(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペントルーフ型に形成された燃焼室天井部を有するシリンダヘッドと、
前記燃焼室天井部の中央寄り位置に配置され、所定タイミングでシリンダ軸方向に燃料を噴射するインジェクタと、
平面を基本形状とするピストンヘッドを有するピストンと、
前記ピストンヘッドに前記インジェクタの噴射中心軸とほぼ同軸上の位置を中心点として略真円形状に開口したキャビティと、
前記燃焼室天井部の吸気側から前記燃焼室内へ前記シリンダ軸方向に対して斜め方向に突出して設けられ、前記ピストンが略上死点位置にある際に前記キャビティの内方上部位置でかつ前記キャビティの中心から吸気側へ偏位した位置に着火部を有する点火プラグと、を具備し、
前記キャビティは、
該キャビティの中央部から前記燃焼室天井部側に突出する略円柱形状をなしかつ頂上に前記着火部側に傾斜した傾斜面を有する凸起部と、該凸起部の周縁部に縦断面形状が略円弧形状をなすように凹設された円周溝部とを有することを特徴とする筒内噴射式エンジン。
【請求項２】
ペントルーフ型に形成された燃焼室天井部を有するシリンダヘッドと、
前記燃焼室天井部の中央寄り位置に配置され、所定タイミングでシリンダ軸方向に燃料を噴射するインジェクタと、
平面を基本形状とするピストンヘッドを有するピストンと、
前記ピストンヘッドに凹設されて前記インジェクタの噴射中心軸とほぼ同軸上の位置に開口したキャビティと、
前記燃焼室天井部の吸気側から前記燃焼室内へ前記シリンダ軸方向に対して斜め方向に突出して設けられ、前記ピストンが略上死点位置にある際に前記キャビティの内方上部位置でかつ前記キャビティの中心から吸気側へ偏位した位置に着火部を有する点火プラグと、を具備し、
前記キャビティは、前記インジェクタの噴射中心軸を間に介して前記点火プラグと対向する側で前記キャビティに沿って前記ピストンヘッドから前記燃焼室天井部に向けて該燃焼室天井部の形状に対応して突出しかつ前記ピストンの上死点位置において前記点火プラグ側に前記キャビティを開放させる周壁部とを備えることを特徴とする筒内噴射式エンジン。
【請求項３】
前記キャビティは、
該キャビティの中央部から前記燃焼室天井部側に突出した凸起部と、
該凸起部の周縁部に縦断面形状が略円弧形状をなすように凹設された円周溝部と、を有することを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料をシリンダ内に直接噴射する筒内噴射式エンジンの燃焼室に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジンの燃費を向上させる手法として、理論熱効率の向上、ポンピングロスの低減、フリクションの低減などが提唱されている。そのうち理論熱効率の向上やポンピングロスの低減を図るために、燃焼室内の圧縮比または膨脹比を上昇させる方法の他に、希薄燃焼制御や高ＥＧＲ（exhaust gas recirculation ）燃焼制御等を行う方法がある。これら希薄燃焼制御や高ＥＧＲ制御においては、シリンダ内にタンブル、スワール、スキッシュなどのガス流動を発生させて、燃焼室内における混合気の燃焼性の向上を図っている。
【０００３】
そして、このようなエンジンは、吸気行程において燃焼室内に均一な混合気を形成することを基本としていたが、一方では燃料の噴射方向や時期を調整することにより燃焼室内における混合気の空燃比を局所的に変えることも意図的に行われていた。
【０００４】
すなわち、燃焼室内において局所的に空燃比をリッチにし、あるいは局所的な部分にだけ混合気を形成する等により、燃焼室内全体ではトータルとしてリーンな空燃比で燃焼させる成層燃焼方式などが提案されていた。
【０００５】
しかしながら、従来の成層燃焼方式では、このような燃焼室内における局所的な混合気の形成は十分なものではなく、混合気形成の自由度の大幅な向上が望まれていた。そこで、その対策としてシリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射式エンジンが種々提案されている。
【０００６】
例えば、特開平５−１５４４号公報には、吸気バルブ周りの一部に吸気ポートを通過する吸入空気の流れを方向づけるマスク壁を設け、シリンダ内において強制的に逆タンブル流を発生させ、圧縮行程時に吸気ポートの下側に設けられた噴射手段（インジェクタ）からシリンダ軸方向に対して斜めに噴射される燃料を逆タンブル流に乗せ、混合気を燃焼室頭頂部に設けられた点火プラグの方向に導くようにした構成例が示されている。
【０００７】
また、特開平６−１４６８８６号公報には、噴射手段を、上記特開平５−１５４４号公報の技術と同様に吸気ポートの下側位置に取り付け、吸気ポートの断面形状をその一方側半分が拡幅された構成としている。そして、吸気流心を偏心させて逆タンブル流の生成を促進し、燃料をシリンダ軸方向に対して斜めに噴射して逆タンブル流に乗せ、混合気を燃焼室頭頂部に設けられた点火プラグの方向に導くようにした構成例が示されている。
【０００８】
更に、特開平６−４２３５２号公報では、噴射手段を燃焼室の頭頂部中心位置にてシリンダ軸方向に向けて取り付け、点火プラグを２つの吸気ポートの間から燃焼室内に突出させて着火を行うようにした構成が示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平５−１５４４号公報に開示された筒内噴射式内燃機関では、マスク壁により強制的に逆タンブル流を発生させる吸気ポートを採用しているので、高速高負荷領域において吸入抵抗が過大となるおそれがある。これにより、吸入空気量の不十分状態が生じ出力性能に影響が出るおそれがある。
【００１０】
次に、特開平６−１４６８８６号公報に開示された技術では、上述のように吸気ポートの断面形状の調整による逆タンブル流の生成を行い、ピストン上面の湾曲部によりこの逆タンブル流の生成を促進するようにしている。しかし、湾曲部内のみが燃焼室空間を形成する構成をとっているので圧縮比が過剰に高くなるおそれがある。これにより、通常の実用エンジンで用いられる燃料、いわゆるレギュラーガソリンに見合う圧縮比を設定するのが困難である。
【００１１】
また、燃料噴射弁の噴射口と点火プラグの電極との間に距離があるために、電極付近の局所空燃比を詳細に制御することが難しく、燃焼の安定性や着火性が低い。
【００１２】
更に、上述の２つの公報には、噴射手段がシリンダ軸方向に対して斜めに燃料噴射を行う旨の技術が開示されている。しかし、燃料を斜め方向に噴射した場合、燃料がシリンダ内周壁面上の潤滑油を洗い流すことにより、その部分だけ潤滑性が低下し、シリンダ内周面の偏摩耗やこれに起因して圧縮漏れ等の機能障害が発生するという不具合を有する。
【００１３】
次に、特開平６−４２３５２号公報の内燃機関の燃焼室構造では、点火プラグは燃焼室頭頂部のほぼ中央で真下に向けて設置され、この点火プラグの着火部分は、噴射手段の噴射領域内に配置されている。しかし、この従来例は、ピストンの上面に当って反射した燃料に対して点火するよりも、噴射した燃料の後端側に着火し、着火後の濃混合気が燃焼室中央に向かい、燃焼室中央位置にて燃焼を行うようにすることを主眼としている。
【００１４】
しかし、この方法では、低噴射領域においては良好な成層燃焼を得ることができるが、噴射量が増大していく状況では、スモークの発生を抑制することが困難となる。
【００１５】
本発明は、上記種々の従来技術における課題を解決するためになされたものであり、その目的はエンジンの種々の動作状態においてピストン上面での燃料の反射を利用して常に良好な成層燃焼を確保することのできる簡単な構成の筒内噴射式エンジンを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る筒内噴射式エンジンは、ペントルーフ型、すなわち切妻屋根型に形成された燃焼室天井部を有するシリンダヘッドと、平面を基本形状とするピストンヘッドを有するピストンと、ペントルーフ型の燃焼室天井部の中央寄り位置から所定タイミングでシリンダ軸方向に燃料を噴射するインジェクタを有する。
【００１７】
そして、ピストンヘッドには、インジェクタの噴射方向中心軸とほぼ同軸上の位置を中心点として略真円形状に開口した凹陥部であるキャビティが設けられている。また、燃焼室天井部の吸気側には燃焼室内へシリンダ軸方向に対して斜め方向に突出して設けられ、ピストンが上死点にある際にキャビティの内方上部位置でかつキャビティの中心から吸気側へ偏位した位置に着火部を有する点火プラグが設けられている。
【００１８】
そして、キャビティは、その中央部が燃焼室天井部側に突出して略円柱形状をなしかつ頂上に着火部側に傾斜した傾斜面を有する凸起部と、凸起部の周縁部に縦断面形状が略円弧形状をなすように凹設された円周溝部とを有する。
【００１９】
上記構成を有する筒内噴射式エンジンによれば、成層燃焼を行う中・低負荷運転領域のエンジン圧縮行程においては、シリンダヘッド側に上昇してきたピストンが上死点の手前所定位置に到達した際に、インジェクタから燃料が噴射され、噴射された燃料（以下、単に「噴射燃料」という）は、キャビティに向かって広がっていき、キャビティ内で受け止められ、反射、這い回り、跳ね上がりにより拡散する。
【００２０】
ここで、噴射燃料は、凸起部の周縁部に形成された断面略円弧形状をなす円周溝部によって上方へ反射され、その際に噴射燃料の反射前の噴射形状が崩壊して、キャビティ内及びその上方位置にピストンヘッドとほぼ平行な渦輪が生成される。そして、この渦輪を保持しながら略ドーナッツリング形状の混合気が形成される。
【００２１】
特に燃料噴射量の調整は、点火プラグの着火部にかかる渦輪の大きさ（太さ）によって行われ、例えば、中負荷運転等の燃料噴射量が多い場合は、キャビティ内部及びその上方に大きな渦輪状の噴霧が広がり、拡散体積は広いが均質な成層混合気が形成される。また、アイドリング等の燃料噴射量が少ない場合は、小さな渦輪が形成され、その一部の噴霧が確実に着火部にかかる。
【００２２】
したがって、点火プラグの着火部周辺に着火可能な成層混合気を適切な時期で導くことができ、安定した着火性を得ることができる。
【００２３】
このように、噴霧の拡散が相似的に行われることで、噴霧燃料のシリンダ内周壁面側への拡散を防止することができ、燃料の拡散する方向及び広がりが適正に制御され、火炎伝播が不可能な混合気のちぎれ、オーバーリーン領域の発生がなく、急速な燃焼が得られ、パーシャルバーン発生を防止することができる。
【００２４】
したがって、広い運転領域で良好な着火性、及び燃焼安定性を得ることができ、その結果、良好な運転性、ＨＣの低減、燃費の向上を図ることができる。そして、キャビティ以外にも燃焼室空間を有していることから、圧縮比は高くならず、レギュラーガソリンを使用することができる。
【００２５】
また、燃料をシリンダ軸方向にピストンに向かって噴射するので、噴射燃料の一部が直接シリンダの内周壁面に衝突することによって生じる冷却作用による燃焼の悪化や、プラグのくすぶり、シリンダとピストンとの間の潤滑性の悪化を防止することができる。
【００２８】
特に、凸起部が頂上に着火部側に傾斜した傾斜面を有する略円柱形状をなしているので、インジェクタによる燃料噴射の開始時に発生する先走りの粗粒である噴霧燃料の先端粗粒を傾斜面に衝突させて、点火プラグ側に導き、着火部近傍位置に着火可能な混合気を最適な時期で導くことができる。
【００２９】
また、キャビティ内に噴射された燃料は、噴霧形状がきれいなドーナッツリング形状に形成され、安定した火炎伝播が行われる。また、噴霧の拡散が主にドーナッツリングの太さの変化によって行われることで適正に制御され、火炎伝播が不可能な混合気のちぎれ、オーバーリーン領域の発生が無く、急速な燃焼が得られ、パーシャルバーン発生を防ぐことができる。
【００３０】
そして、一般的に有用でない先端粗粒を積極的かつ有効的に利用して着火性を確保するので、スモークの発生やＨＣの増加を抑制しつつ、リーン限界が高く着火性の良好な安定した成層燃焼を得ることができる。
【００３１】
請求項２にかかる筒内噴射式エンジンによれば、ペントルーフ型に形成された燃焼室天井部を有するシリンダヘッドと、燃焼室天井部の中央寄り位置に配置され、所定タイミングでシリンダ軸方向に燃料を噴射するインジェクタと、平面を基本形状とするピストンヘッドを有するピストンと、ピストンヘッドに凹設されてインジェクタの噴射中心軸とほぼ同軸上の位置に開口したキャビティと、燃焼室天井部の吸気側から燃焼室内へシリンダ軸方向に対して斜め方向に突出して設けられ、ピストンが略上死点位置にある際にキャビティの内方上部位置でかつキャビティの中心から吸気側へ偏位した位置に着火部を有する点火プラグと、を具備し、キャビティは、インジェクタの噴射中心軸を間に介して点火プラグと対向する側でキャビティに沿ってピストンヘッドから燃焼室天井部に向けて燃焼室天井部の形状に対応して突出しかつピストンの上死点位置において点火プラグ側にキャビティを開放させる周壁部を備えている。
【００３２】
したがって、点火プラグ側以外の方向への燃料の拡散を抑制して、点火プラグ側に向かって積極的に拡散させることができる。
【００３３】
請求項３の発明は、請求項２にかかる筒内噴射式エンジンにおいて、キャビティが、キャビティの中央部から燃焼室天井部側に突出した凸起部と、凸起部の周縁部に縦断面形状が略円弧形状をなすように凹設された円周溝部と、を有することを特徴とする。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態を説明するための参考例１である筒内噴射式エンジン１０を概略的に説明する断面説明図であり、図２は、図１のピストン１８の上面図である。
【００３５】
筒内噴射式エンジン１０は、図１に示したように、ペントルーフ型の燃焼室天井部（以下、単に「天井部」という）１２を有するシリンダヘッド１４と、ピストンヘッド１６が基本的に平面形状であるいわゆるフラット型のピストン１８と、ピストン１８が往復動可能に嵌挿されるシリンダ２０を有するシリンダ部２２とを基本的な構成要素としている。
【００３６】
天井部１２は、図１に示したように、頂部より対向して漸次拡開する２つの斜面部１２ａ、１２ｂを有しており、全体として切妻屋根形に似た形状をなしている。斜面部１２ａには、シリンダヘッド１４に設けられた吸気ポート（図示せず）と燃焼室２４との間を連通・遮断する吸気バルブ（図示せず）が２個設けられている。また、斜面部１２ｂには、排気ポート（図示せず）と燃焼室２４との間を連通・遮断する排気バルブ（図示せず）が２個設けられている。以下、説明の便宜上、吸気バルブ側を吸気ＩＮ側、排気バルブ側を排気ＥＸ側という。
【００３７】
点火プラグ３０は、シリンダヘッド１４の吸気ＩＮ側に設けられ、図１に示したように、シリンダ２０の軸方向に対して傾斜して、一方端部が燃焼室２４内に突出するように設けられている。
【００３８】
また、点火プラグ３０は、燃焼室２４側に突出した一方端部に着火部である電極部３２を有しており、電極部３２は燃焼室２４内でシリンダ２０のほぼ中心軸線２１上若しくは若干吸気ＩＮ側に偏位した位置となるように配置されている。
【００３９】
また、天井部１２のほぼ中心上方位置には、インジェクタ３４が設けられている。インジェクタ３４は、燃料ｆをシリンダ２０の軸方向ピストンヘッド１６側に向けて噴射し、噴射中心軸３５は、シリンダ２０の中心軸線２１よりも排気ＥＸ側に所定距離だけオフセットした位置となるように設定されている。そして、インジェクタ３４による燃料の噴射形状は噴射中心軸３５を中心として漸次広がる略円すい中空形状を形成する。
【００４０】
噴射燃料の略円すい中空形状は、例えば噴射の広がり角を４０度〜８０度程度とする噴射角を設定し、燃料ｆに回転成分を与えつつ噴射することにより容易に形成することができる。具体的には、スワールノズルを用いたインジェクタ３４によるホローコーン噴霧により形成することができる。
【００４１】
そして、吸気バルブを介して燃焼室２４と連通・遮断される吸気ポート（図示せず）の形状により、燃焼室２４内にはスワールガス流動が生じるように構成されている。
【００４２】
ピストン１８は、図１に示したように、ピストンヘッド１６の形状をシリンダ中心軸線２１と直交する平面形状を基本としている。そして、ピストンヘッド１６には、図２に示したように、噴射中心軸線３５上の位置を中心とした略真円形の開口部３９を有して凹窩するキャビティ３６が設けられている。
【００４３】
キャビティ３６は、キャビティ３６の中央部分に所定の曲率半径を有しシリンダヘッド側に突出する凸球面形状をなした凸起部３８と、凸起部の周縁部分にシリンダヘッド１４と対向して断面略円弧状に凹窩した円周溝部４０とを有している。凸起部３８と円周溝部４０とは、滑らかな曲面により連続的に接続されており、縦断面形状がいわゆるトロイダル型をなしている。
【００４４】
開口部３９の開口径ｄは、シリンダ２０の径Ｄに対して３０〜７０％程度の大きさに設定され、キャビティ３６の深さは、最深部でシリンダ２０の径Ｄの１５％程度迄を限界として設定されている。
【００４５】
点火プラグ３０の電極部３２は、ピストン１８が上死点近傍位置の際に、キャビティ３６内上方でかつキャビティ３６の中心から吸気ＩＮ側へ若干オフセットした位置となるようにセッティングされており、本参考例１では、シリンダ２０のほぼ中心軸線２１上に位置している。
【００４６】
インジェクタ３４の噴射広がり角の設定は、ピストン１８が上下動作時における所定タイミング（略上死点近傍位置）においてキャビティ３６内に噴射範囲がおさまるように設定されている。
【００４７】
上記構成を有する筒内噴射式エンジンによれば、インジェクタ３４より噴射された略円錐中空形状の燃料ｆは、キャビティ３６内部の凸起部３８及び円周溝部４０に衝突し、略円錐中空形状が崩壊し、反射、這い回り、跳ね上がり等の諸動作により拡散する。
【００４８】
この拡散においては、燃料の噴霧がキャビティ３６のほぼ真上からなされ、かつキャビティ３６の凸起部３８が凸球面形状をなし、円周溝部４０がシリンダヘッド１４と対向する断面円弧形状に凹設されているので、燃焼室２４内に所定の太さを有して渦巻く噴霧燃料の渦輪を生成し、噴霧燃料はその渦輪形状を保持しながら拡散する。ここで、燃焼室２４内にはスワールガス流動が存在しているので、拡散した噴霧燃料は円周方向に均質化されかつその形状を確実に維持することができる。
【００４９】
そして、その渦輪形状を維持しながら拡散した噴霧燃料は、その一部が電極部３２にかかる成層混合気を形成し、電極部３２の周辺に着火性の良い最適な混合気を形成することとなる。
【００５０】
すなわち、キャビティ３６内に噴霧された燃料は、キャビティ３６の凹窩形状により、シリンダ壁側には拡散し難く、電極部３２にその一部が確実に掛かるものである。
【００５１】
次に、参考例１における筒内噴射式エンジン１０の基本的な作用について説明する。筒内噴射式エンジン１０は、低・中負荷運転時において成層燃焼を行い、高負荷運転時には均一燃焼を行うように、燃焼噴射量、噴射タイミング、点火時期が制御される。
【００５２】
高負荷運転時に行われる均一燃焼は、燃料を燃焼室２４内に吸気行程時に噴射するもので、吸気行程時に吸気ポート内に燃料を噴射する従来のエンジンとほぼ同様の動作であるのでその詳細な説明を省略し、ここでは、低・中負荷運転時における成層燃焼について説明する。
【００５３】
まず最初に、圧縮行程において、ピストン１８が所定位置まで上昇した時点でインジェクタ３４から燃料ｆがホローコーン形状に所定噴射量だけ噴射される。そして、燃料ｆは、更に上昇を続けるピストン１８のキャビティ３６にて受け止められ、キャビティ３６内で反射、這い回り、跳ね上がりなどにより拡散するが、その拡散は、凸球面形状をなした凸起部３８から断面円弧形状をなした円周溝部４０への流れで、円周溝部４０の内方側あるいは外方側へ巻き込まれるように回転する所定の太さを有して渦巻いた渦輪を生成し、その渦輪形状を保持しながら相似的に拡散して、成層混合気を形成する。
【００５４】
この際、燃料噴射量が多い場合は、キャビティ３６及びその上部範囲にて太い渦輪状の噴霧が広がり、拡散体積が広く均質に拡散した成層混合気が形成され、アイドリング等の燃料噴射量が少ない場合は、細い渦輪状の成層混合気が形成される。したがって、成層混合気の一部は、必ず電極部３２にかかり、電極部３２の周辺に、着火性が向上しかつ成層燃焼に適した良好な混合気を形成することができる。
【００５５】
このように、噴霧燃料の拡散が渦輪形状をなして相似的に行われることで、拡散方向を適正に制御することができる。また、シリンダ内のスワールガス流動の作用によって渦輪の円周方向における混合気の均質化を図ることもできる。
【００５６】
したがって、火炎伝播が不可能な混合気のちぎれやオーバーリーン領域の発生を防止することができ、全体としてリーンな空燃比で適切かつ急速な燃焼を得ることができ、パーシャルバーンの発生を防止することができる。
【００５７】
これにより、低・中負荷運転領域の広い運転領域で上記のような良好な成層燃焼を得ることができ、その結果として良好な運転性、ＨＣの低減、ＮＯｘの低減さらに燃費の向上も達成することができる。また、燃焼室２４は、キャビティ３６以外にも燃焼空間を有していることから、圧縮比は高くならず、通常の燃料、いわゆるレギュラーガソリンを使用することができる。
【００５８】
また、噴霧された燃料ｆは、その噴射方向及びキャビティ３６の作用によってシリンダ２０側には拡散しにくいために燃料ｆのシリンダ２０への付着を防止でき、潤滑性の低下や、ピストン動作における機能障害の発生も有効に防止することができる。
【００５９】
次に、本発明の実施の形態を説明するための参考例２について以下に説明する。図３は、参考例２の断面説明図であり、図４は、参考例２に用いられるピストン１８の上面説明図である。図中において、参考例１と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００６０】
本参考例２において上述の参考例１と異なる構成は、キャビティ３６の凹窩形状にある。すなわち、凸起部３８は、その中心部分がシリンダヘッド側に尖った尖形部４２を有しており、尖形部４２から円周溝部４０へ移行するにしたがって漸次拡径し、縦断面形状が凹状に湾曲する曲線を形成している。そして、円周溝部４０は、凸起部３８からピストンヘッドまで滑らかに連続して凹状に湾曲しており、縦断面形状が略円弧状をなしている。
【００６１】
したがって、インジェクタ３４からキャビティ３６に向かって噴射された噴射燃料は、上記参考例１と同様に、キャビティ３６内にて反射、這い回り、跳ね上がりなどの動作を行い拡散し、渦輪形状を維持した成層混合気を形成する。
【００６２】
この際に、尖形部４２の尖った形状が渦輪の中心部分に確実に穴を開けるような作用を有することから、明確な輪形状をなした成層混合気を形成することができる。これにより、キャビティ３６上方に、中心部分で過剰に希薄ではなくリーン限界は参考例１と比較してやや低いが着火性の良好な成層混合気を形成することができ、安定した成層燃焼を得ることができる。
【００６３】
次に、本発明の第１の実施の形態について以下に説明する。図５は、第１の実施の形態の断面説明図であり、図６は、第１の実施の形態に用いられるピストン１８の上面説明図である。図中において、参考例１と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。本実施の形態において上述の参考例１と異なる特徴的構成は、キャビティ３６の開口部３９の形状及びキャビティ３６の凹窩形状にある。
【００６４】
開口部３９の形状は、図６に示したように、排気ＥＸ側が半円弧形状をなし、吸気ＩＮ側が、点火プラグ３０側に突出した小径の円弧を有する略たまご型形状をなしている。すなわち、開口部３９の排気ＥＸ側は、噴射中心軸３５とほぼ同軸上の位置を中心とする略半円弧形状をなしている。
【００６５】
また、吸気ＩＮ側は、排気ＥＸ側から連続して排気ＥＸ側よりも大きい円弧部分を介して吸気ＩＮ側へ延出し、吸気ＩＮ側端部に排気ＥＸ側よりも小さい円弧形状の端部を有している。そして、開口部３９の中央には、噴射中心軸３５を中心とする略真円形状の粗粒反射部（後述）が設けられている。
【００６６】
キャビティ３６の凹窩形状は、図５に示したように、凸起部３８が略円柱形状をなしており、頂上には、天井部１２の斜面部１２ａと対向するように傾斜している粗粒反射部４４を有している。粗粒反射部４４は、ピストン１８の上方でかつ吸気バルブ側の位置を中心として所定の曲率半径ｒ1 で湾曲する凹曲面形状をなしており、インジェクタ３４の燃料噴射の開始時に発生した先走りの粗粒を電極部３２に集中して反射させる作用を有する。
【００６７】
そして、円周溝部４０は、縦断面が略半円状の凹曲面形状をなしており、排気ＥＸ側の凹曲面形状の大きさは周方向に一定であるが、吸気ＩＮ側は噴射中心軸３５から吸気ＩＮ側へ周方向に移行するにしたがって、漸次その径が大きくなるように形成されている。
【００６８】
また、点火プラグ３０の電極部３２は、キャビティ３６内方の吸気ＩＮ側上部に位置し、インジェクタ３４から噴射された燃料が直接かからない位置に配置されている。
【００６９】
したがって、インジェクタ３４からキャビティ３６に向かって噴射された噴射燃料は、上記参考例１と同様に、キャビティ３６内にて反射、這い回り、跳ね上がりなどの動作を行い拡散し、渦輪形状を維持した成層混合気を形成する。
【００７０】
その際に、粗粒反射面４４は、先端粗粒を点火プラグ３０側に反射させて、電極部３２近傍位置に導くことによって、着火性の向上を図ることができる。また、円周溝部４０は、その凹曲面形状により噴霧燃料ｆをきれいなドーナッツリング形状の渦輪に生成し、混合気の燃焼の際に安定した火炎伝播を確保することができる。
【００７１】
したがって、一般的に有用でない先端粗粒を有効に利用して着火性を確保することができ、その結果、スモークの発生やＨＣの増加を抑制しつつ、リーン限界が高く着火性の良好な安定した成層燃焼を得ることができる。
【００７２】
次に、本発明の第２の実施の形態について以下に説明する。図７は、第２の実施の形態の断面説明図であり、図８は、第２の実施の形態に用いられるピストン１８の上面説明図である。図中において、参考例１と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００７３】
本実施の形態において特徴的なことは、ピストン１８の形状にある。すなわち、参考例１におけるピストン１８のキャビティ３６の外周に、ピストンヘッド１６から天井部１２に向けて突出し、かつピストン１８が上死点近傍位置に上昇した位置で点火プラグ３０側に積極的に燃料の拡散を行う周壁部５４が設けられていることである。
【００７４】
周壁部５４は、図示したように、高さ方向の形状が天井部１４の形状と対応するように形成され、周壁部５４の大きさは、ピストン１８が上死点の際に燃焼室２４内に収容されかつ吸気バルブと排気バルブが突出開弁した際の干渉を防止するバルブリセスを考慮した大きさに設定されている。
【００７５】
したがって、上記構成によれば、ピストン１８が上死点の際には、キャビティ１６は電極部３２側に向けて大きく開放することとなり、その作用効果は、上述の参考例１の作用の他に、電極部３２以外の方向への燃料の拡散をさらに抑制することができる。
【００７６】
なお、本実施の形態は、上記のキャビティ３６の形状に限られるものではなく、他の実施の形態のキャビティ３６の形状、例えば参考例２及び第１の実施の形態のキャビティ３６の形状にも用いることができ、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
以上説明した、上記各実施の形態は、燃焼室２４にスワール流のガス流動が存する場合について説明したが、ガス流動を発生させなくても良い。また、ガス流動を発生させた場合、ガス流動はスワール流に限定されるものではなく、スワールガス流動の他に若干のタンブル流を生じさせるように吸気系を構成した場合にも応用することができる。
【００７８】
タンブルガス流動の場合、タンブル方向は、正方向でタンブル比は最大でもおよそ１．０程度とすると良い。これにより、混合気は基本的には渦輪形状を維持したまま点火プラグ３０側に誘導され、その一部が確実に電極部３２にかかることとなる。
【００７９】
したがって、燃焼室２４内において若干点火プラグ３０側に偏位したドーナツ状の適度な成層混合気が形成され、上述の実施の形態のように全体としてリーンな空燃比での成層燃焼に適した混合気状態を得ることができる。この実施の形態によるその他の作用効果については上述の各実施の形態と同様でありその説明を省略する。
【００８０】
なお、本発明は、上述の各実施の形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上述の各実施の形態ではピストン１８に設けられたキャビティ３６の凹窩形状について種々説明したが、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、凸起部と円周溝部との共働によって燃焼室２４内において成層混合気を略ドーナッツリング形状に形成させることのできる形状であれば種々の形状を採用することが可能である。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る筒内噴射式エンジンによれば、エンジンの燃焼室内に略ドーナッツリング形状の成層混合気を適切に形成することができる。すなわち、広い運転領域において、成層燃焼を実施するのに適した混合気の状態を全体としてリーンな空燃比を確保しつつ達成することができる。これにより、排気ミッションの向上、運転性の向上さらには燃費の向上にも貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明するための参考例１である筒内噴射式エンジンを概略的に示す断面説明図である。
【図２】図１のピストンの上面説明図である。
【図３】本発明の実施の形態を説明するための参考例２である筒内噴射式エンジンを概略的に示す断面説明図である。
【図４】図３のピストンの上面説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における筒内噴射式エンジンを概略的に説明する断面説明図である。
【図６】図５のピストンの上面説明図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における筒内噴射式エンジンを概略的に説明する断面説明図である。
【図８】図７のピストンの上面説明図である。
【符号の説明】
１２ 燃焼室天井部
１４ シリンダヘッド
１６ ピストンヘッド
１８ ピストン
２０ シリンダ
２２ シリンダ部
２４ 燃焼室
３０ 点火プラグ
３２ 電極部（着火部）
３４ インジェクタ
３６ キャビティ
ｆ 燃料
【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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