噴霧内に流入するガス量が制限され、燃料噴霧の貫徹力が増大すること自体が抑制される。その結果、燃料噴霧の飛翔距離が長くなることが抑制され、キャビティ１６３の壁面を噴射先端から遠ざけることと組み合わさって、燃料噴霧が、キャビティ１６３の壁面に接触することを、より一層確実に防止することができる。
【００９７】
また、燃料噴霧の飛翔距離を短くすることが可能であるから、キャビティ１６３の壁面を、その分、噴射先端に近づけることも可能になる。これは、ピストン１６の頂面１６０に設けるキャビティ１６３の容積をできるだけ小さくして、エンジン１の幾何学的圧縮比を高くする上で有利になる。
【００９８】
尚、図７の例では、燃料噴射弁６の弁軸心を傾けることによって、所定の噴霧角で噴射される燃料噴霧の中心軸を、シリンダ１１の軸線に対して傾けるようにているが、これとは異なり、燃料噴射弁６の弁軸心に対し、噴射した燃料噴霧の中心軸が傾くように構成された燃料噴射弁６を採用してもよい。例えばマルチホールタイプの燃料噴射弁において、その噴孔を傾けて形成することによって、燃料噴射弁の弁軸心に対して、燃料噴霧の中心軸を傾けることが可能である。また、スワールインジェクタにおいても、燃料噴射孔を傾けることによって、燃料噴射弁の弁軸心に対し、燃料噴霧の中心軸を傾けることが可能である。こうした燃料噴射弁を採用すれば、図示は省略するが、燃料噴射弁は、その弁軸心がシリンダ１１の軸線に沿うように配設する一方で、その燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の中心軸がシリンダの軸線に対して傾くようになり、凹部１３１によって燃料噴霧が不均等に飛翔してしまうことを抑制することが可能になる。燃料噴射弁６の弁軸心をシリンダ１１の軸線に沿って配設することは、燃料噴射弁６のレイアウトの観点で有利になる場合がある。
【００９９】
また、点火プラグ７を含む放電電極は、ペントルーフの稜線からずれて配設される場合がある。
【符号の説明】
【０１００】
１  エンジン
１１  シリンダ
１３  シリンダヘッド
１３１  凹部
１３２  凹部（第２凹部）
１６  ピストン
１６０  （ピストンの）頂面
１６１  傾斜面
１６２  傾斜面
１６３  キャビティ
１６３１  側壁（キャビティの壁面）
１６３２  底壁（キャビティの壁面）
１７  燃焼室
１７０  天井部
１７１  吸気側斜面
１７２  排気側斜面
１８  吸気ポート
１９  排気ポート
６  燃料噴射弁
７  点火プラグ（放電電極）
【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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